TWI557093B - 壓電陶瓷，用於製造壓電陶瓷的方法，壓電元件，及電子裝置 - Google Patents

壓電陶瓷，用於製造壓電陶瓷的方法，壓電元件，及電子裝置 Download PDF

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TWI557093B
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村上俊介
上田未紀
田中秀典
松田堅義
渡邉隆之
久保田純
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Description

壓電陶瓷，用於製造壓電陶瓷的方法，壓電元件，及電子裝置
本發明相關於壓電陶瓷，且更明確地相關於無鉛壓電陶瓷及用於製造無鉛壓電陶瓷的方法。本發明也相關於各者包括該壓電陶瓷的壓電元件、多層壓電元件、用於製造多層壓電元件的方法、液體排放頭、液體排放設備、超音波馬達、光學設備、振動設備、灰塵移除裝置、影像拾取設備、及電子裝置。
通常壓電陶瓷係ABO3鈣鈦礦金屬氧化物、諸如鋯鈦酸鉛(在下文中稱為「PZT」)。然而，PZT包括作為A位元素的鉛，且其對環境的影響被認為是個問題。因此，有對無鉛鈣鈦礦金屬氧化物之壓電陶瓷的需求。
一種已知的無鉛鈣鈦礦金屬氧化物壓電陶瓷係鈦酸鋇。為改良鈦酸鋇的特徵，已發展基於鈦酸鋇的材料。PTL 1及NPL 1揭示具有經改良壓電性質的材料，其中鈦酸鋇的A位部分地以Ca取代且B位部分地以Zr取 代。然而，此等材料不利地具有低達80℃或更少的居里溫度，且因此導致壓電特性在高溫環境下去極化及退化，諸如，在夏天的汽車中。再者，此等材料不利地具有低機械品質因數，且因此往往產生熱且在在施加交流電壓時導致去極化。
PTL 2及NPL 2揭示將鈦酸鋇的A位部分地以Ca取代並將Mn、Fe、或Cu加至其的材料。此等材料具有比鈦酸鋇更高的機械品質因數，但不利地具有拙劣的壓電性質。
引用列表 專利文獻
PTL 1日本特許公開專利編號第2009-215111號
PTL 2日本特許公開專利編號第2010-120835號
非專利文獻
NPL 1「應用物理雜誌」，2011年，卷109，054110-1至054110-6
NPL 2「日本應用物理雜誌」，2010年，卷49，09MD03-1至09MD03-4
本發明解決此等問題並提供在寬闊操作溫度 範圍中具有高及穩定壓電常數與高及穩定機械品質因數的無鉛壓電陶瓷，以及用於製造該無鉛壓電陶瓷的方法。
本發明也提供各者包括該壓電陶瓷的壓電元件、多層壓電元件、用於製造多層壓電元件的方法、液體排放頭、液體排放設備、超音波馬達、光學設備、灰塵移除裝置、影像拾取設備、及電子裝置。
為解決上述問題，本發明提供一種壓電陶瓷，其包括主組分Mn作為第一輔助組分，及包含選自由Cu、B、及Si組成的群組之至少一元素的第二輔助組分。該主組分包含具有下列通式(1)的鈣鈦礦金屬氧化物：
其中每莫耳該金屬氧化物中的Mn量b(莫耳)係在0.0048b0.0400的範圍中，該第二輔助組分的含量以金屬基準計每100重量份金屬氧化物為0.001重量份或更多且為4.000重量份或更少，且通式(1)的該值a在0.9925+ba1.0025+b的範圍中。
本發明可提供在寬闊操作溫度範圍中具有高及穩定壓電常數與高及穩定機械品質因數的無鉛壓電陶瓷。
1、51、332、501、1011‧‧‧第一電極
2、331、1012‧‧‧壓電陶瓷
3、53、333、503、1013‧‧‧第二電極
54、504‧‧‧壓電陶瓷層
55、505a、505b‧‧‧內部電極
101、330、2012‧‧‧壓電元件
102‧‧‧單獨液體室
103、320‧‧‧隔膜
104‧‧‧液體室分隔壁
105‧‧‧排放埠
106‧‧‧接通孔
107‧‧‧共同液體室
108‧‧‧緩衝層
200‧‧‧快門單元
201、204‧‧‧振盪器
202、205、725c‧‧‧轉子
203‧‧‧輸出軸
206‧‧‧壓力彈簧
300‧‧‧主體框架
310‧‧‧灰塵移除裝置
336‧‧‧第一電極表面
337‧‧‧第二電極表面
400‧‧‧影像拾取單元
506a、506b‧‧‧外部電極
601、896、931‧‧‧主體
602‧‧‧機架
605‧‧‧鏡盒
606‧‧‧主反射鏡
702‧‧‧對焦鏡
711‧‧‧可移除機架
712‧‧‧固定鏡筒
712a、724b‧‧‧載置側端面
712b‧‧‧外部
713‧‧‧線性導引鏡筒
713a‧‧‧線性導引溝槽
713b‧‧‧環形溝槽
714‧‧‧前鏡頭組鏡筒
715‧‧‧凸輪環
715a‧‧‧凸輪溝槽
715b‧‧‧凹口
716‧‧‧後鏡頭組鏡筒
717a、717b‧‧‧凸輪滾子
718‧‧‧螺釘
719‧‧‧滾子
720‧‧‧旋轉傳輸環
720f‧‧‧軸
722‧‧‧驅動滾子
722a‧‧‧大直徑部
722b‧‧‧小直徑部
724‧‧‧手動對焦環
724a‧‧‧前端面
724c‧‧‧內部直徑
725‧‧‧超音波馬達
725b‧‧‧定子
726‧‧‧波形墊圈
727‧‧‧滾珠座圈
728‧‧‧對焦楔
729‧‧‧接頭
732‧‧‧墊圈
733‧‧‧低磨擦片
881‧‧‧液體排放設備(噴墨記錄設備)
882、883、884、885、887‧‧‧外部
890‧‧‧恢復單元
891‧‧‧記錄單元
892‧‧‧托架
897‧‧‧自動饋紙機
898‧‧‧出口
899‧‧‧輸送單元
901‧‧‧光學裝置
908‧‧‧快門鈕
909‧‧‧電子閃光單元
912‧‧‧擴音器
914‧‧‧麥克風
916‧‧‧補光單元
932‧‧‧變焦桿
933‧‧‧電源開關
2011‧‧‧金屬彈性環
2013‧‧‧有機黏合劑
2041‧‧‧管形金屬彈性體
2042‧‧‧多層壓電元件
圖1係根據本發明的實施例之壓電元件的示意圖。
圖2A係根據本發明的實施例之多層壓電元件的示意橫剖面圖。
圖2B係根據本發明的另一實施例之多層壓電元件的示意橫剖面圖。
圖3A係根據本發明的實施例之液體排放頭的示意橫剖面圖。
圖3B係描繪於圖3A中之液體排放頭的示意透視圖。
圖4係根據本發明的實施例之液體排放設備的示意圖。
圖5係根據本發明的實施例之液體排放設備的示意圖。
圖6A係根據本發明的實施例之超音波馬達的示意圖。
圖6B係根據本發明的另一實施例之超音波馬達的示意圖。
圖7A及7B係根據本發明的實施例之光學設備的示意圖。
圖8係根據本發明的實施例之光學設備的示意圖。
圖9A及9B係根據本發明的實施例之包括振動設備的灰塵移除裝置的示意圖。
圖10A係根據本發明的實施例之灰塵移除裝置的壓電元件的示意透視圖。
圖10B係描繪於圖10A之壓電元件的側視圖。
圖10C係描繪於圖10A之壓電元件的示意透視圖。
圖11A及11B係描繪根據本發明之實施例的灰塵移除裝置之振動原理的示意圖。
圖12係根據本發明的實施例之影像拾取設備的示意圖。
圖13係根據本發明的實施例之影像拾取設備的示意圖。
圖14係根據本發明的實施例之電子裝置的示意圖。
圖15係描繪根據本發明的範例1至38及比較範例1至12的壓電陶瓷之x-值及y-值間的關係的相圖。由點虛線圍繞的x-值及y-值在申請專利範圍第1項的範圍內。
將於下文描述本發明之實施例。
根據本發明之實施例的一種壓電陶瓷，包含主組分Mn作為第一輔助組分，及包含選自由Cu、B、及Si組成之群組的至少一元素的第二輔助組分。該主組分包含具有下列通式(1)的鈣鈦礦金屬氧化物：
每莫耳該金屬氧化物中的Mn量b(莫耳)在0.0048b0.0400的範圍中，該第二輔助組分的含量以金 屬基準計每100重量份金屬氧化物為0.001重量份或更多且為4.000重量份或更少，且通式(1)的該值a在0.9925+ba1.0025+b的範圍中。
術語「主組分」意指呈現壓電性質的主要組分係具有通式(1)的鈣鈦礦金屬氧化物。因此，該壓電陶瓷可能包含從其製造造成之少量不可避免的雜質。
關於鈣鈦礦金屬氧化物
術語「鈣鈦礦金屬氧化物」，如本文所使用的，係指具有鈣鈦礦結構的金屬氧化物，其在理想上係立方結構，如Iwanami Rikagaku Jiten，第5版(Iwanami Shoten，於1998年2月20日出版)所描述的。具有鈣鈦礦結構的金屬氧化物通常以化學方程式ABO3表示。在鈣鈦礦金屬氧化物中，離子形式的元素A及B分別佔據單位晶格之稱為A位及B位的特定位置。針對立方單位晶格，元素A佔據該立方的頂點，且元素B佔據該立方的體心位置。作為氧陰離子的元素O佔據該立方的面心位置。
在具有通式(1)的金屬氧化物中，在A位的金屬元素係Ba及Ca，且在B位的金屬元素係Ti及Zr。部分的Ba及Ca可能佔據B位。相似地，部分的Ti及Zr可能佔據A位。
