專(zhuān)利名稱(chēng)：壓電促動(dòng)器的制作方法
背景技術(shù)：
1.本發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及利用了在大電場(chǎng)影響下的反壓電效應(yīng)和電致伸縮效應(yīng)的壓電促動(dòng)器，例如層合促動(dòng)器、壓電變壓器、超聲馬達(dá)、雙壓電晶體元件、聲納、壓電超聲換能器、壓電蜂鳴器、或者壓電揚(yáng)聲器。
2.相關(guān)技術(shù)利用壓電陶瓷材料的壓電促動(dòng)器是通過(guò)使大多數(shù)位移可以歸因于反壓電效應(yīng)來(lái)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、并且被廣泛應(yīng)用到電子和機(jī)電一體化領(lǐng)域的工業(yè)產(chǎn)品。
壓電促動(dòng)器包括具有至少形成于壓電陶瓷片上的一對(duì)電極的壓電元件；保持壓電元件的保持部件；粘合劑元件或者限制壓電元件保留在保持部件中的限制元件例如彈簧；通過(guò)其將電壓施加到壓電元件的引線(xiàn)和電絕緣元件例如涂布在一對(duì)電極上的樹(shù)脂或硅油。在該壓電促動(dòng)器中，包括壓電陶瓷片的壓電元件是通過(guò)粘合、模制、或者彈簧限制的。雖然沒(méi)有施加電壓，但是施加了約束的機(jī)械力(預(yù)設(shè)載荷)。而且，在該壓電促動(dòng)器中，當(dāng)向該壓電促動(dòng)器施加電壓的時(shí)侯，隨著電壓的上升該壓電元件被移動(dòng)。這增加了約束機(jī)械力(增加了載荷)。
因此，與壓電元件自身的位移性能不同，由于預(yù)設(shè)載荷以及載荷的增加，壓電促動(dòng)器的位移比較小。
壓電促動(dòng)器的工作條件和驅(qū)動(dòng)條件包括參數(shù)例如溫度、驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)強(qiáng)度、驅(qū)動(dòng)波形、驅(qū)動(dòng)頻率、以及驅(qū)動(dòng)模式是連續(xù)驅(qū)動(dòng)或間歇式驅(qū)動(dòng)。溫度范圍很大地依賴(lài)于使用產(chǎn)品的環(huán)境溫度變化。溫度范圍的下限等于或高于-40℃并且它的上限等于或低于約160℃。對(duì)于壓電蜂鳴器、聲納、壓電揚(yáng)聲器等，驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)強(qiáng)度的大小(amplitude)等于或小于500V/mm。對(duì)于超聲馬達(dá)、壓電變壓器等，該大小等于或小于1000V/mm。對(duì)于層合致電器，該大小等于或小于3000V/mm。此外，當(dāng)采用共振驅(qū)動(dòng)作為驅(qū)動(dòng)形式的時(shí)侯，該驅(qū)動(dòng)波形是正弦波。對(duì)于其它驅(qū)動(dòng)形式，驅(qū)動(dòng)波形可以是各種波，也就是說(shuō)，正弦波、梯形波、三角波、矩形波、和脈動(dòng)波中的任何一種。此外，用于超聲馬達(dá)、聲納、壓電超聲換能器等的驅(qū)動(dòng)頻率等于或高于20kHz，而用于其它產(chǎn)品的驅(qū)動(dòng)頻率在20kHz以下。
作為用于壓電促動(dòng)器的壓電陶瓷，采用了例如鈦酸鉛鋯(Pb(Zr，Ti)O3)體系(在下文中稱(chēng)為PZT體系)等。PZT體系壓電陶瓷表現(xiàn)出高的壓電性能，并且被用于大部分目前被投入使用的壓電陶瓷中。然而，由于PZT體系壓電陶瓷含有表現(xiàn)出高蒸氣壓的氧化鉛(PbO)，因此，其對(duì)于環(huán)境所施加的負(fù)擔(dān)是很大的。
已經(jīng)開(kāi)發(fā)了很多種不含鉛的鈦酸鋇(BaTiO3)體系壓電陶瓷。
具體而言，例如，日本未審查專(zhuān)利公開(kāi)No.11-180766公開(kāi)了一種根據(jù)共振方法測(cè)量的壓電應(yīng)變常數(shù)d33大于300PC/N的組合物。在-30℃-85℃的溫度范圍內(nèi)，壓電應(yīng)變常數(shù)d33與溫度有關(guān)的變化率很小。
日本未審查專(zhuān)利公開(kāi)No.2003-128460公開(kāi)了包括鈦酸鋇體系壓電陶瓷片和電極的壓電元件。在本文中，向該元件施加1kV/mm的電場(chǎng)強(qiáng)度的信號(hào)，由該元件所表現(xiàn)出的變形因子計(jì)算的壓電應(yīng)變常數(shù)d31與溫度有關(guān)的變化率很小。
然而，包括常規(guī)壓電元件的壓電促動(dòng)器不結(jié)實(shí)，不足以經(jīng)受實(shí)際應(yīng)用。
要求該壓電促動(dòng)器根據(jù)各種工業(yè)產(chǎn)品，例如層合致電器、壓電變壓器、超聲馬達(dá)、雙壓電晶體元件、聲納、壓電超聲換能器、壓電蜂鳴器、和壓電揚(yáng)聲器的用途表現(xiàn)出各種性能。然而，現(xiàn)實(shí)中，沒(méi)有壓電促動(dòng)器完全滿(mǎn)足由各種產(chǎn)品，例如層合致電器、壓電變壓器、超聲馬達(dá)、雙壓電晶體元件、聲納、壓電超聲換能器、壓電蜂鳴器、和壓電揚(yáng)聲器所要的性能。要求有進(jìn)一步的改進(jìn)。
本發(fā)明的簡(jiǎn)述本發(fā)明解決了相關(guān)技術(shù)的上述問(wèn)題，并且試圖提供具有優(yōu)異的適用性的壓電促動(dòng)器。
本發(fā)明提供了一種壓電促動(dòng)器，其包括具有在壓電陶瓷片表面上形成的一對(duì)電極的壓電元件，和保持該壓電元件的保持構(gòu)件。
應(yīng)用于該壓電促動(dòng)器中的壓電陶瓷滿(mǎn)足下面所描述的要求(a)-(e)中的至少一種。
(a)堆密度應(yīng)該等于或小于5g/cm3，并且根據(jù)共振-反共振方法計(jì)算的楊氏模量Y11E應(yīng)該等于或大于90GPa。
(b)導(dǎo)熱系數(shù)應(yīng)該等于或大于2Wm-1K-1。
(c)在-30℃至160℃的溫度范圍內(nèi)，熱膨脹系數(shù)應(yīng)該等于或大于3.0ppm/℃。
(d)在-30℃至160℃的溫度范圍內(nèi)，壓電系數(shù)應(yīng)該等于或小于400μCm-2K-1。
(e)在-30℃至80℃的溫度范圍內(nèi)，根據(jù)共振-反共振方法計(jì)算的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm應(yīng)該等于或小于50。
在根據(jù)本發(fā)明的壓電促動(dòng)器中，壓電陶瓷滿(mǎn)足要求(a)-(e)中的至少一種。因此該壓電促動(dòng)器具有優(yōu)異的實(shí)用性。
下面將根據(jù)每一個(gè)要求，對(duì)根據(jù)本發(fā)明的壓電促動(dòng)器的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行描述。
當(dāng)壓電陶瓷至少滿(mǎn)足要求(a)的時(shí)侯，可以降低壓電促動(dòng)器的重量，并且能夠降低在啟動(dòng)壓電促動(dòng)器時(shí)所產(chǎn)生的噪音。此外，當(dāng)壓電陶瓷的共振頻率變高的時(shí)侯，盡管驅(qū)動(dòng)頻率高，但是該壓電促動(dòng)器能夠進(jìn)行快速反應(yīng)或者移動(dòng)。這允許壓電促動(dòng)器被快速運(yùn)轉(zhuǎn)。
通常，當(dāng)被驅(qū)動(dòng)的時(shí)侯，壓電促動(dòng)器可能產(chǎn)生噪音。該噪音是歸因于當(dāng)壓電元件拉伸或收縮時(shí)，保持構(gòu)件例如包括在壓電促動(dòng)器的外殼或者與壓電促動(dòng)器連接的任何構(gòu)件與該壓電促動(dòng)器共振的事實(shí)。因此，當(dāng)設(shè)計(jì)壓電促動(dòng)器自身或者設(shè)計(jì)應(yīng)用壓電促動(dòng)器的工業(yè)產(chǎn)品的時(shí)侯，應(yīng)該設(shè)計(jì)它們的結(jié)構(gòu)防止共振。例如，當(dāng)將壓電促動(dòng)器用于用梯形波驅(qū)動(dòng)的燃油噴射閥的時(shí)侯，由于驅(qū)動(dòng)頻率很高并且電壓增加速率很高并且該結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此很難通過(guò)該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)來(lái)防止共振。
當(dāng)壓電陶瓷滿(mǎn)足根據(jù)本發(fā)明的要求(a)的時(shí)侯，由于壓電陶瓷的重量降低了，驅(qū)動(dòng)該促動(dòng)器的產(chǎn)生的動(dòng)能變得較小。因此，可以使噪音的產(chǎn)生最小化。此外，由于該壓電促動(dòng)器不管很高的驅(qū)動(dòng)頻率而作出快速反應(yīng)或者移動(dòng)，因此可以快速地運(yùn)行該壓電制動(dòng)器。當(dāng)應(yīng)用于，例如燃油噴射閥等時(shí)侯，該壓電促動(dòng)器具有優(yōu)異的實(shí)用性。
通常，當(dāng)驅(qū)動(dòng)壓電促動(dòng)器的時(shí)侯，壓電促動(dòng)器的溫度可能升高。隨著溫度的升高，由壓電促動(dòng)器所形成的移動(dòng)或者任何其它性能可能改變。
當(dāng)壓電陶瓷滿(mǎn)足根據(jù)本發(fā)明的要求(b)的時(shí)侯，該壓電陶瓷的熱輻射性能得到了提高。因此可以抑制壓電促動(dòng)器的溫度升高。因此，可以抑制由于壓電陶瓷的溫度升高所導(dǎo)致的位移或者任何其它性能的改變。因此，該壓電促動(dòng)器具有優(yōu)異的實(shí)用性。
通常，當(dāng)壓電促動(dòng)器在環(huán)境溫度，例如，120℃或更高的溫度下使用的時(shí)候，如果壓電促動(dòng)器的溫度升高的很大，則該壓電促動(dòng)器有可能具有很高的溫度。因此，擔(dān)心壓電促動(dòng)器自身或者由例如樹(shù)脂制得的并且包括在該壓電促動(dòng)器內(nèi)的保持構(gòu)件可能被熱老化。
當(dāng)壓電陶瓷滿(mǎn)足要求(b)的時(shí)侯，由于可以抑制溫度的升高，因此可以防止保持構(gòu)件的熱老化。因此，如果將壓電促動(dòng)器應(yīng)用于，例如，保持構(gòu)件相對(duì)容易熱老化的超聲馬達(dá)、聲納、或者超聲換能器，則將實(shí)際上改進(jìn)該壓電促動(dòng)器。此外，在超聲馬達(dá)、聲納、或者超聲換能器的情況下，不僅保持構(gòu)件而且粘合劑構(gòu)件也是由例如樹(shù)脂制成的。該粘合劑構(gòu)件可以用來(lái)將壓電元件連接到支架或任何其它的由金屬制得的構(gòu)件上。即使在這種情況下，只要壓電陶瓷滿(mǎn)足要求(b)，由于溫度的升高能夠被抑制，所以可以防止粘合劑構(gòu)件的熱老化。
當(dāng)壓電陶瓷滿(mǎn)足要求(c)的時(shí)侯，壓電陶瓷與電極、保持構(gòu)件、或者任何其它的與該壓電陶瓷接觸的構(gòu)件之間的熱膨脹差異都可以被降低。
通常，壓電促動(dòng)器的溫度隨著使用環(huán)境溫度變化或者由于當(dāng)驅(qū)動(dòng)壓電促動(dòng)器時(shí)所發(fā)生的溫度升高而變化。此外，即使在生產(chǎn)壓電促動(dòng)器的過(guò)程中，例如，當(dāng)對(duì)壓電元件加熱并且將其連接到某些東西上的時(shí)侯，壓電促動(dòng)器的溫度發(fā)生了改變。當(dāng)溫度發(fā)生變化的時(shí)侯，在壓電陶瓷與電極、保持構(gòu)件、或者任何其它與該壓電陶瓷接觸的構(gòu)件之間可能發(fā)生熱膨脹差異。結(jié)果是，在壓電促動(dòng)器中可能產(chǎn)生熱應(yīng)力。最終，該壓電促動(dòng)器可能斷裂。
當(dāng)壓電陶瓷滿(mǎn)足根據(jù)本發(fā)明的要求(c)的時(shí)侯，由于熱膨脹差異可以被降低，因此可以防止壓電促動(dòng)器由于熱應(yīng)力而斷裂。
此外，當(dāng)將壓電促動(dòng)器用于超聲馬達(dá)、聲納、或者超聲換能器、壓電蜂鳴器、或者壓電揚(yáng)聲器的時(shí)侯，可以對(duì)應(yīng)用壓電陶瓷的壓電元件和任何其它構(gòu)件加熱并且使用例如熱固性樹(shù)脂將它們相互連接起來(lái)。即使在這種情況下，只要該壓電陶瓷滿(mǎn)足要求(c)，由于可以降低熱膨脹差異，因此可以防止該壓電促動(dòng)器由于在加熱和連接中所產(chǎn)生的殘余熱應(yīng)力所導(dǎo)致的斷裂。因此，采用滿(mǎn)足要求(c)的壓電陶瓷的壓電促動(dòng)器，當(dāng)被應(yīng)用于超聲馬達(dá)、聲納、或者超聲換能器、壓電蜂鳴器、或者壓電揚(yáng)聲器的時(shí)侯，將證明具有高的實(shí)用性。
當(dāng)壓電陶瓷滿(mǎn)足要求(d)的時(shí)侯，能夠限制壓電促動(dòng)器中熱電效應(yīng)的發(fā)生率。
通常，當(dāng)壓電促動(dòng)器或者其內(nèi)具有壓電促動(dòng)器的工業(yè)產(chǎn)品被生產(chǎn)，或者在完成后被運(yùn)輸或者被儲(chǔ)存的時(shí)侯，如果它的溫度改變，則擔(dān)心在該壓電制動(dòng)器中可能由于熱電效應(yīng)形成電壓。為了避免形成電壓，使用了金屬夾具等來(lái)使包括在該壓電促動(dòng)器中的電極接頭之間的連接短路，或者為了在電極接頭之間連接電阻器而改進(jìn)產(chǎn)品的構(gòu)型。結(jié)果是，并不是制備壓電促動(dòng)器原始必要的工藝、金屬夾具、或者部件例如電阻器變成為必要的。這可能導(dǎo)致生產(chǎn)成本的增加。
當(dāng)壓電陶瓷滿(mǎn)足本發(fā)明的要求(d)的時(shí)侯，可以限制壓電制動(dòng)器中熱電效應(yīng)的發(fā)生率。因此，不再需要包括相關(guān)領(lǐng)域中防止熱電效應(yīng)所需要的生產(chǎn)工藝或者部件并且可以降低生產(chǎn)成本。因此，當(dāng)被用作包括，例如，由于熱電效用產(chǎn)生大量電荷的層合或者厚壓電元件的促動(dòng)器時(shí)，也就是說(shuō)，當(dāng)被用于例如燃油噴射閥、層合壓電變壓器、層合超聲馬達(dá)、或者層合壓電揚(yáng)聲器的時(shí)侯，該壓電制動(dòng)器將被證明具有很高的實(shí)用性。
當(dāng)壓電陶瓷滿(mǎn)足要求(e)的時(shí)侯，除了共振點(diǎn)以外的任何點(diǎn)所產(chǎn)生的聲壓都被增加了。因此，壓電促動(dòng)器中的共振點(diǎn)和任何其它點(diǎn)之間的聲壓差異被降低。當(dāng)用于，例如，壓電蜂鳴器，壓電揚(yáng)聲器，或者壓電發(fā)聲部件例如發(fā)報(bào)機(jī)的時(shí)侯，該壓電促動(dòng)器將被證明具有高的實(shí)用性。
如前面所描述的，根據(jù)本發(fā)明，在這里提供了具有優(yōu)異實(shí)用性的壓電促動(dòng)器。
附圖的簡(jiǎn)單描述

