專利名稱：壓電執(zhí)行元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用了大電場中的反壓電效應(yīng)以及電致伸縮效應(yīng)的層疊執(zhí)行元件、壓電變壓器、超聲波發(fā)動機(jī)、雙壓電晶片壓電元件、超聲波聲納、壓電超聲波振動器、壓電蜂鳴器、壓電揚(yáng)聲器等的壓電執(zhí)行元件。
背景技術(shù)：
利用了壓電陶瓷材料的壓電執(zhí)行元件是利用反壓電效應(yīng)引起的位移將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的產(chǎn)品，被廣泛地應(yīng)用在電子和機(jī)電領(lǐng)域。
作為上述壓電執(zhí)行元件使用的壓電陶瓷，已經(jīng)知道例如Pb(Zr·Ti)O3系(以下稱其為“PZT系”)、BaTiO3等。PZT系的壓電陶瓷與其它壓電陶瓷相比，具有高的壓電特性，占目前已經(jīng)實(shí)用化的壓電陶瓷的大部分。但是，由于含有蒸氣壓較高的氧化鉛(PbO)，因此存在對環(huán)境的負(fù)荷大的問題。另一方面，BaTiO3陶瓷盡管不含鉛，但是與PZT相比，壓電特性較低，而且居里溫度低到約120℃，因此存在不能在高溫下使用的問題。
上述壓電執(zhí)行元件一般至少由設(shè)置了1對電極的壓電陶瓷的壓電元件和保持該壓電元件的保持部件、在該保持部件上保持上述壓電元件的粘接構(gòu)件或彈簧等壓接構(gòu)件、用于對上述壓電元件外加電壓的引線端子、以及被覆在上述1對電極之間的樹脂或硅油等電絕緣構(gòu)件構(gòu)成。在上述壓電執(zhí)行元件中，壓電陶瓷構(gòu)成的壓電元件通過粘接或澆鑄或者彈簧等被壓接，因此在不進(jìn)行外加電壓的狀態(tài)下已經(jīng)受到機(jī)械的拘束力(預(yù)設(shè)定負(fù)荷)。而且，在上述壓電執(zhí)行元件中，對該壓電執(zhí)行元件外加電壓時(shí)，伴隨電壓上升，壓電元件產(chǎn)生位移，因此上述的機(jī)械拘束力增向(負(fù)荷升高)。
因此，上述壓電執(zhí)行元件的位移由于預(yù)設(shè)定負(fù)荷和負(fù)荷上升，與壓電元件本身的位移性能出現(xiàn)不同，而成為更小的值。
上述壓電執(zhí)行元件的使用條件以及驅(qū)動條件中具有溫度、驅(qū)動電場強(qiáng)度、驅(qū)動波形、驅(qū)動頻率、連續(xù)驅(qū)動或間歇驅(qū)動等參數(shù)。作為上述壓電執(zhí)行元件的一般的使用溫度范圍，在通常的生活環(huán)境使用的場合，最大為-30℃～80℃左右，作為汽車部件使用的場合，最大為-40℃～160℃左右。并且，驅(qū)動電場強(qiáng)度的振幅根據(jù)壓電執(zhí)行元件的用途的不同有所差異，在壓電蜂鳴器、超聲波聲納、壓電揚(yáng)聲器等中為500V/mm以下，在超聲波發(fā)動機(jī)、壓電變壓器、壓電超聲波振動器等中為1000V/mm以下，在層疊執(zhí)行元件中為3000V/mm以下。另外，驅(qū)動波形在共振驅(qū)動的場合為正弦(sin)波，除此以外的場合為sin波、梯形波、三角形波、矩形波、脈沖波等各種波形。此外，關(guān)于驅(qū)動頻率，超聲波發(fā)動機(jī)、超聲波聲納、壓電超聲波振動器等為20kHz以上，除此以外為不足20kHz。
上述壓電執(zhí)行元件的驅(qū)動方式可分類為(1)以電壓作為參數(shù)來控制位移以進(jìn)行驅(qū)動的恒電壓驅(qū)動法、(2)以注入能量作為參數(shù)來控制位移以進(jìn)行驅(qū)動的恒能量驅(qū)動法、以及(3)以注入電荷作為參數(shù)來控制位移以進(jìn)行驅(qū)動的恒電荷驅(qū)動法。
在此，就各驅(qū)動法與壓電執(zhí)行元件的位移的關(guān)系，進(jìn)行說明。
對于采用上述恒電壓驅(qū)動法的壓電執(zhí)行元件的驅(qū)動方式，具有下述特征在外加電壓上升時(shí)和下降時(shí)的位移具有磁滯。在該恒電壓驅(qū)動法中，存在使用溫度范圍內(nèi)的位移的波動幅較大的問題。
另外，對于采用上述恒能量驅(qū)動法的壓電執(zhí)行元件的驅(qū)動方式，具有下述特征在注入能量上升時(shí)和下降時(shí)的位移具有磁滯。在該恒能量驅(qū)動法中，使用溫度范圍內(nèi)的位移的波動幅與上述恒電壓驅(qū)動法相比較小。
另一方面，對于采用恒電荷驅(qū)動法的執(zhí)行元件的驅(qū)動方式，由于在注入電荷上升時(shí)和下降時(shí)的位移差幾乎為0，因此在能夠?qū)崿F(xiàn)最精密的位移控制這一點(diǎn)上占優(yōu)。但是存在的問題是使用溫度范圍內(nèi)的位移的波動幅比上述恒電壓驅(qū)動法和上述恒能量驅(qū)動法大。
因此，作為減小壓電執(zhí)行元件和壓電陶瓷傳感器的溫度特性的波動幅的方法，已經(jīng)開發(fā)例如以下的技術(shù)。
即，在特開昭60-1877號公報(bào)中公開了下述壓電體將壓電單元的外加電壓時(shí)的輸出的位移相對于溫度變化呈增函數(shù)變化的壓電單元、與呈減函數(shù)變化的壓電單元組合并進(jìn)行層疊的壓電體。
另外，在特開平6-232465號公報(bào)中，公開了將位移性能不同的多個(gè)壓電陶瓷層進(jìn)行層疊的層疊型壓電執(zhí)行元件。
在特開平5-284600號公報(bào)中，公開了將溫度補(bǔ)償用電容器與壓電陶瓷串聯(lián)或并聯(lián)電連接的壓電元件。
在特開平7-79022號公報(bào)中公開了一種根據(jù)壓力而產(chǎn)生電荷的壓電元件，該壓電元件由下述材料構(gòu)成交替地層疊壓電體層和電介體層，電介體層的靜電電容大于壓電層的靜電電容，且電介體層的溫度系數(shù)具有與壓電層的溫度系數(shù)相反的特性。
在特開平7-79023號公報(bào)中公開了一種根據(jù)壓力而產(chǎn)生電荷的壓電元件，其中，將壓電體材料和具有與壓電體材料相反的溫度特性而靜電電容發(fā)生變化的電介體材料進(jìn)行混合后成形而得到壓電元件。
此外，在特開平11-180766號公報(bào)中公開了鈦酸鋇系壓電陶瓷，該壓電陶瓷是用共振法測定的壓電d33常數(shù)為300pC/N以上、且于-30℃～85℃的壓電d33的溫度變化率小的組成物。
在特開2003-128460號公報(bào)中公開了鈦酸鋇系的以Ni為內(nèi)部電極的層疊型壓電元件，其中，從外加1kV/mm的電場強(qiáng)度時(shí)的元件的應(yīng)變率計(jì)算的壓電d31常數(shù)的溫度變化率小。
然而，在這些以前的技術(shù)中也不能充分解決由于溫度變化引起的壓電執(zhí)行元件的位移特性等的波動。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于從前的問題而提出的，旨在提供一種與壓電執(zhí)行元件的驅(qū)動方式無關(guān)的、位移的溫度依存性能夠減小的壓電執(zhí)行元件。
第1發(fā)明是一種壓電執(zhí)行元件，其具有在壓電陶瓷的表面形成1對電極而構(gòu)成的壓電元件作為驅(qū)動源，其特征在于對上述壓電執(zhí)行元件外加電壓，以電場強(qiáng)度為100V/mm以上的具有恒定振幅的電場驅(qū)動條件使其驅(qū)動的場合，上述壓電執(zhí)行元件滿足下述要件(a)～(c)中的至少一個(gè)要件(權(quán)利要求第1項(xiàng))。
(a)下述式(1)表示的表觀動態(tài)電容C[F]的隨溫度變化產(chǎn)生的波動幅WC[％]在-30℃～80℃的特定溫度范圍內(nèi)為±11％以內(nèi)(其中，C[F]為該壓電執(zhí)行元件的表觀動態(tài)電容，當(dāng)該壓電執(zhí)行元件與電容器串聯(lián)連接，并對該壓電執(zhí)行元件以及該電容器外加電壓時(shí)，C[F]可通過用該電容器中積蓄的電荷量Q[C]除以外加到該壓電執(zhí)行元件上的電壓V[V]而算出)。
WC(％)＝[{2×Cmax/(Cmax+Cmin)}-1]×100(1)(其中，Cmax表示在-30℃～80℃的表觀動態(tài)電容的最大值，Cmin表示在-30℃～80℃的表觀動態(tài)電容的最小值)。
(b)下述式(2)表示的位移L[μm]的隨溫度變化產(chǎn)生的波動幅WL[％]在-30℃～80℃的特定溫度范圍內(nèi)為±14％以內(nèi)(其中，L[μm]為該壓電執(zhí)行元件的位移)。
WL[％]＝[{2×Lmax/(Lmax+Lmin)}-1]×100(2)(其中，Lmax表示在-30℃～80℃的位移的最大值，Lmin表示在-30℃～80℃的位移的最小值)。
(c)下述式(3)表示的L/C的隨溫度變化產(chǎn)生的波動幅WL/C(％)在-30℃～80℃的特定溫度范圍內(nèi)為±12％以內(nèi)(其中，C[F]為該壓電執(zhí)行元件的表觀動態(tài)電容，L[μm]為該壓電執(zhí)行元件的位移，當(dāng)該壓電執(zhí)行元件與電容器串聯(lián)連接，并對該壓電執(zhí)行元件以及該電容器外加電壓時(shí)，該C[F]可通過用該電容器中積蓄的電荷量Q[C]除以外加到該壓電執(zhí)行元件上的電壓V[V]而算出)。
WL/C[％]＝[{2×(L/C)max/((L/C)max+(L/C)min)}-1]×100(3)(其中，(L/C)max表示在-30℃～80℃的L/C的最大值，(L/C)min表示在-30℃～80℃的L/C的最小值)。
另外，第2發(fā)明是一種電執(zhí)行元件，其具有在壓電陶瓷的表面形成1對電極而構(gòu)成的壓電元件作為驅(qū)動源，其特征在于對上述壓電執(zhí)行元件外加電壓，以電場強(qiáng)度為100V/mm以上的具有恒定振幅的電場驅(qū)動條件使其驅(qū)動的場合，上述壓電執(zhí)行元件滿足下述要件(j)～(l)中的至少一個(gè)要件(權(quán)利要求第10項(xiàng))。
(j)下述式(5)表示的表觀動態(tài)電容C[F]的隨溫度變化產(chǎn)生的波動幅WC[％]在-30℃～160℃的特定溫度范圍內(nèi)為±30％以內(nèi)(其中，C[F]為該壓電執(zhí)行元件的表觀動態(tài)電容，當(dāng)該壓電執(zhí)行元件與電容器串聯(lián)連接、并對該壓電執(zhí)行元件以及該電容器外加電壓時(shí)，C[F]可通過用該電容器中積蓄的電荷量Q[C]除以外加到該壓電執(zhí)行元件上的電壓V[V]而算出)。
WC(％)＝[{2×Cmax/(Cmax+Cmin)}-1]×100(5)(其中，Cmax表示在-30℃～160℃的表觀動態(tài)電容的最大值，Cmin表示在-30℃～160℃的表觀動態(tài)電容的最小值)。
(k)下述式(6)表示的位移L[μm]的隨溫度變化產(chǎn)生的波動幅WL[％]在-30℃～160℃的特定溫度范圍內(nèi)為±14％以內(nèi)(其中，L[μm]為該壓電執(zhí)行元件的位移)。
WL[％]＝[{2×Lmax/(Lmax+Lmin)}-1]×100(6)(其中，Lmax表示在-30℃～160℃的位移的最大值，Lmin表示在-30℃～160℃的位移的最小值)。
(1)下述式(7)表示的L/C的隨溫度變化產(chǎn)生的波動幅WL/C(％)在-30℃～160℃的特定溫度范圍內(nèi)為±35％以內(nèi)(其中，C[F]為該壓電執(zhí)行元件的表觀動態(tài)電容，L[μm]為該壓電執(zhí)行元件的位移，當(dāng)該壓電執(zhí)行元件與電容呈串聯(lián)連接，并對該壓電執(zhí)行元件以及該電容器外加電壓時(shí)，該C[F]可通過用該電容器中積蓄的電荷量Q[C]除以外加到該壓電執(zhí)行元件上的電壓V[V]而算出)。
WL/C[％]＝[{2×(L/C)max/((L/C)max+(L/C)min)}-1]×100(7)(其中，(L/C)max表示在-30℃～160℃的L/C的最大值，(L/C)min表示在-30℃～160℃的L/C的最小值)。
上述第1發(fā)明的壓電執(zhí)行元件，滿足上述要件(a)～(c)中的至少一個(gè)要件。即，在上述第1發(fā)明的壓電執(zhí)行元件中，上述表觀動態(tài)電容C的隨溫度變化產(chǎn)生的波動幅WC、上述位移L的隨溫度變化產(chǎn)生的波動幅WL、或者上述位移/動態(tài)電容(L/C)的隨溫度變化產(chǎn)生的波動幅WL/C中的至少一個(gè)在-30℃～80℃的特定溫度范圍內(nèi)時(shí)在上述特定的范圍內(nèi)。
此外，上述第2發(fā)明的壓電執(zhí)行元件滿足上述要件(j)～(l)中的至少一個(gè)要件。即，在上述第2發(fā)明的壓電執(zhí)行元件中，上述表觀動態(tài)電容C的隨溫度變化產(chǎn)生的波動幅WC、上述位移L的隨溫度變化產(chǎn)生的波動幅WL、或者上述位移/動態(tài)電容(L/C)的隨溫度變化產(chǎn)生的波動幅WL/C中的至少一個(gè)在-30℃～160℃的特定溫度范圍內(nèi)時(shí)在上述特定的范圍內(nèi)。
因此，上述第1以及第2發(fā)明的壓電執(zhí)行元件隨溫度變化產(chǎn)生的位移的偏差小。即，上述壓電執(zhí)行元件即使在溫度變化劇烈的環(huán)境下使用的場合，也能夠發(fā)揮大致恒定的位移。因此，上述壓電執(zhí)行元件也能夠很好地用于例如汽車部件等在溫度變化劇烈的環(huán)境下使用的產(chǎn)品。
通常，壓電執(zhí)行元件的驅(qū)動方式如上所述有以下驅(qū)動法(1)以電壓作為參數(shù)來控制位移以進(jìn)行驅(qū)動的恒電壓驅(qū)動法、(2)以注入能量作為參數(shù)來控制位移以進(jìn)行驅(qū)動的恒能量驅(qū)動法、以及(3)以注入電荷作為參數(shù)來控制位移以進(jìn)行驅(qū)動的恒電荷驅(qū)動法。
在此，就壓電執(zhí)行元件的位移的溫度依存性，按照壓電執(zhí)行元件的每種驅(qū)動方式來進(jìn)行說明。
首先，定電壓驅(qū)動的壓電執(zhí)行元件的位移(ΔL1)以下述的式A1表示。
ΔL1＝D33×EF×L0 A1式中，D33動態(tài)應(yīng)變量[m/V]、EF最大電場強(qiáng)度[V/m]、以及L0外加電壓前的壓電陶瓷的長度[m]。另外，動態(tài)應(yīng)變量表示在以恒定的振幅外加電場強(qiáng)度為0～3000V/mm且不破壞絕緣的程度的范圍的高壓來進(jìn)行驅(qū)動的場合，與外加電壓方向相平行的方向上產(chǎn)生的壓電陶瓷的位移性能，以下述式A2表示。
D33＝S/EF＝(ΔL1/L0)/(V/L0)A2式中，S最大應(yīng)變量。此外，D33不僅對溫度有依存性，對電場強(qiáng)度也有依存性。
從上述式(A1)和(A2)可以知道，壓電執(zhí)行元件的位移(ΔL1)與依存于外加電場強(qiáng)度的動態(tài)應(yīng)變量D33和外加電場強(qiáng)度之積成比例。
另外，能量和電荷和表觀動態(tài)電容和外加電壓存在下述式A3和A4的關(guān)系。
W＝1/2×C×V2A3Q＝C×V A4式中，W能量[J]、C表觀動態(tài)電容[F]、V外加電壓[V]、以及Q電荷[C]。
在此，當(dāng)通常壓電執(zhí)行元件與電容器串聯(lián)連接，并以電場強(qiáng)度0～3000V/mm且不破壞絕緣的程度的范圍的恒定振幅的電場強(qiáng)度進(jìn)行驅(qū)動時(shí)，表觀動態(tài)電容C[F]定義為用電容器中積蓄的電荷量除以外加到執(zhí)行元件上的電壓而得到的值。表觀動態(tài)電容C至少包含壓電陶瓷的電介質(zhì)成分、極化反轉(zhuǎn)成分、以及來自極化旋轉(zhuǎn)成分的充電電荷、來自壓電陶瓷的直流電阻成分的漏電流。而且，表觀動態(tài)電容C不僅對溫度有依存性，對電場強(qiáng)度也有依存性。
因此，恒能量驅(qū)動(W恒定)的場合的壓電執(zhí)行元件的位移(ΔL2)由下述式A5所示，與依存于驅(qū)動電場強(qiáng)度的D33/C0.5和驅(qū)動電場強(qiáng)度(＝驅(qū)動電壓/L0)之積成比例。
ΔL2＝D33×(2×W/C)0.5A5在此，具有下述特征由于溫度變化而引起表觀動態(tài)電容C發(fā)生波動時(shí)，根據(jù)上述式A3，驅(qū)動電場強(qiáng)度自身也發(fā)生波動。
另外，在恒電荷驅(qū)動(Q恒定)的場合的執(zhí)行元件的位移(ΔL3)由下述式A6所示，與依存于驅(qū)動電場強(qiáng)度的D33/C和驅(qū)動電場強(qiáng)度(＝驅(qū)動電壓/L0)之積成比例。
ΔL3＝D33×(Q/C) A6在此，具有下述特征又有溫度變化而引起C發(fā)生波動時(shí)，根據(jù)上述式A4，外加電場強(qiáng)度自身也發(fā)生波動。
因此，為了減小使用溫度范圍的執(zhí)行元件的位移波動幅，優(yōu)選依存于驅(qū)動電場強(qiáng)度的D33、D33/C0.5、D33/C等的溫度依存性較小。
此外，當(dāng)然，優(yōu)選作為位移性能的D33、D33/C0.5、D33/C的絕對值較大。
其次，就恒能量驅(qū)動以及恒電荷驅(qū)動的場合的表觀動態(tài)電容與驅(qū)動電壓的關(guān)系進(jìn)行說明。
在恒能量驅(qū)動(W恒定)的場合，加載在壓電執(zhí)行元件以及向驅(qū)動電路上施加的電壓(端子電壓)由下述式A7所示，與1/C0.5成比例。
V＝(2×W/C)0.5A7恒電荷驅(qū)動(Q恒定)的場合的端子電壓由下述式A8所示，與1/C成比例。
V＝Q/C A8在端子電壓波動時(shí)，為了確保壓電執(zhí)行元件以及驅(qū)動電路的耐電壓的可靠性，進(jìn)行端子電壓上限的設(shè)計(jì)是必要的。在執(zhí)行元件的設(shè)計(jì)中，為了防止電極之間放電或側(cè)面泄漏或者絕緣破壞而受到正負(fù)電極之間距離不能減小的制約。因此，在使用溫度范圍內(nèi)的端子電壓的下限值的地方，位移特性降低。因此在電路設(shè)計(jì)中，為了提高電路元件的耐電壓性而存在大型化和高成本化的問題。
因此，為了提高執(zhí)行元件的位移性能以及使驅(qū)動電路小型化和低成本化，優(yōu)選依存于驅(qū)動電場強(qiáng)度的1/C0.5、1/C的溫度依存性小。
此外，表觀動態(tài)電容C如果收斂為一定值，則端子電壓也收斂為一定值，因此如果驅(qū)動電場強(qiáng)度恒定時(shí)的D33/C0.5的溫度依存性小，則恒能量控制中的執(zhí)行元件的位移的溫度依存性能夠減小。而且，如果驅(qū)動電場強(qiáng)度恒定時(shí)的D33/C的溫度依存性小，則恒電荷控制的執(zhí)行元件的位移的溫度依存性能夠減小。
這樣，為了減小壓電執(zhí)行元件的溫度依存性，優(yōu)選在使用溫度范圍內(nèi)，在具有恒定的振幅的電場驅(qū)動條件下產(chǎn)生的動態(tài)應(yīng)變量D33、表觀動態(tài)電容C、D33/C0.5、以及D33/C的波動幅較小。
在上述第1發(fā)明的壓電執(zhí)行元件中，如上述那樣，上述表觀動態(tài)電容C的隨溫度變化產(chǎn)生的波動幅WC、上述位移L的隨溫度變化產(chǎn)生的波動幅WL、或者上述位移/表觀動態(tài)電容(L/C)的隨溫度變化產(chǎn)生的波動幅WL/C中的至少一個(gè)在-30℃～80℃的特定溫度范圍內(nèi)分別在±11％以內(nèi)、±1 4％以內(nèi)、以及±12％以內(nèi)的較小的范圍內(nèi)。
此外，在上述第2發(fā)明的壓電執(zhí)行元件中，如上述那樣，上述表觀動態(tài)電容C的隨溫度變化產(chǎn)生的波動幅WC、上述位移L的隨溫度變化產(chǎn)生的波動幅WL、或者上述位移/表觀動態(tài)電容(L/C)的隨溫度變化產(chǎn)生的波動幅WL/C中的至少一個(gè)在-30℃～160℃的特定溫度范圍內(nèi)分別在±30％以內(nèi)、±14％以內(nèi)、以及±35％以內(nèi)的較小的范圍內(nèi)。
因此，上述第1發(fā)明以及第2發(fā)明的壓電執(zhí)行元件與恒電壓驅(qū)動、恒能量驅(qū)動、以及恒電荷驅(qū)動等驅(qū)動方式無關(guān)，位移的溫度依存性較小。即，即便使用溫度發(fā)生變化，仍能夠發(fā)揮大致相等的位移特性。
如以上所述那樣，根據(jù)本發(fā)明，能夠提供與壓電執(zhí)行元件的驅(qū)動方式無關(guān)的、位移的溫度依存性可以減小的壓電執(zhí)行元件。


