壓電組合物和壓電元件的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及廣泛地利用在壓電發(fā)聲體、壓電傳感器、壓電驅動器（piezoelectric actuator)、壓電變壓器或者壓電超聲波馬達等領域中的壓電組合物以及壓電元件。
【背景技術】
[0002] 利用了壓電組合物的壓電元件具有通過從外部施加電場從而發(fā)生形變的效果、通 過受到來自外部的應力從而在表面產生電荷的效果，近年來，其被廣泛地利用在各種領域 中。
[0003] 例如，利用了鋯鈦酸鉛（Pb(Zr，Ti)03:PZT)等壓電組合物的壓電元件因為會發(fā)生 與施加電壓成比例的形變并且位移量為IXlO^V/V程度的水平，所以在微小的位置調整方 面表現(xiàn)優(yōu)異，并且還可以被利用于光學系統(tǒng)的微調。
[0004] 另外，除此之外，壓電組合物因為會產生與所施加的應力或者與由該應力而引起 的變形量成比例的大小的電荷，所以也可以作為用于讀取微小的力或者變形量的傳感器來 進行利用。
[0005] 進而，電壓組合物因為具有優(yōu)異的應答性，所以通過施加交流電場還能夠激發(fā)壓 電組合物自身或者處于與壓電組合物有接合關系的彈性體并引發(fā)共振，從而也可以作為壓 電變壓器、超聲波馬達等來進行利用。
[0006] 現(xiàn)在，實用化的大部分壓電組合物為由PbZr03(PZ)_PbTi03(PT)構成的固溶體類 (PZT系）。通過將各種副成分或者添加物加入到該PZT系壓電組合物中，從而能夠廣泛地 開發(fā)應對于多種多樣需求的壓電組合物。
[0007] 例如，從雖然機械品質因數(shù)（Qm)小但壓電常數(shù)（d)大且用于以直流性的使用方 法尋求大位移量的位置調節(jié)用的驅動器等中的壓電組合物，到雖然壓電常數(shù)（d)小但機械 品質因數(shù)（Qm)大且適合如超聲波馬達等超聲波發(fā)生元件那樣的交流性的用途的壓電組合 物，可以存在各種壓電組合物。
[0008] 另外，除了PZT系之外還存在作為壓電組合物被實用化的物質，但那些物質也基 本上是將鈮鎂酸鉛（Pb(Mg，Nb)03:PMN)等鉛類鈣鈦礦組成作為主成分的固溶體。
[0009] 然而，這些鉛類壓電組合物大量含有60~70質量％左右的即使在低溫下?lián)]發(fā)性 也極高的氧化鉛，考慮到對環(huán)境的影響而希望降低使用的氧化鉛。
[0010] 因此，如果今后壓電陶瓷以及壓電單晶的應用領域擴展，使用量增大，則壓電組合 物的無鉛化將成為極為重要的技術問題。
[0011] 作為完全不含有鉛的壓電組合物，例如已知有鈦酸鋇（BaTi03)或者鉍層狀鐵電體 等。但是，由于鈦酸鋇其居里點低至120°C，在該溫度以上壓電性消失，所以如果考慮通過焊 接的接合或者車載用等用途的話不實用。
[0012] 另一方面，鉍層狀鐵電體雖然通常具有400°C以上的居里點并且在熱穩(wěn)定性方面 表現(xiàn)優(yōu)異，但是晶體各向異性大。因此，需要用如熱鍛法那樣的通過施加的剪切應力而使自 發(fā)極化取向的手法，從而在生產性方面存在問題。
[0013] 另外，最近對于作為新的壓電組合物的鈦酸鉍鈉系組合物正在進行研宄。例如，在 專利文獻1中公開了含有鈦酸鉍鈉的壓電陶瓷組合物。
[0014] 專利文獻1的壓電陶瓷組合物含有基體材料（matrixmaterial)且該基體材料包 含具有鈣鈦礦結構的至少2種基體成分，或者所述壓電陶瓷組合物僅由該基體成分構成， 并且公開有以下的壓電陶瓷組合物，其中，第1基體成分選自以及BaE03，另一 種基體成分是Bi(Mea5Ea5) 03;A為堿金屬，特別是A選自鈉或鉀、或者堿金屬的混合物；E獨 立地選自鈦、鋯以及鈦與鋯的混合物；Me選自二價的金屬。
[0015] 現(xiàn)有技術文獻
[0016] 專利文獻
[0017] 專利文獻1 :日本特表2013-500919號公報

【發(fā)明內容】

[0018] 發(fā)明所要解決的技術問題
[0019] 然而，專利文獻1所公開的壓電組合物與鉛類壓電組合物相比，不能夠獲得充分 的壓電特性。尤其是因為自發(fā)極化低，所以要求進一步提高壓電特性。
