JP2002173375A - Piezoelectric ceramic sintered by utilizing microwave and hot press, method of producing the same and piezoelectric actuator using the piezoelectric ceramic - Google Patents

Piezoelectric ceramic sintered by utilizing microwave and hot press, method of producing the same and piezoelectric actuator using the piezoelectric ceramic

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JP2002173375A
JP2002173375A JP2000368238A JP2000368238A JP2002173375A JP 2002173375 A JP2002173375 A JP 2002173375A JP 2000368238 A JP2000368238 A JP 2000368238A JP 2000368238 A JP2000368238 A JP 2000368238A JP 2002173375 A JP2002173375 A JP 2002173375A
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JP
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piezoelectric
sintering
microwave
piezoelectric ceramic
sintered
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JP2000368238A
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Japanese (ja)
Inventor
Hirofumi Takahashi
弘文 高橋
Kazuaki Kato
和昭 加藤
Junji Tani
順二 谷
Yukihiro Shitone
進浩 裘
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R & D Inst Of Metals & Composites For Future Industries
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R & D Inst Of Metals & Composi
R & D Inst Of Metals & Composites For Future Industries
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectric ceramic which has a high electromechanical coupling factor and a remarkably improved piezoelectric constant, and to provide a method and a device for producing the same, by which the piezoelectric ceramic is sintered in a short time in comparison with conventional sintering. SOLUTION: The piezoelectric ceramic is obtained by charging a piezoelectric base material into a nonmetal mold disposed in a microwave sintering furnace, raising the temperature of the piezoelectric base material in at least sintering process by sintering the base material using the microwave mentioned above and at the same time, subjecting the piezoelectric base material charged in the nonmetal mold to pressure-treatment by hot press. The piezoelectric ceramic obtained by the process mentioned above is substantially free from pores and has a high electromechanical coupling factor and a high piezoelectric constant.

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、マイクロ波及びホ
ットプレスを利用して焼結された圧電セラミックスに関
するものである。特に、素材内の気孔が極めて少なく、
高い電気機械結合係数及び圧電定数を改善させた圧電セ
ラミックスで、また、従来焼結に比べ短時間での焼結が
可能となる製造方法及び製造装置を提供でき、さらに、
圧電定数が大きいため圧電体アクチュエータ等への応用
が可能となる圧電セラミックス、その製造方法、装置及
びそれを用いた圧電アクチュエータに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a piezoelectric ceramic sintered by using a microwave and a hot press. In particular, the pores in the material are extremely small,
A piezoelectric ceramic with improved high electromechanical coupling coefficient and piezoelectric constant, and a manufacturing method and a manufacturing apparatus capable of performing sintering in a shorter time than conventional sintering can be provided.
The present invention relates to a piezoelectric ceramic which has a large piezoelectric constant and can be applied to a piezoelectric actuator or the like, a method and an apparatus for manufacturing the same, and a piezoelectric actuator using the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、圧電セラミックスとしてはチタン
酸バリウム系、ジルコン・チタン酸鉛系(PZT)、ビ
スマス系、ニオブ系磁器が知られ、バイモルフ、超音波
振動子、加速度等の振動測定用素材として利用されてき
た。これらの素材は焼結操作により水晶、ロッシェル塩
等といった単結晶育成よりも容易に製造できること、任
意の形状に焼結でき、適当に分極ができること等多くの
長所が認められる。一方、結晶と異なり性質が焼結条件
に左右され易いこと、圧電特性が分極に伴うため製品に
バラツキが生じ易いといった欠点があった。
2. Description of the Related Art Conventionally, barium titanate, zircon / lead titanate (PZT), bismuth, and niobium porcelains are known as piezoelectric ceramics, and materials for vibration measurement such as bimorphs, ultrasonic vibrators, and accelerations. Has been used as. These materials have many advantages such as being easier to produce than single crystals such as quartz and Rochelle salt by sintering operation, being able to be sintered into an arbitrary shape, and being appropriately polarized. On the other hand, unlike crystals, there are drawbacks in that properties are easily influenced by sintering conditions, and that the piezoelectric properties are accompanied by polarization, so that products tend to vary.

【0003】同様に、各種の素材からなる圧電セラミッ
クスにあってもその作成は金型に原料粉末を入れ一軸成
形を行い、PZTでは電気炉で最高温度1200〜13
00℃で1時間から5時間保持し焼結するため、全体と
しての焼結時間は24時間以上必要としていた。このよ
うに、電気炉での焼結では抵抗加熱のため焼結に時間が
かかり、さらに高い圧電特性を得るためには焼結温度を
上昇させるしかなく鉛の蒸発や粒成長が生ずる問題があ
った。
[0003] Similarly, for piezoelectric ceramics made of various materials, the raw material powder is placed in a mold and uniaxially formed. In PZT, the maximum temperature is set to 1200 to 13 in an electric furnace.
Since the sintering is carried out at a temperature of 00 ° C. for 1 to 5 hours, the sintering time as a whole needs to be 24 hours or more. Thus, in sintering in an electric furnace, sintering takes a long time due to resistance heating, and in order to obtain higher piezoelectric characteristics, there is no other way but to raise the sintering temperature and lead to evaporation of lead and grain growth. Was.

【0004】また、電気炉を利用したホットプレス等も
実用的ではなかった。その理由は長時間の加熱により粒
成長や試料サンプルの温度制御が困難で金型、ロッド等
の周辺治具も壊れるなど生産性の面で十分満足する焼結
体を得ることができなかった。さらに、このようなホッ
トプレスでは気孔を減少させ密度を向上させられる可能
性はあるが圧電特性の改善は期待できなかった。さらに
また、金型の長時間加熱は良質の圧電セラミックスを得
ることが難しいといった問題があった。また、微細構造
の改善はみられても圧電特性の向上は期待できなかっ
た。
[0004] Also, hot pressing using an electric furnace has not been practical. The reason is that it is difficult to control the grain growth and the temperature of the sample sample by heating for a long time, and the peripheral jigs such as a mold and a rod are broken. Further, such a hot press may reduce the pores and improve the density, but cannot improve the piezoelectric characteristics. Furthermore, there is a problem that it is difficult to obtain high quality piezoelectric ceramics by heating the mold for a long time. Further, although the fine structure was improved, the improvement of the piezoelectric characteristics could not be expected.

【0005】他の圧電体素材にあっても同様な焼結上の
課題があった。この結果、焼結された圧電セラミックス
は、素材密度が低く、素材内の気孔が多く、電気機械結
合係数、圧電定数が低いといった点があり、これら特性
を十分改善させ、また、従来焼結に比べ短時間での焼結
といった生産性改善が課題であった。また、本発明者等
によるマイクロ波利用による圧電セラミックスの焼結に
ついて鋭意研究を続けてきたが未だ圧電体素材について
の焼結上の課題が残されていた。マイクロ波焼結は誘電
率、周波数の大きさで吸収が決まり、PZT等の誘電率
はアルミナやジルコニアに比べると大きく吸収も大きい
利点がある反面、それが逆に焼結温度の制御が困難とな
る点であった。さらに、PZT等試料の割れや高い圧電
特性が得にくいといった技術的課題も残っていた。主た
る理由はマイクロ波焼結のみでは上記課題解決は極めて
難しいという点である。とりわけ、素材内の気孔が残る
こと、電気機械結合係数、圧電定数が十分でないといっ
た点であり、これら特性を十分改善させ、また、従来焼
結方法に比べ短時間での焼結といった生産性改善が課題
であった。
[0005] Similar sintering problems have been encountered with other piezoelectric materials. As a result, sintered piezoelectric ceramics have low material density, many pores in the material, low electromechanical coupling coefficient and low piezoelectric constant, and these characteristics are sufficiently improved. The challenge was to improve productivity such as sintering in a shorter time. In addition, the present inventors have intensively studied the sintering of piezoelectric ceramics using microwaves, but still have a problem in sintering the piezoelectric material. In microwave sintering, absorption is determined by the magnitude of the dielectric constant and frequency. The dielectric constant of PZT and the like has the advantage that absorption is large compared to alumina and zirconia, but on the contrary, it is difficult to control the sintering temperature. It was a point. Further, there still remain technical problems such as cracking of a sample such as PZT and difficulty in obtaining high piezoelectric characteristics. The main reason is that it is extremely difficult to solve the above problem only by microwave sintering. In particular, pores in the material remain, the electromechanical coupling coefficient, and the piezoelectric constant are not sufficient. These characteristics are sufficiently improved, and productivity is improved by sintering in a shorter time than conventional sintering methods. Was an issue.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】本発明では、このため
高い電気機械結合係数、著しく改善された圧電定数及び
従来焼結に比べ短時間での焼結が可能となる圧電セラミ
ックスとその製造方法、装置等を解決課題とするもので
ある。この結果これらの特性を備えた圧電体アクチュエ
ータ等への応用が可能となる圧電セラミックスとその製
造方法及びそれを用いた圧電アクチュエータに関する。
SUMMARY OF THE INVENTION According to the present invention, there is provided a piezoelectric ceramic having a high electromechanical coupling coefficient, a significantly improved piezoelectric constant, and a sintering process in a shorter time than conventional sintering. A device and the like are to be solved. As a result, the present invention relates to a piezoelectric ceramic which can be applied to a piezoelectric actuator or the like having these characteristics, a method of manufacturing the same, and a piezoelectric actuator using the same.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明は、圧電体素材を
マイクロ波焼結炉内の非金属金型に入れ、少なくとも焼
結過程で前記素材を前記マイクロ波による焼結により昇
温させるとともに、前記焼結過程で前記金型内にある前
記素材をホットプレスによる加圧処理した圧電セラミッ
クスにおいて、実質的に気孔の存在しない、高い電気機
械結合係数及び圧電定数を備えたことを特徴とするマイ
クロ波及びホットプレスを利用して焼結した圧電セラミ
ックスにより提供される。同様に、本発明は、圧電体素
材を焼結し圧電セラミックスを製造する方法において、
圧電体素材をマイクロ波焼結炉内の非金属金型に入れ、
少なくとも焼結過程で前記素材をマイクロ波により昇温
させるとともに、前記焼結過程で前記金型内にある前記
素材をホットプレスによる加圧処理したことを特徴とす
るマイクロ波及びホットプレスを利用して焼結される圧
電セラミックスの製造方法により提供される。
According to the present invention, a piezoelectric material is placed in a non-metallic mold in a microwave sintering furnace, and the material is heated by sintering with the microwave at least in a sintering process. In the sintering process, the piezoelectric ceramic obtained by subjecting the material in the mold to a pressure treatment by a hot press has a high electromechanical coupling coefficient and a high piezoelectric constant with substantially no pores. Provided by piezoelectric ceramics sintered using microwaves and hot pressing. Similarly, the present invention provides a method of manufacturing a piezoelectric ceramic by sintering a piezoelectric material,
Put the piezoelectric material into the non-metal mold in the microwave sintering furnace,
At least in the sintering process, the material is heated by microwaves, and in the sintering process, the material in the mold is subjected to a pressure treatment by a hot press. Provided by a method for producing a piezoelectric ceramic to be sintered by heating.

