TWI518050B - 壓電材料、壓電元件、及電子設備 - Google Patents

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TWI518050B
TWI518050B TW103102775A TW103102775A TWI518050B TW I518050 B TWI518050 B TW I518050B TW 103102775 A TW103102775 A TW 103102775A TW 103102775 A TW103102775 A TW 103102775A TW I518050 B TWI518050 B TW I518050B
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渡邉□之
上田未紀
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佳能股份有限公司
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Description

壓電材料、壓電元件、及電子設備
本發明關於壓電材料，更特別的是，關於無鉛壓電材料。本發明亦關於各包括該壓電材料之壓電元件、多層壓電元件、液體排放頭、液體排放設備、超音波馬達、光學設備、振動設備、除塵裝置、影像擷取設備以及電子設備。
鋯酸鈦酸鉛為典型壓電材料，且用於各種不同壓電裝置，諸如致動器、振盪器、感測器及過濾器。然而，已指出當含鉛壓電裝置報廢並曝露於酸雨時，鉛組分可能自壓電材料淋溶至土地並有害生態系統。因此，目前正積極研究及開發用於無鉛壓電裝置之無鉛壓電材料。
NPL1揭示在少量鈦酸鋇於反鐵電物質(anti-ferroelectric substance)鈮酸鈉中之固溶體中，鈮酸鈉轉化成鐵電物質。描述於NPL 1之鈮酸鈉材料不含鉛及鉀。鉀係造成不良燒結性及低抗濕性的原因。NPL 1中所述之材料具有在5%至20%範圍內之鈦酸鋇濃度，且係在 1200℃至1280℃範圍內之溫度下燒結。NPL 1中描述之鈮酸鈉材料的居里溫度高於典型無鉛壓電材料鈦酸鋇之居里溫度(120℃至130℃)。例如，其中揭示(Na0.9Ba0.1)(Nb0.9Ti0.1)O3具有230℃之居里溫度。然而，該組成物之機械品質因數低至140。
〔引用列表〕 〔非專利文獻〕
NPL 1 J. T. Zeng等人，Journal of the American Ceramic Society, 2006，第89卷，第2828至2832頁
已知鈮酸鈉壓電材料具有低機械品質因數以及長期驅動時低安定性的問題。機械品質因數與共振驅動有關。
本發明解決此等問題以及提供無鉛且無鉀之壓電材料，其具有高居里溫度及高機械品質因數且在長期驅動時安定。本發明亦關於各包括該壓電材料之壓電元件、多層壓電元件、液體排放頭、液體排放設備、超音波馬達、光學設備、振動設備、除塵裝置、影像擷取設備以及電子設備。
解決上述問題之根據本發明具體實例的壓電材料係含有具有以下通式(1)之鈣鈦礦型金屬氧化物的壓電材料：NaxBa1-yNbyZr1-yO3 (1)
其中x滿足0.85x0.96，且y滿足0.90y0.96。
根據本發明一方面之壓電元件包括第一電極、壓電材料部分及第二電極，其中該壓電材料部分包括上述壓電材料。
根據本發明一方面之多層壓電元件包括彼此交錯堆疊之壓電材料層及電極層。該等電極層包括內部電極。該等壓電材料層包括上述壓電材料。
根據本發明一方面之液體排放頭包括液體室及與該液體室連通之排放口。該液體室具有包括上述壓電元件或多層壓電元件之振動部分。
根據本發明一方面之液體排放設備包括轉印媒體之安裝部分及上述之液體排放頭。
根據本發明一方面之超音波馬達包括振動構件及與該振動構件接觸之移動體。該振動構件包括上述壓電元件或多層壓電元件。
根據本發明一方面之光學設備含有包括上述超音波馬達之驅動單元。
根據本發明一方面之振動設備含有包括上述上述壓電元件或多層壓電元件之振動構件。
根據本發明一方面之除塵裝置含有包括上述 振動設備的振動部分。
根據本發明一方面之影像擷取設備包括除塵裝置及影像擷取元件單元，其中該除塵裝置包括在該影像擷取元件單元之光接收表面側上的振動構件。
根據本發明一方面之電子設備含有包括上述壓電元件或多層壓電元件的壓電聲學組件。
本發明提供其具有高居里溫度及高機械品質因數且在長期驅動時安定之無鉛且無鉀的壓電材料。本發明亦關於各包括該無鉛壓電材料之壓電元件、多層壓電元件、液體排放頭、液體排放設備、超音波馬達、光學設備、振動設備、除塵裝置、影像擷取設備以及電子設備。
根據本發明具體實例之壓電材料不含鉛且具有低環境負荷。
1‧‧‧第一電極
2‧‧‧壓電材料
3‧‧‧第二電極
101‧‧‧壓電元件
102‧‧‧個別液體室
103‧‧‧膜片
104‧‧‧液體室隔間壁
105‧‧‧排放口
106‧‧‧連通孔
107‧‧‧共用液體室
108‧‧‧緩衝層
1011‧‧‧第一電極
1012‧‧‧壓電材料
1013‧‧‧第二電極
201‧‧‧振盪器
202‧‧‧轉子
203‧‧‧輸出軸
204‧‧‧振盪器
205‧‧‧轉子
206‧‧‧彈簧
2011‧‧‧彈性環
2012‧‧‧壓電元件
2013‧‧‧有機黏著劑
2041‧‧‧金屬彈性體
2042‧‧‧多層壓電元件
310‧‧‧除塵裝置
320‧‧‧膜片
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
51‧‧‧第一電極
53‧‧‧第二電極
54‧‧‧壓電材料層
55‧‧‧內部電極
56‧‧‧層狀體
501‧‧‧第一電極
503‧‧‧第二電極
504‧‧‧壓電材料層
505a‧‧‧內部電極
505b‧‧‧內部電極
506a‧‧‧外部電極
506b‧‧‧外部電極
601‧‧‧相機主體
602‧‧‧座
605‧‧‧反光鏡箱
606‧‧‧主要反光鏡
200‧‧‧快門單元
300‧‧‧主體框架
400‧‧‧影像擷取單元
701‧‧‧前透鏡群
702‧‧‧後透鏡群(對焦透鏡)
711‧‧‧可移除座
712‧‧‧固定鏡筒
713‧‧‧直線引導鏡筒
714‧‧‧前透鏡群鏡筒
715‧‧‧凸輪環
716‧‧‧後透鏡群鏡筒
717‧‧‧凸輪滾子
718‧‧‧螺絲
719‧‧‧滾子
720‧‧‧旋轉傳遞環
722‧‧‧被驅動滾子
724‧‧‧手動對焦環
725‧‧‧超音波馬達
726‧‧‧波狀墊圈
727‧‧‧滾珠座圈
728‧‧‧對焦鍵
729‧‧‧接頭
732‧‧‧墊圈
733‧‧‧低摩擦片
881‧‧‧液體排放設備
882‧‧‧外部
883‧‧‧外部
884‧‧‧外部
885‧‧‧外部
887‧‧‧外部
890‧‧‧回收部分
