DE19916380A1 - Piezoelektrische Keramik und Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen keramischen Elementes - Google Patents
Piezoelektrische Keramik und Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen keramischen ElementesInfo
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Abstract
Die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen keramischen Elementes vor, bei dem die Verdampfung von in einem piezoelektrischen Material enthaltenem Pb verhindert wird und welches die Verwendung von günstigem Metall als ein Elektrodenmaterial ohne wesentliche Verschlechterung von piezoelektrischen Charakteristika ermöglicht. Das Verfahren schließt die folgenden Schritte ein: DOLLAR A (1) Mischen von Bestandteilen, so daß sich eine Mischung bildet, die zumindest Oxide von Pb, Zr, Ti, Cr und Nbt enthält; DOLLAR A (2) Kalzinieren der Mischung zum Erhalt eines kalzinierten Produktes; DOLLAR A (3) Zerkleinern des kalzinierten Produktes und Hinzusetzen einer Cu-Komponente in einer Menge von 0,05-3,0 Gew.-%, nach Anpassung an CuO, um eine eine Cu-Komponente enthaltende Mischung zu bilden; DOLLAR A (4) Hinzusetzen eines Bindemittels zu der Cu-Komponente enthaltenden Mischung zur Bildung einer Bindemittel enthaltenden Mischung; DOLLAR A (5) Formen der Bindemittel enthaltenden Mischung zur Herstellung eines geformten Produktes; DOLLAR A (6) Brennen des geformten Produktes bei 1100 DEG C oder weniger zur Herstellung eines gesinterten Produktes; und DOLLAR A (7) Bilden von Elektroden auf den Oberflächen des gesinterten Produktes, wobei das gesinterte Produkt eine primäre Komponente folgender Formel: DOLLAR A Pb¶a¶[(Cr¶x¶Nb¶(1-x)y¶Zr¶(1-b-y)¶Ti¶b¶]O¶3¶ DOLLAR A worin 0,95 a 1,05; 0,40 b 0,55; 0,10 x 0,70; und 0,02 y 0,12 gilt, und eine Cu-Komponente als eine sekundäre Komponente in einer Menge ...
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine piezoelektrische Keramik und ein Verfahren
zur Herstellung eines piezoelektrischen keramischen Elementes, und insbesondere
betrifft sie ein Verfahren zur Herstellung eines monolithischen piezoelektrischen
keramischen Elementes.
Beispiele für herkömmliche piezoelektrische keramische Materialien, die Pb, Zr, Ti, Q
Cr, Nb und O enthalten, schließen ein ternäres keramisches Material, dargestellt
durch Pb(CrNb)O3-PbZrO3-PbTiO3 und ein Material, welches das ternäre kerami
sche Material und geringe Mengen einer Vielzahl von Zusatzstoffen beinhaltet, ein.
Wie in der japanischen Patentveröffentlichung (kokoku) Nr. 51-28 358 und in der
offengelegten japanischen Patentanmeldung (kokai) Nr. 8-34 667 beschrieben, be
sitzen solche piezoelektrischen Materialien ausgezeichnete piezoelektrische Cha
rakteristika und Verarbeitbarkeit und können im großen Maßstab hergestellt wer
den. Somit werden solche Materialien bei der Herstellung eines piezoelektrischen
Elementes, wie eines Aktuators, eines Filters, eines Transducers oder eines Sen
sors, angewandt.
In den letzten Jahren wurde eine Vielzahl von piezoelektrischen Geräten entwickelt,
bei denen ein monolithisches piezoelektrisches Element zur Anwendung kam, in
welchem alternierende Schichten aus piezoelektrischer Keramik und Innenelektro
den laminiert waren. Obgleich ein solches monolithisches piezoelektrisches Ele
ment klein ist und vorteilhafterweise eine große Verformung durch Anlegung eines
kleinen elektrischen Feldes erzeugen kann, müssen die Innenelektrodenschichten
und die Grünschichten einer piezoelektrischen keramischen Schicht zur Herstellung
des piezoelektrischen Elementes zusammengesintert werden. Da die Sintertem
peratur 1200°C oder mehr beträgt, ist somit das Innenelektrodenmaterial, welches
zusammen mit einem solchen piezoelektrischen Material gesintert werden kann,
auf ein teures Material, wie Pt, beschränkt. Um die Sintertemperatur zu senken,
wurde PbO in überschüssiger Menge oder eine Glaskomponente, wie SiO2, als ein
Sinter-Hilfsstoff hinzugesetzt.
Gleichwohl hat ein solches herkömmliches Verfahren zur Herstellung eines piezo
elektrischen keramischen Elementes Nachteile.
