压电材料、压电元件和电子设备的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及压电材料并且更具体地涉及不含铅的压电材料。本发明也涉及各自包 括该压电材料的压电元件、多层压电元件、排液头、排液装置、超声波马达、光学装置、振动 装置、除尘器件、摄像装置和电子设备。
【背景技术】
[0002] 锆酸钛酸铅是典型的压电材料并且用于各种压电器件，例如致动器、振荡器、传感 器和滤光器。但是，将含铅的压电器件废弃并且暴露于酸雨时，铅成分可能从压电材料中浸 出到土地中并且毁坏生态系统。因此，正积极地研宄和开发用于不含铅的压电器件的不含 铅的压电材料。
[0003] 现有典型的广泛研宄的不含铅的压电材料是含有铌酸钾的压电材料。但是，含 钾的压电材料的合成中，由于它们高的吸湿性，难以以所需的摩尔比精确地称量它们的原 料（例如，碳酸钾）粉末。而且，由于含有铌酸钾的压电材料是潮解的，因此含有铌酸钾 (KNb03)的压电陶瓷的压电性有时经时地劣化。此外，含有铌酸钾的压电材料的四方晶体与 斜方晶体之间的连续相变温度在压电器件的运转温度范围内（例如，〇°C_80°C的范围内）。 由于压电性在连续相变温度附近显著地变化，因此这样的压电器件的性能大大地取决于运 转温度。
[0004] NPL1记载了作为不含铅和钾的压电材料的反铁电材料铌酸钠（NaNb03)和钛酸钡 (BaTi03)的固溶体（以下称为NN-BT)。公开了以9:1的比例含有铌酸钠和钛酸钡的压电 陶瓷具有147pC/N的压电常数d33。
[0005] PTL1公开了添加了氧化钴（C〇0)的含NN-BT的铌酸盐压电陶瓷。铌酸盐压电陶 瓷具有高机电耦合系数和高耐热性。但是，由于低达l〇6Q以下的低电阻，因此一些样品难 以极化。
[0006]PTL2公开了具有高居里温度和令人满意的压电性能的铌酸盐压电陶瓷的制造方 法。公开了含有NN-BT和钛酸锶（SrTi03)的固溶体的铌酸盐压电陶瓷具有14-126pm/V范 围内的压电常数d33。
[0007] 引用列表
[0008] 专利文献
[0009]PTL1:日本专利公开No. 2009-227535
[0010] PTL2 :日本专利公开No. 2008-156172
[0011] 非专利文献
[0012] NPL1 :J.T.Zeng等，JournaloftheAmericanCeramicSociety，2006,第89卷， 第 2828-2832 页
【发明内容】
[0013] 技术问题
[0014]已知的NN-BT具有不足的压电性能。
[0015] 本发明解决这样的问题并且提供具有高的压电常数和令人满意的绝缘性的不含 铅和钾的压电材料。本发明也提供各自包括该压电材料的压电元件、多层压电元件、排液 头、排液装置、超声波马达、光学装置、振动装置、除尘器件、摄像装置和电子设备。
[0016] 问题的解决方案
[0017] 解决上述问题的根据本发明的压电材料包括具有下述通式（1)的钙钛矿型金属 氧化物和Zn，其中Zn含量对应于该钙钛矿型金属氧化物的量的大于0摩尔％且5摩尔％以 下：
[0018] (NaxBai_y) (NbyTi1_y)03 ⑴
[0019] 其中x满足0? 80彡x彡0? 95,和y满足0? 85彡y彡0? 95。
[0020] 根据本发明的一个方面的压电元件包括第一电极、压电材料部和第二电极，其中 该压电材料部包括上述的压电材料。
[0021] 根据本发明的一个方面的多层压电元件包括彼此在其上交替地层叠的压电材料 层和电极层。该电极层包括内部电极。该压电材料层由上述的压电材料形成。
[0022] 根据本发明的一个方面的排液头包括液室和与该液室连通的排出口。该液室具有 振动部，该振动部包括上述的压电元件或多层压电元件。
[0023] 根据本发明的一个方面的排液装置包括用于接收对象的载物台和上述的排液头。
[0024] 根据本发明的一个方面的超声波马达包括振动部件和与该振动部件接触的移动 体。该振动部件包括上述的压电元件或多层压电元件。
[0025] 根据本发明的一个方面的光学装置包括驱动单元，该驱动单元包括上述的超声波 马达。
[0026] 根据本发明的一个方面的振动装置包括振动部件，该振动部件包括上述的压电元 件或多层压电元件。
[0027] 根据本发明的一个方面的除尘器件包括振动部，该振动部包括上述的振动装置。
[0028] 根据本发明的一个方面的摄像装置包括上述的除尘器件和摄像元件单元，其中该 除尘器件在该摄像元件单元的受光表面侧包括振动部件。
[0029] 根据本发明的一个方面的电子设备包括压电声部件，该压电声部件包括上述的压 电元件或多层压电元件。
[0030] 发明的有利效果
[0031] 本发明能够提供具有高的压电常数和令人满意的绝缘性的不含铅和钾的压电材 料。本发明也提供各自包括该压电材料的压电元件、多层压电元件、排液头、排液装置、超声 波马达、光学装置、振动装置、除尘器件、摄像装置和电子设备。
[0032] 根据本发明的实施方案的压电材料不含铅并且具有低的环境负荷。根据本发明的 实施方案的压电材料也不含钾，因此具有令人满意的烧结性和耐湿性。
【附图说明】
[0033] 图1是根据本发明的实施方案的压电元件的示意图。
[0034] 图2A和2B是根据本发明的实施方案的多层压电元件的横截面示意图。
[0035] 图3A和3B是根据本发明的实施方案的排液头的示意图。
[0036] 图4是根据本发明的实施方案的排液装置的示意图。
[0037] 图5是根据本发明的实施方案的排液装置的示意图。
[0038] 图6A和6B是根据本发明的实施方案的超声波马达的示意图。
[0039] 图7A和7B是根据本发明的实施方案的光学装置的示意图。
[0040] 图8是根据本发明的实施方案的光学装置的示意图。
[0041] 图9A和9B是包括根据本发明的实施方案的振动装置的除尘器件的示意图。
[0042] 图10A-10C是根据本发明的实施方案的除尘器件的压电元件的示意图。
[0043] 图11A和11B是表示根据本发明的实施方案的除尘器件的振动原理的示意图。
[0044] 图12是根据本发明的实施方案的摄像装置的示意图。
[0045] 图13是根据本发明的实施方案的摄像装置的示意图。
[0046] 图14是根据本发明的实施方案的电子设备的示意图。
[0047] 图15是根据本发明的比较例1以及实施例2、6和7的烧结体的极化-电场滞后 回线图。
【具体实施方式】
[0048] 以下对本发明的实施方案进行说明。
[0049] 本发明提供基于铌酸钠中钛酸钡的固溶体（NN-BT)的不含铅和钾的压电材料，其 具有高的压电常数和令人满意的绝缘性。利用其介电特性，根据本发明的实施方案的压电 材料能够用于各种用途，例如电容器、存储器和传感器。
[0050] 根据本发明的压电材料包括具有下述通式（1)的钙钛矿型金属氧化物和Zn，其中 Zn含量对应于该钙钛矿型金属氧化物的量的大于0摩尔％且5摩尔％以下：
[0051] (NaxBai_y) (NbyTi1_y)03 ⑴
[0052]其中x满足0?80Sx<0?95,和y满足0?85 <y<0?95。
[0053] 本文中使用的术语"钙钛矿型金属氧化物"是指具有钙钛矿型结构的金属氧化物， 其理想地为立方结构，如IwanamiRikagakuJiten，第 5 版（IwanamiShoten，于 1998 年 2 月20日出版）中所述。具有钙钛矿型结构的金属氧化物通常由化学式AB03表示。钙钛矿 型金属氧化物中，离子形式的元素A和B分别占据称为A位点和B位点的晶胞的特定位置。 对于立方晶胞，元素A占据立方体的顶点，并且元素B占据立方体的体心位置。作为氧阴离 子的元素0占据立方体的面心位置。
[0054] 具有通式（1)的金属氧化物中，A位点处的金属元素为Na和Ba，并且B位点处的 金属元素为Nb和Ti。似、8&、211、(：11和]\111可部分地占据8位点。同样地，11、恥、211、(：11和 Mn可部分地占据A位点。为了有助于根据本发明的实施方案的压电材料的制备或者改进根 据本发明的实施方案的压电材料的物理性能，Ba可部分地被二价金属元素例如Sr或Ca置 换。同样地，20摩尔％以下的Nb可被五价金属元素例如Ta或V置换。同样地，20摩尔％ 以下的Ti可被Zr或Sn置换，或者15摩尔％以下的Na可被Li置换。同样地，可以以对应 于具有通式（1)的钙钛矿型金属氧化物的量的5摩尔％以下的量将Ni元素添加到压电材 料中。同样地，可以以对应于具有通式（1)的钙钛矿型金属氧化物的量的5摩尔％以下的 量将选自La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm和Yb中的至少一种元素添加到 压电材料中。同样地，基于金属计，可以将0.001重量份-4. 000重量份的含有选自Si和B 中的至少一种的辅助成分添加到100重量份的压电材料中。
[0055] 通式⑴中，尽管B位点元素与元素0的摩尔比为1:3,但摩尔比的小幅变动（例 如，1. 00:2. 94至1. 00:3. 06)也在本发明的范围内，条件是该金属氧化物具有钙钛矿型结 构作为主相。金属氧化物的钙钛矿型结构能够由使用X射线衍射或电子衍射的结构分析确 定。
[0056] 根据本发明的实施方案的压电材料可具有任何形式，例如陶瓷、粉末、单晶、膜或 浆料，并且可以是陶瓷。本文中使用的术语"陶瓷"是指通过含有金属氧化物作为基础成分 并且通过加热处理烧结而成的晶粒的聚集体（也称为块体），即，多晶材料。术语"陶瓷"也 包括烧结后处理过的陶瓷。
[0057] 通式⑴的值X，表示A位点处Na的量，可以在0. 80彡x彡0. 95的范围内。小于 〇? 80的值x导致Na相对于Nb的不足和杂质相（具有与Ba4Nb209、Ba6Ti7Nb9042、Ba3Nb4Ti4021 或Ba3Nb3.2Ti5021相似的X射线衍射图案的相）的形成。富含这样的杂质相的金属氧化物样 品具有107-10 8Q?〇!!的范围内的低电阻率并且难以极化。大于0. 95的值x导致低的压电 性。x在0.80 0.95的范围内时，杂质相罕有发生，并且压电材料具有高压电性。值 x可在0. 80彡x彡0. 93的范围内。
[0058] 通式⑴的值y，表示B位点处Nb的量，可在0.85彡y彡0.95的范围内。小于0.85 的值y导致小于140°C的居里温度。大于0. 95的值y导致低的压电性。0. 85 <y< 0. 95 的范围内的值y导致140°C以上的居里温度和高压电性。
[0059] 0. 85彡y彡0. 90的范围内的值y导致约130°C-230°C的范围内的居里温度，这使 得极化处理容易。0. 88 <y< 0. 90范围内的值y导