壓電材料、壓電元件、壓電元件的制造方法和電子器件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及壓電材料，具體地，設(shè)及不含鉛的壓電材料。本發(fā)明還設(shè)及使用該壓電 材料的壓電元件、多層壓電元件、排液頭、排液裝置、超聲波馬達(dá)、光學(xué)器件、振動器件、除塵 器件、成像裝置和電子器件W及該壓電元件的制造方法。
【背景技術(shù)】
[000引通常，壓電材料是AB03型巧鐵礦金屬氧化物例如鐵酸鉛錯（W下稱為叩ZT")。但 是，PZT含有鉛作為A位點元素，因此，將PZT的環(huán)境影響視為問題。因此，需要使用不含鉛 的巧鐵礦金屬氧化物的壓電材料。
[0003] 作為使用不含鉛的巧鐵礦金屬氧化物的壓電材料，已知鐵酸領(lǐng)。進(jìn)而，為了改善壓 電材料的性能，基于鐵酸領(lǐng)的組成開發(fā)了材料。
[0004] 日本專利申請公開No. 11-060334討論了通過用Zr置換鐵酸領(lǐng)的一部分B位點W 使斜方相與四方相之間的相變點Lt遷移到室溫附近并且利用起因于相變的介電常數(shù)的局 部最大值來改善壓電性能（壓電常數(shù)）的材料。
[000引但是，日本專利申請公開No. 11-060334中，為了改善室溫附近的壓電性能，使相 變點Lt遷移到室溫附近，并且利用介電常數(shù)的局部最大值。運(yùn)使得在器件運(yùn)轉(zhuǎn)溫度范圍 (-25°C至50°C)內(nèi)介電常數(shù)的變化大。目P，該材料具有下述問題：在器件運(yùn)轉(zhuǎn)溫度范圍內(nèi) 壓電性能大幅地變化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明設(shè)及不含鉛并且在器件運(yùn)轉(zhuǎn)溫度范圍內(nèi)具有優(yōu)異且穩(wěn)定的壓電性能的壓 電材料。
[0007] 進(jìn)而，本發(fā)明設(shè)及使用該壓電材料的壓電元件、多層壓電元件、排液裝置、超聲波 馬達(dá)、光學(xué)器件、振動器件、除塵器件、成像裝置和電子器件W及該壓電元件的制造方法。
[0008] 根據(jù)本發(fā)明的方面，壓電材料包括：含有由下述通式（1)表示的巧鐵礦金屬氧化 物的主要成分、含有Mn的第一輔助成分、和含有電荷歧化為S價和五價的Bi的第二輔助成 分，其中含有的Mn的量為0.0020摩爾-0.0150摩爾，相對于1摩爾的該金屬氧化物，并且 含有的Bi的量為0. 0004摩爾-0. 0085摩爾，相對于1摩爾的該金屬氧化物。
[000引Baa(TiixZrx)Os (1)
[0010](其中 0. 020《X《0. 130 和 0. 996《a《1. 030)
[0011] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，壓電元件至少包括第一電極、壓電材料部和第二電極，其 中形成該壓電材料部的壓電材料是上述壓電材料。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，壓電材料的制造方法包括燒結(jié)至少含有Ba、Ti、Zr、Mn和 Bi成分的原料粉末，其中該原料粉末包括BaBi化固溶體。
[0013] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，壓電元件的制造方法包括：對該壓電材料設(shè)置第一電極 和第二電極，在該壓電材料變?yōu)樗姆较档臏囟认率┘与妷海驮诒３衷撾妷旱耐瑫r將該壓 電材料冷卻到該壓電材料變?yōu)樾狈较档臏囟取?br>[0014] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，多層壓電元件包括：多個壓電材料層和包括內(nèi)部電極的 多個電極層，將該壓電材料層和該電極層交替地層疊，其中壓電材料是上述壓電材料。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，排液頭至少包括液室和與該液室連通的排出口，該液室 包括設(shè)置有上述壓電元件或上述多層壓電元件的振動單元。
