壓電元件及其製造方法
2023-08-04 16:04:01 3
專利名稱：壓電元件及其製造方法
技術領域：
本發明涉及壓電元件和其製造方法，具體地說，譬如涉及一種關於定向陶瓷利用厚度擴張振動的能量俘獲型壓電元件及其製造方法。
另外公知的是，定向陶瓷可作為電極材料所用的陶瓷，如壓電材料，所述定向陶瓷中的晶體顆粒為定向的。所述定向指的是一種就總體而言每個晶體顆粒的至少一個軸優選地沿同一方向對準的狀況。比如從T.Takenaka等的報告中可以清楚地看到，關於壓電材料，通過將鈣鈦礦化合物陶瓷，如Na0.5Bi4.5Ti4O15的層進行定向，使機電耦合常數提高到圓柱振動體的厚度擴張基礎振動中的通常隨機定向陶瓷的約2.2倍(見Sensor and materials，Vol.1，35(1988))。再如S.Jin等人的報告中所述，關於超導材料，通過製備YBa2Cu3O7-δ的定向陶瓷，使臨界電流強度被提高到隨機定向陶瓷的約12倍(參見Physical ReviewB，vol.37，No.13，7850(1988))。
傳統的製造定向陶瓷方法的實例包括，如熱煅方法和模板顆粒生長(TGG)方法。T.Takenaka等人利用熱煅方法製備Na0.5Bi4.5Ti4O15的定向陶瓷。熱煅方法是在壓力下進行熱處理(燒制)的模製方法。通過該方法可以製造高度定向的定向陶瓷。這時，在用Lotgering方法測量時，可使定向陶瓷的定向程度達到98％。Seong-Hyeon Hong等人用TGG方法製造Bi4(Ti3.96Nb0.04)O12的定向陶瓷。TGG方法是在模製之前使具有各向異性之陶瓷晶體顆粒混合的方法。採用Lotgering方法測量時，這種方法製造的定向陶瓷的定向程度可以達到96％，壓電常數d33提高到隨機定向陶瓷的約1.5倍(可見於J.Am.Ceram.Soc.Vol.83，113，(2000))。
但是，在現有技術中難以製造能量俘獲型壓電元件，按照這種元件，在壓電體中布置著振動電極，激發厚度振動的高次振動，其中所用壓電陶瓷的極化軸沿形狀各向異性晶體顆粒的長軸方向，而晶體顆粒沿在與振動電極表面垂直的方向被定向。尤其是，關於具有鈣鈦礦結構層的化合物，通過使用熱煅方法、TGG方法等，容易製得一種陶瓷，這種陶瓷中優先定向斜方晶系統的C軸。但適於極化的方向卻是a軸，所以，為沿著自發極化的方向施加激發電場，難以沿著垂直於a軸的方向在壓電體中形成振動電極。
例如，在熱煅方法中，由於在燒制中施加單軸壓力，所得模製品被壓碎並有明顯的變形。因此，即使在壓電體中預先設置電極，電極位置的偏離也是明顯的，所以不能通過熱煅方法製造這種元件。
在TGG方法中，通過片的模製方法製造生片，在生片上印刷電極，然後，將生片層壓，繼而壓力粘接，從而在壓電體中精確地形成電極。但是在TGG方法中，由於在片的模製過程中使c軸方向成為與載體膜的行進方向垂直，因此優先的是，定向的a(b)軸和振動電極變得互相垂直。在這種TGG方法中，c軸是不適於極化的軸，剩餘極化非常小。因此，存在難以得到壓電性能的問題。
按照本發明一種方案，一種壓電元件，它包括含陶瓷晶體顆粒的陶瓷壓電層，所述晶體顆粒的形狀各向異性，並在一個平面內優先定向自發極化；還包括至少三個振動電極，它們被設置成彼此面對，而以所述陶瓷壓電層夾於其中，從而激發振動。在上述壓電元件中，將平面的面內方向設置成與所述振動電極接近垂直，並在所述至少三個振動電極彼此疊置的區域內激發n次厚度擴張諧波(n是2或2以上的自然數)。
按照本發明，具有形狀各向異性的陶瓷晶體顆粒是指顆粒的長軸尺寸與短軸尺寸的比值大，比如形狀為板狀、條狀、柱狀、針狀或鱗狀的粉末。本發明中，所述陶瓷晶體顆粒的自發極化方向指的是，在構成多晶陶瓷的每個晶體顆粒中，無序存在的偶極子的方向因極化處理所加之直流電場而被基本對準的方向。另外，本發明在一個平面內優先定向自發極化指的是，所述陶瓷晶體顆粒的自發極化基本被包括在一個平面內，因此幾乎比存在沿平面法線方向的分量。
