压电材料、压电元件和电子设备的制作方法 [0002] 锆钛酸铅是代表性的含铅压电材料，其可以用在各种压电设备（如致动器、振荡 器、传感器和滤波器）中。然而，因为存在废弃的压电材料的铅成分可能溶解到土壤中的可 能性，所以铅成分对于生态系统是有害的。相应地，近来所热烈进行的研究和开发针对可以 实现无铅压电设备的无铅压电材料。 [0003] 当在家用电器或相似产品中采用压电元件时，要求压电性能在产品的操作温度范 围中并不很大地改变。如果与压电性能有关的参数（例如机电耦合系数、介电常数、杨氏模 量、压电常数、机械品质因数或谐振频率）取决于温度而极大地改变（例如改变等于30%或 更大的量），则变得难以在操作温度范围中获得稳定的元件性能。在压电材料的相变中，压 电性在相变（phase transition)温度得以最大化。因此，相变是产生大的压电特性改变的 一个因素。因此，关键的是，获得压电性能在压电材料的相变温度并不处于操作温度范围中 的操作温度范围中并不极大地改变的产品。 [0004] 当谐振设备（如超声马达）包括压电组成时，要求表示谐振的锐度的机械品质因 数很大。如果机械品质因数很低，则操作压电元件所需的电力的量变得较高，并且压电元件 的驱动控制由于热量产生而变得困难。这是需要拥有较高机械品质因数的压电材料的原 因。 [0005] 在日本专利申请公开 No. 2009-215111 中讨论了（[(Ba1-X1Mlxl) (OVxZrx) H1Nlyl) O3]- S % [(BahCay)^2MZx2) (IVy2^2)O3B的准二元系统固溶体所表示的无铅压电材 料，其中，Ml、NI、M2和N2是添加元素。（Ba 1-X1Mlxl) ((TihZrx) H1Nlyl) O3是斜方六面体， (BanCadh^J OVy2^y2)O3是四面体。溶解两种在晶体系统方面不同的成分使得能够在 室温附近调整在斜方六面体与四面体之间产生相变的温度。例如，根据所讨论的内容，在室 温附近产生BaTi a8ZrQ.203 - 50% Baa7CaQ. JiO3的相变，并且在20°C的压电常数d33是584pC/ N。另一方面，同一材料在70°C的压电常数d 33是368pC/N。更具体地说，如果温度的增加量 是50°C，则压电常数d33的减少量是37%。上述压电材料特征在于，压电性得以最大化的相 变产生在室温附近。因此，虽然上述压电材料在室温附近展现出优异的压电性能，但并不期 望压电性能取决于温度而显著地可变。在上述材料中，Zr量（X)被设置为大于0. 1，以获得 边缘成分为（Ba1-X1Mlxl) ((TihZrx) H1Nlyl) O3的斜方六面体。 [0006] Karaki, 15th US-Japan Seminar on Dielectric and Piezoelectric Ceramics Extended Abstract, p.40to41中所讨论的材料是可以根据两步烧结方法通过烧结包括 MnO (0? 03重量份）和LiBiO2 (0至0? 3重量份）的添加剂的BaTiO3而获得的无铅压电陶瓷。 添加LiBiO2基本上与LiBiO2的添加量成比例地线性地增加包括MnO (0. 03重量份）的添 加剂的BaTiO3的矫顽电场。此外，添加LiBiO2基本上减少压电常数d33、介电常数和介质正 切。当LiBiO 2的添加量是0. 17重量份时，压电常数d33是243pC/N，矫顽电场是0. 3kV/mm。 当LiBiO2的添加量是0. 3重量份时，矫顽电场是0. 5kV/mm。然而，根据评价结果，上述压电 材料并不是期望的，因为在四面体与斜方体之间产生相变的温度处于从5°C到_20°C的范 围中。此外，上述压电材料并不是期望的，因为在室温的机械品质因数很低（小于500)。 [0007] 上述传统无铅压电陶瓷并不是期望的，因为压电性能在压电元件的操作温度范围 中极大地变化，并且机械品质因数很小。
[0008] 为了解决上述问题，本发明针对一种压电材料，其不含铅成分并且特征在于压电 常数的温度依赖性在操作温度范围中很小，密度很高，机械品质因数很高，并且压电常数是 令人满意的。此外，本发明针对采用所述压电材料的压电元件、多层化压电元件、液体排出 头、液体排出装置、超声马达、光学设备、振动装置、灰尘移除装置、成像装置以及电子设备。



[0009] 为了解决上述问题，根据本发明的压电材料包括：主成分，含有可以使用以下通式 (1)表示的钙钛矿类型金属氧化物；第一子成分，含有Mn ;第二子成分，含有Li ;以及第三 子成分，含有Bi ;其中，当金属氧化物是100重量份时，以金属换算的Mn的含量不小于0. 04 重量份并且不大于〇. 36重量份，当金属氧化物是100重量份时，以金属换算的Li的含量a 大于0. 0013重量份并且不大于0. 0280重量份，以及当金属氧化物是100重量份时，以金属 换算的Bi的含量0不小于0. 042重量份并且不大于0. 850重量份：
[0010] (Ba1^xCax) a (Ti1^zZrySnz) O3 (1)
[0011] 在式（1)中，0? 09 彡 X 彡 0? 30,0. 074〈y 彡 0? 085,0 彡 Z 彡 0? 02，以及 0. 986 彡 a 彡 1. 02。
[0012] 根据本发明的压电元件包括第一电极、压电材料部分和第二电极，其中，构成压电 材料部分的压电材料是上述压电材料。
[0013] 根据本发明的多层化压电元件包括：交替堆叠的多个压电材料层以及多个电极 层，所述多个电极层包括至少一个内部电极，其中，由上述压电材料制成所述压电材料层。
[0014] 根据本发明的液体排出头包括：液体腔室，其配有振动单元，振动单元中设置有上 述压电元件或上述多层化压电元件；排出口，与所述液体腔室连通。
[0015] 根据本发明的液体排出装置包括：上面放置图像转印介质的部分；以及上述液体 排出头。
[0016] 根据本发明的超声马达包括：振动体，其中设置有上述压电元件或上述多层化压 电元件；移动体，其接触所述振动体。
[0017] 根据本发明的光学设备包括驱动单元，驱动单元包括上述超声马达。
[0018] 根据本发明的振动装置包括振动体，在振动体中在振动板上设置上述压电元件或 上述多层化压电元件。
[0019] 根据本发明的灰尘移除装置包括振动单元，在振动单元中提供上述振动装置。
[0020] 根据本发明的成像装置包括：上述灰尘移除装置和图像传感器单元，其中，靠近所 述图像传感器单元的光接收表面而提供灰尘移除装置的振动板。
[0021] 根据本发明的电子设备包括压电声学器件，在压电声学器件中设置有上述压电元 件或上述多层化压电元件。
[0022] 根据本发明，提供一种压电材料，其不含任何铅成分并且其特征在于：压电常数的 温度依赖性在压电元件的操作温度范围中很小，密度很高，机械品质因数很高，并且压电常 数是令人满意的。此外，根据本发明的压电材料不含任何铅成分并且因此可以减少环境负 担。
[0023] 根据参照附图对示例的以下描述，本发明的其它特征将变得清楚。




[0024] 图1示意性示出根据本发明实施例的压电元件的配置。
[0025] 图2A和图2B是示意性示出根据本发明实施例的多层化压电元件的示例配置的截 面图。
[0026] 图3A和图3B示意性示出根据本发明实施例的液体排出头的配置。
[0027] 图4示意性示出根据本发明实施例的液体排出装置。
