压电促动器的制作方法

专利名称：压电促动器的制作方法
背景技术：
1.本发明领域本发明涉及利用了在大电场影响下的反压电效应和电致伸缩效应的压电促动器，例如层合促动器、压电变压器、超声马达、双压电晶体元件、声纳、压电超声换能器、压电蜂鸣器、或者压电扬声器。
2.相关技术利用压电陶瓷材料的压电促动器是通过使大多数位移可以归因于反压电效应来将电能转化为机械能、并且被广泛应用到电子和机电一体化领域的工业产品。
压电促动器包括具有至少形成于压电陶瓷片上的一对电极的压电元件；保持压电元件的保持部件；粘合剂元件或者限制压电元件保留在保持部件中的限制元件例如弹簧；通过其将电压施加到压电元件的引线和电绝缘元件例如涂布在一对电极上的树脂或硅油。在该压电促动器中，包括压电陶瓷片的压电元件是通过粘合、模制、或者弹簧限制的。虽然没有施加电压，但是施加了约束的机械力(预设载荷)。而且，在该压电促动器中，当向该压电促动器施加电压的时侯，随着电压的上升该压电元件被移动。这增加了约束机械力(增加了载荷)。
因此，与压电元件自身的位移性能不同，由于预设载荷以及载荷的增加，压电促动器的位移比较小。
压电促动器的工作条件和驱动条件包括参数例如温度、驱动电场强度、驱动波形、驱动频率、以及驱动模式是连续驱动或间歇式驱动。温度范围很大地依赖于使用产品的环境温度变化。温度范围的下限等于或高于-40℃并且它的上限等于或低于约160℃。对于压电蜂鸣器、声纳、压电扬声器等，驱动电场强度的大小(amplitude)等于或小于500V/mm。对于超声马达、压电变压器等，该大小等于或小于1000V/mm。对于层合致电器，该大小等于或小于3000V/mm。此外，当采用共振驱动作为驱动形式的时侯，该驱动波形是正弦波。对于其它驱动形式，驱动波形可以是各种波，也就是说，正弦波、梯形波、三角波、矩形波、和脉动波中的任何一种。此外，用于超声马达、声纳、压电超声换能器等的驱动频率等于或高于20kHz，而用于其它产品的驱动频率在20kHz以下。
作为用于压电促动器的压电陶瓷，采用了例如钛酸铅锆(Pb(Zr，Ti)O3)体系(在下文中称为PZT体系)等。PZT体系压电陶瓷表现出高的压电性能，并且被用于大部分目前被投入使用的压电陶瓷中。然而，由于PZT体系压电陶瓷含有表现出高蒸气压的氧化铅(PbO)，因此，其对于环境所施加的负担是很大的。
已经开发了很多种不含铅的钛酸钡(BaTiO3)体系压电陶瓷。
具体而言，例如，日本未审查专利公开No.11-180766公开了一种根据共振方法测量的压电应变常数d33大于300PC/N的组合物。在-30℃-85℃的温度范围内，压电应变常数d33与温度有关的变化率很小。
日本未审查专利公开No.2003-128460公开了包括钛酸钡体系压电陶瓷片和电极的压电元件。在本文中，向该元件施加1kV/mm的电场强度的信号，由该元件所表现出的变形因子计算的压电应变常数d31与温度有关的变化率很小。
然而，包括常规压电元件的压电促动器不结实，不足以经受实际应用。
要求该压电促动器根据各种工业产品，例如层合致电器、压电变压器、超声马达、双压电晶体元件、声纳、压电超声换能器、压电蜂鸣器、和压电扬声器的用途表现出各种性能。然而，现实中，没有压电促动器完全满足由各种产品，例如层合致电器、压电变压器、超声马达、双压电晶体元件、声纳、压电超声换能器、压电蜂鸣器、和压电扬声器所要的性能。要求有进一步的改进。
本发明的简述本发明解决了相关技术的上述问题，并且试图提供具有优异的适用性的压电促动器。
本发明提供了一种压电促动器，其包括具有在压电陶瓷片表面上形成的一对电极的压电元件，和保持该压电元件的保持构件。
应用于该压电促动器中的压电陶瓷满足下面所描述的要求(a)-(e)中的至少一种。
(a)堆密度应该等于或小于5g/cm3，并且根据共振-反共振方法计算的杨氏模量Y11E应该等于或大于90GPa。
(b)导热系数应该等于或大于2Wm-1K-1。
(c)在-30℃至160℃的温度范围内，热膨胀系数应该等于或大于3.0ppm/℃。
(d)在-30℃至160℃的温度范围内，压电系数应该等于或小于400μCm-2K-1。
(e)在-30℃至80℃的温度范围内，根据共振-反共振方法计算的机械品质因数Qm应该等于或小于50。
在根据本发明的压电促动器中，压电陶瓷满足要求(a)-(e)中的至少一种。因此该压电促动器具有优异的实用性。
下面将根据每一个要求，对根据本发明的压电促动器的优点进行描述。
当压电陶瓷至少满足要求(a)的时侯，可以降低压电促动器的重量，并且能够降低在启动压电促动器时所产生的噪音。此外，当压电陶瓷的共振频率变高的时侯，尽管驱动频率高，但是该压电促动器能够进行快速反应或者移动。这允许压电促动器被快速运转。
通常，当被驱动的时侯，压电促动器可能产生噪音。该噪音是归因于当压电元件拉伸或收缩时，保持构件例如包括在压电促动器的外壳或者与压电促动器连接的任何构件与该压电促动器共振的事实。因此，当设计压电促动器自身或者设计应用压电促动器的工业产品的时侯，应该设计它们的结构防止共振。例如，当将压电促动器用于用梯形波驱动的燃油喷射阀的时侯，由于驱动频率很高并且电压增加速率很高并且该结构复杂，因此很难通过该结构的设计来防止共振。
当压电陶瓷满足根据本发明的要求(a)的时侯，由于压电陶瓷的重量降低了，驱动该促动器的产生的动能变得较小。因此，可以使噪音的产生最小化。此外，由于该压电促动器不管很高的驱动频率而作出快速反应或者移动，因此可以快速地运行该压电制动器。当应用于，例如燃油喷射阀等时侯，该压电促动器具有优异的实用性。
通常，当驱动压电促动器的时侯，压电促动器的温度可能升高。随着温度的升高，由压电促动器所形成的移动或者任何其它性能可能改变。
当压电陶瓷满足根据本发明的要求(b)的时侯，该压电陶瓷的热辐射性能得到了提高。因此可以抑制压电促动器的温度升高。因此，可以抑制由于压电陶瓷的温度升高所导致的位移或者任何其它性能的改变。因此，该压电促动器具有优异的实用性。
通常，当压电促动器在环境温度，例如，120℃或更高的温度下使用的时候，如果压电促动器的温度升高的很大，则该压电促动器有可能具有很高的温度。因此，担心压电促动器自身或者由例如树脂制得的并且包括在该压电促动器内的保持构件可能被热老化。
当压电陶瓷满足要求(b)的时侯，由于可以抑制温度的升高，因此可以防止保持构件的热老化。因此，如果将压电促动器应用于，例如，保持构件相对容易热老化的超声马达、声纳、或者超声换能器，则将实际上改进该压电促动器。此外，在超声马达、声纳、或者超声换能器的情况下，不仅保持构件而且粘合剂构件也是由例如树脂制成的。该粘合剂构件可以用来将压电元件连接到支架或任何其它的由金属制得的构件上。即使在这种情况下，只要压电陶瓷满足要求(b)，由于温度的升高能够被抑制，所以可以防止粘合剂构件的热老化。
当压电陶瓷满足要求(c)的时侯，压电陶瓷与电极、保持构件、或者任何其它的与该压电陶瓷接触的构件之间的热膨胀差异都可以被降低。
通常，压电促动器的温度随着使用环境温度变化或者由于当驱动压电促动器时所发生的温度升高而变化。此外，即使在生产压电促动器的过程中，例如，当对压电元件加热并且将其连接到某些东西上的时侯，压电促动器的温度发生了改变。当温度发生变化的时侯，在压电陶瓷与电极、保持构件、或者任何其它与该压电陶瓷接触的构件之间可能发生热膨胀差异。结果是，在压电促动器中可能产生热应力。最终，该压电促动器可能断裂。
当压电陶瓷满足根据本发明的要求(c)的时侯，由于热膨胀差异可以被降低，因此可以防止压电促动器由于热应力而断裂。
此外，当将压电促动器用于超声马达、声纳、或者超声换能器、压电蜂鸣器、或者压电扬声器的时侯，可以对应用压电陶瓷的压电元件和任何其它构件加热并且使用例如热固性树脂将它们相互连接起来。即使在这种情况下，只要该压电陶瓷满足要求(c)，由于可以降低热膨胀差异，因此可以防止该压电促动器由于在加热和连接中所产生的残余热应力所导致的断裂。因此，采用满足要求(c)的压电陶瓷的压电促动器，当被应用于超声马达、声纳、或者超声换能器、压电蜂鸣器、或者压电扬声器的时侯，将证明具有高的实用性。
当压电陶瓷满足要求(d)的时侯，能够限制压电促动器中热电效应的发生率。
通常，当压电促动器或者其内具有压电促动器的工业产品被生产，或者在完成后被运输或者被储存的时侯，如果它的温度改变，则担心在该压电制动器中可能由于热电效应形成电压。为了避免形成电压，使用了金属夹具等来使包括在该压电促动器中的电极接头之间的连接短路，或者为了在电极接头之间连接电阻器而改进产品的构型。结果是，并不是制备压电促动器原始必要的工艺、金属夹具、或者部件例如电阻器变成为必要的。这可能导致生产成本的增加。
当压电陶瓷满足本发明的要求(d)的时侯，可以限制压电制动器中热电效应的发生率。因此，不再需要包括相关领域中防止热电效应所需要的生产工艺或者部件并且可以降低生产成本。因此，当被用作包括，例如，由于热电效用产生大量电荷的层合或者厚压电元件的促动器时，也就是说，当被用于例如燃油喷射阀、层合压电变压器、层合超声马达、或者层合压电扬声器的时侯，该压电制动器将被证明具有很高的实用性。
当压电陶瓷满足要求(e)的时侯，除了共振点以外的任何点所产生的声压都被增加了。因此，压电促动器中的共振点和任何其它点之间的声压差异被降低。当用于，例如，压电蜂鸣器，压电扬声器，或者压电发声部件例如发报机的时侯，该压电促动器将被证明具有高的实用性。
如前面所描述的，根据本发明，在这里提供了具有优异实用性的压电促动器。
附图的简单描述

图1是显示了根据实施例1的压电促动器所表现的动应变大小D33的温度依赖性的图；图2是显示了根据实施例2的压电促动器所表现的动应变大小D33的温度依赖性的图；图3是显示了根据实施例3的压电促动器所表现的动应变大小D33的温度依赖性的图；图4是显示了根据实施例4的压电促动器所表现的动应变大小D33的温度依赖性的图；图5是显示了根据实施例5的压电促动器所表现的动应变大小D33的温度依赖性的图；图6是显示了驱动电场强度和动应变大小D33之间关系的图，其中该关系是根据实施例6在实施例1-5中的各个压电促动器建立的；图7是显示了表示在实施例5中所生产的薄板所表现的压电应力常数d31的温度特性的测量值，以及在实施例5中观察到的在1000V/mm-2000V/mm的驱动电场强度下观察到的动应变大小的图，其中该测量值和动应变大小相对于在20℃获得的值被标准化；图8是显示了由实施例2和对比例1中所生产的压电陶瓷所表现出的线性热膨胀系数的温度依赖性的图，其中，该温度依赖性是根据实施例9观察的；图9是显示了显示了在实施例4和对比例1中所生产的压电陶瓷中所发生的偏振度大小变化的温度依赖性的图，其中，该温度依赖性是根据实施例10观察的；图10是显示了断裂可能性和Inf值之间的关系的图，其中这些关系是根据实施例11在实施例5和对比例1所生产的各个压电陶瓷中建立的；图11是显示了由实施例4、实施例5、对比例2、和对比例3中所生产的压电元件所表现出的机械品质因子的温度依赖性的图，其中，温度依赖性是根据实施例12观察的；图12是显示了由实施例5中所生产的压电元件所表现出的杨氏模量(Y11E)的温度依赖性的图，其中，该温度依赖性是根据实施例13观察的；图13是显示了由在实施例5中所生产的压电元件所表现出的共振频率(Fr)的温度依赖性的图，其中，该温度依赖性是根据实施例13观察的；图14是显示了在实施例5中所生产的压电元件中所发生的介电损耗(tanδ)的温度依赖性的图，其中，该温度依赖性是根据实施例13观察的；图15是简略显示了根据本发明的一种压电促动器结构的实施例的说明图；图16是简略显示了根据实施例1的压电促动器的结构的说明图；图17是简略显示了根据实施例1的层合压电元件的结构的说明图；图18是显示了用根据实施例1的压电陶瓷片形成的压电元件(薄板)的结构的说明图；和图19是显示了如何层叠根据实施例1的压电元件(薄板)和内部电极板的说明图。