在通式(1)中，雖然B位元素對元素O的莫耳比率係1：3，設若該金屬氧化物具有作為初相的鈣鈦 礦結構，該莫耳比率中的小變化(例如，1.00：2.94至1.00：3.06)在本發明的範圍中。
術語「初相」意指在壓電材料的X射線粉末繞射中具有最高繞射強度的尖峰屬於鈣鈦礦結構。該金屬氧化物可能係幾乎完全由具有鈣鈦礦結構之晶體佔據的「單相」。
該金屬氧化物的鈣鈦礦結構可能藉由使用X射線繞射或電子繞射的結構分析決定。
術語「陶瓷」，如本文所使用的，係指晶粒的聚集體(也稱為「塊」)，亦即，包含作為基底組分的金屬氧化物並藉由熱處理燒結的多晶體。術語「陶瓷」也包括在燒結之後處理的陶瓷。
通式(1)之代表在A位之Ba及Ca的莫耳數對在B位之Ti及Zr的莫耳數之比率A/B的值a在0.9925+ba1.0025+b的範圍中。該值b指示每莫耳金屬氧化物的第一輔助組分Mn的量(莫耳)。當代表比率A/B的值a小於0.9925+b時，此往往導致不正常顆粒成長及金屬氧化物的機器強度減少。當代表比率A/B的值a大於1.0025+b時，此導致過高顆粒成長溫度，使金屬氧化物的燒結變得不可能。片語「使金屬氧化物的燒結變得不可能」意指壓電陶瓷具有低密度或包含許多孔或缺陷。多數的第一輔助組分Mn佔據B位。代表Mn量之值b的增加導致B位的數字增加，其需要對應地增加值a。
通式(1)之代表在A位之Ca的莫耳比率的 值x在0.100x0.145的範圍中。少於0.100的值x在操作溫度範圍(例如，-20℃至100℃)中導致結構相變，因此不利地影響壓電陶瓷的耐久性。多於0.145的值x導致壓電性質退化。值x在0.100x0.140的範圍中為佳，在0.105x0.130中更佳。
通式(1)之代表在B位之Zr的莫耳比率的值y在0.010y0.039的範圍中。少於0.010的值y導致壓電性質退化。多於0.039的值y在操作溫度範圍(例如，-20℃至100℃)中導致結構相變，及該壓電陶瓷的低溫度穩定性。值y在0.010y0.035的範圍中為佳，在0.015y0.030中更佳。
組成分析方法及壓電陶瓷的組成物
根據本發明的實施例之壓電陶瓷的組成物可能藉由任何方法決定。該方法可能係X射線螢光分析、ICP光譜法、或原子吸收光譜法。該壓電陶瓷之元素的重量比率及莫耳比率可藉由使用任何此等方法決定。
第一輔助組分係Mn。具有通式(1)之每莫耳金屬氧化物的Mn量b(莫耳)在0.0048b0.0400的範圍中。根據本發明的實施例之包含在此範圍中的Mn量的壓電陶瓷具有經改良機械品質因數而未降低壓電常數。術語「機械品質因數」係指在評估作為振盪器的壓電陶瓷時代表振動所產生的彈性損耗的係數。將機械品質因數觀察為阻抗測量中的共振曲線的銳度。因此，機械品質因數 係代表振盪器之共振的銳度的係數。機械品質因數的增加導致由於振動之能量損耗的減少。
絕緣性質或機械品質因數的改良確保當藉由施用電壓將壓電陶瓷驅動為壓電元件時壓電陶瓷的長期可靠性。
少於0.0048的值b導致少於400的低機械品質因數。低機械品質因數不利地導致包括由壓電陶瓷及一對電極組成之壓電元件的共振裝置的功率消耗增加。機械品質因數係400或更多為佳，600或更多更佳。在此範圍中，在實際操作中沒有功率消耗的過度增加發生。多於0.0400的值b不適當地導致壓電性質退化或六角形晶體發生，彼等無助於壓電性質。
Mn可佔據B位。Mn可具有4+的價。通常，Mn可具有4+、2+、或3+的價。在導電電子存在於晶體中時(例如，在晶體中存在氧空洞或佔據A位的施體元素存在時)，具有4+之價的Mn可捕捉導電電子並藉由將其價減少至3+或2+而改良絕緣電阻。依據離子半徑，具有4+之價的Mn可輕易地取代B位的主組分Ti。具有少於4+之價，諸如，2+的Mn，作為受體使用。在鈣鈦礦晶體中存在作為受體的Mn導致電洞或氧空洞形成在晶體中。
當存在具有2+或3+之價的大量Mn時，電洞不能單獨以氧空洞補償，且絕緣電阻下降。因此，Mn可大多具有4+的價。較小比例的Mn可能具有少於4+的價並作為受體佔據鈣鈦礦結構的B位或形成氧空洞。具有 2+或3+之價的Mn及氧空洞可形成缺陷偶極，並因此改良壓電材料的機械品質因數。
根據本發明的實施例之壓電陶瓷的第二輔助組分含量以金屬基準計每100重量份金屬氧化物為0.001重量份或更多且為4.000重量份或更少，為0.003重量份或更多且為2重量份或更少為佳。
第二輔助組分含量係以氧化物基準計第二輔助組分對100重量份之具有通式(1)的金屬氧化物之成分元素的重量比率，其係從，例如，藉由X射線螢光分析(XRF)、ICP光譜法、或原子吸收光譜法量測之壓電陶瓷的Ba、Ca、Ti、Zr、Mn、及第二輔助組分之金屬的量計算。
第二輔助組分係Cu、硼(B)、及Si的至少一者。B及Si可隔離在壓電陶瓷之晶粒間的介面。此降低流經晶粒間之介面的漏電流並增加絕緣電阻。Cu可溶解在晶粒中並增加絕緣電阻。壓電陶瓷中的至少0.001重量份的第二輔助組分可增加絕緣電阻。少於0.001重量份的第二輔助組分不受期望地導致絕緣電阻降低。壓電陶瓷中的多於4.000重量份的第二輔助組分不受期望地導致介電常數降低及壓電性質退化。Si之重量G1對硼(B)之重量G2的重量比率G1/G2可在2.0G1/G23.8的範圍中。此範圍導致特別合適的絕緣電阻。Si含量可能係0.003重量份或更多且1.000重量份或更少。Cu含量可能係0.100重量份或更多且2.000重量份或更少。硼(B) 含量可能係0.001重量份或更多且1.000重量份或更少。
多層壓電元件具有在電極間的薄壓電陶瓷層，且因此需要在高電場中的耐久性。因為其特別高的絕緣電阻，根據本發明之實施例的壓電陶瓷適用為多層壓電元件。
設若第三輔助組分不會不利地影響壓電陶瓷的特徵，根據本發明之實施例的壓電陶瓷可能包括具有通式(1)的金屬氧化物及與第一輔助組分及第二輔助組分不同的第三輔助組分。第三輔助組分的量可能係每100重量份之具有常式(1)的金屬氧化物為1.2重量份或更少。多於1.2重量份的第三輔助組分可能導致壓電陶瓷的壓電性質或絕緣性質退化。除了Ba、Ca、Ti、Zr、Mn、Cu、B、及Si以外之第三輔助組分的金屬元素含量可能係每100重量份壓電陶瓷以氧化物基準計為1.0重量份或更少或以金屬基準計為0.9重量份或更少。術語「金屬元素」，如本文所使用的，包括類金屬，諸如，Ge及Sb。當除了Ba、Ca、Ti、Zr、Mn、Cu、B、及Si以外之第三輔助組分的金屬元素含量係每100重量份壓電陶瓷以氧化物基準計多於1.0重量份或以金屬基準計多於0.9重量份時，此可能導致壓電陶瓷之壓電性質或絕緣性質的醒目退化。第三輔助組分之Li、Na、Al、Zn、Sr、及K的總量可能係以金屬基準計每100重量份壓電陶瓷為0.5重量份或更少。當第三輔助組分之Li、Na、Al、Zn、Sr、及K的總量係以金屬基準計每100重量份壓電陶瓷多於0.5重 量份時，此可能導致不充份的燒結。第三輔助組分之Y及V的總量可能係以金屬基準計每100重量份壓電陶瓷為0.2重量份或更少。當第三輔助組分之Y及V的總量係以金屬基準計每100重量份壓電陶瓷多於0.2重量份時，此可能使極化處理變得困難。
根據本發明之實施例的壓電陶瓷可能包含不可避免地包含在市售Ti原料中的Nb及不可避免地包含在市售Zr原料中的Hf。
具有通式(1)的主組分、第一輔助組分、及第二輔助組分以莫耳計可構成根據本發明的實施例之壓電陶瓷的98.5%。具有通式(1)的鈣鈦礦金屬氧化物以莫耳計構成該壓電陶瓷的90%或更多為佳，以莫耳計為95%或更多更佳。第一輔助組分、第二輔助組分、及第三輔助組分的重量份可能藉由任何方法量測，包括X射線螢光分析、ICP光譜法、及原子吸收光譜法。
結構相變點
根據本發明之實施例的壓電陶瓷可能在-20℃至100℃之範圍中的溫度沒有結構相變點(在下文中也稱為相變點)。
通常為人所知的鈦酸鋇具有約17℃的斜方晶至正方晶的轉移溫度(在本文中稱為To→t)及約5℃的正方晶至斜方晶的轉移溫度(Tt→o)。在重複地通過此等結構相變點的同時，因為單位晶格體積及極化軸方向上的變 化，壓電陶瓷可能逐漸地去極化，導致壓電性質退化。因此，鈦酸鋇難以在寬闊溫度範圍中使用。根據本發明之實施例的壓電陶瓷具有少於-20℃的To→t，且不太可能導致鈦酸鋇的問題。根據本發明之實施例的壓電陶瓷具有100℃或更多的居里溫度，且甚至可在80℃的過高溫度，如在夏天的汽車中，維持其壓電性。
術語「居里溫度」，如本文所使用的，係指材料的鐵電性喪失時的溫度。通常，壓電材料的壓電性質也在居里溫度或更高的溫度喪失。居里溫度可能藉由直接量測喪失鐵電性時的溫度或在非常小的交流電場中量測相對介電常數到達其最大值時的溫度而決定。
