CN101908596A - 压电器件,含其的压电致动器,液体排出装置和发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种压电器件，含其的压电致动器，液体排出装置和发电装置，该压电器件在传输能力和接收能力方面均优异，并且适于用作压电致动器、传感器、超声波传感器或发电器件。压电器件(1)包括具有压电性的压电体(13)和一对电极(12，14)，所述一对电极用于在预定方向上对所述压电体施加电场，其中压电体的压电应变常数d₃₃(pm/V)和相对介电常数ε₃₃满足下式(1)和(2)。100＜ε₃₃＜1500 (1)

Description

压电器件，含其的压电致动器，液体排出装置和发电装置

技术领域

本发明涉及具有压电器件和用于驱动该压电器件的驱动器的压电致动器和液体排出装置，以及具有压电器件的发电装置。

背景技术

压电材料可以通过其自身的固有功能(性质)将电能和机械能相互转换。由于在机电相互转换方面以及作为机械振动体具有优异的性能，压电材料广泛应用于频率控制如频率滤波器等，和电信用电子部件。另外，在机电子学领域，压电材料的机电相互转换功能与集成和小型化技术一起得到了认可。

通常，将压电应变常数(压电d-常数)和电压输出常数(压电g-常数)用作指示压电材料性能(压电性能)的指标。d-常数是表示按每单位电场计的应变的量(传输能力)的指标，并且d-常数越高表示作为在喷墨记录头等中使用的致动器的性能越高。g-常数是表示由每单位应力产生的场强(接收能力)的指标，并且g-常数越高表示作为传感器的性能越高。

在当自发极化轴的矢量分量对应于电场施加方向时，根据施加电场的强度增大或减小而发生膨胀或收缩的通常的电场诱导应变中，适用下列内容。即，

g＝d/ε₀ε(k是机电耦合系数，ε₀是真空介电常数，ε是相对介电常数，s是弹性顺度)。因此，在通常的电场诱导应变中，对于更高的机电耦合系数，两个常数中的任一个变得更大。因而，在致动器或传感器的领域，寻求具有高的机电耦合系数的压电材料。

作为提高机电耦合系数的尝试，K.Nakamae等的文献“超声波探针用高分辨率和宽频带压电复合材料的开发(Development of High Resolutionand Wide Band Piezoelectric Composite for Ultrasonic Probe)”，SEI TechnicalReview 9月，第163卷，第48-52页，2003(非专利文献1)描述了超声波传感器用复合压电材料，其具有聚合物和锆钛酸铅(PZT)的多个棒状块状物体(bulk body)的复合结构体，所述锆钛酸铅(PZT)的多个棒状块状物体彼此平行设置于聚合物中，以通过树脂的挠性减轻机械约束，从而在厚度方向上有效地引出振动。在制备复合结构体的方法中，如在非专利文献1中，制造方法变得复杂并且压电性能可能由于聚合物部分而劣化。因此，优选的是压电材料自身具有高的机电耦合系数。

M.Matsushita等的文献“具有高能量传输效率的大直径压电-单晶PMN-PT的开发(Development of Large Diameter Piezo-single CrystalPMN-PT of High Energy Transfer Efficiency)”，JFE Technical Report，第8期，第43-48页，6月，2005(非专利文献2)通过Pb(Zn，Nb)O₃和PbTiO₃的固溶体的块状单晶化成功地提高了机电耦合系数。

还预期同时具有高d-常数和高g-常数的材料对于超声波传感器和发电器件的应用。在超声波传感器中，具有良好平衡的传输(transmission)能力和接收(reception)能力的压电材料是优选的，而在发电器件中，压电材料的d-常数和g-常数的乘积作为性能指标。如在上式中所示，d-常数对于高介电常数取大值，而d-常数对于高介电常数取小值。因此，非专利文献2的同时具有高机电耦合系数和高介电常数的材料(PZT-PT)可以提供高的d-常数值，但不提供高的g-常数值。

本发明是从上述情况考虑而进行研究的，并且本发明的一个目的是提供一种压电器件，其具有优异的传输能力和接收能力，并且有利地用作超声波传感器或发电器件，以及压电致动器或传感器。本发明的另一个目的是提供各自具有上述压电器件的压电致动器，液体排出装置和发电装置。

发明内容

本发明的压电器件是这样的器件，其包括具有压电性的压电体和一对电极，所述一对电极用于在预定方向上对所述压电体施加电场，

其中压电体的压电应变常数d₃₃(pm/V)和相对介电常数ε₃₃满足下面的式(1)和(2)。

100＜ε₃₃＜1500---------------------(1)

$d_{33}(\mathrm{pm}/V)>12\sqrt{d}{\mathrm{\ϵ}}_{33}...\left(2\right)$

其中，d₃₃和ε₃₃中的第一和第二下标分别表示当定义三个正交轴1，2和3时的电场施加方向和应变方向，从而表示纵向振动模式，其中应变或应力引出方向平行于电场的施加方向。因此，d₃₃和ε₃₃是纵向振动模式中的压电应变常数和介电常数。

优选地，在本发明的压电器件中，压电体由一种或多种由通式ABO₃表示的钙钛矿氧化物形成，所述钙钛矿氧化物可以包含不可避免的杂质(在通式ABO₃中，A和B分别表示A位元素和B位元素，各自为一种或多种金属元素，而O表示氧原子，尽管A位元素的总摩尔量或B位元素的总摩尔量与氧原子的摩尔量的比率通常为1∶3，但在可以得到钙钛矿结构的范围内，该比率可以偏离1∶3)。

在此，优选A位元素A包括Bi。还优选压电体由一种或多种由下面的通式(P)表示的钙钛矿氧化物形成，所述钙钛矿氧化物可以包含不可避免的杂质。这样的组成可以提供满足下面式(3)和(4)的压电器件。

(Ba，Bi，A)(Ti，Fe，M)O₃-------------(P)

100＜d₃₃(pm/V)----------------------(3)

80＜g₃₃(×10^-3V·m/N)------------------(4)

在通式(P)中，Ba，Bi和A是A位元素，而Ti，Fe和M是B位元素，A和M中的每一个为一种或多种除Pb以外的金属元素。

尽管A位元素的总摩尔量或B位元素的总摩尔量与氧原子的摩尔量的比率通常为1∶3，但在可以得到钙钛矿结构的范围内，该比率可以偏离1∶3。在上式(4)中，g₃₃是压电体的电压输出常数(压电灵敏度常数)。另外，一种或多种钙钛矿氧化物满足下式(5)。此外，优选的是，在通式(P)中，当A位元素A为Ba和/或Bi时，B位元素M为除Ti和Fe以外的元素，而当B位元素M为Ti和/或Fe时，A位元素A为除Ba和Bi以外的元素，并且一种或多种由通式(P)表示的钙钛矿氧化物满足下式(5)和(6)，并且更优选满足下式(7)。

0.97≤TF(P)≤1.02--------------------(5)

TF(BiFeO₃)＜TF(AMO₃)＜TF(BaTiO₃)-------(6)

0.97≤TF(AMO₃)≤1.02------------------(7)