[0028] 图5示意性示出根据本发明实施例的液体排出装置。
[0029] 图6A和图6B示意性示出根据本发明实施例的超声马达的配置。
[0030] 图7A和图7B示意性示出根据本发明实施例的光学器件。
[0031] 图8示意性示出根据本发明实施例的光学器件。
[0032] 图9A和图9B示意性示出作为根据本发明实施例的振动装置的示例的灰尘移除装 置。
[0033] 图10A、图IOB和图IOC示意性示出可以被包括在根据本发明实施例的灰尘移除装 置中的压电元件的配置。
[0034] 图IlA和图IlB是示出根据本发明实施例的灰尘移除装置中产生振动的原理的示 意图。
[0035] 图12示意性示出根据本发明实施例的成像装置。
[0036] 图13示意性示出根据本发明实施例的成像装置。
[0037] 图14示意性示出根据本发明实施例的电子设备。
[0038] 图15是示出在本发明的示例1至54以及70中的压电材料与在比较性示例1至 12以及14至22的X值与y值（z = 0、0.01、0. 02以及0.03)之间的关系的相图，其中，虚 线指示如权利要求1所述的X值和y值的组分范围。


[0039] 下文中，以下将参照附图详细描述本发明的各个实施例、特征和方面。
[0040] 本发明提供一种无铅压电材料，其含有（Ba, Ca) (Ti, Zr, Sn)03作为主成分并且具 有令人满意的压电性和绝缘性质。此外，根据本发明的无铅压电材料在密度和机械品质因 数方面较高。压电常数的温度依赖性在操作温度范围（例如从20°C到45°C)中很小。根 据本发明的压电材料具有铁电物质特征并且被用于各种设备，如存储器或传感器。
[0041] 根据本发明的压电材料包括：主成分，含有可以使用以下通式（1)表示的钙钛矿 类型金属氧化物；第一子成分，含有Mn ;第二子成分，含有Li ;以及第三子成分，含有Bi。当 金属氧化物是100重量份时，以金属换算的Mn的含量不小于0. 04重量份并且不大于0. 36 重量份。当金属氧化物是100重量份时，以金属换算的Li的含量a大于0. 0013重量份并 且不大于0. 0280重量份。当金属氧化物是100重量份时，以金属换算的Bi的含量P不小 于0. 042重量份并且不大于0. 850重量份。
[0042] 通式（I) (BahCa丄(Ti1TzZrySnz) O3 (1)
[0043] (在该式中，0? 09 彡 X 彡 0? 30,0. 074〈y 彡 0? 085,0 彡 z 彡 0? 02，以及 0. 986 ^ a ^ 1. 02) 〇
[0044] 在本发明中，钙钛矿类型金属氧化物是具有钙钛矿类型结构（其可以被称为钙钛 矿结构）的金属氧化物，这是例如在Iwanami Dictionary of Physics and Chemistry第五 版（Iwanami Shoten，公布于1998年2月20日）中所描述的。通常，可以使用化学式ABO3 来表示包括钙钛矿类型结构的金属氧化物。钙钛矿类型金属氧化物中所含有的两种化学元 素A和B分别以离子的形式位于"A位点"和"B位点"处。"A位点"和"B位点"中的每一 个是单胞的特定位置。例如，在立方体系统的单胞中，化学元素"A"位于立方体的顶点处。 化学元素B位于立方体的中心处。元素"0"以负氧离子的形式位于立方体的面的中心处。
[0045] "以金属换算"的每个子成分（例如Mn、Bi或Li)的含量指示以下值。例如，用于 获得Mn的含量的方法包括：通过X射线荧光分析（XRF)、ICP发射分光光度分析或原子吸收 分析来测量压电材料中所含有的各种金属Ba、Ca、Ti、Sn、Zr、Mn、Bi和Li的含量。此外，所 述方法包括：计算构成使用通式（1)所表示的金属氧化物的化学元素作为可与氧化物比较 的值。所述方法还包括：当各个元素的总重量是100时，获得Mn重量的比率。
[0046] 因为钙钛矿类型金属氧化物具有优异的绝缘性质，所以根据本发明的压电材料包 括钙钛矿类型金属氧化物作为主相。作为确定钙钛矿类型金属氧化物是否为主相的方式， 例如，有用的是在X射线衍射中检查从钙钛矿类型金属氧化物推导的最大衍射强度是否等 于或大于从杂质相推导的最大衍射强度的1〇〇倍。期望压电材料完全由钙钛矿类型金属氧 化物构成，这是因为绝缘性质可以被最大化。"主相"表示在压电材料的粉末X射线衍射中 由钙钛矿类型结构导致的衍射强度的最强峰。更期望的相是"单相"，根据"单相"，压电材 料完全由钙钛矿类型结构晶体占据。
[0047] 通式（1)指示使用该式所表示的金属氧化物含有位于A位点处的作为金属元素的 Ba和Ca以及位于B位点处的作为金属元素的Ti、Zr和Sn。然而，Ba和Ca可以部分地位 于B位点处。相似地，Ti和Zr可以部分地位于A位点处。然而，并不期望Sn位于A位点 处，这是因为压电特性可能恶化，并且合成条件可能受限。
[0048] 在通式⑴中，位于B位点处的化学元素与0元素之间的摩尔比率是1 :3。然而，当 金属氧化物含有钙钛矿类型结构作为主相时，即使元素量比率稍微偏离（例如在从1. 〇〇 : 2. 94到1. 00 :3. 06的范围中），本发明也包含这种在元素量比率的范围中的偏离。
[0049] 虽然陶瓷是期望的，但根据本发明的压电材料不限于具有特定形式，并因此可以 被配置为陶瓷、粉末、单晶、膜或浆体。在以下描述中，"陶瓷"表示含有金属氧化物作为基 本成分并且被配置为通过热处理所烧结的晶体颗粒的聚集体（aggregate)(或块体（bulk body))的多晶。根据本发明的"陶瓷"可以是在烧结处理之后获得的加工产品。
[0050] 在通式（1)中，当表示Ca量的"x"处于0. 09彡X彡0. 30的范围中，表示Zr量的 "y"处于〇. 〇74〈y彡0. 085的范围中，表示Sn量的"z"处于0彡z彡0. 02的范围中，以及 表示A位点与B位点之间的摩尔比率的"a"处于0. 986彡a彡I. 02的范围中时,压电常数 变为操作温度范围中的令人满意的值。
[0051] 在通式（1)中，Ca量"x"处于0.09彡X彡0.30的范围中。如果Ca量"x"小于 0. 09,则产生从四面体到斜方体的相变的温度Tt。变为高于-KTC。因此，压电常数的温度 依赖性在操作温度范围中变得较大。
[0052] 另一方面，如果Ca量"x"大于0. 30,则当烧结温度等于或小于1400°C时，因为Ca 并非充分地可溶解，所以压电常数由于CaTiO3(即杂质相）的生成而降低。此外，为了获得 期望的压电常数，期望将Ca量"x"设置为等于或小于0. 26 (即X彡0. 26)。更期望Ca量 "x"等于或小于0. 17 ( S卩X彡0. 17)。
[0053] 在通式（1)中，Zr量"y"处于0.074〈y彡0.085的范围中。如果Zr量"y"大于 0.074,则可以获得令人满意的压电常数。如果Zr量"y"大于0. 085,则居里温度（下文中 被称为Tc)可以变为低于KKTC。为了获得令人满意的压电特性并且将居里温度T。设置为 不低于l〇〇°C，Zr量"y"处于0? 074彡y彡0? 085的范围中。
[0054] 如果Zr量"y"等于或大于0.075,则在室温增加介电常数是可行的。相应地，可以 进一步增加压电特性。鉴于前述情况，期望将Zr量"y"的范围设置为等于或大于0. 075。 此外，为了获得期望的压电性，期望Zr量"y"的范围等于或大于0. 076。
