JP2010030814A - Piezoelectric ceramic and piezoelectric element using it - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectric ceramic being excellent in heat resistance, having a high dynamic piezoelectric constant d<SB>33</SB>at a room temperature, having little variation of the dynamic piezoelectric constant d<SB>33</SB>to temperature and having high size accuracy and to provide a piezoelectric element. <P>SOLUTION: The piezoelectric ceramic is characterized by containing at least one kind selected from among Ln (lanthanoid), Y, Bi and Cu by 0.1-1 pt.mass in terms of total oxides to a main component of 100 pt.mass in a bismuth layered compound having a compositional formula denoted as Bi<SB>4</SB>Ti<SB>3</SB>O<SB>12</SB>-α[(1-β)M1TiO<SB>3</SB>-βM2M3O<SB>3</SB>] (wherein, α and β are satisfied with 0.405≤α≤0.498 and 0≤β≤0.3; M1 is at least one kind selected from among Sr, Ba, Ca, (Bi<SB>0.5</SB>Na<SB>0.5</SB>), (Bi<SB>0.5</SB>Li<SB>0.5</SB>) and (Bi<SB>0.5</SB>K<SB>0.5</SB>); M2 is at least one kind selected from among Bi, Na, K and Li; and M3 is at least one kind selected from among Fe and Nb). <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、圧電磁器および圧電素子に関し、例えば、共振子、超音波振動子、超音波モータ、あるいは加速度センサ、ノッキングセンサ、およびAEセンサ等の圧電センサなどに適し、特に、厚み縦振動の正圧電効果を利用した圧電センサとして好適に用いられる圧電磁器および圧電素子に関するものである。   The present invention relates to a piezoelectric ceramic and a piezoelectric element, and is suitable for, for example, a resonator, an ultrasonic vibrator, an ultrasonic motor, or a piezoelectric sensor such as an acceleration sensor, a knocking sensor, and an AE sensor. The present invention relates to a piezoelectric ceramic and a piezoelectric element that are preferably used as a piezoelectric sensor utilizing a piezoelectric effect.

従来から、圧電磁器を利用した製品としては、例えば、圧電センサ、フィルタ、圧電共振子、超音波振動子、超音波モータ等がある。   Conventionally, products using piezoelectric ceramics include, for example, piezoelectric sensors, filters, piezoelectric resonators, ultrasonic vibrators, ultrasonic motors, and the like.

圧電センサは、ショックセンサや加速度センサ、あるいは、車載用のノッキングセンサとして用いられる。特に近年では、自動車のエンジンの燃費向上および排気ガス(HC、NOx)の低減のために、シリンダ内の圧力を直接検出して、インジェクタからの燃料噴射タイミングの最適化を図るための、圧力センサとしての研究が進められている。   The piezoelectric sensor is used as a shock sensor, an acceleration sensor, or an in-vehicle knocking sensor. Particularly in recent years, a pressure sensor for directly detecting the pressure in the cylinder and optimizing the fuel injection timing from the injector in order to improve the fuel efficiency of the automobile engine and reduce the exhaust gas (HC, NOx). As a research.

ここでシリンダ内の圧力変化を検出するメカニズムについて説明する。圧力は、例えば、エンジンのシリンダ内に突出した圧力伝達ピンと圧力伝達ピンを介して伝わるシリンダ内の圧力変化を検出する圧電センサにより構成される。この圧力伝達ピンのシリンダ内の圧力を伝えるために、その先端の一部はシリンダ内に突出しており、その部分はシリンダ内の燃焼時の高温にさらされるので、圧力伝達ピンに連結した圧電センサには、高い圧力変化と共に熱が伝わり、その温度は150℃に達する。   Here, a mechanism for detecting a pressure change in the cylinder will be described. The pressure is constituted by, for example, a pressure transmission pin protruding into a cylinder of the engine and a piezoelectric sensor that detects a pressure change in the cylinder transmitted through the pressure transmission pin. In order to transmit the pressure in the cylinder of this pressure transmission pin, a part of its tip protrudes into the cylinder, and that part is exposed to the high temperature during combustion in the cylinder, so the piezoelectric sensor connected to the pressure transmission pin The heat is transferred with a high pressure change, and the temperature reaches 150 ° C.

従来、圧電磁器としては、圧電性が高く、例えば圧電定数dの大きなPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)系材料やPT(チタン酸鉛)系材料が使用されていた。   Conventionally, as piezoelectric ceramics, PZT (lead zirconate titanate) -based materials and PT (lead titanate) -based materials having high piezoelectricity and a large piezoelectric constant d have been used.

しかし、PZTやPT系材料は、鉛が約60質量%含まれているため、酸性雨により鉛の溶出が起こり、環境汚染を招く危険性があることが指摘されている。   However, it has been pointed out that PZT and PT-based materials contain about 60% by mass of lead, so that lead elution occurs due to acid rain and there is a risk of causing environmental pollution.

また、PZT系材料やPT系材料は、キュリー温度Tが約200〜300℃であることから、150℃程度の高温下で使用すると圧電定数dが劣化する点、室温の圧電定数dに対して150℃の圧電定数dが大きく変化する点などから、用途に大きな制約があった。そのため、PZT系材料やPT系材料からなる圧電材料を、例えば、エンジンシリンダ内の圧力を直接検出する圧力センサとして用いた場合、150℃の高温にさらされると、経時変化を起こして圧電定数dが劣化するため、同じ圧力が加わっても出力電圧が変わることになるとともに、室温の圧電定数dに対する150℃の圧電定数dの変化が大きいために、圧力と出力電圧との関係において線形性が得られず、出力電圧から正確な圧力を算出することが困難であった。 In addition, since PZT materials and PT materials have a Curie temperature Tc of about 200 to 300 ° C., the piezoelectric constant d deteriorates when used at a high temperature of about 150 ° C., compared to the piezoelectric constant d at room temperature. In view of the large change in the piezoelectric constant d at 150 ° C. Therefore, when a piezoelectric material made of PZT material or PT material is used as a pressure sensor for directly detecting the pressure in the engine cylinder, for example, when it is exposed to a high temperature of 150 ° C., the piezoelectric constant d Since the output voltage changes even when the same pressure is applied, the change in the piezoelectric constant d at 150 ° C. with respect to the piezoelectric constant d at room temperature is large. Thus, it was difficult to calculate an accurate pressure from the output voltage.

これに対して、150℃の高温下においても安定した圧力センサとしての特性を得るために、ランガサイトや水晶などの単結晶を用いる検討もなされている。しかし、単結晶の場合、圧電定数dが小さいという課題がある。また、加工時にチッピングが生じやすく、割れやすく、実際の使用時にも圧力が加わった際に割れやすい。さらに、単結晶の製造コストが極めて高いという課題があった。   In contrast, in order to obtain stable characteristics as a pressure sensor even at a high temperature of 150 ° C., studies using single crystals such as langasite and quartz have been made. However, in the case of a single crystal, there is a problem that the piezoelectric constant d is small. Further, chipping is likely to occur during processing, it is easy to crack, and it is easy to crack when pressure is applied during actual use. Furthermore, there is a problem that the manufacturing cost of the single crystal is extremely high.

そこで、鉛を含有しない圧電材料に対して高い期待が寄せられている。   Therefore, high expectations are placed on piezoelectric materials that do not contain lead.

鉛を含有しない圧電磁器として、ビスマス層状化合物を主体とする材料が提案されている(例えば特許文献1。)。このビスマス層状化合物を主体とする圧電磁器では、キュリー温度が約400℃以上のものが多く、そのようなものは、高い耐熱性を有しておりエンジンルーム内といった高い温度にさらされる環境下で使用するセンサ素子として応用できる可能性がある。
特開2002−167276号公報
As a piezoelectric ceramic not containing lead, a material mainly composed of a bismuth layered compound has been proposed (for example, Patent Document 1). Many piezoelectric ceramics mainly composed of bismuth layered compounds have a Curie temperature of about 400 ° C. or higher. Such a ceramic has high heat resistance and is exposed to high temperatures such as in an engine room. It may be applicable as a sensor element to be used.
JP 2002-167276 A

しかしながら、特許文献1に記載のビスマス層状化合物を主体とする圧電磁器を、約150℃の高温下にさらされる用途、例えば、シリンダ内の圧力を直接検出するための圧力センサ用圧電素子として用いた場合、高い耐熱性を有するものの、圧力の検出感度を決定する動的圧電定数d33の温度変化率が大きく、室温〜150℃の温度範囲において、圧力検出の分解能が低下し、感度が悪くなる問題があった。 However, the piezoelectric ceramic mainly composed of the bismuth layered compound described in Patent Document 1 is used for applications exposed to a high temperature of about 150 ° C., for example, as a piezoelectric element for a pressure sensor for directly detecting the pressure in a cylinder. In this case, although it has high heat resistance, the temperature change rate of the dynamic piezoelectric constant d 33 that determines the pressure detection sensitivity is large, and in the temperature range of room temperature to 150 ° C., the pressure detection resolution is lowered and the sensitivity is deteriorated. There was a problem.