(在式(5)至(7)中，TF(P)是一种或多种由以上通式(P)表示的钙钛矿氧化物的容许因子，TF(BiFeO₃)、TF(AMO₃)和TF(BaTiO₃)分别是括号中氧化物的容许因子)。优选地，压电体包括多种具有不同晶系的组分。还优选的是，压电体不包含Pb。

如本文中使用的术语“容许因子”是指由下式表示的因子。

$\mathrm{TF}=(\mathrm{rA}+\mathrm{rO})/\sqrt{\mathrm{}}2(\mathrm{rB}+\mathrm{rO})$

其中rA是A位平均离子半径，rB为B位平均离子半径，rO为氧离子半径。如本文中使用的术语“离子半径”是指所谓的Shannon离子半径(R.D.Shannon，“修正的有效离子半径和卤化物及硫属化物中原子间距的系统研究(Revised Effective Ionic Radii and Systematic Studies of InteratomicDistances in Halides and Chalcogenides)”，Acta Crystallogr，A32，第751-767页，1976)。如本文中使用的术语“平均离子半径”是指由∑CiR表示的量，其中C是晶格点离子的摩尔分数，而R是离子半径。“共价键合半径”用于12-配位Bi的离子半径，因为其未在上述文献中描述并且这样的Bi具有强共价键合。

优选地，A位元素A为Sr。当B位元素M为除Ti和Fe以外的元素时，A位元素A可以为Bi，Ba，或Bi与Ba的固溶体。另外，当A位元素A为除Ba和Bi以外的元素时，B位元素M可以为Ti，Fe，或Ti与Fe的固溶体。

理论上得到BaTiO₃、BiFeO₃、AMO₃和由以上通式(P)表示的钙钛矿氧化物中每一种的容许因子(TF(BaTiO₃)＝1.062，TF(BiFeO₃)＝0.989)。在这种情况下，理论上还得到不能采取钙钛矿结构的氧化物的容许因子。然后，确定通式(P)的组成，从而满足上述特定关系。

优选地，在本发明的压电器件中，压电体为<100>或<001>单轴取向多晶或单晶。如本文中使用的术语“单轴取向晶体”是指在厚度方向上具有单一晶体取向的晶体，而不考虑晶体的面内方向。另外，该术语还指在厚度方向上和面内方向上具有单一晶体取向的晶体。当压电体为压电膜时，三轴取向外延膜也被认为是单晶。如本文中使用的术语“单一晶体取向”是指通过Lotgerling方法测量的取向率F不小于80％的晶体取向。取向率F由下式表示。

F(％)＝(P-P0)/(1-P0)×100---------(i)

其中，P为来自取向平面的总反射强度与全反射强度的总和之间的比率。在(001)取向的情况下，P是来自取向平面的反射强度I(001)的总和∑I(001)与来自每一个晶面(hkl)的反射强度I(hkl)的总和∑I(hkl)之间的比率(∑I(001)/∑I(hkl))。例如，对于(001)取向的钙钛矿晶体，P＝I(001)/[I(001)+I(100)+I(101)+I(110)+I(111)]。P0是具有完全无规取向的样品的P。在完全无规取向(P＝P0)的情况下，F＝0％，而在完全取向(P＝1)的情况下，F＝100％。

当压电体是在基板上形成的压电膜时，优选膜是厚度为1μm至100μm的压电膜。在这种情况下，更优选基板为单晶基板。

当压电体为块状物体(bulk body)时，其可以为粒子取向的陶瓷烧结体。

本发明的压电致动器为这样的致动器，其包括上述的本发明压电器件，和驱动器，所述驱动器用于通过对压电器件的压电体施加电场而驱动压电器件。

本发明的液体排出装置是这样的装置，其包括上述的本发明压电致动器和液体排出构件，所述液体排出构件是与所述压电致动器相邻设置的，其中所述液体排出构件具有液体储存室和液体排出开口，所述液体储存室用于储存液体，所述液体排出开口用于根据对压电体的电场施加将液体从液体储存室向外排出。

本发明的发电装置是这样的装置，其包括：上述的本发明压电器件；振动板，所述振动板被设置在所述压电体的下层中，用于将外力传递至所述压电体以使所述压电体位移；以及引出电极，所述引出电极用于从所述一对电极引出在所述压电体中通过位移产生的电荷。

本发明的压电器件包括这样的压电体，其压电应变常数d₃₃(pm/V)和相对介电常数ε₃₃满足下式(1)和(2)。

100＜ε₃₃＜1500---------------------(1)

$d_{33}(\mathrm{pm}/V)>12\sqrt{d}{\mathrm{\&epsiv;}}_{33}...\left(2\right)$

如在“背景技术”中描述的，难以同时得到高d₃₃值和高g₃₃值，但是具有上述构造的本发明第一次成功地在不增加介电常数的情况下得到了高d₃₃值。本发明的压电器件包括这样的压电体，其在低介电常数具有高d₃₃值，即，与常规压电体相比，同时具有优良的d₃₃值和电压输出常数g₃₃值，因而该压电器件在传输和接收能力方面均优异。因此，本发明可以提供一种压电器件，其适于用作压电致动器、传感器、超声波传感器或发电器件。

已知的是，相对介电常数越小和压电器件的压电常数越高，器件的功耗越小。因此，本发明可以提供一种高性能且高效率的压电器件。

另外，本发明的压电器件可以包括由不含Pb的钙钛矿氧化物形成的压电体。据认为，优选的是，由于Pb的有害影响，尽可能地避免在电气和电子器件中使用Pb。因此，本发明压电器件的构造从减少环境负担考虑也是优选的。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施方案的压电器件和具有压电器件的喷墨记录头(液体排出装置)的相关部分的横截面视图，示出其结构。

图2示出各种钙钛矿氧化物的A位元素的离子半径、B位元素的离子半径、容许因子和晶系之间的关系。

图3示出具有图1中所示喷墨记录头的喷墨记录仪的实例构造。

图4是图3中所示喷墨记录仪的部分顶视图。

图5示出根据本发明的一个实施方案的发电装置的相关部分。

图6示出实施例1的压电体的XRD结果。

图7示出实施例1的压电体的TEM图像和电子衍射结果。

图8示出通过AFM对于压电性质误差的侧面蚀刻(side etching)作用(非专利文献3的图1)。

图9示出实施例2的压电体的XRD结果。

图10示出实施例的压电器件和由铅基及非铅基材料制成的现有压电器件的介电常数与压电应变常数之间的关系。

图11示出实施例的压电器件和由铅基及非铅基材料制成的现有压电器件的压电应变常数与电压输出常数之间的关系。

具体实施方式

[压电器件，压电致动器和喷墨记录头]

下面，将描述根据本发明实施方案的压电器件、具有该压电器件的压电致动器(压电装置)和喷墨记录头(液体排出装置)的结构。图1是根据本发明的一个实施方案的喷墨记录头的相关部分的横截面视图(在压电器件的厚度方向上的横截面视图)。为了便于观察，组件中的每一个不一定按比例绘制。