Kurz gesagt, nimmt die Verdampfung von Pb, das in dem piezoelektrischen Materi
al vorliegt, drastisch zu, wenn die Brenntemperatur zur Sinterung eines piezoelek
trischen Materials 1200°C oder höher liegt. In diesem Fall können keine piezoelek
trischen Charakteristika erreicht werden.
Darüber hinaus kann die Sintertemperatur, wenn eine Glaskomponente, wie SiO2,
als ein Sinter-Hilfsstoff hinzugesetzt wird, um ein piezoelektrisches Material und
Innenelektrodenschichten bei 1200°C oder darunter zusammen zu sintern, die
Sintertemperatur um etwa 500°C gesenkt werden, jedoch verschlechtern sich die
piezoelektrischen Charakteristika des gesinterten Produktes. Insbesondere kann
das derart erhaltene Produkt nicht in einer piezoelektrischen Gerätschaft ange
wandt werden, welche große Werte an Parametern der piezoelektrischen Charakte
ristika haben muß, wie bei einem Aktuator.
Die vorliegende Erfindung wurde bewerkstelligt zur Lösung der oben erwähnten
Probleme, und ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Ver
fahrens zur Herstellung eines piezoelektrischen keramischen Elementes, bei dem
die Verdampfung von in einem piezoelektrischen Material enthaltenen Pb verhin
dert wird, und welches die Verwendung von günstigem Metall als ein Elektroden
material ermöglicht, ohne beträchtliche Verschlechterung von piezoelektrischen
Charakteristika.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines ähnlichen
Verfahrens, welches geeignet ist zur Herstellung eines monolithischen piezoelektri
schen keramischen Elementes.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist darüber hinaus die Bereitstellung
einer piezoelektrischen Keramik, welche ausgezeichnete piezoelektrische Charak
teristika aufweist.
Gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Her
stellung eines piezoelektrischen keramischen Elementes bereitgestellt, umfassend
die folgenden Schritte:
- (1) Mischen von Bestandteilen, so daß sich eine Mischung bildet, die minde stens Oxide von Pb, Zr, Ti, Cr und Nb enthält;
- (2) Kalzinieren der Mischung zum Erhalt eines kalzinierten Produktes;
- (3) Zerkleinern des kalzinierten Produktes und Hinzusetzen einer Cu- Komponente in einer Menge von 0,05-3,0 Gew.-%, nach Anpassung an CuO, um eine eine Cu-Komponente enthaltende Mischung zu bilden;
- (4) Hinzusetzen eines Bindemittels zu der Cu-Komponente enthaltenden Mi schung zur Bildung einer Bindemittel enthaltenden Mischung;
- (5) Formen der Bindemittel enthaltenden Mischung zur Herstellung eines ge formten Produktes;
- (6) Brennen des geformten Produktes bei 1100°C oder weniger zur Herstellung eines gesinterten Produktes; und
- (7) Bilden von Elektroden auf Oberflächen des gesinterten Produktes, wobei das
gesinterte Produkt eine primäre Komponente folgender Formel:
Pba[(CrxNb(1-x)yZr(1-b-y)Tib]O3
worin 0,95 ≦ a ≦ 1,05; 0,40 ≦ b ≦ 0,55; 0,10 ≦ x ≦ 0,70; und 0, 02 ≦ y ≦ 0,12 gilt, und eine Cu-Komponente als eine sekundäre Komponente in einer Menge von 0,05-3,0 Gew.-%, nach Anpassung an CuO, umfaßt.
Wenn ein piezoelektrisches keramisches Element durch das obenstehende Verfah
ren hergestellt wird, kann die Sintertemperatur gesenkt werden. Deshalb kann die
Verdampfung von in dem piezoelektrischen Material enthaltenen Pb während des
Brennens unterdrückt werden, wodurch stabile piezoelektrische Charakteristika be
reitgestellt werden. Ferner kann ein piezoelektrisches keramisches Element mit
großen Werten der Parameter für piezoelektrische Charakteristika, wie eine hohe
piezoelektrische Konstante d und ein hoher elektromechanischer Kopplungskoeffi
zient, erhalten werden.
In einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Her
stellung eines piezoelektrischen keramischen Elementes bereitgestellt, umfassend
die folgenden Schritte:
- (1) Mischen von Bestandteilen, so daß sich eine Mischung bildet, die minde stens Oxide von Pb, Zr, Ti, Cr und Nb enthält;
- (2) Kalzinieren der Mischung zum Erhalt eines kalzinierten Produktes;
- (3) Zerkleinern des kalzinierten Produktes und Hinzusetzen einer Cu- Komponente in einer Menge von 0,05-3,0 Gew.-%, nach Anpassung an CuO, um eine eine Cu-Komponente enthaltende Mischung zu bilden;
- (4) Hinzu setzen eines Bindemittels zu der Cu-Komponente enthaltenden Mi schung zur Bildung einer Bindemittel enthaltenden Mischung;
- (5) Formen der Bindemittel enthaltenden Mischung zur Erzeugung von kerami schen Grüntafeln;
- (6) Laminieren der keramischen Grüntafeln und Innenelektrodenschichten in alternierender Weise zur Erzeugung eines geschichteten Produktes;
- (7) Brennen des geschichteten Produktes bei 1100°C oder weniger zur Herstel lung eines gesinterten Produktes; und
- (8) Formen von äußeren metallisierten Bereichen auf den Oberflächen des
gesinterten Produktes, wobei das gesinterte Produkt eine primäre Kompo
nente der folgenden Formel:
Pba[(CrxNb(1-x)yZr(1-b-y)Tib]O3
worin 0,95 ≦ a ≦ 1,05; 0,40 ≦ b ≦ 0,55; 0,10 ≦ x ≦ 0,70 und 0,02 ≦ y ≦ 0,12 gilt, und eine Cu-Komponente als eine sekundäre Komponente in einer Menge von 0,05-3,0 Gew.-%, nach Anpassung an CuO, umfaßt.
Wenn ein piezoelektrisches keramisches Element durch das obenstehende Verfah
ren hergestellt wird, kann die Verdampfung von in dem piezoelektrischen Material
enthaltenen Pb während des Brennens unterdrückt werden, wodurch stabile piezo
elektrische Charakteristika bereitgestellt werden. Darüber hinaus kann ein piezo
elektrisches keramisches Element mit höheren Werten von Parametern für piezo
elektrische Charakteristika erhalten werden. Außerdem können günstige Materiali
en, wie Silber oder Palladium, als Innenelektrodenschichten verwendet werden,
welche zusammen mit einem piezoelektrischen Material gesintert werden, um da
durch die Produktionskosten zu senken.
Vorzugsweise wird bei dem Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen ke
ramischen Elementes gemäß dem ersten oder zweiten Aspekt der vorliegenden
Erfindung in Schritt (1) ein Oxid von mindestens einem Element, das aus Sr, Ba, Ca
und La gewählt wird, in einer Menge von 3,0 Mol-% oder weniger, basierend auf
der Menge an in der primären Komponente enthaltenem Pb, hinzugesetzt.
Durch Einbringung eines solchen Zusatzstoffes können die piezoelektrischen Cha
rakteristika des piezoelektrischen Materials verstärkt werden und kann die Sinter
temperatur des Materials auf 1100°C oder weniger gesenkt werden.
In einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine piezoelektrische Ke
ramik bereitgestellt, welche einen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten von
60% oder mehr aufweist, und welche eine primäre Komponente der folgenden
Formel:
Pba[(CrxNb(1-x)yZr(1-b-y)Tib]O3
worin 0,95 ≦ a ≦ 1,05; 0,40 ≦ b ≦ 0,55; 0,10 ≦ x ≦ 0,70 und 0,02 ≦ y ≦ 0,12 gilt, und
eine Cu-Komponente als eine sekundäre Komponente in einer Menge von
0,05-3,0 Gew.-%, nach Anpassung an CuO, umfaßt.
Vorzugsweise weist die piezoelektrische Keramik eine dielektrische Konstante von
1546 oder mehr auf.
Vorzugsweise enthält die piezoelektrische Keramik ein Oxid mindestens eines Ele
mentes, das aus Sr, Ba, Ca und La gewählt wird, in einer Menge von 3,0 Mol-%
oder weniger, basierend auf der Menge an in der primären Komponente enthalte
nem Pb.
Durch Einbringung eines solchen Zusatzstoffes können die piezoelektrischen Cha
rakteristika des piezoelektrischen Materials verstärkt werden und kann die Sinter
temperatur des Materials auf 1100°C oder weniger gesenkt werden.
Verschiedene andere Ziele, Merkmale und viele begleitende Vorteile der vorliegen
den Erfindung werden leicht erkannt werden, wenn dieselben mit bezug auf die fol
gende genaue Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen in Verbindung mit
den begleitenden Zeichnungen verstanden werden, worin:
Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht eines einschichtigen piezoelektri
schen keramischen Elementes ist, welches durch die Vorgehensweise von Beispiel
1 der vorliegenden Erfindung erzeugt wird;
Fig. 2 ein Graph ist, der die Beziehung zwischen der Brenntemperatur und der
Menge an verdampftem Pb für eine Probe von Beispiel 2 der vorliegenden Erfin
dung zeigt; und
Fig. 3 eine schematische perspektivische Ansicht eines monolithischen piezoelek
trischen keramischen Elementes ist, welches durch die Vorgehensweise von Bei
spiel 4 der vorliegenden Erfindung erzeugt wurde.