圖1是表示實(shí)施例1的壓電執(zhí)行元件的表觀動態(tài)電容的溫度依存性的曲線圖。
圖2是表示實(shí)施例1的壓電執(zhí)行元件的位移的溫度依存性的曲線圖。
圖3是表示實(shí)施例1的壓電執(zhí)行元件的位移/表觀動態(tài)電容的溫度依存性的曲線圖。
圖4是表示實(shí)施例2的壓電執(zhí)行元件的表觀動態(tài)電容的溫度依存性的曲線圖。
圖5是表示實(shí)施例2的壓電執(zhí)行元件的位移的溫度依存性的曲線圖。
圖6是表示實(shí)施例2的壓電執(zhí)行元件的位移/表觀動態(tài)電容的溫度依存性的曲線圖。
圖7是表示實(shí)施例3的壓電執(zhí)行元件的表觀動態(tài)電容的溫度依存性的曲線圖。
圖8是表示實(shí)施例3的壓電執(zhí)行元件的位移的溫度依存性的曲線圖。
圖9是表示實(shí)施例3的壓電執(zhí)行元件的位移/表觀動態(tài)電容的溫度依存性的曲線圖。
圖10是表示實(shí)施例4的壓電執(zhí)行元件的表觀動態(tài)電容的溫度依存性的曲線圖。
圖11是表示實(shí)施例4的壓電執(zhí)行元件的位移的溫度依存性的曲線圖。
圖12是表示實(shí)施例4的壓電執(zhí)行元件的位移/表觀動態(tài)電容的溫度依存性的曲線圖。
圖13是表示實(shí)施例5的壓電執(zhí)行元件的表觀動態(tài)電容的溫度依存性的曲線圖。
圖14是表示實(shí)施例5的壓電執(zhí)行元件的位移的溫度依存性的曲線圖。
圖15是表示實(shí)施例5的壓電執(zhí)行元件的位移/表觀動態(tài)電容的溫度依存性的曲線圖。
圖16是表示比較例1的壓電執(zhí)行元件的表觀動態(tài)電容的溫度依存性的曲線圖。
圖17是表示比較例1的壓電執(zhí)行元件的位移的溫度依存性的曲線圖。
圖18是表示比較例1的壓電執(zhí)行元件的位移/表觀動態(tài)電容的溫度依存性的曲線圖。
圖19是表示比較例2的壓電執(zhí)行元件的表觀動態(tài)電容的溫度依存性的曲線圖。
圖20是表示比較例2的壓電執(zhí)行元件的位移的溫度依存性的曲線圖。
圖21是表示比較例2的壓電執(zhí)行元件的位移/表觀動態(tài)電容的溫度依存性的曲線圖。
圖22是表示比較例3的壓電執(zhí)行元件的表觀動態(tài)電容的溫度依存性的曲線圖。
圖23是表示比較例3的壓電執(zhí)行元件的位移的溫度依存性的曲線圖。
圖24是表示比較例3的壓電執(zhí)行元件的位移/表觀動態(tài)電容的溫度依存性的曲線圖。
圖25是表示比較例4的壓電執(zhí)行元件的表觀動態(tài)電容的溫度依存性的曲線圖。
圖26是表示比較例4的壓電執(zhí)行元件的位移的溫度依存性的曲線圖。
圖27是表示比較例4的壓電執(zhí)行元件的位移/表觀動態(tài)電容的溫度依存性的曲線圖。
圖28是表示比較例5的壓電執(zhí)行元件的表觀動態(tài)電容的溫度依存性的曲線圖。
圖29是表示比較例5的壓電執(zhí)行元件的位移的溫度依存性的曲線圖。
圖30是表示比較例5的壓電執(zhí)行元件的位移/表觀動態(tài)電容的溫度依存性的曲線圖。
圖31是表示實(shí)施例6的、壓電執(zhí)行元件(實(shí)施例1)的表觀動態(tài)電容以及動態(tài)電容的溫度依存性的曲線圖。
圖32是表示實(shí)施例6的、壓電執(zhí)行元件(實(shí)施例4)的表觀動態(tài)電容以及動態(tài)電容的溫度依存性的曲線圖。
圖33是表示實(shí)施例6的、壓電執(zhí)行元件(比較例1)的表觀動態(tài)電容以及動態(tài)電容的溫度依存性的曲線圖。
圖34是表示實(shí)施例7中的、由實(shí)施例1～實(shí)施例5得到的各壓電執(zhí)行元件的電極強(qiáng)度振幅與溫度20℃的動態(tài)應(yīng)變量的關(guān)系的曲線圖。
圖35是表示實(shí)施例8中的、由實(shí)施例5制作的單板的d31的溫度特性的測定值、實(shí)施例5所示的1000～2000V/mm的驅(qū)動電場強(qiáng)度時(shí)的動態(tài)應(yīng)變量分別以20℃的值標(biāo)準(zhǔn)化后的結(jié)果的曲線圖。
圖36是表示本發(fā)明的壓電執(zhí)行元件的構(gòu)成的一例的說明圖。
圖37是表示實(shí)施例1的壓電執(zhí)行元件的構(gòu)成的概要說明圖。
圖38是表示實(shí)施例1的壓電元件的構(gòu)成的說明圖。
圖39是表示實(shí)施例1的由一片壓電陶瓷構(gòu)成的壓電元件(單板)的構(gòu)成的說明圖。
圖40是表示實(shí)施例1的將壓電元件(單板)與內(nèi)部電極板進(jìn)行層疊的狀態(tài)的說明圖。
具體實(shí)施例方式
以下，就本發(fā)明的實(shí)施方案進(jìn)行說明。
上述第1發(fā)明的壓電執(zhí)行元件滿足上述要件(a)～(c)。
上述要件(a)中，如果上述壓電執(zhí)行元件的表觀動態(tài)電容設(shè)為C[F]，則下述式(1)表示的表觀動態(tài)電容的隨溫度變化而產(chǎn)生的波動幅WC[％]在-30℃～80℃的特定溫度范圍內(nèi)為±11％以內(nèi)。
WC(％)＝[{2×Cmax/(Cmax+Cmin)}-1]×100(1)
在上述要件(a)中，當(dāng)上述壓電執(zhí)行元件與例如溫度設(shè)置在25℃的電容器進(jìn)行串聯(lián)連接，并對上述壓電執(zhí)行元件以及上述電容器外加電壓時(shí)，上述表觀動態(tài)電容可通過用上述電容器中積蓄的電荷量Q[C]除以外加到上述壓電執(zhí)行元件上的電壓V[V]而算出。
上述要件(b)中，如果上述壓電執(zhí)行元件的位移設(shè)為L[μm]，則下述式(2)表示的位移L的隨溫度變化產(chǎn)生的波動幅WL在-30℃～80℃的特定溫度范圍內(nèi)為±14％以內(nèi)。
WL[％]＝[{2×Lmax/(Lmax+Lmin)}-1]×100(2)另外，上述要件(c)中，上述壓電執(zhí)行元件的表觀動態(tài)電容設(shè)為C[F]，上述壓電執(zhí)行元件的位移設(shè)為L[μm]時(shí)，則下述式(3)表示的L/C的隨溫度變化產(chǎn)生的波動幅WL/C在-30℃～80℃的特定溫度范圍內(nèi)為±12％以內(nèi)。
WL/C[％]＝[{2×(L/C)max/((L/C)max+(L/C)min)}-1]×100(3)在上述要件(c)中，當(dāng)上述壓電執(zhí)行元件與例如溫度設(shè)置在25℃的電容器進(jìn)行串聯(lián)連接，并對上述壓電執(zhí)行元件以及上述電容器外加電壓時(shí)，上述表觀動態(tài)電容可通過用上述電容器中積蓄的電荷量Q[C]除以外加到上述壓電執(zhí)行元件上的電壓V[V]而算出。
在上述壓電執(zhí)行元件不滿足上述要件(a)～(c)中的任何一項(xiàng)的場合，即在-30℃～80℃時(shí)，上述波動幅WC偏離±11％以內(nèi)的范圍、上述波動幅WL偏離±14％以內(nèi)的范圍、以及上述波動幅WL/C偏離±12％以內(nèi)的范圍的場合，溫度為-30℃～80℃時(shí)的上述壓電執(zhí)行元件的溫度依存性有可能增大。
上述壓電執(zhí)行元件優(yōu)選滿足上述要件(a)和上述要件(b)這二者(權(quán)利要求第2項(xiàng))。
在這種場合，能夠進(jìn)一步減小上述壓電執(zhí)行元件的溫度依存性。
另外，上述壓電執(zhí)行元件優(yōu)選滿足上述要件(a)～(c)的全部要件(權(quán)利要求第3項(xiàng))。
在這種場合，能夠更進(jìn)一步減小上述壓電執(zhí)行元件的溫度依存性。
此外，在上述壓電執(zhí)行元件中，動態(tài)電容的隨溫度變化產(chǎn)生的上述波動幅WC[％]優(yōu)選在-40℃～80℃的特定溫度范圍內(nèi)為±12％以內(nèi)。
另外，上述位移L的隨溫度變化產(chǎn)生的上述波動幅WL優(yōu)選在-40℃～80℃的特定溫度范圍內(nèi)為±14％以內(nèi)。
此外，L/C的隨溫度變化產(chǎn)生的上述波動幅WL/C優(yōu)選在-40℃～80℃的特定溫度范圍內(nèi)為±13％以內(nèi)。
這樣，在-40℃～80℃的溫度范圍內(nèi)，上述波動幅WC、波動幅WL、波動幅WL/C在上述那樣特定的范圍內(nèi)時(shí)，即使在-40℃～80℃的特定溫度范圍內(nèi)，上述壓電執(zhí)行元件的位移的溫度依存性也能夠減小。
上述壓電執(zhí)行元件優(yōu)選滿足下述的要件(d)(權(quán)利要求第4項(xiàng))。
(d)如果上述表觀動態(tài)電容設(shè)為C[F]，上述壓電執(zhí)行元件的位移設(shè)為L[μm]，則下述式(4)表示的L/C0.5的隨溫度變化產(chǎn)生的波動幅WL/C0.5在-30℃～80℃的特定溫度范圍內(nèi)為±12％以內(nèi)(其中，L/C0.5為上述壓電執(zhí)行元件的位移L[μm]與上述表觀動態(tài)電容C[F]的平方根之比)。
WL/C0.5(％)＝[{2×(L/C0.5)max/((L/C0.5)max+(L/C0.5)min)}-1]×100(4)(式中，(L/C0.5)max表示溫度為-30℃～80℃時(shí)的L/C0.5的最大值，(L/C0.5)min表示溫度為-30℃～80℃時(shí)的L/C0.5的最小值)。
在上述壓電執(zhí)行元件不滿足上述要件(d)的場合，即L/C0.5的隨溫度變化產(chǎn)生的波動幅WL/C0.5在-30℃～80℃的特定溫度范圍內(nèi)超出±12％的場合，上述壓電執(zhí)行元件的位移的溫度依存性有可能增大。
此外，L/C0.5的隨溫度變化產(chǎn)生的上述波動幅WL/C0.5優(yōu)選在-40℃～80℃的特定溫度范圍內(nèi)為±12％以內(nèi)。
在這種場合，即使在-40℃～80℃的溫度范圍內(nèi)也能夠減小上述壓電執(zhí)行元件的位移的溫度依存性。
上述壓電執(zhí)行元件優(yōu)選滿足下述的要件(e)(權(quán)利要求第5項(xiàng))。
(e)通過用上述壓電執(zhí)行元件在外加電場方向的應(yīng)變除以電場強(qiáng)度計(jì)算的動態(tài)應(yīng)變量在-30℃～80℃的特定溫度范圍內(nèi)為250pm/V以上。
在上述壓電執(zhí)行元件不滿足上述要件(e)的場合，即上述動態(tài)應(yīng)變量在-30℃～80℃的特定溫度范圍內(nèi)不足250pm/V的場合，上述壓電執(zhí)行元件的位移有可能減小。
另外，上述動態(tài)應(yīng)變量優(yōu)選在-40℃～80℃的特定溫度范圍內(nèi)為250pm/V以上。
在這種場合，在-40℃～80℃的溫度范圍內(nèi)，上述壓電執(zhí)行元件的位移也能夠增大。
其次，上述壓電執(zhí)行元件優(yōu)選滿足下述的要件(f)(權(quán)利要求第6項(xiàng))。
(f)上述表觀動態(tài)電容C的隨溫度變化產(chǎn)生的上述波動幅WC[％]在-30℃～160℃的特定溫度范圍內(nèi)為±35％以內(nèi)。
另外，上述壓電執(zhí)行元件優(yōu)選滿足下述的要件(g)(權(quán)利要求第7項(xiàng))。
(g)上述壓電執(zhí)行元件的位移L的隨溫度變化產(chǎn)生的上述波動幅WL在-30℃～160℃的特定溫度范圍內(nèi)為±14％以內(nèi)。
此外，上述壓電執(zhí)行元件優(yōu)選滿足下述的要件(h)(權(quán)利要求第8項(xiàng))。
(h)如果表觀動態(tài)電容設(shè)為C[F]，上述壓電執(zhí)行元件的位移設(shè)為L[μm]，則L/C的隨溫度變化產(chǎn)生的上述波動幅WL/C在-30℃～160℃的特定溫度范圍內(nèi)為±35％以內(nèi)。
另外，上述壓電執(zhí)行元件優(yōu)選滿足下述的要件(i)(權(quán)利要求第9項(xiàng))。
(i)如果表觀動態(tài)電容設(shè)為C[F]，上述壓電執(zhí)行元件的位移設(shè)為L[μm]，則L/C0.5的隨溫度變化產(chǎn)生的上述波動幅WL/C0.5在-30℃～160℃的特定溫度范圍內(nèi)為±20％以內(nèi)。
在上述壓電執(zhí)行元件滿足上述(f)～(i)要件中的任何一個(gè)以上要件的場合，能夠進(jìn)一步提高上述壓電執(zhí)行元件的溫度依存性。即在這種場合，能夠在溫度為-30℃～160℃的更寬廣的溫度范圍內(nèi)減小上述壓電執(zhí)行元件的位移的溫度依存性。
其次，在上述第2發(fā)明中，上述壓電執(zhí)行元件滿足上述要件(j)～(l)。
上述要件(j)中，如果上述壓電執(zhí)行元件的表觀動態(tài)電容設(shè)為C[F]時(shí)，則下述式(5)表示的表觀動態(tài)電容的隨溫度變化產(chǎn)生的波動幅WC[％]在-30℃～160℃的特定溫度范圍內(nèi)為±30％以內(nèi)。
WC(％)＝[{2×Cmax/(Cmax+Cmin)}-1]×100(5)(其中，Cmax表示在-30℃～160℃的表觀動態(tài)電容的最大值，Cmin表示在-30℃～160℃的表觀動態(tài)電容的最小值)。
在上述要件(j)中，當(dāng)上述壓電執(zhí)行元件與例如溫度設(shè)置在25℃的電容器進(jìn)行串聯(lián)連接，并對上述壓電執(zhí)行元件以及上述電容器外加電壓時(shí)，上述表觀動態(tài)電容可通過用上述電容器中積蓄的電荷量Q[C]除以外加到上述壓電執(zhí)行元件上的電壓V[V]而算出。
上述要件(k)中，如果上述壓電執(zhí)行元件的位移設(shè)為L[μm]時(shí)，則下述式(6)表示的位移L的隨溫度變化產(chǎn)生的波動幅WL在-30℃～160℃的特定溫度范圍內(nèi)為±14％以內(nèi)。
WL[％]＝[{2×Lmax/(Lmax+Lmin)}-1]×100(6)(式中，Lmax表示在-30℃～160℃的位移的最大值，Lmin表示在-30℃～160℃的位移的最小值)。
上述要件(1)中，如果上述壓電執(zhí)行元件的表觀動態(tài)電容設(shè)為C[F]，上述壓電執(zhí)行元件的位移設(shè)為L[μm]時(shí)，則下述式(7)表示的L/C的隨溫度變化產(chǎn)生的波動幅WL/C在-30℃～160℃的特定溫度范圍內(nèi)為±35％以內(nèi)。
WL/C[％]＝[{2×(L/C)max/((L/C)max+(L/C)min)}-1]×100(7)(式中，(L/C)max表示在-30℃～160℃的L/C的最大值，(L/C)min表示在-30℃～160℃的L/C的最小值)。
在上述要件(1)中，當(dāng)上述壓電執(zhí)行元件與例如溫度設(shè)置在25℃的電容器進(jìn)行串聯(lián)連接，并對上述壓電執(zhí)行元件以及上述電容器外加電壓時(shí)，上述表觀動態(tài)電容可通過用上述電容器中積蓄的電荷量Q[C]除以外加到上述壓電執(zhí)行元件上的電壓V[V]而算出。
在上述壓電執(zhí)行元件不滿足上述要件(j)～(l)中的任何一項(xiàng)的場合，即在溫度為-30℃～160℃時(shí)，上述波動幅WC偏離±30％以內(nèi)的范圍、上述波動幅WL偏離±14％以內(nèi)的范圍、以及上述波動幅WL/C偏離±35％以內(nèi)的范圍的場合，溫度為-30℃～160℃時(shí)的上述壓電執(zhí)行元件的溫度依存性有可能增大。
上述壓電執(zhí)行元件優(yōu)選滿足上述要件(j)和上述要件(k)這二者(權(quán)利要求第11項(xiàng))。
在這種場合，能夠進(jìn)一步減小上述壓電執(zhí)行元件的溫度依存性。
上述壓電執(zhí)行元件優(yōu)選滿足上述要件(j)～(l)的全部要件(權(quán)利要求第12項(xiàng))。
在這種場合，能夠更進(jìn)一步減小上述壓電執(zhí)行元件的溫度依存性。
另外，在上述壓電執(zhí)行元件中，表觀動態(tài)電容的隨溫度變化產(chǎn)生的上述波動幅WC[％]優(yōu)選在-40℃～160℃的特定溫度范圍內(nèi)為±35％以內(nèi)。
此外，上述位移L的隨溫度變化產(chǎn)生的波動幅WL優(yōu)選在-40℃～160℃的特定溫度范圍內(nèi)為±14％以內(nèi)。
此外，L/C的隨溫度變化產(chǎn)生的上述波動幅WL/C優(yōu)選在-40℃～160℃的特定溫度范圍內(nèi)為±35％以內(nèi)。
這樣，在-40℃～160℃的溫度范圍內(nèi)，上述波動幅WC、波動幅WL、波動幅WL/C在上述那樣特定的范圍內(nèi)的場合，即使在-40℃～160℃的溫度范圍內(nèi)也能夠減小上述壓電執(zhí)行元件的位移的溫度依存性。
上述壓電執(zhí)行元件優(yōu)選滿足下述的要件(m)(權(quán)利要求第13項(xiàng))。
(m)如果上述表觀動態(tài)電容設(shè)為C[F]，上述壓電執(zhí)行元件的位移設(shè)為L[μm]，則下述式(8)表示的L/C0.5的隨溫度變化產(chǎn)生的波動幅WL/C0.5在-30℃～160℃的特定溫度范圍內(nèi)為±20％以內(nèi)。
