JP2008007397A - Method for producing bulk lead zirconate titanate - Google Patents

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健 木島
Setsuya Iwashita
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing bulk lead zirconate titanate without using an organic binder. <P>SOLUTION: The method for producing the bulk lead zirconate titanate comprises: a process for obtaining a raw material powder by mixing a powder of lead zirconate titanate and a powder of amorphous lead zirconate titanate niobate; and a process for sintering the raw material powder. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、バルク状チタン酸ジルコン酸鉛の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing bulk lead zirconate titanate.

バルク状チタン酸ジルコン酸鉛の製造方法としては、チタン酸ジルコン酸鉛の粉末をポリビニルアルコールなどの有機バインダーと混合した後、成形,焼成する方法が知られている。例えば、特開2005−290494号公報には、セラミックス粉とバインダーである高分子水溶液と発泡剤を混合し、バルク状の発泡体を形成し、これを焼結してバルク状セラミックスを得る技術が開示されている。   As a method for producing bulk lead zirconate titanate, there is known a method in which powder of lead zirconate titanate is mixed with an organic binder such as polyvinyl alcohol, and then molded and fired. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-290494 discloses a technique for mixing a ceramic powder, a polymer aqueous solution as a binder, and a foaming agent to form a bulk foam and sintering it to obtain a bulk ceramic. It is disclosed.

しかしながら、かかる従来の方法では、有機バインダーを完全に除去することが難しく、圧電性、絶縁性などのセラミックスの特性に悪影響を与えることがある。
特開2005−290494号公報
However, in such a conventional method, it is difficult to completely remove the organic binder, which may adversely affect the characteristics of ceramics such as piezoelectricity and insulation.
JP 2005-290494 A

本発明は、有機バインダーを用いることなく、バルク状のチタン酸ジルコン酸鉛を得ることができる製造方法を提供することにある。   The present invention is to provide a production method capable of obtaining bulk lead zirconate titanate without using an organic binder.

本発明にかかるバルク状のチタン酸ジルコン酸鉛の製造方法は、
チタン酸ジルコン酸鉛の粉体と、アモルファスのニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛の粉体とを混合して原料粉体を得る工程と、
前記原料粉体を焼結する工程と、
を含む。
The method for producing bulk lead zirconate titanate according to the present invention is as follows.
Mixing raw powder of lead zirconate titanate and amorphous lead zirconate titanate niobate powder to obtain raw powder;
Sintering the raw material powder;
including.

本発明の製造方法によれば、チタン酸ジルコン酸鉛の粉体とアモルファスのニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛の粉体を混合して焼結することで、例えばポリビニルアルコールなどの有機バインダーを用いることなく、バルク状のチタン酸ジルコン酸鉛を得ることができる。   According to the manufacturing method of the present invention, an organic binder such as polyvinyl alcohol is used by mixing and sintering a powder of lead zirconate titanate and a powder of amorphous lead zirconate titanate niobate, for example. And bulk lead zirconate titanate can be obtained.

本発明の製造方法において、前記ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛は、前記原料粉体に対して、5ないし25重量%の割合で使用されることができる。   In the production method of the present invention, the lead zirconate titanate niobate may be used in a proportion of 5 to 25% by weight with respect to the raw material powder.

本発明の製造方法において、前記ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛は、式Pb(Zr,Ti)1−xNbで表され、該式において0.05≦x≦0.3であることができる。 In the production method of the present invention, said lead zirconate titanate niobate is represented by the formula Pb (Zr, Ti) 1- x Nb x O 3, it is 0.05 ≦ x ≦ 0.3 in the formula Can do.

本発明の製造方法において、前記ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛は、さらに、0.5モル%以上のSi、あるいはSiおよびGeを含むことができる。   In the production method of the present invention, the lead zirconate titanate niobate can further contain 0.5 mol% or more of Si, or Si and Ge.

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態について詳細に説明する。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

1.バルク状のチタン酸ジルコン酸鉛の製造方法
本実施形態にかかるバルク状のチタン酸ジルコン酸鉛の製造方法は、図1に示す工程を有する。図1は、本実施形態の製造方法を示すフローチャートである。
1. Manufacturing Method of Bulk Lead Zirconate Titanate The manufacturing method of bulk lead zirconate titanate according to the present embodiment includes the steps shown in FIG. FIG. 1 is a flowchart showing the manufacturing method of this embodiment.

