專利名稱：壓電材料、壓電元件、液體排放頭、超聲波電機(jī)及灰塵清潔設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓電材料。特別地，其涉及無(wú)鉛壓電材料。其還涉及使用無(wú)鉛壓電材料的壓電元件、液體排放頭、超聲波電機(jī)以及灰塵清潔設(shè)備。
背景技術(shù)：
含鉛的鋯鈦酸鉛(下文中稱為“PZT”)是各種壓電設(shè)備中最廣泛使用的壓電材料。 已試圖用無(wú)鉛壓電材料替代含鉛壓電材料。這是為了解決如下顧慮含鉛壓電設(shè)備一旦被丟棄并暴露于酸雨就會(huì)由于壓電材料中的鉛成分可滲入到大地中而對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成損害。 因此，做出了壓電材料的各種提議。
無(wú)鉛壓電材料的一個(gè)示例是具有鎢青銅結(jié)構(gòu)的鈮酸鍶鈣鈉(SCNN)材料。PTLl公開(kāi)了通過(guò)向SCNN添加稀土元素來(lái)改進(jìn)壓電屬性的技術(shù)。PTL2公開(kāi)了通過(guò)用鉀取代鈉部位來(lái)改進(jìn)壓電屬性的技術(shù)。然而，由于具有鎢青銅結(jié)構(gòu)的晶體的單位晶格的形狀各向異性高， 所以極軸方向僅在c軸方向(S卩，短邊方向)上。相應(yīng)地，存在較少的可以有助于壓電性的有效磁疇并且壓電屬性令人不滿意。
NPLl公開(kāi)了通過(guò)使用磁場(chǎng)(磁取向)把SCNN定向來(lái)改進(jìn)SCNN的特性的技術(shù)。磁取向可以增大有助于壓電性的有效磁疇的數(shù)量。NPL2公開(kāi)了通用使用磁定向的SCNN來(lái)制造原型超聲波電機(jī)的示例。然而，該超聲波電機(jī)要求施加比由PZT超聲波電機(jī)要求的電壓約大10倍的電壓并且具有令人不滿意的特性。
本發(fā)明提供具有高取向度和高壓電屬性的基于鈮酸鍶鈣鈉的無(wú)鉛鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物。還提供使用該壓電材料的壓電元件、液體排放頭、超聲波電機(jī)、以及灰塵清潔設(shè)備。
引用列表
專利文獻(xiàn)
PTLl 日本專利公開(kāi) No. 2000-169229
PTL2 日本專利公開(kāi) No. 2003-261379
非專利文獻(xiàn)
NPLl日本應(yīng)用物理期刊，2008年第47卷，第9期，第7693-7697頁(yè)
NPL2日本應(yīng)用物理期刊，2008年，第47卷，第5期，第4242-4247頁(yè)發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供壓電材料，包括鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物，包括金屬元素鍶、鈣，鈉和鈮；以及鎢。金屬元素以摩爾計(jì)量滿足以下條件
當(dāng)Sr/Nb = a 時(shí)，O. 32 彡 a 彡 O. 430，
當(dāng)Ca/Nb = b 時(shí)，O. 008 彡 b 彡 O. 086，以及
當(dāng)Na/Nb = c時(shí),O. 180 ^ c ^ O. 200。以金屬計(jì)量的鶴含量是相對(duì)于鶴青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物的100重量份的O. 40至3. 20重量份。鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物具有C軸取向。本發(fā)明還提供壓電元件，包括第一電極、壓電材料以及第二電極。本發(fā)明還提供包括該壓電元件的液體排放頭、超聲波電機(jī)以及灰塵清潔設(shè)備。本發(fā)明可以提供包含具有高取向度的基于鈮酸鍶鈣鈉的鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物的壓電材料。由于壓電材料無(wú)鉛，所以對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響低。還可以提供具有高耐久性的壓電元件、液體排放頭、超聲波電機(jī)以及灰塵清潔設(shè)備。


圖IA和IB是通過(guò)X光衍射分析在2 Θ - Θ模式中拍攝的壓電材料的衍射圖案。圖2是根據(jù)實(shí)施例的壓電元件的示意圖。圖3A和圖3B是示出了根據(jù)實(shí)施例的液體排放頭的一個(gè)示例的示意圖。 圖4A是示出了根據(jù)實(shí)施例的超聲波電機(jī)的示意圖。圖4B是示出了根據(jù)另一實(shí)施例的超聲波電機(jī)的示意圖。圖5A和5B是示出了根據(jù)實(shí)施例的灰塵清潔設(shè)備的示意圖。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在將描述本發(fā)明的實(shí)施例。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的壓電材料包括包含以摩爾計(jì)量滿足下面條件的金屬元素Sr、Ca、Na以及Nb的鶴青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物；以及W 當(dāng)Sr/Nb = a 時(shí)，O. 320 彡 a 彡 O. 430，當(dāng)Ca/Nb = b 時(shí)，O. 008 彡 b 彡 O. 086，以及當(dāng)Na/Nb = c 時(shí)，O. 180 彡 c 彡 O. 200。