压电陶瓷、其制造方法、压电元件、排液头和超声波马达技术

压电陶瓷，包括钛酸钡和相对于钛酸钡为0.04质量％-0.20质量％的锰。该压电陶瓷由晶粒组成。该晶粒包括具有30μm-300μm的圆当量直径的晶粒A和具有0.5μm-3μm的圆当量直径的晶粒B。该晶粒A和该晶粒B各自形成聚集体并且该晶粒A的聚集体和该晶粒B的聚集体形成海岛结构。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术主要涉及压电陶瓷、该压电陶瓷的制造方法、压电元件、排液头和超声波马达。具体地，其涉及具有受控的晶粒尺寸并且由此显示良好的压电性能和机械强度的钛酸钡压电陶瓷、该压电陶瓷的制造方法、使用该压电陶瓷的压电元件以及使用排液元件的排液头和超声波马达。
技术介绍
ABO3钙钛矿型氧化物例如锆钛酸铅(以下称为“PZT”)通常用作压电陶瓷。但是，由于PZT含有铅作为A-位点元素，因此PZT会对周围环境产生不利影响。因此，寻求使用不含铅的钙钛矿型氧化物的压电陶瓷。钛酸钡被称为不含铅的钙钛矿型压电陶瓷材料。日本专利公开No. 2008-150247 公开了通过电阻加热/两步烧结技术制备的钛酸钡。日本专利公开No. 2008-150247还公开了通过该两步技术烧结纳米尺寸的钛酸钡粉末时，得到具有5 μ m以下的最大晶粒直径和良好的压电特性的陶瓷。但是，根据该两步烧结技术，第一烧结温度的保持时间必须短。结果，待烧结的陶瓷的温度变得不均一并且无法经常使压电特性令人满意地再现。例如，如果保持时间约为 1分钟，实用尺寸的钛酸钡陶瓷片的温度无法变得均一。换言之，无法在烧结陶瓷的所有部分实现理想的纳米结构。因此，尚不存在实现足以替代PZT的压电特性的钛酸钡陶瓷。可通过增加晶粒直径来改善钛酸钡的压电性能。日本专利No. 40390 公开了钙掺杂的钛酸钡陶瓷的平均晶粒直径与压电常数之间的关系。当压电陶瓷的平均晶粒直径从 1.3μπι增加到60.9μπι时压电常数(d31)增加。在日本专利No. 4039029中，通过调节煅烧粉末的湿混时间来控制陶瓷的平均晶粒直径。此外，通过增加主烧成温度来使陶瓷的平均晶粒直径增加。但是，当通过上述技术增加钛酸钡陶瓷的平均晶粒直径时，使晶粒之间的接触面积减小。因此，陶瓷的机械强度下降并且在压电元件的加工和驱动过程中陶瓷部件变脆。总之，希望钛酸钡压电陶瓷同时实现良好的压电特性和高机械强度。
技术实现思路
希望提供具有良好的压电特性和机械强度的压电陶瓷、该压电陶瓷的制造方法、 包括该压电陶瓷的压电元件以及包括该压电元件的排液头和超声波马达。本专利技术的第一方面提供压电陶瓷，其包括钛酸钡和相对于钛酸钡为0.04质量％-0.20质量％的锰。该压电陶瓷由晶粒组成。该晶粒包括具有30μπι-300μπι的圆当量直径(equivalent circular diameter)的晶粒A禾口具有0. 5 μ m_3 μ m的圆当量直径的晶粒B。该晶粒A和该晶粒B各自形成聚集体(aggregates)并且该晶粒A的聚集体和该晶粒B的聚集体形成海岛结构。本专利技术的第二方面提供压电元件，其包括第一电极、压电陶瓷和第二电极，该压电陶瓷为上述的压电陶瓷。本专利技术的第三方面提供排液头，其包括上述的压电元件。本专利技术的第四方面提供超声波马达，其包括上述的压电元件。本专利技术的第五方面提供压电陶瓷的制造方法。该方法包括烧结至少含有钛酸钡颗粒1和钛酸钡颗粒2的混合物，该钛酸钡颗粒1含有以金属计为0. 05质量％ -2. 0质量％ 的锰，该钛酸钡颗粒2含有以金属计小于0. 04质量％的锰。本专利技术能够提供具有良好的压电特性和机械强度的压电陶瓷、该压电陶瓷的制造方法、包括该压电陶瓷的压电元件以及包括该压电元件的排液头和超声波马达。由以下对示例性实施方案的说明(参照附图)，本专利技术进一步的特征将变得清楚。附图说明图IA和IB是表示排液头的一个实施方案的示意图。图2A和2B是表示超声波马达的实施方案的示意图。图3A和;3B是实施例1的压电陶瓷的表面的偏光显微镜图像。图4A和4B是实施例2的压电陶瓷的表面的偏光显微镜图像。图5A和5B是实施例6的压电陶瓷的表面的偏光显微镜图像。