本發明所用陶瓷晶體顆粒的實例包括，比如具有鉍層狀鈣鈦礦結構的Bi4Ti3O12。從S.E.Cummins等人對Bi4Ti3O12單晶的研究可以清楚地看到，在鉍層狀鈣鈦礦結構中，自發極化的方向基本在斜方晶系統的a軸方向(參見Journal of Applied Physics Vol.39，2268(1968))。在鉍層狀鈣鈦礦結構中，鐵電相中的晶體的a軸和b軸的長度大致相等，按照Aurivillus，在Bi4Ti3O12中，b/a＝1.007(參見Ark.Kemivol.1，499(1949))。即使在沿b軸方向加給極化處理的直流電場時，晶體結構發生改變，以致a軸方向變成直流電場的方向，因而，自發極化的方向可以變為由於極化處理的電場方向。因此，自發極化的方向基本存在於包括a軸和b軸的平面內。關於鉍層狀鈣鈦礦，如Bi4Ti3O12的結構，晶體顆粒主要是板狀，由於主平面和板狀晶體顆粒的c軸彼此垂直，自發極化的方向變為平行於板狀晶體顆粒的主平面的方向。關於鉍層狀鈣鈦礦結構，陶瓷晶體顆粒的自發極化的方向接近垂直于振動電極指的是，與包括a軸和b軸的平面平行之板狀晶體顆粒的主平面接近垂直於電極。
在本發明的壓電元件中，優先在一個平面內定向所述陶瓷壓電層中所包括的形狀各向異性陶瓷晶體顆粒的自發極化，所述平面的面內方向大致被布置成垂直于振動電極。因此，極化軸定向在接近垂直于振動電極的方向，從而，改善了壓電性能。
在本發明的壓電元件中，具有形狀各向異性的陶瓷晶體顆粒最好具有層狀鈣鈦礦結構。具有層狀鈣鈦礦結構材料的實例包括比如，BiWO6、CaBi2Nb2O9、SrBi2Nb2O9、BaBi2Nb2O9、PbBi2Nb2O9、CaBi2Ta2O9SrBi2Ta2O9、BaBi2Ta2O9、PbBi2Ta2O9、Bi3TiNbO9、Bi3TiTaO9、Bi4Ti3O12、SrBi3Ti2NbO12、BaBi3Ti2NbO12、PbBi3Ti2NbO12、CaBi4Ti4O15、SrBi4Ti4O15、BaBi4Ti4O15、PbBi4Ti4O15、Na0.5Bi4.5Ti4O15、K0.5Bi4.5Ti4O15、Ca2Bi4Ti5O18、Sr2Bi4Ti5O18、Ba2Bi4Ti5O18、Pb2Bi4Ti5O18、Bi6Ti3WO18、Bi7Ti4NbO21、Bi10Ti3W3O30和Sr2Nb2O7。
在本發明的壓電元件中，優選的是，具有形狀各向異性的陶瓷晶體顆粒是板狀。當陶瓷晶體顆粒是板狀時，按照TGG方法，板狀陶瓷晶體顆粒的主平面容易在一個平面內對準。
在本發明的壓電元件中，具有形狀各向異性的陶瓷晶體顆粒的縱橫比L/H最好是3或更大，其中縱橫比是長軸尺寸L與短軸尺寸H的比值。當縱橫比小於3時，由於陶瓷晶體顆粒的形狀各向異性降低，難以在模製過程中利用形狀各向異性而對準陶瓷晶體顆粒的方向，因此，難以對準陶瓷晶體顆粒的自發極化。
在本發明的壓電元件中，當利用X射線衍射方法測量與振動電極平行的陶瓷壓電層的平面時，峰值強度比例I/I0是1.0或以下，其中I表示由垂直於陶瓷晶體顆粒自發極化方向的晶體面導致的最高峰值強度，I0表示與具有與這種陶瓷晶體顆粒同樣組成的陶瓷粉末中能夠得到最高峰值強度的晶體面同樣的晶體面所致的峰值強度。隨著I/I0的比例的提高以及由垂直於自發極化的晶體面導致的峰值強度的提高，自發極化垂直於與電極表面平行的面的分量提高。
按照本發明的另一方案，一種製造壓電元件的方法用於製造本發明的壓電元件，它包括如下步驟製備陶瓷糊，所述陶瓷糊包含具有形狀各向異性的陶瓷晶體顆粒和陶瓷原料的粉末或陶瓷材料的煅燒粉末；通過模製陶瓷糊形成板狀模製品，所述模製品具有適於沿與厚度方向正交的方向極化的軸；將所述模製品沿著與厚度方向接近平行的方向切割成條狀；將切割的條狀模製品粘成板狀，其中的粘接方式使得切割表面不會彼此面對面接觸；在粘成板狀的模製品的切割表面上形成電極；通過將粘成板狀的模製品層壓而形成疊層體；通過燒制所述疊層體形成燒制的材料；以及通過向所述燒制材料沿與電極表面垂直的方向加給直流電場進行處理，而將所述燒制材料沿著垂直於電極表面的方向極化。
