JP2010006623A - Piezoelectric ceramic and method of manufacturing the same - Google Patents

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孝俊 橋本
Atsushi Sasaki
淳 佐々木
Masaya Kawabe
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a barium titanate-based piezoelectric ceramic which can be fired at a low temperature of ≤1,200°C without deteriorating the piezoelectric characteristics and allows a phase transformation temperature t<SB>OT</SB>to become equal to or below 0°C and a method of manufacturing the same. <P>SOLUTION: The piezoelectric ceramic consists essentially of BaTiO<SB>3</SB>and CaTiO<SB>3</SB>in a mixing ratio corresponding to a chemical formula, (1-x)BaTiO<SB>3-x</SB>-CaTiO<SB>3</SB>(wherein 0.01≤x≤0.08) and is formed by adding 0.10-0.30 wt.% LiF as an auxiliary component and firing at ≤1,200°C. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、振動子、アクチュエータ、センサ等の圧電デバイスに使用される圧電セラミックス及びその製造方法に関する。   The present invention relates to piezoelectric ceramics used for piezoelectric devices such as vibrators, actuators, and sensors, and a method for manufacturing the same.

圧電セラミックスや圧電結晶などの圧電材料は、歪みを加えると電気分極が発生し、逆に、電界を加えると歪みが発生する物質であり、電気的信号と機械的信号との可逆的な変換が可能である性質を利用し、各種のセンサやフィルタ、アクチュエータなどの圧電デバイスに用いられている。   Piezoelectric materials such as piezoelectric ceramics and piezoelectric crystals are substances that generate electrical polarization when strain is applied, and conversely, when electric fields are applied, reversible conversion between electrical and mechanical signals is possible. Utilizing the possible properties, it is used in piezoelectric devices such as various sensors, filters, and actuators.

特に、チタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Ti,Zr)O3)を始めとする含鉛圧電セラミックスは、優れた圧電特性のみならず、良好な温度特性を有し、また低温で焼成が可能といった利点があり、現在、圧電デバイスの材料として最も広い領域で利用されている。 In particular, lead-containing piezoelectric ceramics such as lead zirconate titanate (Pb (Ti, Zr) O 3 ) have not only excellent piezoelectric properties but also good temperature properties and can be fired at low temperatures. It has advantages and is currently used in the widest area as a material for piezoelectric devices.

しかしながら、鉛は人体に有害であることが確認されているので、上記のような含鉛圧電材料に実用上代替可能な鉛を含まない圧電デバイス用の非鉛圧電材料の開発が世界的規模で行われている。   However, since it has been confirmed that lead is harmful to the human body, the development of lead-free piezoelectric materials for piezoelectric devices that do not contain lead, which can be practically substituted for lead-containing piezoelectric materials as described above, has been developed worldwide. Has been done.

このような背景の中で、良好な圧電特性を有する非鉛圧電材料の一つにチタン酸バリウム(BaTiO3)がある。特許文献1によれば、平均粒径が0.1μmのチタン酸バリウム粉末を原料とし、それを成形した後、抵抗加熱炉により1110℃で焼成することで、電気機械結合係数kpが0.25である圧電セラミックスを得ている。 In such a background, barium titanate (BaTiO 3 ) is one of lead-free piezoelectric materials having good piezoelectric characteristics. According to Patent Document 1, barium titanate powder having an average particle size of 0.1 μm is used as a raw material, and after molding it, it is fired at 1110 ° C. in a resistance heating furnace, so that the electromechanical coupling coefficient k p is 0.1. A piezoelectric ceramic of 25 is obtained.

特許文献2、及び、非特許文献1によれば、平均粒径が0.1μmのチタン酸バリウム粉末を原料とし、成形した後、マイクロ波加熱によって1320℃で焼成することで、kp=0.36である圧電セラミックスを得ている。 According to Patent Document 2 and Non-Patent Document 1, a raw material is barium titanate powder having an average particle size of 0.1 μm, and after molding, it is fired at 1320 ° C. by microwave heating, so that k p = 0 A piezoelectric ceramic of 36 is obtained.

