JP2012062215A - Piezoelectric ceramic material and piezoelectric actuator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧電磁器材料および圧電アクチュエータに関する。 The present invention relates to a piezoelectric ceramic material and a piezoelectric actuator.
従来、圧電アクチュエータは、半導体製造や産業装置などの精密制御に広く用いられてきた。消費電力が低く、コンパクトで、高速かつ精密な動作ができる圧電アクチュエータは、従来の産業用途にとどまらず、携帯電話やデジタルカメラなどの民生用途にもその利用が拡がっている。 Conventionally, piezoelectric actuators have been widely used for precision control of semiconductor manufacturing and industrial equipment. Piezoelectric actuators with low power consumption, compactness, and high-speed and precise operation are not limited to conventional industrial applications, but are also being used in consumer applications such as mobile phones and digital cameras.
特に、昨今の携帯電話搭載のカメラモジュール、またデジタルカメラなどは、小型化が進むとともに、より繊細な画質を求めて高画素化が進み、小型でも高いズーム機能を有した製品も登場している。 In particular, recent camera modules and digital cameras mounted on mobile phones are becoming smaller in size, increasing the number of pixels in search of more delicate image quality, and products that have a high zoom function even though they are small have appeared. .
このようなデジタルカメラの高機能化に伴い、レンズの駆動源として圧電アクチュエータが利用されている。レンズの駆動として用いられる圧電アクチュエータには、大きな変位特性、周囲の温度変化による影響を受けにくい、さらに耐熱衝撃性が高いなどの性能が求められる。 Along with such high functionality of digital cameras, piezoelectric actuators are used as lens driving sources. A piezoelectric actuator used for driving a lens is required to have performance such as large displacement characteristics, being hardly affected by ambient temperature changes, and having high thermal shock resistance.
圧電アクチュエータは、入力された電圧に応じて機械的変位を発生させるデバイスである。したがって、圧電アクチュエータを構成する圧電素子としては、より少ない電気エネルギーでより大きな変位を発生させるのが好ましい。 A piezoelectric actuator is a device that generates a mechanical displacement according to an input voltage. Therefore, it is preferable that the piezoelectric element constituting the piezoelectric actuator generate a larger displacement with less electrical energy.
圧電素子の変位特性の指標のひとつとして圧電d定数が用いられ、これは、圧電素子の比誘電率εrと電気機械結合係数Kによって決定される。このうち比誘電率εrは、圧電素子の静電容量Cを決定する重要なパラメータであり、圧電アクチュエータを駆動するための電源回路の設計において重要な指標となる。 The piezoelectric d constant is used as one of the indicators of the displacement characteristics of the piezoelectric element, which is determined by the relative dielectric constant ε r and the electromechanical coupling coefficient K of the piezoelectric element. Among these, the relative dielectric constant ε r is an important parameter for determining the electrostatic capacitance C of the piezoelectric element, and is an important index in designing a power supply circuit for driving the piezoelectric actuator.
しかし、圧電素子の比誘電率εrは材料組成や製造方法によってその値が変わり、さらに圧電素子の温度によっても変動する。圧電アクチュエータを駆動する電源回路を設計する際は、この比誘電率εrの温度特性も考慮に入れて、デバイスの実使用環境を想定して設計する必要がある。 However, the relative dielectric constant ε r of the piezoelectric element varies depending on the material composition and the manufacturing method, and also varies depending on the temperature of the piezoelectric element. When designing a power supply circuit for driving a piezoelectric actuator, it is necessary to consider the temperature characteristics of the relative permittivity ε r and to design the actual use environment of the device.
民生用途に代表される携帯電話やデジタルカメラは、実使用環境において、例えば室内から室外へ移動したときなどの急激な温度変化が想定される。圧電素子に急激な温度変化が与えられると、分極の大きさが変化することにより素子表面に電荷が生じる焦電効果が発生する。焦電効果により発生した焦電電荷Qpにより、外部電界Epが発生し、誘電特性の非線形効果、及び結晶の微細構造、分極ドメインのミクロな動きなどにより比誘電率εrの値が変化する。 Mobile phones and digital cameras typified by consumer use are expected to undergo a rapid temperature change in an actual usage environment, for example, when moving from indoors to outdoors. When a sudden temperature change is applied to the piezoelectric element, a pyroelectric effect is generated in which charges are generated on the surface of the element due to a change in the magnitude of polarization. The electric field Ep is generated by the pyroelectric charge Qp generated by the pyroelectric effect, and the value of the relative permittivity ε r changes due to the nonlinear effect of dielectric characteristics, the fine structure of the crystal, the microscopic movement of the polarization domain, and the like.
