JP2011251866A - Piezoelectricity/electrostriction ceramic sintered compact, and piezoelectricity/electrostrictive element - Google Patents

Piezoelectricity/electrostriction ceramic sintered compact, and piezoelectricity/electrostrictive element Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectricity/electrostriction ceramic sintered compact excellent in strain characteristics at the time of high electric field impression.SOLUTION: The piezoelectricity/electrostriction ceramic sintered compact comprises a non-lead piezoelectricity/electrostrictive material, wherein a defect has generated in which a ratio of at least one metal component of metal components which compose the non-lead piezoelectricity/electrostrictive material has shifted from a stoichiometric composition by at least 1% in a mole conversion, and a degree of orientation of a c-axis measured by a Lotgering method is at least 30%. Moreover, since the sintered compact comprises the non-lead piezoelectricity/electrostrictive material which does not contain lead, there is no elution of lead from the sintered compact, and a problem of environmental pollution is not generated.

Description

本発明は、圧電/電歪セラミックス焼結体及び圧電/電歪素子に関する。更に詳しくは、高電界印加時における歪特性に優れた圧電/電歪セラミックス焼結体及び圧電/電歪素子に関する。   The present invention relates to a piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body and a piezoelectric / electrostrictive element. More specifically, the present invention relates to a piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body and a piezoelectric / electrostrictive element that have excellent strain characteristics when a high electric field is applied.

圧電アクチュエータは、サブミクロンのオーダーで変位を精密に制御することができるという利点を有する。特に、圧電/電歪セラミックス焼結体を圧電/電歪体(圧電/電歪素子)として用いた圧電アクチュエータは、上記変位を精密に制御することに加えて、電気機械変換効率が高く、発生力が大きく、応答速度が速く、耐久性が高く、消費電力が少ない、という利点も有することから、これらの利点を生かして、インクジェットプリンタのヘッドやディーゼルエンジンのインジェクタ等に採用されている。   Piezoelectric actuators have the advantage that displacement can be precisely controlled on the order of submicrons. In particular, a piezoelectric actuator using a piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body as a piezoelectric / electrostrictive body (piezoelectric / electrostrictive element) has high electromechanical conversion efficiency in addition to precisely controlling the above displacement. Since it has the advantages of high power, high response speed, high durability, and low power consumption, it has been used in inkjet printer heads, diesel engine injectors, etc., taking advantage of these advantages.

このような圧電アクチュエータ用の圧電/電歪セラミックス焼結体としては、従来、チタン酸ジルコン酸鉛{Pb(Zr,Ti)O、PZT}系の材料が用いられていたが、圧電/電歪セラミックス焼結体からの鉛の溶出が地球環境に与える影響が強く懸念されるようになってからは、ニオブ酸アルカリ系の非鉛圧電/電歪材料を用いることも検討されている(例えば、特許文献1、非特許文献1〜4を参照)。 As a piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body for such a piezoelectric actuator, a lead zirconate titanate {Pb (Zr, Ti) O 3 , PZT} -based material has been conventionally used. The use of non-lead piezoelectric / electrostrictive materials based on alkali niobate has been studied since the impact of lead elution from the sintered ceramics on the global environment is strongly concerned (for example, , Patent Document 1, Non-Patent Documents 1 to 4).

また、同様の理由から、チタン酸ビスマスナトリウム(以下、「BNT」ということがある)系等の非鉛圧電/電歪材料を用いることも検討されている(例えば、非特許文献5を参照)。このようなBNT系の非鉛圧電/電歪材料においては、チタン酸ビスマスカリウム(以下、「BKT」ということがある)やチタン酸バリウム(以下、「BT」ということがある)をBNTに固溶させることにより、圧電/電歪アクチュエータにとって重要な電界誘起歪を大きくすることが試みられている。   For the same reason, the use of lead-free piezoelectric / electrostrictive materials such as bismuth sodium titanate (hereinafter sometimes referred to as “BNT”) is also being studied (for example, see Non-Patent Document 5). . In such BNT-based lead-free piezoelectric / electrostrictive materials, bismuth potassium titanate (hereinafter sometimes referred to as “BKT”) and barium titanate (hereinafter sometimes referred to as “BT”) are fixed to the BNT. Attempts have been made to increase the electric field induced strain important for piezoelectric / electrostrictive actuators by melting.

また、このような非鉛圧電/電歪材料において、その配向度を高めることにより、より均質な結晶粒子とした結晶配向セラミックスが提案されている(例えば、特許文献2及び3を参照)。但し、特許文献2及び3においては、配向度の高い結晶粒子構造となる成形体を作製して焼成した後、得られた焼成体を更に粉砕して板状多結晶粒子を得、この板状多結晶粒子を、例えば、圧電/電歪セラミックス焼結体等の原料として使用するという技術に関するものである。   Further, in such a lead-free piezoelectric / electrostrictive material, there has been proposed a crystal-oriented ceramic in which the degree of orientation is increased to obtain more uniform crystal particles (see, for example, Patent Documents 2 and 3). However, in Patent Documents 2 and 3, after a molded body having a crystal grain structure with a high degree of orientation is produced and fired, the obtained fired body is further pulverized to obtain plate-like polycrystalline particles. The present invention relates to a technique of using polycrystalline particles as a raw material for, for example, a piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body.

また、上述したニオブ酸アルカリ系等の非鉛圧電/電歪材料については、例えば、組成制御や雰囲気制御により固溶体中に欠陥を生じさせて、電界印加時における歪特性を向上させる技術についても開示されている(例えば、特許文献4及び5を参照)。   In addition, for non-lead piezoelectric / electrostrictive materials such as alkali niobate-based materials described above, for example, a technique for improving the strain characteristics during electric field application by causing defects in the solid solution by composition control or atmosphere control is also disclosed. (For example, see Patent Documents 4 and 5).

特開2006−28001号公報JP 2006-280001 A 特開2009−46376号公報JP 2009-46376 A 特開2009−10672号公報JP 2009-10672 A 国際公開第2006/095716号パンフレットInternational Publication No. 2006/095716 Pamphlet 米国特許出願第2010/0123370号明細書US Patent Application No. 2010/0123370

M.Matsubara et.al.,Jpn.J.Appl.Phys. 44(2005)pp.6136−6142.M.M. Matsubara et. al. , Jpn. J. et al. Appl. Phys. 44 (2005) pp. 6136-6142. E.Hollenstein et.al.,Appl.Phys.Lett. 87(2005)182905.E. Hollenstein et. al. , Appl. Phys. Lett. 87 (2005) 182905. Y.Guo et.al.,App.Phys.Lett.85 (2004)4121Y. Guo et. al. , App. Phys. Lett. 85 (2004) 4121 Y.Saito et.al.,Nature 432,84−87(2004)Y. Saito et. al. , Nature 432, 84-87 (2004). 寺西、他6名、「(Bi0.5Na0.5)TiO3系強誘電体における巨大歪特性」、第46回セラミックス基礎科学討論会要旨集、日本セラミックス協会基礎科学部会、2008年1月、p.482−483Teranishi et al., “Giant strain characteristics in (Bi0.5Na0.5) TiO3 series ferroelectrics”, Abstracts of the 46th Ceramics Science Forum, Japan Ceramic Society, Basic Sciences, January 2008, p. 482-483

しかしながら、このような従来の非鉛圧電/電歪材料を用いた圧電/電歪セラミックス焼結体であっても、電界を加えたときの31方向(電界印加方向に対して垂直方向)及び33方向(電界印加方向に対して平行方向)における歪特性は未だ十分とはいえず、優れた歪特性を有する圧電/電歪セラミックス焼結体の開発が要望されている。   However, even in the piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body using such a conventional lead-free piezoelectric / electrostrictive material, 31 direction (direction perpendicular to the electric field application direction) and 33 when an electric field is applied. The strain characteristics in the direction (parallel to the direction of electric field application) are not yet sufficient, and there is a demand for the development of a piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body having excellent strain characteristics.

本発明は、このような従来技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、高電界印加時における歪特性に優れた圧電/電歪セラミックス焼結体及び圧電/電歪素子を提供するものである。   The present invention has been made in view of such problems of the prior art, and provides a piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body and a piezoelectric / electrostrictive element having excellent strain characteristics when a high electric field is applied. It is.

本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、圧電/電歪材料を構成する金属成分のうちの少なくとも一種の金属成分について、化学量論組成からモル換算で1%以上ずれるような欠陥を生じさせるとともに、そのC軸の配向度を30%以上とすることによって、歪特性を向上させることができることを見出し、本発明を完成するに至った。本発明によれば、以下に示す圧電/電歪セラミックス焼結体及び圧電/電歪素子が提供される。   As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventor is likely to deviate by 1% or more in terms of mole from the stoichiometric composition of at least one of the metal components constituting the piezoelectric / electrostrictive material. The present inventors have found that the strain characteristics can be improved by causing various defects and setting the degree of orientation of the C-axis to 30% or more, thereby completing the present invention. According to the present invention, the following piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body and piezoelectric / electrostrictive element are provided.

[1] 非鉛圧電/電歪材料から構成されてなり、前記非鉛圧電/電歪材料を構成する金属成分のうちの少なくとも一種の金属成分の比率が化学量論組成からモル換算で1%以上ずれた欠陥を生じたものであるとともに、ロットゲーリング法により測定されるC軸の配向度が30%以上である圧電/電歪セラミックス焼結体。 [1] It is composed of a lead-free piezoelectric / electrostrictive material, and the ratio of at least one metal component of the metal components constituting the lead-free piezoelectric / electrostrictive material is 1% in terms of mole from the stoichiometric composition. Piezoelectric / electrostrictive ceramics sintered body that has the above-mentioned defect and has an orientation degree of C axis of 30% or more measured by the Lotgering method.

[2] 前記非鉛圧電/電歪材料が、下記一般式(1)で表されるペロブスカイト構造を有するものである前記[1]に記載の圧電/電歪セラミックス焼結体。
ABO ・・・ (1)
(但し、AはAサイト構成元素を示し、BはBサイト構成元素を示す)
[2] The piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body according to [1], wherein the lead-free piezoelectric / electrostrictive material has a perovskite structure represented by the following general formula (1).
ABO 3 (1)
(However, A represents an A site constituent element and B represents a B site constituent element)

[3] 前記Aサイト構成元素として、Li、Na、K、Bi、及びBaからなる群より選択される少なくとも一種を含み、且つ、前記Bサイト構成元素として、Nb、Ta、Sb、Ti、及びFeからなる群より選択される少なくとも一種を含む前記[2]に記載の圧電/電歪セラミックス焼結体。 [3] The A site constituent element includes at least one selected from the group consisting of Li, Na, K, Bi, and Ba, and the B site constituent element includes Nb, Ta, Sb, Ti, and The piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body according to [2], including at least one selected from the group consisting of Fe.

