JPH0570245A - 圧電セラミツクスの製造方法 - Google Patents

圧電セラミツクスの製造方法

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JPH0570245A
JPH0570245A JP23821791A JP23821791A JPH0570245A JP H0570245 A JPH0570245 A JP H0570245A JP 23821791 A JP23821791 A JP 23821791A JP 23821791 A JP23821791 A JP 23821791A JP H0570245 A JPH0570245 A JP H0570245A
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JP
Japan
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piezoelectric
piezoelectric ceramics
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JP23821791A
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English (en)
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Takuya Shimizu
拓也 清水
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Toyota Motor Corp
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Toyota Motor Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】圧電セラミックスの製造において、ロット間の
圧電特性のばらつきを無くす。 【構成】原料粉末から厚さが異なる所定個数のプレ成形
体を成形し、焼成後所定厚さに加工し分極などの処理を
施してプレ圧電セラミックスを形成し、それぞれのプレ
圧電セラミックスの圧電特性に関連する物理量を測定
し、プレ成形体の厚さと物理量との関係を求めその関係
から物理量が所定値となるプレ成形体の目的厚さを導
き、その目的厚さとなるように原料粉末から本成形体を
形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、センサー、ブザー、積
層型圧電アクチュエータなどに利用される圧電セラミッ
クスの製造方法に関する。本発明は、PbTiO3 −P
bZrO3 系(以下、PZT系という)の圧電セラミッ
クスを製造する場合に特に有用である。
【0002】
【従来の技術】PZT系の圧電セラミックスは優れた圧
電特性を示し、センサ、ブザー、アクチュエータなどに
広く用いられている。このPZT系の圧電セラミックス
を製造するには、先ず主としてPbO,TiO2 ,Zr
2 からなる原料粉末をボールミルなどで混合する。そ
の混合粉末を仮焼してPZT粉末とし、粉砕後所定形状
に成形する。そして、その成形体を焼成し、その後機械
加工や分極処理などを行って圧電セラミックスを得るの
が一般的な方法である。
【0003】この圧電セラミックスの製造方法では、連
続的に製造することは困難なため、バッチ方式で製造さ
れているのが現状である。すなわち所定量の原料粉末を
混合し、その混合された粉末の量に相当する数の成形体
を形成し焼成した後、所定の厚さに切削加工し分極処理
を行って、1ロットの圧電セラミックスを製造してい
る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところが上記した製造
方法においては、圧電特性のロット間のばらつきが大き
いという問題があった。PZT系の圧電セラミックスで
は、圧電特性は圧電セラミックス中のPbO量に大きく
依存することが明らかとなっている。またPbOは気化
しやすいため、アルミナ、マグネシアなどから形成され
た気密なサヤを用い、そのサヤ中に成形体とともにPb
Oを発生する粉末を入れて焼成することにより、成形体
からのPbOの蒸発を抑制することが行われている。し
かしこの方法を用いても、ロット間の圧電特性のばらつ
きを解消することは困難であった。さらにこの方法で
は、原料混合時のばらつき、例えば分散状態のばらつき
や仮焼時、成形時における各種のばらつき、例えば熱伝
導のばらつき或いはプレス圧伝達のばらつきによる圧電
特性のばらつきを防止することは困難である。
【0005】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
ものであり、混合工程から成形工程までの各種誤差が圧
電特性に与える影響を小さくするとともに、ロット間の
圧電特性のばらつきを無くすことを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明の圧電セラミックスの製造方法は、複数の原料をそれ
ぞれ必要量秤量し混合して原料粉末を調製する粉末調製
