JPH0443873B2 - - Google Patents

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JPH0443873B2
JPH0443873B2 JP59188037A JP18803784A JPH0443873B2 JP H0443873 B2 JPH0443873 B2 JP H0443873B2 JP 59188037 A JP59188037 A JP 59188037A JP 18803784 A JP18803784 A JP 18803784A JP H0443873 B2 JPH0443873 B2 JP H0443873B2
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JP
Japan
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piezoelectric ceramic
added
weight
sic whiskers
sic
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JP59188037A
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Japanese (ja)
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JPS6167283A (en
Inventor
Takashi Yamamoto
Hideji Igarashi
Kazuyasu Hikita
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Mitsubishi Materials Corp
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Mitsubishi Materials Corp
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Publication date
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Publication of JPS6167283A publication Critical patent/JPS6167283A/en
Publication of JPH0443873B2 publication Critical patent/JPH0443873B2/ja
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80Constructional details
    • H10N30/85Piezoelectric or electrostrictive active materials
    • H10N30/853Ceramic compositions

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は圧電セラミツクスに関し、特に電気機
械エネルギ変換効率が高くかつ機械的強度が大き
いため、高出力圧電素子および高周波圧電素子と
して用いるのに好適な圧電セラミツクスに関す
る。
[Detailed description of the invention] [Technical field to which the invention pertains] The present invention relates to piezoelectric ceramics, and in particular, they have high electromechanical energy conversion efficiency and high mechanical strength, and are therefore suitable for use as high-output piezoelectric elements and high-frequency piezoelectric elements. related to piezoelectric ceramics.

〔背景の技術〕[Background technology]

電気・機械エネルギ変換効率の高い圧電セラミ
ツクス材料の1つとしてチタン酸ジルコン酸鉛が
ある。このチタン酸ジルコン酸鉛(以下PZTと
略称する)はPb(ZrXTi1-X)O3の組成式で表わさ
れ、x=0〜0.9の広い範囲に亘つて固溶体を形
成し、特にx=0.52〜0.53にあるモルフオトロピ
ツク相境界(以下MPBと略称する)近傍で高い
電気・機械エネルギ変換効率を示す材料として知
られている。
Lead zirconate titanate is one of the piezoelectric ceramic materials with high electrical/mechanical energy conversion efficiency. This lead zirconate titanate (hereinafter abbreviated as PZT) is represented by the composition formula Pb( Zr It is known as a material that exhibits high electrical/mechanical energy conversion efficiency near the morphotropic phase boundary (hereinafter abbreviated as MPB) where x=0.52 to 0.53.

圧電セラミツクスの分野では、その用途が高出
力領域および高周波領域に拡大するに従い、高エ
ネルギ変換効率を有しながらかつ高強度、高靱性
を有する圧電セラミツクス材料の出現が要望され
ている。この場合、エネルギ変換効率の点からみ
れば、MPB近傍の組成を有するPZTを用いるこ
とが望ましいが、MPB近傍では機械的強度が低
下するという問題点があり、それに加えて、
PZT自体が同じペロブスカイト型結晶構造を有
する圧電材料である例えばチタン酸バリウムに比
較して機械的強度が低いという性質を有している
ため、MPB近傍の組成を有するPZTを上記の用
途に用いることは機械的強度の点で難点があつ
た。
In the field of piezoelectric ceramics, as its applications expand to high power and high frequency regions, there is a demand for piezoelectric ceramic materials that have high energy conversion efficiency, high strength, and high toughness. In this case, from the point of view of energy conversion efficiency, it is desirable to use PZT with a composition near MPB, but there is a problem that mechanical strength decreases near MPB, and in addition,
PZT itself has a property of lower mechanical strength than barium titanate, which is a piezoelectric material with the same perovskite crystal structure, so PZT with a composition near MPB can be used for the above applications. However, there were some drawbacks in terms of mechanical strength.

このため、従来よりPZTの機械的強度を向上
させるための種々の試みがなされ、その1つとし
て、PZTにSr,MnまたはCa等の添加物を添加す
る方法がある。しかしながら、このような添加物
を添加すると、その添加物によつてPZTの電気
的特性が変化して所望の特性が得られない欠点が
あり、満足な結果は得られなかつた。
For this reason, various attempts have been made to improve the mechanical strength of PZT, one of which is adding additives such as Sr, Mn or Ca to PZT. However, when such additives are added, the electrical properties of PZT are changed by the additives, and the desired properties cannot be obtained, so that satisfactory results have not been obtained.

そこで本発明者等はこの問題を解決すべく種々
の考察および数々の実験の結果、本発明を提案す
るに至つたものである。
In order to solve this problem, the present inventors have made various considerations and conducted numerous experiments, and as a result, have proposed the present invention.

〔発明の目的〕[Purpose of the invention]

本発明は良好な圧電特性と機械的強度とを兼ね
備えた圧電セラミツクスを提供することを目的と
する。
An object of the present invention is to provide piezoelectric ceramics that have both good piezoelectric properties and mechanical strength.