图1中所示的压电器件1是这样的器件，其具有基板11，在该基板11上相互层叠下部电极12、压电体13和上部电极14。压电体13由具有压电性的无机化合物晶体形成，并且通过下部电极12和上部电极14在厚度方向上施加电场。

对于基板11没有任何特别限制，但是当压电体13由可以包括不可避免的杂质的钙钛矿氧化物形成时，钙钛矿单晶如钛酸锶等的基板是优选的，原因在于其具有与要层叠的各层如压电体13的良好晶格匹配，并且可以容易地控制取向。优选用作基板11的其它种类的基板包括硅、玻璃、不锈钢(SUS)、钇-稳定化的氧化锆(YSZ)、氧化铝、蓝宝石、碳化硅等的基板。另外，对于基板11，还可以使用层压基板，例如SOI基板，其包括硅基板，该硅基板上依次层叠SiO₂膜和Si活性层。

对于下部电极12的主要组分没有任何特别限制，并且可以使用金属Au、Pt、Ir、IrO₂、RuO₂、LaNiO₃或SrRuO₃，金属氧化物或它们的组合。具有钙钛矿结构如LaNiO₃或SrRuO₃的金属氧化物电极是优选的，因为如在基板中一样，其具有与要层叠的各层的良好晶格匹配并且可以容易地控制取向。在本实施方案中，采用其中压电致动器配置有振动板16的结构，但下部电极12也可以具有作为振动板的功能。

对于上部电极14的主要组分没有任何特别限制，并且可以使用在下部电极12中描述的实例材料、通常用于半导体工艺中的电极材料如Al，Ta，Cr，Cu等，和它们的组合。

对于下部电极12和上部电极14中每一个的厚度没有任何特别限制，但是要求最小厚度以作为电极具有用于对压电体13有效地施加电场的导电性。厚度可以基于压电器件1的电导率和整个尺寸确定，并且优选为例如在50至500nm的范围内。另外，每个电极可以具有多层结构。

另外，压电器件1还可以包括各种缓冲层，其用于控制压电体13的结晶和取向并且改善各层的附着性。优选地，缓冲层的晶格常数在小于基板或下层的晶格常数的8％的差值范围内。

压电致动器(压电装置)2包括压电器件1和振动板16，所述振动板16与压电器件13的基板11的背面连接，并且随压电体13的膨胀/收缩而振动。压电致动器2还包括驱动器15，例如用于驱动压电器件1的驱动电路等。对于由驱动器15对压电体13驱动的条件没有任何特别限制。

根据本实施方案的喷墨记录头(液体排出装置)3基本上由压电致动器2和墨水喷嘴(液体储存/排出构件)20形成，该墨水喷嘴20具有用于储存墨水的墨水室(液体储存室)21和墨水排出开口22，与压电致动器2的背面连接。在喷墨记录头3中，将向压电器件1施加的电场增大或减小，从而使得器件1膨胀或收缩，由此控制从墨水室21排出墨水和排出的量。

代替将由独立构件制成的振动板16和墨水喷嘴20与基板11连接，可以将基板11的部分形成为振动板16和墨水喷嘴20。例如，在基板11为层压基板如SOI基板的情况下，墨水储存室21可以通过从背侧蚀刻基板11而形成，而振动板16和墨水喷嘴20可以通过加工基板自身形成。

优选地，压电体13是厚度为1μm至10μm的压电膜。在致动器应用中，这样的膜厚度允许在不需要特别驱动电源的情况下提供用于驱动致动器的有效电场。

对于压电体13的取向没有任何特别限制，但是优选的是，压电体13由<100>或<001>单轴取向多晶或单晶(包括外延膜)形成，因为其可以提供改善的性质。

关于压电体13是否具有单轴取向的测量可以通过X-射线衍射进行。例如，在<100>单晶(外延膜)的情况下，在使用X-射线衍射的2θ/θ测量中，由压电体引起的峰仅在{L00}平面(L＝1，2，3，-----，n；n为整数)如{100}、{200}等上检测到。另外，当进行对于{110}不对称平面的极点测量时，在表示从中心约45°斜率的相同径向位置处每隔90°得到4重(four-hold)对称点状图案。

在<100>单轴取向的压电体13中，可想象在表示从中心约45度斜率的相同径向位置处显示8重或12重图案的晶体，或椭圆形图案的点。这些晶体具有在本实施方案的单晶和多晶之间的中间对称性，因而在宽泛意义上，被认为是单晶和单轴取向晶体。另外，当晶体由于孪晶形成而混合存在时或当晶体具有转移、缺陷等时，这样的晶体在宽泛意义上被认为是单晶和单轴晶体。

对于形成压电体13的方法没有任何特别限制，只要其能够控制压电体13的组成(稍后描述)并且控制晶体取向即可，因为优选压电体具有如上所述的晶体取向。可以形成这样的膜的方法包括已知的薄膜形成方法，包括气相法如溅射，MOCVD，CVD，MBE脉冲激光沉积(PLD)，以及液相法如溶胶-凝胶法，水热合成法和有机金属沉积。当通过适当进行取向控制将压电体13形成为单轴晶体或外延膜时，优选使用如上所述具有与压电体13的良好晶格匹配以及良好取向的基板和电极作为基板11和下部电极12。允许形成外延膜的下部电极/基板的优选组合可以包括，例如，SrRuO₃/SrTiO₃，Pt/MgO，SRO/MgO/Si等。

在本实施方案中，压电体13具有满足下式(1)和(2)的压电应变常数d₃₃(pm/V)和相对介电常数ε₃₃。

100＜ε₃₃＜1500---------------------(1)

$d_{33}(\mathrm{pm}/V)>12\sqrt{d}{\mathrm{\&epsiv;}}_{33}...\left(2\right).$

压电应变可以包括下列：

(1)普通压电应变，其中当自发极化轴的矢量分量对应于施加电场的方向时，根据施加电场强度的增大或减小，膨胀或收缩发生在施加电场的方向(本征(intrinsic)压电应变)；

(2)通过增大或减小电场强度和非-180°可逆旋转极化轴而产生的压电应变；

(3)通过归因于由增大或减小电场强度所致的晶体相转变的体积变化导致的压电应变；和

(4)利用设计的域效应(engineered domain effect)的压电应变，所述域效应能够提供较大的应变，其通过以下方式得到：使用具有通过施加电场引起相转变的性质的材料，并且形成晶体取向结构，所述晶体取向结构含有其晶体取向在不同于自发极化方向的方向上的铁电体相(当利用设计的域效应时，压电体可以在发生相转变的条件下或在不发生相转变的条件下驱动)。

上述(1)中的压电应变是本征压电应变，而(2)至(4)中的压电应变是非本征(extrinsic)压电应变。在以上(1)至(4)中所述的压电应变中的每一种中，可以通过形成具有根据应变产生机理的组成和晶体取向结构的压电体得到大的压电应变。在以上(1)至(4)中所述的压电应变可以单独使用或组合使用。

