压电材料、压电元件和电子装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供压电材料、压电元件和电子装置。本发明专利技术提供了一种在宽的操作温度范围中具有高压电常数和高机械品质因数的无铅压电材料。该压电材料包括由通式(1)表达的钙钛矿型金属氧化物作为主要成分：(Ba1‑xCax)a(Ti1‑yZry)O3(1.00≤a≤1.01、0.125≤x<0.155以及0.041≤y≤0.074)。金属氧化物含有的Mn的含量为相对100重量份金属氧化物换算成金属计为0.12重量份以上、0.40重量份以下。

Piezoelectric, piezoelectric and electronic devices

The invention provides a piezoelectric material, a piezoelectric element and an electronic device. The invention provides a lead-free piezoelectric material with high voltage constant and high mechanical quality factor in a wide operating temperature range. The piezoelectric material includes a general formula (1) perovskite type metal oxide as the main component of the expression (Ba1: xCax a (Ti1) yZry (1) O3 = a = 1.01, 0.125 = x< 0.155 and y = 0.041 ~ 0.074). The content of Mn in metal oxides is converted to 100 weight parts of metal oxide into metals with more than 0.12 weight and 0.40 weight.

【技术实现步骤摘要】
压电材料、压电元件和电子装置本申请是申请号为“201380020215.3”、申请日为2013年03月07日、专利技术名称为“压电材料、压电元件和电子装置”的中国专利申请的分案申请。
本专利技术涉及压电材料，尤其是涉及无铅压电材料。本专利技术还涉及压电元件和包括压电材料的多层压电元件、多层压电元件的制造方法、液体排出头、液体排出装置、超声波马达、光学装置、振动装置、除尘装置、图像拾取装置以及电子装置。
技术介绍
一般地，压电材料是ABO3钙钛矿型金属氧化物，如锆钛酸铅(下文中被称为“PZT”)。然而，由于PZT包含作为A位元素的铅，其对环境的影响具有争议。因此，存在对无铅钙钛矿型金属氧化物的压电元件的需要。已知钛酸钡是无铅钙钛矿型金属氧化物的压电材料。此外，为了改进压电材料的特性，已经开发了基础组成为钛酸钡的材料。专利文献1和非专利文献1公开了具有改进的压电特性的材料，其用Ca代替一部分钛酸钡的A位以及用Zr代替一部分B位。然而，这些材料具有低的居里温度，例如80℃以下，因此在高温环境下例如在夏天的车内导致退极化，从而减小了压电特性。此外，由于其机械品质因数低，因此在向其施加交流电压时容易出现退极化。专利文献2和非专利文献2公开的材料中用Ca代替一部分钛酸钡的A位，并添加Mn、Fe或Cu。与钛酸钡相比，尽管这些材料具有优异的机械品质因数，但是遗憾地是它们的压电特性低。引用列表专利文献专利文献1日本专利特开第2009-215111号公报专利文献2日本专利特开第2010-120835号公报非专利文献非专利文献1应用物理杂志，2011年，第109卷，从054110-1到054110-6非专利文献2日本应用物理杂志，2010年，第49卷，从09MD03-1到09MD03-4
技术实现思路
技术问题本专利技术提供了一种在宽的操作温度范围中具有高压电常数和高机械品质因数的无铅压电材料。解决问题的方案根据本专利技术的压电材料包括由通式(1)表达的钙钛矿型金属氧化物作为主要成分：(Ba1-xCax)a(Ti1-yZry)O3(1.00≤a≤1.01、0.125≤x&lt;0.155以及0.041≤y≤0.074)，其中，金属氧化物含有的Mn的含量为相对100重量份金属氧化物换算成金属计为0.12重量份以上、0.40重量份以下。专利技术的有益效果本专利技术能够提供一种在宽的操作温度范围中具有高压电常数和高机械品质因数的无铅压电材料。通过下面参考附图对示例性实施例的描述，本专利技术的其他特征将变得明显。附图说明图1是示出了本专利技术的示例1至22和比较例1至9的压电材料的x值和y值之间的关系的曲线图，其中，虚线围成的区域是本专利技术的x值和y值的范围。图2是示出了压电元件的结构的一个实施例的示意图。图3A和3B是示出了多层压电元件的结构的一个实施例的示意性剖视图。图4A和4B是示出了液体排出头的结构的一个实施例的示意图。图5是示出了液体排出装置的一个实施例的示意图。图6是示出了液体排出装置的一个实施例的示意图。图7A和7B是示出了超声波马达的结构的一个实施例的示意图。图8A和8B是示出了光学装置的一个实施例的示意图。图9是示出了光学装置的一个实施例的示意图。图10A和10B是示出了在除尘装置中使用振动装置时的一个实施例的示意图。图11A至11C是示出了除尘装置中的压电元件的结构的示意图。图12A和12B是示出了除尘装置的振动原理的示意图。图13是示出了图像拾取装置的一个实施例的示意图。图14是示出了图像拾取装置的一个实施例的示意图。图15是示出了电子装置的一个实施例的示意图。具体实施方式现在将描述本专利技术的实施例。根据本专利技术的压电材料包括的主要成分为由通式(1)表达的钙钛矿型金属氧化物:(Ba1-xCax)a(Ti1-yZry)O3(1.00≤a≤1.01、0.125≤x&lt;0.155以及0.041≤y≤0.074)，其中，金属氧化物含有的Mn含量为相对100重量份金属氧化物换算成金属计为0.12重量份以上、0.40重量份以下。在上面的描述中，以通式(1)表示的“钙钛矿型金属氧化物包括的主要成分”是指：用于表达压电特性的主要成分是由通式(1)表示的钙钛矿型金属氧化物。例如，压电材料可以含有用于调节其性质的成分(例如上述的锰)或在制造过程中引入的杂质。正如岩波第5版物理化学辞典(岩波书店，1998年2月20日出版)描述地那样，本专利技术中的钙钛矿型金属氧化物是指具有钙钛矿结构的金属氧化物，它是理想的四方晶体结构。具有钙钛矿结构的金属氧化物一般由化学式ABO3表达。在钙钛矿型金属氧化物中，元素A和B分别以离子形式占据被称为A位和B位的特定晶胞位置。例如，在立方晶胞中，元素A位于立方体的顶点，而元素B位于立方体的体心位置。元素O作为氧阴离子占据面心位置。在通式(1)表示的金属氧化物中，位于A位的金属元素是Ba和Ca，位于B位的金属元素是Ti和Zr。然而，一部分Ba和Ca原子可位于B位。同样地，一部分Ti和Zr原子可以位于A位。在通式(1)中B位的元素与元素O的摩尔比基本上是1:3，但该摩尔比可以稍微偏移(例如，在1.00:2.94至1.00:3.06的范围)，只要钙钛矿结构是金属氧化物的主相即可。这种情况包括在本专利技术的范围内。“钙钛矿结构是主相”是指：在压电材料粉末的X射线衍射中表现出最大衍射强度的峰来自于钙钛矿型结构。此外，主相可以是“单相”，其中，具有钙钛矿结构的晶体大体上占据整个相。金属氧化物的钙钛矿结构可以通过结构分析来证实，例如X射线衍射或电子束衍射。根据本专利技术的压电材料可以是任何形式，如陶瓷、粉末、单晶体、薄膜或浆料，特别地可以是陶瓷。在整个说明书中，术语“陶瓷”指的是晶粒的凝集体(也称为块体)，其基础成分是通过热处理烧制的金属氧化物，即所谓的多晶体；并且也包括在烧结后进行处理的晶体。在通式(1)中，“a”表示在A位的Ba和Ca的摩尔量与在B位的Ti和Zr的摩尔量的比率，其范围是1.00≤a≤1.01。如果a的值小于1.00，则晶粒趋向于不正常生长，从而降低材料的机械强度。相反地，如果a的值大于1.01时，则晶粒生长需要的温度过高，这使得在普通的烧结炉中烧结是不可能的。这里，“不可能烧结”是指不能获得足够的密度或者在压电陶瓷中形成大量的孔或缺陷。在通式(1)中，“x”表示在A位的Ca的摩尔比，其范围是0.125≤x&lt;0.155。如果x的值小于0.125，则例如在-10℃至50℃的操作温度下出现晶体结构的相变，进而不利地影响耐久性。相反地，如果x的值为0.155以上，则压电特性不足。从提供更好的压电特性的角度来看，x值的范围可为0.125≤x≤0.145。在通式(1)中，“y”表示在B位的Zr的摩尔比，其范围是0.041≤y≤0.074。如果y的值小于0.041，则压电性能不足。相反地，如果y的值大于0.074，则居里温度(Tc)低至小于100℃，从而在高温下失去压电特性。从提供更好的压电性能的角度来看，y值的范围可为0.051≤y≤0.074。在整个说明书中，术语“居里温度”是指材料的铁电性丧失时的温度。一般地，压电材料的压电特性在不低于居里温度的温度下也会丧失。可通过改变测量温度以确定铁电性丧失时的温度来直接地测量本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压电材料，包括：由通式(1)表达的钙钛矿型金属氧化物作为主要成分：(Ba1‑xCax)a(Ti1‑yZry)O3，其中1.00<a≤1.01、0.125≤x<0.155以及0.041≤y≤0.074；以及Mn成分，其中，压电材料含有的Mn的含量为相对100重量份金属氧化物换算成金属计为0.12重量份以上、0.30重量份以下，并且其中压电材料的晶粒的平均等效圆直径为1μm以上、10μm以下。