工程と、原料粉末から厚さが異なる所定個数のプレ成形
体を成形し、焼成後所定厚さに加工し分極などの処理を
施してプレ圧電セラミックスを形成する前成形工程と、
それぞれのプレ圧電セラミックスの圧電特性に関連する
物理量を測定し、プレ成形体の厚さと物理量との関係を
求める検量工程と、その関係から物理量が所定値となる
プレ成形体の目的厚さを導き、目的厚さとなるように原
料粉末から本成形体を形成する成形工程と、本成形体を
焼成して焼成体とする焼成工程と、焼成体を所定厚さと
した後分極などの処理を施して圧電セラミックスを得る
後加工工程と、からなることを特徴とする。
【0007】以下、PZT系の圧電セラミックスを製造
する場合を例として本発明を説明する。粉末調製工程で
は、主としてPbO,TiO2 ,ZrO2 からなる粉末
原料が所定割合で混合される。この工程はボールミルな
どを利用して従来と同様に行うことができる。なおN
b、Sr、Caなどの添加成分を用いる場合は、この添
加成分もこの時同時に混合される。
【0008】そして均一に混合後、仮焼される。この仮
焼はPZT固溶体を形成するものであり、従来と同様一
般に800〜900℃の温度で行われる。得られたPZ
T原料は再びボールミルなどで粉砕されてPZT原料粉
末とされ、成形工程に供給される。本発明の特色をなす
前成形工程と検量工程は、実際の成形工程に先立って行
われる。前成形工程は、原料粉末から厚さが異なる所定
個数のプレ成形体を成形し、焼成後同一厚さに加工し分
極などの処理を施してプレ圧電セラミックスを形成する
工程である。プレ成形体の厚さは、目的とする圧電セラ
ミックスの厚さを略中央とし、それより厚いもの及び薄
いものの少なくとも3種類の厚さとすることが望まし
い。またそれぞれの厚さのプレ成形体の個数は、後述の
厚さと圧電特性に関連する物理量との関係がわかれば特
に制限されないが、一般には多ければ多いほど誤差が小
さくなる。現状は30個程度でよい。この前成形工程
は、サヤ中でPbOの蒸発を防ぎながら行うなど、実際
の成形工程と同一の方法で行うことが望ましい。
【0009】検量工程は、それぞれのプレ圧電セラミッ
クスの圧電特性に関連する物理量を測定し、プレ成形体
の厚さと物理量との関係を求める工程である。この物理
量としては誘電率、電気機械結合係数などがあり、テー
ブル、グラフなどに表して関係を求めることができる。
成形工程では、検量工程で得られた関係から前記物理量
が所定値となるプレ成形体の目的厚さを導き、その目的
厚さとなるように上記原料粉末から圧電セラミックス形
状の本成形体を形成する。この成形には、プレス成形、
シート成形など従来圧電セラミックスの成形に用いられ
ている成形方法を利用できる。一般には成形形状を保持
するために、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリビ
ニルブチラール(PVB)などのバインダが混合されて
成形される。
【0010】焼成工程では、得られた本成形体が従来と
同様に焼成され焼成体が得られる。この焼成は、気密な
サヤ中にPbO発生粉末などと本成形体を一緒に入れて
行い、本成形体からのPbOの蒸発を防止しながら行う
ことが望ましい。後加工工程では、焼結体を所定の厚さ
とする研削加工や電極の形成、及び分極など従来と同様
の処理が行われ、圧電セラミックスが得られる。ここで
圧電セラミックスの厚さはプレ圧電セラミックスの厚さ
と同一である。また前記本成形体の厚さは検量工程で求
められた関係から得られた厚さである。したがって圧電
セラミックスの圧電特性に関連する前記物理量は、検量
工程で求められた関係により所定の値となる。
【0011】
【発明の作用及び効果】圧電セラミックスの製造方法に
おいては、焼成体を上下表面から研削加工し厚さ方向の
中央部分を製品としている。したがって例えばPZT圧
電セラミックスで説明すると、厚肉の成形体を焼成する
と中央部分から表面までの距離が大であるので、中央部
分からのPbOの蒸発量が少なくPbOの多い焼成体が
得られる。一方、薄肉の成形体を焼成すると、厚肉の成
形体に比べて中央部分から蒸発するPbO量が多く、P
bOの少ない焼成体が得られる。この理由から、成形体
の厚さにより圧電特性にばらつきが生じるものと推察さ
れる。
【0012】本発明の圧電セラミックスの製造方法で
は、前成形工程で実際のロットの原料粉末からプレ成形
体が形成され、検量工程でプレ成形体の厚さとプレ圧電
セラミックスの圧電特性に関連する物理量との関係が導
かれ、目的の物理量となるプレ成形体の目的厚さが求め
られる。そして実際の成形工程では、前成形工程と全く
同一の条件で、本成形体は求められた目的厚さに形成さ
れるのであり、検量工程と同様に焼成され後加工工程が
行われるのであるから、得られる圧電セラミックスは目
的とする物理量を有することとなる。
【0013】したがって本発明の製造方法によれば、混
合された原料粉末からそのロットの成形工程に先立って
前成形工程と検量工程を行うことにより、各ロット間の
圧電セラミックスの圧電特性に関連する物理量をほぼ一
定に制御することができ、ロット間のばらつきを無くす
ことができる。また、粉末調製工程から成形工程までの
