壓電材料、壓電元件和電子設(shè)備的制作方法
【專利摘要】提供一種壓電材料、壓電元件和電子設(shè)備。該壓電材料不含任何鉛成分，具有在操作溫度范圍中的穩(wěn)定壓電特性、高機(jī)械品質(zhì)因數(shù)以及令人滿意的壓電特性。該壓電材料包括：主成分，含有可以使用以下通式(1)表示的鈣鈦礦類型金屬氧化物；子成分，含有Mn、Li和Bi。當(dāng)金屬氧化物是100重量份時，以金屬換算的Mn的含量不小于0.04重量份并且不大于0.36重量份，以金屬換算的Li的含量α不小于0.0013重量份并且不大于0.0280重量份，以及以金屬換算的Bi的含量β不小于0.042重量份并且不大于0.850重量份：(Ba1-xCax)a(Ti1-y-zZrySnz)O3(1)。在式(1)中，0.09≤x≤0.30，0.074<y≤0.085，0≤z≤0.02，以及0.986≤a≤1.02。
【專利說明】壓電材料、壓電元件和電子設(shè)備

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種壓電材料，更具體地說，涉及一種不含任何鉛成分的壓電材料。此 夕卜，本發(fā)明涉及采用所述壓電材料的一種壓電元件、一種多層化壓電元件、一種液體排出 頭、一種液體排出裝置、一種超聲馬達(dá)、一種光學(xué)器件、一種振動裝置、一種灰塵移除裝置、 一種成像裝置以及一種電子設(shè)備。

【背景技術(shù)】
[0002] 鋯鈦酸鉛是代表性的含鉛壓電材料，其可以用在各種壓電設(shè)備（如致動器、振蕩 器、傳感器和濾波器）中。然而，因?yàn)榇嬖趶U棄的壓電材料的鉛成分可能溶解到土壤中的可 能性，所以鉛成分對于生態(tài)系統(tǒng)是有害的。相應(yīng)地，近來所熱烈進(jìn)行的研究和開發(fā)針對可以 實(shí)現(xiàn)無鉛壓電設(shè)備的無鉛壓電材料。
[0003] 當(dāng)在家用電器或相似產(chǎn)品中采用壓電元件時，要求壓電性能在產(chǎn)品的操作溫度范 圍中并不很大地改變。如果與壓電性能有關(guān)的參數(shù)（例如機(jī)電耦合系數(shù)、介電常數(shù)、楊氏模 量、壓電常數(shù)、機(jī)械品質(zhì)因數(shù)或諧振頻率）取決于溫度而極大地改變（例如改變等于30%或 更大的量），則變得難以在操作溫度范圍中獲得穩(wěn)定的元件性能。在壓電材料的相變中，壓 電性在相變（phase transition)溫度得以最大化。因此，相變是產(chǎn)生大的壓電特性改變的 一個因素。因此，關(guān)鍵的是，獲得壓電性能在壓電材料的相變溫度并不處于操作溫度范圍中 的操作溫度范圍中并不極大地改變的產(chǎn)品。
[0004] 當(dāng)諧振設(shè)備（如超聲馬達(dá)）包括壓電組成時，要求表示諧振的銳度的機(jī)械品質(zhì)因 數(shù)很大。如果機(jī)械品質(zhì)因數(shù)很低，則操作壓電元件所需的電力的量變得較高，并且壓電元件 的驅(qū)動控制由于熱量產(chǎn)生而變得困難。這是需要擁有較高機(jī)械品質(zhì)因數(shù)的壓電材料的原 因。
[0005] 在日本專利申請公開 No. 2009-215111 中討論了（[(Ba1-X1Mlxl) (OVxZrx) H1Nlyl) O3]- S % [(BahCay)^2MZx2) (IVy2^2)O3B的準(zhǔn)二元系統(tǒng)固溶體所表示的無鉛壓電材 料，其中，Ml、NI、M2和N2是添加元素。（Ba 1-X1Mlxl) ((TihZrx) H1Nlyl) O3是斜方六面體， (BanCadh^J OVy2^y2)O3是四面體。溶解兩種在晶體系統(tǒng)方面不同的成分使得能夠在 室溫附近調(diào)整在斜方六面體與四面體之間產(chǎn)生相變的溫度。例如，根據(jù)所討論的內(nèi)容，在室 溫附近產(chǎn)生BaTi a8ZrQ.203 - 50% Baa7CaQ. JiO3的相變，并且在20°C的壓電常數(shù)d33是584pC/ N。另一方面，同一材料在70°C的壓電常數(shù)d 33是368pC/N。更具體地說，如果溫度的增加量 是50°C，則壓電常數(shù)d33的減少量是37%。上述壓電材料特征在于，壓電性得以最大化的相 變產(chǎn)生在室溫附近。因此，雖然上述壓電材料在室溫附近展現(xiàn)出優(yōu)異的壓電性能，但并不期 望壓電性能取決于溫度而顯著地可變。在上述材料中，Zr量（X)被設(shè)置為大于0. 1，以獲得 邊緣成分為（Ba1-X1Mlxl) ((TihZrx) H1Nlyl) O3的斜方六面體。
[0006] Karaki, 15th US-Japan Seminar on Dielectric and Piezoelectric Ceramics Extended Abstract, p.40to41中所討論的材料是可以根據(jù)兩步燒結(jié)方法通過燒結(jié)包括 MnO (0? 03重量份）和LiBiO2 (0至0? 3重量份）的添加劑的BaTiO3而獲得的無鉛壓電陶瓷。 添加LiBiO2基本上與LiBiO2的添加量成比例地線性地增加包括MnO (0. 03重量份）的添 加劑的BaTiO3的矯頑電場。此外，添加LiBiO2基本上減少壓電常數(shù)d33、介電常數(shù)和介質(zhì)正 切。當(dāng)LiBiO 2的添加量是0. 17重量份時，壓電常數(shù)d33是243pC/N，矯頑電場是0. 3kV/mm。 當(dāng)LiBiO2的添加量是0. 3重量份時，矯頑電場是0. 5kV/mm。然而，根據(jù)評價結(jié)果，上述壓電 材料并不是期望的，因?yàn)樵谒拿骟w與斜方體之間產(chǎn)生相變的溫度處于從5°C到_20°C的范 圍中。此外，上述壓電材料并不是期望的，因?yàn)樵谑覝氐臋C(jī)械品質(zhì)因數(shù)很低（小于500)。
[0007] 上述傳統(tǒng)無鉛壓電陶瓷并不是期望的，因?yàn)閴弘娦阅茉趬弘娫牟僮鳒囟确秶?中極大地變化，并且機(jī)械品質(zhì)因數(shù)很小。
[0008] 為了解決上述問題，本發(fā)明針對一種壓電材料，其不含鉛成分并且特征在于壓電 常數(shù)的溫度依賴性在操作溫度范圍中很小，密度很高，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)很高，并且壓電常數(shù)是 令人滿意的。此外，本發(fā)明針對采用所述壓電材料的壓電元件、多層化壓電元件、液體排出 頭、液體排出裝置、超聲馬達(dá)、光學(xué)設(shè)備、振動裝置、灰塵移除裝置、成像裝置以及電子設(shè)備。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 為了解決上述問題，根據(jù)本發(fā)明的壓電材料包括：主成分，含有可以使用以下通式 (1)表示的鈣鈦礦類型金屬氧化物；第一子成分，含有Mn ;第二子成分，含有Li ;以及第三 子成分，含有Bi ;其中，當(dāng)金屬氧化物是100重量份時，以金屬換算的Mn的含量不小于0. 04 重量份并且不大于〇. 36重量份，當(dāng)金屬氧化物是100重量份時，以金屬換算的Li的含量a 大于0. 0013重量份并且不大于0. 0280重量份，以及當(dāng)金屬氧化物是100重量份時，以金屬 換算的Bi的含量0不小于0. 042重量份并且不大于0. 850重量份：
[0010] (Ba1^xCax) a (Ti1^zZrySnz) O3 (1)
[0011] 在式（1)中，0? 09 彡 X 彡 0? 30,0. 074〈y 彡 0? 085,0 彡 Z 彡 0? 02，以及 0. 986 彡 a 彡 1. 02。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明的壓電元件包括第一電極、壓電材料部分和第二電極，其中，構(gòu)成壓電 材料部分的壓電材料是上述壓電材料。
[0013] 根據(jù)本發(fā)明的多層化壓電元件包括：交替堆疊的多個壓電材料層以及多個電極 層，所述多個電極層包括至少一個內(nèi)部電極，其中，由上述壓電材料制成所述壓電材料層。
[0014] 根據(jù)本發(fā)明的液體排出頭包括：液體腔室，其配有振動單元，振動單元中設(shè)置有上 述壓電元件或上述多層化壓電元件；排出口，與所述液體腔室連通。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明的液體排出裝置包括：上面放置圖像轉(zhuǎn)印介質(zhì)的部分；以及上述液體 排出頭。
[0016] 根據(jù)本發(fā)明的超聲馬達(dá)包括：振動體，其中設(shè)置有上述壓電元件或上述多層化壓 電元件；移動體，其接觸所述振動體。
[0017] 根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)設(shè)備包括驅(qū)動單元，驅(qū)動單元包括上述超聲馬達(dá)。
[0018] 根據(jù)本發(fā)明的振動裝置包括振動體，在振動體中在振動板上設(shè)置上述壓電元件或 上述多層化壓電元件。
[0019] 根據(jù)本發(fā)明的灰塵移除裝置包括振動單元，在振動單元中提供上述振動裝置。
[0020] 根據(jù)本發(fā)明的成像裝置包括：上述灰塵移除裝置和圖像傳感器單元，其中，靠近所 述圖像傳感器單元的光接收表面而提供灰塵移除裝置的振動板。
[0021] 根據(jù)本發(fā)明的電子設(shè)備包括壓電聲學(xué)器件，在壓電聲學(xué)器件中設(shè)置有上述壓電元 件或上述多層化壓電元件。
[0022] 根據(jù)本發(fā)明，提供一種壓電材料，其不含任何鉛成分并且其特征在于：壓電常數(shù)的 溫度依賴性在壓電元件的操作溫度范圍中很小，密度很高，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)很高，并且壓電常 數(shù)是令人滿意的。此外，根據(jù)本發(fā)明的壓電材料不含任何鉛成分并且因此可以減少環(huán)境負(fù) 擔(dān)。
[0023] 根據(jù)參照附圖對示例的以下描述，本發(fā)明的其它特征將變得清楚。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024] 圖1示意性示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的壓電元件的配置。
[0025] 圖2A和圖2B是示意性示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的多層化壓電元件的示例配置的截 面圖。
[0026] 圖3A和圖3B示意性示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的液體排出頭的配置。
[0027] 圖4示意性示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的液體排出裝置。
[0028] 圖5示意性示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的液體排出裝置。
[0029] 圖6A和圖6B示意性示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的超聲馬達(dá)的配置。
[0030] 圖7A和圖7B示意性示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光學(xué)器件。
