JP4868881B2 - Piezoelectric ceramic composition, piezoelectric ceramic, piezoelectric actuator element and circuit module - Google Patents

Piezoelectric ceramic composition, piezoelectric ceramic, piezoelectric actuator element and circuit module Download PDF

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Description

本発明は、圧電磁器組成物、圧電磁器、圧電アクチュエータ素子および回路モジュールに関し、特に、表面実装を可能とする圧電アクチュエータ素子を得るための圧電磁器組成物および圧電磁器、ならびに圧電アクチュエータ素子を搭載してなる回路モジュールに関する。   The present invention relates to a piezoelectric ceramic composition, a piezoelectric ceramic, a piezoelectric actuator element, and a circuit module, and in particular, includes a piezoelectric ceramic composition, a piezoelectric ceramic, and a piezoelectric actuator element for obtaining a piezoelectric actuator element capable of surface mounting. Relates to the circuit module.

従来、圧電効果によって発生する変位を機械的駆動源として利用したものに超音波応用振動子、超音波モータ、圧電アクチュエータ素子等があり、メカトロニクス分野の進展とともに注目が集まっている。   Conventionally, there are ultrasonic applied vibrators, ultrasonic motors, piezoelectric actuator elements, etc. that use displacement generated by the piezoelectric effect as a mechanical drive source, and attention has been gathered with the progress of the mechatronics field.

特に近年、圧電アクチュエータ素子は小型化が可能なことと、高速駆動や低電圧駆動などの特徴から携帯端末用カメラやデジタルカメラやデジタルビデオカメラ等に搭載されるカメラレンズモジュールのオートフォーカスレンズやズームレンズの駆動用のアクチュエータとして実用化の検討がなされており、このような小型の電子機器に用いられる圧電アクチュエータ素子として積層型の圧電アクチュエータ素子が注目されている。   Especially in recent years, the piezoelectric actuator element can be miniaturized, and due to the features such as high-speed driving and low-voltage driving, the auto-focus lens and zoom of the camera lens module mounted on cameras for mobile terminals, digital cameras, digital video cameras, etc. A practical application as an actuator for driving a lens has been studied, and a multilayered piezoelectric actuator element has attracted attention as a piezoelectric actuator element used in such a small electronic device.

上記のようにアクチュエータ機構が必要とされる用途において、より精密な動作や高速動作に特徴を持つ積層型の圧電アクチュエータ素子は小型化が図られ様々な分野で実用化されつつあるが、上記した各種用途に好適な積層型の圧電アクチュエータ素子では圧電性による変位を大きくするために高い圧電歪定数d33を有することが必要とされている。 In applications where an actuator mechanism is required as described above, stacked piezoelectric actuator elements characterized by more precise operation and high-speed operation are being reduced in size and being put into practical use in various fields. and a piezoelectric actuator device of a preferred laminated is required to have a high piezoelectric strain constant d 33 to increase the displacement by the piezoelectric properties in various applications.

また圧電アクチュエータ素子を機構部品に組み込む過程で機構部品との強固な接着を行うために接着温度が高温であっても圧電特性の低下が起こらないように圧電磁器のキュリー温度Tcを高くすることが要求されている。   In addition, in the process of incorporating the piezoelectric actuator element into the mechanical component, the Curie temperature Tc of the piezoelectric ceramic is increased so that the piezoelectric characteristic does not deteriorate even if the bonding temperature is high, in order to perform strong adhesion with the mechanical component. It is requested.

そこで、これらの要求に応えるために、PbZrO−PbTiOに対し、Pb(Zn1/3Sb2/3)Oを添加して固溶させた圧電磁器が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特開2001−97774
In order to meet these requirements, a piezoelectric ceramic in which Pb (Zn 1/3 Sb 2/3 ) O 3 is added to PbZrO 3 —PbTiO 3 to form a solid solution has been proposed (for example, patents). Reference 1).
JP 2001-97774 A

しかしながら、特許文献1に開示された圧電磁器は、高い圧電歪定数d33を有するものの、このような圧電磁器から構成される圧電アクチュエータ素子をリフロー等の加熱によって回路基板上に実装すると、加熱によって圧電歪定数d33が低下してしまい実用的な耐熱性が得られないという問題があった。例えば、特許文献1では、200〜250度の温度で数秒間リフロー加熱をするが、このような短時間であっても圧電磁器の圧電特性が劣化するという問題があった。 However, piezoelectric ceramics disclosed in Patent Document 1, although having a high piezoelectric strain constant d 33, when mounted on the circuit board to the piezoelectric actuator element composed of the piezoelectric ceramic by heating of the reflow or the like, by heating the piezoelectric strain constant d 33 there is a problem that can not be obtained a practical heat resistance will be lowered. For example, in Patent Document 1, reflow heating is performed for several seconds at a temperature of 200 to 250 degrees, but there is a problem that the piezoelectric characteristics of the piezoelectric ceramic deteriorate even in such a short time.

