压电陶瓷的制造方法

专利名称：：压电陶瓷的制造方法
技术领域：
：本发明涉及一种压电陶瓷的制造方法，特别涉及包括提高韧性的热处理的制造方法。
背景技术：
：压电陶瓷作为谐振器、滤波器、制动器、以及点火元件或超声波电动机等的压电元件材料被广泛地得以应用。现在被实用化的压电陶瓷的大部分由强电介质构成，该强电介质构成在室温附近具有正方晶系或菱形晶系的PZT(PbZr03-PbTi03固溶体)系、和PT(PbTi03固溶体)系等的钙钛矿结构。但是，近年来，随着包含通信设备的电子装置的小型化，表面安装化迅速发展。表面安装时，在基板上锡焊暂时安装的压电元件。不希望在伴随加热的锡焊处理之后压电元件的特性(例如，谐振频率、振荡频率等)较大地偏离初始特性。因此，为了提高压电陶瓷的耐热性，进行了各种各样的研究(例如，专利文献l、2)。专利文献1提供一种制造方法，具备极化处理工序，对包含将Pb、Zr、Ti、Mn、Nb作为主成分的转钛矿型化合物的压电陶瓷实施极化处理，和热处理工序，对实施极化处理后的压电陶瓷在0.68Tc以上不到Tc(Tc是上述压电陶瓷的居里温度)的温度范围内保持1100分钟。专利文献2提供一种压电陶瓷，具有以Pb。[(Mm/3NV3)xTiyZrz]03表示的主成分(其中，0.97《a《1.0K0.04《x《0.16、0.48《y《0.58、0.32《z《0.41)，作为副成分由含有Al的烧结体构成，烧结体的平均晶粒直径是1.04.0um。专利文献l:日本特开2005-119944号公报专利文献2:日本特开2007-1841号公报随着电子装置的小型化，对于压电陶瓷，除了上述的耐热性以外，还要求提高韧性。提高韧性的目的尤其在于抑制厚度为lmm以下、特别是0.5mm以下的薄压电陶瓷在切割工序、研磨工序中的裂口、破碎等加工不良。还在于为了使在制造工序中即使压电陶瓷落下而被施加冲击，也能够使其不发生损坏。对于这样的韧性的提高，上述对比文献l、2没有给出启示。
发明内容本发明是根据上述技术课题而提出的，其目的在于提供一种能够提高耐热性及韧性的压电陶瓷制造方法。本发明涉及一种压电陶瓷的制造方法，包括对下述压电陶瓷实施极化处理的工序，该压电陶瓷具有用组成式PbJ(MnbNbc)dTieZlY]03表示的主成分，在该组成式中，a、b、c、d、e及f满足0.98《a《1.01、0.340《b《0.384、0.616《c《0扁、0.08《d《0.12、0.500《e《0.540、0.37《f《0.41、bd+cd+e+卜l，含有以八1203换算为110wt。/。的Al作为副成分；以及对实施极化处理后的压电陶瓷实施在200300。C下保持1060分钟的热处理的工序。本发明通过对实施极化处理后的特定组成的压电陶瓷实施热处理来提高韧性。在上述组成式的b满足0.340《b《0.384，并且组成式的c满足0.616《c《0.660时，该韧性的提高效果显著。在本发明中，热处理的温度范围优选260300。C，热处理的保持时间优选2040分钟。根据本发明，通过对实施极化处理后的压电陶瓷，实施在20030(TC下保持1060分钟的热处理，能够提高韧性。因而，能够抑制切割工序、研磨工序中的加工不良。因此，本发明能够实现加工速度的提高。另外，可以得到能经受制造工序中发生的落下等的冲击的压电陶瓷。图1A、图1B是表示在实施例中制作的试验片的外观的图。图2是表示在实施例中制作的谐振器的结构的分解立体图。图3是表示有寄生振动的波形曲线图。图4是表示无寄生振动的波形曲线图。图5是表示热处理温度与破坏韧性值klC之间关系的曲线图。符号说明10谐振器，11基板，111、112端子电极，12、16粘接树脂层，13、15空腔树脂层，14压电谐振子，141振动电极，17盖子具体实施例方式以下，详细说明本发明的压电陶瓷制造方法。<压电陶瓷的组成>首先，说明作为本发明对象的压电陶瓷的组成。本发明的压电陶瓷的主成分用下面的组成式表示。该主成分由钙钛矿型化合物构成。