JP5322401B2 - Piezoelectric ceramic and piezoelectric element - Google Patents
Piezoelectric ceramic and piezoelectric element Download PDFInfo
- Publication number
- JP5322401B2 JP5322401B2 JP2007129389A JP2007129389A JP5322401B2 JP 5322401 B2 JP5322401 B2 JP 5322401B2 JP 2007129389 A JP2007129389 A JP 2007129389A JP 2007129389 A JP2007129389 A JP 2007129389A JP 5322401 B2 JP5322401 B2 JP 5322401B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- piezoelectric
- piezoelectric ceramic
- layered compound
- bismuth layered
- ceramic
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 title claims description 90
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 claims description 45
- JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N bismuth atom Chemical compound [Bi] JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 45
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 45
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 23
- 229910052783 alkali metal Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 150000001340 alkali metals Chemical class 0.000 claims description 13
- 229910052784 alkaline earth metal Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 150000001342 alkaline earth metals Chemical class 0.000 claims description 10
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 238000010304 firing Methods 0.000 description 36
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 25
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 15
- 239000000463 material Substances 0.000 description 13
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 11
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 11
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 10
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 10
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 8
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 7
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 6
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 6
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 5
- 229910052573 porcelain Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 4
- 238000004453 electron probe microanalysis Methods 0.000 description 4
- 238000013507 mapping Methods 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 101100513612 Microdochium nivale MnCO gene Proteins 0.000 description 3
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 3
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 3
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 3
- 229910015902 Bi 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 2
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 238000007517 polishing process Methods 0.000 description 2
- 238000010298 pulverizing process Methods 0.000 description 2
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 2
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 2
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 2
- 229910002076 stabilized zirconia Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L Carbonate Chemical compound [O-]C([O-])=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229910052692 Dysprosium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052691 Erbium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052688 Gadolinium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002651 NO3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052779 Neodymium Inorganic materials 0.000 description 1
- NHNBFGGVMKEFGY-UHFFFAOYSA-N Nitrate Chemical compound [O-][N+]([O-])=O NHNBFGGVMKEFGY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052772 Samarium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 1
- 229910052769 Ytterbium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003916 acid precipitation Methods 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052788 barium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000001354 calcination Methods 0.000 description 1
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 1
- 230000002542 deteriorative effect Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 238000010828 elution Methods 0.000 description 1
- 238000003912 environmental pollution Methods 0.000 description 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 229910002077 partially stabilized zirconia Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 1
- 229910052596 spinel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011029 spinel Substances 0.000 description 1
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 1
- 229910052712 strontium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 1
- 239000012856 weighed raw material Substances 0.000 description 1
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Description
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PTやPZT系材料が使用されていた。しかしながら、PZT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, PT and PZT-based materials that have high piezoelectricity, such as large P / V and large charge generated with respect to pressure, have been used for resonators and pressure sensor elements. However, since PZT 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 elution occurs due to acid rain and causes environmental pollution. Therefore, high expectations are placed on piezoelectric materials that do not contain lead.
また、PZT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。 Further, since PZT and PT-based 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., and is 200 ° C. relative to the room temperature piezoelectric d constant. There is a great limitation on the use because of the large change in the piezoelectric d constant. 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。そして、ビスマス層状化合物の焼成バラツキを低減させるためMnを添加することが提案されている(例えば特許文献1。)。 Therefore, materials mainly composed of bismuth layered compounds have been proposed as piezoelectric ceramic compositions not containing lead. And it has been proposed to add Mn in order to reduce the firing variation of the bismuth layered compound (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。
しかしながら、特許文献1に記載の圧電磁器組成物を焼成した場合、焼成後の圧電磁器は、ビスマス層状化合物の主相の中にMnが固溶しているとともに、その主相の粒界部にMnが偏在する。この粒界部のMnの偏在している部分には結晶相を含んでおり、この結晶相は焼成中に圧電磁器と圧電磁器が置かれる焼成治具などの間にも析出し、一部が液相を生成するため、圧電磁器と焼成治具などの一部が溶着してしまうという問題があった。
However, when the piezoelectric ceramic composition described in
圧電磁器と圧電磁器が置かれる焼成治具などの溶着が激しいと、圧電磁器を焼成治具などから取り外すことが困難であったり、取り外した際に圧電磁器にクラックやカケが生じて不良となったりするため、圧電磁器の歩留まりが低くなっていた。また、焼成冶具などとの反応相の存在は圧電特性を低下させる要因となっていた。さらに、圧電特性に影響がない程度の反応で、圧電磁器のカケの程度が少ない場合や、圧電磁器の方に焼成治具の一部が固着している場合などは、研磨によりカケや固着物を除去する必要があり、コストがかかっていた。 If the piezoelectric ceramic and the firing jig where the piezoelectric ceramic is placed are severely welded, it will be difficult to remove the piezoelectric ceramic from the firing jig, etc., or cracks and chipping will occur in the piezoelectric ceramic when removed. As a result, the yield of piezoelectric ceramics was low. In addition, the presence of a reaction phase with a firing jig or the like has been a factor of deteriorating piezoelectric characteristics. Furthermore, if the piezoelectric ceramic has a small degree of chipping reaction or a part of the firing jig is stuck to the piezoelectric ceramic, the reaction will not affect the piezoelectric characteristics. Had to be removed and was costly.
したがって、本発明は、焼成時に圧電磁器と圧電磁器が置かれる焼成治具などとが溶着し難い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 in which a piezoelectric ceramic and a firing jig on which the piezoelectric ceramic is placed are hardly welded during firing.
本発明の圧電磁器は、組成式がBi4Ti3O12・x(A1−αREα)TiO3で表され、Aがアルカリ土類金属β(アルカリ金属1/2Bi1/2)1−βであり、REが希土類元素であり、1.4≦x≦1.7、0.05≦α≦0.3、0≦β≦1を満足する主成分100質量部と、MnをMnO2換算で0.05〜2.0質量部とを含有し、ビスマス層状化合物を主相とするとともに、前記主相間の粒界部におけるMnの濃度が、前記主相におけるMnの濃度以下であることを特徴とするものである。
In the piezoelectric ceramic of the present invention, the composition formula is represented by Bi 4 Ti 3 O 12 × x (A 1-α RE α ) TiO 3 , and A is an alkaline earth metal β (alkali metal 1/2 Bi 1/2 ). a 1-beta, RE is a rare earth element, and the main component of 100 parts by weight satisfying 1.4 ≦ x ≦ 1.7,0.05 ≦ α ≦ 0.3,0 ≦ β ≦ 1, the Mn contains a 0.05 to 2.0 parts by mass MnO 2 terms, a bismuth layer compound as well as the main phase, the concentration of Mn to definitive in the grain boundary portion between the main phase, the concentration of Mn in the main phase It is characterized by the following .
