JP2001220226A - Piezoelectric ceramic - Google Patents

Piezoelectric ceramic

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JP2001220226A
JP2001220226A JP2000030731A JP2000030731A JP2001220226A JP 2001220226 A JP2001220226 A JP 2001220226A JP 2000030731 A JP2000030731 A JP 2000030731A JP 2000030731 A JP2000030731 A JP 2000030731A JP 2001220226 A JP2001220226 A JP 2001220226A
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piezoelectric
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Masakazu Hirose
正和 廣瀬
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectric ceramic free from lead, having the high Curie point, and further having excellent piezoelectric characteristics. SOLUTION: This piezoelectric ceramic is a bismuth layered compound containing MII, Bi, Ti, Ln and O (MII is at least one kind of elements selected from Sr, Ba and Ca; and Ln is at least one element selected from lanthanides), and contains MIIBi4Ti4O15 type crystal. Further, the molar ratio Ln/(Sr+Ln) satisfies the inequality: 0<Ln/(Sn+Ln)<0.5, and the molar ratio 4Bi/Ti satisfies the formula: 4.000<4Bi/Ti<=4.030.

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、レゾネータ、圧力
センサ等の分野に幅広く応用可能な圧電セラミックスに
関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a piezoelectric ceramic widely applicable to fields such as a resonator and a pressure sensor.

【0002】[0002]

【従来の技術】圧電体は、外部から応力を受けることに
よって電気分極が変化する圧電効果と、電界を印加する
ことにより歪みを発生する逆圧電効果とを有する材料で
ある。圧電体は、圧力や変形を測定するためのセンサ、
レゾネータ、アクチュエータなどに応用されている。
2. Description of the Related Art A piezoelectric material is a material having a piezoelectric effect in which electric polarization is changed by receiving an external stress and an inverse piezoelectric effect in which distortion is generated by applying an electric field. Piezoelectric materials are sensors for measuring pressure and deformation,
It is applied to resonators and actuators.

【0003】現在実用化されている圧電材料の大部分
は、正方晶系または菱面体晶系のPZT(PbZrO3
−PbTiO3固溶体)系や、正方晶系のPT(PbT
iO3)系などのペロブスカイト構造を有する強誘電体
が一般的である。そして、これらに様々な副成分を添加
することにより、様々な要求特性への対応がはかられて
いる。
Most of the piezoelectric materials currently in practical use are tetragonal or rhombohedral PZT (PbZrO 3).
-PbTiO 3 solid solution) or tetragonal PT (PbT
Ferroelectrics having a perovskite structure such as iO 3 ) are generally used. By adding various sub-components to these, various requirements are met.

【0004】しかし、PZT系やPT系の圧電材料は、
実用的な組成ではキュリー点が300〜350℃程度の
ものが多い。これに対し現在のはんだ付け工程における
処理温度は、通常、230〜250℃なので、キュリー
点が300〜350℃程度の圧電材料ははんだ付け工程
において特性劣化を生じやすい。しかも、鉛を含まない
はんだ(鉛フリーはんだ)が実用化されると、はんだ付
け工程における処理温度はさらに高くなる。したがっ
て、圧電材料のキュリー点を高くすることは極めて重要
である。
However, PZT and PT piezoelectric materials are
Many practical compositions have a Curie point of about 300 to 350 ° C. On the other hand, the processing temperature in the current soldering process is usually 230 to 250 ° C., and therefore, a piezoelectric material having a Curie point of about 300 to 350 ° C. is likely to cause characteristic deterioration in the soldering process. In addition, when a lead-free solder (lead-free solder) is put into practical use, the processing temperature in the soldering process is further increased. Therefore, it is extremely important to increase the Curie point of the piezoelectric material.

【0005】また、これら鉛系圧電材料は、低温でも揮
発性の極めて高い酸化鉛(PbO)を多量(60〜70
質量%程度)に含んでいるため、生態学的な見地および
公害防止の面からも好ましくない。具体的には、これら
鉛系圧電材料をセラミックスや単結晶として製造する際
には、焼成、溶融等の熱処理が不可避であり、工業レベ
ルで考えた場合、揮発性成分である酸化鉛の大気中への
揮発、拡散量は極めて多量となる。また、製造段階で放
出される酸化鉛は回収可能であるが、工業製品として市
場に出された圧電材料に含有される酸化鉛は、現状では
その殆どが回収不能であり、これらが広く環境中に放出
された場合、公害の原因となることは避けられない。
Further, these lead-based piezoelectric materials contain a large amount (60 to 70) of lead oxide (PbO), which is extremely volatile even at low temperatures.
% By mass), which is not preferable from an ecological point of view and pollution control. Specifically, when producing these lead-based piezoelectric materials as ceramics or single crystals, heat treatment such as firing and melting is inevitable, and when considered at the industrial level, lead oxide, a volatile component, is contained in air. The amount of volatilization and diffusion to the water becomes extremely large. Although lead oxide released during the manufacturing stage can be recovered, most of the lead oxide contained in piezoelectric materials put on the market as industrial products cannot be recovered at present, and these are widely used in the environment. If released to the public, it will inevitably cause pollution.