组成式Pba[(MnbNbe)dTieZrf]03这里，上述式中，a、b、c、d、e及f满足以下关系式。另外，a、b、c、d、e及f分别表示摩尔比。将a、b、c、d、e及f设定在下述范围，艮卩0.98《a《1.01、0.340《b《0.384、0.616《c《0.660、0.08《d《0.12、0.500《e《0.540、0.37《f《0.41、bd+cd+e+f=l，将a、b、c、d、e及f设定在上述范围的理由如下所述。<Pb〉表示Pb含量的a设定为0.98《a《1.01的范围。a不至!J0.98时，难以获得致密的烧结体。另一方面，a超过1.01时，不能够获得良好的耐热性。A优选设定为0.985《a《1.005，更优选设定为0.985《a《1.000。<Mn，Nb>在以Pb、Zr、Ti、Mn、Nb为主成分的钙钛矿型化合物中，Mn、Nb的化学计量组成(StoichiometricComposition:理想配比成分)为Mn1/3、Nb2/3。专利文献l对于Mn、Nb采用了化学计量组成。与此相对，本发明将Mn比化学计量组成富余(rich)、Nb比化学计量组成贫乏(poor)的组成作为对象。Mn比化学计量组成富余(rich)、Nb比化学计量组成贫乏(poor)的组成能够确定为0.340《b《0.384、且0.616《c《0.660。该组成范围的压电陶瓷与Mn、Nb按化学计量组成的压电陶瓷相比，本发明的热处理带来的韧性提高效果会更高。另外，通过采用该组成范围，压电陶瓷的耐热性得以提高。b不到0.340(c超过0.660)时，本发明的韧性提高效果小，而且不能够获得优良的耐热性。b超过0.384(c不到0.616)时，电阻值低下，不能够进行极化。b、c优选为0.345《b《0.375、0.625《c《0.655，b、c更优选为0.345《b《0.370、0.630《c《0.655。表示上述组成式的Mn和Nb的合计量的d设定为0.08《d《0.12的范围。d不至U0.08时，电特性Qmax变小。另一方面，d超过0.12时，不能够得到良好的耐热性。因而，d设定为0.08《d《0.12的范围。d优选设定为0.085《d《0.U5，更优选设定为0.09《d《0.11。<Ti>表示Ti含量的e设定为0.500《e《0.540的范围。e不到0.500时，不能够获得良好的耐热性。另一方面，e超过0.540时，电特性Q,减小。e优选设定为0.505《e《0.535，更优选设定为O.505《e《0.520。<Zr>表示Zr含量的f设定为0.37《f《0.41的范围。f不到0.37时，电特性Qmax减小。f超过0.41时，不能够获得到良好的耐热性。因而，f设定为0.37《f《0.41的范围，优选设定为0.380《f《0.405，更优选设定为O.385《f《0.400。本发明将以上作为主成分，还作为副成分含有以Al203换算为110wt%的Alo通过添加A1203，能够降低压电陶瓷的机电耦合系数。适用于将本发明的压电陶瓷应用于谐振器的情况。这里，谐振器也和其他电子零件同样，不断小型化。小型化了的谐振器有时不能够充分封闭主要振动。因而，在这种谐振器中，容易发生不需要的振动(寄生振动)。这里，所谓"封闭主要振动"表示如下状态在压电体两面所形成的振动电极部分发生单一振动，在没有振动电极的部分(无电极部分)振动衰减，几乎不存在不需要的振动。当压电元件大时，由于能够加大无电极部分，因此能充分地进行振动的衰减，但小型谐振器将会由于无电极部分的减少，使振动不能够充分地衰减，容易发生不需要的振动。若不需要的振动增多，则在压电材料的机电耦合系数大时，由于主要振动的频率和不需要的振动的频率重叠或近似，只封闭主要振动会更困难。在此，虽然通过降低机电耦合系数可以分开主要振动和不需要的振动的频率，但是本发明的八1203就能够响应此要求。另外，如后述的实施例所示，含有规定量的八1203的本发明的压电陶瓷由于能够抑制不需要的振动，对于谐振器小型化是有效的。优选八1203量为26wt%，更优选八1203量为24wt%。"