JP2006193414A - Method for producing piezoelectric ceramic and method for producing piezoelectric element - Google Patents

Method for producing piezoelectric ceramic and method for producing piezoelectric element Download PDF

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JP2006193414A JP2005359257A JP2005359257A JP2006193414A JP 2006193414 A JP2006193414 A JP 2006193414A JP 2005359257 A JP2005359257 A JP 2005359257A JP 2005359257 A JP2005359257 A JP 2005359257A JP 2006193414 A JP2006193414 A JP 2006193414A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectric ceramic capable of being fired at a low temperature and capable of being fired in a low-oxygen reducing atmosphere. <P>SOLUTION: The piezoelectric ceramic is prepared by adding 0.01 to 1.5 mass% PbO and not more than 1.0 mass% CuO to a calcined powder containing a composition (Pb<SB>a-b</SB>Me<SB>b</SB>) [(Zn<SB>1/3</SB>Nb<SB>2/3</SB>)<SB>x</SB>Ti<SB>y</SB>Zr<SB>z</SB>]O<SB>3</SB>(wherein 0.96≤a≤1.03; 0≤b≤0.1; x+y+z=1; 0.05≤x≤0.40; 0.1≤y≤0.5; 0.2≤z≤0.6; and Me is Sr, Ca, or Ba) and firing the resulting mixture. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、例えば、圧電発音体,圧電アクチュエータおよびセンサなどの圧電振動子に適した圧電磁器の製造方法および圧電素子の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a piezoelectric ceramic suitable for a piezoelectric vibrator such as a piezoelectric sounding body, a piezoelectric actuator, and a sensor, and a method for manufacturing a piezoelectric element.

従来より、圧電効果によって発生する変位を機械的な駆動源として利用したものの一つにアクチュエータがある。特に、圧電層と内部電極とを積層した積層型アクチュエータは、電磁式のアクチュエータに比べて消費電力および発熱量が少なく、応答性も良好であると共に、小型化軽量化が可能であるので、近年では繊維編機の選針制御などの様々な分野に利用されている。   2. Description of the Related Art Conventionally, there is an actuator that uses a displacement generated by a piezoelectric effect as a mechanical drive source. In particular, multilayer actuators in which a piezoelectric layer and internal electrodes are laminated have lower power consumption and heat generation than electromagnetic actuators, have good responsiveness, and can be reduced in size and weight. Is used in various fields such as needle selection control of textile knitting machines.

これらのアクチュエータに用いられる圧電磁器には、圧電特性、特に圧電歪定数が大きいことが要求される。大きな圧電歪定数が得られる圧電磁器としては、例えば、チタン酸鉛(PbTiO3 ;PT)とジルコン酸鉛(PbZrO3 ;PZ)と亜鉛・ニオブ酸鉛(Pb(Zn1/3 Nb2/3 )O3 )との三元系(特許文献1および特許文献2参照)、あるいは、その鉛(Pb)の一部をストロンチウム(Sr),バリウム(Ba)あるいはカルシウム(Ca)などで置換したもの(特許文献3,特許文献4および特許文献5参照)などが知られている。
特公昭44−17344号公報 特開2001−181035号公報 特公昭45−39977号公報 特開昭61−129888号公報 特開2001−181036号公報
Piezoelectric ceramics used in these actuators are required to have a large piezoelectric characteristic, particularly a piezoelectric strain constant. Examples of piezoelectric ceramics capable of obtaining a large piezoelectric strain constant include lead titanate (PbTiO 3 ; PT), lead zirconate (PbZrO 3 ; PZ), and lead zinc niobate (Pb (Zn 1/3 Nb 2/3). ) O 3 ) ternary system (see Patent Document 1 and Patent Document 2), or a part of its lead (Pb) is replaced with strontium (Sr), barium (Ba), calcium (Ca), etc. (See Patent Literature 3, Patent Literature 4 and Patent Literature 5).
Japanese Examined Patent Publication No. 44-17344 JP 2001-181035 A Japanese Patent Publication No. 45-39977 JP 61-129888 A JP 2001-181036 A

しかしながら、従来の圧電磁器は焼成温度が1200℃程度と高温であるので、積層型圧電素子を作製する場合には、内部電極に白金(Pt)やパラジウム(Pd)のような高価な貴金属を使用しなければならず、製造コストが高いという問題があった。そこで、より安価な材料を内部電極に使用するために、焼成温度を低くすることが望まれていた。   However, since the firing temperature of conventional piezoelectric ceramics is as high as about 1200 ° C., an expensive noble metal such as platinum (Pt) or palladium (Pd) is used for the internal electrode when a multilayer piezoelectric element is manufactured. There was a problem that manufacturing cost was high. Therefore, in order to use a cheaper material for the internal electrode, it has been desired to lower the firing temperature.

例えば、内部電極により安価な銀−パラジウム(Ag−Pd)合金を使用する場合には、パラジウムが焼成中に酸化還元反応をおこし、積層型圧電素子に亀裂や剥離を生じさせるので、パラジウムの割合は30質量%以下にする必要があり、そのためには銀−パラジウム系相図より、焼成温度を1150℃以下、望ましくは1120℃以下とする必要がある。製造コストをより低減するためにはパラジウムの含有量をより少なくすることが好ましく、例えばパラジウムの含有量を20質量%以下とするには焼成温度を1050℃以下にする必要があり、パラジウムの含有量を15質量%以下とするには焼成温度を1000℃以下にする必要がある。さらにパラジウムの含有量を10質量%以下とするには、焼成温度を980℃以下にする必要があり、さらにパラジウムの含有量を5質量%以下とするには、焼成温度を950℃以下にする必要がある。   For example, when an inexpensive silver-palladium (Ag—Pd) alloy is used for the internal electrode, palladium causes an oxidation-reduction reaction during firing, causing cracks and peeling in the multilayer piezoelectric element. Needs to be 30% by mass or less, and for that purpose, based on the silver-palladium phase diagram, the firing temperature must be 1150 ° C. or less, preferably 1120 ° C. or less. In order to further reduce the production cost, it is preferable to reduce the palladium content. For example, in order to reduce the palladium content to 20% by mass or less, it is necessary to set the firing temperature to 1050 ° C. or less. In order to make the amount 15% by mass or less, it is necessary to set the firing temperature to 1000 ° C. or less. Furthermore, in order to set the palladium content to 10% by mass or less, it is necessary to set the firing temperature to 980 ° C. or lower. To further reduce the palladium content to 5% by mass or lower, the firing temperature is set to 950 ° C. or lower. There is a need.

さらに最近では、内部電極により安価な銅(Cu)を使用することも検討されているが、銅の融点は1085℃であるので、銅を用いるには焼成温度を1050℃以下にする必要がある。しかし、銅はさらに低温から焼結し始めるため、できるだけ焼成温度を低くする必要がある。加えて銅は卑金属であるので、大気雰囲気中で焼成すると酸化してしまい電極として使用できなくなる。よって、低酸素還元雰囲気中での焼成が必要である。   More recently, the use of inexpensive copper (Cu) for internal electrodes has also been studied, but since the melting point of copper is 1085 ° C., the firing temperature must be 1050 ° C. or lower in order to use copper. . However, since copper begins to sinter from a lower temperature, it is necessary to make the firing temperature as low as possible. In addition, since copper is a base metal, it is oxidized when fired in an air atmosphere and cannot be used as an electrode. Therefore, firing in a low oxygen reducing atmosphere is necessary.

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、低酸素還元雰囲気中において低温で焼成しても高い圧電特性を得ることができる圧電磁器の製造方法および圧電素子の製造方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a piezoelectric ceramic manufacturing method and a piezoelectric element manufacturing method capable of obtaining high piezoelectric characteristics even when fired at a low temperature in a low oxygen reducing atmosphere. It is to provide.

