JP2005228865A - Manufacturing method of piezoelectric ceramic - Google Patents

Manufacturing method of piezoelectric ceramic Download PDF

Info

Publication number
JP2005228865A
JP2005228865A JP2004034904A JP2004034904A JP2005228865A JP 2005228865 A JP2005228865 A JP 2005228865A JP 2004034904 A JP2004034904 A JP 2004034904A JP 2004034904 A JP2004034904 A JP 2004034904A JP 2005228865 A JP2005228865 A JP 2005228865A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
polarization
piezoelectric
piezoelectric ceramic
temperature
crystal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2004034904A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP4450636B2 (en
Inventor
Takahiko Honma
隆彦 本間
Yasuyoshi Saito
康善 齋藤
尚史 ▲高▼尾
Hisafumi Takao
Kazumasa Takatori
一雅 鷹取
Tatsuhiko Nonoyama
龍彦 野々山
Toshiatsu Nagaya
年厚 長屋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Denso Corp
Toyota Central R&D Labs Inc
Original Assignee
Denso Corp
Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Denso Corp, Toyota Central R&D Labs Inc filed Critical Denso Corp
Priority to JP2004034904A priority Critical patent/JP4450636B2/en
Publication of JP2005228865A publication Critical patent/JP2005228865A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4450636B2 publication Critical patent/JP4450636B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method of a piezoelectric ceramic with which a degree of polarization can stably be increased and saturated in the piezoelectric ceramic whose crystal structure changes to cubic, tetragonal and orthorhombic as a temperature is lowered. <P>SOLUTION: The manufacturing method of the piezoelectric ceramic has a first step for performing a first polarization processing on the piezoelectric ceramic which has a crystal structure of cubic at high temperature, and whose phase reversibly changes to tetragonal and orthorhombic in a temperature region where the ceramic becomes tetragonal; and a second step for performing a second polarization processing on the piezoelectric ceramic in the same direction as the first polarization processing in a temperature region where the ceramic becomes orthorhombic. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、圧電セラミックスの製造方法に関し、更に詳しくは、温度が低下するに伴い立方晶、正方晶、斜方晶へと相転移する圧電セラミックスの分極度を安定に増大・飽和させることが可能な圧電セラミックスの製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing piezoelectric ceramics, and more specifically, it is possible to stably increase and saturate the degree of polarization of piezoelectric ceramics that undergo a phase transition to cubic, tetragonal, or orthorhombic as temperature decreases. The present invention relates to a method for manufacturing a piezoelectric ceramic.

圧電材料は、圧電効果を有する材料であり、その形態は、単結晶、セラミックス、薄膜、高分子及びコンポジット(複合材)に分類される。これらの圧電材料の中で、特に、圧電セラミックスは、高性能で、形状の自由度が大きく、材料設計が比較的容易なため、広くエレクトロニクスやメカトロニクスの分野で応用されているものである。   Piezoelectric materials are materials that have a piezoelectric effect, and their forms are classified into single crystals, ceramics, thin films, polymers, and composites (composites). Among these piezoelectric materials, in particular, piezoelectric ceramics are widely applied in the fields of electronics and mechatronics because they have high performance, a large degree of freedom in shape, and material design is relatively easy.

圧電セラミックスは、強誘電体セラミックスに抗電界以上の直流電界を印加し、強誘電体の分域(ドメイン)の方向を一定の方向にそろえる、いわゆる分極処理(ポーリング)を施したものである。圧電セラミックスにおいて、分極処理により自発分極を一定方向にそろえるためには、自発分極の方向が三次元的に取りうる等方性ペロブスカイト型の結晶構造が有利である。そのため、実用化されている圧電セラミックスの大部分は、等方性ペロブスカイト型強誘電体セラミックスである。   Piezoelectric ceramics are obtained by applying so-called polarization treatment (polling) in which a ferroelectric electric field is applied with a direct current electric field that is higher than the coercive electric field and the direction of domain (domain) of the ferroelectric is aligned. In piezoelectric ceramics, an isotropic perovskite-type crystal structure in which the direction of spontaneous polarization can be taken three-dimensionally is advantageous in order to align spontaneous polarization in a certain direction by polarization treatment. For this reason, most of the piezoelectric ceramics in practical use are isotropic perovskite ferroelectric ceramics.

等方性ペロブスカイト型強誘電体セラミックスとしては、例えば、Pb(Zr・Ti)O(以下、これを「PZT」という。)、PZTに対して鉛系複合ペロブスカイトを第三成分として添加したPZT3成分系、BaTiO、Bi0.5Na0.5TiO、(K、Na)NbOなどが知られている。これらの中でも、PZTに代表される鉛系の圧電セラミックスは、鉛を全く含まない圧電セラミックス(以下、「非鉛系の圧電セラミックス」という)に比較して高い圧電特性を有しており、現在実用化されている圧電セラミックスの大部分を占めている。そのため、PZTと同等の圧電特性を有し、かつ鉛含有量が少ない圧電セラミックス(以下、「低鉛」という)、乃至は、非鉛系の圧電セラミックスが求められている。 As the isotropic perovskite type ferroelectric ceramic, for example, Pb (Zr · Ti) O 3 (hereinafter referred to as “PZT”), PZT3 in which lead-based composite perovskite is added as a third component to PZT. Component systems such as BaTiO 3 , Bi 0.5 Na 0.5 TiO 3 , (K, Na) NbO 3 are known. Among these, lead-based piezoelectric ceramics represented by PZT have higher piezoelectric properties than piezoelectric ceramics that do not contain any lead (hereinafter referred to as “lead-free piezoelectric ceramics”). It accounts for the majority of piezoelectric ceramics in practical use. Therefore, piezoelectric ceramics (hereinafter referred to as “low lead”) or lead-free piezoelectric ceramics having a piezoelectric characteristic equivalent to that of PZT and having a low lead content are required.

PZT系化合物は、ほとんどの場合、ZrとTiの比率を変えることによって結晶系が正方晶から菱面体晶(三方晶)に変わる、いわゆる「モルフォトロピック相境界(MPB)」を有している。実用化されているPZT系圧電セラミックスには、一般に、MPB近傍の組成又はZrを若干リッチにした菱面体晶側の組成が用いられている。これは、(1)MPB近傍又は菱面体晶側の組成は、結晶格子の異方性が著しく小さく、高い圧電特性が得られること、及び(2)ZrとTiの比率に対し温度依存性が小さいので、その組成を最適化することによって、キュリー温度まで相転移することなく正方晶又は菱面体晶の結晶構造を維持することができ、安定な温度特性が得られること、による。   In most cases, PZT compounds have a so-called “morphotropic phase boundary (MPB)” in which the crystal system changes from tetragonal to rhombohedral (trigonal) by changing the ratio of Zr and Ti. In general, a PZT piezoelectric ceramic that has been put to practical use has a composition in the vicinity of MPB or a rhombohedral crystal side with slightly rich Zr. This is because (1) the composition near the MPB or rhombohedral side has extremely small anisotropy of the crystal lattice, and high piezoelectric characteristics can be obtained, and (2) the temperature dependence on the ratio of Zr and Ti. Therefore, by optimizing the composition, the tetragonal or rhombohedral crystal structure can be maintained without phase transition up to the Curie temperature, and stable temperature characteristics can be obtained.

ところで、等方性ペロブスカイト型化合物は、一般に、高温では立方晶系の結晶構造を持つために自発分極は持たないが、温度が下がると相転移点(キュリー点)を通過して正方晶系の結晶構造となり、自発分極を生ずる。また、ある種の等方性ペロブスカイト型化合物(例えば、BaTiO、(K、Na)NbO、あるいは、これらの陽イオン元素の一部が他の陽イオン元素に置換された固溶体等)は、温度が下がるに伴い、さらに正方晶から斜方晶へと相転移することも知られている。この場合、自発分極の方向は、結晶構造によって異なり、例えば、正方晶では擬立方[100]軸方向、斜方晶では、擬立方[110]軸方向である。 By the way, isotropic perovskite type compounds generally have a cubic crystal structure at a high temperature and thus do not have spontaneous polarization. However, when the temperature decreases, the isotropic perovskite type compound passes through a phase transition point (Curie point) and becomes tetragonal. It becomes a crystal structure and causes spontaneous polarization. In addition, certain isotropic perovskite compounds (for example, BaTiO 3 , (K, Na) NbO 3 , or solid solutions in which some of these cationic elements are substituted with other cationic elements) It is also known that a phase transition from tetragonal to orthorhombic as the temperature decreases. In this case, the direction of spontaneous polarization varies depending on the crystal structure, and is, for example, the pseudo cubic [100] axis direction for tetragonal crystals and the pseudo cubic [110] axis direction for orthorhombic crystals.

また、圧電セラミックスを構成する各結晶粒は、立方晶(常誘電相)からキュリー点を経て正方晶(強誘電相)に相転移する際に、結晶粒内のエネルギーが最も低くなるように、自発分極が異なる多くの分域に分かれる。そのため、焼結直後の圧電セラミックスは、これらの各分域の自発分極と、それによって生ずる圧電効果が相互に打ち消し合うために、圧電性を示さない。一方、このような圧電セラミックスに抗電界以上の直流電界を印加すると、分域と分域の境界である分域壁(ドメインウォール)が移動し、電界方向に近い分極方向を持つ分域の面積の割合が増加する。しかも、このような分域構造は、電界をゼロまで減少させても維持される。そのため、分極処理を施した後の圧電セラミックスは、圧電性を示すようになる。   In addition, each crystal grain constituting the piezoelectric ceramic has a lowest energy in the crystal grain when the phase transition from the cubic crystal (paraelectric phase) to the tetragonal crystal (ferroelectric phase) through the Curie point, Divided into many domains with different spontaneous polarization. Therefore, the piezoelectric ceramic immediately after sintering does not exhibit piezoelectricity because the spontaneous polarization of each of these domains and the piezoelectric effect caused thereby cancel each other. On the other hand, when a DC electric field higher than the coercive electric field is applied to such a piezoelectric ceramic, the domain wall that is the boundary between the domain and the domain moves, and the domain area having a polarization direction close to the electric field direction The proportion of increases. Moreover, such a domain structure is maintained even if the electric field is reduced to zero. For this reason, the piezoelectric ceramic after the polarization treatment exhibits piezoelectricity.

このような圧電セラミックスの分極処理は、従来、円盤状に加工した焼結体の上下面に電極を構成し、100℃前後のシリコンオイル中で1〜5kV/mm程度の直流電界を数分〜数十分程度印加して行うのが一般的である。しかしながら、圧電セラミックスは、通常、各結晶粒がランダムに配向した状態になっている。そのため、単結晶と異なり、分極処理によって完全に単一のドメイン構造にすることは非常に困難である。   Such polarization treatment of piezoelectric ceramics has conventionally formed electrodes on the upper and lower surfaces of a sintered body processed into a disk shape, and a DC electric field of about 1 to 5 kV / mm in silicon oil at around 100 ° C. for several minutes to In general, it is performed by applying several tens of minutes. However, the piezoelectric ceramic is usually in a state in which each crystal grain is randomly oriented. Therefore, unlike a single crystal, it is very difficult to obtain a completely single domain structure by polarization treatment.

また、圧電セラミックスは、その結晶構造に応じて、複数のドメイン成分が存在する。例えば、正方晶の場合、自発分極の方向が180°異なる180°ドメインと、90°異なる90°ドメインが存在する。このような多結晶体に分極処理を施すと、180°ドメイン及び90°ドメインは、それぞれ、ドメイン回転によって自発分極の方向が電界方向に揃えられる。   Piezoelectric ceramics have a plurality of domain components depending on the crystal structure. For example, in the case of tetragonal crystal, there are a 180 ° domain in which the direction of spontaneous polarization is different by 180 ° and a 90 ° domain that is different by 90 °. When such a polycrystal is subjected to polarization treatment, the direction of spontaneous polarization of each of the 180 ° domain and the 90 ° domain is aligned with the electric field direction by domain rotation.

これらの内、180°ドメイン反転は、単に変位する方向が入れ替わるだけであるので、低電界で自発分極が揃いやすく、その際に大きな歪みを伴わない。一方、90°ドメイン回転は、結晶の変位すべき方向を90°入れ替えなければならないので、自発分極が揃う際に機械的な変形、回転を伴う。その結果、90°ドメイン回転を生じさせるためには、高電界を必要とする。   Among these, the 180 ° domain inversion simply replaces the direction of displacement, so that the spontaneous polarization easily aligns with a low electric field, and no significant distortion is caused at that time. On the other hand, since the 90 ° domain rotation must change the direction in which the crystal should be displaced by 90 °, it involves mechanical deformation and rotation when spontaneous polarization is aligned. As a result, a high electric field is required to cause 90 ° domain rotation.

そのため、本質的には高い圧電特性を有する組成であっても、従来の分極処理方法では、到達可能な圧電特性に限界があった。また、分極処理によって電界方向に自発分極が回転した90°ドメインは、機械的及び熱的に不安定であるので、使用中に元の90°ドメインに戻り、安定性及び耐久性に劣るという問題があった。   Therefore, even with a composition having essentially high piezoelectric characteristics, there is a limit to the reachable piezoelectric characteristics with the conventional polarization treatment method. In addition, since the 90 ° domain in which the spontaneous polarization is rotated in the electric field direction by the polarization treatment is mechanically and thermally unstable, the 90 ° domain returns to the original 90 ° domain during use, resulting in poor stability and durability. was there.

さらに、圧電セラミックスの中でも、PZT系圧電セラミックスは、結晶格子が変形しやすい(抗電界が低い)、いわゆる「ソフト材料」であるために、分極処理によって高い圧電特性は得られるが、圧電特性がばらつきやすいという問題があった。   Furthermore, among piezoelectric ceramics, PZT piezoelectric ceramics are so-called “soft materials” whose crystal lattices are easily deformed (low coercive electric field), so that high piezoelectric properties can be obtained by polarization treatment, but piezoelectric properties are There was a problem that it was easy to vary.

そこで、この問題を解決するために、従来から種々の分極方法が提案されている。例えば、特許文献1には、相境界近傍又は菱面体晶(三方晶)側に属する組成を有するPZTを飽和分極させた後、0℃から−50℃までの温度において抗電界以上の電界を印加し、飽和分極時の分極度よりも小さな分極度の逆分極を行う方法が記載されている。同文献には、このような方法によって、所望の分極度が簡単に、かつ精度良く得られる点が記載されている。   In order to solve this problem, various polarization methods have been conventionally proposed. For example, Patent Document 1 discloses that after saturation polarization of PZT having a composition belonging to the vicinity of a phase boundary or rhombohedral (trigonal) side, an electric field higher than the coercive electric field is applied at a temperature from 0 ° C. to −50 ° C. In addition, a method of performing reverse polarization with a polarization degree smaller than the polarization degree during saturation polarization is described. This document describes that a desired degree of polarization can be obtained easily and accurately by such a method.

また、特許文献2には、PZT系圧電セラミックスに対し、まず常温で電圧を印加して分極し、次いで高温で電圧を印加して分極する分極方法が記載されている。同文献には、このような方法によって、PZT系圧電セラミックスの分極直後の電気機械結合係数Kpが増大し、これによって変位特性の耐久性が向上する点が記載されている。   Patent Document 2 describes a polarization method in which a PZT piezoelectric ceramic is first polarized by applying a voltage at room temperature and then polarized by applying a voltage at a high temperature. This document describes that this method increases the electromechanical coupling coefficient Kp immediately after polarization of the PZT piezoelectric ceramic, thereby improving the durability of the displacement characteristics.

また、特許文献3には、まず、PZT系圧電セラミックスをキュリー点の1/2の温度〜キュリー点以下の温度に加熱し、この温度において圧電セラミックスを飽和分極させ、次いで、これを0℃以下の温度まで急冷し、さらに、圧電セラミックスをキュリー点の1/2の温度〜キュリー点以下の温度に再度加熱し、この温度において圧電セラミックスを飽和分極させる方法が記載されている。同文献には、急冷によって圧電セラミックス内部に自発分極とは逆向きの内部電荷が発生し、2回目の分極処理の際に自発分極が内部電荷によりピンニングされるので、駆動時の耐久性が向上する点が記載されている。   In Patent Document 3, first, a PZT piezoelectric ceramic is heated to a temperature that is 1/2 the Curie point to a temperature that is lower than or equal to the Curie point, and at this temperature, the piezoelectric ceramic is saturated and polarized, and then this is 0 ° C. or lower. In addition, a method is described in which the piezoelectric ceramic is rapidly cooled to a temperature of 2 ° C., and the piezoelectric ceramic is heated again to a temperature half the Curie point to a temperature below the Curie point, and the piezoelectric ceramic is saturatedly polarized at this temperature. According to this document, rapid cooling generates an internal charge in the direction opposite to the spontaneous polarization inside the piezoelectric ceramic, and the spontaneous polarization is pinned by the internal charge during the second polarization process, thus improving durability during driving. The point to do is described.

また、特許文献4には、PZT系圧電セラミックスの分極処理を行い、次いで分極処理されたPZT系圧電セラミックスをエージング処理(例えば、200℃〜250℃での熱エージング)する方法が記載されている。同文献には、エージング処理によって90°ドメイン回転成分が除去され、180°ドメイン反転成分のみとなるので、圧電体の特性劣化が抑制され、安定化する点が記載されている。   Patent Document 4 describes a method in which a PZT piezoelectric ceramic is subjected to a polarization treatment, and then the PZT piezoelectric ceramic subjected to the polarization treatment is subjected to an aging treatment (for example, thermal aging at 200 ° C. to 250 ° C.). . This document describes that the 90 ° domain rotation component is removed by the aging process and only the 180 ° domain inversion component is used, so that the deterioration of the characteristics of the piezoelectric body is suppressed and stabilized.

さらに、特許文献5には、PZT系圧電セラミックスに対し、目的とする分極度のすべてが180°ドメイン反転成分のみで占められるような温度Tで半分極し、次いでその温度Tにおいてエージングを行う方法が記載されている。同文献には、分極度に占める180°ドメイン反転成分の比率は、温度のみによって支配されるので、目標とする分極度へ高精度に到達でき、しかもエージングにより90°ドメイン回転成分を消滅させるので、圧電特性の熱的及び経時的な安定性が向上する点が記載されている。 Further, Patent Document 5, with respect to PZT based piezoelectric ceramic, all polarization degree of interest is extremely half at a temperature T A as occupied only by 180 ° domain inversion component, then aged at that temperature T A The method of doing is described. According to this document, the ratio of the 180 ° domain inversion component to the degree of polarization is governed only by temperature, so that the target degree of polarization can be reached with high accuracy and the 90 ° domain rotation component is eliminated by aging. Further, it is described that the thermal and temporal stability of piezoelectric characteristics is improved.

特許第2783022号公報Japanese Patent No. 2783022 特許第3070799号公報Japanese Patent No. 3070799 特許第3075033号公報Japanese Patent No. 3075033 特開平07−172914号公報Japanese Patent Laid-Open No. 07-172914 特開2000−183422号公報JP 2000-183422 A

PZT系圧電セラミックスに対して特許文献1〜5に記載された各種の分極方法を適用すると、圧電特性のバラツキが小さくなり、あるいは、90°ドメイン回転成分が除去されることによって、圧電特性の安定性、耐久性が向上すると言われている。しかしながら、上述した方法は、基本的には、PZT系圧電セラミックスを飽和分極することにより得られた安定な180°ドメイン反転成分のみを用いているので、到達可能な分極度に限界がある。また、PZT系圧電セラミックスは、廃棄された場合にセラミックス中の鉛が酸性雨等により溶出する恐れがあることと、蒸気圧の高い酸化鉛(PbO)を含んでいるために、環境に対する負荷が大きいという問題がある。そのため、低鉛あるいは非鉛でPZTと同等の圧電特性を有する圧電セラミックスが求められている。   When various polarization methods described in Patent Documents 1 to 5 are applied to PZT-based piezoelectric ceramics, variations in piezoelectric properties are reduced, or the 90 ° domain rotation component is removed, thereby stabilizing the piezoelectric properties. It is said that the durability and durability are improved. However, the above-described method basically uses only a stable 180 ° domain inversion component obtained by saturation polarization of the PZT-based piezoelectric ceramic, so that the reachable degree of polarization is limited. In addition, when PZT piezoelectric ceramics are discarded, there is a possibility that lead in the ceramics may be eluted by acid rain and the like, and because it contains lead oxide (PbO) with a high vapor pressure, there is a burden on the environment. There is a problem of being big. Therefore, there is a demand for piezoelectric ceramics that have low lead or non-lead and have piezoelectric characteristics equivalent to PZT.

一方、非鉛系の圧電セラミックスの中には、例えば、(K、Na)NbO、又はこれに含まれる陽イオン元素の一部が他の元素に置換された固溶体(以下、これをKNN系圧電セラミックスという)のように、比較的高い圧電特性を有するものが知られている。しかしながら、KNN系圧電セラミックスは、一般に、結晶格子が変形しにくい(抗電界が高い)、いわゆる「ハード材料」である。そのため、分極処理によって高い分極度を得るためには、結晶格子の変形が容易な高温において高電界を印加する必要がある。また、このような条件下であっても、従来の分極方法では、PZT系圧電セラミックスと同等の圧電特性は得られない。 On the other hand, in lead-free piezoelectric ceramics, for example, (K, Na) NbO 3 or a solid solution in which a part of the cation element contained therein is replaced with another element (hereinafter referred to as KNN-based). Those having relatively high piezoelectric properties, such as piezoelectric ceramics, are known. However, the KNN piezoelectric ceramic is generally a so-called “hard material” in which the crystal lattice is hardly deformed (high coercive electric field). Therefore, in order to obtain a high degree of polarization by polarization treatment, it is necessary to apply a high electric field at a high temperature at which the crystal lattice is easily deformed. Even under such conditions, the conventional polarization method cannot provide piezoelectric characteristics equivalent to those of the PZT piezoelectric ceramics.

さらに、非鉛系の圧電セラミックスには、高温で立方晶の結晶構造を有し、温度を下げると正方晶、斜方晶へと可逆的に相転移するものがある。また、ある種のKNN系圧電セラミックスのように、圧電セラミックスを使用する温度範囲で、斜方晶と正方晶の2つの結晶状態を取るものもある。このような非鉛系圧電セラミックスに対して上述した特許文献1〜5に記載された方法を適用しても、従来にはないような高い圧電特性は得られない。また、温度に応じて斜方晶と正方晶の2つの結晶状態を持つ圧電セラミックスに対し、このような特徴を積極的に利用した分極方法が提案された例は、従来にはない。   Furthermore, some lead-free piezoelectric ceramics have a cubic crystal structure at high temperatures, and reversibly phase change to tetragonal and orthorhombic when the temperature is lowered. Some types of KNN piezoelectric ceramics have two crystal states, orthorhombic and tetragonal, within the temperature range in which the piezoelectric ceramic is used. Even if the methods described in Patent Documents 1 to 5 described above are applied to such lead-free piezoelectric ceramics, high piezoelectric characteristics that are not conventionally obtained cannot be obtained. In addition, there has never been an example in which a polarization method that positively uses such characteristics has been proposed for piezoelectric ceramics having two crystal states of orthorhombic and tetragonal depending on temperature.

本発明が解決しようとする課題は、温度を下げるに伴い、その結晶構造が立方晶、正方晶、斜方晶へと変化する圧電セラミックスにおいて、分極度を安定に増大、飽和させることが可能な圧電セラミックスの製造方法を提供することにある。   The problem to be solved by the present invention is that the degree of polarization can be stably increased and saturated in a piezoelectric ceramic whose crystal structure changes to cubic, tetragonal or orthorhombic as the temperature is lowered. The object is to provide a method of manufacturing a piezoelectric ceramic.

上記課題を解決するために本発明に係る圧電セラミックスの製造方法は、高温で立方晶の結晶構造を有し、温度を下げると正方晶、斜方晶へと可逆的に相転移する圧電セラミックスを、正方晶となる温度領域において第1の分極処理を行う第1工程と、前記圧電セラミックスを、斜方晶となる温度領域において、かつ、前記第1の分極処理と同一方向に第2の分極処理を行う第2工程とを備えていることを要旨とする。   In order to solve the above problems, a method for manufacturing a piezoelectric ceramic according to the present invention comprises a piezoelectric ceramic having a cubic crystal structure at a high temperature and reversibly phase-converting into a tetragonal crystal and an orthorhombic crystal when the temperature is lowered. A first step of performing a first polarization treatment in a temperature region that becomes a tetragonal crystal, and a second polarization in the temperature region that becomes an orthorhombic crystal and in the same direction as the first polarization treatment. And a second step for performing the processing.

温度を下げるに伴い、結晶構造が立方晶、正方晶、及び斜方晶へと変化する圧電セラミックスにおいて、正方晶領域で第1の分極処理を行い、次いで斜方晶領域で第2の分極処理を行うと、分極度を安定に増大、飽和させることができる。これは、(1)正方晶領域で分極処理することによって自発分極の方向が電界方向に揃えられること、(2)このような圧電セラミックスを斜方晶領域まで冷却することによって、ドメイン構造の再構築が起こり、その際に斜方晶領域における180°ドメイン反転成分が新たに生成すること、及び、(3)新たに生成した180°ドメイン反転成分の自発分極の方向が、斜方晶領域における分極処理によって電界方向に揃えられること、によると考えられる。   In a piezoelectric ceramic whose crystal structure changes to cubic, tetragonal and orthorhombic as the temperature is lowered, the first polarization treatment is performed in the tetragonal region, and then the second polarization treatment is performed in the orthorhombic region. By performing the above, the degree of polarization can be stably increased and saturated. This is because (1) the direction of spontaneous polarization is aligned with the electric field direction by polarization treatment in the tetragonal region, and (2) the domain structure is regenerated by cooling such piezoelectric ceramics to the orthorhombic region. And a new 180 ° domain inversion component in the orthorhombic region is generated, and (3) the direction of spontaneous polarization of the newly generated 180 ° domain inversion component is in the orthorhombic region. This is considered to be due to the alignment in the electric field direction by the polarization treatment.

以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。初めに、本発明が適用される圧電セラミックスについて説明する。本発明が適用される圧電セラミックスは、少なくとも、高温で立方晶の結晶構造を有し、温度を下げると正方晶、斜方晶へと可逆的に相転移するものであれば良く、その組成は、特に限定されるものではない。具体的には、(K、Na)NbO、BaTiO等、並びに、これらの陽イオン元素の一部が他の陽イオン元素で置換されたものが好適な一例として挙げられる。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail. First, a piezoelectric ceramic to which the present invention is applied will be described. The piezoelectric ceramic to which the present invention is applied may be any material as long as it has a cubic crystal structure at a high temperature and reversibly transforms into a tetragonal crystal and an orthorhombic crystal when the temperature is lowered. There is no particular limitation. Specifically, (K, Na) NbO 3 , BaTiO 3 and the like, and those in which some of these cationic elements are substituted with other cationic elements are listed as suitable examples.