なお、ここで動的圧電定数d33とは、圧電素子に直接荷重を印加したときの出力電圧の実測値を用いて、後述の式により測定された圧電定数d33である。従来、圧電定数d33は共振インピーダンス法を用いて測定されてきたが、この方法では圧電素子に加わっている負荷が小さいため、実荷重を印加したときの動特性の評価はできない。そこで、実荷重を印加したときの荷重と出力電荷の関係から圧電定数d33(=出力電荷/荷重変化)を測定し、これを動的圧電定数d33とした。 Here, the dynamic piezoelectric constant d 33 is a piezoelectric constant d 33 measured by an expression described later using an actual measurement value of an output voltage when a load is directly applied to the piezoelectric element. Conventionally, piezoelectric constant d 33 is has been determined using the resonance impedance method, can not because the load is applied to the piezoelectric element is small, the evaluation of the dynamic characteristics at the time of applying the actual load is in this way. Therefore, the piezoelectric constant d 33 (= output charge / load change) was measured from the relationship between the load when the actual load was applied and the output charge, and this was defined as the dynamic piezoelectric constant d 33 .

具体的な、測定方法としては、まず、圧電素子に250Nのオフセット荷重を印加しておき、そのオフセット荷重に加えて三角波形で50Nの荷重を印加した。そして、圧電素子に印加された三角波のピーク荷重50Nに対する出力電荷Qをチャージアンプで評価した。荷重50N印加に対する、出力電荷Qの関係から、動的圧電定数d33は、d33=Q/50N(荷重変化)となる。つまり、動的圧電定数d33は、単位C(クーロン)/Nであり、圧電素子に荷重を印加したときの動的な状態での圧電定数d33を意味する。 As a specific measuring method, first, an offset load of 250 N was applied to the piezoelectric element, and a load of 50 N was applied in a triangular waveform in addition to the offset load. Then, the output charge Q with respect to the peak load 50N of the triangular wave applied to the piezoelectric element was evaluated by a charge amplifier. From the relationship of the output charge Q with respect to the application of 50 N load, the dynamic piezoelectric constant d 33 is d 33 = Q / 50 N (change in load). That is, the dynamic piezoelectric constant d 33 is a unit C (Coulomb) / N, and means the piezoelectric constant d 33 in a dynamic state when a load is applied to the piezoelectric element.

なお、250Nのオフセット荷重を印加したのは、圧電素子へ引っ張り力が働かないようにして、安定な出力特性を得るためである。また、荷重の変化を50Nとしたのは、本発明の応用例となるエンジンのシリンダ内の荷重変化を検出するのに必要な範囲をカバーするためである。   The reason why the offset load of 250 N is applied is to obtain a stable output characteristic without applying a tensile force to the piezoelectric element. The reason why the load change is set to 50 N is to cover the range necessary to detect the load change in the cylinder of the engine as an application example of the present invention.

また、このような圧電素子を圧電センサに組み込む際には圧電素子の寸法精度が重要である。寸法精度を高くする方法としては、焼成後に加工する方法が考えられるが、工数が増える上、加工により圧電素子に割れカケが生じて歩留まりが低くなったり、加工後に残った微細なクラックなどにより圧力が加わった際に割れやすくなるなど、圧電素子の信頼性が低くなったりするおそれがあるため、焼成後に加工を行なわなくてもいいように、焼成後の寸法精度が高いことが好ましい。   In addition, when incorporating such a piezoelectric element into a piezoelectric sensor, the dimensional accuracy of the piezoelectric element is important. As a method for increasing the dimensional accuracy, a method of processing after firing is conceivable, but the number of steps increases, and the piezoelectric element cracks due to processing, resulting in a low yield, pressure due to fine cracks remaining after processing, etc. It is preferable that the dimensional accuracy after firing is high so that the processing of the piezoelectric element may not be performed after firing, because the reliability of the piezoelectric element may be reduced, for example, when cracks are added.

したがって、本発明は、耐熱性に優れるとともに、室温の動的圧電定数d33が高いとともに、動的d33定数の温度に対する変化が小さく、さらに、寸法精度の高い圧電磁器および圧電素子を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention provides a piezoelectric ceramic and a piezoelectric element that are excellent in heat resistance, have a high dynamic piezoelectric constant d 33 at room temperature, have a small change in the dynamic d 33 constant with respect to temperature, and have high dimensional accuracy. For the purpose.

本発明の圧電磁器は、組成式をBiTi12・α[(1−β)M1TiO・βM2M3O]と表したとき、0.405≦α≦0.498、0≦β≦0.3を満足するとともに、M1が、Sr、Ba、Ca、(Bi0.5Na0.5)、(Bi0.5Li0.5)および(Bi0.50.5)から選ばれる少なくとも1種であり、M2が、Bi、Na、KおよびLiから選ばれる少なくとも1種であり、M3が、FeおよびNbから選ばれる少なくとも1種であるビスマス層状化合物の主成分100質量部に対して、Ln(ランタノイド)、Y、BiおよびCuから選ばれる少なくとも1種を酸化物(Ln、Y、Bi、CuO)換算の合計で0.1〜1質量部含有することを特徴とするものである。 In the piezoelectric ceramic according to the present invention, when the composition formula is expressed as Bi 4 Ti 3 O 12 · α [(1-β) M1TiO 3 · βM2M3O 3 ], 0.405 ≦ α ≦ 0.498, 0 ≦ β ≦ 0. .3 and M1 is selected from Sr, Ba, Ca, (Bi 0.5 Na 0.5 ), (Bi 0.5 Li 0.5 ) and (Bi 0.5 K 0.5 ) 100 parts by mass of the main component of the bismuth layered compound, wherein M2 is at least one selected from Bi, Na, K and Li, and M3 is at least one selected from Fe and Nb. On the other hand, at least one selected from Ln (lanthanoid), Y, Bi and Cu is 0.1 to 1 in terms of oxide (Ln 2 O 3 , Y 2 O 3 , Bi 2 O 3 , CuO 2 ). Contains mass parts Than is.

本発明の圧電素子は、前記圧電磁器からなる基体の対向する一対の表面に電極を備えることを特徴とする。   The piezoelectric element of the present invention is characterized in that electrodes are provided on a pair of opposing surfaces of a base body made of the piezoelectric ceramic.

本発明の圧電磁器によれば、組成式をBiTi12・α[(1−β)M1TiO・βM2M3O]と表したとき、0.405≦α≦0.498、0≦β≦0.3を満足するとともに、M1が、Sr、Ba、Ca、(Bi0.5Na0.5)、(Bi0.5Li0.5)および(Bi0.50.5)から選ばれる少なくとも1種であり、M2が、Bi、Na、KおよびLiから選ばれる少なくとも1種であり、M3が、FeおよびNbから選ばれる少なくとも1種であるビスマス層状化合物の主成分100質量部に対して、Ln(ランタノイド)、Y、BiおよびCuから選ばれる少なくとも1種を酸化物(Ln、Y、Bi、CuO)換算の合計で0.1〜1質量部含有することにより、ビスマス層状化合物の中のペロブスカイト結晶構造が、正方晶と斜方晶とが混在する組成相境界MPBであるため、室温の動的圧電定数d33に対して、150℃の動的圧電定数d33の変化が±5%以内と温度安定性に優れる。 According to the piezoelectric ceramic of the present invention, when the composition formula is expressed as Bi 4 Ti 3 O 12 · α [(1-β) M1TiO 3 · βM2M3O 3 ], 0.405 ≦ α ≦ 0.498, 0 ≦ β ≦ 0.3 with satisfying, M1 is, Sr, Ba, Ca, ( Bi 0.5 Na 0.5), (Bi 0.5 Li 0.5) and (Bi 0.5 K 0.5) 100 masses of the main component of the bismuth layered compound in which M2 is at least one selected from Bi, Na, K and Li, and M3 is at least one selected from Fe and Nb And at least one selected from Ln (lanthanoid), Y, Bi, and Cu is 0.1 in terms of oxide (Ln 2 O 3 , Y 2 O 3 , Bi 2 O 3 , CuO 2 ) By containing ~ 1 part by mass Perovskite crystal structure in the bismuth layer compound, for a composition phase boundary MPB the tetragonal and orthorhombic crystals and are mixed, for dynamic piezoelectric constant d 33 at room temperature, the 0.99 ° C. dynamic piezoelectric constant d 33 The temperature change is within ± 5% and the temperature stability is excellent.

