JP2007259700A - 圧電／電歪素子、圧電／電歪セラミックス組成物及び圧電モータ - Google Patents

Abstract

【課題】Ｑ値が高いと共に、共振周波数の温度変化が小さい圧電／電歪素子を提供することにある。
【解決手段】圧電／電歪体１２と、この圧電／電歪体１２上に設けられた一対以上の電極とからなる圧電／電歪素子１１であって、共振周波数の温度変化率が−４０℃から＋８０℃の温度範囲において、±１％未満であることを特徴とする。これにより、Ｑ値が高いと共に、共振周波数の温度変化が小さい圧電／電歪素子を提供できる。また、本発明の圧電／電歪セラミック組成物及び圧電モータによれば、焼成時における圧電／電歪体からのＰｂの蒸発を低減させるとともに、さらに、１０５０℃以下で焼成ができることから、圧電／電歪特性の劣化抑止、および安価な電極材料を用いることが可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電／電歪素子、圧電／電歪セラミック組成物及び圧電モータに関する。

従来、圧電／電歪材料は超音波モータや、圧電トランス、発音体、アクチュエータ、センサ等に使用されている。これら用途においては、圧電／電歪材料の特性改善として組成や微構造の検討がなされてきた。そして、特性改善により装置や素子の小型化、エネルギー変換効率の向上等がなされてきた。

圧電／電歪材料としては、いわゆるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を主成分とした材料（以下、ＰＺＴ系圧電／電歪材料と称する）が各種用いられているが、超音波モータや圧電トランス等の用途には、機械的品質係数の大きな材料が好ましいことがわかっている。そのため、ＰＺＴ系圧電／電歪材料についてＭｎやＣｏを添加することにより特性改善が図られている。

しかし、ＰＺＴ系圧電材料は、焼成のために１２５０℃程度の高温が必要であり、その焼成途中の１０００℃付近からＰｂが蒸発することが知られている。このような圧電／電歪体からのＰｂの蒸発が起きると、焼成後に得られる圧電／電歪体においてはＰｂ不足によって引き起こされる組成ずれによる圧電特性、具体的には電気機械結合係数や、比誘電率、機械的品質係数、弾性コンプライアンスの劣化が生じたり、特性ばらつきが生じたりする、といった問題が生じる場合もある。また、１２５０℃程度の焼成が必要な場合、圧電／電歪層間に形成する電極層は、その温度での焼成に耐えられる電極材料が必要となり、このため、高価な白金や白金を主成分とした電極材料を使うこととなるが、これは圧電／電歪素子のコスト高要因となっている。

また、圧電／電歪材料を共振子として使用する場合、共振周波数と駆動周波数のずれが大きくなると、変位が急激に低下するという問題があり、特に、室温では大きな変位が得られていたとしても、温度変化に対する共振周波数の変化が大きい場合には、共振子の温度が低下したり上昇したりすると、変位の低下が大きくなり問題となっていた。

上記問題は超音波モータについても例外ではなく、例えば、非特許文献１に開示された超音波モータは、一次縦、二次屈曲モードを使用したモータ素子であって、矩形の圧電層と、該圧電層を略二分割するように形成された電極層と、を交互に積層してなる圧電モータ素子に関するものであるが、この超音波モータの駆動モードについても、使用する圧電材料の共振周波数の温度変化が大きな場合には、変位の温度変化が大きくなるという問題を有していた。

この問題に対し、これまで圧電／電歪材料の共振周波数の温度変化率が小さな材料を用いて共振子を作製することで改善を試みており、圧電／電歪材料自体の共振周波数の温度変化率を考慮しない共振子に比べると、変位の低下量は小さくなった。しかし、未だ実用の観点からすると改善は不十分であった。

また、別の解決手段として、素子の共振周波数の温度変化をあらかじめ測定しておき、温度センサで素子の温度を測定して、測定温度に合わせて駆動周波数を制御する方法も考案されているが、温度センサが必要となりコストが高くなるという問題があった。
ＡＣＴＵＡＴＯＲ２００６予講集Ａ１．１（Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｍｏｔｏｒｓ ｆｏｒ Ｌｅｎｓ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｏｆ Ｃｅｌｌｕｌａｒ Ｐｈｏｎｅ Ｃａｍｅｒａ Ｍｏｄｕｌｅｓ）

本発明は、このような従来技術の課題を解決するためになされたものであって、圧電／電歪素子とした場合に、Ｑ値が高い圧電／電歪素子であって、かつ、共振周波数の温度変化が小さい圧電／電歪素子を提供することにある。また、本発明の圧電／電歪セラミック組成物及び圧電モータによれば、焼成時における圧電／電歪体からのＰｂの蒸発を低減させることによる、圧電／電歪特性の劣化抑止、および安価な電極材料を用いることが可能である。

