專利名稱：壓電陶瓷組合物,使用該組合物的蜂鳴器和控制器的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及壓電陶瓷組合物以及使用該壓電陶瓷組合物的蜂鳴器和壓電控制器(actuator)。
已知用壓電陶瓷組合物制成各種壓電元件。幾種已知的壓電元件有，例如壓電蜂鳴器、壓電控制器、壓電傳感器和壓電陶瓷濾波器。
在將壓電元件附著在線路板上的過程中，在回流爐中將形成壓電元件的壓電陶瓷要放置在200℃或更高的高溫中。出于這個原因，要求壓電陶瓷具有足夠的耐熱性。
為了提高由鋯鈦酸鉛(下面稱之為PZT)制成的壓電陶瓷的耐熱性，已知某些有效處理方法以增加壓電陶瓷的Curie溫度并降低壓電陶瓷的電阻率。降低壓電陶瓷電阻率的原因如下即當壓電陶瓷的電阻率下降時，可抑制在低于Curie溫度的溫度下產(chǎn)生熱電電荷的問題，這些熱電電荷會導致電場顛倒現(xiàn)象，顛倒的電場會產(chǎn)生相反的極化，從而使其壓電特性(如壓電d常數(shù)和機電耦合系數(shù))下降。
另外，為了降低電阻率同時不明顯降低PZT陶瓷的Curie溫度，已知有另一種將微量的Cr、Mn等加入陶瓷中的方法。但是，當將Cr、Mn等加入上述陶瓷中以后，該陶瓷的壓電特性會下降。為了防止壓電特性下降，需要再加入Nb或Sb或者用Ca、Sr、Ba、La等取代Pb，以抑制壓電特性下降，同時將電阻率保持在相對較小的數(shù)值，盡管其Curie溫度會稍有下降。
對于上述壓電陶瓷組合物，已經(jīng)有一種例如由含La、Cr和Sb的PZT組成的改進的材料，參見日本公開專利申請10-7460和10-95666。
但是，發(fā)現(xiàn)由于存在Cr和Mn，導致上述常規(guī)的壓電陶瓷組合物的壓電特性顯著下降，還發(fā)現(xiàn)即使加入Nb或Sb，或者用Ca、Sr、Ba、La等取代Pb來抑制壓電特性的下降，所述壓電特性仍非常低，從而產(chǎn)生難以獲得高壓電特性和高耐熱性的問題。當制造壓電蜂鳴器或壓電控制器時，高的壓電特性和高的耐熱性恰恰是需要的。
一般來說，較大的壓電特性(如壓電d常數(shù)、機電耦合系數(shù))能確保壓電元件(如壓電蜂鳴器和壓電控制器)具有較高的性能。另一方面，由于在回流爐中實施的附著過程會使壓電元件的性能下降，由于在高溫下確保穩(wěn)定的元件是重要的，因此要求壓電陶瓷應具有高的耐熱性。
本發(fā)明的一個目的是提供一種壓電陶瓷組合物，它適用于制成具有比常規(guī)產(chǎn)品更高耐熱性和更高壓電特性的壓電陶瓷。
另外，本發(fā)明提供一種用具有比常規(guī)產(chǎn)品更高耐熱性和更高壓電特性的壓電陶瓷制成的壓電蜂鳴器。
此外，本發(fā)明提供一種用具有比常規(guī)產(chǎn)品更高耐熱性和更高壓電特性的壓電陶瓷制成的壓電控制器。
本發(fā)明壓電陶瓷組合物的特征在于用通式PbA[(TixZr1-x)a(SnyCr1-y)bSbc]O3表示的鋯鈦酸鉛(PZT)中有0.2-2摩爾％的鉛原子被La所取代，上面通式中，A、x、y、a、b、c滿足下列關(guān)系式0.94≤A≤1.02；、0.46≤x≤0.51、0.01≤y≤0.5、0.01≤b≤0.03、0.01≤c≤0.04、a+b+c＝1。
本發(fā)明壓電蜂鳴器是用壓電陶瓷制成的，其特征在于該壓電陶瓷是用上述壓電陶瓷組合物制成的。
本發(fā)明壓電控制器是用壓電陶瓷制成的，其特征在于該壓電陶瓷是用上述壓電陶瓷組合物制成的。
對于本發(fā)明制得的壓電陶瓷組合物，由于PZT的部分Pb原子被La所取代，并且部分Ti和Zr的晶格點(B晶格點)被Sb取代，因此相信能得到具有高壓電特性(如壓電d常數(shù)和機電耦合系數(shù))的壓電陶瓷。
另外，對于本發(fā)明制得的壓電陶瓷組合物，由于部分B晶格點(site)被Cr取代，因此實踐中可保持壓電陶瓷的壓電特性，降低其電阻率并提高其耐熱性。
