JPH10279350A - High strength piezoelectric ceramic and its production - Google Patents

High strength piezoelectric ceramic and its production

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JPH10279350A
JPH10279350A JP7866797A JP7866797A JPH10279350A JP H10279350 A JPH10279350 A JP H10279350A JP 7866797 A JP7866797 A JP 7866797A JP 7866797 A JP7866797 A JP 7866797A JP H10279350 A JPH10279350 A JP H10279350A
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JP
Japan
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piezoelectric
piezoelectric ceramic
average particle
particle size
strength
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Application number
JP7866797A
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Japanese (ja)
Inventor
Kenichi Tajima
健一 田島
Shuzo Iwashita
修三 岩下
Yasuhiro Nakai
泰広 中井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kyocera Corp
Original Assignee
Kyocera Corp
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Publication date
Application filed by Kyocera Corp filed Critical Kyocera Corp
Priority to JP7866797A priority Critical patent/JPH10279350A/en
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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an piezoelectric ceramic, which is free from the large degradation of piezoelectric property such as electromechanical coupling factor and has high strength characteristic, and the producing method. SOLUTION: A sintered compact containing a piezoelectric ceramic crystal particle having <=3 μm average particle diameter and a metal oxide having <=1 μm average particle diameter as a dispersed crystal particle and having >=95% relative density to theoretical density is obtained by adding 0.01-5 vol.% at least one kind of a metal oxide powder selected form Al2 O3 , MgO, ZrO2 , HfO2 , Y2 O3 and TiO2 having <=1 μm average particle diameter to a piezoelectric ceramic powder having <=3 μm average particle diameter and after molding, irradiating the molding with micro wave and sintering at 900-1,300 deg.C by heating.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電セラミックス
及びその製造方法に関わり、例えばセラミックスフィル
タ、セラミックレゾネータ、超音波応用振動子、圧電ブ
ザー、圧電点火ユニット、超音波モータ、圧電ファン、
圧電アクチュエ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等に適する高強度の圧
電セラミックス及びその製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a piezoelectric ceramic and a method of manufacturing the same, for example, a ceramic filter, a ceramic resonator, an ultrasonic transducer, a piezoelectric buzzer, a piezoelectric ignition unit, an ultrasonic motor, a piezoelectric fan,
The present invention relates to a high-strength piezoelectric ceramic suitable for a piezoelectric actuator, a piezoelectric sensor such as an acceleration sensor, a knocking sensor, and an AE sensor, and a method for manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来技術】従来から、圧電セラミックスは、セラミッ
クスフィルタ、セラミックレゾネータ、超音波応用振動
子、圧電ブザー、圧電点火ユニット、超音波モータ、圧
電ファン、圧電アクチュエータ等の種々の電子部品に活
用されている。
2. Description of the Related Art Conventionally, piezoelectric ceramics have been used for various electronic components such as ceramic filters, ceramic resonators, ultrasonic transducers, piezoelectric buzzers, piezoelectric ignition units, ultrasonic motors, piezoelectric fans, and piezoelectric actuators. .

【0003】これらの製品に用いられる圧電材料として
は、PbZrO3 −PbTiO3 を主成分とする圧電磁
器組成物が利用されており、さらには、上記主成分に対
して、Nb2 5 やMnO2 などの金属酸化物、Pb
(Nb2/3 Mg1/3 )O3 やPb(Nb2/3 Co1/3
3 等の複合ペロブスカイト酸化物を添加、あるいは置
換することにより圧電特性の向上が図られている。これ
らの圧電セラミックスには、圧電特性、変位特性といっ
た電気的な特性が求められることはもちろんのこと、近
年の圧電アクチュエータの進歩に伴い、磁器自体に対し
て、耐久性、信頼性に優れる、すなわち機械的特性に特
に優れる圧電セラミックスが強く求められている。
As a piezoelectric material used in these products, a piezoelectric ceramic composition containing PbZrO 3 -PbTiO 3 as a main component is used. Further, Nb 2 O 5 or MnO 3 is used for the above main component. Metal oxides such as 2 , Pb
(Nb 2/3 Mg 1/3 ) O 3 and Pb (Nb 2/3 Co 1/3 )
By adding or substituting a composite perovskite oxide such as O 3, the piezoelectric characteristics are improved. These piezoelectric ceramics are required not only to have electrical characteristics such as piezoelectric characteristics and displacement characteristics, but also to have excellent durability and reliability with respect to porcelain itself with the recent progress of piezoelectric actuators. Piezoelectric ceramics having particularly excellent mechanical properties are strongly demanded.