さらに、大きな動的圧電定数d33が得られ、高いキュリー点を有することから、150℃の高温下に放置しても動的圧電定数d33の劣化が少なく、耐熱性に優れた特性を有する。 Furthermore, since a large dynamic piezoelectric constant d 33 is obtained and has a high Curie point, even when left at a high temperature of 150 ° C., the dynamic piezoelectric constant d 33 is hardly deteriorated and has excellent heat resistance. .

本発明の圧電素子によれば、前記圧電磁器からなる基体の対向する一対の表面に電極を備える。本発明の圧電素子は多結晶体であることから、単結晶のように特定の面で割れやすい性質を持たず、また、チッピング等の欠けも生じにくく、それらに起因する不良が少なくなり、歩留まりの良い圧電素子が得られる。   According to the piezoelectric element of the present invention, the electrodes are provided on a pair of opposed surfaces of the substrate made of the piezoelectric ceramic. Since the piezoelectric element of the present invention is a polycrystalline body, it does not have the property of being easily broken on a specific surface like a single crystal, and chipping and the like are less likely to occur, resulting in fewer defects due to them and yield. Can be obtained.

本発明の圧電磁器は、モル比による組成式をBiTi12・α[(1−β)M1TiO・βM2M3O]と表したとき、0.405≦α≦0.498、0≦β≦0.3を満足するとともに、M1が、Sr、Ba、Ca、(Bi0.5Na0.5)、(Bi0.5Li0.5)および(Bi0.50.5)から選ばれる少なくとも1種であり、M2が、Bi、Na、KおよびLiから選ばれる少なくとも1種であり、M3が、FeおよびNbから選ばれる少なくとも1種であるビスマス層状化合物の主成分100質量部に対して、Ln(ランタノイド)、Y、BiおよびCuから選ばれる少なくとも1種を酸化物換算の合計で0.1〜1質量部含有するものである。 In the piezoelectric ceramic of the present invention, when the composition formula based on the molar ratio is expressed as Bi 4 Ti 3 O 12 · α [(1-β) M1TiO 3 · βM2M3O 3 ], 0.405 ≦ α ≦ 0.498, 0 ≦ While satisfying β ≦ 0.3, M1 is Sr, Ba, Ca, (Bi 0.5 Na 0.5 ), (Bi 0.5 Li 0.5 ) and (Bi 0.5 K 0.5. ) A main component 100 of a bismuth layered compound, wherein M2 is at least one selected from Bi, Na, K and Li, and M3 is at least one selected from Fe and Nb. It contains at least one selected from Ln (lanthanoid), Y, Bi, and Cu in an amount of 0.1 to 1 part by mass in terms of oxide with respect to part by mass.

ここで、係数であるαを上記の範囲に設定した理由について説明する。上記組成式において、0.405≦α≦0.498の範囲に設定した理由は、αが0.498より大きいと、動的圧電定数d33の25℃から−40および150℃への温度変化率が+5%より大きくなるからである。また、αが0.405より小さいと、動的圧電定数d33の25℃から−40および150℃への温度変化率が±5%の範囲を外れるからである。 Here, the reason why the coefficient α is set in the above range will be described. In the above composition formula, the reason why the range of 0.405 ≦ α ≦ 0.498 is set is that when α is larger than 0.498, the temperature change of the dynamic piezoelectric constant d 33 from 25 ° C. to −40 and 150 ° C. This is because the rate becomes larger than + 5%. Further, if α is smaller than 0.405, the rate of temperature change from 25 ° C. to −40 and 150 ° C. of the dynamic piezoelectric constant d 33 is out of the range of ± 5%.

αが0.405≦α≦0.498の範囲においては、動的圧電定数d33が15pC/Nより大きな値をとるとともに、動的圧電定数d33の25℃から150℃への温度変化率が−から+へ転じる挙動を示す。図1は、ランタノイドとしてLaを含有する圧電磁器のαを変化させたときの結晶構造の変化をX線回折により解析した結果である。図2は図1の2θ=32〜34°の部分を拡大したものである。α=0の時、結晶は斜方晶(a軸の長さ≠b軸の長さ)であり、α=1の時は正方晶(a軸の長さ=b軸の長さ)である。α=0.405〜0.498の範囲においては、正方晶と斜方晶とが混在しており、これは組成相境界MPBである。このMPBは、PZT圧電材料でよく知られており、PZの菱面体晶とPTの正方晶とがほぼ1:1の比率で構成される組成領域でMPBが形成される。このPZTのMPB近傍では圧電定数dが最大値を示し、圧電定数dの温度係数が大きく変化する。この現象と同様に、0.405≦α≦0.498の組成範囲は、2種類の結晶相の境界であるので、圧電体の特異的な現象を示す組成相境界MPBであり、動的圧電定数d33の温度変化率が約0近傍まで小さくなるとともに、大きな動的圧電定数d33が得られる。 In the range of alpha is 0.405 ≦ α ≦ 0.498, the temperature change rate of the dynamic piezoelectric constant d 33 together with taking a value greater than 15pC / N, to 0.99 ° C. from 25 ° C. dynamic piezoelectric constant d 33 Behaves from-to +. FIG. 1 shows the result of analysis by X-ray diffraction of the change in crystal structure when α of a piezoelectric ceramic containing La as a lanthanoid is changed. FIG. 2 is an enlarged view of 2θ = 32 to 34 ° in FIG. When α = 0, the crystals are orthorhombic (a-axis length ≠ b-axis length), and when α = 1, they are tetragonal (a-axis length = b-axis length). . In the range of α = 0.405 to 0.498, tetragonal crystals and orthorhombic crystals are mixed, which is the composition phase boundary MPB. This MPB is well known as a PZT piezoelectric material, and the MPB is formed in a composition region in which the rhombohedral crystal of PZ and the tetragonal crystal of PT are in a ratio of approximately 1: 1. In the vicinity of the MPB of this PZT, the piezoelectric constant d shows the maximum value, and the temperature coefficient of the piezoelectric constant d changes greatly. Similarly to this phenomenon, since the composition range of 0.405 ≦ α ≦ 0.498 is a boundary between two types of crystal phases, it is a composition phase boundary MPB indicating a specific phenomenon of the piezoelectric body, and is a dynamic piezoelectric layer. While the rate of temperature change of the constant d 33 decreases to about 0, a large dynamic piezoelectric constant d 33 is obtained.

図3はCuを含有する圧電磁器のαを変化させたときの結晶構造の変化をX線回折により解析した結果の2θ=32〜34°の部分である。図2のX線解析と同様の結果であり、α=0.405〜0.498の範囲においては、正方晶と斜方晶とが混在しており、これは組成相境界MPBである。このような傾向はYおよび主成分の組成比からずれたBiを含有する圧電磁器でも同様であり、いずれの元素を含有す場合も0.405≦α≦0.498の組成範囲は、動的圧電定数d33の温度変化率が約0近傍まで小さくなるとともに、大きな動的圧電定数d33が得られる。 FIG. 3 shows a portion of 2θ = 32 to 34 ° as a result of analyzing the change in crystal structure by changing the α of the piezoelectric ceramic containing Cu by X-ray diffraction. This is the same result as the X-ray analysis of FIG. 2, and in the range of α = 0.405 to 0.498, tetragonal crystals and orthorhombic crystals are mixed, which is the composition phase boundary MPB. Such a tendency is the same also in the piezoelectric ceramic containing Bi deviating from the composition ratio of Y and the main component. When any element is contained, the composition range of 0.405 ≦ α ≦ 0.498 is dynamic. The rate of change in temperature of the piezoelectric constant d 33 decreases to about 0, and a large dynamic piezoelectric constant d 33 is obtained.