上記課題を解決するため、本発明によって以下の圧電／電歪素子、圧電／電歪セラミックス組成物及び圧電モータが提供される。

［１］ 圧電／電歪体と、前記圧電／電歪体上に設けられた一対以上の電極とからなる圧電／電歪素子であって、前記圧電／電歪体に使用している圧電／電歪材料の共振周波数の温度変化率と、電極材料の共振周波数の温度変化率とが、−４０℃から＋８０℃の温度範囲において、正負の符号が異なることを特徴とする圧電／電歪素子。

［２］ 前記電極材料が金属材料からなり、前記圧電／電歪体に使用している圧電／電歪材料のヤング率の温度変化率と、前記金属材料のヤング率の温度変化率とが、−４０℃から＋８０℃の温度範囲において、正負の符号が異なることを特徴とする［１］に記載の圧電／電歪素子。

［３］ 圧電／電歪層と内部電極層とが、交互に、複数、積層されてなる柱状積層体と、その柱状積層体の周面に設けられ、前記内部電極層のうち、極性の同じものを、それぞれ接続する一対の側面電極と、を有する［１］又は［２］に記載の圧電／電歪素子。

［４］ 前記圧電／電歪素子において、前記内部電極層に使用している金属材料のヤング率の温度変化率が、温度範囲において、−８．０％以上−１．０％以下であることを特徴とする［１］〜［３］のいずれかに記載の圧電／電歪素子。

［５］ 前記圧電／電歪素子において、前記圧電／電歪材料のヤング率の温度変化率が、−４０℃から＋８０℃の温度範囲において、０％より大きく４．０％以下であることを特徴とする［１］〜［４］のいずれかに記載の圧電／電歪素子。

［６］ 前記圧電／電歪材料が、正方晶を主相とすることを特徴とする［１］〜［５］のいずれかに記載の圧電／電歪素子。

［７］ 前記［１］〜［６］のいずれかに記載の前記圧電／電歪体が、ＰｂをＰｂＯ換算で６５質量％以上７０質量％以下含み、ＴｉをＴｉＯ_２換算で７．０質量％以上１６．０質量％以下含み、ＺｒをＺｒＯ_２換算で１０．５質量％以上２４．５質量％以下含み、ＳｂをＳｂ_２Ｏ_３換算で０．６５質量％以上１．０５質量％以下含み、ＮｂをＮｂ_２Ｏ_５換算で０．５質量％以上０．８質量％以下含み、ＣｕをＣｕＯ換算で０．３質量％以上０．７質量％以下含み、ＷをＷＯ_３換算で０．６質量％以上１．５質量％以下含み、ＭｎをＭｎＯ_２換算で０．３質量％以上０．７質量％以下含み、ＣｕとＷのモル比が１．５：１以上２．５：１以下であることを特徴とする圧電／電歪セラミック組成物。

［８］ 前記圧電／電歪セラミック組成物を主成分とする圧電／電歪体と、この圧電／電歪体上に設けられた一対以上の電極とからなることを特徴とする前記［１］〜［７］のいずれかに記載の圧電／電歪素子。

［９］ 圧電／電歪層と内部電極層とが、交互に、複数、積層されてなる柱状積層体と、その柱状積層体の周面に設けられ、前記内部電極層のうち、極性の同じものを、それぞれ接続する一対の側面電極と、を有する圧電／電歪素子であって、前記圧電／電歪層のヤング率に対する、前記内部電極層のヤング率の比率（電極層のヤング率÷圧電／電歪層のヤング率）が０．７５以上１．３０以下であることを特徴とする前記［１］〜［８］のいずれかに記載の圧電／電歪素子。

［１０］ 前記圧電／電歪層のヤング率が６０ＧＰａ以上１００ＧＰａ以下であることを特徴とする前記［１］〜［９］のいずれかに記載の圧電／電歪素子。

［１１］ 前記圧電／電歪層中にＡｇを含むことを特徴とする前記［１］〜［１０］のいずれかに記載の圧電／電歪素子。

［１２］ 前記圧電／電歪層中一次縦−二次屈曲振動モードを利用した定在波型圧電モータであることを特徴とする前記［１］〜［１１］のいずれかに記載の圧電モータ。

［１３］ 前記［１２］の圧電モータであって、一次縦共振周波数および二次屈曲共振周波数の温度変化が、−４０℃から８０℃の温度範囲において１．０％以内であることを特徴とする［１２］に記載の圧電モータ。

