JP3382200B2 - Piezoelectric ceramics - Google Patents
Piezoelectric ceramicsInfo
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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、レゾネータ、圧力
センサ等の分野に幅広く応用可能な圧電セラミックスに
関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a piezoelectric ceramic which can be widely applied to fields such as a resonator and a pressure sensor.
【0002】[0002]
【従来の技術】圧電体は、外部から応力を受けることに
よって電気分極が変化する圧電効果と、電界を印加する
ことにより歪みを発生する逆圧電効果とを有する材料で
ある。圧電体は、圧力や変形を測定するためのセンサ、
レゾネータ、アクチュエータなどに応用されている。2. Description of the Related Art A piezoelectric material is a material having a piezoelectric effect in which electric polarization is changed by receiving a stress from the outside and an inverse piezoelectric effect in which strain is generated by applying an electric field. Piezoelectric is a sensor for measuring pressure and deformation,
It is applied to resonators and actuators.
【0003】現在実用化されている圧電材料の大部分
は、正方晶系または菱面体晶系のPZT(PbZrO3
−PbTiO3固溶体)系や、正方晶系のPT(PbT
iO3)系などのペロブスカイト構造を有する強誘電体
が一般的である。そして、これらに様々な副成分を添加
することにより、様々な要求特性への対応がはかられて
いる。Most of the piezoelectric materials currently in practical use are tetragonal or rhombohedral PZT (PbZrO 3).
-PbTiO 3 solid solution) or tetragonal PT (PbT
Ferroelectric materials having a perovskite structure such as iO 3 ) are generally used. By adding various subcomponents to these, various required characteristics can be met.
【0004】しかし、PZT系やPT系の圧電材料は、
実用的な組成ではキュリー点が300〜350℃程度の
ものが多い。これに対し現在のはんだ付け工程における
処理温度は、通常、230〜250℃なので、キュリー
点が300〜350℃程度の圧電材料ははんだ付け工程
において特性劣化を生じやすい。しかも、鉛を含まない
はんだ(鉛フリーはんだ)が実用化されると、はんだ付
け工程における処理温度はさらに高くなる。したがっ
て、圧電材料のキュリー点を高くすることは極めて重要
である。However, PZT-based and PT-based piezoelectric materials are
Most practical compositions have a Curie point of about 300 to 350 ° C. On the other hand, since the current processing temperature in the soldering process is usually 230 to 250 ° C., the piezoelectric material having a Curie point of about 300 to 350 ° C. is likely to cause characteristic deterioration in the soldering process. Moreover, when a solder containing no lead (lead-free solder) is put into practical use, the processing temperature in the soldering process becomes higher. Therefore, it is extremely important to raise the Curie point of the piezoelectric material.
【0005】また、これら鉛系圧電材料は、低温でも揮
発性の極めて高い酸化鉛(PbO)を多量(60〜70
質量%程度)に含んでいるため、生態学的な見地および
公害防止の面からも好ましくない。具体的には、これら
鉛系圧電材料をセラミックスや単結晶として製造する際
には、焼成、溶融等の熱処理が不可避であり、工業レベ
ルで考えた場合、揮発性成分である酸化鉛の大気中への
揮発、拡散量は極めて多量となる。また、製造段階で放
出される酸化鉛は回収可能であるが、工業製品として市
場に出された圧電材料に含有される酸化鉛は、現状では
その殆どが回収不能であり、これらが広く環境中に放出
された場合、公害の原因となることは避けられない。Further, these lead-based piezoelectric materials contain a large amount (60 to 70) of lead oxide (PbO), which is extremely volatile even at low temperatures.
It is not preferable from the ecological point of view and from the standpoint of pollution prevention. Specifically, when manufacturing these lead-based piezoelectric materials as ceramics or single crystals, heat treatment such as firing and melting is inevitable, and when considered at an industrial level, lead oxide, which is a volatile component, in the atmosphere. The amount of volatilization and diffusion is extremely large. Also, lead oxide released in the manufacturing stage can be recovered, but most lead oxide contained in piezoelectric materials marketed as industrial products is currently unrecoverable, and these are widely used in the environment. If released to, it is unavoidable to cause pollution.
【0006】鉛を全く含有しない圧電材料としては、例
えば、正方晶系に属するペロブスカイト構造のBaTi
O3がよく知られているが、これはキュリー点が120
℃と低いため、実用的ではない。また、特開平9−10
0156号公報には、ペロブスカイト構造の(1−x)
(Bi1/2Na1/2)TiO3−xNaNbO3固溶体が記
載されているが、同公報にはキュリー点が370℃を超
えるものは記載されていない。As a piezoelectric material containing no lead, for example, BaTi having a perovskite structure belonging to the tetragonal system is used.
O 3 is well known, but it has a Curie point of 120.
Since it is as low as ℃, it is not practical. In addition, JP-A-9-10
Japanese Patent No. 0156 discloses that the perovskite structure is (1-x).
Although a (Bi 1/2 Na 1/2 ) TiO 3 —xNaNbO 3 solid solution is described, the publication does not describe a Curie point of more than 370 ° C.