ここで本願の圧電磁器の焼成温度について説明する。本願の圧電磁器の最適焼成温度は、含まれる元素とその割合によって変わるが、1050〜1250℃程度の範囲内の温度になる。最適焼成温度よりも高い温度で焼成すると、析出する異相の割合が増え、圧電特性が低くなったり、体積固有抵抗が低くなるため分極処理ができなくなったり、焼成時に焼成治具に固着したりする。また、最適焼成温度よりも低い温度で焼成すると、十分焼成収縮せず寸法が大きくなったり、圧電特性が低くなったりする。   Here, the firing temperature of the piezoelectric ceramic of the present application will be described. The optimum firing temperature of the piezoelectric ceramic of the present application varies depending on the elements contained and the ratio thereof, but is within a range of about 1050 to 1250 ° C. When firing at a temperature higher than the optimum firing temperature, the proportion of different phases that precipitate increases, resulting in lower piezoelectric properties, lower volume resistivity, making polarization treatment impossible, and sticking to the firing jig during firing. . Further, when firing at a temperature lower than the optimum firing temperature, the firing does not sufficiently shrink and the size becomes large or the piezoelectric characteristics are lowered.

具体的に本発明の範囲内の圧電磁器である組成式をBiTi12・α[(1−β)Sr0.5Ba0.5TiO・βBiFeO]で表したとき、α=0.47、β=0.1である主成分100質量部に対してランタノイドであるLaをLa換算で0.5質量部含有する圧電磁器A(後述の実施例における試料No.7)と、主成分がこれと同一で添加物として、Ln、Y、BiおよびCuを含まない本発明の範囲外の圧電磁器B(後述の実施例における試料No.51)とを比較する。どちらの圧電磁器も最適焼成温度は約1150℃である。 Specifically, when the composition formula which is a piezoelectric ceramic within the scope of the present invention is represented by Bi 4 Ti 3 O 12 · α [(1-β) Sr 0.5 Ba 0.5 TiO 3 · βBiFeO 3 ], α = 0.47, the sample in the embodiment of the piezoelectric ceramic a (described later containing 0.5 parts by mass of La lanthanoids in La 2 O 3 in terms with respect to the main component of 100 parts by weight of a beta = 0.1 No. 7) is compared with a piezoelectric ceramic B (sample No. 51 in the examples described later) outside the scope of the present invention which has the same main component and does not contain Ln, Y, Bi and Cu as additives. Both piezoelectric ceramics have an optimum firing temperature of about 1150 ° C.

1150℃前後の焼成温度で焼成した際の、焼成温度と圧電磁器の動的圧電定数d33の関係を図4(a)に、焼成温度と圧電磁器の寸法の関係を図4(b)に示す。動的圧電定数d33は最適焼成温度より低い温度においては、温度が高くなるに従って焼結が進み、動的圧電定数d33が高くなっていく。最適焼成温度を超えると動的圧電定数d33は徐々に低くなり、焼成温度が1160℃を超えると圧電磁器内に大きなボイドが発生し、動的圧電定数d33圧はさらに低くなっていく。主成分に対する添加成分としてLn、Y、BiおよびCuを含まない圧電磁器Bでは、焼成温度の変化に対して動的圧電定数d33の変化が大きく、最適焼成温度で焼成したときの動的圧電定数d33に対して動的圧電定数d33の低下が5%以内になる温度範囲は20℃程度しかない。これに対して主成分100質量部に対してLaをLa換算で0.5質量部含有する圧電磁器Aでは、動的圧電定数d33が焼成温度の変化によってほとんど変化しない、温度依存性のない温度範囲が約40℃ある。また、最適焼成温度で焼成したときの動的圧電定数d33に対して動的圧電定数d33の低下が5%以内になる温度範囲は約60℃と広くなる。 FIG. 4A shows the relationship between the firing temperature and the dynamic piezoelectric constant d 33 of the piezoelectric ceramic when firing at a firing temperature of about 1150 ° C., and FIG. 4B shows the relationship between the firing temperature and the dimensions of the piezoelectric ceramic. Show. When the dynamic piezoelectric constant d 33 is lower than the optimum firing temperature, the sintering proceeds as the temperature increases, and the dynamic piezoelectric constant d 33 increases. When the optimum firing temperature is exceeded, the dynamic piezoelectric constant d 33 gradually decreases, and when the firing temperature exceeds 1160 ° C., large voids are generated in the piezoelectric ceramic, and the dynamic piezoelectric constant d 33 pressure further decreases. In the piezoelectric ceramic B that does not contain Ln, Y, Bi and Cu as additive components with respect to the main component, the dynamic piezoelectric constant d 33 greatly changes with respect to the change in the firing temperature, and the dynamic piezoelectric when fired at the optimum firing temperature. temperature range is only about 20 ° C. to decrease the dynamic piezoelectric constant d 33 is within 5% with respect to the constant d 33. On the other hand, in the piezoelectric ceramic A containing 0.5 parts by mass of La in terms of La 2 O 3 with respect to 100 parts by mass of the main component, the dynamic piezoelectric constant d 33 hardly changes due to the change in the firing temperature. There is a temperature range of about 40 ° C. Further, the temperature range in which the decrease in the dynamic piezoelectric constant d 33 within 5% of the dynamic piezoelectric constant d 33 when firing at the optimum firing temperature is as wide as about 60 ° C.

また、圧電磁器Bでは、1150℃の焼成温度の焼成した圧電磁器に対して寸法精度が±1.5%以内である温度範囲は15℃程度しかしかない。圧電磁器Aでは、約40℃の温度範囲で寸法の焼成温度に対する依存性が非常に少なくなっている。また、寸法精度が±1.5%以内となる範囲も約50℃と広くなっている。   In the piezoelectric ceramic B, the temperature range in which the dimensional accuracy is within ± 1.5% of the fired piezoelectric ceramic having a firing temperature of 1150 ° C. is only about 15 ° C. In the piezoelectric ceramic A, the dependence of the dimensions on the firing temperature is very small in the temperature range of about 40 ° C. Further, the range in which the dimensional accuracy is within ± 1.5% is as wide as about 50 ° C.

このようにLaを含有することにより、安定した特性の得られる焼成温度範囲を広くすることができる。ここで、安定焼成温度範囲として、最適焼成温度で焼成した圧電磁器に対して動的圧電定数d33の低下が5%以内、寸法の差が±1.5%以内となる温度範囲を考える。寸法は焼成温度が最適焼成温度より高くなっても大きくは変動しないが、最適焼成温度より低くなったときの変化は大きい。このため、温度の上限は動的圧電定数d33の低下によって決まり、温度の下限は寸法により決まる傾向があり、上述の例では、圧電磁器Aの安定焼成温度範囲は50℃、圧電磁器Bの安定焼成温度範囲は15℃である。 By including La in this way, the firing temperature range in which stable characteristics can be obtained can be widened. Here, as a stable firing temperature range, a temperature range in which a decrease in the dynamic piezoelectric constant d 33 is within 5% and a dimensional difference is within ± 1.5% with respect to a piezoelectric ceramic fired at an optimum firing temperature is considered. The dimensions do not vary greatly even when the firing temperature is higher than the optimum firing temperature, but the change is large when the firing temperature is lower than the optimum firing temperature. For this reason, the upper limit of the temperature is determined by a decrease in the dynamic piezoelectric constant d 33 and the lower limit of the temperature tends to be determined by the size. In the above example, the stable firing temperature range of the piezoelectric ceramic A is 50 ° C. The stable firing temperature range is 15 ° C.

ビスマス層状化合物である主成分に100質量部に対して含まれるLn、Y、BiおよびCuは、酸化物(Ln、Y、Bi、CuO)換算の合量で0.1〜1質量部である。0.1質量部より少ないと、安定焼成温度範囲の改善がほとんどみられない。また、1質量部よりも多いと異相の析出が多くなり動的圧電定数d33が低くなる。より好ましい範囲は、安定焼成温度範囲の改善効果が高く、焼結性が良くなることにより、動的圧電定数d33も高くなる0.5〜0.8質量部である。 Ln, Y, Bi and Cu contained in 100 parts by mass in the main component which is a bismuth layered compound are the total amount in terms of oxide (Ln 2 O 3 , Y 2 O 3 , Bi 2 O 3 , CuO 2 ). And 0.1 to 1 part by mass. If the amount is less than 0.1 parts by mass, the stable firing temperature range is hardly improved. On the other hand, when the amount is more than 1 part by mass, the precipitation of different phases increases and the dynamic piezoelectric constant d 33 decreases. A more preferred range is high improvement effect of stable firing temperature range, by sintering property is improved, a dynamic piezoelectric constant d 33 becomes higher 0.5-0.8 parts by weight.

Ln(ランタノイド)は具体的には、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、YbおよびLuから選ばれる少なくとも1種である。また、ランタノイドの中では、最適焼成温度範囲が広がる点でLaおよびNdが好ましく、特に動的圧電定数d33が高くなる点でLaが好ましい。 Specifically, Ln (lanthanoid) is at least one selected from La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu. Among lanthanoids, La and Nd are preferable in that the optimum firing temperature range is widened, and La is particularly preferable in that the dynamic piezoelectric constant d 33 is increased.

