JP3993395B2 - Piezoelectric ceramic, manufacturing method thereof, and piezoelectric element - Google Patents

Piezoelectric ceramic, manufacturing method thereof, and piezoelectric element Download PDF

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アクチュエータ,圧電ブザー,発音体およびセンサなどに適した圧電磁器およびその製造方法、並びに圧電素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、アクチュエータなどに用いられる圧電磁器としては、チタン酸鉛(PbTiO3 ;PT)とジルコン酸鉛(PbZrO3 ;PZ)との固溶体(PZT)系が好適であることが知られており、その用途に応じて種々の改良が行われている。例えば、PZTに酸化アンチモン(Sb2 5 ),酸化ニオブ(Nb2 5 )あるいは酸化タングステン(WO3 )などを添加したもの、鉛(Pb)の一部をバリウム(Ba),ストロンチウム(Sr),カルシウム(Ca)あるいはランタン(La)などで置換したもの、または、第3成分としてニオブ・ニッケル酸鉛(Pb(Ni1/3 Nb2/3 )O3 )あるいはニオブ・マグネシウム酸鉛(Pb(Mg1/3 Nb2/3 )O3 )などの複合ペロブスカト化合物を固溶させたものが報告されている。
【0003】
なお、アクチュエータ用の圧電磁器としては、例えば厚み縦振動モードの圧電歪定数d33が600pC/N以上の高い値であることが要求される。ところが、従来、高い圧電歪定数d33を有する圧電磁器は一般にキュリー温度が200℃未満と低く、実用上の問題があった。例えば、圧電歪定数d33が600pC/Nを超えるようなものはキュリー温度が100℃付近となり、素子の使用温度が室温近くに限定されてしまっていた。また、アクチュエータ用の圧電磁器は微細加工が必要とされるので、空孔(ポア)がほとんど存在しないこと、すなわち密度が高いことが要求される。ところが、従来、圧電歪定数d33が600pC/Nを超えるような圧電磁器では十分に高い密度が得られなかった。
【0004】
そこで、これらの問題を解決するものとして、本出願人は、PZTの鉛の一部をランタンで置換し、副成分として酸化スズ(SnO2 )を添加した圧電磁器を提案した(特開平10−95665号公報参照)。この圧電磁器によれば、密度,圧電歪定数d33およびキュリー温度についていずれも十分に高い値を得ることができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平10−95665号公報に記載の圧電磁器は、最適焼成温度が1280℃付近と高く、量産が難しいという問題があった。
【0006】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、緻密で高い圧電歪定数およびキュリー温度を有し、かつ、低温で焼成することができる圧電磁器およびその製造方法、並びに圧電素子を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明による圧電磁器は、化3に示した酸化物を主成分とし、この主成分1molの質量に対して、第1副成分として、アンチモン(Sb),ニオブ(Nb)およびタンタル(Ta)からなる群のうちの少なくとも1種を、酸化物(Sb23 ,Nb25 ,Ta25 )に換算して0.3質量%以上1.8質量%以下の範囲内で含有すると共に、主成分1molの質量に対して、第2副成分として、ビスマス(Bi)を酸化物(Bi23 )に換算して0.1質量%以上0.6質量%以下の範囲内で含有し、かつ、ランタン(La)の原料として水酸化ランタン、ジルコニウム(Zr)の原料として比表面積が30m 2 /g以上50m 2 /g以下の酸化ジルコニウムがそれぞれ用いられると共に、酸素濃度80%以上の雰囲気中で焼成されたものである
【化3】
(Pb1-x Lax )[Zr1-y Tiy1-x/4 3
(式中、xは0.03≦x≦0.045、yは0.44≦y≦0.48をそれぞれ満たす範囲内の値である。)
【0008】
本発明による圧電磁器では、化3に示した酸化物を主成分とし、第1副成分として、アンチモン,ニオブおよびタンタルからなる群のうちの少なくとも1種を含んでいるので、緻密でかつ高い圧電歪定数およびキュリー温度が得られる。また、第2副成分としてビスマスを含んでいるので、焼成温度を低くすることが可能となる。
【0009】
本発明による圧電磁器の製造方法は、化4に示した主成分を構成する元素と共に、第1副成分であるアンチモン,ニオブおよびタンタルからなる群のうちの少なくとも1種を、主成分1molの質量に対して、酸化物(Sb23 ,Nb25 ,Ta25 )に換算して0.3質量%以上1.8質量%以下の範囲内で含有し、第2副成分であるビスマスを、主成分1molの質量に対して、酸化物(Bi23 )に換算して0.1質量%以上0.6質量%以下の範囲内で含有する混合物を、成形して焼成する工程を含み、ランタン(La)の原料として水酸化ランタン、ジルコニウム(Zr)の原料として比表面積が30m 2 /g以上50m 2 /g以下の酸化ジルコニウムをそれぞれ用いると共に、前記焼成工程を酸素濃度80%以上の雰囲気中で行うものである。
【化4】
(Pb1-x Lax )[Zr1-y Tiy1-x/4 3
(式中、xは0.03≦x≦0.045、yは0.44≦y≦0.48をそれぞれ満たす範囲内の値である。)
【0010】
本発明による圧電磁器の製造方法では、化4に示した主成分を構成する元素と、第1副成分であるアンチモン,ニオブおよびタンタルからなる群のうちの少なくとも1種と、第2副成分であるビスマスとを含有する混合物を、成形し焼成するようにしたので、低温で焼成しても、緻密で高い圧電歪定数およびキュリー温度を有する圧電磁器が得られる。
【0012】
本発明による圧電素子は、本発明の圧電磁器を用いたものである。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【0014】
本発明の一実施の形態に係る圧電磁器は、化5に示した酸化物を主成分として含有している。
【化5】
(Pb1-x Lax )[Zr1-y Tiy 1-x/4 3
式中、xは0.03≦x≦0.07、yは0.38≦y≦0.48をそれぞれ満たす範囲内の値である。なお、鉛およびランタンに対するジルコニウムおよびチタンの組成、また酸素の組成は化学量論的に求めたものであり、化学量論組成からずれていてもよい。
【0015】
この酸化物は、チタン酸ジルコン酸鉛における鉛の一部がランタンにより置換されたものであり、これにより圧電歪定数d33を例えば600pC/N以上に高くすることができるようになっている。ランタンの置換量、すなわち化5におけるxを0.03以上0.07以下とするのは、0.03未満であると圧電歪定数を向上させる効果を十分に得ることができず、0.07を超えると密度が例えば7.8Mg/m3 未満に低下してしまい、キュリー温度も例えば200℃未満に低下してしまうからである。また、ジルコニウムとチタンとの割合、すなわち化5におけるyを0.38以上0.48以下とするのは、この範囲外においては例えば600pC/N以上の高い圧電歪定数d33を得ることができないからである。
【0016】
この圧電磁器は、また、化5に示した主成分1molの質量に対して、第1副成分として、アンチモン,ニオブおよびタンタルからなる群のうちの少なくとも1種を、酸化物(Sb2 3 ,Nb2 5 ,Ta2 5 )に換算して0.3質量%以上1.8質量%以下の範囲内で含有している。これにより、この圧電磁器では圧電歪定数d33をより向上させることができるようになっている。第1副成分の含有量を、主成分1molの質量に対して、酸化物に換算して0.3質量%以上1.8質量%以下とするのは、0.3質量%未満であると圧電歪定数d33を十分に向上させることができず、1.8質量%を超えると密度および圧電歪定数d33が低下してしまうからである。なお、この第1副成分は主成分の酸化物に固溶しており、チタン酸ジルコン酸鉛のいわゆるBサイト、すなわちチタンおよびジルコニウムが存在し得る位置に存在している。
【0017】
この圧電磁器は、更に、化5に示した主成分1molの質量に対して、第2副成分として、ビスマスを酸化物(Bi2 3 )に換算して0.1質量%以上1.5質量%以下の範囲内で含有している。これにより、この圧電磁器では、密度,圧電歪定数d33およびキュリー温度を高く保持しつつ、焼成温度を低くすることができるようになっている。第2副成分の含有量を、主成分1molに対して、酸化物に換算して0.1質量%以上1.5質量%以下とするのは、0.1質量%未満であると低温において十分な焼結性を得ることができず、それにより圧電歪定数d33が低下してしまい、1.5質量%を超えると焼結が難しくなり、それにより密度,圧電歪定数d33およびキュリー温度が低下してしまうからである。なお、この第2副成分も第1副成分と同様に主成分の酸化物に固溶しており、チタン酸ジルコン酸鉛のいわゆるBサイト、すなわちチタンおよびジルコニウムが存在し得る位置に存在している。
【0018】
このような構成を有する圧電磁器は、例えば、次のようにして製造することができる。
【0019】
図1はこの圧電磁器の製造方法を表す流れ図である。まず、主成分を構成する元素の原料として、例えば、酸化鉛(PbO)粉末,酸化チタン(TiO2 )粉末,酸化ジルコニウム(ZrO2 )粉末および水酸化ランタン(La(OH)3 )粉末を用意する。また、第1副成分の原料として、例えば、酸化アンチモン(Sb2 3 )粉末,酸化ニオブ(Nb2 5 )粉末および酸化タンタル(Ta2 5 )粉末からなる群のうちの少なくとも1種を用意する。なお、これら原料には酸化物でなく、炭酸塩,シュウ酸塩あるいは水酸化物のように焼成により酸化物となるものを用いてもよい。
【0020】
但し、ランタンの原料には水酸化ランタンを用い、ジルコニウムの原料には粒子径が1μm以下でかつ比表面積が30m2 /g以上50m2 /g以下の酸化ジルコニウム粉末を用いることが好ましい。水酸化ランタンを用いることにより、焼結性を向上させることができ、それにより焼成温度を低くしても十分な圧電歪定数d33を得ることができるからである。また、比表面積が30m2 /g以上の酸化ジルコニウム粉末を用いることにより、焼成温度を低くしても十分な圧電歪定数d33を得ることができ、その一方で、比表面積が50m2 /gを超えると粉体の取り扱いが難しく、合成が困難となり、実用的ではないからである。
