JP4727458B2 - Sintering aid for piezoelectric ceramics, BNT-BT piezoelectric ceramics, multilayer piezoelectric device, and method for producing BNT-BT piezoelectric ceramics - Google Patents
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Description
本発明は、BNT−BT系圧電セラミックスの製造に用いられる圧電セラミックス用焼結助剤、BNT−BT系圧電セラミックス、積層型圧電デバイスおよびBNT−BT系圧電セラミックスの製造方法に関する。 The present invention relates to a sintering aid for piezoelectric ceramics, a BNT-BT piezoelectric ceramic, a laminated piezoelectric device, and a method for manufacturing a BNT-BT piezoelectric ceramic used for manufacturing a BNT-BT piezoelectric ceramic.
近年、圧電セラミック素子材料として鉛化合物を含まない圧電磁器組成物が注目され、研究開発が進められている(たとえば、特許文献1)。このような圧電磁器組成物は鉛化合物を含まないため、自然環境に対して負荷を小さくすることができる。 In recent years, piezoelectric ceramic compositions containing no lead compound have attracted attention as piezoelectric ceramic element materials, and research and development have been promoted (for example, Patent Document 1). Since such a piezoelectric ceramic composition does not contain a lead compound, the load on the natural environment can be reduced.
上記の特許文献1に記載されている圧電磁器組成物は、鉛化合物を含まず、組成式をx(Bi1/2Na1/2TiO3)+y(BaTiO3)+z(BaZrO3)(x+y+z=1)としたとき、これらの成分を頂点とする三角座標中、x、y、zで表される点が、所定の範囲内に存在する組成を有している。実験によりこのような組成を見出されたことから、上記の3成分系の無鉛圧電セラミックが提案されている。
The piezoelectric ceramic composition described in
また、近年、デバイスの機能を高めるために、圧電セラミックスと電極とを積層させた積層型の圧電デバイスの需要が高まっており、その積層型の圧電デバイスの内部には、Ag−Pd等の材料を用いた内部電極が設けられている。内部電極に用いられるAg−Pd等の材料は、1100℃を超える温度に達すると溶融する。
特許文献1に記載されている圧電磁器組成物のうち、x(Bi1/2Na1/2TiO3)+(1−x)(BaTiO3)(以下、BNT−BTという)は、圧電特性に優れた組成物である。しかしながら、BNT−BT系の圧電セラミックスは、1150℃の高温で焼成されることにより焼結体の緻密化が達成され、BNT−BT系材料で積層型の圧電デバイスを製造する場合には、圧電体層の緻密化の温度が内部電極の融解温度を超えてしまう。
Among the piezoelectric ceramic compositions described in
一方、焼成温度を1100℃以下に設定すると、焼成の工程で内部電極が融解することはないが、BNT−BT系の圧電セラミックスでは緻密化が達成されず、十分な圧電特性を得ることができない。 On the other hand, if the firing temperature is set to 1100 ° C. or lower, the internal electrodes will not melt in the firing step, but densification is not achieved with the BNT-BT piezoelectric ceramics, and sufficient piezoelectric properties cannot be obtained. .
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、BNT−BT系の圧電セラミックスを1100℃で緻密化させることを可能にする圧電セラミックス用焼結助剤、その助剤を用いて緻密化したBNT−BT系圧電セラミックス、緻密化したBNT−BT系圧電セラミックス層を備える積層型圧電デバイス、および上記の焼結助剤を用いたBNT−BT系圧電セラミックスの製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and uses a sintering aid for piezoelectric ceramics and its aid that enables densification of BNT-BT piezoelectric ceramics at 1100 ° C. To provide a densified BNT-BT piezoelectric ceramic, a laminated piezoelectric device having a densified BNT-BT piezoelectric ceramic layer, and a method for producing a BNT-BT piezoelectric ceramic using the above-mentioned sintering aid. With the goal.
(1)上記の目的を達成するため、本発明に係る圧電セラミックス用焼結助剤は、x(Bi0.5Na0.5TiO3)−(1−x)BaTiO 3 (ただし、0<x<1)で表されるペロブスカイト型化合物を主成分とするBNT−BT系圧電セラミックスの製造に用いられる焼結助剤であって、少なくとも酸化ビスマスと酸化亜鉛とを有し、残部が酸化ホウ素からなることを特徴としている。 (1) To achieve the above object, a piezoelectric ceramic for sintering aid according to the present invention, x (Bi 0.5 Na 0.5 TiO 3) - (1-x) BaTiO 3 ( where 0 < A sintering aid used in the production of a BNT-BT piezoelectric ceramic mainly composed of a perovskite type compound represented by x <1), having at least bismuth oxide and zinc oxide, with the remainder being boron oxide It is characterized by consisting of.
