壓電元件、多層壓電元件、排液頭、排液裝置、超聲波馬達、光學裝置和電子裝置制造方法
【專利摘要】在寬運行溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定運行的無鉛壓電元件含有無鉛壓電材料。該壓電元件包括第一電極、第二電極和壓電材料，該壓電材料包括由(Ba1-xCax)a(Ti1-yZry)O3(1.00≤a≤1.01，0.02≤x≤0.30，0.020≤y≤0.095，和y≤x)表示的鈣鈦礦型金屬氧化物作為主要成分和在該鈣鈦礦型金屬氧化物中引入的錳。相對于100重量份的該鈣鈦礦型金屬氧化物，錳含量為0.02重量份-0.40重量份，基于金屬。
【專利說明】壓電元件、多層壓電元件、排液頭、排液裝置、超聲波馬達、光學裝置和電子裝置
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明主要涉及壓電元件、多層壓電元件、排液頭、排液裝置、超聲波馬達、光學裝置和電子裝置。具體地，本發(fā)明涉及不含鉛并且在運行溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定地運行的壓電元件、多層壓電元件、排液頭、排液裝置、超聲波馬達、光學裝置和電子裝置。
【背景技術(shù)】[0002]ABO3鈣鈦礦型金屬氧化物例如鋯酸鈦酸鉛(以下稱為“PZT”)典型地用作壓電材料。由于PZT含有鉛作為A位點元素，因此擔心PZT對環(huán)境的影響。因此，使用無鉛鈣鈦礦型金屬氧化物的壓電材料是高度希望的。
[0003]含有鈣鈦礦型金屬氧化物的無鉛壓電材料的實例為鈦酸鋇。已進行了鈦酸鋇基材料的研究和開發(fā)以改善鈦酸鋇的性能并且已公開了使用這樣的材料的器件。PTLl公開了使用添加有Mn、Fe或Cu并且用Ca置換一些A位點的鈦酸鋇的壓電元件。這些壓電元件具有比鈦酸鋇優(yōu)異的機械品質(zhì)因數(shù)，但具有低的壓電性能。因此，需要高電壓來驅(qū)動壓電元件。
[0004]PTL2公開了使用通過將Ba和B添加到鈦酸鋇中而制備的材料的致動器和排液頭。該材料具有低燒結(jié)溫度的優(yōu)點，但具有低達65[pC / N]的壓電常數(shù)d33。因此，需要高電壓來驅(qū)動壓電元件。
[0005]在嚴酷的環(huán)境例如夏季太陽下的汽車車廂中，具有80°C以下的居里溫度的壓電材料可能經(jīng)歷去極化并因此可能失去壓電性。由于作為驅(qū)動致動器的結(jié)果所產(chǎn)生的熱，可能失去壓電性。
[0006]引用列表
[0007]專利文獻
[0008]PTLl:日本專利公開 N0.2010-120835
[0009]PTL2:日本專利公開 N0.2011-032111

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]技術(shù)問題
[0011]本發(fā)明提供在寬運行溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定運行的無鉛壓電元件。
[0012]問題的解決方案
[0013]本發(fā)明的第一方面提供壓電元件，其包括第一電極、第二電極和壓電材料。該壓電材料包括由通式(I)表示的鈣鈦礦型金屬氧化物作為主要成分、和在該鈣鈦礦型金屬氧化物中引入的錳:
[0014](Ba1^xCax) ,(Ti1^yZry) O3 (其中 1.00 ≤ a ≤ 1.01,0.02 ≤ x ≤ 0.30,0.020 ^ y ^ 0.095，和 y ≤ x) (I)
[0015]相對于100重量份的該鈣鈦礦型金屬氧化物，錳含量為0.02重量份-0.40重量
份，基于金屬。[0016]本發(fā)明的第二方面提供多層壓電元件，其包括壓電材料層和包括內(nèi)部電極的電極。將該壓電材料層和該電極交替地層疊。該壓電材料層各自含有由通式(I)表示的鈣鈦礦型金屬氧化物作為主要成分、和在該鈣鈦礦型金屬氧化物中引入的錳:
[0017](Ba1^xCax) ,(Ti1^yZry) O3 (其中 1.00 ≤ a ≤ 1.01,0.02 ≤ x ≤ 0.30,0.020 ^ y ^ 0.095，和 y ≤ x) (1)
[0018]相對于100重量份的該鈣鈦礦型金屬氧化物，猛含量為0.02重量份-0.40重量
份，基于金屬。
[0019]本發(fā)明的第三方面提供排液頭，包括:液室和與該液室連通的排出口，該液室包括振動單元，該振動單元包括上述的壓電元件或多層壓電元件。本發(fā)明的第四方面提供排液裝置，包括:用于輸送記錄介質(zhì)的輸送單元和上述的排液頭。
[0020]本發(fā)明的第五方面提供超聲波馬達，包括:振動部件和與該振動部件接觸的移動部件，該振動部件包括上述的壓電元件或多層壓電元件。本發(fā)明的第六方面提供光學裝置，包括驅(qū)動單元，該驅(qū)動單元包括上述的超聲波馬達。本發(fā)明的第七方面提供電子裝置，包括壓電聲部件，該壓電聲部件包括上述的壓電元件或多層壓電元件。
[0021]本發(fā)明的有利效果
[0022]能夠提供在寬運行溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定地運行的無鉛壓電元件。也能夠提供使用該無鉛壓電元件的排液頭、排液裝置、超聲波馬達、光學裝置和電子裝置。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1是表示根據(jù)本發(fā)明的實施方案的壓電元件的示意圖。
[0024]圖2A和2B表示根據(jù)本發(fā)明的實施方案的排液頭。
[0025]圖3A和3B均為表示根據(jù)本發(fā)明的實施方案的超聲波馬達的示意圖。
[0026]圖4是表示制備例1-73的壓電陶瓷的X和y之間的關系的坐標圖。
[0027]圖5A和5B均為表示根據(jù)本發(fā)明的實施方案的多層壓電元件的橫截面圖。
[0028]圖6是表示根據(jù)本發(fā)明的實施方案的排液裝置的示意圖。
[0029]圖7是表示該排液裝置的另一示意圖。
[0030]圖8A和SB是表示根據(jù)本發(fā)明的實施方案的光學裝置的示意圖。
[0031]圖9是表示該光學裝置的示意圖。
[0032]圖10是表示根據(jù)本發(fā)明的實施方案的電子裝置的示意圖。
【具體實施方式】
[0033]現(xiàn)在對本發(fā)明的實施方案進行說明。
[0034]圖1是表示根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的壓電元件的示意圖。該壓電元件包括壓電材料2、和與壓電材料2相關聯(lián)的第一電極I和第二電極3。
[0035]該壓電元件至少包括第一電極、壓電材料和第二電極。該壓電材料含有由通式(I)表示的鈣鈦礦型金屬氧化物作為主要成分和在該鈣鈦礦型金屬氧化物中引入的錳(Mn):
[0036](Ba1^xCax) ,(Ti1^yZry) O3 (1.00 ≤ a ≤ 1.01，0.02 ≤x ≤ 0.30,0.020 ≤ y ≤ 0.095，和y≤X) (1)
[0037]相對于100重量份的該金屬氧化物,Mn含量為0.02重量份-0.40重量份,基于金屬。
[0038]第一和第二電極的每個由具有約5nm_約2000nm的厚度的導電層構(gòu)成。用于形成電極的材料可以是通常在壓電元件中使用的任何材料。其實例包括金屬例如T1、Pt、Ta、Ir、Sr、In、Sn、Au、Al、Fe、Cr、N1、Pd、Ag 和 Cu 以及它們的化合物。