従って本発明は、リフロー加熱前後による圧電歪定数d33の低下を抑制することのできる圧電磁器組成物および圧電磁器、ならびに、その圧電アクチュエータ素子を実装した回路モジュールを提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a piezoelectric ceramic composition and a piezoelectric ceramic that can suppress a decrease in the piezoelectric strain constant d 33 before and after reflow heating, and a circuit module on which the piezoelectric actuator element is mounted.

本発明の圧電磁器組成物は、Pb(Zr,Ti)OおよびPb(Yb1/21/2)O(但し、MはNbもしくはSbの少なくとも一種)を主成分とし、該主成分に、Sr(Zr,Ti)O、Ba(Zr,Ti)O、Pb(Ni1/2Te1/2)OおよびPb1/2NbOから選ばれる少なくとも3種の複合酸化物が固溶しているペロブスカイト型構造の複合酸化物からなることを特徴とする。 The piezoelectric ceramic composition of the present invention comprises Pb (Zr, Ti) O 3 and Pb (Yb 1/2 M 1/2 ) O 3 (where M is at least one of Nb or Sb) as the main components. The component includes at least three types of complex oxidation selected from Sr (Zr, Ti) O 3 , Ba (Zr, Ti) O 3 , Pb (Ni 1/2 Te 1/2 ) O 3 and Pb 1/2 NbO 3. It is characterized by comprising a complex oxide having a perovskite structure in which a solid solution is formed.

上記圧電磁器組成物では、元素のモル比による組成式を、Pb1−x−ySrBa(Yb1/21/2(Ni1/2Te1/2ZrTi1−a−b−c+αPb1/2NbO(但し、MはNbもしくはSbの少なくとも一種)と表したとき、x、y、a、b、cおよびα(質量%)が、0≦x≦0.08、0≦y≦0.08、0<x+y、0.01≦a≦0.12、0≦b≦0.02、0.43≦c≦0.54、0≦α≦1.2、を満足することが望ましい。 In the above piezoelectric ceramic composition, the composition formula by molar ratio of the element, Pb 1-x-y Sr x Ba y (Yb 1/2 M 1/2) a (Ni 1/2 Te 1/2) b Zr c Ti 1-a-b-c O 3 + αPb 1/2 NbO 3 ( where, M is at least one Nb or Sb) when expressed as, x, y, a, b, c and α is (mass%), 0 ≦ x ≦ 0.08, 0 ≦ y ≦ 0.08, 0 <x + y, 0.01 ≦ a ≦ 0.12, 0 ≦ b ≦ 0.02, 0.43 ≦ c ≦ 0.54, 0 ≦ It is desirable to satisfy α ≦ 1.2.

本発明の圧電磁器は、上記の圧電磁器組成物を焼成して得られ、元素としてPb、Zr、Ti、Yb、M(但し、MはNbもしくはSbの少なくとも一種)を含み結晶相がペロブスカイト型構造を有する圧電磁器であって、全結晶を体積分率で表したときに、正方晶の割合が40%以上であることを特徴とする。   The piezoelectric ceramic according to the present invention is obtained by firing the above-described piezoelectric ceramic composition, and includes Pb, Zr, Ti, Yb, and M (wherein M is at least one of Nb or Sb) as an element and has a perovskite type crystal phase. A piezoelectric ceramic having a structure is characterized in that when all the crystals are represented by volume fraction, the ratio of tetragonal crystal is 40% or more.

また、本発明の圧電アクチュエータ素子は上記の圧電磁器の表面に電極を形成してなることを特徴とする。さらに、本発明の回路モジュールは上記の圧電アクチュエータ素子を回路基板上に表面実装したことを特徴とする。   The piezoelectric actuator element of the present invention is characterized in that an electrode is formed on the surface of the piezoelectric ceramic. Furthermore, the circuit module of the present invention is characterized in that the above-described piezoelectric actuator element is surface-mounted on a circuit board.

本発明によれば、Pb(Zr,Ti)OとPb(Yb1/21/2)Oを主成分として、この主成分に、Sr(Zr,Ti)O、Ba(Zr,Ti)O、Pb(Ni1/2Te1/2)OおよびPb1/2NbOから選ばれる少なくとも3種の複合酸化物を固溶させることにより、圧電歪定数d33が大きくかつ高いキュリー温度を有し、リフロー加熱前後における圧電歪定数d33の低下の小さい圧電アクチュエータ素子を得るための圧電磁器組成物を得ることができる。 According to the present invention, Pb (Zr, Ti) O 3 and Pb (Yb 1/2 M 1/2 ) O 3 are the main components, and Sr (Zr, Ti) O 3 , Ba (Zr) , Ti) O 3 , Pb (Ni 1/2 Te 1/2 ) O 3 and Pb 1/2 NbO 3 are dissolved in solid solution to increase the piezoelectric strain constant d 33. and high has a Curie temperature, it is possible to obtain a piezoelectric ceramic composition to obtain a small piezoelectric actuator element of decrease in piezoelectric constant d 33 before and after reflow heating.