【0007】キュリー点を500℃以上にできる圧電体
としては、例えばビスマス層状化合物が知られている。
ビスマス層状化合物はキュリー点が高いため、いったん
分極してしまえば熱的には安定であり、高温用センサと
して十分な特性が得られる。しかし、その反面、分極自
体が困難であるため、十分な圧電特性が得られにくいと
いう問題がある。また、鉛を全く含有しないビスマス層
状化合物は、レゾネータに適用する場合に重要となるQ
maxが小さいという問題がある。Qmaxとは、位相角の最
大値をθmaxとしたときのtanθmaxである。すなわち、
Xをリアクタンス、Rをレジスタンスとしたとき、共振
周波数と反共振周波数との間におけるQ(=|X|/
R)の最大値である。Qmaxが大きいほど発振が安定
し、また、低電圧での発振が可能となる。Bismuth layered compounds, for example, are known as piezoelectric materials having a Curie point of 500 ° C. or higher.
Since the bismuth layered compound has a high Curie point, once it is polarized, it is thermally stable and has sufficient characteristics as a high temperature sensor. However, on the other hand, since polarization itself is difficult, it is difficult to obtain sufficient piezoelectric characteristics. In addition, the bismuth layered compound containing no lead is important when applied to a resonator.
There is a problem that max is small. Qmax is tan θmax when the maximum value of the phase angle is θmax. That is,
When X is the reactance and R is the resistance, Q (= | X | /) between the resonance frequency and the anti-resonance frequency.
It is the maximum value of R). The larger Qmax is, the more stable the oscillation becomes, and the lower voltage the oscillation becomes possible.
【0008】第16回強誘電体応用会議(1999.5.26ー2
9)の講演予稿集第97〜98ページには、鉛を全く含
有しないビスマス層状化合物のQmaxを向上させる報告
が記載されている。この報告には、鉛を含有しないビス
マス層状化合物として(Sr1- xMex)Bi4Ti4O15
が記載されている。Me=Ba、Ca、La、Sm、G
dであり、BaおよびCaはx≦0.1の範囲で、Sm
およびGdはx≦0.4の範囲で、Laはx≦0.5の
範囲で添加されている。上記講演予稿集では、厚み縦基
本振動におけるQmaxを測定しており、Fig.2には、L
aの添加によりQmaxが向上することと、BaまたはC
aの添加によりQmaxが低下することとが示されてい
る。The 16th Ferroelectric Application Conference (1999.5.26-2)
The reports of the proceedings of 9), pages 97 to 98, describe a report for improving the Qmax of a bismuth layered compound containing no lead at all. In this report, as a bismuth layer compound containing no lead, (Sr 1- x Me x ) Bi 4 Ti 4 O 15
Is listed. Me = Ba, Ca, La, Sm, G
d and Ba and Ca in the range of x ≦ 0.1, Sm
And Gd are added in the range of x ≦ 0.4, and La is added in the range of x ≦ 0.5. In the above-mentioned lecture proceedings, Qmax in the thickness longitudinal fundamental vibration is measured.
Improvement of Qmax by addition of a and Ba or C
It has been shown that the addition of a reduces Qmax.
【0009】ところで、圧電セラミックスをレゾネータ
やフィルタに適用する場合には、共振周波数の温度依存
性が小さいことが要求される。しかし、レゾネータとし
て実用可能な十分に大きなQmaxを有し、かつ、共振周
波数の温度依存性が小さい圧電セラミックスは従来報告
されていない。By the way, when the piezoelectric ceramic is applied to a resonator or a filter, it is required that the temperature dependence of the resonance frequency is small. However, no piezoelectric ceramic has been reported so far, which has a sufficiently large Qmax that can be practically used as a resonator and has a small temperature dependence of the resonance frequency.
【0010】[0010]
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、鉛を
含まず、キュリー点が高く、かつ、優れた圧電特性を有
し、さらに、共振周波数の温度依存性の小さい圧電セラ
ミックスを提供することである。SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a piezoelectric ceramic which does not contain lead, has a high Curie point, has excellent piezoelectric characteristics, and has a small temperature dependence of resonance frequency. That is.
【0011】[0011]
【課題を解決するための手段】上記目的は、下記(1)
〜(3)の本発明により達成される。
(1) Sr、BaおよびCaから選択される少なくと
も1種の元素をMIIで表し、ランタノイドから選択され
る少なくとも1種の元素をLnで表したとき、MII、B
i、Ti、LnおよびOを含有するビスマス層状化合物
であり、MIIBi4Ti4O15型結晶を含み、モル比Ln
/(Ln+MII)が
0<Ln/(Ln+MII)<0.5
であり、Y酸化物を含有する圧電セラミックス。
(2) Y酸化物をY2O3に換算して0.5質量%以下
含有する上記(1)の圧電セラミックス。
(3) Mn酸化物および/またはCo酸化物を含有す
る上記(1)または(2)の圧電セラミックス。[Means for Solving the Problems] The above-mentioned object is as follows (1)
It is achieved by the present invention of (3). (1) When at least one element selected from Sr, Ba and Ca is represented by M II and at least one element selected from lanthanoids is represented by Ln, M II , B
A bismuth layered compound containing i, Ti, Ln and O, which contains M II Bi 4 Ti 4 O 15 type crystals and has a molar ratio Ln.