圖1是顯示了根據(jù)實(shí)施例1的壓電促動(dòng)器所表現(xiàn)的動(dòng)應(yīng)變大小D33的溫度依賴(lài)性的圖；圖2是顯示了根據(jù)實(shí)施例2的壓電促動(dòng)器所表現(xiàn)的動(dòng)應(yīng)變大小D33的溫度依賴(lài)性的圖；圖3是顯示了根據(jù)實(shí)施例3的壓電促動(dòng)器所表現(xiàn)的動(dòng)應(yīng)變大小D33的溫度依賴(lài)性的圖；圖4是顯示了根據(jù)實(shí)施例4的壓電促動(dòng)器所表現(xiàn)的動(dòng)應(yīng)變大小D33的溫度依賴(lài)性的圖；圖5是顯示了根據(jù)實(shí)施例5的壓電促動(dòng)器所表現(xiàn)的動(dòng)應(yīng)變大小D33的溫度依賴(lài)性的圖；圖6是顯示了驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)強(qiáng)度和動(dòng)應(yīng)變大小D33之間關(guān)系的圖，其中該關(guān)系是根據(jù)實(shí)施例6在實(shí)施例1-5中的各個(gè)壓電促動(dòng)器建立的；圖7是顯示了表示在實(shí)施例5中所生產(chǎn)的薄板所表現(xiàn)的壓電應(yīng)力常數(shù)d31的溫度特性的測(cè)量值，以及在實(shí)施例5中觀察到的在1000V/mm-2000V/mm的驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)強(qiáng)度下觀察到的動(dòng)應(yīng)變大小的圖，其中該測(cè)量值和動(dòng)應(yīng)變大小相對(duì)于在20℃獲得的值被標(biāo)準(zhǔn)化；圖8是顯示了由實(shí)施例2和對(duì)比例1中所生產(chǎn)的壓電陶瓷所表現(xiàn)出的線(xiàn)性熱膨脹系數(shù)的溫度依賴(lài)性的圖，其中，該溫度依賴(lài)性是根據(jù)實(shí)施例9觀察的；圖9是顯示了顯示了在實(shí)施例4和對(duì)比例1中所生產(chǎn)的壓電陶瓷中所發(fā)生的偏振度大小變化的溫度依賴(lài)性的圖，其中，該溫度依賴(lài)性是根據(jù)實(shí)施例10觀察的；圖10是顯示了斷裂可能性和Inf值之間的關(guān)系的圖，其中這些關(guān)系是根據(jù)實(shí)施例11在實(shí)施例5和對(duì)比例1所生產(chǎn)的各個(gè)壓電陶瓷中建立的；圖11是顯示了由實(shí)施例4、實(shí)施例5、對(duì)比例2、和對(duì)比例3中所生產(chǎn)的壓電元件所表現(xiàn)出的機(jī)械品質(zhì)因子的溫度依賴(lài)性的圖，其中，溫度依賴(lài)性是根據(jù)實(shí)施例12觀察的；圖12是顯示了由實(shí)施例5中所生產(chǎn)的壓電元件所表現(xiàn)出的楊氏模量(Y11E)的溫度依賴(lài)性的圖，其中，該溫度依賴(lài)性是根據(jù)實(shí)施例13觀察的；圖13是顯示了由在實(shí)施例5中所生產(chǎn)的壓電元件所表現(xiàn)出的共振頻率(Fr)的溫度依賴(lài)性的圖，其中，該溫度依賴(lài)性是根據(jù)實(shí)施例13觀察的；圖14是顯示了在實(shí)施例5中所生產(chǎn)的壓電元件中所發(fā)生的介電損耗(tanδ)的溫度依賴(lài)性的圖，其中，該溫度依賴(lài)性是根據(jù)實(shí)施例13觀察的；圖15是簡(jiǎn)略顯示了根據(jù)本發(fā)明的一種壓電促動(dòng)器結(jié)構(gòu)的實(shí)施例的說(shuō)明圖；圖16是簡(jiǎn)略顯示了根據(jù)實(shí)施例1的壓電促動(dòng)器的結(jié)構(gòu)的說(shuō)明圖；圖17是簡(jiǎn)略顯示了根據(jù)實(shí)施例1的層合壓電元件的結(jié)構(gòu)的說(shuō)明圖；圖18是顯示了用根據(jù)實(shí)施例1的壓電陶瓷片形成的壓電元件(薄板)的結(jié)構(gòu)的說(shuō)明圖；和圖19是顯示了如何層疊根據(jù)實(shí)施例1的壓電元件(薄板)和內(nèi)部電極板的說(shuō)明圖。
優(yōu)選技術(shù)方案的描述根據(jù)本發(fā)明的壓電促動(dòng)器包括壓電元件和保持構(gòu)件。該壓電元件包括壓電陶瓷片和形成在壓電陶瓷片至少部分表面上的電極。
具體而言，該壓電元件是由，例如，壓電陶瓷片和一對(duì)將該壓電陶瓷片夾在中間的電極構(gòu)成的。
此外，作為該壓電元件，可以采用具有交替層合的多個(gè)壓電陶瓷片和多個(gè)電極的層合壓電元件。當(dāng)采用層合壓電元件作為壓電元件的時(shí)侯，由壓電促動(dòng)器形成的位移大小被增加。
保持構(gòu)件保持該壓電元件并且是作為，例如，由樹(shù)脂制備的收縮管實(shí)現(xiàn)的。
在根據(jù)本發(fā)明的壓電促動(dòng)器中采用的壓電陶瓷滿(mǎn)足要求(a)-(e)中至少之一。
要求(a)規(guī)定堆密度應(yīng)該等于或小于5g/cm3，并且根據(jù)共振-反共振方法測(cè)量的楊氏模量Y11E應(yīng)該等于或大于90GPa。當(dāng)壓電陶瓷的堆密度大于5g/cm3，在驅(qū)動(dòng)壓電促動(dòng)器的過(guò)程中所形成的噪音可能被強(qiáng)化。唯恐壓電促動(dòng)器的強(qiáng)度和位移被降低，堆密度的下限應(yīng)該等于或大于4.4g/cm3。
壓電陶瓷的堆密度可以根據(jù)例如下面所描述的方法測(cè)量。
測(cè)量陶瓷的干重W1[g]、它的水下重量W2[g]、以及其濕重量W3[g]，然后根據(jù)下列方程式計(jì)算該陶瓷的堆密度(Archimedes’方法)堆密度＝(W1×ρw)/(W3-W2)
其中ρw表示在測(cè)量水下重量的時(shí)侯觀察的水的密度[g/cm3]。
當(dāng)根據(jù)共振-反共振方法測(cè)量的楊氏模量Y11E低于90GPa的時(shí)候，壓電促動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)頻率可能降低。優(yōu)選，楊氏模量Y11E應(yīng)該等于或大于95GPa。更優(yōu)選，楊氏模量Y11E應(yīng)該等于或大于100GPa。假設(shè)被驅(qū)動(dòng)時(shí)形成位移的壓電活性部件和即使在被驅(qū)動(dòng)時(shí)也很難形成位移的壓電非活性部件以它們?cè)趯雍洗賱?dòng)器或者壓電變壓器中相同的方式共同存在于該壓電促動(dòng)器中，則在驅(qū)動(dòng)的過(guò)程中產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力。為了降低內(nèi)應(yīng)力，楊氏模量Y11E的上限應(yīng)該等于或小于120GPa。
楊氏模量Y11E可以根據(jù)共振-反共振方法測(cè)量。根據(jù)共振-反共振方法，楊氏模量Y11E可以如在“Standard EMAS-6001 by Electronic MaterialsManufacturers Association of Japan on Piezoelectric Ceramic Transducer TestingMethod—Vibrations In radial direction of disk transducer”(由Committeee ofPiezoelectric Ceramic Technology at Electronic Materials ManufactureersAssociation of Japan編輯，1977年7月20日)，“Standard EMAS-6007 byElectronic Materials Manufacturers Association of Japan on Piezoelectric CeramicTransducer Testing Method—measurement and calculation of materialconstant”(由Committeee of Piezoelectric Ceramic Technology at ElectronicMaterials Manufactureers Association of Japan編輯，1986年3月)，或者“StandardEMAS-6100 by Electronic Materials Manufacturers Association of Japan onElectrical Testing Method for Piezoelectric Ceramic Transducer”(由Committeeeof Piezoelectric Ceramic Techmology at Electronic Materials ManufactureersAssociation of Japan編輯，1993年3月)所描述的那樣測(cè)量。
要求(b)規(guī)定了導(dǎo)熱系數(shù)應(yīng)該等于或大于2Wm-1K-1。
當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)低于2Wm-1K-1的時(shí)侯，熱輻射性能可以被降低。結(jié)果是，在對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)，壓電促動(dòng)器的溫度有可能升高，并且位移或任何其它性能有可能波動(dòng)。優(yōu)選，導(dǎo)熱電系數(shù)應(yīng)該等于或大于2.2Wm-1K-1。
壓電陶瓷的導(dǎo)熱系數(shù)可以根據(jù)例如下面所描述的方法測(cè)量。
具體而言，熱擴(kuò)散系數(shù)是根據(jù)激光脈沖加熱方法測(cè)量的。比熱是根據(jù)差示掃描量熱法(DSC)測(cè)定的。然后根據(jù)下面的方程式計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)λ＝αρCp
其中λ表示導(dǎo)熱系數(shù)[Wm-1K-1]，α表示熱擴(kuò)散系數(shù)[10-7m2s-1]，ρ表示壓電陶瓷的堆密度[kg/m3]，并且Cp表示比熱[Jkg-3K-1]。
要求(c)規(guī)定在-30℃至160℃的溫度范圍內(nèi)，熱膨脹系數(shù)應(yīng)該等于或大于3.0ppm/℃。
在特定的溫度范圍內(nèi)，如果壓電陶瓷的熱膨脹系數(shù)低于3.0ppm/℃，則擔(dān)心在壓電促動(dòng)器中可能容易產(chǎn)生熱應(yīng)力。結(jié)果是，該壓電促動(dòng)器可能容易斷裂。
優(yōu)選，該熱膨脹系數(shù)應(yīng)該等于或大于3.5ppm/℃。更優(yōu)選，該熱膨脹系數(shù)應(yīng)該等于或大于4.0ppm/℃。如果壓電陶瓷的熱膨脹系數(shù)大于包括在壓電促動(dòng)器內(nèi)的由鐵(Fe)制得的金屬構(gòu)件，則容易產(chǎn)生熱應(yīng)力。根據(jù)該觀點(diǎn)，熱膨脹系數(shù)的上限應(yīng)該等于或大于11ppm/℃。
壓電陶瓷的熱膨脹系數(shù)可以根據(jù)例如下面描述的方法測(cè)量。
具體而言，線(xiàn)性熱膨脹系數(shù)是根據(jù)熱-機(jī)分析(TMA)方法測(cè)量的，并且熱膨脹系數(shù)是根據(jù)下列方程式β＝(1/L0)×(dL/dT)其中β表示線(xiàn)性熱膨脹系數(shù)[10-6/℃]，L0表示在參比溫度(25℃)時(shí)試樣的長(zhǎng)度[m]，并且dT表示溫度差[℃]，并且dL表示與溫度差dT相關(guān)的膨脹長(zhǎng)度[m]。
要求(d)規(guī)定在-30℃至160℃的溫度范圍內(nèi)，熱電系數(shù)應(yīng)該等于或小于400μCm-2K-1。
當(dāng)壓電陶瓷的熱電系數(shù)在特定的溫度范圍內(nèi)超過(guò)400μCm-2K-1時(shí)，容易發(fā)生熱電效應(yīng)。擔(dān)心由于溫度變化可能在壓電致電器中產(chǎn)生熱電效應(yīng)。
優(yōu)選，在-30℃至160℃的溫度范圍內(nèi)，壓電陶瓷的熱電系數(shù)應(yīng)該等于或小于350μCm-2K-1。更優(yōu)選，壓電陶瓷的熱電系數(shù)應(yīng)該等于或小于300μCm-2K-1。
被稱(chēng)為熱電系數(shù)的是在壓電陶瓷中發(fā)生的極化度大小的平均溫度系數(shù)。熱電系數(shù)可以根據(jù)例如下面所描述的方法測(cè)量。
熱電系數(shù)γ是由定義方程式γ＝dP/dT[Cm-2K-1]表示的(其中P表示極化度的大小并且T表示溫度)。通常，可測(cè)量參數(shù)例如電流I、樣本電極的面積S、溫度變化dT、和測(cè)量之間間隔dt被用來(lái)根據(jù)下面的方程式計(jì)算熱電系數(shù)。
γ＝(I/S)×(dt/dT)[Cm-2K-1]具體而言，為了以恒定的速率升高或降低壓電元件的溫度，將壓電元件放入恒溫器或者電熱爐內(nèi)。此時(shí)，使用微安表測(cè)量從壓電元件的上面和下面的各個(gè)電極流出的電流I[A]。為了計(jì)算出所產(chǎn)生的電荷的量[C]，將在測(cè)量時(shí)間t[S]過(guò)程中測(cè)量的電流值積分。然后用包括在該壓電元件內(nèi)的各個(gè)電極的面積除所產(chǎn)生的電荷量，從而計(jì)算在各個(gè)溫度下極化度大小P的溫度特性(C/cm2)。這樣，就計(jì)算了它的溫度系數(shù)(熱電電流方法)。
要求(e)規(guī)定了在-30℃至80℃的溫度范圍內(nèi)，根據(jù)共振-反共振方法計(jì)算的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm應(yīng)該等于或小于50。
在上述特定溫度范圍內(nèi)，當(dāng)壓電陶瓷的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm超過(guò)50的時(shí)候，除了共振點(diǎn)以外的任何點(diǎn)的聲壓可能降低。
優(yōu)選，在-30℃至80℃的溫度范圍內(nèi)，壓電陶瓷的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)應(yīng)該等于或小于40。更優(yōu)選，壓電陶瓷的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)應(yīng)該等于或小于35。順便提一下，當(dāng)機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm太小，共振頻率的大小很小。這引起了聲壓降低。因此，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm的下限應(yīng)該等于或大于5。
機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm可以根據(jù)，例如，下面描述的方法測(cè)量。
根據(jù)共振-反共振方法，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm是如在“Standard EMAS-6001 byElectronic Materials Manufacturers Association of Japan on Piezoelectric CeramicTransducer Testing Method——Vibrations In radial direction of disktransducer”(由Committeee of Piezoelectric Ceramic Technology at ElectronicMaterials Manufactureers Association of Japan發(fā)行，1977年7月20日)，“Standard EMAS-6007 by Electronic Materials Manufacturers Association ofJapan on Piezoelectric Ceramic Transducer Testing Method——measurement andcalculation of material constant”(由Committeee of Piezoelectric CeramicTechnology at Electronic Materials Manufactureers Association of Japan編輯，1986年3月)，或者“Standard EMAS-6100 by Electronic Materials ManufacturersAssociation of Japan on Electrical Testing Method for Piezoelectric CeramicTransducer”(由Committeee of Piezoelectric Ceramic Technology at ElectronicMaterials Manufactureers Association of Japan編輯，1993年3月)所描述的那樣測(cè)量的。
優(yōu)選，使用于根據(jù)本發(fā)明的壓電促動(dòng)器中的壓電陶瓷應(yīng)該滿(mǎn)足要求(a)-(e)所有要求。
在這種情況下，壓電促動(dòng)器的實(shí)用性得到了最大程度的提高。