[0055] 期望Sn量"z"处于0彡z彡0. 02的范围中。与由Zr进行替代相似，以Sn替代 Ti带来增加在室温的介电常数并且增加压电常数的效果。添加Zr或Sn对于增强压电材料 的介电特征的有效的。然而，当以Zr或Sn替代Ti时，压电材料的相变温度T t。增加。如果 相变温度Tt。处于操作温度范围中，则压电常数的温度依赖性不期望地变得更大。因此，因 为Ca带来降低相变温度T t。的效果，所以如果因Zr或Sn的添加而增加相变温度Tt。，则必 须添加Ca以消除相变温度T t。的增加量。然而，鉴于抑制相变温度Tt。的增加量，以Sn替代 Ti优于以Zr替代Ti。例如，如果以Zr替代构成BaTiCU^ Ti的1 %，则相变温度Tt。增加 近似12°C的量。另一方面，如果以Sn替代Ti的1%，则相变温度Tt。增加近似5°C的量。因 此，可以通过以Sn来替代Ti而有效地减少Ca量。然而，并不期望Sn量"z"小于0. 02 (即 z>0. 02)，这是因为如果Zr量是不适当的则居里温度Tc变为低于KKTC。
[0056] 表示Ba和Ca的总摩尔数相对于Zr、Ti和Sn的总摩尔数的比率的比率"a" {a = (Ba+CaV(Zr+Ti+Sn)}处于0. 986彡a彡1.02的范围中。如果比率"a"小于0. 986,则当 烧结压电材料时，可能产生异常颗粒生长。此外，平均颗粒直径变为大于50 y m，并且材料的 机械强度下降。如果比率"a"大于1.02,则所获得的压电材料的密度将并不足够高。如果 压电材料的密度很低，则压电性降低。在本发明中，尚不充分地烧结的试样与充分地烧结的 试样之间的密度差不小于5%。为了获得密度较高并且机械强度优异的压电材料，比率"a" 处于0. 986彡a彡1. 02的范围中。
[0057] 根据本发明的压电材料包括Mn作为第一子成分，当使用通式（1)所表示的钙钛 矿类型金属氧化物是100重量份时，Mn以金属换算的含量不小于0. 04重量份并且不大于 0.36重量份。如果包括在上述范围中的Mn,则机械品质因数增加。然而，如果Mn的含量小 于0. 04重量份，则获得增加机械品质因数的效果是不可行的。另一方面，如果Mn的含量大 于0. 36重量份，则压电材料的绝缘电阻减少。当绝缘电阻很低时，在室温下的介质正切超 过0.01，或电阻系数变为等于或小于IG Q cm。在以IkHz的频率施加具有10V/cm的场强的 AC电场的状态下，阻抗分析器可用于测量在室温下的介质正切。
[0058] 期望在IkHz的频率处根据本发明的压电材料的介质正切等于或小于0. 006。当介 质正切等于或小于〇. 006时，可行的是，即使当在元素驱动条件下把具有500V/cm的最大场 强的电场施加到压电材料的状态下驱动压电材料时获得稳定的操作也是可行的。
[0059] Mn的形式不限于金属，并且可以是压电材料中所含有的Mn成分。例如，Mn可溶解 在B位点处或可以位于颗粒边界处。此外，有用的是，压电材料中含有金属、离子、氧化物、 金属盐或复合体（complex)的形式的Mn成分。期望压电材料含有Mn,以增强绝缘性质并且 改进烧结容易性。通常，Mn的化合价是4+、2+或3+。如果导电电子出现在晶体中（例如， 当氧缺陷出现在晶体中时，或当施主元素占据A位点时），则Mn的化合价从4+减少到3+或 2+，以捕获导电电子。因此，可以改进绝缘电阻。
[0060] 另一方面，如果Mn的化合价小于4+(例如，当Mn的化合价是2+时），Mn充当受主。 当Mn的受主出现在钙钛矿结构的晶体中时，空穴生成于晶体中或氧空缺形成于晶体中。 [0061] 如果所添加的Mn的化合价大多数是2+或3+，则因为通过引入氧空缺并不能充分 地补偿空穴，所以绝缘电阻明显降低。相应地，期望大多数Mn是4+。然而，十分少量的Mn 具有小于4+的化合价，并因此充当占据钙钛矿结构的B位点并且可以形成氧空缺的受主。 具有2+或3+的化合价的Mn以及氧空缺形成缺陷偶极子，这可以增加压电材料的机械品质 因数。如果三价Bi占据A位点，则Mn倾向于取得低于4+的化合价以保持电荷平衡。
[0062] 可以通过测量磁化率的温度依赖性来评价添加到非磁（反磁）材料的十分少量的 Mn的化合价。可以通过超导量子干涉器件（SQUID)、振动采样磁力计（VSM)或磁平衡来测 量磁化率。可以由以下通式2表示的Curie-Weiss定律可用于表示通过上述测量所获得的 磁化率X。
[0063] (式 2) X = C/ (T- 9 )
[0064] 在式2中，C表示居里常数，并且0表示顺磁居里温度。
[0065] 通常，添加到非磁材料的十分少量的Mn当化合价为2+时取得自旋值S = 5/2,当 化合价为3+时取得自旋值S = 2,以及当化合价为4+时取得自旋值S = 3/2。相应地，每 单位Mn量的居里常数C取得与在Mn的每个化合价的自旋值S相对应的值。换句话说，可以 通过从磁化率X的温度依赖性推导居里常数C来评价试样中所含有的Mn的平均化合价。 [0066] 为了评价居里常数C，期望在磁化率的温度依赖性的测量中将起始温度设置得尽 可能低。换句话说，因为磁化率在相对较高的温度（包括室温）取得十分小的值，所以如果 Mn量是十分小的量，则测量变得困难。可以根据当在共线近似中与温度T有关而绘制磁化 率的倒数I/ X时可获得的直线的斜率来推导居里常数C。
[0067] 当可以使用通式（1)表示的钙钛矿类型金属氧化物是100重量份时，根据本发明 压电材料包括：Li，作为第二子成分，其以金属换算的含量不小于0. 0013重量份并且不大 于0. 0280重量份；Bi,作为第三子成分，其以金属换算的含量不小于0. 042重量份并且不 大于0. 850重量份。如果Li的含量大于0. 0280重量份，则机电稱合系数降低。如果Li的 含量等于或小于〇. 0280,则与不含有任何Li成分的基准材料相比，烧结在较低温度是可行 的，而不使得压电特性恶化。
[0068] 此外，如果Bi的含量小于0. 042重量份，则无法获得降低相变温度并且增加机械 品质因数的效果。如果Bi的含量大于0.850重量份，则机电耦合系数极大地降低。在此情 况下的减少量相当于要在不含有Bi时获得的值的30%。此外，期望Li的含量a和Bi的 含量P满足下式（1)。
[0069]式（1) 0? 5 彡（a ? MB)八 @ ? ML)彡 1
[0070](在该式中，ML表示Li的原子量，并且MB表示Bi的原子量）
[0071] 如果Li与Bi之间的摩尔比率[(a ? MBVW ? ML)]小于0. 5,则居里温度可能 降低。如果Li与Bi之间的摩尔比率[(a ? MBVW ? ML)]大于1，则介质正切可能增加。 当Li与Bi之间的摩尔比率处于式（1)所定义的范围中时，减少Tt。和T trt值并且改进机械 品质因数而不降低居里温度和绝缘电阻可行的。
[0072] 在根据本发明的压电材料中，Li和Bi可以位于颗粒边界处，或可以溶解在 (Ba, Ca) (Ti, Zr, Sn)O3的钙钛矿类型结构中。
[0073] 当Li和Bi位于颗粒边界处时，各颗粒之间的摩擦减少并且机械品质因数增加。当 Li和Bi溶解在具有钙钛矿结构的（Ba, Ca) (Ti, Zr, Sn)O3中时，Ttrt和Tt。值变得更低，并因 此压电常数的温度依赖性在操作温度范围中变得更小。此外，机械品质因数可以增加。