[4] ロットゲーリング法により測定されるC軸の配向度が70〜92%である前記[1]〜[3]のいずれかに記載の圧電/電歪セラミックス焼結体。 [4] The piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body according to any one of [1] to [3], wherein the degree of orientation of the C axis measured by the Lotgering method is 70 to 92%.

[5] 前記[1]〜[4]のいずれかに記載の圧電/電歪セラミックス焼結体からなる膜状の圧電/電歪体と、前記圧電/電歪体を挟んで配設される一対の電極と、前記一対の電極のいずれかの面に接合される基板と、を備える圧電/電歪素子。 [5] A film-like piezoelectric / electrostrictive body made of the piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body according to any one of [1] to [4], and the piezoelectric / electrostrictive body are interposed. A piezoelectric / electrostrictive element comprising: a pair of electrodes; and a substrate bonded to any surface of the pair of electrodes.

本発明の圧電/電歪セラミックス焼結体及び圧電/電歪素子は、構成する金属成分のうちの少なくとも一種の金属成分の比率が、化学量論組成からモル換算で1%以上ずれた欠陥を生じたものであるとともに、ロットゲーリング法により測定されるC軸の配向度が30%以上であり、電界印加方向に対して垂直方向(31方向)及び平行方向(33方向)のいずれの方向に対しても、歪特性(電界誘起歪)を向上させることができる。特に、33方向の電界誘起歪については、従来のものと比較して大幅に向上させることができる。   The piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body and the piezoelectric / electrostrictive element of the present invention have defects in which the ratio of at least one metal component of the constituent metal components deviates by 1% or more in terms of mole from the stoichiometric composition. In addition, the degree of orientation of the C-axis measured by the Lotgering method is 30% or more, and in either the direction perpendicular to the electric field application direction (31 directions) or the parallel direction (33 directions) In contrast, strain characteristics (electric field induced strain) can be improved. In particular, the electric field induced strain in the 33 direction can be greatly improved as compared with the conventional one.

更に、本発明の圧電/電歪セラミックス焼結体及び圧電/電歪素子は、上述した歪特性や温度依存性以外の、例えば、圧電定数や誘電特性等のその他の電気的特性についても優れている。   Furthermore, the piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body and the piezoelectric / electrostrictive element of the present invention are excellent in other electrical characteristics such as piezoelectric constant and dielectric characteristics, in addition to the above-described strain characteristics and temperature dependence. Yes.

本発明の圧電/電歪素子の一の実施形態を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically one Embodiment of the piezoelectric / electrostrictive element of this invention. 本発明の圧電/電歪素子の他の実施形態を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically other embodiment of the piezoelectric / electrostrictive element of this invention. 本発明の圧電/電歪素子の更に他の実施形態を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically other embodiment of the piezoelectric / electrostrictive element of this invention. 本発明の圧電/電歪素子の更に他の実施形態を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically other embodiment of the piezoelectric / electrostrictive element of this invention. 図4に示す圧電/電歪素子の縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of the piezoelectric / electrostrictive element shown in FIG. 図4に示す圧電/電歪素子の横断面図である。It is a cross-sectional view of the piezoelectric / electrostrictive element shown in FIG. 図4に示す圧電/電歪素子の一部の分解斜視図である。FIG. 5 is an exploded perspective view of a part of the piezoelectric / electrostrictive element shown in FIG. 4.

以下、本発明の実施の形態について説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、以下の実施の形態に対し適宜変更、改良等が加えられたものも本発明の範囲に入ることが理解されるべきである。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. However, the present invention is not limited to the following embodiments, and based on ordinary knowledge of those skilled in the art without departing from the spirit of the present invention. It should be understood that modifications, improvements, and the like appropriately added to the embodiments described above fall within the scope of the present invention.

(1)圧電/電歪セラミックス焼結体:
まず、本発明の圧電/電歪セラミックス焼結体の一の実施形態について具体的に説明する。本実施形態の圧電/電歪セラミックスは、非鉛圧電/電歪材料から構成されてなり、上記非鉛圧電/電歪材料を構成する金属成分のうちの少なくとも一種の金属成分の比率が化学量論組成からモル換算で1%以上ずれた欠陥を生じたものであるとともに、ロットゲーリング法により測定されるC軸の配向度が30%以上である。
(1) Piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body:
First, an embodiment of the piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body of the present invention will be specifically described. The piezoelectric / electrostrictive ceramic of the present embodiment is made of a lead-free piezoelectric / electrostrictive material, and the ratio of at least one metal component of the metal components constituting the lead-free piezoelectric / electrostrictive material is a stoichiometric amount. A defect deviated by 1% or more in terms of mole from the theoretical composition is produced, and the degree of orientation of the C axis measured by the Lotgering method is 30% or more.

このように構成された本実施形態の圧電/電歪セラミックス焼結体は、高電界印加時における歪特性(以下、適宜「電界誘起歪」ということがある)に優れている。即ち、高電界を加えたときの31方向(電界印加方向に対して垂直方向)及び33方向(電界印加方向に対して平行方向)における歪特性に優れ、特に、33方向の電界誘起歪については、従来のものと比較して大幅に向上したものとなる。   The piezoelectric / electrostrictive ceramics sintered body of this embodiment configured as described above is excellent in strain characteristics when a high electric field is applied (hereinafter sometimes referred to as “electric field induced strain” as appropriate). That is, it has excellent distortion characteristics in 31 directions (a direction perpendicular to the electric field application direction) and 33 directions (a direction parallel to the electric field application direction) when a high electric field is applied. This is a significant improvement over the conventional one.

更に、本実施形態の圧電/電歪セラミックス焼結体は、上述した歪特性以外の、例えば、圧電定数や誘電特性等のその他の電気的特性についても優れている。また、鉛を含まない非鉛圧電/電歪材料から構成されたものであるため、焼結体からの鉛の溶出がなく、環境汚染の問題を生じることもない。   Furthermore, the piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body of the present embodiment is excellent in other electrical characteristics such as a piezoelectric constant and a dielectric characteristic in addition to the above-described strain characteristics. Further, since it is composed of a lead-free piezoelectric / electrostrictive material that does not contain lead, there is no elution of lead from the sintered body, and there is no problem of environmental pollution.

(1−1)圧電/電歪セラミックス焼結体の構成:
本実施形態の圧電/電歪セラミックス焼結体は、非鉛圧電/電歪材料によって構成されたセラミックス焼結体である。非鉛圧電/電歪材料とは、その構成金属成分において、鉛を含まない圧電/電歪材料のことをいう。
(1-1) Configuration of piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body:
The piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body of this embodiment is a ceramic sintered body made of a lead-free piezoelectric / electrostrictive material. The lead-free piezoelectric / electrostrictive material refers to a piezoelectric / electrostrictive material that does not contain lead in its constituent metal components.

そして、本実施形態の圧電/電歪セラミックス焼結体は、この非鉛圧電/電歪材料を構成する金属成分のうちの少なくとも一種の金属成分の比率が、化学量論組成からモル換算で1%以上ずれた欠陥を生じたものである。   In the piezoelectric / electrostrictive ceramics sintered body of this embodiment, the ratio of at least one metal component of the metal components constituting the lead-free piezoelectric / electrostrictive material is 1 in terms of mole from the stoichiometric composition. %, A defect shifted by more than%.

上述した「欠陥」とは、構成する金属成分の比率が、化学量論組成からずれたことに起因し、その化学組成が、非化学量論組成比で表されることをいう。そして、「非化学量論組成比で表される」とは、圧電/電歪セラミックス焼結体を構成する各元素の比が、単純な整数比では表されないことをいう。例えば、ペロブスカイト構造のAサイトを構成するアルカリ金属元素(群)1に対する、Bサイトを構成するNbやTaをはじめとする遷移金属元素群の割合(モル比)が、整数で表されないことをいう。   The above-mentioned “defect” means that the chemical composition is expressed by a non-stoichiometric composition ratio due to the ratio of the constituent metal components deviating from the stoichiometric composition. And “expressed by a non-stoichiometric composition ratio” means that the ratio of each element constituting the piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body is not expressed by a simple integer ratio. For example, the ratio (molar ratio) of the transition metal element group including Nb and Ta constituting the B site to the alkali metal element (group) 1 constituting the A site of the perovskite structure is not represented by an integer. .

上記したように、金属成分の比率が化学量論組成からモル換算で1%以上ずれた欠陥を生じさせることによって、従来に比して低温条件で焼成した場合であっても緻密であるとともに結晶性に優れており、かつ、優れた電界誘起歪等の電気的特性を示す圧電/電歪素子を得ることが可能になる。   As described above, by producing defects in which the ratio of the metal component deviates from the stoichiometric composition by 1% or more in terms of mole, it is dense and crystallized even when fired at low temperature conditions as compared with the conventional case. It is possible to obtain a piezoelectric / electrostrictive element that has excellent electrical properties and exhibits electrical characteristics such as excellent electric field induced strain.

上述した効果を得られる理由としては、例えば、ペロブスカイト構造を構成するAサイトの金属元素が過剰になると、欠陥による表面エネルギーが増大し、駆動力が増大するものと考えられる。また、これに伴い粒成長し易くなるために、焼成温度を下げることも可能となる。なお、化学量論組成比で表される従来の圧電/電歪セラミックス焼結体では、焼成面に自形が生じ易いために焼成面の緻密化が促進され難いことが推測される。これに対して、欠陥を生じさせることにより、格子内に歪が含まれることによって焼成面に自形が生じ難くなり、焼成面の緻密化が促進されるものと考えられる。   The reason why the above-described effect can be obtained is considered to be that, for example, when the metal element at the A site constituting the perovskite structure becomes excessive, the surface energy due to defects increases and the driving force increases. Moreover, since it becomes easy to grow a grain in connection with this, it becomes possible to reduce a calcination temperature. In addition, in the conventional piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body represented by the stoichiometric composition ratio, it is presumed that densification of the fired surface is difficult to promote because the self-shaped shape is likely to occur on the fired surface. On the other hand, it is considered that by forming defects, it becomes difficult for self-formation to occur on the fired surface due to the inclusion of strain in the lattice, and densification of the fired surface is promoted.