891‧‧‧記錄部分
892‧‧‧運載器
896‧‧‧設備主體
897‧‧‧自動饋送器
898‧‧‧出口
899‧‧‧輸送單元
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‧‧‧縮放槓桿
933‧‧‧電源開關
圖1係根據本發明具體實例之壓電材料的示意圖。
圖2A及2B係根據本發明具體實例之多層壓電材料的示意橫斷面圖。
圖3A及3B係根據本發明具體實例之液體排放頭的示意圖。
圖4係根據本發明具體實例之液體排放設備的示意 圖。
圖5係根據本發明具體實例之液體排放設備的示意圖。
圖6A及6B係根據本發明具體實例之超音波馬達的示意圖。
圖7A及7B係根據本發明具體實例之光學設備的示意圖。
圖8係根據本發明具體實例之光學設備的示意圖。
圖9A及9B係根據本發明具體實例之包括振動設備的除塵裝置之示意圖。
圖10A至10C係根據本發明具體實例之除塵裝置的壓電元件之示意圖。
圖11A及11B係圖示根據本發明具體實例之除塵裝置的振動原理之示意圖。
圖12係根據本發明具體實例之影像擷取設備的示意圖。
圖13係根據本發明具體實例之影像擷取設備的示意圖。
圖14係根據本發明具體實例之電子設備的示意圖。
〔具體實例之說明〕
下文茲描述本發明之具體實例。
本發明提供以NaNbO3及BaZrO3為底質而且 具有高機械品質因數之無鉛壓電材料。根據本發明具體實例之壓電材料可利用其介電性質而用於各種不同應用，諸如電容器、記憶體及感測器。
根據本發明具體實例之壓電材料包括含有以下通式(1)之鈣鈦礦型金屬氧化物：NaxBa1-yNbyZr1-yO3 (1)
其中x滿足0.85x0.96，且y滿足0.90y0.96。
本文所使用之術語「鈣鈦礦型金屬氧化物」係指具有理想上為立方結構之鈣鈦礦型結構的金屬氧化物，如Iwanami Rikagaku Jiten第5版(1998年2月20日由Iwanami Shoten,published出版)中所述。具有鈣鈦礦型結構之金屬氧化物通常以化學ABO3表示。在鈣鈦礦型金屬氧化物中，元素A及B呈離子形式分別佔據稱之為A位點及B位點之單位晶胞中的特定位置。就立方晶系單位晶胞而言，元素A佔據立方體之頂點，而元素B佔據該立方體之體心位置。元素O為佔據該立方體之面心位置的氧陰離子。
在具有通式(1)之鈣鈦礦型金屬氧化物中，在A位點之金屬元素為Na及Ba，及在B位點之金屬元素為Nb及Zr。Na及Ba可部分佔據B位點。同樣的，Nb及Zr可部分佔據A位點。
在通式(1)中，雖然B位點元素對元素O的莫耳比為1：3，但莫耳比之小幅變化(例如1.00：2.94至1.00：3.06)在本發明範圍內，其條件係該金屬氧化物 具有鈣鈦礦型結構作為主要相。金屬氧化物之鈣鈦礦型結構可藉由使用X射線繞射或電子束繞射之結構分析測定。
根據本發明具體實例之壓電材料可具有任何形式，諸如陶瓷、粉末、單晶、膜或漿體，及可為陶瓷。本文所使用之術語「陶瓷」係指含有金屬氧化物作為基本組分並藉由熱處理而燒結之晶粒的聚集體(亦稱為塊體)，即多晶材料。術語「陶瓷」亦包括於燒結後經加工處理之陶瓷。
通式(1)之x值(其代表在A位點之Na的數量)可在0.85x0.96之範圍內。低於0.85之x值造成Na相對於Nb及Zr的總和不足以及發生雜質相(諸如Ba4Nb2O9)。富含此種雜質相之金屬氧化物樣本具有在107至108Ω．cm範圍內之低電阻率且難以極化。高於0.96之x值造成低壓電性。當x滿足0.85x0.96，較佳為0.90x0.95時，雜質相鮮少發生，且該壓電材料具有高機械品質因數。
通式(1)之y值(其代表在B位點之Nb的量)可在0.90y0.96之範圍內。低於0.90之y值造成低於140℃之居里溫度。在y值高於0.96之下，該鈣鈦礦型金屬氧化物為順電體(paraelectric)且不具壓電性。因此，在0.90y0.96範圍內之y值造成為170℃或更高之居里溫度以及高機械品質因數。
在0.90y0.96範圍內之y值造成在大約170℃至300℃之範圍內的居里溫度，及高於400之機械品 質因數。在0.94y0.96範圍內之y值造成在大約230℃至300℃範圍內之居里溫度、高於600之機械品質因數及高於30kV/cm之矯頑場，因此該壓電材料在長期驅動時安定。
居里溫度係高於此溫度時壓電材料之壓電性即消失的溫度。本文所使用之術語「居里溫度」係指在此溫度下鐵電相及順電相之間的相轉變溫度附近中介電常數最高之溫度。
根據本發明具體實例之壓電材料可含有鈣鈦礦型金屬氧化物及Cu以提高其電阻率、機械品質因數、楊氏模數及密度。該Cu含量可為該鈣鈦礦型金屬氧化物之數量的2.00莫耳%或更低。當Cu含量對應於超過鈣鈦礦型金屬氧化物之數量的2.00莫耳%時，此可造成雜質相及低壓電性的發生。以莫耳%表示之Cu含量為根據金屬基準的Cu之莫耳比。Cu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，或可存在該陶瓷的晶界。
燒結含有鈮酸鈉作為組分之晶體可導致Na蒸發或擴散，且燒結後之樣本組成物可能相對於Nb缺乏Na。因此，A位點具有瑕疵。然而，秤出過量Na原料粉末可造成燒結體有不良的絕緣性質。因此，一部分添加之Cu可補償在A位點上的瑕疵。該等原料可經秤重以使燒製後之組成物中的相對於Nb的Na缺乏不超過5%，及可在該等原料中添加Cu。
Cu不一定存在於A位點或B位點，且可能存在於晶界。由於Cu之低熔點，其促進液相燒結。因此，Cu可在晶界分離。加速液相燒結減少燒結體中之孔數及提高該燒結體的密度。減少孔數造成機械品質因數提高或楊氏模數提高。樣本中之Cu的分布及在晶體中之佔據位點可使用電子顯微鏡、藉由能量色散X射線光譜術、X射線繞射或拉曼散射，或使用透射電子顯微鏡測定。
根據本發明具體實例之壓電材料可滿足通式(1)中之x<y。在x<y之條件下，Cu被納入晶格且提高電阻率、機械品質因數、楊氏模數及密度。起始材料可具有x小於y之組成。當x大於或等於y時，樣本可能具有不良絕緣性質。
為了促進根據本發明具體實例之壓電材料的製造或改變根據本發明具體實例之壓電材料的物理性質，鋇可部分經二價金屬元素取代；例如20莫耳%或更少之鋇可經鍶或鈣取代。同樣的，鈮可部分經五價金屬元素取代；例如20莫耳%或更少之鈮可經鉭或釩取代。
為了形成根據本發明具體實例之壓電材料的燒結體，必須製備生壓坯。該生壓坯係為原料粉末之成形固體。該原料粉末可具有高純度。該壓坯可藉由單軸壓製、冷液均壓、熱液均壓、澆鑄及擠製成形而形成。該壓坯可從粒化粉末形成。從粒化粉末形成之壓坯的燒結具有該燒結體的晶粒大小分布傾向於變均勻的優點。
壓電材料之原料粉末可藉由任何方法粒化。 噴霧乾燥使該粒化粉末之粒度更均勻。用於粒化之黏合劑可為聚(乙烯醇)(PVA)、聚(乙烯丁醛)(PVB)或丙烯酸系樹脂。黏合劑之量較佳在每100重量份壓電材料的原料粉末為1至10重量份之範圍內，更佳為2至5重量份，以提高該壓坯密度。