【0004】このような要求に対して、磁器を構成する
結晶粒子の粒径を小さくするという見地から、原料粉末
として微粒子のものを用いたり、添加物を加える方法、
あるいは粒界を強化するという見地からZrO2 繊維や
SiC粒子などによる強化、または経験的に高強度とな
るような磁器組成物が提案されている。
[0004] In response to such demands, from the viewpoint of reducing the particle size of the crystal particles constituting the porcelain, a method of using fine particles as a raw material powder, adding an additive,
Or, from the viewpoint of strengthening the grain boundaries, there has been proposed a porcelain composition which is reinforced by ZrO 2 fibers or SiC particles or has a high strength empirically.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、単に粒
径を小さくするために、原料として微粉末を用いると、
製造時のハンドリング性が悪く、しかも原料コストや量
産性の面で問題があり、さらには誘電率や電気機械結合
係数といった圧電セラミックスに要求される基本的な特
性に影響及ぼす場合があった。
However, if a fine powder is used as a raw material simply to reduce the particle size,
The handleability during manufacturing is poor, and there are problems in terms of raw material cost and mass productivity, and further, there are cases in which basic characteristics required for piezoelectric ceramics such as a dielectric constant and an electromechanical coupling coefficient are affected.

【0006】また、複合化による強化では、複合物と圧
電材料とが反応し圧電特性が劣化する場合が多いため
に、焼成を低温で行うために、焼結方法がホットプレス
法に限定されたり、低温で長時間の焼成が必要となるた
め、PbOの分解等による圧電特性が劣化するなどの問
題があった。他の成分との複合化に対して、圧電特性を
劣化させないためには、圧電組成を制御することが最も
適切であるが、圧電材料自体のヤング率はほとんどが5
0〜150GPa程度であるために、圧電材料のみでの
高強度化には限界があった。
[0006] In addition, in the strengthening by the composite, the composite reacts with the piezoelectric material in many cases to degrade the piezoelectric characteristics. Therefore, in order to perform the firing at a low temperature, the sintering method is limited to the hot press method. In addition, since firing at a low temperature for a long time is required, there is a problem that the piezoelectric characteristics are deteriorated due to decomposition of PbO and the like. Controlling the piezoelectric composition is most appropriate in order not to degrade the piezoelectric characteristics in combination with other components, but the Young's modulus of the piezoelectric material itself is mostly 5
Since the pressure is about 0 to 150 GPa, there is a limit in increasing the strength using only the piezoelectric material.

【0007】従って、そのため、これまで誘電率、電気
機械結合係数の圧電特性と高強度化の両立は非常に困難
であった。
Therefore, it has been very difficult to achieve both the piezoelectric properties of the dielectric constant and the electromechanical coupling coefficient and the high strength.

【0008】本発明は、電気機械結合係数などの圧電特
性の大きな劣化なく、高強度特性を有する圧電セラミッ
クスとその及びその製造方法を提供することを目的とす
るものである。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a piezoelectric ceramic having high strength characteristics without significant deterioration of piezoelectric characteristics such as an electromechanical coupling coefficient, and a method for manufacturing the same.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記課題
に対し、圧電特性を劣化させない添加粒子の選択と焼成
方法に対して検討を重ねた結果、圧電性セラミックス中
に特定の金属酸化物を分散させるに当たり、マイクロ波
を照射して加熱、焼結することにより、微細組織をもっ
て緻密化させることにより、圧電特性の劣化を抑制しつ
つ磁器の高強度化を図ることができることを知見し、本
発明に至った。
Means for Solving the Problems The present inventors have repeatedly studied the selection of additive particles that do not degrade the piezoelectric characteristics and the firing method with respect to the above-mentioned problems. In dispersing the material, it was found that by irradiating microwaves and heating and sintering, it was possible to increase the strength of porcelain while suppressing the deterioration of piezoelectric characteristics by densifying it with a fine structure. This has led to the present invention.