【0006】鉛を全く含有しない圧電材料としては、例
えば、正方晶系に属するペロブスカイト構造のBaTi
3がよく知られているが、これはキュリー点が120
℃と低いため、実用的ではない。また、特開平9−10
0156号公報には、ペロブスカイト構造の(1−x)
(Bi1/2Na1/2)TiO3−xNaNbO3固溶体が記
載されているが、同公報にはキュリー点が370℃を超
えるものは記載されていない。
As a piezoelectric material containing no lead, for example, BaTi having a perovskite structure belonging to a tetragonal system is used.
O 3 is well known and has a Curie point of 120
It is not practical because of low temperature. Also, JP-A-9-10
No. 0156 discloses a (1-x) having a perovskite structure.
Although a (Bi 1/2 Na 1/2 ) TiO 3 -xNaNbO 3 solid solution is described, the publication does not describe a solid solution having a Curie point exceeding 370 ° C.

【0007】キュリー点を500℃以上にできる圧電体
としては、例えばビスマス層状化合物が知られている。
しかし、鉛を全く含有しないビスマス層状化合物は、レ
ゾネータに適用する場合に重要となるQmaxが小さいと
いう問題がある。Qmaxとは、位相角の最大値をθmaxと
したときのtanθmaxである。すなわち、Xをリアクタン
ス、Rをレジスタンスとしたとき、共振周波数と反共振
周波数との間におけるQ(=|X|/R)の最大値であ
る。Qmaxが大きいほど発振が安定し、また、低電圧で
の発振が可能となる。
As a piezoelectric substance whose Curie point can be raised to 500 ° C. or higher, for example, a bismuth layer compound is known.
However, a bismuth layered compound containing no lead has a problem that Qmax, which is important when applied to a resonator, is small. Qmax is tan θmax when the maximum value of the phase angle is θmax. That is, when X is a reactance and R is a resistance, it is the maximum value of Q (= | X | / R) between the resonance frequency and the antiresonance frequency. The larger the Qmax is, the more stable the oscillation becomes, and the oscillation at a low voltage becomes possible.

【0008】第16回強誘電体応用会議(1999.5.26ー2
9)の講演予稿集第97〜98ページには、鉛を全く含
有しないビスマス層状化合物のQmaxを向上させる報告
が記載されている。この報告には、鉛を含有しないビス
マス層状化合物として(Sr1- xMex)Bi4Ti415
が記載されている。Me=Ba、Ca、La、Sm、G
dであり、BaおよびCaはx≦0.1の範囲で、Sm
およびGdはx≦0.4の範囲で、Laはx≦0.5の
範囲で添加されている。上記講演予稿集では、厚み縦基
本振動におけるQmaxを測定しており、Fig.2には、L
aの添加によりQmaxが向上することと、BaまたはC
aの添加によりQmaxが低下することとが示されてい
る。
The 16th Ferroelectric Application Conference (May 26, 1999-2)
On pages 97-98 of the proceedings of 9), there is a report on improving the Qmax of a bismuth layered compound containing no lead. This report, as the bismuth layer compound containing no lead (Sr 1- x Me x) Bi 4 Ti 4 O 15
Is described. Me = Ba, Ca, La, Sm, G
d, Ba and Ca are in the range of x ≦ 0.1, and Sm
And Gd are added in a range of x ≦ 0.4, and La is added in a range of x ≦ 0.5. In the proceedings of the above lecture, Qmax in the thickness longitudinal fundamental vibration was measured.
that Qmax is improved by the addition of
It is shown that the addition of a lowers Qmax.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、鉛を
含まず、キュリー点が高く、かつ、優れた圧電特性を有
する圧電セラミックスを提供することである。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a piezoelectric ceramic which does not contain lead, has a high Curie point, and has excellent piezoelectric characteristics.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】上記目的は、下記(1)
〜(5)の本発明により達成される。 (1) Sr、BaおよびCaから選択される少なくと
も1種の元素をMIIで表し、ランタノイドから選択され
る少なくとも1種の元素をLnで表したとき、MII、B
i、Ti、LnおよびOを含有するビスマス層状化合物
であり、MIIBi4Ti415型結晶を含み、モル比Ln
/(Sr+Ln)が 0<Ln/(Sr+Ln)<0.5 であり、モル比4Bi/Tiが 4.000<4Bi/Ti≦4.030 である圧電セラミックス。 (2) Mn酸化物を含有する上記(1)の圧電セラミ
ックス。 (3) Mn酸化物の含有量がMnOに換算して0.6
2質量%未満である上記(2)の圧電セラミックス。 (4) Co酸化物を含有する上記(1)〜(3)のい
ずれかの圧電セラミックス。 (5) Co酸化物の含有量がCoO換算で0.7質量
%未満である上記(4)の圧電セラミックス。
The above object is achieved by the following (1).
This is achieved by the present invention according to (5). (1) When at least one element selected from Sr, Ba and Ca is represented by M II and at least one element selected from lanthanoids is represented by Ln, M II , B
Bismuth layered compound containing i, Ti, Ln and O, containing M II Bi 4 Ti 4 O 15 type crystal, molar ratio Ln
A piezoelectric ceramic wherein // (Sr + Ln) is 0 <Ln / (Sr + Ln) <0.5 and the molar ratio 4Bi / Ti is 4.000 <4Bi / Ti ≦ 4.030. (2) The piezoelectric ceramic according to the above (1), containing a Mn oxide. (3) The content of Mn oxide is 0.6 in terms of MnO.
The piezoelectric ceramic according to the above (2), which is less than 2% by mass. (4) The piezoelectric ceramic according to any one of the above (1) to (3), containing a Co oxide. (5) The piezoelectric ceramic according to (4), wherein the content of the Co oxide is less than 0.7% by mass in terms of CoO.

