TW201707988A - 壓電材料，壓電元件及電子設備 - Google Patents

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三浦薫
渡邉□之
村上俊介
林潤平
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佳能股份有限公司
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Abstract

本發明之壓電材料包括由以式(1)表示之鈣鈦礦型金屬氧化物所構成的主要組分、Zn及Mg。Zn之含量根據1莫耳該鈣鈦礦型金屬氧化物計為0.005莫耳或更多且為0.050莫耳或更少，且Mg之含量根據1莫耳該鈣鈦礦型金屬氧化物計為0.001莫耳或更多且為0.020莫耳或更少。 式(1)：(NaxBa1-y)(NbyTi1-y)O3(其中x為0.83或更大且為0.95或更小，y為0.85或更大且為0.95或更小，且x/y為0.95或更大且為1.05或更小)。

Description

壓電材料，壓電元件及電子設備
本發明關於壓電材料，特別是，無鉛壓電材料。本發明亦關於包括該壓電材料之壓電元件、層狀壓電元件、液體排出頭、液體排出裝置、超音波馬達、光學設備、振動裝置、除塵裝置、攝像裝置以及電子設備。
壓電材料通常為ABO3鈣鈦礦型金屬氧化物，諸如鋯酸鈦酸鉛(下文稱為「PZT」)。PZT含有鉛作為A位點元素，因此其對於環境之影響被視為問題。因此，需要包括無鉛鈣鈦礦型金屬氧化物之壓電陶瓷。
PTL 1揭示藉由將鈷添加至壓電陶瓷(鈮酸鈉及鈦酸鋇之固溶體，下文稱為「NN-BT」)而提高壓電常數。具有12pC/N之低壓電常數d31的組成物具有1020之機械品質因數Qm。然而，其描述具有54至56pC/N之壓電常數d31的組成物(具有9%至11%之鈦酸鋇濃度的NN-BT陶瓷樣本)具有250至430之降低的機械品質因數Qm。其亦揭示在PTL 1中之一些壓電材料具有106Ω或更 低之惡化絕緣電阻值，因此幾乎不極化。
引用列表 專利文獻
[PTL 1]日本專利早期公開案第2009-227535號
如此，該等已知描述具有獲致NN-BT中之高壓電性能與機械品質因數的相容性之困難。
已完成本發明以解決此等問題並提供不含鉛及鉀且具有高壓電常數與令人滿意之製造性質的壓電材料。本發明亦提供包括該壓電材料之壓電元件、層狀壓電元件、液體排出頭、液體排出裝置、超音波馬達、光學設備、振動裝置、除塵裝置、攝像裝置以及電子設備。
用於解決上述問題的根據本發明之態樣的壓電材料包括含有以式(1)表示之鈣鈦礦型金屬氧化物的主要組分、Zn組分、及Mg組分。Zn之含量根據1莫耳該鈣鈦礦型金屬氧化物計為0.005莫耳或更多且為0.050莫耳或更少，且Mg之含量根據1莫耳該鈣鈦礦型金屬氧化物計為0.001莫耳或更多且為0.020莫耳或更少。式(1)：(NaxBa1-y)(NbyTi1-y)O3(其中x為0.83或更大且為0.95或 更小，y為0.85或更大且為0.95或更小，且x/y為0.95或更大且為1.05或更小)。
根據本發明之態樣的壓電元件至少包括第一電極、壓電材料構件、及第二電極，其中構成該壓電材料構件之壓電材料為本發明的壓電材料。
根據本發明之態樣的層狀壓電元件係由複數個壓電材料層及包括至少一個內部電極層的複數個電極層所構成，其中該等壓電材料層及該等電極層係交替堆疊，且該等壓電材料層由本發明之壓電材料製成。
根據本發明之態樣的液體排出頭至少包括含有本發明之壓電元件或層狀壓電元件的振動單元的液體室以及與該液體室連通之排出口。
根據本發明之態樣的液體排出裝置包括轉移物體固持單元及本發明之液體排出頭。
根據本發明之態樣的超音波馬達至少包括含有本發明之壓電元件或層狀壓電元件的振動組件，及與該振動組件接觸之可移動組件。
根據本發明之態樣的光學設備包括本發明之超音波馬達。
根據本發明之態樣的振動裝置包括含有本發明之壓電元件或層狀壓電元件的振動組件。
根據本發明之態樣的除塵裝置包括配備有本發明之振動裝置的振動單元。
根據本發明之態樣的攝像裝置至少包括本發 明之除塵裝置及攝像元件單元，其中該除塵裝置之振動構件係配置在該攝像元件單元之光接收表面側上。
根據本發明之態樣的電子設備包括含有本發明之壓電元件或層狀壓電元件的壓電聲學組件。
從以下範例實施態樣並參考附圖將明暸本發明之其他特徵。
本發明可提供不含鉛及鉀且具有高壓電常數與令人滿意之機械品質因數。本發明亦可提供包括該壓電材料之壓電元件、層狀壓電元件、液體排出頭、液體排出裝置、超音波馬達、光學設備、振動裝置、除塵裝置、攝像裝置以及電子設備。
由於本發明之壓電材料不含鉛，故環境負荷低。該壓電材料亦不含有鉀，因此具有優異之燒結性及抗潮性。
1、1011、332、51、501‧‧‧第一電極
2‧‧‧壓電材料構件
3、1013、333、53、503‧‧‧第二電極
101、330、2012‧‧‧壓電元件
102‧‧‧個別液體室
103、320‧‧‧膜片
104‧‧‧液體室隔間
105‧‧‧排出口
106‧‧‧連通孔
107‧‧‧共用液體室
108‧‧‧緩衝層
1012、331‧‧‧壓電材料
201、204‧‧‧振盪器
202、205‧‧‧轉子
203‧‧‧輸出軸
206‧‧‧彈簧
2011‧‧‧彈性環
2013‧‧‧有機黏著劑
2041‧‧‧金屬彈性體
2042‧‧‧層狀壓電元件
310‧‧‧除塵裝置
336‧‧‧第一電極面
337‧‧‧第二電極面
54、504‧‧‧壓電材料層
55、505a、505b‧‧‧內部電極層
56‧‧‧層狀產物
506a、506b‧‧‧外部電極
601‧‧‧相機主體
602‧‧‧座部分
605‧‧‧反光鏡箱
606‧‧‧主要反光鏡
200‧‧‧快門單元
300‧‧‧主體框架
400‧‧‧攝像單元
702‧‧‧對焦透鏡
711‧‧‧可拆卸相機座
712‧‧‧固定鏡筒
713‧‧‧直線引導鏡筒
713a‧‧‧前向引導凹槽
713b‧‧‧周圍凹槽
714‧‧‧前透鏡群鏡筒
715‧‧‧凸輪環
715a‧‧‧凸輪凹槽
715b‧‧‧凹口
716‧‧‧後透鏡群鏡筒
717a、717b‧‧‧凸輪滾子
718‧‧‧軸向螺絲
719‧‧‧滾子
720‧‧‧旋轉傳遞環
720f‧‧‧軸
722‧‧‧驅動滾子
722a‧‧‧大直徑部分
722b‧‧‧小直徑部分
724‧‧‧手動對焦環
724a‧‧‧前側端面
724b‧‧‧座側端面
724c‧‧‧內徑部分
725‧‧‧超音波馬達
726‧‧‧波狀墊圈
727‧‧‧滾珠座圈
728‧‧‧對焦鍵
729‧‧‧連接構件
732‧‧‧墊圈
733‧‧‧低摩擦片
881‧‧‧液體排出裝置
882-885、887‧‧‧外部
890‧‧‧復位部分
891‧‧‧記錄部分
892‧‧‧運載器
896‧‧‧裝置主體
897‧‧‧自動饋送器
898‧‧‧噴出口
899‧‧‧輸送單元
901‧‧‧光學裝置
908‧‧‧釋放鈕
909‧‧‧頻閃儀發光單元
912‧‧‧揚聲器
914‧‧‧麥克風
916‧‧‧輔助照明單元
931‧‧‧主體
932‧‧‧縮放槓桿
933‧‧‧電源鈕
圖1為圖示本發明之壓電元件的構造之實施態樣的示意圖。
圖2A為圖示本發明之層狀壓電元件的構造之實施態樣的橫斷面示意圖。
圖2B為圖示本發明之層狀壓電元件的構造之另一實 施態樣的橫斷面示意圖。
圖3A為圖示本發明之液體排出頭的構造之實施態樣的示意圖。
圖3B為圖示本發明之液體排出頭的構造之實施態樣的另一示意圖。
圖4為圖示本發明之液體排出裝置的實施態樣之示意圖。
圖5為圖示本發明之液體排出裝置的實施態樣之示意圖。
圖6A為圖示本發明之超音波馬達的構造之實施態樣的示意圖。
圖6B為圖示本發明之超音波馬達的構造之實施態樣的另一示意圖。
圖7A為圖示本發明之光學設備的實施態樣之示意圖。
