Пьезоэлектрический элемент, многослойный пьезоэлектрический элемент, головка для выброса жидкости, устройство для выброса жидкости, ультразвуковой двигатель, оптическое устройство и электронное устройство

Пьезоэлектрический элемент, многослойный пьезоэлектрический элемент, головка для выброса жидкости, устройство для выброса жидкости, ультразвуковой двигатель, оптическое устройство и электронное устройство

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники изобретения

[0001] Настоящее изобретение в целом относится к пьезоэлектрическим элементам, многослойным пьезоэлектрическим элементам, головкам для выброса жидкости, устройствам для выброса жидкости, ультразвуковым двигателям, оптическим устройствам и электронным устройствам. В частности, настоящее изобретение относится к пьезоэлектрическому элементу, многослойному пьезоэлектрическому элементу, головке для выброса жидкости, устройству для выброса жидкости, ультразвуковому двигателю, оптическому устройству и электронному устройству, которые не содержат свинца и устойчиво работают в диапазонах рабочих температур.

Предшествующий уровень техники

[0002] Оксиды металлов типа перовскита ABO₃, такие как цирконат-титанат свинца (в дальнейшем именуемый "ЦТС"), обычно используются в качестве пьезоэлектрических материалов. Поскольку ЦТС содержит свинец в качестве A-узла элемента, возникла озабоченность относительно воздействия ЦТС на окружающую среду. Таким образом, очень востребованы пьезоэлектрические материалы, которые используют бессвинцовые оксиды металлов типа перовскита.

[0003] Примером бессвинцового пьезоэлектрического материала, содержащего оксид металла типа перовскита, является титанат бария. Описаны исследования и разработка материалов на основе титаната бария, проведенные для улучшения свойств титаната бария и устройств, использующих такие материалы. Патент PTL 1 описывает пьезоэлектрический элемент, который использует титанат бария с добавлением Mn, Fe или Cu и с некоторыми из А-узлов, замещенными Ca. Данные пьезоэлектрические элементы обладают лучшими показателями механических свойств по сравнению с титанатом бария, но имеют слабые пьезоэлектрические свойства. Следовательно, для приведения в движение пьезоэлектрических элементов требуется высокое напряжение.

[0004] Патент PTL 2 описывает привод и головку для выброса жидкости, которая использует материал, приготовленный с добавлением Ba и B в титанат бария. Преимущество данного материала заключается в низкой температуре спекания, однако он имеет низкое значение пьезоэлектрической постоянной d_33, равное 65 [пКл/Н]. Следовательно, для приведения в движение пьезоэлектрических элементов требуется высокое напряжение.

[0005] Пьезоэлектрический материалы, имеющие температуру Кюри равную 80°C или менее, могут испытывать деполяризацию в сложных окружающих условиях, таких как салон автомобиля под воздействием летнего солнца, и в результате могут утрачивать пьезоэлектрический эффект. Пьезоэлектрический эффект может быть утрачен под воздействием тепла, выделяемого в результате движении приводов.

Перечень ссылок

Патентная литература

[0006] PTL 1 Выложенная японская патентная заявка номер 2010-120835,

PTL 2 Выложенная японская патентная заявка номер 2011-032111.

Сущность изобретения

Техническая проблема

[0007] Изобретение обеспечивает бессвинцовый пьезоэлектрический элемент, который устойчиво работает в широком диапазоне рабочих температур.

Решение проблемы

[0008] Согласно первому аспекту изобретения обеспечивают пьезоэлектрический элемент, включающий в себя первый электрод, второй электрод и пьезоэлектрический материал. Пьезоэлектрический материал включает в себя в качестве основного компонента оксид металла типа перовскита, представленный общей формулой (1), и марганец, включенный в состав оксида металла типа перовскита:

(Ba_1-xCa_x)_a(Ti_1-yZr_y)O₃

(где 1,00≤a≤1,01, 0,02≤x≤0,30, 0,020≤y≤0,095 и y≤x) (1)

Содержание марганца на металлической основе по отношению к 100 весовым частям оксида металла типа перовскита составляет 0,02 весовые части или более и 0,40 весовые части или менее.

