JP5219421B2 - Piezoelectric ceramic and piezoelectric element - Google Patents

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本発明は、圧電磁器および圧電素子に関し、例えば、共振子、超音波振動子、超音波モータ、あるいは加速度センサ、ノッキングセンサ、およびAEセンサ等の圧電センサなどに好適に用いられる圧電磁器および圧電素子に関するものである。   The present invention relates to a piezoelectric ceramic and a piezoelectric element, and for example, a piezoelectric ceramic and a piezoelectric element that are suitably used for a resonator, an ultrasonic vibrator, an ultrasonic motor, or a piezoelectric sensor such as an acceleration sensor, a knocking sensor, and an AE sensor. It is about.

従来から、圧電磁器を利用した製品としては、例えば、フィルタ、圧電共振子、(以下、発振子を含む概念である)超音波振動子、超音波モータ、圧電センサ等がある。   Conventionally, products using a piezoelectric ceramic include, for example, a filter, a piezoelectric resonator, an ultrasonic vibrator (hereinafter referred to as a concept including an oscillator), an ultrasonic motor, a piezoelectric sensor, and the like.

近年、自動車のエンジンやサスペンションといった部分に圧電素子が組み込まれ、正圧電効果を利用して、圧電素子に加えられた圧力をセンシングしてエンジンの燃焼制御や車体の姿勢制御に用いられている。特に、エンジン制御に用いられる圧電素子としては、排気ガスのクリーン化と燃費向上の目的で普及しているリーンバーン方式のエンジンの中で、アンチノックセンサがある。また、圧電素子は、次世代エンジンとして検討されている燃焼プラグを用いないHCCI(Homogenous Charge Compression Ignition)方式のエンジンの中で、希薄ガスの安定した燃焼を目的として燃焼圧の測定に使用が検討されている。   In recent years, piezoelectric elements are incorporated in parts such as automobile engines and suspensions, and the pressure applied to the piezoelectric elements is sensed using the positive piezoelectric effect and used for engine combustion control and vehicle body attitude control. In particular, as a piezoelectric element used for engine control, there is an anti-knock sensor among lean burn type engines that are widely used for the purpose of cleaning exhaust gas and improving fuel consumption. Piezoelectric elements are also being used to measure combustion pressure for the purpose of stable combustion of lean gases among HCCI (Homogenous Charge Compression Ignition) engines that do not use combustion plugs, which are being considered as next-generation engines. Has been.

これら、圧電素子はエンジンルーム内に搭載されるため、耐熱性の高い素子材料が必要となる。さらに、燃費を向上させるためには、エンジンシリンダ内の圧力を精密に測定して、きめ細かなリーンバーン制御をする必要があるため、センサの圧力・温度変化に対する出力信号特性(発生電荷の圧力特性および温度特性)の変化の少ない素子材料が必要とされる。   Since these piezoelectric elements are mounted in an engine room, element materials having high heat resistance are required. Furthermore, in order to improve fuel efficiency, it is necessary to precisely measure the pressure in the engine cylinder and perform fine lean burn control, so output signal characteristics (pressure characteristics of generated charge) with respect to sensor pressure and temperature changes. Further, an element material having a small change in temperature characteristics) is required.

従来、共振子や圧力センサ素子には、圧電性が高く、例えば大きなP/Vや圧力に対する大きな発生電荷が得られるPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)系材料やPT(チタン酸鉛)系材料が使用されていた。しかしながら、PZT系材料やPT系材料は、鉛が自重の約60質量%の割合で含有されているため、酸性雨により鉛の溶出が起こり、環境汚染を招く危険性が指摘されている。そこで、鉛を含有しない圧電材料への高い期待が寄せられている。   Conventionally, a resonator or a pressure sensor element has high piezoelectricity, for example, a PZT (lead zirconate titanate) -based material or a PT (lead titanate) -based material capable of obtaining a large generated charge with respect to a large P / V or pressure. It was used. However, since PZT-based materials and PT-based materials contain lead in a proportion of about 60% by mass of their own weight, it has been pointed out that lead may be eluted by acid rain, resulting in environmental pollution. Therefore, high expectations are placed on piezoelectric materials that do not contain lead.