〔発明の概要〕 本発明は、PZT系酸化物を仮焼しかつ粉砕し
て得られた原料と0.05〜1.0重量%の繊維状炭化
けい素との混合物を成形および焼成してなる圧電
セラミツクスである。PZT系酸化物は、MPB近
傍の組成を有するPZTに以下に記載する2つの
グループの化合物すなわち、 (1) グループ1: Nb2O5,MnO2,Ta2O5,Cr2O3,Fe2O3
NiO,Co2O3,PbNb2O6,PbTa2O6,BaTiO3
CaTiO3,PbSrO3およびSrTiO3 (2) グループ2: Pb(Mg1/3Nb2/3)O3,Pb(Mn1/3Nb2/3)O3,Pb
(Cd1/2W1/2)O3,Pb(Sb1/2Sn1/2)O3,Pb(Y1/2
Nb1/2)O3,Pb(Co1/3Nb2/3)O3,Pb(Ni1/3Nb2/3
O3,Pb(Zn1/3Nb2/3)O3,Pb(Ni1/2W1/2)O3,Pb
(Co1/2W1/2)O3およびSr(Li2/5W3/5)O3 の中から選ばれた少なくとも1つの化合物を添加
物として用いたもののほか、チタン酸鉛およびジ
ルコン酸鉛に、上記グループ2の化合物の中から
選ばれた1つの化合物を加えたものでもよい。さ
らに、この3つの酸化物に、上記した添加物(但
し前記グループの中から選ばれた1つの化合物を
除く)の中から選ばれた少なくとも1つを添加し
たものでもよい。
[Summary of the Invention] The present invention is a piezoelectric ceramic made by molding and firing a mixture of a raw material obtained by calcining and pulverizing a PZT-based oxide and 0.05 to 1.0% by weight of fibrous silicon carbide. be. PZT-based oxides are PZT having a composition near MPB, and are composed of two groups of compounds described below: (1) Group 1: Nb 2 O 5 , MnO 2 , Ta 2 O 5 , Cr 2 O 3 , Fe 2O3 ,
NiO , Co2O3 , PbNb2O6 , PbTa2O6 , BaTiO3 ,
CaTiO 3 , PbSrO 3 and SrTiO 3 (2) Group 2: Pb (Mg 1/3 Nb 2/3 ) O 3 , Pb (Mn 1/3 Nb 2/3 ) O 3 , Pb
(Cd 1/2 W 1/2 ) O 3 , Pb (Sb 1/2 Sn 1/2 ) O 3 , Pb (Y 1/2
Nb 1/2 ) O 3 , Pb (Co 1/3 Nb 2/3 ) O 3 , Pb (Ni 1/3 Nb 2/3 )
O 3 , Pb (Zn 1/3 Nb 2/3 ) O 3 , Pb (Ni 1/2 W 1/2 ) O 3 , Pb
In addition to those using at least one compound selected from (Co 1/2 W 1/2 ) O 3 and Sr (Li 2/5 W 3/5 ) O 3 as an additive, lead titanate and zircon One compound selected from the compounds of Group 2 may be added to lead acid. Furthermore, at least one selected from the above-mentioned additives (excluding one compound selected from the above group) may be added to these three oxides.

炭化けい素SiCはウイスカーであることが好ま
しく、後述する実施例では直径0.2〜0.5μmのもの
を用いたが、焼成するセラミツクス材料の粒径に
よつては、直径0.05〜1.5μmの範囲のSiCウイス
カーを用いることができる。またウイスカーの長
さは、マトリツクスとなるセラミツクス材料の粒
径より長いものが機械的強度を増加させるために
好適であり、後述する実施例では長さ30〜300μm
のSiCウイスカーを用いたが、0.1〜500μm程度の
範囲内のものを用いることができる。
The silicon carbide SiC is preferably a whisker, and in the examples described later, whiskers with a diameter of 0.2 to 0.5 μm were used, but depending on the particle size of the ceramic material to be fired, SiC with a diameter in the range of 0.05 to 1.5 μm may be used. Whiskers can be used. In addition, the length of the whisker is preferably longer than the particle size of the ceramic material serving as the matrix in order to increase the mechanical strength, and in the examples described later, the length is 30 to 300 μm.
SiC whiskers of approximately 0.1 to 500 μm can be used.

また圧電セラミツクスの機械的強度を高めるた
めに有効なSiCウイスカーの添加量は0.05〜1.0重
量%の範囲内である。このSiCウイスカーの添加
量と機械的強度との関係は、原料となるPZT系
酸化物における添加物の種類および添加量によつ
て若干異なるが、適正量のSiCウイスカーが添加
された圧電セラミツクスは、添加されない場合と
比較して機械的強度が35〜44%も増大することが
確認された。
Further, the amount of SiC whiskers added that is effective for increasing the mechanical strength of piezoelectric ceramics is within the range of 0.05 to 1.0% by weight. The relationship between the amount of SiC whiskers added and mechanical strength differs slightly depending on the type and amount of additives in the PZT-based oxide that is the raw material, but piezoelectric ceramics with an appropriate amount of SiC whiskers added, It was confirmed that the mechanical strength increased by 35 to 44% compared to the case where it was not added.

また、本発明による圧電セラミツクスにおいて
は、繊維状のSiCの添加により、その機械的強度
が増大するのみでなく、その電気的特性も使用目
的により好ましい変化を示す。すなわち、厚み振
動を利用する円板状共振子において、径方向の電
気機械結合係数Kpは減少するが、厚み方向の電
気機械結合係数Ktはほとんど変化しないため、
厚み方向の振動モードが強調されることが確認さ
れた。
Furthermore, in the piezoelectric ceramic according to the present invention, addition of fibrous SiC not only increases its mechanical strength, but also shows favorable changes in its electrical properties depending on the purpose of use. In other words, in a disc-shaped resonator that uses thickness vibration, the electromechanical coupling coefficient K p in the radial direction decreases, but the electromechanical coupling coefficient K t in the thickness direction hardly changes.
It was confirmed that the vibration mode in the thickness direction was emphasized.

