JP2015222780A - Piezoelectric ceramic, method for manufacturing the same, and piezoelectric material device - Google Patents

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智紹 加藤
謙弥 田中
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing a piezoelectric ceramic including A1B1Obased material and BaMOadded thereto, by which a high piezoelectric constant d33 can be ensured even with a simple step.SOLUTION: A method for manufacturing a piezoelectric ceramic having a composition expressed by the general formula: (1-s)A1B1O-sBaMO. The method comprises the steps of: preparing a ceramic raw material powder having an average particle size of 0.05-0.3 μm; molding the ceramic raw material powder into a compact; and reducing and firing the compact at a temperature of 900-1300°C under an atmosphere of which the oxygen partial pressure is 1×10to 1×10kPa.

Description

本発明は、アルカリ金属とNbを含むペロブスカイト型の圧電セラミックス、その製造方法、及び圧電体素子に関する。   The present invention relates to a perovskite-type piezoelectric ceramic containing alkali metal and Nb, a manufacturing method thereof, and a piezoelectric element.

近年、環境保全に対する意識の高まりからPb、Hg、Cd、Cr6+などの重金属有害元素を排除する傾向が高まり、欧州を中心に使用禁止令(RoHS指令)が発令され施行されている。電子材料の高機能化に重要な役割を果たす原材料の酸化鉛(PbO)も、廃棄処理問題に関して環境問題が懸念されることから、その対象となっている。 In recent years, the tendency to eliminate heavy metal harmful elements such as Pb, Hg, Cd, Cr 6+ has increased due to the heightened awareness of environmental protection, and a ban on use (RoHS directive) has been issued and enforced mainly in Europe. Lead oxide (PbO), which is a raw material that plays an important role in enhancing the functionality of electronic materials, is also subject to environmental concerns regarding disposal issues.

ところで、広くエレクトロニクス・メカトロニクス・自動車等の分野で実用化されている圧電体素子を構成する圧電材料は、圧電セラミックスを中心として多種多様の材料が開発されている。従来の圧電セラミックスは、Pb系ペロブスカイト型強誘電体セラミックスで、その主流はPbZrO−PbTiO(PZT)である。この組成の圧電セラミックスは主成分として多量の酸化鉛を含んでいるため、廃棄処理に関して問題を抱えている。 By the way, a wide variety of materials have been developed for piezoelectric materials constituting piezoelectric elements that have been widely put into practical use in fields such as electronics, mechatronics, and automobiles, mainly piezoelectric ceramics. Conventional piezoelectric ceramics are Pb-based perovskite ferroelectric ceramics, and the mainstream is PbZrO 3 —PbTiO 3 (PZT). A piezoelectric ceramic having this composition contains a large amount of lead oxide as a main component, and thus has a problem with respect to disposal.

この様な状況に鑑み、環境に配慮した非鉛の圧電セラミックスの研究は急務かつ、必要不可欠であると考えられ、従来のPZT系圧電セラミックスの性能に匹敵する高性能な非鉛の圧電セラミックスの研究開発が関心を集めている。なお、圧電セラミックスの性能指標としては、圧電定数d33(33方向の電界当たりの機械的変位割合)が用いられる場合が多い。   In view of this situation, research into environment-friendly lead-free piezoelectric ceramics is considered urgent and indispensable. The performance of high-performance lead-free piezoelectric ceramics comparable to that of conventional PZT piezoelectric ceramics R & D is attracting interest. In many cases, the piezoelectric constant d33 (ratio of mechanical displacement per electric field in 33 directions) is used as a performance index of piezoelectric ceramics.

非鉛の圧電セラミックスとして、A1B1O(但し、A1はアルカリ金属から選択される少なくとも一種の元素であり、B1は遷移金属元素の少なくとも一種の元素であってNbを含む)系の組成が知られている。 As a lead-free piezoelectric ceramic, a composition of A1B1O 3 (where A1 is at least one element selected from alkali metals and B1 is at least one element of transition metal elements and contains Nb) is known. ing.

例えば特許文献1には、主成分が、一般式{(1−x)(K1-a-bNaaLibm(Nb1-c-dTaSb)O―xM1M2O}(ただし、M1はCa、Sr及びBaの中から選択された少なくとも1種以上の金属元素、M2はTi、Zr及びSnの中から選択された少なくとも1種以上の金属元素を示す。)で表されると共に、前記x、a、b、c、d、m、及びnが、それぞれ0.005≦x≦0.1、0≦a≦0.9、0≦b≦0.3、0≦a+b≦0.9、0≦c≦0.5、0≦d≦0.1、0.9≦m≦1.1、及び0.9≦n≦1.1の範囲にある圧電体磁器組成物が記載されている。 For example, Patent Document 1, the main component is represented by the general formula {(1-x) (K 1-ab Na a Li b) m (Nb 1-cd Ta c Sb d) O 3 -xM1 n M2O 3} ( however M1 represents at least one metal element selected from Ca, Sr, and Ba, and M2 represents at least one metal element selected from Ti, Zr, and Sn. And x, a, b, c, d, m, and n are 0.005 ≦ x ≦ 0.1, 0 ≦ a ≦ 0.9, 0 ≦ b ≦ 0.3, and 0 ≦ a + b ≦, respectively. Piezoelectric ceramic compositions in the ranges of 0.9, 0 ≦ c ≦ 0.5, 0 ≦ d ≦ 0.1, 0.9 ≦ m ≦ 1.1, and 0.9 ≦ n ≦ 1.1 Have been described.