[0031] 圖8示意性示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光學(xué)器件。
[0032] 圖9A和圖9B示意性示出作為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的振動裝置的示例的灰塵移除裝 置。
[0033] 圖10A、圖IOB和圖IOC示意性示出可以被包括在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的灰塵移除裝 置中的壓電元件的配置。
[0034] 圖IlA和圖IlB是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的灰塵移除裝置中產(chǎn)生振動的原理的示 意圖。
[0035] 圖12示意性示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的成像裝置。
[0036] 圖13示意性示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的成像裝置。
[0037] 圖14示意性示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電子設(shè)備。
[0038] 圖15是示出在本發(fā)明的示例1至54以及70中的壓電材料與在比較性示例1至 12以及14至22的X值與y值（z = 0、0.01、0. 02以及0.03)之間的關(guān)系的相圖，其中，虛 線指示如權(quán)利要求1所述的X值和y值的組分范圍。

【具體實(shí)施方式】
[0039] 下文中，以下將參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的各個實(shí)施例、特征和方面。
[0040] 本發(fā)明提供一種無鉛壓電材料，其含有（Ba, Ca) (Ti, Zr, Sn)03作為主成分并且具 有令人滿意的壓電性和絕緣性質(zhì)。此外，根據(jù)本發(fā)明的無鉛壓電材料在密度和機(jī)械品質(zhì)因 數(shù)方面較高。壓電常數(shù)的溫度依賴性在操作溫度范圍（例如從20°C到45°C)中很小。根 據(jù)本發(fā)明的壓電材料具有鐵電物質(zhì)特征并且被用于各種設(shè)備，如存儲器或傳感器。
[0041] 根據(jù)本發(fā)明的壓電材料包括：主成分，含有可以使用以下通式（1)表示的鈣鈦礦 類型金屬氧化物；第一子成分，含有Mn ;第二子成分，含有Li ;以及第三子成分，含有Bi。當(dāng) 金屬氧化物是100重量份時，以金屬換算的Mn的含量不小于0. 04重量份并且不大于0. 36 重量份。當(dāng)金屬氧化物是100重量份時，以金屬換算的Li的含量a大于0. 0013重量份并 且不大于0. 0280重量份。當(dāng)金屬氧化物是100重量份時，以金屬換算的Bi的含量P不小 于0. 042重量份并且不大于0. 850重量份。
[0042] 通式（I) (BahCa丄(Ti1TzZrySnz) O3 (1)
[0043] (在該式中，0? 09 彡 X 彡 0? 30,0. 074〈y 彡 0? 085,0 彡 z 彡 0? 02，以及 0. 986 ^ a ^ 1. 02) 〇
[0044] 在本發(fā)明中，鈣鈦礦類型金屬氧化物是具有鈣鈦礦類型結(jié)構(gòu)（其可以被稱為鈣鈦 礦結(jié)構(gòu)）的金屬氧化物，這是例如在Iwanami Dictionary of Physics and Chemistry第五 版（Iwanami Shoten，公布于1998年2月20日）中所描述的。通常，可以使用化學(xué)式ABO3 來表示包括鈣鈦礦類型結(jié)構(gòu)的金屬氧化物。鈣鈦礦類型金屬氧化物中所含有的兩種化學(xué)元 素A和B分別以離子的形式位于"A位點(diǎn)"和"B位點(diǎn)"處。"A位點(diǎn)"和"B位點(diǎn)"中的每一 個是單胞的特定位置。例如，在立方體系統(tǒng)的單胞中，化學(xué)元素"A"位于立方體的頂點(diǎn)處。 化學(xué)元素B位于立方體的中心處。元素"0"以負(fù)氧離子的形式位于立方體的面的中心處。
[0045] "以金屬換算"的每個子成分（例如Mn、Bi或Li)的含量指示以下值。例如，用于 獲得Mn的含量的方法包括：通過X射線熒光分析（XRF)、ICP發(fā)射分光光度分析或原子吸收 分析來測量壓電材料中所含有的各種金屬Ba、Ca、Ti、Sn、Zr、Mn、Bi和Li的含量。此外，所 述方法包括：計(jì)算構(gòu)成使用通式（1)所表示的金屬氧化物的化學(xué)元素作為可與氧化物比較 的值。所述方法還包括：當(dāng)各個元素的總重量是100時，獲得Mn重量的比率。
[0046] 因?yàn)殁}鈦礦類型金屬氧化物具有優(yōu)異的絕緣性質(zhì)，所以根據(jù)本發(fā)明的壓電材料包 括鈣鈦礦類型金屬氧化物作為主相。作為確定鈣鈦礦類型金屬氧化物是否為主相的方式， 例如，有用的是在X射線衍射中檢查從鈣鈦礦類型金屬氧化物推導(dǎo)的最大衍射強(qiáng)度是否等 于或大于從雜質(zhì)相推導(dǎo)的最大衍射強(qiáng)度的1〇〇倍。期望壓電材料完全由鈣鈦礦類型金屬氧 化物構(gòu)成，這是因?yàn)榻^緣性質(zhì)可以被最大化。"主相"表示在壓電材料的粉末X射線衍射中 由鈣鈦礦類型結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的衍射強(qiáng)度的最強(qiáng)峰。更期望的相是"單相"，根據(jù)"單相"，壓電材 料完全由鈣鈦礦類型結(jié)構(gòu)晶體占據(jù)。
[0047] 通式（1)指示使用該式所表示的金屬氧化物含有位于A位點(diǎn)處的作為金屬元素的 Ba和Ca以及位于B位點(diǎn)處的作為金屬元素的Ti、Zr和Sn。然而，Ba和Ca可以部分地位 于B位點(diǎn)處。相似地，Ti和Zr可以部分地位于A位點(diǎn)處。然而，并不期望Sn位于A位點(diǎn) 處，這是因?yàn)閴弘娞匦钥赡軔夯?，并且合成條件可能受限。
[0048] 在通式⑴中，位于B位點(diǎn)處的化學(xué)元素與0元素之間的摩爾比率是1 :3。然而，當(dāng) 金屬氧化物含有鈣鈦礦類型結(jié)構(gòu)作為主相時，即使元素量比率稍微偏離（例如在從1. 〇〇 : 2. 94到1. 00 :3. 06的范圍中），本發(fā)明也包含這種在元素量比率的范圍中的偏離。
[0049] 雖然陶瓷是期望的，但根據(jù)本發(fā)明的壓電材料不限于具有特定形式，并因此可以 被配置為陶瓷、粉末、單晶、膜或漿體。在以下描述中，"陶瓷"表示含有金屬氧化物作為基 本成分并且被配置為通過熱處理所燒結(jié)的晶體顆粒的聚集體（aggregate)(或塊體（bulk body))的多晶。根據(jù)本發(fā)明的"陶瓷"可以是在燒結(jié)處理之后獲得的加工產(chǎn)品。
[0050] 在通式（1)中，當(dāng)表示Ca量的"x"處于0. 09彡X彡0. 30的范圍中，表示Zr量的 "y"處于〇. 〇74〈y彡0. 085的范圍中，表示Sn量的"z"處于0彡z彡0. 02的范圍中，以及 表示A位點(diǎn)與B位點(diǎn)之間的摩爾比率的"a"處于0. 986彡a彡I. 02的范圍中時,壓電常數(shù) 變?yōu)椴僮鳒囟确秶械牧钊藵M意的值。
[0051] 在通式（1)中，Ca量"x"處于0.09彡X彡0.30的范圍中。如果Ca量"x"小于 0. 09,則產(chǎn)生從四面體到斜方體的相變的溫度Tt。變?yōu)楦哂?KTC。因此，壓電常數(shù)的溫度 依賴性在操作溫度范圍中變得較大。
[0052] 另一方面，如果Ca量"x"大于0. 30,則當(dāng)燒結(jié)溫度等于或小于1400°C時，因?yàn)镃a 并非充分地可溶解，所以壓電常數(shù)由于CaTiO3(即雜質(zhì)相）的生成而降低。此外，為了獲得 期望的壓電常數(shù)，期望將Ca量"x"設(shè)置為等于或小于0. 26 (即X彡0. 26)。更期望Ca量 "x"等于或小于0. 17 ( S卩X彡0. 17)。
[0053] 在通式（1)中，Zr量"y"處于0.074〈y彡0.085的范圍中。如果Zr量"y"大于 0.074,則可以獲得令人滿意的壓電常數(shù)。如果Zr量"y"大于0. 085,則居里溫度（下文中 被稱為Tc)可以變?yōu)榈陀贙KTC。為了獲得令人滿意的壓電特性并且將居里溫度T。設(shè)置為 不低于l〇〇°C，Zr量"y"處于0? 074彡y彡0? 085的范圍中。
[0054] 如果Zr量"y"等于或大于0.075,則在室溫增加介電常數(shù)是可行的。相應(yīng)地，可以 進(jìn)一步增加壓電特性。鑒于前述情況，期望將Zr量"y"的范圍設(shè)置為等于或大于0. 075。 此外，為了獲得期望的壓電性，期望Zr量"y"的范圍等于或大于0. 076。
[0055] 期望Sn量"z"處于0彡z彡0. 02的范圍中。與由Zr進(jìn)行替代相似，以Sn替代 Ti帶來增加在室溫的介電常數(shù)并且增加壓電常數(shù)的效果。添加Zr或Sn對于增強(qiáng)壓電材料 的介電特征的有效的。然而，當(dāng)以Zr或Sn替代Ti時，壓電材料的相變溫度T t。增加。如果 相變溫度Tt。處于操作溫度范圍中，則壓電常數(shù)的溫度依賴性不期望地變得更大。因此，因 為Ca帶來降低相變溫度T t。的效果，所以如果因Zr或Sn的添加而增加相變溫度Tt。，則必 須添加Ca以消除相變溫度T t。的增加量。然而，鑒于抑制相變溫度Tt。的增加量，以Sn替代 Ti優(yōu)于以Zr替代Ti。例如，如果以Zr替代構(gòu)成BaTiCU^ Ti的1 %，則相變溫度Tt。增加 近似12°C的量。另一方面，如果以Sn替代Ti的1%，則相變溫度Tt。增加近似5°C的量。因 此，可以通過以Sn來替代Ti而有效地減少Ca量。然而，并不期望Sn量"z"小于0. 02 (即 z>0. 02)，這是因?yàn)槿绻鸝r量是不適當(dāng)?shù)膭t居里溫度Tc變?yōu)榈陀贙KTC。
[0056] 表示Ba和Ca的總摩爾數(shù)相對于Zr、Ti和Sn的總摩爾數(shù)的比率的比率"a" {a = (Ba+CaV(Zr+Ti+Sn)}處于0. 986彡a彡1.02的范圍中。如果比率"a"小于0. 986,則當(dāng) 燒結(jié)壓電材料時，可能產(chǎn)生異常顆粒生長。此外，平均顆粒直徑變?yōu)榇笥?0 y m，并且材料的 機(jī)械強(qiáng)度下降。如果比率"a"大于1.02,則所獲得的壓電材料的密度將并不足夠高。如果 壓電材料的密度很低，則壓電性降低。在本發(fā)明中，尚不充分地?zé)Y(jié)的試樣與充分地?zé)Y(jié)的 試樣之間的密度差不小于5%。為了獲得密度較高并且機(jī)械強(qiáng)度優(yōu)異的壓電材料，比率"a" 處于0. 986彡a彡1. 02的范圍中。
[0057] 根據(jù)本發(fā)明的壓電材料包括Mn作為第一子成分，當(dāng)使用通式（1)所表示的鈣鈦 礦類型金屬氧化物是100重量份時，Mn以金屬換算的含量不小于0. 04重量份并且不大于 0.36重量份。如果包括在上述范圍中的Mn,則機(jī)械品質(zhì)因數(shù)增加。然而，如果Mn的含量小 于0. 04重量份，則獲得增加機(jī)械品質(zhì)因數(shù)的效果是不可行的。另一方面，如果Mn的含量大 于0. 36重量份，則壓電材料的絕緣電阻減少。當(dāng)絕緣電阻很低時，在室溫下的介質(zhì)正切超 過0.01，或電阻系數(shù)變?yōu)榈扔诨蛐∮贗G Q cm。在以IkHz的頻率施加具有10V/cm的場強(qiáng)的 AC電場的狀態(tài)下，阻抗分析器可用于測量在室溫下的介質(zhì)正切。