本発明による圧電磁器の製造方法は、化1または化2で表される組成物を含む仮焼粉に対して、鉛の原料を酸化物(PbO)に換算した組成物に対する割合で0.01質量%以上1.5質量%以下の範囲内で添加すると共に、銅の原料を酸化物(CuO)に換算した組成物に対する割合で1質量%以下の範囲内で添加して焼成する工程を含むものである。(化1)
Pba [(Zn1/3 Nb2/3 x Tiy Zrz ]O3
(化1において、a,x,y,zは、0.96≦a≦1.03、x+y+z=1、0.05≦x≦0.40、0.1≦y≦0.5、0.2≦z≦0.6をそれぞれ満たす範囲内の値である。)
(化2)
(Pba-b Meb )[(Zn1/3 Nb2/3 x Tiy Zrz ]O3
(化2において、a,b,x,y,zは、0.96≦a≦1.03、0<b≦0.1、x+y+z=1、0.05≦x≦0.40、0.1≦y≦0.5、0.2≦z≦0.6をそれぞれ満たす範囲内の値である。Meは、ストロンチウム,カルシウムおよびバリウムからなる群のうちの少なくとも1種を表す。)
The piezoelectric ceramic manufacturing method according to the present invention has a ratio of 0.01 to the composition in which the raw material of lead is converted to oxide (PbO) with respect to the calcined powder containing the composition represented by chemical formula 1 or chemical formula 2. A step of adding within a range of not less than 1.5% by mass and not more than 1.5% by mass, and adding and firing a copper raw material within a range of not more than 1% by mass with respect to the composition in terms of oxide (CuO). It is a waste. (Chemical formula 1)
Pb a [(Zn 1/3 Nb 2/3 ) x Ti y Zr z ] O 3
(In the chemical formula 1, a, x, y and z are 0.96 ≦ a ≦ 1.03, x + y + z = 1, 0.05 ≦ x ≦ 0.40, 0.1 ≦ y ≦ 0.5, 0. (It is a value within the range satisfying 2 ≦ z ≦ 0.6.)
(Chemical formula 2)
(Pb ab Me b ) [(Zn 1/3 Nb 2/3 ) x Ti y Zr z ] O 3
(In the chemical formula 2, a, b, x, y, z are 0.96 ≦ a ≦ 1.03, 0 <b ≦ 0.1, x + y + z = 1, 0.05 ≦ x ≦ 0.40, 0. (It is a value within the range satisfying 1 ≦ y ≦ 0.5 and 0.2 ≦ z ≦ 0.6. Me represents at least one of the group consisting of strontium, calcium and barium.)

なお、鉛の原料および銅の原料は仮焼したのち添加することが好ましい。また、タンタル(Ta),アンチモン(Sb),ニオブ(Nb),タングステン(W)およびモリブデン(Mo)からなる群のうちの少なくとも1種の原料を、酸化物(Ta2 5 ,Sb2 3 ,Nb2 5 ,WO3 ,MoO3 )に換算して、組成物に対する割合でそれぞれ1.0質量%以下の範囲内で添加するようにしてもよい。その場合、組成物の原料と、タンタル,アンチモン,ニオブ,タングステンおよびモリブデンからなる群のうちの少なくとも1種の原料とを含む混合物を仮焼して、仮焼粉とすることが好ましい。 The lead raw material and the copper raw material are preferably added after calcining. Further, at least one raw material selected from the group consisting of tantalum (Ta), antimony (Sb), niobium (Nb), tungsten (W), and molybdenum (Mo) is used as an oxide (Ta 2 O 5 , Sb 2 O). 3 , Nb 2 O 5 , WO 3 , MoO 3 ) and may be added within a range of 1.0% by mass or less in proportion to the composition. In that case, it is preferable to calcine a mixture containing the composition raw material and at least one raw material selected from the group consisting of tantalum, antimony, niobium, tungsten, and molybdenum into a calcined powder.

本発明による圧電素子の製造方法は、圧電層と内部電極とを交互に積層した積層体を備えた圧電素子を製造するものであって、請求項1ないし請求項4のいずれかに記載の圧電磁器の製造方法を用いて圧電層を形成するものである。   The method for manufacturing a piezoelectric element according to the present invention is a method for manufacturing a piezoelectric element including a laminate in which piezoelectric layers and internal electrodes are alternately stacked, and the piezoelectric element according to any one of claims 1 to 4. A piezoelectric layer is formed using a porcelain manufacturing method.

本発明の圧電磁器の製造方法によれば、化1または化2に示した組成物を含む仮焼粉に対して、鉛および銅の原料を所定の範囲内で添加して焼成するようにしたので、焼成温度を低くしても、または低酸素還元雰囲気中において焼成しても、高い圧電特性を得ることができる。よって、本発明の圧電素子の製造方法によれば、この圧電磁器の製造方法を用いているので、内部電極に安価な銀−パラジウム合金あるいは銅などを用いることができ、製造コストを低減することができる。また、より大きな変位量を得ることができる。   According to the method for manufacturing a piezoelectric ceramic of the present invention, lead and copper raw materials are added within a predetermined range and calcined to a calcined powder containing the composition shown in chemical formula 1 or chemical formula 2. Therefore, even if the firing temperature is lowered or firing is performed in a low oxygen reducing atmosphere, high piezoelectric characteristics can be obtained. Therefore, according to the piezoelectric element manufacturing method of the present invention, since this piezoelectric ceramic manufacturing method is used, an inexpensive silver-palladium alloy or copper can be used for the internal electrode, and the manufacturing cost can be reduced. Can do. Further, a larger displacement amount can be obtained.

また、タンタル,アンチモン,ニオブ,タングステンおよびモリブデンからなる群のうちの少なくとも1種を所定量添加するようにすれば、圧電特性をより向上させることができる。   In addition, if a predetermined amount of at least one selected from the group consisting of tantalum, antimony, niobium, tungsten and molybdenum is added, the piezoelectric characteristics can be further improved.

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.

図1は本発明の一実施の形態に係る圧電磁器の製造方法を表すものである。まず、化1または化2に示した組成物の原料を用意し、化1または化2に示した組成となるように秤量する。化1または化2に示したような組成とすることにより、高い圧電特性を得ることができるからである。   FIG. 1 shows a method for manufacturing a piezoelectric ceramic according to an embodiment of the present invention. First, raw materials for the composition shown in Chemical Formula 1 or Chemical Formula 2 are prepared and weighed so as to have the composition shown in Chemical Formula 1 or Chemical Formula 2. This is because high piezoelectric characteristics can be obtained by using the composition shown in Chemical Formula 1 or Chemical Formula 2.

(化1)
Pba [(Zn1/3 Nb2/3 x Tiy Zrz ]O3
化1において、a,x,y,zは、0.96≦a≦1.03、x+y+z=1、0.05≦x≦0.40、0.1≦y≦0.5、0.2≦z≦0.6をそれぞれ満たす範囲内の値である。酸素の組成は化学量論的に求めたものであり、化学量論組成からずれていてもよい。
(Chemical formula 1)
Pb a [(Zn 1/3 Nb 2/3 ) x Ti y Zr z ] O 3
In the chemical formula 1, a, x, y, z are 0.96 ≦ a ≦ 1.03, x + y + z = 1, 0.05 ≦ x ≦ 0.40, 0.1 ≦ y ≦ 0.5, 0.2 It is a value within a range satisfying ≦ z ≦ 0.6. The composition of oxygen is determined stoichiometrically and may deviate from the stoichiometric composition.

(化2)
(Pba-b Meb )[(Zn1/3 Nb2/3 x Tiy Zrz ]O3
化2において、a,b,x,y,zは、0.96≦a≦1.03、0<b≦0.1、x+y+z=1、0.05≦x≦0.40、0.1≦y≦0.5、0.2≦z≦0.6をそれぞれ満たす範囲内の値である。Meは、ストロンチウム,カルシウムおよびバリウムからなる群のうちの少なくとも1種を表す。酸素の組成は化学量論的に求めたものであり、化学量論組成からずれていてもよい。
(Chemical formula 2)
(Pb ab Me b ) [(Zn 1/3 Nb 2/3 ) x Ti y Zr z ] O 3
In the chemical formula 2, a, b, x, y and z are 0.96 ≦ a ≦ 1.03, 0 <b ≦ 0.1, x + y + z = 1, 0.05 ≦ x ≦ 0.40, 0.1 ≦ y ≦ 0.5 and 0.2 ≦ z ≦ 0.6. Me represents at least one member selected from the group consisting of strontium, calcium and barium. The composition of oxygen is determined stoichiometrically and may deviate from the stoichiometric composition.