厚み方向の電気機械結合係数Ktと径方向の電
気機械結合係数Kpとの比Kt/Ksは、SiCウイス
カーを添加しない場合0.78であつたものが、SiC
ウイスカーを0.25重量%添加した場合Kt/Kp
1.0となり、またSiCウイスカーを0.70%添加した
場合1.47に増加することが確認された。
The ratio of the electromechanical coupling coefficient K t in the thickness direction to the electromechanical coupling coefficient K p in the radial direction, K t /K s , was 0.78 when SiC whiskers were not added, but when SiC
When 0.25% by weight of whiskers is added, K t /K p is
1.0, and it was confirmed that it increased to 1.47 when 0.70% SiC whiskers were added.

〔実施例による説明〕[Explanation based on examples]

実施例 1 MPB近傍の組成を有するPb(Zr0.53Ti0.47)O3
に対し、圧電特性の向上のため0.5モル%のNb2
O5を添加した材料を用いた。
Example 1 Pb(Zr 0.53 Ti 0.47 )O 3 with a composition near MPB
0.5 mol% Nb 2 to improve piezoelectric properties
A material to which O5 was added was used.

出発原料は、いずれも99.5%以上の高純度の酸
化物を用い、また焼成時の鉛の蒸発を考慮して、
PbOを1モル%過剰に添加したため、調合組成は
以下の組成式であらわされるものとなつた。
The starting materials used were oxides with a purity of 99.5% or higher, and taking into account the evaporation of lead during firing,
Since PbO was added in excess of 1 mol %, the formulation composition was expressed by the following compositional formula.

Pb(Zr0.53Ti0.47)O3+0.5モル%Nb2O5+1モル
%PbO 上記組成の混合物を、密閉した硬質アルミナケ
ースに入れ、電気炉中で昇温し、800〜850℃の温
度で2時間の仮焼を行なつた。
Pb (Zr 0.53 Ti 0.47 ) O 3 + 0.5 mol% Nb 2 O 5 + 1 mol% PbO A mixture of the above composition was placed in a sealed hard alumina case and heated in an electric furnace to a temperature of 800 to 850°C. Calcining was performed for 2 hours.

次にこの仮焼物をアルミナ乳鉢で粉砕後、市販
のSiCウイスカーを0.05重量%から10重量%加え、
ボールミルを用いて1〜10時間湿式混合を行なつ
た。本実施例で用いたSiCウイスカーは、直径0.2
〜0.5μm、長さ30〜300μmの範囲のものである。
Next, after crushing this calcined material in an alumina mortar, commercially available SiC whiskers are added from 0.05% to 10% by weight.
Wet mixing was performed using a ball mill for 1 to 10 hours. The SiC whiskers used in this example had a diameter of 0.2
~0.5 μm and lengths ranging from 30 to 300 μm.

次に過乾燥後、バインダーとして8%PVA
溶液を5重量%加え、造粒および整粒後、1000
Kg/cm2の圧力で直径25mm、厚さ1.5mmの円板状に
加圧成形した。
Next, after over-drying, 8% PVA as a binder.
After adding 5% by weight of the solution and granulating and sizing, 1000
It was pressure-molded into a disk shape with a diameter of 25 mm and a thickness of 1.5 mm using a pressure of Kg/cm 2 .

次にこの成形体をケース内に収容し、電気炉中
で1100℃〜1280℃の温度で本焼成を行なつた。焼
成時間は温度に依存し、1100℃では6時間、1150
℃では3時間、1180℃では2時間、1280℃では1
時間の焼成を必要とした。なお、成形体を収容す
るケースは、鉛雰囲気を密封するため蓋付のもの
で、アルミナ質の緻密なものあるいはマグネシア
質のものを用いた。
Next, this molded body was housed in a case, and main firing was performed at a temperature of 1100°C to 1280°C in an electric furnace. Firing time depends on temperature, 6 hours at 1100℃, 6 hours at 1150℃
3 hours at ℃, 2 hours at 1180℃, 1 hour at 1280℃
Required baking time. The case for housing the molded body had a lid to seal the lead atmosphere, and was made of dense alumina or magnesia.

次にこの焼成体を直径20mm、厚さ0.5mmの円板
状に加工し、さらに両面に銀電極を焼付けて分極
処理したものを電気的特性測定のための試料とし
た。また、この焼成体を2.5×1×10mmの寸法の
直方体に加工したものを機械的強度測定のための
試料とした。機械的強度の測定は3点曲げ法によ
る抗折力の測定によつて行ない、PZTに対する
SiCウイスカー添加量を0重量%から10重量%ま
で段階的に変化させた各試料について抗折力を測
定した。
Next, this fired body was processed into a disk shape with a diameter of 20 mm and a thickness of 0.5 mm, which was further polarized by baking silver electrodes on both sides, and was used as a sample for measuring electrical characteristics. Further, this fired body was processed into a rectangular parallelepiped with dimensions of 2.5 x 1 x 10 mm and used as a sample for measuring mechanical strength. Mechanical strength was measured by measuring transverse rupture strength using a three-point bending method.
The transverse rupture strength was measured for each sample in which the amount of SiC whiskers added was changed stepwise from 0% to 10% by weight.

第1図は、温度1180℃で2時間焼成して得た圧
電セラミツクスの抗折強度のワイブルプロツトか
ら求めた平均抗折強度をSiCウイスカー添加量に
対してプロツトしたものを示す。
FIG. 1 shows a plot of the average flexural strength determined from a Weibull plot of the flexural strength of piezoelectric ceramics obtained by firing at a temperature of 1180° C. for 2 hours against the amount of SiC whisker added.

