JP2015222781A - Crystal-oriented piezoelectric ceramic and method for manufacturing the same - Google Patents

Crystal-oriented piezoelectric ceramic and method for manufacturing the same Download PDF

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謙弥 田中
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide: a crystal-oriented piezoelectric ceramic arranged by use of a non-lead niobate alkali compound having a piezoelectric constant d33 comparable to that of a lead-containing material; and a method for manufacturing such a crystal-oriented piezoelectric ceramic.SOLUTION: A method for manufacturing a crystal-oriented piezoelectric ceramic comprises the steps of: preparing molding powder of a composition satisfying the general formula 1, i.e. (1-s)A1B1O-sM1M2O(where A1 represents an alkali metal, B1 represents at least one element of transition metal elements and includes Nb, M1 represents a divalent element, M2 represents a quadrivalent element, 1.02<α1≤1.10, and 0.05<s≤0.15); obtaining an oriented mold; and sintering the oriented mold under an atmosphere of which the oxygen partial pressure is 1×10kPa or less. In the sintering step, the alkali metal A1 is volatilized, and a sintered mold of a composition expressed by the general formula 2:(1-s)A1B1O-sM1M2O(where 0.94≤α2<1, and α2≤α1-0.045) is obtained.

Description

本発明は、非鉛の結晶配向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 a lead-free crystal-oriented piezoelectric ceramic and a manufacturing method thereof.

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。   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.

非鉛の圧電セラミックスは、例えば図9に示すような積層型圧電素子に使用される。積層型圧電素子は、非鉛の圧電セラミックスからなるセラミックス層11と、電極層12を交互に積層させた構造を有する。   Lead-free piezoelectric ceramics are used for laminated piezoelectric elements as shown in FIG. 9, for example. The laminated piezoelectric element has a structure in which ceramic layers 11 made of lead-free piezoelectric ceramics and electrode layers 12 are alternately laminated.

例えば特許文献1は、非鉛のニオブ酸アルカリ化合物を含有した積層型圧電素子について記載されている。また、電極の材質により酸素分圧を調整すべき点が開示されている(段落番号(0013)、(0014)、(0096)参照)。   For example, Patent Document 1 describes a multilayer piezoelectric element containing a lead-free alkali niobate compound. Moreover, the point which should adjust oxygen partial pressure with the material of an electrode is disclosed (refer paragraph number (0013), (0014), (0096)).

また、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。
比較的高い圧電定数d33を有する多結晶のセラミックスとして、単に材料を成形・焼成した従来の配向させない圧電セラミックスに対して、結晶方位の揃った粉末(以下、配向性粉末という)を材料に混合してから成形・焼成することで結晶を配向させた圧電セラミックス(以下、結晶配向圧電セラミックスという)が注目されている。
例えば特許文献2には、一般式:ABOで表されるペロブスカイト型化合物であって、Aサイト元素の主成分がK及び/又はNaであり、Bサイト元素の主成分がNb、Sb及び/又はTaである第1のペロブスカイト型5価金属酸アルカリ化合物を主相とする多結晶体からなり、かつ、該多結晶体を構成する各結晶粒の特定の結晶面が配向した結晶配向圧電セラミックスが記載されている。
また、特許文献2の実施例には、まず板状、柱状、鱗片状等の配向性粉末を製造することが記載されている。さらに、この配向性粉末と他の原料を混合し、配向性粉末を配向するように成形し、焼成して配向性粉末の結晶方位に沿って他の原料を成長させて結晶配向圧電セラミックスを得ることが記載されている。
In addition, as a performance index of piezoelectric ceramics, the piezoelectric constant d33 (mechanical displacement ratio per electric field in 33 directions) is often used.
As a polycrystalline ceramic having a relatively high piezoelectric constant d33, a powder having a uniform crystal orientation (hereinafter referred to as an orientation powder) is mixed with a material compared to a conventional non-oriented piezoelectric ceramic that is simply formed and fired. Attention has been paid to piezoelectric ceramics in which crystals are oriented by molding and firing (hereinafter referred to as crystal oriented piezoelectric ceramics).
For example, Patent Document 2 discloses a perovskite type compound represented by the general formula: ABO 3 , wherein the main component of the A site element is K and / or Na, and the main component of the B site element is Nb, Sb, and / or Or a crystal-oriented piezoelectric ceramic comprising a polycrystal having a main phase of the first perovskite-type pentavalent metal acid alkali compound of Ta, and having a specific crystal plane of each crystal grain constituting the polycrystal Is described.
Moreover, in the Example of patent document 2, it describes that manufacturing oriented powder, such as plate shape, column shape, and scale shape, first. Further, this oriented powder and other raw materials are mixed, shaped to orient the oriented powder, and fired to grow other raw materials along the crystal orientation of the oriented powder to obtain crystal oriented piezoelectric ceramics. It is described.

また圧電セラミックスにおいては、一般式:ABOで表されるニオブ酸アルカリ化合物において、AサイトとBサイトの比を1:1から意図的に変え、Aサイトリッチな組成にすることやBサイトリッチにすることで特性を向上させることが検討されている。
例えば特許文献3には、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。)で表される圧電セラミックスが記載され(請求項1)、この一般式のAサイトとBサイトの比であるmを0.9≦m≦0.99とすべきことが記載されている(請求項2)。
また特許文献3は、前記主成分100モルに対し、Mn、Ni、Fe、Zn、Cu及びMgの中から選択された少なくとも1種以上の金属元素を総計で0.1〜10モル含有できることが記載されている(請求項5)。
In piezoelectric ceramics, in the alkali niobate compound represented by the general formula: ABO 3 , the ratio of the A site and the B site is intentionally changed from 1: 1 to have an A site rich composition or B site rich. It has been studied to improve the characteristics.
For example, Patent Document 3, 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 is Ca And at least one metal element selected from Sr and Ba, and M2 represents at least one metal element selected from Ti, Zr and Sn.) (Claim 1), it is described that m, which is the ratio of the A site to the B site in this general formula, should be 0.9 ≦ m ≦ 0.99 (Claim 2).
Patent Document 3 can contain a total of 0.1 to 10 mol of at least one metal element selected from Mn, Ni, Fe, Zn, Cu and Mg with respect to 100 mol of the main component. (Claim 5).

特開2006−108652号公報JP 2006-108652 A 特開2003−12373号公報JP 2003-12373 A 国際公開第2006/117990号公報International Publication No. 2006/117990

しかしながら、これらの特許文献で記載される非鉛のニオブ酸アルカリ化合物を用いた結晶配向圧電セラミックスは、その圧電定数d33がまだ低く、鉛含有の材料と同等の特性を持つには至っていない。   However, the crystal-oriented piezoelectric ceramics using the non-lead alkaline niobate compounds described in these patent documents still have a low piezoelectric constant d33, and have not reached the same characteristics as lead-containing materials.

そこで、本発明は上記課題を解決し、鉛含有の材料と同等の圧電定数d33を持つ非鉛のニオブ酸アルカリ化合物を用いた結晶配向圧電セラミックス及びその製造方法を提供することを目的とする。   SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to solve the above problems and to provide a crystal-oriented piezoelectric ceramic using a lead-free alkaline niobate compound having a piezoelectric constant d33 equivalent to that of a lead-containing material and a method for manufacturing the same.

本発明の結晶配向圧電セラミックスの製造方法は、(1):A1及びB1(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)を含む、ペロブスカイト型化合物構造を有し、内部の結晶方位が揃った配向性粉末を用意する工程と、(2):前記配向性粉末に添加原料材を混合し、一般式1:(1−s)A1α1B1O−sM1M2O(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、M1は2価の元素、M2は4価の元素であり、1.02<α1≦1.10、0.05<s≦0.15)を満たす組成の成形粉に調整する工程と、(3):前記成形粉を、成形粉内に含まれる各配向性粉末の結晶方位が揃うように成形して配向性成形体を得る工程と、(4):前記配向性成形体を、酸素分圧が1×10−4kPa以下の雰囲気下で焼成する工程を有し、 かつ、前記(4)の工程においてA1を揮発させ、一般式2:(1−s)A1α2B1O−sM1M2O(但し、0.94≦α2<1で、かつα2≦α1―0.045)で表される組成の焼成体を得る結晶配向圧電セラミックスの製造方法である。また、前記(4)の焼成工程の後、(5):酸素分圧が1×10−4kPa超の雰囲気下において再酸化する工程を有し、 前記(4)及び(5)の工程においてA1を揮発させ、一般式2:(1−s)A1α2B1O−sM1M2O(但し、0.94≦α2<1で、かつα2≦α1―0.045)で表される組成の焼成体を得る結晶配向圧電セラミックスの製造方法とすることもできる。 また、前記A1はK1−x−yNaLi(0<x<1、0<y<1)で表され、 前記B1はNb1−z(但し、QはNb以外の遷移金属元素の少なくとも一種であり、0≦z≦0.3)で表され、 前記M1はBaであり、 前記M2は4A族の少なくとも一種の元素であってZrを含むものが好ましい。 また、前記(2)の成形粉を調整する工程において、前記一般式1を100molとしたとき、Mn、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Hf、Ta及びWの中から選択された少なくとも1種以上の金属元素が総計で0.1〜5mol含有する組成に調整することが好ましい。 また、本発明により得られる結晶配向圧電セラミックスは、一般式2:(1−s)A1α2B1O−sM1M2O(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、M1は2価の元素、M2は4価の元素であり、0.94≦α2<1、0.05<s≦0.15)で表され、 圧電定数d33が400pC/N以上である。 前記A1はK1−x−yNaLi(0<x<1、0<y<1)で表され、 前記B1はNb1−z(但し、QはNb以外の遷移金属元素の少なくとも一種であり、0≦z≦0.3)で表され、 前記M1はBaであり、 前記M2は4A族の少なくとも一種の元素であってZrを含むものが好ましい。 また、前記一般式2を100molとしたとき、Mn、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Hf、Ta及びWの中から選択された少なくとも1種以上の金属元素が総計で0.1〜5mol含有されている組成であることが好ましい。 The method for producing a crystal-oriented piezoelectric ceramic according to the present invention comprises: (1): A1 and B1 (where A1 is at least one element selected from alkali metals, and B1 is at least one element of a transition metal element; A step of preparing an oriented powder having a perovskite-type compound structure and containing an internal crystal orientation, and (2): adding an additive raw material to the oriented powder; : (1-s) A1 α1 B1O 3 -sM1M2O 3 (where A1 is at least one element selected from alkali metals, B1 is at least one element of transition metal elements and contains Nb, and M1 is A divalent element, M2 is a tetravalent element, and a step of adjusting to a molding powder having a composition satisfying 1.02 <α1 ≦ 1.10, 0.05 <s ≦ 0.15); (3): The molding powder is contained in the molding powder. And obtaining the orientation of the molded body by molding so that the crystal orientation of the orientation powders are aligned to, (4): the orientation moldings, oxygen partial pressure under the following atmosphere 1 × 10 -4 kPa A step of firing, and A1 is volatilized in the step (4), and the general formula 2: (1-s) A1 α2 B1O 3 -sM1M2O 3 (provided that 0.94 ≦ α2 <1 and This is a method for producing a crystal-oriented piezoelectric ceramic that obtains a fired body having a composition represented by α2 ≦ α1-0.045). In addition, after the firing step (4), (5): a step of reoxidation in an atmosphere having an oxygen partial pressure exceeding 1 × 10 −4 kPa, and in the steps (4) and (5) A1 is volatilized, and a fired body having a composition represented by the general formula 2: (1-s) A1 α2 B1O 3 —sM1M2O 3 (where 0.94 ≦ α2 <1 and α2 ≦ α1-0.045) It can also be set as the manufacturing method of the crystal orientation piezoelectric ceramic which obtains. Furthermore, the A1 is represented by K 1-x-y Na x Li y (0 <x <1,0 <y <1), wherein B1 is Nb 1-z Q z (where, Q is a transition other than Nb It is at least one of metal elements, represented by 0 ≦ z ≦ 0.3), wherein M1 is Ba, and M2 is at least one element of Group 4A and preferably contains Zr. Further, in the step of adjusting the molding powder of (2), when the general formula 1 is 100 mol, it is selected from Mn, V, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Hf, Ta and W It is preferable to adjust to a composition containing 0.1 to 5 mol in total of at least one or more metal elements. The crystal-oriented piezoelectric ceramic obtained by the present invention has a general formula 2: (1-s) A1 α2 B1O 3 —sM1M2O 3 (where A1 is at least one element selected from alkali metals, and B1 is a transition) It is at least one element of metal elements and includes Nb, M1 is a divalent element, M2 is a tetravalent element, and is expressed by 0.94 ≦ α2 <1, 0.05 <s ≦ 0.15). And the piezoelectric constant d33 is 400 pC / N or more. The A1 is represented by K 1-xy Na x Li y (0 <x <1, 0 <y <1), and the B1 is Nb 1-z Q z (where Q is a transition metal element other than Nb) And is represented by 0 ≦ z ≦ 0.3), wherein M1 is Ba, and M2 is at least one element of Group 4A and preferably contains Zr. When the general formula 2 is 100 mol, at least one metal element selected from Mn, V, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Hf, Ta, and W is 0 in total. It is preferable that the composition is contained in an amount of 1 to 5 mol.

