JP2016199432A - Piezoelectric ceramic and piezoelectric element - Google Patents
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Abstract
【課題】圧電特性を低下させることなく、高い駆動電圧で圧電素子を使用可能な圧電磁器およびこれを用いた圧電素子を提供することを目的とする。【解決手段】本発明の圧電磁器は、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とした複合酸化物型圧電磁器であって、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする結晶粒子と、前記結晶粒子の間に偏在するZnOを主成分とする異相粒子と、を備え、Cr(圧電磁器の全重量部に対し、Cr2O3に換算し、0.1重量%以下(0は除く))が含まれていることを特徴とする。【選択図】 図4An object of the present invention is to provide a piezoelectric ceramic capable of using a piezoelectric element with a high driving voltage without deteriorating piezoelectric characteristics, and a piezoelectric element using the piezoelectric ceramic. A piezoelectric ceramic according to the present invention is a composite oxide piezoelectric ceramic mainly composed of lead zirconate titanate, wherein crystal grains mainly composed of lead zirconate titanate are disposed between the crystal grains. And containing heterogeneous particles mainly composed of ZnO and containing Cr (0.1% by weight or less (excluding 0) in terms of Cr2O3 with respect to the total weight part of the piezoelectric ceramic). It is characterized by. [Selection] Figure 4
Description
本発明は、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とした圧電磁器およびこれを用いた圧電素子に関する。 The present invention relates to a piezoelectric ceramic mainly composed of lead zirconate titanate and a piezoelectric element using the same.
チタン酸ジルコン酸鉛(以下PZTと称する)を主成分とした圧電磁器は、優れた圧電特性を有していることより、圧電アクチュエータ、圧電超音波モータ、圧電センサ、圧電サウンダ等幅広く用いられている。 Piezoelectric ceramics mainly composed of lead zirconate titanate (hereinafter referred to as PZT) have excellent piezoelectric characteristics and are widely used for piezoelectric actuators, piezoelectric ultrasonic motors, piezoelectric sensors, piezoelectric sounders, and the like. Yes.
互いに対向する第一及び第二主面を有する圧電体と、前記第一主面に配置された第一外部電極と、前記第二主面に配置された第二外部電極と、を備える圧電素子と、圧電素子を支持する支持部材と、を備えた圧電アクチュエータが知られている(たとえば、特許文献1参照)。特許文献1に記載の圧電アクチュエータでは、ハードディスク装置(HDD)用のサスペンションのアクチュエータベースが上記支持部材に相当しており、圧電素子は、その変位をアクチュエータベースに伝達する。
A piezoelectric element comprising: a piezoelectric body having first and second main surfaces facing each other; a first external electrode disposed on the first main surface; and a second external electrode disposed on the second main surface. A piezoelectric actuator including a piezoelectric element and a support member that supports the piezoelectric element is known (see, for example, Patent Document 1). In the piezoelectric actuator described in
近年、電子機器では、小型化又は薄型化が進んでいる。それに伴って、電子機器に搭載される圧電素子においても、小型化又は薄型化が求められる。しかしながら、圧電素子が小型化又は薄型化された場合でも、従来と同じ特性が得られることが必要である。すなわち、小型化又は薄型化された場合、圧電素子の変位を従来と同等にするためには、圧電素子に対しより高い駆動電圧を印加しなければならない。 In recent years, electronic devices have been reduced in size or thickness. Accordingly, miniaturization or thinning is also required for piezoelectric elements mounted on electronic devices. However, even when the piezoelectric element is reduced in size or thickness, it is necessary to obtain the same characteristics as in the past. That is, when the size is reduced or the thickness is reduced, a higher driving voltage must be applied to the piezoelectric element in order to make the displacement of the piezoelectric element equivalent to the conventional one.