また、PZT系材料やPT系材料は、キュリー温度Tcが約200〜300℃であることから、200℃程度の高温下で使用すると圧電d定数が劣化する点、室温の圧電d定数に対して200℃の圧電d定数が大きく変化する点などから、用途に大きな制限があった。例えば、圧力センサとして用いた場合、経時変化で圧電d定数が劣化すると、同じ圧力でも出力電圧が変わり、また、室温の圧電d定数に対する200℃の圧電d定数の変化が大きいと、圧力と出力電圧との関係が線形でないので、出力電圧から正確な圧力を算出することが困難になる。   In addition, since PZT materials and PT materials have a Curie temperature Tc of about 200 to 300 ° C., the piezoelectric d constant deteriorates when used at a high temperature of about 200 ° C. Due to the fact that the piezoelectric d constant at 200.degree. For example, when used as a pressure sensor, if the piezoelectric d constant deteriorates with time, the output voltage changes even at the same pressure, and if the change in the piezoelectric d constant at 200 ° C. relative to the piezoelectric d constant at room temperature is large, the pressure and output Since the relationship with the voltage is not linear, it is difficult to calculate an accurate pressure from the output voltage.

そこで、鉛を含有しない圧電磁器組成物として、ビスマス層状化合物を主体とする材料が提案されている(例えば特許文献1を参照。)。   Therefore, a material mainly composed of a bismuth layered compound has been proposed as a piezoelectric ceramic composition containing no lead (see, for example, Patent Document 1).

ビスマス層状化合物を主体とする材料では、キュリー温度が400℃以上のものが多く、そのようなものは、高い耐熱性を有しておりエンジンルーム内といった高い温度にさらされる環境下で使用するセンサ素子として応用できる可能性がある。
特開2002−167276
Many materials mainly composed of bismuth layered compounds have a Curie temperature of 400 ° C or higher, and such materials have high heat resistance and are used in environments exposed to high temperatures such as in an engine room. There is a possibility of application as an element.
JP2002-167276

しかしながら、従来の鉛を含有しないビスマス層状化合物を主体とする圧電磁器では、圧電磁器の靱性が低く、製造工程などで、圧電磁器が他の圧電磁器や設備に接触して、圧電磁器のエッジが欠けたり、厚さ100μm以下の薄い圧電磁器では割れたりするという問題があった。   However, conventional piezoelectric ceramics mainly composed of lead-free bismuth layered compounds have low toughness of piezoelectric ceramics, and in the manufacturing process, etc., the piezoelectric ceramic contacts other piezoelectric ceramics and equipment, and the edge of the piezoelectric ceramic is There was a problem of chipping or cracking in a thin piezoelectric ceramic having a thickness of 100 μm or less.

また、圧電磁器を圧力センサ素子として用いる場合、圧電磁器には圧力が印加されるため、相対密度が低いと機械的信頼性が劣るという問題があった。さらに、圧電磁器を共振子として用いる場合、例えばダイシングカットなどの素子加工を行った際、相対密度が低いと圧電磁器の加工面やエッジにチッピングが発生してリップルの発生原因となるという問題があった。   Further, when a piezoelectric ceramic is used as a pressure sensor element, since pressure is applied to the piezoelectric ceramic, there is a problem that mechanical reliability is inferior when the relative density is low. Furthermore, when a piezoelectric ceramic is used as a resonator, for example, when element processing such as dicing cut is performed, if the relative density is low, chipping occurs on the processed surface or edge of the piezoelectric ceramic, causing ripples. there were.

したがって、本発明は、加工により破壊が起こり難くいビスマス層状化合物からなる圧電磁器および圧電素子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 and a piezoelectric element made of a bismuth layered compound that hardly breaks down by processing.

本発明の圧電磁器は、 O(Mはアルカリ金属元素)Bi 、MnO およびTiO もしくはそれら酸化物となる塩をそれぞれ含む原料を焼成してなる主成分がビスマス層状化合物からなる圧電磁器であって、前記原料のM、BiおよびTiのモル比率が、化学式BiTi12・x[(Bi1/21/21−yBiTiOにおける1.2≦x≦1.9、0≦y≦0.3の範囲であり、前記原料のMnの質量比率が、前記化学式で表される量100質量部に対して、MnをMnO換算で0.05〜2.0質量部含有することを特徴とする。
The piezoelectric ceramic of the present invention is composed of a bismuth layered compound whose main component is formed by firing raw materials each containing M 2 O (M is an alkali metal element) Bi 2 O 3 , MnO 2 and TiO 2 or a salt thereof. a piezoelectric ceramic comprising, 1 in M of the raw material, the molar ratio of Bi and Ti, the chemical formula Bi 4 Ti 3 O 12 · x [(Bi 1/2 M 1/2) 1-y Bi y TiO 3] 0.2 ≦ x ≦ 1.9 and 0 ≦ y ≦ 0.3 , and the mass ratio of Mn of the raw material is 100 parts by mass expressed by the chemical formula, and Mn is converted to MnO 2 . It contains 0.05 to 2.0 parts by mass.

また、前記圧電磁器は、0.05≦y≦0.2であることが好ましい。   Moreover, it is preferable that the said piezoelectric ceramic is 0.05 <= y <= 0.2.

