JP5018602B2 - Piezoelectric ceramic composition, and piezoelectric ceramic and laminated piezoelectric element using the same - Google Patents

Piezoelectric ceramic composition, and piezoelectric ceramic and laminated piezoelectric element using the same Download PDF

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Description

本発明は、圧電磁器組成物、並びにこれを用いた圧電磁器及び積層型圧電素子に関する。   The present invention relates to a piezoelectric ceramic composition, a piezoelectric ceramic using the same, and a laminated piezoelectric element.

圧電素子は、アクチュエータ、トランス、超音波モータ等に広範な電子部品に用いられている。圧電素子に用いられる圧電磁器組成物に対しては、圧電特性、特に圧電歪定数が大きいことが求められる。このような特性を満たす圧電磁器組成物としては、例えば、チタン酸鉛(PbTiO)、ジルコン酸鉛(PbZrO)、亜鉛・ニオブ酸鉛(Pb(Zn1/3Nb2/3)O)等の複合酸化物により構成されるものや、これらの複合酸化物の元素を一部置換した複合酸化物により構成されるものが知られている。 Piezoelectric elements are used in a wide range of electronic components such as actuators, transformers, and ultrasonic motors. A piezoelectric ceramic composition used for a piezoelectric element is required to have a large piezoelectric characteristic, particularly a piezoelectric strain constant. Examples of the piezoelectric ceramic composition satisfying such characteristics include lead titanate (PbTiO 3 ), lead zirconate (PbZrO 3 ), and lead zinc niobate (Pb (Zn 1/3 Nb 2/3 ) O 3. ) And the like, and those composed of complex oxides in which elements of these complex oxides are partially substituted are known.

例えば、(Pb1−x−yMeDy)(Ti1−zTa)Oの組成式において、MeがCa、Ba又はSrであり、0.08≦x≦0.30、0.01≦y≦0.15、0.01≦z≦0.15である強誘電体磁器組成物が開示されている(特許文献1参照)。
特開昭62−147604号公報
For example, in the composition formula of (Pb 1-xy Me x Dy y ) (Ti 1-z Ta z ) O 3 , Me is Ca, Ba or Sr, and 0.08 ≦ x ≦ 0.30, 0 A ferroelectric ceramic composition satisfying .01 ≦ y ≦ 0.15 and 0.01 ≦ z ≦ 0.15 is disclosed (see Patent Document 1).
JP 62-147604 A

ところが、上述したような従来の圧電磁器組成物は、高特性を得るためには高温で焼成する必要があり、また、この焼成は酸化性雰囲気で行われることが一般的である。そのため、例えば、圧電磁器組成物と内部電極とを同時に焼成する積層型の圧電素子の製造においては、高温焼成にも耐え得る高い融点を有し、且つ、酸化性雰囲気でも酸化されない貴金属(Pt、Pd等)を用いる必要があった。   However, the conventional piezoelectric ceramic composition as described above needs to be fired at a high temperature in order to obtain high characteristics, and this firing is generally performed in an oxidizing atmosphere. Therefore, for example, in the production of a laminated piezoelectric element in which a piezoelectric ceramic composition and an internal electrode are fired simultaneously, a noble metal (Pt, Pt, which has a high melting point that can withstand high-temperature firing and is not oxidized even in an oxidizing atmosphere. Pd etc.) had to be used.

ところが、これらの内部電極の材料は極めて高価であるため、近年、種々の電子部品に適用されつつある積層型圧電素子の低価格化を阻む大きな要因となっていた。低価格化のためには、貴金属を比較的安価なAg等に置き換えることが望ましいが、Agは貴金属に比べて低融点であるため、Agの含有割合が多くなるほど焼成できる温度が低くなり、そのため、十分な圧電特性が得られなくなる傾向にあった。   However, since these internal electrode materials are extremely expensive, they have been a major factor that hinders the cost reduction of multilayer piezoelectric elements that are being applied to various electronic components in recent years. In order to reduce the price, it is desirable to replace the noble metal with relatively inexpensive Ag or the like. However, since Ag has a lower melting point than noble metal, the higher the content ratio of Ag, the lower the temperature at which it can be fired. There was a tendency that sufficient piezoelectric characteristics could not be obtained.

そこで、本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、Agの含有割合が高い内部電極を同時焼成する場合であっても十分に焼成することが可能な圧電磁器組成物を提供することを目的とする。本発明はまた、このような圧電磁器組成物を用いた圧電磁器、及び、かかる圧電磁器からなる圧電層を備える積層型圧電素子を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention has been made in view of such circumstances, and provides a piezoelectric ceramic composition that can be sufficiently fired even when an internal electrode having a high Ag content is fired simultaneously. For the purpose. Another object of the present invention is to provide a piezoelectric ceramic using such a piezoelectric ceramic composition, and a laminated piezoelectric element including a piezoelectric layer made of the piezoelectric ceramic.

本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意研究を行った結果、チタン酸鉛(PT)−ジルコン酸鉛(PZ)−亜鉛・ニオブ酸鉛(PZN)系の主成分に、特定の副成分を所定の含有割合で配合させることで、十分に低温での焼成が可能となることを見出し、本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have found that the main component of the lead titanate (PT) -lead zirconate (PZ) -zinc / lead niobate (PZN) system has a specific secondary It has been found that by blending the components at a predetermined content ratio, firing at a sufficiently low temperature becomes possible, and the present invention has been completed.

すなわち、本発明の圧電磁器組成物は、下記組成式(1)で表される複合酸化物を主成分として含み、且つ、副成分として、複合酸化物に対し、0質量部を超え0.6質量部以下のTa、Sb、Nb、W及びSnからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素の酸化物、複合酸化物に対し、0質量部を超え0.25質量部以下のDy、Gd、Yb、Er及びYからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素の酸化物、及び、複合酸化物に対し、0質量部を超え0.15質量部以下のBi及びVからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素の酸化物を含有することを特徴とする。
(Pba−bMe)[(Zn1/3Nb2/3TiZr]O …(1)
[但し、式(1)中、Meは、Ca、Sr及びBaからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素であり、a、b、x、y及びzは、下記式(2)、(3)、(4)、(5)、(6)及び(7)で表される条件を満たす値である。
0.96≦a≦1.03 …(2)
0≦b<0.1 …(3)
0.005≦x<0.05 …(4)
0.42≦y≦0.46 …(5)
0.50≦z≦0.53 …(6)
x+y+z=1 …(7)]
That is, the piezoelectric ceramic composition of the present invention contains a composite oxide represented by the following composition formula (1) as a main component, and as a subcomponent, exceeds 0 part by mass with respect to the composite oxide. With respect to an oxide or composite oxide of at least one element selected from the group consisting of Ta, Sb, Nb, W and Sn of not more than parts by mass, Dy, Gd, not less than 0 parts by mass and not more than 0.25 parts by mass At least one selected from the group consisting of Bi and V of more than 0 parts by mass and 0.15 parts by mass or less with respect to the oxide of at least one element selected from the group consisting of Yb, Er and Y, and the composite oxide. It is characterized by containing an oxide of one kind of element.
(Pb a-b Me b ) [(Zn 1/3 Nb 2/3 ) x Ti y Zr z ] O 3 (1)
[In the formula (1), Me is at least one element selected from the group consisting of Ca, Sr and Ba, and a, b, x, y and z are the following formulas (2), (3 ), (4), (5), (6), and (7).
0.96 ≦ a ≦ 1.03 (2)
0 ≦ b <0.1 (3)
0.005 ≦ x <0.05 (4)
0.42 ≦ y ≦ 0.46 (5)
0.50 ≦ z ≦ 0.53 (6)
x + y + z = 1 (7)]

上記本発明の圧電磁器組成物は、PT−PZ−PZN系の主成分に、副成分として、Ta、Sb、Nb、W及びSnからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素、Dy、Gd、Yb、Er及びYからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素、及び、Bi及びVからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を含有することから、低温焼成、具体的には、Agの含有割合が85%を超えるような内部電極との同時焼成が可能な温度で焼成を行ったとしても、優れた圧電特性を得ることができる。したがって、このような圧電磁器組成物によれば、内部電極のAgの含有割合が高いため安価であり、しかも十分な圧電特性を有する積層型圧電素子が得られるようになる。   The piezoelectric ceramic composition of the present invention has at least one element selected from the group consisting of Ta, Sb, Nb, W, and Sn as subcomponents in the main component of the PT-PZ-PZN system, Dy, Gd, Since it contains at least one element selected from the group consisting of Yb, Er and Y, and at least one element selected from the group consisting of Bi and V, low-temperature firing, specifically, the inclusion of Ag Even if the firing is performed at a temperature at which the firing with the internal electrode can be performed at a ratio exceeding 85%, excellent piezoelectric characteristics can be obtained. Therefore, according to such a piezoelectric ceramic composition, a laminated piezoelectric element that is inexpensive and has sufficient piezoelectric characteristics can be obtained because the content ratio of Ag in the internal electrode is high.