図6は、圧電素子の温度が変化した際の、静電容量Cの変化を模式的に示した図である。急激な温度変化が発生し、圧電素子に急激な温度変化が与えられると、通常の比誘電率εrの温度特性による静電容量Cの変化ΔC1の他に、焦電電荷Qpにより発生した外部電界Epによる静電容量変化ΔC2が発生する。この外部電界Epによる静電容量変化ΔC2は、圧電素子の非線形効果による比誘電率εrの変化、及びミクロな領域における結晶の微細構造、分極ドメインの動きに依るものと考えられ、材料組成や製造方法の違いによる結晶粒の緻密度などによってその影響は変わってくる。 FIG. 6 is a diagram schematically showing the change in the capacitance C when the temperature of the piezoelectric element changes. Rapid temperature changes occur, the rapid temperature changes in the piezoelectric element is provided, in addition to the change ΔC1 in the capacitance C with temperature characteristics of the conventional dielectric constant epsilon r, the external generated by pyroelectric charge Qp A capacitance change ΔC2 due to the electric field Ep occurs. Capacitance change ΔC2 by the external electric field Ep is the relative dielectric constant epsilon r change in due to the nonlinear effect of the piezoelectric elements, and the microstructure of the crystals in the micro region, considered to be due to the movement of the polarization domain, Ya material composition The influence varies depending on the density of the crystal grains due to the difference in the manufacturing method.
この急激な温度変化による焦電効果を起因とした静電容量変化ΔC2は、時間の経過とともに収束していく。 The capacitance change ΔC2 caused by the pyroelectric effect due to this rapid temperature change converges with time.
ここで、急激な温度変化が生じてから240時間後の静電容量を基準にし、静電容量変化ΔC2が1%以内の静電容量値に安定するまでの時間を静電容量安定化時間Tsと定義する。この静電容量安定化時間Tsは、圧電磁器材料によってばらつきがあり、数分というオーダーで収束するものもあれば、数十時間を要するものもある。 Here, the capacitance stabilization time Ts is a time until the capacitance change ΔC2 is stabilized at a capacitance value within 1% with reference to the capacitance 240 hours after the sudden temperature change. It is defined as This capacitance stabilization time Ts varies depending on the piezoelectric ceramic material, and there are some that converge on the order of several minutes, and others that require several tens of hours.
これまでに、急激な温度変化による焦電効果の影響を防ぐために、焦電電荷Qpをリークさせる手段が用いられてきた。 So far, means for leaking the pyroelectric charge Qp has been used to prevent the influence of the pyroelectric effect due to a rapid temperature change.
例えば、特許文献1においては、積層セラミック圧電体に並列に電荷リーク手段を設け、焦電効果により発生する電荷を除去し、分極劣化を防止する積層セラミック圧電体駆動回路が提案されている。
For example,
また、従来の圧電磁器材料として特許文献2、特許文献3などが開示されている。特許文献2では、aPbTiO3−bPbZrO3−cPb(Co1/3Nb2/3)O3で示される圧電磁器材料により、急激な温度変化における感度の変動を抑制する材料が提案されている。
Further,
特許文献3では、Pb[(Ni1/3Nb2/3)A(Sb1/2Nb1/2)BZrCTiD]O3で表され(但しA+B+C+D=1)、副成分としてLa2O3、CeO2、Nd2O3、Sm2O3、Dy2O3等の希土類元素の酸化物から選ばれた1種及びCo2O3を添加することで大きな機械的変位特性が得られる圧電磁器組成物が提案されている。
In
特許文献1の電荷リーク手段は積層セラミック圧電体を駆動する回路側で施す。例えば、積層セラミック圧電体と並列にリレー回路を設置し、積層セラミック圧電体が駆動停止の期間は、電荷リークの経路の抵抗値が低くなるような回路構成である。
The charge leakage means of
しかし、特許文献1の構成では積層セラミック圧電体を駆動する駆動回路の部品点数が多くなり、圧電アクチュエータ等の圧電デバイスモジュールのコストアップ、及び大型化が予想される。圧電アクチュエータの民生用途への応用が進む中、特に携帯電話等への小型カメラの搭載などを考慮するとモジュール自体が大型化してしまうのは大きな欠点となる。
However, in the configuration of
特許文献2の圧電磁器材料では、aPbTiO3−bPbZrO3の固溶体に、第三成分として、Pb(Co1/3Nb2/3)O3を固溶させ、さらにSm2O3を添加することで、機械的品質係数Qm、共振周波数frが温度変化に対して変動の少ない特性を実現している。機械的品質係数Qm、共振周波数frの耐熱衝撃性が強いと、圧電ジャイロのノイズ成分が低減され、高感度なジャイロが実現できる。しかし、この材料は高い温度安定性はあるものの、高い変位特性が要求されるアクチュエータ用途には適していない。
In the piezoelectric ceramic material of
特許文献3において、Pb[(Ni1/3Nb2/3)A(Sb1/2Nb1/2)BZrCTiD]O3の材料に希土類元素及びCo2O3を副成分として添加すると大きな変位特性が得られる一方で、材料の比誘電率εrは、その温度変化率が大きくなるという弊害があった。
In
比誘電率εrの温度変化率が大きいと、温度変化により生じた素子容量の安定化時間も長くなり、急激な温度変化により発生した静電容量変化後の静電容量安定化時間Tsは、副成分である希土類元素及びCo2O3を添加すればするほど悪くなる問題があった。 When the temperature change rate of the relative permittivity ε r is large, the stabilization time of the element capacitance caused by the temperature change also becomes long, and the capacitance stabilization time Ts after the capacitance change caused by the rapid temperature change is: There was a problem that the more rare-earth elements and Co 2 O 3 which are sub-components were added, the worse it was.