【0010】即ち、本発明の高強度圧電セラミックス
は、平均粒径が3μm以下の圧電性セラミック結晶粒子
と、平均粒径が1μm以下のAl2 3 、MgO、Zr
2 、HfO2 、Y2 3 およびTiO2 の群から選ば
れる少なくとも1種の金属酸化物からなる分散結晶粒子
を含み、理論密度に対する相対密度が95%以上であ
り、且つ室温における抗折強度が100MPa以上であ
ることを特徴とするものである。また、かかる圧電セラ
ミックスを製造する方法として、平均粒径が3μm以下
の圧電性セラミック粉末に対して、平均粒径が1μm以
下のAl2 3 、MgO、ZrO2 、HfO2 、Y2
3 およびTiO2 の群から選ばれる少なくとも1種の金
属酸化物粉末を添加し、これを成形後、該成形体にマイ
クロ波を照射し、900〜1300℃で加熱焼結させる
ことを特徴とする。なお、前記金属酸化物は、0.01
〜5体積%の割合で添加含有させることが望ましい。
That is, the high-strength piezoelectric ceramic of the present invention comprises piezoelectric ceramic crystal particles having an average particle size of 3 μm or less, and Al 2 O 3 , MgO, Zr having an average particle size of 1 μm or less.
It contains dispersed crystal particles composed of at least one metal oxide selected from the group consisting of O 2 , HfO 2 , Y 2 O 3 and TiO 2 , has a relative density with respect to the theoretical density of 95% or more, and has a bending resistance at room temperature. The strength is not less than 100 MPa. Further, as a method of manufacturing such a piezoelectric ceramic, a piezoelectric ceramic powder having an average particle size of 3 μm or less is used for Al 2 O 3 , MgO, ZrO 2 , HfO 2 , Y 2 O having an average particle size of 1 μm or less.
At least one metal oxide powder selected from the group consisting of 3 and TiO 2 is added, and after molding, the molded body is irradiated with microwaves and heated and sintered at 900 to 1300 ° C. . In addition, the said metal oxide is 0.01
It is desirable to add and contain at a rate of about 5% by volume.

【0011】[0011]

【発明の実施の形態】本発明の圧電セラミックスは、組
織上、圧電性セラミック結晶粒子を主体とし、さらにそ
の圧電性セラミック結晶粒子の粒間に独立した相とし
て、Al2 3、MgO、ZrO2 、HfO2 、Y2
3 およびTiO2 の群から選ばれる少なくとも1種の金
属酸化物からなる分散結晶粒子を含む。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The piezoelectric ceramic of the present invention is mainly composed of piezoelectric ceramic crystal grains, and further has Al 2 O 3 , MgO, ZrO as phases independent between the grains of the piezoelectric ceramic crystal grains. 2 , HfO 2 , Y 2 O
3 and dispersed crystal particles of at least one metal oxide selected from the group consisting of TiO 2 .

【0012】圧電性セラミック結晶粒子の組成は、圧電
特性を有するものであれば、格別限定するものではない
が、例えば、PbZrTiO3 に代表されるペロブスカ
イト型酸化物結晶からなり、具体的な組成としては、特
公昭48−21876号などに示されるような、金属元
素としてPb、Zr、Ti、Nb、SbおよびCrを含
有するペロブスカイト型結晶や、その他、特開平3−2
5574号、特開平4−170364号、特開平7−1
87776号、特開平8−175867号など種々の組
成物から構成される。とりわけ、電気機械結合係数(K
p)が高い圧電アクチュエータなど、強度が要求される
部品に適用される圧電性組成物が好適である。
The composition of the piezoelectric ceramic crystal particles is not particularly limited as long as it has piezoelectric characteristics. For example, the composition of the piezoelectric ceramic crystal particles is a perovskite oxide crystal represented by PbZrTiO 3. Are perovskite-type crystals containing Pb, Zr, Ti, Nb, Sb and Cr as metal elements, as disclosed in JP-B-48-21876, and others, as disclosed in
5574, JP-A-4-170364, JP-A-7-1
It is composed of various compositions such as 87776 and JP-A-8-175867. In particular, the electromechanical coupling coefficient (K
A piezoelectric composition applied to a component requiring strength, such as a piezoelectric actuator having a high p), is suitable.

【0013】本発明によれば、この圧電性セラミック結
晶粒子は、その平均粒径が、3μm以下であることが重
要である。これは、圧電性セラミック結晶粒子の粒径が
3μmより大きいと、強度の向上効果が得られず、室温
における抗折強度が100MPa以上の高強度が得られ
ない。特に平均粒径は2μm以下であることが望まし
い。ここで言う平均粒径とは、例えばSEM写真の画像
解析により得られる結晶の面積から算出される円形状換
算の直径の平均値を指す。
According to the present invention, it is important that the piezoelectric ceramic crystal particles have an average particle size of 3 μm or less. If the particle size of the piezoelectric ceramic crystal particles is larger than 3 μm, the effect of improving strength cannot be obtained, and a high bending strength at room temperature of 100 MPa or more cannot be obtained. In particular, the average particle size is desirably 2 μm or less. Here, the average particle size refers to an average value of a diameter in terms of a circular shape calculated from an area of a crystal obtained by image analysis of an SEM photograph, for example.