(1)原料の秤量および混合
まず、チタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr,Ti)O;以下、「PZT」ともいう)の粉体と、アモルファスのニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr,Ti)1−xNb;以下、「PZTN」ともいう)の粉体を、両者が所定量になるように秤量する(ステップS1)。その後、PZTの粉体と、アモルファスのPZTN(以下、「α−PZTN」ともいう)の粉体とを混合して原料粉体を得る(ステップS2)。PZTおよびα−PZTNの粉体の粒径は、特に限定されないが、例えば1ないし100μmとすることができる。
(1) Weighing and mixing raw materials First, lead zirconate titanate (Pb (Zr, Ti) O 3 ; hereinafter also referred to as “PZT”) powder and amorphous lead zirconate titanate niobate (Pb (Pb ( Zr, Ti) 1-x Nb x O 3 (hereinafter also referred to as “PZTN”) is weighed so that both of them become a predetermined amount (step S1). Thereafter, PZT powder and amorphous PZTN (hereinafter also referred to as “α-PZTN”) powder are mixed to obtain a raw material powder (step S2). The particle size of the PZT and α-PZTN powder is not particularly limited, but may be, for example, 1 to 100 μm.

本実施形態において、α−PZTNは、原料粉体に対して、好ましくは5ないし25重量%の割合で使用される。α−PZTNの割合がこの範囲にあると、有機バインダーを用いることなく、良好な特性を有するバルク状PZTを得ることができる。すなわち、α−PZTNは、原子が動きやすい、いわば柔らかい状態にあるため、PZTの結晶粉体に対してバインダーの機能を有する。さらに、PZTNは、PZTと同じペロブスカイト型構造を有するので、α−PZTNは、PZTの結晶性を引きずって結晶化しやすい状態にあるので、焼結温度をPZTN単体の場合より低くすることができる。さらに、PZTNは、圧電特性、強誘電特性、絶縁性に優れているので、バルク状PZTの特性に悪影響を与えることがなく、さらに優れた特性を付加することができる。従来の有機バインダーを用いた場合には、かかる有機バインダーを完全に除去することは困難であり、バルク状PZTになんらかの影響を与える可能性があるが、本実施形態では、α−PZTNがバインダーとして機能するため、このような問題を生じない。α−PZTNおよびPZTNについては、後に詳述する。   In the present embodiment, α-PZTN is preferably used in a proportion of 5 to 25% by weight with respect to the raw material powder. When the proportion of α-PZTN is within this range, bulk PZT having good characteristics can be obtained without using an organic binder. That is, α-PZTN has a function of a binder with respect to the crystal powder of PZT because atoms are easy to move, that is, in a soft state. Furthermore, since PZTN has the same perovskite structure as PZT, α-PZTN is easily crystallized by dragging the crystallinity of PZT, so that the sintering temperature can be made lower than in the case of PZTN alone. Furthermore, since PZTN is excellent in piezoelectric characteristics, ferroelectric characteristics, and insulating properties, it does not adversely affect the characteristics of bulk PZT, and more excellent characteristics can be added. When a conventional organic binder is used, it is difficult to completely remove the organic binder, which may have some influence on the bulk PZT. In this embodiment, α-PZTN is used as the binder. Because it works, this problem does not occur. α-PZTN and PZTN will be described in detail later.

(2)焼結
ついで、原料粉体を焼結する。焼結は、公知の方法を用いることができる。例えば、原料粉体を型に入れ、真空ホットプレス法で焼結を行うことができる。焼結は、800℃ないし1200℃で行うことができる。このようにして本実施形態のバルク状PZTを得ることができる。
(2) Sintering Next, the raw material powder is sintered. A known method can be used for sintering. For example, the raw material powder can be put in a mold and sintered by a vacuum hot press method. Sintering can be performed at 800 ° C to 1200 ° C. In this way, the bulk PZT of this embodiment can be obtained.

次に、本実施形態で用いられるα−PZTNおよびPZTNについて、さらに詳細に述べる。   Next, α-PZTN and PZTN used in the present embodiment will be described in more detail.

本実施形態で用いられるα−PZTNは、焼結工程を経てペロブスカイト型のPZTNになる。PZTNは、式Pb(Zr,Ti)1−xNbで表したとき、該式において好ましくは0.05≦x≦0.30、より好ましくは0.1≦x≦0.3の割合でニオブを含むことができる。 Α-PZTN used in the present embodiment becomes a perovskite type PZTN through a sintering process. When PZTN is represented by the formula Pb (Zr, Ti) 1-x Nb x O 3 , it preferably satisfies 0.05 ≦ x ≦ 0.30, more preferably 0.1 ≦ x ≦ 0.3. Niobium can be included in proportions.

ニオブ(Nb)は、チタン(Ti)とサイズ(イオン半径が近く、原子半径は同一である)がほぼ同じで、重さが2倍あり、格子振動による原子間の衝突によっても格子から原子が抜けにくい。また原子価は、+5価で安定であり、たとえPbが抜けても、Nb5+によりPb抜けの価数を補うことができる。また結晶化時に、Pb抜けが発生したとしても、サイズの大きなOが抜けるより、サイズの小さなNbが入る方が容易である。 Niobium (Nb) is approximately the same size as titanium (Ti) (the ionic radius is the same, and the atomic radius is the same), is twice the weight, and atoms from the lattice are also affected by collisions between atoms due to lattice vibration. It is hard to come off. Also, the valence is +5 and stable, and even if Pb is lost, the valence of Pb loss can be compensated by Nb 5+ . Further, even if Pb loss occurs during crystallization, it is easier to enter small Nb than large O loss.