第1図によれば、SiCウイスカーの添加量が0.7
重量%までは、抗折力はSiCウイスカーの添加量
にほぼ比例して増加することが示されており、
SiCウイスカーの無添加の場合、平均抗折強度は
890Kg/cm2である。SiCウイスカーを0.05重量%添
加することにより平均抗折強度は920Kg/cm2に増
加し、0.25重量%添加した場合は1060Kg/cm2
0.5重量%の添加で1210Kg/cm2となり、SiCウイス
カー無添加の場合より機械的強度が36%も増加
し、0.7重量%添加すれば平均抗折強度が1270
Kg/cm2となり、約43%も向上した。しかしなが
ら、添加量が0.7重量%を超えると抗折強度が低
下しはじめ、1.0重量%の添加量で1030Kg/cm2
減少し、1.2重量%添加すると無添加の場合より
も強度が低下することが確認された。
According to Figure 1, the amount of SiC whiskers added is 0.7
It has been shown that the transverse rupture strength increases approximately proportionally to the amount of SiC whiskers added up to % by weight.
When no SiC whiskers are added, the average bending strength is
It is 890Kg/ cm2 . By adding 0.05% by weight of SiC whiskers, the average bending strength increases to 920Kg/cm 2 , and when adding 0.25% by weight, it increases to 1060Kg/cm 2 .
When adding 0.5% by weight, the mechanical strength is 1210Kg/ cm2 , which is a 36% increase in mechanical strength compared to the case without SiC whiskers, and when adding 0.7% by weight, the average flexural strength is 1270Kg/cm2.
Kg/cm 2 , an improvement of approximately 43%. However, when the amount added exceeds 0.7% by weight, the bending strength begins to decrease, and when the amount added is 1.0% by weight, it decreases to 1030 Kg/ cm2 , and when the amount added is 1.2% by weight, the strength is lower than that without the addition. was confirmed.

なお焼成温度が1300℃を超えた場合、SiCウイ
スカーの添加による抗折強度の増加は見られなか
つた。すなわち1300℃を超える温度では、セラミ
ツクス材料とSiCとの反応が著しく生じてSiCウ
イスカーの強度が劣化することが判明した。従つ
て、特に鉛成分の多いチタン酸ジルコン酸鉛系の
材料では、SiCとの反応の少ない焼成温度および
焼成時間を選択する必要がある。
Note that when the firing temperature exceeded 1300°C, no increase in flexural strength was observed due to the addition of SiC whiskers. In other words, it was found that at temperatures exceeding 1,300°C, the reaction between the ceramic material and SiC occurs significantly, causing the strength of the SiC whiskers to deteriorate. Therefore, especially for lead zirconate titanate-based materials that have a high lead content, it is necessary to select a firing temperature and firing time that minimize reaction with SiC.

一方、機械的強度の測定に用いた試料と同じ焼
成条件、すなわち1180℃で2時間焼成を行なつて
得られた電気的特性測定用の試料についての誘電
特性および圧電特性の測定結果は次のとおりであ
る。
On the other hand, the measurement results of the dielectric and piezoelectric properties of the sample for measuring the electrical properties obtained under the same firing conditions as the sample used for measuring the mechanical strength, that is, firing at 1180°C for 2 hours, are as follows. That's right.

誘電率はSiCウイスカーの添加によつて減少し
た。誘電損失tanδは、SiCウイスカー無添加のと
き1.75%であり、SiCウイスカーの添加によつて
若干増加はするが、添加量0.7重量%までは1.9〜
2.1%の範囲である。
The dielectric constant was decreased by the addition of SiC whiskers. The dielectric loss tan δ is 1.75% without the addition of SiC whiskers, and although it increases slightly with the addition of SiC whiskers, it decreases from 1.9 to 1.9% up to the addition amount of 0.7% by weight.
It is in the range of 2.1%.

周波数定数fr・dは、SiCウイスカー無添加の
とき約2000Hzmであるが、SiCウイスカーの添加
によつて増加し、0.5重量%のSiCウイスカーの添
加によつて、2200Hzmとなり、0.7重量%の添加
によつて2250Hzmとなつて10〜12%の増加が見ら
れた。
The frequency constant fr・d is approximately 2000 Hzm when no SiC whiskers are added, but it increases with the addition of SiC whiskers, and becomes 2200 Hzm with the addition of 0.5% by weight of SiC whiskers, and increases with the addition of 0.7% by weight. As a result, an increase of 10 to 12% was observed at 2250 Hzm.

Qn(機械的Q)は、無添加のとき53で、SiCウ
イスカーの添加によつてやや増加するが、添加量
が0.5重量%までは55〜62と若干増加する。添加
量が0.7重量%では48とやや減少するが、減少度
は10%以内である。
Q n (mechanical Q) is 53 when no additives are added, and increases slightly with the addition of SiC whiskers, but increases slightly to 55-62 when the amount added is up to 0.5% by weight. When the amount added is 0.7% by weight, it decreases slightly to 48, but the degree of decrease is within 10%.

電気機械結合係数についてみれば、円板状素子
の径方向の電気機械結合係数Kpは、SiCウイスカ
ー無添加の場合に0.64である。SiCウイスカーを
0.05重量%添加するとKpは0.59となり、0.1重量%
の添加で0.55となり、0.35重量%の添加で0.46,
0.50重量%の添加で0.40,0.7重量%の添加で
0.34,1.0重量%の添加で0.29と減少するが、圧電
材料として十分実用になる変換効率を保つてい
る。
Regarding the electromechanical coupling coefficient, the radial electromechanical coupling coefficient K p of the disc-shaped element is 0.64 when no SiC whiskers are added. SiC whiskers
When 0.05% by weight is added, K p becomes 0.59, which is 0.1% by weight.
When adding , it becomes 0.55, and when adding 0.35% by weight, it becomes 0.46,
When adding 0.50% by weight, 0.40, when adding 0.7% by weight
Addition of 0.34 and 1.0% by weight decreases the conversion efficiency to 0.29, but it maintains a conversion efficiency sufficient for practical use as a piezoelectric material.

