JP3084401B1 - High performance piezoelectric ceramics and their manufacturing method - Google Patents

High performance piezoelectric ceramics and their manufacturing method

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JP3084401B1
JP3084401B1 JP8781799A JP8781799A JP3084401B1 JP 3084401 B1 JP3084401 B1 JP 3084401B1 JP 8781799 A JP8781799 A JP 8781799A JP 8781799 A JP8781799 A JP 8781799A JP 3084401 B1 JP3084401 B1 JP 3084401B1
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楠本  慶二
忠 関谷
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Abstract

【要約】 【課題】 従来の圧電セラミックスと同等の優れた圧電
特性を有する圧電セラミック材料および当該圧電セラミ
ックスの新規の製造方法を提供する。 【解決手段】 複合ぺロブスカイト型化合物のPb(S
1/2 Nb1/2 )O3 と単純ぺロブスカイト型化合物P
bTiO3 およびPbZrO3 を主成分とするセラミッ
クスにおいて、Pb(Sc1/2 Nb1/2 )O3 、PbT
iO3 、PbZrO3 を頂点とする三角座標中、Pb
(Sc1/2 Nb1/2 )O3 をXモル%、PbTiO3
Yモル%、PbZrO3 をZモル%とした場合(ただ
し、X+Y+Z=100とする。)、組成(X=90,
Y=10,Z=0)、組成(X=10,Y=90,Z=
0)および組成(X=10,Y=10,Z=80)を頂
点とする三角形内の組成を主成分とする圧電セラミック
ス、および当該固溶体セラミックスの製造方法。 【効果】 優れた圧電特性を示す高純度のPScN−P
T−PZ固溶体圧電セラミック原料粉末およびセラミッ
クスを製造することが可能である。
The present invention provides a piezoelectric ceramic material having excellent piezoelectric properties equivalent to conventional piezoelectric ceramics, and a novel method for manufacturing the piezoelectric ceramic. SOLUTION: The complex perovskite type compound Pb (S
c 1/2 Nb 1/2 ) O 3 and simple perovskite compound P
Among ceramics containing bTiO 3 and PbZrO 3 as main components, Pb (Sc 1/2 Nb 1/2 ) O 3 , PbT
In triangular coordinates with iO 3 and PbZrO 3 as vertices, Pb
When (Sc 1/2 Nb 1/2 ) O 3 is X mol%, PbTiO 3 is Y mol%, and PbZrO 3 is Z mol% (X + Y + Z = 100), the composition (X = 90, X = 90,
Y = 10, Z = 0), composition (X = 10, Y = 90, Z =
0) and a composition (X = 10, Y = 10, Z = 80) as a main component, and a method for producing the solid solution ceramic. [Effect] High-purity PScN-P showing excellent piezoelectric characteristics
T-PZ solid solution piezoelectric ceramic raw material powder and ceramics can be manufactured.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、センサやセラミッ
クアクチュエータ材料として使用される圧電セラミック
スとその製造方法に関するものであり、更に詳しくは、
従来の圧電セラミックスと同等に優れた圧電特性を示す
Pb(Sc1/2 Nb1/2 )O3 −PbTiO3 −PbZ
rO3 固溶体圧電セラミックス、および当該固溶体セラ
ミックスの製造方法に関する。本発明の圧電セラミック
スは、圧電特性が優れていることから、圧電素子に応用
することによってセンサやアクチュエータ等の性能の向
上が期待できる。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a piezoelectric ceramic used as a material for a sensor or a ceramic actuator and a method for manufacturing the same.
Pb (Sc 1/2 Nb 1/2 ) O 3 -PbTiO 3 -PbZ exhibiting excellent piezoelectric properties equivalent to conventional piezoelectric ceramics
The present invention relates to a rO 3 solid solution piezoelectric ceramic and a method for producing the solid solution ceramic. Since the piezoelectric ceramics of the present invention have excellent piezoelectric characteristics, improvement in the performance of sensors, actuators, and the like can be expected when applied to piezoelectric elements.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、電気製品や通信機器などの電子産
業の発展にともなって、センサ、アクチュエータ、モー
タ等の小型化とインテリジェント化が要求されており、
これらを実現する材料として圧電セラミックスが使用さ
れている。現在、圧電セラミック材料としては、ぺロブ
スカイト型化合物のPbTiO3 (以下、PTと記載す
ることがある。)とPbZrO3 (以下、PZと記載す
ることがある。)の固溶体であるPbZrO3 −PbT
iO3 固溶体(以下、PZTと記載することがある。)
が主として使用されている。しかし、最近、圧電素子の
応用分野の拡大にともなって一層の圧電特性の向上が望
まれており、圧電特性の向上を目的としてPbZrO3
−PbTiO3 固溶体に第三成分として複合ぺロブスカ
イト型化合物を導入することが研究されている。
2. Description of the Related Art In recent years, with the development of the electronics industry such as electric appliances and communication devices, miniaturization and intelligentization of sensors, actuators, motors, etc. have been required.
Piezoelectric ceramics are used as a material for realizing these. At present, the piezoelectric ceramic materials are PbZrO 3 -PbT, which is a solid solution of perovskite-type compounds PbTiO 3 (hereinafter sometimes referred to as PT) and PbZrO 3 (hereinafter sometimes referred to as PZ).
iO 3 solid solution (hereinafter sometimes referred to as PZT)
Are mainly used. However, recently, with the expansion of application fields of piezoelectric elements, further improvement in piezoelectric characteristics has been desired, and PbZrO 3 has been developed for the purpose of improving piezoelectric characteristics.
-PbTiO 3 solid solution is to introduce a complex perovskite type compound as the third component have been investigated.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】Pb(Sc1/2 Nb
1/2 )O3 (以下、PScNと記載することがある。)
は、複合ぺロブスカイト型化合物であり、PbZrO3
−PbTiO3 固溶体に固溶させることによって幅広い
固溶体組成において優れた圧電特性を示すことが予想さ
れる。一般に、複合ぺロブスカイト型化合物は、従来の
セラミック製造方法ではぺロブスカイトの単一相を得る
のが困難であり、Pb(Sc1/2 Nb1/2 )O3 を主成
分とするPScN−PT−PZ固溶体においても、従来
のセラミック製造方法では高純度のセラミックスを得る
ことは困難である。すなわち、従来のセラミックス製造
法で用いられる固相反応は、原料粒子の接触点から固溶
体の合成反応が進行するという不均一な反応である。一
般に、固相中での物質移動速度は気相や液相などの他の
反応場に比べて極端に遅いことから、本質的に均一な固
溶体の合成は極めて困難であり、従来のセラミックス製
造法で製造された粒子には多少の組成変動が生じてい
る。このように、従来のセラミックス製造法で製造され
た粒子では、散漫な組成の分布があり、従来の方法で
は、均一性の高い固溶体粒子を得ることは困難であっ
た。そこで、本発明者らは、PScN−PT−PZ固溶
体の製造方法について鋭意検討した結果、PScN−P
T−PZ固溶体圧電セラミックスの新規な製造方法およ
び従来の圧電セラミックスと同等の優れた圧電特性を有
するPScN−PT−PZ固溶体圧電セラミックスを見
出し、本発明を完成するに至った。
SUMMARY OF THE INVENTION Pb (Sc1/2 Nb
1/2 ) OThree (Hereinafter, it may be described as PScN.)
Is a complex perovskite compound, and PbZrOThree 
-PbTiOThreeWide range by dissolving in solid solution
Expected to show excellent piezoelectric properties in solid solution composition
It is. In general, complex perovskite compounds are
Perovskite single phase obtained in ceramic manufacturing
Is difficult, and Pb (Sc1/2 Nb1/2 ) OThree The main
The conventional PScN-PT-PZ solid solution
Of high-purity ceramics by the ceramic manufacturing method
It is difficult. In other words, conventional ceramic manufacturing
The solid-phase reaction used in the method is a solid solution from the contact point of the raw material particles.
This is a heterogeneous reaction in which the body synthesis reaction proceeds. one
In general, the mass transfer rate in the solid phase is
Because it is extremely slow compared to the reaction field,
It is extremely difficult to synthesize a solution.
Some compositional fluctuations occur in the particles produced by the manufacturing method.
You. Thus, it is manufactured by the conventional ceramic manufacturing method.
Particles have a diffuse compositional distribution, which can be
It is difficult to obtain solid solution particles with high uniformity.
Was. Thus, the present inventors have proposed a PScN-PT-PZ solid solution.
As a result of intensive studies on the production method of the body, PScN-P
Novel manufacturing method of T-PZ solid solution piezoelectric ceramics and
And excellent piezoelectric properties equivalent to conventional piezoelectric ceramics
PScN-PT-PZ Solid Solution Piezoelectric Ceramics
And completed the present invention.