本実施形態の圧電/電歪セラミックス焼結体は、上記した非鉛圧電/電歪材料が、下記一般式(1)で表されるペロブスカイト構造を有するものであることが好ましい。
ABO ・・・ (1)
(但し、AはAサイト構成元素を示し、BはBサイト構成元素を示す)
In the piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body of the present embodiment, the above-mentioned lead-free piezoelectric / electrostrictive material preferably has a perovskite structure represented by the following general formula (1).
ABO 3 (1)
(However, A represents an A site constituent element and B represents a B site constituent element)

このようなペロブスカイト構造を有する材料を用いることにより、構成する金属成分(即ち、Aサイト及びBサイトに含まれる金属成分)のうちの少なくとも一種の金属成分について欠陥を生じさせ易く、また、上記欠陥の量(即ち、化学量論組成からのずれの比率)の制御が比較的に容易となる。   By using a material having such a perovskite structure, it is easy to cause a defect in at least one of the constituent metal components (that is, the metal component contained in the A site and the B site). Is relatively easy to control (ie, the ratio of deviation from the stoichiometric composition).

上記Aサイト構成元素としては、例えば、Li、Na、K、Bi、及びBaからなる群より選択される少なくとも一種を含むものを挙げることができ、また、Bサイト構成元素としては、例えば、Nb、Ta、Sb、Ti、及びFeからなる群より選択される少なくとも一種を含むものを挙げることができる。   Examples of the A site constituent element include those containing at least one selected from the group consisting of Li, Na, K, Bi, and Ba, and examples of the B site constituent element include Nb, for example. And at least one selected from the group consisting of Ta, Sb, Ti, and Fe.

また、これらの材料には、ストロンチウム、カルシウム、及びマンガンからなる群より選択される少なくとも一種の添加元素を更に含有するものであってもよい。   These materials may further contain at least one additive element selected from the group consisting of strontium, calcium, and manganese.

このような材料としては、例えば、ニオブ酸カリウムナトリウム等のニオブ酸系の非鉛圧電/電歪材料や、チタン酸ビスマスナトリウム(BNT)系の非鉛圧電/電歪材料を挙げることができる。なお、上記BNT系の非鉛圧電/電歪材料については、チタン酸ビスマスカリウム(BKT)やチタン酸バリウム(BT)をBNTに固溶させた材料であってもよい。以下、BNT系材料、及びBNT系材料にBKTやBTを固溶させた材料(固溶体)を称して、「BNT−BKT−BT系材料」ということがある。また、非鉛圧電/電歪材料としては、タンタル酸ストロンチウムビスマス、銅タングステンバリウム、鉄酸ビスマス、或いはこれまでに説明した非鉛圧電/電歪材料の2種以上からなる複合酸化物であってもよい。   Examples of such materials include niobic acid-based lead-free piezoelectric / electrostrictive materials such as potassium sodium niobate, and bismuth sodium titanate (BNT) -based lead-free piezoelectric / electrostrictive materials. The BNT-based lead-free piezoelectric / electrostrictive material may be a material in which bismuth potassium titanate (BKT) or barium titanate (BT) is dissolved in BNT. Hereinafter, the BNT material and the material (solid solution) in which BKT or BT is dissolved in the BNT material may be referred to as “BNT-BKT-BT material”. The lead-free piezoelectric / electrostrictive material is strontium bismuth tantalate, copper tungsten barium, bismuth ferrate, or a composite oxide composed of two or more lead-free piezoelectric / electrostrictive materials described so far. Also good.

これらの材料選定にあたっては、デバイスとしての必要性能を満たすものであれば、特に限定されるものではない。   The selection of these materials is not particularly limited as long as the necessary performance as a device is satisfied.

化学量論組成からのずれによる欠陥は、モル換算で1%以上であればよいが、1〜10%であることが好ましく、1〜7%であることが更に好ましく、1〜5%であることが特に好ましい。このように構成することによって、電界誘起歪等の電気的特性を良好に向上させることができる。例えば、1%未満では、電界誘起歪の向上効果が十分に得られず、また、10%を超えると、高電圧印加時にショートしてしまうことがある。   The defect due to deviation from the stoichiometric composition may be 1% or more in terms of mole, but is preferably 1 to 10%, more preferably 1 to 7%, and more preferably 1 to 5%. It is particularly preferred. By configuring in this way, electrical characteristics such as electric field induced strain can be improved satisfactorily. For example, if it is less than 1%, the effect of improving the electric field induced strain cannot be sufficiently obtained, and if it exceeds 10%, a short circuit may occur when a high voltage is applied.

なお、C軸の配向度は、70〜92%であることが更に好ましい。このように構成することによって、高電圧印加時に生じるクラックを抑制できる。することができる。なお、本発明における「C軸の配向度」とは、結晶面(100)面の配向度のことをいう。   The degree of orientation of the C axis is more preferably 70 to 92%. By comprising in this way, the crack which arises at the time of a high voltage application can be suppressed. can do. In the present invention, the “degree of orientation of the C axis” means the degree of orientation of the crystal plane (100).

なお、金属成分について欠陥を生じさせる方法については、特に制限はなく、金属成分について欠陥を生じさせることが可能な種々の方法を用いることができる。例えば、最終焼成物(圧電/電歪セラミックス焼結体)において非化学量論組成となるように、原料配合の段階で、使用する原料の量を調整することによって行うことができる。また、圧電/電歪セラミックスの原料を焼成した後に、更に、酸素分圧を制御した雰囲気中で高温熱処理するアニール処理を行うことによっても実現可能である。また、これらの方法を組み合わせてもよい。   In addition, there is no restriction | limiting in particular about the method of producing a defect about a metal component, The various method which can produce a defect about a metal component can be used. For example, it can be performed by adjusting the amount of raw material used at the stage of raw material blending so that the final fired product (piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body) has a non-stoichiometric composition. In addition, after firing the raw material of the piezoelectric / electrostrictive ceramics, it can be realized by performing an annealing process for performing a high temperature heat treatment in an atmosphere in which the oxygen partial pressure is controlled. Moreover, you may combine these methods.

ここで、「ロットゲーリング法による配向度」は、目的とする圧電/電歪セラミックス焼結体のXRD回折パターンを測定し、下記式(2)により求めるものとする。下記式(2)において、ΣI(HKL)が圧電/電歪セラミックス焼結体で測定されたすべての結晶面(hkl)のX線回折強度の総和であり、ΣI(hkl)が圧電/電歪セラミックス焼結体と同一組成であり無配向のものについて測定されたすべての結晶面(hkl)のX線回折強度の総和であり、Σ’I(HKL)が圧電/電歪セラミックス焼結体で測定された結晶学的に等価な特定の結晶面((100)面)のX線回折強度の総和であり、Σ’I(HKL)が圧電/電歪セラミックス焼結体と同一組成であり無配向のものについて測定された特定の結晶面のX線回折強度の総和である。 Here, the “orientation degree by the Lotgering method” is obtained by measuring the XRD diffraction pattern of the target piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body and by the following equation (2). In the following formula (2), ΣI (HKL) is the sum of X-ray diffraction intensities of all crystal planes (hkl) measured by the piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body, and ΣI 0 (hkl) is piezoelectric / electron. This is the sum of the X-ray diffraction intensities of all crystal planes (hkl) measured for a non-oriented material having the same composition as the strained ceramic sintered body, and Σ'I (HKL) is the piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body Is the sum of the X-ray diffraction intensities of the crystallographically equivalent specific crystal plane ((100) plane) measured in (1), and Σ′I 0 (HKL) has the same composition as the piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body It is the sum total of the X-ray diffraction intensities of a specific crystal plane measured for a non-oriented material.

Figure 2011251866
Figure 2011251866

配向度の算出におけるXRD回折パターンの測定については、例えば、シート状の圧電/電歪セラミックス焼結体にうねりが生じている場合は、最もうねりの小さい部分を用いて面出しした状態で測定するものとする。また、圧電/電歪セラミックス焼結体がロール状になっているものなど、面出しが困難なものにおいては、圧電/電歪セラミックス焼結体を解砕した解砕物を、ガラス等の基板上にコートして結晶面が基板面に対して平行になるようにした後に測定するものとする。具体的な方法としては、例えば、圧電/電歪セラミックス焼結体を解砕して解砕物を得、アルコール等の溶媒に、得られた解砕物を1〜10質量%に相当する量入れ、例えば超音波等を用いて30分間かけて分散させる。その後、分散液を1000〜4000rpmの条件でスピンコートして、ガラス等の基板上にコートする。コートの際には、解砕物ができるだけ重ならないように、且つ解砕物に含まれる結晶面が、前記基板面に対して平行になるように薄層に分散させる。このようにして得られた基板上の解砕物のXRD回折パターンを測定し、圧電/電歪セラミックス焼結体のXRD回折パターンとする。   Regarding the measurement of the XRD diffraction pattern in the calculation of the degree of orientation, for example, when waviness is generated in the sheet-like piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body, measurement is performed in a state where the surface is exposed using the smallest waviness portion. Shall. In addition, when it is difficult to surface, such as a piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body in a roll shape, the crushed material obtained by crushing the piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body is placed on a substrate such as glass. The measurement is performed after coating so that the crystal plane is parallel to the substrate surface. As a specific method, for example, the piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body is crushed to obtain a crushed material, and the obtained crushed material is put in an amount corresponding to 1 to 10% by mass in a solvent such as alcohol, For example, it is dispersed over 30 minutes using ultrasonic waves or the like. Thereafter, the dispersion is spin-coated under a condition of 1000 to 4000 rpm, and coated on a substrate such as glass. In coating, the crushed material is dispersed in a thin layer so that the crushed material is not overlapped as much as possible and the crystal plane included in the crushed material is parallel to the substrate surface. The XRD diffraction pattern of the crushed material on the substrate thus obtained is measured to obtain an XRD diffraction pattern of the piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body.

本実施形態の圧電/電歪セラミックス焼結体において、その配向度を制御する方法については特に制限はなく、例えば、反応性テンプレート粒成長法(RTGG:Reactive templated grain growth)、テンプレート粒成長法(TGG:Templated grain growth)、ホットフォージ、磁場配向等の方法を用いることができる。   In the piezoelectric / electrostrictive ceramics sintered body of the present embodiment, the method for controlling the degree of orientation is not particularly limited. For example, reactive template grain growth (RTGG), template grain growth ( Methods such as TGG (Templated grain growth), hot forge, and magnetic field orientation can be used.

例えば、反応性テンプレート粒成長法においては、圧電/電歪セラミックス焼結体を形成するための原料粒子をテンプレート粒子として含むスラリーを調製し、得られたスラリーをドクターブレード法等によって応力を加えながら成形を行うことにより、成形体中の原料粒子の配向を制御した後、得られた成形体を焼成して焼結体を得るものである。なお、成形体の原料粒子として、いったん成形、焼成した焼結体を砕いたものを用いてもよい。このような上述した公知の配向制御方法により、圧電/電歪セラミックス焼結体の配向を制御することができる。   For example, in the reactive template grain growth method, a slurry containing raw material particles for forming a piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body as template particles is prepared, and stress is applied to the obtained slurry by a doctor blade method or the like. By controlling the orientation of the raw material particles in the molded body by molding, the obtained molded body is fired to obtain a sintered body. In addition, you may use what crushed the sintered compact once shape | molded and baked as a raw material particle of a molded object. The orientation of the piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body can be controlled by such a known orientation control method described above.