また特許文献1には、平均粒径D50が0.60μm以下であって、比表面積が7.0m/g以上20.0m/g以下のセラミック原料粉末を用いることが記載(請求項6)されている。また、特許文献1においては、焼成は大気中で行なわれている。
特許文献1において、セラミック原料粉末の調整の効果は、そのセラミック原料粉末が超微粉で良好な分散性を有することから、焼成温度が低下し、焼成時に蒸発しやすいアルカリ金属が蒸発温度よりも低い温度で結晶粒内に固溶し、その結果分極不良率を格段に低減させることである。しかもより一層高い圧電定数を有する圧電体磁器組成物を高効率で製造することができると記載されている(段落0044)。
The Patent Document 1, the average particle diameter D 50 is equal to or less than 0.60 .mu.m, specific surface area of 7.0 m 2 / g or more 20.0 m 2 / g describes the use of the following ceramic raw material powder (claim 6) Yes. Moreover, in patent document 1, baking is performed in air | atmosphere.
In Patent Document 1, the effect of adjusting the ceramic raw material powder is that the ceramic raw material powder is an ultrafine powder and has good dispersibility, so that the firing temperature is lowered and the alkali metal that easily evaporates during firing is lower than the evaporation temperature. It is a solid solution in the crystal grains at the temperature, and as a result, the polarization failure rate is remarkably reduced. Moreover, it is described that a piezoelectric ceramic composition having an even higher piezoelectric constant can be produced with high efficiency (paragraph 0044).

国際公開第2006/117990号International Publication No. 2006/117990

上記のA1B1O系の圧電セラミックスを用いる場合、焼成の際にセラミック原料粉末を十分に酸化して酸素欠陥の発生を抑制することで圧電特性が高まることが知られており、特許文献1にも記載されるように、一般的には焼成は大気中で行われている。 In the case of using the above A1B1O 3 series piezoelectric ceramics, it is known that the piezoelectric characteristics are enhanced by sufficiently oxidizing the ceramic raw material powder during firing to suppress the generation of oxygen defects. As described, calcination is generally performed in air.

これに対して本発明者らは、A1B1O系の材料にBaMO(但し、Mは4A族の少なくとも一種の元素であってZrを含む)を添加した組成で検討したところ、この組成の圧電セラミックスは、大気中で焼成するよりも、還元焼成した後に再酸化処理する2段の加熱工程を採用した方が高い圧電定数d33が得られることを知見した。
しかしながら、再酸化処理を行うと工程が増えてしまうという課題がある。
On the other hand, the present inventors examined a composition in which BaMO 3 (wherein M is at least one element of group 4A and containing Zr) was added to an A1B1O 3 based material. It has been found that ceramics can obtain a higher piezoelectric constant d33 by adopting a two-step heating process in which re-oxidation treatment is performed after reduction firing rather than firing in the air.
However, there is a problem that the number of steps increases when reoxidation is performed.

本発明は上記課題に鑑み、A1B1O系の材料にBaMOを添加した圧電セラミックスの製造方法において、簡易な工程であっても高い圧電定数d33を確保することが可能な、圧電セラミックスの製造方法を提供することを目的とする。
また、この簡易な製造方法により得ることができる、高い圧電定数d33を持つ圧電セラミックス、及び圧電体素子を提供することを目的とする。
In view of the above problems, the present invention provides a piezoelectric ceramic manufacturing method in which BaMO 3 is added to an A1B1O 3 based material, and a high piezoelectric constant d33 can be ensured even in a simple process. The purpose is to provide.
Another object of the present invention is to provide a piezoelectric ceramic having a high piezoelectric constant d33 and a piezoelectric element that can be obtained by this simple manufacturing method.

本発明は、圧電セラミックスの製造方法であって、一般式:(1−s)A1B1O−sBaMO(但し、A1はアルカリ金属から選択される少なくとも一種の元素であり、B1は遷移金属元素の少なくとも一種の元素であってNbを含み、Mは4A族の少なくとも一種の元素であってZrを含み、0.05<s≦0.15)で表される組成を有し、平均粒径が0.05μm以上0.3μm以下のセラミック原料粉末を用意する工程と、前記セラミック原料粉末を成形体とする工程と、酸素分圧が1×10−12kPa以上1×10−4kPa以下の雰囲気下で、900℃以上1300℃以下で前記成形体を還元焼成する工程と、を有することを特徴とする。 前記焼成は、酸素分圧が8×10−11kPa以上1×10−6kPa以下、900℃以上1150℃以下で行うことが好ましい。 また本発明は、セラミックスの組成が、一般式:(1−s)A1B1O−sBaMO(但し、A1はアルカリ金属から選択される少なくとも一種の元素であり、B1は遷移金属元素の少なくとも一種の元素であってNbを含み、Mは4A族の少なくとも一種の元素であってZrを含み、0.05<s≦0.15)で表され、平均の結晶粒径が2.0μm以下、結晶粒径の標準偏差が1.0μm以下であり、圧電定数d33が200pC/N以上であることを特徴とする圧電セラミックスである。 この圧電セラミックスに、卑金属電極を形成して圧電体素子とすることができる。 The present invention is a manufacturing method of the piezoelectric ceramic, the general formula: (1-s) A1B1O 3 -sBaMO 3 ( where, A1 is at least one element selected from alkali metals, B1 is a transition metal element At least one element that includes Nb, M is at least one element of Group 4A, includes Zr, has a composition represented by 0.05 <s ≦ 0.15), and has an average particle size of A step of preparing a ceramic raw material powder of 0.05 μm to 0.3 μm, a step of using the ceramic raw material powder as a molded body, and an atmosphere having an oxygen partial pressure of 1 × 10 −12 kPa to 1 × 10 −4 kPa And a step of reducing and firing the molded body at 900 ° C. or higher and 1300 ° C. or lower. The firing is preferably performed at an oxygen partial pressure of 8 × 10 −11 kPa to 1 × 10 −6 kPa, and 900 ° C. to 1150 ° C. The present invention, the composition of the ceramic, the general formula: (1-s) A1B1O 3 -sBaMO 3 ( where, A1 is at least one element selected from alkali metals, B1 is at least one transition metal element Element is Nb, M is at least one element of Group 4A and includes Zr, 0.05 <s ≦ 0.15), and the average crystal grain size is 2.0 μm or less. The piezoelectric ceramic is characterized in that the standard deviation of the particle diameter is 1.0 μm or less and the piezoelectric constant d33 is 200 pC / N or more. A base metal electrode can be formed on this piezoelectric ceramic to form a piezoelectric element.