圖7B為圖示本發明之光學設備的實施態樣之另一示意圖。
圖8為圖示本發明之光學設備的實施態樣之示意圖。
圖9A為圖示用作除塵裝置的本發明之振動裝置的實施態樣之示意圖。
圖9B為圖示用作除塵裝置的本發明之振動裝置的實施態樣之另一示意圖。
圖10A為圖示本發明之除塵裝置中的壓電元件之構造的示意圖。
圖10B為圖示本發明之除塵裝置中的壓電元件之構造的示意圖。
圖10C為圖示本發明之除塵裝置中的壓電元件之構造的示意圖。
圖11包括圖示本發明之除塵裝置的振動原理之示意圖。
圖12為圖示本發明之攝像裝置的實施態樣之示意圖。
圖13為圖示本發明之攝像裝置的實施態樣之示意圖。
圖14為圖示本發明之電子設備的實施態樣之示意圖。
圖15為圖示本發明之包括壓電元件的電子設備之實施態樣的示意圖。
茲將描述本發明之實施態樣。
本發明提供鈮酸鈉及鈦酸鋇之固溶體(NN-BT壓電材料)之基本組成、不含鉛及鉀、且具有高機械品質因數及壓電常數的壓電材料。本發明之壓電材料亦具有高絕緣性質。
用語「不含鉛、鉀、及鈷(無鉛、無鉀、及無鈷)之壓電材料」意指該等組分之含量根據1莫耳該壓電材料計各為0ppm或更多且少於1000ppm。
因此，本發明之壓電材料藉由使用該等特徵作為介電質可應用於各種用途，諸如電容器、記憶體及感測器。
根據本發明之壓電材料包括以以式(1)表示之鈣鈦礦型金屬氧化物作為主要組分、Zn組分、及Mg組分。該Zn組分中之Zn元素的含量根據1莫耳該鈣鈦礦型金屬氧化物計為0.005莫耳或更多且為0.050莫耳或更少，且該Mg組分中之Zn元素的含量根據1莫耳該鈣鈦礦型金屬氧化物計為0.001莫耳或更多且為0.020莫耳或更少。(NaxBa1-y)(NbyTi1-y)O3(其中x為0.83或更大且為0.95或更小，y為0.85或更大且為0.95或更小，且x/y為0.95或更大且為1.05或更小)。
在本發明中，該鈣鈦礦型金屬氧化物係指具有鈣鈦礦型結構之金屬氧化物，其理想上為立方晶體結構，如Iwanami Dictionary of Physics and Chemistry(第5版，Iwanami Shoten，1998年2月20日出版)中所述。具有鈣鈦礦型結構之金屬氧化物通常以化學式ABO3表示。在鈣鈦礦型金屬氧化物中，元素A及B以離子形式佔據特定單位晶胞位置，其分別被稱為A位點及B位點。例如，在立方單位晶胞中，元素A係置於該立方體的頂點，而元素B係置於該立方體的體心位置。元素O作為氧之陰離子佔據該立方晶的面心位置。A位點元素為12倍配位，且B位點元素為6倍配位。A元素、B元素、及O元素與個別單位晶胞的稍微配位偏移將該鈣鈦礦型結構扭曲 成例如正方晶系、菱形晶系、或斜方晶系。
在該以式(1)表示之金屬氧化物中，位於A位點之金屬元素為Na及Ba，而位於B位點之金屬元素為Nb及Ti。然而，一部分Na及Ba原子以及Zn、Mg及Mn原子可位於B位點。相似地，一部分Ti及Nb原子以及Zn、Mg及Mn原子可位於A位點。為了容易製造本發明壓電材料或調整本發明壓電材料之物理性質，一部分Ba原子可經二價金屬元素(諸如Sr或Ca)置換。相似地，一部分Nb原子可經五價金屬元素(諸如Ta)置換，在20莫耳%或更少之範圍內。相似地，一部分Ti原子可經20莫耳%或更少之範圍內的Zr或Sn置換，且一部分Na原子可經15莫耳%或更少之範圍內的Li置換。此外，該壓電材料可含有根據1莫耳以式(1)表示之該鈣鈦礦型金屬氧化物計為5莫耳%或更少的Ni。相似地，該壓電材料可含有根據1莫耳以式(1)表示之該鈣鈦礦型金屬氧化物計為5莫耳%或更少之選自La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、及Yb的至少一種元素。此外，該壓電材料可含有相對於100重量份該壓電材料計為0.001重量份或更多且為4.000重量份或更少之量的含有選自Si及B之至少一者的副組分。
在B位點之元素對式(1)中之元素O的莫耳比基本上為1：3，但只要鈣鈦礦型結構為金屬氧化物的主要相，該等元素的莫耳比可稍微偏移(例如，從1.00：2.94至1.00：3.06)。此種情況亦包括在本發明範圍內。 金屬氧化物之鈣鈦礦型結構可藉由結構分析(諸如X射線繞射或電子束繞射)加以確認。
根據本發明之壓電材料可呈任何形式，諸如陶瓷、粉末、單晶、膜、或漿體，以及可呈陶瓷形式。遍及本說明書之用語「陶瓷」係指具有金屬氧化物之基本組分並藉由熱處理燒製之晶粒的聚集體(亦稱為主體)(所謂多晶體)，且包括該等於燒結後經處理者。
在式(1)中，代表在A位點上之Na的量之「x」可為0.83或更大且為0.95或更小。小於0.83之Na的量x造成Na相對於適當量之Nb不足，導致發生雜質相(具有類似例如Ba4Nb2O9、Ba6Ti7Nb9O42、Ba3Nb4Ti4O21、或Ba3Nb3.2Ti5O21之X射線繞射圖案的相)。Na對Nb之莫耳比(Na/Nb)可視該原材料粉末之組成或該原材料粉末之秤重而變得大於1。該莫耳比(Na/Nb)之上限為1.05，較適宜為1.00。該莫耳比(Na/Nb)之下限為0.95，較適宜為0.97。
此處，壓電材料之「主要組分」用語係指在構成該壓電材料之各種組分當中用於表現壓電性質的主要組分。在該壓電材料中主要組分之莫耳比為51%或更高。
含有大雜質相之金屬氧化物樣本具有107至108Ωcm之低電阻率且極化處理有困難。高於0.95之Na的莫耳比x亦降低壓電性。在0.83或更高且為0.95或更低之範圍的莫耳比x可防止雜質相發生以提供令人滿意的壓電性。莫耳比x可為0.83或更高且為0.93或更低，特 別是0.83或更高且為0.92或更低。
在式(1)中，在B位點之Nb的莫耳比y可為0.85或更高且為0.95或更低。低於0.85之莫耳比y使居里溫度降至低於140℃，然而高於0.95之莫耳比y使壓電性降低。因此，在0.85或更高且為0.95或更低之範圍的莫耳比y可提供140℃或更高的居里溫度以及令人滿意的壓電性。
在0.85或更高且為0.95或更低之範圍的莫耳比y中，居里溫度係在約160℃至230℃之範圍，且可容易獲致極化。此外，在0.88或更高且為0.90或更低之範圍的莫耳比y中，居里溫度係在約190℃至230℃之範圍以降低因裝置製造步驟中所導致的壓電性質降低之風險。
居里溫度係在此溫度或其上之喪失壓電材料的壓電性質之溫度。遍及本說明書中，居里溫度係指在鐵電相與順電相之間的相轉變溫度附近顯示最大介電常數之溫度。此外，本發明之鈣鈦礦型金屬氧化物具有連續相轉變溫度，其係造成連續相從四方鐵電相轉變成斜方鐵電之溫度，其在低於居里溫度之溫度範圍內。在該連續相轉變溫度下，相對介電常數變得最大或顯示反曲點。因此，作為居里溫度，該連續相轉變溫度亦可藉由評估相對介電常數之溫度相依性而測定。例如，以0.9(NaNbO3)-0.1(BaTiO3)表示之固溶體造成從斜方晶體至正方晶體及進一步至立方晶體之相轉變。
壓電性能在該連續相轉變溫度附近中變成最 大值。當需要不視溫度而改變的恆定壓電性能時，因此需要在裝置操作溫度範圍(例如，-30℃至60℃)內不發生連續相轉變。反之，當在特定溫度下之高壓電性能具有比不視溫度而改變之壓電性能更高的極性時，連續相轉變可設在該裝置驅動溫度範圍內。可根據裝置規格調整連續相轉變溫度的材料具有高變通性且相當優異。
本發明之壓電材料根據1莫耳該以式(1)表示之鈣鈦礦型金屬氧化物計含有0.5莫耳%或更多且為5.0莫耳%或更少之Zn，以及0.1莫耳%或更多且為2.0莫耳%或更少之Mg。此處，Zn之含量可為0.5莫耳%或更多且為2.0莫耳%或更少。Zn或Mg之量的「莫耳%」代表以金屬為基準之Zn或Mg的數量比。含有0.5莫耳%或更多且為5.0莫耳%或更少之Zn的本發明之壓電材料可具有提高之壓電常數、電機耦合因數、楊氏模數、及密度，且亦可降低燒結溫度。燒結溫度係製備具有95%或更高之相對密度的經燒結壓胚必需之最低燒製溫度。此外，Zn可降低本發明之壓電材料的自發性極化之釘扎(pinning)。減少釘扎提高剩磁極化值且降低在極化-電場之磁滯迴線中的矯頑電場。此外，極化處理容易使自發生極化呈相同方向，造成共振之阻抗相中的較大變化，且提高電機耦合因數。
