JP2000072539A - Piezoelectric material - Google Patents

Piezoelectric material

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JP2000072539A
JP2000072539A JP10245364A JP24536498A JP2000072539A JP 2000072539 A JP2000072539 A JP 2000072539A JP 10245364 A JP10245364 A JP 10245364A JP 24536498 A JP24536498 A JP 24536498A JP 2000072539 A JP2000072539 A JP 2000072539A
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Japan
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piezoelectric
particles
weight
zro
porcelain
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Yasuhiro Nakai
泰広 中井
Hiroshi Ninomiya
弘 二宮
Shuichi Fukuoka
修一 福岡
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Kyocera Corp
Original Assignee
Kyocera Corp
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectric material having an easily improved mechanical strength without largely reducing the piezoelectric characteristic. SOLUTION: This piezoelectric material is obtained by dispersing 0.05-1.0 wt.% ZrO2 particles based on the whole amount in a piezoelectric ceramic obtained by using Bax(Ti1-yZry)O3 [0.964h(x)<=1.04; 0.01<=(y)<=0.10] as a main ingredient and containing 0.05-2.0 pts.wt. Cu expressed in terms of CuO based on 100 pts.wt. main ingredient. The average particle diameter of main crystal grains comprising a perovskite type complex oxide containing at least Ba, Ti, Zr and Cu is 2-7 μm.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は圧電体に関するもの
であり、より詳しくは、高い機械的強度を有する圧電体
に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a piezoelectric body, and more particularly, to a piezoelectric body having high mechanical strength.

【0002】[0002]

【従来技術】圧電材料を利用したアクチュエータは、圧
電現象を介して発生する歪みおよび力を機械的駆動源と
して用いるものであり、精密工作機械における位置決
め、光学装置の光路長制御、流量制御バルブ、超音波モ
ータ、あるいは自動車のブレーキ装置等への応用が展開
されている。アクチュエータに用いる圧電材料として
は、圧電性に優れるという点からチタン酸ジルコン酸鉛
(PZT)が最も幅広く利用されてきた。
2. Description of the Related Art An actuator using a piezoelectric material uses a strain and a force generated through a piezoelectric phenomenon as a mechanical driving source, and performs positioning in a precision machine tool, optical path length control of an optical device, a flow control valve, and the like. Applications to ultrasonic motors or brake devices for automobiles are being developed. As a piezoelectric material used for an actuator, lead zirconate titanate (PZT) has been most widely used because of its excellent piezoelectricity.

【0003】しかしながら、最近、鉛系廃棄物が酸性雨
等に曝されると鉛が溶出し、環境に悪影響を与えること
から、自重の約60%の割合で鉛を含有するPZTの代
替として利用できる鉛を含まない圧電材料が求められて
いる。
However, recently, when lead-based waste is exposed to acid rain or the like, lead is eluted and adversely affects the environment. Therefore, lead-based waste is used as a substitute for PZT containing lead at about 60% of its own weight. There is a need for a lead free piezoelectric material.

【0004】鉛を含有しない圧電材料としてチタン酸バ
リウム(BaTiO3 )系磁器の利用が考えられる。例
えば、特開平2−159079号公報および特開平2−
29430号公報では、BaTiO3 系磁器を利用する
ことが提案されている。BaTiO3 系磁器は比誘電率
(ε33T /ε0 )および電気機械結合係数(k33)が高
いという特徴を有し、300pC/N前後の大きな圧電
歪み定数(d33)を示すことから、鉛を含有しないアク
チュエータ用の圧電材料として利用できる。
As a lead-free piezoelectric material, barium titanate (BaTiO 3 ) -based porcelain may be used. For example, Japanese Patent Application Laid-Open Nos.
No. 29430 proposes to use BaTiO 3 -based porcelain. BaTiO 3 -based porcelain is characterized by high relative dielectric constant (ε 33T / ε 0 ) and high electromechanical coupling coefficient (k 33 ), and exhibits a large piezoelectric strain constant (d 33 ) of about 300 pC / N. It can be used as a piezoelectric material for a lead-free actuator.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、BaT
iO3 系磁器の圧電歪み定数(d33)は、PZTのそれ
と比較すると1/2程度と小さく、厚み方向の変位を利
用した積層型圧電アクチュエータでは、PZTの積層体
と比較し、1/2程度の変位量しか得られないという問
題があった。
However, BaT
The piezoelectric strain constant (d 33 ) of the iO 3 -based porcelain is as small as about す る と as compared with that of PZT, and in the multilayer piezoelectric actuator using displacement in the thickness direction, it is 1 / compared with the PZT multilayer. There has been a problem that only a small displacement can be obtained.

【0006】これに対して、PZTの積層体と同レベル
の変位量を得るには、例えば、BaTiO3 系磁器から
なる圧電素子の厚みを約1/2まで薄くし、単位長さ当
たりの素子枚数を2倍まで増やすことが考えられる。し
かしながら、圧電素子の厚みを薄くすると、磁器自身の
機械的強度が低下し、圧電アクチュエータの信頼性が低
下してしまうという問題があった。
On the other hand, in order to obtain the same level of displacement as that of a PZT laminate, for example, the thickness of a piezoelectric element made of a BaTiO 3 ceramic is reduced to about 1 /, and the element per unit length is reduced. It is conceivable to increase the number of sheets up to twice. However, when the thickness of the piezoelectric element is reduced, there is a problem that the mechanical strength of the porcelain itself is reduced, and the reliability of the piezoelectric actuator is reduced.