以金屬計(jì)量的鎢(W)含量是相對(duì)于鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物的100重量份的O. 40至3. 20重量份。鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物具有c軸取向。在本發(fā)明中，術(shù)語(yǔ)“鎢青銅結(jié)構(gòu)”是指通常已知為四方鎢青銅(TTB)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，而并非由于電致變色現(xiàn)象而已知的HxWO3 (鎢青銅)或六方鎢青銅(HTB)結(jié)構(gòu)。壓電材料具有鎢青銅結(jié)構(gòu)并含有Sr、Ca、Na以及Nb。認(rèn)為Sr、Ca和Na占據(jù)A部位,而Nb占據(jù)B部位。當(dāng)鎢青銅結(jié)構(gòu)由Sr、Ca、Na以及Nb構(gòu)成時(shí)，可以取得高機(jī)械品質(zhì)因數(shù)和高壓電性?？梢酝ㄟ^(guò)例如X光衍射分析來(lái)確認(rèn)壓電材料具有鎢青銅結(jié)構(gòu)。在2Θ-Θ模式中測(cè)量的鎢青銅結(jié)構(gòu)的衍射圖案具有可歸屬于靠近2 Θ =22.7°的(001)平面的峰、可歸屬于靠近2 Θ =32.5°的(211)平面的峰、以及可歸屬于靠近2 Θ =46.5°的(002)平面的峰。用語(yǔ)“以摩爾計(jì)量”意思是把通過(guò)X光熒光分析、感應(yīng)耦合等離子體(ICP)原子發(fā)射光譜法、原子吸收光譜測(cè)量法等確定的鎢青銅結(jié)構(gòu)中含有的元素(比如，Sr、Ca、Na以及Nb)的量轉(zhuǎn)換為按摩爾的比率。以摩爾計(jì)量的Sr對(duì)Nb的比率a是O. 320彡a彡O. 430。當(dāng)比率a小于O. 320時(shí)，壓電屬性可能較低。當(dāng)比率a大于O. 430時(shí)，在器件工作期間生成的熱量增加并且特性可能降級(jí)。以摩爾計(jì)量的Ca對(duì)Nb的比率b是O. 008彡b彡0.086。當(dāng)比率b小于O. 008時(shí)，在器件工作期間生成的熱量增加并且特性可能降級(jí)。當(dāng)比率b大于O. 086時(shí)，壓電屬性可能較低。以摩爾計(jì)量的Na對(duì)Nb的比率c是O. 18彡c彡O. 200。當(dāng)比率c小于O. 18時(shí)，壓電屬性可能較低。當(dāng)比率c大于O. 200時(shí)，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)可能較低并且耐久性可能降級(jí)?！耙越饘儆?jì)”的W含量通過(guò)以下方式確定通過(guò)X光熒光分析、ICP原子發(fā)射光譜法、原子吸收光譜測(cè)量法等測(cè)量金屬(如，來(lái)自鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物的Ba、Bi、Nb以及W)的含量，把構(gòu)成鎢青銅結(jié)構(gòu)的元素(比如，Sr、Ca、Na以及Nb)的測(cè)得含量轉(zhuǎn)換成基于氧化物
的值，以及確定鎢(W)的重量相對(duì)于轉(zhuǎn)換出的金屬含量的總量的比率。沿著構(gòu)成晶體的單位晶格的邊延伸的三個(gè)軸稱作a軸、b軸以及c軸。通常，鎢青銅結(jié)構(gòu)具有立方單位晶格并且三個(gè)軸垂直地彼此相交。每個(gè)軸的長(zhǎng)度稱作“軸長(zhǎng)度”。鎢青
銅結(jié)構(gòu)的c軸長(zhǎng)度與a軸長(zhǎng)度或b軸長(zhǎng)度的約三分之--樣短。在本說(shuō)明書(shū)中，術(shù)語(yǔ)“ (001)
平面”是指c軸為法線的平面。在本說(shuō)明書(shū)中，“取向”意思是使對(duì)象晶面中的全部或一部分朝向特定方向?！叭∠蚨取北砻魇咕娑ㄏ虻某潭?。取向度在存在其中對(duì)象晶面朝向特定方向的較多部分時(shí)增大。術(shù)語(yǔ)“c軸取向”意思是使處于c軸方向上的晶面定向，即，使(001)平面定向。換言之，“c軸取向”和“(001)平面取向”的意思一樣。極軸方向(作為壓電材料的鎢青銅結(jié)構(gòu)的功能發(fā)生軸)是c軸方向。在取得c軸取向時(shí)鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物的壓電屬性增強(qiáng)。通常，用化學(xué)式Α4_6Β1(ι03(ι表示鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物。在化學(xué)式中，A表示占據(jù)A部位的元素。不區(qū)分Al部位(在c軸方向上觀看時(shí)12配位箱狀部位)和A2部位(在c軸方向上觀看時(shí)15配位五角形部位)。Sr、Ca和Na主要占據(jù)存在于氧八面體周?chē)姆Q為Al部位和A2部位的兩個(gè)特定位置中的一個(gè)。Al部位和A2部位的數(shù)量總和的最大值是6。在以上化學(xué)式中，B表示占據(jù)B部位的元素。