壓電材料、壓電元件和電子裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及壓電材料。具體地，本發(fā)明涉及不含鉛的壓電材料。而且本發(fā)明還涉 及使用上述壓電材料的壓電元件、層疊壓電元件、層疊壓電元件的制造方法、排液頭、排液 裝置、超聲波馬達、光學(xué)裝置、振動裝置、除塵裝置、攝像裝置和電子裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 含有鉛的鋯酸鈦酸鉛是典型的壓電材料，并且已用于各種壓電器件，例如，致動 器、振蕩器、傳感器和濾波器。但是，廢棄的壓電材料中的鉛成分可能洗脫到土壤中并且可 能對生態(tài)系統(tǒng)具有有害的影響。因此，為了制備不含鉛的壓電器件，已深入地進行了不含鉛 的壓電材料的研究和開發(fā)。
[0003] 目前廣泛研究的典型的不含鉛的壓電材料是含有鈮酸鉀的壓電材料。但是，合成 含有鉀的壓電材料時，原料（例如，碳酸鉀）粉末的吸濕性高，以致難以以預(yù)定的摩爾比精 確地稱量原料粉末。含有鈮酸鉀（KNbO 3)的壓電材料具有潮解性，并且含有鈮酸鉀的壓電 陶瓷的壓電性可能隨時間經(jīng)過而降低。此外，存在如下問題：由含有鈮酸鉀的壓電材料無法 容易地得到具有高的相對密度的陶瓷。
[0004] NPL 1 公開了由（1-x) (0· IBaTiO3-O. 9NaNb03)-XLiNbO3 (其中 0 彡 X 彡 0· 125)表 示的材料。通過將〇. IBaTiO3-O. 9NaNb03制成與LiNbO 3的固溶體而使居里溫度增加 。X = 0. 01和0. 02時居里溫度分別為526K (253°C )和531K (258°C )。但是，存在如下問題：LiNbO3 的量為1%以上的情況下，無法得到高密度樣品。還存在如下問題：如果LiNbO3的量增加， 自發(fā)極化的大小和壓電常數(shù)d 31的大小都減小。
[0005] NPL 2公開了以至多0· 3摩爾％將CuO添加到0· 9NaNb03-0. IBaTiO3中時，燒結(jié)體 的相對密度增加，孔隙減少，壓電常數(shù)（d33)、機電耦合系數(shù)（k p)和機械品質(zhì)因數(shù)（Qm)增加， 并且介電損耗正切（tan δ )減小。但是，存在如下問題：如果CuO的添加量為0. 4摩爾％以 上，由于廣生雜質(zhì)相，因此燒結(jié)體的相對?度、d33、kp和Qm減小。
[0006] 引用列表
[0007] 非專利文獻
[0008] NPL I :F. Benabdallah 等，"Solid State Sciences"，第 14 卷，第 1333-1337 頁 (2012)
[0009] NPL 2 :K. Zhu 等，"Journal of the Chinese Ceramic Society"，第 38 卷，第 1031-1035 頁（2010)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 技術(shù)問題
[0011] 根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)，NaNb03、BaTi0#P LiNbO 3的固溶體具有如下問題：容易產(chǎn) 生雜質(zhì)相，密度低，并且壓電常數(shù)和機械品質(zhì)因數(shù)低。
[0012] 本發(fā)明提供壓電材料，其不含鉛和鉀，具有高密度、高居里溫度和高機械品質(zhì)因 數(shù)，并且顯示良好的壓電性。而且，本發(fā)明提供使用上述壓電材料的壓電元件、層疊壓電元 件、層疊壓電元件的制造方法、排液頭、排液裝置、超聲波馬達、光學(xué)裝置、振動裝置、除塵裝 置、攝像裝置和電子裝置。
[0013] 問題的解決方案
[0014] 根據(jù)本發(fā)明方面的壓電材料含有0. 04摩爾％ -2. 00摩爾％的Cu,相對于1摩爾的 由下述通式（1)表示的金屬氧化物。
[0015] 通式（I) ((NahLiz)xBah) (NbyIVy) O3 (式中，0· 70 彡 X 彡 0· 99,0· 75 彡 y 彡 0· 99， 和 0 < z < 0· 15)