【0014】また、分散結晶粒子は、平均粒径が1μm
以下、特に0.5μm以下であることが重要である。こ
れは、分散結晶粒子の粒径が1μmよりも小さいと、分
散結晶粒子による強化が不十分となり、100MPa以
上の強度を達成することが困難となる。
The dispersed crystal particles have an average particle size of 1 μm.
It is important that the thickness is 0.5 μm or less. If the particle size of the dispersed crystal particles is smaller than 1 μm, the strengthening by the dispersed crystal particles becomes insufficient, and it becomes difficult to achieve a strength of 100 MPa or more.

【0015】また、分散結晶粒子として、Al2 3
MgO、ZrO2 、HfO2 、Y23 およびTiO2
の群から選ばれる少なくとも1種の金属酸化物を選択し
たのは、これらの金属酸化物は、圧電性セラミック結晶
粒子に対する反応性が低く、且つ圧電特性の劣化が小さ
いためである。これらの中でも、MgO、ZrO2 、Y
2 3 が望ましい。
Further, Al 2 O 3 ,
MgO, ZrO 2 , HfO 2 , Y 2 O 3 and TiO 2
The reason why at least one kind of metal oxide selected from the group is selected is that these metal oxides have low reactivity to piezoelectric ceramic crystal particles and small deterioration of piezoelectric characteristics. Among them, MgO, ZrO 2 , Y
2 O 3 is desirable.

【0016】なお、この分散結晶粒子は、圧電特性に大
きな悪影響を及ぼさない限りにおいて、適当な量で配合
される。特に、焼結体中において、0.01〜5体積
%、特に0.01〜2体積%、さらには、0.01〜1
体積%の割合で含有されることが望ましい。この含有量
が0.01体積%よりも少ないと、強度向上効果が期待
できず、5体積%を越えると強度はある程度向上する
が、圧電特性に影響を与える場合がある。
The dispersed crystal particles are blended in an appropriate amount as long as they do not adversely affect the piezoelectric characteristics. In particular, in the sintered body, 0.01 to 5% by volume, particularly 0.01 to 2% by volume, and more preferably 0.01 to 1% by volume.
Desirably, it is contained at a volume percentage. If the content is less than 0.01% by volume, the effect of improving the strength cannot be expected. If the content exceeds 5% by volume, the strength is improved to some extent, but it may affect the piezoelectric properties.

【0017】本発明の圧電性セラミックスの製造方法
は、以下のような方法で作製される。
The method for producing a piezoelectric ceramic according to the present invention is produced by the following method.

【0018】まず、圧電性セラミック成分として、例え
ば、PbO、ZrO2 、TiO2 、Nb2 5 、Sb2
5 、Cr2 3 の各原料粉末を圧電特性が発揮される
ような組成に調合した後、それをボールミル等で10〜
24時間湿式混合し、混合粉末を作製する。次に、混合
粉末を乾燥した後、800〜1300℃で1〜3時間仮
焼し、再度、ボールミル等で粉砕して、ペロブスカイト
型結晶構造を有する圧電性粉末を作製する。このとき、
粉砕後の仮焼粉末の平均粒径が3μm以下、特に2μm
以下になるように粉砕時間等を調整する。
First, as the piezoelectric ceramic component, for example, PbO, ZrO 2 , TiO 2 , Nb 2 O 5 , Sb 2
After the respective raw material powders of O 5 and Cr 2 O 3 are prepared to have a composition exhibiting the piezoelectric characteristics, they are mixed with a ball mill or the like for 10 to 10 minutes.
The mixture is wet-mixed for 24 hours to prepare a mixed powder. Next, after drying the mixed powder, it is calcined at 800 to 1300 ° C. for 1 to 3 hours, and pulverized again by a ball mill or the like to produce a piezoelectric powder having a perovskite crystal structure. At this time,
The average particle size of the calcined powder after pulverization is 3 μm or less, particularly 2 μm.
Adjust the crushing time and the like so as to be as follows.