本発明によれば、非鉛のニオブ酸アルカリ化合物を用いた結晶配向圧電セラミックスでありながら、400pC/N以上と鉛含有の材料と同等の圧電定数d33を持つ結晶配向圧電セラミックス及びその製造方法を提供できる。
また、この結晶配向圧電セラミックスに電極を形成し積層することで、大きな変位を持つ積層型圧電素子を得ることができる。
According to the present invention, there is provided a crystal-oriented piezoelectric ceramic having a piezoelectric constant d33 equal to or higher than 400 pC / N and a lead-containing material while being a crystal-oriented piezoelectric ceramic using a lead-free alkali niobate compound and a method for manufacturing the same. Can be provided.
In addition, a laminated piezoelectric element having a large displacement can be obtained by forming and laminating electrodes on this crystal-oriented piezoelectric ceramic.

本発明の製造方法の工程(配向性粉末の作製まで)の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the process (until preparation of orientational powder) of the manufacturing method of this invention. 本発明の製造方法に用いる第1結晶粉末のSEM観察写真(500倍)である。It is a SEM observation photograph (500 times) of the 1st crystal powder used for the manufacturing method of the present invention. 本発明の製造方法に用いる第1結晶粉末のX線回折結果を示す図である。It is a figure which shows the X-ray-diffraction result of the 1st crystal powder used for the manufacturing method of this invention. 本発明の製造方法に用いる第1結晶粉末の組成の詳細を示す図である。It is a figure which shows the detail of a composition of the 1st crystal powder used for the manufacturing method of this invention. 配向性粉末のSEM観察写真(1000倍)を示す図である。It is a figure which shows the SEM observation photograph (1000 time) of orientation powder. 本発明の製造方法の工程(図1の工程以降)の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the process (after the process of FIG. 1) of the manufacturing method of this invention. 本発明の製造方法に用いる第1結晶粉末の層状構造の模式図である。It is a schematic diagram of the layered structure of the 1st crystal powder used for the manufacturing method of this invention. 本発明の製造方法に用いる、配向性粉末が配向したシート状の成形体を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the sheet-like molded object which the orientation powder used for the manufacturing method of this invention orientated. 積層型の圧電体素子の概略図である。1 is a schematic view of a laminated piezoelectric element.

本発明者等は、A1B1O型の結晶配向圧電セラミックスとして圧電定数d33を高めるために検討した結果、以下の点を知見した。 成形粉の段階においてはB1サイトに対するA1サイトの比α1を意図的に1より大きくし、その後、焼成、若しくは焼成と再酸化の際に、A1の元素を揮発させることで、焼成後の組成においてはB1サイトに対するA1サイトの比α2を1よりも小さい0.94≦α2<1とし、かつ、成形粉の比α1と焼成後の比α2の差(α1−α2:以下、Δαという)が0.045以上にすることが有効であることを知見し、本発明に到った。 The present inventors have studied the following to increase the piezoelectric constant d33 as an A1B1O 3 type crystal-oriented piezoelectric ceramic, and as a result, have found the following points. In the molding powder stage, the ratio α1 of the A1 site to the B1 site is intentionally larger than 1, and then the element of A1 is volatilized at the time of firing or firing and reoxidation. The ratio α2 of the A1 site to the B1 site is 0.94 ≦ α2 <1, which is smaller than 1, and the difference between the ratio α1 of the molding powder and the ratio α2 after firing (α1-α2: hereinafter referred to as Δα) is 0. 0.04 or more was found to be effective, and the present invention was reached.

本発明の製造方法で得られた結晶配向圧電セラミックスは、圧電定数d33が400pC/N以上と、格段に優れた圧電特性を有する。 焼成体のα2が0.94≦α2<1の本発明と同じ範囲にあったとしても、Δαが0.45未満で製造されたもの、つまりA1の揮発が少ないまま製造された本発明以外の結晶配向圧電セラミックスは、本発明のような高い圧電定数d33が得られない。 この理由は、推定であるが、焼成の際にA1が多量に揮発することで通常の焼成よりも密度が向上し、かつ、配向性が高まりやすい0.94≦α2<1の組成を最終組成としているためと思われる。 なお、後述のさらに好ましいα1、α2、Δαとすることで圧電定数d33を450pC/N以上とすることができる。 The crystal-oriented piezoelectric ceramic obtained by the production method of the present invention has a piezoelectric property that is remarkably excellent, with a piezoelectric constant d33 of 400 pC / N or more. Even if α2 of the fired body is in the same range as the present invention of 0.94 ≦ α2 <1, those produced with Δα of less than 0.45, that is, other than the present invention produced with less A1 volatilization The crystal-oriented piezoelectric ceramic cannot obtain the high piezoelectric constant d33 as in the present invention. The reason for this is presumed that the final composition has a composition of 0.94 ≦ α2 <1 in which a large amount of A1 is volatilized at the time of firing, whereby the density is improved as compared with normal firing and the orientation is likely to increase. It seems to be because. In addition, the piezoelectric constant d33 can be set to 450 pC / N or more by further preferable α1, α2, and Δα described later.

つまり本発明の製造方法は、(1):A1及びB1(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)を含む、ペロブスカイト型化合物構造を有し、内部の結晶方位が揃った配向性粉末を用意する工程と、(2):前記配向性粉末に添加原料材を混合し、一般式1:(1−s)A1α1B1O−sM1M2O(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、M1は2価の元素、M2は4価の元素であり、1.02<α1≦1.10、0.05<s≦0.15)を満たす組成の成形粉に調整する工程と、(3):前記成形粉を、成形粉内に含まれる各配向性粉末の結晶方位が揃うように成形して配向性成形体を得る工程と、(4):前記配向性成形体を、酸素分圧が1×10−4kPa以下の雰囲気下で焼成する工程を有し、 かつ、前記(4)の工程においてA1を揮発させ、一般式2:(1−s)A1α2B1O−sM1M2O(但し、0.94≦α2<1で、かつα2≦α1―0.045)で表される組成の焼成体を得るものである。 以下に、本発明の製造方法を製造工程(1)〜(4)ごとに説明する。 In other words, the production method of the present invention comprises (1): A1 and B1 (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) And a step of preparing an oriented powder having a perovskite type compound structure and having the same internal crystal orientation, and (2): adding an additive raw material to the oriented powder, s) A1 α1 B1O 3 -sM1M2O 3 (where A1 is at least one element selected from alkali metals, B1 is at least one element of a transition metal element and contains Nb, and M1 is a divalent element) , M2 is a tetravalent element, and a step of adjusting the molding powder to a composition satisfying 1.02 <α1 ≦ 1.10, 0.05 <s ≦ 0.15), (3): Of each orientation powder contained in the molding powder Have the orientation-molded body, the oxygen partial pressure is calcined under less atmosphere 1 × 10 -4 kPa Step: a step of obtaining a molded to oriented moldings as crystal orientation aligned, (4) In the step (4), A1 is volatilized and general formula 2: (1-s) A1 α2 B1O 3 -sM1M2O 3 (provided that 0.94 ≦ α2 <1 and α2 ≦ α1-0. 045) is obtained. Below, the manufacturing method of this invention is demonstrated for every manufacturing process (1)-(4).

以下、本発明の製造方法の第(1)の工程を説明する。 第(1)の工程は、A1及びB1(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)を含む、ペロブスカイト型化合物構造を有し、内部の結晶方位が揃った配向性粉末を用意する工程である。 但し、以下に示すのは、あくまでも一例であって、この方法に制限されるものではない。   Hereinafter, the first step (1) of the production method of the present invention will be described. The first step (1) includes A1 and B1 (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). This is a step of preparing an orientation powder having a type compound structure and having the same internal crystal orientation. However, the following is merely an example, and the present invention is not limited to this method.

先ずは、図1(S1)〜(S5)の工程により、図7に模式図を示すような、(Bi2+層2と擬ペロブスカイト層1が交互に積み重なった結晶構造を持つ第1結晶粉末を製造し、その後、(S6)〜(S10)の工程によりこの第1結晶粉末を上記の配向性粉末に変換する。第1結晶粉末は異方形状(本説明では板状)であり、その後の(S6)〜(S10)の工程においても同様の形状を保ったまま組成を変えられるので、配向性粉末の雛形として使用できる。詳細は後述する。 First, by the steps of FIGS. 1 (S1) to (S5), as shown in the schematic diagram of FIG. 7, a (Bi 2 O 2 ) 2+ layer 2 and a pseudo-perovskite layer 1 are alternately stacked. 1 crystal powder is manufactured, and this 1st crystal powder is converted into said orientation powder by the process of (S6)-(S10) after that. The first crystal powder has an anisotropic shape (plate shape in this description), and the composition can be changed while maintaining the same shape in the subsequent steps (S6) to (S10). Can be used. Details will be described later.

第1結晶粉末は、一般式:(Bi2+(Bi0.5A3m−1.5Nb3m+12−(但し、A3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、mは2以上の整数)で表されるものを用いることができる。この一般式において、左側が(Bi2+層を示しており、右側が擬ペロブスカイト層の組成を示している。
他にも、擬ペロブスカイト層がBiを含まない第1結晶粉末として、一般式:(Bi2+(A3m−1B23m+12−(但し、A3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、B2は4,5,6価の元素から選択される少なくとも一つの元素であり、mは2以上の整数)で表されるものを用いることもできる。A3はLi、K、又はNaから選択される少なくとも一つの元素であることが好ましい。B2はNb、Taの少なくとも一つの元素であることが好ましい。
The first crystal powder has a general formula: (Bi 2 O 2 ) 2+ (Bi 0.5 A3 m-1.5 Nb m O 3m + 1 ) 2− (where A3 is at least one element selected from alkali metals) And m is an integer of 2 or more). In this general formula, the left side shows the (Bi 2 O 2 ) 2+ layer, and the right side shows the composition of the pseudo-perovskite layer.
In addition, as the first crystal powder in which the pseudo-perovskite layer does not contain Bi, the general formula: (Bi 2 O 2 ) 2+ (A3 m−1 B2 m O 3m + 1 ) 2− (where A3 is selected from alkali metals) And at least one element selected from the group consisting of 4, 5 and 6 valent elements, and m is an integer of 2 or more. A3 is preferably at least one element selected from Li, K, or Na. B2 is preferably at least one element of Nb and Ta.

先ず原料を準備し(S1)、混合し(S2)、混合した原料を乾燥後、NaCl等の第1フラックスを添加(S3)する。第1フラックスとして、例えばNaCl,KCl等のアルカリ金属の塩化物やフッ化物、硝酸塩、硫酸塩等を用いることができる。   First, raw materials are prepared (S1), mixed (S2), the mixed raw materials are dried, and a first flux such as NaCl is added (S3). As the first flux, for example, an alkali metal chloride or fluoride such as NaCl or KCl, nitrate, sulfate, or the like can be used.

その後、第1フラックスを添加した原料を大気中で700℃以上1300℃以下で加熱する(S4。以下、この工程を第1加熱という)。第1加熱により、結晶を成長させて、第1結晶粉末とフラックスからなる反応物(以下、第1の中間焼成体という)を得ることができる。第1加熱は、多段熱処理を適用することもできる。第1結晶粉末とフラックスを十分に反応させるためには加熱時間を1分以上とすることが好ましい。長時間の加熱は処理時間が長くなるとともに、得られる板状粉末形状のアスペクト比が小さくなる傾向にあり、10時間以下とすることが好ましい。第1の中間焼成体はその周りにフラックスが充填されており、塊状になる。   Thereafter, the raw material to which the first flux is added is heated in the atmosphere at 700 ° C. or higher and 1300 ° C. or lower (S4. This step is hereinafter referred to as first heating). By the first heating, a crystal can be grown to obtain a reaction product (hereinafter referred to as a first intermediate fired body) composed of the first crystal powder and a flux. Multi-stage heat treatment can also be applied to the first heating. In order to sufficiently react the first crystal powder and the flux, the heating time is preferably set to 1 minute or longer. Long-time heating tends to increase the treatment time and reduce the aspect ratio of the obtained plate-like powder shape, and is preferably 10 hours or less. The first intermediate fired body is filled with a flux and becomes a lump.