該壓坯可藉由任何方法燒結。燒結方法之實例包括在電爐中燒結、在燃氣爐中燒結、電加熱、微波燒結法、毫米波燒結及熱等靜壓壓製(HIP)。在電爐或燃氣爐中燒結可在連續爐或批式爐中進行。
該燒結溫度無特別限制，可為使化合物可反應且充份生長成晶體形式的溫度。該燒結溫度較佳為1100℃或更高以及1400℃或更低，更佳為1150℃或更高以及1300℃或更低，使平均晶粒大小在10至50μm範圍內。為了確保藉由燒結所製造之壓電材料的特徵之重現性及安定性，燒結可在所希望溫度範圍內之恆定溫度下進行2小時或更久以及48小時或更短。雖然亦可進行兩步驟燒結，但不打斷溫度變化之燒結方法可改善生產力。
藉由燒結法所產生之壓電材料可經拋光，然後在居里溫度或更高的溫度下熱處理。在居里溫度或更高溫度下熱處理該壓電材料可減緩機械性拋光所形成之該壓電材料的殘留應力，從而改善該壓電材料之壓電性質。該熱處理時間可為但不局限於1小時或更久。
具有大於100μm之晶粒大小的根據本發明具體實例之壓電材料在裁切程序及拋光程序中可能具有不充 足強度。小於0.3μm之晶粒大小造成低壓電性。因此，平均晶粒大小較佳為0.3μm或更大以及100μm或更小，更佳為0.5μm或更大以及60μm或更小。
本文所使用之術語「晶粒大小」係指通常以顯微術觀察之「突出面積等效直徑」，且係指與晶粒突出面積具有相同面積之正圓的直徑。在本發明中，晶粒大小可藉由任何方法測定。例如，晶粒大小可藉由影像處理以偏光顯微鏡或掃描式電子顯微鏡所取得之壓電材料的表面影像而測定。由於最佳放大倍率係視待測量之晶粒大小而定，可根據晶粒大小選擇光學顯微鏡或電子顯微鏡。等效圓直徑可從材料之經拋光表面或橫斷面而非其表面的影像測定。
希望當使用根據本發明具體實例之壓電材料作為在基板上形成的膜時，該壓電材料膜之厚度為200nm或更大以及10μm或更小，更佳為300nm或更大以及3μm或更小。此係因為當該壓電材料膜厚度為200nm或更大以及10μm或更小時，壓電元件具有充足的機電轉換功能。
該膜可藉由任何方法形成，例如化學溶液沉積法(CSD法)、溶膠-凝膠法、金屬-有機化學氣相沉積法(MOCVD法)、濺鍍法、脈衝雷射沉積法(PLD法)、熱液合成法及氣溶膠沉積法(AD法)。該膜可藉由化學溶液沉積法或濺鍍法形成。使用化學溶液沉積法或濺鍍法可輕易地增加該膜之面積。用於根據本發明具體實 例之壓電材料的基板可為具有經拋光(001)或(110)部分之單晶基板。使用此種具有經特別拋光晶面的單晶基板使得在該基板表面形成之壓電材料膜以相同方向強定向。
(壓電材料)
下文將說明使用根據本發明具體實例之壓電材料所製造的壓電元件。
圖1係根據本發明具體實例之壓電材料的示意圖。該壓電元件包括第一電極1、壓電材料部分2及第二電極3。該壓電材料部分2之壓電材料係根據本發明具體實例之壓電材料。
該壓電材料之壓電性質可藉由至少將第一電極1及第二電極3附接至該壓電材料部分2以形成壓電元件來評估。該第一電極1及第二電極3各為具有在大約5nm至10μm範圍內的厚度之導電層。該等電極各者之材料無特別限制，且可為壓電元件中常用之任何材料。此種材料之實例包括金屬，諸如Ti、Pt、Ta、Ir、Sr、In、Sn、Au、Al、Fe、Cr、Ni、Pd、Ag及Cu以及其化合物。
該第一電極1及第二電極3各者可由該等材料之一製成，或可為由該等材料之二或更多者製成的多層膜。該第一電極1之材料可與該第二電極3之材料不同。
該第一電極1及第二電極3藉由任何方法製造，例如藉由烘烤金屬糊劑或使用濺鍍程序或氣相沉積法 來製造。該第一電極1及第二電極3可具有所希望之圖案。
壓電元件具有單向極化軸。具有單向極化軸可提高該壓電元件之壓電常數。
該壓電元件之極化方法無特別限制。極化處理可在周圍氣氛中或油中進行。極化溫度可在60℃至160℃之範圍內。用於極化之最佳條件可隨該壓電元件之壓電材料的組成而改變。用於極化處理之電場可大於或等於該材料之矯頑場，以及更特別的是可在1至5kV/mm之範圍內。
壓電元件之壓電常數及機械品質因數可從根據日本電子資訊技術產業協會(Japan Electronics and Information Technology Industries Association)標準(JEITA EM-4501)使用市售阻抗分析儀測量的共振頻率及反共振頻率計算。下文將該方法稱為共振-反共振方法。
(多層壓電元件)
下文將說明使用根據本發明具體實例之壓電材料所製造的多層壓電元件。
根據本發明具體實例之多層壓電元件包括彼此交錯堆疊之壓電材料層及電極層。該等電極層包括內部電極。該等壓電材料層係由根據本發明具體實例之壓電材料形成。
圖2A及2B係根據本發明具體實例之多層壓電材料的示意橫斷面圖。根據本發明具體實例之多層壓電元件含有壓電材料層54及包括內部電極55之電極。該多層壓電元件包括彼此交錯堆疊壓之電材料層54及層狀電極。該等壓電材料層54係由上述壓電材料形成。該等電極包括外部電極，諸如第一電極51及第二電極53，以及內部電極55。
圖2A圖示包括在該第一電極51與該第二電極53之間的層狀體56之根據本發明具體實例的多層壓電元件，其中該層狀體包括兩個壓電材料層54，且二者之間插入有內部電極55。壓電材料層之數目及內部電極之數目無特別限制，且可增加，如圖2B所示。圖2B所示多層壓電元件包括在該第一電極501與該第二電極503之間的層狀體。該層狀體包括彼此交錯堆疊之9個壓電材料層504及8個內部電極505(505a及505b)。該多層壓電元件另外包括外部電極506a及外部電極506b以使該等內部電極彼此連接。
內部電極55及505以及外部電極506a及506b之大小及形狀可與壓電材料層54及504之大小及形狀不同。內部電極55及505以及外部電極506a及506b各者可由複數個部分形成。
內部電極55及505、外部電極506a及506b、第一電極51及501以及第二電極53及503各者為具有在大約5nm至10μm範圍內的厚度之導電層。該等 電極各者之材料無特別限制，且可為壓電元件中常用之任何材料。此種材料之實例包括金屬，諸如Ti、Pt、Ta、Ir、Sr、In、Sn、Au、Al、Fe、Cr、Ni、Pd、Ag及Cu以及其化合物。內部電極55及505以及外部電極506a及506b各者可由該等材料之一或其混合物或合金製成，或可為由該等材料之二或更多者製成的多層膜。該等電極可由不同材料製成。內部電極55及505可含有便宜電極材料Ni及Cu中的至少一者。當內部電極55及505含有Ni及Cu中之至少一者時，該多層壓電元件可在還原氣氛中燒製。