【0011】[0011]

【発明の実施の形態】Sr、BaおよびCaから選択さ
れる少なくとも1種の元素をMIIで表し、ランタノイド
から選択される少なくとも1種の元素をLnで表したと
き、本発明の圧電セラミックスは、MII、Bi、Ti、
LnおよびOを含有するビスマス層状化合物であり、M
IIBi4Ti415型結晶を含む複合酸化物である。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS When at least one element selected from Sr, Ba and Ca is represented by M II and at least one element selected from lanthanoids is represented by Ln, the piezoelectric ceramic of the present invention , M II , Bi, Ti,
A bismuth layered compound containing Ln and O;
II A composite oxide containing Bi 4 Ti 4 O 15 type crystals.

【0012】本発明の圧電セラミックス中において、モ
ル比4Bi/Tiは、 4.000<4Bi/Ti≦4.030 である。このように、化学量論組成であるMIIBi4
415に対しBiをリッチとすることにより、Qmaxが
向上する。ただし、4Bi/Tiが4.03を超える
と、絶縁抵抗が低くなって分極処理が困難となる。ま
た、Qmaxもかえって低くなってしまう。なお、Qmaxの
向上率を高くするためには、 4.010<4Bi/Ti とすることが好ましい。また、絶縁抵抗の低下をさらに
抑えるためには、 4Bi/Ti≦4.028 とすることが好ましい。
In the piezoelectric ceramic of the present invention, the molar ratio of 4Bi / Ti is 4.000 <4Bi / Ti ≦ 4.030. Thus, the stoichiometric composition of M II Bi 4 T
By making Bi rich relative to i 4 O 15 , Qmax is improved. However, when 4Bi / Ti exceeds 4.03, the insulation resistance becomes low and the polarization treatment becomes difficult. In addition, Qmax is rather lowered. In order to increase the improvement rate of Qmax, it is preferable that 4.010 <4Bi / Ti. In order to further suppress the decrease in insulation resistance, it is preferable that 4Bi / Ti ≦ 4.028.

【0013】本発明の圧電セラミックスは、Qmaxをさ
らに向上させるために、ランタノイド酸化物を含有す
る。ランタノイドは、La、Ce、Pr、Nd、Pm、
Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Y
bおよびLuであり、これらのうちでは、La、Nd、
Sm、Gd、Dy、Ho、ErおよびYbの少なくとも
1種が好ましく、Laが最も好ましい。本発明の圧電セ
ラミックス中におけるモル比Ln/(Ln+MII)は、 0<Ln/(Ln+MII)<0.5 であり、好ましくは 0.03≦Ln/(Ln+MII)≦0.3 である。Ln/(Ln+MII)が大きすぎると、Qmax
がかえって低くなってしまう。Ln酸化物の添加による
Qmaxの向上は、焼結性の向上によると考えられる。ま
た、Ln酸化物を含有しないCaBi4Ti415系セラ
ミックスは分極が困難であるが、Ln酸化物の添加によ
りこれが改善される。
The piezoelectric ceramic of the present invention contains a lanthanoid oxide to further improve Qmax. Lanthanoids are La, Ce, Pr, Nd, Pm,
Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Y
b and Lu, of which La, Nd,
At least one of Sm, Gd, Dy, Ho, Er and Yb is preferred, and La is most preferred. The molar ratio Ln / (Ln + M II ) in the piezoelectric ceramic of the present invention is 0 <Ln / (Ln + M II ) <0.5, preferably 0.03 ≦ Ln / (Ln + M II ) ≦ 0.3. . If Ln / (Ln + M II ) is too large, Qmax
On the contrary, it becomes lower. The improvement in Qmax due to the addition of the Ln oxide is considered to be due to the improvement in sinterability. In addition, CaBi 4 Ti 4 O 15 -based ceramics containing no Ln oxide are difficult to polarize, but the addition of the Ln oxide improves this.