また、Nbは+4価も存在するため、Ti4+の代わりは十分に行うことが可能である。更に、実際にはNbは共有結合性が非常に強く、Pbも抜け難くなっていると考えられる(H.Miyazawa,E.Natori,S.Miyashita;Jpn.J.Appl.Phys.39(2000)5679)。 In addition, since Nb also has a +4 valence, Ti 4+ can be sufficiently replaced. Furthermore, Nb is actually considered to have a very strong covalent bond and Pb is difficult to escape (H. Miyazawa, E. Natori, S. Miyashita; Jpn. J. Appl. Phys. 39 (2000). 5679).

PZTがNbを特定の割合で含むことにより、Pbの欠損による悪影響を解消し、優れた組成制御性を有する。その結果、PZTNは、通常のPZTに比べて極めて良好な圧電特性、強誘電特性および絶縁性などを有する。   When PZT contains Nb at a specific ratio, adverse effects due to Pb deficiency are eliminated, and the composition controllability is excellent. As a result, PZTN has extremely good piezoelectric characteristics, ferroelectric characteristics, insulation, and the like as compared with normal PZT.

これまでも、PZTへのNbドーピングは、主にZrリッチの稜面体晶領域で行われてきたが、その量は、0.2〜0.025モル%(J.Am.Ceram.Soc,84(2001)902;Phys.Rev.Let,83(1999)1347)程度と、極僅かなものである。このようにNbを多量にドーピングすることができなかった要因は、Nbを例えば10モル%添加すると、結晶化温度が800℃以上に上昇してしまうことによるものであったと考えられる。   Until now, Nb doping to PZT has been mainly performed in the Zr-rich rhombohedral region, but the amount is 0.2-0.025 mol% (J. Am. Ceram. Soc, 84). (2001) 902; Phys. Rev. Let, 83 (1999) 1347) and so on. It is considered that the reason why Nb could not be doped in a large amount as described above was that the crystallization temperature increased to 800 ° C. or more when Nb was added at, for example, 10 mol%.

そこで、PZTNの前駆体組成物に、更にPbSiOシリケートを例えば、0.5〜10モル%の割合で添加することが好ましい。これによりPZTNの結晶化エネルギーを軽減させることができる。すなわち、強誘電体層の材料としてPZTNを用いる場合、Nb添加とともに、PbSiOシリケートを添加することでPZTNの結晶化温度の低減を図ることができる。また、シリケートの代わりに、シリケートとゲルマネートを混合して用いることもできる。本願発明者らは、シリコンが、焼結剤として働いた後、Aサイトイオンとして、結晶の一部を構成していることをラマンスペクトル解析によって確認した。すなわち、チタン酸鉛中にシリコンを添加すると、Aサイトイオンのラマン振動モードE(1TO)に変化が見られた。また、ラマン振動モードに変化が見られたのは、Si添加量が8モル%以下の場合であった。従って、Siの微少添加では、SiはペロブスカイトのAサイトに存在していることが確認された。 Therefore, it is preferable to add PbSiO 3 silicate to the PZTN precursor composition at a ratio of 0.5 to 10 mol%, for example. Thereby, the crystallization energy of PZTN can be reduced. That is, when PZTN is used as the material of the ferroelectric layer, the crystallization temperature of PZTN can be reduced by adding PbSiO 3 silicate together with Nb. In addition, silicate and germanate can be mixed and used instead of silicate. The inventors of the present application have confirmed by Raman spectrum analysis that silicon, after acting as a sintering agent, constitutes a part of the crystal as an A site ion. That is, when silicon was added to lead titanate, a change was observed in the Raman vibration mode E (1TO) of the A site ion. The change in the Raman vibration mode was observed when the Si addition amount was 8 mol% or less. Therefore, it was confirmed that Si was present at the A site of the perovskite with a slight addition of Si.

以上のように、本実施形態では、PZTNは、好ましくは0.5モル%以上のSi、あるいはSiおよびGe、より好ましくは0.5ないし10モル%のSi、あるいはSiおよびGeを含むことができる。   As described above, in this embodiment, PZTN preferably contains 0.5 mol% or more of Si, or Si and Ge, more preferably 0.5 to 10 mol% of Si, or Si and Ge. it can.

