JP2006108638A - 圧電アクチュエータ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】圧電セラミックスの表面に一対の電極を形成してなる圧電素子2を駆動源として有する圧電アクチュエータ1である。圧電アクチュエータ1は、下記の要件(a)〜(c)の内、少なくとも一つ以上の要件を満足する。
(a)見かけの動的容量の温度変化による変動幅WC[%]が、温度−30〜80℃という特定温度範囲において±11%以内であること。
(b)変位Lの温度変化による変動幅WLが、温度−30〜80℃という特定温度範囲において±14%以内であること。
(c)見かけの動的容量をC[F]、変位をL[μm]とすると、L/Cの温度変化による変動幅WL/Cが、温度−30〜80℃という特定温度範囲において±12%以内であること。
【選択図】図36
Description
従って、上記圧電アクチュエータの変位は、プリセット負荷と負荷上昇により、圧電素子そのものの変位性能とは異なり、より小さな値となる。
上記定電圧駆動法による圧電アクチュエータの駆動方式においては、電圧印加の上昇時と下降時の変位がヒステリシスを有するという特徴がある。この定電圧駆動法においては、使用温度範囲内での変位の変動幅が比較的大きいという問題がある。
また、上記定エネルギー駆動法による圧電アクチュエータの駆動方式においては、注入エネルギーの上昇時と下降時の変位がヒステリシスを有するという特徴がある。この定エネルギー駆動法においては、使用温度範囲内での変位の変動幅が上記定電圧駆動法と比較して小さい。
また、特許文献2には、変位性能が異なる複数の圧電セラミックス層を積層した積層型圧電アクチュエータが開示されている。
特許文献3には、圧電セラミックスに温度補償用コンデンサを直列あるいは並列に電気的に接続した圧電素子が開示されている。
特許文献5には、圧力に応じて電荷を発生する圧電素子において、圧電体材料と逆の温度特性をもって静電容量が変化する誘電体材料を混合して成型した圧電素子が開示されている。
特許文献7には、チタン酸バリウム系のNiを内部電極とした積層型圧電素子において、電界強度1kV/mmを印加したときの素子に歪み率から計算した圧電d31定数の温度変化率が小さい圧電素子が開示されている。
上記圧電アクチュエータに電圧を印加して、電界強度100V/mm以上の一定の振幅を有する電界駆動条件で駆動させた場合に、上記圧電アクチュエータは、下記の要件(a)〜(c)の内、少なくとも一つ以上の要件を満足することを特徴とする圧電アクチュエータにある(請求項1)。
(a)上記圧電アクチュエータの見かけの動的容量をC[F]とすると、下記の式(1)で表される見かけの動的容量の温度変化による変動幅WC[%]が、温度−30〜80℃という特定温度範囲において±11%以内であること(ただし、上記見かけの動的容量は、上記圧電アクチュエータとコンデンサとを直列に接続し、上記圧電アクチュエータ及び上記コンデンサに電圧を印加したときに、上記コンデンサに蓄積される電荷量Q[C]を上記圧電アクチュエータに印加された電圧V[V]で除すことによって算出されるものである)。
WC(%)=[{2×Cmax/(Cmax+Cmin)}−1]×100・・・(1)
(ただし、Cmaxは、温度−30〜80℃における見かけの動的容量の最大値、Cminは、温度−30〜80℃における見かけの動的容量の最小値を表す)
(b)上記圧電アクチュエータの変位をL[μm]とすると、下記の式(2)で表される変位Lの温度変化による変動幅WLが、温度−30〜80℃という特定温度範囲において±14%以内であること。
WL(%)=[{2×Lmax/(Lmax+Lmin)}−1]×100・・・(2)
(ただし、Lmaxは、温度−30〜80℃における変位の最大値、Lminは、温度−30〜80℃における変位の最小値を表す)
(c)上記圧電アクチュエータの見かけの動的容量をC[F]、上記圧電アクチュエータの変位をL[μm]とすると、下記の式(3)で表されるL/Cの温度変化による変動幅WL/Cが、温度−30〜80℃という特定温度範囲において±12%以内であること(ただし、上記見かけの動的容量は、上記圧電アクチュエータとコンデンサとを直列に接続し、上記圧電アクチュエータ及び上記コンデンサに電圧を印加したときに、上記コンデンサに蓄積される電荷量Q[C]を上記圧電アクチュエータに印加された電圧V[V]で除すことによって算出されるものである)。
WL/C(%)=[{2×(L/C)max/((L/C)max+(L/C)min)}−1]×100・・・(3)
(ただし、(L/C)maxは、温度−30〜80℃におけるL/Cの最大値、(L/C)minは、温度−30〜80℃におけるL/Cの最小値を表す)
上記圧電アクチュエータに電圧を印加して、電界強度100V/mm以上の一定の振幅を有する電界駆動条件で駆動させた場合に、上記圧電アクチュエータは、下記の要件(j)〜(l)の内、少なくとも一つ以上の要件を満足することを特徴とする圧電アクチュエータにある(請求項10)。
(j)上記圧電アクチュエータの見かけの動的容量をC[F]とすると、下記の式(5)で表される見かけの動的容量の温度変化による変動幅WC(%)が、温度−30〜160℃という特定温度範囲において±30%以内であること(ただし、上記見かけの動的容量は、上記圧電アクチュエータとコンデンサとを直列に接続し、上記圧電アクチュエータ及び上記コンデンサに電圧を印加したときに、上記コンデンサに蓄積される電荷量Q[C]を上記圧電アクチュエータに印加された電圧V[V]で除すことによって算出されるものである)。
WC(%)=[{2×Cmax/(Cmax+Cmin)}−1]×100・・・(5)
(ただし、Cmaxは、−30〜160℃における見かけの動的容量の最大値、Cminは、−30〜160℃における見かけの動的容量の最小値を表す)
(k)上記圧電アクチュエータの変位をL[μm]とすると、下記の式(6)で表される変位Lの温度変化による変動幅WLが、温度−30〜160℃という特定温度範囲において±14%以内であること。
WL(%)=[{2×Lmax/(Lmax+Lmin)}−1]×100・・・(6)
(ただし、Lmaxは、−30〜160℃における変位の最大値、Lminは、−30〜160℃における変位の最小値を表す)
(l)上記圧電アクチュエータの見かけの動的容量をC[F]、上記圧電アクチュエータの変位をL(μm)とすると、下記の式(7)で表されるL/Cの温度変化による変動幅WL/Cが、温度−30〜160℃という特定温度範囲において±35%以内であること(ただし、上記見かけの動的容量は、上記圧電アクチュエータとコンデンサとを直列に接続し、上記圧電アクチュエータ及び上記コンデンサに電圧を印加したときに、上記コンデンサに蓄積される電荷量Q[C]を上記圧電アクチュエータに印加された電圧V[V]で除すことによって算出されるものである)。
WL/C(%)=[{2×(L/C)max/((L/C)max+(L/C)min)}−1]×100・・・(7)
(ただし、(L/C)maxは、−30〜160℃におけるL/Cの最大値、(L/C)minは、−30〜160℃におけるL/Cの最小値を表す)
また、上記第2の発明の圧電アクチュエータは、上記要件(j)〜(l)の内、少なくとも一つ以上の要件を満足する。即ち、上記第1の発明の圧電アクチュエータにおいては、上記見かけの動的容量Cの温度変化による変動幅WC、上記変位Lの温度変化による変動幅WL、又は上記変位/動的容量(L/C)の温度変化による変動幅WL/Cの内の少なくとも一つ以上が温度−30〜160℃という特定温度範囲において上記特定の範囲内にある。
そのため、上記第1及び第2の発明の圧電アクチュエータは、温度変化による変位のバラツキが小さい。即ち、上記圧電アクチュエータは、温度変化の激しい環境下で用いられた場合においても、略一定の変位を発揮することができる。そのため、上記圧電アクチュエータは、例えば自動車部品等の温度変化の激しい環境下で用いられる製品にも好適に用いることができる。
ここで、圧電アクチュエータの変位の温度依存性について、圧電アクチュエータの駆動方式ごとに、説明する。
まず、定電圧駆動の圧電アクチュエータの変位(ΔL1)は、下記の式A1で表される。
ΔL1=D33×EF×L0・・・・ A1
ここで、D33:動的歪量[m/V]、EF:最大電界強度[V/m]およびL0:電圧を印加する前の圧電セラミックスの長さ[m]である。また、動的歪量は、電界強度0〜3000V/mmであって絶縁破壊しない程度の範囲の高電圧を、一定の振幅で印加して駆動した場合に、電圧印加方向と平行方向に発生する圧電セラミックスの変位性能であり、下記の式A2で表される。
D33=S/EF=(ΔL1/L0)/(V/L0)・・・ A2
ここで、S:最大歪量である。また、D33は温度依存性だけではなく、電界強度依存性を有するものである。
上記式(A1)及び(A2)から知られるごとく、圧電アクチュエータ変位(ΔL1)は、印加電界強度に応じた動的歪量D33と印加電界強度の積に比例する。
W=1/2×C×V2 ・・・・・・ A3
Q=C×V ・・・・・・ A4
ここで、W:エネルギー[J]、C:見かけの動的容量[F]、V:印加電圧[V]およびQ:電荷[C]である。
ここで、見かけの動的容量Cは、一般に圧電アクチュエータとコンデンサとを直列に接続し、電界強度0〜3000V/mmであって絶縁破壊しない程度の範囲の一定振幅の電界強度で駆動させた時に、コンデンサに蓄積される電荷量をアクチュエータに印加される電圧で除した値で定義されるものである。見かけの動的容量Cは、少なくとも圧電セラミックスの誘電成分、分極反転成分、及び分極回転成分に由来する充電電荷と、圧電セラミックスの直流抵抗成分に由来するリーク電流とを含むものである。また、見かけの動的容量Cは温度依存性だけではなく、電界強度依存性を有するものである。
ΔL2=D33×(2×W/C)0.5 ・・・・ A5
