專(zhuān)利名稱(chēng)：壓電材料、壓電元件、液體排放頭、超聲波電機(jī)及灰塵清潔設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓電材料。特別地，其涉及無(wú)鉛壓電材料。其還涉及使用無(wú)鉛壓電材料的壓電元件、液體排放頭、超聲波電機(jī)以及灰塵清潔設(shè)備。
背景技術(shù)：
含鉛的鋯鈦酸鉛是各種壓電設(shè)備中最廣泛使用的壓電材料。已試圖用無(wú)鉛壓電材料替代含鉛壓電材料。這是為了解決如下顧慮含鉛壓電設(shè)備一旦被丟棄并暴露于酸雨就會(huì)由于壓電材料中的鉛成分可滲入到大地中而對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成損害。因此，做出了壓電材料的各種提議。
無(wú)鉛壓電材料的一個(gè)示例是含有例如鈮酸鋇鉍作為主要成分的鎢青銅結(jié)構(gòu)材料。 PTL I公開(kāi)了含有鈮酸鋇鋰作為主要成分和鈮酸鉍作為附屬成分的材料系統(tǒng)。然而，由于具有鎢青銅結(jié)構(gòu)的晶體的單位晶格的形狀各向異性高，所以極軸方向僅在c軸方向(S卩，短邊方向)上。相應(yīng)地，存在較少的可以有助于壓電性的有效磁疇并且壓電屬性令人不滿意。 磁取向)使壓電材料定向。磁取向可以增大有助于壓電性的有效磁疇的數(shù)量。PTL 2公開(kāi)了在進(jìn)行磁取向時(shí)使用各向異性粒子作為起始材料以改進(jìn)取向度的技術(shù)。然而，此技術(shù)僅可應(yīng)用于可以使用各向異性粒子作為起始材料的壓電材料，并且該方法可以被應(yīng)用到的壓電材料的組成是受限的。
本發(fā)明提供含有具有高取向度的基于鈮酸鋇鉍鈣的鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物的無(wú)鉛壓電材料。還提供使用該壓電材料的壓電元件、液體排放頭、超聲波電機(jī)、以及灰塵清潔設(shè)備。
引用列表
專(zhuān)利文獻(xiàn)
PTL I 日本專(zhuān)利公開(kāi) No. 2001-72466
PTL 2 日本專(zhuān)利公開(kāi) No. 2008-208004發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供壓電材料，包括鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物，包括金屬元素鋇、鉍、鈣和鈮；以及鎢。金屬元素以摩爾計(jì)量滿足以下條件
當(dāng)Ba/Nb = a 時(shí)，O. 37 彡 a 彡 O. 40，
當(dāng)Bi/Nb = b 時(shí)，O. 020 彡 b 彡 O. 065，以及
當(dāng)Ca/Nb = c時(shí),0. 007 < c < O. 10。以金屬計(jì)量的鶴含量相對(duì)于鶴青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物的100重量份是O. 4至2. O重量份。鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物具有c軸取向。
本發(fā)明還提供壓電元件，包括第一電極、壓電材料以及第二電極；液體排放頭， 包括壓電元件；超聲波電機(jī)，包括壓電元件；以及灰塵清潔設(shè)備，包括壓電元件。
本發(fā)明提供包含具有高取向度的基于鈮酸鋇鉍鈣的鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物的壓電材料。由于壓電材料無(wú)鉛，所以對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響低。還可以提供具有高耐久性的壓電元件、液體排放頭、超聲波電機(jī)以及灰塵清潔設(shè)備。


圖IA和IB是通過(guò)X光衍射分析在2 θ - Θ模式中拍攝的壓電材料的衍射圖案。
圖2是根據(jù)實(shí)施例的壓電元件的示意圖。
圖3A和圖3B是示出了根據(jù)實(shí)施例的液體排放頭的一個(gè)示例的示意圖。
圖4A是示出了根據(jù)實(shí)施例的超聲波電機(jī)的示意圖。
圖4B是示出了根據(jù)另一實(shí)施例的超聲波電機(jī)的示意圖。
圖5A和5B是示出了根據(jù)實(shí)施例的灰塵清潔設(shè)備的示意圖。
具體實(shí)施方式