次に、本実施形態で用いられるα−PZTNの製造方法について述べる。α−PZTNは、以下の工程を経て得ることができる。まず、PZTNの前駆体組成物溶液をアルカリ性に調製する。ついで、前駆体組成物溶液に酸化性物質を混合する。このような工程を経ることにより、前駆体組成物溶液にα−PZTNの粒子が析出する。このようにして得られた粒子を回収して、α−PZTN粉体として用いることができる。これらの工程をさらに詳細に説明する。   Next, a method for producing α-PZTN used in the present embodiment will be described. α-PZTN can be obtained through the following steps. First, a PZTN precursor composition solution is prepared alkaline. Next, an oxidizing substance is mixed into the precursor composition solution. Through such a process, α-PZTN particles are precipitated in the precursor composition solution. The particles thus obtained can be recovered and used as α-PZTN powder. These steps will be described in more detail.

(1)PZTNの前駆体組成物(溶液)の調製
前駆体組成物は、Pb、Zr、TiまたはNbを含む熱分解性有機金属化合物、Pb,Zr,TiまたはNbを含む加水分解性有機金属化合物、その部分加水分解物および/または重縮合物の少なくとも1種と、ポリカルボン酸およびポリカルボン酸エステルの少なくとも1種と、有機溶媒と、を含む。
(1) Preparation of PZTN precursor composition (solution) The precursor composition is a thermally decomposable organometallic compound containing Pb, Zr, Ti or Nb, or a hydrolyzable organometallic containing Pb, Zr, Ti or Nb. It contains at least one compound, its partial hydrolyzate and / or polycondensate, at least one polycarboxylic acid and polycarboxylic acid ester, and an organic solvent.

前駆体組成物は、複合金属酸化物となる材料の構成金属をそれぞれ含んでなる有機金属化合物、あるいはその部分加水分解物および/または重縮合物を各金属が所望のモル比となるように混合され、さらにアルコールなどの有機溶媒を用いてこれらを溶解、または分散させることにより作製することができる。有機金属化合物は、溶液状態で安定なものを用いることが好ましい。   In the precursor composition, an organic metal compound containing each component metal of the material to be a composite metal oxide, or a partial hydrolyzate and / or polycondensate thereof are mixed so that each metal has a desired molar ratio. Further, it can be prepared by dissolving or dispersing them using an organic solvent such as alcohol. It is preferable to use an organometallic compound that is stable in a solution state.

本実施形態において、使用可能な有機金属化合物としては、加水分解または酸化されることにより、その金属有機化合物に由来する金属酸化物を生成し得るものであり、各金属のアルコキシド、有機金属錯体、および有機酸塩などから選ばれる。   In the present embodiment, usable organometallic compounds are those that can be hydrolyzed or oxidized to produce metal oxides derived from the metal organic compounds, and each metal alkoxide, organometallic complex, And an organic acid salt.

複合金属酸化物の構成金属をそれぞれ含む熱分解性有機金属化合物としては、例えば、金属アルコキシド、有機酸塩、βジケトン錯体などの有機金属化合物を用いることができる。複合金属酸化物の構成金属をそれぞれ含む加水分解性有機金属化合物としては、金属アルコキシドなどの有機金属化合物を用いることができる。有機金属化合物の例として以下のものが挙げられる。   As the thermally decomposable organometallic compound containing each of the constituent metals of the composite metal oxide, for example, organometallic compounds such as metal alkoxides, organic acid salts, and β-diketone complexes can be used. As the hydrolyzable organometallic compound containing the constituent metals of the composite metal oxide, organometallic compounds such as metal alkoxides can be used. The following are mentioned as an example of an organometallic compound.

Pbを含む有機金属化合物としては、酢酸鉛、オクチル酸鉛を例示できる。ZrまたはTiを含む有機金属化合物としては、これらのアルコキシド、酢酸塩、オクチル酸塩などを例示できる。   Examples of the organometallic compound containing Pb include lead acetate and lead octylate. Examples of organometallic compounds containing Zr or Ti include these alkoxides, acetates, octylates and the like.

Nbを含む有機金属化合物としては、オクチル酸ニオブ、オクチル酸鉛ニオブを例示できる。オクチル酸ニオブは、Nbが2原子共有結合して、その他の部分にオクチル基が存在する構造である。   Examples of the organometallic compound containing Nb include niobium octylate and lead niobium octylate. Niobium octylate has a structure in which Nb is covalently bonded to two atoms and an octyl group is present in the other part.

