压电材料及其制造方法以及非线性压电元件技术

本发明专利技术提供压电材料及其元件以及其制造方法。其是具有可动性的点缺陷的压电材料，具有可动性的点缺陷被按照使其短程有序对称与强介电相的晶体对称性一致的方式配置，利用所述强介电体材料中的畴的电场下的可逆的转换来实现较大的非线性压电效应，即使在低电压下位移也很大，并且位移急剧。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及压电材料和压电元件，特别涉及能够用小电压使之很大地位移的非线性压电性的材料及其元件。
技术介绍
一直以来，作为获得利用电场造成的变形的方法，已知有如下所示的两种方法。(1)在使用强介电体的强介电相进行了极化处理后，得到大致为线性的压电效应(利用电场造成的变形)。该方法的特征是，使用强介电体，将畴(domin)利用极化处理固定(即，使畴不旋转)，利用电场的施加来移动晶体中的正离子和负离子，得到线性的压电位移。作为代表性的例子，压电材料Pb(ZrTi)O3(PZT)使用该方法获得了压电效应。这是被称为所谓的极化处理了的PZT陶瓷[软型(参照附图3的曲线a)及硬型(参照图3的曲线b)]。(2)使用反强介电体的电场感应相转移获得非线性的压电效应。该方法的特征是，使用反强介电体，通过施加强电场，使之改变为强介电状态，获得非线性位移[所谓的利用PNZST陶瓷的电场感应反介电体-介电体相转移得到的变形的类型(参照图3的曲线c)与之相当]。对于采用以上的任意一种方法，利用电场获得变形的压电材料以及压电元件，近年来，随着向加速度传感器、撞击传感器、AE传感器等传感器或超声波微型传声器、压电扬声器、压电促动器、超声波马达、打印机喷头、喷墨打印机用注射器等中的应用迅速地拓展，在向促动器或传感器中的应用上，对于压电元件要求较高的转换效率。特别是，对于从电压转换为位移的促动器，要求即使用低电压也可以获得较大的冲击(stroke)(位移)的效果。另外，最好位移是非线性的(例如在临界电压下位移急剧地增加等)。但是，如上所述的以往的技术中，有如下的问题。例如，对于所述(1)的以往技术的情况(参照图3的曲线a、b)，①低电压下位移很小(1000V/mm的电场下仅位移0.01-0.1％)。②只能用电场的近似线性的函数来变形。③需要沿电极方向进行极化处理。另外，在所述(2)的以往技术的情况下(参照图3的曲线c)，有①驱动电场很大(＞2500V/mm)。②最大变形很小(0.01-0.08％)。③特性对于温度非常敏感的问题。所以，本申请的专利技术人对于以往的压电材料进行了根本性的再次研究。此时所关注的内容为，以往的压电材料的反压电·电致变形效应起因于压电材料中的离子在电场下微小的移动，晶体构造略微收缩，利用此种过程得到的电致变形非常小。另一方面，关注在压电材料中存在有电极化方向不同的区域(畴)的情况。畴之间的极化方向因晶体对称性而具有180°或90°等角度。当施加电场时，就会按照极化方向沿着电压方向的方式引起畴转换。例如，作为极化与电场垂直的a-畴，在施加电场后被与电场一致地转换为c-畴。伴随着该畴转换，具有较低对称性的强介电相的长轴方向和短轴方向就会交换。该过程中所得的变形的大小为长轴和短轴的差，虽然因材料而有所不同，但是该变形最大为1-5％。该值与通常的压电效应相比大数十倍或以上。但是，由于该巨大的压电效应通常来说为不可逆的，因此其有用性很低。但是，专利技术人注意到了如下的观点，即，通过将此种畴交换设为可逆的形式，可以获得巨大的电致变形效应。
技术实现思路
这样，专利技术人鉴于如上所述的状况进行了深入研究，其目的在于，基于新的原理，提供即使在低电压下位移也很大并且位移急剧而可以显著地体现非线性特征的压电材料和使用了它的非线性压电元件、作为其应用的电器或机械。本申请提供能够解决以上的问题的以下的专利技术。一种压电材料，是具有可动性的点缺陷的强介电体压电材料，其特征是，可动性的点缺陷被按照使其短程有序对称与强介电相的晶体对称性一致的方式配置，利用畴的电场下的可逆的转换来体现非线性压电效应。具有如下特征的所述的压电材料，即，可动性的点缺陷是由化学平衡或添加元素导入的构成强介电体的元素的空穴。具有如下特征的所述任意一项的压电材料，即，在居里温度或以下被时效处理而将点缺陷的短程有序对称与强介电相的晶体对称性一致地配置。具有如下特征的所述任意一项的压电材料，即，其为单晶体或多晶体。具有如下特征的所述任意一项的压电材料，即，其为薄膜。具有如下特征的所述任意一项的压电材料，即，其为多层膜。具有如下特征的所述任意一项的压电材料，即，强介电体为ABO3型的材料。具有如下特征的所述任意一项的压电材料，即，强介电体为BaTiO3(Ba，Sr)TiO3型。具有如下特征的所述任意一项的压电材料，即，强介电体为Pb(Zr，Ti)O3或(Pb，稀土类元素)(Zr，Ti)O3型。具有如下特征的所述任意一项的压电材料，即，添加有其他元素。具有如下特征的所述任意一项的压电材料，即，其他元素为碱金属、碱土类金属及过渡金属当中的一种或以上的元素。具有如下特征的所述任意一项的压电材料，即，其他元素被以20摩尔％或以下的比例添加。