如在“背景技术”中描述的，在压电器件中，d-常数是表示按每单元电场计的应变量(传输能力)的指标，而g-常数是表示每单元应力产生的场强(接收能力)的指标。

通常，在上述(1)中的普通电场诱导压电应变(本征压电应变)的纵向振动模式中的压电应变常数d₃₃(pm/V)和相对介电常数ε₃₃具有关系

并且已知g₃₃＝d₃₃/ε₀ε₃₃。即，在本征压电应变中，已知的是，当α＝k₃₃√s√ε₀时，d₃₃与√ε₃₃成正比，而g₃₃与成反比(k₃₃是机电耦合系数，ε₀是真空介电常数(N/V²)，并且s是弹性顺度(m²/N))。

另外，在迄今已经开发的已知的铅基或非铅基材料和由本发明人发明和公开的能够提供高的本征压电应变的那些中，确认了d₃₃基本上正比于√ε₃₃(图10)。

在为了实现本发明目的研究了材料设计、生产方法、晶体取向等之后，本发明人通过下列方法成功地得到了d₃₃和g₃₃值以及传输能力和接收能力均优异的压电器件1：如将稍后描述的实施例中所示，形成这样的压电器件作为压电器件1，该压电器件与常规材料相比，在具有相同介电常数ε₃₃的同时，具有较大的d₃₃值，从而大大偏离图10中所示的直线，即，通过形成满足上式(1)和(2)的压电器件(图10和11)。

已知的是，相对介电常数ε₃₃越小和压电器件的压电常数d₃₃越高，器件的功耗就越小。因此，可以制备压电器件1，即一种高性能和高效率的压电器件。

下面，将描述用于满足上式(1)和(2)的压电体13的材料设计的实例。据报道，在具有MPB组成的铅基钙钛矿氧化物的块状陶瓷(bulk ceramics)中，在压电性能和|M_A-M_B|差之间存在相关性，所述|M_A-M_B|差为A位元素的平均原子量M_A与B位元素的平均原子量M_B之间的差，并且|M_A-M_B|越大，机电耦合系数k₃₃越高(“高效率压电单晶(High-EfficiencyPiezoelectric Single Crystals)”，Y.Hosono和Y.Yamashita，Toshiba Review，第59卷，第10期，第39-42页，2004)。

同时，s₃₃的值是杨氏模量的倒数(inverse number)，因而可以通过选择具有较低杨氏模量的材料在一定程度上改善性能，但是值的范围在某种程度上由可用的材料固定。因而，为了提高d₃₃的值而不增大相对介电常数，优选增加k₃₃的值。

本发明人发现，在非铅基钙钛矿氧化物中也存在与上述相同的相关性，并且得到如下想法：可以通过选择A位元素和B位元素使得|M_A-M_B|变大而得到更好的压电性能。因此，本发明人在日本未审查专利公布2008-195603中报道了，通过在Bi-基(原子量209.0)33系钙钛矿氧化物中将组成设计成变晶相界(MPB)或近MPB，在非铅的钙钛矿氧化物中得到了高的机电耦合系数k₃₃值和优异的压电性能。如本文中使用的术语“近MPB”是指当施加电场时发生相转变的范围。

当压电体13由一种或多种可以包括不可避免的杂质的钙钛矿氧化物形成时，机电耦合系数k₃₃的值可以通过选择MPB组成中的A位元素和B位元素使得|M_A-M_B|变大而提高，如在日本未审查专利公布2008-195603中一样。

压电体13可以是铅基或非铅基的，但是从环境负担考虑，优选为非铅基的。由本发明人使用与日本未审查专利公布2008-195603中所述相同的方法进行的在非铅体系中满足式(1)和(2)的压电体13的材料设计已经表明，一种或多种由以下通式(P)表示的钙钛矿氧化物是合适的。本发明人还发现，优选的是，在通式(P)的钙钛矿氧化物中，当A位元素A为Ba和/或Bi时，B位元素M是除Ti和Fe以外的元素，而当B位元素M为Ti和/或Fe时，A位元素A是除Ba和Bi以外的元素，并且一种或多种的钙钛矿氧化物满足以下式(5)和(6)，更优选满足式(7)。

(Ba，Bi，A)(Ti，Fe，M)O₃----------(P)

(在式中，Ba，Bi和A是A位元素，Ti，Fe和M是B位元素，其中A和M分别是除Pb以外的一种或多种金属元素)。

尽管A位元素的总摩尔量或B位元素的总摩尔量与氧原子的摩尔量的比率通常为1∶3，但在可以得到钙钛矿结构的范围内，该比率可以偏离1∶3。

0.97≤TF(P)≤1.02--------------------(5)

TF(BiFeO₃)＜TF(AMO₃)＜TF(BaTiO₃)-------(6)

0.97≤TF(AMO₃)≤1.02------------------(7)

(在上式中，TF(P)是由以上通式(P)表示的氧化物的容许因子，TF(BiFeO₃)、TF(AMO₃)和TF(BaTiO₃)分别是括号内氧化物的容许因子。

在上述材料设计中，本发明人理论上得到了BaTiO₃、BiFeO₃、AMO₃和由以上通式(P)表示的钙钛矿氧化物的容许因子(TF(BaTiO₃)＝1.059，TF(BiFeO₃)＝0.989)。在此情况下，理论上还得到了不能采取钙钛矿结构的氧化物的容许因子。然后，确定通式(P)的组成，使得满足特定关系。

图2示出对于其中A位包括一种或多种元素且B位包括一种或多种元素的各种钙钛矿氧化物中的每一种，A位元素的平均离子半径、B位元素的平均离子半径、容许因子TF和晶系之间的关系。在图中，下列符号表示如下晶系：C＝立方晶体；M＝单斜晶体；PC＝假立方晶体(pseudocubiccrystal)；R＝菱形晶体；T＝四方晶体；和Tr＝三方晶体。在图2中显示了两种Mn，其中

表示三价Mn的离子半径，而

表示二价Mn的离子半径。

当TF＝1.0时，钙钛矿晶格是密堆积的。在此情况下，B位元素在晶格内基本上不移动并且容易采取稳定结构。在此组成的情况下，钙钛矿型氧化物容易采取诸如立方晶体或假立方晶体的晶体结构，并且不显示铁电性或可能显示极低水平的铁电性。

当TF＞1.0时，B位元素相对于A位元素是小的。在此情况下，即使当晶格没有畸变时，B位元素也容易进入晶格中并且在晶格内可移动。在此组成的情况下，钙钛矿型氧化物容易采取诸如四方晶体(其中自发极化轴在<001>方向)等的晶体结构，并且具有铁电性。铁电性的水平趋于随着TF值偏离1.0而增加。

当TF＜1.0时，B位元素相对于A位元素是大的。在此情况下，B位元素不进入晶格，除非晶格畸变。在此组成的情况下，钙钛矿型氧化物容易采取诸如斜方晶体(其中自发极化轴在<110>方向)或菱形晶体(其中自发极化轴在<111>方向)的晶体结构，并且具有铁电性。铁电性的水平趋于随着TF值偏离1.0而增加。