【0004】[0004]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明は、以下の技術的手段からなる。 (複合ぺロブスカイト型化合物のPb(Sc 1/2
1/2 )O 3 と単純ペロブスカイト型化合物PbTiO
3 およびPbZrO 3 を主成分とするセラミックスにお
いて、Pb(Sc 1/2 Nb 1/2 )O 3 、PbTiO 3
PbZrO 3 を頂点とする三角座標中、Pb(Sc 1/2
Nb 1/2 )O 3 をXモル%、PbTiO 3 をYモル%、P
bZrO 3 をZモル%とした場合(ただし、X+Y+Z
=100とする。)、組成(X=90,Y=10,Z=
0 )、組成(X=10,Y=90,Z=0)および組
成(X=10,Y=10,Z=80)を頂点とする三角
形内の組成を主成分とする圧電セラミックスを製造する
方法であって、出発原料として、酸化鉛(PbO)、酸
化スカンジウム(Sc23 )、酸化ニオブ(Nb25
)、酸化チタン(TiO2)、および酸化ジルコニウム
(ZrO2)を使用し、前記した固溶体のぺロブスカイ
ト組成よりも酸化鉛(PbO)が過剰になるように秤量
し、湿式混合等によって混合した後、成型して、大気中
で加熱処理を行い、次いで、未反応物を溶解し、粒子を
分離し、得られた粒子を成形した後、焼成して焼結体を
作製することからなるPb(Sc1/2Nb1/2 )O3
PbTiO3 −PbZrO3固溶体圧電セラミックスの
製造方法。 ()ぺロブスカイト組成に酸化鉛を過剰に添加し、大
気中で950〜1000℃で1〜2時間加熱処理を行う
上記(1)の方法。
The present invention for solving the above problems comprises the following technical means. ( 1 ) Pb (Sc 1/2 N ) of complex perovskite compound
b 1/2 ) O 3 and simple perovskite compound PbTiO
3 and PbZrO 3 as main components
And Pb (Sc 1/2 Nb 1/2 ) O 3 , PbTiO 3 ,
In the triangular coordinates having PbZrO 3 as a vertex, Pb (Sc 1/2
Nb 1/2 ) O 3 is X mol%, PbTiO 3 is Y mol%, P
When bZrO 3 is Z mol% (however, X + Y + Z
= 100. ), Composition (X = 90, Y = 10, Z =
0), composition (X = 10, Y = 90, Z = 0) and set
Triangle with vertices at the top (X = 10, Y = 10, Z = 80)
A method for producing a piezoelectric ceramic mainly composed of a composition in a shape , wherein lead materials (PbO), scandium oxide (Sc 2 O 3 ), niobium oxide (Nb 2 O 5 ) are used as starting materials.
), Titanium oxide (TiO 2), and using zirconium oxide (ZrO 2), than perovskite composition of the above-described solid solution weighed so lead oxide (PbO) is excessive, after mixing by wet mixing or the like , Molding and heat treatment in the air, then dissolving the unreacted material, separating the particles, molding the resulting particles, and firing to produce a sintered body of Pb ( Sc 1/2 Nb 1/2 ) O 3
PbTiO 3 -PbZrO 3 manufacturing method of a solid solution piezoelectric ceramics. ( 2 ) Add excessive lead oxide to the perovskite composition and perform heat treatment in air at 950 to 1000 ° C. for 1 to 2 hours.
The method of the above (1) .