本発明の圧電素子は、前記圧電磁器圧電磁器の表面および内部のいずれかに一対の電極を互いに対向させて配置したことを特徴とするものである。 The piezoelectric element according to the present invention is characterized in that a pair of electrodes are arranged opposite to each other on the surface and inside of the piezoelectric ceramic.
本発明の圧電磁器は、組成式がBi 4 Ti 3 O 12 ・x(A 1−α RE α )TiO 3 で表され、Aがアルカリ土類金属 β (アルカリ金属 1/2 Bi 1/2 ) 1−β であり、REが希土類元素であり、1.4≦x≦1.7、0.05≦α≦0.3、0≦β≦1を満足する主成分100質量部と、MnをMnO 2 換算で0.05〜2.0質量部とを含有し、ビスマス層状化合物を主相とするとともに、前記主相の粒界部にMnが偏在していないことにより、圧電磁器の焼成工程などで圧電磁器が高温にさらされる際に、圧電磁器と圧電磁器が接触している焼成治具などとが溶着することを抑制でき、さらにキュリー温度が高くで、圧電定数の絶対値が大きい圧電磁器が得られる。
In the piezoelectric ceramic of the present invention , the composition formula is represented by Bi 4 Ti 3 O 12 × x (A 1-α RE α ) TiO 3 , and A is an alkaline earth metal β (alkali metal 1/2 Bi 1/2 ). a 1-beta, RE is a rare earth element, and the main component of 100 parts by weight satisfying 1.4 ≦ x ≦ 1.7,0.05 ≦ α ≦ 0.3,0 ≦ β ≦ 1, the Mn It contains a 0.05 to 2.0 parts by mass MnO 2 terms, a bismuth layer compound as well as the main phase, by Mn is not unevenly distributed in the grain boundary portion of the front Symbol main phase, sintering of the piezoelectric ceramic When the piezoelectric ceramic is exposed to high temperatures in processes, etc., it is possible to suppress the welding of the piezoelectric ceramic and the firing jig that is in contact with the piezoelectric ceramic , the Curie temperature is high, and the absolute value of the piezoelectric constant is large. A piezoelectric ceramic is obtained .
また、本発明の、圧電素子によれば、前記圧電磁器の表面および内部のいずれかに一対の電極を互いに対向させて配置したことにより、圧電磁器の焼成後の焼成治具などからの取り外しに起因する不良が少なくなり、安価な圧電素子ができる。 In addition, according to the piezoelectric element of the present invention, a pair of electrodes are arranged opposite to each other on the surface and inside of the piezoelectric ceramic, so that the piezoelectric ceramic can be removed from the firing jig after firing. The resulting defects are reduced, and an inexpensive piezoelectric element can be produced.
本発明の圧電磁器は、ビスマス層状化合物を主相とするとともに、Mnを含有する圧電磁器であって、前記主相の粒界部にMnが偏在していないことが重要である。これにより、圧電磁器の焼成工程などで圧電磁器が高温にさらされる際に、圧電磁器と圧電磁器が接触している焼成治具などとが溶着することを抑制できる。 The piezoelectric ceramic of the present invention is a piezoelectric ceramic having a bismuth layered compound as a main phase and containing Mn, and it is important that Mn is not unevenly distributed in the grain boundary portion of the main phase. Thereby, when a piezoelectric ceramic is exposed to high temperature by the firing process of a piezoelectric ceramic, etc., it can suppress that the firing ceramic etc. which the piezoelectric ceramic and the piezoelectric ceramic contact are welded.
なお、ここで、粒界部にMnが偏在していないとは、圧電磁器の断面を鏡面加工し、電子顕微鏡のEPMA(Electron Probe Micro-Analysis)で倍率5000倍のMn元素マッピングでMnが粒界部に偏在していないこと、つまり、ビスマス層状化合物の粒内と粒界部とを比較して、粒界部にMnが多くないことを表している。 Here, Mn is not unevenly distributed in the grain boundary part. The section of the piezoelectric ceramic is mirror-finished, and the Mn element is mapped by Mn element mapping at a magnification of 5000 times with an electron microscope EPMA (Electron Probe Micro-Analysis). The fact that it is not unevenly distributed in the boundary part, that is, comparing the inside of the grain of the bismuth layered compound with the grain boundary part, indicates that there is not much Mn in the grain boundary part.
さらに具体的には、粒界部にMnが偏在していないとは、EPMAでMn元素マッピングした部位をSEM(Scanning Electron Microscope)などで観察し、ビスマス層状化合物の粒子以外の部分のMnの濃度(カウント数)の平均が、ビスマス層状化合物の粒子内部のMnの濃度の平均と比較して高くない状態を示している。このような状態としては次のような状態がある。Mnの濃度ほぼ一様である。ビスマス層状化合物の粒子以外の部分のMnの濃度(カウント数)の平均が、ビスマス層状化合物の粒子内部のMnの濃度の平均と比較して低い。 More specifically, the fact that Mn is not unevenly distributed at the grain boundary means that the site where Mn element mapping is performed with EPMA is observed with an SEM (Scanning Electron Microscope) or the like, and the Mn concentration in the portion other than the particles of the bismuth layered compound The average of (count number) has shown the state which is not high compared with the average of the density | concentration of Mn inside the particle | grains of a bismuth layered compound. Such a state includes the following states. The concentration of Mn is almost uniform. The average of the Mn concentration (count number) in the portion other than the particles of the bismuth layered compound is lower than the average of the Mn concentration inside the particles of the bismuth layered compound.