表1总结了，相对于TF＞1.0的第一组分且TF＜1.0的第二组分的各种混晶的每一种，形成各单独组分的变晶相界(MPB)组成的第一和第二组分之间的晶系/A位离子半径/B位离子半径/TF/比率(摩尔比率)，和具有MPB组成的第一和第二组分的混晶中每一种的A位平均离子半径/B位平均离子半径/TF。在表1中，下列符号表示如下晶系：T＝四方晶体；O＝斜方晶体；和R＝菱形晶体。

如表1中所示，MPB组成的TF落入0.97至1.02的范围内。因而，通过提供满足下式的组成，压电体13可以具有MPB或近MPB的组成，

0.97≤TF(P)≤1.02------------------(5)

[表1]

由通式(P)表示的钙钛矿氧化物包含TF＞1.0(TF＝1.059)的第一组分BaTiO₃，和TF＜1.0(TF＝0.989)的第二组分BiFeO₃，并且可以形成MPB。因此，可以通过选择通式(P)中的添加元素A和M使得总TF落入0.97至1.02的范围内而设计满足式(5)和(6)，优选式(5)至(7)的钙钛矿氧化物。

更具体地，A位元素可以包括La、Ca、Sb、Bi、Si、Sr等，并还可以包括Pb，而此情况下钙钛矿氧化物不是非铅体系。B位元素可以包括Nd、Nb、Ta、Cr、Fe、Sc等。

例如，在选择SrTiO₃作为第三组分时，SrTiO₃的TF为1.002，几乎为1.0(在0.97至1.01的范围内)，因而将SrTiO₃加入BaTiO₃和BiFeO₃中可以使得总TF落入0.97至1.01的范围内。在此，组成为(Ba，Bi，Sr)(Ti，Fe)O₃。

当上式(5)的AMO₃中的A或M包括多种元素时，可以在满足式(5)的范围内任意地确定各个元素的混合量。在这种情况下，一部分的A和M可以起到掺杂剂的作用。

已知的是，通过向A位和B位加入掺杂剂改善电性质。作为掺杂剂的优选元素包括金属离子，例如Mg，Ca，Sr，Ba，Bi，Nb，Ta，W，Mn和Ln(镧系元素(La，Ce，Pr，Nd，Sm，Eu，Gd，Tb，Dy，Ho，Er，Tm，Yb和Lu)。

BiFeO₃已知为具有高居里温度的材料。因此，随着在通式(P)中BiFeO₃组分增加，压电体13的居里温度也升高。由此，在高温环境下的可用性也提高。

上述钙钛矿氧化物可以具有：三相混晶结构，其中三种组分BaTiO₃、BiFeO₃和AMO₃共存；或单相结构，其中三种组分BaTiO₃、BiFeO₃和AMO₃完全固溶成单一相。另外，钙钛矿氧化物可以具有另一种结构。

然而，优选地，由通式(P)表示的钙钛矿氧化物包括：第一组分BaTiO₃，其TF＞1.0；第二组分BiFeO₃，其TF＜1.0；和第三组分AMO₃，其TF接近1.0(在每一种组分中，A位元素的总摩尔量或B位元素的总摩尔量与氧原子的摩尔量的比率通常为1∶3，但是在可以得到钙钛矿结构的范围内，该比率可以偏离1∶3)。

另外，特别优选的是，第一组分BaTiO₃、第二组分BiFeO₃和第三组分AMO₃具有不同的晶系。一个实例可以是这样的形式，其中第一组分BaTiO₃的晶系为四方晶体，第二组分BiFeO₃的晶系为菱形晶体，而第三组分AMO₃的晶系为立方晶体或假立方晶体。具有上述第一至第三组分(BaTiO₃、BiFeO₃和AMO₃)的三相混晶结构的钙钛矿氧化物是用于电场诱导相转变体系的有效材料，所述电场诱导相转变体系由本发明人在日本未审查专利公布2007-116091中提出，其中本发明人发现了可以得到高压电性能。

通过以上述方式设计压电体13的材料，本实施方案的压电器件1可以成为满足下式(3)和(4)并且具有高压电应变常数和高电压输出常数的压电器件。

100＜d₃₃(pm/V)----------------------(3)

80＜g₃₃(×10^-3V·m/N)------------------(4)

(g₃₃是上述压电体的电压输出常数(压电灵敏度常数))。

如图10中所示，压电器件1的实例实现了约200pm/V的d₃₃值。上述d₃₃值是在提交本申请的时间之前所报道的非铅体系中的世界最高值。具有MPB或近MPB组成、高机电耦合系数和高压电性能的压电器件1可以通过用基于上述材料设计所设计的钙钛矿氧化物形成压电体13而得到。

至此，已经描述了用于压电体13的特别优选的非铅基材料，但是用于压电体13的材料不限于上述那些，并且任何其它材料，无论是铅基材料还是非铅基材料，均可以应用于设计钙钛矿氧化物组成的方法。优选的是该材料具有MPB组成，因为可以得到更有利的压电性质，但是可以通过有利地提高机电耦合系数k₃₃形成具有除MPB组成以外的组成的压电体13。另外，通过有利地组合上述压电应变(1)至(4)，可以进一步提高压电性能。

[喷墨记录仪]

将参照图3和4描述具有根据上述实施方案的喷墨记录头3的喷墨记录仪的实例构造。图3是总体视图，而图4是该记录仪的部分顶视图。

示出的喷墨记录仪100基本上包括：印刷部102，其具有多个喷墨记录头(以下简称为“头”)3K、3C、3M和3Y，其一个用于一种墨水颜色；墨水储存/装填(mount)部114，其用于储存要供给至头3K、3C、3M和3Y中每一个的墨水；供纸部118，其用于供给记录纸116；去卷曲部120，其用于将记录纸116去卷曲；抽吸带输送机122，其与印刷部102的喷嘴表面(排出表面)相对地设置，用于在保持记录纸116平坦的同时输送记录纸116；印刷检测部124，用于读取由印刷部102进行的印刷的结果；和纸排出部126，其用于将印刷的纸(印刷的材料)排出到外部。

构成印刷部102的头3K、3C、3M和3Y中的每一个对应于根据上述实施方案的喷墨印刷头3。

在去卷曲部120中，记录纸116通过用加热鼓130在与卷绕在辊上的记录纸116的卷曲方向相反的方向上加热而去卷曲。对于使用卷轴纸(rollpaper)的记录仪，在去卷曲部120后面的阶段提供用于切割卷轴纸的切割器128，如图3中所示，将卷轴纸切成所需尺寸。切割器128包括长度大于输送路径的宽度的固定刀片128A和沿固定刀片128A移动的旋转刀片(round blade)128B，其中固定刀片128A设置在印刷表面的背侧，而旋转刀片128B横跨输送路径设置在印刷表面侧上。使用切纸的记录仪不需要切割器128。

将去卷曲和切断的记录纸116供给至抽吸带输送机122。抽吸带输送机122包括辊131、132，和环形带133，该环形带133在它们之间卷绕，并且构造为使得至少与印刷部102的喷嘴表面和印刷检测部124的传感器表面相对的部分为水平面(平坦平面)。