このような成分を有する焼結助剤をBNT−BT系圧電セラミックスの製造工程において圧電セラミックスに添加することで、BNT−BT系圧電セラミックスについて1100℃以下での緻密化を可能にしている。 By adding a sintering aid having such components to the piezoelectric ceramic in the manufacturing process of the BNT-BT piezoelectric ceramic, the BNT-BT piezoelectric ceramic can be densified at 1100 ° C. or lower.
(2)また、本発明に係る圧電セラミックス用焼結助剤は、前記酸化ビスマス、酸化亜鉛および酸化ホウ素の金属組成比は、モル%で、10≦Bi≦40、20≦Zn≦90、および0≦B≦40(合計100モル%)であることを特徴としている。 (2) Further, in the sintering aid for piezoelectric ceramics according to the present invention, the metal composition ratio of the bismuth oxide, zinc oxide, and boron oxide is mol%, 10 ≦ Bi ≦ 40, 20 ≦ Zn ≦ 90, and It is characterized by 0 ≦ B ≦ 40 (total 100 mol%).
このように、本発明の圧電セラミックス用焼結助剤は、Bi:Zn:Bの組成比を緻密化に最も効果のある組成にして構成されている。この焼結助剤をBNT−BT系圧電セラミックスの製造工程において圧電セラミックスに添加することで、BNT−BT系圧電セラミックスについて1100℃以下での緻密化を達成し、かつ十分な圧電特性を得ることができる。 As described above, the sintering aid for piezoelectric ceramics of the present invention is configured so that the composition ratio of Bi: Zn: B is most effective for densification. By adding this sintering aid to the piezoelectric ceramics in the manufacturing process of the BNT-BT piezoelectric ceramics, the BNT-BT piezoelectric ceramics can be densified at 1100 ° C. or less and have sufficient piezoelectric properties. Can do.
(3)また、本発明に係るBNT−BT系圧電セラミックスは、x(Bi0.5Na0.5TiO3)−(1−x)BaTiO 3 (ただし、0<x<1)で表されるペロブスカイト型化合物を主成分とするBNT−BT系圧電セラミックスであって、BNT−BT系圧電セラミックス材料に対して、上記の圧電セラミックス用焼結助剤を3.0重量%以上添加し、1100℃以下で焼成して得られ、密度が5.7×103kg/m3以上であることを特徴としている。 (3) The BNT-BT piezoelectric ceramic according to the present invention is represented by x (Bi 0.5 Na 0.5 TiO 3 )-(1-x) BaTiO 3 (where 0 <x <1). A BNT-BT piezoelectric ceramic mainly comprising a perovskite type compound, wherein 3.0% by weight or more of the above-mentioned sintering aid for piezoelectric ceramic is added to the BNT-BT piezoelectric ceramic material. It is obtained by firing at a temperature of not higher than ° C., and has a density of 5.7 × 10 3 kg / m 3 or more.
このように、上記の焼結助剤を3.0重量%以上添加し、1100℃以下で焼成することで、密度が5.7×103kg/m3以上のBNT−BT系圧電セラミックスを得ることができる。十分に緻密化したBNT−BT系圧電セラミックスを非鉛の材料として圧電デバイスに応用することができる。 Thus, the BNT-BT piezoelectric ceramic having a density of 5.7 × 10 3 kg / m 3 or more can be obtained by adding 3.0% by weight or more of the sintering aid and firing at 1100 ° C. or less. Obtainable. A sufficiently densified BNT-BT piezoelectric ceramic can be applied to a piezoelectric device as a lead-free material.
(4)また、本発明に係る積層型圧電デバイスは、上記のBNT−BT系圧電セラミックスからなる圧電体層とAg−Pdからなる内部電極層とを交互に積層して一体焼成により形成されることを特徴としている。このような一体焼成されている非鉛の積層型の圧電デバイスは、小型で高機能な圧電デバイスとして応用することができる。 (4) The multilayer piezoelectric device according to the present invention is formed by integrally laminating the piezoelectric layers made of the BNT-BT piezoelectric ceramics and the internal electrode layers made of Ag-Pd alternately. It is characterized by that. Such a lead-free multilayer piezoelectric device that is integrally fired can be applied as a small and highly functional piezoelectric device.