Piezoelectric ceramics containing Y oxide, wherein / (Ln + M II ) is 0 <Ln / (Ln + M II ) <0.5. (2) The piezoelectric ceramic according to the above (1), which contains Y oxide in an amount of 0.5 mass% or less in terms of Y 2 O 3 . (3) The piezoelectric ceramic according to the above (1) or (2), which contains a Mn oxide and / or a Co oxide.
【0012】[0012]
【発明の実施の形態】Sr、BaおよびCaから選択さ
れる少なくとも1種の元素をMIIで表し、ランタノイド
から選択される少なくとも1種の元素をLnで表したと
き、本発明の圧電セラミックスは、MII、Bi、Ti、
LnおよびOを含有するビスマス層状化合物であり、M
IIBi4Ti4O15型結晶を含む複合酸化物である。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION When at least one element selected from Sr, Ba and Ca is represented by M II and at least one element selected from lanthanoids is represented by Ln, the piezoelectric ceramic of the present invention is , M II , Bi, Ti,
A bismuth layered compound containing Ln and O, M
II A composite oxide containing Bi 4 Ti 4 O 15 type crystals.
【0013】本発明の圧電セラミックスは、Qmaxを向
上させるために、ランタノイド酸化物を含有する。ラン
タノイドは、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、E
u、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Ybおよび
Luであり、これらのうちでは、La、Nd、Sm、G
d、Dy、Ho、ErおよびYbの少なくとも1種が好
ましく、Laが最も好ましい。本発明の圧電セラミック
ス中におけるモル比Ln/(Ln+MII)は、
0<Ln/(Ln+MII)<0.5
であり、好ましくは
0.03≦Ln/(Ln+MII)≦0.3
である。Ln/(Ln+MII)が大きすぎると、Qmax
がかえって低くなってしまう。Ln酸化物の添加による
Qmaxの向上は、焼結性の向上によると考えられる。ま
た、Ln酸化物を含有しないMIIBi4Ti4O15系セラ
ミックス、特にCaBi4Ti4O15系セラミックスは、
分極が困難であるが、Ln酸化物の添加によりこれが改
善される。The piezoelectric ceramic of the present invention contains a lanthanoid oxide in order to improve Qmax. Lanthanoids are La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, E
u, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb and Lu, among which La, Nd, Sm, G
At least one of d, Dy, Ho, Er and Yb is preferable, and La is most preferable. The molar ratio Ln / (Ln + M II ) in the piezoelectric ceramic of the present invention is 0 <Ln / (Ln + M II ) <0.5, and preferably 0.03 ≦ Ln / (Ln + M II ) ≦ 0.3. . If Ln / (Ln + M II ) is too large, Qmax
On the contrary, it becomes low. It is considered that the improvement of Qmax due to the addition of the Ln oxide is due to the improvement of sinterability. Further, M II Bi 4 Ti 4 O 15 series ceramics containing no Ln oxide, particularly CaBi 4 Ti 4 O 15 series ceramics,
The polarization is difficult, but the addition of Ln oxide improves this.
【0014】本発明の圧電セラミックスは、Ln酸化物
に加え、Y酸化物を含有する。Y酸化物をLn酸化物と
複合添加することにより、共振周波数の温度特性が向上
し、しかも、十分に大きいQmaxが得られる。Y酸化物
の含有量は、Y2O3に換算して好ましくは0.5質量%
以下、より好ましくは0.4質量%以下である。Y酸化
物の含有量が多すぎると、Qmaxが低くなってしまう。
一方、Y酸化物の添加による効果を十分に発揮させるた
めには、Y酸化物はY2O3に換算して0.1質量%以
上、特に0.2質量%以上含有されることが好ましい。The piezoelectric ceramic of the present invention contains Y oxide in addition to Ln oxide. By adding Y oxide together with Ln oxide, the temperature characteristic of the resonance frequency is improved, and a sufficiently large Qmax can be obtained. The content of Y oxide is preferably 0.5% by mass in terms of Y 2 O 3.
Or less, more preferably 0.4% by mass or less. If the Y oxide content is too high, Qmax will be low.
On the other hand, in order to fully exert the effect of the addition of the Y oxide, the Y oxide is preferably contained in an amount of 0.1% by mass or more, particularly 0.2% by mass or more in terms of Y 2 O 3. .
【0015】本発明の圧電セラミックに、Mn酸化物お
よび/またはCo酸化物を含有させることにより、Qma
xのさらなる向上が可能である。By including Mn oxide and / or Co oxide in the piezoelectric ceramic of the present invention, Qma
Further improvement of x is possible.