【0021】
次いで、これら原料を十分に乾燥させたのち、最終組成が上述した範囲となるように秤量し、ボールミルなどにより有機溶媒中または水中で十分に混合して乾燥し、プレス成形して、900℃〜950℃で2時間〜8時間仮焼する(ステップS101)。続いて、例えば、この仮焼物をボールミルなどにより有機溶媒中または水中で十分に粉砕し、主成分と第1副成分とを含有する仮焼成粉とする(ステップS102)。そののち、この仮焼成粉に、第2副成分の原料として別途用意した例えば酸化ビスマス(Bi2 3 )粉末を最終組成が上述した範囲となるように添加して十分に混合する(ステップS103)。なお、第2副成分、すなわちビスマスの原料は、仮焼成前の混合時に添加しても良く、その場合には酸化物でなく、炭酸塩,シュウ酸塩あるいは水酸化物のように焼成により酸化物となるものを用いてもよい。
【0022】
仮焼成粉に第2副成分を添加したのち、その混合物を乾燥し、例えば、ポリビニールアルコール系のバインダーを加えて造粒を行い、一軸プレス成型機あるいは静水圧成型機(CIP)などを用いプレス成形する(ステップS104)。成形したのち、例えば、この成形体を1200℃未満、好ましくは1100℃以上1200℃未満の低温で2時間〜6時間焼成する(ステップS105)。その際、焼成雰囲気を酸素濃度80%以上とすることが好ましい。酸素濃度が低いと、焼成温度を高くしなければ十分な密度を得ることができず、それにより圧電歪定数d33も低下してしまうからである。
【0023】
焼成したのち、得られた焼結体を必要に応じて研磨し、分極用電極を設け、加熱したシリコーンオイル中で電界を印加して分極処理を行う(ステップS106)。そののち、分極用電極を除去することにより、上述した圧電磁器が得られる。
【0024】
このような圧電磁器は、例えば、アクチュエータ,圧電ブザー,発音体およびセンサなどの圧電素子の材料として、特にはアクチュエータの材料として好ましく用いられる。
【0025】
図2は本実施の形態に係る圧電磁器を用いた圧電素子の一構成例を表すものである。この圧電素子は、本実施の形態の圧電磁器よりなる圧電基板1と、この圧電基板1の一対の対向面1a,1bにそれぞれ設けられた一対の電極2,3とを備えている。圧電基板1は、例えば、厚さ方向、すなわち電極2,3の対向方向に分極されており、電極2,3を介して電圧が印加されることにより、厚み方向に縦振動するようになっている。
【0026】
電極2,3は、例えば、金(Au)などの金属によりそれぞれ構成されており、圧電基板1の対向面1a,1bの全面にぞれぞれ設けられている。これら電極2,3には、例えば、図示しないワイヤなどを介して図示しない外部電源が電気的に接続される。
【0027】
この圧電素子は、常法により作製することができる。例えば、まず、上述したようにして圧電磁器を作製したのち、それを必要に応じて所定の大きさに加工し、圧電基板1を形成する。次いで、この圧電基板1に電極2,3を例えば蒸着することにより、図2に示した圧電素子が得られる。
【0028】
また、図3は本実施の形態に係る圧電磁器を用いた圧電素子の他の一構成例を表すものである。この圧電素子は、例えば、本実施の形態の圧電磁器よりなる複数の圧電層11と複数の内部電極12とを交互に積層した積層体10を備えている。圧電層11の一層当たりの厚さは例えば1μm〜100μm程度が好ましく、圧電層11の積層数は目的とする変位量に応じて決定される。
【0029】
内部電極12は、導電材料を含有している。導電材料は特に限定されないが、例えば、銀(Ag),金(Au),白金(Pt)およびパラジウム(Pd)からなる群のうちの少なくとも1種、あるいはその合金が好ましい。なお、内部電極12は、これらの他にリン(P)などの各種微量成分を0.1質量%程度以下含有していても良い。内部電極12の厚さは例えば0.5μm〜3μm程度であることが好ましい。0.5μmよりも薄いと内部電極12が途切れてしまい、十分な圧電特性を得ることができず、3μmよりも厚いと焼成後の積層体10の歪みが大きくなってしまうからである。
【0030】
この内部電極12は例えば交互に逆方向に延長されており、その延長方向には内部電極12と電気的に接続された一対の端子電極21,22がそれぞれ設けられている。端子電極21,22は、例えば、端子電極用ペーストを焼き付けることにより形成されたものである。この端子電極用ペーストは、例えば、導電材料と、ガラスフリットと、ビヒクルとを含有している。導電材料は、例えば、銀,金,銅,ニッケル,パラジウムおよび白金からなる群のうちの少なくとも1種を含んでいる。ビヒクルには有機ビヒクルあるいは水系ビヒクルなどがあり、有機ビヒクルはバインダを有機溶媒に溶解させたもの、水系ビヒクルは水に水溶性バインダおよび分散剤などを溶解させたものである。端子電極21,22の厚さは用途等に応じて適宜決定されるが、通常10μm〜50μm程度である。
【0031】
この圧電素子は、例えば、次のようにして製造することができる。まず、上述した圧電磁器の製造方法と同様にして仮焼成粉を形成し、これに第2副成分およびビヒクルを加えて混練して圧電層用ペーストを作製する。次いで、内部電極12を形成するための上述した導電材料または焼成後に上述した導電材料となる各種酸化物,有機金属化合物あるいはレジネートなどをビヒクルと混練し、内部電極用ペーストを作製する。なお、内部電極用ペーストには、必要に応じて分散剤、可塑剤、誘電体材料、絶縁体材料などの添加物を添加してもよい。
【0032】
続いて、これら圧電層用ペーストと内部電極用ペーストとを用い、例えば、印刷法あるいはシート法により、積層体10の前駆体であるグリーンチップを作製する。そののち、脱バインダ処理を行い、焼成して積層体10を形成する。焼成時の雰囲気は、例えば、上述した圧電磁器の製造方法と同様に、酸素濃度を80%以上とすることが好ましく、焼成温度は1200℃未満の低温とすることが好ましい。
【0033】
積層体10を形成したのち、例えばバレル研磨やサンドブラストなどにより端面研磨を施し、内部電極用ペーストと同様にして作製した端子電極用ペーストを印刷または転写して焼き付け、端子電極21,22を形成する。これにより、図3に示した圧電素子が得られる。
【0034】
このように本実施の形態によれば、化5に示した酸化物を主成分とし、第1副成分としてアンチモン,ニオブおよびタンタルからなる群のうちの少なくとも1種を所定量含有すると共に、第2副成分としてビスマスを所定量含有するようにしたので、密度,圧電歪定数d33およびキュリー温度を高く保持しつつ、焼成温度を低くすることができる。よって、焼成後のそりあるいはうねりを低減することができ、焼成治具との反応も抑制することができる。また、図3に示したような積層型の圧電素子を容易に形成することもできる。従って、容易に量産を図ることができる。
【0035】
特に、ランタンの原料として水酸化ランタンを用いるようにすれば、低温でも焼結性を向上させることができ、密度および圧電歪定数d33を高く保持しつつ、焼成温度をより低くすることができる。
【0036】
また、ジルコニウムの原料として比表面積が30m2 /g以上の酸化ジルコニウム粉末を用いるようにすれば、圧電歪定数d33を高く保持しつつ、焼成温度をより低くすることができ、比表面積が50m2 /g以下の酸化ジルコニウム粉末を用いるようにすれば、粉体の取り扱いを容易とすることができ、容易に製造することができる。
【0037】
更に、酸素濃度80%以上の雰囲気中で焼成するようにすれば、低温でも焼結性を向上させることができ、密度および圧電歪定数d33を高く保持しつつ、焼成温度をより低くすることができる。
【0038】
【実施例】
更に、本発明の具体的な実施例について図1を参照して説明する。
【0039】
(実施例1−1〜1−3)
実施例1−1〜1−3として、まず、主成分の原料である酸化鉛粉末,酸化チタン粉末,酸化ジルコニウム粉末および水酸化ランタン粉末と、第1副成分の原料である酸化ニオブ粉末とを用意した。その際、酸化ジルコニウム粉末には、粒子径が1μm以下でかつ比表面積が35m2 /gのものを用いた。次いで、これら原料を十分に乾燥させ、表1に示した組成となるように秤量したのち、ボールミルにより湿式混合し、乾燥して成形し、900℃〜950℃で2時間〜4時間仮焼した(ステップS101)。なお、表1のxおよびyは化5におけるそれらの値であり、第1副成分の種類は酸化物で表示してある。また、第1副成分の含有量は、主成分1molの質量に対する値を酸化物に換算したものである。
【0040】
【表1】

Figure 0003993395
【0041】
続いて、例えば、この仮焼物をボールミルにより湿式粉砕し仮焼成粉とした(ステップS102)。そののち、この仮焼成粉に、第2副成分の原料である酸化ビスマス粉末を表1に示した組成となるように添加して混合した(ステップS103)。表1における第2副成分の種類は第1副成分と同様に酸化物で表示してあり、その含有量も主成分1molの質量に対する値を酸化物に換算したものである。仮焼成粉に第2副成分を添加したのち、乾燥し、ポリビニールアルコール系のバインダーを加えて造粒を行い、2000kg/cm2 の圧力で円柱状に成形した(ステップS104)。
【0042】
成形したのち、この成形体を、酸素濃度80%以上の雰囲気中において、表1に示した1100℃以上1160℃以下の焼成温度で2時間〜4時間焼成した(ステップS105)。そののち、得られた焼結体を高さ7.5mm、直径3mmの円柱状に加工し、円柱の両端面に銀の電極を形成し、150℃のシリコーンオイル中で2.5kV/mmの電圧を印加して分極処理を行った(ステップS106)。これにより、実施例1−1〜1−3の圧電磁器を得た。
【0043】
得られた実施例1−1〜1−3の圧電磁器について、アルキメデス法により密度ρsを求めた。また、インピーダンスアナライザーにより素子静電容量c、共振周波数frおよび反共振周波数faを測定し、それらの結果から圧電歪定数d33を求めた。更に、熱分析装置によりキュリー温度Tcを測定した。それらの結果を表2に示す。
【0044】
【表2】
Figure 0003993395
【0045】