具体实施例方式以下对本专利技术的实施方案进行说明。根据本专利技术实施方案的压电陶瓷含有钛酸钡和相对于钛酸钡为0.04质量％-0.20质量％的锰。该压电陶瓷由晶粒组成。该晶粒含有具有30μπι-300μπι的圆当量直径的晶粒A和具有0. 5 μ m-3 μ m的圆当量直径的晶粒B。该晶粒A和该晶粒B各自形成聚集体。该晶粒A的聚集体和该晶粒B的聚集体形成海岛结构。本专利技术中，“陶瓷”意指通过热处理烧结的晶粒的聚集体(也称为“块体”)，即多晶，并且包括烧结后进行了加工的那些。但是，将粉末和含有分散的粉末的浆料排除在该含义之外。压电陶瓷的主要组分是钛酸钡。钛酸钡可以是ABO3钙钛矿型晶体例如由通式 BaTiO3表示的那些。“主要组分”的含义是主要负责显示压电特性的组分是钛酸钡。例如，压电陶瓷可含有用于调节特性的组分例如锰和制备诱发的不可避免的杂质。具体地，压电陶瓷中钛酸钡含量为95质量％以上，优选97质量％以上，和更优选 99质量％ -99. 96质量％。可以以小于5质量％的量含有压电陶瓷中含有的除钛酸钡以外的组分。当以超过5质量％的量含有对压电特性无贡献的组分时，压电陶瓷整体的压电性可能变得不足。钛酸钡的钡(Ba)位点可部分地用其他二价金属或准二价金属置换。置换Ba 位点的二价金属的实例包括钙(Ca)和锶(Sr)。置换Ba位点的准二价金属的实例包括 (Bi0 5Na0.5)、(Bi0.5K0.5)、(Bi0.5Li0.5)、(La0.5Na0.5)、(La0 5K0 5)禾口(La0.5Li0.5)。用其他二价金属或准二价金属部分置换Ba位点的置换率为20原子％以下并且优选10原子％以下。当置换率超过20原子％时，可能无法令人满意地获得钛酸钡特有的高压电特性。钛酸钡的钛(Ti)位点可部分地用其他四价金属或准四价金属置换。置换Ti位点的四价金属的实例包括锆(&)、铪(Hf)、硅(Si)、锡(Sn)和锗(Ge)。置换Ti位点的准四价金属的实例包括二价金属与五价金属的组合(M2+1/3M5+2/3)、三价金属与五价金属的组合 (M3+1/2M5+1/2)以及三价金属与六价金属的组合(M3+2/3M6+1/3)。压电陶瓷含有0. 04质量％ -0. 20质量％且优选0. 05质量％ -0. 17质量％的锰，相对于钛酸钡组分。锰并不限于金属锰。只要其作为锰组分包含在压电陶瓷中，锰可为任何形式。例如，锰可固溶在钛酸钡中。压电陶瓷中含有的锰可以为金属形式、离子形式、氧化物形式、金属盐形式、络合物形式等。当含有钛酸钡作为主要组分的压电陶瓷以上述范围内的量含有锰组分时，绝缘性和机械品质因数(Qm)得到改善。如果锰含量小于0.04质量％， 不产生由添加锰带来的效果。当锰含量超过0. 20质量％时，由于具有低压电性的六方晶钛酸钡的混入，压电陶瓷整体的压电性可能变得不足。压电陶瓷的晶粒含有钛酸钡和锰。该晶粒包括具有30 μ m-300 μ m的圆当量直径的晶粒A和具有0. 5 μ m-3 μ m的圆当量直径的晶粒B。该晶粒A和该晶粒B各自形成聚集体。该晶粒A的聚集体和该晶粒B的聚集体形成海岛结构。具有30μπι-300μπι的圆当量直径的晶粒A改善压电陶瓷的压电性能。具有 0.5 μ m-3 μ m的圆当量直径的晶粒B形成聚集体并且进入晶粒A之间的间隙以增加填充性， 由此增加压电陶瓷的机械强度。如果陶瓷只含有晶粒A的聚集体，晶粒之间的接触面积减小并且由此使机械强度降低。机械强度的降低倾向于将陶瓷在压电元件中使用本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．压电陶瓷，包括：钛酸钡；和相对于钛酸钡为０．０４质量％－０．２０质量％的锰，其中该压电陶瓷由晶粒组成，该晶粒包括具有３０μｍ－３００μｍ的圆当量直径的晶粒Ａ和具有０．５μｍ－３μｍ的圆当量直径的晶粒Ｂ，和该晶粒Ａ和该晶粒Ｂ各自形成聚集体并且该晶粒Ａ的聚集体和该晶粒Ｂ的聚集体形成海岛结构。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：久保田纯，古田达雄，斋藤宏，伊福俊博，武田宪一，福井哲朗，
申请(专利权)人：佳能株式会社，
类型：发明
国别省市：JP