上記の圧電磁器組成物から得られる圧電磁器は、その全結晶における正方晶の割合を体積分率で40%以上とすることで200℃を超える高温下であっても圧電歪定数d33の劣化の小さい高耐熱性を有した圧電磁器を得ることができる。 The piezoelectric ceramic obtained from the piezoelectric ceramic composition described above has a degradation of the piezoelectric strain constant d 33 even at high temperatures exceeding 200 ° C. by setting the ratio of tetragonal crystals in the total crystal to 40% or more in volume fraction. A piezoelectric ceramic having a small and high heat resistance can be obtained.

さらに、上記の圧電磁器の表面に電極を形成し圧電アクチュエータ素子の構成にすると、例えば、半田を用いたリフロー加熱によって回路基板上に表面実装可能な圧電アクチュエータ素子となり、このように高耐熱性を有する圧電磁器によって形成された圧電アクチュエータ素子であればサイズが小型であっても容易に基板上に実装することが可能となり、回路基板上に圧電アクチュエータ素子を集積実装した回路モジュールを得ることができる。さらに、このような圧電アクチュエータ素子では変位量及び耐熱性を向上でき長期間安定した変位量が得られる。   Further, when an electrode is formed on the surface of the piezoelectric ceramic to form a piezoelectric actuator element, for example, a piezoelectric actuator element that can be surface-mounted on a circuit board by reflow heating using solder is obtained. A piezoelectric actuator element formed by a piezoelectric ceramic having a piezoelectric ceramic element can be easily mounted on a substrate even if the size is small, and a circuit module in which piezoelectric actuator elements are integratedly mounted on a circuit board can be obtained. . Further, with such a piezoelectric actuator element, the displacement amount and heat resistance can be improved, and a stable displacement amount can be obtained for a long period of time.

本発明の圧電磁器組成物は、Pb(Zr,Ti)OおよびPb(Yb1/21/2)O(但し、MはNbもしくはSbの少なくとも一種)を主成分とし、該主成分に、Sr(Zr,Ti)O、Ba(Zr,Ti)O、Pb(Ni1/2Te1/2)OおよびPb1/2NbOから選ばれる少なくとも3種の複合酸化物が固溶しているペロブスカイト型構造の複合酸化物からなることを特徴とするものであり、詳細には、元素のモル比による組成式をPb1−x−ySrBa(Yb1/21/2(Ni1/2Te1/2ZrTi1−a−b−c+αPb1/2NbO(但し、MはNbもしくはSbの少なくとも一種)と表したとき、x、y、a、b、cおよびα(質量%)が、0≦x≦0.08、0≦y≦0.08、0<x+y、0.01≦a≦0.12、0≦b≦0.02、0.43≦c≦0.54、0≦α≦1.2を満足することが望ましい。なお、Pb(Zr,Ti)Oに対して、Pb(Yb1/21/2)O、Sr(Zr,Ti)O、Ba(Zr,Ti)O、Pb(Ni1/2Te1/2)OおよびPb1/2NbOなどの複合酸化物が固溶しているとは、上記構成の圧電磁器組成物を焼成した後に、X線回折での評価において、ほぼペロブスカイト型構造の単一相が得られている状態をいう。 The piezoelectric ceramic composition of the present invention comprises Pb (Zr, Ti) O 3 and Pb (Yb 1/2 M 1/2 ) O 3 (where M is at least one of Nb or Sb) as the main components. The component includes at least three types of complex oxidation selected from Sr (Zr, Ti) O 3 , Ba (Zr, Ti) O 3 , Pb (Ni 1/2 Te 1/2 ) O 3 and Pb 1/2 NbO 3. things which is characterized by comprising a composite oxide having a perovskite structure which is a solid solution, in particular, the composition formula by molar ratio of the element Pb 1-x-y Sr x Ba y (Yb 1 / 2 M 1/2 ) a (Ni 1/2 Te 1/2 ) b Zr c Ti 1-a-b-c O 3 + αPb 1/2 NbO 3 (where M is at least one of Nb or Sb) X, y, a, b, c and α (mass%) 0 ≦ x ≦ 0.08, 0 ≦ y ≦ 0.08, 0 <x + y, 0.01 ≦ a ≦ 0.12, 0 ≦ b ≦ 0.02, 0.43 ≦ c ≦ 0.54, It is desirable to satisfy 0 ≦ α ≦ 1.2. Incidentally, Pb (Zr, Ti) with respect to O 3, Pb (Yb 1/2 M 1/2) O 3, Sr (Zr, Ti) O 3, Ba (Zr, Ti) O 3, Pb (Ni 1 / 2 Te 1/2 ) O 3 and Pb 1/2 NbO 3 and other complex oxides are solid solution in the evaluation by X-ray diffraction after firing the piezoelectric ceramic composition of the above configuration. A state in which a single phase having a substantially perovskite structure is obtained.