Zn可存在鈣鈦礦結構之A位點(12倍配位)、B位點(6倍配位)或此二者，或可存在於該陶瓷的晶界。
在含有鈮酸鈉作為組分之晶體中，在燒結期 間輕元素Na會蒸發或擴散，導致燒結後之樣本的組成中Na相對於Nb不足。即，A位點發生缺陷。然而，若原材料粉末含有過量Na原材料，經燒結壓胚具有降低之絕緣性質。因此，一部分Zn原子會佔據A位點以補償該缺陷。或者，原材料可刻意秤重以使Na相對於Nb之不足在5%或更低之範圍內。含有0.1莫耳%或更多且為2.0莫耳%或更少之Mg(莫耳比α為0.001或更高且為0.020或更低)的本發明之壓電材料可提高機械品質因數而不會降低壓電常數。然而，含有2.0莫耳%之Mg的壓電材料具有降低之壓電性，而低於0.1莫耳%之Mg的量無法提供提高機械品質因數之效果。
本發明之壓電材料除鈣鈦礦型金屬氧化物之外可含有Mn組分、Zn組分、及Mg組分。該Mn組分中之Mn元素的含量根據1莫耳該鈣鈦礦型金屬氧化物計為超過0莫耳%且不高於1莫耳%，特別是不高於0.5莫耳%。Mn之量中的「莫耳%」代表以金屬為基準之Mn的數量比。
含有1莫耳%或更少之Mn的本發明之壓電材料可具有提高之電阻率、壓電常數、電機耦合因數、電機品質因數、楊氏模數、及密度，且亦可降低燒結溫度。燒結溫度係製備具有95%或更高之相對密度的經燒結壓胚必需之最低燒製溫度。此外，Mn可降低本發明之壓電材料的自發性極化之釘扎。減少釘扎提高剩磁極化值且降低在極化-電場之磁滯迴線中的矯頑電場。此外，極化處理容 易使自發生極化呈相同方向，造成共振之阻抗相中的較大變化，且提高電機耦合因數。
Mn可存在鈣鈦礦結構之A位點(12倍配位)、B位點(6倍配位)或此二者，或可存在於該陶瓷的晶界。
在含有鈮酸鈉作為組分之晶體中，在燒結期間Na會蒸發或擴散，導致燒結後之樣本的組成中Na相對於Nb不足。即，A位點發生缺陷。然而，若原材料粉末含有過量Na原材料，經燒結壓胚具有降低之絕緣性質。因此，一部分Mn原子會佔據A位點以補償該缺陷。或者，原材料可刻意秤重以使Na相對於Nb之不足在5%或更低之範圍內。
當Zn原子佔據該A位點且減少晶體缺陷時，可預期下列效果之至少一者：(1)電阻率提高；(2)共振之阻抗相增加；(3)藉由極化-電場之磁滯迴線的測量所評估之剩磁極化值提高，或矯頑電場降低；(4)電機耦合因數降低；(5)機械品質因數降低；(6)楊氏模數降低；以及(7)介電正切(tan δ)降低。
此外，B位點被Zn原子佔據形成氧缺陷以及偶極缺陷以形成內部電場。因此，一部分Zn原子會佔據該B位點。
當Zn原子佔據該B位點時，可預期下列效果之至少一者：(1)電機耦合因數或壓電常數降低；(2)機械品質因數提高；(3)楊氏模數提高；以及(4)形成內部電場。
該內部電場可藉由測量極化-電場之磁滯迴線來評估。所測量之磁滯迴線揭露當自發性極化從負逆轉成正時之矯頑電場(+Ec)以及當自發性極化從正逆轉成負時之矯頑電場(-Ec)。於不存在內部電場時+Ec及-Ec之強度係相同的。於存在內部電場時，磁滯迴線中心沿x軸(電場軸)方向偏移。該內部電場之強度為+Ec及-Ec之值的平均。磁滯迴線可使用市售鐵電評估設備測量。通常，在磁滯迴線之測量中，將正及負三角波或正弦波之AC電源施加至樣本。該磁滯迴線係藉由用於中心化之軟體修改並顯示，以使當施加正及負最大電場時之極化量的平均值定位在y軸的零點。
至少一部分Zn組分不需要存在於A位點或B位點且可存在於晶界。存在於晶界之Zn原子可作為氧化物。一部分Zn原子在晶界局部化防止形成孔，導致機械品質因數提高及楊氏模數提高。此外，Zn存在於晶界降低晶界摩擦且造成所謂「材料硬化」。
Zn在樣本中之分布及晶體中之佔據位點可藉由電子顯微鏡觀察、能量色散X射線光譜術、X射線繞 射、拉曼散射(Raman scattering)或穿透式電子顯微觀察評估。
當Zn包含在A位點及B位點二者中時，累計顯示上述效果。由於累計之效果可藉由Zn的量控制，Zn可包含在A位點及B位點二者中。
當Zn只存在於A位點時，由於Zn離子之大小小於Na離子及Ba離子之大小，單位晶胞的體積縮小。
單位晶胞之體積可藉由X射線繞射提供。
含有根據1莫耳該鈣鈦礦型金屬氧化物計超過5莫耳%之Zn的壓電材料具有產生雜質相及降低壓電性的風險。
在表示本發明之壓電材料的式(1)中，莫耳比x可小於莫耳比y。當莫耳比x小於莫耳比y時，Zn係併入晶格內而容易顯示本發明的效果。因此，莫耳比x可小於莫耳比y。反之，若莫耳比x等於或高於莫耳比y，該樣本的絕緣性質低。因此，相對於莫耳比y而言過高的莫耳比x係不利的。
此外，一部分Mg原子會佔據B位點。以Mg置換B位點在極化之後於陶瓷中產生內部電場，防止晶域壁因外部電場而振動，且提高機械品質因數。Mg可存在於晶界。一部分Mg原子在晶界局部化防止形成孔，導致機械品質因數提高。此外，一部分Mg原子存在於晶界降低晶界摩擦且造成如上述之所謂「材料硬化」。
本發明之壓電材料可藉由燒製生壓胚來製備。生壓胚為藉由模製原材料粉末，特別是具有高純度之原材料粉末，所製備的固體。該原材料粉末中所含的Na對Nb之莫耳比可為0.95或更大且為1.10或更小。該模製方法之實例包括單軸壓製、冷液均壓、熱液均壓、澆鑄及擠出。生壓胚可從粒化粉末製造。燒結該從粒化粉末製造的生壓胚具有可使該經燒結壓胚之晶粒的大小分布容易均勻的優點。
壓電材料之原材料粉末可藉由任何方法粒化。特別是，從提供具有更均勻晶粒直徑之觀點來看，可使用噴霧乾燥。
可用於粒化之黏合劑實例包括聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯丁醛(PVB)及丙烯酸系樹脂。用於粒化之黏合劑的量可為根據100重量份該壓電材料的原材料粉末計為1至10重量份，且從提高生壓胚之密度的觀點來看，可為2至5重量份。
生壓胚可藉由任何方法燒結。燒結之實例包括於電爐中燒結、於燃氣爐中燒結、電加熱、微波燒結、毫米波燒結及熱等靜壓(HIP)。用於燒結之電爐燃氣爐可為連續爐或批式爐。
燒結可在任何溫度下進行，特別可使用容許每一化合物反應且足以令晶體生長的溫度。從將平均晶粒直徑控制在0.3至100μm之範圍的觀點來看，燒結溫度可為1050℃或更高且為1300℃或更低，特別是1100℃或 更高且為1200℃或更低。在此種溫度範圍內燒結之壓電材料顯示令人滿意之壓電性能。為了安定重現藉由燒結所製備之壓電材料的性質，該燒結係在上述範圍內之恆定溫度下進行2至48小時。雖然可使用諸如兩階段燒結之燒結，但鑑於生產力之故，可使用不涉及迅速溫度變化的方法。
藉由燒結所製備之壓電材料係經拋光，然後可在居里溫度或更高之溫度下加熱。雖然機械拋光在壓電材料內部產生殘留應力，但在居里溫度或更高之溫度下熱處理釋放該殘留應力，而進一步加強壓電材料之壓電性質。該熱處理可進行任何時間期間，例如1小時或更久。
若本發明之壓電材料具有大於100μm之晶粒直徑，壓電材料之強度不足以承經裁切處理及拋光處理。反之，小於0.3μm之晶粒直徑降低壓電性。因此，關於晶粒直徑範圍，平均晶粒直徑可為0.3μm或更大且為100μm或更小滿特別是，0.5μm或更大且為70μm或更小。
當本發明壓電材料作為在基板上形成之薄膜形式使用時，該壓電材料可具有200nm或更大且為10μm或更小，特別是300nm或更大且為3μm或更小之厚度。具有200nm或更大且為10μm或更小之厚度的壓電材料可提供足以作為壓電元件之電機轉換功能。