静電容量安定化時間Tsが数十時間もかかる場合、圧電アクチュエータ等の圧電デバイスの製造や、実使用の際にさまざまな問題が発生する。例えば圧電アクチュエータを駆動するための電源回路を設計する際は、圧電アクチュエータを構成する圧電素子の静電容量Cの値を指標にして周辺回路の定数を決定する。回路設計した時の値と、実使用における静電容量の値に差が生じると、設計通りの動作をしないという問題が発生する。 When the capacitance stabilization time Ts takes several tens of hours, various problems occur during the manufacture and actual use of piezoelectric devices such as piezoelectric actuators. For example, when designing a power supply circuit for driving a piezoelectric actuator, the constants of the peripheral circuits are determined using the value of the capacitance C of the piezoelectric element constituting the piezoelectric actuator as an index. If there is a difference between the value at the time of circuit design and the value of the capacitance in actual use, there arises a problem that the operation does not work as designed.
また、圧電素子の製品検査の段階では、素子のショート不良や電気特性異常品の検出のために静電容量測定を行う。正しい静電容量値を測定するためには、例えば素子製造工程において熱処理などを施してから、静電容量安定化時間Tsの時間だけ待機しなければならず、製造効率を大きく低下させる要因になる。 Further, at the stage of product inspection of the piezoelectric element, capacitance measurement is performed in order to detect a short circuit defect of the element and an abnormal electrical characteristic product. In order to measure the correct capacitance value, for example, heat treatment must be performed in the element manufacturing process, and then the device must wait for the capacitance stabilization time Ts, which causes a significant reduction in manufacturing efficiency. .
また、圧電素子の温度が急激に変化すると、静電容量Cが安定するまで一定の時間がかかるという問題の他にも、焦電効果による分極劣化の問題も存在する。 In addition to the problem that when the temperature of the piezoelectric element changes abruptly, it takes a certain amount of time for the capacitance C to stabilize, there is also a problem of polarization degradation due to the pyroelectric effect.
通常圧電素子の温度が上昇した場合、焦電電荷Qpによる外部電界Epは素子の分極を強める方向に働くが、圧電素子の温度が下降した場合、その外部電界Epの向きは分極を劣化する方向に働く。したがって、急激な温度変化を繰り返すと圧電素子の分極が劣化し、電気機械結合係数Kの減少、及び変位特性が悪化する。圧電素子の急激な温度変化を起因としたこれらの問題は、圧電素子を使用した圧電アクチュエータ等の性能の安定性に対して、大きな課題となっている。 Normally, when the temperature of the piezoelectric element rises, the external electric field Ep due to the pyroelectric charge Qp works in a direction that strengthens the polarization of the element, but when the temperature of the piezoelectric element falls, the direction of the external electric field Ep is a direction that degrades the polarization. To work. Therefore, if the rapid temperature change is repeated, the polarization of the piezoelectric element deteriorates, the electromechanical coupling coefficient K decreases, and the displacement characteristics deteriorate. These problems caused by the rapid temperature change of the piezoelectric element are a major issue with respect to the stability of the performance of a piezoelectric actuator using the piezoelectric element.
本発明は上述した課題を解決し、その目的は、高い変位特性を有し、焦電効果の影響が小さく、静電容量安定化時間が短い圧電磁器材料および圧電アクチュエータを提供することである。 The present invention solves the above-described problems, and an object thereof is to provide a piezoelectric ceramic material and a piezoelectric actuator that have high displacement characteristics, are less affected by the pyroelectric effect, and have a short capacitance stabilization time.
本発明は、組成式aPbTiO3−bPbZrO3−cPb(Ni1/3Nb2/3)O3−dPb(Sb1/2Nb1/2)O3−ePb(Co1/3Nb2/3)O3(但し、a+b+c+d+e=100)で表される圧電磁器材料とこの圧電磁器材料を使用した圧電アクチュエータである。
The present invention is a composition formula aPbTiO 3 -bPbZrO 3 -cPb (Ni 1/3 Nb 2/3) O 3 -dPb (
すなわち、本発明によれば、組成式がaPbTiO3−bPbZrO3−cPb(Ni1/3Nb2/3)O3−dPb(Sb1/2Nb1/2)O3−ePb(Co1/3Nb2/3)O3(但し、a+b+c+d+e=100)で示され、b/(a+b)が0.41〜0.49、cが20〜30mol%、dが0.2〜2mol%、eが2〜10mol%であることを特徴とする圧電磁器材料が得られる。
That is, according to the present invention, composition formula aPbTiO 3 -bPbZrO 3 -cPb (Ni 1/3 Nb 2/3) O 3 -dPb (
また、本発明によれば、上記の圧電磁器材料からなる圧電アクチュエータが得られる。 In addition, according to the present invention, a piezoelectric actuator made of the above piezoelectric ceramic material can be obtained.
本発明の圧電磁器材料を使用することにより、高い変位特性を有し、焦電効果の影響が小さく、静電容量安定化時間が短い圧電磁器材料および圧電アクチュエータを提供することが可能となる。 By using the piezoelectric ceramic material of the present invention, it is possible to provide a piezoelectric ceramic material and a piezoelectric actuator that have high displacement characteristics, are less affected by the pyroelectric effect, and have a short capacitance stabilization time.