ここで、温度変化により見かけの動的容量Cが変動すると、上記式A3に従い、駆動電界強度そのものも変動してしまうという特徴を有する。
ΔL3=D33×(Q/C) ・・・・ A6
ここで、温度変化によりCが変動すると、上記式A4に従い、印加電界強度そのものも変動してしまうという特徴を有する。
また、当然のことながら、変位性能であるD33、D33/C0.5、D33/Cの絶対値は大きいことが望ましい。
定エネルギー駆動(W:一定)の場合の圧電アクチュエータおよび駆動回路に負荷される電圧(端子電圧)は、下記の式A7より1/C0.5に比例する。
V=(2×W/C)0.5・・・・ A7
定電荷駆動(Q:一定)の場合の端子電圧は、下記の式A8より1/Cに比例する。
V=Q/C・・・・ A8
端子電圧が変動すると、圧電アクチュエータおよび駆動回路の耐電圧の信頼性を確保するために、端子電圧上限で設計を行う必要がある。アクチュエータの設計においては、電極間放電あるいは側面リークあるいは絶縁破壊を防ぐため、正負電極間距離を小さくできないという制約を受ける。そのため、使用温度範囲内における端子電圧の下限値において変位特性が低下してしまう。したがって、回路設計においては、回路素子の耐電圧をあげるため大型化・高価格化する問題となる。
従って、アクチュエータの変位性能向上ならびに駆動回路の小型化・低コスト化には、駆動電界強度に応じた1/C0.5、1/Cの温度依存性が小さいことが望ましい。
また、上記第2の発明の圧電アクチュエータにおいては、上記見かけの動的容量Cの温度変化による変動幅WC、上記変位Lの温度変化による変動幅WL、又は上記変位/見かけの動的容量(L/C)の温度変化による変動幅WL/Cの内の少なくとも一つ以上が、温度−30〜160℃という特定温度範囲において、それぞれ±30%以内、±14%以内、±35%以内という小さい範囲内にある。
したがって、上記第1及び第2の発明の圧電アクチュエータは、定電圧駆動、定エネルギー駆動、及び定電荷駆動等の駆動方式によらず、変位の温度依存性が小さくなる。即ち、使用温度を変えても、ほぼ同等の変位特性を発揮することができる。
上記第1の発明の圧電アクチュエータは、上記要件(a)〜(c)を満足する。
上記要件(a)は、上記圧電アクチュエータの見かけの動的容量をC[F]とすると、下記の式(1)で表される見かけの動的容量の温度変化による変動幅WC[%]が、温度−30〜80℃という特定温度範囲において±11%以内であることにある。
WC(%)=[{2×Cmax/(Cmax+Cmin)}−1]×100・・・(1)
上記要件(a)において、上記見かけの動的容量は、上記圧電アクチュエータと例えば温度25℃に設置したコンデンサとを直列に接続し、上記圧電アクチュエータ及び上記コンデンサに電圧を印加したときに、上記コンデンサに蓄積される電荷量Q[C]を上記圧電アクチュエータに印加された電圧V[V]で除すことによって算出することができる。
WL(%)=[{2×Lmax/(Lmax+Lmin)}−1]×100・・・(2)
また、上記要件(c)は、上記圧電アクチュエータの見かけの動的容量をC[F]、上記圧電アクチュエータの変位をL[μm]とすると、下記の式(3)で表されるL/Cの温度変化による変動幅WL/Cが、温度−30〜80℃という特定温度範囲において±12%以内であることにある。
WL/C(%)=[{2×(L/C)max/((L/C)max+(L/C)min)}−1]×100・・・(3)
上記要件(c)において、上記見かけの動的容量は、上記圧電アクチュエータと例えば温度25℃に設置したコンデンサとを直列に接続し、上記圧電アクチュエータ及び上記コンデンサに電圧を印加したときに、上記コンデンサに蓄積される電荷量Q[C]を上記圧電アクチュエータに印加された電圧V[V]で除すことによって算出することができる。
この場合には、上記圧電アクチュエータの温度依存性をより小さなものとすることができる。
この場合には、上記圧電アクチュエータの温度依存性を一層小さくすることができる。
また、上記変位Lの温度変化による上記変動幅WLは、温度−40〜80℃という特定温度範囲において±14%以内であることが好ましい。
さらに、L/Cの温度変化による上記変動幅WL/Cが、温度−40〜80℃という特定温度範囲において±13%以内であることが好ましい。
このように、−40〜80℃という温度範囲において、上記変動幅WC、変動幅WL、変動幅WL/Cが上記のごとく特定の範囲内にある場合には、−40〜80℃という温度範囲においても、上記圧電アクチュエータの変位の温度依存性を小さくすることができる。
(d)上記見かけの動的容量をC[F]、上記圧電アクチュエータの変位をL[μm]とすると、下記の式(4)で表されるL/C0.5の温度変化による変動幅WL/C 0.5が、温度−30〜80℃という特定温度範囲において±12%以内であること
WL/C 0.5[%]=[{2×(L/C0.5)max/((L/C0.5)max+(L/C0.5)min)}−1]×100・・・(4)
(ただし、(L/C0.5)maxは、温度−30〜80℃におけるL/C0.5の最大値、(L/C0.5)minは、温度−30〜80℃におけるL/C0.5の最小値を表す)
上記圧電アクチュエータが上記要件(d)を満足しない場合、即ちL/C0.5の温度変化による変動幅WL/C 0.5が、−30〜80℃という特定温度範囲において±12%を超える場合には、上記圧電アクチュエータの変位の温度依存性が大きくなってしまうおそれがある。
この場合には、−40〜80℃という温度範囲においても、上記圧電アクチュエータの変位の温度依存性を小さくすることができる。
(e)上記圧電アクチュエータの電界印加方向の歪みを電界強度で除することによって算出される動的歪量が、温度−30〜80℃という特定温度範囲において250pm/V以上であること。
上記圧電アクチュエータが上記要件(e)を満足しない場合、即ち上記動的歪量が、−30〜80℃という特定温度範囲において250pm/V未満の場合には、上記圧電アクチュエータの変位が小さくなってしまうおそれがある。
この場合には、−40〜80℃という温度範囲においても、上記圧電アクチュエータの変位を大きくすることができる。
(f)上記見かけの動的容量Cの温度変化による上記変動幅WC(%)が、温度−30〜160℃という特定温度範囲において±35%以内であること。
また、上記圧電アクチュエータは、下記の要件(g)を満足することが好ましい(請求項7)。
(g)上記圧電アクチュエータの変位Lの温度変化による上記変動幅WLが、温度−30〜160℃という特定温度範囲において±14%以内であること。
(h)見かけの動的容量をC[F]、上記圧電アクチュエータの変位をL[μm]とすると、L/Cの温度変化による上記変動幅WL/Cが、温度−30〜160℃という特定温度範囲において±35%以内であること。
また、上記圧電アクチュエータは、下記の要件(i)を満足することが好ましい(請求項9)。
(i)上記見かけの動的容量をC[F]、上記圧電アクチュエータの変位をL[μm]とすると、L/C0.5の温度変化による上記変動幅WL/C 0.5が、温度−30〜160℃という特定温度範囲において±20%以内であること。
上記要件(j)は、上記圧電アクチュエータの見かけの動的容量をC[F]とすると、下記の式(5)で表される見かけの動的容量の温度変化による変動幅WC(%)が、温度−30〜160℃という特定温度範囲において±30%以内であることにある。
WC(%)=[{2×Cmax/(Cmax+Cmin)}−1]×100・・・(5)
(ただし、Cmaxは、−30〜160℃における見かけの動的容量の最大値、Cminは、−30〜160℃における見かけの動的容量の最小値を表す)
上記要件(j)において、上記見かけの動的容量は、上記圧電アクチュエータと例えば温度25℃に設置したコンデンサとを直列に接続し、上記圧電アクチュエータ及び上記コンデンサに電圧を印加したときに、上記コンデンサに蓄積される電荷量Q[C]を上記圧電アクチュエータに印加された電圧V[V]で除すことによって算出することができる。
WL(%)=[{2×Lmax/(Lmax+Lmin)}−1]×100・・・(6)
(ただし、Lmaxは、−30〜160℃における変位の最大値、Lminは、−30〜160℃における変位の最小値を表す)
上記要件(l)は、上記圧電アクチュエータの見かけの動的容量をC[F]、上記圧電アクチュエータの変位をL(μm)とすると、下記の式(7)で表されるL/Cの温度変化による変動幅WL/Cが、温度−30〜160℃という特定温度範囲において±35%以内であることにある。
WL/C(%)=[{2×(L/C)max/((L/C)max+(L/C)min)}−1]×100・・・(7)
(ただし、(L/C)maxは、−30〜160℃におけるL/Cの最大値、(L/C)minは、−30〜160℃におけるL/Cの最小値を表す)
上記要件(l)において、上記見かけの動的容量は、上記圧電アクチュエータと例えば温度25℃に設置したコンデンサとを直列に接続し、上記圧電アクチュエータ及び上記コンデンサに電圧を印加したときに、上記コンデンサに蓄積される電荷量Q[C]を上記圧電アクチュエータに印加された電圧V[V]で除すことによって算出することができる。
この場合には、上記圧電アクチュエータの温度依存性をより小さくすることができる。
この場合には、上記圧電アクチュエータの温度依存性をより一層小さくすることができる。
また、上記変位Lの温度変化による上記変動幅WLは、温度−40〜160℃という特定温度範囲において±14%以内であることが好ましい。
さらに、L/Cの温度変化による上記変動幅WL/Cが、温度−40〜160℃という特定温度範囲において±35%以内であることが好ましい。
このように、−40〜160℃という温度範囲において、上記変動幅WC、変動幅WL、変動幅WL/Cが上記のごとく特定の範囲内にある場合には、−40〜160℃という温度範囲においても、上記圧電アクチュエータの変位の温度依存性を小さくすることができる。