[0074] 例如，X射线衍射、电子束衍射、电子显微镜和ICP-MS可用于评价Li和Bi出现的 地方。
[0075] 当Li和Bi位于B位点处时，因为Li和Bi的离子半径大于Ti和Zr的离子半径， 所以钙钛矿结构的晶格常数增大。
[0076] 当Li和Bi位于A位点处时，对于烧结高密度陶瓷最佳的"a"值变得较小。在BaO 和TiO 2的相图中，液相在高温度出现在BaO与TiO2之间的摩尔比率为1 :1的组分的富TiO2 侧上。因此，如果TiO2成分超过化学计量比率，则由于液相中的烧结，在BaTiO3陶瓷的烧结 中产生异常颗粒生长。另一方面，如果BaO成分的比率较大，则因为烧结并不平滑地进行， 所以陶瓷的密度降低。当Li成分和Bi成分都出现在A位点处时，因为位于A位点处的过 剩成分，所以陶瓷的烧结可能无法平滑进行。因此，陶瓷的密度降低。在此情况下，有用的 是降低"a"值以促进烧结并且获得高密度试样。
[0077] 为了容易地制造根据本发明的压电材料或调整根据本发明的压电材料的物理性 质，有用的是，以二价金属元素（例如Sr)来替代Ba和Ca的Imol %或更少。相似地，有用 的是以四价金属元素（例如Hf)来替代Ti、Zr和Sn的lmol%或更少。
[0078] 例如，阿基米德方法可用于测量烧结后的致密物的密度。在本发明中，如果表示理 论密度（P calcJ相对于测量的密度（P _s.)的比率的相对密度（P Ml。./P _s.)等于或大于 95%，则可以认为所测量的压电材料具有足够高的密度。可以参照烧结后的致密物的组分 和晶格常数来获得理论密度（P。 31。_)。
[0079] 当温度等于或高于居里温度1时，压电材料的压电性消失。在以下描述中，Tc表示 可以使介电常数在铁电相（四方相）和顺电相（立方相）的相变温度附近最大化的温度。 可以在施加具有lOV/cm的场强的AC电场的状态下以IkHz的频率使用例如阻抗分析器来 测量介电常数。
[0080] 当从较低级别开始温度升高时，根据本发明的压电材料引起到斜方六面体、斜方 体、四面体和立方体晶体的依次相变。该示例中所指代的相变不限于从斜方体到四面体的 相变或者从四面体到斜方体的相变。可以使用与对于居里温度所采用的相似测量方法来评 价相变温度。相变温度指代可使得可通过以试样温度对介电常数进行微分获得的导数最大 化的温度。例如，X射线衍射、电子束衍射和拉曼散射可用于评价晶体系统。
[0081] 当畴壁振动时，机械品质因数降低。通常，当畴结构的复杂度增加时，畴壁的密度 增大并且机械品质因数减小。斜方体或四面体钙钛矿结构的自发极化的晶体位向当根据准 立方晶体标志法表示时是〈11〇>或〈1〇〇>。更具体地说，与斜方体结构相比，四面体结构在 自发极化方面具有更低的空间灵活性。因此，四面体结构优于斜方体结构，因为即使当组成 相同时，畴结构变得简单并且机械品质因数变得更高。相应地，在操作温度范围中，期望根 据本发明的压电材料具有四面体结构，而非斜方体结构。
[0082] 介电常数和机电耦合系数在相变温度附近最大化。另一方面，杨氏模量最小化。压 电常数可以表示为使用上述三个参数的函数。压电常数在相变温度附近取得极值或拐点。 因此，如果在器件的操作温度范围中产生相变，则因为器件的性能取决于温度而极度变化， 或谐振频率取决于温度而变化，所以变得难以控制器件。相应地，期望相变（即导致压电性 能的变化的最大因素）不处于操作温度范围中。如果相变温度从操作温度范围偏离，则在 操作温度范围中压电性能的温度依赖性降低。
[0083] 根据本发明的压电材料包括含有Mg的第四子成分。期望当可以使用通式（1)表 示的钙钛矿类型金属氧化物是100重量份时，以金属换算的第四子成分的含量等于或小于 0. 10重量份,不包括〇重量份。
[0084] 当Mg的含量大于0. 10重量份时，机械品质因数变得较小（例如小于600)。如果 该压电材料用于制造压电元件并且所制造的元件被驱动为谐振器件，则当机械品质因数很 小时功耗增加。期望机械品质因数等于或大于800。更期望机械品质因数等于或大于1000。 为了获得更期望的机械品质因数，期望Mg的含量等于或小于0. 05重量份。
[0085] Mg的形式可以是压电材料中所含有的Mg成分。Mg的形式不限于金属Mg。例如， Mg可溶解在钙钛矿结构的A位点或B位点处，或可以位于颗粒边界处。或者，有用的是，压 电材料中含有金属、离子、氧化物、金属盐或复合体的形式的Mg成分。
[0086] 期望根据本发明的压电材料包括含有Si和B中的至少一个的第五子成分。期望 当可以使用通式（1)表示的金属氧化物是100重量份时，以金属换算的第五子成分的含量 不小于0. 001重量份并且不大于4. 000重量份。第五子成分具有降低根据本发明的压电材 料的烧结温度的作用。当压电材料被包括在多层化压电元件中时，连同电极材料一起在其 制造工艺中烧结压电材料。通常，电极材料的热阻温度低于压电材料的热阻温度。因此，如 果可以减少压电材料的烧结温度，则烧结压电材料所需的能量可以减少并且可采用的电极 材料的数量可以增大。
[0087] 此外，Si和B在压电材料的颗粒边界处得以分开。因此，沿着颗粒边界流动的泄 漏电流减少并且电阻系数变得更高。
[0088] 当第五子成分的含量小于0. 001重量份时，无法获得降低烧结温度的效果。当第 五子成分的含量大于4. 000重量份时，介电常数降低，并且因此，压电性降低。当第五子成 分的含量不小于〇. 001重量份并且不大于4. 000重量份时，压电性的减少可以被抑制为 30%或更小，并且烧结温度可以降低。特别地，因为在低于1250°C的烧结温度烧结高密度 陶瓷变得可行，所以更期望将第五子成分的含量设置为不小于〇. 05重量份。此外，更期望 将第五子成分的含量设置为不小于0. 09重量份并且不大于0. 15重量份，这是因为可以在 1200°C或更小执行烧结，并且压电性的减少可以被抑制为20%或更小。
[0089] 期望根据本发明的压电材料满足通式（1)中的关系0. 19〈2. 15 a+1. IIP〈1。当含 量a和P满足上述关系时，与当含量a和P不满足上述关系时所获得的值相比，压电材 料的机械品质因数变得更高。
[0090] 如果需要机械品质因数的进一步改进，则期望在通式（1)中满足关系 0? 111〈2. 15 a+1. 113〈0.333。
[0091] 期望根据本发明的压电材料满足通式（1)中的关系y+z < (llx/14)-0.037。当 x、y和z满足上述关系时，相变温度Tt。变为低于-20°C，并且在操作温度范围中压电常数的 温度依赖性变得更小。
[0092] 期望根据本发明的压电材料的居里温度等于或高于100°C。当居里温度等于或高 于KKTC时，根据本发明的压电材料可以在甚至在与夏季车辆内部的温度（例如80°C )相 比的严酷温度条件下也令人满意地保持压电性的情况下拥有稳定的压电常数和足够的机 械品质因数。
[0093] 用于制造根据本发明的压电材料的方法并非特定地受限。
[0094] 在制造压电陶瓷中，包括在正常压力下烧结含有构成元素的固体粉末（例如氧化 物、碳酸盐、硝酸盐草酸）的通用方法是可采用的。适当的金属化合物（如Ba化合物、Ca化 合物、Ti化合物、Zr化合物、Sn化合物、Mn化合物、Li化合物和Bi化合物）可用作用于根 据本发明的压电材料的原材料。
[0095] 例如，氢氧化钡、碳酸钡、草酸钡、醋酸钡、硝酸钡、钛酸钡、锆酸钡和锆钛酸钡是可 在本发明中使用的Ba化合物。
