壓電材料、壓電元件和電子設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及壓電材料并且更具體地涉及不含鉛的壓電材料。本發(fā)明也涉及各自包 括該壓電材料的壓電元件、多層壓電元件、排液頭、排液裝置、超聲波馬達(dá)、光學(xué)裝置、振動 裝置、除塵器件、攝像裝置和電子設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002] 鋯酸鈦酸鉛是典型的壓電材料并且用于各種壓電器件，例如致動器、振蕩器、傳感 器和濾光器。但是，將含鉛的壓電器件廢棄并且暴露于酸雨時，鉛成分可能從壓電材料中浸 出到土地中并且毀壞生態(tài)系統(tǒng)。因此，正積極地研宄和開發(fā)用于不含鉛的壓電器件的不含 鉛的壓電材料。
[0003] 現(xiàn)有典型的廣泛研宄的不含鉛的壓電材料是含有鈮酸鉀的壓電材料。但是，含 鉀的壓電材料的合成中，由于它們高的吸濕性，難以以所需的摩爾比精確地稱量它們的原 料（例如，碳酸鉀）粉末。而且，由于含有鈮酸鉀的壓電材料是潮解的，因此含有鈮酸鉀 (KNb03)的壓電陶瓷的壓電性有時經(jīng)時地劣化。此外，含有鈮酸鉀的壓電材料的四方晶體與 斜方晶體之間的連續(xù)相變溫度在壓電器件的運轉(zhuǎn)溫度范圍內(nèi)（例如，〇°C_80°C的范圍內(nèi)）。 由于壓電性在連續(xù)相變溫度附近顯著地變化，因此這樣的壓電器件的性能大大地取決于運 轉(zhuǎn)溫度。
[0004] NPL1記載了作為不含鉛和鉀的壓電材料的反鐵電材料鈮酸鈉（NaNb03)和鈦酸鋇 (BaTi03)的固溶體（以下稱為NN-BT)。公開了以9:1的比例含有鈮酸鈉和鈦酸鋇的壓電 陶瓷具有147pC/N的壓電常數(shù)d33。
[0005] PTL1公開了添加了氧化鈷（C〇0)的含NN-BT的鈮酸鹽壓電陶瓷。鈮酸鹽壓電陶 瓷具有高機電耦合系數(shù)和高耐熱性。但是，由于低達(dá)l〇6Q以下的低電阻，因此一些樣品難 以極化。
[0006]PTL2公開了具有高居里溫度和令人滿意的壓電性能的鈮酸鹽壓電陶瓷的制造方 法。公開了含有NN-BT和鈦酸鍶（SrTi03)的固溶體的鈮酸鹽壓電陶瓷具有14-126pm/V范 圍內(nèi)的壓電常數(shù)d33。
[0007] 引用列表
[0008] 專利文獻(xiàn)
[0009]PTL1:日本專利公開No. 2009-227535
[0010] PTL2 :日本專利公開No. 2008-156172
[0011] 非專利文獻(xiàn)
[0012] NPL1 :J.T.Zeng等，JournaloftheAmericanCeramicSociety，2006,第89卷， 第 2828-2832 頁

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 技術(shù)問題
[0014]已知的NN-BT具有不足的壓電性能。
[0015] 本發(fā)明解決這樣的問題并且提供具有高的壓電常數(shù)和令人滿意的絕緣性的不含 鉛和鉀的壓電材料。本發(fā)明也提供各自包括該壓電材料的壓電元件、多層壓電元件、排液 頭、排液裝置、超聲波馬達(dá)、光學(xué)裝置、振動裝置、除塵器件、攝像裝置和電子設(shè)備。
[0016] 問題的解決方案
[0017] 解決上述問題的根據(jù)本發(fā)明的壓電材料包括具有下述通式（1)的鈣鈦礦型金屬 氧化物和Zn，其中Zn含量對應(yīng)于該鈣鈦礦型金屬氧化物的量的大于0摩爾％且5摩爾％以 下：
[0018] (NaxBai_y) (NbyTi1_y)03 ⑴
[0019] 其中x滿足0? 80彡x彡0? 95,和y滿足0? 85彡y彡0? 95。
[0020] 根據(jù)本發(fā)明的一個方面的壓電元件包括第一電極、壓電材料部和第二電極，其中 該壓電材料部包括上述的壓電材料。
[0021] 根據(jù)本發(fā)明的一個方面的多層壓電元件包括彼此在其上交替地層疊的壓電材料 層和電極層。該電極層包括內(nèi)部電極。該壓電材料層由上述的壓電材料形成。
[0022] 根據(jù)本發(fā)明的一個方面的排液頭包括液室和與該液室連通的排出口。該液室具有 振動部，該振動部包括上述的壓電元件或多層壓電元件。