(5)また、本発明に係るx(Bi0.5Na0.5TiO3)−(1−x)BaTiO 3 (ただし、0<x<1)で表されるペロブスカイト型化合物を主成分とするBNT−BT系圧電セラミックス材料の仮焼粉末に対して、上記の圧電セラミックス用焼結助剤を3.0重量%以上添加する添加工程と、前記添加工程により得られた材料の成形体を1100℃以下で焼成する焼成工程と、を含むことを特徴としている。 (5) The perovskite type compound represented by x (Bi 0.5 Na 0.5 TiO 3 )-(1-x) BaTiO 3 (where 0 <x <1) according to the present invention is used as a main component. An addition step of adding 3.0% by weight or more of the sintering aid for piezoelectric ceramics to the calcined powder of the BNT-BT piezoelectric ceramic material, and a molded body of the material obtained by the addition step And a firing step of firing at 1100 ° C. or lower.
このように、上記の焼結助剤を3.0重量%以上添加し、1100℃以下で焼成することで、緻密化したBNT−BT系圧電セラミックスを得ることができる。これにより、Ag−Pd等からなる内部電極を有する積層型の圧電デバイスを一体焼成で製造することができる。 Thus, by adding 3.0% by weight or more of the above-mentioned sintering aid and firing at 1100 ° C. or less, a densified BNT-BT piezoelectric ceramic can be obtained. Thereby, a laminated piezoelectric device having an internal electrode made of Ag—Pd or the like can be manufactured by integral firing.
本発明に係る圧電セラミックス用焼結助剤によれば、少なくとも酸化ビスマスと酸化亜鉛とを有し、残部が酸化ホウ素から構成されている。この焼結助剤をBNT−BT系圧電セラミックスの製造工程において圧電セラミックスに添加することで、BNT−BT系圧電セラミックスについて1100℃以下での緻密化を可能にしている。 According to the sintering aid for piezoelectric ceramics according to the present invention, at least bismuth oxide and zinc oxide are included, and the balance is composed of boron oxide. By adding this sintering aid to the piezoelectric ceramic in the manufacturing process of the BNT-BT piezoelectric ceramic, the BNT-BT piezoelectric ceramic can be densified at 1100 ° C. or lower.
本発明者らは、近年、鉛を含まない非鉛の積層型圧電デバイスの需要があることから、BNT−BT系圧電セラミックスを圧電体層とした積層型圧電デバイスの開発を試みた。その過程において、本発明者らは、内部電極が融解しない温度で積層型圧電デバイスを焼成する必要があることに着目するとともに、特定の焼結助剤を添加することでBNT−BT系圧電セラミックスを低温で緻密化できることを見出し、本発明を完成させるに至った。以下に、本発明の実施形態を説明する。 In recent years, the present inventors have sought to develop a multilayer piezoelectric device using a BNT-BT piezoelectric ceramic as a piezoelectric layer because there is a demand for a lead-free multilayer piezoelectric device that does not contain lead. In this process, the inventors pay attention to the need to fire the laminated piezoelectric device at a temperature at which the internal electrodes do not melt, and add a specific sintering aid to add BNT-BT piezoelectric ceramics. Has been found to be capable of being densified at low temperatures, and the present invention has been completed. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
本発明に係るBBZ圧電セラミックス焼結助剤(以下、「BBZ焼結助剤」という)は、少なくとも酸化ビスマスと酸化亜鉛とを有し、残部が酸化ホウ素からなり、BNT−BT系圧電セラミックスを緻密化させるのに適している。このBBZ焼結助剤をBNT−BT系圧電セラミックスの製造工程において圧電セラミックスに添加することで、BNT−BT系圧電セラミックスについて1100℃以下での緻密化を可能にしている。なお、BNT−BT系圧電セラミックスとは、x(Bi0.5Na0.5TiO3)−(1−x)BaTiO 3 (ただし、0<x<1)で表されるペロブスカイト型化合物を主成分とする圧電セラミックスである。 The BBZ piezoelectric ceramic sintering aid (hereinafter referred to as “BBZ sintering aid”) according to the present invention has at least bismuth oxide and zinc oxide, and the balance is made of boron oxide. Suitable for densification. By adding this BBZ sintering aid to the piezoelectric ceramic in the manufacturing process of the BNT-BT piezoelectric ceramic, the BNT-BT piezoelectric ceramic can be densified at 1100 ° C. or lower. The BNT-BT piezoelectric ceramic is mainly a perovskite type compound represented by x (Bi 0.5 Na 0.5 TiO 3 )-(1-x) BaTiO 3 (where 0 <x <1). Piezoelectric ceramics as a component.
