JP2002284574A - Manufacturing method of piezoelectric ceramic - Google Patents

Manufacturing method of piezoelectric ceramic

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JP2002284574A
JP2002284574A JP2001087191A JP2001087191A JP2002284574A JP 2002284574 A JP2002284574 A JP 2002284574A JP 2001087191 A JP2001087191 A JP 2001087191A JP 2001087191 A JP2001087191 A JP 2001087191A JP 2002284574 A JP2002284574 A JP 2002284574A
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Japan
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piezoelectric ceramic
piezoelectric
type crystal
oxide
calcined powder
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JP2001087191A
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Japanese (ja)
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Gakuo Tsukada
岳夫 塚田
Masakazu Hirose
正和 廣瀬
Junji Terauchi
順治 寺内
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Original Assignee
TDK Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To realize an excellent piezoelectricity for a lead-free piezoelectric ceramic. SOLUTION: In manufacturing a piezoelectric ceramic comprising a bismuth layer-structured compound containing MII (MII=Sr, Ba, or Ca), Bi, Ti, and O and MIIBi4 Ti4 O15 -type crystals, the calcined powder of the above, which shows both diffraction lines attributable to Bi4 Ti3 O12 -type crystals and MIIBi4 Ti4 O15 -type crystals in its X-ray diffraction chart and has the ratio of diffraction line intensities of 0.05<=B/(A+B)<=0.82 (A and B = the highest diffraction line intensities of the former and the latter, respectively), is formed and sintered.

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を
製造する方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing piezoelectric ceramics which can be widely applied to fields such as resonators and pressure sensors.

【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空気中への
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 these lead-based piezoelectric materials are manufactured 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。
Examples of the piezoelectric material containing no lead include, for example, BaTi having a perovskite structure belonging to a tetragonal system.
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】キュリー点の高い圧電体としては、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。
maxとは、位相角の最大値をθmaxとしたときのtanθ
max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 having a high Curie point, for example, a bismuth layer compound is known. However, a bismuth layered compound containing no lead has a problem that Q max, which is important when applied to a resonator, is small.
Q max is tan θ when the maximum value of the phase angle is θ max
max . 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. Oscillation is more stable as Qmax is larger, and oscillation at a lower voltage is possible.

【0008】本発明者らは、特許第3032761号公
報において、鉛を含有せず、かつ、Qmaxが大きいビス
マス層状化合物として、SrBi4Ti415系組成にラ
ンタノイドを添加した圧電セラミックスを提案してい
る。
[0008] The present inventors have proposed in Patent No. 3032761 discloses, containing no lead, and, as a Q max is greater bismuth layer compound, the piezoelectric ceramic obtained by adding lanthanoid the SrBi 4 Ti 4 O 15 based composition are doing.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、鉛を含まな
い圧電セラミックスにおいて、優れた圧電特性を実現す
ることを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to realize excellent piezoelectric characteristics in a lead-free piezoelectric ceramic.