【0016】Mn酸化物の添加による効果を十分に発揮
させるためには、Mn酸化物はMnOに換算して0.0
2質量%以上含有されることが好ましく、0.03質量
%以上含有される場合、特にQmax向上効果が高くな
る。ただし、Mn酸化物の含有量が多すぎると絶縁抵抗
が低くなって分極処理が困難となることから、Mn酸化
物の含有量はMnOに換算して好ましくは0.62質量
%未満、より好ましくは0.60質量%以下、さらに好
ましくは0.43質量%以下とする。In order to fully bring out the effect of the addition of Mn oxide, the Mn oxide is converted to MnO in an amount of 0.0
The content is preferably 2% by mass or more, and when it is 0.03% by mass or more, the Qmax improving effect is particularly enhanced. However, when the content of Mn oxide is too large, the insulation resistance becomes low and the polarization treatment becomes difficult. Therefore, the content of Mn oxide is preferably less than 0.62 mass% in terms of MnO, more preferably Is 0.60 mass% or less, more preferably 0.43 mass% or less.
【0017】Co酸化物の添加による効果を十分に発揮
させるためには、CoO換算の含有量を0.1質量%以
上とすることが好ましい。ただし、Co酸化物の含有量
が多すぎると、絶縁抵抗が大きくなって分極が難しくな
る。そのため、CoO換算の含有量は、好ましくは0.
7質量%未満とし、より好ましくは0.5質量%以下と
する。In order to fully bring out the effect of the addition of Co oxide, the content in terms of CoO is preferably 0.1% by mass or more. However, if the content of Co oxide is too large, the insulation resistance increases and polarization becomes difficult. Therefore, the content in terms of CoO is preferably 0.
It is less than 7% by mass, more preferably 0.5% by mass or less.
【0018】MII中のモル比をSrxBayCaz(ただ
し、x+y+z=1)で表したとき、
0≦x≦1、
0≦y≦0.9、
0≦z≦1
であることが好ましい。MIIに占めるBaの比率yが高
くなりすぎると、焼成時に圧電セラミックスが溶融しや
すくなる。[0018] M molar ratio in II Sr x Ba y Ca z (provided that, x + y + z = 1 ) when expressed in, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 0.9 that is a 0 ≦ z ≦ 1 Is preferred. If the ratio y of Ba in M II is too high, the piezoelectric ceramics are likely to melt during firing.
【0019】本発明の圧電セラミックスは、ビスマス層
状化合物であるMIIBi4Ti4O15型結晶を含み、実質
的にこの結晶から構成されていることが好ましいが、完
全に均質でなくても、例えば異相を含んでいてもよい。
この圧電セラミックス中において、LnはMIIBi4T
i4O15型結晶のMIIサイトを主に置換していると考え
られるが、一部が他のサイトを置換していてもよく、ま
た、一部が結晶粒界に存在していてもよい。The piezoelectric ceramics of the present invention include an M II Bi 4 Ti 4 O 15 type crystal which is a bismuth layered compound, and it is preferable that the piezoelectric ceramics be substantially composed of this crystal, but it is not absolutely homogeneous. , For example, may contain a heterogeneous phase.
In this piezoelectric ceramic, Ln is M II Bi 4 T
It is considered that the M II site of the i 4 O 15 type crystal is mainly substituted, but a part of the i 4 O 15 type crystal may be replaced with another site, or a part thereof may be present at the crystal grain boundary. Good.
【0020】本発明の圧電セラミックスの全体組成は、
一般に、(MII 1-xLnx)Bi4Ti4O15にY2O3が付
加されたものとすればよいが、これから偏倚していても
よい。例えば、Tiに対する(MII+Ln)の比率や、
Tiに対するBiの比率が、化学量論組成から±5%程
度ずれていてもよい。また、酸素量も、金属元素の価数
や酸素欠陥などに応じて変化し得る。The overall composition of the piezoelectric ceramic of the present invention is
In general, (M II 1-x Ln x ) Bi 4 Ti 4 O 15 may be added with Y 2 O 3, but it may be deviated from this. For example, the ratio of (M II + Ln) to Ti,
The ratio of Bi to Ti may deviate from the stoichiometric composition by about ± 5%. Further, the amount of oxygen can also change depending on the valence of the metal element, oxygen defects, and the like.
【0021】本発明の圧電セラミックスには、不純物な
いし微量添加物としてPb酸化物、Cr酸化物、Fe酸
化物等が含有されていてもよいが、これらの酸化物の含
有量は、PbO、Cr2O3、Fe2O3などの化学量論組
成の酸化物に換算してそれぞれ全体の0.5質量%以下
であることが好ましく、これらの酸化物の合計でも0.
5質量%以下であることがより好ましい。これらの酸化
物の含有量が多すぎると、本発明の効果を損なうことが
ある。なお、本発明の圧電セラミックスにはPbが含ま
れないことが最も好ましいが、上記程度の含有量であれ
ば実質的に問題はない。The piezoelectric ceramics of the present invention may contain Pb oxide, Cr oxide, Fe oxide and the like as impurities or trace additives, but the content of these oxides is PbO, Cr. It is preferably 0.5% by mass or less of each of the oxides having a stoichiometric composition such as 2 O 3 and Fe 2 O 3, and the total amount of these oxides is not more than 0.