本発明は、組成式がaPbTiO3−bPbZrO3−cPb(Ni1/3Nb2/3)O3−dPb(Sb1/2Nb1/2)O3−ePb(Co1/3Nb2/3)O3(但し、a+b+c+d+e=100)で示され、b/(a+b)が0.41〜0.49、cが20〜30mol%、dが0.2〜2mol%、eが2〜10mol%の主成分からなる圧電磁器材料である。
The present invention composition formula aPbTiO 3 -bPbZrO 3 -cPb (Ni 1/3 Nb 2/3) O 3 -dPb (
一般に、圧電磁器材料は、PbTiO3−PbZrO3の2成分系PZTセラミックスに複合ペロブスカイト化合物を一種もしくは複数種固溶させることにより、2成分系では得られなかった誘電的、圧電的な特性改善がなされて広く実用化されている。 In general, a piezoelectric ceramic material can improve dielectric and piezoelectric characteristics that cannot be obtained by a two-component system by dissolving one or more composite perovskite compounds in a PbTiO 3 -PbZrO 3 binary PZT ceramic. Has been widely used.
特に、圧電アクチュエータ用材料として考えた場合、変位特性が最も重要な特性のひとつとなる。そこで本発明では、Pb(Ni1/3Nb2/3)O3、Pb(Sb1/2Nb1/2)O3を固溶させることにより、大きな比誘電率εrと高い電気機械結合係数Kが得られ、圧電d定数d33が400pm/V以上となる高い変位特性を実現できる。 In particular, when considered as a material for a piezoelectric actuator, the displacement characteristic is one of the most important characteristics. Therefore, in the present invention, Pb (Ni 1/3 Nb 2/3 ) O 3 , Pb (Sb 1/2 Nb 1/2 ) O 3 is dissolved to provide a large relative dielectric constant ε r and a high electromechanical coupling. The coefficient K is obtained, and a high displacement characteristic in which the piezoelectric d constant d 33 is 400 pm / V or more can be realized.
また、Pb(Co1/3Nb2/3)O3を固溶させることで、絶縁抵抗IRが低く、機械的品質係数Qmが大きな材料が形成される。これにより、素子の急激な温度変化による静電容量の変化が起きた際に、その静電容量が安定するまでの時間が短くなる。従来のアクチュエータ用材料は、その絶縁抵抗IRの値が数千MΩ〜数万MΩ程度あるのが一般的であったが、Pb(Co1/3Nb2/3)O3を固溶させることで室温における絶縁抵抗IR値が数百MΩ台にまで減少できる。 Further, by dissolving Pb (Co 1/3 Nb 2/3 ) O 3 , a material having a low insulation resistance IR and a large mechanical quality factor Qm is formed. As a result, when the capacitance changes due to a rapid temperature change of the element, the time until the capacitance becomes stable is shortened. Conventional actuator materials generally have an insulation resistance IR value of about several thousand MΩ to several tens of thousands MΩ, but Pb (Co 1/3 Nb 2/3 ) O 3 is dissolved. Thus, the insulation resistance IR value at room temperature can be reduced to several hundred MΩ.
図7は、焦電効果と静電容量の変化を模式的に表した図で、図7(a)は絶縁抵抗IRが低い状態を示す図、図7(b)は絶縁抵抗IRが高い状態を示す図である。図7おいて、第1の電極11と第2の電極12が設けられた圧電体13は分極方向14のように分極が施されている。図7(a)の絶縁抵抗IRが低い状態は、模式的にリーク経路15を有しているように考えられる。急激な温度変化により発生した焦電電荷Qpは、リーク経路15によって、プラスの焦電電荷とマイナスの焦電電荷が相殺される。このため、焦電電荷Qpによる外部電界Epが小さく、圧電体13は外部電界Epの影響を受けにくい。
FIG. 7 is a diagram schematically showing the pyroelectric effect and the change in capacitance. FIG. 7A shows a state where the insulation resistance IR is low, and FIG. 7B shows a state where the insulation resistance IR is high. FIG. In FIG. 7, the
一方、図7(b)の絶縁抵抗IRが高い状態では、焦電電荷Qpが第1の電極11、第2の電極12に数多く残留することになり、それにより発生する外部電界Epも大きくなる。このため、誘電特性の非線形効果及びミクロな領域における結晶の微細構造、分極ドメインの動きにより素子全体の比誘電率εrが大きく変化する。比誘電率εrが大きく変化することで、静電容量Cも大きく変化することになる。
On the other hand, when the insulation resistance IR in FIG. 7B is high, a large amount of pyroelectric charge Qp remains in the
すなわち、絶縁抵抗IRを低くすることで、静電容量の変化が小さく、静電容量安定化時間Tsが短くなる。なお、絶縁抵抗は従来よりも減少しているが、絶縁体として機能するには十分な絶縁抵抗IR値を維持している。 That is, by reducing the insulation resistance IR, the change in capacitance is small, and the capacitance stabilization time Ts is shortened. Although the insulation resistance is reduced as compared with the prior art, the insulation resistance IR value sufficient to function as an insulator is maintained.