Die vorliegende Erfindung wird als nächstes genau mit Hilfe von Beispielen be
schrieben, welche nicht so ausgelegt werden sollten, daß sie die Erfindung be
schränken.
Ein Verfahren zur Herstellung eines einschichtigen piezoelektrischen keramischen
Elementes gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird
beschrieben werden. Die Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht des einschichtigen
piezoelektrischen keramischen Elementes des vorliegenden Beispiels.
Zuerst wurden die Ausgangsmaterialien Pb3O4, ZrO2, TiO2, Cr2O3 und Nb2O5 je
weils in entsprechenden Mengen eingewogen und naß 4 bis 32 Stunden lang ver
mischt, um dadurch eine Mischung mit einer durch Pba[(CrxNb(1-x)yZr(1-b-y)Tib]O3
angegebenen Zusammensetzung zu erhalten (nachfolgend als Formel (I) bezeich
net). Die resultierende Mischung wurde entwässert und getrocknet und bei 800°C
bis 1000°C 2 Stunden lang zum Erhalt einer kompakten Masse kalziniert. Die resul
tierende kompakte Masse wurde zerkleinert, und zu der zerkleinerten kompakten
Masse wurde ein CuO-Pulver und ein auf PVA basierendes Bindemittel (2 bis
5 Gew.-%) hinzugesetzt. Die Materialien wurden naß gemischt und naß zerkleinert,
und zwar während 8 bis 32 Stunden, um dadurch eine Bindemittel enthaltende Mi
schung mit einer mittleren Teilchendurchmesser von 0,5 bis 0,9 µm zu erhalten. Die
resultierende Bindemittel enthaltende Mischung wurde einer Granulierung und ei
nem Preßformen unter einem Druck von 1 bis 1,5 t/cm2 unterzogen, um dadurch
zwei Typen von geformten Produkten zu erhalten. Eines der resultierenden geform
ten Produkte war ein scheibenförmiges geformtes Produkt mit einem Durchmesser
von 12 mm und einer Dicke von 1,2 mm, und das andere war ein rechteckiges ge
formtes Produkt mit einer Länge von 30 mm, einer Breite von 5 mm und einer Dicke
von 1,2 mm. Anschließend wurden diese geformten Produkte bei 1100°C oder we
niger 1 bis 3 Stunden lang gesintert, um gesinterte Produkte zu erhalten. Ferner
wurden, wie in Fig. 1 gezeigt, beide Oberflächen der resultierenden gesinterten
Produkte 2 mit einer Ag-Elektroden-Paste beschichtet, welche bei 800°C 0,5 Stun
den gebrannt wurde, um Elektroden 3 zu bilden. Die Produkte wurden einer Polari
sationsbehandlung unterzogen, und zwar durch die Anlegung eines elektrischen
Gleichstromfeldes von 2,0 bis 4,0 kV/mm in Isolationsöl bei 80°C bis 120°C wäh
rend 15 bis 60 Minuten, um piezoelektrische keramische Elemente 1 zu erhalten.
Piezoelektrische keramische Elemente mit einer Vielzahl von Molverhältnissen der
Elemente, die die primäre Komponente enthalten, wurden wie oben beschrieben
erzeugt. Die elektrischen Charakteristika, der Curie-Punkt und die Biegefestigkeit
wurden gemessen. Als die elektrischen Charakteristika wurden die relative dielek
trische Konstante εr, der elektromechanische Kupplungskoeffizient kp und die pie
zoelektrische d-Konstante d31 gemessen. Der elektromechanische Kopplungs
koeffizient und die piezoelektrische d-Konstante wurden durch Anwendung eines
Resonanz-Antiresonanz-Verfahrens evaluiert, bei dem ein Impedanz-Analysator zur
Anwendung kam, und die piezoelektrische d-Konstante wurde weiter durch Messen
der Verformung evaluiert. Der Curie-Punkt wurde als Temperatur bestimmt, die
dem maximalen Wert der relativen dielektrischen Konstante εr entsprach. Die Bie
gefestigkeit wurde durch die Verwendung eines 3-Punkte-Biegetests evaluiert. Die
rechteckigen Elemente wurden zur Beurteilung der piezoelektrischen d-Konstante
und der Biegefestigkeit verwendet, und die scheibenförmigen Elemente wurden zur
Beurteilung der übrigen Charakteristika eingesetzt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1
gezeigt. Die mit einem * gekennzeichneten Proben fallen außerhalb des Umfangs
der vorliegenden Erfindung.
(1) Probe Nr.