此外，優(yōu)選，當(dāng)壓電促動(dòng)器是在驅(qū)動(dòng)電壓具有1000V/mm或更大的恒定電場(chǎng)強(qiáng)度大小的驅(qū)動(dòng)條件下被驅(qū)動(dòng)的時(shí)候，壓電促動(dòng)器應(yīng)該滿(mǎn)足下面所描述的要求(f)和(g)。
(f)在-30℃至80℃的溫度范圍內(nèi)，通過(guò)用電場(chǎng)強(qiáng)度除在壓電促動(dòng)器中施加電場(chǎng)的方向中發(fā)生的應(yīng)變所計(jì)算的動(dòng)應(yīng)變D33的大小應(yīng)該等于或大于250pm/V。
(g)在-30℃至80℃的溫度范圍內(nèi)，從溫度變化導(dǎo)出的動(dòng)應(yīng)變大小D33的變化寬度WD33應(yīng)該在±14％內(nèi)，WD33是由下面的方程式(1)表示的WD33(％)＝[{2×D33max/(D33max+D33min)}-1]×100(1)其中D33max表示在-30℃至80℃的溫度范圍內(nèi)所觀察的動(dòng)應(yīng)變大小的最大值，并且，D33min表示在-30℃至80℃的溫度范圍內(nèi)所觀察的動(dòng)應(yīng)變大小的最小值。
當(dāng)滿(mǎn)足了要求(f)和(g)的時(shí)候，來(lái)自溫度變化的由壓電促動(dòng)器所形成的位移變化被降低。換句話(huà)來(lái)說(shuō)，即使當(dāng)該壓電促動(dòng)器是在溫度變化非常顯著的環(huán)境中使用，其也將形成基本恒定的位移。因此，該壓電促動(dòng)器可以應(yīng)用于在溫度變化劇烈的環(huán)境下使用的工業(yè)產(chǎn)品，例如，可以應(yīng)用于汽車(chē)部件。
下面將描述由壓電促動(dòng)器形成的位移的溫度依賴(lài)性。
根據(jù)恒定電壓驅(qū)動(dòng)方法驅(qū)動(dòng)的壓電促動(dòng)器形成的位移是由下面的方程式A1表示的ΔL＝D33×EF×L0(A1)其中D33表示動(dòng)應(yīng)變的大小[m/V]，EF表示最大電場(chǎng)強(qiáng)度[V/m]，并且L0表示在應(yīng)用電壓前觀察到的壓電陶瓷片的長(zhǎng)度[m]。被稱(chēng)為動(dòng)應(yīng)變大小的是在施加將電場(chǎng)強(qiáng)度從零改變到3000V/m并且沒(méi)有引起電介質(zhì)擊穿的高壓的時(shí)候，在平行于施加電壓的方向，由壓電陶瓷片形成的位移大小，其中為了驅(qū)動(dòng)該壓電促動(dòng)器它的大小保持恒定。動(dòng)應(yīng)變的大小由下面的方程式A2表示D33＝S/EF＝(ΔL1/L0)/(V/L0)(A2)
其中，S表示最大應(yīng)變。動(dòng)應(yīng)變的大小D33不僅是依賴(lài)于溫度而且依賴(lài)于電場(chǎng)強(qiáng)度。
從方程式(A1)和(A2)顯而易見(jiàn)，由壓電促動(dòng)器形成的位移(ΔL1)與依賴(lài)于所施加電場(chǎng)強(qiáng)度的動(dòng)應(yīng)變大小D33和所施加的電場(chǎng)強(qiáng)度的乘積成比例。
為了在使用的溫度范圍內(nèi)，降低由促動(dòng)器所形成的位移變化寬度，應(yīng)該使依賴(lài)于驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)強(qiáng)度的動(dòng)應(yīng)變大小D33的溫度依賴(lài)性最小化。
不言而喻，表示位移性能的動(dòng)應(yīng)變大小D33優(yōu)選應(yīng)該是大的。
如果壓電促動(dòng)器不滿(mǎn)足要求(f)，也就是說(shuō)，如果在-30℃至80℃的特定溫度范圍內(nèi)，動(dòng)應(yīng)變大小D33低于250pm/V，或者如果壓電促動(dòng)器不滿(mǎn)足要求(g)，也就是說(shuō)，如果在-30℃至80℃的特定溫度范圍內(nèi)，從溫度變化導(dǎo)出的動(dòng)應(yīng)變大小D33的變化寬度WD33不在±14％內(nèi)，則由該壓電促動(dòng)器所形成的位移可能較小并且該位移的溫度依賴(lài)性可能較大。
當(dāng)壓電促動(dòng)器是在驅(qū)動(dòng)電壓具有100V/mm或更大的恒定電場(chǎng)強(qiáng)度大小的驅(qū)動(dòng)條件下被驅(qū)動(dòng)的時(shí)候，該壓電促動(dòng)器應(yīng)該優(yōu)選滿(mǎn)足下面所描述的要求(h)和(i)。
(h)在-30℃至160℃的溫度范圍內(nèi)，通過(guò)用電場(chǎng)強(qiáng)度除在壓電促動(dòng)器中施加電場(chǎng)的方向中發(fā)生的應(yīng)變所計(jì)算的動(dòng)應(yīng)變大小D33應(yīng)該等于或大于250pm/V。
(i)從溫度變化導(dǎo)出的動(dòng)應(yīng)變大小D33的變化寬度WD33應(yīng)該在±14％內(nèi)，WD33是由下面的方程式(2)表示的WD33(％)＝[{2×D33max/(D33max+D33min)}-1]×100 (2)其中D33max表示在-30℃至160℃的溫度范圍內(nèi)所觀察的動(dòng)應(yīng)變大小的最大值，并且，D33min表示在-30℃至160℃的溫度范圍內(nèi)所觀察的動(dòng)應(yīng)變大小的最小值。
當(dāng)壓電促動(dòng)器滿(mǎn)足要求(h)和(i)的時(shí)候，可以進(jìn)一步改進(jìn)該壓電促動(dòng)器的溫度依賴(lài)性。即，在這種情況下，在-30℃至160℃更寬的溫度范圍內(nèi)，由該壓電促動(dòng)器所形成的位移的溫度依賴(lài)性可以被降低。
優(yōu)選根據(jù)本發(fā)明的壓電促動(dòng)器應(yīng)該用于燃油噴射閥。在這種情況下，根據(jù)本發(fā)明的壓電促動(dòng)器將最大程度地表現(xiàn)出它的優(yōu)異性能。
此外，根據(jù)本發(fā)明的壓電促動(dòng)器可以用于聲納、超聲馬達(dá)、或者壓電超聲換能器。
此外，根據(jù)本發(fā)明的壓電促動(dòng)器可以用于壓電發(fā)聲部件。該壓電發(fā)聲部件包括，例如，壓電蜂鳴器和壓電揚(yáng)聲器。
此外，應(yīng)用于根據(jù)本發(fā)明的壓電促動(dòng)器中的壓電元件應(yīng)該優(yōu)選是具有交替層疊的壓電陶瓷片和電機(jī)的層合壓電元件。
在這種情況下，由要求(d)所提供的限制了熱電效應(yīng)發(fā)生的上述優(yōu)點(diǎn)被明顯地表現(xiàn)出來(lái)。通常，當(dāng)應(yīng)用層合壓電元件的時(shí)候，由熱電效應(yīng)所導(dǎo)致的電荷量增加。因此，在壓電元件中所發(fā)生的極化容易變壞。此外，把持該壓電元件的工作人員有可能被電擊。然而，根據(jù)本發(fā)明，只要滿(mǎn)足了要求(d)，即使當(dāng)應(yīng)用層合壓電元件的時(shí)候，也能夠抑制該熱電效應(yīng)的發(fā)生。
層合壓電元件具有壓電陶瓷片和電極交替層疊的機(jī)構(gòu)。具體而言，例如，該結(jié)構(gòu)可以是通過(guò)交替層疊多個(gè)沒(méi)被煅燒的壓電陶瓷片然后煅燒該層合體實(shí)現(xiàn)的電極聯(lián)合的并且煅燒的結(jié)構(gòu)，或者是通過(guò)將多個(gè)壓電元件粘結(jié)實(shí)現(xiàn)的，其中每一個(gè)壓電元件都具有在煅燒的壓電陶瓷片上形成的電極。
此外，應(yīng)用于根據(jù)本發(fā)明的壓電促動(dòng)器中的壓電陶瓷優(yōu)選是不含鉛的壓電陶瓷。
在這種情況下，可以改進(jìn)該壓電促動(dòng)器對(duì)于環(huán)境的無(wú)害性。
優(yōu)選，應(yīng)用于根據(jù)本發(fā)明的壓電促動(dòng)器中的壓電陶瓷應(yīng)該是由多晶物質(zhì)形成的晶粒定向的壓電陶瓷，該物質(zhì)的主相以由通式{Lix(K1-yNay)1-x}{Nb1-z-wTazSbw}O3，其中0≤x≤0.2，0≤y≤1，0≤z≤0.4，0≤w≤0.2，x+z+w＞0表示的各向同性鈣鈦礦化合物的形式存在。在本文中，構(gòu)成多晶物質(zhì)的晶粒特定晶面是定向的。
在這種情況下，可以容易地實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)足要求(a)-(e)的壓電促動(dòng)器，或者滿(mǎn)足要求(a)-(i)的壓電促動(dòng)器。
該晶粒定向的壓電陶瓷具有鈮酸鉀鈉(K1-yNayNbO3)作為基本成分，其是一種各向同性鈣鈦礦化合物。該晶粒定向的壓電陶瓷具有預(yù)定量的代替部分A-位置元素(K或Na)的鋰(Li)和/或具有預(yù)定量的取代部分B-位置元素(Nb)的鉭(Ta)和/或銻(Sb)。在上述通式中，x+z+w＞0表示至少應(yīng)該包含鋰(Li)、鉭(Ta)、和銻(Sb)中一種作為置換元素。
在上面的通式中，y表示包含在晶粒定向壓電陶瓷中的鉀(K)與包含在其內(nèi)的鈉(鈉)的比例。應(yīng)用于本發(fā)明的晶粒定向壓電陶瓷應(yīng)該包含K和Na中至少一種作為A-位置元素。換句話(huà)來(lái)說(shuō)，K與Na的比率，y，沒(méi)有被限制到任何具體的值，但是可以被設(shè)定到等于或大于0并且等于或小于1的任何值。為了獲得優(yōu)異的位移性能，y值應(yīng)該優(yōu)選等于或大于0.05并且等于或大于0.75，更優(yōu)選，等于或大于0.20并且等于或小于0.70，更優(yōu)選，等于或大于0.35并且等于或小于0.65，更優(yōu)選，等于或大于0.40并且等于或小于0.60，或者更優(yōu)選，等于或大于0.42并且等于或小于0.60。
順便說(shuō)一下，x表示置換A位置元素鉀(K)和/或鈉(Na)的鋰(Li)的量。當(dāng)Li置換了部分K和/或Na的時(shí)候，壓電性能得到提高，居里溫度被提高，和/或促進(jìn)了致密化。x值應(yīng)該優(yōu)選等于或大于0并且等于或小于0.2。當(dāng)x值超過(guò)0.2的時(shí)候，位移性能降低。優(yōu)選，x值應(yīng)該等于或大于0并且等于或小于0.15。更優(yōu)選，x值應(yīng)該等于或大于0并且等于或小于0.10。
此外，z表示置換B-位置元素鈮(Nb)的鉭(Ta)的量。當(dāng)Ta置換部分Nb的時(shí)候，位移性能得到了改進(jìn)。具體而言，z值應(yīng)該優(yōu)選等于或大于0并且等于或小于0.4。如果z值超過(guò)0.4，居里溫度就會(huì)降低。這使得很難使用該壓電陶瓷作為用于家庭電器用具或者汽車(chē)的壓電材料。z值應(yīng)該優(yōu)選等于或大于0并且等于或小于0.35，或者更優(yōu)選，等于或大于0并且等于或小于0.30。
此外，w表示置換B-位置元素鈮(Nb)的銻(Sb)的量。如果Sb置換部分Nb，則位移性能得到了改進(jìn)。具體而言，w值應(yīng)該優(yōu)選等于或大于0并且等于或小于0.2。如果w值超過(guò)0.2，位移性能就會(huì)下降和/或居里溫度就會(huì)降低。這使得很難使用該壓電陶瓷作為用于家庭電器用具或者汽車(chē)的壓電材料。w值應(yīng)該優(yōu)選等于或大于0并且等于或小于0.15。
當(dāng)晶粒定向壓電陶瓷的溫度從高變?yōu)榈偷臅r(shí)候，它的晶體相從立方晶體變?yōu)樗姆较稻w(第一晶相轉(zhuǎn)變溫度＝居里溫度)，從四方系晶體變?yōu)樾狈骄w(第二晶相轉(zhuǎn)變溫度)，或者從斜方晶體變?yōu)榱庑尉w(第三晶相轉(zhuǎn)變溫度)。在高于第一晶相轉(zhuǎn)變溫度的溫度下，由于晶相是立方晶體，位移性能消失。此外，在低于第二晶相轉(zhuǎn)變溫度的溫度下，該晶相是斜方晶體。因此，位移和表觀動(dòng)態(tài)靜電電容的溫度依賴(lài)性分別被提高。因此，將第一晶相轉(zhuǎn)變溫度設(shè)置為大于使用溫度范圍的值，并且將第二晶相轉(zhuǎn)化溫度設(shè)置為小于用于使用溫度范圍的值。這樣，該壓電陶瓷應(yīng)該在整個(gè)使用的溫度范圍內(nèi)以四方系晶體的形式存在。
關(guān)于作為晶粒定向壓電陶瓷基本成分的鈮酸鉀鈉(K1-yNayNbO3)，Jounalof American Ceramic Society(U.S.A.，1959，vol.42[9]，pp.438-442)和US2976246的說(shuō)明書(shū)公開(kāi)了在K1-yNayNbO3的溫度從高變低的時(shí)候，它的晶體相從立方晶體變?yōu)樗姆较稻w(第一晶相轉(zhuǎn)變溫度＝居里溫度)，從四方系晶體變?yōu)樾狈骄w(第二晶相轉(zhuǎn)變溫度)，或者從斜方晶體變?yōu)榱庑尉w(第三晶相轉(zhuǎn)變溫度)。此外，當(dāng)將y設(shè)定為0.5的時(shí)候，第一晶相轉(zhuǎn)變溫度為約420℃，第二晶相轉(zhuǎn)變溫度為約190℃，并且第三晶相轉(zhuǎn)變溫度為約-150℃。因此，允許四方系晶體存在的溫度范圍是190℃-420℃并且其與工業(yè)產(chǎn)品從-40℃至160℃的使用溫度范圍不一致。
另一方面，根據(jù)本發(fā)明的晶粒定向壓電陶瓷的第一和第二晶相轉(zhuǎn)變溫度可以通過(guò)改變鋰(Li)、鉭(Ta)、或者銻(Sb)的量而自由改變，元素鋰(Li)、鉭(Ta)、或者銻(Sb)是置換包含在該晶粒定向壓電陶瓷的基本成分鈮酸鉀鈉(K1-yNayNbO3)中其它元素的置換元素。
通過(guò)將y值設(shè)置到0.4-0.6的范圍來(lái)允許最大地改進(jìn)壓電性能，而對(duì)于置換的鋰(Li)、鉭(Ta)、和銻(Sb)的量以及晶相轉(zhuǎn)變溫度的測(cè)量值進(jìn)行了多個(gè)回歸分析。結(jié)果由下面的方程式B1和B2表示。
方程式B1和B2表明置換鋰(Li)量的增加引起了第一晶相轉(zhuǎn)變溫度升高并且引起了第二晶相轉(zhuǎn)變溫度降低。此外，置換的鉭(Ta)和銻(Sb)量的增加引起了第一晶相轉(zhuǎn)變溫度和第二晶相轉(zhuǎn)變溫度同時(shí)降低。
第一晶相轉(zhuǎn)變溫度＝(388+9x-5z-17w)±50[℃] (B1)第二晶相轉(zhuǎn)變溫度＝(190-18.9x-3.9z-5.8w)±50[℃](B2)第一晶相轉(zhuǎn)變溫度是引起壓電性能完全消失的溫度。此外，在接近第一晶相轉(zhuǎn)變溫度的溫度下動(dòng)態(tài)電容突然增加。因此第一晶相轉(zhuǎn)變溫度應(yīng)該優(yōu)選等于或高于使用工業(yè)產(chǎn)品的上限環(huán)境溫度與60℃之和。第二晶相轉(zhuǎn)變溫度是帶來(lái)晶相轉(zhuǎn)變但是沒(méi)有引起壓電性能消失的溫度。因此應(yīng)該將第二晶相轉(zhuǎn)變溫度設(shè)定為沒(méi)有負(fù)面影響位移或者動(dòng)態(tài)電容的溫度依賴(lài)性的值，并且優(yōu)選等于或小于使用工業(yè)產(chǎn)品的下限環(huán)境溫度與40℃之和。
順便說(shuō)一下，使用工業(yè)產(chǎn)品的上限環(huán)境溫度根據(jù)用途而改變，因此可以是60℃、80℃、100℃、120℃、140℃、或160℃。使用工業(yè)產(chǎn)品的下限環(huán)境溫度可以是-30℃或者-40℃。
因此，方程式B1所規(guī)定的第一晶相轉(zhuǎn)變溫度應(yīng)該優(yōu)選等于或高于120℃。因此，x、z、和w值應(yīng)該優(yōu)選滿(mǎn)足條件(388+9x-5z-17w)+50≥120。
此外，在方程式B2中所規(guī)定的第二晶相轉(zhuǎn)變溫度應(yīng)該優(yōu)選等于或低于10℃。因此，x、z、和w值應(yīng)該優(yōu)選滿(mǎn)足條件(190-18.9x-3.9z-5.8w)-50≤10。
在該晶粒定向壓電陶瓷中，在通式{Lix(K1-yNay)1-x}{Nb1-z-wTazSbw}O3中的x、y和z值應(yīng)該滿(mǎn)足由下面的方程式(3)和(4)表示的關(guān)系。