現(xiàn)在將描述本發(fā)明的實(shí)施例。
根據(jù)實(shí)施例的壓電材料包括包含以摩爾計(jì)量滿足下面條件的金屬元素Ba、Bi、 Ca、以及Nb的鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物；以及鎢(W)
當(dāng)Ba/Nb = a 時(shí)，O. 37 ^ a ^ O. 40,
當(dāng)Bi/Nb = b 時(shí)，O. 020 彡 b 彡 O. 065，以及
當(dāng)Ca/Nb = c 時(shí)，O. 007 彡 c 彡 O. 10。
以金屬計(jì)量的鎢(W)含量相對(duì)于鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物的100重量份是O. 4至2.O重量份。鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物具有c軸取向。
在本發(fā)明中，術(shù)語(yǔ)“鎢青銅結(jié)構(gòu)”是指通常已知為四方鎢青銅(TTB)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，而并非由于電致變色現(xiàn)象而已知的HxWO3 (鎢青銅)或六方鎢青銅(HTB)結(jié)構(gòu)。
此壓電材料是至少含有Ba、Bi、Ca、以及Nb的鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物。認(rèn)為Ba、 Bi、以及Ca占據(jù)A部位,而Nb占據(jù)B部位。當(dāng)鶴青銅結(jié)構(gòu)由Ba、Bi、Ca以及Nb構(gòu)成時(shí),可以提供具有高居里溫度、高機(jī)械品質(zhì)因數(shù)、以及高壓電性的壓電材料?？梢酝ㄟ^(guò)例如X光衍射分析來(lái)確認(rèn)壓電材料具有鎢青銅結(jié)構(gòu)。在2Θ-Θ模式中測(cè)量的鎢青銅結(jié)構(gòu)的衍射圖案特性具有可歸屬于靠近2 Θ =22.5°的(001)平面的峰、可歸屬于靠近2 Θ =32.1°的 (211)平面的峰、以及可歸屬于靠近2 Θ =46.2°的(002)平面的峰。
用語(yǔ)“以摩爾計(jì)量”意思是把通過(guò)X光熒光分析、感應(yīng)耦合等離子體(ICP)原子發(fā)射光譜法、原子吸收光譜測(cè)量法等確定的鎢青銅結(jié)構(gòu)中含有的元素(比如，Ba、Bi、Ca以及 Nb)的量轉(zhuǎn)換為按摩爾的比率。以摩爾計(jì)量的Ba對(duì)Nb的比率a是O. 37彡a彡O. 40。當(dāng)比率a小于O. 37時(shí)，居里溫度降低并且壓電材料可能無(wú)法在室溫工作。當(dāng)比率a大于O. 40 時(shí)，壓電屬性降級(jí)。
以摩爾計(jì)量的Bi對(duì)Nb的比率b是O. 020彡b彡0.065。當(dāng)比率b小于O. 020時(shí)， 壓電屬性降低。當(dāng)比率b大于O. 065時(shí)，居里溫度降低并且壓電材料可能無(wú)法在室溫工作。
以摩爾計(jì)量的Ca對(duì)Nb的比率c是O. 007彡c彡O. 10。當(dāng)比率c小于O. 007時(shí)， 居里溫度降低并且壓電材料可能無(wú)法在室溫工作。當(dāng)比率c大于O. 10時(shí)，在燒結(jié)之后出現(xiàn)異常顆粒生長(zhǎng)，并且壓電材料會(huì)損失機(jī)械強(qiáng)度。術(shù)語(yǔ)“異常顆粒生長(zhǎng)”此處意思是粒子尺寸4是200 μ m或更大。與尺寸上數(shù)微米的正常顆?；旌系倪@種顆粒使機(jī)械強(qiáng)度惡化。
“以金屬計(jì)”的W含量通過(guò)以下方式確定通過(guò)X光熒光分析、ICP原子發(fā)射光譜法、原子吸收光譜測(cè)量法等測(cè)量金屬(如，來(lái)自鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物的Ba、Bi、Ca、Nb以及 W)的含量，把構(gòu)成鎢青銅結(jié)構(gòu)的元素(比如，Ba、Bi、Ca以及Nb)的測(cè)得含量轉(zhuǎn)換成基于氧化物的值，以及確定鎢(W)的重量相對(duì)于轉(zhuǎn)換出的金屬含量的總量的比率。