【0005】[0005]

【発明の実施の形態】次に、本発明について詳細に説明
する。上記課題を解決する本発明は、従来の圧電セラミ
ックスと同等の優れた圧電特性を有するPb(Sc1/2
Nb1/2 )O3 −PbTiO3 −PbZrO3 固溶体圧
電セラミックスおよび圧電セラミックスの製造方法に関
するものである。この製造方法によって製造された圧電
セラミックスを圧電材料として用いるとセンサ、アクチ
ュエータおよびモータなどの性能の向上が可能となる。
Next, the present invention will be described in detail. The present invention that solves the above-mentioned problems is based on Pb (Sc 1/2) having excellent piezoelectric characteristics equivalent to those of conventional piezoelectric ceramics.
The present invention relates to a Nb 1/2 ) O 3 -PbTiO 3 -PbZrO 3 solid solution piezoelectric ceramic and a method for producing a piezoelectric ceramic. When the piezoelectric ceramics manufactured by this manufacturing method is used as a piezoelectric material, the performance of sensors, actuators, motors, and the like can be improved.

【0006】本発明の方法では、出発原料として酸化鉛
(PbO)、酸化スカンジウム(Sc23 )、酸化ニ
オブ(Nb2 5 )、酸化チタン(TiO2 )および酸
化ジルコニウム(ZrO2 )が使用される。これらの原
料は、所定の割合、例えば、優れた圧電特性を示すこと
が予想される40mol%PScN−40mol%PT
−20mol%PZ固溶体を合成する場合では6PbO
+0.4Sc23 +0.4Nb25 +1.6TiO
2 +0.8ZrO2 に混合した後、錠剤、角柱等の適宜
の形態に成形して大気中、850℃以上、好適には95
0〜1000℃で1〜2時間加熱処理する。材料の混合
方法としては、乾式混合、湿式混合、また成型方法とし
ては、金型プレス法や湿式プレス法、加熱処理方法とし
ては、大気中での加熱処理が好適なものとして例示され
るが、これらに限定されるものではない。熱処理した材
料は、酸性の水溶液、例えば1Nの酢酸水溶液を用いて
未反応物を溶解し、濾過操作によって粒子を分離する。
次に、得られた粒子を金型プレス機によって成型した
後、PbO雰囲気または大気中、約1300℃で1〜3
時間焼成して焼結体を作製する。焼結手段としては、例
えば、普通焼結法、加圧焼結法等が例示されるが、これ
らに限定されるものではない。
In the method of the present invention, lead oxide (PbO), scandium oxide (Sc 2 O 3 ), niobium oxide (Nb 2 O 5 ), titanium oxide (TiO 2 ) and zirconium oxide (ZrO 2 ) are used as starting materials. used. These raw materials have a predetermined ratio, for example, 40 mol% PScN-40 mol% PT, which is expected to exhibit excellent piezoelectric properties.
When synthesizing a −20 mol% PZ solid solution, 6PbO
+ 0.4Sc 2 O 3 + 0.4Nb 2 O 5 + 1.6TiO
After mixing with 2 + 0.8 ZrO 2 , the mixture is formed into an appropriate form such as a tablet, a prism, or the like, and 850 ° C. or higher, preferably 95
Heat treatment at 0 to 1000 ° C. for 1 to 2 hours. As a method of mixing the materials, dry mixing, wet mixing, and molding methods, such as a die pressing method and a wet pressing method, and a heat treatment method, heat treatment in the atmosphere is exemplified as a preferred method. It is not limited to these. In the heat-treated material, unreacted substances are dissolved using an acidic aqueous solution, for example, a 1N acetic acid aqueous solution, and the particles are separated by a filtration operation.
Next, after the obtained particles are molded by a mold press, the mixture is heated at about 1300 ° C. to 1 to 3 in a PbO atmosphere or air.
It is fired for a time to produce a sintered body. Examples of the sintering means include, but are not limited to, a normal sintering method and a pressure sintering method.

【0007】本発明においては、ぺロブスカイト組成に
あらかじめPbOを過剰に添加することと850℃以
上、好適には950〜1000℃で熱処理することが、
ペロブスカイトの単一相の粒子を生成するために重要で
ある。この場合、850℃を下回ると過剰に添加したP
bOの液相が十分に生成されず、ペロブスカイト相の生
成は主として固相反応によって進行することから、ペロ
ブスカイトの単一相は得られない。また、1000℃以
上で加熱処理するとPbOの液相の粘度が著しく低くな
るため、効率的な粉末製造が困難となり、また、液相か
らのPbOの蒸発が著しくなるために製造環境に対して
の負荷が大きくなる。後記するように、ぺロブスカイト
組成にPbOを過剰に添加した試料では、ぺロブスカイ
ト相の収率が増加し、高純度のPScN−PT−PZ固
溶体圧電セラミックスの製造が可能となる。本発明の圧
電セラミックスは、上記方法によって製造され、当該圧
電セラミックスとしては、Pb(Sc1/2 Nb1/2 )O
3 とPbTiO3 およびPbZrO3 を主成分とするセ
ラミックスにおいて、Pb(Sc1/2 Nb1/2 )O3
