JPH08104568A - 圧電セラミックスおよびその製造方法 - Google Patents

圧電セラミックスおよびその製造方法

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JPH08104568A
JPH08104568A JP23674694A JP23674694A JPH08104568A JP H08104568 A JPH08104568 A JP H08104568A JP 23674694 A JP23674694 A JP 23674694A JP 23674694 A JP23674694 A JP 23674694A JP H08104568 A JPH08104568 A JP H08104568A
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JP
Japan
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powder
piezoelectric
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ceramic
piezoelectric ceramic
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JP23674694A
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English (en)
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慶一 ▲たか▼橋
Keiichi Takahashi
Masamitsu Nishida
正光 西田
Koichi Kugimiya
公一 釘宮
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Panasonic Holdings Corp
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 低温で焼結でき、焼結性がよく、その微細構
造を制御したような圧電セラミックスとその製造方法を
提供する。 【構成】 圧電セラミックス粉末として組成がPb0.9Sr
0.1(Mg1/3Nb2/3)0.255Ti0.38Zr0.365O3 の仮焼粉末を媒
体撹拌ミルを用いて、直径0.6mmのジルコニア玉石
と共に、有機系の分散剤及び水を加え、平均粒子径約
0.2μmに粉砕したのち乾燥させ、造粒した。この粉
体を、金型を用いて直径13mm、厚さ約1mmの円板状の
成形体を作製し、通常の焼成温度よりも低温で2時間焼
成し、微細構造を制御した圧電セラミックスを製造し
た。 【効果】 本発明の構成の圧電セラミックスでは、媒体
撹拌ミルによる微粉砕により焼成温度を低下させ微細構
造を制御することにより、圧電セラミックスの圧電特性
を向上させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、圧電セラミックス及び
電歪セラミックスに関するものであり、また、本発明
は、精密機械の位置決め、ビデオオートトラッキング用
圧電アクチュエーター、セラミックフイルタ、セラミッ
ク発振子等の圧電素子、赤外線センサー、リニアアレイ
センサー等の焦電素子、等の用途に用いることができる
圧電セラミックス及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】強誘電性セラミックスあるいは圧電セラ
ミックスとしては、従来よりPb(Ti,Zr)O3二成分系、Pb
(Mg1/3Nb2/3)xTiyZrzO3三成分系、Pb(Zn1/3Nb2/3)A(Sn
1/3Nb2/3)BTiCZrDO3四成分系組成等より成るセラミック
ス材料がある。これらの従来のセラミックス材料は、そ
の構成成分がほとんど全部がセラミックスであり、原料
あるいは仮焼粉末を所定の形状に成形したのち、高温で
焼成して作製される。これら従来の圧電セラミックスで
は成分の組成比を選ぶことにより用途に応じて種々の特
性の圧電セラミックスが作製され、アクチュエーター、
セラミックフイルタ、圧電ブザー、圧電点火栓、超音波