該多層壓電元件之內部電極55及內部電極505可含有Ag及Pd。Ag之重量M1對Pd之重量M2的重量比M1/M2較佳係在1.5M1/M29.0之範圍，更佳為2.3M1/M24.0。小於1.5之重量比M1/M2不宜，因內部電極的燒結溫度高。大於9.0之重量比M1/M2亦不宜，因內部電極會有島狀結構及不均勻表面。
如圖2B所示，可將複數個包括內部電極505之電極彼此連接以使驅動電壓相同步。例如，經由使用外部電極506a可將該等內部電極505a連接至第一電極501。經由使用外部電極506b可將該等內部電極505b連接至第二電極503。該等電極可藉由任何方法連接。例如，可將電極或用於連接之電線配置在該多層壓電元件的側表面上。或者，可形成通過壓電材料層504之通孔，以及可以導電性材料塗覆該通孔內部以連接該等電極。
(液體排放頭)
根據本發明一方面之液體排放頭包括液體室及與該液體室連通之排放口。該液體室含有包括根據本發明具體實例之壓電元件或多層壓電元件的振動部分。從根據本發明具體實例之液體排放頭排放的液體可為任何液體，例如水性液體或非水性液體，諸如水、油墨或燃料。
圖3A及3B係根據本發明具體實例之液體排放頭的示意圖。如圖3A及3B所示，該液體排放頭包括根據本發明具體實例之壓電元件101。該壓電元件101包括第一電極1011、壓電材料1012及第二電極1013。該壓電材料1012可被圖案化，如圖3B所示。
圖3B為該液體排放頭之示意圖。該液體排放頭包括排放口105、個別液體室102、將該等個別液體室102連接至排放口105之連通孔106、液體室隔間壁104、共用液體室107、膜片103及壓電元件101。雖然圖3B中之壓電元件101為矩形，但該壓電元件101可為其他形狀，諸如橢圓形、圓形或平行四邊形。通常，壓電材料1012的形狀對應於該個別液體室102的形狀。
下文係參考圖3A詳細描述該液體排放頭之壓電元件101。圖3A係圖3B之壓電元件的寬度方向之橫斷面圖。雖然壓電元件101具有圖3A中之矩形橫斷面，但該壓電元件101可具有梯形或反梯形橫斷面。
圖3A中，第一電極1011為下方電極，以及 第二電極1013為上方電極。該第一電極1011及第二電極1013可以不同方式佈置。例如，該第一電極1011可為下方電極或上方電極。同樣的，該第二電極1013可為上方電極或下方電極。緩衝層108可配置在膜片103與下方電極之間。該等不同設計係由用於製造該裝置的方法中之變化所導致，且各種情況均具有本發明的優點。
在液體排放頭中，膜片103藉由壓電材料1012之擴張及收縮而向上及向下彎曲，從而對個別液體室102中之液體施加壓力。此使液體從排放口105排放。根據本發明具體實例之液體排放頭可用於列印機及電子裝置之製造。該膜片103具有1.0μm或更大以及15μm或更小，較佳為1.5μm或更大以及8μm或更小之厚度。該膜片之材料無特別限制，且可為Si。該膜片之Si可摻雜硼或磷。該膜片上之緩衝層及電極可構成該膜片。該緩衝層108具有5nm或更大以及300nm或更小，較佳為10nm或更大以及200nm或更小之厚度。該排放口105具有5μm或更大以及40μm或更小之等效圓直徑。排放口105可為圓形、星形、正方形或三角形。
(液體排放設備)
下文將說明根據本發明具體實例之液體排放設備。該液體排放設備包括經建造以接收物體之座台以及液體排放頭。
該液體排放設備可為噴墨記錄設備，如圖4 及5所示。圖5說明圖4所示之液體排放設備(噴墨記錄設備)881，但無外部882至885以及887。該噴墨記錄設備881包括用於將作為記錄媒體之記錄紙張自動饋送至該設備的主體896之自動饋送器897。該噴墨記錄設備881另外包括輸送單元899(其將記錄紙張從自動饋送器897輸送至預定記錄位置以及從該記錄位置輸送至出口898)、經建造以接收物體之座台、用於在該記錄位置記錄至該記錄紙的記錄單元891，以及用於回收該記錄單元891之回收單元890。該記錄單元891包括用於容納根據本發明具體實例之液體排放頭的運載器892。該運載器892沿軌道行進。
在此種噴墨記錄設備中，該運載器892回應於從電腦發出的電信號而沿軌道行進。當將驅動電壓施加至配置在該壓電材料上之電極時，該壓電材料變形。於該變形時，壓電材料經由圖3B所示之膜片103而施加壓力於個別液體室102，藉此從排放口105排放油墨以印刷字符。根據本發明具體實例之液體排放設備以高速均勻地排放液體，以及可縮小尺寸。
除了上述列印機之外，根據本發明具體實例之液體排放設備可用於印刷設備，例如噴墨記錄設備，諸如傳真機、多功能裝置及影印機、工業液體排放設備及物體之繪製設備。使用者可選擇適合各種應用之所希望的轉印媒體。該液體排放頭可相對於配置在作為安裝部分之座台上的轉印媒體而移動。
(超音波馬達)
根據本發明具體實例之超音波馬達包括振動構件及與該振動構件接觸之移動體。該振動構件包括根據本發明具體實例之壓電元件或多層壓電元件。
圖6A及6B係根據本發明具體實例之超音波馬達的示意圖。圖6A所示之超音波馬達包括單片之根據本發明具體實例的壓電元件。超音波馬達包括振盪器201、藉由壓力彈簧(未圖示)之作用壓在該振盪器201之滑動表面的轉子202，及與該轉子202一體成形之輸出軸203。
該振盪器201包括金屬彈性環2011、根據本發明具體實例之壓電元件2012及接合該壓電元件2012與彈性環2011之有機黏著劑2013(諸如環氧樹脂或氰基丙烯酸酯)。
雖然圖中未顯示，但壓電元件2012包括在第一電極及第二電極之間的壓電材料。當將相位差為π/2之奇數倍的兩相交流電壓施加至根據本發明具體實例的壓電元件時，在振盪器201中發生彎曲之行進波，且該振盪器201之滑動表面上的點發生橢圓運動。壓在該振盪器201之滑動表面的轉子202接收來自該振動器201之摩擦力且以與該彎曲之行進波相反方向旋轉。
接合至輸出軸203之待驅動物體(未圖示)係藉由該轉子202之旋轉力驅動。當將電壓施加至該壓電 材料時，該壓電材料因橫向壓電效應而擴張及收縮。接合至該壓電元件之彈性體(諸如金屬)隨著該壓電材料之擴張及收縮而彎曲。本文所述之超音波馬達利用此原理。
圖6B圖示包括多層壓電元件之超音波馬達。振盪器204包括在管狀金屬彈性體2041中之多層壓電元件2042。該多層壓電元件2042包括複數個層狀壓電材料(未圖示)以及包括在該等層狀壓電材料之外表面上的第一電極及第二電極，及在該等層狀壓電材料內之內部電極。該金屬彈性體2041係以螺栓緊固以固持該壓電元件2042，從而構成該振盪器204。
當施加具有不同相位之交流電壓至該壓電元件2042時，該振盪器204產生兩種彼此垂直之振盪。這兩種振盪經同步化而形成用於驅動該振盪器204的尖端之圓形振盪。振盪器204在其上方部分具有環形槽。該環形槽增加用於驅動之振盪位移。轉子205係藉由壓力彈簧206之作用而壓在該振盪器204上，並接收用於驅動之摩擦力。轉子205係藉由軸承以可旋轉方式支撐。
