JP4156461B2 - 圧電磁器組成物及びその製造方法並びに圧電素子 - Google Patents

Description

本発明は，組成物中に鉛を含有しない圧電磁器組成物及びその製造方法，並びに該圧電磁器組成物を材料とする圧電素子に関する。

従来より，圧電磁器組成物としては，鉛を含んだＰＺＴ（ＰｂＴｉＯ₃−ＰｂＺｒＯ₃）成分系磁器が用いられてきた。上記ＰＺＴは，大きな圧電性を示し，かつ長期安定性に優れた高い機械的品質係数を有しており，センサ，アクチュエータ，フィルター等の各用途に要求される様々な特性の材料を容易に作製できるからである。
また，上記ＰＺＴは高い比誘電率を有するため，コンデンサ等としても利用することができる。

ところが，上記ＰＺＴから成る圧電磁器組成物は，優れた特性を有する一方で，その構成元素に鉛を含んでいるため，ＰＺＴを含んだ製品の産業廃棄物から有害な鉛が溶出し，環境汚染を引き起こすおそれがあった。そして，近年の環境問題に対する意識の高まりは，ＰＺＴのように環境汚染の原因となりうる製品の製造を困難にしてきた。そのため，組成中に鉛を含有しない圧電磁器組成物の開発が求められ，一般式（Ｋ_1-xＮａ_x）ＮｂＯ₃（但し，０＜ｘ＜１）で表される圧電磁器組成物（非特許文献１参照）が注目されてきた。

しかしながら，上記一般式（Ｋ_1-xＮａ_x）ＮｂＯ₃（但し，０＜ｘ＜１）で表される圧電磁器組成物は焼成が困難であるため，ホットプレス焼成を行う必要がある。そのため，製造コストが高くなるという問題があった。
さらに，上記一般式で表される圧電磁器組成物には，圧電ｄ₃₁定数，電気機械結合係数Ｋｐ及びキュリー温度Ｔｃ等の特性が低いという問題があった。そのため，例えば高い圧電定数ｄ₃₁定数，電気機械結合係数Ｋｐを必要とする圧電アクチュエータ，圧電フィルター，圧電振動子，圧電トランス，圧電超音波モータ，圧電ジャイロセンサ，ノックセンサ，ヨーレートセンサ，エアバッグセンサ，バックソナー，コーナーソナー，圧電ブザー，圧電スピーカー，圧電着火器等の圧電素子への適用が困難であった。また，キュリー温度Ｔｃが低いため，高温度環境下における圧電特性が劣化するという問題があった。
"Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｓｏｃｉｅｔｙ"，米国，１９６２，Ｖｏｌ．４５，Ｎｏ．５，ｐ．２０９

本発明は，かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので，鉛を含まず，常圧にて焼成が可能であり，圧電ｄ₃₁定数等の圧電磁器組成物特有の特性のうち少なくとも１つが従来より優れた圧電磁器組成物及びその製造方法，並びに該圧電磁器組成物を利用した圧電素子を提供しようとするものである。

第１の発明は，一般式｛Ｌｉ_x（Ｋ_1-yＮａ_y）_1-x｝_a（Ｎｂ_1-z-wＴａ_zＳｂ_w）_bＯ₃で表され，かつｘ，ｙ，ｚ，ｗ，ａ，ｂがそれぞれ０＜ｘ≦０．２，０＜ｙ≦１，０＜ｚ≦０．４，０．０６≦ｗ≦０．２，０．９５≦ａ，ｂ≦１．０５の組成範囲にあることを特徴とする圧電磁器組成物にある（請求項１）。

上記第１の発明の圧電磁器組成物は，上記の一般式｛Ｌｉ_x（Ｋ_1-yＮａ_y）_1-x｝ _a （Ｎｂ_1-z-wＴａ_zＳｂ_w） _b Ｏ₃で表されるように，組成物中に鉛を含有していない。
そのため，上記圧電磁器組成物は，該圧電磁器組成物の廃棄物等から有害な鉛が自然界に流出することがなく，安全である。

また，上記圧電磁器組成物は，上記の一般式におけるｘ，ｙ，ｚ，ｗがそれぞれ上記の範囲にある。そのため，上記圧電磁器組成物は，圧電ｄ₃₁定数，電気機械結合係数Ｋｐ，圧電ｇ₃₁定数，比誘電率ε_33T／ε₀，誘電損失ｔａｎδ，キュリー温度Ｔｃのいずれか１つ以上が優れたものとなる。

また，上記圧電磁器組成物は，上記の一般式におけるｚの範囲が０＜ｚ≦０．４，かつｗの範囲が０．０６≦ｗ≦０．２であり，Ｔａ及びＳｂを必須成分として含有している。そのため，上記圧電磁器組成物は焼成時に緻密化し易く，常圧下での焼成によっても充分に緻密化することができる。これは，Ｔａ及びＳｂを上記の範囲内において必須成分とすることにより，焼成温度が低下すると共に，Ｔａ及びＳｂが焼成助剤の役割を果たし，空孔の少ない焼成を可能とするからである。そのため，従来のようにホットプレス焼成を行う必要がなく簡単かつ低コストに上記圧電磁器組成物を作製できる。また，上記圧電磁器組成物の誘電損失ｔａｎδの安定性を向上させることができる。

このように，上記圧電磁器組成物は，環境に対して安全で，常圧にて焼成が可能であり，かつ高性能な圧電素子又は誘電素子等の材料として利用することができる。
なお，上記第１の発明における圧電磁器組成物は，圧電特性を有する磁器組成物に限らず，誘電特性を有する誘電磁器組成物をも含む概念である。

第２の発明は，一般式｛Ｌｉ_x（Ｋ_1-yＮａ_y）_1-x｝_a（Ｎｂ_1-z-wＴａ_zＳｂ_w）_bＯ₃で表され，かつｘ，ｙ，ｚ，ｗ，ａ，ｂがそれぞれ０＜ｘ≦０．２，０＜ｙ≦１，０＜ｚ≦０．４，０．０６≦ｗ≦０．２，０．９５≦ａ，ｂ≦１．０５の組成範囲にある組成物よりなる粉末を成形し，焼成することを特徴とする圧電磁器組成物の製造方法にある（請求項８）。

