壓電材料、壓電元件和電子設備制造技術

本發明專利技術涉及壓電材料、壓電元件和電子設備。提供了一種壓電材料，其不包含任何鉛組分，具有操作溫度范圍中的穩定壓電特性、高機械品質因數和令人滿意的壓電特性。根據本發明專利技術的壓電材料包括含有能夠利用以下一般式(1)表達的鈣鈦礦型金屬氧化物的主組分，以及包含Mn、Li和Bi的副組分。當金屬氧化物為100重量份時，Mn的含量按金屬換算不小于0.04重量份并且不大于0.36重量份，Li的含量α按金屬換算等于或小于0.0012重量份且包括0重量份，并且Bi的含量β按金屬換算不小于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≤0.30，0.025≤y≤0.085，0≤z≤0.02并且0.986≤a≤1.02。

【技術實現步驟摘要】
【專利摘要】本專利技術涉及壓電材料、壓電元件和電子設備。提供了一種壓電材料，其不包含任何鉛組分，具有操作溫度范圍中的穩定壓電特性、高機械品質因數和令人滿意的壓電特性。根據本專利技術的壓電材料包括含有能夠利用以下一般式(1)表達的鈣鈦礦型金屬氧化物的主組分，以及包含Mn、Li和Bi的副組分。當金屬氧化物為100重量份時，Mn的含量按金屬換算不小于0.04重量份并且不大于0.36重量份，Li的含量α按金屬換算等于或小于0.0012重量份且包括0重量份，并且Bi的含量β按金屬換算不小于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≤0.30，0.025≤y≤0.085，0≤z≤0.02并且0.986≤a≤1.02。【專利說明】壓電材料、壓電元件和電子設備
本專利技術涉及壓電材料，更具體而言，涉及不包含任何鉛組分的壓電材料。另外，本 專利技術涉及其中采用了該壓電材料的壓電元件、多層壓電元件、液體排出頭、液體排出裝置、 超聲馬達、光學設備、振動裝置、塵埃去除裝置、成像裝置和電子設備。
技術介紹
鋯鈦酸鉛是代表性的含鉛壓電材料，其可用在諸如致動器、振蕩器、傳感器和濾波 器的各種壓電設備中。然而，鉛組分對于生態系統是有害的，因為存在廢棄的壓電材料的鉛 組分可溶解到土壤中的可能性。因此，近來踴躍進行的研究和開發針對的是能夠實現無鉛 壓電設備的無鉛壓電材料。 當壓電元件被用在家用電器或類似的產品中時，要求壓電性能在產品的操作溫度 范圍中不大幅變化。如果與壓電性能有關的參數，例如機電耦合因數、介電常數、楊氏模量、 壓電常數、機械品質因數或者諧振頻率，依賴于溫度而大幅變化（例如，變化量等價于30% 或更大），則變得難以在操作溫度范圍中獲得穩定的元件性能。在壓電材料的根據溫度的 相變中，壓電性在相變溫度處取極大值。因此，相變是引起壓電特性的大幅變化的因素。因 此，關鍵是獲得其中壓電材料的相變溫度不在操作溫度范圍中以使得其壓電性能在操作溫 度范圍中不大幅變化的產品。 當諧振設備（例如超聲馬達）包括壓電組分時，要求表示諧振銳度的機械品質因 數大。如果機械品質因數低，則操作壓電元件所需的電力量變高并且壓電元件的驅動控制 由于生熱而變得困難。這是要求擁有較高機械品質因數的壓電材料的原因。 在日本專利申請公開No. 2009-215111中討論了由{[ (Ba^xlMlxl) (OVxZrx) mNlJOj-S % [((Ba^yCay) HM2J (Ti1I2^y2)O3B 的偽二元系固溶體表達的 無鉛壓電材料，其中Ml、N1、M2和N2是添加的化學元素。（Ba^1Ml xl) ((TihZrx) Py1Nlyl) O3是 菱面體晶（rhombohedral),( (Ba 卜 yCay) H2M2x2) (TU2y2) O3 是四方晶（tetragonal)。溶解 晶系不同的兩個組分使得能夠在室溫附近調整在菱面體晶和四方晶之間發生相變的溫度。 例如，根據討論的內容，BaTi a8ZrQ.203-50% Baa7Caa JiO3的相變發生在室溫附近，并且20°C 的壓電常數d33是584pC/N。另一方面，同一材料的70°C的壓電常數d 33是368pC/N。更具 體而言，如果溫度的增大量是50°C，則壓電常數d33的減小量是37%。上述壓電材料的特征 在于壓電性取極大值的相變發生在室溫附近。因此，雖然上述壓電材料在室溫附近表現出 優良的壓電性能，但并不希望壓電性能依賴于溫度而顯著可變。在上述材料中，Zr量（X)被 設定為大于0. 1以獲得作為邊緣組分的（Bah1Mlxl) (OVxZrxUlyl)O3的菱面體晶。 