9x-5z-17w≥-318 (3)-18.9x-3.9z-5.8w≤-130 (4)動(dòng)態(tài)電容(表觀動(dòng)態(tài)電容)是通過(guò)用施加于壓電促動(dòng)器的電壓V(V)除電荷量Q[C]計(jì)算的，其中電荷量Q是在壓電促動(dòng)器和電容器相互串聯(lián)并且向該壓電促動(dòng)器施加了電壓來(lái)在驅(qū)動(dòng)電壓在100V/mm的電場(chǎng)強(qiáng)度中應(yīng)該具有恒定大小的驅(qū)動(dòng)條件下驅(qū)動(dòng)該壓電促動(dòng)器的時(shí)候，在電容器中收集的。
順便說(shuō)一下，根據(jù)本發(fā)明的晶粒定向壓電陶瓷可以?xún)H僅由上述通式所表示的各向同性鈣鈦礦化合物(第一KNN-系化合物)制得，或者可以具有加入的或者置換任何元素的另一種元素。
在前一種情況下，晶粒定向壓電陶瓷應(yīng)該優(yōu)選僅僅由第一KNN-系化合物制得，但是，只要能夠保持各向同性鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)，并且不會(huì)負(fù)面影響燒結(jié)性能，壓電性能等，其可以含有任何其它的元素或相。具體而言，雜質(zhì)被不可避免地混合到純度為99％-99.9％的當(dāng)?shù)乜傻玫降墓I(yè)原料中，并且被用來(lái)生產(chǎn)該晶粒定向壓電陶瓷。例如，是晶粒定向壓電陶瓷的一種原料的五氧化鈮(Nb2O5)可以含有至多0.1重量％或者更少的鉭(Ta)以及0.15重量％或更少的氟(F)作為來(lái)自于原礦石或生產(chǎn)方法中的雜質(zhì)。此外，如在后面的實(shí)施例1相關(guān)的描述那樣，如果在生產(chǎn)方法中使用了鉍(Bi)，則將其混合在原材料中是不可避免的。
在后一種情況下，例如，錳(Mn)的加入被證實(shí)在降低表觀動(dòng)態(tài)電容的溫度依賴(lài)性和增加位移方面是有效的。另外，Mn的加入被證實(shí)在降低電介質(zhì)損耗tanδ和提高機(jī)械品質(zhì)因子Qm方面是有效的。因此，Mn的加入提供了具有優(yōu)選特性的共振驅(qū)動(dòng)型促動(dòng)器。
此外，晶粒定向壓電陶瓷使晶粒的特定晶面定向，它們構(gòu)成了主相以上述通式表示的各向同性鈣鈦礦化合物的形式存在的多晶。在本文中，晶粒被定向的特定晶面優(yōu)選是偽立方{100}平面。
順便說(shuō)一下，鈣鈦礦化合物通常具有被分類(lèi)為四方系晶體、斜方晶體、菱形晶體等或者與立方晶體相比略微變形的結(jié)構(gòu)。由于該應(yīng)變是可以被忽略的，所以各向同性鈣鈦礦化合物的結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是立方晶體。因此，偽-立方(HKL)晶體是指被這樣認(rèn)為是立方晶體的四方晶體、斜方晶體、或者菱形晶體，并且其是以米氏晶體面(Miller)指數(shù)表示的。
在這種情況下，由壓電促動(dòng)器所形成的位移可以得到增加，并且表觀動(dòng)態(tài)電容的溫度依賴(lài)性可以被降低。
當(dāng)偽立方{100}平面是定向平面的時(shí)候，平面定向的程度可以用根據(jù)下面的方程式(1)所表示的Lotgering’s方法計(jì)算的平均定向度F(HKL)表示。
WD33(％)＝[{2×D33max/(D33max+D33min)}-1]×100(1)在方程式(1)中，∑I(hkl)表示在晶粒定向壓電陶瓷上測(cè)量的所有晶面的X-射線(xiàn)衍射強(qiáng)度(hkl)的總和，∑I0(hkl)表示在具有與晶粒定向壓電陶瓷相同組分的非晶粒定向陶瓷上測(cè)量的所有晶面的X-射線(xiàn)衍射強(qiáng)度(hkl)的總和。此外，∑I’(HKL)表示在晶粒定向壓電陶瓷上測(cè)量的結(jié)晶形態(tài)相互相等的特定晶面的X-射線(xiàn)衍射強(qiáng)度(hkl)的總和，并且∑’I0(HKL)表示在具有與晶粒定向壓電陶瓷相同組分的非晶粒定向陶瓷上測(cè)量的結(jié)晶形態(tài)相互相等的特定晶面的X-射線(xiàn)衍射強(qiáng)度(HKL)總和。
因此，當(dāng)構(gòu)成多晶物質(zhì)的晶粒并不是定向的時(shí)候，平均定向度(HKL)是0％。當(dāng)構(gòu)成多晶物質(zhì)的所有晶粒的(HKL)平面都是平行于測(cè)量平面定向的時(shí)候，平均定向度F(HKL)是100％。
通常，定向晶粒與所有晶粒的比值越大，多晶物質(zhì)則表現(xiàn)出越優(yōu)異的性能。例如，假設(shè)特定晶面是平面定向的，如果要求多晶物質(zhì)表現(xiàn)出優(yōu)異的壓電性能，則根據(jù)由方程式(1)所表示的Lotgering’s方法計(jì)算的平均定向度F(HKL)應(yīng)該優(yōu)選等于或大于30％。更優(yōu)選，平均定向度F(HKL)應(yīng)該優(yōu)選等于或大于50％。更優(yōu)選，平均定向度F(HKL)應(yīng)該優(yōu)選等于或大于70％。此外，將被定向的特定晶面應(yīng)該是垂直于起偏振軸的平面。例如，如果鈣鈦礦化合物的晶系是四方晶系，則將被定向的特定晶面應(yīng)該優(yōu)選是偽-立方{100}平面。
根據(jù)Lotgering’s方法計(jì)算的，包含在晶粒定向壓電陶瓷內(nèi)的偽-立方{100}平面的定向度應(yīng)該優(yōu)選為30％或更多。此外，在10℃-160℃的溫度范圍內(nèi)，晶粒定向壓電陶瓷的晶系應(yīng)該優(yōu)選是四方晶系。
順便說(shuō)一下，當(dāng)特定晶面是軸向定向的時(shí)候，定向程度不能由與應(yīng)用于平面定向相同的定向度(方程式(1))來(lái)限定。然而，當(dāng)測(cè)量垂直于定向軸的平面的X-射線(xiàn)衍射的時(shí)候，根據(jù)Lotgering’s方法計(jì)算的并且基于(HKL)平面的衍射結(jié)果所獲得的平均定向度(軸定向度)可以被用來(lái)表示軸定向的程度。此外，晶粒的特定晶面幾乎完全軸向定向的壓制品的軸定向度，表現(xiàn)為基本上與晶粒特定晶面幾乎完全是平面定向的壓制品所測(cè)量的軸定向度相同。
如上所述，就根據(jù)本發(fā)明的壓電促動(dòng)器而言，當(dāng)所應(yīng)用的壓電陶瓷滿(mǎn)足要求(a)的時(shí)候，也就是說(shuō)，當(dāng)壓電陶瓷的堆密度等于或小于5g/cm3的時(shí)候，在驅(qū)動(dòng)該壓電促動(dòng)器時(shí)所產(chǎn)生的噪音可以被最小化。滿(mǎn)足要求(a)的壓電陶瓷可以使用由上述通式表示的化合物制造的晶粒定向壓電陶瓷容易地實(shí)現(xiàn)。
更具體而言，通過(guò)使例如由上述通式表示的化合物制得的晶粒定向壓電陶瓷致密，可以使壓電陶瓷的堆密度等于或小于5.0g/cm3，以至于該化合物將表現(xiàn)出95％或更大的相對(duì)密度。
相反，即使當(dāng)鈦酸鉛鋯(PZT)-系材料被致密化的時(shí)候，它的堆密度的范圍也是為7.4g/cm3-8.5g/cm3。因此，在應(yīng)用該晶粒定向壓電陶瓷的促動(dòng)器中所產(chǎn)生的噪音少于在應(yīng)用PZT-系材料的促動(dòng)器中所產(chǎn)生的噪音。
接下來(lái)，下面將對(duì)應(yīng)用了晶粒定向壓電陶瓷的壓電促動(dòng)器的共振頻率進(jìn)行描述。應(yīng)用于本發(fā)明的晶粒定向壓電陶瓷根據(jù)共振-反共振方法測(cè)量的楊氏模量Y11E等于或大于90GPa。應(yīng)用晶粒定向壓電陶瓷的壓電促動(dòng)器的共振頻率很小并且它的楊氏模量很大。
接下來(lái)，下面將對(duì)應(yīng)用晶粒定向壓電陶瓷的壓電促動(dòng)器的熱輻射性能進(jìn)行描述。晶粒定向壓電陶瓷的導(dǎo)熱系數(shù)可以等于或大于2Wm-1K-1。因此，當(dāng)應(yīng)用了晶粒定向壓電陶瓷的時(shí)候，要求(b)可以被容易地滿(mǎn)足。結(jié)果是，該壓電促動(dòng)器的熱輻射性能得到了提高，并且可以抑制溫度的升高。
接下來(lái)，下面將對(duì)在應(yīng)用了晶粒定向壓電陶瓷的壓電促動(dòng)器經(jīng)歷溫度變化時(shí)所產(chǎn)生的熱應(yīng)力進(jìn)行描述。
在-30℃至160℃的溫度范圍內(nèi)，晶粒定向壓電陶瓷的熱膨脹系數(shù)等于或大于3.0ppm/℃。因此，要求(c)可以被容易地滿(mǎn)足。結(jié)果是，晶粒定向壓電陶瓷與由金屬或樹(shù)脂制成的并且熱膨脹系數(shù)大于3.0ppm/℃的保持構(gòu)件之間的熱膨脹系數(shù)差異可以被降低。因此，當(dāng)應(yīng)用晶粒定向壓電陶瓷的壓電促動(dòng)器經(jīng)歷溫度變化時(shí)所產(chǎn)生的熱應(yīng)力可以被降低。
接下來(lái)，下面描述了應(yīng)用晶粒定向壓電陶瓷的促動(dòng)器的壓電性能。在-30℃至160℃的溫度范圍內(nèi)，晶粒定向壓電陶瓷的熱電系數(shù)應(yīng)該等于或小于400μCm-2K-1。因此，容易滿(mǎn)足上述的要求(d)。結(jié)果是，在應(yīng)用晶粒定向壓電陶瓷的壓電促動(dòng)器的接線(xiàn)端所形成的電壓很低，以至于實(shí)現(xiàn)了在使用金屬夾具被短路的接線(xiàn)端之間沒(méi)有連接的產(chǎn)品，或者在接線(xiàn)端之間沒(méi)有連接電阻器的產(chǎn)品。
接下來(lái)，在下面描述了應(yīng)用晶粒定向壓電陶瓷的壓電促動(dòng)器的機(jī)械強(qiáng)度。晶粒定向壓電陶瓷承擔(dān)了比PZT-系壓電陶瓷大的雙軸彎曲斷裂載荷。因此，應(yīng)用晶粒定向壓電陶瓷的壓電促動(dòng)器表現(xiàn)出了優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度因此很難斷裂。
接下來(lái)，下面將描述應(yīng)用晶粒定向壓電陶瓷的促動(dòng)器的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm。在室溫(25℃)下，晶粒定向壓電陶瓷的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm等于或小于30。因此，可以容易地實(shí)現(xiàn)上述要求(e)。由于包含在應(yīng)用晶粒定向壓電陶瓷的壓電促動(dòng)器中的整個(gè)振蕩系統(tǒng)的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm可以被降低，因此該壓電促動(dòng)器允許實(shí)現(xiàn)在共振點(diǎn)和任何其它點(diǎn)之間的聲壓差異被限制的壓電聲學(xué)部件。
接下來(lái)，下面將描述應(yīng)用晶粒定向壓電陶瓷的電壓促動(dòng)器的位移性能。
當(dāng)壓電促動(dòng)器使用晶粒定向壓電陶瓷來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)源的時(shí)候，在-30℃至160℃的溫度范圍內(nèi)，在驅(qū)動(dòng)電壓在沒(méi)有引起介電質(zhì)擊穿的100V/mm電場(chǎng)強(qiáng)度下具有恒定大小的驅(qū)動(dòng)條件下所發(fā)生的動(dòng)應(yīng)變D33，等于或大于250pm/V。此外，如果陶瓷的組分以及它的生產(chǎn)工藝被最優(yōu)化，則動(dòng)應(yīng)變D33的大小可以被增加到300pm/V或更高，進(jìn)一步為350pm/V或更高，進(jìn)一步為400pm/V或更高，進(jìn)一步為450pm/V或更高，或者進(jìn)一步為500pm/V或更高。
此外，位移的變化寬度(＝動(dòng)應(yīng)變大小的變化寬度)可以在±14％或更少以?xún)?nèi)，其中(最大值-最小值)除以2的商被作為參考值。如果陶瓷的組分以及它的生產(chǎn)工藝被最優(yōu)化，則位移的變化寬度可以降低到±12％或更少以?xún)?nèi)，進(jìn)一步降低到±10％或更少以?xún)?nèi)，或者進(jìn)一步降低到±8％或更少以?xún)?nèi)。
此外，在-30℃至80℃的溫度范圍內(nèi)，在驅(qū)動(dòng)電壓在100V/mm或更多的電場(chǎng)強(qiáng)度下具有恒定大小的驅(qū)動(dòng)條件下所發(fā)生的位移變化寬度(＝動(dòng)應(yīng)變大小的變化寬度)可以在±14％或更少以?xún)?nèi)，其中(最大值-最小值)除以2的商作為參考值。如果陶瓷的組分以及它的生產(chǎn)工藝被最優(yōu)化，則位移的變化寬度可以降低到±12％或更少以?xún)?nèi)，進(jìn)一步降低到±9％或更少以?xún)?nèi)，進(jìn)一步降低到±7％或更少以?xún)?nèi)，進(jìn)一步降低到±5％或更少以?xún)?nèi)，或者進(jìn)一步降低到±4％或更少以?xún)?nèi)。這形成了，當(dāng)根據(jù)恒定電壓驅(qū)動(dòng)方法被驅(qū)動(dòng)時(shí)，位移幾乎不依賴(lài)于溫度的促動(dòng)器。
根據(jù)本發(fā)明的壓電促動(dòng)器可以使它的整個(gè)位移源由晶粒定向壓電陶瓷制得。在壓電促動(dòng)器的位移性能不受到負(fù)面影響的程度上，可以將由通式(1)表示的壓電陶瓷和任何其它的壓電陶瓷結(jié)合，從而可以構(gòu)成一壓電促動(dòng)器。例如，在層合促動(dòng)器的情況下，由通式(1)表示的晶粒定向壓電陶瓷可以占該壓電陶瓷體積的50％或更多，并且鈦酸鋇系壓電陶瓷可以占低于50％的剩余百分?jǐn)?shù)。
下面將結(jié)合圖15描述根據(jù)本發(fā)明壓電促動(dòng)器的結(jié)構(gòu)的實(shí)施例。如圖15所示，壓電促動(dòng)器1包括具有壓電陶瓷片的壓電元件2、保持該壓電元件的保持構(gòu)件4、容納該壓電元件和其它構(gòu)件的外殼構(gòu)件3、和運(yùn)送由該壓電元件形成的位移的運(yùn)送構(gòu)件5。
如在下面將要參照的圖17所示，具有交替層疊的壓電陶瓷21和內(nèi)部電極22和23的層合壓電元件可以用作壓電元件2。
此外，將一片壓電陶瓷夾在兩個(gè)內(nèi)部電極(沒(méi)有顯示)之間的板式壓電元件可以被用作壓電元件2。
一對(duì)外部電極25和26形成在壓電元件2的側(cè)面。壓電元件2內(nèi)的兩個(gè)連接的內(nèi)部電極22和23分別與外部電極25和26電連接。
如圖15所示，運(yùn)送構(gòu)件5例如活塞被設(shè)置在包括于壓電促動(dòng)器1內(nèi)的壓電元件2層疊方向的一端。碟形彈簧55被放在外殼3與運(yùn)送構(gòu)件5之間的空隙內(nèi)，從而對(duì)壓電元件2施加了預(yù)設(shè)載荷。運(yùn)送構(gòu)件5沿著壓電元件2的位移是可以移動(dòng)的，從而能夠?qū)⑽灰七\(yùn)送到外面。此外，外殼3具有通孔31和32。分別將向外供應(yīng)電荷的引線(xiàn)(導(dǎo)線(xiàn))61和62插入到通孔31和32中。使用了墊圈31和32來(lái)保持外殼的內(nèi)側(cè)密封。分別將引線(xiàn)62和63與形成在壓電元件2上的外部引線(xiàn)25和26電連接。
如圖15所示，為了保持外殼3的內(nèi)部密封，將O形環(huán)放在活塞構(gòu)件5和外殼3之間的空間內(nèi)。此外，O形環(huán)35允許活塞構(gòu)件5拉伸或收縮。
該壓電促動(dòng)器可以應(yīng)用于，例如，燃油噴射閥。此外，該壓電促動(dòng)器可以用作層合促動(dòng)器、壓電變壓器、超聲馬達(dá)、雙壓電晶體片元件、聲納、壓電超聲換能器、壓電蜂鳴器、或者壓電揚(yáng)聲器。
(實(shí)施例1)在本發(fā)明的實(shí)施例中，生產(chǎn)了包括壓電陶瓷片的壓電元件，并且使用該元件來(lái)制備壓電促動(dòng)器。
在本實(shí)施例中，如在圖16中所示，生產(chǎn)了包括夾具8的壓電促動(dòng)器11作為壓電促動(dòng)器的模型。
具體而言，本發(fā)明的壓電促動(dòng)器11包括使用壓電陶瓷片作為驅(qū)動(dòng)源的層合壓電元件2，并且將壓電元件2鎖定在夾具8內(nèi)。
夾具8包括容納壓電元件2和與壓電元件2連接的并且運(yùn)送壓電元件2位移的活塞(連接構(gòu)件)82的外殼81?；钊?2通過(guò)碟形彈簧85與導(dǎo)桿83相連。在外殼81中形成基座815，并且將壓電元件2放在該基座815上。通過(guò)活塞82的頭部821固定放在基座815上的壓電元件2。此時(shí)，通過(guò)碟形彈簧85可以在壓電元件2上施加預(yù)定載荷。此外，與活塞82頭部821相對(duì)的一端(測(cè)量構(gòu)件88)可以沿著壓電元件2的位移移動(dòng)。