[0009] Согласно второму аспекту настоящего изобретения обеспечивается многослойный пьезоэлектрический элемент, включающий в себя слои пьезоэлектрического материала и электроды, включающие в себя внутренний электрод. Слои пьезоэлектрического материала и электроды укладываются поочередно. Каждый слой пьезоэлектрического материала содержит в качестве основного компонента оксид металла типа перовскита, представленного с помощью общей формулы (1), и марганец, включенный в состав оксида металла типа перовскита:

(Ba_1-xCa_x)_a(Ti_1-yZr_y)O₃

(где 1,00≤a≤1,01, 0,02≤x≤0,30, 0,020≤y≤0,095 и y≤x) (1)

Содержание марганца на металлической основе по отношению к 100 весовым частям оксида металла типа перовскита составляет 0,02 весовые части или более и 0,40 весовые части или менее.

[0010] Согласно третьему аспекту настоящего изобретения обеспечивается головка для выброса жидкости, включающая в себя емкость для жидкости, включающую в себя вибрирующий узел, содержащий пьезоэлектрический элемент или многослойный пьезоэлектрический элемент, описанный выше, и выпускное отверстие, соединенное с емкостью для жидкости. Согласно четвертому аспекту настоящего изобретения обеспечивается устройство для выброса жидкости, включающее в себя узел перемещения, выполненный с возможностью перемещать носитель информации и головку для выброса жидкости, описанную выше.

[0011] Согласно пятому аспекту настоящего изобретения обеспечивается ультразвуковой двигатель, который включает в себя колеблющийся элемент, содержащий пьезоэлектрический элемент или многослойный пьезоэлектрик, описанный выше, и подвижный элемент, находящийся в контакте с колеблющимся элементом. Согласно шестому аспекту настоящего изобретения предусмотрено оптическое устройство, которое включает в себя узел привода, включающий в себя ультразвуковой двигатель, описанный выше. Согласно седьмому аспекту настоящего изобретения обеспечивается электронное устройство, которое включает в себя пьезоэлектрический акустический компонент, содержащий пьезоэлектрический элемент или многослойный пьезоэлектрический элемент, описанный выше.

Полезные эффекты изобретения

[0012] Может обеспечиваться бессвинцовый пьезоэлектрический элемент, устойчиво работающий в широком диапазоне рабочих температур. Также могут обеспечиваться головка для выброса жидкости, устройство для выброса жидкости, ультразвуковой двигатель, оптическое устройство, и электронное устройство, использующие бессвинцовый пьезоэлектрический элемент.

Краткое описание чертежей

[0013] На фиг. 1 приведено схематическое изображение пьезоэлектрического элемента в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

[0014] На фиг. 2A и 2B показана головка для выброса жидкости в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

[0015] На каждой из фиг. 3A и 3B показано схематическое изображение ультразвукового двигателя в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

[0016] На фиг. 4 представлен график, показывающий зависимость между x и y для пьезоэлектрических керамических материалов из Примеров Продукции 1-73.

[0017] На каждой из фиг. 5A и 5B приведено сечение, показывающее многослойный пьезоэлектрический элемент в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

[0018] На фиг. 6 приведено схематическое изображение устройства для выброса жидкости в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

[0019] На фиг. 7 приведено другое схематическое изображение устройства для выброса жидкости.

[0020] На фиг. 8A и 8B приведены схематические изображения оптического устройства в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

[0021] На фиг. 9 приведено схематическое изображение оптического устройства.

[0022] На фиг. 10 приведено схематическое изображение электронного устройства в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

Описание вариантов осуществления

[0023] Ниже описаны варианты осуществления изобретения.

[0024] На фиг. 1 приведено схематическое изображение пьезоэлектрического элемента в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения. Пьезоэлектрический элемент включает в себя пьезоэлектрический материал 2, а также первый электрод 1 и второй электрод 3, связанные с пьезоэлектрическим материалом 2.

[0025] Пьезоэлектрический элемент включает в себя по меньшей мере первый электрод, пьезоэлектрический материал и второй электрод. Пьезоэлектрический материал содержит в качестве основного компонента оксид металла типа перовскита, представленный общей формулой (1) и марганец (Mn), включенный в состав оксида металла типа перовскита:

(Ba_1-xCa_x)_a(Ti_1-yZr_y)O₃

(1,00≤a≤1,01, 0,02≤x≤0,30, 0,020≤y≤0,095 и y≤x) (1)

Содержание Mn на металлической основе по отношению к 100 весовым частям оксида металла составляет 0,02 весовые части или более и 0,40 весовые части или менее.

[0026] Каждый из первого и второго электродов образован электропроводящим слоем толщиной от около 5 нм до около 2000 нм. Материал, использующийся для изготовления электродов, может быть любым материалом, который обычно используется в пьезоэлектрических элементах. Соответствующие примеры включают в себя металлы, такие как Ti, Pt, Ta, Ir, Sr, In, Sn, Au, Al, Fe, Cr, Ni, Pd, Ag и Cu, и соответствующие соединения.