[0023] 根據(jù)本發(fā)明的一個方面的排液裝置包括用于接收對象的載物臺和上述的排液頭。
[0024] 根據(jù)本發(fā)明的一個方面的超聲波馬達(dá)包括振動部件和與該振動部件接觸的移動 體。該振動部件包括上述的壓電元件或多層壓電元件。
[0025] 根據(jù)本發(fā)明的一個方面的光學(xué)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(dá)。
[0026] 根據(jù)本發(fā)明的一個方面的振動裝置包括振動部件，該振動部件包括上述的壓電元 件或多層壓電元件。
[0027] 根據(jù)本發(fā)明的一個方面的除塵器件包括振動部，該振動部包括上述的振動裝置。
[0028] 根據(jù)本發(fā)明的一個方面的攝像裝置包括上述的除塵器件和攝像元件單元，其中該 除塵器件在該攝像元件單元的受光表面?zhèn)劝ㄕ駝硬考?br>[0029] 根據(jù)本發(fā)明的一個方面的電子設(shè)備包括壓電聲部件，該壓電聲部件包括上述的壓 電元件或多層壓電元件。
[0030] 發(fā)明的有利效果
[0031] 本發(fā)明能夠提供具有高的壓電常數(shù)和令人滿意的絕緣性的不含鉛和鉀的壓電材 料。本發(fā)明也提供各自包括該壓電材料的壓電元件、多層壓電元件、排液頭、排液裝置、超聲 波馬達(dá)、光學(xué)裝置、振動裝置、除塵器件、攝像裝置和電子設(shè)備。
[0032] 根據(jù)本發(fā)明的實施方案的壓電材料不含鉛并且具有低的環(huán)境負(fù)荷。根據(jù)本發(fā)明的 實施方案的壓電材料也不含鉀，因此具有令人滿意的燒結(jié)性和耐濕性。
【附圖說明】
[0033] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施方案的壓電元件的示意圖。
[0034] 圖2A和2B是根據(jù)本發(fā)明的實施方案的多層壓電元件的橫截面示意圖。
[0035] 圖3A和3B是根據(jù)本發(fā)明的實施方案的排液頭的示意圖。
[0036] 圖4是根據(jù)本發(fā)明的實施方案的排液裝置的示意圖。
[0037] 圖5是根據(jù)本發(fā)明的實施方案的排液裝置的示意圖。
[0038] 圖6A和6B是根據(jù)本發(fā)明的實施方案的超聲波馬達(dá)的示意圖。
[0039] 圖7A和7B是根據(jù)本發(fā)明的實施方案的光學(xué)裝置的示意圖。
[0040] 圖8是根據(jù)本發(fā)明的實施方案的光學(xué)裝置的示意圖。
[0041] 圖9A和9B是包括根據(jù)本發(fā)明的實施方案的振動裝置的除塵器件的示意圖。
[0042] 圖10A-10C是根據(jù)本發(fā)明的實施方案的除塵器件的壓電元件的示意圖。
[0043] 圖11A和11B是表示根據(jù)本發(fā)明的實施方案的除塵器件的振動原理的示意圖。
[0044] 圖12是根據(jù)本發(fā)明的實施方案的攝像裝置的示意圖。
[0045] 圖13是根據(jù)本發(fā)明的實施方案的攝像裝置的示意圖。
[0046] 圖14是根據(jù)本發(fā)明的實施方案的電子設(shè)備的示意圖。
[0047] 圖15是根據(jù)本發(fā)明的比較例1以及實施例2、6和7的燒結(jié)體的極化-電場滯后 回線圖。
【具體實施方式】
[0048] 以下對本發(fā)明的實施方案進(jìn)行說明。
[0049] 本發(fā)明提供基于鈮酸鈉中鈦酸鋇的固溶體（NN-BT)的不含鉛和鉀的壓電材料，其 具有高的壓電常數(shù)和令人滿意的絕緣性。利用其介電特性，根據(jù)本發(fā)明的實施方案的壓電 材料能夠用于各種用途，例如電容器、存儲器和傳感器。
[0050] 根據(jù)本發(fā)明的壓電材料包括具有下述通式（1)的鈣鈦礦型金屬氧化物和Zn，其中 Zn含量對應(yīng)于該鈣鈦礦型金屬氧化物的量的大于0摩爾％且5摩爾％以下：
[0051] (NaxBai_y) (NbyTi1_y)03 ⑴
[0052]其中x滿足0?80Sx<0?95,和y滿足0?85 <y<0?95。