【0014】また、Mn酸化物を含有させることによっ
てもQmaxを向上させることができる。特に、Mn酸化
物とLn酸化物とを複合添加することにより、Qmax
著しく向上させることができる。ただし、Mn酸化物の
含有量が多すぎると絶縁抵抗が低くなって分極処理が困
難となることから、Mn酸化物の含有量はMnOに換算
して好ましくは0.62質量%未満、より好ましくは
0.60質量%以下、さらに好ましくは0.43質量%
以下とする。一方、Mn酸化物の添加による効果を十分
に発揮させるためには、Mn酸化物はMnOに換算して
0.02質量%以上含有されることが好ましく、0.0
3質量%以上含有される場合、特にQmax向上効果が高
くなる。
Further, Qmax can be improved by adding a Mn oxide. In particular, by combined addition of the Mn oxide and Ln oxide, can significantly improve the Q max. However, if the content of the Mn oxide is too large, the insulation resistance becomes low and the polarization treatment becomes difficult. Therefore, the content of the Mn oxide is preferably less than 0.62 mass% in terms of MnO, more preferably. Is 0.60% by mass or less, more preferably 0.43% by mass.
The following is assumed. On the other hand, in order to sufficiently exhibit the effect of the addition of the Mn oxide, the Mn oxide is preferably contained at 0.02% by mass or more in terms of MnO.
When the content is 3% by mass or more, the effect of improving Qmax becomes particularly high.

【0015】また、Co酸化物を含有させることによっ
てもQmaxを向上させることができる。Qmax向上効果を
十分に発揮させるためには、CoO換算の含有量を0.
1質量%以上とすることが好ましい。ただし、Co酸化
物の含有量が多すぎると、絶縁抵抗が大きくなって分極
が難しくなる。そのため、CoO換算の含有量は、好ま
しくは0.7質量%未満とし、より好ましくは0.5質
量%以下とする。なお、Mn酸化物とCo酸化物とは、
それぞれ単独で添加してもよく、併用してもよい。
[0015] Qmax can also be improved by containing a Co oxide. In order to sufficiently exhibit the effect of improving Qmax, the content in terms of CoO should be set to 0.
It is preferably at least 1% by mass. However, when the content of the Co oxide is too large, the insulation resistance increases and polarization becomes difficult. Therefore, the content in terms of CoO is preferably less than 0.7% by mass, more preferably 0.5% by mass or less. The Mn oxide and the Co oxide are:
Each may be added alone or in combination.

【0016】MII中のモル比をSrxBayCaz(ただ
し、x+y+z=1)で表したとき、 0≦x≦1、 0≦y≦0.9、 0≦z≦1 であることが好ましい。MIIに占めるBaの比率yが高
くなりすぎると、焼成時に圧電セラミックスが溶融しや
すくなる。
[0016] M molar ratio in II Sr x Ba y Ca z (provided that, x + y + z = 1 ) when expressed in, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 0.9 that is a 0 ≦ z ≦ 1 Is preferred. If the ratio y of Ba to M II is too high, the piezoelectric ceramic is likely to be melted during firing.

【0017】本発明の圧電セラミックスは、ビスマス層
状化合物であるMIIBi4Ti415型結晶を含み、実質
的にこの結晶から構成されていることが好ましいが、完
全に均質でなくても、例えば異相を含んでいてもよい。
この圧電セラミックス中において、LnはMIIBi4
415型結晶のMIIサイトを主に置換していると考え
られるが、一部が他のサイトを置換していてもよく、ま
た、一部が結晶粒界に存在していてもよい。
The piezoelectric ceramic of the present invention contains M II Bi 4 Ti 4 O 15 type crystal, which is a bismuth layered compound, and is preferably constituted substantially by this crystal. , For example, may contain a different phase.
In this piezoelectric ceramic, Ln is M II Bi 4 T
Although it is considered that the M II site of the i 4 O 15 type crystal is mainly substituted, some of the M II site may be substituted for another site, and some may be present at the crystal grain boundary. Good.

【0018】本発明の圧電セラミックスの全体組成は、
一般に、(MII 1-aLna)BibTi4Oにおいて、4B
i/Ti(=b)が前記範囲となるものであればよく、
また、Mn酸化物やCo酸化物を含有する場合には、こ
れにMnOやCoOが付加されたものとすればよいが、
これらから偏倚していてもよい。例えば、Tiに対する
(MII+Ln)の比率が、化学量論組成から±5%程度
ずれていてもよい。また、酸素量も、金属元素の価数や
酸素欠陥などに応じて変化し得る。
The overall composition of the piezoelectric ceramic of the present invention is:
Generally, in the (M II 1-a Ln a ) Bi b Ti 4 O, 4B
i / Ti (= b) should be within the above range,
In the case where a Mn oxide or a Co oxide is contained, MnO or CoO may be added thereto,
It may deviate from these. For example, the ratio of (M II + Ln) to Ti may deviate from the stoichiometric composition by about ± 5%. Further, the amount of oxygen can also change according to the valence of the metal element, oxygen vacancy, and the like.

