DE10007261A1 - Piezoelektrische Keramikzusammensetzung und piezoelektrische keramische Vorrichtung unter Verwendung derselben - Google Patents
Piezoelektrische Keramikzusammensetzung und piezoelektrische keramische Vorrichtung unter Verwendung derselbenInfo
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Abstract
Eine bleifreie piezoelektrische Keramikzusammensetzung ist zusammengesetzt aus einer Hauptkomponente, dargestellt durch die allgemeine Formel DOLLAR A (Sr¶1-x¶M1¶x¶)Bi¶2¶(Nb¶1-y¶W¶y¶)¶2¶O¶9¶, worin M1 eines ist von anderen der zweiwertigen Metalle als Sr und anderen der dreiwertigen Metalle als Bi, 0 < x 0,3 und 0 < y 0,3. DOLLAR A Beispiele der zweiwertigen Metalle und dreiwertigen Metalle umfassen Ca, Ba, Mg, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Er, Yb, Sc und Y. Die piezoelektrische Keramikzusammensetzung ist bei einer relativ niedrigen Temperatur von 1100 DEG C oder weniger sinterbar und weist einen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten kt auf, der von praktisch anwendbarer Größe ist. Die piezoelektrische Keramikzusammensetzung kann bei piezoelektrischen Keramikfiltern, piezoelektrischen Keramikoszillatoren und piezoelektrischen Keramikvibratoren Anwendung finden.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft piezoelektrische Keramikzusammensetzungen und
piezoelektrische keramische Vorrichtungen unter Verwendung derselben. Genauer
gesagt betrifft die vorliegende Erfindung piezoelektrische Keramikzusammen
setzungen, die als Werkstoffe für piezoelektrische Keramikfilter, piezoelektrische
Keramikoszillatoren und piezoelektrische Keramikvibratoren nützlich sind, und betrifft
piezoelektrische keramische Vorrichtungen unter Verwendung derselben.
Piezoelektrische Keramikzusammensetzungen, umfassend Bleititanatzirkonat
(Pb(TixZr1-x)O3) oder Bleititanat (PbTiO3) als Hauptkomponenten finden umfang
reiche Anwendung bei piezoelektrischen Keramikfiltern, piezoelektrischen
Keramikoszillatoren und piezoelektrischen Keramikvibratoren. Zur Herstellung der
piezoelektrischen Keramikzusammensetzungen, umfassend Bleititanatzirkonat oder
Bleititanat als Hauptkomponenten, wird allgemein Bleioxid verwendet. Bleioxid macht
jedoch bestimmte Vorrichtungen, wie z. B. Filter, zur Entfernung des pulvrigen
Bleioxids erforderlich, das durch Verdampfung während der Herstellungsschritte
ausgetragen wird. Solche Vorrichtungen erhöhen die Produktionskosten, und
außerdem vermindert die Verdampfung des Bleioxids die Gleichmäßigkeit der
Produktqualität.
Piezoelektrische Keramikzusammensetzungen dagegen, die auf Bismut aufgebaute
Verbindungen wie (Sr1-xMx)Bi2Nb2O9 als Hauptkomponenten und Mn als wahlweise
Komponenten umfassen, enthalten kein Bleioxid und ergeben daher nicht die
obengenannten Probleme.
Diese piezoelektrischen Keramikzusammensetzung müssen allerdings bei hohen
Temperaturen von mindestens 1.250°C gesintert werden, um piezoelektrische
keramische Werkstoffe mit elektromechanischen Kopplungskoeffizienten kt von
mindestens 10% zu erhalten, bei welchen es sich um praktisch anwendbare Größen
handelt. Daher machen diese piezoelektrischen Keramikzusammensetzungen
Sinteröfen erforderlich, die solch hohen Sintertemperaturen standhalten können.
Darüber hinaus zeigen Einsatzbehälter und ähnliches zur Aufnahme der
piezoelektrischen Keramikzusammensetzung während der Sinterung kurze
Nutzdauern im Hochtemperaturbetrieb, was zu steigenden Produktionskosten führt.