間に各種誤差が生じても、上記物理量の測定及び目的厚
さの決定の工数あるいはその精度に及ぼす影響は無く、
したがってこれらの誤差を厳しく制御する必要がないの
で管理が容易となる。
【0014】
【実施例】以下、実施例により具体的に説明する。 (1)粉末調製工程 主成分の成分比がPb(Zr0.52Ti0.47Nb0.01)O
3 で表されるように、PbO粉末、TiO2 粉末及びZ
rO2 粉末と、Nb2 5 粉末とを所定量秤量し、水と
ともにボールミルにて48時間湿式混合する。これを脱
水乾燥後マグネシア製るつぼに入れ、空気中800℃で
8時間仮焼してPZT原料とした。
【0015】このPZT原料を再びボールミルに水とと
もに投入して湿式粉砕する。この粉砕した原料を脱水乾
燥してPZT原料粉末を調製した。 (2)前成形工程 上記PZT原料粉末にバインダーとしてのPVAを1重
量%加えて造粒し、面圧98MPaにて外径18mm、
内径5.9mmのリング円板状のプレ成形体を一軸プレ
スで形成した。ここで厚さは0.75mm,0.85m
m,1.0mmの3種類を選び、それぞれの厚さのプレ
成形体を約30個ずつ形成した。 (3)検量工程 得られたそれぞれのプレ成形体を、詰め粉(PZT粉
末:ZrO2 粉末=2:8)とともに緻密質アルミナ製
サヤ中に入れ、昇温速度150℃/hで1250℃と
し、その温度で2時間保持後降温して焼成した。その後
外径15mm、内径4.8mm、所定厚さ0.34mm
となるように研削加工し、常法で分極処理してプレ圧電
セラミックスを得た。
【0016】それぞれのプレ圧電セラミックスについて
電気機械結合係数(Kp)を測定し、プレ成形体の厚さ
との関係をグラフ化して図1に示す。図1よりプレ成形
体厚さとKp値との間には、良好な相関関係が存在する
ことがわかる。なお、他の2種類のロットのPZT原料
粉末について同様なグラフを作成したが、図2及び図3
に示すように同様の相関関係が存在することがわかる。
これらのグラフ間でKp値や傾きが異なるのは、ロット
間のPZT原料粉末のばらつきに起因するものである。
【0017】そして図1から、目的とするKp値50%
となるプレ成形体の目的厚さ0.8mmを読み取る。 (4)成形工程 上記PZT原料粉末にバインダーとしてのPVAを1重
量%加えて造粒し、面圧98MPaにて直径18mm、
内径5.9mm、さらに上記目的厚さ0.8mmとなる
ように、リング円板状の本成形体約2万個を一軸プレス
で形成した。 (5)焼成工程 得られた本成形体を詰め粉(PZT粉末:ZrO2 粉末
=2:8)とともに緻密質アルミナ製サヤ中に入れ、昇
温速度150℃/hで1250℃とし、その温度で2時
間保持後降温して焼成した。 (6)後加工工程 その後厚さが所定厚さ0.34mmとなるように両表面
を研削加工し、常法で分極処理して圧電セラミックスを
得た。
【0018】得られた圧電セラミックスの中からいくつ
かを選び、それらの電気機械結合係数(Kp)を測定し
たところ、50±1.5%の範囲にあった。また図2及
び図3の検量線からも同様にしてプレ成形体の目的厚さ
を読み取り、同様にしてそれぞれのロットから圧電セラ
ミックスを製造したが、Kp値は同様の範囲にありロッ
ト間のばらつきは見られなかった。
【図面の簡単な説明】
【図1】成形体厚さとKp値との関係を示すグラフであ
る。
【図2】成形体厚さとKp値との関係を示すグラフであ
る。
【図3】成形体厚さとKp値との関係を示すグラフであ
る。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 複数の原料をそれぞれ必要量秤量し混合
    して原料粉末を調製する粉末調製工程と、 該原料粉末から厚さが異なる所定個数のプレ成形体を成
    形し、焼成後所定厚さに加工し分極などの処理を施して
    プレ圧電セラミックスを形成する前成形工程と、 それぞれの該プレ圧電セラミックスの圧電特性に関連す
    る物理量を測定し、該プレ成形体の厚さと該物理量との
    関係を求める検量工程と、 該関係から該物理量が所定値となる該プレ成形体の目的
    厚さを導き、該目的厚さとなるように該原料粉末から本
    成形体を形成する成形工程と、 該本成形体を焼成して焼成体とする焼成工程と、 該焼成体を該所定厚さとした後分極などの処理を施して
    圧電セラミックスを得る後加工工程と、からなることを
    特徴とする圧電セラミックスの製造方法。
JP23821791A 1991-09-18 1991-09-18 圧電セラミツクスの製造方法 Pending JPH0570245A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006269982A (ja) * 2005-03-25 2006-10-05 Tdk Corp 圧電素子の製造方法及び圧電素子
JP2023520167A (ja) * 2020-03-19 2023-05-16 エアマー・テクノロジー・コーポレーション 音響トランスデューサ用多孔質セラミックスの作製方法

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