また、逆に、粒界部にMnが偏在しているとは、ビスマス層状化合物の粒子以外の部分のMnの濃度(カウント数)の平均が、ビスマス層状化合物の粒子内部のMnの濃度の平均と比較して高い状態である。特に、ビスマス層状化合物の粒子以外の部分のMnの濃度(カウント数)の平均が、ビスマス層状化合物の粒子内部のMnの濃度の平均の1.5倍以上であったり、粒界の三重点がビスマス層状化合物の粒子内部のMnの濃度平均の2倍上のMnの濃度であったりする場合、粒界部へのMnの偏在が激しく、圧電磁器と焼成治具などとの溶着が激しくなる。また、このMnの濃度の高い部分はTEM(Transmission Electron Microscope)で観察を行なえば、電子線回折により結晶相があることが確認できる。 Conversely, Mn is unevenly distributed in the grain boundary part means that the average Mn concentration (count number) of the portion other than the particles of the bismuth layered compound is the average of the Mn concentration inside the particles of the bismuth layered compound. It is in a high state compared with. In particular, the average of the Mn concentration (count number) in the portion other than the particles of the bismuth layered compound is 1.5 times the average of the Mn concentration inside the particles of the bismuth layered compound, or the triple point of the grain boundary is When the Mn concentration is twice the average Mn concentration inside the particles of the bismuth layered compound, Mn is unevenly distributed in the grain boundary portion, and the piezoelectric ceramic and the firing jig are strongly welded. Moreover, if this high Mn density | concentration part is observed with TEM (Transmission Electron Microscope), it can confirm that there exists a crystal phase by electron beam diffraction.
ビスマス層状化合物は板状の結晶構造であり、一般的に焼結密度が高くなりにくいため、焼結助剤となる物質を添加して焼成することが行なわれている。そのような物質としてMnが挙げられる。また、ビスマス層状化合物原料の成形体を焼成する際の焼成治具の材質としては安定化ジルコニア(部分安定化ジルコニアも含む)、高純度アルミナ、スピネル、焼成するビスマス層状化合物と同組成もしくは近似の組成のビスマス層状化合物などのセラミックスが挙げられる。 A bismuth layered compound has a plate-like crystal structure, and generally has a low sintering density. Therefore, a material serving as a sintering aid is added and fired. An example of such a substance is Mn. The material of the firing jig when firing the compact of the bismuth layered compound raw material is stabilized zirconia (including partially stabilized zirconia), high-purity alumina, spinel, and the same or similar composition as the bismuth layered compound to be fired. Ceramics such as a bismuth layered compound having a composition may be mentioned.
そして、ビスマス層状化合物を主相とするとともに、Mnを含有する圧電磁器を上記した、セラミックスの焼成治具上に置いて焼成すると、圧電磁器が焼成治具と溶着してしまうことがあった。それらの圧電磁器と焼成冶具とが接触していた面を詳細に観察・分析を行なった結果、溶着しているのは、ビスマス層状化合物の主相ではなく、Mnを多く含む析出相であった。このMnを多く含む析出相と同様の相は、圧電磁器内部のビスマス層状化合物の主相間にもあり、Mnは、ビスマス層状化合物の焼結性を高めているが、焼成中にMnを含む液層を生成し、圧電磁器と焼成治具などを溶着させていた。粒界部のMnの偏在を抑制することで、圧電磁器と焼成治具などとの溶着を抑制できる。 Then, when the piezoelectric ceramic containing the bismuth layered compound as a main phase and firing the piezoelectric ceramic containing Mn on the ceramic firing jig described above, the piezoelectric ceramic may be welded to the firing jig. As a result of detailed observation and analysis of the surface where the piezoelectric ceramic and the firing jig were in contact, it was not the main phase of the bismuth layered compound but the precipitated phase containing a large amount of Mn. . A phase similar to the precipitated phase containing a large amount of Mn is also present between the main phases of the bismuth layered compound inside the piezoelectric ceramic, and Mn enhances the sinterability of the bismuth layered compound. A layer was generated and a piezoelectric ceramic and a firing jig were welded. By suppressing the uneven distribution of Mn in the grain boundary part, welding between the piezoelectric ceramic and the firing jig can be suppressed.
そして、圧電磁器と焼成治具などが溶着していると、焼成治具などから取り外す際に、割れ、カケ、クラックなどが生じることがあった。これらは、その程度が大きい場合、圧電磁器は不良となって歩留まりが低くなり、その程度が小さい場合、研磨などにより、カケやクラックの生じている部分を研磨などにより取り除く必要があった。また、溶着した付近の圧電磁器は、焼成治具などとの反応により磁器特性が変動していることもあり、この反応している部分を取り除く必要がある場合もあった。しかし、粒界部のMnの偏在を抑制することで、このような研磨加工などを行なわないで圧電磁器を使用することができる。 If the piezoelectric ceramic and the firing jig are welded, cracks, chips, cracks, and the like may occur when the piezoelectric ceramic is removed from the firing jig. When the degree is large, the piezoelectric ceramic becomes defective and the yield is low. When the degree is small, it is necessary to remove a portion where cracks or cracks are generated by polishing or the like. In addition, the piezoelectric ceramics in the vicinity of the weld may have their porcelain characteristics fluctuated due to a reaction with a firing jig or the like, and it may be necessary to remove this reacting portion. However, by suppressing the uneven distribution of Mn in the grain boundary part, the piezoelectric ceramic can be used without performing such a polishing process.
また、ビスマス層状化合物は比較的脆い材質であるため、研磨加工自体でもチッピングなどの破損が生じやすく、焼成後に研磨などの加工を行なわないで使用できることは圧電磁器を使用した圧電素子の信頼性が向上するため好ましい。特に、圧電素子に大きな圧力が加わる用途、例えば圧力センサなどに用いられる場合、研磨時に生じた微小なカケやクラックなどがないため、それらカケやクラックなどに起因する破損がなくなるため好ましい。 In addition, since the bismuth layered compound is a relatively brittle material, the polishing process itself is prone to damage such as chipping, and the fact that it can be used without performing a process such as polishing after firing has the reliability of a piezoelectric element using a piezoelectric ceramic. It is preferable because it improves. In particular, when used in applications where a large pressure is applied to the piezoelectric element, such as a pressure sensor, there is no minute chipping or cracks generated during polishing, and therefore breakage due to the chipping or cracking is eliminated.