[0039]第一和第二電極可各自由這些材料中的一種組成或者可各自由通過將這些材料中的兩種以上層疊而制備的多層結(jié)構(gòu)構(gòu)成。第一和第二電極可由彼此不同的材料組成。
[0040]制造第一和第二電極的方法可以是任何方法。例如，可通過將金屬糊烘焙、通過濺射、或者通過氣相沉積而形成電極?？筛鶕?jù)需要將第一和第二電極圖案化。[0041]本說明書中，鈣鈦礦型金屬氧化物是指具有其為Iwanami Rikagaku Jiten,第5版(于1998年2月20日由Iwanami Shoten Publi shers出版)中所述的理想的立方晶體結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的金屬氧化物。具有鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的金屬氧化物通常用化學式ABO3表示。鈣鈦礦型金屬氧化物中的元素A和元素B為離子形式并且分別占據(jù)稱為A位點和B位點的晶胞中的特定位置。例如，立方晶系的晶胞中，元素A占據(jù)立方體的頂點并且元素B占據(jù)立方體的體心位置。元素0是陰離子形式的氧并且占據(jù)立方體的面心位置。
[0042]由上述通式(I)表示的金屬氧化物中，鋇(Ba)和鈣(Ca)是占據(jù)A位點的金屬元素并且鈦(Ti)和鋯(Zr)是占據(jù)B位點的金屬元素。應指出的是，Ba和Ca原子的一些可占據(jù)B位點和/或Ti和Zr原子的一些可占據(jù)A位點。
[0043]通式(I)中,B位點元素與0的摩爾比為1: 3。具有B位點元素/ 0之比的金屬氧化物輕微地偏離該值，例如1.00: 2.94至1.00: 3.06仍包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)，只要該金屬氧化物具有鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)作為主相。
[0044]通過X-射線衍射或電子束衍射進行的結(jié)構(gòu)分析能夠用于確定例如金屬氧化物是否具有鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)。
[0045]該壓電材料可呈任何形式，例如陶瓷、粉末、單晶、膜、漿料等，但優(yōu)選為陶瓷。本說明書中，“陶瓷”是指晶粒的聚集體(也稱為塊體)，其基本上由金屬氧化物組成并且通過熱處理而鞏固，并且是多晶?！疤沾伞币部芍笩Y(jié)后已進行了加工的陶瓷。
[0046]上述通式(I)中，a表示A位點中Ba和Ca的總摩爾量與B位點中Ti和Zr的總摩爾量之比并且在1.00 ≤ a ≤1.01的范圍內(nèi)。a小于1.00時，容易發(fā)生異常的晶粒生長并且使材料的機械強度降低。a大于1.01時，晶粒生長所需的溫度變得過高并且不能在通常的燒成爐內(nèi)實現(xiàn)燒結(jié)。其中，“不能實現(xiàn)燒結(jié)”是指沒有充分地使密度增加或者在壓電材料中存在大量的孔隙和缺陷的狀態(tài)。
[0047]通式(I)中，X表示A位點中Ca的摩爾比并且在0.02≤X≤0.30的范圍內(nèi)。x小于0.02時，介電損耗(tanS)增加。介電損耗增加時，向壓電元件施加電壓以驅(qū)動壓電元件時產(chǎn)生的熱量增加并且驅(qū)動效率可能劣化。X大于0.30時，壓電性能可能不足。
[0048]通式(I)中，y表示B位點中Zr的摩爾比并且在0.020 ≤y ≤ 0.095的范圍內(nèi)。y小于0.020時，壓電性能可能不足。y大于0.095時，居里溫度(Tc)變得小于85°C并且在高溫下將使壓電性能失去。
[0049]本說明書中，居里溫度是指失去鐵電性的溫度。檢測該溫度的方法的實例包括通過改變測定溫度來直接測定失去鐵電性的溫度的方法和在改變測定溫度的同時使用微小AC電場測定介電常數(shù)并且確定介電常數(shù)最大的溫度的方法。[0050]通式(1)中，Ca摩爾比x和Zr摩爾比y滿足y≤x。y>x時，介電損耗可能增加并且絕緣性能可能不足。當上述的涉及X和y的所有范圍同時滿足時，能夠使晶體結(jié)構(gòu)相變溫度(相變點)從室溫附近遷移到低于運行溫度范圍的溫度，因此能夠在寬溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定地驅(qū)動器件。
[0051]對確定壓電元件中使用的壓電材料的組成的方法并無特別限制。該方法的實例包括X-射線熒光分析、電感耦合等離子體(ICP)原子發(fā)射光譜法和原子吸收光譜法。采用這些方法的任何方法，能夠確定壓電材料中含有的元素的重量比和組成比。
[0052]壓電兀件中使用的壓電材料具有0.02重量份-0.40重量份的Mn含量,基于金屬，相對于100重量份的該金屬氧化物。具有該范圍內(nèi)的Mn含量的壓電材料顯示改善的絕緣性能和改善的機械品質(zhì)因數(shù)。在此，機械品質(zhì)因數(shù)是指表示將壓電材料用于振蕩器中時振蕩引起的彈性損耗的因數(shù)。作為阻抗測定中共振曲線的銳度(sharpness)來觀察機械品質(zhì)因數(shù)的大小。換言之，機械品質(zhì)因數(shù)是表示振蕩器的共振的銳度的因數(shù)。推測絕緣性能和機械品質(zhì)因數(shù)的改善可歸因于:起因于具有不同于Ti和Zr的化合價的Mn的缺陷偶極的引入和由其引起的內(nèi)部電場的產(chǎn)生。存在內(nèi)部電場時，通過使用壓電材料而形成并且通過施加電壓而運行的壓電元件顯示長期可靠性。
[0053]關于Mn含量的術(shù)語“基于金屬”是指通過如下方式確定的值:首先，基于通過XRF、ICP原子發(fā)射光譜法、原子吸收光譜法等測定的Ba、Ca、T1、Zr和Mn含量，確定構(gòu)成由通式(1)表示的金屬氧化物的元素的氧化物基量，然后，基于重量，計算相對于構(gòu)成金屬氧化物的元素的總量100重量份的Mn的重量比。
[0054]Mn含量小于0.02重量份時,極化處理的效果不足以驅(qū)動器件。Mn含量大于0.40重量份時，壓電性能不足并且具有無助于壓電性能的六方結(jié)構(gòu)的晶體出現(xiàn)。
[0055]錳并不限于金屬Mn并且可以呈任何形式，只要作為壓電材料中的成分含有錳。例如，錳可溶解在B位點中或者可以包括在晶粒間界中。錳可以在壓電材料中呈金屬、離子、氧化物、金屬鹽或絡合物的形式。優(yōu)選地，從絕緣性能和燒結(jié)性的觀點出發(fā)，錳溶解在B位點中。錳溶解在B位點中時，對于在共振頻率下運行的共振器件(硬器件)，例如壓電傳感器、壓電變換器和超聲波馬達，摩爾比A / B的優(yōu)選范圍為0.993 ≤A / B ≤ 0.998，其中A為A位點中Ba和Ca的摩爾量并且B為B位點中T1、Zr和Mn的摩爾量。具有在該范圍內(nèi)的A / B的壓電元件顯示高壓電常數(shù)和高機械品質(zhì)因數(shù)，因此形成具有優(yōu)異的耐久性的器件。對于在非共振頻率下運行的位移致動器(軟器件)例如光學拾取致動器和排液頭，A /B的優(yōu)選范圍為0.996≤A / B≤0.999。具有在這些范圍內(nèi)的A / B的壓電元件能夠顯不聞壓電常數(shù)、低介電損耗和聞耐久性。