本発明の圧電素子は、前記圧電磁器からなる基体の対向する一対の表面に電極を備えることを特徴とする。   The piezoelectric element of the present invention is characterized in that electrodes are provided on a pair of opposing surfaces of a base body made of the piezoelectric ceramic.

本発明の圧電磁器によれば、 O(Mはアルカリ金属元素)Bi 、MnO およびTiO もしくはそれら酸化物となる塩をそれぞれ含む原料を焼成してなる主成分がビスマス層状化合物からなる圧電磁器であって、前記原料のM、BiおよびTiのモル比率が、化学式BiTi12・x[(Bi1/21/21−yBiTiOにおける1.2≦x≦1.9、0≦y≦0.3の範囲であり、前記原料のMnの質量比率が、前記化学式で表される量100質量部に対して、MnをMnO換算で0.05〜2.0質量部含有することにより、圧電磁器の相対密度が高くなり、破壊靱性値が高くできる。 According to the piezoelectric ceramic of the present invention, M 2 O (M is an alkali metal element) Bi 2 O 3 , MnO 2 and TiO 2, or a main component formed by firing a raw material each containing a salt thereof, is bismuth layered A piezoelectric ceramic made of a compound, wherein the molar ratio of M, Bi and Ti of the raw material is expressed by the chemical formula Bi 4 Ti 3 O 12 · x [(Bi 1/2 M 1/2 ) 1-y Bi y TiO 3 ]. in the range of 1.2 ≦ x ≦ 1.9,0 ≦ y ≦ 0.3, the mass ratio of Mn of the feedstock relative to the amount 100 mass parts expressed by the formula, MnO 2 and Mn By containing 0.05 to 2.0 parts by mass in terms of conversion, the relative density of the piezoelectric ceramic is increased, and the fracture toughness value can be increased.

ビスマス層状化合物のAサイト元素の2価イオンの代わりに、平均して2価になるビスマスとアルカリ金属元素を置換することにより、難焼結性のビスマス層状化合物の焼結性が改善され緻密化が促進する。また、1.2≦x≦1.9とすることによりさらに焼結性が向上し緻密化が促進する。そのため、磁器の破壊靱性が向上する。   By substituting bismuth and alkali metal elements that are divalent on average instead of divalent ions of the A-site element of the bismuth layered compound, the sinterability of the hardly sinterable bismuth layered compound is improved and densified. Promotes. Further, by satisfying 1.2 ≦ x ≦ 1.9, the sinterability is further improved and the densification is promoted. Therefore, the fracture toughness of the porcelain is improved.

また、前記圧電磁器は、0.05≦y≦0.2である場合、圧電d33定数が高くできるため好ましい。 The piezoelectric ceramic is preferably 0.05 ≦ y ≦ 0.2 because the piezoelectric d 33 constant can be increased.

本発明の圧電素子によれば、前記圧電磁器からなる基体の対向する一対の表面に電極を備えることを特徴とするにより、工程中で、圧電素子に欠けや割れなどが生じにくく、それらに起因する不良が少なくなり、安価な圧電素子ができる。   According to the piezoelectric element of the present invention, the piezoelectric element is provided with electrodes on a pair of opposing surfaces of the base made of the piezoelectric ceramic, so that the piezoelectric element is less likely to be chipped or cracked during the process. Therefore, an inexpensive piezoelectric element can be obtained.

本発明の圧電磁器は、主成分がビスマス層状化合物からなる圧電磁器であって、組成式がBiTi12・x[(Bi1/21/21−yBiTiO]で表され、Mがアルカリ金属元素であり、1.2≦x≦1.9、0≦y≦0.3である成分100質量部に対して、MnをMnO換算で0.05〜2.0質量部含有することが重要である。 The piezoelectric ceramic according to the present invention is a piezoelectric ceramic mainly composed of a bismuth layered compound, and the composition formula is Bi 4 Ti 3 O 12 × [(Bi 1/2 M 1/2 ) 1-y Bi y TiO 3. M is an alkali metal element, and Mn is converted to MnO 2 in terms of MnO 2 with respect to 100 parts by mass of 1.2 ≦ x ≦ 1.9 and 0 ≦ y ≦ 0.3. It is important to contain 2.0 parts by mass.