圧電定数を悪化させずに焼結温度を低下させるには、反応性の高く融点の低いZnOやBi2O3を添加し、粒界相に液相を作り低温焼結を促進するのが効果的である。たとえば、4価のTiに対し、3価のBiなどの価数の異なるイオンを添加するとTiサイトで置換され、酸素イオンの空孔が生成され、この酸素空孔は焼結中のイオンの拡散を増加させる。この結果として焼結温度が効果的に低下する。 In order to lower the sintering temperature without deteriorating the piezoelectric constant, it is effective to add ZnO or Bi 2 O 3 with high reactivity and low melting point to form a liquid phase in the grain boundary phase and promote low-temperature sintering. Is. For example, when ions with different valences such as trivalent Bi are added to tetravalent Ti, they are replaced with Ti sites, and oxygen ion vacancies are generated. These oxygen vacancies diffuse ions during sintering. Increase. As a result, the sintering temperature is effectively reduced.
図1の領域Sに示すように、BBZ焼結助剤を構成する酸化ビスマス、酸化亜鉛および酸化ホウ素の金属組成比は、モル%で、10≦Bi≦40、20≦Zn≦90、および0≦B≦40(合計100モル%)とするのが好ましい。Bi:Zn:Bの組成比を緻密化に最も効果のある組成にすることで、BNT−BT系圧電セラミックスについて1100℃以下での緻密化を達成し、かつ十分な圧電特性が得られる。この領域Sの組成を有するBBZ焼結助剤がBNT−BT系圧電セラミックスの焼結助剤として好ましいのは、PZT系圧電セラミックスの焼結助剤として同様の組成を有する焼結助剤が十分に機能することに基づく。 As shown in the region S of FIG. 1, the metal composition ratios of bismuth oxide, zinc oxide and boron oxide constituting the BBZ sintering aid are 10%, 10 ≦ Bi ≦ 40, 20 ≦ Zn ≦ 90, and 0. ≦ B ≦ 40 (total 100 mol%) is preferable. By making the composition ratio of Bi: Zn: B most effective for densification, the BNT-BT piezoelectric ceramic can be densified at 1100 ° C. or lower, and sufficient piezoelectric characteristics can be obtained. The BBZ sintering aid having the composition of the region S is preferable as the sintering aid for the BNT-BT piezoelectric ceramics. The sintering aid having the same composition is sufficient as the sintering aid for the PZT piezoelectric ceramics. Based on functioning.
たとえば、少なくとも酸化鉛と酸化亜鉛とを有し、残部が酸化ホウ素からなるPBZ焼結助剤は、PZT系圧電セラミックスの焼結工程において低温焼結を促進する。そして、図2に示すように、PBZ焼結助剤のうち、酸化鉛、酸化亜鉛および酸化ホウ素の金属組成比は、モル%で、10≦Pb≦40、20≦Zn≦90、および0≦B≦40(合計100モル%)の領域の組成を有するPBZ焼結助剤を用いて低温で焼成されたPZT系圧電セラミックスが十分な圧電特性を有することが実験により明らかとなっている。この実験の条件は後述する。 For example, a PBZ sintering aid having at least lead oxide and zinc oxide and the balance being boron oxide promotes low temperature sintering in the sintering process of PZT-based piezoelectric ceramics. As shown in FIG. 2, among the PBZ sintering aids, the metal composition ratios of lead oxide, zinc oxide, and boron oxide are 10 mol%, 10 ≦ Pb ≦ 40, 20 ≦ Zn ≦ 90, and 0 ≦ Experiments have shown that PZT piezoelectric ceramics fired at a low temperature using a PBZ sintering aid having a composition in the region of B ≦ 40 (total 100 mol%) have sufficient piezoelectric properties. The conditions for this experiment will be described later.
