JP2003128459A - 圧電セラミックス、圧電素子、および積層型圧電素子 - Google Patents
圧電セラミックス、圧電素子、および積層型圧電素子Info
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- JP2003128459A JP2003128459A JP2001324938A JP2001324938A JP2003128459A JP 2003128459 A JP2003128459 A JP 2003128459A JP 2001324938 A JP2001324938 A JP 2001324938A JP 2001324938 A JP2001324938 A JP 2001324938A JP 2003128459 A JP2003128459 A JP 2003128459A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 鉛を含有せず、相転移点付近で歪み量の温度
依存性が小さい圧電セラミックスを提供する。 【解決手段】 ＢａＴｉＯ3系セラミックス組成物を主
成分とし、キュリーワイスの法則：ε＝Ｃ／（Ｔ−
Ｔ0）を満たさない圧電セラミックスである。（ただ
し、εは比誘電率、Ｃはキュリー定数、Ｔは常誘電相に
おける任意の温度、Ｔ0はキュリーワイス温度であ
る。）
依存性が小さい圧電セラミックスを提供する。 【解決手段】 ＢａＴｉＯ3系セラミックス組成物を主
成分とし、キュリーワイスの法則：ε＝Ｃ／（Ｔ−
Ｔ0）を満たさない圧電セラミックスである。（ただ
し、εは比誘電率、Ｃはキュリー定数、Ｔは常誘電相に
おける任意の温度、Ｔ0はキュリーワイス温度であ
る。）
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、圧電セラミック
ス、圧電素子、および積層型圧電素子に関し、詳しく
は、インクジェットプリンタ等に用いられる圧電アクチ
ュエータとして最適な圧電セラミックス、圧電素子、お
よび積層型圧電素子に関する。
ス、圧電素子、および積層型圧電素子に関し、詳しく
は、インクジェットプリンタ等に用いられる圧電アクチ
ュエータとして最適な圧電セラミックス、圧電素子、お
よび積層型圧電素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】圧電アクチュエータは、電圧を印加して
発生する歪みおよび力を機械的駆動源とするものであ
り、精密工作機械における位置決め、超音波モータ、あ
るいはインクジェットプリンタ等に応用されている。こ
のような圧電アクチュエータにおいては、単位印加電圧
あたりの変位量を大きくするため、積層型の圧電アクチ
ュエータがよく用いられる。
発生する歪みおよび力を機械的駆動源とするものであ
り、精密工作機械における位置決め、超音波モータ、あ
るいはインクジェットプリンタ等に応用されている。こ
のような圧電アクチュエータにおいては、単位印加電圧
あたりの変位量を大きくするため、積層型の圧電アクチ
ュエータがよく用いられる。
【０００３】従来、圧電アクチュエータに用いる圧電材
料としてはチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）が主流であ
ったが、近年、鉛が環境に与える影響を考慮して、ＰＺ
Ｔに代わる鉛を含まない圧電材料が望まれている。
料としてはチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）が主流であ
ったが、近年、鉛が環境に与える影響を考慮して、ＰＺ
Ｔに代わる鉛を含まない圧電材料が望まれている。
【０００４】鉛を含有しない圧電材料としては、ＢａＴ
ｉＯ3系セラミックス組成物がよく知られている。Ｂａ
ＴｉＯ3は、１２０℃付近に正方晶（強誘電相）と立方
晶（常誘電相）との相転移点（キュリー点）、１０℃付
近に斜方晶（強誘電相）と立方晶（強誘電相）との相転
移点、および−７０℃付近に菱面体晶 （強誘電相）と
斜方晶（強誘電相）との相転移点を有し、これらの相転
移点付近で大きな歪み量を示す。
ｉＯ3系セラミックス組成物がよく知られている。Ｂａ
ＴｉＯ3は、１２０℃付近に正方晶（強誘電相）と立方
晶（常誘電相）との相転移点（キュリー点）、１０℃付
近に斜方晶（強誘電相）と立方晶（強誘電相）との相転
移点、および−７０℃付近に菱面体晶 （強誘電相）と
斜方晶（強誘電相）との相転移点を有し、これらの相転
移点付近で大きな歪み量を示す。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ＢａＴｉＯ3において