[0058] 期望在IkHz的頻率處根據(jù)本發(fā)明的壓電材料的介質(zhì)正切等于或小于0. 006。當(dāng)介 質(zhì)正切等于或小于〇. 006時，可行的是，即使當(dāng)在元素驅(qū)動條件下把具有500V/cm的最大場 強(qiáng)的電場施加到壓電材料的狀態(tài)下驅(qū)動壓電材料時獲得穩(wěn)定的操作也是可行的。
[0059] Mn的形式不限于金屬，并且可以是壓電材料中所含有的Mn成分。例如，Mn可溶解 在B位點(diǎn)處或可以位于顆粒邊界處。此外，有用的是，壓電材料中含有金屬、離子、氧化物、 金屬鹽或復(fù)合體（complex)的形式的Mn成分。期望壓電材料含有Mn,以增強(qiáng)絕緣性質(zhì)并且 改進(jìn)燒結(jié)容易性。通常，Mn的化合價是4+、2+或3+。如果導(dǎo)電電子出現(xiàn)在晶體中（例如， 當(dāng)氧缺陷出現(xiàn)在晶體中時，或當(dāng)施主元素占據(jù)A位點(diǎn)時），則Mn的化合價從4+減少到3+或 2+，以捕獲導(dǎo)電電子。因此，可以改進(jìn)絕緣電阻。
[0060] 另一方面，如果Mn的化合價小于4+(例如，當(dāng)Mn的化合價是2+時），Mn充當(dāng)受主。 當(dāng)Mn的受主出現(xiàn)在鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的晶體中時，空穴生成于晶體中或氧空缺形成于晶體中。 [0061] 如果所添加的Mn的化合價大多數(shù)是2+或3+，則因?yàn)橥ㄟ^引入氧空缺并不能充分 地補(bǔ)償空穴，所以絕緣電阻明顯降低。相應(yīng)地，期望大多數(shù)Mn是4+。然而，十分少量的Mn 具有小于4+的化合價，并因此充當(dāng)占據(jù)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的B位點(diǎn)并且可以形成氧空缺的受主。 具有2+或3+的化合價的Mn以及氧空缺形成缺陷偶極子，這可以增加壓電材料的機(jī)械品質(zhì) 因數(shù)。如果三價Bi占據(jù)A位點(diǎn)，則Mn傾向于取得低于4+的化合價以保持電荷平衡。
[0062] 可以通過測量磁化率的溫度依賴性來評價添加到非磁（反磁）材料的十分少量的 Mn的化合價。可以通過超導(dǎo)量子干涉器件（SQUID)、振動采樣磁力計(jì)（VSM)或磁平衡來測 量磁化率?？梢杂梢韵峦ㄊ?表示的Curie-Weiss定律可用于表示通過上述測量所獲得的 磁化率X。
[0063] (式 2) X = C/ (T- 9 )
[0064] 在式2中，C表示居里常數(shù)，并且0表示順磁居里溫度。
[0065] 通常，添加到非磁材料的十分少量的Mn當(dāng)化合價為2+時取得自旋值S = 5/2,當(dāng) 化合價為3+時取得自旋值S = 2,以及當(dāng)化合價為4+時取得自旋值S = 3/2。相應(yīng)地，每 單位Mn量的居里常數(shù)C取得與在Mn的每個化合價的自旋值S相對應(yīng)的值。換句話說，可以 通過從磁化率X的溫度依賴性推導(dǎo)居里常數(shù)C來評價試樣中所含有的Mn的平均化合價。 [0066] 為了評價居里常數(shù)C，期望在磁化率的溫度依賴性的測量中將起始溫度設(shè)置得盡 可能低。換句話說，因?yàn)榇呕试谙鄬^高的溫度（包括室溫）取得十分小的值，所以如果 Mn量是十分小的量，則測量變得困難?？梢愿鶕?jù)當(dāng)在共線近似中與溫度T有關(guān)而繪制磁化 率的倒數(shù)I/ X時可獲得的直線的斜率來推導(dǎo)居里常數(shù)C。
[0067] 當(dāng)可以使用通式（1)表示的鈣鈦礦類型金屬氧化物是100重量份時，根據(jù)本發(fā)明 壓電材料包括：Li，作為第二子成分，其以金屬換算的含量不小于0. 0013重量份并且不大 于0. 0280重量份；Bi,作為第三子成分，其以金屬換算的含量不小于0. 042重量份并且不 大于0. 850重量份。如果Li的含量大于0. 0280重量份，則機(jī)電稱合系數(shù)降低。如果Li的 含量等于或小于〇. 0280,則與不含有任何Li成分的基準(zhǔn)材料相比，燒結(jié)在較低溫度是可行 的，而不使得壓電特性惡化。
[0068] 此外，如果Bi的含量小于0. 042重量份，則無法獲得降低相變溫度并且增加機(jī)械 品質(zhì)因數(shù)的效果。如果Bi的含量大于0.850重量份，則機(jī)電耦合系數(shù)極大地降低。在此情 況下的減少量相當(dāng)于要在不含有Bi時獲得的值的30%。此外，期望Li的含量a和Bi的 含量P滿足下式（1)。
[0069]式（1) 0? 5 彡（a ? MB)八 @ ? ML)彡 1
[0070](在該式中，ML表示Li的原子量，并且MB表示Bi的原子量）
[0071] 如果Li與Bi之間的摩爾比率[(a ? MBVW ? ML)]小于0. 5,則居里溫度可能 降低。如果Li與Bi之間的摩爾比率[(a ? MBVW ? ML)]大于1，則介質(zhì)正切可能增加。 當(dāng)Li與Bi之間的摩爾比率處于式（1)所定義的范圍中時，減少Tt。和T trt值并且改進(jìn)機(jī)械 品質(zhì)因數(shù)而不降低居里溫度和絕緣電阻可行的。
[0072] 在根據(jù)本發(fā)明的壓電材料中，Li和Bi可以位于顆粒邊界處，或可以溶解在 (Ba, Ca) (Ti, Zr, Sn)O3的鈣鈦礦類型結(jié)構(gòu)中。
[0073] 當(dāng)Li和Bi位于顆粒邊界處時，各顆粒之間的摩擦減少并且機(jī)械品質(zhì)因數(shù)增加。當(dāng) Li和Bi溶解在具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的（Ba, Ca) (Ti, Zr, Sn)O3中時，Ttrt和Tt。值變得更低，并因 此壓電常數(shù)的溫度依賴性在操作溫度范圍中變得更小。此外，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)可以增加。
[0074] 例如，X射線衍射、電子束衍射、電子顯微鏡和ICP-MS可用于評價Li和Bi出現(xiàn)的 地方。
[0075] 當(dāng)Li和Bi位于B位點(diǎn)處時，因?yàn)長i和Bi的離子半徑大于Ti和Zr的離子半徑， 所以鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的晶格常數(shù)增大。
[0076] 當(dāng)Li和Bi位于A位點(diǎn)處時，對于燒結(jié)高密度陶瓷最佳的"a"值變得較小。在BaO 和TiO 2的相圖中，液相在高溫度出現(xiàn)在BaO與TiO2之間的摩爾比率為1 :1的組分的富TiO2 側(cè)上。因此，如果TiO2成分超過化學(xué)計(jì)量比率，則由于液相中的燒結(jié)，在BaTiO3陶瓷的燒結(jié) 中產(chǎn)生異常顆粒生長。另一方面，如果BaO成分的比率較大，則因?yàn)闊Y(jié)并不平滑地進(jìn)行， 所以陶瓷的密度降低。當(dāng)Li成分和Bi成分都出現(xiàn)在A位點(diǎn)處時，因?yàn)槲挥贏位點(diǎn)處的過 剩成分，所以陶瓷的燒結(jié)可能無法平滑進(jìn)行。因此，陶瓷的密度降低。在此情況下，有用的 是降低"a"值以促進(jìn)燒結(jié)并且獲得高密度試樣。
[0077] 為了容易地制造根據(jù)本發(fā)明的壓電材料或調(diào)整根據(jù)本發(fā)明的壓電材料的物理性 質(zhì)，有用的是，以二價金屬元素（例如Sr)來替代Ba和Ca的Imol %或更少。相似地，有用 的是以四價金屬元素（例如Hf)來替代Ti、Zr和Sn的lmol%或更少。
[0078] 例如，阿基米德方法可用于測量燒結(jié)后的致密物的密度。在本發(fā)明中，如果表示理 論密度（P calcJ相對于測量的密度（P _s.)的比率的相對密度（P Ml。./P _s.)等于或大于 95%，則可以認(rèn)為所測量的壓電材料具有足夠高的密度?？梢詤⒄諢Y(jié)后的致密物的組分 和晶格常數(shù)來獲得理論密度（P。 31。_)。
[0079] 當(dāng)溫度等于或高于居里溫度1時，壓電材料的壓電性消失。在以下描述中，Tc表示 可以使介電常數(shù)在鐵電相（四方相）和順電相（立方相）的相變溫度附近最大化的溫度。 可以在施加具有l(wèi)OV/cm的場強(qiáng)的AC電場的狀態(tài)下以IkHz的頻率使用例如阻抗分析器來 測量介電常數(shù)。
[0080] 當(dāng)從較低級別開始溫度升高時，根據(jù)本發(fā)明的壓電材料引起到斜方六面體、斜方 體、四面體和立方體晶體的依次相變。該示例中所指代的相變不限于從斜方體到四面體的 相變或者從四面體到斜方體的相變?？梢允褂门c對于居里溫度所采用的相似測量方法來評 價相變溫度。相變溫度指代可使得可通過以試樣溫度對介電常數(shù)進(jìn)行微分獲得的導(dǎo)數(shù)最大 化的溫度。例如，X射線衍射、電子束衍射和拉曼散射可用于評價晶體系統(tǒng)。
[0081] 當(dāng)疇壁振動時，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)降低。通常，當(dāng)疇結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度增加時，疇壁的密度 增大并且機(jī)械品質(zhì)因數(shù)減小。斜方體或四面體鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的自發(fā)極化的晶體位向當(dāng)根據(jù)準(zhǔn) 立方晶體標(biāo)志法表示時是〈11〇>或〈1〇〇>。更具體地說，與斜方體結(jié)構(gòu)相比，四面體結(jié)構(gòu)在 自發(fā)極化方面具有更低的空間靈活性。因此，四面體結(jié)構(gòu)優(yōu)于斜方體結(jié)構(gòu)，因?yàn)榧词巩?dāng)組成 相同時，疇結(jié)構(gòu)變得簡單并且機(jī)械品質(zhì)因數(shù)變得更高。相應(yīng)地，在操作溫度范圍中，期望根 據(jù)本發(fā)明的壓電材料具有四面體結(jié)構(gòu)，而非斜方體結(jié)構(gòu)。
[0082] 介電常數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)在相變溫度附近最大化。另一方面，楊氏模量最小化。壓 電常數(shù)可以表示為使用上述三個參數(shù)的函數(shù)。壓電常數(shù)在相變溫度附近取得極值或拐點(diǎn)。 因此，如果在器件的操作溫度范圍中產(chǎn)生相變，則因?yàn)槠骷男阅苋Q于溫度而極度變化， 或諧振頻率取決于溫度而變化，所以變得難以控制器件。相應(yīng)地，期望相變（即導(dǎo)致壓電性 能的變化的最大因素）不處于操作溫度范圍中。如果相變溫度從操作溫度范圍偏離，則在 操作溫度范圍中壓電性能的溫度依賴性降低。
[0083] 根據(jù)本發(fā)明的壓電材料包括含有Mg的第四子成分。期望當(dāng)可以使用通式（1)表 示的鈣鈦礦類型金屬氧化物是100重量份時，以金屬換算的第四子成分的含量等于或小于 0. 10重量份,不包括〇重量份。