粒界相に液相を作り低温焼結を促進する機構は、PZT系圧電セラミックスに対するPBZ焼結助剤であっても、BNT−BT系圧電セラミックスに対するBBZ焼結助剤であっても同様である。したがって、BBZ焼結助剤を構成する酸化ビスマス、酸化亜鉛および酸化ホウ素の金属組成比は、モル%で、10≦Bi≦40、20≦Zn≦90、および0≦B≦40(合計100モル%)の領域がPBZ焼結助剤の組成として好ましいことが結論づけられるなお、BNT−BT系圧電セラミックスとして良好な圧電特性が得られるものとしては、BTの組成を5〜15%としたものが挙げられる。 The mechanism for creating a liquid phase in the grain boundary phase and promoting low-temperature sintering is the same whether it is a PBZ sintering aid for PZT piezoelectric ceramics or a BBZ sintering aid for BNT-BT piezoelectric ceramics. is there. Therefore, the metal composition ratio of bismuth oxide, zinc oxide, and boron oxide constituting the BBZ sintering aid is 10 mol%, 10 ≦ Bi ≦ 40, 20 ≦ Zn ≦ 90, and 0 ≦ B ≦ 40 (100 mol in total). %) Is preferable as the composition of the PBZ sintering aid. In addition, as the BNT-BT-based piezoelectric ceramics, good piezoelectric characteristics can be obtained when the BT composition is 5 to 15%. Can be mentioned.
図2に示される実験の条件および結果は、本発明者によりPZT系圧電セラミックスに対して行なわれた実験に関するものである。以下に、そのPZT系圧電セラミックスの実験を説明する
試料の作製条件は以下の通りである。まず、(Pb0.93Sr0.05)(Zr0.52Ti0.45Mn0.01Nb0.02)O3の組成を有する母材仮焼粉末を準備し、一方で各試料番号の組成となるようにPb3O4、B2O3、ZnOの各粉末を混合して助剤混合物を作製した。そして、その助剤混合物をさらに母材仮焼粉末と混合した。図2に示される助剤添加割合は、母材の重量(E)に対する焼結助剤の重量(H)の割合(H/E)である。得られた混合粉末により成形した成形体を大気中、1000℃で2時間焼成し、アルキメデス法により嵩密度を求めた。その後、焼結体の両主面に銀ペーストを印刷し、焼成することで電極を形成した。次いで、180℃、10分、2kV/mmの条件で、焼結体を厚み方向に分極させ、圧電トランスを作製した。
The experimental conditions and results shown in FIG. 2 relate to the experiments performed on the PZT-based piezoelectric ceramics by the present inventors. In the following, the experiment for the PZT-based piezoelectric ceramic will be described. The sample preparation conditions are as follows. First, a base material calcined powder having a composition of (Pb 0.93 Sr 0.05 ) (Zr 0.52 Ti 0.45 Mn 0.01 Nb 0.02 ) O 3 was prepared, while each sample number Each powder of Pb 3 O 4 , B 2 O 3 , and ZnO was mixed so that the composition of The auxiliary mixture was further mixed with the base material calcined powder. The auxiliary agent addition ratio shown in FIG. 2 is a ratio (H / E) of the weight (H) of the sintering auxiliary agent to the weight (E) of the base material. The molded body molded from the obtained mixed powder was fired at 1000 ° C. for 2 hours in the air, and the bulk density was determined by Archimedes method. Then, the silver paste was printed on both main surfaces of the sintered compact, and the electrode was formed by baking. Next, the sintered body was polarized in the thickness direction under conditions of 180 ° C., 10 minutes, and 2 kV / mm to produce a piezoelectric transformer.
この圧電トランスの温度を測定しながら、出力電力を少しずつ増加させて、電力投入をする前の温度との温度差が20℃になった時点で圧電トランスの出力特性を測定した。電力投入は、周波数を共振周波数近傍の約150−170kHzとし、整合負荷を接続して行なった。このようにして、図2の実験結果が得られている。 While measuring the temperature of this piezoelectric transformer, the output power was increased little by little, and the output characteristics of the piezoelectric transformer were measured when the temperature difference from the temperature before the power was turned on was 20 ° C. The power was applied by setting the frequency to about 150-170 kHz near the resonance frequency and connecting a matching load. In this way, the experimental result of FIG. 2 is obtained.
なお、BBZ焼結助剤を用いて焼結されたBNT−BT系圧電セラミックスは、電極と圧電体層が交互に積層された積層型圧電デバイスに用いられることで、多大な効果を発揮する。積層型圧電デバイスには、たとえば積層型圧電トランスが存在する。積層型の圧電トランスは、小型であっても大きい昇圧比を達成することができるトランスとして、液晶ディスプレイのバックライト用等で需要が高まっている。BBZ焼結助剤を用いてBNT−BT系圧電セラミックスを圧電体層とする積層型の圧電トランスが実現することで、鉛を含まず、かつ十分な特性を有する積層型の圧電トランスを得ることができる。 In addition, the BNT-BT piezoelectric ceramics sintered using the BBZ sintering aid exhibit a great effect when used in a laminated piezoelectric device in which electrodes and piezoelectric layers are alternately laminated. For example, a multilayer piezoelectric transformer exists in the multilayer piezoelectric device. Multilayer piezoelectric transformers are increasing in demand for liquid crystal display backlights and the like as transformers that can achieve a large step-up ratio even if they are small in size. By using a BBZ sintering aid to realize a multilayer piezoelectric transformer having BNT-BT piezoelectric ceramics as a piezoelectric layer, a multilayer piezoelectric transformer that does not contain lead and has sufficient characteristics is obtained. Can do.