【0007】したがって、圧電素子の薄型化を図るため
には、磁器自身の機械的強度を向上させる必要がある。
同一組成材料で比較すると、一般に、緻密で粒径が小さ
い程、磁器の機械的強度は優れたものとなることが知ら
れている。例えば、磁器の焼成温度を低下させたり、焼
成時間を短縮することにより、磁器の粒径を小さく制御
することが可能であるが、この場合には、磁器の緻密化
が十分進まず、磁器の圧電特性が低下してしまうという
問題があった。
Therefore, in order to reduce the thickness of the piezoelectric element, it is necessary to improve the mechanical strength of the porcelain itself.
It is generally known that when compared with the same composition material, the denser and smaller the particle size, the better the mechanical strength of the porcelain. For example, by reducing the firing temperature of the porcelain or shortening the firing time, it is possible to control the particle size of the porcelain small, but in this case, the densification of the porcelain does not proceed sufficiently, There is a problem that the piezoelectric characteristics are deteriorated.

【0008】また、ホットプレス法を用いて磁器の気孔
率を減少させ、磁器を緻密なものにすると同時に、圧力
・焼成温度・焼成時間を制御することによって、粒径を
小さく制御し、磁器の機械的強度を向上することが可能
であるが、ホットプレス法は生産性が悪く、一度に多く
の圧電磁器を安価に製造することが困難であるという問
題があった。
In addition, the porosity of the porcelain is reduced by using a hot press method to make the porcelain denser, and at the same time, the particle diameter is controlled to be small by controlling the pressure, the sintering temperature and the sintering time. Although it is possible to improve the mechanical strength, the hot press method has a problem in that the productivity is poor and it is difficult to manufacture many piezoelectric ceramics at once at low cost.

【0009】本発明は、圧電特性を高く維持した状態
で、機械的強度を容易に向上できる圧電体を提供するこ
とを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a piezoelectric body which can easily improve mechanical strength while maintaining high piezoelectric characteristics.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明の圧電体は、Ba
x (Ti1-y Zry )O3 (0.96≦x≦1.04、
0.01≦y≦0.10)を主成分とし、該主成分10
0重量部に対してCuをCuO換算で0.05〜2.0
重量部含有してなる圧電磁器中に、全量中0.05〜
1.0重量%の割合でZrO2 粒子を分散してなるもの
である。ここで、少なくともBa、Ti、ZrおよびC
uを含有するペロブスカイト型複合酸化物からなる主結
晶粒子の平均粒径が2〜7μmであることが望ましい。
Means for Solving the Problems The piezoelectric body of the present invention comprises Ba
x (Ti 1-y Zr y ) O 3 (0.96 ≦ x ≦ 1.04,
0.01 ≦ y ≦ 0.10) as the main component, and the main component 10
Cu is 0.05 to 2.0 in terms of CuO with respect to 0 parts by weight.
In a piezoelectric ceramic containing parts by weight, 0.05 to
ZrO 2 particles are dispersed at a ratio of 1.0% by weight. Here, at least Ba, Ti, Zr and C
It is desirable that the average particle size of the main crystal particles composed of the perovskite-type composite oxide containing u is 2 to 7 μm.

【0011】さらに主成分がBax 〔Ti1-y (Zr
1-a Sna y 〕O3 (0.96≦x≦1.04、0.
01≦y≦0.10、0.05≦a≦0.75)からな
ることが望ましい。
Furthermore, the main component is Ba x [Ti 1-y (Zr
1-a Sn a ) y ] O 3 (0.96 ≦ x ≦ 1.04, 0.
01 ≦ y ≦ 0.10, 0.05 ≦ a ≦ 0.75).

【0012】[0012]

【作用】本発明の圧電体は、Bax (Ti1-y Zry
3 (0.96≦x≦1.04、0.01≦y≦0.1
0)を主成分とし、該主成分100重量部に対してCu
をCuO換算で0.05〜2.0重量部含有してなる圧
電磁器中に、全量中0.05〜1.0重量%の割合でZ
rO2 粒子を分散してなるものであるが、ZrO2 粒子
は、焼結過程において、少なくともBa、Ti、Zrお
よびCuを含有するペロブスカイト型複合酸化物からな
る主結晶粒子と固溶反応が起こりにくく、主として粒界
部に局在し、主結晶粒子の粒成長を抑制し、主結晶粒子
の粒径を小さくし、強度を向上することができるととも
に、全量中0.05〜1.0重量%の割合でZrO2
子を分散したので圧電体の焼結性を悪化させることがな
く、圧電特性を高く維持できる。さらに、主成分100
重量部に対して、CuをCuO換算で0.05〜2.0
重量部含有することにより、圧電体の圧電特性を向上で
きるとともに、焼成温度を低下させることができる。
[Action] The piezoelectric material of the present invention, Ba x (Ti 1-y Zr y)
O 3 (0.96 ≦ x ≦ 1.04, 0.01 ≦ y ≦ 0.1
0) as a main component, and 100 parts by weight of the main component, Cu
Is contained in a piezoelectric ceramic containing 0.05 to 2.0 parts by weight in terms of CuO in an amount of 0.05 to 1.0% by weight of the total amount.
and rO 2 the particles are those obtained by dispersing, ZrO 2 particles in the sintering process, at least Ba, Ti, solid solution reacts with primary crystal particles made of perovskite-type composite oxide containing Zr and Cu occurs Hardly, mainly localized at the grain boundary, suppressing grain growth of the main crystal grains, reducing the grain size of the main crystal grains, improving the strength, and 0.05 to 1.0 weight in the total amount %, The ZrO 2 particles are dispersed, so that the sinterability of the piezoelectric body is not deteriorated and the piezoelectric characteristics can be kept high. Furthermore, the main component 100
Cu is 0.05 to 2.0 in terms of CuO with respect to parts by weight.
By containing by weight, the piezoelectric properties of the piezoelectric body can be improved and the firing temperature can be lowered.