その後、第1の中間焼成体から第1フラックスを除去する(S5)。この工程は、反応物を温水中に浸漬して第1フラックスを溶融する手段が採用できる。
これにより第1結晶粉末のみを取り出すことができる。
Thereafter, the first flux is removed from the first intermediate fired body (S5). In this step, means for immersing the reaction product in warm water and melting the first flux can be employed.
Thereby, only the first crystal powder can be taken out.

第1結晶粉末と、配向性粉末を生成するためのNaCO等の第1添加材と、第1結晶粉末と第1添加材が反応可能な温度で溶融するNaCl等のフラックス(第2フラックス)とを混合する(S6、S7)。
第1添加材として、上述したA1B1Oで示される結晶配向セラミックスのA1の化合物、例えばA1の酸化物や炭酸塩等の材料を用いることができる。第1添加材の添加量は、第1結晶粉末に対してA1とB1のモル比がBi成分の低減(s10)後に1:1になるように仕込み量を調整することが好ましい。
第1添加材を混合するには、例えば、有機溶媒中に原料を添加してボールミル等で混合する手段を用いることができる。
The first crystal powder, the first additive such as Na 2 CO 3 for generating the orientation powder, and the flux such as NaCl that melts at a temperature at which the first crystal powder and the first additive can react (second Flux) is mixed (S6, S7).
As the first additive, the above-described A1 compound of the crystal-oriented ceramic represented by A1B1O 3 , for example, an A1 oxide or carbonate material can be used. The amount of the first additive added is preferably adjusted so that the molar ratio of A1 and B1 to the first crystal powder becomes 1: 1 after the Bi component is reduced (s10).
In order to mix the first additive, for example, a means of adding a raw material in an organic solvent and mixing with a ball mill or the like can be used.

第2フラックスは溶液中で第1結晶粉末と第1添加材が反応して結晶成長を促進させるために用いる。そのため、第1結晶粉末や第1添加材よりも融点が低温で先に溶融するものを用いることが好ましい。また、反応により所望の配向性粉末の組成以外の元素が含まれない組成であることが好ましい。例えばNaCl、KCl等のアルカリ金属の塩化物を用いることができる。
この第2フラックスは水や溶媒に溶解しやすいため、有機溶媒等を乾燥した後に第2フラックスを添加して混合することが好ましい。第2フラックスの添加量は第1結晶粉末に対して10mass%以上であることが好ましく、30mass%以上であることがより好ましい。
The second flux is used to promote crystal growth by reacting the first crystal powder and the first additive in the solution. Therefore, it is preferable to use a material that has a melting point that is lower than that of the first crystal powder or the first additive. Moreover, it is preferable that it is a composition which does not contain elements other than the composition of desired orientation powder by reaction. For example, alkali metal chlorides such as NaCl and KCl can be used.
Since the second flux is easily dissolved in water or a solvent, it is preferable to add and mix the second flux after drying the organic solvent or the like. The amount of the second flux added is preferably 10 mass% or more, more preferably 30 mass% or more with respect to the first crystal powder.

その後、混合した材料を第1結晶粉末と第1添加材が反応可能な温度で加熱する(S8。以下、この工程を第2加熱という)。第2加熱により板状の粉末とフラックスからなる反応物(以下、第2の中間焼成体という)が得られる。
第2加熱は600℃以上1300℃以下で行うことが好ましい。第2加熱が600℃未満では、第1結晶粉末から配向性粉末への組成変換が起こり難く、1300℃超であると、第1結晶粉末が溶解し、一体的に焼成されてしまい、粉末状にすることが難しくなる。
第2加熱は、上記の温度で0.5時間以上保持することが好ましい。0.5時間未満では第1結晶粉末から配向性粉末への組成変換が起こり難い。加熱時間は3時間以上とすることがさらに好ましい。また、加熱時間が24時間を超えると製造時間が長くなり生産性が低下するので24時間以下とすることが好ましく、20時間以下とすることがさらに好ましい。
Thereafter, the mixed material is heated at a temperature at which the first crystal powder and the first additive can react (S8, hereinafter, this step is referred to as second heating). By the second heating, a reaction product composed of a plate-like powder and a flux (hereinafter referred to as a second intermediate fired body) is obtained.
It is preferable to perform 2nd heating at 600 to 1300 degreeC. When the second heating is less than 600 ° C., composition conversion from the first crystal powder to the oriented powder is difficult to occur, and when it exceeds 1300 ° C., the first crystal powder is dissolved and integrally fired, so that the powder form It becomes difficult to make.
It is preferable to hold | maintain 2nd heating at said temperature for 0.5 hour or more. If the time is less than 0.5 hours, composition conversion from the first crystal powder to the oriented powder hardly occurs. The heating time is more preferably 3 hours or more. Further, if the heating time exceeds 24 hours, the production time becomes long and the productivity is lowered. Therefore, the heating time is preferably 24 hours or less, and more preferably 20 hours or less.

次に、第2の中間焼成体から第2フラックスを除去する(S9)。第2の中間焼成体から第2フラックスを除去するには、第2の中間焼成体を温水中に浸漬して攪拌し、溶融した第2フラックスをろ過する手段が採用できる。これにより第2フラックスを除去することができる。   Next, the second flux is removed from the second intermediate fired body (S9). In order to remove the second flux from the second intermediate fired body, a means for immersing the second intermediate fired body in warm water and stirring and filtering the melted second flux can be employed. Thereby, the second flux can be removed.

次に、第2フラックスを除去した後に残る板状の粉末に残存するBi成分を低減する(S10)。水と硝酸等の酸を混合した酸洗い液にこの粉末を入れて酸洗いし、Bi成分を液中に溶解させる。Bi成分が除去された粉末は本発明に用いる配向性粉末となり、酸洗い液中に沈殿する。上澄みの酸洗い液を除去し、残留物を乾燥することで配向性粉末が抽出できる。酸洗いは複数回繰り返すことができる。
上記の酸洗いの他にも、加熱による揮発によりBi成分を低減させる方法等も採用できる。
Next, the Bi component remaining in the plate-like powder remaining after removing the second flux is reduced (S10). This powder is put into a pickling solution in which water and an acid such as nitric acid are mixed and pickled, and the Bi component is dissolved in the solution. The powder from which the Bi component has been removed becomes the oriented powder used in the present invention and precipitates in the pickling solution. The orientation powder can be extracted by removing the pickling solution from the supernatant and drying the residue. Pickling can be repeated multiple times.
In addition to the above pickling, a method of reducing the Bi component by volatilization by heating can be employed.

この配向性粉末は第1結晶粉末の形状を雛形として板状が維持されているため、アスペクト比が*以上の配向性粉末を得ることができる。   Since this oriented powder maintains a plate shape with the shape of the first crystal powder as a template, an oriented powder having an aspect ratio of * or more can be obtained.

この配向性粉末は、一般式A1B1Oで表されるペロブスカイト型化合物とすることができる。この配向性粉末において、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る。Li、K及びNaからなる群から選択される少なくとも一つとすることが特に好ましい。また、B1は遷移金属元素の少なくとも一種の元素であってNbを含む元素である。 The orientation powder may be a perovskite-type compound represented by the general formula A1B1O 3. In this oriented powder, A1 is at least one element selected from alkali metals. Particularly preferred is at least one selected from the group consisting of Li, K and Na. B1 is an element containing at least one kind of transition metal element and containing Nb.

以下に第(2)の工程を説明する。 第(2)の工程は、配向性粉末に添加原料材を混合し、一般式1:(1−s)A1α1B1O−sM1M2O(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、M1は2価の元素、M2は4価の元素であり、1.02<α1≦1.10、0.05<s≦0.15)を満たす組成の成形粉に調整する工程である。 図6において(S11)がこの成形粉を用意する工程に該当する。 添加原料材は、A1、B1、M1、M2の酸化物や炭酸化物等の原料を混合して得られる。例えば、A1B1Oからなる配向性粉末をXmol添加する場合には、添加原料材は化学組成が一般式1:(1−s)A1α1−xB11−X−sM1M2Oとなるように混合される。 The step (2) will be described below. In the second step, the additive raw material is mixed with the oriented powder, and the general formula 1: (1-s) A1 α1 B1O 3 —sM1M2O 3 (where A1 is at least one element selected from alkali metals) B1 is at least one element of transition metal elements and contains Nb, M1 is a divalent element, M2 is a tetravalent element, and 1.02 <α1 ≦ 1.10, 0.05 < This is a step of adjusting to a molding powder having a composition satisfying s ≦ 0.15). In FIG. 6, (S11) corresponds to the step of preparing this molding powder. The additive raw material is obtained by mixing raw materials such as oxides, carbonates, and the like of A1, B1, M1, and M2. For example, the orientation of powder consisting A1B1O 3 When added Xmol is added feedstock chemical composition formula 1: (1-s) such that A1 α1-x B1 1-X O 3 -sM1M2O 3 Mixed.

配向性粉末は、上記一般式1を100molとして、0.1mol以上10mol以下の割合で添加することが好ましい。より好ましくは0.5mol以上8mol以下の割合であり、さらに好ましくは、1.0mol以上6mol以下である。これらの量を添加することで圧電定数d33を高めることができる。 The orientation powder is preferably added at a ratio of 0.1 mol or more and 10 mol or less, with the above general formula 1 as 100 mol. The ratio is more preferably 0.5 mol or more and 8 mol or less, and further preferably 1.0 mol or more and 6 mol or less. By adding these amounts, the piezoelectric constant d33 can be increased.

この配向性粉末と添加原料材を混合して、一般式1の組成とする。A1B1Oの結晶構造を持つアルカリ金属含有ニオブ酸化物は、非鉛で有りながら高い圧電定数を発現することが知られているが、さらにM1、M2からなるペロブスカイト型の結晶構造を分散させることによりさらに高い圧電定数が得られる。 The orientation powder and the additive raw material are mixed to obtain a composition of general formula 1. Alkali metal-containing niobium oxide having a crystal structure of A1B1O 3 Although it is known to express a high piezoelectric constant while there in a non-lead, by dispersing the further M1, perovskite type crystal structure consisting of M2 A higher piezoelectric constant can be obtained.

さらに、より高い圧電定数d33を得るために、B1サイトに対するA1サイトの比を示すα1は、1.02<α1≦1.10の範囲とする。1.02以下であると、焼成時にA1サイトの元素の適切な揮発量を得ることが出来ない。一方、α1が1.10を超えるとA1サイトの元素を多量に揮発させなければならず、焼成が安定しない。α1は1.030≦α1≦1.055の範囲がさらに好ましく、1.035≦α1≦1.045の範囲がさらに好ましい。 Furthermore, in order to obtain a higher piezoelectric constant d33, α1 indicating the ratio of the A1 site to the B1 site is set to a range of 1.02 <α1 ≦ 1.10. If it is 1.02 or less, an appropriate volatilization amount of the element at the A1 site cannot be obtained during firing. On the other hand, if α1 exceeds 1.10, a large amount of elements at the A1 site must be volatilized, and the firing is not stable. α1 is more preferably in the range of 1.030 ≦ α1 ≦ 1.055, and more preferably in the range of 1.035 ≦ α1 ≦ 1.045.

より具体的には、A1α1B1Oにおいて、A1はK1−x−yNaLi(0<x<1、0<y<1)で表され、B1はNb1−z(但し、QはNb以外の遷移金属元素の少なくとも一種であり、0≦z≦0.3)で表されるものが好ましい。
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を超えると焼成密度が低下しやすい。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。
More specifically, in A1 α1 B1O 3 , A1 is represented by K 1-xy Na x Li y (0 <x <1, 0 <y <1), and B1 is Nb 1-z Q z ( However, Q is at least one of transition metal elements other than Nb, and preferably represented by 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, if the Li content y exceeds 0.3, the firing density tends to decrease. 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.

M1は2価の少なくとも一種の元素であってBaを含むものが好ましい。M2は4価の少なくとも一種の元素であってZrを含むものが好ましい。これにより、圧電定数d33をさらに高めることができる。M2はZrを80mass%以上含む組成が特に好ましい。   M1 is at least one divalent element and preferably contains Ba. M2 is at least one tetravalent element and preferably contains Zr. Thereby, the piezoelectric constant d33 can be further increased. M2 is particularly preferably a composition containing Zr in an amount of 80 mass% or more.

A1α1B1O及びM1M2O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ように、各原料が混合される。
[一般式1:(1−s)A1α1B1O−sM1M2O(0.05<s≦0.15)]
M1M2O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及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、圧電定数d33が小さくなり本発明の結晶配向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。
Each raw material is mixed so that A1 α1 B1O 3 and M1M2O 3 are contained in the piezoelectric ceramic at a ratio represented by the following general formula 1.
[General Formula 1: (1-s) A1 α1 B1O 3 −sM1M2O 3 (0.05 <s ≦ 0.15)]
If the content ratio of M1M2O 3 is in a range of 0.05 <s ≦ 0.15, it is possible to obtain a piezoelectric ceramic having a high piezoelectric constant d33 and high Curie temperature. On the other hand, if s is 0.05 or less, or if s exceeds 0.15, the piezoelectric constant d33 becomes small, and it becomes difficult to obtain the crystal-oriented piezoelectric ceramic of the present invention. A preferable range of s is 0.065 ≦ s ≦ 0.10.