WL/C0.5(％)＝[{2×(L/C0.5)max/((L/C0.5)max+(L/C0.5)min)}-1]×100(8)(式中，(L/C0.5)max表示在-30℃～160℃的特定溫度范圍內(nèi)的L/C0.5的最大值，(L/C0.5)min表示在-30℃～160℃的特定溫度范圍內(nèi)的L/C0.5的最小值)。
在上述壓電執(zhí)行元件不滿足上述要件(m)的場合，即L/C0.5的隨溫度變化產(chǎn)生的波動幅WL/C0.5在-30℃～160℃的特定溫度范圍內(nèi)超出±20％的場合，上述壓電執(zhí)行元件的位移的溫度依存性有可能增大。
另外，L/C0.5的隨溫度變化產(chǎn)生的上述波動幅WL/C0.5優(yōu)選在-40℃～160℃的特定溫度范圍內(nèi)為±20％以內(nèi)。
在這種場合，即使在-40℃～160℃的溫度范圍內(nèi)，也能夠減小上述壓電執(zhí)行元件的位移的溫度依存性。
上述壓電執(zhí)行元件優(yōu)選滿足下述的要件(n)(權(quán)利要求第14項(xiàng))。
(n)通過用上述壓電執(zhí)行元件在外加電場方向的應(yīng)變除以電場強(qiáng)度計(jì)算的動態(tài)應(yīng)變量在-30℃～160℃的特定溫度范圍內(nèi)為250pm/V以上。
在上述壓電執(zhí)行元件不滿足上述要件(n)的場合，即上述動態(tài)應(yīng)變量在-30℃～160℃的特定溫度范圍內(nèi)不足250pm/V的場合，上述壓電執(zhí)行元件的位移有可能減小。
另外，上述動態(tài)應(yīng)變量優(yōu)選在-40℃～160℃的溫度范圍內(nèi)為250pm/V以上。
在這種場合，即使在-40℃～160℃的溫度范圍內(nèi)，上述壓電執(zhí)行元件的位移也能夠增大。
另外，在上述第1以及第2發(fā)明中，上述壓電執(zhí)行元件具有在壓電陶瓷的表面形成1對電極而構(gòu)成的壓電元件作為驅(qū)動源。
上述壓電陶瓷優(yōu)選由含有選自Li、K以及Na中的至少一種的含堿金屬壓電陶瓷構(gòu)成。(權(quán)利要求第18項(xiàng))。
在這種場合，在溫度為80℃以上的高溫環(huán)境下驅(qū)動時(shí)的漏電流更為增加，并且溫度為80℃以上的上述“表觀動態(tài)電容”的波動幅也比溫度為80℃以上的“靜電電容”以及“動態(tài)電容”的波動幅更大。因此，在這種場合，通過使以表觀動態(tài)電容作為參數(shù)來限定的波動幅滿足上述第1發(fā)明的上述要件(a)和/或(c)、上述第2發(fā)明的上述要件(j)和/或(l)，能夠更顯著地發(fā)揮例如定能量驅(qū)動以及定電荷驅(qū)動的位移的溫度依存性減小的上述作用效果。
此外，上述壓電陶瓷優(yōu)選為在上述壓電執(zhí)行元件的整個(gè)使用溫度范圍內(nèi)(例如溫度-30℃～160℃)，比電阻為1×106Ω·m以上。此時(shí)，能夠防止由于電阻發(fā)熱引起的上述壓電陶瓷的破壞。更優(yōu)選為上述壓電陶瓷在上述壓電執(zhí)行元件的上述使用溫度范圍內(nèi)，比電阻為1×108Ω·m以上。在這種場合，上述壓電執(zhí)行元件的壽命能夠更加延長。
此外，上述壓電陶瓷優(yōu)選不含鉛(權(quán)利要求第19項(xiàng))。
在這種場合，能夠制作不含對環(huán)境負(fù)荷大的鉛的上述壓電執(zhí)行元件。即，能夠提高上述壓電執(zhí)行元件對環(huán)境的安全性。
另外，上述壓電陶瓷優(yōu)選為由以通式{Lix(K1-yNay)1-x}{Nb1-z-wTazSbw}O3(式中，0≤x≤0.2、0≤y≤1、0≤z≤0.4、0≤w≤0.2、x+z+w＞0)表示的各向同性鈣鈦礦型化合物作為主相的多晶體構(gòu)成，同時(shí)由構(gòu)成該多晶體的各晶粒的特定晶面處于取向狀態(tài)的晶體取向壓電陶瓷構(gòu)成(權(quán)利要求第20項(xiàng))。
在這種場合，能夠容易地實(shí)現(xiàn)滿足上述要件(a)～(i)的壓電執(zhí)行元件、和滿足上述要件(j)～(n)要件的壓電執(zhí)行元件。
上述晶體取向壓電陶瓷由以各向同性鈣鈦礦型化合物的一種即鈮酸鉀鈉(K1-yNayNbO3)作為基本組成，并且A位元素(K、Na)的一部分被規(guī)定量的Li置換、和/或B位元素(Nb)的一部分被規(guī)定量的Ta和/或Sb置換而得到的物質(zhì)構(gòu)成。在上述通式中，“x+z+w＞0”表示作為置換元素含有Li、Ta以及Sb中的至少一種即可。
另外，在上述通式中，“y”表示晶體取向壓電陶瓷中含有的K與Na之比。在本發(fā)明的晶體取向壓電陶瓷中，作為A位元素，含有K或Na的至少一個(gè)即可。即對K與Na之比y沒有特別限制，可以取0以上1以下的任意值。為了得到高的位移特性，y的值優(yōu)選為0.05以上0.75以下，更優(yōu)選為0.20以上0.70以下，進(jìn)一步優(yōu)選為0.35以上0.65以下，再優(yōu)選為0.40以上0.60以下，再進(jìn)一步優(yōu)選為0.42以上0.60以下。
“x”表示Li置換A位元素的K和/或Na的置換量。K和/或Na的一部分被Li置換時(shí)，可以得到提高壓電特性等、提高居里溫度以及/或促進(jìn)致密化的效果。X的值具體優(yōu)選為0以上0.2以下。在x值超過0.2時(shí)，位移特性降低，因此并不理想。x值優(yōu)選為0以上0.15以下，更優(yōu)選為0以上0.10以下。
“z”表示Ta置換B位元素的Nb的置換量。Nb的一部分被Ta置換時(shí)，可以得到提高位移特性等的效果。z的值具體優(yōu)選為0以上0.4以下。z值超過0.4時(shí)，居里溫度降低，作為家用電器和汽車用的壓電材料使用較為困難，因此并不理想。z值優(yōu)選為0以上0.35以下，更優(yōu)選為0以上0.30以下。
此外，“w”表示Sb置換B位元素的Nb的置換量。Nb的一部分被Sb置換時(shí)，可以得到提高位移特性等的效果。w的值具體優(yōu)選為0以上0.2以下。w值超過0.2時(shí)，位移特性以及/或居里溫度降低，所以并不理想。w值優(yōu)選為0以上0.15以下。
另外，上述晶體取向壓電陶瓷中，隨著從高溫下降到低溫，結(jié)晶相發(fā)生立方晶→正方晶(第1結(jié)晶相轉(zhuǎn)變溫度＝居里溫度)、正方晶→斜方晶(第2結(jié)晶相轉(zhuǎn)變溫度)、斜方晶→菱形晶(第3結(jié)晶相轉(zhuǎn)變溫度)的變化。在高于第1結(jié)晶相轉(zhuǎn)變溫度的溫度區(qū)域，成為立方晶，因此位移特性消失，并且在低于第2結(jié)晶相轉(zhuǎn)變溫度的溫度區(qū)域，成為斜方晶，位移以及表觀動態(tài)靜電電容的溫度依存性增大。因此，優(yōu)選通過使第1結(jié)晶相轉(zhuǎn)變溫度高于使用溫度范圍且第2結(jié)晶相轉(zhuǎn)變溫度低于使用溫度范圍，可以使壓電陶瓷在整個(gè)使用溫度范圍為正方晶。
但是，作為上述晶體取向壓電陶瓷的基本組成的鈮酸鉀鈉(K1-yNayNbO3)，根據(jù)“美國陶瓷協(xié)會雜志Journal of American CeramicSociety”，美國，1959年，第42卷[9]p.438～443、以及美國專利2976246號說明書，隨著從高溫下降到低溫，結(jié)晶相發(fā)生立方晶→正方晶(第1結(jié)晶相轉(zhuǎn)變溫度＝居里溫度)、正方晶→斜方晶(第2結(jié)晶相轉(zhuǎn)變溫度)、斜方晶→菱形晶(第3結(jié)晶相轉(zhuǎn)變溫度)的變化。并且，在“y＝0.5”時(shí)的第1結(jié)晶相轉(zhuǎn)變溫度為約420℃、第2結(jié)晶相轉(zhuǎn)變溫度為約190℃、第3結(jié)晶相轉(zhuǎn)變溫度為約-150℃。因此，正方晶的溫度區(qū)域?yàn)?90～420℃的范圍，與工業(yè)產(chǎn)品的使用溫度范圍的-40℃～160℃不一致。
另一方面，上述晶體取向壓電陶瓷中，對于基本組成的鈮酸鉀鈉(K1-yNayNbO3)，通過使Li、Ta、Sb的置換元素的量改變，能夠自由改變第1結(jié)晶相轉(zhuǎn)變溫度以及第2結(jié)晶相轉(zhuǎn)變溫度。
對于壓電特性為最大時(shí)的y＝0.4～0.6，進(jìn)行了Li、Ta、Sb的置換量和結(jié)晶相轉(zhuǎn)變溫度實(shí)測值的多元回歸(multiple regression)分析，結(jié)果示于下述式B1、式B2。
從式B1和式B2知道，Li置換量具有使第1結(jié)晶相轉(zhuǎn)變溫度升高、且使第2結(jié)晶相轉(zhuǎn)變溫度降低的作用。另外，Ta和Sb具有使第1結(jié)晶相轉(zhuǎn)變溫度降低、且使第2結(jié)晶相轉(zhuǎn)變溫度降低的作用。
第1結(jié)晶相轉(zhuǎn)變溫度＝(388+9x-5z-17w)±50[℃](式B1)第2結(jié)晶相轉(zhuǎn)變溫度＝(190-18.9x-3.9z-5.8w)±50[℃](式B2)第1結(jié)晶相轉(zhuǎn)變溫度是壓電性完全消失的溫度，且在其附近動態(tài)電容急劇增大，因此優(yōu)選為(產(chǎn)品的使用環(huán)境上限溫度+60℃)以上。第2結(jié)晶相轉(zhuǎn)變溫度僅僅是結(jié)晶相轉(zhuǎn)變的溫度，壓電性不消失，因此設(shè)定在不會對位移或動態(tài)電容的溫度依存性產(chǎn)生不良影響的范圍內(nèi)即可，所以優(yōu)選為(產(chǎn)品的使用環(huán)境下限溫度+40℃)以下。
另一方面，產(chǎn)品的使用環(huán)境上限溫度根據(jù)用途有所不同，分別為60℃、80℃、100℃、120℃、140℃、160℃等。產(chǎn)品的使用環(huán)境下限溫度分別為-30℃、-40℃等。
因此，由于上述式B1所示的第1結(jié)晶相轉(zhuǎn)變溫度優(yōu)選為120℃以上，所以“x”、“z”、“w”優(yōu)選滿足(388+9x-5z-17w)+50≥120。
而且，由于式B2所示的第2結(jié)晶相轉(zhuǎn)變溫度優(yōu)選為10℃以下，所以“x”、“z”、“w”優(yōu)選滿足(190-18.9x-3.9z-5.8w)-50≤10。
即，在上述晶體取向壓電陶瓷中，上述通式{Lix(K1-yNay)1-x}{Nb1-z-wTazSbw}O3中的x、y以及z優(yōu)選滿足下述式(9)和式(10)的關(guān)系(權(quán)利要求第21項(xiàng))。
9x-5z-17w≥-318(9)-18.9x-3.9z-5.8w≤-130(10)另外，上述晶體取向壓電陶瓷存在僅僅由上述通式表示的各向同性鈣鈦礦型化合物(第一KNN系化合物)構(gòu)成的場合、以及主動地添加其它元素或被其它元素置換的場合。
在前者的場合，優(yōu)選僅僅由第一KNN系化合物構(gòu)成，但是只要能夠保持各向同性鈣鈦礦型的晶體結(jié)構(gòu)、且對燒結(jié)特性、壓電特性等各種特性無不良影響，則也可以含有其它元素或其它相。特別在用于制造上述晶體取向壓電陶瓷的原料中，在可從市場購入的純度為99％至99.9％的工業(yè)原料中含有的雜質(zhì)的混入是不可避免的。例如，在上述晶體取向壓電陶瓷的原料之一的Nb2O5中，作為來自原料礦石或制造方法的雜質(zhì)，某些場合含有最多不足0.1wt％的Ta、最多不足0.15wt％的F。另外，在后述的實(shí)施例1中將進(jìn)行敘述，在制造工序使用Bi的場合，其混入是不可避免的。
在后者的場合，例如通過添加Mn可具有降低表觀動態(tài)電容的溫度依存性、提高位移的效果，而且還具有減低介質(zhì)損耗tanδ、提高機(jī)械品質(zhì)系數(shù)Qm的效果，因此，作為共振驅(qū)動型的執(zhí)行元件可以得到理想的特性。
另外，在上述晶體取向壓電陶瓷中，構(gòu)成以上述通式表示的各向同性鈣鈦礦型化合物作為主相的多晶體的各晶粒的特定晶面處于取向狀態(tài)。其中，上述晶粒中取向的特定晶面優(yōu)選為擬立方(pseudo-cubic){100}面。
另外，所謂“擬立方{HKL}”是指，各向同性鈣鈦礦型化合物的結(jié)構(gòu)通常為正方晶、斜方晶、三方晶等，與立方晶相比略有變形，但由于該變形只是一點(diǎn)點(diǎn)，因此被當(dāng)作立方晶并用密勒指數(shù)表示。
在這種場合，能夠進(jìn)一步增大上述壓電執(zhí)行元件的位移，同時(shí)能夠減小表觀動態(tài)電容的溫度依存性。
此外，對于擬立方{100}面進(jìn)行面取向的場合，面取向的程度可以用以下的數(shù)學(xué)式1表示的基于勞特蓋爾丁(Lotgering)法的平均取向度F(HKL)表示。
數(shù)學(xué)式1F(HKL)=Σ'I(HKL)ΣI(hkl)-Σ'I0(HKL)ΣI0(hkl)1-Σ'I0(HKL)ΣI0(hkl)×100(%)]]>另外，在數(shù)學(xué)式1中，∑I(hkl)是對晶體取向壓電陶瓷測定的所有晶面(hkl)的X射線衍射強(qiáng)度的總和，∑I0(hkl)是對具有與晶體取向壓電陶瓷同樣組成的無取向陶瓷測定的所有晶面(hkl)的X射線衍射強(qiáng)度的總和。而且，∑’I(HKL)是對晶體取向壓電陶瓷測定的結(jié)晶學(xué)等價(jià)的特定晶面(HKL)的X射線衍射強(qiáng)度的總和?！啤疘0(HKL)是對具有與晶體取向壓電陶瓷同樣組成的無取向陶瓷測定的結(jié)晶學(xué)等價(jià)的特定晶面(HKL)的X射線衍射強(qiáng)度的總和。
因此，在構(gòu)成多晶體的各晶粒為無取向的場合，平均取向度F(HKL)為0％。而在構(gòu)成多晶體的所有晶粒的(HKL)面相對于測定面平行取向的場合，平均取向度F(HKL)為100％。
一般地，取向的晶粒的比例越多，越能得到高的特性。例如，在使特定晶面進(jìn)行面取向的場合，為了得到高的壓電特性等，由上述數(shù)學(xué)式1表示的基于勞特蓋爾丁(Lotgering)法的平均取向度F(HKL)優(yōu)選為30％以上，更優(yōu)選為50％以上，進(jìn)一步優(yōu)選為70％以上。另外，使其取向的特定晶面優(yōu)選是與極化軸垂直的面。例如，在上述鈣鈦礦型化合物的結(jié)晶系為正方晶的場合，使其取向的特定晶面優(yōu)選為擬立方{100}面。
即，上述晶體取向壓電陶瓷優(yōu)選為由勞特蓋爾丁法得到的擬立方{100}面的取向度為30％以上，且在10℃～160℃的溫度范圍內(nèi)，結(jié)晶系為正方晶(權(quán)利要求第22項(xiàng))。
另外，在使特定晶面進(jìn)行軸取向的場合，其取向的程度不能用與面取向同樣的取向度(數(shù)學(xué)式1)定義。但是，在對垂直于取向軸的面進(jìn)行X射線衍射的場合，可以采用涉及(HKL)衍射的Lotgering法的平均取向度(軸取向度)來表示軸取向的程度。另外，特定晶面大致完全進(jìn)行軸取向的成形體的軸取向度與對特定晶面大致完全進(jìn)行面取向的成形體所測定的軸取向度為相同程度。
其次，就使用上述晶體取向壓電陶瓷的壓電執(zhí)行元件的特性進(jìn)行說明。
在將上述晶體取向壓電陶瓷用于驅(qū)動源的壓電執(zhí)行元件中，能夠?qū)⒃?30℃～160℃的溫度范圍內(nèi)、在電場強(qiáng)度為100V/mm以上且在不會破壞絕緣的電場強(qiáng)度以下的具有恒定振幅的電場驅(qū)動條件下產(chǎn)生的動態(tài)應(yīng)變量D33控制為250pm/V以上。如果將組成以及工藝進(jìn)一步優(yōu)化，則能夠控制為300pm/V以上，進(jìn)而為350pm/V以上，再進(jìn)一步為400pm/V以上，再進(jìn)一步為450pm/V以上，更進(jìn)一步為500pm/V以上。
另外，位移的波動幅(＝動態(tài)應(yīng)變量的波動幅)如果以(最大值-最小值)/2為基準(zhǔn)值，則能夠控制為±14％以下。如果將組成以及工藝進(jìn)一步優(yōu)化，則能夠控制為±12％以下，進(jìn)而為±10％以下，更進(jìn)一步為±8％以下。
另外，在-30℃～80℃的溫度范圍內(nèi)，在電場強(qiáng)度為100V/mm以上的具有恒定振幅的電場驅(qū)動條件下產(chǎn)生的位移的波動幅(＝動態(tài)應(yīng)變量的波動幅)如果是以(最大值-最小值)/2為基準(zhǔn)值，則能夠控制為±14％以下。如果將組成以及工藝進(jìn)一步優(yōu)化，則能夠控制為±12％以下，進(jìn)而為±9％以下，進(jìn)一步為±7％以下，再進(jìn)一步為±5％以下，再進(jìn)一步為±4％以下。因此，可以得到定電壓驅(qū)動的位移的溫度依存性小的執(zhí)行元件。
另外，在將上述晶體取向壓電陶瓷用于驅(qū)動源的壓電執(zhí)行元件中，在-30℃～160℃的溫度范圍內(nèi)，在電場強(qiáng)度為100V/mm以上的具有恒定振幅的電場驅(qū)動條件下產(chǎn)生的表觀動態(tài)電容的波動幅如果是以(最大值-最小值)/2為基準(zhǔn)值，則能夠控制為±35％以下。如果將組成以及工藝進(jìn)一步優(yōu)化，則能夠控制為±32％以下，進(jìn)而為±30％以下，進(jìn)一步為±28％以下。