[0056]只要不使性能變化，壓電元件中使用的壓電材料可含有由通式⑴表示的化合物和Mn以外的成分(以下稱為輔助成分)。輔助成分的總含量可以為1.2重量份以下，相對于100重量份的由通式(1)表示的金屬氧化物。輔助成分含量超過1.2重量份時，可使壓電材料的壓電性能和絕緣性能劣化。輔助成分中Ba、Ca、T1、Zr和Mn以外的金屬元素的含量優(yōu)選為1.0重量份以下，基于氧化物，或者0.9重量份以下，基于金屬，相對于壓電材料。本說明書中，“金屬元素”包括半金屬元素例如S1、Ge和Sb。
[0057]輔助成分中Ba、Ca、T1、Zr和Mn以外的金屬元素的含量超過1.0重量份，基于氧化物，或者超過0.9重量份，基于金屬，相對于壓電材料時，壓電材料的壓電性能和絕緣性能可能顯著地劣化。輔助成分中L1、Na、Mg和Al的總含量可為0.5重量份以下，基于金屬，相對于壓電材料。輔助成分中L1、Na、Mg和Al的總含量超過0.5重量份,基于金屬,相對于壓電材料時，可能發(fā)生不充分的燒結(jié)。輔助成分中Y和V的合計可以為0.2重量份以下，基于金屬，相對于壓電材料。Y和V的總含量超過0.2重量份,基于金屬,相對于壓電材料時，極化處理可能變得困難。
[0058]輔助成分的實例包括燒結(jié)輔助成分例如Si和Cu?？缮藤彽腂a和Ca原料含有Sr作為不可避免的雜質(zhì)，因此壓電材料可能含有雜質(zhì)量的Sr。同樣地，可商購的Ti原料含有Nb作為不可避免的雜質(zhì)并且可商購的Zr原料含有Hf作為不可避免的雜質(zhì)。因此，壓電材料可含有雜質(zhì)量的Nb和Hf。
[0059]對測定輔助成分的重量的方法并無特別限制。方法的實例包括X-射線熒光分析、ICP原子發(fā)射光譜法和原子吸收光譜法。
[0060]壓電元件中使用的壓電材料可由具有Iiim-1Oiim的平均圓當量直徑的晶粒構(gòu)成。平均圓當量直徑在該范圍內(nèi)時，壓電材料能夠顯示良好的壓電性能和機械強度。平均圓當量直徑小于Ium時，壓電性能可能不足。平均圓當量直徑大于IOym時，機械強度可能降低。更優(yōu)選的范圍為3 ii n-8 ii m。
[0061]本說明書中，“圓當量直徑”是指在顯微術(shù)中通常稱為“投影面積直徑”的直徑并且表示具有與晶粒的投影面積相同的面積的圓的直徑。本發(fā)明中，對測定圓當量直徑的方法并無特別限制。例如，可用偏光顯微鏡或掃描電子顯微鏡得到壓電材料的表面的圖像并且可對該圖像進行加工以確定圓當量直徑。由于最佳放大倍率取決于分析的晶粒直徑而不同，可適當?shù)厥褂霉鈱W顯微 鏡和電子顯微鏡。可代替材料的表面而由拋光表面或橫截面的圖像確定圓當量直徑。
[0062]壓電元件中使用的壓電材料的相對密度可以為93% -100%。
[0063]相對密度小于93%時，壓電性能和/或機械品質(zhì)因數(shù)可能不令人滿意并且機械強度可能劣化。
[0064]壓電元件中使用的壓電材料的主要成分具有分別滿足0.125 ^ X ^ 0.175和0.055≤y≤0.090的x和y，并且Mn含量為0.02重量份-0.10重量份，相對于100重量份的該金屬氧化物。
[0065]使用在該組成范圍內(nèi)的壓電材料的壓電元件特別適合位移致動器(也稱為軟器件)例如光學拾取致動器或排液頭。表示Ca的摩爾比的X小于0.125時，耐久性可能劣化。X大于0.175時，壓電應變常數(shù)可能減小。優(yōu)選地，0.140 < X < 0.175。表示Zr的摩爾比的I小于0.055時，壓電應變常數(shù)可能減小。y大于0.09時，居里溫度將降低，因此器件的運行溫度范圍可能變窄。優(yōu)選地，0.055≤y≤0.075。Mn含量小于0.02重量份時，可能無法令人滿意地進行極化處理。Mn含量大于0.10重量份時，壓電應變常數(shù)可能減小。a的優(yōu)選范圍為 1.000 ^ a ^ 1.005。
[0066]壓電元件中使用的壓電材料的主要成分優(yōu)選具有分別滿足0.155 < X < 0.300和
0.041 ^ 0.069的x和y。Mn含量優(yōu)選為0.12重量份-0.40重量份，基于金屬，相對于100重量份的主要成分金屬氧化物。
[0067]使用在該組成范圍內(nèi)的壓電材料的壓電元件特別適合共振器件(硬器件)例如壓電傳感器、壓電變換器和超聲波馬達。表示Ca的摩爾比的X小于0.155時，機械品質(zhì)因數(shù)可能減小。X大于0.300時，壓電應變常數(shù)可能劣化。優(yōu)選地，0.160 < X < 0.300。表示Zr的摩爾比的y小于0.041時，壓電應變常數(shù)可能減小。y大于0.069時，器件的運行溫度范圍可能變窄。優(yōu)選地，0.045≤y≤0.069。Mn含量小于0.12重量份時，機械品質(zhì)因數(shù)可能減小并且在共振頻率下運行器件的過程中的功率消耗可能增加。Mn含量大于0.40重量份時，壓電應變常數(shù)可能減小并且可能需要較高的電壓以驅(qū)動器件。優(yōu)選地，Mn含量為0.20重量份-0.40重量份。a的優(yōu)選范圍為1.004 ^ a ^ 1.009。
[0068]對壓電元件中使用的壓電材料的制造方法并無特別限制。為了制造壓電陶瓷，可在常壓下將含有構(gòu)成陶瓷的元素的固體粉末例如氧化物、碳酸鹽、硝酸鹽、草酸鹽等燒結(jié)，這是典型的方法。原料為金屬化合物例如Ba化合物、Ca化合物、Ti化合物、Zr化合物和Mn化合物。
[0069]能夠使用的Ba化合物的實例包括氧化鋇、碳酸鋇、草酸鋇、醋酸鋇、硝酸鋇、鈦酸鋇、鋯酸鋇和鋯酸鈦酸鋇。
[0070]能夠使用的Ca化合物的實例包括氧化鈣、碳酸鈣、草酸鈣、醋酸鈣、鈦酸鈣和鋯酸鈣。
[0071]能夠使用的Ti化合物的實例包括氧化鈦、鈦酸鋇、錯酸鈦酸鋇和鈦酸鈣。
[0072]能夠使用的Zr化合物的實例包括氧化鋯、鋯酸鋇、鋯酸鈦酸鋇和鋯酸鈣。
[0073]能夠使用的Mn化合物的實例包括碳酸錳、氧化錳、二氧化錳、醋酸錳和四氧化三猛。
[0074]用于調(diào)節(jié)摩爾比a，即，壓電元件中使用的壓電陶瓷的A位點中Ba和Ca的摩爾量與B位點中Ti和Zr的摩爾量之比的原料并無特別限制。由Ba化合物、Ca化合物、Ti化合物和Zr化合物能夠?qū)崿F(xiàn)相同的效果。
[0075]對壓電元件中使用的壓電陶瓷的原料粉末進行造粒的方法并無特別限制。從得到的粉末的顆粒直徑的均勻性的觀點出發(fā)，可采用噴霧干燥法。
[0076]造粒中使用的粘結(jié)劑的實例包括聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯醇縮丁醛(PVB)和丙烯酸系樹脂。從增加壓實體的密度的觀點出發(fā)，添加的粘結(jié)劑的量優(yōu)選為1-10重量份，更優(yōu)選為2-5重量份。
[0077]對燒結(jié)壓電元件中使用的壓電陶瓷的方法并無特別限制。可用電爐或氣體爐或者采用電加熱法、微波燒結(jié)法、毫米波燒結(jié)法或熱等靜壓(HI P)進行燒結(jié)。可在連續(xù)爐或間歇爐中進行使用電爐或氣體的燒結(jié)。
[0078]對上述的燒結(jié)方法中陶瓷的燒結(jié)溫度并無特別限制。燒結(jié)溫度可以是使化合物反應并且經(jīng)歷充分的晶體生長的溫度。從使陶瓷的晶粒直徑在I μ m-10 μ m的范圍內(nèi)的觀點出發(fā)，燒結(jié)溫度優(yōu)選為1200°C -1550°C并且更優(yōu)選為1300°C -1480°C。在該溫度范圍內(nèi)燒結(jié)的壓電陶瓷顯示良好的壓電性能。