なお、化1または化2に示した組成物の原料というのは、具体的には、鉛、亜鉛、ニオブ、チタン、およびジルコニウムの原料、並びに、必要に応じてストロンチウム、カルシウムおよびバリウムの原料である。これらの原料としては、酸化物,炭酸塩,シュウ酸塩あるいは水酸化物のように焼成により酸化物となるものであればどのようなものでもよい。例えば、酸化鉛(PbO)粉末,酸化亜鉛(ZnO)粉末,酸化ニオブ(Nb2 5 )粉末,酸化チタン(TiO2 )粉末,酸化ジルコニウム(ZrO2 )粉末,炭酸ストロンチウム(SrCO3 )粉末,炭酸バリウム(BaCO3 )粉末および炭酸カルシウム(CaCO3 )粉末などが挙げられる。 The raw materials for the composition shown in Chemical Formula 1 or Chemical Formula 2 are specifically the raw materials for lead, zinc, niobium, titanium, and zirconium, and, if necessary, the raw materials for strontium, calcium, and barium. is there. These raw materials may be any materials as long as they become oxides upon firing, such as oxides, carbonates, oxalates or hydroxides. For example, lead oxide (PbO) powder, zinc oxide (ZnO) powder, niobium oxide (Nb 2 O 5 ) powder, titanium oxide (TiO 2 ) powder, zirconium oxide (ZrO 2 ) powder, strontium carbonate (SrCO 3 ) powder, Examples thereof include barium carbonate (BaCO 3 ) powder and calcium carbonate (CaCO 3 ) powder.

また、必要に応じて、添加成分としてタンタル、アンチモン、ニオブ、タングステンおよびモリブデンからなる群のうちの少なくとも1種の原料を用意する。これらを添加することにより、圧電特性をより向上させることができるからである。これらの原料も、焼成により酸化物となるものであればどのようなものでもよく、例えば、酸化タンタル(Ta2 5 )粉末,酸化アンチモン(Sb2 3 )粉末,酸化ニオブ(Nb2 5 )粉末,酸化タングステン(WO3 )粉末または酸化モリブデン(MoO3 )粉末が挙げられる。次いで、これらの原料を、酸化物(Ta2 5 ,Sb2 3 ,Nb2 5 ,WO3 ,MoO3 )に換算して、化1または化2に示した組成物に対してそれぞれ1.0質量%以下の範囲内となるように秤量する。この範囲内で高い圧電特性が得られるからである。 If necessary, at least one raw material of the group consisting of tantalum, antimony, niobium, tungsten and molybdenum is prepared as an additive component. This is because the piezoelectric characteristics can be further improved by adding these. These raw materials may be any materials that can be converted into oxides upon firing. For example, tantalum oxide (Ta 2 O 5 ) powder, antimony oxide (Sb 2 O 3 ) powder, niobium oxide (Nb 2 O). 5 ) Powder, tungsten oxide (WO 3 ) powder or molybdenum oxide (MoO 3 ) powder. Next, these raw materials are converted into oxides (Ta 2 O 5 , Sb 2 O 3 , Nb 2 O 5 , WO 3 , MoO 3 ), respectively, for the compositions shown in Chemical Formula 1 or Chemical Formula 2, respectively. Weigh so that it is within the range of 1.0 mass% or less. This is because high piezoelectric characteristics can be obtained within this range.

続いて、これらの原料をボールミルなどにより混合したのち、焼成温度よりも低い温度、例えば700℃〜900℃で1時間〜4時間仮焼し、仮焼粉とする(ステップS101)。   Subsequently, these raw materials are mixed by a ball mill or the like, and then calcined at a temperature lower than the firing temperature, for example, 700 ° C. to 900 ° C. for 1 hour to 4 hours to obtain calcined powder (step S101).

そののち、他の添加成分として鉛の原料を用意し、酸化物(PbO)に換算して、化1または化2に示した組成物に対して0.01質量%以上1.5質量%以下の範囲内となるように秤量する。また、更に他の添加成分として銅の原料を用意し、酸化銅(CuO)に換算して、化1または化2に示した組成物に対して1質量%以下の範囲内となるように秤量する。これらを添加することにより、低温で低酸素還元雰囲気中においても焼成することができると共に、特性のばらつきを小さくすることができるからである。これらの原料も、焼成により酸化物となるものであればどのようなものでもよく、例えば、酸化鉛(PbO)および酸化銅(CuO)が挙げられる。   After that, a lead raw material is prepared as another additive component, and is converted to oxide (PbO) and is 0.01% by mass or more and 1.5% by mass or less based on the composition shown in Chemical Formula 1 or Chemical Formula 2. Weigh so that it is within the range. Further, a copper raw material is prepared as another additive component, and is weighed so as to be within a range of 1% by mass or less with respect to the composition shown in Chemical Formula 1 or Chemical Formula 2 in terms of copper oxide (CuO). To do. This is because by adding these, firing can be performed at a low temperature even in a low oxygen reducing atmosphere, and variation in characteristics can be reduced. Any of these raw materials may be used as long as it becomes an oxide by firing, and examples thereof include lead oxide (PbO) and copper oxide (CuO).

なお、鉛の原料のより好ましい範囲は、化1または化2に示した組成物に対して、酸化物(PbO)に換算して0.01質量%以上1質量%以下であり、銅の原料のより好ましい範囲は、化1または化2に示した組成物に対して、酸化物(CuO)に換算して0.005質量%以上0.1質量%以下である。これらの範囲内においてより高い圧電特性を得ることができるからである。   A more preferable range of the lead raw material is 0.01% by mass or more and 1% by mass or less in terms of oxide (PbO) with respect to the composition shown in chemical formula 1 or chemical formula 2, and the copper raw material. A more preferable range is 0.005% by mass or more and 0.1% by mass or less in terms of oxide (CuO) with respect to the composition shown in Chemical Formula 1 or Chemical Formula 2. This is because higher piezoelectric characteristics can be obtained within these ranges.

次いで、鉛の原料と銅の原料とを、焼成温度よりも低い温度、例えば500℃〜700℃で1時間〜4時間仮焼し、添加粉とすることが好ましい(ステップS102)。単独よりも融点の低い化合物を作製することができるので、焼成温度を低くしても液相が生じて焼結を促進させることができるからである。   Next, it is preferable that the lead raw material and the copper raw material are calcined at a temperature lower than the firing temperature, for example, 500 ° C. to 700 ° C. for 1 hour to 4 hours to obtain an additive powder (step S102). This is because a compound having a melting point lower than that of a single compound can be produced, so that a liquid phase is generated and sintering can be promoted even if the firing temperature is lowered.

続いて、作製した仮焼粉と、添加粉とをボールミルなどにより混合粉砕したのち、バインダーを加えて造粒し、一軸プレス成形機あるいは静水圧成形機(CIP)などを用いプレス成形する(ステップS103)。そののち、例えば、この成形体を大気雰囲気中または低酸素還元雰囲気中において950℃〜1050℃で2時間〜8時間焼成する(ステップS104)。なお、焼成雰囲気は、大気よりも酸素分圧を高くするようにしてもよく、純酸素中としてもよい。焼成したのち、得られた焼結体を必要に応じて研磨し、分極用電極を設け、加熱したシリコーンオイル中で電界を印加して分極処理を行う(ステップS105)。そののち、必要に応じて分極用電極を除去することにより、圧電磁器が得られる。   Subsequently, the prepared calcined powder and the additive powder are mixed and pulverized by a ball mill or the like, then added with a binder, granulated, and press-molded using a uniaxial press molding machine or a hydrostatic pressure molding machine (CIP) (step) S103). After that, for example, the molded body is fired at 950 ° C. to 1050 ° C. for 2 hours to 8 hours in an air atmosphere or a low oxygen reduction atmosphere (step S104). Note that the firing atmosphere may be such that the oxygen partial pressure is higher than that in the air or in pure oxygen. After firing, the obtained sintered body is polished as necessary, provided with a polarization electrode, and subjected to polarization treatment by applying an electric field in heated silicone oil (step S105). After that, the piezoelectric ceramic is obtained by removing the polarization electrode as necessary.