非特許文献2によれば、平均粒径が0.1μmのチタン酸バリウム粉末を原料とし、成形した後、抵抗加熱炉によって1320℃及び1150℃での二段階焼成を行うことで、kp=0.42である圧電セラミックスを得ている。 According to Non-Patent Document 2, by using a barium titanate powder having an average particle size of 0.1 μm as a raw material and molding, two-stage firing at 1320 ° C. and 1150 ° C. is performed in a resistance heating furnace, k p = A piezoelectric ceramic of 0.42 is obtained.

しかしながら、チタン酸バリウムを圧電セラミックス製品として供しようとするとき、その結晶構造が室温付近で斜方晶から正方晶へと相変態し、製品使用温度領域で特性を著しく変化させてしまうという問題がある。   However, when barium titanate is intended to be used as a piezoelectric ceramic product, the crystal structure undergoes phase transformation from orthorhombic to tetragonal at around room temperature, which significantly changes the characteristics in the product operating temperature range. is there.

このような室温付近に存在する斜方晶−正方晶構造相変態温度(tOT)を零度以下に降下させる一つの方策としては、チタン酸カルシウム(CaTiO3)の微量添加が挙げられる。非特許文献3によれば、チタン酸バリウムに対するチタン酸カルシウムの添加量に応じて、tOTが逐次低温側に移行することが示されている。しかしながら、tOTの低温化に対応して圧電特性の低下が見られる。 One measure for lowering the orthorhombic-tetragonal structural phase transformation temperature (t OT ) existing near room temperature to below zero degrees is the addition of a small amount of calcium titanate (CaTiO 3 ). According to Non-Patent Document 3, it is shown that tOT sequentially shifts to the low temperature side according to the amount of calcium titanate added to barium titanate. However, a decrease in piezoelectric characteristics is observed corresponding to the lowering of t OT .

また、高い電気機械結合係数を有するチタン酸バリウム系セラミックスを作製するためには、非特許文献1及び2においても記載されているように、マイクロ波加熱あるいは二段階加熱といった方法を用いて、1300℃以上の高温で焼成することが必要となる。しかしながら、上記の二つの方法はきわめて量産性が悪いことに加え、1300℃以上の高温焼成を行う場合には、積層セラミックデバイスとして製品化するために内部電極として耐熱性のあるパラジウムや白金といった高価な貴金属を使用しなければならないため、コストの高騰が懸念される。   Further, in order to produce a barium titanate ceramic having a high electromechanical coupling coefficient, as described in Non-Patent Documents 1 and 2, a method such as microwave heating or two-stage heating is used. It is necessary to bake at a high temperature of at least ° C. However, the above two methods are not very mass-productive, and in addition, when high-temperature firing at 1300 ° C. or higher is performed, expensive products such as heat-resistant palladium and platinum are used as internal electrodes to produce a multilayer ceramic device. There is a concern that the cost will rise due to the use of new precious metals.