【0019】そして、上記のようにして得られた圧電性
粉末に、平均粒径が1μm以下、特に0.5μm以下の
Al2 3 、MgO、ZrO2 、HfO2 、Y2 3
よびTiO2 の群から選ばれる少なくとも1種の金属酸
化物粉末を添加し、再度ボールミル等で湿式混合、乾燥
し、混合粉末を得る。このとき添加する金属酸化物粒子
の平均粒径は1μm以下、特に0.5μm以下であるこ
とが焼結性を高め、且つ焼結体の強度を高める上で重要
である。また、金属酸化物は、全量中、0.01〜5体
積%の割合で配合することが望ましい。
The piezoelectric powder obtained as described above is added to Al 2 O 3 , MgO, ZrO 2 , HfO 2 , Y 2 O 3 and TiO having an average particle size of 1 μm or less, particularly 0.5 μm or less. At least one kind of metal oxide powder selected from the group 2 is added, wet-mixed again with a ball mill or the like, and dried to obtain a mixed powder. It is important that the average particle size of the metal oxide particles added at this time is 1 μm or less, particularly 0.5 μm or less, in order to enhance the sinterability and the strength of the sintered body. Further, it is desirable that the metal oxide is blended at a ratio of 0.01 to 5% by volume based on the total amount.

【0020】この際、同時に有機バインダーを添加し、
スプレードライヤー等を用いて造粒粉を作製する。そし
て、その造粒粉を用いて周知の成形方法、例えば、プレ
ス成形、冷間静水圧成形、成形、射出成形、押し出し成
形等を用いて所望の形状の成形体を作製する。もちろ
ん、スプレードライヤー無しに、ドクターブレード法等
によりテープ成形を行っても良い。
At this time, an organic binder is added at the same time,
A granulated powder is prepared using a spray drier or the like. Then, a molded article having a desired shape is produced using the granulated powder by a known molding method, for example, press molding, cold isostatic pressing, molding, injection molding, extrusion molding, or the like. Of course, tape forming may be performed by a doctor blade method or the like without using a spray dryer.

【0021】次に、上記のように得られた成形体を、大
気中などの酸化性雰囲気中においてマイクロ波を照射
し、900℃〜1300℃に加熱し、焼結させて焼結体
を得る。本発明の焼成方法におけるマイクロ波源として
は、2.45GHzのマグネトロン、2〜6GHzのク
ライストロン、24GHz以上のジャイロトロンいずれ
でも良いが、より均一な電界を得られる波長の短いジャ
イロトロンを用いることが望ましい。もちろん、焼成炉
はマイクロ波の発振器を兼ね備えた大型の連続炉であっ
ても良い。
Next, the molded body obtained as described above is irradiated with microwaves in an oxidizing atmosphere such as the air, heated to 900 ° C. to 1300 ° C., and sintered to obtain a sintered body. . As the microwave source in the firing method of the present invention, any of a magnetron of 2.45 GHz, a klystron of 2 to 6 GHz, and a gyrotron of 24 GHz or more may be used. . Of course, the firing furnace may be a large continuous furnace that also has a microwave oscillator.

【0022】焼成は、低熱伝導で高温に耐える断熱材中
に成形体、あるいは成形体の入った焼成用のるつぼを入
れ焼成する。測温は熱電対と光温度計によって直接成形
体を測温する。断熱材としては、低密度のアルミナファ
イバー、ムライト等が良い。
In the firing, a molded body or a firing crucible containing the molded body is placed in a heat insulating material which has a low thermal conductivity and withstands a high temperature, and is fired. The temperature is directly measured by a thermocouple and an optical thermometer. As the heat insulating material, low-density alumina fiber, mullite, or the like is preferable.

【0023】焼成のるつぼとしてはマイクロ波透過性に
優れ、高強度なアルミナ、マグネシア、ムライトが良
い。特に、PbOの分解が問題になるときにはるつぼに
多量の成形体を収納して、焼成する。
As the sintering crucible, alumina, magnesia, and mullite which are excellent in microwave transmittance and have high strength are preferable. In particular, when decomposition of PbO becomes a problem, a large amount of the compact is stored in a crucible and fired.

【0024】マイクロ波照射による焼成方法は、マイク
ロ波の照射による内部加熱の原理から昇温速度を早くで
き、従来の焼成よりも50〜200℃位低温で、しかも
保持時間が5〜30分の短時間で焼成できる。例えば、
昇温速度としては50℃/分で、保持時間10分で焼結
が完了できる。このためPbOの分解、即ち、組成変動
の少ない優れた圧電セラミックスの焼結が可能である。
In the firing method using microwave irradiation, the heating rate can be increased by the principle of internal heating by microwave irradiation, the temperature is lower by about 50 to 200 ° C. than the conventional firing, and the holding time is 5 to 30 minutes. Can be fired in a short time. For example,
The sintering can be completed at a heating rate of 50 ° C./min and a holding time of 10 minutes. For this reason, decomposition of PbO, that is, sintering of an excellent piezoelectric ceramic with less composition fluctuation is possible.