しかしながら、上記のハードディスク装置(HDD)用のサスペンションのアクチュエータベースに搭載される圧電素子は、圧電素子の分極時の電界方向と逆の極性の電界を駆動電圧として印加するため、圧電素子を薄型化した場合、圧電特性、すなわち素子の変位が著しく低下するという問題が生じていた。 However, the piezoelectric element mounted on the actuator base of the hard disk drive (HDD) suspension applies an electric field having a polarity opposite to the electric field direction at the time of polarization of the piezoelectric element as a driving voltage. In this case, there has been a problem that the piezoelectric characteristics, that is, the displacement of the element is remarkably lowered.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、圧電特性を低下させることなく、高い駆動電圧で圧電素子が使用可能な圧電磁器およびこれを用いた圧電素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a piezoelectric ceramic that can use a piezoelectric element at a high driving voltage without deteriorating piezoelectric characteristics, and a piezoelectric element using the piezoelectric ceramic. And
上記の目的を達成するため、本発明の圧電磁器は、PZTを主成分とした複合酸化物型圧電磁器であって、PZTを主成分とする結晶粒子と、前記結晶粒子の間に偏在するZnOを主成分とする異相粒子と、を備え、Cr(圧電磁器の全重量部に対し、Cr2O3に換算し、0.1重量%以下(0は除く))が含まれていることを特徴としている。 In order to achieve the above object, a piezoelectric ceramic according to the present invention is a composite oxide piezoelectric ceramic containing PZT as a main component, and ZnO that is unevenly distributed between crystal particles containing PZT as a main component and the crystal particles. And Cr (contains 0.1% by weight or less (excluding 0) in terms of Cr2O3 with respect to the total weight part of the piezoelectric ceramic). .
このような圧電磁器では、高い圧電特性を維持し、従来よりも駆動による圧電特性の劣化、特に分極方向と逆方向の極性の電圧が印加される場合の圧電特性の劣化が少ない圧電素子を作製できる。 In such a piezoelectric ceramic, a piezoelectric element that maintains high piezoelectric characteristics and has less deterioration in piezoelectric characteristics due to driving than in the past, especially when a voltage having a polarity opposite to the polarization direction is applied, is produced. it can.
また、本発明の圧電磁器は、主成分が(Pbx Me1y)(Tiz Zr1−z)O3で表される複合酸化物(0.85≦x≦1.005、y≦0.13、0.4≦z≦0.65を満たし、前記Me1は、Ba、Sr、Ca、Laからなる群より選ばれる少なくとも1種である)であることを特徴としている。Pbの一部をBa、Sr、Ca、Laからなる群より選ばれる少なくとも1種で置き換えることにより圧電特性を高めることができる。 The piezoelectric ceramic of the present invention is a composite oxide (0.85 ≦ x ≦ 1.005, y ≦ 0.13, 0.4) whose main component is represented by (Pbx Me1y) (Tiz Zr1-z) O3. ≦ z ≦ 0.65 is satisfied, and Me1 is at least one selected from the group consisting of Ba, Sr, Ca, and La). The piezoelectric characteristics can be enhanced by replacing a part of Pb with at least one selected from the group consisting of Ba, Sr, Ca, and La.
また、本発明の圧電磁器は、第1副成分として、Pb(Zna Me2b Me3c)O3で表される複合酸化物(前記第1副成分は、a+b+c≦1を満たし、前記Me2は、Ni、Co、Mg、Biからなる群より選ばれる少なくとも1種であり、前記Me3は、Nb、Ta、Sb、Wからなる群より選ばれる少なくとも1種である)が含まれていることを特徴としている。このような第1副成分が含まれることで、単にPZTにZnが添加されているだけの場合に比べ、圧電特性をさらに高めることができる。 In the piezoelectric ceramic according to the present invention, a complex oxide represented by Pb (Zna Me2b Me3c) O3 as the first subcomponent (the first subcomponent satisfies a + b + c ≦ 1; Me2 is Ni , Co, Mg, Bi, and Me3 is at least one selected from the group consisting of Nb, Ta, Sb, and W). Yes. By including such a first subcomponent, the piezoelectric characteristics can be further enhanced as compared with the case where Zn is simply added to PZT.