(m)上記見かけの動的容量をC(F)、上記圧電アクチュエータの変位をL(μm)とすると、下記の式(8)で表されるL/C0.5の温度変化による変動幅WL/C 0.5が、温度−30〜160℃という特定温度範囲において±20%以内であること
WL/C 0.5[%]=[{2×(L/C0.5)max/((L/C0.5)max+(L/C0.5)min)}−1]×100・・・(8)
(ただし、(L/C0.5)maxは、−30〜160℃という特定温度範囲におけるL/C0.5の最大値、(L/C0.5)minは、−30〜160℃という特定温度範囲におけるL/C0.5の最小値を表す)
上記圧電アクチュエータが上記要件(m)を満足しない場合、即ちL/C0.5の温度変化による変動幅WL/C 0.5が、−30〜160℃という特定温度範囲において±20%を超える場合には、上記圧電アクチュエータの変位の温度依存性が大きくなってしまうおそれがある。
この場合には、−40〜160℃という温度範囲においても、上記圧電アクチュエータの変位の温度依存性を小さくすることができる。
(n)上記圧電アクチュエータの電界印加方向の歪みを電界強度で除することによって算出される動的歪量が、温度−30〜160℃という特定温度範囲において250pm/V以上であること
上記圧電アクチュエータが上記要件(n)を満足しない場合、即ち上記動的歪量が、−30〜160℃という特定温度範囲において250pm/V未満の場合には、上記圧電アクチュエータの変位が小さくなってしまうおそれがある。
この場合には、−40〜160℃という温度範囲においても、上記圧電アクチュエータの変位を大きくすることができる。
上記圧電セラミックスは、Li、K、及びNaから選ばれる少なくとも一種を含有するアルカリ金属含有圧電セラミックスからなることが好ましい(請求項18)。
この場合には、温度80°以上という高温環境下における駆動時のリーク電流がより増加し、温度80°以上における上記「みかけの動的容量」の変動幅が、温度80°以上における「静電容量」及び「動的容量」の変動幅よりも大きくなる。そのためこの場合には、みかけの動的容量をパラメータとして変動幅を規定する上記第1の発明の上記要件(a)又は/及び(c)、上記第2の発明の要件(j)又は/及び(l)を満足させることによって得られる例えば定エネルギー駆動及び定電荷駆動における変位の温度依存性を小さくできるという上述の作用効果をより顕著に発揮することができる。
この場合には、環境負荷の大きい鉛を含有しない上記圧電アクチュエータを作製することできる。即ち、上記圧電アクチュエータの環境に対する安全性を向上させることができる。
この場合には、上記要件(a)〜(i)を満足する圧電アクチュエータや、上記要件(j)〜(n)要件を満足する圧電アクチュエータを容易に実現することができる。
式B1及び式B2から、Li置換量は第1の結晶相転移温度を上昇させ、かつ、第2の結晶相転移温度を低下させる作用を有することがわかる。また、TaならびにSbは第1の結晶相転移温度を低下させ、かつ、第2の結晶相転移温度を低下させる作用を有することがわかる。
第1の結晶相転移温度=(388+9x−5z−17w)±50[℃] ・・・ (式B1)
第2の結晶相転移温度=(190−18.9x−3.9z−5.8w)±50[℃] ・・・ (式B2)
(388+9x−5z−17w)+50≧120を満足することが望ましい。
また、式B2に示す第2の結晶相転移温度は、10℃以下が望ましいため、「x」、「z」、「w」は(190−18.9x−3.9z−5.8w)−50≦10を満足することが望ましい。
即ち、上記結晶配向圧電セラミックスにおいては、上記一般式:{Lix(K1-yNay)1-x}{Nb1-z-wTazSbw}O3におけるx、y、及びzが、下記の式(9)及び式(10)の関係を満足することが好ましい(請求項21)。
9x−5z−17w≧−318 ・・・(9)
−18.9x−3.9z−5.8w≦−130 ・・・(10)
前者の場合は、第1のKNN系化合物のみからなることが望ましいが、等方性ペロブスカイト型の結晶構造を維持でき、かつ、焼結特性、圧電特性等の諸特性に悪影響を及ぼさないものである限り、他の元素又は他の相が含まれていても良い。特に、上記結晶配向圧電セラミックスを製造するための原料において、市場で入手可能な純度99%乃至99.9%の工業原料に含まれる不純物は混入が不可避である。例えば、上記結晶配向圧電セラミックスの原料の一つであるNb2O5には、原鉱石あるいは製法に由来する不純物として、最大でTaが0.1wt%未満、Fが0.15wt%未満含まれる場合がある。また、後述の実施例1にて記載するが、製造工程においてBiを使用する場合は、その混入が不可避である。
後者の場合は、例えばMnを添加することにより、見かけの動的容量の温度依存性の低減、変位の上昇の効果があり、加えて誘電損失tanδの低下、機械的品質係数Qmの上昇の効果があることから共振駆動型のアクチュエータとして好ましい特性が得られる。
なお、「擬立方{HKL}」とは、一般に、等方性ペロブスカイト型化合物は、正方晶、斜方晶、三方晶など、立方晶からわずかに歪んだ構造を取るが、その歪は僅かであるので、立方晶とみなしてミラー指数表示することを意味する。
この場合には、上記圧電アクチュエータの変位をより大きくすることができると共に、見かけの動的容量の温度依存性を小さくすることができる。
即ち、上記結晶配向圧電セラミックスは、ロットゲーリングによる擬立方{100}面の配向度が30%以上であり、かつ、10〜160℃という温度範囲おいて、結晶系が正方晶であること好ましい(請求項22)。
上記結晶配向圧電セラミックスを駆動源を用いた圧電アクチュエータは、−30〜160℃の温度範囲において、電界強度100V/mm以上、かつ、絶縁破壊をしない電界強度以下で、の一定の振幅を有する電界駆動条件下で発生する動的歪量D33を250pm/V以上とすることが出来る。さらに組成およびプロセスを適正化すれば300pm/V以上、さらに350pm/V以上、さらに400pm/V以上、さらに450pm/V以上、さらに500pm/V以上とすることが出来る。
また、変位の変動幅(=動的歪量の変動幅)は、(最大値−最小値)/2を基準値とした場合、±14%以下とすることが出来る。さらに組成およびプロセスを適正化すれば、±12%以下、さらに±10%以下、さらに±8%以下とすることが出来る。
また、−30〜80℃の温度範囲においては、電界強度100V/mm以上の一定の振幅を有する電界駆動条件下で発生する変位の変動幅(=動的歪量の変動幅)は(最大値−最小値)/2を基準値とした場合、±14%以下とすることが出来る。さらに組成およびプロセスを適正化すれば、±12%以下、さらに±9%以下、さらに±7%以下、さらに±5%以下、さらに±4%以下とすることが出来る。従って、定電圧駆動における変位の温度依存性が小さなアクチュエータが得られる。
また、−30〜80℃の温度範囲においては、電界強度100V/mm以上の一定の振幅を有する電界駆動条件下で発生する見かけの動的容量の変動幅は(最大値−最小値)/2を基準値とした場合、±11%以下とすることが出来る。さらに組成およびプロセスを適正化すれば、±9%以下、さらに±7%以下、さらに±5%以下、さらに±4%以下とすることが出来る。従って、定電荷駆動および定エネルギー駆動した場合に、端子電圧の温度依存性の小さなアクチュエータが得られる。
また、−30〜80℃の温度範囲においては、電界強度100V/mm以上の一定の振幅を有する電界駆動条件下で発生する、変位/見かけの動的容量の変動幅は(最大値−最小値)/2を基準値とした場合、±12%以下とすることが出来る。さらに組成およびプロセスを適正化すれば、±9%以下、さらに±7%以下とすることが出来る。従って、定電荷駆動における変位の温度依存性が小さなアクチュエータが得られる。
また、−30〜80℃の温度範囲においては、電界強度100V/mm以上の一定の振幅を有する電界駆動条件下で発生する、変位/(見かけの動的容量)0.5の変動幅は(最大値−最小値)/2を基準値とした場合、±12%以下とすることが出来る。さらに組成およびプロセスを適正化すれば、±9%以下、さらに±7%以下とすることが出来る。従って、定エネルギー駆動における変位の温度依存性が小さなアクチュエータが得られる。
上記圧電セラミックスを用いて構成された圧電アクチュエータは−30〜80℃の温度範囲において、電界強度100V/mm以上の一定の振幅を有する電界駆動条件下で発生する変位、見かけの動的容量、変位/見かけの動的容量、変位/(見かけの動的容量)0.5の変動幅が小さく温度特性の良好なアクチュエータを得ることが出来る。しかし、−30〜160℃の温度範囲においては、変位の変動幅は小さいものの、見かけの動的容量が若干増加するおそれがある。
この原因を調べるため、圧電アクチュエータのリーク電流成分を除去して動的容量を測定したところ、動的容量は80℃以上の温度領域においても増加しなかった。即ち、上記圧電セラミックスは、80℃より高い温度領域においてリーク電流が大きく増加することがわかる。これは、比抵抗の値が温度25℃の値に対しておよそ2桁程度低下するためである。温度25℃の比抵抗は1010Ω・m以上の値を有していた。
即ち、上記圧電アクチュエータは、正の抵抗温度係数を有するPTC抵抗体を有し、該PTC抵抗体と負の抵抗温度係数を有する上記圧電セラミックスとは、電気的に並列に接続されていると共に、上記PTC抵抗体と上記圧電セラミックスとの温度が略等しくなるような位置関係で配置されていることが好ましい(請求項15)。
また、配置する位置関係は、上記PTC抵抗体と圧電セラミックスとが接触するように配置する場合、圧電アクチュエータのリード端子間にPTC抵抗体を設置する場合、圧電アクチュエータとは別個の部品である接続コネクタにPTC抵抗体を配置する場合などがある。