203在该范围内特别能够使后述的耐热性IAFoI降低。另夕卜，A1203量在6wt。/。以下时能够使电特性Qn^为80以上，Al2Cb量在4wt。/。以下时能够使电特性Qmax成为90以上。<制造方法>本发明对具有以上组成的压电陶瓷实施规定的热处理。以下，说明该热处理。该热处理对实施极化处理后的压电陶瓷进行。通过在极化处理后实施热处理，耐热性更能够实现高的极化状态，对降低后述的IAF。I也有效。后述的机电耦合系数k,5是极化后出现的特性，但通过本发明的热处理能够使其减小，谐振器能够决定合适的状态。极化处理以前的工序、热处理后的工序将在后面说明。本发明的热处理的热处理温度选定在200300°C的范围。热处理温度不到20(TC时韧性提高的效果不充分。虽然韧性随着热处理温度升高而提高，但相反电特性Qmax降低。因此，将热处理温度设定为300。C以下。若将得到韧性提高的效果作为着眼点，则优选将热处理温度设定为30(TC，更优选设定为26030(TC。最优选设定为2702卯'C。另外，热处理温度只要在上述温度范围内，没有必要是恒定的，即使是变动的也可以。热处理时间设定为1060分。热处理时间不到10分钟时，不能够充分地达到韧性提高的效果。另一方面，热处理时间为60分钟左右时，由于韧性提高的效果已饱和，进一步的热处理妨碍生产，浪费热能。另外，若在上述温度范围内的高温度区域实施长时间热处理，将会成为电特性Qmax降低的主要因素。因此，本发明将热处理时间设定为1060分。具体的热处理时间兼顾热处理温度适当设定即可。进行热处理的气氛没有特别限定，可以是N2或大气。接着，按照工序顺序说明压电陶瓷制造方法的优选方式。(原料粉末、称量)作为主成分的原料，使用氧化物或通过加热变为氧化物的化合物粉末。具体地说，可将PbO粉末、Ti02粉末、Zr02粉末、MnC03粉末、^1)205粉末等作为原料。分别称量原料粉末，使得成为基于上述组成式的组成。相对所称量的主成分的原料粉末的总重量，添加l10wt%Al203粉末作为副成分的原料粉末。各原料粉末的平均粒径可以在0.13.0"m的范围适当选择。另外，不限定于上述原料粉末，也可以将包含2种以上金属的复合氧化物粉末作为原料粉末。(预烧)湿式混合原料粉末后，进行在70095(TC的范围内保持规定时间的预烧。此时的气氛可以是N2或大气。预烧的保持时间可以在0.55小时的范围内适当选择。预烧后粉碎预烧体。这里，虽然示出了混合主成分的原料粉末和副成分的原料粉末之后将两者一同预烧的情况，但添加副成分原料粉末的定时不限于上述。也可以是，例如，只称量、混合、预烧及粉碎主成分粉末。然后，在通过粉碎得到的主成分粉末中添加、混合规定量的副成分的原料粉末。(造粒*成形)为了顺利实行后面的成形工序，将粉碎粉末造粒成颗粒。此时，向粉碎粉末中少量添加适当的粘合剂例如聚乙烯醇(PVA),并将它们充分混合，之后，例如使它们通过筛网进行整粒，得到造粒粉末。然后，用200300MPa的压力将造粒粉末加压成形，得到所希望形状的成形体。(烧成)除去成形时添加的粘合剂后，在1170125(TC的范围内将成形体加热保持规定时间，得到烧结体。此时的气氛可以是N2或大气。加热保持时间在0.54小时的范围内适当选择即可。(极化处理)在烧结体上形成了极化处理用的暂时电极之后，进行极化处理。极化处理是在5030(TC的温度下，对烧结体施加0.530分钟1.02.0Ec(Ec是矫顽电场)的电场。极化处理在加热到上述温度的绝缘油、例如硅油浴中进行。将烧结体(压电陶瓷)研磨到所希望的厚度。之后，对压电陶瓷施行上述的热处理。在进行热处理时，可以留下极化处理用的暂时电极，也可以将其除去。施行热处理后，在压电陶瓷上形成振动电极。接着，用切片锯等切成所希望的形状之后，作为压电元件的发挥功能。本发明的压电陶瓷特别适合用于谐振器。<压电陶瓷的特性>根据本发明得到的压电陶瓷，通过实施热处理，韧性得以提高。