本発明の圧電／電歪素子によれば、Ｑ値が高いと共に、共振周波数の温度変化が小さい圧電／電歪素子を提供できる。また、本発明の圧電／電歪セラミック組成物及び圧電モータによれば、焼成時における圧電／電歪体からのＰｂの蒸発を低減させるとともに、さらに、１０５０℃以下で焼成ができることから、圧電／電歪特性の劣化抑止、および安価な電極材料を用いることが可能である。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照しながら具体的に説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、適宜設計の変更、改良等が加えられることが理解されるべきである。

［１］本発明の圧電／電歪素子の構成：
本発明の圧電素子１１は、図１及び図２に示すように、圧電体と、この圧電体上に設けられた一対以上の電極（第一電極３、第二電極４）とから概ね構成される。ここで、図１は本発明の圧電素子の一実施形態を模式的に示す斜視図であり、図２は図１で示した圧電素子の構成をわかりやすく説明するために、各層で分解した分解斜視図である。以下、圧電／電歪素子について説明するが、主に圧電素子について説明する。電歪素子については、電圧を加えると微小に伸縮する素子として圧電素子と基本的構成が同様であることから、圧電素子を電歪素子と置き換えて、圧電素子の説明として参照されることを望む。

より具体的には、圧電／電歪素子１１は、圧電体からなる圧電層１と圧電層２が少なくとも交互に１層以上積層されて形成されている。図１では、５層の圧電層１と５層の圧電層２が交互に積層されている。しかし、図１で示した交互に５層組み合わせられて積層形成された圧電／電歪素子は一例に過ぎず、これに限定する趣旨ではない。交互に圧電層１と圧電層２が、多層組み合わせられて圧電／電歪素子を形成する場合を含む趣旨である。ここで、図２で示すように、圧電体からなる圧電層１の上面及びその下面には、第一電極３と第二電極４が形成され、その下側に形成される圧電層２には、共通電極５が形成されている。さらに、その圧電層２の下側に位置する圧電層１の上面には、上述と同じ構成、すなわち、上面及び下面に第一電極３と第二電極４が形成された圧電層１が形成される。このように交互に、圧電層１と圧電層２とが順次積層される。また、圧電／電歪素子１１は、積層厚み方向の側面に、圧電層１で隔離された複数の第一電極３、複数の第二電極４、複数の共通電極５が形成され、さらに、電気的に接続する側面電極６が形成されている。

本発明の圧電素子１１は、共振周波数の温度変化率が−４０℃から＋８０℃の温度範囲において、±１％未満であることを特徴とする。このような所望の温度範囲において、共振周波数の温度変化率の数値が±１％未満であれば、圧電／電歪材料を共振子として使用する場合、共振子の共振周波数の温度変化を制御でき、Ｑ値が高いと共に、共振周波数の温度変化が小さい圧電／電歪素子を提供できる。

また、上述の圧電／電歪素子においては、圧電／電歪体に使用している圧電／電歪材料の共振周波数の温度変化率と、電極材料の共振周波数の温度変化率とが、正負の符号が異なることが、より好ましい。なお、ここで『正負の符号が異なる』ということは、例えば温度上昇に伴って温度変化率（例えば、後述する「ヤング率」も同様）が増加する圧電／電歪材料と、温度上昇に伴って温度変化率（例えば、後述する「ヤング率」も同様）が減少する電極材料の組み合わせのように、温度変化率（例えば、後述する「ヤング率」も同様）の増減が逆であることを指す。圧電／電歪材料の共振周波数の温度変化率と電極材料の共振周波数の温度変化率との、それぞれの温度変化を相殺しやすく、圧電／電歪素子として見た場合に、共振周波数の温度変化を小さくすることが可能であるから、より好ましい。

また、上述の圧電／電歪素子においては、電極材料が金属材料からなり、前記圧電／電歪体に使用している圧電／電歪材料のヤング率の温度変化率と、前記金属材料のヤング率の温度変化率とが、−４０℃から＋８０℃の温度範囲において、正負の符号が異なることが、好ましい。圧電／電歪材料だけで改善を図ろうとすると、共振周波数の温度特性を満足させることが出来ても、その他の特性を低下させる場合もある。しかし、本発明のように、圧電／電歪素子を構成する各材料のヤング率の温度変化を制御して、共振子の共振周波数の温度変化を制御できるようし、圧電／電歪材料と内部電極層のヤング率の変化を相殺し、圧電／電歪素子として見た場合に、共振周波数の温度変化を小さくすることが可能となるため、より好ましい。

なお、上述の電極として用いる金属材料は、温度上昇に伴ってヤング率が低下するため、圧電／電歪材料として温度上昇に伴ってヤング率が増加するものを選定することが好ましい。