さらに、Pb(Co1/3Nb2/3)O3を固溶させることにより、機械的品質係数Qmが大きくなり、静電容量安定化時間Tsが短くなる。静電容量安定化時間Tsは、機械的品質係数Qmが大きいほどその時間が短くなる傾向があり、これは材料のQmが大きくなることにより、結晶の微細構造、分極ドメインが動きにくくなるためと考えられる。 Furthermore, by dissolving Pb (Co 1/3 Nb 2/3 ) O 3 , the mechanical quality factor Qm is increased and the capacitance stabilization time Ts is shortened. The capacitance stabilization time Ts tends to be shorter as the mechanical quality factor Qm increases. This is because the fine structure of the crystal and the polarization domain become difficult to move due to the increase in the Qm of the material. Conceivable.
主成分の原料として、PbO、TiO2、ZrO2、Co3O4、Nb2O5、NiO、Sb2O3を目的の組成になるように秤量した。この原料粉末を、ジルコニアボールとともにナイロンポッドの中に入れ、46時間湿式混合した。この混合粉末を脱水乾燥後、アルミナ匣鉢中で850℃、2時間の予焼を行った。この予焼粉末をナイロンポッド内のジルコニアボールにて20時間湿式粉砕した。続いて、脱水乾燥し、得られた予焼粉砕粉末にバインダを混合して加圧し、φ20×10mmに成形した。この成形体を1000〜1200℃で焼結し、外周刃切断機で1mmの厚さの円盤に加工した。そして、加工した円盤の両面に銀ペーストを塗布し、450℃で焼き付けて電極を形成し、試料とした。このようにして得られた試料に、シリコンオイル中で100℃、2kV/mm、15分で分極処理を行い、その後室温25℃の環境に戻した。 PbO, TiO 2 , ZrO 2 , Co 3 O 4 , Nb 2 O 5 , NiO, and Sb 2 O 3 were weighed so as to have a target composition as the main component raw materials. This raw material powder was placed in a nylon pod together with zirconia balls and wet mixed for 46 hours. This mixed powder was dehydrated and dried, and then pre-baked in an alumina bowl for 2 hours at 850 ° C. This pre-baked powder was wet pulverized with zirconia balls in a nylon pod for 20 hours. Subsequently, it was dehydrated and dried, and a binder was mixed with the obtained pre-fired pulverized powder and pressed to form φ20 × 10 mm. This molded body was sintered at 1000 to 1200 ° C. and processed into a disk having a thickness of 1 mm with an outer peripheral cutting machine. And silver paste was apply | coated on both surfaces of the processed disk, and it baked at 450 degreeC, the electrode was formed, and it was set as the sample. The sample thus obtained was subjected to a polarization treatment in silicon oil at 100 ° C., 2 kV / mm for 15 minutes, and then returned to an environment at room temperature of 25 ° C.
(実施例1)
上述した方法で、aPbTiO3−bPbZrO3−cPb(Ni1/3Nb2/3)O3−dPb(Sb1/2Nb1/2)O3−ePb(Co1/3Nb2/3)O3の各組成を、b/(a+b)=0.44、c=25mol%、d=0.4mol%とし、Pb(Co1/3Nb2/3)O3の含有比率eを5mol%、10mol%と変化させた試料をそれぞれ作製した。比較材料として、aPbTiO3−bPbZrO3−cPb(Ni1/3Nb2/3)O3−dPb(Sb1/2Nb1/2)O3の各組成を、b/(a+b)=0.44、c=25mol%、d=0.4mol%とし、Pb(Co1/3Nb2/3)O3を含有させないものを作製した。
Example 1
In the manner described above, aPbTiO 3 -bPbZrO 3 -cPb (Ni 1/3
次に、分極された試料において、100℃から25℃への急激な温度変化を与えた際の、試料の静電容量の変化を測定した。図1は、静電容量安定化時間Tsを比較した結果を示す図である。ここで、横軸は静電容量安定化時間Ts、縦軸は温度変化から240時間後の静電容量を1とした場合の、静電容量比を表している。先にも述べたが、急激な温度変化が生じてから240時間後の静電容量を基準にし、その1%(静電容量比で1.01)以内の静電容量値に安定するまでの時間を静電容量安定化時間Tsと定義している。 Next, the change in the capacitance of the sample was measured when a sudden temperature change from 100 ° C. to 25 ° C. was applied to the polarized sample. FIG. 1 is a diagram showing a result of comparing the capacitance stabilization time Ts. Here, the horizontal axis represents the capacitance stabilization time Ts, and the vertical axis represents the capacitance ratio when the capacitance after 240 hours from the temperature change is 1. As described above, until the capacitance value stabilizes within 1% (capacitance ratio: 1.01) based on the capacitance after 240 hours from the sudden temperature change. Time is defined as capacitance stabilization time Ts.
比較材料では、静電容量安定化時間Tsがおよそ40時間近くかかっているのに対し、本発明においては1時間もかからずに静電容量が安定している。図1から分かるとおり、本発明によると、急激な温度変化による静電容量安定化時間Tsが大幅に改善できた。 In the comparative material, the capacitance stabilization time Ts takes approximately 40 hours, whereas in the present invention, the capacitance is stable in less than one hour. As can be seen from FIG. 1, according to the present invention, the capacitance stabilization time Ts due to a rapid temperature change can be greatly improved.