この場合には、80℃以上の温度におけるPTC半導体の絶縁性が、より高くなるので、アクチュエータとPTC素子の並列回路に流れるリーク電流を小さくすることができる。また、80℃以上で急激に抵抗値が上昇するチタン酸バリウム系半導体は、そのキュリー温度の高温シフト添加物である鉛を含有しないため、アクチュエータとしても鉛を含有しないことになるため、さらに好ましい。
さらに、アクチュエータが気密パッケージ型であり、かつ、半導体素子を気密パッケージ内部に設置する場合は、アクチュエータに使用される絶縁樹脂等が長期間の使用において熱分解し、気密パッケージ内部の酸素を消費してしまう懸念があるため、低酸素濃度雰囲気でも抵抗値が低下しない耐還元性のチタン酸バリウム系の半導体素子が望ましい。
一方、自己発熱を伴わない場合は、アクチュエータと半導体素子の並列回路に流れる電流が小さくなるため、回路のコストの上昇を抑制することができる。
この場合には、上記圧電アクチュエータの特性を最大限に発揮することができる。
同図に示すごとく、圧電アクチュエータ1は、例えば圧電セラミックスを有する圧電素子2と、圧電素子を保持する保持部材4と、圧電素子等を収納するハウジング部材3と、圧電素子の変位を伝達する伝達部材5とにより構成することができる。
圧電素子2としては、後述の図38に示すごとく、例えば圧電セラミックス21と内部電極22,23とを交互に複数積層してなる積層型の圧電素子等を用いることができる。
また、圧電素子としては、一枚の圧電セラミックスを2枚の内部電極で挟むことにより構成した単板の圧電素子を用いることもできる(図示略)。
また、圧電素子2の側面には一対に外部電極25,26が形成されており、圧電素子2において隣り合う二つの内部電極22,23は、互いに異なる外部電極25,26に電気的に接続される。
また、図36に示すごとく、ピストン部材5とハウジング3の間にはOリング35が配置されており、ハウジング3内の気密性を保つとともに、ピストン部材5を伸縮可動な構成にしてある。
次に、本発明の実施例について説明する。
本例においては、圧電セラミックスを有する圧電素子を作製し、該圧電素子を用いて圧電アクチュエータを作製する。
本例においては、圧電アクチュエータのモデルとして、図37に示すごとく、治具8を用いた圧電アクチュエータ11を作製する。
治具8は、圧電素子2を収納するためのハウジング81と、圧電素子2に連結され、圧電素子2の変位を伝達するるピストン(連結部材)82とを有している。ピストン82は、皿バネ85を介してガイド83に連結されている。ハウジング81内には、台座部815が設けられており、圧電素子2は台座部815に配置される。台座部815に配置した圧電素子2は、ピストン82のヘッド部821によって固定される。このとき、皿バネ85から圧電素子2にプリセット荷重を加えることができる。また、ピストン82のヘッド部821と反対側の端部(測定部88)は、圧電素子2の変位に伴って動くことができる。
なお、本例において、圧電アクチュエータのモデルを作製する理由は、圧電アクチュエータの変位の温度特性を評価するためである。その形状を長尺状にすることにより、圧電素子2を恒温槽の内部に設置し、かつ、測定部88を恒温槽の外部(=温度約25℃)に設置することが可能となる。後述の温度特性の評価においては、図37に示す圧電アクチュエータ11において、点線よりも下の部分を恒温槽の内部に設置する。このとき、圧電アクチュエータにおいて、点線よりも上の部分への熱の移動を防止するため、圧電アクチュエータには、断熱材86が設けられている。
かかる、圧電アクチュエータのモデルは図36に示すところの圧電アクチュエータと機能上は等価である。
また、圧電素子2の側面には圧電素子を挟むように二つの外部電極25,26が形成されており、外部電極25,26はリード線61,62に接続されている。
また、内部電極板22,23と外部電極25,26とは、圧電素子2内において隣り合う二つの内部電極22,23がそれぞれ異なる電位の外部電極25,26に接続するように、電気的に接続されている。
なお、本例の圧電素子2においては、圧電セラミックス21が合計40枚積層されてなるが、図面作成の便宜のため、図38においては積層数を省略した図を示してある。
まず、以下のようにして圧電素子を作製する。
(1)NaNbO3板状粉末の合成。
化学量論比でBi2.5Na3.5Nb5O18組成となるようにBi2O3粉末、Na2CO3粉末及びNb2O5粉末を秤量し、これらを湿式混合した。次いで、この原料に対し、フラックスとしてNaClを50wt%添加し、1時間乾式混合した。
純度99.99%以上のNa2CO3粉末、K2CO3粉末、Li2CO3粉末、Nb2O5粉末、Ta2O5粉末、Sb2O5粉末を{Li0.07(K0.43Na0.57)0.93}{Nb0.84Ta0.09Sb0.07}O3の化学量論組成1molから、NaNbO3を0.05mol差し引いた組成となるように秤量し、有機溶剤を媒体としてZrボールで20時間の湿式混合を行った。その後、750℃で5Hr仮焼し、さらに有機溶剤を媒体としてZrボールで20時間の湿式粉砕を行うことで平均粒径が約0.5μmの仮焼物粉体を得た。
得られた圧電素子20から圧電特性である圧電歪み定数(d31)、電気機械結合係数(kp)、機械的品質係数(Qm)、及び誘電特性である比誘電率(ε33 t/ε0)、誘電損失(tanδ)を、温度25℃において共振反共振法により測定した。
また、同様に、第1の結晶相転移温度(キュリー温度)と第2の結晶相転移温度を、比誘電率の温度特性を測定することにより求めた。なお、第2の結晶相転移温度が0℃以下の場合には、第2の結晶相転移温度より高温側の比誘電率の変動幅が非常に小さくなるため、比誘電率のピーク位置を特定が確認できない場合は、比誘電率が屈曲する温度を第2の結晶相転移温度とした。
図40に示すごとく、まず上記のようにして得られた圧電素子20と、後述の外部電極に接続するための突起を有する厚み0.02mm、直径8.4mmのSUS製の内部電極板22(23)とを交互に積層した。このとき、内部電極板22(23)の突起が積層方向に交互に異なる方向に配置し、かつ、一層おきには同じ方向に揃うように内部電極板22(23)を配置した。このようにして、合計40枚の圧電セラミックス21と、合計41枚の内部電極板22(23)とを交互に積層し、さらにその積層体の上下面に厚み2mm、直径8.5mmのアルミナ板(絶縁板)を積層して、図38に示すごとく、積層型の圧電素子2を作製した。
また、内部電極板22,23の突起と、反対極性の内部電極板22,23及び反対極性の圧電素子のAu電極間との絶縁を確保するために、積層体側面の同一極電極板の突起間に櫛歯状の樹脂製絶縁部材(図示略)を挿入配置し、その上からシリコーングリースを塗布し、さらに積層体を絶縁チューブからなる保持部材4で被覆して積層型の圧電素子2とした。
その後、積層型の圧電素子2のAu電極と電極板の密着性を向上させる目的で、温度25℃で積層方向に150MPaの圧縮応力を30秒間印加した(加圧エージング)。さらに、温度25℃で積層方向に30MPaの圧縮応力を印加した状態で、電界強度0−1500V/mmの振幅のsin波を周波数40Hzで30分間印加した(電圧エージング)。その後、図37に示すごとく、積層型の圧電素子2を、治具8に固定し、圧電素子2の積層方向に、バネ定数2.9N/μmの皿バネ85をプリセット荷重16.4MPaで圧接した。このようにして、図37に示すごとく圧電アクチュエータ11を作製した。
変位の測定は、周波数0.5Hzならびに10Hz、電圧立上げ時間は150μs、電圧立ち下げ時間は150μs、デューティー比は50:50の台形波駆動条件下で観測される変位を静電容量式の変位センサで測定した。
見かけの動的容量={(V(ON)−V(OFF))×878μF}/{印加電圧−(V(ON)−V(OFF))}
・・・ (11)
(ここで、見かけの動的静電容量[F]、印加電圧[V]、V(ON):電圧ONから10s後のコンデンサ端子電圧[V]、V(0FF):電圧OFFから10s後のコンデンサ端子電圧[V])
つまり、コンデンサの端子電圧をもとにコンデンサの蓄積電荷(=アクチュエータの蓄積電荷+リークした電荷)をもとめ、それをアクチュエータの印加電圧で除して、アクチュエータの見かけの動的容量とした。ここで、コンデンサと直列接続することによるアクチュエータに印加される電圧は低下するが、最大低下幅は0.3Vと小さな値であったため、印加電圧とアクチュエータに印加される電圧は同一と判断した。
また、測定した値から、−30〜80℃の温度範囲における変動幅ならびに−30〜160℃の温度範囲における変動幅を求めた。ここで、変動幅とは(最大値−最小値)/2を基準値とした値とした。
測定した見かけの動的容量及び周波数0.5Hzの変位、並びに計算で求めた、変位/見かけの動的容量、変位/(見かけの動的容量)0.5、動的歪量D33を表1、図1、図2、図3に示す。
また、見かけの動的容量、周波数0.5Hzの変位、変位/見かけの動的容量、変位/(見かけの動的容量)0.5の−30〜80℃の温度範囲における変動幅ならびに−30〜160℃の温度範囲における変動幅をそれぞれ表12、表13、表14、表15に示す。
・動的歪量D33の最小値は、駆動電界振幅が1000V/mmで温度が−30℃の場合であり、D33=303pm/Vであった。
・変位の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が1500V/mmの場合であり、変動幅は±3.8%であった。
・見かけの動的容量の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が1000V/mmの場合であり、変動幅は±3.2%であった。
・変位/見かけの動的容量の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が
1500V/mmの場合であり、変動幅は±6.9%であった。
・変位/(見かけの動的容量)0.5の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が1500V/mmの場合であり、変動幅は±5.3%であった。