[0027] Каждый из первого и второго электродов может быть изготовлен из одного из данных материалов или каждый из них может быть образован многослойной структурой, приготовленной путем пакетирования двух или более данных материалов. Первый и второй электроды могут изготавливаться из отличающихся друг от друга материалов.

[0028] Способ изготовления первого и второго электрода может быть любым. Например, электроды могут создаваться путем спекания металлической пасты, напыления или путем осаждения из паровой фазы. Первый и второй электрод может быть структурирован в соответствии с пожеланиями.

[0029] В данном описании оксид металла типа перовскита относится к оксиду металла, имеющему структуру типа перовскита, которая представляет собой идеальную кубическую кристаллографическую структуру, как описано в 5-ом издании Iwanami Rikagaku Jiten, (опубликовано 20 февраля, 1998 Iwanami Shoten Publishers). Оксид металла, имеющий структуру типа перовскита, обычно описывается химической формулой ABO₃. Элемент A и элемент B в оксиде металла типа перовскита являются ионами и занимают специальные положения в элементарных ячейках, которые называются A-узлами решетки и B-узлами решетки, соответственно. Например, в элементарной ячейке кубической кристаллографической системы, элемент A занимает положение в вершине куба, а элемент B занимает объемно-центрированное положение в кубе. Элемент O представляет собой кислород в виде аниона и занимает гранецентрированные положения в кубе.

[0030] В оксиде металла, представленном выше с помощью общей формулы (1), барий (Ba) и кальций (Ca) являются металлическими элементами, занимающими А-узлы решетки, титан (Ti) и цирконий (Zr) являются металлическими элементами, занимающими B-узлы решетки. Заметим, что некоторые из атомов Ba и Ca могут занимать B-узлы решетки и/или некоторые из атомов Ti и Zr могут занимать А-узлы решетки.

[0031] В общей формуле (1) молярное отношение элемента в В-узле к кислороду (O) составляет 1:3. Оксид металла, имеющий отношение элемента в В-узле к O незначительно отличающееся от указанного, например от 1,00:2,94 до 1,00:3,06, все еще включен в объем настоящего изобретения, поскольку оксид металла имеет структуру типа перовскита в качестве основной фазы.

[0032] Для определения того, имеет ли оксид металла структуру типа, например, перовскита, может использоваться структурный анализ с помощью рентгеновской дифракции или электронно-лучевой дифракции.

[0033] Пьезоэлектрический материал может принимать любую форму, например, керамики, порошка, монокристалла, пленки, суспензии или тому подобное, но предпочтительной является керамика. В данном описании "керамика" относится к совокупному объему кристаллических зерен (называемых также массой), состоящих из оксида металла и объединенных путем термообработки и являющихся поликристаллом. "Керамика" может также относиться к керамике, обработанной после спекания.

[0034] В общей формуле (1), указанной выше, a представляет собой отношение общего молярного количества Ba и Ca в A-узлах решетки к общему молярному количеству Ti и Zr в B-узлах решетки и находится в диапазоне 1,00≤a≤1,01. Когда a меньше чем 1,00, быстро происходит аномальный рост зерен и механическая прочность материала уменьшается. Когда a больше чем 1,01, требуемая для роста зерен температура становится чрезвычайно высокой и спекание не может быть достигнуто в обычной печи для спекания. Здесь, "спекание не может быть достигнуто" относится к состоянию, в котором плотность не является достаточно высокой или в пьезоэлектрическом материале присутствует большое число пор и дефектов.

[0035] В общей формуле (1) x представляет собой молярное отношение Ca в A-узлах решетки и находится в диапазоне 0,02≤x≤0,30, Когда x меньше чем 0,02, диэлектрические потери (tanδ) возрастают. При возрастании диэлектрических потерь количество тепла, которое генерируется при приложении электрического напряжения к пьезоэлектрическому элементу для приведения в действие пьезоэлектрического элемента, увеличивается и эффективность привода может снизиться. Когда x больше чем 0,30, пьезоэлектрическое свойство может оказаться недостаточным.

[0036] В общей формуле (1) y представляет собой молярное отношение Zr в B-узлах решетки и находится в диапазоне 0,020≤y≤0,095. Когда y меньше чем 0,020, пьезоэлектрическое свойство может оказаться недостаточным. Когда y больше чем 0,095, температура Кюри (T_c) становится ниже чем 85°C и пьезоэлектрическое свойство будет утрачено при высокой температуре.

