JPH04282879A - Piezoelectric actuator and production thereof - Google Patents

Piezoelectric actuator and production thereof

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JPH04282879A
JPH04282879A JP3044599A JP4459991A JPH04282879A JP H04282879 A JPH04282879 A JP H04282879A JP 3044599 A JP3044599 A JP 3044599A JP 4459991 A JP4459991 A JP 4459991A JP H04282879 A JPH04282879 A JP H04282879A
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JP
Japan
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piezoelectric
layer
piezoelectric actuator
slurry
firing
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JP3044599A
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Japanese (ja)
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Toru Arai
徹 荒井
▲鮎▼沢 一年
Kazutoshi Ayusawa
Toyosaku Sato
佐藤 豊作
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Oki Electric Industry Co Ltd
Original Assignee
Oki Electric Industry Co Ltd
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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

PURPOSE:To prevent peeling at the joint of a piezoelectric actuator which has a piezoelectric layer and a dielectric layer and facilitate baking when manu facturing. CONSTITUTION:Green sheet which has vacant hole forming agent is laminated on green sheet which is composed of only piezoelectric ceramics so as to bake, and electrodes are formed on the both major planes. Another production mixes vacant hole forming agent whose specific gravity is less than 1, binder and water with piezoelectric ceramics powder to obtain slurry. The slurry is molded using a molding die, baked and electrodes are formed on both the major planes.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

【0001】0001

【産業上の利用分野】本発明は、計測機に好適に用いら
れる圧電アクチュエータ製造方法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of manufacturing a piezoelectric actuator suitably used in measuring instruments.

【0002】0002

【従来の技術】従来、圧電アクチュエータとしては圧電
材料と誘電材料を接着剤で接合して作成されたものがあ
った。また、接着剤を使用しない圧電アクチュエータと
して、上側が圧電特性に優れ、下側に移るにつれて徐々
に誘電率が向上する傾斜機能材料を使用したものがあっ
た。この傾斜機能材料を使用した圧電アクチュエータに
ついては、例えば、日経ニューマテリアル,1989年
4月3日号,P11に示されている。その製造方法は、
先ず1層目に誘電性の高い組成の粉末を、次に圧電性の
高い組成の粉末を充填し、プレス成形の後、1200℃
で3〜6時間焼成する。このように製造することにより
、焼成中に原子が拡散し、組成が圧電層から誘電層に傾
斜した圧電アクチュエータが形成される。
2. Description of the Related Art Conventionally, piezoelectric actuators have been made by bonding a piezoelectric material and a dielectric material with an adhesive. Furthermore, as a piezoelectric actuator that does not use adhesive, there is one that uses a functionally graded material that has excellent piezoelectric properties on the upper side and whose dielectric constant gradually increases as it moves to the lower side. A piezoelectric actuator using this functionally graded material is described, for example, in Nikkei New Materials, April 3, 1989 issue, P11. The manufacturing method is
First, the first layer was filled with powder with a high dielectric composition, then with a powder with a high piezoelectric composition, and after press molding, the powder was heated to 1200°C.
Bake for 3 to 6 hours. By manufacturing in this manner, atoms diffuse during firing, forming a piezoelectric actuator with a composition gradient from the piezoelectric layer to the dielectric layer.

【0003】0003

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記の
圧電材料と誘電材料を接着剤で接合して製造する方法で
は、接着剤の耐熱性に限界があるために高温下で使用で
きないばかりか、大振幅で長時間にわたり使用すると、
圧電アクチュエータの接合部に剥がれや、ずれが生じ、
計測機としての十分な精度が得られなかった。
[Problems to be Solved by the Invention] However, the method of manufacturing the piezoelectric material and the dielectric material by bonding them with an adhesive has a limit in the heat resistance of the adhesive, so not only can it not be used at high temperatures, but also When used for a long time at high amplitudes,
Peeling or misalignment may occur at the piezoelectric actuator joints.
It was not possible to obtain sufficient accuracy as a measuring device.