なお、上述した製造方法では、タンタル、アンチモン、ニオブ、タングステンまたはモリブデンの原料を、化1または化2に示した組成物の原料と混合して仮焼するようにしたが、化1または化2に示した組成物の原料を仮焼したのち、仮焼粉に添加するようにしてもよい。但し、仮焼前に添加した方がより高い特性を得ることができるので好ましい。   In the manufacturing method described above, the raw material of tantalum, antimony, niobium, tungsten, or molybdenum is mixed with the raw material of the composition shown in Chemical Formula 1 or Chemical Formula 2 and calcined. After calcining the raw material of the composition shown in (5), it may be added to the calcined powder. However, it is preferable to add it before calcination because higher characteristics can be obtained.

このように本実施の形態に係る圧電磁器の製造方法によれば、化1または化2に示した組成物を含む仮焼粉に対して、鉛および銅の原料を所定の範囲内で添加して焼成するようにしたので、焼成温度を低くしても、または低酸素還元雰囲気中において焼成しても、高い圧電特性を得ることができる。   Thus, according to the method for manufacturing a piezoelectric ceramic according to the present embodiment, lead and copper raw materials are added within a predetermined range to the calcined powder containing the composition shown in Chemical Formula 1 or Chemical Formula 2. Therefore, even if the firing temperature is lowered or the firing is performed in a low oxygen reducing atmosphere, high piezoelectric characteristics can be obtained.

特に、鉛の原料および銅の原料は、仮焼したのち添加するようにすれば、焼成温度をより低くすることができる。   In particular, if the lead raw material and the copper raw material are added after calcining, the firing temperature can be lowered.

また、タンタル,アンチモン,ニオブ,タングステンおよびモリブデンからなる群のうちの少なくとも1種を所定量添加するようにすれば、圧電特性をより向上させることができる。   In addition, if a predetermined amount of at least one selected from the group consisting of tantalum, antimony, niobium, tungsten and molybdenum is added, the piezoelectric characteristics can be further improved.

なお、この圧電磁器の製造方法は、例えば、アクチュエータ,圧電ブザー,圧電発音体およびセンサなどの圧電素子を製造する際に好ましく用いられる。   This method of manufacturing a piezoelectric ceramic is preferably used when manufacturing piezoelectric elements such as actuators, piezoelectric buzzers, piezoelectric sounding bodies and sensors.

図2はその圧電素子の一構成例を表すものである。この圧電素子は、例えば、複数の圧電層11と複数の内部電極12とを交互に積層した積層体10を備えている。内部電極12は例えば交互に逆方向に延長されており、その延長方向には内部電極12と電気的に接続された一対の端子電極21,22がそれぞれ設けられている。圧電層11は本実施の形態に係る圧電磁器の製造方法により形成されたものであり、内部電極12は銀(Ag),金(Au),銅,白金,パラジウム,あるいはその合金などの導電材料を含有している。中でも、導電材料としては銀−パラジウム合金あるいは銅が好ましい。   FIG. 2 shows a configuration example of the piezoelectric element. The piezoelectric element includes, for example, a stacked body 10 in which a plurality of piezoelectric layers 11 and a plurality of internal electrodes 12 are alternately stacked. For example, the internal electrodes 12 are alternately extended in opposite directions, and a pair of terminal electrodes 21 and 22 electrically connected to the internal electrode 12 are provided in the extending direction. The piezoelectric layer 11 is formed by the method for manufacturing a piezoelectric ceramic according to the present embodiment, and the internal electrode 12 is a conductive material such as silver (Ag), gold (Au), copper, platinum, palladium, or an alloy thereof. Contains. Among these, a silver-palladium alloy or copper is preferable as the conductive material.

この圧電素子は、具体的には、例えば次のようにして製造することができる。   Specifically, this piezoelectric element can be manufactured as follows, for example.

まず、上述した圧電磁器の製造方法と同様にして仮焼粉を形成し、これに添加成分として鉛の原料および銅の原料を添加すると共に、バインダーおよび溶媒などを加えて混練し、圧電層用ペーストを作製する。その際、添加成分は、上述した圧電磁器の製造方法と同様に、仮焼して添加することが好ましい。次いで、内部電極12を形成するための上述した導電材料または焼成後に上述した導電材料となる各種酸化物,有機金属化合物あるいはレジネートなどを、バインダーおよび溶媒と混練し、内部電極用ペーストを作製する。なお、内部電極用ペーストには、必要に応じて分散剤、可塑剤、誘電体材料、絶縁体材料などの添加物を添加してもよい。   First, a calcined powder is formed in the same manner as in the piezoelectric ceramic manufacturing method described above, and a lead raw material and a copper raw material are added as additive components thereto, and a binder and a solvent are added and kneaded to obtain a piezoelectric layer. Make a paste. At that time, it is preferable that the additive component is calcined and added in the same manner as in the piezoelectric ceramic manufacturing method described above. Next, the above-described conductive material for forming the internal electrode 12 or various oxides, organometallic compounds, or resinates that become the above-described conductive material after firing are kneaded with a binder and a solvent to prepare an internal electrode paste. Note that additives such as a dispersant, a plasticizer, a dielectric material, and an insulator material may be added to the internal electrode paste as necessary.

続いて、これら圧電層用ペーストと内部電極用ペーストとを用い、例えば、印刷法あるいはシート法により、積層体10の前駆体であるグリーンチップを作製する。そののち、脱バインダ処理を行い、焼成して積層体10を形成する。焼成温度は、上述したように950℃〜1050℃とすることが好ましい。また、内部電極12の導電材料として銅を用いる場合には、焼成雰囲気を低酸素還元雰囲気とすることが好ましい。銅の酸化を抑制することができると共に、酸化鉛の還元を抑制することができるからである。   Subsequently, using these piezoelectric layer paste and internal electrode paste, a green chip which is a precursor of the laminate 10 is manufactured by, for example, a printing method or a sheet method. After that, a binder removal process is performed, and the laminate 10 is formed by firing. The firing temperature is preferably 950 ° C. to 1050 ° C. as described above. When copper is used as the conductive material for the internal electrode 12, the firing atmosphere is preferably a low oxygen reduction atmosphere. This is because copper oxidation can be suppressed and reduction of lead oxide can be suppressed.

積層体10を形成したのち、例えばバレル研磨やサンドブラストなどにより端面研磨を施し、金などの金属をスパッタリングすることにより、あるいは、内部電極用ペーストと同様にして作製した端子電極用ペーストを印刷または転写して焼き付けることにより端子電極21,22を形成する。これにより、図2に示した圧電素子が得られる。   After the laminated body 10 is formed, terminal polishing is performed by, for example, barrel polishing or sand blasting and sputtering of a metal such as gold, or printing or transferring a terminal electrode paste produced in the same manner as the internal electrode paste. Then, terminal electrodes 21 and 22 are formed by baking. Thereby, the piezoelectric element shown in FIG. 2 is obtained.

このように本実施の形態に係る圧電素子の製造方法によれば、上述した圧電磁器の製造方法を用いるようにしたので、焼成温度を低くしても、または低酸素還元雰囲気中において焼成しても、高い圧電特性を得ることができる。よって、内部電極12に安価な銀−パラジウム合金あるいは銅などを用いることができ、製造コストを低減することができると共に、より大きな変位量を得ることができる。   As described above, according to the method for manufacturing a piezoelectric element according to the present embodiment, since the above-described method for manufacturing a piezoelectric ceramic is used, even if the firing temperature is lowered or the material is fired in a low oxygen reducing atmosphere. However, high piezoelectric characteristics can be obtained. Therefore, an inexpensive silver-palladium alloy, copper, or the like can be used for the internal electrode 12, so that the manufacturing cost can be reduced and a larger displacement can be obtained.

更に、本発明の具体的な実施例について説明する。   Furthermore, specific examples of the present invention will be described.