【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) MII(MIIはSr、BaおよびCaから選択さ
れる元素)、Bi、TiならびにOを含有するビスマス
層状化合物であり、かつMIIBi4Ti415型結晶を含
む圧電セラミックスを製造する方法であって、前記圧電
セラミックスが、仮焼粉を成形して焼結することにより
製造され、前記仮焼粉のX線回折チャートにおいて、B
4Ti312型結晶に由来する回折線とMIIBi4Ti4
15型結晶に由来する回折線とが存在し、Bi4Ti3
12型結晶に由来する回折線の最高強度をAで表し、MII
Bi4Ti415型結晶に由来する回折線の最高強度をB
で表したとき、 0.05≦B/(A+B)≦0.82 である圧電セラミックスの製造方法。 (2) 前記仮焼粉が、B/(A+B)の相異なる複数
種の仮焼粉の混合物である上記(1)の圧電セラミック
スの製造方法。 (3) MII中の原子比をSrxBayCazで表したと
き、 x+y+z=1、 0≦x≦1、 0≦y≦0.9、 0≦z≦1 である圧電セラミックスが製造される上記(1)または
(2)の圧電セラミックスの製造方法。 (4) ランタノイド酸化物を含有し、ランタノイドを
Lnで表したとき、原子比Ln/(Ln+MII)が 0<Ln/(Ln+MII)<0.5 である圧電セラミックスが製造される上記(1)〜
(3)のいずれかの圧電セラミックスの製造方法。 (5) Mn酸化物を含有する圧電セラミックスが製造
される上記(1)〜(4)のいずれかの圧電セラミック
スの製造方法。
The above object is achieved by the following (1).
This is achieved by the present invention according to (5). (1) Piezoelectric ceramics containing M II (M II is an element selected from Sr, Ba and Ca), a bismuth layered compound containing Bi, Ti and O, and containing M II Bi 4 Ti 4 O 15 type crystal Wherein the piezoelectric ceramic is produced by molding and sintering a calcined powder, and in the X-ray diffraction chart of the calcined powder,
Diffraction line derived from i 4 Ti 3 O 12 type crystal and M II Bi 4 Ti 4
And diffraction lines originating from the O 15 type crystal, and Bi 4 Ti 3 O
The maximum intensity of the diffraction line derived from the type 12 crystal is represented by A, and M II
The highest intensity of the diffraction line derived from Bi 4 Ti 4 O 15 type crystal is B
A method for producing a piezoelectric ceramic in which 0.05 ≦ B / (A + B) ≦ 0.82. (2) The method for producing a piezoelectric ceramic according to the above (1), wherein the calcined powder is a mixture of plural kinds of calcined powders having different B / (A + B). (3) When the atomic ratio in M II expressed in Sr x Ba y Ca z, x + y + z = 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 0.9, piezoelectric ceramics produced is 0 ≦ z ≦ 1 The method for producing a piezoelectric ceramic according to the above (1) or (2). (4) A piezoelectric ceramic containing a lanthanoid oxide and having an atomic ratio Ln / (Ln + M II ) of 0 <Ln / (Ln + M II ) <0.5 when the lanthanoid is represented by Ln. ) ~
(3) The method for producing a piezoelectric ceramic according to any of (3). (5) The method for producing a piezoelectric ceramic according to any one of the above (1) to (4), wherein a piezoelectric ceramic containing a Mn oxide is produced.

【0011】[0011]

【作用および効果】圧電セラミックスは、通常、出発原
料を仮焼して仮焼粉を得、この仮焼粉を成形して焼結す
ることにより製造する。本発明では、MIIBi4Ti4
15系組成をもつ圧電セラミックスを製造するに際し、仮
焼粉に含まれる結晶の比率を制御することにより、圧電
特性、特にQmaxを向上させる。
[Function and Effect] A piezoelectric ceramic is usually produced by calcining a starting material to obtain a calcined powder, molding the calcined powder, and sintering. In the present invention, M II Bi 4 Ti 4 O
In producing a piezoelectric ceramic having a 15- system composition, the piezoelectric properties, particularly Qmax, are improved by controlling the proportion of crystals contained in the calcined powder.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】圧電セラミックス 本発明により製造される圧電セラミックスは、MII(M
IIはSr、BaおよびCaから選択される元素)、B
i、TiおよびOを含有するビスマス層状化合物であ
り、MIIBi4Ti415型結晶を含む複合酸化物であ
る。
Piezoelectric ceramics produced by the piezoelectric ceramic the present invention DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION, M II (M
II is an element selected from Sr, Ba and Ca), B
It is a bismuth layered compound containing i, Ti and O, and is a composite oxide containing M II Bi 4 Ti 4 O 15 type crystal.

【0013】MII中の原子比をSrxBayCazで表し
たとき、 x+y+z=1、 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。また、MIIに占めるCaの比率が高くなりす
ぎると、抗電界が高くなって分極が困難となる。この点
を考慮すると、 z<1 とすることが好ましく、 z≦0.8 とすることがより好ましい。ただし、後述するランタノ
イド酸化物を含有させた場合には、MIIに占めるCaの
比率が高くても、例えばz=1であっても、分極に関し
て問題は生じない。
[0013] When the atomic ratio in M II expressed in Sr x Ba y Ca z, x + y + z = 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 0.9, is preferably 0 ≦ z ≦ 1. If the ratio y of Ba to M II is too high, the piezoelectric ceramic is likely to be melted during firing. If the proportion of Ca in M II is too high, the coercive electric field becomes high and polarization becomes difficult. Considering this point, it is preferable that z <1, and it is more preferable that z ≦ 0.8. However, when a lanthanoid oxide described later is contained, no problem occurs with respect to polarization even if the ratio of Ca to M II is high, for example, z = 1.