ここで、0≦x≦0.08について、xが0.08より多いとリフロー加熱後において圧電歪定数d33の減少率が3%より大きくなる。 Here, for 0 ≦ x ≦ 0.08, if x is larger than 0.08, the reduction rate of the piezoelectric strain constant d 33 after reflow heating becomes larger than 3%.

0≦y≦0.08について、yが0.08より多いとリフロー加熱後において圧電歪定数d33の減少率が3%より大きくなる。 For 0 ≦ y ≦ 0.08, if y is greater than 0.08, the rate of decrease of the piezoelectric strain constant d 33 after reflow heating is greater than 3%.

0.01≦a≦0.12について、aが0.01より小さいと圧電歪定数d33が小さくなる。一方、aが0.12より多いとリフロー加熱後において圧電歪定数d33の減少率が3%より大きくなる。 For 0.01 ≦ a ≦ 0.12, the piezoelectric strain constant d 33 decreases when a is smaller than 0.01. On the other hand, if a is greater than 0.12, the rate of decrease of the piezoelectric strain constant d 33 after reflow heating is greater than 3%.

0≦b≦0.02について、bが0.02より多いとリフロー加熱後において圧電歪定数d33の減少率が3%より大きくなる。 For 0 ≦ b ≦ 0.02, if b is greater than 0.02, the rate of decrease of the piezoelectric strain constant d 33 after reflow heating is greater than 3%.

0.43≦c≦0.54について、cが0.43よりも少ないかもしくはcが0.54より多いと初期の圧電歪定数d33が400×10−12m/Vより小さくなる。 With respect to 0.43 ≦ c ≦ 0.54, if c is less than 0.43 or c is more than 0.54, the initial piezoelectric strain constant d 33 becomes smaller than 400 × 10 −12 m / V.

0≦α≦1.2について、αが1.2より多いとリフロー加熱後において圧電歪定数d33の減少率が3%より大きくなる。 For 0 ≦ α ≦ 1.2, if α is greater than 1.2, the rate of decrease of the piezoelectric strain constant d 33 after reflow heating is greater than 3%.

本発明ではまた、(Yb1/21/2)のMにNbもしくはSbを導入することで、高いキュリー温度を維持しながら大きな圧電歪定数d33を得ることができる。 In the present invention, by introducing Nb or Sb into M of (Yb 1/2 M 1/2 ), a large piezoelectric strain constant d 33 can be obtained while maintaining a high Curie temperature.

さらには、約1050〜1100℃での比較的低温での焼結ができるようになる。従って、従来の圧電磁器組成物に比較して低温での焼成が可能となり、圧電アクチュエータ素子のような積層体にする場合において内部電極のAgとPdの比率を80:20〜70:30の範囲に設定し同時焼成することが可能になる。一方、本発明のM成分を含まないものは耐熱性が低くなりリフロー加熱後において圧電歪定数d33の減少率が3%より大きくなる。 Furthermore, sintering at a relatively low temperature of about 1050 to 1100 ° C. can be performed. Therefore, firing at a lower temperature is possible as compared with the conventional piezoelectric ceramic composition, and the ratio of Ag and Pd of the internal electrode is in the range of 80:20 to 70:30 in the case of forming a laminated body such as a piezoelectric actuator element. It is possible to set to, and simultaneous firing. On the other hand, those not containing the M component of the present invention have low heat resistance, and the reduction rate of the piezoelectric strain constant d 33 is greater than 3% after reflow heating.

また、(Ni1/2Te1/2)の適量の導入は圧電歪定数d33を大きくしながら抗電界Ecを大きくすることができるため、圧電アクチュエータ素子を構成したときの連続駆動における脱分極を抑制し耐久性や耐熱性の向上に大きく寄与するという利点がある。また、Pb1/2NbOの適量導入は圧電で圧電歪定数d33を大きくする効果がある。 In addition, since the introduction of an appropriate amount of (Ni 1/2 Te 1/2 ) can increase the coercive electric field Ec while increasing the piezoelectric strain constant d 33 , depolarization in continuous driving when a piezoelectric actuator element is configured. There is an advantage that it contributes to the improvement of durability and heat resistance. Moreover, introduction of an appropriate amount of Pb 1/2 NbO 3 has the effect of increasing the piezoelectric strain constant d 33 with piezoelectricity.

本発明では、特に、0.03≦x≦0.05、0.01≦y≦0.03、0.071≦a≦0.08、0.004≦b≦0.006、0.44≦c≦0.46、0.4≦α≦0.6とすると、圧電歪定数d33を500×10−12m/V以上でかつ耐熱性が良好であるという利点がある。 In the present invention, in particular, 0.03 ≦ x ≦ 0.05, 0.01 ≦ y ≦ 0.03, 0.071 ≦ a ≦ 0.08, 0.004 ≦ b ≦ 0.006, 0.44 ≦ When c ≦ 0.46 and 0.4 ≦ α ≦ 0.6, there are advantages that the piezoelectric strain constant d 33 is 500 × 10 −12 m / V or more and the heat resistance is good.

