[发明专利]压电材料、压电元件和电子设备

说明书

技术领域

本发明涉及压电材料，更具体而言，涉及不包含任何铅组分的压电材料。另外，本发明涉及其中采用了该压电材料的压电元件、多层压电元件、液体排出头、液体排出装置、超声马达、光学设备、振动装置、尘埃去除装置、成像装置和电子设备。

背景技术

锆钛酸铅是代表性的含铅压电材料，其可用在诸如致动器、振荡器、传感器和滤波器的各种压电设备中。然而，铅组分对于生态系统是有害的，因为存在废弃的压电材料的铅组分可溶解到土壤中的可能性。因此，近来踊跃进行的研究和开发针对的是能够实现无铅压电设备的无铅压电材料。

当压电元件被用在家用电器或类似的产品中时，要求压电性能在产品的操作温度范围中不大幅变化。如果与压电性能有关的参数，例如机电耦合因数、介电常数、杨氏模量、压电常数、机械品质因数或者谐振频率，依赖于温度而大幅变化(例如，变化量等价于30％或更大)，则变得难以在操作温度范围中获得稳定的元件性能。在压电材料的根据温度的相变中，压电性在相变温度处取极大值。因此，相变是引起压电特性的大幅变化的因素。因此，关键是获得其中压电材料的相变温度不在操作温度范围中以使得其压电性能在操作温度范围中不大幅变化的产品。

当谐振设备(例如超声马达)包括压电组分时，要求表示谐振锐度的机械品质因数大。如果机械品质因数低，则操作压电元件所需的电力量变高并且压电元件的驱动控制由于生热而变得困难。这是要求拥有较高机械品质因数的压电材料的原因。

在日本专利申请公开No.2009-215111中讨论了由{[(Ba_1-x1M1_x1)((Ti_1-xZr_x)_1-y1N1_y1)O₃]-δ％[((Ba_1-yCa_y)_1-x2M2_x2)(Ti_1-y2N2_y2)O₃]}的伪二元系固溶体表达的无铅压电材料，其中M1、N1、M2和N2是添加的化学元素。(Ba_1-x1M1_x1)((Ti_1-xZr_x)_1-y1N1_y1)O₃是菱面体晶(rhombohedral)，((Ba_1-yCa_y)_1-x2M2_x2)(Ti_1-y2N2_y2)O₃是四方晶(tetragonal)。溶解晶系不同的两个组分使得能够在室温附近调整在菱面体晶和四方晶之间发生相变的温度。例如，根据讨论的内容，BaTi_0.8Zr_0.2O₃-50％Ba_0.7Ca_0.3TiO₃的相变发生在室温附近，并且20℃的压电常数d₃₃是584pC/N。另一方面，同一材料的70℃的压电常数d₃₃是368pC/N。更具体而言，如果温度的增大量是50℃，则压电常数d₃₃的减小量是37％。上述压电材料的特征在于压电性取极大值的相变发生在室温附近。因此，虽然上述压电材料在室温附近表现出优良的压电性能，但并不希望压电性能依赖于温度而显著可变。在上述材料中，Zr量(x)被设定为大于0.1以获得作为边缘组分的(Ba_1-x1M1_x1)((Ti_1-xZr_x)_1-y1N1_y1)O₃的菱面体晶。