また、本実施例に対する比較例1−1〜1−4として、組成および焼成温度を表1に示したように変えたことを除き、本実施例と同様にして圧電磁器を作製した。なお、比較例1−1は、化5におけるx、すなわちランタンの置換量が0.03未満、化5におけるy、すなわちチタンの組成が0.48よりも大きいものであり、比較例1−2は、yが0.48よりも大きいものである。比較例1−3は、xが0.07よりも大きく、yが0.38未満のものであり、比較例1−4は、yが0.38未満のものである。比較例1−1〜1−4についても、本実施例と同様にして、密度ρs、圧電歪定数d33およびキュリー温度Tcをそれぞれ測定した。それらの結果を表2にあわせて示す。
【0046】
表2に示したように、実施例1−1〜1−3によれば、いずれも、7.8Mg/m3 以上の密度ρs、600pC/N以上の圧電歪定数d33および200℃以上のキュリー温度Tcが得られた。これに対して、xが0.03未満の比較例1−1およびyが0.48よりも大きい比較例1−2では、圧電歪定数d33が600pC/N未満であり、xが0.07よりも大きい比較例1−3では、密度ρsが7.8Mg/m3 未満、キュリー温度Tcが200℃未満であった。また、yが0.38未満の比較例1−4では、圧電歪定数d33が600pC/N未満であった。
【0047】
すなわち、ランタンを化5におけるxが0.03≦x≦0.07の範囲内で含むようにすれば、密度ρs、圧電歪定数d33およびキュリー温度Tcをいずれも高くできることが分かった。また、化5においてyで表されるチタンの組成を0.38≦y≦0.48の範囲内とするようにすれば、圧電歪定数を向上させることができるこことが分かった。
【0048】
(実施例2−1,2−2)
実施例2−1,2−2として、組成および焼成温度を表3に示したように変えたことを除き、実施例1−1〜1−3と同様にして圧電磁器を作製した。なお、実施例2−1では、第1副成分としてニオブに代えてタンタルを添加し、原料には酸化タンタル粉末を用いた。また、本実施例に対する比較例2−1,2−2として、組成および焼成温度を表3に示したように変えたことを除き、本実施例と同様にして圧電磁器を作製した。なお、比較例2−1は第1副成分を添加しないものであり、比較例2−2は主成分1molの質量に対する第1副成分の含有量を酸化物に換算して1.8質量%よりも多くしたものである。
【0049】
【表3】
Figure 0003993395
【0050】
これら実施例2−1,2−2および比較例2−1,2−2についても、実施例1−1〜1−3と同様にして、密度ρs、圧電歪定数d33およびキュリー温度Tcをそれぞれ測定した。それらの結果を表4に示す。
【0051】
【表4】
Figure 0003993395
【0052】
表4に示したように、実施例2−1,2−2によれば、いずれも、7.8Mg/m3 以上の密度ρs、600pC/N以上の圧電歪定数d33および200℃以上のキュリー温度Tcが得られた。これに対して、第1副成分を含まない比較例2−1では圧電歪定数d33が600pC/N未満であり、第1副成分の含有量が多い比較例2−2では密度ρsが7.8Mg/m3 未満、圧電歪定数d33が600pC/N未満であった。
【0053】
すなわち、第1副成分を、主成分1molの質量に対して、酸化物に換算して0.3質量%以上1.8質量%以下の範囲内で含有するようにすれば、密度ρsおよびキュリー温度Tcを高く保持しつつ、圧電歪定数d33をより向上させることができるこことが分かった。
【0054】
(実施例3−1〜3−6)
実施例3−1〜3−6として、組成および焼成温度を表5に示したように変えたことを除き、実施例1−1〜1−3と同様にして圧電磁器を作製した。なお、その際、第1副成分の種類を表5に示したように変化させ、原料には酸化アンチモン粉末,酸化タンタル粉末および酸化ニオブ粉末のいずれか1種または2種を用いた。
【0055】
【表5】
Figure 0003993395
【0056】
これら実施例3−1〜3−6についても、実施例1−1〜1−3と同様にして、密度ρs、圧電歪定数d33およびキュリー温度Tcをそれぞれ測定した。それらの結果を表6に示す。
【0057】
【表6】
Figure 0003993395
【0058】
表6に示したように、実施例3−1〜3−6によれば、いずれも、7.8Mg/m3 以上の密度ρs、600pC/N以上の圧電歪定数d33および200℃以上のキュリー温度Tcが得られた。すなわち、第1副成分として、アンチモン,ニオブおよびタンタルからなる群のうちの少なくとも1種を含むようにすれば、密度ρsおよびキュリー温度Tcを高く保持しつつ、圧電歪定数d33をより向上させることができるこことが分かった。
【0059】
(実施例4−1,4−2)
実施例4−1,4−2として、組成および焼成温度を表7に示したように変えたことを除き、実施例1−1〜1−3と同様にして圧電磁器を作製した。なお、実施例4−1では、第1副成分としてニオブに代えてタンタルを添加し、原料には酸化タンタル粉末を用いた。また、本実施例に対する比較例4−1,4−2として、組成および焼成温度を表7に示したように変えたことを除き、本実施例と同様にして圧電磁器を作製した。なお、比較例4−1では、実施例4−1と同様に、第1副成分としてニオブに代えてタンタルを添加し、原料には酸化タンタル粉末を用いた。比較例4−1は第2副成分を添加しないものであり、比較例4−2は主成分1molの質量に対する第2副成分の含有量を酸化物に換算して1.5質量%よりも多くしたものである。
【0060】
【表7】
Figure 0003993395
【0061】
これら実施例4−1,4−2および比較例4−1,4−2についても、実施例1−1〜1−3と同様にして、密度ρs、圧電歪定数d33およびキュリー温度Tcをそれぞれ測定した。それらの結果を表8に示す。
【0062】
【表8】
Figure 0003993395
【0063】
表8に示したように、実施例4−1,4−2によれば、いずれも、7.8Mg/m3 以上の密度ρs、600pC/N以上の圧電歪定数d33および200℃以上のキュリー温度Tcが得られた。これに対して、第2副成分を含まない比較例4−1では、1200℃未満の焼成温度では十分な焼結性を得ることができず、圧電歪定数d33は600pC/N未満であった。また、第2副成分の含有量が多い比較例4−2では1200℃未満の焼成温度では焼結が難しく、密度ρs,圧電歪定数d33およびキュリー温度Tcのいずれについても不十分な値しか得られなかった。
【0064】
すなわち、第2副成分を、主成分1molの質量に対して、酸化物に換算して0.1質量%以上1.5質量%以下の範囲内で含有するようにすれば、焼成温度を低くしても、密度ρs、圧電歪定数d33およびキュリー温度Tcのいずれについても高い値を得られることが分かった。
【0065】
比較例5−1〜5−3)
比較例5−1として、ランタンの原料として酸化ランタン(La23 )粉末を用いたことを除き、他は実施例1−1と同様にして圧電磁器を作製した。また、比較例5−2として、ジルコニウムの原料として用いる酸化ジルコニウム粉末の比表面積を20m2 /gとしたことを除き、他は実施例1−1と同様にして圧電磁器を作製した。更に、比較例5−3として、焼成時の雰囲気を大気中としたことを除き、他は実施例1−1と同様にして圧電磁器を作製した。
【0066】
これら比較例5−1,5−3についても、実施例1−1と同様にして、密度ρsおよび圧電歪定数d33をそれぞれ測定した。それらの結果を実施例1−1の結果と共に表9に示す。また、比較例5−2についても、実施例1−1と同様にして圧電歪定数d33を測定した。その結果を実施例1−1の結果と共に図4に示す。
【0067】
【表9】
Figure 0003993395
【0068】
表9に示したように、実施例1−1によれば、焼成温度を1130℃としても7.8Mg/m3 以上の密度ρsおよび600pC/N以上の圧電歪定数d33が得られた。これに対して、水酸化ランタンを用いない比較例5−1および酸素分圧が低い雰囲気中で焼成した比較例5−3では、焼成温度を低くすることが可能でも、1130℃の低温では十分な焼結性を得ることができず、密度ρsは7.8Mg/m3 未満であり、圧電歪定数d33も600pC/N未満であった。
【0069】
また、図4に示したように、比表面積が小さい酸化ジルコニウム粉末を用いた比較例5−2では、焼成温度を低くすることが可能でも、1130℃の低温では600pC/N未満の圧電歪定数d33しか得られなかった。
【0070】
すなわち、ランタンの原料として水酸化ランタンを用いるようにすれば、または、酸素濃度80%以上の雰囲気中において焼成するようにすれば、密度ρsおよび圧電歪定数d33を高く保持しつつ、焼成温度をより低くできることが分かった。また、ジルコニウムの原料として比表面積が30m2 /g以上の酸化ジルコニウム粉末を用いるようにすれば、圧電歪定数d33を高く保持しつつ、焼成温度をより低くできることが分かった。
【0071】
なお、上記実施例では、いくつかの例を挙げて具体的に説明したが、主成分および副成分の組成を上記実施の形態で説明した範囲内で変化させても、同様の結果を得ることができる。
【0072】
以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は、上記実施の形態および実施例に限定されるものではなく、種々変形することができる。例えば、上記実施の形態および実施例では、化5に示した主成分と、第1副成分と、第2副成分とを含有する場合について説明したが、これらに加えて、他の成分を含んでいてもよい。その場合、その他の成分は、第1副成分および第2副成分と同様に主成分に固溶していてもよく、または固溶していなくてもよい。
【0073】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項1記載の圧電磁器または請求項7記載の圧電素子によれば、化1に示した酸化物を主成分とし、第1副成分としてアンチモン,ニオブおよびタンタルからなる群のうちの少なくとも1種を所定量含有すると共に、第2副成分としてビスマスを所定量含有するようにしたので、密度,圧電歪定数およびキュリー温度を高く保持しつつ、焼成温度を低くすることができる。よって、焼成後のそりあるいはうねりを低減することができ、焼成治具との反応も抑制することができる。また、積層型の圧電素子についても容易に形成することもできる。従って、容易に量産を図ることができる。