沿著構(gòu)成晶體的單位晶格的邊延伸的三個(gè)軸稱(chēng)作a軸、b軸以及c軸。通常，鎢青銅結(jié)構(gòu)具有立方單位晶格并且三個(gè)軸基本上垂直地彼此相交。每個(gè)軸的長(zhǎng)度稱(chēng)作“軸長(zhǎng)度”。鎢青銅結(jié)構(gòu)的c軸長(zhǎng)度與a軸長(zhǎng)度或b軸長(zhǎng)度的約三分之--樣短。在本說(shuō)明書(shū)中，術(shù)語(yǔ)“(001)平面”是指c軸為法線的平面。
在本說(shuō)明書(shū)中，“取向”意思是使對(duì)象晶面中的全部或一部分朝向特定方向?！叭∠蚨取北砻魇咕娑ㄏ虻某潭取Ｈ∠蚨仍诖嬖谄渲袑?duì)象晶面朝向特定方向的較多部分時(shí)增大。 術(shù)語(yǔ)“c軸取向”意思是使處于c軸方向上的晶面定向，即，使(001)平面定向。換言之，“c 軸取向”和“(001)平面取向”的意思一樣。極軸方向(作為壓電材料的鎢青銅結(jié)構(gòu)的功能發(fā)生軸)是c軸方向。在取得c軸取向時(shí)鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物的壓電屬性增強(qiáng)。
通常，用化學(xué)式Α4_6Β1(ι03。表示鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物。在化學(xué)式中，A表示占據(jù)A 部位的元素。不區(qū)分Al部位(在c軸方向上觀看時(shí)12配位箱狀部位)和A2部位(在c軸方向上觀看時(shí)15配位五角形部位)。Ba和Bi主要占據(jù)存在于氧八面體周?chē)姆Q(chēng)為Al部位和 A2部位的兩個(gè)特定位置中的一個(gè)。Al部位和A2部位的數(shù)量總和的最大值是6。
在以上化學(xué)式中，B表示占據(jù)B部位的元素。五價(jià)元素主要占據(jù)B部位。在本發(fā)明中，B主要是Nb并存在于氧八面體內(nèi)部。
在本發(fā)明中，鎢(W)有時(shí)占據(jù)B部位中的一些B部位但是這并非必要的。含有W的形式可以是氧化物、金屬、或者金屬離子。
當(dāng)壓電材料中含有W時(shí)，鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物的介電常數(shù)增大并且壓電常數(shù)隨此而增大。W的并入還在進(jìn)行磁取向時(shí)增強(qiáng)磁化率的各向異性并改進(jìn)取向度。這大致由于以下原因。即，當(dāng)W替代B部位中Nb原子中的一些Nb原子時(shí)，單位晶格的所有方向上的磁化率或磁矩經(jīng)歷改變。作為結(jié)果，通過(guò)單位晶格的不同方向之間的磁化率的差異增強(qiáng)各向異性。此現(xiàn)象大致由六價(jià)W離子的離子半徑(O. 062nm)接近Nb的離子半徑(O. 069nm)的事實(shí)引起。換言之，W的并入帶來(lái)兩個(gè)效果改進(jìn)磁場(chǎng)處理中的取向度并增大介電常數(shù)。作為結(jié)果，此實(shí)施例的壓電材料的壓電常數(shù)顯著增大。
以金屬計(jì)量的W含量是相對(duì)于鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物的100重量份的O. 4至2. O 重量份。在大于2. O重量份的W含量，居里溫度會(huì)顯著下降。在低居里溫度，極化過(guò)程變得困難，無(wú)法充分展現(xiàn)壓電材料的固有壓電屬性。在小于O. 4重量份的W含量，屬性相比于不含有W時(shí)不會(huì)改變太多。W含量可以是I. O至I. 6重量份。
壓電材料的Lotgering 因子 F (Lotgering factor F)可以是 O. 73 至 I. 00。 Lotgering因子是通過(guò)X光衍射分析確定的鶴青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物的c軸(或(001))取向度的指標(biāo)。
雖然存在取向度的數(shù)個(gè)指標(biāo)，但在本說(shuō)明書(shū)中使用Lotgering因子F表明取向度。 大于O的Lotgering因子F表示對(duì)象晶面被定向了。
當(dāng)Lotgering因子F小于O. 73時(shí)，存在較少的可以有助于壓電性的有效疇并且壓電屬性不足夠。隨著Lotgering因子F靠近1，生成可以有助于壓電性的更多有效疇，并因此增大壓電常數(shù)。當(dāng)Lotgering因子F是I時(shí)，檢測(cè)到的唯一峰是可歸屬于對(duì)象晶面的衍射峰。換言之，可通過(guò)X光衍射分析檢測(cè)的所有晶體被對(duì)齊和定向在對(duì)象方向上。