Demgemäß ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Bereitstellung einer
piezoelektrischen Keramikzusammensetzung, die bei einer Temperatur von 1.100°C
oder weniger sinterbar ist, kein Blei oder Bleiverbindungen enthält und eine praktisch
anwendbare Größe des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten kt bei solch
einer niedrigen Sintertemperatur zeigt. Die piezoelektrische Keramikzusammen
setzung ist als Werkstoff für piezoelektrische Keramikfilter, piezoelektrische
Keramikoszillatoren und piezoelektrische Keramikvibratoren nützlich.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer
piezoelektrischen keramischen Vorrichtung unter Verwendung der piezoelektrischen
Keramikzusammensetzung.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt eine
piezoelektrische Keramikzusammensetzung eine Hauptkomponente, wie dargestellt
durch die allgemeine Formel SrBi2(Nb1-yWy)2O9, worin 0 < y ≦ 0,3.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt eine
piezoelektrische Keramikzusammensetzung eine Hauptkomponente, wie dargestellt
durch die allgemeine Formel (Sr1-xM1x)Bi2(Nb1-yWy)2O9, worin M1 eines ist von
anderen der zweiwertigen Metalle als Sr und anderen der dreiwertigen Metalle als Bi,
0 < x ≦ 0,3 und 0 < y ≦ 0,3. Das M1 in der allgemeinen Formel kann mindestens ein
Element sein, gewählt aus der Gruppe, bestehend aus Ca, Ba, Mg, La, Ce, Pr, Nd,
Sm, Gd, Dy, Er, Yb, Sc und Y.
Gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt eine
piezoelektrische Keramikzusammensetzung eine Hauptkomponente, wie dargestellt
durch die allgemeine Formel (Sr1-xM22x/3)Bi2(Nb1-yWy)2O9, worin M2 ein anderes
dreiwertiges Metall als Bi ist, 0 < x ≦ 0,45 und 0 < y ≦ 0,3. Das M2 in der allgemeinen
Formel kann mindestens ein Element sein, gewählt aus der Gruppe, bestehend aus
La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Er, Yb, Sc und Y.
Gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt eine
piezoelektrische Keramikzusammensetzung eine Hauptkomponente, wie dargestellt
durch die allgemeine Formel SrBi2Nb2O9, und größer 0 bis 0,3 Mol W, bezogen auf
1 Mol Bi in der Hauptkomponente. Diese piezoelektrische Keramikzusammen
setzung kann außerdem eines umfassen von anderen der zweiwertigen Metalle als
Sr und anderen der dreiwertigen Metalle als Bi in einer Menge von größer 0 bis 0,15
Mol, bezogen auf 1 Mol Bi in der Hauptkomponente. Das zweiwertige Metall oder
das dreiwertige Metall kann mindestens ein Element sein, gewählt aus der Gruppe,
bestehend aus Ca, Ba, Mg, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Er, Yb, Sc und Y.
Die piezoelektrischen Keramikzusammensetzungen gemäß der ersten bis vierten
Ausführungsform können außerdem Mangan als eine Hilfskomponente in einer
Menge von größer 0 bis 1,0 Gewichtsprozent in Form von MnCO3 umfassen.
Gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt eine
piezoelektrische keramische Vorrichtung einen piezoelektrischen keramischen
Werkstoff, umfassend die piezoelektrische Keramikzusammensetzung gemäß einer
der ersten bis vierten Ausführungsformen, und Elektroden.
Die obigen Aufgaben, weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden aus den nachfolgenden bevorzugten Ausführungsformen weiter
ersichtlich werden.
In Abb. 1 ist eine isometrische Ansicht eines Beispiels für einen piezoelektrischen
Keramikvibrator gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt; und
in Abb. 2 ist eine schematische Querschnittsansicht des in Abb. 1 gezeigten
piezoelektrischen Keramikvibrators gezeigt.
Die piezoelektrische Keramikzusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung
setzt sich zusammen aus einer Hauptkomponente, wie dargestellt durch die Formel
(Sr1-xMx)Bi2Nb2O9, worin M ein anderes zweiwertiges Metallelement als Sr oder ein
anderes dreiwertiges Metallelement als Bi ist und 0 ≦ x ≦ 0,3. Alternativ dazu setzt
sich die piezoelektrische Keramikzusammensetzung gemäß der vorliegenden
Erfindung zusammen aus einer Hauptkomponente, wie dargestellt durch die Formel
SrBi2Nb2O9.
Bei der piezoelektrischen Keramikzusammensetzung, umfassend eine Haupt
komponente, wie dargestellt durch die allgemeine Formel (Sr1-xM1x)Bi2(Nb1-yWy)2O9,
weist das tiefgestellte x darauf hin, daß der M1-Gehalt in einem Bereich von
0 < x ≦ 0,3 liegt. Bei einem M1-Gehalt außerhalb dieses Bereichs erreicht der
elektromechanische Kopplungskoeffizient kt keine praktisch anwendbare Größe.