【0004】また、前記の傾斜機能材料を使用する方法
では、圧電層と誘電体層を重ねて焼成し、原子を拡散さ
せて組成を傾斜させるため、焼成条件によって圧電特性
が大幅に変化する。それにより、ある一定の圧電特性を
得るための最適焼成温度、最適焼成時間、最適昇温速度
、等の範囲が狭く、焼成条件の設定が非常に難しい。 そのため、圧電特性のバラツキが生じやすいという問題
があった。
Furthermore, in the method using the functionally graded material described above, the piezoelectric layer and the dielectric layer are stacked and fired, and the composition is graded by diffusing atoms, so the piezoelectric properties change significantly depending on the firing conditions. As a result, the range of optimal firing temperature, optimal firing time, optimal heating rate, etc. for obtaining certain piezoelectric properties is narrow, and it is very difficult to set firing conditions. Therefore, there was a problem in that variations in piezoelectric properties were likely to occur.

【0005】そこで本発明は、以上述べた剥がれや、ず
れが生じやすいという欠点、および焼成条件の設定が難
しいという欠点を除去するため、製造された圧電アクチ
ュエータを使用しても剥がれや、ずれが生じ難く、圧電
アクチュエータの製造時の焼成が容易な、圧電アクチュ
エータの製造方法を提供することを目的とする。
[0005] Therefore, the present invention aims to eliminate the above-mentioned drawbacks of easy peeling and misalignment, and difficulty in setting firing conditions. It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a piezoelectric actuator, which is less likely to occur and which facilitates firing during manufacturing of the piezoelectric actuator.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明は前記問題点を解
決するために、本発明の圧電アクチュエータは、圧電層
と誘電層を有する圧電アクチュエータにおいて、誘電層
を多孔質層セラミックスとしたものである。すなわち、
図1に示すように、本発明の圧電アクチュエータは、圧
電セラミックス体のバルクの両主面に電極が形成されて
おり、片側の主面近傍の圧電セラミックス体中に空孔が
形成されたものである。
[Means for Solving the Problems] In order to solve the above problems, the present invention provides a piezoelectric actuator having a piezoelectric layer and a dielectric layer, in which the dielectric layer is made of porous ceramic layer. be. That is,
As shown in FIG. 1, the piezoelectric actuator of the present invention has electrodes formed on both principal surfaces of the bulk of a piezoelectric ceramic body, and holes formed in the piezoelectric ceramic body near one principal surface. be.

【0007】また、本発明は、圧電層と誘電層を有する
圧電アクチュエータの製造方法において、圧電セラミッ
クスのみからなるグリーンシート上に、圧電セラミック
スおよび該圧電セラミックスの焼成過程で焼失する有機
物粒子とを混合して製造されたグリーンシートを積層し
、この積層体を焼成することにより、有機物を焼失させ
多孔質層を形成して圧電アクチュエータを製造したもの
である。
The present invention also provides a method for manufacturing a piezoelectric actuator having a piezoelectric layer and a dielectric layer, in which piezoelectric ceramics and organic particles that are burned out during the firing process of the piezoelectric ceramics are mixed on a green sheet made only of piezoelectric ceramics. A piezoelectric actuator is manufactured by laminating the green sheets manufactured by the above methods and firing the laminated body to burn off the organic matter and form a porous layer.

【0008】さらに、本発明は、圧電層と誘電層を有す
る圧電アクチュエータの製造方法において、圧電セラミ
ックス粉末、比重が1より小さい空孔形成材、バインダ
ーおよび水を混合してスラリーを形成し、このスラリー
を成形型に流し込み、前記空孔形成材が上部に集まった
後に、脱水し、乾燥して成形体を得、この成形体を焼成
することにより、空孔形成材を焼失させ多孔質層を形成
して圧電アクチュエータを製造したものである。
Furthermore, the present invention provides a method for manufacturing a piezoelectric actuator having a piezoelectric layer and a dielectric layer, in which a piezoelectric ceramic powder, a pore-forming material having a specific gravity of less than 1, a binder, and water are mixed to form a slurry. The slurry is poured into a mold, and after the pore-forming material gathers at the top, it is dehydrated and dried to obtain a molded body, and this molded body is fired to burn out the pore-forming material and form a porous layer. A piezoelectric actuator is manufactured by forming a piezoelectric actuator.