現(xiàn)在，將在下面描述應(yīng)用預(yù)定載荷的方法。預(yù)定載荷是通過(guò)將柱形推桿(沒(méi)有顯示)插入到活塞82與推進(jìn)螺桿84之間的縫隙內(nèi)，并且使用Amsler型測(cè)試機(jī)向?qū)U83應(yīng)用確定的載荷施加的。此后，為了保持該載荷，用所應(yīng)用的載荷固定推進(jìn)螺桿84和外殼81。在此之后，除去推桿。
在本實(shí)施例中，制造該壓電促動(dòng)器模型的原因是來(lái)評(píng)價(jià)由該壓電促動(dòng)器形成的位移的溫度性能。當(dāng)該壓電促動(dòng)器被拉長(zhǎng)的時(shí)候，可以將壓電元件2放入恒溫器內(nèi)并且可以將測(cè)量構(gòu)件88設(shè)置在恒溫器外側(cè)(在室溫下)。為了評(píng)價(jià)后面將要描述的溫度性能，將圖16中虛線(xiàn)以下所示的壓電促動(dòng)器11部分放在恒溫器內(nèi)。為了防止熱傳遞到該圖中虛線(xiàn)以上所示的壓電促動(dòng)器部分，在該壓電促動(dòng)器中包含了絕熱構(gòu)件86。壓電促動(dòng)器的模型功能上等同于圖15所述的壓電促動(dòng)器。
如圖17所示，在本實(shí)施例中，壓電元件2是具有交替層疊的壓電陶瓷片21和內(nèi)部電極22和23的層合壓電元件。此外，在層疊方向?qū)⒀趸X板245放在壓電元件2的兩端。
兩個(gè)外部電極25和26形成在壓電元件2的側(cè)面上，好像將該壓電元件夾在中間一樣。外部電極25和26分別與導(dǎo)線(xiàn)61和62相連。
內(nèi)部電極22和23與外部電極25和26相互電連接，以至于壓電元件2中的兩個(gè)相鄰內(nèi)部電極22和23將分別以相互不同的電位與外部電極25和26分別連接。
接下來(lái)，在下面將描述生產(chǎn)該實(shí)施例的壓電促動(dòng)器的方法。
(1)制備鈮酸鈉(NaNbO3)盤(pán)狀粉末根據(jù)使用化學(xué)計(jì)量比表示為Bi2.5Na3.5Nb5O18的組成以g/m2稱(chēng)量三氧化二鉍(Bi2O3)粉末、碳酸鈉(Na2CO3)粉末、和五氧化鈮(Nb2O5)粉末。然后對(duì)這些粉末進(jìn)行濕混。在此之后，將50重量％的氯化鈉(NaCl)作為助熔劑加入到原料中，并且對(duì)該混合物干混一個(gè)小時(shí)。
此后，將該混合物倒入到白金坩堝中，并且在850℃下加熱1個(gè)小時(shí)。在助熔劑完全溶解之后，在1100℃下加熱該混合物2個(gè)小時(shí)。這樣制備了表示為Bi2.5Na3.5Nb5O18的反應(yīng)物。順便說(shuō)一下，溫度的升高速度是每小時(shí)200℃，并且采用了隨爐緩冷作為冷卻方法。在完成冷卻后，通過(guò)將該反應(yīng)物浸在熱水中來(lái)除去助熔劑。這形成了Bi2.5Na3.5Nb5O18粉末。所形成的Bi2.5Na3.5Nb5O18粉末是盤(pán)狀粉末，其將它的晶粒{100}平面作為暴露面。
此后，將制備鈮酸鈉(NaNbO3)所需要量的碳酸鈉(Na2CO3)混合到Bi2.5Na3.5Nb5O18盤(pán)狀粉末中。使用氯化鈉(NaCl)作為助熔劑，并且在白金坩堝中在950℃下熱處理該混合物8個(gè)小時(shí)。
所形成的反應(yīng)物含有三氧化二鉍(Bi2O3)粉末和NaNbO3粉末。在從反應(yīng)物中除去助熔劑之后，為了溶解作為剩余成分生產(chǎn)的Bi2O3，將該反應(yīng)物放入1N硝酸(HNO3)中。此外，為了溶解鈮酸鈉(NaNbO3)粉末，過(guò)濾該溶液，并且在80℃下用離子交換水清洗該NaNbO3粉末。反應(yīng)物NaNbO3粉末是它的晶粒的偽立方{100}平面作為暴露面的盤(pán)狀粉末。晶粒的直徑為1μm-30μm，并且它的縱橫比為約10-20。
(2)具有表達(dá)為{Li0.07(K0.43Na0.57)0.93}{Nb0.84Ta0.09Sb0.07}O3的成分的晶粒定向陶瓷的生產(chǎn)根據(jù)表達(dá)為{Li0.07(K0.43Na0.57)0.93}{Nb0.84Ta0.09Sb0.07}O3的化學(xué)計(jì)量組合物，以g/m2的單位稱(chēng)量純度為99.99％或更高的碳酸鈉(Na2CO3)粉末、碳酸鉀(K2CO3)粉末、碳酸鋰(Li2CO3)粉末、五氧化二鈮(Nb2O5)粉末、五氧化二鉭(Ta2O5)粉末，來(lái)制備1mol從中減去0.05mol鈮酸鈉(Na2CO3)的混合物。使用有機(jī)溶劑作為介質(zhì)，在鋯(Zr)缽中濕混該混合物20個(gè)小時(shí)。此后，在750℃下煅燒該混合物5個(gè)小時(shí)。使用有機(jī)溶劑作為介質(zhì)，在Zr缽中濕研磨該混合物20個(gè)小時(shí)。這形成了平均晶粒直徑為約0.5μm的煅燒粉末。
為了實(shí)現(xiàn)組成{Li0.07(K0.43Na0.57)0.93}{Nb0.84Ta0.09Sb0.07}O3，以g/m2為單位稱(chēng)量煅燒的粉末和盤(pán)狀鈮酸鈉(NaNbO3)以至于煅燒粉末與NaNbO3之比為0.95mol-0.05mol。使用有機(jī)溶劑作為介質(zhì)，在鋯(Zr)缽中濕混該混合物20個(gè)小時(shí)。這形成了研磨的漿料。在此之后，向該漿料中加入粘合劑(聚乙烯醇縮丁醛)和增塑劑(鄰苯二甲酸二丁酯)，并且混合該漿料兩個(gè)小時(shí)。
此后，使用帶成型設(shè)備來(lái)將混合漿料成型成為約100μm厚的帶子。此外，將該帶子折疊或卷邊并且卷起來(lái)。這形成了1.5mm厚的盤(pán)狀壓制品。此后，在加熱溫度為600℃，加熱時(shí)間為5個(gè)小時(shí)，升溫速度為50℃每小時(shí)，并且冷卻速率為隨爐緩冷速率的條件下在空氣中對(duì)該盤(pán)狀壓制品去油脂。此外，根據(jù)冷等靜壓制(CIP)方法在300MPa的壓力下成型該去油脂的盤(pán)狀壓制品，然后將其在1110℃在氧氣中焙燒五個(gè)小時(shí)。這樣，就生產(chǎn)了壓電陶瓷(晶粒定向壓電陶瓷)。
計(jì)算了所生產(chǎn)的壓電陶瓷的燒結(jié)壓塊密度，并且根據(jù)由上述方程式(1)所表示的Lotering’s方法計(jì)算了晶粒平行于帶平面的偽立方{100}平面的平均定向度F(100)。
此外，將所生產(chǎn)的壓電陶瓷研磨，拋光，并且加工以生產(chǎn)出圖18中所示的壓電陶瓷片21，陶瓷片21是0.485mm厚，直徑為11mm，上下表面平行于帶平面的圓盤(pán)狀試樣。將金(Au)燃燒電極糊(ALP3057來(lái)自Sumitomo MetalMining Co.，Ltd.)印刷在該試樣的上下表面上，然后將其干燥。此后，使用網(wǎng)帶燒結(jié)爐在850℃下燃燒該試樣10分鐘。這樣，在壓電陶瓷片21上形成了0.01mm厚的電極210。此外，將該圓盤(pán)狀試樣圓柱研磨來(lái)具有8.5mm的直徑。這是為了除去在印刷的過(guò)程中在電極周?chē)豢杀苊獾匦纬傻膸孜⒚状笮〉耐蛊?。此后，?duì)該試樣進(jìn)行垂直極化。這導(dǎo)致了具有在壓電陶瓷片21上形成的整面電極210的壓電元件(層板)20。
在室溫(25℃)下，根據(jù)共振-反共振方法測(cè)量了所生產(chǎn)壓電元件20的共振頻率(Fr)和壓電性能，也就是說(shuō)，楊氏模量(Y11E)，壓電應(yīng)變常數(shù)(d31)，電機(jī)耦合系數(shù)(kp)，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)(Qm)和介電性能的介電常數(shù)(ε331/ε0)，和介電損耗(δ)。此外，根據(jù)Archimede’s方法，對(duì)沒(méi)有形成電極的燒結(jié)壓制品進(jìn)行了表觀密度、開(kāi)孔度、和堆密度測(cè)量。
此外，通過(guò)測(cè)量介電常數(shù)的溫度性能獲得了第一晶相轉(zhuǎn)變溫度(居里溫度)和第二晶相轉(zhuǎn)變溫度。順便說(shuō)一下，當(dāng)?shù)诙噢D(zhuǎn)變溫度等于或低于0℃的時(shí)候，在高于第二晶相轉(zhuǎn)變溫度的溫度觀察的介電常數(shù)的變化寬度非常小。因此，如果不能確定介電常數(shù)的峰位置，則引起介電常數(shù)突然變化的溫度被視為第二晶相轉(zhuǎn)變溫度。
此后，使用所生產(chǎn)的壓電元件來(lái)生產(chǎn)層合壓電元件，并且使用層合壓電元件來(lái)構(gòu)建壓電促動(dòng)器。然后對(duì)該壓電促動(dòng)器進(jìn)行評(píng)價(jià)。
如圖19所示，將如上所述那樣生產(chǎn)的壓電元件20和由不銹鋼(SUS)制備的、具有0.02mm的厚度和8.4mm的直徑、并且包括將每一個(gè)內(nèi)部電極與在后面所要描述的外部電極連接起來(lái)的凸出物的內(nèi)部電極板22(23)交替疊合。此時(shí)，內(nèi)部電極22(23)是使得它們的凸出物將從交替不同的位置在層疊方向延伸并且將與每隔一層的那些排成一線(xiàn)設(shè)置。這樣，四十片壓電陶瓷21和四十一片內(nèi)部電極板22(23)被相互交替疊合。將2mm厚直徑8.5mm的鋁板(絕緣板)疊合在層合體的上下表面上，從而生產(chǎn)出如圖17所示的層合壓電元件2。
此后，將由不銹鋼(SUS)制得的帶狀外部電極25和26焊接到內(nèi)部電極22和23的凸起物上，以至于這些壓電元件將相互平行地電連接。此外，提供引線(xiàn)61和62并且將它們分別電連接到外部電極25和26。
此外，將蜂窩狀樹(shù)脂絕緣元件(沒(méi)有顯示)塞到由相同的電極板形成的并且開(kāi)在層合體側(cè)面上的縫隙中，以確保內(nèi)部電極板22和23的凸起物、反向極性的內(nèi)部電極板22和23、壓電元件相反極性的金(Au)電極之間的絕緣。將硅酮潤(rùn)滑脂涂敷到該層合體上，然后用通過(guò)夾持元件4對(duì)該層合體套上絕緣管。這形成了層合壓電元件2。
此后，在室溫(25℃)下，在層疊方向，向該層合壓電元件2施加150MPa的壓應(yīng)力30秒，以提高包括在層合壓電元件2中的金(Au)電極和包括在其中的電極板之間的粘合性(加壓老化)。此外，在室溫(25℃)下，在層疊方向施加30MPa的壓應(yīng)力的同時(shí)，以40Hz的頻率施加電場(chǎng)強(qiáng)度大小為0-1500v/mm的正弦波30分鐘(電壓老化)。此后，如圖16所示，層合壓電元件2被鎖在夾具8中。在壓電元件2的疊合方向通過(guò)施加16.4MPa的預(yù)設(shè)載荷來(lái)壓熔接彈簧系數(shù)為2.9Ns/μm的盤(pán)狀彈簧85。這樣，完成了如圖16所示的壓電促動(dòng)器11。
此后，用從485V至728V變到970V的應(yīng)用電壓驅(qū)動(dòng)該壓電促動(dòng)器，這是因?yàn)槠涫堑确菪尾?電場(chǎng)強(qiáng)度為0-1000v/mm，0-1500v/mm，或者0-2000v/mm)。動(dòng)應(yīng)力D33大小的溫度依賴(lài)性是在-40至160℃的溫度范圍內(nèi)測(cè)量的。
對(duì)于動(dòng)應(yīng)力D33大小的測(cè)量，使用了靜電電容型位移傳感器來(lái)測(cè)量在梯形波的驅(qū)動(dòng)電壓應(yīng)該具有0.5Hz和10Hz的頻率，需要150μs作為上升時(shí)間和下落時(shí)間，并且表現(xiàn)出50-50的利用因數(shù)的驅(qū)動(dòng)條件下的位移。然后，根據(jù)方程式A2計(jì)算動(dòng)應(yīng)變D33的大小。
此外，使用計(jì)算的值來(lái)獲得動(dòng)應(yīng)變D33的大小在-30至80℃的溫度范圍內(nèi)的變化寬度以及其在-30至160℃的溫度范圍內(nèi)的變化寬度。在本文中，變化寬度是用(最大值-最小值)除以2的商作為參考值獲得的。
在該實(shí)施例中所生產(chǎn)的壓電陶瓷(晶粒定向陶瓷)是高度致密的以至于它的堆密度為4.72g/cm3。此外，晶粒的偽立方{100}平面平行于帶平面定向。此外，根據(jù)Lotgering’s方法測(cè)量的偽立方{100}平面的平均定向度達(dá)到了88.5％。
在室溫(25℃)下觀察的壓電性能的評(píng)價(jià)結(jié)果是共振頻率Fr是376kHz，楊氏模量Y11E是103.0GPa，壓電應(yīng)變常數(shù)d31是86.5pm/V，電機(jī)耦合系數(shù)kp為48.8％，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm是18.2，介電常數(shù)ε33t/ε0是1042，并且介電損耗tanδ為6.4％。此外，基于該介電常數(shù)的溫度性能計(jì)算的第一晶相轉(zhuǎn)變溫度(居里溫度)是282℃，并且第二晶相轉(zhuǎn)變溫度為-30℃。表1列出了這些結(jié)果。
表2、圖1、和表7提供了將在該實(shí)施例中生產(chǎn)的壓電促動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)頻率設(shè)定為0.5Hz所測(cè)定的動(dòng)應(yīng)變D33大小的溫度特性。
在-30至80℃的溫度范圍內(nèi)，動(dòng)應(yīng)變D33的最小值是303pm/V并且是在驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)強(qiáng)度為1000v/mm并且溫度為-30℃時(shí)觀察到的。動(dòng)應(yīng)變D33的變化寬度的最大值是±3.8％并且其是在驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)強(qiáng)度為1500v/mm時(shí)觀察到的。
在-30至160℃的溫度范圍內(nèi)，動(dòng)應(yīng)變D33大小的最小值是303pm/V并且是在驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)強(qiáng)度為1000v/mm并且溫度為-30℃時(shí)觀察到的。動(dòng)應(yīng)變D33的變化寬度的最大值是±7.7％并且其是在驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)強(qiáng)度為2000v/mm時(shí)觀察到的。
(實(shí)施例2)除了將用來(lái)使盤(pán)狀壓制品脫脂的燃燒溫度設(shè)置為1105℃以外，根據(jù)與實(shí)施例1所應(yīng)用的相同的程序來(lái)生產(chǎn)具有組成{Li0.07(K0.45Na0.55)0.93}{Nb0.82Ta0.10Sb0.08}O3的晶粒定向陶瓷。在與實(shí)施例1所限定的相同的條件下，對(duì)所生產(chǎn)的晶粒定向陶瓷關(guān)于燒結(jié)壓制品的密度、平均定向度、以及壓電性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。此外，根據(jù)與實(shí)施例1所應(yīng)用的相同程序制備了包括四十片壓電陶瓷的層合促動(dòng)器，并且對(duì)該促動(dòng)器的性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。
在該實(shí)施例中所生產(chǎn)的晶粒定向陶瓷是高度致密的以至于它的堆密度為4.72g/cm3。此外，晶粒的偽立方{100}平面平行于帶平面定向。根據(jù)Lotgering’s方法測(cè)量的偽立方{100}平面的平均定向度達(dá)到了94.6％。此外，在室溫(25℃)下觀察的壓電性能的評(píng)價(jià)結(jié)果是共振頻率F4是374kHz，楊氏模量Y11E是102.5GPa，壓電應(yīng)變常數(shù)d31是88.1pm/V，電機(jī)耦合系數(shù)kp為48.9％，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm是16.6，介電常數(shù)ε33t/ε0是1071，并且介電損耗tanδ為4.7％。此外，基于該介電常數(shù)的溫度性能計(jì)算的第一晶相轉(zhuǎn)變溫度(居里溫度)是256℃，并且第二晶相轉(zhuǎn)變溫度為-35℃。