【0013】また、少なくともBa、Ti、Zrおよび
Cuを含有するペロブスカイト型複合酸化物からなる主
結晶粒子の平均粒径を2〜7μmとすることにより、機
械的強度および圧電特性をさらに向上することができ
る。
Further, the mechanical strength and the piezoelectric characteristics are further improved by setting the average particle size of the main crystal particles composed of the perovskite-type composite oxide containing at least Ba, Ti, Zr and Cu to 2 to 7 μm. Can be.

【0014】また、上記主成分のZr1モルに対してS
n0.05〜0.75モルの割合で置換することによ
り、−30〜0℃付近の低温側における圧電特性を向上
することができる。
Further, S is based on 1 mol of Zr as the main component.
By substituting n at a ratio of 0.05 to 0.75 mol, it is possible to improve the piezoelectric characteristics on the low temperature side around -30 to 0 ° C.

【0015】[0015]

【発明の実施の形態】本発明の圧電体は、Bax (Ti
1-y Zry )O3 (0.96≦x≦1.04、0.01
≦y≦0.10)を主成分とし、該主成分100重量部
に対してCuをCuO換算で0.05〜2.0重量部含
有してなる圧電磁器中に、全量中0.05〜1.0重量
%の割合でZrO2 粒子を分散したものである。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The piezoelectric body of the present invention is made of Ba x (Ti
1-y Zr y) O 3 (0.96 ≦ x ≦ 1.04,0.01
≦ y ≦ 0.10) as a main component, and 0.05 to 2.0 parts by weight of Cu in terms of CuO with respect to 100 parts by weight of the main component. ZrO 2 particles are dispersed at a ratio of 1.0% by weight.

【0016】ここで、主成分を示す一般式中のxを0.
96≦x≦1.04としたのは、xが1.04よりも大
きい場合には磁器の焼結性が悪化し、圧電特性が低下す
るからである。また、xが0.96よりも小さい場合に
は還元反応が起こりやすく、磁器の圧電特性が顕著に低
下するからである。xは、特に、圧電特性に優れるとい
う点から、0.98≦x≦1.02の範囲であることが
望ましい。
Here, x in the general formula representing the main component is set to 0.
The reason for setting 96 ≦ x ≦ 1.04 is that when x is larger than 1.04, the sinterability of the porcelain deteriorates, and the piezoelectric characteristics deteriorate. On the other hand, when x is smaller than 0.96, a reduction reaction easily occurs, and the piezoelectric characteristics of the porcelain are significantly reduced. x preferably satisfies the range of 0.98 ≦ x ≦ 1.02 from the viewpoint of excellent piezoelectric characteristics.

【0017】yを0.01≦y≦0.10としたのは、
yが0.01よりも小さい場合には、Zr置換効果によ
る圧電特性の向上が認められず、yが0.10よりも大
きい場合には、キュリー温度(Tc)が90℃よりも低
下し、耐熱性が低下するからである。yは、特に、キュ
リー温度(Tc)が高く、耐熱性に優れるという点か
ら、0.05≦y≦0.07の範囲であることが望まし
い。
The reason why y is set to 0.01 ≦ y ≦ 0.10.
When y is smaller than 0.01, no improvement in piezoelectric properties due to the Zr substitution effect is observed, and when y is larger than 0.10, the Curie temperature (Tc) drops below 90 ° C. This is because heat resistance is reduced. y is preferably in the range of 0.05 ≦ y ≦ 0.07 from the viewpoint that the Curie temperature (Tc) is high and the heat resistance is excellent.

【0018】さらに、本発明では、主成分100重量部
に対し、CuをCuO換算で0.05〜2重量部含有す
るものであるが、これはCuを所定量含有させることに
よって、磁器の圧電特性を向上できるとともに、焼成温
度を低下させる効果があるからである。つまり、Cuが
CuO換算で0.05重量部よりも少ない場合には、圧
電特性向上効果および焼成温度低下効果が小さく、また
2重量部よりも多くなると圧電特性が低下するからであ
る。圧電特性を向上し、焼成温度を低下させるという点
から、Cuは、主成分100重量部に対してCuO換算
で0.1〜1重量部含有することが望ましい。また、磁
器の圧電特性を向上させるという点から、Cuの大部分
は主結晶粒子に固溶することが望ましい。
Further, in the present invention, Cu is contained in an amount of 0.05 to 2 parts by weight in terms of CuO with respect to 100 parts by weight of the main component. This is because the properties can be improved and the firing temperature can be reduced. That is, when Cu is less than 0.05 parts by weight in terms of CuO, the effect of improving the piezoelectric characteristics and the effect of lowering the firing temperature are small, and when it is more than 2 parts by weight, the piezoelectric characteristics deteriorate. From the viewpoint of improving the piezoelectric characteristics and lowering the firing temperature, it is desirable that Cu be contained in an amount of 0.1 to 1 part by weight in terms of CuO based on 100 parts by weight of the main component. Further, from the viewpoint of improving the piezoelectric characteristics of the porcelain, it is desirable that most of Cu be dissolved in the main crystal grains.