[0084] 當(dāng)Mg的含量大于0. 10重量份時，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)變得較?。ɡ缧∮?00)。如果 該壓電材料用于制造壓電元件并且所制造的元件被驅(qū)動為諧振器件，則當(dāng)機(jī)械品質(zhì)因數(shù)很 小時功耗增加。期望機(jī)械品質(zhì)因數(shù)等于或大于800。更期望機(jī)械品質(zhì)因數(shù)等于或大于1000。 為了獲得更期望的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)，期望Mg的含量等于或小于0. 05重量份。
[0085] Mg的形式可以是壓電材料中所含有的Mg成分。Mg的形式不限于金屬M(fèi)g。例如， Mg可溶解在鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的A位點(diǎn)或B位點(diǎn)處，或可以位于顆粒邊界處?；蛘撸杏玫氖?，壓 電材料中含有金屬、離子、氧化物、金屬鹽或復(fù)合體的形式的Mg成分。
[0086] 期望根據(jù)本發(fā)明的壓電材料包括含有Si和B中的至少一個的第五子成分。期望 當(dāng)可以使用通式（1)表示的金屬氧化物是100重量份時，以金屬換算的第五子成分的含量 不小于0. 001重量份并且不大于4. 000重量份。第五子成分具有降低根據(jù)本發(fā)明的壓電材 料的燒結(jié)溫度的作用。當(dāng)壓電材料被包括在多層化壓電元件中時，連同電極材料一起在其 制造工藝中燒結(jié)壓電材料。通常，電極材料的熱阻溫度低于壓電材料的熱阻溫度。因此，如 果可以減少壓電材料的燒結(jié)溫度，則燒結(jié)壓電材料所需的能量可以減少并且可采用的電極 材料的數(shù)量可以增大。
[0087] 此外，Si和B在壓電材料的顆粒邊界處得以分開。因此，沿著顆粒邊界流動的泄 漏電流減少并且電阻系數(shù)變得更高。
[0088] 當(dāng)?shù)谖遄映煞值暮啃∮?. 001重量份時，無法獲得降低燒結(jié)溫度的效果。當(dāng)?shù)?五子成分的含量大于4. 000重量份時，介電常數(shù)降低，并且因此，壓電性降低。當(dāng)?shù)谖遄映?分的含量不小于〇. 001重量份并且不大于4. 000重量份時，壓電性的減少可以被抑制為 30%或更小，并且燒結(jié)溫度可以降低。特別地，因?yàn)樵诘陀?250°C的燒結(jié)溫度燒結(jié)高密度 陶瓷變得可行，所以更期望將第五子成分的含量設(shè)置為不小于〇. 05重量份。此外，更期望 將第五子成分的含量設(shè)置為不小于0. 09重量份并且不大于0. 15重量份，這是因?yàn)榭梢栽?1200°C或更小執(zhí)行燒結(jié)，并且壓電性的減少可以被抑制為20%或更小。
[0089] 期望根據(jù)本發(fā)明的壓電材料滿足通式（1)中的關(guān)系0. 19〈2. 15 a+1. IIP〈1。當(dāng)含 量a和P滿足上述關(guān)系時，與當(dāng)含量a和P不滿足上述關(guān)系時所獲得的值相比，壓電材 料的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)變得更高。
[0090] 如果需要機(jī)械品質(zhì)因數(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)，則期望在通式（1)中滿足關(guān)系 0? 111〈2. 15 a+1. 113〈0.333。
[0091] 期望根據(jù)本發(fā)明的壓電材料滿足通式（1)中的關(guān)系y+z < (llx/14)-0.037。當(dāng) x、y和z滿足上述關(guān)系時，相變溫度Tt。變?yōu)榈陀?20°C，并且在操作溫度范圍中壓電常數(shù)的 溫度依賴性變得更小。
[0092] 期望根據(jù)本發(fā)明的壓電材料的居里溫度等于或高于100°C。當(dāng)居里溫度等于或高 于KKTC時，根據(jù)本發(fā)明的壓電材料可以在甚至在與夏季車輛內(nèi)部的溫度（例如80°C )相 比的嚴(yán)酷溫度條件下也令人滿意地保持壓電性的情況下?lián)碛蟹€(wěn)定的壓電常數(shù)和足夠的機(jī) 械品質(zhì)因數(shù)。
[0093] 用于制造根據(jù)本發(fā)明的壓電材料的方法并非特定地受限。
[0094] 在制造壓電陶瓷中，包括在正常壓力下燒結(jié)含有構(gòu)成元素的固體粉末（例如氧化 物、碳酸鹽、硝酸鹽草酸）的通用方法是可采用的。適當(dāng)?shù)慕饘倩衔铮ㄈ鏐a化合物、Ca化 合物、Ti化合物、Zr化合物、Sn化合物、Mn化合物、Li化合物和Bi化合物）可用作用于根 據(jù)本發(fā)明的壓電材料的原材料。
[0095] 例如，氫氧化鋇、碳酸鋇、草酸鋇、醋酸鋇、硝酸鋇、鈦酸鋇、鋯酸鋇和鋯鈦酸鋇是可 在本發(fā)明中使用的Ba化合物。
[0096] 例如，鈣氧化物、碳酸鈣、草酸鈣、醋酸鈣、鈦酸鈣和鋯酸鈣是可在本發(fā)明中使用的 Ca化合物。
[0097] 例如，氧化鈦、鈦酸鋇、鋯鈦酸鋇和鈦酸鈣是可在本發(fā)明中使用的Ti化合物。
[0098] 例如，氧化鋯、鋯酸鋇、鋯鈦酸鋇和鋯酸鈣是可在本發(fā)明中使用的Zr化合物。
[0099] 例如，氧化錫、錫酸鋇和錫酸鈣是可在本發(fā)明中使用的Sn化合物。
[0100] 例如，碳酸錳、一氧化錳、二氧化錳、三氧化四錳和醋酸錳是可在本發(fā)明中使用的 Mn化合物。
[0101] 例如，碳酸鋰和鋰鉍酸是可在本發(fā)明中使用的Li化合物。
[0102] 例如，氧化鉍和鋰鉍酸是可在本發(fā)明中使用的Bi化合物。
[0103] 此外，調(diào)整表示根據(jù)本發(fā)明的壓電陶瓷的Ba和Ca的總摩爾數(shù)相對于Ti、Zr和Sn 的總摩爾數(shù)的比率的"a"{a= (Ba+CaV(Zr+Ti+Sn)}所需的原材料并非特定地受限。上述 Ba化合物、Ca化合物、Ti化合物、Zr化合物和Sn化合物中的每一個帶來相似的效果。
[0104] 用于對用于根據(jù)本發(fā)明的壓電陶瓷的原材料粉末進(jìn)行顆?；姆椒ú⒎翘囟ǖ?受限?？稍陬w?；惺褂玫恼辰觿┦抢缇垡蚁┐迹≒VA)、聚乙烯醇縮丁醛（PVB)或丙烯 酸樹脂。期望粘接劑的添加量處于從1重量份到10重量份的范圍中。此外，因?yàn)榭梢栽黾?成型密度，所以期望將粘接劑的添加量設(shè)置為處于從2重量份到5重量份的范圍中。有用 的是，對可以通過以機(jī)械方式混合上述Ba化合物、Ca化合物、Ti化合物、Zr化合物、Sn化 合物和Mn化合物獲得的混合粉末進(jìn)行顆?；?。還有用的是，在對上述化合物進(jìn)行顆粒化之 前，在800°C至1300°C的溫度范圍中煅燒這些化合物。此外，有用的是，將Mn化合物和粘接 劑同時添加到上述Ba化合物、Ca化合物、Ti化合物、Zr化合物、Sn化合物、Li化合物和Bi 化合物的煅燒后的混合物。此外，如果需要獲得具有均勻顆粒直徑的顆?；勰?，則最期望 的顆?；椒ㄊ菄婌F干燥方法。
[0105] 用于制造根據(jù)本發(fā)明的壓電陶瓷致密物的方法并非具體地受限。致密物是可以通 過原材料粉末、顆粒化粉末或漿體制造的固體?？梢岳缤ㄟ^單軸加壓加工、冷態(tài)流體靜壓 加工、熱態(tài)流體靜壓加工、鑄造成型或擠壓成型來實(shí)現(xiàn)致密物的制造。
[0106] 用于燒結(jié)根據(jù)本發(fā)明的壓電陶瓷的方法并非具體地受限。燒結(jié)方法是例如使用電 爐的燒結(jié)方法、使用氣爐的燒結(jié)方法、電加熱方法、微波燒結(jié)方法、毫米波燒結(jié)方法或熱等 靜壓（HIP)。可以通過連續(xù)式爐或分批式爐來實(shí)現(xiàn)基于電爐的燒結(jié)和基于氣爐的燒結(jié)。
[0107] 上述燒結(jié)方法并非具體地限制陶瓷的燒結(jié)溫度。然而，期望燒結(jié)溫度足以使得每 個化合物反應(yīng)并且使得晶體生長。如果要求陶瓷具有3 i! m至30 i! m的顆粒直徑，則期望的 燒結(jié)溫度不低于IKKTC并且不高于1550°C。更期望將燒結(jié)溫度設(shè)置為不低于IKKTC并且 不高于1380°C。已經(jīng)在上述溫度范圍中所燒結(jié)的壓電陶瓷展現(xiàn)出令人滿意的壓電性能。
[0108] 如果需要恒定地穩(wěn)定通過燒結(jié)處理所獲得的壓電陶瓷的特性，則期望在將燒結(jié)溫 度保持在上述范圍內(nèi)的條件下燒結(jié)時間不短于兩小時并且不長于24小時。
[0109] 雖然傳統(tǒng)上已知的燒結(jié)方法（例如兩步燒結(jié)方法）是可采用的，但當(dāng)考慮生產(chǎn)率 時，有用的是選擇不導(dǎo)致溫度的任何陡峭改變的適當(dāng)方法。
[0110] 當(dāng)壓電陶瓷經(jīng)受拋光加工時，期望壓電陶瓷隨后經(jīng)受在KKKTC或更高的熱處理。 當(dāng)以機(jī)械方式拋光壓電陶瓷時，在壓電陶瓷中生成明顯的殘余應(yīng)力。然而，可以通過在 KKKTC或更高執(zhí)行熱處理來減少殘余應(yīng)力。壓電陶瓷的壓電特性可以被進(jìn)一步改進(jìn)。此外， 執(zhí)行上述熱處理對于移除可以沿著顆粒邊界部分沉積的原材料粉末（包括碳酸鋇）是有效 的。雖然完成熱處理所需的時間并非具體地受限，但期望熱處理時間等于或大于一小時。
[0111] 如果根據(jù)本發(fā)明的壓電材料的晶體顆粒直徑超過50 ym，則材料強(qiáng)度對于切割加 工或拋光加工可能是不足夠的。此外，如果顆粒直徑小于0.3 ym，則壓電性惡化。因此，期 望平均顆粒直徑范圍不小于〇. 3 m并且不大于50 m。更期望顆粒直徑范圍不小于3 m 并且不大于30 u m。
[0112] 在本發(fā)明中，"顆粒直徑"是在顯微鏡觀測方法中通常指代的"投影面積直徑"。更 具體地說，"顆粒直徑"表示具有可與晶體顆粒的投影面積相比的面積的理想圓形的直徑。 用于測量根據(jù)本發(fā)明的顆粒直徑的方法并非具體地受限。例如，可以通過對可以通過偏振 顯微鏡或掃描電子顯微鏡捕獲的壓電材料的表面的攝影圖像執(zhí)行圖像處理來獲得顆粒直 徑。因?yàn)樽罴逊糯舐士筛鶕?jù)目標(biāo)顆粒的直徑而變化，所以可能有用的是選擇性地使用光學(xué) 顯微鏡或電子顯微鏡。還有用的是，基于材料的拋光后的表面或截面來獲得等效圓直徑。
[0113] 當(dāng)根據(jù)本發(fā)明的壓電材料被用于制造基板上的膜時，期望壓電材料的厚度不小于 20〇111]1并且不大于1〇111]1。更期望壓電材料的厚度不小于30〇111]1并且不大于3111]1。當(dāng)壓電 材料的膜厚度不小于200nm并且不大于10 y m時，壓電元件可以擁有足夠的機(jī)電換能功能。
[0114] 膜形成方法并非具體地受限。例如，化學(xué)溶液沉積（CSD)方法、溶膠-凝膠方法、 金屬有機(jī)化學(xué)蒸鍍沉積（MOCVD)方法、濺射方法、脈沖激光沉積（PLD)方法、水熱方法、氣溶 膠沉積（AD)方法可用于形成膜。當(dāng)待形成的膜是多層化膜時，可選自上述方法的最期望的 方法是化學(xué)溶液沉積方法或?yàn)R射方法?；瘜W(xué)溶液沉積方法或?yàn)R射方法優(yōu)選地用于形成具有 大面積的膜。沿著（001)或（110)平面切割并且拋光的單晶基板優(yōu)選地被用作根據(jù)本發(fā)明 的壓電材料的基板。使用沿著特定晶體平面切割并且拋光的單晶基板是有用的，因?yàn)榇?基板表面上提供的壓電材料膜可以強(qiáng)烈地定向在同一方向上。