五價(jià)元素主要占據(jù)B部位。在本發(fā)明中，B主要是Nb并存在于氧八面體內(nèi)部。在本發(fā)明中，鎢(W)有時(shí)占據(jù)B部位中的一些B部位但是這并非必要的。含有W的形式可以是氧化物、金屬、或者金屬離子。當(dāng)壓電材料中含有W時(shí)，鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物的介電常數(shù)增大并且壓電常數(shù)隨此而增大。W的并入還在施加磁場(chǎng)時(shí)增強(qiáng)磁化率的各向異性能量并改進(jìn)取向度。這大致由于以下原因。即，當(dāng)W替代B部位中Nb原子中的一些Nb原子時(shí)，單位晶格的所有方向上的磁化率或磁矩經(jīng)歷改變。作為結(jié)果，通過(guò)單位晶格的不同方向之間的磁化率的差異增強(qiáng)各向異性。此現(xiàn)象大致由六價(jià)W離子的離子半徑(O. 062nm)接近Nb的離子半徑(O. 069nm)的事實(shí)引起。換言之，W的并入帶來(lái)兩個(gè)效果增大介電常數(shù)以及改進(jìn)磁化率。由于壓電材料具有高的c軸取向度，所以其壓電常數(shù)顯著增大。以金屬計(jì)量的W含量是相對(duì)于鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物的100重量份的O. 40至
3.20重量份。在大于3. 20重量份的W含量，居里溫度會(huì)顯著下降。如果居里溫度較低，則極化處理變得困難并可能無(wú)法充分展現(xiàn)壓電材料的固有壓電屬性。在小于O. 40重量份的W含量，屬性相比于不含有W時(shí)不會(huì)改變太多。W含量?jī)?yōu)選地是O. 40至O. 29重量份并更優(yōu)選地是I. 00至2. 90重量份。壓電材料的Lotgering 因子 F(Lotgering factor F)可以是 O. 81 至 I. 00。Lotgering因子是通過(guò)X光衍射分析確定的鶴青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物的c軸(或(001))取向度的指標(biāo)。雖然存在取向度的數(shù)個(gè)指標(biāo)，但在本說(shuō)明書(shū)中使用Lotgering因子F表明取向度。大于O的Lotgering因子F表示對(duì)象晶面被定向了。當(dāng)Lotgering因子F小于O. 81時(shí)，存在較少的可以有助于壓電性的有效疇并且壓電屬性不足夠。隨著Lotgering因子F靠近1，生成可以有助于壓電性的更多有效疇，并因此增大壓電常數(shù)。當(dāng)Lotgering因子F是I時(shí)，檢測(cè)到的唯一峰是可歸屬于對(duì)象晶面的衍射峰。換言之，可通過(guò)X光衍射分析檢測(cè)的所有晶體被對(duì)齊和定向在對(duì)象方向上。Lotgering因子F是通過(guò)2 Θ - θ X光衍射分析而計(jì)算出的。通過(guò)使用目標(biāo)晶面在10°至70°范圍中的2 Θ衍射的X光的累計(jì)峰值強(qiáng)度使用下面的等式I來(lái)計(jì)算F = Cp — P0)/ (I — P。)(等式 I)在等式I中，在c軸取向的情形中，通過(guò)使用隨機(jī)取向樣本的X光衍射強(qiáng)度(Itl)確定并根據(jù)下面的等式(2)計(jì)算Ptl，作為(001)平面(與c軸垂直的所有平面，I = I或2)的衍射強(qiáng)度的總量對(duì)總衍射強(qiáng)度的比率P。=Σ I。(001)/Σ I。(hkl)(等式 2)在等式I中，在c軸取向的情形中，通過(guò)使用取向樣本的X光衍射強(qiáng)度(I)確定和如對(duì)于以上等式(2)那樣根據(jù)下面的等式(3)計(jì)算P，作為(001)平面的衍射強(qiáng)度的總量對(duì)總衍射強(qiáng)度的比率P =E I (001)/ Σ I (hkl)(等式 3)在壓電材料中鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物可以由(Sr1^xCax) yNa2Nb10030 (O. 020 彡 x 彡 O. 200 且 4. O 彡 y 彡 4. 3)表示。占據(jù)A部位的Ca的摩爾比率X為O. 020彡X彡O. 200。當(dāng)摩爾比率x小于O. 020時(shí)，在器件工作期間產(chǎn)生的熱量增加并且特性可能降級(jí)。當(dāng)摩爾比率X大于O. 200時(shí)，在燒結(jié)期間可能發(fā)生異常顆粒生長(zhǎng)。經(jīng)過(guò)異常顆粒生長(zhǎng)的燒結(jié)材料容易裂縫和斷裂，具有低破裂強(qiáng)度，并因此不適用于設(shè)備中。占據(jù)A部位的Sr和Ca的摩爾比率的總和由y表示并且y為4. O彡y彡4. 3。當(dāng)y小于4. O時(shí)，A部位相對(duì)于B部位是欠缺的。當(dāng)A部位有欠缺時(shí)，產(chǎn)生缺陷部位并且形成氧缺陷。因此，絕緣屬性和壓電屬性可能受到不利影響。當(dāng)y大于4. 3時(shí)，A部位過(guò)剩，這導(dǎo)致電荷不平衡。電荷不平衡可能使絕緣特性大大降級(jí)。此外壓電材料可以含有錳(Mn)。