一方、チタン酸バリウムの低温焼成化については、主にセラミックコンデンサ開発の分野で研究が進められている。その試みの一つとして、フッ化リチウム(LiF)の微量添加が挙げられる。特許文献3によれば、チタン酸バリウムに0.25wt%以上10.0wt%以下のフッ化リチウムを添加することにより、1250℃以下の温度で焼成が可能となることが開示されている。特許文献4によれば、バリウム過剰のチタン酸バリウム粉末を原料として用いて、これに1.5wt%以上10.0wt%以下のフッ化リチウムを添加することにより、低温焼成化が促進されることが見いだされ、これを用いた積層セラミックコンデンサを提案している。特許文献5によれば、平均粒径が0.5μm以下であるバリウム過剰のチタン酸バリウム粉末を原料として用いて、これに0.03wt%以上0.40wt%以下のフッ化リチウムを添加することにより、1200℃以下での低温焼成が可能であることが開示されている。   On the other hand, research on the low-temperature firing of barium titanate is being conducted mainly in the field of ceramic capacitor development. One attempt is to add a small amount of lithium fluoride (LiF). According to Patent Document 3, it is disclosed that baking can be performed at a temperature of 1250 ° C. or lower by adding lithium fluoride of 0.25 wt% to 10.0 wt% to barium titanate. According to Patent Document 4, low-temperature firing is promoted by using barium-excess barium titanate powder as a raw material and adding 1.5 wt% or more and 10.0 wt% or less of lithium fluoride thereto. Has been found, and a multilayer ceramic capacitor using the same has been proposed. According to Patent Document 5, barium-excess barium titanate powder having an average particle size of 0.5 μm or less is used as a raw material, and 0.03 wt% or more and 0.40 wt% or less of lithium fluoride is added thereto. Discloses that low-temperature firing at 1200 ° C. or lower is possible.

しかしながら、上記のいずれの特許文献においても、セラミックコンデンサに適用するための誘電率やその温度特性の達成のみが目的であり、得られたチタン酸バリウム焼成体の圧電デバイスへの応用に必須である圧電特性に関しては記載されていない。   However, in any of the above patent documents, the purpose is only to achieve the dielectric constant and its temperature characteristics for application to a ceramic capacitor, and it is essential for the application of the obtained barium titanate fired body to a piezoelectric device. The piezoelectric characteristics are not described.

特開2007−277031号公報JP 2007-277031 A 特開2006−315927号公報JP 2006-315927 A 米国特許第4082906号明細書U.S. Pat. No. 4,082,906 特開昭57−160963号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 57-160963 特開平1−115868号公報JP-A-1-115868 Hirofumi,T.他、Jpanese Journal of Applied Physics、2006年、第45巻、p.L30−L32Hirofumi, T. Jpanese Journal of Applied Physics, 2006, Vol. 45, p. L30-L32 Tomoaki,K.他、Japanese Journal of Applied Physics、2007年、第46巻、p.L97−L98Tomoaki, K.M. Others, Japanese Journal of Applied Physics, 2007, Vol. 46, p. L97-L98 岡崎 清 著、第4版セラミック誘電体工学、学献社、1992年6月1日発行Okazaki Kiyoshi, 4th edition Ceramic Dielectric Engineering, Academic Consortium, published June 1, 1992

上述したように、含鉛圧電材料の代替としてチタン酸バリウムを主原料とする圧電材料は有力であると考えられるが、従来は実用化に耐えるに十分な圧電特性を保持しつつ、相変態温度tOTの低温化、並びに焼成温度の低温化を同時に実現した、通常、焼成で作製可能な圧電デバイス用のチタン酸バリウム系セラミックスは示されていなかった。 As described above, piezoelectric materials mainly composed of barium titanate as an alternative to lead-containing piezoelectric materials are considered to be promising. Conventionally, however, the phase transformation temperature is maintained while maintaining sufficient piezoelectric properties to withstand practical use. lowering the t OT, and lowering the firing temperature is reduced significantly, usually, barium titanate-based ceramics for producible piezoelectric devices fired has not been shown.

このような状況に鑑み、本発明の課題は、圧電特性を損なうことなく、1200℃以下での低温焼成が可能で、相変態温度tOTが零度以下となるチタン酸バリウム系の圧電セラミックスおよびその製造方法を提供することにある。 In view of such a situation, an object of the present invention is to provide a barium titanate-based piezoelectric ceramic that can be fired at a low temperature of 1200 ° C. or less without impairing piezoelectric characteristics, and has a phase transformation temperature t OT of zero degrees or less, and its It is to provide a manufacturing method.