带133的宽度大于记录纸116的宽度，并且在带面中形成许多抽吸孔(未显示)。抽吸室134设置在与印刷部102的喷嘴表面和印刷检测部124的传感器表面相对的位置处，所述传感器表面在缠绕在辊131、132之间的带133的内侧。抽吸室134被风扇135抽吸，由此具有负压，从而将记录纸116抽吸保持在带133上。

由发动机(未显示)向辊131，132中的至少一个供给动力，从而将带133在图3中的顺时针方向上驱动，并且将保持在带133上的记录纸116从图3中的左侧输送至右侧。

当印刷无边界印刷品等时，墨水也附着于带133上，因而在带133的外侧上的预定位置(印刷区域以外的适当位置)设置带清洁部136。加热风扇140设置在由抽吸带输送机122形成的纸输送路径上印刷部102的上游侧。加热风扇140在印刷之前将热空气吹送到记录纸116上以加热记录纸116。通过在即将印刷之前加热记录纸116，在记录纸116上沾染的墨水更快地干燥。

印刷部102是所谓的整行头(full line head)，其中长度对应于最大纸宽度的行头(line heads)被设置在与纸供给方向垂直的方向(主扫描方向)上(图4)。印刷头3K、3C、3M和3Y中的每一个是具有多个墨水排出开口(喷嘴)的行头，所述墨水排出开口被设置在超过记录纸116的至少一边的最大尺寸的长度上。

对应于黑色(K)、青色(C)、品红色(M)和(黄色)的头3K、3C、3M和3Y以此顺序从上游侧沿记录纸116的纸供给方向设置。通过从头3K、3C、3M和3Y中的每一个排出彩色墨水，在输送的同时，在记录纸116上记录彩色图像。

印刷检测部124由用于将印刷部102的喷墨结果成像的线传感器等构成，以从得到的喷墨图像检查喷墨故障，例如喷嘴的堵塞。用于将印刷的图像表面干燥的加热风扇等构成的后干燥部142设置在印刷检测部124的后面阶段。适宜的是，印刷表面避免任何接触直至墨水干燥，因而吹送热空气的方法是优选的。

用于控制图像表面的光泽度的加热/加压部144设置在后干燥部142的后面阶段。在加热/加压部144中，在加热的同时，通过具有预定的不平坦表面形状的加压辊145将图像表面加压，从而将不平坦的形状转印至图像表面上。

将以上述方式得到的印刷材料从纸排出部126排出。优选地，将所需印刷品(其上印刷了所需图像的印刷品)和测试印刷品分别排出。喷墨记录仪100包括：选择装置(未显示)，其用于在所需印刷品和测试印刷品之间选择和转换纸排出路径，以将它们分别送至排出部126A和126B。在将所需图像和测试图像同时在大号纸上平行打印的情况下，可以设置切割器148以将测试印刷品部分分离。喷墨记录仪100以如上所述的方式构造。

[发电装置]

将描述根据本发明实施方案的压电器件和具有该压电器件的发电装置的构造。图5示出了根据本实施方案的发电装置的相关部分。为了便于观察，组件中的每一个不一定按比例绘制。

图5中所示的发电装置4包括：压电器件1；在所述压电器件1的后表面上的振动板16，其用于将外力传递给压电体13以使所述压电体位移；和引出电极40(41，42)，其用于将在压电体13中通过位移产生的电荷从电极(下部电极12和上部电极14)向外部引出。在本实施方案中，压电器件1以悬臂方式被支持(图5)，并且支持端与产生外力的发生源(未显示)连接。除引出电极40的表面以外，发电装置4的表面(上表面)被绝缘保护膜43如SiO₂等覆盖。悬臂方式是优选的，因为其使得压电体13在施加外力时的位移大。

当通过外力使压电体13位移时，在压电器件1中产生拉伸应力和压缩应力。由于压电体13被牢牢固定于振动板16上，固定表面不能膨胀或收缩，因而施加上述应力，从而在下部电极12和上部电极14上产生电荷。

对于振动板16的材料没有任何特别限制，只要其具有有利的弹性即可，并且可以使用各种材料，包括树脂、金属、陶瓷等，并且特别优选具有有利的耐腐蚀性和弹性的材料，例如不锈钢和磷青铜。

对于引出电极40的材料没有任何特别限制，并且优选使用具有有利的导电性的金属电极，例如Au等。

当例如SOI基板用作基板11时，可以以下列方式制造发电装置4：在基板11上依次形成下部电极12、压电体13和上部电极14；如在喷墨记录头3中，通过从背面蚀刻基板11的一部分形成具有振动板16的悬臂形式；形成保护膜43和引出电极40；和最终进行干法蚀刻。

压电器件1具有与上述喷墨记录头的压电器件1的结构相同的结构。如在“背景技术”中所述，在致动器应用中，d-常数是性能的指标，而在发电装置应用中，d×g作为发电效率的指标，因而压电器件需要具有高g-常数以及高d-常数。

在以上喷墨记录头3的实施方案中，仅对于d-常数进行了描述，但是如上所述，该实施方案的压电器件1包括具有低介电常数值和高机电耦合系数k₃₃的压电体13。因此，在上述实施方案中描述的压电器件1是同时具有高d-常数和高g-常数的器件。

在稍后将描述的实施例中，例如，在低介电常数值得到高d₃₃值和高g₃₃值，如图10和11中所示(d₃₃≥200pm/V，g₃₃≥120×10^-3V·m/N)。如已经描述的，压电材料的d-常数和g-常数的乘积(d₃₃×g₃₃)作为发电效率的指标。由于根据本实施方案，在实施例中得到了高的d₃₃×g₃₃乘积，即d₃₃×g₃₃≥24(×10^-12m²/N)，所以可以得到具有高的d₃₃×g₃₃值和优异的发电效率的发电装置。

压电器件1包括具有满足下式(1)和(2)的压电应变常数d₃₃(pm/V)和相对介电常数ε₃₃的压电体13。

100＜ε₃₃＜1500---------------------(1)

$d_{33}(\mathrm{pm}/V)>12\sqrt{d}{\mathrm{\&epsiv;}}_{33}...\left(2\right).$

据认为难以同时得到高d₃₃值和高g₃₃值，而本实施方案首次成功地在不增加介电常数的情况下得到了高d₃₃值。压电器件1包括在低介电常数下具有高d₃₃值的压电体，即压电器件1包括同时具有优良的d₃₃值和电压输出常数g₃₃值的压电体13，因而压电器件1在传输能力和接收能力方面均优异。因此，压电器件1适用于压电致动器和发电装置。

压电器件的功耗随介电常数减小而降低，并且随压电常数增大而减小。因此，压电器件1为高性能和高效率的压电器件。

另外，压电器件1可以包括由不含Pb的钙钛矿氧化物形成的压电体13。据认为，优选的是，由于Pb的有害影响，尽可能地避免在电气和电子器件中使用Pb。因此，从减少环境负担考虑，压电器件1的构造也是优选的。

[设计变化]

在上述实施方案中，对于其中压电体13为形成在基板上的压电膜的情况进行了讨论，但是压电体13可以是块状物体。当压电体13为块状物体时，该物体优选为单晶或粒子取向陶瓷烧结体。粒子取向陶瓷烧结体可以通过热压法、片材法(sheet method)或将通过片材法得到的多个片材压制成层压体的层压压制法形成。

