压电组合物和压电元件的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及广泛地利用在压电发声体、压电传感器、压电驱动器（piezoelectric actuator)、压电变压器或者压电超声波马达等领域中的压电组合物以及压电元件。
【背景技术】
[0002] 利用了压电组合物的压电元件具有通过从外部施加电场从而发生形变的效果、通 过受到来自外部的应力从而在表面产生电荷的效果，近年来，其被广泛地利用在各种领域 中。
[0003] 例如，利用了锆钛酸铅[Pb(Zr，Ti)03:PZT]等压电组合物的压电元件因为会产生 与施加电压成比例的形变并且位移量为IX lO^V/V程度的水平，所以在微小的位置调整方 面表现优异，并且还可以被利用于光学系统的微调。
[0004] 另外，除此之外，压电组合物因为会产生与所施加的应力或者与由该应力而引起 的变形量成比例的大小的电荷，所以也可以作为用于读取微小的力或者变形量的传感器来 进行利用。
[0005] 进而，电压组合物因为具有优异的应答性，所以通过施加交流电场还能够激发压 电组合物自身或者处于与压电组合物有接合关系的弹性体并引发共振，从而也可以作为压 电变压器、超声波马达等来进行利用。
[0006] 该压电组合物大部分具有钙钛矿结构。该压电组合物为对铁电体组合物进行了极 化处理而成的。极化处理是将直流高电场施加于作为各向同性体的烧成后的铁电陶瓷，使 铁电体的电畴（domain)方向在一定的方向上一致从而将极性赋予铁电体组合物的操作， 因为自发极化能够三维取向的钙钛矿结构非常有利，所以被实用化的大多数压电组合物是 钙钛矿结构。
[0007] 现在，实用化的大部分压电组合物为由PbZrO3(PZ)-PbTiO3(PT)构成的固溶体类 (PZT系）。通过将各种副成分或者添加物加入到该PZT系压电组合物中，从而能够广泛地 开发应对于多种多样需求的压电组合物。
[0008] 例如，从虽然机械品质因数（Qm)小但压电常数（d)大且用于以直流性的使用方 法寻求大位移量的位置调节用的驱动器等中的压电组合物，到虽然压电常数（d)小但机械 品质因数（Qm)大且适合如超声波马达等超声波发生元件那样的交流性的用途的压电组合 物，可以存在各种压电组合物。
[0009] 另外，除了 PZT系之外还存在作为压电组合物被实用化的物质，但那些物质也基 本上是将铌镁酸铅（Pb (Mg, Nb) 03:PMN)等铅类钙钛矿组成作为主成分的固溶体。
[0010] 然而，这些铅类压电组合物大量含有60~70质量％的熔点低的氧化铅，所以在烧 成时容易挥发。因此，考虑到对环境的影响而希望降低所使用的氧化铅。
[0011] 因此，如果今后压电陶瓷以及压电单晶的应用领域扩展，使用量增大，则压电组合 物的无铅化将成为极为重要的技术问题。
[0012] 作为完全不含有铅的压电组合物，例如已知有钛酸钡（BaTiO3)或者铋层状铁电体 等。但是，由于钛酸钡其居里点低至120°C，在该温度以上压电性消失，所以如果考虑通过焊 接的接合或者车载用等用途的话不实用。另一方面，铋层状铁电体虽然通常具有400°C以上 的居里点，并且在热稳定性方面表现优异，但是，由于晶体各向异性大，因此，需要用如热锻 法那样的通过一边施加剪切应力一边进行加热烧结的方法来使自发极化取向的手法，从而 在生产性方面存在问题。
[0013] 最近，对于作为新的压电组合物的钛酸铋钠系组合物正在进行研宄。例如，在专利 文献1中公开了含有钛酸铋钠的压电陶瓷组合物。
[0014] 专利文献1的压电陶瓷组合物含有基体材料（matrix material)且该基体材料包 含具有钙钛矿结构的至少2种基体成分，或者所述压电陶瓷组合物仅由该基体成分构成， 并且公开有以下的压电陶瓷组合物，其中，第1基体成分选自（Bi a5Aa5)EO3以及BaEO3，另一 种基体成分是Bi (Mea 5Ea 5) 03;A为碱金属，特别是选自钠或钾、或者碱金属的混合物；E独立 地选自钛、锆以及钛与锆的混合物；Me选自二价的金属。