另外，對于本發(fā)明制得的壓電陶瓷組合物，由于Sn部分取代Cr，因此相信這能抑制壓電特性下降(否則由于Cr的存在而會使壓電特性下降)，同時使壓電陶瓷保持良好的耐熱性。這種現(xiàn)象的原因描述如下，即由于Sn比Cr更容易溶解在組分顆粒中，因此可促進Sb的溶解。結(jié)果，可以認為由于沉淀在顆粒界面上的Sb的量減少，因此可抑制形成由Pb和Sb組成的不同相的化合物，從而改進壓電陶瓷的壓電特性。
詳細描述本發(fā)明較好的實例可更容易地理解本發(fā)明的上述主要目的和其它目的以及本發(fā)明的特征和優(yōu)點。


圖1是應用本發(fā)明的一個壓電蜂鳴器實施例的示意圖；圖2是圖1壓電蜂鳴器的正視圖；和圖3是應用本發(fā)明一個控制器實施例的側(cè)視圖。
(實施例)原料粉末由PbO、La2O3、TiO2、ZrO2、Cr2O3、SnO2、Sb2O3配制而成。按表1分別稱出上述各種粉末配制成各試樣的粉末混合物。接著向該粉末混合物中加入適量的水，使用球磨機對它進行濕法混合處理16小時。當用通式PbA[(TixZr1-x)a(SnyCr1-y)bSbc]O3表示的鋯鈦酸鉛(PZT)中的鉛原子被La所取代時，表1列出了La的比例(摩爾％)以及A、x、y、a、b、c的值。另外，在該通式中，a+b+c＝1。
表1
將上面方法制得的混合物干燥，隨后在約800-950℃的溫度下煅燒，得到煅燒的粉末。接著，向該粉末中加入有機粘合劑，然后對其進行壓制處理以制成預定的形狀，隨后在約1050-1200℃的溫度下對其進行燒制，得到所需的陶瓷。接著對制得的陶瓷進行拋光，使之形成厚度為0.6mm的薄元件。在該薄陶瓷元件的兩個主表面上分別形成電極，隨后將該薄陶瓷元件浸漬在電絕緣油中，以便在2～3kV/mm的電場中對其進行極化處理。然后切割上面方法制得的陶瓷，制成每個尺寸為3×13×0.6mm的更小的壓電元件。
接著測定上面制得的壓電元件的相對介電常數(shù)(ε33T/ε0)、壓電性能(k31，|d31|)、電阻率(ρ)、Curie溫度(Tc)。隨后加熱該壓電元件并測量其耐熱性。更詳細地說，將加熱的元件在240℃的溫度下放置3分鐘，隨后在室溫放置24小時后測定其壓電性能(k31，|d31|)。測量結(jié)果列于表2。在表1和表2中，帶“*”的試樣表示本發(fā)明范圍以外的試樣。
表2
如表1和表2所示，組成在本發(fā)明范圍內(nèi)的壓電元件的壓電d31常數(shù)高達|d31|≥200pC/N。另外，將所述壓電元件在240℃的溫度下放置3分鐘并在室溫放置24小時后，壓電d31常數(shù)高達|d31|≥200pC/N。
另一方面，在試樣6和11的情況下，當鉛含量A超出本發(fā)明壓電陶瓷組合物中通式的0.94≥A≥1.02的范圍時，壓電陶瓷的煅燒性差，因此這種鉛含量是不好的。
此外，在試樣1的情況下，試樣中La(用于取代Pb)與Pb的摩爾比小于0.2摩爾％，在試樣12和15的情況下，Ti/Zr的摩爾比超出了0.46≥x≥0.51，在試樣24的情況下，其Sb的含量c小于0.01，在試樣23的情況下，Sn和Cr的總含量b大于0.3，在試樣16的情況下，其Cr的含量未被Sn所取代。發(fā)現(xiàn)這些試樣均具有很低的壓電d31常數(shù)，該常數(shù)低至|d31|＜200pC/N，因此是不好的。
此外，在試樣5的情況下，試樣中La(用于取代Pb)與Pb的摩爾比大于2摩爾％，由于其Curie溫度為250℃或更低并且其耐熱性較差，因此是不好的。
另外，在試樣19的情況下，用于取代Cr的Sn的量大于0.5，在試樣20的情況下，Cr與Sn的總量小于0.01，在試樣27的情況下，Sb的含量大于0.04，發(fā)現(xiàn)它們均具有1×1010Ω·m或更高的絕緣電阻率。結(jié)果，它們的耐熱性差，因此是不好的。