本実施形態の原料組成物において、有機溶媒としては、アルコールを用いることができる。溶媒としてアルコールを用いると、有機金属化合物とポリカルボン酸またはポリカルボン酸エステルの両者を良好に溶解することができる。アルコールとしては、特に限定されないが、ブタノール、メタノール、エタノール、プロパノールなどの1価のアルコール、または多価アルコールを例示できる。かかるアルコールとしては、例えば以下のものをあげることができる。   In the raw material composition of this embodiment, alcohol can be used as the organic solvent. When alcohol is used as the solvent, both the organometallic compound and the polycarboxylic acid or polycarboxylic acid ester can be dissolved well. Although it does not specifically limit as alcohol, Monovalent alcohols, such as butanol, methanol, ethanol, and propanol, or a polyhydric alcohol can be illustrated. Examples of such alcohols include the following.

1価のアルコール類;
プロパノール(プロピルアルコール)として、1−プロパノール(沸点97.4℃)、2−プロパノール(沸点82.7℃)、
ブタノール(ブチルアルコール)として、1−ブタノール(沸点117℃)、2−ブタノール(沸点100℃)、2−メチル−1−プロパノール(沸点108℃)、2−メチル−2−プロパノール(融点25.4℃,沸点83℃)、
ペンタノール(アミルアルコール)として、1−ペンタノール(沸点137℃)、3−メチル−1−ブタノール(沸点131℃)、2−メチル−1−ブタノール(沸点128℃)、2,2ジメチル−1−プロパノール(沸点113℃)、2−ペンタノール(沸点119℃)、3−メチル−2−ブタノール(沸点112.5℃)、3−ペンタノール(沸点117℃)、2−メチル−2−ブタノール(沸点102℃)、
多価アルコール類;
エチレングリコール(融点−11.5℃,沸点197.5℃)、グリセリン(融点17℃,沸点290℃)。
Monohydric alcohols;
As propanol (propyl alcohol), 1-propanol (boiling point 97.4 ° C), 2-propanol (boiling point 82.7 ° C),
As butanol (butyl alcohol), 1-butanol (boiling point 117 ° C.), 2-butanol (boiling point 100 ° C.), 2-methyl-1-propanol (boiling point 108 ° C.), 2-methyl-2-propanol (melting point 25.4) ℃, boiling point 83 ℃),
As pentanol (amyl alcohol), 1-pentanol (boiling point 137 ° C.), 3-methyl-1-butanol (boiling point 131 ° C.), 2-methyl-1-butanol (boiling point 128 ° C.), 2,2 dimethyl-1 -Propanol (boiling point 113 ° C), 2-pentanol (boiling point 119 ° C), 3-methyl-2-butanol (boiling point 112.5 ° C), 3-pentanol (boiling point 117 ° C), 2-methyl-2-butanol (Boiling point 102 ° C.),
Polyhydric alcohols;
Ethylene glycol (melting point −11.5 ° C., boiling point 197.5 ° C.), glycerin (melting point 17 ° C., boiling point 290 ° C.).

前駆体組成物において、ポリカルボン酸またはポリカルボン酸エステルは、2価以上であることができる。本発明に用いるポリカルボン酸としては、以下のものを例示できる。3価のカルボン酸としては、Trans−アコニット酸、トリメシン酸、4価のカルボン酸としては、ピロメリット酸、1,2,3,4−シクロペンタンテトラカルボン酸等が挙げられる。また、ポリカルボン酸エステルとしては、2価のコハク酸ジメチル、コハク酸ジエチル、シュウ酸ジブチル、マロン酸ジメチル、アジピン酸ジメチル、マレイン酸ジメチル、フマル酸ジエチル、3価のクエン酸トリブチル、1,1,2−エタントリカルボン酸トリエチル、4価の1,1,2,2−エタンテトラカルボン酸テトラエチル、1,2,4−ベンゼントリカルボン酸トリメチル等が挙げられる。   In the precursor composition, the polycarboxylic acid or polycarboxylic acid ester can be divalent or higher. The following can be illustrated as polycarboxylic acid used for this invention. Examples of the trivalent carboxylic acid include Trans-aconitic acid, trimesic acid, and examples of the tetravalent carboxylic acid include pyromellitic acid and 1,2,3,4-cyclopentanetetracarboxylic acid. Polycarboxylic acid esters include divalent dimethyl succinate, diethyl succinate, dibutyl oxalate, dimethyl malonate, dimethyl adipate, dimethyl maleate, diethyl fumarate, trivalent tributyl citrate, 1,1 , 2-ethanetricarboxylic acid triethyl, tetravalent 1,1,2,2-ethanetetracarboxylic acid tetraethyl, 1,2,4-benzenetricarboxylic acid trimethyl and the like.

前駆体組成物において、2価のカルボン酸エステルとしては、好ましくは、コハク酸エステル、マレイン酸エステルおよびマロン酸エステルから選択される少なくとも1種であることができる。これらのエステルの具体例としては、コハク酸ジメチル、マレイン酸ジメチル、マロン酸ジメチルをあげることができる。   In the precursor composition, the divalent carboxylic acid ester can be preferably at least one selected from succinic acid esters, maleic acid esters and malonic acid esters. Specific examples of these esters include dimethyl succinate, dimethyl maleate, and dimethyl malonate.