この改善した要因は、大きく分けると材料の絶縁抵抗IRと、ミクロな領域における結晶の微細構造、分極ドメインの動きやすさに起因していると考えられる。 This improved factor can be roughly attributed to the insulation resistance IR of the material, the fine structure of the crystal in the microscopic region, and the ease of movement of the polarization domain.
図2は本発明の圧電磁器材料を使用した試料の25℃環境における絶縁抵抗IRの値を示す図である。縦軸は絶縁抵抗IR、横軸はPb(Co1/3Nb2/3)O3の含有比率eで、eを2mol%、5mol%、10mol%と変化させた。図2に示すとおり、Pb(Co1/3Nb2/3)O3を2mol%以上含有させると絶縁抵抗IRの値は25℃環境において数百MΩ台にまで減少している。この絶縁抵抗IRは、高温環境にするとその値がさらに減少することが分かっている。絶縁抵抗IRが低下すると、急激な温度変化により発生した焦電電荷Qpが圧電体を介して対面側の電極にリークし、結果として焦電効果による影響を受けにくくなり、上述した静電容量安定化時間Tsの短縮が実現できる。Pb(Co1/3Nb2/3)O3を10mol%より多く含有させた場合、絶縁抵抗IRの値が小さくなり、絶縁体としての性能が劣るため、eは10mol%以下とする必要がある。 FIG. 2 is a diagram showing a value of insulation resistance IR in a 25 ° C. environment of a sample using the piezoelectric ceramic material of the present invention. The vertical axis represents the insulation resistance IR, the horizontal axis represents the content ratio e of Pb (Co 1/3 Nb 2/3 ) O 3 , and e was changed to 2 mol%, 5 mol%, and 10 mol%. As shown in FIG. 2, when 2 mol% or more of Pb (Co 1/3 Nb 2/3 ) O 3 is contained, the value of the insulation resistance IR decreases to several hundred MΩ level in a 25 ° C. environment. It has been found that the value of the insulation resistance IR is further reduced when a high temperature environment is used. When the insulation resistance IR is lowered, the pyroelectric charge Qp generated by the rapid temperature change leaks to the electrode on the facing side through the piezoelectric body, and as a result is less affected by the pyroelectric effect. The shortening time Ts can be realized. When Pb (Co 1/3 Nb 2/3 ) O 3 is contained in an amount of more than 10 mol%, the value of the insulation resistance IR becomes small and the performance as an insulator is inferior. Therefore, e needs to be 10 mol% or less. is there.
また、機械的品質係数Qmは、Pb(Co1/3Nb2/3)O3の含有比率を上げることでその値が増加する傾向にある。図3は、本発明の圧電磁器材料を使用した試料の機械的品質係数Qmの値を示す図である。ここで、横軸はPb(Co1/3Nb2/3)O3の含有比率e、縦軸は機械的品質係数Qmである。Pb(Co1/3Nb2/3)O3をの含有比率を増やすことで機械的品質係数Qmが増加することが確認できた。これは、結晶の微細構造や分極ドメインが動きにくくなったことにより、静電容量安定化時間Tsが短くなったものと考えられる。 Further, the mechanical quality factor Qm tends to increase as the content ratio of Pb (Co 1/3 Nb 2/3 ) O 3 increases. FIG. 3 is a diagram showing the value of the mechanical quality factor Qm of a sample using the piezoelectric ceramic material of the present invention. Here, the horizontal axis represents the content ratio e of Pb (Co 1/3 Nb 2/3 ) O 3 , and the vertical axis represents the mechanical quality factor Qm. It was confirmed that the mechanical quality factor Qm was increased by increasing the content ratio of Pb (Co 1/3 Nb 2/3 ) O 3 . This is considered that the capacitance stabilization time Ts is shortened because the crystal microstructure and the polarization domain are difficult to move.
(実施例2)
実施例1と同様の方法でaPbTiO3−bPbZrO3−cPb(Ni1/3Nb2/3)O3−dPb(Sb1/2Nb1/2)O3−ePb(Co1/3Nb2/3)O3の各組成を、c=25mol%、d=0.4mol%、e=5mol%とし、PbTiO3とPbZrO3に対するPbZrO3の含有量比b/(a+b)を0.40、0.41、0.43、0.44、0.45、0.47、0.49、0.50に変化させた試料をそれぞれ作製した。これらの試料について、共振周波数と反共振周波数を測定し、この測定値から径方向の電気機械結合係数Krを算出した。
(Example 2)
Example 1 aPbTiO 3 -bPbZrO 3 -cPb (Ni 1/3
図4は、PbTiO3とPbZrO3の含有量比b/(a+b)と径方向の電気機械結合係数Krの関係を表す図である。大きな変位特性を得るための圧電磁器材料は、電気機械結合係数が高いことが必要である。圧電アクチュエータ用途においては、電気機械結合係数を50%以上は確保しないと変位特性が満たされない。よって、図4から分かるとおり、PbTiO3とPbZrO3に対するPbZrO3の含有量比b/(a+b)は0.41〜0.49とする必要がある。 FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the content ratio b / (a + b) of PbTiO 3 and PbZrO 3 and the electromechanical coupling coefficient K r in the radial direction. A piezoelectric ceramic material for obtaining a large displacement characteristic is required to have a high electromechanical coupling coefficient. In the piezoelectric actuator application, the displacement characteristic is not satisfied unless the electromechanical coupling coefficient is ensured to be 50% or more. Thus, as seen from FIG. 4, the content ratio b / (a + b) of PbZrO 3 for PbTiO 3 and PbZrO 3 is required to be 0.41 to 0.49.