【0008】また、前記圧電セラミックスを製造する方
法において、マイクロ波焼結過程でホットプレスを10
ないし100MPaの範囲で、より望ましくは、20な
いし40MPaの範囲内で加圧させることを特徴とする
前記のマイクロ波及びホットプレスを利用して焼結され
る圧電セラミックスの製造方法により提供される。さら
に、前記加圧を焼結試料サンプルの誘電率より少ない非
金属材からなる金型で実施する工程を付加した場合、よ
り具体的には、アルミナロッド及び金型内で実施する工
程を付加したことを特徴とする前記のマイクロ波及びホ
ットプレスを利用して焼結される圧電セラミックスの製
造方法により提供される。
[0008] In the method of manufacturing a piezoelectric ceramic, a hot press may be performed in a microwave sintering process.
The method is characterized in that the pressure is increased within a range of from about 100 MPa to about 100 MPa, more preferably within a range of from about 20 MPa to about 40 MPa. Further, when a step of performing the pressing with a mold made of a non-metallic material having a dielectric constant lower than that of the sintered sample sample is added, more specifically, a step of performing the pressing in an alumina rod and a mold is added. A method for producing piezoelectric ceramics sintered using microwaves and hot pressing is provided.

【0009】さらにまた、焼結最高温度範囲が1000
℃ないし1250℃の範囲で、かつ、ホットプレスの加
圧をアルミナロッドにより実施する工程、ホットプレス
の加圧を前記焼結最高温度に達した段階から維持する工
程を付加した場合に前記製造方法によりにより効果的に
提供される。
Further, the maximum sintering temperature range is 1000
In the range of from 1 ° C. to 1250 ° C., and further comprising a step of pressing the hot press with an alumina rod, and a step of maintaining the press of the hot press from the stage of reaching the maximum sintering temperature. Provided more effectively.

【0010】本発明は装置として、圧電体素材を焼結し
圧電セラミックスを製造するマイクロ波焼結炉からなる
装置において、該装置は圧電体素材焼結用非金属金型
と、該金型内の前記圧電体素材を加圧するホットプレス
加圧手段と、焼結用マイクロ波発生源と、該マイクロ波
発生源による非金属金型内の昇温手段と、該昇温手段及
び焼結最高温度制御手段と、前記焼結炉内へのガス雰囲
気供給手段とを備えたことを特徴とするマイクロ波及び
ホットプレスを利用して焼結される圧電セラミックスの
製造装置により提供される。
According to the present invention, there is provided an apparatus comprising a microwave sintering furnace for sintering a piezoelectric material to produce a piezoelectric ceramic. Hot pressing means for pressurizing the piezoelectric material, a microwave generator for sintering, a heating means in a non-metal mold by the microwave generator, a heating means and a maximum sintering temperature An apparatus for producing piezoelectric ceramics sintered by using microwave and hot press, comprising a control unit and a gas atmosphere supply unit into the sintering furnace.

【0011】また、前記圧電セラミックスを製造する装
置において、マイクロ波焼結過程でホットプレスの加圧
を焼結試料サンプルの誘電率より少ない非金属材からな
る金型である前記記載のマイクロ波及びホットプレスを
利用して焼結される圧電セラミックスの製造装置により
提供される。さらに、圧電セラミックスとして、前記の
製造方法で得られた圧電セラミックスにおいて、高密度
でSEM観察による実質的に気孔の存在しない微細結晶
構造を有するとともに圧電特性の優れた圧電セラミック
スにより効果的に提供される。
Further, in the apparatus for producing piezoelectric ceramics, in the microwave sintering process, the pressure of a hot press is applied to a mold made of a nonmetallic material having a dielectric constant smaller than a dielectric constant of a sintered sample sample. The present invention is provided by an apparatus for manufacturing a piezoelectric ceramic that is sintered by using a hot press. Further, as the piezoelectric ceramic, the piezoelectric ceramic obtained by the above-described manufacturing method is effectively provided by a piezoelectric ceramic having a high density, a fine crystal structure substantially free from pores by SEM observation, and having excellent piezoelectric characteristics. You.

【0012】さらにまた、前記の製造方法で得られた圧
電セラミックスにおいて、高密度でSEM観察による実
質的に気孔の存在しない微細結晶構造を有するとともに
圧電特性の優れた圧電セラミックスを駆動源または振動
ピックアップとして装着させた圧電体アクチュエータと
して効果的に提供される。
Further, in the piezoelectric ceramics obtained by the above-described manufacturing method, a piezoelectric ceramic having a high density and a fine crystal structure substantially free from pores by SEM observation and having excellent piezoelectric characteristics is provided as a driving source or a vibration pickup. It is effectively provided as a piezoelectric actuator mounted as a piezoelectric actuator.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】以下、具体的に発明の実施の形態
について説明する。図面を参照して説明すると、図1な
いし図8は本発明のマイクロ波及びホットプレスを利用
して焼結された圧電セラミックスの製造装置、圧電セラ
ミックスの各種特性図及びそれを用いた圧電アクチュエ
ータの基本構成を示した説明図である。より具体的には
図1は焼結装置であり、図2は製造時の焼結スケジュー
ルの加熱温度曲線図である。図3は焼結温度と試料の密
度の関係図、図4は走査電子顕微鏡で観察した圧電セラ
ミックスのSEM写真から描いた素子の表面状態図、図
5は焼結温度と試料の電気機械結合係数の関係図、図6
は焼結温度と試料の圧電定数の関係図、図7は圧電セラ
ミックスの外観図、図8は圧電セラミックスの振動特性
図、図9は圧電セラミックスの振動特性測定用ブロック
図である。図10は圧電セラミックスを使用したバイモ
ルフ型アクチュエータの使用状態の説明図である。
Embodiments of the present invention will be specifically described below. Referring to the drawings, FIGS. 1 to 8 show a manufacturing apparatus of a piezoelectric ceramic sintered by using microwave and hot press, various characteristic diagrams of the piezoelectric ceramic, and a piezoelectric actuator using the same according to the present invention. FIG. 3 is an explanatory diagram showing a basic configuration. More specifically, FIG. 1 is a sintering apparatus, and FIG. 2 is a heating temperature curve diagram of a sintering schedule at the time of manufacturing. FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the sintering temperature and the density of the sample, FIG. 4 is a surface state diagram of the element drawn from an SEM photograph of the piezoelectric ceramics observed with a scanning electron microscope, and FIG. Fig. 6
7 is a diagram showing the relationship between the sintering temperature and the piezoelectric constant of the sample, FIG. 7 is an external view of the piezoelectric ceramic, FIG. 8 is a vibration characteristic diagram of the piezoelectric ceramic, and FIG. 9 is a block diagram for measuring the vibration characteristic of the piezoelectric ceramic. FIG. 10 is an explanatory diagram of a use state of a bimorph type actuator using piezoelectric ceramics.

