[发明专利]压电陶瓷材料、压电元件以及非共振型爆震传感器

说明书

技术领域

本发明涉及压电陶瓷材料，其适合用于压电传感器如压力 传感器、加速度传感器、爆震传感器、偏航率传感器、陀螺仪 传感器和振动传感器以及其他压电装置中，还涉及使用该压电 陶瓷材料的压电元件和使用该压电元件的非共振型爆震传感 器。

背景技术

各种压电传感器已广泛用于电子和机电领域。各压电传感 器包括装配有烧结的压电陶瓷体(块)和至少一对元件电极的压 电元件，以便通过压电陶瓷体的压电效应将向其施加的机械应 力转化为电流或电压，并基于转化的电流或电压产生电信号。 由于压电陶瓷体的压电特性随着操作环境的周围温度改变，压 电传感器的灵敏性(输出电压)改变。当压电传感器的温度在操 作期间改变或随着操作环境的周围温度而改变时，由于压电陶 瓷体与元件电极或其他相邻传感器部件之间热膨胀不同，出现 压电元件中的热应力。通过响应温度改变的压电体的热释电效 应，在压电传感器中还出现电压。这些将噪音引入压电传感器 的输出中，因而导致压电传感器的灵敏性改变。此外，在对压 电元件施加的重量下，压电陶瓷体的压电特性可能劣化从而引 起传感器输出降低。由于上述原因，通常将压电传感器的操作 温度设定为约-40℃至170℃。然而，考虑到在例如汽车发动机 中的苛刻条件下使用压电传感器的事实，期望压电元件在较宽 温度范围内不显示温度特性的改变。

为了实现此温度稳定的压电元件，日本专利No.2789374、 日本专利No.2964265和日本专利No.2957002公开了掺杂Sn、 Nb和Sb的PZT(锆钛酸铅)压电陶瓷材料，以通过添加Sn获得热 稳定性的改进，和通过添加Nb和Sb使低温烧结和软化成为可能 (即，用大的晶体畸变改进压电特性)。

发明内容

上述传统压电陶瓷材料需要进一步改进压电和温度特性。 例如，存在以下需求：具有压电常数d33为340pC/N以上(作为压 电灵敏性的指标)的压电陶瓷材料和具有居里点为340℃以上 (作为耐热性的指标)的压电陶瓷材料，以使该压电陶瓷材料能 够合适地应用于汽车发动机中的压电传感器，所述汽车发动机 能够达到约170℃的最高温度。然而，还没有关于任何具有 340pC/N以上压电常数d33和/或340℃以上居里温度的压电陶瓷 材料的报告。

因此本发明的目的在于提供具有良好压电和温度特性的压 电陶瓷材料。本发明的目的还在于提供使用该压电陶瓷材料的 压电元件和使用该压电元件的非共振型爆震传感器。

作为广泛研究的结果，已发现：通过将材料的组成和结晶 状态控制在特定范围内，可以提供具有高耐热性和良好压电特 性的Pb/Zr/Ti/Sn/Sb/Nb氧化物材料。本发明基于此发现。

根据本发明的第一方面，提供具有由下式表示的组成的压 电陶瓷材料：Pb_m{Zr_1-x-y-zTi_xSn_y(Sb_1-nNb_n)_z}O₃，其中1.000≤m ≤1.075、0.470≤x＜0.490、0.020≤y≤0.040、0＜n＜1.000以 及0＜z≤0.025，且微晶尺寸为30至39nm。

根据本发明的第二方面，提供具有由下式表示的组成的压 电陶瓷材料：Pb_m{Zr_1-x-y-zTi_xSn_y(Sb_1-nNb_n)_z}O₃，其中1.000≤m ≤1.075、0.470≤x＜0.490、0.020≤y≤0.040、0＜n＜1.000以 及0＜z≤0.025，且压电常数d33为340pC/N以上。

根据本发明的第三方面，提供包括由上述压电陶瓷材料形 成的元件体的压电元件。

根据本发明的第四方面，提供非共振型爆震传感器，其包 括：压电元件，其具有由上述压电陶瓷材料形成的元件体和设 置在所述元件体上的至少一对电极；支持构件，其具有支持部 以支持所述压电元件；增重构件，其配置于所述压电元件上以 将所述压电元件压向所述支持部；树脂成型部，其从所述支持 构件外部覆盖所述压电元件和所述增重构件。