【0074】
また、請求項2ないし請求項6のいずれか1項に記載の圧電磁器の製造方法によれば、化2に示した主成分を構成する元素と共に、第1副成分であるアンチモン,ニオブおよびタンタルからなる群のうちの少なくとも1種を所定量含有し、第2副成分であるビスマスを所定量含有する混合物を焼成するようにしたので、本発明の圧電磁器を容易に得ることができる。
【0075】
特に、請求項4ないし請求項6のいずれか1項に記載の圧電磁器の製造方法によれば、ランタンの原料として水酸化ランタンを用いるようにしたので、低温でも焼結性を向上させることができ、密度および圧電歪定数を高く保持しつつ、焼成温度をより低くすることができる。
【0076】
また、請求項5または請求項6に記載の圧電磁器の製造方法によれば、ジルコニウムの原料として比表面積が30m2 /g以上の酸化ジルコニウム粉末を用いるようにしたので、圧電歪定数を高く保持しつつ、焼成温度をより低くすることができると共に、比表面積が50m2 /g以下の酸化ジルコニウム粉末を用いるようにしたので、粉体の取り扱いを容易とすることができ、容易に製造することができる。
【0077】
更に、請求項記載の圧電磁器の製造方法によれば、酸素濃度80%以上の雰囲気中で焼成するようにしたので、低温でも焼結性を向上させることができ、密度および圧電歪定数を高く保持しつつ、焼成温度をより低くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態に係る圧電磁器の製造方法を表す流れ図である。
【図2】本発明の一実施の形態に係る圧電磁器を用いた圧電素子の一構成例を表す斜視図である。
【図3】本発明の一実施の形態に係る圧電磁器を用いた圧電素子の他の一構成例を表す断面図である。
【図4】実施例1−1と実施例5−2との圧電歪定数を比較して表す特性図である。
【符号の説明】
1…圧電基板、1a,1b…対向面、2,3…電極、10…積層体、11…圧電層、12…内部電極、21,22…端子電極。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a piezoelectric ceramic suitable for an actuator, a piezoelectric buzzer, a sounding body, a sensor, and the like, a manufacturing method thereof, and a piezoelectric element.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a piezoelectric ceramic used for an actuator or the like, lead titanate (PbTiO 2) is used.ThreePT) and lead zirconate (PbZrO)ThreeA solid solution (PZT) system with PZ) is known to be suitable, and various improvements have been made depending on the application. For example, antimony oxide (Sb2OFive), Niobium oxide (Nb)2OFive) Or tungsten oxide (WOThree) Or the like, lead (Pb) partially substituted with barium (Ba), strontium (Sr), calcium (Ca), lanthanum (La), or the like, or niobium nickel acid as the third component Lead (Pb (Ni1/3Nb2/3) OThree) Or niobium lead magnesium oxide (Pb (Mg1/3Nb2/3) OThree) And other complex perovskato compounds have been reported.
[0003]
In addition, as a piezoelectric ceramic for an actuator, for example, a piezoelectric strain constant d in a thickness longitudinal vibration mode33Is required to be a high value of 600 pC / N or more. However, conventionally, a high piezoelectric strain constant d33In general, a piezoelectric ceramic having a low Curie temperature of less than 200 ° C. has a practical problem. For example, the piezoelectric strain constant d33When the temperature exceeds 600 pC / N, the Curie temperature is around 100 ° C., and the device operating temperature is limited to near room temperature. In addition, since the piezoelectric ceramic for the actuator requires fine processing, it is required that there are almost no pores, that is, a high density. However, conventionally, the piezoelectric strain constant d33In a piezoelectric ceramic having a thickness exceeding 600 pC / N, a sufficiently high density could not be obtained.
[0004]
Therefore, in order to solve these problems, the present applicant replaced a part of lead of PZT with lanthanum and used tin oxide (SnO) as a subcomponent.2) Has been proposed (see JP-A-10-95665). According to this piezoelectric ceramic, density, piezoelectric strain constant d33Both the Curie temperature and the Curie temperature can be sufficiently high.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, the piezoelectric ceramic described in JP-A-10-95665 has a problem that the optimum firing temperature is as high as around 1280 ° C. and mass production is difficult.
[0006]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is a piezoelectric ceramic having a dense and high piezoelectric strain constant and a Curie temperature and capable of being fired at a low temperature, a manufacturing method thereof, and a piezoelectric element. Is to provide.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
  The piezoelectric ceramic according to the present invention contains the oxide shown in chemical formula 3 as a main component, and is composed of antimony (Sb), niobium (Nb), and tantalum (Ta) as the first subcomponent with respect to 1 mol of the main component. At least one member of the group consisting of oxide (Sb2 OThree , Nb2 OFive , Ta2 OFive ) In the range of 0.3 mass% or more and 1.8 mass% or less, and bismuth (Bi) is added as an oxide (Bi) as the second subcomponent with respect to 1 mol of the main component.2 OThree ) 0.1% by mass or more in terms of0.6Contained within the mass% rangeIn addition, lanthanum hydroxide as a raw material for lanthanum (La) and a specific surface area of 30 m as a raw material for zirconium (Zr) 2 / G or more 50m 2 / G or less of zirconium oxide is used, and is fired in an atmosphere having an oxygen concentration of 80% or more..
