JP2022107863A - Piezoelectric ceramic, piezoelectric element, and ultrasonic vibrator - Google Patents

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Abstract

To provide a piezoelectric ceramic capable of forming a piezoelectric element that is small in both mechanical loss and electrical loss during its drive.SOLUTION: A piezoelectric ceramic comprises, as a main component, a compound containing Pb, Zr, Ti, Zn, Nb, Mn and O as constituent elements and having a Perovskite-based structure, with the contained particles having an average particle diameter ravg of 4 μm, wherein, in X-ray diffraction measurements using Cu-K α-rays, a total ratio ((IZT+IZnO)/IP×100) of a maximum peak intensity IZT expressed at 34.0°≤2θ≤35.0° and a maximum peak intensity IZnO expressed at 35.5°≤2θ≤37.0° with respect to a maximum peak intensity IP expressed at 20.0°≤2θ≤40.0° is 1.0% or smaller.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、圧電セラミックス及び圧電素子とその製造方法に関する。 The present invention relates to piezoelectric ceramics, piezoelectric elements, and manufacturing methods thereof.

圧電素子は、機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換する正圧電効果を利用して、センサ素子や発電素子等に用いられている。また、圧電素子は、電気的エネルギーを機械的エネルギーに変換する逆圧電効果を利用して、振動子、発音体、アクチュエータ、超音波モータ及びポンプ等にも用いられている。さらに、圧電素子は、正圧電効果と逆圧電効果との併用により、回路素子及び振動制御素子等にも用いられている。 Piezoelectric elements are used in sensor elements, power generating elements, and the like by utilizing the positive piezoelectric effect that converts mechanical energy into electrical energy. Piezoelectric elements are also used in vibrators, sound generators, actuators, ultrasonic motors, pumps, etc., by utilizing the inverse piezoelectric effect of converting electrical energy into mechanical energy. Furthermore, piezoelectric elements are also used in circuit elements, vibration control elements, etc., due to the combination of the positive piezoelectric effect and the inverse piezoelectric effect.

圧電素子のうち、圧電トランス、振動子及び超音波モータ等については、共振点等の大振幅が生じる条件下で連続駆動されるため、素子自体が発熱しやすい。圧電素子の発熱は、圧電特性の劣化や喪失に繋がるため、これを抑制する必要がある。圧電素子の発熱は、駆動時に生じる機械的な損失と電気的な損失とに起因する。このため、前述のような圧電素子には、ハード系圧電材料あるいはハード材と称される、前述した両損失の小さい材料が用いられている。ハード系圧電材料においては、機械的な損失が小さいことの指標として機械的品質係数Qmが高いことが、電気的な損失が小さいことの指標として誘電正接tanδが小さいことが、それぞれ重要となる。 Among piezoelectric elements, piezoelectric transformers, vibrators, ultrasonic motors, and the like are continuously driven under conditions where large amplitudes such as resonance points occur, so the elements themselves tend to generate heat. Since the heat generation of the piezoelectric element leads to deterioration or loss of piezoelectric characteristics, it is necessary to suppress this. The heat generated by the piezoelectric element is caused by mechanical loss and electrical loss that occur during driving. For this reason, the above-described piezoelectric element is made of a material called a hard piezoelectric material or a hard material, which has a small loss in both cases. In hardware piezoelectric materials, a high mechanical quality factor Qm is important as an index of small mechanical loss, and a small dielectric loss tangent tan δ is important as an index of small electrical loss.

このような低損失のハード系圧電材料としては、ペロブスカイト型構造を有するチタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr,Ti)O:PZT)を基本組成とし、これに種々の元素を固溶させて低損失化したものが提案されている。 As such a low-loss hard piezoelectric material, lead zirconate titanate (Pb(Zr, Ti)O 3 : PZT) having a perovskite structure is used as a basic composition, and various elements are dissolved therein. A low-loss type has been proposed.

例えば、機械的品質係数Qmが高く、比較的低温での焼成が可能な圧電磁器組成物として、Pb、Zn、Nb、Ti、Zr及びOを構成元素として含み、ペロブスカイト型構造を有する化合物を主成分とするものが知られている(特許文献1、2)。 For example, as a piezoelectric ceramic composition that has a high mechanical quality factor Qm and can be fired at a relatively low temperature, a compound containing Pb, Zn, Nb, Ti, Zr and O as constituent elements and having a perovskite structure is mainly used. A component is known (Patent Documents 1 and 2).

特公昭54-18400号公報Japanese Patent Publication No. 54-18400 特開2001-181037号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-181037

Pb、Zn、Nb、Ti、Zr及びOを構成元素として含み、ペロブスカイト型構造を有する化合物を主成分とする圧電磁器組成物では、さらにMnを含有することで、機械的品質係数Qmの高い圧電素子が得られる。しかし、この場合には、誘電正接tanδが高くなり、電気的な損失が大きくなることが問題であった。 In a piezoelectric ceramic composition containing Pb, Zn, Nb, Ti, Zr and O as constituent elements and mainly composed of a compound having a perovskite structure, the addition of Mn results in a piezoelectric ceramic having a high mechanical quality factor Qm. A device is obtained. However, in this case, there is a problem that the dielectric loss tangent tan .delta. increases and the electrical loss increases.

そこで本発明は、駆動時の機械的な損失及び電気的な損失が共に小さい圧電素子を得ることが可能な圧電セラミックスを提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to provide a piezoelectric ceramic that enables a piezoelectric element to be obtained with small mechanical loss and small electrical loss during driving.

本発明者は、前記課題を解決するための検討の過程で、前述の圧電磁器組成物で形成された誘電正接tanδの大きな圧電素子では、圧電セラミックスを形成している焼結粒子の粒径が大きいこと、及びペロブスカイト型構造以外の結晶構造を有するZnを含む酸化物が、圧電セラミックス中に含まれることに気が付いた。そして、圧電セラミックスを、こうした粒径の大きな焼結粒子やZnを含む酸化物の生成が抑制されたものとすることで、前記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。 In the process of studying to solve the above problems, the inventors of the present invention have found that in a piezoelectric element having a large dielectric loss tangent tan δ formed of the piezoelectric ceramic composition described above, the sintered particles forming the piezoelectric ceramics have a particle size of It has been found that piezoelectric ceramics contain Zn-containing oxides that are large and have crystal structures other than the perovskite structure. Then, the present inventors have found that the above problems can be solved by using piezoelectric ceramics in which the generation of sintered particles having a large particle size and oxides containing Zn are suppressed, and have completed the present invention.

すなわち、前記課題を解決するための本発明の一側面は、構成元素としてPb、Zr、Ti、Zn、Nb、Mn及びOを含み、Tiに対するMnのモル比(Mn/Ti)が0.07以下であり、ペロブスカイト型構造を有する化合物を主成分とし、含有する粒子の平均粒径ravgが4μm以下であり、かつCu-Kα線を用いたX線回折測定において、20.0°≦2θ≦40.0°に現れる最大ピーク強度Iに対する、34.0°≦2θ≦35.0°に現れる最大ピーク強度IZTと35.5°≦2θ≦37.0°に現れる最大ピーク強度IZnOとの合計の割合((IZT+IZnO)/I×100)が、1.0%以下となる圧電セラミックスである。 That is, one aspect of the present invention for solving the above problems includes Pb, Zr, Ti, Zn, Nb, Mn and O as constituent elements, and the molar ratio of Mn to Ti (Mn/Ti) is 0.07 and the average particle size r avg of the particles contained is 4 μm or less, and 20.0°≦2θ in X-ray diffraction measurement using Cu—Kα rays. The maximum peak intensity I ZT appearing at 34.0° ≤ 2θ ≤ 35.0° and the maximum peak intensity I appearing at 35.5° ≤ 2θ ≤ 37.0° for the maximum peak intensity I P appearing at ≤ 40.0° Piezoelectric ceramics having a total ratio ((I ZT +I ZnO )/I P ×100) with ZnO of 1.0% or less.

また、本発明の他の一側面は、前述の圧電セラミックスと、該圧電セラミックスに電気的に接続された電極とを備える圧電素子である。 Another aspect of the present invention is a piezoelectric element comprising the aforementioned piezoelectric ceramics and electrodes electrically connected to the piezoelectric ceramics.

さらに、本発明の他の一側面は、前述の圧電素子と、該圧電素子を一軸方向から挟み込む一対のブロック体とを備える超音波振動子である。 Further, another aspect of the present invention is an ultrasonic transducer comprising the aforementioned piezoelectric element and a pair of block bodies sandwiching the piezoelectric element from one axial direction.

本発明によれば、駆動時の機械的な損失及び電気的な損失が共に小さい圧電素子を得ることが可能な圧電セラミックスを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a piezoelectric ceramic that allows obtaining a piezoelectric element with small mechanical loss and small electrical loss during driving.