【0019】そして、本発明の圧電体では、上記主成分
からなる圧電磁器中に、全量中0.05〜1.0重量%
の割合でZrO2 粒子を分散したものである。ここで、
ZrO2 粒子としては、単斜晶ジルコニア(m−ZrO
2 )、部分安定化ジルコニア(PSZ)、安定化ジルコ
ニア(FSZ)が用いられる。
In the piezoelectric body of the present invention, 0.05 to 1.0% by weight of the total amount
In which ZrO 2 particles are dispersed. here,
As the ZrO 2 particles, monoclinic zirconia (m-ZrO 2
2 ), partially stabilized zirconia (PSZ) and stabilized zirconia (FSZ) are used.

【0020】例えば、CaO、MgOからなる安定化剤
を16モル%以上含有するジルコニア、Y2 3 からな
る安定化剤を8モル%以上含有するジルコニアが一般に
安定化ジルコニアであり、CaO、MgOやY2 3
含有量が上記量よりも少ない場合が部分安定化ジルコニ
アである。また、単斜晶ジルコニア(m−ZrO2
は、安定化剤を含有しないZrO2 である。
For example, zirconia containing at least 16 mol% of a stabilizer composed of CaO and MgO and zirconia containing at least 8 mol% of a stabilizer composed of Y 2 O 3 are generally stabilized zirconia. when the content of and the Y 2 O 3 is less than the weight of partially stabilized zirconia. Also, monoclinic zirconia (m-ZrO 2 )
Is ZrO 2 containing no stabilizer.

【0021】そして、ZrO2 粒子を全量中0.05〜
1.0重量%の割合で分散したのは、0.05重量%よ
りも少ない場合には、主結晶粒子の粒成長抑制効果が小
さく、主結晶粒子の微細化による機械的強度向上効果が
小さくからであり、1.0重量%よりも多い場合には、
圧電特性が劣化するからである。ZrO2 粒子は、圧電
特性を向上し、機械的強度を向上するためには、全量中
0.1〜0.5重量%の割合で分散させることが望まし
い。
The ZrO 2 particles are contained in an amount of 0.05 to
When the dispersion at a ratio of 1.0% by weight is less than 0.05% by weight, the effect of suppressing the grain growth of the main crystal particles is small, and the effect of improving the mechanical strength by miniaturizing the main crystal particles is small. From 1.0% by weight,
This is because the piezoelectric characteristics deteriorate. The ZrO 2 particles are preferably dispersed at a ratio of 0.1 to 0.5% by weight based on the total amount in order to improve the piezoelectric characteristics and the mechanical strength.

【0022】ZrO2 粒子を全量中0.5重量%未満分
散する場合には、単斜晶ジルコニア(m−ZrO2 )、
部分安定化ジルコニア(PSZ)、安定化ジルコニア
(FSZ)いずれでも良いが、0.5〜1.0重量%分
散する場合には、単斜晶ジルコニア(m−ZrO2 )を
添加した場合には圧電特性低下率が大きくなるため、圧
電特性を向上させるという点から部分安定化ジルコニア
(PSZ)、安定化ジルコニア(FSZ)が望ましい。
When the ZrO 2 particles are dispersed in a total amount of less than 0.5% by weight, monoclinic zirconia (m-ZrO 2 ),
Either partially stabilized zirconia (PSZ) or stabilized zirconia (FSZ) may be used. However, when 0.5 to 1.0% by weight is dispersed, when monoclinic zirconia (m-ZrO 2 ) is added, Since the rate of decrease in piezoelectric characteristics increases, partially stabilized zirconia (PSZ) and stabilized zirconia (FSZ) are desirable from the viewpoint of improving the piezoelectric characteristics.

【0023】ZrO2 粒子の代わりに、Al2 3 粒子
またはMgO粒子を分散させても、ZrO2 粒子を分散
させる場合とほぼ同様の効果が得られる。また、ZrO
2 粒子と、Al2 3 粒子および/またはMgO粒子と
を同時に分散させても良い。
[0023] Instead of ZrO 2 particles, be dispersed Al 2 O 3 particles or MgO particles, substantially the same effect as dispersing ZrO 2 particles. In addition, ZrO
Two particles and Al 2 O 3 particles and / or MgO particles may be simultaneously dispersed.

【0024】この場合には、分散させる量としては、合
量で全量中0.05〜1.0重量%とする必要がある。
In this case, the amount to be dispersed must be 0.05 to 1.0% by weight in the total amount.

【0025】ZrO2 粒子は、主成分の仮焼粉体に対し
て所定量添加するが、これによって焼結過程における主
結晶粒子の粒成長を効果的に抑制し、主結晶粒子の平均
粒径を小さくすることができる。また、磁器中にZrO
2 粒子を均一に分散させ、効果的に粒成長を抑制すると
いう点から、分散粒子の粒度分布は狭く、焼結過程で磁
器の緻密化を阻害しないという点から、分散粒子の表面
は滑らかで個々の粒子は球状に近いことが望ましい。
The ZrO 2 particles are added in a predetermined amount to the calcined powder of the main component. This effectively suppresses the growth of the main crystal particles during the sintering process, and reduces the average particle size of the main crystal particles. Can be reduced. ZrO in the porcelain
(2) The particle size distribution of the dispersed particles is narrow because the particles are uniformly dispersed and the grain growth is effectively suppressed, and the surface of the dispersed particles is smooth because it does not hinder the densification of the porcelain during the sintering process. Desirably, the individual particles are nearly spherical.