It is more preferably 5% by mass or less. If the content of these oxides is too high, the effects of the present invention may be impaired. It is most preferable that the piezoelectric ceramic of the present invention does not contain Pb, but if the content is in the above range, there is substantially no problem.
【0022】本発明の圧電セラミックスの結晶粒は、紡
錘状ないし針状である。その平均結晶粒径は特に限定さ
れないが、長軸方向において、好ましくは1〜10μ
m、より好ましくは3〜5μmである。The crystal grains of the piezoelectric ceramics of the present invention are spindle-shaped or needle-shaped. The average crystal grain size is not particularly limited, but is preferably 1 to 10 μm in the major axis direction.
m, more preferably 3 to 5 μm.
【0023】本発明の圧電セラミックスのキュリー点
は、少なくとも380℃以上とすることができ、430
℃以上とすることも容易である。The Curie point of the piezoelectric ceramics of the present invention can be at least 380 ° C. or higher and 430
It is also easy to set the temperature above ℃.
【0024】本発明の圧電セラミックスは、レゾネー
タ、高温用センサ、アクチュエータ等に好適であるが、
共振周波数の温度特性が良好であることから、特にレゾ
ネータに好適である。The piezoelectric ceramics of the present invention are suitable for resonators, high temperature sensors, actuators, etc.
Since the temperature characteristic of the resonance frequency is good, it is particularly suitable for a resonator.
【0025】本発明の圧電セラミックスの使用モードは
特に限定されず、例えば厚み縦振動や厚みすべり振動等
のいずれのモードも利用可能である。厚み縦基本振動で
は比較的高いQmaxが得られる。ただし、スプリアス振
動が多くなり、その結果、発振の安定性がやや低くな
る。これに対し、厚み縦振動の3次高調波モードでは、
Qmaxは小さくなるがスプリアス振動は減少する。一
方、厚みすべり基本振動では、スプリアス振動が少な
く、かつ、十分に大きなQmaxが得られる。The use mode of the piezoelectric ceramics of the present invention is not particularly limited, and any mode such as thickness longitudinal vibration or thickness shear vibration can be used. A relatively high Qmax is obtained with the thickness longitudinal fundamental vibration. However, there are more spurious vibrations, and as a result, the stability of oscillation is slightly lower. On the other hand, in the third harmonic mode of thickness longitudinal vibration,
Although Qmax decreases, spurious vibration decreases. On the other hand, in the thickness-shear fundamental vibration, spurious vibrations are small and a sufficiently large Qmax is obtained.
【0026】なお、本発明者らの研究によれば、厚みす
べり振動を用いる場合には、共振周波数の温度特性が比
較的急峻となり、発振周波数の温度依存性が比較的大き
くなることがわかった。そこで、さらに実験を重ねた結
果、MII中のモル比を
x/6+0.2≦y≦0.8
とすることにより、すなわち、MIIとして少なくともB
aおよび/またはCaを用い、MII中に占めるBa+C
aの比率を所定範囲内とすることにより、共振周波数の
温度特性をかなり平坦にできることがわかった。According to the research conducted by the present inventors, it was found that when the thickness shear vibration is used, the temperature characteristic of the resonance frequency becomes relatively steep, and the temperature dependence of the oscillation frequency becomes relatively large. . Therefore, as a result of further experiments, by setting the molar ratio in M II to x / 6 + 0.2 ≦ y ≦ 0.8, that is, as M II , at least B
a + and / or Ca is used, and Ba + C occupied in M II
It has been found that the temperature characteristic of the resonance frequency can be made fairly flat by setting the ratio of a within the predetermined range.
【0027】製造方法
次に、本発明の圧電セラミックスを製造する方法の一例
を説明する。 Manufacturing Method Next, an example of a method for manufacturing the piezoelectric ceramics of the present invention will be described.
【0028】まず、出発原料として、酸化物、または、
焼成により酸化物に変わりうる化合物、例えば、炭酸
塩、水酸化物、シュウ酸塩、硝酸塩等、具体的にはMII
CO3、Bi2O3、TiO2、La2O3、MnO2、Mn
CO3、Y2O3等の粉末を用意し、これらをボールミル
等により湿式混合する。First, as a starting material, an oxide or
Compounds that can be converted into oxides by firing, such as carbonates, hydroxides, oxalates, nitrates, specifically M II
CO 3 , Bi 2 O 3 , TiO 2 , La 2 O 3 , MnO 2 , Mn
Powders such as CO 3 and Y 2 O 3 are prepared, and these are wet mixed by a ball mill or the like.
【0029】次いで仮焼する。なお、通常、仮焼前に仮
成形する。仮焼温度は、好ましくは700〜1000
℃、より好ましくは750〜850℃である。仮焼温度
が低すぎると、化学反応が十分に終了せず、仮焼が不十
分となる。一方、仮焼温度が高すぎると、仮成形体が焼
結し始めるため、その後の粉砕が困難となる。仮焼時間
は特に限定されないが、通常、1〜3時間とすることが
好ましい。Then, calcination is performed. It should be noted that, usually, temporary forming is performed before calcination. The calcination temperature is preferably 700 to 1000.