本発明の一側面に係る積層型圧電素子の構造を示す概略斜視図FIG. 1 is a schematic perspective view showing the structure of a laminated piezoelectric element according to one aspect of the present invention; 図1に示す積層型圧電素子の左側面図FIG. 2 is a left side view of the laminated piezoelectric element shown in FIG. 1; 図1に示す積層型圧電素子のA-A’断面図A-A' cross-sectional view of the laminated piezoelectric element shown in FIG.

以下、図面を参照しながら、本発明の構成及び作用効果について、技術的思想を交えて説明する。但し、作用機構については推定を含んでおり、その正否は、本発明を制限するものではない。なお、数値範囲の記載(2つの数値を「~」でつないだ記載)については、下限及び上限として記載された数値をも含む意味である。 Hereinafter, with reference to the drawings, the configuration and effects of the present invention will be described along with technical ideas. However, the mechanism of action is presumed, and whether it is correct or not does not limit the present invention. It should be noted that the description of a numerical range (a description in which two numerical values are connected by "-") is meant to include numerical values described as lower and upper limits.

本明細書において、圧電素子の「高速大振幅での駆動」とは、共振周波数での駆動、又はレーザードップラー振動計にて測定した振動速度が0.62m/s以上となる条件下での駆動をいう。 In this specification, "driving at high speed and large amplitude" of the piezoelectric element means driving at the resonance frequency, or driving under the condition that the vibration velocity measured with a laser Doppler vibrometer is 0.62 m / s or more. Say.

[圧電セラミックス]
本発明の一側面に係る圧電セラミックス(以下、単に「第1側面」と記載することがある。)は、構成元素としてPb、Zr、Ti、Zn、Nb、Mn及びOを含み、Tiに対するMnのモル比(Mn/Ti)が0.07以下であり、ペロブスカイト型構造を有する化合物を主成分とし、含有する粒子の平均粒径ravgが4μm以下であり、かつCu-Kα線を用いたX線回折測定において、20.0°≦2θ≦40.0°に現れる最大ピーク強度Iに対する、34.0°≦2θ≦35.0°に現れる最大ピーク強度IZTと35.5°≦2θ≦37.0°に現れる最大ピーク強度IZnOとの合計の割合((IZT+IZnO)/I×100)が、1.0%以下となることを特徴とする。
[Piezoelectric ceramics]
A piezoelectric ceramic according to one aspect of the present invention (hereinafter sometimes simply referred to as "first aspect") contains Pb, Zr, Ti, Zn, Nb, Mn and O as constituent elements, and Mn relative to Ti The molar ratio (Mn/Ti) of is 0.07 or less, the main component is a compound having a perovskite structure, the average particle size r avg of the particles contained is 4 μm or less, and Cu-Kα radiation is used In the X - ray diffraction measurement, the maximum peak intensity I ZT appearing at 34.0° ≤ 2θ ≤ 35.0° and 35.5° ≤ The ratio of the total to the maximum peak intensity I ZnO appearing at 2θ≦37.0° ((I ZT +I ZnO )/I P ×100) is 1.0% or less.

第1側面は、構成元素としてPb、Zr、Ti、Zn、Nb、Mn及びOを含むと共に、ペロブスカイト型構造を有する化合物を主成分とする。このことにより、ペロブスカイト構造を有する化合物が、Pb(Zr,Ti)O-Pb(Zn,Nb)O-Pb(Mn,Nb)Oを主体とするものとなり、圧電素子とした際に、印加電圧に対して大きな変位量が得られると共に、駆動時の機械的損失を抑えることができる。 The first side contains Pb, Zr, Ti, Zn, Nb, Mn and O as constituent elements, and is mainly composed of a compound having a perovskite structure. As a result, the compound having a perovskite structure is mainly composed of Pb(Zr, Ti)O 3 —Pb(Zn, Nb)O 3 —Pb(Mn, Nb)O 3 . , a large amount of displacement can be obtained with respect to the applied voltage, and mechanical loss during driving can be suppressed.

第1側面は、構成元素として含まれるTiに対するMnのモル比(Mn/Ti)が0.07以下である。このことにより、圧電素子とした際に誘電正接tanδがより小さくなり、駆動時の電気的な損失を抑制することができる。この理由は現時点では明確でないが、以下のように推測される。Mnは、ペロブスカイト型構造中で、Ti及びZnと同じサイト(Bサイト)に位置する。圧電セラミックスにおけるMnの量が多くなり過ぎると、含有される一部のTi及びZnがペロブスカイト型構造中に存在できなくなり、ZnTi(但し、p、q及びrはそれぞれ実数である)及びZnO等の、ペロブスカイト型構造以外の結晶構造を有する酸化物を生成する。こうした酸化物の存在が、圧電素子とした際の誘電正接tanδの上昇をもたらす。これに対し、前記モル比(Mn/Ti)が0.07以下であると、ペロブスカイト型構造以外の結晶構造を有する酸化物の生成が抑制されるため、圧電素子とした際の誘電正接tanδが低く抑えられ、駆動時の電気的な損失が小さくなる。電気的な損失のより小さな圧電素子を得る点からは、前記モル比(Mn/Ti)は0.05以下であることが好ましい。前記モル比(Mn/Ti)の下限値は特に限定されないが、機械的品質係数Qmの高い圧電素子を得る点からは、0.02以上であることが好ましく、0.03以上であることがより好ましい。 The first aspect has a molar ratio of Mn to Ti contained as a constituent element (Mn/Ti) of 0.07 or less. As a result, the dielectric loss tangent tan δ becomes smaller when the piezoelectric element is formed, and the electrical loss during driving can be suppressed. The reason for this is not clear at present, but is presumed as follows. Mn is located at the same site (B site) as Ti and Zn in the perovskite structure. If the amount of Mn in the piezoelectric ceramic becomes too large, part of the contained Ti and Zn cannot exist in the perovskite structure, resulting in Zn p Ti q O r (where p, q, and r are real numbers). ) and ZnO, which have crystal structures other than the perovskite structure. The presence of such oxides increases the dielectric loss tangent tan δ when the piezoelectric element is formed. On the other hand, when the molar ratio (Mn/Ti) is 0.07 or less, the generation of oxides having a crystal structure other than the perovskite structure is suppressed. It is kept low, and electrical loss during driving is small. The molar ratio (Mn/Ti) is preferably 0.05 or less in order to obtain a piezoelectric element with smaller electrical loss. Although the lower limit of the molar ratio (Mn/Ti) is not particularly limited, it is preferably 0.02 or more, more preferably 0.03 or more, in order to obtain a piezoelectric element with a high mechanical quality factor Qm. more preferred.

第1側面は、組成式が、下記式(1)にて表されるものであることが、より大きな変位量と、より低い機械的損失とを達成できる点で好ましい。 In the first aspect, it is preferable that the compositional formula is represented by the following formula (1) in that a larger amount of displacement and a lower mechanical loss can be achieved.

Figure 2022107863000002
Figure 2022107863000002

但し、式中のa、b、x、y及びzはそれぞれ、-0.05≦a≦0.05、0.45≦b≦0.60、0<x≦0.85、0<y<1.0、0.01<z<0.10及びx+y+z=1.0を満たす実数である。 provided that a, b, x, y and z in the formula are respectively −0.05≦a≦0.05, 0.45≦b≦0.60, 0<x≦0.85, 0<y< It is a real number that satisfies 1.0, 0.01<z<0.10 and x+y+z=1.0.