上記組成物よりなる粉末を用いて成形した成形体は，常圧下にて焼成することができる。そのため，簡単かつ低コストにて焼成を行うことができる。そして，上記焼成後に得られる圧電磁器組成物は，鉛を含有せず，圧電ｄ₃₁定数等の圧電磁器組成物特有の特性に優れたものとなる。そのため，高性能な圧電素子又は誘電素子等の材料として利用することができる。

第３の発明は，リチウムを含有してなる化合物と，ナトリウムを含有してなる化合物と，カリウムを含有してなる化合物と，ニオブを含有してなる化合物と，タンタルを含有してなる化合物と，アンチモンを含有してなる化合物とを混合，焼成することにより上記第１の発明の圧電磁器組成物を得ることを特徴とする圧電磁器組成物の製造方法にある（請求項９）。

上記第３の発明においては，上記のごとく，リチウムを含有してなる化合物と，ナトリウムを含有してなる化合物と，カリウムを含有してなる化合物と，ニオブを含有してなる化合物と，アンチモンを含有してなる化合物とを混合，焼成する。
これにより上記第１の発明の圧電磁器組成物を容易に得ることができる。

また，上記焼成時には，常圧下にて上記圧電磁器組成物を焼成することができる。そして，上記焼成後に得られる圧電磁器組成物は，鉛を含有せず，圧電ｄ₃₁定数等の圧電磁器組成物特有の特性に優れたものとなる。そのため，高性能な圧電素子又は誘電素子等の材料として利用することができる。

第４の発明は，第１の発明の圧電磁器組成物を有することを特徴とする圧電素子にある（請求項１１）。

上記第４の発明の圧電素子は，第１の発明（請求項１）の圧電磁器組成物を有している。そのため，上記圧電素子は，鉛を含有せず，環境に対して安全である。
また，上記圧電素子は，上記圧電磁器組成物が有する，圧電ｄ₃₁定数等の圧電磁器組成物特有の特性が優れるという性質をそのまま利用することができる。そのため，上記圧電素子は，感度の高い圧電センサ素子，高い電気機械エネルギー変換効率を有する圧電振動子及びアクチュエータ素子等の優れた圧電素子として利用することができる。

本発明において，上記圧電磁器組成物は，一般式｛Ｌｉ_x（Ｋ_1-yＮａ_y）_1-x｝_a（Ｎｂ_1-z-wＴａ_zＳｂ_w）_bＯ₃で表され，かつｘ，ｙ，ｚ，ｗ，ａ，ｂがそれぞれ０＜ｘ≦０．２，０＜ｙ≦１，０＜ｚ≦０．４，０．０６≦ｗ≦０．２，０．９５≦ａ，ｂ≦１．０５の組成範囲にある。
ここで，ｘ＞０．２，ｚ＞０．４，ｗ＞０．２，ｚ＝０，又はｗ＝０の場合には，上記圧電ｄ₃₁定数等の圧電磁器組成物に特有の特性が低下し，所望の特性を有する圧電磁器組成物を得ることができないおそれがある。

上記圧電磁器組成物は，上記のごとく，ペロブスカイト構造（ＡＢＯ₃）の化合物を主成分としている。本発明において，上記ペロブスカイト構造（ＡＢＯ₃）におけるＡサイトの元素構成は，Ｋ，Ｎａ乃至はＫ，Ｎａ，Ｌｉに相当し，Ｂサイトの元素構成は，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂに相当する。このペロブスカイト構造の組成式においては，Ａサイトを構成する原子とＢサイト構成する原子が１：１となる化学量論比のとき，完全なペロブスカイト構造となるが，上記圧電磁器組成物の場合には，特にＫ，Ｎａ，Ｌｉ，Ｓｂが焼成工程等で数％，具体的には３％程度揮発したり，また全構成元素が混合粉砕や造粒工程等にて数％，具体的には３％程度変動することがある。即ち，製法のバラツキにより，化学量論組成からの変動が起こる場合がある。

このような製造工程上の組成変動への対応として，意図的に配合組成比を変えることにより，焼成後の圧電磁器組成物の組成比を，±数％，より具体的には±３〜５％程度変動させることができる。このことは，例えば従来のチタン酸ジルコン酸塩（ＰＺＴ）の場合でも同様であり，焼成時の鉛の蒸発や，粉砕メディアであるジルコニアボールからのジルコニアの混入を考慮して配合比を調整することができる。

本発明の圧電磁器組成物においては，上記のように意図的に配合組成比を変えても，圧電特性等の電気的特性は大きく変化しない。
したがって，本発明においては，上記一般式｛Ｌｉ_x（Ｋ_1-yＮａ_y）_1-x｝ _a （Ｎｂ_1-z-wＴａ_zＳｂ_w） _b Ｏ₃で表される化合物は，これをペロブスカイト構造の組成式ＡＢＯ₃にあてはめたときに，Ａサイト原子とＢサイト原子の構成比を１：１に対してそれぞれ±５モル％程度までずれた構成比とすることができる。なお，構成される結晶中の格子欠陥をより少なくし，高い電気的特性を得るためには，好ましくは±３％程度までの組成がよい。
即ち，上記圧電磁器組成物の主成分としての上記一般式で表される化合物は，｛Ｌｉ_x（Ｋ_1-yＮａ_y）_1-x｝ _a （Ｎｂ_1-z-wＴａ_zＳｂ_w） _b Ｏ₃（０≦ｘ≦０．２，０≦ｙ≦１，０＜ｚ≦０．４，０＜ｗ≦０．２，０．９５≦ａ，ｂ≦１．０５）となる範囲を含むものである。また，上述のごとく，上記の式において，ａ及びｂの範囲は０．９７≦ａ，ｂ≦１．０３であることが好ましい。