【0009】[0009]

【実施例1】高純度の一酸化鉛(PbO,純度99.9
%)、二酸化チタン(TiO2 ,純度99.9%)、
酸化ジルコニウム(ZrO2 ,純度99.9%)およ
びその他の添加剤をそれぞれ所定量秤量し、ポットミル
を用いて純水とともに約20時間混合した。その混合物
を脱水、乾燥し、800℃〜900℃で2〜10時間仮
焼し、PZTの仮焼物を得た。この仮焼物に純水を加え
て粉砕、脱水、乾燥してPZTの仮焼粉を得た。
[Example 1] High purity lead monoxide (PbO, purity 99.9)
%), titanium dioxide (TiO2, purity 99.9%),
Predetermined amounts of zirconium oxide (ZrO2, purity 99.9%) and other additives were each weighed out and mixed with pure water using a pot mill for about 20 hours. The mixture was dehydrated, dried, and calcined at 800° C. to 900° C. for 2 to 10 hours to obtain a calcined product of PZT. Pure water was added to the calcined product, which was then ground, dehydrated, and dried to obtain a calcined powder of PZT.

【0010】次に上記PZT仮焼粉100g、水50g
、解こう剤(商品名:セラモD−134、第一工業製薬
(株)製)8g、および粒径20μm〜40μmのカー
ボン粒子40gをボールミル中にて4〜5時間混合する
。その後、バインダー(商品名:セラモTB−13、第
一工業製薬(株)製)100g、可塑剤(商品名:セラ
モP−17、第一工業製薬(株)製)12g、消泡剤(
商品名:アンチフロスF−102、第一工業製薬(株)
製)1gを加え、ボールミル中にて20時間混合し、ス
ラリー1を作製した。このスラリー1を用いてドクター
ブレード法によりグリーンシート1を得る。このグリー
ンシート1の厚さは、約0.4mmであった。
Next, 100 g of the above PZT calcined powder and 50 g of water
, 8 g of a peptizer (trade name: Ceramo D-134, manufactured by Daiichi Kogyo Seiyaku Co., Ltd.), and 40 g of carbon particles having a particle size of 20 μm to 40 μm are mixed in a ball mill for 4 to 5 hours. Thereafter, 100 g of binder (trade name: Ceramo TB-13, manufactured by Daiichi Kogyo Seiyaku Co., Ltd.), 12 g of plasticizer (trade name: Ceramo P-17, manufactured by Daiichi Kogyo Seiyaku Co., Ltd.), antifoaming agent (
Product name: Anti-Floss F-102, Daiichi Kogyo Seiyaku Co., Ltd.
Slurry 1 was prepared by adding 1 g of the slurry (manufactured by M.D. Co., Ltd.) and mixing in a ball mill for 20 hours. Using this slurry 1, a green sheet 1 is obtained by a doctor blade method. The thickness of this green sheet 1 was approximately 0.4 mm.

【0011】また、PZT仮焼粉100g、水34g、
解こう剤6gをボールミル中にて4〜5時間混合する。 その後、バインダー60g、可塑剤8g、消泡剤1gを
加え、ボールミル中にて20時間混合し、スラリー2を
作製した。このスラリー2を用いてドクターブレード法
によりグリーンシート2を得る。このグリーンシート2
の厚さは、約0.3mmであった。
[0011] Also, 100 g of PZT calcined powder, 34 g of water,
Mix 6 g of peptizer in a ball mill for 4-5 hours. Thereafter, 60 g of binder, 8 g of plasticizer, and 1 g of antifoaming agent were added and mixed in a ball mill for 20 hours to prepare slurry 2. Using this slurry 2, a green sheet 2 is obtained by a doctor blade method. This green sheet 2
The thickness was approximately 0.3 mm.