ここで、第1側面が、構成元素としてPb、Zr、Ti、Zn、Nb、Mn及びOを含むこと、ペロブスカイト型構造を有する化合物を主成分とすること、前記式(1)で表される組成を有すること、並びに前記モル比(Mn/Ti)が0.07以下であることは、それぞれ以下の手順で確認する。まず、圧電セラミックスを粉砕して粉末状試料を調製する。圧電セラミックスが圧電素子を形成している場合には、電極や被覆等の圧電セラミックス以外の部分を除去した後、粉砕することが好ましいが、後述する積層型圧電素子等の、圧電セラミックス部分と他の部分との分離が困難であり、かつ圧電セラミックス部分の割合が他の部分に比べて高い圧電素子については、素子ごと粉砕して粉末状試料としてもよい。次いで、得られた粉末状試料について、Cu-Kα線を用いたX線回折装置(XRD)で回折線プロファイルを測定し、ペロブスカイト構造由来のプロファイルにおける最強回折線強度に対する、他の構造由来の回折プロファイルにおける最強回折線強度の割合が10%以下となったことをもって、圧電セラミックスがペロブスカイト型構造を有する化合物を主成分とするものと判断する。なお、圧電セラミックス部分を他の部分と分離することなく、圧電素子ごと粉砕して粉末状試料とした場合で、回折線プロファイル中に電極等の圧電セラミックス以外の部分に由来することが明らかなピークが観測された場合には、該ピークを除外して、前述した最強線強度の比較を行う。次いで、ペロブスカイト型構造を有する化合物を主成分とすることが確認された粉末状試料について、高周波誘導結合プラズマ発光分光分析(ICP)、イオンクロマトグラフィー装置ないしは、蛍光X線分析装置(XRF)によって組成分析を行う。そして、組成分析の結果から、酸素以外の各元素の有無を確認し、その存在が確認されたことをもって、圧電セラミックスが前記各元素を含むものと判断する。また、組成分析の結果から、酸素以外の元素の含有比率を算出し、該含有比率が前記式(1)における比率となっていることをもって、圧電セラミックスが前記式(1)で表される組成を有するものと判断する。さらに、組成分析の結果から、Tiに対するMnのモル比(Mn/Ti)を算出し、この値が0.07以下であることをもって、圧電セラミックスが0.07以下のTiに対するMnのモル比(Mn/Ti)を有するものと判断する。 Here, the first side surface contains Pb, Zr, Ti, Zn, Nb, Mn and O as constituent elements, contains a compound having a perovskite structure as a main component, and is represented by the above formula (1) It is confirmed by the following procedures that it has a composition and that the molar ratio (Mn/Ti) is 0.07 or less. First, a piezoelectric ceramic is pulverized to prepare a powdery sample. When piezoelectric ceramics form a piezoelectric element, it is preferable to pulverize after removing portions other than the piezoelectric ceramics, such as electrodes and coatings. In the case of a piezoelectric element which is difficult to separate from the portion and has a higher proportion of the piezoelectric ceramic portion than the other portions, the entire element may be pulverized to obtain a powdery sample. Next, for the obtained powdery sample, the diffraction line profile is measured with an X-ray diffractometer (XRD) using Cu-Kα rays, and the diffraction line intensity derived from other structures is compared with the strongest diffraction line intensity in the profile derived from the perovskite structure. When the ratio of the strongest diffraction line intensity in the profile is 10% or less, it is determined that the piezoelectric ceramic is mainly composed of a compound having a perovskite structure. In addition, when the piezoelectric element is pulverized into a powder sample without separating the piezoelectric ceramic portion from other portions, a peak clearly derived from a portion other than the piezoelectric ceramic, such as the electrode, in the diffraction line profile is observed, the peak is excluded and the strongest line intensity is compared as described above. Next, a powdery sample confirmed to contain a compound having a perovskite structure as a main component is subjected to high frequency inductively coupled plasma emission spectrometry (ICP), ion chromatography, or X-ray fluorescence spectrometry (XRF). do the analysis. Then, the presence or absence of each element other than oxygen is confirmed from the result of the composition analysis, and when the existence thereof is confirmed, it is determined that the piezoelectric ceramic contains each of the above elements. Further, from the result of the composition analysis, the content ratio of the elements other than oxygen is calculated, and the content ratio is the ratio in the above formula (1), so that the piezoelectric ceramic has the composition represented by the above formula (1). It is judged to have Furthermore, the molar ratio of Mn to Ti (Mn/Ti) is calculated from the result of composition analysis, and if this value is 0.07 or less, the molar ratio of Mn to Ti for piezoelectric ceramics of 0.07 or less ( Mn/Ti).

第1側面は、前述の各元素を構成元素として含有し、ペロブスカイト型構造を有する化合物を主成分とするものであれば、他の添加元素ないし化合物を含有するものであってもよい。添加元素の例としては、ABOで表されるペロブスカイト型構造において、Aサイトに固溶するCa、Sr、Ba、Ag、La、Ce及びBi等、Bサイトに固溶するMg、Fe、Co、Ni、Ta及びW等が挙げられる。化合物の例としては、焼結温度を下げるために添加した成分に由来する、ガラス質の粒界相等が挙げられる。 The first side surface may contain other additive elements or compounds as long as it contains the above elements as constituent elements and is mainly composed of a compound having a perovskite structure. Examples of additive elements include Ca, Sr, Ba, Ag, La, Ce, Bi, etc., which form a solid solution at the A site, Mg, Fe, Co, which form a solid solution at the B site, in the perovskite structure represented by ABO3 . , Ni, Ta and W, and the like. Examples of the compound include a glassy grain boundary phase derived from a component added to lower the sintering temperature.

第1側面は、Cu-Kα線を用いたX線回折測定において、20.0°≦2θ≦40.0°に現れる最大ピーク強度Iに対する、34.0°≦2θ≦35.0°に現れる最大ピーク強度IZTと35.5°≦2θ≦37.0°に現れる最大ピーク強度IZnOとの合計の割合({(IZT+IZnO)/I}×100)(以下、「Zn含有酸化物率」と記載することがある)が、1.0%以下となる。このことにより、圧電素子とした際に、誘電正接tanδの低いものとなる。 The first side is the maximum peak intensity I P appearing at 20.0° ≤ 2θ ≤ 40.0° in X-ray diffraction measurement using Cu-Kα rays, at 34.0° ≤ 2θ ≤ 35.0° The ratio of the total of the maximum peak intensity I ZT appearing and the maximum peak intensity I ZnO appearing at 35.5 ° ≤ 2θ ≤ 37.0 ° ({(I ZT + I ZnO )/I P } × 100) (hereinafter, “Zn oxide content”) is 1.0% or less. As a result, the piezoelectric element has a low dielectric loss tangent tan δ.

第1側面において、Cu-Kα線を用いたX線回折測定を行った際に、2θが20.0°~40.0°の範囲に現れる最大ピーク強度Iは、主成分であるペロブスカイト型構造を有する化合物に由来するものである。他方、2θが34.0°~35.0°の範囲に現れる最大ピーク強度IZTは、Zn及びTiを含む酸化物(ZnTi(但し、p、q及びrはそれぞれ実数))に由来するものであり、2θが35.5°~37.0°の範囲に現れる最大ピークIZnOは、酸化亜鉛(ZnO)に由来するものである。そうすると、Iに対するIZTとIZnOとの合計の割合であるZn含有酸化物率の値が小さいことは、ペロブスカイト型構造とは異なる結晶構造を有するZn含有酸化物の含有割合が相対的に低いことを意味する。そして、この割合が1.0%以下の場合には、こうしたZn含有酸化物に起因した、上述の誘電正接tanδの上昇が抑えられ、低い誘電正接tanδを有する圧電素子が得られるようになる。より低い誘電正接tanδを得る点からは、Zn含有酸化物比率は低い方が好ましく、0.5%以下であることが好ましく、0.3%以下であることがより好ましく、0.3%未満であることがさらに好ましい。 In the first aspect, when performing X-ray diffraction measurement using Cu—Kα rays, the maximum peak intensity I P that appears in the range of 2θ from 20.0° to 40.0° is the perovskite type that is the main component It is derived from a compound having a structure. On the other hand, the maximum peak intensity I ZT that appears in the range of 2θ from 34.0° to 35.0° is an oxide containing Zn and Ti (Zn p Ti q O r (where p, q and r are real numbers) ), and the maximum peak I ZnO appearing in the 2θ range of 35.5° to 37.0° is derived from zinc oxide (ZnO). Then, the small value of the Zn-containing oxide ratio, which is the ratio of the sum of IZT and IZnO to IP , indicates that the content ratio of Zn-containing oxides having a crystal structure different from the perovskite structure is relatively high. means low. When this ratio is 1.0% or less, the increase in the dielectric loss tangent tan δ due to the Zn-containing oxide is suppressed, and a piezoelectric element having a low dielectric loss tangent tan δ can be obtained. From the viewpoint of obtaining a lower dielectric loss tangent tan δ, the Zn-containing oxide ratio is preferably low, preferably 0.5% or less, more preferably 0.3% or less, and less than 0.3% is more preferable.

ここで、Zn含有酸化物率は、以下の手順で算出する。まず、圧電セラミックスを、前述した方法で粉末状試料とし、そのXRDプロファイルを測定する。次いで、得られた結果を、結晶構造解析用ソフトウェア(株式会社ライトストーン製、JADE)を用いて解析し、20.0°≦2θ≦40.0°における最大ピーク強度I、34.0°≦2θ≦35.0°における最大ピーク強度IZT、及び35.5°≦2θ≦37.0°における最大ピークIZnOをそれぞれ求める。最後に、得られたI、IZT、及びIZnOを用いて{(IZT+IZnO)/I}×100の値を算出し、これをZn含有酸化物率とする。 Here, the Zn-containing oxide ratio is calculated by the following procedure. First, a piezoelectric ceramic is made into a powder sample by the method described above, and its XRD profile is measured. Next, the obtained results were analyzed using crystal structure analysis software (JADE, manufactured by Lightstone Co., Ltd.), and the maximum peak intensity IP at 20.0 ° ≤ 2θ ≤ 40.0 °, 34.0 ° Determine the maximum peak intensity I ZT at ≦2θ≦35.0° and the maximum peak I ZnO at 35.5°≦2θ≦37.0°, respectively. Finally, using the obtained I P , I ZT , and I ZnO , a value of {(I ZT +I ZnO )/I P }×100 is calculated and defined as the Zn-containing oxide ratio.