按照本發明又一方案，一種製造壓電元件的方法用於製造本發明的壓電元件，它包括如下步驟製備陶瓷糊，所述陶瓷糊包含具有形狀各向異性的陶瓷晶體顆粒和陶瓷原料的粉末或陶瓷材料的煅燒粉末；通過模製陶瓷糊形成塊狀模製品，所述模製品具有適於沿與一個方向正交的方向極化的軸；將所述模製品沿與所述的一個方向接近平行的方向切割成板狀；在切成板狀的模製品的切割表面上形成電極；通過將切割成板狀的模製品層壓而形成疊層體；通過燒制所述疊層體形成燒制的材料；以及通過向所述燒制材料沿與電極表面垂直的方向加給直流電場進行處理，而將所述燒制材料沿著垂直於電極表面的方向極化。
按照本發明再一方案，一種製造壓電元件的方法用於製造本發明的壓電元件，它包括如下步驟製備陶瓷糊，所述陶瓷糊包含具有形狀各向異性的陶瓷晶體顆粒和陶瓷原料的粉末或陶瓷材料的煅燒粉末；通過模製陶瓷糊形成塊狀模製品，所述模製品具有適於沿著與一個方向正交的方向極化的軸；通過燒制所述模製品形成燒制的材料；將所述燒制材料沿著與所述的一個方向接近平行的方向切割成板狀；在切成板狀的燒制材料的切割表面上形成電極；通過將切割成板狀的燒制材料層壓而形成疊層體；以及通過向所述疊層體沿與電極表面垂直的方向加給直流電場進行處理，而將所述疊層體沿著垂直於電極表面的方向極化。
本發明的壓電元件是採用上述本發明製造壓電元件的方法製造的。
由於本發明的壓電元件可以具有疊層結構，從考慮到元件尺寸，就提高頻率而言是有優點的。也就是說，為了能用於更高的頻率，必須減小壓電元件的厚度。但是，當壓電元件能夠有本發明所述之疊層結構時，由于振動電極布置在內部，因此，相對於具有同等厚度的元件，可使要振動部分的厚度得以減小，因此可用於更高的頻率。
另外，由於本發明的壓電元件中，陶瓷壓電層沿與振動電極接近垂直的方向被定向，剩餘極化值就比利用隨機定向之陶瓷壓電層的傳統壓電元件的大，這就提高了機電耦合常數，因此，可以用於如寬帶和中等帶寬的濾波器。在現有技術中，即使當陶瓷壓電層被定向，也難以形成陶瓷壓電層的疊層體，而適於自發極化的軸和振動電極彼此垂直。在現有技術中，可以疊層陶瓷壓電層，以便使得適於自發極化的軸與內部電極可彼此平行。但是，通過上述層壓不能獲得優異的壓電性能。另一方面，在本發明中，陶瓷壓電層可以在定向條件下疊層，在這種條件下，適於使自發極化的軸和內電極變得彼此接近垂直，因此可以獲得優異的壓電性能。
圖7是說明在片的模製之後片的內部結構示意圖；圖8是說明例1中步驟的示意圖；圖9是說明片疊層並壓力粘接條件的示意圖；
圖10是表示例1中另一步驟的示意圖；圖11是說明圖10所示條件的示意圖；圖12是表示例1中另一步驟的透視圖；圖13是說明圖12所示條件的示意圖；圖14是表示例1中又一步驟的透視圖；圖15是說明圖14所示條件的示意圖；圖16是表示例1中再一步驟的透視圖；圖17是說明圖16所示條件的示意圖；圖18是表示例1中另一步驟的透視圖；圖19是表示例1中另一步驟的透視圖；圖20是說明設置電極之模製品被疊層並壓力粘接條件的示意圖；圖21是說明在用X射線衍射方法測量陶瓷粉末的峰值強度時具有最高強度之晶面是(119)平面的示意圖；圖22是說明就本發明的壓電元件，在利用X射線衍射方法測量與振動電極平行之平面的峰值強度時，具有最高強度的晶面是(020)平面的示意圖；圖23是說明適於極化的方向接近平行於板狀晶體顆粒的(020)平面法線的方向的示意圖；圖24是表示利用X射線衍射方法測量的陶瓷粉末和例1中製造的壓電元件的電極表面的強度曲線；圖25是說明傳統的隨機定向壓電元件的示意圖；圖26是說明傳統定向壓電元件的示意圖；圖27是說明例1壓電元件的示意圖；圖28是說明例2中步驟的示意圖；圖29是表示例2中另一步驟的透視圖；圖30是表示例2中又一步驟的透視圖；圖31是表示例2中再一步驟的透視圖；