振動子などの用途に用いられている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のような
従来の圧電セラミックスは、その作製上PbOの蒸発や
2次相の生成などが免れず、十分その材料系が持つ特性
を示すセラミックスが得られていなかった。とくに焼結
性を阻害するような元素例えばSr等のアルカリ土類元
素を含む場合などでは十分緻密な焼結体が得られず、そ
の材料が持つ特性を十分発揮することは、困難であっ
た。そこで、その焼結性を向上させ、微細な構造を制御
することは、優れた特性を持ったセラミックスを得るた
めに必要なことである。
【0004】本発明は上記従来の問題点を解決するもの
で、圧電セラミックスの焼結性を上げ、低温でも焼結で
き、その微細構造を制御したような圧電セラミックスと
その製造方法を確立することを本発明の目的とする。ま
た、その際粉体の作成プロセス中に用いるスラリーに関
してそののゲル化を防ぐことなども重要である。よっ
て、上記の問題を解決した製造法の確立も本発明の目的
である。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明は、圧電セラミックスの平均結晶粒径が1〜
5μm以下であり、均一な組織よりなるようにする。ま
た、その気孔率が3%以下であり、その分布が均一な組
織を持つようにする。
【0006】また、圧電セラミックスを製造するに際し
て、焼結前の原料粉体の平均粒子径が0.4μm以下に
なるように調整する。また、原料粉末の粉砕の際そのス
ラリーの濃度を十分大きくしたままスラリーとしての流
動性を有する程度の粘度を保ち、pHを9以上に上げな
いような分散剤を用いることにより、効率のよい微粉砕
を行った。
【0007】
【作用】前記本発明の第1の発明の圧電セラミックスの
構成によれば、圧電セラミックスの密度の向上にともな
って弾性コンプライアンスが下がりながら、比誘電率及
び電気機械結合係数の向上がみられ、結果として圧電定
数の値が大きくなり、圧電セラミックスの圧電特性を改
良することができる。
【0008】また、前記本発明の第2の発明の圧電セラ
ミックスの構成によれば、粒径の微小化にともなって、
圧電セラミックスの耐圧が上昇し、高電界印加時での圧
電セラミックスの圧電特性を改良することができる。特
に高電界時まで電界−歪特性が劣化しない変位量の大き
なアクチュエータ材料として利用できる。
【0009】次に前記本発明の第4〜第8の発明の圧電
セラミックスの製造方法によれば、原料粉体の微小化が
可能となり、前記第1〜第3の発明の圧電セラミックス
を効率良く合理的に製造することができる。
【0010】
【実施例】以下に本発明の実施例を説明する。
【0011】(実施例1)原料粉末としてPbO,SrCO3
MgO,Nb2O5,TiO2,ZrO2を用い,組成はPbxSr1-x(Mg1/3
Nb2/3)xTiyZrzO3になるようにし、高濃度でも水素イオ
ン濃度が低下しない効果のある有機系の分散剤及び純水
を加えスラリーとし、媒体撹拌ミルを用い反応性を高め
るべく混合粉砕を行った。このときのスラリーのpH値
は8.6であった。混合粉砕後の平均粒径は各組成とも
0.3μm以下なるようにした。得られた混合粉を880℃
で2時間仮焼した。とくに組成がPb0.9Sr0.1(Mg1/3Nb
2/3)0. 255Ti0.38Zr0.365O3 の仮焼粉末を媒体撹拌ミル
(アイガーエンジニアリング社製モーターミルM50)
を用いて、直径0.6mmのジルコニア玉石と共に、高
濃度でも水素イオン濃度が低下しない効果のある有機系
の分散剤及び水を加え、撹拌器の周速を10m/sに設
定して、平均粒子径約0.2μmに粉砕したのち、12
0℃で乾燥させ焼結前の原料粉末を得た。このときのス
ラリーのpH値は7.6であった。
【0012】この粉末を有機バインダーと共にまぜ、5
00μmの篩を通過させて整粒した。この粉体を、金型
を用いて直径13mm、厚さ約1mmの円板状の成形体を作
製し、これを電気炉で2時間焼成し、圧電セラミックス
を作製した。昇温・降温速度は300℃/hである。な
お、比較のため微粉砕せずにした場合の粉体に関しても
作製した。
【0013】次に、各々試料の両面にCr−Auの蒸着電極
を付与し、その後120℃のシリコンオイル中で両電極
間に3kV/mm の直流電界を30分間印加して分極処理