[Chemical 3]
(Pb1-xLax ) [Zr1-yTiy ]1-x / 4OThree
(Wherein x is 0.03 ≦ x ≦0.045, Y is0.44It is a value within a range satisfying ≦ y ≦ 0.48. )
[0008]
In the piezoelectric ceramic according to the present invention, the oxide shown in Chemical formula 3 is the main component, and at least one member selected from the group consisting of antimony, niobium and tantalum is included as the first subcomponent. Strain constant and Curie temperature are obtained. Moreover, since bismuth is included as the second subcomponent, the firing temperature can be lowered.
[0009]
  The method for manufacturing a piezoelectric ceramic according to the present invention includes at least one element selected from the group consisting of antimony, niobium, and tantalum, which are the first subcomponents, together with the elements constituting the main component shown in Chemical Formula 4, with a mass of 1 mol of the main component Against the oxide (Sb2 OThree , Nb2 OFive , Ta2 OFive ) In a range of 0.3% by mass or more and 1.8% by mass or less, and bismuth as the second subcomponent with respect to the mass of 1 mol of the main component, oxide (Bi2 OThree ) 0.1% by mass or more in terms of0.6A step of molding and firing a mixture containing within a mass% or less rangeLanthanum hydroxide as a raw material of lanthanum (La), specific surface area of 30 m as a raw material of zirconium (Zr) 2 / G or more 50m 2 / G or less of zirconium oxide is used, and the firing step is performed in an atmosphere having an oxygen concentration of 80% or more.Is.
[Formula 4]
  (Pb1-xLax ) [Zr1-yTiy ]1-x / 4OThree
(Wherein x is 0.03 ≦ x ≦0.045, Y is0.44It is a value within a range satisfying ≦ y ≦ 0.48. )
[0010]
In the method for manufacturing a piezoelectric ceramic according to the present invention, the element constituting the main component shown in Chemical Formula 4, at least one selected from the group consisting of antimony, niobium and tantalum as the first subcomponent, and the second subcomponent Since a mixture containing certain bismuth is molded and fired, a piezoelectric ceramic having a dense and high piezoelectric strain constant and a Curie temperature can be obtained even when fired at a low temperature.
[0012]
The piezoelectric element according to the present invention uses the piezoelectric ceramic according to the present invention.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
[0014]
A piezoelectric ceramic according to an embodiment of the present invention contains the oxide shown in Chemical formula 5 as a main component.
[Chemical formula 5]
(Pb1-xLax) [Zr1-yTiy]1-x / 4OThree
In the formula, x is a value within a range satisfying 0.03 ≦ x ≦ 0.07 and y is satisfying 0.38 ≦ y ≦ 0.48. Note that the composition of zirconium and titanium with respect to lead and lanthanum and the composition of oxygen are determined stoichiometrically and may deviate from the stoichiometric composition.
[0015]
This oxide is one in which a part of lead in lead zirconate titanate is replaced by lanthanum, whereby the piezoelectric strain constant d33Can be increased to 600 pC / N or more, for example. The substitution amount of lanthanum, that is, x in chemical formula 5 is set to 0.03 or more and 0.07 or less because if it is less than 0.03, the effect of improving the piezoelectric strain constant cannot be sufficiently obtained. If the density is exceeded, for example, the density is 7.8 Mg / mThreeThis is because the Curie temperature also drops below 200 ° C., for example. Further, the ratio of zirconium to titanium, that is, y in the chemical formula 5 is set to 0.38 or more and 0.48 or less, outside this range, for example, a high piezoelectric strain constant d of 600 pC / N or more.33Because you can't get.
[0016]
This piezoelectric ceramic also contains at least one of the group consisting of antimony, niobium and tantalum as an oxide (Sb) as the first subcomponent with respect to the mass of 1 mol of the main component shown in Chemical formula 5.2OThree, Nb2OFive, Ta2OFive) In terms of 0.3 to 1.8% by mass. Thus, in this piezoelectric ceramic, the piezoelectric strain constant d33Can be further improved. When the content of the first subcomponent is 0.3% by mass or more and 1.8% by mass or less in terms of oxide with respect to 1 mol of the main component, it is less than 0.3% by mass. Piezoelectric strain constant d33Cannot be sufficiently improved, and if it exceeds 1.8 mass%, the density and the piezoelectric strain constant d33It is because it will fall. The first subcomponent is dissolved in the main component oxide, and is present at a position where so-called B site of lead zirconate titanate, that is, titanium and zirconium can exist.
[0017]
The piezoelectric ceramic further uses bismuth as an oxide (Bi) as the second subcomponent with respect to the mass of 1 mol of the main component shown in Chemical formula 5.2OThree) In terms of 0.1 to 1.5% by mass. Thus, in this piezoelectric ceramic, the density and the piezoelectric strain constant d33In addition, the firing temperature can be lowered while keeping the Curie temperature high. The content of the second subcomponent is 0.1% by mass or more and 1.5% by mass or less in terms of oxide with respect to 1 mol of the main component at a low temperature of less than 0.1% by mass. It is not possible to obtain sufficient sinterability, so that the piezoelectric strain constant d33When the content exceeds 1.5% by mass, sintering becomes difficult, so that the density and piezoelectric strain constant d33This is because the Curie temperature is lowered. The second subcomponent is also dissolved in the main component oxide in the same manner as the first subcomponent, and is present at the position where the so-called B site of lead zirconate titanate, that is, titanium and zirconium can exist. Yes.
[0018]
A piezoelectric ceramic having such a configuration can be manufactured, for example, as follows.
[0019]
FIG. 1 is a flowchart showing a method of manufacturing the piezoelectric ceramic. First, as raw materials for elements constituting the main component, for example, lead oxide (PbO) powder, titanium oxide (TiO 2)2) Powder, zirconium oxide (ZrO)2) Powder and lanthanum hydroxide (La (OH)Three) Prepare powder. Moreover, as a raw material of the first subcomponent, for example, antimony oxide (Sb2OThree) Powder, niobium oxide (Nb)2OFive) Powder and tantalum oxide (Ta2OFive) Prepare at least one of the group consisting of powders. Note that these raw materials may be oxides instead of oxides, such as carbonates, oxalates or hydroxides, which become oxides upon firing.
[0020]
However, lanthanum hydroxide is used as the lanthanum raw material, and the zirconium raw material has a particle diameter of 1 μm or less and a specific surface area of 30 m.2/ G or more 50m2/ G or less of zirconium oxide powder is preferably used. By using lanthanum hydroxide, the sinterability can be improved, so that a sufficient piezoelectric strain constant d can be achieved even if the firing temperature is lowered.33It is because it can obtain. The specific surface area is 30m2/ G or more of the zirconium oxide powder allows sufficient piezoelectric strain constant d even when the firing temperature is lowered.33While the specific surface area is 50 m.2This is because when the amount exceeds / g, it is difficult to handle the powder, synthesis becomes difficult, and it is not practical.
[0021]
Next, after sufficiently drying these raw materials, the final composition is weighed so as to be in the above range, thoroughly mixed in an organic solvent or water with a ball mill or the like, dried, press-molded, Calcination is performed at 950 ° C. for 2 to 8 hours (step S101). Subsequently, for example, the calcined product is sufficiently pulverized in an organic solvent or water by a ball mill or the like to obtain a calcined powder containing the main component and the first subcomponent (step S102). After that, for example, bismuth oxide (Bi) prepared separately as a raw material for the second subcomponent is added to the calcined powder.2OThree) Add and mix the powder so that the final composition is in the above range (step S103). The second subcomponent, that is, the raw material of bismuth, may be added at the time of mixing before temporary firing, in which case it is not oxidized but oxidized by firing like carbonate, oxalate or hydroxide. You may use what becomes a thing.
[0022]
  After adding the second subcomponent to the calcined powder, the mixture is dried, and granulated by adding a polyvinyl alcohol binder, for example, using a uniaxial press molding machine or a hydrostatic pressure molding machine (CIP) Press molding (step S104). After the molding, for example, the compact is fired at a low temperature of less than 1200 ° C., preferably 1100 ° C. or more and less than 1200 ° C. for 2 hours to 6 hours (step S105). At that time, the firing atmosphereOxygen concentration80% or more is preferable.Oxygen concentrationIf the temperature is low, sufficient density cannot be obtained unless the firing temperature is increased.33It is because it will also fall.
[0023]
After firing, the obtained sintered body is polished as necessary, provided with a polarization electrode, and subjected to polarization treatment by applying an electric field in heated silicone oil (step S106). After that, the above-mentioned piezoelectric ceramic is obtained by removing the electrode for polarization.