[0115] 下文中，以下詳細(xì)描述使用根據(jù)本發(fā)明的壓電材料的壓電元件。
[0116] 圖1示意性示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的壓電元件的配置。根據(jù)本發(fā)明的壓電元件包 括第一電極1、壓電材料部分2和第二電極3。壓電元件的特征在于壓電材料部分2由根據(jù) 本發(fā)明的壓電材料構(gòu)成。
[0117] 當(dāng)根據(jù)本發(fā)明的壓電材料被合并到至少包括第一電極和第二電極的壓電元件中 時，壓電元件可以擁有可評價的壓電特性。第一電極和第二電極中的每一個是具有5nm至 IOum的厚度的導(dǎo)電層。第一電極和第二電極的材料并非具體地受限，并且可以是任何通 ?？捎糜趬弘娫牟牧稀＠?，諸如Ti、Pt、Ta、Ir、Sr、In、Sn、Au、Al、Fe、Cr、Ni、Pd、Ag 和Cu之類的金屬以及它們的化合物是可用的。
[0118] 第一電極和第二電極中的每一個可以形成為僅由選自上述示例的一種材料制成 的單層，或可以形成為包括至少兩種材料的多層化電極。此外，第一電極的材料可以與第二 電極的材料區(qū)分。
[0119] 用于制造第一電極和第二電極的方法并非具體地受限。例如，制造方法可以包括 燒制金屬膏劑。此外，濺射方法或蒸鍍沉積方法是可用的。此外，將第一電極和第二電極進(jìn) 行圖案化為期望的形狀也是可用的。
[0120] 更期望壓電元件的極化軸一致地定向在預(yù)定方向上。當(dāng)極化軸一致地定向在預(yù)定 方向上時，壓電元件的壓電常數(shù)變得更大。
[0121] 用于極化壓電元件的方法并非具體地受限?？梢栽诖髿庵谢蚩梢栽诠栌椭袌?zhí)行極 化處理。期望極化溫度處于從60°C到150°C的范圍中。然而，根據(jù)被采用以構(gòu)成元件的壓 電材料的實(shí)際組分，最佳條件可略微地變化。此外，期望待在極化處理中施加的電場處于從 600V/mm 到 2. OkV/mm 的范圍中。
[0122] 可以參照日本電子信息技術(shù)工業(yè)協(xié)會（JEITA EM-4501)的標(biāo)準(zhǔn)基于通過市場上可 獲得的阻抗分析器獲得的諧振頻率和反諧振頻率的測量結(jié)果來計(jì)算壓電元件的壓電常數(shù) 和機(jī)電品質(zhì)因數(shù)。下文中，上述方法被稱為諧振-反諧振方法。
[0123] 接下來，以下詳細(xì)描述可以使用根據(jù)本發(fā)明的壓電材料制造的多層化壓電元件。
[0124] 〈多層化壓電元件〉
[0125] 根據(jù)本發(fā)明的多層化壓電元件是包括被交替多層化的多個壓電材料層以及多個 電極的多層化壓電元件，所述多個電極包括至少一個內(nèi)部電極。構(gòu)成多層化壓電元件的壓 電材料層的特征在于由根據(jù)本發(fā)明的壓電材料制成。
[0126] 圖2A和圖2B是示意性示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的多層化壓電元件的示例配置的截 面圖。根據(jù)本發(fā)明的多層化壓電元件包括壓電材料層54和包括內(nèi)部電極55的電極。換句 話說，根據(jù)本發(fā)明的多層化壓電元件的特征在于包括被交替多層化的壓電材料層和至少一 個分層電極并且壓電材料層54以上述壓電材料制成。除了內(nèi)部電極55之外，多層化壓電 元件的電極可以還包括外部電極，如第一電極51和第二電極53。
[0127] 圖2A示出根據(jù)本發(fā)明的多層化壓電元件的示例，其包括以構(gòu)成夾在第一電極51 與第二電極53之間的多層化結(jié)構(gòu)的方式交替多層化的兩個壓電材料層54和單個內(nèi)部電極 55。壓電材料層和內(nèi)部電極的數(shù)量可以增加，如圖2B所示。構(gòu)成層的數(shù)量不限于特定值。 圖2B所不的多層化壓電兀件包括以構(gòu)成夾在第一電極501與第二電極503之間的多層化 結(jié)構(gòu)的方式而交替多層化的九個壓電材料層504和八個內(nèi)部電極505。圖2B中所示的多層 化壓電兀件還包括電連接交替設(shè)置的內(nèi)部電極的兩個外部電極506a和506b。
[0128] 內(nèi)部電極55和505以及外部電極506a和506b在大小和形狀方面并非總是與壓 電材料層54和504相似。每個電極可以進(jìn)一步劃分為多個子電極。
[0129] 以具有5nm至10 ii m的厚度的導(dǎo)電層構(gòu)成內(nèi)部電極55和505、外部電極506a和 506b、第一電極51和501以及第二電極53和503中的每一個。每個電極的材料并非具體地 受限并且可以是可以用于壓電元件的普通材料。例如，諸如Ti、Pt、Ta、Ir、Sr、In、Sn、Au、 Al、Fe、Cr、Ni、PcU Ag和Cu之類的金屬以及它們的化合物可用作構(gòu)成多層化壓電元件的電 極。一種材料或含有選自上述組的兩種或更多種材料的混合物（或合金）可以用作內(nèi)部電 極55和505以及外部電極506a和506b。此外，選自上述組的兩種或更多種材料可以是多 層化的。此外，可以通過相互不同的材料來制成多個電極。當(dāng)考慮電極材料的廉價性時，期 望內(nèi)部電極55和505包括Ni成分和Cu成分中的至少一個。當(dāng)內(nèi)部電極55和505使用Ni 成分和Cu成分中的至少一個時，期望在還原氣氛中燒結(jié)根據(jù)本發(fā)明的多層化壓電元件。
[0130] 在根據(jù)本發(fā)明的多層化壓電元件中，期望內(nèi)部電極包括Ag和Pd,對于重量比率 M1/M2滿足關(guān)系0. 25彡M1/M2彡4. 0,其中，Ml表示Ag的含量，M2表示Pd的含量。不期望 將重量比率M1/M2設(shè)置為小于0. 25,因?yàn)閮?nèi)部電極的燒結(jié)溫度變得更高。此外，不期望將重 量比率M1/M2設(shè)置為大于4. 0,因?yàn)閮?nèi)部電極變?yōu)閸u狀形狀。換句話說，內(nèi)部電極表面變?yōu)?不均勻的。更期望對于重量比率M1/M2滿足關(guān)系0. 3彡M1/M2彡3. 0。
[0131] 如圖2B所示，包括內(nèi)部電極505的多個電極可以彼此電連接，以使驅(qū)動電壓相位 均衡化。例如，每個內(nèi)部電極505a可以經(jīng)由外部電極506a電連接到第一電極501。每個內(nèi) 部電極505b可以經(jīng)由外部電極506b電連接到第二電極503。內(nèi)部電極505a和內(nèi)部電極 505b可以被交替地設(shè)置。此外，電連接電極的方式不限于特定結(jié)構(gòu)。例如，有用的是，在多 層化壓電元件的側(cè)表面上提供專用電極或引線，以實(shí)現(xiàn)各電極之間的可比較的電連接。還 有用的是，提供延伸穿過多個壓電材料層并且以導(dǎo)電材料填充其內(nèi)部空間的通孔，以實(shí)現(xiàn) 各電極之間的可比較的電連接。
[0132] 〈液體排出頭〉
[0133] 根據(jù)本發(fā)明的液體排出頭的特征在于：液體腔室，配有其中設(shè)置有上述壓電元件 或上述多層化壓電元件的振動單元；排出口，其與所述液體腔室連通。待從根據(jù)本發(fā)明的液 體排出頭排出的液體不限于具體流體。例如，根據(jù)本發(fā)明的液體排出頭可以排出水性液體 (例如水、墨水或燃料）或非水性液體。
[0134] 圖3A和圖3B示意性示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的液體排出頭的配置。如圖3A和圖 3B所示，根據(jù)本發(fā)明的液體排出頭包括根據(jù)本發(fā)明的壓電元件101。壓電元件101包括第 一電極1011、壓電構(gòu)件1012和第二電極1013。如果需要，則壓電構(gòu)件1012形成為圖案，如 圖3B所示。
[0135] 圖3B是示出液體排出頭的示意圖。液體排出頭包括多個排出口 105、各個液體 腔室102、分別將各個液體腔室102連接到對應(yīng)排出口 105的連續(xù)孔106、液體腔室隔離壁 104、普通液體腔室107、振動板103、和壓電元件101。圖3A和圖3B所示的壓電元件101具 有矩形形狀。然而，壓電元件101可以被配置為具有橢圓、圓形或平行四邊形形狀。通常， 壓電構(gòu)件1012具有與各個液體腔室102的形狀相似的形狀。
[0136] 以下參照圖3A詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明的液體排出頭中所包括的壓電元件101的外 圍結(jié)構(gòu)。圖3A是沿著寬度方向取得的圖3B中所示的壓電元件的截面圖。壓電元件101的 截面形狀不限于所示的矩形形狀，而可以是梯形或倒梯形形狀。
[0137] 在圖3A和圖3B中，第一電極1011充當(dāng)下電極并且第二電極1013充當(dāng)上電極。然 而，第一電極1011和第二電極1013不限于上述布置。例如，第一電極1011可以用作上電 極并且第二電極1013可以用作下電極。此外，有用的是，在振動板103與下電極之間提供 緩沖層108。所指代的名稱方面的上述差異取決于單個設(shè)備的制造方法。在任何情況下，可 以獲得本發(fā)明的效果。
[0138] 在液體排出頭中，振動板103以對單個液體腔室102中的液體加壓的方式響應(yīng)于 壓電構(gòu)件1012的伸展/收縮運(yùn)動而在上下方向上運(yùn)動。結(jié)果，液體可以從排出口 105排 出。根據(jù)本發(fā)明的液體排出頭可以合并到打印機(jī)中，并且可以用在電子設(shè)備的制造中。振 動板103的厚度不小于I. 0 y m并且不大于15 ii m。期望將振動板103的厚度設(shè)置為不小 于I. 5 y m并且不大于8 y m。雖然振動板的材料不限于特定材料，但期望振動板以Si制成。 此外，如果振動板含有Si,則振動板可以被配置為硼（或磷）摻雜的振動板。此外，振動板 上所提供的緩沖層和電極可以被配置為振動板的一部分。緩沖層108的厚度不小于5nm并 且不大于300nm。期望將緩沖層108的厚度設(shè)置為不小于IOnm并且不大于200nm。當(dāng)作為 等效圓直徑而被測量時，排出口 105的大小不小于5 ii m并且不大于40 ii m。排出口 105可 以被配置為具有圓形形狀、星形形狀、矩形形狀或三角形形狀。
[0139] 〈液體排出裝置〉
[0140] 接下來，以下詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明的液體排出裝置。根據(jù)本發(fā)明的液體排出裝置 包括：上面放置有圖像轉(zhuǎn)印介質(zhì)的部分；上述液體排出頭。
[0141] 圖4和圖5示出作為根據(jù)本發(fā)明的液體排出裝置的示例的噴墨記錄裝置。圖5示 出從圖4所示的液體排出裝置（即噴墨記錄裝置）881移除外面部分882至885和887的 狀態(tài)。噴墨記錄裝置881包括自動饋送單元897,其可以自動地將記錄紙張（即圖像轉(zhuǎn)印 介質(zhì)）饋送到裝置主體896中。此外，噴墨記錄裝置881包括：傳送單元899,其可以將從 自動饋送單元897饋送的記錄紙張引導(dǎo)到預(yù)定記錄位置，并且進(jìn)一步將記錄紙張從記錄位 置引導(dǎo)到排出口 898。噴墨記錄裝置881還包括：記錄單元891，其可以對傳送到記錄位置 的記錄紙張執(zhí)行記錄；恢復(fù)單元890,其可以執(zhí)行用于記錄單元891的恢復(fù)處理。記錄單元 891包括滑架892,在滑架892中以沿著滑軌移動的方式來放置根據(jù)本發(fā)明的液體排出頭。