これらの中でも、次の(1)式で表される化合物(以下、「KNN系化合物」という)は、相対的に高い圧電特性を示し、しかも、本発明に係る方法を適用することによって圧電特性が大幅に向上するので、特に好適である。また、正方晶から斜方晶への相転移温度は−50℃〜200℃の温度領域にあるが、特に室温での特性が高いものは、0℃〜100℃の温度領域、さらには、約30℃〜100℃の温度領域にあるので、2段階の分極処理を比較的容易に行えるという利点がある。さらに、(1)式で表されるKNN系化合物の内、室温で特性が高いものは、100℃〜150℃の温度領域においては正方晶の結晶構造を取る。   Among these, a compound represented by the following formula (1) (hereinafter referred to as “KNN compound”) exhibits relatively high piezoelectric characteristics, and furthermore, by applying the method according to the present invention, piezoelectric characteristics can be obtained. Is particularly preferable. Further, the phase transition temperature from tetragonal to orthorhombic is in the temperature range of −50 ° C. to 200 ° C., but particularly those having high properties at room temperature are in the temperature range of 0 ° C. to 100 ° C. Since it exists in the temperature range of 30 degreeC-100 degreeC, there exists an advantage that a two-step polarization process can be performed comparatively easily. Furthermore, among the KNN compounds represented by the formula (1), those having high characteristics at room temperature have a tetragonal crystal structure in the temperature range of 100 ° C to 150 ° C.

{Li(K1−yNa)1−x}{Nb1−z−wTaSb}O ・・・(1)
(但し、0≦x≦0.2、0≦y≦1、0≦z≦0.4、0≦w≦0.2、
x+z+w>0)
{Li x (K 1-y Na y) 1-x} {Nb 1-z-w Ta z Sb w} O 3 ··· (1)
(However, 0 ≦ x ≦ 0.2, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 0.4, 0 ≦ w ≦ 0.2,
x + z + w> 0)

(1)式に示すKNN系化合物は、等方性ペロブスカイト型化合物の一種であるニオブ酸カリウムナトリウム(K1−yNaNbO:KNN)を基本組成とし、Aサイト元素(K、Na)の一部が所定量のLiで置換され、並びに/又は、Bサイト元素(Nb)の一部が所定量のTa及び/若しくはSbで置換されたものからなる。(1)式において、「x+z+w>0」は、置換元素として、Li、Ta及びSbの内の少なくとも1つが含まれていればよいことを示す。 The KNN compound represented by the formula (1) is composed of potassium sodium niobate (K 1-y Na y NbO 3 : KNN), which is a kind of isotropic perovskite compound, and has an A site element (K, Na). Is replaced with a predetermined amount of Li and / or a part of the B site element (Nb) is replaced with a predetermined amount of Ta and / or Sb. In the formula (1), “x + z + w> 0” indicates that at least one of Li, Ta, and Sb may be included as a substitution element.

また、(1)式において、「y」は、KNN系化合物に含まれるKとNaの比を表す。KNN系化合物は、Aサイト元素として、K又はNaの少なくとも一方が含まれていればよい。すなわち、KとNaの比yは、特に限定されるものではなく、0以上1以下の任意の値を取ることができる。高い圧電特性等を得るためには、yの値は、好ましくは、0.05以上0.75未満、さらに好ましくは、0.20以上0.70以下、さらに好ましくは、0.35以上0.65以下、さらに好ましくは、0.40以上0.60以下、さらに好ましくは、0.42以上0.60以下である。   In the formula (1), “y” represents the ratio of K and Na contained in the KNN compound. The KNN compound only needs to contain at least one of K or Na as the A site element. That is, the ratio y between K and Na is not particularly limited, and can take any value between 0 and 1. In order to obtain high piezoelectric characteristics and the like, the value of y is preferably 0.05 or more and less than 0.75, more preferably 0.20 or more and 0.70 or less, and further preferably 0.35 or more and 0.00. 65 or less, more preferably 0.40 or more and 0.60 or less, and still more preferably 0.42 or more and 0.60 or less.

「x」は、Aサイト元素であるK及び/又はNaを置換するLiの置換量を表す。K及び/又はNaの一部をLiで置換すると、圧電特性等の向上、キュリー温度の上昇、及び/又は緻密化の促進という効果が得られる。xの値は、具体的には、0以上0.2以下が好ましい。xの値が0.2を越えると、圧電特性(圧電d31定数、電気機械結合係数k、圧電g31定数等)が低下するので好ましくない。xの値は、好ましくは、0以上0.15以下であり、さらに好ましくは、0以上0.10以下である。 “X” represents a substitution amount of Li for substituting K and / or Na which are A site elements. Replacing a part of K and / or Na with Li provides the effect of improving the piezoelectric characteristics, increasing the Curie temperature, and / or promoting densification. Specifically, the value of x is preferably 0 or more and 0.2 or less. If the value of x exceeds 0.2, the piezoelectric properties (piezoelectric d 31 constant, electromechanical coupling coefficient k p , piezoelectric g 31 constant, etc.) are not preferable. The value of x is preferably 0 or more and 0.15 or less, and more preferably 0 or more and 0.10 or less.

「z」は、Bサイト元素であるNbを置換するTaの置換量を表す。Nbの一部をTaで置換すると、圧電特性等の向上という効果が得られる。zの値は、具体的には、0以上0.4以下が好ましい。zの値が0.4を越えると、キュリー温度が低下し、家電や自動車用の圧電材料としての利用が困難になるので好ましくない。zの値は、好ましくは、0以上0.35以下であり、さらに好ましくは、0以上0.30以下である。   “Z” represents the amount of Ta substituted for Nb which is a B-site element. If a part of Nb is replaced with Ta, an effect of improving the piezoelectric characteristics and the like can be obtained. Specifically, the value of z is preferably 0 or more and 0.4 or less. If the value of z exceeds 0.4, the Curie temperature is lowered, and it becomes difficult to use as a piezoelectric material for home appliances and automobiles. The value of z is preferably 0 or more and 0.35 or less, and more preferably 0 or more and 0.30 or less.

さらに、「w」は、Bサイト元素であるNbを置換するSbの置換量を表す。Nbの一部をSbで置換すると、圧電特性等の向上という効果が得られる。wの値は、具体的には、0以上0.2以下が好ましい。wの値が0.2を越えると、圧電特性、及び/又はキュリー温度が低下するので好ましくない。wの値は、好ましくは、0以上0.15以下であり、さらに好ましくは、0以上0.10以下である。   Further, “w” represents the substitution amount of Sb that substitutes Nb, which is a B site element. If a part of Nb is replaced with Sb, an effect of improving the piezoelectric characteristics and the like can be obtained. Specifically, the value of w is preferably 0 or more and 0.2 or less. If the value of w exceeds 0.2, the piezoelectric characteristics and / or the Curie temperature are lowered, which is not preferable. The value of w is preferably 0 or more and 0.15 or less, and more preferably 0 or more and 0.10 or less.

なお、(1)式で示されるKNN系化合物からなる圧電セラミックスは、それのみからなることが望ましいが、等方性ペロブスカイト型の結晶構造を維持でき、かつ、焼結特性、圧電特性等の諸特性に悪影響を及ぼさないものである限り、他の元素又は他の相が含まれていても良い。   Note that the piezoelectric ceramic composed of the KNN compound represented by the formula (1) is preferably composed only of this, but it can maintain an isotropic perovskite type crystal structure, and various properties such as sintering characteristics and piezoelectric characteristics can be maintained. Other elements or other phases may be included as long as they do not adversely affect the properties.

このような「他の元素」としては、具体的には、KNN系化合物のAサイト元素を置換する他の1価の陽イオン元素(例えば、Ag、Cs等)、第1のKNN系化合物のBサイト元素を置換する他の5価の陽イオン元素(例えば、V5+、Re5+等)等が一例として挙げられる。また、KNN系化合物のAサイト元素を置換する他の2価の陽イオン元素(例えば、Ca2+、Sr2+等)と空孔による組み合わせによって置換することも別の例である。 As such “other elements”, specifically, other monovalent cation elements (eg, Ag + , Cs +, etc.) that replace the A site element of the KNN compound, the first KNN system Other pentavalent cation elements (for example, V 5+ , Re 5+ etc.) that replace the B site element of the compound are listed as an example. Another example is substitution by a combination of other divalent cation elements (for example, Ca 2+ , Sr 2+, etc.) that substitute the A site element of the KNN compound and vacancies.

また、Aサイト元素及びBサイト元素を置換する「他の元素」は、これらの価数の和が6価になる組み合わせであっても良い。具体的には、Ba2+とTi4+の組み合わせ、Sr2+とTi4+の組み合わせ、Ca2+とTi4+の組み合わせ等が一例として挙げられる。また、Bサイト元素を置換する「他の元素」として、6価の金属元素(例えば、W6+、Mo6+等)のみが含まれていても良い。この場合、陽イオン元素全体の価数が6価となるように、Aサイトには欠陥が形成されることになる。 Further, the “other element” that replaces the A site element and the B site element may be a combination in which the sum of these valences becomes hexavalent. Specific examples include a combination of Ba 2+ and Ti 4+, a combination of Sr 2+ and Ti 4+, a combination of Ca 2+ and Ti 4+ , and the like. Moreover, only “hexavalent metal elements (for example, W 6+ , Mo 6+ etc.)” may be included as “other elements” for replacing the B site element. In this case, defects are formed at the A site so that the valence of the entire cation element is hexavalent.

さらに、「他の相」としては、具体的には、製造方法や使用する出発原料に起因する添加物、焼結助剤、副生成物、不純物等(例えば、Bi、CuO、MnO、NiO等)が一例として挙げられる。圧電特性等に悪影響を及ぼすおそれのある他の元素又は他の相の含有量は、少ないほど良い。 Furthermore, as the “other phase”, specifically, additives, sintering aids, by-products, impurities, etc. (for example, Bi 2 O 3 , CuO, MnO, etc. resulting from the production method and starting materials used) 2 , NiO, etc.). The smaller the content of other elements or other phases that may adversely affect the piezoelectric characteristics or the like, the better.

本発明が適用される圧電セラミックスは、各結晶粒が無配向であっても良く、あるいは、特定の結晶面が一方向に配向していても良い。但し、本発明が適用される圧電セラミックスは、特定の結晶面が一方向に配向している場合に特に効果が大きい。ここで、「特定の結晶面が配向している」とは、圧電セラミックスを構成する化合物の特定の結晶面が互いに平行になるように、各結晶粒が配列していること(以下、このような状態を「面配向」という。)、又は、特定の結晶面が焼結体を貫通する1つの軸に対して平行になるように、各結晶粒が配列していること(以下、このような状態を「軸配向」という。)の双方を意味する。   In the piezoelectric ceramic to which the present invention is applied, each crystal grain may be non-oriented, or a specific crystal plane may be oriented in one direction. However, the piezoelectric ceramic to which the present invention is applied is particularly effective when a specific crystal plane is oriented in one direction. Here, “the specific crystal plane is oriented” means that the crystal grains are arranged so that the specific crystal planes of the compound constituting the piezoelectric ceramic are parallel to each other (hereinafter referred to as this The crystal grains are arranged so that a specific crystal plane is parallel to one axis penetrating the sintered body (hereinafter referred to as such). Is called “axial orientation”).

配向している結晶面の種類は、特に限定されるものではなく、圧電セラミックスを構成する化合物の自発分極の方向、結晶配向セラミックスの用途、要求特性等に応じて、選択される。   The type of crystal plane being oriented is not particularly limited, and is selected according to the direction of spontaneous polarization of the compound constituting the piezoelectric ceramic, the use of the crystal oriented ceramic, the required characteristics, and the like.

例えば、圧電セラミックスが等方性ペロブスカイト型化合物からなる場合、配向している結晶面は、擬立方{100}面、擬立方{110}面、擬立方{111}面等、目的に合わせて選択される。なお、「擬立方{HKL}」とは、一般に、等方性ペロブスカイト型化合物は、正方晶、斜方晶、三方晶など、立方晶からわずかに歪んだ構造を取るが、その歪は僅かであるので、立方晶とみなしてミラー指数表示することを意味する。   For example, when the piezoelectric ceramic is made of an isotropic perovskite type compound, the oriented crystal plane is selected according to the purpose, such as pseudo cubic {100} plane, pseudo cubic {110} plane, pseudo cubic {111} plane, etc. Is done. In addition, “pseudocubic {HKL}” is generally an isotropic perovskite type compound having a structure slightly distorted from cubic such as tetragonal, orthorhombic, and trigonal, but the distortion is slight. This means that it is regarded as a cubic crystal and displayed as a Miller index.

また、特定の結晶面が面配向している場合において、面配向の程度は、次の数1の式で表されるロットゲーリング(Lotgering)法による平均配向度F(HKL)で表すことができる。   Further, when a specific crystal plane is plane-oriented, the degree of plane orientation can be represented by an average degree of orientation F (HKL) by the Lotgering method expressed by the following equation (1). .

Figure 2005228865
Figure 2005228865

なお、数1の式において、ΣI(hkl)は、結晶配向セラミックスについて測定されたすべての結晶面(hkl)のX線回折強度の総和であり、ΣI(hkl)は、結晶配向セラミックスと同一組成を有する無配向セラミックスについて測定されたすべての結晶面(hkl)のX線回折強度の総和である。また、Σ'I(HKL)は、結晶配向セラミックスについて測定された結晶学的に等価な特定の結晶面(HKL)のX線回折強度の総和であり、Σ'I(HKL)は、結晶配向セラミックスと同一組成を有する無配向セラミックスについて測定された結晶学的に等価な特定の結晶面(HKL)のX線回折強度の総和である。 In Equation 1, ΣI (hkl) is the sum of X-ray diffraction intensities of all crystal planes (hkl) measured for the crystal oriented ceramics, and ΣI 0 (hkl) is the same as that for the crystal oriented ceramics. It is the sum total of X-ray diffraction intensities of all crystal planes (hkl) measured for non-oriented ceramics having a composition. Σ′I (HKL) is the sum of X-ray diffraction intensities of crystallographically equivalent specific crystal planes (HKL) measured for crystal-oriented ceramics, and Σ′I 0 (HKL) is the crystal It is the sum total of X-ray diffraction intensities of specific crystal planes (HKL) crystallographically equivalent measured for non-oriented ceramics having the same composition as oriented ceramics.

従って、多結晶体を構成する各結晶粒が無配向である場合には、平均配向度F(HKL)は0%となる。また、多結晶体を構成するすべての結晶粒の(HKL)面が測定面に対して平行に配向している場合には、平均配向度F(HKL)は100%となる。   Therefore, when the crystal grains constituting the polycrystal are non-oriented, the average degree of orientation F (HKL) is 0%. Further, when the (HKL) planes of all the crystal grains constituting the polycrystal are oriented parallel to the measurement plane, the average degree of orientation F (HKL) is 100%.

一般に、配向している結晶粒の割合が多くなる程、高い圧電特性が得られる。例えば、特定の結晶面を面配向させる場合において、高い圧電特性を得るためには、数1の式で表されるロットゲーリング(Lotgering)法による平均配向度F(HKL)は、30%以上が好ましく、さらに好ましくは、50%以上である。この場合、配向させる特定の結晶面は、分極軸に垂直な面が好ましい。例えば、圧電セラミックスが(1)式で表されるKNN系化合物からなる場合、配向させる特定の結晶面は、擬立方{100}面が好ましい。   In general, the higher the proportion of oriented crystal grains, the higher the piezoelectric properties. For example, in the case where a specific crystal plane is plane-oriented, in order to obtain high piezoelectric characteristics, the average orientation degree F (HKL) by the Lotgering method expressed by the formula 1 is 30% or more. Preferably, it is 50% or more. In this case, the specific crystal plane to be oriented is preferably a plane perpendicular to the polarization axis. For example, when the piezoelectric ceramic is made of a KNN compound represented by the formula (1), the specific crystal plane to be oriented is preferably a pseudo-cubic {100} plane.

なお、特定の結晶面を軸配向させる場合には、その配向の程度は、面配向と同様の配向度(数1の式)では定義できない。しかしながら、配向軸に垂直な面に対してX線回折を行った場合の(HKL)回折に関するLotgering法による平均配向度(以下、これを「軸配向度」という。)を用いて、軸配向の程度を表すことができる。また、特定の結晶面がほぼ完全に軸配向している成形体の軸配向度は、特定の結晶面がほぼ完全に面配向している成形体について測定された軸配向度と同程度になる。   When a specific crystal plane is axially oriented, the degree of orientation cannot be defined by the same degree of orientation (formula 1) as the plane orientation. However, the average orientation degree (hereinafter referred to as “axial orientation degree”) by the Rotgering method for (HKL) diffraction when X-ray diffraction is performed on a plane perpendicular to the orientation axis is used to determine the axial orientation. The degree can be expressed. In addition, the degree of axial orientation of the molded body in which the specific crystal plane is almost completely axially oriented is the same as the degree of axial orientation measured for the molded body in which the specific crystal plane is almost completely plane-oriented. .

特定の結晶面が一方向に配向した圧電セラミックスは、(1)その発達面(最も面積の広い面)が目的とする圧電セラミックスの特定の結晶面と格子整合性を有する異方形状粉末と、この異方形状粉末と反応し又は反応することなく目的とする圧電セラミックスとなる第2の粉末とを混合し、(2)異方形状粉末が一方向に配向するように成形し、さらに、(3)得られた成形体を所定の温度で焼成すること、により得られる。   Piezoelectric ceramics in which a specific crystal plane is oriented in one direction are: (1) An anisotropic shaped powder having lattice matching with a specific crystal plane of the target piezoelectric ceramic whose development plane (surface with the largest area); The anisotropic powder is reacted with or without reacting with the second powder to be the target piezoelectric ceramic, and (2) is molded so that the anisotropic powder is oriented in one direction. 3) It is obtained by firing the obtained molded body at a predetermined temperature.

所定の条件を満たす異方形状粉末を含む原料を、ドクターブレード法、押出成形法等を用いて成形すると、成形時に作用する剪断力によって異方形状粉末が一方向に配向する。このような成形体を焼成すると、異方形状粉末の発達面が目的とする圧電セラミックスの特定の結晶面として承継される。そのため、特定の結晶面が一方向に配向した結晶配向セラミックスが得られる。   When a raw material containing an anisotropically shaped powder that satisfies a predetermined condition is molded using a doctor blade method, an extrusion molding method, or the like, the anisotropically shaped powder is oriented in one direction by a shearing force acting during molding. When such a compact is fired, the development surface of the anisotropically shaped powder is inherited as a specific crystal surface of the target piezoelectric ceramic. Therefore, a crystallographically-oriented ceramic in which a specific crystal plane is oriented in one direction is obtained.

例えば、(1)式で表されるKNN系化合物からなる結晶配向セラミックスは、異方形状粉末として、擬立方{100}面を発達面とする(K、Na)NbO(KNN)板状粉末を用い、これに対してLi、Sb及び/又はTaを含む酸化物、水酸化物、塩類等からなる第2の粉末を化学量論比となるように混合したものを出発原料として用い、これを成形・焼成することによって作製することができる。 For example, a crystallographically-oriented ceramic composed of a KNN-based compound represented by the formula (1) is an anisotropic shaped powder, and a (K, Na) NbO 3 (KNN) plate-like powder having a pseudo cubic {100} plane as a development plane On the other hand, a mixture of a second powder composed of an oxide, hydroxide, salt or the like containing Li, Sb and / or Ta so as to have a stoichiometric ratio is used as a starting material. Can be produced by molding and baking.

また、KNN板状粉末は、以下のような方法により製造することができる。すなわち、まず、フラックス法を用いて次の(2)式で表されるビスマス層状ペロブスカイト型化合物からなり、かつその発達面が{001}面からなる板状粉末を合成する。なお、{001}面を発達面とするビスマス層状ペロブスカイト型化合物の板状粉末は、その発達面がKNNの擬立方{100}面と良好な格子整合性を有しているので、擬立方{100}面を発達面とするKNN板状粉末を合成するためのテンプレートとして機能する。   Further, the KNN plate-like powder can be produced by the following method. That is, first, a plate-like powder composed of a bismuth layered perovskite type compound represented by the following formula (2) and having a development plane of {001} is synthesized using a flux method. The plate-like powder of the bismuth layered perovskite type compound having the {001} plane as the development plane has a good lattice matching with the KNN pseudocubic {100} plane, so that the pseudocubic { It functions as a template for synthesizing KNN plate-like powder having a 100} plane as a development plane.

(Bi)2+(Bi0.5AMm−1Nb3m+1)2− ・・・(2)
(但し、mは2以上の整数、AMはLi、K及びNaから選ばれる少なくとも1つのアルカリ金属元素)
(Bi 2 O 2 ) 2+ (Bi 0.5 AM m-1 Nb m O 3m + 1 ) 2- (2)
(Where m is an integer of 2 or more, AM is at least one alkali metal element selected from Li, K and Na)

次いで、この板状粉末から(K、Na)NbO板状粉末とBiが生成するように、板状粉末に対してK及び/又はNaを含む化合物を加え、フラックス中で反応させる。反応終了後、フラックスを除去し、さらに余剰成分であるBiを酸等で溶解させるか、あるいは、揮発させることにより、擬立方{100}面を発達面とし、かつ(K、Na)NbOからなる板状粉末が得られる。 Next, a compound containing K and / or Na is added to the plate-like powder so that (K, Na) NbO 3 plate-like powder and Bi 2 O 3 are produced from this plate-like powder, and reacted in the flux. . After completion of the reaction, the flux is removed, and the excess component Bi 2 O 3 is dissolved in an acid or the like or volatilized to make the pseudo-cubic {100} plane a development plane, and (K, Na) A plate-like powder composed of NbO 3 is obtained.

次に、本発明の第1の実施の形態に係る圧電セラミックスの製造方法について説明する。本実施の形態に係る圧電セラミックスの製造方法は、第1工程と、第2工程とを備えている。   Next, a method for manufacturing the piezoelectric ceramic according to the first embodiment of the present invention will be described. The method for manufacturing a piezoelectric ceramic according to the present embodiment includes a first step and a second step.

初めに、第1工程について説明する。第1工程は、高温で立方晶の結晶構造を有し、温度を下げると正方晶、斜方晶へと可逆的に相転移する圧電セラミックスを、正方晶となる温度領域において第1の分極処理を行う工程である。   First, the first step will be described. In the first step, a piezoelectric ceramic that has a cubic crystal structure at a high temperature and reversibly undergoes phase transition to tetragonal or orthorhombic when the temperature is lowered is subjected to a first polarization treatment in a temperature region that becomes tetragonal. It is a process of performing.

第1工程における分極方法は、特に限定されるものではなく、種々の方法を用いることができる。分極処理は、一般に、円盤状に加工した焼結体の上下面にAu電極をスパッタによりコーティングするなどの方法により電極を構成し、所定の温度に加熱された絶縁シリコンオイル中において、所定の直流電界を所定時間印加することにより行われる。第1工程においては、このような方法を用いて分極処理を行っても良く、あるいは、圧電セラミックスを十分に分極させることができる限り、他の方法を用いても良い。   The polarization method in the first step is not particularly limited, and various methods can be used. In the polarization treatment, generally, electrodes are formed by a method such as coating Au electrodes on the upper and lower surfaces of a sintered body processed into a disk shape by sputtering, and a predetermined direct current is applied in an insulating silicon oil heated to a predetermined temperature. This is done by applying the field for a predetermined time. In the first step, the polarization treatment may be performed using such a method, or another method may be used as long as the piezoelectric ceramic can be sufficiently polarized.

第1工程における分極温度Tは、少なくとも圧電セラミックスが正方晶の結晶構造を取る温度であれば良い。具体的な分極温度Tは、圧電セラミックスの組成、分極方法、要求特性等に応じて、最適な温度を選択する。一般に、分極温度Tが高くなるほど、作業性は低下するが、結晶格子が変形しやすくなるので、分極処理が容易化する。 Polarization temperatures T 1 in the first step may be a temperature of at least piezoelectric ceramics takes a tetragonal crystal structure. The specific polarization temperature T 1 is selected as an optimum temperature according to the composition of the piezoelectric ceramic, the polarization method, the required characteristics, and the like. In general, the higher the polarization temperature T 1 is increased, but decreases the workability, the crystal lattice is easily deformed, polarization treatment is facilitated.

例えば、圧電セラミックスが(1)式で表されるKNN系化合物からなる場合、斜方晶→正方晶転移点は、その組成によって異なり、−50℃〜200℃まで変化する。この場合、第1工程における分極温度Tは、少なくとも、この相転移点より高い温度であれば良い。また、一般に、高温になるほど、格子変形が容易となるので、斜方晶→正方晶転移温度より高い温度で、且つキュリー温度(正方晶→立方晶の相転移温度)を超えない範囲でより高い温度で分極処理することが好ましい。一方、分極温度Tが高くなりすぎると、作業性が低下するので好ましくない。特に、絶縁シリコンオイル中で分極処理を行う場合には、第1工程における分極温度Tは、180℃以下が好ましく、さらに好ましくは、150℃以下、さらに好ましくは、130℃以下である。 For example, when the piezoelectric ceramic is made of a KNN compound represented by the formula (1), the orthorhombic to tetragonal transition point varies depending on the composition and changes from −50 ° C. to 200 ° C. In this case, the polarization temperatures T 1 in the first step, at least, may be a temperature higher than the phase transition point. In general, the higher the temperature, the easier the lattice deformation becomes, so the temperature is higher than the orthorhombic → tetragonal transition temperature and higher than the Curie temperature (tetragonal → cubic phase transition temperature). It is preferable to perform polarization treatment at temperature. On the other hand, when the polarization temperature T 1 is too high, because the workability is lowered undesirably. In particular, when the polarization treatment is performed in insulating silicon oil, the polarization temperature T 1 in the first step is preferably 180 ° C. or lower, more preferably 150 ° C. or lower, and further preferably 130 ° C. or lower.

分極時に印加する直流電界の大きさは、圧電セラミックスの組成、要求特性、分極温度等に応じて、最適な大きさを選択する。一般に、分極時の直流電界が大きくなるほど、高い分極度が得られるが、直流電界が大きくなりすぎると、分極時に発生する歪によって圧電セラミックスに亀裂が入るおそれがある。高い圧電特性を得るためには、直流電界は、圧電セラミックスが正方晶領域において飽和分極し、かつ圧電セラミックスに亀裂が入らない大きさとするのが好ましい。   The magnitude of the DC electric field applied during polarization is selected in accordance with the composition, required characteristics, polarization temperature, etc. of the piezoelectric ceramic. In general, the higher the DC electric field at the time of polarization, the higher the degree of polarization can be obtained. However, if the DC electric field becomes too large, there is a risk that the piezoelectric ceramic will be cracked by strain generated at the time of polarization. In order to obtain high piezoelectric characteristics, it is preferable that the direct current electric field has such a magnitude that the piezoelectric ceramic is saturatedly polarized in the tetragonal region and does not crack.

第1工程における分極処理は、特定の温度において、特定の大きさの直流電界を印加する処理を1回だけ行うものであっても良く、あるいは、同一又は異なる温度において、同一又は異なる大きさの直流電界を印加する処理を複数回行うものであっても良い。高い圧電特性を得るためには、圧電セラミックスが飽和分極するまで、同一又は異なる温度において、複数回の分極処理を行うのが好ましい。   The polarization process in the first step may be a process in which a DC electric field having a specific magnitude is applied only once at a specific temperature, or the same or different magnitude at the same or different temperature. You may perform the process which applies a DC electric field in multiple times. In order to obtain high piezoelectric characteristics, it is preferable to perform a plurality of polarization processes at the same or different temperatures until the piezoelectric ceramics are saturated and polarized.