ポリカルボン酸またはポリカルボン酸エステルは、有機溶媒より高い沸点を有することができる。ポリカルボン酸またはポリカルボン酸エステルの沸点が有機溶媒より高いことにより、後述するように、原料組成物の反応をより速やかに行うことができる。   The polycarboxylic acid or polycarboxylic acid ester can have a higher boiling point than the organic solvent. When the boiling point of the polycarboxylic acid or the polycarboxylic acid ester is higher than that of the organic solvent, the reaction of the raw material composition can be performed more rapidly as described later.

前記ポリカルボン酸エステルの分子量は、150以下であることができる。ポリカルボン酸エステルの分子量が大きすぎると、熱処理時においてエステルが揮発する際に膜にダメージを与えやすく、緻密な膜を得られないことがある。   The molecular weight of the polycarboxylic acid ester may be 150 or less. If the molecular weight of the polycarboxylic acid ester is too large, the film tends to be damaged when the ester volatilizes during heat treatment, and a dense film may not be obtained.

前記ポリカルボン酸エステルは、室温において液体であることができる。ポリカルボン酸エステルが室温で固体であると、液がゲル化することがある。   The polycarboxylic acid ester may be a liquid at room temperature. If the polycarboxylic acid ester is solid at room temperature, the liquid may gel.

上述した前駆体組成物によって得られる複合金属酸化物は、好ましくは0.05≦x<1の範囲で、さらに好ましくは0.1≦x≦0.3の範囲でNbを含むことができる。また、前記複合金属酸化物は、好ましくは0.5モル%以上、より好ましくは0.5モル%以上、5モル%以下のSi、あるいはSiおよびGeを含むことができる。   The composite metal oxide obtained by the precursor composition described above can preferably contain Nb in the range of 0.05 ≦ x <1, more preferably in the range of 0.1 ≦ x ≦ 0.3. The composite metal oxide may contain 0.5 mol% or more, more preferably 0.5 mol% or more and 5 mol% or less of Si, or Si and Ge.

本実施形態でバルク状PZTに含まれるPZTNは、Nbを特定の割合で含むことにより、Pbの欠損による悪影響を解消し、優れた組成制御性を有することができる。   The PZTN contained in the bulk PZT in the present embodiment contains Nb at a specific ratio, thereby eliminating the adverse effects due to Pb loss and having excellent composition controllability.

ポリカルボン酸またはポリカルボン酸エステルの使用量は、PZTNの組成に依存する。たとえばPZTNを形成するための金属の合計モルイオン濃度とポリカルボン酸(エステル)のモルイオン濃度は、好ましくは1≧(ポリカルボン酸(エステル)のモルイオン濃度)/(原料溶液の金属の総モルイオン濃度)とすることができる。   The amount of polycarboxylic acid or polycarboxylic acid ester used depends on the composition of PZTN. For example, the total molar ion concentration of the metal for forming PZTN and the molar ion concentration of the polycarboxylic acid (ester) is preferably 1 ≧ (the molar ion concentration of the polycarboxylic acid (ester)) / (the total molar ion concentration of the metal in the raw material solution). It can be.

ここで、ポリカルボン酸またはポリカルボン酸エステルのモル数とは、価数のことである。つまり、2価のポリカルボン酸またはポリカルボン酸エステルであれば、1分子のポリカルボン酸またはポリカルボン酸エステルが、原料溶液の金属1モルに対して、ポリカルボン酸またはポリカルボン酸エステル0.5モルで1:1ということになる。   Here, the number of moles of polycarboxylic acid or polycarboxylic acid ester is a valence. That is, in the case of a divalent polycarboxylic acid or polycarboxylic acid ester, one molecule of polycarboxylic acid or polycarboxylic acid ester corresponds to 0.1 mol of polycarboxylic acid or polycarboxylic acid ester per 1 mol of metal in the raw material solution. 5 moles is 1: 1.

(2)前駆体組成物のpHの調製
まず、前駆体組成物のpHをアルカリ性に調製する。前駆体組成物のpHは、好ましくはpH10以上、より好ましくはpH10以上13以下に調製される。このとき、pH調整剤としては、公知のアリカリ性物質を用いることができる。かかるアルカリ性物質としては、例えば、アンモニア溶液、ジメチルアミノメタノール、ジエチルアミノメタノール、ジメチルアミノエタノール、ジエチルアミノエタノールなどを用いることができる。
(2) Preparation of pH of precursor composition First, the pH of the precursor composition is adjusted to be alkaline. The pH of the precursor composition is preferably adjusted to pH 10 or more, more preferably pH 10 or more and 13 or less. At this time, as the pH adjuster, a known ant potency substance can be used. As such an alkaline substance, for example, ammonia solution, dimethylaminomethanol, diethylaminomethanol, dimethylaminoethanol, diethylaminoethanol and the like can be used.