本発明によれば、A1B1O系の材料にBaMOを添加した圧電セラミックスの製造方法において、還元焼成した後に再酸化処理する2段の加熱工程を行わずとも高い圧電定数d33を有することができる簡易な製造方法を提供できる。製造工程が少なくなるので、低コスト化が可能である。
またこの製造方法により、圧電定数d33が200pC/N以上の圧電セラミックス及び圧電体素子を低コストで提供できる。
According to the present invention, a piezoelectric ceramic manufacturing method in which BaMO 3 is added to an A1B1O 3 -based material can have a high piezoelectric constant d33 without performing a two-step heating process in which re-oxidation is performed after reduction firing. A simple manufacturing method can be provided. Since the manufacturing process is reduced, the cost can be reduced.
In addition, this manufacturing method can provide piezoelectric ceramics and piezoelectric elements having a piezoelectric constant d33 of 200 pC / N or more at low cost.

本発明の圧電体素子における(a)セラミックスのSEM観察写真(視野5000倍)と、(b)その模式図である。(A) SEM observation photograph (5000 times visual field) of ceramics in the piezoelectric element of the present invention, and (b) a schematic diagram thereof. 図1のセラミックスの結晶粒の粒径分布を示す図である。It is a figure which shows the particle size distribution of the crystal grain of the ceramic of FIG. 比較例の圧電体素子における(a)セラミックスのSEM観察写真(視野5000倍)と、(b)その模式図である。(A) SEM observation photograph (viewing field 5000 times) of ceramics in a piezoelectric element of a comparative example, and (b) a schematic diagram thereof. 図3のセラミックスの結晶粒の粒径分布を示す図である。It is a figure which shows the particle size distribution of the crystal grain of the ceramics of FIG.

本発明の圧電セラミックスの製造方法は、 まず、一般式:(1−s)A1B1O−sBaMO(但し、A1はアルカリ金属から選択される少なくとも一種の元素であり、B1は遷移金属元素の少なくとも一種の元素であってNbを含み、Mは4A族の少なくとも一種の元素であってZrを含み、0.05<s≦0.15)で表される組成のセラミック原料粉末を用意する工程を有する。 Method of manufacturing a piezoelectric ceramic of the present invention, first, the general formula: (1-s) A1B1O 3 -sBaMO 3 ( where, A1 is at least one element selected from alkali metals, B1 is at least a transition metal element A step of preparing a ceramic raw material powder having a composition represented by 0.05 <s ≦ 0.15) which is a kind of element and contains Nb, and M is at least one kind of element of group 4A and contains Zr. Have.

本発明者らは、上述したとおり、上記一般式の組成で高い圧電定数d33を得るためには、還元焼成した場合には、その後酸化性雰囲気で加熱する再酸化処理を行うと高い圧電定数d33が得られることを知見した。その上で、高い圧電定数を、より簡易な工程で得ることを検討した。その結果、用いるセラミック原料粉末を平均粒径が0.05μm以上0.3μm以下まで微粉化することが有効であることを見出したものである。これにより特定の酸素分圧と焼成温度の範囲で焼成することで高い圧電定数d33が得られることを新たに知見した。 このように微粉化したセラミック原料粉末を用いると圧電特性が高まる理由は、表面に吸着した過剰な酸素が、還元雰囲気とあいまって、焼成時に適正な結晶状態にまで還元されるためと考えられる。また、得られるセラミックスの結晶粒径のばらつきが小さくなるので、分極時における個々の結晶粒子の変形量が同程度となり、結晶粒間に歪が発生することを抑制できるためと考えている。 As described above, in order to obtain a high piezoelectric constant d33 with the composition of the above general formula, the present inventors perform a re-oxidation treatment after heating in an oxidizing atmosphere in the case of reduction firing, and then a high piezoelectric constant d33. It was found that can be obtained. On that basis, it was studied to obtain a high piezoelectric constant by a simpler process. As a result, it has been found that it is effective to pulverize the ceramic raw material powder to be used to an average particle size of 0.05 μm to 0.3 μm. Thus, it has been newly found that a high piezoelectric constant d33 can be obtained by firing within a specific oxygen partial pressure and firing temperature range. The reason why the piezoelectric characteristics are enhanced by using such a finely divided ceramic raw material powder is considered that excess oxygen adsorbed on the surface is reduced to an appropriate crystal state at the time of firing together with a reducing atmosphere. In addition, since the variation in the crystal grain size of the ceramics to be obtained becomes small, it is considered that the deformation amount of each crystal grain at the time of polarization becomes almost the same, so that the generation of strain between the crystal grains can be suppressed.

また本発明の製造方法を用いることで、副次的に次の効果を有する。 本発明の製造方法では、特定の還元焼成条件を適用するため、卑金属電極ペーストとセラミック原料粉末を同時に焼成しても、卑金属電極の酸化を抑制したまま焼付けでき、かつ、セラミック原料粉末の酸素欠陥の発生を十分に抑制できる。これにより、例えば、圧電セラミックス層と卑金属電極層からなり、かつ圧電定数d33が200pC/N以上の圧電体素子を提供できる。 In addition, by using the manufacturing method of the present invention, the following effects are secondary. In the production method of the present invention, since specific reduction firing conditions are applied, even if the base metal electrode paste and the ceramic raw material powder are fired at the same time, the base metal electrode can be baked while suppressing oxidation, and oxygen defects in the ceramic raw material powder can be obtained. Can be sufficiently suppressed. Thereby, for example, a piezoelectric element composed of a piezoelectric ceramic layer and a base metal electrode layer and having a piezoelectric constant d33 of 200 pC / N or more can be provided.