本発明の圧電磁器は、組成式がBi4Ti3O12・x(A1−αREα)TiO3で表され、Aがアルカリ土類金属β(アルカリ金属1/2Bi1/2)1−β、(0≦β≦1)であり、REが希土類元素であり、x≧0.2、0.05≦α≦0.3を満足する主成分100質量部と、MnをMnO2換算で0.05〜2.0質量部とを含有することが好ましい。このような圧電磁器では、ビスマス層状化合物の主相の粒界部にMnが偏在しにくくなり、Mnを含む析出相が圧電磁器と焼成治具などを溶着させてしまうことを抑制できる。粒界部にMnが偏在しにくくなる理由の詳細は不明だが、ビスマス層状化合物中の+2価の元素が+3価の希土類元素で置換して作られた格子欠陥に、多彩な価数を取りえるMnが入り込みやすいため、ビスマス層状化合物の主相中へのMnの固溶が促進され、Mnが粒界部に残りにくくなるためではないかと考えられる。 In the piezoelectric ceramic of the present invention, the composition formula is represented by Bi 4 Ti 3 O 12 × x (A 1-α RE α ) TiO 3 , and A is an alkaline earth metal β (alkali metal 1/2 Bi 1/2 ). 1-β , (0 ≦ β ≦ 1), RE is a rare earth element, and 100 parts by mass of a main component satisfying x ≧ 0.2 and 0.05 ≦ α ≦ 0.3, and Mn as MnO 2 It is preferable to contain 0.05-2.0 mass parts in conversion. In such a piezoelectric ceramic, Mn is less likely to be unevenly distributed in the grain boundary portion of the main phase of the bismuth layered compound, and the precipitation phase containing Mn can be prevented from welding the piezoelectric ceramic and the firing jig. Details of the reason why Mn is less likely to be unevenly distributed at the grain boundary are unknown, but it can take various valences on lattice defects created by substituting + trivalent elements in bismuth layered compounds with + trivalent rare earth elements. Since Mn is easy to enter, it is considered that Mn solid solution in the main phase of the bismuth layered compound is promoted and Mn hardly remains in the grain boundary part.
ここで、x≧0.2であることにより、絶縁性の劣化する擬ペロブスカイト層の層数が3層の結晶構造から、4層以上の擬ペロブスカイト層が含まれる結晶構造となるため、圧電磁器の絶縁性が向上する。 Here, since x ≧ 0.2, the number of layers of the quasi-perovskite layer whose insulating properties deteriorate is changed from a crystal structure of three layers to a crystal structure including four or more quasi-perovskite layers. Improves insulation.
また、α≧0.05であることにより、ビスマス層状化合物中で希土類元素の置換量がMnを固溶するのに十分となるため、粒界部にMnが偏在しにくくなる。α<0.05では、ビスマス層状化合物中で希土類元素の置換量がMnを固溶させるのに十分でないため粒界部にMnが偏在してしまう。α≦0.3であることにより、圧電磁器となる。α>0.3では、圧電特性の非常に低くなり、単なる誘電体磁器となってしまう。 Moreover, since α ≧ 0.05, the substitution amount of the rare earth element in the bismuth layered compound is sufficient to dissolve Mn, so that Mn is less likely to be unevenly distributed in the grain boundary portion. When α <0.05, the substitution amount of the rare earth element in the bismuth layered compound is not sufficient for solid solution of Mn, so that Mn is unevenly distributed in the grain boundary part. When α ≦ 0.3, a piezoelectric ceramic is obtained. When α> 0.3, the piezoelectric characteristics are very low, and the dielectric ceramic becomes simple.
また、Mnの添加量が増えると圧電磁器の絶縁性が劣化することから、Mnの添加量は、MnO2換算で主成分のビスマス層状化合物100重量部に対して2重量部以下と考えられ、x≧0.1かつα≧0.05とすれば、その量のMnは、ビスマス層状化合物相の粒界部に析出せず、主にビスマス層状化合物に固溶する。 Further, since the insulation of the piezoelectric ceramic deteriorates as the amount of Mn added increases, the amount of Mn added is considered to be 2 parts by weight or less with respect to 100 parts by weight of the bismuth layered compound as the main component in terms of MnO 2 . If x ≧ 0.1 and α ≧ 0.05, the amount of Mn does not precipitate at the grain boundary portion of the bismuth layered compound phase, but mainly dissolves in the bismuth layered compound.
なお、Aとして用いられるは、アルカリ土類金属β(アルカリ金属1/2Bi1/2)1−β(0≦β≦1)あればよい。つまり、Aとしては、アルカリ金属のみ、(アルカリ金属1/2Bi1/2)、あるいは、これらを任意の割合で組み合わせたものでよい。アルカリ金属とBiとを同量にすることにより、これらは平均して2価のイオンのようにふるまう。そのため、Aとしてアルカリ土類金属と(アルカリ金属1/2Bi1/2)とを混合して用いる場合、その割合は任意でよい。 In addition, what is used as A should just be alkaline-earth metal ( beta) (alkali metal 1/2 Bi1 / 2 ) 1-beta (0 <= (beta) <= 1). That is, A may be only alkali metal, (alkali metal 1/2 Bi 1/2 ), or a combination of these at an arbitrary ratio. By using the same amount of alkali metal and Bi, they behave like divalent ions on average. Therefore, when an alkaline earth metal and (alkali metal 1/2 Bi 1/2 ) are mixed and used as A, the ratio may be arbitrary.