圖32是表示例2中另一步驟的透視圖；圖33是表示例2中另一步驟的透視圖；圖34是表示例2中另一步驟的透視圖；圖35是表示利用X射線衍射方法測量的陶瓷粉末和例2中製造的壓電元件的電極表面的強度曲線；；圖36是說明例3中步驟的示意圖；圖37是表示例3中另一步驟的透視圖；圖38是表示例3中又一步驟的透視圖；圖39是表示例3的再一步驟的透視圖。
這些壓電層12a和12b被疊層形成整體。這些壓電層12a和12b中的每一個包含陶瓷晶體顆粒，所示顆粒具有形狀各向異性，並且在一個平面內優先定向自發極化。所示平面的面內方向接近垂直於陶瓷壓電層12a和12b的主平面。另外，這些陶瓷壓電層12a和12b沿同一厚度方向被極化，如圖2箭頭所示。
在陶瓷壓電層12a和12b之間的中點處設置形狀比如為圓形的振動電極14a，設置形狀比如為字母T狀的引出電極16a，使從振動電極14a至壓電陶瓷12的一個端表面。在陶瓷壓電層12a的表面中心設置比如形狀為圓形的振動電極14b，設置形狀比如為字母T狀的引出電極16b，使從振動電極14b至壓電陶瓷12的另一個端表面。另外，在陶瓷壓電層12b的表面中心設置比如形狀為圓形的振動電極14c，設置形狀例如為字母T狀的引出電極16c，使從振動電極14c至壓電陶瓷12的另一個端表面。這些振動電極14a-14c被設置成彼此面對，而陶瓷壓電層12a和12b夾於其間，以便激發。可使引出電極16a-16c各自形成比如為字母I的形狀。
引出電極16a通過引線18a連接至一個外部電極20a，引線電極16b和16c通過另一個引線18b連接至另一個外部電極20b。
在這個壓電元件10中，在振動電極14a-14c彼此疊置的區域內被激發二次厚度擴張諧波。
以下描述上述壓電元件10的製造方法。(例1)製備Bi2O3、TiO2、CaCO3和MnCO3作為原料。將這些原料稱重，使得組成為CaBi4Ti4O15+0.5％重量比的MnCO3，並在球磨中溼混約16小時，從而形成混合物。將所得到的混合物乾燥，然後在900℃下煅燒2小時，從而形成陶瓷材料的煅燒粉末。然後，將所述煅燒粉末與作為助熔劑的KCL按照重量比1∶1進行混合，在900-1100℃熱處理10個小時。在這種情況下，在助熔劑℃熔融並且煅燒粉末生長為晶粒的溫度下進行熱處理。在熱處理之後，通過水洗，去掉KCL，從而，製得CaBi4Ti4O15陶瓷粉末。利用掃描電鏡進行鑑定，表明所得陶瓷粉末具有形狀各向異性，並且形狀為板狀。所述陶瓷粉末不會聚結、粘和等，處於每個顆粒都與其他顆粒相獨立的狀態。圖3是表示製造具有形狀各向異性的晶體顆粒的步驟圖。圖4是表示CaBi4Ti4O15的板狀晶體顆粒的電子顯微鏡照片。該板狀陶瓷粉末縱橫比L/H為10的數量級，其中縱橫比是最大直徑(長軸尺寸L)與高度(短軸尺寸H)的比值。
以下描述具有形狀各向異性的晶體顆粒。在許多情況下，Bi層化合物成為板狀晶體顆粒，如圖5所示。其原因被認為這種該材料的晶體結構如圖6所示，並且引入了Bi2O2層和假鈣鈦礦層構成的疊層結構。晶體的c軸被認為是平行於和板狀晶體顆粒的主表面垂直的方向(從XRD分析中可以清楚的看出這一點)。自發極化的方向主要沿a軸方向。有些Bi層化合物也具有c軸方向的極化分量。但是，這種分量是非常少的。例1所用的CaBi4Ti4O15被認為沿c方向不具有自發極化分量。在板狀晶體顆粒中的a軸和b軸被認為是指向與板狀晶體顆粒的主表面平行的方向。但是，據信，在極化處理之前，a軸和b軸的方向指向平行於主表面的隨機方向，因此，板狀晶體顆粒的自發極化的總的值是0。由於不能沿c軸方向發生極化，因此適於自發極化的方向是平行於板狀晶體顆粒主平面的方向，平行於板狀晶體顆粒主平面的每個方向是適於自發極化的方向。