以金屬計(jì)量的Mn含量可以是相對(duì)于鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物的100重量份的O. 10至O. 90重量份。由于壓電材料含有Mn，所以可以在不使Lotgering因子F降級(jí)的情況下改進(jìn)機(jī)械品質(zhì)因數(shù)。Mn含量是O. 10至O. 90重量份。當(dāng)Mn含量小于O. 10重量份時(shí),相比于不含有Mn時(shí)屬性不會(huì)改變太大。當(dāng)Mn含量超過(guò)O. 90重量份時(shí)，壓電屬性可能惡化并可能發(fā)生非鶴青銅結(jié)構(gòu)相。Mn含量可以是O. 10至O. 60重量份。機(jī)械品質(zhì)因數(shù)(Qm)是表示把壓電材料評(píng)估為振子時(shí)由振動(dòng)引起的彈性損失的因數(shù)。當(dāng)以電學(xué)方式測(cè)量機(jī)械品質(zhì)因數(shù)的量值時(shí)，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)被觀測(cè)作為共振曲線的尖銳度。換言之，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)是表示振子的共振的尖銳度的因數(shù)。Mn存在的壓電材料區(qū)域沒(méi)有限制。錳可以占據(jù)部位或在不占據(jù)部位的情況下處于晶粒邊界(grain boundary)中。Mn的并入形式可以是金屬、氧化物以及金屬離子中的任一種。當(dāng)以金屬離子的形式并入Mn時(shí)，價(jià)可以是2、3、4或者6。Ba、Mg、K和Li可以占據(jù)鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物的A部位，除了 Nb以外的元素可以占據(jù)鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物的B部位以便于壓電材料的生產(chǎn)或調(diào)整壓電材料的物理屬性。要被包含在B部位中的元素的示例不僅包括五價(jià)金屬元素(諸如Ta和V等)，而且包括三價(jià)和四價(jià)金屬元素，更具體地為Fe、Al、Ti以及Zr。要被包含在B部位中的這些元素的含量?jī)?yōu)選為所有B部位元素的20mol%或更少以及更優(yōu)選為5mol%或更少?？梢酝ㄟ^(guò)增大A部位元素的量來(lái)補(bǔ)償B部位元素總價(jià)的減小?？梢韵驂弘姴牧咸砑又T如Cu、Zn以及Co等元素以便于壓電材料的生產(chǎn)和調(diào)整壓電材料的物理屬性。這種附加元素的量可以是相對(duì)于鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物的100重量份的5重量份或更少。當(dāng)多于5重量份的這樣的元素被添加時(shí)，會(huì)出現(xiàn)不同于鎢青銅結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，并且絕緣屬性會(huì)降低。可以通過(guò)例如Rietveld方法識(shí)別占據(jù)壓電材料的各部位的金屬元素。根據(jù)Rietveld方法，不僅可以識(shí)別占據(jù)部位的金屬的類型而且可以識(shí)別其比率。用于制備壓電材料的方法沒(méi)有特別限制?？梢酝ㄟ^(guò)燒結(jié)使用原材料(如，構(gòu)成壓電材料的金屬的氧化物、硝酸鹽以及草酸鹽)獲得的粉末或通過(guò)注漿(slip-casting)制備的成型體的普通方法制備壓電材料，燒結(jié)是在正常壓力下執(zhí)行的。可以采用的其它技術(shù)的示例包括電加熱、微波燒結(jié)、毫米波燒結(jié)、以及熱等靜壓。從對(duì)磁取向的適應(yīng)性的觀點(diǎn)，可以采用在正常壓力下燒結(jié)通過(guò)注漿漿體形成的成型體的技術(shù)?！び糜谑箟弘姴牧隙ㄏ虻姆椒ú幌抻谔囟ǚ椒?。例如，可以采用使用刮刀的顆粒定向方法或使用高磁場(chǎng)的磁定向方法。由于可以容易獲得具有c軸取向的成型體，所以優(yōu)選磁定向方法。使用旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁定向更為優(yōu)選。用于向鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物添加W、Mn等的方法沒(méi)有特別限制。例如，可以在使構(gòu)成鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物的元素混合、煅燒、以及起反應(yīng)之后添加W?；蛘?，可以使W與構(gòu)成鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物的元素混合、煅燒和同時(shí)起反應(yīng)。圖2是根據(jù)實(shí)施例的壓電元件的示意圖。此實(shí)施例的壓電元件包括壓電材料、以及設(shè)置在壓電材料上的第一電極和第二電極?？梢园训谝缓偷诙姌O設(shè)置在壓電材料的一個(gè)表面上或壓電材料的相對(duì)表面上以?shī)A持壓電材料。圖3A和圖3B是示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的液體排放頭的一個(gè)示例的示意圖。液體排放頭包括壓電元件101。