また本発明の圧電磁器においてはZrとTiの比率は圧電歪定数d33の極値近傍の組成相境界(MPB)を捉えるために重要となるが、そのMPBはABOで表されるペロブスカイト型構造のAサイトやBサイトに置換する元素の種類や量によって様々に変化する。MPB近傍はその組成により、正方晶、斜方晶、菱面体晶のいずれか1種類以上で構成されるが、より高温で圧電歪定数d33が劣化しない高い耐熱性を有する圧電磁器を得るために、全結晶における体積分率において正方晶の割合が上述の40%以上、特に44%以上70体積%以下が好ましく、一方、単斜晶は20〜55体積%の割合で存在してもよいが菱面体晶は含まないことが好ましい。 Although the ratio of Zr and Ti in the piezoelectric ceramic of the present invention is important to capture the composition phase boundary near the extremum of the piezoelectric strain constant d 33 (MPB), perovskite thereof MPB is represented by ABO 3 It varies in various ways depending on the type and amount of the element that substitutes for the A site and B site of the structure. The MPB near its composition, tetragonal, for orthorhombic, which is composed of rhombohedral either crystals 1 or more, to obtain a piezoelectric ceramic having a high heat resistance that the piezoelectric strain constant d 33 is not deteriorated at a higher temperature In addition, the ratio of tetragonal crystals in the volume fraction in all crystals is preferably 40% or more, particularly 44% or more and 70% by volume or less, while monoclinic crystals may be present in a ratio of 20 to 55% by volume. However, it is preferable that rhombohedral crystals are not included.

図1は、本発明の圧電アクチュエータ素子を示す部分断面図である。本発明の圧電アクチュエータ素子は積層された圧電体層1の内部に内部電極3を具備するものであり、圧電体層1の厚みは素子の小型化という点で10〜40μmが好適である。   FIG. 1 is a partial cross-sectional view showing a piezoelectric actuator element of the present invention. The piezoelectric actuator element of the present invention has an internal electrode 3 inside a laminated piezoelectric layer 1, and the thickness of the piezoelectric layer 1 is preferably 10 to 40 μm from the viewpoint of miniaturization of the element.

上記した組成および結晶構造を有する圧電磁器を用いれば、例えば、内部電極3となるAg/Pd(=80/20)の電極を印刷して部分的に内部電極を具備する構造の積層型でかつマイクロタイプの圧電アクチュエータ素子(マイクロ積層型圧電アクチュエータ素子)を作製することができる。   If the piezoelectric ceramic having the composition and crystal structure described above is used, for example, a laminated type having a structure in which an electrode of Ag / Pd (= 80/20) to be the internal electrode 3 is printed to partially include the internal electrode, and A micro-type piezoelectric actuator element (a micro-stacked piezoelectric actuator element) can be manufactured.

こうして得られる圧電磁器では、圧電歪定数d33が400×10−12m/V以上であることが望ましい。圧電歪定数d33が400×10−12m/V以上であると圧電アクチュエータ素子における圧電性の変位を大きくできるという利点がある。 In the piezoelectric ceramic thus obtained, it is desirable that the piezoelectric strain constant d 33 is 400 × 10 −12 m / V or more. When the piezoelectric strain constant d 33 is 400 × 10 −12 m / V or more, there is an advantage that the piezoelectric displacement in the piezoelectric actuator element can be increased.

電気機械結合係数k33は70%以上であることが望ましい。電気機械結合係数k33が70%以上であると電気的エネルギを機械的エネルギ(変位)に変換しやすくなり、より低電力での動作が可能になるという利点がある。 Electromechanical coupling coefficient k 33 is desirably 70% or more. When the electromechanical coupling coefficient k 33 is 70% or more, it is easy to convert electrical energy into mechanical energy (displacement), and there is an advantage that operation with lower power becomes possible.

また、キュリー温度Tcは265℃以上、特に、280℃以上、さらには290℃以上が好ましい。   The Curie temperature Tc is preferably 265 ° C. or higher, particularly 280 ° C. or higher, and more preferably 290 ° C. or higher.

図2は、本発明の回路モジュールの断面模式図である。本発明の回路モジュールは積層型の圧電アクチュエータ素子11を半田を用いて、アクチュエータ駆動回路を備えた回路基板13上に搭載したものである。なお、本図では圧電アクチュエータ素子11間にレンズ12が取り付けられている。上記のような高耐熱性の圧電磁器を用いると、上記の積層型の圧電アクチュエータ素子(マイクロ積層型圧電アクチュエータ素子)11を回路基板13上にリフロー加熱により表面実装することが可能となり、駆動用電極15を通じて駆動回路を構成したマイクロ積層圧電アクチュエータ回路基板などの回路モジュールを得ることができる。   FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the circuit module of the present invention. The circuit module of the present invention is obtained by mounting a laminated piezoelectric actuator element 11 on a circuit board 13 provided with an actuator drive circuit using solder. In this figure, a lens 12 is attached between the piezoelectric actuator elements 11. When the high heat-resistant piezoelectric ceramic as described above is used, it becomes possible to surface-mount the laminated piezoelectric actuator element (micro laminated piezoelectric actuator element) 11 on the circuit board 13 by reflow heating. A circuit module such as a micro laminated piezoelectric actuator circuit board in which a drive circuit is configured through the electrode 15 can be obtained.