(実施例3)
実施例1と同様の方法でaPbTiO3−bPbZrO3−cPb(Ni1/3Nb2/3)O3−dPb(Sb1/2Nb1/2)O3−ePb(Co1/3Nb2/3)O3の各組成を、b/(a+b)=0.44、d=0.4mol%、e=5mol%とし、Pb(Ni1/3Nb2/3)O3の含有比率cを20mol%、25mol%、30mol%、35mol%、50mol%に変化させた試料をそれぞれ作製した。これらの試料について、共振周波数と反共振周波数を測定し、この測定値から径方向の電気機械結合係数Krを算出した。
Example 3
Example 1 aPbTiO 3 -bPbZrO 3 -cPb (Ni 1/3
図5は、Pb(Ni1/3Nb2/3)O3の含有比率cとキュリー点Tcの関係を示す図である。Pb(Ni1/3Nb2/3)O3の含有比率cを増やすと比誘電率εrが大きくなり変位特性が向上するが、図5に示すようにキュリー点Tcが低くなってしまい、産業上、使用する温度が限られる環境のみで対応可能な圧電磁器材料となってしまう。民生用途で使用する場合、キュリー点Tcは、220℃以上が必要であるため、図5から分かるとおり、Pb(Ni1/3Nb2/3)O3の含有比率cは、20〜30mol%が望ましい。また、Pb(Ni1/3Nb2/3)O3の含有比率cが20mol%未満のときは、変位特性が劣化するため、cは20mol%以上が望ましい。 FIG. 5 is a diagram illustrating the relationship between the content ratio c of Pb (Ni 1/3 Nb 2/3 ) O 3 and the Curie point Tc. Increasing the content ratio c of Pb (Ni 1/3 Nb 2/3 ) O 3 increases the relative dielectric constant ε r and improves the displacement characteristics, but the Curie point Tc decreases as shown in FIG. Industrially, the piezoelectric ceramic material can be used only in an environment where the temperature used is limited. When used in consumer applications, the Curie point Tc needs to be 220 ° C. or higher, and as can be seen from FIG. 5, the content ratio c of Pb (Ni 1/3 Nb 2/3 ) O 3 is 20-30 mol%. Is desirable. Further, when the content ratio c of Pb (Ni 1/3 Nb 2/3 ) O 3 is less than 20 mol%, the displacement characteristics deteriorate, and therefore, c is preferably 20 mol% or more.
(実施例4)
実施例1と同様の方法でaPbTiO3−bPbZrO3−cPb(Ni1/3Nb2/3)O3−dPb(Sb1/2Nb1/2)O3−ePb(Co1/3Nb2/3)O3の組成比率を変えた試料をそれぞれ作製した。
Example 4
Example 1 aPbTiO 3 -bPbZrO 3 -cPb (Ni 1/3
表1は、Pb(Ni1/3Nb2/3)O3の含有比率c、Pb(Sb1/2Nb1/2)O3の含有比率dを変化させた時の比誘電率εr、圧電定数d33、キュリー点Tcの特性を示す。b/(a+b)=0.44、c=25mol%、e=5mol%とし、Pb(Sb1/2Nb1/2)O3の含有比率dを0.1mol%から2.5mol%に変化させた。Pb(Sb1/2Nb1/2)O3の含有比率dを増やすとキュリー点Tcは高くなるものの、比誘電率εr、圧電定数d33が小さくなる。dが2mol%を超えると、圧電定数d33が400[pm/V]より小さくなり圧電アクチュエータとしての変位特性を満足しない。また、Pb(Sb1/2Nb1/2)O3の含有比率dを0.2mol%未満とすると、キュリー点Tcが220℃より小さくなり、民生機器用途の圧電アクチュエータに適用出来ない。したがって、Pb(Sb1/2Nb1/2)O3の含有比率dは0.2〜2mol%が望ましい。 Table 1 shows the relative dielectric constant ε r when the content ratio c of Pb (Ni 1/3 Nb 2/3 ) O 3 and the content ratio d of Pb (Sb 1/2 Nb 1/2 ) O 3 are changed. The characteristics of the piezoelectric constant d 33 and the Curie point Tc are shown. b / (a + b) = 0.44, c = 25 mol%, e = 5 mol%, and the content ratio d of Pb (Sb 1/2 Nb 1/2 ) O 3 is changed from 0.1 mol% to 2.5 mol% I let you. Increasing the content ratio d of Pb (Sb 1/2 Nb 1/2 ) O 3 increases the Curie point Tc, but decreases the relative dielectric constant ε r and the piezoelectric constant d 33 . When d exceeds 2 mol%, the piezoelectric constant d 33 is smaller than 400 [pm / V], and the displacement characteristics as a piezoelectric actuator are not satisfied. On the other hand, if the content ratio d of Pb (Sb 1/2 Nb 1/2 ) O 3 is less than 0.2 mol%, the Curie point Tc becomes lower than 220 ° C. and cannot be applied to a piezoelectric actuator for consumer use. Therefore, the content ratio d of Pb (Sb 1/2 Nb 1/2 ) O 3 is preferably 0.2 to 2 mol%.