【0025】本発明において、分散結晶粒子として用い
るAl2 3 、MgO、ZrO2 、HfO2 、Y2 3
およびTiO2 の金属酸化物は、圧電性ペロブスカイト
型結晶酸化物と1300℃以上の温度から反応し、圧電
特性に大きな影響を与える傾向にあったが、本発明に基
づき、マイクロ波の照射によって焼成することにより、
低温、且つ短時間で焼成できる結果、前記金属酸化物を
圧電セラミック結晶粒子との反応を抑制し、分散結晶粒
子として存在させることができ、効果的に高強度化が容
易に図れる。
In the present invention, Al 2 O 3 , MgO, ZrO 2 , HfO 2 , Y 2 O 3 used as dispersed crystal particles are used.
The metal oxides of TiO 2 and TiO 2 reacted with the piezoelectric perovskite-type crystal oxide from a temperature of 1300 ° C. or more, and tended to greatly affect the piezoelectric properties. By doing
As a result of firing at a low temperature and in a short time, the metal oxide can be prevented from reacting with the piezoelectric ceramic crystal particles and can be present as dispersed crystal particles, and the strength can be effectively increased easily.

【0026】[0026]

【実施例】原料粉末としてPbO、ZrO2 、TiO2
をPb(Zr0.53Ti0.47)O3の組成になるように秤
量し、ジルコニアボールを用いたボールミルで湿式混合
し、乾燥した後、1000℃で3時間仮焼し、当該仮焼
物を再びボールミルで粉砕する。この際、粉砕時間を3
時間、10時間、24時間と変え、粉砕物の平均粒径
(レーザー分散回折法にて測定)を6μm、3μm、1
μmと変化させ、3種類の異なる粒子径をもつ圧電用原
料粉末を得た。
EXAMPLES PbO, ZrO 2 , TiO 2 as raw material powders
Was weighed so as to have a composition of Pb (Zr 0.53 Ti 0.47 ) O 3 , wet-mixed with a ball mill using zirconia balls, dried, and calcined at 1000 ° C. for 3 hours. Smash. At this time, the pulverization time is 3
Time, 10 hours and 24 hours, and the average particle size of the pulverized material (measured by laser dispersion diffraction method) was 6 μm, 3 μm,
μm, and three types of raw material powders for piezoelectric having different particle diameters were obtained.

【0027】この後、この粉砕物に有機バインダーと、
平均粒径が0.1〜2μmの表1、2に示す各種金属酸
化物を表1、2に示す含有量になるように添加し、再び
ボールミルで1時間粉砕した。そして、その粉砕物をス
プレードライで造粒後、造粒粉を1.5ton/cm2
の圧力で直径23mm、厚さ2mmの寸法からなる円板
及び強度測定用に4×3×40mmのテストピース形状
にプレス成形した。
Thereafter, an organic binder is added to the pulverized material,
Various metal oxides having an average particle size of 0.1 to 2 μm shown in Tables 1 and 2 were added so as to have the contents shown in Tables 1 and 2, and were ground again by a ball mill for 1 hour. After granulating the pulverized product by spray drying, the granulated powder is dispersed in 1.5 ton / cm 2
Was press-formed into a disc having a size of 23 mm in diameter and 2 mm in thickness and a test piece of 4 × 3 × 40 mm for strength measurement.

【0028】更に、これらの成形体をアルミナるつぼに
入れ、アルミナファイバー製の断熱材を用いて、大気中
で820℃で2時間の脱脂をした後、周波数28GH
z、最大出力10kWのジャイロトロンを発振源として
用いた内側がステンレス製のマイクロ波加熱装置を用い
て、大気中で表1、2に示す温度、時間で焼成した。マ
イクロ波焼成における昇温速度は50℃/分と一定にし
た。比較のためにいくつかの試料は、電気加熱ヒーター
炉にて、MgO製のるつぼに入れ、昇温速度5℃/分で
表1、2に示す条件で焼成した。
Further, these compacts were placed in an alumina crucible, degreased at 820 ° C. for 2 hours in the air using an alumina fiber heat insulating material, and then subjected to a frequency of 28 GHz.
Using a gyrotron having a maximum output of 10 kW as an oscillation source, the inside was fired in the atmosphere at a temperature and time shown in Tables 1 and 2 using a stainless steel microwave heating device. The heating rate in microwave firing was kept constant at 50 ° C./min. For comparison, some samples were placed in a crucible made of MgO in an electric heater furnace and fired at a heating rate of 5 ° C./min under the conditions shown in Tables 1 and 2.