上記課題を解決するため、本発明による圧電セラミックスは、(1−x)BaTiO3−xCaTiO3(但し、0.01≦x≦0.08)の化学式に対応する混合比率の平均粒径が0.2μm未満のBaTiO3粉末および平均粒径が0.2μm未満のCaTiO3粉末の混合物を主成分とし、これに副成分としてLiFを0.10wt%以上0.30wt%以下添加して焼成されて作製されたことを特徴とする。 In order to solve the above problems, the piezoelectric ceramic according to the present invention has an average particle size of 0 corresponding to a chemical formula of (1-x) BaTiO 3 —xCaTiO 3 (where 0.01 ≦ x ≦ 0.08). The main component is a mixture of BaTiO 3 powder of less than 2 μm and CaTiO 3 powder having an average particle size of less than 0.2 μm, and LiF is added to this as a subcomponent and baked by adding 0.10 wt% to 0.30 wt%. It is produced.

また、本発明による上記圧電セラミックスの製造方法は、(1−x)BaTiO3−xCaTiO3(但し、0.01≦x≦0.08)の化学式で表されるモル比に対応する量の平均粒径が0.1μm以下のBaTiO3粉末、及び、平均粒径が0.1μm以下のCaTiO3粉末に、上記粉末の総量に対して0.10wt%以上0.30wt%以下のLiFを添加し混合した原料を成形した後、950℃以上1200℃以下の温度範囲で焼成することを特徴とする。ここで、添加するLiFは粉末でありその平均粒径が0.1μm以下であってもよい。 In addition, the method for producing the piezoelectric ceramic according to the present invention provides an average amount corresponding to a molar ratio represented by a chemical formula of (1-x) BaTiO 3 —xCaTiO 3 (where 0.01 ≦ x ≦ 0.08). To a BaTiO 3 powder having a particle size of 0.1 μm or less and a CaTiO 3 powder having an average particle size of 0.1 μm or less, LiF of 0.10 wt% or more and 0.30 wt% or less is added to the total amount of the powder. After the mixed raw material is formed, it is fired in a temperature range of 950 ° C. or more and 1200 ° C. or less. Here, LiF to be added may be powder, and the average particle size thereof may be 0.1 μm or less.

本発明は、後の実施例、比較例の実験結果に示すように、本願の発明者らが上記の課題の解決のために最適なチタン酸バリウム系セラミックスの原料組成およびその製造方法を見出したことに基づくものである。   In the present invention, as shown in the experimental results of Examples and Comparative Examples later, the inventors of the present application have found an optimal raw material composition of barium titanate ceramics and a method for producing the same for solving the above-described problems. It is based on.

本発明において、BaTiO3に対するCaTiO3による置換量xは、x<0.01の場合、斜方晶−正方晶構造相変態温度tOTが零度以上となり、また、x>0.08の場合圧電特性が劣化してしまうため、組成範囲を0.01≦x≦0.08とした。 In the present invention, the substitution amount x of CaTiO 3 with respect to BaTiO 3 is x <0.01, the orthorhombic-tetragonal structure phase transformation temperature t OT is zero degrees or more, and the piezoelectricity is x> 0.08. Since the characteristics deteriorate, the composition range is set to 0.01 ≦ x ≦ 0.08.

副成分としてのLiF添加量を(1−x)BaTiO3−xCaTiO3に対し0.10wt%以上0.30wt%以下の範囲としたのは、LiF量を0.10wt%未満とした場合、セラミックスの緻密化のためには1200℃よりも高温で焼成しなければならず、一方、0.30wt%を超えて添加した場合、圧電特性が劣化してしまうためである。 The amount of LiF added as an accessory component is in the range of 0.10 wt% to 0.30 wt% with respect to (1-x) BaTiO 3 -xCaTiO 3 when the LiF amount is less than 0.10 wt%. For densification, it must be fired at a temperature higher than 1200 ° C. On the other hand, if it exceeds 0.30 wt%, the piezoelectric characteristics will deteriorate.