ビスマス層状化合物は、主にxが整数の値のものについて研究が進んでいる。そして、xが整数の場合は、xの値が大きいとビスマス層状化合物の結晶構造内の擬ペロブスカイト層の層数が多くなるため、圧電特性は大きくなると考えられる。しかし、層数の増加にともない焼結し難くなる傾向が見られた。焼成温度を上げると、ビスマスの蒸発や焼成治具との反応による圧電磁器の組成変動により圧電特性が変動する可能性ある上、焼成温度を上げても圧電磁器の研磨工程や、薄層の圧電磁器作製の歩留まりの改善は十分に図れるものではなかった。   As for the bismuth layered compound, researches are mainly made for those in which x is an integer. When x is an integer, it is considered that when the value of x is large, the number of quasi-perovskite layers in the crystal structure of the bismuth layered compound increases, so that the piezoelectric characteristics increase. However, there was a tendency that sintering became difficult as the number of layers increased. Increasing the firing temperature may change the piezoelectric characteristics due to the composition of the piezoelectric ceramic due to the evaporation of bismuth and reaction with the firing jig. The yield of porcelain production has not been improved sufficiently.

そこで、ビスマス層状化合物のAサイト元素の2価イオンの代わりに、平均して2価になるビスマスとアルカリ金属元素を置換することにより、難焼結性のビスマス層状化合物の焼結性が改善され緻密化が促進する。これは、アルカリ金属元素が焼成中に拡散しやすいため、焼結性が高くなるためと考えられる。また、1.2≦x≦1.9とすることによりさらに焼結性が向上し緻密化が促進され、そのため、圧電磁器の加工時に破壊され難くなる。   Therefore, the sinterability of the hardly sinterable bismuth layered compound is improved by substituting bismuth and alkali metal elements that are divalent on average instead of the divalent ion of the A site element of the bismuth layered compound. Densification is promoted. This is presumably because the alkali metal element easily diffuses during firing, and thus the sinterability increases. Further, by setting 1.2 ≦ x ≦ 1.9, the sinterability is further improved and the densification is promoted, and therefore, it is difficult to be destroyed during the processing of the piezoelectric ceramic.

係数yは、0.05≦y≦0.2である場合、圧電磁器の圧電d33定数を高くできるため好ましい。 The coefficient y is preferably 0.05 ≦ y ≦ 0.2 because the piezoelectric d 33 constant of the piezoelectric ceramic can be increased.

さらに、上述の成分100質量部に対して、Mnの含有量がMnO換算で0.05質量部以上であることにより、板状結晶である本材料系でも焼結しやすくなり、緻密な磁器が得られる。Mnの含有量がMnO換算で0.05質量部より少ないと相対密度が低くなり極端に磁器強度が低くなってしまう。また、Mnの含有量がMnO換算で2.05質量部より多いとIRが低くなり、分極できなくなってしまう。 Furthermore, when the content of Mn is 0.05 parts by mass or more in terms of MnO 2 with respect to 100 parts by mass of the above-described component, it is easy to sinter even in this material system that is a plate-like crystal, and the fine porcelain Is obtained. If the Mn content is less than 0.05 parts by mass in terms of MnO 2 , the relative density is lowered and the porcelain strength is extremely lowered. On the other hand, when the content of Mn is more than 2.05 parts by mass in terms of MnO 2 , IR becomes low and polarization becomes impossible.

本発明の圧電磁器の主成分は、組成式としてBiTi12・x[(Bi1/21/21−yBiTiO]で表されるが、主結晶相としてはビスマス層状化合物からなるものである。すなわち、本発明の圧電磁器は、(Bi2+(αm−1β3m+12−で書き表されるビスマス層状化合物の一般式において、αサイトとβサイトおよび酸素サイトに欠陥をともないながらm=4とm=5の構造が混在し、Mnが一部固溶したビスマス層状化合物になっていると考えられる。Mnが添加された磁器では、Mnは主結晶相中に固溶しているが、一部Mn化合物の結晶として粒界に析出する場合がある。また、その他の結晶相として、パイロクロア相、ペロブスカイト相、構造の異なるビスマス層状化合物が存在することもあるが、微量であれば特性上問題ない。 The main component of the piezoelectric ceramic of the present invention is represented by Bi 4 Ti 3 O 12 · x a composition formula [(Bi 1/2 M 1/2) 1 -y Bi y TiO 3], as the predominant crystal phase Is made of a bismuth layered compound. That is, the piezoelectric ceramic of the present invention, in the (Bi 2 O 2) 2+ ( α m-1 β m O 3m + 1) General formula bismuth layer compound Kakiarawasa with 2, the alpha sites and beta sites and oxygen Site It is considered that the structure is a bismuth layered compound in which m = 4 and m = 5 are mixed with some defects, and Mn is partly dissolved. In the porcelain to which Mn is added, Mn is solid-solved in the main crystal phase, but may partially precipitate at the grain boundary as a crystal of the Mn compound. As other crystal phases, there may be a pyrochlore phase, a perovskite phase, and a bismuth layered compound having a different structure.

本発明の圧電磁器は、粉砕時のZrOボールからZr等が混入する場合もあるが、微量であれば特性上問題ない。 In the piezoelectric ceramic according to the present invention, Zr or the like may be mixed from the ZrO 2 ball at the time of pulverization.