根據本發明之實施例的壓電陶瓷可在-20℃至100℃之範圍中的溫度維持正方晶結構，維持高機械品質因數、並避免機械品質因數在其中下降的斜方晶區域。因此，該壓電陶瓷可在寬闊操作溫度範圍中具有高及穩定的壓電常數與高及穩定的機械品質因數。
晶粒尺寸
根據本發明之實施例的壓電陶瓷之晶粒的平均等效圓直徑係1μm或更多且10μm或更少為佳。具有在此範圍中的平均等效圓直徑，根據本發明之實施例的壓電陶瓷可具有充份的壓電性質及機械強度。少於1μm的平均等效圓直徑可能導致壓電性質退化。多於10μm的平均等效圓直徑可能入機械強度降低。平均等效圓直徑為1μm 或更多且4.7μm或更少為佳。
在根據本發明之實施例的壓電陶瓷中，具有25μm或更少之等效圓直徑的晶粒可能構成該壓電陶瓷之晶粒的99數量百分比或更多。當具有25μm或更少之等效圓直徑的晶粒的數量百分比在此範圍中時，壓電陶瓷可能具有充份的機械強度。該機械強度與具有大等效圓直徑之晶粒的百分比具有高度負相關。當具有25μm或更少的等效圓直徑之晶粒的數量百分比少於99數量百分比時，此導致具有多於25μm之等效圓直徑的晶粒增加，可能導致機械強度減少。
術語「等效圓直徑」，如本文所使用的，係指通常在顯微鏡學中所指稱的「投影面積等效圓直徑」，並指具有與晶粒的投影面積相同之面積的正圓形的直徑。在本發明中，等效圓直徑可能藉由任何方法決定。例如，等效圓直徑可能藉由使用偏光顯微鏡或掃描式電子顯微鏡取得的壓電陶瓷之表面影像的影像處理決定。因為最佳放大率相關於待量測的粒子尺寸，可能依據粒子尺寸選擇光學顯微鏡或電子顯微鏡。等效圓直徑可能從研磨表面或橫剖面而非從陶瓷表面的影像決定。
壓電陶瓷的密度
根據本發明之實施例的壓電陶瓷具有90%或更多且100%或更少的相對密度為佳。
相對密度係經量測密度對理論密度的比率， 其計算自壓電陶瓷的晶格常數及壓電陶瓷之成分元素的原子量。晶格常數可藉由X射線繞射分析量測。該密度可依據阿基米德原理決定。
少於90%的相對密度可能導致壓電性質、機械品質因數、或機械強度退化。
相對密度的下限為93%或更多更佳。
用於製造壓電陶瓷的方法
將於下文描述根據本發明的實施例之用於製造壓電陶瓷的方法。
壓電陶瓷中的金屬元素的範例
根據本發明的實施例之一種用於製造壓電陶瓷的方法，包括：以1200℃或更少的溫度燒結包含Ba、Ca、Ti、Zr、Mn、以及選自由Cu、B、及Si組成的群組之至少一金屬元素的粉壓坯。如下文所更詳細地描述的，根據本發明的實施例之用於製造壓電陶瓷的方法容許將Ag、Pd、Au、Cu、Ni、或具有比Pt或其他貴金屬更低熔點且更不昂貴的其他金屬、或彼等的合金烘烤為壓電陶瓷上的電極。因此，該方法在工業上具有有利效應。
用於壓電陶瓷的原料
可能將用於在大氣壓力下燒結包含壓電陶瓷之成分元素的氧化物、碳酸鹽、硝酸鹽、或草酸鹽固體粉 末的常用方法使用在壓電陶瓷的製造中。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、Mn化合物、Cu化合物、B化合物、及/或Si化合物。
Ba化合物的範例包括氧化鋇、碳酸鋇、草酸鋇、醋酸鋇、硝酸鋇、鈦酸鋇、鋯酸鋇、及鋯鈦酸鋇。
Ca化合物的範例包括氧化鈣、碳酸鈣、草酸鈣、醋酸鈣、鈦酸鈣、鋯酸鈣、及鋯鈦酸鈣。
Ti化合物的範例包括氧化鈦、鈦酸鋇、鋯鈦酸鋇、及鈦酸鈣。
Zr化合物的範例包括氧化鋯、鋯酸鋇、鋯鈦酸鋇、及鋯酸鈣。
Mn化合物的範例包括碳酸錳、氧化錳、二氧化錳、醋酸錳、及四氧化三錳。
Cu化合物的範例包括氧化銅(I)、氧化銅(II)、碳酸銅、醋酸銅(II)、及草酸銅。
B化合物的範例包括三氧化硼。
Si化合物的範例包括氧化矽。
用於控制代表在根據本發明之實施例的壓電陶瓷之A位的Ba及Ca之莫耳數對在B位的Ti及Zr之莫耳數的比率A/B之值a的原料並沒有特別限制。Ba化合物、Ca化合物、Ti化合物、及Zr化合物具有相同效果。
粒化粉末及粉壓坯
術語「粉壓坯」，如本文所使用的，係指由固體粉末形成的固體。壓電陶瓷可藉由燒粉壓坯而形成。粉壓坯可藉由單軸均壓法、冷液均壓法、熱液均壓法、鑄造法、或擠製成形法形成。粉壓坯可能使用粒化粉末形成。由粒化粉末形成之粉壓坯的燒結具有燒結體的顆粒尺寸分佈往往變得均勻的優點。
根據本發明的實施例之壓電陶瓷的原料粉末可能藉由任何方法粒化。噴霧乾燥法可使粒化粉末的顆粒尺寸更均勻。
使用在粒化法中的黏結劑可能係聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯醇縮丁醛(PVB)、或丙烯酸樹脂。黏結劑的量在每100重量份壓電陶瓷的原料粉末為1重量份至10重量份的範圍中為佳，在2重量份至5重量份的範圍中更佳，以增加粉壓坯的密度。
粉壓坯的燒結
在本發明中，粉壓坯可能藉由任何方法燒結。
燒結法的範例包括在電爐中燒結、在燃氣爐中燒結、電加熱、微波燒結、毫米波燒結、及熱均壓(HIP)。電爐或燃氣爐中的燒結可能在連續爐或批次爐中實施。
藉由燒結法的陶瓷燒結溫度為1200℃或更 少。均質壓電陶瓷可用1200℃或更少的燒結溫度製造。多於1200℃的燒結溫度可能導致第二輔助組分聚集，且不利地影響壓電陶瓷的機械強度。燒結溫度的下限並未受特別限制，並可能係高於其化合物可充份地反應且晶體可充份地成長的溫度。燒結溫度為1000℃或更多且1200℃或更少為佳，1100℃或更多且1200℃或更少更佳，使得陶瓷顆粒尺寸在1至10μm的範圍中。在上述溫度範圍中燒結的壓電陶瓷具有充份的壓電效能。
為確保藉由燒結製造的壓電陶瓷之特徵的可再製性及穩定性，燒結可能以在上述範圍內的固定溫度實施二小時或更多且24小時或更少。可能實施二步驟燒結。
可能研磨藉由燒結製造的壓電陶瓷，然後以1000℃或更多的溫度熱處理。以1000℃或更多的溫度熱處理該壓電陶瓷可更減緩從機械研磨產生的壓電陶瓷的殘餘應力，並因此改良該壓電陶瓷的壓電性質。壓電陶瓷的熱處理也可移除凝結在晶界的原料粉末，諸如，碳酸鋇。熱處理時間可係，但未受限於一小時或更多。
電極
圖1係根據本發明的實施例之壓電元件的示意圖。壓電元件包括第一電極1、壓電陶瓷2、及第二電極3。壓電陶瓷2係根據本發明之實施例的壓電陶瓷。
將第一電極1及第二電極3放置在壓電陶瓷2 上，以形成壓電元件，從而容許評估壓電陶瓷2的壓電性質。第一電極1及第二電極3各者具有在約5至2000nm範圍中的厚度，且係以導電材料製造。導電材料並未特別受限制，並可能係常用於壓電元件的任何材料。導電材料的範例包括金屬，諸如，Ti、Pt、Ta、Ir、Sr、In、Sn、Au、Al、Fe、Cr、Ni、Pd、Ag、及Cu、及彼等的化合物。
第一電極1及第二電極3各者可能單獨以導電材料製造，或可能係以二或多種導電材料製造的多層。第一電極1的材料(等)可能與第二電極3的材料(等)不同。
第一電極1及第二電極3可能藉由任何方法製造，例如，藉由烘烤金屬膏、濺鍍、或氣相沈積。第一電極1及第二電極3可能具有可取型樣。
極化處理
壓電元件可能具有單向自發極化軸。具有該單向自發極化軸可增加壓電元件的壓電常數。
用於壓電元件的極化方法並沒有特別限制。極化處理可能在大氣中或在聚矽氧油中實施。極化溫度可能在60℃至150℃的範圍中。用於極化的最佳條件可能隨壓電元件之壓電陶瓷的組成物而變。在極化處理時施加的電場可能在800V/mm至2.0kV/mm的範圍中。
用於量測機械品質因數的方法
壓電元件的壓電常數及機械品質因數可依據日本電子材料製造商協會的標準(JEITA EM-4501)從使用市售阻抗分析儀量測的共振頻率及反共振頻率計算。此方法在下文中稱為共振反共振法。
多層壓電元件的結構
將於下文描述根據本發明的實施例之使用壓電陶瓷製造的多層壓電元件。
根據本發明之實施例的多層壓電元件包括交替地堆疊在彼此頂部上的壓電陶瓷層及電極層。該等電極層包括內部電極。壓電陶瓷層係由根據本發明之實施例的壓電陶瓷形成。
圖2A係根據本發明的實施例之多層壓電元件的示意橫剖面圖。多層壓電元件包括交替地堆疊在彼此頂部的壓電陶瓷層54及電極層。該等電極層包括內部電極55。壓電陶瓷層54係由根據本發明之實施例的壓電陶瓷形成。電極層可能包括外部電極，諸如第一電極51及第二電極53、以及內部電極55。
描繪於圖2A的多層壓電元件包括二壓電陶瓷層54及夾於彼等之間的一內部電極55，並將該多層結構設置在第一電極51及第二電極53之間。壓電陶瓷層的數量及內部電極的數量並未受特別限制，並可能增加，如圖2B中描繪的。描繪於圖2B的多層壓電元件包括交替地堆 疊在彼此頂部上的九層壓電陶瓷層504及八個內部電極505，並將該多層結構設置在第一電極501及第二電極503之間。該多層壓電元件更包括用於將內部電極505彼此連接的外部電極506a及外部電極506b。