【0014】図1は本発明のマイクロ波及びホットプレ
スを利用した焼結法(以下、ハイブリット焼結法とい
う。)に適用可能な装置としてのアプリケータ(以下、
マイクロ波焼結炉という。)の一実施例である。このマ
イクロ波焼結炉10は全体が円筒状で筒状部分12の長
さが700mmあり、直径はおよそ600mmである。
両端はドーム部分11で囲まれている。マイクロ波焼結
炉10の中央部分には試料サンプル2を金型5に入れ焼
結させる。焼結される試料サンプルを均一に焼結できる
範囲は縦横300mm、高さは200mmの範囲とな
る。
FIG. 1 shows an applicator (hereinafter, referred to as a hybrid sintering method) applicable to a sintering method using microwaves and a hot press according to the present invention.
It is called microwave sintering furnace. FIG. The microwave sintering furnace 10 is entirely cylindrical, the length of the cylindrical portion 12 is 700 mm, and the diameter is about 600 mm.
Both ends are surrounded by a dome portion 11. A sample sample 2 is placed in a mold 5 and sintered at the center of the microwave sintering furnace 10. The range in which the sample to be sintered can be uniformly sintered is 300 mm in length and width, and 200 mm in height.

【0015】実施例で使用したマイクロ波焼結炉10の
マイクロ波出力は10kW、発振周波数28GHzで最
大2000℃まで焼結できる能力がある。この実施例で
は発振周波数を28GHzとしたがそれより高くても特
にこれに限定されないが実用上からの制約があるため5
GHz程度から100GHz程度まで使用可能と考えら
れる。これの発振源はジャイラトロン等が使用可能で、
マイクロ波発振装置からの駆動出力により最大2000
℃程度まで焼結できれば十分使用可能である。ホットプ
レス部分はアルミナロッド4により金型内の試料サンプ
ルに加圧可能な形式で実験した。
The microwave sintering furnace 10 used in the embodiment has a microwave output of 10 kW, an oscillation frequency of 28 GHz, and has a capability of sintering up to 2000 ° C. at the maximum. In this embodiment, the oscillation frequency is set to 28 GHz. However, even if the oscillation frequency is higher than 28 GHz, the frequency is not particularly limited to this.
It is considered that it can be used from about GHz to about 100 GHz. Gyratron can be used as the oscillation source.
Up to 2000 by drive output from microwave oscillator
If it can be sintered to about ° C, it can be used sufficiently. The hot press portion was tested in a form in which the sample sample in the mold could be pressed by the alumina rod 4.

【0016】マイクロ波焼結炉10内にホットプレス部
分を金型に装着し最大49kNまで加圧でき、アルミナ
ロッド4で金型内の試料サンプル2をロッド端面で上部
から加圧する。加圧手段は図示しないシリンダーに連動
したロッド4を押し下げることで加圧レベルを加減す
る。アルミナロッドの使用は金属のようなマイクロ波の
反射がないこと、試料サンプルへの均一なマイクロ波入
射を達成できること及び耐熱性が高いことによる。金属
ではせいぜい600℃程度までしか耐熱性が得られず、
試料サンプルの焼結には不向きである。また、同様に金
型5もアルミナ製で作成した。
A hot press portion is mounted on a mold in a microwave sintering furnace 10 and can be pressurized to a maximum of 49 kN. Alumina rod 4 presses sample 2 in the mold from above at the rod end face. The pressurizing means adjusts the pressurizing level by pushing down a rod 4 linked to a cylinder (not shown). The use of the alumina rod is based on the fact that there is no microwave reflection like a metal, the uniform microwave incidence on the sample can be achieved, and the heat resistance is high. Heat resistance can be obtained only up to about 600 ° C with metal,
It is not suitable for sintering sample samples. Similarly, the mold 5 was made of alumina.

【0017】[0017]

【実施例】実施例1 以下、実施例1についてマイクロ波及びホットプレスを
利用して焼結される圧電セラミックスの製造方法につい
て説明する。 A.試料サンプルの焼結工程 試料サンプルは仕上げで直径17mm、厚さ20mmに
形成させた。ハイブリット焼結方法の性能を明らかにす
るため、十分に特性が分かっている株式会社富士セラミ
ックス製のアクチュエータ材料でジルコン・チタン酸鉛
系(PZT)C82材を選択した。
EXAMPLE 1 Hereinafter, a method of manufacturing a piezoelectric ceramics sintered using a microwave and a hot press will be described with respect to Example 1. A. Sample Sample Sintering Step The sample sample was finished to have a diameter of 17 mm and a thickness of 20 mm. In order to clarify the performance of the hybrid sintering method, a zircon / lead titanate (PZT) C82 material was selected as an actuator material manufactured by Fuji Ceramics Co., Ltd., whose properties are well known.

【0018】この粉末を特性確認用として直径17m
m、厚さ20mmに成型し更に、別途、長さ60mm、
幅30mm、厚さ20mmの2種類を成形した。これを
まず700℃で5時間加熱し脱バイを行い、その後ハイ
ブリット焼結を行なった。ここで、脱バイの実施は粉末
を成形するためにバインダーを入れ成形を容易にする目
的で利用される。成型体をそのまま焼結すると炭酸ガス
が出て割れや特性の劣化の原因となる。そこで焼結する
前に700℃程度の温度で加熱し、バインダーを取り除
く。また、従来焼結を用いる比較例用試料サンプルを用
意し同一温度で脱バイを行なった。
This powder was used for confirming the characteristics and was 17 m in diameter.
m, molded to a thickness of 20 mm, and separately, a length of 60 mm,
Two types having a width of 30 mm and a thickness of 20 mm were formed. This was first heated at 700 ° C. for 5 hours for de-buying, and then hybrid sintering was performed. Here, the de-buying is used for the purpose of adding a binder for forming the powder and facilitating the forming. If the molded body is sintered as it is, carbon dioxide gas is emitted, which causes cracks and deterioration of characteristics. Therefore, before sintering, heating is performed at a temperature of about 700 ° C. to remove the binder. In addition, a sample sample for a comparative example using conventional sintering was prepared and debubbling was performed at the same temperature.

【0019】使用されるマイクロ波焼結炉には28GH
z、出力10KWのジャイラトロンに接合させマイクロ
波挿入口1から入射させた。入射されたマイクロ波は内
壁により反射され最も高い誘電率を持つ試料サンプル2
に吸収される。試料サンプル2はマイクロ波により加熱
される。焼結温度の測定は試料底に直径5mm、深さ
1.5mmの穴をあけ、試料サンプルに直接白金熱電対
3を接触させ行った。温度制御はコンピュータを利用し
たフィードバック制御方法をとり、マイクロ波出力のコ
ントロールで温度誤差を5℃範囲内に制御した。
The microwave sintering furnace used is 28 GH
z, a 10 KW output gyratron and a microwave input port 1. The incident microwave is reflected by the inner wall and has the highest dielectric constant.
Is absorbed by The sample 2 is heated by the microwave. For the measurement of the sintering temperature, a hole having a diameter of 5 mm and a depth of 1.5 mm was made in the sample bottom, and a platinum thermocouple 3 was brought into direct contact with the sample sample. The temperature was controlled by a feedback control method using a computer, and the temperature error was controlled within a range of 5 ° C. by controlling the microwave output.

【0020】ハイブリット焼結方法の焼結スケジュール
を図2に示した。製造時の焼結スケジュールで加熱温度
曲線及びホットプレス状態を示した図である。マイクロ
波焼結炉は大気雰囲気のなかで温度を室温から図2の示
す約40分で1250℃程度の最高温度まで昇温させ最
高温度で30分保持し、その後昇温速度と同じ割合で冷
却させた。全体のサイクルは2時間であるが強制冷却が
ないので実際の焼結時間はおよそ8時間であった。焼結
温度は1100℃から1250℃で行い、50℃間隔で
実験した。ホットプレスの圧力は20MPaで行い最高
温度になった時30分保持した。これらを分極し本発明
の圧電セラミックスを得た。
FIG. 2 shows the sintering schedule of the hybrid sintering method. It is the figure which showed the heating temperature curve and the hot press state in the sintering schedule at the time of manufacture. In the microwave sintering furnace, the temperature is raised from room temperature to the maximum temperature of about 1250 ° C. in about 40 minutes shown in FIG. 2 in the atmosphere, maintained at the maximum temperature for 30 minutes, and then cooled at the same rate as the rate of temperature rise. I let it. The overall cycle was 2 hours, but the actual sintering time was about 8 hours since there was no forced cooling. The sintering temperature was from 1100 ° C. to 1250 ° C., and experiments were performed at 50 ° C. intervals. The hot pressing was performed at a pressure of 20 MPa, and was held for 30 minutes when the temperature reached the maximum. These were polarized to obtain the piezoelectric ceramic of the present invention.