壓電元件101包括第一電極1011、壓電材料1012、以及第二電極1013。根據(jù)如圖3B中所示的需要把壓電材料1012圖案化。圖3B是液體排放頭的示意圖。液體排放頭包括排放口 105、各個(gè)液體室102、把各個(gè)液體室102連接到排放口 105的連接孔106、液體室壁104、公共液體室107、振動(dòng)板103、以及壓電元件101。雖然圖中的壓電元件101具有矩形形狀，但它可以具有任何其它形狀，如橢圓、圓形、長(zhǎng)方體等。通常，壓電材料1012的形狀對(duì)應(yīng)于各個(gè)液體室102的形狀。現(xiàn)在將參照?qǐng)D3A詳細(xì)描述液體排放頭的壓電元件101和鄰近部分。圖3A是圖3B中示出的液體排放頭在寬度方向上取得的壓電元件的橫截面視圖。雖然壓電元件101的橫截面形狀在此實(shí)施例中是矩形，但形狀可以是梯形或倒梯形形狀。在圖中，使用第一電極1011作為下電極，使用第二電極1013作為上電極。然而，第一電極1011和第二電極1013的布置不限于此。可以使用第一電極1011作為下電極或上電極?？梢允褂玫诙姌O1013作為上電極或下電極。可以在振動(dòng)板103與下電極之間插入緩沖層108。此處應(yīng)當(dāng)注意，組件的這些名稱是根據(jù)制造器件的工藝而被確定的并且本發(fā)明的有益效果可以在任何情形中取得。根據(jù)此液體排放頭，振動(dòng)板103通過(guò)壓電材料1012的膨脹和收縮而上下移動(dòng)并按壓各個(gè)液體室102中含有的液體以使得液體從排放口 105排放。液體排放頭可以用于打印機(jī)中和用于電子器件制造。振動(dòng)板103的厚度是I. O μ m或更大并且是15 μ m或更小，優(yōu)選地是I. 5 μ m或更大并且是8μπι或更小。振動(dòng)板103的材料沒(méi)有限制但是可以是硅。構(gòu)成振動(dòng)板的硅可以摻雜有硼或磷。振動(dòng)板上的緩沖層和電極層可以形成振動(dòng)板的一部分。緩沖層108的厚度是5nm或更大并且是300nm或更小，更優(yōu)選地是IOnm或更大并且是200nm或更小。排放口 105的尺寸按圓等效直徑是5 μ m或更大并且是40 μ m或更小。排放口 105的形狀可以是圓形但是可以是星形形狀、矩形形狀、或者三角形形狀。 現(xiàn)在將描述使用壓電元件的超聲波電機(jī)。圖4A和4B是示出了超聲波電機(jī)的實(shí)施例的示例的示意圖。圖4A示出了包括由單板構(gòu)成的壓電元件的超聲波電機(jī)。此超聲波電機(jī)包括振子201、在來(lái)自圖中未示出的增壓彈簧的壓力下鄰接振子201的滑動(dòng)表面的轉(zhuǎn)子202、以及與轉(zhuǎn)子202整體地形成的輸出軸203。振子201包括金屬?gòu)椥原h(huán)2011、壓電元件2012、以及把壓電元件2012接合到金屬?gòu)椥原h(huán)2011的有機(jī)粘合劑2013 (例如基于環(huán)氧樹(shù)脂或氰基丙烯酸脂的粘合劑)。壓電元件2012包括第一電極、第二電極、以及第一與第二電極之間插入的壓電材料(未示出)。當(dāng)向壓電元件施加兩相AC電壓(相位差31/2)時(shí)，在振子201中出現(xiàn)彎曲行波，振子201的滑動(dòng)表面上的各個(gè)點(diǎn)經(jīng)歷橢圓運(yùn)動(dòng)。當(dāng)使轉(zhuǎn)子202與振子201的滑動(dòng)表面壓力接觸時(shí)，轉(zhuǎn)子202接收來(lái)自振子201的摩擦力并在與彎曲行波相對(duì)的方向上旋轉(zhuǎn)。圖中未示出的要驅(qū)動(dòng)的對(duì)象被接合到輸出軸203并被轉(zhuǎn)子202的轉(zhuǎn)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。當(dāng)向壓電材料施加電壓時(shí)，壓電材料通過(guò)橫向壓電效應(yīng)膨脹和收縮。當(dāng)彈性體(如，金屬)與壓電元件相接觸時(shí)，通過(guò)壓電材料的膨脹和收縮使彈性體彎曲。此處描述的超聲波電機(jī)的類型運(yùn)用此原理。圖4B示出了包括具有多層結(jié)構(gòu)的壓電元件的超聲波電機(jī)的示例。振子204包括筒狀金屬?gòu)椥泽w2041和在筒狀金屬?gòu)椥泽w2041之間插入的多層壓電元件2042。多層壓電元件2042是包括圖中未示出的兩層或更多層壓電材料并包括在多層結(jié)構(gòu)的外表面上的第一電極和第二電極和多層結(jié)構(gòu)內(nèi)部的內(nèi)電極的元件。使筒狀金屬?gòu)椥泽w2041與螺栓接合以將多層壓電元件2042固定在其間以形成振子204。當(dāng)向多層壓電元件2042施加具有彼此不同相的交流電壓時(shí)，振子204激勵(lì)彼此正交的兩個(gè)振動(dòng)。這兩個(gè)振動(dòng)被組合以在振子204的頂部處形成用于驅(qū)動(dòng)的圓形振動(dòng)。注意，在振子204的上部分中形成環(huán)形槽以增大用于驅(qū)動(dòng)的振動(dòng)的位移。轉(zhuǎn)子205由于用于增壓的彈簧206而與振子204壓力接觸并獲得用于驅(qū)動(dòng)的摩擦力。轉(zhuǎn)子205被承載體可旋轉(zhuǎn)地支撐。接下來(lái)，描述根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的使用壓電元件的灰塵清潔設(shè)備。圖5A和5B是示出了灰塵清潔設(shè)備的實(shí)施例的示意圖。灰塵清潔設(shè)備310包括板狀壓電元件330和振動(dòng)板320。雖然振動(dòng)板320的材料沒(méi)有限制，但當(dāng)灰塵清潔設(shè)備310要被用于光學(xué)設(shè)備中時(shí)可以在振動(dòng)板320中使用透明材料或光反射材料。