(2) Menge an hinzugesetztem CuO (Gew.-%)
(3) Brenntemperatur (°C)
(4) Elektrische Charakteristika
(5) Relative dielektrische Konstante (εr)
(6) Elektromechanischer Kopplungskoeffizient kp (%)
(7) Piezoelektrische d-Konstante
(8) Curie-Punkt (°C)
(9) Biegefestigkeit (MPa)
(1) Probe Nr.
(2) Menge an hinzugesetztem CuO (Gew.-%)
(3) Brenntemperatur (°C)
(4) Elektrische Charakteristika
(5) Relative dielektrische Konstante (εr)
(6) Elektromechanischer Kopplungskoeffizient kp (%)
(7) Piezoelektrische d-Konstante
(8) Curie-Punkt (°C)
(9) Biegefestigkeit (MPa)
Wie in Tabelle 1 gezeigt, können die innerhalb des Umfangs der vorliegenden Er
findung fallenden Proben in angemessener Weise für eine piezoelektrische Gerät
schaft, wie einem Aktuator, verwendet werden. Bei dieser Beschreibung bezieht
sich der Ausdruck "können in angemessener Weise für eine piezoelektrische Ge
rätschaft verwendet werden" auf eine große Verformung in Reaktion auf die Anle
gung eines schwachen elektrischen Feldes und eine schnelle Reaktion; mit ande
ren Worten liegen hohe Werte von Parametern für piezoelektrische Charakteristika
und eine kleine relative dielektrische Konstante εr vor; insbesondere liegt ein elektro
mechanischer Kopplungskoeffizient kp von 60% oder mehr, eine piezoelektrische d-
Konstante d31 von 200 pC/N oder mehr und eine relative dielektrische Konstante εr
von 2000 oder weniger vor. Damit eine Keramik als ein piezoelektrisches Element
verwendet werden kann, muß sie ferner einen Curie-Punkt von 270°C oder mehr
aufweisen, um ein Rückflußlöten aushalten zu können, und muß eine Biegefestig
keit von 70 MPa oder mehr aufweisen, um einer großen mechanischen Beanspru
chung beim Service bzw. Betrieb standzuhalten.
Der Grund dafür, daß der Gehalt der primären Komponente in der piezoelektri
schen Keramik beschränkt ist, wird als nächstes mit bezug auf verschiedene Pro
ben von Beispiel 1 beschrieben werden.
In der Formel (1) ist "a" auf 0,95 ≦ a ≦ 1,05 aus den folgenden Gründen beschränkt.
Wenn "a" geringer als 0,95 ist, wie in Probe Nr. 1, wird der elektromechanische
Kopplungskoeffizient kp nachteiligerweise geringer als 60%, und der Absolutwert
|d31| der piezoelektrischen d-Konstante wird nachteiligerweise geringer als 200
pC/N. Wenn "a" über 1,05 liegt, wie in Probe Nr. 7, wird die Biegefestigkeit nachtei
ligerweise geringer als 70 MPa.
Auch ist in der Formel (1) "b" auf 0,40 ≦ b ≦ 5,5 aus den folgenden Gründen be
schränkt. Wenn "b" geringer als 0,40 ist, wie in Probe Nr. 8, wird der elektromecha
nischen Kopplungskoeffizient kp nachteiligerweise geringer als 60%, und der Ab
solutwert |d31| der piezoelektrischen d-Konstante wird nachteiligerweise geringer als
200 pC/N. Wenn "b" über 0,55 liegt, wie in Probe Nr. 13, wird der elektromechani
sche Kopplungskoeffizient nachteiligerweise geringer als 60%, und der Absolutwert
|d31| der piezoelektrischen d-Konstante wird nachteiligerweise geringer als 200
pC/N.
In der Formel (I) ist "x" auf 0 10 ≦ b ≦ 0 70 aus den folgenden Gründen be
schränkt. Wenn "x" geringer als 0,10 ist, wie in Probe Nr. 18, überschreitet die rela
tive dielektrische Konstante εr nachteiligerweise 2000. Wenn "x" über 0,70 liegt, wie
in Probe Nr. 19, wird der elektromechanische Kopplungskoeffizient kp nachteiliger
weise geringer als 60%; der Absolutwert |d31| der piezoelektrischen d-Konstante
wird nachteiligerweise geringer als 200 pC/N; und die Biegefestigkeit wird nachteili
gerweise geringer als 70 MPa.
Auch ist in der Formel (I) "y" auf 0,02 ≦ b ≦ 0,12 aus den folgenden Gründen be
schränkt. Wenn "y" geringer als 0,02 ist, wie in Probe Nr. 20, wird der elektrome
chanische Kopplungskoeffizient kp nachteiligerweise geringer als 60% und wird die
Biegefestigkeit nachteiligerweise geringer als 70 MPa. Wenn "y" über 0,12 liegt, wie
in Probe Nr. 26, wird der elektromechanische Kopplungskoeffizient kp nachteiliger
weise geringer als 60%; der Absolutwert |d31| der piezoelektrischen d-Konstante
wird nachteiligerweise geringer als 200 pC/N; und der Curie-Punkt wird nachteili
gerweise kleiner als 270°C.