【0021】本実験では昇温速度は600℃/h〜60
00℃/hで選択し最高温度は1,000℃から1,2
50℃でテストを試みた。焼結温度が最高温度になった
とき金型5にセットしたアルミナロッドを用いて1MP
a〜50MPaの圧力を加える。アルミナロッド4は過
熱を防ぐため冷却水流入口6から環流させ冷却水流出口
9から排出させ焼結が終了するまで継続した。ホットプ
レスによる加圧は最高温度の保持時間だけ加えられそれ
以外は加圧しないで実験した。監視はのぞき窓7から観
察しながらマイクロ波焼結とホットプレスの状態をチェ
ックした。
In this experiment, the heating rate was 600 ° C./h to 60 ° C.
Select at 00 ° C / h and the maximum temperature is from 1,000 ° C to 1,2
The test was attempted at 50 ° C. When the sintering temperature reaches the maximum temperature, 1MP using the alumina rod set in the mold 5
Apply a pressure of a to 50 MPa. The alumina rod 4 was recirculated from the cooling water inlet 6 to prevent overheating, discharged from the cooling water outlet 9, and continued until sintering was completed. Pressing by a hot press was applied only for the holding time at the maximum temperature, and the experiment was performed without pressurizing other times. For monitoring, the state of microwave sintering and hot pressing was checked while observing through the viewing window 7.

【0022】この結果、図2に示したように全体のサイ
クルは1.5ないし2時間となり、従来のPZTで電気
炉で1時間から5時間保持、全体としての焼結時間が2
4時間以上必要とした全焼結時間は従来焼結に比べ十分
の1以下の時間で終了することが認められた。
As a result, as shown in FIG. 2, the entire cycle was 1.5 to 2 hours, and the conventional PZT was held for 1 to 5 hours in an electric furnace, and the overall sintering time was 2 hours.
It was recognized that the total sintering time required for 4 hours or more was completed in a time of 1 or less which is sufficient compared with the conventional sintering.

【0023】B 分極 焼結した試料は直径15mm、厚さ1mmの円板形状、
長さ40mm、幅20mm、厚さ0.5mmの板状に切
削し、スパッタで金電極を形成した。170℃のシリコ
ンオイル中で2kV/mmの電圧を印加し30分保持し
て分極を行なった。
B Polarization The sintered sample has a disk shape of 15 mm in diameter and 1 mm in thickness.
The plate was cut into a plate having a length of 40 mm, a width of 20 mm, and a thickness of 0.5 mm, and a gold electrode was formed by sputtering. Polarization was performed by applying a voltage of 2 kV / mm in silicon oil at 170 ° C. and holding for 30 minutes.

【0024】実施例2 以下、実施例2についてマイクロ波焼結炉内のマイクロ
波及びホットプレスを利用して焼結される圧電セラミッ
クスの製造方法について説明する。実施例1で使用した
マイクロ波焼結炉10により実施した。 A.試料サンプルの焼結工程 試料サンプルは実施例1に使用したアクチュエータ材料
C82材を選択した。この粉末を特性確認用として直径
17mm、厚さ20mmに成型し更に、別途、後述する
アクチュエータ作成用として長さ60mm、幅30m
m、厚さ20mmの2種類を成形した。その後700℃
で5時間加熱し脱バイを行い、ハイブリット焼結を行な
った。
Embodiment 2 Hereinafter, a method of manufacturing piezoelectric ceramics which is sintered using microwaves and a hot press in a microwave sintering furnace will be described with respect to embodiment 2. This was carried out by the microwave sintering furnace 10 used in Example 1. A. Sample Sample Sintering Step As the sample sample, the actuator material C82 used in Example 1 was selected. This powder was formed into a diameter of 17 mm and a thickness of 20 mm for confirming the characteristics. Further, a length of 60 mm and a width of 30 m were separately prepared for preparing an actuator to be described later.
m and a thickness of 20 mm were molded. Then 700 ° C
For 5 hours to perform de-buying, and hybrid sintering was performed.

【0025】B.ガス雰囲気等処理条件 ハイブリット焼結は実施例1の大気雰囲気に換え酸素濃
度99.5%以上にガス流入口8よりガスを入れた環境
下で実施した。また、ホットプレスの加圧値についても
20MPaと40MPaを変化させ実施し、実施例1と
同様分極し圧電セラミックスを得た。なお、加圧値はつ
いても20MPa、40MPaに限定されない、少なく
とも10MPa以上100MPa程度までは十分適用可
能である。後述する気孔、その他の特性の改善から決定
すべきである。
B. Processing Conditions for Gas Atmosphere and the Like Hybrid sintering was performed in an environment in which gas was supplied from the gas inlet 8 to an oxygen concentration of 99.5% or more instead of the air atmosphere of Example 1. In addition, the pressing value of the hot press was changed at 20 MPa and 40 MPa, and polarization was performed in the same manner as in Example 1 to obtain a piezoelectric ceramic. The pressure value is not limited to 20 MPa or 40 MPa, but can be sufficiently applied at least from 10 MPa to about 100 MPa. It should be determined from the improvement of pores and other characteristics described below.

【0026】評価方法 実施例1及び2について 圧電セラミックスの各特性は次により測定した。圧電特
性は分極処理後24時間経過した試料を共振反共振法に
より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を用いて測定した。微細構造の評価
はアルキメデス法により密度を求め、走査電子顕微鏡で
SEM観察で結晶粒子、気孔(ポア)、結晶粒径等を測
定した。またX線回折によりハイブリット焼結の特質を
調査した。更にアクチュエータ特性を調査するために、
長さ150mm、幅25mm、厚さ1.5mmのアルミ
ニュウム製ビームの表面に試料を接着し、その一端を固
定し、100Vの電圧を印加して反対側の自由端のレス
ポンスを測定した。
Evaluation Method Regarding Examples 1 and 2 Each characteristic of the piezoelectric ceramics was measured as follows. The piezoelectric characteristics of the sample 24 hours after the polarization treatment were measured by a resonance anti-resonance method using an impedance analyzer HP4194A manufactured by Hewlett-Packard Company. For evaluation of the fine structure, the density was determined by the Archimedes method, and the crystal particles, pores, crystal grain size, etc. were measured by SEM observation with a scanning electron microscope. The characteristics of hybrid sintering were also investigated by X-ray diffraction. To further investigate the actuator characteristics,
A sample was adhered to the surface of an aluminum beam having a length of 150 mm, a width of 25 mm, and a thickness of 1.5 mm, one end thereof was fixed, and a voltage of 100 V was applied to measure the response of the opposite free end.

【0027】結 果 結果は図3ないし図7に示した本発明の圧電セラミック
スは極めて良好な圧電特性であることが認められた。 (1)ハイブリット焼結した試料の密度の向上 a.焼結温度との関係を図3に示した。ハイブリット焼
結方法により得られた試料サンプルの密度は理論密度の
95%に達した。ハイブリット焼結温度が1100℃で
実施したが、これは従来焼結方法での1200〜130
0℃に比較し100℃以上低い焼結温度にも関わらず理
論密度の95%に達した。さらに、ハイブリット焼結方
法ではホットプレス加圧40MPa、焼結温度1150
℃以上で理論密度は98%を示した。これはハイブリッ
ト焼結方法であるホットプレスによる加圧と焼結温度の
相乗効果と理解される。なお、セラミックスは非常に気
孔が多いことから、当然密度は100%より低くなる
が、ここで用いた理論密度はまったく欠陥のない状態の
焼結体の密度で分子量などから計算して求めた値であ
る。さらに、理論密度値を提示していないのはセラミッ
クスに起因している。正確に計算できないためで相対値
として理論密度(誤差を含む〕の98%として示した。
Results The results show that the piezoelectric ceramics of the present invention shown in FIGS. 3 to 7 have extremely good piezoelectric characteristics. (1) Improvement of density of hybrid sintered sample a. FIG. 3 shows the relationship with the sintering temperature. The density of the sample obtained by the hybrid sintering method reached 95% of the theoretical density. The hybrid sintering was carried out at a temperature of 1100 ° C.
Despite the sintering temperature being 100 ° C. or more lower than 0 ° C., the density reached 95% of the theoretical density. Further, in the hybrid sintering method, hot press pressure is 40 MPa, and sintering temperature is 1150.
Above ° C, the theoretical density showed 98%. This is understood as the synergistic effect of the press by the hot press which is a hybrid sintering method and the sintering temperature. The density of the ceramics is naturally lower than 100% because of the very large number of pores. However, the theoretical density used here is the value obtained by calculating from the molecular weight etc. the density of the sintered body without any defects. It is. Furthermore, the fact that the theoretical density value is not provided is due to ceramics. Since it cannot be calculated accurately, it is shown as 98% of the theoretical density (including error) as a relative value.