(光學設備)
下文說明根據本發明具體實例之光學設備。該光學設備含有包括上述超音波馬達之驅動單元。
圖7A及7B係為根據本發明具體實例之光學設備的單透鏡反射式相機之可交換透鏡鏡筒的橫斷面圖。圖8係為根據本發明具體實例之光學設備的單透鏡反射式 相機之可交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係固定至該相機之可移除座711。該等組件係該可交換透鏡鏡筒之固定構件。
該直線引導鏡筒713在光軸方向具有對焦透鏡702的直線引導槽713a。該對焦透鏡702係由後透鏡群鏡筒716支撐。以徑向方向向外突出之凸輪滾子717a及717b係以螺絲718固定至該後透鏡群鏡筒716。該凸輪滾子717a配接於該直線引導槽713a。
凸輪環715以可旋轉方式配接於該直線引導鏡筒713之內周。固定至凸輪環715之滾子719被直線引導鏡筒713之環形槽713b扣住，從而限制在光軸方向中該直線引導鏡筒713與該凸輪環715的相對位移。該凸輪環715具有對焦透鏡702之凸輪槽715a。該凸輪滾子717b亦配接於該凸輪槽715a。
旋轉傳遞環720係由滾珠座圈727以可旋轉方式固持在固定鏡筒712周圍上之固定位置。被驅動滾子722係藉由從該旋轉傳遞環720徑向延伸的軸720f以可旋轉方式固持。該被驅動滾子722之大直徑部分722a係與手動對焦環724之座側端面724b接觸。該被驅動滾子722之小直徑部分722b係與接頭729接觸。六個被驅動滾子722係以規則間隔配置在該旋轉傳遞環720之周圍。每一被驅動滾子722均滿足上述結構關係。
低摩擦片(墊圈構件)733係配置在該手動對焦環724之內部。該低摩擦片733係配置在該固定鏡筒 712之座側端面712a與該手動對焦環724之前端面724a之間。該低摩擦片733具有直徑與該手動對焦環724之內徑724c配適的圓形外表面。該手動對焦環724之內徑724c亦配適於該固定鏡筒712之外部分712b的直徑。該低摩擦片733可減少其中手動對焦環724繞光軸相對於固定鏡筒712旋轉之旋轉環構件中的摩擦。
因波狀墊圈726將該超音波馬達725向前壓至該透鏡前面，故該被驅動滾子722之大直徑部分722a係壓在該手動對焦環724之座側端面724b。同樣的，因波狀墊圈726將該超音波馬達725向前壓至該透鏡前面，故該被驅動滾子722之小直徑部分722b係壓在接頭729上。
該波狀墊圈726係藉由墊圈732卡口連接至該固定鏡筒712而防止朝該座移動。該波狀墊圈726之彈簧力(推進力)係傳遞至該超音波馬達725以及該被驅動滾子722，且亦將該手動對焦環724壓在該固定鏡筒712之座側端面712a。換言之，該手動對焦環724係經由該低摩擦片733而壓在該固定鏡筒712之座側端表面712a。
如此，當該超音波馬達725係藉由控制單元(未圖示)相對於該固定鏡筒712旋轉時，因該接頭729係與該被驅動滾子722的小直徑部分722b摩擦接觸，該被驅動滾子722繞該軸720f旋轉。該被驅動滾子722繞軸720f旋轉造成該旋轉傳遞環720繞光軸旋轉(自動對 焦)。
當手動輸入單元(未圖示)對該手動對焦環724提供繞光軸之旋轉力時，由於該手動對焦環724之座側端面724b係壓在該被驅動滾子722之大直徑部分722a上，故該被驅動滾子722因摩擦力而繞該軸720f旋轉。該被驅動滾子722之大直徑部分722a繞軸720f旋轉造成該旋轉傳遞環720繞光軸旋轉。然而，因轉子725c與定子725b之間的摩擦力緣故，該超音波馬達725不旋轉(手動對焦)。
該旋轉傳遞環720係設有兩個彼此相對之對焦鍵728。該等對焦鍵728配接至該凸輪環715尖端的凹口715b中。當進行自動對焦或手動對焦時，該旋轉傳遞環720係繞光軸旋轉，且該旋轉力係經由該對焦鍵728傳遞至該凸輪環715。當該凸輪環715繞光軸旋轉時，該凸輪滾子717b使受該直線引導槽713a限制之凸輪滾子717a及後群透鏡鏡筒716沿著凸輪環715的凸輪槽715a前後移動。此驅動該對焦透鏡702並使得進行對焦。
雖然已參考單透鏡反射式相機之可交換透鏡鏡筒描述根據本發明具體實例之光學設備，但該光學設備亦可應用於在驅動單元中包括超音波馬達之光學設備，例如相機，諸如小型相機、電子磁卡相機(electronic still camera)及配備相機之個人數位助理。
(振動設備及除塵裝置)
用於輸送或移除粒子、粉末及液滴之振動設備廣泛地應用於電子裝備。
作為根據本發明之振動設備的實例，下文將描述包括根據本發明具體實例之壓電元件的除塵裝置。根據本發明具體實例之振動設備包括振動構件，該振動構件包括上述配置在膜片上之壓電元件或多層壓電元件。該除塵裝置含有包括上述振動設備之振動部分。
圖9A及9B係根據本發明具體實例之除塵裝置310之示意圖。該除塵裝置310包括壓電元件330板及膜片320。該壓電元件330可為根據本發明具體實例之多層壓電元件。該膜片320可由任何材料製成。當該除塵裝置310係用於光學裝置時，該膜片320可由半透明或透明材料或反光材料製成。
圖10A至10C係圖9A及9B中所示之壓電元件330的示意圖。圖10A及10C圖示該壓電元件330之前側及後側。圖10B為該壓電元件330之側視圖。如圖9A及9B所示，該壓電元件330包括壓電材料331、第一電極332及第二電極333。該第一電極332及該第二電極333係配置在該壓電材料331之相對側上。
如圖9A及9B，該壓電元件330可為根據本發明具體實例之多層壓電元件。該例中，壓電材料331包括彼此交錯堆疊之壓電材料層及內部電極。該等內部電極係交錯連接至該第一電極332及該第二電極333，從而使該等壓電材料層交替具有不同相位之驅動波形。
如圖10C所示，該壓電元件330之配置有該第一電極332的表面係稱為第一電極表面336。如圖10A所示，該壓電元件330之配置有該第二電極333的表面係稱為第二電極表面337。
本文所使用之術語「電極表面」係指於其上配置電極之壓電元件的表面。例如，如圖10B所示，該第一電極332可繞角落拐彎並延伸至第二電極表面337。
如圖9A及9B所示，該壓電元件330之第一電極表面336係接合至該膜片320。該壓電元件330之致動在該壓電元件330與該膜片320之間產生應力，在該膜片320上產生面外振盪。該除塵裝置310藉由面外振盪之作用而移除該膜片320上的外來物質，諸如粉塵。本文所使用之術語「面外振盪(out-of-plane oscillation)」係指造成膜片在光軸方向或該膜片厚度方向的位移之彈性振盪。
圖11A及11B係圖示該除塵裝置310之振動原理的示意圖。圖11A中，將同相交流電壓施加至該等壓電元件330之左右對而造成膜片320之面外振盪。構成該等壓電元件330之左右對的壓電材料之極化方向與該等壓電元件330之厚度方向相同。該除塵裝置310係以第七振盪模式驅動。