【0019】本発明の圧電セラミックスには、不純物な
いし微量添加物としてPb酸化物、Cr酸化物、Fe酸
化物等が含有されていてもよいが、これらの酸化物の含
有量は、PbO、Cr23、Fe23などの化学量論組
成の酸化物に換算してそれぞれ全体の0.5質量%以下
であることが好ましく、これらの酸化物の合計でも0.
5質量%以下であることがより好ましい。これらの酸化
物の含有量が多すぎると、本発明の効果を損なうことが
ある。なお、本発明の圧電セラミックスにはPbが含ま
れないことが最も好ましいが、上記程度の含有量であれ
ば実質的に問題はない。
The piezoelectric ceramic of the present invention may contain Pb oxide, Cr oxide, Fe oxide, etc. as impurities or trace additives, but the content of these oxides is PbO, Cr Each oxide is preferably 0.5% by mass or less in terms of oxides having a stoichiometric composition such as 2 O 3 and Fe 2 O 3 .
More preferably, the content is 5% by mass or less. If the content of these oxides is too large, the effect of the present invention may be impaired. It is most preferable that Pb is not contained in the piezoelectric ceramic of the present invention, but there is substantially no problem if the content is about the above.

【0020】本発明の圧電セラミックスの結晶粒は、紡
錘状ないし針状である。その平均結晶粒径は特に限定さ
れないが、長軸方向において、好ましくは1〜10μ
m、より好ましくは3〜5μmである。
The crystal grains of the piezoelectric ceramic of the present invention have a spindle shape or a needle shape. The average crystal grain size is not particularly limited, but is preferably 1 to 10 μm in the major axis direction.
m, more preferably 3 to 5 μm.

【0021】本発明の圧電セラミックスのキュリー点
は、少なくとも380℃以上とすることができ、430
℃以上とすることも容易である。
The Curie point of the piezoelectric ceramic of the present invention can be at least 380 ° C. or higher.
It is easy to raise the temperature to not less than ° C.

【0022】本発明の圧電セラミックスは、レゾネー
タ、高温用センサ等に好適である。
The piezoelectric ceramic of the present invention is suitable for a resonator, a high temperature sensor and the like.

【0023】本発明の圧電セラミックスの使用モードは
特に限定されず、例えば厚み縦振動や厚みすべり振動等
のいずれのモードも利用可能である。厚み縦基本振動で
は比較的高いQmaxが得られる。ただし、スプリアス振
動が多くなり、その結果、発振の安定性がやや低くな
る。これに対し、厚み縦振動の3次高調波モードでは、
Qmaxは小さくなるがスプリアス振動は減少する。一
方、厚みすべり基本振動では、スプリアス振動が少な
く、かつ、十分に大きなQmaxが得られる。
The mode of use of the piezoelectric ceramic of the present invention is not particularly limited, and any mode such as thickness longitudinal vibration and thickness shear vibration can be used. A relatively high Qmax can be obtained in the thickness longitudinal fundamental vibration. However, the spurious vibration increases, and as a result, the stability of oscillation is slightly lowered. In contrast, in the third harmonic mode of thickness longitudinal vibration,
Qmax decreases, but spurious vibrations decrease. On the other hand, in the thickness-shear fundamental vibration, a spurious vibration is small and a sufficiently large Qmax is obtained.

【0024】なお、本発明者らの研究によれば、厚みす
べり振動を用いる場合には、共振周波数の温度特性が比
較的急峻となり、発振周波数の温度依存性が比較的大き
くなることがわかった。そこで、さらに実験を重ねた結
果、MII中のモル比を x/6+0.2≦y≦0.8 とすることにより、すなわち、MIIとして少なくともB
aおよび/またはCaを用い、MII中に占めるBa+C
aの比率を所定範囲内とすることにより、共振周波数の
温度特性をかなり平坦にできることがわかった。
According to the study by the present inventors, it has been found that when thickness shear vibration is used, the temperature characteristic of the resonance frequency becomes relatively steep, and the temperature dependence of the oscillation frequency becomes relatively large. . Therefore, further result of repeated experiments by the molar ratio in M II and x / 6 + 0.2 ≦ y ≦ 0.8, i.e., at least B as M II
Ba + C in M II using a and / or Ca
It has been found that the temperature characteristic of the resonance frequency can be made considerably flat by setting the ratio of a within the predetermined range.