(実施例1−1〜1−3)
まず、酸化鉛粉末,炭酸ストロンチウム粉末,酸化チタン粉末,酸化ジルコニウム粉末,酸化亜鉛粉末および酸化ニオブ粉末を化3に示した組成となるように秤量すると共に、酸化タンタル粉末を化3に示した組成物に対して0.2質量%となるように秤量し、これらをボールミルを用いて16時間湿式混合したのち、大気中において700℃〜900℃で2時間仮焼して仮焼粉とした(図1;ステップS101参照)。
(Examples 1-1 to 1-3)
First, lead oxide powder, strontium carbonate powder, titanium oxide powder, zirconium oxide powder, zinc oxide powder and niobium oxide powder are weighed to have the composition shown in Chemical Formula 3, and the tantalum oxide powder has the composition shown in Chemical Formula 3. These were weighed so as to be 0.2% by mass with respect to the product, and these were wet mixed using a ball mill for 16 hours, and then calcined in the atmosphere at 700 ° C. to 900 ° C. for 2 hours to obtain calcined powder ( FIG. 1; see step S101).

次いで、酸化鉛粉末と酸化銅粉末とを秤量し、500℃〜700℃で2時間仮焼して添加粉とした(図1;ステップS102参照)。その際、酸化鉛粉末の添加量は、化3に示した組成物に対して、0.3質量%,0.05質量%または0.5質量%とし、酸化銅粉末の添加量は、化3に示した組成物に対して、0.01質量%または0.05質量%とした。   Subsequently, the lead oxide powder and the copper oxide powder were weighed and calcined at 500 ° C. to 700 ° C. for 2 hours to obtain an additive powder (see FIG. 1; step S102). At that time, the addition amount of the lead oxide powder is 0.3% by mass, 0.05% by mass or 0.5% by mass with respect to the composition shown in Chemical Formula 3, and the addition amount of the copper oxide powder is With respect to the composition shown in No. 3, the content was 0.01% by mass or 0.05% by mass.

続いて、仮焼粉と添加粉とをボールミルを用いて16時間混合粉砕して乾燥させたのち、バインダーとしてポリビニールアルコールを加えて造粒し、一軸プレス成型機を用いて約245MPaの圧力で直径17mm、厚み1mmの円板状に成形した(図1;ステップS103参照)。成形したのち、熱処理を行ってバインダーを揮発させ、次いで、酸素分圧が1×10-5Paから1×10-1Paの低酸素還元雰囲気中において950℃で2時間焼成した(図1;ステップS104参照)。そののち、得られた焼結体をスライス加工およびラップ加工により厚み0.6mmの円板状とし、両面に銀ペーストを印刷して300℃で焼き付け、120℃のシリコーンオイル中で3kV/mmの電界を15分間印加して分極処理を行った(図1;ステップS105参照)。これにより、実施例1−1〜1−3の圧電磁器を得た。 Subsequently, the calcined powder and the additive powder were mixed and pulverized for 16 hours using a ball mill and dried, and then granulated by adding polyvinyl alcohol as a binder, and at a pressure of about 245 MPa using a uniaxial press molding machine. It was formed into a disk shape having a diameter of 17 mm and a thickness of 1 mm (see FIG. 1; step S103). After forming, heat treatment was performed to volatilize the binder, and then the mixture was fired at 950 ° C. for 2 hours in a low oxygen reducing atmosphere having an oxygen partial pressure of 1 × 10 −5 Pa to 1 × 10 −1 Pa (FIG. 1; (See step S104). After that, the obtained sintered body was formed into a disk shape having a thickness of 0.6 mm by slicing and lapping, silver paste was printed on both sides and baked at 300 ° C., and 3 kV / mm in 120 ° C. silicone oil. An electric field was applied for 15 minutes to perform polarization treatment (see FIG. 1; step S105). Thereby, the piezoelectric ceramics of Examples 1-1 to 1-3 were obtained.

本実施例に対する比較例1−1〜1−3として、仮焼粉を作製する際に、化3に示した組成物に対して酸化鉛粉末および酸化銅粉末を添加したことを除き、他は実施例1−1〜1−3と同様にして圧電磁器を作製した。すなわち、比較例1−1〜1−3は酸化鉛粉末および酸化銅粉末を仮焼粉に添加するのではなく、仮焼する前に添加するようにしたものである。   As comparative examples 1-1 to 1-3 for this example, except that lead oxide powder and copper oxide powder were added to the composition shown in chemical formula 3 when producing calcined powder, Piezoelectric ceramics were produced in the same manner as in Examples 1-1 to 1-3. That is, Comparative Examples 1-1 to 1-3 do not add lead oxide powder and copper oxide powder to the calcined powder but add them before calcining.

作製した実施例1−1〜1−3および比較例1−1〜1−3の圧電磁器をそれぞれ10個ずつ用意し、24時間放置したのち、密度、径方向振動の電気機械結合係数krおよび比誘電率εrを測定した。それらの測定にはインピーダンスアナライザー(ヒューレット・パッカード社製HP4194A)を用い、比誘電率εrを測定する際の周波数は1kHzとした。表1にそれらの平均値およびばらつき幅を示す。なお、ばらつき幅は、各実施例における最高値と最低値との差を平均値で割り100を掛けたものである。   10 pieces of each of the produced piezoelectric ceramics of Examples 1-1 to 1-3 and Comparative Examples 1-1 to 1-3 were prepared and allowed to stand for 24 hours, and then the density, the electromechanical coupling coefficient kr of radial vibration, and The relative dielectric constant εr was measured. For these measurements, an impedance analyzer (HP4194A manufactured by Hewlett-Packard Company) was used, and the frequency when measuring the relative dielectric constant εr was 1 kHz. Table 1 shows the average value and the variation width. The variation width is obtained by dividing the difference between the highest value and the lowest value in each embodiment by the average value and multiplying by 100.

(化3)
(Pb0.965 Sr0.03)[(Zn1/3 Nb2/3 0.1 Ti0.43Zr0.47]O3
(Chemical formula 3)
(Pb 0.965 Sr 0.03 ) [(Zn 1/3 Nb 2/3 ) 0.1 Ti 0.43 Zr 0.47 ] O 3

Figure 2006193414
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表1に示したように、酸化鉛および酸化銅を仮焼粉に添加した実施例1−1〜1−3によれば、仮焼時に添加した比較例1−1〜1−3に比べて、圧電特性kr×√εrが向上し、ばらつき幅も小さかった。すなわち、仮焼粉に対して、鉛および銅の原料を添加して焼成するようにすれば、焼成温度を低くしても、または低酸素還元雰囲気中において焼成しても、高い圧電特性を得ることができると共に、特性のばらつきを小さくできることが分かった。   As shown in Table 1, according to Examples 1-1 to 1-3 in which lead oxide and copper oxide were added to the calcined powder, compared with Comparative Examples 1-1 to 1-3 added at the time of calcining. The piezoelectric characteristic kr × √εr was improved and the variation width was small. That is, by adding lead and copper raw materials to the calcined powder and firing it, high piezoelectric characteristics can be obtained even when firing temperature is lowered or firing in a low oxygen reducing atmosphere. It was found that variation in characteristics can be reduced.

(実施例2−1〜2−44)
仮焼粉に対する酸化鉛粉末および酸化銅粉末の添加量を変化させたことを除き、実施例1−1〜1−3と同様にして圧電磁器を作製した。酸化鉛粉末および酸化銅粉末の添加量は、化3に示した組成物に対して、表2〜10に示したように変化させた。また、本実施例に対する比較例2−1として、添加成分の酸化鉛粉末および酸化銅粉末を添加しなかったことを除き、実施例2−1〜2−44と同様にして圧電磁器を作製した。
(Examples 2-1 to 2-44)
Piezoelectric ceramics were produced in the same manner as in Examples 1-1 to 1-3, except that the amounts of lead oxide powder and copper oxide powder added to the calcined powder were changed. The addition amount of the lead oxide powder and the copper oxide powder was changed as shown in Tables 2 to 10 with respect to the composition shown in Chemical formula 3. Further, as Comparative Example 2-1 for this example, a piezoelectric ceramic was produced in the same manner as in Examples 2-1 to 2-44, except that the lead oxide powder and the copper oxide powder as additive components were not added. .