次に、BBZ焼結助剤を用いたBNT−BT系圧電セラミックスの製造方法の一例として、BNT−BT系圧電セラミックスを圧電体層とする積層型圧電トランスの製造方法を説明する。 Next, as an example of a method for producing a BNT-BT piezoelectric ceramic using a BBZ sintering aid, a method for producing a laminated piezoelectric transformer having a BNT-BT piezoelectric ceramic as a piezoelectric layer will be described.
まず、Bi2O3、Na 2CO3、BaTiO3、およびTiO2のそれぞれ適量を配合しボールミル等により均一に混合する。混合後のスラリは乾燥させ、800℃で仮焼を行なう。なお、仮焼温度は800℃とするのが好ましい。たとえば、850℃や900℃としたものより誘電損失が小さくなるためである。仮焼体を、ボールミル等で粉砕しスラリを乾燥させる。そして、BBZ焼結助剤を3.0重量%添加し、バインダを混合してグリーンシートを成形する。BBZ焼結助剤を3.0重量%以上添加し、1100℃以下で焼成することで、密度が5.7×103kg/m3以上のBNT−BT系圧電セラミックスを得ることができる。上記のPZT系圧電セラミックスの実験結果によれば、PZT系圧電セラミックスに対してPBZ焼結助剤を3.0重量%以上添加することが緻密化に寄与するのと同様の機構により、BNT−BT系圧電セラミックスに対してもBBZ焼結助剤を3.0重量%以上添加することで密度が高くなることが推定されるためである。
First, Bi 2 O 3, N a 2
グリーンシートの作製は、公知の方法、たとえば、ドクターブレード法や押出成形法、カレンダロール法等を用いることができる。グリーンシートの厚みは、たとえば、焼成後に所望の厚みとなるように調整する。こうして作製したグリーンシートを焼成収縮や加工しろを考慮して打ち抜き加工または切り取り加工等し、作製する圧電トランスの短冊状の形状に適合した所定の形状の印刷用シートを得る。印刷用シートにおける長手方向半分の領域に、AgおよびPdを含む内部電極ペーストをスクリーン印刷法等で印刷する。ここで、Ag−Pdの内部電極ペーストの印刷は、たとえば、焼成後に2μm〜5μm程度となるように印刷厚みを調節する。また、形成される内部電極をその後に一層おきに接続することが容易となるように、内部電極ペーストを印刷するパターンを定めておくことが望ましい。 The green sheet can be produced by a known method such as a doctor blade method, an extrusion method, a calendar roll method, or the like. The thickness of the green sheet is adjusted so as to have a desired thickness after firing, for example. The green sheet thus manufactured is punched or cut in consideration of firing shrinkage and processing margin, and a printing sheet having a predetermined shape suitable for the rectangular shape of the piezoelectric transformer to be manufactured is obtained. An internal electrode paste containing Ag and Pd is printed by a screen printing method or the like on a half region in the longitudinal direction of the printing sheet. Here, in the printing of the internal electrode paste of Ag—Pd, for example, the printing thickness is adjusted to be about 2 μm to 5 μm after firing. Further, it is desirable to determine a pattern for printing the internal electrode paste so that the internal electrodes to be formed can be easily connected every other layer thereafter.
次いで、内部電極ペーストが印刷された印刷用シートを位置合わせして所定枚数ほど積層し、こうして積層された印刷用シートどうしを熱プレス等で熱圧着し、一体化する。このように、シートを所定位置に合わせて圧着させたプレス体を型抜きし、成形体を作製する。 Next, the printing sheets on which the internal electrode paste is printed are aligned and laminated by a predetermined number, and the printing sheets thus laminated are thermocompression bonded by a hot press or the like to be integrated. In this way, the press body in which the sheet is press-fitted in accordance with a predetermined position is punched to produce a molded body.