[0079]為了使通過燒結(jié)而得到的壓電陶瓷的性能穩(wěn)定，同時實現(xiàn)高再現(xiàn)性，可使燒結(jié)溫度在上述范圍內(nèi)保持恒定并且燒結(jié)可進行2-24小時?？刹捎脙刹綗Y(jié)法，但從生產(chǎn)率的觀點出發(fā)，不希望快速的溫度變化。
[0080]磨光后可在1000°C以上的溫度下對壓電陶瓷進行加熱處理。將壓電陶瓷機械磨光時，在壓電陶瓷內(nèi)部產(chǎn)生殘留應力。通過在1000°c以上進行加熱處理，能夠使該殘留應力松弛并且能夠進一步改善壓電陶瓷的壓電性能。該熱處理也具有消除在晶粒間界部中析出的原料粉末例如碳酸鋇的效果。對熱處理的時間的量并無特別限制，但可以是I小時以上。
[0081]壓電元件可具有在特定的方向上取向的極化軸。使極化軸在特定方向上取向時，使壓電元件的壓電常數(shù)增加。對壓電元件的極化方法并無特別限制?？稍诳諝庵谢蛘咴诠栌椭羞M行極化處理。極化過程中的溫度可以是60°C -100°C，但最佳條件取決于構(gòu)成器件的壓電陶瓷的組成而輕微變化。為進行極化處理而施加的電場可以為800V / mm至2.0kV /mm。
[0082]基于 Electronic Materials Manufacturers Association of JapanStandard (EMAS-6100),由用可商購的阻抗分析儀測定的共振頻率和反共振頻率,能夠計算壓電元件的壓電常數(shù)和機械品質(zhì)因數(shù)。以下將該方法稱為共振-反共振法。
[0083]多層壓電元件 [0084]現(xiàn)在對根據(jù)本發(fā)明的實施方案的多層壓電元件進行說明。
[0085]根據(jù)實施方案的多層壓電元件通過將壓電材料層和電極(包括一個或多個內(nèi)部電極)交替地層疊而構(gòu)成。該壓電材料層各自由壓電材料組成，該壓電材料含有由下述通式(I)表示的鈣鈦礦型金屬氧化物作為主要成分和在該鈣鈦礦型金屬氧化物中引入的錳(Mn):
[0086](Ba1^xCax) ,(Ti1^yZry) O3 (1.00 ≤ a ≤ 1.01，0.02 ≤ x ≤0.30,0.020 ≤ y ≤ 0.095，和y≤X) (I)
[0087]相對于100重量份的該金屬氧化物,Mn含量為0.02重量份-0.40重量份,基于金屬。
[0088]圖5A和5B各自為表不根據(jù)一個實施方案的多層壓電兀件的結(jié)構(gòu)的橫截面圖。該多層壓電兀件包括交替層疊的壓電材料層和電極(包括一個或多個內(nèi)部電極)。該壓電材料層由上述的壓電材料組成。該電極可包括內(nèi)部電極和外部電極。
[0089]圖5A表示根據(jù)實施方案的多層壓電元件。該多層壓電元件包括交替層疊的兩個壓電材料層54和一層的內(nèi)部電極55,并且將得到的層疊體夾在第一電極51和第二電極53之間。壓電材料層的層數(shù)和內(nèi)部電極的層數(shù)可如圖5B中所示那樣增加并且并無特別限制。
[0090]圖5B表不根據(jù)另一實施方案的多層壓電兀件。該多層壓電兀件包括交替層疊的九層的壓電材料層504和八層的內(nèi)部電極505，并且將得到的層疊體夾在第一電極501和第二電極503之間。將用于使交替層疊的內(nèi)部電極短路的外部電極506a和外部電極506b設置在該層疊體的側(cè)面上。
[0091]內(nèi)部電極55和505以及外部電極506a和506b可具有與壓電材料層54和504不同的尺寸和形狀并且可以分為多段。
[0092]內(nèi)部電極55和505以及外部電極506a和506b的每個由具有約5nm_2000nm的厚度的導電層組成。對其材料并無特別限制并且能夠使用通常在壓電元件中使用的任何材料。這樣的材料的實例包括金屬例如T1、Pt、Ta、Ir、Sr、In、Sn、Au、Al、Fe、Cr、N1、Pd、Ag和Cu以及它們的化合物。內(nèi)部電極55和505以及外部電極506a和506b的每個可由這些材料中的一種或者這些材料的兩種以上的混合物或合金構(gòu)成，或者可由通過將這些材料的兩種以上層疊而制備的多層結(jié)構(gòu)構(gòu)成。電極可由彼此不同的材料組成。內(nèi)部電極55和505可主要由Ni組成，原因在于Ni是低成本電極材料。
[0093]如圖5B中所示，包括內(nèi)部電極505的電極可彼此短路以使驅(qū)動電壓的相位一致。例如，可以以交替的方式使內(nèi)部電極505、第一電極501和第二電極503短路。對電極之間短路的形式并無特別限制?？稍诙鄬訅弘娫膫?cè)面上形成電極和/或配線以進行短路，或者可形成穿透壓電材料層504的通孔并且用導電材料填充以使電極短路。
[0094]對制造多層壓電元件的方法并無特別限制。一個實例是包括如下步驟的方法，步驟(A):通過將至少含有Ba、Ca、T1、Zr和Mn的金屬化合物粉末分散而制備漿料；步驟(B):通過將該漿料放置在基材上而得到壓實體(compact);步驟(C):在該壓實體上形成電極；和步驟(D):通過將其上已形成電極的壓實體燒結(jié)而得到多層壓電元件。
[0095]本說明書中，“粉末”是指固體顆粒的集合。粉末可以是各自含有Ba、Ca、T1、Zr和Mn的顆粒的集合或者含有不同元素的多種顆粒的集合。
[0096]步驟(A)中使用的金屬化合物粉末的實例包括Ba化合物、Ca化合物、Ti化合物、Zr化合物和Mn化合物。能夠使用的Ba化合物的實例包括氧化鋇、碳酸鋇、草酸鋇、醋酸鋇、硝酸鋇、鈦酸鋇、鋯酸鋇和鋯酸鈦酸鋇。
[0097]能夠使用的Ca化合物的實例包括氧化鈣、碳酸鈣、草酸鈣、醋酸鈣、鈦酸鈣、鋯酸鈣和鋯酸鈦酸鈣。
[0098]能夠使用的Ti化合物的實例包括氧化鈦、鈦酸鋇、錯酸鈦酸鋇和鈦酸隹丐。
[0099]能夠使用的Zr化合物的實例包括氧化鋯、鋯酸鋇、鋯酸鈦酸鋇和鋯酸鈣。
[0100]能夠使用的Mn化合物的實例包括碳酸錳、氧化錳、二氧化錳、醋酸錳和四氧化三猛。
[0101]步驟(A)中制備漿料的方法的實例如下所述。向金屬化合物粉末中添加溶劑，該溶劑具有金屬化合物粉末的1.6-1.7倍的重量，然后混合。能夠使用的溶劑的實例包括甲苯、乙醇、甲苯-乙醇混合溶劑、醋酸正丁酯和水。在球磨機中將得到的混合物混合24小時并且將粘結(jié)劑和增塑劑添加到其中。粘結(jié)劑的實例包括聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯醇縮丁醛(PVB)和丙烯酸系樹脂。將PVB用作粘結(jié)劑時，將粘結(jié)劑秤重以致溶劑-對-PVB重量比為例如88: 12。增塑劑的實例包括癸二酸二辛酯、鄰苯二甲酸二辛酯和鄰苯二甲酸二丁酯。將鄰苯二甲酸二丁酯用作增塑劑時，將鄰苯二甲酸二丁酯秤重以致其重量與粘結(jié)劑的重量相同。在球磨機中將得到的混合物再次混合一整夜。調(diào)節(jié)溶劑和粘結(jié)劑的量以致漿料的粘度為 300_500mPa.S。