然後，混合50重量份的前述板狀陶瓷粉末和50重量份的前述煅燒粉末的混合物粉末、以及適量的有機粘合劑、分散劑、消泡劑和表面活性劑，形成陶瓷糊料。
利用刮刀方法，對這種陶瓷糊料進行片的模製，從而，形成矩形片30，作為模製品。在所述片的模製之後，所述片的內部具有如圖7所示的結構。也就是，由於具有形狀各向異性的晶體顆粒是板的形狀，因此，其板狀主平面和片的延伸方向基本上彼此平行。當然，具有形狀各向異性的晶體顆粒和煅燒粉末是同樣的材料。儘管平行於具有形狀各向異性的晶體顆粒的主平面的方向是適於自發極化的方向，但在所述片的模製時，片延伸的每個方向是適於自發極化的方向。不過，片的厚度方向是c軸方向，它不是適於自發極化的方向，因此，極化處理是困難的。所述片30的厚度是40-100μm。片30沿圖8箭頭所示的方向，也就是與厚度方向正交的面內方向，具有適於自發極化的軸。類似地，在其他各圖中用箭頭顯示了適於自發極化的軸的方向。
如圖8和9所示，疊層多個片30，並壓力粘接之，形成1mm量級的厚度，因此，如圖10和11所示，形成厚度為0.8mm量級的壓力粘接的板狀模製品32。很清楚，在這種情況下，所述的疊層、壓力粘接方向以及適於自發極化的方向是彼此垂直的。
如圖12和13所示，沿著平行於片30的疊層方向切割板狀模製品32，從而，製得多個寬度為0.5mm的條狀模製品34。
如圖14和15所示，使所有條狀模製品34傾斜90°，並且其間不留間隙地平放在模具中，然後壓力粘接。也就是說，在條狀模製品34的切割表面以及壓力粘接過程中施加壓力的方向相互垂直的情況下，進行壓力粘接。按照這種方式，使各條狀模製品彼此粘結，從而形成板狀模製品36，如圖16和17所示。與板狀模製品36主平面平行的方向是平行於所述片30疊置的方向。
如圖18所示，在所述板狀模製品36的主平面上通過印刷然後再乾燥，形成由Pt製成的電極38。
如圖19和20所示，疊層帶有電極38的板狀模製品，然後再壓力粘接，形成疊層體。所述疊層體包括疊置的兩個模製品36，在兩個模製品36的頂表面和底表面上以及兩個模製品36之間設置電極38。關於這種疊層體，適於自發極化的方向以及電極38的平面成相互垂直關係。
繼而，通過在1150℃燒制兩個小時，燒結所述疊層體，從而形成燒制體。使所述燒制體在兩個電極38之間沿模製品的厚度方向在矽油中進行極化處理，條件是150-200℃，8-10KV/mm，10-30分鐘，由此製成在壓電陶瓷內部和外部設有振動電極的壓電元件10。
對例1中製造的壓電元件10的壓電陶瓷12的表面進行拋光處理，同時使該表面平行於電極表面，利用X射線衍射方法測量每個晶面的峰值強度(輻射源CuKa，30KV，15mA)。結果，自發極化的方向和a軸接近彼此平行，由垂直方向的晶面得到的最高峰值強度I是2208cps，這是來自(020)面的反射。
按照與上述同樣的方式，測量與上述壓電陶瓷12有相同組成之陶瓷粉末的每個晶面的峰值強度。結果，證明最高峰值強度是歸因於(119)面的反射。當測量平行於壓電元件10之壓電陶瓷12中的電極表面的晶面時，來自(119)面的反射強度的峰值強度I0是1373cps。
因此，關於例1中製造的壓電元件10，峰值強度I對峰值強度I0的比例I/I0是1.61。
為了評估例1中製造的壓電元件10的壓電性能，利用阻抗分析儀HP4194A，採用共振-反共振方法，測量厚度擴張振動二次諧波的機電耦合常數K，結果是K是20％。