続いて、所定の温度パターンに従い1100℃以下で成形体を焼成する。得られた焼成体の側面や表面に必要に応じて、研削加工や研磨加工を施して形状を整える。次に、Ag−Pdペースト等を用いて、入力部の内部電極を一層おきに接続して1対の電極を形成し、また、出力部の端面に出力用電極を形成した後、所定の温度で処理してAg−Pdペースト等を焼き付ける。通常、このAg−Pdペースト等の焼き付け処理は焼成温度よりも低い温度で行なう。そして、必要に応じて形成された電極にリード線を取り付ける。得られた焼結体は、分極処理を行なう。入力部に設けられた1対の電極と、出力部の端面に設けられた電極との間に所定の電圧を印加して出力部の分極処理を行い、その後に入力部に設けられた1対の電極間に所定の電圧を印加して入力部の分極処理を行なうことで圧電トランスが作製される。 Subsequently, the molded body is fired at 1100 ° C. or less according to a predetermined temperature pattern. If necessary, the shape and the shape of the fired body are adjusted by grinding or polishing. Next, using an Ag-Pd paste or the like, the internal electrodes of the input part are connected every other layer to form a pair of electrodes, and the output electrode is formed on the end face of the output part, and then at a predetermined temperature. The Ag-Pd paste or the like is baked by processing. Usually, the baking treatment of the Ag—Pd paste or the like is performed at a temperature lower than the firing temperature. And a lead wire is attached to the electrode formed as needed. The obtained sintered body is subjected to polarization treatment. A predetermined voltage is applied between the pair of electrodes provided in the input unit and the electrode provided on the end face of the output unit to perform polarization processing of the output unit, and then the pair of electrodes provided in the input unit A piezoelectric transformer is manufactured by applying a predetermined voltage between the electrodes and performing polarization processing of the input portion.
なお、分極処理は、圧電 セラミックスのキュリー点より低い所定の温度において、所定時間行われる。このようにして、非鉛のBNT−BT系積層型圧電トランスを製造することができる。このように、BNT−BT系圧電セラミックスからなる圧電体層とAg−Pd等からなる内部電極層とが交互に積層されたプレス体を、一体焼成することで、非鉛の積層型圧電トランスの形成が可能になる。 The polarization treatment is performed for a predetermined time at a predetermined temperature lower than the Curie point of the piezoelectric ceramic. In this way, a lead-free BNT-BT multilayer piezoelectric transformer can be manufactured. Thus, by integrally firing the press body in which the piezoelectric layers made of BNT-BT piezoelectric ceramics and the internal electrode layers made of Ag-Pd or the like are alternately laminated, the lead-free laminated piezoelectric transformer Formation becomes possible.
BBZ焼結助剤の添加によりBNT−BT系圧電セラミックスを低温で焼成可能であることを実証するために、本発明者らは以下の実験を行った。図3は、実験の条件および結果をまとめた表である。まず、Bi:B:Zn=3:3:4の元素比で各酸化物を混合し、BBZ焼結助剤を作製した。そして、Bi0.5Na0.5TiO3:BaTiO 3 =86:14の組成比となるように作製されたBNT−BT仮焼粉末にBBZ焼結助剤を添加した。助剤添加割合は、母材の重量(E)に対する焼結助剤の重量(H)の割合(H/E)である。なお、仮焼温度は800℃とした。
In order to demonstrate that the BNT-BT piezoelectric ceramic can be fired at a low temperature by adding the BBZ sintering aid, the present inventors conducted the following experiment. FIG. 3 is a table summarizing the experimental conditions and results. First, each oxide was mixed at an element ratio of Bi: B: Zn = 3: 3: 4 to prepare a BBZ sintering aid. Then, Bi 0.5 Na 0.5 TiO 3:
添加量1.0重量%の成形体および添加量3.0重量%の成形体を1000℃で焼成した焼結体の密度をアルキメデス法により測定したところ、それぞれ3.64×103kg/m3および4.12×103kg/m3であった。次に、添加量3.0重量%の成形体をそれぞれ1050℃および1100℃で焼成した焼結体の密度を測定したところ、1050℃の焼結体の密度は5.38×103kg/m3で十分とはいえなかったが、1100℃の焼結体の密度は5.74×103kg/m3であり、緻密に焼結されていることの基準となる5.70×103kg/m3以上の密度を達成できた。なお、焼結体はすべてペレットの形状に作製した。 When the density of the sintered body obtained by firing amount 1.0 wt% of the compacts and added amount of 3.0% by weight of the molded body at 1000 ° C. as measured by the Archimedes method, respectively 3.64 × 10 3 kg / m 3 and 4.12 × 10 3 kg / m 3 . Next, When the addition amount of 3.0% by weight of the molded article was measured density of the fired sintered body at 1050 ° C. and 1100 ° C., respectively, the density of the sintered body of 1050 ℃ 5.38 × 10 3 kg / Although m 3 was not sufficient, the density of the sintered body at 1100 ° C. is 5.74 × 10 3 kg / m 3 , which is a standard for being densely sintered. A density of 3 kg / m 3 or more could be achieved. All the sintered bodies were produced in the form of pellets.