【技术特征摘要】
2012.03.16 JP 2012-0602371.一种压电材料，包括：由通式(1)表达的钙钛矿型金属氧化物作为主要成分：(Ba1-xCax)a(Ti1-yZry)O3，其中1.00&lt;a≤1.01、0.125≤x&lt;0.155以及0.041≤y≤0.074；以及Mn成分，其中，压电材料含有的Mn的含量为相对100重量份金属氧化物换算成金属计为0.12重量份以上、0.30重量份以下，并且其中压电材料的晶粒的平均等效圆直径为1μm以上、10μm以下。2.根据权利要求1所述的压电材料，其中，压电材料具有100℃以上的居里温度。3.根据权利要求1或2所述的压电材料，其中，在通式(1)中y的值介于0.051≤y≤0.074的范围。4.根据权利要求1或2所述的压电材料，其相对密度为97.0％以上、100％以下。5.根据权利要求1或2所述的压电材料，其进一步包含除了由通式(1)表达的成分和Mn以外的辅助成分，其中相对于通式(1)表达的100重量份的钙钛矿型金属氧化物，辅助成分为1.2重量份以下。6.根据权利要求1或2所述的压电材料，其中Mn的化合价为4+。7.一种压电元件，包括第一电极、压电材料和第二电极，其中，压电材料是根据权利要求1所述的压电材料。8.一种多层压电元件，包括交替堆叠的压电材料层和电极，电极包括内部...

【专利技术属性】
技术研发人员：松田坚义，古田达雄，清水康志，小山信也，上林彰，斋藤宏，久保田纯，明石健一，林润平，
申请(专利权)人：佳能株式会社，
类型：发明
国别省市：日本,JP