また，上記一般式｛Ｌｉ_x（Ｋ_1-yＮａ_y）_1-x｝ _a （Ｎｂ_1-z-wＴａ_zＳｂ_w） _b Ｏ₃において，
ｚ＋ｗ≦０．３７であることが好ましい。
この場合には，上記圧電ｄ₃₁定数等の圧電磁器組成物に特有の特性を一層向上させることができる。

上記圧電磁器組成物は圧電性及び誘電性を有し，圧電体としても誘電体としても用いることができる。具体的には，例えば圧電アクチュエータ，圧電フィルター，圧電振動子，圧電トランス，圧電超音波モータ，圧電ジャイロセンサ，ノックセンサ，ヨーレートセンサ，エアバッグセンサ，バックソナー，コーナーソナー，圧電ブザー，圧電スピーカー，圧電着火器等として用いることができる。

上記第１の発明（請求項１）において，上記一般式｛Ｌｉ_x（Ｋ_1-yＮａ_y）_1-x｝_a（Ｎｂ_1-z-wＴａ_zＳｂ_w）_bＯ₃のｘの範囲は，０＜ｘ≦０．２であることが好ましい。
この場合には，Ｌｉが必須成分となるので，上記圧電磁器組成物は，焼成時の焼成体の作製を一層容易に行うことができると共に，圧電特性をより向上させ，キュリー温度を一層高くすることができる。これは，Ｌｉを上記の範囲内において必須成分とすることにより，焼成温度が低下すると共に，Ｌｉが焼成助剤の役割を果たし，空孔の少ない焼成を可能とするからである。

また，上記一般式｛Ｌｉ_x（Ｋ_1-yＮａ_y）_1-x｝_a（Ｎｂ_1-z-wＴａ_zＳｂ_w）_bＯ₃における上記ｙの範囲は，０＜ｙ≦１であることが好ましい。
この場合には，上記圧電磁器組成物の圧電ｇ₃₁定数をさらに向上させることができる。また，上記ｙの範囲は，０＜ｙ≦０．８５であることがより好ましく、０．０５≦ｙ≦０．７５であることがさらに好ましい。これらの場合には，上記圧電磁器組成物の圧電ｄ₃₁定数及び電気機械結合係数Ｋｐを一層向上させることができる。さらに一層好ましくは，０．０５≦ｙ＜０．７５がよく、さらには０．３５≦ｙ≦０．６５がよく、さらには０．３５≦ｙ＜０．６５がより好ましい。また，最も好ましくは，０．４２≦ｙ≦０．６０がよい。

次に，上記圧電磁器組成物は，圧電ｄ₃₁定数が３０ｐｍ／V以上であることが好ましい（請求項３）。
この場合には，上記３０ｐｍ／Ｖ以上という高い圧電ｄ₃₁定数を活かして，上記圧電磁器組成物を感度の高い圧電アクチュエータ，圧電フィルター，圧電振動子，圧電トランス，圧電超音波モータ，圧電ジャイロセンサ，ノックセンサ，ヨーレートセンサ，エアバッグセンサ，バックソナー，コーナーソナー，圧電ブザー，圧電スピーカー，圧電着火器等等として利用することができる。

上記圧電ｄ₃₁定数が３０ｐｍ／V未満の場合には，上記圧電磁器組成物を優れた感度を必要とする圧電素子に利用することができないおそれがある。
また，より感度の優れた圧電センサ特性又はより大きな圧電アクチュエータ特性を得るために，上記圧電ｄ₃₁定数は４０ｐｍ／Ｖ以上であることがより好ましい。さらに好ましくは８０ｐｍ／Ｖ以上がよい。さらに好ましくは，上記圧電ｄ₃₁定数は１００ｐｍ／Ｖ以上がよい。

次に，上記圧電磁器組成物は，圧電ｇ₃₁定数が７×１０^-3Vm／N以上であることが好ましい（請求項４）。
この場合には，上記７×１０^-3Ｖｍ／Ｎ以上という高い圧電ｇ₃₁定数を活かして，上記圧電磁器組成物を昇圧比の優れた圧電トランス，超音波モータ素子，センサ素子等として利用することができる。

上記圧電ｇ₃₁定数が７×１０^-3Vm／N未満の場合には，上記圧電磁器組成物を優れた昇圧比を必要とする圧電素子に利用することができないおそれがある。
また，さらに昇圧比の優れたものを得るために，上記圧電ｇ₃₁定数は１０×１０^-3Ｖｍ／Ｎ以上であることがより好ましい。

次に，上記圧電磁器組成物は，電気機械結合係数Ｋｐが０．３以上であることが好ましい。
この場合には，上記０．３以上という高い電気機械結合係数Ｋｐを活かして，上記圧電磁器組成物を機械エネルギーと電気エネルギーの変換効率に優れた圧電アクチュエータ，圧電フィルター，圧電振動子，圧電トランス，圧電超音波モータ，圧電ジャイロセンサ，ノックセンサ，ヨーレートセンサ，エアバッグセンサ，バックソナー，コーナーソナー，圧電ブザー，圧電スピーカー，圧電着火器等として利用することができる。

上記電気機械結合係数Ｋｐが０．３未満の場合には，上記圧電磁器組成物を，上記機械エネルギーと電気エネルギーの優れた変換効率を必要とする圧電素子に利用することができなくなるおそれがある。
また，機械エネルギーと電気エネルギーの変換効率がより一層優れたものを得るためには，上記電気機械結合係数Ｋｐは０．３４以上であることがより好ましい。さらに好ましくは０．４以上がよい。さらに好ましくは，上記電気機械結合係数Ｋｐは０．５以上がよい。

次に，上記圧電磁器組成物は，誘電損失が０．０９以下であることが好ましい。
この場合には，０．０９以下という低い誘電損失を活かして，上記圧電磁器組成物をコンデンサ等の誘電素子，圧電アクチュエータ，圧電フィルター，圧電振動子，圧電トランス，圧電超音波モータ，圧電ジャイロセンサ，ノックセンサ，ヨーレートセンサ，エアバッグセンサ，バックソナー，コーナーソナー，圧電ブザー，圧電スピーカー，圧電着火器等として利用することができる。