また、本発明の圧電磁器は、上記本発明の圧電磁器組成物の焼成により好適に得られるものであり、下記組成式(1)で表される複合酸化物を主成分として含み、且つ、副成分として、複合酸化物に対し、酸化物換算で0質量部を超え0.6質量部以下のTa、Sb、Nb、W及びSnからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素、複合酸化物に対し、酸化物換算で0質量部を超え0.25質量部以下のDy、Gd、Yb、Er及びYからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素、複合酸化物に対し、酸化物換算で0質量部を超え0.15質量部以下のBi及びVからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素、及び、Agの酸化物を含有することを特徴とする。
(Pba−bMe)[(Zn1/3Nb2/3TiZr]O …(1)
[但し、式(1)中、Meは、Ca、Sr及びBaからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素であり、a、b、x、y及びzは、下記式(2)、(3)、(4)、(5)、(6)及び(7)で表される条件を満たす値である。
0.96≦a≦1.03 …(2)
0≦b<0.1 …(3)
0.005≦x<0.05 …(4)
0.42≦y≦0.46 …(5)
0.50≦z≦0.53 …(6)
x+y+z=1 …(7)]
The piezoelectric ceramic according to the present invention is preferably obtained by firing the piezoelectric ceramic composition according to the present invention. The piezoelectric ceramic according to the present invention includes a composite oxide represented by the following composition formula (1) as a main component. As a component, with respect to the composite oxide, at least one element selected from the group consisting of Ta, Sb, Nb, W, and Sn exceeding 0 parts by mass and 0.6 parts by mass or less in terms of oxide, the composite oxide On the other hand, it is 0 in terms of oxide with respect to at least one element selected from the group consisting of Dy, Gd, Yb, Er and Y exceeding 0 parts by mass and less than 0.25 parts by mass in terms of oxide, and composite oxide. It contains at least one element selected from the group consisting of Bi and V exceeding 0.15 parts by mass and less than 0.15 parts by mass, and an oxide of Ag.
(Pb a-b Me b ) [(Zn 1/3 Nb 2/3 ) x Ti y Zr z ] O 3 (1)
[In the formula (1), Me is at least one element selected from the group consisting of Ca, Sr and Ba, and a, b, x, y and z are the following formulas (2), (3 ), (4), (5), (6), and (7).
0.96 ≦ a ≦ 1.03 (2)
0 ≦ b <0.1 (3)
0.005 ≦ x <0.05 (4)
0.42 ≦ y ≦ 0.46 (5)
0.50 ≦ z ≦ 0.53 (6)
x + y + z = 1 (7)]

このような圧電磁器は、上記圧電磁器組成物を同様の組成を有し、更にAg酸化物を含有することから、Agの含有割合が85%を超えるような内部電極との同時焼成が可能な低温焼成により形成されたものであっても、優れた圧電特性を発揮し得るものとなる。   Such a piezoelectric ceramic has the same composition as the above piezoelectric ceramic composition and further contains an Ag oxide, so that simultaneous firing with an internal electrode such that the Ag content ratio exceeds 85% is possible. Even those formed by low-temperature firing can exhibit excellent piezoelectric properties.

さらに、本発明は、上記本発明の圧電磁器からなる圧電層と、Agの含有割合が85質量%以上である電極(内部電極)層とを備える積層型圧電素子を提供する。かかる本発明の積層型圧電素子は、Agの含有割合が85質量%であるため安価であり、且つ、このような電極層との同時焼成により形成されたとしても、上記本発明の圧電磁器からなる圧電層を備えるため、優れた圧電特性を発揮し得るものとなる。   Furthermore, the present invention provides a multilayer piezoelectric element comprising a piezoelectric layer comprising the piezoelectric ceramic of the present invention and an electrode (internal electrode) layer having an Ag content of 85% by mass or more. Such a multilayer piezoelectric element of the present invention is inexpensive because the Ag content is 85% by mass, and even if formed by co-firing with such an electrode layer, the piezoelectric ceramic of the present invention described above is used. Since the piezoelectric layer is provided, excellent piezoelectric characteristics can be exhibited.

本発明によれば、Agの含有割合が高い内部電極を同時焼成する場合であっても十分に焼成することが可能な圧電磁器組成物を提供することが可能となる。また、本発明によれば、このような圧電磁器組成物を用いた圧電磁器、及び、かかる圧電磁器からなる圧電層を備える積層型圧電素子を提供することが可能となる。   According to the present invention, it is possible to provide a piezoelectric ceramic composition that can be sufficiently fired even when an internal electrode having a high Ag content is fired simultaneously. In addition, according to the present invention, it is possible to provide a piezoelectric ceramic using such a piezoelectric ceramic composition and a multilayer piezoelectric element including a piezoelectric layer composed of such a piezoelectric ceramic.

以下、必要に応じて図面を参照しつつ、本発明の好適な実施形態について説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings as necessary.

図1は、好適な実施形態に係る積層型圧電素子の断面構成を模式的に示す図である。図1に示すように、積層型圧電素子10は、内部電極1a及び内部電極1bが交互に配置されており、且つ、内部電極1aと内部電極1bとの間に圧電層2が挟まれた積層構造を有している。また、この積層構造の最外層には、保護層3a及び保護層3bが設けられている。さらに、この積層構造の積層方向に沿う両端面には、一対の外部電極4が設けられている。内部電極1aと内部電極1bとは、それぞれ異なる側の外部電極4に接続されている。   FIG. 1 is a diagram schematically showing a cross-sectional configuration of a multilayer piezoelectric element according to a preferred embodiment. As shown in FIG. 1, the multilayer piezoelectric element 10 is a multilayer in which the internal electrodes 1 a and the internal electrodes 1 b are alternately arranged, and the piezoelectric layer 2 is sandwiched between the internal electrodes 1 a and 1 b. It has a structure. In addition, a protective layer 3a and a protective layer 3b are provided in the outermost layer of this laminated structure. Furthermore, a pair of external electrodes 4 are provided on both end faces along the stacking direction of the stacked structure. The internal electrode 1a and the internal electrode 1b are connected to the external electrodes 4 on different sides.

このような構成を有する積層型圧電素子10において、圧電層2の厚さは、1〜200μmであると好ましく、20〜150μmであるとより好ましく、50〜100μmであると更に好ましい。また、内部電極1a及び内部電極1bの厚さは、0.5〜20μmであると好ましく、1.0〜10μmであるとより好ましい。   In the multilayer piezoelectric element 10 having such a configuration, the thickness of the piezoelectric layer 2 is preferably 1 to 200 μm, more preferably 20 to 150 μm, and further preferably 50 to 100 μm. Moreover, the thickness of the internal electrode 1a and the internal electrode 1b is preferably 0.5 to 20 μm, and more preferably 1.0 to 10 μm.

内部電極1a,1bは、積層型圧電素子の内部電極として用いられる材料からなるものであれば特に制限されず、例えば、Ag、Pd、Pt金属単体やAgを含む合金等から構成される。特に、本実施形態の積層型圧電素子10においては、内部電極1a,1bは、Agを85質量%以上含む材料からなることが好ましく、具体的には、Agを85質量%以上含む合金(例えば、Ag−Pd合金、Ag−Pt合金等)、又は、Ag単体からなるものが好ましい。本実施形態の積層型圧電素子10は、圧電層2が後述するような圧電磁器組成物から形成されるものであるため、このようなAgの割合が高い内部電極1a,1bの材料であっても同時焼成が可能となる。   The internal electrodes 1a and 1b are not particularly limited as long as they are made of a material used as an internal electrode of the multilayer piezoelectric element, and are composed of, for example, Ag, Pd, Pt metal alone, an alloy containing Ag, or the like. In particular, in the multilayer piezoelectric element 10 of the present embodiment, the internal electrodes 1a and 1b are preferably made of a material containing 85% by mass or more of Ag. Specifically, an alloy containing 85% by mass or more of Ag (for example, , Ag—Pd alloy, Ag—Pt alloy, etc.), or those consisting of Ag alone are preferable. The laminated piezoelectric element 10 of the present embodiment is a material of the internal electrodes 1a and 1b having such a high Ag ratio because the piezoelectric layer 2 is formed from a piezoelectric ceramic composition as described later. Can be fired simultaneously.

一方、圧電層2は、特定の組成を有する圧電磁器組成物を焼成して得られる圧電磁器から構成される。以下、圧電層2の構成材料として好適な圧電磁器組成物について説明する。   On the other hand, the piezoelectric layer 2 is composed of a piezoelectric ceramic obtained by firing a piezoelectric ceramic composition having a specific composition. Hereinafter, a piezoelectric ceramic composition suitable as a constituent material of the piezoelectric layer 2 will be described.