本発明で、ビスマス層状化合物からなる圧電磁器とは、断面をSEM(Scanning Electron Microscopy:走査型電子顕微鏡)で2000倍で観察し、ビスマス層状化合物である結晶粒子を同定し、ビスマス層状化合物である結晶粒子が90面積%以上を占めるもののことである。   In the present invention, a piezoelectric ceramic made of a bismuth layered compound is a bismuth layered compound by observing a cross section at 2000 times with a scanning electron microscope (SEM) to identify crystal particles that are a bismuth layered compound. The crystal grains occupy 90 area% or more.

本発明の組成を有する圧電磁器は、例えば、原料として、LiCO、NaCO、KCO、Bi、MnO、TiOからなる各種酸化物あるいはその塩を用いることができる。原料はこれに限定されず、焼成により酸化物を生成する炭酸塩、硝酸塩等の金属塩を用いても良い。 The piezoelectric ceramic having the composition of the present invention uses, for example, various oxides or salts thereof made of Li 2 CO 3 , Na 2 CO 3 , K 2 CO 3 , Bi 2 O 3 , MnO 2 , and TiO 2 as raw materials. be able to. A raw material is not limited to this, You may use metal salts, such as carbonate and nitrate which produce | generate an oxide by baking.

これらの原料を上記した組成となるように秤量し、混合後の平均粒度分布(D50)が0.3〜1μmの範囲になるように粉砕し、この混合物を850〜1000℃で仮焼し、仮焼後の平均粒度分布(D50)が0.3〜1μmの範囲になるように粉砕し、再度所定の有機バインダを加え湿式混合し造粒する。 These raw materials are weighed so as to have the above-described composition, pulverized so that the average particle size distribution (D 50 ) after mixing is in the range of 0.3 to 1 μm, and this mixture is calcined at 850 to 1000 ° C. Then, pulverization is performed so that the average particle size distribution (D 50 ) after calcination is in the range of 0.3 to 1 μm, and a predetermined organic binder is added again, followed by wet mixing and granulation.

このようにして得られた粉体を、公知のプレス成形等により所定形状に成形し、大気中等の酸化性雰囲気において1000〜1250℃の温度範囲で2〜5時間焼成し、本発明の組成を有する圧電磁器が得られる。   The powder thus obtained is molded into a predetermined shape by a known press molding or the like, and calcined at a temperature range of 1000 to 1250 ° C. for 2 to 5 hours in an oxidizing atmosphere such as the atmosphere to obtain the composition of the present invention. The piezoelectric ceramic which has is obtained.

図1(a)に本発明の圧電素子である圧電センサ素子を示す。この圧電センサは、上記した組成の圧電磁器からなる圧電基体1の対向する一対の主面に、それぞれに電極2、3を形成して構成されている。また、分極は主面と垂直な方向に施してある。このような圧力センサでは、主面間に加わっている圧力により、各主面に電荷が生じ、主面間に加わっている圧力を測定することができる。そして、圧電基体1が上述の組成のものであるので、機械的な応力によって破壊されにくい圧電センサ素子となる。   FIG. 1A shows a piezoelectric sensor element which is a piezoelectric element of the present invention. This piezoelectric sensor is configured by forming electrodes 2 and 3 on a pair of opposing main surfaces of a piezoelectric substrate 1 made of a piezoelectric ceramic having the above-described composition. Polarization is performed in a direction perpendicular to the main surface. In such a pressure sensor, an electric charge is generated on each main surface due to the pressure applied between the main surfaces, and the pressure applied between the main surfaces can be measured. And since the piezoelectric substrate 1 is of the above-mentioned composition, it becomes a piezoelectric sensor element that is not easily destroyed by mechanical stress.

なお、圧電センサ素子としては200℃の高温下においても安定した測定が可能な圧力センサを得るために、ランガサイトや水晶などの単結晶を用いる検討もなされている。そして、これら単結晶の場合、圧電d定数が小さく、また、加工時にチッピングが生じやすく、割れやすいという問題があり、さらに、単結晶の製造コストが極めて高いという問題があるが、本発明の圧電磁器では、そのような加工性の問題もなく、安価に製造可能である。   In order to obtain a pressure sensor capable of stable measurement even at a high temperature of 200 ° C. as a piezoelectric sensor element, studies using single crystals such as langasite and quartz have been made. In the case of these single crystals, there is a problem that the piezoelectric d constant is small, chipping is likely to occur during processing, and the single crystal is easily cracked. Further, the manufacturing cost of the single crystal is extremely high. Porcelain can be manufactured inexpensively without such workability problems.