[0096] 例如，钙氧化物、碳酸钙、草酸钙、醋酸钙、钛酸钙和锆酸钙是可在本发明中使用的 Ca化合物。
[0097] 例如，氧化钛、钛酸钡、锆钛酸钡和钛酸钙是可在本发明中使用的Ti化合物。
[0098] 例如，氧化锆、锆酸钡、锆钛酸钡和锆酸钙是可在本发明中使用的Zr化合物。
[0099] 例如，氧化锡、锡酸钡和锡酸钙是可在本发明中使用的Sn化合物。
[0100] 例如，碳酸锰、一氧化锰、二氧化锰、三氧化四锰和醋酸锰是可在本发明中使用的 Mn化合物。
[0101] 例如，碳酸锂和锂铋酸是可在本发明中使用的Li化合物。
[0102] 例如，氧化铋和锂铋酸是可在本发明中使用的Bi化合物。
[0103] 此外，调整表示根据本发明的压电陶瓷的Ba和Ca的总摩尔数相对于Ti、Zr和Sn 的总摩尔数的比率的"a"{a= (Ba+CaV(Zr+Ti+Sn)}所需的原材料并非特定地受限。上述 Ba化合物、Ca化合物、Ti化合物、Zr化合物和Sn化合物中的每一个带来相似的效果。
[0104] 用于对用于根据本发明的压电陶瓷的原材料粉末进行颗粒化的方法并非特定地 受限。可在颗粒化中使用的粘接剂是例如聚乙烯醇（PVA)、聚乙烯醇缩丁醛（PVB)或丙烯 酸树脂。期望粘接剂的添加量处于从1重量份到10重量份的范围中。此外，因为可以增加 成型密度，所以期望将粘接剂的添加量设置为处于从2重量份到5重量份的范围中。有用 的是，对可以通过以机械方式混合上述Ba化合物、Ca化合物、Ti化合物、Zr化合物、Sn化 合物和Mn化合物获得的混合粉末进行颗粒化。还有用的是，在对上述化合物进行颗粒化之 前，在800°C至1300°C的温度范围中煅烧这些化合物。此外，有用的是，将Mn化合物和粘接 剂同时添加到上述Ba化合物、Ca化合物、Ti化合物、Zr化合物、Sn化合物、Li化合物和Bi 化合物的煅烧后的混合物。此外，如果需要获得具有均匀颗粒直径的颗粒化粉末，则最期望 的颗粒化方法是喷雾干燥方法。
[0105] 用于制造根据本发明的压电陶瓷致密物的方法并非具体地受限。致密物是可以通 过原材料粉末、颗粒化粉末或浆体制造的固体。可以例如通过单轴加压加工、冷态流体静压 加工、热态流体静压加工、铸造成型或挤压成型来实现致密物的制造。
[0106] 用于烧结根据本发明的压电陶瓷的方法并非具体地受限。烧结方法是例如使用电 炉的烧结方法、使用气炉的烧结方法、电加热方法、微波烧结方法、毫米波烧结方法或热等 静压（HIP)。可以通过连续式炉或分批式炉来实现基于电炉的烧结和基于气炉的烧结。
[0107] 上述烧结方法并非具体地限制陶瓷的烧结温度。然而，期望烧结温度足以使得每 个化合物反应并且使得晶体生长。如果要求陶瓷具有3 i! m至30 i! m的颗粒直径，则期望的 烧结温度不低于IKKTC并且不高于1550°C。更期望将烧结温度设置为不低于IKKTC并且 不高于1380°C。已经在上述温度范围中所烧结的压电陶瓷展现出令人满意的压电性能。
[0108] 如果需要恒定地稳定通过烧结处理所获得的压电陶瓷的特性，则期望在将烧结温 度保持在上述范围内的条件下烧结时间不短于两小时并且不长于24小时。
[0109] 虽然传统上已知的烧结方法（例如两步烧结方法）是可采用的，但当考虑生产率 时，有用的是选择不导致温度的任何陡峭改变的适当方法。
[0110] 当压电陶瓷经受抛光加工时，期望压电陶瓷随后经受在KKKTC或更高的热处理。 当以机械方式抛光压电陶瓷时，在压电陶瓷中生成明显的残余应力。然而，可以通过在 KKKTC或更高执行热处理来减少残余应力。压电陶瓷的压电特性可以被进一步改进。此外， 执行上述热处理对于移除可以沿着颗粒边界部分沉积的原材料粉末（包括碳酸钡）是有效 的。虽然完成热处理所需的时间并非具体地受限，但期望热处理时间等于或大于一小时。
[0111] 如果根据本发明的压电材料的晶体颗粒直径超过50 ym，则材料强度对于切割加 工或抛光加工可能是不足够的。此外，如果颗粒直径小于0.3 ym，则压电性恶化。因此，期 望平均颗粒直径范围不小于〇. 3 m并且不大于50 m。更期望颗粒直径范围不小于3 m 并且不大于30 u m。
[0112] 在本发明中，"颗粒直径"是在显微镜观测方法中通常指代的"投影面积直径"。更 具体地说，"颗粒直径"表示具有可与晶体颗粒的投影面积相比的面积的理想圆形的直径。 用于测量根据本发明的颗粒直径的方法并非具体地受限。例如，可以通过对可以通过偏振 显微镜或扫描电子显微镜捕获的压电材料的表面的摄影图像执行图像处理来获得颗粒直 径。因为最佳放大率可根据目标颗粒的直径而变化，所以可能有用的是选择性地使用光学 显微镜或电子显微镜。还有用的是，基于材料的抛光后的表面或截面来获得等效圆直径。
[0113] 当根据本发明的压电材料被用于制造基板上的膜时，期望压电材料的厚度不小于 20〇111]1并且不大于1〇111]1。更期望压电材料的厚度不小于30〇111]1并且不大于3111]1。当压电 材料的膜厚度不小于200nm并且不大于10 y m时，压电元件可以拥有足够的机电换能功能。
[0114] 膜形成方法并非具体地受限。例如，化学溶液沉积（CSD)方法、溶胶-凝胶方法、 金属有机化学蒸镀沉积（MOCVD)方法、溅射方法、脉冲激光沉积（PLD)方法、水热方法、气溶 胶沉积（AD)方法可用于形成膜。当待形成的膜是多层化膜时，可选自上述方法的最期望的 方法是化学溶液沉积方法或溅射方法。化学溶液沉积方法或溅射方法优选地用于形成具有 大面积的膜。沿着（001)或（110)平面切割并且抛光的单晶基板优选地被用作根据本发明 的压电材料的基板。使用沿着特定晶体平面切割并且抛光的单晶基板是有用的，因为待在 基板表面上提供的压电材料膜可以强烈地定向在同一方向上。
[0115] 下文中，以下详细描述使用根据本发明的压电材料的压电元件。
[0116] 图1示意性示出根据本发明实施例的压电元件的配置。根据本发明的压电元件包 括第一电极1、压电材料部分2和第二电极3。压电元件的特征在于压电材料部分2由根据 本发明的压电材料构成。
[0117] 当根据本发明的压电材料被合并到至少包括第一电极和第二电极的压电元件中 时，压电元件可以拥有可评价的压电特性。第一电极和第二电极中的每一个是具有5nm至 IOum的厚度的导电层。第一电极和第二电极的材料并非具体地受限，并且可以是任何通 常可用于压电元件的材料。例如，诸如Ti、Pt、Ta、Ir、Sr、In、Sn、Au、Al、Fe、Cr、Ni、Pd、Ag 和Cu之类的金属以及它们的化合物是可用的。
[0118] 第一电极和第二电极中的每一个可以形成为仅由选自上述示例的一种材料制成 的单层，或可以形成为包括至少两种材料的多层化电极。此外，第一电极的材料可以与第二 电极的材料区分。
[0119] 用于制造第一电极和第二电极的方法并非具体地受限。例如，制造方法可以包括 烧制金属膏剂。此外，溅射方法或蒸镀沉积方法是可用的。此外，将第一电极和第二电极进 行图案化为期望的形状也是可用的。
[0120] 更期望压电元件的极化轴一致地定向在预定方向上。当极化轴一致地定向在预定 方向上时，压电元件的压电常数变得更大。
[0121] 用于极化压电元件的方法并非具体地受限。可以在大气中或可以在硅油中执行极 化处理。期望极化温度处于从60°C到150°C的范围中。然而，根据被采用以构成元件的压 电材料的实际组分，最佳条件可略微地变化。此外，期望待在极化处理中施加的电场处于从 600V/mm 到 2. OkV/mm 的范围中。