また、圧電／電歪層と内部電極層とが、交互に、複数、積層されてなる柱状積層体と、その柱状積層体の周面に設けられ、前記内部電極層のうち、極性の同じものを、それぞれ接続する一対の側面電極と、を有する圧電／電歪素子として構成することが好ましい。

さらに、この内部電極層に使用している金属材料のヤング率の温度変化率は、温度範囲において、−８．０％以上−１．０％以下であることが好ましく、更に好ましいのは、−４０℃から＋８０℃の温度範囲において、−４．０％以上から−１．０％以下であることがより好ましく、−３．０％以上から−１．５％以下であることが更に好ましい。

また、前記圧電／電歪素子において、前記圧電／電歪材料のヤング率の温度変化率が、−４０℃〜＋８０℃の温度範囲において、０％より大きく４．０％以下であることが好ましく、０．３％以上３．０％以下であることがより好ましく、０．５％以上２．５％以下であることが更に好ましい。

また、前記圧電／電歪材料が、正方晶を主相とすることが好ましい。

［１−１］圧電／電歪セラミック組成物：
また、前記圧電／電歪体が、ＰｂをＰｂＯ換算で６５質量％以上７０質量％以下含み、ＴｉをＴｉＯ_２換算で７．０質量％以上１６．０質量％以下含み、ＺｒをＺｒＯ_２換算で１０．５質量％以上２４．５質量％以下含み、ＳｂをＳｂ_２Ｏ_３換算で０．６５質量％以上１．０５質量％以下含み、ＮｂをＮｂ_２Ｏ_５換算で０．５質量％以上０．８質量％以下含み、ＣｕをＣｕＯ換算で０．３質量％以上０．７質量％以下含み、ＷをＷＯ_３換算で０．６質量％以上１．５質量％以下含み、ＭｎをＭｎＯ_２換算で０．３質量％以上０．７質量％以下含み、ＣｕとＷのモル比が１．５：１以上２．５：１以下である圧電／電歪セラミック組成物からなることが好ましく、より好ましいのは、上記圧電／電歪セラミック組成物を主成分とする圧電／電歪体と、この圧電／電歪体上に設けられた一対以上の電極とから圧電／電歪素子が構成されることである。この圧電／電歪セラミック組成物、或いは、上記圧電／電歪セラミック組成物を主成分とする圧電/電歪体は、焼成温度が１０５０度以下であっても、十分に緻密化し高い特性を有し、更に、この圧電／電歪セラミック組成物を用いて作製した圧電／電歪素子では、共振周波数の温度変化率が小さいという特性を有している。

また、上記圧電／電歪素子は、圧電／電歪層と内部電極層とが、交互に、複数、積層されてなる柱状積層体と、その柱状積層体の周面に設けられ、前記内部電極層のうち、極性の同じものを、それぞれ接続する一対の側面電極と、を有する圧電／電歪素子であって、前記圧電／電歪層のヤング率に対する、前記内部電極層のヤング率の比率（電極層のヤング率÷圧電／電歪層のヤング率）が０．７５以上１．３０以下であることが好ましく、圧電セラミック層のヤング率に対する、圧電セラミック層に挟まれる電極層のヤング率の比率が０．８０以上１．２５以下であることがより好ましく、０．８５以上１．２０以下であることが更に好ましい。

また、圧電／電歪層のヤング率が６０ＧＰａ以上１００ＧＰａ以下であることが好ましい。圧電セラミック層ヤング率は、７０ＧＰａ以上９５ＧＰａ以下であることがより好ましく、８０ＧＰａ以上９０ＧＰａ以下であることが更に好ましい。

［１−１−１］圧電／電歪セラミック組成物の調製方法：
このような圧電／電歪セラミック組成物の調製方法としては、次のものがある。なお、
本実施形態の圧電／電歪セラミック組成物は、全原料をまとめて混合してなる混合原料を仮焼・粉砕して調製しても良いし、一部の原料を混合してなる混合原料を仮焼・粉砕した二次原料を数種類調製し、これら数種類の二次原料および原料を混合してなる混合原料を仮焼・粉砕して調製しても良い。以下、圧電／電歪セラミック組成物の調製方法について具体的に説明する。