Außerdem ist die Menge an CuO, welches als eine sekundäre Komponente hinzu
gesetzt wird, auf 0,05 bis 3,0 Gew.-% mit bezug auf die Menge der primären Kom
ponente aus den folgenden Gründen beschränkt. Wenn die Menge an CuO gerin
ger als 0,05 Gew.-% ist, wie in Probe Nr. 27, wird der elektromechanische Kopp
lungskoeffizient kp nachteiligerweise geringer als 60%, und die Biegefestigkeit wird
nachteiligerweise geringer als 70 MPa. Wenn die Menge an CuO über 3,0 Gew.-%
liegt, wie in Probe Nr. 31, wird der elektromechanische Kopplungskoeffizient kp
nachteiligerweise geringer als 60%, und der Absolutwert |d31| der piezoelektrischen
d-Konstante wird nachteiligerweise geringer als 200 pC/N.
Proben mit der gleichen Zusammensetzung wie Probe Nr. 2 von Beispiel 1 wurden
bei einer Vielzahl von Brenntemperaturen erzeugt und einer Messung der Menge
an Verdampfung von Pb, elektrischer Charakteristika und des Curie-Punktes unter
zogen. Die Menge der Verdampfung an Pb wurde unter Anwendung einer quantita
tiven Röntgen-Fluoreszenz-Analyse gemessen, und die übrigen Charakteristika
wurden unter Einsatz der gleichen Verfahren, wie sie in Beispiel 1 verwendet wur
den, gemessen. Die Ergebnisse sind in Fig. 2 gezeigt.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, nimmt die Menge der Verdampfung an Pb in der pri
mären Komponente schnell zu, wenn die Sintertemperatur 1100°C übersteigt. Die
piezoelektrischen keramischen Elemente, welche einen niedrigen Pb-Gehalt in der
primären Komponente besitzen, weisen einen übermäßig niedrigen elektromecha
nischen Kopplungskoeffizienten kp und einen übermäßig niedrigen Absolutwert |d31|
der piezoelektrischen d-Konstante auf. Deshalb ist die Sintertemperatur auf 1100°C
oder weniger beschränkt.
Proben, welche mindestens eine Komponente, gewählt aus SrCO3, BaCO3, CaCO3
und LaCO3, bei einer Vielzahl von Molverhältnissen in bezug auf den Pb-Gehalt in
der primären Komponente enthalten, wurden durch Zugabe von mindestens einer
der oben beschriebenen Verbindungen während des Mischens der primären Kom
ponente von Probe Nr. 2, wie in Beispiel 1 beschrieben, erzeugt. Nachfolgend wur
den die Proben der Messung der elektrischen Charakteristika und der Biegefestig
keit unterzogen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt. Mit * in Tabelle 2 mar
kierte Proben liegen außerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung.
(1) Probe Nr.
(2) Hinzugesetzte Elemente
(3) Brenntemperatur (°C)
(4) Elektrische Charakteristika
(5) Curie-Punkt (°C)
(6) Biegefestigkeit (MPa)
(7) mit einem * markierte Proben liegen außerhalb des Umfangs des dritten Aspektes der vorliegenden Erfindung
(1) Probe Nr.
(2) Hinzugesetzte Elemente
(3) Brenntemperatur (°C)
(4) Elektrische Charakteristika
(5) Curie-Punkt (°C)
(6) Biegefestigkeit (MPa)
(7) mit einem * markierte Proben liegen außerhalb des Umfangs des dritten Aspektes der vorliegenden Erfindung
Wie in Tabelle 2 gezeigt, überschreiten die Proben, welche einen beliebigen der
oben beschriebenen vier Typen an Zusatzstoffen enthalten, in befriedigender Wei
se die oben erwähnten Kriterien für den Absolutwert |d31| der piezoelektrischen d-
Konstanten, den elektromechanischen Kopplungskoeffizienten, den Curie-Punkt
und die Biegefestigkeit. Die Mengen der oben beschriebenen Zusatzstoffe sind auf
3,0 Gew.-% oder weniger aus dem folgenden Grund beschränkt. Wenn die Mengen
über 3,0 Gew.-% liegen, wie in den Proben Nr. 43, 46, 49, 52 und 54, ist die relative
dielektrische Konstante εr geringer als 2000; gleichwohl können die anderen elek
trischen Charakteristika und Biegefestigkeit nicht oder nur kaum die erforderlichen
Werte erreichen.