以下に本発明の製造方法を詳細に述べる。 本発明の製造方法で用いるセラミック原料粉末は、一般式:(1−s)A1B1O−sBaMO(但し、A1はアルカリ金属から選択される少なくとも一種の元素であり、B1は遷移金属元素の少なくとも一種の元素であってNbを含み、Mは4A族の少なくとも一種の元素であってZrを含み、0.05<s≦0.15)で表されるものを用いる。 なお、一般式において、酸素の組成は化学量論的な値である。実際の組成においては、酸素の化学量論組成からのずれは許容されるものとする。 The production method of the present invention is described in detail below. Ceramic raw material powder used in the production method of the present invention have the general formula: (1-s) A1B1O 3 -sBaMO 3 ( where, A1 is at least one element selected from alkali metals, B1 is at least a transition metal element A kind of element that contains Nb, M is at least one kind of element of Group 4A, contains Zr, and is represented by 0.05 <s ≦ 0.15). In the general formula, the composition of oxygen is a stoichiometric value. In the actual composition, deviation from the stoichiometric composition of oxygen is allowed.

単なるA1B1O系の組成の圧電セラミックスと異なり、上記本発明に適用される一般式のセラミックスは、大気中で焼成を行うと圧電定数d33が小さいセラミックスとなってしまうが、本発明の製造方法で規定する条件を適用すると、高い圧電定数d33を発現するという特別の性質を有する。
この理由は、推定であるが、BaやMがペロブスカイト主相に固溶しにくい性質を有していることから、通常の固相法による焼成では十分均質な焼成体が得られない。これに対し、上記のような原料の微粉化と酸素分圧の範囲で焼成することで、主相に対して微量の酸素欠陥が生成し、拡散を促進して成分が均質化することに由来するものと考えられる。
Just Unlike A1B1O 3 based piezoelectric ceramic compositions of ceramics of the general formula to be applied to the present invention is becomes ceramic piezoelectric constant d33 is small when fired in the air, the production method of the present invention When a prescribed condition is applied, it has a special property of developing a high piezoelectric constant d33.
The reason for this is presumed, however, since Ba and M have the property of hardly dissolving in the perovskite main phase, a sufficiently homogeneous fired body cannot be obtained by firing by a normal solid phase method. In contrast, by pulverizing the raw materials as described above and firing within the range of oxygen partial pressure, a small amount of oxygen defects are generated in the main phase, and the diffusion is promoted to homogenize the components. It is thought to do.

上記一般式の組成について説明する。
A1B1Oで示される組成物において、A1はアルカリ金属(Li、Na、K)から選ばれる少なくとも一種である。好ましくはA1は、Li、KおよびNaを含んでいる。
より具体的には、A1B1Oはアルカリ金属含有ニオブ酸化物系であり、組成式:K1−x−yNaLi(Nb1−z)Oで表される組成であることが好ましい。ここで、QはNb以外の遷移金属元素の少なくとも一種であり、x、y、zは、0<x<1、0<y<1、0≦z≦0.3を満たす。
アルカリ金属として、KおよびNaの両方が含まれていることにより、KまたはNaが単独に含まれる場合に比べて高い圧電特性を発揮し得る。
また、Liはキュリー温度を高める効果や、焼成性を高めることで圧電特性を高める効果を得ることができ、機械的強度の向上にも効果を発揮する。但し、Liの含有量yが0.3を超えると圧電特性が下がりやすい。このため、アルカリ金属中のLiの含有量yは好ましくは0<y≦0.3である。
zが0.3を超えると、高い圧電特性を得ることが難しくなる。
x、y、zの範囲は、より好ましくは0.3≦x≦0.7、0.05≦y≦0.2、0≦z≦0.2である。
The composition of the above general formula will be described.
In the composition represented by A1B1O 3, A1 is at least one selected from alkali metal (Li, Na, K). Preferably A1 contains Li, K and Na.
More specifically, A1B1O 3 is an alkali metal-containing niobate oxide-based composition formula: it is a composition represented by K 1-x-y Na x Li y (Nb 1-z Q z) O 3 Is preferred. Here, Q is at least one of transition metal elements other than Nb, and x, y, and z satisfy 0 <x <1, 0 <y <1, and 0 ≦ z ≦ 0.3.
By including both K and Na as the alkali metal, it is possible to exhibit higher piezoelectric properties than when K or Na is included alone.
Moreover, Li can obtain the effect of increasing the Curie temperature and the effect of enhancing the piezoelectric characteristics by enhancing the firing property, and also exhibits the effect of improving the mechanical strength. However, when the Li content y exceeds 0.3, the piezoelectric characteristics tend to be lowered. For this reason, the content y of Li in the alkali metal is preferably 0 <y ≦ 0.3.
When z exceeds 0.3, it is difficult to obtain high piezoelectric characteristics.
The ranges of x, y, and z are more preferably 0.3 ≦ x ≦ 0.7, 0.05 ≦ y ≦ 0.2, and 0 ≦ z ≦ 0.2.

A1B1OおよびBaMOは、以下の一般式(1)で表される比率で圧電セラミックスに含まれる。
(1−s)A1B1O−sBaMO(0.05<s≦0.15)・・・(1)
BaMOの含有比率が0.05<s≦0.15の範囲である場合、高い圧電定数d33および高いキュリー温度を持つ圧電セラミックスを得ることができる。一方、sが0.05以下、もしくは、sが0.15を超えると、得られる圧電定数が低くなりすぎて実用的な圧電セラミックスを得ることが困難となる。好ましいsの範囲は0.065≦s≦0.10である。
Mは4A族としてZrを80at%以上含む組成が好ましい。
A1B1O 3 and BAMO 3 are contained in the piezoelectric ceramic at a ratio represented by the following general formula (1).
(1-s) A1B1O 3 -sBaMO 3 (0.05 <s ≦ 0.15) ··· (1)
When the content ratio of BaMO 3 is in the range of 0.05 <s ≦ 0.15, a piezoelectric ceramic having a high piezoelectric constant d33 and a high Curie temperature can be obtained. On the other hand, if s is 0.05 or less, or if s exceeds 0.15, the obtained piezoelectric constant becomes too low, and it becomes difficult to obtain a practical piezoelectric ceramic. A preferable range of s is 0.065 ≦ s ≦ 0.10.
M is preferably a composition containing 80 at% or more of Zr as Group 4A.