Bei der piezoelektrischen Keramikzusammensetzung, umfassend eine
Hauptkomponente, wie dargestellt durch die allgemeine Formel
(Sr1-xM22x/3)Bi2(Nb1-yWy)2O9, weist das tiefgestellte x darauf hin, daß der M2-Gehalt
im Bereich von 0 < x ≦ 0,45 liegt. Bei einem M2-Gehalt außerhalb dieses Bereichs
erreicht der elektromechanische Kopplungskoeffizient keine praktisch anwendbare
Größe.
Bei den piezoelektrischen Keramikzusammensetzungen gemäß der vorliegenden
Erfindung weist das tiefgestellte y darauf hin, daß der W-Gehalt im Bereich von
0 < y ≦ 0,3 liegt. Enthält die piezoelektrische Keramikzusammensetzung kein W
(y = 0), so ist diese piezoelektrische Keramikzusammensetzung bei einer
Temperatur von 1.100°C oder weniger nicht ausreichend sinterbar und ist nicht
polarisiert. Übersteigt das tiefgestellte y 0,3, so erreicht der elektromechanische
Kopplungskoeffizient kt keine praktisch anwendbare Größe.
Bei der piezoelektrischen Keramikzusammensetzung, umfassend eine
Hauptkomponente, wie dargestellt durch die allgemeine Formel SrBi2Nb2O9, und W
als eine zusätzliche Komponente, liegt der W-Gehalt in einem Bereich von größer 0
bis 0,3 Mol, bezogen auf 1 Mol Bi in der Hauptkomponente. Beträgt der W-Gehalt 0,
so ist die piezoelektrische Keramikzusammensetzung bei einer Temperatur von
1.100°C oder weniger nicht ausreichend sinterbar und ist nicht polarisiert. Übersteigt
der W-Gehalt 0,3 Mol, so erreicht der elektromechanische Kopplungskoeffizient kt
keine praktisch anwendbare Größe.
Diese piezoelektrische Keramikzusammensetzung kann außerdem eines umfassen
von anderen der zweiwertigen Metalle als Sr und anderen der dreiwertigen Metalle
als Bi in einer Menge von größer 0 bis 0,15 Mol, bezogen auf 1 Mol Bi in der
Hauptkomponente. Übersteigt der Gehalt an zweiwertigem oder dreiwertigem Metall
0,15 Mol, so erreicht der elektromechanische Kopplungskoeffizient kt keine praktisch
anwendbare Größe.
Die piezoelektrische Keramikzusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung
umfaßt vorzugweise außerdem Mangan als einer Hilfskomponente in einer Menge
von größer 0 bis 1,0 Gewichtsprozent in Form von MnCO3. Die Zugabe von Mangan
trägt zu verbesserten Sintereigenschaften bei. Übersteigt der Gehalt an Mangan 1,0
Gewichtsprozent in Form von MnCO3, so ist die piezoelektrische Keramikzusammen
setzung nicht polarisiert.
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung sind besonders dann erkennbar, wenn das
M1 mindestens ein Element ist, gewählt aus der Gruppe, bestehend aus Ca, Ba, Mg,
La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Er, Yb, Sc und Y.
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung auch dann besonders erkennbar, wenn das
M2 mindestens ein Element ist, gewählt aus der Gruppe, bestehend aus La, Ce, Pr,
Nd, Sm, Gd, Dy, Er, Yb, Sc und Y.
Darüber hinaus sind die Vorteile der vorliegenden Erfindung besonders dann
erkennbar, wenn das andere zweiwertige Metall als Sr oder andere dreiwertige
Metall als Bi mindestens ein Element ist, gewählt aus der Gruppe, bestehend aus
Ca, Ba, Mg, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Er, Yb, Sc und Y.
In Abb. 1 ist eine isometrische Ansicht eines Beispiels für einen piezoelektrischen
Keramikvibrator gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt, und in Abb. 2 ist eine
schematische Querschnittsansicht des piezoelektrischen Keramikvibrators gezeigt.
Ein piezoelektrischer Keramikvibrator 10 besteht zum Beispiel in einem rechteckig
geformten piezoelektrischen keramischen Werkstoff 12. Der piezoelektrische
keramische Werkstoff 12 weist zwei piezoelektrische Keramikschichten 12a und 12b
auf. Diese piezoelektrischen Keramikschichten 12a und 12b setzen sich aus der
piezoelektrischen Keramikzusammensetzung der vorliegenden Erfindung zusammen
und werden aufeinander laminiert. Darüber hinaus werden die piezoelektrischen
Keramikschichten 12a und 12b in derselben Dickenrichtung polarisiert, wie durch die
Pfeile in Abb. 2 gezeigt.