PbTiO3 、PbZrO3 を頂点とする三角座標中、
Pb(Sc1/2 Nb1/2 )O3 をXモル%、PbTiO
3 をYモル%、PbZrO3 をZモル%とした場合(た
だし、X+Y+Z=100とする。)、組成(X=9
0,Y=10,Z=0)、組成(X=10,Y=90,
Z=0)および組成(X=10,Y=10,Z=80)
を頂点とする三角形内の組成を主成分とする圧電セラミ
ックスが好適なものとして使用される。この場合、上記
三角内の組成に特定したのは、PbZrO3 −PbTi
3 固溶体およびPb(Sc1/2 Nb1/2 )O3 −Pb
TiO3 固溶体が、幅広い組成において良好な圧電特性
を示すことから、これらの固溶体であるPb(Sc1/2
Nb1/2 )O3 −PbTiO3 −PbZrO3 固溶体で
は、上記三角付近の組成領域で優れた圧電特性の実現が
期待されるという理由による。上記圧電セラミックスに
は、圧電特性を向上または安定させるために微量の酸化
マンガン(MnO)、酸化ストロンチウム(SrO)、
酸化タングステン(WO3 )、酸化タンタル(Ta2
5 )などの添加剤が適宜添加される。本発明の方法で製
造した固溶体は、分散性に優れた0.5〜3μmの立方
体の粒子であり、これを焼結することによって相対密度
93%以上の緻密な焼結体が得られる。この焼結体は、
例えば、PZT固溶体と同等の優れた圧電特性(Kp=
40%程度)を有する。
In the present invention, the addition of PbO in excess to the perovskite composition and the heat treatment at 850 ° C. or higher, preferably 950 to 1000 ° C.
It is important to produce single phase particles of perovskite. In this case, if the temperature falls below 850 ° C., excessively added P
Since a liquid phase of bO is not sufficiently generated and the generation of the perovskite phase mainly proceeds by a solid-phase reaction, a single phase of perovskite cannot be obtained. Further, when the heat treatment is performed at 1000 ° C. or more, the viscosity of the liquid phase of PbO becomes extremely low, so that efficient powder production becomes difficult. In addition, since the evaporation of PbO from the liquid phase becomes remarkable, the production environment becomes poor. The load increases. As will be described later, in a sample in which PbO is excessively added to the perovskite composition, the yield of the perovskite phase increases, and it becomes possible to produce a high-purity PScN-PT-PZ solid solution piezoelectric ceramic. The piezoelectric ceramic of the present invention is manufactured by the above method, and the piezoelectric ceramic includes Pb (Sc 1/2 Nb 1/2 ) O.
3 and ceramics containing PbTiO 3 and PbZrO 3 as main components, Pb (Sc 1/2 Nb 1/2 ) O 3 ,
In triangular coordinates having PbTiO 3 and PbZrO 3 as vertices,
X mole% of Pb (Sc 1/2 Nb 1/2 ) O 3 , PbTiO
When 3 is Y mol% and PbZrO 3 is Z mol% (provided that X + Y + Z = 100), the composition (X = 9)
0, Y = 10, Z = 0), composition (X = 10, Y = 90,
Z = 0) and composition (X = 10, Y = 10, Z = 80)
Piezoelectric ceramics whose main component is a composition within a triangle having a vertex as a vertex are used as suitable ones. In this case, PbZrO 3 -PbTi
O 3 solid solutions and Pb (Sc 1/2 Nb 1/2) O 3 -Pb
Since the TiO 3 solid solution exhibits good piezoelectric properties over a wide range of compositions, these solid solutions, Pb (Sc 1/2
This is because the Nb 1/2 ) O 3 -PbTiO 3 -PbZrO 3 solid solution is expected to achieve excellent piezoelectric properties in the composition region near the triangle. In order to improve or stabilize the piezoelectric characteristics, a small amount of manganese oxide (MnO), strontium oxide (SrO),
Tungsten oxide (WO 3 ), tantalum oxide (Ta 2 O)
Additives such as 5 ) are appropriately added. The solid solution produced by the method of the present invention is cubic particles of 0.5 to 3 μm having excellent dispersibility, and by sintering these, a dense sintered body having a relative density of 93% or more can be obtained. This sintered body
For example, excellent piezoelectric properties equivalent to PZT solid solution (Kp =
About 40%).