Lotgering因子F是通過(guò)2 θ - θ X光衍射分析而計(jì)算出的。通過(guò)使用目標(biāo)晶面在 10°至70°范圍中的2 Θ衍射的X光的累計(jì)峰值強(qiáng)度I使用下面的等式I來(lái)計(jì)算
F = Cp — P0)/ (I — P。)(等式 I)
在等式I中，在c軸取向的情形中，通過(guò)使用隨機(jī)取向樣本的X光衍射強(qiáng)度(IO) 確定并根據(jù)下面的等式(2)計(jì)算Ptl，作為(001)平面(與c軸垂直的所有平面，I = I或2) 的衍射強(qiáng)度的總量對(duì)總衍射強(qiáng)度的比率
P。=Σ I。(001)/Σ I。(hkl)(等式 2)
在等式I中，在c軸取向的情形中，通過(guò)使用取向樣本的X光衍射強(qiáng)度(I)確定和如對(duì)于以上等式(2)那樣根據(jù)下面的等式(3)計(jì)算P，作為(001)平面的衍射強(qiáng)度的總量對(duì)總衍射強(qiáng)度的比率
P =E I (001)/ Σ I (hkl)(等式 3)
此實(shí)施例的壓電材料含有錳(Mn)，以金屬計(jì)的Mn含量是相對(duì)于鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物的100重量份的O. 150至O. 480重量份。
由于壓電材料含有Mn，所以可以在不使Lotgering因子F降級(jí)的情況下改進(jìn)機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm。Mn含量是O. 16至O. 48重量份。當(dāng)Mn含量小于O. 16重量份時(shí),相比于不含有Mn時(shí)屬性不會(huì)改變太大。當(dāng)Mn含量超過(guò)O. 48重量份時(shí)，壓電屬性會(huì)惡化并可能發(fā)生其它相。Mn含量可以是O. 20至O. 40重量份。機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm是表示把壓電材料評(píng)估為振子時(shí)由振動(dòng)引起的彈性損失的因數(shù)。當(dāng)以電學(xué)方式測(cè)量機(jī)械品質(zhì)因數(shù)的量值時(shí)，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)被觀測(cè)作為共振曲線的尖銳度。換言之，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)是表示振子的共振的尖銳度的因數(shù)。
Mn存在的壓電材料區(qū)域沒(méi)有限制。錳可以占據(jù)部位或在不占據(jù)部位的情況下處于晶粒邊界(grain boundary)中。Mn的并入形式可以是金屬、氧化物以及金屬離子中的任一種。當(dāng)以金屬離子的形式并入Mn時(shí)，價(jià)可以是2、3、4或者6。
Sr和Mg可以占據(jù)鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物的A部位，除了 Nb以外的元素可以占據(jù)鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物的B部位以便于壓電材料的生產(chǎn)或調(diào)整壓電材料的物理屬性。要被包含在B部位中的元素的示例不僅包括五價(jià)金屬元素(諸如Ta和V等)，而且包括三價(jià)和四價(jià)金屬元素，更具體地為Fe、Al、Ti以及Zr。要被包含在B部位中的這些元素的含量?jī)?yōu)選為所有B部位元素的20mol%或更少以及更優(yōu)選為5mol%或更少?？梢酝ㄟ^(guò)增大A部位元素的量來(lái)補(bǔ)償B部位元素總價(jià)的減小。
可以向壓電材料添加諸如Cu、Zn以及Co等元素以便于壓電材料的生產(chǎn)和調(diào)整壓電材料的物理屬性。這種附加元素的量可以是相對(duì)于鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物的100重量份的5重量份或更少。當(dāng)多于5重量份的這樣的元素被添加時(shí)，會(huì)出現(xiàn)不同于鎢青銅結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，并且絕緣屬性會(huì)降低。