該膜可藉由任何方法堆疊。例如，可使用化學溶液沉積(CSD)、溶膠-凝膠法、金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)、濺鍍、脈衝雷射沉積(PLD)、熱液合成、或氣 溶膠沉積(AD)。特別是，可使用化學溶液沉積或濺鍍。化學溶液沉積或混合可容易形成具有大面積之膜。用於在其上形成本發明壓電材料之基板可為沿著(001)平面或(110)平面裁切且拋光之單晶基板。使用沿著特定晶面裁切且拋光之單晶基板可使在該基板表面上形成的壓電材料膜沿相同方向強力定向。
(壓電元件)
茲描述包括本發明壓電材料之壓電元件。
圖1為圖示本發明之壓電元件的構造之實施態樣的示意圖。本發明之壓電元件至少包括第一電極1、壓電材料構件2及第二電極3。構成該壓電材料構件2之壓電材料為本發明之壓電材料。
本發明之壓電材料的壓電性質可藉由製成至少具有第一電極及第二電極之壓電元件來評估。該第一及第二電極為具有約5nm至10μm之厚度的傳導層。各電極可由壓電元件中常用的任何材料製成。材料實例包括金屬，諸如Ti、Pt、Ta、Ir、Sr、In、Sn、Au、Al、Fe、Cr、Ni、Pd、Ag及Cu；及其化合物。
第一及第二電極可各由該等材料中之任一者製成，或可各為由該等材料之二或多者製成之多層。該第一及第二電極可由不同材料製成。
該第一及第二電極可藉由任何方法製造且可藉由例如烘烤金屬糊、濺鍍或氣相沉積而形成。該第一及 第二電極可各圖案化成所希望形狀。
在壓電元件中，極化軸可沿相同方向對準。具有沿相同方向對準之極化軸的壓電元件具有增強之壓電常數。
壓電元件可藉由任何方法極化。極化處理可在大氣或油中進行。用於極化之溫度可為60℃至160℃。極化之最佳條件可視構成元件之壓電材料的組成而稍微變化。用於極化處理所施加之電場可高於該材料之矯頑場，明確地說，為1至5kV/mm。
壓電元件之壓電常數及電機品質因數可根據電子材料製造商協會標準(Electronic Materials Manufacturers Association Standard，JEITA EM-4501)從使用市售阻抗分析儀測量之共振頻率及反共振頻率計算來測定。下文將該方法稱為共振-反共振方法。
(層狀壓電元件)
茲描述包括本發明壓電材料之層狀壓電元件。
根據本發明之層狀壓電元件係由複數個壓電材料層及包括至少一個內部電極層的複數個電極層所構成，該等壓電材料層及該等電極層係交替堆疊。該等壓電材料層係由本發明之壓電材料所製成。
圖2A及2B係圖示本發明層狀壓電元件之構造的實施態樣之示意橫斷面圖。根據本發明之層狀壓電元 件係由壓電材料層54及包括內部電極層55之電極層所構成，其中壓電材料層及層狀電極係交替堆疊。該等壓電材料層54係由該壓電材料製成。該等電極層除了內部電極層55之外尚可包括外部電極，諸如第一電極51及第二電極53。
圖2A顯示包括由兩個壓電材料層54與一個內部電極層55所構成之層狀產物56的本發明之層狀壓電元件的構造，該等壓電材料層54與一個內部電極層55係在第一電極51與第二電極53之間交替堆疊。然而，壓電材料層及內部電極層之數目無限制，且可如圖2B中所示般增加。圖2B中所示之層狀壓電元件具有由九個壓電材料層504及8個內部電極層505(505a或505b)所構成的結構，該等壓電材料層504及內部電極層505係在第一電極501與第二電極503之間交替堆疊。該層狀壓電元件包括用於使該等交替配置之內部電極層短路的外部電極506a及外部電極506b。
內部電極層55，505及外部電極506a，506b之大小及形狀不一定與壓電材料層54，504相同，且可分成二或多件。
內部電極層55，505、外部電極506a，506b、第一電極51，501及第二電極53，503為具有約5至2000nm之厚度的傳導層，且可由壓電元件中常用的任何材料製成。材料實例包括金屬，諸如Ti、Pt、Ta、Ir、Sr、In、Sn、Au、Al、Fe、Cr、Ni、Pd、Ag及Cu；及其 化合物。內部電極層55，505及外部電極506a，506b可各由該等材料中任一者或該等材料中之二或多者的混合物或合金製成，或可各為由該等材料中之二或多者製成的多層。該等電極可由彼此不同之材料製成。從便宜電極材料之觀點來看，內部電極層55，505可含有Ni及Cu中之至少一者。在內部電極層55，505含有Ni及Cu中之至少一者的情況下，本發明之層狀壓電元件可在還原氣氛下燒製。
在本發明之層狀壓電元件中，內部電極層含有Ag及Pd，且Ag之重量M1對Pd之重量M2的重量比M1/M2可為1.5或更高且為9.0或更低，特別是2.3或更高且為4.0或更低。小於1.5之重量比M1/M2不利地提高內部電極層之燒結溫度。反之，高於9.0之重量比M1/M2不利地形成島狀內部電極層而使得表面不均勻。
如圖2B所示，包括內部電極層505之複數個電極可彼此短路以調整驅動電壓之相位。例如，內部電極層505a及第一電極501可以外部電極506a短路。電極間之短路可藉由任何形式進行。用於短路之電極或線路可配置在層狀壓電元件之側面上。或者，電極可藉由配置在形成以通過壓電材料層504之穿孔內部的傳導材料而短路。
(液體排出頭)
本發明之液體排出頭至少包括具備壓電元件或層狀壓電元件之振動單元的液體室及與該液體室連通之 排出口。待藉由本發明之液體排出頭排出的液體可為任何流體，且其實例包括水性液體及非水性液體，諸如水、油墨、及燃料。
圖3A及3B係圖示本發明液體排出頭之構造的實施態樣之示意圖。如圖3A及3B所示，本發明液體排出頭包括本發明之壓電元件101。壓電元件101至少包括第一電極1011、壓電材料1012及第二電極1013。壓電材料1012係隨意地圖案化，如圖3B所示。
圖3B為液體排出頭之示意圖。液體排出頭包括排出口105、個別液體室102、將該等個別液體室102連接至對應排出口105之連通孔106、液體室隔間104、共用液體室107、膜片103及壓電元件101。圖3B中所示之壓電元件101各具有矩形，但亦可具有諸如橢圓形、圓形或平行四邊形之任何形狀。通常，壓電材料1012具有順著個別液體室102之形狀的形狀。
茲參考圖3A詳細描述本發明液體排出頭中之壓電元件101附近。圖3A係圖3B中所示之壓電元件的寬度方向之橫斷面圖。壓電元件101之橫斷面為矩形，但可為梯形或反梯形。
於該圖式中，第一電極1011係用作下方電極，以及第二電極1013係用作上方電極。該第一電極1011及第二電極1013之配置不限於此。例如，第一電極1011可用作下方電極或可用作上方電極。同樣的，第二電極1013可用作上方電極或可用作下方電極。此外，緩 衝層108可配置在膜片103與下方電極之間。該等名稱差異係因製造裝置之方法差異所致，且該等情況任一者均可獲致本發明效果。
在液體排出頭中，膜片103藉由壓電材料1012之擴張及收縮而上下振動，並對個別液體室102中之液體施加壓力。結果，液體從排出口105排出。本發明之液體排出頭可用於列印機或可應用於電子裝置之製造。膜片103可具有1.0μm或更大且為15μm或更小，特別是1.5μm或更大且為8μm或更小之厚度。膜片可由任何材料製成。例如，該膜片可由Si製成。Si可經硼或磷摻雜。此外，在該膜片上之緩衝層或電極層可為該膜片的一部分。緩衝層108可具有5nm或更大且為300nm或更小，特別是10nm或更大且為200nm或更小之厚度。排出口105具有5μm或更大且為40μm或更小(如同等圓形直徑)之尺寸。排出口105可為圓形或可具有星形、方形或三角形。
(液體排出裝置)
茲將描述本發明之液體排出裝置。本發明之液體排出裝置包括用於轉移物體固持單元之輸送單元及液體排出頭。