【0008】[0008]

【作用】従来のセラミック製造方法では、PScNを主
成分とする高純度のPScN−PT−PZ固溶体圧電セ
ラミックスを製造することが困難であった。しかし、本
発明者らが開発した製造方法を用いると高純度なPSc
N−PT−PZ固溶体圧電セラミック粉体の製造が可能
となり、結果として優れた圧電特性を示すPScN−P
T−PZ固溶体圧電セラミックスが発見された。
According to the conventional ceramic manufacturing method, it has been difficult to manufacture a high-purity PScN-PT-PZ solid solution piezoelectric ceramic containing PScN as a main component. However, using the manufacturing method developed by the present inventors, high purity PSc
N-PT-PZ solid solution piezoelectric ceramic powder can be produced, and as a result PScN-P exhibiting excellent piezoelectric properties
T-PZ solid solution piezoelectric ceramics have been discovered.

【0009】[0009]

【実施例】以下に、実施例に基づいて本発明を具体的に
説明する。しかし、本発明は当該実施例によって何ら限
定されるものではない。 実施例 1)方法 本実施例で合成したセラミックスは、複合ぺロブスカイ
ト型化合物Pb(Sc1/2 Nb1/2 )O3 と単純ぺロブ
スカイト型化合物であるPbTiO3 およびPbZrO
3 の固溶体、いわゆるPb(Sc1/2 Nb1/2 )O3
PbTiO3 −PbZrO3 固溶体である。この化合物
については、PScNを多く含む組成では通常のセラミ
ック合成方法でぺロブスカイトの単一相を得ることが困
難であり、以下に記述する画期的な製造方法を用いるこ
とによって、比較的簡便な製造手順でぺロブスカイトの
単一相の粒子が得られるようになった。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be specifically described below based on embodiments. However, the present invention is not limited by the embodiments. Example 1) Method The ceramics synthesized in this example were a composite perovskite compound Pb (Sc 1/2 Nb 1/2 ) O 3 and simple perovskite compounds PbTiO 3 and PbZrO.
3 solid solution, so-called Pb (Sc 1/2 Nb 1/2 ) O 3
It is a PbTiO 3 -PbZrO 3 solid solution. With this compound, it is difficult to obtain a single phase of perovskite by a normal ceramic synthesis method with a composition containing a large amount of PScN, and by using the revolutionary production method described below, it is relatively simple. The production procedure has resulted in single phase particles of perovskite.