可以通過(guò)例如Rietveld方法識(shí)別占據(jù)壓電材料的各部位的金屬元素。根據(jù) Rietveld方法，不僅可以識(shí)別占據(jù)部位的金屬的類(lèi)型而且可以識(shí)別其比率。
用于制備壓電材料的方法沒(méi)有特別限制?？梢酝ㄟ^(guò)燒結(jié)使用原材料(如，構(gòu)成壓電材料的金屬的氧化物、硝酸鹽以及草酸鹽)獲得的粉末或通過(guò)注漿(slip-casting)制備的成型體的普通方法制備壓電材料，燒結(jié)是在正常壓力下執(zhí)行的。可以采用的其它技術(shù)的示例包括電加熱、微波燒結(jié)、毫米波燒結(jié)、以及熱等靜壓。從對(duì)磁場(chǎng)取向的適應(yīng)性的觀點(diǎn)，可以采用在正常壓力下燒結(jié)通過(guò)注漿漿體形成的成型體的技術(shù)。
用于使壓電材料定向的方法不限于特定方法。例如，可以采用使用刮刀的顆粒定向方法或使用高磁場(chǎng)的磁定向方法。由于可以容易獲得具有c軸取向的成型體，所以?xún)?yōu)選磁定向方法。使用旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁定向更為優(yōu)選。
用于向鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物添加W、Mn等的方法沒(méi)有特別限制。例如，可以在使構(gòu)成鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物的元素混合、煅燒、以及起反應(yīng)之后添加W?；蛘撸梢允筗與構(gòu)成鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物的元素混合、煅燒和同時(shí)起反應(yīng)。
圖2是根據(jù)實(shí)施例的壓電元件的示意圖。此實(shí)施例的壓電元件包括壓電材料、以及設(shè)置在壓電材料上的第一電極和第二電極?？梢园训谝缓偷诙姌O設(shè)置在壓電材料的一個(gè)表面上或壓電材料的相對(duì)表面上以?shī)A持壓電材料。
圖3A和圖3B是示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的液體排放頭的一個(gè)示例的示意圖。 液體排放頭包括壓電元件101。壓電元件101包括第一電極1011、壓電材料1012、以及第二電極1013。根據(jù)如圖3B中所示的需要把壓電材料1012圖案化。
圖3B是液體排放頭的示意圖。液體排放頭包括排放口 105、各個(gè)液體室102、把各個(gè)液體室102連接到排放口 105的連接孔106、液體室壁104、公共液體室107、振動(dòng)板103、 以及壓電元件101。雖然圖中的壓電元件101具有矩形形狀，但它可以具有任何其它形狀， 如橢圓、圓形、長(zhǎng)方體等。通常，壓電材料1012的形狀對(duì)應(yīng)于各個(gè)液體室102的形狀。
現(xiàn)在將參照?qǐng)D3A詳細(xì)描述液體排放頭的壓電元件101和鄰近部分。圖3A是圖3B 中示出的液體排放頭在寬度方向上取得的壓電元件的橫截面視圖。雖然壓電元件101的橫截面形狀在此實(shí)施例中是矩形，但形狀可以是梯形或倒梯形形狀。
在圖中，使用第一電極1011作為下電極，使用第二電極1013作為上電極。然而， 第一電極1011和第二電極1013的布置不限于此?？梢允褂玫谝浑姌O1011作為下電極或上電極?？梢允褂玫诙姌O1013作為上電極或下電極?？梢栽谡駝?dòng)板103與下電極之間插入緩沖層108。
此處應(yīng)當(dāng)注意，組件的這些名稱(chēng)是根據(jù)制造器件的工藝而被確定的并且本發(fā)明的有益效果可以在任何情形中取得。根據(jù)此液體排放頭，振動(dòng)板103通過(guò)壓電材料1012的膨脹和收縮而上下移動(dòng)并按壓各個(gè)液體室102中含有的液體以使得液體從排放口 105排放。 液體排放頭可以用于打印機(jī)中和用于電子器件制造。
振動(dòng)板103的厚度是I. O μ m或更大并且是15 μ m或更小，優(yōu)選地是I. 5 μ m或更大并且是8μπι或更小。振動(dòng)板103的材料沒(méi)有限制但是可以是硅。構(gòu)成振動(dòng)板的硅可以摻雜有硼或磷。振動(dòng)板上的緩沖層和電極層可以形成振動(dòng)板的一部分。