【0029】得られた試料は、アルキメデス法によるか
さ密度測定を行い、理論密度比から相対密度を算出し
た。また、強度測定は3×4×32mm形状に研磨し、
JISR1601に準じて、各試料5本の4点曲げ強度
を測定し、平均値を求めた。平均粒径は、鏡面加工し、
化学エッチングした試料のSEM写真から画像解析して
求めた。
The obtained sample was measured for bulk density by the Archimedes method, and the relative density was calculated from the theoretical density ratio. In addition, the strength measurement was polished to a 3 x 4 x 32 mm shape,
According to JISR1601, the four-point bending strength of five samples was measured, and the average value was determined. The average particle size is mirror-finished,
It was determined by image analysis from a SEM photograph of the chemically etched sample.

【0030】更に、円板の試料は研磨して厚み0.5m
mの円板を形成した。この円板の両主面にAgペースト
を焼き付けることにより電極を形成し、80℃のシリコ
ンオイル中で3kV/mmの直流電圧を30分間印加し
て分極処理した後、電気機械結合係数Kpを評価した。
電気機械結合係数Kpは、インピーダンスアナライザー
にて測定した共振周波数Fr、反共振周波数Faの値か
らKp=(2.53×(Fa−Fr)/Fr)1/2 の計
算式により求めた。これらの結果を表1、2に併せて示
す。
Further, the disk sample is polished to a thickness of 0.5 m.
m was formed. Electrodes are formed by baking an Ag paste on both principal surfaces of the disc, and applying a DC voltage of 3 kV / mm in silicon oil at 80 ° C. for 30 minutes for polarization treatment, and then evaluating the electromechanical coupling coefficient Kp. did.
The electromechanical coupling coefficient Kp was determined from the values of the resonance frequency Fr and the antiresonance frequency Fa measured by an impedance analyzer according to a calculation formula of Kp = (2.53 × (Fa−Fr) / Fr) 1/2 . These results are also shown in Tables 1 and 2.

【0031】[0031]

【表1】 [Table 1]

【0032】[0032]

【表2】 [Table 2]

【0033】表1、表2の結果によれば、焼成方法とし
て、抵抗加熱法を用いた試料No.16〜19、28〜3
0では、いずれも緻密化できる条件下で、圧電性セラミ
ック結晶粒子の平均粒径を3μm以下に抑制することが
できず、その結果、抗折強度を100MPa以上に高め
ることはできなかった。これに対して、分散粒子を含ま
ない系(試料No.3、20)においても、マイクロ波焼
成を施すことにより、圧電性セラミック結晶粒子の平均
粒径を3μm以下に抑制することができ、その結果、従
来の抵抗加熱法を用いた場合よりも高強度化を達成する
ことができた。
According to the results shown in Tables 1 and 2, samples Nos. 16 to 19 and 28 to 3 obtained by using the resistance heating method as the firing method were used.
In the case of 0, the average particle size of the piezoelectric ceramic crystal particles could not be suppressed to 3 μm or less under the condition that all of them could be densified, and as a result, the bending strength could not be increased to 100 MPa or more. On the other hand, even in a system containing no dispersed particles (Sample Nos. 3 and 20), the average particle size of the piezoelectric ceramic crystal particles can be suppressed to 3 μm or less by performing microwave firing. As a result, it was possible to achieve higher strength than when the conventional resistance heating method was used.

【0034】そして、その圧電性セラミックス中に平均
粒径1μm以下の金属酸化物からなる分散粒子を含むこ
とにより、抗折強度の大幅な向上が見られ、圧電特性の
大きな劣化なく、特に、分散粒子を0.01〜5体積%
の割合で配合することにより、100MPa以上の抗折
強度の圧電性セラミックスを作製することができた。
When the piezoelectric ceramic contains dispersed particles made of a metal oxide having an average particle diameter of 1 μm or less, the transverse rupture strength is greatly improved, and the piezoelectric characteristics are not greatly deteriorated. 0.01-5% by volume of particles
, A piezoelectric ceramic having a transverse rupture strength of 100 MPa or more could be produced.