內部電極505及外部電極506a及506b的尺寸及形狀可能與壓電陶瓷層504的尺寸及形狀不同。內部電極505及外部電極506a及506b各者可能由多個部分組成。
內部電極55及505及外部電極506a及506b各者具有在約5至2000nm範圍中的厚度，且係以導電材料製造。導電材料並未特別受限制，並可能係常用於壓電元件的任何材料。導電材料的範例包括金屬，諸如，Ti、Pt、Ta、Ir、Sr、In、Sn、Au、Al、Fe、Cr、Ni、Pd、Ag、及Cu、及彼等的化合物。內部電極55及505及外部電極506a及506b各者可能單獨以導電材料或該等導電材料的混合物或合金製造，或可能係以二或多種導電材料製造的多層。內部電極55及505及外部電極506a及506b可能以不同材料製造。
根據本發明之實施例的多層壓電元件包括包含Ag及Pd的內部電極。Ag之重量M1對Pd之重量M2的重量比率M1/M2在0.25M1/M24.0的範圍中為佳。因為內部電極的高燒結溫度。少於0.25的重量比率M1/M2係非期望的。因為內部電極具有島狀結構及異質表面，多於4.0的重量比率M1/M2也係非期望的。重量比率 M1/M2在2.3M1/M23.0的範圍中更佳。
內部電極55及505可能包含Ni及Cu的至少一者，彼等係不昂貴的電極材料。當內部電極55及505包含Ni及Cu的至少一者時，壓電元件可能在還原性大氣中烘烤。
如在圖2B中描繪的，可能將包括內部電極505的複數個電極彼此連接，以同步驅動電壓相。例如，可能經由外部電極506a將內部電極505a連接至第一電極501。可能經由外部電極506b將內部電極505b連接至第二電極503。內部電極505a及內部電極505b可能交替地設置。該等電極可能藉由任何方法連接。例如，可能將用於連接的電極或電線設置在多層壓電元件的側表面上，或可能形成通過壓電陶瓷層504的通孔並以導電材料塗佈，以連接該等電極。
用於製造多層壓電元件的方法
將於下文描述根據本發明的實施例之使用壓電陶瓷製造多層壓電元件的方法。
根據本發明的實施例之一種製造多層壓電元件的方法，包括：(A)製備包含至少Ba、Ca、Ti、Zr、及Mn之金屬化合物粉末的漿體、(B)從該漿體形成粉壓坯、(C)將電極形成在該粉壓坯上、及(D)以1200℃或更少的溫度燒結複數個該等粉壓坯，以製造該多層壓電元件。
使用在(A)中的金屬化合物粉末可能係Ba化合物、Ca化合物、Ti化合物、Zr化合物、及/或Mn化合物的粉末。Ba化合物的範例包括氧化鋇、碳酸鋇、草酸鋇、醋酸鋇、硝酸鋇、鈦酸鋇、鋯酸鋇、及鋯鈦酸鋇。
Ca化合物的範例包括氧化鈣、碳酸鈣、草酸鈣、醋酸鈣、鈦酸鈣、鋯酸鈣、及鋯鈦酸鈣。
Ti化合物的範例包括氧化鈦、鈦酸鋇、鋯鈦酸鋇、及鈦酸鈣。
Zr化合物的範例包括氧化鋯、鋯酸鋇、鋯鈦酸鋇、及鋯酸鈣。
Mn化合物的範例包括碳酸錳、氧化錳、二氧化錳、醋酸錳、及四氧化三錳。
Cu化合物的範例包括氧化銅(I)、氧化銅(II)、碳酸銅、醋酸銅(II)、及草酸銅。
B化合物的範例包括三氧化硼。
Si化合物的範例包括氧化矽。
將於下文描述用於製備(A)中之漿體的範例方法。將金屬化合物粉末與溶劑混合。溶劑的重量係金屬化合物粉末之重量的1.6至1.7倍。溶劑可能係甲苯、乙醇、甲苯及乙醇的混合溶劑、乙酸正丁酯、或水。在球磨機中混合24小時之後，將黏結劑及塑化劑加至該混合物。該黏結劑可能係聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯醇縮丁醛(PVB)、或丙烯酸樹脂。當黏結劑係PVB時，溶劑對PVB的重量比率可能係88：12。塑化劑可能係癸二酸二 辛酯、酞酸二辛酯、酞酸二丁酯、或銨羧酸。當塑化劑係酞酸二丁酯時，酞酸二丁酯的重量與黏結劑的重量相同。該混合物再度在球磨機中混合整夜。將溶劑或黏結劑的量控制成使得漿體滯度在300至500mPa．s的範圍中。
在(B)中的粉壓坯係該金屬化合物粉末、該黏結劑、及該塑化劑之混合物的薄片。在(B)中的粉壓坯可能藉由薄片成形法形成。該薄片成形法可能係刮刀法。依據該刮刀法，將漿體以刮刀塗至基材並乾燥之，以形成粉壓坯薄片。該基材可能係聚對苯二甲酸乙二酯(PET)膜。漿體塗於其上之PET膜的表面可能塗佈有氟化合物，以協助移除粉壓坯。該漿體可能藉由自然乾燥法或熱氣乾燥法乾燥。粉壓坯的厚度並未受任何限制，並可能調整成該多層壓電元件的厚度。粉壓坯的厚度可隨漿體滯度的增加而增加。
在(C)中的電極，更具體地說，內部電極5或外部電極可能藉由任何方法製造，諸如，金屬膏的烘烤、濺鍍、氣相沈積、或印刷。為降低驅動電壓，可能降低壓電陶瓷層4的厚度及間距。在此種情形中，燒制包含壓電陶瓷層4及內部電極5之先質的多層體。內部電極5的材料不應在壓電陶瓷層4的燒結溫度改變其形狀或導致導電性退化。壓電陶瓷的燒結溫度在1100℃至1200℃的範圍中，其低於習知鈦酸鋇壓電陶瓷的燒結溫度。因此，可能將具有比Pt低的熔點且更不昂貴的金屬，諸如，Ag、Pd、Au、Cu、或Ni、或彼等的合金使用為內部電極 5及外部電極6a及6b。外部電極6a及6b可能在燒制該多層體之後形成。在此情形中，外部電極6a及6b可能以Al或碳質電極材料，以及Ag、Pd、Cu、或Ni製造。
此等電極可能藉由網板印刷形成。根據網板印刷，使用刮刀經由網板印刷板將金屬膏塗至設置在基材上的粉壓坯。網板印刷板具有篩目。金屬膏經由篩目塗至粉壓坯。網板印刷板的篩目可能具有型樣。可能使用金屬膏將該型樣轉移至粉壓坯，從而將粉壓坯上的電極型樣化。
在電極於(C)中形成後，將從該基材移除的一或複數個粉壓坯堆疊並藉由，例如，單軸均壓法、冷液均壓法、熱液均壓法壓合。熱液均壓法可等向性地施加均勻壓力。將粉壓坯加熱至接近該黏結劑的玻璃轉移點可強化壓合。可壓合複數個粉壓坯以實現所期望厚度。
例如，可用50℃至80℃之範圍中的溫度以10至60MPa之範圍中的壓力將10至100層的粉壓坯熱均壓10秒至10分鐘。該等電極可能具有對準標記以精確地堆疊該等粉壓坯。該等粉壓坯可能具有定位通孔以精確地堆疊該等粉壓坯。
(D)中之1200℃或更少的燒結溫度容許使用具有比Pt低的熔點且更不昂貴的金屬，諸如，Ag、Pd、Au、Cu、或Ni、或彼等的合金。
在根據本發明的實施例之用於製造多層壓電元件的方法中，該漿體可能包含鈣鈦礦金屬氧化物，該鈣 鈦礦金屬氧化物包含Ba及Ca之至少一者及Ti及Zr的至少一者。該鈣鈦礦金屬氧化物的範例包括鈦酸鋇、鋯酸鋇、鋯鈦酸鋇、鈦酸鈣、鋯酸鈣、及鋯鈦酸鈣。
當漿體包含該鈣鈦礦金屬氧化物時，此有利地提昇顆粒成長並增加粉壓坯的密度。
液體排放頭
將於下文描述根據本發明的實施例之包括壓電元件的液體排放頭。根據本發明之實施例的液體排放頭包括液體室及與該液體室連通的排放埠。該液體室具有包括根據本發明的實施例之壓電元件或多層壓電元件的振動單元。
圖3A係根據本發明的實施例之液體排放頭的示意橫剖面圖，且圖3B係描繪於圖3A之液體排放頭的示意透視圖。如圖3A及3B描繪的，液體排放頭包括根據本發明之實施例的壓電元件101。壓電元件101包括第一電極1011、壓電陶瓷1012、及第二電極1013。如圖3B描繪的，可能將壓電陶瓷1012型樣化。
圖3B係描繪於圖3A中之液體排放頭的示意透視圖。液體排放頭包括排放埠105、單獨液體室102、將單獨液體室102連接至排放埠105的接通孔106、液體室分隔壁104、共同液體室107、隔膜103、及壓電元件101。雖然壓電元件101在圖3B中係長方形，壓電元件101可能係另一形狀，諸如，橢圓形、圓形、或平行四邊 形。通常，壓電陶瓷1012具有與單獨液體室102的形狀相似的形狀。
將於下文參考圖3A詳細地描述液體排放頭的壓電元件101。圖3A係在壓電元件之寬度方向上的圖3B的橫剖面圖。雖然壓電元件101在圖3A中具有矩形橫剖面，壓電元件101可能具有梯形或倒梯形橫剖面。
在圖3A中，第一電極1011係下電極，且第二電極1013係上電極。可能不同地配置第一電極1011及第二電極1013。例如，第一電極1011可能係下電極或上電極。相似地，第二電極1013可能係上電極或下電極。可能將緩衝層108設置在隔膜103及下電極之間。此等不同指定係由用於製造該等裝置之方法中的變化造成，且各情形具有本發明的優點。
在液體排放頭中，隔膜103隨壓電陶瓷1012的膨脹及收縮而上下彎曲，從而將壓力施加至單獨液體室102中的液體。此容許液體從排放埠105排放。根據本發明之實施例的液體排放頭可使用在印表機中及在電子裝置的製造中。