緩沖層108的厚度是5nm或更大并且是300nm或更小，更優(yōu)選地是IOnm或更大并且是200nm或更小。排放口 105的尺寸按圓等效直徑是5 μ m或更大并且是40 μ m或更小。 排放口 105的形狀可以是圓形但是可以是星形形狀、矩形形狀、或者三角形形狀。
現(xiàn)在將描述使用壓電元件的超聲波電機(jī)。圖4A和4B是示出了超聲波電機(jī)的實(shí)施例的示例的示意圖。圖4A示出了包括由單板構(gòu)成的壓電元件的超聲波電機(jī)。此超聲波電機(jī)包括振子201、在來(lái)自圖中未示出的增壓彈簧的壓力下鄰接振子201的滑動(dòng)表面的轉(zhuǎn)子 202、以及與轉(zhuǎn)子202整體地形成的輸出軸203。振子201包括金屬?gòu)椥原h(huán)2011、壓電元件 2012、以及把壓電元件2012接合到金屬?gòu)椥原h(huán)2011的有機(jī)粘合劑2013 (例如基于環(huán)氧樹(shù)脂或氰基丙烯酸脂的粘合劑)。壓電元件2012包括第一電極、第二電極、以及第一與第二電極之間插入的壓電材料(未示出)。
當(dāng)向壓電元件施加兩相AC電壓(相位差π/2)時(shí)，在振子201中出現(xiàn)彎曲行波，振子201的滑動(dòng)表面上的各個(gè)點(diǎn)經(jīng)歷橢圓運(yùn)動(dòng)。當(dāng)使轉(zhuǎn)子202與振子201的滑動(dòng)表面壓力接觸時(shí)，轉(zhuǎn)子202接收來(lái)自振子201的摩擦力并在與彎曲行波相對(duì)的方向上旋轉(zhuǎn)。圖中未示出的要驅(qū)動(dòng)的對(duì)象被接合到輸出軸203并被轉(zhuǎn)子202的轉(zhuǎn)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。當(dāng)向壓電材料施加電壓時(shí)，壓電材料通過(guò)橫向壓電效應(yīng)膨脹和收縮。當(dāng)彈性體(如，金屬)與壓電元件相接觸時(shí)， 通過(guò)壓電材料的膨脹和收縮使彈性體彎曲。此處描述的超聲波電機(jī)的類(lèi)型運(yùn)用此原理。
圖4Β示出了包括具有多層結(jié)構(gòu)的壓電元件的超聲波電機(jī)的示例。振子204包括筒狀金屬?gòu)椥泽w2041和在筒狀金屬?gòu)椥泽w2041之間插入的多層壓電元件2042。多層壓電元件2042是包括圖中未示出的兩層或更多層壓電材料并包括在多層結(jié)構(gòu)的外表面上的第一電極和第二電極和多層結(jié)構(gòu)內(nèi)部的內(nèi)電極的元件。使筒狀金屬?gòu)椥泽w2041與螺栓接合以將多層壓電元件2042固定在其間以形成振子204。
當(dāng)向多層壓電元件2042施加具有彼此不同相的交流電壓時(shí)，振子204激勵(lì)彼此正交的兩個(gè)振動(dòng)。這兩個(gè)振動(dòng)被組合以在振子204的頂部處形成用于驅(qū)動(dòng)的圓形振動(dòng)。注意， 在振子204的上部分中形成環(huán)形槽以增大用于驅(qū)動(dòng)的振動(dòng)的位移。
轉(zhuǎn)子205由于用于增壓的彈簧206而與振子204壓力接觸并獲得用于驅(qū)動(dòng)的摩擦力。轉(zhuǎn)子205被承載體可旋轉(zhuǎn)地支撐。
接下來(lái)，描述根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的使用壓電元件的灰塵清潔設(shè)備。
圖5Α和5Β是示出了灰塵清潔設(shè)備的實(shí)施例的示意圖。灰塵清潔設(shè)備310包括板狀壓電元件330和振動(dòng)板320。雖然振動(dòng)板320的材料沒(méi)有限制，但當(dāng)灰塵清潔設(shè)備310要被用于光學(xué)設(shè)備中時(shí)可以在振動(dòng)板320中使用透明材料或光反射材料。