【0026】これら粒子の平均粒径としては、0.5〜
1.2μmの範囲であることが望ましい。これは、平均
粒径が0.5μmよりも小さくなると主結晶粒子内に取
り込まれ易く、主結晶粒子の粒径を小さくする効果が低
下し、一方、1.2μmよりも大きくなると磁器の緻密
化を阻害し、磁器の圧電特性を低下させるからである。
The average particle size of these particles is 0.5 to
It is desirable to be in the range of 1.2 μm. This is because when the average particle size is smaller than 0.5 μm, the particles are easily taken into the main crystal particles, and the effect of reducing the particle size of the main crystal particles is reduced. On the other hand, when the average particle size is larger than 1.2 μm, the density of the porcelain is increased. This impairs the porcelain and lowers the piezoelectric characteristics of the porcelain.

【0027】さらに、本発明の圧電体では、主結晶粒子
の平均粒径が2μmよりも小さくなると圧電特性が低下
し、一方、7μmよりも大きくなると機械的強度向上効
果が小さいので、主結晶粒子の平均粒径は2〜7μmの
範囲であることが望ましい。
Further, in the piezoelectric body of the present invention, when the average particle size of the main crystal particles is smaller than 2 μm, the piezoelectric characteristics are reduced. On the other hand, when the average particle size is larger than 7 μm, the effect of improving the mechanical strength is small. Is preferably in the range of 2 to 7 μm.

【0028】主結晶粒子の平均粒径は、圧電特性向上効
果と機械的強度向上の点から、3〜5μmであることが
望ましい。
The average grain size of the main crystal grains is desirably 3 to 5 μm in view of the effect of improving the piezoelectric properties and the mechanical strength.

【0029】また、本発明の圧電体は、Bax 〔Ti
1-y (Zr1-a Sna y 〕O3 (0.96≦x≦1.
04、0.01≦y≦0.10、0.05≦a≦0.7
5)を主成分とし、該主成分100重量部に対してCu
をCuO換算で0.05〜2.0重量部含有してなる圧
電磁器中に、全量中0.05〜1.0重量%の割合でZ
rO2 粒子を分散してなることが望ましい。つまり、主
結晶粒子のZrの一部をSnで0.05〜0.75モル
置換したものである。
Further, the piezoelectric body of the present invention is formed of Ba x [Ti
1-y (Zr 1-a Sn a ) y ] O 3 (0.96 ≦ x ≦ 1.
04, 0.01 ≦ y ≦ 0.10, 0.05 ≦ a ≦ 0.7
5) as a main component, and 100 parts by weight of the main component, Cu
Is contained in a piezoelectric ceramic containing 0.05 to 2.0 parts by weight in terms of CuO in an amount of 0.05 to 1.0% by weight of the total amount.
Desirably, rO 2 particles are dispersed. That is, a part of Zr of the main crystal grain is substituted with 0.05 to 0.75 mol of Sn.

【0030】このように、Zrの一部をSnで所定量置
換したのは−30〜0℃付近の低温側における圧電特性
を向上するためである。Sn置換量aを0.05〜0.
75としたのは、aが0.05よりも小さいと圧電特性
向上効果が小さいからであり、aが0.75よりも大き
い場合にはキュリー温度(Tc)が低下するからであ
る。特に、低温側における圧電特性が向上するという点
から、Sn置換量aは0.1〜0.40であることが望
ましい。
The reason why a part of Zr is replaced with Sn by a predetermined amount is to improve the piezoelectric characteristics on the low temperature side near -30 to 0 ° C. When the Sn substitution amount a is 0.05-0.
The reason for 75 is that if a is smaller than 0.05, the effect of improving the piezoelectric properties is small, and if a is larger than 0.75, the Curie temperature (Tc) decreases. In particular, from the viewpoint that the piezoelectric characteristics on the low temperature side are improved, the Sn substitution amount a is desirably 0.1 to 0.40.

【0031】本発明の圧電体は、少なくともBa、T
i、ZrおよびCuを含有するペロブスカイト型複合酸
化物からなる主結晶粒子の粒界部に、ZrO2 粒子が主
として存在しており、一部主結晶粒子の粒内にも存在す
るという特徴をもつ。磁器中のZrO2 粒子は、主結晶
粒子中に固溶しないか、もしくは固溶したとしてもごく
僅かである。Cuは一部主結晶粒子の粒界部に存在する
場合もある。
The piezoelectric body of the present invention has at least Ba, T
ZrO 2 particles are mainly present at the grain boundaries of the main crystal particles composed of perovskite-type composite oxides containing i, Zr and Cu, and are also partially present in the main crystal particles. . The ZrO 2 particles in the porcelain do not or do not form a solid solution in the main crystal particles. Cu may partially exist in the grain boundary part of the main crystal grain.