上記誘電損失が０．０９を超える場合には，上記圧電磁器組成物を上記コンデンサ等誘電素子，圧電トランス素子，超音波モータ素子等として利用することができないおそれがある。
また，上記誘電損失は０．０３５以下であることがより好ましい。

次に，上記圧電磁器組成物は，比誘電率が４００以上であることが好ましい。
この場合には，上記４００以上という高い比誘電率を活かして，上記圧電磁器組成物を静電容量の大きなコンデンサ等の誘電素子等として利用することができる。
上記比誘電率が４００未満の場合には，静電容量が低下し，上記圧電磁器組成物をコンデンサ等の誘電素子等として利用することができないおそれがある。
また，上記比誘電率は，４３０以上であることがより好ましい。さらに好ましくは，６００以上がよい。

次に，上記圧電磁器組成物は，キュリー温度Ｔｃが２００℃以上であることが好ましい（請求項２）。
この場合には，２００℃以上という高いキュリー温度Ｔｃを活かして，上記圧電磁器組成物を，例えば自動車のエンジン付近等のように１００℃を超える高温度の環境下にて利用することができる。
上記キュリー温度Ｔｃが２００℃未満の場合には，上記圧電磁器組成物を例えば自動車のエンジン付近のように高温の場所に用いると，その圧電ｄ₃₁定数や電気機械結合係数Ｋｐ等の特性が低下するおそれがある。
また，上記キュリー温度Ｔｃは２５０℃以上であることがより好ましい。

次に，上記圧電磁器組成物は，圧電ｄ₃₁定数が３０ｐｍ／Ｖ以上で，かつキュリー温度Ｔｃが２００℃以上であることが好ましい（請求項５）。
この場合には，温度１００℃を超える高温度環境下において，上記圧電磁器組成物を感度の高いセンサ素子，超音波モータ素子，アクチュエータ素子，圧電トランス素子，圧電振動子等として利用することができる。
また，より感度の優れた圧電センサ特性又はより大きな圧電アクチュエータ特性を得るために，上記圧電ｄ₃₁定数は４０ｐｍ／Ｖ以上であることが好ましい。さらに好ましくは８０ｐｍ／Ｖ以上がよい。さらに好ましくは，上記圧電ｄ₃₁定数は１００ｐｍ／Ｖ以上がよい。
また，上記キュリー温度Ｔｃは２５０℃以上であることがより好ましい。

次に，上記圧電磁器組成物は，圧電ｇ₃₁定数が７×１０^-3Ｖｍ／N以上で，かつキュリー温度Ｔｃが２００℃以上であることが好ましい（請求項６）。
この場合には，温度１００℃を超える高温度環境下において，上記圧電磁器組成物を昇圧比の優れた圧電トランス，超音波モータ素子，センサ素子等として利用することができる。
また，さらに昇圧比の優れたものを得るために，上記圧電ｇ₃₁定数は１０×１０^-3Ｖｍ／Ｎ以上であることがより好ましい。
また，上記キュリー温度Ｔｃは２５０℃以上であることがより好ましい。

次に，上記圧電磁器組成物は，電気機械結合係数Ｋｐが０．３以上で，かつキュリー温度Ｔｃが２００℃以上であることが好ましい。
この場合には，温度１００℃を超える高温度環境下において，上記圧電磁器組成物を機械エネルギーと電気エネルギーの変換効率に優れた圧電アクチュエータ素子，圧電振動子，センサ素子，圧電トランス素子，超音波モータ素子等として利用することができる。
また，機械エネルギーと電気エネルギーの変換効率がより一層優れたものを得るためには，上記電気機械結合係数Ｋｐは０．３４以上であることがより好ましい。さらに好ましくは，０．４以上がよい。
また，上記キュリー温度Ｔｃは２５０℃以上であることがより好ましい。

次に，上記圧電磁器組成物は，誘電損失が０．０９以下で，かつキュリー温度Ｔｃが２００℃以上であることが好ましい。
この場合には，温度１００℃を超える高温度環境下において，上記圧電磁器組成物をコンデンサ等の誘電素子，圧電トランス素子，超音波モータ素子，センサ素子等として利用することができる。
また，上記誘電損失は０．０３５以下であることがより好ましい。
また，上記キュリー温度Ｔｃは２５０℃以上であることがより好ましい。

次に，上記圧電磁器組成物は，圧電ｄ₃₁定数が３０ｐｍ／Ｖ以上で，かつ電気機械結合係数Ｋｐが０．３以上で，かつキュリー温度Ｔｃが２００℃以上であることが好ましい（請求項７）。
この場合には，上記圧電磁器組成物を，温度１００℃を超える高温度環境下において使用することができ，感度及び機械エネルギーと電気エネルギーの変換効率に優れたものとすることができる。
また，より感度の優れた圧電センサ特性，又はより大きな圧電アクチュエータ特性を得るために，上記圧電ｄ₃₁定数は４０ｐｍ／Ｖ以上であることがより好ましい。また，上記電気機械結合係数Ｋｐは，０．３４以上であることがより好ましい。

また，上記第３の発明（請求項９）において，上記リチウムを含有する化合物としては，例えばＬｉ₂ＣＯ₃，Ｌｉ₂Ｏ，ＬｉＮＯ₃，ＬｉＯＨ等がある。また，上記ナトリウムを含有する化合物としては，Ｎａ₂ＣＯ₃，ＮａＨＣＯ₃，ＮａＮＯ₃等がある。

また，上記カリウムを含有してなる化合物としては，Ｋ₂ＣＯ₃，ＫＮＯ₃，ＫＮｂＯ₃，ＫＴａＯ₃等がある。また，上記ニオブを含有してなる化合物としては，例えばＮｂ₂Ｏ₅，Ｎｂ₂Ｏ₃，ＮｂＯ₂等がある。また，上記タンタルを含有してなる化合物としては，Ｔａ₂Ｏ₅等がある。また，上記アンチモンを含有してなる化合物としては，例えばＳｂ₂Ｏ₅，Ｓｂ₂Ｏ₃，Ｓｂ₂Ｏ₄等がある。