・動的歪量D33の最小値は、駆動電界振幅が1000V/mmで温度が−30℃の場合であり、D33=303pm/Vであった。
・変位の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が2000V/mmの場合であり、変動幅は±7.7%であった。
・動的容量の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が1000V/mmの場合であり、変動幅は±28.9%であった。
・変位/見かけの動的容量の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が1000V/mmの場合であり、変動幅は±27.8%であった。
・変位/(見かけの動的容量)0.5の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が1000V/mmの場合であり、変動幅は±13.8%であった。
脱脂後の板状成形体の焼成温度を1105℃とした以外は、実施例1と同一の手順に従い、{Li0.07(K0.45Na0.55)0.93}{Nb0.82Ta0.10Sb0.08}O3組成を有する結晶配向セラミックスを作製した。得られた結晶配向セラミックスについて、実施例1と同一の条件下で、焼結体密度、平均配向度及び圧電特性を評価した。また、実施例1と同一の手順で、圧電素子40枚の積層アクチュエータを作製し、アクチュエータ特性を評価した。
これらの表及び図より知られるごとく、本例の圧電アクチュエータにおいては、−30〜80℃の温度範囲における動的歪量D33の最小値と前記特性の変動幅について次のことがわかった。
・動的歪量D33の最小値は、駆動電界振幅が1000V/mmで温度が20℃の場合であり、D33=355pm/Vであった。
・変位の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が1000V/mmの場合であり、変動幅は±8.0%であった。
・見かけの動的容量の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が1000V/mmの場合であり、変動幅は±6.3%であった。
・変位/見かけの動的容量の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が
1500V/mmならびに1000V/mmの場合であり、変動幅は±7.8%であった。
・変位/(見かけの動的容量)0.5の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が1000V/mmの場合であり、変動幅は±6.7%であった。
・動的歪量D33の最小値は、駆動電界振幅が1000V/mmで温度が20℃の場合であり、D33=355pm/Vであった。
・変位の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が2000V/mmの場合であり、変動幅は±13.8%であった。
・動的容量の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が1500V/mmの場合であり、変動幅は±31.4%であった。
・変位/見かけの動的容量の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が1000V/mmの場合であり、変動幅は±26.8%であった。
・変位/(見かけの動的容量)0.5の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が1000V/mmの場合であり、変動幅は±13.3%であった。
脱脂後の板状成形体の焼成温度を1105℃とした以外は、実施例1と同一の手順に従い、{Li0.065(K0.45Na0.55)0.935}{Nb0.83Ta0.09Sb0.08}O3組成を有する結晶配向セラミックスを作製した。得られた結晶配向セラミックスについて、実施例1と同一の条件下で、焼結体密度、平均配向度及び圧電特性を評価した。また、実施例1と同一の手順で、圧電素子40枚の積層アクチュエータを作製し、アクチュエータ特性を評価した。
これらの表及び図より知られるごとく、本例の圧電アクチュエータにおいては、−30〜80℃の温度範囲における動的歪量D33の最小値と前記特性の変動幅について次のことがわかった。
・動的歪量D33の最小値は、駆動電界振幅が1000V/mmで温度が80℃の場合であり、D33=347pm/Vであった。
・変位の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が1500V/mmの場合であり、変動幅は±5.6%であった。
・見かけの動的容量の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が1000V/mmの場合であり、変動幅は±5.2%であった。
・変位/見かけの動的容量の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が
1500V/mmの場合であり、変動幅は±8.6%であった。
・変位/(見かけの動的容量)0.5の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が1500V/mmの場合であり、変動幅は±6.9%であった。
・動的歪量D33の最小値は、駆動電界振幅が1000V/mmで温度が80℃の場合であり、D33=347pm/Vであった。
・変位の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が1500V/mmの場合であり、変動幅は±11.5%であった。
・動的容量の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が1000V/mmの場合であり、変動幅は±34.6%であった。
・変位/見かけの動的容量の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が1000V/mmの場合であり、変動幅は±27.1%であった。
・変位/(見かけの動的容量)0.5の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が1000V/mmの場合であり、変動幅は±10.9%であった。
本例においては、実施例1と同一組成の結晶配向圧電セラミックスを、実施例1とは異なる手順で作製し、該結晶配向圧電セラミックスを用いて圧電アクチュエータを作製した。
即ち、まず実施例1で作製したNaNbO3板状粉末、並びに、非板状のNaNbO3粉末、KNbO3粉末、KTaO3粉末、LiSbO3粉末及びNaSbO3粉末を、{Li0.07(K0.43Na0.57)0.93}{Nb0.84Ta0.09Sb0.07}O3組成となるように秤量し、有機溶剤を溶媒として20時間の湿式混合を行った。
これらの表及び図より知られるごとく、本例の圧電アクチュエータにおいては、−30〜80℃の温度範囲における動的歪量D33の最小値と前記特性の変動幅について次のことがわかった。
・動的歪量D33の最小値は、駆動電界振幅が1000V/mmで温度が50℃の場合であり、D33=427pm/Vであった。
・変位の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が1000V/mmの場合であり、変動幅は±7.2%であった。
・見かけの動的容量の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が2000V/mmの場合であり、変動幅は±6.1%であった。
・変位/見かけの動的容量の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が
1000V/mmの場合であり、変動幅は±8.0%であった。
・変位/(見かけの動的容量)0.5の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が1000V/mmの場合であり、変動幅は±6.7%であった。
・動的歪量D33の最小値は、駆動電界振幅が1000V/mmで温度が50℃の場合であり、D33=427pm/Vであった。
・変位の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が2000V/mmの場合であり、変動幅は±9.4%であった。
・動的容量の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が2000V/mmの場合であり、変動幅は±28.4%であった。
・変位/見かけの動的容量の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が1000V/mmの場合であり、変動幅は±32.4%であった。
・変位/(見かけの動的容量)0.5の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が1000V/mmの場合であり、変動幅は±19.5%であった。
本実施例においては、実施例3の組成物である、{Li0.065(K0.45Na0.55)0.935}{Nb0.83Ta0.09Sb0.08}O31molに対してMnを0.0005molを外添加した組成を有する圧電セラミックス(結晶配向圧電セラミックス)を作製し、該圧電セラミックスを用いて圧電アクチュエータを作製した。
まず、純度99.99%以上のNa2CO3粉末、K2CO3粉末、Li2CO3粉末、Nb2O5粉末、Ta2O5粉末、Sb2O5粉末、およびMnO2粉末を、{Li0.07(K0.43Na0.57)0.93}{Nb0.84Ta0.09Sb0.07}O31mol+Mn0.0005molの組成から、NaNbO3を0.05mol差し引いた組成を秤量し、有機溶剤を媒体としてZrボールで20時間の湿式混合を行った。その後、750℃で5Hr仮焼し、さらに有機溶剤を媒体としてZrボールで20時間の湿式粉砕を行うことで平均粒径が約0.5μmの仮焼物粉体を得た。