[0102]步驟(B)中制備的壓實體是金屬化合物粉末、粘結(jié)劑和增塑劑的片狀混合物。步驟(B)中制備壓實體的方法的實例是片材成型法。片材成型法中可采用刮刀法(doctorblade method)。刮刀法是包括通過使用刮刀將漿料施涂于基材并且將施涂的漿料干燥以形成片狀壓實體的方法。例如，聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜可用作基材。其上設置漿料的PET膜的表面可預先涂布有氟涂層以促進壓實體的分離。可通過空氣或熱風將漿料干燥。對壓實體的厚度并無特別限制并且能夠根據(jù)多層壓電元件的厚度調(diào)節(jié)。例如通過增加漿料的粘度，能夠增加壓實體的厚度。
[0103]對步驟(C)中制造電極，例如內(nèi)部電極505和外部電極506a和506b的方法并無特別限制。電極可通過將金屬糊燒成，或者采用方法例如濺射、氣相沉積或印刷而形成?？墒箟弘姴牧蠈?04的厚度和間距減小以使驅(qū)動電壓減小。這種情況下，選擇如下方法:形成包括壓電材料層504的前體和內(nèi)部電極505的層疊體，然后將得到的層疊體燒成。選擇該方法時，內(nèi)部電極505的材料優(yōu)選為在燒結(jié)壓電材料層504所需的溫度下不經(jīng)歷形狀變化或?qū)щ娦粤踊牟牧?。與Pt相比具有較低熔點和價格較低的金屬例如Ag、Pd、Au、Cu和Ni以及這些金屬的合金能夠用于形成電極例如內(nèi)部電極505和外部電極506a和506b?；蛘?，夕卜部電極506a和506b可在已將層疊體燒成后形成,這種情況下，除了 Ag、Pd、Cu或Ni以外，可由Al或碳基電極材料組成。
[0104]電極可采用絲網(wǎng)印刷法形成。絲網(wǎng)印刷法包括通過使用抹刀通過絲網(wǎng)版將金屬糊施涂到基材上的壓實體上。在絲網(wǎng)版的至少部分中形成絲網(wǎng)網(wǎng)眼。因此，只在形成絲網(wǎng)網(wǎng)眼的部分中將金屬糊施涂于壓實體。絲網(wǎng)版中的絲網(wǎng)網(wǎng)眼可具有其中形成的圖案。通過使用金屬糊將該圖案轉(zhuǎn)印于壓實體以在該壓實體上形成圖案化的電極。
[0105]步驟(C)中形成電極并且將具有電極的壓實體與基材分離后，將一層或多層的壓實體壓接。壓接法的實例包括單軸加壓、冷等靜壓和熱等靜壓。由于能夠?qū)毫鶆虻厍揖獾厥┘佑趬簩嶓w，因此可通過熱等靜壓來進行壓接。為了令人滿意的壓接，可在粘結(jié)劑的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度附近的溫度下加熱下來進行壓接?？蓪蓚€以上的壓實體層疊并且壓接直至實現(xiàn)所希望的厚度。例如，可將10-100層的壓實體層疊并且通過在50°C -80°c下在層疊方向上施加10-60MPa的壓力而熱壓接10秒-10分鐘以形成多層結(jié)構(gòu)?？蓪蕵擞浾掣接陔姌O以致能夠使多層的壓實體精確地對準和層疊?；蛘?，可通過在壓實體中形成用于對準的通孔來進行精確的層疊。
[0106]盡管對步驟(D)中壓實體的燒結(jié)溫度并無特別限制，但燒結(jié)溫度可以是化合物能夠反應并且發(fā)生充分的晶體生長的溫度。燒結(jié)溫度優(yōu)選為1200°C _1550°C，更優(yōu)選為13000C _1480°C，以將陶瓷的晶粒直徑調(diào)節(jié)到Iym-1Oiim的范圍內(nèi)。在該溫度范圍內(nèi)燒結(jié)的多層壓電元件顯示良好的壓電性能。
[0107]步驟(C)中將主要由Ni組成的材料用于電極時，步驟(D)可在能夠氣氛燒成的爐內(nèi)進行。在環(huán)境氣氛中在200°C -600°C的溫度下將粘結(jié)劑燃燒除去，然后在還原氣氛中在1200°C _1550°C的溫度下將壓實體燒結(jié)。還原氣氛是指主要由氫(H2)和氮(N2)的混合氣體組成的氣氛。氫與氮的體積比可以為H2: N2=I: 99至10: 90?；旌蠚怏w可含有氧。氧濃度為10_12pa_10_4Pa并且優(yōu)選為10_8Pa_10_5Pa。能夠用氧化鋯型氧傳感器測定氧濃度。由于使用Ni電極，能夠以低成本制造多層壓電元件。在還原氣氛中燒成后，可將壓實體冷卻到600°C并且可將氣氛變?yōu)榄h(huán)境氣氛(氧化性氣氛)以進行氧化處理。將壓實體從燒成爐排出后，將導電糊施涂于內(nèi)部電極的端部露出的壓實體的側(cè)面并且干燥以形成外部電極。
[0108]排液頭
[0109]根據(jù)本發(fā)明的實施方案的排液頭至少包括與液室連通的排出口，該液室配備有包括壓電元件或多層壓電元件的振動單元。
[0110]圖2A和2B表示根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的排液頭的結(jié)構(gòu)。如圖2A和2B中所不，該排液頭包括壓電兀件101。壓電兀件101包括第一電極1011、壓電材料1012和第二電極1013。如圖2B中所示，根據(jù)需要將壓電材料1012圖案化。
[0111]圖2B是該排液頭的示意圖。該排液頭包括排出105、獨立液室102、將獨立液室102與排出105連接的連接孔106、隔壁104、共同液室107、振動板103和壓電元件101。盡管圖中表示的壓電元件101具有矩形形狀，但該形狀可以是任何其他形狀，例如橢圓形、圓形或平行四邊形。通常，壓電材料1012按照獨立液室102的形狀。
[0112]現(xiàn)在參照圖2A對排液頭中的壓電元件101及其附近部分詳細說明。圖2A是沿寬度方向所取的圖2B中所示的壓電元件的橫截面圖。盡管圖中壓電元件101的橫截面形狀為矩形，但橫截面形狀可以是任何其他形狀，例如梯形或倒梯形。
[0113]圖中，將第一電極1011用作下部電極并且將第二電極1013用作上部電極。但是，第一電極1011和第二電極1013的配置并不限于此。例如，第一電極1011可用作下部電極或者上部電極。第二電極1013可用作上部電極或下部電極。緩沖層108可存在于振動板103與下部電極之間。這樣的命名上的差異來源于器件制備方法并且在任一種情況下都能實現(xiàn)本發(fā)明的效果。
[0114]隨著壓電材料1012膨脹和收縮，排液頭的振動板103在豎直方向上移動，并且對獨立液室102中的液體施加壓力。結(jié)果，將液體從排出口 105噴出。該排液頭能夠用于打印機和電子器件的制備。
[0115]振動板103的厚度為1.0 μ m-15 μ m，優(yōu)選為1.5 μ m-8 μ m。對用于形成振動板103的材料并無特別限制，但可以是硅。構(gòu)成振動板103的硅可摻雜有硼或磷。振動板103上的緩沖層108和緩沖層108上的電極可構(gòu)成振動板103的一部分。緩沖層108的厚度為5nm-300nm，優(yōu)選為10nm_200nm。排出口 105的大小為5 μ m-40 μ m,以圓當量直徑計。排出口 105的形狀可以是例如圓形、星形、矩形或三角形。
[0116]排液裝置
[0117]現(xiàn)在對根據(jù)本發(fā)明的實施方案的排液裝置進行說明。該排液裝置包括上述的排液頭。
[0118]排液裝置的實例是圖6和7中所示的噴墨記錄裝置。圖7表示將外殼882-885和887從圖6中所示的排液裝置(噴墨記錄裝置)881中去除的狀態(tài)。噴墨記錄裝置881包括用于將記錄紙張，即記錄介質(zhì)自動地供給到主體896內(nèi)的自動給送單元897。噴墨記錄裝置881還包括將從自動給送單元897給送的記錄紙張導向特定記錄位置并且從該記錄位置導向排出縫隙898的輸送單元899、用于在輸送到記錄位置的記錄紙張上進行記錄的記錄單元891和用于對記錄單元891進行回復處理的回復單元890。記錄單元891具有容納排液頭并且以往復的方式在軌道上移動的車架892。