[0024]
Such a piezoelectric ceramic is preferably used as a material for a piezoelectric element such as an actuator, a piezoelectric buzzer, a sounding body, and a sensor, particularly as a material for an actuator.
[0025]
FIG. 2 shows a configuration example of a piezoelectric element using the piezoelectric ceramic according to the present embodiment. The piezoelectric element includes a piezoelectric substrate 1 made of the piezoelectric ceramic according to the present embodiment, and a pair of electrodes 2 and 3 provided on a pair of opposing surfaces 1a and 1b of the piezoelectric substrate 1, respectively. The piezoelectric substrate 1 is polarized, for example, in the thickness direction, that is, in the direction opposite to the electrodes 2 and 3, and when a voltage is applied through the electrodes 2 and 3, the piezoelectric substrate 1 comes to vibrate in the thickness direction. Yes.
[0026]
The electrodes 2 and 3 are made of metal such as gold (Au), for example, and are respectively provided on the entire opposing surfaces 1 a and 1 b of the piezoelectric substrate 1. An external power source (not shown) is electrically connected to the electrodes 2 and 3 via, for example, a wire (not shown).
[0027]
This piezoelectric element can be manufactured by a conventional method. For example, first, a piezoelectric ceramic is manufactured as described above, and then processed into a predetermined size as necessary to form the piezoelectric substrate 1. Next, the electrodes 2 and 3 are deposited on the piezoelectric substrate 1, for example, to obtain the piezoelectric element shown in FIG.
[0028]
FIG. 3 shows another configuration example of the piezoelectric element using the piezoelectric ceramic according to the present embodiment. The piezoelectric element includes, for example, a laminate 10 in which a plurality of piezoelectric layers 11 and a plurality of internal electrodes 12 made of the piezoelectric ceramic according to the present embodiment are alternately laminated. The thickness per layer of the piezoelectric layer 11 is preferably about 1 μm to 100 μm, for example, and the number of stacked layers of the piezoelectric layer 11 is determined according to the target displacement.
[0029]
The internal electrode 12 contains a conductive material. The conductive material is not particularly limited, but for example, at least one selected from the group consisting of silver (Ag), gold (Au), platinum (Pt), and palladium (Pd), or an alloy thereof is preferable. In addition, the internal electrode 12 may contain about 0.1% by mass or less of various trace components such as phosphorus (P) in addition to these. The thickness of the internal electrode 12 is preferably about 0.5 μm to 3 μm, for example. If the thickness is less than 0.5 μm, the internal electrode 12 is interrupted, and sufficient piezoelectric characteristics cannot be obtained. If the thickness is more than 3 μm, distortion of the laminated body 10 after firing increases.
[0030]
For example, the internal electrodes 12 are alternately extended in opposite directions, and a pair of terminal electrodes 21 and 22 electrically connected to the internal electrode 12 are provided in the extending direction. The terminal electrodes 21 and 22 are formed, for example, by baking terminal electrode paste. This terminal electrode paste contains, for example, a conductive material, glass frit, and a vehicle. The conductive material includes, for example, at least one selected from the group consisting of silver, gold, copper, nickel, palladium, and platinum. Examples of the vehicle include an organic vehicle and an aqueous vehicle. The organic vehicle is obtained by dissolving a binder in an organic solvent, and the aqueous vehicle is obtained by dissolving a water-soluble binder and a dispersant in water. The thicknesses of the terminal electrodes 21 and 22 are appropriately determined according to the application and the like, but are usually about 10 μm to 50 μm.
[0031]
This piezoelectric element can be manufactured as follows, for example. First, a pre-fired powder is formed in the same manner as in the piezoelectric ceramic manufacturing method described above, and a second subcomponent and a vehicle are added thereto and kneaded to prepare a piezoelectric layer paste. Next, the above-described conductive material for forming the internal electrode 12 or various oxides, organometallic compounds, resinates, or the like that become the above-described conductive material after firing are kneaded with a vehicle to prepare an internal electrode paste. Note that additives such as a dispersant, a plasticizer, a dielectric material, and an insulator material may be added to the internal electrode paste as necessary.
[0032]
  Subsequently, using these piezoelectric layer paste and internal electrode paste, a green chip which is a precursor of the laminate 10 is manufactured by, for example, a printing method or a sheet method. After that, a binder removal process is performed, and the laminate 10 is formed by firing. The atmosphere at the time of firing is, for example, similar to the above-described method for manufacturing a piezoelectric ceramic,Oxygen concentrationIs preferably 80% or more, and the firing temperature is preferably a low temperature of less than 1200 ° C.
[0033]
After forming the laminated body 10, end face polishing is performed by, for example, barrel polishing or sand blasting, and the terminal electrode paste prepared in the same manner as the internal electrode paste is printed or transferred and baked to form the terminal electrodes 21 and 22. . Thereby, the piezoelectric element shown in FIG. 3 is obtained.
[0034]
As described above, according to the present embodiment, the oxide shown in Chemical Formula 5 is a main component, and a predetermined amount of at least one selected from the group consisting of antimony, niobium, and tantalum is contained as the first subcomponent. Since a predetermined amount of bismuth is contained as two subcomponents, density, piezoelectric strain constant d33In addition, the firing temperature can be lowered while keeping the Curie temperature high. Therefore, warpage or undulation after firing can be reduced, and reaction with the firing jig can also be suppressed. Also, a multilayer piezoelectric element as shown in FIG. 3 can be easily formed. Therefore, mass production can be easily achieved.
[0035]
In particular, if lanthanum hydroxide is used as a raw material for lanthanum, the sinterability can be improved even at a low temperature, and the density and piezoelectric strain constant d33The firing temperature can be further lowered while keeping the temperature high.
[0036]
The specific surface area is 30m as a raw material for zirconium.2/ G or more zirconium oxide powder, the piezoelectric strain constant d33The firing temperature can be lowered while maintaining a high value, and the specific surface area is 50 m.2/ G or less of zirconium oxide powder makes it easy to handle the powder and can be easily manufactured.
[0037]
  Furthermore,Oxygen concentrationIf firing is performed in an atmosphere of 80% or more, the sinterability can be improved even at a low temperature, and the density and piezoelectric strain constant d33The firing temperature can be further lowered while keeping the temperature high.
[0038]
【Example】
Further, a specific embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
[0039]
(Examples 1-1 to 1-3)
As Examples 1-1 to 1-3, first, lead oxide powder, titanium oxide powder, zirconium oxide powder and lanthanum hydroxide powder, which are raw materials of the main component, and niobium oxide powder, which is the raw material of the first subcomponent, Prepared. At that time, the zirconium oxide powder has a particle diameter of 1 μm or less and a specific surface area of 35 m.2/ G was used. Next, these raw materials were sufficiently dried and weighed so as to have the composition shown in Table 1, then wet mixed by a ball mill, dried and molded, and calcined at 900 ° C. to 950 ° C. for 2 hours to 4 hours. (Step S101). Note that x and y in Table 1 are those values in Chemical Formula 5, and the type of the first subcomponent is represented by an oxide. Moreover, content of a 1st subcomponent converts the value with respect to the mass of 1 mol of main components into an oxide.
[0040]
[Table 1]
Figure 0003993395
[0041]
Subsequently, for example, the calcined product was wet pulverized by a ball mill to obtain a calcined powder (step S102). After that, bismuth oxide powder, which is a raw material of the second subcomponent, was added to the calcined powder so as to have the composition shown in Table 1 and mixed (step S103). The kind of the 2nd subcomponent in Table 1 is displayed with the oxide similarly to the 1st subcomponent, and the content also converts the value with respect to the mass of 1 mol of main components into the oxide. After adding the second subcomponent to the calcined powder, it is dried, granulated by adding a polyvinyl alcohol binder, 2000 kg / cm2It was molded into a cylindrical shape with a pressure of (Step S104).
[0042]
  After molding this molded body,Oxygen concentrationIn an atmosphere of 80% or more, firing was performed at a firing temperature of 1100 ° C. or higher and 1160 ° C. or lower shown in Table 1 for 2 hours to 4 hours (step S105). After that, the obtained sintered body was processed into a cylindrical shape having a height of 7.5 mm and a diameter of 3 mm, and silver electrodes were formed on both end faces of the cylinder, and 2.5 kV / mm in 150 ° C. silicone oil. Polarization processing was performed by applying a voltage (step S106). Thereby, the piezoelectric ceramics of Examples 1-1 to 1-3 were obtained.
[0043]
For the obtained piezoelectric ceramics of Examples 1-1 to 1-3, the density ρs was determined by the Archimedes method. Further, the element capacitance c, the resonance frequency fr, and the antiresonance frequency fa are measured by an impedance analyzer, and the piezoelectric strain constant d is determined from the results.33Asked. Furthermore, the Curie temperature Tc was measured with a thermal analyzer. The results are shown in Table 2.