此外，在-30℃～80℃的溫度范圍內(nèi)，在電場強(qiáng)度為100V/mm以上的具有恒定振幅的電場驅(qū)動條件下產(chǎn)生的表觀動態(tài)電容的波動幅如果是以(最大值-最小值)/2為基準(zhǔn)值，則能夠控制為±11％以下。如果將組成以及工藝進(jìn)一步優(yōu)化，則能夠控制為±9％以下，進(jìn)而為±7％以下，進(jìn)一步為±5％以下，再進(jìn)一步為±4％以下。因此，在定電荷驅(qū)動以及定能量驅(qū)動的場合，可以得到端子電壓的溫度依存性小的執(zhí)行元件。
另外，在將上述晶體取向壓電陶瓷用于驅(qū)動源的壓電執(zhí)行元件中，在-30℃～160℃的溫度范圍內(nèi)，在電場強(qiáng)度為100V/mm以上的具有恒定振幅的電場驅(qū)動條件下產(chǎn)生的位移/表觀動態(tài)電容的波動幅如果是以(最大值-最小值)/2為基準(zhǔn)值，則能夠控制為±35％以下。如果將組成以及工藝進(jìn)一步優(yōu)化，則能夠控制為±30％以下，進(jìn)而為±25％以下。
此外，在-30℃～80℃的溫度范圍內(nèi)，在電場強(qiáng)度為100V/mm以上的具有恒定振幅的電場驅(qū)動條件下產(chǎn)生的位移/表觀動態(tài)電容的波動幅如果以(最大值-最小值)/2為基準(zhǔn)值，則能夠控制為±12％以下。如果將組成以及工藝進(jìn)一步優(yōu)化，則能夠控制為±9％以下，進(jìn)而為±7％以下。因此，可以得到定電荷驅(qū)動中位移的溫度依存性小的執(zhí)行元件。
另外，在將上述晶體取向壓電陶瓷用于驅(qū)動源的壓電執(zhí)行元件中，在-30℃～160℃的溫度范圍內(nèi)，在電場強(qiáng)度為100V/mm以上的具有恒定振幅的電場驅(qū)動條件下產(chǎn)生的位移/(表觀動態(tài)電容)0.5的波動幅如果是以(最大值-最小值)/2為基準(zhǔn)值，則能夠控制為±20％以下。如果將組成以及工藝進(jìn)一步優(yōu)化，則能夠控制為±15％以下。
此外，在-30℃～80℃的溫度范圍內(nèi)，在電場強(qiáng)度為100V/mm以上的具有恒定振幅的電場驅(qū)動條件下產(chǎn)生的位移/(表觀動態(tài)電容)0.5的波動幅如果是以(最大值-最小值)/2為基準(zhǔn)值，則能夠控制為±12％以下。如果將組成以及工藝進(jìn)一步優(yōu)化，則能夠控制為±9％以下，進(jìn)而為±7％以下。因此，可以得到定能量驅(qū)動中位移的溫度依存性小的執(zhí)行元件。
另外，可以使上述壓電執(zhí)行元件的位移發(fā)生源的全部由上述晶體取向壓電陶瓷構(gòu)成，但在不影響壓電執(zhí)行元件的位移特性的范圍內(nèi)，也可以將上述通式(1)表示的壓電陶瓷與其它壓電陶瓷組合來構(gòu)成壓電執(zhí)行元件。例如，在為層疊執(zhí)行元件的場合，可以使壓電陶瓷中的50％以上的體積由上述通式(1)表示的晶體取向壓電陶瓷構(gòu)成，而剩余的不足50％由鈦酸鋇系壓電陶瓷等構(gòu)成。
其次，就壓電陶瓷與具有正的溫度特性的半導(dǎo)體元件并聯(lián)連接而成的執(zhí)行元件進(jìn)行敘述。
在使用上述壓電陶瓷構(gòu)成的壓電執(zhí)行元件中，在-30℃～80℃的溫度范圍內(nèi)，在電場強(qiáng)度為100V/mm以上的具有恒定振幅的電場驅(qū)動條件下產(chǎn)生的位移、表觀動態(tài)電容、位移/表觀動態(tài)電容、位移/(表觀動態(tài)電容)0.5的波動幅較小，能夠得到溫度特性良好的執(zhí)行元件。但是，在-30℃～160℃的溫度范圍內(nèi)，盡管位移的波動幅較小，但表觀動態(tài)電容有可能增加一些。
為了調(diào)查其原因，去除壓電執(zhí)行元件的漏電流成分后測定了動態(tài)電容，結(jié)果動態(tài)電容在80℃以上的溫度區(qū)域也不增加。即可以知道，上述壓電陶瓷在高于80℃的溫度區(qū)域，漏電流有很大增加。這是因?yàn)楸入娮璧闹蹬c溫度為25℃時(shí)的值相比，大約降低2個(gè)數(shù)量級左右的緣故。溫度為25℃的比電阻具有1010Ω·m以上的值。
從中知道，為了減小-30℃～160℃的溫度區(qū)域的表觀動態(tài)電容的波動幅，將在大約80℃以下的溫度區(qū)域電阻較低、在超過大約80℃的高溫區(qū)域電阻增大那樣的具有正的電阻溫度系數(shù)的半導(dǎo)體元件與執(zhí)行元件并聯(lián)電連接，并且按照PTC電阻器的溫度與壓電元件的溫度大致相等的方式配置即可。這樣，在80℃以下時(shí)，PTC電阻器中流過較多電流，在80℃以上時(shí)，PTC電阻器中幾乎不流過電流，因此執(zhí)行元件的表觀動態(tài)電容的波動幅能夠減小。其結(jié)果，能夠在-30℃～160℃的寬廣的溫度范圍內(nèi)，得到定電荷驅(qū)動以及定能量驅(qū)動中的端子電壓的溫度依存性小、且位移的溫度依存性小的壓電執(zhí)行元件。
即，上述壓電執(zhí)行元件優(yōu)選為包含具有正的電阻溫度系數(shù)的PTC電阻器，且該P(yáng)TC電阻器與具有負(fù)的電阻溫度系數(shù)的上述壓電陶瓷并聯(lián)電連接，同時(shí)按照上述PTC電阻器的溫度與上述壓電陶瓷的溫度大致相等的位置關(guān)系進(jìn)行配置(權(quán)利要求第15項(xiàng))。
在此，所謂大致相等的溫度是指，上述壓電執(zhí)行元件在驅(qū)動時(shí)的上述壓電陶瓷(壓電元件)與PTC電阻器的溫度差為40℃以內(nèi)，更優(yōu)選為30℃以內(nèi)，進(jìn)一步優(yōu)選為20℃以內(nèi)，更進(jìn)一步優(yōu)選為10℃以內(nèi)。
另外，配置的位置關(guān)系有上述PTC電阻器與壓電陶瓷相接觸地配置的場合、在壓電執(zhí)行元件的引線端子之間設(shè)置PTC電阻器的場合、以及在與壓電執(zhí)行元件不同的部件即連接器上配置PTC電阻器的場合等。
此外，PTC電阻器的電阻溫度特性優(yōu)選是，在超過大約80℃的高溫時(shí)電阻值急劇上升的鈦酸鋇系的半導(dǎo)體元件。即，上述PTC電阻器優(yōu)選是鈦酸鋇系半導(dǎo)體，且在溫度為80℃以上的溫度區(qū)域中具有正的電阻溫度系數(shù)。(權(quán)利要求第16項(xiàng))。
在這種場合，80℃以上的溫度下的PTC半導(dǎo)體的絕緣性更加提高，因此執(zhí)行元件與PTC元件的并聯(lián)電路中流過的漏電流能夠減小。另外，在80℃以上時(shí)電阻值急劇上升的鈦酸鋇系半導(dǎo)體由于不含有居里溫度向高溫偏移的添加物鉛，因此作為執(zhí)行元件也不會含有鉛，所以更加優(yōu)選。
進(jìn)而，在執(zhí)行元件是氣密組件(package)型，且半導(dǎo)體元件設(shè)置在氣密組件內(nèi)部的場合，執(zhí)行元件中使用的絕緣樹脂等在長時(shí)間使用時(shí)會熱分解，有可能消耗氣密組件內(nèi)部的氧，所以優(yōu)選即使在低氧濃度氣氛下電阻值也不降低的耐還原性的鈦酸鋇系的半導(dǎo)體元件。
另外，PTC電阻器的電阻值如果較低，則外加到執(zhí)行元件上的電壓也降低，因此PTC電阻器的電阻值優(yōu)選比壓電執(zhí)行元件在驅(qū)動時(shí)的壓電執(zhí)行元件的阻抗充分大。
另外，伴隨壓電執(zhí)行元件的驅(qū)動，PTC電阻器自身發(fā)熱或不發(fā)熱都沒有關(guān)系。在伴隨自身發(fā)熱的場合，例如，通過在容易將熱傳導(dǎo)給壓電元件的部位配置PTC電阻器，能夠使其起到溫度加熱器的作用，使執(zhí)行元件的使用下限溫度升高。即，通過使工作溫度范圍變窄，能夠?qū)嵸|(zhì)上減小執(zhí)行元件的表觀動態(tài)電容等的波動幅。特別是鈦酸鋇系的半導(dǎo)體元件由于是在其居里溫度下電阻值急劇上升的恒溫度加熱器，所以適合于PTC電阻器。
另一方面，在不伴隨自身發(fā)熱的場合，執(zhí)行元件與半導(dǎo)體元件的并聯(lián)電路中流過的電流減小，因此能夠抑制電路成本的上升。
另外，上述壓電執(zhí)行元件優(yōu)選為具有由多個(gè)壓電陶瓷層疊而形成的層疊型壓電陶瓷作為上述壓電陶瓷，并用于燃料噴射閥(權(quán)利要求第17項(xiàng))。
在這種場合，能夠最大限度發(fā)揮上述壓電執(zhí)行元件的特性。
其次，關(guān)于本發(fā)明的壓電執(zhí)行元件的構(gòu)成的一例，使用圖36進(jìn)行說明。
如該圖所示那樣，壓電執(zhí)行元件1可以由例如具有壓電陶瓷的壓電元件2、保持壓電元件的保持構(gòu)件4、收容壓電元件等的外罩構(gòu)件3、以及傳遞壓電元件的位移的傳遞構(gòu)件5構(gòu)成。
作為壓電元件2，如后述的圖38所示那樣，可以使用例如將壓電陶瓷21與內(nèi)部電極22和23交替層疊多個(gè)而構(gòu)成的層疊型的壓電元件等。
另外，作為壓電元件，可以使用通過將一片壓電陶瓷夾于2片內(nèi)部電極中而構(gòu)成的單板的壓電元件(圖示略)。
另外，在壓電元件2的側(cè)面形成有1對外部電極25和26，在壓電元件2中的相鄰的2個(gè)內(nèi)部電極22和23與相互不同的外部電極25和26進(jìn)行電連接。
如圖36所示那樣，在壓電執(zhí)行元件1中，活塞等傳遞構(gòu)件5被配置于壓電元件2的層疊方向的一個(gè)端部。在外罩3和傳遞構(gòu)件5之間配置有碟形彈簧55，對壓電元件2施加預(yù)設(shè)定負(fù)荷。傳遞構(gòu)件5可隨著壓電元件2的位移而活動，能夠?qū)⑵湮灰苽鬟f到外部。此外，在外罩3上設(shè)置有動通孔31和32。在該動通孔31和32中插入有用于從外部供給電荷的端子(引線)61和62，由墊圈31和32保持外罩3內(nèi)的氣密性。端子61和62與設(shè)置在壓電元件2上的外部端子25和26進(jìn)行電連接。
又如圖36所示那樣，在活塞構(gòu)件5和外罩3之間配置有O形環(huán)35，在保持外罩3內(nèi)的氣密性的同時(shí)，形成使活塞構(gòu)件5伸縮可動的結(jié)構(gòu)。
上述壓電執(zhí)行元件能夠用于例如燃料噴射閥等。另外，作為上述壓電執(zhí)行元件，有層疊執(zhí)行元件、壓電變壓器、超聲波發(fā)動機(jī)、雙壓電晶片壓電元件、超聲波聲納、壓電超聲波振動器、壓電蜂鳴器、壓電揚(yáng)聲器等。
(實(shí)施例1)其次，就本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行說明。
在該例中，制作具有壓電陶瓷的壓電元件，使用該壓電元件制作壓電執(zhí)行元件。
在該例中，作為壓電執(zhí)行元件的模型，如圖37所示那樣，制作使用夾具8的壓電執(zhí)行元件11。
即，該例的壓電執(zhí)行元件11具有以壓電陶瓷作為驅(qū)動源的層疊型壓電元件2，該壓電元件2被夾具8固定。
夾具8具有用于收容壓電元件2的外罩81、以及與壓電元件2連接的傳遞壓電元件2的位移的活塞(連接構(gòu)件)82?；钊?2通過碟形彈簧85連接在導(dǎo)向裝置83上。在外罩81內(nèi)設(shè)置有臺座部815，壓電元件2配置在臺座部815上。臺座部815上配置的壓電元件2由活塞82的頭部821固定。此時(shí)，可以從碟形彈簧85對壓電元件2施加預(yù)設(shè)定負(fù)荷。另外，活塞82的頭部821的相反側(cè)的端部(測定部88)可以隨著壓電元件2的位移而活動。
在此，就預(yù)設(shè)定負(fù)荷的施加方法進(jìn)行說明。預(yù)設(shè)定負(fù)荷可通過下述方法獲得在活塞82和壓入螺栓84的空隙中插入圓柱狀的壓棒(省略圖示)，用阿姆斯拉(Amsler)型試驗(yàn)機(jī)對導(dǎo)向裝置83施加正確的負(fù)荷。接著，為了保持預(yù)設(shè)定負(fù)荷，在施加了負(fù)荷的狀態(tài)下，將壓入螺栓84和外罩81加以固定。然后，去掉上述壓棒。
此外，在該例中，制作壓電執(zhí)行元件的模型的理由是為了評價(jià)壓電執(zhí)行元件的位移的溫度特性。通過將其形狀設(shè)置為細(xì)長形狀，可以將壓電元件2設(shè)置在恒溫槽的內(nèi)部，且將測定部88設(shè)置在恒溫槽的外部(＝溫度約25℃)。在后述的溫度特性的評價(jià)中，對于圖37所示的壓電執(zhí)行元件11，將低于虛線的部分設(shè)置在恒溫槽的內(nèi)部。此時(shí)，在壓電執(zhí)行元件中，為了防止熱量向虛線以上的部分的移動，在壓電執(zhí)行元件中設(shè)置有絕熱材料86。
這樣的壓電執(zhí)行元件的模型與圖36所示的壓電執(zhí)行元件在功能上是等價(jià)的。
另外，如圖38所示那樣，在該例中，壓電元件2由壓電陶瓷21與內(nèi)部電極板22和23交替層疊而形成的層疊型壓電元件構(gòu)成。此外，在壓電元件2的層疊方向的兩端部上配置有氧化鋁板245。
另外，在壓電元件2的側(cè)面上按照夾住壓電元件的方式形成有兩個(gè)外部電極25和26，外部電極25和26與引線61和62連接。
另外，內(nèi)部電極板22和23與外部電極25和26之間按照壓電元件2內(nèi)相鄰的兩個(gè)內(nèi)部電極22和23分別與不同電位的外部電極25和26連接的方式進(jìn)行電連接。
此外，在該例的壓電元件2中，由合計(jì)40片壓電陶瓷21層疊而構(gòu)成，為了便于作圖，在圖38所表示的圖中，省略了層疊數(shù)。
其次，就該例的壓電執(zhí)行元件的制造方法，進(jìn)行說明。
首先，按照以下那樣制作壓電元件。
(1)NaNbO3片狀粉末的合成稱量Bi2O3粉末、Na2CO3粉末、以及Nb2O5粉末，使其以化學(xué)計(jì)量比計(jì)成為Bi2.5Na3.5Nb5O18的組成，將它們進(jìn)行濕式混合。接著，對該原料添加50wt％的NaCl作為熔劑，進(jìn)行1小時(shí)干式混合。
其次，將得到的混合物放入白金坩堝，以850℃×1hr的條件加熱，使熔劑完全熔化后再于1100℃×2hr的條件下加熱，進(jìn)行Bi2.5Na3.5Nb5O18的合成。另外，升溫速度設(shè)為200℃/hr，降溫設(shè)為爐冷。冷卻后，通過熱水洗滌將熔劑從反應(yīng)物中去除，得到Bi2.5Na3.5Nb5O18的粉末。得到的Bi2.5Na3.5Nb5O18粉末是以{100}面為發(fā)達(dá)面(developedplane)的片狀粉末。
然后，對該Bi2.5Na3.5Nb5O18片狀粉末加入合成NaNbO3所必要量的Na2CO3粉末并進(jìn)行混合，以NaCl作為熔劑，在白金坩堝中進(jìn)行950℃×8小時(shí)的熱處理。
所得到的反應(yīng)物中除了含有NaNbO3粉末以外還含有Bi2O3，因此從反應(yīng)物中去除熔劑后，將其放入NHO3(1N)中，使作為多余成分生成的Bi2O3溶解。然后，將該溶液進(jìn)行過濾以分離NaNbO3粉末，用80℃的離子交換水進(jìn)行洗滌。得到的NaNbO3粉末是以擬立方{100}面為發(fā)達(dá)面、粒徑為10～30μm、且縱橫尺寸比為10～20左右的片狀粉末。
如以下那樣制作具有{Li0.07(K0.43Na0.57)0.93}{Nb0.84Ta0.09Sb0.07}O3組成的晶體取向陶瓷。
稱量純度為99.99％以上的Na2CO3粉末、K2CO3粉末、Li2CO3粉末、Nb2O5粉末、Ta2O5粉末、Sb2O5粉末，使其成為從1mol的{Li0.07(K0.43Na0.57)0.93}{Nb0.84Ta0.09Sb0.07}O3的化學(xué)計(jì)量組成中減掉0.05mol的NaNbO3而得到的組成，以有機(jī)溶劑作為介質(zhì)，用Zr球進(jìn)行20小時(shí)的濕式混合。然后，通過在750℃進(jìn)行5小時(shí)預(yù)燒，再以有機(jī)溶劑作為介質(zhì)用Zr球進(jìn)行20小時(shí)的濕式粉碎，得到平均粒徑約為0.5μm的預(yù)燒物粉末。
將該預(yù)燒物粉末和上述片狀的NaNbO3按照預(yù)燒物粉末NaNbO3＝0.95mol∶0.05mol的比率進(jìn)行稱量，使其成為{Li0.07(K0.43Na0.57)0.93}{Nb0.84Ta0.09Sb0.07}O3的組成，以有機(jī)溶劑作為介質(zhì)，用Zr球進(jìn)行20小時(shí)的濕式混合，得到粉碎漿料。然后，對漿料添加粘合劑(聚乙烯醇縮丁醛)以及可塑劑(鄰苯二甲酸丁酯)后，再進(jìn)行2小時(shí)混合。
然后，用帶狀成形裝置，將混合的漿料成形為厚度約為100μm的帶狀。然后通過對該帶進(jìn)行層疊和壓接以及軋制，得到厚為1.5mm的片狀成形體。接著，在大氣中將得到的片狀成形體以加熱溫度為600℃、加熱時(shí)間為5小時(shí)、升溫速度為50℃/hr、冷卻速度為爐冷的條件進(jìn)行脫脂。進(jìn)而，對脫脂后的片狀成形體以300MPa的壓力施以CIP處理，然后在氧氣中于1110℃進(jìn)行5小時(shí)燒結(jié)。這樣，制作成壓電陶瓷(晶體取向壓電陶瓷)。
對于得到的壓電陶瓷，算出燒結(jié)密度、以及采用上述數(shù)學(xué)式1對與帶面(tape surface)平行的面算出基于勞特蓋爾丁法的擬立方{100}面的平均取向度F(100)。