第1側面は、含有する粒子の平均粒径ravgが4.0μm以下である。このことにより、粒子同士の粒径の差異が小さくなり、圧電素子とした際に低い誘電正接tanδが得られる。また、平均粒径ravgの小さな圧電セラミックスは、後述する積層型の圧電素子とした場合に、1層あたりの厚さを薄くしても、単位体積あたりの変位量の低下が起こりにくい点でも好ましい。この点からは、平均粒径ravgは、1.0μm以下であることが好ましく、0.8μm以下であることがより好ましい。平均粒径ravgの下限は特に限定されないが、一般的な製造方法で得られる圧電セラミックスにおいては0.1μm程度となる。なお、一般的な圧電セラミックスでは、焼成時に結晶粒子を十分に成長させて開気孔を閉塞していることが多く、この場合、含有する粒子の平均粒径ravgは大きなものとなる。しかし、第1側面では、焼成時の粒成長を抑制することで、高い機械的品質係数Qmと低い誘電正接tanδとが両立された圧電素子を形成可能な圧電セラミックスとしており、この点で、第1側面は、一般的な圧電セラミックスとは異なるものとなっている。 In the first aspect, the contained particles have an average particle size r avg of 4.0 μm or less. As a result, the difference in particle size between the particles becomes small, and a low dielectric loss tangent tan δ can be obtained when the particles are used as a piezoelectric element. In addition, piezoelectric ceramics with a small average grain size ravg are less likely to cause a decrease in the amount of displacement per unit volume even if the thickness of each layer is reduced when used as a laminated piezoelectric element, which will be described later. preferable. From this point of view, the average particle size r avg is preferably 1.0 μm or less, more preferably 0.8 μm or less. Although the lower limit of the average grain size r avg is not particularly limited, it is about 0.1 μm in piezoelectric ceramics obtained by a general manufacturing method. In general piezoelectric ceramics, crystal grains are grown sufficiently during firing to block open pores in many cases, and in this case, the average grain size r avg of the contained grains is large. However, in the first aspect, by suppressing grain growth during firing, the piezoelectric ceramic can form a piezoelectric element having both a high mechanical quality factor Qm and a low dielectric loss tangent tan δ. One side is different from common piezoelectric ceramics.

第1側面では、含有する粒子の粒径の変動係数C.V.が40%以下であることが好ましい。粒径の変動係数C.V.が小さいことで、微細構造がより均一なものとなり、圧電素子とした際に誘電正接tanδが低下する。変動係数C.V.は38%以下であることがより好ましい。 In the first aspect, the coefficient of variation of the grain size of the contained particles, C.I. V. is preferably 40% or less. Coefficient of variation of particle size C.I. V. When the .di-elect cons. is small, the fine structure becomes more uniform, and the dielectric loss tangent tan .delta. decreases when the piezoelectric element is formed. coefficient of variation C.I. V. is more preferably 38% or less.

ここで、第1側面における平均粒径ravg及び粒径の変動係数C.V.は、以下の手順で決定する。
まず、圧電セラミックスの表面に、導電性を付与するために白金を蒸着して測定用試料とする。圧電素子中の圧電セラミックスについては、素子表面に露出している部分がある場合は、該部分に対して白金を蒸着して測定用試料とする。圧電素子表面に圧電セラミックスが露出していない場合には、研磨、研削、切断又はエッチング等により圧電セラミックス部分を露出させた後、900~960℃の温度で15分~30分程度の熱処理(サーマルエッチング)を行った後、白金を蒸着して測定用試料とする。次いで、測定用試料を、走査型電子顕微鏡(SEM)にて観察し、視野中に60~200個程度の粒子が入る倍率にて、4~6枚の写真を撮影する。次いで、撮影した写真を画像処理することで、各粒子の円相当径を算出する。次いで、得られた個々の粒子の円相当径r及びこれを算出した粒子の個数nから、下記式(2)により平均粒径ravgを算出し、これを圧電セラミックスの平均粒径とする。次いで、得られた平均粒径ravgの値と、前述のr及びnの値とから、下記式(3)により粒径の標準偏差sを算出する。最後に、得られた平均粒径ravg及び標準偏差sの値から、下記式(4)により変動係数C.V.を算出し、これを圧電セラミックスにおける粒径の変動係数C.V.とする。
Here, the average grain size r avg in the first aspect and the grain size variation coefficient C.V. V. is determined by the following procedure.
First, platinum is vapor-deposited on the surface of piezoelectric ceramics in order to impart electrical conductivity to prepare a sample for measurement. As for the piezoelectric ceramics in the piezoelectric element, if there is an exposed portion on the surface of the element, the exposed portion is coated with platinum to prepare a sample for measurement. If the piezoelectric ceramic is not exposed on the surface of the piezoelectric element, after exposing the piezoelectric ceramic portion by polishing, grinding, cutting, etching, etc., heat treatment (thermal treatment) is performed at a temperature of 900 to 960 ° C. After etching), platinum is vapor-deposited to obtain a sample for measurement. Next, the sample for measurement is observed with a scanning electron microscope (SEM), and 4 to 6 photographs are taken at a magnification of about 60 to 200 particles in the field of view. Next, the equivalent circle diameter of each particle is calculated by performing image processing on the photographed photograph. Next, from the obtained circle-equivalent diameter ri of each particle and the number n of particles obtained by calculating this, the average particle diameter r avg is calculated by the following formula (2), and is taken as the average particle diameter of the piezoelectric ceramic. . Then, the standard deviation s of the particle size is calculated from the obtained average particle size ravg and the values of r i and n described above by the following formula (3). Finally, the coefficient of variation C.V. is calculated from the obtained average particle size ravg and standard deviation s using the following formula (4). V. is calculated, and this is used as the variation coefficient C. V. and

Figure 2022107863000003
Figure 2022107863000003

[圧電セラミックスの製造方法]
第1側面に係る圧電セラミックスは、例えば、Pb、Zr、Ti、Zn、Nb及びMnから選択される1種又は複数種の元素を含む化合物の粉末を混合し、該各元素を含む混合粉末を得ること、前記混合粉末を仮焼して仮焼粉を得ること、前記仮焼粉を所定形状に成形して成形体を得ること、及び前記成形体を焼成することを経て製造される。この製造方法について、以下に説明する。
[Method for producing piezoelectric ceramics]
The piezoelectric ceramics according to the first aspect is produced by, for example, mixing powders of compounds containing one or more elements selected from Pb, Zr, Ti, Zn, Nb and Mn, and obtaining mixed powders containing the respective elements. calcining the mixed powder to obtain a calcined powder; forming the calcined powder into a predetermined shape to obtain a compact; and firing the compact. This manufacturing method will be described below.

原料として使用する化合物の粉末は、焼成により第1側面に係る圧電セラミックスが得られるものであれば、組成及び粒度は限定されない。粉末を構成する化合物は、前述した元素以外の添加元素を含むものであってもよい。使用できる化合物の例としては、Pb含有化合物としてPbO及びPb等が、Zr含有化合物としてZrO等が、Ti含有化合物としてTiO等が、Zn含有化合物としてZnO等が、Nb含有化合物としてNb等が、Mn含有化合物としてMnCO等が、それぞれ挙げられる。 The powder of the compound used as the raw material is not limited in composition and particle size as long as the piezoelectric ceramics according to the first aspect can be obtained by firing. The compound constituting the powder may contain additional elements other than the elements described above. Examples of compounds that can be used include PbO and Pb3O4 as Pb - containing compounds, ZrO2 as Zr-containing compounds, TiO2 as Ti - containing compounds, ZnO as Zn-containing compounds, and Nb-containing compounds. Examples of Mn-containing compounds include Nb 2 O 5 and the like, and examples of Mn-containing compounds include MnCO 3 and the like.

原料粉末の混合方法は、不純物の混入を防ぎつつ各粉末が均一に混合されるものであれば特に限定されず、乾式混合、湿式混合のいずれを採用してもよい。ボールミルを用いた湿式混合を採用する場合には、例えば8~24時間程度混合すればよい。なお、一般的な圧電セラミックスの製造方法では、原料粉末を混合する際にはMn含有化合物は添加せず、後述する仮焼後の粉末にこれを添加する手法も慣用されており、第1側面の製造にあたり、該手法を採用してもよい。 The method of mixing the raw material powders is not particularly limited as long as the powders are uniformly mixed while preventing contamination of impurities, and either dry mixing or wet mixing may be employed. When wet mixing using a ball mill is employed, mixing may be performed for, for example, about 8 to 24 hours. In a general method for manufacturing piezoelectric ceramics, the Mn-containing compound is not added when the raw material powder is mixed, and a method of adding it to the powder after calcining, which will be described later, is commonly used. You may employ|adopt this method in manufacturing.