表1列出了這些結(jié)果。
表3、圖2、和表7提供了將在該實(shí)施例中生產(chǎn)的壓電促動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)頻率設(shè)定為0.5Hz所測(cè)定的動(dòng)應(yīng)變D33大小的溫度特性。
從這些表和附圖中看出，在-30至80℃的溫度范圍內(nèi)，動(dòng)應(yīng)變D33的最小值是355pm/V并且是在驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)強(qiáng)度為1000v/mm并且溫度為20℃時(shí)觀察到的。動(dòng)應(yīng)變D33的變化寬度的最大值是±8.0％并且其是在驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)強(qiáng)度為1000V/mm時(shí)觀察到的。
在-30至160℃的溫度范圍內(nèi)，動(dòng)應(yīng)變D33的最小值是355pm/V并且是在驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)強(qiáng)度為1000v/mm并且溫度為20℃時(shí)觀察到的。動(dòng)應(yīng)變D33的變化寬度的最大值是±13.8％并且其是在驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)強(qiáng)度為2000V/mm時(shí)觀察到的。
(實(shí)施例3)除了將用來(lái)使盤(pán)狀壓制品脫脂的燃燒溫度設(shè)置為1105℃以外，根據(jù)與實(shí)施例1所應(yīng)用的相同的程序來(lái)生產(chǎn)具有組成{Li0.065(K0.45Na0.55)0.935}{Nb0.83Ta0.09Sb0.08}O3的晶粒定向陶瓷。在與實(shí)施例1所限定的相同的條件下，對(duì)所生產(chǎn)的晶粒定向陶瓷關(guān)于燒結(jié)壓制品的密度、平均定向度、以及壓電性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。此外，根據(jù)與實(shí)施例1所應(yīng)用的相同程序制備了包括四十片壓電陶瓷的層合促動(dòng)器，并且對(duì)該促動(dòng)器的性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。
在該實(shí)施例中所生產(chǎn)的晶粒定向陶瓷是高度致密的以至于它的堆密度為4.71g/cm3。此外，晶粒的偽立方{100}平面平行于帶平面定向。根據(jù)Lotgering’s方法測(cè)量的偽立方{100}平面的平均定向度達(dá)到了93.9％。此外，在室溫(25℃)下觀察的壓電性能的評(píng)價(jià)結(jié)果是共振頻率Fr是371kHz，楊氏模量Y11E是100.2GPa，壓電應(yīng)變常數(shù)d31是95.2pm/V，電機(jī)耦合系數(shù)kp為50.4％，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm是15.9，介電常數(shù)ε33t/ε0是1155，并且介電損耗tanδ為5.2％。此外，基于該介電常數(shù)的溫度性能計(jì)算的第一晶相轉(zhuǎn)變溫度(居里溫度)是261℃，并且第二晶相轉(zhuǎn)變溫度為-12℃。表1列出了這些結(jié)果。
表4、圖3、和表7提供了將在該實(shí)施例中生產(chǎn)的壓電促動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)頻率設(shè)定為0.5Hz所測(cè)定的動(dòng)應(yīng)變D33大小的溫度特性。
從這些表和附圖中看出，在-30至80℃的溫度范圍內(nèi)，動(dòng)應(yīng)變D33的最小值是347pm/V并且是在驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)強(qiáng)度為1000v/mm并且溫度為80℃時(shí)觀察到的。動(dòng)應(yīng)變D33的變化寬度的最大值是±5.6％并且其是在驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)強(qiáng)度為1500V/mm時(shí)觀察到的。
在-30至160℃的溫度范圍內(nèi)，動(dòng)應(yīng)變D33的最小值是347pm/V并且是在驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)強(qiáng)度為1000v/mm并且溫度為80℃時(shí)觀察到的。動(dòng)應(yīng)變D33的變化寬度的最大值是±11.5％并且其是在驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)強(qiáng)度為1500V/mm時(shí)觀察到的。
(實(shí)施例4)在該實(shí)施例中，根據(jù)不同于實(shí)施例1的程序，生產(chǎn)了具有與實(shí)施例1相同組成的晶粒定向壓電陶瓷。
具體而言，根據(jù)組成{Li0.07(K0.43Na0.57)0.93}{Nb0.84Ta0.09Sb0.07}O3，以g/m2的單位稱(chēng)量盤(pán)狀鈮酸鈉(NaNbO3)粉末、非盤(pán)狀NaNbO3粉末、鈮酸鉀(KNbO3)粉末、鉭酸鉀(KTaO3)粉末、銻酸鋰(LiSbO3)粉末、和銻酸鈉(NaSbO3)粉末。使用有機(jī)溶劑作為介質(zhì)，對(duì)這些粉末濕混20個(gè)小時(shí)。
在將粘結(jié)劑(聚乙烯縮丁醛)和增塑劑(鄰苯二甲酸二丁酯)加入到該漿料中之后，將所形成的漿料再混合2個(gè)小時(shí)。
順便說(shuō)一下，確定鈮酸鈉(NaNbO3)盤(pán)狀粉末的比例以至于5重量％由起始材料制備的第一KNN-體系固體溶液(ABO3)的A-位置元素是由NaNbO3盤(pán)狀粉末供應(yīng)的。此外，根據(jù)固相方法生產(chǎn)了非盤(pán)狀NaNbO3粉末，KNbO3粉末，KTaO3粉末，LiSbO3粉末，和NaSbO3粉末。即，將純度為99.9％的含有預(yù)定量碳酸鉀(K2CO3)粉末、碳酸鈉(Na2CO3)粉末、五氧化二鈮(Nb2O5)粉末、五氧化二鉭(Ta2O5)粉末、和/或五氧化二銻(Sb2O5)粉末的混合物在750℃下加熱5個(gè)小時(shí)。然后使用球磨機(jī)研磨該反應(yīng)物。
此后，使用成型設(shè)備來(lái)將混合漿料成型成為厚度為約100μm的帶。此外，將該帶子折疊或卷邊并且卷起來(lái)以生產(chǎn)1.5mm厚的盤(pán)狀壓制品。此后，在加熱溫度為600℃，加熱時(shí)間為5個(gè)小時(shí)，升溫速度為50℃每小時(shí)，并且冷卻速率為隨爐緩冷速率的條件下，在空氣中對(duì)該盤(pán)狀壓制品去油脂。此外，根據(jù)冷等靜壓制(CIP)方法在300MPa的壓力下成型該去油脂的盤(pán)狀壓制品。此后，使用熱壓燒結(jié)該盤(pán)狀壓制品，其中熱壓是在燃燒溫度為1130℃，加熱時(shí)間為5個(gè)小時(shí)，并且升溫或降溫速率為200℃每小時(shí)的條件下，在加熱的過(guò)程中施加的。這樣，就生產(chǎn)了壓電陶瓷(晶粒定向壓電陶瓷)。
在該實(shí)施例中所生產(chǎn)的晶粒定向陶瓷是高度致密的以至于它的堆密度為4.78g/cm3。此外，晶粒的偽立方{100}平面平行于帶平面定向。根據(jù)Lotgering’s方法測(cè)量的偽立方{100}平面的平均定向度達(dá)到了96％。此外，在室溫(25℃)下觀察的壓電性能的評(píng)價(jià)結(jié)果是共振頻率Fr是362kHz，楊氏模量Y11E是96.6GPa，壓電應(yīng)變常數(shù)d31是96.5pm/V，電機(jī)耦合系數(shù)kp為51.9％機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm是15.2，介電常數(shù)ε33t/ε0是1079，并且介電損耗tanδ為4.7％。此外，基于該介電常數(shù)的溫度性能計(jì)算的第一晶相轉(zhuǎn)變溫度(居里溫度)是279℃，并且第二晶相轉(zhuǎn)變溫度為-28℃。表1列出了這些結(jié)果。
表5、圖4、和表7提供了將在該實(shí)施例中生產(chǎn)的壓電促動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)頻率設(shè)定為0.5Hz所測(cè)定的動(dòng)應(yīng)變D33大小的溫度特性。
從這些表和附圖中看出，在-30至80℃的溫度范圍內(nèi)，動(dòng)應(yīng)變D33的最小值是427pm/V并且是在驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)強(qiáng)度為1000v/mm并且溫度為50℃時(shí)觀察到的。動(dòng)應(yīng)變D33的變化寬度的最大值是±7.2％并且其是在驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)強(qiáng)度為1000V/mm時(shí)觀察到的。
在-30至160℃的溫度范圍內(nèi)，動(dòng)應(yīng)變D33的最小值是427pm/V并且是在驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)強(qiáng)度為1000v/mm并且溫度為50℃時(shí)觀察到的。動(dòng)應(yīng)變D33的變化寬度的最大值是±9.4％并且其是在驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)強(qiáng)度為2000V/mm時(shí)觀察到的。
(實(shí)施例5)在該實(shí)施例中，生產(chǎn)了具有特定組成并且用來(lái)制備壓電促動(dòng)器的壓電陶瓷(晶粒定向壓電陶瓷)，該組成為向表示為{Li0.065(K0.435a0.55)0.935}{Nb0.83Ta0.09Sb0.08}O3并且在實(shí)施例3中制備的組成中加入了0.0005mol錳(Mn)。
開(kāi)始，根據(jù)組成以g/m2的單位稱(chēng)量純度為99.99％或更高的碳酸鈉(Na2CO3)粉末、碳酸鉀(K2CO3)粉末、碳酸鋰(Li2CO3)粉末、五氧化二鈮(Nb2O5)粉末、五氧化二鉭(Ta2O5)粉末、五氧化二銻(Sb2O5)粉末、和二氧化錳(MnO2)粉末，該組成指定了從由1mol{Li0.07(K0.43Na0.57)0.93}{Nb0.83Ta0.09Sb0.07}O3與0.0005mol Mn的總和中減去0.05mol鈮酸鈉(NaNbO3)。使用有機(jī)溶劑作為介質(zhì)，在鋯(Zr)缽中對(duì)這些粉末濕混20個(gè)小時(shí)。此后，在750℃下將該混合物煅燒5個(gè)小時(shí)。使用有機(jī)溶劑作為介質(zhì)，在Zr缽中對(duì)該混合物濕研磨20個(gè)小時(shí)。這形成了平均粒徑為約0.5μm的煅燒粉末。
接下來(lái)的程序除了將使盤(pán)狀壓制品的燃燒溫度設(shè)置為1105℃以外，與實(shí)施例1的程序相同。這樣，生產(chǎn)了組成為1mol{Li0.065(K0.435a0.55)0.935}{Nb0.83Ta0.09Sb0.88}O3與0.0005mol Mn相加的晶粒定向陶瓷。
在與實(shí)施例1相同的條件下，關(guān)于燒結(jié)壓制品的密度、平均定向度、以及壓電性能，對(duì)所生產(chǎn)的晶粒定向陶瓷進(jìn)行評(píng)價(jià)。此外，根據(jù)與實(shí)施例1相同的程序制備了包括四十片壓電陶瓷的層合促動(dòng)器，并且對(duì)動(dòng)應(yīng)變大小D33的溫度性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。
在該實(shí)施例中所生產(chǎn)的晶粒定向陶瓷是高度致密的以至于它的堆密度為4.71g/cm3。此外，晶粒的偽立方{100}平面平行于帶平面定向。根據(jù)Lotgering’s方法測(cè)量的偽立方{100}平面的平均定向度達(dá)到了89.6％。此外，在室溫(25℃)下觀察的壓電性能的評(píng)價(jià)結(jié)果是共振頻率Fr是368kHz，楊氏模量Y11E是98.7GPa，壓電應(yīng)變常數(shù)d31是99.1pm/V，電機(jī)耦合系數(shù)kp為52.0％，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm是20.3，介電常數(shù)ε33t/ε0是1159，并且介電損耗tanδ為2.7％。因此，證明了Mn的加入提高了機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm并且降低了介電損耗tanδ。
此外，基于該介電常數(shù)的溫度性能計(jì)算的第一晶相轉(zhuǎn)變溫度(居里溫度)是263℃，并且第二晶相轉(zhuǎn)變溫度為-15℃。表1列出了這些結(jié)果。
表6、圖5、和表7提供了將在該實(shí)施例中生產(chǎn)的壓電促動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)頻率設(shè)定為0.5Hz所測(cè)定的動(dòng)應(yīng)變D33大小的溫度特性。
從這些表和附圖中看出，在-30至80℃的溫度范圍內(nèi)，動(dòng)應(yīng)變D33的最小值是355pm/V并且是在驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)強(qiáng)度為1000v/mm并且溫度為50℃或80℃時(shí)觀察到的。動(dòng)應(yīng)變D33的變化寬度的最大值是±10.4％并且其是在驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)強(qiáng)度為1000V/mm時(shí)觀察到的。
在-30至160℃的溫度范圍內(nèi)，動(dòng)應(yīng)變D33的最小值是355pm/V并且是在驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)強(qiáng)度為1000v/mm并且溫度為50℃或80℃時(shí)觀察到的。動(dòng)應(yīng)變D33的變化寬度的最大值是±11.8％，并且其是在驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)強(qiáng)度為1000V/mm時(shí)觀察到的。
作為分別與實(shí)施例1-5對(duì)比的實(shí)施例，生產(chǎn)了由典型的壓電陶瓷—鈦酸鉛鋯(PZT)陶瓷制備的薄板，并且以與實(shí)施例1-5相同的方式對(duì)其進(jìn)行了評(píng)價(jià)。
(對(duì)比例1-5)(對(duì)比例1)對(duì)比例1是一個(gè)層合促動(dòng)器的實(shí)施例，其適合于自動(dòng)燃油噴射閥并且應(yīng)用了性質(zhì)是介于軟和硬體系中間(半硬)的四方晶系鈦酸鉛鋯(PZT)材料。在這里，軟體系是指機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm等于或小于100的材料，而硬體系是指機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm等于或大于1000的材料。
根據(jù)組成{(Pb0.92Sr0.09)(Zr0.543Ti0.457)0.985(Y0.5Nb0.5)0.01Mn0.05}O3，以單位g/m2稱(chēng)量氧化鉛(PbO)粉末、二氧化鋯(ZrO2)粉末、二氧化鈦(TiO2)粉末、碳酸鍶(SrCO3)粉末、氧化釔(Y2O3)粉末、五氧化二鈮(Nb2O5)粉末、和三氧化二錳(Mn2O3)粉末。使用水作為介質(zhì)，在鋯(Zr)缽中對(duì)這些粉末濕混。此后，在790℃下將該混合物煅燒7個(gè)小時(shí)。此外，使用有機(jī)溶劑作為介質(zhì)，在Zr缽中對(duì)該混合物濕研磨。這形成了平均粒徑為約0.7μm的煅燒粉末。