[0044]
[Table 2]
Figure 0003993395
[0045]
Further, as Comparative Examples 1-1 to 1-4 for this example, piezoelectric ceramics were produced in the same manner as in this example, except that the composition and the firing temperature were changed as shown in Table 1. In Comparative Example 1-1, x in Chemical Formula 5, that is, the amount of substitution of lanthanum is less than 0.03, and y in Chemical Formula 5, that is, the composition of titanium is larger than 0.48. Comparative Example 1-2 Where y is greater than 0.48. In Comparative Example 1-3, x is greater than 0.07 and y is less than 0.38, and in Comparative Example 1-4, y is less than 0.38. For Comparative Examples 1-1 to 1-4 as well, the density ρs and the piezoelectric strain constant d are the same as in this example.33The Curie temperature Tc was measured. The results are also shown in Table 2.
[0046]
As shown in Table 2, according to Examples 1-1 to 1-3, all are 7.8 Mg / m.ThreeDensity ρs above, piezoelectric strain constant d above 600 pC / N33A Curie temperature Tc of 200 ° C. or higher was obtained. In contrast, in Comparative Example 1-1 where x is less than 0.03 and Comparative Example 1-2 where y is greater than 0.48, the piezoelectric strain constant d33In Comparative Example 1-3 where x is less than 600 pC / N and x is greater than 0.07, the density ρs is 7.8 Mg / m.ThreeThe Curie temperature Tc was less than 200 ° C. In Comparative Example 1-4 where y is less than 0.38, the piezoelectric strain constant d33Was less than 600 pC / N.
[0047]
That is, if x in the chemical formula 5 is included in the range of 0.03 ≦ x ≦ 0.07, the density ρs, the piezoelectric strain constant d33It was also found that both the Curie temperature Tc can be increased. Further, it was found that the piezoelectric strain constant can be improved if the composition of titanium represented by y in the chemical formula 5 is in the range of 0.38 ≦ y ≦ 0.48.
[0048]
(Examples 2-1 and 2-2)
As Examples 2-1 and 2-2, piezoelectric ceramics were produced in the same manner as in Examples 1-1 to 1-3, except that the composition and the firing temperature were changed as shown in Table 3. In Example 2-1, tantalum was added instead of niobium as the first subcomponent, and tantalum oxide powder was used as a raw material. Further, as Comparative Examples 2-1 and 2-2 for this example, piezoelectric ceramics were produced in the same manner as in this example, except that the composition and the firing temperature were changed as shown in Table 3. In addition, Comparative Example 2-1 does not add the first subcomponent, and Comparative Example 2-2 converts the content of the first subcomponent with respect to the mass of 1 mol of the main component to 1.8% by mass in terms of oxide. More than that.
[0049]
[Table 3]
Figure 0003993395
[0050]
Also in Examples 2-1 and 2-2 and Comparative Examples 2-1 and 2-2, the density ρs and the piezoelectric strain constant d are the same as those in Examples 1-1 to 1-3.33The Curie temperature Tc was measured. The results are shown in Table 4.
[0051]
[Table 4]
Figure 0003993395
[0052]
As shown in Table 4, according to Examples 2-1 and 2-2, both were 7.8 Mg / m.ThreeDensity ρs above, piezoelectric strain constant d above 600 pC / N33A Curie temperature Tc of 200 ° C. or higher was obtained. On the other hand, in Comparative Example 2-1, which does not include the first subcomponent, the piezoelectric strain constant d33Is less than 600 pC / N, and in Comparative Example 2-2 where the content of the first subcomponent is large, the density ρs is 7.8 Mg / m.ThreeLess than, piezoelectric strain constant d33Was less than 600 pC / N.
[0053]
That is, if the first subcomponent is contained in the range of 0.3% by mass to 1.8% by mass in terms of oxide with respect to 1 mol of the main component, the density ρs and the Curie While maintaining the temperature Tc high, the piezoelectric strain constant d33It was found that can be further improved.
[0054]
(Examples 3-1 to 3-6)
As Examples 3-1 to 3-6, piezoelectric ceramics were produced in the same manner as in Examples 1-1 to 1-3, except that the composition and the firing temperature were changed as shown in Table 5. At that time, the type of the first subcomponent was changed as shown in Table 5, and any one or two of antimony oxide powder, tantalum oxide powder and niobium oxide powder was used as a raw material.
[0055]
[Table 5]
Figure 0003993395
[0056]
Also in Examples 3-1 to 3-6, as in Examples 1-1 to 1-3, the density ρs and the piezoelectric strain constant d33The Curie temperature Tc was measured. The results are shown in Table 6.
[0057]
[Table 6]
Figure 0003993395
[0058]
As shown in Table 6, according to Examples 3-1 to 3-6, all are 7.8 Mg / m.ThreeDensity ρs above, piezoelectric strain constant d above 600 pC / N33A Curie temperature Tc of 200 ° C. or higher was obtained. That is, if at least one member selected from the group consisting of antimony, niobium and tantalum is included as the first subcomponent, the piezoelectric strain constant d is maintained while keeping the density ρs and the Curie temperature Tc high.33It was found that can be further improved.
[0059]
(Examples 4-1 and 4-2)
As Examples 4-1 and 4-2, piezoelectric ceramics were produced in the same manner as in Examples 1-1 to 1-3, except that the composition and the firing temperature were changed as shown in Table 7. In Example 4-1, tantalum was added instead of niobium as the first subcomponent, and tantalum oxide powder was used as a raw material. Moreover, as comparative examples 4-1 and 4-2 for this example, a piezoelectric ceramic was produced in the same manner as in this example, except that the composition and the firing temperature were changed as shown in Table 7. In Comparative Example 4-1, as in Example 4-1, tantalum was added instead of niobium as the first subcomponent, and tantalum oxide powder was used as a raw material. In Comparative Example 4-1, the second subcomponent is not added, and in Comparative Example 4-2, the content of the second subcomponent with respect to the mass of 1 mol of the main component is less than 1.5% by mass in terms of oxide. A lot.
[0060]
[Table 7]
Figure 0003993395
[0061]
Also in Examples 4-1 and 4-2 and Comparative Examples 4-1 and 4-2, the density ρs and the piezoelectric strain constant d are the same as those in Examples 1-1 to 1-3.33The Curie temperature Tc was measured. The results are shown in Table 8.
[0062]
[Table 8]
Figure 0003993395
[0063]
As shown in Table 8, according to Examples 4-1 and 4-2, both were 7.8 Mg / m.ThreeDensity ρs above, piezoelectric strain constant d above 600 pC / N33A Curie temperature Tc of 200 ° C. or higher was obtained. On the other hand, in Comparative Example 4-1, which does not include the second subcomponent, sufficient sinterability cannot be obtained at a firing temperature of less than 1200 ° C., and the piezoelectric strain constant d33Was less than 600 pC / N. Further, in Comparative Example 4-2 in which the content of the second subcomponent is large, sintering is difficult at a firing temperature of less than 1200 ° C., and density ρs, piezoelectric strain constant d33Insufficient values were obtained for both the Curie temperature Tc and the Curie temperature Tc.
[0064]
That is, if the second subcomponent is contained within a range of 0.1% by mass or more and 1.5% by mass or less in terms of oxide with respect to 1 mol of the main component, the firing temperature is lowered. Even so, density ρs, piezoelectric strain constant d33It was found that high values can be obtained for both the Curie temperature Tc and the Curie temperature Tc.
[0065]
(Comparative example5-1 to 5-3)
  Comparative exampleAs 5-1 lanthanum oxide (La2 OThree A piezoelectric ceramic was produced in the same manner as in Example 1-1 except that powder was used. Also,Comparative exampleAs 5-2, the specific surface area of the zirconium oxide powder used as a raw material of zirconium is 20 m.2 A piezoelectric ceramic was produced in the same manner as in Example 1-1 except that / g was used. Furthermore,Comparative exampleAs 5-3, a piezoelectric ceramic was produced in the same manner as in Example 1-1 except that the atmosphere during firing was in the air.
[0066]
  theseComparative exampleFor 5-1 and 5-3, as in Example 1-1, the density ρs and the piezoelectric strain constant d33Was measured respectively. The results are shown in Table 9 together with the results of Example 1-1. Also,Comparative exampleFor 5-2, as in Example 1-1, the piezoelectric strain constant d33Was measured. The result is shown in FIG. 4 together with the result of Example 1-1.
[0067]
[Table 9]
Figure 0003993395
[0068]
  As shown in Table 9, according to Example 1-1, even if the firing temperature was 1130 ° C., 7.8 Mg / mThree The above density ρs and the piezoelectric strain constant d of 600 pC / N or more33was gotten. In contrast, lanthanum hydroxide is not usedComparative exampleBaked in an atmosphere having a low oxygen partial pressure and 5-1.Comparative example5-3, even if the firing temperature can be lowered, sufficient sinterability cannot be obtained at a low temperature of 1130 ° C., and the density ρs is 7.8 Mg / m.Three And the piezoelectric strain constant d33Was less than 600 pC / N.