用這種方法，根據(jù)本實例，即使將在本發(fā)明范圍內(nèi)的壓電陶瓷在240℃的溫度下放置3分鐘，隨后在室溫下放置24小時，它的壓電常數(shù)d31也會高達|d31|≥200pC/N。也就是說，與常規(guī)的壓電陶瓷相比，由本發(fā)明的壓電陶瓷組合物制成的壓電陶瓷具有更高的壓電特性(k31，|d31|)和更高的耐熱性。
本發(fā)明的壓電陶瓷組合物可用于制造，例如圖1和圖2所示的壓電蜂鳴器的壓電陶瓷14。還可用于形成如圖3所示的壓電控制器20的壓電陶瓷22。
圖1是說明本發(fā)明背景和應用本發(fā)明的壓電蜂鳴器的一個實施例的簡單平面圖。圖2是圖1壓電蜂鳴器的正視圖。如圖1和圖2所示，壓電蜂鳴器10具有例如圓形的金屬板12。在圓形金屬板12中央形成例如圓形的壓電陶瓷14。壓電陶瓷14沿其厚度方向極化。另外，在壓電陶瓷14上形成電極16。用于壓電蜂鳴器10時，當在金屬板12和電極16之間輸入一個交流信號時，壓電陶瓷14和金屬板12會發(fā)生振動，從而產(chǎn)生聲音。
圖3是說明本發(fā)明背景和使用本發(fā)明的壓電控制器的一個實施例的側(cè)視圖。如圖3所示，壓電控制器20帶有多個短片狀的壓電陶瓷22，它們以如圖所示的方法相互層疊在一起。壓電陶瓷22的排列方式使得每相鄰的兩塊陶瓷沿厚度方向相反地極化。另外，在壓電陶瓷22之間形成有多個內(nèi)電極24。此時，內(nèi)電極24中每隔一個沿壓電陶瓷22的長度方向向控制器20的一側(cè)延伸，其余的內(nèi)電極24也每隔一個沿壓電陶瓷22的長度方向向控制器20的另一側(cè)延伸。另外，在壓電陶瓷22相反的兩個表面上形成有外電極26，26。此時，一個外電極26與一組中間隔開的內(nèi)電極24相連，而另一個外電極26與另一組中間隔開的內(nèi)電極24相連。在使用壓電控制器20時，當將一個直流信號以預定的方向施加至兩個外電極26，26之間的一個位置時，控制器作為一個整體會沿壓電陶瓷22的厚度方向膨脹，從而對其它元件(如開關(guān))產(chǎn)生作用。
事實上，本發(fā)明壓電陶瓷還可用于其它壓電元件。使用這種方法可使壓電陶瓷得到比常規(guī)壓電陶瓷更高的壓電特性和更高的耐熱性。
利用本發(fā)明壓電陶瓷組合物可使制得的壓電陶瓷比常規(guī)的壓電陶瓷具有更高的壓電性能和更高的耐熱性。
利用本發(fā)明壓電陶瓷組合物制得壓電蜂鳴器或壓電控制器，可使得到的壓電元件在回流爐(reflow furnace))中或者在高溫下運行時表現(xiàn)出高的穩(wěn)定性，并可形成大的電場引發(fā)的位移。
權(quán)利要求
1.一種壓電陶瓷組合物，其中用通式PbA[(TixZr1-x)a(SnyCr1-y)bSbc]O3表示的鋯鈦酸鉛(PZT)中有0.2-2摩爾％的鉛原子被La所取代，上面通式中，A、x、y、a、b、c滿足下列關(guān)系式0.94≤A≤1.02；、0.46≤x≤0.51、0.01≤y≤0.5、0.01≤b≤0.03、0.01≤c≤0.04、a+b+c＝1。
2.一種用壓電陶瓷制成的壓電蜂鳴器，其特征在于所述壓電陶瓷是用權(quán)利要求1所述的壓電陶瓷組合物制成的。
3.一種用壓電陶瓷制成的壓電控制器，其特征在于所述壓電陶瓷是用權(quán)利要求1所述的壓電陶瓷組合物制成的。
全文摘要
一種用具有比常規(guī)產(chǎn)品更高耐熱性和壓電特性的壓電陶瓷制成的壓電蜂鳴器。壓電蜂鳴器10具有金屬板12,依次形成于金屬板12上的壓電陶瓷14和電極16。形成壓電陶瓷的壓電陶瓷組合物中用通式Pb
文檔編號H01L41/09GK1270152SQ0010652
公開日2000年10月18日 申請日期2000年4月6日 優(yōu)先權(quán)日1999年4月8日
發(fā)明者小川智之, 堀川勝弘 申請人:株式會社村田制作所