【0032】このような圧電体は、例えば、次のように
して得ることができる。BaCO3、TiO2 、ZrO
2 、SnO2 、CuOの各原料を所定の組成になるよう
に秤量し、混合した粉体を仮焼した後、仮焼粉体の平均
粒径が0.7〜1.2μmになるように粉砕し、これに
対し、平均粒径0.5〜1.2μmのZrO2 粒子を全
量中0.05〜1重量%になるよう添加して混合する。
Such a piezoelectric body can be obtained, for example, as follows. BaCO 3 , TiO 2 , ZrO
2 , SnO 2 , and CuO raw materials are weighed so as to have a predetermined composition, and the mixed powder is calcined so that the average particle size of the calcined powder is 0.7 to 1.2 μm. After pulverization, ZrO 2 particles having an average particle size of 0.5 to 1.2 μm are added and mixed so as to be 0.05 to 1% by weight of the total amount.

【0033】この粉体に対し、所望によりバインダーや
溶媒等を添加混合し、これをプレス成形やドクターブレ
ード法等により所定形状に成形した後、大気中等の酸素
含有雰囲気にて焼成することによって磁器を得ることが
できる。
If desired, a binder, a solvent, and the like are added to and mixed with the powder, formed into a predetermined shape by press molding, a doctor blade method, or the like, and then fired in an oxygen-containing atmosphere such as air to form a ceramic. Can be obtained.

【0034】この磁器の焼成温度は、主結晶粒子と分散
させるZrO2 粒子の固溶反応を抑えるという理由か
ら、焼成温度は低い方が良く、材料組成によって異なる
が、焼成温度は1200〜1300℃の範囲であること
が望ましく、また、焼成時間は2〜5時間であれば良
い。
The sintering temperature of this porcelain is preferably lower, and depends on the material composition, because the solid solution reaction of the main crystal particles and the ZrO 2 particles to be dispersed is suppressed. And the firing time may be 2 to 5 hours.

【0035】本発明の圧電体は、ZrO2 粒子が主結晶
粒子と固溶反応を起こさず、主として粒界部に局所的に
分散するので、焼結過程において主結晶粒子の粒成長を
効果的に抑制し、磁器の組織を微細化する。また、これ
らの粒子の添加量を特定しているので、磁器の緻密化を
悪化することなく、圧電特性を高く維持した状態で、磁
器の機械的強度を容易に向上することができ、圧電アク
チュエータ用として好適に用いられる。
In the piezoelectric body of the present invention, the ZrO 2 particles do not cause a solid solution reaction with the main crystal particles and are locally dispersed mainly at the grain boundaries, so that the grain growth of the main crystal particles can be effectively performed in the sintering process. And the microstructure of the porcelain is refined. In addition, since the addition amount of these particles is specified, the mechanical strength of the porcelain can be easily improved without deteriorating the densification of the porcelain and maintaining a high piezoelectric characteristic. It is suitably used for applications.

【0036】[0036]

【実施例】実施例1 BaCO3 、TiO2 、ZrO2 、CuOの各粉末を、
表1に示すように、秤量・混合し、仮焼した。この仮焼
粉体に対し、3モル%のY2 3 で安定化された純度9
9%以上、平均粒径0.7μmの部分安定化ZrO2
子粉末(PSZ)を表1に示すように添加し、IPAを
溶媒として10時間混合した。尚、試料No.6、8、1
0、12はZrO2 として、純度99%以上、平均粒径
0.7μmの単斜晶ZrO2 を用いた。
EXAMPLE 1 Each powder of BaCO 3 , TiO 2 , ZrO 2 and CuO was
As shown in Table 1, they were weighed, mixed, and calcined. The calcined powder has a purity of 9 stabilized with 3 mol% of Y 2 O 3.
9% or more, partially stabilized ZrO 2 particles (PSZ) having an average particle diameter of 0.7 μm were added as shown in Table 1, and mixed with IPA as a solvent for 10 hours. Sample Nos. 6, 8, 1
0,12 as ZrO 2, purity of 99%, was used an average particle size 0.7μm monoclinic ZrO 2.

【0037】この混合粉体を1t/cm2 の圧力で円柱
状にプレス成形し、大気中、表1に示す温度で2時間焼
成し、直径4mm、厚み6mmの円柱状の磁器を得た。
This mixed powder was press-formed into a column at a pressure of 1 t / cm 2 and fired in air at the temperature shown in Table 1 for 2 hours to obtain a columnar porcelain having a diameter of 4 mm and a thickness of 6 mm.

【0038】これら円柱の上下面に銀電極を焼き付け、
銀電極を焼き付けた円柱を80℃に設定したシリコンオ
イル中で4kV/mmの電場を30分間印加して分極処
理した。その後、インピーダンスアナライザーにより、
電気的特性(共振・反共振周波数、キャパシタンス)を
室温(25℃)下で測定し、電気機械結合係数(k33
と比誘電率(ε33T /ε0 )を求めた。比誘電率(ε
33T /ε0 )を温度の関数としてプロットし、キュリー
温度(Tc)を求めた。
Baking silver electrodes on the upper and lower surfaces of these cylinders,
The cylinder on which the silver electrode was baked was polarized in a silicon oil set at 80 ° C. by applying an electric field of 4 kV / mm for 30 minutes. Then, with an impedance analyzer,
Electrical characteristics (resonance-anti-resonance frequency, capacitance) were measured under room temperature (25 ° C.), the electromechanical coupling factor (k 33)
And the relative dielectric constant (ε 33T / ε 0 ). Relative permittivity (ε
33T / ε 0 ) was plotted as a function of temperature to determine the Curie temperature (Tc).