[0015] 现有技术文献
[0016] 专利文献
[0017] 专利文献1:日本特表2013-500919号公报
【发明内容】
[0018] 发明所要解决的技术问题
[0019] 然而，专利文献1所公开的压电组合物与铅类压电组合物相比较不能够获得充分 的压电特性。尤其是因为自发极化低，所以寻求进一步提高压电特性。
[0020] 进而，在Bi (Mea5Ea5)O^材料的情况下，会产生不能够获得高绝缘性的技术问 题。在将这样的材料作为驱动器元件来制作的情况下，还会产生在元件驱动时多数电流流 到材料，从而电路的电力消耗增大的技术问题。为了解决这样的技术问题而材料的高电阻 率化成为必要。
[0021] 因此，本发明对可以获得压电特性以及电阻率的增加那样的组成范围进行研讨。 另外，其目的在于通过制成不含铅的化合物，从而提供一种从低公害化、对环境性以及生态 学的观点出发也优异的压电组合物以及压电元件。
[0022] 解决技术问题的手段
[0023] 本发明者们为了解决上述技术问题，用钛酸铋钠系组合物进行显示良好的压电特 性的压电组合物的验证，发现了与现有的组成范围不同的压电组合物。
[0024] 所述压电组合物其特征在于：主成分包含钙钛矿结构的下述通式所表示的物质。
[0025] (〇.5x+y+z)Na0.5X) m (Tix+0.5yMg0.5yAlkzCo (1_k)z) O3
[0026] 0. 15 ^ x ^ 0. 7
[0027] 0. 28 ^ y ^ 0.75
[0028] 0? 02 彡z彡0? 30
[0029] 0. 17 ^ k ^ 0. 83
[0030] 0? 75 彡 m彡 I. 0
[0031](其中，x+y+z =1。）
[0032] 通过成为上述范围的组成，从而能够提高压电特性、尤其是能够增加剩余极化相 对于自发极化的比率，进一步也能够增加电阻率。
[0033] 也可以提供一种使用了上述压电组合物的压电元件，例如喷墨打印机喷头、压电 驱动器、薄膜传感器等中的驱动器位移或传感器灵敏度高的压电元件。进一步，因为能够获 得高电阻率，所以在作为驱动器元件工作的情况下能够抑制驱动电路的电力消耗。
[0034] 发明的效果
[0035] 如上所述，本发明所涉及的压电组合物有自发极化大并且电阻率也大的特征。另 外，因为不使用铅，所以从低公害化、环境性以及生态学的观点出发极为优异。而且，该材料 能够获得优异的压电特性。
【附图说明】
[0036] 图1是层叠压电元件的截面模式图。
[0037] 图2是压电薄膜元件的截面模式图。
[0038] 符号的说明：
[0039] 1……Si基板；2……热氧化膜；3……Ti密着层；4……下部电极；5……压电薄 膜；6......上部电极；10......层叠体；11......压电层；12......内部电极层；21......端子电极； 22……端子电极。
[0040] 实施方式
[0041] 以下对本发明的实施方式进行详细地说明。
[0042] 本发明的第1实施方式的压电组合物的特征在于：主成分包含钙钛矿结构的下述 通式所表示的物质。
[0043] (0. 5x+y+z)Na0. 5x) m (Tix+〇. SyMg0. 5yAlkzCo(1_k)z) O3 (A)
[0044] 0. 15 ^ x ^ 0. 7
[0045] 0. 28 ^ y ^ 0. 75
[0046] 0? 02 彡 z 彡 0? 30
[0047] 0. 17 ^ k ^ 0. 83
[0048] 0? 75 彡 m 彡 I. 0
[0049] (其中，x+y+z = 1)。
[0050] 上述X的范围优选为0