次に、本発明の圧電磁器の製法について説明する。出発原料として、Pb、ZrO、TiO、SrCO、BaCO、Yb、Sb、NiO、TeOおよびNbの各粉末を秤量し、ボールミル等にて湿式混合を行う。次いでこの混合物を脱水、乾燥したあと、850〜950℃の温度で1〜3時間仮焼し、ボールミル等にて粉砕する。 Next, a method for manufacturing the piezoelectric ceramic according to the present invention will be described. As starting materials, each powder of Pb 3 O 4 , ZrO 2 , TiO 2 , SrCO 3 , BaCO 3 , Yb 2 O 3 , Sb 2 O 3 , NiO, TeO 2 and Nb 2 O 5 was weighed and put into a ball mill or the like. And wet mix. The mixture is then dehydrated and dried, calcined at a temperature of 850 to 950 ° C. for 1 to 3 hours, and pulverized with a ball mill or the like.

その後、この粉砕物に有機バインダー(PVA、モビニール等)を添加して混練乾燥することにより造粒粉とし、得られた造粒粉を成形して成形体を作製する。この時、焼結された圧電磁器組成物が緻密化され、表面に存在するボイドの径が大きくならないようにするために、成形圧は1×10N/m以上とすることが望ましい。このようにして得られた成形体を、鉛雰囲気下で1050〜1150℃の温度で1〜3時間焼成することにより得られる。 Thereafter, an organic binder (PVA, mobile vinyl, etc.) is added to this pulverized product and kneaded and dried to form granulated powder, and the obtained granulated powder is molded to produce a molded body. At this time, the molding pressure is preferably 1 × 10 8 N / m 2 or more so that the sintered piezoelectric ceramic composition is densified and the diameter of voids existing on the surface does not increase. The molded body thus obtained can be obtained by firing at a temperature of 1050 to 1150 ° C. for 1 to 3 hours in a lead atmosphere.

まず、圧電磁器組成物の原料粉末として、Pb、ZrO、TiO、SrCO、BaCO、ZnO、Sb、NiO、TeO、Nbを用意し、組成式Pb1−x−ySrBa(Yb1/21/2(Ni1/2Te1/2ZrTi1−a−b−c+αPb1/2NbOにおけるMはNbもしくはSbの少なくとも一種類になるように設定し、x、y、a、b、c、αの値が表1となるように基本成分を秤量し、及びこの混合物に対して溶媒として水を加え、ボールミルにて20時間湿式混合した。次に、この混合物を乾燥し、900℃の温度で3時間熱処理を加えて仮焼した。次に、水を加え、ZrO製のボールを使用しボールミルにて20時間、湿式混合粉砕しスラリを調製した。次に、このスラリについて、原料粉末100質量部に対して5質量部の有機バインダ(モビニール)を混練したあと乾燥させて造粒粉を作製し、1.5×10N/mの成形圧でφ8mm、厚さ12mmの円柱を成形し、脱脂処理したあと、1100℃前後の温度で焼成し圧電磁器を作製した。次に得られた圧電磁器をφ7mm、厚さ10mmに加工し、φ7の両面にAgガラスを印刷し焼き付けした。その後、100℃のシリコンオイル中で直流電圧を30分印加し、1.5kV/mmの電界にて分極処理した。その後、150〜200℃恒温の中でエージングしたものを電気特性評価試料とした。 First, Pb 3 O 4 , ZrO 2 , TiO 2 , SrCO 3 , BaCO 3 , ZnO, Sb 2 O 3 , NiO, TeO 2 , and Nb 2 O 5 are prepared as raw material powders for the piezoelectric ceramic composition. pb 1-x-y Sr x Ba y (Yb 1/2 M 1/2) a (Ni 1/2 Te 1/2) b Zr c Ti 1-a-b-c O 3 + αPb 1/2 NbO 3 M is set to be at least one of Nb and Sb, the basic components are weighed so that the values of x, y, a, b, c, and α are as shown in Table 1, and the solvent is used for this mixture. Water was added and wet mixed in a ball mill for 20 hours. Next, this mixture was dried and calcined by applying a heat treatment at a temperature of 900 ° C. for 3 hours. Next, water was added and a slurry was prepared by using a ZrO 2 ball in a ball mill for 20 hours by wet mixing and pulverization. Next, this slurry was kneaded with 5 parts by mass of an organic binder (movinyl) with respect to 100 parts by mass of the raw material powder, and then dried to produce granulated powder, which was molded at 1.5 × 10 8 N / m 2 . A cylinder having a diameter of 8 mm and a thickness of 12 mm was formed by pressure, degreased, and then fired at a temperature of about 1100 ° C. to produce a piezoelectric ceramic. Next, the obtained piezoelectric ceramic was processed into φ7 mm and thickness 10 mm, and Ag glass was printed on both sides of φ7 and baked. Thereafter, a direct current voltage was applied for 30 minutes in 100 ° C. silicone oil, and polarization treatment was performed in an electric field of 1.5 kV / mm. Then, what was aged in 150-200 degreeC constant temperature was made into the electrical property evaluation sample.