また、製造方法において、BaTiO3及びCaTiO3の平均粒径はできるだけ小さい方がよく、平均粒径が0.2μm以上と大きい場合、副成分であるLiFの添加量が0.10wt%以上0.30wt%以下の範囲で緻密なBaTiO3−CaTiO3系セラミックスを得るためには1200℃以上での焼成が必要となり、それを低温焼成化するためにはLiFの添加量を増やすことが必要となり、その結果、圧電特性の劣化を招いてしまうという問題が生ずる。そこで、本発明の製造方法では、BaTiO3及びCaTiO3の平均粒径を0.1μm以下とした。 In the production method, the average particle diameters of BaTiO 3 and CaTiO 3 are preferably as small as possible. When the average particle diameter is as large as 0.2 μm or more, the additive amount of LiF as a secondary component is 0.10 wt% or more and 0.0. In order to obtain a dense BaTiO 3 —CaTiO 3 ceramic in a range of 30 wt% or less, firing at 1200 ° C. or higher is necessary, and in order to heat it at a low temperature, it is necessary to increase the amount of LiF added, As a result, there arises a problem that the piezoelectric characteristics are deteriorated. Therefore, in the production method of the present invention, the average particle size of BaTiO 3 and CaTiO 3 was set to 0.1 μm or less.

以上のように、本発明によれば、BaTiO3を主成分とする圧電セラミックスにおいて実用化の問題となっていた室温付近での相変態温度を零度以下に降下させ、かつ、圧電特性を劣化させることなく低温での焼成が実現可能となる。すなわち、圧電特性を損なうことなく、1200℃以下での低温焼成が可能で、相変態温度tOTが零度以下となるチタン酸バリウム系の圧電セラミックスおよびその製造方法が得られる。 As described above, according to the present invention, the phase transformation temperature near room temperature, which has been a problem for practical use in piezoelectric ceramics mainly composed of BaTiO 3 , is lowered to below zero degrees, and the piezoelectric characteristics are deteriorated. Thus, firing at a low temperature can be realized. That is, a barium titanate-based piezoelectric ceramic that can be fired at a low temperature of 1200 ° C. or less without impairing the piezoelectric characteristics and has a phase transformation temperature t OT of zero degrees or less, and a method for manufacturing the same.

本発明は平均粒径が0.2μm未満のチタン酸バリウムBaTiO3粉末および平均粒径が0.2μm未満のチタン酸カルシウムCaTiO3粉末を(1−x)BaTiO3−xCaTiO3(但し、0.01≦x≦0.08)の化学式に対応する混合比率となるような混合物を主成分とし、この主成分に対して、副成分としてフッ化リチウムLiFを0.10wt%以上0.30wt%以下添加して焼成された圧電セラミックスである。BaTiO3に対するCaTiO3による置換量xは、x<0.01の場合、斜方晶−正方晶構造相変態温度tOTが零度以上となり、また、x>0.08の場合圧電特性が劣化してしまうため、組成範囲は0.01≦x≦0.08とすることが望ましい。また、副成分としてのLiF添加量を0.10wt%未満とした場合、セラミックスの緻密化のためには1200℃よりも高温で焼成しなければならず、一方、0.30wt%を超えて添加した場合は圧電特性が劣化してしまうので、LiFの添加量は0.10wt%以上0.30wt%以下添加とすることが望ましい。 In the present invention, barium titanate BaTiO 3 powder having an average particle size of less than 0.2 μm and calcium titanate CaTiO 3 powder having an average particle size of less than 0.2 μm are (1-x) BaTiO 3 -xCaTiO 3 01 ≦ x ≦ 0.08) as a main component, and a mixture ratio corresponding to the chemical formula of 01 ≦ x ≦ 0.08), and with respect to this main component, lithium fluoride LiF as a subcomponent is 0.10 wt% or more and 0.30 wt% or less. Piezoelectric ceramics added and fired. The substitution amount x of CaTiO 3 with respect to BaTiO 3 is x <0.01, the orthorhombic-tetragonal structure phase transformation temperature t OT is zero degrees or more, and the piezoelectric property is deteriorated when x> 0.08. Therefore, the composition range is preferably 0.01 ≦ x ≦ 0.08. In addition, when the additive amount of LiF as an auxiliary component is less than 0.10 wt%, it must be fired at a temperature higher than 1200 ° C. for densification of ceramics, while it is added exceeding 0.30 wt%. In this case, since the piezoelectric characteristics are deteriorated, the amount of LiF added is desirably 0.10 wt% or more and 0.30 wt% or less.