セラミック原料粉末は、上記一般式で記載される組成となるようにA1、B1、Ba、Mからなる原料を用意し、混合し、仮焼することで得られる。 仮焼温度は900℃以上1200℃以下とすることが好ましい。900℃未満では原料が反応せずに組成の均一性が十分になりにくい。一方、1200℃を超えると原料の反応が進みすぎてその後の焼成での緻密化を悪化させたり、塊状に焼成されて粉砕が困難となるので成形が難しくなる。 The ceramic raw material powder is obtained by preparing, mixing, and calcining raw materials composed of A1, B1, Ba, and M so as to have the composition described by the above general formula. The calcination temperature is preferably 900 ° C. or higher and 1200 ° C. or lower. If the temperature is lower than 900 ° C., the raw materials do not react and it is difficult for the composition uniformity to be sufficient. On the other hand, when the temperature exceeds 1200 ° C., the reaction of the raw material proceeds so much that the densification in the subsequent firing is deteriorated, or it is fired into a lump and difficult to grind, so that molding becomes difficult.

本発明においては、セラミック原料粉末は、平均粒径が0.05μm以上0.3μm以下のものを使用する。 セラミック原料粉末の平均粒径が0.05μm未満であると、原料粉末が凝集して後述の成形の工程を行うことが難しくなる。一方、平均粒径が0.3μmを超えると焼結後のセラミックスの結晶粒径のばらつきが大きくなり、圧電特性を高める効果が十分に得られない。 In the present invention, ceramic raw material powder having an average particle size of 0.05 μm or more and 0.3 μm or less is used. When the average particle size of the ceramic raw material powder is less than 0.05 μm, the raw material powder aggregates and it is difficult to perform the molding step described later. On the other hand, if the average particle size exceeds 0.3 μm, the variation in the crystal particle size of the sintered ceramic becomes large, and the effect of enhancing the piezoelectric characteristics cannot be sufficiently obtained.

また、原料粉末を微粉化することでセラミックスとして緻密化が始まる温度を低下させることができる。そのため卑金属電極を用いる場合に酸化を抑制できる。 具体的には1000℃以下、さらには950℃以下の焼成温度でも焼成が可能になる。 Moreover, the temperature at which densification starts as ceramics can be reduced by making the raw material powder fine. Therefore, oxidation can be suppressed when a base metal electrode is used. Specifically, firing is possible even at a firing temperature of 1000 ° C. or lower, and further 950 ° C. or lower.

セラミック原料粉末は、前記一般式の組成を100mol%として、さらにMn化合物を0.5〜5mol%含有する組成とすることが好ましい。Mn化合物としてMnOを用いることができる。 Mn化合物の添加は、再酸化処理をせずとも還元焼成のみで高い圧電定数d33が得られるという効果がある。 また、圧電セラミックスの抵抗が高くなり、分極処理の際により高い電圧を印加できる。 また、セラミックスの焼成温度をさらに下げることができる。低い焼成温度で焼成できるので、卑金属電極を形成する場合には電極の酸化が抑制される。卑金属電極の通電性を確保できるので、分極処理が確実に行える。 It is preferable that the ceramic raw material powder has a composition of the above general formula as 100 mol% and further contains a Mn compound in an amount of 0.5 to 5 mol%. MnO 2 can be used as the Mn compound. The addition of the Mn compound has an effect that a high piezoelectric constant d33 can be obtained only by reduction firing without re-oxidation treatment. Further, the resistance of the piezoelectric ceramic is increased, and a higher voltage can be applied during the polarization process. Moreover, the firing temperature of the ceramic can be further lowered. Since firing can be performed at a low firing temperature, oxidation of the electrode is suppressed when a base metal electrode is formed. Since the conductivity of the base metal electrode can be ensured, the polarization process can be performed reliably.

セラミック原料粉末を成形体とする手段は、既知の手段を用いることができる。例えばバーコーダー等でシート状の成形体とすることもできる。 Known means can be used as means for forming the ceramic raw material powder into a molded body. For example, it can be formed into a sheet-like molded body with a bar coder or the like.

成形体に卑金属等の電極ペーストを塗布することもできる。電極ペーストを塗布する手段は、スクリーン印刷、バーコーダー等の既知の手段を用いることができる。電極ペーストを塗布した成形体を積層してセラミックス層と電極層の積層体からなる圧電体素子用の成形体とすることもできる。 電極ペーストは、卑金属電極ペーストを用いることで電極の低コスト化が図れ、特にCu、Ni、Alの少なくとも一種の元素が主成分である卑金属電極ペーストを用いると低コスト化がさらに図れる。 An electrode paste such as a base metal can be applied to the molded body. As means for applying the electrode paste, known means such as screen printing and bar coders can be used. A molded body for a piezoelectric element composed of a laminated body of a ceramic layer and an electrode layer can be obtained by laminating a molded body to which an electrode paste is applied. As the electrode paste, the cost of the electrode can be reduced by using the base metal electrode paste, and in particular, the cost can be further reduced by using the base metal electrode paste mainly composed of at least one element of Cu, Ni, and Al.

焼成の工程について説明する。 焼成は、酸素分圧が1×10−12kPa以上1×10−4kPa以下の雰囲気下で行う。1×10−12kPa未満あると雰囲気の還元力が強すぎて焼成されるセラミックス中の酸素欠陥の発生が顕著となり、高い圧電定数d33をもつ圧電セラミックスとすることができない。一方、1×10−4kPa以下を超えると高い圧電定数が得られない。また、卑金属電極ペーストを用いた場合、卑金属電極が酸化して通電しなくなるので圧電体素子として機能しないものとなってしまう。 好ましい酸素分圧は、8×10−11kPa以上1×10−6kPa以下であり、さらに好ましくは1×10−10kPa以上1×10−8kPa以下である。 The firing process will be described. Firing is performed in an atmosphere having an oxygen partial pressure of 1 × 10 −12 kPa to 1 × 10 −4 kPa. When the pressure is less than 1 × 10 −12 kPa, the reducing power of the atmosphere is too strong, and oxygen defects are generated in the fired ceramic, and a piezoelectric ceramic having a high piezoelectric constant d33 cannot be obtained. On the other hand, if it exceeds 1 × 10 −4 kPa or less, a high piezoelectric constant cannot be obtained. Further, when the base metal electrode paste is used, the base metal electrode is oxidized and is not energized, so that it does not function as a piezoelectric element. The oxygen partial pressure is preferably 8 × 10 −11 kPa to 1 × 10 −6 kPa, more preferably 1 × 10 −10 kPa to 1 × 10 −8 kPa.