如至此已描述的，根據(jù)本發(fā)明的壓電元件適合用于液體排放頭、超聲波電機(jī)等中。 當(dāng)壓電元件被用于液體排放頭中時(shí)，可以取得比使用含鉛壓電材料的液體排放頭相當(dāng)或更優(yōu)的噴嘴密度和排放力。當(dāng)在超聲波電機(jī)中使用含有鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物的無(wú)鉛壓電材料時(shí)，可以取得與使用含鉛壓電材料的超聲波電機(jī)相當(dāng)或更優(yōu)的驅(qū)動(dòng)力和耐久性。當(dāng)在灰塵清潔設(shè)備中使用含有鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物的無(wú)鉛壓電材料時(shí)，可以取得與使用含鉛壓電材料的灰塵清潔設(shè)備相當(dāng)或更優(yōu)的灰塵清潔效率。本發(fā)明的壓電材料不僅可以用于液體排放頭和電機(jī)中而且還可以用在其它設(shè)備(諸如超聲波振子、壓電致動(dòng)器、壓電傳感器、以及鐵電體存儲(chǔ)器等)中。
示例
現(xiàn)在將通過(guò)下面的示例更詳細(xì)地描述壓電材料。這些示例不限制本發(fā)明的范圍。
示例I至7
制備了含有特定量W的鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物。首先，把碳酸鋇、碳酸鈣、氧化鉍、 以及氧化鈮粉末用作原材料并按特定混合比率在乳缽中干混。
把混合物放置在氧化鋁坩堝中并通過(guò)在空氣中在950° C在電爐中燒制5個(gè)小時(shí)而被煅燒。隨后通過(guò)乳缽使混合物粉碎。把粉碎的混合物和特定量的氧化鎢放置在氧化鋁坩堝中并在空氣中在1100° C在電爐中燒制5個(gè)小時(shí)。
通過(guò)混合特定量的煅燒粉末、純水以及分散劑并通過(guò)球磨機(jī)使所得混合物分散來(lái)制備漿體。
使用超導(dǎo)磁體(日本超導(dǎo)技術(shù)有限公司生產(chǎn)的JMTD-10T180)進(jìn)行了磁場(chǎng)處理。通過(guò)超導(dǎo)磁體生成了 IOT磁場(chǎng)，通過(guò)使用可以在高磁場(chǎng)中被旋轉(zhuǎn)和驅(qū)動(dòng)的非磁性超聲波電機(jī)使臺(tái)面在與磁場(chǎng)的方向垂直的方向上以30rpm旋轉(zhuǎn)。在臺(tái)面上放置石膏模具，把漿體倒入旋轉(zhuǎn)臺(tái)面上的石膏模具中以進(jìn)行注漿成型并獲得盤(pán)狀體。
在空氣中在1300° C至1350° C使用電爐使盤(pán)狀體經(jīng)受燒制達(dá)6個(gè)小時(shí)。作為結(jié)果獲得的所有燒結(jié)體都沒(méi)有異常顆粒生長(zhǎng)并具有機(jī)械強(qiáng)度。通過(guò)阿基米德方法評(píng)估了燒結(jié)體的密度。在切削了每個(gè)燒結(jié)體的表面之后，進(jìn)行了通過(guò)X光衍射分析(XRD)的結(jié)構(gòu)分析和通過(guò)X光熒光分析的成分分析。
圖IA和IB是通過(guò)Θ -2 Θ XRD觀測(cè)到的圖。圖IA是示例I的壓電材料的XRD圖案，圖IB是比較例I的壓電材料的XRD圖案。圖案示出了這兩個(gè)輪廓是鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物的輪廓。在示例I中，可歸屬于(001)的峰的強(qiáng)度高，這表明取得c軸取向。Lotgering 因子F是根據(jù)XRD結(jié)果計(jì)算出的。
成分分析的結(jié)果不出了壓電材料是由(I — X)· CauBa16NbltlO3tl — X-Ba4Bi0^7Nb10O30 (O. 30彡x彡O. 95)表示的鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物。把盤(pán)狀燒結(jié)鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物拋光到Imm的厚度。通過(guò)使用濺射機(jī)在氧化物的兩個(gè)表面上形成厚度為 500 μ m的Au電極。所得的產(chǎn)品被使用切削機(jī)切削至2. 5mmX IOmm并被用作用于評(píng)估電學(xué)特性的壓電元件。
通過(guò)在100° C施加40kV/cm的電壓達(dá)20分鐘進(jìn)行極化。通過(guò)共振和反共振方法確認(rèn)了極化的狀態(tài)。使用d33測(cè)量?jī)x(Piezotest生產(chǎn)的PiezoMeter系統(tǒng))評(píng)估壓電屬性。
表I示出了壓電材料的成分、Lotgering因子F以及d33。在該表中，a表示以摩爾計(jì)量的比率Ba/Nb，b表示以摩爾計(jì)量的比率Bi/Nb，c表示以摩爾計(jì)量的比率Ca/Nb。 Lotgering因子F表示(001)平面的取向度。在表I中，“W重量份”表示金屬鎢的重量相對(duì)于構(gòu)成鎢青銅結(jié)構(gòu)的元素(如，Ba、Bi、Ca以及Nb)以氧化物計(jì)量的總重量的比率。