また、Ln、Y、BiおよびCuの中では、安定焼成温度範囲が広くなる点でLnおよびYが好ましく、特にLnが好ましい。また、動的圧電定数d33が高くできる点でBiおよびCuが好ましく、特にBiが好ましい。 Further, among Ln, Y, Bi and Cu, Ln and Y are preferable in terms of widening the stable firing temperature range, and Ln is particularly preferable. Further, Bi and Cu are preferable in that the dynamic piezoelectric constant d 33 can be increased, and Bi is particularly preferable.

M1が、Sr、BaおよびCaのうち少なくとも1種である場合、M1に占めるSrのモル比が高いと、動的圧電定数d33を大きくできるので好ましい。M1に占めるCaのモル比が高いと、温度に対する動的圧電定数d33の変化のリニアリティが良くなるので好ましい。また、M1に占めるBaおよびCaの合量のモル比が高いと動的圧電定数d33の温度依存性が低くなるため好ましい。 M1 is, Sr, when at least one of Ba and Ca, the higher the molar ratio of Sr occupying the M1, preferred because it increased dynamic piezoelectric constant d 33. A high molar ratio of Ca to M1 is preferable because the linearity of change in the dynamic piezoelectric constant d 33 with respect to temperature is improved. Also preferred for the molar ratio of the total amount of Ba and Ca occupies the M1 is the temperature dependence of the high dynamic piezoelectric constant d 33 becomes lower.

また、M1が(Bi0.5Na0.5)、(Bi0.5Li0.5)および(Bi0.50.5)のうち少なくとも1種を含む場合、圧電磁器の焼結性が良くなる。焼結性は、M1に占める(Bi0.5Na0.5)、(Bi0.5Li0.5)および(Bi0.50.5)の合量のモル比が高いほど。良くなる。(Bi0.5Na0.5)、(Bi0.5Li0.5)および(Bi0.50.5)はそれぞれ平均して2価であるため、Sr、Ba、Caと任意の比率で混合して用いることができる。 Further, when M1 contains at least one of (Bi 0.5 Na 0.5 ), (Bi 0.5 Li 0.5 ) and (Bi 0.5 K 0.5 ), the piezoelectric ceramic is sintered. Sexuality is improved. The sinterability is higher as the molar ratio of the total amount of (Bi 0.5 Na 0.5 ), (Bi 0.5 Li 0.5 ) and (Bi 0.5 K 0.5 ) in M1 is higher. Get better. Since (Bi 0.5 Na 0.5 ), (Bi 0.5 Li 0.5 ), and (Bi 0.5 K 0.5 ) are bivalent on average, they can be arbitrarily selected from Sr, Ba, and Ca. It can be used by mixing at a ratio of

M2M3OのM2はBi、Na、KおよびLiから選ばれる少なくとも1種、M3はFeおよびNbから選ばれる少なくとも1種である。このようなM2M3Oの置換量βを0≦β≦0.3としたのは、βが0.3より多いと動的圧電定数d33が低くなるからである。M2M3Oは安定した寸法(収縮率)の得られる焼成温度の範囲(安定焼成温度範囲)を広げる効果がある。0.1≦β≦0.3とすることにより、動的圧電定数d33をあまり低下させることなく、β=0の場合と比較して安定焼成温度範囲を約10℃広くすることができる。安定焼成温度範囲を広げる点で、M2M3OはBiFeOであるのが特に好ましい。 M2 of M2M3O 3 is at least one kind of element selected Bi, Na, K and Li, M3 is at least one selected from Fe and Nb. The reason why the substitution amount β of M2M3O 3 is set to 0 ≦ β ≦ 0.3 is that when β is larger than 0.3, the dynamic piezoelectric constant d 33 is lowered. M2M3O 3 has the effect of extending the stable range of dimensions sintering temperature capable of obtaining (shrinkage) (stable firing temperature range). By setting 0.1 ≦ β ≦ 0.3, the stable firing temperature range can be widened by about 10 ° C. as compared to the case of β = 0 without significantly reducing the dynamic piezoelectric constant d 33 . In that widen the stable firing temperature range, M2M3O 3 is particularly preferably from BiFeO 3.

以上のような組成比を選択することにより、大きな動的圧電定数d33を有するとともに、高耐熱性を有し、25℃から−40および150℃までの動的圧電定数d33の温度変化が少ないビスマス層状構造を持つ非鉛圧電磁器を得ることができる。 By selecting the composition ratio as described above, the dynamic piezoelectric constant d 33 has a large dynamic piezoelectric constant d 33 , high heat resistance, and the temperature change of the dynamic piezoelectric constant d 33 from 25 ° C. to −40 and 150 ° C. A lead-free piezoelectric ceramic having a small bismuth layer structure can be obtained.

本発明の圧電磁器は、主成分の組成式がBiTi12・α[(1−β)M1TiO+βM2M3O]で表され、主結晶相としてはビスマス層状化合物からなるものである。これは、基本的には、BiTi12・αM1TiOで表されるビスマス層状化合物であるか、このビスマス層状化合物の疑ペロブスカイト層を構成するM1の一部がM2に、Tiの一部がM3に置換されたものであると考えられる。言い換えると、本発明の圧電磁器は、(Bi2+(αm−1β3m+12−で書き表されるビスマス層状構造物の一般式において、αサイトとβサイトおよび酸素サイトに配位する構成元素の種類と量を調整することで、m=4の場合に生じる正方晶とm=3の場合に生じる斜方晶とが混在する組成相境界MPB(Morphotoropic Phase Boundary)にあるビスマス層状構造物となる。その結果、PZTでも知られているようなMPB組成近傍における特徴的な圧電特性を、ビスマス層状化合物においても実現することができる。 In the piezoelectric ceramic of the present invention, the composition formula of the main component is represented by Bi 4 Ti 3 O 12 · α [(1-β) M1TiO 3 + βM2M3O 3 ], and the main crystal phase is composed of a bismuth layered compound. This is basically a bismuth layered compound represented by Bi 4 Ti 3 O 12 .alpha.M1TiO 3 , or a part of M1 constituting the suspected perovskite layer of this bismuth layered compound is M2 and a part of Ti. The part is considered to have been replaced with M3. In other words, the piezoelectric ceramic according to the present invention includes an α site, a β site, and an oxygen in a general formula of a bismuth layered structure expressed by (Bi 2 O 2 ) 2+m−1 β m O 3m + 1 ) 2−. The composition phase boundary MPB (Morphotoropic Phase Boundary) in which the tetragonal crystal generated when m = 4 and the orthorhombic crystal generated when m = 3 are mixed by adjusting the kind and amount of the constituent elements coordinated to the site. The bismuth layered structure in As a result, a characteristic piezoelectric characteristic in the vicinity of the MPB composition, which is also known in PZT, can be realized in the bismuth layered compound.

また、含有しているLn、Y、BiおよびCuから選ばれる少なくとも1種は、主結晶相中に固溶し、また、一部はLn、Y、BiおよびCuから選ばれる少なくとも1種を含む化合物の結晶として粒界に析出する場合があり、さらに、その他の結晶相として、パイロクロア相、ペロブスカイト相、構造の異なるビスマス層状化合物が存在することもあるが、微量であれば特性上問題ない。   Further, at least one selected from Ln, Y, Bi and Cu contained therein is solid-solved in the main crystal phase, and a part thereof includes at least one selected from Ln, Y, Bi and Cu. In some cases, crystals of the compound may be precipitated at the grain boundary, and as other crystal phases, there may be a pyrochlore phase, a perovskite phase, or a bismuth layered compound having a different structure.

本発明の圧電磁器は、粉砕時のZrOボールからZr等が混入する場合もあるが、微量であれば特性上問題はない。 In the piezoelectric ceramic according to the present invention, Zr or the like may be mixed from the ZrO 2 ball at the time of pulverization.

本発明の圧電磁器は、例えば、原料として、SrCO、BaCO、CaCO、Nb、Bi、TiO、NaCO、KCO、LiCO、Fe、Ln、YおよびCuOからなる各種酸化物あるいはその塩を用いることができる。原料はこれに限定されず、焼成により酸化物を生成する炭酸塩、硝酸塩等の金属塩を用いても良い。なお、Ln(ランタノイド)は具体的には、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、YbおよびLuから選ばれる少なくとも1種である。 The piezoelectric ceramic of the present invention includes, for example, SrCO 3 , BaCO 3 , CaCO 3 , Nb 2 O 5 , Bi 2 O 3 , TiO 2 , Na 2 CO 3 , K 2 CO 3 , Li 2 CO 3 , Fe as raw materials. Various oxides or salts thereof composed of 2 O 3 , Ln 2 O 3 , Y 2 O 3 and CuO 2 can be used. A raw material is not limited to this, You may use metal salts, such as carbonate and nitrate which produce | generate an oxide by baking. Specifically, Ln (lanthanoid) is at least one selected from La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu.