在以上实施方案中，对于其中将压电器件1用于喷墨记录头和发电装置的致动器的情况进行了描述，但是压电器件1不限于这些应用。由于压电器件1在接收能力和传输能力方面均有利，因此该器件可以用于需要任一性质的应用中。即，压电器件1可以在需要压电器件的接收能力和传输能力中任一个的情况下，例如在传感器和超声波传感器应用等中提供高性能。

另外，压电器件的优选形式，例如厚度等，随应用而不同。例如，对于超声波传感器应用，优选的是压电膜具有约10至100μm的厚度。因此，优选的是，根据应用适当地设计本发明的压电器件的尺寸和膜厚度。

[实施例]

现在将描述本发明的实施例和比较例。

(实施例1)

提供厚度为500μm的(100)SrTiO₃(STO)，并且通过脉冲激光沉积法(PLD法)在基板表面上以200nm的厚度形成SrRuO₃(SRO)下部电极层。当形成下部电极时，在下列成膜条件下将可商购SRO靶用作靶：基板温度700℃；氧分压10mTorr(1.3Pa)，激光功率300mJ；激光脉冲频率5Hz；基板和靶之间的距离50mm；靶旋转速度9.7rpm；成膜时间10分钟。

然后，在580℃的基板温度和50mTorr的氧分压的条件下，将两种具有不同组成的(Ba，Bi)(Ti，Fe，Mn)O₃膜形成在SRO下部电极上。两种组成为(Ba_0.2，Bi_0.8)(Ti_0.19，Fe_0.76，Mn_0.05)O₃(膜(1))和(Ba_0.3，Bi_0.7)(Ti_0.29，Fe_0.66，Mn_0.05)O₃(膜(2))，制备可以提供各个组成的靶，并且进行成膜。用于成膜的靶以下列方式制备。

首先，提供可商购BaTiO₃、BiFeO₃和Mn₂O₃粉末并称重，以便得到所需组成。然后使用球磨机和研钵将用于每种所需组成的称重粉末搅拌而结合。对于BiFeO₃粉末，粉末包含超过10％的Bi以补偿在高蒸气压下易挥发的Bi的挥发量。

通过XRD和电子衍射对得到的压电膜进行晶体结构分析，其结果分别显示在图6和7中。图7显示压电器件的具有电子衍射分析结果的TEM图像，仅观察到了[100]入射衍射图案。因此，从图6和7中，确认压电膜为具有均一晶体取向的(001)外延膜。应当注意，图6和7显示具有Ba组分为0.3的组成的膜(2)的测量结果。尽管用膜(1)得到了相同结果，但在此省略。

通过感应耦合等离子体(ICP)，在得到的靶组成(Ba_0.2，Bi_0.8)(Ti_0.19，Fe_0.76，Mn_0.05)O₃的情况下对压电膜(1)进行了组成分析，确认的结果为(Ba_0.22，Bi_0.78)(Ti_0.17，Fe_0.79，Mn_0.04)O₃，其与靶组成仅相差5％以下。

接着，为了评价压电膜的性质，通过溅射法形成直径10μm和100μm且厚度100nm的Pt上部电极，从而制备本发明的压电器件。为了测量用于评价的介电常数ε₃₃和压电常数d₃₃，将上部电极形成在两个位置处。

得到的压电器件的介电常数ε₃₃的测量使用阻抗分析仪(TOYOCorporation)在100μm电极处进行，而压电常数d₃₃的测量在将具有10μm电极的压电膜进行侧面蚀刻之后通过AFM进行。

通过ATM的d₃₃测量以下列方式进行。在使AFM探针与上部电极表面发生接触的同时，从探针在上/下方向上的位移得到电压施加时的膜膨胀。测量频率为1kHz。在此方法中，进行侧面蚀刻以提高测量精度。

在经由AFM的压电性能测量中测量误差和通过侧面蚀刻的高精度测量描述于H.Okino等的“通过有限元法研究的Pt/PZT/Pt/SiO₂/Si体系中的电场诱导位移：材料常数依赖性(Electric-Field-Induced displacement inPt/PZT/Pt/SiO₂/Si System Investigated by Finite Element Method：Material-Constant Dependences)”，Mater.Res.Soc.Symp.Proc.，第902E卷，T03-49.1-T03-49.6，2006中。

该文献讨论了取决于膜的形状(进行或不进行侧面蚀刻)和上部电极的尺寸(最终上部电极尺寸/膜厚度)，通过AFM从依次层叠有基板/下部电极/压电膜/上部电极(点状)的压电器件得到的值的精度。如上述文献的图1(本说明书的图8)中所示，由于压电膜被固定在基板和其它层压膜上的约束，检测到了小于固有性能的压电性能，但是对固定部分(在图中由X标示并且表示为“蚀刻部分”)进行侧面蚀刻可以将压电膜从约束中解放并且可以测量压电膜的固有性能。

对于两种具有不同组成的压电器件，测量了介电常数和压电性质(d₃₃值和g₃₃值)。具有组成(Ba_0.2，Bi_0.8)(Ti_0.19，Fe_0.76，Mn_0.05)O₃的膜(1)的测量结果为：ε₃₃＝115，d₃₃＝183pm/V，和g₃₃＝180×10^-3V·m/N。

具有组成(Ba_0.3，Bi_0.7)(Ti_0.29，Fe_0.66，Mn_0.05)O₃的膜(2)的测量结果为：ε₃₃＝140，d₃₃＝171pm/V，和g₃₃＝138×10^-3V·m/N。

(实施例2)

提供厚度为500μm的(100)Si基板，并且在从基板表面上移除天然氧化物膜之后，通过脉冲激光沉积法(PLD法)，在基板表面上形成厚度约20nm的MgO缓冲层和厚度为约200nm的SrRuO₃(SRO)下部电极层。当形成所述层时，在下列成膜条件下将可商购Mg金属靶和SRO靶用作靶：基板温度400℃(MgO)和700℃(SRO)；氧分压1mTorr(0.13Pa)和10mTorr(1.3Pa)，激光功率300mJ；激光脉冲频率5Hz；基板和靶之间的距离50mm；靶旋转速度9.7rpm；成膜时间2分钟(MgO)和10分钟(SRO)。

然后，以与实施例1中相同的方式，通过PLD法以120nm的厚度将两种具有不同组成的(Ba，Bi)(Ti，Fe，Mn)O₃膜形成在SRO下部电极上(膜(1)’)和膜(2)’)。

对得到的压电膜进行的晶体结构分析表明，膜为(001)外延膜(图9)。

在实施例2中，省略了通过ICP的组成分析，因为在实施例1中确认了基本上没有发生组成变化。

接着，以与实施例1中相同的方式制备本发明的压电器件并且测量介电常数和压电性质(d₃₃值和g₃₃值)。膜(1)’的测量结果为：ε₃₃＝250，d₃₃＝244pm/V，和g₃₃＝110×10^-3V·m/N。