また、複数回の分極処理を行う場合、各分極処理時の直流電界の大きさは、同一であっても良く、あるいは、異なっていても良い。特に、最初に低い直流電界で分極処理を行い、順次、直流電界の大きさを増大させて分極処理する方法を用いると、圧電セラミックスに亀裂を生じさせることなく、飽和分極させることが容易化する。この方法は、飽和分極させるために必要な条件が未知である場合に、特に有効な方法である。   In addition, when performing polarization processing a plurality of times, the magnitude of the DC electric field at the time of each polarization processing may be the same or different. In particular, if polarization is first applied with a low DC electric field, and then the polarization is applied by sequentially increasing the magnitude of the DC electric field, saturation polarization can be facilitated without causing cracks in the piezoelectric ceramic. . This method is particularly effective when conditions necessary for saturation polarization are unknown.

直流電界を印加する時間は、特に限定されるものではなく、圧電セラミックスの組成、形状、要求特性等に応じて、最適な時間を選択する。直流電界を印加する時間は、与えられた分極温度及び直流電界の条件下において、ドメイン回転が完了するような時間であれば良い。通常は、数分〜数十分程度、代表的には10分間程度である。   The time for applying the DC electric field is not particularly limited, and an optimum time is selected according to the composition, shape, required characteristics, etc. of the piezoelectric ceramic. The time for applying the DC electric field may be a time for completing the domain rotation under the conditions of the given polarization temperature and DC electric field. Usually, it is about several minutes to several tens of minutes, typically about 10 minutes.

第1の分極処理時における直流電界を印加する方向は、特に限定されるものではなく、圧電セラミックスの組成、形状、要求特性等に応じて、最適な方向を選択する。但し、圧電セラミックスが結晶配向セラミックスからなる場合には、直流電界は、最大の圧電特性が得られるように、配向の態様、配向している特定の結晶面の種類等に応じて、最適な方向を選択する。基本的には、大きな伸びが期待できる結晶方位と同じ方向に分極するのが好ましい。
例えば、圧電セラミックスが(1)式で表されるKNN系化合物からなり、かつ擬立方{100}面が面配向した結晶配向セラミックスである場合において、主として圧電縦効果を利用するときには、直流電界は、擬立方{100}面が配向している面に対して垂直方向に印加するのが好ましい。一方、主として圧電横効果を利用するときには、その用途により、直流電界は、擬立方{100}面が配向している面に対して垂直方向乃至は平行方向に印加するのが好ましい。
ここで、「垂直方向」とは、特定の結晶面が配向している配向面に対して完全に垂直である場合のみを意味するものではなく、分極方向と配向面に対して垂直方向との間に若干のずれがあっても良いことを意味する。すなわち、180℃ドメイン反転を引き出すことができる限り、両者の間にずれがあっても良い。180℃ドメイン反転を効率よく引き出すためには、両者のずれの角度は、45°以下が好ましく、さらに好ましくは、30°以下である。この点は、「平行方向」も同様である。
The direction in which the direct current electric field is applied during the first polarization treatment is not particularly limited, and an optimum direction is selected according to the composition, shape, required characteristics, and the like of the piezoelectric ceramic. However, when the piezoelectric ceramic is made of crystal-oriented ceramics, the direct current electric field has an optimum direction depending on the orientation mode, the type of specific crystal plane being oriented, etc., so that the maximum piezoelectric characteristics can be obtained. Select. Basically, it is preferable to polarize in the same direction as the crystal orientation in which large elongation can be expected.
For example, when the piezoelectric ceramic is made of a KNN-based compound represented by the formula (1) and is a crystal-oriented ceramic in which the pseudo-cubic {100} plane is plane-oriented, when the piezoelectric longitudinal effect is mainly used, the direct current electric field is It is preferable to apply in a direction perpendicular to the plane on which the pseudo cubic {100} plane is oriented. On the other hand, when the piezoelectric lateral effect is mainly used, the DC electric field is preferably applied in a direction perpendicular to or parallel to the plane in which the pseudo cubic {100} plane is oriented depending on the application.
Here, the “vertical direction” does not mean only when the specific crystal plane is completely perpendicular to the orientation plane in which the crystal plane is oriented, but between the polarization direction and the direction perpendicular to the orientation plane. It means that there may be some gap between them. That is, as long as 180 degreeC domain inversion can be pulled out, there may be a gap between them. In order to efficiently bring out 180 ° C. domain inversion, the angle of deviation between the two is preferably 45 ° or less, and more preferably 30 ° or less. This also applies to the “parallel direction”.

次に、第2工程について説明する。第2工程は、正方晶領域で第1の分極処理が行われた圧電セラミックスに対し、さらに斜方晶となる温度領域において、かつ、第1の分極処理と同一方向に第2の分極処理を行う工程である。   Next, the second step will be described. In the second step, the second polarization treatment is performed on the piezoelectric ceramic that has been subjected to the first polarization treatment in the tetragonal region in the temperature region that is further orthorhombic and in the same direction as the first polarization treatment. It is a process to be performed.

第2工程における分極方法は、特に限定されるものではない。分極処理は、第1工程と同様に、所定の温度に加熱された絶縁シリコンオイル中で直流電界を印加する方法を用いても良く、あるいは、圧電セラミックスを十分に分極させることができる限り、他の方法を用いても良い。   The polarization method in the second step is not particularly limited. As in the first step, the polarization treatment may use a method in which a DC electric field is applied in insulating silicon oil heated to a predetermined temperature, or any other method as long as the piezoelectric ceramic can be sufficiently polarized. The method may be used.

第2工程における分極温度Tは、少なくとも圧電セラミックスが斜方晶の結晶構造を取る温度であれば良い。具体的な分極温度Tは、圧電セラミックスの組成、分極方法等に応じて、最適な温度を選択する。 Polarization temperature T 2 in the second step may be a temperature of at least piezoelectric ceramics take orthorhombic crystal structure. Specific polarization temperature T 2, the composition of the piezoelectric ceramic, depending on the polarization method or the like, to select an optimum temperature.

例えば、圧電セラミックスが(1)式で表されるKNN系化合物からなる場合、分極温度Tは、少なくとも斜方晶→正方晶転移点より低い温度であれば良い。(1)式で表される化合物の斜方晶→正方晶転移点は−50℃〜200℃の温度領域にあるが、特に室温での特性が高いものは、0℃〜100℃の温度範囲、さらには、約30℃〜100℃の温度範囲にある。一方、第2工程における分極温度Tは、室温(25℃)より低くても良いが、分極温度Tが低くなりすぎると、格子変形がしにくくなるので好ましくない。また、絶縁シリコンオイル中で分極処理を行う場合において、分極温度Tが低くなりすぎると、大気中の水分が絶縁シリコンオイル中に混入し、絶縁性が保たれなくなるおそれがある。従って、このような場合には、第2工程における分極温度Tは、10℃以上が好ましい。 For example, if composed of KNN-based compound piezoelectric ceramic is represented by (1), the polarization temperature T 2 may be a temperature lower than at least orthorhombic → tetragonal transition temperature. The orthorhombic to tetragonal transition point of the compound represented by the formula (1) is in the temperature range of −50 ° C. to 200 ° C., but those having particularly high characteristics at room temperature are in the temperature range of 0 ° C. to 100 ° C. Furthermore, it exists in the temperature range of about 30 degreeC-100 degreeC. On the other hand, the polarization temperature T 2 in the second step may be lower than room temperature (25 ° C.), but if the polarization temperature T 2 is too low, lattice deformation is difficult to occur, which is not preferable. Also, when performing the polarization treatment in insulating silicone oil in, when the polarization temperature T 2 becomes too low, moisture in the atmosphere is mixed into the insulating silicone oil, there is a possibility that insulation can not be maintained. Therefore, in such a case, the polarization temperature T 2 in the second step is preferably at least 10 ° C..

分極時に印加する直流電界の大きさは、圧電セラミックスの組成、要求特性、分極温度等に応じて、最適な大きさを選択する。一般に、分極時の直流電界が大きくなるほど、高い分極度が得られるが、直流電界が大きくなりすぎると、分極時の歪によって圧電セラミックスに亀裂が入るおそれがある。高い圧電特性を得るためには、直流電界は、圧電セラミックスが斜方晶領域において飽和分極し、かつ圧電セラミックスに亀裂が入らない大きさとするのが好ましい。   The magnitude of the DC electric field applied during polarization is selected in accordance with the composition, required characteristics, polarization temperature, etc. of the piezoelectric ceramic. In general, the higher the DC electric field at the time of polarization, the higher the degree of polarization can be obtained. However, if the DC electric field becomes too large, the piezoelectric ceramic may be cracked due to strain at the time of polarization. In order to obtain high piezoelectric characteristics, it is preferable that the direct current electric field has such a magnitude that the piezoelectric ceramic is saturatedly polarized in the orthorhombic region and does not crack.

第2工程における分極処理は、特定の温度において、特定の大きさの直流電界を印加する処理を1回だけ行うものであっても良く、あるいは、同一又は異なる温度において、同一又は異なる大きさの直流電界を印加する処理を複数回行うものであっても良い。高い圧電特性を得るためには、圧電セラミックスが飽和分極するまで、同一又は異なる温度において、複数回の分極処理を行うのが好ましい。   The polarization process in the second step may be a process in which a DC electric field having a specific magnitude is applied only once at a specific temperature, or the same or different magnitude at the same or different temperature. You may perform the process which applies a DC electric field in multiple times. In order to obtain high piezoelectric characteristics, it is preferable to perform a plurality of polarization processes at the same or different temperatures until the piezoelectric ceramics are saturated and polarized.

また、複数回の分極処理を行う場合、各分極処理時の直流電界の大きさは、同一であっても良く、あるいは、異なっていても良い。特に、最初に低い直流電界で分極処理を行い、順次、直流電界の大きさを増大させて分極処理する方法を用いると、圧電セラミックスに亀裂を生じさせることなく、飽和分極させることが容易化する。この方法は、飽和分極させるために必要な条件が未知である場合に、特に有効な方法である。   In addition, when performing polarization processing a plurality of times, the magnitude of the DC electric field at the time of each polarization processing may be the same or different. In particular, if polarization is first applied with a low DC electric field, and then the polarization is applied by sequentially increasing the magnitude of the DC electric field, saturation polarization can be facilitated without causing cracks in the piezoelectric ceramic. . This method is particularly effective when conditions necessary for saturation polarization are unknown.

直流電界を印加する時間は、特に限定されるものではなく、圧電セラミックスの組成、形状、要求特性等に応じて、最適な時間を選択する。直流電界を印加する時間は、与えられた分極温度及び直流電界の条件下において、ドメイン回転が完了するような時間であれば良い。通常は、数分〜数十分程度、代表的には10分間程度である。   The time for applying the DC electric field is not particularly limited, and an optimum time is selected according to the composition, shape, required characteristics, etc. of the piezoelectric ceramic. The time for applying the DC electric field may be a time for completing the domain rotation under the conditions of the given polarization temperature and DC electric field. Usually, it is about several minutes to several tens of minutes, typically about 10 minutes.

第2の分極処理における直流電界を印加する方向は、第1の分極処理における直流電界を印加する方向と同一とする。正方晶領域において第1の分極処理を行った後、さらに斜方晶領域において、第1の分極処理と同一方向に第2の分極処理を行うと、高い圧電特性を有する圧電セラミックスが得られる。
ここで、「同一方向」とは、第1の分極処理の方向と第2の分極処理の方向が完全に同一である場合のみを意味するものではなく、第1の分極処理の方向と第2の分極処理の方向との間に若干のずれがあっても良いことを意味する。すなわち、180°ドメイン反転を引き出すことができる限り、両者の方向の間にずれがあっても良い。180℃ドメイン反転を効率よく引き出すためには、両者のずれの角度は、45°以下が好ましく、さらに好ましくは、30°以下である。
The direction in which the DC electric field is applied in the second polarization process is the same as the direction in which the DC electric field is applied in the first polarization process. After performing the first polarization treatment in the tetragonal region, and then performing the second polarization treatment in the same direction as the first polarization treatment in the orthorhombic region, a piezoelectric ceramic having high piezoelectric characteristics is obtained.
Here, “the same direction” does not mean only the case where the direction of the first polarization process and the direction of the second polarization process are completely the same, but the direction of the first polarization process and the second direction. This means that there may be a slight deviation from the direction of the polarization treatment. That is, as long as 180 ° domain inversion can be derived, there may be a deviation between the two directions. In order to efficiently bring out 180 ° C. domain inversion, the angle of deviation between the two is preferably 45 ° or less, and more preferably 30 ° or less.

なお、第1工程及び第2工程は、それぞれ、各1回ずつ行っても良く、あるいは、第1工程と第2工程とを交互に繰り返しても良い。この場合、最初の工程は、第1工程である必要があるが、最後の工程は、第1工程又は第2工程のいずれであっても良い。このように、第1工程及び第2工程を交互に繰り返すと、180°ドメイン反転成分を有効に活用することができるので、高い圧電特性が得られる。   Note that the first step and the second step may be performed once each, or the first step and the second step may be alternately repeated. In this case, the first step needs to be the first step, but the last step may be either the first step or the second step. As described above, when the first step and the second step are alternately repeated, the 180 ° domain inversion component can be effectively used, and thus high piezoelectric characteristics can be obtained.

また、第1工程から第2工程に移行する際、圧電セラミックスを急冷しても良く、あるいは、徐令しても良い。一般に、正方晶領域で分極処理した後、斜方晶領域まで冷却する際の冷却速度が小さくなるほど、歪みが開放されやすいので、90°ドメイン回転成分が消滅し、180°ドメイン反転成分のみが残りやすくなる傾向がある。しかしながら、本願発明は、圧電セラミックスが相転移した後、さらに分極処理を行うので、急冷又は徐冷のいずれの場合であっても、良好な分極状態を得ることができる。
また、第1工程から第2工程に移行する際、圧電セラミックスに電界を継続して印加した状態で移行しても良い。この場合には、第2工程での分極処理を連続して行うことができる。第1工程から第2工程に移行する途中で、圧電セラミックスの結晶構造が正方晶から斜方晶に相転移し、個々の結晶粒子のドメイン構造が電界印加状態で再構築された後に、第2工程の分極処理を行うことになるので、同様に良好な分極状態を得ることができる。
Moreover, when shifting from the first step to the second step, the piezoelectric ceramics may be cooled rapidly or may be gradually processed. In general, after the polarization treatment in the tetragonal region, the smaller the cooling rate when cooling to the orthorhombic region, the more the strain is released, so the 90 ° domain rotation component disappears and only the 180 ° domain inversion component remains. It tends to be easier. However, in the present invention, since the polarization treatment is further performed after the phase transition of the piezoelectric ceramic, a favorable polarization state can be obtained in either case of rapid cooling or slow cooling.
Further, when shifting from the first step to the second step, the transition may be made in a state where an electric field is continuously applied to the piezoelectric ceramic. In this case, the polarization process in the second step can be performed continuously. During the transition from the first step to the second step, the crystal structure of the piezoelectric ceramic undergoes a phase transition from tetragonal to orthorhombic, and the domain structure of each crystal grain is reconstructed in an electric field applied state. Since the polarization process is performed, a good polarization state can be obtained similarly.

また、第1工程終了後及び/又は第2工程終了後、圧電セラミックスに対してエージングを行っても良い。エージングを行うと、熱的又は機械的に不安定な成分が取り除かれるので、使用中における圧電特性の劣化が抑制されるという利点がある。エージング条件は、特に限定されるものではなく、圧電セラミックスの組成、形状、要求特性等に応じて最適な条件を選択すれば良い。
さらに、圧電セラミックスを、マイク、スピーカ、ソナー、ノックセンサ等に使用する場合、通常、圧電セラミックスの両面に電極が形成される。一方、圧電セラミックスを積層アクチュエータ、ある種の圧電トランス、バイモルフ等に使用する場合、シート状の圧電セラミックスと電極とが交互に積層される。さらに、圧電セラミックスをある種のノックセンサ、進行波型超音波モータ等に使用する場合、隣接する領域を互いに逆方向に分極するために、表面には複数個の電極が形成され、裏面には共通電極が形成される。いずれの場合においても、対向する電極間に挟まれた領域に対し、上述した第1工程及び第2工程を行うことにより、180°ドメイン反転を有効に引き出すことができる。
Further, after the first step and / or after the second step, the piezoelectric ceramic may be aged. When aging is performed, a thermally or mechanically unstable component is removed, so that there is an advantage that deterioration of piezoelectric characteristics during use is suppressed. The aging conditions are not particularly limited, and optimal conditions may be selected according to the composition, shape, required characteristics, etc. of the piezoelectric ceramic.
Further, when the piezoelectric ceramic is used for a microphone, a speaker, a sonar, a knock sensor, etc., electrodes are usually formed on both sides of the piezoelectric ceramic. On the other hand, when piezoelectric ceramics are used for laminated actuators, certain types of piezoelectric transformers, bimorphs, etc., sheet-like piezoelectric ceramics and electrodes are alternately laminated. Furthermore, when piezoelectric ceramics are used in certain knock sensors, traveling wave type ultrasonic motors, etc., a plurality of electrodes are formed on the front surface and the back surface is formed to polarize adjacent regions in opposite directions. A common electrode is formed. In any case, the 180 ° domain inversion can be effectively extracted by performing the first step and the second step described above on the region sandwiched between the opposing electrodes.

次に、本実施の形態に係る圧電セラミックスの製造方法の作用について説明する。本実施の形態に係る製造方法によれば、分極度を安定に増大、飽和させることができ、従来の方法に比べて高い圧電特性を有する圧電セラミックスが得られる。その理由の詳細については明らかではないが、以下のような理由によると考えられる。   Next, the operation of the piezoelectric ceramic manufacturing method according to the present embodiment will be described. According to the manufacturing method according to the present embodiment, the degree of polarization can be stably increased and saturated, and a piezoelectric ceramic having higher piezoelectric characteristics than the conventional method can be obtained. Although the details of the reason are not clear, it is thought to be due to the following reasons.

一般に、圧電セラミックスの分極度は、セラミックス(多結晶体)を構成する個々の結晶粒がもつ自発分極度の総和である。個々の結晶粒の自発分極軸は、その結晶構造によって異なり、正方晶では擬立方[100]軸方向、斜方晶では擬立方[110]軸方向である。また、等価な自発分極軸の方向の数は、その結晶構造によって異なり、正方晶では6、斜方晶では12となる。個々の結晶粒内には、自発分極軸間の角度が異なる複数のドメイン成分が混在して形成され、その総和として個々の結晶粒の分極度と分極軸方向が定まり、さらに、その総和として無数の結晶粒からなるセラミックスの分極度と分極軸が定まる。   In general, the degree of polarization of a piezoelectric ceramic is the sum of the degrees of spontaneous polarization possessed by individual crystal grains constituting the ceramic (polycrystal). The spontaneous polarization axis of each crystal grain varies depending on the crystal structure, and is a pseudo cubic [100] axis direction in tetragonal crystal and a pseudo cubic [110] axis direction in orthorhombic crystal. The number of equivalent spontaneous polarization axis directions varies depending on the crystal structure, and is 6 for tetragonal crystals and 12 for orthorhombic crystals. Within each crystal grain, a plurality of domain components having different angles between the spontaneous polarization axes are formed, and the degree of polarization and the direction of the polarization axis of each crystal grain are determined as the sum, and the sum total is innumerable. The degree of polarization and the polarization axis of ceramics made of crystal grains are determined.

焼結直後の圧電セラミックスは、個々の結晶粒内あるいは結晶粒毎の自発分極軸がランダムな方向を向いているので、セラミックス全体の分極度はゼロである。このような圧電セラミックスに対し、所望の方向に高電界を印加して分極処理し、自発分極軸方向を揃えることによって、はじめて分極度を得ることができる。   In the piezoelectric ceramic immediately after sintering, the spontaneous polarization axis in each crystal grain or in each crystal grain is in a random direction, so the degree of polarization of the entire ceramic is zero. Such a piezoelectric ceramic can be polarized only by applying a high electric field in a desired direction and aligning the direction of the spontaneous polarization axis.

また、結晶粒内に形成されるドメイン成分の種類は、その結晶構造によって異なる。例えば、正方晶の場合、180°ドメインと、90°ドメインとがある。また、例えば、斜方晶の場合、180°ドメイン、及び90°ドメインに加えて、120°ドメインと60°ドメインとがある。   Further, the type of domain component formed in the crystal grain varies depending on the crystal structure. For example, in the case of tetragonal crystal, there are a 180 ° domain and a 90 ° domain. For example, in the case of orthorhombic crystals, there are a 120 ° domain and a 60 ° domain in addition to the 180 ° domain and the 90 ° domain.

種々のドメイン成分が混在した圧電セラミックスに対して高電界を印加すると、各ドメイン成分が回転し、電界方向に近い分極方向を持つドメインの割合が増加する。この場合、180°ドメイン反転は、大きな歪みを伴わないが、非180°ドメイン回転(90°ドメイン回転、120°ドメイン回転、60°ドメイン回転など)は、大きな歪みを伴うことが知られている。そのため、分極度を安定に高め、かつバラツキを小さく抑えるためには、180°ドメイン反転を最大限に利用する事が望ましく、その結果として圧電d定数の大きな圧電セラミックスを得ることができる。   When a high electric field is applied to piezoelectric ceramics in which various domain components are mixed, each domain component rotates and the proportion of domains having a polarization direction close to the electric field direction increases. In this case, 180 ° domain inversion does not involve large distortion, but non-180 ° domain rotation (90 ° domain rotation, 120 ° domain rotation, 60 ° domain rotation, etc.) is known to involve large distortion. . Therefore, in order to stably increase the degree of polarization and suppress variations, it is desirable to make maximum use of 180 ° domain inversion, and as a result, a piezoelectric ceramic having a large piezoelectric d constant can be obtained.

図1に、従来の方法及び本実施の形態に係る方法を用いた場合における自発分極の向きの変化を示す。圧電セラミックスは、その断面が横長の長方形で表され、その内部にある自発分極の向きが上下方向と左右方向のいくつかの矢印で代表して模式的に描かれている。これらの矢印は、圧電セラミックスを構成する結晶粒子やその結晶方位を全く示していない。
図1(a)(1)は、正方晶の結晶構造を持つ無配向の圧電セラミックスの自発分極の向きであって、分極処理前の状態を概念的に表したものである。無配向の圧電セラミックスに内在する任意の自発分極軸方向が、上下方向と左右方向の4つの矢印で代表して模式的に表現されている。図には描かれていないが、正方晶の自発分極軸は、擬立方[100]方向である。
上述したように、正方晶においては、180°ドメインと、90°ドメインとが存在するので、図1(a)(1)では、それぞれを上下方向の矢印と左右方向の矢印とに代表させて、表現されている。各ドメインによる自発分極の向きは、任意の方向を向いているので、圧電セラミックス全体の分極度は、ゼロの状態になっている。
FIG. 1 shows changes in the direction of spontaneous polarization when the conventional method and the method according to the present embodiment are used. Piezoelectric ceramics have a cross-section that is represented by a horizontally long rectangle, and the direction of spontaneous polarization inside the piezoelectric ceramic is schematically depicted by several arrows in the vertical and horizontal directions. These arrows do not indicate the crystal particles constituting the piezoelectric ceramic and the crystal orientation thereof.
FIGS. 1A and 1A conceptually show the direction of spontaneous polarization of a non-oriented piezoelectric ceramic having a tetragonal crystal structure, and the state before the polarization treatment. Arbitrary spontaneous polarization axis directions inherent in non-oriented piezoelectric ceramics are schematically represented by four arrows in the vertical direction and the horizontal direction. Although not drawn in the figure, the tetragonal spontaneous polarization axis is in the pseudo-cubic [100] direction.
As described above, in the tetragonal crystal, there are a 180 ° domain and a 90 ° domain, and therefore, in FIGS. 1A and 1A, each is represented by a vertical arrow and a horizontal arrow. It is expressed. Since the direction of spontaneous polarization by each domain is in an arbitrary direction, the degree of polarization of the entire piezoelectric ceramic is zero.

このような圧電セラミックスに対して、鉛直方向に電界Eを印加すると、図1(a)(2)に示すように、下方向の矢印で表示したドメインが電界方向に反転する180°ドメイン反転と、左右方向の矢印で表示したドメインが電界方向に回転する90°ドメイン回転とが生ずる。その結果、各ドメインの自発分極の方向が電界方向に揃えられ、セラミックス全体では、圧電特性を示すようになる。   When an electric field E is applied to such a piezoelectric ceramic in the vertical direction, as shown in FIGS. 1 (a) and (2), the domain indicated by the downward arrow is inverted by 180 ° domain inversion in the electric field direction. Then, a 90 ° domain rotation in which the domain indicated by the left and right arrows rotates in the electric field direction occurs. As a result, the direction of spontaneous polarization of each domain is aligned with the direction of the electric field, and the entire ceramic exhibits piezoelectric characteristics.

しかしながら、180°ドメイン反転は、大きな歪みを伴わないのに対し、90°ドメイン回転は、大きな歪みを伴うために、90°ドメイン回転成分は、使用中に元の90°ドメインに戻り、圧電特性を劣化させる原因となる。そのため、耐久性が要求される用途に使用される場合には、分極処理後にエージングを行い、不安定な歪み成分を取り除くことが行われている。その結果、圧電セラミックスの分極度は、図1(a)(3)に示すように、安定な180°ドメイン回転成分のみで得られることになる。   However, the 180 ° domain inversion is not accompanied by a large strain, whereas the 90 ° domain rotation is accompanied by a large strain, so that the 90 ° domain rotation component returns to the original 90 ° domain during use, and the piezoelectric properties Cause deterioration. Therefore, when used for applications requiring durability, aging is performed after polarization treatment to remove unstable distortion components. As a result, the degree of polarization of the piezoelectric ceramic can be obtained with only a stable 180 ° domain rotation component, as shown in FIGS.

これに対し、高温及び低温において、それぞれ正方晶(T)及び斜方晶(O)の結晶構造を取る無配向の圧電セラミックスに対して、正方晶領域(例えば、100℃)において第1の分極処理を行うと、上述と同様に、180°ドメイン反転と90°ドメイン回転が生ずる。その結果、図1(b)(1)に示すように、セラミックス全体としては自発分極を持たなかったものが、図1(b)(2)に示すように、電界方向に自発分極軸が揃えられる。   In contrast, the non-oriented piezoelectric ceramic having a tetragonal (T) and orthorhombic (O) crystal structure at high and low temperatures, respectively, has a first polarization in the tetragonal region (for example, 100 ° C.). When processing is performed, 180 ° domain inversion and 90 ° domain rotation occur as described above. As a result, as shown in FIGS. 1 (b) and (1), the ceramics as a whole did not have spontaneous polarization, but as shown in FIGS. 1 (b) and (2), the spontaneous polarization axes were aligned in the electric field direction. It is done.

次に、この圧電セラミックスを室温まで冷却すると、相転移点を通り、結晶構造が斜方晶(O)に相転移する。この時、自発分極軸は、正方晶(T)の擬立方[100]軸から斜方晶(O)の擬立方[110]軸に変わる。また、正方晶(T)から斜方晶(O)への対称性の低下によって、ドメイン構造の再構築が起こると考えられる。   Next, when this piezoelectric ceramic is cooled to room temperature, it passes through the phase transition point and the crystal structure undergoes phase transition to orthorhombic (O). At this time, the spontaneous polarization axis changes from a tetragonal (T) pseudo cubic [100] axis to an orthorhombic (O) pseudo cubic [110] axis. Further, it is considered that the domain structure is reconstructed due to a decrease in symmetry from tetragonal (T) to orthorhombic (O).