ついで、前駆体組成物に酸化性物質を混合する。酸化性物質としては、公知のものを用いることができる。酸化性物質(酸性物質)としては、例えば、過酸化水素水、クエン酸などの有機酸、塩酸などの無機酸などを用いることができる。このように前駆体組成物に酸化性物質を添加すると、前駆体組成物溶液においてα−PZTNの粒子が析出する。この粒子を回収して乾燥すると、α−PZTNの粉体が得られる。このα−PZTN粉体は、そのまま焼結材料として用いることができるが、必要に応じてさらに粉砕することもできる。   Next, an oxidizing substance is mixed into the precursor composition. As the oxidizing substance, known substances can be used. As the oxidizing substance (acidic substance), for example, hydrogen peroxide, organic acids such as citric acid, inorganic acids such as hydrochloric acid, and the like can be used. When an oxidizing substance is added to the precursor composition in this way, α-PZTN particles are precipitated in the precursor composition solution. When these particles are collected and dried, α-PZTN powder is obtained. The α-PZTN powder can be used as it is as a sintering material, but can be further pulverized as required.

本実施形態によれば、PZT粉体とα−PZTN粉体を混合したものを原料粉体として用いることにより、例えばポリビニルアルコールなどの有機バインダーを用いることなく、バルク状のPZTを得ることができる。このバルク状PZTは、有機バインダーなどの不純物を含むことがなく、優れたバルク結晶特性を有する。さらに、バルク状PZTは、圧電特性、強誘電特性、絶縁性などに優れPZTNを含み、PZT単体に比べてより良好な特性を有する。   According to the present embodiment, bulk PZT can be obtained without using an organic binder such as polyvinyl alcohol, for example, by using a mixture of PZT powder and α-PZTN powder as raw material powder. . This bulk PZT does not contain impurities such as an organic binder and has excellent bulk crystal characteristics. Further, the bulk PZT is excellent in piezoelectric characteristics, ferroelectric characteristics, insulation, and the like, and includes PZTN, and has better characteristics than the PZT alone.

本実施形態にかかるバルク状PZTは、各種の用途に用いることができ、例えば、圧電モータ、SAWデバイス、ジャイロなどに好適に適用できる。   The bulk PZT according to the present embodiment can be used for various applications, and can be suitably applied to, for example, a piezoelectric motor, a SAW device, a gyro, and the like.

2.実施例
以下、本発明の実施例について述べるが、本発明はこれに限定されるものではない。
2. Examples Hereinafter, examples of the present invention will be described, but the present invention is not limited thereto.

実施例のサンプルは、以下の方法で得た。   The sample of the Example was obtained by the following method.

(1)α−PZTNの製造
α−PZTNの粉体を得るための前駆体組成物は、Pb、Zr、Ti、およびNbの少なくともいずれかを含む第1ないし第3の原料溶液と、ポリカルボン酸エステルとしてのコハク酸ジメチルと、有機溶媒としてのn−ブタノールとを混合して得た。混合液は、ゾルゲル原料とコハク酸ジメチルとを1:1の割合でn−ブタノールに溶解したものである。
(1) Production of α-PZTN A precursor composition for obtaining α-PZTN powder includes first to third raw material solutions containing at least one of Pb, Zr, Ti, and Nb; It was obtained by mixing dimethyl succinate as an acid ester and n-butanol as an organic solvent. The mixed solution is obtained by dissolving the sol-gel raw material and dimethyl succinate in n-butanol at a ratio of 1: 1.

第1の原料溶液としては、PbおよびZrによるPbZrOペロブスカイト結晶を形成するための縮重合体をn−ブタノールの溶媒に無水状態で溶解した溶液を用いた。 As the first raw material solution, a solution obtained by dissolving a polycondensation product for forming a PbZrO 3 perovskite crystal with Pb and Zr in an n-butanol solvent in an anhydrous state was used.

第2の原料溶液としは、PbおよびTiによるPbTiOペロブスカイト結晶を形成するための縮重合体をn−ブタノールの溶媒に無水状態で溶解した溶液を用いた。 As the second raw material solution, a solution obtained by dissolving a condensation polymer for forming PbTiO 3 perovskite crystals of Pb and Ti in an n-butanol solvent in an anhydrous state was used.

第3の原料溶液としては、PbおよびNbによるPbNbOペロブスカイト結晶を形成するための縮重合体をn−ブタノールの溶媒に無水状態で溶解した溶液を用いた。 As the third raw material solution, a solution obtained by dissolving a condensation polymer for forming PbNbO 3 perovskite crystals with Pb and Nb in an n-butanol solvent in an anhydrous state was used.