[0142] 在上述噴墨記錄裝置中，滑架892響應(yīng)于從計(jì)算機(jī)提供的電信號沿著滑軌運(yùn)動， 并且當(dāng)驅(qū)動電壓被施加到夾住壓電材料的電極時壓電材料產(chǎn)生位移。壓電材料的位移經(jīng)由 圖3B所示的振動板103壓住單個液體腔室102,以從排出口 105排出墨水，以執(zhí)行打印。根 據(jù)本發(fā)明的液體排出裝置可以按較高的速度均勻地排出液體并且可以縮小裝置主體。
[0143] 根據(jù)本發(fā)明的液體排出裝置不限于上述打印機(jī)，并且可以被配置為傳真機(jī)、多功 能外設(shè)、復(fù)印機(jī)或任何其他打印裝置。此外，根據(jù)本發(fā)明的液體排出裝置可以被配置為工業(yè) 液體排出裝置或目標(biāo)繪制裝置。
[0144] 此外，用戶可以根據(jù)意圖來選擇期望的圖像轉(zhuǎn)印介質(zhì)。液體排出頭可以相對于在 充當(dāng)圖像轉(zhuǎn)印介質(zhì)放置部分的臺架上所放置的圖像轉(zhuǎn)印介質(zhì)而運(yùn)動。
[0145] 〈超聲馬達(dá)〉
[0146] 根據(jù)本發(fā)明的超聲馬達(dá)的特征在于：其中設(shè)置有上述壓電元件或上述多層化壓電 元件的振動體；移動體，其接觸所述振動體。圖6A和圖6B示意性示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的 超聲馬達(dá)的配置示例。圖6A示出包括根據(jù)本發(fā)明的單板類型壓電元件的超聲馬達(dá)的示例。 圖6A中所示的超聲馬達(dá)包括：振蕩器201 ;轉(zhuǎn)子202,在壓縮彈簧（未示出）所施加的壓力 下接觸振蕩器201的滑動表面；以及輸出軸203,與轉(zhuǎn)子202 -體地形成。振蕩器201包括 彈性金屬環(huán)2011、壓電元件2012(即根據(jù)本發(fā)明的壓電元件）、以及將壓電元件2012連接 到彈性環(huán)2011的有機(jī)粘合劑2013(例如環(huán)氧類型或氰基丙烯酸酯類型）。根據(jù)本發(fā)明的壓 電元件2012由被第一電極（未示出）和第二電極（未示出）夾住的壓電材料構(gòu)成。當(dāng)具 有相當(dāng)于n/2的奇數(shù)倍的相位差的兩相交變電壓被施加到根據(jù)本發(fā)明的壓電元件時，彎 曲的行波出現(xiàn)在振蕩器201上并且振蕩器201的滑動表面上的每個點(diǎn)產(chǎn)生橢圓運(yùn)動。如果 轉(zhuǎn)子202壓靠振蕩器201的滑動表面，則轉(zhuǎn)子202從振蕩器201接收摩擦力并且在與彎曲 的行波相反的方向上旋轉(zhuǎn)。從動構(gòu)件（未示出）連接到輸出軸203并且受轉(zhuǎn)子202的旋轉(zhuǎn) 力驅(qū)動。當(dāng)把電壓施加到壓電材料時可獲得的壓電橫向效應(yīng)使得壓電材料伸展。在彈性體 (例如金屬構(gòu)件）被連接到壓電元件的情況下，彈性體根據(jù)壓電材料的伸展和收縮運(yùn)動而 彎曲。圖6A中所示的超聲馬達(dá)可基于上述原理而操作。圖6B示出包括具有多層化結(jié)構(gòu)的 壓電元件的超聲馬達(dá)的另一示例。振蕩器204包括被夾在各柱體彈性金屬體2041之間的 多層化壓電元件2042。多層化壓電元件2042由多個多層化壓電材料（未示出）構(gòu)成。多 層化壓電元件2042包括在多層化主體的外表面上所形成的第一電極和第二電極以及在多 層化主體中所提供的內(nèi)部電極。彈性金屬體2041以構(gòu)成振蕩器204的方式通過螺栓得以 緊固，以牢固地保持它們之間的壓電元件2042。如果其間具有相位差的交變電壓被施加到 壓電元件2042,則振蕩器204生成相互垂直的兩種類型的振動。上述振動當(dāng)組合在一起時 可以驅(qū)動振蕩器204的前端部分，并且因此可以形成圓形振動。圓形槽形成在振蕩器204 的上部分處，以使得可以增加振動位移。壓力彈簧206把轉(zhuǎn)子205壓靠到振蕩器204,以獲 得驅(qū)動摩擦力。轉(zhuǎn)子205可旋轉(zhuǎn)并且被承載體支承。
[0147] 〈光學(xué)設(shè)備〉
[0148] 接下來，以下詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)設(shè)備。根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)設(shè)備的特征在 于：驅(qū)動單元，其包括超聲馬達(dá)。
[0149] 圖7是示出作為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光學(xué)設(shè)備的示例的單透鏡反射相機(jī)的可互 換透鏡鏡筒的主要截面圖。圖8是示出作為根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的光學(xué)設(shè)備的示例的單 透鏡反射相機(jī)的可互換透鏡鏡筒的分解透視圖。固定鏡筒712、直線引導(dǎo)鏡筒713和前組透 鏡鏡筒714(即可互換透鏡鏡筒的固定構(gòu)件）被固定到相機(jī)拆卸裝配架711。
[0150] 在直線引導(dǎo)鏡筒713上形成在聚焦透鏡702的光軸方向上延伸的直線引導(dǎo)槽 713a。軸向螺釘718將凸輪輥717a和717b固定到保持聚焦透鏡702的后分組透鏡鏡筒 716。凸輪輥717a和717b中的每一個在徑向方向上向外突出。凸輪輥717a與直線引導(dǎo)槽 713a耦合。
[0151] 凸輪環(huán)715是可旋轉(zhuǎn)的，并且與直線引導(dǎo)鏡筒713的內(nèi)表面耦合。當(dāng)固定到凸輪 環(huán)715的輥719與直線引導(dǎo)鏡筒713的圓形槽713b耦合時，調(diào)節(jié)光軸方向上在直線引導(dǎo)鏡 筒713與凸輪環(huán)715之間的相對運(yùn)動。專用于聚焦透鏡702的凸輪槽715a被形成在凸輪 環(huán)715上。上述凸輪輥717b同時與凸輪槽715a耦合。
[0152] 旋轉(zhuǎn)發(fā)送環(huán)720被設(shè)置在固定鏡筒712的外表面上。球滾道727以在預(yù)定位置相 對于固定鏡筒712可旋轉(zhuǎn)的方式保持旋轉(zhuǎn)發(fā)送環(huán)720?？勺杂尚D(zhuǎn)的輥722被從旋轉(zhuǎn)發(fā)送 環(huán)720徑向延伸的軸720f?保持。輥722的大直徑部分722a與手動聚焦環(huán)724的裝配架側(cè) 表面724b接觸。此外，輥722的小直徑部分722b與接合構(gòu)件729接觸。分別具有上述配 置的六個輥722以相等的間隔被設(shè)置在旋轉(zhuǎn)發(fā)送環(huán)720的外表面周圍。
[0153] 低摩擦片材（例如墊圈構(gòu)件）733被設(shè)置在手動聚焦環(huán)724的內(nèi)部筒狀部分處。 低摩擦片材夾在固定鏡筒712的裝配架端面712a與手動聚焦環(huán)724的前端面724a之間。 此外，低摩擦片材733的外部筒狀表面具有環(huán)形狀，并且徑向地與手動聚焦環(huán)724的內(nèi)徑部 分724c耦合。此外，手動聚焦環(huán)724的內(nèi)徑部分724c徑向地與固定鏡筒712的外徑部分 712b耦合。低摩擦片材733具有這樣的作用：減少手動聚焦環(huán)724被配置為相對于固定鏡 筒712繞著光軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)環(huán)機(jī)構(gòu)中的摩擦。
[0154] 波形墊圈726朝向透鏡的前側(cè)壓住超聲馬達(dá)725。波形墊圈726的壓力可以把輥 722的大直徑部分722a和手動聚焦環(huán)724的裝配架側(cè)表面724b保持在接觸狀態(tài)下。相似 地，波形墊圈726朝向透鏡的前側(cè)壓住超聲馬達(dá)725的力可以適當(dāng)?shù)匕演?22的小直徑部 分722b壓靠接合構(gòu)件729,以便保持接觸狀態(tài)。當(dāng)波形墊圈726在裝配架方向上移動時，通 過卡口耦合而連接到固定鏡筒712的墊圈732調(diào)節(jié)波形墊圈726。波形墊圈726所生成的 彈簧力（即偏置力）可以發(fā)送到超聲馬達(dá)725,并且進(jìn)一步發(fā)送到輥722。所發(fā)送的力使得 手動聚焦環(huán)724壓住固定鏡筒712的裝配架端表面712a。更具體地說，在合并狀態(tài)下，手動 聚焦環(huán)724經(jīng)由低摩擦片材733壓靠固定鏡筒712的裝配架端表面712a。
[0155] 相應(yīng)地，當(dāng)控制單元（未示出）驅(qū)動超聲馬達(dá)725以產(chǎn)生相對于固定鏡筒712的 旋轉(zhuǎn)時，因?yàn)榻雍蠘?gòu)件729以摩擦方式接觸輥722的小直徑部分722b，所以輥722繞著軸 720f的中央軸線旋轉(zhuǎn)。當(dāng)輥722繞著軸720f旋轉(zhuǎn)時，旋轉(zhuǎn)發(fā)送環(huán)720繞著光軸旋轉(zhuǎn)（這被 稱為自動聚焦操作）。
[0156] 此外，如果從手動操作輸入單元（未示出）對手動聚焦環(huán)724給出繞著光軸的旋 轉(zhuǎn)力，則因?yàn)槭謩泳劢弓h(huán)724的裝配架側(cè)表面724b壓靠輥722的大直徑部分722a，所以輥 722由于摩擦力而繞著軸720f旋轉(zhuǎn)。當(dāng)輥722的大直徑部分722a繞著軸720f旋轉(zhuǎn)時，旋 轉(zhuǎn)發(fā)送環(huán)720繞著光軸旋轉(zhuǎn)。在此情況下，在轉(zhuǎn)子725c與定子725b之間起作用的摩擦保 持力防止超聲馬達(dá)725旋轉(zhuǎn)（這被稱為手動聚焦操作）。
[0157] 以相對的關(guān)系而定位的兩個聚焦鍵728附連到旋轉(zhuǎn)發(fā)送環(huán)720。聚焦鍵728與凸 輪環(huán)715的前端處所提供的切斷（cutout)部分715b耦合。相應(yīng)地，如果當(dāng)執(zhí)行自動聚焦 操作或手動聚焦操作時旋轉(zhuǎn)發(fā)送環(huán)720繞著光軸旋轉(zhuǎn)，則其旋轉(zhuǎn)力經(jīng)由聚焦鍵728發(fā)送到 凸輪環(huán)715。當(dāng)凸輪環(huán)715繞著光軸旋轉(zhuǎn)時，在后分組透鏡鏡筒716的旋轉(zhuǎn)受凸輪輥717a 和直線引導(dǎo)槽713a調(diào)節(jié)的狀態(tài)下，凸輪輥717b沿著凸輪環(huán)715的凸輪槽715a前后移動后 分組透鏡鏡筒716。因此，聚焦透鏡702被驅(qū)動并且聚焦操作得以執(zhí)行。
[0158] 根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)設(shè)備不限于上述可應(yīng)用于單透鏡反射相機(jī)的可互換透鏡鏡筒， 并且可以被配置為緊湊型相機(jī)、電子靜態(tài)照相機(jī)、配備相機(jī)的便攜式信息終端或任何其它 類型的包括充當(dāng)上述驅(qū)動單元的超聲馬達(dá)的光學(xué)設(shè)備。
[0159] 〈振動裝置和灰塵移除裝置〉
[0160] 被配置為傳送并且移除顆粒、粉末和液滴的振動裝置可以廣泛地用在電子設(shè)備 中。
[0161] 下文中，以下詳細(xì)描述使用作為根據(jù)本發(fā)明的振動裝置的示例的根據(jù)本發(fā)明的壓 電元件的灰塵移除裝置。
