[发明专利]压电陶瓷材料

说明书

本发明涉及压电陶瓷材料。更详细地说，本发明涉及具有高的压电应变常数和高耐热性的无铅压电陶瓷材料。本发明的压电陶瓷材料可用于生产压电装置如振荡器、控制器、传感器和滤波器等。特别适宜生产震动传感器元件。

目前使用的压电陶瓷材料大多是如PT(钛酸铅)和PZT(钛酸锆酸铅)等的含铅压电陶瓷材料。可是，这些含铅压电陶瓷材料在烧制中蒸发出含铅成分如氧化铅等，污染了环境。为了不对环境产生影响，处理此挥发的含铅成分的费用或成本就变大。因此迫切希望实现不含铅的无铅压电陶瓷材料。

目前，作为无铅压电陶瓷材料已知的有(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃(钛酸铋钠，以下称为“BNT”)。BNT与PZT类似，是钙钛矿型的压电陶瓷材料，具有相对高的电磁耦合系数。

将BNT作为基础物质，研究各种改良的组合物。日本特许公报4-60073号公开了将BaTiO₃(钛酸钡，以下称为“BT”)或(Bi_0.5K_0.5)TiO₃(钛酸铋钾，以下称为“BKT”)固溶在BNT中的压电陶瓷材料组合物。日本公开特许公报11-217262号公开了在BNT中固溶BKT及过渡金属氧化物的压电陶瓷材料组合物。日本公开特许公报9-100156号公开了在BNT中固溶NaNbO₃(铌酸钠)的压电陶瓷材料组合物。日本公开特许公报11-60333号公开了含有BNT作为一种成分的钙钛矿型的固溶体陶瓷材料。

压电陶瓷材料可用于生产震动传感器。震动传感器用于检测发动机的震动性和调节点火时间。用于发动机的震动和压力的检测的震动传感器主要由压电元件生产。

用于生产震动传感器的压电元件必须满足，例如，下列条件：(1)为了得到满意的灵敏度，压电元件应具有高的压电应变常数；(2)在150℃的高温下使用时，压电元件应耐受可忽略的热损坏。为了满足上述条件，上述的PT或PZT已经常规用于生产这种压电元件。可是，从上述保护环境问题看，要求用上述的BNT类的无铅压电陶瓷材料生产压电陶瓷元件。

可是，BNT的压电应变常数d₃₃，相对于PZT的300pC/N，小到70pC/N。而且，在约150℃或更高的温度时，BNT的压电特性由于BNT向反铁电相转移而开始劣化。因此，使用BNT生产震动传感器是困难的。

本发明鉴于这种情况，其目的在于提供具有高的压电应变常数d₃₃，并具有高的耐热性的、适于作为生产震动传感器元件材料的无铅压电陶瓷材料。按照本发明，可得到具有压电应变常数d₃₃为100pC/N或更高的，并且在150℃放置72小时的高温试验的压电应变常数d₃₃的降低率(D_d33)的绝对值为15％或更低的无铅压电陶瓷材料。

本发明者们进行了广泛深入地研究，结果发现，通过在BNT中加入BT及BKT的三成分系的组合，可使压电应变常数d₃₃及耐热性同时提高，由此完成本发明。下面详细地说明本发明。

第一项发明的要点是含有BNT、BT和BKT三成分的压电陶瓷材料。BNT、BT和BKT都是铁电材料，但不同于BT及BKT，BNT具有菱面体晶钙钛矿结构，而BT及BKT则具有四方晶钙钛矿结构。本发明的压电陶瓷材料是将此三成分作为必须的成分的固溶体，并具有与PZT相同的MPB(变晶相边界)。

本发明的一个特征在于不仅将四方晶钙钛矿结构化合物与菱面体晶钙钛矿结构化合物(BNT)简单地组合，而且将用于与BNT组合的四方晶钙钛矿结构化合物的种类特定成2种(BT和BKT)，得到具有高的压电应变常数d₃₃和优良的耐热性的压电陶瓷材料。在150℃放置72小时的高温试验的压电应变常数d₃₃的降低率(D_d33)的绝对值为15％或更低，显示了优良的耐热性。另外，D_d33可从下述公式1算出。本发明的压电陶瓷材料适用于震动传感器元件的生产。

公式1

D_d33(％)＝100×(试验后的d₃₃值-试验前的d₃₃值)/(试验前的d₃₃值)