【0028】なお、ホットプレスの併用効果は次の理由
と推測される。従来焼結では抵抗加熱のため最高温度に
達するまでに長時間が必要となる。そのためホットプレ
スするときにはおそらく焼結がある程度進行しているの
か、進行していないのかといった点で、生産、品質管理
面での不安が残るのではなかろうか。マイクロ波焼結で
は非常に早く最高温度に達するためホットプレスの採用
時期、加圧時間も明確となり安定した効果が発揮すると
推測される。
The combined use effect of hot pressing is presumed to be as follows. Conventional sintering requires a long time to reach the maximum temperature due to resistance heating. Therefore, when hot-pressing, it is likely that sintering has progressed to some extent or not, and concerns about production and quality control will remain. Since the maximum temperature is reached very quickly in microwave sintering, the time for applying the hot press and the pressing time are clarified, and it is assumed that a stable effect is exhibited.

【0029】また、従来焼結は外部から加熱され、マイ
クロ波は内部から加熱される。従来焼結は外側から焼結
が進むため気孔ないしポアが内部に残り、マイクロ波は
内部から焼結されるので気孔ないしポアが外側に追い出
され易いといった段階でホットプレスによる加圧が助長
するのではないかと推測される。さらに、ホットプレス
の加圧値範囲と同様加圧時間についてもマイクロ波焼結
時間との関係で選定すべきである。実施例ではマイクロ
波による最高温度領域の時間間隔に合わせて加圧時間を
選択した。しかしながら、これに限定されない、ホット
プレスの加圧時間と同様、焼結により昇温させるととも
に、その焼結過程で前記金型内における加圧時期につい
てもマイクロ波による最高温度領域前の段階から加圧す
る方法を採る場合、同様冷却時に加圧する方法を採る場
合が可能である。これらを単独、併用若しくは両段階に
連続して加圧する場合等本発明における圧電特性等の改
善を前提として採用可能であることはいうまでもない。
Conventionally, sintering is heated from the outside, and microwaves are heated from the inside. In conventional sintering, pores or pores remain inside because sintering proceeds from the outside, and microwaves are sintered from the inside, so pressurization by hot pressing is promoted at the stage where pores or pores are easily expelled to the outside. It is speculated that this is not the case. Further, the pressing time as well as the pressing value range of the hot press should be selected in relation to the microwave sintering time. In the example, the pressurization time was selected in accordance with the time interval of the maximum temperature region by the microwave. However, the temperature is raised by sintering as well as the pressing time of the hot press, which is not limited thereto, and the pressing timing in the mold in the sintering process is also applied from the stage before the maximum temperature range by the microwave. When the method of pressing is adopted, it is also possible to adopt the method of applying pressure during cooling. Needless to say, these can be adopted on the premise of improving the piezoelectric characteristics and the like in the present invention, such as when these are applied alone, in combination, or when both stages are continuously pressed.

【0030】b.ポアの解消についての結果は電子顕微
鏡写真から作成した図4の(A)、(B)、(C)及び
(D)に示される。以下は実験の結果の代表的な焼結温
度を選択して図示したものである。それぞれ図4の
(A)はハイブリット焼結方法で焼結温度が1150
℃、(B)は従来焼結方法で焼結温度が1150℃、
(C)はハイブリット焼結方法で焼結温度が1250℃
及び(D)は従来焼結方法で焼結温度が1250℃につ
いて示した。
B. The results of pore elimination are shown in FIGS. 4A, 4B, 4C and 4D made from electron micrographs. The following is an illustration of selected representative sintering temperatures of the results of the experiment. 4A shows a hybrid sintering method in which the sintering temperature is 1150.
° C, (B) is a conventional sintering method and the sintering temperature is 1150 ° C,
(C) is a hybrid sintering method in which the sintering temperature is 1250 ° C.
And (D) shows the sintering temperature of 1250 ° C. in the conventional sintering method.

【0031】比較は走査電子顕微鏡によるSEM観察で
行った比較結果である。試料サンプルの走査電子顕微鏡
によるSEM観察では結晶粒子、ポア、結晶粒子の平均
結晶粒径、平均気孔率等を測定した比較結果である。S
EM観察用試料の作成は試料表面を鏡面研磨しその後硝
酸でエッチングした。顕微鏡倍率は3000倍で観察し
た。顕微鏡写真から非気孔部分である図内に線で区画さ
れた非ポア部分(結晶粒子)13の様子、黒いしみで分
散した状態で示された気孔部分のポア14を描き出した
ものである。ハイブリット焼結方法はホットプレス加圧
40MPaで焼結した試料は従来焼結した試料の平均結
晶粒径が約2.5μmに比べ4ないし6μm程度に結晶
粒子が成長するがポアをほとんど確認できなかった。こ
の結果、ポアをほとんど確認できなかった状態を実質的
に気孔の存在しない試料サンプルと評価した。
The comparison is a result of a SEM observation using a scanning electron microscope. The SEM observation of the sample sample by a scanning electron microscope is a comparison result of measuring the average crystal grain size, average porosity, and the like of crystal particles, pores, and crystal particles. S
For the preparation of the sample for EM observation, the sample surface was mirror-polished and then etched with nitric acid. Microscopic magnification was observed at 3000 times. The micrograph shows a non-porous portion (crystal particle) 13 partitioned by a line in the figure, which is a non-porous portion, and pores 14 of the pore portion shown in a dispersed state with black stains. In the hybrid sintering method, in the sample sintered under the hot press pressure of 40 MPa, the crystal grain grows to about 4 to 6 μm compared to the conventional sintered sample having an average crystal grain size of about 2.5 μm, but almost no pores can be confirmed. Was. As a result, a state in which pores could hardly be confirmed was evaluated as a sample having substantially no pores.

【0032】なお、本発明ではSEM観察で得られた数
μmで分散している黒いしみの状態を気孔として表現し
説明した。実際にはSEM顕微鏡で得られた顕微鏡写真
から描かれた図4として示された意味であるため、ポア
ないし空孔として表現されることが適当な場合にはそれ
らの意味として理解されるべきである。また、焼結後の
圧電セラミックスの評価で、実質的に気孔の存在しない
との表現も使用した。この意味は、SEM観察で得られ
た数μmで分散している黒いしみの状態がほぼ存在しな
い状態を意味する。数値的に後述する顕微鏡下の黒いし
みの状態の面積比で定義するとすれば、従来焼結法が約
3%程度であることからそれより相当程度少ないことを
意味すると理解されるべきである。
In the present invention, the state of black spots dispersed at several μm obtained by SEM observation is described as pores. Actually, it has the meaning shown in FIG. 4 drawn from the micrograph obtained by the SEM microscope, and thus should be understood as their meaning when it is appropriate to express them as pores or voids. is there. In the evaluation of the piezoelectric ceramic after sintering, the expression that substantially no pores exist was also used. This means that there is almost no state of black spots dispersed at several μm obtained by SEM observation. It should be understood that if numerically defined by the area ratio of the state of black spots under a microscope described below, the conventional sintering method is about 3%, which means that it is considerably less than that.

【0033】これに比較し従来焼結方法による試料サン
プルでは焼結温度と共にポアは減少することが認められ
るが、ポア自体はいずれにしても存在し平均ポア粒径で
2ないし3μm程度で分散し、面積比での気孔率は約3
%以上となっている。しかも顕微鏡下の極めて深度の浅
い部分にも顕著に存在していることが認められる。結晶
粒子が成長するなかで前記a.と同様ハイブリット焼結
方法であるホットプレスによる加圧と焼結温度の相乗効
果と理解される。
In contrast, in the sample obtained by the conventional sintering method, it is recognized that the pores decrease with the sintering temperature. Porosity by area ratio is about 3
% Or more. In addition, it is recognized that it is also remarkably present in an extremely shallow portion under the microscope. While the crystal grains grow, the a. It can be understood that the synergistic effect between the pressurization by the hot press which is the hybrid sintering method and the sintering temperature is the same.

