TW443033B - Piezoelectric ceramic composition and piezoelectric element using the piezoelectric ceramic composition - Google Patents

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443033 A7 ___B7 五、發明說明（1 ) 發明背景 1. 發明範圍 本發明有關一種壓電陶瓷組合物與使用該壓電陶瓷組合 物之壓電元件。 2. 相關技藝敘述 已習知一種包含鈥酸錯（PbTi〇3)之壓電陶瓷纽合物。因 爲包含鈦酸鉛之壓電陶瓷組合物介電常數低而且顆粒小， 其適用於南頻範圍。此外，其具有良好特性，諸如因壓電 各向異性大所致抑制副振動能力、因爲居里點高所致於高 溫下之耐夂性等。因此，欲於高頻範圍中使用之過濾器、 振動器等領域需要使用一種包含鈇酸錯之壓電陶资β不過 ，包含一種鈦酸鉛之壓電陶瓷具有難以燒結所致難以製得 具有高度機械強度之緻密經燒結壓製物以及壓電困難之缺 點β爲解決此等問題，例如已使用以La部分取代PbTi03 之Pb，及添加諸如Μη CO3等之Μη化合物製得包含欽酸錯 壓電陶瓷组合物。該壓電陶瓷具有諸如良好燒結性質與於 高電場中以高溫壓電處理之能力等特性。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 不過，該壓電陶瓷涉及其共振頻率溫度係數差之問題， 因此當該壓電陶瓷用於過濾器或是振動器時，通過之頻率 或該振動頻率根據該溫度劇烈改變。因此，在必須具高度 精確性之過濾器或振動器中很難採用—種包含鈦酸鉛之陶 資。 發明總結 因此，本發明目的係提出—種包含鈦酸鉛、共振頻率具 本紙張尺度剌巾關家標準（CNS)A4規格⑵Q x 443033 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（2 ) 有良好溫度安定性而且適用於過濾器、振動器等應用之壓 電陶瓷組合物，以及使用該壓電陶瓷组合物之壓電元件。 爲達到上述目的，本發明壓電陶瓷組合物係以通式 Pbu.hNdJGnwNbwJyTii.dCh表示，其中具有符合通式 PbM.hNdxKInmNbWyTUOs 之 0 02 < x < 016 與 0.15 2 y < 〇.5〇之組成的主要組份包含不少於〇.1重量％但是不多 於3.0重量％以MnCO；?爲底質之Mn作爲副組份。根據上述 構造，可製得具有良好共振頻率溫度係數之壓電陶瓷組合 物。另外，使用具有上述構造壓電陶瓷组合物之壓電元件 可能抑制衍生自溫度之通過頻率、振動頻率等改變。 因爲若X < 0.02該陶瓷之燒結性質無法良好，而且該共 振頻率之溫度係數改善效果小，但是若0.16 < X該居里點 劇烈惡化以致於無以在高溫下持久之故，以Pd取代Nd之X 數量設爲0.02 < X < 0.16。因爲若y < 0_15該共振頻率之 溫度係數差，但是若0.50 < y該居里點劇烈惡化以致於無 以在高溫下持久之故，該y之範圍設爲〇, 15 S y S 〇.5〇。 以MnC〇3爲基準’作爲副组份之Μη數量不少於〇. 1重量〇/〇 但是不多於3 ‘ 0重量％爲佳。此係因爲機械品質係數Qm小 之故，因此少於0_ 1重量％時不適用振動器、過濾器等應用 ’但是其多於3.0重量％時，該陶瓷絕緣性質變差，因此不 適於壓電處理，所以無法作爲一種壓電陶堯。 圖式簡述 圖1係顯示本發明壓電陶資;一具體實例之放大圖。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（2〗〇 x 297公髮） (請先閲讀背面之注意事項再'填k本頁) 訂·· 線

443 〇 3 cJ A7 B7 五、發明說明（3 ) 較佳具體實例敛述 下文中’參考附圖解釋一種壓電陶瓷组合物與使用本發 明壓電陶资組合物之壓電元件。 如圖I所示’作爲一種壓電過濾器之壓電元件包括壓電 基板1、調節該壓電基板1之絕緣電容器10，以及密封蓋 20。該壓電基板1大致爲長方形。該壓電基板1前表面具 有振動電極2a、2b、振動電極3a、3b，後表面具有振動 電極2c、3c。該振動電極2a、3b分別與壓電基板1前表 面末端部分之鉛電極4a、4b電連接。振動電極2b、3a 經由一個導電通路電連接。鉛電椏4a、4b分別放置在基 板1兩個末端邵分。此外，該振動電極2c與3c經由基板工 後面中央部分之導體通道電連接。該壓電基板i包括—種 包含PbTi〇3之陶瓷材料。該振動電極2a至3c與鉛電極“ 、4b包括Ag、Ag-Pd、Ni、〇：11等。藉由振動電極&、 2b、2c與振動電極3a、3b、3c使該壓電基板^產生厚度 縱向振動。 