製造隨機定向的樣品作為比較例，用以比較例1中製造的壓電元件10的壓電性能。通過與例1中相同的步驟製造與例1中所製造之陶瓷材料的煅燒粉末相同的陶瓷材料煅燒粉末。將適量的有機粘合劑、分散劑、消泡劑和表面活性劑混合在該煅燒粉末中，從而製成陶瓷糊料。利用刮刀方法對這種陶瓷糊料進行片的模製，於是製成所述的片，作為模製品。這種片的厚度是40-100μm。通過印刷在所述片的主平面上形成由Pt製成的電極，將這種片的疊層而形成疊層體。這種疊層體包含疊置於所述片之間的電極，除此之外，還包含在疊置的片上每一個表面上的電極。使該疊層體在1150℃被燒制兩個小時，形成燒制體。對所述燒制體沿著片的厚度方向在矽油中進行極化處理，條件是150-200℃，8-10KV/mm和10-30分鐘，由此，按照與壓電元件10同樣的方式，製成在壓電陶瓷內部和外部設有振動電極的壓電元件。
根據利用X射線衍射方法對比較例中製造之壓電元件的壓電陶瓷的表面的峰值強度的分析結果，很清楚，峰值強度接近於由相同成分之粉末所得的峰值強度，因此，該樣品具有隨機定向。關於在比較例中製造的壓電元件，測量(020)面的峰值強度對(119)面的峰值強度的比值I/I0，結果是I/I0是0.26。另外，關於比較例中製造的壓電元件，測量厚度擴張振動二次諧波的機電耦合常數K，結果是K為15％。
這就是說，由於極化方向沿與例1中製造之壓電元件10的電極表面垂直的方向被相對對準，其中峰值強度比值I/I0是1.61，因此證實了與峰值強度比例I/I0為0.26的隨機定向的樣品相比，所述機電耦合常數得以增大。
以下進一步描述前述的峰值強度等。
當利用X射線衍射方法測量具有與本發明壓電元件10的壓電陶瓷12相同組成之陶瓷粉末的峰值強度時，有如圖21所示者，具有最高峰值強度的晶面是(119)面。
另一方面，當利用X射線衍射方法測量平行於本發明壓電元件10振動電極的平面的峰值強度時，由於將晶軸定向成相同的程度，所以(020)面是具有最高峰值強度的晶面，如圖22所示，因此，在定向為隨機的時候作為最大值的來自面(119)的反射強度就被減弱。
因此，根據(020)面和(119)面的峰值強度比例來限定所述定向程度。也就是說，隨著定向度的提高，因此而使隨著板狀晶體顆粒變得垂直于振動電極的表面，(020)面的峰值強度提高，而(119)面的峰值強度降低。由於自發極化的方向接近於平行板狀晶體顆粒之(020)面的法線方向，如圖23所示，所以，與隨機定向的樣品相比，例1中製造的壓電元件10的機電耦合常數得以被提高。
圖24是表示利用X射線衍射方法測得的陶瓷粉末和按照例1製造的壓電元件10的電極表面的強度曲線，其中陶瓷粉末和壓電元件具有相同的組成。在圖24中，圖的上欄顯示陶瓷粉末的強度，以避免在陶瓷粉末和壓電元件10的強度之間形成重疊。
以下進一步描述傳統的隨機定向壓電元件、傳統的定向壓電元件以及例1中的壓電元件。
圖25是說明傳統的隨機定向壓電元件的示意圖。圖26是說明傳統的定向壓電元件的示意圖。圖27是說明例1中壓電元件的示意圖。
圖25所示傳統的隨機定向壓電元件的機電耦合常數小，而且壓電性能低。
圖26所示傳統的定向壓電元件可用TGG方法很容易地製得。但是由於自發極化的方向(圖26箭頭所示的方向)平行於板狀晶體顆粒的主平面方向，從而平行於電極，因此存在壓電性能低的問題。
另一方面，在圖27所示的例1中的壓電元件中，自發極化的方向(圖27箭頭所示的方向)是垂直於電極的，因此，壓電性能得到改善。利用現有技術，難以製造有如例1的壓電元件這樣的帶有內電極的壓電元件。(例2)按照例2，通過與例1同樣的步驟，製造的矩形片30與作為例1之模製品的矩形片30是同樣的。
如圖28所示，疊置多個片30，進行壓力粘接，形成4mm量級的厚度，從而，有如圖29所示那樣，製得塊狀模製品33。
如圖30所示，沿與所述片30的疊層方向平行的方向切割所述塊狀模製品33，於是，製得厚度為0.5mm的板狀模製品37。
如圖31所示，使板狀模製品37傾斜90°，並如圖32所示，在板狀模製品37的切割表面上通過印刷，然後再乾燥，形成由Pt製成的電極38。
如圖33所示，疊置帶有電極38的模製品37和不帶電極38的模製品37，並進行壓力粘接，從而如圖34所示那樣，製得內部帶有電極38的疊層體40。