【0014】本発明により製造される圧電セラミックス
において、Qmaxをさらに向上させるためには、ランタ
ノイド酸化物を含有させることが好ましい。ランタノイ
ドは、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、G
d、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、YbおよびLuで
あり、これらのうちでは、La、Nd、Sm、Gd、D
y、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。ランタノイド(Ln)を含有
する場合、原子比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
maxの向上は、焼結性の向上によると考えられる。
[0014] In the piezoelectric ceramics made according to the present invention, in order to further improve the Q max, it is preferable to incorporate a lanthanoid oxide. Lanthanoids include La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, G
d, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb and Lu, of which La, Nd, Sm, Gd, D
At least one of y, Ho, Er and Yb is preferred, and La is most preferred. When a lanthanoid (Ln) is contained, the atomic ratio Ln / (Ln + M II ) is 0 <Ln / (Ln + M II ) <0.5, preferably 0.03 ≦ Ln / (Ln + M II ) ≦ 0.3 It is. If Ln / (Ln + M II ) is too large, Q max
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.

【0015】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比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、0.03質
量%以上含有される場合、特にQmax向上効果が高くな
る。
[0015] Further, Q max can be improved by containing a Mn oxide. In particular, by combined addition of the Mn oxide and Ln oxide, can significantly improve the Q max. However, when the content of the Mn oxide is too large, the specific resistance becomes low and the polarization treatment becomes difficult. Therefore, the content of the Mn oxide is preferably less than 0.62% by mass in terms of MnO, more preferably. Is 0.
It is 60% by mass or less, more preferably 0.43% by mass or less. On the other hand, in order to sufficiently exhibit the effect of the addition of the Mn oxide, the Mn oxide is converted to MnO at 0.1.
It is preferably contained in an amount of not less than 02% by mass, and when it is contained in an amount of not less than 0.03% by mass, the Q max improving effect is particularly high.

【0016】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、比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。
Further, Q max can be improved by containing a Co oxide. In order to sufficiently exhibit the Q max improving effect, the content in terms of CoO should be set to 0.1.
It is preferably at least 1% by mass. However, when the content of the Co oxide is too large, the specific 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.

【0017】本発明により製造される圧電セラミックス
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MIIBi4Ti415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 made according to the present invention includes the M II Bi 4 Ti 4 O 15 type crystal bismuth layered compound, it is preferably composed of a substantially crystals, perfectly homogeneous However, for example, it may include a different phase. In this piezoelectric ceramic, Ln
Is considered to mainly substitute for the M II site of the M II Bi 4 Ti 4 O 15 type crystal, but some may substitute for other sites, and some may be substituted for crystal grain boundaries. May be present.

【0018】本発明により製造される圧電セラミックス
の全体組成は、a≧0として、一般に(MII 1-aLna
Bi4Ti415とすればよく、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の比率や、T
iに対するBiの比率が、化学量論組成から±5%程度
ずれていてもよい。例えば、Tiに対するBiの比率を
より高くすることで、Qmaxをより高くすることが可能
である。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 made according to the present invention, as a ≧ 0, generally (M II 1-a Ln a )
Bi 4 Ti 4 O 15 may be used, and Mn oxide or Co
In the case where an oxide is contained, MnO or CoO may be added to this, but it may be deviated from these. For example, the ratio of M II + Ln to Ti, T
The ratio of Bi to i may deviate from the stoichiometric composition by about ± 5%. For example, it is possible to make Q max higher by making the ratio of Bi to Ti higher. Further, the amount of oxygen can also change according to the valence of the metal element, oxygen vacancy, and the like.