本実施形態の圧電磁器組成物は、下記組成式(1)で表される複合酸化物を主成分として含み、且つ、副成分として、複合酸化物に対し、0質量部を超え0.6質量部以下のTa、Sb、Nb、W及びSnからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素の酸化物(以下、「第1の副成分」という)、複合酸化物に対し、0質量部を超え0.25質量部以下のDy、Gd、Yb、Er及びYからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素の酸化物(以下、「第2の副成分」という)、及び、複合酸化物に対し、0質量部を超え0.15質量部以下のBi及びVからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素の酸化物(以下、「第3の副成分」という)を含有する。
(Pba−bMe)[(Zn1/3Nb2/3TiZr]O …(1)
[但し、式(1)中、Meは、Ca、Sr及びBaからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素であり、a、b、x、y及びzは、下記式(2)、(3)、(4)、(5)、(6)及び(7)で表される条件を満たす値である。
0.96≦a≦1.03 …(2)
0≦b<0.1 …(3)
0.005≦x<0.05 …(4)
0.42≦y≦0.53 …(5)
0.45≦z≦0.56 …(6)
x+y+z=1 …(7)]
The piezoelectric ceramic composition of the present embodiment includes a composite oxide represented by the following composition formula (1) as a main component, and as a subcomponent, more than 0 parts by mass and 0.6 mass with respect to the composite oxide. More than 0 parts by mass with respect to oxides of at least one element selected from the group consisting of Ta, Sb, Nb, W and Sn (hereinafter referred to as “first subcomponent”) and composite oxides 0.25 parts by mass or less of an oxide of at least one element selected from the group consisting of Dy, Gd, Yb, Er and Y (hereinafter referred to as “second subcomponent”), and the composite oxide , And an oxide of at least one element selected from the group consisting of Bi and V exceeding 0 parts by mass and 0.15 parts by mass or less (hereinafter referred to as “third subcomponent”).
(Pb a-b Me b ) [(Zn 1/3 Nb 2/3 ) x Ti y Zr z ] O 3 (1)
[In the formula (1), Me is at least one element selected from the group consisting of Ca, Sr and Ba, and a, b, x, y and z are the following formulas (2), (3 ), (4), (5), (6), and (7).
0.96 ≦ a ≦ 1.03 (2)
0 ≦ b <0.1 (3)
0.005 ≦ x <0.05 (4)
0.42 ≦ y ≦ 0.53 (5)
0.45 ≦ z ≦ 0.56 (6)
x + y + z = 1 (7)]

主成分である複合酸化物は、いわゆるペロブスカイト構造を有している。上記式(1)で表される複合酸化物におけるPb及びMeは、ペロブスカイト構造のAサイトに位置している。一方、Zn、Nb、Ti、Zrは、ペロブスカイト構造のBサイトに位置している。本実施形態の圧電磁器組成物においては、組成物の総量中、上記式(1)で表される複合酸化物が95質量%以上含まれることが好ましく、98.0〜99.9質量%含まれることがより好ましい。このような割合で複合酸化物が含まれることで、十分な圧電特性(特に圧電歪定数)が得られるようになる。   The composite oxide as the main component has a so-called perovskite structure. Pb and Me in the composite oxide represented by the above formula (1) are located at the A site of the perovskite structure. On the other hand, Zn, Nb, Ti, and Zr are located at the B site of the perovskite structure. In the piezoelectric ceramic composition of the present embodiment, the composite oxide represented by the above formula (1) is preferably contained in an amount of 95% by mass or more, and 98.0 to 99.9% by mass in the total amount of the composition. More preferably. When the composite oxide is contained at such a ratio, sufficient piezoelectric characteristics (particularly piezoelectric strain constant) can be obtained.

上記式(1)で表される複合酸化物におけるAサイト元素の割合を示すaは、0.96≦a≦1.03であることが好ましい。Aサイト元素の割合aが0.96未満であるか1.03を超えると、圧電歪定数が低下する。良好な圧電歪定数を得る観点から、Aサイト元素の割合aは0.97≦a≦1.02であると好ましく、0.98≦a≦1.01であるとより好ましい。   “A” indicating the ratio of the A-site element in the composite oxide represented by the above formula (1) is preferably 0.96 ≦ a ≦ 1.03. When the ratio a of the A-site element is less than 0.96 or exceeds 1.03, the piezoelectric strain constant decreases. From the viewpoint of obtaining a good piezoelectric strain constant, the A-site element ratio a is preferably 0.97 ≦ a ≦ 1.02, and more preferably 0.98 ≦ a ≦ 1.01.

上記式(1)で表される複合酸化物において、Aサイト元素であるPbの一部は、Meで表される元素(Ca、Sr、Ba)によって置換されていてもよい。かかる置換により、圧電歪定数を更に向上することができる場合がある。ただし、この置換量が多すぎると、圧電歪定数がむしろ低下する傾向にある。したがって、Meによる置換量bは、0.1以下であり、0.005≦b≦0.08であるとより好ましく、0.007≦b≦0.05であると更に好ましい。なお、Meで表される置換元素は、Ca、Sr及びBaのうちの複数種類であってもよい。この場合、各元素の置換量の合計が上述したbの値を満たすことが好ましい。   In the composite oxide represented by the above formula (1), a part of Pb that is an A site element may be substituted by an element represented by Me (Ca, Sr, Ba). Such substitution may further improve the piezoelectric strain constant. However, if the amount of substitution is too large, the piezoelectric strain constant tends to decrease rather. Therefore, the substitution amount b with Me is 0.1 or less, more preferably 0.005 ≦ b ≦ 0.08, and further preferably 0.007 ≦ b ≦ 0.05. Note that the substitution element represented by Me may be a plurality of types of Ca, Sr, and Ba. In this case, it is preferable that the total substitution amount of each element satisfies the value b described above.

上記式(1)で表される複合酸化物におけるBサイト元素のうち、Zn及びNbの割合を表すxは、0.005≦x<0.05である。このxは、焼成温度に影響を与え、この値が0.005未満であると、焼成温度を十分に低下させることができなくなる。一方、0.05を超えると、結晶粒径が小さくなり、その結果、圧電歪定数が低下する。低い焼成温度で十分な焼結性を得る観点からは、ZnとNbの割合xは、0.01≦x≦0.04であると好ましく、0.02≦x≦0.04であると更に好ましい。   Among the B site elements in the complex oxide represented by the above formula (1), x representing the ratio of Zn and Nb is 0.005 ≦ x <0.05. This x affects the firing temperature. If this value is less than 0.005, the firing temperature cannot be lowered sufficiently. On the other hand, if it exceeds 0.05, the crystal grain size becomes small, and as a result, the piezoelectric strain constant decreases. From the viewpoint of obtaining sufficient sinterability at a low firing temperature, the ratio x of Zn and Nb is preferably 0.01 ≦ x ≦ 0.04, and more preferably 0.02 ≦ x ≦ 0.04. preferable.

また、Bサイト元素のうち、Tiの割合であるy及びZrの割合であるzは、それぞれ良好な圧電歪定数を得る観点から、次のような範囲となる。すなわち、Tiの割合yは、0.42≦y≦0.53である。Zrの割合zは、0.45≦z≦0.56である。Ti及びZrの割合をこれらの範囲内に設定することで、モルフォトロピック相境界(MPB)付近において、大きな圧電歪定数を得ることができる。このような効果を更に良好に得るためには、Tiの割合yは0.42≦y≦0.50であると好ましく、0.42≦y≦0.46であると更に好ましい。一方、Zrの割合zは0.48≦z≦0.53であるとより好ましく、0.50≦z≦0.53であると更に好ましい。   Further, among the B-site elements, y, which is the ratio of Ti, and z, which is the ratio of Zr, are in the following ranges from the viewpoint of obtaining a good piezoelectric strain constant. That is, the ratio y of Ti is 0.42 ≦ y ≦ 0.53. The ratio z of Zr is 0.45 ≦ z ≦ 0.56. By setting the proportions of Ti and Zr within these ranges, a large piezoelectric strain constant can be obtained in the vicinity of the morphotropic phase boundary (MPB). In order to obtain such an effect even better, the Ti ratio y is preferably 0.42 ≦ y ≦ 0.50, and more preferably 0.42 ≦ y ≦ 0.46. On the other hand, the ratio z of Zr is more preferably 0.48 ≦ z ≦ 0.53, and further preferably 0.50 ≦ z ≦ 0.53.

以上が本実施形態の誘電体磁器組成物における主成分である複合酸化物の好適な組成である。誘電体磁器組成物は、上記複合酸化物に加え、上述した第1、第2及び第3の副成分を含有する。   The above is the preferred composition of the complex oxide as the main component in the dielectric ceramic composition of the present embodiment. The dielectric ceramic composition contains the above-described first, second, and third subcomponents in addition to the complex oxide.