また、(2)の成形粉を調整する工程において、前記一般式1を100molとしたとき、Mn、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Hf、Ta及びWの中から選択された少なくとも1種以上の金属元素が総計で0.1〜5mol含有する組成に調整することが好ましい。これらの元素は焼結性を高める。また、本発明の製造方法においては、さらに圧電定数d33を高める効果を発揮する。 これらの元素の添加量は、一般式1の組成を100mol%として、0.1mol%以上5mol%以下となる量とすることが好ましい。0.1mol%未満であると本発明の製造方法を適用しても、圧電定数d33をさらに高めることが難しい。一方、5mol%を超えると、後述の一般式2の組成以外の異相ができ、圧電定数d33をさらに高めることが難しい。 In the step of adjusting the molding powder of (2), when the general formula 1 is 100 mol, it is selected from Mn, V, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Hf, Ta, and W. In addition, it is preferable to adjust to a composition containing at least 0.1 to 5 mol in total of at least one metal element. These elements increase sinterability. Moreover, in the manufacturing method of this invention, the effect which raises the piezoelectric constant d33 further is exhibited. The addition amount of these elements is preferably set to an amount of 0.1 mol% or more and 5 mol% or less, assuming that the composition of the general formula 1 is 100 mol%. Even if the manufacturing method of this invention is applied as it is less than 0.1 mol%, it is difficult to raise the piezoelectric constant d33 further. On the other hand, if it exceeds 5 mol%, a different phase other than the composition of general formula 2 described later is formed, and it is difficult to further increase the piezoelectric constant d33.

以下に第(3)の工程を説明する。 第(3)の工程は、上記成形粉を、成形粉内に含まれる各配向性粉末の結晶方位が揃うように成形して配向性成形体を得る工程である。 図6において(S12)がその工程に該当する。 The (3) step will be described below. The third (3) step is a step of obtaining the oriented molded body by shaping the molding powder so that the crystal orientations of the orientation powders included in the molding powder are aligned. In FIG. 6, (S12) corresponds to the process.

成形粉、バインダー、可塑剤、溶剤を混ぜ、スラリー状にし、シート状成形体とすることで、図8に示すような配向性粉末3が添加原料材4の中で配向した状態で存在するシート状の配向性成形体10が得られる。この状態において、板状の配向性粉末はその面の法線方向が、シートの面の法線方向と実質的に同一方向に揃っている。 スラリーの粘度と成形するシートの厚さにより、シート状成形体に分散された配向性粉末の配向度を変えることができる。 配向性成形体は、シート状の成形体を積層した積層体を用いることもできるし、シート状の成形体の面に電極を形成し積層した積層体を用いることもできる。 A sheet in which the oriented powder 3 as shown in FIG. 8 is oriented in the additive raw material 4 by mixing a molding powder, a binder, a plasticizer, and a solvent into a slurry and forming a sheet-like molded body. A shaped oriented molded body 10 is obtained. In this state, the normal direction of the surface of the plate-like oriented powder is aligned substantially in the same direction as the normal direction of the sheet surface. Depending on the viscosity of the slurry and the thickness of the sheet to be molded, the degree of orientation of the orientation powder dispersed in the sheet-like molded body can be changed. As the oriented molded body, a laminated body in which sheet-like molded bodies are laminated can be used, and a laminated body in which electrodes are formed and laminated on the surface of the sheet-like molded body can also be used.

以下に第(4)の工程を説明する。 第(4)の工程は、配向性成形体を、酸素分圧が1×10−4kPa以下の雰囲気下で焼成する工程である。 図6において(S13)がその工程に該当する。 The step (4) will be described below. The step (4) is a step of firing the oriented molded body in an atmosphere having an oxygen partial pressure of 1 × 10 −4 kPa or less. In FIG. 6, (S13) corresponds to the process.

この焼成工程において、成形粉の一般式1の組成からA1が揮発され、B1サイトに対するA1サイトの比α2が0.94≦α2<1で、かつα2≦α1―0.045となるように焼成する。 具体的には、一般式2:(1−s)A1α2B1O−sM1M2O(但し、0.94≦α2<1で、かつα2≦α1―0.045)で表される組成になるよう焼成する。 α2が0.94未満であると、一般式2以外の組成の異相が発生するため、高い圧電定数d33を持つ結晶配向圧電セラミックスが得られない。また、A1サイトリッチな組成であると材料の耐電圧が低下して分極処理ができなくなったり、高い圧電定数d33を持つ結晶配向圧電セラミックスが得られない。 さらに、一般式1のα1と、一般式2のα2は、α2≦α1―0.045の関係を満たすことが必要である。つまり、成形粉の組成に対してA1サイトを意図的に多量に揮発させ、α2とα1の差であるΔαが0.045以上となるように焼成することで焼結後の密度と配向度が高まり、従来にない飛躍的に高い圧電定数d33を持つ結晶配向圧電セラミックスが得られる。なお、Δαが0.150を超えると特性が悪化しやすい。 α2は0.965≦α2≦0.995の範囲がさらに好ましく、0.970≦α2≦0.990の範囲がさらに好ましい。 また、α1とα2の関係は、α1―0.085≦α2≦α1―0.050がさらに好ましく、α1―0.080≦α2≦α1―0.055がさらに好ましい。 In this baking step, A1 is volatilized from the composition of the general formula 1 of the molding powder, and the ratio α2 of the A1 site to the B1 site is 0.94 ≦ α2 <1 and α2 ≦ α1−0.045. To do. Specifically, the composition is represented by the general formula 2: (1-s) A1 α2 B1O 3 -sM1M2O 3 (where 0.94 ≦ α2 <1 and α2 ≦ α1-0.045). Bake. When α2 is less than 0.94, a heterogeneous phase having a composition other than the general formula 2 is generated, so that a crystal-oriented piezoelectric ceramic having a high piezoelectric constant d33 cannot be obtained. In addition, when the composition is rich in A1 site, the withstand voltage of the material is lowered and polarization treatment cannot be performed, or crystal oriented piezoelectric ceramics having a high piezoelectric constant d33 cannot be obtained. Furthermore, α1 in the general formula 1 and α2 in the general formula 2 need to satisfy a relationship of α2 ≦ α1-0.045. In other words, the density and orientation degree after sintering can be obtained by intentionally volatilizing a large amount of the A1 site with respect to the composition of the molding powder and firing so that Δα which is the difference between α2 and α1 is 0.045 or more. As a result, crystal-oriented piezoelectric ceramics having an unprecedented high piezoelectric constant d33 can be obtained. If Δα exceeds 0.150, the characteristics are likely to deteriorate. α2 is more preferably in the range of 0.965 ≦ α2 ≦ 0.995, and more preferably in the range of 0.970 ≦ α2 ≦ 0.990. The relationship between α1 and α2 is more preferably α1−0.085 ≦ α2 ≦ α1−0.050, and more preferably α1−0.080 ≦ α2 ≦ α1−0.055.

Δαが0.045以上になるように焼成するためには、焼成の酸素分圧を低くする手段、焼成時間を長くする手段、焼成温度を高くする手段などを適宜組合わせて採用できる。 For firing so that Δα is 0.045 or more, means for lowering the oxygen partial pressure of firing, means for increasing the firing time, means for raising the firing temperature, and the like can be appropriately combined.

焼成は、酸素分圧を1×10−4KPa以下の還元雰囲気中で行う。この酸素分圧を超えるとA1の揮発量が小さくなり、Δαを0.045以上にすることができず、得られる圧電定数d33が低下してしまう。酸素分圧の調整は、例えば、水蒸気及び水素の供給量を調整して行うなど、既知の手段を採用できる。
雰囲気の圧力は大気圧であることが好ましい。一般的な炉を適用できるので製造が容易である。
Firing is performed in a reducing atmosphere with an oxygen partial pressure of 1 × 10 −4 KPa or less. When this oxygen partial pressure is exceeded, the volatilization amount of A1 becomes small, Δα cannot be made 0.045 or more, and the obtained piezoelectric constant d33 is lowered. For example, the oxygen partial pressure can be adjusted by adjusting the supply amounts of water vapor and hydrogen.
The pressure of the atmosphere is preferably atmospheric pressure. Since a general furnace can be applied, manufacturing is easy.

酸素分圧は5×10−11kPa以上1×10−6kPa以下とすることが好ましい。相対密度を95%以上と高くすることができ、かつ、酸素欠陥の発生を十分に抑制できるのでさらに高い圧電定数d33を持つ結晶配向圧電セラミックスを得ることができる。 The oxygen partial pressure is preferably 5 × 10 −11 kPa to 1 × 10 −6 kPa. Since the relative density can be increased to 95% or more and the generation of oxygen defects can be sufficiently suppressed, a crystal-oriented piezoelectric ceramic having a higher piezoelectric constant d33 can be obtained.

また、焼成の温度は900℃以上1300℃以下とすることが好ましい。900℃未満、若しくは1300℃を超えると、得られる結晶配向セラミックスの圧電定数d33が低下してしまう。焼成の下限側の温度は、930℃以上とすることが好ましい。焼成の上限側の温度は、1200℃以下、さらには1150℃以下とすることが好ましい。   The firing temperature is preferably 900 ° C. or higher and 1300 ° C. or lower. When the temperature is less than 900 ° C. or exceeds 1300 ° C., the piezoelectric constant d33 of the obtained crystallographically-oriented ceramic is lowered. The temperature on the lower limit side of the firing is preferably 930 ° C. or higher. The temperature on the upper limit side of firing is preferably 1200 ° C. or lower, more preferably 1150 ° C. or lower.

焼成時間は0.5時間以上とすることが好ましい。0.5時間未満であると、A1の揮発量が小さくなり、Δαを0.045以上にすることができず、得られる圧電定数d33が低下してしまう。上限は特に限定されないが、24時間を超えると製造工程が長くなるので好ましくない。より好ましくは1時間以上20時間以下である。   The firing time is preferably 0.5 hours or longer. If it is less than 0.5 hour, the volatilization amount of A1 becomes small, Δα cannot be made 0.045 or more, and the obtained piezoelectric constant d33 is lowered. Although an upper limit is not specifically limited, Since a manufacturing process will become long if it exceeds 24 hours, it is not preferable. More preferably, it is 1 hour or more and 20 hours or less.

なお、この焼成は、比較的低温での焼成(以下、予備焼成という)と、予備焼成よりも高い温度での焼成(以下、本焼成という)からなる2段の焼成パターンとすることができる。 積層型圧電素子を作製する場合、予備焼成を行うことでセラミック層と電極層の剥がれを抑制することができる。 予備焼成の温度は800℃以上1190℃以下とすることが好ましい。本焼成の温度は、900℃以上1300℃以下とすることが好ましい。 This baking can be a two-stage baking pattern consisting of baking at a relatively low temperature (hereinafter referred to as pre-baking) and baking at a higher temperature than pre-baking (hereinafter referred to as main baking). When a laminated piezoelectric element is manufactured, peeling between the ceramic layer and the electrode layer can be suppressed by performing preliminary firing. The pre-baking temperature is preferably 800 ° C. or higher and 1190 ° C. or lower. The firing temperature is preferably 900 ° C. or higher and 1300 ° C. or lower.

本発明では、焼成した後に第(5)の工程を行うこともできる。 第(5)の工程は、酸素分圧が1×10−4kPa超の雰囲気下において再酸化する工程である。 図6において(S14)がその工程に該当する。 この工程を用いる場合は、焼成及び再酸化をした後の組成が、前記一般式2で表される組成になるように焼成の酸素分圧、焼成時間、焼成温度、並びに、再酸化の再酸化時間、再酸化温度を調整する。 In the present invention, the (5) step may be performed after firing. The fifth (5) step is a step of reoxidation in an atmosphere having an oxygen partial pressure of more than 1 × 10 −4 kPa. In FIG. 6, (S14) corresponds to the process. When this step is used, the oxygen partial pressure, the firing time, the firing temperature, and the reoxidation reoxidation are performed so that the composition after firing and reoxidation becomes the composition represented by the general formula 2. Adjust time and reoxidation temperature.