圖4及5中所示之噴墨記錄設備為本發明液體排出裝置的實例。圖5顯示圖4中所示之液體排出裝置(噴墨記錄設備)881移除外部882至885及887的狀態。 該噴墨記錄設備881包括用於自動饋送作為裝置主體896之轉移物體的記錄紙之自動饋送器897。該噴墨記錄設備881另外包括用作用於將記錄紙從自動饋送器897輸送至預定記錄位置，然後將該記錄紙從該記錄位置輸送至噴出口898之轉移物體固持單元的輸送單元899。該噴墨記錄設備881另外包括用於進行記錄在被輸送至該記錄位置之記錄紙上的記錄位置之記錄單元891以及用於進行復位至記錄單元891之復位處理的復位單元890。記錄單元891係配備容納本發明之液體排出頭且以往復運動在軌道上移動之運載器892。
在此種噴墨記錄設備中，運載器892在根據從電腦所發送之電子信號的軌道上滑動，且將驅動電壓施加電極以使配置在該等電極之間的壓電材料位移。該壓電材料之位移經由圖3B所示之膜片103而對個別液體室102施加壓力，從而使油墨從出口105排出以進行印刷。本發明之液體排出裝置可以高速均勻地排出液體，以及可縮小尺寸。
上述實例為列印機，但本發明之液體排出裝置不只可用作噴墨記錄設備(諸如傳真機、多功能事務機或影印機)，亦可用作工業用途之液體排出裝置或物體之繪圖設備。
此外，使用者可視用途來選擇所希望之轉移物體。可使用其中液體排出頭相對於放置在用作固持單元的台上之轉移物體移動的構造。
(超音波馬達)
本發明之超音波馬達至少包括含有壓電元件或層狀壓電元件之振動組件，及與該振動組件接觸之可移動組件。圖6A及6B係圖示本發明超音波馬達之構造的實施態樣之示意圖。圖6A顯示包括本發明之單板壓電元件的超音波馬達。該超音波馬達包括振盪器201、藉由彈簧(未圖示)所施加之壓力而與該振盪器201的滑動表面接觸之轉子202，及與該轉子202整體配置之輸出軸203。振盪器201係由金屬彈性環2011、本發明之壓電元件2012及用於接合該壓電元件2012與彈性環2011之有機黏著劑(例如環氧樹脂或氰基丙烯酸酯黏著劑)2013所組成。本發明之壓電元件2012係由第一電極、第二電極(二者均未圖示)及配置於該等電極之間的壓電材料所構成。
當將相位差奇數倍π/2之兩相AC電壓施加至本發明之壓電元件時，在振盪器201中產生撓曲行進之波，且該振盪器201之滑動表面上的各點係以橢圓運動移動。被壓至該振盪器201之滑動表面的轉子202接收來自該振盪器201的摩擦力而以與該等撓曲行進之波相反的方向旋轉。待驅動之物體(未圖示)係連接至輸出軸203並由該轉子202之轉動力驅動。施加至壓電材料之電壓因橫向壓電效應而擴張及收縮該壓電材料。當諸如金屬之彈性材料與該壓電元件接觸時，該彈性材料因該壓電材料之擴張及收縮而曲。此處所述之超音波馬達利用此原理。
圖6B顯示包括具有層狀結構之壓電元件的超音波馬達。振盪器204係由管狀金屬彈性體2041及配置在該等彈性體之間的層狀壓電元件2042所組成。層狀壓電元件2042係由複數個堆疊之壓電材料層(未圖示)所構成，且包括在該等堆疊之壓電材料層的外表面上之第一及第二電極以及在該等堆疊之壓電材料層之間的內部電極層。金屬彈性體2041係以螺栓彼此連接，以固定其間之壓電元件2042而形成振盪器204。將不同相之AC電壓施加至壓電元件2042在振盪器204中兩個彼此成矩形之振動。結合這兩個振動以產生用於驅動振盪器204末端部分之圓形振動。振盪器204之上部部分配備有周圍凹槽以放大該用於驅動之振動的位移。轉子205係利用加壓彈簧206與振盪器204加壓接觸，以產生用於驅動之摩擦力。轉子205係由軸承以可旋轉方式支撐。
(光學設備)
茲描述本發明之光學設備。本發明之光學設備包括包含超音波馬達之驅動單元。
圖7A及7B係作為本發明光學設備之實施態樣的單透鏡反射式相機之可互換透鏡鏡筒的主要橫斷面圖。圖8係作為本發明光學設備之實施態樣的單透鏡反射式相機之可互換透鏡鏡筒的放大透視圖。固定鏡筒712、直線引導鏡筒713及前透鏡群鏡筒714係固定至可拆卸相機座711。該等鏡筒係可互換透鏡鏡筒之固定構件。
直線引導鏡筒713配備有用於對焦透鏡702之光軸方向的前向引導凹槽713a。在直徑方向突出至外部之凸輪滾子717a及717b係以軸向螺絲718固定至固持該對焦透鏡702之後透鏡群鏡筒716。凸輪滾子717a配接於前向引導凹槽713a。
凸輪環715以可轉動方式配接於該直線引導鏡筒713之內周。藉由將固定在凸輪環715之滾子719配接於直線引導鏡筒713之周圍凹槽713b，而將直線引導鏡筒713與凸輪環715之間的相對位移限制在光軸方向。凸輪環715係配備對焦透鏡702之凸輪凹槽715a，且凸輪滾子717b亦配接於凸輪凹槽715a。
旋轉傳遞環720係配置在固定鏡筒712之外周側，且藉由滾珠座圈727固持以使其可在固定位置相對於固定鏡筒712轉動。旋轉傳遞環720具有從該旋轉傳遞環720徑向延伸之軸720f，且驅動滾子722係由該軸720f以可轉動方式固持。驅動滾子722之大直徑部分722a係與手動對焦環724之座側端面724b接觸。驅動滾子722之小直徑部分722b係與連接構件729接觸。六個驅動滾子722係以等間距配置在旋轉傳遞環720之外周，且各驅動滾子係如上述配置。
低摩擦片(墊圈構件)733係配置在手動對焦環724之內徑部分，以固持在固定鏡筒712之座側端面712a與手動對焦環724之前側端面724a之間。低摩擦片733之外徑表面係呈環形，且配接於手動對焦環724之內徑部 分724c，且該手動對焦環724之內徑部分724c另外配接於固定鏡筒712之外徑部分712b。低摩擦片733減少用於將手動對焦環724繞光軸相對於固定鏡筒712相對轉動之轉動環構件的摩擦。
驅動滾子722之大直徑部分722a及手動對焦環之座側端面724b係藉由用於將超音波馬達725壓向透鏡前方的波狀墊圈726之力所致的壓力而彼此接觸。類似地，驅動滾子722之小直徑部分722b與連接構件729係藉由將超音波馬達725壓向透鏡前方的波狀墊圈726之力所造成的適當壓力而彼此接觸。波狀墊圈726係藉由墊圈732卡口連接至固定鏡筒712而受限免於朝座方向之移動。由波狀墊圈726所產生的彈簧力(偏力)係傳遞至超音波馬達725，並進一步傳遞至驅動滾子722，從而亦作為手動對焦環724加壓固定鏡筒712之座側端面712a的力。即，該手動對焦環724係結合成經由低摩擦片733加壓至固定鏡筒712之座側端面712a的狀態。
因此，當驅動超音波馬達725以藉由控制器(未圖示)相對於固定鏡筒712轉動時，由於連接構件729與驅動滾子722之小直徑部分722b摩擦接觸，故該驅動滾子722繞軸720f轉動。驅動滾子722繞軸720f轉動導致旋轉傳遞環720繞光軸轉動(自動對焦操作)。
當繞光軸之轉動力係從手動操控輸入單元(未圖示)施加至手動對焦環724時，由於該手動對焦環724之座側端面724b係與該驅動滾子722之大直徑部分722a 加壓接觸，驅動滾子722藉由摩擦力而繞軸720f轉動。驅動滾子722之大直徑部分722a繞軸720f之轉動使該旋轉傳遞環720繞光軸轉動。在此種場合，轉子725c與定子725b之摩擦固持力防止超音波馬達725轉動(手動對焦操作)。
旋轉傳遞環720係配備兩個位於彼此相對之位置的對焦鍵728。對焦鍵728配接在凸輪環715之末端部分形成的凹口715b。因此，旋轉傳遞環720藉由自動對焦操作或手動對焦操作之繞光軸轉動係經由對焦鍵728而將轉動力傳遞至凸輪環715以繞光軸轉動該凸輪環。結果，因凸輪滾子717a與前向引導凹槽713a而使轉動受限的後透鏡群鏡筒716藉由凸輪滾子717b而沿凸輪環715之凸輪凹槽715a移動。如此，驅動對焦透鏡702以進行對焦操作。
此處，已描述單透鏡反射式相機之可互換透鏡鏡筒作為本發明光學設備的實例。本發明可應用於具有在驅動單元中之超音波馬達的任何光學設備，諸如小型相機、電子靜物相機或具有相機之可攜式終端，而不論相機種類為何。
(振動裝置及除塵裝置)
用於例如輸送或移除粒子、粉末或液滴的振動裝置廣泛用於電子設備。
茲描述包括本發明壓電元件之除塵裝置作為 本發明振動裝置的實例。根據本發明之振動裝置包括含有該壓電元件或該層狀壓電元件的振動組件。根據本發明之除塵裝置包括具有配備有壓電元件或層狀壓電元件之具有膜片的振動組件。