混合粉末の仮焼条件は、各原料が反応して上述した組成式で表されるペロブスカイト型化合物を主成分とする仮焼粉が得られるものであれば限定されず、例えば大気雰囲気中、700℃~1000℃で2時間~8時間とすればよい。焼成温度が低すぎたり、焼成時間が短すぎたりすると、未反応の原料や中間生成物が残存する虞がある。反対に、焼成温度が高すぎたり、焼成時間が長すぎたりすると、PbやZnの揮発により所期の組成の化合物が得られない虞や、生成物が固結して解砕しにくくなることで生産性が低下する虞がある。 The calcining conditions for the mixed powder are not limited as long as each raw material reacts to obtain a calcined powder containing the perovskite compound represented by the above-described compositional formula as a main component. C. to 1000.degree. C. for 2 to 8 hours. If the firing temperature is too low or the firing time is too short, unreacted raw materials and intermediate products may remain. On the other hand, if the firing temperature is too high or the firing time is too long, there is a possibility that the compound with the desired composition may not be obtained due to volatilization of Pb or Zn, or the product may solidify and become difficult to crush. There is a risk that the productivity will decrease.

仮焼により得られた仮焼粉を成形する方法としては、粉末の一軸加圧成形、粉末を含む坏土の押出成形及び粉末を分散したスラリーの鋳込成形等の、セラミックス粉末の成形に通常用いられる方法を採用することができる。 As a method for molding the calcined powder obtained by calcination, it is commonly used for molding ceramic powder, such as uniaxial pressure molding of powder, extrusion molding of clay containing powder, and cast molding of slurry in which powder is dispersed. The method used can be adopted.

ここで、圧電セラミックスを、図1~3に示す積層型圧電素子100の圧電セラミックス層10として得る場合には、成形方法として以下のものを採用できる。 Here, when the piezoelectric ceramic is obtained as the piezoelectric ceramic layer 10 of the laminated piezoelectric element 100 shown in FIGS. 1 to 3, the following molding method can be adopted.

まず、仮焼粉をバインダー等と混合し、スラリー又は坏土を形成した後、これをシート状に成形して仮焼粉を含む生シートを得る。シートの成形方法としては、ドクターブレード法、押出成形法等の慣用されている方法を採用できる。 First, the calcined powder is mixed with a binder or the like to form a slurry or clay, which is formed into a sheet to obtain a raw sheet containing the calcined powder. As a method for forming the sheet, commonly used methods such as a doctor blade method and an extrusion molding method can be employed.

次いで、仮焼粉を含む生シート上に、焼成後に内部電極20となる電極パターンを形成する。電極パターンは慣用されている方法で形成すれば良く、電極材料を含むペーストを印刷又は塗布する方法がコストの点で好ましい。印刷又は塗布により電極パターンを形成する際には、焼成後の圧電セラミックスへの付着強度を向上させるため、焼成後の圧電セラミックスと同様の組成及び結晶構造を有する粉末(共材)やガラスフリットをペースト中に含有させてもよい。 Next, an electrode pattern that will become the internal electrode 20 after firing is formed on the raw sheet containing the calcined powder. The electrode pattern may be formed by a commonly used method, and a method of printing or applying a paste containing an electrode material is preferable in terms of cost. When forming an electrode pattern by printing or coating, powder (common material) or glass frit having the same composition and crystal structure as the fired piezoelectric ceramics is used in order to improve the adhesion strength to the fired piezoelectric ceramics. It may be contained in the paste.

なお、図1~3に示すものとは異なる構造を有する積層型圧電素子として、圧電セラミックス層内を貫通するスルーホール(ビア)を介して内部電極同士を電気的に接続したものも挙げられる。こうした構造の積層型圧電素子を製造する場合には、電極パターンの形成に先立ち、得られた生シートに、パンチングやレーザー光の照射等により貫通孔を形成すると共に、電極パターンの形成に前後して、該貫通孔に電極材料を充填する。充填方法は特に限定されないが、電極材料を含むペーストを印刷する方法が、コストの点で好ましい。 As a laminated piezoelectric element having a structure different from that shown in FIGS. 1 to 3, there is also one in which internal electrodes are electrically connected to each other via through holes (vias) penetrating through the piezoelectric ceramic layers. When manufacturing a laminated piezoelectric element having such a structure, prior to the formation of the electrode pattern, through holes are formed in the obtained green sheet by punching or irradiation with a laser beam, and the electrode pattern is formed before and after the formation. to fill the through holes with an electrode material. The filling method is not particularly limited, but a method of printing a paste containing an electrode material is preferable in terms of cost.

最後に、電極パターンを形成した生シートを所定の枚数積層し、シート同士を接着して成形体を得る。積層及び接着は慣用されている方法で行えば良く、生シート同士をバインダーの作用で熱圧着する方法がコストの点で好ましい。 Finally, a predetermined number of raw sheets having electrode patterns formed thereon are laminated and the sheets are adhered to each other to obtain a compact. Lamination and adhesion may be carried out by a commonly used method, and the method of thermocompression bonding raw sheets by the action of a binder is preferable from the viewpoint of cost.

以上の手順で得られた成形体は、必要に応じてバインダーが除去された後、焼成を経て第1側面に係る圧電セラミックスとなる。焼成の条件は、仮焼粉の焼結性、及び成形体中に電極材料が含まれる場合にはその耐久性等を考慮して、適宜設定すればよい。なお、電極材料として銅(Cu)又はニッケル(Ni)を含む成形体を焼成する場合には、その酸化を防止するために、焼成雰囲気を還元性ないし不活性雰囲気とすることが好ましい。電極材料として銅(Cu)又はニッケル(Ni)のいずれも含まない成形体の焼成条件の例としては、大気雰囲気中、900℃~1200℃で1時間~5時間が挙げられる。焼成温度が低すぎたり、焼成時間が短すぎたりすると、緻密化が不十分であることにより、所期の特性の圧電セラミックスが得られない虞がある。反対に、焼成温度が高すぎたり、焼成時間が長すぎたりすると、PbやZnの揮発により組成ずれが生じる虞や、粗大粒子の生成により特性が低下する虞がある。また、成形体が電極材料を含む場合には、該電極材料の溶融や拡散により所期の特性の圧電セラミックスないし圧電素子が得られなくなる虞もある。焼成温度が高すぎることによるこうした不都合を避けると共に、電極材料に低融点の材料を使用して材料コストを低減する点からは、焼成温度を1100℃以下とすることが好ましい。なお、1つの成形体から複数の圧電セラミックスないし圧電素子を得る場合には、焼成に先立って成形体を幾つかのブロックに分割してもよい。 After the binder is removed from the molded body obtained by the above procedure, the molded body is sintered to become the piezoelectric ceramics relating to the first side surface. The sintering conditions may be appropriately set in consideration of the sinterability of the calcined powder and the durability of the electrode material in the case where the compact is contained. When firing a compact containing copper (Cu) or nickel (Ni) as an electrode material, the firing atmosphere is preferably a reducing or inert atmosphere in order to prevent oxidation. An example of firing conditions for a compact containing neither copper (Cu) nor nickel (Ni) as an electrode material is 900° C. to 1200° C. for 1 hour to 5 hours in an air atmosphere. If the sintering temperature is too low or the sintering time is too short, densification will be insufficient, and there is a risk that piezoelectric ceramics with desired characteristics will not be obtained. On the other hand, if the firing temperature is too high or the firing time is too long, the volatilization of Pb and Zn may cause composition deviation, and the properties may deteriorate due to the formation of coarse particles. Moreover, when the compact contains an electrode material, there is a risk that the electrode material will melt or diffuse, making it impossible to obtain piezoelectric ceramics or piezoelectric elements with desired characteristics. It is preferable to set the firing temperature to 1100° C. or less in order to avoid such problems due to the firing temperature being too high and to reduce the material cost by using a low-melting-point material for the electrode material. When obtaining a plurality of piezoelectric ceramics or piezoelectric elements from one compact, the compact may be divided into several blocks prior to firing.