また、本発明の圧電磁器は、第2副成分として、Crが(圧電磁器の全重量部に対し、Cr2O3に換算し、0.1重量%以下(0は除く))含まれていることを特徴としているが、Crは、単独の添加の他、第1副成分中のZnもしくはMe2の一部と置き換えても良い。 In the piezoelectric ceramic according to the present invention, Cr is contained as a second subcomponent (0.1% by weight or less (excluding 0) in terms of Cr2O3 with respect to the total weight part of the piezoelectric ceramic). As a feature, Cr may be replaced with a part of Zn or Me2 in the first subcomponent in addition to addition alone.
また、本発明の圧電磁器は、前記ZnOを主成分とする異相粒子の平均粒子径が、PZTを主成分とする粒子の平均粒子径よりも小さいことを特徴としている。この特長により圧電特性および圧電素子の強度を損なわない圧電磁器ができる。 The piezoelectric ceramic according to the present invention is characterized in that the average particle size of the heterophasic particles mainly composed of ZnO is smaller than the average particle size of particles mainly composed of PZT. This feature enables a piezoelectric ceramic that does not impair the piezoelectric characteristics and the strength of the piezoelectric element.
また、本発明に係る圧電素子は、上記の圧電磁器からなる圧電体と、上記圧電体を挟むように対向した一対の外部電極と、を備えることを特徴としている。 In addition, a piezoelectric element according to the present invention is characterized by including a piezoelectric body made of the above-described piezoelectric ceramic and a pair of external electrodes facing each other so as to sandwich the piezoelectric body.
また、本発明の圧電素子は、上記の圧電磁器からなる複数の圧電体層と、少なくとも一つの内部電極層と、圧電体層の外側に形成された外部電極と、を備えることを特徴としている。これにより、大きな圧電素子の変位を実現できる。 According to another aspect of the present invention, there is provided a piezoelectric element including a plurality of piezoelectric layers made of the above-described piezoelectric ceramic, at least one internal electrode layer, and an external electrode formed outside the piezoelectric layer. . Thereby, a large displacement of the piezoelectric element can be realized.
本発明によれば、高い圧電特性を維持し、従来よりも駆動による圧電特性の劣化が少ない圧電素子を作製可能な圧電磁器の提供ができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the piezoelectric ceramic which can manufacture a piezoelectric element which maintains a high piezoelectric characteristic and there is little deterioration of the piezoelectric characteristic by a drive compared with the past can be provided.
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description, the same reference numerals are used for the same elements or elements having the same function, and redundant description is omitted.
本発明の圧電磁器は、PZTを主成分としており、圧電アクチュエータ、圧電超音波モータ、圧電センサ、圧電サウンダ等幅広く用いられる。PZTを主成分としている圧電磁器は、通常、複数の結晶粒子と粒界とから構成されている多結晶体である。 The piezoelectric ceramic of the present invention has PZT as a main component and is widely used for piezoelectric actuators, piezoelectric ultrasonic motors, piezoelectric sensors, piezoelectric sounders, and the like. A piezoelectric ceramic mainly composed of PZT is usually a polycrystalline body composed of a plurality of crystal grains and grain boundaries.
多結晶体を構成している結晶粒子は、(Pbx Me1y)(Tiz Zr1−z)O3で表される複合酸化物(0.85≦x≦1.005、y≦0.13、0.35≦z≦0.65を満たし、前記Me1は、Ba、Sr、Ca、Laからなる群より選ばれる少なくとも1種である)を主成分として形成されている。なお、上記、x、y、zの値はその範囲を外れると所望の圧電磁器の特性が得られなくなることより、上記範囲内であることが好ましい。 The crystal grains constituting the polycrystal are complex oxides (0.85 ≦ x ≦ 1.005, y ≦ 0.13, 0.35) represented by (Pbx Me1y) (Tiz Zr1-z) O3. ≦ z ≦ 0.65 is satisfied, and Me1 is at least one selected from the group consisting of Ba, Sr, Ca, and La). Note that the values of x, y, and z are preferably within the above ranges since the desired piezoelectric ceramic characteristics cannot be obtained if the values are out of the ranges.