【0039】磁器の機械的強度は、円板状の磁器を作製
し、幅2mm、長さ3.5mm、厚み1.5mmの寸法
になるように加工し、スパン2mmの3点曲げ試験によ
り評価した。さらに、磁器の主結晶粒子の平均粒径を焼
結体断面のSEM写真からインターセプト法により求め
た。
The mechanical strength of the porcelain was evaluated by preparing a disc-shaped porcelain, processing it to a size of 2 mm in width, 3.5 mm in length, and 1.5 mm in thickness, and performing a three-point bending test with a span of 2 mm. did. Further, the average grain size of the main crystal grains of the porcelain was determined from the SEM photograph of the cross section of the sintered body by the intercept method.

【0040】以上の方法で作製した各試料に関する電気
機械結合係数(k33)、比誘電率(ε33T /ε0 )、機
械的強度(σ)、磁器の平均粒径(d)、キュリー温度
(Tc)を表1に示した。
The electromechanical coupling coefficient (k 33 ), relative permittivity (ε 33T / ε 0 ), mechanical strength (σ), average particle size (d) of porcelain, Curie temperature of each sample prepared by the above method (Tc) is shown in Table 1.

【0041】[0041]

【表1】 [Table 1]

【0042】この表1から、本発明の圧電体では、25
℃における機械結合係数k33が50%以上、25℃にお
ける比誘電率(ε33T /ε0 )1900以上、機械的強
度(σ)120MPa以上、キュリー温度(Tc)90
℃以上の特性を有するとともに、1300℃以下で焼成
できる。
From Table 1, it can be seen that the piezoelectric body of the present invention
The mechanical coupling coefficient k 33 at 50 ° C. is 50% or more, the relative dielectric constant (ε 33T / ε 0 ) at 25 ° C. is 1900 or more, the mechanical strength (σ) is 120 MPa or more, and the Curie temperature (Tc) is 90.
It has a characteristic of not less than 1 ° C. and can be fired at 1300 ° C. or less.

【0043】特に、試料No.8〜11では、130Mp
a以上の機械的強度(σ)を示し、試料No.1の110
Mpaと比較すると、約20Mpaの機械的強度(σ)
の向上を示すと同時に、60%以上の高い電気機械結合
係数(k33)と2100を越える高い比誘電率(ε33T
/ε0 )を示すことがわかる。
In particular, in samples Nos. 8 to 11, 130 Mp
a of mechanical strength (.sigma.) of Sample No. 1
Mechanical strength (σ) of about 20 Mpa compared to Mpa
At the same time, a high electromechanical coupling coefficient (k 33 ) of 60% or more and a high relative dielectric constant (ε 33T
/ Ε 0 ).

【0044】これに対して、ZrO2 粒子の量が0.0
5重量%より少ない場合(試料No.1、2、3)では、
添加の効果が認められず、機械的強度(σ)の向上が認
められないことがわかる。一方、添加量が1重量%を越
える試料No.16、17では、電気機械結合係数
(k33)と比誘電率(ε33T /ε0 )が著しく低下す
る。
On the other hand, when the amount of ZrO 2 particles is 0.0
In the case of less than 5% by weight (sample Nos. 1, 2, 3),
It can be seen that the effect of the addition is not recognized and the improvement of the mechanical strength (σ) is not recognized. On the other hand, in Samples Nos. 16 and 17 in which the addition amount exceeds 1% by weight, the electromechanical coupling coefficient (k 33 ) and the relative dielectric constant (ε 33T / ε 0 ) are significantly reduced.

【0045】xが0.95や1.05の場合(試料No.
18、23)には、電気機械結合係数(k33)と比誘電
率(ε33T /ε0 )が著しく低下することがわかる。
When x is 0.95 or 1.05 (Sample No.
18, 23), it can be seen that the electromechanical coupling coefficient (k 33 ) and the relative permittivity (ε 33T / ε 0 ) are significantly reduced.

【0046】試料No.24〜29から、yが大きくなる
にしたがって、キュリー温度(Tc)が低下するのがわ
かる。試料No.29ではキュリー温度(Tc)が67℃
まで低下するのがわかる。
Samples Nos. 24-29 show that the Curie temperature (Tc) decreases as y increases. Curie temperature (Tc) of sample No. 29 is 67 ° C.
It can be seen that it decreases to

【0047】試料No.30〜36から、CuのCuO換
算量が多くなれば低温焼成できるものの、2重量部を越
えると圧電特性が劣化することが判る。
From Samples Nos. 30 to 36, it can be seen that low-temperature sintering can be performed if the amount of Cu in terms of CuO is large, but the piezoelectric characteristics are deteriorated if the amount exceeds 2 parts by weight.

【0048】試料No.37ではMgOとZrO2 を合量
で0.25重量%含有したもので、MgOとZrO2
それぞれ0.5モルの割合で添加した。試料No.38で
は、Al2 3 、MgO、ZrO2 を合量で0.25重
量%含有したもので、Al2O3 、MgO、ZrO2 をそ
れぞれ0.25モル、0.25モル、0.5モルの割合
で添加した。この場合でも優れた特性を有することが判
る。
Sample No. 37 contained MgO and ZrO 2 in a total amount of 0.25% by weight, and MgO and ZrO 2 were added at a ratio of 0.5 mol each. Sample No. 38 contained 0.25% by weight of Al 2 O 3 , MgO and ZrO 2 in total, and contained 0.25 mol, 0.25 mol of Al 2 O 3 , MgO and ZrO 2 respectively. 0.5 mol was added. It can be seen that even in this case, it has excellent characteristics.