孩絕緣容器10包括一個中凹部分10a，該中凹部分1〇组 兩端具有凹槽11。基底12位於該中凹部分1〇a底表面中 央部分。以凹槽U引導壓電基板〗，如此可以水平調整長 橫列，以凹槽u及基底12支撑之，其不會與中凹部分i〇a 底表面接觸。 在這三部分-即容器10之凹槽„與基底12塗覆一種導電 黏合糊劑，如此固定該壓電基板丨與容器1〇，並經由該導 電黏合劑電連接。即，藉由濺鍍、沉積等在容器1〇兩端與 ，6 - 本紙張尺度適用t國國家標準（CfsTS)A4規格（21〇χ 297 ,ν • I J I „----I n -11 (請先閱讀背面之注音？事項見填見本頁) 訂· -線： 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 443033 A7 B7 五、發明說明（4 中央部分形成鉛電極16、17、ls 18。該鉛電極16、17分 別自凹槽11部分伸出，而鉛電極 他18自基底12部分伸出。 該振動電極2a經由錯電極4a與兮适& A _ , 、藏導電黏合劑與容器10之 錯电極16電連接。振動電極經由 *田鉛電椏4b與該導電黏合 劑與容器10之鉛電極17電連接。耦 振動電極2c、3c經由該 導電黏合劑與容器10之鉛電極18電連接。 藉由賤鍍、沉積等在密封蓋20兩端部1與中央部分提供 導體21、22、23。以-種黏合劑將密封蓋2。固定於容器 10開口面。因此，籍由容器101 口 稚田奋益興锥封蓋20調整壓電基板工 之密封振動空間。 下又將解釋壓電基板1之組成。使用Pb3〇4、Nd2〇3、 In2〇3、Nb2〇5、Ti02、MnC03作爲壓電基板i之材料。 亦可使用Pb ' Nd、in、Nb、Ti、_之其他氣化物或 是最終可爲一種氧化物之化合物作爲材料。 測量上述材料，混合表1至3所示之组成，以濕式方式 磨粉’並於750 °C至95〇 eC烺燒i至4小時。以—種有機黏 合劑磨粉製得之經烺燒粉末，並以1噸/平方厘米壓力擠壓 模製。該經模製產物於1，〇5〇 eC至1，25〇 eC烘烤！至4小時 ，製得經燒結壓製物。形成一電極之後，在_種100 τ之 聚矽氧油中施加3至5仟伏/毫米電場10至3〇分鐘，使該 經燒結壓製物極化，並評估之。於厚度縱向振動時之電機 械偶合係數kt(%)、機械品質係數Qm、居里溫度Tc(ec )及 共振頻率F-TC之溫度係數（ppm/°C )示於表1至3。把有* 之試樣編號係本發明範園外之對照實例。 本紙張尺度適用1ί1國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ----；-----! J裝--- (請先閱讀背面之注意事項再."窝本頁) 訂- -線· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印射^ 3 3 ο34 Λ A7B7 五、發明說明（5 ) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 表1 武樣編號 Nd 替代量X Ini/2Nb1/2 替代量y MnC03含量 (重量％) kt (%) Qm Ts rc) F-TC (ppn/C) 本 1 0.10 0.20 0.0 41 110 350 10 氺 2 0.10 0.00 0.1 37 650 380 55 氺 3 0.02. 0.01 0.1 38 610 400 -49 氺 4 0.10 0.01 0.1 39 600 370 -46 氺 5 0.16 0.01 0.1 39 590 340 -38 氺 6 0.00 0.15 0.1 29 230 390 -62 7 0.02 0.15 0.1 38 540 380 -34 8 0.10 0.15 0.1 40 550 360 -9 9 0.16 0.15 0.1 42 610 300 -5 氺 10 0.18 0.15 0.1 41 590 280 12 氺 11 0.00 0.20 0.1 30 290 380 -59 12 0.02 0.20 0.1 39 550 370 -33 13 0.10 0,20 0,1 41 540 350 5 14 0.16 0.20 0.1 43 560 290 9 Ψ 15 0.18 0.20 0.1 42 560 280 15 氺 16 0.00 0.35 0.1 31 210 360 -44 17 0.02 0.35 0.1 42 590 350 30 18 0.10 0.35 0.1 41 540 320 10 19 0.16 0.35 0.1 44 550 290 10 氺 20 0.18 0.35 0.1 44 520 