[0119]將電信號從計算機輸入該噴墨記錄裝置時，車架892在軌道上移動并且將驅(qū)動電壓施加于夾持壓電材料的電極以致該壓電材料經(jīng)歷變形。壓電材料的該變形經(jīng)由振動板103對獨立液室102加壓并且使墨從排出口 105噴出，由此進行打印。
[0120]該排液裝置能夠以高速度均勻地噴射液體并且為小型。
[0121]盡管以上對打印機的實例進行了說明，但除了打印裝置例如傳真機、多功能裝置和噴墨記錄裝置以外，該排液裝置能夠用于工業(yè)排液裝置和用于在介質(zhì)上繪制圖像、字符等的繪畫裝置。
[0122]超聲波馬達
[0123]根據(jù)本發(fā)明的實施方案的超聲波馬達至少包括移動部件，該移動部件與裝備有壓電材料或多層壓電元件的振動部件接觸。
[0124]圖3A和3B均為表示根據(jù)本發(fā)明的實施方案的超聲波馬達的結(jié)構(gòu)的示意圖。圖3A表示包括具有單層結(jié)構(gòu)的壓電元件的超聲波馬達。該超聲波馬達包括振子201、由于來自加壓彈簧(圖中未示出)的壓力而壓接振子201的滑動表面的轉(zhuǎn)子202和與轉(zhuǎn)子202 —體化的輸出軸203。振子201由例如金屬彈性環(huán)2011、壓電元件2012和將壓電元件2012與彈性環(huán)2011粘接的有機粘合劑2013(例如，環(huán)氧系或氰基丙烯酸酯系粘合劑)構(gòu)成。壓電元件2012由夾持在圖中未示出的第一電極和第二電極之間的壓電材料組成。
[0125]將彼此相差31/2的兩相AC電壓施加于壓電元件2012時，在振子201中產(chǎn)生彎曲行波并且振子201的滑動表面上的每個點經(jīng)歷橢圓運動。轉(zhuǎn)子202與振子201的滑動表面壓接時，振子201受到來自振子201的摩擦力并且在與彎曲行波的方向相反的方向上旋轉(zhuǎn)。將圖中未示出的被驅(qū)動的物體與輸出軸203連接并且由轉(zhuǎn)子202的旋轉(zhuǎn)力驅(qū)動。將電壓施加于壓電材料時，由于壓電橫向效應，壓電材料膨脹和收縮。彈性部件例如金屬部件與壓電元件接觸時，隨著壓電材料膨脹和收縮，使彈性部件彎曲。在此說明的超聲波馬達是基于該原理運行的類型。
[0126]圖3B表示包括具有多層結(jié)構(gòu)的壓電元件的超聲波馬達的實例。振子204包括圓筒狀金屬彈性部件2041和設置在金屬彈性部件2041中的多層壓電元件2042。多層壓電元件2042由多層的壓電材料構(gòu)成，盡管在圖中沒有示出。將第一電極和第二電極設置在層疊體的外表面并且將內(nèi)部電極設置在層疊體的內(nèi)部。將金屬彈性部件2041栓接以夾持多層壓電元件2042以由此構(gòu)成振子204。
[0127]將不同相位的AC電壓施加于多層壓電元件2042使振子204激發(fā)兩個彼此正交的振動。將這兩個振動合成為驅(qū)動振子204的頂端的圓形運動。在振子204的上部形成環(huán)形槽以增加用于驅(qū)動的振動的位移。由于加壓彈簧206，轉(zhuǎn)子205壓接振子204并且受到用于驅(qū)動的摩擦力。將轉(zhuǎn)子205可旋轉(zhuǎn)地支撐在軸承上。
[0128]光學裝置
[0129]接下來，對根據(jù)本發(fā)明的實施方案的光學裝置進行說明。該光學裝置在驅(qū)動單元中包括超聲波馬達。
[0130]圖8A和8B各自為作為根據(jù)本發(fā)明的實施方案的成像裝置的實例的單鏡頭反光照相機的可更換透鏡鏡筒的相關部分的橫截面圖。圖9為可更換透鏡鏡筒的分解透視圖。
[0131]參照圖8A、8B和9，將固定鏡筒712、直線導向鏡筒713和前透鏡組鏡筒714固定于可從照相機拆卸且可安裝于照相機的座711。這些為可更換透鏡鏡筒的固定部件。
[0132]在直線導向鏡筒713中形成在光軸方向上延伸的直線導向槽713a以引導聚焦透鏡702。用軸螺釘718將在徑向外方突出的凸輪輥717a和凸輪輥717b固定于保持聚焦透鏡702的后透鏡組鏡筒716。將凸輪輥717a固定于直線導向槽713a中。
[0133]將凸輪環(huán)715可旋轉(zhuǎn)地固定于直線導向鏡筒713的內(nèi)周。由于將固定于凸輪環(huán)715的輥719固定在直線導向鏡筒713的環(huán)形槽713b中，因此光軸方向上直線導向鏡筒713與凸輪環(huán)715之間的相對運動受到抑制。在凸輪環(huán)715中形成用于聚焦透鏡702的凸輪槽715a。將凸輪輥717b固定在凸輪槽715a中。
[0134]在固定鏡筒712的外周側(cè)設置旋轉(zhuǎn)傳輸環(huán)720。旋轉(zhuǎn)傳輸環(huán)720被球軸承座圈727保持以致其能夠相對于固定鏡筒712在特定位置旋轉(zhuǎn)。輥722被從旋轉(zhuǎn)傳輸環(huán)720以徑向方式延伸的軸720f可旋轉(zhuǎn)地保持，并且輥722的大直徑部722a與手動聚焦環(huán)724的座側(cè)端面724b接觸。輥722的小直徑部722b與接合部件729接觸。將六個等間距的輥722配置在旋轉(zhuǎn)傳輸環(huán)720的外周并且每個輥經(jīng)構(gòu)成以具有上述關系。
[0135]將低摩擦片(墊圈部件)733配置在手動聚焦環(huán)724的內(nèi)徑部。將低摩擦片733夾持在固定鏡筒712的座側(cè)端面712a與手動聚焦環(huán)724a的前側(cè)端面724a之間。低摩擦片733的外徑表面具有環(huán)狀并且固定在手動聚焦環(huán)724的內(nèi)徑部724c中。將手動聚焦環(huán)724的內(nèi)徑部724c固定在固定鏡筒712的外徑部712b中。低摩擦片733使手動聚焦環(huán)724圍繞光軸相對于固定鏡筒712旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)環(huán)機構(gòu)中的摩擦減小。
[0136]在由向透鏡的前側(cè)壓超聲波馬達725的波形墊圈726擠壓的壓力下，輥722的大直徑部722a與手動聚焦環(huán)724的座側(cè)端面724b彼此接觸。來自向透鏡的前側(cè)壓超聲波馬達725的波形墊圈726的力也使輥722的小直徑部722b與接合部件729在適度的壓力下彼此接觸。由卡口固定于固定鏡筒712的墊圈732限制波形墊圈726在座方向上移動。由波形墊圈726產(chǎn)生的彈簧力(推進力)傳輸?shù)匠暡R達725且傳輸?shù)捷?22并且作為手動聚焦環(huán)724對于固定鏡筒712的座側(cè)端面712a的推力。換言之，在經(jīng)由低摩擦片733推擠固定鏡筒712的座側(cè)端面712a的同時組裝手動聚焦724。
[0137]因此，通過圖中未示出的控制單元將超聲波馬達725驅(qū)動并相對于固定鏡筒712旋轉(zhuǎn)時，由于接合部件729與輥722的小直徑部722b摩擦接觸，因此輥722圍繞軸720f的中心旋轉(zhuǎn)。輥722圍繞軸720f旋轉(zhuǎn)時，使旋轉(zhuǎn)傳輸環(huán)720圍繞光軸旋轉(zhuǎn)(自動聚焦操作)。