得られた結晶配向セラミックスについて、実施例1と同一の条件下で、焼結体密度、平均配向度及び圧電特性を評価した。また、実施例1と同一の手順で、圧電素子40枚の積層アクチュエータを作製しアクチュエータ特性を評価した。また、電界強度の振幅が2V/mm(±1V)、sin波、周波数1kHzの条件でアクチュエータの静電容量を評価した。
また、比誘電率の温度特性より求めた第1の結晶相転移温度(キュリー温度)は263℃、第2の結晶相転移温度は−15℃であった。
これらの表及び図より知られるごとく、本例の圧電アクチュエータにおいては、−30〜80℃の温度範囲における動的歪量D33の最小値と前記特性の変動幅について次のことがわかった。
・動的歪量D33の最小値は、駆動電界振幅が1000V/mmで温度が50℃、ならびに80℃の場合であり、D33=355pm/Vであった。
・変位の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が1000V/mmの場合であり、変動幅は±10.4%であった。
・見かけの動的容量の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が1000V/mmの場合であり、変動幅は±4.9%であった。
・変位/見かけの動的容量の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が1000V/mmの場合であり、変動幅は±10.7%であった。
・変位/(見かけの動的容量)0.5の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が1000V/mmの場合であり、変動幅は±7.2%であった。
・動的歪量D33の最小値は、駆動電界振幅が1000V/mmで温度が50℃、ならびに80℃の場合であり、D33=355pm/Vであった。
・変位の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が1000V/mmの場合であり、変動幅は±11.8%であった。
・動的容量の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が1000V/mmの場合であり、変動幅は±26.9%であった。
・変位/見かけの動的容量の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が1000V/mmの場合であり、変動幅は±21.3%であった。
・変位/(見かけの動的容量)0.5の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が1000V/mmの場合であり、変動幅は±12.4%であった。
この結果により、Mn添加は−30〜160℃の温度範囲における見かけの動的容量の変動幅を小さくする効果があることがわかった。
本例の圧電アクチュエータの静電容量は−30〜160℃の範囲において、見かけの動的容量よりも小さな値となった。また、−30〜80℃の範囲における変動幅は±4.8%であり、電界強度1000V/mmにおける、見かけの動的容量の変動幅とほぼ同じであった。一方、−30〜160℃の範囲における変動幅は±5.2%であり、見かけの動的容量の変動幅よりも非常に小さな値となった。この動的容量と静電容量の違いは電界強度の違いが支配的と考えられる。
本比較例は、自動車用燃料噴射弁用の積層アクチュエータに適した、ソフト系とハード系の中間的な特性(セミハード)の正方晶のPZT材料を用いた積層アクチュエータの例である。ここで、ソフト系とはQmが100以下の材料のことであり、ハード系とはQmが1000以上の材料のことである。燃料噴射弁用の積層アクチュエータは、定電圧制御あるいは定エネルギー制御あるいは定電荷制御で使用されるものであり、台形波駆動により弁を開閉させることで燃料の噴霧を制御するものである。アクチュエータ特性には、変位性能が高いことと、各制御方式における変位の温度特性が小さいことが要求される。
以降の手順は、電極材料としてAgペーストを用いて、焼付を行ったこと以外は実施例1と同じである。
これらの表及び図より知られるごとく、本比較例の圧電アクチュエータにおいては、−30〜70℃の温度範囲における動的歪量D33の最小値と前記特性の変動幅について次のことがわかった。
・動的歪量D33の最小値は、駆動電界振幅が2000V/mm、および1500V/mmで温度が−30℃の場合であり、553pm/Vであった。
・変位の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が2000V/mmの場合であり、±5.6%であった。
・見かけの動的容量の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が1500V/mmの場合であり、±14.5%であった。
・変位/見かけの動的容量の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が1500V/mmの場合であり、±10.5%であった。
・動的歪量D33の最小値は、駆動電界振幅が2000V/mm、および1500V/mmで温度が−30℃の場合であり、553pm/Vであった。
・変位の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が2000V/mmの場合であり、±11.1%であった。
・見かけの動的容量の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が1500V/mmの場合であり、±33.5%であった。
・変位/見かけの動的容量の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が1500V/mmの場合であり、±23.7%であった。
本比較例2は、環境温度変化が小さい半導体製造装置などの位置決め用の積層アクチュエータに適した、ソフト系の菱面体晶のPZT材料を用いた積層アクチュエータの例である。位置決め用の積層アクチュエータは、環境温度変化が小さい場所で使用されることから、高い変位性能が要求されるが、温度特性に優れる必要はない。
このスラリーに対して、バインダ(ポリビニルアルコール)を仮焼粉体に対して1wt%となるように添加した後、スプレードライヤで乾燥、造粒した。
以降の手順は、比較例1と同じである。
これらの表及び図より知られるごとく、本例の圧電アクチュエータにおいては、−30〜70℃の温度範囲における動的歪量D33の最小値と前記特性の変動幅について次のことがわかった。
・動的歪量D33の最小値は、駆動電界振幅が2000V/mmで温度が−30℃の場合であり、482pm/Vであった。
・変位の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が1500V/mmの場合であり、±23.7%であった。
・見かけの動的容量の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が1500V/mmの場合であり、±37.9%であった。
・変位/見かけの動的容量の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が1500V/mmの場合であり、±15.5%であった。
・動的歪量D33の最小値は、駆動電界振幅が2000V/mmで温度が−30℃の場合であり、482pm/Vであった。
・変位の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が1500V/mmの場合であり、±38.5%であった。
・見かけの動的容量の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が1500V/mmの場合であり、±63.5%であった。
・変位/見かけの動的容量の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が2000V/mm、および1500V/mmの場合であり、±33.1%であった。
本比較例3は自動車用のノックセンサに適した、ソフト系の正方晶のPZT材料を用いた積層アクチュエータの例である。ノックセンサは、ガソリンエンジンのノッキングを圧電セラミックスの圧電効果を利用して電圧に変換して検知するものであり、アクチュエータとしての機能は有さない。
以降の手順は、焼結温度を1230℃としたこと以外は、比較例2と同一である。
これらの表及び図より知られるごとく、本比較例の圧電アクチュエータにおいては、−30〜70℃の温度範囲における動的歪量D33の最小値と前記特性の変動幅について次のことがわかった。
・動的歪量D33の最小値は、駆動電界振幅が1500V/mmで温度が−30℃の場合であり、663pm/Vであった。
・変位の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が2000V/mmの場合であり、±10.4%であった。
・見かけの動的容量の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が1500V/mmの場合であり、±17.9%であった。
・変位/見かけの動的容量の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が1500V/mmの場合であり、±10.2%であった。
・動的歪量D33の最小値は、駆動電界振幅が1500V/mmで温度が−30℃の場合であり、663pm/Vであった。
・変位の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が1500V/mmの場合であり、±14.8%であった。