【0012】以上2種類のグリーンシートを用いて、先
ずグリーンシート1を1枚用意し、このシートの上にグ
リーンシート2を2枚積層し、加熱加圧して図2(a)
に示す積層体を得た。この積層体を空気中において昇温
速度100℃/時間で、1200℃〜1300℃の温度
で2時間焼成し、多孔質層を持つ図2(b)に示す圧電
セラミックスを作製した。
Using the above two types of green sheets, first, one green sheet 1 is prepared, and two green sheets 2 are laminated on top of this sheet, and heated and pressed to form the sheet shown in FIG. 2(a).
A laminate shown in was obtained. This laminate was fired in air at a heating rate of 100° C./hour at a temperature of 1200° C. to 1300° C. for 2 hours to produce a piezoelectric ceramic having a porous layer shown in FIG. 2(b).

【0013】得られた圧電セラミックスの両面に銀を焼
き付けて電極を作製し、次に100℃〜130℃のシリ
コンオイル中で2〜3kV/mmの電圧を印加して分極
を行ない、圧電アクチュエータを作製した。本発明によ
る圧電アクチュエータは、長さ40mm×幅20mm×
厚さ0.7〜0.8mmで、印加電圧150Vの場合、
変位は80〜100μmであった。また、80℃におい
て変位を繰り返しても剥離は発生しなかった。
[0013] Silver is baked on both sides of the obtained piezoelectric ceramic to make electrodes, and then a voltage of 2 to 3 kV/mm is applied in silicone oil at 100°C to 130°C to perform polarization, thereby creating a piezoelectric actuator. Created. The piezoelectric actuator according to the present invention has a length of 40 mm x width of 20 mm x
When the thickness is 0.7 to 0.8 mm and the applied voltage is 150 V,
The displacement was 80-100 μm. Furthermore, no peeling occurred even after repeated displacement at 80°C.

【0014】[0014]

【実施例2】高純度の一酸化鉛(PbO,純度99.9
%)、二酸化チタン(TiO2,純度99.9%)、酸
化ジルコニウム(ZrO2,純度99.9%)およびそ
の他の添加剤をそれぞれ所定量秤量し、ポットミルを用
いて純水とともに約20時間混合した。その混合物を脱
水、乾燥し、800℃〜900℃で2〜10時間仮焼し
、PZTの仮焼物を得た。この仮焼物に純水を加えて粉
砕、脱水、乾燥してPZTの仮焼粉を得た。
[Example 2] High purity lead monoxide (PbO, purity 99.9)
%), titanium dioxide (TiO2, purity 99.9%), zirconium oxide (ZrO2, purity 99.9%), and other additives were each weighed in predetermined amounts and mixed with pure water using a pot mill for about 20 hours. . The mixture was dehydrated, dried, and calcined at 800° C. to 900° C. for 2 to 10 hours to obtain a calcined product of PZT. Pure water was added to the calcined product, which was then ground, dehydrated, and dried to obtain a calcined powder of PZT.

【0015】次に上記PZT仮焼粉100g、水50g
、解こう剤(商品名:セラモD−134、第一工業製薬
(株)製)8g、および粒径20μm〜40μmのカー
ボン粒子40gをボールミル中にて4〜5時間混合する
。その後、バインダー(商品名:セラモTB−13、第
一工業製薬(株)製)100g、可塑剤(商品名:セラ
モP−17、第一工業製薬(株)製)12g、消泡剤(
商品名:アンチフロスF−102、第一工業製薬(株)
製)1gを加え、ボールミル中にて20時間混合し、ス
ラリーを作製した。
Next, 100 g of the above calcined PZT powder and 50 g of water
, 8 g of a peptizer (trade name: Ceramo D-134, manufactured by Daiichi Kogyo Seiyaku Co., Ltd.), and 40 g of carbon particles having a particle size of 20 μm to 40 μm are mixed in a ball mill for 4 to 5 hours. Thereafter, 100 g of binder (trade name: Ceramo TB-13, manufactured by Daiichi Kogyo Seiyaku Co., Ltd.), 12 g of plasticizer (trade name: Ceramo P-17, manufactured by Daiichi Kogyo Seiyaku Co., Ltd.), antifoaming agent (
Product name: Anti-Floss F-102, Daiichi Kogyo Seiyaku Co., Ltd.
A slurry was prepared by adding 1 g of the product (manufactured by M.D. Co., Ltd.) and mixing in a ball mill for 20 hours.