【0019】また、本発明により製造される圧電セラミ
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、F
23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、圧電
特性が損なわれることがある。なお、圧電セラミックス
中には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 ceramics manufactured according to the present invention may contain Pb oxides, Cr oxides, Fe oxides and the like as impurities or trace additives. Is PbO, Cr 2 O 3 , F
It is preferable that each of the oxides is 0.5% by mass or less in terms of oxides having a stoichiometric composition such as e 2 O 3, and the total of these oxides is 0.5% by mass or less. preferable. If the content of these oxides is too large, the piezoelectric properties may be impaired. It is most preferable that Pb is not contained in the piezoelectric ceramics, but there is substantially no problem if the content is about the above.

【0020】本発明により製造される圧電セラミックス
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1〜10μm、より好ましくは3〜5μmである。
The crystal grains of the piezoelectric ceramic produced according to the present invention are spindle-shaped or needle-shaped. The average crystal grain size is not particularly limited, but is preferably 1 to 10 μm, more preferably 3 to 5 μm in the major axis direction.

【0021】上記組成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 having the above composition can be at least 380 ° C. or higher.
It is easy to raise the temperature to not less than ° C.

【0022】本発明により製造される圧電セラミックス
は、レゾネータ、高温用センサ等に好適である。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。
The piezoelectric ceramic manufactured according to the present invention is suitable for a resonator, a high temperature sensor and the like. The mode of use is not particularly limited, and any mode such as, for example, thickness longitudinal vibration and thickness shear vibration can be used.

【0023】製造方法 次に、本発明の製造方法を説明する。 Manufacturing Method Next, the manufacturing method of the present invention will be described.

【0024】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.

【0025】次いで仮焼し、仮焼体を得る。なお、通
常、仮焼前に仮成形し、仮焼後に粉砕する。仮焼体の粉
砕は、ボールミル等を用いた湿式法によって行うことが
好ましい。
Next, it is calcined to obtain a calcined body. In addition, usually, it forms temporarily before calcination and grinds after calcination. The pulverization of the calcined body is preferably performed by a wet method using a ball mill or the like.

【0026】本発明では、出発原料の混合物を仮焼する
ことにより、少なくともBi4Ti312型結晶とMII
4Ti415型結晶とを含む仮焼粉を製造する。本発明
では、仮焼粉のX線回折チャートにおいて、Bi4Ti3
12型結晶に由来する回折線の最高強度をAで表し、M
IIBi4Ti415型結晶に由来する回折線の最高強度を
Bで表したとき、 0.05≦B/(A+B)≦0.82 であり、好ましくは 0.05≦B/(A+B)≦0.67 である。B/(A+B)が小さすぎても大きすぎても、
maxが小さくなる。
In the present invention, at least Bi 4 Ti 3 O 12 type crystal and M II B
A calcined powder containing i 4 Ti 4 O 15 type crystals is produced. In the present invention, in the X-ray diffraction chart of the calcined powder, Bi 4 Ti 3
The maximum intensity of the diffraction line derived from the O 12 type crystal is represented by A,
When the maximum intensity of the diffraction line derived from the II Bi 4 Ti 4 O 15 type crystal is represented by B, it is 0.05 ≦ B / (A + B) ≦ 0.82, and preferably 0.05 ≦ B / (A + B). ) ≦ 0.67. If B / (A + B) is too small or too large,
Q max decreases.

【0027】本発明において、回折線の強度はCu−K
α線で測定する。Bi4Ti312型結晶に由来する回折
線のうち最高強度を示すものは、2θ=30.1°付近
に現れる(171)面の回折線である。一方、MIIBi
4Ti415型結晶に由来する回折線のうち最高強度を示
すものは、2θ=30.5°付近に現れる(119)面
または(0014)面の回折線である。なお、仮焼粉の
X線回折チャートには、MIITiO3型結晶に由来する
ピークが存在することがある。
In the present invention, the intensity of the diffraction line is Cu-K
Measure with alpha rays. Among the diffraction lines derived from the Bi 4 Ti 3 O 12 type crystal, the one showing the highest intensity is the (171) plane diffraction line appearing near 2θ = 30.1 °. On the other hand, M II Bi
Among the diffraction lines derived from the 4 Ti 4 O 15 type crystal, the one showing the highest intensity is the diffraction line of the (119) plane or the (0014) plane which appears around 2θ = 30.5 °. The X-ray diffraction chart of the calcined powder sometimes has a peak derived from the M II TiO 3 type crystal.