隔膜103的厚度係1.0μm或更多且15μm或更少，1.5μm或更多且8μm或更少為佳。隔膜103可能以任何材料製造，例如，Si。以Si製造的隔膜103可能摻雜有硼或磷。隔膜103上的緩衝層108及第一電極1011可能作為隔膜的一部分使用。緩衝層108具有5nm或更多且300nm或更少的厚度，10nm或更多且200nm或更少 為佳。排放埠105具有5μm或更多且40μm或更少的等效圓直徑。排放埠105可能係圓形、星形、正方形、或三角形。
液體排放設備
將於下文描述根據本發明之實施例的液體排放設備。液體排放設備包括記錄媒體輸送單元及上文描述的液體排放頭。液體排放設備可能係噴墨記錄設備，如圖4及5所描繪的。圖5描繪不具有外部882至885及887之描繪於圖4中的液體排放設備(噴墨記錄設備)881。噴墨記錄設備881包括用於將作為記錄媒體的記錄紙張自動地饋送至該設備之主體896的自動饋紙機897。噴墨記錄設備881更包括用於將記錄紙張從自動饋紙機897輸送至預定記錄位置並從該記錄位置輸送至出口898的輸送單元899、用於在該記錄位置記錄至該記錄紙的記錄單元891、及用於恢復記錄單元891的恢復單元890。記錄單元891包括用於收容根據本發明之實施例的液體排放頭的托架892。托架892沿著軌道行進。
托架892回應於寄送自電腦的電訊號沿著軌道行進。在將驅動電壓施加至設置在壓電陶瓷上的電極時，壓電陶瓷變形。在變形時，壓電陶瓷經由描繪於圖3B的隔膜103對單獨液體室102加壓，從而從排放埠105排放墨水以列印字元。
根據本發明之實施例的液體排放設備可用高 速均勻地排放液體並可縮減尺寸。
除了上述印表機外，根據本發明之實施例的液體排放設備可使用在其他噴墨記錄設備中，諸如，傳真機、多功能裝置、及複印機、及工業液體排放設備。
超音波馬達
根據本發明之實施例的超音波馬達包括振動構件及與該振動構件接觸的移動體。該振動構件包括根據本發明之實施例的壓電元件或多層壓電元件。
圖6A及6B係根據本發明的實施例之超音波馬達的示意圖。描繪於圖6A中的超音波馬達包括根據本發明之實施例的壓電元件的單板。該超音波馬達包括振盪器201、藉由壓力彈簧(未圖示)的動作壓在振盪器201之滑動表面上的轉子202、及與轉子202積體地形成的輸出軸203。振盪器201包括金屬彈性環2011、根據本發明之實施例的壓電元件2012、及將壓電元件2012接合至彈性環2011的有機黏合劑2013(環氧樹脂或氰基丙烯酸酯)。雖然未顯示在圖式中，壓電元件2012包括在第一電極及第二電極之間的壓電陶瓷。
在將在相位上相差奇數倍π/4的二相交流電壓施加至根據本發明之實施例的壓電元件時，撓曲行進波發生在振盪器201中，且在振盪器201之滑動表面上的點經歷橢圓運動。壓在振盪器201之滑動表面上的轉子202從振盪器201接收摩擦力，並在與該撓曲行進波之方向相反 的方向上旋轉。接合至輸出軸203之待驅動的本體(未圖示)係由轉子202的旋轉力驅動。
在將電壓施加至壓電陶瓷時，因為橫向壓電效應，壓電陶瓷膨脹及收縮。接合至該壓電元件的彈性體，諸如，金屬，隨該壓電陶瓷的膨脹及收縮而彎曲。本文描述的超音波馬達使用此原理。
圖6B描繪包括多層壓電元件的超音波馬達。振盪器204包括在管形金屬彈性體2041中的多層壓電元件2042。多層壓電元件2042包括複數個疊層壓電陶瓷(未圖示)，並包括在該等疊層壓電陶瓷之外表面上的第一電極及第二電極及在疊層壓電陶瓷內的內部電極。以螺栓固定金屬彈性體2041以保持壓電元件2042，從而構成振盪器204。
在將不同相位的交流電壓施加至壓電元件2042時，振盪器204導致彼此垂直的二種振盪。將該等二振盪合成以形成用於驅動振盪器204之尖端的圓形振盪。振盪器204具有在其上部的環形溝槽。該環形溝槽增加用於驅動的振盪位移。
轉子205藉由壓力彈簧206的動作壓在振盪器204上，並接收用於驅動的摩擦力。轉子205藉由軸承旋轉地支援。
光學設備
將於下文描述根據本發明之實施例的光學設 備。該光學設備包括在驅動單元中的上述超音波馬達。
圖7A及7B係單鏡頭反射式相機之可交換鏡頭鏡筒的橫剖面圖，其係根據本發明之實施例的影像拾取設備。圖8係單鏡頭反射式相機之可交換鏡頭鏡筒的分解透視圖，其係根據本發明之實施例的影像拾取設備。將固定鏡筒712、線性導引鏡筒713、及前鏡頭組鏡筒714固定至該相機的可移除機架711上。此等組件係可交換鏡頭鏡筒的固定構件。
線性導引鏡筒713具有在光軸方向上用於對焦鏡702的線性導引溝槽713a。對焦鏡702係由後鏡頭組鏡筒716支撐。使用螺釘718將在徑向方向上朝外凸出的凸輪滾子717a及717b固定至後鏡頭組鏡筒716。凸輪滾子717a配適在線性導引溝槽713a中。
凸輪環715旋轉地配適在線性導引鏡筒713的內週中。將固定至凸輪環715的滾子719抓在線性導引鏡筒713的環形溝槽713b中，從而限制線性導引鏡筒713及凸輪環715在光軸方向上的相對位移。凸輪環715具有用於對焦鏡702的凸輪溝槽715a。凸輪滾子717b也配適在凸輪溝槽715a中。
旋轉傳輸環720藉由滾珠座圈727旋轉地保持在固定鏡筒712之外圍上的固定位置。驅動滾子722藉由從旋轉傳輸環720徑向地延伸之軸720f旋轉地保持。驅動滾子722的大直徑部722a與手動對焦環724的載置側端面724b接觸。驅動滾子722的小直徑部722b與接頭 729接觸。以規律間距將六個驅動滾子722設置在旋轉傳輸環720的外圍上。各驅動滾子722滿足上述結構關係。
將低磨擦片(墊圈構件)733設置在手動對焦環724的內側上。將低磨擦片733設置在固定鏡筒712的載置側端面712a及手動對焦環724的前端面724a之間。低磨擦片733具有圓形外側表面，該表面具有配適於手動對焦環724之內部直徑724c的直徑。手動對焦環724的內部直徑724c配適於固定鏡筒712之外部712b的直徑。低磨擦片733可降低旋轉環機制中的磨擦，其中手動對焦環724相對於固定鏡筒712繞著光學軸旋轉。將驅動滾子722的大直徑部722a壓在手動對焦環724的載置側端面724b上，因為波形墊圈726將超音波馬達725朝向鏡頭前端按壓。相似地，因為波形墊圈726將將超音波馬達725朝向鏡頭前端按壓，將驅動滾子722的小直徑部722b壓在接頭729上。藉由插旋耦合至固定鏡筒712的墊圈732防止波形墊圈726朝向該機架移動。將波形墊圈726的彈簧力(推進力)傳輸至超音波馬達725及驅動滾子722，且更將手動對焦環724按壓在固定鏡筒712的載置側端面712a上。換言之，經由低磨擦片733將手動對焦環724按壓在固定鏡筒712的載置側端面712a上。因此，當藉由控制單元(未圖示)相對於固定鏡筒712旋轉超音波馬達725時，因為接頭729與驅動滾子722的小直徑部722b磨擦接觸，驅動滾子722繞著軸720f旋轉。驅動滾子722繞著軸720f旋轉導致旋轉傳輸環720繞著光 學軸旋轉(自動對焦)。
當手動輸入單元(未圖示)將繞著光學軸之旋轉力提供給手動對焦環724時，因為手動對焦環724的載置側端面724b按壓在驅動滾子722的大直徑部722a上，驅動滾子722因為磨擦力繞著軸720f旋轉。驅動滾子722的大直徑部722a繞著軸720f旋轉導致旋轉傳輸環720繞著光學軸旋轉。然而，因為在轉子725c及定子725b之間的磨擦力，超音波馬達725不旋轉(手動對焦)。旋轉傳輸環720設置有彼此面對的二對焦楔728。此等對焦楔728配適在凸輪環715之頂端的凹口715b中。在自動對焦或手動對焦時，旋轉傳輸環720繞著光學軸旋轉，並經由對焦楔728將旋轉力傳輸至凸輪環715。當凸輪環715繞著光學軸旋轉時，凸輪滾子717b沿著凸輪環715的凸輪溝槽715a向前或向後移動凸輪滾子717a及受線性導引溝槽713a限制的後鏡頭組鏡筒716。此驅動對焦鏡702並容許對焦。
雖然已參考單鏡頭反射式相機的可交換鏡頭鏡筒描述根據本發明之實施例的光學設備，該光學設備也可能施用至在驅動單元中包括超音波馬達的光學設備，諸如，照相機、諸如，小型相機或電子靜態相機。
振動設備及灰塵移除裝置
用於傳送或移除粒子、粉末、及液體的振動設備廣泛地使用在電子裝置中。
作為根據本發明之振動設備的範例，將於下文描述包括根據本發明的實施例之壓電元件的灰塵移除裝置。
根據本發明之實施例的灰塵移除裝置包括振動構件，該構件包括根據本發明之實施例的壓電元件或多層壓電元件。
圖9A及9B係根據本發明的實施例之灰塵移除裝置310的示意圖。灰塵移除裝置310包括壓電元件330的板及隔膜320。壓電元件330可能係根據本發明之實施例的多層壓電元件。隔膜320可能以任何材料製造。當將灰塵移除裝置310使用在光學裝置中時，隔膜320可能以半透明或透明材料或光反射材料製造。