[0122] 可以参照日本电子信息技术工业协会（JEITA EM-4501)的标准基于通过市场上可 获得的阻抗分析器获得的谐振频率和反谐振频率的测量结果来计算压电元件的压电常数 和机电品质因数。下文中，上述方法被称为谐振-反谐振方法。
[0123] 接下来，以下详细描述可以使用根据本发明的压电材料制造的多层化压电元件。
[0124] 〈多层化压电元件〉
[0125] 根据本发明的多层化压电元件是包括被交替多层化的多个压电材料层以及多个 电极的多层化压电元件，所述多个电极包括至少一个内部电极。构成多层化压电元件的压 电材料层的特征在于由根据本发明的压电材料制成。
[0126] 图2A和图2B是示意性示出根据本发明实施例的多层化压电元件的示例配置的截 面图。根据本发明的多层化压电元件包括压电材料层54和包括内部电极55的电极。换句 话说，根据本发明的多层化压电元件的特征在于包括被交替多层化的压电材料层和至少一 个分层电极并且压电材料层54以上述压电材料制成。除了内部电极55之外，多层化压电 元件的电极可以还包括外部电极，如第一电极51和第二电极53。
[0127] 图2A示出根据本发明的多层化压电元件的示例，其包括以构成夹在第一电极51 与第二电极53之间的多层化结构的方式交替多层化的两个压电材料层54和单个内部电极 55。压电材料层和内部电极的数量可以增加，如图2B所示。构成层的数量不限于特定值。 图2B所不的多层化压电兀件包括以构成夹在第一电极501与第二电极503之间的多层化 结构的方式而交替多层化的九个压电材料层504和八个内部电极505。图2B中所示的多层 化压电兀件还包括电连接交替设置的内部电极的两个外部电极506a和506b。
[0128] 内部电极55和505以及外部电极506a和506b在大小和形状方面并非总是与压 电材料层54和504相似。每个电极可以进一步划分为多个子电极。
[0129] 以具有5nm至10 ii m的厚度的导电层构成内部电极55和505、外部电极506a和 506b、第一电极51和501以及第二电极53和503中的每一个。每个电极的材料并非具体地 受限并且可以是可以用于压电元件的普通材料。例如，诸如Ti、Pt、Ta、Ir、Sr、In、Sn、Au、 Al、Fe、Cr、Ni、PcU Ag和Cu之类的金属以及它们的化合物可用作构成多层化压电元件的电 极。一种材料或含有选自上述组的两种或更多种材料的混合物（或合金）可以用作内部电 极55和505以及外部电极506a和506b。此外，选自上述组的两种或更多种材料可以是多 层化的。此外，可以通过相互不同的材料来制成多个电极。当考虑电极材料的廉价性时，期 望内部电极55和505包括Ni成分和Cu成分中的至少一个。当内部电极55和505使用Ni 成分和Cu成分中的至少一个时，期望在还原气氛中烧结根据本发明的多层化压电元件。
[0130] 在根据本发明的多层化压电元件中，期望内部电极包括Ag和Pd,对于重量比率 M1/M2满足关系0. 25彡M1/M2彡4. 0,其中，Ml表示Ag的含量，M2表示Pd的含量。不期望 将重量比率M1/M2设置为小于0. 25,因为内部电极的烧结温度变得更高。此外，不期望将重 量比率M1/M2设置为大于4. 0,因为内部电极变为岛状形状。换句话说，内部电极表面变为 不均匀的。更期望对于重量比率M1/M2满足关系0. 3彡M1/M2彡3. 0。
[0131] 如图2B所示，包括内部电极505的多个电极可以彼此电连接，以使驱动电压相位 均衡化。例如，每个内部电极505a可以经由外部电极506a电连接到第一电极501。每个内 部电极505b可以经由外部电极506b电连接到第二电极503。内部电极505a和内部电极 505b可以被交替地设置。此外，电连接电极的方式不限于特定结构。例如，有用的是，在多 层化压电元件的侧表面上提供专用电极或引线，以实现各电极之间的可比较的电连接。还 有用的是，提供延伸穿过多个压电材料层并且以导电材料填充其内部空间的通孔，以实现 各电极之间的可比较的电连接。
[0132] 〈液体排出头〉
[0133] 根据本发明的液体排出头的特征在于：液体腔室，配有其中设置有上述压电元件 或上述多层化压电元件的振动单元；排出口，其与所述液体腔室连通。待从根据本发明的液 体排出头排出的液体不限于具体流体。例如，根据本发明的液体排出头可以排出水性液体 (例如水、墨水或燃料）或非水性液体。
[0134] 图3A和图3B示意性示出根据本发明实施例的液体排出头的配置。如图3A和图 3B所示，根据本发明的液体排出头包括根据本发明的压电元件101。压电元件101包括第 一电极1011、压电构件1012和第二电极1013。如果需要，则压电构件1012形成为图案，如 图3B所示。
[0135] 图3B是示出液体排出头的示意图。液体排出头包括多个排出口 105、各个液体 腔室102、分别将各个液体腔室102连接到对应排出口 105的连续孔106、液体腔室隔离壁 104、普通液体腔室107、振动板103、和压电元件101。图3A和图3B所示的压电元件101具 有矩形形状。然而，压电元件101可以被配置为具有椭圆、圆形或平行四边形形状。通常， 压电构件1012具有与各个液体腔室102的形状相似的形状。
[0136] 以下参照图3A详细描述根据本发明的液体排出头中所包括的压电元件101的外 围结构。图3A是沿着宽度方向取得的图3B中所示的压电元件的截面图。压电元件101的 截面形状不限于所示的矩形形状，而可以是梯形或倒梯形形状。
[0137] 在图3A和图3B中，第一电极1011充当下电极并且第二电极1013充当上电极。然 而，第一电极1011和第二电极1013不限于上述布置。例如，第一电极1011可以用作上电 极并且第二电极1013可以用作下电极。此外，有用的是，在振动板103与下电极之间提供 缓冲层108。所指代的名称方面的上述差异取决于单个设备的制造方法。在任何情况下，可 以获得本发明的效果。
[0138] 在液体排出头中，振动板103以对单个液体腔室102中的液体加压的方式响应于 压电构件1012的伸展/收缩运动而在上下方向上运动。结果，液体可以从排出口 105排 出。根据本发明的液体排出头可以合并到打印机中，并且可以用在电子设备的制造中。振 动板103的厚度不小于I. 0 y m并且不大于15 ii m。期望将振动板103的厚度设置为不小 于I. 5 y m并且不大于8 y m。虽然振动板的材料不限于特定材料，但期望振动板以Si制成。 此外，如果振动板含有Si,则振动板可以被配置为硼（或磷）掺杂的振动板。此外，振动板 上所提供的缓冲层和电极可以被配置为振动板的一部分。缓冲层108的厚度不小于5nm并 且不大于300nm。期望将缓冲层108的厚度设置为不小于IOnm并且不大于200nm。当作为 等效圆直径而被测量时，排出口 105的大小不小于5 ii m并且不大于40 ii m。排出口 105可 以被配置为具有圆形形状、星形形状、矩形形状或三角形形状。
[0139] 〈液体排出装置〉
[0140] 接下来，以下详细描述根据本发明的液体排出装置。根据本发明的液体排出装置 包括：上面放置有图像转印介质的部分；上述液体排出头。