[0162] 根據(jù)本發(fā)明的灰塵移除裝置的特征在于：振動體，其包括在振動板上設(shè)置的壓電 元件或多層化壓電元件。
[0163] 圖9A和圖9B示意性示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的灰塵移除裝置310。灰塵移除裝置 310包括一對平坦壓電元件330和振動板320。每個壓電元件330可以被配置為根據(jù)本發(fā) 明的多層化壓電元件。振動板320的材料無需具有特定品質(zhì)。然而，當(dāng)在光學(xué)設(shè)備中使用 灰塵移除裝置310時，光透射材料或光反射材料可用于振動板320。
[0164] 圖10A、圖IOB和圖IOC示意性示出圖9A和圖9B所示的壓電元件330的配置。圖 IOA和圖IOC示出壓電元件330的前表面和后表面。圖IOB示出壓電元件330的側(cè)表面。 每個壓電兀件330包括壓電構(gòu)件331、第一電極332和第二電極333,如圖9A所不。處于相 對的關(guān)系的第一電極332和第二電極333被設(shè)置在壓電構(gòu)件331的板表面上。如參照圖9A 和圖9B所描述的那樣，每個壓電元件330可以被配置為根據(jù)本發(fā)明的多層化壓電元件。在 此情況下，可行的是，當(dāng)壓電構(gòu)件331被配置為具有包括被交替設(shè)置的壓電材料層和內(nèi)部 電極的結(jié)構(gòu)時，并且當(dāng)各內(nèi)部電極交替連接到第一電極332或第二電極333時，對于每個壓 電材料層給出在相位方面不同的驅(qū)動波形。在圖IOC中，上面提供有第一電極332并且第 一電極332位于壓電兀件330的前側(cè)上的表面被稱為第一電極表面336。在圖IOA中，上面 提供有第二電極333并且第二電極333位于壓電元件330的前側(cè)上的表面被稱為第二電極 表面337。
[0165] 根據(jù)本發(fā)明的電極表面是上面提供有電極的壓電元件的表面。例如，第一電極332 可以被配置為具有環(huán)繞形狀，以使得在第二電極表面337上提供第一電極332的一部分，如 圖IOB所示。
[0166] 振動板320的板表面被固定到壓電兀件330的第一電極表面336,如圖9A和圖9B 所示。當(dāng)壓電元件330受驅(qū)動時,在壓電元件330與振動板320之間生成的應(yīng)力包括振動 板320的面外振動。根據(jù)本發(fā)明的灰塵移除裝置310是可以通過使用振動板320的面外振 動來移除外來物質(zhì)（如粘附到振動板320的表面的灰塵顆粒）的裝置。面外振動是彈性振 動，其在光軸方向（即振動板的厚度方向）上產(chǎn)生振動板的位移。
[0167] 圖IlA和圖IlB是示出根據(jù)本發(fā)明的灰塵移除裝置310中產(chǎn)生振動的原理的示意 圖。圖IlA示出當(dāng)具有相同相位的交變電壓施加到一對左右壓電元件330時所生成的振動 板320的面外振動。構(gòu)成左右壓電元件330中的每一個的壓電材料的極化方向與壓電元件 330的厚度方向相同?；覊m移除裝置310在第七振動模式下驅(qū)動。圖IlB示出當(dāng)具有相互 相反相位（180°不同）的交變電壓被施加到一對左右壓電兀件330時所生成的振動板320 的面外振動。在此情況下，灰塵移除裝置310在第六振動模式下驅(qū)動。根據(jù)本發(fā)明的灰塵 移除裝置310可以通過有選擇地在至少兩種振動模型下操作而有效地移除粘附到振動板 的表面的灰塵顆粒。
[0168] 〈成像裝置〉
[0169] 接下來，以下詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明的成像裝置。根據(jù)本發(fā)明的成像裝置包括上述 灰塵移除裝置和圖像傳感器單元，其特征在于，在所述圖像傳感器單元的光接收表面上提 供所述灰塵移除裝置的振動板。圖12和圖13示出作為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的成像裝置的示 例的數(shù)字單透鏡反射相機(jī)。
[0170] 圖12是示出在移除成像透鏡單元的狀態(tài)下可以從成像目標(biāo)側(cè)看去的相機(jī)主體 601的前側(cè)的透視圖。圖13是示出相機(jī)內(nèi)部的示意性配置的分解透視圖，其中，詳細(xì)描述根 據(jù)本發(fā)明的灰塵移除裝置以及成像單元400的外圍結(jié)構(gòu)。
[0171] 在已經(jīng)通過成像透鏡單元之后，成像光通量可以被引導(dǎo)到相機(jī)主體601中所提供 的鏡桶605中。主鏡（例如快速返回鏡）606被設(shè)置在鏡桶605中。主鏡606可以相對于 成像光軸以某傾斜角（例如45° )被保持，以朝向五面鏡（penta-Dach mirror,未示出） 引導(dǎo)成像光通量，或可以在回退位置處受保持，以朝向圖像傳感器（未示出）引導(dǎo)成像光通 量。
[0172] 鏡桶605和快門單元200依次被設(shè)置在主體框架300 (即相機(jī)主體的框架）的成 像目標(biāo)側(cè)上。此外，成像單元400被設(shè)置在主體框架300的攝影者側(cè)上。成像單元400被 調(diào)整并且被放置為使得圖像傳感器的成像表面與成像透鏡單元附連到的裝配架602的定 位平面間隔開預(yù)定距離并且與其平行定位。
[0173] 根據(jù)本發(fā)明的成像裝置不限于上述數(shù)字單透鏡反射相機(jī)，并且可以被配置為不包 括鏡桶605的無鏡數(shù)字單透鏡反射相機(jī)或任何其它成像透鏡單元可互換相機(jī)。此外，根據(jù) 本發(fā)明的成像裝置可以被配置為成像透鏡單元可互換攝像機(jī)或另一成像裝置，如復(fù)印機(jī)、 傳真機(jī)或掃描儀。根據(jù)本發(fā)明的成像裝置可以應(yīng)用于需要移除粘附到光學(xué)組件的表面的灰 塵顆粒的任何其它電氣和電子設(shè)備。
[0174] 〈電子設(shè)備〉
[0175] 接下來，以下詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明的電子設(shè)備。根據(jù)本發(fā)明的電子設(shè)備的特征在 于：壓電聲學(xué)設(shè)備，其包括壓電兀件或多層化壓電兀件。壓電聲學(xué)設(shè)備是例如揚(yáng)聲器、蜂鳴 器、麥克風(fēng)、表面聲學(xué)波（SAW)兀件。
[0176] 圖14是示出作為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電子設(shè)備的示例的從其前側(cè)看去的數(shù)字相 機(jī)的主體931的總體透視圖。光學(xué)裝置901、麥克風(fēng)914、閃光燈單元909以及補(bǔ)光單元916 被設(shè)置在主體931的前表面上。麥克風(fēng)914多數(shù)合并在主體931中。因此，麥克風(fēng)914由 虛線表示。為了拾取周圍聲音，麥克風(fēng)914的前部被配置為具有通孔形狀。
[0177] 可操作為執(zhí)行對焦操作的電源按鈕933、揚(yáng)聲器912、變焦杠桿932和釋放按鈕908 被設(shè)置在主體931的上表面上。揚(yáng)聲器912合并在主體931中，并且因此由虛線指示。在 揚(yáng)聲器912的前側(cè)上提供孔，以輸出聲音。
[0178] 可以在麥克風(fēng)914、揚(yáng)聲器912和表面聲學(xué)波兀件中的至少一個中提供根據(jù)本發(fā) 明的壓電聲學(xué)設(shè)備。
[0179] 根據(jù)本發(fā)明的電子設(shè)備不限于上述數(shù)字相機(jī)。例如，根據(jù)本發(fā)明的電子設(shè)備可以 被配置為聲音再現(xiàn)設(shè)備、語音記錄設(shè)備、移動電話、信息終端或任何其它包括壓電聲學(xué)設(shè)備 的電子設(shè)備。
[0180] 如上所述，根據(jù)本發(fā)明的壓電元件和多層化壓電元件可以優(yōu)選地合并在液體排出 頭、液體排出裝置、超聲馬達(dá)、光學(xué)設(shè)備、振動裝置、灰塵移除裝置、成像裝置和電子設(shè)備中。 使用根據(jù)本發(fā)明的壓電元件和多層化壓電元件使得能夠提供在噴嘴密度和排出速度方面 相當(dāng)于或優(yōu)于使用含鉛壓電元件的基準(zhǔn)液體排出頭的液體排出頭。
[0181] 使用根據(jù)本發(fā)明的液體排出頭使得能夠提供在排出速度和排出精度方面相當(dāng)于 或優(yōu)于使用含鉛壓電元件的基準(zhǔn)液體排出裝置的液體排出裝置。
[0182] 使用根據(jù)本發(fā)明的壓電元件和多層化壓電元件使得能夠提供在驅(qū)動力和耐久性 方面相當(dāng)于或優(yōu)于使用含鉛壓電元件的基準(zhǔn)超聲馬達(dá)的超聲馬達(dá)。
[0183] 使用根據(jù)本發(fā)明的超聲馬達(dá)使得能夠提供在耐久性和操作精度方面相當(dāng)于或優(yōu) 于使用含鉛壓電元件的基準(zhǔn)光學(xué)設(shè)備的光學(xué)設(shè)備。
[0184] 使用根據(jù)本發(fā)明的壓電元件和多層化壓電元件使得能夠提供在振動能力和耐久 性方面相當(dāng)于或優(yōu)于使用含鉛壓電元件的基準(zhǔn)振動裝置的振動裝置。
[0185] 使用根據(jù)本發(fā)明的振動裝置使得能夠提供在灰塵移除效率和耐久性方面相當(dāng)于 或優(yōu)于使用含鉛壓電元件的基準(zhǔn)灰塵移除裝置的灰塵移除裝置。
[0186] 使用根據(jù)本發(fā)明的灰塵移除裝置使得能夠提供在灰塵移除功能方面相當(dāng)于或優(yōu) 于使用含鉛壓電元件的基準(zhǔn)成像裝置的成像裝置。
[0187] 使用包括根據(jù)本發(fā)明的壓電元件或多層化壓電元件的壓電聲學(xué)設(shè)備使得能夠提 供在聲音生成方面相當(dāng)于或優(yōu)于使用含鉛壓電元件的基準(zhǔn)電子設(shè)備的電子設(shè)備。
[0188] 除了上述設(shè)備（例如液體排出頭和馬達(dá)）之外，根據(jù)本發(fā)明的壓電材料還可以合 并在超聲振蕩器、壓電致動器、壓電傳感器和鐵電存儲器中。
[0189] 下文中，參照各個示例描述本發(fā)明。然而，本發(fā)明不限于以下示例的描述。
[0190] 以下是根據(jù)本發(fā)明的壓電陶瓷的實(shí)際制造示例的描述。
[0191] 〈示例1至46和70以及比較性示例1至17>
[0192] 用于制造壓電陶瓷的原材料粉末具有IOOnm的平均顆粒直徑，并且作為主成分包 括鈦酸鋇（BaTiO 3, Ba/Ti = 0.9985)，鈦酸鈣（CaTiO3, Ca/Ti = 0.9978)、鋯酸鈣（CaZrO3, Ca/Zr = 0. 999)以及錫酸鈣（CaSn03，Ca/Sn = 1. 0137)。此外，原材料粉末包括草酸鋇，以 調(diào)整指示Ba和Ca的總摩爾數(shù)相對于Ti、Zr和Sn的總摩爾數(shù)的比率的值"a"。已經(jīng)以當(dāng) 以金屬換算時實(shí)現(xiàn)表1中所示的比率的方式對于每個試樣執(zhí)行對上述主成分的原材料粉 末的稱重。已經(jīng)以當(dāng)主成分金屬氧化物是100重量份時以金屬換算的Mn(即第一子成分）、 Li (即第二子成分）和Bi (第三子成分）的含量實(shí)現(xiàn)表1中所示的比率的方式對于每個試 樣執(zhí)行三氧化四錳、碳酸鋰和氧化鉍的稱重。已經(jīng)通過干燥混合在球磨機(jī)中混合上述稱重 的粉末達(dá)到24小時。為了對所獲得的混合粉末進(jìn)行顆粒化，噴霧干燥器已經(jīng)用于使得PVA 粘合劑（其為混合粉末的3重量份）粘接到混合粉末的表面。示例31至34以及示例70 的試樣已經(jīng)與氧化鎂混合，以使得以金屬換算的Mg重量分別變?yōu)?. 0049、0. 0099、0. 0499、 0. 0999 和 0. 4999 重量份。