得られた試料の電気特性値(圧電歪定数d33、電気機械結合係数k33)を電子工業会(EMAS)の規格化された測定法に基づき測定した。また、上記試料を加熱し、高温側の常誘電相から低温側の強誘電相へ相転移する時の比誘電率の極大値を測定しキュリー温度Tcとした。さらに、リフロー炉(最高温度250℃、5秒に設定)に圧電素子を導入し、圧電d定数の劣化率が3%以内であれば○、3%を超えるものを×とした。なお、上記本発明の組成範囲の圧電アクチュエータ素子の抗電界Ecはいずれも0.7kV/mm以上であった。また、PZTの結晶相はXRD装置を用いて、X線(CuKα1特性X線で、ステップ幅:0.01671°の条件)でX線パターンを測定後、2θ=43〜46°に存在するパターンを用いてリートベルト解析法により正方晶、菱面体晶、斜方晶のピーク分離を行い体積分率を求めた。ここでは得られたX線回折パターンに対して、構成元素を用いたときに想定される結晶構造の正方晶、単斜晶および菱面体晶をを当てはめてリートベルト解析により3種の結晶の配分を求めた。表1および表2に結果を示す。

Figure 0004868881
The electrical property values (piezoelectric strain constant d 33 , electromechanical coupling coefficient k 33 ) of the obtained sample were measured based on a standardized measurement method of the Electronics Industry Association (EMAS). Further, the sample was heated, and the maximum value of the relative dielectric constant at the time of phase transition from the high temperature side paraelectric phase to the low temperature side ferroelectric phase was measured to obtain the Curie temperature Tc. Furthermore, a piezoelectric element was introduced into a reflow furnace (maximum temperature 250 ° C., set to 5 seconds), and when the deterioration rate of the piezoelectric d constant was within 3%, a value exceeding ○ 3% was marked with ×. The coercive electric field Ec of the piezoelectric actuator element having the composition range of the present invention was 0.7 kV / mm or more. Further, the crystal phase of PZT is a pattern that exists at 2θ = 43 to 46 ° after measuring the X-ray pattern with X-rays (CuKα1 characteristic X-ray, step width: 0.01671 °) using an XRD apparatus. The volume fraction was determined by separating the tetragonal, rhombohedral and orthorhombic peaks using Rietveld analysis. Here, for the obtained X-ray diffraction pattern, the tetragonal, monoclinic, and rhombohedral crystals of the crystal structure assumed when the constituent elements are used are assigned, and three types of crystals are distributed by Rietveld analysis. Asked. Tables 1 and 2 show the results.
Figure 0004868881

Figure 0004868881
Figure 0004868881

図3に実施例の試料No.1、3、4、5および24について圧電歪定数d33の温度依存性を示した。図3および表1、2から明らかなように、本発明の圧電磁器では、正方晶の体積比率が40%以上であり、圧電歪定数d33が400×10−12m/V以上、電気機械結合係数k33が68.3%以上、キュリー温度Tcが265℃以上であり、リフロー炉(最高温度250℃、5秒)による試験後においても圧電歪定数d33の減少率が3%以下であった。 In FIG. For 1, 3, 4, 5 and 24, the temperature dependence of the piezoelectric strain constant d 33 was shown. As is apparent from FIG. 3 and Tables 1 and 2, in the piezoelectric ceramic of the present invention, the volume ratio of tetragonal crystal is 40% or more, the piezoelectric strain constant d 33 is 400 × 10 −12 m / V or more, and the electric machine The coupling coefficient k 33 is 68.3% or more, the Curie temperature Tc is 265 ° C. or more, and the decrease rate of the piezoelectric strain constant d 33 is 3% or less even after the test using the reflow furnace (maximum temperature 250 ° C., 5 seconds). there were.

特に、0.03≦x≦0.05、0.01≦y≦0.03、0.071≦a≦0.08、0.004≦b≦0.006、0.44≦c≦0.46、0.4質量%≦α≦0.6質量%、とすると、圧電歪定数d33を500×10−12以上でかつ耐熱性が良好であった。 In particular, 0.03 ≦ x ≦ 0.05, 0.01 ≦ y ≦ 0.03, 0.071 ≦ a ≦ 0.08, 0.004 ≦ b ≦ 0.006, 0.44 ≦ c ≦ 0. Assuming 46, 0.4 mass% ≦ α ≦ 0.6 mass%, the piezoelectric strain constant d 33 was 500 × 10 −12 or more and the heat resistance was good.