圖11B中，將反相交流電壓施加至該等壓電元件330之左右對而造成膜片320之面外振盪。該除塵裝置310係以第六振盪模式驅動。該除塵裝置310可使用至 少兩個振盪模式以有效移除該膜片表面上之粉塵。
(影像擷取設備)
下文說明根據本發明具體實例之影像擷取設備。
根據本發明具體實例之影像擷取設備包含根據本發明具體實例之除塵裝置及影像擷取元件單元，其中該除塵裝置包括在該影像擷取元件單元之光接收表面側上的膜片，且該除塵裝置係配置在該影像擷取元件單元之光接收表面側上。圖12及13圖示數位單透鏡反射式相機，該數位單透鏡反射式相機係根據本發明具體實例之影像擷取設備。
圖12係從物體側觀看之相機的主體601之前透視圖。成像透鏡單元已移除。圖13係該相機內部之放大透視圖，其圖示根據本發明具體實例之除塵裝置周圍結構及影像擷取單元400。
該相機的主體601包括通過影像擷取透鏡之影像光束被導引至其中之反光鏡箱605。該反光鏡箱605包括主要反光鏡(快速復位反光鏡)606。該主要反光鏡606可與光軸形成45度角以將影像光束導至五稜反光鏡(penta roof mirror)(未圖示)，或可避免該影像光束以將該影像光束導至影像擷取元件(未圖示)。
該反光鏡箱605及快門單元200係依此順序從物體側配置在該相機主體601之主體框架300的前側。 該影像擷取單元400係配置在主體框架300之攝影師側。安裝影像擷取單元400使該影像擷取元件之影像擷取表面係以與附接有成像透鏡單元之座602的表面相距預定的距離並與之平行的方式配置。該影像擷取單元400包括除塵裝置之振動組件及影像擷取元件單元。該除塵裝置之振動組件係配置在與該影像擷取元件單元之光接收表面相同軸上。
雖然已描述數位單透鏡反射式相機作為根據本發明具體實例之影像擷取設備，但該影像擷取設備可為可交換透鏡相機，諸如不具反光鏡箱605之無反光鏡數位可交換透鏡相機。在各種不同影像擷取設備及電器及包括影像擷取設備之電子裝備(諸如可交換透鏡錄影機、影印機、傳真機及掃描器)當中，根據本發明具體實例之影像擷取設備特別可應用於需要移除沉積在光學組件表面上之粉塵的裝置。
(電子裝備)
下文將說明根據本發明具體實例之電子裝備。根據本發明具體實例之電子設備含有包括上述壓電元件或多層壓電元件的壓電聲學組件。該壓電聲學組件可為揚聲器、蜂鳴器、麥克風或表面聲波(SAW)裝置。
圖14係是為根據本發明具體實例之電子裝備的數位相機之主體931的前透視圖。光學裝置901、麥克風914、電子閃光單元909及補充光單元916係配置在該 主體931之前表面上。該麥克風914係配置在該主體內且以虛線表示。用於捕捉外部聲音之開口係配置在該麥克風914前方。
電源開關933、揚聲器912、縮放槓桿932及用於進行對焦操作之釋放鈕908係配置於該主體931的頂表面上。該揚聲器912係配置在該主體931內且以虛線表示。使聲音傳送至外部之開口係配置在該揚聲器912前方。
該壓電聲學組件可用於麥克風914、揚聲器912及表面聲波裝置中之至少一者。
雖然已描述數位相機作為根據本發明具體實例之電子裝備，但該電子裝備亦可應用於包括壓電聲學組件的電子裝備，諸如聲音重現裝置、聲音記錄裝置、行動電話及資訊終端機。
如前文描述，根據本發明具體實例之壓電元件及多層壓電元件適用於液體排放頭、液體排放設備、超音波馬達、光學設備、振動設備、除塵裝置、影像擷取設備及電子裝備。
使用根據本發明具體實例之壓電元件或多層壓電元件所製造的液體排放頭可具有比使用含鉛壓電元件所製造的液體排放頭更高或相等之噴嘴密度及排放速度。
使用根據本發明具體實例之液體排放頭所製造的液體排放設備可具有比使用含鉛壓電元件所製造的液體排放設備更高或相等之排放速度及排放精確性。
使用根據本發明具體實例之壓電元件或多層壓電元件所製造的超音波馬達可具有比使用含鉛壓電元件所製造的超音波馬達更高或相等之驅動力及耐久性。
使用根據本發明具體實例之超音波馬達所製造的光學設備可具有比使用含鉛壓電元件所製造的光學設備更高或相等之耐久性及操作精確性。
使用根據本發明具體實例之壓電元件或多層壓電元件所製造的振動設備可具有比使用含鉛壓電元件所製造的超音波馬達更高或相等之振動能力及耐久性。
使用根據本發明具體實例之振動設備所製造的除塵裝置可具有比使用含鉛壓電元件所製造的除塵裝置更高或相等之除塵效率及耐久性。
使用根據本發明具體實例所製造的影像擷取設備可具有比使用含鉛壓電元件所製造的影像擷取設備更高或相等之除塵功能。
包括根據本發明具體實例之壓電元件或多層壓電元件的壓電聲學組件可用以提供聲音產生能力高於或等於使用含鉛壓電元件所製造的電子裝備之電子裝備。
根據本發明具體實例之壓電材料可用於超音波轉換器、壓電致動器、壓電感測器及鐵電記憶體，以及液體排放頭及馬達。
實施例
雖然在以下實例中更特別描述根據本發明之 壓電材料，但本發明不局限於該等實例。
根據實施例及對照實例之壓電材料及其中間物係如下述般加工處理及測試。
將壓電材料拋光至厚度為大約0.5mm。該等壓電材料之密度係使用阿基米德原理測量。結晶的判斷標準係理論密度的95%或更大。該壓電材料之結晶相及晶格常數係藉由X射線繞射測量。
對照實例1
由鈮酸鈉主組分及鈦酸鋇之固溶體(NN-BT)製備對照的金屬氧化物材料。使用鈮酸鈉(NaNbO3)及鈦酸鋇(BaTiO3)粉末作為原料。鈮酸鈉粉末含有至少99%之純鈮酸鈉(NaNbO3)，及鈦酸鋇粉末含有至少99%之純鈦酸鋇(BaTiO3)。
秤重該等原料並混合以產生目標組成NaxBa1-zNbzTi1-zO3(z=x'=0.88)。該混合粉末係在周圍氣氛中於1000℃至1100℃範圍內之溫度下煅燒2至5小時。將該經煅燒粉末粉碎並與黏合劑一起粒化。將粒化的粉末裝入模中並壓縮以獲得直徑為17mm且厚度為大約1mm之壓坯。在空氣中於1280℃之最大溫度下燒製該壓坯2至6小時以獲得燒結體。使用光學顯微鏡觀察該燒結體之表面。該燒結體具有在0.5至60μm範圍內之平均晶粒大小。
X射線繞射顯示該等樣本實質上由該鈣鈦礦結 構之單一相構成。該燒結體之密度為理論密度的95%或更大。該燒結體之組成的感應偶合電漿發射光譜法(ICP)分析顯示鈉含量比目標組成低大約5%。鋇、鈮及鈦含量與目標組成相同。
實施例1至4
秤重並混合鈮酸鈉(NaNbO3)及鋯酸鋇(BaZrO3)粉末以產生目標組成NaxBa1-yNbyZr1-yO3(x'=y=0.96(實施例1)，0.95(實施例2)，0.92(實施例3)或0.90(實施例4))。
使用鈮酸鈉(NaNbO3)及鋯酸鋇(BaZrO3)粉末作為原料。鈮酸鈉粉末含有至少99%之純鈮酸鈉(NaNbO3)，及鋯酸鋇粉末含有至少99%之純鋯酸鋇(BaZrO3)。