比較例I至4
如示例I至7中一樣制備并在電學(xué)特性方面評(píng)估比較例I至4的樣本。還以同樣方式進(jìn)行了磁場(chǎng)處理。在表I中表明了所得壓電材料的成分、Lotgering因子F以及d33。
[表 I]
權(quán)利要求
1.一種壓電材料，包括鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物，包括金屬元素鋇、鉍、鈣和鈮；以及鎢，其中，金屬元素以摩爾計(jì)量滿足以下條件當(dāng) Ba/Nb = a 時(shí)，O. 37 ≤ a ≤ O. 40,當(dāng) Bi/Nb = b 時(shí)，O. 020 ≤ b ≤ O. 065，以及當(dāng) Ca/Nb = c 時(shí)，O. 007 ≤ c ≤ O. 10 ;以金屬計(jì)量的鎢含量相對(duì)于鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物的100重量份是O. 4至2. O重量份；以及鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物具有c軸取向。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的壓電材料，其中，壓電材料具有大于等于O.73且小于等于I.00的Lotgering因子F,其中，Lotgering因子F表示通過(guò)X光衍射分析確定的c軸取向度。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的壓電材料，其中，鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物由(I-X) · Cah4Ba16Nb10O30 — x · Ba4Bia67Nb10O30 (O. 30 ^ x ^ O. 95)表示。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任一項(xiàng)所述的壓電材料，其中，壓電材料還包括錳，并且以金屬計(jì)量的錳含量相對(duì)于鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物的100重量份是O. 16至O. 48重量份。
5.—種壓電兀件,包括第一電極；壓電材料；以及第二電極，其中，壓電材料是根據(jù)權(quán)利要求I至4中任一項(xiàng)所述的壓電材料。
6.一種液體排放頭，包括根據(jù)權(quán)利要求5所述的壓電元件。
7.—種超聲波電機(jī),包括根據(jù)權(quán)利要求5所述的壓電元件。
8.一種灰塵清潔設(shè)備，包括根據(jù)權(quán)利要求5所述的壓電元件。
全文摘要
提供包含具有高取向度的基于鈮酸鋇鉍鈣的鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物的壓電材料。還提供包括壓電材料的壓電元件、液體排放頭、超聲波電機(jī)、以及灰塵清潔設(shè)備。壓電材料包括鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物，包括金屬元素鋇、鉍、鈣和鈮；以及鎢。金屬元素以摩爾計(jì)量滿足以下條件當(dāng)Ba/Nb＝a時(shí)，0.37≤a≤0.40，當(dāng)Bi/Nb＝b時(shí)，0.020≤b≤0.065，以及當(dāng)Ca/Nb＝c時(shí)，0.007≤c≤0.10。以金屬計(jì)量的鎢含量相對(duì)于鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物的100重量份是0.4至2.0重量份。鎢青銅結(jié)構(gòu)金屬氧化物具有c軸取向。
文檔編號(hào)H01L41/09GK102934247SQ20118002771
公開(kāi)日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2011年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月10日
發(fā)明者松田堅(jiān)義, 渡邊隆之, 林潤(rùn)平 申請(qǐng)人:佳能株式會(huì)社