第1の副成分は、Ta、Sb、Nb、W及びSnからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素の酸化物である。これらの酸化物としては、具体的には、Ta、Sb、Nb、WO、SnOが挙げられる。第1の副成分は、主成分である複合酸化物100質量部に対し、0質量部を超え0.6質量部以下含まれる。このような割合で第1の副成分が含まれることにより、焼結体の微細構造が適切に制御され、圧電特性を向上させることができるようになる。かかる効果を良好に得る観点からは、第1の副成分の含有量は、主成分に対して0.05〜0.4質量部であると好ましく、0.2〜0.4質量部であるとより好ましい。 The first subcomponent is an oxide of at least one element selected from the group consisting of Ta, Sb, Nb, W, and Sn. Specific examples of these oxides include Ta 2 O 5 , Sb 2 O 3 , Nb 2 O 5 , WO 3 and SnO 2 . The first subcomponent is contained in an amount exceeding 0 parts by mass and 0.6 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the composite oxide as the main component. By including the first subcomponent at such a ratio, the microstructure of the sintered body is appropriately controlled, and the piezoelectric characteristics can be improved. From the viewpoint of obtaining such an effect satisfactorily, the content of the first subcomponent is preferably 0.05 to 0.4 parts by mass, and preferably 0.2 to 0.4 parts by mass with respect to the main component. And more preferred.

また、第2の副成分は、Dy、Gd、Yb、Er及びYからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素の酸化物である。これらの酸化物としては、具体的には、Dy、Gd、Yb、Er、Yが挙げられる。第2の副成分は、主成分である複合酸化物100質量部に対し、0質量部を超え0.25質量部以下含まれる。このような割合で第2の副成分が含まれることにより、得られる焼結体の結晶粒子の成長が良好に生じ、圧電特性が向上するという効果が得られる。かかる効果を良好に得る観点からは、第2の副成分の含有量は、主成分に対して0.05〜0.25質量部であると好ましく、0.10〜0.25質量部であるとより好ましい。 The second subcomponent is an oxide of at least one element selected from the group consisting of Dy, Gd, Yb, Er, and Y. Specific examples of these oxides include Dy 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Yb 2 O 3 , Er 2 O 3 , and Y 2 O 3 . The second subcomponent is contained in an amount exceeding 0 parts by mass and 0.25 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the composite oxide as the main component. By including the second subcomponent at such a ratio, the crystal grains of the obtained sintered body are favorably grown, and the effect of improving the piezoelectric characteristics can be obtained. From the viewpoint of obtaining such an effect satisfactorily, the content of the second subcomponent is preferably 0.05 to 0.25 parts by mass, and 0.10 to 0.25 parts by mass with respect to the main component. And more preferred.

さらに、第3の副成分は、Bi及びVからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素の酸化物である。これらの酸化物としては、Bi、Vが挙げられる。第3の副成分は、主成分である複合酸化物100質量部に対し、0質量部を超え0.15質量部以下含まれる。このような割合で第3の副成分が含まれることにより、焼成温度を低下させることが可能となり、低温でも緻密な焼結体が得られ、その結果、高い圧電特性が得られるようになる。かかる効果を良好に得る観点からは、第3の副成分の含有量は、主成分に対して0.025〜0.15質量部であると好ましく、0.05〜0.15質量部であるとより好ましい。 Furthermore, the third subcomponent is an oxide of at least one element selected from the group consisting of Bi and V. Examples of these oxides include Bi 2 O 3 and V 2 O 5 . The third subcomponent is contained in an amount exceeding 0 parts by mass and 0.15 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the composite oxide as the main component. By including the third subcomponent in such a ratio, the firing temperature can be lowered, and a dense sintered body can be obtained even at a low temperature, and as a result, high piezoelectric characteristics can be obtained. From the viewpoint of obtaining such effects well, the content of the third subcomponent is preferably 0.025 to 0.15 parts by mass, and 0.05 to 0.15 parts by mass with respect to the main component. And more preferred.

なお、第1〜第3の副成分としては、それぞれの副成分に対応する元素の酸化物を複数種類ずつ含んでいてもよい。この場合、各副成分において、複数種類の酸化物の含有量の合計が上述した範囲となる。   Note that the first to third subcomponents may include a plurality of types of oxides of elements corresponding to the subcomponents. In this case, in each subcomponent, the total content of the plurality of types of oxides is in the above-described range.

本実施形態の誘電体磁器組成物は、主成分である上記(1)で表される複合酸化物、第1〜第3の副成分に加え、本発明による効果を阻害しない範囲でその他の成分を更に含んでいてもよい。その他の成分としては、例えば、Hf、Cr、Mo、Tb、Ho、Tm等の元素やこれらの酸化物等が挙げられる。   In addition to the composite oxide represented by the above (1) that is the main component and the first to third subcomponents, the dielectric ceramic composition of the present embodiment includes other components within a range that does not impair the effects of the present invention. May further be included. Examples of other components include elements such as Hf, Cr, Mo, Tb, Ho, and Tm, and oxides thereof.

圧電層2を構成する圧電磁器は、上述した圧電磁器組成物を焼成して得られるものである。そして、圧電磁器組成物の焼成では構成元素の割合は殆ど変化しないため、圧電磁器は、圧電磁器組成物と同様の組成を有するようになる。ただし、上述のように、内部電極1a,1bの材料として、Ag単体又はAgを含む合金を含む場合、特に、Agの含有割合が85質量%を超える材料を用いる場合は、焼成時にAgの一部が内部電極から圧電層2に移動することがある。そのため、本実施形態の圧電磁器は圧電磁器組成物の構成元素に加えて、Ag酸化物を更に含有する。   The piezoelectric ceramic constituting the piezoelectric layer 2 is obtained by firing the above-described piezoelectric ceramic composition. And since the ratio of a structural element hardly changes in baking of a piezoelectric ceramic composition, a piezoelectric ceramic comes to have a composition similar to a piezoelectric ceramic composition. However, as described above, when the material of the internal electrodes 1a and 1b includes a single Ag or an alloy containing Ag, particularly when a material having a content ratio of Ag exceeding 85% by mass is used, the Ag May move from the internal electrode to the piezoelectric layer 2. Therefore, the piezoelectric ceramic according to this embodiment further contains an Ag oxide in addition to the constituent elements of the piezoelectric ceramic composition.

すなわち、本実施形態の圧電磁器は、下記組成式(1)で表される複合酸化物を主成分として含み、且つ、副成分として、複合酸化物に対し、酸化物換算で0質量部を超え0.6質量部以下のTa、Sb、Nb、W及びSnからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素、複合酸化物に対し、酸化物換算で0質量部を超え0.25質量部以下のDy、Gd、Yb、Er及びYからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素、複合酸化物に対し、酸化物換算で0質量部を超え0.15質量部以下のBi及びVからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素、及び、Agの酸化物を含有する。
(Pba−bMe)[(Zn1/3Nb2/3TiZr]O …(1)
[但し、式(1)中、Meは、Ca、Sr及びBaからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素であり、a、b、x、y及びzは、下記式(2)、(3)、(4)、(5)、(6)及び(7)で表される条件を満たす値である。
0.96≦a≦1.03 …(2)
0≦b<0.1 …(3)
0.005≦x<0.05 …(4)
0.42≦y≦0.53 …(5)
0.45≦z≦0.56 …(6)
x+y+z=1 …(7)]
That is, the piezoelectric ceramic of the present embodiment includes a composite oxide represented by the following composition formula (1) as a main component, and exceeds 0 part by mass in terms of oxide with respect to the composite oxide as a subcomponent. With respect to at least one element selected from the group consisting of Ta, Sb, Nb, W and Sn of 0.6 parts by mass or less, with respect to the composite oxide, it exceeds 0 parts by mass and is 0.25 parts by mass or less in terms of oxide. With respect to at least one element selected from the group consisting of Dy, Gd, Yb, Er, and Y, and a composite oxide, from the group consisting of Bi and V exceeding 0 to 0.15 parts by mass in terms of oxide It contains at least one element selected and an oxide of Ag.
(Pb a-b Me b ) [(Zn 1/3 Nb 2/3 ) x Ti y Zr z ] O 3 (1)
[In the formula (1), Me is at least one element selected from the group consisting of Ca, Sr and Ba, and a, b, x, y and z are the following formulas (2), (3 ), (4), (5), (6), and (7).
0.96 ≦ a ≦ 1.03 (2)
0 ≦ b <0.1 (3)
0.005 ≦ x <0.05 (4)
0.42 ≦ y ≦ 0.53 (5)
0.45 ≦ z ≦ 0.56 (6)
x + y + z = 1 (7)]

圧電磁器におけるAg酸化物の含有量は、複合酸化物に対して、0.01〜0.5質量%であると好ましく、0.05〜0.30質量%であると更に好ましい。圧電磁器にAg酸化物が含まれない場合や、含有量が上記範囲を超える場合は、圧電歪定数が低下する傾向にある。   The content of Ag oxide in the piezoelectric ceramic is preferably 0.01 to 0.5% by mass and more preferably 0.05 to 0.30% by mass with respect to the composite oxide. When Ag oxide is not included in the piezoelectric ceramic, or when the content exceeds the above range, the piezoelectric strain constant tends to decrease.