上述の組成式において、n+0.2≦x≦n+0.9(nは0以上の整数)を満足する主成分100質量部に対して、MnをMnO2換算で0.05〜2.0質量部含有することにより、圧電定数の絶対値が大きい圧電磁器が得られる。これは、xを前述の範囲としたことにより、ビスマス層状化合物では、ビスマス層状化合物中の擬ペロブスカイト層の層数が奇数の際には、擬ペロブスカイト層の結晶格子のc軸方向に分極軸が発生する。擬ペロブスカイト層の層数が整数でない組成の場合に、分極量が増加し、x=n+0.5の組成の近傍において、特に分極量が増加する。よって、xを前述の範囲であることにより、ビスマス層状化合物の擬ペロブスカイト層を分極量が大きい状態にすることができる。 In the above composition formula, Mn is 0.05 to 2.0 parts by mass in terms of MnO 2 with respect to 100 parts by mass of the main component satisfying n + 0.2 ≦ x ≦ n + 0.9 (n is an integer of 0 or more). By containing, a piezoelectric ceramic having a large absolute value of the piezoelectric constant can be obtained. This is because, by setting x to the above-mentioned range, in the bismuth layered compound, when the number of pseudo-perovskite layers in the bismuth layered compound is an odd number, the polarization axis is in the c-axis direction of the crystal lattice of the pseudo-perovskite layer. Occur. When the number of quasi-perovskite layers is a non-integer composition, the amount of polarization increases, and the amount of polarization increases particularly near the composition of x = n + 0.5. Therefore, when x is in the above-described range, the quasi-perovskite layer of the bismuth layered compound can be brought into a state in which the amount of polarization is large.
上述の分極量が増加は、擬ペロブスカイト層のうちBi2O2に隣接した部分の結晶が歪むことにより発現したものであり、少なくともBi2O2に隣接する1〜3層分の擬ペロブスカイト層がBi2O2により歪んでいると考えられ。nの値が大きくなると擬ペロブスカイト層の中でBi2O2からの距離が離れた部分が多くなり、その部分の磁器特性は通常のペロブスカイト構造を持つ磁器の特性に近づいていくと考えられるが、n=7以下、さらにn=5以下、特にn=3以下では、擬ペロブスカイト層中でBi2O2に隣接して結晶の歪んでいる部分の影響が大きく、n+0.2≦x≦n+0.9とすることにより、特に分極量を増加することができる。 The increase in polarization of the above, which was expressed by the crystal portion adjacent the Bi 2 O 2 of the perovskite layer is distorted perovskite layer 1-3 layer worth adjacent at least Bi 2 O 2 Is believed to be distorted by Bi 2 O 2 . As the value of n increases, the portion of the pseudo-perovskite layer that is far away from Bi 2 O 2 increases, and the porcelain characteristics of the portion approach the characteristics of a porcelain having a normal perovskite structure. When n = 7 or less, further n = 5 or less, particularly n = 3 or less, the influence of the crystal distortion portion adjacent to Bi 2 O 2 in the pseudo-perovskite layer is large, and n + 0.2 ≦ x ≦ n + 0 .9 can increase the amount of polarization in particular.
なお、ビスマス層状化合物はxの値が大きくなるにしたがって、キュリー温度が下がっていく。圧電定数の値だけから見ると、xの値が大きくなると擬ペロブスカイト層の占める割合が多くなりため、圧電定数の値が大きくなる傾向が見られる。しかし、高温となる環境で使用される圧電磁器はキュリー温度を高くする必要があり、必要なキュリー温度以下となるxの値以下で、圧電定数の絶対値が大きいn+0.2≦x≦n+0.9となるビスマス層状化合物が好ましい。ビスマス層状化合物のキュリー温度は、添加する物質によっても変わるが、x=0〜1で600〜400℃程度、x=1〜2で500〜300℃程度、x=2〜3で300〜200℃程度である。 Note that the Curie temperature of the bismuth layered compound decreases as the value of x increases. From the viewpoint of only the value of the piezoelectric constant, since the proportion of the pseudo-perovskite layer increases as the value of x increases, the value of the piezoelectric constant tends to increase. However, a piezoelectric ceramic used in a high-temperature environment needs to have a high Curie temperature, and has a large absolute value of piezoelectric constant n + 0.2 ≦ x ≦ n + 0. A bismuth layered compound of 9 is preferred. The Curie temperature of the bismuth layered compound varies depending on the substance to be added, but x = 0 to 1 is about 600 to 400 ° C., x = 1 to 2 is about 500 to 300 ° C., x = 2 to 3 is 300 to 200 ° C. Degree.
x=0〜1の範囲内では、0.4≦x≦0.7で、キュリー温度400℃以上であるとともに、主に層数が3層と4層の擬ペロブスカイト層が混在する状態となるため、上述のように圧電定数の絶対値が高くなり、圧電d33定数が17pC/N以上とすることができる。 Within the range of x = 0 to 1, 0.4 ≦ x ≦ 0.7, the Curie temperature is 400 ° C. or more, and the number of layers is mainly a mixture of three and four pseudo-perovskite layers. Therefore, as described above, the absolute value of the piezoelectric constant increases, and the piezoelectric d 33 constant can be 17 pC / N or more.
x=1〜2の範囲内では、1.4≦x≦1.7で、キュリー温度300℃以上であるとともに、主に層数が4層と5層の擬ペロブスカイト層が混在する状態となるため、上述のように圧電定数の絶対値が高くなり、圧電d33定数が21pC/N以上とすることができる。 Within the range of x = 1 to 2, 1.4 ≦ x ≦ 1.7, a Curie temperature of 300 ° C. or higher, and a state in which mainly four and five pseudo-perovskite layers are mixed. Therefore, as described above, the absolute value of the piezoelectric constant increases, and the piezoelectric d 33 constant can be 21 pC / N or more.
本発明の圧電磁器は、例えば、原料として、Bi2O3、TiO2、MnCO3、RE2O3、A1CO3(A1はアルカリ土類金属元素)、A22CO3(A2はアルカリ金属元素)など、各元素の酸化物あるいは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 according to the present invention includes, for example, Bi 2 O 3 , TiO 2 , MnCO 3 , RE 2 O 3 , A1CO 3 (A1 is an alkaline earth metal element), A2 2 CO 3 (A2 is an alkali metal element) as a raw material. ) And the like, and oxides or salts of each element can be used. 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.
