[发明专利]压电材料及其制造方法、以及压电元件和压电元件应用设备

说明书

技术领域

本发明涉及压电材料及其制造方法以及具备该压电材料的压电元件。另外，本发明涉及搭载了该压电元件的压电元件应用设备。作为压电元件应用设备，可举出促动器、超声波振荡机等超声波设备、超声波传感器、超声波马达、压力传感器、压电马达、IR传感器等热释电元件、发电装置等。

背景技术

以往，对于被用作构成搭载于促动器、超声波振荡机等超声波设备、超声波马达、压力传感器、IR传感器等热释电元件等将压电元件作为驱动源使用的设备(压电元件应用设备)的压电元件等的压电体层(压电陶瓷)的压电材料要求很高的压电特性。对压电体要求的特性有压电常数、介电常数、杨氏模量等各种特性，但在本发明中，着眼于压电常数(d33)。以下“压电特性”是指压电常数(d33)。作为具有高的压电特性的压电材料的代表例，可举出锆钛酸铅(PZT)。

然而，从环境问题的观点考虑，需求抑制铅含量的压电材料。作为这样的非铅系压电材料，存在K_xNa_(1-x)NbO₃、(Ba，Na)TiO₃等含有碱金属的压电材料、BiFeO₃-BaTiO₃等不含碱金属的压电材料。

在这样的压电材料中，公知有使用组成相边界(MPB：Morphotoropic Phase Boundary：准同型相界)附近的组成，由此得到很大的压电特性。然而，在横轴为组成而纵轴为温度的相图(以下称为“相图”)中，PZT的MPB线相对于温度轴大致平行地设置或者相对于组成轴大致垂直地设置，而在非铅系压电材料中，该MPB线一般相对于温度轴倾斜(例如参照专利文献1的图1等)。在这样MPB线倾斜的情况下，即使根据要求特性选择特定的温度例如室温下位于MPB上的组成，若使用环境温度变化则也会远离MPB线，所以有由于使用环境温度的变化、使用中的发热等而存在压电特性降低的温度区域之类的问题。

因此，需要上述相图中MPB线相对于温度轴尽量平行且温度依赖性小的非铅系压电材料。另外，压电材料当然也要求高的压电特性，但由于和使用环境温度的关系，居里温度(Tc)高也是压电材料要求的重要条件。压电材料只在比居里温度低的温度下发挥功能。居里温度高的压电材料能够在更大的温度范围内使用，所以通用性高。然而，一般居里温度高的压电材料存在压电特性差的趋势。

这里，为了得到满足减少使MPB线相对于温度轴尽量平行的温度依赖性等条件的压电材料，存在将不同组成的压电材料组合多个而利用之类的想法(参照专利文献2、3等)。此外，在以下的说明中，在横轴为组成而纵轴为温度的相图中，将MPB线接近平行于温度轴的状态或者接近垂直于组成轴的状态表现为“MPB线立起”。

专利文献1：日本特开2009-215111号公报

专利文献2：日本特开2003-277143号公报

专利文献3：日本特开2011-181764号公报

然而，对于将哪些成分以何种组成组合而得到MPB线立起而温度依赖性小的压电材料、将哪些成分以何种组成组合而得到压电特性高的压电材料、将哪些成分以何种组成组合而得到居里温度高的压电材料而言表示明确的指标的见解尚未存在。另外，温度依赖性小、压电特性高、居里温度高这样的多个条件中仅满足一个，不一定是实用性高的压电材料。得到实用性高的压电材料优选同时满足多个条件的组成。在没有明确指标时，很难查出该成分的组合和组成。目前同时满足这样的多个条件的压电材料实际上只有PZT。而且，目前不存在媲美PZT的非铅系压电材料。因此，渴望像PZT那样MPB线立起并在很大的使用环境温度范围中压电特性高以及居里温度高的非铅系压电材料的出现。

发明内容

本发明鉴于这样的情况，目的是提供一种环境负荷低且实用性优异的压电材料及其制造方法以及使用该压电材料的压电元件及压电元件应用设备。