次に，上記リチウムを含有する化合物はＬｉ₂ＣＯ₃であり，ナトリウムを含有してなる化合物はＮａ₂ＣＯ₃であり，カリウムを含有してなる化合物はＫ₂ＣＯ₃であり，ニオブを含有してなる化合物はＮｂ₂Ｏ₅であり，タンタルを含有してなる化合物はＴａ₂Ｏ₅であり，アンチモンを含有してなる化合物はＳｂ₂Ｏ₅またはＳｂ₂Ｏ₃であることが好ましい（請求項１０）。
この場合には，上記圧電磁器組成物を容易に作製することができる。

次に，上記第４の発明（請求項１１）において，上記圧電素子としては，例えば圧電アクチュエータ，圧電フィルター，圧電振動子，圧電トランス，圧電超音波モータ，圧電ジャイロセンサ，ノックセンサ，ヨーレートセンサ，エアバッグセンサ，バックソナー，コーナーソナー，圧電ブザー，圧電スピーカー，圧電着火器等がある。

（実施例）
次に，本発明の実施例にかかる圧電磁器組成物について説明する。
本例では，上記圧電磁器組成物を製造し，その特性を測定する。
本例の圧電磁器組成物は，一般式｛Ｌｉ_x（Ｋ_1-yＮａ_y）_1-x｝（Ｎｂ_1-z-wＴａ_zＳｂ_w）Ｏ₃で表され，かつｘ，ｙ，ｚ，ｗがそれぞれ０≦ｘ≦０．２，０≦ｙ≦１，０＜ｚ≦０．４，０＜ｗ≦０．２の組成範囲にある。

以下，本例の圧電磁器組成物の製造方法につき説明する。
まず，圧電磁器組成物の原料として，純度９９％以上の高純度のＬｉ₂ＣＯ₃，Ｎａ₂ＣＯ₃，Ｋ₂ＣＯ₃，Ｎｂ₂Ｏ₅，Ｔａ₂Ｏ₅，Ｓｂ₂Ｏ₅を準備した。
これらの原料を上記一般式｛Ｌｉ_x（Ｋ_1-yＮａ_y）_1-x｝（Ｎｂ_1-z-wＴａ_zＳｂ_w）Ｏ₃において，ｘ，ｙ，ｚ，ｗが０≦ｘ≦０．２，０≦ｙ≦１，０＜ｚ≦０．４，０＜ｗ≦０．２となるような化学量論比にて混合した。

ここで，後述する表１〜表６に示すごとく，ｘとしては，ｘ＝０，０．０１，０．０２，０．０３，０．０４，０．０６，０．０８，０．１０，０．１５，０．２０となるようにした。
また，ｙとしては，ｙ＝０，０．０５，０．１，０．２，０．３，０．４，０．４２，０．４４，０．４５，０．４６，０．４７，０．４８，０．４９，０．５，０．５１，０．５２，０．５３，０．５４，０．５５，０．５６，０．５８，０．６，０．７０，０．７５，０．８，１．０となるようにした。
また，ｚとしては，ｚ＝０．００２，０．０８，０．１０，０．１２，０．１４，０．１６，０．１８，０．２０，０．２２，０．３０となるようにした。
また，ｗとしては，ｗ＝０．０２，０．０４，０．０５，０．０６，０．０７，０．１，０．２となるようにした。
そして，各化学量論組成になるように配合した原料をボールミルによりアセトン中で２４時間混合して混合物を作製した。

次に，この混合物を７５０℃にて５時間仮焼し，この仮焼後の混合物をボールミルにて２４時間粉砕した。続いて，バインダーとしてポリビニールブチラールを添加し，造粒した。
造粒後の粉体を圧力２ｔｏｎ／ｃｍ²にて，直径１８ｍｍ，厚さ１ｍｍの円盤状に加圧成形し，この成形体を１０００〜１３００℃にて１時間焼成し，焼成体を作製した。なお，このときの焼成温度は，１０００℃〜１３００℃の間で最大密度になる温度を選定した。また，上記焼成体は，すべて相対密度９８％以上に緻密化されていた。

次に，焼成後の各焼成体の両面を平行研磨し，円形研磨した後，この円盤試料の両面にスパッタ法により金電極を設けた。そして，１００℃のシリコーンオイル中にて１〜５ｋＶ／ｍｍの直流電圧を１０分間電極間に印加し，厚み方向に分極を施して圧電磁器組成物とした。
このようにして，１８２種類の化学量論組成を有する圧電磁器組成物（試料１〜１８２）を作製した。各試料の化学組成比を表１〜表６に示す。

また，本例では，上記圧電磁器組成物の優れた特性を明らかにするため，以下のようにして比較品１〜５を作製した。
まず，比較品１の原料として，純度９９％以上の高純度のＫ₂ＣＯ₃，Ｎａ₂ＣＯ₃及びＮｂ₂Ｏ₅を準備した。
これらの原料と一般式（Ｋ_0.5Ｎａ_0.5）ＮｂＯ₃となるような化学量論比にて，混合し，ボールミルによりアセトン中で２４時間混合して混合物を得た。
この混合物を上記試料１〜１８２と同様にして，仮焼，造粒，成形，焼成し，分極を施して，比較品１とした。

また，純度９９％以上の高純度のＬｉ₂ＣＯ₃，Ｋ₂ＣＯ₃，Ｎａ₂ＣＯ₃，Ｎｂ₂Ｏ₅，Ｔａ₂Ｏ₅，及びＳｂ₂Ｏ₅を準備し，比較品２，３，４，及び５として，｛Ｌｉ_x（Ｋ_1-yＮａ_y）_1-x｝（Ｎｂ_1-z-wＴａ_zＳｂ_w）組成式において，それぞれｘ＝０．２２，ｙ＝０．５０， z＝０．４５，ｗ＝０．２２，及びｘ＝０．２２，ｙ＝０．５０， z＝０．１０，ｗ＝０．０２，及びｘ＝０．０２，ｙ＝０．５０，z＝０．４５，ｗ＝０．０２，及びｘ＝０．０２，ｙ＝０．５０，z＝０．１０，ｗ＝０．２２となる試料を同様の方法にて作製した。
比較品１〜５の化学組成比を表６に示す。