【0025】以上では、MIIBi4Ti415型結晶を含
む圧電セラミックスについて説明したが、例えばMII
2Nb29型結晶、MIIBi2Ta29型結晶、Bi3
TiNbO9型結晶、Bi4Ti312型結晶、Bi4.5
I 0.5Ti415型結晶(MIはNa、K等のアルカリ金属
元素の少なくとも1種)、MII 2Bi4Ti518型結晶
を含む圧電セラミックスにおいても、含有される金属元
素の比を化学量論組成から偏倚させることにより、Qma
xを向上させることが可能である。
[0025] In the above has been described piezoelectric ceramics containing M II Bi 4 Ti 4 O 15 type crystal, for example M II B
i 2 Nb 2 O 9 type crystal, M II Bi 2 Ta 2 O 9 type crystal, Bi 3
TiNbO 9 type crystal, Bi 4 Ti 3 O 12 type crystal, Bi 4.5 M
I 0.5 Ti 4 O 15 type crystal (M I is Na, at least one alkali metal element K, etc.), also in the piezoelectric ceramic containing M II 2 Bi 4 Ti 5 O 18 type crystal, metal elements contained By deviating the ratio from the stoichiometric composition, Qma
It is possible to improve x.

【0026】製造方法 次に、本発明の圧電セラミックスを製造する方法の一例
を説明する。
Manufacturing Method Next, an example of a method for manufacturing the piezoelectric ceramic of the present invention will be described.

【0027】まず、出発原料として、酸化物、または、
焼成により酸化物に変わりうる化合物、例えば、炭酸
塩、水酸化物、シュウ酸塩、硝酸塩等、具体的にはMII
CO3、Bi23、TiO2、La23、MnO2、Mn
CO3等の粉末を用意し、これらをボールミル等により
湿式混合する。
First, as a starting material, an oxide or
Compounds may vary in the oxide by firing, for example, carbonates, hydroxides, oxalates, nitrates, specifically M II
CO 3 , Bi 2 O 3 , TiO 2 , La 2 O 3 , MnO 2 , Mn
Powders such as CO 3 are prepared and wet-mixed with a ball mill or the like.

【0028】次いで仮焼する。なお、通常、仮焼前に仮
成形する。仮焼温度は、好ましくは700〜1000
℃、より好ましくは750〜850℃である。仮焼温度
が低すぎると、化学反応が十分に終了せず、仮焼が不十
分となる。一方、仮焼温度が高すぎると、仮成形体が焼
結し始めるため、その後の粉砕が困難となる。仮焼時間
は特に限定されないが、通常、1〜3時間とすることが
好ましい。
Next, it is calcined. In addition, usually, it preliminarily forms before calcination. The calcination temperature is preferably 700 to 1000
° C, more preferably 750-850 ° C. If the calcining temperature is too low, the chemical reaction does not end sufficiently and the calcining becomes insufficient. On the other hand, when the calcination temperature is too high, the tentative compact starts to sinter, so that subsequent pulverization becomes difficult. The calcination time is not particularly limited, but is usually preferably 1 to 3 hours.

【0029】得られた仮焼物をスラリー化し、ボールミ
ル等を用いて湿式粉砕する。この粉砕により得られる粉
末の平均粒径は特に限定されないが、その後の成形のし
やすさを考慮すると、1〜5μm程度とすることが好ま
しい。
The obtained calcined product is slurried and wet-pulverized using a ball mill or the like. The average particle size of the powder obtained by this pulverization is not particularly limited, but is preferably about 1 to 5 μm in consideration of the ease of subsequent molding.

【0030】湿式粉砕後、仮焼物の粉末を乾燥し、乾燥
物に水を少量(4〜8質量%程度)添加した後、100
〜400MPa程度の圧力でプレス成形して、成形体を得
る。この際、ポリビニルアルコール等のバインダを添加
してもよい。
After the wet pulverization, the calcined powder is dried, and a small amount of water (about 4 to 8% by mass) is added to the dried substance.
Press molding is performed under a pressure of about 400 MPa to obtain a molded body. At this time, a binder such as polyvinyl alcohol may be added.

【0031】次いで、成形体を焼成し、圧電セラミック
スを得る。焼成温度は好ましくは1100〜1250℃
の範囲から選択し、焼成時間は好ましくは1〜5時間程
度とする。焼成は大気中で行ってもよく、大気中よりも
酸素分圧の低い雰囲気や高い雰囲気、あるいは純酸素雰
囲気中で行ってもよい。
Next, the compact is fired to obtain a piezoelectric ceramic. The firing temperature is preferably 1100 to 1250 ° C.
And the firing time is preferably about 1 to 5 hours. The baking may be performed in the air, or may be performed in an atmosphere having a lower or higher oxygen partial pressure than in the air, or in a pure oxygen atmosphere.

【0032】焼成後、分極処理を施す。分極処理の条件
は、圧電セラミックスの組成に応じて適宜決定すればよ
いが、通常、分極温度は150〜250℃、分極時間は
1〜30分間、分極電界は抗電界の1.1倍以上とすれ
ばよい。
After firing, a polarization treatment is performed. The conditions for the polarization treatment may be appropriately determined according to the composition of the piezoelectric ceramics. Usually, the polarization temperature is 150 to 250 ° C., the polarization time is 1 to 30 minutes, and the polarization electric field is 1.1 times or more of the coercive electric field. do it.