このような結晶粒子で構成された多結晶体に対し、結晶粒子の間にZnOを主成分とする異相粒子を偏在させ、さらに、Cr(圧電磁器の全重量部に対し、Cr2O3に換算し、0.1重量%以下(0は除く))を含ませることにより、高い圧電特性を維持し、素子駆動時に分極方向と逆方向の極性の電圧が印加される場合において圧電特性の劣化が少ない圧電素子を作製することができる。 With respect to the polycrystalline body composed of such crystal particles, heterogeneous particles mainly composed of ZnO are unevenly distributed between the crystal particles, and further Cr (converted to Cr2O3 with respect to the total weight part of the piezoelectric ceramic) By including 0.1 wt% or less (excluding 0)), a piezoelectric that maintains high piezoelectric characteristics and has little deterioration in piezoelectric characteristics when a voltage having a polarity opposite to the polarization direction is applied when the element is driven. An element can be manufactured.
圧電磁器を構成している結晶粒子は、第1副成分として、Pb(Zna Me2b Me3c)O3で表される複合酸化物(前記第1副成分は、a+b+c≦1を満たし、前記Me2は、Ni、Co、Mg、Biからなる群より選ばれる少なくとも1種であり、前記Me3は、Nb、Ta、Sb、Wからなる群より選ばれる少なくとも1種である)が含まれていることが好ましい。主成分と第1副成分は、合わせて1molになるように調整される。なお、圧電磁器のキュリー温度を適切にするために、第1副成分は、0.3mol以下が好ましい。 The crystal particles constituting the piezoelectric ceramic have a complex oxide represented by Pb (Zna Me2b Me3c) O3 as the first subcomponent (the first subcomponent satisfies a + b + c ≦ 1, and Me2 is , Ni, Co, Mg, Bi, and Me3 is at least one selected from the group consisting of Nb, Ta, Sb, and W). preferable. The main component and the first subcomponent are adjusted to be 1 mol in total. In order to make the Curie temperature of the piezoelectric ceramic appropriate, the first subcomponent is preferably 0.3 mol or less.
このような複合酸化物が含まれていることにより、単にZnが添加されているだけの場合に比べ、圧電特性をさらに高めることができる。 By including such a complex oxide, the piezoelectric characteristics can be further enhanced as compared with the case where Zn is simply added.
また、圧電磁器を構成している結晶粒子に、第2副成分として含まれるCrは、所望の圧電磁器特性と駆動時の耐久性を良好にするために、圧電磁器の全重量に対し、Cr2O3に換算し、0.1重量%以下(0は除く)で含まれていることが好ましい。 In addition, Cr contained in the crystal particles constituting the piezoelectric ceramic as the second subcomponent is Cr2O3 with respect to the total weight of the piezoelectric ceramic in order to improve the desired piezoelectric ceramic characteristics and durability during driving. It is preferably contained in 0.1% by weight or less (excluding 0).