【0028】B/(A+B)が上記範囲内にある仮焼粉
を得る手段は特に限定されないが、例えば、仮焼条件、
特に仮焼温度を制御することによってB/(A+B)の
制御が可能である。適切な仮焼温度は実験的に決定すれ
ばよいが、好ましくは720〜980℃、特に750〜
900℃の範囲から選択することが好ましい。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。仮焼は空気中で行ってもよく、空気中よりも
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。
Means for obtaining a calcined powder having B / (A + B) within the above range is not particularly limited.
In particular, B / (A + B) can be controlled by controlling the calcination temperature. The appropriate calcination temperature may be determined experimentally, but is preferably 720 to 980 ° C, particularly 750 to 980 ° C.
It is preferable to select from the range of 900 ° C. The calcination time is not particularly limited, but is usually preferably 1 to 3 hours. The calcination may be performed in air, or may be performed in an atmosphere having a lower or higher oxygen partial pressure than in air, or in a pure oxygen atmosphere.

【0029】また、B/(A+B)が上記範囲内にある
仮焼粉は、B/(A+B)の相異なる複数種の仮焼粉の
混合物であってもよい。すなわち、仮焼粉は、B/(A
+B)が相対的に小さい仮焼体と、B/(A+B)が相
対的に大きい仮焼体とを独立して製造し、これらを粉砕
および混合することにより得た混合物であってもよい。
このような混合物においても、B/(A+B)を上記限
定範囲内の値とすることができ、かつ、その場合に本発
明の効果が実現する。
The calcined powder having B / (A + B) within the above range may be a mixture of a plurality of calcined powders having different B / (A + B). That is, the calcined powder is B / (A
A mixture obtained by independently producing a calcined body having a relatively small + B) and a calcined body having a relatively large B / (A + B), and pulverizing and mixing them.
Even in such a mixture, B / (A + B) can be set to a value within the above-mentioned limited range, and in that case, the effect of the present invention is realized.

【0030】なお、前記複数種の仮焼粉は、混合物とな
ったときにB/(A+B)が本発明で限定する範囲内に
あればよく、それぞれ単独のときのB/(A+B)は特
に限定されない。例えば、B/(A+B)が0である仮
焼粉とB/(A+B)が1である仮焼粉との混合物であ
ってもよい。
The calcined powders of a plurality of types need only have B / (A + B) within the range defined by the present invention when they are mixed, and B / (A + B) when used alone is particularly preferable. Not limited. For example, a mixture of a calcined powder in which B / (A + B) is 0 and a calcined powder in which B / (A + B) is 1 may be used.

【0031】仮焼粉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 average particle size of the calcined powder is not particularly limited.
In consideration of the ease of subsequent molding, the thickness is preferably about 1 to 5 μm.

【0032】次に、仮焼粉に水を少量(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。
Next, after adding a small amount of water (about 4 to 8% by mass) to the calcined powder, press molding is performed under a pressure of about 100 to 400 MPa to obtain a molded body. At this time, a binder such as polyvinyl alcohol may be added.

【0033】次いで、成形体を焼結し、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。焼結は空気中で行ってもよく、空気中よりも
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 sintered 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 sintering may be performed in air, or may be performed in an atmosphere having a lower or higher oxygen partial pressure than in air, or in a pure oxygen atmosphere.

【0034】焼結後、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 sintering, a polarization process 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.

【0035】[0035]

【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.

【0036】出発原料として、CaCO3、Bi23
TiO2、La23、MnCO3の各粉末を、最終組成が
(Ca0.9La0.1)Bi4Ti415+MnO(0.31
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10時間湿式混合した。
As starting materials, CaCO 3 , Bi 2 O 3 ,
Each powder of TiO 2 , La 2 O 3 , and MnCO 3 was mixed with (Ca 0.9 La 0.1 ) Bi 4 Ti 4 O 15 + MnO (0.31
% By mass) and wet-mixed in pure water by a ball mill using zirconia balls for 10 hours.