これらの原料をBiTi12・α[(1−β)M1TiO・βM2M3O]と表したとき、0.405≦α≦0.498、0≦β≦0.3を満足するとともに、M1が、Sr、Ba、Ca、(Bi0.5Na0.5)、(Bi0.5Li0.5)および(Bi0.50.5)から選ばれる少なくとも1種であり、M2が、Bi、Na、KおよびLiから選ばれる少なくとも1種であり、M3が、FeおよびNbから選ばれる少なくとも1種であるビスマス層状化合物の主成分100質量部に対して、Ln(ランタノイド)、Y、BiおよびCuから選ばれる少なくとも1種を酸化物換算の合計で0.1〜1質量部含有するように秤量した。秤量し混合した粉末を、平均粒度分布(D50)が0.5〜1μmの範囲になるように粉砕し、この混合物を800〜1050℃で仮焼し、所定の有機バインダを加え湿式混合し造粒する。このようにして得られた粉体を、公知のプレス成形等により所定形状に成形し、大気中等の酸化性雰囲気において1050〜1250℃の温度範囲で2〜5時間焼成し、本発明の圧電磁器が得られる。 When these raw materials are expressed as Bi 4 Ti 3 O 12 · α [(1-β) M1TiO 3 · βM2M3O 3 ], 0.405 ≦ α ≦ 0.498 and 0 ≦ β ≦ 0.3 are satisfied. , M1 is at least one selected from Sr, Ba, Ca, (Bi 0.5 Na 0.5 ), (Bi 0.5 Li 0.5 ) and (Bi 0.5 K 0.5 ) , M2 is at least one selected from Bi, Na, K and Li, and M3 is at least one selected from Fe and Nb, with respect to 100 parts by mass of the main component of the bismuth layered compound, Ln (lanthanoid) ), At least one selected from Y, Bi and Cu was weighed so as to contain 0.1 to 1 part by mass in terms of oxide. The weighed and mixed powder is pulverized so that the average particle size distribution (D 50 ) is in the range of 0.5 to 1 μm, the mixture is calcined at 800 to 1050 ° C., and a predetermined organic binder is added and wet mixed. Granulate. The powder thus obtained is molded into a predetermined shape by known press molding or the like, and baked in an oxidizing atmosphere such as the air at a temperature range of 1050 to 1250 ° C. for 2 to 5 hours. Is obtained.

本発明の圧電磁器は、図5に示すような圧力センサ用の圧電磁器として最適であるが、それ以外の圧電共振子、超音波振動子、超音波モータおよび加速度センサ、ノッキングセンサ、AEセンサ等の圧電センサなどに使用できる。   The piezoelectric ceramic of the present invention is optimal as a piezoelectric ceramic for a pressure sensor as shown in FIG. 5, but other piezoelectric resonators, ultrasonic vibrators, ultrasonic motors and acceleration sensors, knocking sensors, AE sensors, etc. It can be used for piezoelectric sensors.

図5に本発明の一実施形態である圧電素子5を示す。圧電素子5は、上述の圧電磁器のからなる円柱状の基体1の対向する一対の表面に電極2、3を形成して構成されている。図5では、電極2、3は、基体1の上下面である円形の面全体に形成されている。また、分極は基体1の厚み方向に施してある。このような圧電素子5は、自動車のエンジンシリンダ内の圧力を直接検出する用途に用いた場合、例えば、150℃の高温下で500Nの高荷重が印加されても、破壊されることなく安定して動作する。シミュレーションによる応力解析によれば、500Nの荷重が印加された場合でも、圧電素子5に発生する最大主応力は、基体1を構成する圧電磁器の機械的強度の約1/10以下であった。   FIG. 5 shows a piezoelectric element 5 according to an embodiment of the present invention. The piezoelectric element 5 is configured by forming electrodes 2 and 3 on a pair of opposed surfaces of a cylindrical substrate 1 made of the above-described piezoelectric ceramic. In FIG. 5, the electrodes 2 and 3 are formed on the entire circular surface that is the upper and lower surfaces of the substrate 1. The polarization is applied in the thickness direction of the substrate 1. Such a piezoelectric element 5 is stable without being destroyed even when a high load of 500 N is applied at a high temperature of 150 ° C., for example, when it is used for an application for directly detecting the pressure in the engine cylinder of an automobile. Works. According to the stress analysis by simulation, even when a load of 500 N was applied, the maximum principal stress generated in the piezoelectric element 5 was about 1/10 or less of the mechanical strength of the piezoelectric ceramic constituting the substrate 1.

まず、出発原料として純度99.9%のSrCO粉末、BaCO粉末、CaCO粉末、Bi粉末、TiO粉末、NaCO粉末、KCO粉末、LiCO粉末、Fe粉末およびNb粉末を、モル比による組成式をBiTi12・α[(1−β)M1TiO・βM2M3O]と表したとき、M1、M2、M3、α、βが表1および表2に示す元素、割合となるように、秤量した。 First, SrCO 3 powder having a purity of 99.9%, BaCO 3 powder, CaCO 3 powder, Bi 2 O 3 powder, TiO 2 powder, Na 2 CO 3 powder, K 2 CO 3 powder, Li 2 CO 3 powder as starting materials , Fe 2 O 3 powder and Nb 2 O 5 powder, M1, M2, M3 when the composition formula by molar ratio is expressed as Bi 4 Ti 3 O 12 · α [(1-β) M1TiO 3 · βM2M3O 3 ] , Α, and β were weighed so that the elements and ratios shown in Tables 1 and 2 were obtained.

この主成分100重量部に対してLn粉末、Y粉末、Bi粉末およびCuO粉末を表1および表2に示す重量部となるように秤量して、混合し、純度99.9%のジルコニアボール、イソプロピルアルコール(IPA)と共に500mlの樹脂製ポットに投入し、その樹脂製ポットを回転台に置き16時間混合した。 Ln 2 O 3 powder, Y 2 O 3 powder, Bi 2 O 3 powder and CuO 2 powder are weighed to 100 parts by weight of the main component so as to be parts by weight shown in Table 1 and Table 2, and mixed. The mixture was placed in a 500 ml resin pot together with 99.9% pure zirconia balls and isopropyl alcohol (IPA), and the resin pot was placed on a turntable and mixed for 16 hours.

混合後のスラリーを大気中で乾燥し、#40メッシュを通し、その後、大気中950℃、3時間保持して仮焼し、この合成粉末を純度99.9%のZrOボールと水あるいはイソプロピルアルコール(IPA)と共に500mlの樹脂製ポットに投入し、その樹脂製ポットを回転台に置き20時間粉砕をした。 The mixed slurry is dried in the air, passed through a # 40 mesh, and then calcined by holding at 950 ° C. for 3 hours in the air, and this synthetic powder is mixed with ZrO 2 balls having a purity of 99.9% and water or isopropyl. The mixture was poured into a 500 ml resin pot together with alcohol (IPA), and the resin pot was placed on a rotating table and ground for 20 hours.

この粉砕した粉末に適量の有機バインダを添加して造粒し、金型プレスで150MPaの荷重で円柱形状の成型体を作製した後、脱バインダ処理を行ない、次いで大気雰囲気中にて、1050〜1250℃の間で各試料の動的圧電定数d33がもっとも高くなるピーク温度で、3時間の条件で焼成を行ない、直径4mm、厚み2mmの円板状の圧電磁器を得た。また、前述の動的圧電定数d33がもっとも高くなる焼成ピーク温度に対して−50〜+20℃の範囲で5℃の間隔で焼成ピーク温度を変えて焼成を行なった圧電磁器も作製した。 An appropriate amount of an organic binder is added to the pulverized powder and granulated, and a cylindrical shaped body is produced with a mold press at a load of 150 MPa, and then the binder is removed. Firing was performed under conditions of 3 hours at a peak temperature at which the dynamic piezoelectric constant d 33 of each sample was highest between 1250 ° C. to obtain a disk-shaped piezoelectric ceramic having a diameter of 4 mm and a thickness of 2 mm. Were also prepared even piezoelectric ceramic was subjected to firing by changing the firing peak temperature at intervals of 5 ° C. in the range from -50 to + 20 ° C. relative to the firing peak temperature dynamic piezoelectric constant d 33 of the above is highest.