第一の圧電／電歪セラミック組成物の調製方法としては、次のような調製方法がある。まず、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｗの各元素単体、これら各元素の酸化物（ＰｂＯ、Ｐｂ_３Ｏ_４、Ｓｂ_２Ｏ_３、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＭｎＯ、ＭｎＯ_２、ＣｕＯ、Ｃｕ_２Ｏ、ＷＯ_３等）、炭酸塩（ＭｎＣＯ_３等）、又はこれら各元素を複数種含有する化合物（ＳｂＮｂＯ_２等）等を、各元素の含有率が所望の組成割合になるように混合する。この混合方法としては、一般的な方法を用いればよく、例えばボールミルを挙げることができる。具体的には、ボールミル装置内に所定量の各種原料、玉石、水を入れ、所定時間だけ回転させて混合スラリーを調製する。その後、得られた混合スラリーに含まれる水分を、蒸発させて乾燥する、或いは、ろ過する等して除去することにより混合原料を得ることができる。得られた混合原料を５００〜１０００℃で仮焼した後、ボールミル、アトライタ、ビーズミル等の一般的な粉砕装置を用いて粉砕すれば、粒子状の圧電／電歪セラミック組成物とすることができる。

第二の圧電／電歪セラミック組成物の調製方法としては、次のような調製方法がある。Ｐｂ、Ｓｂ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｍｎの各元素単体、これら各元素の酸化物（ＰｂＯ、Ｐｂ_３Ｏ_４、Ｓｂ_２Ｏ_３、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＭｎＯ、ＭｎＯ_２等）、炭酸塩（ＭｎＣＯ_３等）、又はこれら各元素を複数種含有する化合物（ＳｂＮｂＯ_２等）等を、各元素の含有率が所望の組成割合になるように混合する。この混合方法としては、一般的な方法を用いればよく、例えばボールミルを挙げることができる。具体的には、ボールミル装置内に所定量の各種原料、玉石、水を入れ、所定時間だけ回転させて混合スラリーを調製する。その後、得られた混合スラリーに含まれる水分を、蒸発させて乾燥する、或いは、ろ過する等して除去することにより混合原料を得ることができる。得られた混合原料を７５０〜１３００℃で仮焼した後、ボールミル、アトライタ、ビーズミル等の一般的な粉砕装置を用いて粉砕すれば、二次原料とすることができる。

次いで、Ｐｂ、Ｃｕ、Ｗの各元素単体、これら各元素の酸化物（ＰｂＯ、Ｐｂ_３Ｏ_４、ＣｕＯ、Ｃｕ_２Ｏ、ＷＯ_３等）等を、各元素の含有率が所望の組成割合になるように混合する。混合方法としては、前記同様に一般的な方法を用いればよく、例えばボールミルを挙げることができる。具体的には、ボールミル装置内に所定量の各種原料、玉石、水を入れ、所定時間だけ回転させて混合スラリーを調製する。その後、得られた混合スラリーに含まれる水分を、蒸発させて乾燥する、ろ過する等して除去することにより混合原料を得ることができる。得られた混合原料を５００〜１０００℃で仮焼した後、ボールミル、アトライタ、ビーズミル等の一般的な粉砕装置を用いて粉砕すれば、二次原料とすることができる。

上記で得られた２種類の二次原料を、更に各元素の含有率が所望の組成割合になるように混合する。混合方法としては、前記同様に一般的な方法を用いればよく、例えばボールミルを挙げることができる。具体的には、ボールミル装置内に所定量の各種原料、玉石、水を入れ、所定時間だけ回転させて混合スラリーを調製する。その後、得られた混合スラリーに含まれる水分を、蒸発させて乾燥する、ろ過する等して除去することにより混合原料を得ることができる。得られた混合原料を５００〜１０００℃で仮焼した後、ボールミル、アトライタ、ビーズミル等の一般的な粉砕装置を用いて粉砕すれば、粒子状の圧電／電歪セラミック組成物とすることができる。

［１−１-２］粒子状の圧電／電歪セラミック組成物：
上記の第一及び第二の圧電／電歪セラミック組成物の調製方法によって作製した粒子状の圧電／電歪セラミック組成物の平均粒子径は０．０３〜１．０μｍであることが好ましく、０．０５〜０．５μｍであることが更に好ましい。

なお、上述の粒子径の調整は、粉砕して得られた圧電／電歪セラミック組成物の粉末を４００〜７５０℃で熱処理することにより行ってもよい。この際には、微細な粒子ほど他の粒子と一体化して粒子径の揃った粉末となり、粒子径が揃った圧電／電歪層とすることができるため好ましい。また、圧電／電歪セラミック組成物は、例えば、アルコキシド法や共沈法等によって調製してもよい。

［１-２］圧電／電歪層の形成方法：
本実施形態の圧電／電歪層を形成するための方法としては、圧電／ 電歪セラミック組成物に可塑剤や分散剤や溶媒等を加えて、ボールミル等の一般的な混合装置を用いてスラリー化した後、ドクターブレード等の一般的なシート成形機によりシート状に成形することができる。その後、切断し、所望の寸法の圧電／電歪層を形成する。