再酸化することにより結晶配向セラミックス中の酸素欠陥をさらに少なくすることができ、結晶配向セラミックスの圧電定数d33を高めることができる。この理由は明らかではないが、10-4kPa超の酸素分圧の雰囲気下で再酸化することによって、BaZrO3-m等の酸素欠陥に酸素が十分に補完され、正方晶−菱面晶の構造相境界が明確に現れることが原因と考えられる。その結果、酸素のモル数が最適化され、価数バランスのとれたペロブスカイト構造の圧電セラミックスが得られるものと推定される。 By reoxidation, oxygen defects in the crystal oriented ceramics can be further reduced, and the piezoelectric constant d33 of the crystal oriented ceramics can be increased. The reason for this is not clear, but by reoxidation in an atmosphere with an oxygen partial pressure of more than 10 −4 kPa, oxygen is sufficiently supplemented by oxygen defects such as BaZrO 3-m , and tetragonal-rhombohedral This is thought to be due to the clear appearance of the structural phase boundary. As a result, it is estimated that a piezoelectric ceramic having a perovskite structure in which the number of moles of oxygen is optimized and the valence is balanced is obtained.

上述の酸素分圧であれば、再酸化する際の雰囲気は、窒素やアルゴンなど他の不活性ガスを含んでいてもよい。
再酸化する際の雰囲気の圧力は大気圧であることが好ましい。一般的な炉を適用できるので製造が容易である。
If it is the above-mentioned oxygen partial pressure, the atmosphere at the time of reoxidation may contain other inert gas, such as nitrogen and argon.
The atmosphere pressure during reoxidation is preferably atmospheric pressure. Since a general furnace can be applied, manufacturing is easy.

再酸化のための温度は500℃以上1200℃以下であることが好ましい。温度が500℃以上であれば酸素欠陥への酸素の補完が十分に行われ、分極処理が容易になるので、高い圧電定数d33が得られる。また、再酸化の温度が1200℃以下であれば、セラミックスが過剰な再酸化を抑制できる。より好ましい範囲は600℃以上1150℃以下である。なお、再酸化の温度を1100℃以上にすれば、A1を揮発させることができ、Δαの調整が可能である。
処理時間は、0.5時間以上が好ましく、酸素欠陥への酸素の補完が十分に行なわれる。上限は特に限定されないが、24時間よりも処理時間が長い場合、圧電セラミックスを構成する元素の一部が揮散することがある。より好ましい範囲は1時間以上10時間以下である。
The temperature for reoxidation is preferably 500 ° C. or higher and 1200 ° C. or lower. If the temperature is 500 ° C. or higher, oxygen is sufficiently supplemented to oxygen defects, and polarization processing is facilitated, so that a high piezoelectric constant d33 can be obtained. Moreover, if the temperature of reoxidation is 1200 degrees C or less, ceramics can suppress excessive reoxidation. A more preferable range is 600 ° C. or higher and 1150 ° C. or lower. If the reoxidation temperature is 1100 ° C. or higher, A1 can be volatilized, and Δα can be adjusted.
The treatment time is preferably 0.5 hours or longer, and oxygen is sufficiently supplemented to oxygen defects. The upper limit is not particularly limited, but when the treatment time is longer than 24 hours, some of the elements constituting the piezoelectric ceramic may be volatilized. A more preferable range is 1 hour or more and 10 hours or less.

得られた焼成体は、一般式2:(1−s)A1α2B1O−sM1M2O(但し、0.94≦α2<1で、かつα2≦α1―0.045)で表される組成とする。α2が0.94未満又は1を超えると、高い圧電定数d33が得られない。また、α1に対してα2が0.045以上小さくなる値までA1元素が揮発されていないと、密度が高くならず、やはり高い圧電定数d33が得られない。 The obtained fired body has a composition represented by the general formula 2: (1-s) A1 α2 B1O 3 —sM1M2O 3 (where 0.94 ≦ α2 <1 and α2 ≦ α1-0.045). To do. When α2 is less than 0.94 or exceeds 1, a high piezoelectric constant d33 cannot be obtained. Further, if the A1 element is not volatilized to a value where α2 becomes 0.045 or more smaller than α1, the density does not increase and a high piezoelectric constant d33 cannot be obtained.

その他の工程として、分極処理(図示せず)について説明する。
上記工程によって得られたセラミックスは、優れた圧電特性を示すが、圧電特性をさらに向上させるためには、セラミックス中の自発分極の向きをそろえるための分極処理を行うことができる。分極処理には圧電セラミックスの製造に一般に用いられる公知の分極処理を用いることができる。例えば、焼成体に電極を形成し、シリコーン浴などによって室温以上200℃以下の温度に保持し、0.5kV/mm以上6kV/mm以下程度の電圧をかける。
As other steps, polarization processing (not shown) will be described.
The ceramic obtained by the above process exhibits excellent piezoelectric characteristics, but in order to further improve the piezoelectric characteristics, a polarization treatment for aligning the direction of spontaneous polarization in the ceramics can be performed. For the polarization treatment, a known polarization treatment generally used in the production of piezoelectric ceramics can be used. For example, an electrode is formed on the fired body, held at a temperature of room temperature to 200 ° C. with a silicone bath or the like, and a voltage of about 0.5 kV / mm to 6 kV / mm is applied.

以上の製造方法により得られる結晶配向圧電セラミックスは、一般式2:(1−s)A1α2B1O−sM1M2O(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、M1は2価の元素、M2は4価の元素であり、0.94≦α2<1、0.05<s≦0.15)で表され、圧電定数d33が400pC/N以上である。 The crystal-oriented piezoelectric ceramic obtained by the above manufacturing method has the general formula 2: (1-s) A1 α2 B1O 3 —sM1M2O 3 (where A1 is at least one element selected from alkali metals, and B1 is a transition) It is at least one element of metal elements and includes Nb, M1 is a divalent element, M2 is a tetravalent element, and is expressed by 0.94 ≦ α2 <1, 0.05 <s ≦ 0.15). The piezoelectric constant d33 is 400 pC / N or more.

本発明の結晶配向圧電セラミックスは、バルク状の焼成体だけでなく、電極を形成して積層することで積層圧電体素子とすることができる。電極は、Ag等の貴金属や、Cu、Ni、Al等の卑金属を用いることができる。 The crystal-oriented piezoelectric ceramic of the present invention can be made not only a bulk fired body but also a laminated piezoelectric element by forming and laminating electrodes. As the electrode, a noble metal such as Ag or a base metal such as Cu, Ni, or Al can be used.

以下に、本発明で測定する、成形粉の一般式1及び焼成後の一般式2の組成、酸素分圧、配向度、圧電定数d33、相対密度、の測定方法を説明する。 Below, the measuring method of the composition of the general formula 1 of the molding powder and the general formula 2 after firing, the oxygen partial pressure, the degree of orientation, the piezoelectric constant d33 and the relative density, which are measured in the present invention, will be described.

[組成] 成形粉の一般式1及び焼成後の一般式2の組成は、ICP−AES分析(高周波誘導結合プラズマ発光分光分析法)により組成を特定した。測定された各元素量(mass%)を一般式1又は一般式2の形に換算して、s、α1、α2等を求めた。 [Composition] The composition of the general formula 1 of the molding powder and the general formula 2 after firing was specified by ICP-AES analysis (high frequency inductively coupled plasma emission spectroscopy). Each measured element amount (mass%) was converted into the form of general formula 1 or general formula 2, and s, α1, α2, etc. were obtained.

[酸素分圧] 酸素分圧は市販のYTZ(イットリウム安定化ジルコニア)センサーを有する酸素濃度計を用いて評価することができる。測定方法はガス雰囲気を作りだす電気炉内のワーク近傍の雰囲気を直接サンプリングできるようにアルミナ管を用いて炉内から抽出する手法を用いた。 なお酸素分圧の調整は、窒素やアルゴンなどの不活性ガスをベースに水素を0〜4mol%含むガスにバブリング等で一定量の水蒸気を含有させる手法にて調整することができる。このとき作りだせる酸素分圧は水素分圧PHと水蒸気分圧PHOを用いて下記数1、数2から計算することができる。数1中、ΔGは水蒸気の標準生成ギブスエネルギー、Rは気体定数、Tは絶対温度である。 [Oxygen partial pressure] The oxygen partial pressure can be evaluated using an oxygen concentration meter having a commercially available YTZ (yttrium stabilized zirconia) sensor. The measurement method used was a method of extracting from the furnace using an alumina tube so that the atmosphere in the vicinity of the workpiece in the electric furnace that creates a gas atmosphere can be directly sampled. The oxygen partial pressure can be adjusted by a method of containing a certain amount of water vapor by bubbling or the like in a gas containing 0 to 4 mol% of hydrogen based on an inert gas such as nitrogen or argon. The oxygen partial pressure that can be generated at this time can be calculated from the following equations 1 and 2 using the hydrogen partial pressure PH 2 and the water vapor partial pressure PH 2 O. In Equation 1, ΔG f is the standard production Gibbs energy of water vapor, R is a gas constant, and T is an absolute temperature.

Figure 2015222781
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Figure 2015222781
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[配向度] 配向度はロットゲーリング法により測定した。 具体的には、Cu−Kα線を用いてXRDの結果から求めた。XRD評価は焼成体の表面を研削した面で2θ:5°〜80°の範囲で評価した。XRD評価より下記ロットゲーリングの数3及び数4により配向度fを算出した。ここで、Pは圧電セラミックスの残留分極値であり、ΣI{h00}とは{h00}に由来する回折ピークの全積分強度和、ΣI{hkl}は観測されたすべての回折ピークの積分強度を総和した値を示す。またPは無配向の圧電セラミックスの残留分極値であり、配向性粉末を用いずに焼成体を作製し、上記と同様にして数3から算出した。 [Orientation degree] The degree of orientation was measured by the Lotgering method. Specifically, it calculated | required from the result of XRD using the Cu-K alpha ray. XRD evaluation was performed in the range of 2θ: 5 ° to 80 ° on the surface of the fired body ground. From the XRD evaluation, the degree of orientation f was calculated from the following Lotgering numbers 3 and 4. Here, P is the remanent polarization value of the piezoelectric ceramic, ΣI {h00} is the sum of all integrated intensities of diffraction peaks derived from {h00}, and ΣI {hkl} is the integrated intensities of all observed diffraction peaks. The sum is shown. P 0 is the remanent polarization value of the non-oriented piezoelectric ceramic, and a fired body was prepared without using the orientation powder, and was calculated from Equation 3 in the same manner as described above.

Figure 2015222781
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Figure 2015222781
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[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、セラミックスにAg電極をスパッターで形成し、413K(140℃)にて4.0kV/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. For the polarization treatment, an Ag electrode was formed on the ceramic by sputtering, and a 4.0 kV / mm DC electric field was applied for 10 minutes at 413 K (140 ° C.). The piezoelectric constant d33 was measured with a d33 meter (manufactured by Institute of Speech, Chinese Academy of Sciences).

[相対密度] まず真密度を算出し、真密度を100%として、その真密度に対する実測した密度(アルキメデス法で測定)の割合を%表記した。 真密度は、仕込み組成からペロブスカイト型構造の単位胞の質量を算出し、焼成体のXRD(X−Ray Diffraction)の測定結果より、単位胞の体積を算出し、前記単位胞の質量を除したものを真密度として採用した。 [Relative Density] First, the true density was calculated, and the ratio of the actually measured density (measured by the Archimedes method) to the true density was expressed as%, assuming that the true density was 100%. The true density was calculated by calculating the mass of the perovskite-type unit cell from the charged composition, and calculating the volume of the unit cell from the measurement result of XRD (X-Ray Diffraction) of the fired product, and dividing the mass of the unit cell. The thing was adopted as the true density.

なお結晶配向圧電セラミックスが積層圧電体である場合、内部電極等の別の材料が各セラミックスの層間に存在するので相対密度は測定が難しい。そこで、代わりに空隙率を測定することで相対密度を求めることができる。空隙率φは、セラミックスの断面積S、その断面積上に存在するボイドの面積Spとして、φ=Sp/Sの式から算出することができ、積層圧電体からでも算出できる。この空隙率φの値を100(%)から除算した値は相対密度と同じ値であるので、空隙率φが1.5%以上5%以下かどうかで、本発明の結晶配向圧電セラミックスとしてさらに好ましいものであるか判別可能である。 When the crystal-oriented piezoelectric ceramic is a laminated piezoelectric material, it is difficult to measure the relative density because another material such as an internal electrode exists between the layers of the ceramics. Therefore, the relative density can be obtained by measuring the porosity instead. The porosity φ can be calculated from the equation φ = Sp / S as the cross-sectional area S of the ceramic and the area Sp of the void existing on the cross-sectional area, and can also be calculated from the laminated piezoelectric material. Since the value obtained by dividing the value of porosity φ from 100 (%) is the same value as the relative density, whether the porosity φ is 1.5% or more and 5% or less can be further increased as the crystal oriented piezoelectric ceramic of the present invention. It is possible to determine whether it is preferable.