圖10A至10C係描繪於圖9A及9B中之壓電元件330的示意圖。圖10A及10C描繪壓電元件330的前及背側。圖10B係壓電元件330的側視圖。如圖10A至10C所描繪的，壓電元件330包括壓電陶瓷331、第一電極332、及第二電極333。將第一電極332及第二電極333設置在壓電陶瓷331的相對側上。如圖9A及9B，壓電元件330可能係根據本發明之實施例的多層壓電元件。在此情形中，壓電陶瓷331包括交替地堆疊在彼此頂部的壓電陶瓷層及內部電極。該等內部電極交替地連接至第一電極332及第二電極333，從而容許壓電陶瓷層交替地具有不同相位的驅動波形。如在圖10C中描繪的，將第一電極332設置於其上的壓電元件330的表面稱為第一電極表 面336。如在圖10A中描繪的，將第二電極332設置於其上的壓電元件330的表面稱為第二電極表面337。
術語「電極表面」，如本文所使用的，係指電極設置在其上之壓電元件的表面。例如，如在圖10B中描繪的，第一電極332可能繞過拐角並延伸至第二電極表面337。
如在圖9A及9B中描繪的，將壓電元件330的第一電極表面336接合至隔膜320。壓電元件330的致動在壓電元件330及隔膜320之間產生應力，在隔膜320上導致面外振盪。灰塵移除裝置310藉由面外振盪的動作移除隔膜320上的雜質，諸如，灰塵。術語「面外振盪」，如在本文中使用中，係指在光學軸方向或隔膜厚度方向上導致隔膜之位移的彈性振盪。
圖11A及11B係描繪灰塵移除裝置310之振盪原理的示意圖。在圖11A中，將同相交流電場施加至一左右對的壓電元件330，以導致隔膜320的面外振盪。構成該左右對壓電元件330之壓電陶瓷的極化方向與壓電元件330的厚度方向相同。灰塵移除裝置310以第七振盪模式驅動。在圖11B中，將反相交流電壓施加至一左右對的壓電元件330，以導致隔膜320的面外振盪。灰塵移除裝置310以第六振盪模式驅動。灰塵移除裝置310可使用至少二振盪模式以有效地將隔膜之表面上的灰塵移除。
影像拾取設備
將於下文描述根據本發明之實施例的影像拾取設備。根據本發明之實施例的影像拾取設備包括根據本發明之實施例的灰塵移除裝置及影像拾取元件單元，其中該灰塵移除裝置包括在影像拾取元件單元之光入射側上的振動構件。圖12及13描繪數位單鏡頭反射式相機，其係根據本發明之實施例的影像拾取設備。
圖12係從目標側觀看之該照相機的主體601的前透視圖。已將成像透鏡單元移除。圖13係該照相機之內側的分解透視圖，描繪根據本發明之實施例的灰塵移除裝置及影像拾取單元400的周圍結構。
該照相機的主體601包括將通過成像透鏡的影像光束導向至其的鏡盒605。鏡盒605包括主反射鏡(快速彈回反射鏡)606。主反射鏡606可與光學軸產生45度角，以將影像光束導至五面鏡(未圖示)或可能避免影像光束，以將影像光束導至影像拾取元件(未圖示)。
從目標側將鏡盒605及快門單元200以此次序設置在照相機之主體601的主體框架300的前面。將影像拾取單元400設置在主體框架300的攝影師側。將影像拾取單元400安裝成使得將影像拾取元件的影像拾取區域設置成與將成像透鏡單元附接至其之機架602的表面相距預定距離並平行。
雖然已將數位單鏡頭反射式相機描述為根據本發明之實施例的影像拾取設備，該影像拾取設備可能係 可交換鏡頭照相機，諸如，不具有鏡盒605的無反射鏡式數位可交換鏡頭照相機。在包括影像拾取設備的各種影像拾取設備及電及電子裝置之間，諸如，可交換鏡頭視訊攝影機、複印機、傳真機、及掃描器，可將根據本發明之實施例的影像拾取設備特別施用至需要將沈積在光學組件之表面上的灰塵移除的裝置。
電子裝置
將於下文描述根據本發明之實施例的電子裝置。該電子裝置包括壓電聲組件，該組件包括根據本發明之實施例的壓電元件或多層壓電元件。該壓電聲組件可能係擴音器、蜂鳴器、麥克風、或表面聲波(SAW)裝置。
圖14係數位相機之主體931的透視圖，其係根據本發明之實施例的電子裝置。將光學裝置901、麥克風914、電子閃光單元909、及補光單元916設置在主體931的前表面上。麥克風914設置在該主體內並藉由虛線指示。用於擷取外部聲音的開口設置在麥克風914的前面。
將電源開關933、擴音器912、變焦桿932、及用於對焦的快門鈕908設置在主體931的頂表面上。擴音器912設置在該主體931內並藉由虛線指示。用於將聲音傳輸至外側的開口設置在擴音器912的前面。
可能將壓電聲組件使用在麥克風914、擴音器912、及表面聲波裝置之至少一者中。
雖然已將數位相機描述為根據本發明之實施例的電子裝置，該電子裝置也可能施用至包括壓電聲組件的各種電子裝置，諸如，音訊再生裝置、音訊記錄裝置、行動電話、及資訊終端。
如上文所述，根據本發明之實施例的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、灰塵移除裝置、影像拾取設備、及電子裝置。
藉由使用根據本發明之實施例的無鉛壓電陶瓷製造的液體排放頭可具有比藉由使用含鉛壓電陶瓷製造之液體排放頭的噴嘴密度及排放速度更高或相等的噴嘴密度及排放速度。
藉由使用根據本發明之實施例的無鉛壓電陶瓷製造的液體排放設備可具有比藉由使用含鉛壓電陶瓷製造之液體排放設備的排放速度及排放精確性更高或相等的排放速度及排放精確性。
藉由使用根據本發明之實施例的無鉛壓電陶瓷製造的超音波馬達可具有比藉由使用含鉛壓電陶瓷製造之超音波馬達的驅動力及耐久性更高或相等的驅動力及耐久性。
藉由使用根據本發明之實施例的無鉛壓電陶瓷製造的光學設備可具有比藉由使用含鉛壓電陶瓷製造之光學設備的耐久性及操作精確性更高或相等的耐久性及操作精確性。
藉由使用根據本發明之實施例的無鉛壓電陶瓷製造的振動設備可具有比藉由使用含鉛壓電陶瓷製造之振動設備的振盪能力及耐久性更高或相等的振盪能力及耐久性。
藉由使用根據本發明之實施例的無鉛壓電陶瓷製造的灰塵移除裝置可具有比藉由使用含鉛壓電陶瓷製造之灰塵移除裝置的灰塵移除效率及耐久性更高或相等的灰塵移除效率及耐久性。
藉由使用根據本發明之實施例的無鉛壓電陶瓷製造的影像拾取設備可具有比藉由使用含鉛壓電陶瓷製造之影像拾取設備的灰塵移除功能更高或相等的灰塵移除功能。
藉由使用根據本發明之實施例的無鉛壓電陶瓷製造的壓電聲組件可用於提供具有比藉由使用含鉛壓電陶瓷製造之電子裝置的聲音再生能力更高或相等之聲音再生能力的電子裝置。
根據本發明之實施例的壓電陶瓷可能使用在超音波轉換器、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中。
範例
雖然本發明另外在下列範例描述中，本發明並未受限於此等範例。
製造根據本發明之範例的壓電陶瓷。
壓電陶瓷 範例1
如下文所述地對組成物(Ba0.870Ca0.130)1.0111(Ti0.970Zr0.030)O3稱重。此組成物藉由通式(Ba1-xCax)a(Ti1-yZry)O3表示，其中x=0.130、y=0.030、且a=1.0111。
將作為主組分原料之具有100nm之平均粒子直徑的鈦酸鋇(BT-01，由Sakai Chemical Industry Co.,Ltd.製造)、具有300nm之平均粒子直徑的鈦酸鈣(CT-03，由Sakai Chemical Industry Co.,Ltd.製造)、及具有300nm之平均粒子直徑的鋯酸鈣(CZ-03，由Sakai Chemical Industry Co.,Ltd.製造)稱重，使得Ba、Ca、Ti、及Zr滿足組成(Ba0.870Ca0.130)1.0111(Ti0.970Zr0.030)O3。使用草酸鋇及草酸鈣控制代表在A位之Ba及Ca的莫耳數對在B位之Ti及Zr的莫耳數之比率的值a。
稱重二氧化錳，使得第一輔助組分Mn的莫耳b係每莫耳組成物(Ba0.870Ca0.130)1.0111(Ti0.970Zr0.030)O3為0.0121莫耳。
稱重二氧化矽及三氧化硼，使得第二輔助組分Si及B以金屬基準計每100重量份組成物(Ba0.870Ca0.130)1.0111(Ti0.970Zr0.030)O3分別為0.0140重量份及0.0066重量份。
將該等已稱重粉未在球磨機中乾混合24小時。使用噴霧乾燥器將三重量份的PVA黏結劑沈積在100 重量份的混合粉末表面上。
將所產生的粒化粉末填充在模具中，並使用沖壓機以200MPa按壓，以形成盤狀粉壓坯。該粉壓坯可使用冷均壓機更行按壓。
以最大溫度Tmax(1200℃)將該粉壓坯在電爐中保持5小時，並在大氣中總共燒結24小時。