は、相転移点付近で歪み量のピークが現れ、大きな歪み
量が得られる。しかし、歪み量のピークが鋭いため、相
転移点付近での周囲の温度変化に対して歪み量が急変し
てしまい、安定して大きな歪み量を得られないという問
題があった。
は、相転移点付近で歪み量のピークが現れ、大きな歪み
量が得られる。しかし、歪み量のピークが鋭いため、相
転移点付近での周囲の温度変化に対して歪み量が急変し
てしまい、安定して大きな歪み量を得られないという問
題があった。
【０００６】本発明は、上記の問題点を解決し、鉛を含
有せず、相転移点付近で歪み量の温度依存性が小さい圧
電セラミックスを提供することを目的とする。
有せず、相転移点付近で歪み量の温度依存性が小さい圧
電セラミックスを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明に係る圧電セラミ
ックスは、ＢａＴｉＯ3系セラミックス組成物を主成分
とし、キュリーワイスの法則：ε＝Ｃ／（Ｔ−Ｔ0）を
満たさないことを特徴とする。（ただし、εは比誘電
率、Ｃはキュリー定数、Ｔは常誘電相における任意の温
度、Ｔ0はキュリーワイス温度である。） このとき、主成分が一般式Ｂａy（Ｔｉ1-xＳｎx）Ｏ
3（ただし、０．０５≦ｘ≦０．１０、０．９６≦ｙ≦
１．０４）で表されることが好ましい。さらに、１＜ｙ
≦１．０４であることが好ましく、上記圧電セラミック
スの平均粒径が３μｍ〜１００μｍであることが好まし
い。
ックスは、ＢａＴｉＯ3系セラミックス組成物を主成分
とし、キュリーワイスの法則：ε＝Ｃ／（Ｔ−Ｔ0）を
満たさないことを特徴とする。（ただし、εは比誘電
率、Ｃはキュリー定数、Ｔは常誘電相における任意の温
度、Ｔ0はキュリーワイス温度である。） このとき、主成分が一般式Ｂａy（Ｔｉ1-xＳｎx）Ｏ
3（ただし、０．０５≦ｘ≦０．１０、０．９６≦ｙ≦
１．０４）で表されることが好ましい。さらに、１＜ｙ
≦１．０４であることが好ましく、上記圧電セラミック
スの平均粒径が３μｍ〜１００μｍであることが好まし
い。
【０００８】また、本発明に係る圧電素子は、上記圧電
セラミックスからなる素体の主面に電極を形成してなる
ことを特徴とする。
セラミックスからなる素体の主面に電極を形成してなる
ことを特徴とする。
【０００９】また、本発明に係る積層型圧電素子は、上
記圧電セラミックスからなるセラミック層を積層した積
層体と、積層体内においてセラミック層を介して対向
し、かつ積層体の第１、第２の各端面に交互に引き出さ
れた第１、第２の内部電極と、積層体の第１、第２の各
端面に形成され、第１、第２の内部電極と電気的に接続
される第１、第２の外部電極と、を備えることを特徴と
する。
記圧電セラミックスからなるセラミック層を積層した積
層体と、積層体内においてセラミック層を介して対向
し、かつ積層体の第１、第２の各端面に交互に引き出さ
れた第１、第２の内部電極と、積層体の第１、第２の各
端面に形成され、第１、第２の内部電極と電気的に接続
される第１、第２の外部電極と、を備えることを特徴と
する。
【００１０】また、上記積層型圧電素子においては、第
１、第２の内部電極がＮｉからなることが好ましい。
１、第２の内部電極がＮｉからなることが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】本発明に係る圧電セラミックス
は、ＢａＴｉＯ3系セラミックス組成物を主成分とし、
キュリーワイスの法則：ε＝Ｃ／（Ｔ−Ｔ0）を満たさ
ない。ここで、εは比誘電率、Ｃはキュリー定数、Ｔは
常誘電相における任意の温度、Ｔ0はキュリーワイス温
度を表している。
は、ＢａＴｉＯ3系セラミックス組成物を主成分とし、
キュリーワイスの法則：ε＝Ｃ／（Ｔ−Ｔ0）を満たさ
ない。ここで、εは比誘電率、Ｃはキュリー定数、Ｔは
常誘電相における任意の温度、Ｔ0はキュリーワイス温
度を表している。
【００１２】ε＝Ｃ／（Ｔ−Ｔ0）という関係式は、一
般的にキュリーワイスの法則として知られている。Ｔ0
はキュリー温度とほぼ同じであるため、この関係式を満
たすということは、キュリー点以上で誘電率の逆数が温
度に対して直線的に変化することを意味する。そして、
この直線の傾きが大きいほどキュリー点付近における誘
電率のピークが鋭くなる。また、逐次相転移するＢａＴ
ｉＯ3では、他の相転移点付近における誘電率のピーク
も同様に鋭くなる。そして、このような誘電率の変化を
反映して、相転移点付近における歪み量のピークも鋭く
なる。
般的にキュリーワイスの法則として知られている。Ｔ0
はキュリー温度とほぼ同じであるため、この関係式を満
たすということは、キュリー点以上で誘電率の逆数が温