相転移によってドメイン構造がどのように変化するかは、現状では定かでないが、180°ドメイン回転で形成された自発分極は、歪みを伴っていないので、その大半がそのまま圧電セラミックスの鉛直方向に反映されると考えられる。一方、90°ドメイン回転で形成された自発分極軸は、歪みを伴っているために、相転移と共に応力緩和して、いくつかのドメイン回転可能な自発分極軸成分に分かれると考えられる。正方晶(T)から斜方晶(O)になると、等価な自発分極軸の数が増すので、新たにドメイン回転可能な自発分極軸が加わることにもなる。この点は、第1工程終了後にエージング及び/又は徐冷を行うことによって、90°ドメイン回転成分が元に戻っていた場合も同様と考えられる。   It is not clear how the domain structure changes due to the phase transition, but since the spontaneous polarization formed by the 180 ° domain rotation is not distorted, most of it reflects directly in the vertical direction of the piezoelectric ceramics. It is thought that it is done. On the other hand, since the spontaneous polarization axis formed by the 90 ° domain rotation is accompanied by distortion, it is considered that stress is relaxed along with the phase transition and is divided into several spontaneous polarization axis components capable of domain rotation. When the tetragonal crystal (T) is changed to the orthorhombic crystal (O), the number of equivalent spontaneous polarization axes is increased, so that a new spontaneous polarization axis capable of domain rotation is also added. This point is considered to be the same when the 90 ° domain rotation component is restored to the original state by performing aging and / or slow cooling after the first step.

このように、相転移によって新たに生成したドメイン成分は、斜方晶領域での分極処理によって180°ドメイン回転するものもあれば、90°ドメイン回転するものもあると考えられる。図1(b)(3)中、右側の小さな矢印は、相転移によって新たに形成された自発分極軸成分を模式的に表したものである。また、新たに生成した自発分極軸成分は、自身の持つエネルギが最小になるように安定化しようとするため、任意の方向を向いた状態となる。   As described above, it is considered that the domain component newly generated by the phase transition may be rotated by 180 ° domain by polarization processing in the orthorhombic region, or may be rotated by 90 ° domain. In FIGS. 1B and 1C, the small arrow on the right side schematically represents the spontaneous polarization axis component newly formed by the phase transition. Further, the newly generated spontaneous polarization axis component is in a state in which it is directed in an arbitrary direction in order to stabilize so that its own energy is minimized.

次に、このような圧電セラミックスに対して斜方晶領域(例えば、室温)で分極処理を行うと、図1(b)(4)に示すように、180°ドメイン反転と90°ドメイン回転が生じ、自発分極軸の方向が電界方向に揃えられる。しかしながら、相転移によって、斜方晶(O)領域での180°ドメイン回転が可能な成分が新たに生成していると考えられるので、図1(b)(5)に示すように、分極後にエージングを行っても、新たに生成したドメイン成分のすべてが元に戻るわけではなく、新たに生成した180°ドメイン回転可能な成分は、分極方向に揃ったままとなる。そのため、従来の方法に比べて、分極度を安定に増大、飽和させることができ、高い圧電特性が得られる。   Next, when such a piezoelectric ceramic is polarized in an orthorhombic region (for example, room temperature), 180 ° domain inversion and 90 ° domain rotation occur as shown in FIGS. And the direction of the spontaneous polarization axis is aligned with the electric field direction. However, since it is considered that a component capable of 180 ° domain rotation in the orthorhombic (O) region is newly generated by the phase transition, as shown in FIGS. Even if aging is performed, not all of the newly generated domain components are restored, and the newly generated 180 ° domain rotatable components remain aligned in the polarization direction. Therefore, the degree of polarization can be stably increased and saturated as compared with the conventional method, and high piezoelectric characteristics can be obtained.

この点は、結晶配向セラミックスの場合もほぼ同様と考えられる。すなわち、高温及び低温において、それぞれ、正方晶(T)及び斜方晶(O)の結晶構造を取り、かつ特定の結晶面(例えば、擬立方{100}面)が面配向した圧電セラミックスの場合、焼結直後は、全体としては分極度はゼロであるが、分極軸に垂直な面が配向しているために、無配向セラミックスに比べて180°ドメインの割合が多くなっていると考えられる。図1(c)(1)は、このような状態を模式的に表したものである。   This point is considered to be almost the same in the case of crystal-oriented ceramics. That is, in the case of piezoelectric ceramics having a tetragonal crystal (T) and orthorhombic crystal (O) crystal structure at a high temperature and a low temperature, respectively, and having a specific crystal plane (for example, pseudo-cubic {100} plane) oriented in a plane. Immediately after sintering, the degree of polarization is zero as a whole, but since the plane perpendicular to the polarization axis is oriented, the proportion of 180 ° domain is considered to be higher than that of non-oriented ceramics. . FIG.1 (c) (1) represents such a state typically.

このような結晶配向セラミックスに対して、配向面に対して垂直方向に電界Eを印加すると、図1(c)(2)に示すように、ドメイン回転(主として、180°ドメイン反転)が起こり、自発分極軸の方向が電界方向に揃えられる。次いで、これを斜方晶(O)領域まで冷却すると、図1(c)(3)に示すように、相転移によってドメイン構造の再構築が起こり、自発分極軸の一部は、いくつかのドメイン回転可能な自発分極軸成分に分かれると考えられる。   When an electric field E is applied to such a crystal-oriented ceramic in a direction perpendicular to the orientation plane, domain rotation (mainly 180 ° domain inversion) occurs, as shown in FIGS. The direction of the spontaneous polarization axis is aligned with the electric field direction. Next, when this is cooled to the orthorhombic (O) region, as shown in FIGS. 1 (c) and (3), the domain structure is reconstructed by the phase transition, and some of the spontaneous polarization axes are It is thought that it is divided into spontaneous polarization axis components that can rotate the domain.

さらに、このような結晶配向セラミックスに対して斜方晶領域で分極処理を行うと、図1(c)(4)に示すように、新たに生成した自発分極軸の方向が電界方向に揃えられる。しかも、擬立方{100}面が配向しているため、相転移によって新たに生成した180°ドメイン反転可能な成分の割合は、無配向セラミックスに比べて多いと考えられる。その結果、図1(c)(5)に示すように、分極後にエージングを行っても、新たに生成した成分の大半は、電界方向に揃ったままとなる。そのため、従来の方法に比べて、分極度を安定に増大、飽和させることができ、高い圧電特性が得られる。   Further, when such a crystal oriented ceramic is polarized in the orthorhombic region, the direction of the newly generated spontaneous polarization axis is aligned with the electric field direction as shown in FIGS. . Moreover, since the pseudo-cubic {100} plane is oriented, it is considered that the proportion of components newly generated by phase transition and capable of 180 ° domain inversion is higher than that of non-oriented ceramics. As a result, as shown in FIGS. 1C and 5, even when aging is performed after polarization, most of the newly generated components remain aligned in the electric field direction. Therefore, the degree of polarization can be stably increased and saturated as compared with the conventional method, and high piezoelectric characteristics can be obtained.

このように、本実施の形態に係る方法は、正方晶から斜方晶への結晶相転移を利用して180°ドメイン回転成分を有効に引き出すことができるので、自発分極軸がそろった特性の良い圧電セラミックスが得られると考えられる。また、このような処理を施した圧電セラミックスに対して、さらに第1工程による処理及び第2工程による処理を繰り返すと、1回目の第1工程及び第2工程によって引き出せなかった180°ドメイン回転成分が新たに引き出され、180°ドメイン回転に基づく安定で信頼性のある自発分極状態が得られるものと考えられる。さらに、特定の結晶面が配向した圧電セラミックスに対して本願発明を適用すると、単結晶に近いドメイン構造が得られ、同一組成を有する無配向セラミックスに比べて、高い圧電特性を示す。   As described above, the method according to the present embodiment can effectively extract the 180 ° domain rotation component by utilizing the crystal phase transition from tetragonal to orthorhombic, and thus has a characteristic with the spontaneous polarization axis aligned. It is thought that good piezoelectric ceramics can be obtained. In addition, when the piezoelectric ceramic subjected to such treatment is further subjected to the treatment in the first step and the treatment in the second step, the 180 ° domain rotation component that could not be extracted in the first step and the second step. It is considered that a stable and reliable spontaneous polarization state based on 180 ° domain rotation is obtained. Furthermore, when the present invention is applied to a piezoelectric ceramic in which a specific crystal plane is oriented, a domain structure close to a single crystal is obtained, and exhibits higher piezoelectric characteristics than non-oriented ceramics having the same composition.

次に、本発明の第2の実施の形態に係る圧電セラミックスの製造方法について説明する。本実施の形態に係る圧電セラミックスの製造方法は、第1工程と、第2工程とを備えている。   Next, a method for manufacturing a piezoelectric ceramic according to the second embodiment of the present invention will be described. The method for manufacturing a piezoelectric ceramic according to the present embodiment includes a first step and a second step.

本実施の形態における第1工程は、正方晶となる温度領域において第1の分極処理を行う点は第1の実施の形態と同様であるが、圧電セラミックスに第1領域と第2領域を隣接して形成し、第1領域と第2領域とを互いに逆方向に第1の分極処理を行う点が異なっている。また、本実施の形態における第2工程は、斜方晶となる温度領域において第2の分極処理を行う点は第1の実施の形態と同様であるが、第1領域及び第2領域を、それぞれ、第1の分極処理と同一方向に第2の分極処理を行う点が異なっている。なお、「圧電セラミックス」、「第1の分極処理」及び「第2の分極処理」に関するその他の点については、第1の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。   The first step in the present embodiment is the same as the first embodiment in that the first polarization process is performed in the temperature region where tetragonal crystals are formed, but the first region and the second region are adjacent to the piezoelectric ceramic. The first and second regions are different from each other in that the first polarization process is performed in opposite directions. The second step in the present embodiment is the same as the first embodiment in that the second polarization treatment is performed in the orthorhombic temperature region, but the first region and the second region are Each is different in that the second polarization process is performed in the same direction as the first polarization process. The other points regarding the “piezoelectric ceramics”, “first polarization process”, and “second polarization process” are the same as those in the first embodiment, and thus the description thereof is omitted.

本実施の形態において、第1領域と第2領域の形状、大きさ、配置方法等は特に限定されるものではなく、圧電セラミックスの用途、要求特性等に応じて任意に選択することができる。   In the present embodiment, the shape, size, arrangement method, and the like of the first region and the second region are not particularly limited, and can be arbitrarily selected according to the use, required characteristics, and the like of the piezoelectric ceramic.

例えば、圧電セラミックスを進行波型超音波モータの駆動源、ある種のノックセンサ等として用いる場合、まず、矩形状、円弧状又はリング状等の平板状の圧電セラミックスを作製する。次いで、圧電セラミックスの一方の板面には共通電極を形成し、他方の板面には第1領域及び第2領域に対応する位置に、それぞれ、孤立した第1電極と第2電極とを隣接して形成する。この場合、圧電セラミックスに1個の第1電極と1個の第2電極とを形成しても良く、あるいは、2個以上の第1電極と2個以上の第2電極とを交互に形成しても良い。また、第1電極と第2電極の間隔は、圧電セラミックスが要求される機能を奏するように適宜調節する。   For example, when using piezoelectric ceramics as a driving source of a traveling wave type ultrasonic motor, a certain kind of knock sensor, etc., first, plate-shaped piezoelectric ceramics such as a rectangular shape, an arc shape, or a ring shape are manufactured. Next, a common electrode is formed on one plate surface of the piezoelectric ceramic, and the isolated first electrode and second electrode are adjacent to the other plate surface at positions corresponding to the first region and the second region, respectively. To form. In this case, one first electrode and one second electrode may be formed on the piezoelectric ceramic, or two or more first electrodes and two or more second electrodes may be alternately formed. May be. In addition, the distance between the first electrode and the second electrode is appropriately adjusted so that the piezoelectric ceramic has a required function.

また、圧電セラミックスが結晶配向セラミックスである場合において、圧電セラミックスを進行波型超音波モータの駆動源として用いるときには、圧電セラミックスは、所定の結晶面が板面に対して平行に配向している結晶配向セラミックスが好ましく、特に、分極軸に垂直な面が板面に対して平行に配向している結晶配向セラミックスが好ましい。   When the piezoelectric ceramic is a crystal-oriented ceramic, when the piezoelectric ceramic is used as a driving source for a traveling wave type ultrasonic motor, the piezoelectric ceramic is a crystal in which a predetermined crystal plane is oriented parallel to the plate surface. Oriented ceramics are preferred, and crystal oriented ceramics in which a plane perpendicular to the polarization axis is oriented parallel to the plate surface are particularly preferred.

このような第1領域及び第2領域が形成された圧電セラミックスに対し、正方晶となる温度領域において第1の分極処理を行う場合において、第1電極と第2電極に互いに逆方向の直流電界を印加すると、第1領域及び第2領域が互いに逆方向に分極される。   When the first polarization treatment is performed on the piezoelectric ceramic in which the first region and the second region are formed in a tetragonal temperature region, direct current electric fields in opposite directions are applied to the first electrode and the second electrode. Is applied, the first region and the second region are polarized in opposite directions.

次に、この圧電セラミックスに対し、斜方晶となる温度領域において第2の分極処理を行う場合において、第1領域及び第2領域に対し、それぞれ、第1の分極処理と同一方向に第2の分極処理を行うと、第1領域及び第2領域の分極度を、それぞれ、互いに逆方向に、かつ安定に増大させ、また飽和させることができる。このようにして得られた圧電セラミックスは、互いに逆方向に、かつ高い分極度を有する領域が隣接して形成されているので、これを例えば進行波型超音波モータ、ある種のノックセンサ等に応用すれば、従来の方法に比べて高い出力を得ることができる。
なお、隣接する領域の分極は、同時に行っても良く、あるいは、個別に行っても良い。隣接する領域を同時に分極する場合、具体的には、上述した第1電極及び第2電極の一方を+に、他方を−に接続し、共通電極を中間電位として、一度に分極すればよい。また、隣接する領域を個別に分極する場合、具体的には、まず、第1電極と共通電極の間で分極し、次いで、第2電極と共通電極の間で逆方向に分極すればよい。
Next, when the second polarization process is performed on the piezoelectric ceramic in the orthorhombic temperature region, the second region is in the same direction as the first polarization process with respect to the first region and the second region, respectively. When the polarization process is performed, the degree of polarization in the first region and the second region can be increased stably in the opposite directions and saturated. The piezoelectric ceramics thus obtained are formed in opposite directions and adjacent to each other with a high degree of polarization. For example, this is applied to a traveling wave type ultrasonic motor, a certain knock sensor or the like. If applied, a higher output can be obtained compared to the conventional method.
Note that the polarization of adjacent regions may be performed simultaneously or individually. When the adjacent regions are simultaneously polarized, specifically, one of the first electrode and the second electrode described above may be connected to +, the other is connected to −, and the common electrode may be polarized at a single potential at a time. When the adjacent regions are individually polarized, specifically, polarization may be first performed between the first electrode and the common electrode, and then polarized in the opposite direction between the second electrode and the common electrode.

次に、本発明の第3の実施の形態に係る圧電セラミックスの製造方法について説明する。本実施の形態に係る圧電セラミックスの製造方法は、工程Aと、工程Bとを備えている。   Next, a method for manufacturing a piezoelectric ceramic according to the third embodiment of the present invention will be described. The method for manufacturing a piezoelectric ceramic according to the present embodiment includes a process A and a process B.

工程Aは、圧電セラミックスに対し、第1の方向に第1の分極処理及び第2の分極処理を行う工程である。この場合、「第1の方向」は、圧電セラミックスの用途、要求特性等に応じて任意に選択することができる。例えば、圧電セラミックスをローゼン(Rosen)型圧電トランスとして用いる場合、圧電セラミックスを板状に形成し、その長手方向を「第1の方向」とするのが好ましい。具体的には、長尺の板状の圧電セラミックスの長手方向の一端面に出力用の電極Pを形成し、また、その電極に対向する端面側の板上下面に互いに対向する入力用の電極Q及びRを形成し、長手方向に第1の分極処理及び第2の分極処理を行えばよい。すなわち、電極Pと電極Q、Rの間に電界をかけ、第1の分極処理及び第2の分極処理を行えばよい。ここで、第1の分極処理及び第2の分極処理は、本発明の第2の実施の形態に係る圧電セラミックスの製造方法にて説明した第1の分極処理及び第2の分極処理と同様であり、正方晶となる温度領域において第1の分極処理を実施し、また、斜方晶となる温度領域にて第2の分極処理を実施する。   Step A is a step of performing a first polarization process and a second polarization process in the first direction on the piezoelectric ceramic. In this case, the “first direction” can be arbitrarily selected according to the use, required characteristics, and the like of the piezoelectric ceramic. For example, when the piezoelectric ceramic is used as a Rosen type piezoelectric transformer, it is preferable that the piezoelectric ceramic is formed in a plate shape and the longitudinal direction thereof is the “first direction”. Specifically, an output electrode P is formed on one end surface in the longitudinal direction of a long plate-shaped piezoelectric ceramic, and the input electrodes are opposed to each other on the upper and lower plates on the end surface side facing the electrode. Q and R may be formed, and the first polarization process and the second polarization process may be performed in the longitudinal direction. That is, an electric field may be applied between the electrode P and the electrodes Q and R to perform the first polarization process and the second polarization process. Here, the first polarization process and the second polarization process are the same as the first polarization process and the second polarization process described in the piezoelectric ceramic manufacturing method according to the second embodiment of the present invention. Yes, the first polarization process is performed in the temperature region where tetragonal crystals are formed, and the second polarization process is performed in the temperature region where orthorhombic crystals are formed.

工程Bは、工程Aが行われた圧電セラミックスの一部に対し、第1の方向とは異なる第2の方向に第1の分極処理及び第2の分極処理を行う工程である。この場合、第2の方向、及び工程Bを行う領域の大きさ、位置等は、圧電セラミックスの用途、要求特性等に応じて任意に選択することができる。例えば、圧電セラミックスをローゼン型圧電トランスとして用いる場合、「第2の方向」は、第1の方向とは垂直な方向が好ましく、また、工程Bを行う領域は、板状の圧電セラミックスの片側の約半分の領域が好ましい。   Step B is a step of performing a first polarization process and a second polarization process in a second direction different from the first direction on a part of the piezoelectric ceramic subjected to the process A. In this case, the size, position, and the like of the second direction and the area where the process B is performed can be arbitrarily selected according to the use of the piezoelectric ceramic, the required characteristics, and the like. For example, when the piezoelectric ceramic is used as a Rosen-type piezoelectric transformer, the “second direction” is preferably a direction perpendicular to the first direction, and the region where the process B is performed is on one side of the plate-shaped piezoelectric ceramic. About half the area is preferred.

また、圧電セラミックスが結晶配向セラミックスである場合において、圧電セラミックスをローゼン型圧電トランスとして用いるときには、分極軸に垂直な面は、いずれの方向に配向していても良い。但し、高い変換効率を得るためには、圧電セラミックスは、分極軸に垂直な面が板面に対して平行に配向している結晶配向セラミックスが好ましい。   When the piezoelectric ceramic is a crystal-oriented ceramic, when the piezoelectric ceramic is used as a Rosen-type piezoelectric transformer, the plane perpendicular to the polarization axis may be oriented in any direction. However, in order to obtain high conversion efficiency, the piezoelectric ceramic is preferably a crystal-oriented ceramic in which a plane perpendicular to the polarization axis is oriented parallel to the plate surface.

なお、「圧電セラミックス」、「第1の分極処理」及び「第2の分極処理」に関するその他の点については、第1の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。   The other points regarding the “piezoelectric ceramics”, “first polarization process”, and “second polarization process” are the same as those in the first embodiment, and thus the description thereof is omitted.

圧電セラミックスに対し、第1の方向に第1の分極処理及び第2の分極処理を行うと、第1の方向の分極度を安定に増大・飽和させることができる。次いで、このような圧電セラミックスの一部に対し、第2の方向に第1の分極処理及び第2の分極処理を行うと、第1の方向とは異なる第2の方向の分極度を安定に増大・飽和させることができる。このようにして得られた圧電セラミックスは、互いに異なる方向に、かつ高い分極度を有する領域が形成されているので、これを例えばローゼン型圧電トランスに応用すれば、従来の方法に比べて高い変換効率が得られる。   When the first polarization process and the second polarization process are performed in the first direction on the piezoelectric ceramic, the degree of polarization in the first direction can be stably increased and saturated. Next, when the first polarization process and the second polarization process are performed in a second direction on a part of such piezoelectric ceramics, the degree of polarization in a second direction different from the first direction is stabilized. Can be increased and saturated. The piezoelectric ceramics obtained in this way are formed in different directions and regions with a high degree of polarization. Therefore, if this is applied to, for example, a Rosen-type piezoelectric transformer, the conversion is higher than in the conventional method. Efficiency is obtained.

次に、本発明の第4の実施の形態に係る圧電セラミックスの製造方法について説明する。本実施の形態に係る圧電セラミックスの製造方法は、工程Cと、工程Dと、工程Eとを備えている。   Next, a method for manufacturing a piezoelectric ceramic according to the fourth embodiment of the present invention will be described. The method for manufacturing a piezoelectric ceramic according to the present embodiment includes a process C, a process D, and a process E.

工程Cは、複数個の圧電セラミックスと、複数個の電極との積層体を作製する工程である。積層体の製造方法は、特に限定されるものではなく、種々の方法を用いることができる。積層体は、通常、シート状に成形した圧電セラミックスの成形体の片面又は両面に印刷等の手法により電極層を形成し、これを積層、圧着、及び焼結することにより作製される。圧電セラミックスの積層数は、積層体の用途に応じて、最適な数とする。例えば、バイモルフは、2層の圧電セラミックス層と、その中間及び積層体の上下面に形成された3個の電極層の積層体からなる。また、例えば、積層アクチュエータ、積層型圧電トランスの低インピーダンス部等は、k個(k≧2)の圧電セラミックス層と、各圧電セラミックス層の中間及び積層体の上下面に形成された合計(k+1)個の電極層の積層体からなる。   Step C is a step of producing a laminate of a plurality of piezoelectric ceramics and a plurality of electrodes. The manufacturing method of a laminated body is not specifically limited, A various method can be used. The laminated body is usually produced by forming an electrode layer on one or both sides of a piezoelectric ceramic molded body formed into a sheet shape by a technique such as printing, and laminating, pressing and sintering. The number of piezoelectric ceramics laminated is set to an optimum number according to the use of the laminated body. For example, a bimorph is composed of a laminate of two piezoelectric ceramic layers and three electrode layers formed on the middle and the upper and lower surfaces of the laminate. Further, for example, the low-impedance portion of the laminated actuator, the laminated piezoelectric transformer, etc. includes k (k ≧ 2) piezoelectric ceramic layers, and the total (k + 1) formed in the middle of each piezoelectric ceramic layer and on the upper and lower surfaces of the laminated body. ) It consists of a laminate of individual electrode layers.

工程Dは、このような積層体を作製した後、電極間に挟まれたm番目の圧電セラミックスに対し、第1の分極処理及び第2の分極処理を行う工程である。この場合、m番目の圧電セラミックスの分極方向は、特に限定されるものではなく、積層体の用途に応じて最適な方向を選択する。   Step D is a step in which after such a laminate is manufactured, the first polarization treatment and the second polarization treatment are performed on the m-th piezoelectric ceramic sandwiched between the electrodes. In this case, the polarization direction of the mth piezoelectric ceramic is not particularly limited, and an optimum direction is selected according to the use of the laminate.

工程Eは、工程Dと同時に又は工程Dとは個別に、電極間に挟まれたn番目(n≠m)の圧電セラミックスに対し、m番目の圧電セラミックスと同一又は異なる方向に第1の分極処理及び第2の分極処理を行う工程である。   In step E, at the same time as step D or separately from step D, the nth (n ≠ m) piezoelectric ceramic sandwiched between the electrodes is subjected to the first polarization in the same or different direction as the mth piezoelectric ceramic. This is a step of performing the treatment and the second polarization treatment.

n番目の圧電セラミックスの分極方向は、積層体の用途に応じて異なる。例えば、バイモルフの場合、2層の圧電セラミックス層を同一方向に分極するタイプと、逆方向に分極するタイプとがある。また、例えば、積層アクチュエータの場合、隣接する圧電セラミックス層は、互いに逆方向に分極される。さらに、積層型圧電トランスの場合、低インピーダンス部は、複数個の圧電セラミックス層と電極層との積層体からなり、隣接する各圧電セラミックス層は、互いに同一方向(板厚方向)に分極される。一方、積層型圧電トランスの高インピーダンス部は、その上下面に電極が形成された単一の圧電セラミックス層からなり、高インピーダンス部の板厚方向に分極される。   The polarization direction of the nth piezoelectric ceramic varies depending on the use of the laminate. For example, in the case of bimorph, there are a type that polarizes two piezoelectric ceramic layers in the same direction and a type that polarizes in the opposite direction. For example, in the case of a laminated actuator, adjacent piezoelectric ceramic layers are polarized in opposite directions. Furthermore, in the case of a laminated piezoelectric transformer, the low impedance portion is composed of a laminate of a plurality of piezoelectric ceramic layers and electrode layers, and adjacent piezoelectric ceramic layers are polarized in the same direction (plate thickness direction). . On the other hand, the high impedance portion of the multilayer piezoelectric transformer is composed of a single piezoelectric ceramic layer having electrodes formed on the upper and lower surfaces thereof, and is polarized in the plate thickness direction of the high impedance portion.

また、n番目の圧電セラミックス層の分極処理は、m番目の圧電セラミックスの分極処理と同時に行っても良く、あるいは、個別に行っても良い。例えば、隣接する圧電セラミックス層を同一方向に、かつ同時に分極する場合、各電極の電位を段階的に小さくし、一度に分極すればよい。また、例えば、隣接する圧電セラミックス層を互いに逆方向に、かつ同時に分極する場合、各電極を交互に+と−に接続し、一度に分極すればよい。一方、隣接する圧電セラミックス層を個別に分極する場合、m番目の圧電セラミックス層の両面に形成された電極をそれぞれ、+と−に接続し、m番目の圧電セラミックス層を分極処理した後、n番目の圧電セラミックス層の両面に形成された電極を、それぞれ、+と−に接続し、n番目の圧電セラミックス層を分極処理すればよい。   In addition, the polarization processing of the nth piezoelectric ceramic layer may be performed simultaneously with the polarization processing of the mth piezoelectric ceramic or may be performed individually. For example, when the adjacent piezoelectric ceramic layers are polarized in the same direction and at the same time, the potential of each electrode may be decreased stepwise and polarized at a time. Also, for example, when adjacent piezoelectric ceramic layers are polarized in opposite directions and simultaneously, each electrode may be alternately connected to + and-and polarized at once. On the other hand, when the adjacent piezoelectric ceramic layers are individually polarized, the electrodes formed on both surfaces of the mth piezoelectric ceramic layer are connected to + and −, respectively, and after the mth piezoelectric ceramic layer is polarized, n The electrodes formed on both surfaces of the th piezoelectric ceramic layer may be connected to + and-, respectively, and the n th piezoelectric ceramic layer may be polarized.

なお、「圧電セラミックス」、「第1の分極処理」及び「第2の分極処理」に関するその他の点については、第1の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。   The other points regarding the “piezoelectric ceramics”, “first polarization process”, and “second polarization process” are the same as those in the first embodiment, and thus the description thereof is omitted.