优选技术方案的描述根据本发明的压电促动器包括压电元件和保持构件。该压电元件包括压电陶瓷片和形成在压电陶瓷片至少部分表面上的电极。
具体而言，该压电元件是由，例如，压电陶瓷片和一对将该压电陶瓷片夹在中间的电极构成的。
此外，作为该压电元件，可以采用具有交替层合的多个压电陶瓷片和多个电极的层合压电元件。当采用层合压电元件作为压电元件的时侯，由压电促动器形成的位移大小被增加。
保持构件保持该压电元件并且是作为，例如，由树脂制备的收缩管实现的。
在根据本发明的压电促动器中采用的压电陶瓷满足要求(a)-(e)中至少之一。
要求(a)规定堆密度应该等于或小于5g/cm3，并且根据共振-反共振方法测量的杨氏模量Y11E应该等于或大于90GPa。当压电陶瓷的堆密度大于5g/cm3，在驱动压电促动器的过程中所形成的噪音可能被强化。唯恐压电促动器的强度和位移被降低，堆密度的下限应该等于或大于4.4g/cm3。
压电陶瓷的堆密度可以根据例如下面所描述的方法测量。
测量陶瓷的干重W1[g]、它的水下重量W2[g]、以及其湿重量W3[g]，然后根据下列方程式计算该陶瓷的堆密度(Archimedes’方法)堆密度＝(W1×ρw)/(W3-W2)
其中ρw表示在测量水下重量的时侯观察的水的密度[g/cm3]。
当根据共振-反共振方法测量的杨氏模量Y11E低于90GPa的时候，压电促动器的驱动频率可能降低。优选，杨氏模量Y11E应该等于或大于95GPa。更优选，杨氏模量Y11E应该等于或大于100GPa。假设被驱动时形成位移的压电活性部件和即使在被驱动时也很难形成位移的压电非活性部件以它们在层合促动器或者压电变压器中相同的方式共同存在于该压电促动器中，则在驱动的过程中产生了内应力。为了降低内应力，杨氏模量Y11E的上限应该等于或小于120GPa。
杨氏模量Y11E可以根据共振-反共振方法测量。根据共振-反共振方法，杨氏模量Y11E可以如在“Standard EMAS-6001 by Electronic MaterialsManufacturers Association of Japan on Piezoelectric Ceramic Transducer TestingMethod—Vibrations In radial direction of disk transducer”(由Committeee ofPiezoelectric Ceramic Technology at Electronic Materials ManufactureersAssociation of Japan编辑，1977年7月20日)，“Standard EMAS-6007 byElectronic Materials Manufacturers Association of Japan on Piezoelectric CeramicTransducer Testing Method—measurement and calculation of materialconstant”(由Committeee of Piezoelectric Ceramic Technology at ElectronicMaterials Manufactureers Association of Japan编辑，1986年3月)，或者“StandardEMAS-6100 by Electronic Materials Manufacturers Association of Japan onElectrical Testing Method for Piezoelectric Ceramic Transducer”(由Committeeeof Piezoelectric Ceramic Techmology at Electronic Materials ManufactureersAssociation of Japan编辑，1993年3月)所描述的那样测量。
要求(b)规定了导热系数应该等于或大于2Wm-1K-1。
当导热系数低于2Wm-1K-1的时侯，热辐射性能可以被降低。结果是，在对其进行驱动时，压电促动器的温度有可能升高，并且位移或任何其它性能有可能波动。优选，导热电系数应该等于或大于2.2Wm-1K-1。
压电陶瓷的导热系数可以根据例如下面所描述的方法测量。
具体而言，热扩散系数是根据激光脉冲加热方法测量的。比热是根据差示扫描量热法(DSC)测定的。然后根据下面的方程式计算导热系数λ＝αρCp
其中λ表示导热系数[Wm-1K-1]，α表示热扩散系数[10-7m2s-1]，ρ表示压电陶瓷的堆密度[kg/m3]，并且Cp表示比热[Jkg-3K-1]。
要求(c)规定在-30℃至160℃的温度范围内，热膨胀系数应该等于或大于3.0ppm/℃。
在特定的温度范围内，如果压电陶瓷的热膨胀系数低于3.0ppm/℃，则担心在压电促动器中可能容易产生热应力。结果是，该压电促动器可能容易断裂。
优选，该热膨胀系数应该等于或大于3.5ppm/℃。更优选，该热膨胀系数应该等于或大于4.0ppm/℃。如果压电陶瓷的热膨胀系数大于包括在压电促动器内的由铁(Fe)制得的金属构件，则容易产生热应力。根据该观点，热膨胀系数的上限应该等于或大于11ppm/℃。
压电陶瓷的热膨胀系数可以根据例如下面描述的方法测量。
具体而言，线性热膨胀系数是根据热-机分析(TMA)方法测量的，并且热膨胀系数是根据下列方程式β＝(1/L0)×(dL/dT)其中β表示线性热膨胀系数[10-6/℃]，L0表示在参比温度(25℃)时试样的长度[m]，并且dT表示温度差[℃]，并且dL表示与温度差dT相关的膨胀长度[m]。
要求(d)规定在-30℃至160℃的温度范围内，热电系数应该等于或小于400μCm-2K-1。
当压电陶瓷的热电系数在特定的温度范围内超过400μCm-2K-1时，容易发生热电效应。担心由于温度变化可能在压电致电器中产生热电效应。
优选，在-30℃至160℃的温度范围内，压电陶瓷的热电系数应该等于或小于350μCm-2K-1。更优选，压电陶瓷的热电系数应该等于或小于300μCm-2K-1。
被称为热电系数的是在压电陶瓷中发生的极化度大小的平均温度系数。热电系数可以根据例如下面所描述的方法测量。
热电系数γ是由定义方程式γ＝dP/dT[Cm-2K-1]表示的(其中P表示极化度的大小并且T表示温度)。通常，可测量参数例如电流I、样本电极的面积S、温度变化dT、和测量之间间隔dt被用来根据下面的方程式计算热电系数。
γ＝(I/S)×(dt/dT)[Cm-2K-1]具体而言，为了以恒定的速率升高或降低压电元件的温度，将压电元件放入恒温器或者电热炉内。此时，使用微安表测量从压电元件的上面和下面的各个电极流出的电流I[A]。为了计算出所产生的电荷的量[C]，将在测量时间t[S]过程中测量的电流值积分。然后用包括在该压电元件内的各个电极的面积除所产生的电荷量，从而计算在各个温度下极化度大小P的温度特性(C/cm2)。这样，就计算了它的温度系数(热电电流方法)。
要求(e)规定了在-30℃至80℃的温度范围内，根据共振-反共振方法计算的机械品质因数Qm应该等于或小于50。
在上述特定温度范围内，当压电陶瓷的机械品质因数Qm超过50的时候，除了共振点以外的任何点的声压可能降低。
优选，在-30℃至80℃的温度范围内，压电陶瓷的机械品质因数应该等于或小于40。更优选，压电陶瓷的机械品质因数应该等于或小于35。顺便提一下，当机械品质因数Qm太小，共振频率的大小很小。这引起了声压降低。因此，机械品质因数Qm的下限应该等于或大于5。
机械品质因数Qm可以根据，例如，下面描述的方法测量。
根据共振-反共振方法，机械品质因数Qm是如在“Standard EMAS-6001 byElectronic Materials Manufacturers Association of Japan on Piezoelectric CeramicTransducer Testing Method——Vibrations In radial direction of disktransducer”(由Committeee of Piezoelectric Ceramic Technology at ElectronicMaterials Manufactureers Association of Japan发行，1977年7月20日)，“Standard EMAS-6007 by Electronic Materials Manufacturers Association ofJapan on Piezoelectric Ceramic Transducer Testing Method——measurement andcalculation of material constant”(由Committeee of Piezoelectric CeramicTechnology at Electronic Materials Manufactureers Association of Japan编辑，1986年3月)，或者“Standard EMAS-6100 by Electronic Materials ManufacturersAssociation of Japan on Electrical Testing Method for Piezoelectric CeramicTransducer”(由Committeee of Piezoelectric Ceramic Technology at ElectronicMaterials Manufactureers Association of Japan编辑，1993年3月)所描述的那样测量的。
优选，使用于根据本发明的压电促动器中的压电陶瓷应该满足要求(a)-(e)所有要求。
在这种情况下，压电促动器的实用性得到了最大程度的提高。
此外，优选，当压电促动器是在驱动电压具有1000V/mm或更大的恒定电场强度大小的驱动条件下被驱动的时候，压电促动器应该满足下面所描述的要求(f)和(g)。
(f)在-30℃至80℃的温度范围内，通过用电场强度除在压电促动器中施加电场的方向中发生的应变所计算的动应变D33的大小应该等于或大于250pm/V。
(g)在-30℃至80℃的温度范围内，从温度变化导出的动应变大小D33的变化宽度WD33应该在±14％内，WD33是由下面的方程式(1)表示的WD33(％)＝[{2×D33max/(D33max+D33min)}-1]×100(1)其中D33max表示在-30℃至80℃的温度范围内所观察的动应变大小的最大值，并且，D33min表示在-30℃至80℃的温度范围内所观察的动应变大小的最小值。
当满足了要求(f)和(g)的时候，来自温度变化的由压电促动器所形成的位移变化被降低。换句话来说，即使当该压电促动器是在温度变化非常显著的环境中使用，其也将形成基本恒定的位移。因此，该压电促动器可以应用于在温度变化剧烈的环境下使用的工业产品，例如，可以应用于汽车部件。
下面将描述由压电促动器形成的位移的温度依赖性。
根据恒定电压驱动方法驱动的压电促动器形成的位移是由下面的方程式A1表示的ΔL＝D33×EF×L0(A1)其中D33表示动应变的大小[m/V]，EF表示最大电场强度[V/m]，并且L0表示在应用电压前观察到的压电陶瓷片的长度[m]。被称为动应变大小的是在施加将电场强度从零改变到3000V/m并且没有引起电介质击穿的高压的时候，在平行于施加电压的方向，由压电陶瓷片形成的位移大小，其中为了驱动该压电促动器它的大小保持恒定。动应变的大小由下面的方程式A2表示D33＝S/EF＝(ΔL1/L0)/(V/L0)(A2)
其中，S表示最大应变。动应变的大小D33不仅是依赖于温度而且依赖于电场强度。
从方程式(A1)和(A2)显而易见，由压电促动器形成的位移(ΔL1)与依赖于所施加电场强度的动应变大小D33和所施加的电场强度的乘积成比例。
为了在使用的温度范围内，降低由促动器所形成的位移变化宽度，应该使依赖于驱动电场强度的动应变大小D33的温度依赖性最小化。
不言而喻，表示位移性能的动应变大小D33优选应该是大的。
如果压电促动器不满足要求(f)，也就是说，如果在-30℃至80℃的特定温度范围内，动应变大小D33低于250pm/V，或者如果压电促动器不满足要求(g)，也就是说，如果在-30℃至80℃的特定温度范围内，从温度变化导出的动应变大小D33的变化宽度WD33不在±14％内，则由该压电促动器所形成的位移可能较小并且该位移的温度依赖性可能较大。
当压电促动器是在驱动电压具有100V/mm或更大的恒定电场强度大小的驱动条件下被驱动的时候，该压电促动器应该优选满足下面所描述的要求(h)和(i)。
(h)在-30℃至160℃的温度范围内，通过用电场强度除在压电促动器中施加电场的方向中发生的应变所计算的动应变大小D33应该等于或大于250pm/V。
(i)从温度变化导出的动应变大小D33的变化宽度WD33应该在±14％内，WD33是由下面的方程式(2)表示的WD33(％)＝[{2×D33max/(D33max+D33min)}-1]×100 (2)其中D33max表示在-30℃至160℃的温度范围内所观察的动应变大小的最大值，并且，D33min表示在-30℃至160℃的温度范围内所观察的动应变大小的最小值。
当压电促动器满足要求(h)和(i)的时候，可以进一步改进该压电促动器的温度依赖性。即，在这种情况下，在-30℃至160℃更宽的温度范围内，由该压电促动器所形成的位移的温度依赖性可以被降低。
优选根据本发明的压电促动器应该用于燃油喷射阀。在这种情况下，根据本发明的压电促动器将最大程度地表现出它的优异性能。
此外，根据本发明的压电促动器可以用于声纳、超声马达、或者压电超声换能器。
此外，根据本发明的压电促动器可以用于压电发声部件。该压电发声部件包括，例如，压电蜂鸣器和压电扬声器。
此外，应用于根据本发明的压电促动器中的压电元件应该优选是具有交替层叠的压电陶瓷片和电机的层合压电元件。
在这种情况下，由要求(d)所提供的限制了热电效应发生的上述优点被明显地表现出来。通常，当应用层合压电元件的时候，由热电效应所导致的电荷量增加。因此，在压电元件中所发生的极化容易变坏。此外，把持该压电元件的工作人员有可能被电击。然而，根据本发明，只要满足了要求(d)，即使当应用层合压电元件的时候，也能够抑制该热电效应的发生。
层合压电元件具有压电陶瓷片和电极交替层叠的机构。具体而言，例如，该结构可以是通过交替层叠多个没被煅烧的压电陶瓷片然后煅烧该层合体实现的电极联合的并且煅烧的结构，或者是通过将多个压电元件粘结实现的，其中每一个压电元件都具有在煅烧的压电陶瓷片上形成的电极。
此外，应用于根据本发明的压电促动器中的压电陶瓷优选是不含铅的压电陶瓷。
在这种情况下，可以改进该压电促动器对于环境的无害性。
优选，应用于根据本发明的压电促动器中的压电陶瓷应该是由多晶物质形成的晶粒定向的压电陶瓷，该物质的主相以由通式{Lix(K1-yNay)1-x}{Nb1-z-wTazSbw}O3，其中0≤x≤0.2，0≤y≤1，0≤z≤0.4，0≤w≤0.2，x+z+w＞0表示的各向同性钙钛矿化合物的形式存在。在本文中，构成多晶物质的晶粒特定晶面是定向的。
在这种情况下，可以容易地实现满足要求(a)-(e)的压电促动器，或者满足要求(a)-(i)的压电促动器。
该晶粒定向的压电陶瓷具有铌酸钾钠(K1-yNayNbO3)作为基本成分，其是一种各向同性钙钛矿化合物。该晶粒定向的压电陶瓷具有预定量的代替部分A-位置元素(K或Na)的锂(Li)和/或具有预定量的取代部分B-位置元素(Nb)的钽(Ta)和/或锑(Sb)。在上述通式中，x+z+w＞0表示至少应该包含锂(Li)、钽(Ta)、和锑(Sb)中一种作为置换元素。
在上面的通式中，y表示包含在晶粒定向压电陶瓷中的钾(K)与包含在其内的钠(钠)的比例。应用于本发明的晶粒定向压电陶瓷应该包含K和Na中至少一种作为A-位置元素。换句话来说，K与Na的比率，y，没有被限制到任何具体的值，但是可以被设定到等于或大于0并且等于或小于1的任何值。为了获得优异的位移性能，y值应该优选等于或大于0.05并且等于或大于0.75，更优选，等于或大于0.20并且等于或小于0.70，更优选，等于或大于0.35并且等于或小于0.65，更优选，等于或大于0.40并且等于或小于0.60，或者更优选，等于或大于0.42并且等于或小于0.60。
顺便说一下，x表示置换A位置元素钾(K)和/或钠(Na)的锂(Li)的量。当Li置换了部分K和/或Na的时候，压电性能得到提高，居里温度被提高，和/或促进了致密化。x值应该优选等于或大于0并且等于或小于0.2。当x值超过0.2的时候，位移性能降低。优选，x值应该等于或大于0并且等于或小于0.15。更优选，x值应该等于或大于0并且等于或小于0.10。
此外，z表示置换B-位置元素铌(Nb)的钽(Ta)的量。当Ta置换部分Nb的时候，位移性能得到了改进。具体而言，z值应该优选等于或大于0并且等于或小于0.4。如果z值超过0.4，居里温度就会降低。这使得很难使用该压电陶瓷作为用于家庭电器用具或者汽车的压电材料。z值应该优选等于或大于0并且等于或小于0.35，或者更优选，等于或大于0并且等于或小于0.30。
此外，w表示置换B-位置元素铌(Nb)的锑(Sb)的量。如果Sb置换部分Nb，则位移性能得到了改进。具体而言，w值应该优选等于或大于0并且等于或小于0.2。如果w值超过0.2，位移性能就会下降和/或居里温度就会降低。这使得很难使用该压电陶瓷作为用于家庭电器用具或者汽车的压电材料。w值应该优选等于或大于0并且等于或小于0.15。
当晶粒定向压电陶瓷的温度从高变为低的时候，它的晶体相从立方晶体变为四方系晶体(第一晶相转变温度＝居里温度)，从四方系晶体变为斜方晶体(第二晶相转变温度)，或者从斜方晶体变为菱形晶体(第三晶相转变温度)。在高于第一晶相转变温度的温度下，由于晶相是立方晶体，位移性能消失。此外，在低于第二晶相转变温度的温度下，该晶相是斜方晶体。因此，位移和表观动态静电电容的温度依赖性分别被提高。因此，将第一晶相转变温度设置为大于使用温度范围的值，并且将第二晶相转化温度设置为小于用于使用温度范围的值。这样，该压电陶瓷应该在整个使用的温度范围内以四方系晶体的形式存在。
关于作为晶粒定向压电陶瓷基本成分的铌酸钾钠(K1-yNayNbO3)，Jounalof American Ceramic Society(U.S.A.，1959，vol.42[9]，pp.438-442)和US2976246的说明书公开了在K1-yNayNbO3的温度从高变低的时候，它的晶体相从立方晶体变为四方系晶体(第一晶相转变温度＝居里温度)，从四方系晶体变为斜方晶体(第二晶相转变温度)，或者从斜方晶体变为菱形晶体(第三晶相转变温度)。此外，当将y设定为0.5的时候，第一晶相转变温度为约420℃，第二晶相转变温度为约190℃，并且第三晶相转变温度为约-150℃。因此，允许四方系晶体存在的温度范围是190℃-420℃并且其与工业产品从-40℃至160℃的使用温度范围不一致。
另一方面，根据本发明的晶粒定向压电陶瓷的第一和第二晶相转变温度可以通过改变锂(Li)、钽(Ta)、或者锑(Sb)的量而自由改变，元素锂(Li)、钽(Ta)、或者锑(Sb)是置换包含在该晶粒定向压电陶瓷的基本成分铌酸钾钠(K1-yNayNbO3)中其它元素的置换元素。
通过将y值设置到0.4-0.6的范围来允许最大地改进压电性能，而对于置换的锂(Li)、钽(Ta)、和锑(Sb)的量以及晶相转变温度的测量值进行了多个回归分析。结果由下面的方程式B1和B2表示。
方程式B1和B2表明置换锂(Li)量的增加引起了第一晶相转变温度升高并且引起了第二晶相转变温度降低。此外，置换的钽(Ta)和锑(Sb)量的增加引起了第一晶相转变温度和第二晶相转变温度同时降低。
第一晶相转变温度＝(388+9x-5z-17w)±50[℃] (B1)第二晶相转变温度＝(190-18.9x-3.9z-5.8w)±50[℃](B2)第一晶相转变温度是引起压电性能完全消失的温度。此外，在接近第一晶相转变温度的温度下动态电容突然增加。因此第一晶相转变温度应该优选等于或高于使用工业产品的上限环境温度与60℃之和。第二晶相转变温度是带来晶相转变但是没有引起压电性能消失的温度。因此应该将第二晶相转变温度设定为没有负面影响位移或者动态电容的温度依赖性的值，并且优选等于或小于使用工业产品的下限环境温度与40℃之和。
顺便说一下，使用工业产品的上限环境温度根据用途而改变，因此可以是60℃、80℃、100℃、120℃、140℃、或160℃。使用工业产品的下限环境温度可以是-30℃或者-40℃。
因此，方程式B1所规定的第一晶相转变温度应该优选等于或高于120℃。因此，x、z、和w值应该优选满足条件(388+9x-5z-17w)+50≥120。
此外，在方程式B2中所规定的第二晶相转变温度应该优选等于或低于10℃。因此，x、z、和w值应该优选满足条件(190-18.9x-3.9z-5.8w)-50≤10。
在该晶粒定向压电陶瓷中，在通式{Lix(K1-yNay)1-x}{Nb1-z-wTazSbw}O3中的x、y和z值应该满足由下面的方程式(3)和(4)表示的关系。
9x-5z-17w≥-318 (3)-18.9x-3.9z-5.8w≤-130 (4)动态电容(表观动态电容)是通过用施加于压电促动器的电压V(V)除电荷量Q[C]计算的，其中电荷量Q是在压电促动器和电容器相互串联并且向该压电促动器施加了电压来在驱动电压在100V/mm的电场强度中应该具有恒定大小的驱动条件下驱动该压电促动器的时候，在电容器中收集的。
顺便说一下，根据本发明的晶粒定向压电陶瓷可以仅仅由上述通式所表示的各向同性钙钛矿化合物(第一KNN-系化合物)制得，或者可以具有加入的或者置换任何元素的另一种元素。
在前一种情况下，晶粒定向压电陶瓷应该优选仅仅由第一KNN-系化合物制得，但是，只要能够保持各向同性钙钛矿晶体结构，并且不会负面影响烧结性能，压电性能等，其可以含有任何其它的元素或相。具体而言，杂质被不可避免地混合到纯度为99％-99.9％的当地可得到的工业原料中，并且被用来生产该晶粒定向压电陶瓷。例如，是晶粒定向压电陶瓷的一种原料的五氧化铌(Nb2O5)可以含有至多0.1重量％或者更少的钽(Ta)以及0.15重量％或更少的氟(F)作为来自于原矿石或生产方法中的杂质。此外，如在后面的实施例1相关的描述那样，如果在生产方法中使用了铋(Bi)，则将其混合在原材料中是不可避免的。
在后一种情况下，例如，锰(Mn)的加入被证实在降低表观动态电容的温度依赖性和增加位移方面是有效的。另外，Mn的加入被证实在降低电介质损耗tanδ和提高机械品质因子Qm方面是有效的。因此，Mn的加入提供了具有优选特性的共振驱动型促动器。
此外，晶粒定向压电陶瓷使晶粒的特定晶面定向，它们构成了主相以上述通式表示的各向同性钙钛矿化合物的形式存在的多晶。在本文中，晶粒被定向的特定晶面优选是伪立方{100}平面。
顺便说一下，钙钛矿化合物通常具有被分类为四方系晶体、斜方晶体、菱形晶体等或者与立方晶体相比略微变形的结构。由于该应变是可以被忽略的，所以各向同性钙钛矿化合物的结构被认为是立方晶体。因此，伪-立方(HKL)晶体是指被这样认为是立方晶体的四方晶体、斜方晶体、或者菱形晶体，并且其是以米氏晶体面(Miller)指数表示的。
在这种情况下，由压电促动器所形成的位移可以得到增加，并且表观动态电容的温度依赖性可以被降低。
当伪立方{100}平面是定向平面的时候，平面定向的程度可以用根据下面的方程式(1)所表示的Lotgering’s方法计算的平均定向度F(HKL)表示。
WD33(％)＝[{2×D33max/(D33max+D33min)}-1]×100(1)在方程式(1)中，∑I(hkl)表示在晶粒定向压电陶瓷上测量的所有晶面的X-射线衍射强度(hkl)的总和，∑I0(hkl)表示在具有与晶粒定向压电陶瓷相同组分的非晶粒定向陶瓷上测量的所有晶面的X-射线衍射强度(hkl)的总和。此外，∑I’(HKL)表示在晶粒定向压电陶瓷上测量的结晶形态相互相等的特定晶面的X-射线衍射强度(hkl)的总和，并且∑’I0(HKL)表示在具有与晶粒定向压电陶瓷相同组分的非晶粒定向陶瓷上测量的结晶形态相互相等的特定晶面的X-射线衍射强度(HKL)总和。
因此，当构成多晶物质的晶粒并不是定向的时候，平均定向度(HKL)是0％。当构成多晶物质的所有晶粒的(HKL)平面都是平行于测量平面定向的时候，平均定向度F(HKL)是100％。
通常，定向晶粒与所有晶粒的比值越大，多晶物质则表现出越优异的性能。例如，假设特定晶面是平面定向的，如果要求多晶物质表现出优异的压电性能，则根据由方程式(1)所表示的Lotgering’s方法计算的平均定向度F(HKL)应该优选等于或大于30％。更优选，平均定向度F(HKL)应该优选等于或大于50％。更优选，平均定向度F(HKL)应该优选等于或大于70％。此外，将被定向的特定晶面应该是垂直于起偏振轴的平面。例如，如果钙钛矿化合物的晶系是四方晶系，则将被定向的特定晶面应该优选是伪-立方{100}平面。
根据Lotgering’s方法计算的，包含在晶粒定向压电陶瓷内的伪-立方{100}平面的定向度应该优选为30％或更多。此外，在10℃-160℃的温度范围内，晶粒定向压电陶瓷的晶系应该优选是四方晶系。
顺便说一下，当特定晶面是轴向定向的时候，定向程度不能由与应用于平面定向相同的定向度(方程式(1))来限定。然而，当测量垂直于定向轴的平面的X-射线衍射的时候，根据Lotgering’s方法计算的并且基于(HKL)平面的衍射结果所获得的平均定向度(轴定向度)可以被用来表示轴定向的程度。此外，晶粒的特定晶面几乎完全轴向定向的压制品的轴定向度，表现为基本上与晶粒特定晶面几乎完全是平面定向的压制品所测量的轴定向度相同。
如上所述，就根据本发明的压电促动器而言，当所应用的压电陶瓷满足要求(a)的时候，也就是说，当压电陶瓷的堆密度等于或小于5g/cm3的时候，在驱动该压电促动器时所产生的噪音可以被最小化。满足要求(a)的压电陶瓷可以使用由上述通式表示的化合物制造的晶粒定向压电陶瓷容易地实现。
更具体而言，通过使例如由上述通式表示的化合物制得的晶粒定向压电陶瓷致密，可以使压电陶瓷的堆密度等于或小于5.0g/cm3，以至于该化合物将表现出95％或更大的相对密度。
相反，即使当钛酸铅锆(PZT)-系材料被致密化的时候，它的堆密度的范围也是为7.4g/cm3-8.5g/cm3。因此，在应用该晶粒定向压电陶瓷的促动器中所产生的噪音少于在应用PZT-系材料的促动器中所产生的噪音。
接下来，下面将对应用了晶粒定向压电陶瓷的压电促动器的共振频率进行描述。应用于本发明的晶粒定向压电陶瓷根据共振-反共振方法测量的杨氏模量Y11E等于或大于90GPa。应用晶粒定向压电陶瓷的压电促动器的共振频率很小并且它的杨氏模量很大。
接下来，下面将对应用晶粒定向压电陶瓷的压电促动器的热辐射性能进行描述。晶粒定向压电陶瓷的导热系数可以等于或大于2Wm-1K-1。因此，当应用了晶粒定向压电陶瓷的时候，要求(b)可以被容易地满足。结果是，该压电促动器的热辐射性能得到了提高，并且可以抑制温度的升高。
接下来，下面将对在应用了晶粒定向压电陶瓷的压电促动器经历温度变化时所产生的热应力进行描述。
在-30℃至160℃的温度范围内，晶粒定向压电陶瓷的热膨胀系数等于或大于3.0ppm/℃。因此，要求(c)可以被容易地满足。结果是，晶粒定向压电陶瓷与由金属或树脂制成的并且热膨胀系数大于3.0ppm/℃的保持构件之间的热膨胀系数差异可以被降低。因此，当应用晶粒定向压电陶瓷的压电促动器经历温度变化时所产生的热应力可以被降低。
接下来，下面描述了应用晶粒定向压电陶瓷的促动器的压电性能。在-30℃至160℃的温度范围内，晶粒定向压电陶瓷的热电系数应该等于或小于400μCm-2K-1。因此，容易满足上述的要求(d)。结果是，在应用晶粒定向压电陶瓷的压电促动器的接线端所形成的电压很低，以至于实现了在使用金属夹具被短路的接线端之间没有连接的产品，或者在接线端之间没有连接电阻器的产品。
接下来，在下面描述了应用晶粒定向压电陶瓷的压电促动器的机械强度。晶粒定向压电陶瓷承担了比PZT-系压电陶瓷大的双轴弯曲断裂载荷。因此，应用晶粒定向压电陶瓷的压电促动器表现出了优异的机械强度因此很难断裂。
接下来，下面将描述应用晶粒定向压电陶瓷的促动器的机械品质因数Qm。在室温(25℃)下，晶粒定向压电陶瓷的机械品质因数Qm等于或小于30。因此，可以容易地实现上述要求(e)。由于包含在应用晶粒定向压电陶瓷的压电促动器中的整个振荡系统的机械品质因数Qm可以被降低，因此该压电促动器允许实现在共振点和任何其它点之间的声压差异被限制的压电声学部件。
接下来，下面将描述应用晶粒定向压电陶瓷的电压促动器的位移性能。
当压电促动器使用晶粒定向压电陶瓷来实现驱动源的时候，在-30℃至160℃的温度范围内，在驱动电压在没有引起介电质击穿的100V/mm电场强度下具有恒定大小的驱动条件下所发生的动应变D33，等于或大于250pm/V。此外，如果陶瓷的组分以及它的生产工艺被最优化，则动应变D33的大小可以被增加到300pm/V或更高，进一步为350pm/V或更高，进一步为400pm/V或更高，进一步为450pm/V或更高，或者进一步为500pm/V或更高。
此外，位移的变化宽度(＝动应变大小的变化宽度)可以在±14％或更少以内，其中(最大值-最小值)除以2的商被作为参考值。如果陶瓷的组分以及它的生产工艺被最优化，则位移的变化宽度可以降低到±12％或更少以内，进一步降低到±10％或更少以内，或者进一步降低到±8％或更少以内。
此外，在-30℃至80℃的温度范围内，在驱动电压在100V/mm或更多的电场强度下具有恒定大小的驱动条件下所发生的位移变化宽度(＝动应变大小的变化宽度)可以在±14％或更少以内，其中(最大值-最小值)除以2的商作为参考值。如果陶瓷的组分以及它的生产工艺被最优化，则位移的变化宽度可以降低到±12％或更少以内，进一步降低到±9％或更少以内，进一步降低到±7％或更少以内，进一步降低到±5％或更少以内，或者进一步降低到±4％或更少以内。这形成了，当根据恒定电压驱动方法被驱动时，位移几乎不依赖于温度的促动器。
根据本发明的压电促动器可以使它的整个位移源由晶粒定向压电陶瓷制得。在压电促动器的位移性能不受到负面影响的程度上，可以将由通式(1)表示的压电陶瓷和任何其它的压电陶瓷结合，从而可以构成一压电促动器。例如，在层合促动器的情况下，由通式(1)表示的晶粒定向压电陶瓷可以占该压电陶瓷体积的50％或更多，并且钛酸钡系压电陶瓷可以占低于50％的剩余百分数。
下面将结合图15描述根据本发明压电促动器的结构的实施例。如图15所示，压电促动器1包括具有压电陶瓷片的压电元件2、保持该压电元件的保持构件4、容纳该压电元件和其它构件的外壳构件3、和运送由该压电元件形成的位移的运送构件5。
如在下面将要参照的图17所示，具有交替层叠的压电陶瓷21和内部电极22和23的层合压电元件可以用作压电元件2。
此外，将一片压电陶瓷夹在两个内部电极(没有显示)之间的板式压电元件可以被用作压电元件2。
一对外部电极25和26形成在压电元件2的侧面。压电元件2内的两个连接的内部电极22和23分别与外部电极25和26电连接。
如图15所示，运送构件5例如活塞被设置在包括于压电促动器1内的压电元件2层叠方向的一端。碟形弹簧55被放在外壳3与运送构件5之间的空隙内，从而对压电元件2施加了预设载荷。运送构件5沿着压电元件2的位移是可以移动的，从而能够将位移运送到外面。此外，外壳3具有通孔31和32。分别将向外供应电荷的引线(导线)61和62插入到通孔31和32中。使用了垫圈31和32来保持外壳的内侧密封。分别将引线62和63与形成在压电元件2上的外部引线25和26电连接。
如图15所示，为了保持外壳3的内部密封，将O形环放在活塞构件5和外壳3之间的空间内。此外，O形环35允许活塞构件5拉伸或收缩。
该压电促动器可以应用于，例如，燃油喷射阀。此外，该压电促动器可以用作层合促动器、压电变压器、超声马达、双压电晶体片元件、声纳、压电超声换能器、压电蜂鸣器、或者压电扬声器。
(实施例1)在本发明的实施例中，生产了包括压电陶瓷片的压电元件，并且使用该元件来制备压电促动器。
在本实施例中，如在图16中所示，生产了包括夹具8的压电促动器11作为压电促动器的模型。
具体而言，本发明的压电促动器11包括使用压电陶瓷片作为驱动源的层合压电元件2，并且将压电元件2锁定在夹具8内。
夹具8包括容纳压电元件2和与压电元件2连接的并且运送压电元件2位移的活塞(连接构件)82的外壳81。活塞82通过碟形弹簧85与导杆83相连。在外壳81中形成基座815，并且将压电元件2放在该基座815上。通过活塞82的头部821固定放在基座815上的压电元件2。此时，通过碟形弹簧85可以在压电元件2上施加预定载荷。此外，与活塞82头部821相对的一端(测量构件88)可以沿着压电元件2的位移移动。
现在，将在下面描述应用预定载荷的方法。预定载荷是通过将柱形推杆(没有显示)插入到活塞82与推进螺杆84之间的缝隙内，并且使用Amsler型测试机向导杆83应用确定的载荷施加的。此后，为了保持该载荷，用所应用的载荷固定推进螺杆84和外壳81。在此之后，除去推杆。
在本实施例中，制造该压电促动器模型的原因是来评价由该压电促动器形成的位移的温度性能。当该压电促动器被拉长的时候，可以将压电元件2放入恒温器内并且可以将测量构件88设置在恒温器外侧(在室温下)。为了评价后面将要描述的温度性能，将图16中虚线以下所示的压电促动器11部分放在恒温器内。为了防止热传递到该图中虚线以上所示的压电促动器部分，在该压电促动器中包含了绝热构件86。压电促动器的模型功能上等同于图15所述的压电促动器。
如图17所示，在本实施例中，压电元件2是具有交替层叠的压电陶瓷片21和内部电极22和23的层合压电元件。此外，在层叠方向将氧化铝板245放在压电元件2的两端。
两个外部电极25和26形成在压电元件2的侧面上，好像将该压电元件夹在中间一样。外部电极25和26分别与导线61和62相连。
内部电极22和23与外部电极25和26相互电连接，以至于压电元件2中的两个相邻内部电极22和23将分别以相互不同的电位与外部电极25和26分别连接。
接下来，在下面将描述生产该实施例的压电促动器的方法。
(1)制备铌酸钠(NaNbO3)盘状粉末根据使用化学计量比表示为Bi2.5Na3.5Nb5O18的组成以g/m2称量三氧化二铋(Bi2O3)粉末、碳酸钠(Na2CO3)粉末、和五氧化铌(Nb2O5)粉末。然后对这些粉末进行湿混。在此之后，将50重量％的氯化钠(NaCl)作为助熔剂加入到原料中，并且对该混合物干混一个小时。
此后，将该混合物倒入到白金坩埚中，并且在850℃下加热1个小时。在助熔剂完全溶解之后，在1100℃下加热该混合物2个小时。这样制备了表示为Bi2.5Na3.5Nb5O18的反应物。顺便说一下，温度的升高速度是每小时200℃，并且采用了随炉缓冷作为冷却方法。在完成冷却后，通过将该反应物浸在热水中来除去助熔剂。这形成了Bi2.5Na3.5Nb5O18粉末。所形成的Bi2.5Na3.5Nb5O18粉末是盘状粉末，其将它的晶粒{100}平面作为暴露面。
此后，将制备铌酸钠(NaNbO3)所需要量的碳酸钠(Na2CO3)混合到Bi2.5Na3.5Nb5O18盘状粉末中。使用氯化钠(NaCl)作为助熔剂，并且在白金坩埚中在950℃下热处理该混合物8个小时。
所形成的反应物含有三氧化二铋(Bi2O3)粉末和NaNbO3粉末。在从反应物中除去助熔剂之后，为了溶解作为剩余成分生产的Bi2O3，将该反应物放入1N硝酸(HNO3)中。此外，为了溶解铌酸钠(NaNbO3)粉末，过滤该溶液，并且在80℃下用离子交换水清洗该NaNbO3粉末。反应物NaNbO3粉末是它的晶粒的伪立方{100}平面作为暴露面的盘状粉末。晶粒的直径为1μm-30μm，并且它的纵横比为约10-20。
(2)具有表达为{Li0.07(K0.43Na0.57)0.93}{Nb0.84Ta0.09Sb0.07}O3的成分的晶粒定向陶瓷的生产根据表达为{Li0.07(K0.43Na0.57)0.93}{Nb0.84Ta0.09Sb0.07}O3的化学计量组合物，以g/m2的单位称量纯度为99.99％或更高的碳酸钠(Na2CO3)粉末、碳酸钾(K2CO3)粉末、碳酸锂(Li2CO3)粉末、五氧化二铌(Nb2O5)粉末、五氧化二钽(Ta2O5)粉末，来制备1mol从中减去0.05mol铌酸钠(Na2CO3)的混合物。使用有机溶剂作为介质，在锆(Zr)钵中湿混该混合物20个小时。此后，在750℃下煅烧该混合物5个小时。使用有机溶剂作为介质，在Zr钵中湿研磨该混合物20个小时。这形成了平均晶粒直径为约0.5μm的煅烧粉末。
为了实现组成{Li0.07(K0.43Na0.57)0.93}{Nb0.84Ta0.09Sb0.07}O3，以g/m2为单位称量煅烧的粉末和盘状铌酸钠(NaNbO3)以至于煅烧粉末与NaNbO3之比为0.95mol-0.05mol。使用有机溶剂作为介质，在锆(Zr)钵中湿混该混合物20个小时。这形成了研磨的浆料。在此之后，向该浆料中加入粘合剂(聚乙烯醇缩丁醛)和增塑剂(邻苯二甲酸二丁酯)，并且混合该浆料两个小时。
此后，使用带成型设备来将混合浆料成型成为约100μm厚的带子。此外，将该带子折叠或卷边并且卷起来。这形成了1.5mm厚的盘状压制品。此后，在加热温度为600℃，加热时间为5个小时，升温速度为50℃每小时，并且冷却速率为随炉缓冷速率的条件下在空气中对该盘状压制品去油脂。此外，根据冷等静压制(CIP)方法在300MPa的压力下成型该去油脂的盘状压制品，然后将其在1110℃在氧气中焙烧五个小时。这样，就生产了压电陶瓷(晶粒定向压电陶瓷)。
计算了所生产的压电陶瓷的烧结压块密度，并且根据由上述方程式(1)所表示的Lotering’s方法计算了晶粒平行于带平面的伪立方{100}平面的平均定向度F(100)。
此外，将所生产的压电陶瓷研磨，抛光，并且加工以生产出图18中所示的压电陶瓷片21，陶瓷片21是0.485mm厚，直径为11mm，上下表面平行于带平面的圆盘状试样。将金(Au)燃烧电极糊(ALP3057来自Sumitomo MetalMining Co.，Ltd.)印刷在该试样的上下表面上，然后将其干燥。此后，使用网带烧结炉在850℃下燃烧该试样10分钟。这样，在压电陶瓷片21上形成了0.01mm厚的电极210。此外，将该圆盘状试样圆柱研磨来具有8.5mm的直径。这是为了除去在印刷的过程中在电极周围不可避免地形成的几微米大小的凸起。此后，对该试样进行垂直极化。这导致了具有在压电陶瓷片21上形成的整面电极210的压电元件(层板)20。
在室温(25℃)下，根据共振-反共振方法测量了所生产压电元件20的共振频率(Fr)和压电性能，也就是说，杨氏模量(Y11E)，压电应变常数(d31)，电机耦合系数(kp)，机械品质因数(Qm)和介电性能的介电常数(ε331/ε0)，和介电损耗(δ)。此外，根据Archimede’s方法，对没有形成电极的烧结压制品进行了表观密度、开孔度、和堆密度测量。
此外，通过测量介电常数的温度性能获得了第一晶相转变温度(居里温度)和第二晶相转变温度。顺便说一下，当第二晶相转变温度等于或低于0℃的时候，在高于第二晶相转变温度的温度观察的介电常数的变化宽度非常小。因此，如果不能确定介电常数的峰位置，则引起介电常数突然变化的温度被视为第二晶相转变温度。
此后，使用所生产的压电元件来生产层合压电元件，并且使用层合压电元件来构建压电促动器。然后对该压电促动器进行评价。
如图19所示，将如上所述那样生产的压电元件20和由不锈钢(SUS)制备的、具有0.02mm的厚度和8.4mm的直径、并且包括将每一个内部电极与在后面所要描述的外部电极连接起来的凸出物的内部电极板22(23)交替叠合。此时，内部电极22(23)是使得它们的凸出物将从交替不同的位置在层叠方向延伸并且将与每隔一层的那些排成一线设置。这样，四十片压电陶瓷21和四十一片内部电极板22(23)被相互交替叠合。将2mm厚直径8.5mm的铝板(绝缘板)叠合在层合体的上下表面上，从而生产出如图17所示的层合压电元件2。
此后，将由不锈钢(SUS)制得的带状外部电极25和26焊接到内部电极22和23的凸起物上，以至于这些压电元件将相互平行地电连接。此外，提供引线61和62并且将它们分别电连接到外部电极25和26。
此外，将蜂窝状树脂绝缘元件(没有显示)塞到由相同的电极板形成的并且开在层合体侧面上的缝隙中，以确保内部电极板22和23的凸起物、反向极性的内部电极板22和23、压电元件相反极性的金(Au)电极之间的绝缘。将硅酮润滑脂涂敷到该层合体上，然后用通过夹持元件4对该层合体套上绝缘管。这形成了层合压电元件2。
此后，在室温(25℃)下，在层叠方向，向该层合压电元件2施加150MPa的压应力30秒，以提高包括在层合压电元件2中的金(Au)电极和包括在其中的电极板之间的粘合性(加压老化)。此外，在室温(25℃)下，在层叠方向施加30MPa的压应力的同时，以40Hz的频率施加电场强度大小为0-1500v/mm的正弦波30分钟(电压老化)。此后，如图16所示，层合压电元件2被锁在夹具8中。在压电元件2的叠合方向通过施加16.4MPa的预设载荷来压熔接弹簧系数为2.9Ns/μm的盘状弹簧85。这样，完成了如图16所示的压电促动器11。
此后，用从485V至728V变到970V的应用电压驱动该压电促动器，这是因为其是等幅梯形波(电场强度为0-1000v/mm，0-1500v/mm，或者0-2000v/mm)。动应力D33大小的温度依赖性是在-40至160℃的温度范围内测量的。
对于动应力D33大小的测量，使用了静电电容型位移传感器来测量在梯形波的驱动电压应该具有0.5Hz和10Hz的频率，需要150μs作为上升时间和下落时间，并且表现出50-50的利用因数的驱动条件下的位移。然后，根据方程式A2计算动应变D33的大小。
此外，使用计算的值来获得动应变D33的大小在-30至80℃的温度范围内的变化宽度以及其在-30至160℃的温度范围内的变化宽度。在本文中，变化宽度是用(最大值-最小值)除以2的商作为参考值获得的。
在该实施例中所生产的压电陶瓷(晶粒定向陶瓷)是高度致密的以至于它的堆密度为4.72g/cm3。此外，晶粒的伪立方{100}平面平行于带平面定向。此外，根据Lotgering’s方法测量的伪立方{100}平面的平均定向度达到了88.5％。
在室温(25℃)下观察的压电性能的评价结果是共振频率Fr是376kHz，杨氏模量Y11E是103.0GPa，压电应变常数d31是86.5pm/V，电机耦合系数kp为48.8％，机械品质因数Qm是18.2，介电常数ε33t/ε0是1042，并且介电损耗tanδ为6.4％。此外，基于该介电常数的温度性能计算的第一晶相转变温度(居里温度)是282℃，并且第二晶相转变温度为-30℃。表1列出了这些结果。
表2、图1、和表7提供了将在该实施例中生产的压电促动器的驱动频率设定为0.5Hz所测定的动应变D33大小的温度特性。
在-30至80℃的温度范围内，动应变D33的最小值是303pm/V并且是在驱动电场强度为1000v/mm并且温度为-30℃时观察到的。动应变D33的变化宽度的最大值是±3.8％并且其是在驱动电场强度为1500v/mm时观察到的。
在-30至160℃的温度范围内，动应变D33大小的最小值是303pm/V并且是在驱动电场强度为1000v/mm并且温度为-30℃时观察到的。动应变D33的变化宽度的最大值是±7.7％并且其是在驱动电场强度为2000v/mm时观察到的。
(实施例2)除了将用来使盘状压制品脱脂的燃烧温度设置为1105℃以外，根据与实施例1所应用的相同的程序来生产具有组成{Li0.07(K0.45Na0.55)0.93}{Nb0.82Ta0.10Sb0.08}O3的晶粒定向陶瓷。在与实施例1所限定的相同的条件下，对所生产的晶粒定向陶瓷关于烧结压制品的密度、平均定向度、以及压电性能进行评价。此外，根据与实施例1所应用的相同程序制备了包括四十片压电陶瓷的层合促动器，并且对该促动器的性能进行了评价。
在该实施例中所生产的晶粒定向陶瓷是高度致密的以至于它的堆密度为4.72g/cm3。此外，晶粒的伪立方{100}平面平行于带平面定向。根据Lotgering’s方法测量的伪立方{100}平面的平均定向度达到了94.6％。此外，在室温(25℃)下观察的压电性能的评价结果是共振频率F4是374kHz，杨氏模量Y11E是102.5GPa，压电应变常数d31是88.1pm/V，电机耦合系数kp为48.9％，机械品质因数Qm是16.6，介电常数ε33t/ε0是1071，并且介电损耗tanδ为4.7％。此外，基于该介电常数的温度性能计算的第一晶相转变温度(居里温度)是256℃，并且第二晶相转变温度为-35℃。
表1列出了这些结果。
表3、图2、和表7提供了将在该实施例中生产的压电促动器的驱动频率设定为0.5Hz所测定的动应变D33大小的温度特性。
从这些表和附图中看出，在-30至80℃的温度范围内，动应变D33的最小值是355pm/V并且是在驱动电场强度为1000v/mm并且温度为20℃时观察到的。动应变D33的变化宽度的最大值是±8.0％并且其是在驱动电场强度为1000V/mm时观察到的。
在-30至160℃的温度范围内，动应变D33的最小值是355pm/V并且是在驱动电场强度为1000v/mm并且温度为20℃时观察到的。动应变D33的变化宽度的最大值是±13.8％并且其是在驱动电场强度为2000V/mm时观察到的。
(实施例3)除了将用来使盘状压制品脱脂的燃烧温度设置为1105℃以外，根据与实施例1所应用的相同的程序来生产具有组成{Li0.065(K0.45Na0.55)0.935}{Nb0.83Ta0.09Sb0.08}O3的晶粒定向陶瓷。在与实施例1所限定的相同的条件下，对所生产的晶粒定向陶瓷关于烧结压制品的密度、平均定向度、以及压电性能进行评价。此外，根据与实施例1所应用的相同程序制备了包括四十片压电陶瓷的层合促动器，并且对该促动器的性能进行了评价。
在该实施例中所生产的晶粒定向陶瓷是高度致密的以至于它的堆密度为4.71g/cm3。此外，晶粒的伪立方{100}平面平行于带平面定向。根据Lotgering’s方法测量的伪立方{100}平面的平均定向度达到了93.9％。此外，在室温(25℃)下观察的压电性能的评价结果是共振频率Fr是371kHz，杨氏模量Y11E是100.2GPa，压电应变常数d31是95.2pm/V，电机耦合系数kp为50.4％，机械品质因数Qm是15.9，介电常数ε33t/ε0是1155，并且介电损耗tanδ为5.2％。此外，基于该介电常数的温度性能计算的第一晶相转变温度(居里温度)是261℃，并且第二晶相转变温度为-12℃。表1列出了这些结果。
表4、图3、和表7提供了将在该实施例中生产的压电促动器的驱动频率设定为0.5Hz所测定的动应变D33大小的温度特性。
从这些表和附图中看出，在-30至80℃的温度范围内，动应变D33的最小值是347pm/V并且是在驱动电场强度为1000v/mm并且温度为80℃时观察到的。动应变D33的变化宽度的最大值是±5.6％并且其是在驱动电场强度为1500V/mm时观察到的。
在-30至160℃的温度范围内，动应变D33的最小值是347pm/V并且是在驱动电场强度为1000v/mm并且温度为80℃时观察到的。动应变D33的变化宽度的最大值是±11.5％并且其是在驱动电场强度为1500V/mm时观察到的。
(实施例4)在该实施例中，根据不同于实施例1的程序，生产了具有与实施例1相同组成的晶粒定向压电陶瓷。
具体而言，根据组成{Li0.07(K0.43Na0.57)0.93}{Nb0.84Ta0.09Sb0.07}O3，以g/m2的单位称量盘状铌酸钠(NaNbO3)粉末、非盘状NaNbO3粉末、铌酸钾(KNbO3)粉末、钽酸钾(KTaO3)粉末、锑酸锂(LiSbO3)粉末、和锑酸钠(NaSbO3)粉末。使用有机溶剂作为介质，对这些粉末湿混20个小时。
在将粘结剂(聚乙烯缩丁醛)和增塑剂(邻苯二甲酸二丁酯)加入到该浆料中之后，将所形成的浆料再混合2个小时。
顺便说一下，确定铌酸钠(NaNbO3)盘状粉末的比例以至于5重量％由起始材料制备的第一KNN-体系固体溶液(ABO3)的A-位置元素是由NaNbO3盘状粉末供应的。此外，根据固相方法生产了非盘状NaNbO3粉末，KNbO3粉末，KTaO3粉末，LiSbO3粉末，和NaSbO3粉末。即，将纯度为99.9％的含有预定量碳酸钾(K2CO3)粉末、碳酸钠(Na2CO3)粉末、五氧化二铌(Nb2O5)粉末、五氧化二钽(Ta2O5)粉末、和/或五氧化二锑(Sb2O5)粉末的混合物在750℃下加热5个小时。然后使用球磨机研磨该反应物。
此后，使用成型设备来将混合浆料成型成为厚度为约100μm的带。此外，将该带子折叠或卷边并且卷起来以生产1.5mm厚的盘状压制品。此后，在加热温度为600℃，加热时间为5个小时，升温速度为50℃每小时，并且冷却速率为随炉缓冷速率的条件下，在空气中对该盘状压制品去油脂。此外，根据冷等静压制(CIP)方法在300MPa的压力下成型该去油脂的盘状压制品。此后，使用热压烧结该盘状压制品，其中热压是在燃烧温度为1130℃，加热时间为5个小时，并且升温或降温速率为200℃每小时的条件下，在加热的过程中施加的。这样，就生产了压电陶瓷(晶粒定向压电陶瓷)。
在该实施例中所生产的晶粒定向陶瓷是高度致密的以至于它的堆密度为4.78g/cm3。此外，晶粒的伪立方{100}平面平行于带平面定向。根据Lotgering’s方法测量的伪立方{100}平面的平均定向度达到了96％。此外，在室温(25℃)下观察的压电性能的评价结果是共振频率Fr是362kHz，杨氏模量Y11E是96.6GPa，压电应变常数d31是96.5pm/V，电机耦合系数kp为51.9％机械品质因数Qm是15.2，介电常数ε33t/ε0是1079，并且介电损耗tanδ为4.7％。此外，基于该介电常数的温度性能计算的第一晶相转变温度(居里温度)是279℃，并且第二晶相转变温度为-28℃。表1列出了这些结果。
表5、图4、和表7提供了将在该实施例中生产的压电促动器的驱动频率设定为0.5Hz所测定的动应变D33大小的温度特性。
从这些表和附图中看出，在-30至80℃的温度范围内，动应变D33的最小值是427pm/V并且是在驱动电场强度为1000v/mm并且温度为50℃时观察到的。动应变D33的变化宽度的最大值是±7.2％并且其是在驱动电场强度为1000V/mm时观察到的。
在-30至160℃的温度范围内，动应变D33的最小值是427pm/V并且是在驱动电场强度为1000v/mm并且温度为50℃时观察到的。动应变D33的变化宽度的最大值是±9.4％并且其是在驱动电场强度为2000V/mm时观察到的。
(实施例5)在该实施例中，生产了具有特定组成并且用来制备压电促动器的压电陶瓷(晶粒定向压电陶瓷)，该组成为向表示为{Li0.065(K0.435a0.55)0.935}{Nb0.83Ta0.09Sb0.08}O3并且在实施例3中制备的组成中加入了0.0005mol锰(Mn)。
开始，根据组成以g/m2的单位称量纯度为99.99％或更高的碳酸钠(Na2CO3)粉末、碳酸钾(K2CO3)粉末、碳酸锂(Li2CO3)粉末、五氧化二铌(Nb2O5)粉末、五氧化二钽(Ta2O5)粉末、五氧化二锑(Sb2O5)粉末、和二氧化锰(MnO2)粉末，该组成指定了从由1mol{Li0.07(K0.43Na0.57)0.93}{Nb0.83Ta0.09Sb0.07}O3与0.0005mol Mn的总和中减去0.05mol铌酸钠(NaNbO3)。使用有机溶剂作为介质，在锆(Zr)钵中对这些粉末湿混20个小时。此后，在750℃下将该混合物煅烧5个小时。使用有机溶剂作为介质，在Zr钵中对该混合物湿研磨20个小时。这形成了平均粒径为约0.5μm的煅烧粉末。
接下来的程序除了将使盘状压制品的燃烧温度设置为1105℃以外，与实施例1的程序相同。这样，生产了组成为1mol{Li0.065(K0.435a0.55)0.935}{Nb0.83Ta0.09Sb0.88}O3与0.0005mol Mn相加的晶粒定向陶瓷。
在与实施例1相同的条件下，关于烧结压制品的密度、平均定向度、以及压电性能，对所生产的晶粒定向陶瓷进行评价。此外，根据与实施例1相同的程序制备了包括四十片压电陶瓷的层合促动器，并且对动应变大小D33的温度性能进行了评价。
在该实施例中所生产的晶粒定向陶瓷是高度致密的以至于它的堆密度为4.71g/cm3。此外，晶粒的伪立方{100}平面平行于带平面定向。根据Lotgering’s方法测量的伪立方{100}平面的平均定向度达到了89.6％。此外，在室温(25℃)下观察的压电性能的评价结果是共振频率Fr是368kHz，杨氏模量Y11E是98.7GPa，压电应变常数d31是99.1pm/V，电机耦合系数kp为52.0％，机械品质因数Qm是20.3，介电常数ε33t/ε0是1159，并且介电损耗tanδ为2.7％。因此，证明了Mn的加入提高了机械品质因数Qm并且降低了介电损耗tanδ。
此外，基于该介电常数的温度性能计算的第一晶相转变温度(居里温度)是263℃，并且第二晶相转变温度为-15℃。表1列出了这些结果。
表6、图5、和表7提供了将在该实施例中生产的压电促动器的驱动频率设定为0.5Hz所测定的动应变D33大小的温度特性。
从这些表和附图中看出，在-30至80℃的温度范围内，动应变D33的最小值是355pm/V并且是在驱动电场强度为1000v/mm并且温度为50℃或80℃时观察到的。动应变D33的变化宽度的最大值是±10.4％并且其是在驱动电场强度为1000V/mm时观察到的。
在-30至160℃的温度范围内，动应变D33的最小值是355pm/V并且是在驱动电场强度为1000v/mm并且温度为50℃或80℃时观察到的。动应变D33的变化宽度的最大值是±11.8％，并且其是在驱动电场强度为1000V/mm时观察到的。
作为分别与实施例1-5对比的实施例，生产了由典型的压电陶瓷—钛酸铅锆(PZT)陶瓷制备的薄板，并且以与实施例1-5相同的方式对其进行了评价。
(对比例1-5)(对比例1)对比例1是一个层合促动器的实施例，其适合于自动燃油喷射阀并且应用了性质是介于软和硬体系中间(半硬)的四方晶系钛酸铅锆(PZT)材料。在这里，软体系是指机械品质因数Qm等于或小于100的材料，而硬体系是指机械品质因数Qm等于或大于1000的材料。
根据组成{(Pb0.92Sr0.09)(Zr0.543Ti0.457)0.985(Y0.5Nb0.5)0.01Mn0.05}O3，以单位g/m2称量氧化铅(PbO)粉末、二氧化锆(ZrO2)粉末、二氧化钛(TiO2)粉末、碳酸锶(SrCO3)粉末、氧化钇(Y2O3)粉末、五氧化二铌(Nb2O5)粉末、和三氧化二锰(Mn2O3)粉末。使用水作为介质，在锆(Zr)钵中对这些粉末湿混。此后，在790℃下将该混合物煅烧7个小时。此外，使用有机溶剂作为介质，在Zr钵中对该混合物湿研磨。这形成了平均粒径为约0.7μm的煅烧粉末。
在将粘结剂(聚乙烯基缩丁醛)和增塑剂(邻苯二甲酸二丁酯)加入到该浆料中之后，将所形成的浆料在Zr钵中混合20个小时。
此后，使用成型设备来将混合浆料成型成为厚度为约100μm的带。此外，将该带子折叠或卷边并且卷起来以生产1.2mm厚的盘状压制品。此后，将该脱脂的盘状压制品放置在氧化铝烤箱中的氧化镁(MgO)盘上，并且在1170℃的空气中烧结2个小时。
除了使用银(Ag)糊料作为电极材料来进行燃烧以外，接下来的程序与实施例1的相同。
该对比例中的压电陶瓷的堆密度为7.60g/cm3。此外，在室温(25℃)下观察的压电性能的评价结果是共振频率Fr是255kHz，杨氏模量Y11E是76.5GPa，压电应变常数d31是158.0pm/V，电机耦合系数kp为60.2％，机械品质因数Qm是540，介电常数ε33t/ε0是1701，并且介电损耗tanδ为0.2％。表1列出了这些结果。
(对比例2)对比例2是一个层合促动器的实例，其被用作定位的层合促动器，可以应用于环境温度变化小的半导体生产设备中。该层合促动器应用了由属于软菱形晶系的钛酸铅锆(PZT)材料制得的压电陶瓷。
为了生产该对比例的压电陶瓷，根据组成{(Pb0.895Sr0.115)(Zr0.57Ti0.43)0.978(Y0.5Nb0.5)0.01Mn0.012}O3，以单位g/m2称量氧化铅(PbO)粉末、二氧化锆(ZrO2)粉末、二氧化钛(TiO2)粉末、碳酸锶(SrCO3)粉末、氧化钇(Y2O3)粉末、和五氧化二铌(Nb2O5)粉末。使用水作为介质，在锆(Zr)钵中对这些粉末湿混20个小时。此后，在875℃下将该混合物煅烧5个小时。此外，使用有机溶剂作为介质，在Zr钵中对该混合物湿研磨。
将粘结剂(聚乙烯醇)加入到该浆料中以至于该粘结剂将占浆料或煅烧粉末的1重量％。此后，使用喷雾干燥机来干燥所形成的浆料并且将其粒化。
此后，使用模具来进行干压制成型。这形成了直径为15mm并且厚度为2mm的压制品。此后在空气中对该盘状压制品脱脂。此外，在根据冷等静压制(CIP)方法在200MPa的压力下成型该去油脂的盘状压制品后，将其放置在氧化铝烤箱中的氧化镁(MgO)盘上，并且在1260℃的空气中烧结2个小时。
接下来的程序与对比例1中的相同。
该对比例中的压电陶瓷的堆密度为7.45g/cm3。此外，在室温(25℃)下观察的压电性能的评价结果是共振频率Fr是229kHz，杨氏模量Y11E是60.2GPa，压电应变常数d31是212.7pm/V，电机耦合系数kp为67.3％，机械品质因数Qm是47.5，介电常数ε33t/ε0是1943，并且介电损耗tanδ为2.1％。表1列出了这些结果。
(对比例3)对比例3是一个适合用于自动震动传感器的层合促动器的实施例，其应用了由属于软菱形晶系的钛酸铅锆(PZT)材料制得的压电陶瓷。
为了生产该对比例的压电陶瓷，根据组成{(Pb0.95Sr0.05)(Zr0.53Ti0.47)0.978Sb0.022}O3，以单位g/m2称量氧化铅(PbO)粉末、二氧化锆(ZrO2)粉末、二氧化钛(TiO2)粉末、钛酸锶(StTiO3)粉末、和三氧化二锑(Sb2O3)粉末。使用水作为介质，在锆(Zr)钵中对这些粉末湿混20个小时。此后，在825℃下将该混合物煅烧5个小时。此外，使用有机溶剂作为介质，在Zr钵中对该混合物湿研磨。
除了将烧结温度设置为1230℃外，接下来的程序与对比例2的相同。
该对比例中的压电陶瓷的堆密度为7.60g/cm3。在室温(25℃)下观察的压电性能的评价结果是共振频率Fr是238kHz，杨氏模量Y11E是66.5GPa，压电应变常数d31是203.4pm/V，电机耦合系数kp为62.0％，机械品质因数Qm是55.8，介电常数ε33t/ε0是2308，并且介电损耗tanδ为1.4％。表1列出了这些结果。
(对比例4)对比例4是一个适合用于高功率超声马达的层合促动器的实例，其应用了由属于半硬四方晶系的钛酸铅锆(PZT)材料制得的压电陶瓷。
为了生产该对比例的压电陶瓷，根据组成{(Pb0.965Sr0.05)(Zr0.5Ti0.5)0.96Sb0.03Mn0.01}O3，以单位g/m2称量氧化铅(PbO)粉末、二氧化锆(ZrO2)粉末、二氧化钛(TiO2)粉末、碳酸锶(StCO3)粉末、三氧化二锑(Sb2O3)粉末、和碳酸锰(MnCO3)粉末。使用水作为介质，在锆(Zr)钵中对这些粉末湿混。此后，在85℃下将该混合物煅烧5个小时。此外，使用水作为介质，在Zr钵中对该混合物湿研磨。
除了将烧结温度设置为1230℃外，接下来的程序与对比例2的相同。
该对比例中的压电陶瓷的堆密度为7.76g/cm3。在室温(25℃)下观察的压电性能的评价结果是共振频率Fr是267kHz，杨氏模量Y11E是85.7GPa，压电应变常数d31是136.9pm/V，电机耦合系数kp为57.9％，机械品质因数Qm是850，介电常数ε33t/ε0是1545，并且介电损耗tanδ为0.2％。表1列出了这些结果。
(对比例5)对比例5是一个适合用于高灵敏度角速度传感器的层合促动器的实例，其应用了由属于硬四方晶系的钛酸铅锆(PZT)材料制得的压电陶瓷。
为了生产该对比例的压电陶瓷，根据组成Pb{(Zr0.5Ti0.5)0.98(Zn0.33Nb0.67)0.01Mn0.01}O3，以单位g/m2称量氧化铅(PbO)粉末、二氧化锆(ZrO2)粉末、二氧化钛(TiO2)粉末、氧化锌(ZnO)粉末、碳酸锰(MnCO3)粉末和五氧化二铌(Nb2O5)粉末。使用水作为介质，在锆(Zr)钵中对这些粉末湿混。此后，在800℃下将该混合物煅烧5个小时。此外，使用水作为介质，在Zr钵中对该混合物湿研磨。
除了将烧结温度设置为1200℃外，接下来的程序与对比例2的相同。
该对比例中的压电陶瓷的堆密度为7.84g/cm3。在室温(25℃)下观察的压电性能的评价结果是共振频率Fr是272kHz，杨氏模量Y11E是89.GPa，压电应变常数d31是103.6pm/V，电机耦合系数kp为54.1％，机械品质因数Qm是1230，介电常数ε33t/ε0是1061，并且介电损耗tanδ为0.2％。表1列出了这些结果。
(实施例6)动应变大小下限的限制当驱动电场强度小于1000V/mm的时候，动应变大小变小。
在该实施例中，获得了随着压电促动器的驱动电场强度降低所得到的动应变大小。
图6显示了驱动电场强度与在20℃所观察的动应变大小之间的关系，该关系分别是在实施例1-5中制备的压电促动器中建立的。
图6表明，当将驱动电场强度设置为促动器所要求的下限100V/mm的时候，动应变大小为250pm/V或更多。
(实施例7)在小电场强度下对动应变大小的温度性能的限制当驱动电场强度小于1000V/mm的时候，动应变大小变小。
在该实施例中，获得了当动应变很小并且驱动电场强度小于1000V/mm时将会得到的位移的变化宽度。
为了该目的，为了进行测量，应该将应用到压电促动器的电压降低。当电场强度落在500V/mm以下的时候，在该实施例中所制备的压电促动器产生了小的位移。这就带来了测量的精确度可能被降低的可能性。另外，很难评价该温度特性。
当测量薄板的压电横向应变常数d31的时候，虽然位移的绝对值很难估计，但是可以估计位移的温度特性。因此，在该实施例中，根据共振-反共振方法测量了薄板的压电横向应变常数d31。
图7显示了在实施例5中所生产的薄板的压电应变常数d31的温度特性测量值，和在驱动电场强度为1000V/mm-2000V/mm下在实施例5中获得的动应变大小的对比。在这里，压电应变常数和动应变大小是用在20℃获得的值标准化了的。
如图7中所看到的那样，在-30至80℃的温度下，该薄板的压电应变常数d31的变化宽度为±7.8％。在-30至160℃的温度下，该薄板的压电应变常数d31的变化宽度为±9.2％。这些值与在驱动电场强度为1000V/mm-2000V/mm下所获得的动应变大小的变化宽度几乎相同。
因此，只要涉及到根据本发明的促动器，即使当驱动电场强度被降低到小于1000V/mm，在-30至160℃的宽温度范围下，位移的变化宽度就可以被降低。
(实施例8)导热系数的限制表8列出了对于实施例2和对比例1中所生产的烧结压制品的热扩散系数、比热、和导热系数进行测量的结果。
为了测量热扩散系数，将烧结的压制品打磨或者加工成具有0.75mm厚直径为10mm的盘状形状。向每一个盘的表面上喷洒约1μm厚的碳，从而将这些表面染黑。使用所形成的盘作为用于测量热扩散系数的试样。
采用激光脉冲加热方法作为用来测量热扩散系数的方法。所应用的设备是由ULVAC-RIKO Inc.生产的TC-7000型，测量温度为25℃、120℃、或160℃。辐射光是红宝石激光(激发电压为2.5kV，并且应用了一个均化过滤器和一个中密度过滤器)，此外，测量热扩散系数的精度为约±5％。
为了测量比热，要求重量为70mg-90mg的测试片来自烧结压制品并且被用作测量试样。
采用了差示扫描量热法作为测量比热的方法。所应用的装置是Perkin-Elmer DSC-7型差示扫描量热器，并且测量温度是25℃、120℃或160℃。升温速度是10℃/min-1。热扩散系数的测量精度为±1％。
根据下面的方程式A3，导热系数被计算为热扩散系数与热容(密度乘以比热)的乘积λ＝αρCp (A3)其中，λ表示导热系数[Wm-1K-1]，α表示热扩散系数[m2s-1]，ρ表示烧结压制品的堆密度[kgm-3]，并且Cp表示比热[Jkg-1K-1]。
如表8中所列的那样，实施例2的导热系数在25℃，120℃和160℃中任意温度下，超过了2Wm-1K-1，并且是接近于对比例两倍大的很大的值。这表明本发明的晶粒压电陶瓷的应用允许实现表现出优良热辐射性能的促动器。
(实施例9)热膨胀系数的限制表9列出了对在实施例2和对比例1中所生产的烧结压制品(压电陶瓷)的线性热膨胀系数和热膨胀系数所进行的测量结果。图8显示了将25℃作为参比温度时所观察到的热膨胀系数的温度特性。
为了测量线性热膨胀系数，将烧结的压制品研磨或加工来具有5mm的宽度、1.5mm的厚度和10mm的长度，并且将其用作用于测量线性热膨胀系数的试样。
采用了热机械分析(TMA)作为用于测量线性热膨胀系数的方法。所应用的装置是由Shimadzu Corp.生产的TMA-50型热机械分析仪。测量温度的范围是-100℃至500℃升温速度是2℃/min。测量气氛是大气。
线性热膨胀系数被定义为试样长度的变化率ΔL/L0，其中ΔL表示温度的变化并且L0表示在参比温度(25℃)下试样的长度。线性热膨胀系数(ΔL/L0)-对-温度曲线被用来获得根据下面的方程式A4的线性热膨胀系数β。在这里，β值是将温度差dT设置为20℃根据中心差分法计算的。
顺便说一下，β值等于由ΔL/L0-对-温度曲线所要求的温度的导数。
B＝(1/L0)×(dL/dT) (A4)在上面的方程式中，L0表示在参照温度(25℃)下试样的长度，dT表示温度差(20℃)，并且dL表示与温度差dT相关的膨胀长度。
如从表9和图8中所看到的那样，实施例2的热膨胀系数在-30℃至160℃的温度范围下，超过了4ppm/℃。另一方面，对比例1的热膨胀系数在在-30℃至160℃的温度范围下，低于3ppm/℃。这表明根据本发明的晶粒压电陶瓷的应用允许实现，其中在压电陶瓷和热膨胀系数较大的金属或树脂之间发生的热应变受到限制的促动器。
(实施例10)热电系数的限制图9显示了对在实施例4和对比例1中所生产的薄板的所进行的关于极化度Pr大小变化的温度特性的测量结果。
为了测量极化度Pr大小变化的温度特性，采用了在实施例4和对比例1中所生产的压电元件作为测量试样。采用了热电流方法来在-40℃至200℃的测量温度范围内进行测量。
将该压电元件放在恒温器中，并且将它的温度以2℃/min的速度从25℃降低到-40℃。此后，将该压电元件的温度以2℃/min的速度从-40℃升到200℃。使用微安计以约30秒的间隔测量每一个压电元件的上下电极表面的输出电流。同时，还记录测量电流的温度和准确时间。根据下面的方程式计算偏振度大小的变化，ΔP[C/cm2]，和在相邻测量之间的间隔过程中所发生的温度变化，ΔTΔP＝{(I1+I2)/2}×(t1-t2)/SΔT＝T1-T2其中，ΔP表示偏振度大小的变化[μC/cm2]，(t1-t2)表示相邻测量之间的间隔[s]，I1表示在时间点t1检测的电流[A]，T1表示在时间点t1的温度[℃]，I2表示在时间点t2检测的电流[A]，T2表示在时间点t2的温度[℃]，并且S表示压电元件的一个电极的面积[cm2]。计算了在商(T1+T2)/2的温度下的热电系数作为商ΔP/ΔT的绝对值。
采用了热机械分析(TMA)作为用于测量线性热膨胀系数的方法。所应用的装置是由Shimadzu Corp.生产的TMA-50型热机械分析仪。测量温度的范围是-100℃至500℃。升温速度是2℃/min，并且测量气氛是大气。
在-30℃至160℃的温度范围下，实施例4的薄板的热电系数为271μCm-2K-1。另一方面，对比例1的薄板的热电系数是581μCm-2K-1或者是比实施例4的两倍还大。这表明根据本发明的晶粒压电陶瓷的应用允许实现，其中由环境温度变化所导致的端电压的变化受到限制的压电促动器。
(实施例11)(断裂载荷差异)图10显示了分别对在实施例5和对比例1中所生产的烧结压制品(压电陶瓷)所进行的关于断裂载荷的测量结果的Weibull分布。
在图10中，横坐标轴显示了断裂载荷F[N]的自然对数并且纵轴显示了断裂概率[％]。
为了测量断裂载荷，将烧结压制品研磨或者加工成具有0.4mm厚乘7mm的形状，并且其四个角是倒角尺寸为1mm的C-倒角。这样，就生产了用于测量的试样。
使用自动绘图仪，采用了双轴弯曲测试方法(球环方法)作为用于测量断裂载荷的方法。所应用的环是外直径为6mm并且内直径为4mm的SC211型环，并且所应用的球是由氧化锆(ZrO2)制备的并且具有2mm的直径。环和球都被镜面抛光。此外，加载速度是0.5mm/min。由实施例5所生产的试样数，N，是26，并且由对比例1所生产的试样数，N，是25。
施加于实施例5上的断裂载荷F的平均值是11.7N(最大值是12.9N，并且最小值是9.9)。Weibull系数m是17.7。另一方面，施加于对比例1上的断裂载荷的平均值是7.2N(最大值是7.6N，并且最小值是6.7)。Weibull系数m是34.8。施加于该实施例上的断裂载荷比施加于对比例上的载荷的两倍还大。
因此，根据本发明的晶粒定向压电陶瓷的应用允许实现虽然在组装或驱动过程中发生应力但很难断裂的促动器。
(实施例12)机械品质因数Qm的温度特性图11显示了对在实施例4，实施例5，对比例2，和对比例3中所生产的压电元件所进行的关于机械品质因数(Qm)的温度特性的测量结果。
实施例4和实施例5在温度25℃(室温)附近显示了小的值。在高于和低于25℃，它的机械品质因数较大。
在-30至80℃的温度范围内由实施例4所表示的最大值是在80℃下观察到的32.6。此外，在高于80℃的温度范围内，机械品质因数变大，也就是说，在100℃该机械品质因数是48.4，并且在160℃是73.4。
在-30至80℃的温度范围内，由实施例5所表示的最大值是在80℃下观察到的41.2。此外，在高于80℃的温度范围内，机械品质因数变大，也就是说，在100℃该机械品质因数是81.6，并且在160℃是103.1。
另一方面，在-30至80℃的温度范围内，由对比例2所表示的最大值是在-30℃时的66.2。此外，对比例3在-30℃显示了61.1。
因此，根据本发明的晶粒定向压电陶瓷的应用使其有可能在-30至80℃的温度范围内，降低包括在促动器内的整个振荡系统的机械品质因数Qm，并且从而允许实现其中共振点和任何其他点的声压差受到限制的声学部件。
(实施例13)介电损失tanδ的温度特性图12、图13、和图14显示了，对在实施例5中所生产的压电元件所进行的，分别关于杨氏模量(Y11E)、共振频率(Fr)、和介电损失(tanδ)的温度依赖性的测试结果。
在-30至80℃的温度范围内，在-10℃或更低的温度下杨氏模量(Y11E)降低。样式模量的最小值是在-30℃下观察到的91GPa。在-10℃或更低的温度下共振频率(Fr)也降低。共振频率的最小值是在-30℃观察的353kHz或者是大于由对比例5在室温(25℃)下表现出的81kHz。
因此，根据本发明的晶粒定向压电陶瓷的应用允许实现在-30至160℃的温度范围内表现出高共振频率的促动器。
此外，在0℃-30℃的温度范围内，介电损失(tanδ)很高，并且基本保持为约3％的恒定值。在80℃-160℃的温度范围内，介电损失(tanδ)为约1.2％那么低。根据本发明的晶粒定向压电陶瓷的应用，使其有可能在被驱动促动器的热耗散造成问题的高温下，将介电损失(tanδ)保持很低。因此，来自促动器的热耗散将可能受到限制。
表1
表2(实施例1)
表3(实施例2)
表4(实施例3)
表5(实施例4)
表6(实施例5)
表7
表8
表9
权利要求
1.一种压电促动器，其包括压电元件和保持该压电元件的保持构件，所述压电元件具有形成于压电陶瓷片表面上的一对电极，其中该压电陶瓷满足下面的要求(a)-(e)中的至少一种要求(a)堆密度应该等于或小于5g/cm3，根据共振-反共振方法计算的杨氏模量Y11E应该等于或大于90GPa；(b)导热系数应该等于或大于2Wm-1K-1；(c)在-30℃至160℃的温度范围内，热膨胀系数应该等于或大于3.0ppm/℃；(d)在-30℃至160℃的温度范围内，热电系数应该等于或小于400μCm-2K-1；(e)在-30℃至80℃的温度范围内，根据共振-反共振方法计算的机械品质因数Qm应该等于或小于50。
2.根据权利要求1所述的压电促动器，其中当该压电促动器是在驱动电压应具有100V/mm或更大的恒定电场强度大小的驱动条件下被驱动的时候，满足下面所描述的要求(f)和(g)(f)在-30℃至80℃的温度范围内，通过用电场强度除由压电促动器在所施加的电场方向中所表现的应变所计算的动应变D33的大小应等于或大于250pm/V；以及(g)在-30℃至80℃的温度范围内，从温度变化导出的动应变大小D33的变化宽度WD33应该在±14％内，WD33是由下面的方程式(1)表示的WD33(％)＝[{2×D33max/(D33max+D33min)}-1]×100(1)其中D33max表示在-30℃至80℃的温度范围内所观察的动应变大小的最大值，D33min表示在-30℃至80℃的温度范围内所观察的动应变大小的最小值。
3.根据权利要求1或2所述的压电促动器，其中当该压电促动器是在驱动电压应具有100V/mm或更大的恒定电场强度大小的驱动条件下被驱动的时候，满足下面的要求(h)和(i)(h)在-30℃至160℃的温度范围内，通过用电场强度除由压电促动器在所施加的电场方向中所表现的应变所计算的动应变大小D33应等于或大于250pm/V；并且(i)在-30℃至160℃的温度范围内，由温度变化导出的动应变大小D33的变化宽度WD33应该在±14％内，WD33是由下面的方程式(2)表示的WD33(％)＝[{2×D33max/(D33max+D33min)}-1]×100(2)其中D33max表示在-30℃至160℃的温度范围内所观察的动应变大小的最大值，D33min表示在-30℃至160℃的温度范围内所观察的动应变大小的最小值。
4.根据权利要求1-3任一项所述的压电促动器，其中所述压电促动器被用于燃油喷射阀。
5.根据权利要求1-3任一项所述的压电促动器，其中所述压电促动器被用于声纳、超声马达、和压电超声换能器中的任意一种。
6.根据权利要求1-3任一项所述的压电促动器，其中所述压电促动器被用于压电发声部件。
7.根据权利要求1-6任一项所述的压电促动器，其中所述压电促动器是具有交替层叠的压电陶瓷片和电极的层合压电元件。
8.根据权利要求1-7任一项所述的压电促动器，其中所述压电陶瓷是不含铅的压电陶瓷。
9.根据权利要求1-8任一项所述的压电促动器，其中所述压电陶瓷是由多晶物质制备的且使构成多晶物质的晶粒特定晶面定向的晶粒定向压电陶瓷，所述多晶物质的主相以由通式{Lix(K1-yNay)1-x}{Nb1-z-wTazSbw}O3表示的各向同性钙钛矿化合物的形式存在，其中0≤x≤0.2，0≤y≤1，0≤z≤0.4，0≤w≤0.2，x+z+w＞0。
10.根据权利要求9所述的压电促动器，其中代表晶粒定向压电陶瓷的通式{Lix(K1-yNay)1-x}{Nb1-z-wTazSbw}O3中的x、y和z值满足由下面的方程式(3)和(4)表示的关系9x-5z-17w≥-318 (3)-18.9x-3.9z-5.8w≤-130(4)
11.根据权利要求9或10所述的压电促动器，其中根据Lotgering’s方法计算的、构成所述晶粒定向压电陶瓷的晶粒的伪立方{100}平面的定向度等于或大于30％，并且晶系在10℃-160℃的温度范围内是四方晶系。
全文摘要
本发明提供了具有优良实用性的压电促动器。该压电促动器包括压电元件(2)，和保持该压电元件(2)的保持构件(4)，该压电元件(2)包括压电陶瓷片和形成在该压电陶瓷片至少一部分表面上的电极。该压电陶瓷满足下面所描述的要求(a)－(e)中的至少一种要求(a)堆密度应该等于或小于5g/cm
文档编号H02N2/00GK101053089SQ20058003775
公开日2007年10月10日 申请日期2005年9月13日 优先权日2004年9月13日
发明者长屋年厚, 野野山龙彦, 中村雅也, 斋藤康善, 高尾尚史, 本间隆彦, 鹰取一雅 申请人:株式会社电装