［１−３］第一電極、第二電極、共通電極の形成方法：
上記圧電／電歪層間に第一電極、第二電極、共通電極を形成するには、前記で所望の寸法にて作製した圧電／電歪層上に、例えばスクリーン印刷のような一般的な膜形成装置を用いて形成し、これらを順次積層し、加圧一体化する工程を経た後、電気炉等の加熱装置により焼成する。

［１−４］その他の圧電／電歪層：
また、上記圧電／電歪層中にＡｇを含むことが好ましい。

［１−５］定在波型圧電モータ：
更に、上記圧電／電歪層中一次縦−二次屈曲振動モードを利用した定在波型圧電モータであることも望ましい実施形態の一つである。

更に、上記圧電モータであって、一次縦共振周波数および二次屈曲共振周波数の温度変化が、−４０℃から８０℃の温度範囲において１．０％以内であることが好ましく、より好ましいのは０．８％以内であること、更に、０．６％以内であることが好ましい。

以下、本発明を実施例によって更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。

（実施例１）
ＰｂＯを６８．５質量％、ＴｉＯ_２を１１．７質量％、ＺｒＯ_２を１７．５質量％、Ｓｂ_２Ｏ_３を０．９０質量％、Ｎｂ_２Ｏ_５を０．８２質量％、ＭｎＣＯ_３をＭｎＯ_２換算で０．６０質量％となるように、各原料を量り取り、所定量の水と共にボールミルにて２４時間の混合を行った。その後、調製スラリーを熱風乾燥機内に入れて蒸発・乾燥させた。得られた混合原料は、マグネシアのサヤ内に入れマグネシアの蓋をして、電気炉中で１０００℃に加熱し仮焼・合成を行う。得られた仮焼物は、再度、所定量の水と共にボールミルにて所定時間の粉砕を行い、熱風乾燥機内にて蒸発・乾燥させ第一の二次原料とした。

次いで、ＰｂＯを５３．３質量％、ＣｕＯを１９．０質量％、ＷＯ_３を２７．７質量％となるように各原料を量り取り、所定量の水と共にボールミルにて２４時間の混合を行った。その後、調製スラリーを熱風乾燥機内に入れて蒸発・乾燥させた。得られた混合原料は、マグネシアのサヤ内に入れマグネシアの蓋をして、電気炉中で８００℃に加熱し仮焼・合成を行う。得られた仮焼物は、再度、所定量の水と共にボールミルにて所定時間の粉砕を行い、熱風乾燥機内にて蒸発・乾燥させ第二の二次原料とした。

前記で調製した、第一の二次原料を９７．４質量％、第二の二次原料を２．６質量％、で量り取り、所定量の水と共にボールミルにて２４時間の混合を行った。その後、調製スラリーを熱風乾燥機内に入れて蒸発・乾燥させた。得られた混合原料は、マグネシアのサヤ内に入れマグネシアの蓋をして、電気炉中で８００℃に加熱し仮焼・合成を行う。得られた仮焼物は、再度、所定量の水と共にボールミルにて所定時間の粉砕を行い、熱風乾燥機内にて蒸発・乾燥させ圧電セラミック組成物とした。

このようにして作製した圧電セラミック組成物粉末を、直径２０ｍｍ、厚み７ｍｍの円板形状に圧粉成形した後、マグネシアサヤ中に入れて、電気炉にて９５０℃で３時間保持して圧電セラミックバルクを作製した。得られた圧電セラミックバルクを１２ｍｍ×３ｍｍ×１ｍｍの形状に加工し、１２ｍｍ×３ｍｍの二面にＡｇペーストを塗布・熱処理して試験片を作製した。試験片は１４０℃のシリコンオイル中で、３ｋＶ／ｍｍの電界を、１５分間印加することで分極処理を行った。

この分極処理を行った試験片のヤング率は、ＥＭＡＳ６１００に従って弾性コンプライアンスを測定し、その逆数として求めた。また、ヤング率の温度変化率を測定する場合は、恒温槽内で−４０℃から８０℃までの所定の温度で弾性コンプライアンスを測定し、その逆数として求めた。その結果、−４０℃では８３．４ＧＰａ、８０℃では８４．７ＧＰａと、正の傾きを持っていることを確認した。

また、Ａｇ−Ｐｄ電極材料のヤング率の温度変化は、所定温度において曲げ法によりヤング率を測定した。結果、−４０℃では６５．９ＧＰａ、８０℃では６４．６ＧＰａと負の傾きを持っていることを確認した。