260 40 21 0.02 0.50 0.1 42 500 330 -10 22 0.10 0.50 0.1 43 480 290 11 23 0.16 0,50 0.1 44 510 290 14 24 0.10 0.60 0.1 45 450 280 45 -8- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 χ 297公釐) , :.;^--- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -線： 443033 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 _B7 五、發明說明（6 ) 表2 試樣編號 Nd 替代量X In1/2Nbi/2 替代量y MnC03含量 (重量％) kt (%) Qm Tc (°C) F-TC (ppn/C) ^ 25 0.10 0.00 1.0 36 2010 3S0 -55 * 26 0.02 0.01 1.0 38 2030 400 -50 氺 27 0.10 0.01 1.Q 38 1980 370 -45 氺 28 0.16 0.01 1.0 41 2000 370 -40 氺 29 0.00 0.15 3.0 36 1810 400 -66 30 0.02 0.15 3.0 40 2010 380 -33 31 0.10 0.15 3.0 41 1910 360 -12 32 0.16 0.15 3.0 40 1920 300 -10 本 33 0.18 0.15 3.0 39 2000 280 10 氺 34 0.00 0.20 1.0 39 1820 390 -60 35 0.02 0.20 1.0 40 2030 370 30 36 0.10 0.20 1.0 42 1990 350 2 37 0.16 0.20 1.0 42 2040 290 10 氺 38 0.18 0.20 1.0 42 2100 280 14 氺 39 0.00 0.35 3.0 39 1870 370 -50 40 0.02 0.35 3.0 41 1990 350 -22 41 0.10 0.35 3.0 43 2000 320 8 42 0.16 0.35 3.0 43 1920 290 13 氺 43 0.18 0.35 3.0 44 1940 260 20 44 0.02 0.50 1.0 41 1940 330 -21 45 0.10 0.50 1.0 43 1960 290 9 46 0.16 0.50 1.0 45 1960 290 14 氺 47 0.10 0.60 1.0 44 1900 260 8 (請先閱讀背面之注意事項再填"本頁) -9- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） t 443033 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（7 ) 表3 試樣編號 Nd 替代量X Ini/2Nbi/2 替代量y MnC〇3含量 (重量％) kt (%) I Qm Te (°C) F-TC (ppm/°C) 氺 48 0.10 0.00 3.0 37 2110 380 -52 * 49 0.02 0.01 3.0 38 2040 400 -49 氺 50 0.10 0.01 3.0 39 2060 370 -45 窣 51 0.16 0.01 3.0 39 2010 340 -39 氺 52 0.00 0.15 3.0 27 1980 390 -66 53 0.02 0.15 3.0 40 2020 380 -36 54 0.10 0.15 3.0 41 2060 360 -10 55 0,16 0.15 3.0 42 2010 300 -8 氺 56 0.18 0.15 3.0 44 2050 280 10 氺 57 0.00 0.20 3.0 28 2000 380 -62 58 0.02 0.20 3.0 40 1980 370 -35 59 0.10 0.20 3.0 42 1950 350 7 60 0.16 0.20 3.0 43 1980 290 8 氺 61 0.18 0.20 3.0 42 2060 270 12 氺 62 0.00 0.35 3.0 39 2060 360 -50 63 0.02 0.35 3.0 40 2080 350 -35 64 0.10 0.35 3.0 41 2110 370 10 65 0.16 0,35 3.0 41 2000 290 11 ^ 66 0.18 