度に対して直線的に変化することを意味する。そして、
この直線の傾きが大きいほどキュリー点付近における誘
電率のピークが鋭くなる。また、逐次相転移するＢａＴ
ｉＯ3では、他の相転移点付近における誘電率のピーク
も同様に鋭くなる。そして、このような誘電率の変化を
反映して、相転移点付近における歪み量のピークも鋭く
なる。
【００１３】ところが、本発明者は、ＢａＴｉＯ3系セ
ラミックス組成物を主成分とした圧電セラミックスにお
いてキュリーワイスの法則に従わない場合、キュリー点
付近における歪み量の変化が小さくなると同時に、他の
相転移点付近における歪み量のピークも平坦化すること
を見出した。例えば、誘電率の逆数が温度に対して２次
曲線的に変化する場合、ピーク頂点において誘電率の逆
数の傾きは小さくなり、誘電率のピークが平坦化してい
ることを意味する。このとき、相転移点付近の歪み量の
ピークも平坦化していると説明できる。
ラミックス組成物を主成分とした圧電セラミックスにお
いてキュリーワイスの法則に従わない場合、キュリー点
付近における歪み量の変化が小さくなると同時に、他の
相転移点付近における歪み量のピークも平坦化すること
を見出した。例えば、誘電率の逆数が温度に対して２次
曲線的に変化する場合、ピーク頂点において誘電率の逆
数の傾きは小さくなり、誘電率のピークが平坦化してい
ることを意味する。このとき、相転移点付近の歪み量の
ピークも平坦化していると説明できる。
【００１４】また、主成分が一般式Ｂａy（Ｔｉ1-xＳｎ
x）Ｏ3（ただし、０．０５≦ｘ≦０．１０、０．９６≦
ｙ≦１．０４）で表される圧電セラミックスは、上記の
キュリーワイスの法則ε＝Ｃ／（Ｔ−Ｔ0）を満たさな
いため、歪み量のピークが平坦化する。
x）Ｏ3（ただし、０．０５≦ｘ≦０．１０、０．９６≦
ｙ≦１．０４）で表される圧電セラミックスは、上記の
キュリーワイスの法則ε＝Ｃ／（Ｔ−Ｔ0）を満たさな
いため、歪み量のピークが平坦化する。
【００１５】さらに、上記一般式で表される圧電セラミ
ックスのように、ＢａＴｉＯ3のＴｉをＳｎで一部置換
すると、キュリー点を低温側に移動させ、斜方晶と立方
晶との相転移点、および菱面体晶と斜方晶との相転移点
を高温側に移動させて、これらの相転移点を近づけるこ
とができる。（この作用をピンチングと呼ぶ。）これに
より、歪み量のピークが平坦化するとともに、大きな歪
み量を示す温度領域が広くなる。
ックスのように、ＢａＴｉＯ3のＴｉをＳｎで一部置換
すると、キュリー点を低温側に移動させ、斜方晶と立方
晶との相転移点、および菱面体晶と斜方晶との相転移点
を高温側に移動させて、これらの相転移点を近づけるこ
とができる。（この作用をピンチングと呼ぶ。）これに
より、歪み量のピークが平坦化するとともに、大きな歪
み量を示す温度領域が広くなる。
【００１６】したがって、一般式Ｂａy（Ｔｉ1-xＳ
ｎx）Ｏ3（ただし、０．０５≦ｘ≦０．１０、０．９６
≦ｙ≦１．０４）で表される圧電セラミックスにおいて
は、温度変化に対して相転移点付近の歪み量の変化が小
さくなると同時に、広い温度領域に渡って大きな歪み量
が得られる。
ｎx）Ｏ3（ただし、０．０５≦ｘ≦０．１０、０．９６
≦ｙ≦１．０４）で表される圧電セラミックスにおいて
は、温度変化に対して相転移点付近の歪み量の変化が小
さくなると同時に、広い温度領域に渡って大きな歪み量
が得られる。
【００１７】ここで、Ｓｎ置換量ｘの値が０．０５より
小さい場合は、相転移点のピンチング効果が十分に得ら
れず、相転移点付近の歪み量の変化が緩やかにならな
い。一方、ｘの値が０．１０より大きい場合は、キュリ
ー点が低温側に大きく移動するため、圧電特性を発現す
る温度領域が狭くなる。したがって、０．０５≦ｘ≦
０．１０であることが望ましい。
小さい場合は、相転移点のピンチング効果が十分に得ら
れず、相転移点付近の歪み量の変化が緩やかにならな
い。一方、ｘの値が０．１０より大きい場合は、キュリ
ー点が低温側に大きく移動するため、圧電特性を発現す
る温度領域が狭くなる。したがって、０．０５≦ｘ≦
０．１０であることが望ましい。
【００１８】また、Ａサイト（Ｂａ1-xＣａx）とＢサイ
ト（Ｔｉ）の比（Ａ／Ｂ）であるｙの値が０．９６より
小さい場合は、焼成時に還元反応が起こりやすいため圧
電特性が劣化する。一方、ｙの値が１．０４より大きい
場合は、焼結性が悪くなるため圧電特性が劣化する。し
たがって、０．９６≦ｙ≦１．０４であることが望まし
い。
ト（Ｔｉ）の比（Ａ／Ｂ）であるｙの値が０．９６より
小さい場合は、焼成時に還元反応が起こりやすいため圧
電特性が劣化する。一方、ｙの値が１．０４より大きい
場合は、焼結性が悪くなるため圧電特性が劣化する。し