量測晶粒的平均等效圓直徑、具有25μm或更少之等效圓直徑的晶粒數量百分比(在下文中稱為D25)、及所產生之陶瓷的相對密度。平均等效圓直徑為1.33μm、D25係100%，且相對密度為96.0%。主要使用偏光顯微鏡觀察晶粒。小晶粒尺寸係使用掃描式電子顯微鏡(SEM)決定。處理以偏光顯微鏡及掃描式電子顯微鏡取得的攝影影像，以決定平均等效圓直徑及D25。相對密度係依據阿基米德原理量測。
將該陶瓷研磨至0.5mm的厚度，並藉由X光繞射分析其晶體結構。僅觀察對應於鈣鈦礦結構的尖峰。
藉由X射線螢光分析決定陶瓷的組成。該分析顯示Mn係每莫耳具有(Ba0.870Ca0.130)1.0111(Ti0.970Zr0.030)O3之化學式的組成物為0.0121莫耳，且Si及B係每100重量份的組成物分別為0.0140重量份及0.0066重量份。此指示該等已稱重組成物與燒結後的組成物一致。Ba、Ca、Ti、Zr、Mn、Si、B、及Cu以外的元素量少於偵測限制或少於0.0001重量份。決定Mn在此樣本中的價數。使用超導量子干涉裝置(SQUID)在2至60K之範圍中的溫度 量測磁化率。藉由磁化率之溫度相依性決定價數大多為4+。
再度觀察該等晶粒。平均等效圓直徑並未顯著地受研磨改變。
範例2至38
除了如表1所示地改變Ba、Ca、Ti、Zr的比率、第一輔助組分、及第二輔助組分、及最大燒結溫度Tmax外，以與範例1相同的方式製造壓電陶瓷。Cu的原料係氧化銅(II)。
平均等效圓直徑、D25、及相對密度係以與範例1相同的方式決定。表2顯示結果。
組成分析係以與範例1相同的方式實施。表3顯示結果。該表中的第三輔助組分係Ba、Ca、Ti、Zr、Mn、Si、B、及Cu以外的元素。零指示少於偵測限制或少於0.0001重量份。表3顯示所有樣本中的已稱重組成物與燒結後的組成物一致。決定Mn在此樣本中的價數。使用超導量子干涉裝置(SQUID)在2至60K之範圍中的溫度量測磁化率。藉由磁化率之溫度相依性決定所有樣本中的價數大多為4+。
比較範例1至12
除了如表1所示地改變Ba、Ca、Ti、Zr的比率、第一輔助組分、及第二輔助組分外，以與範例1相同的方式製造比較陶瓷。
平均等效圓直徑及相對密度係以與範例1相同的方式決定。表2顯示結果。
組成分析係以與範例1相同的方式實施。表3顯示結果。該表中的第三輔助組分係Ba、Ca、Ti、Zr、Mn、Si、B、及Cu以外的元素。零指示少於偵測限制或少於0.0001重量份。表3顯示所有樣本中的已稱重組成物與燒結後的組成物一致。
然後製造根據本發明之範例的壓電元件。
壓電元件的製造及特徵化 範例1至38
壓電元件係使用根據範例1至38的壓電陶瓷製造。
藉由DC濺鍍將具有400nm之厚度的金電極形成在盤狀陶瓷的前及後側上。將具有30nm之厚度的鈦膜形成為電極及陶瓷之間的黏合層。將具有該等電極的陶瓷切割為10mm×2.5mm×0.5mm板狀壓電元件。
將1.4kV/mm電場對在60℃至150℃之範圍中的溫度之熱板上的該壓電元件施加30分鐘，以實施極化處理。
在極化處理之後，量測使用根據本發明之範例及比較範例的壓電陶瓷製造之各壓電元件的居里溫度、壓電常數d31、及機械品質因數(Qm)。表4顯示結果。該表中的「相變點」指示相變點存在於-20℃至100℃的範圍中。「是」意指最大介電常數存在於從-20℃至100℃的量測溫度在1kHz頻率之非常小交流電場中。「否」意指最大介電常數不存在。居里溫度係介電常數在1kHz頻率之非常小交流電場中到達其最大值的溫度。壓電常數d31係藉由共振-反共振法量測。表4顯示其絕對值。機械品質因數Qm係藉由該共振-反共振法量測。
將電阻率量測為絕緣性質的度量。電阻率係使用非極化壓電元件量測。在將10V直流偏壓施加在壓電元件的二電極間之後的十二秒，從該漏電流量測壓電元件的電阻率。表4顯示結果。
當電阻率係1×109Ω．cm或更多，100×109Ω．cm或更多更佳時，壓電陶瓷及壓電元件具有充份的實際絕緣性質。
在所有該等範例中，甚至當該等電極係以經烘烤銀膏製造時，得到與金電極之情形相同的特徵。
比較範例1至12
壓電元件係以與範例1至38相同的方式使用根據比較範例1至12的壓電陶瓷製造。
該等壓電元件以與範例1至38相同的方式估評。表4顯示結果。該表中的十字標記指示電阻率低到不 能量測。
比較比較範例1及2與範例1至38，多於0.039的值y導致高燒結溫度及不充份的相對密度。此不利地降低電阻率並使極化變困難。
比較比較範例3與範例1至38，少於0.100的值x導致壓電元件的相變溫度在-20℃至100℃的範圍中及低耐久性。
比較比較範例4及5與範例1至38，少於0.010的值y不利地導致遠少於50[pm/V]的|d31|。
比較比較範例6與範例1至38，多於0.15的值x不利地導致遠少於50[pm/V]的|d31|。
比較比較範例7與範例1至38，少於0.9925+b的值a導致不正常顆粒的成長及遠多於10μm的平均等效圓直徑，不利地導致機械強度降低許多。
比較比較範例8與範例1至38，多於1.0025+b的值a導致受抑制的顆晶成長及不充份的相對密度85.0。此不利地降低電阻率並使極化處理變困難。
比較比較範例9與範例1至38，少於0.0048的值b導致遠少於600的Qm且驅動效率降低許多。
比較比較範例10與範例1至38，多於0.0400的值b導致電阻率降低許多。此不利地使極化不可能。
比較比較範例11與範例1至38，少於0.001重量份的第二輔助組分導致受抑制的顆粒成長及相對密度降低。此不利地降低電阻率並使極化不可能。
比較比較範例12與範例1至38，多於4.000重量份的第二輔助組分導致不正常顆粒的成長及遠多於10μm的平均等效圓直徑，不利地導致機械強度降低許多。
壓電元件之耐久性的評估
為調查壓電元件的耐久性，範例1至13及比較範例3在恆溫器中受循環試驗。將溫度循環25℃→-20℃→50℃→25℃實施一百次。表5顯示壓電常數d31在循環試驗中的改變率。
比較範例3具有遠多於10%的改變率並具有比範例1至13更低的耐久性。因此，比較範例3係不利的。
製造根據本發明之範例的多層壓電元件。
多層壓電元件 範例39
如下文所述地對組成物(Ba0.870Ca0.130)1.0111(Ti0.970Zr0.030)O3稱重。此組成物藉由通式(Ba1-xCax)a(Ti1-yZry)O3表示，其中x=0.130、y=0.030、且a=1.0111。
對作為主組分之原料的碳酸鋇、碳酸鈣、氧化鈦、及氧化鋯稱重，使得Ba、Ca、Ti、及Zr滿足組成(Ba0.870Ca0.130)1.0111(Ti0.970Zr0.030)O3。
稱重二氧化錳，使得第一輔助組分Mn的莫耳b係每莫耳組成物(Ba0.870Ca0.130)1.0111(Ti0.970Zr0.030)O3為0.0121莫耳。
稱重二氧化矽及三氧化硼，使得第二輔助組分Si及B以金屬基準計每100重量份組成物(Ba0.870Ca0.130)1.0111(Ti0.970Zr0.030)O3分別為0.0140重量份及0.0066重量份。
將已稱重粉末與PVB混合，並藉由刮刀法形成為具有50μm之厚度的生薄片。
將用於內部電極的導電膏施加至該生薄片。該導電膏係70%Ag-30%Pd合金(Ag/Pd=2.33)膏。堆疊已將導電膏施加至其的九片生薄片，並以1200℃燒5小時以產生燒結體。將該燒結體切割為10mm×2.5mm的段。研磨該等段的側表面。藉由Au濺鍍形成用於交替地 連接內部電極的一對外部電極(第一電極及第二電極)。因此，製造如圖2B所描繪的多層壓電元件。
該多層壓電元件之內部電極的觀察顯示電極材料Ag-Pd及壓電陶瓷層交替地堆疊在彼此頂部。
在評估壓電性之前，樣本受極化處理。更具體地說，該樣本在熱板上加熱至在100℃至150℃之範圍中的溫度。將該樣本冷卻至室溫，同時將1.4kV/mm的電壓在第一電極及第二電極之間施加30分鐘。
多層壓電元件之壓電性的評估顯示多層壓電元件具有充份的絕緣性質並具有與根據範例1之壓電陶瓷相似的充份壓電性質。
範例40
以與範例39相似的方式製造多層壓電元件，除了主組分的原料係具有100nm之平均粒子直徑的鈦酸鋇(BT-01，由Sakai Chemical Industry Co.,Ltd.製造)、具有300nm之平均粒子直徑的鈦酸鈣(CT-03，由Sakai Chemical Industry Co.,Ltd.製造)、及具有300nm之平均粒子直徑的鋯酸鈣(CZ-03，由Sakai Chemical Industry Co.,Ltd.製造)。使用草酸鋇及草酸鈣控制代表在A位之Ba及Ca的莫耳數對在B位之Ti及Zr的莫耳數之比率的值a。