次に，上記試料１〜１８２及び比較品１〜５について，圧電ｄ₃₁定数，圧電ｇ₃₁定数，電気機械結合係数Ｋｐ，キュリー温度Ｔｃ，比誘電率ε_33T／ε₀，誘電損失ｔａｎδを測定した。

ここで圧電ｄ₃₁定数，圧電ｇ₃₁定数及び電気機械結合係数Ｋｐは，インピーダンスアナライザーを用いて共振−***振法により測定した。
また，誘電損失及び比誘電率は，インピーダンスアナライザーを用いて，測定周波数１ｋＨｚにて測定した。
また，キュリー温度Ｔｃは，比誘電率が最も高いときの温度をもってキュリー温度Ｔｃとした。
その結果を表７〜表１２に示す。

また，上記試料２，４，５，８，１５，１６，３１〜３４，４０，４１，４８，４９，７１，７２，７４，７５，７９，８０，８１，８８〜９０，１０３，１０４，１０７，１１０，１１２，１１５，１１８，１１９，１２３〜１２９，１３３，１３４，１３６〜１４０，１４３，１４５，１５１，１５２及び比較品１について，誘電損失の長期安定性を測定した。

上記誘電損失の長期安定性の測定方法としては，まず，上記分極後の試料及び比較品１の誘電損失ｔａｎδを上記と同様にインピーダンスアナライザーを用いて，測定周波数１ｋＨｚにて測定して，これを初期ｔａｎδとした。さらに，分極から５０日，１００日，又は２００日経過後の誘電損失ｔａｎδを測定し，初期ｔａｎδの値と比較することにより，誘電損失の長期安定性を評価した。
その結果を表１３〜表１４に示す。

表６〜表１２より知られるごとく，試料１〜１３，１５〜２０，２５〜２８，３１〜３７，３９〜４４，４６〜５２，５５〜５９，６７，７１〜８５，８７〜９２，９７〜９９，１０３〜１５４，１５６〜１５９，１６２〜１８２は，比較品１より高い圧電ｄ₃₁定数を示した。
ここで，表１２における試料１５５〜試料１８０は，上記一般式｛Ｌｉ_x（Ｋ_1-yＮａ_y）_1-x｝（Ｎｂ_1-z-wＴａ_zＳｂ_w）Ｏ₃において，ｘ，ｚ及びｗの値を固定し，ｙの値を変化させたときの各種圧電特性及び誘電特性を示している。試料１５５〜試料１８０においては，ｙの値を変化させたときの圧電ｄ₃₁定数の変化を明らかにするため，ｙ＝０．５（試料１５８）のときの圧電ｄ₃₁定数の値に対する，試料１５５〜１８０の各圧電ｄ₃₁定数値の比をｄ₃₁比として示している。

また，表６〜１２より知られるごとく，試料１〜５，７〜１２，１５〜２０，２５〜２８，３１〜３６，３９〜４４，４７〜５１，５６〜５８，７１〜７８，８０〜８４，８８〜９０，１０３〜１５４，１５７〜１５９，１６４〜１７９は，比較品１より高い電気機械結合係数Ｋｐを示した。

また，試料１〜１５９及び試料１６２〜１８２は，４３０以上という高い比誘電率を示し，比較品１よりも優れていた。
また，試料１〜５，７〜１２，１６〜２０，３１〜３４，４０〜４２，４７〜５０，５８，６５，７１〜７７，８０〜８２，１０３〜１１１，１１５，１１８〜１３０，１３４，１３６〜１３９，１５８，１６０〜１６１，１６５〜１６６，１６８〜１６９，１７１，１７３，１７５，及び試料１７９〜１８０は，７．０×１０^-3以上という高い圧電ｇ₃₁定数を示した。

また，試料１〜２２，２４〜５４，５８〜６２，７０〜８６，８９〜９４，１０１〜１８０は，２００℃以上という高いキュリー温度Ｔｃを示した。
また，試料１〜２２，２４〜２６，３１〜３５，３９〜７４，７６〜９４，９６〜１８２は，０．０９以下という低い誘電損失ｔａｎδを示した。

また，表１３及び表１４より知られるごとく，各試料の誘電損失は，５０日，１００日，又は２００日経過後も，大きく上昇することなく，安定性に優れていた。これに対し，比較品１の誘電損失は，５０日経過後には初期ｔａｎδの３倍，１００日経過後には６倍を超えて増加した。また，２００日経過後には初期ｔａｎδの７倍近くまで増加しており，安定性に問題があった。

ここで，圧電ｄ₃₁定数に注目すると，表１〜表１２より知られるごとく，ｘ＝０．０４，ｙ＝０．５４，ｚ＝０．１，及びｗ＝０．０６（試料１７５）のとき，圧電ｄ₃₁定数は，１３２．４ｐｍ／Ｖというもっとも高い値を示した。

また，表６及び表１２より知られるごとく，上記一般式Ｌｉ_x（Ｋ_1-yＮａ_y）_1-x｝（Ｎｂ_1-z-wＴａ_zＳｂ_w）Ｏ₃において，ｙの値を変化させて，上記圧電磁器組成物を作製すると，圧電ｄ₃₁定数が大きく変化することがわかる。
そこで，上記一般式におけるｙの値と圧電ｄ₃₁定数の関係をわかりやすくするため，表１２中の圧電ｄ₃₁定数の結果を図１に示した。図１は，横軸が上記一般式におけるｙの値を示し，縦軸が圧電ｄ₃₁定数を示すものである。