將所述疊層體40在1150℃下燒制2小時，形成燒制體。對所述燒制體在矽油中進行極化處理，條件為150-200℃，8-10KV/mm和10-30分鐘。通過研磨所述燒制體的頂表面和底表面，進行平滑處理，然後，通過濺射分別在燒制體的頂表面和底表面形成由Ag製成的電極，從而製得在壓電陶瓷內部和外部具有振動電極的壓電元件10。
對例2所製得之壓電元件10的壓電陶瓷12的表面進行拋光處理，按照與例1類似的方式，測量由沿與極化方向垂直的方向的晶面所得的最高峰值強度。結果，由(020)面的反射是最高的，其峰值強度I是2605cps。
如例1所示那樣，證實了具有與例2中製得之壓電元件10的壓電陶瓷12同樣組成的陶瓷粉末的最高峰值強度歸因於來自(119)面的反射。當對與例2所得壓電元件10的壓電陶瓷12中的電極表面平行的平面進行測量時，從(119)面導致的峰值強度是1125cps。
因此，關於例2中製得的壓電元件10，峰值強度I對峰值強度I0的比例是2.31。
圖35是表示利用X射線衍射方法測量的陶瓷粉末和例2中製得的壓電元件10的電極表面的強度曲線，其中陶瓷粉末和壓電元件具有相同的組成。在圖35中，圖的上欄顯示陶瓷粉末的強度，以避免在陶瓷粉末和壓電元件10的強度之間形成重疊。
關於例2中製得的壓電元件10，利用阻抗分析儀HP4194A測量厚度擴張振動二次諧波的機電耦合常數，結果是K為22％。
因此，關於例2中製得的壓電元件10，證實了與例1中所述的隨機定向樣品相比，這個機電耦合常數得以被增大。(例3)例3中通過與例1同樣的步驟，製得的矩形片30與作為例1之模製品的矩形片30是同樣的。
如圖36所示，疊置多個片30，進行壓力粘接，形成4mm量級的厚度，從而有如圖37所示者，製得塊狀模製品33。
對所述塊狀模製品33按照與例1和例2同樣的步驟進行燒制，形成燒制體。
如圖38所示，沿著與片30的層壓方向平行的方向切割所述燒制體33，於是，製得厚度為0.5mm的板狀燒制體42。
在使板狀燒制體42的切割表面受到拋光之後，給燒制體42的拋光表面塗布電極糊，如銀糊，並使該板狀燒制體42與電極糊粘和。然後烘焙電極糊，如圖39所示，形成疊層體44，其中在兩個板狀燒制體42之間設置電極38。
在層狀體44的頂表面和底表面上分別形成電極，從而製得在壓電陶瓷內部和外部都帶有振動電極的壓電元件10。
關於在例3中製得的壓電元件10，按照與例1或例2中製得之壓電元件10類似的方式，測得的峰值強度I對峰值強度I0的比值I/I0為1或大於1。另外，證實了與隨機定向樣品相比，所述機電耦合常數得以被增大。
在前述各例中，陶瓷材料的煅燒粉末用於混合粉末中。但是在本發明中，可以使用陶瓷原料的粉末代替陶瓷材料的煅燒粉末。另外，可以使用生(green)混合粉末代替所述混合粉末。
在前述各例中，通過刮刀等方法成模製品。但是在本發明中，可以採用其他模製方法，例如擠出、各向異性加壓以及滾軋形成模製品。
在前述例1中，如圖14和15所示那樣，將條狀模製品34其間不留空隙地平放在模具中，然後壓力粘接。但也可將那些模製品34粘在雙面膠帶上，而不使用模具。
在前述例1中，將模製品36疊置，並壓力粘接，如圖19和20所示那樣。在前述例2中，使模製品37被疊置，並壓力粘接，如圖33所示那樣。但是，這些模製品也可以用雙面膠帶粘接。
除了前面所述的包含三層電極的壓電元件10之外，本發明可以用於包含四層或更多電極的其他壓電元件。
在本發明中，「接近垂直」的文字含義包括「基本垂直」和「垂直」。另外，在本發明中，「接近平行」的文字含義包括「基本平行」和「平行」。
按照本發明，關於疊層型的壓電元件，由於可以優化的方式定向極化軸，所以可將壓電元件被製造為其中極化軸和電極被設置成彼此接近垂直，可以製造能夠加給與極化軸平行之激發電場的疊層型壓電元件。按照這種方式，與傳統的隨機定向壓電元件或傳統的定向壓電元件相比，能夠提高機電耦合常數。