図1(b)に本発明の圧電素子である圧電共振子(圧電発振子)を示す。この圧電共振子は、上記した組成の圧電磁器からなる圧電基体21の対向する一対の主面に、それぞれ電極22、23を形成して構成されている。このような圧電共振子では、上述のような組成の圧電磁器とすることで、加工によるチッピングを大きく抑えられ、さらには、成型金型により所望の形状になるように成型体を作製・焼成することで圧電素子を得ることができ、チッピング(共振子用磁器エッジの欠け)により共振周波数と反共振周波数の間にスプリアス振動にともなう移相歪みが発生することがなく、移相の条件を満足しないことから不発振とはならず、安定した振幅の発振を得ることができる。   FIG. 1B shows a piezoelectric resonator (piezoelectric oscillator) which is a piezoelectric element of the present invention. This piezoelectric resonator is configured by forming electrodes 22 and 23 on a pair of opposing main surfaces of a piezoelectric substrate 21 made of a piezoelectric ceramic having the above composition, respectively. In such a piezoelectric resonator, by using a piezoelectric ceramic having the above-described composition, chipping due to processing can be greatly suppressed, and further, a molded body is produced and fired to a desired shape by a molding die. Therefore, the piezoelectric element can be obtained, and phase shift distortion due to spurious vibration does not occur between the resonance frequency and anti-resonance frequency due to chipping (missing of the ceramic edge for the resonator), and the phase shift condition is satisfied. Therefore, oscillation does not occur and stable oscillation can be obtained.

まず、出発原料として純度99.9%のLiCO粉末、NaCO粉末、KCO粉末、Bi粉末、TiO粉末を、モル比による組成式をBiTi12・x[(Bi1/21/21−yBiTiO]と表したとき、M、x、yが表1に示す成分および量の主成分と、この主成分100質量部に対して、MnO粉末を表1に示す質量部となるように秤量混合した。 First, as a starting material, Li 2 CO 3 powder, Na 2 CO 3 powder, K 2 CO 3 powder, Bi 2 O 3 powder, and TiO 2 powder having a purity of 99.9% are represented by a molar composition of Bi 4 Ti 3. When O 12 · x [(Bi 1/2 M 1/2 ) 1-y Bi y TiO 3 ], M, x, and y are main components having the components and amounts shown in Table 1, and this main component 100 The MnO 2 powder was weighed and mixed so as to be the mass part shown in Table 1 with respect to the mass part.

秤量した原料粉末を、純度99.9%のZrOボール、イオン交換水と共に500mlポリポットに投入し、16時間回転ミルで混合した。 The weighed raw material powder was put into a 500 ml polypot together with ZrO 2 balls having a purity of 99.9% and ion-exchanged water, and mixed in a rotary mill for 16 hours.

混合後のスラリ−を大気中で乾燥し、#40メッシュを通し、その後、大気中950℃、3時間保持して仮焼し、この合成粉末を純度99.9%のZrOボールとイオン交換水と共に500mlポリポットに投入し、20時間粉砕して評価粉末を得た。 The mixed slurry is dried in the air, passed through a # 40 mesh, and then calcined at 950 ° C. for 3 hours in the air, and this synthetic powder is ion-exchanged with a ZrO 2 ball having a purity of 99.9%. It put into a 500 ml polypot with water, and it grind | pulverized for 20 hours, and obtained evaluation powder.

この粉末に適量の有機バインダを添加して造粒し、金型プレスで150MPaの圧力で成形し、大気中において1050℃〜1250℃で3時間本焼成し、直径6mm、厚み2.5mmの円柱状の圧電定数測定用圧電磁器と、長さ25mm、幅38mm、厚み0.5mmの板状のラップ加工評価用圧電磁器を得た。   An appropriate amount of an organic binder is added to this powder, granulated, molded with a mold press at a pressure of 150 MPa, and finally fired in the air at 1050 ° C. to 1250 ° C. for 3 hours. A circle having a diameter of 6 mm and a thickness of 2.5 mm A columnar piezoelectric constant measuring piezoelectric ceramic and a plate-shaped piezoelectric ceramic for evaluation of lapping processing having a length of 25 mm, a width of 38 mm, and a thickness of 0.5 mm were obtained.

同様にして、試料No.20および21として、組成式BiTi12・x[SrTiO]で表される原料で圧電磁器を作製し。 Similarly, sample No. As 20 and 21, a piezoelectric ceramic was produced with a raw material represented by the composition formula Bi 4 Ti 3 O 12 · x [SrTiO 3 ].