(実施例1)
先ず図1に記載の製造工程(S1〜S10)で、(1):A1及びB1(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)を含む、ペロブスカイト型化合物構造を有し、内部の結晶方位が揃った配向性粉末を用意する工程を実施した。以下にその詳細を記載する。
Example 1
First, in the manufacturing steps (S1 to S10) shown in FIG. 1, (1): A1 and B1 (where A1 is at least one element selected from alkali metals, and B1 is at least one element of a transition metal element) And a step of preparing an oriented powder having a perovskite type compound structure and having the same internal crystal orientation. Details are described below.

一般式:(Bi2+(Bi0.5m−1.5Nb3m+12−において、AがNa、m=5となるBi2.5Na3.5Nb18となるように、Bi、NaCO、Nbの原料をそれぞれ秤量した(S1)。
これらの原料をボールミルにより混合した。溶媒としてエタノール、メディアとしてジルコニアボールを用い、回転数94rpmで24時間混合した。ボールミルの容器からメディアと原料を取り出し、130℃の大気中で乾燥した。その後、篩によりメディアと原料を分離した(S2)。
分離した原料に、第1フラックスとしてNaClを原料に対して100mass%混合し、粗粉砕機で10分間乾式混合した(S3)。
第1フラックス添加後の原料に、大気中で850℃×1時間で保持後、1100℃×2時間で保持する2段の第1加熱を行い、第1の中間焼成体を得た。昇温及び降温は約200℃/hとした(S4)。
得られた第1の中間焼成体から第1フラックスの成分を除去するため、95℃〜100℃の温水中に浸漬し、3時間放置した。その後、温水中で60分間攪拌し脱水する工程を3回繰り返した。これにより一般式:Bi2.5Na3.5Nb18からなる第1結晶粉末を得た(S5)。
General formula: (Bi 2 O 2) 2+ (Bi 0.5 A m-1.5 Nb m O 3m + 1) in 2-, A becomes the Na, and m = 5 Bi 2.5 Na 3.5 Nb 5 O The raw materials of Bi 2 O 3 , Na 2 CO 3 and Nb 2 O 5 were weighed so as to be 18 (S1).
These raw materials were mixed by a ball mill. Ethanol was used as a solvent and zirconia balls were used as a medium, and mixed for 24 hours at a rotation speed of 94 rpm. The media and raw materials were taken out from the ball mill container and dried in the air at 130 ° C. Thereafter, the media and the raw material were separated by a sieve (S2).
The separated raw material was mixed with 100% by mass of NaCl as the first flux with respect to the raw material, and then dry mixed for 10 minutes with a coarse pulverizer (S3).
The raw material after the addition of the first flux was held in the atmosphere at 850 ° C. for 1 hour, and then subjected to two stages of first heating held at 1100 ° C. for 2 hours to obtain a first intermediate fired body. The temperature increase and decrease were about 200 ° C./h (S4).
In order to remove the component of the first flux from the obtained first intermediate fired body, it was immersed in warm water of 95 ° C. to 100 ° C. and left for 3 hours. Thereafter, the step of stirring and dehydrating in warm water for 60 minutes was repeated three times. As a result, a first crystal powder composed of the general formula: Bi 2.5 Na 3.5 Nb 5 O 18 was obtained (S5).

図2は第1結晶粉末のSEM観察写真である。結晶が板状であることが確認できる。   FIG. 2 is a SEM observation photograph of the first crystal powder. It can be confirmed that the crystals are plate-like.

図3は第1結晶粉末のX線回折結果、図4はそのX線回折結果を用いて化合物の特定を行った結果である。なお、本発明のX線回折は全てCuのKα線源を用いた。
得られた結晶はほとんどが一般式:Bi2.5Na3.5Nb18で表せられるものである。但し、一般式:Bi2.5Na3.5Nb18の他にも、一般式:(Bi2+(Bi0.5m−1.5Nb3m+12−において、m=2となるBi2.5Na0.5Nbと、m=4となるBi2.5Na2.5Nb15の化合物も確認できる。
FIG. 3 shows the X-ray diffraction result of the first crystal powder, and FIG. 4 shows the result of specifying the compound using the X-ray diffraction result. The X-ray diffraction of the present invention used a Cu Kα radiation source.
Most of the crystals obtained are represented by the general formula: Bi 2.5 Na 3.5 Nb 5 O 18 . However, the general formula: In addition to Bi 2.5 Na 3.5 Nb 5 O 18 , formula: (Bi 2 O 2) 2+ (Bi 0.5 A m-1.5 Nb m O 3m + 1) 2- In this case, a compound of Bi 2.5 Na 0.5 Nb 2 O 9 where m = 2 and Bi 2.5 Na 2.5 Nb 4 O 15 where m = 4 can also be confirmed.

第1添加材としてNaCOを用い、反応後にNaとNbが1:1になる量を添加した。これらをボールミルにより混合した。溶媒としてエタノール、メディアとしてジルコニアボールを用い、回転数94rpmで4時間混合した。ボールミルの容器から混合物を取り出し、130℃の大気中で乾燥した。その後、篩によりメディアを分離した(S6)。
分離した原料に、第2フラックスとしてNaClを第1結晶粉末に対して100mass%混合し、粗粉砕機で10分間乾式混合した(S7)。
第1結晶粉末、第1添加材、及び第2フラックスからなる混合材料に、大気中で950℃×8時間で保持する第2加熱を行い、第2の中間焼成体を得た。昇温及び降温は約200℃/hとした(S8)。
第2の中間焼成体から第2フラックス成分を低減するため、95℃〜100℃の温水中に浸漬し、3時間放置した。その後、温水中で60分間攪拌し脱水する工程を3回繰り返した(S9)。
その後、酸洗いして第2の中間焼成体からBi成分を除去した。純水と硝酸を3:1〜10:1程度の比率で混合した酸洗い液の中に、工程S9で得られた被処理物を入れ、攪拌した。その後Bi成分が溶融した上澄み液を除去した。さらに、酸洗い液の添加、攪拌、上澄み液の除去を繰り返し行った。その後、残存物を乾燥させて、NaNbOからなる配向性粉末を得た(S10)。
図5は配向性粉末のSEM観察写真である。得られた配向性粉末のアスペクト比(板厚と最大直径の比)は約10であった。
Na 2 CO 3 was used as the first additive, and an amount such that Na and Nb were 1: 1 after the reaction was added. These were mixed by a ball mill. Ethanol was used as a solvent and zirconia balls were used as media, and the mixture was mixed at 94 rpm for 4 hours. The mixture was taken out from the ball mill container and dried in an atmosphere of 130 ° C. Thereafter, the media was separated by a sieve (S6).
To the separated raw material, 100 mass% of NaCl as the second flux was mixed with the first crystal powder, and dry-mixed for 10 minutes with a coarse pulverizer (S7).
The mixed material composed of the first crystal powder, the first additive, and the second flux was subjected to second heating that was held at 950 ° C. for 8 hours in the atmosphere to obtain a second intermediate fired body. The temperature increase and decrease were about 200 ° C./h (S8).
In order to reduce the second flux component from the second intermediate fired body, it was immersed in warm water of 95 ° C. to 100 ° C. and left for 3 hours. Thereafter, the step of stirring and dehydrating in warm water for 60 minutes was repeated three times (S9).
Thereafter, pickling was performed to remove the Bi component from the second intermediate fired body. The to-be-processed object obtained by process S9 was put in the pickling liquid which mixed pure water and nitric acid by the ratio of about 3: 1-10: 1, and was stirred. Thereafter, the supernatant liquid in which the Bi component was melted was removed. Further, the pickling solution was added, stirred, and the supernatant was removed repeatedly. Thereafter, the residue was dried to obtain oriented powder made of NaNbO 3 (S10).
FIG. 5 is a SEM observation photograph of the oriented powder. The aspect ratio (ratio of plate thickness to maximum diameter) of the obtained oriented powder was about 10.

次に、図6に記載の製造工程(S11)で、(2):配向性粉末に添加原料材を混合し、一般式1:(1−s)A1α1B1O−sM1M2O(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、M1は2価の元素、M2は4価の元素であり、1.02<α1≦1.10、0.05<s≦0.15)を満たす組成の成形粉に調整する工程を実施した。 Next, in the manufacturing step (S11) shown in FIG. 6, (2): An additive raw material is mixed into the oriented powder, and the general formula 1: (1-s) A1 α1 B1O 3 -sM1M2O 3 (however, A1 Is at least one element selected from alkali metals, B1 is at least one element of transition metal elements and contains Nb, M1 is a divalent element, M2 is a tetravalent element, and 1.02 <Α1 ≦ 1.10, 0.05 <s ≦ 0.15) A step of adjusting to a molding powder having a composition satisfying was performed.

本実施例では、添加原料材は以下のように作製した。NaNbOからなる配向性粉末Xmol(本実施例では、X=0.01)に対し、化学組成が0.92(K0.490Na0.500−XLi0.050)Nb1−X+0.08BaZrOとなるようにKCO、NaCO、LiCO、Nb、BaCO、ZrOの原料を秤量した。その後、エタノール溶媒中にて16時間ボールミル混合した。この際メディアは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時間保持の焼成を行った。焼成後の原料は再びボールミルにて16時間粉砕し、平均粒径を0.8μmとした。
得られた添加原料材に、NaNbOからなる配向性粉末Xmol(X=0.01)を添加し、上記一般式1においてs=0.08、α1=1.04に該当する、0.92(K0.490Na0.500Li0.050)NbO+0.08BaZrOからなる組成とした。さらに、この組成を100molとして、Mnが1molとなるようにMnOを添加して混合した(S11)。
In this example, the additive material was prepared as follows. The chemical composition is 0.92 (K 0.490 Na 0.500-X Li 0.050 ) Nb 1-X O with respect to the oriented powder Xmol made of NaNbO 3 (in this example, X = 0.01). The raw materials of K 2 CO 3 , Na 2 CO 3 , Li 2 CO 3 , Nb 2 O 5 , BaCO 3 and ZrO 2 were weighed so as to be 3 + 0.08BaZrO 3 . Thereafter, ball mill mixing was performed in an ethanol solvent for 16 hours. At this time, a zirconia ball having a diameter of 5 mm was used as a medium, 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 and then placed in a zirconia mortar and baked at 1050 ° C. for 3 hours in the air. The fired raw material was pulverized again with a ball mill for 16 hours, and the average particle size was adjusted to 0.8 μm.
An oriented powder Xmol (X = 0.01) made of NaNbO 3 is added to the obtained additive raw material, and 0.92 corresponding to s = 0.08 and α1 = 1.04 in the above general formula 1. was (K 0.490 Na 0.500 Li 0.050) NbO consisting 3 + 0.08BaZrO 3 composition. Furthermore, with this composition as 100 mol, MnO 2 was added and mixed so that Mn would be 1 mol (S11).

次に、図6の製造工程(S12)で、(3):成形粉を、成形粉内に含まれる各配向性粉末の結晶方位が揃うように成形して配向性成形体を得る工程を実施した。
先ず成形粉をスラリー状にするため、得られた成形粉に、エタノールを成形粉に対して200〜300mass%、ブタノールを成形粉に対して50〜100mass%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に対して5〜15mass%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に対して5〜15mass%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(S12)。
Next, in the manufacturing step (S12) of FIG. 6, (3): a step of obtaining an oriented compact by molding the molding powder so that the crystal orientations of the orientation powders included in the molding powder are aligned. did.
First, in order to make the molding powder into a slurry, ethanol was added in an amount of 200 to 300 mass% with respect to the molding powder and butanol was added in an amount of 50 to 100 mass% with respect to the molding powder. A plasticizer was also added. In this example, 5 to 15 mass% of dioctyl phthalate was added as a plasticizer to the mixture. A binder was also added. In this example, 5 to 15 mass% of polyvinyl butyral was added as a binder to the mixture. The slurry thus obtained was formed into a sheet (S12).

次に、図6の製造工程(S13)で、配向性成形体を、酸素分圧が1×10−4kPa以下の雰囲気下で焼成する工程を行った。
水素0.01〜2%を含有する窒素と水蒸気を混合することで、炉内の雰囲気を2.0×10−7kPaの酸素分圧になるように調製した還元雰囲気とし、1140℃で4時間保持する条件で焼成を行った(S13)。
Next, in the manufacturing step (S13) of FIG. 6, the step of firing the oriented molded body in an atmosphere having an oxygen partial pressure of 1 × 10 −4 kPa or less was performed.
By mixing nitrogen containing 0.01 to 2% of hydrogen and water vapor, the atmosphere in the furnace was reduced to an oxygen partial pressure adjusted to 2.0 × 10 −7 kPa and 4 at 1140 ° C. Firing was performed under the condition of maintaining the time (S13).