図１より知られるごとく，４０ｐｍ／Ｖ以上という高い圧電ｄ₃₁定数を実現するためには，上記一般式Ｌｉ_x（Ｋ_1-yＮａ_y）_1-x｝（Ｎｂ_1-z-wＴａ_zＳｂ_w）Ｏ₃におけるｙの値を，０．０５≦ｙ＜０．７５とすることが好ましいことがわかる。また，ｙの値の範囲が０．３５≦ｙ≦０．６５の場合には，８０ｐｍ／Ｖ以上というより高い圧電ｄ₃₁定数を実現することができる。さらに，ｙの値の範囲が０．４２≦ｙ≦０．６０の場合には，１００ｐｍ／Ｖを越える，より一層高い圧電ｄ₃₁定数を実現することができる。ただし，この好ましいｙの値の範囲は，上記一般式におけるｘ，ｚ，及びｗの値が変わると変化する。

電荷検出型回路或いは電流検出型回路を用いた場合には，一般に上記圧電ｄ₃₁定数は，加速度センサ，加重センサ，衝撃センサ及びノックセンサ等の圧電型センサの出力電圧に比例する。その点からみると，圧電ｄ₃₁定数が高い圧電磁器組成物ほど電荷センサ出力の大きなセンサ素子を作ることができる。そして，比較品１と同等以上の特性を有するセンサ素子を作製するには，少なくとも３０ｐｍ／Ｖ以上の圧電ｄ₃₁定数を有することが好ましいといえる。さらに信号雑音比（ＳＮ比）及び出力電圧を高めて高感度なセンサ素子を作製するためには，上記圧電ｄ₃₁定数は８０ｐｍ／Ｖ以上のものがよい。さらに好ましくは１００ｐｍ／Ｖ以上のものがよい。

また，アクチュエータとして使用する場合には，一般に上記圧電ｄ₃₁定数は圧電アクチュエータの発生歪或いは変位量に比例する。その点からみると，圧電ｄ₃₁定数が高い圧電磁器組成物ほど発生歪或いは変位量の大きなアクチュエータ素子を作ることができる。そして比較品１と同等以上の特性を有するアクチュエータ素子を作製するには，少なくとも３０ｐｍ／Ｖ以上の圧電ｄ₃₁定数を有することが好ましいといえる。より好ましくは４０ｐｍ／Ｖ以上がよい。さらに変位量の大きなアクチュエータを作製するためには，上記圧電ｄ₃₁定数は８０ｐｍ／Ｖ以上のものがよい。さらに好ましくは１００ｐｍ／Ｖ以上のものがよい。

また，電気機械結合係数Ｋｐに注目すると，表１〜表１２より知られるごとく，ｘ＝０，ｙ＝０．５，ｚ＝０．００２，及びｗ＝０．０４（試料３１）のとき，電気機械結合係数Ｋｐは，０．６２３というもっとも高い値を示した。

一般に，上記電気機械結合係数Ｋｐは，圧電トランス素子，超音波モータ素子，アクチュエータ素子，又は超音波振動子等の電気機械エネルギー変換効率に比例する。その点からみると，電気機械結合係数Ｋｐが高い圧電磁器組成物ほど電気機械エネルギー変換効率の高い圧電トランス素子，超音波モータ素子，アクチュエータ素子，又は超音波振動子を作ることができる。そして，比較品１と同等以上の特性を有する圧電トランス素子，超音波モータ素子，アクチュエータ素子，又は超音波振動子を作製するには，少なくとも０．３以上の電気機械結合係数Ｋｐを有することが好ましいといえる。より好ましくは０．３４以上がよい。さらに好ましくは，０．４以上がよい。また，さらに好ましくは０．５以上がよい。

また，キュリー温度Ｔｃに注目すると，試料１〜２２，２４〜５４，５８〜６２，７０〜８６，８９〜９４，１０１〜１８０の圧電磁器組成物のキュリー温度Ｔｃは，２００℃以上という高い値をとっている。そのため，上記組成領域にある本例の圧電磁器組成物は，例えば自動車のエンジン付近等の高温度部においても長時間安定に使用することができるノックセンサ等の高温用のセンサ部品，アクチュエータ部品，超音波モータ部品等として利用することができる。
また，上記高温用のセンサ部品，アクチュエータ部品，超音波モータ部品等としてさらに長時間安定に使用するためには，上記キュリー温度Ｔｃは，２００℃以上であることが好ましい。さらに好ましくは，２５０℃以上のものがよい。

また，圧電ｇ₃₁定数に注目すると，表１〜表１２より知られるごとく，ｘ＝０，ｙ＝０．５，ｚ＝０．００２，及びｗ＝０．０４（試料３１）のとき，圧電ｇ₃₁定数は，１６．２×１０^-3Ｖｍ／Ｎというもっとも高い値を示した。

圧電ｇ₃₁定数は，上記圧電ｄ₃₁定数と同様に，圧電型センサ，圧電トランス素子，超音波モータ素子等の出力電圧に比例する。そのため，圧電ｇ₃₁定数が高い圧電磁器組成物ほど電圧センサ出力の大きなセンサを作ることができる。そして，比較品１と同等以上の特性を有するセンサを作製するには，少なくとも７×１０^-3Ｖｍ／Ｎ以上の圧電ｇ₃₁定数を有することが好ましいといえる。さらに好ましくは，１０×１０^-3Ｖｍ／Ｎ以上のものがよい。

また，比誘電率ε_33T／ε₀に注目すると，試料１〜１５９及び試料１６２〜１８２の比誘電率ε_33T／ε₀は，４３０以上という高い値をとっている。

上記比誘電率ε_33T／ε₀は，一般に積層コンデンサ部品等のコンデンサの静電容量に比例する。その点からみると，上記比誘電率が高い圧電磁器組成物ほど静電容量の大きなコンデンサを作ることができる。コンデンサを作製するためには，少なくとも４００以上の比誘電率を有することが好ましいといえる。また，より好ましくは，４３０以上のものがよい。さらに好ましくは，６００以上のものがよい。

また，誘電損失ｔａｎδに注目すると，試料１〜２２，２４〜２６，３１〜３５，３９〜７４，７６〜９４，９６〜１８２の誘電損失ｔａｎδは，０．０９以下という低い値をとっている。