Ein Verfahren zur Herstellung eines monolithischen piezoelektrischen keramischen
Elementes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird be
schrieben werden. Die Fig. 3 ist eine Schnittansicht des monolithischen piezoelek
trischen keramischen Elementes der Ausführungsform.
Als erstes wurden die Ausgangsmaterialien Pb3O4, ZrO2, TiO2, Cr2O3 und Nb2O5
jeweils in den entsprechenden Mengen eingewogen, um die Zusammensetzungen
der Probe Nr. 4,10 und 15 in Tabelle 1 zu erhalten, und sie wurden 4 bis 32 Stun
den lang naß gemischt, um eine Mischung zu erhalten. Die resultierende Mischung
wurde entwässert und getrocknet und bei 800 bis 1000°C 2 Stunden lang kalziniert,
um eine kompakte Masse zu erhalten. Die resultierende kompakte Masse wurde
zerkleinert, und ein CuO-Pulver und ein auf PVA basierendes Bindemittel (2 bis 5
Gew.-%) wurden hinzugegeben. Die Materialien wurden naß gemischt und naß
zerkleinert während 8 bis 32 Stunden, um eine Bindemittel enthaltende Mischung
mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 0,5 bis 0,9 µm zu erhalten. Die resul
tierende Bindemittel enthaltende Mischung wurde einer Granulierung unterzogen
und unter Verwendung eines Abstreif- bzw. Streichmessers geformt, um kerami
sche Grüntafeln mit einer Dicke von 60 bis 100 µm zu erhalten. Anschließend wur
de jede der resultierenden Grüntafeln mit einer Innenelektrodenpaste, die Ag und
Pd in einem Verhältnis von 7 : 3 enthielt, beschichtet, um eine Innenelektroden
schicht auf der Grüntafel zu bilden. Eine Vielzahl der resultierenden Innenelektro
den tragenden Schichten wurden aufeinander in der Weise plaziert, daß sich die
Innenelektroden abwechselnd zu gegenüberliegenden Stirnseiten erstreckten, wo
durch ein geschichtetes Produkt erhalten wurde. Anschließend wurde das ge
schichtete Produkt bei 1100°C oder weniger 1 bis 3 Stunden lang gesintert, um ein
gesintertes geschichtetes Produkt, welches piezoelektrische keramische Schichten
und Innenelektrodenschichten einschloß, zu erhalten.
Ferner wurden, wie in Fig. 3 gezeigt, fast die ganzen oberen und unteren Flächen
des resultierenden gesinterten Produktes 12 mit einer Außenelektrodenpaste be
schichtet und dann bei 800°C 0,5 Stunden gebrannt, um dadurch erste äußere
metallisierte Bereiche 13a zu bilden. Ferner wurden die Seitenflächen, zu denen hin
sich die Innenelektroden erstreckten, mit einer leitenden Paste beschichtet, welche
getrocknet wurde, um einen gürtelförmigen zweiten äußeren metallisierten Bereich
13b zu bilden. Das derart gebildete geschichtete gesinterte Produkt mit den äuße
ren metallisierten Bereichen 13 wurde einer Polarisationsbehandlung durch Anle
gung eines elektrischen Gleichstromfeldes von 2,0 bis 4,0 kV/mm in Isolationsöl
(80°C bis 120°C) 15 bis 60 Minuten lang unterzogen, um ein geschichtetes piezo
elektrisches keramisches Element 10 zu erhalten.
Wie oben beschrieben, können durch die Verwendung der piezoelektrischen Kera
mik gemäß der vorliegenden Erfindung piezoelektrische keramische Elemente er
halten werden, welche die Unterdrückung der Verdampfung von Pb, das in der pri
mären Komponente vorliegt, während des Sinterns ermöglichen. In dem Fall, in
dem piezoelektrische keramische Elemente eines monolithischen Typs hergestellt
werden, können günstige Materialien, wie Ag und Pd, als deren Innenelektroden
verwendet werden. Außerdem weisen die resultierenden piezoelektrischen kerami
schen Elemente ausgezeichnete piezoelektrische Charakteristika auf.