たがって、０．９６≦ｙ≦１．０４であることが望まし
い。
【００１９】さらに、本発明に係る圧電セラミックス
は、１＜ｙ≦１．０４の範囲において、焼成時に特に優
れた耐還元性を示す。
は、１＜ｙ≦１．０４の範囲において、焼成時に特に優
れた耐還元性を示す。
【００２０】また、本発明に係る圧電セラミックスにお
いて、平均粒径が３μｍより小さい場合は、粒子の表面
エネルギーが高くなり、歪みが抑制される。一方、平均
粒径が１００μｍより大きい場合は、セラミックス内部
にポアやクラックが発生して絶縁破壊を招くおそれがあ
る。したがって、平均粒径は３μｍ〜１００μｍである
ことが好ましい。
いて、平均粒径が３μｍより小さい場合は、粒子の表面
エネルギーが高くなり、歪みが抑制される。一方、平均
粒径が１００μｍより大きい場合は、セラミックス内部
にポアやクラックが発生して絶縁破壊を招くおそれがあ
る。したがって、平均粒径は３μｍ〜１００μｍである
ことが好ましい。
【００２１】また、本発明に係る積層型圧電素子におい
て、内部電極にＮｉを用いると以下のような効果が得ら
れる。すなわち、上記のように耐還元性を有する圧電セ
ラミックスとＮｉなどの卑金属からなる内部電極とを還
元雰囲気で同時焼成すると、圧電セラミックスと金属と
の界面に酸化皮膜が形成され、両者の結合が強固にな
る。したがって、圧電素子の歪みによるセラミックスと
内部電極との剥離が生じにくくなる。
て、内部電極にＮｉを用いると以下のような効果が得ら
れる。すなわち、上記のように耐還元性を有する圧電セ
ラミックスとＮｉなどの卑金属からなる内部電極とを還
元雰囲気で同時焼成すると、圧電セラミックスと金属と
の界面に酸化皮膜が形成され、両者の結合が強固にな
る。したがって、圧電素子の歪みによるセラミックスと
内部電極との剥離が生じにくくなる。
【００２２】次に、本発明に係る圧電セラミックスを用
いた圧電素子の実施形態を説明する。なお、以下に示す
実施形態１〜４においては、外部電極としてＡｇ、Ｃ
ｕ、Ｐｔ、Ｐｄなど、内部電極としてＮｉ、Ｐｔ、Ａ
ｇ、Ｐｔなどを用いることができる。
いた圧電素子の実施形態を説明する。なお、以下に示す
実施形態１〜４においては、外部電極としてＡｇ、Ｃ
ｕ、Ｐｔ、Ｐｄなど、内部電極としてＮｉ、Ｐｔ、Ａ
ｇ、Ｐｔなどを用いることができる。
【００２３】（実施形態１）図１は、本発明に係る圧電
セラミックスを用いた単板型の圧電素子を示す断面図で
ある。圧電素子１１は、素体１２の両主面に電極１３が
形成されたものであり、素体１２は矢印で示すように一
定方向に分極処理が施されている。
セラミックスを用いた単板型の圧電素子を示す断面図で
ある。圧電素子１１は、素体１２の両主面に電極１３が
形成されたものであり、素体１２は矢印で示すように一
定方向に分極処理が施されている。
【００２４】（実施形態２）図２は、本発明に係る圧電
セラミックスを用いたユニモルフ型の圧電素子を示す断
面図である。圧電素子２１は、両主面に電極２３、２４
が形成された素体２２と、金属製のシム板２５とからな
る。シム板２５は、接着剤等により素体２２の電極２４
と接合されている。素体２２は矢印で示すように一定方
向に分極処理が施されている。
セラミックスを用いたユニモルフ型の圧電素子を示す断
面図である。圧電素子２１は、両主面に電極２３、２４
が形成された素体２２と、金属製のシム板２５とからな
る。シム板２５は、接着剤等により素体２２の電極２４
と接合されている。素体２２は矢印で示すように一定方
向に分極処理が施されている。
【００２５】（実施形態３）図３は、本発明に係る圧電
セラミックスを用いたバイモルフ型の圧電素子を示す断
面図である。圧電素子３１は、両主面に電極３３ａ、３
４ａが形成された素体３２ａと、両主面に電極３３ｂ、
３４ｂが形成された素体３２ｂと、素体３２ａ、３２ｂ
に挟まれた金属製のシム板３５とからなる。シム板３５
は、接着剤等により素体３２ａの電極３４ａ、および素
体３２ｂの電極３４ｂと接合されている。図３では、素
体３２ａ、３２ｂはそれぞれ矢印に示すように互いに逆
方向に分極処理が施されているが、互いに順方向に分極
処理が施されていてもよい。
セラミックスを用いたバイモルフ型の圧電素子を示す断
面図である。圧電素子３１は、両主面に電極３３ａ、３
４ａが形成された素体３２ａと、両主面に電極３３ｂ、
３４ｂが形成された素体３２ｂと、素体３２ａ、３２ｂ
に挟まれた金属製のシム板３５とからなる。シム板３５
は、接着剤等により素体３２ａの電極３４ａ、および素
体３２ｂの電極３４ｂと接合されている。図３では、素
体３２ａ、３２ｂはそれぞれ矢印に示すように互いに逆
方向に分極処理が施されているが、互いに順方向に分極