次に、図6の製造工程(S14)で、焼成体に(5):酸素分圧が1×10−4kPa超の雰囲気下において再酸化する工程を実施した。
炉内の雰囲気を2.1×10kPaの酸素分圧になるように調製した酸化性雰囲気とした。再酸化の温度は1000℃とし、その保持時間を3時間とした。
Next, in the manufacturing step (S14) of FIG. 6, the step of (5): reoxidizing the fired body in an atmosphere with an oxygen partial pressure exceeding 1 × 10 −4 kPa was performed.
The atmosphere in the furnace was an oxidizing atmosphere prepared so as to have an oxygen partial pressure of 2.1 × 10 1 kPa. The reoxidation temperature was 1000 ° C., and the holding time was 3 hours.

得られた焼成体は、一般式2においてs=0.08、α2=0.978に該当する、0.092(K0.428Na0.500Li0.050)NbO+0.08BaZrOからなる組成で、かつ、この一般式2の組成を100molとして、Mnが1mol含まれる組成であった。 The obtained fired body is obtained from 0.092 (K 0.428 Na 0.500 Li 0.050 ) NbO 3 + 0.08BaZrO 3 corresponding to s = 0.08 and α2 = 0.978 in the general formula 2. And a composition containing 1 mol of Mn, where the composition of the general formula 2 is 100 mol.

焼成、再酸化の工程における温度、保持時間、雰囲気の酸素分圧をそれぞれ表1に示す。
また、得られた一般式1におけるs、α1、及び焼成体の一般式2におけるα2、Δα、圧電定数d33、配向度、相対密度を表2に示す。
Table 1 shows the temperature, holding time, and oxygen partial pressure of the atmosphere in the firing and reoxidation steps.
Further, Table 2 shows s and α1 in the obtained general formula 1, and α2 and Δα in the general formula 2 of the fired body, the piezoelectric constant d33, the degree of orientation, and the relative density.

実施例1の結晶配向圧電セラミックスの製造方法は、成形粉の一般式1において、α1が1.040である。また、焼成体の一般式2において、α2が0.978、Δαが0.062であり、本発明の製造方法の条件である、一般式2のα2が0.94≦α2<1、及びα2≦α1―0.045(Δα≧0.045)の範囲にある。 これにより得られた結晶配向圧電セラミックスは、圧電定数d33が587pC/Nである。また、配向度も93%、相対密度も98.6%と高い値である。 In the method for producing a crystal-oriented piezoelectric ceramic of Example 1, α1 is 1.040 in General Formula 1 of the molding powder. Further, in the general formula 2 of the fired body, α2 is 0.978 and Δα is 0.062, and α2 in the general formula 2 is 0.94 ≦ α2 <1 and α2 which are the conditions of the production method of the present invention. ≦ α1−0.045 (Δα ≧ 0.045). The crystal-oriented piezoelectric ceramic thus obtained has a piezoelectric constant d33 of 587 pC / N. Further, the degree of orientation is as high as 93% and the relative density is as high as 98.6%.

(実施例2)
Δαの変化による圧電定数d33への影響を調べた。
成形粉の一般式1において、α1を1.050とし、それ以外は実施例1と同様にして結晶配向圧電セラミックスを作製した。
以下、実施例1と異なる添加原料材を作製する工程のみ説明する。
(Example 2)
The influence of the change of Δα on the piezoelectric constant d33 was examined.
A crystal-oriented piezoelectric ceramic was produced in the same manner as in Example 1 except that α1 was set to 1.050 in the general formula 1 of the molding powder.
Hereinafter, only the step of producing an additive material different from that in Example 1 will be described.

添加原料材は、NaNbOからなる配向性粉末Xmol(本実施例では、X=0.01)に対し、化学組成が0.92(K0.500Na0.500−XLi0.050)Nb1−X+0.08BaZrOとなるようにKCO、NaCO、LiCO、Nb、BaCO、ZrOの原料を秤量した。
その後、エタノール溶媒中にて16時間ボールミル混合した。この際メディアは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時間保持の焼成を行った。焼成後の原料は再びボールミルにて16時間粉砕し、平均粒径を0.8μmとした。
The additive raw material is 0.92 (K 0.500 Na 0.500-X Li 0.050 ) with respect to the oriented powder Xmol (in this example, X = 0.01) made of NaNbO 3. The raw materials of K 2 CO 3 , Na 2 CO 3 , Li 2 CO 3 , Nb 2 O 5 , BaCO 3 and ZrO 2 were weighed so as to be Nb 1-X O 3 + 0.08BaZrO 3 .
Thereafter, ball mill mixing was performed in an ethanol solvent for 16 hours. At this time, a zirconia ball having a diameter of 5 mm was used as a medium, 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 and then placed in a zirconia mortar and baked at 1050 ° C. for 3 hours in the air. The fired raw material was again pulverized in a ball mill for 16 hours, so that the average particle size was 0.8 μm.

得られた添加原料材に、NaNbOからなる配向性粉末Xmol(X=0.01)を添加し、上記一般式1においてs=0.08、α1=1.05に該当する、0.92(K0.500Na0.500Li0.050)NbO+0.08BaZrOからなる組成とした。さらに、この組成を100molとして、Mnが1molとなるようにMnOを添加して混合した。(S11) An oriented powder Xmol (X = 0.01) made of NaNbO 3 is added to the obtained additive raw material, and 0.92 corresponding to s = 0.08 and α1 = 1.05 in the above general formula 1. was (K 0.500 Na 0.500 Li 0.050) NbO consisting 3 + 0.08BaZrO 3 composition. Furthermore, the composition as 100 mol, Mn was added and mixed MnO 2 so that 1 mol. (S11)

焼成、再酸化の工程における温度、保持時間、雰囲気の酸素分圧をそれぞれ表1に示す。
また、得られた一般式1におけるs、α1、及び焼成体の一般式2におけるα2、Δα、圧電定数d33、配向度、相対密度を表2に示す。
Table 1 shows the temperature, holding time, and oxygen partial pressure of the atmosphere in the firing and reoxidation steps.
Further, Table 2 shows s and α1 in the obtained general formula 1, and α2 and Δα in the general formula 2 of the fired body, the piezoelectric constant d33, the degree of orientation, and the relative density.

実施例2の結晶配向圧電セラミックスの製造方法は、成形粉の一般式1において、α1が1.050である。また、焼成体の一般式2において、α2が0.969であり、Δαが0.081である。これらはいずれも本発明の範囲内にある。 得られた結晶配向圧電セラミックスは、いずれも圧電定数d33が400pC/N以上と、非鉛の圧電材と同様のものが得られた。また、このセラミックスの配向度は89%以上、相対密度は98.7%以上と高い値が得られた。 なお、α1の値が大きいほどα2の値が小さくなる傾向が見られ、つまり、成形粉の組成をA1サイトリッチにするほど、A1の焼成時の揮発が高まって焼成後の組成はA1サイトプアになっている。 In the method for producing the crystal-oriented piezoelectric ceramic of Example 2, α1 is 1.050 in the general formula 1 of the molding powder. Moreover, in General formula 2 of a sintered body, α2 is 0.969 and Δα is 0.081. All of these are within the scope of the present invention. The obtained crystal-oriented piezoelectric ceramics had a piezoelectric constant d33 of 400 pC / N or more, which was the same as that of a lead-free piezoelectric material. Further, the ceramics had a high degree of orientation of 89% or more and a relative density of 98.7% or more. In addition, the value of α2 tends to decrease as the value of α1 increases, that is, as the composition of the molding powder becomes A1 site rich, the volatilization during firing of A1 increases, and the composition after firing becomes A1 site poor. It has become.

(比較例1)
Δαが0.045未満になった時の圧電定数d33への影響を調べた。
焼成の時間を1時間とし、それ以外は実施例1と同様にして結晶配向圧電セラミックスを作製した。
以下、実施例1と異なる焼成工程のみ説明する。
(Comparative Example 1)
The influence on the piezoelectric constant d33 when Δα was less than 0.045 was examined.
A crystal-oriented piezoelectric ceramic was produced in the same manner as in Example 1 except that the firing time was 1 hour.
Only the firing step different from that in Example 1 will be described below.

図6に記載の製造工程(S13)で、水素0.01〜2%を含有する窒素と水蒸気を混合することで、炉内の雰囲気を2.0×10−7kPaの酸素分圧になるように調製した還元雰囲気とし、1140℃で1時間保持する条件で焼成を行った(S13)。 In the production step (S13) shown in FIG. 6, the atmosphere in the furnace is changed to an oxygen partial pressure of 2.0 × 10 −7 kPa by mixing nitrogen containing 0.1 to 2% of hydrogen and water vapor. The reducing atmosphere prepared as described above was fired under the condition of holding at 1140 ° C. for 1 hour (S13).

焼成、再酸化の工程における温度、保持時間、雰囲気の酸素分圧をそれぞれ表1に示す。
また、得られた一般式1におけるs、α1、及び焼成体の一般式2におけるα2、Δα、圧電定数d33、配向度、相対密度を表2に示す。
Table 1 shows the temperature, holding time, and oxygen partial pressure of the atmosphere in the firing and reoxidation steps.
Further, Table 2 shows s and α1 in the obtained general formula 1, and α2 and Δα in the general formula 2 of the fired body, the piezoelectric constant d33, the degree of orientation, and the relative density.

比較例1の結晶配向圧電セラミックスの製造方法は、成形粉の一般式1において、α1が1.040、焼成体の一般式2においてα2が0.996であり、本発明の範囲内にあるが、Δαが0.044であり本発明の条件であるα2≦α1―0.045(Δα≧0.045)の範囲から外れる。 これにより得られた結晶配向圧電セラミックスは、圧電定数d33が94pC/Nと低いものである。また、配向度も44%、相対密度も97.2%と低い値であった。 In the method for producing the crystal-oriented piezoelectric ceramic of Comparative Example 1, α1 is 1.040 in the general formula 1 of the molding powder, and α2 is 0.996 in the general formula 2 of the fired body, which is within the scope of the present invention. Δα is 0.044, which is outside the range of α2 ≦ α1-0.045 (Δα ≧ 0.045), which is the condition of the present invention. The thus obtained crystal-oriented piezoelectric ceramic has a piezoelectric constant d33 as low as 94 pC / N. Further, the degree of orientation was 44% and the relative density was 97.2%, which were low values.

Figure 2015222781
Figure 2015222781

Figure 2015222781
Figure 2015222781

(実施例3〜5)
焼成の工程において、この工程を2段の焼成(予備焼成+本焼成)に分けて行い、かつ予備焼成の焼成温度を900℃(実施例3)、1000℃(実施例4)、1050℃(実施例5)とした。
以下、実施例1と異なる焼成の工程のみ説明する。
(Examples 3 to 5)
In the firing step, this step is divided into two-stage firing (pre-firing + main firing), and the pre-firing firing temperature is 900 ° C. (Example 3), 1000 ° C. (Example 4), 1050 ° C. ( Example 5).
Only the firing process different from that in Example 1 will be described below.

図6に記載の製造工程(S13)で、実施例3では、水素0.01〜2%を含有する窒素と水蒸気を混合することで、炉内の雰囲気を4×10−11kPaの酸素分圧になるように調製し、900℃で4時間保持する予備焼成を行い、室温まで冷却した後、炉内の雰囲気を2.0×10−7kPaの酸素分圧になるように調製した還元雰囲気とし、1140℃で4時間保持する条件で本焼成を行った。
また、実施例4では、炉内の雰囲気を2×10−9kPaの酸素分圧になるように調製し、1000℃で4時間保持する予備焼成を行い、室温まで冷却した後、炉内の雰囲気を2.0×10−7kPaの酸素分圧になるように調製した還元雰囲気とし、1140℃で4時間保持する条件で本焼成を行った。
また、実施例5では、炉内の雰囲気を1×10−8kPaの酸素分圧になるように調製し、1050℃で4時間保持する予備焼成を行い、室温まで冷却した後、炉内の雰囲気を2.0×10−7kPaの酸素分圧になるように調製した還元雰囲気とし、1140℃で4時間保持する条件で本焼成を行った。
In the production process (S13) shown in FIG. 6, in Example 3, the atmosphere in the furnace was mixed with oxygen containing 4 to 10 -11 kPa by mixing nitrogen containing 0.1-2% hydrogen and water vapor. Reduced to a pressure of 2.0 × 10 −7 kPa after pre-baking at 900 ° C. for 4 hours and cooling to room temperature. The main calcination was performed under an atmosphere and maintained at 1140 ° C. for 4 hours.
Moreover, in Example 4, the atmosphere in the furnace was adjusted to an oxygen partial pressure of 2 × 10 −9 kPa, pre-baked at 1000 ° C. for 4 hours, cooled to room temperature, The firing was performed under the condition that the atmosphere was a reducing atmosphere prepared so as to have an oxygen partial pressure of 2.0 × 10 −7 kPa, and maintained at 1140 ° C. for 4 hours.
In Example 5, the atmosphere in the furnace was adjusted so as to have an oxygen partial pressure of 1 × 10 −8 kPa, pre-baked at 1050 ° C. for 4 hours, cooled to room temperature, The firing was performed under the condition that the atmosphere was a reducing atmosphere prepared so as to have an oxygen partial pressure of 2.0 × 10 −7 kPa, and maintained at 1140 ° C. for 4 hours.