表1に記載されている最低焼成温度とは、好適な磁器の得られる最低温度という意味であり、1050℃〜1250℃の焼成温度の範囲の中で最も相対磁器密度の高くなる焼成温度で焼成した圧電磁器と同等の相対密度の圧電磁器が得られる焼成温度の中で最も低い温度である。   The minimum firing temperature described in Table 1 means the minimum temperature at which a suitable porcelain can be obtained, and firing is performed at a firing temperature with the highest relative porcelain density in the range of firing temperatures from 1050 ° C to 1250 ° C. This is the lowest temperature among the firing temperatures at which a piezoelectric ceramic having a relative density equivalent to that of the produced piezoelectric ceramic is obtained.

圧電定数測定用圧電磁器は、厚み2mmに研磨した後、両主面(円柱の上下面)にAg電極を形成して、200℃で分極処理を行い、圧電定数測定用圧電素子を得た。得られた圧電定数測定用素子はd33メーターで圧電d33定数を測定し、IRをJIS−C2141に準拠して評価した。また、IRをJIS−C2141に準拠して評価した。 After the piezoelectric constant measuring piezoelectric ceramic was polished to a thickness of 2 mm, Ag electrodes were formed on both main surfaces (the upper and lower surfaces of the cylinder), and polarization treatment was performed at 200 ° C. to obtain a piezoelectric constant measuring piezoelectric element. The obtained piezoelectric constant measuring element measured the piezoelectric d 33 constant with a d 33 meter, and evaluated IR according to JIS-C2141. Moreover, IR was evaluated based on JIS-C2141.

さらに、磁器相対密度は、JIS−R2205に準拠して測定した嵩密度を真密度で除して算出した。真密度は、磁器中の気孔が除いた状態の密度を測定するため、乳鉢を用いて圧電磁器を平均粒径3μm程度まで粉砕し、ピクノメータ法を用いて測定した結果を真密度とした。   Furthermore, the porcelain relative density was calculated by dividing the bulk density measured according to JIS-R2205 by the true density. The true density was determined by measuring the density of the porcelain without pores in the porcelain, using a mortar to pulverize the piezoelectric ceramic to an average particle size of about 3 μm, and measuring the result using the pycnometer method.

ラップ加工評価用圧電磁器は2000番で厚みが0.1mmになるまでラップ加工を行なった。100個ラップ加工を行い、割れ、欠けの無いものを良品として歩留まりを算出した。以上の結果を表1示す。

Figure 0005219421
The piezoelectric ceramic for lapping evaluation was No. 2000 and lapping was performed until the thickness became 0.1 mm. A lapping process was performed for 100 pieces, and the yield was calculated assuming that there were no cracks or chips as good products. The results are shown in Table 1.
Figure 0005219421

表1から明らかなように、本発明の範囲内の試料No.6〜13、17、19、22〜27、30、31および33〜37は1180℃で焼成可能で、ラップ加工の歩留まりが90%以上と歩留まりが高かった。また、d33定数も20pC/N以上と高くなった。 As is apparent from Table 1, sample nos. 6-13, 17, 19, 22-27, 30, 31 and 33-37 could be fired at 1180 ° C., and the yield of lapping was as high as 90% or higher. Also, as high as d 33 constant is 20 pC / N or more.

特に、本発明の範囲内の試料No.22〜26は、0.05≦y≦0.2であることによりd33定数が26pC/N以上と高くなった。 In particular, sample nos. 22-26, d 33 constant is as high as 26PC / N or more by a 0.05 ≦ y ≦ 0.2.

これに対して、xの値が本発明の範囲外の試料No.1〜5、14〜16、18および20は相対密度が99%と高くなっているにもかかわらず、ラップ加工の歩留まりが90%未満と歩留まりが低かった。   On the other hand, the sample No. x is outside the range of the present invention. 1 to 5, 14 to 16, 18 and 20, although the relative density was as high as 99%, the yield of lapping was less than 90% and the yield was low.

また、y>0.3である本発明の範囲外の試料No.28および29は、d33定数も20pC/Nより低くなった。 Also, outside of the sample No.28 and 29 of the present invention which is a y> 0.3, became constant d 33 is low than 20 pC / N.

また、組成式BiTi12・x[SrTiO]で表される本発明の範囲外のNo.21の試料は、2価イオンの(Bi1/21/2)への置換がされていないため、1250℃の焼成温度でも相対密度96%までしか焼結せず、ラップ加工の歩留まりも低かった。 In addition, No. 1 outside the scope of the present invention represented by the composition formula Bi 4 Ti 3 O 12 × x [SrTiO 3 ]. Since the sample of 21 was not substituted with divalent ions (Bi 1/2 M 1/2 ), it sintered only at a relative density of 96% even at a firing temperature of 1250 ° C., and the yield of lapping was also high. It was low.