一方、厚み方向の電気機械結合係数Ktは、径
方向の電気機械結合係数Kpに比較してSiCウイス
カー添加による減少の割合が小さい。従つて、両
者の比率Kt/Kpは、第2図に示すようにSiCウイ
スカーの添加量の増加に応じて増加する。第2図
から明らかなように、SiCウイスカー無添加の場
合、Kt/Kpは0.78であつたが、SiCウイスカーの
添加量が0.05重量%、0.35重量%、0.50重量%、
0.70重量%および1.0重量%と増加するに従い、
Kt/Kpはそれぞれ0.84,1.13,1.20,1.47および
1.72と増加し、厚み方向の振動モードが強調され
るようになる。この特性は例えばチタン酸系圧電
セラミツクスの圧電特性に近いものであり、音波
の送受器用素子のように、縦方向のモードの音波
や機械的振動エネルギの電気的エネルギへの変
換、およびその逆の電気的エネルギから縦方向の
モードをもつ機械的振動エネルギへの変換を目的
とし、横方向モードの振動の影響を小さくしたい
場合のトランスデユーサの材料として好適であ
る。
On the other hand, the electromechanical coupling coefficient K t in the thickness direction decreases at a smaller rate due to the addition of SiC whiskers than the electromechanical coupling coefficient K p in the radial direction. Therefore, the ratio K t /K p increases as the amount of SiC whiskers added increases, as shown in FIG. As is clear from FIG. 2, K t /K p was 0.78 when no SiC whiskers were added, but when the amount of SiC whiskers added was 0.05% by weight, 0.35% by weight, 0.50% by weight,
As it increases from 0.70 wt% to 1.0 wt%,
K t /K p are 0.84, 1.13, 1.20, 1.47 and respectively
The value increases to 1.72, and the vibration mode in the thickness direction becomes emphasized. This property is similar to the piezoelectric property of titanate-based piezoelectric ceramics, for example, and can be used to convert longitudinal mode sound waves and mechanical vibration energy into electrical energy, and vice versa, such as in sound wave transceiver elements. It is suitable as a transducer material when the purpose is to convert electrical energy into mechanical vibration energy having a longitudinal mode and to reduce the influence of vibrations in the transverse mode.

以上述べた特性は、PZTにNb2O5を0.5モル%
添加した組成物を温度1180℃で2時間焼成した圧
電セラミツクスに対するSiCウイスカーの添加に
よつて得られたものであるが、焼成条件を変えた
場合、例えば焼成温度を1150℃から1280℃の間で
変化させ、これに応じて焼成時間を6時間から1
時間まで変化させた場合にも、機械的特性、誘電
特性および圧電特性に関して同様の結果が得られ
た。
The above characteristics are obtained by adding 0.5 mol% of Nb 2 O 5 to PZT.
This was obtained by adding SiC whiskers to piezoelectric ceramics by firing the added composition at a temperature of 1180°C for 2 hours, but if the firing conditions were changed, for example by changing the firing temperature between 1150°C and 1280°C. Depending on this, the baking time can be changed from 6 hours to 1 hour.
Similar results were obtained regarding mechanical, dielectric and piezoelectric properties when varying the time.

このような結果は、圧電セラミツクス材料と
SiCとの複合化により形成されるセラミツクスの
微構造により得られるものである。
These results are similar to piezoelectric ceramic materials.
It is obtained by the microstructure of ceramics formed by composite with SiC.

本実施例においては、PZTにNb2O5を添加し
た圧電セラミツクス材料に、SiCウイスカーを添
加した場合であるが、PZTに他の複合酸化物が
添加された組成を有するPZT系の圧電セラミツ
クス材料にSiCウイスカーを添加した複合材料に
おいても同様の効果を奏することができる。その
一例を実施例2.に示す。
In this example, SiC whiskers are added to a piezoelectric ceramic material in which Nb 2 O 5 is added to PZT, but a PZT-based piezoelectric ceramic material having a composition in which other composite oxides are added to PZT A similar effect can be achieved with a composite material in which SiC whiskers are added to. An example is shown in Example 2.

実施例 2 PZTにPb(Mg1/3Nb2/3)O3を添加した組成を有
する材料とSiCウイスカーとの複合化を行なつ
た。用いた圧電材料の組成は0.275PbZrO3
0.350PbTiO3−0.375Pb(Mg1/3Nb2/3)O3であり、
この原料混合物を温度850℃で2時間仮焼して得
られた仮焼物を粉砕した後、SiCウイスカーを
0.05重量%から3重量%加え、攪拌装置を用いて
2〜6時間湿式混合を行なつた。
Example 2 A material having a composition in which Pb (Mg 1/3 Nb 2/3 ) O 3 was added to PZT was composited with SiC whiskers. The composition of the piezoelectric material used is 0.275PbZrO 3
0.350PbTiO3−0.375Pb (Mg1 / 3Nb2 / 3) O3 ,
After calcining this raw material mixture at a temperature of 850℃ for 2 hours and pulverizing the calcined product, SiC whiskers are
0.05% to 3% by weight was added, and wet mixing was performed for 2 to 6 hours using a stirring device.

過乾燥後、バインダーとして5重量%メチル
セルロース溶液を6重量%加え、造粒と整粒を行
ない、再び乾燥した後、直径25mm、厚さ1.5mmの
円板状に1000Kg/cm2の圧力下で加圧成形した。
After over-drying, add 6% by weight of 5% by weight methylcellulose solution as a binder, perform granulation and sizing, dry again, and form into discs with a diameter of 25mm and a thickness of 1.5mm under a pressure of 1000Kg/ cm2 . Pressure molded.