上記第1、第2および第3の原料溶液を用いて、PbZr0.33Ti0.47Nb0.2(PZTN)からなる強誘電体層を形成する場合、(第1の原料溶液):(第2の原料溶液):(第3の原料溶液)=33:47:20の比で混合する。さらに、強誘電体層の結晶化温度を低下させる目的で、第4の原料溶液として、PbSiO結晶を形成するための縮重合体をn−ブタノールの溶媒に無水状態で溶解した溶液を、2モル%の割合で上記混合溶液中に添加し、前駆体組成物を得た。 When a ferroelectric layer made of PbZr 0.33 Ti 0.47 Nb 0.2 O 3 (PZTN) is formed using the first, second and third raw material solutions, (first raw material solution) ) :( second raw material solution) :( third raw material solution) = 33: 47: 20. Further, for the purpose of lowering the crystallization temperature of the ferroelectric layer, as a fourth raw material solution, a solution obtained by dissolving a condensation polymer for forming PbSiO 3 crystals in an n-butanol solvent in an anhydrous state is 2 It added to the said mixed solution in the ratio of mol%, and the precursor composition was obtained.

以上の方法で得られた前駆体組成物にアンモニア水溶液を加えて、該前駆体組成物のpHを13とした。ついで、該前駆体組成物に40%の過酸化水素水を加えて、pHを約7とした。すると、前駆体組成物に粒子が析出した。この粒子を回収して乾燥し、粉体を得た。この粉体の粒子の平均粒径は、約100μmであった。さらに、得られた粉体をXRD法によって解析したところ、粉体はα−PZTNであることが確認された。   An aqueous ammonia solution was added to the precursor composition obtained by the above method to adjust the pH of the precursor composition to 13. Subsequently, 40% hydrogen peroxide solution was added to the precursor composition to adjust the pH to about 7. Then, particles were precipitated in the precursor composition. The particles were collected and dried to obtain a powder. The average particle size of the powder particles was about 100 μm. Furthermore, when the obtained powder was analyzed by the XRD method, it was confirmed that the powder was α-PZTN.

(2)バルク状PZTの製造
(1)で得られたα−PZTN粉体と、PZT粉体とを、1:4の重量比で混合して原料粉体を得た。α−PZTN粉体の原料粉体に対する割合は、20重量%であった。なお、PZT粉体の平均粒径は約500μmであった。
(2) Production of bulk PZT The α-PZTN powder obtained in (1) and the PZT powder were mixed at a weight ratio of 1: 4 to obtain a raw material powder. The ratio of the α-PZTN powder to the raw material powder was 20% by weight. The average particle size of the PZT powder was about 500 μm.

ついで、原料粉体を型に入れ、真空ホットプレス法で焼結を行った。焼結は、850℃で行った。このようにして本実施例のバルク状PZTを得た。   Subsequently, the raw material powder was put into a mold and sintered by a vacuum hot press method. Sintering was performed at 850 ° C. In this way, bulk PZT of this example was obtained.

バルク状PZTの製造方法を示すフローチャート図。The flowchart figure which shows the manufacturing method of bulk PZT.

Claims (4)

チタン酸ジルコン酸鉛の粉体と、アモルファスのニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛の粉体とを混合して原料粉体を得る工程と、
前記原料粉体を焼結する工程と、
を含む、バルク状チタン酸ジルコン酸鉛の製造方法。
Mixing raw powder of lead zirconate titanate and amorphous lead zirconate titanate niobate powder to obtain raw powder;
Sintering the raw material powder;
A method for producing bulk lead zirconate titanate, comprising:
請求項1において、
前記ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛は、前記原料粉体に対して、5ないし25重量%の割合で使用される、バルク状チタン酸ジルコン酸鉛の製造方法。
In claim 1,
The said lead zirconate titanate niobate is a manufacturing method of bulk lead zirconate titanate used in the ratio of 5 to 25 weight% with respect to the said raw material powder.
請求項1または2において、
前記ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛は、式Pb(Zr,Ti)1−xNbで表され、該式において0.05≦x≦0.3である、バルク状チタン酸ジルコン酸鉛の製造方法。
In claim 1 or 2,
The lead zirconate titanate niobate is represented by the formula Pb (Zr, Ti) 1- x Nb x O 3, is 0.05 ≦ x ≦ 0.3 in said formula, bulk lead zirconate titanate Manufacturing method.
請求項3において、
前記ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛は、さらに、0.5モル%以上のSi、あるいはSiおよびGeを含む、バルク状チタン酸ジルコン酸鉛の製造方法。
In claim 3,
The lead zirconate titanate niobate further includes 0.5 mol% or more of Si, or Si and Ge, and is a method for producing bulk lead zirconate titanate.
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