Claims (6)
1. Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen keramischen Elementes,
umfassend die folgenden Schritte:
- (1) Mischen von Bestandteilen, so daß sich eine Mischung bildet, die zumindest Oxide von Pb, Zr, Ti, Cr und Nb enthält;
- (2) Kalzinieren der Mischung zum Erhalt eines kalzinierten Produktes;
- (3) Zerkleinern des kalzinierten Produktes und Hinzusetzen einer Cu- Komponente in einer Menge von 0,05-3,0 Gew.-%, nach Anpassung an CuO, um eine eine Cu-Komponente enthaltende Mischung zu bilden;
- (4) Hinzusetzen eines Bindemittels zu der Cu-Komponente enthaltenden Mi schung zur Bildung einer Bindemittel enthaltenden Mischung;
- (5) Formen der Bindemittel enthaltenden Mischung zur Herstellung eines ge formten Produktes;
- (6) Brennen des geformten Produktes bei 1100°C oder weniger zur Herstellung eines gesinterten Produktes; und
- (7) Bilden von Elektroden auf Oberflächen des gesinterten Produktes, wobei das
gesinterte Produkt eine primäre Komponente folgender Formel:
Pba[(CrxNb(1-x)yZr(1-b-y)Tib]O3
worin 0,95 ≦ a ≦ 1,05; 0,40 ≦ b ≦ 0,55; 0,10 ≦ x ≦ 0,70; und 0,02 ≦ y ≦ 0,12 gilt, und eine Cu-Komponente als eine sekundäre Komponente in einer Menge von 0,05-3,0 Gew.-%, nach Anpassung an CuO, umfaßt.
2. Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen keramischen Elementes,
umfassend die folgenden Schritte:
- (1) Mischen von Bestandteilen, so daß sich eine Mischung bildet, die zumindest Oxide von Pb, Zr, Ti, Cr und Nb enthält;
- (2) Kalzinieren der Mischung zum Erhalt eines kalzinierten Produktes;
- (3) Zerkleinern des kalzinierten Produktes und Hinzusetzen einer Cu- Komponente in einer Menge von 0,05-3,0 Gew.-%, nach Anpassung an CuO, um eine eine Cu-Komponente enthaltende Mischung zu bilden;
- (4) Hinzusetzen eines Bindemittels zu der Cu-Komponente enthaltenden Mi schung zur Bildung einer Bindemittel enthaltenden Mischung;
- (5) Formen der Bindemittel enthaltenden Mischung zur Erzeugung von kerami schen Grüntafeln;
- (6) Laminieren der keramischen Grüntafeln und Innenelektrodenschichten in alternierender Weise zur Erzeugung eines geschichteten Produktes;
- (7) Brennen des geschichteten Produktes bei 1100°C oder weniger zur Herstel lung eines gesinterten Produktes; und
- (8) Formen von äußeren metallisierten Bereichen auf den Oberflächen des
gesinterten Produktes, wobei das gesinterte Produkt eine primäre Kompo
nente der folgenden Formel:
Pba[(CrxNb(1-x)yZr(1-b-y)Tib]O3
worin 0,95 ≦ a ≦ 1,05; 0,40 ≦ b ≦ 0,55; 0,10 ≦ x ≦ 0,70 und 0,02 ≦ y ≦ 0,12 gilt, und eine Cu-Komponente als eine sekundäre Komponente in einer Menge von 0,05-3,0 Gew.-%, nach Anpassung an CuO, umfaßt.
3. Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen keramischen Elementes
gemäß Anspruch 1 oder 2, worin in Schritt (1) ein Oxid von mindestens ei
nem Element, das aus Sr, Ba, Ca und La gewählt wird, in einer Menge von
3,0 Mol-% oder weniger, basierend auf der Menge an in der primären Kom
ponente enthaltenem Pb, hinzugesetzt wird.
4. Piezoelektrische Keramik, welche eine primäre Komponente der folgenden
Formel:
Pba[(CrxNb(1-x)yZr(1-b-y)Tib]O3
worin 0,95 ≦ a ≦ 1,05; 0,40 ≦ b ≦ 0,55; 0,10 ≦ x ≦ 0,70; und 0,02 ≦ y ≦ 0,12 gilt, und eine Cu-Komponente als eine sekundäre Komponente in einer Menge von 0,05-3,0 Gew.-%, nach Anpassung an CuO, umfaßt, und wobei die Keramik einen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten von 60% oder mehr aufweist,
Pba[(CrxNb(1-x)yZr(1-b-y)Tib]O3
worin 0,95 ≦ a ≦ 1,05; 0,40 ≦ b ≦ 0,55; 0,10 ≦ x ≦ 0,70; und 0,02 ≦ y ≦ 0,12 gilt, und eine Cu-Komponente als eine sekundäre Komponente in einer Menge von 0,05-3,0 Gew.-%, nach Anpassung an CuO, umfaßt, und wobei die Keramik einen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten von 60% oder mehr aufweist,
5. Piezoelektrische Keramik gemäß Anspruch 4, welche eine dielektrische
Konstante von 1546 oder mehr aufweist.
6. Piezoelektrische Keramik gemäß Anspruch 4 oder 5, welche ein Oxid min
destens eines Elementes, das aus Sr, Ba, Ca und La gewählt wird, in einer
Menge von 3,0 Mol-% oder weniger, basierend auf der Menge an in der pri
mären Komponente enthaltenem Pb, beinhaltet.
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