処理が施されていてもよい。
【００２６】（実施形態４）図４は、本発明に係る圧電
セラミックスを用いた積層型の圧電素子を示す断面図で
ある。圧電素子４１は、セラミック層４５を積層した積
層体４２の第１、第２の端面４２ａ、４２ｂにそれぞれ
第１、第２の外部電極４３ａ、４３ｂが形成され、積層
体４２内において第１、第２の内部電極４４ａ、４４ｂ
がセラミック層を介して対向し、積層体４２の第１、第
２の端面４２ａ、４２ｂに引き出されたものである。セ
ラミック層４５は、矢印で示すように互いに逆方向に分
極処理が施されている。
セラミックスを用いた積層型の圧電素子を示す断面図で
ある。圧電素子４１は、セラミック層４５を積層した積
層体４２の第１、第２の端面４２ａ、４２ｂにそれぞれ
第１、第２の外部電極４３ａ、４３ｂが形成され、積層
体４２内において第１、第２の内部電極４４ａ、４４ｂ
がセラミック層を介して対向し、積層体４２の第１、第
２の端面４２ａ、４２ｂに引き出されたものである。セ
ラミック層４５は、矢印で示すように互いに逆方向に分
極処理が施されている。
【００２７】
【実施例】本実施例は、図４に示す積層型圧電素子を作
製し、その特性を評価したものである。以下に、この積
層型圧電素子の作製方法について説明する。
製し、その特性を評価したものである。以下に、この積
層型圧電素子の作製方法について説明する。
【００２８】まず、出発原料としてＢａＣＯ3、Ｔｉ
Ｏ2、ＳｎＯ2の各粉末を準備し、所定量を秤量して、ボ
ールミル中で湿式混合を１６時間行う。このとき、出発
原料粉末の混合比を調整することにより、Ｂａy（Ｔｉ
1-xＳｎx）Ｏ3で表される圧電セラミックスにおける
ｘ、ｙの値を調整することができる。また、焼結助剤と
して、ＳｉＯ2やＭｎＣＯ3などの酸化物粉末、炭酸物粉
末を添加してもよい。
Ｏ2、ＳｎＯ2の各粉末を準備し、所定量を秤量して、ボ
ールミル中で湿式混合を１６時間行う。このとき、出発
原料粉末の混合比を調整することにより、Ｂａy（Ｔｉ
1-xＳｎx）Ｏ3で表される圧電セラミックスにおける
ｘ、ｙの値を調整することができる。また、焼結助剤と
して、ＳｉＯ2やＭｎＣＯ3などの酸化物粉末、炭酸物粉
末を添加してもよい。
【００２９】次に、得られた混合物をステンレスバット
上で乾燥させ、整粒した後、アルミナのさやに入れて８
００〜１２００℃で仮焼を行う。次に、得られた仮焼粉
末にバインダーおよび分散剤を加え、ボールミル中で湿
式混合を１〜２００時間行ってセラミックスラリーを得
る。このとき、仮焼粉末の湿式混合の時間を調整するこ
とにより、圧電セラミックスの平均粒径を調整すること
ができる。
上で乾燥させ、整粒した後、アルミナのさやに入れて８
００〜１２００℃で仮焼を行う。次に、得られた仮焼粉
末にバインダーおよび分散剤を加え、ボールミル中で湿
式混合を１〜２００時間行ってセラミックスラリーを得
る。このとき、仮焼粉末の湿式混合の時間を調整するこ
とにより、圧電セラミックスの平均粒径を調整すること
ができる。
【００３０】次に、セラミックスラリーをドクターブレ
ード法にて厚み数μｍ〜数十μｍのシート状に成形して
セラミックグリーンシートを得る。次に、このセラミッ
クグリーンシート上に内部電極ペーストを印刷して電極
パターンを形成する。次に、グリーンシートを電極パタ
ーンの一端が端面に露出するように所定の大きさにカッ
トし、数十枚程度を積層、圧着して積層体を得る。
ード法にて厚み数μｍ〜数十μｍのシート状に成形して
セラミックグリーンシートを得る。次に、このセラミッ
クグリーンシート上に内部電極ペーストを印刷して電極
パターンを形成する。次に、グリーンシートを電極パタ
ーンの一端が端面に露出するように所定の大きさにカッ
トし、数十枚程度を積層、圧着して積層体を得る。
【００３１】次に、この積層体を、大気中にて１００〜
５００℃で脱脂した後、窒素雰囲気中にて１２５０〜１
４００℃で焼成する。このとき、焼成温度を調整するこ
とにより、圧電セラミックスの平均粒径を調整すること
ができる。次に、得られた焼結体をダイシングソーでカ
ットし、内部電極が露出した焼結体の端面に外部電極を
塗布して焼き付ける。
５００℃で脱脂した後、窒素雰囲気中にて１２５０〜１
４００℃で焼成する。このとき、焼成温度を調整するこ
とにより、圧電セラミックスの平均粒径を調整すること
ができる。次に、得られた焼結体をダイシングソーでカ
ットし、内部電極が露出した焼結体の端面に外部電極を
塗布して焼き付ける。
【００３２】次に、得られたセラミック素子を８０℃の
シリコンオイルに投入し、外部電極間に３．０ｋＶ／ｍ
ｍの直流電界を印加して分極処理を施し、積層型圧電素
子を得る。
シリコンオイルに投入し、外部電極間に３．０ｋＶ／ｍ