（実施例２）
ＰｂＯを６８．５質量％、ＴｉＯ_２を１１．７質量％、ＺｒＯ_２を１７．５質量％、Ｓｂ_２Ｏ_３を０．９０質量％、Ｎｂ_２Ｏ_５を０．８２質量％、ＭｎＣＯ_３をＭｎＯ_２換算で０．６０質量％となるように、各原料を量り取り、所定量の水と共にボールミルにて２４時間の混合を行った。その後、調製スラリーを熱風乾燥機内に入れて蒸発・乾燥させた。得られた混合原料は、マグネシアのサヤ内に入れマグネシアの蓋をして、電気炉中で１０００℃に加熱し仮焼・合成を行う。得られた仮焼物は、再度、所定量の水と共にボールミルにて所定時間の粉砕を行い、熱風乾燥機内にて蒸発・乾燥させ第一の二次原料とした。

次いで、ＰｂＯを５３．３質量％、ＣｕＯを１９．０質量％、ＷＯ_３を２７．７質量％となるように各原料を量り取り、所定量の水と共にボールミルにて２４時間の混合を行った。その後、調製スラリーを熱風乾燥機内に入れて蒸発・乾燥させた。得られた混合原料は、マグネシアのサヤ内に入れマグネシアの蓋をして、電気炉中で８００℃に加熱し仮焼・合成を行う。得られた仮焼物は、再度、所定量の水と共にボールミルにて所定時間の粉砕を行い、熱風乾燥機内にて蒸発・乾燥させ第二の二次原料とした。

前記で調製した、第一の二次原料を９７．４質量％、第二の二次原料を２．６質量％、で量り取り、所定量の水と共にボールミルにて２４時間の混合を行った。その後、調製スラリーを熱風乾燥機内に入れて蒸発・乾燥させた。得られた混合原料は、マグネシアのサヤ内に入れマグネシアの蓋をして、電気炉中で８００℃に加熱し仮焼・合成を行う。得られた仮焼物は、再度、所定量の水と共にボールミルにて所定時間の粉砕を行い、熱風乾燥機内にて蒸発・乾燥させ圧電セラミック組成物とした。

こうして得られた圧電セラミック組成物を分散材、可塑剤、溶媒と共に混合してスラリーを調製し、ドクターブレード法にて圧電セラミックシートを成形した。圧電セラミックシートの厚みは、焼成後に４０μｍとなるように調製した。圧電セラミックシート上に７０ｗｔ％Ａｇ−３０ｗｔ％Ｐｄ電極材料ペーストを所定形状で印刷形成したものを所定順序で３６層分を積層してグリーンシート積層体を作製した。電極材料の厚みは、焼成後に１．５μｍとなるように調製した。得られたグリーンシート積層体を電気炉中で９００℃で焼成した後、長さ５．０ｍｍ×幅１．５ｍｍ×厚み１．５ｍｍの寸法となるように機械加工した後、７０ｗｔ％Ａｇ−３０ｗｔ％Ｐｄ電極材料ペーストにより側面電極を形成し、圧電素子とした。

（実施例３、４、比較例１、２）
各原料を下記の表１に示した割合となるように量り取り、実施例２と同様な方法にて圧電素子を作製した。

（評価）
上記実施例及び比較例における、Ｑ値、ＭｎＯ_２量、共振周波数の温度変化率の数値を下記の表２に示した。なお、Ｑ値、共振周波数の温度変化率の数値は、次式を用いて算出した。
Ｑ値：（素子の共振周波数）／（共振周波数の半値幅）
共振周波数の温度変化率：（ｆｍａｘ−ｆｍｉｎ）／ｆ_２０
ｆｍａｘ：−４０℃から８０℃における最大の共振周波数
ｆｍｉｎ：−４０℃から８０℃における最小の共振周波数
ｆ_２０：２０℃における共振周波数

実施例１〜３および比較例１〜３の圧電素子についてＱ値を測定したところ、実施例のＱ値はいずれも６５０を超えているのに対し、比較例１のＱ値は３１であった。また、比較例２では焼成後でも圧電層が緻密化していないために、Ｑ値の測定ができなかった。実施例２に使用した圧電セラミック材料のヤング率は８４．１ＧＰａであり、電極に使用した７０ｗｔ％Ａｇ−３０ｗｔ％Ｐｄ合金のヤング率は６５．３ＧＰａであった。従って、圧電セラミック材料のヤング率に対する、電極材料のヤング率の比率は０．７８であった。これらの結果により、Ｑ値が高いと共に、共振周波数の温度変化が小さい圧電／電歪素子が可能となることがわかる。

本発明は、超音波モータや、圧電トランス、発音体、アクチュエータ、センサ等の圧電／電歪素子、圧電／電歪セラミックス組成物及び圧電モータ等に利用できる。そして、本発明の圧電／電歪素子によれば、Ｑ値が高いと共に、共振周波数の温度変化が小さい圧電／電歪素子を提供できる。