し、圧電素子を得た。この試料について、SEMによる
結晶粒径の測定、および圧電特性を測定し、比較した。
測定結果を(表1)に示す。
【0014】
【表1】
【0015】(表1)から明らかなように、本発明のN
o.1〜No.3の圧電セラミックスは、単一の組成のNo.1とN
o.2のいずれの圧電特性に関しても向上が見られる。本
発明では、平均粒子径が0.4μm以下の微粉体を用い
ることにより、1200℃の低温で焼成でき、微細構造
の制御ができたことによって、圧電セラミックすの特性
が大きく向上している。微粉砕していない粉体の平均粒
子径が3.0μmのは、焼成温度が1290℃と高くな
り、特性が良くない。
【0016】なお、原料粉を酸化物及び炭酸塩を用いた
が、硝酸塩などのより反応性の期待できる原料粉を用い
ても同様の効果が期待できてよい。また、組成がPbxSr
1-x(Mg1/3Nb2/3)xTiyZrzO3で、0.200≦A≦0.5
00,0.200≦B≦0.400,0.100≦C≦
0.500,0.005≦x≦0.200に関しても同
様に結晶粒径の制御が特性の向上に有効であった。ま
た、この系にFe23を0.01から0.05重量%添
加したものに関しても結晶粒径と圧電特性に関して同様
の結果を示した。
【0017】(実施例2)原料粉末としてPbO,NiO,Nb
2O5,TiO2,ZrO2を用い,組成はPb(Ni1/3Nb2/3)xTiyZrz
O3になるようにし、高濃度でも水素イオン濃度が低下し
ない効果のある有機系の分散剤及び水を加えスラリーと
し、媒体撹拌ミルを用い反応性を高めるべく混合粉砕を
行った。このときのスラリーのpH値は7.8であっ
た。混合粉砕後の平均粒径は各組成とも0.3μm以下なる
ようにした。得られた混合粉を900℃で2時間仮焼し
た。とくに組成がPb(Ni1/3Nb2/3)0.45Ti0.35Zr0.20O3
の仮焼粉末を媒体撹拌ミルを用いて、直径0.6mmの
ジルコニア玉石と共に、有機系の分散剤及び水を加え、
平均粒子径約0.4μm以下に粉砕した。これを120
℃で乾燥させ焼結前の原料粉末を得た。この粉末を有機
バインダーと共にまぜ、500μmの篩を通過させて整
粒した。この粉体を、金型を用いて直径13mm、厚さ約
1mmの円板状の成形体を作製し、これを電気炉で2時間
焼成し、圧電セラミックスを作製した。昇温・降温速度
は300℃/hである。次に、各々試料の両面にCr−Au
の蒸着電極を付与し、その後120℃のシリコンオイル
中で両電極間に3kV/mm の直流電界を30分間印加して
分極処理し、圧電素子を得た。この試料について、SE
Mによる結晶粒径の測定、および圧電特性を測定した。
測定結果を(表2)に示す。
【0018】
【表2】
【0019】(表2)から明らかなように、本発明のN
o.1〜No.3の圧電セラミックスは、単一の組成のNo.1とN
o.2のいずれの圧電特性に関しても向上が見られる。本
発明では、平均粒子径が0.4μm以下の微粉体を用い
ることにより、1200℃の低温で焼成でき、微細構造
の制御ができたことによって、圧電セラミックすの特性
が大きく向上している。微粉砕していない粉体の平均粒
子径が3.0μmのは、焼成温度が1290℃と高くな
り、特性が良くない。
【0020】なお、原料粉を酸化物及び炭酸塩を用いた
が、硝酸塩などのより反応性の期待できる原料粉を用い
ても同様の効果が期待できてよい。また、組成がPb(Ni
1/3Nb 2/3)xTiyZrzO3で、0.200≦A≦0.500,
0.200≦B≦0.400,0.100≦C≦0.5
00,0.005≦x≦0.200に関しても同様に結
晶粒径の制御が特性の向上に有効であった。また、この
系にFe23を0.01から0.05重量%添加したも
のに関しても結晶粒径と圧電特性に関して同様の結果を
示した。
【0021】
【発明の効果】以上の実施例から明らかなように、本発
明の構成の圧電セラミックスでは、媒体撹拌ミルによる
微粉砕により焼成温度を低下させ微細構造を制御するこ
とにより、圧電セラミックスの圧電特性を向上させるこ
とができる。アクチュエータ素子としたときの電界−変
位特性に効いてくる圧電定数d31等特性を向上させるこ
とができた。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 41/22 A