ｍの直流電界を印加して分極処理を施し、積層型圧電素
子を得る。
【００３３】そして、上記の作製方法により作製された
積層型圧電素子の試料について圧電特性を評価した。こ
こで、圧電特性は、１ｋＶ／ｍｍの電界を印加したとき
の素子の歪み率から計算した圧電定数ｄ31（単位：ｐＣ
／Ｎ）を指標とした。
積層型圧電素子の試料について圧電特性を評価した。こ
こで、圧電特性は、１ｋＶ／ｍｍの電界を印加したとき
の素子の歪み率から計算した圧電定数ｄ31（単位：ｐＣ
／Ｎ）を指標とした。
【００３４】まず、Ｂａy（Ｔｉ1-xＳｎx）Ｏ3において
ｘ＝０、０．０５、０．０７５、０．１０、０．１２５
を満たす各試料（それぞれｙ＝１に固定）について、誘
電率の逆数１／εと温度との関係を調べた。その結果を
図５に示す。
ｘ＝０、０．０５、０．０７５、０．１０、０．１２５
を満たす各試料（それぞれｙ＝１に固定）について、誘
電率の逆数１／εと温度との関係を調べた。その結果を
図５に示す。
【００３５】図５からわかるように、ｘ＝０の試料で
は、キュリー点（約１２０℃）以上において直線を描い
ており、キュリーワイスの法則に従っている。一方、ｘ
＝０．０５の試料では、キュリー点（約９０℃）よりも
少し高温の部分では緩やかな曲線を描いており、キュリ
ーワイスの法則に従っていない。また、ｘ＝０．０７
５、０．１０、０．１２５の試料も、同様にキュリーワ
イスの法則に従っていない。これらのキュリーワイスの
法則に従わない試料においては、常誘電相からキュリー
点に近づくにつれて誘電率の変化が緩やかになるため、
歪み量のピークが平坦化される。
は、キュリー点（約１２０℃）以上において直線を描い
ており、キュリーワイスの法則に従っている。一方、ｘ
＝０．０５の試料では、キュリー点（約９０℃）よりも
少し高温の部分では緩やかな曲線を描いており、キュリ
ーワイスの法則に従っていない。また、ｘ＝０．０７
５、０．１０、０．１２５の試料も、同様にキュリーワ
イスの法則に従っていない。これらのキュリーワイスの
法則に従わない試料においては、常誘電相からキュリー
点に近づくにつれて誘電率の変化が緩やかになるため、
歪み量のピークが平坦化される。
【００３６】次に、Ｂａy（Ｔｉ1-xＳｎx）Ｏ3において
ｘ＝０、０．０５、０．０７５、０．１０、０．１２５
を満たす各試料（それぞれｙ＝１に固定）について歪み
温度特性を調べた。その結果を図６に示す。
ｘ＝０、０．０５、０．０７５、０．１０、０．１２５
を満たす各試料（それぞれｙ＝１に固定）について歪み
温度特性を調べた。その結果を図６に示す。
【００３７】図６からわかるように、ｘ＝０の試料で
は、室温付近において歪み量のピークが鋭くなっている
が、他の試料では、歪み量のピークが平坦化されてい
る。また、ｘ＝０．０５およびｘ＝０．０７５の試料に
おいては、広い温度範囲に渡って大きな歪み量が得られ
ている。
は、室温付近において歪み量のピークが鋭くなっている
が、他の試料では、歪み量のピークが平坦化されてい
る。また、ｘ＝０．０５およびｘ＝０．０７５の試料に
おいては、広い温度範囲に渡って大きな歪み量が得られ
ている。
【００３８】次に、Ｂａy（Ｔｉ1-xＳｎx）Ｏ3において
ｙ＝１に固定し、ｘの値を変化させたときの圧電定数の
変化を調べた。その結果を表１に示す。
ｙ＝１に固定し、ｘの値を変化させたときの圧電定数の
変化を調べた。その結果を表１に示す。
【００３９】
【表１】
【００４０】表１からわかるように、ｘ＝０．０７５を
境にして圧電定数は低下する傾向にあり、ｘの値が０．
１０より大きい範囲では圧電定数が急激に低下してい
る。ｘ≧０．１５では、圧電定数が５０より小さくなっ
てしまうため実用的ではない。
境にして圧電定数は低下する傾向にあり、ｘの値が０．
１０より大きい範囲では圧電定数が急激に低下してい
る。ｘ≧０．１５では、圧電定数が５０より小さくなっ
てしまうため実用的ではない。
【００４１】次に、Ｂａy（Ｔｉ1-xＳｎx）Ｏ3において
ｘ＝０．０７５に固定し、ｙの値を変化させたときの圧
電定数の変化を調べた。その結果を表２に示す。
ｘ＝０．０７５に固定し、ｙの値を変化させたときの圧
電定数の変化を調べた。その結果を表２に示す。
【００４２】
【表２】
【００４３】表２からわかるように、ｙの値が０．９６
より小さい範囲、およびｙの値が１．０４より大きい範
囲では、圧電定数が極端に低下している。
より小さい範囲、およびｙの値が１．０４より大きい範
囲では、圧電定数が極端に低下している。
【００４４】次に、Ｂａy（Ｔｉ1-xＳｎx）Ｏ3において
ｘ＝０．０７５、ｙ＝１に固定し、圧電セラミックスの
平均粒径を変化させたときの圧電定数の変化を調べた。