使用黏合劑將該混合粉末粒化在一起。將粒化的粉末裝入模中並壓縮以獲得直徑為17mm且厚度為大約1mm之壓坯。該壓坯係在空氣中於1200℃至1300℃範圍內之溫度下燒製2至6小時以獲得燒結體。使用光學顯微鏡觀察該燒結體之表面。該燒結體具有在0.5至50μm範圍內之平均晶粒大小。
經燒結的壓電材料之X射線繞射顯示該樣本實質上由該鈣鈦礦結構之單一相構成。該壓電材料之密度為理論密度的95%或更大。該壓電材料之組成的ICP分析顯示鈉含量比目標組成低大約1%至5%。鋇、鈮及鋯含量 與目標組成相同。
實施例5至8
秤重鈮酸鈉(NaNbO3)及鋯酸鋇(BaZrO3)粉末以產生目標組成NaxBa1-yNbyZr1-yO3(x'=y=0.96(實施例5)，0.95(實施例6)，0.93(實施例7)或0.90(實施例8))。將該等粉末與Cu組分混合。Cu組分之數量對應於具有目標組成NaxBa1-yNbyZr1-yO3之鈣鈦礦型金屬氧化物的數量之0.4莫耳%。實施例5至8中之0.4莫耳%的Cu含量意指每莫耳通式(1)之鈣鈦礦型金屬氧化物(168g)中CuO之重量為0.318g(0.254g之Cu)。
使用鈮酸鈉(NaNbO3)及鋯酸鋇(BaZrO3)粉末作為原料。鈮酸鈉粉末含有至少99%之純鈮酸鈉(NaNbO3)，鋯酸鋇粉末含有至少99%之純鋯酸鋇(BaZrO3)，及Cu組分係99.9%之純氧化銅(Cu(II)O)。
使用黏合劑將該混合粉末粒化在一起。將粒化的粉末裝入模中並壓縮以獲得直徑為17mm且厚度為大約1mm之壓坯。該壓坯係在空氣中於1200℃至1300℃範圍內之溫度下燒製2至6小時以獲得燒結體。使用光學顯微鏡觀察該燒結體之表面。該燒結體具有在0.5至50μm範圍內之晶粒大小。
經燒結的壓電材料之X射線繞射顯示該樣本實質上由該鈣鈦礦結構之單一相構成。該壓電材料之密度 為理論密度的95%或更大。該壓電材料之組成的ICP分析顯示鈉含量比目標組成低大約1%至5%。鋇、鈮、氧化鋯及銅含量與目標組成相同。
對照實例2及3
對照的金屬氧化物材料係以與實施例5至8相同的方式製備，但秤重原料粉末以使x=y=1.00(對照實例2)或0.97(對照實例3)。該壓坯係在空氣中於1200℃至1300℃範圍內之溫度下燒製1至6小時以獲得燒結體。使用光學顯微鏡觀察該燒結體之表面。該燒結體具有在0.5至500μm範圍內之晶粒大小。該燒結體之極化-電場磁滯迴線顯示根據對照實例2及3之燒結體為反鐵電物質。接受極化處理之根據對照實例2及3的燒結體不具壓電性且無可用的機械品質因數。該極化-電場磁滯迴線之測量條件包括在10至100Hz範圍內之交流電場(三角波)頻率及±50kV/cm之最大電場強度。
對照實例4
對照的金屬氧化物材料係以與實施例5至8相同的方式製備，但秤重原料粉末以使x=y=0.88。該壓坯係在空氣中於1200℃至1300℃範圍內之溫度下燒製1至6小時以獲得燒結體。使用光學顯微鏡觀察該燒結體之表面。該燒結體具有在0.1至20μm範圍內之晶粒大小。該燒結體之居里溫度低至60℃且不適合實際使用。
(評估)
拋光根據實施例1至8之壓電材料的表面。在空氣中於400℃至1000℃範圍內之溫度下熱處理壓電材料1小時以去除其表面上之有機組分。藉由DC濺鍍以在各個壓電材料的前及後側上形成金電極以製造根據本發明具體實例之壓電元件。使用該等壓電元件之10mm×2.5mm×0.5mm條來評估各種不同特徵。
根據對照實例1之金屬氧化物材料係以與實施例1至8之方式加工處理以製造對照元件。評估對照元件之各種不同特徵。
電阻率係使用未極化元件測量。在元件的兩個電極之間施加10-V直流偏壓。在這20秒之後，從漏電流測定該元件之電阻率。當電阻率為1GΩ．cm或更大時，較佳係100GΩ．cm或更大時，該壓電材料及該壓電元件具有令人滿意之實際絕緣性質。
在評估壓電性之前，對樣本進行極化處理。更特別的是，在油浴中將樣本加熱至100℃至150℃範圍內之溫度。將在20至30kV/cm範圍內之電壓施加至該樣本歷時30分鐘，並在維持該電壓的同時將該樣本冷卻至室溫。
該等壓電元件條的楊氏模數(Y11)及機械品質因數(Qm)係使用共振-反共振方法測量。
以Berlincourt d33計測量該樣本之壓電常數 (d33)。根據實施例1至8之壓電元件的壓電常數(d33)在40至70pC/N範圍內。
居里溫度係使用阻抗分析儀測量。相對介電常數係使用阻抗分析儀在1kHz之測量頻率及在500mV之交流電壓下測量。測量係在極化處理之前進行。從室溫開始測量相對介電常數之溫度依賴性。相對介電常數之改變係在將樣本從室溫冷卻至-100℃然後加熱至350℃時測量。從最大相對介電常數計算居里溫度Tc。
表1列出根據對照實例1之金屬氧化物材料的初始組成比及燒製後之組成比，以及根據對照實例1之元件的電阻率、居里溫度、機械品質因數(Qm)及楊氏模數(Y11)。
表2列出根據實施例1至8之壓電材料的初始組成比及燒製後的組成比，根據實施例1至8之壓電元件的電阻率、居里溫度、機械品質因數(Qm)及楊氏模數(Y11)。
表1及2中，x'表示Na之初始組成比，x表示燒製後之Na組成比。初始Nb、Zr及Ba組成比y和1-y以及Cu之初始量實質上不因燒製而改變。
表1及表2顯示根據該等本發明的具體實例之含有鋯酸鋇於鈮酸鈉中的固溶體之壓電材料比根據對照實例1之鈦酸鋇於鈮酸鈉中的固溶體NN-BT具有較高電阻率、居里溫度、機械品質因數及楊氏模數。
測量根據實施例1至8之壓電元件及根據對照實例1之元件的動態特徵以評估長期驅動時的安定性。在對元件條施加在110kHz頻率(其係與共振頻率充分分開)下之100V交流電壓100小時後測量壓電常數d33。因電壓施加所造成之壓電常數改變率在根據對照實例1之元件中係降低10%或更多，而在根據實施例1至8之壓電元件中係降低1%或更少。因此，根據實施例1至8之壓電元件在長期驅動時具有較高安定性。
實施例9
以與實施例2相同之方式將原料粉末進行濕式摻合、乾燥及在900℃至1000℃之範圍內的溫度下煅燒以獲得煅燒的產物。將此原料與有機黏合劑混合並藉由刮刀法形成具有50μm厚度之生片材。
將用於內部電極之導電性糊劑施加至該生片材。該導電性糊劑含有Ag 70%-Pd 30%合金。堆疊9個施加有該導電性糊劑之生片材並在1140℃下燒製以產生燒結體。將該燒結體切成10mm×2.5mm之小塊。拋光該小塊之側表面。藉由Au濺鍍而形成一對用於交替連接內部電極之外部電極(第一電極及第二電極)。如此，製造如圖2B所示之多層壓電元件。
該多層壓電元件之內部電極的觀察顯示該電極材料Ag-Pd及壓電材料層係彼此交錯堆疊。
在評估壓電性之前，對樣本進行極化處理。更特別的是，在熱板上將樣本加熱至100℃至150℃範圍內之溫度。在該第一電極及第二電極之間施加30kV/cm之電壓30分鐘的同時，將該樣本冷卻至室溫。