図1は本発明の圧電磁器の構成を説明するための図である。なお、図1中のZnOを主成分とする異相粒子102以外の結晶粒子は、全て圧電磁器主成分の結晶粒子101である。ZnOを主成分とする異相粒子は圧電磁器主成分の結晶粒子101に囲まれ圧電磁器中に偏在している。
FIG. 1 is a diagram for explaining the configuration of a piezoelectric ceramic according to the present invention. In addition, all the crystal particles other than the
圧電磁器中に偏在するZnOを主成分とする異相粒子の平均粒子径は、圧電磁器主成分の結晶粒子径よりも小さいことが好ましい。たとえば、圧電磁器主成分の結晶粒子径を1としたとき、ZnOを主成分とする異相粒子の平均粒子径は0.8以下であることが好ましい。さらに好ましくは、ZnOを主成分とする異相粒子の平均粒子径は0.1以上0.8以下である。このように圧電磁器中にZnOの異相粒子を構成することにより、圧電特性および圧電素子の強度を損なわない圧電磁器ができる。なお、ZnOを主成分とする異相粒子の平均粒子径および含有量は、圧電素子の製造過程において、圧電素子の焼成前の圧電磁器粉体の調整条件、圧電素子の焼成条件、たとえば、温度、焼成温度までの昇温速度、降温速度および雰囲気等の条件の設定により制御できる。なお、ZnOを主成分とする異相粒子の数は、圧電磁器主成分の結晶粒子の数に対し、0.01〜1%の範囲が好ましい。 The average particle size of the heterophasic particles mainly composed of ZnO that is unevenly distributed in the piezoelectric ceramic is preferably smaller than the crystal particle size of the piezoelectric ceramic main component. For example, when the crystal grain size of the piezoelectric ceramic main component is 1, the average particle size of the heterophasic particles containing ZnO as the main component is preferably 0.8 or less. More preferably, the average particle size of the heterophasic particles mainly composed of ZnO is 0.1 or more and 0.8 or less. By thus forming ZnO heterogeneous particles in the piezoelectric ceramic, a piezoelectric ceramic that does not impair the piezoelectric characteristics and the strength of the piezoelectric element can be obtained. Note that the average particle size and content of the heterophasic particles mainly composed of ZnO are the piezoelectric ceramic powder adjustment conditions before the piezoelectric element firing, the piezoelectric element firing conditions such as temperature, The temperature can be controlled by setting conditions such as the temperature rise rate, the temperature fall rate, and the atmosphere up to the firing temperature. The number of heterophasic particles containing ZnO as the main component is preferably in the range of 0.01 to 1% with respect to the number of piezoelectric ceramic main components.
上記のような圧電磁器を用いて圧電素子を構成することができる。図2及び図3を参照して、本実施形態に係る圧電素子の構成を説明する。図2は内部電極を含まない圧電素子の断面構成を説明するための図である。図3は内部電極を含む積層型圧電素子の断面構成を説明するための図である。圧電素子200は、圧電体201と圧電体201の主面に外部電極202a、202bが形成されている。圧電体層201は、圧電磁器からなる。外部電極202a、202bはたとえば、Au、Cu、Cr、Ni等の金属層またはそれらを組合せた複合の金属層からなる。これにより、高い圧電特性を有し、素子駆動時に分極方向と逆方向の極性の電圧が印加される場合において圧電特性の劣化が少ない圧電素子を実現できる。
A piezoelectric element can be formed using the piezoelectric ceramic as described above. The configuration of the piezoelectric element according to this embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a diagram for explaining a cross-sectional configuration of a piezoelectric element not including an internal electrode. FIG. 3 is a view for explaining a cross-sectional configuration of a multilayer piezoelectric element including internal electrodes. In the
積層型圧電素子300は、圧電体層301と内部電極層302a、302bおよび、外部電極303a、303bで構成されている。圧電体層201は、圧電磁器からなる。内部電極層302a、302bはたとえば、Ag、Pd、Pt、Au、Cu等の金属またはそれら合金からなり、外部電極202a、202bはたとえば、Au、Cu、Cr、Ni等の金属層またはそれらを組合せた複合の金属層からなる。また、内部電極層302a、302bは、一層おきに外部電極303a、303bに接続されている。
The multilayer
(圧電磁器および圧電素子の製造方法)圧電磁器構成する原料としては、酸化物および/または焼成により酸化物になる化合物を用いる。なお、焼成により酸化物になる化合物としては、たとえば、炭酸塩、硝酸塩、シュウ酸塩、有機金属化合物等が例示される。もちろん、酸化物と、焼成により酸化物になる化合物とを併用してもよい。圧電磁器原料中の各化合物の含有量は、焼成後に上記した圧電磁器組成物の組成となるように決定すればよい。これらの原料粉末は、通常、平均粒子径0.1〜10μm程度のものが用いられる。 (Piezoelectric Ceramic and Piezoelectric Element Manufacturing Method) As a raw material constituting the piezoelectric ceramic, an oxide and / or a compound that becomes an oxide by firing is used. In addition, as a compound which becomes an oxide by baking, carbonate, nitrate, oxalate, an organometallic compound, etc. are illustrated, for example. Of course, you may use together an oxide and the compound which becomes an oxide by baking. What is necessary is just to determine content of each compound in a piezoelectric ceramic raw material so that it may become a composition of an above-described piezoelectric ceramic composition after baking. As these raw material powders, those having an average particle diameter of about 0.1 to 10 μm are usually used.