權利要求
1.一種壓電元件，它包括含有陶瓷晶體顆粒的陶瓷壓電層，所述晶體顆粒的形狀各向異性，並在一個平面內優先定向自發極化；以及至少三個振動電極，它們被設置成彼此面對，所述陶瓷壓電層被夾於其中，以激發振動，其中所述平面的面內方向被設置成與所述振動電極接近垂直，並且所述至少三個振動電極彼此疊置的區域內激發n次厚度擴張諧波，n是2或2以上的自然數。
2.如權利要求1所述的壓電元件，其中，所述具有形狀各向異性的陶瓷晶體顆粒包括層狀鈣鈦礦結構。
3.如權利要求1或2所述的壓電元件，其中，所述具有形狀各向異性的陶瓷晶體顆粒是板狀。
4.如權利要求3所述的壓電元件，其中，縱橫比L/H是3或大於3，所述縱橫比是長軸尺寸L與短軸尺寸H的比值。
5.如權利要求1所述的壓電元件，其中，當利用X射線衍射方法測量與振動電極平行的陶瓷壓電層的表面時，比值I/I0是1.0或大於1.0，其中I表示由沿與陶瓷晶體顆粒自發極化方向垂直的方向的晶面導致的最高峰值強度，I0表示由與在跟前述陶瓷晶體顆粒有相同組成之陶瓷粉末中獲得最高峰值強度之晶面相同的晶面所引致的峰值強度。
6.一種製造如權利要求1-5任一項所述壓電元件的壓電元件製造方法，它包括如下步驟製備陶瓷糊，所述陶瓷糊包括具有形狀各向異性的陶瓷晶體顆粒以及陶瓷原料的粉末或陶瓷材料的煅燒粉末；通過模製陶瓷糊形成板狀模製品，並且所述模製品具有適於沿與厚度方向正交的方向極化的軸；將所述模製品沿與厚度方向接近平行的方向切割成條狀；將切割的條狀模製品粘成板狀，粘接方式使切割表面不會彼此面對面接觸；在粘成板狀的模製品的切割表面上形成電極；通過將粘成板狀的模製品層壓而形成疊層體；通過燒制該疊層體形成燒制材料；以及通過向所述燒制材料沿與電極表面垂直的方向施加直流電場進行處理，使所述燒制材料沿與電極表面垂直的方向被極化。
7.一種製造如權利要求1-5任一項所述壓電元件的壓電元件製造方法，它包括如下步驟製備陶瓷糊，所述陶瓷糊包括具有形狀各向異性的陶瓷晶體顆粒以及陶瓷原料的粉末或陶瓷材料的煅燒粉末；通過模製陶瓷糊形成塊狀模製品，所述模製品具有適於沿與一個方向正交的方向極化的軸；將所述模製品沿與所述的一個方向接近平行的方向切割成板狀；在切成板狀的模製品的切割表面上形成電極；通過將切割成板狀的模製品層壓而形成疊層體；通過燒制所述疊層而形成燒制材料；以及通過向所述燒制材料沿與電極表面垂直的方向施加直流電場進行處理，使該燒制材料沿與電極表面垂直的方向被極化。
8.一種製造如權利要求1-5任一項所述壓電元件的壓電元件製造方法，它包括如下步驟製備陶瓷糊，所述陶瓷糊包括具有形狀各向異性的陶瓷晶體顆粒以及陶瓷原料的粉末或陶瓷材料的煅燒粉末；通過模製陶瓷糊形成塊狀模製品，所述模製品具有適於沿與一個方向正交的方向極化的軸；通過燒制所述模製品而形成燒制材料；將該燒制材料沿與所述的一個方向接近平行的方向切割成板狀；在切成板狀的燒制材料的切割表面上形成電極；通過將切割成板狀的燒制材料層壓而形成疊層體；以及通過向該疊層體沿與電極表面垂直的方向施加直流電場進行處理，使該疊層體沿與電極表面垂直的方向被極化。
全文摘要
一種具有改善之壓電性能的疊層型壓電元件。這類壓電元件中，在壓電體中布置振動電極，激發厚度振動的高次振動。所述壓電元件包括平行四邊形的壓電陶瓷。壓電陶瓷包括疊置的兩個陶瓷壓電層，並整體形成。每個壓電陶瓷層包括陶瓷晶體顆粒，所述陶瓷晶體顆粒具有形狀各向異性以及優先在一個平面內的自發極化。這個平面的面內方向垂直於陶瓷壓電層的主平面。陶瓷壓電層沿著同樣的厚度方向極化。在陶瓷壓電層之間以及陶瓷壓電層的頂表面和底表面布置三個振動電極。
文檔編號H03H9/02GK1447452SQ0310739
公開日2003年10月8日 申請日期2003年3月25日 優先權日2002年3月25日
發明者小川弘純, 木村雅彥, 林宏一, 安藤陽 申請人:株式會社村田製作所