焼成温度は、900℃以上1300℃以下とする。900℃未満ではセラミックスの焼成が不十分で緻密化せず、圧電定数d33が200pC/Nに満たない圧電体素子となる。一方、1300℃を越えると過焼成となり、この場合も密度および圧電特性が低下する。 微粉化したセラミック原料粉末を用いることで、焼成温度を1150℃以下とすることもできる。1150℃以下であれば、卑金属電極を用いた場合、その酸化を更に抑制することができ、圧電セラミックス層の圧電特性と電極層の通電性をさらに兼ね備えた圧電体素子を製造できる。さらに好ましい焼成温度は920℃以上1000℃以下である。 The firing temperature is 900 ° C. or higher and 1300 ° C. or lower. If the temperature is lower than 900 ° C., the ceramic is not sufficiently fired and is not densified, and a piezoelectric element having a piezoelectric constant d33 of less than 200 pC / N is obtained. On the other hand, when the temperature exceeds 1300 ° C., over-baking occurs, and in this case, the density and the piezoelectric characteristics are lowered. By using the finely divided ceramic raw material powder, the firing temperature can be set to 1150 ° C. or lower. If it is 1150 degrees C or less, when a base metal electrode is used, the oxidation can further be suppressed and the piezoelectric element which has further the piezoelectric characteristic of a piezoelectric ceramic layer and the electroconductivity of an electrode layer can be manufactured. A more preferable firing temperature is 920 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower.

上記製造方法により得られた圧電セラミックスは、セラミックスの組成が、一般式:(1−s)A1B1O−sBaMO(但し、A1はアルカリ金属から選択される少なくとも一種の元素であり、B1は遷移金属元素の少なくとも一種の元素であってNbを含み、Mは4A族の少なくとも一種の元素であってZrを含み、0.05<s≦0.15)で表され、平均の結晶粒径が2.0μm以下、結晶粒径の標準偏差が1.0μm以下であり、圧電定数d33が200pC/N以上である。 微粉化されたセラミック原料粉末を用いた結果、セラミックスの平均の結晶粒径が2.0μm以下、結晶粒径の標準偏差が1.0μm以下となり、かつ上記の焼成条件を用いるために圧電定数d33が大きい圧電セラミックスを得ることができる。 The resulting piezoelectric ceramic by the above production method, the composition of the ceramic, the general formula: (1-s) A1B1O 3 -sBaMO 3 ( where, A1 is at least one element selected from alkali metals, B1 transition It is at least one element of a metal element and includes Nb, M is at least one element of Group 4A and includes Zr, and is represented by 0.05 <s ≦ 0.15), and the average crystal grain size is 2.0 μm or less, the standard deviation of crystal grain size is 1.0 μm or less, and the piezoelectric constant d33 is 200 pC / N or more. As a result of using the finely divided ceramic raw material powder, the average crystal grain size of the ceramic is 2.0 μm or less, the standard deviation of the crystal grain size is 1.0 μm or less, and the piezoelectric constant d33 is used in order to use the above firing conditions. Large piezoelectric ceramics can be obtained.

また、卑金属電極ペーストを用いて同時に焼成しても高い圧電定数d33を維持できるので、圧電セラミックス層と非金属電極層が積層された圧電定数d33が200pC/N以上の圧電体素子を得ることができる。 In addition, since a high piezoelectric constant d33 can be maintained even if simultaneously fired using a base metal electrode paste, a piezoelectric element having a piezoelectric constant d33 in which a piezoelectric ceramic layer and a non-metal electrode layer are laminated and having a value of 200 pC / N or more can be obtained. it can.

以下に、本発明で記載する、組成、圧電定数d33、平均の結晶粒径、結晶粒径の標準偏差の測定方法を記載する。[組成] 組成は、SEM-EDX ( Energy Dispersive X-ray spectroscopy )により測定した。測定条件として加速電圧を15kV、電流を100nA、ビーム径を1μmとした。 The measurement method of the composition, the piezoelectric constant d33, the average crystal grain size, and the standard deviation of the crystal grain size described in the present invention will be described below. [Composition] The composition was measured by SEM-EDX (Energy Dispersive X-ray spectroscopy). As measurement conditions, the acceleration voltage was 15 kV, the current was 100 nA, and the beam diameter was 1 μm.

[圧電定数d33] 分極処理を施した後に圧電定数d33を測定する。分極処理は、積層体にAg電極をスパッタリングで形成し、373K(100℃)にて1mAの電流が流れるまで直流電界を印加し、最大2.0kV/mmの直流電界を10分間印加した。 圧電定数d33はd33メータ(中国科学院声学研究所製)にて測定した [Piezoelectric constant d33] After the polarization treatment, the piezoelectric constant d33 is measured. In the polarization treatment, an Ag electrode was formed on the laminate by sputtering, a DC electric field was applied until a current of 1 mA flowed at 373 K (100 ° C.), and a DC electric field of maximum 2.0 kV / mm was applied for 10 minutes. The piezoelectric constant d33 was measured with a d33 meter (manufactured by the Institute of Speech, Chinese Academy of Sciences).

[平均の結晶粒径]
平均の結晶粒径は、走査型電子顕微鏡(SEM)による背面反射電子像(5000倍)で観察し、各結晶粒の粒界を画像に記載した後、画像解析ソフト:ImageJを用いて個数平均径(=Σ(結晶の最大径)/(評価した配向結晶の数))で求めたものである。
[Average crystal grain size]
The average crystal grain size was observed with a back-scattered electron image (5000 times) by a scanning electron microscope (SEM), and after describing the grain boundary of each crystal grain in an image, the number average was calculated using image analysis software: ImageJ. It is obtained by the diameter (= Σ (maximum diameter of crystal) / (number of evaluated oriented crystals)).