C., more preferably 750 to 850.degree. If the calcination temperature is too low, the chemical reaction will not be completed sufficiently and calcination will be insufficient. On the other hand, if the calcination temperature is too high, the tentative compact will start to sinter, making subsequent pulverization difficult. Although the calcination time is not particularly limited, it is usually preferably 1 to 3 hours.
【0030】得られた仮焼物をスラリー化し、ボールミ
ル等を用いて湿式粉砕する。この粉砕により得られる粉
末の平均粒径は特に限定されないが、その後の成形のし
やすさを考慮すると、1〜5μm程度とすることが好ま
しい。The obtained calcined product is slurried and wet-milled using a ball mill or the like. The average particle size of the powder obtained by this pulverization is not particularly limited, but considering the ease of subsequent molding, it is preferably about 1 to 5 μm.
【0031】湿式粉砕後、仮焼物の粉末を乾燥し、乾燥
物に水を少量(4〜10質量%程度)添加した後、10
0〜400MPa程度の圧力でプレス成形して、成形体を
得る。この際、ポリビニルアルコール等のバインダを添
加してもよい。After wet pulverization, the powder of the calcined product was dried, and a small amount of water (about 4 to 10% by mass) was added to the dried product, and then 10
Press molding is performed at a pressure of about 0 to 400 MPa to obtain a molded body. At this time, a binder such as polyvinyl alcohol may be added.
【0032】次いで、成形体を焼成し、圧電セラミック
スを得る。焼成温度は好ましくは1100〜1300℃
の範囲から選択し、焼成時間は好ましくは1〜5時間程
度とする。焼成は大気中で行ってもよく、大気中よりも
酸素分圧の低い雰囲気や高い雰囲気、あるいは純酸素雰
囲気中で行ってもよい。Next, the molded body is fired to obtain piezoelectric ceramics. The firing temperature is preferably 1100 to 1300 ° C
The firing time is preferably about 1 to 5 hours. The firing may be performed in the air, an atmosphere having a lower oxygen partial pressure than that in the atmosphere, a high atmosphere, or a pure oxygen atmosphere.
【0033】焼成後、分極処理を施す。分極処理の条件
は、圧電セラミックスの組成に応じて適宜決定すればよ
いが、通常、分極温度は150〜300℃、分極時間は
1〜30分間、分極電界は抗電界の1.1倍以上とすれ
ばよい。After firing, polarization treatment is performed. The conditions of the polarization treatment may be appropriately determined according to the composition of the piezoelectric ceramics, but normally the polarization temperature is 150 to 300 ° C., the polarization time is 1 to 30 minutes, and the polarization electric field is 1.1 times or more of the coercive electric field. do it.
【0034】[0034]
【実施例】以下の手順で、表1に示す圧電セラミックス
サンプルを作製した。EXAMPLES The piezoelectric ceramic samples shown in Table 1 were prepared by the following procedure.
【0035】出発原料として、SrCO3、Bi2O3、
TiO2、La2O3、Gd2O3、MnCO3、Y2O3の各
粉末を、最終組成がSr1-xLnxBi4Ti4O15+Mn
O+Y2O3(MnOおよびY2O3の含有量は表1に示す
値)となるように配合し、純水中でジルコニアボールを
利用したボールミルにより15時間湿式混合した。Ln
およびxを表1に示す。As starting materials, SrCO 3 , Bi 2 O 3 ,
Powders of TiO 2 , La 2 O 3 , Gd 2 O 3 , MnCO 3 , and Y 2 O 3 were used, and the final composition was Sr 1-x Ln x Bi 4 Ti 4 O 15 + Mn.
O + Y 2 O 3 (contents of MnO and Y 2 O 3 are values shown in Table 1) were mixed and wet-mixed in pure water by a ball mill using zirconia balls for 15 hours. Ln
And x are shown in Table 1.
【0036】次いで、混合物を十分に乾燥し、仮成形し
た後、空気中において2時間仮焼した。仮焼温度は75
0〜900℃の範囲から選択した。得られた仮焼物をボ
ールミルで粉砕した後、乾燥した。次いで、バインダと
して10%ポリビニルアルコール溶液を10質量%加え
て造粒した後、一軸プレス成形機を用いて300MPaの
圧力でプレス成形し、平面寸法20mm×20mm、厚さ
1.5mmの成形体を得た。Then, the mixture was thoroughly dried, preformed, and then calcined in air for 2 hours. Calcination temperature is 75
It was selected from the range of 0 to 900 ° C. The obtained calcined product was crushed with a ball mill and then dried. Next, after adding 10% by mass of a 10% polyvinyl alcohol solution as a binder and granulating, press molding was performed at a pressure of 300 MPa using a uniaxial press molding machine to obtain a compact having a plane dimension of 20 mm × 20 mm and a thickness of 1.5 mm. Obtained.