なお、Mnを含む原料は、平均粒度分布(D50)1μm以下の粉末を用いることが好ましく、D90は2μm以下が好ましい。これは、粒径の大きなMnを含む原料の粉末は、後述の原料の仮焼、圧電磁器の焼成工程を通じてMnが周囲に十分拡散・固溶できず、Mn成分の含有量が高い部位ができ、この部位がMnを含む結晶相となることがあるからである。Mnの偏在をさらに抑制するには、Mnを含む原料は平均粒度分布0.8μm以下であることがより好ましい。また、MnO2は、粉砕をしても粒径の大きな粉末が残りやすいため、Mnを含む原料としては、MnCO3を用いることが好ましい。 The raw material containing Mn is preferably a powder having an average particle size distribution (D 50 ) of 1 μm or less, and D 90 is preferably 2 μm or less. This is because the raw material powder containing Mn having a large particle size cannot sufficiently diffuse and dissolve Mn in the surroundings through the calcination of the raw material and the firing process of the piezoelectric ceramic, which will be described later, and a part with a high content of Mn component is formed. This is because this part may become a crystal phase containing Mn. In order to further suppress the uneven distribution of Mn, it is more preferable that the raw material containing Mn has an average particle size distribution of 0.8 μm or less. Further, since MnO 2 tends to leave a powder having a large particle size even after being pulverized, it is preferable to use MnCO 3 as a raw material containing Mn.
これらの原料を、組成式Bi4Ti3O12・x(A1−αREα)TiO3で表したとき、Aはアルカリ土類金属β(アルカリ金属1/2Bi1/2)1−βであり、REが希土類元素であり、x≧0.2、0.05≦α≦0.3、0≦β≦1を満足する主成分100質量部と、MnをMnO2換算で0.05〜2.0質量部とを含有する組成になるように秤量し、混合粉砕後の平均粒度分布(D50)が0.5〜1μmの範囲になるように粉砕し、この混合物を800〜1050℃で仮焼し、仮焼粉末を混合粉砕後の平均粒度分布(D50)が0.5〜1μmの範囲になるように粉砕し、所定の有機バインダを加え湿式混合し造粒する。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1050〜1250℃の温度範囲で2〜5時間焼成し、本発明の圧電磁器が得られる。 When these raw materials are represented by the composition formula Bi 4 Ti 3 O 12 · x (A 1-α RE α ) TiO 3 , A is an alkaline earth metal β (alkali metal 1/2 Bi 1/2 ) 1- β , RE is a rare earth element, 100 parts by mass of the main component satisfying x ≧ 0.2, 0.05 ≦ α ≦ 0.3, 0 ≦ β ≦ 1, and Mn in an MnO 2 conversion of 0. The mixture is weighed so as to have a composition containing 0.5 to 2.0 parts by mass, and pulverized so that the average particle size distribution (D 50 ) after mixing and pulverization is in the range of 0.5 to 1 μm. The mixture is calcined at 1050 ° C., and the calcined powder is pulverized so that the average particle size distribution (D 50 ) after mixing and pulverization is in the range of 0.5 to 1 μm. The powder thus obtained is molded into a predetermined shape by known press molding or the like, and baked in an oxidizing atmosphere such as the air at a temperature range of 1050 to 1250 ° C. for 2 to 5 hours. Is obtained.
本発明の圧電磁器は、図1(a)、(b)に示すような圧力センサ用の圧電磁器として最適であるが、それ以外の圧電共振子、超音波振動子、超音波モータおよび加速度センサ、ノッキングセンサ、AEセンサ等の圧電センサ、圧電アクチュエータなどに使用できる。 The piezoelectric ceramic of the present invention is most suitable as a piezoelectric ceramic for a pressure sensor as shown in FIGS. 1A and 1B, but other piezoelectric resonators, ultrasonic vibrators, ultrasonic motors, and acceleration sensors. It can be used for piezoelectric sensors such as knocking sensors and AE sensors, piezoelectric actuators, and the like.
図1(a)、(b)に本発明の圧電素子である圧電センサを示す。この圧電素子は、上記した圧電磁器1、11の両面に電極2、3、12、13を形成して、構成されている。また、分極は厚み方向(分極方向P)に施してある。これら圧電素子は、焼成後に研磨加工を行なわず、各表面が焼き肌面とすることにより、100MPa以上の圧力が加わる圧電センサとして用いても、研磨加工により生じるカケやクラックに起因する破壊を抑制することができる。
1A and 1B show a piezoelectric sensor which is a piezoelectric element of the present invention. This piezoelectric element is configured by forming
図1(c)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。
FIG. 1C shows a piezoelectric resonator (piezoelectric oscillator) which is a piezoelectric element of the present invention. The piezoelectric resonator is configured by forming
図1(d)に本発明の圧電素子である圧電アクチュエータの縦断面図を示す。この圧電アクチュエータは、上記した組成の圧電磁器からなる圧電セラミック層31の対向する一対の主面にそれぞれ電極(個別駆動電極)32、電極(共通電極)33が形成され、圧電セラミック層31の共通電極33の形成された主面に振動板35が積層されている。そして、個別駆動電極32、圧電セラミック層31、共通電極33および振動板35により複数の変位素子37が構成されている。圧電セラミック層31の分極は、圧電セラミック層31全体もしくは個別駆動電極32と共通電極33とに挟まれた部分に行なわれ、個別駆動電極32と共通電極33との間に電圧を印加すると圧電セラミック層31が収縮もしくは膨張し振動板35との寸法差により、変位素子37が屈曲し圧電アクチュエータとなる。
FIG. 1 (d) shows a longitudinal sectional view of a piezoelectric actuator which is a piezoelectric element of the present invention. In this piezoelectric actuator, an electrode (individual drive electrode) 32 and an electrode (common electrode) 33 are respectively formed on a pair of opposed main surfaces of the piezoelectric
なお、振動板35の材質は特に限定されないが、圧電セラミック層31と略同一の本発明の圧電磁器であることにより、圧電セラミック層31の熱膨張係数と振動板35の熱膨張係数の差が少なくなりクラックなどが生じにくくなり信頼性が向上する。また、圧電セラミック層31、共通電極33および振動板35を一体的に焼成して作成することができるので低コストで作成することができる。
Although the material of the
まず、出発原料として純度99.9%のBi2O3、TiO2、A1CO3(A1はアルカリ土類金属元素:Ca、Ba、Sr)、A22CO3(A2はアルカリ金属元素:K、Na)およびRE2O3(REは希土類元素:La、Tb、Sm、Dy、Y、Gd、Nd、Er、Yb、Lu、Eu)を、モル比による組成式がBi4Ti3O12・x(A1−αREα)TiO3で表したとき、x、A、RE、αが表1に示す主成分と、この主成分100質量部に対してMnCO2粉末をMnO2換算で表1に示す質量部となるように秤量混合した。 First, Bi 2 O 3 , TiO 2 , A1CO 3 (A1 is an alkaline earth metal element: Ca, Ba, Sr), A2 2 CO 3 (A2 is an alkali metal element: K, with a purity of 99.9% as a starting material. Na) and RE 2 O 3 (RE is a rare earth element: La, Tb, Sm, Dy, Y, Gd, Nd, Er, Yb, Lu, Eu), and the composition formula by molar ratio is Bi 4 Ti 3 O 12. When represented by x (A 1-α RE α ) TiO 3 , x, A, RE, and α represent MnCO 2 powder in terms of MnO 2 with respect to the main components shown in Table 1 and 100 parts by mass of the main components. 1 was weighed and mixed so as to be the mass part shown in 1.