另外，根据本发明得到的压电陶瓷，在上述组成式中，将Mn设定为0.340《b《0.384，为比化学计量组成富余的组成，将Nb设定为0.616《c《0.660，为比化学计量组成贫乏的组成，从而，能够提高耐热性。另外，Mn、Nb为这种组分的情况下，热处理所带来的韧性提高的效果显著。(韧性)本发明用破坏韧性值klC评价韧性。破坏韧性值klC可按JISR1607规定的高性能陶瓷的破坏试验方法为标准进行测定。(耐热性)本发明的压电陶瓷通过将Mn设定为比化学计量组成富余的组分，并将Nb设定为比化学计量组成贫乏的组成，来发挥优良的耐热性。本发明通过振荡频率Fo评价耐热性。详细地说，通过下述式(1)的振荡频率Fo的变化率(AF0)的绝对值IAFoI进行评价。AF0=-^-^-XI00(%)…式(i)Fo(试验前)施加热冲击前测定的振荡频率F0(试验后)用铝箔包住测定了Fo(试验前)的试料，在265t:的锡浴中浸渍10秒钟(施加热冲击)，之后，从铝箔里取出试料，在室温、大气中放置24小时，放置24小时后所测定的振荡频率本发明的压电陶瓷可以将与振荡频率有关的耐热性IAFoi设定为0.05以下，进而设定为0.03以下。在此，在振荡频率Fo采用等效电路常数时有以下所示的式(2)(5)的关系。在式(2)(5)中，Fo表示振荡频率、Fr表示谐振频率、Fa表示反谐振频率、C,表示串联电容、C。表示并联电容、Cl表示按式(5)定义、Cd表示自由电容、Cu、CL2表示负载电容。如式(2)所示，谐振频率Fr、串联电容d、并联电容C。、以及Cl4个参数控制振荡频率F。的值。而且，如式(3)(5)所示，串联电容C,、并联电容C。、以及CL分别与多个参数相关。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>(机电耦合系数1^)在本发明中，作为一种压电特性求取机电耦合系数。机电耦合系数是表示将加在压电体电极之间的电能变换成机械能的效率的常数。例如，在驱动器用途、超声波用途中，希望机电耦合系数大。可是，对谐振器的压电谐振子则希望机电耦合系数小。本发明的压电陶瓷，通过作为副成分含有八1203，能够调整机电耦合系数。即，只要增加八1203量就能够减小机电耦合系数。本发明使用阻抗模拟装置(AgilentTechnologies公司制4294A)，测定约4MHz附近的谐振频率Fr、反谐振频率Fa。利用下述式(6)求出机电耦合系数k^<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>(电特性Qmax)电特性Qmax表示在谐振频率Fr与反谐振频率Fa之间的Q(=tane,9:相位角(deg))的最大值。电特性Qmax是作为谐振器的一个重要特性，其值越大就越能够用更低的电压驱动。作为初始材料，准备氧化铅(PbO)粉末、氧化钛(Ti02)粉末、氧化锆(Zr02)粉末、碳酸锰(MnC03)粉末、氧化铌(>^203)粉末、氧化铝^1203)粉末。将该原料粉末称量达到表1表4所示的组成后，在纯水中用球磨机(使用Zr球)进行0.5小时湿式混合。将得到的料浆充分干燥、冲压成形后，在大气中用80095(TC进行预烧。接着，在利用球磨机将预烧体微粉碎到平均粒径0.7nm后，干燥微粉碎粉末。在干燥后的微粉碎粉末中适量添加PVA(聚乙烯醇)作为粘合剂，加以造粒。将大约3g的造粒粉投入长20mmX宽20mm的金属模腔内，用单轴压制成形机，以245MPa的压力成形。对得到的成形体进行脱粘合剂处理后，在大气中以1170125(TC烧结2小时，得到烧结体。用研磨盘将烧结体的两面平面加工成厚0.350mm后，用切片锯切断加工成长15mmX宽15mm，在表里两面形成极化用的暂时电极(长14mmX宽14mm)。之后，在温度150'C的硅油槽中，进行施加15分钟3kV/mm电场的厚度滑移方向的极化处理。然后，除去暂时电极。另外，暂时电极除去后的试料尺寸是长15mmX宽15mmX厚0.35mm。再次用研磨盘研磨到大约厚0.320mm后，用切片锯切断加工成长3.17mmX宽0.55mm。