[发明专利]压电陶瓷及使用该压电陶瓷的压电元件

说明书

技术领域

本发明涉及压电陶瓷及使用该压电陶瓷的压电元件。

背景技术

已知压电陶瓷受到电场作用产生机械变形及应力，出现所谓的压电效应。这种压电陶瓷被应用于驱动器等振动元件、发音体和传感器等。

使用了压电陶瓷的驱动器能够得到高精度的微位移，并且具有产生的应力大等特征，用于，例如确定精密机床和光学装置的位置。作为应用于驱动器的压电陶瓷，大多采用具有优异压电特性的锆钛酸铅(PZT)。但是，因为锆钛酸铅含有大量铅，因此近年来人们担心酸雨中的铅溶出等给地球环境带来坏影响。因此，需要不含铅的压电陶瓷代替锆钛酸铅，针对这些要求，有人提出不含铅的各种压电陶瓷。

例如，日本特开平2-159079号公报(参考文献1)公开了包含钛酸钡(BaTiO₃)作为主要成分的压电陶瓷。该压电陶瓷的相对介电常数εr和机电耦合系数kr较好。

日本特开昭49-125900号公报(参考文献2)及日本特公昭57-6713号公报(参考文献3)，公开了铌酸锂钠钾构成的压电陶瓷。该压电陶瓷的居里温度高，在350℃以上，机电耦合系数kr也很好。

日本特开2005-179143号公报(参考文献4)及日本特开2005-179144号公报(参考文献5)，公开了含有以下成分的压电材料：第1钙钛矿型氧化物、第2钙钛矿型氧化物以及钨青铜型氧化物，其中第1钙钛矿型氧化物由含有Na及K的第1元素、Nb及Ta中至少含有Nb的第2元素以及氧(O)组成；第2钙钛矿型氧化物由含有碱土金属元素的第3元素、含有钛(Ti)的第4元素以及氧组成。由于该压电材料表现出较大的位移量而引起人们的关注。

发明内容

然而，与铅系的压电陶瓷相比，上述文献1～3中不含铅的压电陶瓷压电特性较低，无法得到足够大的产生位移量。此外，在与文献1一样以钛酸钡作为主要成分的压电陶瓷中，因为钛酸钡的居里温度较低，约为120℃，所以使用温度范围被限定在100℃以下。

此外，在具有文献2及文献3中的铌酸锂钠钾的压电陶瓷的情况下，因为烧成时钠、钾及锂容易挥发，因此很难维持或调整所得到的压电陶瓷的组分。

并且，虽然与文献1～3的压电陶瓷相比，文献4及文献5记载的压电陶瓷显示出更大的发生位移量，但是这些压电陶瓷的电阻没有高到可以充分极化的程度。因此，与钛酸锆酸铅相比，其压电特性较低，从而需要改善。

本发明鉴于上述情况，旨在提供铅含量被充分降低、且压电特性优异的压电陶瓷及具备该压电陶瓷的压电元件。

为了达到上述目的，本发明者们针对能够得到大的发生位移量的组分和显微结构进行了各种讨论，从而发现：通过在晶界部分上使特定的元素偏析，可以提高压电特性。

即，本发明提供一种压电陶瓷，该压电陶瓷含有以不同于铅的金属元素为构成元素的一种以上复合氧化物形成的组合物为主要成分，复合氧化物中的至少一种含有碱金属及Nb作为构成元素，在所述组合物的晶粒的晶界上，偏析有Mn和Cu中的至少一种元素。

这种压电陶瓷，因为含有构成元素不含铅的复合氧化物形成的组合物作为主要成分，因此铅的含量被充分降低，极其环保。此外，与现有的不含铅的压电陶瓷相比，其压电特性也十分优异。因为与PZT作为主要成分的压电陶瓷相比，现有的不以铅作为主要成分的压电陶瓷的电阻低，因此无法充分极化。总之，本发明者们认为本发明的压电陶瓷表现出十分优异的压电特性的原因在于：其具有如下的显微结构，即，在作为主要成分的复合氧化物的晶粒的晶界上，偏析有Mn和Cu中的至少一种元素，由此能够提高压电陶瓷的电阻率。因此推测能够外加足够大的极化电压，得到足够大的发生位移量。

此外，在本发明中，作为压电陶瓷的主要成分的组合物用以下通式(1)表示，对于该组合物全体，优选下列通式(2)的复合氧化物及下列通式(4)的复合氧化物中所包含的Ta的共计含量为20mol％以下。

(1-m-n)A+mB+nC…(1)

式(1)中，m满足0≤m＜0.1，n满足0≤n≤0.01，A，B和C，分别是以下通式(2)、以下通式(3)以及以下通式(4)所示的复合氧化物。

(Na_1-x-yK_xLi_y)_p(Nb_1-zTa_z)O₃…(2)

式(2)中，x满足0.1≤x≤0.9，y满足0≤y≤0.1，z满足0≤z≤0.2，p满足0.95≤p≤1.05。