【0034】(2)ハイブリット焼結した試料の圧電特
性の向上 c.電気機械結合係数Kpと焼結温度の関係を図5に示
した。ハイブリット焼結した試料のKpは焼結温度が1
150℃以下ではガス雰囲気、圧力の影響を受け、ホッ
トプレスによる40MPaの加圧、大気中の焼結が最も
良い特性を示した。ハイブリット焼結のKpの最大値は
1250℃ではおよそ75%となり従来焼結の64%よ
り11%と極めて大きな有意差を示した。なお、本発明
では高い電気機械結合係数及び圧電定数を備えたとの定
義を従来焼結方法により得られたものとの対比で用い
た。その意味は前記の結果及び後述する圧電定数につい
ての説明を加えた有意差の意味として理解されるべきで
ある。但し、圧電セラミックス固有の製品間バラツキ及
び分極後の経時変化が少なくないため、それらを考慮す
ると差異はやや縮小することを含めた有意差の意味とし
て理解されるべきである。
(2) Improvement of piezoelectric characteristics of hybrid-sintered sample c. FIG. 5 shows the relationship between the electromechanical coupling coefficient Kp and the sintering temperature. The Kp of the hybrid-sintered sample has a sintering temperature of 1
At a temperature of 150 ° C. or lower, the best characteristics were obtained under the influence of a gas atmosphere and pressure, and a pressure of 40 MPa by hot pressing and sintering in the atmosphere were best. The maximum value of Kp for hybrid sintering was about 75% at 1250 ° C., showing a very significant difference of 11% from 64% for conventional sintering. In the present invention, the definition of having a high electromechanical coupling coefficient and piezoelectric constant is used in comparison with that obtained by a conventional sintering method. The meaning is to be understood as meaning of a significant difference with the above-mentioned results and the explanation about the piezoelectric constant described later. However, since the variation between products unique to piezoelectric ceramics and the change with time after polarization are not small, the difference should be understood as meaning a significant difference including a slight reduction.

【0035】また、Kpは1200℃ないし1250℃
の範囲ではガス雰囲気、圧力の影響を受けにくく、20
MPa以上の加圧で十分な特性を確保できることが認め
られた。 d.圧電定数d31と焼結温度の関係を図6に示した。
ハイブリット焼結の圧電定数d31の値は焼結温度の上
昇と共に増加する。しかし、雰囲気や圧力にはほとんど
影響を受けないが、若干、1150℃ないし1250℃
の範囲で20MPaの方が40MPaの加圧より好結果
が得られた。20MPa加圧でハイブリット焼結方法で
はd31が従来焼結に比べ38%高くなり極めて大きな
有意差を示し、顕著な改善効果が認められた。
Kp is 1200 ° C. to 1250 ° C.
Within the range, it is hardly affected by the gas atmosphere and the pressure.
It was recognized that sufficient characteristics could be ensured by applying a pressure of MPa or more. d. FIG. 6 shows the relationship between the piezoelectric constant d31 and the sintering temperature.
The value of the piezoelectric constant d31 of the hybrid sintering increases as the sintering temperature increases. However, it is hardly affected by the atmosphere and pressure, but slightly from 1150 ° C to 1250 ° C.
In the range of, a better result was obtained with 20 MPa than with a pressure of 40 MPa. In the hybrid sintering method under a pressure of 20 MPa, d31 was 38% higher than that of the conventional sintering, showing a very significant difference, and a remarkable improvement effect was recognized.

【0036】e.圧電セラミックス振動特性を図7に示
した。ハイブリッド焼結により得られた圧電セラミック
スは素子単体による使用のほかバイモルフ型撓み振動
子、それと組み合わせた各種アクチュエータとしての効
果的な利用が期待される。図7は振動特性図、図8はそ
れに使用される圧電セラミックスの外観図、図9は図7
の振動特性測定用ブロック図である。
E. FIG. 7 shows the piezoelectric ceramic vibration characteristics. Piezoelectric ceramics obtained by hybrid sintering are expected to be effectively used as bimorph-type flexural vibrators and various actuators combined therewith, in addition to use as single elements. FIG. 7 is a vibration characteristic diagram, FIG. 8 is an external view of a piezoelectric ceramic used therein, and FIG.
FIG. 4 is a block diagram for measuring vibration characteristics.

【0037】図8で圧電セラミックス18の一般的構造
を示した。2枚の圧電セラミックスは電極面15を上下
に銀塗りその他の手段で形成しシム板16を挟みエポキ
シ系等の接着剤で加熱圧着して製造される。これにリー
ド線17、17が取り付けられる。図9でこの圧電セラ
ミックスをアルミ板の一端に接着により装着し、その一
端側を固定端25に固定しアルミ板の他端は自由端とし
てアクチュエータを形成させ撓み振動試験を行った。フ
ァンクションジェネレータ20からパワーアンプ21を
介して周波数55Hz、ピーク・ツウ・ピークで端子電
圧100Vにより加振させた。これによる自由端の正弦
波振動はレーザヘッド24により検知、変位をレーザ変
位計23に、波形監視はオシロスコープ22により実施
した。結果は図7に示されたように、ハイブリット焼結
で作成したアクチュエータと従来焼結方法で作成したア
クチュエータの振動特性との対比では前者が後者のアク
チュエータに比べ約2倍の出力を確認できた。
FIG. 8 shows a general structure of the piezoelectric ceramic 18. The two pieces of piezoelectric ceramics are manufactured by forming the electrode surfaces 15 on the upper and lower sides by silver coating or other means, sandwiching the shim plate 16, and heating and pressing with an adhesive such as an epoxy system. Lead wires 17, 17 are attached to this. In FIG. 9, this piezoelectric ceramic was attached to one end of an aluminum plate by adhesion, one end of which was fixed to a fixed end 25, and the other end of the aluminum plate was formed as a free end to form an actuator, and a bending vibration test was performed. Vibration was performed from the function generator 20 via the power amplifier 21 at a frequency of 55 Hz and a terminal voltage of 100 V at peak-to-peak. The free end sine wave vibration was detected by a laser head 24, the displacement was monitored by a laser displacement meter 23, and the waveform was monitored by an oscilloscope 22. As a result, as shown in FIG. 7, in comparison of the vibration characteristics of the actuator made by the hybrid sintering and the actuator made by the conventional sintering method, the former was able to confirm about twice the output as compared to the latter actuator. .

【0038】図10は本発明で得られた圧電セラミック
スの用途に好適な医用機器等で使用可能なマイクロポン
プと称される流体ポンプの概要を示した説明図である。
具体的には、アクチュエータとしてバイモルフ型セラミ
ックス26がポンプ31の周面又は特定側面に装着して
ポンプ作用として機能する。流体は液体、気体等で医
用、化学分析用として期待される。具体的には、バイモ
ルフ変位素子26が外部駆動源により低周波で駆動され
る。図の左右のバイモルフ変位素子26が互いにポンプ
内から外側に広がりを与える働きと、狭まる働きを駆動
周波数に依存した運動を行う。このベンディング効果で
図の点線で示したバイモルフの振動変位32が与えられ
る。
FIG. 10 is an explanatory view showing an outline of a fluid pump called a micropump which can be used in medical equipment and the like suitable for use of the piezoelectric ceramics obtained by the present invention.
Specifically, the bimorph-type ceramics 26 is mounted on the peripheral surface or a specific side surface of the pump 31 as an actuator to function as a pump. Fluids are liquids and gases, and are expected to be used for medical and chemical analyses. Specifically, the bimorph displacement element 26 is driven at a low frequency by an external drive source. The bimorph displacement elements 26 on the left and right in the figure perform movements depending on the drive frequency, with the action of expanding the pump from the inside to the outside and the action of narrowing it down. Due to this bending effect, a bimorph vibration displacement 32 shown by a dotted line in the figure is given.

【0039】バイモルフ変位素子26にはダイヤフラム
等ポンプ内容積を変化させる手段と連動させる等実施す
ることで流体を流体流入口27から吸入、流体流出口2
8から排出することがボールバルブ29、30との組合
せで実現できる。上下のボールバルブ29、30はそれ
ぞれ重力動作による弁及び逆止弁として作用させる。例
えば、ポンプ31への流体吸入時にはボールバルブ29
が浮き上がり流体流入、このときボールバルブ30は上
部で弁が閉まった動作となりポンプ内に流体が貯まって
くる状態となる。
The bimorph displacement element 26 is operated by interlocking with a means such as a diaphragm for changing the internal volume of the pump, so that fluid is sucked from the fluid inlet 27 and the fluid outlet 2
Ejection from 8 can be realized in combination with ball valves 29, 30. The upper and lower ball valves 29, 30 act as a valve by gravity operation and a check valve, respectively. For example, when fluid is sucked into the pump 31, the ball valve 29
Rises, and the fluid flows in. At this time, the ball valve 30 is operated so that the valve is closed at the upper portion, and the fluid is stored in the pump.