在將粘結(jié)劑(聚乙烯基縮丁醛)和增塑劑(鄰苯二甲酸二丁酯)加入到該漿料中之后，將所形成的漿料在Zr缽中混合20個(gè)小時(shí)。
此后，使用成型設(shè)備來(lái)將混合漿料成型成為厚度為約100μm的帶。此外，將該帶子折疊或卷邊并且卷起來(lái)以生產(chǎn)1.2mm厚的盤(pán)狀壓制品。此后，將該脫脂的盤(pán)狀壓制品放置在氧化鋁烤箱中的氧化鎂(MgO)盤(pán)上，并且在1170℃的空氣中燒結(jié)2個(gè)小時(shí)。
除了使用銀(Ag)糊料作為電極材料來(lái)進(jìn)行燃燒以外，接下來(lái)的程序與實(shí)施例1的相同。
該對(duì)比例中的壓電陶瓷的堆密度為7.60g/cm3。此外，在室溫(25℃)下觀察的壓電性能的評(píng)價(jià)結(jié)果是共振頻率Fr是255kHz，楊氏模量Y11E是76.5GPa，壓電應(yīng)變常數(shù)d31是158.0pm/V，電機(jī)耦合系數(shù)kp為60.2％，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm是540，介電常數(shù)ε33t/ε0是1701，并且介電損耗tanδ為0.2％。表1列出了這些結(jié)果。
(對(duì)比例2)對(duì)比例2是一個(gè)層合促動(dòng)器的實(shí)例，其被用作定位的層合促動(dòng)器，可以應(yīng)用于環(huán)境溫度變化小的半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備中。該層合促動(dòng)器應(yīng)用了由屬于軟菱形晶系的鈦酸鉛鋯(PZT)材料制得的壓電陶瓷。
為了生產(chǎn)該對(duì)比例的壓電陶瓷，根據(jù)組成{(Pb0.895Sr0.115)(Zr0.57Ti0.43)0.978(Y0.5Nb0.5)0.01Mn0.012}O3，以單位g/m2稱(chēng)量氧化鉛(PbO)粉末、二氧化鋯(ZrO2)粉末、二氧化鈦(TiO2)粉末、碳酸鍶(SrCO3)粉末、氧化釔(Y2O3)粉末、和五氧化二鈮(Nb2O5)粉末。使用水作為介質(zhì)，在鋯(Zr)缽中對(duì)這些粉末濕混20個(gè)小時(shí)。此后，在875℃下將該混合物煅燒5個(gè)小時(shí)。此外，使用有機(jī)溶劑作為介質(zhì)，在Zr缽中對(duì)該混合物濕研磨。
將粘結(jié)劑(聚乙烯醇)加入到該漿料中以至于該粘結(jié)劑將占漿料或煅燒粉末的1重量％。此后，使用噴霧干燥機(jī)來(lái)干燥所形成的漿料并且將其粒化。
此后，使用模具來(lái)進(jìn)行干壓制成型。這形成了直徑為15mm并且厚度為2mm的壓制品。此后在空氣中對(duì)該盤(pán)狀壓制品脫脂。此外，在根據(jù)冷等靜壓制(CIP)方法在200MPa的壓力下成型該去油脂的盤(pán)狀壓制品后，將其放置在氧化鋁烤箱中的氧化鎂(MgO)盤(pán)上，并且在1260℃的空氣中燒結(jié)2個(gè)小時(shí)。
接下來(lái)的程序與對(duì)比例1中的相同。
該對(duì)比例中的壓電陶瓷的堆密度為7.45g/cm3。此外，在室溫(25℃)下觀察的壓電性能的評(píng)價(jià)結(jié)果是共振頻率Fr是229kHz，楊氏模量Y11E是60.2GPa，壓電應(yīng)變常數(shù)d31是212.7pm/V，電機(jī)耦合系數(shù)kp為67.3％，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm是47.5，介電常數(shù)ε33t/ε0是1943，并且介電損耗tanδ為2.1％。表1列出了這些結(jié)果。
(對(duì)比例3)對(duì)比例3是一個(gè)適合用于自動(dòng)震動(dòng)傳感器的層合促動(dòng)器的實(shí)施例，其應(yīng)用了由屬于軟菱形晶系的鈦酸鉛鋯(PZT)材料制得的壓電陶瓷。
為了生產(chǎn)該對(duì)比例的壓電陶瓷，根據(jù)組成{(Pb0.95Sr0.05)(Zr0.53Ti0.47)0.978Sb0.022}O3，以單位g/m2稱(chēng)量氧化鉛(PbO)粉末、二氧化鋯(ZrO2)粉末、二氧化鈦(TiO2)粉末、鈦酸鍶(StTiO3)粉末、和三氧化二銻(Sb2O3)粉末。使用水作為介質(zhì)，在鋯(Zr)缽中對(duì)這些粉末濕混20個(gè)小時(shí)。此后，在825℃下將該混合物煅燒5個(gè)小時(shí)。此外，使用有機(jī)溶劑作為介質(zhì)，在Zr缽中對(duì)該混合物濕研磨。
除了將燒結(jié)溫度設(shè)置為1230℃外，接下來(lái)的程序與對(duì)比例2的相同。
該對(duì)比例中的壓電陶瓷的堆密度為7.60g/cm3。在室溫(25℃)下觀察的壓電性能的評(píng)價(jià)結(jié)果是共振頻率Fr是238kHz，楊氏模量Y11E是66.5GPa，壓電應(yīng)變常數(shù)d31是203.4pm/V，電機(jī)耦合系數(shù)kp為62.0％，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm是55.8，介電常數(shù)ε33t/ε0是2308，并且介電損耗tanδ為1.4％。表1列出了這些結(jié)果。
(對(duì)比例4)對(duì)比例4是一個(gè)適合用于高功率超聲馬達(dá)的層合促動(dòng)器的實(shí)例，其應(yīng)用了由屬于半硬四方晶系的鈦酸鉛鋯(PZT)材料制得的壓電陶瓷。
為了生產(chǎn)該對(duì)比例的壓電陶瓷，根據(jù)組成{(Pb0.965Sr0.05)(Zr0.5Ti0.5)0.96Sb0.03Mn0.01}O3，以單位g/m2稱(chēng)量氧化鉛(PbO)粉末、二氧化鋯(ZrO2)粉末、二氧化鈦(TiO2)粉末、碳酸鍶(StCO3)粉末、三氧化二銻(Sb2O3)粉末、和碳酸錳(MnCO3)粉末。使用水作為介質(zhì)，在鋯(Zr)缽中對(duì)這些粉末濕混。此后，在85℃下將該混合物煅燒5個(gè)小時(shí)。此外，使用水作為介質(zhì)，在Zr缽中對(duì)該混合物濕研磨。
除了將燒結(jié)溫度設(shè)置為1230℃外，接下來(lái)的程序與對(duì)比例2的相同。
該對(duì)比例中的壓電陶瓷的堆密度為7.76g/cm3。在室溫(25℃)下觀察的壓電性能的評(píng)價(jià)結(jié)果是共振頻率Fr是267kHz，楊氏模量Y11E是85.7GPa，壓電應(yīng)變常數(shù)d31是136.9pm/V，電機(jī)耦合系數(shù)kp為57.9％，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm是850，介電常數(shù)ε33t/ε0是1545，并且介電損耗tanδ為0.2％。表1列出了這些結(jié)果。
(對(duì)比例5)對(duì)比例5是一個(gè)適合用于高靈敏度角速度傳感器的層合促動(dòng)器的實(shí)例，其應(yīng)用了由屬于硬四方晶系的鈦酸鉛鋯(PZT)材料制得的壓電陶瓷。
為了生產(chǎn)該對(duì)比例的壓電陶瓷，根據(jù)組成Pb{(Zr0.5Ti0.5)0.98(Zn0.33Nb0.67)0.01Mn0.01}O3，以單位g/m2稱(chēng)量氧化鉛(PbO)粉末、二氧化鋯(ZrO2)粉末、二氧化鈦(TiO2)粉末、氧化鋅(ZnO)粉末、碳酸錳(MnCO3)粉末和五氧化二鈮(Nb2O5)粉末。使用水作為介質(zhì)，在鋯(Zr)缽中對(duì)這些粉末濕混。此后，在800℃下將該混合物煅燒5個(gè)小時(shí)。此外，使用水作為介質(zhì)，在Zr缽中對(duì)該混合物濕研磨。
除了將燒結(jié)溫度設(shè)置為1200℃外，接下來(lái)的程序與對(duì)比例2的相同。
該對(duì)比例中的壓電陶瓷的堆密度為7.84g/cm3。在室溫(25℃)下觀察的壓電性能的評(píng)價(jià)結(jié)果是共振頻率Fr是272kHz，楊氏模量Y11E是89.GPa，壓電應(yīng)變常數(shù)d31是103.6pm/V，電機(jī)耦合系數(shù)kp為54.1％，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm是1230，介電常數(shù)ε33t/ε0是1061，并且介電損耗tanδ為0.2％。表1列出了這些結(jié)果。
(實(shí)施例6)動(dòng)應(yīng)變大小下限的限制當(dāng)驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)強(qiáng)度小于1000V/mm的時(shí)候，動(dòng)應(yīng)變大小變小。
在該實(shí)施例中，獲得了隨著壓電促動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)強(qiáng)度降低所得到的動(dòng)應(yīng)變大小。
圖6顯示了驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)強(qiáng)度與在20℃所觀察的動(dòng)應(yīng)變大小之間的關(guān)系，該關(guān)系分別是在實(shí)施例1-5中制備的壓電促動(dòng)器中建立的。
圖6表明，當(dāng)將驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)強(qiáng)度設(shè)置為促動(dòng)器所要求的下限100V/mm的時(shí)候，動(dòng)應(yīng)變大小為250pm/V或更多。
(實(shí)施例7)在小電場(chǎng)強(qiáng)度下對(duì)動(dòng)應(yīng)變大小的溫度性能的限制當(dāng)驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)強(qiáng)度小于1000V/mm的時(shí)候，動(dòng)應(yīng)變大小變小。
在該實(shí)施例中，獲得了當(dāng)動(dòng)應(yīng)變很小并且驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)強(qiáng)度小于1000V/mm時(shí)將會(huì)得到的位移的變化寬度。
為了該目的，為了進(jìn)行測(cè)量，應(yīng)該將應(yīng)用到壓電促動(dòng)器的電壓降低。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度落在500V/mm以下的時(shí)候，在該實(shí)施例中所制備的壓電促動(dòng)器產(chǎn)生了小的位移。這就帶來(lái)了測(cè)量的精確度可能被降低的可能性。另外，很難評(píng)價(jià)該溫度特性。
當(dāng)測(cè)量薄板的壓電橫向應(yīng)變常數(shù)d31的時(shí)候，雖然位移的絕對(duì)值很難估計(jì)，但是可以估計(jì)位移的溫度特性。因此，在該實(shí)施例中，根據(jù)共振-反共振方法測(cè)量了薄板的壓電橫向應(yīng)變常數(shù)d31。
圖7顯示了在實(shí)施例5中所生產(chǎn)的薄板的壓電應(yīng)變常數(shù)d31的溫度特性測(cè)量值，和在驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)強(qiáng)度為1000V/mm-2000V/mm下在實(shí)施例5中獲得的動(dòng)應(yīng)變大小的對(duì)比。在這里，壓電應(yīng)變常數(shù)和動(dòng)應(yīng)變大小是用在20℃獲得的值標(biāo)準(zhǔn)化了的。
如圖7中所看到的那樣，在-30至80℃的溫度下，該薄板的壓電應(yīng)變常數(shù)d31的變化寬度為±7.8％。在-30至160℃的溫度下，該薄板的壓電應(yīng)變常數(shù)d31的變化寬度為±9.2％。這些值與在驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)強(qiáng)度為1000V/mm-2000V/mm下所獲得的動(dòng)應(yīng)變大小的變化寬度幾乎相同。
因此，只要涉及到根據(jù)本發(fā)明的促動(dòng)器，即使當(dāng)驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)強(qiáng)度被降低到小于1000V/mm，在-30至160℃的寬溫度范圍下，位移的變化寬度就可以被降低。
(實(shí)施例8)導(dǎo)熱系數(shù)的限制表8列出了對(duì)于實(shí)施例2和對(duì)比例1中所生產(chǎn)的燒結(jié)壓制品的熱擴(kuò)散系數(shù)、比熱、和導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測(cè)量的結(jié)果。
為了測(cè)量熱擴(kuò)散系數(shù)，將燒結(jié)的壓制品打磨或者加工成具有0.75mm厚直徑為10mm的盤(pán)狀形狀。向每一個(gè)盤(pán)的表面上噴灑約1μm厚的碳，從而將這些表面染黑。使用所形成的盤(pán)作為用于測(cè)量熱擴(kuò)散系數(shù)的試樣。
采用激光脈沖加熱方法作為用來(lái)測(cè)量熱擴(kuò)散系數(shù)的方法。所應(yīng)用的設(shè)備是由ULVAC-RIKO Inc.生產(chǎn)的TC-7000型，測(cè)量溫度為25℃、120℃、或160℃。輻射光是紅寶石激光(激發(fā)電壓為2.5kV，并且應(yīng)用了一個(gè)均化過(guò)濾器和一個(gè)中密度過(guò)濾器)，此外，測(cè)量熱擴(kuò)散系數(shù)的精度為約±5％。
為了測(cè)量比熱，要求重量為70mg-90mg的測(cè)試片來(lái)自燒結(jié)壓制品并且被用作測(cè)量試樣。
采用了差示掃描量熱法作為測(cè)量比熱的方法。所應(yīng)用的裝置是Perkin-Elmer DSC-7型差示掃描量熱器，并且測(cè)量溫度是25℃、120℃或160℃。升溫速度是10℃/min-1。熱擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)量精度為±1％。
根據(jù)下面的方程式A3，導(dǎo)熱系數(shù)被計(jì)算為熱擴(kuò)散系數(shù)與熱容(密度乘以比熱)的乘積λ＝αρCp (A3)其中，λ表示導(dǎo)熱系數(shù)[Wm-1K-1]，α表示熱擴(kuò)散系數(shù)[m2s-1]，ρ表示燒結(jié)壓制品的堆密度[kgm-3]，并且Cp表示比熱[Jkg-1K-1]。
如表8中所列的那樣，實(shí)施例2的導(dǎo)熱系數(shù)在25℃，120℃和160℃中任意溫度下，超過(guò)了2Wm-1K-1，并且是接近于對(duì)比例兩倍大的很大的值。這表明本發(fā)明的晶粒壓電陶瓷的應(yīng)用允許實(shí)現(xiàn)表現(xiàn)出優(yōu)良熱輻射性能的促動(dòng)器。
(實(shí)施例9)熱膨脹系數(shù)的限制表9列出了對(duì)在實(shí)施例2和對(duì)比例1中所生產(chǎn)的燒結(jié)壓制品(壓電陶瓷)的線(xiàn)性熱膨脹系數(shù)和熱膨脹系數(shù)所進(jìn)行的測(cè)量結(jié)果。圖8顯示了將25℃作為參比溫度時(shí)所觀察到的熱膨脹系數(shù)的溫度特性。
為了測(cè)量線(xiàn)性熱膨脹系數(shù)，將燒結(jié)的壓制品研磨或加工來(lái)具有5mm的寬度、1.5mm的厚度和10mm的長(zhǎng)度，并且將其用作用于測(cè)量線(xiàn)性熱膨脹系數(shù)的試樣。
采用了熱機(jī)械分析(TMA)作為用于測(cè)量線(xiàn)性熱膨脹系數(shù)的方法。所應(yīng)用的裝置是由Shimadzu Corp.生產(chǎn)的TMA-50型熱機(jī)械分析儀。測(cè)量溫度的范圍是-100℃至500℃升溫速度是2℃/min。測(cè)量氣氛是大氣。
線(xiàn)性熱膨脹系數(shù)被定義為試樣長(zhǎng)度的變化率ΔL/L0，其中ΔL表示溫度的變化并且L0表示在參比溫度(25℃)下試樣的長(zhǎng)度。線(xiàn)性熱膨脹系數(shù)(ΔL/L0)-對(duì)-溫度曲線(xiàn)被用來(lái)獲得根據(jù)下面的方程式A4的線(xiàn)性熱膨脹系數(shù)β。在這里，β值是將溫度差dT設(shè)置為20℃根據(jù)中心差分法計(jì)算的。