[0193] 接下來，已經(jīng)通過使用將200MPa的壓制壓力施加到以上述顆?；勰┨畛涞哪?具的壓力形成機(jī)器來制造盤形致密物。有用的是，例如通過使用冷等靜壓機(jī)器來進(jìn)一步壓 制所制造的致密物。
[0194] 然后，上述致密物已經(jīng)被放置在電爐中并且在最大溫度為1320°C至1380°C的范 圍中保存達(dá)到五小時。已經(jīng)在大氣中燒結(jié)致密物達(dá)到24小時。通過上述工藝，已經(jīng)獲得以 根據(jù)本發(fā)明的壓電材料制成的陶瓷。
[0195] 然后，已經(jīng)參照平均等效圓直徑和相對密度評價了構(gòu)成所獲得的陶瓷的晶體顆 粒。作為評價的結(jié)果，已經(jīng)確認(rèn)平均等效圓直徑處于從10到50 的范圍中，（除了比較 性示例7之外）每個試樣的相對密度等于或大于95%。偏振顯微鏡已經(jīng)主要被用于觀測晶 體顆粒。此外，當(dāng)晶體顆粒很小時，掃描電子顯微鏡（SEM)已經(jīng)用于指定顆粒直徑。觀測結(jié) 果已經(jīng)用于計(jì)算平均等效圓直徑。此外，已經(jīng)通過使用由X射線衍射獲得的晶格常數(shù)、基于 所稱重的組分所計(jì)算的理論密度、以及根據(jù)阿基米德方法測量的實(shí)際密度來評價了相對密 度。
[0196] 已經(jīng)參照Mn的化合價評價了示例16和17的試樣。已經(jīng)在從2到60K的范圍中 通過SQUID測量磁化率的溫度依賴性。已經(jīng)確認(rèn)：基于磁化率的溫度依賴性所獲得的Mn的 平均化合價在示例16和17中分別是+3. 8和3. 9。此外，已經(jīng)確認(rèn)在其它示例中，Mn的平 均化合價小于+4. 0。
[0197] 已經(jīng)確認(rèn)了 Mn的化合價隨著增加Bi相對于Mn的摩爾比率而降低的趨勢。此外， 已經(jīng)確認(rèn)了：在比較性示例17 (即不含Bi的試樣）中，當(dāng)根據(jù)相似的方法評價時，Mn的磁 化率是+4.0。更具體地說，因?yàn)楦鶕?jù)本發(fā)明的壓電材料以減少M(fèi)n(即第一子成分）的化合 價的方式包括Bi (即第三子成分），所以可以提升充當(dāng)Mn的受主的壓電材料的能力。結(jié)果， 根據(jù)本發(fā)明的壓電材料的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)變得更高。
[0198] 接下來，所獲得的陶瓷已經(jīng)被拋光以具有0.5mm的厚度，并且已經(jīng)基于X射線衍射 分析了晶體結(jié)構(gòu)。結(jié)果，除了比較性示例1之外，已經(jīng)在所有試樣中觀測到僅與鈣鈦礦結(jié)構(gòu) 對應(yīng)的峰。
[0199] 接下來，已經(jīng)基于ICP發(fā)射分光光度分析評價了所獲得的陶瓷的組分。已經(jīng)確認(rèn)： 在所有壓電材料中，在燒結(jié)之后的組分與在對于Ba、Ca、Ti、Zr、Sn、Mn、Li和Bi稱重之后 的組分一致。此外，在示例1至30和35至46以及比較性示例1至12和15至17中，已經(jīng) 確認(rèn)，當(dāng)使用化學(xué)式（BahCa x)a(TimZrySnz)O3表示的金屬氧化物是100重量份時，Mg的 含量是0. 0001重量份。另一方面，在示例31至34中，已經(jīng)確認(rèn)Mg的含量分別是0. 0050、 0. 0100、0. 0500和0. 1000重量份。在示例70中，已經(jīng)確認(rèn)Mg的含量是0. 5000重量份。
[0200] 然后，分別具有400nm的厚度的金電極已經(jīng)根據(jù)DC濺射方法形成在盤形陶瓷的前 表面和后表面上。此外，已經(jīng)形成具有30nm的厚度的鈦膜，以在每個電極與陶瓷之間提供 粘接層。然后，配有陶瓷的電極已經(jīng)被切割為具有l(wèi)〇mmX2. 5mmX0. 5mm的大小的帶形壓電 元件。所制造的壓電元件已經(jīng)被放置在熱板上，熱板的表面溫度從60°C升高到KKTC。放 置在熱板上的壓電元件已經(jīng)在施加lkV/mm的電場下經(jīng)受極化處理達(dá)到30分鐘。
[0201] 作為包括根據(jù)本發(fā)明的壓電材料或根據(jù)比較性示例的壓電材料的壓電元件的靜 態(tài)特性，已經(jīng)根據(jù)諧振-反諧振方法評價了經(jīng)受極化處理的壓電元件的壓電常數(shù)d 31和機(jī)械 品質(zhì)因數(shù)Qm。在計(jì)算Trt、Tt。和T。時，阻抗分析器（例如Agilent Techonologies公司所制 造的4194A)已經(jīng)用于在改變各個試樣的溫度的同時測量靜電電容。同時，阻抗分析器已經(jīng) 用于測量介質(zhì)正切的溫度依賴性。試樣已經(jīng)冷卻，直到溫度從-l〇〇°C降低到室溫并然后受 加熱直到溫度達(dá)到150°C。相變溫度T t。表示晶體系統(tǒng)從四角體改變?yōu)樾狈襟w的溫度。相 變溫度Tt。已經(jīng)被定義為使得可通過以試樣溫度對在試樣的冷卻處理中所測量的介電常數(shù) 進(jìn)行微分來獲得的導(dǎo)數(shù)最大化的溫度。T。,表示晶體系統(tǒng)從斜方體改變?yōu)樗慕求w的溫度，并 且已經(jīng)定義為使得可通過在試樣溫度對試樣的加熱處理中測量的介電常數(shù)進(jìn)行微分來獲 得的導(dǎo)數(shù)可最大化的溫度。居里溫度T c表示可以使介電常數(shù)在鐵電相（四方相）和順電相 (立方相）的相變溫度附近最大化的溫度。居里溫度Tc已經(jīng)被定義為在試樣的加熱處理中 測量的介電常數(shù)值變?yōu)樽畲笾档臏囟取?br> [0202] [表 1]
[0203]

【權(quán)利要求】
1. 一種壓電材料，包括： 主成分，含有能由以下通式（1)表示的鈣鈦礦類型金屬氧化物； 第一子成分，含有Μη ; 第二子成分，含有Li ;以及 第三子成分，含有Bi ; 其中，當(dāng)所述金屬氧化物是100重量份時，以金屬換算的Μη的含量不小于0. 04重量份 并且不大于〇. 36重量份，當(dāng)所述金屬氧化物是100重量份時，以金屬換算的Li的含量α 不小于0. 0013重量份并且不大于0. 0280重量份，以及當(dāng)金屬氧化物是100重量份時，以金 屬換算的Bi的含量β不小于0. 042重量份并且不大于0. 850重量份： (BahCax)a(IVy_zZrySn z)03 (1) 在通式（1)中，0.09彡X彡0· 30,0.074彡y彡0.085,0彡z彡0.02，以及 0. 986 彡 a 彡 1. 02。
2. 如權(quán)利要求1所述的壓電材料，其中，所述含量α和含量β滿足關(guān)系 0. 5彡（α ·ΜΒν(β .ML)彡1，其中ML表示Li的原子量并且MB表示Bi的原子量。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的壓電材料，其中，對于通式⑴中的"y"滿足關(guān)系 0. 075 ^ y〇
4. 如權(quán)利要求1或2所述的壓電材料，其中，所述壓電材料包括含有Mg的第四子成分， 當(dāng)能使用通式（1)表示的所述鈣鈦礦類型金屬氧化物是100重量份時，以金屬換算的所述 第四子成分的含量等于或小于〇. 10重量份并且不包括〇重量份。
5. 如權(quán)利要求1或2所述的壓電材料，其中，所述壓電材料包括第五子成分，第五子成 分含有Si和B中的至少一種，并且當(dāng)能夠使用通式（1)表示的所述鈣鈦礦類型金屬氧化 物是100重量份時，以金屬換算的所述第五子成分的含量不小于0. 001重量份并且不大于 4. 000重量份。
6. 如權(quán)利要求1或2所述的壓電材料，其中，在通式⑴中滿足關(guān)系 0· 19〈2· 15α+1· 11β〈1。
7. 如權(quán)利要求1或2所述的壓電材料，其中，在通式⑴中滿足關(guān)系 0· 111〈2· 15 α+1. 11 β〈0.333。
8. 如權(quán)利要求1或2所述的壓電材料，其中，在通式⑴中滿足關(guān)系 y+z < (11χ/14)-0· 037。
9. 如權(quán)利要求1或2所述的壓電材料，其中，在通式⑴中滿足關(guān)系χ彡0.17。
10. 如權(quán)利要求1或2所述的壓電材料，其中，所述壓電材料的居里溫度等于或大于 100。。。
11. 如權(quán)利要求1或2所述的壓電材料，其中，在1kHz頻率處的所述壓電材料的介質(zhì)正 切等于或小于0.006。
12. -種壓電元件，包括第一電極、壓電材料部分以及第二電極，其中， 構(gòu)成所述壓電材料部分的壓電材料是如權(quán)利要求1所述的壓電材料。
13. -種多層化壓電元件，包括被交替多層化的多個壓電材料層和多個電極層，所述多 個電極層包括至少一個內(nèi)部電極，其中，以如權(quán)利要求1所述的壓電材料制成所述壓電材 料層。
14. 如權(quán)利要求13所述的多層化壓電元件，其中，所述內(nèi)部電極包括Ag和Pd，對于重 量比率M1/M2滿足關(guān)系0. 25彡M1/M2彡4. 0,其中，Ml表示Ag的含量并且M2表示Pd的含 量。
15. 如權(quán)利要求13所述的多層化壓電元件，其中，所述內(nèi)部電極含有Ni成分和Cu成分 中的至少一種。
16. -種液體排出頭，包括： 液體腔室，其配有振動單元，在振動單元中設(shè)置有如權(quán)利要求12所述的壓電元件或者 如權(quán)利要求13所述的多層化壓電元件，以及 排出口，其與所述液體腔室連通。
17. -種液體排出裝置，包括： 上面放置有圖像轉(zhuǎn)印介質(zhì)的部分，以及 如權(quán)利要求16所述的液體排出頭。
18. -種超聲馬達(dá)，包括： 振動體，其中設(shè)置有如權(quán)利要求12所述的壓電元件或如權(quán)利要求13所述的多層化壓 電元件，以及 移動體，其接觸所述振動體。
19. 一種光學(xué)器件，包括： 驅(qū)動單元，包括如權(quán)利要求18所述的超聲馬達(dá)。
20. -種振動裝置，包括： 振動體，其中，在振動板上設(shè)置有如權(quán)利要求12所述的壓電元件或如權(quán)利要求13所述 的多層化壓電元件。
21. -種灰塵移除裝置，包括： 振動單元，其中提供如權(quán)利要求20所述的振動裝置。
22. -種成像裝置，包括：如權(quán)利要求21所述的灰塵移除裝置和圖像傳感器單元，其 中，靠近所述圖像傳感器單元的光接收表面地提供所述灰塵移除裝置的振動板。
23. -種電子設(shè)備，其中設(shè)置有包括如權(quán)利要求12所述的壓電元件或如權(quán)利要求13所 述的多層化壓電元件的壓電聲學(xué)器件。
【文檔編號】C04B35/49GK104276819SQ201410328412
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年7月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月12日
【發(fā)明者】渡邊隆之, 田中秀典, 村上俊介, 古田達(dá)雄, 藪田久人 申請人:佳能株式會社