まず、化学的に純粋な出発原料を焼成後の組成が所望の配合比になるように秤量する。次に、その出発原料を、ボールミルにより24〜48時間湿式混合後、800〜900℃にて仮焼成する。次に、ボールミルを用いて5〜24時間粉砕し、圧電磁器原料としての仮焼き物とする。なお、これらの製造条件は、所望のZnOを主成分とする異相粒子が圧電磁器中に形成され易いように調整される。 First, a chemically pure starting material is weighed so that the composition after firing has a desired blending ratio. Next, the starting material is wet-mixed by a ball mill for 24 to 48 hours and then calcined at 800 to 900 ° C. Next, it grind | pulverizes for 5 to 24 hours using a ball mill, and it is set as the calcined material as a piezoelectric ceramic raw material. These manufacturing conditions are adjusted so that heterogeneous particles mainly composed of desired ZnO are easily formed in the piezoelectric ceramic.
得られた仮焼き物の粉末に、バインダとしてのポリビニルアルコールを添加し、所定の角板形状にプレス成形する。このプレス成形品を、大気中において、450℃×1時間の脱バインダ処理を行い、これに連続して1050〜1150℃にて焼成を行って、焼結体を得る。なお、所望のZnOを主成分とする異相粒子が圧電磁器中に形成されるように、焼成時の焼成温度までの昇温速度、降温速度、焼成雰囲気等は調整される。 Polyvinyl alcohol as a binder is added to the obtained calcined powder and press-molded into a predetermined square plate shape. This press-molded product is subjected to a binder removal treatment at 450 ° C. for 1 hour in the air, and is subsequently fired at 1050 to 1150 ° C. to obtain a sintered body. In addition, the temperature increase rate, the temperature decrease rate, the firing atmosphere, and the like up to the firing temperature at the time of firing are adjusted so that the desired out-of-phase particles mainly composed of ZnO are formed in the piezoelectric ceramic.
得られ焼結体を所定の厚みに加工し、両主面にたとえば、Ni−Cr/Au層の電極をスパッタリングにて形成した後、電界を印加することで分極処理を施す。その後、所定の大きさになるようにダイシングを行い、圧電素子とする。 The obtained sintered body is processed to have a predetermined thickness, and, for example, Ni—Cr / Au layer electrodes are formed on both main surfaces by sputtering, and then subjected to polarization treatment by applying an electric field. Thereafter, dicing is performed so as to obtain a predetermined size, thereby obtaining a piezoelectric element.