次に、十分な密度を達成できた実施例1のペレットの電気的特性を測定した。その結果、比誘電率εr=1290、径方向の結合係数kr=13.7%、誘電損失tanδ=5.4%が測定された。この結果、BBZ焼結助剤におけるBi:Zn:Bの元素比を3:3:4の組成にすることで、BNT−BT系圧電セラミックスについて1100℃以下での緻密化を達成し、かつ十分な圧電特性が得られることが実証された。 Next, the electrical characteristics of the pellets of Example 1 that were able to achieve a sufficient density were measured. As a result, a relative dielectric constant εr = 1290, a radial coupling coefficient kr = 13.7%, and a dielectric loss tan δ = 5.4% were measured. As a result, by setting the element ratio of Bi: Zn: B in the BBZ sintering aid to a composition of 3: 3: 4, the BNT-BT piezoelectric ceramic can be densified at 1100 ° C. or less and sufficiently It has been proved that excellent piezoelectric characteristics can be obtained.
なお、上記の実施形態では、少なくとも酸化ビスマスと酸化亜鉛とを有し残部が酸化ホウ素からなるBBZ焼結助剤について説明したが、亜鉛をカドミウムに置き換えたBB−Cd焼結助剤でも同様の効果が得られると考えられる。亜鉛またはカドミウムは、液相焼結において、粒成長に適当な液相を生成するとともに、溶解したビスマスがセラミックス内に入るのを助けると考えられている。 In the above-described embodiment, the BBZ sintering aid having at least bismuth oxide and zinc oxide and the balance being boron oxide has been described. However, the same applies to a BB-Cd sintering aid in which zinc is replaced with cadmium. It is thought that an effect is acquired. Zinc or cadmium is believed to produce a liquid phase suitable for grain growth in liquid phase sintering and to help dissolved bismuth enter the ceramic.
S 領域 S area
Claims (4)
少なくとも酸化ビスマスと酸化亜鉛とを有し、残部が酸化ホウ素からなり、
前記酸化ビスマス、酸化亜鉛および酸化ホウ素の金属組成比は、Bi:B:Zn=3:3:4であることを特徴とする圧電セラミックス用焼結助剤。 Production of BNT-BT piezoelectric ceramics mainly composed of perovskite type compounds represented by x (Bi 0.5 Na 0.5 TiO 3 )-(1-x) BaTiO 3 (where 0 <x <1) A sintering aid used in
Having at least bismuth oxide and zinc oxide, the balance being boron oxide,
A sintering aid for piezoelectric ceramics, wherein the metal composition ratio of the bismuth oxide, zinc oxide and boron oxide is Bi: B: Zn = 3: 3: 4 .
BNT−BT系圧電セラミックス材料に対して、請求項1に記載の圧電セラミックス用焼結助剤を3.0重量%以上添加し、1100℃以下で焼成して得られ、
密度が5.7×103kg/m3以上であることを特徴とするBNT−BT系圧電セラミックス。 x (Bi 0.5 Na 0.5 TiO 3 )-(1-x) BaTiO 3 (where 0 <x <1) is a BNT-BT piezoelectric ceramic mainly composed of a perovskite type compound. And
It is obtained by adding 3.0% by weight or more of the sintering aid for piezoelectric ceramics according to claim 1 to BNT-BT piezoelectric ceramic material and firing at 1100 ° C. or lower.
A BNT-BT piezoelectric ceramic characterized by having a density of 5.7 × 10 3 kg / m 3 or more.
前記添加工程により得られた材料の成形体を1100℃以下で焼成する焼成工程と、を含むことを特徴とするBNT−BT系圧電セラミックスの製造方法。 x (Bi 0.5 Na 0.5 TiO 3 )-(1-x) BaTiO 3 (where 0 <x <1) as a main component of a BNT-BT piezoelectric ceramic material mainly composed of a perovskite compound An addition step of adding 3.0% by weight or more of the sintering aid for piezoelectric ceramic according to claim 1 to the calcined powder;
And a firing step of firing the molded body of the material obtained by the addition step at 1100 ° C. or lower. A method for producing a BNT-BT piezoelectric ceramic, comprising:
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