[0016] 根據(jù)本發(fā)明方面的壓電元件包括第一電極、壓電材料和第二電極，其中上述的壓 電材料是根據(jù)本發(fā)明方面的壓電材料。
[0017] 由以下參照附圖對例示實施方案的說明，本發(fā)明的進一步特征將變得清楚。
[0018] 本發(fā)明的有利效果
[0019] 根據(jù)本發(fā)明的方面，提供壓電材料，其不含鉛和鉀，具有高相對密度、高居里溫度 和高機械品質(zhì)因數(shù)，并且顯示良好的壓電性。根據(jù)本發(fā)明方面的壓電材料不使用鉛，因此對 環(huán)境的負荷小。而且，不使用鉀，因此顯示優(yōu)異的燒結(jié)性和耐濕性。
【附圖說明】
[0020] 圖1是表示根據(jù)本發(fā)明的實施方案的壓電元件的構(gòu)成的示意圖。
[0021] 圖2A和2B是表示根據(jù)本發(fā)明的實施方案的層疊壓電元件的構(gòu)成的截面示意圖。
[0022] 圖3A和3B是表示根據(jù)本發(fā)明的實施方案的排液頭的構(gòu)成的示意圖。
[0023] 圖4是表示根據(jù)本發(fā)明的實施方案的排液裝置的示意圖。
[0024] 圖5是表示根據(jù)本發(fā)明的實施方案的排液裝置的示意圖。
[0025] 圖6A和6B是表示根據(jù)本發(fā)明的實施方案的超聲波馬達的構(gòu)成的示意圖。
[0026] 圖7A和7B是表示根據(jù)本發(fā)明的實施方案的光學(xué)裝置的示意圖。
[0027] 圖8是表示根據(jù)本發(fā)明的實施方案的光學(xué)裝置的示意圖。
[0028] 圖9A和9B是表示將振動裝置應(yīng)用于根據(jù)本發(fā)明的實施方案的除塵裝置的情形的 示意圖。
[0029] 圖10A-10C是表示根據(jù)本發(fā)明的實施方案的除塵裝置中的壓電元件的構(gòu)成的示 意圖。
[0030] 圖IlA和IlB是表示根據(jù)本發(fā)明的實施方案的除塵裝置的振動原理的示意圖。
[0031] 圖12是表示根據(jù)本發(fā)明的實施方案的攝像裝置的示意圖。
[0032] 圖13是表示根據(jù)本發(fā)明的實施方案的攝像裝置的示意圖。
[0033] 圖14是表示根據(jù)本發(fā)明的實施方案的電子裝置的示意圖。
[0034] 圖15表示根據(jù)本發(fā)明的實施方案的比較例8和實施例21中燒結(jié)體的極化-電場 滯后回線。
【具體實施方式】
[0035] 以下對根據(jù)本發(fā)明的實施方案進行說明。
[0036] 根據(jù)本發(fā)明的方面，提供含有NaNb03、BaTiOjP LiNbO 3作為主要成分的不含鉛的 壓電材料，其具有高密度、高居里溫度和高機械品質(zhì)因數(shù)，并且顯示良好的壓電性和絕緣 性。利用作為介電體的特性，根據(jù)本發(fā)明方面的壓電材料可用于各種用途，例如，電容器、存 儲器和傳感器。
[0037] 根據(jù)本發(fā)明方面的壓電材料含有0. 04摩爾％ -2. 00摩爾％的Cu,相對于1摩爾的 由下述通式（1)表示的金屬氧化物。
[0038] 通式（I) ((NahLiz) xBai_y) (NbyIVy) O3 (式中，0· 70 彡 X 彡 0· 99,0· 75 彡 y 彡 0· 99， 和 0 < z < 0· 15)
[0039] 從絕緣性的觀點出發(fā)，根據(jù)本發(fā)明方面的壓電材料能夠含有鈣鈦礦金屬氧化物作 為主相。上述組成式對應(yīng)于由ABO 3表示的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。但是，取決于特定元素的組合和合 成條件，除了I丐鈦礦金屬氧化物以夕卜，可附帶地產(chǎn)生由例如Li 4Na2Ti4Ba4Nb6O 3tl表示的鶴青 銅型金屬氧化物。由于使壓電材料的電阻率降低一個數(shù)量級以上，因此盡可能多地避免這 樣的雜質(zhì)相。能夠基于例如在X-射線衍射中歸因于鈣鈦礦金屬氧化物的最大衍射強度是 否大于或等于歸因于雜質(zhì)相的最大衍射強度的100倍來確定是否主相為鈣鈦礦金屬氧化 物。由于使絕緣性最大化，因此鈣鈦礦金屬氧化物能夠為單獨的組成。