【0010】本実施例では、新規に開発した製造方法を
用いてPScN、PScN−PT固溶体及びPScN−
PT−PZ固溶体の粒子を合成するとともに、優れた圧
電特性を示すことが予想される40mol%PScN−
40mol%PT−20mol%PZ組成について焼結
体を作製し、その圧電特性を評価した。
In the present embodiment, PScN, PScN-PT solid solution and PScN-
While synthesizing particles of a PT-PZ solid solution, 40 mol% PScN- is expected to exhibit excellent piezoelectric properties.
A sintered body was prepared with a composition of 40 mol% PT-20 mol% PZ, and its piezoelectric characteristics were evaluated.

【0011】2)粒子の合成 出発原料としては、試薬特級の酸化鉛(PbO)、酸化
スカンジウム(Sc2 3 )、酸化ニオブ(Nb2
5 )、酸化チタン(TiO2 )および酸化ジルコニウム
(ZrO2 )を用いた。これらを所定の割合に湿式混合
した後、錠剤に成型して大気中、950℃で1時間加熱
処理を行った。熱処理した試料については、1Nの酢酸
水溶液を用いて未反応物を溶解し粒子を分離した。
2) Synthesis of particles As starting materials, reagent-grade lead oxide (PbO), oxide
Scandium (ScTwo OThree ), Niobium oxide (NbTwo O
Five ), Titanium oxide (TiO)Two ) And zirconium oxide
(ZrOTwo) Was used. Wet mixing these to a specified ratio
After that, it is molded into tablets and heated at 950 ° C for 1 hour in air
Processing was performed. For the heat-treated sample, 1N acetic acid
Unreacted substances were dissolved using an aqueous solution to separate particles.

【0012】3)焼結体の製造 焼結体については、上記の合成方法によって得られた粒
子を200MPaで直径12mmの円盤状にプレス成形
した後、PbO雰囲気中、1320℃で3時間焼成した
後、焼結体の表面を研磨して厚さ1mmとし、銀電極を
焼結体の両面に焼き付け法によって形成した。その後、
インピーダンスアナライザを用いて圧電特性を調べた。
3) Production of Sintered Body The sintered body was subjected to press molding of the particles obtained by the above-mentioned synthesis method into a disc having a diameter of 12 mm at 200 MPa, and then fired at 1320 ° C. for 3 hours in a PbO atmosphere. Thereafter, the surface of the sintered body was polished to a thickness of 1 mm, and silver electrodes were formed on both surfaces of the sintered body by a baking method. afterwards,
The piezoelectric characteristics were examined using an impedance analyzer.