【0037】得られた成形体に熱処理を施してバインダ
を揮発させた後、空気中で焼成した。焼成は、Biの蒸
発を防ぐためにMgO製の密閉容器中で行った。焼成温
度は1150〜1300℃の範囲から選択し、焼成時間
は2〜4時間とした。The molded body thus obtained was heat-treated to volatilize the binder, and then fired in air. The calcination was performed in a sealed MgO container to prevent evaporation of Bi. The firing temperature was selected from the range of 1150 to 1300 ° C., and the firing time was 2 to 4 hours.
【0038】得られた焼結体を厚さ0.5mmまで研磨
し、平面寸法15mm×15mmに切り出して薄板を得た。
この薄板の上下面にCu電極を蒸着により形成した。次
いで、150〜300℃のシリコーンオイルバス中にお
いて、5〜15MV/mの電界を1〜10分間印加して分極
処理を施した。The obtained sintered body was polished to a thickness of 0.5 mm and cut into a plane size of 15 mm × 15 mm to obtain a thin plate.
Cu electrodes were formed on the upper and lower surfaces of this thin plate by vapor deposition. Then, in a silicone oil bath at 150 to 300 ° C., an electric field of 5 to 15 MV / m was applied for 1 to 10 minutes for polarization treatment.
【0039】次いで、FeCl2溶液を用いてエッチン
グすることによりCu電極を除去した後、厚さ0.44
mmとなるまで研磨し、さらに、分極方向が厚さ方向とな
るように、平面寸法7mm×4.5mmに切り出してチップ
を得た。このチップの上下面に、厚み縦振動を評価する
ためのAg電極を蒸着法により形成した。このAg電極
の寸法は、直径1.5mm、厚さ1μmとした。Then, the Cu electrode is removed by etching with a FeCl 2 solution, and then the thickness of 0.44 is obtained.
The chip was obtained by polishing to 7 mm × 4.5 mm, and polishing so that the polarization direction was the thickness direction. Ag electrodes for evaluating thickness longitudinal vibration were formed on the upper and lower surfaces of this chip by vapor deposition. The dimensions of this Ag electrode were 1.5 mm in diameter and 1 μm in thickness.
【0040】各サンプルについて、ヒューレットパッカ
ード社製インピーダンスアナライザHP4194Aを用
いて、約16MHzで厚み縦振動の3次高調波モードのQm
axを測定した。結果を表1に示す。For each sample, Qm of the third harmonic mode of thickness longitudinal vibration at about 16 MHz was measured using an impedance analyzer HP4194A manufactured by Hewlett Packard.
The ax was measured. The results are shown in Table 1.
【0041】また、インピーダンスアナライザおよび恒
温槽を用いて、20〜85℃の温度範囲で共振周波数を
測定した。そして、20℃における共振周波数fr20と
85℃における共振周波数fr85とを用いて、
式 △fr=100×(fr85−fr20)/fr20 [%]
により、20℃を基準とした共振周波数の変化率△fr
を求めた。結果を表1に示す。The resonance frequency was measured in the temperature range of 20 to 85 ° C. using an impedance analyzer and a thermostat. Then, by using the resonance frequency fr 85 at the resonance frequency fr 20 and 85 ° C. at 20 ° C., by the equation △ fr = 100 × (fr 85 -fr 20) / fr 20 [%], resonance relative to the 20 ° C. Frequency change rate Δfr
I asked. The results are shown in Table 1.
【0042】[0042]
【表1】 [Table 1]
【0043】表1から、本発明の圧電セラミックスで
は、レゾネータとして実用可能な十分に大きなQmax、
すなわち5以上のQmaxが得られ、かつ、共振周波数の
温度依存性が小さいことがわかる。From Table 1, in the piezoelectric ceramics of the present invention, Qmax sufficiently large for practical use as a resonator,
That is, it can be seen that Qmax of 5 or more is obtained and the temperature dependence of the resonance frequency is small.
【0044】なお、表1に示す本発明サンプルのキュリ
ー温度は、すべて450℃以上であった。The Curie temperatures of the samples of the present invention shown in Table 1 were all 450 ° C. or higher.
【0045】表1に示す本発明サンプルを粉砕して粉末
X線回折法により解析したところ、MIIBi4Ti4O15
型結晶のほぼ単一相となっていることが確認された。図
1に、サンプルNo.2〜No.5のX線回折チャートを示
す。図1において、いずれのサンプルでもYの偏析が認
められないことから、Yは結晶格子中に存在していると
考えられる。なお、これらのサンプルについて、(20
0)面の回折ピークからa軸の格子定数を、(008)
面回折ピークからc軸の格子定数をそれぞれ求めたとこ
ろ、Y添加による格子定数の変化は実質的に認められな
かった。したがって、Yは置換型固溶の状態で結晶中に
存在していると考えられる。When the samples of the present invention shown in Table 1 were crushed and analyzed by the powder X-ray diffraction method, M II Bi 4 Ti 4 O 15 was obtained.