【0040】以上本発明によりハイブリッド焼結方法の
一実施例を述べたがこれに限定されない。ジャイラトロ
ンの利用で28GHz以上のマイクロ波焼結炉ならばさ
らに高い圧電特性が期待できる。また、他の圧電材料へ
の適用では、従来焼結で高い圧電特性素材では一段と高
い圧電特性の改善が期待できる。さらに、鉛系の圧電セ
ラミックス、それ以外の非鉛材料であるビスマス系材
料、チタン酸バリウム系材料にも効果的である。ビスマ
ス形材料などの異方性のある材料ではホットプレスによ
り異方性が強調されることが予想され特性の向上が期待
できる。高い圧電特性を得るには高温度での焼結が不可
欠であったが、低温度での焼結でも従来焼結並みの特性
が得られる。
Although one embodiment of the hybrid sintering method according to the present invention has been described above, the present invention is not limited to this. Higher piezoelectric characteristics can be expected in a microwave sintering furnace of 28 GHz or more by using a gyratron. Further, in the case of application to other piezoelectric materials, it is expected that a material having a high piezoelectric characteristic by sintering in the related art will further improve the piezoelectric characteristic. Further, it is also effective for lead-based piezoelectric ceramics, other non-lead materials such as bismuth-based materials and barium titanate-based materials. For anisotropic materials such as bismuth-type materials, it is expected that the anisotropy will be enhanced by hot pressing, and the improvement of the properties can be expected. Sintering at a high temperature was indispensable for obtaining high piezoelectric characteristics, but sintering at a low temperature can provide characteristics comparable to those of conventional sintering.

【0041】[0041]

【発明の効果】本発明によれば、ハイブリット焼結方法
によるPZT系材料の諸特性を焼結温度、ホットプレス
圧力、雰囲気について検討し、気孔の極めて少ない、電
気機械結合係数Kp、圧電定数d31、更に高い密度、
結晶内の粒子径等の微細構造について従来焼結方法には
ない優れた圧電セラミックスが得られた。高い電気機械
結合係数と圧電歪定数が得られることは、極めてアクチ
ュエータ利用に好適な結果と判断される。特性に大きく
影響する電気機械結合係数Kp、d31値等のデータは
1,100℃程度の低温度においても従来焼結方法と同
等の焼結効果が得られた。焼結時間では従来焼結に比べ
十分の一程度に減少可能である。
According to the present invention, various characteristics of the PZT-based material obtained by the hybrid sintering method are examined with respect to the sintering temperature, hot press pressure and atmosphere, and the electromechanical coupling coefficient Kp and the piezoelectric constant d31 are extremely small. , Higher density,
With respect to the fine structure such as the particle diameter in the crystal, an excellent piezoelectric ceramic not obtained by the conventional sintering method was obtained. Obtaining a high electromechanical coupling coefficient and a piezoelectric strain constant is judged to be a very suitable result for use of an actuator. Regarding data such as the electromechanical coupling coefficient Kp and d31 value that greatly affect the characteristics, a sintering effect equivalent to that of the conventional sintering method was obtained even at a low temperature of about 1,100 ° C. The sintering time can be reduced to about one tenth as compared with the conventional sintering.

【0042】28GHz以上のマイクロ波焼結のみでは
前記の品質改善は困難であったが、ホットプレスを併用
することにより顕著な効果が確認された。製造方法とし
ては、試料サンプルより小さな誘電率を持つ金属以外の
金型、アルミナロッド等の周辺治具を用いることにより
マイクロ波焼結が可能、ホットプレス加圧による品質の
改良が可能となる。焼結雰囲気として酸素中、大気中の
両方で焼結させ、微細構造、圧電特性の向上が確認でき
た。本発明の方法によりマイクロ波焼結による効果とホ
ットプレスによる加圧が、素材の内部焼結、急速焼結を
達成させ前記の圧電特性の改善は気孔も少なく粒成長の
少ない良好な微細構造を持つ焼結体を得ることからと理
解される。
Although it was difficult to improve the above quality only by microwave sintering at 28 GHz or more, a remarkable effect was confirmed by using a hot press together. As a manufacturing method, microwave sintering can be performed by using a peripheral jig such as an alumina rod or a mold other than a metal having a dielectric constant smaller than that of a sample sample, and quality can be improved by hot pressing. Sintering was performed in both oxygen and air as the sintering atmosphere, and it was confirmed that the microstructure and piezoelectric characteristics were improved. According to the method of the present invention, the effect of microwave sintering and pressurization by hot pressing achieve internal sintering and rapid sintering of the material, and the above-mentioned improvement of the piezoelectric characteristics can improve the fine structure with few pores and little grain growth. It is understood from obtaining a sintered body having.

【0043】28GHz以上のマイクロ波焼結とホット
プレスを同時に行うこと、大気中、酸素中のいずれかの
雰囲気中で焼結を行うこと及び試料サンプルより小さな
誘電率を持つ金属以外の金型、ロッド等の周辺治具を用
いることが特に重要である。マイクロ波焼結とホットプ
レスの同時の実施は、圧電体素材の内部焼結、急速焼結
ができる特徴を持つため気孔も少なく粒成長の少ない良
好な微細構造を持つ焼結体を得ることができ高い圧電性
が期待できる。
Simultaneous microwave sintering at 28 GHz or higher and hot pressing, sintering in either atmosphere, or oxygen, and a mold other than a metal having a dielectric constant smaller than that of the sample, It is particularly important to use a peripheral jig such as a rod. Simultaneous execution of microwave sintering and hot pressing makes it possible to obtain a sintered body that has a good microstructure with few pores and little grain growth because it has the feature that internal sintering of piezoelectric material and rapid sintering are possible. High piezoelectricity can be expected.

【0044】ハイブリット焼結方法により試料サンプル
の密度は最大で理論密度の98%に達した。ハイブリッ
ト焼結方法は試料サンプルの結晶粒子の成長を促すが従
来焼結方法に比べほとんどポアのない焼結体が製造でき
る。ハイブリット焼結した試料の電気機械結合係数Kp
は最大75%に達し、圧電定数d31従来焼結方法に比
べ大きな値を示した。アクチュエータ特性は従来焼結に
比べ大きな出力を得ることができた。以上の結果からハ
イブリット焼結方法は圧電セラミックスの特性面のレベ
ルアップ、アクチュエータとして駆動源または振動ピッ
クアップの特性を改善するための有効な方法である。ま
た、より高い特性を持つPZT系材料に適応すれば更に
高い特性を得ることが期待できる。
By the hybrid sintering method, the density of the sample reached 98% of the theoretical density at the maximum. Although the hybrid sintering method promotes the growth of the crystal grains of the sample sample, a sintered body having almost no pores can be manufactured as compared with the conventional sintering method. Electromechanical coupling coefficient Kp of hybrid sintered sample
Reached a maximum of 75% and showed a large value compared to the conventional sintering method of piezoelectric constant d31. Regarding the actuator characteristics, a large output could be obtained as compared with the conventional sintering. From the above results, the hybrid sintering method is an effective method for improving the characteristic surface of piezoelectric ceramics and improving the characteristics of a driving source or a vibration pickup as an actuator. Further, if a PZT-based material having higher characteristics is applied, higher characteristics can be expected.

【0045】[0045]

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明のマイクロ波焼結炉の側面断面の概略
図。
FIG. 1 is a schematic view of a side cross section of a microwave sintering furnace of the present invention.

【図2】製造時の焼結スケジュールで加熱温度曲線及び
ホットプレス状態を示した図。
FIG. 2 is a diagram showing a heating temperature curve and a hot press state in a sintering schedule at the time of production.

【図3】焼結温度と試料の密度の関係図。FIG. 3 is a diagram showing a relationship between a sintering temperature and a sample density.

【図4】走査電子顕微鏡で観察した圧電セラミックスの
SEM写真から描いた素子の表面状態図。
FIG. 4 is a surface state diagram of an element drawn from an SEM photograph of piezoelectric ceramics observed with a scanning electron microscope.

【図5】焼結温度と試料の電気機械結合係数の関係図。FIG. 5 is a diagram showing a relationship between a sintering temperature and an electromechanical coupling coefficient of a sample.

【図6】焼結温度と試料の圧電定数の関係図。FIG. 6 is a diagram showing a relationship between a sintering temperature and a piezoelectric constant of a sample.

【図7】圧電セラミックスの外観図。FIG. 7 is an external view of a piezoelectric ceramic.

【図8】圧電セラミックスの振動特性図。FIG. 8 is a vibration characteristic diagram of a piezoelectric ceramic.

【図9】圧電セラミックスの振動特性測定用ブロック
図。
FIG. 9 is a block diagram for measuring vibration characteristics of a piezoelectric ceramic.