[0053] 本文中使用的術(shù)語"鈣鈦礦型金屬氧化物"是指具有鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的金屬氧化物， 其理想地為立方結(jié)構(gòu)，如IwanamiRikagakuJiten，第 5 版（IwanamiShoten，于 1998 年 2 月20日出版）中所述。具有鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的金屬氧化物通常由化學(xué)式AB03表示。鈣鈦礦 型金屬氧化物中，離子形式的元素A和B分別占據(jù)稱為A位點和B位點的晶胞的特定位置。 對于立方晶胞，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。作為氧陰離 子的元素0占據(jù)立方體的面心位置。
[0054] 具有通式（1)的金屬氧化物中，A位點處的金屬元素為Na和Ba，并且B位點處的 金屬元素為Nb和Ti。似、8&、211、(：11和]\111可部分地占據(jù)8位點。同樣地，11、恥、211、(：11和 Mn可部分地占據(jù)A位點。為了有助于根據(jù)本發(fā)明的實施方案的壓電材料的制備或者改進(jìn)根 據(jù)本發(fā)明的實施方案的壓電材料的物理性能，Ba可部分地被二價金屬元素例如Sr或Ca置 換。同樣地，20摩爾％以下的Nb可被五價金屬元素例如Ta或V置換。同樣地，20摩爾％ 以下的Ti可被Zr或Sn置換，或者15摩爾％以下的Na可被Li置換。同樣地，可以以對應(yīng) 于具有通式（1)的鈣鈦礦型金屬氧化物的量的5摩爾％以下的量將Ni元素添加到壓電材 料中。同樣地，可以以對應(yīng)于具有通式（1)的鈣鈦礦型金屬氧化物的量的5摩爾％以下的 量將選自La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm和Yb中的至少一種元素添加到 壓電材料中。同樣地，基于金屬計，可以將0.001重量份-4. 000重量份的含有選自Si和B 中的至少一種的輔助成分添加到100重量份的壓電材料中。
[0055] 通式⑴中，盡管B位點元素與元素0的摩爾比為1:3,但摩爾比的小幅變動（例 如，1. 00:2. 94至1. 00:3. 06)也在本發(fā)明的范圍內(nèi)，條件是該金屬氧化物具有鈣鈦礦型結(jié) 構(gòu)作為主相。金屬氧化物的鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)能夠由使用X射線衍射或電子衍射的結(jié)構(gòu)分析確 定。
[0056] 根據(jù)本發(fā)明的實施方案的壓電材料可具有任何形式，例如陶瓷、粉末、單晶、膜或 漿料，并且可以是陶瓷。本文中使用的術(shù)語"陶瓷"是指通過含有金屬氧化物作為基礎(chǔ)成分 并且通過加熱處理燒結(jié)而成的晶粒的聚集體（也稱為塊體），即，多晶材料。術(shù)語"陶瓷"也 包括燒結(jié)后處理過的陶瓷。
[0057] 通式⑴的值X，表示A位點處Na的量，可以在0. 80彡x彡0. 95的范圍內(nèi)。小于 〇? 80的值x導(dǎo)致Na相對于Nb的不足和雜質(zhì)相（具有與Ba4Nb209、Ba6Ti7Nb9042、Ba3Nb4Ti4021 或Ba3Nb3.2Ti5021相似的X射線衍射圖案的相）的形成。富含這樣的雜質(zhì)相的金屬氧化物樣 品具有107-10 8Q?〇!!的范圍內(nèi)的低電阻率并且難以極化。大于0. 95的值x導(dǎo)致低的壓電 性。x在0.80 0.95的范圍內(nèi)時，雜質(zhì)相罕有發(fā)生，并且壓電材料具有高壓電性。值 x可在0. 80彡x彡0. 93的范圍內(nèi)。
[0058] 通式⑴的值y，表示B位點處Nb的量，可在0.85彡y彡0.95的范圍內(nèi)。小于0.85 的值y導(dǎo)致小于140°C的居里溫度。大于0. 95的值y導(dǎo)致低的壓電性。0. 85 <y< 0. 95 的范圍內(nèi)的值y導(dǎo)致140°C以上的居里溫度和高壓電性。
[0059] 0. 85彡y彡0. 90的范圍內(nèi)的值y導(dǎo)致約130°C-230°C的范圍內(nèi)的居里溫度，這使 得極化處理容易。0. 88 <y< 0. 90范圍內(nèi)的值y導(dǎo)