本実施形態の圧電磁器は、上記のようにAg酸化物を含むことで、低温焼成がなされたものであっても、更に優れた圧電特性(特に高い圧電歪定数)が得られるものとなる。なお、焼成条件等によっては上述したようなAgの移動が生じない場合もあるが、その場合、本実施形態の圧電磁器を得るには、圧電磁器組成物にAg酸化物を上記に対応する量添加すればよい。   The piezoelectric ceramic according to the present embodiment includes Ag oxide as described above, so that even if it is fired at a low temperature, further excellent piezoelectric characteristics (particularly high piezoelectric strain constant) can be obtained. In some cases, the movement of Ag as described above may not occur depending on the firing conditions. In this case, in order to obtain the piezoelectric ceramic according to the present embodiment, the amount of Ag oxide corresponding to the above is obtained in the piezoelectric ceramic composition. What is necessary is just to add.

なお、圧電磁器に含まれる副成分の各元素は、上述したような酸化物の形態でそれぞれ主に含まれるが、必ずしも酸化物の形態には限定されない。   In addition, although each element of the subcomponent contained in a piezoelectric ceramic is mainly contained by the form of an oxide as mentioned above, respectively, it is not necessarily limited to the form of an oxide.

次に、上述した構成を有する積層型圧電素子10の製造方法について説明する。   Next, a method for manufacturing the multilayer piezoelectric element 10 having the above-described configuration will be described.

まず、圧電層2を得るための圧電磁器組成物の主成分である複合酸化物の出発原料を準備し、所望の組成の複合酸化物が得られるようにそれぞれ秤量する。出発原料としては、複合酸化物の各構成元素の酸化物や、焼成によりこれらの酸化物に変化し得る炭酸塩又はシュウ酸塩等の粉末が挙げられる。酸化物としては、具体的には、PbO、TiO、ZrO、ZnO、Nb、SrO、BaO、CaO等が挙げられる。出発原料の粉末としては、平均粒径0.5〜10μm程度のものが好ましい。 First, a starting material of a complex oxide that is a main component of a piezoelectric ceramic composition for obtaining the piezoelectric layer 2 is prepared and weighed so as to obtain a complex oxide having a desired composition. Examples of the starting material include oxides of each constituent element of the composite oxide and powders such as carbonates or oxalates that can be changed to these oxides by firing. Specific examples of the oxide include PbO, TiO 2 , ZrO 2 , ZnO, Nb 2 O 5 , SrO, BaO, and CaO. As the starting material powder, those having an average particle size of about 0.5 to 10 μm are preferable.

また、このような主成分の出発原料に加えて、上述した第1〜第3やその他の副成分の出発原料を準備する。第1〜第3の副成分の出発原料は、上述したような各元素の酸化物が好ましい。さらに、圧電磁器組成物の段階でAg酸化物を添加する場合は、Ag酸化物(例えばAgO)も準備する。 Moreover, in addition to the starting material of such a main component, the starting materials of the first to third and other subcomponents described above are prepared. The starting materials for the first to third subcomponents are preferably oxides of the respective elements as described above. Furthermore, when adding Ag oxide in the stage of a piezoelectric ceramic composition, Ag oxide (for example, Ag 2 O) is also prepared.

次いで、主成分及び副成分の出発原料を混合し、必要に応じて湿式粉砕及び混合を行うことにより、原料混合物を得る。このような湿式粉砕及び混合は、例えば、ボールミルを用いて行うことができる。なお、副成分の出発原料は、後述する仮焼成後に加えるようにしてもよい。また、一部の副成分のみを原料混合物に加え、残りを仮焼成後に添加するようにしてもよい。ただし、均質な圧電層2を形成する観点からは、仮焼前に副成分を添加することがより好ましい。   Subsequently, the starting materials of the main component and the subcomponent are mixed, and if necessary, wet pulverization and mixing are performed to obtain a raw material mixture. Such wet grinding and mixing can be performed using, for example, a ball mill. In addition, you may make it add the starting material of a subcomponent after the temporary baking mentioned later. Further, only some of the subcomponents may be added to the raw material mixture, and the rest may be added after the pre-baking. However, from the viewpoint of forming the homogeneous piezoelectric layer 2, it is more preferable to add a subcomponent before calcination.

それから、この原料混合物を乾燥し、例えば、750〜950℃の温度、1〜6時間の条件で加熱処理を施すことにより、仮焼成する。この仮焼成は、大気中で行ってもよく、大気中よりも酸素分圧の高い雰囲気又は純酸素雰囲気で行ってもよい。得られた仮焼成物をボールミル等により湿式粉砕及び混合して、主成分及び必要に応じて副成分を含む仮焼成粉を得る。このような仮焼成により、主成分の出発原料から複合酸化物が形成され、主成分である複合酸化物及び副成分を含む圧電磁器組成物が得られる。   Then, this raw material mixture is dried, and calcined, for example, by performing a heat treatment at a temperature of 750 to 950 ° C. for 1 to 6 hours. This pre-baking may be performed in the air, or may be performed in an atmosphere having a higher oxygen partial pressure or in a pure oxygen atmosphere than in the air. The obtained calcined product is wet-ground and mixed by a ball mill or the like to obtain a calcined powder containing a main component and, if necessary, a subcomponent. By such preliminary calcination, a composite oxide is formed from the starting material of the main component, and a piezoelectric ceramic composition containing the main component of the composite oxide and subcomponents is obtained.

次いで、このようにして得られた圧電磁器組成物に、有機バインダー、有機溶剤、有機可塑剤等を加えてボールミル等により20時間程度の混合を行うことで、圧電ペーストを得る。   Next, an organic binder, an organic solvent, an organic plasticizer, and the like are added to the piezoelectric ceramic composition thus obtained, and the mixture is mixed for about 20 hours by a ball mill or the like to obtain a piezoelectric paste.

また、このような圧電ペーストとともに、内部電極1a,1bを形成するための電極ペーストを準備する。電極ペーストは、例えば、上述したような内部電極1a,1bの構成材料(金属等)の粉末に、バインダー、有機溶剤等を加えて得られるものである。電極ペースト中の金属の含有量は、40質量%以上とすることが好ましく、50〜60質量%とすることがより好ましい。この金属の含有量が40質量%未満であると、得られる内部電極1a,1bの導電性が不十分となるおそれがある。   In addition to such a piezoelectric paste, an electrode paste for forming the internal electrodes 1a and 1b is prepared. The electrode paste is obtained, for example, by adding a binder, an organic solvent or the like to the powder of the constituent material (metal or the like) of the internal electrodes 1a and 1b as described above. The metal content in the electrode paste is preferably 40% by mass or more, and more preferably 50 to 60% by mass. If the metal content is less than 40% by mass, the resulting internal electrodes 1a and 1b may have insufficient conductivity.

それから、圧電ペーストを、例えばドクターブレード法によって、ポリエチレンテレフタレート(PET)製等のベースフィルム上に塗布して、圧電層2を形成するための圧電グリーンシートを得る。次いで、この圧電グリーンシート上に、スクリーン印刷法等により電極ペーストを塗布して、圧電グリーンシート上に電極ペースト層が形成された積層シートを得る。この際、電極ペースト層は、内部電極1a,1bの形状に対応して形成させる。   Then, the piezoelectric paste is applied onto a base film made of polyethylene terephthalate (PET) or the like by, for example, a doctor blade method to obtain a piezoelectric green sheet for forming the piezoelectric layer 2. Next, an electrode paste is applied on the piezoelectric green sheet by a screen printing method or the like to obtain a laminated sheet in which an electrode paste layer is formed on the piezoelectric green sheet. At this time, the electrode paste layer is formed corresponding to the shape of the internal electrodes 1a and 1b.

その後、得られた積層シートを、電極ペースト層と圧電グリーンシートとが交互に配置されるように複数重ねるとともに、このようにして得られた積層構造の上下に、保護層3a,3bとなる圧電グリーンシートを更に重ねて、グリーンチップを得る。なお、グリーンチップの製造方法は必ずしもこれに限定されず、圧電ペーストと電極ペーストとを交互に繰り返し塗布するようにしてもよい。   Thereafter, a plurality of the obtained laminated sheets are stacked so that the electrode paste layers and the piezoelectric green sheets are alternately arranged, and the piezoelectric layers to be the protective layers 3a and 3b are formed above and below the laminated structure thus obtained. Stack green sheets further to get green chips. The green chip manufacturing method is not necessarily limited to this, and the piezoelectric paste and the electrode paste may be alternately and repeatedly applied.