It was confirmed that the crystals were almost a single phase. FIG. 1 shows X-ray diffraction charts of Samples No. 2 to No. 5. In FIG. 1, since segregation of Y is not observed in any of the samples, it is considered that Y exists in the crystal lattice. For these samples, (20
From the diffraction peak of the (0) plane, the lattice constant of the a-axis is
When the c-axis lattice constants were obtained from the surface diffraction peaks, virtually no change in lattice constant due to the addition of Y was observed. Therefore, it is considered that Y exists in the crystal in a substitutional solid solution state.
【0046】表1のサンプルNo.2〜No.5を鏡面加工
し、同条件でケミカルエッチングした後、SEM(走査
型電子顕微鏡)により写真を撮影した。サンプルNo.2
〜No.5のSEM写真をそれぞれ図2〜図5に示す。こ
れらの写真においてY添加量が多いほど結晶粒界の溶解
が進んでいることから、Yは粒界部に多く存在している
可能性がある。Samples No. 2 to No. 5 in Table 1 were mirror-finished, chemically etched under the same conditions, and then photographed by SEM (scanning electron microscope). Sample No.2
2 to 5 are SEM photographs of No. 5 to No. 5, respectively. In these photographs, the larger the amount of Y added, the more the dissolution of the crystal grain boundaries. Therefore, it is possible that Y is present in large amounts in the grain boundary portions.
【0047】[0047]
【発明の効果】本発明によれば、鉛を含まず、キュリー
点が高く、かつ、優れた圧電特性を有し、さらに、共振
周波数の温度依存性の小さい圧電セラミックスが実現す
る。According to the present invention, it is possible to realize a piezoelectric ceramic which does not contain lead, has a high Curie point, has excellent piezoelectric properties, and has a small temperature dependence of resonance frequency.
【図1】圧電セラミックスのX線回折チャートである。FIG. 1 is an X-ray diffraction chart of piezoelectric ceramics.
【図2】粒子構造を示す図面代用写真であって、表1に
示すサンプルNo.2の走査型電子顕微鏡写真である。FIG. 2 is a drawing-substituting photograph showing a particle structure, which is a scanning electron microscope photograph of Sample No. 2 shown in Table 1.
【図3】粒子構造を示す図面代用写真であって、表1に
示すサンプルNo.3の走査型電子顕微鏡写真である。FIG. 3 is a drawing-substituting photograph showing a particle structure, which is a scanning electron microscope photograph of Sample No. 3 shown in Table 1.
【図4】粒子構造を示す図面代用写真であって、表1に
示すサンプルNo.4の走査型電子顕微鏡写真である。FIG. 4 is a drawing-substituting photograph showing a particle structure, which is a scanning electron microscope photograph of Sample No. 4 shown in Table 1.
【図5】粒子構造を示す図面代用写真であって、表1に
示すサンプルNo.5の走査型電子顕微鏡写真である。5 is a drawing-substitute photograph showing a particle structure, which is a scanning electron micrograph of sample No. 5 shown in Table 1. FIG.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開2001−172078(JP,A) 特開2001−220226(JP,A) 特開2000−143340(JP,A) 特開2001−192267(JP,A) 特開2000−313662(JP,A) 特開2000−72542(JP,A) 特開2001−192268(JP,A) 特開2001−181030(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C04B 35/46 - 35/50 CA(STN) REGISTRY(STN)─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (56) Reference JP 2001-172078 (JP, A) JP 2001-220226 (JP, A) JP 2000-143340 (JP, A) JP 2001-192267 (JP, A) JP 2000-313662 (JP, A) JP 2000-72542 (JP, A) JP 2001-192268 (JP, A) JP 2001-181030 (JP, A) (58) Fields investigated (Int .Cl. 7 , DB name) C04B 35/46-35/50 CA (STN) REGISTRY (STN)
Claims (3)
なくとも1種の元素をMIIで表し、ランタノイドから選
択される少なくとも1種の元素をLnで表したとき、M
II、Bi、Ti、LnおよびOを含有するビスマス層状
化合物であり、MIIBi4Ti4O15型結晶を含み、モル
比Ln/(Ln+MII)が 0<Ln/(Ln+MII)<0.5 であり、 Y酸化物を含有する圧電セラミックス。1. When at least one element selected from Sr, Ba and Ca is represented by M II , and at least one element selected from lanthanoids is represented by Ln, M
A bismuth layered compound containing II , Bi, Ti, Ln and O, containing M II Bi 4 Ti 4 O 15 type crystal, and having a molar ratio Ln / (Ln + M II ) of 0 <Ln / (Ln + M II ) <0. Piezoelectric ceramics containing Y oxide.
%以下含有する請求項1の圧電セラミックス。2. The piezoelectric ceramic according to claim 1, which contains Y oxide in an amount of 0.5 mass% or less in terms of Y 2 O 3 .
含有する請求項1または2の圧電セラミックス。3. The piezoelectric ceramic according to claim 1, which contains a Mn oxide and / or a Co oxide.
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