CN101260000A - 压电陶瓷的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种压电陶瓷(压电体层2)的制造方法，它是对包含TiO2原料、ZrO2原料以及PbO原料为主要成分的压电材料进行烧成而制造压电陶瓷的压电陶瓷的制造方法，其特征在于，混合到压电材料中的P2O5的含量范围为40ppm以上且350ppm以下，该P2O5以被包含于TiO2原料以及ZrO2原料中的形式混合到压电材料中。发明者们发现，当用于压电陶瓷的压电材料中含有P，该P以P2O5的形态通过TiO2原料以及ZrO2原料而混入上述范围的量时，可以显著地提高压电应变特性。

Description

压电陶瓷的制造方法
技术领域
本发明涉及压电陶瓷的制造方法。
背景技术
长期以来，压电元件被用于例如发声体、传感器、激励器等多种用途。而作为压电元件，已知的有单片压电元件和层叠型压电元件等。单片压电元件为在一对电极间具有由压电陶瓷形成的压电体层的结构。而层叠型压电元件具有压电体层和内部电极相互交错层叠而构成的素体。一般地，在该层叠型压电元件中，素体的层叠方向的两个端面被由多个压电体层形成的保护层所覆盖。
这样的压电元件中所使用的压电陶瓷的材料公开在例如日本特开平5-24917号公报中。
发明内容
近年来，期待进一步提高如上所述的压电陶瓷的压电体层的压电应变特性。因此，本发明者们进行了深入的研究，结果新发现了可以显著地提高压电应变特性的技术。
即，本发明的目的在于提供可以提高压电应变特性的压电陶瓷的制造方法。
发明者们发现当用于压电陶瓷的压电材料中含有P，该P以P2O5的形态通过压电材料的TiO2原料以及ZrO2原料混入规定范围的量时，可以显著地提高压电应变特性，从而完成了本发明。
即，本发明所涉及的压电陶瓷的制造方法是，对含有TiO2原料、ZrO2原料以及PbO原料作为主要成分的压电材料进行烧成而制造压电陶瓷的压电陶瓷的制造方法，其特征在于，混合到压电材料中的P2O5的含量范围为40ppm以上且350ppm以下，该P2O5以被包含于TiO2原料以及ZrO2原料中的形式混合到压电材料中。
本发明提供提高了压电应变特性的压电陶瓷的制造方法。
附图说明
图1为本发明的实施例所涉及的压电元件的立体图。
图2为图1所示的压电元件的制造方法的流程图。
图3为本发明的实施例的测定结果的曲线图。
图4为本发明的实施例的测定结果的显微照片。
图5为本发明的实施例的测定结果的曲线图。
具体实施方式
以下参照附图详细说明实施本发明的最佳实施方式。其中，对同一要素或同等要素使用同一符号，省略重复说明。
首先，参照图1说明利用本发明的实施方式所涉及的制造方法所制造的压电元件。图1为本发明的实施方式所涉及的压电元件的立体图。图1所示的压电元件1为单片压电元件，具有压电陶瓷的压电体层2和夹持该压电体层2而配置的一对电极层3A及3B。在该压电元件1中，当在电极3A、3B之间施加电压时，则在被其夹持的压电体层2中产生电场，该压电体层2发生位移(伸缩运动)。
压电体层2为主要由PZT系压电陶瓷的压电材料构成的层。此外，在压电体层2的压电材料中含有磷元素。在压电材料中，磷元素以原子、氧化物或与包含于压电体层2中的其它金属的化合物的形式存在。优选磷元素在压电体层2中均匀地分散。
电极层3A、3B为主要由金属构成的导电层。包含于金属层3A、3B中的金属可以例举Ag、Au、Cu、Ni、Pd或其合金(例如Ag-Pd合金)。
下面，参照图2说明上述压电元件的制造工序。图2为本发明的实施方式所涉及的压电元件的制造方法的流程图。
制造压电元件1时首先准备初始原料(步骤S11)。该初始原料含有PZT系压电材料作为主要成分。作为该压电材料可以列举PbO、TiO2、ZrO2、ZnO、Nb2O5等的粉体原料。称量各原料以使这些粉末原料符合规定的组分比。