[0141] 图4和图5示出作为根据本发明的液体排出装置的示例的喷墨记录装置。图5示 出从图4所示的液体排出装置（即喷墨记录装置）881移除外面部分882至885和887的 状态。喷墨记录装置881包括自动馈送单元897,其可以自动地将记录纸张（即图像转印 介质）馈送到装置主体896中。此外，喷墨记录装置881包括：传送单元899,其可以将从 自动馈送单元897馈送的记录纸张引导到预定记录位置，并且进一步将记录纸张从记录位 置引导到排出口 898。喷墨记录装置881还包括：记录单元891，其可以对传送到记录位置 的记录纸张执行记录；恢复单元890,其可以执行用于记录单元891的恢复处理。记录单元 891包括滑架892,在滑架892中以沿着滑轨移动的方式来放置根据本发明的液体排出头。
[0142] 在上述喷墨记录装置中，滑架892响应于从计算机提供的电信号沿着滑轨运动， 并且当驱动电压被施加到夹住压电材料的电极时压电材料产生位移。压电材料的位移经由 图3B所示的振动板103压住单个液体腔室102,以从排出口 105排出墨水，以执行打印。根 据本发明的液体排出装置可以按较高的速度均匀地排出液体并且可以缩小装置主体。
[0143] 根据本发明的液体排出装置不限于上述打印机，并且可以被配置为传真机、多功 能外设、复印机或任何其他打印装置。此外，根据本发明的液体排出装置可以被配置为工业 液体排出装置或目标绘制装置。
[0144] 此外，用户可以根据意图来选择期望的图像转印介质。液体排出头可以相对于在 充当图像转印介质放置部分的台架上所放置的图像转印介质而运动。
[0145] 〈超声马达〉
[0146] 根据本发明的超声马达的特征在于：其中设置有上述压电元件或上述多层化压电 元件的振动体；移动体，其接触所述振动体。图6A和图6B示意性示出根据本发明实施例的 超声马达的配置示例。图6A示出包括根据本发明的单板类型压电元件的超声马达的示例。 图6A中所示的超声马达包括：振荡器201 ;转子202,在压缩弹簧（未示出）所施加的压力 下接触振荡器201的滑动表面；以及输出轴203,与转子202 -体地形成。振荡器201包括 弹性金属环2011、压电元件2012(即根据本发明的压电元件）、以及将压电元件2012连接 到弹性环2011的有机粘合剂2013(例如环氧类型或氰基丙烯酸酯类型）。根据本发明的压 电元件2012由被第一电极（未示出）和第二电极（未示出）夹住的压电材料构成。当具 有相当于n/2的奇数倍的相位差的两相交变电压被施加到根据本发明的压电元件时，弯 曲的行波出现在振荡器201上并且振荡器201的滑动表面上的每个点产生椭圆运动。如果 转子202压靠振荡器201的滑动表面，则转子202从振荡器201接收摩擦力并且在与弯曲 的行波相反的方向上旋转。从动构件（未示出）连接到输出轴203并且受转子202的旋转 力驱动。当把电压施加到压电材料时可获得的压电横向效应使得压电材料伸展。在弹性体 (例如金属构件）被连接到压电元件的情况下，弹性体根据压电材料的伸展和收缩运动而 弯曲。图6A中所示的超声马达可基于上述原理而操作。图6B示出包括具有多层化结构的 压电元件的超声马达的另一示例。振荡器204包括被夹在各柱体弹性金属体2041之间的 多层化压电元件2042。多层化压电元件2042由多个多层化压电材料（未示出）构成。多 层化压电元件2042包括在多层化主体的外表面上所形成的第一电极和第二电极以及在多 层化主体中所提供的内部电极。弹性金属体2041以构成振荡器204的方式通过螺栓得以 紧固，以牢固地保持它们之间的压电元件2042。如果其间具有相位差的交变电压被施加到 压电元件2042,则振荡器204生成相互垂直的两种类型的振动。上述振动当组合在一起时 可以驱动振荡器204的前端部分，并且因此可以形成圆形振动。圆形槽形成在振荡器204 的上部分处，以使得可以增加振动位移。压力弹簧206把转子205压靠到振荡器204,以获 得驱动摩擦力。转子205可旋转并且被承载体支承。
[0147] 〈光学设备〉
[0148] 接下来，以下详细描述根据本发明的光学设备。根据本发明的光学设备的特征在 于：驱动单元，其包括超声马达。
[0149] 图7是示出作为根据本发明实施例的光学设备的示例的单透镜反射相机的可互 换透镜镜筒的主要截面图。图8是示出作为根据本发明优选实施例的光学设备的示例的单 透镜反射相机的可互换透镜镜筒的分解透视图。固定镜筒712、直线引导镜筒713和前组透 镜镜筒714(即可互换透镜镜筒的固定构件）被固定到相机拆卸装配架711。
[0150] 在直线引导镜筒713上形成在聚焦透镜702的光轴方向上延伸的直线引导槽 713a。轴向螺钉718将凸轮辊717a和717b固定到保持聚焦透镜702的后分组透镜镜筒 716。凸轮辊717a和717b中的每一个在径向方向上向外突出。凸轮辊717a与直线引导槽 713a耦合。
[0151] 凸轮环715是可旋转的，并且与直线引导镜筒713的内表面耦合。当固定到凸轮 环715的辊719与直线引导镜筒713的圆形槽713b耦合时，调节光轴方向上在直线引导镜 筒713与凸轮环715之间的相对运动。专用于聚焦透镜702的凸轮槽715a被形成在凸轮 环715上。上述凸轮辊717b同时与凸轮槽715a耦合。
[0152] 旋转发送环720被设置在固定镜筒712的外表面上。球滚道727以在预定位置相 对于固定镜筒712可旋转的方式保持旋转发送环720。可自由旋转的辊722被从旋转发送 环720径向延伸的轴720f?保持。辊722的大直径部分722a与手动聚焦环724的装配架侧 表面724b接触。此外，辊722的小直径部分722b与接合构件729接触。分别具有上述配 置的六个辊722以相等的间隔被设置在旋转发送环720的外表面周围。
[0153] 低摩擦片材（例如垫圈构件）733被设置在手动聚焦环724的内部筒状部分处。 低摩擦片材夹在固定镜筒712的装配架端面712a与手动聚焦环724的前端面724a之间。 此外，低摩擦片材733的外部筒状表面具有环形状，并且径向地与手动聚焦环724的内径部 分724c耦合。此外，手动聚焦环724的内径部分724c径向地与固定镜筒712的外径部分 712b耦合。低摩擦片材733具有这样的作用：减少手动聚焦环724被配置为相对于固定镜 筒712绕着光轴旋转的旋转环机构中的摩擦。
[0154] 波形垫圈726朝向透镜的前侧压住超声马达725。波形垫圈726的压力可以把辊 722的大直径部分722a和手动聚焦环724的装配架侧表面724b保持在接触状态下。相似 地，波形垫圈726朝向透镜的前侧压住超声马达725的力可以适当地把辊722的小直径部 分722b压靠接合构件729,以便保持接触状态。当波形垫圈726在装配架方向上移动时，通 过卡口耦合而连接到固定镜筒712的垫圈732调节波形垫圈726。波形垫圈726所生成的 弹簧力（即偏置力）可以发送到超声马达725,并且进一步发送到辊722。所发送的力使得 手动聚焦环724压住固定镜筒712的装配架端表面712a。更具体地说，在合并状态下，手动 聚焦环724经由低摩擦片材733压靠固定镜筒712的装配架端表面712a。
[0155] 相应地，当控制单元（未示出）驱动超声马达725以产生相对于固定镜筒712的 旋转时，因为接合构件729以摩擦方式接触辊722的小直径部分722b，所以辊722绕着轴 720f的中央轴线旋转。当辊722绕着轴720f旋转时，旋转发送环720绕着光轴旋转（这被 称为自动聚焦操作）。