如上所述，壓電元件可用于液體排放頭、超聲波電機(jī)等中。當(dāng)包含鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物的無(wú)鉛壓電材料被用于液體排放頭中時(shí)，可以取得比使用含鉛壓電材料的液體排放頭相當(dāng)或更優(yōu)的噴嘴密度和排放力。當(dāng)在超聲波電機(jī)中使用含有鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物的無(wú)鉛壓電材料時(shí)，可以取得與使用含鉛壓電材料的超聲波電機(jī)相當(dāng)或更優(yōu)的驅(qū)動(dòng)力和耐久性。當(dāng)在灰塵清潔設(shè)備中使用含有鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物的無(wú)鉛壓電材料時(shí)，可以取得與使用含鉛壓電材料的灰塵清潔設(shè)備相當(dāng)或更優(yōu)的灰塵清潔效率。壓電材料還可以用于不同于液體排放頭和電機(jī)的設(shè)備(諸如超聲波振子、壓電致動(dòng)器、壓電傳感器、以及鐵電體存儲(chǔ)器等)中。示例現(xiàn)在將通過(guò)下面的示例詳細(xì)地描述壓電材料。這些示例不限制本發(fā)明的范圍。示例I至8
把碳酸鍶、碳酸鈣、碳酸鈉、氧化鈮、氧化鎢粉末用作原料。該粉末被稱重并且在乳缽中干混。把混合物放置于氧化鋁坩堝中并在1000°C至1200°C在空氣中煅燒2至5小時(shí)。從煅燒粉末制備漿體。即，煅燒粉末被粉碎后，與特定量的純水和分散劑混合，并用球磨機(jī)分散以得到漿體。然后向衆(zhòng)體施加磁場(chǎng)以進(jìn)行磁場(chǎng)處理。使用超導(dǎo)磁體(JMTD-10T180,由日本超導(dǎo)技術(shù)有限公司生產(chǎn))進(jìn)行磁場(chǎng)處理。通過(guò)超導(dǎo)磁體生成IOT磁場(chǎng)，并且使用能在磁場(chǎng)中被旋轉(zhuǎn)和驅(qū)動(dòng)的非磁性超聲波電機(jī)在與磁場(chǎng)方向垂直的方向上以30rpm旋轉(zhuǎn)臺(tái)面。在臺(tái)面上放置石膏模具，并且把漿體倒入旋轉(zhuǎn)臺(tái)面上的石膏模具中以進(jìn)行注漿成型。在空氣中在1300°至1400°C在電爐中燒制成型體達(dá)6小時(shí)。在切削所得燒結(jié)體的表面之后，進(jìn)行通過(guò)X光衍射分析(XRD)的結(jié)構(gòu)分析以及通過(guò)X-射線熒光分析的成分分析。 圖IA和IB是通過(guò)2 Θ - Θ XRD觀察到的圖。圖IA是示例4的壓電材料的XRD圖案并且圖IB是比較例I的壓電材料的XRD圖案。圖案顯示兩個(gè)輪廓均為鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物單相的輪廓。當(dāng)燒結(jié)體的全部或幾乎所有部分都由鎢青銅結(jié)構(gòu)晶體組成時(shí)使用詞語(yǔ)“單相“。在其中進(jìn)行磁場(chǎng)處理的示例4中，可歸屬于(001)的峰的強(qiáng)度高，這表明實(shí)現(xiàn)了 c軸取向。根據(jù)XRD結(jié)果計(jì)算出Lotgering因子F以評(píng)估(001)取向度。成分分析的結(jié)果顯示壓電材料具有由(Sivx，Cax)yNa2Nb10030表示的鎢青銅結(jié)構(gòu)。燒結(jié)體被拋光至厚度為Imm并在空氣中在500° C至1000° C被熱處理I小時(shí)以除去表面上的有機(jī)物質(zhì)。在燒結(jié)體的兩個(gè)表面上通過(guò)DC濺射形成厚度為500 μ m的Au電極。所得產(chǎn)物被使用切割機(jī)切割為2. 5mmX IOmm并且用于評(píng)估各種電氣特性。通過(guò)在硅油中在120° C至200° C施加2至5kV/cm的電壓10分鐘來(lái)進(jìn)行極化。使用d33測(cè)量?jī)x(由Piezotest生產(chǎn)的PiezoMeter系統(tǒng))來(lái)評(píng)估壓電特性。表I示出壓電材料的成分、Lotgering因子F以及d33。在該表中，a表示以摩爾計(jì)量的比率Sr/Nb, b表示以摩爾計(jì)量的比率Ca/Nb, c表示以摩爾計(jì)量的比率Na/Nb, x表示占據(jù)A部位的Ca的摩爾比率，以及y表示占據(jù)A部位的Sr和Ca的摩爾比率之和。在表I中，“W重量份”表示金屬鎢的重量相對(duì)于構(gòu)成鎢青銅結(jié)構(gòu)的元素(如Sr、Ca、Na和Nb)以氧化物計(jì)量的總重量的比率，F(xiàn)表示指示(001)面的取向度的Lotgering因子F,以及d33表示壓電常數(shù)d33。比較例I如示例I至8中那樣制備漿體。