また、本発明による圧電セラミックスを製造する際に用いる原料粉末は平均粒径が小さいほうが緻密化のための焼成温度を低くできるので、BaTiO3粉末の平均粒径は0.1μm以下、CaTiO3粉末の平均粒径も0.1μm以下と細かいものを利用することが望ましい。また、焼成する場合は950℃以上1200℃以下の温度範囲で焼成することが望ましい。さらに、副成分として加えるLiFは平均粒径が0.1μm以下の粉末を用いることが望ましい。 In addition, since the raw material powder used in manufacturing the piezoelectric ceramic according to the present invention has a smaller average particle size, the firing temperature for densification can be lowered. Therefore, the average particle size of the BaTiO 3 powder is 0.1 μm or less, and the CaTiO 3 powder. It is desirable to use an average particle size of 0.1 μm or less. Moreover, when baking, it is desirable to bake in the temperature range of 950 degreeC or more and 1200 degrees C or less. Furthermore, it is desirable to use LiF added as an accessory component with a powder having an average particle size of 0.1 μm or less.

以下、実施例に基づき本発明による圧電セラミックスおよびその製造方法を具体的に説明する。   Hereinafter, the piezoelectric ceramic according to the present invention and the manufacturing method thereof will be described in detail based on examples.

本発明の実施例となる圧電セラミックスは、以下に示す製造工程により作製した。まず、出発原料として、平均粒径が0.1μm以下の高純度のBaTiO3、及びCaTiO3粉末を用い、化学式(1−x)BaTiO3−xCaTiO3、但し、0.01≦x≦0.08となるように所定比で秤量した。次に、副成分としてLiFを上記秤量値に対して0.10wt%以上0.30wt%以下の量だけ添加し、エタノールを加え、ジルコニア製ボールミルにより24時間の湿式混合を行った。ここで、添加するLiFは粉末であり、混合した時の分散性を上げるためその平均粒径を0.1μm以下とした。なお、作製においては、比較例として、本発明の範囲外であるx=0およびx=0.085の試料、平均粒径が0.2μmのBaTiO3、及びCaTiO3粉末を用いた試料、およびLiFの添加量が上記の範囲外にある試料も同時に作製した。 Piezoelectric ceramics serving as examples of the present invention were manufactured by the following manufacturing process. First, high-purity BaTiO 3 and CaTiO 3 powder having an average particle diameter of 0.1 μm or less are used as starting materials, and the chemical formula (1-x) BaTiO 3 —xCaTiO 3 , where 0.01 ≦ x ≦ 0. Weighed at a predetermined ratio to be 08. Next, LiF was added as an auxiliary component in an amount of 0.10 wt% or more and 0.30 wt% or less with respect to the above weighed value, ethanol was added, and wet mixing was performed for 24 hours using a zirconia ball mill. Here, LiF to be added is a powder, and its average particle size is set to 0.1 μm or less in order to increase dispersibility when mixed. In preparation, as a comparative example, a sample using x = 0 and x = 0.085, which is outside the scope of the present invention, a sample using BaTiO 3 and CaTiO 3 powder having an average particle diameter of 0.2 μm, and A sample in which the amount of LiF added was outside the above range was also produced.