ここで、本実施形態の圧電/電歪セラミックス焼結体の製造方法の一例について説明する。まず、圧電/電歪セラミックス焼結体の原料粉末に、バインダー、可塑剤、分散剤及び分散媒を加え、これらをボールミル等によって混合して、成形用のスラリーを調製する。なお、圧電/電歪セラミックス焼結体の原料粉末は、最終焼成物において非化学量論組成となるように各原料の量を調製したものであってもよい。また、酸素分圧等によって欠陥を制御する場合には、従来公知の圧電/電歪セラミックス焼結体の製造に用いられる原料粉体を用いてスラリーを調製してもよい。また、600〜1400℃で仮焼し粉砕した粉末を用いてもよい。仮焼、粉砕は複数回行ってもよい。   Here, an example of the manufacturing method of the piezoelectric / electrostrictive ceramics sintered body of the present embodiment will be described. First, a binder, a plasticizer, a dispersant, and a dispersion medium are added to a raw material powder of a piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body, and these are mixed by a ball mill or the like to prepare a molding slurry. Note that the raw material powder of the piezoelectric / electrostrictive ceramics sintered body may be prepared by adjusting the amount of each raw material so that the final fired product has a non-stoichiometric composition. Moreover, when controlling a defect by oxygen partial pressure etc., you may prepare a slurry using the raw material powder used for manufacture of a conventionally well-known piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered compact. Moreover, you may use the powder which calcined and grind | pulverized at 600-1400 degreeC. The calcination and pulverization may be performed a plurality of times.

次に、得られたスラリーを、ドクターブレード法等によりシート状等に成形して、成形体(例えば、グリーンシート)を得る。なお、成形方法については特に制限はなく、従来公知の方法を用いることができる。なお、成形時においては、上述したRTGG、TGG、ホットフォージ等の方法により、成形体中の原料粒子の配向を制御してもよい。なお、ホットフォージは、得られた成形体に剪断応力を印加して、成形体中の原料粒子を一軸方向に配向させる配向制御方法である。また、成形体を得た後、結晶構造に起因する磁気異方性を利用し、磁化容易軸方向に原料粒子を配向させてもよい(磁場配向)。   Next, the obtained slurry is formed into a sheet or the like by a doctor blade method or the like to obtain a formed body (for example, a green sheet). In addition, there is no restriction | limiting in particular about a shaping | molding method, A conventionally well-known method can be used. At the time of molding, the orientation of the raw material particles in the molded body may be controlled by the above-described methods such as RTGG, TGG, and hot forge. Hot forge is an orientation control method in which shearing stress is applied to the obtained molded body to orient the raw material particles in the molded body in a uniaxial direction. In addition, after obtaining the compact, the raw material particles may be oriented in the direction of the easy axis of magnetization using magnetic anisotropy due to the crystal structure (magnetic field orientation).

次に、得られた成形体を900〜1500℃で焼成して圧電/電歪セラミックス焼結体を得る。なお、上述したように、酸素分圧等によって欠陥を制御することにより、化学量論組成からの1%以上のずれによる欠陥を生じさせてもよい。また、必要に応じて適当な形状(例えば、短冊状)に加工し、更に分極処理を行ってもよい。   Next, the obtained molded body is fired at 900 to 1500 ° C. to obtain a piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body. Note that, as described above, the defect may be caused by a deviation of 1% or more from the stoichiometric composition by controlling the defect by oxygen partial pressure or the like. Further, if necessary, it may be processed into an appropriate shape (for example, strip shape) and further subjected to polarization treatment.

また、本実施形態の圧電/電歪セラミックス焼結体は、酸素欠陥量が、圧電/電歪セラミックス焼結体の電気的中性を保たない量となっていてもよい。勿論、圧電/電歪セラミックス焼結体における金属成分の欠陥に対し、結晶全体の電気的中性を保つように、酸素に欠陥が生じたものであってもよい。   In the piezoelectric / electrostrictive ceramics sintered body of the present embodiment, the amount of oxygen defects may be an amount that does not maintain the electrical neutrality of the piezoelectric / electrostrictive ceramics sintered body. Of course, a defect may be generated in oxygen so as to maintain the electrical neutrality of the entire crystal against the defect of the metal component in the piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body.

(2)圧電/電歪素子:
次に、本発明の圧電/電歪素子の一の実施形態について具体的に説明する。図1は、本発明の圧電/電歪素子の一の実施形態を模式的に示す断面図である。図1に示すように、本実施形態の圧電/電歪素子10は、上述した本発明の圧電/電歪セラミックス焼結体からなる膜状の圧電/電歪体2と、この圧電/電歪体2を挟んで配設される一対の電極4,5と、一対の電極のいずれかの面に接合される基板1と、を備えるものである。
(2) Piezoelectric / electrostrictive element:
Next, an embodiment of the piezoelectric / electrostrictive element of the present invention will be specifically described. FIG. 1 is a sectional view schematically showing one embodiment of the piezoelectric / electrostrictive element of the present invention. As shown in FIG. 1, the piezoelectric / electrostrictive element 10 of this embodiment includes a film-like piezoelectric / electrostrictive body 2 made of the above-described piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body of the present invention, and the piezoelectric / electrostrictive element. A pair of electrodes 4 and 5 disposed with the body 2 interposed therebetween, and a substrate 1 bonded to one surface of the pair of electrodes are provided.

このように構成された本実施形態の圧電/電歪素子は、従来の圧電/電歪素子と比較して、電界誘起歪に優れている。   The thus configured piezoelectric / electrostrictive element of the present embodiment is superior in electric field induced strain as compared with a conventional piezoelectric / electrostrictive element.

なお、図1においては一層の圧電/電歪体2を備えた圧電/電歪素子10が示されているが、圧電/電歪体は一層に限定されることはなく、多層にすることも好ましい。例えば、図2に示すように、圧電/電歪体22,23を複数、及び電極24,25,26を複数備え、複数の圧電/電歪体22,23が、複数の電極24,25,26(図2においては、電極25を共有する二対の電極)により交互に挟持・積層されてなる構成とした圧電/電歪素子30であってもよい。この構成は、いわゆる多層型の構成であり、低電圧で大きな屈曲変位を得ることができるために好ましい。ここで、図2は、本発明の圧電/電歪素子の他の実施形態を模式的に示す断面図である。なお。符号21は、一の電極(図2においては、電極24)に接合される基板を示す。   In FIG. 1, a piezoelectric / electrostrictive element 10 having a single piezoelectric / electrostrictive body 2 is shown. However, the piezoelectric / electrostrictive body is not limited to a single layer, and may be multi-layered. preferable. For example, as shown in FIG. 2, a plurality of piezoelectric / electrostrictive bodies 22, 23 and a plurality of electrodes 24, 25, 26 are provided, and a plurality of piezoelectric / electrostrictive bodies 22, 23 are provided with a plurality of electrodes 24, 25, Alternatively, the piezoelectric / electrostrictive element 30 may be configured to be alternately sandwiched and stacked by 26 (two pairs of electrodes sharing the electrode 25 in FIG. 2). This configuration is a so-called multilayer configuration and is preferable because a large bending displacement can be obtained at a low voltage. Here, FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing another embodiment of the piezoelectric / electrostrictive element of the present invention. Note that. Reference numeral 21 denotes a substrate bonded to one electrode (electrode 24 in FIG. 2).

図1に示すように、圧電/電歪体2は、電極4を介在させた状態で基板1上に固着されている。圧電/電歪体2と基板1は、接着剤等を用いることなく、圧電/電歪体2と基板1の固相反応による緊密一体化によって固着されていることが好ましい。   As shown in FIG. 1, the piezoelectric / electrostrictive body 2 is fixed on the substrate 1 with the electrode 4 interposed. The piezoelectric / electrostrictive body 2 and the substrate 1 are preferably fixed by close integration by a solid phase reaction between the piezoelectric / electrostrictive body 2 and the substrate 1 without using an adhesive or the like.

圧電/電歪素子10を構成する圧電/電歪体2の厚さは、0.5〜50μmであることが好ましく、0.8〜40μmであることが更に好ましく、1.0〜30μmであることが特に好ましい。圧電/電歪体2の厚さが0.5μm未満であると、圧電/電歪体2の緻密化が不十分となる場合がある。一方、圧電/電歪体2の厚さが50μm超であると、焼成時の圧電/電歪体2の収縮応力が大きくなり、基板1が破壊されるのを防止するために基板1を厚くする必要があり、圧電/電歪素子を小型化することが困難になる場合がある。   The thickness of the piezoelectric / electrostrictive body 2 constituting the piezoelectric / electrostrictive element 10 is preferably 0.5 to 50 μm, more preferably 0.8 to 40 μm, and 1.0 to 30 μm. It is particularly preferred. If the thickness of the piezoelectric / electrostrictive body 2 is less than 0.5 μm, the densification of the piezoelectric / electrostrictive body 2 may be insufficient. On the other hand, if the thickness of the piezoelectric / electrostrictive body 2 exceeds 50 μm, the contraction stress of the piezoelectric / electrostrictive body 2 during firing increases, and the substrate 1 is thickened to prevent the substrate 1 from being destroyed. Therefore, it may be difficult to reduce the size of the piezoelectric / electrostrictive element.

基板1の厚さは、1μm〜1mmであることが好ましく、1.5〜500μmであることが更に好ましく、2〜200μmであることが特に好ましい。基板1の厚さが1μm未満であると、圧電/電歪素子10の機械的強度が低下する場合がある。一方、基板1の厚さが1mm超であると、圧電/電歪体2に電界を印加した場合に、発生する収縮応力に対する基板1の剛性が大きくなり、圧電/電歪体2の屈曲変位が小さくなってしまうおそれがある。基板1の材質については特に制限はないが、例えば、ジルコニア等を挙げることができる。   The thickness of the substrate 1 is preferably 1 μm to 1 mm, more preferably 1.5 to 500 μm, and particularly preferably 2 to 200 μm. If the thickness of the substrate 1 is less than 1 μm, the mechanical strength of the piezoelectric / electrostrictive element 10 may decrease. On the other hand, when the thickness of the substrate 1 exceeds 1 mm, the rigidity of the substrate 1 with respect to the contraction stress generated when an electric field is applied to the piezoelectric / electrostrictive body 2 increases, and the bending displacement of the piezoelectric / electrostrictive body 2 is increased. May become smaller. Although there is no restriction | limiting in particular about the material of the board | substrate 1, For example, a zirconia etc. can be mentioned.