作製した実施例2−1〜2−44および比較例2−1の圧電磁器についても、実施例1−1〜1−3と同様にして密度、径方向振動の電気機械結合係数krおよび比誘電率εrを測定した。それらの結果を表2〜10に示す。   For the produced piezoelectric ceramics of Examples 2-1 to 2-44 and Comparative Example 2-1, the density, the electromechanical coupling coefficient kr of the radial vibration, and the relative dielectric were the same as in Examples 1-1 to 1-3. The rate εr was measured. The results are shown in Tables 2-10.

Figure 2006193414
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表2〜10に示したように、酸化鉛および酸化銅を添加した実施例2−1〜2−44によれば、添加していない比較例2−1に比べて、圧電特性kr×√εrを向上させることができた。すなわち、鉛の原料を組成物に対して酸化物(PbO)に換算して0.01質量%以上1.5質量%以下の範囲内で添加すると共に、銅の原料を組成物に対して酸化物(CuO)に換算して1質量%以下の範囲内で添加するようにすれば、焼成温度を低くしても、または低酸素還元雰囲気中において焼成しても、高い圧電特性を得ることができることが分かった。   As shown in Tables 2 to 10, according to Examples 2-1 to 2-44 to which lead oxide and copper oxide were added, piezoelectric characteristics kr × √εr compared to Comparative Example 2-1 to which lead oxide and copper oxide were not added. Was able to improve. That is, the lead material is added in the range of 0.01% by mass to 1.5% by mass in terms of oxide (PbO) with respect to the composition, and the copper material is oxidized with respect to the composition. If it is added within the range of 1% by mass or less in terms of the product (CuO), high piezoelectric characteristics can be obtained even if the firing temperature is lowered or firing in a low oxygen reducing atmosphere. I understood that I could do it.

また、鉛の含有量を、化3に示した組成物に対して、酸化物(PbO)に換算して0.01質量%以上1質量%以下の範囲内とするようにすれば、または、銅の含有量を、化3に示した組成物に対して、酸化物(CuO)に換算して0.005質量%以上0.1質量%以下の範囲内とするようにすれば、より好ましいことも分かった。   If the lead content is within the range of 0.01% by mass or more and 1% by mass or less in terms of oxide (PbO) with respect to the composition shown in Chemical Formula 3, or It is more preferable that the copper content is within the range of 0.005 mass% or more and 0.1 mass% or less in terms of oxide (CuO) with respect to the composition shown in Chemical formula 3. I also understood that.

(実施例3−1〜3−6,4−1〜4−4)
実施例3−1〜3−6では、化4に示した組成物に対して酸化タンタル,酸化鉛および酸化銅を添加したことを除き、実施例4−1〜4−4では、化5に示した組成物に対して酸化タンタル,酸化鉛および酸化銅を添加したことを除き、他は実施例1−1〜1−3と同様にして圧電磁器を作製した。その際、酸化鉛粉末および酸化銅粉末の添加量は、化4または化5に示した組成物に対して、表11,12に示したように変化させた。また、実施例3−1〜3−6に対する比較例3−1および実施例4−1〜4−4に対する比較例4−1として、添加成分の酸化鉛および酸化銅を添加しなかったことを除き、実施例3−1〜3−6または実施例4−1〜4−4と同様にして圧電磁器を作製した。
(Examples 3-1 to 3-6, 4-1 to 4-4)
In Examples 3-1 to 3-6, except that tantalum oxide, lead oxide, and copper oxide were added to the composition shown in Chemical Formula 4, in Examples 4-1 to 4-4, Chemical Formula 5 Piezoelectric ceramics were fabricated in the same manner as in Examples 1-1 to 1-3 except that tantalum oxide, lead oxide, and copper oxide were added to the composition shown. At that time, the addition amounts of the lead oxide powder and the copper oxide powder were changed as shown in Tables 11 and 12 with respect to the composition shown in Chemical Formula 4 or Chemical Formula 5. Further, as Comparative Example 3-1 with respect to Examples 3-1 to 3-6 and Comparative Example 4-1 with respect to Examples 4-1 to 4-4, the addition of lead oxide and copper oxide as additive components was not added. Except for the above, piezoelectric ceramics were produced in the same manner as in Examples 3-1 to 3-6 or Examples 4-1 to 4-4.

作製した実施例3−1〜3−6,4−1〜4−4および比較例3−1,4−1についても、実施例1−1〜1−3と同様にして、密度、径方向振動の電気機械結合係数krおよび比誘電率εrを測定した。それらの結果を表11,12に示す。   For the produced Examples 3-1 to 3-6, 4-1 to 4-4 and Comparative Examples 3-1 and 4-1, the density and radial direction were also the same as in Examples 1-1 to 1-3. The electromechanical coupling coefficient kr and the relative dielectric constant εr of vibration were measured. The results are shown in Tables 11 and 12.

(化4)
(Pb0.95Sr0.03)[(Zn1/3 Nb2/3 0.1 Ti0.42Zr0.48]O3
(Chemical formula 4)
(Pb 0.95 Sr 0.03 ) [(Zn 1/3 Nb 2/3 ) 0.1 Ti 0.42 Zr 0.48 ] O 3

Figure 2006193414
Figure 2006193414

(化5)
(Pb0.98Sr0.03)[(Zn1/3 Nb2/3 0.1 Ti0.43Zr0.47]O3
(Chemical formula 5)
(Pb 0.98 Sr 0.03 ) [(Zn 1/3 Nb 2/3 ) 0.1 Ti 0.43 Zr 0.47 ] O 3

Figure 2006193414
Figure 2006193414

表11,12に示したように、酸化鉛および酸化銅を添加した実施例3−1〜3−6,4−1〜4−4によれば、添加していない比較例3−1,4−1に比べて、圧電特性kr×√εrを向上させることができた。すなわち、組成物の組成を変化させても、仮焼粉に対して鉛および銅の原料を添加して焼成するようにすれば、焼成温度を低くしても、または低酸素還元雰囲気中において焼成しても、高い圧電特性を得ることができることが分かった。   As shown in Tables 11 and 12, according to Examples 3-1 to 3-6 and 4-1 to 4-4 to which lead oxide and copper oxide were added, Comparative Examples 3-1 and 4 without addition Compared to −1, the piezoelectric characteristic kr × √εr could be improved. That is, even if the composition of the composition is changed, if firing is performed by adding lead and copper raw materials to the calcined powder, the firing temperature is lowered or the firing is performed in a low oxygen reducing atmosphere. Even so, it was found that high piezoelectric characteristics can be obtained.

(実施例5−1〜5−12)
添加成分の種類および添加量を表13に示したように変化させたことを除き、他は実施例1−1と同様にして圧電磁器を作製した。酸化鉛の添加量は化3に示した組成物に対して0.3質量%とし、酸化銅の添加量は化3に示した組成物に対して0.01質量%とした。また、実施例5−1〜5−12に対する比較例5−1〜5−12として、添加成分の酸化鉛および酸化銅を添加しなかったことを除き、実施例5−1〜5−12と同様にして圧電磁器を作製した。
(Examples 5-1 to 5-12)
A piezoelectric ceramic was produced in the same manner as in Example 1-1 except that the type and amount of the additive component were changed as shown in Table 13. The amount of lead oxide added was 0.3% by mass with respect to the composition shown in Chemical Formula 3, and the amount of copper oxide added was 0.01% by mass with respect to the composition shown in Chemical Formula 3. In addition, as Comparative Examples 5-1 to 5-12 with respect to Examples 5-1 to 5-12, Examples 5-1 to 5-12 and A piezoelectric ceramic was produced in the same manner.