[0156] 此外，如果从手动操作输入单元（未示出）对手动聚焦环724给出绕着光轴的旋 转力，则因为手动聚焦环724的装配架侧表面724b压靠辊722的大直径部分722a，所以辊 722由于摩擦力而绕着轴720f旋转。当辊722的大直径部分722a绕着轴720f旋转时，旋 转发送环720绕着光轴旋转。在此情况下，在转子725c与定子725b之间起作用的摩擦保 持力防止超声马达725旋转（这被称为手动聚焦操作）。
[0157] 以相对的关系而定位的两个聚焦键728附连到旋转发送环720。聚焦键728与凸 轮环715的前端处所提供的切断（cutout)部分715b耦合。相应地，如果当执行自动聚焦 操作或手动聚焦操作时旋转发送环720绕着光轴旋转，则其旋转力经由聚焦键728发送到 凸轮环715。当凸轮环715绕着光轴旋转时，在后分组透镜镜筒716的旋转受凸轮辊717a 和直线引导槽713a调节的状态下，凸轮辊717b沿着凸轮环715的凸轮槽715a前后移动后 分组透镜镜筒716。因此，聚焦透镜702被驱动并且聚焦操作得以执行。
[0158] 根据本发明的光学设备不限于上述可应用于单透镜反射相机的可互换透镜镜筒， 并且可以被配置为紧凑型相机、电子静态照相机、配备相机的便携式信息终端或任何其它 类型的包括充当上述驱动单元的超声马达的光学设备。
[0159] 〈振动装置和灰尘移除装置〉
[0160] 被配置为传送并且移除颗粒、粉末和液滴的振动装置可以广泛地用在电子设备 中。
[0161] 下文中，以下详细描述使用作为根据本发明的振动装置的示例的根据本发明的压 电元件的灰尘移除装置。
[0162] 根据本发明的灰尘移除装置的特征在于：振动体，其包括在振动板上设置的压电 元件或多层化压电元件。
[0163] 图9A和图9B示意性示出根据本发明实施例的灰尘移除装置310。灰尘移除装置 310包括一对平坦压电元件330和振动板320。每个压电元件330可以被配置为根据本发 明的多层化压电元件。振动板320的材料无需具有特定品质。然而，当在光学设备中使用 灰尘移除装置310时，光透射材料或光反射材料可用于振动板320。
[0164] 图10A、图IOB和图IOC示意性示出图9A和图9B所示的压电元件330的配置。图 IOA和图IOC示出压电元件330的前表面和后表面。图IOB示出压电元件330的侧表面。 每个压电兀件330包括压电构件331、第一电极332和第二电极333,如图9A所不。处于相 对的关系的第一电极332和第二电极333被设置在压电构件331的板表面上。如参照图9A 和图9B所描述的那样，每个压电元件330可以被配置为根据本发明的多层化压电元件。在 此情况下，可行的是，当压电构件331被配置为具有包括被交替设置的压电材料层和内部 电极的结构时，并且当各内部电极交替连接到第一电极332或第二电极333时，对于每个压 电材料层给出在相位方面不同的驱动波形。在图IOC中，上面提供有第一电极332并且第 一电极332位于压电兀件330的前侧上的表面被称为第一电极表面336。在图IOA中，上面 提供有第二电极333并且第二电极333位于压电元件330的前侧上的表面被称为第二电极 表面337。
[0165] 根据本发明的电极表面是上面提供有电极的压电元件的表面。例如，第一电极332 可以被配置为具有环绕形状，以使得在第二电极表面337上提供第一电极332的一部分，如 图IOB所示。
[0166] 振动板320的板表面被固定到压电兀件330的第一电极表面336,如图9A和图9B 所示。当压电元件330受驱动时,在压电元件330与振动板320之间生成的应力包括振动 板320的面外振动。根据本发明的灰尘移除装置310是可以通过使用振动板320的面外振 动来移除外来物质（如粘附到振动板320的表面的灰尘颗粒）的装置。面外振动是弹性振 动，其在光轴方向（即振动板的厚度方向）上产生振动板的位移。
[0167] 图IlA和图IlB是示出根据本发明的灰尘移除装置310中产生振动的原理的示意 图。图IlA示出当具有相同相位的交变电压施加到一对左右压电元件330时所生成的振动 板320的面外振动。构成左右压电元件330中的每一个的压电材料的极化方向与压电元件 330的厚度方向相同。灰尘移除装置310在第七振动模式下驱动。图IlB示出当具有相互 相反相位（180°不同）的交变电压被施加到一对左右压电兀件330时所生成的振动板320 的面外振动。在此情况下，灰尘移除装置310在第六振动模式下驱动。根据本发明的灰尘 移除装置310可以通过有选择地在至少两种振动模型下操作而有效地移除粘附到振动板 的表面的灰尘颗粒。
[0168] 〈成像装置〉
[0169] 接下来，以下详细描述根据本发明的成像装置。根据本发明的成像装置包括上述 灰尘移除装置和图像传感器单元，其特征在于，在所述图像传感器单元的光接收表面上提 供所述灰尘移除装置的振动板。图12和图13示出作为根据本发明实施例的成像装置的示 例的数字单透镜反射相机。
[0170] 图12是示出在移除成像透镜单元的状态下可以从成像目标侧看去的相机主体 601的前侧的透视图。图13是示出相机内部的示意性配置的分解透视图，其中，详细描述根 据本发明的灰尘移除装置以及成像单元400的外围结构。
[0171] 在已经通过成像透镜单元之后，成像光通量可以被引导到相机主体601中所提供 的镜桶605中。主镜（例如快速返回镜）606被设置在镜桶605中。主镜606可以相对于 成像光轴以某倾斜角（例如45° )被保持，以朝向五面镜（penta-Dach mirror,未示出） 引导成像光通量，或可以在回退位置处受保持，以朝向图像传感器（未示出）引导成像光通 量。
[0172] 镜桶605和快门单元200依次被设置在主体框架300 (即相机主体的框架）的成 像目标侧上。此外，成像单元400被设置在主体框架300的摄影者侧上。成像单元400被 调整并且被放置为使得图像传感器的成像表面与成像透镜单元附连到的装配架602的定 位平面间隔开预定距离并且与其平行定位。
[0173] 根据本发明的成像装置不限于上述数字单透镜反射相机，并且可以被配置为不包 括镜桶605的无镜数字单透镜反射相机或任何其它成像透镜单元可互换相机。此外，根据 本发明的成像装置可以被配置为成像透镜单元可互换摄像机或另一成像装置，如复印机、 传真机或扫描仪。根据本发明的成像装置可以应用于需要移除粘附到光学组件的表面的灰 尘颗粒的任何其它电气和电子设备。
[0174] 〈电子设备〉
[0175] 接下来，以下详细描述根据本发明的电子设备。根据本发明的电子设备的特征在 于：压电声学设备，其包括压电兀件或多层化压电兀件。压电声学设备是例如扬声器、蜂鸣 器、麦克风、表面声学波（SAW)兀件。
[0176] 图14是示出作为根据本发明实施例的电子设备的示例的从其前侧看去的数字相 机的主体931的总体透视图。光学装置901、麦克风914、闪光灯单元909以及补光单元916 被设置在主体931的前表面上。麦克风914多数合并在主体931中。因此，麦克风914由 虚线表示。为了拾取周围声音，麦克风914的前部被配置为具有通孔形状。
[0177] 可操作为执行对焦操作的电源按钮933、扬声器912、变焦杠杆932和释放按钮908