また、本発明の圧電/電歪素子は、図3に示すように、図2に示すような多層型の構成を有する単位構造(積層体32)が繰り返されるものであってもよい。即ち、図3に示す圧電/電歪素子30は、基体31上に、多層型の構成を有する三つの積層体32が固着された場合の例を示している。ここで、図3は、本発明の圧電/電歪素子の更に他の実施形態を模式的に示す断面図である。   Further, as shown in FIG. 3, the piezoelectric / electrostrictive element of the present invention may be one in which a unit structure (laminated body 32) having a multilayer structure as shown in FIG. 2 is repeated. That is, the piezoelectric / electrostrictive element 30 shown in FIG. 3 shows an example in which three laminated bodies 32 having a multilayer structure are fixed on a base 31. Here, FIG. 3 is a sectional view schematically showing still another embodiment of the piezoelectric / electrostrictive element of the present invention.

なお、基体31上に設けられる積層体32の数は、三つに限定されることはない。また形成すべき積層体の数並びに圧電/電歪膜及び電極膜の数が増える点を除いては、単層型の圧電/電歪素子10と同様に製造される。   In addition, the number of the laminated bodies 32 provided on the base body 31 is not limited to three. Further, it is manufactured in the same manner as the single-layer piezoelectric / electrostrictive element 10 except that the number of laminated bodies to be formed and the number of piezoelectric / electrostrictive films and electrode films are increased.

次に、本発明の圧電/電歪素子の更に他の実施形態として、図4〜図6に示すような圧電/電歪素子について説明する。図4〜図6に示すように、本実施形態の圧電/電歪素子40は、圧電/電歪体膜402と内部電極膜404とを軸Aの方向に交互に積層し、圧電/電歪体膜402と内部電極膜404とを積層した積層体410の端面412,414に外部電極膜416,418を配設した構造を有するものである。   Next, a piezoelectric / electrostrictive element as shown in FIGS. 4 to 6 will be described as still another embodiment of the piezoelectric / electrostrictive element of the present invention. As shown in FIGS. 4 to 6, the piezoelectric / electrostrictive element 40 according to the present embodiment includes piezoelectric / electrostrictive films 402 and internal electrode films 404 that are alternately stacked in the direction of the axis A. In this structure, external electrode films 416 and 418 are disposed on end faces 412 and 414 of a laminate 410 in which a body film 402 and an internal electrode film 404 are laminated.

ここで、図4は、本発明の圧電/電歪素子の更に他の実施形態を模式的に示す斜視図であり、図5は、図4に示す圧電/電歪素子の縦断面図、図6は、図4に示す圧電/電歪素子の横断面図である。   4 is a perspective view schematically showing still another embodiment of the piezoelectric / electrostrictive element of the present invention. FIG. 5 is a longitudinal sectional view of the piezoelectric / electrostrictive element shown in FIG. 6 is a cross-sectional view of the piezoelectric / electrostrictive element shown in FIG.

圧電/電歪素子40の一部を軸Aの方向に分解した状態を示す図7の分解斜視図に示すように、内部電極膜404には、端面412に達しているが端面414には達していない第1の内部電極膜406と、端面414に達しているが端面412には達していない第2の内部電極膜408とがある。第1の内部電極膜406と第2の内部電極膜408とは交互に設けられる。   As shown in the exploded perspective view of FIG. 7 showing a state in which a part of the piezoelectric / electrostrictive element 40 is exploded in the direction of the axis A, the internal electrode film 404 reaches the end surface 412 but reaches the end surface 414. There is a first internal electrode film 406 that does not reach, and a second internal electrode film 408 that reaches the end face 414 but does not reach the end face 412. The first internal electrode film 406 and the second internal electrode film 408 are provided alternately.

そして、第1の内部電極膜406は、端面412において外部電極膜416と接し、外部電極膜416と電気的に接続される。第2の内部電極膜408は、端面414において外部電極膜418と接し、外部電極膜418と電気的に接続される。従って、外部電極膜416を駆動信号源のプラス側に接続し、外部電極膜418を駆動信号源のマイナス側に接続すると、圧電/電歪体膜402を挟んで対向する第1の内部電極膜406と第2の内部電極膜408とに駆動信号が印加され、圧電/電歪体膜402の厚さ方向に電界が印加される。この結果、圧電/電歪体膜402は厚さ方向に伸縮し、積層体410は全体として図4において破線で示す形状に変形する。   The first internal electrode film 406 is in contact with the external electrode film 416 at the end surface 412 and is electrically connected to the external electrode film 416. The second internal electrode film 408 is in contact with the external electrode film 418 at the end face 414 and is electrically connected to the external electrode film 418. Therefore, when the external electrode film 416 is connected to the positive side of the drive signal source and the external electrode film 418 is connected to the negative side of the drive signal source, the first internal electrode film facing the piezoelectric / electrostrictive film 402 is sandwiched. A drive signal is applied to 406 and the second internal electrode film 408, and an electric field is applied in the thickness direction of the piezoelectric / electrostrictive film 402. As a result, the piezoelectric / electrostrictive film 402 expands and contracts in the thickness direction, and the laminated body 410 as a whole is deformed into a shape indicated by a broken line in FIG.

圧電/電歪素子40は、既に説明した圧電/電歪素子10,20及び30と異なり、積層体410が固着される基体を有さない。また、圧電/電歪素子40は、パターンが異なる第1の内部電極膜406と第2の内部電極膜408とを交互に設けることから、「オフセット型の圧電/電歪素子」とも呼ばれる。   Unlike the piezoelectric / electrostrictive elements 10, 20, and 30 that have already been described, the piezoelectric / electrostrictive element 40 does not have a base to which the multilayer body 410 is fixed. The piezoelectric / electrostrictive element 40 is also referred to as an “offset type piezoelectric / electrostrictive element” because the first internal electrode film 406 and the second internal electrode film 408 having different patterns are alternately provided.

圧電/電歪体膜402は、本発明の圧電/電歪セラミックス焼結体によって形成されたものである。圧電/電歪体膜402の膜厚は、5〜500μmであることが好ましい。この範囲を下回ると、圧電/電歪体膜402の製造が困難になるからである。また、この範囲を上回ると、圧電/電歪体膜402に十分な電界を印加することが困難になるからである。   The piezoelectric / electrostrictive film 402 is formed by the piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body of the present invention. The film thickness of the piezoelectric / electrostrictive film 402 is preferably 5 to 500 μm. If the thickness is below this range, it is difficult to manufacture the piezoelectric / electrostrictive film 402. Further, if it exceeds this range, it is difficult to apply a sufficient electric field to the piezoelectric / electrostrictive film 402.

内部電極膜404及び外部電極膜416,418の材質は、白金、パラジウム、ロジウム、金若しくは銀等の金属又はこれらの合金である。内部電極膜404の材質は、これらの中でも、焼成時の耐熱性が高く圧電/電歪体膜402との共焼結が容易な点で白金又は白金を主成分とする合金であることが好ましい。但し、焼成温度によっては、銀−パラジウム等の合金も好適に用いられる。   The material of the internal electrode film 404 and the external electrode films 416 and 418 is a metal such as platinum, palladium, rhodium, gold or silver, or an alloy thereof. Among these, the material of the internal electrode film 404 is preferably platinum or an alloy containing platinum as a main component from the viewpoint of high heat resistance during firing and easy co-sintering with the piezoelectric / electrostrictive film 402. . However, an alloy such as silver-palladium is also preferably used depending on the firing temperature.

内部電極膜404の膜厚は、10μm以下であることが好ましい。この範囲を上回ると、内部電極膜404が緩和層として機能し、変位が小さくなる傾向があるからである。また、内部電極膜404がその役割を適切に果たすためには、膜厚は、0.1μm以上であることが好ましい。   The thickness of the internal electrode film 404 is preferably 10 μm or less. This is because exceeding this range, the internal electrode film 404 functions as a relaxation layer and the displacement tends to be small. Further, in order for the internal electrode film 404 to appropriately fulfill its role, the film thickness is preferably 0.1 μm or more.

なお、図4〜図6には、圧電/電歪体膜402が10層である場合が図示されているが、圧電/電歪体膜402が9層以下又は11層以上であってもよい。   4 to 6 illustrate the case where the piezoelectric / electrostrictive film 402 has 10 layers, the piezoelectric / electrostrictive film 402 may have 9 layers or less or 11 layers or more. .

以下、本発明を実施例に基づいて更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated further in detail based on an Example, this invention is not limited to these Examples.

(実施例1)
実施例1においては、ニオブ酸アルカリ系の圧電/電歪セラミックス焼結体を作製し、この圧電/電歪セラミックス焼結体を用いて、圧電/電歪素子を作製した。
Example 1
In Example 1, an alkali niobate-based piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body was produced, and a piezoelectric / electrostrictive element was produced using this piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body.

本実施例においては、まず、圧電/電歪セラミックス焼結体の原料粉体となる仮焼粉末と板状粒子(即ち、種結晶的な粒子)とを作製し、仮焼粉末と板状粒子とを含むスラリーをドクターブレード法によって成形した成形体を焼成して、圧電/電歪セラミックス焼結体を製造した。   In this example, first, calcined powder and plate-like particles (that is, seed crystal particles), which are raw material powders of a piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body, are prepared, and the calcined powder and plate-like particles are produced. A molded body formed by molding a slurry containing the above by a doctor blade method was fired to produce a piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body.

[仮焼粉末の作製]
圧電/電歪セラミックス焼結体の原料粒子となる仮焼粉末の作製にあたって、炭酸リチウム(LiCO)、酒石酸水素ナトリウム一水和物(CNa・HO)、酒石酸水素カリウム(CK)、酸化ニオブ(Nb)、酸化タンタル(Ta)及び酸化アンチモン(Sb)の素原料の粉末を、焼成後の酸化物において表1に示す組成となるように秤量した。表1において、「x」、「y」、「z」、「w」及び「a」の欄には、ペロブスカイト型酸化物の組成を一般式{Li(Na1−x1−y(Nb1−z−wTaSb)Oで表したときのx、y、z、w及びaの値を示す。
[Preparation of calcined powder]
In preparing the calcined powder that is the raw material particles of the piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body, lithium carbonate (Li 2 CO 3 ), sodium hydrogen tartrate monohydrate (C 4 H 5 O 6 Na · H 2 O), Powders of raw materials of potassium hydrogen tartrate (C 4 H 5 O 6 K), niobium oxide (Nb 2 O 5 ), tantalum oxide (Ta 2 O 5 ) and antimony oxide (Sb 2 O 3 ) are oxidized after firing. The product was weighed so as to have the composition shown in Table 1. In Table 1, in the columns of “x”, “y”, “z”, “w”, and “a”, the composition of the perovskite oxide is represented by the general formula {Li y (Na 1−x K x ) 1− shows y} a (Nb 1-z -w Ta z Sb w) x when expressed in O 3, y, z, the values of w and a.