[0016] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，排液裝置包括用于對象的載物臺（stage)和上述排液 頭。
[0017] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，超聲波馬達(dá)至少包括：設(shè)置有上述壓電元件或上述多層 壓電元件的振動部件，和與該振動部件接觸的移動部件。
[0018] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，光學(xué)器件包括設(shè)置有上述超聲波馬達(dá)的驅(qū)動單元。
[0019] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，振動器件包括振動部件，該振動部件包括設(shè)置有上述壓 電元件或上述多層壓電元件的隔膜。
[0020] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，除塵器件包括設(shè)置有上述振動器件的振動單元。
[0021] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，成像裝置至少包括上述除塵器件和圖像傳感器單元，其 中將該除塵器件的隔膜設(shè)置在該圖像傳感器單元的受光表面?zhèn)取?br>[0022] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，電子器件包括設(shè)置有上述壓電元件或上述多層壓電元件 的壓電聲部件。
[0023] 根據(jù)本發(fā)明的例示實施方案，能夠提供不含鉛并且在器件運(yùn)轉(zhuǎn)溫度范圍內(nèi)具有優(yōu) 異且穩(wěn)定的壓電性能的壓電材料。
[0024] 進(jìn)而，本發(fā)明能夠提供使用該壓電材料的壓電元件、多層壓電元件、排液頭、排液 裝置、超聲波馬達(dá)、光學(xué)器件、振動器件、除塵器件、成像裝置和電子器件。
[0025] 由W下參照附圖對例示實施方案的說明，本發(fā)明進(jìn)一步的特征將變得清楚。
【附圖說明】
[0026] 圖1是表示根據(jù)本發(fā)明的例示實施方案的壓電元件的構(gòu)成的示意圖。
[0027] 圖2A和2B是各自表示根據(jù)本發(fā)明的例示實施方案的多層壓電元件的構(gòu)成的截面 不意圖。
[002引圖3A和3B是表示根據(jù)本發(fā)明的例示實施方案的排液頭的構(gòu)成的示意圖。
[0029] 圖4是表示根據(jù)本發(fā)明的例示實施方案的排液裝置的示意圖。
[0030] 圖5是表示根據(jù)本發(fā)明的例示實施方案的排液裝置的示意圖。
[0031] 圖6A和6B是表示根據(jù)本發(fā)明的例示實施方案的超聲波馬達(dá)的構(gòu)成的示意圖。
[0032] 圖7A和7B是表示根據(jù)本發(fā)明的例示實施方案的光學(xué)器件的示意圖。
[0033] 圖8是表示根據(jù)本發(fā)明的例示實施方案的光學(xué)器件的示意圖。
[0034] 圖9A和9B是表示根據(jù)本發(fā)明的例示實施方案的振動器件用作除塵器件的情形的 不意圖。
[0035] 圖10A-10C是表示根據(jù)本發(fā)明的例示實施方案的除塵器件中的壓電元件的構(gòu)成 的不意圖。
[0036] 圖IlA和IlB是表示根據(jù)本發(fā)明的例示實施方案的除塵器件的振動原理的示意 圖。
[0037] 圖12是表示根據(jù)本發(fā)明的例示實施方案的成像裝置的示意圖。
[0038] 圖13是表示根據(jù)本發(fā)明的例示實施方案的成像裝置的示意圖。
[0039] 圖14是表示根據(jù)本發(fā)明的例示實施方案的電子器件的示意圖。
【具體實施方式】
[0040]W下對用于進(jìn)行本發(fā)明的例示實施方案進(jìn)行說明。
[0041] 根據(jù)本發(fā)明的壓電材料是如下的壓電材料，其包括：含有由下述通式（1)表示的 巧鐵礦金屬氧化物的主要成分、含有Mn的第一輔助成分、和含有電荷歧化為S價和五價的 Bi的第二輔助成分。于是，含有的Mn的量為0. 0020摩爾-0. 0150摩爾，相對于1摩爾的該 金屬氧化物，并且含有的Bi的量為0. 0004摩爾-0. 0085摩爾，相對于1摩爾的該金屬氧化 物。
[004引Baa(TiixZrx)Os(1)
[0043](其中 0. 020《X《0. 130 和 0. 996《a《1. 030)
[0044](巧鐵礦金屬氧化物）
[0045] 本發(fā)明中，"巧鐵礦金屬氧化物"是指具有巧鐵礦結(jié)構(gòu)（理想地，為立方結(jié)構(gòu)） 的金屬氧化物，如IwanamiI^ikagakuJiten(于 1998 年 2 月 20 日由Iwanami化oten， 化Wishers發(fā)行）的第5版中討論那樣。通常，具有巧鐵礦結(jié)構(gòu)的金屬氧化物由化學(xué)式AB化 表示。巧鐵礦金屬氧化物中，離子形式的元素A和B分別占據(jù)稱為A位點和B位點的特定 的晶胞位置。例如，立方結(jié)構(gòu)晶胞中，元素A占據(jù)立方體的頂點，元素B占據(jù)立方體的體屯、 位置。元素0作為氧的陰離子占據(jù)立方體的面屯、位置。
[004引 由通式（1)表示的金屬氧化物中，位于A位點的金屬元素為Ba,并且位于B位點的 金屬元素為Ti和Zr。但是，Ba的一部分可位于B位點。同樣地，Ti和Zr的一部分可位于A位點。
[0047] 通式（1)中，B位點元素與元素0的摩爾比為1:3。但是，即使元素的量之比輕微 地偏離上述摩爾比，運(yùn)樣的偏離的比例也包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)，只要金屬氧化物的主相 為巧鐵礦結(jié)構(gòu)。
[0048] 例如，通過采用X射線衍射或電子衍射的結(jié)構(gòu)分析，能夠確定金屬氧化物具有巧 鐵礦結(jié)構(gòu)。
[0049](壓電材料的主要成分）
[0050] 根據(jù)本發(fā)明的壓電材料中，通式（1)中，表示A位點處Ba的摩爾量與B位點處Ti 和Zr的摩爾量之比的"a"在0.9960《a《1.0300的范圍內(nèi)。如果"a"小于0.9960,在 形成壓電材料的晶粒中容易發(fā)生異常晶粒生長，并且材料的機(jī)械強(qiáng)度降低。另一方面，如果 "a"大于1.0300,則晶粒生長所需的溫度太高。因此，不能在通常的燒成爐中將壓電材料燒 結(jié)。在此不能將壓電材料燒結(jié)"是指密度沒有達(dá)到足夠的值，或者在壓電材料中存在許多 孔隙和缺陷。
[005。 通式（1)中，表示B位點處Zr的摩爾比的"X"在0. 020《X《0. 130的范圍內(nèi)。 如果"X"大于0. 130,則燒結(jié)所需的溫度太高。因此，晶粒生長不充分，并且介電損耗正切 大。如果"X"小于0.02,貝帷器件驅(qū)動溫度范圍內(nèi)無法獲得充分的壓電性能。
[0052] 對根據(jù)本發(fā)明的壓電材料的組成的測定方法并無特別限制。該方法的實例包括X 射線巧光分析狂RF)、電感禪合等離子體（IC巧發(fā)射光譜分析和原子吸收光譜法。運(yùn)些方法 的任一個能夠計算壓電材料中含有的元素的組成比和重量比。
[0053] 壓電材料的"主要成分"是指在壓電材料中包括的各種成分中用于顯現(xiàn)壓電性能 的作用成分。
[0054](相變溫度Lr和T的測定）
[005引通過在改變樣品的溫度的同時使用阻抗分析儀（4194A，由Agilent Technologies,Inc.制造）測定樣品的電容，能夠得到相變溫度T"和TDt。同時，使用阻抗 分析儀也能夠測定并得到介電損耗正切的溫度依賴性。相變溫度T"是晶系從斜方系變?yōu)?菱形系的溫度。通過將樣品從25°C冷卻到-60°C的同時測定介電常數(shù)，由此得到通過將測 定的介電常數(shù)用樣品的溫度微分所得到的值為最大時的溫度，能夠確定相變溫度T"。相變 溫度Lt是晶系從斜方系變?yōu)樗姆较档臏囟?。通過將樣品從-60°C加熱到150°C的同時測 定介電常數(shù)，由此得到通過將測定的介電常數(shù)用樣品的溫度微分所得到的值為最大時的溫 度，能夠確定相變溫度T。,。
[0056] 包括含有由通式（1)表示的巧鐵礦金屬氧化物的主要成分的壓電材料中，巧鐵礦 金屬氧化物主導(dǎo)地促進(jìn)晶系的形成。因此，基于測定結(jié)果確定的晶系可作為巧鐵礦金屬氧 化物的晶系對待。
[0057](壓電材料的第一輔助成分）
[0058] 第一輔助成分含有Mn。含有的Mn的量為0. 0020摩爾-0. 0150摩爾，相對于1摩 爾的該巧鐵礦金屬氧化物。
[0059] 此時，如下得到含有的輔助成分的量。首先，采用XRFJCP發(fā)射光譜分析或原子吸 收光譜法測定壓電材料中含有的金屬的量。然后，基于含有的金屬的量，將形成由通式（1) 表示的金屬氧化物的元素?fù)Q算為摩爾并且用輔助成分的摩爾與元素的總摩爾之比表示，將 元素的總摩爾設(shè)為1。
[0060] 如果根據(jù)本發(fā)明的壓電材料在上述范圍內(nèi)含有Mn,則在室溫范圍內(nèi)壓電材料的機(jī) 械品質(zhì)因數(shù)改善。"機(jī)械品質(zhì)因數(shù)"是指作為振子對壓電材料進(jìn)行評價時表示由振動引起 的彈性損耗的因數(shù)，并且機(jī)械品質(zhì)因數(shù)的值作為阻抗測定中共振曲線的銳度而觀察。目P，機(jī) 械品質(zhì)因數(shù)是表示振子的共振的銳度的常數(shù)。機(jī)械品質(zhì)因數(shù)越高，由振動損耗的能量越少。 通過施加電壓將包括壓電材料的壓電元件驅(qū)動時，高絕緣性能和高機(jī)械品質(zhì)因數(shù)確保壓電 元件的長期可靠性。
[0061] 如果含有的Mn的量小于0.0020摩爾，則在器件驅(qū)動溫度范圍內(nèi)機(jī)械品質(zhì)因數(shù)小， 即小于200。如果機(jī)械品質(zhì)因數(shù)小，作為共振器件驅(qū)動包括壓電材料和一對電極的壓電元 件時，功率消耗增加。機(jī)械品質(zhì)因數(shù)優(yōu)選為200W上，更優(yōu)選為400W上。機(jī)械品質(zhì)因數(shù)進(jìn) 一步優(yōu)選為800W上。如果機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm為200W上，驅(qū)動器件時功率消耗不會極度增 加。另一方面，如果含有的Mn的量大于0.015摩爾，壓電材料的絕緣性能降低。例如，壓 電材料的頻率1曲Z下的介電損耗正切可能超過0. 006,或者壓電材料的電阻率可能降低到 低于IGQcm。能夠使用阻抗分析儀測定介電損耗正切。如果介電損耗正切為0.006W下， 即使將高電壓施加于作為元件使用的壓電材料時也能夠獲得元件的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。如果壓電 材料的電阻率為至少IGQcm,能夠作為壓電元件將壓電材料極化和驅(qū)動。電阻率更優(yōu)選為 50GQcmW上。
[0062]Mn并不限于金屬Mn,并且只需在壓電材料中作為Mn成分而含有。含有Mn的形式 并不重要。例如，Mn可溶解于B位點中，或者可包含在晶界處?；蛘撸趬弘姴牧现锌珊?金屬、離子、氧化物、金屬鹽或絡(luò)合物形式的Mn成分。通常，Mn的價態(tài)能夠為4+、化和3+。 如果晶體中存在傳導(dǎo)電子（例如，如果晶體中存在氧缺陷，或者如果給體元素占據(jù)A位點）， 則Mn的價態(tài)降低，例如，從4+到3+或化由此捕集傳