[結晶粒径の標準偏差] 各結晶の最大径rおよび平均の結晶粒径Rに対して、標準偏差σをσ={Σ(r-R)2/(評価した配向結晶の数)}0.5の式から算出した。 [Standard Deviation of Crystal Grain Size] For the maximum diameter r and average crystal grain size R of each crystal, the standard deviation σ is an equation of σ = {Σ (rR) 2 / (number of evaluated oriented crystals)} 0.5 Calculated from

本発明をさらに実施例に基づいて詳細に述べる。
(実施例1−1〜1−3、比較例1−4)
一般式:0.92(K0.414Na0.46Li0.046)Nb0.92+0.08BaZrOで表される組成となるよう、K、Na、Li、Nb、Ba、Zr原料を用意した。 これらの原料材をエタノール溶媒中にて16時間ボールミル混合した。ボールミルに用いるメディアはΦ5mmのジルコニアボールを使用し、回転数は100rpmで行った。混合された原料をメディアと分離した後、130℃の大気中で乾燥した。乾燥した原料を500メッシュの篩を通した後、ジルコニア製の匣鉢に入れ、大気中にて1050℃で3時間保持の仮焼を行った。 また本発明では、上記一般式の組成100mol%に対し、1mol%のMnOを添加した。 その後、ビーズミルにて1時間粉砕し、平均粒径が0.15μmのセラミック原料粉末を作製した。 また、比較としてボールミルにて16時間粉砕し、平均粒径が0.8μmのセラミック原料粉末を作製した。
The invention is further described in detail on the basis of examples.
(Examples 1-1 to 1-3, Comparative Example 1-4)
Formula: 0.92 (K 0.414 Na 0.46 Li 0.046) Nb 0.92 O 3 + 0.08BaZrO to be a composition represented by 3, K, Na, Li, Nb, Ba, Zr Raw materials were prepared. These raw materials were ball-milled for 16 hours in an ethanol solvent. The media used for the ball mill was a zirconia ball having a diameter of 5 mm, and the rotation speed was 100 rpm. After the mixed raw material was separated from the media, it was dried in the atmosphere at 130 ° C. The dried raw material was passed through a 500 mesh sieve, then placed in a zirconia mortar and calcined at 1050 ° C. for 3 hours in the air. In the present invention also to the composition 100 mol% of the above formula, was added MnO 2 of 1 mol%. Then, it grind | pulverized for 1 hour with the bead mill, and produced the ceramic raw material powder whose average particle diameter is 0.15 micrometer. For comparison, a ceramic raw material powder having an average particle size of 0.8 μm was prepared by pulverizing with a ball mill for 16 hours.

次に、このセラミック原料粉末をシート状の成形体とした。
先ず混合物をスラリー状にするため、得られたセラミック原料粉末を100質量%として、エタノールを200〜300質量%、ブタノールを50〜100質量%添加した。また、可塑剤を添加した。本実施例では可塑剤としてフタル酸ジオクチルを混合物100質量%に対して5〜15質量%添加した。また、バインダーを添加した。本実施例ではバインダーとしてポリビニルブチラールを混合物100質量%に対して5〜15質量%添加した。こうして得られたスラリーをシート状に成形した。
Next, this ceramic raw material powder was used as a sheet-like molded body.
First, in order to make the mixture into a slurry, the obtained ceramic raw material powder was taken as 100% by mass, and 200 to 300% by mass of ethanol and 50 to 100% by mass of butanol were added. A plasticizer was also added. In this example, 5 to 15% by mass of dioctyl phthalate was added as a plasticizer to 100% by mass of the mixture. A binder was also added. In this example, 5 to 15% by mass of polyvinyl butyral was added as a binder to 100% by mass of the mixture. The slurry thus obtained was formed into a sheet.

次に、この成形体に卑金属電極ペーストを塗布した。卑金属成分の原料は、平均粒径が0.6μmの球形状の市販のNi粒子ペーストを用いた。Niペーストにはセラミックスとの収縮率を調整するため上記したセラミックス組成の粉体を30mass%混合した。スクリーン印刷によりシート状の成形体の片面に電極ペーストを塗布した後、乾燥した。   Next, a base metal electrode paste was applied to the molded body. As a raw material for the base metal component, a spherical commercial Ni particle paste having an average particle diameter of 0.6 μm was used. The Ni paste was mixed with 30 mass% of the above ceramic composition powder in order to adjust the shrinkage ratio with the ceramic. The electrode paste was applied to one side of the sheet-like molded body by screen printing and then dried.

電極ペーストを塗布したシート状の成形体を10層分重ねて成形体と電極ペーストが交互に成形された積層体とした。この積層体を冷間等方圧加圧法(CIP)により高密度化し、その後、脱バインダー処理を行った。   A sheet-like formed body coated with the electrode paste was stacked for 10 layers to obtain a laminated body in which the formed body and the electrode paste were alternately formed. The laminate was densified by cold isostatic pressing (CIP), and then a binder removal treatment was performed.

次に、これらの積層体を条件を変えて焼成した。
酸素分圧と焼成温度を、表1に示す酸素分圧と焼成温度(No.1−1:1×10−10kPaで925℃,No.1−2:3×10−10kPaで950℃,No.1−3:2×10−9kPaで1000℃)として成形体と卑金属電極ペーストを同時に焼成した。焼成時間は4時間とした。
また比較例として、平均粒径が0.8μmのセラミック原料粉末を用いたものは、酸素分圧と焼成温度を7×10−11kPaで1180℃として焼成した。
得られた圧電体素子の製造条件(焼成雰囲気の酸素分圧、焼成温度、セラミック原料粉末の平均粒径、MnO添加量)と、圧電定数d33、平均の結晶粒径、結晶粒径の標準偏差を表1に記載する。
Next, these laminates were fired under different conditions.
The oxygen partial pressure and the firing temperature are shown in Table 1. The oxygen partial pressure and the firing temperature (No. 1-1: 1 × 10 −10 kPa at 925 ° C., No. 1-2: 3 × 10 −10 kPa at 950 ° C. No. 1-3: 2 × 10 −9 kPa and 1000 ° C.), the compact and the base metal electrode paste were fired simultaneously. The firing time was 4 hours.
As a comparative example, a ceramic raw material powder having an average particle diameter of 0.8 μm was fired at 1180 ° C. with an oxygen partial pressure and a firing temperature of 7 × 10 −11 kPa.
Manufacturing conditions of the obtained piezoelectric element (oxygen partial pressure in firing atmosphere, firing temperature, average grain size of ceramic raw material powder, MnO 2 addition amount), piezoelectric constant d33, average crystal grain size, standard of crystal grain size Deviations are listed in Table 1.