次に、秤量した素原料の粉末に、分散媒としてアルコールを加えてボールミルで16時間混合し、混合原料を調製した。   Next, alcohol was added as a dispersion medium to the weighed raw material powders and mixed for 16 hours with a ball mill to prepare a mixed raw material.

次に、得られた混合原料をエバポレータ及び乾燥機によって乾燥し、更に、800℃で5時間仮焼して仮焼体を得た。次に、得られた仮焼体に分散媒としてエタノールを入れ、を再度ボールミルで粉砕することを2回以上繰り返し、更にエバポレータ及び乾燥機によって乾燥して、ペロブスカイト型酸化物の仮焼粉末(以下、「仮焼粉末A」という)を得た。なお炭酸ストロンチウム(SrCO)、二酸化マンガン(MnO)を仮焼1回目の後に添加した。なお、上記添加剤は、仮焼1回目及び/又は仮焼2回目の後に添加することができる。 Next, the obtained mixed raw material was dried with an evaporator and a dryer, and further calcined at 800 ° C. for 5 hours to obtain a calcined body. Next, ethanol is added as a dispersion medium to the obtained calcined body, and pulverization with a ball mill is repeated twice or more, and further dried by an evaporator and a drier to obtain a calcined powder of perovskite oxide (hereinafter referred to as “perovskite oxide”). And “calculated powder A”). Strontium carbonate (SrCO 3 ) and manganese dioxide (MnO 2 ) were added after the first calcination. In addition, the said additive can be added after the 1st calcination and / or the 2nd calcination.

[板状粒子の作製]
次に、分散媒としてのトルエン、イソプロパノールを等量混合したものに、上記の工程によって得られた仮焼粉末Aの一部と、バインダーとしてポリビニルブチラール(積水化学社製の商品名「BM−2」)と、可塑剤(黒金化成社製のフタル酸ジオクチル(DOP))と、分散剤(花王社製の商品名「SP−O30」)とを混合し、スラリー状の成形原料(以下、スラリーともいう)を作製した。各原料の使用量は、粉体A100質量部に対して、分散媒100質量部、バインダー10質量部、可塑剤4質量部及び分散剤2質量部とした。
[Preparation of plate-like particles]
Next, a mixture of equal amounts of toluene and isopropanol as a dispersion medium, a part of the calcined powder A obtained by the above process, and polyvinyl butyral (trade name “BM-2” manufactured by Sekisui Chemical Co., Ltd.) as a binder. )), A plasticizer (dioctyl phthalate (DOP) manufactured by Kurokin Kasei Co., Ltd.), and a dispersant (trade name “SP-O30” manufactured by Kao Co., Ltd.) (Also called slurry). The amount of each raw material used was 100 parts by mass of the dispersion medium, 10 parts by mass of the binder, 4 parts by mass of the plasticizer, and 2 parts by mass of the dispersant with respect to 100 parts by mass of the powder A.

次に、得られたスラリーを、減圧下で撹拌して脱泡し、粘度0.5〜0.7Pa・sとなるように調製した。スラリーの粘度は、ブルックフィールド社製のLVT型粘度計で測定した。得られたスラリーをドクターブレード法によってPETフィルムの上にシート状に成形した。乾燥後の厚さを5μmとした。   Next, the obtained slurry was stirred and defoamed under reduced pressure to prepare a viscosity of 0.5 to 0.7 Pa · s. The viscosity of the slurry was measured with an LVT viscometer manufactured by Brookfield. The obtained slurry was formed into a sheet on a PET film by a doctor blade method. The thickness after drying was 5 μm.

次に、PETフィルムから剥がしたシート状の成形体を、カッターで50mm角に切り出し、ジルコニアからなるセッター(寸法70mm角、高さ5mm)の中央に載置した。このセッターに、シート状の成形体と同じ成形原料からなる未焼成のシート成形体(寸法5mm×40mm、厚さ100μm)をシート状の成形体の四辺の外側に載置してこれを囲い、その上に更にジルコニアの角板(寸法70mm角、高さ5mm)を載置した。こうして、シート状の成形体の空間をできるだけ小さくするとともに、同じ成形原料を共存させる焼成条件とした。そして、600℃、2時間脱脂後、1100℃で5時間焼成を行った。焼成後、セッターに溶着していない部分を取り出した。   Next, the sheet-like molded body peeled off from the PET film was cut into a 50 mm square with a cutter and placed on the center of a setter (dimension 70 mm square, height 5 mm) made of zirconia. In this setter, an unsintered sheet molded body (dimensions 5 mm × 40 mm, thickness 100 μm) made of the same molding raw material as the sheet-shaped molded body is placed outside the four sides of the sheet-shaped molded body, and enclosed. A zirconia square plate (size 70 mm square, height 5 mm) was further placed thereon. Thus, the space for the sheet-like molded body was made as small as possible, and the firing conditions were set such that the same molding raw material coexisted. And after baking at 600 degreeC for 2 hours, baking was performed at 1100 degreeC for 5 hours. After firing, the part not welded to the setter was taken out.

次に、得られた焼成後の成形体を300メッシュ(開口径45μm)のふるいに載せ、この成形体を、へらで軽く押し付けながら解砕し、上記ふるいによって分級して板状粒子(以下、「板状粒子B」という)を作製した。   Next, the obtained molded product after firing was placed on a 300 mesh (opening diameter 45 μm) sieve, and this molded product was crushed while being lightly pressed with a spatula, and classified by the above sieve to obtain plate-like particles (hereinafter, "Plate-like particle B") was prepared.

[圧電/電歪セラミックス焼結体の作製]
分散媒としてのトルエン、イソプロパノールを等量混合したものに、上記仮焼粉末Aと、上記板状粒子Bと、バインダーとしてポリビニルブチラール(積水化学社製の商品面「BM−2」)と、可塑剤(黒金化成社製のフタル酸ジオクチル(DOP))と、分散剤(花王社製の商品名「SP−O30」)とを混合し、スラリー状の成形原料を調製した。各原料の使用量は、仮焼粉末A100質量部に対して、板状粒子B30質量部、分散媒100質量部、バインダー10質量部、可塑剤4質量部及び分散剤2質量部とした。
[Preparation of sintered piezoelectric / electrostrictive ceramics]
To a mixture of equal amounts of toluene and isopropanol as a dispersion medium, the calcined powder A, the plate-like particles B, polyvinyl butyral (product surface “BM-2” manufactured by Sekisui Chemical Co., Ltd.) as a binder, plastic An agent (dioctyl phthalate (DOP) manufactured by Kurokin Kasei Co., Ltd.) and a dispersant (trade name “SP-O30” manufactured by Kao Corporation) were mixed to prepare a slurry-like molding raw material. The amount of each raw material used was 30 parts by mass of the plate-like particles B, 100 parts by mass of the dispersion medium, 10 parts by mass of the binder, 4 parts by mass of the plasticizer, and 2 parts by mass of the dispersant with respect to 100 parts by mass of the calcined powder A.

次に、得られた成形原料を、減圧下で撹拌して脱泡し、粘度2.5〜3.0Pa・sとなるように調製した。成形原料の粘度は、ブルックフィールド社製のLVT型粘度計で測定した。得られた成形原料をドクターブレード法によって、板状粒子Bが一方向に配向し、且つ乾燥後の厚さが100μmとなるように平板状に成形した。   Next, the obtained forming raw material was stirred and degassed under reduced pressure to prepare a viscosity of 2.5 to 3.0 Pa · s. The viscosity of the molding material was measured with an LVT viscometer manufactured by Brookfield. The obtained forming raw material was formed into a flat plate shape by the doctor blade method so that the plate-like particles B were oriented in one direction and the thickness after drying was 100 μm.

このようにして得られた成形体を複数枚積層し、2×10Paの圧力で直径18mm、板厚5mmの円板形状にプレス成形した。そして、成形体をアルミナ容器内に収納し、(1)200℃/時間の昇温速度で860〜900℃まで昇温して0.5〜3時間保持する第1の段階、(2)1000℃/時間の昇温速度で1000〜1050℃まで昇温して1分間保持する第2の段階、(3)400〜2000℃/時間の降温速度で940〜980℃まで降温して3〜6時間保持する第3の段階、(4)200℃/時間の降温速度で室温まで冷却する第4の段階、を順次実行する焼成プロファイルを用いて焼成し、圧電/電歪セラミックス焼結体を得た。得られた圧電/電歪セラミックス焼結体のXRD回折パターンを測定し、上記式(2)に従い、圧電/電歪セラミックス焼結体の、ロットゲーリング法によるC軸の配向度(即ち、(100)面の配向度)を求めた。実施例1の圧電/電歪セラミックス焼結体の配向度を表1に示す。なお、実施例1の圧電/電歪セラミックス焼結体の配向度は、85%であった。 A plurality of the molded bodies thus obtained were laminated and press-molded into a disk shape having a diameter of 18 mm and a plate thickness of 5 mm at a pressure of 2 × 10 8 Pa. Then, the molded body is housed in an alumina container, (1) a first stage in which the temperature is increased from 860 to 900 ° C. at a temperature increase rate of 200 ° C./hour and held for 0.5 to 3 hours, (2) 1000 A second stage in which the temperature is increased from 1000 to 1050 ° C. at a temperature increase rate of 1 ° C./hour and held for 1 minute; (3) the temperature is decreased from 940 to 980 ° C. at a temperature decrease rate of 400 to 2000 ° C./hour, A piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body is obtained by firing using a firing profile that sequentially executes a third stage for holding time and (4) a fourth stage for cooling to room temperature at a temperature decrease rate of 200 ° C./hour. It was. The XRD diffraction pattern of the obtained piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body was measured, and the degree of orientation of the C / axis of the piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body by the Lotgering method (ie, (100 ) Surface orientation degree). Table 1 shows the degree of orientation of the piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body of Example 1. The degree of orientation of the piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body of Example 1 was 85%.

[圧電/電歪素子の作製]
次に、得られた圧電/電歪セラミックス焼結体を、長辺12mm×短辺3mm×厚み1mmの矩形形状に加工し、600〜900℃で熱処理を行った。その後、矩形試料の両主面にスパッタリングで金電極を形成した。そして、これを70〜100℃のシリコンオイル中に浸漬し、両主面の金電極に5kV/mmの電圧を15分間印加して厚さ方向に分極処理を行い、300℃以下でのエージング処理を行って、圧電/電歪素子を作製した。得られた圧電/電歪素子の電界誘起歪を下記の方法で測定した。各結果を表1に示す。
[Preparation of piezoelectric / electrostrictive element]
Next, the obtained piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body was processed into a rectangular shape having a long side of 12 mm, a short side of 3 mm, and a thickness of 1 mm, and heat-treated at 600 to 900 ° C. Thereafter, gold electrodes were formed by sputtering on both main surfaces of the rectangular sample. And this is immersed in 70-100 degreeC silicon oil, the voltage of 5 kV / mm is applied to the gold electrode of both main surfaces for 15 minutes, a polarization process is performed in the thickness direction, and an aging process below 300 degreeC Thus, a piezoelectric / electrostrictive element was produced. The electric field induced strain of the obtained piezoelectric / electrostrictive element was measured by the following method. The results are shown in Table 1.