進(jìn)而，通過對得到的壓電陶瓷進(jìn)行磨削和研磨以及加工，制作如圖39所示的其上下面與帶面平行的厚0.485mm、直徑11mm的圓盤狀試樣的壓電陶瓷21，對其上下面印刷Au焙燒電極糊(gold baking electrodepaste)(住友金屬礦山株式會社制造，ALP3057)并經(jīng)干燥后，采用網(wǎng)狀帶式爐進(jìn)行850℃×10分鐘的焙燒，在壓電陶瓷21上形成厚0.01mm的電極20。進(jìn)而，為了去除因印刷而不可避免地形成的電極外周部的數(shù)微米的突起部，通過圓筒磨削將得到的圓盤狀試樣加工成直徑8.5mm。隨后，在上下方向上施以極化處理，得到在壓電陶瓷21上形成了整面電極210的壓電元件(單板)20。
在25℃的溫度下，采用共振反共振法對得到的壓電元件20測定作為壓電特性的壓電應(yīng)變常數(shù)(d31)、機(jī)電耦合系數(shù)(kp)、機(jī)械品質(zhì)系數(shù)(Qm)、以及作為介質(zhì)特性的電容率(ε33t/ε0)、介質(zhì)損耗(tanδ)。
另外，同樣，通過測定電容率的溫度特性，求得第1結(jié)晶相轉(zhuǎn)變溫度(居里溫度)和第2結(jié)晶相轉(zhuǎn)變溫度。另外，在第2結(jié)晶相轉(zhuǎn)變溫度為0℃以下的場合，由于溫度比第2結(jié)晶相轉(zhuǎn)變溫度高的一側(cè)的電容率的波動幅非常小，因此在電容率的峰位置不能確認(rèn)的場合，將電容率發(fā)生彎曲的溫度作為第2結(jié)晶相轉(zhuǎn)變溫度。
其次，采用上述得到的壓電元件制作層疊型的壓電元件，使用該壓電元件構(gòu)成壓電執(zhí)行元件，進(jìn)行評價(jià)。
如圖40所示那樣，首先，將上述那樣得到的壓電元件20與后述的具有用于連接在外部電極上的突起的厚0.02mm、直徑8.4mm的SUS制的內(nèi)部電極板22(23)進(jìn)行交替層疊。此時(shí)，內(nèi)部電極板22(23)的突起在層疊方向上以交替不同的方向配置，且每一層都按照相同方向配置內(nèi)部電極板22(23)。這樣，合計(jì)40片的壓電陶瓷21與合計(jì)41片的內(nèi)部電極板22(23)交替層疊，進(jìn)而在層疊體的上下面層疊厚2mm、直徑8.5mm的氧化鋁板(絕緣板)，如圖38所示那樣，制作成層疊型的壓電元件2。
然后，將長方形的SUS制的外部電極25和26焊接在上述內(nèi)部電極22和23的突起上，使其與壓電元件并聯(lián)電連接，然后準(zhǔn)備引線端子61和62，將外部電極25和26與引線端子61和62進(jìn)行電連接。
另外，為了確保內(nèi)部電極板22和23的突起與相反極性的內(nèi)部電極板22和23以及相反極性的壓電元件的Au電極之間的絕緣狀態(tài)，在層疊體側(cè)面的極性相同的電極板的突起之間插入配置梳齒狀的樹脂制絕緣構(gòu)件(省略圖示)，在其上面涂敷硅脂，再用絕緣管構(gòu)成的保持構(gòu)件4被覆層疊體，制成層疊型的壓電元件2。
然后，為了提高層疊型的壓電元件2的Au電極與電極板之間的密合性，在25℃的溫度下對層疊方向施加150MPa的壓縮應(yīng)力30秒鐘(加壓老化)。再于25℃的溫度下對層疊方向施加30MPa的壓縮應(yīng)力，在該狀態(tài)下，以40Hz的頻率施加電場強(qiáng)度為0～1500V/mm的振幅的正弦波30分鐘(電壓老化)。然后，如圖37所示那樣，將層疊型的壓電元件2固定在夾具8上，在壓電元件2的層疊方向上，以16.4Mpa的預(yù)設(shè)定負(fù)荷壓接彈簧常數(shù)為2.9N/μm的碟形彈簧85。這樣，制作圖37所示那樣的壓電執(zhí)行元件11。
接著，對所得到的壓電執(zhí)行元件進(jìn)行外加電壓為485、728、970V(電場強(qiáng)度為0～1000V/mm、0～1500V/mm、0～2000V/mm)的恒定振幅的梯形波驅(qū)動，在-40℃～160℃的溫度范圍內(nèi)測定位移和表觀動態(tài)電容的溫度特性。
位移的測定采用靜電電容式的位移傳感器，在頻率為0.5Hz以及10Hz、電壓上升時(shí)間為150μs、電壓下降時(shí)間為150μs、占空比為50∶50的梯形波驅(qū)動條件下測定所觀測的位移。
表觀動態(tài)電容的測定如下，將878μF的電容器在溫度一直為25℃的狀態(tài)下串聯(lián)連接于壓電執(zhí)行元件，在外加電壓為485V、728V、970V、頻率為0.05Hz、電壓上升時(shí)間為1ms、電壓下降時(shí)間為1ms、電壓接通(ON)時(shí)間為10s、電壓切斷(OFF)時(shí)間為10s的恒電壓的梯形波驅(qū)動條件下，測定所觀測的電容器的端子電壓，通過下述式11計(jì)算求出。
表觀動態(tài)電容＝{(V(接通)-(V(切斷))×878μF)/{外加電壓-(V(接通)-V(切斷))}(11)(式中，表觀動態(tài)靜電電容[F]、外加電壓[V]、V(接通)從電壓接通開始10s后的電容器端子電壓[V]、V(切斷)從電壓切斷開始10s后的電容器端子電壓[V])。
即，以電容器的端子電壓為基礎(chǔ)，求得電容器的積蓄電荷(＝執(zhí)行元件的積蓄電荷+泄漏的電荷)，將其除以執(zhí)行元件的外加電壓，即為執(zhí)行元件的表觀動態(tài)電容。在此，由于與電容器串聯(lián)連接而對執(zhí)行元件施加的電壓有所降低，但最大降低幅度為0.3V的很小的值，因此判斷為外加電壓與施加到執(zhí)行元件上的電壓相同。
另外，從所測定的值求出-30℃～80℃的溫度范圍內(nèi)的波動幅、以及-30℃～160℃的溫度范圍內(nèi)的波動幅。這里，所謂波動幅，是以(最大值-最小值)/2為基準(zhǔn)值的值。
在本實(shí)施例中得到的晶體取向陶瓷的相對密度為95％以上。此外，擬立方{100}面相對于帶面平行地取向，根據(jù)勞特蓋爾丁法測定的擬立方{100}面的平均取向度達(dá)到88.5％。而且，對溫度為25℃的壓電特性的評價(jià)結(jié)果是，壓電d31常數(shù)為86.5pm/V、機(jī)電耦合系數(shù)kp為48.8％、機(jī)械品質(zhì)系數(shù)Qm為18.2、電容率(ε33t/ε0)為1042、介質(zhì)損耗tanδ為6.4％。另外，由電容率的溫度特性求得的第1結(jié)晶相轉(zhuǎn)變溫度(居里溫度)為282℃、第2結(jié)晶相轉(zhuǎn)變溫度為-30℃。
其次，就本例得到的壓電執(zhí)行元件的特性進(jìn)行敘述。
測定的表觀動態(tài)電容和頻率為0.5Hz的位移、以及計(jì)算求得的位移/表觀動態(tài)電容、位移/(表觀動態(tài)電容)0.5、動態(tài)應(yīng)變量D33示于表1、圖1、圖2、以及圖3。
另外，表觀動態(tài)電容、頻率為0.5Hz的位移、位移/表觀動態(tài)電容、位移/(表觀動態(tài)電容)0.5在-30℃～80℃的溫度范圍內(nèi)的波動幅、以及在-30℃～160℃的溫度范圍內(nèi)的波動幅分別示于表12、表13、表14、表15。
正如從表1、圖1、圖2、圖3、表11、表12、表13、表14所看到的那樣，在本例的壓電執(zhí)行元件中，在-30℃～80℃的溫度范圍內(nèi)的動態(tài)應(yīng)變量D33的最小值和上述特性的波動幅如下所述。
·動態(tài)應(yīng)變量D33的最小值在驅(qū)動電場振幅為1000V/mm、溫度為-30℃的場合，D33＝303pm/V。
·位移的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為1500V/mm的場合，波動幅為±3.8％。
·表觀動態(tài)電容的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為1000V/mm的場合，波動幅為±3.2％。
·位移/表觀動態(tài)電容的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為1500V/mm的場合，波動幅為±6.9％。
·位移/(表觀動態(tài)電容)0.5的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為1500V/mm的場合，波動幅為±5.3％。
其次，在-30℃～160℃的溫度范圍內(nèi)的動態(tài)應(yīng)變量D33的最小值和上述特性的波動幅如下所述。
·動態(tài)應(yīng)變量D33的最小值在驅(qū)動電場振幅為1000V/mm、溫度為-30℃的場合，D33＝303pm/V。
·位移的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為2000V/mm的場合，波動幅為±7.7％。
·動態(tài)電容的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為1000V/mm的場合，波動幅為±28.9％。
·位移/表觀動態(tài)電容的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為1000V/mm的場合，波動幅為±27.8％。
·位移/(表觀動態(tài)電容)0.5的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為1000V/mm的場合，波動幅為±13.8％。
(實(shí)施例2)除了脫脂后的片狀成形體的燒成溫度設(shè)為1105℃以外，按照與實(shí)施例1同樣的步驟，制作具有{Li0.07(K0.45Na0.55)0.93}{Nb0.82Ta0.10Sb0.08}O3組成的晶體取向陶瓷。對得到的晶體取向陶瓷，在與實(shí)施例1同樣的條件下評價(jià)燒結(jié)體密度、平均取向度以及壓電特性。另外，按照與實(shí)施例1同樣的步驟制作40片壓電元件的層疊執(zhí)行元件，評價(jià)執(zhí)行元件的特性。
本實(shí)施例得到的晶體取向陶瓷的相對密度為95％以上。此外，擬立方{100}面相對于帶面平行地取向，根據(jù)勞特蓋爾丁法測定的擬立方{100}面的平均取向度達(dá)到94.6％。而且，對溫度為25℃的壓電特性的評價(jià)結(jié)果是，壓電d31常數(shù)為88.1pm/V、機(jī)電耦合系數(shù)kp為48.9％、機(jī)械品質(zhì)系數(shù)Qm為16.6、電容率(ε33t/ε0)為1071、介質(zhì)損耗tanδ為4.7％。另外，由電容率的溫度特性求得的第1結(jié)晶相轉(zhuǎn)變溫度(居里溫度)為256℃、第2結(jié)晶相轉(zhuǎn)變溫度為-35℃。
本實(shí)施例的壓電執(zhí)行元件的特性示于表2、圖4、圖5、圖6、表11、表12、表13、以及表14。
正如從這些表以及圖所看到的那樣，在本例的壓電執(zhí)行元件中，在-30℃～80℃的溫度范圍內(nèi)的動態(tài)應(yīng)變量D33的最小值和上述特性的波動幅如下所述。
·動態(tài)應(yīng)變量D33的最小值在驅(qū)動電場振幅為1000V/mm、溫度為20℃的場合，D33＝355pm/V。
·位移的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為1000V/mm的場合，波動幅為±8.0％。
·表觀動態(tài)電容的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為1000V/mm的場合，波動幅為±6.3％。
·位移/表觀動態(tài)電容的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為1500V/mm以及1000V/mm的場合，波動幅為±7.8％。
·位移/(表觀動態(tài)電容)0.5的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為1000V/mm的場合，波動幅為±6.7％。
其次，在-30℃～160℃的溫度范圍內(nèi)的動態(tài)應(yīng)變量D33的最小值和上述特性的波動幅如下所述。
·動態(tài)應(yīng)變量D33的最小值在驅(qū)動電場振幅為1000V/mm、溫度為20℃的場合，D33＝355pm/V。
·位移的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為2000V/mm的場合，波動幅為±13.8％。
·動態(tài)電容的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為1500V/mm的場合，波動幅為±31.4％。
·位移/表觀動態(tài)電容的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為1000V/mm的場合，波動幅為±26.8％。
·位移/(表觀動態(tài)電容)0.5的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為1000V/mm的場合，波動幅為±13.3％。
(實(shí)施例3)除了脫脂后的片狀成形體的燒成溫度設(shè)為1105℃以外，按照與實(shí)施例1同樣的步驟，制作具有{Li0.065(K0.45Na0.55)0.935}{Nb0.83Ta0.09Sb0.08}O3組成的晶體取向陶瓷。對得到的晶體取向陶瓷，在與實(shí)施例1同樣的條件下評價(jià)燒結(jié)體密度、平均取向度以及壓電特性。并且，按照與實(shí)施例1同樣的步驟制作40片壓電元件的層疊執(zhí)行元件，評價(jià)執(zhí)行元件的特性。
本實(shí)施例得到的晶體取向陶瓷的相對密度為95％以上。另外，擬立方{100}面相對于帶面平行地取向，根據(jù)勞特蓋爾丁法測定的擬立方{100}面的平均取向度達(dá)到93.9％。另外，對溫度為25℃的壓電特性的評價(jià)結(jié)果是，壓電d31常數(shù)為95.2pm/V、機(jī)電耦合系數(shù)kp為50.4％、機(jī)械品質(zhì)系數(shù)Qm為15.9、電容率(ε33t/ε0)為1155、介質(zhì)損耗tanδ為5.2％。另外，由電容率的溫度特性求得的第1結(jié)晶相轉(zhuǎn)變溫度(居里溫度)為261℃、第2結(jié)晶相轉(zhuǎn)變溫度為-12℃。
本實(shí)例的壓電執(zhí)行元件的特性示于表3、圖7、圖8、圖9、表11、表12、表13、以及表14。
正如從這些表以及圖所看到的那樣，在本例的壓電執(zhí)行元件中，在-30℃～80℃的溫度范圍內(nèi)的動態(tài)應(yīng)變量D33的最小值和上述特性的波動幅如下所述。
·動態(tài)應(yīng)變量D33的最小值在驅(qū)動電場振幅為1000V/mm、溫度為80℃的場合，D33＝347pm/V。
·位移的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為1500V/mm的場合，波動幅為±5.6％。
·表觀動態(tài)電容的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為1000V/mm的場合，波動幅為±5.2％。
·位移/表觀動態(tài)電容的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為1500V/mm的場合，波動幅為±8.6％。
·位移/(表觀動態(tài)電容)0.5的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為1500V/mm的場合，波動幅為±6.9％。
其次，在-30℃～160℃的溫度范圍內(nèi)的動態(tài)應(yīng)變量D33的最小值和上述特性的波動幅如下所述。
·動態(tài)應(yīng)變量D33的最小值在驅(qū)動電場振幅為1000V/mm、溫度為80℃的場合，D33＝347pm/V。
·位移的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為1500V/mm的場合，波動幅為±11.5％。
·動態(tài)電容的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為1000V/mm的場合，波動幅為±34.6％。
·位移/表觀動態(tài)電容的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為1000V/mm的場合，波動幅為±27.1％。
·位移/(表觀動態(tài)電容)0.5的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為1000V/mm的場合，波動幅為±10.9％。
(實(shí)施例4)在本例中，以與實(shí)施例1不同的步驟制作與實(shí)施例1同樣組成的晶體取向壓電陶瓷，用該晶體取向壓電陶瓷制作壓電執(zhí)行元件。
即，首先將實(shí)施例1制作的NaNbO3片狀粉末、和非片狀的NaNbO3粉末、KNbO3粉末、KTaO3粉末、LiSbO3粉末、以及NaSbO3粉末進(jìn)行稱量，使其成為{Li0.07(K0.43Na0.57)0.93}{Nb0.84Ta0.09Sb0.07}O3的組成，以有機(jī)溶劑作為溶劑進(jìn)行20小時(shí)的濕式混合。