膜(2)’的测量结果为：ε₃₃＝300，d₃₃＝220pm/V，和g₃₃＝83×10^-3V·m/N。

(实施例3)

使用与实施例1相同的基板和方法形成两种具有不同组成的膜(膜(3)和膜(4))。膜(3)的组成为(Ba_0.15，Bi_0.8，Sr_0.05)(Ti_0.19，Fe_0.76，Mn_0.05)O₃，膜(4)的组成为(Ba_0.2，Bi_0.8)(Ti_0.15，Fe_0.75，Nb_0.05，Mn_0.05)O₃。

靶通过分别向现有靶中加入SrTiO₃和BaNbO₃制备。

(实施例4)

使用与实施例2相同的基板和方法形成两种具有不同组成的膜(膜(3)和膜(4))。膜(3)的组成为(Ba_0.15，Bi_0.8，Sr_0.05)(Ti_0.19，Fe_0.76，Mn_0.05)O₃，膜(4)的组成为(Ba_0.2，Bi_0.8)(Ti_0.15，Fe_0.75，Nb_0.05，Mn_0.05)O₃。

(现有值与实施例之间的比较)

图10显示了上述实施例的压电器件和由已知的铅基及非铅基材料制成的压电器件的介电常数与压电应变常数之间的关系。如图10中所示，铅基和非铅基材料的介电常数与压电应变常数之间的关系基本上为正比例关系，而上述实施例的曲线大大偏离直线，显示了在低介电常数侧的高d₃₃值。因此，确认了上述实施例的压电器件是具有前有未有的高机电耦合系数k₃₃的新型压电器件。

图11描绘了相对于d₃₃值得到的g₃₃值。如图11中所示，确认了上述实施例的压电器件是同时具有致动器等所需的高传输能力，和传感器等所需的高接收能力的压电器件。下表2总结了各个实施例的数据。

[表2]

本发明的压电器件优选用于安装在喷墨记录头、磁性读/写头、MEMS(微型机电系统)器件、微型泵和超声波探针上的压电致动器，以及传感器、超声波传感器、铁电性存储器等。

Claims (19)

1.一种压电器件，所述压电器件包括具有压电性的压电体和一对电极，所述一对电极用于在预定方向上对所述压电体施加电场，

其中所述压电体的压电应变常数d₃₃(pm/V)和相对介电常数ε₃₃满足下式(1)和(2)，

100＜ε₃₃＜1500---------------------(1)

$d_{33}(\mathrm{pm}/V)>12\sqrt{d}{\mathrm{\&epsiv;}}_{33}...\left(2\right).$

2.权利要求1所述的压电器件，其中所述压电体的压电应变常数d₃₃和电压输出常数g₃₃满足下式(3)和(4)，

100＜d₃₃(pm/V)----------------------(3)

80＜g₃₃(×10^-3V·m/N)------------------(4)。

3.权利要求1所述的压电器件，其中所述压电体为<100>或<001>单轴取向多晶或单晶。

4.权利要求1所述的压电器件，其中所述压电体由一种或多种由通式ABO₃表示的钙钛矿氧化物形成，所述钙钛矿氧化物可以包含不可避免的杂质，

其中，在通式ABO₃中，A和B分别表示A位元素和B位元素，各自为一种或多种金属元素，而O表示氧原子，并且尽管所述A位元素的总摩尔量或所述B位元素的总摩尔量与所述氧原子的摩尔量的比率通常为1∶3，但在可以得到钙钛矿结构的范围内，所述比率可以偏离1∶3。

5.权利要求4所述的压电器件，其中所述A位元素A包括Bi。

6.权利要求5所述的压电器件，其中所述压电体由一种或多种由以下通式(P)表示的钙钛矿氧化物形成，所述钙钛矿氧化物可以包含不可避免的杂质，

(Ba，Bi，A)(Ti，Fe，M)O₃-------------(P)

其中，在通式(P)中，Ba，Bi和A是A位元素，而Ti，Fe和M是B位元素，A和M中的每一个为一种或多种除Pb以外的金属元素，并且尽管所述A位元素的总摩尔量或所述B位元素的总摩尔量与所述氧原子的摩尔量的比率通常为1∶3，但在可以得到钙钛矿结构的范围内，所述比率可以偏离1∶3。

7.权利要求6所述的压电器件，其中所述一种或多种钙钛矿氧化物满足下式(5)，

0.97≤TF(P)≤1.02--------------------(5)

其中，TF(P)是所述一种或多种由通式(P)表示的钙钛矿氧化物的容许因子。

8.权利要求7所述的压电器件，其中，在通式(P)中，当所述A位元素A为Ba和/或Bi时，所述B位元素M为除Ti和Fe以外的元素，而当所述B位元素M为Ti和/或Fe时，所述A位元素A为除Ba和Bi以外的元素，并且所述一种或多种由通式(P)表示的钙钛矿氧化物满足下式(6)，

TF(BiFeO₃)＜TF(AMO₃)＜TF(BaTiO₃)-------(6)

其中，TF(BiFeO₃)、TF(AMO₃)和TF(BaTiO₃)分别是括号中的氧化物的容许因子。

9.权利要求8所述的压电器件，其中所述一种或多种钙钛矿氧化物还满足下式(7)，

0.97≤TF(AMO₃)≤1.02------------------(7)。

10.权利要求4所述的压电器件，其中所述压电体包括多种具有不同晶系的组分。

11.权利要求1所述的压电器件，其中所述压电体不包含Pb。

12.权利要求1所述的压电器件，其中所述压电体是厚度为1μm至100μm的压电膜。

13.权利要求12所述的压电器件，其中所述压电膜形成在单晶基板上。

14.权利要求1所述的压电器件，其中所述压电体是粒子取向的陶瓷烧结体。

15.一种压电器件，所述压电器件包括具有压电性的除Pb基块状单晶以外的压电体，和一对电极，所述一对电极用于在预定方向上对所述压电体施加电场，

其中所述压电体满足下式(4)，

80＜g₃₃(×10^-3V·m/N)------------------(4)

其中，G₃₃是所述压电体的电压输出常数。

16.一种压电致动器，所述压电致动器包括权利要求1所述的压电器件和驱动器，所述驱动器用于通过对所述压电器件的所述压电体施加电场而驱动所述压电器件。

17.权利要求16所述的压电致动器，所述压电致动器还包括振动板，所述振动板被设置在所述压电体的下层中，用于将当驱动时在所述压电体中产生的位移传递至外部。

18.一种液体排出装置，所述液体排出装置包括：

权利要求16或17所述的压电致动器；和

与所述压电致动器相邻设置的液体排出构件，

其中所述液体排出构件具有液体储存室和液体排出开口，所述液体储存室用于储存液体，所述液体排出开口用于根据对所述压电体的所述电场施加将所述液体从所述液体储存室向外排出。

19.一种发电装置，所述发电装置包括：权利要求1至15中任一项所述的压电器件；和振动板，所述振动板被设置在所述压电体的下层中，用于将外力传递至所述压电体以使所述压电体位移；以及引出电极，所述引出电极用于从所述一对电极引出在所述压电体中通过位移产生的电荷。

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