(電界誘起歪)
圧電/電歪素子を用いて、25℃、及び200℃における電界誘起歪(ppm)を測定した。なお、電界誘起歪は、圧電/電歪素子の両主面の金電極に4000V/mmの電圧を印加したときの、電界印加方向に対して平行方向(33方向)の電界誘起歪(S4000)を、レーザー変位計(aixACCT社製の評価システム)で測定した。
(Electric field induced strain)
Electric field induced strain (ppm) at 25 ° C. and 200 ° C. was measured using a piezoelectric / electrostrictive element. The electric field induced strain is an electric field induced strain parallel to the electric field application direction (33 directions) when a voltage of 4000 V / mm is applied to the gold electrodes on both main surfaces of the piezoelectric / electrostrictive element (S4000). Was measured with a laser displacement meter (an evaluation system manufactured by aixACCT).

Figure 2011251866
Figure 2011251866

(比較例1)
圧電/電歪セラミックス焼結体の作製時において、実施例1における配向制御を行わなかったこと以外は、実施例1と同様の方法によって圧電/電歪セラミックス焼結体を作製した。即ち、比較例1においては、板状粒子Bを用いずに、仮焼粉末Aのみを用いて成形原料の調製を行って焼結体を作製した。比較例1の圧電/電歪セラミックス焼結体は、欠陥については、実施例1と同様に1%以上であるが、配向度については、配向制御がされていないため、5%であった。
(Comparative Example 1)
A piezoelectric / electrostrictive ceramics sintered body was produced in the same manner as in Example 1 except that the orientation control in Example 1 was not performed when the piezoelectric / electrostrictive ceramics sintered body was produced. That is, in Comparative Example 1, a sintered body was prepared by preparing a forming raw material using only the calcined powder A without using the plate-like particles B. The piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body of Comparative Example 1 had a defect of 1% or more as in Example 1, but the degree of orientation was 5% because the orientation was not controlled.

(比較例2)
圧電/電歪セラミックス焼結体の作製時において、素原料の粉末を、表1に示すように秤量して、焼結体に欠陥を生じさせないようにした以外は、実施例1と同様の方法によって圧電/電歪セラミックス焼結体を作製した。比較例2の圧電/電歪セラミックス焼結体は、配向度については、実施例1と同様に85%であったが、化学量論組成からの1%以上のずれによる欠陥は生じていなかった。
(Comparative Example 2)
The same method as in Example 1 except that the raw material powder was weighed as shown in Table 1 to prevent defects in the sintered body when the piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body was produced. Thus, a piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body was produced. In the piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body of Comparative Example 2, the degree of orientation was 85% as in Example 1, but no defect was caused by a deviation of 1% or more from the stoichiometric composition. .

(比較例3)
圧電/電歪セラミックス焼結体の作製時において、比較例2と同様の素原料の粉末を用い、且つ配向制御を行わなかったこと以外は、実施例1と同様の方法によって圧電/電歪セラミックス焼結体を作製した。比較例3の圧電/電歪セラミックス焼結体は、化学量論組成からの1%以上のずれによる欠陥が生じておらず、また、配向制御がされていないため、配向度が10%であった。
(Comparative Example 3)
The piezoelectric / electrostrictive ceramics were produced by the same method as in Example 1 except that the raw material powder similar to that in Comparative Example 2 was used and the orientation control was not performed at the time of producing the piezoelectric / electrostrictive ceramics sintered body. A sintered body was produced. The piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body of Comparative Example 3 had no defects due to a deviation of 1% or more from the stoichiometric composition, and because the orientation was not controlled, the degree of orientation was 10%. It was.

(実施例2)
実施例2においては、BNT−NKT−BK系の圧電/電歪セラミックス焼結体を作製し、この圧電/電歪セラミックス焼結体を用いて、圧電/電歪素子を作製した。
(Example 2)
In Example 2, a BNT-NKT-BK-based piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body was produced, and a piezoelectric / electrostrictive element was produced using this piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body.

[圧電/電歪セラミックス焼結体の作製]
圧電/電歪セラミックス焼結体の作製にあたって、Bi(酸化ビスマス)、TiO(酸化チタン)、NaCO(炭酸ナトリウム)、KCO(炭酸カリウム)及びBaCO(炭酸バリウム)の素原料の粉末を、表2に示す組成となるように秤量した。
[Preparation of sintered piezoelectric / electrostrictive ceramics]
In producing a piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body, Bi 2 O 3 (bismuth oxide), TiO 2 (titanium oxide), Na 2 CO 3 (sodium carbonate), K 2 CO 3 (potassium carbonate), and BaCO 3 (carbonic acid). The raw material powder of barium) was weighed so as to have the composition shown in Table 2.

この素原料の粉末の組成は、一般式xBNT−yBKT−zBT(x+y+z=1)で表され、BNT、BKT及びBTの含有比x,y,zが、表2の「x」、「y」及び「z」の欄に示されるストイキオメトリから、Bi、Na、Kを不足させた組成(即ち、欠陥を生じたもの)である。Bi、Na、Kのストイキオメトリからの欠陥量は、それぞれ、表2の「Bi欠陥量(%)」「Na欠陥量(%)」及び「K欠陥量(%)」の欄に示されている。なお、各欠陥量は、化学量論組成からのモル換算における、それぞれのずれ量(%)を示す。また、表2の「欠陥量(%)」の欄には、Bi、Na、Kのストイキオメトリからの欠陥量p、q、rの合計p+q+rが示されている。   The composition of the raw material powder is represented by the general formula xBNT-yBKT-zBT (x + y + z = 1), and the content ratios x, y, z of BNT, BKT and BT are “x” and “y” in Table 2. And from the stoichiometry shown in the column of “z”, a composition in which Bi, Na, and K are made deficient (that is, a defect is generated). The defect amounts from the stoichiometry of Bi, Na, and K are shown in the columns of “Bi defect amount (%)”, “Na defect amount (%)”, and “K defect amount (%)” in Table 2, respectively. ing. In addition, each defect amount shows each deviation | shift amount (%) in the molar conversion from a stoichiometric composition. In the column of “Defect amount (%)” in Table 2, the total amount p + q + r of the defect amounts p, q, and r from the stoichiometry of Bi, Na, and K is shown.

次に、秤量した素原料の粉末と、分散媒としてのアルコールとを、粉砕メディアである窒化ケイ素ボールと共に広口瓶に封入し、遊星ボールミルを用いて1時間混合・粉砕した。その後、蒸発乾燥によりスラリーからエタノールを除去して混合原料を得た。   Next, the weighed raw material powder and alcohol as a dispersion medium were enclosed in a wide-mouth bottle together with silicon nitride balls as grinding media, and mixed and ground for 1 hour using a planetary ball mill. Thereafter, ethanol was removed from the slurry by evaporation to obtain a mixed raw material.

次に、得られた混合原料を1000℃で仮焼して仮焼原料を得た。最高温度を保持する時間は4時間とした。   Next, the obtained mixed raw material was calcined at 1000 ° C. to obtain a calcined raw material. The time for maintaining the maximum temperature was 4 hours.

次に、得られた仮焼原料を、分散媒としてのアルコール及び粉砕メディアである窒化ケイ素ボールと共に広口瓶に封入し、遊星ボールミルを用いて1時間かけて粉砕して、圧電/電歪セラミックス焼結体用の原料となる仮焼粉末(以下、「仮焼粉末C」という)を得た。得られた仮焼粉末Cの一部を用いて、実施例1と同様の方法で、ドクターブレード法によって成形を行い、配向度が制御された成形体を得、得られた成形体を焼成し、更に解砕して板状粒子(以下、「板状粒子D」という)を作製した。   Next, the obtained calcined raw material is enclosed in a wide-mouthed jar together with alcohol as a dispersion medium and silicon nitride balls as a pulverizing medium, and pulverized for 1 hour using a planetary ball mill, and then baked with piezoelectric / electrostrictive ceramics. A calcined powder (hereinafter referred to as “calcined powder C”) was obtained as a raw material for ligation. Using a portion of the obtained calcined powder C, molding is performed by the doctor blade method in the same manner as in Example 1 to obtain a molded body with a controlled degree of orientation, and the obtained molded body is fired. Further, pulverization was performed to produce plate-like particles (hereinafter referred to as “plate-like particles D”).

次に、分散媒としてのトルエン、イソプロパノールを等量混合したものに、上記仮焼粉末Cと、上記板状粒子Dと、バインダーとしてポリビニルブチラール(積水化学社製の商品面「BM−2」)と、可塑剤(黒金化成社製のフタル酸ジオクチル(DOP))と、分散剤(花王社製の商品名「SP−O30」)とを混合し、スラリー状の成形原料を調製した。各原料の使用量は、仮焼粉末C100質量部に対して、板状粒子D30質量部、分散媒100質量部、バインダー10質量部、可塑剤4質量部及び分散剤2質量部とした。   Next, a mixture of equal amounts of toluene and isopropanol as a dispersion medium, the calcined powder C, the plate-like particles D, and polyvinyl butyral as a binder (product surface “BM-2” manufactured by Sekisui Chemical Co., Ltd.) Then, a plasticizer (dioctyl phthalate (DOP) manufactured by Kurokin Kasei Co., Ltd.) and a dispersant (trade name “SP-O30” manufactured by Kao Co., Ltd.) were mixed to prepare a slurry-like molding raw material. The amount of each raw material used was 30 parts by mass of the plate-like particles D, 100 parts by mass of the dispersion medium, 10 parts by mass of the binder, 4 parts by mass of the plasticizer, and 2 parts by mass of the dispersant with respect to 100 parts by mass of the calcined powder C.

次に、得られた成形原料を、減圧下で撹拌して脱泡し、粘度2.5〜3.0Pa・sとなるように調製した。成形原料の粘度は、ブルックフィールド社製のLVT型粘度計で測定した。得られた成形原料をドクターブレード法によって、板状粒子Dが一方向に配向し、且つ乾燥後の厚さが100μmとなるように平板状に成形した。   Next, the obtained forming raw material was stirred and degassed under reduced pressure to prepare a viscosity of 2.5 to 3.0 Pa · s. The viscosity of the molding material was measured with an LVT viscometer manufactured by Brookfield. The obtained forming raw material was formed into a flat plate shape by a doctor blade method so that the plate-like particles D were oriented in one direction and the thickness after drying was 100 μm.