乾燥後、得られた粉末について、ポリビニルアルコールをバインダーとして混合することによって造粒し、圧力1.0t/cm2の一軸加圧成形により、直径20mm、厚さ5mmの円板状試料を成形した。この成形体を、実施例においては950℃以上1200度以下の温度で、比較例においては焼成可能となる950℃以上1300度以下の温度で、それぞれ3時間焼成し、圧電セラミックスを作製した。 After drying, the obtained powder was granulated by mixing polyvinyl alcohol as a binder, and a disk-shaped sample having a diameter of 20 mm and a thickness of 5 mm was formed by uniaxial pressure molding of a pressure of 1.0 t / cm 2 . . This molded body was fired at a temperature of 950 ° C. or higher and 1200 ° C. or lower in the examples, and at a temperature of 950 ° C. or higher and 1300 ° C. or lower where the firing was possible in the comparative example, for 3 hours.

作製した円板状セラミックスはアルキメデス法によって試料密度を計測した後、1mmの厚さに加工し、その両面に銀電極を焼き付けた。このようにして得られた各試料について、80℃のシリコンオイル中で1kV/mmの直流電界を30分間印加することによって分極処理を行った。   The produced disk-shaped ceramic was measured for sample density by the Archimedes method, then processed to a thickness of 1 mm, and silver electrodes were baked on both sides thereof. Each sample thus obtained was subjected to polarization treatment by applying a DC electric field of 1 kV / mm for 30 minutes in 80 ° C. silicone oil.

分極処理した試料については、室温で24時間放置することによって圧電特性を安定化させた後、インピーダンスアナライザーを用いて共振−反共振法により圧電特性の指標となる電気機械結合係数kp、k31を測定した。更に、静電容量の温度変化を測定することによって試料の斜方晶―正方晶相変態温度tOTを求めた。作成した実施例および比較例の圧電セラミックスの組成、焼結温度、相対密度、斜方晶−正方晶構造相変態温度tOT、及び電気機械結合係数kp、k31の値を表1に示す。得られた試料の緻密性は、相対密度が95%以上である場合には緻密化したものと判断できる。 The sample subjected to the polarization treatment is allowed to stand at room temperature for 24 hours to stabilize the piezoelectric characteristics, and then, using an impedance analyzer, electromechanical coupling coefficients k p and k 31 that serve as indices of the piezoelectric characteristics by the resonance-antiresonance method. Was measured. Furthermore, the orthorhombic-tetragonal phase transformation temperature t OT of the sample was determined by measuring the temperature change of the capacitance. Table 1 shows the composition, sintering temperature, relative density, orthorhombic-tetragonal structural phase transformation temperature t OT , and electromechanical coupling coefficients k p , k 31 of the piezoelectric ceramics of Examples and Comparative Examples that were prepared. . The denseness of the obtained sample can be judged to be dense when the relative density is 95% or more.

Figure 2010006623
Figure 2010006623

表1から明らかなように、(1−x)BaTiO3−xCaTiO3において、平均粒径が0.1μm以下のBaTiO3粉末、及び、平均粒径が0.1μm以下のCaTiO3粉末を出発原料として用い、xを0.01≦x≦0.08の範囲とし、副成分としてLiFを0.10wt%以上0.30wt%以下の範囲で添加した実施例の試料は、焼成温度が950℃以上1200℃以下の範囲でも十分に緻密化し、電気機械結合係数kp、k31はx=0の無添加品に比較して同等以上の特性となること、及び斜方晶−正方晶構造相変態温度tOTが零度以下に降下することが確認できた。これに対して、比較例の試料では、電気機械結合係数、焼成温度、相変態温度tOTのすべてを満足する特性は得られていない。 As is apparent from Table 1, in (1-x) BaTiO 3 -xCaTiO 3 , a BaTiO 3 powder having an average particle size of 0.1 μm or less and a CaTiO 3 powder having an average particle size of 0.1 μm or less are used as starting materials. In which x is in the range of 0.01 ≦ x ≦ 0.08 and LiF is added in the range of 0.10 wt% or more and 0.30 wt% or less as the accessory component, the firing temperature is 950 ° C. or more. It is sufficiently densified in the range of 1200 ° C. or less, and the electromechanical coupling coefficients k p and k 31 have the same or better characteristics than the additive-free product with x = 0, and the orthorhombic-tetragonal phase transformation It was confirmed that the temperature t OT dropped below zero degrees. On the other hand, in the sample of the comparative example, characteristics satisfying all of the electromechanical coupling coefficient, the firing temperature, and the phase transformation temperature tOT are not obtained.