[圧電素子]
本発明の他の一側面に係る圧電素子(以下、単に「第2側面」と記載することがある)は、上述した第1側面に係る圧電セラミックスと、該圧電セラミックスに電気的に接続された電極とを備える。第2側面は、圧電セラミックスとして第1側面に係るものを備えることで、高い機械的品質係数Qmを保持しつつ、誘電正接tanδの低いものとなり、高速大振幅にて駆動した場合にも、発熱の少ない圧電素子となる。
[Piezoelectric element]
A piezoelectric element according to another aspect of the present invention (hereinafter sometimes simply referred to as a “second aspect”) includes the piezoelectric ceramics according to the first aspect described above and the piezoelectric ceramics electrically connected to the piezoelectric element. and an electrode. Since the second side is provided with the piezoelectric ceramics related to the first side, it has a low dielectric loss tangent tan δ while maintaining a high mechanical quality factor Qm. becomes a piezoelectric element with less

第2側面では、電極の材質、形状及び配置は、圧電セラミックスに対して所期の電圧を印加することができるものであれば特に限定されない。電極の材質の例としては、銀(Ag)、銅(Cu)、金(Au)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)及びニッケル(Ni)並びにこれらの合金等が挙げられる。また、電極の形状及び配置の例としては、圧電セラミックスの特定の面のほぼ全体を覆うものが挙げられる。加えて、圧電素子が、図1~3に示すような、圧電セラミックス層10と内部電極20との層状構造を有する積層型圧電素子100である場合には、素子表面に露出する圧電セラミックス部分に電圧を印加したり、圧電セラミックス部分に発生した電圧を取り出したりするための外部電極30に加えて、内部電極の露出部分を覆ってこれを1層おきに接続する接続導体31、32を備えてもよい。 In the second aspect, the material, shape and arrangement of the electrodes are not particularly limited as long as a desired voltage can be applied to the piezoelectric ceramics. Examples of electrode materials include silver (Ag), copper (Cu), gold (Au), platinum (Pt), palladium (Pd), nickel (Ni), and alloys thereof. Also, examples of the shape and arrangement of the electrodes include those that cover substantially the entire specific surface of the piezoelectric ceramics. In addition, when the piezoelectric element is a laminated piezoelectric element 100 having a layered structure of piezoelectric ceramic layers 10 and internal electrodes 20 as shown in FIGS. In addition to the external electrodes 30 for applying a voltage and taking out the voltage generated in the piezoelectric ceramic portion, it is provided with connecting conductors 31 and 32 that cover the exposed portions of the internal electrodes and connect them to every other layer. good too.

[圧電素子の製造方法]
第2側面に係る圧電素子は、第1側面に係る圧電セラミックスの表面に電極を形成し、分極処理することで製造される。この製造方法について、以下に説明する。
[Manufacturing method of piezoelectric element]
The piezoelectric element according to the second side surface is manufactured by forming electrodes on the surface of the piezoelectric ceramics according to the first side surface and subjecting it to polarization treatment. This manufacturing method will be described below.

電極の形成には、電極材料を含むペーストを圧電セラミックス表面に塗布ないし印刷して焼き付ける方法や、圧電セラミックス表面に電極材料を蒸着する方法等の、慣用されている方法を採用できる。 For the formation of the electrodes, commonly used methods such as applying or printing a paste containing an electrode material to the surface of the piezoelectric ceramics and baking the paste, or vapor-depositing the electrode material on the surface of the piezoelectric ceramics can be employed.

分極処理の条件は、圧電セラミックスに亀裂等の損傷を生じることなく自発分極の向きを揃えられるものであれば特に限定されない。一例として、100℃~180℃の温度にて、1kV/mm~5kV/mmの電界を印加することが挙げられる。 Conditions for the polarization treatment are not particularly limited as long as the direction of spontaneous polarization can be aligned without causing damage such as cracks in the piezoelectric ceramics. An example is applying an electric field of 1 kV/mm to 5 kV/mm at a temperature of 100.degree. C. to 180.degree.

[超音波振動子]
本発明のさらに他の一側面に係る超音波振動子(以下、単に「第3側面」と記載することがある)は、第2側面に係る圧電素子と、該圧電素子を一軸方向から挟み込む一対のブロック体とを備える。この超音波振動子は、ランジュバン型振動子として知られている。ランジュバン型振動子は、圧電素子に対してブロック体をボルトで締め付けて挟み込んで一体化した、いわゆるボルト締めランジュバン振動子であってもよい。ランジュバン型振動子は、圧電素子に電気エネルギーを供給することで超音波振動を発生させ、該超音波振動を、前記ブロック体を介して外部に伝達するように作動する。第3側面は、圧電素子として第2側面に係るものを備えることで、高速大振幅にて駆動した場合の発熱が少なく、長時間にわたって安定した駆動が可能な振動子となる。
[Ultrasonic transducer]
An ultrasonic transducer according to still another aspect of the present invention (hereinafter sometimes simply referred to as a "third aspect") comprises a piezoelectric element according to the second aspect and a pair of piezoelectric elements sandwiching the piezoelectric element from one axial direction. and a block body of This ultrasonic transducer is known as a Langevin transducer. The Langevin vibrator may be a so-called bolt-tightened Langevin vibrator in which a block body is sandwiched between and integrated with a piezoelectric element by bolting. The Langevin vibrator operates to generate ultrasonic vibrations by supplying electric energy to a piezoelectric element and to transmit the ultrasonic vibrations to the outside through the block body. Since the third side includes the piezoelectric element related to the second side, the vibrator generates little heat when driven at high speed and large amplitude, and can be stably driven for a long period of time.

第3側面で使用するブロック体の材質は、圧電素子から発生する超音波振動を効率的に伝達可能なものであれば特に限定されず、例えばチタン合金、アルミニウム合金又はSUS等が使用できる。 The material of the block used in the third aspect is not particularly limited as long as it can efficiently transmit ultrasonic vibrations generated from the piezoelectric element. For example, titanium alloy, aluminum alloy, SUS, or the like can be used.

以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は該実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES The present invention will be described in more detail with reference to examples below, but the present invention is not limited to the examples.

(実施例1)
[圧電セラミックスの製造]
出発原料として、高純度のPb、ZrO、TiO、ZnO、Nb及びMnCO粉末を準備し、該各粉末を、組成式がPb{Zr0.4029Ti0.3871(Zn1/3Nb2/30.18(Mn1/3Nb2/30.03}Oで表される、ペロブスカイト型構造を有する仮焼粉が得られるように秤量し、ジルコニアボールを用いたボールミルにて湿式混合した。なお、前記組成式におけるMn/Tiモル比は0.022である。混合後、分散媒を除去した混合粉末を、大気中、820℃にて3時間仮焼して、仮焼粉を得た。得られた仮焼粉を解砕した後、該仮焼粉に対してアクリル系バインダーを混合し、2tfの荷重で一軸プレス成形して、直径10mmの円板状成形体を得た。得られた成形体を、大気中、1100℃で2時間焼成し、実施例1に係る圧電セラミックスを得た。
(Example 1)
[Manufacturing of piezoelectric ceramics]
As starting materials, high - purity Pb3O4 , ZrO2, TiO2 , ZnO, Nb2O5 and MnCO3 powders were prepared, and each powder had a composition formula of Pb {Zr 0.4029 Ti 0.3871 (Zn 1/3 Nb 2/3 ) 0.18 (Mn 1/3 Nb 2/3 ) 0.03 } O 3 Weighed so as to obtain a calcined powder having a perovskite structure, Wet mixing was carried out in a ball mill using zirconia balls. The Mn/Ti molar ratio in the composition formula is 0.022. After mixing, the mixed powder from which the dispersion medium was removed was calcined in the atmosphere at 820° C. for 3 hours to obtain calcined powder. After the obtained calcined powder was pulverized, the calcined powder was mixed with an acrylic binder and uniaxially press-molded under a load of 2 tf to obtain a disk-shaped compact having a diameter of 10 mm. The obtained molded body was fired at 1100° C. for 2 hours in the atmosphere to obtain the piezoelectric ceramics according to Example 1.

[圧電セラミックスのZn含有酸化物率測定]
得られた圧電セラミックスについて、Zn含有酸化物率を、上述した方法で測定・算出したところ、XRDプロファイルにて34.0°≦2θ≦35.0°、及び35.5°≦2θ≦37.0°の各範囲にピークは観測されず、Zn含有酸化物率は0%となった。
[Measurement of Zn-containing oxide ratio of piezoelectric ceramics]
When the Zn-containing oxide ratio of the obtained piezoelectric ceramics was measured and calculated by the method described above, the XRD profile was 34.0°≦2θ≦35.0° and 35.5°≦2θ≦37. No peak was observed in each range of 0°, and the Zn-containing oxide ratio was 0%.

[圧電セラミックスの平均粒径及び変動係数測定]
得られた圧電セラミックスについて、平均粒径ravg及び変動係数C.V.を、上述した方法で決定したところ、ravg=0.70μm、C.V.=36.5%となった。
[Measurement of average particle size and coefficient of variation of piezoelectric ceramics]
The average grain size r avg and coefficient of variation C.V. V. was determined by the method described above, r avg =0.70 μm, C.I. V. = 36.5%.