圖9A及9B圖示本發明除塵裝置之實施態樣的示意圖。除塵裝置310係由壓電元件330及膜片320所構成。壓電元件330可為本發明之層狀壓電元件。該膜片320可由任何材料製成。當除塵裝置310用於光學裝置時，可使用透明材料或光反射材料作為膜片320。
圖10A至10C係圖示圖9A及9B所示之壓電元件330的構造之示意圖。圖10A及10C圖示壓電元件330之前面及後面的結構，而圖10B圖示側面結構。如圖9A及9B所示，該壓電元件330係由壓電材料331、第一電極332及第二電極333構成。該第一電極332及該第二電極333分別配置在該管狀壓電材料331之表面上以彼此相對。如圖9A及9B中所示之壓電元件，壓電元件330可為本發明之層狀壓電元件。在此種情況下，壓電材料331具有交替配置之壓電材料層與內部電極層的結構，且該等內部電極層與第一電極332或第二電極333交替地短路以對壓電材料各層提供具有不同相位之驅動波形。圖10C中所示之壓電元件330的第一電極332之面為第一電極面336，而圖10A中所示之壓電元件330的第二電極333之面為第二電極面337。
在本發明中，用語「電極面」係指電極配置 於其上之壓電元件的面。例如，如圖10A至10C所示，第一電極332可延伸至第二電極面337附近。
如圖9A及9B所示，壓電元件330之第一電極面336係固定至膜片320之板面。藉由驅動壓電元件330而在壓電元件330與膜片320之間產生應力，以在該膜片中產生面外振動。本發明之除塵裝置310係用於藉由膜片320之面外振動而移除外來物質(諸如黏附於膜片320表面之粉塵)的裝置。術語「面外振動」係指膜片在光軸方向(即，在膜片之厚度方向)位移的彈性振動。
圖11包括圖示本發明之除塵裝置310的振動原理之示意圖。圖11(a)顯示藉由將同相AC電壓施加至一對壓電元件330來使膜片320中產生面外振動的狀態。構成該對壓電元件330之壓電材料的極化方向與該等壓電元件330之厚度方向相同。除塵裝置310係藉由第七振動模式驅動。圖11(b)顯示藉由施加與一對壓電元件330呈180°相反之相位的反相AC電壓而在膜片320中產生面外振動的狀態。除塵裝置310係藉由第六振動模式驅動。本發明之除塵裝置310可藉由適當使用至少兩種振動模式而有效去除黏附在膜片表面上之粉塵。
(攝像裝置)
茲將描述本發明之攝像裝置。本發明之攝像裝置至少包括除塵裝置及攝像元件單元，且具有配置在該影像擷取元件單元之光接收表面側上的除塵裝置之膜片。 圖12及13係圖示數位單透鏡反射式相機作為本發明攝像裝置之實施態樣的圖。
圖12係從物體側觀看之相機主體601的前透視圖，該相機主體601係呈攝像透鏡單元移除之狀態。圖13係示意圖示圖示該相機內部之結構的放大圖，其用以描述本發明除塵裝置及攝像單元400周圍結構。
將反光鏡箱605配置在相機主體601中，且將主要反光鏡(快速復位反光鏡)606配置在反光鏡箱605中。通過攝像透鏡之攝像光束被導引至反光鏡箱605中。主要反光鏡606可採相對於攝像光軸呈45°角固定以將攝像光束導引至五稜頂反光鏡(penta roof mirror)(未圖示)之方向的狀態，及固定在從攝像光束後退以將攝像光束導引至攝像元件(未圖示)之方向的位置之狀態。
在用作相機主體之骨架的主體框架300之物體側，反光鏡箱605及快門單元200係依此順序從物體側配置。此外，攝像單元400係配置在主體框架300之攝影師側。攝像單元400係定位於用於定位攝像透鏡單元之基底的座部分602之夾鉗面，以使攝像元件之攝像面以預定距離與該夾鉗面成平行。
該攝像單元400係由除塵裝置之振動構件及攝像元件單元構成。除塵裝置之振動構件及攝像元件單元之光接收表面係配置在同一軸上。
本文中，已描述數位單透鏡反射式相機作為本發明攝像裝置之實例。該攝像裝置可為例如攝像透鏡可 互換之相機，諸如不具反光鏡箱605之無反光鏡數位單透鏡相機。本發明亦可應用於需要移除黏附在特別是各種攝像裝置(諸如攝像單元可互換錄影機、影印機、傳真機及掃描器)或具有攝像裝置之電子電器設備的光學零件表面上之粉塵的任何設備。
(壓電聲學組件)
茲將描述本發明之壓電聲學組件。本發明之壓電聲學組件包括該壓電元件及該層狀壓電元件。壓電聲學組件之實例包括揚聲器、蜂鳴器、麥克風及表面聲波(SAW)元件。圖14係包括本發明之壓電聲學組件的電子設備之實施態樣的數位相機從前方觀看之透視概視圖。
(電子設備)
茲描述本發明之電子設備。本發明之電子設備包括該壓電元件及該層狀壓電元件。
圖14係本發明電子設備之實施態樣的數位相機主體931從前方觀看之透視概視圖。在主體931之前方配置光學裝置901、麥克風914、頻閃儀發光單元909及輔助照明單元916。麥克風914係結合於該主體內部，因此以虛線表示。在該主體之麥克風914前方提供孔以從外部收集聲音。
於該主體931上面上配置電源鈕933、揚聲器912、縮放槓桿932及釋放鈕908以供進行對焦操作。揚 聲器912係結合於該主體931內部，因此以虛線表示。在該主體之揚聲器912前方提供孔以使聲音傳遞至外部。
本發明之壓電聲學組件係用於麥克風914、揚聲器912及表面聲波元件中之至少一者。
本文中，已描述數位相機作為本發明電子設備。本發明之電子設備亦可應用於具有各種壓電聲學組件之電子設備，諸如放音機、錄音機、行動電話及資訊終端。圖15為圖示本發明之包括壓電元件或層狀壓電元件的電子設備之構造的示意圖。示於圖15之本發明的電子設備實例包括本發明之壓電元件或層狀壓電元件，且包括將電力輸入該壓電元件或層狀壓電元件或從該壓電元件或層狀壓電元件提取電力的電路。將電力輸入該壓電元件或層狀壓電元件容許表示因逆壓電效果所致的功能。反之，從該壓電元件或層狀壓電元件提取電力容許偵測電信號或提取由直接壓電效果所致的能量。
如上述，本發明壓電元件或層狀壓電元件可適當地應用於液體排出頭、液體排出裝置、超音波馬達、光學設備、振動裝置、除塵裝置、攝像裝置、壓電聲學組件及電子設備。使用本發明壓電元件或層狀壓電元件可提供具有與使用含鉛之壓電元件的情況相等或更高噴嘴密度及排出速率的液體排出頭。
使用本發明液體排出頭可提供具有與使用含鉛之壓電元件的情況相等或更高排出速率及排出精確度的液體排出裝置。使用本發明壓電元件或層狀壓電元件可提 供具有與使用含鉛之壓電元件的情況相等或更高驅動功率及耐久性的超音波馬達。
使用本發明超音波馬達可提供具有與使用含鉛之壓電元件的情況相等或更高耐久性及操作精確度之光學設備。
使用本發明壓電元件或層狀壓電元件可提供具有與使用含鉛之壓電元件的情況相等或更高振動能力及耐久性的振動裝置。
使用本發明振動裝置可提供具有與使用含鉛之壓電元件的情況相等或更高除塵效率及耐久性之除塵裝置。
使用本發明除塵裝置可提供具有與使用含鉛之壓電元件的情況相等或更高除塵功能之攝像裝置。
使用包括本發明壓電元件或層狀壓電元件之本發明壓電聲學組件可提供具有與使用含鉛之壓電元件的情況相等或更高發音能力的電子設備。
本發明壓電材料不僅可用於液體排出頭及馬達，亦可用於諸如超音波振動器、壓電致動器、壓電感測器及鐵電記憶體。
[實施例]
茲藉由實施例更明確描述本發明壓電材料及壓電元件，但本發明不限於以下實施例。
[實施例1]
如下秤重對應於以下式表示之組成的原材料：(NaxBa1-y)(NbyTi1-y)O3，其中x為0.84，y為0.88，且x/y為0.95，即，(Na0.84Ba0.12)(Nb0.88Ti0.12)O3。