その後、円柱状の圧電磁器の両主面に、Agの電極を焼付けし、200℃の条件下で、厚み方向に5kV/mm以上のDC電圧を印加して分極処理を施した後、300℃で24時間の熱エージング処理を行なった。   Thereafter, Ag electrodes were baked on both main surfaces of the cylindrical piezoelectric ceramic, and a polarization treatment was performed by applying a DC voltage of 5 kV / mm or more in the thickness direction at 200 ° C., and then 300 ° C. The heat aging treatment was performed for 24 hours.

その後、図6に示す装置を用いて、室温(25℃)での動的圧電定数d33を評価した。具体的には、まず、圧電素子5に250Nのオフセット荷重を印加した。その後、圧電素子5に加える荷重を300Nまで増加させた後、再度250Nまで戻すことを繰り返し、圧電素子5から出力される電荷量の変化をチャージアンプで測定した。この際の荷重は1Hzの三角波で与えた。そして、動的圧電定数d33=出力電荷/荷重の変化量(単位pC/N)の式により動的圧電定数d33を求めた。同様にして、−40℃および150℃における動的圧電定数d33を測定し、動的圧電定数d33の温度変化率を求めた。室温からT℃までの動的圧電定数d33の温度変化率は、室温(25℃)における動的圧電定数d33およびT℃における動的圧電定数d33から、(T℃における動的圧電定数d33−室温(25℃)における動的圧電定数d33)/(室温(25℃)における動的圧電定数d33)の式より求めた。 Thereafter, the dynamic piezoelectric constant d 33 at room temperature (25 ° C.) was evaluated using the apparatus shown in FIG. Specifically, first, an offset load of 250 N was applied to the piezoelectric element 5. Thereafter, the load applied to the piezoelectric element 5 was increased to 300N and then returned again to 250N, and the change in the amount of charge output from the piezoelectric element 5 was measured with a charge amplifier. The load at this time was given by a triangular wave of 1 Hz. Then, the dynamic piezoelectric constant d 33 was obtained from the equation: dynamic piezoelectric constant d 33 = output charge / load variation (unit pC / N). Similarly, the dynamic piezoelectric constant d 33 at −40 ° C. and 150 ° C. was measured, and the temperature change rate of the dynamic piezoelectric constant d 33 was obtained. Temperature change rate of the dynamic piezoelectric constant d 33 of from room temperature to T ° C. from a dynamic piezoelectric constant d 33 in the dynamic piezoelectric constant d 33 and T ° C. at room temperature (25 ° C.), the dynamic piezoelectric constant at (T ° C. d 33 - was determined from the equation of room temperature (25 ° C.) dynamic piezoelectric constant d 33 in) / (room temperature (25 ° C.) dynamic piezoelectric constant d 33 in).

また、体積固有抵抗をJIS−C2141に準拠して評価した。体積固有抵抗は1×10Ω・m以上を良好とし、表1および表2では○、1×10Ω・m未満を不良とし、表1および表2では×として示した。150℃の高温での検出感度を保つためには、圧電素子5の体積固有抵抗が1×10Ω・m以上であることが望まれるからである。体積固有抵抗がこれより高いことにより、出力された電荷が圧電素子5で消費されることが抑制され、信号処理回路に供給されることから、感度ばらつきが少なく、感度低下やノイズ源となってセンサ特性の性能劣化をもたらすことがなくなる。 Moreover, volume specific resistance was evaluated based on JIS-C2141. The volume resistivity was 1 × 10 9 Ω · m or more as good, and in Tables 1 and 2, ○ was less than 1 × 10 9 Ω · m, and in Tables 1 and 2, it was shown as x. This is because the volume specific resistance of the piezoelectric element 5 is desired to be 1 × 10 9 Ω · m or more in order to maintain the detection sensitivity at a high temperature of 150 ° C. Since the volume resistivity is higher than this, the output charge is suppressed from being consumed by the piezoelectric element 5 and is supplied to the signal processing circuit. The performance deterioration of the sensor characteristics is not caused.

各組成について、焼成のピーク温度を変えた中でもっとも動的圧電定数d33が高くなった試料の結果を表1および表2に示した。さらに、もっとも動的圧電定数d33の高かった温度の試料の平均の寸法と比較して、焼成のピーク温度を変更した試料の平均の動的圧電定数d33の低下が5%以内であるとともに、試料の平均の寸法が±1.5%以内となった温度範囲を安定焼成温度範囲として、表1および表2に示した。この温度範囲が広いと、製造時に焼成温度がばらついた際にも、寸法精度の良い、安定した圧電特性の圧電磁器を作製できる。なお、寸法は円柱状の圧電磁器の直径で評価した。 Tables 1 and 2 show the results of the samples having the highest dynamic piezoelectric constant d 33 while changing the firing peak temperature for each composition. Furthermore, compared with the most dynamic piezoelectric constant d 33 of higher was the average size of the sample temperature, with a decrease of the dynamic piezoelectric constant d 33 of the average of the sample to change the peak temperature of firing is within 5% Tables 1 and 2 show the temperature range in which the average dimension of the samples is within ± 1.5% as the stable firing temperature range. When this temperature range is wide, it is possible to produce a piezoelectric ceramic having stable dimensional characteristics with good dimensional accuracy even when the firing temperature varies during manufacturing. The dimensions were evaluated by the diameter of a cylindrical piezoelectric ceramic.

Figure 2010030814
Figure 2010030814

Figure 2010030814
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表1および表2から明らかなように、本発明の範囲内の圧電磁器である、組成式をBiTi12・α[(1−β)M1TiO・βM2M3O]と表したとき、0.405≦α≦0.498、0≦β≦0.3を満足するとともに、M1が、Sr、Ba、Ca、(Bi0.5Na0.5)、(Bi0.5Li0.5)および(Bi0.50.5)から選ばれる少なくとも1種であり、M2が、Bi、Na、KおよびLiから選ばれる少なくとも1種であり、M3が、FeおよびNbから選ばれる少なくとも1種であるビスマス層状化合物の主成分100質量部に対して、Ln(ランタノイド)、Y、BiおよびCuから選ばれる少なくとも1種を酸化物(Ln、Y、Bi、CuO)換算の合計で0.1〜1質量部含有する試料No.5〜8、12〜17、19〜21、23〜25、27〜29、31〜33、35〜37、39〜44、46、47、49、50および53〜56は、動的圧電定数d33が15.3pC/N以上と高い値が得られるとともに、25℃の動的圧電定数d33に対する−40℃および150℃の動的圧電定数d33の変化率が±0.48%以内と温度依存性が低いものとなり、さらに安定焼成温度範囲が30℃以上となった。 As is apparent from Tables 1 and 2, when the composition formula, which is a piezoelectric ceramic within the scope of the present invention, is expressed as Bi 4 Ti 3 O 12 · α [(1-β) M1TiO 3 · βM2M3O 3 ], 0.405 ≦ α ≦ 0.498 and 0 ≦ β ≦ 0.3 are satisfied, and M1 is Sr, Ba, Ca, (Bi 0.5 Na 0.5 ), (Bi 0.5 Li 0. 5) and (at least one selected from Bi 0.5 K 0.5), M2 is at least one selected Bi, Na, K and Li, M3 is selected from Fe and Nb At least one selected from Ln (lanthanoid), Y, Bi, and Cu is an oxide (Ln 2 O 3 , Y 2 O 3 , Bi 2 ) with respect to 100 parts by mass of the main component of at least one bismuth layered compound. O 3, CuO 2) conversion Samples containing 0.1 parts by weight of a total of No. 5 to 8, 12 to 17, 19 to 21, 23 to 25, 27 to 29, 31 to 33, 35 to 37, 39 to 44, 46, 47, 49, 50 and 53 to 56 are dynamic piezoelectric constants d. 33 is as high as 15.3 pC / N or more, and the rate of change of the dynamic piezoelectric constant d 33 at −40 ° C. and 150 ° C. with respect to the dynamic piezoelectric constant d 33 at 25 ° C. is within ± 0.48%. The temperature dependency was low, and the stable firing temperature range was 30 ° C. or higher.