[試験用圧電素子の製造]
前述した円板状の圧電セラミックスの両面全体にAgペーストを塗布した後、800℃に設定したベルト炉内を通過させて焼き付けることで電極を形成した。
電極形成後の圧電セラミックスを、150℃のシリコンオイル中で、2.2kV/mmの電界強度で15分間分極処理して試験用圧電素子を得た。
[Manufacture of test piezoelectric element]
An electrode was formed by applying Ag paste to both sides of the disk-shaped piezoelectric ceramics described above, and baking the ceramics by passing through a belt furnace set at 800°C.
After forming the electrodes, the piezoelectric ceramics were subjected to a polarization treatment in silicon oil at 150° C. for 15 minutes at an electric field strength of 2.2 kV/mm to obtain piezoelectric elements for testing.

[試験用圧電素子の誘電正接測定]
分極後、24時間経過した試験用圧電素子について、LCRメーターを用いて、周波数1kHz、OSC1Vの条件で、誘電正接tanδを測定したところ、tanδ=0.37%となった。
[Dielectric loss tangent measurement of test piezoelectric element]
The dielectric loss tangent tan δ of the test piezoelectric element 24 hours after polarization was measured using an LCR meter under the conditions of a frequency of 1 kHz and an OSC of 1 V, and tan δ was 0.37%.

(実施例2~3)
[圧電セラミックスの製造]
原料粉末の配合量を、得られる仮焼粉の組成式がPb{Zr0.4029Ti0.3871(Zn1/3Nb2/30.16(Mn1/3Nb2/30.05}Oとなるもの(実施例2)、及びPb{Zr0.4029Ti0.3871(Zn1/3Nb2/30.13(Mn1/3Nb2/30.08}Oとなるもの(実施例3)とした以外は実施例1と同様の方法で、実施例2~3に係る圧電セラミックスをそれぞれ製造した。なお、前記各組成式におけるMn/Tiモル比はそれぞれ、0.045(実施例2)及び0.067(実施例3)である。
(Examples 2-3)
[Manufacturing of piezoelectric ceramics]
The composition formula of the calcined powder to be obtained is Pb{Zr 0.4029 Ti 0.3871 (Zn 1/3 Nb 2/3 ) 0.16 (Mn 1/3 Nb 2/3 ) 0 .05 } O3 (Example 2), and Pb{ Zr0.4029Ti0.3871 ( Zn1 / 3Nb2 /3 ) 0.13 ( Mn1 /3Nb2 /3 ) 0. 08 } O 3 (Example 3), piezoelectric ceramics according to Examples 2 and 3 were produced in the same manner as in Example 1, respectively. The Mn/Ti molar ratio in each composition formula is 0.045 (Example 2) and 0.067 (Example 3), respectively.

[圧電セラミックスのZn含有酸化物率、平均粒径及び変動係数測定]
得られた各圧電セラミックスについて、Zn含有酸化物率を、実施例1と同様の方法で測定・算出したところ、いずれの圧電セラミックスにおいても、XRDプロファイルにて34.0°≦2θ≦35.0°、及び35.5°≦2θ≦37.0°の各範囲にピークは観測されず、Zn含有酸化物率は0%となった。また、得られた各圧電セラミックスについて、平均粒径ravg及び変動係数C.V.を実施例1と同様の方法で測定・算出したところ、実施例2ではravg=0.74μm、C.V.=35.0%となり、実施例3ではravg=0.79μm、C.V.=39.4%となった。
[Measurement of Zn-containing oxide ratio, average particle size and coefficient of variation of piezoelectric ceramics]
When the Zn-containing oxide ratio of each of the obtained piezoelectric ceramics was measured and calculated in the same manner as in Example 1, the XRD profile of all piezoelectric ceramics was 34.0° ≤ 2θ ≤ 35.0. ° and 35.5°≦2θ≦37.0°, and the Zn-containing oxide ratio was 0%. Also, the average particle diameter r avg and the coefficient of variation C.V. V. was measured and calculated in the same manner as in Example 1. In Example 2, r avg =0.74 μm, C.I. V. =35.0%, and in Example 3, r avg =0.79 μm, C.I. V. = 39.4%.

[試験用圧電素子の製造及び誘電正接測定]
得られた各圧電セラミックスから、実施例1と同様の方法で試験用圧電素子を製造し、その誘電正接tanδを測定した。その結果、実施例2に係る試験用圧電素子ではtanδ=0.31%となり、実施例3に係る試験用圧電素子ではtanδ=0.50%となった。
[Manufacturing of test piezoelectric element and measurement of dielectric loss tangent]
A test piezoelectric element was produced from each obtained piezoelectric ceramic in the same manner as in Example 1, and its dielectric loss tangent tan δ was measured. As a result, the test piezoelectric element according to Example 2 had tan δ=0.31%, and the test piezoelectric element according to Example 3 had tan δ=0.50%.

(実施例4)
[圧電セラミックスの製造]
原料粉末からMnCO粉末を除外して混合・仮焼を行い、得られた仮焼粉に対して、実施例2で原料粉末として配合したのと同量のMnCO粉末を混合した後成形を行った以外は実施例2と同様の方法で、実施例4に係る圧電セラミックスを製造した。
(Example 4)
[Manufacturing of piezoelectric ceramics]
Mixing and calcination are carried out by excluding the MnCO3 powder from the raw material powder, and the resulting calcined powder is mixed with the same amount of MnCO3 powder as the raw material powder in Example 2, and then molded. A piezoelectric ceramic according to Example 4 was manufactured in the same manner as in Example 2, except that this was done.

[圧電セラミックスのZn含有酸化物率、平均粒径及び変動係数測定]
得られた圧電セラミックスについて、Zn含有酸化物率を、実施例1と同様の方法で測定・算出したところ、0.9%となった。また、得られた圧電セラミックスについて、平均粒径ravg及び変動係数C.V.を実施例1と同様の方法で測定・算出したところ、ravg=3.3μm、C.V.=39.7%となった。
[Measurement of Zn-containing oxide ratio, average particle size and coefficient of variation of piezoelectric ceramics]
When the Zn-containing oxide rate of the obtained piezoelectric ceramics was measured and calculated in the same manner as in Example 1, it was 0.9%. Also, the average grain size r avg and the coefficient of variation C.V. V. was measured and calculated in the same manner as in Example 1, r avg =3.3 μm, C.I. V. = 39.7%.

[試験用圧電素子の製造及び誘電正接測定]
得られた圧電セラミックスから、実施例1と同様の方法で試験用圧電素子を製造し、その誘電正接tanδを測定した。その結果、tanδ=0.63%となった。
[Manufacturing of test piezoelectric element and measurement of dielectric loss tangent]
A test piezoelectric element was manufactured from the obtained piezoelectric ceramics in the same manner as in Example 1, and its dielectric loss tangent tan δ was measured. As a result, tan δ was 0.63%.

(比較例1)
[圧電セラミックスの製造]
原料粉末からMnCO粉末を除外して混合・仮焼を行い、得られた仮焼粉に対して、実施例3で原料粉末として配合したのと同量のMnCO粉末を混合した後成形を行った以外は実施例3と同様の方法で、比較例1に係る圧電セラミックスを製造した。
(Comparative example 1)
[Manufacturing of piezoelectric ceramics]
Mixing and calcination are carried out by excluding the MnCO3 powder from the raw material powder, and the same amount of MnCO3 powder as that blended as the raw material powder in Example 3 is mixed with the obtained calcined powder, followed by molding. A piezoelectric ceramic according to Comparative Example 1 was manufactured in the same manner as in Example 3, except that this was done.

[圧電セラミックスのZn含有酸化物率、平均粒径及び変動係数測定]
得られた圧電セラミックスについて、Zn含有酸化物率を、実施例1と同様の方法で測定・算出したところ、1.6%となった。また、得られた圧電セラミックスについて、平均粒径ravg及び変動係数C.V.を実施例1と同様の方法で測定・算出したところ、ravg=4.5μm、C.V.=46.5%となった。
[Measurement of Zn-containing oxide ratio, average particle size and coefficient of variation of piezoelectric ceramics]
When the Zn-containing oxide ratio of the obtained piezoelectric ceramic was measured and calculated in the same manner as in Example 1, it was 1.6%. Also, the average grain size r avg and the coefficient of variation C.V. V. was measured and calculated in the same manner as in Example 1, r avg =4.5 μm, C.I. V. = 46.5%.