对切断加工后的试料进行表1表4所示条件的热处理。热处理的气氛为大气。另外，通过除去暂时电极后进行热处理，可以避免因热处理使暂时电极的性质变化而难以除去。热处理之后，如图1A所示，使用真空蒸镀装置在试验片1的两面(研磨过的两面)形成振动电极2，制成测定用试料。图1B示出了试验片1的断面，振动电极2的重叠部分是1.5mm。振动电极2由厚0.01um的基底层和厚2ixm的Ag层构成。对以上的试验片1测定了破坏韧性值klC。对试验片1求出耐热性IAFc1。另外，用频率计数器(AgilentTechnologies公司制53181A)测定振荡频率FQ，利用上述式(1)求出耐热性IAFJ。另外，就以上的试验片l，求出机电耦合系数k^及电特性Q,。在表1表4中示出以上的结果。另外，使用以上所得的试料，实际制作图2所示的谐振器，使用上述的阻抗模拟装置测定阻抗及相位曲线，确定有无不需要的振动(寄生振动)。图2所示的谐振器10具有依次层叠具备端子电极111及112的基板11、粘接树脂层12、空腔树脂层13、具备振动电极141的压电谐振子14、空腔树脂层15、粘接树脂层16及盖子17的结构。压电谐振子14由上述试料构成。该压电谐振子14隔着粘接树脂层12和空腔树脂层13被支撑在基板11上。按照确保振动空间的方式设置空腔树脂层13、15，以便不抑压封闭在振动电极141附近的振动。压电谐振子14使用粘接树脂层16与盖子17粘接，以便维持该空间，确保气密性。图3表示发生寄生振动的阻抗及相位曲线的波形，图4表示没有发生寄生振动的阻抗及相位曲线的波形。图5表示热处理温度与破坏韧性值klC之间的关系，判定为热处理温度为20(TC以上时，破坏韧性值klC上升。另外，如下述表l所示，热处理温度升高时耐热性IAFQI的值减小，可知本发明的热处理对于耐热性方面是有效的。并且，热处理温度升高时机电耦合系数k^的值也减小，可知本发明的热处理适合于谐振器。但是，热处理温度越高电特性Qn^越低下。另外，试料No.14由于热处理温度高使阻抗特性劣化，并发生了波形不良。根据下述表2，1060分钟的热处理时间使破坏韧性值klC的提高效果得以发挥，尤其是在20分钟以上时破坏韧性值klC的提高效果特别显著。但是，40分钟的热处理时间是峰值，超过时破坏韧性值klC的提高效果低下。另一方面，电特性Qmax随着热处理时间延长而低下。为了兼顾破坏韧性值klC和电特性Qmax，优选将热处理时间设定在40分以下。根据下述表3，通过含有Al203，能够防止寄生振动的产生。另外，根据表3，通过含有有Al203，破坏韧性值klC提高。但是，在超过2wt。/。的范围，Al203量和破坏韧性值klC之间互不相关。通过含有八1203，耐热性也得以提高。在超过2wt。/。并在10wt。/。以下的范围内，耐热性IAF。1为0.03%以下。另夕卜，机电耦合系数ku与A1A量的增加成正比例地减小。另一方面，电特性Q,也与A1203量的增加成正比例地减小。A1203量增加到1lwt。/。时，电特性Qmax成为40的低值。因而，本发明的Al2O3量为10wtG/。以下。在下述表4中，记载着对相同组成的压电陶瓷不施行热处理的例子和施行热处理(280°CX30分)的例子(No.34和No.35、No.36和No.37、No.38禾口No.39、No.40禾口No.41、No.42禾卩No.43)。X寸于No.34禾口No.35，Mn、Nb是化学计量组成(Mn1/3，Nb2/3)。对于No.36和No.37、No.38和No.39、No.40禾!3No.41、以及No.42和No.43，Mn比化学计量组成富余、并且Nb比化学计量组成贫乏。为了方便，称为Mn、Nb为非化学计量组成。通过施行本发明的热处理，不论Mn、Nb是化学计量组成的情况(No.34和No.35)或非化学计量组成的情况(No.36和No.37、No.38和No.39、No.40禾口No.41、No.42禾PNo.43)都能够提高破坏韧性值klC。