對漿料添加粘合劑(聚乙烯醇縮丁醛)以及可塑劑(鄰苯二甲酸二丁酯)后，再進(jìn)行2小時(shí)混合。
而且，NaNbO3片狀粉末的配合量設(shè)定為，由起始原料合成的第一KNN系固溶體(ABO3)的A位元素的5wt％是從NaNbO3片狀粉末供給的量。另外，非片狀的NaNbO3粉末、KNbO3粉末、KTaO3粉末、LiSbO3粉末、以及NaSbO3粉末是采用固相法、即將含有規(guī)定量的純度為99.9％的K2CO3粉末、Na2CO3粉末、Nb2O5粉末、Ta2O5粉末以及/或Sb2O5粉末的混合物在750℃加熱5小時(shí)，然后用球磨機(jī)粉碎反應(yīng)物而制作的。
其次，用帶狀成形裝置將混合的漿料成形為厚度約為1O0μm的帶狀。然后通過對該帶進(jìn)行層疊和壓接以及軋制，得到厚1.5mm的片狀成形體。其次，在大氣中將得到的片狀成形體以加熱溫度為600℃、加熱時(shí)間為5小時(shí)、升溫速度為50℃/hr、冷卻速度為爐冷的條件進(jìn)行脫脂。進(jìn)而，對脫脂后的片狀成形體以300MPa的壓力施以CIP處理后，在氧氣中在燒成溫度為1130℃、加熱時(shí)間為5小時(shí)、升溫和降溫速度為200℃/hr的條件下，在加熱時(shí)間的過程中進(jìn)行施加35kg/cm2(3.42MPa)的壓力的熱壓燒結(jié)。這樣，制作成壓電陶瓷(晶體取向壓電陶瓷)。
本實(shí)施例得到的晶體取向陶瓷的相對密度為95％以上。另外，擬立方{100}面相對于帶面平行地取向，根據(jù)勞特蓋爾丁法測定的擬立方{100}面的平均取向度達(dá)到96％。而且，對溫度為25℃的壓電特性的評價(jià)結(jié)果是，壓電d31常數(shù)為96.5pm/V、機(jī)電耦合系數(shù)kp為51.9％、機(jī)械品質(zhì)系數(shù)Qm為15.2、電容率(ε33t/ε0)為1079、介質(zhì)損耗tanδ為4.7％。另外，由電容率的溫度特性求得的第1結(jié)晶相轉(zhuǎn)變溫度(居里溫度)為279℃、第2結(jié)晶相轉(zhuǎn)變溫度為-28℃。
本實(shí)例的壓電執(zhí)行元件的特性示于表4、圖10、圖11、圖12、表11、表12、表13、以及表14。
正如從這些表以及圖所看到的那樣，在本例的壓電執(zhí)行元件中，在-30℃～80℃的溫度范圍內(nèi)的動態(tài)應(yīng)變量D33的最小值和上述特性的波動幅如下所述。
·動態(tài)應(yīng)變量D33的最小值在驅(qū)動電場振幅為1000V/mm、溫度為50℃的場合，D33＝427pm/V。
·位移的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為1000V/mm的場合，波動幅為±7.2％。
·表觀動態(tài)電容的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為2000V/mm的場合，波動幅為±6.1％。
·位移/表觀動態(tài)電容的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為1000V/mm的場合，波動幅為±8.0％。
·位移/(表觀動態(tài)電容)0.5的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為1000V/mm的場合，波動幅為±6.7％。
其次，在-30℃～160℃的溫度范圍內(nèi)的動態(tài)應(yīng)變量D33的最小值和上述特性的波動幅如下所述。
·動態(tài)應(yīng)變量D33的最小值在驅(qū)動電場振幅為1000V/mm、溫度50℃的場合，D33＝427pm/V。
·位移的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為2000V/mm的場合，波動幅為±9.4％。
·動態(tài)電容的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為2000V/mm的場合，波動幅為±28.4％。
·位移/表觀動態(tài)電容的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為1000V/mm的場合，波動幅為±32.4％。
·位移/(表觀動態(tài)電容)0.5的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為1000V/mm的場合，波動幅為±19.5％。
(實(shí)施例5)在本實(shí)施例中，制作具有在1mol實(shí)施例3的組合物{Li0.065(K0.45Na0.55)0.935}{Nb0.83Ta0.09Sb0.08}O3中外添了Mn 0.0005mol的組成的壓電陶瓷(晶體取向壓電陶瓷)，用該壓電陶瓷制作壓電執(zhí)行元件。
首先，稱量純度為99.99％以上的Na2CO3粉末、K2CO3粉末、Li2CO3粉末、Nb2O5粉末、Ta2O5粉末、Sb2O5粉末、以及MnO2粉末，使其成為從{Li0.07(K0.43Na0.57)0.93}{Nb0.84Ta0.09Sb0.07}O31mol+Mn 0.0005mol的組成中減掉0.05mol的NaNbO3而得到的組成，以有機(jī)溶劑作為介質(zhì)，用Zr球進(jìn)行20小時(shí)的濕式混合。然后，通過在750℃進(jìn)行5小時(shí)預(yù)燒，再以有機(jī)溶劑作為介質(zhì)用Zr球進(jìn)行20小時(shí)的濕式粉碎，得到平均粒徑約為0.5μm的預(yù)燒物粉末。
在以后的步驟中，除了脫脂后的片狀成形體的燒成溫度設(shè)為1105℃以外，按照與實(shí)施例1同樣的步驟，制作具有{Li0.065(K0.45Na0.55)0.935}{Nb0.83Ta0.09Sb0.08}O31mol+Mn 0.0005mol的組成的晶體取向陶瓷。
對于得到的晶體取向陶瓷，以與實(shí)施例1同樣的條件評價(jià)燒結(jié)體密度、平均取向度以及電壓特性。并且，按照與實(shí)施例1同樣的步驟制作40片壓電元件的層疊執(zhí)行元件，評價(jià)執(zhí)行元件的特性。而且，以電場強(qiáng)度的振幅為2V/mm(±1V)、正弦波、頻率為1kHz的條件評價(jià)執(zhí)行元件的靜電電容。
本實(shí)施例得到的晶體取向陶瓷的相對密度為95％以上。而且擬立方{100}面相對于帶面平行地取向，根據(jù)勞特蓋爾丁法測定的擬立方{100}面的平均取向度達(dá)到89.6％。另外，對溫度為25℃的壓電特性的評價(jià)結(jié)果是，壓電d31常數(shù)為99.1pm/V、機(jī)電耦合系數(shù)kp為52.0％、機(jī)械品質(zhì)系數(shù)Qm為20.3、電容率(ε33t/ε0)為1159、介質(zhì)損耗tanδ為2.7％。從中知道，添加Mn具有提高Qm、降低tanδ的效果。
另外，由電容率的溫度特性求得的第1結(jié)晶相轉(zhuǎn)變溫度(居里溫度)為263℃、第2結(jié)晶相轉(zhuǎn)變溫度為-15℃。
本實(shí)施例的壓電執(zhí)行元件的特性示于表5、圖13、圖14、圖15、表11、表12、表13、以及表14。
正如從這些表以及圖所看到的那樣，在本例的壓電執(zhí)行元件中，在-30℃～80℃的溫度范圍內(nèi)的動態(tài)應(yīng)變量D33的最小值和上述特性的波動幅如下所述。
·動態(tài)應(yīng)變量D33的最小值在驅(qū)動電場振幅為1000V/mm、溫度為50℃以及80℃的場合，D33＝355pm/V。
·位移的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為1000V/mm的場合，波動幅為±10.4％。
·表觀動態(tài)電容的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為1000V/mm的場合，波動幅為±4.9％。
·位移/表觀動態(tài)電容的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為1000V/mm的場合，波動幅為±10.7％。
·位移/(表觀動態(tài)電容)0.5的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為1000V/mm的場合，波動幅為±7.2％。
并且，在-30℃～160℃的溫度范圍內(nèi)的動態(tài)應(yīng)變量D33的最小值和上述特性的波動幅如下所述。
·動態(tài)應(yīng)變量D33的最小值在驅(qū)動電場振幅為1000V/mm、溫度為50℃以及80℃的場合，D33＝355pm/V。
·位移的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為1000V/mm的場合，波動幅為±11.8％。
·動態(tài)電容的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為1000V/mm的場合，波動幅為±26.9％。
·位移/表觀動態(tài)電容的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為1000V/mm的場合，波動幅為±21.3％。
·位移/(表觀動態(tài)電容)0.5的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為1000V/mm的場合，波動幅為±12.4％。
由該結(jié)果知道，添加Mn具有減小-30℃～160℃的溫度范圍內(nèi)的表觀動態(tài)電容的波動幅的效果。
此外，對于本例的壓電執(zhí)行元件的靜電電容進(jìn)行說明。
本實(shí)例的壓電執(zhí)行元件的靜電電容在-30℃～160℃的范圍內(nèi)為小于表觀動態(tài)電容的值。而且，在-30℃～80℃的范圍內(nèi)的波動幅為±4.8％，與電場強(qiáng)度為1000V/mm時(shí)的表觀動態(tài)電容的波動幅大致相同。另一方面，在-30℃～160℃的范圍內(nèi)的波動幅為±5.2％，成為遠(yuǎn)小于表觀動態(tài)電容的波動幅的值。可以認(rèn)為，該動態(tài)電容和靜電電容的差異是電場強(qiáng)度的差異所決定的。
因此可以認(rèn)為，波動幅的差異的原因是在80℃以上的高溫的溫度區(qū)域內(nèi)，在電場強(qiáng)度為1000V/mm以上時(shí)，由于漏電流的增加而使表觀動態(tài)電容增加，但另一方面，在電場強(qiáng)度為2V/mm時(shí)，幾乎沒有漏電流，靜電電容不增加。
從以上知道，在本例的壓電執(zhí)行元件中，通過使驅(qū)動電場強(qiáng)度小于1000V/mm，能夠在-30℃～160℃的寬廣的溫度范圍內(nèi)減低表觀動態(tài)電容的波動幅?？梢哉J(rèn)為，其可能達(dá)成的水平可以達(dá)到與單板的動態(tài)電容的溫度特性相同程度。
(比較例1)該比較例中，是使用軟質(zhì)系和硬質(zhì)系的中間特性(半硬質(zhì))的正方晶的PZT材料的層疊執(zhí)行元件的實(shí)例，該層疊執(zhí)行元件適合于汽車用燃料噴射閥用的層疊執(zhí)行元件。在此，所謂軟質(zhì)系是指Qm為100以下的材料，所謂硬質(zhì)系是指Qm為1000以上的材料。燃料噴射閥用的層疊執(zhí)行元件用于定電壓控制或定能量控制或定電荷控制中，并通過梯形波驅(qū)動使閥門開閉，從而控制燃料的噴霧。對執(zhí)行元件的特性要求位移性能高、以及各控制方式中的位移的溫度特性小。
稱量PbO粉末、ZrO2粉末、TiO2粉末、SrCO3粉末、Y2O3粉末、Nb2O5粉末、Mn2O3粉末，使其成為(Pb0.92Sr0.09){(Zr0.543Ti0.457)0.9855(Y0.5Nb0.5)0.01Mn0.005}O3的組成，以水作為介質(zhì)，用Zr球進(jìn)行濕式混合。然后，在790℃進(jìn)行7小時(shí)預(yù)燒，再以有機(jī)溶劑作為介質(zhì)，用Zr球進(jìn)行濕式粉碎，得到平均粒徑約為0.7μm的預(yù)燒物粉末的漿料。
對該漿料添加粘合劑(聚乙烯醇縮丁醛)以及可塑劑(鄰苯二甲酸丁芐酯)后，再用Zr球進(jìn)行20小時(shí)混合。
其次，用帶狀成形裝置將混合的漿料成形為厚度約為100μm的帶狀，然后通過對該帶進(jìn)行層疊和熱壓接，得到厚1.2mm的片狀成形體，接著，在大氣中對得到的片狀成形體進(jìn)行脫脂。進(jìn)而，將脫脂后的片狀成形體配置于氧化鋁燒箱中的MgO板上，在大氣中于1170℃進(jìn)行2小時(shí)燒結(jié)。以后的步驟中，使用Ag糊作為電極材料進(jìn)行焙燒，除此以外，與實(shí)施例1相同。
該比較例的壓電陶瓷的相對密度為95％以上。另外，對溫度為25℃的壓電特性的評價(jià)結(jié)果是，壓電d31常數(shù)為158.0pm/V、機(jī)電耦合系數(shù)kp為60.2％、機(jī)械品質(zhì)系數(shù)Qm為540、電容率(ε33t/ε0)為1701、介質(zhì)損耗tanδ為0.2％。
該比較例的執(zhí)行元件特性示于表6、圖16、圖17、圖18、表15、表16、表17、表18。
正如從這些表以及圖所看到的那樣，本比較例的壓電執(zhí)行元件在-30℃～70℃的溫度范圍內(nèi)的動態(tài)應(yīng)變量D33的最小值和上述特性的波動幅如下所述。
·動態(tài)應(yīng)變量D33的最小值在驅(qū)動電場振幅為2000V/mm以及1500V/mm、溫度為-30℃的場合，為553pm/V。
·位移的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為2000V/mm的場合，波動幅為±5.6％。
·表觀動態(tài)電容的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為1500V/mm的場合，為±14.5％。
·位移/表觀動態(tài)電容的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為1500V/mm的場合，為±10.5％。
并且，在-30℃～160℃的溫度范圍內(nèi)的動態(tài)應(yīng)變量D33的最小值和上述特性的波動幅如下所述。
·動態(tài)應(yīng)變量D33的最小值在驅(qū)動電場振幅為2000V/mm以及1500V/mm、溫度為-30℃的場合，為553pm/V。
·位移的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為2000V/mm的場合，為±11.1％。
·表觀動態(tài)電容的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為1500V/mm的場合，為±33.5％。
·位移/表觀動態(tài)電容的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為1500V/mm的場合，為±23.7％。
(比較例2)該比較例2是使用軟質(zhì)系的菱形晶的PZT材料的層疊執(zhí)行元件的實(shí)例，該層疊執(zhí)行元件適合于環(huán)境溫度變化較小的半導(dǎo)體制造裝置等的位置確定用的層疊執(zhí)行元件。位置確定用的層疊執(zhí)行元件是在環(huán)境溫度變化小的場所使用，因此要求高的位移性能，但不要求溫度特性優(yōu)良。
稱量PbO粉末、ZrO2粉末、TiO2粉末、SrCO3粉末、Y2O3粉末、Nb2O5粉末，使其成為(Pb0.895Sr0.115){(Zr0.57Ti0.43)0.978(Y0.5Nb0.5)0.01Nb0.012}O3的組成，以水作為介質(zhì)，用Zr球進(jìn)行20小時(shí)濕式混合。然后，在875℃進(jìn)行預(yù)燒5小時(shí)，再以水作為介質(zhì)用Zr球進(jìn)行濕式粉碎。對該漿料添加粘合劑(聚乙烯醇)，使其為預(yù)燒粉末的1wt％，然后采用噴霧干燥器進(jìn)行干燥和造粒。
其次，用模具通過干式壓制成形得到直徑φ15mm、厚2mm的成形體。然后，將得到的圓片狀成形體在大氣中進(jìn)行脫脂。進(jìn)而對脫脂后的片狀成形體以200MPa的壓力施以CIP處理后，配置于氧化鋁燒箱中的MgO板上，在大氣中于1260℃進(jìn)行2小時(shí)燒結(jié)。以后的步驟與比較例1相同。
該比較例的壓電陶瓷的相對密度為95％以上。另外，對溫度為25℃的壓電特性的評價(jià)結(jié)果是，壓電d31常數(shù)為212.7pm/V、機(jī)電耦合系數(shù)kp為67.3％、機(jī)械品質(zhì)系數(shù)Qm為47.5、電容率(ε33t/ε0)為1943、介質(zhì)損耗tanδ為2.1％。
該比較例的執(zhí)行元件特性示于表7、圖19、圖20、圖21、表15、表16、表17、表18。
正如從這些表以及圖所看到的那樣，本例的壓電執(zhí)行元件在-30℃～70℃的溫度范圍內(nèi)的動態(tài)應(yīng)變量D33的最小值和上述特性的波動幅如下所述。
·動態(tài)應(yīng)變量D33的最小值在驅(qū)動電場振幅為2000V/mm、溫度為-30℃的場合，為482pm/V。