以上、詳述したように、本発明による圧電セラミックス、及びその製造方法により、圧電特性を損なうことなく、1200℃以下での低温焼成が可能で、相変態温度tOTが零度以下となるチタン酸バリウム系圧電セラミックスが得られた。 As described above in detail, the piezoelectric ceramic according to the present invention and the manufacturing method thereof can be fired at a low temperature of 1200 ° C. or less without impairing the piezoelectric characteristics, and the titanic acid having a phase transformation temperature t OT of zero degrees or less. A barium-based piezoelectric ceramic was obtained.

本発明の製造方法は、非鉛系圧電セラミックスの製造に適用することができ、これにより得られる本発明の圧電セラミックスは非鉛系の環境適応型の低コスト圧電セラミックスとして圧電デバイスへの広い応用が期待できる。   The manufacturing method of the present invention can be applied to the manufacture of lead-free piezoelectric ceramics, and the resulting piezoelectric ceramics of the present invention can be widely applied to piezoelectric devices as lead-free, environment-friendly, low-cost piezoelectric ceramics. Can be expected.

Claims (3)

(1−x)BaTiO3−xCaTiO3(但し、0.01≦x≦0.08)の化学式に対応する混合比率の平均粒径が0.2μm未満のBaTiO3粉末および平均粒径が0.2μm未満のCaTiO3粉末の混合物を主成分とし、これに副成分としてLiFを0.10wt%以上0.30wt%以下添加して焼成されて作製されたことを特徴とする圧電セラミックス。 (1-x) BaTiO 3 -xCaTiO 3 (0.01 ≦ x ≦ 0.08) BaTiO 3 powder having an average particle size of less than 0.2 μm and an average particle size of 0. A piezoelectric ceramic produced by firing by adding a mixture of CaTiO 3 powder of less than 2 μm as a main component and adding 0.10 wt% or more and 0.30 wt% or less of LiF as an accessory component thereto. (1−x)BaTiO3−xCaTiO3(但し、0.01≦x≦0.08)の化学式で表されるモル比に対応する量の平均粒径が0.1μm以下のBaTiO3粉末、及び、平均粒径が0.1μm以下のCaTiO3粉末に、これらの粉末の総量に対して0.10wt%以上0.30wt%以下のLiFを添加し混合した原料を成形した後、950℃以上1200℃以下の温度範囲内で焼成することを特徴とする圧電セラミックスの製造方法。 (1-x) BaTiO 3 -xCaTiO 3 (where 0.01 ≦ x ≦ 0.08) BaTiO 3 powder having an average particle size of 0.1 μm or less in an amount corresponding to the molar ratio represented by the chemical formula; After forming a raw material obtained by adding 0.10 wt% or more and 0.30 wt% or less of LiF to a CaTiO 3 powder having an average particle size of 0.1 μm or less with respect to the total amount of these powders, A method for producing a piezoelectric ceramic, characterized by firing within a temperature range of less than or equal to ° C. 添加するLiFは粉末であり、その平均粒径が0.1μm以下であることを特徴とする請求項2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 claim 2, wherein the LiF to be added is a powder and has an average particle size of 0.1 µm or less.
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