然后在臺(tái)面上放置石膏模具，并且在不進(jìn)行磁場(chǎng)處理的情況下通過(guò)把漿體倒入旋轉(zhuǎn)臺(tái)面上的石膏模具來(lái)進(jìn)行注漿成型。然后與示例I至8 一樣通過(guò)燒結(jié)獲得比較例I的樣本。與示例I至8 —樣評(píng)估比較例I的樣本的電氣特性。獲得的壓電材料的成分、F以及d33如表I中所示。比較例2至4以及6至8 除不使用氧化鎢粉末以外如包括磁場(chǎng)處理的執(zhí)行的示例I至8中那樣獲得成型體。如示例I至8中那樣對(duì)每個(gè)成型體進(jìn)行燒結(jié)以制備比較例2至4以及6至8的樣本。如示例I至8中那樣評(píng)估比較例2至4以及6至8的樣本的電氣特性。獲得的壓電材料的成分、F及d33被不于表I中。比較例5如包括磁場(chǎng)處理的執(zhí)行的示例I至8中那樣獲得成型體。如包括磁場(chǎng)處理的執(zhí)行的示例I至8中那樣對(duì)成型體進(jìn)行燒結(jié)以獲得比較例5的樣本。如示例I至8中那樣評(píng)估比較例5的樣本的電氣特性。獲得的壓電材料的成分、F以及d33如表I中所示。[表I]
成分
_____，.顰____/j
Sr/NbCa/NbNa/NbW 重量F,
__=a =b=cx__y份_[pC/N]
示例 I__0.3920,0080.2000.0204,001.600.92102
示例 2__0.3200.0800.2000.2004.001.600.93108
示例 3__0.3600.0400.2000.1004,000.400,81101
示例 4__0.3600.0400.2000.1004,001.600.95147
示例 5__0.3600.0400.2000.1004.002.900.97160
示例 6__0.3870.0430.2000.1004.301.600.92103
示例 7__0.4210.0090.2000.0204.301.600.92100
示例 8__0.3440.0860.2000.2004.301.600,90100
比較例 I 0.3600,040~0.2000.1004.001.600.0040,8
比較例 2 0.3920.0080.2000.0204.000.000.4251.1
比較例 3 0.3200,0800.2000.2004.000.000.4448.7
比較例 4 0.3600.0400.2000.1004.000,000.6848,7
比較例 5 0.3600.0400.2000.1004.000.200.6888.2
比較例 6 0.3870.0430.2000.1004.300.000,4447.3
比較例 7 0.4210.0090.2000.0204.300.000,4244.6
比較例 8 0.3440.0860.2000.2004.300.000.4443,7對(duì)具有相同成分和相同W含量的不例4 (具有磁場(chǎng)處理)和比較例I (不具有磁場(chǎng)處理)的比較示出通過(guò)執(zhí)行磁定向顯著增大了壓電常數(shù)d33。
對(duì)具有W含量為I. 60重量份的示例I (具有磁場(chǎng)處理)和不含有W的比較例2 (具有磁場(chǎng)處理 )的比較示出示例I的Lotgering因子F和壓電常數(shù)d33得到提高。在對(duì)示例I和比較例2之間、示例2和比較例3之間、示例6和比較例6之間、示例7和比較例7之間以及示例8和比較例8之間的比較中觀察到同樣的趨勢(shì)。這些結(jié)果暗示當(dāng)進(jìn)行磁場(chǎng)處理時(shí)，在含有Sr、Ca、Na和Nb的材料系統(tǒng)中W的并入增大Lotgering因子F和壓電常數(shù)d33。接著，對(duì)示例3至5 (具有磁場(chǎng)處理)以及比較例4和5 (具有磁場(chǎng)處理)進(jìn)行比較。除了 W含量以外所有樣本具有相同的成分。比較示出Lotgering因子F和壓電常數(shù)d33隨著W含量而增加。在其中W含量為O. 20重量份的比較例5中，與W的含量為O的樣本相比Lotgering因子F沒(méi)有顯著差別。這些結(jié)果暗示W(wǎng)含量可以為O. 40至3. 20重量份。在具有W含量為3. 50重量份的樣本中，居里溫度降至100° C。該樣本被極化了但壓電常數(shù)d33為55pC/N，并且因此不能令人滿意。這表明在W含量大于3. 20時(shí)居里溫度顯著降低并且該材料不適于實(shí)際應(yīng)用。這些結(jié)果還暗示占據(jù)A部位的Ca的摩爾比率X的范圍可以為O. 020彡X彡O. 200，并且占據(jù)A部位的Sr與Ca的摩爾比率之和y的范圍可以為
4.O ^ y ^ 4. 3o考慮到以上，表I示出當(dāng)進(jìn)行了磁場(chǎng)處理時(shí)在含有Sr、Ca、Na和Nb的材料系統(tǒng)中W的并入增大Lotgering因子F和壓電常數(shù)d33。示例9至11這些示例的壓電材料與前述的壓電材料不同之處在于還添加了錳(Mn)。把碳酸鍶、碳酸鈣、碳酸鈉、氧化鈮、氧化錳和氧化鎢粉末用作原料。粉末被稱重并且在乳缽中干混。然后把混合物放置于氧化鋁坩堝中并在1000°c至1180°C下在空氣中煅燒2至5小時(shí)。如包括磁場(chǎng)處理的執(zhí)行的示例I至8中那樣制備漿體并使之成型。在空氣中以1280°至1400°C在電爐中燒制成型體6小時(shí)。如示例I至8中那樣進(jìn)行結(jié)構(gòu)和成分分析以及電氣特性的評(píng)估。