該多層壓電元件之壓電性質的評估顯示該多層壓電元件具有充足機械品質因數且具有令人滿意之壓電性質以及與根據實施例2之壓電元件相似的長期驅動安定性。
實施例10
秤重鈮酸鈉及鋯鈦酸鋇粉末以使Na、Nb、Ba 及Zr含量與根據表2之實施例2的組成物相同。在球磨機中混合經秤重之原料粉末12小時，並在900℃至1000℃範圍內之溫度下煅燒以產生經煅燒的粉末。將該經煅燒的粉末與3重量份之PVB黏合劑混合。使用刮刀法將此混合粉末形成具有50μm厚度之生片材。
將用於內部電極之導電性糊劑施加至該生片材。該導電性糊劑為Ni糊劑。堆疊9個施加有該導電性糊劑之生片材並進行熱壓。
在管式爐中燒製該經熱壓之層狀體。在周圍氣氛中將該經熱壓之層狀體燒製至高達300℃之溫度以去除黏合劑，然後在還原氣氛(H2：N2=2：98，氧濃度為2×10-6Pa)中於1200℃下保持5小時。在冷卻至室溫期間，在1000℃或更低之溫度下提高氧濃度至30Pa。
將該所得之燒結體切成10mm×2.5mm之小塊。拋光該小塊之側表面。藉由Au濺鍍而形成一對用於交替連接內部電極之外部電極(第一電極及第二電極)。如此，製造如圖2B所示之多層壓電元件。
該多層壓電元件之內部電極的觀察顯示該電極材料Ni及壓電材料層係彼此交錯堆疊。將30kV/cm之電場施加至在150℃油浴中之多層壓電元件歷時30分鐘以進行極化處理。該多層壓電元件之壓電性質的評估顯示該多層壓電元件具有充足機械品質因數且具有令人滿意之壓電性質以及與根據實施例2之壓電元件相似的長期驅動安定性。
實施例11
圖3A及3B所示之液體排放頭係使用根據實施例2之壓電元件製造。回應於電信號之輸入而排放油墨。
實施例12
圖4所示之液體排放設備係使用根據實施例11之液體排放頭製造。回應於電信號之輸入而排放油墨至記錄媒體上。
實施例13
圖6A所示之超音波馬達係使用根據實施例2之壓電元件製造。該馬達於施加交流電壓時旋轉。
實施例14
圖7A及7B所示之光學設備係使用根據實施例13之超音波馬達製造。於施加交流電壓時觀察到自動對焦。
實施例15
圖9A及9B所示之除塵裝置係使用根據實施例2之壓電元件製造。在散佈塑膠珠之後施加交流電壓時，觀察到令人滿意之除塵效率。
實施例16
圖12所示之影像擷取設備係使用根據實施例15之除塵裝置製造。令人滿意地移除影像擷取單元表面上之粉塵，而獲得無粉塵瑕疵的影像。
實施例17
圖3A及3B所示之液體排放頭係使用根據實施例9之多層壓電元件製造。回應於電信號之輸入而排放油墨。
實施例18
圖4所示之液體排放設備係使用根據實施例17之液體排放頭製造。回應於電信號之輸入而排放油墨至記錄媒體上。
實施例19
圖6A所示之超音波馬達係使用根據實施例9之多層壓電元件製造。該馬達於施加交流電壓時旋轉。
實施例20
圖7A及7B所示之光學設備係使用根據實施例19之超音波馬達製造。於施加交流電壓時觀察到自動對焦。
實施例21
圖9A及9B所示之除塵裝置係使用根據實施例9之多層壓電元件製造。在散佈塑膠珠之後施加交流電壓時，觀察到令人滿意之除塵效率。
實施例22
圖12所示之影像擷取設備係使用根據實施例21之除塵裝置製造。令人滿意地移除影像擷取單元表面上之粉塵，而獲得無粉塵瑕疵的影像。
實施例23
圖14所示之電子裝置係使用根據實施例9之多層壓電元件製造。於施加交流電壓時操作揚聲器。
工業應用性
雖然已參考例示的具體實例描述本發明，但應暸解本發明不限於所揭示之例示的具體實例。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。
根據本發明具體實例之壓電材料即使在高環境溫度下亦具有令人滿意之壓電性。該壓電材料不含鉛且可降低環境負荷。因此，無鉛壓電材料可毫無問題地用於使用大量壓電材料所製造的設備，諸如液體排放頭、液體 排放設備、超音波馬達、光學設備、振動設備、除塵裝置、影像擷取設備及電子裝備。
1‧‧‧第一電極
2‧‧‧壓電材料
3‧‧‧第二電極

Claims (16)

  1. 一種不含鉛和鉀的壓電材料，其包含：具有下列通式(1)之鈣鈦礦型金屬氧化物：NaxBa1-yNbyZr1-yO3 (1)其中x滿足0.85x0.96，且y滿足0.90y0.96。
  2. 如申請專利範圍第1項之壓電材料，其另外包含Cu，其中該Cu含量對應於該鈣鈦礦型金屬氧化物之數量的2.00莫耳%或更少。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之壓電材料，其中該通式(1)中之x小於y。
  4. 如申請專利範圍第1或2項之壓電材料，其中該壓電材料具有140℃或更高之居里溫度。
  5. 一種壓電元件，其包含：第一電極；壓電材料部分；及第二電極，其中該壓電材料部分包括如申請專利範圍第1項之壓電材料。
  6. 一種多層壓電元件，其包含：彼此交錯堆疊之壓電材料層及電極層，該等電極層包括內部電極，其中該等壓電材料層包含如申請專利範圍第1項之壓電材料。
  7. 如申請專利範圍第6項之多層壓電元件，其中該內部電極含有Ag及Pd，且Ag之重量M1對Pd之重量M2的重量比M1/M2係在1.5M1/M29.0之範圍。
  8. 如申請專利範圍第6項之多層壓電元件，其中該內部電極含有Ni及Cu中之至少一者。
  9. 一種液體排放頭，其包含：液體室；及與該液體 室連通之排放口，其中該液體室包括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項之多層壓電元件的振動部分。
  10. 一種液體排放設備，其包含：經建造以接收物件之座台；及如申請專利範圍第9項之液體排放頭。
  11. 一種超音波馬達，其包含：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項之多層壓電元件的振動構件；及與該振動構件接觸之移動體。
  12. 一種光學設備，其包括包含如申請專利範圍第11項之超音波馬達的驅動單元。
  13. 一種振動設備，其包含在膜片上之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項之多層壓電元件的振動構件。
  14. 一種除塵裝置，其包含包括如申請專利範圍第13項之振動設備的振動部分。
  15. 一種影像擷取設備，其包含：如申請專利範圍第14項之除塵裝置；及影像擷取元件單元，其中該除塵裝置之膜片係配置在該影像擷取元件單元之光接收表面側。
  16. 一種電子設備，其包含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項之多層壓電元件的壓電聲學組件。
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