·位移的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為1500V/mm的場合，波動幅為±23.7％。
·表觀動態(tài)電容的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為1500V/mm的場合，為±37.9％。
·位移/表觀動態(tài)電容的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為1500V/mm的場合，為±15.5％。
并且，在-30℃～160℃的溫度范圍內(nèi)的動態(tài)應(yīng)變量D33的最小值和上述特性的波動幅如下所述。
·動態(tài)應(yīng)變量D33的最小值在驅(qū)動電場振幅為2000V/mm、溫度為-30℃的場合，為482pm/V。
·位移的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為1500V/mm的場合，為±38.5％。
·表觀動態(tài)電容的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為1500V/mm的場合，為±63.5％。
·位移/表觀動態(tài)電容的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為2000V/mm以及1500V/mm的場合，為±33.1％。
(比較例3)本比較例3是使用軟質(zhì)系的正方晶的PZT材料的層疊執(zhí)行元件的實(shí)例，該層疊執(zhí)行元件適合于汽車用的爆燃傳感器。爆燃傳感器是利用壓電陶瓷的壓電效果將汽油發(fā)動機(jī)的爆燃轉(zhuǎn)化為電壓而進(jìn)行檢測，并沒有作為執(zhí)行元件的功能。
稱量PbO粉末、ZrO2粉末、TiO2粉末、SrTiO3粉末、Sb2O3粉末，使其成為(Pb0.95Sr0.05){(Zr0.53Ti0.47)0.978Sb0.022}O3的組成，以水作為介質(zhì)，用Zr球進(jìn)行20小時(shí)濕式混合。然后，在825℃進(jìn)行預(yù)燒5小時(shí)，再以水作為介質(zhì)用Zr球進(jìn)行濕式粉碎。以后的步驟中，除了燒結(jié)溫度設(shè)為1230℃以外，與比較例2相同。
該比較例的壓電陶瓷的相對密度為95％以上。另外，對溫度為25℃的壓電特性的評價(jià)結(jié)果是，壓電d31常數(shù)為203.4pm/V、機(jī)電耦合系數(shù)kp為62.0％、機(jī)械品質(zhì)系數(shù)Qm為55.8、電容率(ε33t/ε0)為2308、介質(zhì)損耗tanδ為1.4％。
該比較例的執(zhí)行元件特性示于表8、圖22、圖23、圖24、表15、表16、表17、表18。
正如從這些表以及圖所看到的那樣，本比較例的壓電執(zhí)行元件在-30℃～70℃的溫度范圍內(nèi)的動態(tài)應(yīng)變量D33的最小值和上述特性的波動幅如下所述。
·動態(tài)應(yīng)變量D33的最小值在驅(qū)動電場振幅為1500V/mm、溫度為-30℃的場合，為663pm/V。
·位移的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為2000V/mm的場合，為±10.4％。
·表觀動態(tài)電容的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為1500V/mm的場合，為±17.9％。
·位移/表觀動態(tài)電容的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為1500V/mm的場合，為±10.2％。
并且，在-30℃～160℃的溫度范圍內(nèi)的動態(tài)應(yīng)變量D33的最小值和上述特性的波動幅如下所述。
·動態(tài)應(yīng)變量D33的最小值在驅(qū)動電場振幅為1500V/mm、溫度為-30℃的場合，為663pm/V。
·位移的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為1500V/mm的場合，為±14.8％。
·表觀動態(tài)電容的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為1500V/mm的場合，為±32.3％。
·位移/表觀動態(tài)電容的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為1500V/mm的場合，為±18.4％。
(比較例4)本比較例4是使用半硬質(zhì)系的正方晶的PZT材料的層疊執(zhí)行元件的實(shí)例，該層疊執(zhí)行元件適合于高輸出的超聲波發(fā)動機(jī)。超聲波發(fā)動機(jī)使粘貼在定子上的壓電陶瓷環(huán)以數(shù)10kHz共振驅(qū)動，并使壓接在定子上的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。對于執(zhí)行元件特性，要求較高的位移性能和優(yōu)良的位移的溫度特性。
稱量PbO粉末、ZrO2粉末、TiO2粉末、SrCO3粉末、Sb2O3粉末、MnCO3粉末，使其成為(Pb0.965Sr0.05){(Zr0.5Ti0.5)0.96Sb0.03Mn0.01}O3的組成，以水作為介質(zhì)，用Zr球進(jìn)行濕式混合。然后，在875℃進(jìn)行預(yù)燒5小時(shí)，再以水作為介質(zhì)用Zr球進(jìn)行濕式粉碎。以后的步驟中，除了燒結(jié)溫度設(shè)為1230℃以外，與比較例2相同。
該比較例的壓電陶瓷的相對密度為95％以上。對溫度為25℃的壓電特性的評價(jià)結(jié)果是，壓電d31常數(shù)為136.9pm/V、機(jī)電耦合系數(shù)kp為57.9％、機(jī)械品質(zhì)系數(shù)Qm為850、電容率(ε33t/ε0)為1545、介質(zhì)損耗tanδ為0.2％。
該比較例的執(zhí)行元件特性示于表9、圖25、圖26、圖27、表15、表16、表17、表18。
正如從這些表以及圖所看到的那樣，本比較例的壓電執(zhí)行元件在-30℃～70℃的溫度范圍內(nèi)的動態(tài)應(yīng)變量D33的最小值和上述特性的波動幅如下所述。
·動態(tài)應(yīng)變量D33的最小值在驅(qū)動電場振幅為1500V/mm、溫度為-30℃的場合，為409pm/V。
·位移的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為2000V/mm的場合，為±6.0％。
·表觀動態(tài)電容的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為1500V/mm的場合，為±15.8％。
·位移/表觀動態(tài)電容的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為1500V/mm的場合，為±11.5％。
并且，在-30℃～160℃的溫度范圍內(nèi)的動態(tài)應(yīng)變量D33的最小值和上述特性的波動幅如下所述。
·動態(tài)應(yīng)變量D33的最小值在驅(qū)動電場振幅為1500V/mm、溫度為-30℃的場合，為409pm/V。
·位移的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為1500V/mm的場合，為±15.2％。
·表觀動態(tài)電容的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為1500V/mm的場合，為±36.7％。
·位移/表觀動態(tài)電容的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為1500V/mm的場合，為±22.7％。
(比較例5)比較例5是使用硬質(zhì)系的正方晶的PZT材料的層疊執(zhí)行元件的實(shí)例，該層疊執(zhí)行元件適合于高靈敏度的角速度傳感器。角速度傳感器具有使壓電陶瓷音叉以數(shù)kHz頻率共振驅(qū)動的執(zhí)行元件功能、以及檢測角速度的傳感器功能這兩者。對于執(zhí)行元件的特性，位移性能可以較低，但要求位移的溫度特性小。
稱量PbO粉末、ZrO2粉末、TiO2粉末、ZnO粉末、MnCO3粉末、Nb2O5粉末，使其成為Pb{(Zr0.5Ti0.5)0.98(Zn0.33Nb0.67)0.01Mn0.01}O3的組成，以水作為介質(zhì)，用Zr球進(jìn)行濕式混合。然后，在800℃進(jìn)行5小時(shí)預(yù)燒，再以水作為介質(zhì)用Zr球進(jìn)行濕式粉碎。以后的步驟中，除了燒結(jié)溫度設(shè)為1200℃以外，與比較例2相同。
該比較例的壓電陶瓷的相對密度為95％以上。另外，對溫度為25℃的壓電特性的評價(jià)結(jié)果是，壓電d31常數(shù)為103.6pm/V、機(jī)電耦合系數(shù)kp為54.1％、機(jī)械品質(zhì)系數(shù)Qm為1230、電容率(ε33t/ε0)為1061、介質(zhì)損耗tanδ為0.2％。
該比較例的執(zhí)行元件特性示于表10、圖28、圖29、圖30、表15、表16、表17、表18。
正如從這些表以及圖所看到的那樣，本比較例的壓電執(zhí)行元件在-30℃～70℃的溫度范圍內(nèi)的動態(tài)應(yīng)變量D33的最小值和上述特性的波動幅如下所述。
·動態(tài)應(yīng)變量D33的最小值在驅(qū)動電場振幅為1500V/mm、溫度為20℃的場合，為295pm/V。該動態(tài)應(yīng)變量D33的最小值小于實(shí)施例1的303pm/V。
·位移的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為2000V/mm的場合，為±3.2％。
·表觀動態(tài)電容的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為1500V/mm的場合，為±14.3％。
·位移/表觀動態(tài)電容的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為1500V/mm的場合，為±13.9％。
并且，在-30℃～160℃的溫度范圍內(nèi)的動態(tài)應(yīng)變量D33的最小值和上述特性的波動幅如下所述。
·動態(tài)應(yīng)變量D33的最小值在驅(qū)動電場振幅為1500V/mm、溫度為20℃的場合，為295pm/V。
·位移的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為1500V/mm的場合，為±11.1％。
·表觀動態(tài)電容的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅為1500V/mm的場合，為±32.4％。
·位移/表觀動態(tài)電容的波動幅的最大值在驅(qū)動電場振幅1500V/mm的場合，為±24.5％。
(實(shí)施例6)漏電流與電容的分離在該例中，為了研究表觀動態(tài)電容如實(shí)施例1～5所示那樣在80℃以上上升的原因是否是如實(shí)施例5那樣由于漏電流的增加引起的，使用實(shí)施例1、實(shí)施例4、以及比較例1制作的壓電陶瓷(單板)，評價(jià)動態(tài)電容的溫度特性。
在此，動態(tài)電容的測定如下，在以頻率為1Hz的三角形波外加電場強(qiáng)度為2000V/mm(0～970V)的高電壓而進(jìn)行驅(qū)動的場合，由下述的式A9從極化量-電壓磁滯回線測定極化量，以此為基礎(chǔ)，算出高電場下驅(qū)動時(shí)的注入電荷量，并作為動態(tài)電容。
動態(tài)電容C＝Q/V A9式中，V外加電壓(＝970V)、Q最大電荷[C]。
對實(shí)施例1和實(shí)施例4制作的單板在80℃以上的溫度區(qū)域中反復(fù)外加電壓時(shí)，由于漏電流而引起了極化量的零點(diǎn)漂移的現(xiàn)象。因此，為了評價(jià)磁滯回線，對10次反復(fù)地外加電壓所觀測到的電壓-極化量特性進(jìn)行修正，以使電壓＝0的時(shí)候，極化量＝0，而且用并聯(lián)有線性電阻的模型通過除去漏電流而得到磁滯回線。由該磁滯回線求得的動態(tài)電容與表觀動態(tài)電容不同，是用除去漏電流后的、來自于介質(zhì)成分和極化反轉(zhuǎn)成分以及極化旋轉(zhuǎn)成分的充電電荷除以外加電壓而得到的。反復(fù)畫10次該磁滯回線，以最大電荷量的平均值作為極化量。
另一方面，即使對比較例1制作的單板反復(fù)外加電壓，也沒有極化量的零點(diǎn)漂移的現(xiàn)象。在磁滯回線的評價(jià)中，與上述同樣地反復(fù)外加電壓10次所觀測到的最大電荷量的平均值作為極化量。
另外，對這樣求得的單板的動態(tài)電容乘以執(zhí)行元件的元件片數(shù)40，與實(shí)施例1、實(shí)施例4、以及比較例1制作的執(zhí)行元件的表觀動態(tài)電容相比較的結(jié)果分別示于圖31、圖32、以及圖33。
正如從圖31、圖32、以及圖33所知道的那樣，比較例1的(執(zhí)行元件的表觀動態(tài)電容)與(單板的動態(tài)電容×40)的值大致一致，但是在實(shí)施例1和實(shí)施例4中，(執(zhí)行元件的表觀動態(tài)電容)與(單板的動態(tài)電容×40)的值有很大差異。(執(zhí)行元件的表觀動態(tài)電容)在80℃以上的高溫區(qū)域中是上升的，但是(單板的動態(tài)電容×40)的值大致恒定。有關(guān)在-30℃～160℃的溫度范圍內(nèi)的(單板的動態(tài)電容×40)的波動幅，在實(shí)施例1中為±7.6％、在實(shí)施例4中為±2.2％。
從以上知道，本發(fā)明的壓電執(zhí)行元件如果降低大約80℃以上的高溫的漏電流、或者相反使80℃以下的漏電流增加，則在-30℃～160℃的寬廣的溫度范圍內(nèi)，即使是驅(qū)動電場強(qiáng)度為2000V/mm的高電場驅(qū)動，表觀動態(tài)電容的波動幅也能夠降低?？梢哉J(rèn)為，其可能達(dá)成的水平可以達(dá)到與單板的動態(tài)電容的溫度特性相同程度。
(實(shí)施例7)動態(tài)應(yīng)變量的下限值的規(guī)定如實(shí)施例5所示那樣，通過使驅(qū)動電場強(qiáng)度小于1000V/mm，在-30℃～160℃的寬廣的溫度范圍內(nèi)，能夠減小表觀動態(tài)電容的波動幅。但是，如果降低驅(qū)動電場強(qiáng)度，動態(tài)應(yīng)變量也減小。在該實(shí)施例中，求出本發(fā)明的執(zhí)行元件在降低了驅(qū)動電場強(qiáng)度的場合的動態(tài)應(yīng)變量。
實(shí)施例1～5制作的執(zhí)行元件的驅(qū)動電場強(qiáng)度與20℃的動態(tài)應(yīng)變量的關(guān)系示于圖34?？梢灾?，在作為執(zhí)行元件所必要的驅(qū)動電場強(qiáng)度的下限值即100V/mm的地方，動態(tài)應(yīng)變量為250pm/V以上。
(實(shí)施例8)動態(tài)應(yīng)變量在低電場中的溫度特性的規(guī)定在本實(shí)施例中，求出低于1000V/mm的低驅(qū)動電場強(qiáng)度下，動態(tài)應(yīng)變量小的場合的位移的波動幅。
為此，必須降低對壓電執(zhí)行元件的外加電壓來進(jìn)行測定，對于該實(shí)施例制作的壓電執(zhí)行元件，在電場強(qiáng)度不足500V/mm時(shí)，位移小，測定精度可能變差。此外，其溫度特性的評價(jià)更加困難。
因此，如果測定單板的壓電橫向應(yīng)變常數(shù)d31，則盡管位移的絕對值的推測困難，但位移的溫度特性的推測是可能的，因此在本實(shí)施例中，采用共振-反共振法來實(shí)施單板的壓電橫向應(yīng)變常數(shù)d31的測定。
對實(shí)施例5制作的單板的壓電d31常數(shù)的溫度特性的測定值、和實(shí)施例5得到的1000～2000V/mm的驅(qū)動電場強(qiáng)度下的動態(tài)應(yīng)變量分別以20℃的值標(biāo)準(zhǔn)化后進(jìn)行比較的結(jié)果示于圖35。有關(guān)在-30℃～80℃的溫度范圍內(nèi)的單板的壓電d31常數(shù)的波動幅，在實(shí)施例5中為±7.8％。另外，有關(guān)在-30℃～160℃的溫度范圍內(nèi)的單板的壓電d31常數(shù)的波動幅，在實(shí)施例5中為±7.8％。該值與1000～2000V/mm的驅(qū)動電場強(qiáng)度下的動態(tài)應(yīng)變量的波動幅相同、或者為較小的值。
從以上知道，即使使驅(qū)動電場強(qiáng)度低于1000V/mm，本發(fā)明的執(zhí)行元件在-30℃～160℃的寬廣的溫度范圍內(nèi)，也能夠降低位移的波動幅。
(表1)實(shí)施例1