(実施例5)
aPbTiO3−bPbZrO3−cPb(Ni1/3Nb2/3)O3−dPb(Sb1/2 Nb1/2)O3−ePb(Co1/3Nb2/3)O3で示される圧電磁器材料を圧電アクチュエータとして応用した。
(Example 5)
represented by aPbTiO 3 -bPbZrO 3 -cPb (Ni 1/3
図8は、圧電アクチュエータの電極構造を示す斜視図で、図8(a)は、部分電極構造、図8(b)全面電極構造である。図8(a)の部分電極構造の圧電アクチュエータは、圧電体層20と内部電極層21が交互に積層され、内部電極層21は側面に一層おきに露出している。側面には外部電極22が形成され、内部電極層21の露出した部分と導通する構造となっている。また、図8(b)の全面電極構造の圧電アクチュエータは、圧電体層20と内部電極層21が交互に積層され、内部電極層21は全面に形成されている。内部電極層の側面に露出した部分に一層おきに絶縁物23を形成し、その上から外部電極22を形成する。絶縁物23が形成されていない内部電極層21と外部電極22が一層おきに導通する構造となっている。いずれの圧電アクチュエータも側面を絶縁コーティングし、ショート不良対策を施すことが多い。本実施例では、部分電極構造の圧電アクチュエータを作製した。
FIG. 8 is a perspective view showing an electrode structure of the piezoelectric actuator. FIG. 8A shows a partial electrode structure and FIG. 8B shows a full-surface electrode structure. In the piezoelectric actuator having the partial electrode structure shown in FIG. 8A, the
主成分の原料として、PbO、TiO2、ZrO2、Co3O4、Nb2O5、NiO、Sb2O3を目的の組成になるように秤量した。本実施例では、aPbTiO3−bPbZrO3−cPb(Ni1/3Nb2/3)O3−dPb(Sb1/2 Nb1/2)O3−ePb(Co1/3Nb2/3)O3の各組成をb/(a+b)=0.44、c=25mol%、d=0.4mol%、e=5mol%とした。この原料粉末を、ジルコニアボールとともにナイロンポッドの中に入れ、46時間湿式混合した。この混合粉末を脱水乾燥後、アルミナ匣鉢中で850℃、2時間の予焼を行った。この予焼粉末をナイロンポッド内のジルコニアボールにて20時間湿式粉砕した。この予焼粉砕粉末を、バインダと溶媒の混合物を加えスラリーを調整した。このスラリーを用い、ドクターブレード法により厚み約20μmのグリーンシートを作製し、銀とパラジウムを含む導電性ペーストを、パターン印刷、乾燥した。導電性ペーストが印刷されたグリーンシートの必要な領域をカット、積層し、加圧した。加圧後、熱処理を行いバインダを除去し、1100℃で焼結を行った。その後、外部電極をスパッタし、0.9mm×0.9mm×1.45mm形状に焼結体をカットした。最後に、切断後の積層圧電体の内部電極が露出している側面を絶縁コーティングし、ショート不良などの対策を施した。これにより得られた圧電アクチュエータについて、変位量を測定し、30nm/V以上という高変位量が得られることを確認できた。
PbO, TiO 2 , ZrO 2 , Co 3 O 4 , Nb 2 O 5 , NiO, and Sb 2 O 3 were weighed so as to have a target composition as the main component raw materials. In this embodiment, aPbTiO 3 -bPbZrO 3 -cPb (Ni 1/3
圧電アクチュエータの電極構造は、用途や要求される圧電アクチュエータの形状寸法によって最適な構造が選択される。全面電極構造では、部分電極のような断続した電極構造ではないため、同じ積層数、形状寸法においてより大きな変位特性を得ることができる。一方、部分電極構造では、製造プロセスが全面電極構造よりも比較的簡素になるが、圧電アクチュエータの駆動時に内部電極の端部において応力が集中し、大変位時に破損する可能性がある。いずれの電極構造においても、本発明によるaPbTiO3−bPbZrO3−cPb(Ni1/3Nb2/3)O3−dPb(Sb1/2Nb1/2)O3−ePb(Co1/3Nb2/3)O3で示される圧電磁器材料は適用可能である。特に、携帯電話向けの小型カメラモジュールや、デジタルカメラのレンズモジュールなど、多様な温度環境にて使用される可能性がある民生用途において、本発明の圧電磁器材料はより効果を発揮できる。
As the electrode structure of the piezoelectric actuator, an optimum structure is selected depending on the application and the required shape and size of the piezoelectric actuator. Since the full-surface electrode structure is not an intermittent electrode structure like a partial electrode, a larger displacement characteristic can be obtained with the same number of layers and shape dimensions. On the other hand, in the partial electrode structure, the manufacturing process is relatively simpler than that of the full-surface electrode structure, but stress is concentrated at the end portion of the internal electrode when the piezoelectric actuator is driven, and there is a possibility that the partial electrode structure may be damaged at a large displacement. In any of the
11 第1の電極
12 第2の電極
13 圧電体
14 分極方向
15 リーク経路
20 圧電体層
21 内部電極層
22 外部電極
23 絶縁物
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