この成形体を、1150〜1300℃の温度で6〜1時
間焼成を行ない、圧電セラミツクス素子を得、実
施例1の場合と同様の方法で機械的強度および電
気的特性の測定を行なつた。
This molded body was fired at a temperature of 1150 to 1300°C for 6 to 1 hour to obtain a piezoelectric ceramic element, and its mechanical strength and electrical properties were measured in the same manner as in Example 1.

一例として、1280℃の温度で2時間焼成した試
料についてみると、SiCウイスカーの添加によつ
て平均抗折強度の増大がみられた。すなわちSiC
ウイスカーを0.10重量%、0.25重量%および0.50
重量%添加することによつて、それぞれ平均抗折
強度が8%、19%および36%増大することが確認
された。また温度1150℃で6時間、1250℃で3時
間、および1300℃で1時間または2時間焼成した
複合材料でも同様の平均抗折強度の増大が確認さ
れた。
As an example, when looking at a sample fired at a temperature of 1280°C for 2 hours, an increase in the average bending strength was observed due to the addition of SiC whiskers. i.e. SiC
Whiskers 0.10 wt%, 0.25 wt% and 0.50
It was confirmed that the average bending strength increased by 8%, 19%, and 36% by adding % by weight, respectively. A similar increase in average flexural strength was also confirmed for composite materials fired at a temperature of 1150°C for 6 hours, 1250°C for 3 hours, and 1300°C for 1 or 2 hours.

しかしながら、SiCウイスカーの添加量が0.6な
いし0.8重量%を超えると、抗折強度の減少が始
まるため、この組成物に対し、機械的強度を改善
できるSiCウイスカーの添加量は1.0重量%が限度
であつた。
However, if the amount of SiC whiskers added exceeds 0.6 to 0.8% by weight, the bending strength begins to decrease, so the amount of SiC whiskers added that can improve the mechanical strength of this composition is limited to 1.0% by weight. It was hot.

焼成温度が高い場合、例えば1330℃で2時間焼
成すると、SiCウイスカーの添加による強度増大
は見られず、本実施例における焼成温度の上限は
1300℃であつた。
When the firing temperature is high, for example, when firing at 1330°C for 2 hours, no increase in strength is observed due to the addition of SiC whiskers, and the upper limit of the firing temperature in this example is
It was 1300℃.

誘電特性および圧電特性について見ると、誘電
率は実施例1と同様にSiCウイスカーの添加に伴
ない減少した。誘電損失は、SiCウイスカーの添
加量が0.7重量%までは一定で、添加量が1.0重量
%を超えると増加した。
Looking at the dielectric properties and piezoelectric properties, the dielectric constant decreased with the addition of SiC whiskers, as in Example 1. The dielectric loss remained constant up to 0.7% by weight of SiC whiskers, and increased when the amount exceeded 1.0% by weight.

周波数定数およびQn(機械的Q)はSiCウイス
カーの添加量の増加に伴ない実施例1と同様の傾
向を示した。
The frequency constant and Q n (mechanical Q) showed similar trends as in Example 1 as the amount of SiC whiskers added increased.

また電気機械結合係数についても、径方向の
KpはSiCウイスカーの添加量の増加に伴ない減少
するが、縦方向のKtがほぼ一定であるため、
Kt/KpはSiCウイスカーの添加量の増加に伴ない
増加した。このように本実施例の組成において
も、SiCウイスカーの添加により、縦方向モード
が強調された材料が得られた。なお、SiCウイス
カーを1.0重量%より多く添加すると、Kpは0.25
あるいはこれより小さい値となつた。
Also, the electromechanical coupling coefficient in the radial direction
K p decreases as the amount of SiC whiskers added increases, but since K t in the longitudinal direction is almost constant,
K t /K p increased as the amount of SiC whiskers added increased. In this way, also in the composition of this example, a material in which the longitudinal mode was emphasized was obtained by adding SiC whiskers. Note that if more than 1.0% by weight of SiC whiskers is added, K p will be 0.25.
Or the value was smaller than this.

以上のように、実施例1ではPZTにNb2O5
添加した圧電セラミツクス材料に、また実施例2
ではPZTにPb(Mg1/3Nb2/3)O3を添加した組成の
ものにSiCウイスカーをそれぞれ添加している
が、それのみでなく、下記の2つのグループ(1)お
よび(2)の化合物の1つもしくは複数の組合せを選
択して添加物としてPZTに添加した組成のもの
にSiCウイスカーを加えても同様の効果を得るこ
とができる。
As described above, in Example 1, a piezoelectric ceramic material in which Nb 2 O 5 was added to PZT, and in Example 2,
In this case, SiC whiskers are added to PZT with Pb (Mg 1/3 Nb 2/3 ) O 3 added, but not only that, but also the following two groups (1) and (2) A similar effect can be obtained by adding SiC whiskers to a composition in which one or more of the above compounds are selected and added to PZT as an additive.