【0033】[0033]

【実施例】以下の手順で、表1に示す圧電セラミックス
サンプルを作製した。
EXAMPLE A piezoelectric ceramic sample shown in Table 1 was produced by the following procedure.

【0034】出発原料として、SrCO3、Bi23
TiO2、La23、MnCO3の各粉末を、最終組成が
Sr0.9La0.1BibTi415+MnO(0.5質量
%)となるように配合し、純水中でジルコニアボールを
利用したボールミルにより16時間湿式混合した。最終
組成におけるBiの含有量を表すbを、表1に示す。
As starting materials, SrCO 3 , Bi 2 O 3 ,
Each powder TiO 2, La 2 O 3, MnCO 3, final composition was blended so that Sr 0.9 La 0.1 Bi b Ti 4 O 15 + MnO (0.5 wt%), zirconia balls in pure water The mixture was wet-mixed by a ball mill for 16 hours. Table 1 shows b indicating the Bi content in the final composition.

【0035】次いで、混合物を十分に乾燥し、仮成形し
た後、空気中において2時間仮焼した。仮焼温度は80
0〜1000℃の範囲から選択した。得られた仮焼物を
乳鉢で粗粉砕した後、さらに、らいかい機で粉砕した。
次いで、ボールミルで16時間微粉砕した後、乾燥し
た。次いで、バインダとして10%ポリビニルアルコー
ル溶液を10質量%加えて顆粒化した後、300MPaの
圧力でプレス成形し、平面寸法20mm×20mm、厚さ1
3mmの成形体を得た。この成形体を真空パックした後、
400MPaの圧力で静水圧プレスにより成形した。
Next, the mixture was sufficiently dried and preliminarily molded, and then calcined in the air for 2 hours. Calcination temperature is 80
It was selected from the range of 0-1000 ° C. The obtained calcined product was roughly pulverized in a mortar, and further pulverized by a grinder.
Next, the resultant was finely pulverized by a ball mill for 16 hours and dried. Next, after adding 10% by mass of a 10% polyvinyl alcohol solution as a binder and granulating, the mixture was press-molded at a pressure of 300 MPa to obtain a plane size of 20 mm × 20 mm and a thickness of 1 mm.
A 3 mm compact was obtained. After vacuum-packing this compact,
It was formed by a hydrostatic press at a pressure of 400 MPa.

【0036】得られた成形体を焼成した。焼成は、Bi
の蒸発を防ぐためにMgO製の密閉容器中で行った。焼
成温度は1120〜1235℃の範囲から選択し、焼成
時間は4時間とした。
The obtained molded body was fired. Firing is Bi
In a sealed container made of MgO in order to prevent evaporation. The firing temperature was selected from the range of 1120 to 1235 ° C, and the firing time was 4 hours.

【0037】得られた焼結体から、平面寸法15mm×1
5mm、厚さ0.55mmの板状体を切り出した後、ラップ
研磨して厚さ440μmの薄板を得た。この薄板の上下
面にCu電極を蒸着により形成し、圧電特性測定用サン
プルと比抵抗測定用サンプルとを得た。
From the obtained sintered body, a plane size of 15 mm × 1
A plate having a thickness of 5 mm and a thickness of 0.55 mm was cut out and lap-polished to obtain a thin plate having a thickness of 440 μm. Cu electrodes were formed on the upper and lower surfaces of the thin plate by vapor deposition to obtain a sample for measuring piezoelectric characteristics and a sample for measuring specific resistance.

【0038】圧電特性測定用サンプルには、250℃の
シリコーンオイルバス中において、1.5×EC(MV/
m)以上の電界を1分間印加して分極処理を施した。な
お、上記ECは、250℃における各焼結体の抗電界で
ある。
In a silicone oil bath at 250 ° C., 1.5 × E C (MV /
m) The above electric field was applied for 1 minute to perform polarization processing. Note that E C is the coercive electric field of each sintered body at 250 ° C.

【0039】次いで、FeCl2溶液を用いてエッチン
グすることによりCu電極を除去した後、分極方向が厚
さ方向となるように、平面寸法7mm×4.5mmに切り出
してチップを得た。このチップの上下面に、厚み縦振動
を評価するためのAg電極を蒸着法により形成した。こ
のAg電極の寸法は、直径1.5mm、厚さ1μmとし
た。
Next, the Cu electrode was removed by etching using an FeCl 2 solution, and then the chip was cut out to a plane size of 7 mm × 4.5 mm so that the polarization direction was the thickness direction. Ag electrodes for evaluating thickness longitudinal vibration were formed on the upper and lower surfaces of the chip by a vapor deposition method. The dimensions of the Ag electrode were 1.5 mm in diameter and 1 μm in thickness.