複数の圧電セラミックスと複数の電極の積層体において、電極間に挟まれたm番目の領域に対し、第1の分極処理及び第2の分極処理を行うと、m番目の領域の分極度を安定に増大・飽和させることができる。次いで、電極間に挟まれたn番目の領域に対し、m番目の領域と同時に又は個別に、かつm番目の領域と同一又は異なる方向に、第1の分極処理及び第2の分極処理を行うと、n番目の領域の分極度を安定に増大・飽和させることができる。このようにして得られた積層体は、隣接する圧電セラミックス層が互いに同一方向又は異なる方向に分極され、かつ各圧電セラミックス層が高い分極度を有するので、これを例えば、バイモルフ、積層アクチュエータ、積層型圧電トランスに応用すれば、従来の方法に比べて性能が向上する。   In a laminate of a plurality of piezoelectric ceramics and a plurality of electrodes, when the first polarization treatment and the second polarization treatment are performed on the mth region sandwiched between the electrodes, the polarization degree of the mth region is stabilized. Can be increased and saturated. Next, the first polarization process and the second polarization process are performed on the nth region sandwiched between the electrodes simultaneously with or separately from the mth region and in the same or different direction as the mth region. Then, the polarization degree of the nth region can be stably increased / saturated. In the laminate obtained in this way, the adjacent piezoelectric ceramic layers are polarized in the same direction or in different directions, and each piezoelectric ceramic layer has a high degree of polarization. When applied to a piezoelectric transformer, the performance is improved as compared with the conventional method.

(1) NaNbO(NN)板状粉末の合成。
化学量論比でBi2.5Na3.5Nb18(以下、これを「BINN5」という。)組成となるようにBi粉末、NaCO粉末及びNb粉末を秤量し、これらを湿式混合した。次いで、この原料に対し、フラックスとしてNaClを50wt%添加し、1時間乾式混合した。
(1) Synthesis of NaNbO 3 (NN) plate powder.
Bi 2 O 3 powder, Na 2 CO 3 powder and Nb 2 O 5 powder so as to have a Bi 2.5 Na 3.5 Nb 5 O 18 (hereinafter referred to as “BINN5”) composition in stoichiometric ratio. Were weighed and wet mixed. Next, 50 wt% NaCl was added as a flux to the raw material, and dry mixed for 1 hour.

次に、得られた混合物を白金るつぼに入れ、850℃×1hの条件下で加熱し、フラックスを完全に溶解させた後、さらに1100℃×2hの条件下で加熱し、BINN5の合成を行った。なお、昇温速度は、200℃/hとし、降温は、炉冷とした。冷却後、反応物から湯せんによりフラックスを取り除き、BINN5粉末を得た。得られたBINN5粉末は、{001}面を発達面とする板状粉末であった。   Next, the obtained mixture was put in a platinum crucible and heated under the conditions of 850 ° C. × 1 h to completely dissolve the flux, and further heated under the conditions of 1100 ° C. × 2 h to synthesize BINN5. It was. The temperature rising rate was 200 ° C./h, and the temperature lowering was furnace cooling. After cooling, the flux was removed from the reaction product with a hot water bath to obtain BINN5 powder. The obtained BINN5 powder was a plate-like powder having a {001} plane as a development plane.

次に、このBINN5板状粉末に対し、NN合成に必要な量のNaCO粉末を加えて混合し、NaClをフラックスとして、白金るつぼ中において、950℃×8時間の熱処理を行った。 Next, this BINN5 plate powder was mixed with an amount of Na 2 CO 3 powder necessary for NN synthesis, and heat-treated at 950 ° C. for 8 hours in a platinum crucible using NaCl as a flux.

得られた反応物には、NN粉末に加えてBiが含まれているので、反応物からフラックスを取り除いた後、これをHNO(1N)中に入れ、余剰成分として生成したBiを溶解させた。さらに、この溶液を濾過してNN粉末を分離し、80℃のイオン交換水で洗浄した。得られたNN粉末は、擬立方{100}面を発達面とし、粒径が10〜20μmであり、かつアスペクト比が10〜20程度の板状粉末であった。 Since the obtained reaction product contains Bi 2 O 3 in addition to the NN powder, after removing the flux from the reaction product, it is put into HNO 3 (1N) and Bi produced as an extra component. 2 O 3 was dissolved. Further, this solution was filtered to separate the NN powder and washed with ion exchange water at 80 ° C. The obtained NN powder was a plate-like powder having a pseudo cubic {100} plane as a development plane, a particle size of 10 to 20 μm, and an aspect ratio of about 10 to 20.

(2) {Li0.02(K0.5Na0.5)0.98}{Nb0.94Sb0.06}O組成を有する結晶配向セラミックスの作製。
(1)で作製したNN板状粉末、並びに、非板状のNN粉末、KN(KNbO)粉末、KT(KTaO)粉末、LS(LiSbO)粉末及びNS(NaSbO)粉末を、目的とする組成となるように秤量し、20時間の湿式混合を行った。
(2) Preparation of crystal oriented ceramics having {Li 0.02 (K 0.5 Na 0.5 ) 0.98 } {Nb 0.94 Sb 0.06 } O 3 composition.
NN plate-like powder produced in (1), and non-plate-like NN powder, KN (KNbO 3 ) powder, KT (KTaO 3 ) powder, LS (LiSbO 3 ) powder and NS (NaSbO 3 ) powder Weighed so as to obtain the composition as follows, and performed wet mixing for 20 hours.

スラリーに対してバインダ(積水化学(株)製、エスレック(登録商標)BH−3)及び可塑剤(フタル酸ブチル)を、出発原料から合成される1molの{Li0.02(K0.5Na0.5)0.98}{Nb0.94Sb0.06}Oに対して、それぞれ、10.35g及び10.35g加えた後、さらに2時間混合した。 A binder (Sekisui Chemical Co., Ltd., ESREC (registered trademark) BH-3) and a plasticizer (butyl phthalate) and 1 mol of {Li 0.02 (K 0.5 To each of Na 0.5 ) 0.98 } {Nb 0.94 Sb 0.06 } O 3 , 10.35 g and 10.35 g were added, respectively, and further mixed for 2 hours.

なお、NN板状粉末の配合量は、出発原料から合成されるKNN系化合物(ABO)のAサイト元素の5at%がNN板状粉末から供給される量とした。また、非板状のNN粉末、KN粉末、KT粉末、LS粉末及びNS粉末は、所定量のKCO粉末、NaCO粉末、Nb粉末、Ta粉末及び/又はSb粉末を含む混合物を750℃で5時間加熱し、反応物をボールミル粉砕する固相法により作製した。 The blending amount of the NN plate-like powder was such that 5 at% of the A-site element of the KNN compound (ABO 3 ) synthesized from the starting material was supplied from the NN plate-like powder. Further, the non-plate-like NN powder, KN powder, KT powder, LS powder and NS powder include predetermined amounts of K 2 CO 3 powder, Na 2 CO 3 powder, Nb 2 O 5 powder, Ta 2 O 5 powder and / or Alternatively, a mixture containing Sb 2 O 5 powder was prepared by a solid phase method in which the reaction product was heated at 750 ° C. for 5 hours and the reaction product was ball milled.

次に、ドクターブレード装置を用いて、混合したスラリを厚さ100μmのテープ状に成形した。さらに、このテープを積層、圧着及び圧延することにより、厚さ1.5mmの板状成形体を得た。次いで、得られた板状成形体を、大気中において、加熱温度:600℃、加熱時間:2時間、昇温速度:50℃/h、冷却速度:炉冷の条件下で脱脂を行った。さらに、脱脂後の板状成形体に圧力:300MPaでCIP処理を施した後、酸素中において、焼成温度:1100℃、加熱時間:1時間、昇・降温速度:200℃/hrの条件下で常圧焼結を行った。   Next, the mixed slurry was formed into a tape having a thickness of 100 μm using a doctor blade device. Furthermore, by laminating, pressing and rolling this tape, a plate-like molded body having a thickness of 1.5 mm was obtained. Next, the obtained plate-like molded body was degreased in the air under the conditions of heating temperature: 600 ° C., heating time: 2 hours, heating rate: 50 ° C./h, cooling rate: furnace cooling. Further, after the degreased plate-like molded body was subjected to CIP treatment at a pressure of 300 MPa, in oxygen, the firing temperature was 1100 ° C., the heating time was 1 hour, and the temperature rising / falling rate was 200 ° C./hr. Atmospheric pressure sintering was performed.

(3) {Li0.02(K0.5Na0.5)0.98}{Nb0.94Sb0.06}O組成を有する結晶配向セラミックスの焼結体特性及び圧電特性の評価。
得られた焼結体について、焼結体密度、及びテープ面と平行な面についてのロットゲーリング法による{100}面の平均配向度F(100)を測定した。なお、平均配向度F(100)は、数1の式を用いて算出した。本実施例で得られた結晶配向セラミックスの相対密度は、95%以上であった。また、擬立方{100}面は、テープ面に対して平行に配向しており、ロットゲーリング法による擬立方{100}面の平均配向度は、82%に達した。
(3) Evaluation of sintered body characteristics and piezoelectric characteristics of crystal oriented ceramics having {Li 0.02 (K 0.5 Na 0.5 ) 0.98 } {Nb 0.94 Sb 0.06 } O 3 composition .
About the obtained sintered compact, the average orientation degree F (100) of the {100} plane by the Lotgering method about a sintered compact density and a surface parallel to a tape surface was measured. The average degree of orientation F (100) was calculated using the formula (1). The relative density of the crystallographically-oriented ceramic obtained in this example was 95% or more. Further, the pseudo cubic {100} plane was oriented parallel to the tape surface, and the average orientation degree of the pseudo cubic {100} plane by the Lotgering method reached 82%.

次に、結晶配向セラミックスに対して分極処理を行った後、圧電特性である圧電歪み定数(d31)、電気機械結合係数(k)及び圧電電圧センサg係数(g31)を測定した。また、必要に応じて、−50℃〜350℃の温度範囲における圧電d31定数の温度依存性及びキュリー温度を評価した。 Next, after polarization treatment was performed on the crystal-oriented ceramics, the piezoelectric strain constant (d 31 ), the electromechanical coupling coefficient (k p ), and the piezoelectric voltage sensor g coefficient (g 31 ), which are piezoelectric characteristics, were measured. In addition, the temperature dependence of the piezoelectric d 31 constant and the Curie temperature in the temperature range of −50 ° C. to 350 ° C. were evaluated as necessary.

まず、得られた焼結体から研削、研磨、加工により、その上下面がテープ面に対して平行である厚さ0.7mm、直径11mmの円盤状試料を作製し、その上下面にAu電極をスパッタによりコーティングした。次いで、100℃の絶縁シリコンオイル中に円盤状試料をセットし、約3分間保持して試料の温度を一定にした後、円盤状試料の上下方向に1kV/mmの電界を10分間印加する「第1の分極処理」を施した(試料No.1)。   First, a disk-shaped sample having a thickness of 0.7 mm and a diameter of 11 mm whose upper and lower surfaces are parallel to the tape surface is prepared from the obtained sintered body by grinding, polishing, and processing, and Au electrodes are formed on the upper and lower surfaces. Was coated by sputtering. Next, after setting the disk-like sample in insulating silicon oil at 100 ° C. and holding it for about 3 minutes to make the temperature of the sample constant, an electric field of 1 kV / mm is applied in the vertical direction of the disk-like sample for 10 minutes. The first polarization treatment ”was performed (Sample No. 1).

電圧の印加を停止した後、即座に室温(約25℃)の絶縁シリコンオイル中に移し替え、急冷した。試料に付着した絶縁シリコンオイルをアセトン溶媒で洗浄した後、その圧電特性を室温において共振反共振法により測定した。   Immediately after the application of the voltage was stopped, it was transferred into insulating silicon oil at room temperature (about 25 ° C.) and rapidly cooled. The insulating silicon oil adhering to the sample was washed with an acetone solvent, and its piezoelectric characteristics were measured at room temperature by the resonance antiresonance method.

以下、同様にして、同一試料に対して、100℃の絶縁シリコンオイル中において、2kV/mm(試料No.2)、3kV/mm(試料No.3)、4kV/mm(試料No.4)及び5kV/mm(試料No.5)の電界を順次印加し、それぞれ、その圧電特性を室温において測定した。また、最も高い圧電d31定数が得られた試料(本実施例の場合、試料No.5)について、室温に放置して約20時間エージングした後、再度、室温において圧電特性を測定した(試料No.6)。 Hereinafter, in the same manner, 2 kV / mm (sample No. 2), 3 kV / mm (sample No. 3), 4 kV / mm (sample No. 4) in an insulating silicon oil at 100 ° C. for the same sample. And an electric field of 5 kV / mm (sample No. 5) were sequentially applied, and the respective piezoelectric characteristics were measured at room temperature. Further, the sample (sample No. 5 in the case of this example) with the highest piezoelectric d 31 constant was left at room temperature and aged for about 20 hours, and then the piezoelectric characteristics were measured again at room temperature (sample) No. 6).

また、最も高い圧電d31定数が得られ、かつ室温でエージングした試料(試料No.6)について、さらに、室温の絶縁シリコンオイル中で円盤状試料の上下方向に4kV/mmの電圧を10分間印加する「第2の分極処理」を行った後、室温において圧電特性を評価した(試料No.7)。さらに、この試料を室温放置して約20時間エージングした後、再度室温においてその圧電特性を評価した(試料No.8)。表1に、各試料の分極条件及び圧電特性を示す。 In addition, with respect to the sample (sample No. 6) obtained with the highest piezoelectric d 31 constant and aged at room temperature, a voltage of 4 kV / mm was further applied for 10 minutes in the vertical direction of the disk-shaped sample in insulating silicon oil at room temperature. After performing the “second polarization treatment” to be applied, the piezoelectric characteristics were evaluated at room temperature (Sample No. 7). Further, this sample was allowed to stand at room temperature and aged for about 20 hours, and then its piezoelectric characteristics were evaluated again at room temperature (sample No. 8). Table 1 shows the polarization conditions and piezoelectric characteristics of each sample.

Figure 2005228865
Figure 2005228865

本実施例の場合、電界強度を5kV/mmとする第1の分極処理を行ったときに、最も高い圧電d31定数が得られた(試料No.5)。また、これに対して室温でのエージングを行っても、圧電特性は劣化しなかった(試料No.6)。さらに、エージング後の試料No.6に対して、電界強度を4kV/mmとする第2の分極処理を行うと、圧電特性がさらに向上した(試料No.7)。また、これに対して室温でのエージングを行っても、圧電特性は劣化しなかった(試料No.8)。第2の分極処理後の圧電特性(試料No.5)は、第1の分極処理後の圧電特性(試料No.7)に比べて、室温におけるd31は1.10倍、kpは1.14倍、g31は1.32倍に向上した。 In the case of the present example, the highest piezoelectric d 31 constant was obtained when the first polarization treatment was performed with the electric field strength set to 5 kV / mm (sample No. 5). In contrast, the piezoelectric characteristics did not deteriorate even when aging was performed at room temperature (Sample No. 6). Further, the sample No. 6 was subjected to the second polarization treatment with an electric field strength of 4 kV / mm, the piezoelectric characteristics were further improved (Sample No. 7). In addition, the piezoelectric characteristics did not deteriorate even when aging was performed at room temperature (Sample No. 8). Piezoelectric properties after the second polarization treatment (Sample No.5), as compared to the piezoelectric characteristics after the first polarization treatment (Sample No.7), d 31 at room temperature is 1.10 times, kp is 1. 14-fold, g 31 was improved to 1.32 times.

脱脂後の板状成形体の焼成温度を1125℃とした以外は、実施例1と同一の手順に従い、{Li0.02(K0.5Na0.5)0.98}{Nb0.94Sb0.06}O組成を有する結晶配向セラミックスを作製した。 {Li 0.02 (K 0.5 Na 0.5 ) 0.98 } {Nb 0 .0 } According to the same procedure as in Example 1 except that the firing temperature of the degreased plate-like molded body was 1125 ° C. A crystallographically-oriented ceramic having a 94 Sb 0.06 } O 3 composition was produced.

得られた結晶配向セラミックスについて、実施例1と同一の条件下で、焼結体密度、及び平均配向度を評価した。本実施例で得られた結晶配向セラミックスの相対密度は、95%以上であった。また、擬立方{100}面は、テープ面に対して平行に配向しており、ロットゲーリング法による擬立方{100}面の平均配向度は、82%に達した。   With respect to the obtained crystallographically-oriented ceramics, the sintered body density and the average degree of orientation were evaluated under the same conditions as in Example 1. The relative density of the crystallographically-oriented ceramic obtained in this example was 95% or more. Further, the pseudo cubic {100} plane was oriented parallel to the tape surface, and the average orientation degree of the pseudo cubic {100} plane by the Lotgering method reached 82%.

次に、実施例1と同一の手順に従い、第1の分極処理及び室温でのエージング、並びに、第2の分極処理及び室温でのエージングを行った。表2に、各試料の分極条件及び圧電特性を示す。   Next, according to the same procedure as in Example 1, the first polarization treatment and aging at room temperature, and the second polarization treatment and aging at room temperature were performed. Table 2 shows the polarization conditions and piezoelectric characteristics of each sample.

Figure 2005228865
Figure 2005228865

本実施例の場合、電界強度を5kV/mmとする第1の分極処理を行ったときに、最も高い圧電d31定数が得られた(試料No.5)。また、これに対して室温でのエージングを行っても、圧電特性は、d31が若干低下した以外は、劣化しなかった(試料No.6)。さらに、エージング後の試料No.6に対して、電界強度を4kV/mmとする第2の分極処理を行うと、圧電特性がさらに向上した(試料No.7)。また、これに対して室温でのエージングを行っても、圧電特性は、d31が若干低下した以外は、ほとんど劣化しなかった(試料No.8)。第2の分極処理後の圧電特性(試料No.7)は、第1の分極処理後の圧電特性(試料No.5)に比べて、室温におけるd31は1.05倍、kpは1.13倍、g31は1.25倍に向上した。 In the case of the present example, the highest piezoelectric d 31 constant was obtained when the first polarization treatment was performed with the electric field strength set to 5 kV / mm (sample No. 5). On the other hand, even when aging was performed at room temperature, the piezoelectric characteristics were not deteriorated except that d 31 was slightly reduced (Sample No. 6). Further, the sample No. 6 was subjected to the second polarization treatment with an electric field strength of 4 kV / mm, the piezoelectric characteristics were further improved (Sample No. 7). On the other hand, even when aging was performed at room temperature, the piezoelectric characteristics hardly deteriorated except that d 31 slightly decreased (Sample No. 8). The piezoelectric properties after the second polarization treatment (Sample No. 7) are 1.05 times d 31 at room temperature and kp is 1.5 times that of the piezoelectric properties after the first polarization treatment (Sample No. 5). 13-fold, g 31 was improved to 1.25 times.

図2に、試料No.8について測定された圧電d31定数の温度依存性を示す。−50〜350℃におけるd31の最大値は、94℃で146.7pm/Vに達し、また、キュリー温度は、318℃であった。図2より、斜方晶から正方晶への相転移温度は約94℃であり、正方晶から立方晶への相転移温度は約318℃であると考えられる。この円盤状試料について、X線回折装置を用いて結晶相を調べたところ、室温では斜方晶、100℃では正方晶、350℃では立方晶であることを確認した。 In FIG. The temperature dependence of the piezoelectric d 31 constant measured for 8 is shown. The maximum value of d 31 at −50 to 350 ° C. reached 146.7 pm / V at 94 ° C., and the Curie temperature was 318 ° C. From FIG. 2, it is considered that the phase transition temperature from orthorhombic to tetragonal is about 94 ° C., and the phase transition temperature from tetragonal to cubic is about 318 ° C. When the crystal phase of this disc-like sample was examined using an X-ray diffractometer, it was confirmed that it was orthorhombic at room temperature, tetragonal at 100 ° C., and cubic at 350 ° C.

{Li0.02(K0.5Na0.5)0.98}{Nb0.88Ta0.10Sb0.02}O組成となるように出発原料を配合し、脱脂後の板状成形体の焼成温度を1125℃とした以外は、実施例1と同一の手順に従い、{Li0.02(K0.5Na0.5)0.98}{Nb0.88Ta0.10Sb0.02}O組成を有する結晶配向セラミックスを作製した。 {Li 0.02 (K 0.5 Na 0.5 ) 0.98 } {Nb 0.88 Ta 0.10 Sb 0.02 } O 3 {Li 0.02 (K 0.5 Na 0.5 ) 0.98 } {Nb 0.88 Ta 0 .0 , following the same procedure as in Example 1, except that the firing temperature of the shaped compact was 1125 ° C. Crystal oriented ceramics having a composition of 10 Sb 0.02 } O 3 were produced.

得られた結晶配向セラミックスについて、実施例1と同一の条件下で、焼結体密度、及び平均配向度を評価した。本実施例で得られた結晶配向セラミックスの相対密度は、95%以上であった。また、擬立方{100}面は、テープ面に対して平行に配向しており、ロットゲーリング法による擬立方{100}面の平均配向度は、81%に達した。   With respect to the obtained crystallographically-oriented ceramics, the sintered body density and the average degree of orientation were evaluated under the same conditions as in Example 1. The relative density of the crystallographically-oriented ceramic obtained in this example was 95% or more. Further, the pseudo cubic {100} plane was oriented parallel to the tape surface, and the average degree of orientation of the pseudo cubic {100} plane by the Lotgering method reached 81%.

次に、実施例1と同一の手順に従い、第1の分極処理及び室温でのエージング、並びに、第2の分極処理及び室温でのエージングを行った。表3に、各試料の分極条件及び圧電特性を示す。   Next, according to the same procedure as in Example 1, the first polarization treatment and aging at room temperature, and the second polarization treatment and aging at room temperature were performed. Table 3 shows the polarization conditions and piezoelectric characteristics of each sample.

Figure 2005228865
Figure 2005228865

本実施例の場合、電界強度を5kV/mmとする第1の分極処理を行ったときに、最も高い圧電d31定数が得られた(試料No.5)。また、これに対して室温でのエージングを行っても、圧電特性はほとんど劣化しなかった(試料No.6)。さらに、エージング後の試料No.6に対して、電界強度を4kV/mmとする第2の分極処理を行うと、圧電特性がさらに向上した(試料No.7)。また、これに対して室温でのエージングを行っても、圧電特性は劣化しなかった(試料No.8)。第2の分極処理後の圧電特性(試料No.7)は、第1の分極処理後の圧電特性(試料No.5)に比べて、室温におけるd31は1.35倍、kpは1.37倍、g31は1.49倍に向上した。 In the case of the present example, the highest piezoelectric d 31 constant was obtained when the first polarization treatment was performed with the electric field strength set to 5 kV / mm (sample No. 5). In contrast, even when aging was performed at room temperature, the piezoelectric characteristics hardly deteriorated (Sample No. 6). Further, the sample No. 6 was subjected to the second polarization treatment with an electric field strength of 4 kV / mm, the piezoelectric characteristics were further improved (Sample No. 7). In addition, the piezoelectric characteristics did not deteriorate even when aging was performed at room temperature (Sample No. 8). Piezoelectric properties after the second polarization treatment (Sample No.7), as compared to the piezoelectric characteristics after the first polarization treatment (Sample No.5), d 31 at room temperature is 1.35 times, kp is 1. 37 times, g 31 was improved to 1.49 times.

{Li0.02(K0.5Na0.5)0.98}{Nb0.88Ta0.10Sb0.02}O組成となるように出発原料を配合し、脱脂後の板状成形体を、酸素中において、焼成温度:1125℃、加熱時間:1時間、加圧力:35kg/cm(3.43MPa)、昇・降温速度:200℃/hの条件下でホットプレスした以外は、実施例1と同一の手順に従い、{Li0.02(K0.5Na0.5)0.98}{Nb0.88Ta0.10Sb0.02}O組成を有する結晶配向セラミックスを作製した。 {Li 0.02 (K 0.5 Na 0.5 ) 0.98 } {Nb 0.88 Ta 0.10 Sb 0.02 } O 3 The shaped compact was hot-pressed in oxygen at a firing temperature of 1125 ° C., a heating time of 1 hour, a pressing force of 35 kg / cm 2 (3.43 MPa), and a temperature rising / falling rate of 200 ° C./h. Otherwise, following the same procedure as in Example 1, {Li 0.02 (K 0.5 Na 0.5 ) 0.98 } {Nb 0.88 Ta 0.10 Sb 0.02 } O 3 composition Crystal-oriented ceramics were produced.

得られた結晶配向セラミックスについて、実施例1と同一の条件下で、焼結体密度、及び平均配向度を評価した。本実施例で得られた結晶配向セラミックスの相対密度は、95%以上であった。また、擬立方{100}面は、テープ面に対して平行に配向しており、ロットゲーリング法による擬立方{100}面の平均配向度は、87%に達した。   With respect to the obtained crystallographically-oriented ceramics, the sintered body density and the average degree of orientation were evaluated under the same conditions as in Example 1. The relative density of the crystallographically-oriented ceramic obtained in this example was 95% or more. Further, the pseudo cubic {100} plane was oriented parallel to the tape surface, and the average degree of orientation of the pseudo cubic {100} plane by the Lotgering method reached 87%.

次に、実施例1と同一の手順に従い、第1の分極処理及び室温でのエージング、並びに、第2の分極処理及び室温でのエージングを行った。表4に、各試料の分極条件及び圧電特性を示す。   Next, according to the same procedure as in Example 1, the first polarization treatment and aging at room temperature, and the second polarization treatment and aging at room temperature were performed. Table 4 shows the polarization conditions and piezoelectric characteristics of each sample.

Figure 2005228865
Figure 2005228865

本実施例の場合、電界強度を5kV/mmとする第1の分極処理を行ったときに、最も高い圧電d31定数が得られた(試料No.5)。また、これに対して室温でのエージングを行っても、圧電特性は、d31が若干低下した以外は、ほとんど劣化しなかった(試料No.6)。さらに、エージング後の試料No.6に対して、電界強度を4kV/mmとする第2の分極処理を行うと、圧電特性がさらに向上した(試料No.7)。また、これに対して室温でのエージングを行っても、圧電特性は、d31が若干低下した以外は、劣化しなかった(試料No.8)。第2の分極処理後の圧電特性(試料No.7)は、第1の分極処理後の圧電特性(試料No.5)に比べて、室温におけるd31は1.10倍、kpは1.16倍、g31は1.25倍に向上した。 In the case of the present example, the highest piezoelectric d 31 constant was obtained when the first polarization treatment was performed with the electric field strength set to 5 kV / mm (sample No. 5). On the other hand, even when aging was performed at room temperature, the piezoelectric characteristics hardly deteriorated (sample No. 6) except that d 31 slightly decreased. Further, the sample No. 6 was subjected to the second polarization treatment with an electric field strength of 4 kV / mm, the piezoelectric characteristics were further improved (Sample No. 7). On the other hand, even when aging was performed at room temperature, the piezoelectric characteristics were not deteriorated except that d 31 was slightly decreased (Sample No. 8). The piezoelectric characteristics after the second polarization treatment (Sample No. 7) are 1.10 times d 31 at room temperature and kp is 1.times. Compared to the piezoelectric characteristics after the first polarization treatment (Sample No. 5). 16-fold, g 31 was improved to 1.25 times.