このようにして得られたグリーンチップに対して、所定の加熱を行うことで、各ペース途中に含まれていたバインダーや有機溶媒を除去する脱バインダーを行う。脱バインダーは、圧電ペースト中の圧電磁器組成物の焼成が進行しない程度の条件で行うことが好ましい。例えば、300〜650℃、0.5〜50時間程度の条件で行うことができる。   The green chip thus obtained is subjected to predetermined heating to remove the binder and the organic solvent contained in the middle of each pace. The binder removal is preferably performed under conditions that do not allow firing of the piezoelectric ceramic composition in the piezoelectric paste. For example, it can be performed under conditions of 300 to 650 ° C. and about 0.5 to 50 hours.

その後、脱バインダー後のグリーンチップに対し、例えば密閉された容器中で焼成処理(本焼成)を行う。この本焼成処理において、圧電グリーンシート(圧電グリーンシート中の圧電磁器組成物)及び電極ペースト層が同時に焼成され、圧電グリーンシートから圧電磁器からなる圧電層2が、電極ペースト層から内部電極1a,1bがそれぞれ形成される。また、グリーンチップの最外層に積層した圧電グリーンシートから、保護層3a,3bが形成される。   Thereafter, the green chip after debinding is subjected to a firing process (main firing) in, for example, a sealed container. In this main firing treatment, the piezoelectric green sheet (piezoelectric ceramic composition in the piezoelectric green sheet) and the electrode paste layer are fired at the same time, and the piezoelectric layer 2 comprising the piezoelectric ceramic from the piezoelectric green sheet is transferred from the electrode paste layer to the internal electrode 1a, 1b is formed. Further, the protective layers 3a and 3b are formed from a piezoelectric green sheet laminated on the outermost layer of the green chip.

この本焼成における焼成温度は、900〜1050℃であると好ましく、900〜1000℃であるとより好ましく、910〜970℃であると更に好ましい。圧電グリーンシートに含まれる圧電磁器組成物は、上述したような特定の組成を有していることから、このように従来よりも低く、Agの同時焼成が可能な焼成温度であっても十分に焼結し、優れた圧電特性(特に高い圧電歪定数)が得られるようになる。   The firing temperature in the main firing is preferably 900 to 1050 ° C, more preferably 900 to 1000 ° C, and still more preferably 910 to 970 ° C. Since the piezoelectric ceramic composition contained in the piezoelectric green sheet has the specific composition as described above, it is sufficiently lower even at a firing temperature at which Ag can be simultaneously fired. Sintering results in excellent piezoelectric properties (particularly high piezoelectric strain constant).

そして、焼成後の積層体における積層方向に沿う2つの端面(内部電極1a,1bが露出している端面)に、必要に応じてバレル研磨やサンドブラスト等の研磨処理を施した後、外部電極4をそれぞれ焼き付ける。具体的には、外部電極4を構成する金属及び有機バインダー等を含む外部電極用ペーストを、積層体の上記端面に塗布した後、これを焼成する。なお、外部電極4は、焼付けのほか、スパッタリング、蒸着、無電解めっき等の方法によって形成してもよい。このようにして、図1に示す構造を有する積層型圧電素子10が得られる。   Then, two end faces (end faces where the internal electrodes 1a and 1b are exposed) in the stacking direction in the fired laminate are subjected to a polishing treatment such as barrel polishing or sand blasting as necessary, and then the external electrode 4 Bake each. Specifically, an external electrode paste including a metal and an organic binder constituting the external electrode 4 is applied to the end face of the laminate, and then fired. In addition, you may form the external electrode 4 by methods, such as sputtering, vapor deposition, and electroless plating, besides baking. In this way, the multilayer piezoelectric element 10 having the structure shown in FIG. 1 is obtained.

以上、本発明の好適な実施形態に係る圧電磁器組成物、圧電磁器及び積層型圧電素子について説明したが、本発明は必ずしもこれらの実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更してもよい。   The piezoelectric ceramic composition, the piezoelectric ceramic, and the laminated piezoelectric element according to the preferred embodiments of the present invention have been described above, but the present invention is not necessarily limited to these embodiments, and does not depart from the spirit of the present invention. You may change suitably.

以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention still in detail, this invention is not limited to these Examples.

[実施例A;第2及び第3の副成分の影響の評価]
(実施例1−1〜1−23、比較例1−1〜1−18)
まず、主成分である(Pb0.965Sr0.03)[(Zn1/3Nb2/30.04Ti0.455Zr0.505]Oで表される複合酸化物の出発原料を準備した。すなわち、主成分の原料として、PbO粉末、SrCO粉末、ZnO粉末、Nb粉末、TiO粉末及びZrO粉末を用意し、これらを上記の組成となるように秤量した。
[Example A; Evaluation of influence of second and third subcomponents]
(Examples 1-1 to 1-23, Comparative Examples 1-1 to 1-18)
First, the start of the composite oxide represented by (Pb 0.965 Sr 0.03 ) [(Zn 1/3 Nb 2/3 ) 0.04 Ti 0.455 Zr 0.505 ] O 3 which is the main component. Raw materials were prepared. That is, PbO powder, SrCO 3 powder, ZnO powder, Nb 2 O 5 powder, TiO 2 powder, and ZrO 2 powder were prepared as the main component raw materials, and these were weighed so as to have the above composition.

また、副成分の出発原料として、Ta粉末(第1の副成分)、Dy粉末(第2の副成分)、Bi粉末(第3の副成分)及びAgO粉末を準備し、これらを主成分の出発原料に添加して原料組成物を得た。この際、Ta粉末の量は、主成分に対して0.2重量%となるようにし、AgO粉末の量は、主成分に対して0.1重量%となるようにし、Dy粉末及びBi粉末の量は、主成分に対して下記の表1に示す量となるようにそれぞれ変化させて各種の原料組成物を調製した。 Moreover, Ta 2 O 5 powder (first subcomponent), Dy 2 O 3 powder (second subcomponent), Bi 2 O 3 powder (third subcomponent), and Ag 2 are used as starting materials for the subcomponents. O powders were prepared and added to the main starting material to obtain a raw material composition. At this time, the amount of Ta 2 O 5 powder is 0.2 wt% with respect to the main component, and the amount of Ag 2 O powder is 0.1 wt% with respect to the main component, Various raw material compositions were prepared by changing the amounts of Dy 2 O 3 powder and Bi 2 O 3 powder so as to be the amounts shown in Table 1 below with respect to the main component.

次いで、各原料組成物を、ボールミルを用いて16時間湿式混合した後、大気中にて700〜900℃で2時間仮焼成した。得られた仮焼物を微粉砕した後、ボールミルを用いて16時間湿式粉砕して、それぞれの原料組成物から得られる各種の仮焼成粉(圧電磁器組成物)を得た。これを乾燥した後、バインダーとしてアクリル系樹脂を加えて造粒し、1軸プレス成形機を用いて約445MPaの圧力で直径17mm、厚さ1mmの円板状の成形体を得た。   Next, each raw material composition was wet-mixed for 16 hours using a ball mill and then calcined at 700 to 900 ° C. for 2 hours in the air. The obtained calcined product was finely pulverized and then wet pulverized for 16 hours using a ball mill to obtain various calcined powders (piezoelectric ceramic compositions) obtained from the respective raw material compositions. After drying this, an acrylic resin was added as a binder and granulated to obtain a disk-shaped molded body having a diameter of 17 mm and a thickness of 1 mm at a pressure of about 445 MPa using a uniaxial press molding machine.

成形後、得られた成形体に熱処理を行って脱バインダー処理を施した後、930℃で2時間の熱処理を施すことにより本焼成を行った。そして、得られた焼結体の両面に、Ag粉末を含むAgペーストを印刷して350℃で焼き付け、さらに120℃のシリコーンオイル中で3kV/mmの電界を15分間印加し、分極処理を行った。これにより、各原料組成物を用いて得られた圧電定数d33測定用のサンプルを得た。   After molding, the resulting molded body was heat treated to remove the binder, and then subjected to heat treatment at 930 ° C. for 2 hours to perform main firing. Then, an Ag paste containing Ag powder is printed on both sides of the obtained sintered body and baked at 350 ° C., and an electric field of 3 kV / mm is applied for 15 minutes in silicone oil at 120 ° C. to perform polarization treatment. It was. As a result, a sample for measuring the piezoelectric constant d33 obtained using each raw material composition was obtained.