・見かけの動的容量の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が1500V/mmの場合であり、±32.3%であった。
・変位/見かけの動的容量の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が 1500V/mmの場合であり、±18.4%であった。
比較例4は、高出力の超音波モータに適した、セミハード系の正方晶のPZT材料を用いた積層アクチュエータの例である。超音波モータはステータに貼り付けた圧電セラミックスリングを数10kHzで共振駆動させ、ステータに圧接されたロータを回転させるものである。アクチュエータ特性には、比較的高い変位性能と変位の温度特性に優れることが要求される。
以降の手順は、焼結温度を1230℃としたこと以外は、比較例2と同一である。
これらの表及び図より知られるごとく、本比較例の圧電アクチュエータにおいては、−30〜70℃の温度範囲における動的歪量D33の最小値と前記特性の変動幅について次のことがわかった。
・動的歪量D33の最小値は、駆動電界振幅が1500V/mmで温度が−30℃の場合であり、409pm/Vであった。
・変位の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が2000V/mmの場合であり、±6.0%であった。
・見かけの動的容量の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が1500V/mmの場合であり、±15.8%であった。
・変位/見かけの動的容量の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が
1500V/mmの場合であり、±11.5%であった。
・動的歪量D33の最小値は、駆動電界振幅が1500V/mmで温度が−30℃の場合であり、409pm/Vであった。
・変位の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が1500V/mmの場合であり、±15.2%であった。
・見かけの動的容量の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が1500V/mmの場合であり、±36.7%であった。
・変位/見かけの動的容量の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が1500V/mmの場合であり、±22.7%であった。
比較例5は高感度の角速度センサに適した、ハード系の正方晶のPZT材料を用いた積層アクチュエータである。角速度センサは、圧電セラミックス音叉を数kHzで共振駆動させるアクチュエータ機能と、角速度を検知するセンサ機能の両方を有するものである。アクチュエータ特性には、変位性能は低くてもよいが、変位の温度特性が小さいことが要求される。
以降の手順は、焼結温度を1200℃としたこと以外は、比較例2と同一である。
これらの表及び図より知られるごとく、本比較例の圧電アクチュエータにおいては、−30〜70℃の温度範囲における動的歪量D33の最小値と前記特性の変動幅について次のことがわかった。
・動的歪量D33の最小値は、駆動電界振幅が1500V/mmで温度が20℃の場合であり、295pm/Vであった。この動的歪量D33の最小値は、実施例1の303pm/Vよりも小さいものであった。
・変位の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が2000V/mmの場合であり、±3.2%であった。
・見かけの動的容量の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が1500V/mmの場合であり、±14.3%であった。
・変位/見かけの動的容量の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が1500V/mmの場合であり、±13.9%であった。
・動的歪量D33の最小値は、駆動電界振幅が1500V/mmで温度が20℃の場合であり、295pm/Vであった。
・変位の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が1500V/mmの場合であり、±11.1%であった。
・見かけの動的容量の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が1500V/mmの場合であり、±32.4%であった。
・変位/見かけの動的容量の変動幅の最大値は、駆動電界振幅が1500V/mmの場合であり、±24.5%であった。
本例においては、実施例1〜5において示したごとく、見かけの動的容量が80℃以上で上昇する原因が、実施例5のようにリーク電流の増加によるものかどうかを検討するために、実施例1、実施例4および比較例1で作製した圧電セラミックス(単板)を用いて動的容量の温度特性を評価した。
動的容量C= Q/V ・・・・・ A9
ここで、V:印加電圧(=970V)、Q:最大電荷[C]である。
実施例1、実施例4で作製した単板は80℃以上の温度領域において、電圧を繰返し印加したときに、リーク電流により、分極量のゼロ点がドリフトする現象が起きた。従って、ヒステリシスループを評価するために、10回繰返しの電圧印加で観測された電圧−分極量特性を、電圧=ゼロの時に、分極量=ゼロになるように補正して、かつ、線形抵抗が並列についているモデルでリーク電流を除去して、ヒステリシスループを得た。このヒステリシスループから求められる動的容量は、見かけの動的容量とは異なり、リーク電流を除いた、誘電成分と分極反転成分と分極回転成分に由来する充電電荷を、印加電圧で除したものである。このヒステリシスループを10回繰り返し、最大電荷量の平均値を分極量とした。
また、このようにして求めた単板の動的容量にアクチュエータの素子枚数である40を乗じて、実施例1、実施例4、比較例1で作製したアクチュエータの見かけの動的容量と比較した結果をそれぞれ図31、図32,図33に示す。
実施例5において示したように、駆動電界強度を1000V/mmよりも小さくすることにより、−30〜160℃の広い温度範囲において、見かけの動的容量の変動幅は小さくすることが出来る。しかし、駆動電界強度を小さくすると、動的歪量も小さくなる。本実施例では、本発明のアクチュエータの駆動電界強度を小さくした場合の動的歪量を求める。
実施例1〜5で作製したアクチュエータの駆動電界強度と20℃における動的歪量の関係を図34に示す。アクチュエータとして必要な駆動電界強度の下限値である100V/mmにおいて、動的歪量は250pm/V以上であることがわかった。
本実施例では、1000V/mmよりも低い駆動電界強度が小さく、動的歪量が小さい場合の変位の変動幅を求める。
このためには、圧電アクチュエータへの印加電圧を下げて測定すべきであるが、本実施例で作製した、圧電アクチュエータでは電界強度500V/mm未満においては、変位が小さく、測定精度が悪化する可能性がある。加えて、その温度特性評価はさらに困難である。
そこで、単板の圧電横歪定数d31の測定をすれば、変位の絶対値の推定は困難であるが、変位の温度特性の推定は可能であるため、本実施例では、共振−反共振法により、単板の圧電横歪定数d31の測定を実施した。
実施例5で作製した単板の圧電d31定数の温度特性を測定値と、実施例5で得た1000〜2000V/mmの駆動電界強度における動的歪量とを、それぞれ、20℃の値で規格化して比較した結果を図35に示す。−30〜80℃の温度範囲における単板の圧電d31定数の変動幅は、実施例5では±7.8%であった。また、−30〜160℃の温度範囲における単板の圧電d31定数の変動幅は、実施例5では±7.8%であった。この値は、1000〜2000V/mmの駆動電界強度における動的歪量の変動幅と同等もしくは小さい値であった。
2 圧電素子
21 圧電セラミックス
Claims (22)
- 圧電セラミックスの表面に一対の電極を形成してなる圧電素子を駆動源として有する圧電アクチュエータであって、
上記圧電アクチュエータに電圧を印加して、電界強度100V/mm以上の一定の振幅を有する電界駆動条件で駆動させた場合に、上記圧電アクチュエータは、下記の要件(a)〜(c)の内、少なくとも一つ以上の要件を満足することを特徴とする圧電アクチュエータ。
(a)上記圧電アクチュエータの見かけの動的容量をC[F]とすると、下記の式(1)で表される見かけの動的容量の温度変化による変動幅WC[%]が、温度−30〜80℃という特定温度範囲において±11%以内であること(ただし、上記見かけの動的容量は、上記圧電アクチュエータとコンデンサとを直列に接続し、上記圧電アクチュエータ及び上記コンデンサに電圧を印加したときに、上記コンデンサに蓄積される電荷量Q[C]を上記圧電アクチュエータに印加された電圧V[V]で除すことによって算出されるものである)。
WC(%)=[{2×Cmax/(Cmax+Cmin)}−1]×100・・・(1)
(ただし、Cmaxは、温度−30〜80℃における見かけの動的容量の最大値、Cminは、温度−30〜80℃における見かけの動的容量の最小値を表す)
(b)上記圧電アクチュエータの変位をL[μm]とすると、下記の式(2)で表される変位Lの温度変化による変動幅WLが、温度−30〜80℃という特定温度範囲において±14%以内であること。
WL(%)=[{2×Lmax/(Lmax+Lmin)}−1]×100・・・(2)
(ただし、Lmaxは、温度−30〜80℃における変位の最大値、Lminは、温度−30〜80℃における変位の最小値を表す)