本発明の圧電／電歪素子の一実施形態を模式的に示す斜視図であって、概略斜視図である。 本発明の圧電／電歪素子の一実施形態を模式的に示す斜視図であって、図１の概略斜視図で示した圧電／電歪素子の構成をわかりやすく説明するために、各層で分解した、分解斜視図である。

符号の説明

１，２：圧電／電歪層、３：第一電極、４：第二電極、５：共通電極、６：側面電極。

Claims (13)

1. 圧電／電歪体と、前記圧電／電歪体上に設けられた一対以上の電極とからなる圧電／電歪素子であって、
   前記圧電／電歪体に使用している圧電／電歪材料の共振周波数の温度変化率と、電極材料の共振周波数の温度変化率とが、−４０℃から＋８０℃の温度範囲において、正負の符号が異なることを特徴とする圧電／電歪素子。
2. 前記電極材料が金属材料からなり、前記圧電／電歪体に使用している圧電／電歪材料のヤング率の温度変化率と、前記金属材料のヤング率の温度変化率とが、−４０℃から＋８０℃の温度範囲において、正負の符号が異なることを特徴とする請求項１に記載の圧電／電歪素子。
3. 圧電／電歪層と内部電極層とが、交互に、複数、積層されてなる柱状積層体と、その柱状積層体の周面に設けられ、前記内部電極層のうち、極性の同じものを、それぞれ接続する一対の側面電極と、を有する請求項１又は２に記載の圧電／電歪素子。
4. 前記圧電／電歪素子において、前記内部電極層に使用している金属材料のヤング率の温度変化率が、温度範囲において、−８．０％以上−１．０％以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の圧電／電歪素子。
5. 前記圧電／電歪素子において、前記圧電／電歪材料のヤング率の温度変化率が、−４０℃から＋８０℃の温度範囲において、０％より大きく４．０％以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の圧電／電歪素子。
6. 前記圧電／電歪材料が、正方晶を主相とすることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の圧電／電歪素子。
7. 前記請求項１〜６のいずれかに記載の前記圧電／電歪体が、ＰｂをＰｂＯ換算で６５質量％以上７０質量％以下含み、ＴｉをＴｉＯ_２換算で７．０質量％以上１６．０質量％以下含み、ＺｒをＺｒＯ_２換算で１０．５質量％以上２４．５質量％以下含み、ＳｂをＳｂ_２Ｏ_３換算で０．６５質量％以上１．０５質量％以下含み、ＮｂをＮｂ_２Ｏ_５換算で０．５質量％以上０．８質量％以下含み、ＣｕをＣｕＯ換算で０．３質量％以上０．７質量％以下含み、ＷをＷＯ_３換算で０．６質量％以上１．５質量％以下含み、ＭｎをＭｎＯ_２換算で０．３質量％以上０．７質量％以下含み、ＣｕとＷのモル比が１．５：１以上２．５：１以下であることを特徴とする圧電／電歪セラミック組成物。
8. 前記圧電／電歪セラミック組成物を主成分とする圧電／電歪体と、この圧電／電歪体上に設けられた一対以上の電極とからなることを特徴とする前記請求項１〜７のいずれかに記載の圧電／電歪素子。
9. 圧電／電歪層と内部電極層とが、交互に、複数、積層されてなる柱状積層体と、その柱状積層体の周面に設けられ、前記内部電極層のうち、極性の同じものを、それぞれ接続する一対の側面電極と、を有する圧電／電歪素子であって、前記圧電／電歪層のヤング率に対する、前記内部電極層のヤング率の比率（電極層のヤング率÷圧電／電歪層のヤング率）が０．７５以上１．３０以下であることを特徴とする前記請求項１〜８のいずれかに記載の圧電／電歪素子。
10. 前記圧電／電歪層のヤング率が６０ＧＰａ以上１００ＧＰａ以下であることを特徴とする前記請求項１〜９のいずれかに記載の圧電／電歪素子。
11. 前記圧電／電歪層中にＡｇを含むことを特徴とする前記請求項１〜１０のいずれかに記載の圧電／電歪素子。
12. 前記圧電／電歪層中一次縦−二次屈曲振動モードを利用した定在波型圧電モータであることを特徴とする前記請求項１〜１１のいずれかに記載の圧電モータ。
13. 前記請求項１２の圧電モータであって、一次縦共振周波数および二次屈曲共振周波数の温度変化が、−４０℃から８０℃の温度範囲において１．０％以内であることを特徴とする請求項１２に記載の圧電モータ。

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