そして、このようにして作製した各サンプルについて、d33メーター(中国科学院声学研究所製d33メーター;MODEL ZJ−3D)を用いて共振−反共振法により圧電歪定数d33を測定した。各サンプルを用いて得られた結果を表1に示す。

Figure 0005018602
And about each sample produced in this way, the piezoelectric-strain constant d33 was measured by the resonance-antiresonance method using d33 meter (d33 meter by Chinese Academy of Sciences voice research laboratory; MODEL ZJ-3D). Table 1 shows the results obtained using each sample.
Figure 0005018602

表1より、副成分としてDy及びBiを加えた実施例のサンプルは、これらの一方又は両方を加えなかった比較例のサンプルに比べて、優れた圧電歪定数が得られることが確認された。 From Table 1, the sample of the example in which Dy 2 O 3 and Bi 2 O 3 were added as subcomponents has an excellent piezoelectric strain constant compared to the sample of the comparative example in which one or both of these were not added. It was confirmed.

[実施例B;Ag酸化物の影響の評価]
(実施例2−1〜2−4、比較例2−1〜2−2)
圧電磁器組成物における副成分である、Dyの量を0.075重量%、Biの量を0.100重量%に固定するとともに、AgOを表2に示す量となるように加えたこと以外は、実施例Aと同様にして各種の圧電定数d33測定用のサンプルを作製し、同様にこれらのd33を測定した。得られた結果を表2に示す。

Figure 0005018602
[Example B; Evaluation of influence of Ag oxide]
(Examples 2-1 to 2-4, Comparative examples 2-1 to 2-2)
The amount of Dy 2 O 3 , which is a subcomponent in the piezoelectric ceramic composition, is fixed to 0.075 wt%, the amount of Bi 2 O 3 is fixed to 0.100 wt%, and the amount of Ag 2 O shown in Table 2 is Except that they were added, various samples for measuring the piezoelectric constant d33 were prepared in the same manner as in Example A, and these d33 were measured in the same manner. The obtained results are shown in Table 2.
Figure 0005018602

表2より、副成分としてAgOを含む実施例のサンプルは、AgOを含まないサンプルに比べて、優れた圧電歪定数が得られることが確認された。 From Table 2, it was confirmed that the sample of the Example containing Ag 2 O as a subcomponent can obtain an excellent piezoelectric strain constant as compared with the sample not containing Ag 2 O.

[実施例C;第1の副成分による影響の評価]
(実施例3−1〜3−13、比較例3−1〜3−2)
圧電磁器組成物において、第1の副成分であるTaの量を表3に示すように変化させるか、Taに代えてSb、Nb、WO及びSnOをそれぞれ表3に示す種類及び量で用いたこと以外は、実施例Aと同様にして各種の圧電定数d33測定用のサンプルを作製し、同様にこれらのd33を測定した。得られた結果を表3に示す。

Figure 0005018602
[Example C; Evaluation of the effect of the first subcomponent]
(Examples 3-1 to 3-13, Comparative examples 3-1 to 3-2)
In the piezoelectric ceramic composition, the amount of Ta 2 O 5 as the first subcomponent is changed as shown in Table 3, or in place of Ta 2 O 5 , Sb 2 O 3 , Nb 2 O 5 , WO 3 and Samples for measuring various piezoelectric constants d33 were prepared in the same manner as in Example A except that SnO 2 was used in the types and amounts shown in Table 3, and these d33 were measured in the same manner. The obtained results are shown in Table 3.
Figure 0005018602

表3に示すように、まず、第1の副成分であるTaが本発明の範囲で含まれる実施例のサンプルは、Taが含まれない場合(比較例3−1)や、Taの量が本発明の範囲外であった場合(比較例3−2)と比べて、優れた圧電歪定数が得られることが確認された。また、第1の副成分として、Taに代えて、Sb、Nb、WO及びSnOを用いても、Taの場合と同様に高い圧電歪定数が得られることが判明した。 As shown in Table 3, first, a sample of an example in which Ta 2 O 5 as the first subcomponent is included in the scope of the present invention does not include Ta 2 O 5 (Comparative Example 3-1). In addition, it was confirmed that an excellent piezoelectric strain constant was obtained as compared with the case where the amount of Ta 2 O 5 was outside the range of the present invention (Comparative Example 3-2). Further, as the first subcomponent, Ta 2 O 5 in place, Sb 2 O 3, Nb 2 O 5, WO 3 and also with SnO 2, similarly high piezoelectric strain constant in the case of Ta 2 O 5 Was found to be obtained.

[実施例D;主成分の組成による影響の評価]
(実施例4−1〜4−4、比較例4−1〜4−2)
圧電磁器組成物において、(Pba−bMe)[(Zn1/3Nb2/3TiZr]Oで表わされる主成分の組成が表4に示す組成となるように変化させたこと、及び、副成分として、Taの量を0.2重量%、Dyの量を0.075重量%、Biの量を0.100重量%としたこと以外は、実施例Aと同様にして各種の圧電定数d33測定用のサンプルを作製し、同様にこれらのd33を測定した。得られた結果を表4に示す。

Figure 0005018602
[Example D: Evaluation of influence of main component composition]
(Examples 4-1 to 4-4, Comparative examples 4-1 to 4-2)
In the piezoelectric ceramic composition, the composition of the main component represented by (Pb ab Me b ) [(Zn 1/3 Nb 2/3 ) x Ti y Zr z ] O 3 is the composition shown in Table 4. As an auxiliary component, the amount of Ta 2 O 5 was 0.2 wt%, the amount of Dy 2 O 3 was 0.075 wt%, and the amount of Bi 2 O 3 was 0.100 wt%. Except that, various samples for measuring the piezoelectric constant d33 were prepared in the same manner as in Example A, and these d33 were measured in the same manner. Table 4 shows the obtained results.
Figure 0005018602

表4より、主成分である複合酸化物のAサイト元素の割合aが、本発明の範囲内であった実施例のサンプルは、この割合aが本発明の範囲外であった比較例のサンプルに比べて、高い圧電歪定数が得られることが確認された。   From Table 4, the sample of the example in which the ratio a of the A-site element of the composite oxide as the main component was within the scope of the present invention was the sample of the comparative example in which the ratio a was outside the scope of the present invention. It was confirmed that a higher piezoelectric strain constant was obtained than

(実施例5−1〜5−6、比較例5−1)
圧電磁器組成物において、(Pba−bMe)[(Zn1/3Nb2/3TiZr]Oで表わされる主成分の組成が表5に示す組成となるように変化させたこと、及び、副成分として、Taの量を0.2重量%、Dyの量を0.075重量%、Biの量を0.100重量%としたこと以外は、実施例Aと同様にして各種の圧電定数d33測定用のサンプルを作製し、同様にこれらのd33を測定した。得られた結果を表5に示す。

Figure 0005018602
(Examples 5-1 to 5-6, Comparative Example 5-1)
In the piezoelectric ceramic composition, the composition of the main component represented by (Pb a−b Me b ) [(Zn 1/3 Nb 2/3 ) x Ti y Zr z ] O 3 becomes the composition shown in Table 5. As an auxiliary component, the amount of Ta 2 O 5 was 0.2 wt%, the amount of Dy 2 O 3 was 0.075 wt%, and the amount of Bi 2 O 3 was 0.100 wt%. Except that, various samples for measuring the piezoelectric constant d33 were prepared in the same manner as in Example A, and these d33 were measured in the same manner. The results obtained are shown in Table 5.
Figure 0005018602

表5より、Aサイト元素であるPbのMe元素(Sr)による置換量bが、本発明の範囲内であった実施例のサンプルは、この置換量bが本発明の範囲外であった比較例のサンプルに比べて、高い圧電歪定数が得られることが確認された。   From Table 5, the sample of the example in which the substitution amount b of Pb, which is an A-site element, was within the scope of the present invention was compared with the substitution amount b outside the scope of the present invention. It was confirmed that a high piezoelectric strain constant was obtained compared to the sample of the example.

(実施例6−1〜6−13、比較例6−1〜6−10)
圧電磁器組成物において、(Pba−bMe)[(Zn1/3Nb2/3TiZr]Oで表わされる主成分の組成が表6に示す組成となるように変化させたこと、及び、副成分として、Taの量を0.2重量%、Dyの量を0.075重量%、Biの量を0.100重量%としたこと以外は、実施例Aと同様にして各種の圧電定数d33測定用のサンプルを作製し、同様にこれらのd33を測定した。得られた結果を表6に示す。

Figure 0005018602
(Examples 6-1 to 6-13, Comparative Examples 6-1 to 6-10)
In the piezoelectric ceramic composition, the composition of the main component represented by (Pb a−b Me b ) [(Zn 1/3 Nb 2/3 ) x Ti y Zr z ] O 3 becomes the composition shown in Table 6. As an auxiliary component, the amount of Ta 2 O 5 was 0.2 wt%, the amount of Dy 2 O 3 was 0.075 wt%, and the amount of Bi 2 O 3 was 0.100 wt%. Except that, various samples for measuring the piezoelectric constant d33 were prepared in the same manner as in Example A, and these d33 were measured in the same manner. The results obtained are shown in Table 6.
Figure 0005018602

表6より、Bサイト元素であるZn及びNbの割合x、Tiの割合y及びZrの割合zが、本発明の範囲内であった実施例のサンプルは、これらの割合が本発明の範囲外であった比較例のサンプルに比べて、高い圧電歪定数が得られることが確認された。   From Table 6, the sample of the example in which the ratio x of Zn and Nb as the B site element, the ratio y of Ti, and the ratio z of Zr were within the scope of the present invention, these ratios are outside the scope of the present invention. It was confirmed that a high piezoelectric strain constant was obtained as compared with the comparative sample.