Eine kreisförmige Zitterelektrode 14a wird zwischen den piezoelektrischen
Keramikschichten 12a und 12b hergestellt, und eine Extraktionselektrode 16a in
T-Form erstreckt sich von der Zitterelektrode 14a bis hin zu einer Endfläche des
piezoelektrischen keramischen Werkstoffs 12. Eine weitere kreisförmige
Zitterelektrode 14b wird auf der piezoelektrischen Keramikschicht 12a hergestellt,
und eine weitere Extraktionselektrode 16b in T-Form erstreckt sich von der
Zitterelektrode 14b bis zur anderen Endfläche des piezoelektrischen keramischen
Werkstoffs 12. Darüber hinaus wird eine dritte kreisförmige Zitterelektrode 14c auf
der piezoelektrischen Keramikschicht 12b hergestellt und eine Extraktionselektrode
16c in T-Form erstreckt sich von der Zitterelektrode 14c bis zur anderen Endfläche
des piezoelektrischen keramischen Werkstoffs 12.
Die Extraktionselektrode 16a ist an den Außenanschluß 20a über eine Bleileitung
18a angeschlossen, die Extraktionselektroden 16b und 16c dagegen an einen
anderen Außenanschluß 20b über eine andere Bleileitung 18b.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Vorrichtungsanordnung beschränkt, wie
anhand des piezoelektrischen Keramikvibrators 10 gezeigt, sondern ist auch auf
andere Vorrichtungsanordnungen und weitere piezoelektrische keramische Geräte
anwendbar, wie zum Beispiel piezoelektrische Keramikvibratoren unter Ausnutzung
von Schwingungstypen (zum Beispiel Dickenscherungsschwingung oder dritte
Dickenoberwellen), piezoelektrische Filter und piezoelektrische Keramikoszillatoren.
Als Ausgangsstoffe wurden SrCO3, Bi2O3, Nb2O5, CaCO3, BaCO3, La2O3, Nd2O3,
Sm2O3, Y2O3, WO3 und MnGO3 hergestellt. Diese Stoffe wurden abgewogen und
mittels eines Naßverfahrens in einer Kugelmühle über etwa 4 Stunden hinweg so
vermischt, daß eine Zusammensetzung (Sr1-xM1x)Bi2(Nb1-yWy)2O9 + z Gewichts
prozent MnCO3 erhalten wurde, worin M1 eines ist von anderen der zweiwertigen
Metalle als Sr und anderen der dreiwertigen Metalle als Bi, 0 ≦ x ≦ 0,35, 0 ≦ y ≦ 0,35
und 0 ≦ z ≦ 1, 1, oder die Zusammensetzung (Sr1-xM22x/3)Bi2(Nb1-yWy)2O9 + z
Gewichtsprozent MnCO3 erhalten wurde, worin M2 ein anderes dreiwertiges Metall
als Bi ist, 0 ≦ x ≦ 0,5, 0 ≦ y ≦ 0,35 und 0 ≦ z ≦ 1, 1. Das Gemisch wurde getrocknet
und bei 700 bis 900°C calciniert. Das calcinierte Gemisch wurde grob pulverisiert
und dann zusammen mit einer geeigneten Menge eines organischen Bindemittels
durch ein Naßverfahren über 4 Stunden hinweg feinpulverisiert. Das pulverisierte
Pulver wurde unter Verwendung eines 40-mesh-Siebes zur Einstellung der
Teilchengröße gesiebt. Das Pulver wurde unter einem Druck von 1.000 kg/cm2 zum
Erhalt einer Scheibe eines Durchmessers von 12,5 mm und einer Dicke von 1 mm
gepreßt. Die Scheibe wurde bei 900 bis 1,250°C in Umgebungsluft zum Erhalt einer
Keramikscheibe gesintert. Eine Silberpaste wurde auf beide Oberflächen der
Keramikscheibe zur Herstellung von Silberelektroden aufgebracht. Eine Gleichstrom
spannung von 5 bis 10 kV/mm wurde zwischen die Silberelektroden über 10 bis 30
Minuten hinweg in einem Isolieröl bei 150 bis 200°C zur Polarisierung angelegt. In
dieser Weise wurde eine piezoelektrische Keramikprobe erhalten. Ähnlich wurden
piezoelektrische Keramikproben hergestellt, bei denen die Arten von M1 oder M2,
die M1- oder M2-Gehalte (x) und die W-Gehalte (y) variiert wurden.