Figure 2015222780
Figure 2015222780

セラミック原料粉末として平均粒径が0.15μmのものを用いた実施例No.1−1〜1−3の試料は、再酸化処理を行わずとも圧電定数d33が200pC/N以上のものが得られた。また、セラミックスの平均の結晶粒径は1.5μm〜1.6μmと2.0μm以下であり、結晶粒径の標準偏差も1.0μm以下であった。
比較例のNo.1−4は分極処理ができないために圧電定数は実質的にゼロであった。
Example No. using a ceramic raw material powder having an average particle size of 0.15 μm. Samples 1-1 to 1-3 were obtained with a piezoelectric constant d33 of 200 pC / N or higher without re-oxidation treatment. The average crystal grain size of the ceramics was 1.5 μm to 1.6 μm, which was 2.0 μm or less, and the standard deviation of the crystal grain size was 1.0 μm or less.
Comparative Example No. Since 1-4 could not be polarized, the piezoelectric constant was substantially zero.

図1の(a)は、実施例のNo.1−2のセラミックスのSEM観察写真、(b)は結晶粒の粒界を記載した図である。結晶粒径が細かく、かつ、ほぼ均一であることがわかる。このセラミックスは、図2に示すように、結晶粒径の標準偏差は0.7μmと非常に小さかった。また、平均の結晶粒径は1.5μmであった。
一方、図3の(a)は、比較例のNo.1−4のセラミックスのSEM観察写真、(b)は結晶粒の粒界を記載した図である。このセラミックスは、図4に示すように、結晶粒径の標準偏差は1.2μmと大きかった。また、平均の結晶粒径は2.1μmであった。

(A) of FIG. SEM observation photograph of 1-2 ceramics, (b) is a diagram describing the grain boundaries of the crystal grains. It can be seen that the crystal grain size is fine and almost uniform. As shown in FIG. 2, this ceramic had a very small standard deviation of the crystal grain size of 0.7 μm. The average crystal grain size was 1.5 μm.
On the other hand, FIG. The SEM observation photograph of 1-4 ceramics, (b) is the figure which described the grain boundary of a crystal grain. As shown in FIG. 4, this ceramic had a large standard deviation of the crystal grain size of 1.2 μm. The average crystal grain size was 2.1 μm.

Claims (4)

圧電セラミックスの製造方法であって、 一般式:(1−s)A1B1O−sBaMO(但し、A1はアルカリ金属から選択される少なくとも一種の元素であり、B1は遷移金属元素の少なくとも一種の元素であってNbを含み、Mは4A族の少なくとも一種の元素であってZrを含み、0.05<s≦0.15)で表される組成を有し、平均粒径が0.05μm以上0.3μm以下のセラミック原料粉末を用意する工程と、 前記セラミック原料粉末を成形体とする工程と、 酸素分圧が1×10−12kPa以上1×10−4kPa以下の雰囲気下で、900℃以上1300℃以下で前記成形体を還元焼成する工程と、を有することを特徴とする圧電セラミックスの製造方法。 A method of manufacturing a piezoelectric ceramic, the general formula: (1-s) A1B1O 3 -sBaMO 3 ( where, A1 is at least one element selected from alkali metals, B1 is at least one element of the transition metal element Nb is included, M is at least one element of Group 4A, includes Zr, has a composition represented by 0.05 <s ≦ 0.15), and has an average particle size of 0.05 μm or more A step of preparing a ceramic raw material powder of 0.3 μm or less, a step of using the ceramic raw material powder as a molded body, an oxygen partial pressure of 1 × 10 −12 kPa to 1 × 10 −4 kPa in an atmosphere of 900 And a step of reducing and firing the molded body at a temperature of not lower than 1 ° C and not higher than 1300 ° C. 前記焼成は、酸素分圧が8×10−11kPa以上1×10−6kPa以下、900℃以上1150℃以下で行うことを特徴とする請求項1に記載の圧電セラミックスの製造方法。 2. The method for producing a piezoelectric ceramic according to claim 1, wherein the firing is performed at an oxygen partial pressure of 8 × 10 −11 kPa to 1 × 10 −6 kPa and 900 ° C. to 1150 ° C. 3. セラミックスの組成が、一般式:(1−s)A1B1O−sBaMO(但し、A1はアルカリ金属から選択される少なくとも一種の元素であり、B1は遷移金属元素の少なくとも一種の元素であってNbを含み、Mは4A族の少なくとも一種の元素であってZrを含み、0.05<s≦0.15)で表され、 平均の結晶粒径が2.0μm以下、結晶粒径の標準偏差が1.0μm以下であり、 圧電定数d33が200pC/N以上であることを特徴とする圧電セラミックス。 The composition of the ceramic, the general formula: (1-s) A1B1O 3 -sBaMO 3 ( where, A1 is at least one element selected from alkali metals, B1 is an element of at least one transition metal element Nb M is at least one element of Group 4A and includes Zr, and is expressed by 0.05 <s ≦ 0.15), the average crystal grain size is 2.0 μm or less, and the standard deviation of crystal grain size Is a piezoelectric ceramic, characterized by having a piezoelectric constant d33 of 200 pC / N or more. 請求項3に記載の圧電セラミックスに、卑金属電極を形成したことを特徴とする圧電体素子。 A piezoelectric element, wherein a base metal electrode is formed on the piezoelectric ceramic according to claim 3.
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