可是，若比较化学计量组成和非化学计量组成，非化学计量组成的破坏韧性值klC的提高程度较大。接着，对于b(Mn量)和耐热性IAFQI之间的关系，b增多时耐热性IAF。I提高。详细地说，Mn为化学计量组成即b^0.333(c=0,667，No.35)时|AFol为0.090/0，与此相对，在0.340《b《0.384的范围(No.37、39、41、43、44)时IAFo(为0.05%以下，显示了优良的耐热性。但是，b进一步增大时，就不能够进行极化，所以本发明规定为0.340《b《0.384。另外，根据下述表4，b增大时机电耦合系数kM有降低的倾向。将谐振器作为对象时，优选机电耦合系数ku较小的情况。对于a(Pb量)，a增大时机电耦合系数k,5有增大的倾向，但在本发明的范围(0.98《a《1.0D，可将机电耦合系数k,5设定为37.0。/。以下。另夕卜，在该范围内能够得到80以上的电特性Qmax。对于d、e(Ti量)及f(Zr量)也同样，在本发明的范围C0,08《d《0.12、0.500《e《0.540、0,37《f《0.41)内，机电耦合系数k15为37.0%以下，电特性Q,为80以上，表示在谐振器以及其他用途的实用上没有障碍的值，这一点被得以确认。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>表2<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>表3<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>表4<table>tableseeoriginaldocumentpage18</column></row><table>权利要求1.一种压电陶瓷的制造方法，包括对下述压电陶瓷实施极化处理的工序，该压电陶瓷具有用组成式Pba[(MnbNbc)dTieZrf]O3表示的主成分，在上述组成式中，a、b、c、d、e及f满足0.98≤a≤1.01，0.340≤b≤0.384，0.616≤c≤0.660，0.08≤d≤0.12，0.500≤e≤0.540，0.37≤f≤0.41，bd+cd+e+f＝1，作为副成分含有以Al2O3换算为1～10wt％的Al；以及对实施上述极化处理后的上述压电陶瓷实施在200～300℃的范围内保持10～60分钟的热处理的工序。2.根据权利要求l所述的压电陶瓷的制造方法，其特征在于，对实施上述极化处理后的上述压电陶瓷，在26030(TC的范围内实施上述热处理。3.根据权利要求1所述的压电陶瓷的制造方法，其特征在于，上述热处理的保持时间是2040分钟。4.根据权利要求2所述的压电陶瓷的制造方法，其特征在于，上述热处理的保持时间是2040分钟。5.根据权利要求l所述的压电陶瓷的制造方法，其特征在于，上述压电陶瓷作为副成分，含有以八1203换算为26wtn/。的Al。全文摘要本发明提供一种能够提高韧性的压电陶瓷的制造方法。所述压电陶瓷的制造方法包括对下述压电陶瓷实施极化处理的工序，该所述压电陶瓷具有用组成式Pb_a[(Mn_bNb_c)_dTi_eZr_f]O₃表示的主成分，在上述组成式中，满足0.98≤a≤1.01、0.340≤b≤0.384、0.616≤c≤0.660、0.08≤d≤0.12、0.500≤e≤0.540、0.37≤f≤0.41、bd+cd+e+f＝1，并且，含有以Al₂O₃换算为1～10wt％的Al作为副成分，所述压电陶瓷的制造方法包括对上述压电陶瓷进行极化处理的工序；以及对进行实施过极化处理后的压电陶瓷实施在200～300℃的范围内进行保持10～60分钟的热处理的工序。通过该热处理，能够提高韧性。文档编号C04B35/462GK101386533SQ20081017373公开日2009年3月18日申请日期2008年9月5日优先权日2007年9月6日发明者东智久,寺西惠介,广濑正和申请人:Tdk株式会社