予備焼成、本焼成、再酸化の工程における温度、保持時間、雰囲気の酸素分圧をそれぞれ表3に示す。
また、得られた一般式1におけるs、α1、及び焼成体の一般式2におけるα2、Δα、予備焼成温度、圧電定数d33、配向度、相対密度を表4に示す。
Table 3 shows the temperature, holding time, and oxygen partial pressure of the atmosphere in the preliminary firing, main firing, and reoxidation steps.
Table 4 shows s and α1 in the obtained general formula 1, and α2 and Δα in the general formula 2 of the fired body, pre-baking temperature, piezoelectric constant d33, degree of orientation, and relative density.

Figure 2015222781
Figure 2015222781

Figure 2015222781
Figure 2015222781

実施例3〜5の結晶配向圧電セラミックスの製造方法は、成形粉の一般式1において、α1が1.040である。また、焼成体の一般式2において、α2が0.972〜0.977の範囲である。また、Δαが0.062〜0.68の範囲である。これらの範囲はいずれも本発明の範囲内である。 得られた結晶配向圧電セラミックスは、圧電定数d33が576pC/N、545pC/N、558pC/Nと、非鉛の圧電材と同様のものが得られた。また、このセラミックスの配向度は95%以上、相対密度は97.9%以上と高い値が得られた。 In the method for producing crystal-oriented piezoelectric ceramics of Examples 3 to 5, α1 is 1.040 in the general formula 1 of the molding powder. Moreover, in General formula 2 of a sintered body, α2 is in the range of 0.972 to 0.977. Moreover, (DELTA) (alpha) is the range of 0.062-0.68. All of these ranges are within the scope of the present invention. The obtained crystal-oriented piezoelectric ceramics had a piezoelectric constant d33 of 576 pC / N, 545 pC / N, and 558 pC / N, and were the same as the lead-free piezoelectric material. Further, this ceramic had a high degree of orientation of 95% or more and a relative density of 97.9% or more.

(比較例2) 実施例3と同様に、焼成の工程において、この工程を2段の焼成(予備焼成+本焼成)に分けて行うが、Δαが0.45未満になった時の圧電定数d33への影響を調べた。
成形粉の一般式1において、α1を1.20とし、それ以外は実施例3と同様にして結晶配向圧電セラミックスを作製した。
以下、実施例3と異なる添加原料材を作製する工程のみ説明する。
(Comparative Example 2) As in Example 3, in the firing process, this process is divided into two stages of firing (preliminary firing + main firing), but the piezoelectric constant when Δα is less than 0.45. The effect on d33 was examined.
A crystal-oriented piezoelectric ceramic was produced in the same manner as in Example 3 except that α1 was 1.20 in the general formula 1 of the molding powder.
Hereinafter, only the step of producing an additive material different from Example 3 will be described.

添加原料材は以下のように作製した。NaNbOからなる配向性粉末Xmol(本実施例では、X=0.01)に対し、化学組成が0.92(K0.470Na0.500−XLi0.050)Nb1−X+0.08BaZrOとなるようにKCO、NaCO、LiCO、Nb、BaCO、ZrOの原料を秤量した。
その後、エタノール溶媒中にて16時間ボールミル混合した。この際メディアは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時間保持の焼成を行った。焼成後の原料は再びボールミルにて16時間粉砕し、平均粒径を0.8μmとした。
得られた添加原料材に、NaNbOからなる配向性粉末Xmol(X=0.01)を添加し、上記一般式1においてs=0.08、α1=1.02に該当する、0.92(K0.470Na0.500Li0.050)NbO+0.08BaZrOからなる組成とした。さらに、この組成を100molとして、Mnが1molとなるようにMnOを添加して混合した(S11)。
The additive raw material was produced as follows. The chemical composition is 0.92 (K 0.470 Na 0.500-X Li 0.050 ) Nb 1-X O with respect to the oriented powder Xmol made of NaNbO 3 (in this example, X = 0.01). The raw materials of K 2 CO 3 , Na 2 CO 3 , Li 2 CO 3 , Nb 2 O 5 , BaCO 3 and ZrO 2 were weighed so as to be 3 + 0.08BaZrO 3 .
Thereafter, ball mill mixing was performed in an ethanol solvent for 16 hours. At this time, a zirconia ball having a diameter of 5 mm was used as a medium, 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 and then placed in a zirconia mortar and baked at 1050 ° C. for 3 hours in the air. The fired raw material was again pulverized in a ball mill for 16 hours, so that the average particle size was 0.8 μm.
An oriented powder Xmol (X = 0.01) made of NaNbO 3 is added to the obtained additive raw material, and 0.92 corresponding to s = 0.08 and α1 = 1.02 in the above general formula 1. was (K 0.470 Na 0.500 Li 0.050) NbO consisting 3 + 0.08BaZrO 3 composition. Furthermore, with this composition as 100 mol, MnO 2 was added and mixed so that Mn would be 1 mol (S11).

比較例2の結晶配向圧電セラミックスの製造方法は、成形粉の一般式1において、α1が1.020であり、焼成体の一般式2において、α2が0.985、Δαが0.035であり、本発明の製造方法の条件であるα2≦α1―0.045(Δα≧0.045)の範囲から外れる。 これにより得られた結晶配向圧電セラミックスは、圧電定数d33が288pC/Nと低いものである。また、配向度も7%と低い値である。 In the method for producing the crystal-oriented piezoelectric ceramic of Comparative Example 2, α1 is 1.020 in the general formula 1 of the molding powder, α2 is 0.985, and Δα is 0.035 in the general formula 2 of the fired body. This is outside the range of α2 ≦ α1-0.045 (Δα ≧ 0.045), which is the condition of the production method of the present invention. The crystal-oriented piezoelectric ceramic thus obtained has a piezoelectric constant d33 as low as 288 pC / N. Also, the degree of orientation is as low as 7%.

1:擬ペロブスカイト層、2:(Bi2+層、3:配向性粉末、4:添加原料材、10:シート状成形体、a:配向結晶、b:非配向結晶、11:セラミックス層、12:電極層 1: pseudo-perovskite layer, 2: (Bi 2 O 2 ) 2+ layer, 3: oriented powder, 4: additive raw material, 10: sheet-like molded product, a: oriented crystal, b: non-oriented crystal, 11: ceramics Layer, 12: electrode layer

Claims (7)

(1):A1及びB1(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)を含む、ペロブスカイト型化合物構造を有し、内部の結晶方位が揃った配向性粉末を用意する工程と、(2):前記配向性粉末に添加原料材を混合し、一般式1:(1−s)A1α1B1O−sM1M2O(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、M1は2価の元素、M2は4価の元素であり、1.02<α1≦1.10、0.05<s≦0.15)を満たす組成の成形粉に調整する工程と、(3):前記成形粉を、成形粉内に含まれる各配向性粉末の結晶方位が揃うように成形して配向性成形体を得る工程と、(4):前記配向性成形体を、酸素分圧が1×10−4kPa以下の雰囲気下で焼成する工程を有し、 かつ、前記(4)の焼成工程においてA1を揮発させ、一般式2:(1−s)A1α2B1O−sM1M2O(但し、0.94≦α2<1で、かつα2≦α1―0.045)で表される組成の焼成体を得る結晶配向圧電セラミックスの製造方法。 (1): A perovskite type compound structure containing A1 and B1 (wherein A1 is at least one element selected from alkali metals, and B1 is at least one element of transition metal elements and contains Nb). A step of preparing an oriented powder having an internal crystal orientation and (2): an additive raw material is mixed with the oriented powder, and a general formula 1: (1-s) A1 α1 B1O 3 —sM1M2O 3 (where A1 is at least one element selected from alkali metals, B1 is at least one element of transition metal elements and contains Nb, M1 is a divalent element, and M2 is a tetravalent element. And a step of adjusting the molding powder to a composition satisfying 1.02 <α1 ≦ 1.10, 0.05 <s ≦ 0.15), and (3): each of the molding powder contained in the molding powder. Molded so that the crystal orientation of oriented powder is aligned. And obtaining an oriented molded body, (4): the orientation moldings, oxygen partial pressure and a step of firing under the following atmosphere 1 × 10 -4 kPa, and calcination of the (4) In the process, A1 is volatilized, and the composition represented by the general formula 2: (1-s) A1 α2 B1O 3 —sM1M2O 3 (where 0.94 ≦ α2 <1 and α2 ≦ α1-0.045) A method for producing a crystal-oriented piezoelectric ceramic to obtain a fired body. 前記(4)の焼成工程の後、(5):酸素分圧が1×10−4kPa超の雰囲気下において再酸化する工程を有し、 前記(4)及び(5)の工程においてA1を揮発させ、一般式2:(1−s)A1α2B1O−sM1M2O(但し、0.94≦α2<1で、かつα2≦α1―0.045)で表される組成の焼成体を得る請求項1に記載の結晶配向圧電セラミックスの製造方法。 After the firing step (4), (5): having a step of reoxidation in an atmosphere having an oxygen partial pressure of more than 1 × 10 −4 kPa, and A1 in the steps (4) and (5) Volatilization is performed to obtain a fired body having a composition represented by the general formula 2: (1-s) A1 α2 B1O 3 -sM1M2O 3 (where 0.94 ≦ α2 <1 and α2 ≦ α1-0.045). The manufacturing method of the crystal orientation piezoelectric ceramic of Claim 1. 前記A1はK1−x−yNaLi(0<x<1、0<y<1)で表され、 前記B1はNb1−z(但し、QはNb以外の遷移金属元素の少なくとも一種であり、0≦z≦0.3)で表され、 前記M1はBaであり、 前記M2は4A族の少なくとも一種の元素であってZrを含む、 請求項1又は2に記載の結晶配向圧電セラミックスの製造方法。 The A1 is represented by K 1-xy Na x Li y (0 <x <1, 0 <y <1), and the B1 is Nb 1-z Q z (where Q is a transition metal element other than Nb) The M1 is Ba, and the M2 is at least one element of Group 4A and contains Zr. A method for producing crystal-oriented piezoelectric ceramics. 前記(2)の成形粉を調整する工程において、前記一般式1を100molとしたとき、Mn、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Hf、Ta及びWの中から選択された少なくとも1種以上の金属元素が総計で0.1〜5mol含有する組成に調整する請求項1から3のいずれかに記載の結晶配向圧電セラミックスの製造方法。 In the step of adjusting the molding powder of (2), when the general formula 1 is 100 mol, it was selected from Mn, V, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Hf, Ta and W The method for producing a crystal-oriented piezoelectric ceramic according to any one of claims 1 to 3, wherein the composition is adjusted to a composition containing 0.1 to 5 mol in total of at least one metal element. 一般式2:(1−s)A1α2B1O−sM1M2O(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、M1は2価の元素、M2は4価の元素であり、0.94≦α2<1、0.05<s≦0.15)で表され、 圧電定数d33が400pC/N以上である結晶配向圧電セラミックス。 General formula 2: (1-s) A1 α2 B1O 3 —sM1M2O 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) , M1 is a divalent element, M2 is a tetravalent element, 0.94 ≦ α2 <1, 0.05 <s ≦ 0.15), and a piezoelectric constant d33 of 400 pC / N or more Oriented piezoelectric ceramics. 前記A1はK1−x−yNaLi(0<x<1、0<y<1)で表され、 前記B1はNb1−z(但し、QはNb以外の遷移金属元素の少なくとも一種であり、0≦z≦0.3)で表され、 前記M1はBaであり、 前記M2は4A族の少なくとも一種の元素であってZrを含む 請求項5に記載の結晶配向圧電セラミックス。 The A1 is represented by K 1-xy Na x Li y (0 <x <1, 0 <y <1), and the B1 is Nb 1-z Q z (where Q is a transition metal element other than Nb) The crystal-oriented piezoelectric element according to claim 5, wherein M 1 is Ba, and M 2 is at least one element of Group 4A and contains Zr. Ceramics. 前記一般式2を100molとしたとき、Mn、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Hf、Ta及びWの中から選択された少なくとも1種以上の金属元素が総計で0.1〜5mol含有されている請求項5又は6に記載の結晶配向圧電セラミックス。 When the general formula 2 is 100 mol, a total of at least one metal element selected from Mn, V, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Hf, Ta, and W is 0.1. The crystal-oriented piezoelectric ceramic according to claim 5 or 6, which is contained in an amount of -5 mol.
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