(1) グループ1: Nb2O5,Ta2O5.Cr2O3,MnO2,Fe2O3
NiO,Co2O3,PbNb2O6.PbTa2O6,BaTiO3
CaTiO3、PbSrO3およびSrTiO3, (2) グループ2: Pb(Mg1/3Nb2/3)O3,Pb(Mn1/3Nb2/3)O3,Pb
(Cd1/2W1/2)O3,Pb(Sb1/2Sn1/2)O3,Pb(Y1/2
Nb1/2)O3,Pb(Co1/3Nb2/3)O3,Pb(Ni1/3Nb2/3
O3,Pb(Zn1/3Nb2/3)O3,Pb(Ni1/2W1/2)O3,Pb
(Co1/2W1/2)O3 およびSr(Li2/5W3/5)O3 また、チタン酸鉛およびジルコン酸鉛に、上記
グループ2の化合物の中から選ばれた1つの化合
物を加えた3成分系のものでもよい。さらに、こ
の3つの酸化物に、上記したグループ1および2
の化合物(但し前記グループ2の中から選ばれた
1つの化合物を除く)の中から選ばれた少なくと
も1つの化合物を添加物として用いたものでもよ
い。
(1) Group 1: Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 . Cr2O3 , MnO2 , Fe2O3 ,
NiO , Co2O3 , PbNb2O6 . PbTa 2 O 6 , BaTiO 3 ,
CaTiO 3 , PbSrO 3 and SrTiO 3 , (2) Group 2: Pb (Mg 1/3 Nb 2/3 ) O 3 , Pb (Mn 1/3 Nb 2/3 ) O 3 , Pb
(Cd 1/2 W 1/2 ) O 3 , Pb (Sb 1/2 Sn 1/2 ) O 3 , Pb (Y 1/2
Nb 1/2 ) O 3 , Pb (Co 1/3 Nb 2/3 ) O 3 , Pb (Ni 1/3 Nb 2/3 )
O 3 , Pb (Zn 1/3 Nb 2/3 ) O 3 , Pb (Ni 1/2 W 1/2 ) O 3 , Pb
(Co 1/2 W 1/2 ) O 3 and Sr (Li 2/5 W 3/5 ) O 3 In addition, lead titanate and lead zirconate contain one selected from the compounds of Group 2 above. A three-component system containing a compound may also be used. Furthermore, these three oxides have the above-mentioned groups 1 and 2.
(However, one compound selected from Group 2 is excluded) may be used as an additive.

なお、上記の組成物においては、各々の材料に
応じて適切な仮焼温度および本焼成温度を選択す
ればよい。ただし、鉛を含む組成物であるため、
SiCと鉛とが反応しないかまたは反応の少ない焼
成温度と焼成時間を選ぶ必要がある。例えば前記
実施例1および2においては、1300℃を超える温
度で焼成した場合、SiCウイスカーの添加による
機械的強度の増大は見られなかつた。従つてSiC
と鉛との反応を回避するため、例えば1280℃以
下、望ましくは1200℃以下の比較的低い温度で本
焼成しうる圧電セラミツクス原料を選択するのが
よい。
In addition, in the above-mentioned composition, what is necessary is just to select an appropriate calcination temperature and main calcination temperature according to each material. However, since it is a composition containing lead,
It is necessary to select a firing temperature and time at which SiC and lead do not react or react less. For example, in Examples 1 and 2, no increase in mechanical strength was observed due to the addition of SiC whiskers when fired at a temperature exceeding 1300°C. Therefore SiC
In order to avoid the reaction between lead and lead, it is preferable to select a piezoelectric ceramic raw material that can be main fired at a relatively low temperature, for example, 1280°C or lower, preferably 1200°C or lower.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上の説明で明らかなように、本発明によれば
MPB近傍の組成を有するPZT系圧電セラミツク
スが本来備えている優れた電気的特性を損うこと
なく機械的強度の増大を図つた圧電セラミツクス
を得ることができる。従つて、PZT系圧電セラ
ミツクスを高出力素子に適用することができ、さ
らに周波数定数が増加することにより高周波用素
子としても適用できる。
As is clear from the above explanation, according to the present invention
It is possible to obtain piezoelectric ceramics with increased mechanical strength without impairing the excellent electrical properties originally possessed by PZT-based piezoelectric ceramics having a composition near MPB. Therefore, PZT-based piezoelectric ceramics can be applied to high-output devices, and because the frequency constant increases, it can also be used as high-frequency devices.

さらに本発明による圧電セラミツクスを厚み振
動を利用する円板状共振子に適用した場合、径方
向振動の影響が少なく、厚み方向のモードが強調
される利点がある。
Furthermore, when the piezoelectric ceramic according to the present invention is applied to a disc-shaped resonator that utilizes thickness vibration, there is an advantage that the influence of radial vibration is small and the thickness direction mode is emphasized.

以上述べた効果は、圧電セラミツクス材料に対
する繊維状SiCの添加による構造的な改善によつ
て得られるため、圧電材料の材質を広い範囲に亘
つて選択することが可能になり、目的に応じて材
料組成を選択できるため、種々のトランスデユー
サとしての性能を向上させることができる。
The above-mentioned effects can be obtained by structurally improving the piezoelectric ceramic material by adding fibrous SiC, so it is now possible to select the material of the piezoelectric material from a wide range, and the material can be adjusted depending on the purpose. Since the composition can be selected, the performance of various transducers can be improved.

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

第1図は本発明による圧電セラミツクスにおけ
るSiCウイスカー添加量と平均抗折強度との関係
を示すグラフ、第2図は同SiCウイスカー添加量
とKt/Kpとの関係を示すグラフである。
FIG. 1 is a graph showing the relationship between the amount of SiC whiskers added and the average bending strength in piezoelectric ceramics according to the present invention, and FIG. 2 is a graph showing the relationship between the amount of SiC whiskers added and K t /K p .