接着，通过使用稳定氧化锆球作为介质的球磨机，对上述多种初始原料进行24小时左右的湿式混合(步骤S12)。然后使混合的原料干燥(步骤S13)。接着，对混合原料在例如850℃左右的温度下进行2小时左右的加热处理，以进行预烧成(步骤S14)。由此，得到主要含有Pb、Zr、Ti元素的具有钙钛矿结构的复合氧化物压电材料的原料组合物。
利用球磨机对该原料组合物进行湿式粉碎之后(步骤S15)，使其干燥(步骤S16)，得到原料组合物的粉体(压电陶瓷粉体)。接着，在压电陶瓷粉体中添加聚乙烯醇系等的粘结剂进行造粒(步骤S17)，通过压力成型等将其成型为四方板状(步骤S18)。由此，得到将成为压电陶瓷的压电体坯片。
将得到的压电体坯片载置于稳定氧化锆支座等上，在空气气氛中加热，进行除去包含于压电体坯片中的粘结剂等的脱脂处理(步骤S19：除去粘结剂)。接着，在密闭容器中，在例如1050～1200℃的温度下对压电体坯片进行2小时左右的加热，以进行烧成处理(主烧成)(步骤S20)。
最后，在所得到的烧成体的两面烧接银浆料，形成电极层3A、3B(步骤S21)。由此，得到了如图1所示的压电元件1，其由烧成的压电陶瓷的压电体层2和烧接于其两面的电极层3A、3B构成。
发明者们发现，如上所述，为了在压电材料中添加P，在由压电材料中的TiO2原料以及ZrO2原料以P2O5的形式混合的情况下，与在压电材料中直接添加P的情况相比，可以得到具有优良的压电应变特性(d31)的压电陶瓷。
在此，压电材料中的TiO2粉末原料以及ZrO2粉末原料的磷元素的含量被调整为，换算成P2O5并以摩尔为基准，40ppm以上350ppm以下的范围内。即，压电材料中混合有这一含量的磷元素。若磷元素的含量不足40ppm，则通过烧成的压电材料的烧结不充分，存在压电体层2的密度低而难以得到足够的位移的情况。另一方面，如果磷元素的含量超过350ppm时，则压电应变常数(d31)的值会低于合乎实用的水平。
此外，不使用上述方法，而在将成为电极层3A、3B的电极膏(例如含有Ag-Pd合金的膏体)涂敷在压电体坯片上之后，进行去除粘结剂的处理(步骤S19)以及主烧成(步骤S20)，也可以得到与图1的压电元件1相同的元件。在这种情况下，虽然包含于电极膏层的金属在主烧成时容易在压电体坯片中扩散，但是由于在压电体坯片中分散有容易与金属反应的磷元素，因此金属在压电体坯片中发生均匀扩散。其结果是，与压电体坯片不包含磷元素的情况相比，均匀地发生由烧结引起的压电体坯片(压电体层2)的收缩。其结果，压电体层2变成具有应变小的形状，压电元件1整体也成为应变小的元件。
(实施例1)
下面，利用实施例更为详细地说明本发明。
(实施例)
首先，实施图2所示的步骤S11～S16，得到压电材料的原料组合物的粉体(初始原料)。在该初始原料中包含，含有P2O5的TiO2以及ZrO2，和PbO、ZnO、Nb2O5。然后，将这些初始原料称量混合，以使烧成后得到具有Pb0.99[(Zn1/3Nb2/3)0.1Ti0.44Zr0.46]O3的组成的压电陶瓷。
接着，如步骤S17所示，在该压电材料的原料组合物的粉体中加入聚乙烯醇系的粘结剂进行造粒后，在196MPa的条件下进行步骤S18所示的压力成型，得到具有边长约20mm、厚度1.5mm的尺寸的四方板状的压电体坯片。
随后，如步骤S19所示，进行压电体坯片的去除粘结剂的处理，如步骤S20所示，将压电体坯片放入氧化镁(MgO)的密闭容器中，在1150℃加热2小时进行主烧成。由此得到四方板状的压电陶瓷。
最后，对得到的压电陶瓷进行加工，使其高度为1.0mm，进一步，在其两面形成银烧接电极，制造了与图1所示的压电元件相同的单片压电元件(12mm×3mm)。接着，在120℃的硅油中对该单片压电元件进行极化处理(处理条件：3kV/mm、15分钟)。