その結果を表３に示す。
ｘ＝０．０７５、ｙ＝１に固定し、圧電セラミックスの
平均粒径を変化させたときの圧電定数の変化を調べた。
その結果を表３に示す。
【００４５】
【表３】
【００４６】表３からわかるように、平均粒径が３μｍ
より小さい範囲では、圧電定数が極端に低下している。
より小さい範囲では、圧電定数が極端に低下している。
【００４７】また、上記の各試験は、１ｋＶ／ｍｍの電
界を印加したときの素子の歪み率から計算した圧電定数
ｄ31（単位：ｐＣ／Ｎ）を圧電特性の指標としている
が、ここでｘ＝０．０７５、ｙ＝１に固定し、印加電界
を変化させたところ、この積層型圧電素子は図７に示す
ような特性を示した。
界を印加したときの素子の歪み率から計算した圧電定数
ｄ31（単位：ｐＣ／Ｎ）を圧電特性の指標としている
が、ここでｘ＝０．０７５、ｙ＝１に固定し、印加電界
を変化させたところ、この積層型圧電素子は図７に示す
ような特性を示した。
【００４８】図７からわかるように、０．５ｋＶ／ｍｍ
以下の駆動電界にて５００ｐＣ／Ｎという非常に大きな
圧電定数を示している。
以下の駆動電界にて５００ｐＣ／Ｎという非常に大きな
圧電定数を示している。
【００４９】
【発明の効果】本発明に係る圧電セラミックスにおいて
は、キュリーワイスの法則：ε＝Ｃ／（Ｔ−Ｔ0）を満
たさないため、相転移点付近における歪み量のピークが
平坦化され、相転移点付近の歪み量の変化が小さくな
る。
は、キュリーワイスの法則：ε＝Ｃ／（Ｔ−Ｔ0）を満
たさないため、相転移点付近における歪み量のピークが
平坦化され、相転移点付近の歪み量の変化が小さくな
る。
【００５０】また、本発明に係る圧電セラミックスにお
いては、ＢａＴｉＯ3のＴｉをＳｎで一部置換すること
により、相転移点のピンチングが起こり、歪み量のピー
クが平坦化するとともに、大きな歪み量を示す温度領域
が広くなる。
いては、ＢａＴｉＯ3のＴｉをＳｎで一部置換すること
により、相転移点のピンチングが起こり、歪み量のピー
クが平坦化するとともに、大きな歪み量を示す温度領域
が広くなる。
【００５１】また、本発明に係る圧電セラミックスにお
いては、小さな駆動電界でも大きな歪み量を得ることが
できる。
いては、小さな駆動電界でも大きな歪み量を得ることが
できる。
【００５２】また、Ｂａy（Ｔｉ1-xＳｎx）Ｏ3で表され
る本発明の圧電セラミックスは、１．００５≦ｙ≦１．
０４の範囲において、特に優れた耐還元性を示す。
る本発明の圧電セラミックスは、１．００５≦ｙ≦１．
０４の範囲において、特に優れた耐還元性を示す。
【００５３】また、本発明に係る圧電セラミックスにお
いては、平均粒径３μｍ〜１００μｍの範囲において、
実用的な歪み量が得られる。
いては、平均粒径３μｍ〜１００μｍの範囲において、
実用的な歪み量が得られる。
【００５４】また、本発明に係る積層型圧電素子におい
ては、内部電極にＮｉを用いることにより、圧電素子の
歪みによるセラミックスと内部電極との剥離が生じにく
くなる。
ては、内部電極にＮｉを用いることにより、圧電素子の
歪みによるセラミックスと内部電極との剥離が生じにく
くなる。
【００５５】以上から、本発明に係る圧電セラミックス
を用いれば、温度変化に対して相転移点付近の歪み量の
変化が少なく、安定して大きな歪み量が得られるため、
アクチュエータなどの用途に好適な圧電素子を得ること
ができる。
を用いれば、温度変化に対して相転移点付近の歪み量の
変化が少なく、安定して大きな歪み量が得られるため、
アクチュエータなどの用途に好適な圧電素子を得ること
ができる。
【図１】実施形態１における単板型の圧電素子を示す断
面図。
面図。
【図２】実施形態２におけるユニモルフ型の圧電素子を
示す断面図。
示す断面図。
【図３】実施形態３におけるバイモルフ型の圧電素子を
示す断面図。
示す断面図。
【図４】実施形態４における積層型の圧電素子を示す断
面図。
面図。
【図５】実施例における誘電率の逆数と温度の関係を示
すグラフ。
すグラフ。
【図６】実施例における歪み温度特性を示すグラフ。
【図７】実施例における歪み電界特性を示すグラフ。
１１、２１、３１、４１ 圧電素子
１２、２２、３２ 素体
４２ 積層体
１３、２３、３３ 電極
２４、３４ 電極
２５、３５ シム板
４３ 外部電極
４４ 内部電極
４５ セラミック層
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考）
Ｈ０１Ｌ 41/08 Ｃ
Ｍ
(72)発明者 坂部 行雄
京都府長岡京市天神二丁目26番10号 株式
会社村田製作所内
Ｆターム(参考） 4G031 AA06 AA11 AA31 AA39 BA10