Die Hälfte des tiefgestellten x in obiger Formel (Sr1-xM1x)Bi2(Nb1-yWy)2O9 entspricht
dem Gehalt an zweiwertigem oder dreiwertigem Metall, bezogen auf 1 Mol Bi in der
Hauptkomponente bei der vierten Ausführungsform. Ähnlich entspricht ein Drittel des
tiefgestellten x in obiger Formel (Sr1-xM22x/3)Bi2(Nb1-yWy)2O9 dem Gehalt an zwei
wertigem oder dreiwertigem Metall, bezogen auf 1 Mol Bi in der Hauptkomponente
bei der vierten Ausführungsform.
Es wurden Dichte, spezifischer Widerstand und elektromechanischer Kopplungs
koeffizient kt jeder Probe gemessen. In Tabellen 1 bis 3 sind die Ergebnisse gezeigt,
und außerdem die Art von M1 oder M2, x, y, der MnCO3-Gehalt und die Sinter
temperatur. In Tabellen 1 bis 3 bezeichnen die mit einem Sternchen versehenen
Probennummern solche Proben, die sich außerhalb des Rahmens der vorliegenden
Erfindung befinden.
Wie in Tabellen 1 bis 3 gezeigt, weisen die Proben gemäß der vorliegenden
Erfindung elektromechanische Kopplungskoeffizienten kt auf, die praktisch
anwendbare Größen darstellen, wenn die Proben bei einer Temperatur von
1.100°C oder weniger gesintert werden.
Die piezoelektrische Keramikzusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung
ist nicht auf obige BEISPIELE beschränkt und kann weitere Formulierungen
innerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung umfassen.
Claims (10)
1. Piezoelektrische Keramikzusammensetzung, umfassend eine Hauptkomponente,
dargestellt durch die allgemeine Formel SrBi2(Nb1-yWy)2O9, worin 0 < y ≦ 0,3.
2. Piezoelektrische Keramikzusammensetzung, umfassend eine Hauptkomponente,
dargestellt durch die allgemeine Formel (Sr1-xM1x)Bi2(Nb1-yWy)2O9, worin M1
eines ist von anderen der zweiwertigen Metalle als Sr und anderen der
dreiwertigen Metalle als Bi ist, 0 < x ≦ 0,3 und 0 < y ≦ 0,3.
3. Piezoelektrische Keramikzusammensetzung nach Anspruch 2, wobei das M1
mindestens ein Element ist, gewählt aus der Gruppe, bestehend aus Ca, Ba, Mg,
La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Er, Yb, Sc und Y.
4. Piezoelektrische Keramikzusammensetzung, umfassend eine Hauptkomponente,
dargestellt durch die allgemeine Formel (Sr1-xM22x/3)Bi2(Nb1-yWy)2O9, worin M2
ein anderes der dreiwertigen Metalle als Bi ist, 0 < x ≦ 0,45 und 0 < y ≦ 0,3.
5. Piezoelektrische Keramikzusammensetzung nach Anspruch 4, wobei das M2
mindestens ein Element ist, gewählt aus der Gruppe, bestehend aus La, Ce, Pr,
Nd, Sm, Gd, Dy, Er, Yb, Sc und Y.
6. Piezoelektrische Keramikzusammensetzung, umfassend eine Hauptkomponente,
dargestellt durch die allgemeine Formel SrBi2Nb2O9, und W in einer Menge von
größer 0 bis 0,3 Mol, bezogen auf 1 Mol des Bi in der Hauptkomponente.
7. Piezoelektrische Keramikzusammensetzung nach Anspruch 6, außerdem
umfassend eines von den anderen der zweiwertigen Metalle als Sr und anderen
der dreiwertigen Metalle als Bi in einer Menge von größer 0 bis 0,15 Mol,
bezogen auf 1 Mol des Bi in der Hauptkomponente.
8. Piezoelektrische Keramikzusammensetzung nach Anspruch 7, worin das eine
von den anderen der zweiwertigen Metalle als Sr und anderen der dreiwertigen
Metalle als Bi mindestens ein Element ist, gewählt aus der Gruppe, bestehend
aus Ca, Ba, Mg, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Er, Yb, Sc und Y.
9. Piezoelektrische Keramikzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
außerdem umfassend Mangan als eine Hilfskomponente in einer Menge von
größer 0 bis 1,0 Gewichtsprozent in Form von MnCO3.
10. Piezoelektrische keramische Vorrichtung, umfassend:
einen piezoelektrischen keramischen Werkstoff, umfassend eine piezoelektrische Keramikzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 9; und Elektroden.
einen piezoelektrischen keramischen Werkstoff, umfassend eine piezoelektrische Keramikzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 9; und Elektroden.
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