0.35 3.0 40 2050 260 16 67 0.02 0.50 3.0 41 2050 330 -25 68 0.10 0.50 3.0 45 2100 290 12 4 69 0.16 0.50 3.0 44 1980 290 14 水 70 0.10 0.60 3.0 44 1990 260 15 -10- (請先閱讀背面之注意事項再堉寫本頁) 本紙張尺度適用尹國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 443033 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制^ A7 五、發明說明（8 因爲在本發明範圍之外且不包含副組份MnC〇3之試樣1 的機械品質係數Qm爲200或以下，其不適於過爐器、振 動器等應用。若副組份MnC03含量提高至5重量％，該經 燒結壓製物之絕緣性質變差，因此無法施以極化作用。因 此’本發明中將副組份MnC03之含量界定不少於0.1重量 % ’但是不多於3.0重量％，於其中可獲得較佳機械品質係 數Qm ’而且較易進行極化操作。 此外，如試樣 10、15、20、33、38、43、56、61 與66，若以Nd取代Pb之數量X提高至〇, 18，其在本發明 範固之外’該居里溫度降至280 X：或以下。若該居里溫度 爲280 或以下，該陶瓷之壓電性質會因使用塵電陶瓷安 裝一元件（諸如一過濾器、一振動器等）時之逆流而劇烈下 降，因此其不佳。另一方面，若以Nd取代pb之數量乂爲 〇·〇〇(試樣 6、11、16、21、34、39、52、57 與 62)共 振頻率之溫度係數惡化至超出-37 ρριη/Χ：，其不適於過滤 器、振動器等之應用。若以Nd取代Pb之數量乂在本發明 範圍内，可以製得共振頰率溫度係數在A±37 PPWX： ’居里溫度爲290 "C以上，而且有利於過濾器、振 動器等應用之壓電陶瓷。 ，此外’試樣24、47與7〇中，若以（^^仙丨,2)取代以之 數量y爲0.6 ，其在本發明範圍外，其居审㈤ &主/服没降至280 °C或以下，因爲上述原因其不佳。不過， π(Ιηι/2Νΐ>1/2)取 代量y少於0.15 (試樣2至5，25至28及s 久48至51)，其共 振頻率之溫度係數惡化至超出-37 Pt)m/丫 m ppm/ L ’因此以 -11 - 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -IJIIJIIIH1! - I I 、—. /-' (請先閱讀背面之注意事項#'每寫本頁) - --線‘ 4 4 3 0 3 3 A7 五、發明說明（9 ) (In1/2Nb1/2)取代Ti之數量y必須在本發明〇 15 < < 〇 5〇 範圍内’以製得兼具共振頻率溫度安定性與熱持：性之陶 瓷。 本發明壓電陶资组合物與使用該壓電陶资纟且合物之壓電 元件不受限於上述具體實例，但是可以在要點範圍中作各 種變化。《是，該壓電元件；^限於切具體實例，^ 是其可爲振動器、陷波元件等。此外，由該壓電基板製得 之振動器可爲厚度滑動振動模式。 由上述解釋可以明顯看出，根據本發明可以製得一種具 有良好共振頻率溫度係數及優良熱持久性之壓電陶瓷彡且二 物。因此，可製得具有優良溫度安定而且不具逆流烊接： 力變差風險之壓電元件，諸如陶资振動器、陶資過滤器等。 -I J---5--- — I — —I*,裂--- <請先閱讀背面之注意事項#..壙寫本頁} 訂· 線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制衣 適 度 一尺 一張 纸 I本 121 /V 格 規 Α4 S) Ν (C 準 標 家 1 1公 97

Claims (1)

1. ABCD

   443033 第88108630號專利申請案 中文申請專利範團修正本(90年1月) 六、申請專利範圍 1. 一種壓電陶瓷组合物，其包含Pb、Nd、In、Nb與Ti， 且係由通式.Pbi.i.kNdxIXIiimNbudyTihjJCb 所示，且包 含0. 1重量％至3,0重量％之以MnC〇3為底質之Μη作 為主要組份中之副组份，該主要組份具有符合〇 〇2 £ χ 幺〇 16與〇, 15幺y < 0.50之组成。 2. —種壓電元件’其包含壓電基板，及配置於該基板之表 面上之電_其中該壓電基板係由如申請專利範園第1 項之壓電1¾}組合物所製得者。 ---------JII (請先閲讀背面之注$項再填寫本頁) 丁 --6 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家榡準（CNS ) A4規格（210X297公釐）