【0040】各サンプルについて、ヒューレットパッカ
ード社製インピーダンスアナライザHP4194Aを用
いて、厚み縦振動の3次高調波モードでインピーダンス
特性を測定し、Qmaxを求めた。結果を表1に示す。
For each sample, the impedance characteristic was measured in the third harmonic mode of thickness longitudinal vibration using an impedance analyzer HP4194A manufactured by Hewlett-Packard Company, and Qmax was determined. Table 1 shows the results.

【0041】また、比抵抗測定用サンプルについては、
250℃において100Vの電圧を印加し、比抵抗を測
定した。結果を表1に示す。
Further, regarding the sample for measuring the specific resistance,
A voltage of 100 V was applied at 250 ° C., and the specific resistance was measured. Table 1 shows the results.

【0042】[0042]

【表1】 [Table 1]

【0043】表1から、本発明で限定する範囲内におい
てBiリッチとすることにより、Qmaxが臨界的に向上
し、かつ、十分に高い比抵抗が得られることがわかる。
From Table 1, it can be seen that by making Bi-rich within the range defined by the present invention, Qmax is critically improved and a sufficiently high specific resistance can be obtained.

【0044】表1に示す本発明サンプルのキュリー温度
は、すべて510℃以上であった。表1に示す本発明サ
ンプルを粉末X線回折法により解析したところ、MII
4Ti415型結晶のほぼ単一相となっていることが確
認された。
The Curie temperatures of the samples of the present invention shown in Table 1 were all 510 ° C. or higher. When the sample of the present invention shown in Table 1 was analyzed by the powder X-ray diffraction method, it was found that M II B
It was confirmed that the i 4 Ti 4 O 15 type crystal was almost a single phase.

【0045】なお、上記実施例におけるサンプルはMn
を添加した組成であるが、Mnを添加しない場合でも、
また、Mnの一部または全部に替えてCoを添加した場
合でも、Biを過剰に添加することによりQmaxの向上
が認められた。
The sample in the above embodiment is Mn
Is added, but even when Mn is not added,
Further, even when Co was added instead of part or all of Mn, improvement of Qmax was observed by adding Bi in excess.

【0046】[0046]

【発明の効果】本発明によれば、キュリー点が高く、か
つ、優れた圧電特性を有する圧電セラミックスが実現す
る。
According to the present invention, a piezoelectric ceramic having a high Curie point and excellent piezoelectric characteristics is realized.

フロントページの続き (72)発明者 寺内 順治 東京都中央区日本橋一丁目13番1号 ティ ーディーケイ株式会社内 Fターム(参考) 4G030 AA08 AA09 AA10 AA11 AA13 AA16 AA25 AA28 AA43 BA10 CA01 4G031 AA04 AA05 AA06 AA09 AA11 AA19 AA22 AA35 BA10 CA01Continuation of the front page (72) Inventor Junji Terauchi 1-1-13 Nihonbashi, Chuo-ku, Tokyo FDT term in TDK Corporation (reference) 4G030 AA08 AA09 AA10 AA11 AA13 AA16 AA25 AA28 AA43 BA10 CA01 4G031 AA04 AA05 AA06 AA09 AA11 AA19 AA22 AA35 BA10 CA01

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 Sr、BaおよびCaから選択される少
なくとも1種の元素をMIIで表し、ランタノイドから選
択される少なくとも1種の元素をLnで表したとき、M
II、Bi、Ti、LnおよびOを含有するビスマス層状
化合物であり、MIIBi4Ti415型結晶を含み、モル
比Ln/(Sr+Ln)が 0<Ln/(Sr+Ln)<0.5 であり、モル比4Bi/Tiが 4.000<4Bi/Ti≦4.030 である圧電セラミックス。
When at least one element selected from Sr, Ba and Ca is represented by M II and at least one element selected from lanthanoids is represented by Ln, M
A bismuth layered compound containing II , Bi, Ti, Ln and O, containing M II Bi 4 Ti 4 O 15 type crystal, and having a molar ratio Ln / (Sr + Ln) of 0 <Ln / (Sr + Ln) <0.5 Wherein the molar ratio 4Bi / Ti is 4.00 <4Bi / Ti ≦ 4.030.
【請求項2】 Mn酸化物を含有する請求項1の圧電セ
ラミックス。
2. The piezoelectric ceramic according to claim 1, comprising a Mn oxide.
【請求項3】 Mn酸化物の含有量がMnOに換算して
0.62質量%未満である請求項2の圧電セラミック
ス。
3. The piezoelectric ceramic according to claim 2, wherein the content of the Mn oxide is less than 0.62% by mass in terms of MnO.
【請求項4】 Co酸化物を含有する請求項1〜3のい
ずれかの圧電セラミックス。
4. The piezoelectric ceramic according to claim 1, which contains a Co oxide.
【請求項5】 Co酸化物の含有量がCoO換算で0.
7質量%未満である請求項4の圧電セラミックス。
5. The method according to claim 1, wherein the content of the Co oxide is 0.1% in terms of CoO.
The piezoelectric ceramic according to claim 4, which is less than 7% by mass.
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