多層壓電元件之壓電性的評估顯示多層壓電元件具有充份的絕緣性質及比範例39更佳的壓電性質。 此可能因為該等原料係提昇晶粒成長，導致緻密多層壓電元件的鈣鈦礦金屬氧化物。
比較範例13
以與範例39相似的方式製造多層壓電元件，除了組成物與比較範例2相同、燒制溫度為1200℃、且內部電極係以95%Ag-5%Pd合金(Ag/Pd=19)製造外。
使用掃描式電子顯微鏡觀察內部電極。該觀察顯示內部電極熔化且分散為島狀。因此，內部電極不導電，且多層壓電元件未受極化。因此，壓電常數不能量測。
比較範例14
多層壓電元件以與比較範例13相同的方式製造，除了內部電極係以5%Ag-95%Pd合金(Ag/Pd=0.05)製造。
使用掃描式電子顯微鏡觀察內部電極。該觀察顯示電極材料Ag-Pd的燒結不充份。因此，內部電極不導電，且多層壓電元件未受極化。因此，壓電常數不能量測。
比較範例15
多層壓電元件以與比較範例13相同的方式製造，除了內部電極係以70%Ag-30%Pd合金(Ag/Pd=2.33 )製造。
使用掃描式電子顯微鏡觀察內部電極。雖然電極材料Ag-Pd及壓電陶瓷層交替地堆疊在彼此頂部，因為該等壓電陶瓷層的不充份燒結，該壓電元件之一對外部電極間的電阻率低達108Ω．cm或更少。因此，該多層壓電元件未受極化，且壓電常數不能量測。
範例41
混合粉末以與範例39相同的方式準備。該混合粉末在大氣中以1000℃鍛燒3小時並同時攪拌，以產生鍛燒粉末。在球磨機中將該緞燒粉末粉碎。將該緞燒粉末與PVB混合，並藉由刮刀法形成為具有50μm之厚度的生薄片。將用於內部電極的導電膏施加至該生薄片。該導電膏係Ni膏。將已將導電膏施加至其的九片生薄片堆疊並熱按壓。
該熱按壓多層體在管狀爐中燒制。在大氣中將該熱按壓多層體燒制至高達300℃的溫度，以移除黏結劑，然後在還原性大氣中以1200℃保持5小時(H2：N2=2：98，2×10-6帕的氧濃度)。在冷卻至室溫期間，氧濃度在1000℃或更少的溫度為30帕。
將該燒結體切割為10mm×2.5mm的段。研磨該等段的側表面。藉由Au濺鍍形成用於交替地連接內部電極的一對外部電極(第一電極及第二電極)。因此，製造如圖2B所描繪的多層壓電元件。
該多層壓電元件之內部電極的觀察顯示電極材料Ni及壓電材料層交替地堆疊在彼此頂部。在100℃的油池中將1.4kV/mm的電場對該多層壓電元件施加30分鐘，以實施極化處理。多層壓電元件之壓電性質的評估顯示多層壓電元件具有充份的絕緣性質並具有與根據範例1之壓電元件相似的充份壓電性質。
範例42
使用根據範例1的壓電元件製造描繪於圖3A及3B中的液體排放頭。墨水回應於電訊號的輸入而排放。
範例43
使用根據範例42的液體排放頭製造描繪於圖4中的液體排放設備。墨水回應於電訊號的輸入而排放至記錄媒體上。
範例44
使用根據範例1的壓電元件製造描繪於圖6A中的超音波馬達。在施加交流電壓時，該馬達旋轉。
範例45
使用根據範例44的超音波馬達製造描繪於圖7A及7B中的光學設備。在施加交流電壓時，觀察到自動 對焦。
範例46
使用根據範例1的壓電元件製造描繪於圖9A及9B中的灰塵移除裝置。在塑膠珠分散後，在施加交流電壓時，可觀察到充份的灰塵移除效率。
範例47
使用根據範例44的灰塵移除裝置製造描繪於圖12中的影像拾取設備。將影像拾取單元之表面上灰塵充份地移除，且得到無灰塵缺陷的影像。
範例48
使用根據範例40的多層壓電元件製造描繪於圖3A及3B中的液體排放頭。墨水回應於電訊號的輸入而排放。
範例49
使用與範例48相同的液體排放頭製造描繪於圖4中的液體排放設備。墨水回應於電訊號的輸入而排放至記錄媒體上。
範例50
使用根據範例40的多層壓電元件製造描繪於 圖6B中的超音波馬達。在施加交流電壓時，該馬達旋轉。
範例51
使用根據範例50的超音波馬達製造描繪於圖7A及7B中的光學設備。在施加交流電壓時，觀察到自動對焦。
範例52
使用根據範例40的多層壓電元件製造描繪於圖9A及9B中的灰塵移除裝置。在塑膠珠分散後，在施加交流電壓時，可觀察到充份的灰塵移除效率。
範例53
使用與範例52相同的灰塵移除裝置製造描繪於圖12中的影像拾取設備。將影像拾取單元之表面上灰塵充份地移除，且得到無灰塵缺陷的影像。
範例54
使用根據範例40的多層壓電元件製造描繪於圖14中的電子裝置。在施加交流電壓時，擴音器運作。
當已參考模範實施例而描述本發明後，待理解本發明並未受限於該等已揭示之模範實施例。下文之申請專利範圍待受最廣泛之解釋以包含所有此種修改及等效 結構與功能。
工業應用性
根據本發明之實施例的壓電陶瓷在寬闊操作溫度範圍中具有高及穩定的壓電常數與高及穩定的機械品質因數。該壓電陶瓷不含鉛並可減少環境負擔。因此，可將該壓電陶瓷用於使用大量壓電陶瓷製造的設備，諸如，液體排放頭、超音波馬達、及灰塵移除裝置，而沒有問題。

Claims (18)

  1. 一種壓電陶瓷，包含：包含鈣鈦礦金屬氧化物的主組分，該鈣鈦礦金屬氧化物具有下列通式(1)；Mn作為第一輔助組分；且第二輔助組分包含選自由Cu、B、及Si組成之群組的至少一元素；(Ba1-xCax)a(Ti1-yZry)O3(0.100x0.145,0.010y0.039) (1)其中每莫耳該金屬氧化物中的Mn量b(莫耳)係在0.0048b0.0400的範圍中，該第二輔助組分在金屬基準上的含量是該金屬氧化物的每一百份重量為0.001份重量或更多且為4.000份重量或更少，且該通式(1)的該值a在0.9925+ba1.0025+b的範圍中，其中具有25μm或更少之等效圓直徑的晶粒構成該總晶粒的99數量百分比或更多。
  2. 如申請專利範圍第1項的壓電陶瓷，其中該壓電陶瓷之複數個晶粒的該平均等效圓直徑為1μm或更多及10μm或更少。
  3. 如申請專利範圍第1或2項的壓電陶瓷，其中該壓電陶瓷具有90%或更多及100%或更少的相對密度。
  4. 一種製造如申請專利範圍第1或2項之壓電陶瓷的方法，包含：在1200℃或更少的溫度燒結包含Ba、Ca、Ti、Zr、Mn、以及選自由Cu、B、及Si組成的群組之至少一金屬元素的粉壓坯。
  5. 一種壓電元件，包含：壓電陶瓷、第一電極、及第二電極，其中該壓電陶瓷係如申請專利範圍第1項的壓電 陶瓷。
  6. 一種多層壓電元件，包含：交替地堆疊在彼此頂部上的壓電陶瓷層及電極層，該等電極層包括內部電極，其中該等壓電陶瓷層係由如申請專利範圍第1項的壓電陶瓷形成。
  7. 如申請專利範圍第6項的多層壓電元件，其中該內部電極包含Ag及Pd，且Ag的重量M1對Pd的重量M2的重量比率M1/M2在0.25M1/M28.0的範圍中。
  8. 如申請專利範圍第6項的多層壓電元件，其中該內部電極包含Ni及Cu之至少一者。
  9. 一種製造如申請專利範圍第6或7項之多層壓電元件的方法，包含：(A)製備包含至少Ba、Ca、Ti、Zr、及Mn之金屬化合物粉末的漿體；(B)從該漿體形成粉壓坯；(C)將電極形成在該粉壓坯上；及(D)在1200℃或更少的溫度燒結複數個該等粉壓坯，以製造該多層壓電元件。
  10. 如申請專利範圍第9項之製造該多層壓電元件的方法，其中該漿體包含鈣鈦礦金屬氧化物，該鈣鈦礦金屬氧化物包含Ba及Ca之至少一者及Ti及Zr的至少一者。
  11. 一種液體排放頭，包含：液體室；及與該液體室連通之排放埠，其中該液體室具有包括如申請專利範圍第5項的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單元。
  12. 一種液體排放設備，包含：記錄媒體輸送單元； 及如申請專利範圍第11項的液體排放頭。
  13. 一種超音波馬達，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的移動體。
  14. 一種光學設備，在驅動單元中包含如申請專利範圍第13項的超音波馬達。
  15. 一種振動設備，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。
  16. 一種灰塵移除裝置，包含如申請專利範圍第15項的振動設備。
  17. 一種影像拾取設備，包含：如申請專利範圍第16項的灰塵移除裝置及影像拾取元件單元，其中該灰塵移除裝置包括在該影像拾取元件單元之該光入射側上的振動構件。
  18. 一種電子裝置，包含壓電聲組件，該壓電聲組件包括如申請專利範圍第5項的壓電元件或如申請專利範圍第6項的多層壓電元件。
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