【0013】4)結果 PScN−PT−PZ固溶体の合成については、まず、
通常のセラミック合成方法ではぺロブスカイトの単一相
が得られにくいPScNについてぺロブスカイトの単一
相粒子の合成を試み、その結果を参考にしてPScN−
PT−PZ固溶体を合成した。以下、PScNの合成結
果について記述する。ぺロブスカイト組成の混合物(4
PbO+Sc23 +Nb25 )を大気中、900℃
で5時間、2回仮焼を繰り返して合成した試料ではぺロ
ブスカイト相の収率は96%であり、ぺロブスカイトの
単一相が得られなかった。一方、ぺロブスカイト組成に
PbOを過剰に添加した混合物を加熱処理した試料で
は、明らかにぺロブスカイトの収率が増加し、例えば、
6PbO+Sc23 +Nb25 混合物を900℃で
1時間加熱処理した後、酸処理するとペロブスカイト相
の収率は約100%であり、ぺロブスカイトの単一相が
得られた。PScNの場合と同様に、PScN−PT固
溶体及びPScN−PT−PZ固溶体についても、あら
かじめ酸化鉛を過剰に添加した混合物を加熱処理後、酸
処理することによってぺロブスカイトの単一相の粒子が
得られた。すなわち、PScN−PT固溶体について
は、PbOがあらかじめ過剰になるように秤量したPb
O+Sc23 +Nb2 5 +TiO2 混合物を900
℃で1時間加熱処理した後、酸処理するとペロブスカイ
ト相の収率は約100%となり、ペロブスカイトの単一
相が得られた。また、PScN−PT−PZ固溶体につ
いては、PbOをあらかじめ過剰になるように秤量した
PbO+Sc23 +Nb25 +TiO2 +ZrO2
混合物を900℃で1時間加熱処理した後、酸処理する
とペロブスカイト相の収率は約100%となり、ペロブ
スカイトの単一相が得られた。本製造方法で製造された
固溶体は、分散性に優れた0.5〜3μmの立方体の粒
子であり、これらの粒子を焼結すると相対密度93%以
上の緻密な焼結体が得られた。
4) Results Regarding the synthesis of PScN-PT-PZ solid solution, first,
With regard to PScN in which it is difficult to obtain a single phase of perovskite in a normal ceramic synthesis method, synthesis of single phase particles of perovskite was attempted, and the results were used to refer to PScN-
A PT-PZ solid solution was synthesized. Hereinafter, the synthesis result of PScN will be described.混合 Mixture of lobskite composition (4
PbO + Sc 2 O 3 + Nb 2 O 5 ) in air at 900 ° C.
In a sample synthesized by repeating calcination twice for 5 hours, the perovskite phase yield was 96%, and a single perovskite phase was not obtained. On the other hand, in a sample obtained by heat-treating a mixture in which PbO was excessively added to the perovskite composition, the perovskite yield clearly increased, for example,
6PbO + Sc 2 O 3 + Nb 2 O 5 The mixture was heated for 1 hour treatment at 900 ° C., the acid treatment of the perovskite phase yield was about 100%, a single phase perovskite was obtained. As in the case of PScN, the PScN-PT solid solution and PScN-PT-PZ solid solution are subjected to a heat treatment of a mixture to which lead oxide has been previously added in excess, and then to an acid treatment to obtain perovskite single-phase particles. Was done. That is, for the PScN-PT solid solution, PbO was weighed in advance so that PbO became excessive.
The mixture of O + Sc 2 O 3 + Nb 2 O 5 + TiO 2 is 900
After heat treatment at 1 ° C. for 1 hour, acid treatment resulted in a perovskite phase yield of about 100%, and a single perovskite phase was obtained. Further, PScN-PT-PZ For solid solution were weighed so as to advance over the PbO PbO + Sc 2 O 3 + Nb 2 O 5 + TiO 2 + ZrO 2
The mixture was heat-treated at 900 ° C. for 1 hour, and then subjected to an acid treatment, whereby the yield of the perovskite phase was about 100%, and a single perovskite phase was obtained. The solid solution produced by this production method was cubic particles of 0.5 to 3 μm excellent in dispersibility, and when these particles were sintered, a dense sintered body having a relative density of 93% or more was obtained.

【0014】5)焼結体の圧電特性 焼結体については、100℃のシリコン油中、3kV/
mmで30分間分極処理を行った後、電気機械結合係数
(Kp)を測定することによって圧電特性を評価した。
その結果、40mol%PScN−40mol%PT−
20mol%PZ焼結体はKp=40%であった。典型
的な圧電セラミックスとして知られているPbZrO3
−PbTiO3 固溶体は、添加物を加えない状態で最高
Kp=50%程度であることから、本実施例で作製した
焼結体はPbZrO3 −PbTiO3 固溶体と同等に優
れた圧電特性を有していることが分かる。(参考文献:
“セラミック誘電体工学”岡崎清著、(株)学献社、1
992)
5) Piezoelectric Properties of Sintered Body For a sintered body, 3 kV /
After performing a polarization treatment at 30 mm for 30 minutes, the piezoelectric properties were evaluated by measuring the electromechanical coupling coefficient (Kp).
As a result, 40 mol% PScN-40 mol% PT-
The Kp of the 20 mol% PZ sintered body was 40%. PbZrO 3 known as a typical piezoelectric ceramic
Since the -PbTiO 3 solid solution has a maximum Kp of about 50% without adding any additive, the sintered body produced in this example has piezoelectric properties as excellent as the PbZrO 3 -PbTiO 3 solid solution. You can see that it is. (References:
"Ceramic Dielectric Engineering" by Kiyoshi Okazaki, Gakuensha, 1
992)

【0015】[0015]

【発明の効果】以上詳述したように、本発明は従来の圧
電セラミックスと同等に優れた圧電特性を示す圧電セラ
ミックスとその原料粉体の製造方法に関するものであ
り、本発明により、1)PScNを主成分とする高純度
のPScN−PT−PZ固溶体圧電セラミック粉末を比
較的簡便な製造手順で得ることができる、2)従来の圧
電セラミックスと同等に優れた圧電特性を示す圧電セラ
ミックスを製造することができる、3)本発明の圧電セ
ラミックスを圧電材料に用いると、センサ、アクチュエ
ータおよびモータなどの性能の向上が可能であり、その
工業的価値は極めて大きい、という格別の効果が得られ
る。
As described in detail above, the present invention relates to a method for producing a piezoelectric ceramic having excellent piezoelectric properties equivalent to that of a conventional piezoelectric ceramic and a method for producing a raw material powder thereof. High-purity PScN-PT-PZ solid-solution piezoelectric ceramic powder containing, as a main component, 2) a piezoelectric ceramic powder having excellent piezoelectric properties equivalent to conventional piezoelectric ceramics. 3) When the piezoelectric ceramics of the present invention is used as a piezoelectric material, the performance of sensors, actuators, motors, and the like can be improved, and the special effect that the industrial value is extremely large can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明で規定した三角形内の特定の組成範囲を
示した説明図である。
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a specific composition range within a triangle defined by the present invention.