原材料碳酸鈉(Na2CO3，純度：99.9%或更高)、氧化鈮(Nb2O5，純度：99%，平均晶粒直徑：1000nm)、及鈦酸鋇(BaTiO3，純度：99.9%或更高，平均晶粒直徑：100nm)係以產生組成(Na0.84Ba0.12)(Nb0.88Ti0.12)O3之Na、Ba、Nb、及Ti的比秤重。秤重氧化鋅(Zn(II)O，純度：99.99%，平均晶粒直徑：1000nm)以使Zn之含量根據1莫耳該組成(Na0.84Ba0.12)(Nb0.88Ti0.12)O3計為0.010莫耳。相似地，秤重氧化錳(Mn(IV)O2，純度：99.9%)以使Mn之含量為0.005莫耳，且秤重氧化鎂(MgO，純度：99.99%或更高)以使Mg之含量為0.001莫耳。該等經秤重之粉末及乙醇係使用球磨機濕式混合24小時。從該球磨機取出混合物漿體，並在80℃下加熱以移除乙醇而製備混合之原材料粉末。然後在大氣中於900℃下加熱該聚合之原材料粉末3小時以提供經煅燒粉末。將該經煅燒粉末粉碎，並將相對於該經煅燒粉末之重量為3重量%的量之聚乙烯丁醛(PVB)黏合劑添加該經煅燒粉末以供粒化。以該經粒化粉末填充模具，並在200MPa之壓力下將該經粒化粉末壓製成直徑為17mm且厚度為約1mm之生壓胚。所得之生壓胚係在大氣中於1100℃下加熱6小時作為燒製程序，以提供作為陶瓷樣本的本發明之壓電材料。
該壓電材料之組成係藉由感應耦合電漿(ICP)原子發射光譜法評估。結果展示此實施例之壓電材料主要由以(Na0.84Ba0.12)(Nb0.88Ti0.12)O3表示之金屬氧化物構成，且根據1莫耳之該主要組分計含有0.010莫耳之Zn、0.005莫耳之Mn、及0.001莫耳之Mg。Pb、K、及Co之含量根據1莫耳之該壓電材料計各少於1000ppm。在該實施例中，燒結後之組成物實質上與藉由在1100℃進行燒製之秤重組成物相同。即使Na及Zn之量因熱處理而減少，可藉由根據該程序中之減量來增加秤重量而獲得具有目標組成的陶瓷樣本。可省略此煅燒程序。
構成該壓電材料之晶粒的平均等效圓直徑及相對密度經評估且分別為3μm及98%。該等晶粒主要係以偏光顯微鏡觀察，但小晶粒之晶粒直徑係以掃描式電子顯微鏡(SEM)指定。平均等效圓直徑係藉由該等觀察影像之影像處理計算。相對密度係藉由阿基米德法評估。
隨後，將壓電材料拋光至約0.5mm之厚度。該樣本之經拋光表面於室溫(27℃)下的X射線繞射證實該陶瓷樣本之主要相為鈣鈦礦型結構，且未偵測到其他相的繞射。
隨後，製造本發明之壓電元件。為了移除該經拋光壓電材料內部的應力及在該材料表面上之有機組分，於大氣中在400℃下加熱該壓電材料30分鐘。藉由DC濺鍍在該經熱處理壓電材料各表面上形成具有400nm厚度的金屬電極。在各電極及陶瓷之間形成具有30nm之 厚度的鈦黏著層。將所得之具備電極的陶瓷裁成10 x 2.5 x 0.5mm之條狀本發明壓電元件。
(實施例2至9)
實施例2至9之壓電材料及壓電元件係如實施例1般製造，惟目標組成係如表1中所示者。如實施例1般評估該等壓電材料之組成，並確認與表1中所示之組成相同。在表1中，x表示Na之莫耳比，y表示Nb之莫耳比，z表示Zn之莫耳比，n表示Mn之莫耳比，且α表示Mg之莫耳比。Pb、K、及Co之含量未示於該表，但在根據各實施例中1莫耳之該壓電元件計係低於1000ppm。
實施例2至9之壓電材料的平均等效圓直徑及相對密度亦如實施例1般評估。每一平均等效圓直徑係在0.5μm或更大且為20μm或更小之範圍，最小平均等效圓直徑為實施例4之壓電材料的平均等效圓直徑，且最大平均等效圓直徑為實施例9之壓電材料的平均等效圓直徑。每一相對密度係在93%至99%之範圍，最小相對密度為實施例9之壓電材料的相對密度，且最大相對密度為實施例3之相對密度。
實施例2至9之壓電材料係如實施例1般拋光，且在室溫下對經拋光之表面進行X射線繞射測量。每一壓電材料之主要相均為鈣鈦礦型結構，且未偵測到其他相的繞射。
(燒製溫度之影響)
當實施例1至9之壓電材料的燒製溫度改變成1050℃或1150℃時，獲得實質上相同的壓電材料。即，該燒製溫度可為1150℃或更低。
然而，1000℃之燒製溫度提供在一些組成中具有低於93%相對密度的壓電材料。1200℃之燒製溫度提供在一些組成中具有大於30μm的平均等效圓直徑之壓電材料。
(對照例1至6)
對照例1至6之陶瓷及元件係如實施例1般製造。目標組成係示於表1。在對照實例3中，由於在1100℃之燒製溫度下該陶瓷之平均等效圓直徑小於0.5μm，該陶瓷係在1200℃之燒製溫度下製造。如實施例1之陶瓷的評估證實該等陶瓷具有表1所示之組成。
對照實例1至6之陶瓷的平均等效圓直徑及相對密度亦如實施例1般評估。每一陶瓷具有在0.5至20μm之範圍的平均等效圓直徑以及在93%至99%之範圍的相對密度。
對照實例1至6之陶瓷係如實施例1般拋光，且在室溫下對經拋光之表面進行X射線繞射測量。在對照實例1至3、5、及6之陶瓷中，主要相為鈣鈦礦型結構，且未偵測到其他相。然而，在對照實例4之陶瓷 中，關於鈣鈦礦型結構之繞射峰，亦觀察到繞射峰未識別之具有約九分之一的強度之任何結構。
以半導體參數分析儀評估實施例1至9中所製備之壓電元件以及對照例1至6中所製備之元件的電阻率。於室溫(27℃)下藉由在經配置以彼此面對面之元件的兩個電極之間施加10V的DC電壓並在從該施加起20秒之後的漏電流來測定電阻率。1.0×109ohm-cm或更高，特別是3.0×1010ohm-cm或更高之電阻率意謂著該壓電元件 供實際使用的充足絕緣性質。實施例1至9之壓電元件具有在40×109至2000×109ohm-cm之範圍的電阻率。對照實例1至3、5、及6之元件具有在2.0×109至60×109ohm-cm之範圍的電阻率。對照實例4之元件具有大漏電流且具有低於1×103ohm-cm之電阻率。
以改變實施例1至9中所製備之壓電元件以及對照例1至6中所製備之元件之溫度來測量相對介電常數變化，而各元件之居里溫度測定為顯示歸因於四方結構至立方結構之相轉變所致的最大相對介電常數之溫度。實施例1至9之壓電元件以及對照實例1至3及6的元件均具有適於元件實際使用之160℃或更高的居里溫度，然而對照實例4之元件具有大漏電流而不符合該等居里溫度。對照實例5之元件具有60℃之低居里溫度。
在評估鐵電性質及壓電性質之前，將實施例1至9中所製備之壓電元件以及對照例1至6中所製備之元件極化。更明確地說，在維持於150℃之油浴中將5kV/mm之電壓施加至樣本為時30分鐘，並在施加該電壓的同時將該樣本冷卻至室溫。對照實例4及5之元件在150℃下具有大洩電流，從而防止極化，因此未進行隨後的鐵電性及壓電性質評估。
為了判斷實施例1至9中所製備之壓電元件以及對照實例1至3及6中所製備之元件在實際電場中是否具有鐵電性，在室溫(27℃)下測量極化電場磁滯。在特定溫度區中顯示鐵電性的材料亦可用於記憶體元件。關於 判斷為具有鐵電性之元件，計算矯頑電場及內部電場，並比較該等場的大小。更明確地說，極化量係於將AC電場(三角波)施加至本發明之壓電元件時測量。該AC電場具有10至100Hz之頻率，且該電場的最大強度為±45kV/cm。矯頑電場可從極化電場曲線中自發性極化從負逆轉為正時之電場強度(+Ec)以及自發性極化從正逆轉為負時之電場強度(-Ec)計算。內部電場係計算為+Ec與-Ec之平均值(從原點起沿電場軸偏移的量，且當-Ec之絕對值大時為負值)。實施例1至9之壓電元件以及對照實例1至3及6之元件具有顯示根據外部電場的自發性極化之逆轉的鐵電性。矯頑電場之強度((+Ec之絕對值)+(-Ec之絕對值)/2)具有隨Mg含量而提高的傾向。內部電場具有隨Mg含量之負方向提高的傾向。特別是，實施例3至9之壓電元件具有16.0kV或更高之矯頑電場以及-2.0kV/cm或更低之內部電場。
實施例1至9中所製備之壓電元件以及對照實例1至3及6中所製備之元件的壓電常數(d31)及機械品質因數(Qm)係藉由共振-反共振法測量。測量結果係示於表2。
各樣本之壓電常數(d33)係使用Berlincourt法原理以d33計測量。
(壓電常數及機械品質因數之比較)
每一實施例1至9之壓電元件具有令人滿意的壓電常數(d31)及機械品質因數(Qm)，且具有使用Berlincourt法原理以d33計測量為140pC/N或更高之壓電常數(d33)。
含有Mn之實施例1至8的壓電元件各具有48μm/V或更高之壓電常數(d31)。
含有根據1莫耳作為主要組分的金屬氧化物計為0.005莫耳或更高且為0.020莫耳或更少之量的Mg 之實施例2至9的壓電元件各具有460或更高之機械品質因數。
對照實例1之元件不含Mg，從而具有低機械品質因數，且只含少量Na，從而具有小壓電常數(d31)。
對照實例2之元件含有過量Mg且具有低壓電常數(d31)。
對照實例3之元件不含Zn與Mn，從而具有小壓電常數(d31)。
對照實例4之元件含有過量Zn且具有大漏電流，其防止壓電性質之評估。
對照實例5之元件具有過小y值(Nb組分比)且具有低居里溫度，此防止壓電性質之評估。
實施例6之元件具有過大y值(Nb組分比)且具有小壓電常數(d31)。
[實施例10]
對應於實施例3之原材料係如下秤重。
如實施例3般製備原材料粉末，且係使用球磨機濕式混合24小時以脫水。於該混合之原材料粉末添加PVB黏合劑，然後混合之。以刮刀法將該混合物形成具有50μm厚度之生片材。
將用於內部電極層之傳導性糊劑印刷於該生片材上。作為傳導性糊劑，使用Ag70%-Pd30%(Ag/Pd=2.33)合金糊劑。堆疊九個各具備該傳導性糊劑之生片材以 提供層狀產物。該層狀產物係在1050℃下燒製5小時以獲得經燒結壓胚。將該經燒結壓胚裁切成10×2.5mm之尺寸。然後拋光側面，並藉由濺鍍Au來形成一對用於交替地短路該等內部電極層的外部電極(第一電極及第二電極)，而產生如圖2B所示之層狀壓電元件。
該層狀壓電元件之內部電極層的觀察揭露出作為電極材料之Ag-Pd及壓電材料係交替形成。
在評估壓電性之前，將該層狀壓電元件極化。更明確地說，在油浴中將該樣本加熱至150℃，在第一及第二電極之間施加2kV/mm之電壓為時30分鐘，並在施加該電壓的同時將該樣本冷卻至室溫。
所得之層狀壓電元件之壓電性評估證實該元件具有與實施例3之壓電材料相等的充足絕緣性質及令人滿意的壓電性質。
[實施例11]
圖3A及3B所顯示之液體排出頭係使用實施例3之壓電元件製造。確認油墨根據輸入電信號排出。
[實施例12]
圖4中所顯示之液體排出裝置係使用實施例11之液體排出頭製造。確認油墨根據輸入電信號排出。
[實施例13]
圖6A中顯示之超音波馬達係使用實施例3之壓電元件製造。確認該馬達根據AC電壓之施加的旋轉。
[實施例14]
圖7A及7B中所顯示之光學設備係使用實施例13之超音波馬達製造。確認根據AC電壓之施加的自動對焦操作。
[實施例15]
圖9A及9B所顯示之除塵裝置係使用實施例3之壓電元件製造。藉由施加AC電壓確認對於分散塑膠珠之令人滿意的除塵效率。
[實施例16]
圖12所顯示之攝像裝置係使用實施例15之除塵裝置製造。在該裝置之操作當中，令人滿意地移除攝像單元之表面上的粉塵，以提供無粉塵瑕疵之影像。
[實施例17]
圖3A及3B所顯示之液體排出頭係使用實施例10之層狀壓電元件製造。確認油墨根據輸入電信號排出。
[實施例18]
圖4中所顯示之液體排出裝置係使用實施例17之液體排出頭製造。確認油墨根據輸入電信號排出。
[實施例19]
圖6B中顯示之超音波馬達係使用實施例10之層狀壓電元件製造。確認該馬達根據AC電壓之施加的旋轉。
[實施例20]
圖7A及7B中所顯示之光學設備係使用實施例19之超音波馬達製造。確認根據AC電壓之施加的自動對焦操作。
[實施例21]
圖9A及9B所顯示之除塵裝置係使用實施例10之層狀壓電元件製造。藉由施加AC電壓確認對於分散塑膠珠之令人滿意的除塵效率。
[實施例22]
圖12所顯示之攝像裝置係使用實施例21之除塵裝置製造。在該裝置之操作當中，令人滿意地移除攝像單元之表面上的粉塵，以提供無粉塵瑕疵之影像。
[實施例23]
圖14中所示之壓電聲學組件及電子設備係使用實施例10之層狀壓電元件製造。確認根據AC電壓之施加的揚聲器操作。
[實施例24]
圖14中所示之壓電聲學組件及電子設備係使用實施例3之壓電元件製造。確認根據AC電壓之施加的揚聲器操作。
雖然已參考範例實施態樣描述本發明，但應暸解本發明不限於所揭示之範例實施態樣。以下申請專利範圍應符合最廣義解釋以包括所有此等修改及等效結構及功能。
[工業應用性]
本發明之壓電材料即使在高環境溫度下亦表現令人滿意的壓電性。此外，由於該壓電材料不含鉛，故環境負荷低。因此，本發明壓電材料可用於各種包括大量壓電材料之設備，諸如液體排出頭、超音波馬達及除塵裝置而不會造成任何問題。
1‧‧‧第一電極
2‧‧‧壓電材料構件
3‧‧‧第二電極

Claims (17)

  1. 一種壓電材料，其包含：由以式(1)表示之鈣鈦礦型金屬氧化物所構成的主要組分：(NaxBa1-y)(NbyTi1-y)O3，其中x為0.83或更大且為0.95或更小，y為0.85或更大且為0.95或更小，且x/y為0.95或更大且為1.05或更小；Zn組分；及Mg組分，其中Zn之含量根據1莫耳該鈣鈦礦型金屬氧化物計為0.005莫耳或更多且為0.050莫耳或更少；且Mg之含量根據1莫耳該鈣鈦礦型金屬氧化物計為0.001莫耳或更多且為0.020莫耳或更少。
  2. 如申請專利範圍第1項之壓電材料，其中該壓電材料係由平均等效圓直徑為0.5μm或更大且為20μm或更小之晶粒構成。
  3. 一種製造如申請專利範圍第1項之壓電材料的方法，該方法包括：燒製至少含有Na、Nb、Ba、Ti、Zn、及Mg之原材料粉末的步驟，其中該原材料粉末中所含的Na對Nb之莫耳比為0.95或更大且為1.10或更小。
  4. 如申請專利範圍第3項之方法，其中該燒製溫度為1000℃或更高且為1150℃或更低。
  5. 一種壓電元件，其至少包含：第一電極；壓電材料構件；及第二電極，其中該壓電材料構件係由如申請專利範圍第1項之壓電材料所構成。
  6. 一種層狀壓電元件，其包含：複數個壓電材料層；及複數個電極層，其包括至少一個內部電極層，其中該等壓電材料層及該等電極層係交替堆疊；及該等壓電材料層係由如申請專利範圍第1項之壓電材料製成。
  7. 如申請專利範圍第6項之層狀壓電元件，其中該內部電極層含有Ag對Pd之重量比為1.5或更大且為9.0或更小的Ag及Pd。
  8. 如申請專利範圍第6項之層狀壓電元件，其中該內部電極層含有Ni及Cu中至少一者。
  9. 一種液體排出頭，其至少包含：液體室，其包括含有如申請專利範圍第5項之壓電元件或如申請專利範圍第6項之層狀壓電元件的振動單元；及排出口，其與該液體室連通。
  10. 一種液體排出裝置，其包含：轉移物體固持單元；及 如申請專利範圍第9項之液體排出頭。
  11. 一種超音波馬達，其至少包含：振動組件，其包括如申請專利範圍第5項之壓電元件或如申請專利範圍第6項之層狀壓電元件；及與該振動組件接觸之可移動組件。
  12. 一種光學設備，其包含：驅動單元，其包括如申請專利範圍第11項之超音波馬達。
  13. 一種振動裝置，其包含：振動組件，其包括具備如申請專利範圍第5項之壓電元件或如申請專利範圍第6項之層狀壓電元件的膜片。
  14. 一種除塵裝置，其包含：包括如申請專利範圍第13項之振動裝置的振動單元。
  15. 一種攝像裝置，其至少包含：如申請專利範圍第14項之除塵裝置；及攝像元件單元，其中該除塵裝置具有在該攝像元件單元之光接收表面側的膜片。
  16. 一種壓電聲學組件，其包含：如申請專利範圍第5項之壓電元件或如申請專利範圍第6項之層狀壓電元件。
  17. 一種電子設備，其包含：如申請專利範圍第5項之壓電元件或如申請專利範圍 第6項之層狀壓電元件；及電路。
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