成分分析的結(jié)果顯示獲得的壓電材料具有由(Sivx，Cax)yNa2Nb10030表示的鎢青銅結(jié)構(gòu)。表2示出獲得的壓電材料的成分、F和d33。在該表中，a表示以摩爾計(jì)量的比率Sr/Nb, b表示以摩爾計(jì)量的比率Ca/Nb, c表示以摩爾計(jì)量的比率Na/Nb, x表示占據(jù)A部位的Ca的摩爾比率，以及y表示占據(jù)A部位的Sr和Ca的摩爾比率之和。在表I中，“W重量份”表示金屬鶴的重量相對(duì)于構(gòu)成鶴青銅結(jié)構(gòu)的元素(如Sr、Ca、Na和Nb)以氧化物計(jì)量的總重量的比率；“Mn重量份”是指金屬錳的重量相對(duì)于構(gòu)成鎢青銅結(jié)構(gòu)的元素(如Sr、Ca、Na和Nb)以氧化物計(jì)量的總重量的比率；F表示指示(001)面的取向度的Lotgering因子F，以及d33表示壓電常數(shù)d33。比較示例9至11除不使用氧化鎢粉末以外如包括磁場(chǎng)處理的執(zhí)行的示例9至11中那樣獲得成型體。如示例9至11中那樣對(duì)成型體進(jìn)行燒結(jié)以獲得比較例9至11的樣本。如示例9至11中那樣評(píng)估比較例9至11的樣本的電氣特性。獲得的壓電材料的成分、F以及d33示出在表2中。
[表2]
權(quán)利要求
1.一種壓電材料，包括鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物，包括金屬元素鍶、鈣、鈉和鈮；以及鎢，其中，金屬元素以摩爾計(jì)量滿足以下條件當(dāng) Sr/Nb = a 時(shí)，O. 320 彡 a 彡 O. 430，當(dāng) Ca/Nb = b 時(shí)，O. 008 彡 b 彡 O. 086，以及當(dāng) Na/Nb = c 時(shí)，O. 180 彡 c 彡 O. 200 ;以金屬計(jì)量的鎢含量相對(duì)于鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物的100重量份是O. 40至3. 20重量份；以及鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物具有c軸取向。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的壓電材料，其中，壓電材料具有大于等于O.81且小于等于I.00的Lotgering因子F,其中，Lotgering因子F表示通過(guò)X光衍射分析確定的c軸取向度。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的壓電材料，其中，鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物由(SivxCax)yNa2Nb10030 (O. 020 ≤X ≤O. 200, 4. O ≤y ≤4. 3)表不。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任一項(xiàng)所述的壓電材料，還包括猛，其中以金屬計(jì)量的錳含量相對(duì)于鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物的100重量份是O. 10至O. 90重量份。
5.—種壓電兀件,包括第一電極；壓電材料；以及第二電極，其中，壓電材料是根據(jù)權(quán)利要求I至4中任一項(xiàng)所述的壓電材料。
6.一種液體排放頭，包括根據(jù)權(quán)利要求5所述的壓電元件。
7.—種超聲波電機(jī),包括根據(jù)權(quán)利要求5所述的壓電元件。
8.一種灰塵清潔設(shè)備，包括根據(jù)權(quán)利要求5所述的壓電元件。
全文摘要
提供包含具有高取向度的基于鈮酸鍶鈣鈉的鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物的壓電材料。還提供包括壓電材料的壓電元件、液體排放頭、超聲波電機(jī)、以及灰塵清潔設(shè)備。壓電材料包括鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物，包括金屬元素鍶、鈣、鈉和鈮；以及鎢。金屬元素以摩爾計(jì)量滿足以下條件當(dāng)Sr/Nb＝a時(shí)，0.320≤a≤0.430，當(dāng)Ca/Nb＝b時(shí)，0.008≤b≤0.086，以及當(dāng)Na/Nb＝c時(shí)，0.180≤c≤0.200。以金屬計(jì)量的鎢含量相對(duì)于鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物的100重量份是0.40至3.20重量份。鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物具有c軸取向。
文檔編號(hào)C04B35/495GK102934249SQ201180027720
公開(kāi)日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2011年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月10日
發(fā)明者林潤(rùn)平, 松田堅(jiān)義, 渡邊隆之 申請(qǐng)人:佳能株式會(huì)社