(実施例7−1〜7−3)
圧電磁器組成物において、(Pba−bMe)[(Zn1/3Nb2/3TiZr]Oで表わされる主成分の組成が表7に示す組成となるように変化させたこと、及び、副成分として、Taの量を0.2重量%、Dyの量を0.075重量%、Biの量を0.100重量%としたこと以外は、実施例Aと同様にして各種の圧電定数d33測定用のサンプルを作製し、同様にこれらのd33を測定した。得られた結果を表7に示す。

Figure 0005018602
(Examples 7-1 to 7-3)
In the piezoelectric ceramic composition, the composition of the main component represented by (Pb ab Me b ) [(Zn 1/3 Nb 2/3 ) x Ti y Zr z ] O 3 is the composition shown in Table 7. As an auxiliary component, the amount of Ta 2 O 5 was 0.2 wt%, the amount of Dy 2 O 3 was 0.075 wt%, and the amount of Bi 2 O 3 was 0.100 wt%. Except that, various samples for measuring the piezoelectric constant d33 were prepared in the same manner as in Example A, and these d33 were measured in the same manner. The results obtained are shown in Table 7.
Figure 0005018602

表7より、主成分である複合酸化物のAサイト元素であるMeとして、Ca、Sr及びBaを用いた場合、いずれも高い圧電歪定数が得られることが確認された。   From Table 7, it was confirmed that when Ca, Sr and Ba were used as Me, which is the A site element of the composite oxide as the main component, a high piezoelectric strain constant was obtained.

[実施例E;第2及び第3の副成分の影響の評価]
(実施例8−1〜8−24、比較例8−1〜8−12)
圧電磁器組成物において、第2及び第3の副成分の種類及び量を、表8に示すように変化させたこと以外は、実施例Aと同様にして各種の圧電定数d33測定用のサンプルを作製し、同様にこれらのd33を測定した。得られた結果を表8に示す。

Figure 0005018602
[Example E; Evaluation of influence of second and third subcomponents]
(Examples 8-1 to 8-24, Comparative Examples 8-1 to 8-12)
In the piezoelectric ceramic composition, various samples for measuring the piezoelectric constant d33 were prepared in the same manner as in Example A except that the types and amounts of the second and third subcomponents were changed as shown in Table 8. It produced and measured these d33 similarly. Table 8 shows the obtained results.
Figure 0005018602

表8に示すように、第2及び第3の副成分の量が本発明の範囲内であった実施例のサンプルは、これらが本発明の範囲外であった比較例のサンプルに比べて、高い圧電歪定数が得られることが判明した。また、第2及び第3の副成分の種類を変えても、同様の効果が得られることが確認された。   As shown in Table 8, the samples of the examples in which the amounts of the second and third subcomponents were within the scope of the present invention were compared to the samples of the comparative examples in which they were outside the scope of the present invention. It has been found that a high piezoelectric strain constant can be obtained. Moreover, it was confirmed that the same effect can be obtained even if the types of the second and third subcomponents are changed.

好適な実施形態に係る積層型圧電素子の断面構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the cross-sectional structure of the laminated piezoelectric element which concerns on suitable embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1a,1b…内部電極、2…圧電層、3a,3b…保護層、4…外部電極、10…積層型圧電素子。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1a, 1b ... Internal electrode, 2 ... Piezoelectric layer, 3a, 3b ... Protective layer, 4 ... External electrode, 10 ... Multilayer type piezoelectric element.

Claims (3)

下記組成式(1)で表される複合酸化物を主成分として含み、且つ、
副成分として、
前記複合酸化物に対し、0質量部を超え0.6質量部以下のTa、Sb、Nb、W及びSnからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素の酸化物、
前記複合酸化物に対し、0質量部を超え0.25質量部以下のDy、Gd、Yb、Er及びYからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素の酸化物、及び、
前記複合酸化物に対し、0質量部を超え0.15質量部以下のBi及びVからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素の酸化物を含有する、
ことを特徴とする圧電磁器組成物。
[Pba−bMe][(Zn1/3Nb2/3TiZr]O …(1)
[但し、式(1)中、Meは、Ca、Sr及びBaからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素であり、a、b、x、y及びzは、下記式(2)、(3)、(4)、(5)、(6)及び(7)で表される条件を満たす値である。
0.96≦a≦1.03 …(2)
0≦b<0.1 …(3)
0.005≦x<0.05 …(4)
0.42≦y≦0.46 …(5)
0.50≦z≦0.53 …(6)
x+y+z=1 …(7)]
A composite oxide represented by the following composition formula (1) as a main component;
As a minor component
With respect to the composite oxide, an oxide of at least one element selected from the group consisting of Ta, Sb, Nb, W, and Sn exceeding 0 part by mass and 0.6 parts by mass or less,
With respect to the composite oxide, an oxide of at least one element selected from the group consisting of Dy, Gd, Yb, Er, and Y exceeding 0 part by mass and not more than 0.25 part by mass; and
The composite oxide contains an oxide of at least one element selected from the group consisting of Bi and V exceeding 0 parts by mass and 0.15 parts by mass or less.
A piezoelectric ceramic composition characterized by that.
[Pb a-b Me b ] [(Zn 1/3 Nb 2/3 ) x Ti y Zr z ] O 3 (1)
[In the formula (1), Me is at least one element selected from the group consisting of Ca, Sr and Ba, and a, b, x, y and z are the following formulas (2), (3 ), (4), (5), (6), and (7).
0.96 ≦ a ≦ 1.03 (2)
0 ≦ b <0.1 (3)
0.005 ≦ x <0.05 (4)
0.42 ≦ y ≦ 0.46 (5)
0.50 ≦ z ≦ 0.53 (6)
x + y + z = 1 (7)]
下記組成式(1)で表される複合酸化物を主成分として含み、且つ、
副成分として、
前記複合酸化物に対し、酸化物換算で0質量部を超え0.6質量部以下のTa、Sb、Nb、W及びSnからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素、
前記複合酸化物に対し、酸化物換算で0質量部を超え0.25質量部以下のDy、Gd、Yb、Er及びYからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素、
前記複合酸化物に対し、酸化物換算で0質量部を超え0.15質量部以下のBi及びVからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素、及び、
Agの酸化物を含有する、
ことを特徴とする圧電磁器。
(Pba−bMe)[(Zn1/3Nb2/3TiZr]O …(1)
[但し、式(1)中、Meは、Ca、Sr及びBaからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素であり、a、b、x、y及びzは、下記式(2)、(3)、(4)、(5)、(6)及び(7)で表される条件を満たす値である。
0.96≦a≦1.03 …(2)
0≦b<0.1 …(3)
0.005≦x<0.05 …(4)
0.42≦y≦0.46 …(5)
0.50≦z≦0.53 …(6)
x+y+z=1 …(7)]
A composite oxide represented by the following composition formula (1) as a main component;
As a minor component
With respect to the composite oxide, at least one element selected from the group consisting of Ta, Sb, Nb, W and Sn exceeding 0 parts by mass and 0.6 parts by mass or less in terms of oxides,
With respect to the composite oxide, at least one element selected from the group consisting of Dy, Gd, Yb, Er, and Y in excess of 0 part by mass and 0.25 part by mass or less in terms of oxide,
With respect to the composite oxide, at least one element selected from the group consisting of Bi and V exceeding 0 parts by mass and 0.15 parts by mass or less in terms of oxides, and
Containing an oxide of Ag,
A piezoelectric ceramic characterized by that.
(Pb a-b Me b ) [(Zn 1/3 Nb 2/3 ) x Ti y Zr z ] O 3 (1)
[In the formula (1), Me is at least one element selected from the group consisting of Ca, Sr and Ba, and a, b, x, y and z are the following formulas (2), (3 ), (4), (5), (6), and (7).
0.96 ≦ a ≦ 1.03 (2)
0 ≦ b <0.1 (3)
0.005 ≦ x <0.05 (4)
0.42 ≦ y ≦ 0.46 (5)
0.50 ≦ z ≦ 0.53 (6)
x + y + z = 1 (7)]
請求項2記載の圧電磁器からなる圧電層と、
Agの含有割合が85質量%以上である電極層と、
を備えることを特徴とする積層型圧電素子。
A piezoelectric layer comprising the piezoelectric ceramic according to claim 2;
An electrode layer having an Ag content of 85% by mass or more;
A multilayer piezoelectric element comprising:
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