【0049】実施例2 実施例1と同様にして、一般式Bax 〔Ti1-y (Zr
1-a Sna y 〕O3において、x=1.00、y=
0.05、添加物としてのCuOを0.20重量部、上
記した部分安定化ZrO2 粒子を0.25重量%とし、
Sn量を示すaの値を変化させ、上記実施例1と同様に
して磁器を作製し、上記と同様の評価を行った。また、
−30℃における電気機械結合係数(k33)、比誘電率
(ε33T /ε0 )を求め、常温(25℃)で求めた値と
合わせて記載した。その結果を表2に記載した。
Example 2 In the same manner as in Example 1, the general formula Ba x [Ti 1-y (Zr
1-a Sn a ) y ] O 3 , x = 1.00, y =
0.05, 0.20 parts by weight of CuO as an additive, 0.25% by weight of the partially stabilized ZrO 2 particles described above,
The porcelain was produced in the same manner as in Example 1 above, while changing the value of a indicating the amount of Sn, and the same evaluation as above was performed. Also,
The electromechanical coupling coefficient (k 33 ) and the relative dielectric constant (ε 33T / ε 0 ) at −30 ° C. were determined and described together with the values determined at room temperature (25 ° C.). The results are shown in Table 2.

【0050】[0050]

【表2】 [Table 2]

【0051】この表2の試料No.39〜46から、Sn
置換量aが多くなるにつれ、−30℃における電気機械
結合係数(k33)と比誘電率(ε33T /ε0 )が向上
し、aが0.2の場合に何れも極大値をとることがわか
る。一方、aが0.75よりも多くなると、キュリー温
度(Tc)が低下することがわかる。
From the samples Nos. 39 to 46 in Table 2, Sn
As the substitution amount a increases, the electromechanical coupling coefficient (k 33 ) at -30 ° C. and the relative dielectric constant (ε 33T / ε 0 ) improve, and when a is 0.2, each of them takes a maximum value. I understand. On the other hand, when a is larger than 0.75, the Curie temperature (Tc) decreases.

【0052】[0052]

【発明の効果】以上のように、本発明の圧電体では、Z
rO2 粒子は焼結過程においてBaTiO3 と固溶反応
が起こりにくいため、主として主結晶粒子の粒界部に局
在し、主結晶粒子の粒成長を抑制し、主結晶粒子の粒径
を小さくし、強度を向上することができるとともに、全
量中0.05〜1.0重量%の割合でZrO2 粒子を分
散したので圧電体の焼結性を悪化させることがなく、圧
電特性を高く維持でき、しかもCuを含有することによ
り低温焼成できるとともに、圧電特性をさらに向上でき
る。
As described above, in the piezoelectric body of the present invention, Z
Since the rO 2 particles do not easily undergo a solid solution reaction with BaTiO 3 during the sintering process, the rO 2 particles are mainly localized at the grain boundaries of the main crystal particles, suppressing the growth of the main crystal particles, and reducing the particle size of the main crystal particles. In addition, the strength can be improved, and the ZrO 2 particles are dispersed at a ratio of 0.05 to 1.0% by weight of the total amount, so that the sinterability of the piezoelectric body is not deteriorated and the piezoelectric characteristics are maintained at a high level. In addition, by containing Cu, low-temperature sintering can be performed, and piezoelectric characteristics can be further improved.

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】Bax (Ti1-y Zry )O3 (0.96
≦x≦1.04、0.01≦y≦0.10)を主成分と
し、該主成分100重量部に対してCuをCuO換算で
0.05〜2.0重量部含有してなる圧電磁器中に、全
量中0.05〜1.0重量%の割合でZrO2 粒子を分
散してなることを特徴とする圧電体。
1. A Ba x (Ti 1-y Zr y) O 3 (0.96
.Ltoreq.x.ltoreq.1.04, 0.01.ltoreq.y.ltoreq.0.10) and a piezoelectric material containing 0.05 to 2.0 parts by weight of Cu based on 100 parts by weight of Cu. during porcelain, piezoelectric, characterized in that by dispersing ZrO 2 particles in a proportion of 0.05 to 1.0 wt% in the total amount.
【請求項2】少なくともBa、Ti、ZrおよびCuを
含有するペロブスカイト型複合酸化物からなる主結晶粒
子の平均粒径が2〜7μmであることを特徴とする請求
項1記載の圧電体。
2. The piezoelectric body according to claim 1, wherein the main crystal grains composed of a perovskite-type composite oxide containing at least Ba, Ti, Zr and Cu have an average particle size of 2 to 7 μm.
【請求項3】主成分がBax 〔Ti1-y (Zr1-a Sn
a y 〕O3 (0.96≦x≦1.04、0.01≦y
≦0.10、0.05≦a≦0.75)からなることを
特徴とする請求項1または2記載の圧電体。
3. The method according to claim 1, wherein the main component is Ba x [Ti 1-y (Zr 1-a Sn
a ) y ] O 3 (0.96 ≦ x ≦ 1.04, 0.01 ≦ y
≤ 0.10, 0.05 ≤ a ≤ 0.75).
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