(c)上記圧電アクチュエータの見かけの動的容量をC[F]、上記圧電アクチュエータの変位をL[μm]とすると、下記の式(3)で表されるL/Cの温度変化による変動幅WL/Cが、温度−30〜80℃という特定温度範囲において±12%以内であること(ただし、上記見かけの動的容量は、上記圧電アクチュエータとコンデンサとを直列に接続し、上記圧電アクチュエータ及び上記コンデンサに電圧を印加したときに、上記コンデンサに蓄積される電荷量Q[C]を上記圧電アクチュエータに印加された電圧V[V]で除すことによって算出されるものである)。
WL/C(%)=[{2×(L/C)max/((L/C)max+(L/C)min)}−1]×100・・・(3)
(ただし、(L/C)maxは、温度−30〜80℃におけるL/Cの最大値、(L/C)minは、温度−30〜80℃におけるL/Cの最小値を表す) - 請求項1において、上記圧電アクチュエータは、上記要件(a)と上記要件(b)との両方を満足することを特徴とする圧電アクチュエータ。
- 請求項1において、上記圧電アクチュエータは、上記要件(a)〜(c)のすべてを満足することを特徴とする圧電アクチュエータ。
- 請求項1〜3のいずれか一項において、上記圧電アクチュエータは、下記の要件(d)を満足することを特徴とする圧電アクチュエータ。
(d)上記見かけの動的容量をC[F]、上記圧電アクチュエータの変位をL[μm]とすると、下記の式(4)で表されるL/C0.5の温度変化による変動幅WL/C 0.5が、温度−30〜80℃という特定温度範囲において±12%以内であること
WL/C 0.5[%]=[{2×(L/C0.5)max/((L/C0.5)max+(L/C0.5)min)}−1]×100・・・(4)
(ただし、(L/C0.5)maxは、温度−30〜80℃におけるL/C0.5の最大値、(L/C0.5)minは、温度−30〜80℃におけるL/C0.5の最小値を表す) - 請求項1〜4のいずれか一項において、上記圧電アクチュエータは、下記の要件(e)を満足することを特徴とする圧電アクチュエータ。
(e)上記圧電アクチュエータの電界印加方向の歪みを電界強度で除することによって算出される動的歪量が、温度−30〜80℃という特定温度範囲において250pm/V以上であること - 請求項1〜5のいずれか一項において、上記圧電アクチュエータは、下記の要件(f)を満足することを特徴とする圧電アクチュエータ。
(f)上記見かけの動的容量Cの温度変化による上記変動幅WC(%)が、温度−30〜160℃という特定温度範囲において±35%以内であること。 - 請求項1〜6のいずれか一項において、上記圧電アクチュエータは、下記の要件(g)を満足することを特徴とする圧電アクチュエータ。
(g)上記圧電アクチュエータの変位Lの温度変化による上記変動幅WLが、温度−30〜160℃という特定温度範囲において±14%以内であること。 - 請求項1〜7のいずれか一項において、上記圧電アクチュエータは、下記の要件(h)を満足することを特徴とする圧電アクチュエータ。
(h)見かけの動的容量をC[F]、上記圧電アクチュエータの変位をL[μm]とすると、L/Cの温度変化による上記変動幅WL/Cが、温度−30〜160℃という特定温度範囲において±35%以内であること。 - 請求項1〜8のいずれか一項において、上記圧電アクチュエータは、下記の要件(i)を満足することを特徴とする圧電アクチュエータ。
(i)上記見かけの動的容量をC[F]、上記圧電アクチュエータの変位をL[μm]とすると、L/C0.5の温度変化による上記変動幅WL/C 0.5が、温度−30〜160℃という特定温度範囲において±20%以内であること。 - 圧電セラミックスの表面に一対の電極を形成してなる圧電素子を駆動源として有する圧電アクチュエータであって、
上記圧電アクチュエータに電圧を印加して、電界強度100V/mm以上の一定の振幅を有する電界駆動条件で駆動させた場合に、上記圧電アクチュエータは、下記の要件(j)〜(l)の内、少なくとも一つ以上の要件を満足することを特徴とする圧電アクチュエータ。
(j)上記圧電アクチュエータの見かけの動的容量をC[F]とすると、下記の式(5)で表される見かけの動的容量の温度変化による変動幅WC(%)が、温度−30〜160℃という特定温度範囲において±30%以内であること(ただし、上記見かけの動的容量は、上記圧電アクチュエータとコンデンサとを直列に接続し、上記圧電アクチュエータ及び上記コンデンサに電圧を印加したときに、上記コンデンサに蓄積される電荷量Q[C]を上記圧電アクチュエータに印加された電圧V[V]で除すことによって算出されるものである)。
WC(%)=[{2×Cmax/(Cmax+Cmin)}−1]×100・・・(5)
(ただし、Cmaxは、−30〜160℃における見かけの動的容量の最大値、Cminは、−30〜160℃における見かけの動的容量の最小値を表す)
(k)上記圧電アクチュエータの変位をL[μm]とすると、下記の式(6)で表される変位Lの温度変化による変動幅WLが、温度−30〜160℃という特定温度範囲において±14%以内であること。
WL(%)=[{2×Lmax/(Lmax+Lmin)}−1]×100・・・(6)
(ただし、Lmaxは、−30〜160℃における変位の最大値、Lminは、−30〜160℃における変位の最小値を表す)
(l)上記圧電アクチュエータの見かけの動的容量をC[F]、上記圧電アクチュエータの変位をL(μm)とすると、下記の式(7)で表されるL/Cの温度変化による変動幅WL/Cが、温度−30〜160℃という特定温度範囲において±35%以内であること(ただし、上記見かけの動的容量は、上記圧電アクチュエータとコンデンサとを直列に接続し、上記圧電アクチュエータ及び上記コンデンサに電圧を印加したときに、上記コンデンサに蓄積される電荷量Q[C]を上記圧電アクチュエータに印加された電圧V[V]で除すことによって算出されるものである)。
WL/C(%)=[{2×(L/C)max/((L/C)max+(L/C)min)}−1]×100・・・(7)
(ただし、(L/C)maxは、−30〜160℃におけるL/Cの最大値、(L/C)minは、−30〜160℃におけるL/Cの最小値を表す) - 請求項10において、上記圧電アクチュエータは、上記要件(j)と上記要件(k)との両方を満足することを特徴とする圧電アクチュエータ。
- 請求項10において、上記圧電アクチュエータは、上記要件(j)〜(l)のすべてを満足することを特徴とする圧電アクチュエータ。
- 請求項10〜12のいずれか一項において、上記圧電アクチュエータは、下記の要件(m)を満足することを特徴とする圧電アクチュエータ。
(m)上記見かけの動的容量をC(F)、上記圧電アクチュエータの変位をL(μm)とすると、下記の式(8)で表されるL/C0.5の温度変化による変動幅WL/C 0.5が、温度−30〜160℃という特定温度範囲において±20%以内であること
WL/C 0.5[%]=[{2×(L/C0.5)max/((L/C0.5)max+(L/C0.5)min)}−1]×100・・・(8)
(ただし、(L/C0.5)maxは、−30〜160℃という特定温度範囲におけるL/C0.5の最大値、(L/C0.5)minは、−30〜160℃という特定温度範囲におけるL/C0.5の最小値を表す) - 請求項10〜13のいずれか一項において、上記圧電アクチュエータは、下記の要件(n)を満足することを特徴とする圧電アクチュエータ。
(n)上記圧電アクチュエータの電界印加方向の歪みを電界強度で除することによって算出される動的歪量が、温度−30〜160℃という特定温度範囲において250pm/V以上であること - 請求項1〜14のいずれか一項において、上記圧電アクチュエータは、正の抵抗温度係数を有するPTC抵抗体を有し、該PTC抵抗体と負の抵抗温度係数を有する上記圧電セラミックスとは、電気的に並列に接続されていると共に、上記PTC抵抗体と上記圧電セラミックスとの温度が略等しくなるような位置関係で配置されていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
- 請求項15において、上記PTC抵抗体は、チタン酸バリウム系半導体であり、温度80℃以上の温度領域において、正の抵抗温度係数を有することを特徴とする圧電アクチュエータ。
- 請求項1〜16のいずれか一項において、上記圧電アクチュエータは、上記圧電素子として、複数の上記圧電セラミックスが積層されてなる積層型圧電素子を有し、燃料噴射弁に用いられることを特徴とする圧電アクチュエータ。
- 請求項1〜17のいずれか一項において、上記圧電セラミックスは、Li、K、及びNaから選ばれる少なくとも一種を含有するアルカリ金属含有圧電セラミックスからなることを特徴とする圧電アクチュエータ。
- 請求項1〜18のいずれか一項において、上記圧電セラミックスは、鉛を含有していないことを特徴とする圧電アクチュエータ。
- 請求項1〜19のいずれか一項において、上記圧電セラミックスは、一般式:{Lix(K1-yNay)1-x}{Nb1-z-wTazSbw}O3(但し、0≦x≦0.2、0≦y≦1、0≦z≦0.4、0≦w≦0.2、x+z+w>0)で表される等方性ペロブスカイト型化合物を主相とする多結晶体からなると共に、該多結晶体を構成する各結晶粒の特定の結晶面が配向している結晶配向圧電セラミックスからなることを特徴とする圧電アクチュエータ。
- 請求項20において、上記結晶配向圧電セラミックスにおいては、上記一般式:{Lix(K1-yNay)1-x}{Nb1-z-wTazSbw}O3におけるx、y、及びzが、下記の式(9)及び式(10)の関係を満足することを特徴とする圧電アクチュエータ。
9x−5z−17w≧−318 ・・・(9)
−18.9x−3.9z−5.8w≦−130 ・・・(10) - 請求項20又は21において、上記結晶配向圧電セラミックスは、ロットゲーリングによる擬立方{100}面の配向度が30%以上であり、かつ、10〜160℃という温度範囲おいて、結晶系が正方晶であることを特徴とする圧電アクチュエータ。
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