测定了通过上述方法得到的单片压电元件的压电应变常数(d31)。测定方法为：利用由阻抗分析仪测定的元件的静电电容、共振频率以及反共振频率，算出压电应变常数。此外，利用扫描电镜观察压电陶瓷的截面，以压电粒子的平均粒径作为当量圆直径，利用图像处理软件(Mac View)进行测定。
(比较例)
与上述的实施例同样，实施图2所示的步骤S11～S16，得到压电材料的原料组合物的粉体。在该初始原料中包含TiO2、ZrO2、PbO、ZnO、Nb2O5，在其中添加P2O5试剂。然后，将这些添加了P2O5的初始原料称量混合，以使烧成后得到具有Pb0.99[(Zn1/3Nb2/3)0.1Ti0.44Zr0.46]O3的组分的压电陶瓷。
接着，如步骤S17所示，在该压电材料的原料组合物的粉体中加入聚乙烯醇系的粘结剂进行造粒后，在196Mpa的条件下进行步骤S18所示的压力成型，得到具有边长约20mm、厚度1.5mm的尺寸的四方板状的压电体坯片。
随后，如步骤S19所示，进行压电体坯片的去除粘结剂的处理，如步骤S20所示，将压电体坯片放入氧化镁(MgO)的密闭容器中，在1150℃加热2小时进行主烧成。由此得到四方板状的压电陶瓷。
最后，对得到的压电陶瓷进行加工，使其高度为1.0mm，进一步，在其两面形成银烧接电极，制造了与图1所示的压电元件相同的单片压电元件(12mm×3mm)。接着，在120℃的硅油中对该单片压电元件进行极化处理(处理条件：3kV/mm、15分)。
与实施例同样，测定了通过上述方法得到的单片压电元件的压电应变常数。此外，利用扫描电镜观察压电陶瓷的截面，以压电粒子的平均粒径作为当量圆直径，利用图像处理软件(Mac View)进行测定。
由上述实施例以及比较例测定的压电应变常数如下表1及图3的曲线图所示。其中，图3中曲线的横轴为压电材料中P2O5的含量(ppm)，纵轴为压电应变常数(pC/N)。
(表1)
Figure A20081008268800071
由这些测定结果(表1及图3的曲线)可知，与在压电材料中直接添加P2O5的比较例相比，在压电材料中通过TiO2粉末原料以及ZrO2粉末原料混入P2O5的实施例的压电应变常数大。此外，压电材料中的TiO2粉末原料以及ZrO2粉末原料的磷元素的含量为，换算成P2O5以摩尔为基准在350ppm以下时，压电应变常数具有合乎实用的足够高的值(200pC/N以上)。而当P2O5超过350ppm时，压电应变常数不足200pC/N。因此，优选在压电材料中通过TiO2原料以及ZrO2原料混入的P2O5为350ppm以下。
此外，实施例以及比较例的显微照片如图4所示。利用该照片测定了压电粒子的平均粒径，结果得到图5所示的曲线图。其中，图5的曲线图的横轴为压电材料的P2O5含量(ppm)，纵轴为压电粒子的平均粒子径(μm)。
由这些测定结果(图4的照片以及图5的曲线)可知，使压电材料中含有相同浓度的P2O5时，与在压电材料中直接添加P2O5的情况(比较例)相比，在压电材料中通过TiO2粉末原料以及ZrO2粉末原料混入P2O5的情况(实施例)下所得的压电陶瓷由较大的平均粒径的压电粒子构成。总之，在规定的P2O5的含量范围(40ppm以上350ppm以下)内，以任意的含量比较时，实施例的平均粒径都大于比较例的平均粒径。这样，由于在实施例的平均粒径大于比较例，因此实施例所涉及的压电陶瓷可以实现更好的烧成性。
本发明不限于上述的实施方式，可以有各种变形。例如，以单片压电元件为例说明了压电元件，也也适用于适当的叠层压电元件。

Claims (1)

1.一种压电陶瓷的制造方法，其特征在于，
是对包含TiO2原料、ZrO2原料以及PbO原料作为主要成分的压电材料进行烧成而制造压电陶瓷的压电陶瓷的制造方法，
混合到所述压电材料中的P2O5的含量范围为40ppm以上且350ppm以下，该P2O5以被包含于所述TiO2原料以及所述ZrO2原料中的形式混合到所述压电材料中。
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