【0016】このスラリーを、低部に脱水孔を有し、内
長55mm、内幅30mm、深さ2mmの図3に示す成
形型に入れ、2時間放置し、カーボンが上部に集まった
後、脱水し、乾燥して図4(a)に示す成形体を得た。 この成形体を空気中において、1200℃〜1300℃
の温度で2時間焼成して、図4(b)に示す多孔質層を
持つ圧電セラミックスを得た。
[0016] This slurry was placed in a mold shown in Fig. 3 having a dehydration hole in the lower part and having an inner length of 55 mm, an inner width of 30 mm, and a depth of 2 mm, and was left to stand for 2 hours so that carbon gathered at the upper part. It was dehydrated and dried to obtain a molded article shown in FIG. 4(a). This molded body was placed in air at 1200°C to 1300°C.
The piezoelectric ceramics having the porous layer shown in FIG. 4(b) were obtained by firing at a temperature of 2 hours.

【0017】得られた圧電セラミックスの両面に銀を焼
き付けて電極を作製し、100℃〜130℃のシリコン
オイル中で2〜3kV/mmの電圧を印加して分極を行
ない、圧電アクチュエータを作製した。本発明による圧
電アクチュエータは、長さ40mm×幅20mm×厚さ
0.7〜0.8mmで、印加電圧150Vの場合、変位
は80〜100μmであった。また、80℃において変
位を繰り返しても剥離は発生しなかった。
[0017] Electrodes were made by baking silver on both sides of the piezoelectric ceramic obtained, and polarization was performed by applying a voltage of 2 to 3 kV/mm in silicone oil at 100°C to 130°C to produce a piezoelectric actuator. . The piezoelectric actuator according to the present invention had a length of 40 mm x width of 20 mm x thickness of 0.7 to 0.8 mm, and had a displacement of 80 to 100 μm at an applied voltage of 150 V. Furthermore, no peeling occurred even after repeated displacement at 80°C.

【0018】以上、詳細に説明したように、本発明は上
記実施例に限定されず、本発明の趣旨に基づいて種々の
変形が可能である。例えば、本実施例では、空孔形成材
としてカーボン粒子を用いたが、焼成時に消失して空孔
を形成するものなら何でもよく、有機物等、他の空孔形
成材を用いても良い。
As described above in detail, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made based on the spirit of the present invention. For example, in this example, carbon particles were used as the pore-forming material, but any material that disappears during firing to form pores may be used, and other pore-forming materials such as organic substances may also be used.

【0019】[0019]

【発明の効果】本発明の圧電アクチュエータによれば、
製造された圧電アクチュエータは多孔質層を持つ圧電セ
ラミックスとなるので、高温雰囲気下で使用しても、ま
た、長時間使用しても、剥離はほとんど発生しない。さ
らに、圧電セラミックスのみから成るグリーンシート上
に、圧電セラミックスおよび該圧電セラミックスの焼成
過程で焼失する有機物粒子とを混合して製造されたグリ
ーンシートを積層して製造することにより、同じ組成の
圧電セラミックスが積層されているために、焼成が容易
な圧電アクチュエータが製造できる。
[Effects of the Invention] According to the piezoelectric actuator of the present invention,
Since the manufactured piezoelectric actuator is a piezoelectric ceramic having a porous layer, peeling hardly occurs even when used in a high temperature atmosphere or for a long time. Furthermore, by manufacturing a green sheet made by mixing piezoelectric ceramics and organic particles that are burned out during the firing process of piezoelectric ceramics on top of a green sheet made only of piezoelectric ceramics, piezoelectric ceramics of the same composition can be produced. Since these are laminated, it is possible to manufacture a piezoelectric actuator that is easy to fire.