これに対し、前記組成式で表したとき、0.405≦α≦0.498、0≦β≦0.3を満足するとともに、M1が、Sr、Ba、Ca、(Bi0.5Na0.5)、(Bi0.5Li0.5)および(Bi0.50.5)から選ばれる少なくとも1種であり、M2が、Bi、Na、KおよびLiから選ばれる少なくとも1種であり、M3が、FeおよびNbから選ばれる少なくとも1種であるビスマス層状化合物の主成分100質量部に対して、Ln(ランタノイド)、Y、BiおよびCuから選ばれる少なくとも1種を酸化物換算の合計で0.1〜1質量部含有するとの条件のいずれかを満足しない、本発明の範囲外の試料No.1〜4、9〜11、18、22、26、30、34、38、45、48、51、52および57では13.7pC/N以下となるか、25℃の動的圧電定数d33に対する−40および150℃の動的圧電定数d33の変化率が±5.1%以上となるか、安定焼成温度範囲が20℃以内と狭くなった。 On the other hand, when expressed by the composition formula, 0.405 ≦ α ≦ 0.498 and 0 ≦ β ≦ 0.3 are satisfied, and M1 is Sr, Ba, Ca, (Bi 0.5 Na 0. .5 ), (Bi 0.5 Li 0.5 ) and (Bi 0.5 K 0.5 ), and M2 is at least one selected from Bi, Na, K and Li And at least one selected from Ln (lanthanoid), Y, Bi and Cu with respect to 100 parts by mass of the main component of the bismuth layered compound in which M3 is at least one selected from Fe and Nb Sample No. 1 outside the scope of the present invention, which does not satisfy any of the conditions for containing 0.1 to 1 part by mass in total. 1 to 4, 9 to 11, 18, 22, 26, 30, 34, 38, 45, 48, 51, 52 and 57, 13.7 pC / N or less, or the dynamic piezoelectric constant d 33 at 25 ° C. The rate of change of the dynamic piezoelectric constant d 33 at −40 and 150 ° C. became ± 5.1% or more, or the stable firing temperature range narrowed to within 20 ° C.

図1は、試料No.1(α=0)、No.7(α=0.47)およびNo.11(α=1)のX線回折図である。X線回折図からビスマス層状化合物を主結晶相としていることが分かる。これは、本発明の範囲内の他の圧電磁器でも同様である。また、X線回折図からビスマス層状化合物が主結晶相として認められることから、M2M3Oのペロブスカイト化合物はビスマス層状化合物の疑ペロブスカイト層に取りこまれて、ビスマス層状化合物の一部になったものと考えられる。 FIG. 1 (α = 0), No. 1 7 (α = 0.47) and no. 11 is an X-ray diffraction diagram of 11 (α = 1). It can be seen from the X-ray diffraction pattern that the bismuth layered compound is the main crystal phase. The same applies to other piezoelectric ceramics within the scope of the present invention. Further, since the bismuth layered compound is recognized as the main crystal phase from the X-ray diffraction diagram, the perovskite compound of M2M3O 3 was incorporated into the susceptible perovskite layer of the bismuth layered compound and became a part of the bismuth layered compound. Conceivable.

また、作製した試料を蛍光X線分析装置で組成分析した。その結果、各試料の圧電磁器の組成は、調合した原料組成と同じ割合であった。これは、検出された元素のうち、Bi、Ti、Sr、Ba、Ca、Na、Li、K、Nb、Fe、Ln、YおよびCuの割合を、組成式BiTi12・α[(1−β)M1TiO+βM2M3O](ただし、M1はSr、Ba、Ca、(Bi0.5Na0.5)、(Bi0.5Li0.5)および(Bi0.50.5)から選ばれる少なくとも1種、M2はBi、Na、KおよびLiから選ばれる少なくとも1種、M3はFeおよびNbから選ばれる少なくとも1種)に当てはめてαおよびβを算出するとともに、前記組成式の成分の量とLn、Y、BiおよびCuの量の比からLn、Y、BiおよびCuOが前記組成式の成分100重量に対して何重量部に当たるかを算出して確認した。 The prepared sample was subjected to composition analysis with a fluorescent X-ray analyzer. As a result, the composition of the piezoelectric ceramic of each sample was the same ratio as the prepared raw material composition. This is because the ratio of Bi, Ti, Sr, Ba, Ca, Na, Li, K, Nb, Fe, Ln, Y, and Cu among the detected elements is expressed by the composition formula Bi 4 Ti 3 O 12 · α [ (1-β) M1TiO 3 + βM2M3O 3 ] (where M1 is Sr, Ba, Ca, (Bi 0.5 Na 0.5 ), (Bi 0.5 Li 0.5 ) and (Bi 0.5 K 0). .5 ) is applied to at least one selected from M), M2 is at least one selected from Bi, Na, K and Li, and M3 is at least one selected from Fe and Nb) to calculate α and β, From the ratio of the amount of the component of the composition formula and the amount of Ln, Y, Bi, and Cu, how many parts by weight of Ln 2 O 3 , Y 2 O 3 , Bi 2 O 3, and CuO 2 is 100 parts by weight of the component of the composition formula To calculate and check It was.

本発明の圧電磁器(試料No.7、α=0.47)と他の圧電磁器(試料No.1および11、α=0および1)のX線回折図である。It is an X-ray diffraction diagram of the piezoelectric ceramic (sample No. 7, α = 0.47) of the present invention and other piezoelectric ceramics (sample Nos. 1 and 11, α = 0 and 1). 図1のX線回折図のX部を拡大した図である。It is the figure which expanded the X section of the X-ray diffraction diagram of FIG. 本発明の圧電磁器(試料No.31、α=0.47)と他の圧電磁器(α=0および1)のX線回折図である。It is an X-ray diffraction pattern of the piezoelectric ceramic (sample No. 31, α = 0.47) of the present invention and other piezoelectric ceramics (α = 0 and 1). (a)本発明の圧電磁器A(試料No.7)と他の圧電磁器B(試料No.51)の焼成温度と動的圧電定数d33の関係を示す図である。(b)同圧電磁器の焼成温度と寸法の関係を示す図である。(A) is a diagram showing the relationship between the firing temperature and the dynamic piezoelectric constant d 33 of the piezoelectric ceramic A (Sample No.7) to other piezoelectric ceramic B (Sample No.51) of the present invention. (B) It is a figure which shows the relationship between the calcination temperature and dimension of a same-pressure ceramic. 本発明の圧電素子の一実施形態である圧力センサである。It is a pressure sensor which is one embodiment of the piezoelectric element of the present invention. 本発明で用いた動的圧電定数d33の評価装置を説明する説明図である。It is an explanatory view for explaining an evaluation device for dynamic piezoelectric constant d 33 used in the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

l・・・基体
2、3・・・電極
4・・・分極方向
5・・・圧電素子
l ... Base 2, 3 ... Electrode 4 ... Polarization direction 5 ... Piezoelectric element

Claims (2)

組成式をBiTi12・α[(1−β)M1TiO・βM2M3O]と表したとき、0.405≦α≦0.498、0≦β≦0.3を満足するとともに、M1が、Sr、Ba、Ca、(Bi0.5Na0.5)、(Bi0.5Li0.5)および(Bi0.50.5)から選ばれる少なくとも1種であり、M2が、Bi、Na、KおよびLiから選ばれる少なくとも1種であり、M3が、FeおよびNbから選ばれる少なくとも1種であるビスマス層状化合物の主成分100質量部に対して、Ln(ランタノイド)、Y、BiおよびCuから選ばれる少なくとも1種を酸化物(Ln、Y、Bi、CuO)換算の合計で0.1〜1質量部含有することを特徴とする圧電磁器。 When the composition formula is expressed as Bi 4 Ti 3 O 12 · α [(1-β) M1TiO 3 · βM2M3O 3 ], 0.405 ≦ α ≦ 0.498 and 0 ≦ β ≦ 0.3 are satisfied, M1 is at least one selected from Sr, Ba, Ca, (Bi 0.5 Na 0.5 ), (Bi 0.5 Li 0.5 ) and (Bi 0.5 K 0.5 ), Mn is at least one selected from Bi, Na, K and Li, and M3 is at least one selected from Fe and Nb, Ln (lanthanoid) with respect to 100 parts by mass of the main component of the bismuth layered compound , Y, Bi and Cu at least one selected from 0.1 to 1 parts by mass in terms of oxide (Ln 2 O 3 , Y 2 O 3 , Bi 2 O 3 , CuO 2 ) Piezoelectric ceramic. 請求項1記載の圧電磁器からなる基体の対向する一対の表面に電極を備えることを特徴とする圧電素子。   A piezoelectric element comprising electrodes on a pair of opposing surfaces of a base body comprising the piezoelectric ceramic according to claim 1.
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