[試験用圧電素子の製造及び誘電正接測定]
得られた圧電セラミックスから、実施例1と同様の方法で試験用圧電素子を製造し、その誘電正接tanδを測定した。その結果、tanδ=1.17%となった。
[Manufacturing of test piezoelectric element and measurement of dielectric loss tangent]
A test piezoelectric element was manufactured from the obtained piezoelectric ceramics in the same manner as in Example 1, and its dielectric loss tangent tan δ was measured. As a result, tan δ was 1.17%.

実施例及び比較例の結果をまとめて表1に示す。 Table 1 summarizes the results of Examples and Comparative Examples.

Figure 2022107863000004
Figure 2022107863000004

実施例と比較例とを対比すると、Zn含有酸化物率が1.0%以下であり、かつ平均粒径ravgが4μm以下である実施例に係る圧電セラミックスは、圧電素子とした際に、低い誘電正接tanδを示すことが判る。また、実施例及び比較例に係る圧電セラミックスは、いずれもMnを含むものであることから、圧電素子とした際に、高い機械的品質係数Qmを示すものともいえる。実際、Mnの含有量が最も多い実施例3及び比較例1に係る圧電セラミックスからは、1500を超える機械的品質係数Qmを有する圧電素子が得られることが確認された。これらの事実から、構成元素としてPb、Zr、Ti、Zn、Nb、Mn及びOを含み、ペロブスカイト型構造を有する化合物を主成分とし、Zn含有酸化物率が1.0%以下であり、かつ含有する粒子の平均粒径ravgが4μm以下である圧電セラミックスは、高い機械的品質係数Qmと低い誘電正接tanδとを示し、駆動時の機械的な損失及び電気的な損失が共に小さい圧電素子得ることができるものといえる。 Comparing the examples with the comparative examples, the piezoelectric ceramics according to the examples having a Zn-containing oxide ratio of 1.0% or less and an average particle size r avg of 4 μm or less have the following characteristics when made into piezoelectric elements: It can be seen that it exhibits a low dielectric loss tangent tan δ. In addition, since the piezoelectric ceramics according to the examples and the comparative examples both contain Mn, they can be said to exhibit a high mechanical quality factor Qm when made into piezoelectric elements. In fact, it was confirmed that piezoelectric elements having a mechanical quality factor Qm exceeding 1500 can be obtained from the piezoelectric ceramics according to Example 3 and Comparative Example 1, which have the highest Mn content. Based on these facts, it contains Pb, Zr, Ti, Zn, Nb, Mn and O as constituent elements, is mainly composed of a compound having a perovskite structure, has a Zn-containing oxide rate of 1.0% or less, and Piezoelectric ceramics containing particles having an average particle size r avg of 4 μm or less exhibit a high mechanical quality factor Qm and a low dielectric loss tangent tan δ, and are piezoelectric elements with small mechanical loss and small electrical loss during driving. It can be said that it can be obtained.

また、製造時に、Mn含有化合物であるMnCOを、原料粉末に混合した実施例2、3と、これを仮焼粉に混合した実施例4及び比較例1とを対比すると、前者の方が、同じMn含有量において低いZn含有酸化物率及び小さな平均粒径ravgを有するものとなり、圧電素子とした際に、より小さな誘電正接tanδが得られることも判る。このため、機械的品質係数Qmの高い圧電素子を得るために、圧電セラミックス中に多量のMnを含有させる必要がある場合には、Mn含有化合物を原料粉末に混合してこれを仮焼することで、誘電正接tanδの悪化を抑制できるといえる。 In addition, when comparing Examples 2 and 3 in which MnCO 3 , which is a Mn-containing compound, was mixed with the raw material powder at the time of production, and Example 4 and Comparative Example 1 in which this was mixed with the calcined powder, the former was better. , it has a low Zn-containing oxide ratio and a small average grain size ravg at the same Mn content, and a smaller dielectric loss tangent tan δ can be obtained when it is made into a piezoelectric element. Therefore, when it is necessary to contain a large amount of Mn in the piezoelectric ceramics in order to obtain a piezoelectric element with a high mechanical quality factor Qm, a Mn-containing compound is mixed with the raw material powder and calcined. , it can be said that the deterioration of the dielectric loss tangent tan δ can be suppressed.

本発明によれば、駆動時の機械的な損失及び電気的な損失が共に小さい圧電素子を得ることが可能な圧電セラミックスを提供することができる。このような圧電セラミックスは、超音波振動子や圧電トランス等を形成して高速大振幅で駆動した際に、駆動中の発熱量が従来のものよりも抑えられ、高性能で信頼性の高いものとなる。このため、本発明に係る圧電セラミックスを備える圧電素子は、超音波振動子や圧電トランス等に好適に用いることができる。 According to the present invention, it is possible to provide a piezoelectric ceramic that allows obtaining a piezoelectric element with small mechanical loss and small electrical loss during driving. Such piezoelectric ceramics produce less heat than conventional ones when driven at high speed and large amplitude by forming ultrasonic vibrators, piezoelectric transformers, etc., and have high performance and high reliability. becomes. Therefore, the piezoelectric element provided with the piezoelectric ceramics according to the present invention can be suitably used for ultrasonic transducers, piezoelectric transformers, and the like.

100 積層型圧電素子
10 圧電セラミックス層
20 内部電極
30 外部電極
31、32 接続導体
100 Laminated piezoelectric element 10 Piezoelectric ceramic layer 20 Internal electrode 30 External electrodes 31, 32 Connection conductor

Claims (7)

構成元素としてPb、Zr、Ti、Zn、Nb、Mn及びOを含み、
Tiに対するMnのモル比(Mn/Ti)が0.07以下であり、
ペロブスカイト型構造を有する化合物を主成分とし、
含有する粒子の平均粒径ravgが4μm以下であり、かつ
Cu-Kα線を用いたX線回折測定において、20.0°≦2θ≦40.0°に現れる最大ピーク強度Iに対する、34.0°≦2θ≦35.0°に現れる最大ピーク強度IZTと35.5°≦2θ≦37.0°に現れる最大ピーク強度IZnOとの合計の割合((IZT+IZnO)/I×100)が、1.0%以下となる
圧電セラミックス。
Containing Pb, Zr, Ti, Zn, Nb, Mn and O as constituent elements,
The molar ratio of Mn to Ti (Mn/Ti) is 0.07 or less,
The main component is a compound having a perovskite structure,
The average particle diameter r avg of the particles contained is 4 μm or less, and the maximum peak intensity IP appearing at 20.0 ° ≤ 2θ ≤ 40.0 ° in X - ray diffraction measurement using Cu-Kα rays, 34 The total ratio of the maximum peak intensity I ZT appearing at 0° ≤ 2θ ≤ 35.0° and the maximum peak intensity I ZnO appearing at 35.5° ≤ 2θ ≤ 37.0° ((I ZT + I ZnO )/I P ×100) is 1.0% or less.
組成式が、下記式(1)にて表される、請求項1に記載の圧電セラミックス。
Figure 2022107863000005
(但し、式中のa、b、x、y及びzはそれぞれ、-0.05≦a≦0.05、0.45≦b≦0.60、0<x≦0.85、0<y<1.0、0.01<z<0.10及びx+y+z=1.0を満たす実数である。)
2. The piezoelectric ceramics according to claim 1, wherein the compositional formula is represented by the following formula (1).
Figure 2022107863000005
(where a, b, x, y and z in the formula are -0.05 ≤ a ≤ 0.05, 0.45 ≤ b ≤ 0.60, 0 < x ≤ 0.85, 0 < y Real numbers that satisfy <1.0, 0.01<z<0.10, and x+y+z=1.0.)
前記Tiに対するMnのモル比(Mn/Ti)が0.05以下である、請求項1又は2に記載の圧電セラミックス。 3. The piezoelectric ceramics according to claim 1, wherein the molar ratio of Mn to Ti (Mn/Ti) is 0.05 or less. 前記平均粒径ravgが1.0μm以下である、請求項1~3のいずれか1項に記載の圧電セラミックス。 The piezoelectric ceramics according to any one of claims 1 to 3, wherein said average grain size r avg is 1.0 µm or less. 前記含有する粒子の粒径の変動係数C.V.が40%以下である、請求項1~4のいずれか1項に記載の圧電セラミックス。 The coefficient of variation of the particle size of the contained particles C.I. V. The piezoelectric ceramics according to any one of claims 1 to 4, wherein the is 40% or less. 請求項1~5のいずれか1項に記載の圧電セラミックスと、該圧電セラミックスに電気的に接続された電極とを備える圧電素子。 A piezoelectric element comprising the piezoelectric ceramic according to any one of claims 1 to 5 and an electrode electrically connected to the piezoelectric ceramic. 請求項6に記載の圧電素子と、該圧電素子を一軸方向から挟み込む一対のブロック体とを備える超音波振動子。 7. An ultrasonic transducer comprising the piezoelectric element according to claim 6 and a pair of block bodies sandwiching the piezoelectric element from one axial direction.
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