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 チタン酸ジルコン酸鉛系酸化物を仮焼しかつ
粉砕して得られた原料と0.05〜1.0重量%の繊維
状炭化けい素との混合物を成形および焼成してな
る圧電セラミツクス。 2 特許請求の範囲第1項に記載された圧電セラ
ミツクスにおいて、前記チタン酸ジルコン酸鉛系
酸化物がPb(Zr0.53Ti0.47)O3を主成分とする前記
圧電セラミツクス。 3 特許請求の範囲第1項に記載された圧電セラ
ミツクスにおいて、前記繊維状炭化けい素がSiC
ウイスカーよりなる前記圧電セラミツクス。 4 特許請求の範囲第1項に記載された圧電セラ
ミツクスにおいて、前記チタン酸ジルコン酸鉛系
酸化物が、チタン酸鉛と、ジルコン酸鉛と、次の
グループ Pb(Mg1/3Nb2/3)O3,Pb(Mn1/3Nb2/3)O3,Pb
(Cd1/2W1/2)O3,Pb(Sb1/2Sn1/2)O3,Pb(Y1/2
Nb1/2)O3,Pb(Co1/3Nb2/3)O3,Pb(Ni1/3Nb2/3
O3,Pb(Zn1/3Nb2/3)O3,Pb(Ni1/2W1/2)O3,Pb
(Co1/2W1/2)O3およびSr(Li2/5W3/5)O3 の中から選ばれた1つの化合物とよりなる3成分
系の前記圧電セラミツクス。 5 特許請求の範囲第1項に記載された圧電セラ
ミツクスにおいて、前記チタン酸ジルコン酸鉛系
酸化物が、チタン酸ジルコン酸鉛に、 Nb2O5,Ta2O5,Cr2O3,MnO2,Fe2O3
NiO,Co2O3,PbNb2O6,PbTa2O6,BaTiO3
CaTiO3,PbSrO3,SrTiO3,Pb(Mg1/3Nb2/3
O3,Pb(Mn1/3Nb2/3)O3,Pb(Cd1/2W1/2)O3
Pb(Sb1/2Sn1/2)O3,Pb(Y1/2Nb1/2)O3,Pb
(Co1/3Nb2/3)O3,Pb(Ni1/3Nb2/3)O3,Pb(Zn1/3
Nb2/3)O3,Pb(Ni1/2W1/2)O3,Pb(Co1/2W1/2
O3およびSr(Li2/5W3/5)O3の中から選ばれた少な
くとも1つの化合物を添加物として用いたものよ
りなる前記圧電セラミツクス。 6 特許請求の範囲第4項に記載された圧電セラ
ミツクスにおいて、さらに、Nb2O5,Ta2O5
Cr2O3,MnO2,Fe2O3,NiO,Co2O3,PbNb2
O6,PbTa2O6,BaTiO3,CaTiO3,PbSrO3
SrTiO3および前記1つの化合物を除く前記グル
ープの各化合物の中から選ばれた少なくとも1つ
の化合物を添加物として用いたものよりなる前記
圧電セラミツクス。
[Scope of Claims] 1. A piezoelectric product obtained by molding and firing a mixture of a raw material obtained by calcining and pulverizing a lead zirconate titanate oxide and 0.05 to 1.0% by weight of fibrous silicon carbide. Ceramics. 2. The piezoelectric ceramic according to claim 1, wherein the lead zirconate titanate-based oxide has Pb(Zr 0.53 Ti 0.47 )O 3 as a main component. 3. In the piezoelectric ceramic according to claim 1, the fibrous silicon carbide is SiC.
The piezoelectric ceramic is made of whiskers. 4. In the piezoelectric ceramic described in claim 1, the lead zirconate titanate-based oxide contains lead titanate, lead zirconate, and the following group Pb (Mg 1/3 Nb 2/3 ) O 3 , Pb (Mn 1/3 Nb 2/3 ) O 3 , Pb
(Cd 1/2 W 1/2 ) O 3 , Pb (Sb 1/2 Sn 1/2 ) O 3 , Pb (Y 1/2
Nb 1/2 ) O 3 , Pb (Co 1/3 Nb 2/3 ) O 3 , Pb (Ni 1/3 Nb 2/3 )
O 3 , Pb (Zn 1/3 Nb 2/3 ) O 3 , Pb (Ni 1/2 W 1/2 ) O 3 , Pb
The piezoelectric ceramic is a three-component system comprising one compound selected from (Co 1/2 W 1/2 )O 3 and Sr(Li 2/5 W 3/5 )O 3 . 5. In the piezoelectric ceramic described in claim 1, the lead zirconate titanate-based oxide includes lead zirconate titanate, Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 , Cr 2 O 3 , MnO 2 , Fe2O3 ,
NiO , Co2O3 , PbNb2O6 , PbTa2O6 , BaTiO3 ,
CaTiO 3 , PbSrO 3 , SrTiO 3 , Pb (Mg 1/3 Nb 2/3 )
O 3 , Pb (Mn 1/3 Nb 2/3 ) O 3 , Pb (Cd 1/2 W 1/2 ) O 3 ,
Pb (Sb 1/2 Sn 1/2 ) O 3 , Pb (Y 1/2 Nb 1/2 ) O 3 , Pb
(Co 1/3 Nb 2/3 ) O 3 , Pb (Ni 1/3 Nb 2/3 ) O 3 , Pb (Zn 1/3
Nb 2/3 ) O 3 , Pb (Ni 1/2 W 1/2 ) O 3 , Pb (Co 1/2 W 1/2 )
The piezoelectric ceramic is made of an additive containing at least one compound selected from O 3 and Sr(Li 2/5 W 3/5 ) O 3 . 6. The piezoelectric ceramic described in claim 4 further includes Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 ,
Cr2O3 , MnO2 , Fe2O3 , NiO, Co2O3 , PbNb2
O 6 , PbTa 2 O 6 , BaTiO 3 , CaTiO 3 , PbSrO 3 ,
The piezoelectric ceramic comprises, as an additive, at least one compound selected from the compounds of the group described above except for SrTiO 3 and the one compound described above.
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