これに対して、本発明外の試料では圧電歪定数d33が400×10−12m/Vより低いか、もしくはリフロー炉(最高温度250℃、5秒)による試験後において圧電歪定数d33の減少率が3%より大きくなった。なお、試料No.1、3、4および5の試料は菱面体晶は確認されず、単斜晶の体積分率が56、47、40および36体積%であった。 In contrast, if the samples outside the present invention is the piezoelectric strain constant d 33 is less than 400 × 10 -12 m / V, or reflow furnace (maximum temperature 250 ° C., 5 seconds) the piezoelectric strain constant d 33 after the test by The rate of decrease was greater than 3%. Sample No. In the samples 1, 3, 4 and 5, rhombohedral crystals were not confirmed, and monoclinic volume fractions were 56, 47, 40 and 36% by volume.

本発明の圧電アクチュエータ素子を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view which shows the piezoelectric actuator element of this invention. 本発明の回路モジュールの断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the circuit module of the present invention. 実施例の試料No.1、3、4、5および24についての圧電歪定数d33の温度依存性を示すグラフである。Sample No. of Example 1, 3, 4, 5 and is a graph showing the temperature dependence of the piezoelectric constant d 33 of about 24.

符号の説明Explanation of symbols

1 圧電体層
3 内部電極
11 圧電アクチュエータ素子
13 回路基板
15 駆動用電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Piezoelectric layer 3 Internal electrode 11 Piezoelectric actuator element 13 Circuit board 15 Driving electrode

Claims (5)

Pb(Zr,Ti)OおよびPb(Yb1/21/2)O(但し、MはNbもしくはSbの少なくとも一種)を主成分とし、該主成分に、Sr(Zr,Ti)O、Ba(Zr,Ti)O、Pb(Ni1/2Te1/2)OおよびPb1/2NbOから選ばれる少なくとも3種の複合酸化物が固溶しているペロブスカイト型構造の複合酸化物からなることを特徴とする圧電磁器組成物。 Pb (Zr, Ti) O 3 and Pb (Yb 1/2 M 1/2 ) O 3 (where M is at least one of Nb or Sb) are the main components, and Sr (Zr, Ti) is the main component. Perovskite type in which at least three kinds of complex oxides selected from O 3 , Ba (Zr, Ti) O 3 , Pb (Ni 1/2 Te 1/2 ) O 3 and Pb 1/2 NbO 3 are dissolved. A piezoelectric ceramic composition comprising a composite oxide having a structure. 元素のモル比による組成式を、
Pb1−x−ySrBa(Yb1/21/2(Ni1/2Te1/2ZrTi1−a−b−c+αPb1/2NbO(但し、MはNbもしくはSbの少なくとも一種)と表したとき、x、y、a、b、cおよびα(質量%)が、
0≦x≦0.08
0≦y≦0.08
0<x+y
0.01≦a≦0.12
0≦b≦0.02
0.43≦c≦0.54
0≦α≦1.2
を満足することを特徴とする請求項1記載の圧電磁器組成物。
The composition formula by the molar ratio of elements
Pb 1-x-y Sr x Ba y (Yb 1/2 M 1/2) a (Ni 1/2 Te 1/2) b Zr c Ti 1-a-b-c O 3 + αPb 1/2 NbO 3 (Where M is at least one of Nb and Sb), x, y, a, b, c and α (mass%) are
0 ≦ x ≦ 0.08
0 ≦ y ≦ 0.08
0 <x + y
0.01 ≦ a ≦ 0.12
0 ≦ b ≦ 0.02
0.43 ≦ c ≦ 0.54
0 ≦ α ≦ 1.2
The piezoelectric ceramic composition according to claim 1, wherein:
請求項1または2に記載の圧電磁器組成物を焼成して得られ、元素としてPb、Zr、Ti、Yb、M(但し、MはNbもしくはSbの少なくとも一種)を含み結晶相がペロブスカイト型構造を有する圧電磁器であって、全結晶を体積分率で表したときに、正方晶の割合が40%以上であることを特徴とする圧電磁器。 It is obtained by firing the piezoelectric ceramic composition according to claim 1 or 2 and contains Pb, Zr, Ti, Yb, M (wherein M is at least one of Nb or Sb) as an element, and a crystal phase is a perovskite structure. A piezoelectric ceramic having a tetragonal crystal ratio of 40% or more when all crystals are represented by a volume fraction. 請求項3に記載の圧電磁器の表面に電極を形成してなることを特徴とする圧電アクチュエータ素子。 A piezoelectric actuator element comprising an electrode formed on a surface of the piezoelectric ceramic according to claim 3. 請求項4に記載の圧電アクチュエータ素子を回路基板上に表面実装したことを特徴とする回路モジュール。 A circuit module, wherein the piezoelectric actuator element according to claim 4 is surface-mounted on a circuit board.
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