[0040] 本發(fā)明中，鈣鈦礦金屬氧化物是指具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的金屬氧化物，如"I wanami Rikagaku Jiten(Iwanami Dictionary of Phisics and Chemistry),,第 5 版（Iwanami Shoten，Publishers，1998年2月20日發(fā)行）中所述。通常，具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的金屬氧化 物由化學(xué)式ABO 3表示。鈣鈦礦金屬氧化物中，A和B元素各自為離子形式并且分別占據(jù)晶 胞的稱為A位點和B位點的特定位置。例如,立方晶胞中,A元素位于立方體的頂點,B元素 位于體心。0元素以氧的陰離子的形式占據(jù)立方體的面心位置。
[0041] 由上述通式（1)表示的金屬氧化物中，位于A位點的金屬元素是Na、Li和Ba,位 于B位點的金屬元素為Nb和Ti。但是，Na、Li和Ba的一部分可位于B位點。同樣地，Nb 和Ti的一部分可位于A位點。
[0042] 上述通式（1)中，B位點處的元素與0元素的摩爾比為1 : 3。但是,該元素量之 比在某種程度上偏離的情形（例如，1.00 : 2. 94至1.00 : 3. 06)甚至也包括在本發(fā)明的 范圍內(nèi)，只要上述的金屬氧化物具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)作為主相。
[0043] 對根據(jù)本發(fā)明方面的壓電材料的形式并無特別限制并且可以是陶瓷、粉末、單晶、 膜、漿料等形式的任一種，盡管能夠采用陶瓷。本說明書中，術(shù)語"陶瓷"是指含有金屬氧化 物作為基本成分并且是晶粒的聚集體的所謂的多晶。也包括燒結(jié)后加工的產(chǎn)物。
[0044] 通式（1)中，如果表示A位點處的Na和Li的豐度的X小于0.7,相對于Nb, Na和 Li 不足，由此產(chǎn)生雜質(zhì)相（具有與 Ba4Nb209、Ba6Ti7Nb 9042、Ba3Nb4Ti4O 21、Ba3Nb3.2Ti50 21 等相似 的X-射線衍射圖案的相）。含有大量雜質(zhì)相的金屬氧化物樣品的電阻率為低的IO7-IO8Q cm 并且極化處理困難。
[0045] 如果X大于0. 99, A位點元素的摩爾數(shù)之和變得大于1，1為B位點元素的摩爾數(shù) 之和，并且使壓電性降低。因此，X在〇. 70 < X < 0. 99的范圍內(nèi)時，得到顯示良好的絕緣 性和壓電性的壓電材料。
[0046] 通式⑴中，如果表示B位點處的Nb的量的y小于0. 75,取決于z的值，居里溫度 可能變得低于室溫。另一方面，如果y大于〇. 99,使壓電性降低。因此，y在0. 75彡y彡0. 99 的范圍內(nèi)時，居里溫度高于室溫并且獲得良好的壓電性。
[0047] y在0. 75彡y彡0. 89的范圍內(nèi)時，居里溫度通常在90°C _230°C的范圍內(nèi)，并且極 化處理容易。此外，能夠獲得良好的壓電性。
[0048] 居里溫度是指下述溫度，在該溫度或高于其的溫度下壓電材料的壓電性消失。本 說明書中，將在鐵電相與順電相之間的相變溫度的附近介電常數(shù)變?yōu)榫植孔畲笾档臏囟纫?guī) 定為居里溫度。同時，在低于居里溫度的溫度區(qū)域中，根據(jù)本發(fā)明方面的壓電材料具有連續(xù) 相變溫度，在該溫度下從四方鐵電相到斜方鐵電相的連續(xù)相變發(fā)生。在連續(xù)相變溫度下，相 對介電常數(shù)顯示局部最大值或拐點，以致可如居里溫度那樣通過評價相對介電常數(shù)的溫度 依賴性來確定連續(xù)相變溫度。例如，由0. 9NaNb03-0.川&1103表示的固溶體中，隨著溫度增 力口，發(fā)生從斜方系到四方系、再到立方系的相變。
[0049] 在連續(xù)相變溫度的附近，壓電性能變?yōu)榫植孔畲笾?。因此，在器件的?qū)動溫度范圍 (例如，-30°C至60°C)中需要獨立于溫度的恒定的壓電性能的情況下，希望