CA03 CA04
Claims (7)
- 【請求項１】 ＢａＴｉＯ3系セラミックス組成物を主
成分とし、キュリーワイスの法則：ε＝Ｃ／（Ｔ−
Ｔ0）を満たさないことを特徴とする圧電セラミック
ス。（ただし、εは比誘電率、Ｃはキュリー定数、Ｔは
常誘電相における任意の温度、Ｔ0はキュリーワイス温
度である。） - 【請求項２】 前記主成分が一般式Ｂａy（Ｔｉ1-xＳｎ
x）Ｏ3（ただし、０．０５≦ｘ≦０．１０、０．９６≦
ｙ≦１．０４）で表されることを特徴とする、請求項１
に記載の圧電セラミックス。 - 【請求項３】 前記一般式において、１＜ｙ≦１．０４
であることを特徴とする請求項２に記載の圧電セラミッ
クス。 - 【請求項４】 平均粒径が３μｍ〜１００μｍであるこ
とを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載
の圧電セラミックス。 - 【請求項５】 請求項１から請求項４のいずれかに記載
の圧電セラミックスからなる素体の主面に電極を形成し
てなることを特徴とする圧電素子。 - 【請求項６】 請求項１から請求項４のいずれかに記載
の圧電セラミックスからなるセラミック層を積層した積
層体と、 前記積層体内において前記セラミック層を介して対向
し、かつ前記積層体の第１、第２の各端面に交互に引き
出された第１、第２の内部電極と、 前記積層体の第１、第２の各端面に形成され、前記第
１、第２の内部電極と電気的に接続される第１、第２の
外部電極と、 を備えることを特徴とする積層型圧電素子。 - 【請求項７】 前記第１、第２の内部電極は、Ｎｉから
なることを特徴とする請求項６に記載の積層型圧電素
子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001324938A JP2003128459A (ja) | 2001-10-23 | 2001-10-23 | 圧電セラミックス、圧電素子、および積層型圧電素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001324938A JP2003128459A (ja) | 2001-10-23 | 2001-10-23 | 圧電セラミックス、圧電素子、および積層型圧電素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003128459A true JP2003128459A (ja) | 2003-05-08 |
Family
ID=19141580
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001324938A Pending JP2003128459A (ja) | 2001-10-23 | 2001-10-23 | 圧電セラミックス、圧電素子、および積層型圧電素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003128459A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012199337A (ja) * | 2011-03-18 | 2012-10-18 | Ricoh Co Ltd | 非鉛薄膜アクチュエータ |
| JP2013241326A (ja) * | 2012-04-24 | 2013-12-05 | Canon Inc | 圧電セラミックス、圧電素子、超音波モータおよび塵埃除去装置 |
| JP2014129215A (ja) * | 2012-11-30 | 2014-07-10 | Kyocera Corp | 圧電磁器およびそれを用いた圧電素子 |
-
2001
- 2001-10-23 JP JP2001324938A patent/JP2003128459A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012199337A (ja) * | 2011-03-18 | 2012-10-18 | Ricoh Co Ltd | 非鉛薄膜アクチュエータ |
| JP2013241326A (ja) * | 2012-04-24 | 2013-12-05 | Canon Inc | 圧電セラミックス、圧電素子、超音波モータおよび塵埃除去装置 |
| JP2014129215A (ja) * | 2012-11-30 | 2014-07-10 | Kyocera Corp | 圧電磁器およびそれを用いた圧電素子 |
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