作製した実施例5−1〜5−12および比較例5−1〜5−12についても、実施例1−1と同様にして、密度、径方向振動の電気機械結合係数krおよび比誘電率εrを測定した。それらの結果を表13に示す。なお、表13に示した添加成分の含有量は、化3に示した組成物に対する酸化物に換算した値である。   For the produced Examples 5-1 to 5-12 and Comparative Examples 5-1 to 5-12, as in Example 1-1, the density, the electromechanical coupling coefficient kr of the radial vibration, and the relative dielectric constant εr Was measured. The results are shown in Table 13. In addition, content of the additive component shown in Table 13 is the value converted into the oxide with respect to the composition shown in Chemical formula 3.

Figure 2006193414
Figure 2006193414

表13に示したように、実施例5−1〜5−12によれば、比較例5−1〜5−12に比べてkr×√εrを大きくすることができた。また、タンタルなどの添加成分を添加していない実施例5−1に比べて、タンタルなどの添加成分を添加した実施例5−2〜5−12の方がkr×√εrをより向上させることができた。すなわち、添加成分として、タンタル,アンチモン,ニオブ,タングステンおよびモリブデンからなる群のうちの少なくとも1種を添加するようにすれば、より好ましいことが分かった。   As shown in Table 13, according to Examples 5-1 to 5-12, kr × √εr could be increased as compared with Comparative Examples 5-1 to 5-12. In addition, kr × √εr is further improved in Examples 5-2 to 5-12 to which an additive component such as tantalum is added, compared to Example 5-1 in which an additive component such as tantalum is not added. I was able to. That is, it has been found that it is more preferable to add at least one member selected from the group consisting of tantalum, antimony, niobium, tungsten and molybdenum as an additive component.

(実施例6−1〜6−3)
炭酸ストロンチウム粉末を添加しなかったことを除き、または炭酸ストロンチウム粉末に代えて、炭酸バリウム粉末あるいは炭酸カルシウム粉末を添加したことを除き、他は実施例1−1と同様にして圧電磁器を作製した。すなわち、化3に示した組成物に代えて、化6または化7に示した組成物となるように原料を混合した。また、実施例6−1〜6−3に対する比較例6−1〜6−3として、添加成分の酸化鉛および酸化銅を添加しなかったことを除き、実施例6−1〜6−3と同様にして圧電磁器を作製した。
(Examples 6-1 to 6-3)
A piezoelectric ceramic was produced in the same manner as in Example 1-1 except that strontium carbonate powder was not added, or that barium carbonate powder or calcium carbonate powder was added instead of strontium carbonate powder. . That is, instead of the composition shown in Chemical Formula 3, the raw materials were mixed so that the composition shown in Chemical Formula 6 or Chemical Formula 7 was obtained. In addition, as Comparative Examples 6-1 to 6-3 with respect to Examples 6-1 to 6-3, Examples 6-1 to 6-3 were used except that the additive components lead oxide and copper oxide were not added. A piezoelectric ceramic was produced in the same manner.

これら実施例6−1〜6−3および比較例6−1〜6−3についても、実施例1−1と同様にして、密度、径方向振動の電気機械結合係数krおよび比誘電率εrを測定した。それらの結果を表14に示す。なお、表14に示した添加成分の添加量は、化6または化7に示した組成物に対する酸化物に換算した値である。   Also in Examples 6-1 to 6-3 and Comparative Examples 6-1 to 6-3, the density, the electromechanical coupling coefficient kr of the radial vibration, and the relative dielectric constant εr were set in the same manner as in Example 1-1. It was measured. The results are shown in Table 14. In addition, the addition amount of the additive component shown in Table 14 is a value converted into an oxide with respect to the composition shown in Chemical Formula 6 or Chemical Formula 7.

(化6)
Pb0.995 [(Zn1/3 Nb2/3 0.1 Ti0.43Zr0.47]O3
(Chemical formula 6)
Pb 0.995 [(Zn 1/3 Nb 2/3 ) 0.1 Ti 0.43 Zr 0.47 ] O 3

(化7)
(Pb0.965 Me0.03)[(Zn1/3 Nb2/3 0.1 Ti0.43Zr0.47]O3
(Chemical formula 7)
(Pb 0.965 Me 0.03 ) [(Zn 1/3 Nb 2/3 ) 0.1 Ti 0.43 Zr 0.47 ] O 3

Figure 2006193414
Figure 2006193414

表14に示したように、実施例6−1〜6−3によれば、比較例6−1〜6−3に比べてkr×√εrを大きくすることができた。また、鉛の一部を他の元素で置換していない実施例6−1に比べて、置換した実施例6−2,6−3,1−1の方がkr×√εrをより向上させることができた。すなわち、鉛の一部をストロンチウム,カルシウムおよびバリウムからなる群のうちの少なくとも1種で置換するようにすれば、より好ましいことが分かった。   As shown in Table 14, according to Examples 6-1 to 6-3, kr × √εr could be increased as compared with Comparative Examples 6-1 to 6-3. Moreover, compared with Example 6-1 in which a part of lead is not substituted with other elements, the substituted Examples 6-2, 6-3, and 1-1 further improve kr × √εr. I was able to. That is, it has been found that it is more preferable if a part of lead is substituted with at least one member selected from the group consisting of strontium, calcium and barium.

(実施例7−1,7−2)
実施例1−1または実施例5−1と同様にして仮焼粉に添加粉を添加し、図2に示したような積層型の圧電素子を作製した。内部電極12には銅を用い、内部電極12に挟まれた圧電層11の厚さは20μm、その積層数は15層とし、縦および横の大きさは縦4mm×横4mmとした。なお、実施例7−1では、化3に示した組成物に酸化タンタルを添加した仮焼粉に対して酸化鉛および酸化銅を添加した。実施例7−2では、化3に示した組成物の仮焼粉に対して酸化鉛および酸化銅を添加した。酸化鉛の添加量は化3に示した組成物に対して0.3質量%、酸化銅の添加量は化3に示した組成物に対して0.01質量%、酸化タンタルの添加量は化3に示した組成物に対して0.2質量%である。また、焼成時の雰囲気は酸素分圧が1×10-5Paから1×10-1Paの低酸素還元雰囲気とし、焼成温度は950℃、焼成時間は2時間とした。
(Examples 7-1 and 7-2)
In the same manner as in Example 1-1 or Example 5-1, additive powder was added to the calcined powder to produce a multilayer piezoelectric element as shown in FIG. Copper was used for the internal electrode 12, the thickness of the piezoelectric layer 11 sandwiched between the internal electrodes 12 was 20 μm, the number of layers was 15 layers, and the vertical and horizontal dimensions were 4 mm × 4 mm. In Example 7-1, lead oxide and copper oxide were added to the calcined powder obtained by adding tantalum oxide to the composition shown in Chemical formula 3. In Example 7-2, lead oxide and copper oxide were added to the calcined powder of the composition shown in Chemical formula 3. The amount of lead oxide added is 0.3 mass% with respect to the composition shown in Chemical Formula 3, the amount of copper oxide added is 0.01 mass% with respect to the composition shown in Chemical Formula 3, and the amount of tantalum oxide added is It is 0.2 mass% with respect to the composition shown in Chemical formula 3. The firing atmosphere was a low oxygen reducing atmosphere with an oxygen partial pressure of 1 × 10 −5 Pa to 1 × 10 −1 Pa, the firing temperature was 950 ° C., and the firing time was 2 hours.

(化3)
(Pb0.965 Sr0.03)[(Zn1/3 Nb2/3 0.1 Ti0.43Zr0.47]O3
(Chemical formula 3)
(Pb 0.965 Sr 0.03 ) [(Zn 1/3 Nb 2/3 ) 0.1 Ti 0.43 Zr 0.47 ] O 3

また、実施例7−1,7−2に対する比較例7−1として、化3に示した組成物に対して酸化鉛,酸化亜鉛および酸化タンタルを添加しなかったことを除き、他は実施例7−1,7−2と同様にして圧電素子を作製した。   Further, as Comparative Example 7-1 with respect to Examples 7-1 and 7-2, except that lead oxide, zinc oxide and tantalum oxide were not added to the composition shown in Chemical Formula 3, other examples were used. Piezoelectric elements were fabricated in the same manner as in 7-1 and 7-2.