図3に、試料No.8について測定された圧電d31定数の温度依存性を示す。−50〜350℃におけるd31の最大値は、92℃で117.6pm/Vに達し、また、キュリー温度は、331℃であった。図3より、斜方晶から正方晶への相転移温度は約92℃であり、正方晶から立方晶への相転移温度は約331℃であると考えられる。この円盤状試料について、X線回折装置を用いて結晶相を調べたところ、室温では斜方晶、100℃では正方晶、350℃では立方晶であることを確認した。 In FIG. The temperature dependence of the piezoelectric d 31 constant measured for 8 is shown. The maximum value of d 31 at −50 to 350 ° C. reached 117.6 pm / V at 92 ° C., and the Curie temperature was 331 ° C. From FIG. 3, it is considered that the phase transition temperature from orthorhombic to tetragonal is about 92 ° C., and the phase transition temperature from tetragonal to cubic is about 331 ° C. When the crystal phase of this disc-like sample was examined using an X-ray diffractometer, it was confirmed that it was orthorhombic at room temperature, tetragonal at 100 ° C., and cubic at 350 ° C.

Aサイト元素の2at%がNN板状粉末から供給され、かつ、{Li0.02(K0.5Na0.5)0.98}{Nb0.81Ta0.14Sb0.05}O組成となるように出発原料を配合し、脱脂後の板状成形体の焼成温度を1150℃とした以外は、実施例1と同一の手順に従い、{Li0.02(K0.5Na0.5)0.98}{Nb0.81Ta0.14Sb0.05}O組成を有する結晶配向セラミックスを作製した。 2 at% of the A-site element is supplied from the NN plate-like powder, and {Li 0.02 (K 0.5 Na 0.5 ) 0.98 } {Nb 0.81 Ta 0.14 Sb 0.05 } According to the same procedure as in Example 1, except that the starting materials are blended so as to have an O 3 composition, and the firing temperature of the plate-shaped molded body after degreasing is 1150 ° C., {Li 0.02 (K 0.5 Crystal oriented ceramics having a composition of Na 0.5 ) 0.98 } {Nb 0.81 Ta 0.14 Sb 0.05 } O 3 were prepared.

得られた結晶配向セラミックスについて、実施例1と同一の条件下で、焼結体密度、及び平均配向度を評価した。本実施例で得られた結晶配向セラミックスの相対密度は、95%以上であった。また、擬立方{100}面は、テープ面に対して平行に配向しており、ロットゲーリング法による擬立方{100}面の平均配向度は、75%に達した。   With respect to the obtained crystallographically-oriented ceramics, the sintered body density and the average degree of orientation were evaluated under the same conditions as in Example 1. The relative density of the crystallographically-oriented ceramic obtained in this example was 95% or more. Further, the pseudo cubic {100} plane was oriented parallel to the tape surface, and the average degree of orientation of the pseudo cubic {100} plane by the Lotgering method reached 75%.

次に、第1の分極処理時の電界強度を最大で3kV/mmとし、第2の分極処理時の電界強度を2kV/mmとした以外は、実施例1と同一の手順に従い、第1の分極処理及び室温でのエージング、並びに、第2の分極処理及び室温でのエージングを行った。表5に、各試料の分極条件及び圧電特性を示す。   Next, according to the same procedure as in Example 1, except that the electric field strength at the time of the first polarization treatment is 3 kV / mm at the maximum and the electric field strength at the time of the second polarization treatment is 2 kV / mm, Polarization treatment and aging at room temperature, and second polarization treatment and aging at room temperature were performed. Table 5 shows the polarization conditions and piezoelectric characteristics of each sample.

Figure 2005228865
Figure 2005228865

本実施例の場合、電界強度を2kV/mmとする第1の分極処理を行ったときに、最も高い圧電d31定数が得られた(試料No.2)。また、これに対して室温でのエージングを行っても、圧電特性は、d31が若干低下した以外は、ほとんど劣化しなかった(試料No.4)。さらに、エージング後の試料No.4に対して、電界強度を2kV/mmとする第2の分極処理を行うと、圧電特性がさらに向上した(試料No.5)。また、これに対して室温でのエージングを行っても、圧電特性は、d31が若干低下した以外は、ほとんど劣化しなかった(試料No.6)。第2の分極処理後の圧電特性(試料No.5)は、第1の分極処理後の圧電特性(試料No.2)に比べて、室温におけるd31は1.09倍、kpは1.25倍、g31は1.51倍に向上した。 In the case of this example, the highest piezoelectric d 31 constant was obtained when the first polarization treatment was performed with the electric field strength set to 2 kV / mm (sample No. 2). On the other hand, even when aging was performed at room temperature, the piezoelectric characteristics hardly deteriorated (sample No. 4) except that d 31 slightly decreased. Further, the sample No. 4 was subjected to a second polarization treatment with an electric field strength of 2 kV / mm, the piezoelectric characteristics were further improved (Sample No. 5). On the other hand, even when aging was performed at room temperature, the piezoelectric characteristics hardly deteriorated (sample No. 6) except that d 31 slightly decreased. The piezoelectric characteristics after the second polarization treatment (sample No. 5) are 1.09 times as high as the d 31 at room temperature and the kp is 1.times. Compared to the piezoelectric characteristics after the first polarization treatment (sample No. 2). 25 times, g 31 was improved to 1.51 times.

{Li0.02(K0.5Na0.5)0.98}{Nb0.81Ta0.14Sb0.05}O組成となるように出発原料を配合し、脱脂後の板状成形体の焼成温度を1150℃とした以外は、実施例1と同一の手順に従い、{Li0.02(K0.5Na0.5)0.98}{Nb0.81Ta0.14Sb0.05}O組成を有する結晶配向セラミックスを作製した。 {Li 0.02 (K 0.5 Na 0.5 ) 0.98 } {Nb 0.81 Ta 0.14 Sb 0.05 } O 3 {Li 0.02 (K 0.5 Na 0.5 ) 0.98 } {Nb 0.81 Ta 0 .0 , following the same procedure as in Example 1, except that the firing temperature of the shaped compact was 1150 ° C. Crystal-oriented ceramics having a composition of 14 Sb 0.05 } O 3 were prepared.

得られた結晶配向セラミックスについて、実施例1と同一の条件下で、焼結体密度、及び平均配向度を評価した。本実施例で得られた結晶配向セラミックスの相対密度は、95%以上であった。また、擬立方{100}面は、テープ面に対して平行に配向しており、ロットゲーリング法による擬立方{100}面の平均配向度は、72%に達した。   With respect to the obtained crystallographically-oriented ceramics, the sintered body density and the average degree of orientation were evaluated under the same conditions as in Example 1. The relative density of the crystallographically-oriented ceramic obtained in this example was 95% or more. Further, the pseudo cubic {100} plane was oriented parallel to the tape surface, and the average degree of orientation of the pseudo cubic {100} plane by the Lotgering method reached 72%.

次に、実施例1と同一の手順に従い、第1の分極処理及び室温でのエージング、並びに、第2の分極処理及び室温でのエージングを行った。表6に、各試料の分極条件及び圧電特性を示す。   Next, according to the same procedure as in Example 1, the first polarization treatment and aging at room temperature, and the second polarization treatment and aging at room temperature were performed. Table 6 shows the polarization conditions and piezoelectric characteristics of each sample.

Figure 2005228865
Figure 2005228865

本実施例の場合、電界強度を5kV/mmとする第1の分極処理を行ったときに、最も高い圧電d31定数が得られた(試料No.5)。また、これに対して室温でのエージングを行っても、圧電特性は、d31が若干低下した以外は、ほとんど劣化しなかった(試料No.6)。さらに、エージング後の試料No.6に対して、電界強度を4kV/mmとする第2の分極処理を行うと、圧電特性がさらに向上した(試料No.7)。また、これに対して室温でのエージングを行っても、圧電特性は、d31が若干低下した以外は、ほとんど劣化しなかった(試料No.8)。第2の分極処理後の圧電特性(試料No.7)は、第1の分極処理後の圧電特性(試料No.5)に比べて、室温におけるd31は1.13倍、kpは1.21倍、g31は1.34倍に向上した。 In the case of the present example, the highest piezoelectric d 31 constant was obtained when the first polarization treatment was performed with the electric field strength set to 5 kV / mm (sample No. 5). On the other hand, even when aging was performed at room temperature, the piezoelectric characteristics hardly deteriorated (sample No. 6) except that d 31 slightly decreased. Further, the sample No. 6 was subjected to the second polarization treatment with an electric field strength of 4 kV / mm, the piezoelectric characteristics were further improved (Sample No. 7). On the other hand, even when aging was performed at room temperature, the piezoelectric characteristics hardly deteriorated except that d 31 slightly decreased (Sample No. 8). Piezoelectric properties after the second polarization treatment (Sample No.7), as compared to the piezoelectric characteristics after the first polarization treatment (Sample No.5), d 31 at room temperature is 1.13 times, kp is 1. 21 times, g 31 was improved to 1.34 times.

図4に、試料No.8について測定された圧電d31定数の温度依存性を示す。−50〜350℃におけるd31の最大値は、61℃で123.2pm/Vに達し、また、キュリー温度は、285℃であった。図4より、斜方晶から正方晶への相転移温度は約61℃であり、正方晶から立方晶への相転移温度は約285℃であると考えられる。この円盤状試料について、X線回折装置を用いて結晶相を調べたところ、室温では斜方晶、100℃では正方晶、350℃では立方晶であることを確認した。 In FIG. The temperature dependence of the piezoelectric d 31 constant measured for 8 is shown. The maximum value of d 31 at −50 to 350 ° C. reached 123.2 pm / V at 61 ° C., and the Curie temperature was 285 ° C. From FIG. 4, it is considered that the phase transition temperature from orthorhombic to tetragonal is about 61 ° C., and the phase transition temperature from tetragonal to cubic is about 285 ° C. When the crystal phase of this disc-like sample was examined using an X-ray diffractometer, it was confirmed that it was orthorhombic at room temperature, tetragonal at 100 ° C., and cubic at 350 ° C.

{Li0.02(K0.5Na0.5)0.98}{Nb0.81Ta0.14Sb0.05}O組成となるように出発原料を配合し、脱脂後の板状成形体の焼成温度を1150℃、加熱時間を5時間とした以外は、実施例1と同一の手順に従い、{Li0.02(K0.5Na0.5)0.98}{Nb0.81Ta0.14Sb0.05}O組成を有する結晶配向セラミックスを作製した。 {Li 0.02 (K 0.5 Na 0.5 ) 0.98 } {Nb 0.81 Ta 0.14 Sb 0.05 } O 3 {Li 0.02 (K 0.5 Na 0.5 ) 0.98 } {Nb according to the same procedure as in Example 1 except that the firing temperature of the shaped compact was 1150 ° C. and the heating time was 5 hours. Crystal-oriented ceramics having a 0.81 Ta 0.14 Sb 0.05 } O 3 composition were produced.

得られた結晶配向セラミックスについて、実施例1と同一の条件下で、焼結体密度、及び平均配向度を評価した。本実施例で得られた結晶配向セラミックスの相対密度は、95%以上であった。また、擬立方{100}面は、テープ面に対して平行に配向しており、ロットゲーリング法による擬立方{100}面の平均配向度は、85%に達した。   With respect to the obtained crystallographically-oriented ceramics, the sintered body density and the average degree of orientation were evaluated under the same conditions as in Example 1. The relative density of the crystallographically-oriented ceramic obtained in this example was 95% or more. Further, the pseudo cubic {100} plane was oriented parallel to the tape surface, and the average degree of orientation of the pseudo cubic {100} plane by the Lotgering method reached 85%.

次に、第1の分極処理時の電界強度を最大で3kV/mmとし、第2の分極処理時の電界強度を3kV/mmとした以外は、実施例1と同一の手順に従い、第1の分極処理及び室温でのエージング、並びに、第2の分極処理を行った。表7に、各試料の分極条件及び圧電特性を示す。   Next, according to the same procedure as in Example 1, except that the electric field strength at the time of the first polarization treatment is 3 kV / mm at the maximum and the electric field strength at the time of the second polarization treatment is 3 kV / mm, Polarization treatment, aging at room temperature, and second polarization treatment were performed. Table 7 shows the polarization conditions and piezoelectric characteristics of each sample.

Figure 2005228865
Figure 2005228865

本実施例の場合、電界強度を1kV/mmとする第1の分極処理を行ったときに、最も高い圧電d31定数が得られた(試料No.1)。また、これに対して室温でのエージングを行っても、圧電特性は、d31が若干低下した以外は、ほとんど劣化しなかった(試料No.4)。さらに、エージング後の試料No.4に対して、電界強度を3kV/mmとする第2の分極処理を行うと、圧電特性がさらに向上した(試料No.5)。第2の分極処理後の圧電特性(試料No.5)は、第1の分極処理後の圧電特性(試料No.1)に比べて、室温におけるd31は1.14倍、kpは1.29倍、g31は1.52倍に向上した。 In the case of this example, the highest piezoelectric d 31 constant was obtained (sample No. 1) when the first polarization treatment with an electric field strength of 1 kV / mm was performed. On the other hand, even when aging was performed at room temperature, the piezoelectric characteristics hardly deteriorated (sample No. 4) except that d 31 slightly decreased. Further, the sample No. 4 was subjected to the second polarization treatment with an electric field strength of 3 kV / mm, the piezoelectric characteristics were further improved (Sample No. 5). Piezoelectric properties after the second polarization treatment (Sample No.5), as compared to the piezoelectric characteristics after the first polarization treatment (Sample No.1), d 31 at room temperature is 1.14 times, kp is 1. 29 times, g 31 was improved to 1.52 times.

図5に、試料No.5について測定された圧電d31定数の温度依存性を示す。−50〜350℃におけるd31の最大値は、40℃で146.4pm/Vに達し、また、キュリー温度は、241℃であった。図5より、斜方晶から正方晶への相転移温度は約40℃であり、正方晶から立方晶への相転移温度は約241℃であると考えられる。この円盤状試料について、X線回折装置を用いて結晶相を調べたところ、室温では斜方晶、100℃では正方晶、350℃では立方晶であることを確認した。 In FIG. The temperature dependence of the piezoelectric d 31 constant measured for 5 is shown. The maximum value of d 31 at −50 to 350 ° C. reached 146.4 pm / V at 40 ° C., and the Curie temperature was 241 ° C. From FIG. 5, it is considered that the phase transition temperature from orthorhombic to tetragonal is about 40 ° C., and the phase transition temperature from tetragonal to cubic is about 241 ° C. When the crystal phase of this disc-like sample was examined using an X-ray diffractometer, it was confirmed that it was orthorhombic at room temperature, tetragonal at 100 ° C., and cubic at 350 ° C.

{Li0.02(K0.5Na0.5)0.98}{Nb0.81Ta0.14Sb0.05}O組成となるように出発原料を配合し、脱脂後の板状成形体を、酸素中において、焼成温度:1150℃、加熱時間:1時間、加圧力:35kg/cm(3.43MPa)、昇・降温速度:200℃/hの条件下でホットプレスした以外は、実施例1と同一の手順に従い、{Li0.02(K0.5Na0.5)0.98}{Nb0.81Ta0.14Sb0.05}O組成を有する結晶配向セラミックスを作製した。 {Li 0.02 (K 0.5 Na 0.5 ) 0.98 } {Nb 0.81 Ta 0.14 Sb 0.05 } O 3 The shaped compact was hot-pressed in oxygen at a firing temperature of 1150 ° C., a heating time of 1 hour, a pressing force of 35 kg / cm 2 (3.43 MPa), and a temperature rising / falling rate of 200 ° C./h. Otherwise, following the same procedure as Example 1, {Li 0.02 (K 0.5 Na 0.5 ) 0.98 } {Nb 0.81 Ta 0.14 Sb 0.05 } O 3 composition Crystal-oriented ceramics were produced.

得られた結晶配向セラミックスについて、実施例1と同一の条件下で、焼結体密度、及び平均配向度を評価した。本実施例で得られた結晶配向セラミックスの相対密度は、95%以上であった。また、擬立方{100}面は、テープ面に対して平行に配向しており、ロットゲーリング法による擬立方{100}面の平均配向度は、85%に達した。   With respect to the obtained crystallographically-oriented ceramics, the sintered body density and the average degree of orientation were evaluated under the same conditions as in Example 1. The relative density of the crystallographically-oriented ceramic obtained in this example was 95% or more. Further, the pseudo cubic {100} plane was oriented parallel to the tape surface, and the average degree of orientation of the pseudo cubic {100} plane by the Lotgering method reached 85%.

次に、実施例1と同一の手順に従い、第1の分極処理及び室温でのエージング、並びに、第2の分極処理及び室温でのエージングを行った。表8に、各試料の分極条件及び圧電特性を示す。   Next, according to the same procedure as in Example 1, the first polarization treatment and aging at room temperature, and the second polarization treatment and aging at room temperature were performed. Table 8 shows the polarization conditions and piezoelectric characteristics of each sample.

Figure 2005228865
Figure 2005228865

本実施例の場合、電界強度を5kV/mmとする第1の分極処理を行ったときに、最も高い圧電d31定数が得られた(試料No.5)。また、これに対して室温でのエージングを行っても、圧電特性は、d31が若干低下した以外は、劣化しなかった(試料No.6)。さらに、エージング後の試料No.6に対して、電界強度を4kV/mmとする第2の分極処理を行うと、圧電特性がさらに向上した(試料No.7)。また、これに対して室温でのエージングを行っても、圧電特性はほとんど劣化しなかった(試料No.8)。第2の分極処理後の圧電特性(試料No.7)は、第1の分極処理後の圧電特性(試料No.5)に比べて、室温におけるd31は1.06倍、kpは1.19倍、g31は1.44倍に向上した。 In the case of the present example, the highest piezoelectric d 31 constant was obtained when the first polarization treatment was performed with the electric field strength set to 5 kV / mm (sample No. 5). On the other hand, even when aging was performed at room temperature, the piezoelectric characteristics were not deteriorated except that d 31 was slightly reduced (Sample No. 6). Further, the sample No. 6 was subjected to the second polarization treatment with an electric field strength of 4 kV / mm, the piezoelectric characteristics were further improved (Sample No. 7). In contrast, the piezoelectric characteristics hardly deteriorated even when aging was performed at room temperature (Sample No. 8). The piezoelectric characteristics after the second polarization treatment (Sample No. 7) are 1.06 times d 31 at room temperature and kp is 1.5 compared to the piezoelectric characteristics after the first polarization treatment (Sample No. 5). 19 times, g 31 was improved to 1.44 times.

図6に、試料No.8について測定された圧電d31定数の温度依存性を示す。−50〜350℃におけるd31の最大値は、71℃で204.8pm/Vに達し、また、キュリー温度は、261℃であった。図6より、斜方晶から正方晶への相転移温度は約71℃であり、正方晶から立方晶への相転移温度は約261℃であると考えられる。この円盤状試料について、X線回折装置を用いて結晶相を調べたところ、室温では斜方晶、100℃では正方晶、350℃では立方晶であることを確認した。 In FIG. The temperature dependence of the piezoelectric d 31 constant measured for 8 is shown. The maximum value of d 31 at −50 to 350 ° C. reached 204.8 pm / V at 71 ° C., and the Curie temperature was 261 ° C. From FIG. 6, it is considered that the phase transition temperature from orthorhombic to tetragonal is about 71 ° C., and the phase transition temperature from tetragonal to cubic is about 261 ° C. When the crystal phase of this disc-like sample was examined using an X-ray diffractometer, it was confirmed that it was orthorhombic at room temperature, tetragonal at 100 ° C., and cubic at 350 ° C.

{Li0.02(K0.5Na0.5)0.98}{Nb0.81Ta0.14Sb0.05}O組成となるように出発原料を配合し、脱脂後の板状成形体を、酸素中において、焼成温度:1150℃、加熱時間:1時間、加圧力:50kg/cm(4.90MPa)、昇・降温速度:200℃/hの条件下でホットプレスした以外は、実施例1と同一の手順に従い、{Li0.02(K0.5Na0.5)0.98}{Nb0.81Ta0.14Sb0.05}O組成を有する結晶配向セラミックスを作製した。 {Li 0.02 (K 0.5 Na 0.5 ) 0.98 } {Nb 0.81 Ta 0.14 Sb 0.05 } O 3 The shaped compact was hot-pressed in oxygen under conditions of a firing temperature of 1150 ° C., a heating time of 1 hour, a pressing force of 50 kg / cm 2 (4.90 MPa), and a temperature rising / falling rate of 200 ° C./h. Otherwise, following the same procedure as Example 1, {Li 0.02 (K 0.5 Na 0.5 ) 0.98 } {Nb 0.81 Ta 0.14 Sb 0.05 } O 3 composition Crystal-oriented ceramics were produced.

得られた結晶配向セラミックスについて、実施例1と同一の条件下で、焼結体密度、及び平均配向度を評価した。本実施例で得られた結晶配向セラミックスの相対密度は、95%以上であった。また、擬立方{100}面は、テープ面に対して平行に配向しており、ロットゲーリング法による擬立方{100}面の平均配向度は、96%に達した。   With respect to the obtained crystallographically-oriented ceramics, the sintered body density and the average degree of orientation were evaluated under the same conditions as in Example 1. The relative density of the crystallographically-oriented ceramic obtained in this example was 95% or more. Further, the pseudo cubic {100} plane was oriented parallel to the tape surface, and the average orientation degree of the pseudo cubic {100} plane by the Lotgering method reached 96%.

次に、第1の分極処理時の電界強度を最大で3kV/mmとし、第2の分極処理時の電界強度を3kV/mmとした以外は、実施例1と同一の手順に従い、第1の分極処理及び室温でのエージング、並びに、第2の分極処理及び室温でのエージングを行った。表9に、各試料の分極条件及び圧電特性を示す。   Next, according to the same procedure as in Example 1, except that the electric field strength at the time of the first polarization treatment is 3 kV / mm at the maximum and the electric field strength at the time of the second polarization treatment is 3 kV / mm, Polarization treatment and aging at room temperature, and second polarization treatment and aging at room temperature were performed. Table 9 shows the polarization conditions and piezoelectric characteristics of each sample.

Figure 2005228865
Figure 2005228865

本実施例の場合、電界強度を1kV/mmとする第1の分極処理を行ったときに、最も高い圧電d31定数が得られた(試料No.1)。また、これに対して室温でのエージングを行うと、圧電特性は若干低下した(試料No.4)。さらに、エージング後の試料No.4に対して、電界強度を3kV/mmとする第2の分極処理を行うと、圧電特性がさらに向上した(試料No.5)。また、これに対して室温でのエージングを行っても、圧電特性はほとんど劣化しなかった(試料No.6)。第2の分極処理後の圧電特性(試料No.5)は、第1の分極処理後の圧電特性(試料No.1)に比べて、室温におけるd31は1.11倍、kpは1.18倍、g31は1.30倍に向上した。 In the case of this example, the highest piezoelectric d 31 constant was obtained (sample No. 1) when the first polarization treatment with an electric field strength of 1 kV / mm was performed. On the other hand, when aging was performed at room temperature, the piezoelectric characteristics slightly decreased (Sample No. 4). Further, the sample No. 4 was subjected to the second polarization treatment with an electric field strength of 3 kV / mm, the piezoelectric characteristics were further improved (Sample No. 5). In contrast, even when aging was performed at room temperature, the piezoelectric characteristics hardly deteriorated (Sample No. 6). The piezoelectric characteristics after the second polarization treatment (sample No. 5) are 1.11 times d 31 at room temperature and kp is 1.1 compared to the piezoelectric characteristics after the first polarization treatment (sample No. 1). 18 times, g 31 was improved to 1.30 times.

図7に、試料No.6について測定された圧電d31定数の温度依存性を示す。−50〜350℃におけるd31の最大値は、59℃で177.1pm/Vに達し、また、キュリー温度は、257℃であった。図7より、斜方晶から正方晶への相転移温度は約59℃であり、正方晶から立方晶への相転移温度は約257℃であると考えられる。この円盤状試料について、X線回折装置を用いて結晶相を調べたところ、室温では斜方晶、100℃では正方晶、350℃では立方晶であることを確認した。 In FIG. 6 shows the temperature dependence of the piezoelectric d 31 constant measured for 6; The maximum value of d 31 at −50 to 350 ° C. reached 177.1 pm / V at 59 ° C., and the Curie temperature was 257 ° C. From FIG. 7, it is considered that the phase transition temperature from orthorhombic to tetragonal is about 59 ° C., and the phase transition temperature from tetragonal to cubic is about 257 ° C. When the crystal phase of this disc-like sample was examined using an X-ray diffractometer, it was confirmed that it was orthorhombic at room temperature, tetragonal at 100 ° C., and cubic at 350 ° C.

実施例8と同一の手順に従い、{Li0.02(K0.5Na0.5)0.98}{Nb0.81Ta0.14Sb0.05}O組成を有する結晶配向セラミックスを作製した。得られた結晶配向セラミックスについて、実施例1と同一の条件下で、焼結体密度、及び平均配向度を評価した。本実施例で得られた結晶配向セラミックスの相対密度は、95%以上であった。また、擬立方{100}面は、テープ面に対して平行に配向しており、ロットゲーリング法による擬立方{100}面の平均配向度は、82%に達した。 According to the same procedure as in Example 8, {Li 0.02 (K 0.5 Na 0.5 ) 0.98 } {Nb 0.81 Ta 0.14 Sb 0.05 } O 3 oriented crystal ceramics Was made. With respect to the obtained crystallographically-oriented ceramics, the sintered body density and the average degree of orientation were evaluated under the same conditions as in Example 1. The relative density of the crystallographically-oriented ceramic obtained in this example was 95% or more. Further, the pseudo cubic {100} plane was oriented parallel to the tape surface, and the average orientation degree of the pseudo cubic {100} plane by the Lotgering method reached 82%.

次に、第1の分極処理時の温度を62℃とし、第1の分極処理時の電界強度を最大で4kV/mmとし、第2の分極処理時の電界強度を3kV/mmとした以外は、実施例1と同一の手順に従い、第1の分極処理及び室温でのエージング、並びに、第2の分極処理及び室温でのエージングを行った。表10に、各試料の分極条件及び圧電特性を示す。   Next, except that the temperature during the first polarization treatment is 62 ° C., the electric field strength during the first polarization treatment is 4 kV / mm at the maximum, and the electric field strength during the second polarization treatment is 3 kV / mm. According to the same procedure as in Example 1, the first polarization treatment and aging at room temperature, and the second polarization treatment and aging at room temperature were performed. Table 10 shows the polarization conditions and piezoelectric characteristics of each sample.

Figure 2005228865
Figure 2005228865

本実施例の場合、電界強度を1kV/mmとする第1の分極処理を行ったときに、最も高い圧電d31定数が得られた(試料No.1)。また、これに対して室温でのエージングを行っても、圧電特性は、d31が若干低下した以外は、劣化しなかった(試料No.5)。さらに、エージング後の試料No.5に対して、電界強度を3kV/mmとする第2の分極処理を行うと、圧電特性がさらに向上した(試料No.6)。また、これに対して室温でのエージングを行っても、圧電特性は、d31が若干低下した以外は、ほとんど劣化しなかった(試料No.7)。第2の分極処理後の圧電特性(試料No.4)は、第1の分極処理後の圧電特性(試料No.1)に比べて、室温におけるd31は1.02倍、kpは1.14倍、g31は1.32倍に向上した。d31に対する室温分極の効果はほとんど見られなかったが、kp及びg31に対しては十分な効果が認められた。 In the case of this example, the highest piezoelectric d 31 constant was obtained (sample No. 1) when the first polarization treatment with an electric field strength of 1 kV / mm was performed. On the other hand, even when aging was performed at room temperature, the piezoelectric characteristics were not deteriorated except that d 31 was slightly reduced (Sample No. 5). Further, the sample No. 5 was subjected to the second polarization treatment with an electric field strength of 3 kV / mm, the piezoelectric characteristics were further improved (Sample No. 6). On the other hand, even when aging was performed at room temperature, the piezoelectric characteristics hardly deteriorated (sample No. 7) except that d 31 slightly decreased. The piezoelectric characteristics after the second polarization treatment (Sample No. 4) are 1.02 times d 31 at room temperature and the kp is 1.2 times that of the piezoelectric characteristics after the first polarization treatment (Sample No. 1). 14-fold, g 31 was improved to 1.32 times. Almost no effect of room temperature polarization on d 31 was seen, but a sufficient effect on kp and g 31 was observed.