[0138]由圖中未示出的手動操作輸入單元將圍繞光軸的旋轉(zhuǎn)力施加于手動聚焦環(huán)724時，由于手動聚焦環(huán)724的座側(cè)端面724b與輥722的大直徑部722a壓接，因此輥722圍繞軸720f旋轉(zhuǎn)。輥722的大直徑部722a圍繞軸720f旋轉(zhuǎn)時，使旋轉(zhuǎn)傳輸720圍繞光軸旋轉(zhuǎn)。由于轉(zhuǎn)子725c與定子725b的摩擦保持力，防止此時的超聲波馬達725旋轉(zhuǎn)(手動聚焦操作)。
[0139]在彼此相對的位置將兩個聚焦栓728安裝于旋轉(zhuǎn)傳輸720中并且固定于凸輪環(huán)715的前端的缺口 715b中。進行自動聚焦操作或手動聚焦操作并且使旋轉(zhuǎn)傳輸環(huán)720圍繞光軸旋轉(zhuǎn)時，經(jīng)由聚焦栓728將旋轉(zhuǎn)力傳輸?shù)酵馆?15。使凸輪環(huán)715圍繞光軸旋轉(zhuǎn)時，由于凸輪輥717a和直線導向槽713a而使旋轉(zhuǎn)受到抑制的后透鏡組鏡筒716，通過凸輪輥717b，在凸輪環(huán)715中沿凸輪槽715a前后移動。這驅(qū)動聚焦透鏡702并且進行聚焦操作。
[0140]盡管作為本發(fā)明的光學裝置的實例，對單鏡頭反光照相機的可更換透鏡鏡筒進行了說明，但光學裝置的范圍并不限于此。光學裝置可以是任何類型的照相機例如小型照相機、電子照相機等，或者可以是裝備有照相機的便攜信息終端。在驅(qū)動器單元中具有超聲波馬達的光學裝置也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
[0141]電子裝置
[0142]現(xiàn)在對根據(jù)本發(fā)明的實施方案的電子裝置進行說明。根據(jù)實施方案的電子裝置包括裝備有壓電元件或多層壓電元件的壓電聲部件。該壓電聲部件可以是揚聲器、麥克風、表面聲波(SAW)器件等。
[0143]圖10是數(shù)碼相機(其為根據(jù)本發(fā)明的電子裝置的實例)從主體931的正面看到的透視圖。將光學器件901、麥克風914、閃光燈單元909和輔助光單元916安裝于主體931的前面。由于麥克風914組裝在主體的內(nèi)部，因此用虛線表示。在麥克風914的前方形成用于從外部收集聲音的孔。
[0144]將電源按鈕933、揚聲器912、可變焦距桿932和用于進行聚焦操作的解除按鈕908安裝在主體931的上表面。將揚聲器912嵌入主體931的內(nèi)部并且用虛線表不。在揚聲器912的前方形成用于輸出聲音的孔。
[0145]將壓電聲部件用于麥克風914、揚聲器912和SAW器件的至少一個中。[0146]盡管作為本發(fā)明的電子裝置的一例，對數(shù)碼相機進行了說明，但電子裝置并不限于此并且可以是任何裝備有壓電聲部件的電子裝置，例如聲音再生裝置、聲音記錄裝置、便攜式電話和信息終端。
[0147]如上所述，上述的壓電元件和多層壓電元件的實施方案適合用于排液頭、排液裝置、超聲波馬達、光學裝置和電子裝置。
[0148]使用本發(fā)明的壓電元件或多層壓電元件時，能夠提供具有與包括含鉛壓電元件的排液頭相當或優(yōu)于其的噴嘴密度和排出力的排液頭。裝備有根據(jù)本發(fā)明的實施方案的排液頭的排液裝置能夠顯示與使用包括含鉛壓電元件的排液頭的排液裝置相當或優(yōu)于其的排出力和排出精確性。
[0149]使用根據(jù)本發(fā)明的實施方案的壓電元件或多層壓電元件的超聲波馬達顯示與使用含鉛壓電元件的超聲波馬達相當或優(yōu)于其的驅(qū)動力和耐久性。使用該超聲波馬達的光學裝置能夠顯示與使用包括含鉛壓電元件的超聲波馬達的光學裝置相當或優(yōu)于其的耐久性和運行精確性。使用裝備有根據(jù)本發(fā)明的實施方案的壓電元件或多層壓電元件的壓電聲部件的電子裝置顯示與包括含鉛壓電元件的電子裝置相當或優(yōu)于其的聲音產(chǎn)生性能。
[0150]實施例
[0151]現(xiàn)在通過使用不限制本發(fā)明的范圍的實施例，更詳細地對本發(fā)明進行說明。
[0152]制備用于壓電元件的壓電陶瓷。
[0153]制備例I
[0154]將具有IOOnm的平均顆粒直徑的欽酸鋇(BT-01,由Sakai Chemical IndustryC0.，Ltd.生產(chǎn))、具有300nm的平均顆粒直徑的鈦酸鈣(CT-03，由Sakai ChemicalIndustry C0., Ltd.生產(chǎn))和具有300nm的平均顆粒直徑的錯酸I丐(CZ-03,由SakaiChemical Industry C0., Ltd.生產(chǎn))秤重以致摩爾比為 90.5: 6.5: 3.0。為了調(diào)節(jié) A位點中的Ba和Ca與B位點中的Ti和Zr的摩爾比a，添加0.008mol的草酸鋇。在球磨機中將得到的混合物干混24小時。為了將混合的粉末造粒，通過使用噴霧干燥器，向得到的混合物中使0.08重量份的醋酸錳(II)(基于錳金屬)和3重量份的PVA粘結(jié)劑(相對于混合粉末)附著于混合粉末的表面。
[0155]將造粒的粉末裝入模具中并且用模壓成型機在200MPa的成型壓力下加壓以制備圓盤狀壓實體?？赏ㄟ^使用冷等靜壓成型機對該壓實體進一步加壓。
[0156]將該壓實體放入電爐中并且在空氣氣氛中燒結(jié)合計24小時，其間將1400°C的最大溫度保持5小時。
[0157]對構(gòu)成得到的陶瓷的晶粒的平均圓當量直徑和相對密度進行了評價。平均圓當量直徑為6.2 ii m和相對密度為94.9%。偏光顯微鏡主要用于觀察晶粒。通過使用掃描電子顯微鏡(SEM)來確定小晶粒的直徑?；谟^察結(jié)果來計算平均圓當量直徑。通過阿基米德法來評價相對密度。
[0158]將該陶瓷磨光到0.5mm的厚度并且通過X-射線衍射來分析陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)。結(jié)果，只觀察到歸因于鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的峰。
[0159]通過X-射線熒光分析來分析陶瓷的組成。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，將0.08重量份的Mn引入由化學式(Baa 9(l5Caa M5) L 002 (Tia97Zra d O3表示的組成中。這意味著通過秤重而制備的組成與燒結(jié)后的組成相符。Ba、Ca、T1、Zr和Mn以外的元素的含量低于檢測極限，即，小于0.1重量份。
[0160]再次觀察晶粒。但是，平均圓當量直徑在磨光前后并沒有大不相同。
[0161]制備例2-52、72 和 73
[0162]將具有IOOnm的平均顆粒直徑的鈦酸鋇(BT-01,由Sakai Chemical IndustryC0.，Ltd.生產(chǎn))、具有300nm的平均顆粒直徑的鈦酸鈣(CT-03，由Sakai ChemicalIndustry C0., Ltd.生產(chǎn))和具有300nm的平均顆粒直徑的錯酸I丐(CZ-03,由SakaiChemical Industry C0., Ltd.生產(chǎn))秤重以致摩爾比如表1-1和1-2中所示。為了調(diào)節(jié)A位點中的Ba和Ca與B位點中的Ti和Zr的摩爾比a，秤重表1_1和1_2中所示量的草酸鋇。在球磨機中將這些粉末干混24小時。實施例48中，添加0.8重量份的Si (基于氧化物)作為輔助成分。實施例52中，添加基于氧化物、合計為1.0重量份Si和Cu作為輔助成分。為了將混合的粉末造粒，通過使用噴霧干燥器，向得到的混合物中使表1-1和1-2中所示的基于錳金屬的量的醋酸錳(II)和3重量份的PVA粘結(jié)劑(相對于混合粉末)附著于混合粉末的表面。