【0035】しかし、マイクロ波焼成を用いても、平均
粒径の大きな原料の粉末を用いて圧電性セラミック結晶
粒子の平均粒径が3μmよりも大きい試料No.1、2で
は、強度の向上がわずかしか見られなかった。
However, even if microwave firing is used, the strength of the sample Nos. 1 and 2 in which the average particle size of the piezoelectric ceramic crystal particles is larger than 3 μm using powder of a raw material having a large average particle size is not improved. Only a few were seen.

【0036】さらに、分散粒子における平均粒径が1μ
mを越える試料No.34,37では、強度の向上効果が
発揮されず、圧電特性を劣化した。
Further, the average particle size of the dispersed particles is 1 μm.
In samples Nos. 34 and 37 exceeding m, the effect of improving the strength was not exhibited, and the piezoelectric characteristics were deteriorated.

【0037】[0037]

【発明の効果】以上、詳述した通り、本発明の圧電性セ
ラミックスによれば、マイクロ波焼成によって、微細な
分散結晶粒子を圧電性セラミック結晶粒子との反応なく
分散させることにより、圧電特性に大きな影響を与える
ことなく、圧電セラミックスの高強度化を図ることがで
きる。これにより、圧電性セラミックスの過酷な条件下
での使用が可能となり、その利用分野を拡大することが
できるとともに、電子部品としての信頼性を高めること
ができる。
As described above in detail, according to the piezoelectric ceramic of the present invention, the fine dispersed crystal particles are dispersed by microwave firing without reacting with the piezoelectric ceramic crystal particles, whereby the piezoelectric characteristics are improved. It is possible to increase the strength of the piezoelectric ceramic without significantly affecting it. This makes it possible to use the piezoelectric ceramic under severe conditions, thereby expanding the field of use thereof and increasing the reliability as an electronic component.

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】平均粒径が3μm以下の圧電性セラミック
結晶粒子と、平均粒径が1μm以下のAl2 3 、Mg
O、ZrO2 、HfO2 、Y2 3 およびTiO2 の群
から選ばれる少なくとも1種の金属酸化物からなる分散
結晶粒子を含み、理論密度に対する相対密度が95%以
上であることを特徴とする高強度圧電セラミックス。
1. A piezoelectric ceramic crystal particle having an average particle size of 3 μm or less, and Al 2 O 3 or Mg having an average particle size of 1 μm or less.
O, ZrO 2 , HfO 2 , Y 2 O 3, and dispersed crystal particles composed of at least one metal oxide selected from the group consisting of TiO 2 , wherein the relative density with respect to the theoretical density is 95% or more. High strength piezoelectric ceramics.
【請求項2】前記分散結晶粒子が0.01〜5体積%の
割合で存在することを特徴とする請求項1記載の高強度
圧電セラミックス。
2. The high-strength piezoelectric ceramic according to claim 1, wherein said dispersed crystal particles are present at a ratio of 0.01 to 5% by volume.
【請求項3】平均粒径が3μm以下の圧電性セラミック
粉末に対して、平均粒径が1μm以下のAl2 3 、M
gO、ZrO2 、HfO2 、Y2 3 およびTiO2
群から選ばれる少なくとも1種の金属酸化物粉末を添加
し、これを成形後、該成形体にマイクロ波を照射し、9
00〜1300℃の温度で加熱焼結させることを特徴と
する高強度圧電セラミックスの製造方法。
3. An Al 2 O 3 , M having an average particle size of 1 μm or less for a piezoelectric ceramic powder having an average particle size of 3 μm or less.
gO, ZrO 2 , HfO 2 , Y 2 O 3, and at least one metal oxide powder selected from the group consisting of TiO 2 are added, and after molding, the molded body is irradiated with microwaves,
A method for producing high-strength piezoelectric ceramics, wherein the method is heat-sintered at a temperature of from 00 to 1300 ° C.
【請求項4】前記金属酸化物粉末を0.01〜5体積%
の割合で添加することを特徴とする請求項3記載の高強
度圧電セラミックスの製造方法。
4. The method according to claim 1, wherein said metal oxide powder is contained in an amount of 0.01 to 5% by volume.
The method for producing a high-strength piezoelectric ceramic according to claim 3, wherein the additive is added at a ratio of:
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6479923B1 (en) 1998-05-29 2002-11-12 Murata Manufacturing Co., Ltd. Piezoelectric ceramic, method for producing piezoelectric ceramic, and piezoelectric oscillator
JP2006315927A (en) * 2005-05-16 2006-11-24 Fuji Ceramics:Kk Piezoelectric ceramic having dielectric and piezoelectric property and prepared by sintering nano-size barium titanate powder, its manufacturing method, and piezoelectric vibrator using it

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