図8に、試料No.7について測定された圧電d31定数の温度依存性を示す。−50〜350℃におけるd31の最大値は、61℃で167.6pm/Vに達し、また、キュリー温度は、246℃であった。図8より、斜方晶から正方晶への相転移温度は約61℃であり、正方晶から立方晶への相転移温度は約246℃であると考えられる。この円盤状試料について、X線回折装置を用いて結晶相を調べたところ、室温では斜方晶、65℃では正方晶、350℃では立方晶であることを確認した。 In FIG. 7 shows the temperature dependence of the piezoelectric d 31 constant measured for 7. The maximum value of d 31 at −50 to 350 ° C. reached 167.6 pm / V at 61 ° C., and the Curie temperature was 246 ° C. From FIG. 8, it is considered that the phase transition temperature from orthorhombic to tetragonal is about 61 ° C., and the phase transition temperature from tetragonal to cubic is about 246 ° C. When the crystal phase of this disk-shaped sample was examined using an X-ray diffractometer, it was confirmed that it was orthorhombic at room temperature, tetragonal at 65 ° C., and cubic at 350 ° C.

実施例8と同一の手順に従い、{Li0.02(K0.5Na0.5)0.98}{Nb0.81Ta0.14Sb0.05}O組成を有する結晶配向セラミックスを作製した。得られた結晶配向セラミックスについて、実施例1と同一の条件下で、焼結体密度、及び平均配向度を評価した。本実施例で得られた結晶配向セラミックスの相対密度は、95%以上であった。また、擬立方{100}面は、テープ面に対して平行に配向しており、ロットゲーリング法による擬立方{100}面の平均配向度は、87%に達した。 According to the same procedure as in Example 8, {Li 0.02 (K 0.5 Na 0.5 ) 0.98 } {Nb 0.81 Ta 0.14 Sb 0.05 } O 3 oriented crystal ceramics Was made. With respect to the obtained crystallographically-oriented ceramics, the sintered body density and the average degree of orientation were evaluated under the same conditions as in Example 1. The relative density of the crystallographically-oriented ceramic obtained in this example was 95% or more. Further, the pseudo cubic {100} plane was oriented parallel to the tape surface, and the average degree of orientation of the pseudo cubic {100} plane by the Lotgering method reached 87%.

次に、第1の分極処理時の温度を165℃とし、第1の分極処理時の電界強度を最大で4kV/mmとし、第2の分極処理時の電界強度を3kV/mmとした以外は、実施例1と同一の手順に従い、第1の分極処理及び室温でのエージング、並びに、第2の分極処理及び室温でのエージングを行った。表11に、各試料の分極条件及び圧電特性を示す。   Next, the temperature at the time of the first polarization treatment is 165 ° C., the electric field strength at the time of the first polarization treatment is 4 kV / mm at the maximum, and the electric field strength at the time of the second polarization treatment is 3 kV / mm. According to the same procedure as in Example 1, the first polarization treatment and aging at room temperature, and the second polarization treatment and aging at room temperature were performed. Table 11 shows the polarization conditions and piezoelectric characteristics of each sample.

Figure 2005228865
Figure 2005228865

本実施例の場合、電界強度を1kV/mmとする第1の分極処理を行ったときに、最も高い圧電d31定数が得られた(試料No.1)。また、これに対して室温でのエージングを行うと、圧電特性は若干低下した(試料No.5)。さらに、エージング後の試料No.5に対して、電界強度を3kV/mmとする第2の分極処理を行うと、圧電特性がさらに向上した(試料No.6)。また、これに対して室温でのエージングを行っても、圧電特性はほとんど劣化しなかった(試料No.7)。第2の分極処理後の圧電特性(試料No.6)は、第1の分極処理後の圧電特性(試料No.1)に比べて、室温におけるd31は1.11倍、kpは1.24倍、g31は1.43倍に向上した。 In the case of this example, the highest piezoelectric d 31 constant was obtained (sample No. 1) when the first polarization treatment with an electric field strength of 1 kV / mm was performed. On the other hand, when aging was performed at room temperature, the piezoelectric characteristics slightly decreased (Sample No. 5). Further, the sample No. 5 was subjected to the second polarization treatment with an electric field strength of 3 kV / mm, the piezoelectric characteristics were further improved (Sample No. 6). In contrast, even when aging was performed at room temperature, the piezoelectric characteristics hardly deteriorated (Sample No. 7). The piezoelectric characteristics after the second polarization treatment (Sample No. 6) are 1.11 times d 31 at room temperature and kp is 1.1 compared to the piezoelectric characteristics after the first polarization treatment (Sample No. 1). 24 times, g 31 was improved to 1.43 times.

出発原料としてNN板状粉末を用いなかった以外は、実施例8と同一の手順に従い、{Li0.02(K0.5Na0.5)0.98}{Nb0.81Ta0.14Sb0.05}O組成を有する無配向焼結体を作製した。 {Li 0.02 (K 0.5 Na 0.5 ) 0.98 } {Nb 0.81 Ta 0 .0 , following the same procedure as in Example 8, except that NN plate powder was not used as a starting material . A non-oriented sintered body having a 14 Sb 0.05 } O 3 composition was produced.

得られた無配向焼結体について、実施例1と同一の条件下で、焼結体密度、及び平均配向度を評価した。本実施例で得られた無配向焼結体の相対密度は、95%以上であった。また、擬立方{100}面は、テープ面に対して平行に配向しており、ロットゲーリング法による擬立方{100}面の平均配向度は、0%であった。   About the obtained non-oriented sintered compact, the sintered compact density and average orientation degree were evaluated on the same conditions as Example 1. FIG. The relative density of the non-oriented sintered body obtained in this example was 95% or more. The pseudo cubic {100} plane was oriented parallel to the tape surface, and the average degree of orientation of the pseudo cubic {100} plane by the Lotgering method was 0%.

次に、第1の分極処理時の電界強度を最大で4kV/mmとし、第2の分極処理時の電界強度を3kV/mmとした以外は、実施例1と同一の手順に従い、第1の分極処理及び室温でのエージング、並びに、第2の分極処理及び室温でのエージングを行った。表12に、各試料の分極条件及び圧電特性を示す。   Next, according to the same procedure as in Example 1, except that the electric field strength at the time of the first polarization treatment is 4 kV / mm at the maximum and the electric field strength at the time of the second polarization treatment is 3 kV / mm, Polarization treatment and aging at room temperature, and second polarization treatment and aging at room temperature were performed. Table 12 shows the polarization conditions and piezoelectric characteristics of each sample.

Figure 2005228865
Figure 2005228865

本実施例の場合、電界強度を4kV/mmとする第1の分極処理を行ったときに、最も高い圧電d31定数が得られた(試料No.4)。また、これに対して室温でのエージングを行っても、圧電特性は、d31が若干低下した以外は、ほとんど劣化しなかった(試料No.5)。さらに、エージング後の試料No.5に対して、電界強度を3kV/mmとする第2の分極処理を行うと、圧電特性がさらに向上した(試料No.6)。また、これに対して室温でのエージングを行っても、圧電特性は、d31が若干低下した以外は、ほとんど劣化しなかった(試料No.7)。第2の分極処理後の圧電特性(試料No.6)は、第1の分極処理後の圧電特性(試料No.4)に比べて、室温におけるd31は1.11倍、kpは1.22倍、g31は1.34倍に向上した。 In the case of this example, the highest piezoelectric d 31 constant was obtained when the first polarization treatment with an electric field strength of 4 kV / mm was performed (Sample No. 4). On the other hand, even when aging was performed at room temperature, the piezoelectric characteristics hardly deteriorated (sample No. 5) except that d 31 slightly decreased. Further, the sample No. 5 was subjected to the second polarization treatment with an electric field strength of 3 kV / mm, the piezoelectric characteristics were further improved (Sample No. 6). On the other hand, even when aging was performed at room temperature, the piezoelectric characteristics hardly deteriorated (sample No. 7) except that d 31 slightly decreased. The piezoelectric properties after the second polarization treatment (Sample No. 6) are 1.11 times d 31 at room temperature and kp is 1.1 compared to the piezoelectric properties after the first polarization treatment (Sample No. 4). 22 times, g 31 was improved to 1.34 times.

出発原料としてNN板状粉末を用いなかった以外は、実施例7と同一の手順に従い、{Li0.02(K0.5Na0.5)0.98}{Nb0.81Ta0.14Sb0.05}O組成を有する無配向焼結体を作製した。 {Li 0.02 (K 0.5 Na 0.5 ) 0.98 } {Nb 0.81 Ta 0 .0 , following the same procedure as in Example 7, except that NN plate powder was not used as a starting material . A non-oriented sintered body having a 14 Sb 0.05 } O 3 composition was produced.

得られた無配向焼結体について、実施例1と同一の条件下で、焼結体密度、及び平均配向度を評価した。本実施例で得られた無配向焼結体の相対密度は、95%以上であった。また、擬立方{100}面は、テープ面に対して平行に配向しており、ロットゲーリング法による擬立方{100}面の平均配向度は、1%であった。   About the obtained non-oriented sintered compact, the sintered compact density and average orientation degree were evaluated on the same conditions as Example 1. FIG. The relative density of the non-oriented sintered body obtained in this example was 95% or more. Further, the pseudo cubic {100} plane was oriented parallel to the tape surface, and the average degree of orientation of the pseudo cubic {100} plane by the Lotgering method was 1%.

次に、第1の分極処理時の電界強度を最大で4kV/mmとし、第2の分極処理時の電界強度を3kV/mmとした以外は、実施例1と同一の手順に従い、第1の分極処理及び室温でのエージング、並びに、第2の分極処理及び室温でのエージングを行った。表13に、各試料の分極条件及び圧電特性を示す。   Next, according to the same procedure as in Example 1, except that the electric field strength at the time of the first polarization treatment is 4 kV / mm at the maximum and the electric field strength at the time of the second polarization treatment is 3 kV / mm, Polarization treatment and aging at room temperature, and second polarization treatment and aging at room temperature were performed. Table 13 shows the polarization conditions and piezoelectric characteristics of each sample.

Figure 2005228865
Figure 2005228865

本実施例の場合、電界強度を4kV/mmとする第1の分極処理を行ったときに、最も高い圧電d31定数が得られた(試料No.4)。また、これに対して室温でのエージングを行っても、圧電特性は、d31が若干低下した以外は、ほとんど劣化しなかった(試料No.5)。さらに、エージング後の試料No.5に対して、電界強度を3kV/mmとする第2の分極処理を行うと、圧電特性がさらに向上した(試料No.6)。また、これに対して室温でのエージングを行っても、圧電特性はほとんど劣化しなかった(試料No.7)。第2の分極処理後の圧電特性(試料No.6)は、第1の分極処理後の圧電特性(試料No.4)に比べて、室温におけるd31は1.04倍、kpは1.23倍、g31は1.49倍に向上した。 In the case of this example, the highest piezoelectric d 31 constant was obtained when the first polarization treatment with an electric field strength of 4 kV / mm was performed (Sample No. 4). On the other hand, even when aging was performed at room temperature, the piezoelectric characteristics hardly deteriorated (sample No. 5) except that d 31 slightly decreased. Further, the sample No. 5 was subjected to the second polarization treatment with an electric field strength of 3 kV / mm, the piezoelectric characteristics were further improved (Sample No. 6). In contrast, even when aging was performed at room temperature, the piezoelectric characteristics hardly deteriorated (Sample No. 7). The piezoelectric properties after the second polarization treatment (sample No. 6) are 1.04 times d 31 at room temperature and kp is 1.4 compared to the piezoelectric properties after the first polarization treatment (sample No. 4). 23 times, g 31 was improved to 1.49 times.

{Li0.04(K0.46Na0.54)0.96}{Nb0.84Ta0.10Sb0.06}O組成となるように出発原料を配合し、脱脂後の成形体を、酸素中において、焼成温度:1150℃、加熱時間:1時間、加圧力:35kg/mm(3.43MPa)、昇・降温速度:200℃/hの条件下でホットプレスした以外は、実施例1と同一の手順に従い、{Li0.02(K0.46Na0.54)0.98}{Nb0.84Ta0.10Sb0.06}O組成を有する結晶配向セラミックスを作製した。 {Li 0.04 (K 0.46 Na 0.54 ) 0.96 } {Nb 0.84 Ta 0.10 Sb 0.06 } O 3 The starting material is blended so as to have a composition, and molding after degreasing The body was hot-pressed in oxygen at a firing temperature of 1150 ° C., a heating time of 1 hour, a pressing force of 35 kg / mm 2 (3.43 MPa), and a temperature rising / falling rate of 200 ° C./h. According to the same procedure as in Example 1, {Li 0.02 (K 0.46 Na 0.54 ) 0.98 } {Nb 0.84 Ta 0.10 Sb 0.06 } O 3 crystal orientation Ceramics were produced.

得られた結晶配向セラミックスについて、実施例1と同一の条件下で、焼結体密度、及び平均配向度を評価した。本実施例で得られた結晶配向セラミックスの相対密度は、95%以上であった。また、擬立方{100}面は、テープ面に対して平行に配向しており、ロットゲーリング法による擬立方{100}面の平均配向度は、92%に達した。   With respect to the obtained crystallographically-oriented ceramics, the sintered body density and the average degree of orientation were evaluated under the same conditions as in Example 1. The relative density of the crystallographically-oriented ceramic obtained in this example was 95% or more. Further, the pseudo cubic {100} plane was oriented parallel to the tape surface, and the average orientation degree of the pseudo cubic {100} plane by the Lotgering method reached 92%.

次に、第1の分極処理時の電界強度を最大で4kV/mmとし、第2の分極処理時の電界強度を3kV/mmとした以外は、実施例1と同一の手順に従い、第1の分極処理及び室温でのエージング、並びに、第2の分極処理及び室温でのエージングを行った。表14に、各試料の分極条件及び圧電特性を示す。   Next, according to the same procedure as in Example 1, except that the electric field strength at the time of the first polarization treatment is 4 kV / mm at the maximum and the electric field strength at the time of the second polarization treatment is 3 kV / mm, Polarization treatment and aging at room temperature, and second polarization treatment and aging at room temperature were performed. Table 14 shows the polarization conditions and piezoelectric characteristics of each sample.

Figure 2005228865
Figure 2005228865

本実施例の場合、電界強度を4kV/mmとする第1の分極処理を行ったときに、最も高い圧電d31定数が得られた(試料No.4)。また、これに対して室温でのエージングを行っても、圧電特性は劣化しなかった(試料No.5)。さらに、エージング後の試料No.5に対して、電界強度を3kV/mmとする第2の分極処理を行うと、圧電特性がさらに向上した(試料No.6)。また、これに対して室温でのエージングを行っても、圧電特性はほとんど劣化しなかった(試料No.7)。第2の分極処理後の圧電特性(試料No.6)は、第1の分極処理後の圧電特性(試料No.4)に比べて、室温におけるd31は1.10倍、kpは1.16倍、g31は1.37倍に向上した。 In the case of this example, the highest piezoelectric d 31 constant was obtained when the first polarization treatment with an electric field strength of 4 kV / mm was performed (Sample No. 4). In addition, the piezoelectric characteristics did not deteriorate even when aging was performed at room temperature (Sample No. 5). Further, the sample No. 5 was subjected to the second polarization treatment with an electric field strength of 3 kV / mm, the piezoelectric characteristics were further improved (Sample No. 6). In contrast, even when aging was performed at room temperature, the piezoelectric characteristics hardly deteriorated (Sample No. 7). Piezoelectric properties after the second polarization treatment (Sample No.6), as compared to the piezoelectric characteristics after the first polarization treatment (sample No.4), d 31 at room temperature is 1.10 times, kp is 1. 16 times, g 31 was improved to 1.37 times.

図9に、試料No.7について測定された圧電d31定数の温度依存性を示す。−50〜350℃におけるd31の最大値は、36℃で180.1pm/Vに達し、また、キュリー温度は、257℃であった。図8より、斜方晶から正方晶への相転移温度は約36℃であり、正方晶から立方晶への相転移温度は約257℃であると考えられる。この円盤状試料について、X線回折装置を用いて結晶相を調べたところ、室温では斜方晶、100℃では正方晶、350℃では立方晶であることを確認した。 In FIG. 7 shows the temperature dependence of the piezoelectric d 31 constant measured for 7. The maximum value of d 31 at −50 to 350 ° C. reached 180.1 pm / V at 36 ° C., and the Curie temperature was 257 ° C. From FIG. 8, it is considered that the phase transition temperature from orthorhombic to tetragonal is about 36 ° C., and the phase transition temperature from tetragonal to cubic is about 257 ° C. When the crystal phase of this disc-like sample was examined using an X-ray diffractometer, it was confirmed that it was orthorhombic at room temperature, tetragonal at 100 ° C., and cubic at 350 ° C.

(比較例1)
(K0.5Na0.5)NbO組成となるように出発原料を配合し、脱脂後の成形体を、酸素中において、焼成温度:1125℃、加熱時間:5時間、加圧力:35kg/mm(3.43MPa)、昇・降温速度:200℃/hの条件下でホットプレスした以外は、実施例1と同一の手順に従い、(K0.5Na0.5)NbO組成を有する結晶配向セラミックスを作製した。
(Comparative Example 1)
The starting material is blended so as to have a composition of (K 0.5 Na 0.5 ) NbO 3 , and the degreased molded body is calcined in oxygen at a firing temperature of 1125 ° C., a heating time of 5 hours, and a pressure of 35 kg. / K 2 (3.43 MPa), temperature increase / decrease rate: (K 0.5 Na 0.5 ) NbO 3 composition according to the same procedure as in Example 1 except that hot pressing was performed at 200 ° C./h. A crystallographically-oriented ceramic having the following characteristics was prepared.

得られた結晶配向セラミックスについて、実施例1と同一の条件下で、焼結体密度、及び平均配向度を評価した。本実施例で得られた結晶配向セラミックスの相対密度は、95%以上であった。また、擬立方{100}面は、テープ面に対して平行に配向しており、ロットゲーリング法による擬立方{100}面の平均配向度は、98%に達した。   With respect to the obtained crystallographically-oriented ceramics, the sintered body density and the average degree of orientation were evaluated under the same conditions as in Example 1. The relative density of the crystallographically-oriented ceramic obtained in this example was 95% or more. Further, the pseudo cubic {100} plane was oriented parallel to the tape surface, and the average degree of orientation of the pseudo cubic {100} plane by the Lotgering method reached 98%.

次に、実施例1と同一の手順に従い、1段目の分極処理及び室温でのエージング、並びに、2段目の分極処理及び室温でのエージングを行った。なお、(K0.5Na0.5)NbOの斜方晶→正方晶転移点は、約200℃であるので、100℃及び室温における分極処理は、いずれも斜方晶領域での分極処理となる。表15に、各試料の分極条件及び圧電特性を示す。 Next, following the same procedure as in Example 1, the first-stage polarization treatment and aging at room temperature, and the second-stage polarization treatment and aging at room temperature were performed. In addition, since the orthorhombic to tetragonal transition point of (K 0.5 Na 0.5 ) NbO 3 is about 200 ° C., the polarization treatment at 100 ° C. and at room temperature both takes place in the orthorhombic region. It becomes processing. Table 15 shows the polarization conditions and piezoelectric characteristics of each sample.

Figure 2005228865
Figure 2005228865

比較例1の場合、電界強度を5kV/mmとする1段目の分極処理を行ったときに、最も高い圧電d31定数が得られた(試料No.5)。また、これに対して室温でのエージングを行っても、圧電特性はほとんど劣化しなかった(試料No.6)。しかしながら、エージング後の試料No.6に対して、電界強度を4kV/mmとする2段目の分極処理を行っても、圧電特性の向上は認められなかった(試料No.7)。また、これに対して室温でのエージングを行っても、圧電特性は劣化しなかった(試料No.8)。2段目の分極処理後の圧電特性(試料No.7)は、1段目の分極処理後の圧電特性(試料No.5)に比べて、室温におけるd31は1.00倍、kpは0.95倍、g31は0.92倍であり、d31は変わらないが、kp及びg31はむしろ低下した。 In the case of Comparative Example 1, the highest piezoelectric d 31 constant was obtained when the first-stage polarization treatment with an electric field strength of 5 kV / mm was performed (Sample No. 5). In contrast, even when aging was performed at room temperature, the piezoelectric characteristics hardly deteriorated (Sample No. 6). However, the sample No. On the other hand, even when the second-stage polarization treatment with an electric field strength of 4 kV / mm was performed, no improvement in piezoelectric characteristics was observed (Sample No. 7). In addition, the piezoelectric characteristics did not deteriorate even when aging was performed at room temperature (Sample No. 8). 2-stage piezoelectric properties after polarization treatment (Sample No.7), compared to the first stage piezoelectric properties after polarization treatment (Sample No.5), d 31 is 1.00 times at room temperature, kp is 0.95 times, g 31 was 0.92 times and d 31 was not changed, but kp and g 31 were rather lowered.

(比較例2)
(K0.5Na0.5)NbO組成となるように出発原料を配合し、脱脂後の板状成形体の焼成温度を1075℃とした以外は、実施例1と同一の手順に従い、(K0.5Na0.5)NbO組成を有する結晶配向セラミックスを作製した。
(Comparative Example 2)
According to the same procedure as in Example 1, except that the starting material was blended so as to have a (K 0.5 Na 0.5 ) NbO 3 composition, and the firing temperature of the plate-shaped molded body after degreasing was 1075 ° C. Crystal-oriented ceramics having a (K 0.5 Na 0.5 ) NbO 3 composition were prepared.

得られた結晶配向セラミックスについて、実施例1と同一の条件下で、焼結体密度、及び平均配向度を評価した。本実施例で得られた結晶配向セラミックスの相対密度は、95%以上であった。また、擬立方{100}面は、テープ面に対して平行に配向しており、ロットゲーリング法による擬立方{100}面の平均配向度は、96%に達した。   With respect to the obtained crystallographically-oriented ceramics, the sintered body density and the average degree of orientation were evaluated under the same conditions as in Example 1. The relative density of the crystallographically-oriented ceramic obtained in this example was 95% or more. Further, the pseudo cubic {100} plane was oriented parallel to the tape surface, and the average orientation degree of the pseudo cubic {100} plane by the Lotgering method reached 96%.

次に、実施例1と同一の手順に従い、1段目の分極処理及び室温でのエージング、並びに、2段目の分極処理及び室温でのエージングを行った。表16に、各試料の分極条件及び圧電特性を示す。   Next, following the same procedure as in Example 1, the first-stage polarization treatment and aging at room temperature, and the second-stage polarization treatment and aging at room temperature were performed. Table 16 shows the polarization conditions and piezoelectric characteristics of each sample.

Figure 2005228865
Figure 2005228865

比較例2の場合、電界強度を5kV/mmとする1段目の分極処理を行ったときに、最も高い圧電d31定数が得られた(試料No.5)。また、これに対して室温でのエージングを行っても、圧電特性はほとんど劣化しなかった(試料No.6)。しかしながら、エージング後の試料No.6に対して、電界強度を4kV/mmとする2段目の分極処理を行っても、圧電特性の向上は認められなかった(試料No.7)。また、これに対して室温でのエージングを行っても、圧電特性はほとんど劣化しなかった(試料No.8)。2段目の分極処理後の圧電特性(試料No.7)は、1段目の分極処理後の圧電特性(試料No.5)に比べて、室温におけるd31は1.02倍、kpは1.00倍、g31は0.99倍であり、d31、kp及びg31にはほとんど変化が見られなかった。 In the case of Comparative Example 2, the highest piezoelectric d 31 constant was obtained when the first-stage polarization treatment with an electric field strength of 5 kV / mm was performed (Sample No. 5). In contrast, even when aging was performed at room temperature, the piezoelectric characteristics hardly deteriorated (Sample No. 6). However, the sample No. On the other hand, even when the second-stage polarization treatment with an electric field strength of 4 kV / mm was performed, no improvement in piezoelectric characteristics was observed (Sample No. 7). In contrast, the piezoelectric characteristics hardly deteriorated even when aging was performed at room temperature (Sample No. 8). 2-stage piezoelectric properties after polarization treatment (Sample No.7), compared to the first stage piezoelectric properties after polarization treatment (Sample No.5), d 31 is 1.02 times at room temperature, kp is 1.00-fold, g 31 is 0.99 times, little change was observed in the d 31, kp and g 31.

(比較例3)
実施例8と同一の手順に従い、{Li0.02(K0.5Na0.5)0.98}{Nb0.81Ta0.14Sb0.05}O組成を有する結晶配向セラミックスを作製した。得られた結晶配向セラミックスについて、実施例1と同一の条件下で、焼結体密度、及び平均配向度を評価した。本実施例で得られた結晶配向セラミックスの相対密度は、95%以上であった。また、擬立方{100}面は、テープ面に対して平行に配向しており、ロットゲーリング法による擬立方{100}面の平均配向度は、80%に達した。
(Comparative Example 3)
According to the same procedure as in Example 8, {Li 0.02 (K 0.5 Na 0.5 ) 0.98 } {Nb 0.81 Ta 0.14 Sb 0.05 } O 3 oriented crystal ceramics Was made. With respect to the obtained crystallographically-oriented ceramics, the sintered body density and the average degree of orientation were evaluated under the same conditions as in Example 1. The relative density of the crystallographically-oriented ceramic obtained in this example was 95% or more. Further, the pseudo cubic {100} plane was oriented parallel to the tape surface, and the average orientation degree of the pseudo cubic {100} plane by the Lotgering method reached 80%.

次に、第1の分極処理時の電界強度を最大で4kV/mmとし、第2の分極処理を行わなかった以外は、実施例1と同一の手順に従い、第1の分極処理及び室温でのエージングを行った。表17に、各試料の分極条件及び圧電特性を示す。   Next, the electric field intensity at the time of the first polarization treatment was set to 4 kV / mm at the maximum, and the second polarization treatment was not performed, and the first polarization treatment and the room temperature were performed according to the same procedure as in Example 1. Aging was performed. Table 17 shows the polarization conditions and piezoelectric characteristics of each sample.

Figure 2005228865
Figure 2005228865

比較例3の場合、電界強度を4kV/mmとする第1の分極処理を行ったときに、最も高い圧電d31定数が得られた(試料No.4)。また、これに対して室温でのエージングを行っても、圧電特性は、d31が若干低下した以外は、ほとんど劣化しなかった(試料No.5)。しかしながら、室温分極を行っていないために、実施例8と同様の高い圧電特性は得られなかった。 In the case of Comparative Example 3, the highest piezoelectric d 31 constant was obtained when the first polarization treatment with an electric field strength of 4 kV / mm was performed (Sample No. 4). On the other hand, even when aging was performed at room temperature, the piezoelectric characteristics hardly deteriorated (sample No. 5) except that d 31 slightly decreased. However, since the room temperature polarization was not performed, the same high piezoelectric characteristics as in Example 8 were not obtained.