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】セラミックスの平均粒径が0.5〜5μm
    であり、かつ粒径の分布が90%から100%の割合で
    前記範囲である0.5〜5μmの間に分布する圧電セラ
    ミックス。
  2. 【請求項2】請求項1記載のセラミックスであり、かつ
    平均粒径が1〜3μmであり、かつ粒径の分布が90%
    から100%の割合で前記範囲である1〜3μmの間に
    分布する圧電セラミックス。
  3. 【請求項3】請求項1または、請求項2記載のセラミッ
    クスであり、かつ組成が一般式Pb1-xSrx(Mg1/3
    Nb2/3ATiBZrC3または、Pb(Ni1/ 3Nb
    2/3ATiBZrC3で示され、(但しA+B+C=
    1) 0.200≦A≦0.500 0.200≦B≦0.400 0.100≦C≦0.500 0.005≦x≦0.200 を満足する基本組成に対し、副成分として、希土類元素
    の酸化物から選ばれた1種を0.01〜0.5重量%、
    及び、Fe23を0.01〜0.5重量%添加含有して
    なることを特徴とする圧電セラミックス。
  4. 【請求項4】粉体の平均粒子径が0.4μm以下で、か
    つ、前記粉体の粒度分布が前記平均粒子径の2倍から5
    倍の大きさの粒子の割合を7重量%から10重量%含む
    ことを特徴とする微粉体を焼結前原料粉体として用いる
    前記請求項1〜3のいずれかに記載の圧電セラミクスの
    製造方法。
  5. 【請求項5】微粉体の作製方法が媒体撹拌ミルを用いた
    粉砕方法を用い、かつ媒体撹拌ミルの玉石の直径が0.
    1から0.8mmで、かつ粉砕溶液を粉体の湿式成型時
    の媒液と同じとしたことを特徴とする製造方法請求項4
    記載の圧電セラミクスの製造方法。
  6. 【請求項6】セラミックスが鉛系圧電材料であることを
    特徴とする圧電セラミクスであり、かつ構成元素の酸化
    物、炭酸化物叉は硝酸化物等が水と反応して溶液の水素
    イオン濃度を変えるような粉体を原料として用いるよう
    な圧電セラミックスのうち、請求項4または5記載の作
    製方法を用いて作製される圧電セラミックスの製造方
    法。
  7. 【請求項7】粉体媒液の体積が粉体の真の体積の1倍か
    ら4倍の量でかつ分散剤を添加して粉砕することを特徴
    とする請求項4または5記載の微粉体を得る粉砕方法を
    用いる圧電セラミックスの製造方法。
  8. 【請求項8】分散剤が粉体媒液の水素イオン濃度を一定
    に保ち、pH値で7.4から8.6の間を示すようなス
    ラリーとするような特徴を有する分散剤であることを特
    徴とする請求項7記載の粉砕方法を用いる圧電セラミッ
    クスの製造方法。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6419848B1 (en) * 1999-03-02 2002-07-16 Seiko Epson Corporation Piezoelectric actuator, ink-jet type recording head, manufacturing method therefor, and ink-jet printer
JP2007088022A (ja) * 2005-09-20 2007-04-05 Kyocera Corp 積層圧電体
JP2014034507A (ja) * 2012-08-10 2014-02-24 Nihon Ceratec Co Ltd 圧電セラミックスおよびこれを用いた圧電アクチュエータ

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JP2007088022A (ja) * 2005-09-20 2007-04-05 Kyocera Corp 積層圧電体
JP2014034507A (ja) * 2012-08-10 2014-02-24 Nihon Ceratec Co Ltd 圧電セラミックスおよびこれを用いた圧電アクチュエータ

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