秤量した原料粉末を、純度99.9%のZrO2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−を大気中にて乾燥し、#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ZrO2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 slurry after mixing was dried in the air, passed through # 40 mesh, and then calcined by holding at 950 ° C. for 3 hours in the air, and this synthetic powder was charged with 99.9% purity ZrO 2 balls and ions. It put into a 500 ml polypot with exchange water, and 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2mmの円柱状の圧電磁器を得た。焼成は、安定化ジルコニアの焼成治具に置いて行なった。この際、30個の圧電磁器のうち1つ以上焼成治具との溶着があったものを焼成治具との溶着の評価を「有」とした。 An appropriate amount of an organic binder is added to this powder, granulated, molded with a die press, and finally fired in air at 1050 ° C. to 1250 ° C. for 3 hours to obtain a cylindrical piezoelectric ceramic having a diameter of 6 mm and a thickness of 2 mm. It was. Firing was performed by placing it on a firing jig of stabilized zirconia. At this time, the evaluation of welding with one or more firing jigs among the 30 piezoelectric ceramics was “Yes”.
圧電磁器の断面を鏡面研磨し、電子顕微鏡のEPMAで倍率5000倍のMn元素マッピングとSEM像を重ね合わせ、SEM像におけるビスマス層状化合物の粒内と粒界部とを元素マッピングで比較して粒界部にMnが多いもの、つまり元素のカウント数の高い部位が粒界部に含まれている場合を、粒界部へのMnの偏在が「有」とした。なお、Mnのカウント数の高い部位は主にビスマス層状化合物の粒界の三重点に観測された。 The cross-section of the piezoelectric ceramic is mirror-polished, Mn element mapping at a magnification of 5000 times and SEM image are overlapped with EPMA of an electron microscope, and the grain interior and grain boundary part of the bismuth layered compound in the SEM image are compared by element mapping. When the boundary portion contains a large amount of Mn, that is, when the grain boundary portion includes a portion having a high element count, the presence of Mn in the grain boundary portion is determined to be “present”. In addition, the site | part with a high Mn count number was mainly observed in the triple point of the grain boundary of a bismuth layered compound.
圧電磁器の両主面(円柱の上下面)にAg電極を形成して、200℃で分極処理を行い、圧電素子を得た。 Ag electrodes were formed on both main surfaces (upper and lower surfaces of the cylinder) of the piezoelectric ceramic, and polarization treatment was performed at 200 ° C. to obtain a piezoelectric element.
圧電素子は、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。さらに、圧電素子を恒温槽に入れ、温度を変化させながら静電容量を測定し、静電容量が極大かつ最大となる温度をキュリー温度とした。これらの結果を表1に示す。
本発明の範囲外の試料No.1では、Mnを添加していないため、焼成治具との溶着はなかったが、圧電磁器の焼結が十分ではなく、Mnを0.05質量部以上加えた圧電磁器の磁器相対密度が90%以上であるのと比較して、磁器相対密度が約80%と低く、ちょっとしたハンドリングでもカケが生じるものであった。 Sample No. outside the scope of the present invention. In No. 1, since Mn was not added, there was no welding with the firing jig. However, the piezoelectric ceramic was not sufficiently sintered, and the ceramic relative density of the piezoelectric ceramic added with 0.05 mass part or more of Mn was 90. The porcelain relative density was as low as about 80%, compared to the case of more than 50%, and even a little handling caused chipping.
本発明の範囲外の試料No.2では、Mnを添加したため、圧電磁器は十分焼結し、圧電d33定数は高くなっているが、粒界部にMnの偏在が見られ、そのため、焼成治具との溶着が起きていた。 Sample No. outside the scope of the present invention. In No. 2, since Mn was added, the piezoelectric ceramic was sufficiently sintered and the piezoelectric d 33 constant was high, but uneven distribution of Mn was observed at the grain boundary portion, and therefore welding with the firing jig occurred. .
試料No.3〜6、9〜34、37〜41および43〜51では、組成式がBi4Ti3O12・x(A1−αREα)TiO3で表され、Aはアルカリ土類金属β(アルカリ金属1/2Bi1/2)1−βであり、REが希土類元素であり、x≧0.2、0.05≦α≦0.3、0≦β≦1を満足する主成分100質量部と、MnをMnO2換算で0.05〜2.0質量部とを含有しているため、圧電d33定数が15pC/N以上と高く、IRも3GΩ以上と高くなった。 Sample No. In 3-6, 9-34, 37-41 and 43-51, the composition formula is represented by Bi 4 Ti 3 O 12 · x (A 1-α RE α ) TiO 3 , and A is an alkaline earth metal β ( Alkali metal 1/2 Bi 1/2 ) 1-β , RE is a rare earth element, and main component 100 satisfying x ≧ 0.2, 0.05 ≦ α ≦ 0.3, 0 ≦ β ≦ 1 Since it contains 0.05 to 2.0 parts by mass of Mn in terms of MnO 2 , the piezoelectric d 33 constant was as high as 15 pC / N or more, and IR was also as high as 3 GΩ or more.