順便說(shuō)一下，β值等于由ΔL/L0-對(duì)-溫度曲線(xiàn)所要求的溫度的導(dǎo)數(shù)。
B＝(1/L0)×(dL/dT) (A4)在上面的方程式中，L0表示在參照溫度(25℃)下試樣的長(zhǎng)度，dT表示溫度差(20℃)，并且dL表示與溫度差dT相關(guān)的膨脹長(zhǎng)度。
如從表9和圖8中所看到的那樣，實(shí)施例2的熱膨脹系數(shù)在-30℃至160℃的溫度范圍下，超過(guò)了4ppm/℃。另一方面，對(duì)比例1的熱膨脹系數(shù)在在-30℃至160℃的溫度范圍下，低于3ppm/℃。這表明根據(jù)本發(fā)明的晶粒壓電陶瓷的應(yīng)用允許實(shí)現(xiàn)，其中在壓電陶瓷和熱膨脹系數(shù)較大的金屬或樹(shù)脂之間發(fā)生的熱應(yīng)變受到限制的促動(dòng)器。
(實(shí)施例10)熱電系數(shù)的限制圖9顯示了對(duì)在實(shí)施例4和對(duì)比例1中所生產(chǎn)的薄板的所進(jìn)行的關(guān)于極化度Pr大小變化的溫度特性的測(cè)量結(jié)果。
為了測(cè)量極化度Pr大小變化的溫度特性，采用了在實(shí)施例4和對(duì)比例1中所生產(chǎn)的壓電元件作為測(cè)量試樣。采用了熱電流方法來(lái)在-40℃至200℃的測(cè)量溫度范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。
將該壓電元件放在恒溫器中，并且將它的溫度以2℃/min的速度從25℃降低到-40℃。此后，將該壓電元件的溫度以2℃/min的速度從-40℃升到200℃。使用微安計(jì)以約30秒的間隔測(cè)量每一個(gè)壓電元件的上下電極表面的輸出電流。同時(shí)，還記錄測(cè)量電流的溫度和準(zhǔn)確時(shí)間。根據(jù)下面的方程式計(jì)算偏振度大小的變化，ΔP[C/cm2]，和在相鄰測(cè)量之間的間隔過(guò)程中所發(fā)生的溫度變化，ΔTΔP＝{(I1+I2)/2}×(t1-t2)/SΔT＝T1-T2其中，ΔP表示偏振度大小的變化[μC/cm2]，(t1-t2)表示相鄰測(cè)量之間的間隔[s]，I1表示在時(shí)間點(diǎn)t1檢測(cè)的電流[A]，T1表示在時(shí)間點(diǎn)t1的溫度[℃]，I2表示在時(shí)間點(diǎn)t2檢測(cè)的電流[A]，T2表示在時(shí)間點(diǎn)t2的溫度[℃]，并且S表示壓電元件的一個(gè)電極的面積[cm2]。計(jì)算了在商(T1+T2)/2的溫度下的熱電系數(shù)作為商ΔP/ΔT的絕對(duì)值。
采用了熱機(jī)械分析(TMA)作為用于測(cè)量線(xiàn)性熱膨脹系數(shù)的方法。所應(yīng)用的裝置是由Shimadzu Corp.生產(chǎn)的TMA-50型熱機(jī)械分析儀。測(cè)量溫度的范圍是-100℃至500℃。升溫速度是2℃/min，并且測(cè)量氣氛是大氣。
在-30℃至160℃的溫度范圍下，實(shí)施例4的薄板的熱電系數(shù)為271μCm-2K-1。另一方面，對(duì)比例1的薄板的熱電系數(shù)是581μCm-2K-1或者是比實(shí)施例4的兩倍還大。這表明根據(jù)本發(fā)明的晶粒壓電陶瓷的應(yīng)用允許實(shí)現(xiàn)，其中由環(huán)境溫度變化所導(dǎo)致的端電壓的變化受到限制的壓電促動(dòng)器。
(實(shí)施例11)(斷裂載荷差異)圖10顯示了分別對(duì)在實(shí)施例5和對(duì)比例1中所生產(chǎn)的燒結(jié)壓制品(壓電陶瓷)所進(jìn)行的關(guān)于斷裂載荷的測(cè)量結(jié)果的Weibull分布。
在圖10中，橫坐標(biāo)軸顯示了斷裂載荷F[N]的自然對(duì)數(shù)并且縱軸顯示了斷裂概率[％]。
為了測(cè)量斷裂載荷，將燒結(jié)壓制品研磨或者加工成具有0.4mm厚乘7mm的形狀，并且其四個(gè)角是倒角尺寸為1mm的C-倒角。這樣，就生產(chǎn)了用于測(cè)量的試樣。
使用自動(dòng)繪圖儀，采用了雙軸彎曲測(cè)試方法(球環(huán)方法)作為用于測(cè)量斷裂載荷的方法。所應(yīng)用的環(huán)是外直徑為6mm并且內(nèi)直徑為4mm的SC211型環(huán)，并且所應(yīng)用的球是由氧化鋯(ZrO2)制備的并且具有2mm的直徑。環(huán)和球都被鏡面拋光。此外，加載速度是0.5mm/min。由實(shí)施例5所生產(chǎn)的試樣數(shù)，N，是26，并且由對(duì)比例1所生產(chǎn)的試樣數(shù)，N，是25。
施加于實(shí)施例5上的斷裂載荷F的平均值是11.7N(最大值是12.9N，并且最小值是9.9)。Weibull系數(shù)m是17.7。另一方面，施加于對(duì)比例1上的斷裂載荷的平均值是7.2N(最大值是7.6N，并且最小值是6.7)。Weibull系數(shù)m是34.8。施加于該實(shí)施例上的斷裂載荷比施加于對(duì)比例上的載荷的兩倍還大。
因此，根據(jù)本發(fā)明的晶粒定向壓電陶瓷的應(yīng)用允許實(shí)現(xiàn)雖然在組裝或驅(qū)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生應(yīng)力但很難斷裂的促動(dòng)器。
(實(shí)施例12)機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm的溫度特性圖11顯示了對(duì)在實(shí)施例4，實(shí)施例5，對(duì)比例2，和對(duì)比例3中所生產(chǎn)的壓電元件所進(jìn)行的關(guān)于機(jī)械品質(zhì)因數(shù)(Qm)的溫度特性的測(cè)量結(jié)果。
實(shí)施例4和實(shí)施例5在溫度25℃(室溫)附近顯示了小的值。在高于和低于25℃，它的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)較大。
在-30至80℃的溫度范圍內(nèi)由實(shí)施例4所表示的最大值是在80℃下觀察到的32.6。此外，在高于80℃的溫度范圍內(nèi)，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)變大，也就是說(shuō)，在100℃該機(jī)械品質(zhì)因數(shù)是48.4，并且在160℃是73.4。
在-30至80℃的溫度范圍內(nèi)，由實(shí)施例5所表示的最大值是在80℃下觀察到的41.2。此外，在高于80℃的溫度范圍內(nèi)，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)變大，也就是說(shuō)，在100℃該機(jī)械品質(zhì)因數(shù)是81.6，并且在160℃是103.1。
另一方面，在-30至80℃的溫度范圍內(nèi)，由對(duì)比例2所表示的最大值是在-30℃時(shí)的66.2。此外，對(duì)比例3在-30℃顯示了61.1。
因此，根據(jù)本發(fā)明的晶粒定向壓電陶瓷的應(yīng)用使其有可能在-30至80℃的溫度范圍內(nèi)，降低包括在促動(dòng)器內(nèi)的整個(gè)振蕩系統(tǒng)的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm，并且從而允許實(shí)現(xiàn)其中共振點(diǎn)和任何其他點(diǎn)的聲壓差受到限制的聲學(xué)部件。
(實(shí)施例13)介電損失tanδ的溫度特性圖12、圖13、和圖14顯示了，對(duì)在實(shí)施例5中所生產(chǎn)的壓電元件所進(jìn)行的，分別關(guān)于楊氏模量(Y11E)、共振頻率(Fr)、和介電損失(tanδ)的溫度依賴(lài)性的測(cè)試結(jié)果。
在-30至80℃的溫度范圍內(nèi)，在-10℃或更低的溫度下楊氏模量(Y11E)降低。樣式模量的最小值是在-30℃下觀察到的91GPa。在-10℃或更低的溫度下共振頻率(Fr)也降低。共振頻率的最小值是在-30℃觀察的353kHz或者是大于由對(duì)比例5在室溫(25℃)下表現(xiàn)出的81kHz。
因此，根據(jù)本發(fā)明的晶粒定向壓電陶瓷的應(yīng)用允許實(shí)現(xiàn)在-30至160℃的溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出高共振頻率的促動(dòng)器。
此外，在0℃-30℃的溫度范圍內(nèi)，介電損失(tanδ)很高，并且基本保持為約3％的恒定值。在80℃-160℃的溫度范圍內(nèi)，介電損失(tanδ)為約1.2％那么低。根據(jù)本發(fā)明的晶粒定向壓電陶瓷的應(yīng)用，使其有可能在被驅(qū)動(dòng)促動(dòng)器的熱耗散造成問(wèn)題的高溫下，將介電損失(tanδ)保持很低。因此，來(lái)自促動(dòng)器的熱耗散將可能受到限制。
表1
表2(實(shí)施例1)
表3(實(shí)施例2)
表4(實(shí)施例3)
表5(實(shí)施例4)
表6(實(shí)施例5)
表7
表8
表9
權(quán)利要求
1.一種壓電促動(dòng)器，其包括壓電元件和保持該壓電元件的保持構(gòu)件，所述壓電元件具有形成于壓電陶瓷片表面上的一對(duì)電極，其中該壓電陶瓷滿(mǎn)足下面的要求(a)-(e)中的至少一種要求(a)堆密度應(yīng)該等于或小于5g/cm3，根據(jù)共振-反共振方法計(jì)算的楊氏模量Y11E應(yīng)該等于或大于90GPa；(b)導(dǎo)熱系數(shù)應(yīng)該等于或大于2Wm-1K-1；(c)在-30℃至160℃的溫度范圍內(nèi)，熱膨脹系數(shù)應(yīng)該等于或大于3.0ppm/℃；(d)在-30℃至160℃的溫度范圍內(nèi)，熱電系數(shù)應(yīng)該等于或小于400μCm-2K-1；(e)在-30℃至80℃的溫度范圍內(nèi)，根據(jù)共振-反共振方法計(jì)算的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm應(yīng)該等于或小于50。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電促動(dòng)器，其中當(dāng)該壓電促動(dòng)器是在驅(qū)動(dòng)電壓應(yīng)具有100V/mm或更大的恒定電場(chǎng)強(qiáng)度大小的驅(qū)動(dòng)條件下被驅(qū)動(dòng)的時(shí)候，滿(mǎn)足下面所描述的要求(f)和(g)(f)在-30℃至80℃的溫度范圍內(nèi)，通過(guò)用電場(chǎng)強(qiáng)度除由壓電促動(dòng)器在所施加的電場(chǎng)方向中所表現(xiàn)的應(yīng)變所計(jì)算的動(dòng)應(yīng)變D33的大小應(yīng)等于或大于250pm/V；以及(g)在-30℃至80℃的溫度范圍內(nèi)，從溫度變化導(dǎo)出的動(dòng)應(yīng)變大小D33的變化寬度WD33應(yīng)該在±14％內(nèi)，WD33是由下面的方程式(1)表示的WD33(％)＝[{2×D33max/(D33max+D33min)}-1]×100(1)其中D33max表示在-30℃至80℃的溫度范圍內(nèi)所觀察的動(dòng)應(yīng)變大小的最大值，D33min表示在-30℃至80℃的溫度范圍內(nèi)所觀察的動(dòng)應(yīng)變大小的最小值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的壓電促動(dòng)器，其中當(dāng)該壓電促動(dòng)器是在驅(qū)動(dòng)電壓應(yīng)具有100V/mm或更大的恒定電場(chǎng)強(qiáng)度大小的驅(qū)動(dòng)條件下被驅(qū)動(dòng)的時(shí)候，滿(mǎn)足下面的要求(h)和(i)(h)在-30℃至160℃的溫度范圍內(nèi)，通過(guò)用電場(chǎng)強(qiáng)度除由壓電促動(dòng)器在所施加的電場(chǎng)方向中所表現(xiàn)的應(yīng)變所計(jì)算的動(dòng)應(yīng)變大小D33應(yīng)等于或大于250pm/V；并且(i)在-30℃至160℃的溫度范圍內(nèi)，由溫度變化導(dǎo)出的動(dòng)應(yīng)變大小D33的變化寬度WD33應(yīng)該在±14％內(nèi)，WD33是由下面的方程式(2)表示的WD33(％)＝[{2×D33max/(D33max+D33min)}-1]×100(2)其中D33max表示在-30℃至160℃的溫度范圍內(nèi)所觀察的動(dòng)應(yīng)變大小的最大值，D33min表示在-30℃至160℃的溫度范圍內(nèi)所觀察的動(dòng)應(yīng)變大小的最小值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的壓電促動(dòng)器，其中所述壓電促動(dòng)器被用于燃油噴射閥。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的壓電促動(dòng)器，其中所述壓電促動(dòng)器被用于聲納、超聲馬達(dá)、和壓電超聲換能器中的任意一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的壓電促動(dòng)器，其中所述壓電促動(dòng)器被用于壓電發(fā)聲部件。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的壓電促動(dòng)器，其中所述壓電促動(dòng)器是具有交替層疊的壓電陶瓷片和電極的層合壓電元件。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的壓電促動(dòng)器，其中所述壓電陶瓷是不含鉛的壓電陶瓷。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的壓電促動(dòng)器，其中所述壓電陶瓷是由多晶物質(zhì)制備的且使構(gòu)成多晶物質(zhì)的晶粒特定晶面定向的晶粒定向壓電陶瓷，所述多晶物質(zhì)的主相以由通式{Lix(K1-yNay)1-x}{Nb1-z-wTazSbw}O3表示的各向同性鈣鈦礦化合物的形式存在，其中0≤x≤0.2，0≤y≤1，0≤z≤0.4，0≤w≤0.2，x+z+w＞0。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的壓電促動(dòng)器，其中代表晶粒定向壓電陶瓷的通式{Lix(K1-yNay)1-x}{Nb1-z-wTazSbw}O3中的x、y和z值滿(mǎn)足由下面的方程式(3)和(4)表示的關(guān)系9x-5z-17w≥-318 (3)-18.9x-3.9z-5.8w≤-130(4)
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的壓電促動(dòng)器，其中根據(jù)Lotgering’s方法計(jì)算的、構(gòu)成所述晶粒定向壓電陶瓷的晶粒的偽立方{100}平面的定向度等于或大于30％，并且晶系在10℃-160℃的溫度范圍內(nèi)是四方晶系。
全文摘要
本發(fā)明提供了具有優(yōu)良實(shí)用性的壓電促動(dòng)器。該壓電促動(dòng)器包括壓電元件(2)，和保持該壓電元件(2)的保持構(gòu)件(4)，該壓電元件(2)包括壓電陶瓷片和形成在該壓電陶瓷片至少一部分表面上的電極。該壓電陶瓷滿(mǎn)足下面所描述的要求(a)－(e)中的至少一種要求(a)堆密度應(yīng)該等于或小于5g/cm
文檔編號(hào)H02N2/00GK101053089SQ20058003775
公開(kāi)日2007年10月10日 申請(qǐng)日期2005年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月13日
發(fā)明者長(zhǎng)屋年厚, 野野山龍彥, 中村雅也, 齋藤康善, 高尾尚史, 本間隆彥, 鷹取一雅 申請(qǐng)人:株式會(huì)社電裝