[0069]
  Further, as shown in FIG. 4, zirconium oxide powder having a small specific surface area was used.Comparative exampleIn 5-2, although the firing temperature can be lowered, the piezoelectric strain constant d of less than 600 pC / N at a low temperature of 1130 ° C.33Only obtained.
[0070]
  That is, if lanthanum hydroxide is used as a raw material of lanthanum, orOxygen concentrationIf firing is performed in an atmosphere of 80% or more, density ρs and piezoelectric strain constant d33It has been found that the firing temperature can be further lowered while keeping the temperature high. The specific surface area is 30m as a raw material for zirconium.2 / G or more zirconium oxide powder, the piezoelectric strain constant d33It has been found that the firing temperature can be further lowered while keeping the temperature high.
[0071]
In the above examples, some examples have been specifically described. However, similar results can be obtained even when the composition of the main component and the subcomponent is changed within the range described in the above embodiment. Can do.
[0072]
The present invention has been described with reference to the embodiments and examples. However, the present invention is not limited to the above embodiments and examples, and various modifications can be made. For example, in the above embodiments and examples, the case where the main component shown in Chemical Formula 5, the first subcomponent, and the second subcomponent are contained has been described, but in addition to these, other components are included. You may go out. In that case, other components may be dissolved in the main component in the same manner as the first subcomponent and the second subcomponent, or may not be dissolved.
[0073]
【The invention's effect】
As described above, according to the piezoelectric ceramic according to claim 1 or the piezoelectric element according to claim 7, the group consisting of the oxide shown in chemical formula 1 as a main component and antimony, niobium and tantalum as the first subcomponent. In addition to containing a predetermined amount of at least one of them, and a predetermined amount of bismuth as the second subcomponent, it is possible to lower the firing temperature while keeping the density, the piezoelectric strain constant and the Curie temperature high. it can. Therefore, warpage or undulation after firing can be reduced, and reaction with the firing jig can also be suppressed. A multilayer piezoelectric element can also be easily formed. Therefore, mass production can be easily achieved.
[0074]
Further, according to the method for manufacturing a piezoelectric ceramic according to any one of claims 2 to 6, together with the elements constituting the main component shown in chemical formula 2, antimony, niobium and tantalum which are the first subcomponents Since the mixture containing a predetermined amount of at least one of the group consisting of bismuth as the second subcomponent is fired, the piezoelectric ceramic of the present invention can be easily obtained.
[0075]
In particular, according to the method for manufacturing a piezoelectric ceramic according to any one of claims 4 to 6, since lanthanum hydroxide is used as a raw material of lanthanum, sinterability can be improved even at a low temperature. The firing temperature can be further lowered while maintaining the density and the piezoelectric strain constant high.
[0076]
Moreover, according to the method for manufacturing a piezoelectric ceramic according to claim 5 or 6, the specific surface area of the raw material for zirconium is 30 m.2/ G or more zirconium oxide powder is used, so that the firing temperature can be lowered while keeping the piezoelectric strain constant high, and the specific surface area is 50 m.2/ G or less of zirconium oxide powder is used, so that the powder can be handled easily and can be manufactured easily.
[0077]
  Further claims2According to the piezoelectric ceramic manufacturing method described,Oxygen concentrationSince the firing is performed in an atmosphere of 80% or more, the sinterability can be improved even at a low temperature, and the firing temperature can be further lowered while keeping the density and the piezoelectric strain constant high.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a flowchart showing a method of manufacturing a piezoelectric ceramic according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view illustrating a configuration example of a piezoelectric element using a piezoelectric ceramic according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating another configuration example of a piezoelectric element using a piezoelectric ceramic according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a characteristic diagram showing a comparison of piezoelectric strain constants between Example 1-1 and Example 5-2.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Piezoelectric substrate, 1a, 1b ... Opposite surface, 2, 3 ... Electrode, 10 ... Laminated body, 11 ... Piezoelectric layer, 12 ... Internal electrode, 21, 22 ... Terminal electrode.

Claims (4)

化1に示した酸化物を主成分とし、
この主成分1molの質量に対して、第1副成分として、アンチモン(Sb),ニオブ(Nb)およびタンタル(Ta)からなる群のうちの少なくとも1種を、酸化物(Sb23 ,Nb25 ,Ta25 に換算して0.3質量%以上1.8質量%以下の範囲内で含有すると共に、
前記主成分1molの質量に対して、第2副成分として、ビスマス(Bi)を酸化物(Bi23 )に換算して0.1質量%以上0.6質量%以下の範囲内で含有し、
かつ、ランタン(La)の原料として水酸化ランタン、ジルコニウム(Zr)の原料として比表面積が30m 2 /g以上50m 2 /g以下の酸化ジルコニウムがそれぞれ用いられると共に、酸素濃度80%以上の雰囲気中で焼成されたものである
ことを特徴とする圧電磁器。
Figure 0003993395
(式中、xは0.03≦x≦0.045、yは0.44≦y≦0.48をそれぞれ満たす範囲内の値である。)
The main component is the oxide shown in Chemical Formula 1,
With respect to the mass of 1 mol of the main component, at least one of the group consisting of antimony (Sb), niobium (Nb) and tantalum (Ta) is used as the first subcomponent in the form of oxide (Sb 2 O 3 , Nb 2 O 5 and Ta 2 O 5 in terms of being contained within a range of 0.3 mass% or more and 1.8 mass% or less,
Bismuth (Bi) is converted into oxide (Bi 2 O 3 ) as the second subcomponent with respect to 1 mol of the main component, and contained within a range of 0.1% by mass to 0.6 % by mass. And
Further, lanthanum hydroxide as a raw material of lanthanum (La) and a specific surface area of 30 m 2 as a raw material of zirconium (Zr) / G or more 50m 2 A piezoelectric ceramic characterized in that it is fired in an atmosphere having an oxygen concentration of 80% or more, each using zirconium oxide of / g or less .
Figure 0003993395
(In the formula, x is a value within a range satisfying 0.03 ≦ x ≦ 0.045 and y is satisfying 0.44 ≦ y ≦ 0.48.)
化2に示した主成分を構成する元素と共に、第1副成分であるアンチモン(Sb),ニオブ(Nb)およびタンタル(Ta)からなる群のうちの少なくとも1種を、主成分1molの質量に対して、酸化物(Sb23 ,Nb25 ,Ta25 )に換算して0.3質量%以上1.8質量%以下の範囲内で含有し、第2副成分であるビスマス(Bi)を、主成分1molの質量に対して、酸化物(Bi23 )に換算して0.1質量%以上0.6質量%以下の範囲内で含有する混合物を、成形して焼成する工程を含み、
ランタン(La)の原料として水酸化ランタン、ジルコニウム(Zr)の原料として比表面積が30m 2 /g以上50m 2 /g以下の酸化ジルコニウムをそれぞれ用いると共に、前記焼成工程を酸素濃度80%以上の雰囲気中で行う
ことを特徴とする圧電磁器の製造方法。
Figure 0003993395
(式中、xは0.03≦x≦0.045、yは0.44≦y≦0.48をそれぞれ満たす範囲内の値である。)
In addition to the elements constituting the main component shown in Chemical Formula 2, at least one member selected from the group consisting of antimony (Sb), niobium (Nb) and tantalum (Ta), which are the first subcomponents, has a mass of 1 mol of the main component. On the other hand, it is contained in the range of 0.3% by mass or more and 1.8% by mass or less in terms of oxides (Sb 2 O 3 , Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 ), and is the second subcomponent. A mixture containing bismuth (Bi) in the range of 0.1% by mass or more and 0.6 % by mass or less in terms of oxide (Bi 2 O 3 ) with respect to 1 mol of the main component is molded. Including the step of firing
Lanthanum hydroxide as a raw material of lanthanum (La), specific surface area of 30 m 2 as a raw material of zirconium (Zr) / G or more 50m 2 / G or less of zirconium oxide, and the firing step is performed in an atmosphere having an oxygen concentration of 80% or more .
Figure 0003993395
(In the formula, x is a value within a range satisfying 0.03 ≦ x ≦ 0.045 and y is satisfying 0.44 ≦ y ≦ 0.48.)
主成分と第1副成分とを含有する仮焼成粉を用意する工程と、
この仮焼成粉に、第2副成分を添加する工程と
を含むことを特徴とする請求項2記載の圧電磁器の製造方法。
Preparing a pre-fired powder containing a main component and a first subcomponent;
The method for producing a piezoelectric ceramic according to claim 2, further comprising: adding a second subcomponent to the temporarily fired powder.
請求項1記載の圧電磁器を用いたことを特徴とする圧電素子。  A piezoelectric element using the piezoelectric ceramic according to claim 1.
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