また、上記仮焼き物の粉末に、分散剤、有機バインダや有機溶剤等を加え混合し、シート成形等で成形する。成形シートにAg/Pdの比率が70/30の合金ペーストを用いて内部電極層を印刷し、積層圧着、プレス処理を行い、積層成形体を作製する。この積層成形体を大気中において、450℃×3時間の脱バインダ処理を行い、これに連続して1000〜1100℃で焼成することにより、積層型の焼結体を得ることができる。なお、焼成時の焼成温度までの昇温速度、降温速度、焼成雰囲気等を調整ことにより、所望のZnOを主成分とする異相粒子が圧電磁器中に形成される。 Moreover, a dispersing agent, an organic binder, an organic solvent, etc. are added and mixed with the powder of the said calcined material, and it shape | molds by sheet | seat shaping | molding etc. An internal electrode layer is printed on the molded sheet using an alloy paste having an Ag / Pd ratio of 70/30, and laminated pressure bonding and pressing are performed to produce a laminated molded body. A laminate-type sintered body can be obtained by performing a binder removal treatment at 450 ° C. for 3 hours in the air and firing at 1000 to 1100 ° C. continuously. In addition, by adjusting the temperature raising rate, the temperature lowering rate, the firing atmosphere, and the like up to the firing temperature at the time of firing, the heterophasic particles containing the desired ZnO as a main component are formed in the piezoelectric ceramic.
この焼結体を所望の寸法に加工した後、外部電極をNi−Cr/Au層の電極をスパッタリングにて形成した後、電界を印加することで分極処理を施し、積層型圧電素子を得ることができる。 After processing this sintered body to a desired size, an external electrode is formed by sputtering with a Ni—Cr / Au layer electrode, and then polarized by applying an electric field to obtain a laminated piezoelectric element. Can do.
(実施例、比較例)主成分、副成分を所定量含有するペロブスカイト型複合酸化物(図4参照)になるよう、それぞれの化学的に純粋な原料PbO、TiO2、ZrO2、ZnO、Nb2O5、Sb2O3、WO3、NiO、MgCO3、Bi2O3、CoO、BaCO3、SrCO3、CaCO3、La2O3、Cr2O3を秤量し、ボールミルにより24〜48時間湿式混合後、800〜900℃にて仮焼成した。次に、ボールミルを用いて5〜24時間粉砕し、圧電磁器原料としての仮焼き物とした。
なお、これらの製造条件は、所望のZnOを主成分とする異相粒子が圧電磁器中に形成され易いように調整した。
(Examples and Comparative Examples) Each chemically pure raw material PbO, TiO2, ZrO2, ZnO, Nb2O5, Sb2O3 so as to be a perovskite complex oxide (see FIG. 4) containing a predetermined amount of main components and subcomponents. , WO3, NiO, MgCO3, Bi2O3, CoO, BaCO3, SrCO3, CaCO3, La2O3, Cr2O3 were weighed and wet-mixed by a ball mill for 24-48 hours, and then calcined at 800-900 ° C. Next, it grind | pulverized for 5 to 24 hours using the ball mill, and it was set as the calcined material as a piezoelectric ceramic raw material.
These production conditions were adjusted so that different phase particles mainly composed of desired ZnO were easily formed in the piezoelectric ceramic.
得られた仮焼き物の粉末に、バインダとしてのポリビニルアルコールを添加し、所定の角板形状にプレス成形した。このプレス成形品を、大気中において、450℃×1時間の脱バインダ処理を行い、これに連続して1050〜1150℃にて焼成を行って、焼結体を得た。なお、所望のZnOを主成分とする異相粒子が圧電磁器中に形成されるように、焼成時の焼成温度までの昇温速度、降温速度、焼成雰囲気等を調整した。 Polyvinyl alcohol as a binder was added to the obtained calcined powder and press-molded into a predetermined square plate shape. This press-molded product was subjected to a binder removal treatment at 450 ° C. for 1 hour in the air, and was subsequently fired at 1050 to 1150 ° C. to obtain a sintered body. In addition, the temperature increase rate, the temperature decrease rate, the firing atmosphere, and the like up to the firing temperature at the time of firing were adjusted so that the desired out-of-phase particles mainly composed of ZnO were formed in the piezoelectric ceramic.