(表2)實(shí)施例2

(表3)實(shí)施例3

(表4)實(shí)施例4

(表5)實(shí)施例5

(表6)比較例1

(表7)比較例2

(表8)比較例3

(表9)比較例4

(表10)比較例5

表11

表12

表13

表14

表15

表16

表17

表18

權(quán)利要求
1.一種壓電執(zhí)行元件，其具有在壓電陶瓷的表面形成1對電極而構(gòu)成的壓電元件作為驅(qū)動源，其特征在于對所述壓電執(zhí)行元件外加電壓，以電場強(qiáng)度為100V/mm以上的具有恒定振幅的電場驅(qū)動條件使其驅(qū)動的場合，所述壓電執(zhí)行元件滿足下述要件(a)～(c)中的至少一個(gè)要件，(a)下述式(1)表示的表觀動態(tài)電容C[F]的隨溫度變化產(chǎn)生的波動幅WC[％]在-30℃～80℃的特定溫度范圍內(nèi)為±11％以內(nèi)，其中，C[F]為所述壓電執(zhí)行元件的表觀動態(tài)電容，當(dāng)所述壓電執(zhí)行元件與電容器串聯(lián)連接，并對所述壓電執(zhí)行元件以及所述電容器外加電壓時(shí)，C[F]可通過用所述電容器中積蓄的電荷量Q[C]除以外加到所述壓電執(zhí)行元件上的電壓V[V]而算出，WC(％)＝[{2×Cmax/(Cmax+Cmin)}-1]×100 (1)其中，Cmax表示在-30℃～80℃的表觀動態(tài)電容的最大值，Cmin表示在-30℃～80℃的表觀動態(tài)電容的最小值；(b)下述式(2)表示的位移L[μm]的隨溫度變化產(chǎn)生的波動幅WL[％]在-30℃～80℃的特定溫度范圍內(nèi)為±14％以內(nèi)，其中，L[μm]為所述壓電執(zhí)行元件的位移，WL[％]＝[{2×Lmax/(Lmax+Lmin)}-1]×100(2)其中，Lmax表示在-30℃～80℃的位移的最大值，Lmin表示在-30℃～80℃的位移的最小值；(c)下述式(3)表示的L/C的隨溫度變化產(chǎn)生的波動幅WL/C(％)在-30℃～80℃的特定溫度范圍內(nèi)為±12％％以內(nèi)，其中，C[F]為所述壓電執(zhí)行元件的表觀動態(tài)電容，L[μm]為所述壓電執(zhí)行元件的位移，當(dāng)所述壓電執(zhí)行元件與電容器串聯(lián)連接，并對所述壓電執(zhí)行元件以及所述電容器外加電壓時(shí)，所述C[F]可通過用所述電容器中積蓄的電荷量Q[C]除以外加到所述壓電執(zhí)行元件上的電壓V[V]而算出，WL/C[％]＝[{2×(L/C)max/((L/C)max+(L/C)min)}-1]×100(3)其中，(L/C)max表示在-30℃～80℃的L/C的最大值，(L/C)min表示在-30℃～80℃的L/C的最小值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電執(zhí)行元件，其特征在于滿足所述要件(a)和所述要件(b)這兩者。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電執(zhí)行元件，其特征在于滿足所述要件(a)～(c)的全部要件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1～3的任何一項(xiàng)所述的壓電執(zhí)行元件，其特征在于還滿足下述要件(d)，(d)下述式(4)表示的L/C0.5的隨溫度變化產(chǎn)生的波動幅WL/C0.5，在-30℃～80℃的特定溫度范圍內(nèi)為±12％以內(nèi)，其中，L/C0.5為所述壓電執(zhí)行元件的位移L[μm]與所述表觀動態(tài)電容C[F]的平方根之比，WL/C0.5(％)＝[{2×(L/C0.5)max/((L/C0.5)max+(L/C0.5)min)}-1]×100(4)式中，(L/C0.5)max表示在-30℃～80℃的L/C0.5的最大值，(L/C0.5)min表示在-30℃～80℃的L/C0.5的最小值。
5.根據(jù)權(quán)利要求1～4的任何一項(xiàng)所述的壓電執(zhí)行元件，其特征在于還滿足下述要件(e)，(e)通過用所述壓電執(zhí)行元件在外加電場方向的應(yīng)變除以電場強(qiáng)度計(jì)算的動態(tài)應(yīng)變量在-30℃～80℃的特定溫度范圍內(nèi)為250pm/V以上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1～5的任何一項(xiàng)所述的壓電執(zhí)行元件，其特征在于還滿足下述要件(f)，(f)所述波動幅WC[％]在-30℃～160℃的特定溫度范圍內(nèi)為±35％以內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1～6的任何一項(xiàng)所述的壓電執(zhí)行元件，其特征在于還滿足下述要件(g)，(g)所述波動幅WL[％]在-30℃～160℃的特定溫度范圍內(nèi)為±14％以內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1～7的任何一項(xiàng)所述的壓電執(zhí)行元件，其特征在于還滿足下述要件(h)，(h)所述波動幅WL/C[％]在-30℃～160℃的特定溫度范圍內(nèi)為±35％以內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1～8的任何一項(xiàng)所述的壓電執(zhí)行元件，其特征在于還滿足下述要件(i)，(i)所述波動幅WL/C0.5[％]在-30℃～160℃的特定溫度范圍內(nèi)為±20％以內(nèi)。
10.一種壓電執(zhí)行元件，其具有在壓電陶瓷的表面形成1對電極而構(gòu)成的壓電元件作為驅(qū)動源，其特征在于對所述壓電執(zhí)行元件外加電壓，以電場強(qiáng)度為100V/mm以上的具有恒定振幅的電場驅(qū)動條件使其驅(qū)動的場合，所述壓電執(zhí)行元件滿足下述要件(j)～(l)中的至少一個(gè)要件，(j)下述式(5)表示的表觀動態(tài)電容C[F]的隨溫度變化產(chǎn)生的波動幅WC[％]在-30℃～160℃的特定溫度范圍內(nèi)為±30％以內(nèi)，其中，C[F]為所述壓電執(zhí)行元件的表觀動態(tài)電容，當(dāng)所述壓電執(zhí)行元件與電容器串聯(lián)連接，并對所述壓電執(zhí)行元件以及所述電容器外加電壓時(shí)，C[F]可通過用所述電容器中積蓄的電荷量Q[C]除以外加到所述壓電執(zhí)行元件上的電壓V[V]而算出，WC(％)＝[{2×Cmax/(Cmax+Cmin)}-1]×100(5)其中，Cmax表示在-30℃～160℃的表觀動態(tài)電容的最大值，Cmin表示在-30℃～160℃的表觀動態(tài)電容的最小值；(k)下述式(6)表示的位移L[μm]的隨溫度變化產(chǎn)生的波動幅WL[％]在-30℃～160℃的特定溫度范圍內(nèi)為±14％以內(nèi)，其中，L[μm]為所述壓電執(zhí)行元件的位移，WL[％]＝[{2×Lmax/(Lmax+Lmin)}-1]×100(6)其中，Lmax表示在-30℃～160℃的位移的最大值，Lmin表示在-30℃～160℃的位移的最小值；(1)下述式(7)表示的L/C的隨溫度變化產(chǎn)生的波動幅WL/C(％)，在-30℃～160℃的特定溫度范圍內(nèi)為±35％以內(nèi)，其中，C[F]為所述壓電執(zhí)行元件的表觀動態(tài)電容，L[μm]為所述壓電執(zhí)行元件的位移，當(dāng)所述壓電執(zhí)行元件與電容器串聯(lián)連接，并對所述壓電執(zhí)行元件以及所述電容器外加電壓時(shí)，所述C[F]可通過用所述電容器中積蓄的電荷量Q[C]除以外加到所述壓電執(zhí)行元件上的電壓V[V]而算出，WL/C[％]＝[{2×(L/C)max/((L/C)max+(L/C)min)}-1]×100 (7)其中，(L/C)max表示在-30℃～160℃的L/C的最大值，(L/C)min表示在-30℃～160℃的L/C的最小值。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的壓電執(zhí)行元件，其特征在于滿足所述要件(j)和所述要件(k)這二者。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的壓電執(zhí)行元件，其特征在于滿足所述要件(j)～(l)的全部要件。
13.根據(jù)權(quán)利要求10～12項(xiàng)中任何一項(xiàng)所述的壓電執(zhí)行元件，其特征在于還滿足下述要件(m)，(m)下述式(8)表示的L/C0.5的隨溫度變化產(chǎn)生的波動幅WL/C0.5[％]在-30℃～160℃的特定溫度范圍內(nèi)為±20％以內(nèi)，其中，L/C0.5為所述壓電執(zhí)行元件的位移L[μm]與所述表觀動態(tài)電容C[F]的平方根之比，WL/C0.5(％)＝[{2×(L/C0.5)max/((L/C0.5)max+(L/C0.5)min)}-1]×100(8)其中，(L/C0.5)max表示在-30℃～160℃的特定溫度范圍內(nèi)的L/C0.5的最大值，(L/C0.5)min表示在-30℃～160℃的特定范圍內(nèi)的L/C0.5的最小值。
14.根據(jù)權(quán)利要求10～13項(xiàng)中任何一項(xiàng)所述的壓電執(zhí)行元件，其特征在于還滿足下述要件(n)，(n)通過用所述壓電執(zhí)行元件在外加電場方向的應(yīng)變除以電場強(qiáng)度而計(jì)算的動態(tài)應(yīng)變量在-30℃～160℃的特定溫度范圍內(nèi)為250pm/V以上。
15.根據(jù)權(quán)利要求10～14中任何一項(xiàng)所述的壓電執(zhí)行元件，其特征在于包含具有正的電阻溫度系數(shù)的PTC電阻器，所述PTC電阻器與具有負(fù)的電阻溫度系數(shù)的所述壓電陶瓷并聯(lián)電連接，同時(shí)按照所述PTC電阻器的溫度與所述壓電陶瓷的溫度大致相等的位置關(guān)系進(jìn)行配置。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的壓電執(zhí)行元件，其特征在于所述PTC電阻器是鈦酸鋇系半導(dǎo)體，在溫度為80℃以上的溫度區(qū)域中具有正的電阻溫度系數(shù)。
17.根據(jù)權(quán)利要求1～16中任何一項(xiàng)所述的壓電執(zhí)行元件，其特征在于所述壓電執(zhí)行元件具有由多個(gè)所述壓電陶瓷層疊而形成的層疊型壓電元件作為所述壓電元件，并用于燃料噴射閥。
18.根據(jù)權(quán)利要求1～17中任何一項(xiàng)所述的壓電執(zhí)行元件，其特征在于所述壓電陶瓷由含有選自Li、K以及Na中的至少1種的含堿金屬的壓電陶瓷構(gòu)成。
19.根據(jù)權(quán)利要求1～18中任何一項(xiàng)所述的壓電執(zhí)行元件，其特征在于所述壓電陶瓷不含鉛。
20.根據(jù)權(quán)利要求1～19中任何一項(xiàng)所述的壓電執(zhí)行元件，其特征在于所述壓電陶瓷由以通式{Lix(K1-yNay)1-x}{Nb1-z-wTazSbw}O3表示的各向同性鈣鈦礦型化合物作為主相的多晶體構(gòu)成，同時(shí)由構(gòu)成所述多晶體的各晶粒的特定晶面處于取向狀態(tài)的晶體取向壓電陶瓷構(gòu)成，上式中，0≤x≤0.2、0≤y≤1、0≤z≤0.4、0≤w≤0.2、x+z+w＞0。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的壓電執(zhí)行元件，其特征在于在所述晶體取向壓電陶瓷中，所述通式{Lix(K1-yNay)1-x}{Nb1-z-wTazSbw}O3中的x、y以及z滿足下述式(9)和式(10)的關(guān)系。9x-5z-17w≥-318(9)-18.9x-3.9z-5.8w≤-130(10)
22.根據(jù)權(quán)利要求20或21所述的壓電執(zhí)行元件，其特征在于所述晶體取向壓電陶瓷的采用勞特蓋爾丁法測定的擬立方{100}面的取向度為30％以上，且在10℃～160℃的溫度范圍內(nèi)，結(jié)晶系為正方晶。
全文摘要
一種具有在壓電陶瓷的表面形成一對電極而構(gòu)成的壓電元件(2)作為驅(qū)動源的壓電執(zhí)行元件(1)。壓電執(zhí)行元件(1)滿足下述要件(a)～(c)中的至少一個(gè)要件。(a)表觀動態(tài)電容C[F]的隨溫度變化產(chǎn)生的波動幅W
文檔編號H02N2/00GK101019247SQ20058003071
公開日2007年8月15日 申請日期2005年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月13日
發(fā)明者長屋年厚, 野野山龍彥, 中村雅也, 齋藤康善, 高尾尚史, 本間隆彥, 鷹取一雅 申請人:株式會社電裝