試料No.3〜6、9〜13、16〜20、22〜34、37〜41および43〜51では、n+0.2≦x≦n+0.9(nは0以上の整数)を満たしているため、圧電d33定数が16pC/N以上と高くなった。また、各n〜n+1の範囲の中で、n+0.2≦x≦n+0.9の範囲で圧電d33定数が高くなった。 Sample No. In 3-6, 9-13, 16-20, 22-34, 37-41, and 43-51, n + 0.2 ≦ x ≦ n + 0.9 (n is an integer of 0 or more) is satisfied. The 33 constant was as high as 16 pC / N or higher. Further, in each n to n + 1 in the range, the piezoelectric constant d 33 becomes higher in the range of n + 0.2 ≦ x ≦ n + 0.9.
試料No.3〜6、10〜12、25〜34、37〜41および43〜51では0.4≦x≦0.7を満たしているため、キュリー温度が450℃以上と高くなった。 Sample No. In 3-6, 10-12, 25-34, 37-41, and 43-51, since 0.4 <= x <= 0.7 was satisfied, the Curie temperature became as high as 450 degreeC or more.
試料No.17〜19では1.4≦x≦1.7を満たしているため、圧電d33定数が21pC/N以上と高くなった。 Sample No. Since 17 to 19 satisfied 1.4 ≦ x ≦ 1.7, the piezoelectric d 33 constant was as high as 21 pC / N or more.
また、作製した試料すべてについてX線回折で分析したところ、ビスマス層状化合物が主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Bi2O2が挿入された結晶構造を持つ。 Moreover, when all the produced samples were analyzed by X-ray diffraction, a bismuth layered compound was recognized as the main phase. The bismuth layered compound has a crystal structure in which Bi 2 O 2 is inserted in a stack of perovskite structures.
さらに、作製した試料すべてについて蛍光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。 Furthermore, the composition analysis was performed for all the prepared samples using 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.
1、11、21、31・・・圧電磁器
2、3、12、13、22、23、32、33・・・電極
14・・・孔
35・・・振動板
37・・・変位素子
P・・・分極方向
1, 11, 21, 31 ...
Claims (2)
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007129389A JP5322401B2 (en) | 2007-05-15 | 2007-05-15 | Piezoelectric ceramic and piezoelectric element |
PCT/JP2007/075032 WO2008081842A1 (en) | 2006-12-26 | 2007-12-26 | Piezoelectric ceramic material and piezoelectric element |
EP07860261.2A EP2119686B1 (en) | 2006-12-26 | 2007-12-26 | Piezoelectric ceramic material and piezoelectric element |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007129389A JP5322401B2 (en) | 2007-05-15 | 2007-05-15 | Piezoelectric ceramic and piezoelectric element |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2008285340A JP2008285340A (en) | 2008-11-27 |
JP5322401B2 true JP5322401B2 (en) | 2013-10-23 |
Family
ID=40145444
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2007129389A Expired - Fee Related JP5322401B2 (en) | 2006-12-26 | 2007-05-15 | Piezoelectric ceramic and piezoelectric element |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5322401B2 (en) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP5100138B2 (en) * | 2007-01-26 | 2012-12-19 | 京セラ株式会社 | Piezoelectric ceramic and piezoelectric element |
JP2010199272A (en) * | 2009-02-25 | 2010-09-09 | Kyocera Corp | Laminated piezoelectric element, method of manufacturing the same, and vibrating body |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH08293403A (en) * | 1995-04-25 | 1996-11-05 | Hitachi Ltd | Manufacture of voltage nonlinear resistor element |
JP2001342061A (en) * | 2000-05-30 | 2001-12-11 | Kyocera Corp | Piezoelectric ceramic and piezoelectric resonator |
JP4260410B2 (en) * | 2001-05-10 | 2009-04-30 | Tdk株式会社 | Piezoelectric ceramics |
JP4471542B2 (en) * | 2001-07-24 | 2010-06-02 | 京セラ株式会社 | Piezoelectric ceramic composition and piezoelectric resonator |
-
2007
- 2007-05-15 JP JP2007129389A patent/JP5322401B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2008285340A (en) | 2008-11-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5094334B2 (en) | Piezoelectric ceramic and piezoelectric element | |
CN101374782B (en) | Piezoelectric ceramic composition | |
JP5714819B2 (en) | Piezoelectric ceramic composition and piezoelectric element using the same | |
US8643255B2 (en) | Piezoelectric ceramic and piezoelectric element using the same | |
JP5337513B2 (en) | Piezoelectric / electrostrictive porcelain composition | |
JP3934324B2 (en) | Piezoelectric ceramics | |
JP2010030832A (en) | Piezoelectric ceramic and piezoelectric element using it | |
JP5322401B2 (en) | Piezoelectric ceramic and piezoelectric element | |
JP5116584B2 (en) | Piezoelectric ceramic and piezoelectric element using the same | |
EP2119686B1 (en) | Piezoelectric ceramic material and piezoelectric element | |
Hong et al. | Effect of LiBiO2 on low-temperature sintering of PZT-PZNN ceramics | |
JP5421010B2 (en) | Piezoelectric ceramic and piezoelectric element using the same | |
Ramam et al. | Effect of strontium doping on dielectric, ferroelectric and piezoelectric properties of PLZTN ceramics | |
JP2003238248A (en) | Piezoelectric porcelain composition and piezoelectric device | |
JP2023032022A (en) | Piezoelectric element | |
JP2014069988A (en) | Piezoelectric ceramic and piezoelectric element using the same | |
JP4903659B2 (en) | Piezoelectric ceramic and piezoelectric element | |
JP5319208B2 (en) | Piezoelectric ceramic and piezoelectric element using the same | |
JP5219421B2 (en) | Piezoelectric ceramic and piezoelectric element | |
JP5376817B2 (en) | Piezoelectric ceramic and piezoelectric element using the same | |
JP5207793B2 (en) | Piezoelectric sensor | |
JP5100138B2 (en) | Piezoelectric ceramic and piezoelectric element | |
JP5072760B2 (en) | Piezoelectric ceramic and piezoelectric element using the same | |
JP2016179931A (en) | Piezoelectric ceramic and piezoelectric element prepared therewith | |
JP5173752B2 (en) | Piezoelectric ceramic, manufacturing method thereof, and piezoelectric element |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20091215 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20120925 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20121121 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20130129 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20130401 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20130618 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20130716 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 5322401 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |