Пьезоэлектрический элемент, многослойный пьезоэлектрический элемент, головка для выброса жидкости, устройство для выброса жидкости, ультразвуковой двигатель, оптическое устройство и электронное устройство - RU2607947C2

Чертежи

Показать все 10 чертежа(ей)

Описание

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 ABО₃, 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] Пьезоэлектрические 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)O_3,

(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)O_3,

(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 этой 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, имеет 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 больше 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 устройства. 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, отличную 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 внешних электродов 506a и 506b может состоять из одного из данных материалов и смеси или сплава двух или более данных материалов, или может быть образован многослойной структурой, приготовленной путем создания пакета из двух или более данных материалов. Электроды могут создаваться из материалов, отличающихся друг от друга. Внутренние электроды 55 и 505 могут в основном состоять из Ni, поскольку Ni является электродным материалом с низкой стоимостью.

[0078] Как показано на фиг. 5B, электроды, включающие в себя внутренние электроды 505, могут быть замкнуты друг от друга, чтобы обеспечить соответствие фаз напряжения питания. Например, внутренние электроды 505, первый электрод 501 и второй электрод 503 могут замыкаться поочередно. Форма замыкания между электродами практически не ограничена. Чтобы замкнуть электроды, электроды и/или провода могут создаваться на боковых поверхностях многослойного пьезоэлектрического элемента, или через отверстия, проходящие сквозь слои 504 пьезоэлектрического материала, наполненные проводящим материалом.

[0079] Способ изготовления многослойного пьезоэлектрического элемента практически не ограничен. Один пример представляет собой способ, который включает в себя этап (A) подготовки суспензии путем распределения металлического порошка, содержащего по меньшей мере Ba, Ca, Ti, Zr и Mn, этап (B) получения прессовки путем размещения суспензии на подложке, этап (C) создания электрода на прессовке и этап (D) получения многослойного пьезоэлектрического элемента путем спекания прессовки, на которой создан электрод.

[0080] В данной спецификации "порошок" относится к группе твердых частиц. Порошок может быть группой частиц, каждая из которых содержит Ba, Ca, Ti, Zr и Mn, или группой множества частиц, содержащих различающиеся элементы.

[0081] Примеры соединений металлического порошка, используемого на стадии (А), включают в свой состав соединения на основе Ba, соединения на основе Ca, соединения на основе Ti, соединения на основе Zr, и соединения на основе Mn. Примеры соединения на основе 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.

[0082] Примеры соединений на основе Ca, которые могут использоваться, включают в свой состав оксид кальция, карбонат кальция, оксалата кальция, ацетат кальция, титанат кальция, цирконат кальция и цирконат-титанат кальция.

[0083] Примеры соединений на основе Ti, которые могут использоваться, включают в свой состав оксид титана, титанат бария, цирконат-титанат бария и титанат кальция.

[0084] Примеры соединений на основе Zr, которые могут использоваться, включают в свой состав оксид циркония, цирконат бария, цирконат-титанат бария, и цирконат кальция.

[0085] Примеры соединений на основе Mn, которые могут использоваться, включают в свой состав карбонат марганца, оксид марганца, диоксид марганца, ацетат марганца и тетраоксид тримарганца.

[0086] Пример способа подготовки суспензии на этапе (A) заключается в следующем. В металлическое порошковое соединение добавляется растворитель, вес которого больше, чем вес металлического порошкового соединения от 1,6 до 1,7 раз, и производится перемешивание. Примеры растворителя, который может использоваться, включают в себя толуол, этанол, смешанный растворитель толуол-этанол, н-бутилацетат и воду. Полученная смесь перемешивается в шаровой мельнице в течение 24 часов и в нее добавляется связующее вещество и пластификатор. Примеры связующего вещества включают в себя поливиниловый спирт (ПВС), поливинилбутирал (ПВБ) и акриловые смолы. Когда ПВБ используется как связующее вещество, связующее вещество взвешивается таким образом, чтобы весовое отношение растворителя к ПВБ составляло, например, 88:12. Примеры пластификатора включают в себя диоктиловый себацат, диоктилфталат, и дибутилфталат. Когда дибутилфталат используется в качестве пластификатора, дибутилфталат взвешивается таким образом, чтобы его вес был таким же, как вес связующего вещества. Затем полученная смесь снова смешивается в шаровой мельнице в течение ночи. Количество растворителя и связующего вещества регулируются так, что вязкость суспензии составляет от 300 до 500 мПа⋅сек.

[0087] Прессовка, подготовленная на этапе (B), является смесью металлического порошкового соединения, связующего вещества и пластификатора в форме листа. Примером способа подготовки прессовки на этапе (B) является способ листовой штамповки. В способе листовой штамповки может использоваться способ ракельного ножа. Способ ракельного ножа представляет собой способ, включающий в себя нанесение суспензии на подложку с помощью ракеля и высушивание нанесенной суспензии для образования прессовки в форме листа. В качестве подложки может, например, использоваться полиэтилентерефталатная (PET) пленка. Поверхность PET пленки, на которой располагается суспензия, может предварительно покрываться фторовым покрытием, чтобы способствовать разделению прессовки. Суспензия может высушиваться воздухом или горячим воздухом. Толщина прессовки практически не ограничена и может быть отрегулирована в соответствии с толщиной многослойного пьезоэлектрического элемента. Толщина прессовки может быть увеличена путем увеличения, например, вязкости суспензии.

[0088] Способ изготовления электродов, например, внутренних электродов 505 и внешних электродов 506a и 506b на этапе (C), практически не ограничен. Электроды могут создаваться путем обжига металлической пасты или таким способом, как напыление, осаждением из паровой фазы или печатью. Для уменьшения напряжения питания толщина и шаг слоев пьезоэлектрического материала 504 могут быть уменьшены. В таком случае выбирается процесс создания пакета, включающий исходные слои 504 пьезоэлектрического материала и внутренние электроды 505 и последующий обжиг полученного пакета. Когда выбирается данный процесс, материал внутренних электродов 505 предпочтительно является материалом, который не претерпевает изменений формы или ухудшения проводимости при температуре, необходимой для спекания слоев 504 пьезоэлектрического материала. Такие металлы, как Ag, Pd, Au, Cu и Ni, имеющие более низкую температуру плавления и являющиеся более дешевыми, чем Pt, а также сплавы этих металлов, могут использоваться для создания электродов, таких как внутренние электроды 505 и внешние электроды 506a и 506b. В ином случае, внешние электроды 506a и 506b могут изготавливаться после того, как пакет подвергся обжигу, и в таком случае может состоять из Al или электродного материала на основе углерода в дополнение к Ag, Pd, Cu или Ni.

[0089] Электроды могут создаваться с помощью способа трафаретной печати. Способ трафаретной печати включает в себя нанесение металлической пасты на прессовку на подложке через печатную форму с использованием шпателя. Трафаретная сетка формируется, по меньшей мере, на части печатной формы, таким образом, металлическая паста прикладывается к прессовке только на участках, где образована трафаретная сетка. Трафаретная сетка в печатной форме может иметь сформированный на ней рисунок. Рисунок передается прессовке путем использования металлической пасты для создания на прессовке структурированного электрода.

[0090] После того как на этапе (C) электрод изготовлен и прессовка с электродом отделена от подложки, один или множество слоев прессовок соединяются прессованием. Примеры способа соединения прессованием включают в себя одноосное прессование, холодное изостатическое прессование и горячее изостатическое прессование. Соединение прессованием может выполняться путем горячего изостатического прессования, поскольку давление может прикладываться к прессовкам равномерно и изостатически. Для удовлетворительного соединения может производиться соединение прессованием с нагревом до температуры вблизи температуры стеклования связующего вещества. Две или более прессовки могут укладываться и соединяться прессованием до достижения требуемой толщины. Например, от 10 до 100 слоев прессовок могут укладываться и термически соединяться прессованием в течение от 10 секунд до 10 минут путем приложения давления от 10 до 60 МПа в направлении укладки при температуре от 50°С до 80°С для образования многослойной структуры. К электродам могут добавляться совмещающие отметки, так чтобы множество слоев прессовок могли быть точно совмещены и пакетированы. Иначе, точное пакетирование может проводиться путем создания в прессовках сквозных отверстий для совмещения.

[0091] Несмотря на то что температура спекания прессовки на этапе (D) практически не ограничена, температура спекания может быть температурой, при которой соединения могут вступать в реакцию и происходить достаточный рост кристалла. Чтобы регулировать размер зерна керамики в диапазоне 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. Многослойный пьезоэлектрический элемент, спеченный в пределах данного температурного диапазона, демонстрирует хорошие пьезоэлектрические свойства.

[0092] Когда материал, состоящий в основном из Ni, используется в электродах на этапе (C), этап (D) может выполняться в печи, обеспечивающей обжиг в атмосферной среде. Связующее вещество обжигается и удаляется при температуре от 200°C до 600°C в окружающей атмосфере, и затем прессовка спекается при температуре от 1200°C до 1550°C в восстановительной газовой среде. Восстановительная газовая среда относится к атмосфере, образованной в основном из смеси газов водорода (H₂) и азота (N₂). Объемное отношение водорода к азоту может составлять H₂:N₂=1:99 до 10:90. Смешанный газ может содержать кислород. Концентрация кислорода составляет 10^-12 Pa или более и 10^-4 Pa или менее и предпочтительно 10^-8 Pa или более и 10^-5 Pa или менее. Концентрация кислорода может измеряться с помощью кислородного датчика циркониевого типа. Поскольку используются никелевые электроды, многослойный пьезоэлектрический элемент может изготавливаться по низкой цене. После обжига в восстановительной газовой среде прессовка может быть охлаждена до 600°C и среда может быть заменена окружающей атмосферой (окисляющей средой) для выполнения окисляющей обработки. После того как прессовка извлекается из печи обжига, на боковую поверхность прессовки, в которой находятся выпуски внутренних электродов, наносится проводящая паста и высушивается для создания внешнего электрода.

Головка для выброса жидкости

[0093] Головка для выброса жидкости в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения включает в себя, по меньшей мере, выпускное отверстие в соединении с емкостью для жидкости, снабженное вибрирующим узлом, который содержит пьезоэлектрический элемент или многослойный пьезоэлектрический элемент.

[0094] На фиг. 2A и 2B показана конструкция головки для выброса жидкости в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг. 2A и 2B, головка для выброса жидкости включает в себя пьезоэлектрический элемент 101. Пьезоэлектрический элемент 101 включает в себя первый электрод 1011, пьезоэлектрический материал 1012 и второй электрод 1013. Пьезоэлектрический материал 1012 структурирован необходимым образом, как показано на фиг. 2B.

[0095] На фиг. 2B приведено схематическое изображение головки для выброса жидкости. Головка для выброса жидкости включает в себя выпускные отверстия 105, индивидуальные емкости 102 для жидкости, соединительные отверстия 106, соединяющие индивидуальные емкости 102 для жидкости с выпускными отверстиями 105, перегородки 104, общую емкость 107 для жидкости, колеблющуюся пластинку 103 и пьезоэлектрический элемент 101. Хотя пьезоэлектрический элемент 101, изображенный на чертеже, имеет прямоугольную форму, форма может быть любой другой, такой как эллиптическая форма, круглая форма или форма прямоугольного параллелепипеда. Как правило, пьезоэлектрический материал 1012 повторяет форму индивидуальной емкости 102 для жидкости.

[0096] Пьезоэлектрический элемент 101 и его соседняя часть в головке для выброса жидкости подробно описана ниже с фиг. 2A. На фиг. 2A показано поперечное сечение пьезоэлектрического элемента, представленного на фиг. 2B. Хотя пьезоэлектрический элемент 101 на чертеже имеет прямоугольную форму, форма может быть любой другой, такой как трапециевидная или инвертированная трапециевидная форма.

[0097] На чертеже первый электрод 1011 используется в качестве нижнего электрода и второй электрод 1013 используется в качестве верхнего электрода. Однако расположение первого электрода 1011 и второго электрода 1013 этим не ограничивается. Например, первый электрод 1011 может использоваться в качестве нижнего электрода или верхнего электрода. Второй электрод 1013 может использоваться в качестве верхнего электрода или нижнего электрода. Буферный слой 108 может присутствовать между колеблющейся пластинкой 103 и нижним электродом. Такие различия в номенклатуре происходят из способа производства устройства, и результаты настоящего изобретения могут быть достигнуты в любом случае.

[0098] Колеблющаяся пластинка 103 головки для выброса жидкости движется в вертикальных направлениях по мере того, как пьезоэлектрический материал 1012 расширяется и сокращается и создает давление для жидкости в индивидуальной емкости 102 для жидкости. В результате жидкость выбрасывается из выпускного отверстия 105. Головка для выброса жидкости может использоваться в принтерах и для производства электронных устройств.

[0099] Толщина колеблющейся пластинки 103 составляет 1,0 мкм или более и 15 мкм или менее и предпочтительно 1,5 мкм или более и 8 мкм или менее. Материал для создания колеблющейся пластинки 103 практически не ограничен, но может быть кварцем. Колеблющаяся пластинка 103, выполненная из кварца, может быть покрыта бором или фосфором. Буферный слой 108 на колеблющейся пластинке 103 и электрод на буферном слое 108 могут составлять часть колеблющейся пластинки 103. Толщина буферного слоя 108 составляет 5 нм или более и 300 нм или менее и предпочтительно составляет 10 нм или более и 200 нм или менее. Размер выпускного отверстия 105 составляет 5 мкм или более и 40 мкм или менее в терминах кругового эквивалентного диаметра. Форма выпускного отверстия 105 может, например, быть круглой, в форме звезды, прямоугольной или, треугольной.

Устройство для выброса жидкости

[0100] Устройство для выброса жидкости в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения описано ниже. Устройство для выброса жидкости включает в себя головку для выброса жидкости, описанную выше.

[0101] Примером устройства для выброса жидкости является чернильно-струйное печатающее устройство, показанное на фиг. 6 и 7. На фиг. 7 показано состояние, когда элементы корпуса от 882 до 885 и 887 сняты с устройства для выброса жидкости (чернильно-струйного печатающего устройства) 881, показанного на фиг. 6. Чернильно-струйное печатающее устройство 881 включает в себя узел 897 автоматической подачи, выполненный с возможностью автоматической подачи листа бумаги, то есть материала для печати в основной корпус 896. Чернильно-струйное печатающее устройство 881 также включает в себя узел 899 перемещения, который направляет лист для печати, подаваемый автоматическим узлом 897 подачи, в определенное положение для печати и в отверстие 898 сброса из положения записи, пишущий узел 891, выполненный с возможностью производить запись на листе для печати, перемещенном в положение записи, и узел 890 восстановления, выполненный с возможностью осуществлять процесс восстановления на пишущем узле 891. Пишущий узел 891 имеет каретку 892, которая содержит головку для выброса жидкости и движется по рельсу возвратно-поступательным образом.

[0102] Когда электрический сигнал подается с компьютера на данное чернильно-струйное печатающее устройство, каретка 892 перемещается по направляющей и напряжение питания подается к электродам, зажимающим пьезоэлектрический материал, так что пьезоэлектрический материал претерпевает деформацию. Такая деформация пьезоэлектрического материала сдавливает индивидуальную емкость 102 для жидкости посредством колеблющейся пластинки 103 и вызывает выброс чернил из выпускного отверстия 105, производя, таким образом, печать.

[0103] Данное устройство для выброса жидкости имеет малый размер и может равномерно выбрасывать жидкость при большой скорости. Хотя выше описан пример принтера, устройство для выброса жидкости может использоваться в промышленных устройствах для выброса жидкости и чертежных устройствах, выполненных с возможностью рисовать изображения, символы и т.д. на носителях в дополнение к печатающим устройствам, таким как факсимильные аппараты, многофункциональные устройства и чернильно-струйные печатающие устройства.

Ультразвуковой двигатель

[0104] Ультразвуковой двигатель в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения включает в себя, по меньшей мере, подвижный элемент, находящийся в контакте с колеблющимся элементом, снабженным пьезоэлектрическим материалом или многослойным пьезоэлектрическим элементом.

[0105] На каждой из фиг. 3A и 3B представлено схематическое изображение конструкции ультразвукового двигателя в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. На фиг. 3A показан ультразвуковой двигатель, который включает в себя пьезоэлектрический элемент, имеющий однослойную структуру. Ультразвуковой двигатель включает в себя вибратор 201, ротор 202, находящийся в контакте под давлением сжимающей пружины (не показанной на чертеже) со скользящей поверхностью вибратора 201, и выходной шток 203, составляющие единое целое с ротором 202. Вибратор 201 образован, например, упругим металлическим кольцом 2011, пьезоэлектрическим элементом 2012 и органическим адгезивом 2013 (например, на основе эпоксидной смолы или на основе цианоакрилата), соединяющим пьезоэлектрический элемент 2012 с упругим кольцом 2011. Пьезоэлектрический элемент 2012 состоит из пьезоэлектрического материала, зажатого между первым электродом и вторым электродом, которые не показаны на чертеже.

[0106] Когда две фазы переменного напряжения со сдвигом на π/2 относительно друг друга прикладываются к пьезоэлектрическому элементу 2012, в вибраторе 201 возникает изгибная бегущая волна и каждая точка скользящей поверхности вибратора 201 испытывает эллиптическое движение. Когда ротор 202 находится в контакте под давлением со скользящей поверхностью вибратора 201, вибратор 201 воспринимает силу трения от вибратора 201 и вращается в направлении, противоположном изгибной бегущей волне. Приводимый в движение объект, который не показан на чертеже, соединяется с выходным штоком 203 и приводится в движение вращательной силой ротора 202. Когда электрическое напряжение прикладывается к пьезоэлектрическому материалу, пьезоэлектрический материал расширяется и сокращается благодаря пьезоэлектрическому поперечному эффекту. Когда упругий элемент, такой как металлический элемент, находится в контакте с пьезоэлектрическим элементом, упругий элемент изгибается при расширении и сокращении пьезоэлектрического материала. Ультразвуковой двигатель, описанный здесь, является типом, который работает на данном принципе.

[0107] На фиг. 3B показан пример ультразвукового двигателя, включающий в себя пьезоэлектрический элемент, имеющий многослойную структуру. Вибратор 204 включает в себя цилиндрический металлический упругий элемент 2041 и многослойный пьезоэлектрический элемент 2042, образованный в металлическом упругом элементе 2041. Многослойный пьезоэлектрический элемент 2042 образован множеством слоев пьезоэлектрических материалов, не показанных на чертеже. Первый электрод и второй электрод расположены на внешних поверхностях пакета, а внутренние электроды размещены внутри пакета. Металлический упругий элемент 2041 закреплен болтом для сжатия многослойного пьезоэлектрического элемента 2042, чтобы таким образом образовать вибратор 204.

[0108] Приложение разных фаз переменного напряжения к многослойному пьезоэлектрическому элементу 2042 заставляет вибратор 204 возбуждать два колебания в направлениях, перпендикулярных друг другу. Данные два колебания объединяются в круговое колебание, которое приводит в движение конец вибратора 204. В верхней части вибратора 204 выполнен кольцевой паз с целью увеличения смещения колебания для привода. Ротор 205 под давлением контактирует с вибратором 204 благодаря сдавливающей пружине 206 и воспринимает силу трения для привода. Ротор 205 поддерживается подшипниками с возможностью вращения.

Оптическое устройство

[0109] Ниже описано оптическое устройство в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Оптическое устройство включает в себя ультразвуковой двигатель и узел привода.

[0110] На фиг. 8A и 8B, показан поперечный разрез соответствующей части сменной оправы объектива зеркальной камеры с одним объективом, которая является примером устройства передачи изображений в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. На фиг. 9 представлен развернутый вид сменной оправы объектива в перспективе.

[0111] На фиг. 8A, 8B и 9 неподвижная оправа 712, линейная направляющая 713 объектива и оправа 714 группы передних линз прикреплены к основанию 711, отсоединяемому и присоединяемому к камере. Данные элементы являются неподвижными элементами сменной оправы объектива.

[0112] Линейно направляющий паз 713a, простирающийся в направлении оптической оси, образован в линейной направляющей 713 объектива для управления задней линзой 702. Кулачковый ролик 717a и кулачковый ролик 717b, выступающие наружу в радиальном направлении, прикреплены стопорным винтом 718 к оправе 716 группы задних линз, удерживающей заднюю линзу 702. Кулачковый ролик 717a установлен в линейно направляющем пазу 713a.

[0113] Кулачковое кольцо 715 прикреплено к внутренней окружности линейной направляющей 713 объектива с возможностью поворота. Относительные перемещения между линейной направляющей 713 объектива и кулачковым кольцом 715 в направлении оптической оси блокируются, поскольку ролик 719, прикрепленный к кулачковому кольцу 715, установлен в кольцевом пазу 713b линейной направляющей 713 объектива. Кулачковый паз 715a задней линзы 702 образован в кулачковом кольце 715. Кулачковый ролик 717b установлен в кулачковом пазу 715a.

[0114] Кольцо 720, передающее вращение, обеспечено на внешней стороне окружности неподвижной оправы 712. Кольцо 720, передающее вращение, удерживается шариковым кольцом 727 так, что оно может поворачиваться в определенное положение по отношению к неподвижной оправе 712. Ролик 722 удерживается с возможностью вращения штоком 720f, радиально выступающим из кольца 720, передающего вращение, и участок 722a большого диаметра ролика 722 находится в контакте с торцевой поверхностью 724b опорной стороны кольца 724 ручной фокусировки. Участок 722b малого диаметра ролика 722 находится в контакте с соединительным элементом 729. Шесть равноотстоящих роликов 722 расположены на внешней окружности кольца 720, передающего вращение, и каждый ролик выполнен с возможностью обладать описанным выше взаиморасположением.

[0115] Пластинка (элемент шайбы) 733 с низким коэффициентом трения расположена на внутреннем радиальном участке кольца 724 ручной фокусировки. Пластинка 733 с низким коэффициентом трения расположена между торцевой поверхностью 712a стороны крепления неподвижной оправы 712 и торцевой поверхностью 724a передней стороны кольца 724 ручной фокусировки. Внешняя радиальная поверхность пластинки 733 с низким коэффициентом трения имеет форму кольца и закреплена на внутреннем радиальном участке 724c кольца 724 ручной фокусировки. Внутренний радиальный участок 724c кольца 724 ручной фокусировки закреплен на внешнем радиальном участке 712b неподвижной оправы 712. Пластинка 733 с низким коэффициентом трения уменьшает трение в механизме вращения кольца, в котором кольцо 724 ручной фокусировки вращается относительно неподвижной оправы 712 вокруг оптической оси.

[0116] Участок 722a большого диаметра ролика 722 и торцевая поверхность 724b стороны крепления кольца 724 ручной фокусировки находятся в контакте друг с другом под давлением волнистой шайбы 726, которая прижимает ультразвуковой двигатель 725 в направлении передней части линзы. Усилие от волнистой шайбы 726, прижимающей ультразвуковой двигатель 725 к передней части линзы, также заставляет участок 722b малого диаметра ролика 722 и соединительный элемент 729 быть в контакте друг с другом под соответствующим давлением. Волнистая шайба 726 удерживается от движения в направлении крепления посредством шайбы 732, закрепленной байонетным соединением на неподвижной оправе 712. Усилие пружины (принуждающая сила), создаваемое волнистой шайбой 726, передается ультразвуковому двигателю 725 и ролику 722 и служит в качестве силы, осуществляющей давление кольца 724 ручной фокусировки на торцевую поверхность 712a стороны крепления неподвижной оправы 712. Другими словами, кольцо 724 ручной фокусировки собирается, будучи прижатым к торцевой поверхности 712а стороны крепления неподвижной оправы 712 посредством пластинки 733 с низким коэффициентом трения.

[0117] Соответственно, когда ультразвуковой двигатель 725 запускается и поворачивается по отношению к неподвижной оправе 712 с помощью узла управления, не показанного на чертеже, ролик 722 поворачивается вокруг центра штока 720f, поскольку соединительный элемент 729 создает контакт трением с участком 722b малого диаметра ролика 722. Когда ролик 722 поворачивается вокруг штока 720f, кольцо 720, передающее вращение, поворачивается вокруг оптической оси (операция автоматической фокусировки).

[0118] Когда сила вращения вокруг оптической оси прикладывается к кольцу 724 ручной фокусировки от блока ручной фокусировки, не показанного на чертеже, ролик 722 вращается вокруг штока 720f, поскольку торцевая поверхность 724b стороны крепления кольца 724 ручной фокусировки находится в контакте под давлением с участком 722a большого диаметра ролика 722. Поскольку участок 722a большого диаметра ролика 722 вращается вокруг штока 720f, кольцо 720, передающее вращение, вращается вокруг оптической оси. Ультразвуковой двигатель 725 в это время предохраняется от вращения благодаря удерживающей силе трения ротора 725c и статора 725b (ручная фокусировка).

[0119] Два замка 728 фокусировки устанавливаются в кольце 720, передающем вращение, в противоположных друг другу положениях и закрепляются в пазах 715b на переднем конце кулачкового кольца 715. Когда выполняется автоматическая фокусировка или ручная фокусировка и кольцо 720, передающее вращение, вращается вокруг оптической оси, сила вращения передается кулачковому кольцу 715 с помощью замков 728 фокусировки. Когда кулачковое кольцо 715 вращается вокруг оптической оси, оправа 716 группы задних линз, закрепленная от вращения кулачковым роликом 717a и линейно направляющим пазом 713a, перемещается назад и вперед вдоль кулачкового паза 715a в кулачковом кольце 715 с помощью кулачкового ролика 717b. Это перемещает заднюю линзу 702, и выполняется фокусировка.

[0120] Хотя сменная оправа объектива зеркальной камеры описана в качестве примера оптического устройства настоящего изобретения, диапазон оптических устройств этим не ограничивается. Оптическое устройство может быть любым типом камеры, таким как компактная камера, электронная фотокамера, или может быть портативным информационным терминалом, снабженным камерой. Оптическое устройство, имеющее ультразвуковой двигатель в узле привода, также находится в пределах настоящего изобретения.

Электронное устройство

[0121] Ниже описано электронное устройство в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Электронное устройство в соответствии с вариантом осуществления включает в себя пьезоэлектрический акустический компонент, снабженный пьезоэлектрическим элементом или многослойным пьезоэлектрическим элементом. Пьезоэлектрический акустический компонент может быть динамиком, микрофоном, устройством, работающим на поверхностных акустических волнах (ПАВ), или подобным.

[0122] На фиг. 10 показан вид в перспективе цифровой камеры в направлении от торцевой части основного корпуса 931, являющегося примером электронного устройства в соответствии с настоящим изобретением. Оптическое устройство 901, микрофон 914, стробоскопическое устройство 909 и вспомогательная световая головка 916 установлены в торцевой части основного корпуса 931. Поскольку микрофон 914 установлен внутри основного корпуса, он обозначен пунктирной линией. Отверстие для приема внешнего звука выполнено в передней части микрофона 914.

[0123] Кнопка 933 питания, динамик 912, рычаг 932 изменения фокусного расстояния и кнопка 908 спуска для выполнения операции фокусировки устанавливаются на верхней поверхности основного корпуса 931. Динамик 912 встроен внутрь основного корпуса 931 и показан пунктирной линией. Отверстия для выходящего звука выполнены в передней части динамика 912.

[0124] Пьезоэлектрический акустический компонент используется, по меньшей мере, в одном из устройств, микрофоне 914, динамике 912 и устройстве, работающем на ПЭВ.

[0125] Хотя цифровая камера описана в качестве одного примера электронного устройства настоящего изобретения, электронное устройство не ограничивается вышеперечисленным и может быть любым электронным устройством, снабженным пьезоэлектрическим акустическим компонентом, таким как звуковоспроизводящее устройство, звукозаписывающее устройство, сотовый телефон и информационный терминал.

[0126] Как описано выше, варианты осуществления пьезоэлектрического элемента и многослойного пьезоэлектрического элемента, описанного выше, годятся для использования в головке для выброса жидкости, устройстве для выброса жидкости, в ультразвуковом двигателе, оптическом устройстве и электронном устройстве.

[0127] Когда используется пьезоэлектрический элемент или многослойный пьезоэлектрический элемент настоящего изобретения, можно обеспечить создание головки для выброса жидкости, плотность сопел, выбрасывающая сила которой является сравнимой или превосходящей головку для выброса жидкости, включающую в свой состав свинецсодержащий пьезоэлектрический элемент. Устройство для выброса жидкости, оснащенное головкой для выброса жидкости в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, может иметь выбрасывающую силу и точность выброса, сравнимую с или превосходящую эти параметры устройства для выброса жидкости, использующего головку для выброса жидкости, включающую в свой состав свинецсодержащий пьезоэлектрический элемент.

[0128] Ультразвуковой двигатель, использующий пьезоэлектрический элемент или многослойный пьезоэлектрический элемент в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, имеет силу привода и долговечность, сравнимые или превосходящие эти параметры ультразвукового двигателя, использующего свинецсодержащий пьезоэлектрический элемент. Оптическое устройство, которое использует ультразвуковой двигатель, может иметь долговечность и эксплуатационную точность, сравнимые или превосходящие эти параметры оптического устройства, использующего ультразвуковой двигатель, включающий в свой состав свинецсодержащий пьезоэлектрический элемент.Электронное устройство, которое использует пьезоэлектрический акустический компонент, снабженный пьезоэлектрическим элементом или многослойным пьезоэлектрическим элементом в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, имеет свойства генерации звука, сравнимые или превосходящие эти параметры электронного устройства, включающего в свой состав свинецсодержащий пьезоэлектрический элемент.

ПРИМЕРЫ

[0129] Настоящее изобретение более подробно описано ниже с использованием примеров, которые не ограничивают объем изобретения.

[0130] Была подготовлена пьезоэлектрическая керамика для использования в пьезоэлектрическом элементе.

Пример Продукции 1

[0131] Титанат бария, имеющий средний диаметр частицы 100 нм (BT-01, выпускаемый химической промышленной компанией Sakai Co., Ltd.), титанат кальция, имеющий средний диаметр частицы 300 нм (CT-03, выпускаемый химической промышленной компанией Sakai Co., Ltd. ), и цирконат кальция, имеющий средний диаметр частицы 300 нм (CZ-03, выпускаемый химической промышленной компанией Sakai Co., Ltd.), взвешивались, чтобы отношение составило 90,5:6,5:3,0 на молярной основе. Чтобы отрегулировать молярное отношение a бария (Ba) и кальция (Ca) в A-узлах решетки к титану (Ti) и цирконию (Zr) в B-узлах решетки, добавляли 0,008 молей оксалата бария. Полученную смесь перемешивали в шаровой мельнице в течение 24 часов. Для получения гранулированного смешанного порошка в полученную смесь добавляли 0,08 весовых частей ацетата марганца (II) на металлической основе марганца и связующее вещество ПВС в количестве 3-х весовых частей относительно смешанного порошка, чтобы обеспечить их присоединение к поверхностям смешанного порошка, используя распылительную сушилку.

[0132] Гранулированный порошок загружался и подвергался прессованию при формовочном давлении 200 МПа в литьевой машине для приготовления дискообразной прессовки. Прессовка может дополнительно спрессовываться с использованием холодной изостатической литьевой машины.

[0133] Прессовка помещалась в электрическую печь и спекалась на атмосферном воздухе на протяжении 24 часов, в течение которых максимальная температура 1400°C поддерживалась в течение 5 часов.

[0134] Оценивались средний круговой эквивалентный диаметр и относительная плотность зерен кристаллов, составляющих полученную керамику. Средний круговой эквивалентный диаметр составлял 6,2 мкм и относительная плотность составила 94,9%. Для наблюдения зерен кристаллов в основном использовался поляризационный микроскоп. Диаметр мелких зерен кристаллов определялся путем использования сканирующего электронного микроскопа (SEM). Средний круговой эквивалентный диаметр рассчитывался на основе результатов наблюдения. Относительная плотность оценивалась с помощью способа, основанного на законе Архимеда.

[0135] Керамика была отполирована до толщины 0,5 мм и кристаллическая структура керамики анализировалась с помощью рентгено-лучевой дифракции. В результате наблюдались только пики, относящиеся к структуре типа перовскита.

[0136] Состав керамики анализировался с помощью рентгенофлуоресцентного анализа. В результате было обнаружено, что 0,08 весовых частей Mn были введены в состав, описываемый химической формулой (Ba_0,905Ca_0,095)_1,002(Ti_0,97Zr_0,03)О₃. Это означает, что состав, приготовленный с помощью взвешивания, соответствует составу после спекания. Содержания других элементов, помимо Ba, Ca, Ti, Zr и Mn были ниже пределов обнаружения, т.е. меньше, чем 0,1 весовая часть.

[0137] Снова наблюдались кристаллические зерна. Однако средний круговой эквивалентный диаметр, полученный до и после полировки, значительно не отличался.

Примеры Продукции 2-52, 72 и 73

[0138] Титанат бария, имеющий средний диаметр частицы 100 нм (BT-01, выпускаемый химической промышленной компанией Sakai Co., Ltd.), титанат кальция, имеющий средний диаметр частицы 300 нм (CT-03, выпускаемый химической промышленной компанией Sakai Co., Ltd.), и цирконат кальция, имеющий средний диаметр частицы 300 нм (CZ-03, выпускаемый химической промышленной компанией Sakai Co., Ltd.), взвешивались так, чтобы отношение на молярной основе было таким, как показано в Таблицах 1-1 и 1-2. Чтобы отрегулировать молярное отношение a Ba и Ca в A-узлах решетки к Ti и Zr в В-узлах решетки, оксалат бария взвешивался в количестве, показанном в Таблицах 1-1 и 1-2. Данные порошки перемешивались в сухом состоянии в шаровой мельнице в течение 24 часов. В Примере 48 0,8 весовых частей Si на оксидной основе добавлялись в качестве вспомогательного компонента. В Примере 52 в качестве вспомогательных компонентов всего добавлялась 1,0 весовая часть Si и Cu на оксидной основе. Для получения гранулированного смешанного порошка в полученную смесь добавляли ацетат марганца (II) на металлической основе марганца в количестве, показанном в Таблицах 1-1 и 1-2, и связующее вещество ПВС в количестве 3-х весовых частей относительно смешанного порошка, чтобы обеспечить их присоединение к поверхностям смешанного порошка, используя распылительную сушилку.

[0139] Гранулированный порошок загружался и подвергался прессованию при формовочном давлении 200 МПа в литьевой машине для приготовления дискообразной прессовки. Прессовка может дополнительно спрессовываться с использованием холодной изостатической литьевой машины.

[0140] Прессовка помещалась в электрическую печь и спекалась в атмосферном воздухе на протяжении 24 часов, в течение которых максимальная температура от 1350°C до 1480°C поддерживалась в течение 5 часов. Максимальная температура увеличивалась, по мере того, как увеличивалось количество Ca.

[0141] Оценивались средний круговой эквивалентный диаметр и относительная плотность зерен кристаллов, составляющих полученную керамику. Результаты показаны в Таблицах 2-1 и 2-2. Поляризационный микроскоп в основном использовался для наблюдения кристаллических зерен. Диаметр малых кристаллических зерен определялся с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM). Средний круговой эквивалентный диаметр рассчитывался на основе результатов наблюдений. Относительная плотность оценивалась с помощью способа Архимеда.

[0142] Керамика была отполирована до толщины 0,5 мм и кристаллическая структура керамики анализировалась с помощью рентгено-лучевой дифракции. В результате, во всех образцах наблюдались только пики, относящиеся к структуре типа перовскита.

[0143] Состав керамики анализировался путем рентгенофлуоресцентного анализа. Результаты показаны в Таблицах 3-1 и 3-2. Вспомогательные компоненты в таблице относятся к элементам, отличным от Ba, Ca, Ti, Zr и Mn, а 0 означает, что содержание было ниже предела обнаружения. В результате было обнаружено, что состав, подготовленный путем взвешивания, соответствовал составу после спекания во всех образцах.

[0144] Кристаллические зерна были снова обнаружены. Однако размер и состояние зерен кристаллов незначительно отличались после спекания и после полировки.

Примеры Продукции 53-71 для сравнения

[0145] Те же исходные материалы порошка, что в Примерах 1-52, 72 и 73, и цирконат бария, имеющий средний диаметр частицы 300 нм (изготовленные химической промышленной компанией Nippon Co., Ltd.) взвешивались так, чтобы молярное отношение было, как показано в Таблицах 1-1 и 1-2. Каждая смесь перемешивалась в сухом состоянии в шаровой мельнице в течение 24 часов. В Примере продукции 65 добавлялись Y и V на оксидной основе в общем объеме 2,1 весовых частей. Для получения гранулированного смешанного порошка в полученную смесь добавляли ацетат марганца (II) на металлической основе марганца в количестве, показанном в Таблицах 1-1 и 1-2, и связующее вещество ПВС в количестве 3-х весовых частей относительно смешанного порошка, чтобы обеспечить их присоединение к поверхностям смешанного порошка, используя распылительную сушилку.

[0146] Керамика была приготовлена при тех же условиях, что в Примерах 2-52, 72 и 73 путем использования каждого из полученных гранулированных порошков. Были оценены средний круговой эквивалентный диаметр и относительная плотность зерен кристаллов, образующих керамику. Результаты показаны в Таблицах 2-1 и 2-2. Оценка зерен кристаллов и относительной плотности была проведена также как в Примерах 1-52, 72 и 73.

[0147] Каждая полученная керамика была полирована до толщины 0,5 мм и кристаллическая структура керамики анализировалась с помощью рентгено-лучевой дифракции. В результате, во всех образцах наблюдались только пики, относящиеся к структуре типа перовскита.

[0148] Состав керамики был проанализирован с помощью рентгенофлуоресцентного анализа. Результаты показаны в Таблицах 3-1 и 3-2. В результате было обнаружено, что состав, подготовленный путем взвешивания, соответствовал составу после спекания во всех образцах.

[0149] Взаимосвязь между x и y в пьезоэлектрических материалах в Примерах Продукции 1-73 показана на графике фиг 1. На фигуре диапазон, показанный пунктирной линией, означает диапазон x и y в общей формуле (1), представляющей оксид металла типа перовскита, описанного в варианте осуществления.

[0150]

[0151]

[0152]

[0153]

[0154]

[0155]

Подготовка пьезоэлектрического элемента и оценка статических характеристик

Примеры 1-54

[0156] Пьезоэлектрические элементы в Примерах 1-54 были изготовлены с использованием керамики из Примеров Продукции 1-52, 72 и 73.

[0157] Золотой электрод толщиной 400 нм был образован на обеих сторонах описанной выше дискообразной керамики путем напыления при постоянном токе. Между электродом и керамикой была образована титановая пленка, работающая в качестве слоя адгезива, и имеющая толщину 30 нм. Керамика с электродами была нарезана в форме полосового пьезоэлектрического элемента размером 10 мм × 2,5 мм × 0,5 мм.

[0158] Пьезоэлектрический элемент был помещен на горячую плиту с температурой поверхности от 60°C до 100°C и электрическое поле 1 кВ/мм прикладывалось к пьезоэлектрическому элементу в течение 30 минут для проведения процедуры поляризации.

[0159] Оценивались статические характеристики пьезоэлектрического элемента, а именно температура Кюри, диэлектрические потери, пьезоэлектрическая постоянная d_3i, и добротность упругой системы (Qm) поляризованного пьезоэлектрического элемента. Результаты показаны в Таблицах 4-1 и 4-2. Добротность упругой системы показана в таблице 6. Температура Кюри определялась путем изменения температуры, как температура, при которой диэлектрическая постоянная, измеренная при приложении переменного электрического микрополя частотой 1 кГц, была максимальной. Также одновременно производилось измерение диэлектрических потерь. Пьезоэлектрическая постоянная d_3i была определена с помощью резонансно-антирезонансного способа и ее абсолютное значение показано в таблице.

[0160] Таблицы 4-1 и 4-2 также показывают количества Ba и Ca на молярной основе и молярное отношение Ti/Zr/Mn. В таблице "X" означает, что оценка не могла быть произведена.

[0161]

[0162]

[0163] Все образцы в Примерах имели пьезоэлектрическую постоянную d_31,равную 55 [пКл/Н] или более, и диэлектрические потери, равные 0,4% или менее. Пьезоэлектрическая постоянная d₃₃, хотя и не показана в таблицах, также была измерена на основании принципа способа Берлинкурта и составила 110 [пКл/Н] или более во всех образцах.

[0164] Производилось сравнение между Примерами 10 и 11, между Примерами 12 и 13, между Примерами 19 и 20 и между Примерами 21 и 22, в которых x составлял 0,125≤x≤0,175 и y составлял 0,055≤y≤0,090. Несмотря на то что x, y, и содержание Mn были одинаковыми во всех комбинациях, Примеры 11, 13, 19 и 21 с меньшим значением a показали превосходные характеристики пьезоэлектрических постоянных и диэлектрических потерь. В Примерах 11, 13, 19 и 21 отношение количества Ba и Ca к количеству Ti, Zr и Mn на молярной основе составляло 0,996 или более и 0,999 или менее.

[0165] Производилось сравнение между Примерами 28 и 29, между Примерами 30 и 31, между Примерами 38 и 39, и между Примерами 40 и 41, в которых x составлял 0,155≤x≤0,300 и y составлял 0,041≤y≤0,069. Хотя x, y и содержание Mn были одинаковыми во всех комбинациях, Примеры 29, 31, 39 и 41 с меньшим значением a показали превосходные характеристики пьезоэлектрических постоянных и диэлектрических потерь. В Примерах 29, 31, 39 и 41 отношение количества Ba и Ca к количеству Ti, Zr и Mn на молярной основе составляло 0,993 или более и 0,998 или менее.

[0166] Похожие характеристики наблюдались во всех Примерах, где золотые электроды заменялись электродами, приготовленными путем обжига серебряной пасты.

Сравнительные Примеры 1-19

[0167] Пьезоэлектрические элементы в Сравнительных Примерах 1-19 были изготовлены с помощью использования керамики из Примеров продукции 53-71. Изготовление и оценка устройств проведены, как в Примерах 1-54.

[0168] В Сравнительных Примерах 1 и 15, поскольку Mn не содержался, диэлектрические потери были высокими, то есть от 0,9% до 1,1%. В Сравнительных Примерах 3, 5, 7 и 9, поскольку Zr не содержался, пьезоэлектрическая постоянная d₃₁ была низкой, то есть 41 [пКл/Н] или менее. В Сравнительных Примерах 4, 6, 8 и 10, поскольку содержание Zr было на уровне 15%, температура Кюри была низкой, то есть 60°C, и температурный диапазон, в котором пьезоэлектрический элемент может использоваться, был сужен. В Сравнительном Примере 11 достаточного спекания не произошло из-за высокого содержания, то есть 32% (x=0,32), и рост гранул также был недостаточным, таким образом, пьезоэлектрическая постоянная была низкой и диэлектрические потери были высокими. В Сравнительном Примере 12, значение a было на уровне 0,980 и произошел аномальный рост гранул, то есть рост гранул, превышающих 30 мкм, и статические характеристики, за исключением температуры Кюри, не могли быть оценены. Средний круговой эквивалентный диаметр кристаллических зерен, составляющих пьезоэлектрический материал, используемый в образце Сравнительного Примера 12, был значительно больше чем толщина (0,5 мм = 500 мкм) пьезоэлектрического элемента в форме полосы, и таким образом, пьезоэлектрический материал легко раскалывался, и устройство демонстрировало низкую механическую прочность. В Сравнительном Примере 13 всего 2,1 весовых частей Y и V содержались в качестве вспомогательных компонентов и, таким образом, пьезоэлектрическая постоянная d_3i была низкой и равной 36 [пКл/Н]. В Сравнительном Примере 14 значение a было на уровне 1,030 и рост гранул был недостаточным из-за недостаточного спекания, таким образом, пьезоэлектрическая постоянная d_3i была на уровне 20 [пКл/Н] и диэлектрические потери были на уровне 0,9%. В Сравнительном Примере 16 содержание Mn было на уровне 0,45 весовых частей и, таким образом, пьезоэлектрическая постоянная была низкой, хотя диэлектрические потери были низкими. В Сравнительном Примере 17 средний круговой эквивалентный диаметр гранул был меньше чем 1 мкм, пьезоэлектрическая постоянная была низкой и диэлектрические потери были высокими. В Сравнительном Примере 18 наблюдался аномальный рост гранул, выросших до более чем 100 мкм по показателю среднего кругового эквивалентного диаметра зерен и, таким образом, статические характеристики за исключением температуры Кюри не могли быть оценены по той же причине, что и в образце Сравнительного Примера 12. В Сравнительном Примере 19, где относительная плотность была меньше чем 93%, пьезоэлектрическая постоянная была низкой и диэлектрические потери были высокими. Следует отметить, что статические характеристики в Сравнительном Примере 2 сравнимы с характеристиками образцов из Примеров. В Сравнительном Примере 2 x составляет 0,05 и y составляет 0,95, что находится примерно на одном уровне с образцами из Примеров; однако, отличием от Примеров является то, что y больше чем x.

Оценка динамических характеристик пьезоэлектрического элемента

[0169] Оценивались динамические характеристики пьезоэлектрических элементов. В частности, измерялась скорость изменения пьезоэлектрической постоянной при приложении электрического напряжения в течение 100 часов при следующих условиях и измерялось потребление электроэнергии.

[0170] Оценивались динамические характеристики в Примерах 8-14, 18-22, 25 и 26, и в Сравнительных Примерах 1, 4 и 19. Оценивалась пьезоэлектрическая постоянная d₃₁и рассчитывалась скорость ее изменения после того, как к пьезоэлектрическому элементу в форме полосы в течение 100 часов прикладывали переменное напряжение 100 В с частотой 110 кГц, достаточно далекой от резонансной частоты устройства в форме полосы. Скорость изменения пьезоэлектрической постоянной в промежутке до и после приложения электрического напряжения суммируется в Таблице 5.

[0171]

[0172] В то время как во всех образцах Примеров скорость изменения пьезоэлектрических свойств составляла 5% или менее, во всех образцах Сравнительных Примеров наблюдалась скорость изменения 10% или более. Причина этого в Сравнительных Примерах 1 и 19, возможно, состоит в том, что диэлектрические потери были высокими и, таким образом, электрические потери, возникшие при приложении электрического напряжения, были большими. В отношении Сравнительного Примера 4, температура Кюри была на уровне 60°C и, таким образом, деполяризация предположительно произошла из-за тепла, генерируемого устройством при приложении электрического напряжения. Другими словами, устройство не достигает достаточной эксплуатационной долговечности в случае, если температура Кюри составляет 85°C или более и диэлектрические потери составляют 0,4% или менее.

[0173] Другая динамическая характеристика пьезоэлектрического элемента, а именно потребляемая мощность, оценивалась так, как описано ниже. Добротность упругой системы в Примерах 17, 23, 27-32, 34, 38-42, 45, 46 и 49-51, и Сравнительных Примерах 2 и 15 оценивалась с помощью резонансно-антирезонансного способа. Результаты показаны в таблице 6.

[0174] Затем переменное напряжение с частотой вблизи резонансной частоты (от 190 до 230 кГц) прикладывалось к пьезоэлектрическому элементу в форме полосы и оценивалась взаимосвязь между скоростью колебания и потребляемой мощностью устройства. Скорость колебания измерялась допплеровским виброметром, и потребляемая мощность измерялась с помощью измерителя мощности. В таблице 6 показана потребляемая мощность, наблюдавшаяся при приложении электрического напряжения и частоты, менявшихся так, чтобы скорость колебания составляла 0,40 м/с.

[0175]

[0176] Потребляемая мощность всех образцов в Примерах составляла 20 мВт или менее, в то время как потребляемая мощность всех образцов в Сравнительных Примерах была больше чем 50 мВт. Причина этого, возможно, состоит в том, что добротность упругой системы в Сравнительных Примерах 2 и 15 была на уровне 190 или менее. Добротность упругой системы важна, когда устройство приводится в действие на частоте вблизи резонансной частоты и желательно равна 400 или более.

Подготовка и оценка многослойного пьезоэлектрического элемента

Пример 55

[0177] Титанат бария, имеющий средний диаметр частицы 100 нм (BT-01, выпускаемый химической промышленной компанией Sakai Co., Ltd.), титанат кальция, имеющий средний диаметр частицы 300 нм (CT-03, выпускаемый химической промышленной компанией Sakai Co., Ltd.), и цирконат кальция, имеющий средний диаметр частицы 300 нм (CZ-03, выпускаемый химической промышленной компанией Sakai Co., Ltd.), взвешивали так, чтобы отношение составляло 84,0:10,1:5,9 на молярной основе. Чтобы отрегулировать молярное отношение Ba и Ca в A-узлах решетки и Ti и Zr в В-узлах решетки, добавляли 0,028 молей оксалата бария. К полученной смеси добавляли 0,40 весовые части оксида марганца (IV) на металлической основе марганца и 3 весовые части связующего вещества ПВС и смешивали. Чтобы приготовить сырую керамическую пленку толщиной 50 мкм, данному смешанному порошку придавали форму пленки ракельным способом.

[0178] Проводящая паста для изготовления внутренних электродов наносилась на сырую керамическую пленку путем печати. Проводящая паста являлась никелевой (Ni) пастой. Девять сырых керамических пленок, на которые наносилась проводящая паста, укладывались послойно и полученный в результате пакет термически соединялся прессованием.

[0179] Термически соединенный прессованием пакет обжигался в трубчатой печи. Для удаления связующего вещества в воздушной газовой среде производился обжиг до температуры 300°C, затем атмосфера менялась на восстановительную газовую среду (H₂:N₂=2:98, концентрация кислорода: 2×10^-6 Pa) и температура 1380°C сохранялась в течение 5 часов. В процессе охлаждения концентрация кислорода менялась до 30 Па и производилось охлаждение от 1000°C и ниже до комнатной температуры.

[0180] Полученное таким образом спеченное тело нарезалось на полосы размером 10 мм × 2,5 мм. Поверхности сторон отрезка полировались и пары внешних электродов (первого и второго электродов), поочередно замыкающих внутренние электроды, изготавливались на полированных поверхностях сторон путем напыления Au. В результате изготавливался многослойный пьезоэлектрический элемент, как показано на фиг. 3B.

[0181] Наблюдались внутренние электроды многослойного пьезоэлектрического элемента. Слои никеля, являющегося электродным материалом, и слои пьезоэлектрического материала укладывались поочередно. Многослойный пьезоэлектрический элемент помещался на горячую плиту, имеющую температуру поверхности, установленную равной от 60°C до 100°C, и для выполнения процедуры поляризации к многослойному пьезоэлектрическому элементу на горячей плите в течение 30 минут прикладывалось электрическое поле напряженностью 1 кВ/мм.

[0182] Оценивались пьезоэлектрические свойства полученного многослойного пьезоэлектрического элемента. Устройство имело достаточные изоляционные свойства и хорошие пьезоэлектрические свойства, сравнимые со свойствами из Примера 54.

Сравнительный Пример 20

[0183] Многослойный пьезоэлектрический элемент изготавливался как в Примере 55. Однако состав был такой же, как в Примере продукции 64. Наблюдались слои пьезоэлектрического материала многослойного пьезоэлектрического элемента. Замечено несколько зерен кристаллов, имеющих диаметр от 20 до 30 мкм. Следовательно, устройство было крайне хрупким и пьезоэлектрические свойства не могли быть оценены.

Изготовление и оценка устройства

Головка для выброса жидкости, включающая в себя пьезоэлектрический элемент из Примера 9

[0184] Головка для выброса жидкости, показанная на фиг. 2, изготавливалась с использованием пьезоэлектрического элемента из Примера 9. Подтвержден выброс чернил в ответ на входные электрические сигналы.

Устройство для выброса жидкости, содержащее головку для выброса жидкости, включающую в себя пьезоэлектрический элемент из Примера 9.

[0185] Устройство для выброса жидкости, показанное на фиг. 6, изготавливалось с помощью использования головки для выброса жидкости, показанной на фиг. 2, содержащей пьезоэлектрический элемент из Примера 9. Подтвержден выброс чернил на материал для печати в ответ на входные электрические сигналы.

Ультразвуковой двигатель, включающий в себя пьезоэлектрический элемент из Примера 31

[0186] Ультразвуковой двигатель, показанный на фиг. 3A и 3B, изготавливался с помощью использования пьезоэлектрического элемента из Примера 31. Подтверждено, что двигатель вращался в ответ на приложение переменного напряжения.

Оправа объектива, использующая ультразвуковой двигатель, включающий в себя пьезоэлектрический элемент из Примера 31

[0187] Оптическое устройство, показанное на фиг. 8, изготавливалось с помощью использования ультразвукового двигатель, использующего пьезоэлектрический элемент из Примера 31. Подтверждена автоматическая фокусировка в ответ на приложенное переменное напряжение.

Электронное устройство, использующее пьезоэлектрический акустический компонент, включающий в себя пьезоэлектрический элемент из Примера 31

[0188] Электронное устройство, показанное на фиг. 10, изготавливалось с помощью использования пьезоэлектрического акустического компонента, включающего в себя пьезоэлектрический элемент из Примера 31. Подтверждена работа динамика в соответствии с приложенным переменным напряжением.

Головка для выброса жидкости, включающая в себя многослойный пьезоэлектрический элемент из Примера 55

[0189] Головка для выброса жидкости, показанная на фиг. 2, изготавливалась с использованием многослойного пьезоэлектрического элемента из Примера 55. Подтвержден выброс чернил в ответ на входные электрические сигналы.

Устройство для выброса жидкости, использующее головку для выброса жидкости, включающую в себя многослойный пьезоэлектрический элемент из Примера 55

[0190] Устройство для выброса жидкости, показанное на фиг. 6, изготавливалось с помощью использования a головки для выброса жидкости, показанной на фиг. 2, включающей в себя многослойный пьезоэлектрический элемент из Примера 55. Подтвержден выброс чернил на материал для печати в ответ на входные электрические сигналы.

Ультразвуковой двигатель, включающий в себя многослойный пьезоэлектрический элемент из Примера 55

[0191] Ультразвуковой двигатель, показанный на фиг. 3B, изготавливался с помощью использования многослойного пьезоэлектрического элемента из Примера 55. Подтверждено вращение двигателя в ответ на приложенное переменное напряжение.

Оправа объектива, использующего ультразвуковой двигатель, включающий в себя многослойный пьезоэлектрический элемент из Примера 55

[0192] Оптическое устройство, показанное на фиг. 8A и 8B, изготавливалось с помощью использования многослойного пьезоэлектрического элемента из Примера 55. Подтверждена автоматическая фокусировка в ответ на приложенное переменное напряжение.

Электронное устройство, использующее пьезоэлектрический акустический компонент, включающий в себя многослойный пьезоэлектрический элемент из Примера 55

[0193] Электронное устройство, показанное на фиг. 10, изготавливалось с помощью использования пьезоэлектрического акустического компонента, включающего в себя многослойный пьезоэлектрический элемент из Примера 55. Подтверждена работа динамика в ответ на приложенное переменное напряжение.

Другие варианты осуществления

[0194] В то время как настоящее изобретение было описано по отношению к примерным вариантам осуществления, должно быть понятно, что изобретение не ограничивается описанными возможными вариантами осуществления. Объем нижеследующей формулы изобретения должен соответствовать самой широкой интерпретации так, чтобы охватывать все такие модификации и эквивалентные конструкции и функции.

[0195] По данной заявке испрашивается приоритет японской патентной заявки № 2011-149361, поданной 5 июля 2011, которая в полном объеме включена в состав данного документа в виде ссылки.

Промышленная применимость

[0196] Пьезоэлектрический элемент в соответствии с изобретением устойчиво работает в широком диапазоне рабочих температур, слабо воздействует на окружающую среду и может быть использован в устройствах, таких как головки для выброса жидкости и ультразвуковые двигатели, которые используют большое количество пьезоэлектрических материалов в пьезоэлектрических элементах и т.д.

Список ссылочных обозначений

[0197]

1 первый электрод

2 пьезоэлектрический материал

3 второй электрод

101 пьезоэлектрический элемент

102 индивидуальная емкость для жидкости

103 колеблющаяся пластинка

104 перегородка

105 выпускное отверстие

106 соединительное отверстие

107 общая емкость

108 буферный слой

1011 первый электрод

1012 пьезоэлектрический материал

1013 второй электрод

201 вибратор

202 ротор

203 выходной шток

204 вибратор

205 ротор

206 пружина

2011 упругое кольцо

2012 пьезоэлектрический элемент

2013 органический адгезив

2041 металлический упругий элемент

2042 многослойный пьезоэлектрический элемент

51 первый электрод

53 второй электрод

54 слой пьезоэлектрического материала

55 внутренний электрод

501 первый электрод

503 второй электрод

504 слой пьезоэлектрического материала

505 внутренний электрод

506a внешний электрод

506b внешний электрод

701 группа передних линз

702 задняя линза (фокусирующая линза)

711 крепление

712 неподвижная оправа

713 линейная направляющая объектива

714 оправа группы передних линз

715 кулачковое кольцо

716 оправа группы задних линз

717 кулачковый ролик

718 стопорный винт

719 ролик

720 передающее вращение кольцо

722 ролик

724 кольцо ручной фокусировки

725 ультразвуковой двигатель

726 волнистая шайба

727 шариковое кольцо

728 замок фокусировки

729 соединительный элемент

732 шайба

733 пластинка с низким коэффициентом трения

881 устройство для выброса жидкости

882 деталь корпуса

883 деталь корпуса

884 деталь корпуса

885 деталь корпуса

887 деталь корпуса

890 узел восстановления

891 пишущий узел

892 каретка

896 основной корпус

897 автоматический узел подачи

898 отверстие сброса

899 узел перемещения

901 оптическое устройство

908 кнопка спуска

909 стробоскопическое устройство

912 динамик

914 микрофон

916 вспомогательная световая головка

931 основной корпус

932 рычаг изменения фокусного расстояния

933 кнопка питания.

Реферат

Изобретение относится к многослойному пьезоэлектрическому элементу, содержащему слои пьезоэлектрического материала и электроды, включая в себя внутренний электрод, при этом слои пьезоэлектрического материала и электроды укладываются поочередно; каждый слой пьезоэлектрического материала содержит в качестве основного компонента оксид металла типа перовскита, представленный с помощью общей формулы (1), и марганец, включенный в состав оксида металла типа перовскита (BaCa)(TiZr)O, где 1,00≤a≤1,01, 0,02≤x≤0,30, 0,020≤y≤0,095 и y≤x (1); и 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 весовых частей или менее. Также изобретение относится к пьезоэлектрическому элементу, головке для выброса жидкости, устройству для выброса жидкости, ультразвуковому двигателю, оптическому устройству, электронному устройству. Изобретение обеспечивает бессвинцовый пьезоэлектрический элемент, который устойчиво работает в широком диапазоне температур. 7 н. и 4 з.п. ф-лы, 6 табл., 10 ил., 55 пр.

Формула