[0037] В данном описании температура Кюри относится к температуре, при которой утрачивается ферроэлектрическое свойство. Примеры способа определения температуры включают в себя способ непосредственного измерения температуры, при которой утрачивается ферроэлектрическое свойство, путем изменения измеряемой температуры, а также способ с использованием мгновенных переменных электрических полей, при котором измеряется диэлектрическая постоянная, при этом изменяется измеряемая температура и определяется температура, при которой диэлектрическая постоянная оказывается максимальной.

[0038] В общей формуле (1) молярное отношение Ca, x и молярное отношение Zr, y удовлетворяют соотношению y≤x. Когда y>x, диэлектрические потери могут возрастать и изоляционная способность может быть недостаточной. Когда все указанные выше диапазоны, относящиеся к x и y, выполняются одновременно, температура фазового перехода кристаллической структуры (температура фазового перехода) может быть смещена от около комнатной температуры до температуры ниже диапазона рабочих температур и, следовательно, устройство может стабильно работать в широком температурном диапазоне.

[0039] Способ определения состава пьезоэлектрического материала, использованного в пьезоэлектрическом элементе, практически не ограничен. Примеры способа включают в себя рентгенофлуоресцентный анализ (РФА), атомно-эмиссионную спектроскопию с индуктивно-связанной плазмой (ИСП) и атомно-абсорбционную спектрометрию. Весовые отношения и композиционные отношения элементов, содержащихся в пьезоэлектрическом материале, могут определяться любым из данных способов.

[0040] Пьезоэлектрический материал, используемый в пьезоэлектрическом элементе, содержит 0,02 весовые части Mn или более и 0,40 весовые части Mn или менее на металлической основе по отношению к 100 весовым частям оксида металла. Пьезоэлектрический материал, содержащий Mn в данном диапазоне, демонстрирует улучшенную изоляционную способность и улучшенную добротность упругой системы. Здесь, добротность упругой системы относится к показателю, указывающему на упругие потери, вызванные колебаниями, когда пьезоэлектрический материал используется в качестве осциллятора. Величина добротности упругой системы наблюдается как острота резонансной кривой при измерении импеданса. Другими словами, добротность упругой системы является показателем, показывающим остроту резонанса осциллятора. Предположительно, изоляционная способность и добротность упругой системы улучшаются при введении дефектных диполей, образующихся благодаря Mn, валентность которого отличается от валентности Ti и Zr, и в результате этого генерации внутренних электрических полей. В присутствии внутреннего электрического поля, пьезоэлектрический элемент, изготовленный с использованием пьезоэлектрического материала и работающий при приложении электрического напряжения, демонстрирует долгосрочную надежность.

[0041] Термин "на металлической основе" в отношении содержания Mn относится к значению, которое определяется путем определения сначала количества элементов на оксидной основе, составляющих оксид металла, представленных с помощью общей формулы (1), основанной на содержаниях Ba, Ca, Ti, Zr и Mn, измеренных с помощью РФА, атомно-эмиссионной спектроскопии с ИСП, атомно-абсорбционной спектроскопии, или аналогичных, и затем вычисления коэффициента соотношения веса Mn по отношению к 100 весовым частям общего количества элементов, составляющих оксид металла на весовой основе.

[0042] Когда содержание Mn составляет менее 0,02 весовых частей, эффект от процедуры поляризации является недостаточным для приведения в действие устройства. Когда содержание Mn превышает 0,40 весовые части, пьезоэлектрическое свойство является недостаточным и появляются кристаллы, имеющие гексагональную структуру, не способствующую появлению пьезоэлектрического свойства.

[0043] Марганец не ограничивается металлическим Mn и может принимать любую форму, поскольку марганец содержится в пьезоэлектрическом материале в качестве компонента. Например, марганец может быть растворен в B-узлах решетки или может содержаться на границах зерен. Марганец в пьезоэлектрическом материале может быть в виде металла, иона, оксида, соли металла или в сложной форме. С точки зрения изоляционной способности и способности к спеканию предпочтительно, чтобы марганец был растворен в В-узлах решетки. Когда марганец растворен в В-узлах решетки, предпочтительный диапазон молярного отношения A/B для таких резонансных устройств (аппаратных устройств), как пьезоэлектрические датчики, пьезоэлектрические трансформаторы и ультразвуковые двигатели, работающих на резонансных частотах, составляет 0,993≤A/B≤0,998, где A является молярным количеством Ba и Ca в A-узлах решетки и B является молярным количеством Ti, Zr и Mn в В-узлах решетки. Пьезоэлектрический элемент, имеющий соотношение A/B внутри данного диапазона, имеют высокую пьезоэлектрическую постоянную и высокую добротность упругой системы и, таким образом, создавая устройство, имеющее превосходную долговечность. Предпочтительный диапазон соотношения A/B для приводов смещения (программно-управляемые устройства), таких как приводы оптических адаптеров и головки для выброса жидкостей, работающие на не резонансных частотах, составляет 0,996≤A/B≤0,999. Пьезоэлектрические элементы, имеющие отношение A/B в пределах данных диапазонов, могут иметь высокую пьезоэлектрическую постоянную, низкие диэлектрические потери и высокую долговечность.

[0044] Пьезоэлектрический материал, используемый в пьезоэлектрическом элементе, может содержать компоненты (на которые далее делается ссылка как на вспомогательные компоненты), отличающиеся от соединений, представленных общей формулой (1), а также Mn при условии, что свойства не изменяются. Общее содержание вспомогательных компонентов может составлять 1,2 весовые части или менее по отношению к 100 весовым частям оксида металла, представленного общей формулой (1). Когда содержание вспомогательного компонента превышает 1,2 весовые части, пьезоэлектрическое свойство и изоляционная способность пьезоэлектрического материала может быть снижена. Содержание металлических элементов, отличных от Ba, Ca, Ti, Zr и Mn, среди вспомогательных компонентов составляет предпочтительно 1,0 весовую часть или менее на оксидной основе или 0,9 весовых частей или менее на металлической основе по отношению к пьезоэлектрическому материалу. В данном описании, "металлические элементы" включают в себя полуметаллические элементы, такие как Si, Ge и Sb.

[0045] Когда содержание других металлических элементов, отличных от Ba, Ca, Ti, Zr и Mn, среди вспомогательных компонентов превышает 1,0 весовую часть на оксидной основе или 0,9 весовых частей на металлической основе по отношению к пьезоэлектрическому материалу, пьезоэлектрическое свойство и изоляционная способность пьезоэлектрического материала могут существенно снизиться. Общее содержание Li, Na, Mg и Al среди вспомогательных компонентов может составлять 0,5 весовых частей или менее на металлической основе по отношению к пьезоэлектрическому материалу. Когда общее содержание Li, Na, Mg и Al среди вспомогательных компонентов превышает 0,5 весовых частей на металлической основе по отношению к пьезоэлектрическому материалу, может образоваться недостаточное спекание. Общее содержание Y и V среди вспомогательных компонентов может составлять 0,2 весовые части или менее на металлической основе по отношению к пьезоэлектрическому материалу. Когда общее содержание Y и V превышает 0,2 весовые части на металлической основе по отношению к пьезоэлектрическому материалу, процедура поляризации может стать затруднительной.

[0046] Примеры вспомогательных компонентов включают в себя спекающие добавки, такие как Si и Cu. Коммерчески доступные исходные материалы Ba и Ca содержат в качестве неизбежной примеси Sr и, таким образом, пьезоэлектрический материал может содержать примесное количество Sr. Аналогично, коммерчески доступный исходный материал Ti содержит в качестве постоянной примеси Nb и коммерчески доступный исходный материал Zr содержит в качестве постоянной примеси Hf, таким образом, пьезоэлектрический материал может содержать примесные количества Nb и Hf.

[0047] Способ измерения веса вспомогательных компонентов практически не ограничен. Примеры способа включают в себя рентгенофлуоресцентный анализ, атомно-эмиссионную спектроскопию с ИСП и атомную абсорбционную спектрометрию.

[0048] Пьезоэлектрический материал, используемый в пьезоэлектрическом элементе, может быть образован кристаллическими зернами, имеющими средний круговой эквивалентный диаметр, равный 1 мкм или более и 10 мкм или менее. Когда средний круговой эквивалентный диаметр находится в данном диапазоне, пьезоэлектрический материал может демонстрировать хорошие пьезоэлектрические свойства и механическую прочность. Когда средний круговой эквивалентный диаметр меньше чем 1 мкм, пьезоэлектрическое свойство может быть недостаточным. Когда средний круговой эквивалентный диаметр больше 10 мкм, механическая прочность может уменьшиться. Более предпочтительный диапазон составляет 3 мкм или более и 8 мкм или менее.

[0049] В данном описании "круговой эквивалентный диаметр" относится к тому, что известно в микроскопии как "диаметр площади проекции" и означает диаметр окружности, имеющей такую же площадь, что и площадь проекции кристаллического зерна. В данном изобретении способ измерения кругового эквивалентного диаметра практически не ограничен. Например, изображение поверхности пьезоэлектрического материала может быть получено с помощью поляризационного микроскопа или сканирующего электронного микроскопа и изображение может быть обработано для определения кругового эквивалентного диаметра. Поскольку оптимальное увеличение меняется в зависимости от диаметра анализируемого зерна, соответственно, могут использоваться оптический микроскоп и электронный микроскоп. Круговой эквивалентный диаметр может определяться по изображению, полученному с полированной поверхности или сечения, вместо поверхности материала.

[0050] Относительная плотность пьезоэлектрического материала, используемого в пьезоэлектрическом элементе, может составлять 93% или более и 100% или менее.

[0051] Когда относительная плотность составляет менее 93%, пьезоэлектрическое свойство и/или добротность упругой системы может оказаться неудовлетворительной и механическая прочность может быть сниженной.

[0052] Главный компонент пьезоэлектрического материала, который используется в пьезоэлектрическом элементе, имеет x и y, удовлетворяющие соотношениям 0,125≤x≤0,175 и 0,055≤y≤0,090 соответственно, а содержание Mn составляет 0,02 весовые части или более и 0,10 весовых частей или менее по отношению к 100 весовым частям оксида металла.

[0053] Пьезоэлектрический элемент, использующий пьезоэлектрический материал в данном диапазоне состава, в частности, приспособлен для привода смещения (иначе называемого, программно-управляемым устройством), такого как привод оптического датчика или головка для выброса жидкости. Когда x, показывает на то, что молярное отношение Ca меньше чем 0,125, долговечность может снизиться. Когда x больше чем 0,175, пьезоэлектрическая постоянная деформации может уменьшиться. Предпочтительно соотношение 0,140≤x≤0,175. Когда y, показывающий молярное отношение Zr, меньше чем 0,055, пьезоэлектрическая постоянная деформации может снизиться. Когда y больше чем 0,09, температура Кюри уменьшается и, следовательно, диапазон рабочих температур устройства может быть сужен. Предпочтительно соотношение 0,055≤y≤0,075. Когда содержание Mn меньше чем 0,02 весовые части, процедура поляризации не может быть проведена удовлетворительно. При содержании Mn большем чем 0,10 весовых частей, пьезоэлектрическая постоянная деформации может уменьшиться. Предпочтительным диапазоном для a является 1,000≤a≤1,005.

[0054] Основной компонент пьезоэлектрического материала, используемого в пьезоэлектрическом элементе, предпочтительно имеет x и y, удовлетворяющие соотношениям 0,155≤x≤0,300 и 0,041≤y≤0,069 соответственно. Содержание Mn составляет предпочтительно 0,12 или более весовых частей и 0,40 или менее весовых частей на металлической основе по отношению к 100 весовым частям основного компонента оксида металла.

[0055] Пьезоэлектрический элемент, использующий пьезоэлектрический материал в пределах данного композиционного диапазона, в частности, подходит для резонансных устройств (аппаратных устройств), таких как пьезоэлектрические датчики, пьезоэлектрические трансформаторы и ультразвуковые двигатели. Когда x, показывающий молярное отношение Ca меньше чем 0,155, добротность упругой системы может снизиться. Когда x больше чем 0,300, пьезоэлектрическая постоянная деформации может быть снижена. Предпочтительно соотношение 0,160≤x≤0,300, Когда y, показывающий молярное отношение Zr меньше чем 0,041, пьезоэлектрическая постоянная деформации может быть уменьшена. Когда y больше чем 0,069, диапазон рабочих температур устройства может быть сужен. Предпочтительный диапазон составляет 0,045≤y≤0,069. Когда содержание Mn меньше чем 0,12 весовых частей, добротность упругой системы может быть уменьшена и потребляемая мощность при работе устройства на резонансной частоте может увеличиться. Когда содержание Mn больше чем 0,40 весовые части, пьезоэлектрическая постоянная деформации может быть уменьшена и может потребоваться более высокое электрическое напряжение для приведения в движение устройство. Предпочтительно, чтобы содержание Mn составляло 0,20 весовых частей или более и 0,40 весовые части или менее. Предпочтительным диапазоном для a является 1,004≤a≤1,009.

[0056] Способ изготовления пьезоэлектрического материала, использованного в пьезоэлектрическом элементе, практически не ограничивается. Для изготовления пьезоэлектрической керамики твердые порошки, такие как оксиды, соли карбоната, соли нитрата, соли оксалата и подобные, содержащие элементы, образующие керамику, можно спекать при нормальном давлении, что является типичным процессом. Сырьем являются соединения металлов, такие как соединение Ba, соединение Ca, соединение Ti, соединение Zr и соединение Mn.

[0057] Примеры соединений Ba, которые могут использоваться, включают в свой состав оксид бария, карбонат бария, оксалат бария, ацетат бария, нитрат бария, титанат бария, цирконат бария, и цирконат-титанат бария.

[0058] Примеры соединений Ca, которые могут использоваться, включают в свой состав оксид кальция, карбонат кальция, оксалат кальция, ацетат кальция, титанат кальция и цирконат кальция.

[0059] Примеры соединений Ti, которые могут использоваться, включают в свой состав оксид титана, титанат бария, цирконат-титанат бария и титанат кальция.

[0060] Примеры соединений Zr, которые могут использоваться, включают в свой состав оксид циркония, цирконат бария, цирконат-титанат бария и цирконат кальция.

[0061] Примеры соединений Mn, которые могут использоваться, включают в свой состав карбонат марганца, оксид марганца, диоксид марганца, ацетат марганца, и тетраоксид тримарганца.

[0062] Исходные материалы для регулирования молярного отношения a, то есть молярного количества Ba и Ca в A-узлах решетки к молярному количеству Ti и Zr в B-узлах решетки пьезоэлектрической керамики, используемые в пьезоэлектрическом элементе, практически не ограничены. Тот же эффект может достигаться с использованием соединения на основе Ba, соединения на основе Ca, соединения на основе Ti и соединения на основе Zr.

[0063] Способ гранулирования исходного материала порошков пьезоэлектрической керамики, использующийся в пьезоэлектрическом элементе практически не ограничен. С точки зрения равномерности диаметра частиц полученного порошка, может использоваться способ сухого напыления.

[0064] Примеры связующего вещества, использованного для гранулирования, включают в себя поливиниловый спирт (ПВС), поливинил бутирал (ПВБ) и акриловые смолы. С точки зрения увеличения плотности прессовки количество добавленного связующего вещества предпочтительно составляет 1-10 весовых частей и более предпочтительно от 2 до 5 весовых частей.

[0065] Способ спекания пьезоэлектрической керамики, использующейся в пьезоэлектрическом элементе, практически не ограничен. Спекание может производиться с помощью электрической печи или газовой печи или способом электрического нагрева, способом микроволнового спекания, способом спекания в миллиметровом волновом диапазоне или горячим изостатическим прессованием (HIP). Спекание, использующее электрическую или газовую печь, может выполняться в непрерывной печи или в печи периодического действия.

[0066] Температура спекания керамики в способе спекания, описанном выше, практически не ограничена. Температура спекания может быть температурой, позволяющей соединениям вступать в реакцию и обеспечивать достаточный рост кристаллов. С точки зрения получения диаметра зерна керамики в пределах диапазона от 1 мкм до 10 мкм, температура спекания предпочтительно составляет 1200°C или более и 1550°C или менее и более предпочтительно 1300°C или более и 1480°C или менее. Пьезоэлектрическая керамика, спеченная в пределах данного температурного диапазона, проявляет хорошие пьезоэлектрические свойства.

[0067] Для стабилизации свойств пьезоэлектрической керамики, полученной спеканием, и достижения при этом высокой воспроизводимости, температура спекания может сохраняться постоянной в пределах описанного выше диапазона, и спекание может производиться в течение от 2 до 24 часов. Может использоваться способ двухэтапного спекания, но быстрое изменение температуры нежелательно с точки зрения воспроизводимости.

[0068] Пьезоэлектрическая керамика после полировки может подвергаться термообработке при температуре 1000°C или выше. Когда пьезоэлектрическая керамика механически полируется, внутри пьезоэлектрической керамики возникают остаточные напряжения. Данные остаточные напряжения могут релаксировать в результате термообработки при 1000°C или выше, и может быть дополнительно улучшено пьезоэлектрическое свойство пьезоэлектрической керамики. Кроме того, термообработка обладает эффектом устранения порошков исходных материалов, таких как карбонат бария, осажденных на участках границ зерен. Количество времени термообработки специально не ограничивается, но может составлять один час или более.

[0069] Пьезоэлектрический элемент может иметь оси поляризации, ориентированные в конкретном направлении. Когда оси поляризации ориентированы в конкретном направлении, пьезоэлектрическая постоянная пьезоэлектрического элемента увеличивается. Способ поляризации для пьезоэлектрического элемента практически не ограничен. Процедура поляризации может проводиться на воздухе или в кремниевом масле. Температура в процессе поляризации может составлять от 60°C до 100°C, но оптимальные условия немного варьируются в зависимости от состава пьезоэлектрической керамики, образующей устройство. Электрическое поле, которое прикладывется для проведения процедуры поляризации, может составлять от 800 В/мм до 2,0 кВ/мм.

[0070] Пьезоэлектрическая постоянная и добротность упругой системы пьезоэлектрического элемента может рассчитываться исходя из резонансной частоты и антирезонансной частоты, измеренных с помощью доступного коммерческого анализатора импеданса на основе японского стандарта Ассоциации Производителей Электронных Материалов (EMAS-6100). В дальнейшем в данном документе на данный способ делается ссылка как на резонансно-антирезонансный способ.

Многослойный пьезоэлектрический элемент

[0071] Ниже описаны многослойные пьезоэлектрические элементы в соответствии с вариантами осуществления изобретения.

[0072] Многослойный пьезоэлектрический элемент в соответствии с вариантом осуществления образован путем поочередной укладки слоев пьезоэлектрического материала и электродов (включая один или более внутренних электродов). Каждый слой пьезоэлектрического материала образован из пьезоэлектрического материала, который содержит оксид металла типа перовскита в качестве основного компонента, представленного ниже с помощью общей формулы (1), и марганца (Mn), включенного в состав оксида металла типа перовскита:

(Ba_1-xCa_x)_a(Ti_1-yZr_y)O₃

(1,00≤a≤1,01, 0,02≤x≤0,30, 0,020≤y≤0,095 и y≤x) (1)

Содержание Mn составляет 0,02 весовые части или более и 0,40 весовые части или менее на металлической основе по отношению к 100 весовым частям оксида металла.

[0073] На фиг. 5A и 5B представлены сечения, показывающие структуру многослойного пьезоэлектрического элемента в соответствии с одним вариантом осуществления. Многослойный пьезоэлектрический элемент включает в себя слои пьезоэлектрического материала и электроды (включая в себя один или более внутренних электродов), уложенные поочередно. Слои пьезоэлектрического материала состоят из вышеупомянутого пьезоэлектрического материала. Электроды могут включать в себя внутренние электроды и внешние электроды.

[0074] На фиг. 5A показан многослойный пьезоэлектрический элемент в соответствии с вариантом осуществления. Многослойный пьезоэлектрический элемент включает в себя два слоя 54 пьезоэлектрического материала и один слой внутреннего электрода 55, уложенных поочередно, и полученный пакет оказывается зажатым между первым электродом 51 и вторым электродом 53. Число слоев пьезоэлектрического материала и число слоев внутренних электродов может быть увеличено, как показано на фиг. 5B, и практически не ограничено.

[0075] На фиг. 5B показан многослойный пьезоэлектрический элемент в соответствии с другим вариантом осуществления. Многослойный пьезоэлектрический элемент включает в себя девять слоев из слоев 504 пьезоэлектрического материала и восемь слоев внутренних электродов 505, уложенных поочередно, и полученный пакет оказывается зажатым между первым электродом 501 и вторым электродом 503. Внешний электрод 506a и внешний электрод 506b для замыкания расположенных поочередно внутренних электродов размещены на боковых поверхностях пакета.

[0076] Внутренние электроды 55 и 505 и внешние электроды 506a и 506b могут иметь размер и форму, отличные от слоев пьезоэлектрического материала 54 и 504, и могут быть разделены на множество сегментов.

[0077] Каждый из внутренних электродов 55 и 505 и внешних электродов 506a и 506b образован проводящим слоем толщиной от 5 нм до 2000 нм. Выбор материала, таким образом, практически не ограничен и может использоваться любой материал, обычно применяющийся в пьезоэлектрических элементах. Примеры таких материалов включают в себя металлы, такие как Ti, Pt, Ta, Ir, Sr, In, Sn, Au, Al, Fe, Cr, Ni, Pd, Ag и Cu, и соответствующие соединения. Каждый из внутренних электродов 55 и 505 и вне