【0020】さらにまた、従来の傾斜機能材料を使用す
る方法では、焼成によって原子を拡散させるために焼成
条件によって圧電アクチュエータの圧電特性が変化して
いたが、本発明においては、圧電セラミックス粉末、比
重が1より小さい空孔形成材、バインダーおよび水を混
合してスラリーを形成し、このスラリーを成形型に流し
込み、成形、焼成して圧電アクチュエータを製造するの
で、焼成条件によって組成が変化しないため、圧電特性
が変わることがない。したがって、焼成が容易なしかも
性能の安定した圧電アクチュエータを製造することがで
きる。
Furthermore, in the conventional method using functionally graded materials, the piezoelectric properties of the piezoelectric actuator change depending on the firing conditions because atoms are diffused by firing, but in the present invention, piezoelectric ceramic powder, specific gravity The piezoelectric actuator is manufactured by mixing a pore-forming material with a value of less than 1, a binder, and water to form a slurry, pouring this slurry into a mold, molding, and firing, so that the composition does not change depending on the firing conditions. Piezoelectric properties do not change. Therefore, it is possible to manufacture a piezoelectric actuator that is easy to fire and has stable performance.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

【図1】本発明の圧電アクチュエータの構成を示す図。FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a piezoelectric actuator of the present invention.

【図2】本発明の圧電アクチュエータの製造工程図を示
す。
FIG. 2 shows a manufacturing process diagram of the piezoelectric actuator of the present invention.

【図3】本発明の圧電アクチュエータの別の製造方法で
用いる成形型を示す。
FIG. 3 shows a mold used in another method of manufacturing a piezoelectric actuator of the present invention.

【図4】本発明の圧電アクチュエータの別の製造工程図
を示す。
FIG. 4 shows another manufacturing process diagram of the piezoelectric actuator of the present invention.

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】  圧電層と誘電層を有する圧電アクチュ
エータにおいて、誘電層が多孔質層セラミックスである
ことを特徴とする圧電アクチュエータ。
1. A piezoelectric actuator having a piezoelectric layer and a dielectric layer, wherein the dielectric layer is a porous ceramic layer.
【請求項2】  圧電層と誘電層を有する圧電アクチュ
エータの製造方法において、(a)圧電セラミックスの
みからなるグリーンシート上に、(b)圧電セラミック
スおよび該圧電セラミックスの焼成過程で焼失する有機
物粒子とを混合して製造されたグリーンシートを積層し
、(c)この積層体を焼成することにより有機物を焼失
させて多孔質層を形成する、各工程からなることを特徴
とする圧電セラミックスの製造方法。
2. A method for manufacturing a piezoelectric actuator having a piezoelectric layer and a dielectric layer, in which (a) a green sheet consisting only of piezoelectric ceramics is provided with (b) piezoelectric ceramics and organic particles that are burned out during the firing process of the piezoelectric ceramics; A method for producing piezoelectric ceramics, comprising the steps of: laminating green sheets produced by mixing the above, and (c) firing the laminate to burn off organic matter and form a porous layer. .
【請求項3】  圧電層と誘電層を有する圧電アクチュ
エータの製造方法において、(a)圧電セラミックス粉
末、比重が1より小さい空孔形成材、バインダーおよび
水を混合してスラリーを形成し、(b)このスラリーを
成形型に流し込み、(c)前記空孔形成材が上部に集ま
った後に、脱水し、乾燥して成形体を得、(d)この成
形体を焼成することにより、空孔形成材を焼失させて多
孔質層を形成する、各工程からなることを特徴とする圧
電セラミックスの製造方法。
3. A method for manufacturing a piezoelectric actuator having a piezoelectric layer and a dielectric layer, comprising: (a) mixing piezoelectric ceramic powder, a pore-forming material having a specific gravity of less than 1, a binder, and water to form a slurry; ) Pouring this slurry into a mold, (c) dehydrating and drying the pore-forming material after it collects in the upper part to obtain a molded body, and (d) firing this molded body to form pores. A method for manufacturing piezoelectric ceramics, comprising steps of burning out the material and forming a porous layer.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012209554A (en) * 2006-02-27 2012-10-25 Kyocera Corp Method of manufacturing ceramic member, ceramic member, gas sensor element, fuel cell element, filter element, laminated piezoelectric element, injector, and fuel injection system

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JP2012209554A (en) * 2006-02-27 2012-10-25 Kyocera Corp Method of manufacturing ceramic member, ceramic member, gas sensor element, fuel cell element, filter element, laminated piezoelectric element, injector, and fuel injection system

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