【図10】圧電セラミックスを使用した圧電体アクチュ
エータの使用状態の説明図。
FIG. 10 is an explanatory diagram of a use state of a piezoelectric actuator using piezoelectric ceramics.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 マイクロ波挿入口 2 試料サンプル 3 熱電対 4 アルミナロッド 5 金型 6 冷却水流入口 8 ガス流入口 9 冷却水流出口 10 マイクロ波焼結炉 13 非ポア部分 14 気孔(ポア) 15 電極面 16 シム板 17 リード線 18 圧電セラミックス 20 ファンクションジェネレータ 23 レーザ変位計 24 レーザヘッド 25 固定端 26 バイモルフ変位素子 27 流体流入口 28 流体流出口 29 ボールバルブ 30 ボールバルブ 31 ポンプ 32 バイモルフの振動変位 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Microwave insertion port 2 Sample sample 3 Thermocouple 4 Alumina rod 5 Die 6 Cooling water inlet 8 Gas inlet 9 Cooling water outlet 10 Microwave sintering furnace 13 Non-pored part 14 Pores 15 Electrode surface 16 Shim plate 17 Lead Wire 18 Piezoelectric Ceramics 20 Function Generator 23 Laser Displacement Meter 24 Laser Head 25 Fixed End 26 Bimorph Displacement Element 27 Fluid Inlet 28 Fluid Outlet 29 Ball Valve 30 Ball Valve 31 Pump 32 Bimorph Vibration Displacement

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 裘 進浩 宮城県仙台市青葉区上杉1丁目13番10号 Fターム(参考) 4G054 AA05 AC00 BA02 BA43 BB04 BB05 BB06  ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Susumu Hiroshi 1-13-10 Uesugi, Aoba-ku, Sendai-shi, Miyagi F term (reference) 4G054 AA05 AC00 BA02 BA43 BB04 BB05 BB06

Claims (11)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 圧電体素材をマイクロ波焼結炉内の非金
属金型に入れ、少なくとも焼結過程で前記素材を前記マ
イクロ波による焼結により昇温させるとともに、前記焼
結過程で前記金型内にある前記素材をホットプレスによ
る加圧処理した圧電セラミックスにおいて、実質的に気
孔の存在しない、高い電気機械結合係数及び圧電定数を
備えたことを特徴とするマイクロ波及びホットプレスを
利用して焼結した圧電セラミックス。
1. A piezoelectric material is placed in a non-metallic mold in a microwave sintering furnace, and the material is heated by sintering with the microwave at least in a sintering process. Using a microwave and a hot press characterized by having a high electromechanical coupling coefficient and a high piezoelectric constant in a piezoelectric ceramic obtained by subjecting the material in a mold to a pressure treatment by a hot press and having substantially no pores. And sintered piezoelectric ceramics.
【請求項2】 圧電体素材を焼結し圧電セラミックスを
製造する方法において、圧電体素材をマイクロ波焼結炉
内の非金属金型に入れ、少なくとも焼結過程で前記素材
をマイクロ波により昇温させるとともに、前記焼結過程
で前記金型内にある前記素材をホットプレスによる加圧
処理したことを特徴とするマイクロ波及びホットプレス
を利用して焼結される圧電セラミックスの製造方法。
2. A method for producing a piezoelectric ceramic by sintering a piezoelectric material, wherein the piezoelectric material is placed in a non-metal mold in a microwave sintering furnace, and the material is raised by microwaves at least during the sintering process. A method for producing piezoelectric ceramics which is sintered by using microwave and hot press, wherein the material is heated and pressurized by hot pressing in the mold in the sintering process.
【請求項3】 前記圧電セラミックスを製造する方法に
おいて、マイクロ波焼結過程でホットプレスを10ない
し100MPaの範囲で加圧させることを特徴とする請
求項2記載のマイクロ波及びホットプレスを利用して焼
結される圧電セラミックスの製造方法。
3. The method of manufacturing a piezoelectric ceramic according to claim 2, wherein in the microwave sintering step, a hot press is applied in a range of 10 to 100 MPa. Manufacturing method of piezoelectric ceramics to be sintered.
【請求項4】 前記圧電セラミックスを製造する方法に
おいて、マイクロ波焼結過程でホットプレスを20ない
し40MPaで加圧させることを特徴とする請求項2記
載のマイクロ波及びホットプレスを利用して焼結される
圧電セラミックスの製造方法。
4. The method for producing a piezoelectric ceramic according to claim 2, wherein a hot press is applied at a pressure of 20 to 40 MPa in a microwave sintering process. Manufacturing method of piezoelectric ceramics to be bonded.
【請求項5】 前記圧電セラミックスを製造する方法に
おいて、マイクロ波焼結過程でホットプレスの加圧を焼
結試料サンプルの誘電率より少ない非金属材からなる金
型で実施する工程を付加したことを特徴とする請求項2
記載のマイクロ波及びホットプレスを利用して焼結され
る圧電セラミックスの製造方法。
5. The method of manufacturing a piezoelectric ceramic according to claim 1, further comprising a step of performing hot pressing in a microwave sintering process using a mold made of a nonmetallic material having a dielectric constant lower than that of the sintered sample. 3. The method according to claim 2, wherein
A method for producing a piezoelectric ceramic which is sintered by using the microwave and hot press described in the above.
【請求項6】 前記圧電セラミックスを製造する方法に
おいて、マイクロ波焼結過程でホットプレスの加圧をア
ルミナロッド及び金型内で実施する工程を付加したこと
を特徴とする請求項2又は4記載のマイクロ波及びホッ
トプレスを利用して焼結される圧電セラミックスの製造
方法。
6. The method of manufacturing a piezoelectric ceramic according to claim 2, further comprising a step of performing hot pressing in an alumina rod and a mold in a microwave sintering process. For producing piezoelectric ceramics sintered using microwaves and hot pressing.
【請求項7】 前記圧電セラミックスを製造する方法に
おいて、マイクロ波焼結過程での焼結最高温度範囲が1
000℃ないし1250℃の範囲で、かつ、ホットプレ
スの加圧をアルミナロッドにより実施する工程、ホット
プレスの加圧を前記焼結最高温度に達した段階から維持
する工程を付加したこと特徴とする請求項2及び請求項
6のいずれか記載のマイクロ波及びホットプレスを利用
して焼結される圧電セラミックスの製造方法。
7. The method for producing a piezoelectric ceramic according to claim 1, wherein a maximum sintering temperature range in a microwave sintering process is one.
The process is characterized by adding a step of pressing the hot press with an alumina rod in the range of 000 ° C. to 1250 ° C. and a step of maintaining the press of the hot press from the stage when the maximum sintering temperature is reached. A method for producing a piezoelectric ceramic, wherein the piezoelectric ceramic is sintered by using the microwave and hot press according to any one of claims 2 and 6.
【請求項8】 圧電体素材を焼結し圧電セラミックスを
製造するマイクロ波焼結炉からなる装置において、該装
置は圧電体素材焼結用非金属金型と、該金型内の前記圧
電体素材を加圧するホットプレス加圧手段と、焼結用マ
イクロ波発生源と、該マイクロ波発生源による非金属金
型内の昇温手段と、該昇温手段及び焼結最高温度制御手
段と、前記焼結炉内へのガス雰囲気供給手段とを備えた
ことを特徴とするマイクロ波及びホットプレスを利用し
て焼結される圧電セラミックスの製造装置。
8. An apparatus comprising a microwave sintering furnace for producing a piezoelectric ceramic by sintering a piezoelectric material, the apparatus comprising a non-metallic mold for sintering a piezoelectric material, and the piezoelectric material in the mold. Hot press pressing means for pressing the material, a microwave source for sintering, a means for raising the temperature in a non-metal mold by the microwave source, a means for controlling the temperature and a maximum sintering temperature control means, An apparatus for producing piezoelectric ceramics sintered by using microwaves and hot pressing, comprising: a gas atmosphere supply means for supplying the gas atmosphere into the sintering furnace.
【請求項9】 前記圧電セラミックスを製造する装置に
おいて、マイクロ波焼結過程でホットプレスの加圧を焼
結試料サンプルの誘電率より少ない非金属材からなる金
型である請求項8記載のマイクロ波及びホットプレスを
利用して焼結される圧電セラミックスの製造装置。
9. The apparatus for manufacturing a piezoelectric ceramic according to claim 8, wherein in the microwave sintering process, the pressure of the hot press is a mold made of a nonmetallic material having a dielectric constant smaller than that of a sintered sample. An apparatus for manufacturing piezoelectric ceramics that is sintered using waves and hot pressing.
【請求項10】 請求項2ないし請求項7記載の方法で
得られた圧電セラミックスにおいて、高密度でSEM観
察による実質的に気孔の存在しない微細結晶構造を有す
るとともに圧電特性の優れた圧電セラミックス。
10. A piezoelectric ceramic obtained by the method according to claim 2, which has a high density, a fine crystal structure substantially free from pores by SEM observation and excellent piezoelectric characteristics.
【請求項11】請求項2ないし請求項7記載の方法で得
られた圧電セラミックスにおいて、高密度でSEM観察
による実質的に気孔の存在しない微細結晶構造を有する
とともに圧電特性の優れた圧電セラミックスを駆動源ま
たは振動ピックアップとして装着させた圧電体アクチュ
エータ。
11. A piezoelectric ceramic obtained by the method according to any one of claims 2 to 7, wherein the piezoelectric ceramic has a high-density, fine-crystal structure substantially free from pores by SEM observation and excellent in piezoelectric properties. A piezoelectric actuator mounted as a drive source or vibration pickup.
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