作製した実施例7−1,7−2および比較例7−1の圧電素子について、30Vの電圧を印加した時の変位量を測定した。得られた結果を表15に示す。   With respect to the produced piezoelectric elements of Examples 7-1 and 7-2 and Comparative Example 7-1, the displacement amount when a voltage of 30 V was applied was measured. The results obtained are shown in Table 15.

Figure 2006193414
Figure 2006193414

表15に示したように、実施例7−1,7−2によれば、比較例7−1よりも大きな変位量を得ることができた。すなわち、鉛および銅を添加成分として仮焼粉に添加するようにすれば、焼成温度を低くし、低酸素還元雰囲気中において焼成しても、発生変位量を大きくできることが分かった。
また、添加成分として銅を更に添加するようにすれば、焼成温度をより低くすることができることが分かった。
As shown in Table 15, according to Examples 7-1 and 7-2, a displacement larger than that of Comparative Example 7-1 could be obtained. That is, it has been found that if lead and copper are added as additive components to the calcined powder, the generated displacement can be increased even if the firing temperature is lowered and firing is performed in a low oxygen reducing atmosphere.
It has also been found that the firing temperature can be further lowered by further adding copper as an additive component.

なお、上記実施例では、いくつかの例を挙げて具体的に説明したが、組成物および添加成分の組成を変化させても、上記実施の形態で説明した範囲内であれば、同様の結果を得ることができる。   In the above examples, some examples have been specifically described. However, even if the composition and the composition of the additive components are changed, the same results are obtained as long as they are within the range described in the above embodiments. Can be obtained.

以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は、上記実施の形態および実施例に限定されるものではなく、種々変形することができる。例えば、上記実施の形態および実施例では、添加成分として、必要に応じてアンチモン,タンタル,ニオブ,タングステンおよびモリブデンからなる群のうちの少なくとも1種を添加する場合について説明したが、これらに加えて、他の成分を添加してもよい。その場合、その他の成分は、主成分に固溶してもよく、固溶しなくてもよい。   The present invention has been described with reference to the embodiments and examples. However, the present invention is not limited to the above embodiments and examples, and various modifications can be made. For example, in the embodiments and examples described above, the case where at least one of the group consisting of antimony, tantalum, niobium, tungsten, and molybdenum is added as necessary as an additive component has been described. Other components may be added. In that case, other components may be dissolved in the main component or may not be dissolved.

アクチュエータ,圧電ブザー,発音体およびセンサなどの分野において広く用いることができる。   It can be widely used in the fields of actuators, piezoelectric buzzers, sounding bodies and sensors.

本発明の一実施の形態に係る圧電磁器の製造方法を表す流れ図である。It is a flowchart showing the manufacturing method of the piezoelectric ceramic which concerns on one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態に係る圧電磁器の製造方法を用いて製造する圧電素子の一構成例を表す断面図である。It is sectional drawing showing the example of 1 structure of the piezoelectric element manufactured using the manufacturing method of the piezoelectric ceramic which concerns on one embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10…積層体、11…圧電層、12…内部電極、21,22…端子電極。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Laminated body, 11 ... Piezoelectric layer, 12 ... Internal electrode, 21, 22 ... Terminal electrode.

Claims (6)

化1または化2で表される組成物を含む仮焼粉に対して、鉛(Pb)の原料を酸化物(PbO)に換算した前記組成物に対する割合で0.01質量%以上1.5質量%以下の範囲内で添加すると共に、銅(Cu)の原料を酸化物(CuO)に換算した前記組成物に対する割合で1質量%以下の範囲内で添加して焼成する工程を含むことを特徴とする圧電磁器の製造方法。
(化1)
Pba [(Zn1/3 Nb2/3 x Tiy Zrz ]O3
(化1において、a,x,y,zは、0.96≦a≦1.03、x+y+z=1、0.05≦x≦0.40、0.1≦y≦0.5、0.2≦z≦0.6をそれぞれ満たす範囲内の値である。)
(化2)
(Pba-b Meb )[(Zn1/3 Nb2/3 x Tiy Zrz ]O3
(化2において、a,b,x,y,zは、0.96≦a≦1.03、0<b≦0.1、x+y+z=1、0.05≦x≦0.40、0.1≦y≦0.5、0.2≦z≦0.6をそれぞれ満たす範囲内の値である。Meは、ストロンチウム(Sr),カルシウム(Ca)およびバリウム(Ba)からなる群のうちの少なくとも1種を表す。)
With respect to the calcined powder containing the composition represented by Chemical Formula 1 or Chemical Formula 2, 0.01% by mass or more and 1.5% in terms of the ratio of the lead (Pb) raw material to the oxide (PbO) Adding within a range of less than or equal to mass% and adding and firing a copper (Cu) raw material within a range of less than or equal to 1 mass% at a ratio to the composition in terms of oxide (CuO). A method of manufacturing a piezoelectric ceramic.
(Chemical formula 1)
Pb a [(Zn 1/3 Nb 2/3 ) x Ti y Zr z ] O 3
(In the chemical formula 1, a, x, y and z are 0.96 ≦ a ≦ 1.03, x + y + z = 1, 0.05 ≦ x ≦ 0.40, 0.1 ≦ y ≦ 0.5, 0. (It is a value within the range satisfying 2 ≦ z ≦ 0.6.)
(Chemical formula 2)
(Pb ab Me b ) [(Zn 1/3 Nb 2/3 ) x Ti y Zr z ] O 3
(In the chemical formula 2, a, b, x, y, z are 0.96 ≦ a ≦ 1.03, 0 <b ≦ 0.1, x + y + z = 1, 0.05 ≦ x ≦ 0.40, 0. 1 ≦ y ≦ 0.5 and 0.2 ≦ z ≦ 0.6, Me is a value selected from the group consisting of strontium (Sr), calcium (Ca) and barium (Ba). Represents at least one).
鉛の原料および銅の原料は、仮焼したのち添加することを特徴とする請求項1記載の圧電磁器の製造方法。   2. The method for manufacturing a piezoelectric ceramic according to claim 1, wherein the lead raw material and the copper raw material are added after calcining. 更に、タンタル(Ta),アンチモン(Sb),ニオブ(Nb),タングステン(W)およびモリブデン(Mo)からなる群のうちの少なくとも1種の原料を、酸化物(Ta2 5 ,Sb2 3 ,Nb2 5 ,WO3 ,MoO3 )に換算して、前記組成物に対する割合でそれぞれ1.0質量%以下の範囲内で添加する工程を含むことを特徴とする請求項1または請求項2記載の圧電磁器の製造方法。 Furthermore, at least one raw material selected from the group consisting of tantalum (Ta), antimony (Sb), niobium (Nb), tungsten (W), and molybdenum (Mo) is used as an oxide (Ta 2 O 5 , Sb 2 O). 3 , Nb 2 O 5 , WO 3 , MoO 3 ), each of which is added within a range of 1.0% by mass or less in proportion to the composition. Item 3. A method for manufacturing a piezoelectric ceramic according to Item 2. 前記組成物の原料と、タンタル,アンチモン,ニオブ,タングステンおよびモリブデンからなる群のうちの少なくとも1種の原料とを含む混合物を仮焼して、仮焼粉とすることを特徴とする請求項3記載の圧電磁器の製造方法。   The mixture containing the raw material of the composition and at least one raw material in the group consisting of tantalum, antimony, niobium, tungsten and molybdenum is calcined to obtain a calcined powder. The manufacturing method of the piezoelectric ceramic described. 圧電層と内部電極とを交互に積層した積層体を備えた圧電素子の製造方法であって、
請求項1ないし請求項4のいずれかに記載の圧電磁器の製造方法を用いて圧電層を形成する
ことを特徴とする圧電素子の製造方法。
A method of manufacturing a piezoelectric element comprising a laminate in which piezoelectric layers and internal electrodes are alternately laminated,
A method for manufacturing a piezoelectric element, comprising: forming a piezoelectric layer using the method for manufacturing a piezoelectric ceramic according to any one of claims 1 to 4.
内部電極の導電材料として銅を用いることを特徴とする請求項5記載の圧電素子の製造方法。
6. The method of manufacturing a piezoelectric element according to claim 5, wherein copper is used as the conductive material of the internal electrode.
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