上記誘電損失は，コンデンサ部品等のコンデンサ，圧電超音波モータ，圧電アクチュエータ，圧電トランス等の部品に交流電圧を印加した際に，該部品が損失する熱エネルギーに比例する。その点からみると，上記誘電損失が小さい圧電磁器組成物ほどエネルギー損失の少ないコンデンサ及び発熱の少ない圧電超音波モータ，圧電アクチュエータ，圧電トランスを作製することができる。そして，エネルギー損失の少ない上記部品を作製するためには，０．０９以下の誘電損失を有することが好ましい。さらに好ましくは，０．０３５以下のものがよい。

また，誘電損失の長期安定性に注目すると，表１３及び表１４に示すごとく，ｚ＝０．００２即ちＴａの含有量が非常に少ない試料では長時間大気中に放置されると誘電損失が大きくなるという欠点がある。一方，ｚ＞０．００２及びｗ≠０の試料においては，長時間大気中に放置されても誘電損失の変化が小さく，また誘電損失の値も０．０９以下という小さな値を保っている。このように，本発明に示す上記一般式｛Ｌｉ _x （Ｋ _1-y Ｎａ _y ） _1-x ｝ _a （Ｎｂ _1-z-w Ｔａ _z Ｓｂ _w ） _b Ｏ ₃ において，０＜ｘ≦０．２，０＜ｙ≦１，０＜ｚ≦０．４，０．０６≦ｗ≦０．２，０．９５≦ａ，ｂ≦１．０５の組成範囲における本例の圧電磁器組成物の誘電損失ｔａｎδは，長期安定性を有している。

また，表１２に示すごとく，本発明の圧電磁器組成物の組成領域に含まれない，比較品２，３及び５は圧電ｄ₃₁定数が，それぞれ０．５，９．８１，１３．３１ｐｍ／Ｖといずれも低い値となることが分かった。また，比較品４は圧電ｄ₃₁定数が４２．６２ｐｍ／Ｖである反面，キュリー温度が１１７℃と低く，２００℃以上のキュリー温度が必要な，自動車用部品としては使用できないことが分かった。

実施例にかかる，上記一般式｛Ｌｉ_x（Ｋ_1-yＮａ_y）_1-x｝（Ｎｂ_1-z-wＴａ_zＳｂ_w）Ｏ₃におけるｙの値と圧電ｄ₃₁定数の関係を示す説明図。

Claims (11)

1. 一般式｛Ｌｉ_x（Ｋ_1-yＮａ_y）_1-x｝_a（Ｎｂ_1-z-wＴａ_zＳｂ_w）_bＯ₃で表され，かつｘ，ｙ，ｚ，ｗ，ａ，ｂがそれぞれ０＜ｘ≦０．２，０＜ｙ≦１，０＜ｚ≦０．４，０．０６≦ｗ≦０．２，０．９５≦ａ，ｂ≦１．０５の組成範囲にあることを特徴とする圧電磁器組成物。
2. 請求項１において，上記圧電磁器組成物は，キュリー温度Ｔｃが２００℃以上であることを特徴とする圧電磁器組成物。
3. 請求項１又は２において，上記圧電磁器組成物は，圧電ｄ ₃₁ 定数が３０ｐｍ／Ｖ以上であることを特徴とする圧電磁器組成物。
4. 請求項１〜３のいずれか１項において，上記圧電磁器組成物は，圧電ｇ ₃₁ 定数が７×１０ ^-3 Ｖｍ／Ｎ以上であることを特徴とする圧電磁器組成物。
5. 請求項１において，上記圧電磁器組成物は，圧電ｄ ₃₁ 定数が３０ｐｍ／Ｖ以上で，かつキュリー温度Ｔｃが２００℃以上であることを特徴とする圧電磁器組成物。
6. 請求項１において，上記圧電磁器組成物は，圧電ｇ ₃₁ 定数が７×１０ ^-3 Ｖｍ／Ｎ以上で，かつキュリー温度Ｔｃが２００℃以上であることを特徴とする圧電磁器組成物。
7. 請求項１において，上記圧電磁器組成物は，圧電ｄ ₃₁ 定数が３０ｐｍ／Ｖ以上で，かつ電気機械結合係数Ｋｐが０．３以上で，かつキュリー温度Ｔｃが２００℃以上であることを特徴とする圧電磁器組成物。
8. 一般式｛Ｌｉ _x （Ｋ _1-y Ｎａ _y ） _1-x ｝ _a （Ｎｂ _1-z-w Ｔａ _z Ｓｂ _w ） _b Ｏ ₃ で表され，かつｘ，ｙ，ｚ，ｗ，ａ，ｂがそれぞれ０＜ｘ≦０．２，０＜ｙ≦１，０＜ｚ≦０．４，０．０６≦ｗ≦０．２，０．９５≦ａ，ｂ≦１．０５の組成範囲にある組成物よりなる粉末を成形し，焼成することを特徴とする圧電磁器組成物の製造方法。
9. リチウムを含有してなる化合物と，ナトリウムを含有してなる化合物と，カリウムを含有してなる化合物と，ニオブを含有してなる化合物と，タンタルを含有してなる化合物と，アンチモンを含有してなる化合物とを混合，焼成することにより請求項１〜７のいずれか１項に記載の圧電磁器組成物を得ることを特徴とする圧電磁器組成物の製造方法。
10. 請求項９において，上記リチウムを含有する化合物はＬｉ ₂ ＣＯ ₃ であり，ナトリウムを含有してなる化合物はＮａ ₂ ＣＯ ₃ であり，カリウムを含有してなる化合物はＫ ₂ ＣＯ ₃ であり，ニオブを含有してなる化合物はＮｂ ₂ Ｏ ₅ であり，タンタルを含有してなる化合物はＴａ ₂ Ｏ ₅ であり，アンチモンを含有してなる化合物はＳｂ ₂ Ｏ ₅ またはＳｂ ₂ Ｏ ₃ であることを特徴とする圧電磁器組成物の製造方法。
11. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の圧電磁器組成物を有することを特徴とする圧電素子。

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