[0163]將造粒的粉末裝入模具中并且用模壓成型機在200MPa的成型壓力下加壓以制備圓盤狀壓實體?？赏ㄟ^使用冷等靜壓成型機對該壓實體進一步加壓。
[0164]將該壓實體放入電爐中并且在空氣氣氛中燒結(jié)合計24小時，其間將13500C _1480°C的最大溫度保持5小時。隨著Ca的量增加，最大溫度增加。
[0165]對構(gòu)成得到的陶瓷的晶粒的平均圓當量直徑和相對密度進行了評價。將結(jié)果示于表2-1和2-2中。偏光顯微鏡主要用于觀察晶粒。通過使用掃描電子顯微鏡(SEM)來確定小晶粒的直徑?；谟^察結(jié)果來計算平均圓當量直徑。通過阿基米德法來評價相對密度。
[0166]將該陶瓷磨光到0.5mm的厚度并且通過X_射線衍射來分析陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)。結(jié)果，在全部樣品中只觀察到歸因于鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的峰。
[0167]通過X-射線熒光分析來分析陶瓷的組成。將結(jié)果示于表3-1和3-2中。表中，輔助成分是指Ba、Ca、T1、Zr和Mn以外的元素并且O意味著含量低于檢測極限。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在全部樣品中通過秤重而制備的組成與燒結(jié)后的組成相符。
[0168]再次觀察晶粒。但是，晶粒的尺寸和狀態(tài)在燒結(jié)后和磨光后并沒有大不相同。
[0169]用于比較的制備例53-71
[0170]將與實施例1-52、72和73中的那些相同的原料粉末和具有300nm的平均顆粒直徑的錯酸鋇(由Nippon Chemical Industrial C0.,Ltd.生產(chǎn))秤重以致摩爾比如表1-1和1-2中所示。在球磨機中將每個混合物干混24小時。制備例65中，添加基于氧化物、總量為2.1重量份的Y和V。為了將混合的粉末造粒，通過使用噴霧干燥器，向得到的混合物中使表1-1和1-2中所示的基于錳金屬的量的醋酸錳(II)和3重量份的PVA粘結(jié)劑(相對于混合粉末)附著于混合粉末的表面。
[0171]通過使用各個得到的造粒的粉末，在與實施例2_52、72和73中相同的條件下制備陶瓷。對構(gòu)成陶瓷的晶粒的平均圓當量直徑和相對密度進行了評價。將結(jié)果示于表2-1和2-2中。如實施例1-52、72和73中那樣進行晶粒和相對密度的評價。
[0172]將每個得到的陶瓷磨光到0.5mm的厚度并且通過X-射線衍射來分析陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)。結(jié)果，在全部樣品中只觀察到歸因于鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的峰。
[0173]通過X-射線熒光分析來分析陶瓷的組成。將結(jié)果示于表3-1和3-2中。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在全部樣品中通過秤重而制備的組成與燒結(jié)后的組成相符。
[0174]將制備例1-73的壓電材料中X與y之間的關系示于圖1的坐標圖中。圖中，由虛
線標記的范圍表示代表本實施方案中記載的鈣鈦礦型金屬氧化物的通式(I)的X和y的范圍。
[0175][表1-1]
[0176]
【權(quán)利要求】
1.壓電元件，包括: 第一電極； 第二電極；和 壓電材料，包括: 由通式(I)表示的鈣鈦礦型金屬氧化物作為主要成分，和 在該鈣鈦礦型金屬氧化物中引入的錳，
(BahCax) a(Ti1IZry)O3 (其中 1.00 ≤ a ≤ 1.01，0.02 ≤ x ≤ 0.30,0.020 ≤ y ≤ 0.095，和y≤X) (I) 其中相對于100重量份的該鈣鈦礦型金屬氧化物，錳含量為0.02重量份-0.40重量份，基于金屬。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的壓電元件，其中該壓電材料由具有Iμ m-10 μ m的平均圓當量直徑的晶粒構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的壓電元件，其中該壓電材料具有93%-100%的相對密度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項的壓電元件，其中該壓電材料的主要成分中的X和y分別滿足0.125 ^ X ^ 0.175和0.055 ^ y ^ 0.09，并且相對于100重量份的該鈣鈦礦型金屬氧化物，猛含量為0.02重量份-0.10重量份,基于金屬。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項的壓電元件，其中該壓電材料的主要成分中的X和y分別滿足0.155 < X < 0.300和0.041 ^ 0.069，并且相對于100重量份的該鈣鈦礦型金屬氧化物，猛含量為0.12重量份-0.40重量份,基于金屬。
6.多層壓電兀件，包括: 壓電材料層；和 包括內(nèi)部電極的電極， 其中將該壓電材料層和該電極交替地層疊； 該壓電材料層各自含有 由通式(I)表示的鈣鈦礦型金屬氧化物作為主要成分，和 在該鈣鈦礦型金屬氧化物中引入的錳，
(BahCax) a(Ti1IZry)O3 (其中 1.00 a ≤ 1.01，0.02 ≤ x ≤ 0.30,0.020 ≤ y ≤ 0.095，和y≤X) (I);并且 相對于100重量份的該鈣鈦礦型金屬氧化物，錳含量為0.02重量份-0.40重量份，基于金屬。
7.排液頭，包括: 液室，該液室包括振動單元，該振動單元包括根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項的壓電元件或根據(jù)權(quán)利要求6的多層壓電元件；和與該液室連通的排出口。
8.排液裝置，包括: 用于輸送記錄介質(zhì)的輸送單元；和 根據(jù)權(quán)利要求7的排液頭。
9.超聲波馬達，包括: 換能器，其包括根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項的壓電元件或根據(jù)權(quán)利要求6的多層壓電元件；和與該振動部件接觸的移動部件。
10.光學裝置，包括: 驅(qū)動單元，該驅(qū)動單元包括根據(jù)權(quán)利要求9的超聲波馬達。
11.電子裝置，包括: 壓電聲部件，其包括根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項的壓電元件或根據(jù)權(quán)利要求6的多層壓電元件。`
【文檔編號】G02B7/00GK103650323SQ201280033361
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2012年6月26日 優(yōu)先權(quán)日:2011年7月5日
【發(fā)明者】林潤平, 武田憲一, 小山信也, 明石健一, 古田達雄 申請人:佳能株式會社