図10に、試料No.5について測定された圧電d31定数の温度依存性を示す。−50〜350℃におけるd31の最大値は、63℃で156.7pm/Vに達し、また、キュリー温度は、245℃であった。図10より、斜方晶から正方晶への相転移温度は約63℃であり、正方晶から立方晶への相転移温度は約245℃であると考えられる。この円盤状試料について、X線回折装置を用いて結晶相を調べたところ、室温では斜方晶、65℃では正方晶、350℃では立方晶であることを確認した。 In FIG. The temperature dependence of the piezoelectric d 31 constant measured for 5 is shown. The maximum value of d 31 at −50 to 350 ° C. reached 156.7 pm / V at 63 ° C., and the Curie temperature was 245 ° C. From FIG. 10, it is considered that the phase transition temperature from orthorhombic to tetragonal is about 63 ° C., and the phase transition temperature from tetragonal to cubic is about 245 ° C. When the crystal phase of this disk-shaped sample was examined using an X-ray diffractometer, it was confirmed that it was orthorhombic at room temperature, tetragonal at 65 ° C., and cubic at 350 ° C.

表18に、実施例1〜14及び比較例1〜3で得られた焼結体の製造条件及び圧電特性を示す。   Table 18 shows manufacturing conditions and piezoelectric characteristics of the sintered bodies obtained in Examples 1 to 14 and Comparative Examples 1 to 3.

Figure 2005228865
Figure 2005228865

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。例えば、上記実施例では、主としてKNN系化合物に対して本発明を適用した例について説明したが、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではなく、温度が下がるに伴い立方晶から正方晶、斜方晶へと相転移する他の圧電セラミックスに対しても同様に適用することができる。   Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention. For example, in the above-described examples, the example in which the present invention is mainly applied to the KNN-based compound has been described. However, the scope of the present invention is not limited to this, and the cubic to tetragonal crystals are reduced as the temperature decreases. The present invention can be similarly applied to other piezoelectric ceramics that undergo phase transition to orthorhombic crystal.

本発明は、加速度センサ、焦電センサ、超音波センサ、電界センサ、温度センサ、ガスセンサ、ノッキングセンサ、ヨーレートセンサ、エアバックセンサ、圧電ジャイロセンサ等の各種センサ、圧電トランス等のエネルギー変換素子、圧電アクチュエータ、超音波モータ、レゾネータ等の低損失アクチュエータ又は低損失レゾネータ、キャパシタ、バイモルフ圧電素子、振動ピックアップ、圧電マイクロホン、圧電点火素子、ソナー、圧電ブザー、圧電スピーカ、発振子、フィルタ等に用いられる圧電材料を製造する方法として用いることができる。また、コンデンサ並びに積層コンデンサ等に用いられる誘電材料を製造する方法としても用いることができる。   The present invention includes an acceleration sensor, a pyroelectric sensor, an ultrasonic sensor, an electric field sensor, a temperature sensor, a gas sensor, a knocking sensor, a yaw rate sensor, an air bag sensor, a piezoelectric gyro sensor, and other various sensors, an energy conversion element such as a piezoelectric transformer, and a piezoelectric sensor. Low loss actuators such as actuators, ultrasonic motors, and resonators or low loss resonators, capacitors, bimorph piezoelectric elements, vibration pickups, piezoelectric microphones, piezoelectric ignition elements, sonar, piezoelectric buzzers, piezoelectric speakers, oscillators, filters, etc. It can be used as a method for producing a material. Further, it can also be used as a method for producing a dielectric material used for capacitors, multilayer capacitors and the like.

図1(a)は、従来の方法を用いた場合の自発分極の状態を示す模式図であり、図1(b)及び図1(c)は、本願の方法を用いた場合の自発分極の状態を示す模式図である。FIG. 1A is a schematic diagram showing a state of spontaneous polarization when a conventional method is used, and FIGS. 1B and 1C are diagrams of the spontaneous polarization when the method of the present application is used. It is a schematic diagram which shows a state. 実施例2で得られた圧電セラミックスの圧電d31定数の温度依存性を示す図である。It is a diagram showing temperature dependence of the piezoelectric d 31 constant of the piezoelectric ceramic obtained in Example 2. 実施例4で得られた圧電セラミックスの圧電d31定数の温度依存性を示す図である。It is a diagram showing temperature dependence of the piezoelectric d 31 constant of the piezoelectric ceramic obtained in Example 4. 実施例6で得られた圧電セラミックスの圧電d31定数の温度依存性を示す図である。It is a diagram showing temperature dependence of the piezoelectric d 31 constant of the piezoelectric ceramic obtained in Example 6. 実施例7で得られた圧電セラミックスの圧電d31定数の温度依存性を示す図である。It is a diagram showing temperature dependence of the piezoelectric d 31 constant of the piezoelectric ceramic obtained in Example 7. 実施例8で得られた圧電セラミックスの圧電d31定数の温度依存性を示す図である。It is a diagram showing temperature dependence of the piezoelectric d 31 constant of the piezoelectric ceramic obtained in Example 8. 実施例9で得られた圧電セラミックスの圧電d31定数の温度依存性を示す図である。ある。It is a diagram showing temperature dependence of the piezoelectric d 31 constant of the piezoelectric ceramic obtained in Example 9. is there. 実施例10で得られた圧電セラミックスの圧電d31定数の温度依存性を示す図である。It is a diagram showing temperature dependence of the piezoelectric d 31 constant of the piezoelectric ceramic obtained in Example 10. 実施例14で得られた圧電セラミックスの圧電d31定数の温度依存性を示す図である。It is a diagram showing temperature dependence of the piezoelectric d 31 constant of the piezoelectric ceramic obtained in Example 14. 比較例3で得られた圧電セラミックスの圧電d31定数の温度依存性を示す図である。It is a diagram showing temperature dependence of the piezoelectric d 31 constant of the piezoelectric ceramic obtained in Comparative Example 3.

Claims (16)

高温で立方晶の結晶構造を有し、温度を下げると正方晶、斜方晶へと可逆的に相転移する圧電セラミックスを、正方晶となる温度領域において第1の分極処理を行う第1工程と、
前記圧電セラミックスを、斜方晶となる温度領域において、かつ、前記第1の分極処理と同一方向に第2の分極処理を行う第2工程とを備えた圧電セラミックスの製造方法。
A first step of subjecting a piezoelectric ceramic having a cubic crystal structure at a high temperature and reversibly phase-transforming to tetragonal or orthorhombic when the temperature is lowered to a first polarization treatment in a temperature region where it becomes tetragonal. When,
A method of manufacturing a piezoelectric ceramic, comprising: a second step of performing a second polarization process in the temperature region where the piezoelectric ceramic is orthorhombic and in the same direction as the first polarization process.
前記第1工程及び/又は前記第2工程は、それぞれ、前記圧電セラミックスが飽和分極するまで、同一又は異なる温度において、1回又は2回以上の分極処理を行うものである請求項1に記載の圧電セラミックスの製造方法。   The said 1st process and / or the said 2nd process respectively perform the polarization process 1 time or 2 times or more in the same or different temperature until the said piezoelectric ceramics carry out saturation polarization. Manufacturing method of piezoelectric ceramics. 前記第1工程と前記第2工程とを、交互に繰り返す請求項1又は2に記載の圧電セラミックスの製造方法。   The method for manufacturing a piezoelectric ceramic according to claim 1 or 2, wherein the first step and the second step are alternately repeated. 前記圧電セラミックスは、
一般式:{Li(K1−yNa)1−x}{Nb1−z−wTaSb}O
(但し、0≦x≦0.2、0≦y≦1、0≦z≦0.4、0≦w≦0.2)
で表される等方性ペロブスカイト型化合物の多結晶体からなる請求項1から3までのいずれかに記載の圧電セラミックスの製造方法。
The piezoelectric ceramic is
General formula: {Li x (K 1- y Na y) 1-x} {Nb 1-z-w Ta z Sb w} O 3
(However, 0 ≦ x ≦ 0.2, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 0.4, 0 ≦ w ≦ 0.2)
The method for producing a piezoelectric ceramic according to claim 1, comprising a polycrystal of an isotropic perovskite type compound represented by the formula:
前記第1工程の分極処理温度Tは、[斜方晶→正方晶の相転移温度]<Tの温度範囲にあり、
前記第2工程の分極処理温度Tは、T<[斜方晶→正方晶の相転移温度]の温度範囲にある請求項4に記載の圧電セラミックスの製造方法。
The polarization treatment temperature T 1 in the first step is in a temperature range of [orthogonal crystal → tetragonal phase transition temperature] <T 1 ,
5. The method of manufacturing a piezoelectric ceramic according to claim 4, wherein the polarization treatment temperature T 2 in the second step is in a temperature range of T 2 <[orthogonal crystal → tetragonal phase transition temperature].
前記第2工程の分極処理温度Tは、10℃≦T<[斜方晶→正方晶の相転移温度]の温度範囲にある請求項5に記載の圧電セラミックスの製造方法。 The method for manufacturing a piezoelectric ceramic according to claim 5, wherein the polarization treatment temperature T 2 in the second step is in a temperature range of 10 ° C. ≦ T 2 <[orthogonal crystal → tetragonal phase transition temperature]. 前記第1工程の分極処理温度Tは、[斜方晶→正方晶の相転移温度]<T≦180℃の温度範囲にあり、
前記第2工程の分極処理温度Tは、T<[斜方晶→正方晶の相転移温度]の温度範囲にある請求項4に記載の圧電セラミックスの製造方法。
The polarization treatment temperature T 1 in the first step is in a temperature range of [orthogonal crystal → tetragonal phase transition temperature] <T 1 ≦ 180 ° C.,
5. The method of manufacturing a piezoelectric ceramic according to claim 4, wherein the polarization treatment temperature T 2 in the second step is in a temperature range of T 2 <[orthogonal crystal → tetragonal phase transition temperature].
前記第2工程の分極処理温度Tは、10℃≦T<[斜方晶→正方晶の相転移温度]の温度範囲にある請求項7に記載の圧電セラミックスの製造方法。 The method for manufacturing a piezoelectric ceramic according to claim 7, wherein the polarization treatment temperature T 2 in the second step is in a temperature range of 10 ° C. ≦ T 2 <[orthogonal crystal → tetragonal phase transition temperature]. 前記圧電セラミックスは、各結晶粒の擬立方{100}面が配向しているものからなり、
前記第1工程及び前記第2工程は、それぞれ、大きな伸びが期待できる結晶方位と同じ方向に、前記第1の分極処理及び前記第2の分極処理を行うものである請求項1から8までのいずれかに記載の圧電セラミックスの製造方法。
The piezoelectric ceramic is made of a crystal whose cubic cubic {100} plane is oriented,
The first step and the second step, respectively, perform the first polarization process and the second polarization process in the same direction as a crystal orientation in which a large elongation can be expected. The manufacturing method of the piezoelectric ceramic in any one.
前記圧電セラミックスは、各結晶粒の擬立方{100}面が配向しているものからなり、
前記第1工程は、擬立方{100}面が配向している面に対して垂直方向に前記第1の分極処理を行うものであり、
前記第2工程は、前記第1の分極処理と同一方向に前記第2の分極処理を行うものである請求項1から9までのいずれかに記載の圧電セラミックスの製造方法。
The piezoelectric ceramic is made of a crystal whose cubic cubic {100} plane is oriented,
In the first step, the first polarization treatment is performed in a direction perpendicular to a plane in which a pseudo cubic {100} plane is oriented,
The method for manufacturing a piezoelectric ceramic according to claim 1, wherein the second step performs the second polarization process in the same direction as the first polarization process.
前記圧電セラミックスは、各結晶粒の擬立方{100}面が配向しているものからなり、
前記第1工程は、擬立方{100}面が配向している面に対して平行方向に前記第1の分極処理を行うものであり、
前記第2工程は、前記第1の分極処理と同一方向に前記第2の分極処理を行うものである請求項1から9までのいずれかに記載の圧電セラミックスの製造方法。
The piezoelectric ceramic is made of a crystal whose cubic cubic {100} plane is oriented,
In the first step, the first polarization treatment is performed in a direction parallel to the plane in which the pseudo-cubic {100} plane is oriented,
The method for manufacturing a piezoelectric ceramic according to claim 1, wherein the second step performs the second polarization process in the same direction as the first polarization process.
前記圧電セラミックスは、ロットゲーリング法による擬立方{100}面の配向度が30%以上である請求項9から11までのいずれかに記載の圧電セラミックスの製造方法。   The method for producing a piezoelectric ceramic according to any one of claims 9 to 11, wherein the piezoelectric ceramic has a degree of orientation of a pseudo-cubic {100} plane by a Lotgering method of 30% or more. 前記第1工程は、前記圧電セラミックスに第1領域と第2領域とを隣接して形成し、前記第1領域と前記第2領域とを互いに逆方向に前記第1の分極処理を行うものであり、
前記第2工程は、前記第1領域及び前記第2領域を、それぞれ、前記第1の分極処理と同一方向に前記第2の分極処理を行うものである請求項1から12までのいずれかに記載の圧電セラミックスの製造方法。
In the first step, a first region and a second region are formed adjacent to the piezoelectric ceramic, and the first region is subjected to the first polarization process in opposite directions. Yes,
13. The method according to claim 1, wherein the second step performs the second polarization process in the same direction as the first polarization process in the first region and the second region, respectively. The manufacturing method of the piezoelectric ceramic of description.
前記圧電セラミックスに対し、第1の方向に前記第1の分極処理及び前記第2の分極処理を行う工程Aと、
該工程Aが行われた前記圧電セラミックスの一部に対し、前記第1の方向とは異なる第2の方向に前記第1の分極処理及び前記第2の分極処理を行う工程Bとを備えた請求項1から12までのいずれかに記載の圧電セラミックスの製造方法。
Performing the first polarization process and the second polarization process in a first direction on the piezoelectric ceramic; and
And a step B of performing the first polarization process and the second polarization process in a second direction different from the first direction with respect to a part of the piezoelectric ceramic subjected to the process A. The method for manufacturing a piezoelectric ceramic according to claim 1.
前記第2の方向は、前記第1の方向とは直角な方向である請求項14に記載の圧電セラミックスの製造方法。   The method of manufacturing a piezoelectric ceramic according to claim 14, wherein the second direction is a direction perpendicular to the first direction. 複数個の前記圧電セラミックスと複数個の電極との積層体を作製する工程Cと、
前記電極間に挟まれたm番目の前記圧電セラミックスに対し、前記第1の分極処理及び前記第2の分極処理を行う工程Dと、
該工程Dと同時に又は前記工程Dとは個別に、前記電極間に挟まれたn番目(n≠m)の前記圧電セラミックスに対し、前記m番目の圧電セラミックスと同一又は異なる方向に前記第1の分極処理及び前記第2の分極処理を行う工程Eとを備えた請求項1から12までのいずれかに記載の圧電セラミックスの製造方法。
Step C for producing a laminate of a plurality of the piezoelectric ceramics and a plurality of electrodes,
Performing the first polarization process and the second polarization process on the m-th piezoelectric ceramic sandwiched between the electrodes; and
Simultaneously with the step D or separately from the step D, the nth (n ≠ m) piezoelectric ceramic sandwiched between the electrodes is the same as or different from the mth piezoelectric ceramic. The manufacturing method of the piezoelectric ceramics in any one of Claim 1-12 provided with the process E which performs the polarization process of this, and the said 2nd polarization process.
JP2004034904A 2004-02-12 2004-02-12 Method for manufacturing piezoelectric ceramics Expired - Fee Related JP4450636B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004034904A JP4450636B2 (en) 2004-02-12 2004-02-12 Method for manufacturing piezoelectric ceramics

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004034904A JP4450636B2 (en) 2004-02-12 2004-02-12 Method for manufacturing piezoelectric ceramics

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2005228865A true JP2005228865A (en) 2005-08-25
JP4450636B2 JP4450636B2 (en) 2010-04-14

Family

ID=35003345

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2004034904A Expired - Fee Related JP4450636B2 (en) 2004-02-12 2004-02-12 Method for manufacturing piezoelectric ceramics

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4450636B2 (en)

Cited By (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007001044A1 (en) * 2005-06-29 2007-01-04 Ngk Insulators, Ltd. Piezoelectric/electrostriction element manufacturing method
JP2007250626A (en) * 2006-03-14 2007-09-27 Seiko Epson Corp Manufacturing method of piezoelectric element, actuator, liquid injection head, and liquid injection apparatus, and piezoelectric element
JP2007273853A (en) * 2006-03-31 2007-10-18 Kyocera Corp Piezoelectric actuator unit
JP2007281439A (en) * 2006-03-17 2007-10-25 Ngk Insulators Ltd Piezoelectric ceramics and manufacturing method thereof
JP2007284281A (en) * 2006-04-14 2007-11-01 Denso Corp Method for manufacturing crystal-oriented ceramic
JP2008042191A (en) * 2006-07-14 2008-02-21 Canon Inc Piezoelectric element and manufacturing method thereof, and ink jet head
WO2008029574A1 (en) 2006-09-08 2008-03-13 Konica Minolta Holdings, Inc. Droplet ejection head
JP2008078267A (en) * 2006-09-20 2008-04-03 Ngk Insulators Ltd Piezoelectric ceramic, its manufacturing method, and piezoelectric/electrostrictive element
US7598659B2 (en) 2006-03-17 2009-10-06 Ngk Insulators, Ltd. Piezoelectric ceramic and method of manufacturing the same
JP2010004007A (en) * 2007-10-24 2010-01-07 Fujifilm Corp Ferroelectric oxide, process for producing the same, piezoelectric body, and piezoelectric body, and piezoelectric element
JP2010129760A (en) * 2008-11-27 2010-06-10 Brother Ind Ltd Manufacturing method of piezoelectric actuator
WO2011061992A1 (en) * 2009-11-18 2011-05-26 太陽誘電株式会社 Lead-free piezoelectric porcelain composition, piezoelectric ceramic component formed using the composition, and process for producing piezoelectric ceramic component
JP2013144638A (en) * 2008-07-28 2013-07-25 Ngk Insulators Ltd Piezoelectric/electrostrictive ceramic sintered body
JP2014033210A (en) * 2005-12-06 2014-02-20 Seiko Epson Corp Piezoelectric laminate, surface acoustic wave element, thin film piezoelectric resonator, and a piezoelectric actuator
WO2014123134A1 (en) * 2013-02-06 2014-08-14 株式会社村田製作所 Piezoelectric oriented ceramic and method for manufacturing same
JP2015504403A (en) * 2011-10-18 2015-02-12 ダルハウジー ユニバーシティー Piezoelectric material and characteristic control method
US20150302993A1 (en) * 2014-04-22 2015-10-22 Industry-Academic Cooperation Foundation Yonsei University Multilayer ceramic capacitor using poling process for reduction of vibration
JP2016006858A (en) * 2014-05-30 2016-01-14 キヤノン株式会社 Piezoelectric material, piezoelectric element, manufacturing method thereof, and electronic device
JP2016006860A (en) * 2014-05-30 2016-01-14 キヤノン株式会社 Piezoelectric material, piezoelectric element, manufacturing method thereof, and electronic device
JP6034493B2 (en) * 2013-11-28 2016-11-30 京セラ株式会社 Piezoelectric element, piezoelectric member using the same, liquid discharge head, and recording apparatus
JP2016219669A (en) * 2015-05-23 2016-12-22 京セラ株式会社 Piezoelectric element, and piezoelectric member, liquid discharge head and recording device using the same
WO2020184243A1 (en) * 2019-03-13 2020-09-17 京セラ株式会社 Piezoelectric ceramic composition and piezoelectric actuator

Cited By (32)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8291558B2 (en) 2005-06-29 2012-10-23 Ngk Insulators, Ltd. Piezoelectric/electrostriction element manufacturing method
JP4980905B2 (en) * 2005-06-29 2012-07-18 日本碍子株式会社 Method for manufacturing piezoelectric / electrostrictive element
WO2007001044A1 (en) * 2005-06-29 2007-01-04 Ngk Insulators, Ltd. Piezoelectric/electrostriction element manufacturing method
JP2014033210A (en) * 2005-12-06 2014-02-20 Seiko Epson Corp Piezoelectric laminate, surface acoustic wave element, thin film piezoelectric resonator, and a piezoelectric actuator
JP2007250626A (en) * 2006-03-14 2007-09-27 Seiko Epson Corp Manufacturing method of piezoelectric element, actuator, liquid injection head, and liquid injection apparatus, and piezoelectric element
JP2007281439A (en) * 2006-03-17 2007-10-25 Ngk Insulators Ltd Piezoelectric ceramics and manufacturing method thereof
US7598659B2 (en) 2006-03-17 2009-10-06 Ngk Insulators, Ltd. Piezoelectric ceramic and method of manufacturing the same
JP2007273853A (en) * 2006-03-31 2007-10-18 Kyocera Corp Piezoelectric actuator unit
JP4563957B2 (en) * 2006-04-14 2010-10-20 株式会社デンソー Method for producing crystal-oriented ceramics
JP2007284281A (en) * 2006-04-14 2007-11-01 Denso Corp Method for manufacturing crystal-oriented ceramic
JP2008042191A (en) * 2006-07-14 2008-02-21 Canon Inc Piezoelectric element and manufacturing method thereof, and ink jet head
WO2008029574A1 (en) 2006-09-08 2008-03-13 Konica Minolta Holdings, Inc. Droplet ejection head
US7845768B2 (en) 2006-09-08 2010-12-07 Konica Minolta Holdings, Inc. Liquid droplet ejection head
JP2008078267A (en) * 2006-09-20 2008-04-03 Ngk Insulators Ltd Piezoelectric ceramic, its manufacturing method, and piezoelectric/electrostrictive element
JP2010004007A (en) * 2007-10-24 2010-01-07 Fujifilm Corp Ferroelectric oxide, process for producing the same, piezoelectric body, and piezoelectric body, and piezoelectric element
JP2013144638A (en) * 2008-07-28 2013-07-25 Ngk Insulators Ltd Piezoelectric/electrostrictive ceramic sintered body
JP2010129760A (en) * 2008-11-27 2010-06-10 Brother Ind Ltd Manufacturing method of piezoelectric actuator
WO2011061992A1 (en) * 2009-11-18 2011-05-26 太陽誘電株式会社 Lead-free piezoelectric porcelain composition, piezoelectric ceramic component formed using the composition, and process for producing piezoelectric ceramic component
JP2015504403A (en) * 2011-10-18 2015-02-12 ダルハウジー ユニバーシティー Piezoelectric material and characteristic control method
JP5967228B2 (en) * 2013-02-06 2016-08-10 株式会社村田製作所 Piezoelectrically oriented ceramics and manufacturing method thereof
WO2014123134A1 (en) * 2013-02-06 2014-08-14 株式会社村田製作所 Piezoelectric oriented ceramic and method for manufacturing same
JP6034493B2 (en) * 2013-11-28 2016-11-30 京セラ株式会社 Piezoelectric element, piezoelectric member using the same, liquid discharge head, and recording apparatus
US20150302993A1 (en) * 2014-04-22 2015-10-22 Industry-Academic Cooperation Foundation Yonsei University Multilayer ceramic capacitor using poling process for reduction of vibration
US10109424B2 (en) * 2014-04-22 2018-10-23 Industry-Academic Cooperation Foundation Yonsei University Multilayer ceramic capacitor using poling process for reduction of vibration
JP2016006860A (en) * 2014-05-30 2016-01-14 キヤノン株式会社 Piezoelectric material, piezoelectric element, manufacturing method thereof, and electronic device
JP2016006858A (en) * 2014-05-30 2016-01-14 キヤノン株式会社 Piezoelectric material, piezoelectric element, manufacturing method thereof, and electronic device
JP2016219669A (en) * 2015-05-23 2016-12-22 京セラ株式会社 Piezoelectric element, and piezoelectric member, liquid discharge head and recording device using the same
WO2020184243A1 (en) * 2019-03-13 2020-09-17 京セラ株式会社 Piezoelectric ceramic composition and piezoelectric actuator
JPWO2020184243A1 (en) * 2019-03-13 2020-09-17
CN113557611A (en) * 2019-03-13 2021-10-26 京瓷株式会社 Piezoelectric ceramic composition and piezoelectric actuator
JP7275251B2 (en) 2019-03-13 2023-05-17 京セラ株式会社 Piezoelectric ceramic composition and piezoelectric actuator
CN113557611B (en) * 2019-03-13 2024-02-09 京瓷株式会社 Piezoelectric ceramic composition and piezoelectric actuator

Also Published As

Publication number Publication date
JP4450636B2 (en) 2010-04-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4450636B2 (en) Method for manufacturing piezoelectric ceramics
JP5012528B2 (en) Crystal-oriented ceramics and method for producing the same
JP4135389B2 (en) Method for producing crystal-oriented ceramics, anisotropic shaped powder and method for producing the same
JP4943043B2 (en) Method for manufacturing piezoelectric ceramics
JP4326374B2 (en) Crystal-oriented ceramics and method for producing the same
JP2006151790A (en) Production method of polycrystalline ceramic body
JP4534531B2 (en) Method for producing anisotropic shaped powder
Yao et al. Titanium deficiency in tetragonal-structured (Ba, Ca)(Zr, Ti) O3 piezoelectric ceramics
JP5597368B2 (en) Multilayer electronic component and manufacturing method thereof
JP2011251866A (en) Piezoelectricity/electrostriction ceramic sintered compact, and piezoelectricity/electrostrictive element
JP6798902B2 (en) Piezoelectric plate and plate-like substrate and electronic components
JP5423708B2 (en) Method for producing anisotropic shaped powder
JP5233778B2 (en) Method for producing anisotropically shaped powder and crystallographically oriented ceramics
JP2001106568A (en) CRYSTAL-GRAIN-ORIENTED CERAMICS, MANUFACTURING PROCESS OF THE SAME AND PRODUCTION PROCESS OF PLATELIKE Ba6Ti17O40 POWDER FOR MANUFACTURING THE SAME
JP5770344B2 (en) Method for manufacturing piezoelectric / electrostrictive membrane element
JP2014069988A (en) Piezoelectric ceramic and piezoelectric element using the same
JP2009256147A (en) Anisotropically formed powder and method for manufacturing crystal oriented ceramic
JP5894222B2 (en) Multilayer electronic component and manufacturing method thereof
JP6105777B2 (en) Piezoelectric ceramic and piezoelectric element using the same
JP2010222193A (en) Method for manufacturing crystal-oriented ceramic
JP2006225188A (en) Anisotropic-shape powder and its manufacturing method and crystal-oriented ceramic and its manufacturing method
JP4720004B2 (en) Method for producing crystal-oriented ceramics
JP5935187B2 (en) Piezoelectric ceramics and piezoelectric actuator using the same
Barla Synthesis of Tantalum Doped Sodium-Potassium Niobate System by Solid state Reaction Technique
Barla Synthesis of Tantalum Doped Sodium-Potassium Niobate System

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20060419

TRDD Decision of grant or rejection written
A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20100121

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20100126

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20100126

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130205

Year of fee payment: 3

S531 Written request for registration of change of domicile

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313532

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130205

Year of fee payment: 3

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140205

Year of fee payment: 4

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees