TWI508336B - 壓電材料、壓電元件、及電子設備 - Google Patents

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TWI508336B TW102148769A TW102148769A TWI508336B TW I508336 B TWI508336 B TW I508336B TW 102148769 A TW102148769 A TW 102148769A TW 102148769 A TW102148769 A TW 102148769A TW I508336 B TWI508336 B TW I508336B
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Takayuki Watanabe
Shunsuke Murakami
Tatsuo Furuta
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Canon Kk
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Description

壓電材料、壓電元件、及電子設備
本發明涉及一種壓電材料，尤其是無鉛壓電材料。本發明還涉及一種壓電元件、多層壓電元件、液體排出頭、液體排出設備、超音波馬達、光學設備、振動設備、灰塵去除設備、影像拾取設備和電子設備，上述每一個都包括這種壓電材料。
含鉛的鋯鈦酸鉛是典型的壓電材料且用於各種壓電裝置，諸如致動器、振盪器、感測器和濾波器。在這種壓電裝置被丟棄之後，壓電材料的鉛成分可能遷移到土壤中，對生態系統產生有害影響。基於此理由，為了提供無鉛壓電裝置，正在集中研究無鉛壓電材料。
用於諸如家用器材產品中的壓電元件之壓電性能在產品的操作溫度範圍內必須不會明顯地改變。當關於壓電性能的參數，諸如電機械耦合因數、介電常數、楊氏模量、壓電常數、機械品質因數和共振頻率，回應溫度的變化而明顯改變(例如30%以上)時，難以提供在操作溫度範圍 內穩定的元件性能。在壓電材料的相變期間，壓電性在相變溫度變得最大。因而，相變是引起壓電性能變化的最大因素。因此，當想要產品操作溫度範圍內的壓電性能穩定時，需要相變溫度不在操作溫度範圍內的壓電材料。
用於諸如超音波馬達的共振裝置的壓電組成物理想地具有高機械品質因數，其代表共振銳度(resonance sharpness)的程度。當機械品質因數低時，需要高功率來操作或壓電元件產生熱量且其驅動變得難以控制。基於這些理由，已經存在對具有高機械品質因數的壓電材料的需求。
日本專利特開No.2009-215111(以下稱為專利文獻1)公開一種以擬二元固體溶液{[(Ba1-x1 M1x1 )((Ti1-x Zrx )1-y1 N1y1 )O3 ]-δ%[(Ba1-y Cay )1-x2 M2x2 )(Ti1-y2 N2y2 )O3 ]}(M1，N1，M2和N2是添加元素)表示的材料。
(Ba1-x1 M1x1 )((Ti1-x Zrx )1-y1 N1y1 )O3 形成菱面體晶體。
(Ba1-y Cay )1-x2 M2x2 )(Ti1-y2 N2y2 )O3 形成正方晶體。透過具有不同晶系的兩種成分相互溶解，該菱面體晶體和該正方晶體之間的相變溫度被調整成約室溫。專利文獻1揭示例如BaTi0.8 Zr0.2 O3 -50%Ba0.7 Ca0.3 TiO3 具有約室溫的相變溫度且在20℃具有584pC/N、在70℃具有368pC/N的壓電常數d33 。即，與在20℃的壓電常數d33 相比，溫度增加40℃導致壓電常數d33 減少37%。專利文獻1的壓電材料在室溫發生相變，在此時壓電性變得最大，因此在約室溫具 有高壓電性能；然而，壓電材料的壓電性能回應溫度的變化明顯地改變。在該壓電材料中，作為末端構件的(Ba1-x1 M1x1 )((Ti1-x Zrx )1-y1 N1y1 )O3 中的Zr的比例(x)被設定為大於0.1以形成菱面體晶體。
Karaki在第15屆美國-日本介電和壓電陶瓷研討會擴展摘要，P40-41，公開一種對混合有0.03重量份Mn和0至0.3重量份LiBiO2 的BaTiO3 透過兩步驟燒結處理燒製獲得的壓電陶瓷。由於添加LiBiO2 ，混合有0.03重量份Mn的BaTiO3 的矯頑電場隨著添加的LiBiO2 量大致線性增加，BaTiO3 的壓電常數d33 、介電常數和介電損耗角正切(dielectric loss tangent)類似地減少。當添加0.17重量份的LiBiO2 時，壓電常數d33 是243pC/N，而矯頑電場是0.3kV/mm。當添加0.3重量份的LiBiO2 時，矯頑電場是0.5kV/mm。然而，本發明的發明人進行了徹底的研究，結果，發現該壓電材料在5℃至-30℃的溫度範圍內發生菱面體晶體和正方晶體之間的相變，且該壓電材料在室溫時具有低於500的低機械品質因數。
現有技術的不利之處在於：壓電陶瓷的壓電性能在壓電元件的操作溫度範圍內明顯地改變，壓電陶瓷具有低機械品質因數。
本發明提供一種不含鉛的壓電材料，其在操作溫度範圍內不發生相變，且具有高密度、高機械品質因數和良好的壓電性質。本發明還提供一種壓電元件、多層壓電元件、液體排出頭、液體排出設備、超音波馬達、光學設 備、振動設備、灰塵去除設備、影像拾取設備和電子設備，它們均包括該壓電材料。
本發明提供一種壓電材料，所述壓電材料包括包含由以下通式(1)表示的鈣鈦礦(perovskite)型金屬氧化物的主要成分、作為第一副成分的Mn、作為第二副成分的Li和作為第三副成分的Bi，其中Mn含量相對於100重量份該金屬氧化物以金屬計是0.04重量份以上且0.36重量份以下，Li含量α相對於100重量份該金屬氧化物以金屬計是0.0013重量份以上且0.0280重量份以下，Bi含量β相對於100重量份該金屬氧化物以金屬計是0.042重量份以上且0.850重量份以下，含量α、β滿足0.5(α．MB)/(β．ML)1(其中ML表示Li的原子量，MB表示Bi的原子量)：(Ba1-x Cax )a (Ti1-y-z Zry Snz )O3 (1)(其中，x、y、z、a滿足0.09x0.30，0.025y0.074，0z0.02，0.986a1.02)。
從以下參考附圖的示例性實施方式的描述中，本發明進一步的特徵將變得顯而易見。
1‧‧‧第一電極
2‧‧‧壓電材料
3‧‧‧第二電極
51‧‧‧第一電極
53‧‧‧第二電極
54‧‧‧壓電材料層
55‧‧‧內部電極
101‧‧‧壓電元件
102‧‧‧個別液體室
103‧‧‧振動板
104‧‧‧液體室分隔部
105‧‧‧排出口
107‧‧‧公共液體室
108‧‧‧緩衝層
200‧‧‧快門單元
201‧‧‧振動器
202‧‧‧轉子
203‧‧‧輸出軸
204‧‧‧振動器
205‧‧‧轉子
206‧‧‧加壓彈簧
300‧‧‧主體底盤
310‧‧‧灰塵去除設備
320‧‧‧振動板
330‧‧‧壓電元件
331‧‧‧壓電材料
332‧‧‧第一電極
333‧‧‧第二電極
336‧‧‧第一電極表面
337‧‧‧第二電極表面
400‧‧‧影像拾取單元
501‧‧‧第一電極
503‧‧‧第二電極
504‧‧‧壓電材料層
505‧‧‧內部電極
506a‧‧‧外部電極
506b‧‧‧外部電極
601‧‧‧主體
602‧‧‧支座
605‧‧‧鏡箱
606‧‧‧主鏡
702‧‧‧對焦透鏡
711‧‧‧移除支座
712‧‧‧固定筒
712a‧‧‧支座側端面
712b‧‧‧固定筒712的外部
713‧‧‧線性引導筒
713a‧‧‧線性引導溝槽
713b‧‧‧環形溝槽
714‧‧‧前透鏡組筒
715‧‧‧凸輪環
715a‧‧‧凸輪溝槽
715b‧‧‧切口
716‧‧‧後透鏡組筒
717a‧‧‧凸輪輥子
717b‧‧‧凸輪輥子
718‧‧‧軸螺釘
719‧‧‧輥子
720‧‧‧旋轉傳遞環
720f‧‧‧軸
722‧‧‧從動輥子
722a‧‧‧大直徑部
722b‧‧‧小直徑部
724‧‧‧手動對焦環
724a‧‧‧前端面
724b‧‧‧支座側端面
724c‧‧‧手動對焦環724的內直徑
725‧‧‧超音波馬達
725b‧‧‧定子
725c‧‧‧轉子
726‧‧‧波形墊圈
727‧‧‧滾珠座圈
728‧‧‧對焦鍵
729‧‧‧接頭構件
732‧‧‧墊圈
733‧‧‧低摩擦片
881‧‧‧液體排出設備(噴墨記錄設備)
882‧‧‧外構件
883‧‧‧外構件
884‧‧‧外構件
885‧‧‧外構件
887‧‧‧外構件
890‧‧‧恢復單元
891‧‧‧記錄單元
892‧‧‧滑架
896‧‧‧設備本體
897‧‧‧自動饋送單元
898‧‧‧出口
899‧‧‧傳輸單元
901‧‧‧光學裝置
908‧‧‧釋放鈕
909‧‧‧電子閃光單元
912‧‧‧揚聲器
914‧‧‧麥克風
916‧‧‧補充光單元
931‧‧‧主體
932‧‧‧變焦桿
933‧‧‧電源開關
1011‧‧‧第一電極
1012‧‧‧壓電材料
1013‧‧‧第二電極
2011‧‧‧金屬彈性環
2012‧‧‧壓電元件
2013‧‧‧有機黏著劑
2041‧‧‧柱狀金屬彈性構件
2042‧‧‧多層壓電元件
圖1是示出根據本發明實施方式的壓電元件的構造的示意圖。
圖2A和圖2B各包括示出根據本發明實施方式的多層壓電元件的構造的示意剖面圖。
圖3A和圖3B各包括示出根據本發明實施方式的液體排出頭的構造的示意圖。
圖4是示出根據本發明實施方式的液體排出設備的示意圖。
圖5是示出根據本發明實施方式的液體排出設備的示意圖。
圖6A和圖6B各包括示出根據本發明實施方式的超音波馬達的構造的示意圖。
圖7A和圖7B各包括示出根據本發明實施方式的光學設備的示意圖。
圖8是示出根據本發明實施方式的光學設備的示意圖。
圖9A和圖9B各包括示出包括根據本發明實施方式的振動設備的灰塵去除設備的示意圖。
圖10A至圖10C是示出根據本發明實施方式的灰塵去除設備中的壓電元件的構造示意圖。
圖11A和圖11B是示出根據本發明實施方式的灰塵去除設備的振動原理的示意圖。
圖12是示出根據本發明實施方式的影像拾取設備的示意圖。
圖13是示出根據本發明實施方式的影像拾取設備的示意圖。
圖14是示出根據本發明實施方式的電子設備的示意圖。
圖15示出比較例2至5和實施例10、12、13、16中壓電材料的各個相對介電常數的溫度依賴性。
圖16示出比較例2至5和實施例10、12、13、16中壓電材料的各個介電損耗角正切的溫度依賴性。
圖17示出比較例2至5和實施例10、12、13、16中壓電材料的各個壓電常數d31 的溫度依賴性。
圖18示出比較例2至5和實施例10、12、13、16中壓電材料的各個機械品質因數的溫度依賴性。
下文中，將描述本發明的實施方式。
本發明提供包含(Ba，Ca)(Ti，Zr，Sn)O3 作為主要成分的無鉛壓電材料，其具有高密度和高機械品質因數，在操作溫度範圍內不發生相變，具有良好的壓電性質和絕緣性質。根據本發明實施方式的這種壓電材料具有介電特性，且因此可被用於各種應用，諸如記憶體和感測器。
根據本發明實施方式的壓電材料包括包含由以下通式(1)表示的鈣鈦礦型金屬氧化物的主要成分、作為第一副成分的Mn、作為第二副成分的Li和作為第三副成分的Bi，其中Mn含量相對於100重量份的該金屬氧化物以金屬計是0.04重量份以上且0.36重量份以下，Li含量α相 對於100重量份的該金屬氧化物以金屬計是0.0013重量份以上且0.0280重量份以下，Bi含量β相對於100重量份的該金屬氧化物以金屬計是0.042重量份以上且0.850重量份以下，含量α、β滿足0.5(α．MB)/(β．ML)1(其中ML表示Li的原子量，MB表示Bi的原子量)
(Ba1-x Cax )a (Ti1-y-z Zry Snz )O3 (1)
(其中x、y、z、a滿足0.09x0.30，0.025y0.074，0z0.02，0.986a1.02)。
式(1)表示的鈣鈦礦型金屬氧化物作為主要成分包含在該壓電材料中。
本文使用的術語“鈣鈦礦型金屬氧化物”表示如岩波物理暨化學辭典第5版(岩波書店1998年2月20日發行的)描述的具有鈣鈦礦型結構(也稱為鈣鈦礦結構)的金屬氧化物。通常，具有鈣鈦礦型結構的金屬氧化物是以化學式ABO3 表示。在鈣鈦礦型金屬氧化物中，元素A和B以離子呈現且佔據單位晶格的特定位址(A位址和B位址)。例如，在立方單位晶格的情況下，元素A位於立方體的頂點，元素B位於立方體的體中心。元素O以氧陰離子呈現，佔據立方體的面中心。在以上描述中，“式(1)表示的鈣鈦礦型金屬氧化物作為主要成分包含在壓電材料中”意指用於表現壓電性質的主要成分是式(1)表示的鈣鈦礦型金屬氧化物。例如，該壓電材料可包含用於調節其性質的成分，例如上述錳，或者在製造期間引入的雜質。
從絕緣性質的觀點，根據本發明實施方式的壓電材料包含鈣鈦礦型金屬氧化物作為主相。可基於例如透過X射線繞射測量壓電材料，根據來自該鈣鈦礦型金屬氧化物的最大繞射強度是否為來自雜質相的最大繞射強度的100倍以上，來確定鈣鈦礦型金屬氧化物是否構成主相。當這種壓電材料僅由鈣鈦礦型金屬氧化物構成時，它具有最大絕緣性質。術語“主相”指壓電材料透過粉末X-射線繞射測量且具有最高繞射強度的峰值來自鈣鈦礦型結構。壓電材料可具有“單相”結構，即，壓電材料可實質上完全由鈣鈦礦型晶體構成。
在通式(1)表示的金屬氧化物中，位於A位址的金屬元素是Ba和Ca，位於B位址的金屬元素是Ti、Zr和Sn。有些Ba和Ca離子可位於B位址。同樣地，Ti、Zr離子有些可位於A位址。當Sn離子位於A位址時，壓電性質可能降低。
在通式(1)中，B位址元素對O元素的莫耳比是1：3。然而，本發明也涵蓋該元素莫耳比略微偏離1：3的情況(例如，在1.00：2.94至1.00：3.06的範圍內)，只要金屬氧化物具有鈣鈦礦型結構作為主相。
根據本發明實施方式的壓電材料的形式沒有限制，而可以是任何形式，諸如陶瓷、粉末、單晶體、膜或漿料。此壓電材料可具有陶瓷形式。本文使用的術語“陶瓷”表示主要由金屬氧化物形成且透過熱處理燒結的晶體顆粒的集合體(也稱為塊)，即多晶體。術語“陶瓷”也表示在燒結 之後已被處理的多晶體。
在通式(1)中，Ca比例x滿足0.09x0.30。當Ca比例x小於0.09且Zr比例y是0.025以上時，從正方晶體到斜方晶體的相變的溫度(下文中Tto )大於-10℃。儘管Li和Bi成分的添加可降低Tto ，但大量Li和Bi的添加是不希望的。
在Zr比例y和Sn比例z增加時，Tto 增加。然而，只要Ca比例x是0.09以上，不論上述範圍內的Zr比例y和Sn比例z，Li和Bi成分的添加能夠將Tto 降低至-30℃以下。當比例x大於0.3時，Ca在1400℃以下的燒結溫度不固溶，產生作為雜質相的CaTiO3 且壓電性能降低。因此，為了以Li和Bi成分的最小添加而將Tto 降低至-10℃以下，且為了抑制引起壓電性降低的CaTiO3 的產生，比例x滿足0.09x0.30(BaTiO3 在室溫形成正方晶體)。當處於室溫的BaTiO3 被冷卻時，它在Tto 相變成斜方晶體。當形成斜方晶體的BaTiO3 被加熱時，它從斜方晶體相變至正方晶體。本說明書中此相變的溫度被界定為Tot 。Tto 和Tot 滿足Tto <Tot 。當Ca比例x是0.12以上時，Li和Bi成分的添加可將相變溫度降低到-40℃以下。結果，在操作溫度範圍內的壓電性的溫度依賴性可被降低。總之，Ca比例x較佳滿足0.12x0.30。
Zr比例y滿足0.025y0.074。當Zr比例y小於0.025時，壓電性降低。當Zr比例y大於0.074時，居禮溫度Tc(下文中Tc)可小於100℃。為了實現良好的壓 電性質且為了將Tc設定成100℃以上，y滿足0.025y0.074。
0.04以上的Zr比例y在室溫下導致高介電常數以進一步增加壓電性。因此，Zr比例y較佳滿足0.04y0.074。
Sn比例z滿足z0.02。Zr和Sn被添加用於增加壓電材料的相對介電常數。然而，用Zr或Sn替代Ti也增加本實施方式的壓電材料的溫度Tto 。出現在操作溫度範圍內的Tto 增加壓電性能的溫度依賴性，這是不希望的。因此，Tto 由於Zr或Sn的添加而導致的增量透過添加具有降低Tto 的效果的Ca而抵消。在用Sn替代Ti的情況下Tto 的增量比用Zr替代Ti的情況低。在BaTiO3 中，用Zr替代Ti的1%導致Tto 增加12℃，而用Sn替代Ti的1%導致Tto 增加5℃。因而，用Sn替代Ti需要的Ca量較少。當壓電材料具有低的Ca含量時，它具有高機械品質因數。因此，Sn的比例z被設定為滿足z0.02。當比例z滿足z>0.02時，取決於Zr的比例，Tc可能變成小於100℃，這是不希望的。
Ba和Ca的總莫耳數對Zr、Ti和Sn的總莫耳數的比值a即a=(Ba+Ca)/(Zr+Ti+Sn)滿足0.986a1.02。當該比值a小於0.986時，在燒製期間出現異常顆粒生長。平均顆粒尺寸成為50μm以上，且材料的機械強度和電機械耦合因數變低。當該比值a大於1.02時，不能獲得具有高密度的壓電材料。具有低密度的壓電材料具有低壓電 性。在該實施方式中，未充分燒製的樣本具有比充分燒製的高密度樣本低至少5%的密度。為了獲得具有高密度和高機械強度的壓電材料，比值a被設定為滿足0.986a1.02。
該實施方式的壓電材料包含作為第一副成分的Mn。Mn含量相對於100重量份的由通式(1)表示的鈣鈦礦型金屬氧化物以金屬計是0.04重量份以上且0.36重量份以下。當Mn含量滿足此範圍時，機械品質因數增加。當Mn含量小於0.04重量份時，不能獲得增加機械品質因數的效果。另一方面，當Mn含量大於0.36重量份時，壓電材料的絕緣電阻(insulation resistance)減少。當壓電材料具有低絕緣電阻時，用阻抗分析器在室溫下在施加具有1kHz頻率和10V/cm的電場強度的交流電場的情況下測量的壓電材料的介電損耗角正切大於0.01，或電阻率是1GΩcm以下。
Mn理想地佔據B位址。通常，Mn具有4+、2+或3+價。在傳導電子出現在晶體中的情況下(例如，在晶體中出現氧缺陷，或供體元素佔據A位址)，Mn的化合價從4+減少到3+或2+，允許捕獲傳導電子以增加絕緣電阻。
當Mn具有少於4+的化合價、諸如2+時，Mn作為接受體。當鈣鈦礦結構晶體中存在Mn作為接受體時，在晶體中產生電洞或在晶體中形成氧空位。
當添加的大多數Mn離子具有2+或3+的化合價時，氧空位的引入不能充分地補償電洞且絕緣電阻降低。因 此，大多數Mn離子理想地具有4+的化合價。然而，很少量的Mn離子可具有小於4+的化合價以作為接受體，佔據鈣鈦礦結構的B位址，且引起氧空位的形成。這是因為具有2+或3+的化合價的Mn離子和氧空位形成缺陷偶極子，從而增加壓電材料的機械品質因數。當三價Bi離子佔據A位址時，為了保持電荷的平衡，Mn離子趨向於具有低於4+的化合價。
以很小的量添加到非磁性(反磁性)物質的Mn的化合價可透過測量磁化率的溫度依賴性來評估。磁化率可透過超導量子干涉裝置(superconducting quantum interference device，SQUID)、振動樣本磁強計(vibrating sample magnetometer，VSM)或磁天平測量。通常，透過該測量獲得的磁化率χ遵循由式(2)表示的居禮-外斯法則：χ=C/(T-θ) (2)
其中C表示居禮常數，θ表示順磁居禮溫度。
通常，當以很小量添加到非磁性物質的Mn具有2+的化合價時，它具有5/2的自旋S，當Mn具有3+的化合價時，它具有2的自旋S，當Mn具有4+的化合價時，它具有3/2的自旋S。根據Mn單位量轉換的居禮常數C對應於具有該化合價的Mn的自旋值S。因此，透過從磁化率χ的溫度依賴性獲得居禮常數C，可評估Mn的化合價。
為了評估居禮常數C，磁化率的溫度依賴性理想地從盡可能低的溫度測量。這是因為Mn的量很小，且因此在 相對高溫度、例如在約室溫的磁化率很小，且難以測量。居禮常數C能以以下方式獲得：將磁化率的倒數1/χ相對於溫度T繪曲線，曲線進行線性近似，生成的直線的梯度被定為居禮常數C。
本實施方式的壓電材料含有作為第二副成分的Li和作為第三副成分的Bi。Li含量(α)相對於100重量份的由通式(1)表示的鈣鈦礦型金屬氧化物以金屬計是0.0013重量份以上且0.0280重量份以下。Bi含量(β)相對於100重量份的由通式(1)表示的鈣鈦礦型金屬氧化物以金屬計是0.042重量份以上且0.850重量份以下。Li含量α和Bi含量β滿足式(1)的關係：
其中ML表示Li的原子量，MB表示Bi的原子量。
當Li含量少於0.0013重量份且Bi含量少於0.042重量份時，不能獲得降低相變溫度和增加機械品質因數的效果。當Li含量大於0.280重量份且Bi含量大於0.850重量份時，與不添加Li和Bi的情況相比，電機械耦合因數降低大於30%。當Li-Bi莫耳比(α．MB)/(β．ML)小於0.5時，居禮溫度減少，這是不希望的。當Li-Bi莫耳比(α．MB)/(β．ML)大於1時，介電損耗角正切增加。當存在Li和Bi以便滿足式(1)時，雖然居禮溫度不降低且絕緣電阻不降低，Tto 和Tot 可降低且機械品質因數可增加。
添加的Li和Bi的部分可存在於顆粒邊界中或可溶解在(Ba,Ca)(Ti,Zr,Sn)O3 的鈣鈦礦型結構中。Li和Bi可具 有(Li0.5 Bi0.5 )2+ 形式且可佔據A位址。Li和Bi可作為接受體且佔據四價B位址。
當Li和Bi存在於顆粒邊界中時，顆粒之間的摩擦減少且機械品質因數增加。當Li和Bi溶解在(Ba,Ca)(Ti,Zr,Sn)O3 的鈣鈦礦結構中時，Tto 和Tot 可降低，且機械品質因數可進一步增加。
Li和Bi的位置可透過例如X射線繞射、電子束繞射、電子顯微鏡或雷射燒蝕(laser ablation)ICP-MS確定。
當Li和Bi佔據B位址時，由於Li和Bi具有比Ti和Zr大的離子半徑，鈣鈦礦結構的晶格常數增加。
當Li和Bi佔據A位址時，對於透過燒製提供高密度陶瓷最佳的值a降低。在BaO-TiO2 相圖中，相對於BaO和TiO2 具有1：1莫耳比的組成，TiO2 豐富區域在高溫具有液相。因此，在BaTiO3 陶瓷的燒製期間，當TiO2 含量大於化學計量比時，液相被燒結以產生異常顆粒生長。另一方面，當BaO含量高時，不大可能進行燒結，且生成的陶瓷具有低密度。儘管LiBiO2 已知作為燒結助劑，Li和Bi成分佔據A址位以提供過量的A位址成分且陶瓷的燒結可被抑制。結果，生成的陶瓷具有低密度。在這種情況下，透過降低值a，可促進燒結且可獲得高密度樣本。
透過例如ICP分析可評估Li含量、Bi含量和Li-Bi含量比。
為了利於本實施方式的壓電材料的產生和調整本實施 方式的壓電材料的性質的目的，5莫耳%以下的Ba和Ca可由諸如Sr的二價金屬元素替代。同樣，5莫耳%以下的Ti、Zr和Sn可由諸如Hf的四價金屬元素替代。
可透過例如阿基米德方法測量燒結體的密度。在此實施方式中，當燒結體的測量密度(ρmeas. )和由燒結體的組成和晶格常數確定的理論密度(ρcalc. )的比例、即相對密度(100ρcalc. /ρmeas. )是95以上時，燒結體被認為具有作為壓電材料的足夠高的密度。
居禮溫度Tc如下：壓電材料在居禮溫度Tc以上失去壓電性。在本說明書中，接近鐵電相(正方晶體相)和順電相(立方晶體相)之間的相變溫度且介電常數變得最大的溫度被界定為Tc。介電常數以例如阻抗分析器在施加具有1kHz頻率和10V/cm的電場強度的交流電場下測量。
在溫度從低溫增加時，本實施方式的壓電材料發生從菱面體晶體、斜方晶體、正方晶體、立方晶體到六方晶體的連續相變。本說明書中所稱的相變僅指從斜方晶體到正方晶體或從正方晶體到斜方晶體的相變。可以按照與居禮溫度相同的測量方法來評估相變溫度，介電常數變得最大的溫度被界定為相變溫度。可透過例如X射線繞射、電子束繞射或拉曼光譜分析來評估晶系。
使機械品質因數下降的原因之一是疇壁(domain wall)振動。通常，疇結構越複雜，則疇壁的密度越高，且機械品質因數越低。斜方鈣鈦礦結構和正方鈣鈦礦結構 的自發極化的晶向以擬立方表示分別為<110>和<100>。即，正方結構中的自發極化的空間自由度比斜方結構中的低。因此，正方結構具有更簡單的疇結構，即使在相同組成的情況下，它具有更高的機械品質因數。因而，本實施方式的壓電材料理想地在操作溫度範圍內具有正方結構，而不是斜方結構。
在相變溫度附近的溫度下，介電常數和電機械耦合因數變得最大且楊式模量變得最小。壓電常數是這三個參數的函數且在相變溫度附近具有最大值或拐點(point of inflection)。因此，當在裝置的操作溫度範圍內發生相變時，裝置的性能回應溫度的變化而過度改變，或共振頻率回應溫度的變化而改變，而引起裝置控制的困難。總之，理想的是在操作溫度範圍內不會發生相變其係引起壓電性能改變的最大因素。相變溫度離操作溫度範圍越遠，則在操作溫度範圍內壓電性能的溫度依賴性就越小，這是所希望的。
本實施方式的壓電材料可包含第四副成分，該成分包含Si和B中的至少一個。此第四副成分的含量相對於100重量份由通式(1)表示的金屬氧化物以金屬計可以是0.001重量份以上並且4.000重量份以下。第四副成分具有減少本實施方式的壓電材料的燒結溫度的效果。當壓電材料用於多層壓電元件時，在多層壓電元件的製造過程中，壓電材料與電極材料燒結在一起。通常，電極材料具有比壓電材料低的耐熱溫度。因此，當用於壓電材料的燒 結溫度可被降低時，燒結所需的能量減少，且電極材料的選擇數增加，這是所希望的。
當第四副成分含量小於0.001重量份時，不能提供降低燒結溫度的效果。當第四副成分含量大於4.000重量份時，該樣本具有比不包含此第四副成分且在最佳條件下燒製(例如在空氣中在1300℃至1350℃燒製)而獲得的樣本低至少30%壓電性。當第四副成分含量是0.001重量份以上且4.000重量份以下時，壓電性的減少可被抑制為少於30%，且可降低燒結溫度。特別是，當第四副成分含量是0.05重量份以上時，透過在低於1250℃的燒結溫度的燒製可提供高密度陶瓷，這是更希望的。當第四副成分含量是0.09重量份以上且0.15重量份以下時，可以在1200℃以下執行燒製且壓電性的降低可被抑制到20%以下，這仍然是更希望的。
在本實施方式的壓電材料中，α和β能滿足0.19<2.15α+1.11β<1。與α和β不滿足該關係的情況相比，當α和β滿足該關係時，壓電材料具有高機械品質因數。
本實施方式的壓電材料，在通式(1)中可滿足y+z(11x/14)-0.037。當x、y、z滿足該關係時，Tto 變成低於-20℃。
本實施方式的壓電材料理想地不具有在-60℃以上且100℃以下的範圍內的相變溫度。當壓電材料不具有在該範圍內的相變溫度時，在操作溫度下不大可能發生特性波 動。
本實施方式的壓電材料的製造方法沒有特別限制。
當製造壓電陶瓷時，可以採用在正常壓力下燒結固體粉末的標準方法，該固體粉末包含例如包含構成元素的氧化物、碳酸鹽、硝酸鹽和草酸鹽。這些原料包括金屬化合物，諸如Ba化合物、Ca化合物、Ti化合物、Zr化合物、Sn化合物、Mn化合物、Li化合物和Bi化合物。
可使用的Ba化合物的例子包括氧化鋇、碳酸鋇、草酸鋇、醋酸鋇、硝酸鋇、鈦酸鋇、鋯酸鋇和鋯鈦酸鋇。
可使用的Ca化合物的例子包括氧化鈣、碳酸鈣、草酸鈣、醋酸鈣、鈦酸鈣和鋯酸鈣。
可使用的Ti化合物的例子包括氧化鈦、鈦酸鋇、鋯鈦酸鋇和鈦酸鈣。
可使用的Zr化合物的例子包括氧化鋯、鋯酸鋇、鋯鈦酸鋇和鋯酸鈣。
可使用的Sn化合物的例子包括氧化錫、錫酸鋇和錫酸鈣。
可使用的Mn化合物的例子包括碳酸錳、一氧化錳、二氧化錳、三氧化四錳和醋酸錳。
可使用的Li化合物的例子包括碳酸鋰和鉍酸鋰。
可使用的Bi化合物的例子包括氧化鉍和鉍酸鋰。
用於調整本實施方式的壓電陶瓷中的在A位址的Ba和Ca的含量與在B位址的Ti、Zr和Sn的含量的莫耳比a的材料沒有特別限制。Ba化合物、Ca化合物、Ti化合 物、Zr化合物和Sn化合物提供相同效果。
用於粒化本實施方式的壓電材料的原料粉末的方法沒有特別限制。粒化中可使用的黏著劑的例子包括PVA(聚乙烯醇)、PVB(聚乙烯醇縮丁醛)和丙烯酸系樹脂。考慮壓實體的密度的增加，添加的黏著劑的量較佳是1重量份至10重量份，更較佳是2重量份至5重量份。透過機械混合Ba化合物、Ca化合物、Ti化合物、Zr化合物、Sn化合物和Mn化合物獲得的粉末混合物可被粒化，這些化合物可以在約800℃至約1300℃下煅燒且接下來粒化；或者，Ba化合物、Ca化合物、Ti化合物、Zr化合物、Sn化合物、Li化合物和Bi化合物可被煅燒，而Mn化合物和黏著劑可被同時添加到這些煅燒的化合物中。最理想的粒化方法是噴霧乾燥法，因為可以使得粒化粉末的顆粒尺寸更均勻。
用於形成本實施方式的壓電陶瓷的壓實體的方法沒有特別限制。壓實體是由原料粉末、粒化粉末或漿料形成的固體。壓實體可由例如單軸壓製、冷等靜壓、熱等靜壓、鑄造或擠出形成。
用於燒結本實施方式的壓電陶瓷的方法沒有特別限制。可以透過例如用電爐燒結、用瓦斯爐燒結、電加熱、微波燒結、毫米波燒結或HIP(熱等靜壓)執行燒結。用電爐燒結和用瓦斯爐燒結可用連續爐或批次爐執行。
在燒結方法中，陶瓷燒結溫度沒有特別限制。陶瓷燒結溫度理想地是化合物反應和晶體充分生長的溫度。從提 供具有3μm-30μm的顆粒尺寸的陶瓷顆粒的觀點，燒結溫度較佳為1100℃以上且1550℃以下，更較佳為1100℃以上且1380℃以下。透過在這樣的溫度範圍內燒結得到的壓電陶瓷具有良好的壓電性能。
為了以高再現性穩定透過燒結獲得的壓電陶瓷的特性，可在上述範圍內的恆定溫度執行燒結2小時以上且24小時以下。
可以使用諸如兩步燒結法的燒結方法。然而，從生產力的觀點，可使用不涉及劇烈溫度變化的燒結方法。
在壓電陶瓷被拋光之後，它可在1000℃以上的溫度進行熱處理。當壓電陶瓷被機械拋光時，在壓電陶瓷中產生殘餘應力。透過在1000℃以上熱處理該壓電陶瓷，減少了殘餘應力且增強了壓電陶瓷的壓電性質。該熱處理還消除了沉積在顆粒邊界中的碳酸鋇等的原料粉末。熱處理的時間沒有特別限制，可以是一小時以上。
當本實施方式的壓電材料具有大於100μm的晶體顆粒尺寸時，此材料可能具有不足以切割和拋光的強度。當顆粒尺寸小於0.3μm時，壓電性降低。總之，顆粒尺寸較佳平均0.3μm以上且100μm以下，更較佳3μm以上且30μm以下。
本文使用的術語“顆粒尺寸”表示在顯微鏡觀察法中一般所稱的“投影面積相當圓形直徑”，即具有與晶體顆粒的投影面積相同面積的正圓形的直徑。在該實施方式中，用於測量顆粒尺寸的方法沒有特別限制。例如，壓電材料的 表面用偏光顯微鏡或掃描式電子顯微鏡照相，獲得的顯微圖經過影像處理且定出顆粒尺寸。由於最佳放大倍率根據目標顆粒尺寸而不同，可對於目標顆粒尺寸進行光學顯微鏡和電子顯影鏡的選擇。代替材料表面的影像，可從拋光表面或材料剖面的影像定出相當圓形直徑。
當本實施方式的壓電材料被用作形成在基板上的膜時，壓電材料較佳具有200nm以上且10μm以下的厚度，更較佳300nm以上且3μm以下的厚度。這是因為具有200nm以上且10μm以下膜厚度的壓電材料具有作為壓電元件足夠的電機械轉換功能(electromechanical transduction function)。
用於形成該膜的方式沒有特別限制。膜形成方法的示例包括化學溶液沉積(CSD)、溶膠-凝膠法、金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)、濺射法、脈衝雷射沉積(PLD)、水熱合成法和氣溶膠沉積法(AD)。這些方法中，最較佳的膜形成方法是化學溶液沉積和濺射。化學溶液沉積或濺射法允許容易地形成具有大面積的膜。用於本實施方式的壓電材料的基板理想地是透過沿著(001)面或(110)面切割和拋光提供的單晶基板。透過使用由沿著一個特定的晶面切割和拋光提供的單晶基板，形成在該基板的表面上的壓電材料膜可以在與基板相同的方向上強定向。
之後，將描述包括根據本發明實施方式的壓電材料的壓電元件。
圖1是示出根據本發明的實施方式的壓電元件的構造的示意圖。本實施方式的壓電元件至少包括第一電極1、壓電材料2和第二電極3。壓電材料2是根據本發明實施方式的壓電材料。
當本實施方式的壓電材料被用於形成至少包括該第一電極和該第二電極的壓電元件時，可以評估該壓電材料的壓電性質。第一電極和第二電極是均具有約5nm至約2000nm厚度的導電層。電極的材料不特別限制，且可以選自通常用於壓電元件的材料。材料的例子包括諸如Ti、Pt、Ta、Ir、Sr、In、Sn、Au、Al、Fe、Cr、Ni、Pd、Ag和Cu的金屬和這些金屬的化合物。
第一電極和第二電極可由選自以上示例的單一材料形成。可替代地，每個電極可由兩種以上選自以上示例的材料的堆疊的層構成。第一電極可由不同於第二電極的材料形成。
用於形成第一電極和第二電極的方法沒有限制。第一電極和第二電極可透過例如金屬膏的焙烤、濺射或蒸氣沉積法形成。第一電極和第二電極可在被圖案化以具有希望形狀後使用。
壓電元件可具有在一定方向上對準的極化軸(polarization axis)。當壓電元件具有在一定方向上對準的極化軸時，它具有高的壓電常數。
用於壓電元件的極化方法(poling method)沒有特別限制。極化處理可以在空氣或油中進行。儘管用於極化的 溫度可以是60℃至130℃，最佳條件某些程度上根據構成壓電元件的壓電材料的組成改變。施加到用於極化處理的材料的電場可具有等於或大於該材料的矯頑電場的強度，具體地，1至5kV/mm。
可基於日本電子和資訊技術產業協會的標準(JEITA EM-4501)，從用商業可獲得的阻抗分析器獲得的共振頻率和反共振頻率的測量結果計算壓電元件的壓電常數和電機械品質因數。下文中，此方法被稱為共振-反共振法。
下文中，將描述包括根據本發明實施方式的壓電材料的多層壓電元件。
多層壓電元件
根據本發明實施方式的多層壓電元件包括壓電材料層和包括內部電極的電極層。壓電材料層和電極層交替堆疊。壓電材料層包含根據本發明實施方式的壓電材料。
圖2A是示出根據本發明實施方式的多層壓電元件的構造的示意剖面圖。本實施方式的多層壓電元件包括壓電材料層54和包括內部電極55的電極層。壓電材料層和電極層被交替堆疊。壓電材料層54由上述壓電材料形成。多層壓電元件除了內部電極55外可包括諸如第一電極51和第二電極53的外部電極。
圖2A示出本實施方式的具有兩層壓電材料層54和一層內部電極55交替堆疊的構造的多層壓電元件，該層狀結構被夾在第一電極51和第二電極53之間。如圖2B所 示，壓電材料層的數量和內部電極的數量可增加，而堆疊的層的數量沒有限制。在圖2B中，多層壓電元件具有以下構造：九層壓電材料層504和八層內部電極505交替堆疊，該層狀結構被夾在第一電極501和第二電極503之間，外部電極506a和506b被提供以使交替形成的內部電極短路。
內部電極55、505和外部電極506a、506b不需要具有與壓電材料層54、504相同的尺寸和形狀。內部電極55、505和外部電極506a、506b可被分成多個部分。
內部電極55、505和外部電極506a、506b均由具有約5nm至約2000nm厚度的導電層構成。這些電極的材料沒有特別限制，可以選自通常用於壓電元件的材料。材料的例子包括諸如Ti、Pt、Ta、Ir、Sr、In、Sn、Au、Al、Fe、Cr、Ni、Pd、Ag和Cu的金屬和這些金屬的化合物。內部電極55、505和外部電極506a、506b均可以是由選自以上示例的單種材料或選自以上示例的兩種以上材料的混合物或合金形成。可替代地，每個電極可由兩種以上選自以上示例的材料的堆疊的層構成。不同電極可由不同材料形成。內部電極55、505可包括Ni和Cu中的至少一個，因為該電極材料不昂貴。當內部電極55、505被形成而包括Ni和Cu中的至少一個時，本實施方式的多層壓電元件可在還原性氣氛中燒製。
在根據本發明實施方式的多層壓電元件中，內部電極可包含Ag和Pd，Ag的重量含量M1對Pd的重量含量 M2的重量比M1/M2可滿足0.25M1/M24.0。當重量比M1/M2小於0.25時，內部電極的燒結溫度增加，這是不希望的。另一方面，當重量比M1/M2大於4.0時，內部電極被形成為島形圖案，即在平面中的不均勻構造，這是不希望的。重量比M1/M2較佳滿足0.3M1/M23.0。
如圖2B所示，包括內部電極505的多個電極層為了使驅動電壓同相的目的可一起短路。例如，可採用內部電極505、第一電極501和第二電極503交替短路的構造。電極之間短路的構造沒有限制。用於短路的電極或配線可被設置在多層壓電元件的側表面上，或可設置穿透壓電材料層504的通孔且導電材料被置於通孔內以使電極短路。
液體排出頭
根據本發明實施方式的液體排出頭至少包括液體室和與該液體室連通的排出口，該液體室包括振動單元，該振動單元包括上述壓電元件或上述多層壓電元件。由根據本發明實施方式的液體排出頭排出的液體沒有特別限制，只要該液體是流體。具體地，液體排出頭可排出含水液體和不含水液體，諸如水、墨和燃料。
圖3A和圖3B均包括示出根據本發明實施方式的液體排出頭的構造的示意圖。如圖3A和圖3B所示，本實施方式的液體排出頭包括根據本發明實施方式的壓電元件101。壓電元件101至少包括第一電極1011、壓電材料 1012和第二電極1013。如圖3B所示，當需要時，壓電材料1012被圖案化。
圖3B是液體排出頭的示意圖。液體排出頭包括排出口105、個別液體室102、連接個別液體室102與排出口105的連通通道、液體室分隔部104和公共液體室107、振動板103和壓電元件101。在圖3B中，壓電元件101的組件均具有矩形形狀。可替代地，壓電元件101的組件的形狀可為矩形之外的形狀，諸如橢圓、圓形或平行四邊形。通常，壓電材料1012被形成而順應個別液體室102的形狀。
將參考圖3A詳細描述本實施方式的液體排出頭中壓電元件101周圍的構造。圖3A是沿圖3B中的壓電元件的寬度方向截取的剖面圖。儘管壓電元件101的剖面在圖3A中被示出為矩形，但它可具有梯形形狀或倒梯形形狀。
在圖3A中，第一電極1011被用作下電極，而第二電極1013被用作上電極。然而，第一電極1011和第二電極1013的構造不限於該構造。例如，第一電極1011可被用作下電極或上電極。同樣，第二電極1013可被用作上電極或下電極。緩衝層108可被設置在振動板103和下電極之間。這種命名上的差別源自裝置生產方法，在任一情況下提供本發明的優勢。
在液體排出頭中，振動板103回應於壓電材料1012的膨脹和收縮而上下移動且對個別液體室102中的液體施 加壓力。結果，液體經由排出口105排出。本實施方式的液體排出頭可被用於印表機應用和電子裝置的生產。振動板103可具有1.0μm以上且15μm以下的厚度，較佳1.5μm以上且8μm以下的厚度。振動板的材料沒有限制，可以是Si。振動板的Si可摻雜硼或磷。振動板上的緩衝層和電極可作為振動板的部件。緩衝層108可具有5nm以上且300nm以下的厚度，較佳10nm以上且200nm以下。排出口105可具有5μm以上且40μm以下的相當圓形直徑。排出口105可具有圓形形狀、星形形狀、矩形形狀或三角形形狀。
液體排出設備
下文中，將描述根據本發明實施方式的液體排出設備。根據本發明實施方式的液體排出設備包括轉移介質安裝單元和上述液體排出頭。
根據本發明實施方式的液體排出設備是圖4和圖5中示出的噴墨記錄設備。圖5示出外構件882至885和887已被從圖4中的液體排出設備(噴墨記錄設備)881拆除的狀態。噴墨記錄設備881包括將作為轉移介質的記錄紙張自動饋送到設備本體896中的自動饋送單元897、將從自動饋送單元897饋送的記錄紙張引導到預定記錄位置且從記錄位置引導到出口898的傳輸單元899(作為轉移介質安裝單元)、在傳輸到記錄位置的記錄紙張上執行記錄的記錄單元891和執行對於記錄單元891的恢復處理的恢 復單元890。記錄單元891裝備有包括根據本發明實施方式的液體排出頭的滑架892，且滑架在導軌上往復運動。
在這種噴墨記錄設備中，滑架892根據從電腦發送的電信號在導軌上移動，且驅動電壓施加到夾著壓電材料的電極使壓電材料位移。參考圖3B，壓電材料的該位移導致個別液體室102經由振動板103的施壓，從而墨經由排出口105排出以執行列印。在根據本發明實施方式的液體排出設備中，液體可以高速度均勻排出，且能夠實現設備尺寸的減少。
印表機已被描述為根據本發明實施方式的液體排出設備。可替代地，根據本發明實施方式的液體排出設備可被用作噴墨記錄設備，諸如傳真機、多功能設備或影印機，或工業液體排出設備。使用者可根據應用選擇想要的轉移介質。可採用液體排出頭相對於安裝在作為安裝單元的臺上的轉移介質移動的構造。
超音波馬達
根據本發明實施方式的超音波馬達至少包括振動構件和與該振動構件接觸的移動構件，該振動構件包括上述壓電元件或上述多層壓電元件。圖6A和圖6B各包括示出根據本發明實施方式的超音波馬達的構造的示意圖。圖6A示出包括根據本發明實施方式的單板構造的壓電元件的超音波馬達。該超音波馬達包括振動器201、被加壓彈簧(未示出)施壓以便與振動器201的滑動表面接觸的轉 子202、和被提供而與轉子202一體的輸出軸203。振動器201包括金屬彈性環2011、根據本發明實施方式的壓電元件2012和將壓電元件2012結合到彈性環2011的有機黏著劑2013(諸如環氧黏著劑或腈基丙烯酸酯黏著劑)。本實施方式的壓電元件2012包括夾在第一電極和第二電極(未示出)之間的壓電材料。當相位相差π/4的奇數倍的兩相交流電壓被施加到本實施方式的壓電元件時，在振動器201中產生彎曲行進波，振動器201的滑動表面上的點以橢圓運動移動。當轉子202被施壓到振動器201的滑動表面上時，轉子202經受來自振動器201的摩擦力且以與彎曲行進波的方向相反的方向旋轉。被驅動物件(未示出)被連接到輸出軸203且被來自轉子202的旋轉力驅動。當電壓被施加到壓電材料時，引起橫向壓電效應，從而壓電材料膨脹或收縮；當彈性構件諸如金屬構件被結合到該壓電材料時，彈性構件透過壓電材料的膨脹和收縮而彎曲。上面描述的超音波馬達即利用該原理。將描述另一實施方式。圖6B示出包括具有多層結構的壓電元件的超音波馬達。振動器204包括夾在柱狀金屬彈性構件2041之間的多層壓電元件2042。多層壓電元件2042包括多個堆疊的壓電材料(未示出)、設置在該等堆疊的材料的外表面上的第一和第二電極和設置在該等堆疊材料內的內部電極。金屬彈性構件2041以螺栓結合在一起以便其間夾著且固持壓電元件2042。因而，金屬彈性構件2041和壓電元件2042構成振動器204。透過對壓電元件2042 施加不同相的交流電壓，在振動器204中產生彼此正交的兩個振動。這兩個振動組合形成驅動振動器204的末端的圓形振動。振動器204的上部具有環形構槽。環形溝槽增加用於驅動的振動位移。轉子205被加壓彈簧206施壓到振動器204上從而獲得用於驅動的摩擦力。轉子205以軸承被可旋轉地支撐。
光學設備
下文中，將描述根據本發明實施方式的光學設備。根據本發明實施方式的光學設備包括驅動單元，該驅動單元包括上述超音波馬達。
圖7A和圖7B是用於單透鏡反射式攝影機(single lens reflex camera)的可互換透鏡筒的主要部分的剖面圖，所述攝影機是根據本發明實施方式的影像拾取設備。圖8是用於單透鏡反射式攝影機的可互換透鏡筒的分解透視圖，所述攝影機是根據本發明實施方式的影像拾取設備。固定筒712、線性引導筒713和前透鏡組筒714被固定到攝影機的移除支座711。這些組件是可互換透鏡筒的固定構件。
線性引導筒713具有用於對焦透鏡702的在光軸方向的線性引導溝槽713a。對焦透鏡702由後透鏡組筒716支撐。在徑向方向向外突出的凸輪輥子717a和717b用軸螺釘718固定到後透鏡組筒716。凸輪輥子717a配合在線性引導溝槽713a中。
凸輪環715可旋轉地配合在線性引導筒713的內周中。固定到凸輪環715的輥子719被卡在線性引導筒713的環形溝槽713b中，從而限制線性引導筒713和凸輪環715在光軸方向的相對位移。凸輪環715具有用於對焦透鏡702的凸輪溝槽715a。凸輪輥子717b也配合到凸輪溝槽715a中。
旋轉傳遞環720透過滾珠座圈727可旋轉地固持在固定筒712的周圍上的固定位置。從動輥子(driven roller)722被從旋轉傳遞環720徑向延伸的軸720f可旋轉地固持。從動輥子722的大直徑部722a與手動對焦環724的支座側端面(mount side end face)724b接觸。從動輥子722的小直徑部722b與接頭構件729接觸。六個從動輥子722被以規則間隔設置在旋轉傳遞環720的周圍上。各個從動輥子722滿足上述結構關係。
低摩擦片(墊圈構件)733被設置在手動對焦環724的內周圍中。低摩擦片733被設置在固定筒712的支座側端面712a和手動對焦環724的前端面724a之間。低摩擦片733具有圓形外表面，該圓形外表面具有配合於手動對焦環724的內直徑724c的直徑。手動對焦環724的內直徑724c配合於固定筒712的外部712b的直徑。低摩擦片733可減少其中手動對焦環724相對於固定筒712繞光軸旋轉的旋轉環機構中的摩擦。
從動輥子722的大直徑部722a被壓靠到手動對焦環的支座側端面724b，因為波形墊圈(wave washer)726 將超音波馬達725向前壓到透鏡的前方。同樣地，因為波形墊圈726將超音波馬達725向前壓到透鏡的前方，從動輥子722的小直徑部722b被適當地壓靠到接頭構件729。透過銷釘耦合到固定筒712的墊圈732防止波形墊圈726朝支座移動。波形墊圈726的彈簧力(推進力)被傳遞到超音波馬達725和從動輥子722，且進一步將手動對焦環724壓靠到固定筒712的支座側端面712a。換言之，手動對焦環724經由低摩擦片733被壓靠到固定筒712的支座側端面712a。
因而，當超音波馬達725透過控制單元(未示出)相對於固定筒712旋轉時，從動輥子722繞軸720f旋轉，因為接頭構件729與從動輥子722的小直徑部722b摩擦接觸。從動輥子722繞軸720f的旋轉引起旋轉傳遞環720繞光軸旋轉(自動對焦)。
當手動輸入單元(未示出)向手動對焦環724提供繞光軸的旋轉力時，由於手動對焦環724的支座側端面724b被壓靠到從動輥子722的大直徑部722a，從動輥子722因為摩擦力繞軸720f旋轉。從動輥子722的大直徑部722a繞軸720f的旋轉引起旋轉傳遞環720繞光軸旋轉。然而，超音波馬達725因為轉子725c和定子725b之間的摩擦力而不旋轉(手動對焦)。
旋轉傳遞環720設有兩個彼此面對的對焦鍵728。這些對焦鍵728配合到凸輪環715的末端處的切口715b中。在自動對焦或手動對焦時，旋轉傳遞環720繞光軸旋 轉，旋轉力經由對焦鍵728傳遞到凸輪環715。當凸輪環715繞光軸旋轉時，凸輪輥子717b將受到線性引導溝槽713a限制的凸輪輥子717a和後透鏡組筒716沿凸輪環715的凸輪溝槽715a向前或向後移動。這驅動對焦透鏡702且允許對焦。
儘管已經參考單透鏡反射式攝影機的可更換透鏡筒描述根據本發明實施方式的光學設備，該光學設備也可以被應用到在驅動單元中包括超音波馬達的光學設備，例如攝影機，諸如小型攝影機、電子靜態攝影機和包括攝影機的個人數位助理。
振動設備和灰塵去除設備
用於輸送或去除顆粒、粉末和液滴的振動設備廣泛用於電子設備中。
下文中，將描述包括根據本發明實施方式的振動設備的灰塵去除設備，該振動設備包括根據本發明實施方式的壓電元件。
根據本發明實施方式的灰塵去除設備包括振動構件，該振動構件包括上述壓電元件或上述多層壓電元件。
圖9A和圖9B是根據本發明實施方式的灰塵去除設備的示意圖。灰塵去除設備310包括板狀壓電元件330和振動板320。壓電元件330可以是根據本發明實施方式的多層壓電元件。振動板320可由任何材料製成。當灰塵去除設備310被用於光學設備中時，振動板320可由透光材 料或反光材料製成。
圖10A至圖10C是示出圖9A和圖9B中的壓電元件330的構造的示意圖。圖10A和圖10C示出壓電元件330的前、後側。圖10B是壓電元件330的側視圖。如圖9A和圖9B所示，壓電元件330包括壓電材料331、第一電極332和第二電極333。第一電極332和第二電極333被設置在壓電材料331的相反側。如在圖9A和圖9B中，壓電元件330可以是根據本發明實施方式的多層壓電元件。在此情況下，壓電材料331包括交替堆疊在彼此之上的壓電材料層和內部電極。內部電極被交替地短路到第一電極332和第二電極333，從而允許壓電材料層交替地具有不同相位的驅動波形。如圖10C所示，壓電元件330的其上設置第一電極332的表面被稱為第一電極表面336。如圖10A所示，壓電元件330的其上設置第二電極333的表面被稱為第二電極表面337。
如本文中使用的術語“電極表面”指壓電元件的其上設置電極的表面。例如，如圖10B所示，第一電極332可繞過角部且延伸到第二電極表面337。
如圖9A和圖9B所示，壓電元件330的第一電極表面336被粘合到振動板320。壓電元件330的驅動在壓電元件330和振動板320之間產生應力，引起振動板320上的面外振動。本實施方式的灰塵去除設備310透過面外振動的作用去除振動板320上的異物，諸如灰塵。本文中使用的術語“面外振動”指引起振動板在光軸方向、即振動板 厚度方向的位移的彈性振動。
圖11A和圖11B是示出根據本發明實施方式的灰塵去除設備310的振動原理的示意圖。在圖11A中，同相交流電場被施加到左右對壓電元件330以引起振動板320的面外振動。構成該左右對壓電元件330的壓電材料的極化方向與壓電元件330的厚度方向相同。灰塵去除設備310被以第七振動模式驅動。在圖11B中，反相交流電壓(相位差180°)被施加到一左右對壓電元件330以引起振動板320的面外振動。灰塵去除設備310被以第六振動模式驅動。本實施方式的灰塵去除設備310可採用至少兩個振動模式以有效去除振動板表面上的灰塵。
影像拾取設備
下文中，將描述根據本發明實施方式的影像拾取設備。根據本發明實施方式的影像拾取設備包括上述灰塵去除設備和影像拾取元件單元，其中該灰塵去除設備包括設置在該影像拾取元件單元的光接收表面側上的振動板。圖12和圖13示出數位單透鏡反射式攝影機，這是根據本發明實施方式的影像拾取設備。
圖12是在透鏡單元已被去除的情況下從物體側看攝影機的主體601的前透視圖。圖13是攝影機的內部的分解透視圖，示出根據本發明實施方式的灰塵去除設備和影像拾取單元400的周圍結構。
攝影機的主體601包括鏡箱605，穿過透鏡的影像光 束被引導至該鏡箱605。鏡箱605包括主鏡(快速返回鏡)606。主鏡606可與成像光軸成45°角度以將影像光束引導到五面鏡(penta dach mirror)(未示出)或可避開影像光束以便將影像光束引導到影像拾取元件(未示出)。
鏡箱605和快門單元200從物體側以該順序設置在作為攝影機的主體的構架的主體底盤300的前方。影像拾取單元400被設置在主體底盤300的攝影者側上。影像拾取單元400被安裝成使得影像拾取元件的影像拾取表面被設置在距支座602的表面預定距離處，且與之平行，透鏡單元被附接到該支座。
儘管數位單透鏡反射式攝影機已被描述作為根據本發明實施方式的影像拾取設備，此影像拾取設備可以是可更換透鏡攝影機，諸如沒有鏡箱605的無鏡數位單透鏡攝影機。在各種影像拾取設備和包括影像拾取設備的電動及電子設備中，諸如可互換透鏡視訊攝影機、影印機、傳真機和掃描器，特別地，根據本發明實施方式的影像拾取設備也可被應用到需要去除沉積在光學部件表面上的灰塵的設備。
電子設備
下文中，將描述根據本發明實施方式的電子設備。電子設備包括壓電音響組件，該組件包括上述壓電元件或上述多層壓電元件。壓電音響組件可以是揚聲器、蜂鳴器、 麥克風或表面聲波(SAW)裝置。
圖14是屬於根據本發明實施方式的電子設備的數位攝影機的主體931在從數位攝影機的前方看時的透視圖。光學裝置901、麥克風914、電子閃光單元909和補充光單元916被設置在主體931的前表面上。麥克風914被設置在主體內且由虛線表示。用於獲取外部聲音的開口被設置在麥克風914的前方。
電源開關933、揚聲器912、變焦桿(zoom lever)932和用於對焦的釋放鈕908被設置在主體931的頂表面上。揚聲器912被設置在主體931內且由虛線表示。用於將聲音傳遞到外部的開口被設置在揚聲器912前方。
根據本發明實施方式的壓電音響組件可被用於麥克風914、揚聲器912和表面聲波裝置的至少一個。
儘管數位攝影機已被描述作為根據本發明實施方式的電子設備，電子設備也可被應用到包括壓電音響組件的各種電子設備，諸如音頻重製裝置、音頻記錄裝置、行動電話和資訊終端。
如上所述，根據本發明實施方式的壓電元件和多層壓電元件可適當用於液體排出頭、液體排出設備、超音波馬達、光學設備、振動設備、灰塵去除設備、影像拾取設備和電子設備。透過利用根據本發明實施方式的壓電元件或多層壓電元件製造的液體排出頭可具有高於或等於透過利用含鉛壓電元件製造的液體排出頭的噴嘴密度和排出速度。
透過利用根據本發明實施方式的液體排出頭製造的液體排出設備可具有高於或等於透過利用含鉛壓電元件製造的液體排出設備的排出速度和排出準確度。
透過利用根據本發明實施方式的壓電元件或多層壓電元件製造的超音波馬達可具有高於或等於透過利用含鉛壓電元件製造的超音波馬達的驅動力和耐久性。
透過利用根據本發明實施方式的超音波馬達製造的光學設備可具有高於或等於透過利用含鉛壓電元件製造的光學設備的耐久性和操作準確度。
透過利用根據本發明實施方式的壓電元件或多層壓電元件製造的振動設備可具有高於或等於透過利用含鉛壓電元件製造的振動設備的振動能力和耐久性。
透過利用根據本發明實施方式的振動設備製造的灰塵去除設備可具有高於或等於透過利用含鉛壓電元件製造的灰塵去除設備的灰塵去除效率和耐久性。
透過利用根據本發明實施方式的灰塵去除設備製造的影像拾取設備可具有高於或等於透過利用含鉛壓電元件製造的影像拾取設備的灰塵去除功能。
包括根據本發明實施方式的壓電元件或多層壓電元件的壓電音響組件可被用於提供一種電子設備，該電子設備具有高於或等於透過利用含鉛壓電元件製造的電子設備的聲音產生能力。
根據本發明實施方式的壓電材料可被用於諸如超音波轉換器、壓電致動器、壓電感測器和鐵電記憶體的裝置， 以及液體排出頭和馬達。
實施例
下文中，將參考實施例進一步詳細描述本發明。然而，本發明不限於這些實施例。
生產根據本發明實施方式的壓電陶瓷。
實施例1至31和比較例1至15
均具有100nm的平均粒徑的鈦酸鋇粉末(BaTiO3 ,Ba/Ti=0.9985)、鈦酸鈣粉末(CaTiO3 ，Ca/Ti=0.9978)、鋯酸鈣粉末(CaZrO3 ，Ca/Zr=0.999)和錫酸鈣粉末(Ca/Sn=1.0137)進行稱重，使得滿足以下表1中的莫耳比。Ba和Ca的總莫耳數對Ti、Zr和Sn的總莫耳數的莫耳比a用草酸鋇或類似物調整為表1中的值。將碳酸鋰、氧化鉍和三氧化四錳稱重且加入到得到的粉末混合物，使得鋰、鉍和錳的以金屬計的重量含量滿足表1中的值。將稱取的粉末用球磨機透過乾式混合混合24小時。為了對每個得到的粉末混合物造粒，用噴霧乾燥器設備將相對於粉末混合物的3重量份的PVA黏合劑附著到粉末混合物的顆粒的表面。
粒化粉末被裝填到模具中且用壓機以200Mpa施壓以形成具有碟狀的壓實體。這種壓實體可被用冷等靜壓機進一步壓製。
壓實體被設置在電爐中且保持在1320℃至1360℃的 最大溫度5小時，使壓實體在周圍氣氛中總共被燒結24小時。以這種方式，獲得由根據本發明實施方式的壓電材料形成的陶瓷。
對獲得的陶瓷的晶粒評估平均相當圓形直徑和相對密度。結果，平均相當圓形直徑是10至50μm且比較例7之外的樣本具有95%以上的相對密度。晶粒主要用偏振顯微鏡觀察。當測定小晶粒的顆粒尺寸時，使用掃描電子顯微鏡(SEM)。從觀察結果，計算出平均相當圓形直徑。用從X射線繞射測定的晶格常數和稱重組成計算的理論密度和用阿基米德方法實際測量的密度評估相對密度。
評估實施例10和12的樣本中的Mn的化合價。用SQUID測量樣本的2至60K的磁化率的溫度依賴性。從磁化率的溫度依賴性，發現實施例10和12的樣本的Mn的平均化合價分別為+3.8和+3.9。隨著Bi對Mn的莫耳比增加，Mn的化合價趨向於降低。同樣地，Bi含量低的比較例2中的磁化率，發現Mn的化合價為約+4。
將獲得的陶瓷拋光以便具有0.5mm的厚度且透過X射線繞射進行晶體結構分析。結果，除了比較例1以外，只觀察到與鈣鈦礦結構對應的峰。
在每一個碟形陶瓷中，具有400nm厚度的金電極透過DC濺射方法形成在陶瓷的前、後表面上。具有30nm厚度的鈦層被形成作為電極和陶瓷之間的黏著層。具有電極的該陶瓷被切割以提供條帶形狀的具有10mm×2.5mm×0.5mm尺寸的壓電元件。該壓電元件被設置在被設定具有 60℃至100℃表面溫度的熱板上。將1kV/mm的電場施加到熱板上的壓電元件30分鐘從而執行極化處理。
評估包括根據本發明實施方式的壓電材料的壓電元件和包括比較例的壓電材料的壓電元件的靜態特性。具體地，已經過極化處理的壓電元件透過共振-反共振方法在壓電常數d31 和機械品質因數Qm方面進行評估。在樣本溫度改變的同時，從用商業可獲得的阻抗分析儀測量的樣本的靜電容計算每個樣本的Tot 、Tto 和Tc 。同時，用阻抗分析器測量介電損耗角正切的溫度依賴性。樣本的溫度從室溫降低且隨後增加到Tc 或更高。溫度Tto 是引起晶系從正方晶體轉變到斜方晶體的溫度。在樣本冷卻的同時測量樣本的介電常數，透過使介電常數相對於樣本溫度微分獲得的值變得最大的溫度被定義為溫度Tto 。溫度Tot 是晶系從斜方晶體轉變到正方晶體的溫度。在樣本加熱的同時測量樣本的介電常數，且透過使介電常數相對於樣本溫度微分所獲得的值變得最大的溫度被定義為溫度Tot 。
在比較例1中，Ca比例x是0.32的大值。樣本透過X射線繞射測量且檢測出CaTiO3 相。與Ca比例x為0.3的實施例1-3相較下，密度低且電機械耦合因數k31 最多低0.01-0.03。
在比較例15中，Ca比例x是0.085的小值。Tot 是0℃，比-10℃高。
在比較例11中，Zr比例y是0.08的大值。居禮溫度是96℃，比100℃低。
在比較例14中，Zr比例y是0.02的小值。與Ca比例x同於比較例14的實施例29(y=0.059)相比，電機械耦合因數k31 低0.06。
在比較例7中，比值a具有1.021的大值，相對密度是90%的低值。
在比較例8中，比值a是0.985的小值，因此觀察到異常顆粒生長。顆粒尺寸是50μm以上。壓電常數d31 平均比實施例20低4%。
在比較例9中，Li成分的莫耳數小於Bi成分的一半。與稱重相同莫耳數的Li和Bi成分的實施例20相比，比較例9中居禮溫度低2℃。
在比較例10中，Li成分的莫耳數大於Bi成分。與稱重相同莫耳數的Li和Bi成分的實施例20相比，比較例10中在室溫下的介電損耗角正切高。
表2總結了表1中的比較例9和10以及實施例20至22的Tc 和在室溫時的介電損耗角正切。
表3總結了表1中的比較例6、12和13以及實施例20、23、25、26、29和30的相變溫度。透過增加Li和Bi成分，Tto 和Tot 降低，而未降低壓電材料的Tc 。
為了評估壓電元件的耐久性，表3中的實施例和比較例的樣本被放置在恆溫器中且經受溫度循環測試。25℃→-20℃→50℃→25℃的溫度循環被限定為單次循環，且該循環重複100次。比較循環測試之前和之後的壓電常數d31 。在Tto 為-20℃以下的樣本中(實施例20、23、25、26、29和30)，壓電性質的變化率為5%以下。相對之下，在Tto 大於-20℃的樣本中(比較例12和13)，壓電常數d31 降低超過5%。在Tto 是-20℃以下的比較例6中，在循環測試之前和之後的壓電常數d31 的變化率是5%以下，然而，在室溫的機械品質因數低於實施例20約200。
Tto 大於-20℃的樣本在溫度循環測試期間重複發生在正方晶體和斜方晶體之間的相變。這種在具有不同自發極化方向的晶系之間的重複相變可能促進去極化，從而在Tto 大於-20℃的樣本中，壓電常數d31 明顯降低。即，Tto 大於-20℃的壓電陶瓷作為元件具有低耐久性。
表4總結了表1中的實施例9至16的壓電材料的機械品質因數。Sn代替Zr的添加增加了機械品質因數。
圖15至圖18示出表1中比較例2至5和實施例10、12、13和16的相對介電常數、介電損耗角正切、壓電常數d31 和機械品質因數等的溫度依賴性。圖15顯示Li和Bi成分的添加造成相變溫度的降低以及在測量溫度範圍內相對介電常數的變化寬度降低。圖16顯示Li和Bi成分的添加造成在-20℃以下的溫度範圍內的介電損耗角正切的明顯降低。圖17顯示Li和Bi成分的添加造成壓電常數d31 在測量溫度範圍內的變化寬度降低。圖18顯示Li和Bi成分的添加造成機械品質因數在測量溫度範圍內的增加。
實施例32至39和比較例16至19
對均具有100nm的平均粒徑的鈦酸鋇粉末、鈦酸鈣粉末、鋯酸鈣粉末、碳酸鋰粉末、氧化鉍粉末、三氧化四錳粉末和包含Si和B的玻璃助劑(包含30%至50wt%的 SiO2 和21.1wt%的B2 O3 )進行稱重，使得滿足以下表5中的莫耳比。接下來，以與表1中的樣本相同的方式形成壓實體。壓實體被放置在電爐中且保持在1200℃5小時，從而將壓實體在周圍氣氛中總共燒結24小時。之後，樣本以與表1中的樣本同樣地處理且評估。
比較例17中的樣本不包含Mn，且具有比實施例33低至少200的機械品質因數Qm。
比較例18中的樣本包含大於0.36重量份的Mn且具有高於0.01的介電損耗角正切，比實施例33中的介電損耗角正切(0.005)高。
表6總結了在添加的Li和Bi成分的量改變的情況下在室溫下測量的電機械耦合因數k31 、楊氏模量Y11 、壓電常數d31 、機械品質因數Qm 和相對介電常數εr 。從表6可以看出，在添加的Li和Bi成分的量增加時，在室溫時K31 、d31 、和相對介電常數逐漸減少。這是因為正方晶體和斜方晶體之間的相變溫度(Tot 和Tto )減少。根據表6，在添加的Li和Bi成分的量增加時，機械品質因數增加然後減少。
在比較例16中，添加的Li和Bi成分的量分別小於0.0013重量份和0.028重量份，且機械品質因數最低。
在比較例19中，添加的Li和Bi成分的量分別大於0.028重量份和0.858重量份，且電機械耦合因數k31 小於比較例16的70%。
實施例40
對鈦酸鋇(BaTiO3 )、鈦酸鈣(CaTiO3 )、鋯酸鈣(CaZrO3 )、碳酸鋰(Li2 CO3 )、氧化鉍(Bi2 O3 )、三氧化四錳 (Mn3 O4 )和包含Si和B的玻璃助劑(包含30至50wt%的SiO2 和21.1wt%的B2 O3 )進行稱重使得滿足表5中的實施例33的組成。如此稱重取得的原料粉末用球磨機混合一夜以提供粉末混合物。
將此粉末混合物與PVB混合且接著用於透過刮刀方法形成片以提供具有50μm厚度的胚片。
把用於內部電極的導電膏透過印刷施加到胚片。導電膏是合金膏(Ag：60%，Pd：40%)。將九個施加了導電膏的胚片堆疊。令該堆疊體在1200℃燒製5小時以提供燒結體。把該燒結體切割成具有10mm×2.5mm的尺寸。生成的構件的側表面被拋光且透過用Au濺射而形成使內部電極交替短路的一對外部電極(第一電極和第二電極)。因而，生產出圖2B中的多層壓電材料。
觀察多層壓電元件的內部電極。作為電極材料的Ag-Pd材料和壓電材料係交替形成。
在評估壓電性質之前，樣本經過極化處理。具體地，樣本在100℃的油浴中加熱，在第一電極和第二電極之間施加1kV/mm的電壓30分鐘，在施加電壓的同時，將樣本冷卻到室溫。
評估多層壓電元件的壓電性質。結果，多層壓電元件具有足夠高的絕緣性質且具有與實施例33的壓電材料相當的良好壓電性質。
實施例41
以與實施例40相同的方式製備粉末混合物。在粉末混合物被旋轉的同時，在空氣中在1000℃下煅燒3小時以提供煅燒粉末。該煅燒的粉末用球磨機粉碎。生成的煅燒粉末與PVB混合且接著用於透過刮刀方法形成片以提供具有50μm厚度的胚片。把用於內部電極的導電膏透過印刷施加到胚片。使用的導電膏是Ni膏。將九個施加了導電膏的胚片堆疊。對該堆疊體進行熱壓縮結合。
把該結合的堆疊體在管式爐中燒製：堆疊體在空氣中燒製直到300℃以去除黏合劑，然後氣氛被改變成還原性氣氛(H2 ：N2 =2：98，氧濃度2×10-6 Pa)，且堆疊體被保持在1200℃ 5小時。將堆疊體冷卻到1000℃，接下來將氧濃度改變為30Pa且將堆疊體進一步冷卻到室溫。
將如此獲得的燒結體切割成具有10mm×2.5mm的尺寸。生成的構件的側表面被拋光且透過用Au濺射形成使內部電極交替短路的一對外部電極(第一電極和第二電極)。因而，生產出圖2B中的多層壓電元件。
觀察多層壓電元件的內部電極。作為電極材料的Ni材料和壓電材料層被交替形成。多層壓電元件經過極化處理：將1kV/mm的電場施加到100℃的油浴中的多層壓電元件30分鐘。評估多層壓電元件的壓電性質。結果，多層壓電元件具有足夠高的絕緣性質且具有相當於實施例33的壓電元件的良好的壓電性質。
實施例42
採用實施例15中的壓電元件且生產圖3A和圖3B中的液體排出頭。該液體排出頭回應輸入電信號排出墨。
實施例43
採用實施例42中的液體排出頭且生產圖4中的液體排出設備。該液體排出設備回應輸入電信號將墨排出到記錄介質上。
實施例44
採用實施例15中的壓電元件且生產圖6A中的超音波馬達。該馬達在施加交流電壓的情況下旋轉。
實施例45
採用實施例44中的超音波馬達且生產圖7A和圖7B中的光學設備。該光學設備在施加交流電壓的情況下執行自動對焦。
實施例46
採用實施例15中的壓電元件且生產圖9A和圖9B中的灰塵去除設備。該灰塵去除設備在施加交流電壓的情況下對於散佈的塑膠珠表現高灰塵去除率。
實施例47
採用實施例46中的灰塵去除設備且生產圖12中的影 像拾取設備。當操作該影像拾取設備時，影像拾取單元的表面上的灰塵被充分去除且獲得沒有灰塵缺陷的影像。
實施例48
採用實施例40中的多層壓電元件且生產圖3A和圖3B中的液體排出頭。該液體排出頭回應輸入電信號排出墨。
實施例49
採用實施例48中的液體排出頭且生產圖4中的液體排出設備。該液體排出設備回應輸入電信號將墨排出到記錄介質上。
實施例50
採用實施例40中的多層壓電元件且生產圖6B中的超音波馬達。該馬達在施加交流電壓的情況下旋轉。
實施例51
採用實施例50中的超音波馬達且生產圖7A和圖7B中的光學設備。該光學設備在施加交流電壓的情況下執行自動對焦。
實施例52
採用實施例40中的多層壓電元件且生產圖9A和圖 9B中的灰塵去除設備。該灰塵去除設備在施加交流電壓的情況下對於散佈的塑膠珠表現高灰塵去除率。
實施例53
採用實施例46中的灰塵去除設備且生產圖12中的影像拾取設備。當操作該影像拾取設備時，影像拾取單元的表面上的灰塵被充分去除且獲得沒有灰塵缺陷的影像。
實施例54
採用實施例40中的多壓電壓元件且生產圖14中的電子設備。揚聲器在施加交流電壓的情況下作用。
根據本發明實施方式的壓電材料即使在高周圍溫度下也展現良好的壓電性質。此壓電材料不包含鉛且對環境造成的負擔小。因而，此壓電材料可被用於利用大量壓電材料製造的設備，諸如液體排出頭、超音波馬達和灰塵去除設備，而沒有問題。
雖然已參考示範性實施方式描述本發明，但應該理解本發明並不限於所揭示的示範性實施方式。下列請求項的範圍是要依據最寬廣的解釋以涵蓋所有修飾和等效的結構和功能。

Claims (17)

  1. 一種壓電材料，包括：含有由以下通式(1)表示的鈣鈦礦型金屬氧化物的主要成分；作為第一副成分的Mn；作為第二副成分的Li；和作為第三副成分的Bi，其中Mn含量相對於100重量份該金屬氧化物以金屬計是0.04重量份以上且0.36重量份以下，Li含量α相對於100重量份該金屬氧化物以金屬計是0.0013重量份以上且0.0280重量份以下，Bi含量β相對於100重量份該金屬氧化物以金屬計是0.042重量份以上且0.850重量份以下，含量α、β滿足0.5(α．MB)/(β．ML)1(其中ML表示Li的原子量，MB表示Bi的原子量)(Ba1-x Cax )a (Ti1-y-z Zry Snz )O3 (1)(其中，x、y、z、a滿足0.09x0.30，0.025y0.074，0z0.02，0.986a1.02)。
  2. 根據請求項1的壓電材料，進一步包括第四副成分，該第四副成分包含Si和B的至少一種，其中該第四副成分的含量相對於100重量份由通式(1)表示的金屬氧化物以金屬計是0.001重量份以上且4.000重量份以下。
  3. 根據請求項1或2的壓電材料，其中α、β滿足0.19<2.15α+1.11β<1。
  4. 根據請求項1或2的壓電材料，其中通式(1)中的x、y和z滿足y+z(11x/14)-0.037。
  5. 根據請求項1或2的壓電材料，其中在-60℃以上且100℃以下的溫度範圍內在該壓電材料中不發生相變。
  6. 一種壓電元件，包括：第一電極，壓電材料部件，和第二電極，其中該壓電材料部件包含根據請求項1的壓電材料。
  7. 一種多層壓電元件，包括：壓電材料層，和包括內部電極的電極層，其中該壓電材料層和該電極層交替堆疊，且該壓電材料層包含根據請求項1的壓電材料。
  8. 根據請求項7的多層壓電元件，其中該內部電極包含Ag和Pd，使得Ag重量含量M1對Pd重量含量M2的重量比M1/M2滿足0.25M1/M24.0。
  9. 根據請求項7的多層壓電元件，其中該內部電極包含Ni和Cu的至少一種。
  10. 一種液體排出頭，包括：液體室，包括振動單元，該振動單元包括根據請求項6的壓電元件或根據請求項7的多層壓電元件；和排出口，係與該液體室連通。
  11. 一種液體排出設備，包括： 轉移介質安裝單元；和根據請求項10的液體排出頭。
  12. 一種超音波馬達，包括：振動構件，包括根據請求項6的壓電元件或根據請求項7的多層壓電元件；和移動構件，係與該振動構件接觸。
  13. 一種光學設備，包括驅動單元，該驅動單元包括根據請求項12的超音波馬達。
  14. 一種包括振動構件的振動設備，該振動構件包括設置在振動板上的根據請求項6的壓電元件或根據請求項7的多層壓電元件。
  15. 一種包括振動單元的灰塵去除設備，該振動單元包括根據請求項14的振動設備。
  16. 一種影像拾取設備，包括：根據請求項15的灰塵去除設備；和影像拾取元件單元，其中該灰塵去除設備包括設置在該影像拾取元件單元的光接收表面側上的振動板。
  17. 一種包括壓電音響組件的電子設備，該壓電音響組件包括根據請求項6的壓電元件或根據請求項7的多層壓電元件。
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Families Citing this family (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9537081B2 (en) * 2012-11-02 2017-01-03 Canon Kabushiki Kaisha Piezoelectric material, piezoelectric element, multilayered piezoelectric element, liquid discharge head, liquid discharge apparatus, ultrasonic motor, optical apparatus, vibratory apparatus, dust removing device, image pickup apparatus, and electronic equipment
TWI545814B (zh) * 2012-11-02 2016-08-11 佳能股份有限公司 壓電式材料、壓電式元件及電子設備
EP2749550B1 (en) 2012-12-28 2017-05-17 Canon Kabushiki Kaisha Piezoelectric material, piezoelectric element, and electronic apparatus
EP2824094B8 (en) 2013-07-12 2018-12-19 Canon Kabushiki Kaisha Piezoelectric material, piezoelectric element, and electronic apparatus
EP2824091B1 (en) * 2013-07-12 2020-02-19 Canon Kabushiki Kaisha Piezoelectric material, piezoelectric element, and electronic equipment
JP6381294B2 (ja) * 2013-07-12 2018-08-29 キヤノン株式会社 圧電材料、圧電素子、および電子機器
JP6362087B2 (ja) 2013-07-12 2018-07-25 キヤノン株式会社 圧電材料、圧電素子、および電子機器
JP2015135958A (ja) * 2013-12-18 2015-07-27 キヤノン株式会社 圧電材料、圧電素子、および電子機器
JP2015134707A (ja) * 2013-12-18 2015-07-27 キヤノン株式会社 圧電材料、圧電素子および電子機器
EP2953177B1 (en) * 2014-05-30 2017-01-25 Canon Kabushiki Kaisha Piezoelectric material, piezoelectric element, and electronic device
TW201545828A (zh) * 2014-06-10 2015-12-16 Ya-Yang Yan 一種放電加工切割線及該放電加工切割線之製造方法
KR101659213B1 (ko) * 2015-02-17 2016-09-23 서울시립대학교 산학협력단 유기물 강유전 물질로 구성된 압전소자를 이용한 암세포 제거 및 발생 방지 방법 및 장치
JP6536792B2 (ja) * 2015-03-25 2019-07-03 セイコーエプソン株式会社 超音波センサー及びその製造方法
SG10201912616YA (en) 2015-06-22 2020-02-27 Agency Science Tech & Res Fluid jet dispenser using multilayer ceramic actuators
US10536097B2 (en) 2015-11-27 2020-01-14 Canon Kabushiki Kaisha Ultrasonic motor, drive control system, optical apparatus, and vibrator
US10775681B2 (en) 2015-11-27 2020-09-15 Canon Kabushiki Kaisha Ultrasonic motor, drive control system, optical apparatus, and vibrator
JP6571048B2 (ja) 2016-06-24 2019-09-04 太陽誘電株式会社 積層セラミックコンデンサ、セラミック粉末、およびそれらの製造方法
US10735856B2 (en) * 2018-02-27 2020-08-04 Cirrus Logic, Inc. Fabrication of piezoelectric transducer including integrated temperature sensor
US11545615B2 (en) * 2020-09-09 2023-01-03 Baker Hughes Oilfield Operations Llc Method for manufacturing piezoelectric instrumentation devices with 3D structures using additive manufacturing
CN112397643B (zh) * 2020-11-17 2023-04-18 武汉理工大学 一种在室温附近具有高电卡效应的薄膜材料及其制备方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100096952A1 (en) * 2006-12-25 2010-04-22 Kyocera Corporation Piezoelectric Ceramic and Piezoelectric Element
US20110298336A1 (en) * 2009-03-31 2011-12-08 University Of Yamanashi Ceramic, piezoelectric device, and production method thereof
US20120038714A1 (en) * 2010-04-15 2012-02-16 Panasonic Corporation Piezoelectric thin film, ink jet head, method of forming image by the ink jet head, angular velocity sensor, method of measuring angular velocity by the angular velocity sensor, piezoelectric generating element, and method of generating electric power using the piezoelectric generating element

Family Cites Families (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100514575B1 (ko) * 2001-04-12 2005-09-13 티디케이가부시기가이샤 적층 세라믹 전자 부품의 제조 방법
JP4039029B2 (ja) 2001-10-23 2008-01-30 株式会社村田製作所 圧電セラミックス、圧電素子、および積層型圧電素子
CN1635592A (zh) 2003-12-29 2005-07-06 广东风华高新科技集团有限公司 高介电、抗还原陶瓷材料及其制备的陶瓷电容器
JP2007223863A (ja) 2006-02-24 2007-09-06 Tdk Corp 誘電体磁器組成物およびその製造方法
CN101848879B (zh) * 2007-11-06 2013-08-14 费罗公司 无铅无镉的、低温烧成的x7r介电陶瓷组合物及制备方法
JP5344456B2 (ja) 2008-03-11 2013-11-20 独立行政法人物質・材料研究機構 非鉛系圧電材料
JP5217997B2 (ja) 2008-10-20 2013-06-19 Ｔｄｋ株式会社 圧電磁器、振動子及び超音波モータ
JP5233922B2 (ja) * 2009-09-03 2013-07-10 株式会社ニコン 振動アクチュエータ駆動装置、レンズ鏡筒、及び、光学装置
JP5839157B2 (ja) 2010-03-02 2016-01-06 セイコーエプソン株式会社 液体噴射ヘッド、液体噴射装置、圧電素子、超音波センサー及び赤外センサー
KR101179295B1 (ko) * 2010-08-06 2012-09-03 삼성전기주식회사 내환원성 유전체 조성물 및 이를 포함하는 세라믹 전자 부품
CN101935212A (zh) 2010-09-09 2011-01-05 西北工业大学 一种锆钛酸钡钙无铅压电陶瓷及其制备方法
JP5664228B2 (ja) 2010-12-28 2015-02-04 Tdk株式会社 誘電体磁器組成物および電子部品
JP5864168B2 (ja) * 2010-12-28 2016-02-17 キヤノン株式会社 圧電材料、圧電素子、液体吐出ヘッド、超音波モータおよび塵埃除去装置
JP6004640B2 (ja) * 2011-01-07 2016-10-12 キヤノン株式会社 圧電素子、液体吐出ヘッド、超音波モータ、塵埃除去装置、およびデバイス
WO2012105584A1 (en) 2011-01-31 2012-08-09 Canon Kabushiki Kaisha Composition for optical members and optical member
JP5865608B2 (ja) * 2011-05-31 2016-02-17 キヤノン株式会社 配向性圧電セラミックス、圧電素子、液体吐出ヘッド、超音波モータおよび塵埃除去装置
JP5979992B2 (ja) 2011-07-05 2016-08-31 キヤノン株式会社 圧電材料
CN103650323B (zh) 2011-07-05 2017-11-03 佳能株式会社 压电元件、多层压电元件、排液头、排液装置、超声波马达、光学装置和电子装置
US9515249B2 (en) 2011-07-05 2016-12-06 Canon Kabushiki Kaisha Piezoelectric material
JP6063672B2 (ja) * 2011-09-06 2017-01-18 キヤノン株式会社 圧電セラミックス、圧電セラミックスの製造方法、圧電素子、液体吐出ヘッド、液体吐出装置、超音波モータ、光学機器、振動装置、塵埃除去装置、撮像装置、圧電音響部品、および電子機器
JP5834776B2 (ja) * 2011-11-01 2015-12-24 セイコーエプソン株式会社 圧電素子、液体噴射ヘッド、液体噴射装置、超音波デバイス、並びにセンサー
CN102531578B (zh) 2012-01-17 2013-06-05 聊城大学 一种钛酸钡钙-锆钛酸钡-锡钛酸钡三元系无铅压电陶瓷
WO2013114794A1 (ja) * 2012-02-03 2013-08-08 パナソニック株式会社 圧電体膜、インクジェットヘッド、インクジェットヘッドを用いて画像を形成する方法、角速度センサ、角速度センサを用いて角速度を測定する方法、圧電発電素子ならびに圧電発電素子を用いた発電方法
JP6108934B2 (ja) * 2012-04-24 2017-04-05 キヤノン株式会社 圧電セラミックス、圧電素子、超音波モータおよび塵埃除去装置
JP5858385B2 (ja) * 2012-08-07 2016-02-10 住友化学株式会社 圧電体素子、圧電体デバイス及びその製造方法
EP2749550B1 (en) 2012-12-28 2017-05-17 Canon Kabushiki Kaisha Piezoelectric material, piezoelectric element, and electronic apparatus
US9076968B2 (en) * 2013-03-14 2015-07-07 Tdk Corporation Piezoelectric element, piezoelectric actuator, piezoelectric sensor, hard disk drive, and inkjet printer device

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100096952A1 (en) * 2006-12-25 2010-04-22 Kyocera Corporation Piezoelectric Ceramic and Piezoelectric Element
US20110298336A1 (en) * 2009-03-31 2011-12-08 University Of Yamanashi Ceramic, piezoelectric device, and production method thereof
US20120038714A1 (en) * 2010-04-15 2012-02-16 Panasonic Corporation Piezoelectric thin film, ink jet head, method of forming image by the ink jet head, angular velocity sensor, method of measuring angular velocity by the angular velocity sensor, piezoelectric generating element, and method of generating electric power using the piezoelectric generating element

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Publication number Publication date
TW201432963A (zh) 2014-08-16
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CN103910525A (zh) 2014-07-09

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