得られた成形体を、複数枚積層し、直径18mm、板厚5mmの円板形状にプレス成形した。プレス成形の際には、15MPaの圧力で一軸加圧成形した。更に、成形体に対して100MPaの圧力でCIP成形を行った。   A plurality of the obtained molded bodies were laminated and press-molded into a disk shape having a diameter of 18 mm and a plate thickness of 5 mm. In press molding, uniaxial pressure molding was performed at a pressure of 15 MPa. Furthermore, CIP molding was performed on the molded body at a pressure of 100 MPa.

次に、成形体を1170℃で焼成した。最高温度を保持する時間は4時間とした。得られた圧電/電歪セラミックス焼結体を、長辺12mm×短辺3mm×厚み1mmの矩形形状に加工し、700〜1000℃で熱処理を行った。得られた圧電/電歪セラミックス焼結体のXRD回折パターンを測定し、上記式(2)に従い、圧電/電歪セラミックス焼結体の、ロットゲーリング法によるC軸の配向度(即ち、(100)面の配向度)を求めた。実施例2の圧電/電歪セラミックス焼結体の配向度を表2に示す。実施例2の圧電/電歪セラミックス焼結体の配向度は、80%であった。   Next, the compact was fired at 1170 ° C. The time for maintaining the maximum temperature was 4 hours. The obtained piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body was processed into a rectangular shape having a long side of 12 mm, a short side of 3 mm, and a thickness of 1 mm, and heat-treated at 700 to 1000 ° C. The XRD diffraction pattern of the obtained piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body was measured, and the degree of orientation of the C / axis of the piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body by the Lotgering method (ie, (100 ) Surface orientation degree). Table 2 shows the degree of orientation of the piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body of Example 2. The degree of orientation of the piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body of Example 2 was 80%.

[圧電/電歪素子の作製]
次に、得られた圧電/電歪セラミックス焼結体の両主面にスパッタリングで金電極を形成して、圧電/電歪素子を作製した。金電極膜の平面形状は円形状であって、その直径は1mmである。得られた圧電/電歪素子の電界誘起歪を測定した。各結果を表2に示す。
[Preparation of piezoelectric / electrostrictive element]
Next, gold electrodes were formed by sputtering on both principal surfaces of the obtained piezoelectric / electrostrictive ceramics sintered body to produce a piezoelectric / electrostrictive element. The planar shape of the gold electrode film is circular, and its diameter is 1 mm. The electric field induced strain of the obtained piezoelectric / electrostrictive element was measured. Table 2 shows the results.

Figure 2011251866
Figure 2011251866

(比較例4)
圧電/電歪セラミックス焼結体の作製時において、実施例2における配向制御を行わなかったこと以外は、実施例2と同様の方法によって圧電/電歪セラミックス焼結体を作製した。即ち、比較例4においては、板状粒子Dを用いずに、仮焼粉末Cのみを用いて成形原料の調製を行って焼結体を作製した。比較例4の圧電/電歪セラミックス焼結体は、欠陥については、実施例2と同様に1%以上であるが、配向度については、配向制御がされていないため、10%であった。
(Comparative Example 4)
A piezoelectric / electrostrictive ceramics sintered body was produced in the same manner as in Example 2 except that the orientation control in Example 2 was not performed when the piezoelectric / electrostrictive ceramics sintered body was produced. That is, in Comparative Example 4, a sintered body was prepared by preparing a forming raw material using only the calcined powder C without using the plate-like particles D. The piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body of Comparative Example 4 had a defect of 1% or more as in Example 2, but the degree of orientation was 10% because the orientation was not controlled.

(比較例5)
圧電/電歪セラミックス焼結体の作製時において、素原料の粉末を、表2に示すように秤量して、焼結体に欠陥を生じさせないようにした以外は、実施例2と同様の方法によって圧電/電歪セラミックス焼結体を作製した。比較例5の圧電/電歪セラミックス焼結体は、配向度については、実施例2と同様に80%であったが、化学量論組成からの1%以上のずれによる欠陥は生じていなかった。
(Comparative Example 5)
The same method as in Example 2 except that the raw material powder was weighed as shown in Table 2 so as not to cause defects in the sintered body when the piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body was produced. Thus, a piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body was produced. The piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body of Comparative Example 5 had an orientation degree of 80% as in Example 2, but no defect was caused by a deviation of 1% or more from the stoichiometric composition. .

(比較例6)
圧電/電歪セラミックス焼結体の作製時において、比較例5と同様の素原料の粉末を用い、且つ配向制御を行わなかったこと以外は、実施例2と同様の方法によって圧電/電歪セラミックス焼結体を作製した。比較例6の圧電/電歪セラミックス焼結体は、化学量論組成からの1%以上のずれによる欠陥が生じておらず、また、配向制御がされていないため、配向度が5%であった。
(Comparative Example 6)
Piezoelectric / electrostrictive ceramics were produced in the same manner as in Example 2 except that the raw material powder similar to that in Comparative Example 5 was used and the orientation control was not performed during the production of the piezoelectric / electrostrictive ceramics sintered body. A sintered body was produced. The piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body of Comparative Example 6 had no defects due to a deviation of 1% or more from the stoichiometric composition, and because the orientation was not controlled, the degree of orientation was 5%. It was.

(結果)
表1及び表2に示すように、実施例1及び2の圧電/電歪素子は、比較例1〜6の圧電/電歪素子と比較して、電界誘起歪(S4000)が向上したものであった。
(result)
As shown in Tables 1 and 2, the piezoelectric / electrostrictive elements of Examples 1 and 2 have improved electric field induced strain (S4000) compared to the piezoelectric / electrostrictive elements of Comparative Examples 1-6. there were.

以上の結果により、本発明の圧電/電歪セラミックス焼結体及び圧電/電歪素子は、従来の圧電/電歪セラミックス焼結体と比較して、電界誘起歪に優れていることが確認された。なお、本発明の圧電/電歪セラミックス燒結体及び圧電/電歪素子によれば、電界誘起歪特性の300℃以下での温度依存性を改善することができる。また、上記実施例においては、TGG法によって圧電/電歪セラミックス燒結体を製造する場合の例について説明したが、本発明の圧電/電歪セラミックス焼結体を製造する方法は、上述した製法に限定されることはなく、RTGG法、ホットフォージ法、磁場配向法などでも同様の効果が得られる。   From the above results, it was confirmed that the piezoelectric / electrostrictive ceramics sintered body and the piezoelectric / electrostrictive element of the present invention are superior in electric field induced strain compared with the conventional piezoelectric / electrostrictive ceramics sintered body. It was. In addition, according to the piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body and the piezoelectric / electrostrictive element of the present invention, the temperature dependency of the electric field induced strain characteristic at 300 ° C. or less can be improved. Further, in the above embodiment, an example in which a piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body is manufactured by the TGG method has been described. However, the method for manufacturing a piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body of the present invention is the same as the above-described manufacturing method. There is no limitation, and the same effect can be obtained by the RTGG method, the hot forge method, the magnetic field orientation method, and the like.

本発明の圧電/電歪セラミックス焼結体は、優れた電界誘起歪を示すものであり、アクチュエータ、センサー等を構成する圧電/電歪素子(圧電/電歪体)の材料として好適に利用される。   The piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body of the present invention exhibits an excellent electric field induced strain, and is suitably used as a material of a piezoelectric / electrostrictive element (piezoelectric / electrostrictive body) constituting an actuator, a sensor or the like. The

1,21,31:基板、2,22,23:圧電/電歪体、4,5,24,25,26:電極、10,30,40:圧電/電歪素子、32:積層体、402:圧電/電歪体膜、404:内部電極膜、406:第1の内部電極膜、408:第2の内部電極膜、416,418:外部電極膜、412,414:端面。 1, 21, 31: substrate, 2, 22, 23: piezoelectric / electrostrictive body, 4, 5, 24, 25, 26: electrode, 10, 30, 40: piezoelectric / electrostrictive element, 32: laminate, 402 : Piezoelectric / electrostrictive film, 404: internal electrode film, 406: first internal electrode film, 408: second internal electrode film, 416, 418: external electrode film, 412 and 414: end face.

Claims (5)

非鉛圧電/電歪材料から構成されてなり、
前記非鉛圧電/電歪材料を構成する金属成分のうちの少なくとも一種の金属成分の比率が化学量論組成からモル換算で1%以上ずれた欠陥を生じたものであるとともに、
ロットゲーリング法により測定されるC軸の配向度が30%以上である圧電/電歪セラミックス焼結体。
Made of lead-free piezoelectric / electrostrictive material,
The ratio of at least one metal component of the metal components constituting the lead-free piezoelectric / electrostrictive material is a defect that has shifted by 1% or more in terms of mole from the stoichiometric composition,
A piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body having an orientation degree of C axis measured by the Lotgering method of 30% or more.
前記非鉛圧電/電歪材料が、下記一般式(1)で表されるペロブスカイト構造を有するものである請求項1に記載の圧電/電歪セラミックス焼結体。
ABO ・・・ (1)
(但し、AはAサイト構成元素を示し、BはBサイト構成元素を示す)
2. The piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body according to claim 1, wherein the lead-free piezoelectric / electrostrictive material has a perovskite structure represented by the following general formula (1).
ABO 3 (1)
(However, A represents an A site constituent element and B represents a B site constituent element)
前記Aサイト構成元素として、Li、Na、K、Bi、及びBaからなる群より選択される少なくとも一種を含み、且つ、前記Bサイト構成元素として、Nb、Ta、Sb、Ti、及びFeからなる群より選択される少なくとも一種を含む請求項2に記載の圧電/電歪セラミックス焼結体。   The A site constituent element includes at least one selected from the group consisting of Li, Na, K, Bi, and Ba, and the B site constituent element includes Nb, Ta, Sb, Ti, and Fe. The piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body according to claim 2, comprising at least one selected from the group. ロットゲーリング法により測定されるC軸の配向度が70〜92%である請求項1〜3のいずれか一項に記載の圧電/電歪セラミックス焼結体。   The piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body according to any one of claims 1 to 3, wherein the degree of orientation of the C axis measured by the Lotgering method is 70 to 92%. 請求項1〜4のいずれか一項に記載の圧電/電歪セラミックス焼結体からなる膜状の圧電/電歪体と、
前記圧電/電歪体を挟んで配設される一対の電極と、
前記一対の電極のいずれかの面に接合される基板と、を備える圧電/電歪素子。
A film-like piezoelectric / electrostrictive body comprising the piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body according to any one of claims 1 to 4, and
A pair of electrodes disposed across the piezoelectric / electrostrictive body;
A piezoelectric / electrostrictive element comprising: a substrate bonded to one surface of the pair of electrodes.
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