[发明专利]机电转换元件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及采用了压电陶瓷组合物的机电转换元件及其制造方法，其中，该压电陶瓷组合物的结晶构造为，在比斜方晶向正方晶相变的温度低的温度侧为斜方晶，在比斜方晶向正方晶相变的温度高且比正方晶向立方晶相变的温度低的温度侧为正方晶，在比正方晶向立方晶相变的温度高的温度侧为立方晶。

背景技术

压电陶瓷组合物用于致动器、超声波传感器、超声波振子等机电转换元件。目前，虽然如锆钛酸铅（PZT）等含铅化合物的物质作为压电特性优良的压电陶瓷组合物已经实用，但是担心含铅化合物的压电陶瓷组合物对环境产生不良影响。因此，近年来不含铅化合物的压电陶瓷组合物受到关注，其研究开发得到推进。作为该不含铅化合物的压电陶瓷组合物，在专利文献1等中公开了铌酸钾钠系压电陶瓷组合物。铌酸钾钠系压电陶瓷组合物具有较高的机电耦合系数，压电特性优良。并且，该压电陶瓷组合物居里温度Tc较高，适合在高温下使用。

铌酸钾钠系压电陶瓷组合物具有由化学式ABO3表示的钙钛矿结构的结晶相。虽然因组成不同而异，但是该材料系的压电陶瓷组合物的正方晶向立方晶相变的温度Tc处于300℃～400℃附近，从斜方晶向正方晶相变的温度To-t处于-30℃～100℃附近。并且，利用该压电陶瓷组合物作为机电转换元件使用时，通常在成为正方晶的温度域内施加高电场，使之极化，获得压电性。

现有技术文献

特许文献1特开2008-162889号公报

但是，如果在比正方晶向立方晶相变的温度Tc高的温度下使用机电转换元件，则极化秩序发生紊乱，丧失压电特性（去极化）。该去极化在比正方晶向立方晶相变的温度Tc低100℃～150℃左右的温度区域中也缓慢产生。因此，在产品设计中，需要将比正方晶向立方晶相变的温度Tc低100℃以上的温度设定为机电转换元件的使用温度的上限温度。而且,因横跨斜方晶向正方晶相变的温度To-t的温度变化也会使机电转换元件的压电特性产生经时下降。因此，在机电转换元件的使用温度范围内存在斜方晶向正方晶相变的温度To-t对产品的长期可靠性来说是不好的。

具体而言，在对半导体制造装置的药液循环管线的流量进行计测的超声波流量计中，存在如使用温度为0℃～200℃的严酷环境下的使用需求。在该流量计所采用的超声波传感器（机电转换元件）中，为了满足产品的长期可靠性，需要如正方晶向立方晶相变的温度Tc在340℃以上、并且斜方晶向正方晶相变的温度To-t在-20℃以下的压电陶瓷组合物。现在，在铌酸钾钠系压电陶瓷组合物中，虽然尝试了组成改良，但是都没有开发出满足这样的相变温度条件且压电特性良好的压电陶瓷组合物产品。

发明内容

本发明是鉴于上述课题作出的，其目的在于提供一种即使有横跨斜方晶向正方晶相变的温度的温度变化也难以发生压电特性经时劣化的机电转换元件。另一目的在于提供一种适于制造上述机电转换元件的制造方法。

为了解决上述课题，方案1的主旨是一种机电转换元件，其特征在于，采用了压电陶瓷组合物，该压电陶瓷组合物的结晶构造为，在比斜方晶向正方晶相变的温度低的温度侧为斜方晶，在比斜方晶向正方晶相变的温度高且比正方晶向立方晶相变的温度低的温度侧为正方晶，在比正方晶向立方晶相变的温度高的温度侧为立方晶，具有刚体，该刚体直接粘接在上述压电陶瓷组合物的主面上，或者经由形成于上述主面上的电极而粘接在上述压电陶瓷组合物的主面上，该刚体的杨氏模量为60GPa以上，处于距上述压电陶瓷组合物和上述刚体的粘接点2mm以下范围的上述压电陶瓷组合物的体积相对于上述压电陶瓷组合物的整体体积的体积比例为40%以上。

根据方案1的发明，杨氏模量60GPa以上的较硬刚体粘接或者经由形成在压电陶瓷组合物的主面上的电极粘接在该主面上，并且使处于距刚体的粘接点2mm以下范围的压电陶瓷组合物的体积比例为40%以上，来充分确保刚体的粘接面积。这样，即使有横跨斜方晶向正方晶相变的温度的温度变化，通过粘接在压电陶瓷组合物上的刚体，而使得压电陶瓷组合物中的结晶构造的相变难以产生。具体而言，压电陶瓷组合物中，如果结晶构造发生相变，则该结晶构造的晶格应变发生变化。此时，压电陶瓷组合物相对于温度变化的膨胀或者收缩的变化（例如线热膨胀系数）与刚体相比就极端变大。本发明中，通过将刚体粘接在压电陶瓷组合物上，使得外力作用于能抑制相变所引起的晶格应变的方向，从而相变难以产生。结果，抑制了相变时的晶格反复应变所引起的去极化的进行。因此，能够抑制压电陶瓷组合物的压电特性的经时劣化，可提高机电转换元件的产品可靠性。