[0020] 進一步，在Bi(Mea5Ea5)03*材料的情況下，會產生不能夠獲得高絕緣性的技術問 題。在將這樣的材料作為驅動器元件來進行制造的情況下，也產生在元件驅動時多數(shù)電流 流到材料中，電路的電力消耗增大的技術問題。為了解決這樣的技術問題，必須材料高電阻 化。
[0021] 因此，本發(fā)明研宄了可以得到自發(fā)極化以及電阻值增加的組成范圍。另外，從低公 害化、環(huán)境性以及生態(tài)學的觀點出發(fā)，其目的也在于通過制成不含鉛的化合物從而提供一 種優(yōu)異的壓電組合物以及壓電元件。
[0022] 解決技術問題的手段
[0023] 本發(fā)明人們?yōu)榱私鉀Q上述技術問題，用鈦酸鉍鈉系組合物來進行顯示良好壓電特 性的壓電組合物的驗證，從而發(fā)現(xiàn)與現(xiàn)有組成范圍不同的壓電組合物。
[0024] 該壓電組合物的特征在于：主成分包含鈣鈦礦型結構的下述通式所表示的物質。
[0025] (Bi(〇. 5x+y+z)Na0.5x)m (Tix+0.5yMg0.5yAlz) 03
[0026] 式中，0? 01 彡x彡 0? 8,0. 2 彡y彡 0? 8,0. 01 彡z彡 0? 6,0. 75 彡m彡 1. 0,并且 x+y+z= 1〇
[0027] 通過成為上述范圍的組成，從而能夠提高壓電特性、尤其是自發(fā)極化，進一步還能 夠使電阻率增加。
[0028] 另外，可以提供一種使用了上述壓電組合物的壓電元件，例如噴墨頭、壓電驅動器 中的驅動器位移大的壓電元件。由于能夠獲得高電阻率，所以在作為驅動器元件進行工作 的情況下，能夠抑制驅動電路的電力消耗。
[0029] 可以提供一種使用了上述壓電組合物的壓電傳感器，例如以用于自動停車系統(tǒng)等 的車間距離測定傳感器、液面?zhèn)鞲衅鞯葹榇淼某暡▊鞲衅髦械臏y定范圍長且靈敏度高 的壓電元件。另外，因為能夠獲得高的電阻率，所以能夠抑制在作為傳感器進行工作的情況 下的驅動電路的電力消耗。
[0030] 可以提供一種使用了上述壓電組合物的薄膜壓電裝置，例如壓電陀螺、加速度傳 感器、壓電薄膜泵。這些通過優(yōu)異的壓電特性，在壓電陀螺或加速度傳感器中能夠獲得高的 傳感器靈敏度，另外，在壓電泵中能夠獲得高的泵流量。
[0031]發(fā)明的效果
[0032] 如上所述，本發(fā)明所涉及的壓電組合物具有自發(fā)極化大并且電阻率也大的特征。 另外，因為不使用鉛，所以從低公害化、環(huán)境性以及生態(tài)學的觀點出發(fā)極為優(yōu)異。而且，該材 料能夠得到優(yōu)異的壓電特性。
【附圖說明】
[0033]圖1是壓電薄膜元件的截面模式圖。
[0034] 圖2是層疊體的截面模式圖。
[0035] 實施方式
[0036] 以下就本發(fā)明的實施方式進行詳細地說明。
[0037] 本發(fā)明的第1實施方式的壓電組合物的特征在于：主成分包含鈣鈦礦型結構的下 述通式所表示的物質，
[0038] (Bi(〇. 5x+y+z)Na0.5x)m (Tix+0.5yMg0.5yAlz) 03
[0039] 式中，0? 01 彡x彡 0? 8,0. 2 彡y彡 0? 8,0. 01 彡z彡 0? 6,0. 75 彡m彡 1. 0,并且 x+y+z= 1〇
[0040] 上述x的范圍優(yōu)選為0. 01 <x< 0. 8,在x小于0. 01的情況下，難以形成鈣鈦礦 結構。在x大于0. 8的情況下，不能獲得充分的壓電特性。
[0041] 進一步，y的范圍優(yōu)選為0. 2彡y彡0. 8的范圍，在y小于0. 2的情況下，不能獲 得充分的壓電特性。在y大于〇. 8的情況下，伴隨異相產生壓電特性降低或者電阻率降低。
[0042] 進一步，z的范圍優(yōu)選為0. 01彡z彡0. 6的范圍，在z小于0. 01的情況下，不能 獲得充分的壓電特性。在z大于0. 6的情況下，伴隨鈣鈦礦結構以外的異相產生壓電特性 降低。
[0043] 上述通式的m優(yōu)選為0.75 1.0的范圍。m表示在壓電組合物整體中鈣鈦礦 結構化合物