【0037】次いで、混合物を十分に乾燥し、プレス成
形した後、空気中において600〜1000℃の範囲か
ら選択した温度で2時間仮焼した。得られた仮焼体をボ
ールミルで粉砕した後、乾燥し、仮焼粉を得た。これら
の仮焼粉について、Cu−Kα線を用いたX線回折を行
い、前記した回折線強度AおよびBを測定し、B/(A
+B)を求めた。結果を表1に示す。また、一部の仮焼
粉について、X線回折チャートを図1および図2に示
す。
Next, the mixture was sufficiently dried and pressed, and then calcined in air at a temperature selected from the range of 600 to 1000 ° C. for 2 hours. The obtained calcined body was pulverized with a ball mill and then dried to obtain a calcined powder. These calcined powders were subjected to X-ray diffraction using Cu-Kα radiation, the above-mentioned diffraction line intensities A and B were measured, and B / (A
+ B). Table 1 shows the results. 1 and 2 show X-ray diffraction charts of some calcined powders.

【0038】次いで、仮焼粉にバインダ(ポリビニルア
ルコール)を加えて造粒した。得られた造粒粉を一軸プ
レス成形機を用いて294MPaの荷重を加え、厚さ約
1.5mmの薄板状に成形した。得られた成形体に熱処理
を施してバインダを揮発させた後、空気中において12
00℃で4時間焼結した。得られた焼結体を厚さ500
μmとなるまでラップ研磨し、さらに、平面寸法が15m
m×15mmとなるように切断した。
Next, the calcined powder was granulated by adding a binder (polyvinyl alcohol). The obtained granulated powder was molded into a thin plate having a thickness of about 1.5 mm by applying a load of 294 MPa using a uniaxial press molding machine. After subjecting the obtained molded body to a heat treatment to volatilize the binder, the molded body is exposed to air in air.
Sintered at 00 ° C for 4 hours. The obtained sintered body has a thickness of 500
lap polishing until it reaches μm, and the plane size is 15m
It was cut to a size of mx 15 mm.

【0039】次いで、各焼結体の上下面にCu電極を蒸
着により形成した後、250℃のシリコーンオイルバス
中において、1.1×EC(MV/m)以上の電界を1分間
印加して分極処理を施し、圧電セラミックスサンプルを
得た。なお、上記ECは、250℃における各焼結体の
抗電界である。
Next, after forming Cu electrodes on the upper and lower surfaces of each sintered body by vapor deposition, an electric field of 1.1 × E C (MV / m) or more is applied for 1 minute in a silicone oil bath at 250 ° C. Then, a polarization treatment was performed to obtain a piezoelectric ceramic sample. Note that E C is the coercive electric field of each sintered body at 250 ° C.

【0040】次いで、Cu電極を除去した後、各サンプ
ルをラップ研磨して厚さ435μmの薄板を得た。この
薄板の両面にAg電極を蒸着により形成し、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HP419
4A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。
Next, after removing the Cu electrode, each sample was lapped and polished to obtain a thin plate having a thickness of 435 μm. Ag electrodes were formed on both surfaces of this thin plate by vapor deposition, and an impedance analyzer HP419 manufactured by Hewlett-Packard Company was used.
Using 4A, the impedance characteristic was measured in the third harmonic mode of thickness longitudinal vibration, and Qmax was determined. Table 1 shows the results.

【0041】[0041]

【表1】 [Table 1]

【0042】表1から本発明の効果が明らかである。す
なわち、仮焼粉においてB/(A+B)が本発明で限定
する範囲内となるように制御することにより、臨界的に
大きなQmaxが得られている。
Table 1 clearly shows the effect of the present invention. That is, a critically large Qmax is obtained by controlling the calcined powder so that B / (A + B) falls within the range defined by the present invention.

【0043】なお、各サンプルにおいて、キュリー点は
800℃以上であった。また、各サンプルを粉末X線回
折法により解析したところ、CaBi4Ti415型結晶
の単一相となっていることが確認された。
The Curie point of each sample was 800 ° C. or higher. Further, when each sample was analyzed by the powder X-ray diffraction method, it was confirmed that it was a single phase of the CaBi 4 Ti 4 O 15 type crystal.