また、MnOを添加していない本発明の範囲外の試料No.32では磁器相対密度が89%と十分に緻密化していなかった。MnO添加量が2.5質量部の試料No.38は分極処理を行なったが、分極できなかった。 In addition, the sample No. outside the scope of the present invention to which no MnO 2 was added. In 32, the porcelain relative density was not sufficiently densified as 89%. Sample No. 2 containing 2.5 parts by mass of MnO 2 was added. No. 38 was polarized, but could not be polarized.

X線回折で分析したところ、試料No.4はm=4のビスマス層状化合物、No.14はm=5のビスマス層状化合物が主結晶相として認められた。ビスマス層状化合物はペロブスカイト構造が積み重なった中にBiが挿入された結晶構造をもつ。Bi層にはさまれたペロブスカイト構造のユニットの数がm数である。このことから、ペロブスカイト化合物はm=4からなるビスマス層状化合物に取りこまれて、m=5の結晶を有するようになったものと考えることがでる。本発明試料は、X線回折で上記2つ構造の間の構造を示し、本発明の圧電磁器はm=5の構造とm=4の構造が混在していると考えられる。そして、それら構造にMnが一部固溶したビスマス層状化合物になっているものと考えられる。また、各試料の断面を観察し、ビスマス層状化合物が90面積%以上を占めていた。 As a result of analysis by X-ray diffraction, sample no. 4 is a bismuth layered compound of m = 4, No. 4 As for No. 14, the bismuth layered compound of m = 5 was recognized as a main crystal phase. The bismuth layered compound has a crystal structure in which Bi 2 O 2 is inserted in a stack of perovskite structures. The number of units having a perovskite structure sandwiched between Bi 2 O 2 layers is m. From this, it can be considered that the perovskite compound is incorporated into a bismuth layered compound having m = 4 and has crystals of m = 5. The sample of the present invention shows a structure between the two structures by X-ray diffraction, and the piezoelectric ceramic of the present invention is considered to have a structure of m = 5 and a structure of m = 4. And it is thought that it is a bismuth layered compound in which Mn is partly dissolved in these structures. Moreover, the cross section of each sample was observed and the bismuth layered compound occupied 90 area% or more.

また、実施例で作製した試料を、蛍光X線分析装置で組成分析した。その結果、各試料の磁器の組成は、調合した原料組成と同じであった。   In addition, the composition of the sample prepared in the example was analyzed with a fluorescent X-ray analyzer. As a result, the composition of the porcelain of each sample was the same as the prepared raw material composition.

(a)は、本発明の圧電素子である圧力センサ素子の概略図であり、(b)は、本発明の圧電素子である8MHz用共振子の概略図である。(A) is the schematic of the pressure sensor element which is a piezoelectric element of this invention, (b) is the schematic of the resonator for 8 MHz which is a piezoelectric element of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1、21・・・圧電基体(圧電磁器)
2、3、22、23・・・電極
P・・・分極方向
1, 21 ... Piezoelectric substrate (piezoelectric ceramic)
2, 3, 22, 23 ... Electrode P ... Polarization direction

Claims (3)

O(Mはアルカリ金属元素)Bi 、MnO およびTiO もしくはそれら酸化物となる塩をそれぞれ含む原料を焼成してなる主成分がビスマス層状化合物からなる圧電磁器であって、前記原料のM、BiおよびTiのモル比率が、化学式BiTi12・x[(Bi1/21/21−yBiTiOにおける1.2≦x≦1.9、0≦y≦0.3の範囲であり、前記原料のMnの質量比率が、前記化学式で表される量100質量部に対して、MnをMnO換算で0.05〜2.0質量部であることを特徴とする圧電磁器。 A piezoelectric ceramic comprising a bismuth layered compound as a main component formed by firing raw materials each containing M 2 O (M is an alkali metal element) Bi 2 O 3 , MnO 2 and TiO 2 or a salt thereof . the raw material M, the molar ratio of Bi and Ti, the chemical formula Bi 4 Ti 3 O 12 · x [(Bi 1/2 M 1/2) 1-y Bi y TiO 3] in 1.2 ≦ x ≦ 1. 9, 0 ≦ y ≦ 0.3 , and the mass ratio of Mn of the raw material is 0.05 to 2.0 in terms of MnO 2 with respect to 100 parts by mass of the amount represented by the chemical formula. piezoelectric ceramic, characterized in parts by der Rukoto. 0.05≦y≦0.2であることを特徴とする請求項1記載の圧電磁器。   The piezoelectric ceramic according to claim 1, wherein 0.05 ≦ y ≦ 0.2. 請求項1または2記載の圧電磁器からなる基体の対向する一対の表面に電極を備えることを特徴とする圧電素子。   3. A piezoelectric element comprising electrodes on a pair of opposing surfaces of a substrate comprising the piezoelectric ceramic according to claim 1 or 2.
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