得られ焼結体を厚さ0.1mmに加工し、両主面に、Ni−Cr/Au層の電極をスパッタリングにて膜厚みが約300nmになるよう形成した後、120℃に加熱し、2kV/mmの電界を3分間印加することで分極処理を施した。その後、縦4.5mm、横1.5mmの大きさになるようにダイシングを行い、圧電素子の試料とした。 The obtained sintered body was processed to a thickness of 0.1 mm, and Ni—Cr / Au layer electrodes were formed on both main surfaces by sputtering so that the film thickness was about 300 nm, and then heated to 120 ° C., Polarization treatment was performed by applying an electric field of 2 kV / mm for 3 minutes. Thereafter, dicing was performed so as to obtain a size of 4.5 mm in length and 1.5 mm in width to obtain a sample of a piezoelectric element.
また、これら試料について電子情報技術産業協会規格EM−4501を参照し、圧電特性の一つである圧電歪定数d31を測定した。なお、圧電歪定数d31算出に必要な電気特性はインピーダンスアナライザにて測定し、焼結体密度はアルキメデス法により算出した。分極方向と逆の電界を印加された場合の圧電特性の駆動耐久性については、上記試料に120℃の環境下にて、±70Vの電圧を3KHzのサイン波で168時間印加し、試験前後の圧電歪定数d31の値を比較することにより判定を行った。 In addition, the piezoelectric strain constant d31, which is one of the piezoelectric characteristics, was measured for these samples with reference to EM-4501 of the Japan Electronics and Information Technology Industries Association. The electrical characteristics necessary for calculating the piezoelectric strain constant d31 were measured with an impedance analyzer, and the sintered body density was calculated by the Archimedes method. Regarding the driving durability of the piezoelectric characteristics when an electric field opposite to the polarization direction is applied, a voltage of ± 70 V is applied to the above sample with a sine wave of 3 KHz in an environment of 120 ° C. for 168 hours. The determination was made by comparing the value of the piezoelectric strain constant d31.
図4は、試料の作製条件と特性を説明するための図である。図4に示した例はすべて所望のZnOを主成分とする異相が圧電磁器中に存在している試料である。また、駆動耐久性の○、×は駆動耐久性の良、不良を表すものであり、試験前後の圧電歪定数の変化率が10%以内である場合は良とし○、それ以外は不良とし×と示している。図4が示す通り、実施例では高い圧電歪定数d31が得られると共に良好な駆動耐久性が得られることが分かった。 FIG. 4 is a view for explaining sample preparation conditions and characteristics. The examples shown in FIG. 4 are all samples in which a different phase mainly composed of desired ZnO is present in the piezoelectric ceramic. In addition, ○ and × of driving durability indicate good and bad driving durability. When the rate of change of the piezoelectric strain constant before and after the test is within 10%, it is judged as good. It is shown. As shown in FIG. 4, it was found that in the example, a high piezoelectric strain constant d31 was obtained and good driving durability was obtained.
Cr2O3を添加していない圧電素子は駆動耐久性が良好にならず、また、Cr2O3を過剰添加すると圧電歪定数d31が低くなり、駆動耐久性も良好にならないことが分かった。実施例である試料2と同じ配合にて、圧電磁器中にZnOを主成分とする異相粒子が、0.01%未満になるように実施例とは異なる製造条件で比較用の試料を作製した。前記比較用試料について同様の駆動耐久試験を行ったところ、試験後の圧電歪定数d31の変化率が10%を大きく越え変化することが分かった。
It has been found that a piezoelectric element to which Cr2O3 is not added does not have good driving durability, and when Cr2O3 is excessively added, the piezoelectric strain constant d31 is lowered and the driving durability is not good. A sample for comparison was produced under the same composition as
101・・・圧電磁器主成分の結晶粒子、102・・・ZnOを主成分とした異相粒子、200・・・圧電素子、300・・・積層型圧電素子、201、301・・・圧電体層、202a、202b、302a、302b・・・内部電極層、203a、203b、303a、303b・・・外部電極
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