【図2】本発明の実施例の製造方法を示した説明図であ
る。
FIG. 2 is an explanatory view showing a manufacturing method according to an embodiment of the present invention.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平6−305830(JP,A) 特開 平7−267733(JP,A) T.P.A.COMYN,et a l.「The Effect of A tmosphere Controll ed Sintering on th e Piezoelectric Sh ear Mode Activy of PZT Based Ceramic s」,BETTER CERAMICS THROUGH PROCESSIN G,(1998),第58号,第189−196頁 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C04B 35/49 CA(STN) REGISTRY(STN)────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) References JP-A-6-305830 (JP, A) JP-A-7-267733 (JP, A) P. A. COMYN, et al. "The Effect of Atmosphere Controlled Sintering on the Piezoelectric Shear Mode Active of the PZT Base Ceramics" 1998, BETHER CRAMS, BETTER CRAM. Int.Cl. 7 , DB name) C04B 35/49 CA (STN) REGISTRY (STN)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 複合ぺロブスカイト型化合物のPb(S
1/2 Nb 1/2 )O 3 と単純ぺロブスカイト型化合物P
bTiO 3 およびPbZrO 3 を主成分とするセラミッ
クスにおいて、Pb(Sc 1/2 Nb 1/2 )O 3 、PbT
iO 3 、PbZrO 3 を頂点とする三角座標中、Pb
(Sc 1/2 Nb 1/2 )O 3 をXモル%、 PbTiO 3 をYモル%、PbZrO 3 をZモル%とし
た場合(ただし、X+Y+Z=100とする。)、組成
(X=90,Y=10,Z=0)、組成(X=10,Y
=90,Z=0)および組成(X=10,Y=10,Z
=80)を頂点とする三角形内の組成を主成分とする
電セラミックスを製造する方法であって、出発原料とし
て、酸化鉛(PbO)、酸化スカンジウム(Sc2
3 )、酸化ニオブ(Nb25 )、酸化チタン(TiO
2)、および酸化ジルコニウム(ZrO2)を使用し、
した固溶体のぺロブスカイト組成よりも酸化鉛(Pb
O)が過剰になるように秤量し、湿式混合等によって混
合した後、成型して、大気中で加熱処理を行い、次い
で、未反応物を溶解し、粒子を分離し、得られた粒子を
成形した後、焼成して焼結体を作製することからなるP
b(Sc1/2Nb1/2 )O3 −PbTiO3 −PbZr
3固溶体圧電セラミックスの製造方法。
1. A composite perovskite compound of Pb (S
c 1/2 Nb 1/2 ) O 3 and simple perovskite compound P
Ceramic containing bTiO 3 and PbZrO 3 as main components
Pb (Sc 1/2 Nb 1/2 ) O 3 , PbT
In triangular coordinates with iO 3 and PbZrO 3 as vertices, Pb
(Sc 1/2 Nb 1/2 ) O 3 is X mol%, PbTiO 3 is Y mol%, and PbZrO 3 is Z mol%.
(When X + Y + Z = 100), the composition
(X = 90, Y = 10, Z = 0), composition (X = 10, Y
= 90, Z = 0) and composition (X = 10, Y = 10, Z
= 80) is a method for producing piezoelectric ceramics whose main component is a composition within a triangle having a vertex at the apex, and as starting materials, lead oxide (PbO), scandium oxide (Sc 2 O)
3 ), niobium oxide (Nb 2 O 5 ), titanium oxide (TiO 2 )
2), and using zirconium oxide (ZrO 2), before
The serial was a solid solution of perovskite oxide of lead than the composition (Pb
O) is weighed so as to be excessive, mixed by wet mixing or the like, molded, subjected to a heat treatment in the atmosphere, then, the unreacted material is dissolved, the particles are separated, and the obtained particles are separated. After forming, firing is performed to produce a sintered body.
b (Sc 1/2 Nb 1/2) O 3 -PbTiO 3 -PbZr
A method for producing O 3 solid solution piezoelectric ceramics.
【請求項2】 ぺロブスカイト組成に酸化鉛を過剰に添
加し、大気中で950〜1000℃で1〜2時間加熱処
理を行う請求項記載の方法。
2. A perovskite was excessively added lead oxide to the composition, method of claim 1, wherein performing the 1-2 hours of heat treatment at 950 to 1000 ° C. in air.
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