在 Karaki,15th US-Japan Seminar on Dielectric and Piezoelectric Ceramics Extended Abstract, p.40-41中討論的材料是可通過根據兩步燒結方法對包括 添加物MnO (0? 03重量份（parts by weight))和LiBiO2 (0到0? 3重量份）的BaTiO3進行 燒結所獲得的無鉛壓電陶瓷。LiBiO2的添加基本上與LiBiO 2的添加量成比例地線性增大 了包括添加物MnO (0.03重量份）的BaTiOJ^矯頑場（coercive field)。另外，LiBiO2的添 加基本上減小了壓電常數d33、介電常數和介電正切（dielectric tangent)。當1^13;[02的 添加量是0. 17重量份時，壓電常數d33為243pC/N并且矯頑場為0. 3kV/mm。當LiBiO2的添 加量是0. 3重量份時，矯頑場為0. 5kV/mm。然而，根據評估結果，上述壓電材料不是希望的， 因為在四方晶和斜方晶（orthorhombic)之間發生相變的溫度在從5°C到-20°C的范圍中。 另外，上述壓電材料不是希望的，因為室溫的機械品質因數低（小于500)。 上述傳統的無鉛壓電陶瓷不是希望的，因為壓電性能在壓電元件的操作溫度范圍 中大幅變動，并且機械品質因數小。 為了解決上述問題，本專利技術針對這樣的壓電材料：其不包含任何鉛組分，并且特征 在于壓電常數的溫度依賴性在操作溫度范圍中小，密度高，機械品質因數高，并且壓電常數 令人滿意。另外，本專利技術針對其中采用了該壓電材料的壓電元件、多層壓電元件、液體排出 頭、液體排出裝置、超聲馬達、光學設備、振動裝置、塵埃去除裝置、成像裝置和電子設備。
技術實現思路
根據本專利技術的一方面，一種壓電材料包括：包含能夠利用以下一般式（1)表達的 鈣鈦礦型金屬氧化物的主組分，包含Mn的第一副組分，包含Li的第二副組分，以及包含 Bi的第三副組分，其中，Mn的含量在金屬氧化物為100重量份時按金屬換算（on a metal basis)不小于0. 04重量份并且不大于0. 36重量份，Li的含量a在金屬氧化物為100重 量份時按金屬換算等于或小于〇. 0012重量份（包括0重量份），并且Bi的含量P在金屬 氧化物為100重量份時按金屬換算不小于0. 042重量份并且不大于0. 850重量份， (Ba1^xCax) a (Ti1^zZrySnz) O3 (1) (在式（1)中，0? 09 彡 X 彡 0? 30,0. 025 彡 y 彡 0? 085,0 彡 Z 彡 0? 02 并且 0. 986 ^ a ^ 1. 02) 〇 根據本專利技術的另一方面，一種壓電元件的特征在于第一電極、壓電材料部和第二 電極，其中構成壓電材料部的壓電材料是上述壓電材料。 根據本專利技術的又一方面，一種多層壓電元件的特征在于交替地多層層疊的多個壓 電材料層和多個電極層，所述多個電極層包括至少一個內部電極，其中壓電材料層是上述 壓電材料。 根據本專利技術的又一方面，一種液體排出頭的特征在于：配備有振動單元的液體腔 室，在該振動單元中設置有上述壓電元件或者上述多層壓電元件；以及與液體腔室連通的 排出口。 根據本專利技術的又一方面，一種液體排出裝置的特征在于：其上放置圖像轉印介質 的部分；以本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種壓電材料，包括：主組分，包含能夠由以下一般式(1)表達的鈣鈦礦型的金屬氧化物；第一副組分，包含Mn；第二副組分，包含Li；以及第三副組分，包含Bi，其中，Mn的含量在所述金屬氧化物為100重量份時按金屬換算不小于0.04重量份并且不大于0.36重量份，Li的含量α在所述金屬氧化物為100重量份時按金屬換算等于或小于0.0012重量份且包括0重量份，并且Bi的含量β在所述金屬氧化物為100重量份時按金屬換算不小于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≤0.30，0.025≤y≤0.085，0≤z≤0.02并且0.986≤a≤1.02。

【技術特征摘要】
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【專利技術屬性】
技術研發人員：田中秀典，渡邊隆之，村上俊介，古田達雄，藪田久人，
申請(專利權)人：佳能株式會社，
類型：發明
國別省市：日本;JP