具有如下特征的所述任意一项的压电材料，即，所添加的其他元素为Na、K、Mg、Ca、Al、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Zn、Ga、Rb、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Ag、Sn、Hf、Ta、W、Os、Ir、Pt、Pb、Bi及稀土类元素当中的一种或以上。一种体现非线性压电效应的压电材料，其特征是，其为ABO3型的强介电体或在其中添加了其他元素的强介电体的至少一种，在居里温度或以下被进行时效处理。具有如下特征的体现非线性压电效应的所述压电材料，即，其为BaTiO3、(Ba，Sr)TiO3及在它们中添加了K、Fe及Mn当中的一种或以上的强介电体的至少一种。具有如下特征的体现非线性压电效应的所述压电材料，即，其为(Pb，La)(Zr，Ti)O3强介电体。一种压电材料的制造方法，是以上任意一项的压电材料的制造方法，其特征是，实施向强介电体材料中导入具有可动性的点缺陷的工序、按照使所述具有可动性的点缺陷的短程有序对称与强介电相的晶体对称性一致的方式配置点缺陷的工序，能够利用所述强介电体材料中的畴的电场下的可逆的转换来体现非线性压电效应。一种体现非线性压电效应的压电材料的制造方法，其特征是，将ABO3型的强介电体或在其中添加了其他元素的强介电体的至少一种在居里温度或以下进行时效处理。具有如下特征的所述的压电材料的制造方法，其特征是，其为BaTiO3、(Ba，Sr)TiO3及在它们中添加了K、Fe及Mn当中的一种或以上的元素的强介电体的至少一种。具有如下特征的所述的压电材料的制造方法，其特征是，其为(Pb，La)(Zr，Ti)O3强介电体。一种非线性压电元件，其特征是，所述任意一项的压电材料至少被作为其构成的一部分。一种电器或机械或它们的部件，其特征是，非线性压电元件被作为构成的至少一部分装入。一种电器或机械或它们的部件，其特征是，所述任意一项的压电材料至少被作为其构成的一部分。如上所述的本申请的专利技术是如下导出的，即，专利技术人根据对已经进行了其基本的研究的晶体的点缺陷的普遍的纳米秩序的对称性的见解(Xiaobing Ren and Kazuhiro Otuka PHYSICAL REVIEW LETTERSVol.85，No.5，2000 July 31，pp.1016-1019)，作为用于获得所述巨大的电致变形效应的手段，利用点缺陷的对称性将压电材料的电极化方向不同的区域畴的转换设为可逆的形式。即，本申请的专利技术是被作为基于如上所述的新的技术见解的新型的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压电材料，是具有可动性的点缺陷的强介电体压电材料，其特征是，可动性的点缺陷被按照使其短程有序对称与强介电相的晶体对称性一致的方式配置，利用畴在电场下的可逆转换来实现非线性压电效应。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】JP 2003-5-13 134630/2003;JP 2004-3-30 101468/20041.一种压电材料，是具有可动性的点缺陷的强介电体压电材料，其特征是，可动性的点缺陷被按照使其短程有序对称与强介电相的晶体对称性一致的方式配置，利用畴在电场下的可逆转换来实现非线性压电效应。2.根据权利要求1所述的压电材料，其特征是，可动性的点缺陷是由化学平衡或添加元素导入的构成强介电体的元素的空穴。3.根据权利要求1或2所述的压电材料，其特征是，在居里温度或以下被时效处理而将点缺陷的短程有序对称与强介电相的晶体对称性一致地配置。4.根据权利要求1至3中任意一项所述的压电材料，其特征是，其为单晶体或多晶体。5.根据权利要求1至3中任意一项所述的压电材料，其特征是，其为薄膜。6.根据权利要求5所述的压电材料，其特征是，其为多层膜。7.根据权利要求1至6中任意一项所述的压电材料，其特征是，强介电体为ABO3型的材料。8.根据权利要求7所述的压电材料，其特征是，强介电体为BaTiO3(Ba，Sr)TiO3型。9.根据权利要求7所述的压电材料，其特征是，强介电体为Pb(Zr，Ti)O3或(Pb，稀土类元素)(Zr，Ti)O3型。10.根据权利要求7至9中任意一项所述的压电材料，其特征是，添加有其他元素。11.根据权利要求10所述的压电材料，其特征是，其他元素为碱金属、碱土类金属及过渡金属当中的一种或以上的元素。12.根据权利要求8或9所述的压电材料，其特征是，其他元素被以20摩尔％或以下的比例添加。13.根据权利要求10至12中任意一项所述的压电材料，其特征是，所添加的其他元素为Na、K、Mg、Ca、Al、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Zn、Ga、Rb、Sr、Y、Zr、Nb、...

【专利技术属性】
技术研发人员：任晓兵，
申请(专利权)人：独立行政法人科学技术振兴机构，独立行政法人物质材料研究机构，
类型：发明
国别省市：JP[日本]