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

【図1】仮焼粉のX線回折チャートである。FIG. 1 is an X-ray diffraction chart of a calcined powder.

【図2】仮焼粉のX線回折チャートである。FIG. 2 is an X-ray diffraction chart of a calcined powder.

───────────────────────────────────────────────────── 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) 4G031 AA04 AA05 AA06 AA07 AA09 AA11 AA19 AA35 BA10 CA01 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing from the front page (72) Inventor Junji Terauchi 1-1-13 Nihonbashi, Chuo-ku, Tokyo TDK Corporation F-term (reference) 4G031 AA04 AA05 AA06 AA07 AA09 AA11 AA19 AA35 BA10 CA01

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 MII(MIIはSr、BaおよびCaから
選択される元素)、Bi、TiならびにOを含有するビ
スマス層状化合物であり、かつMIIBi4Ti415型結
晶を含む圧電セラミックスを製造する方法であって、 前記圧電セラミックスが、仮焼粉を成形して焼結するこ
とにより製造され、前記仮焼粉のX線回折チャートにお
いて、Bi4Ti312型結晶に由来する回折線とMII
4Ti415型結晶に由来する回折線とが存在し、Bi
4Ti312型結晶に由来する回折線の最高強度をAで表
し、MIIBi4Ti415型結晶に由来する回折線の最高
強度をBで表したとき、 0.05≦B/(A+B)≦0.82 である圧電セラミックスの製造方法。
1. A bismuth layered compound containing M II (M II is an element selected from Sr, Ba and Ca), Bi, Ti and O, and including M II Bi 4 Ti 4 O 15 type crystal A method for producing a piezoelectric ceramic, wherein the piezoelectric ceramic is produced by molding and sintering a calcined powder, and in the X-ray diffraction chart of the calcined powder, a Bi 4 Ti 3 O 12 type crystal Diffraction line and M II B
a diffraction line derived from the i 4 Ti 4 O 15 type crystal,
When the maximum intensity of the diffraction line derived from the 4 Ti 3 O 12 type crystal is represented by A, and the maximum intensity of the diffraction line derived from the M II Bi 4 Ti 4 O 15 type crystal is represented by B, 0.05 ≦ B /(A+B)≦0.82 A method for producing a piezoelectric ceramic.
【請求項2】 前記仮焼粉が、B/(A+B)の相異な
る複数種の仮焼粉の混合物である請求項1の圧電セラミ
ックスの製造方法。
2. The method for producing a piezoelectric ceramic according to claim 1, wherein the calcined powder is a mixture of a plurality of calcined powders having different B / (A + B).
【請求項3】 MII中の原子比をSrxBayCazで表
したとき、 x+y+z=1、 0≦x≦1、 0≦y≦0.9、 0≦z≦1 である圧電セラミックスが製造される請求項1または2
の圧電セラミックスの製造方法。
Wherein when the atomic ratio in M II expressed in Sr x Ba y Ca z, x + y + z = 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 0.9, a piezoelectric ceramic is 0 ≦ z ≦ 1 Is produced.
Method of manufacturing piezoelectric ceramics.
【請求項4】 ランタノイド酸化物を含有し、ランタノ
イドをLnで表したとき、原子比Ln/(Ln+MII
が 0<Ln/(Ln+MII)<0.5 である圧電セラミックスが製造される請求項1〜3のい
ずれかの圧電セラミックスの製造方法。
4. It contains a lanthanoid oxide, and when the lanthanoid is represented by Ln, the atomic ratio is Ln / (Ln + M II ).
There 0 <Ln / (Ln + M II) < method of any of the piezoelectric ceramics of claims 1 to 3, a piezoelectric ceramic is produced is 0.5.
【請求項5】 Mn酸化物を含有する圧電セラミックス
が製造される請求項1〜4のいずれかの圧電セラミック
スの製造方法。
5. The method for producing a piezoelectric ceramic according to claim 1, wherein a piezoelectric ceramic containing a Mn oxide is produced.
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