JP2013189325A - Method for manufacturing piezoelectric/electrostrictive material film, and powder composition used for manufacture thereof - Google Patents
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Description
本発明は、圧電/電歪体膜の製造方法及びその製造に用いられる粉末組成物に関する。 The present invention relates to a method for producing a piezoelectric / electrostrictive film and a powder composition used for the production.
圧電/電歪アクチュエータは、サブミクロンのオーダーで変位を精密に制御することができるという利点を有する。特に、圧電/電歪磁器組成物の焼結体を圧電/電歪体として用いた圧電/電歪アクチュエータは、変位を精密に制御することができる他にも、電気機械変換効率が高い、発生力が大きい、応答速度が速い、耐久性が高い、消費電力が少ないといった利点も有し、これらの利点を生かして、インクジェットプリンタのヘッドやディーゼルエンジンのインジェクタ等に採用されている。 Piezoelectric / electrostrictive actuators have the advantage that displacement can be precisely controlled on the order of submicrons. In particular, a piezoelectric / electrostrictive actuator using a sintered body of a piezoelectric / electrostrictive porcelain composition as a piezoelectric / electrostrictive body can precisely control displacement, and has high electromechanical conversion efficiency. There are also advantages such as high power, fast response speed, high durability, and low power consumption. Taking advantage of these advantages, they are employed in inkjet printer heads, diesel engine injectors, and the like.
従来、圧電/電歪アクチュエータ用の圧電/電歪磁器組成物として、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)系組成物が用いられていた。しかしながら、PZTは高歪特性を有するものの、有害物質である鉛を含むことから、焼結体からの鉛の溶出が地球環境に与える影響が強く懸念されるようになってきた。 Conventionally, lead zirconate titanate (PZT) -based compositions have been used as piezoelectric / electrostrictive porcelain compositions for piezoelectric / electrostrictive actuators. However, although PZT has high strain characteristics, it contains lead, which is a harmful substance, and therefore, the influence of elution of lead from the sintered body on the global environment has been strongly concerned.
そこで、近年、非鉛の圧電/電歪磁器組成物として、ニオブ酸アルカリ系のものが提案されている。例えば、特許文献1には、組成式がLix(K1−y Nay)1−x(Nb1−zTaz)O3(但し、0.001≦x≦0.2、0≦y≦0.8、0<z≦0.4)で表される固溶体からなるアルカリ金属含有ニオブ酸化物系圧電材料組成物が開示されている。特許文献2には、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り、かつ、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セラミックスが開示されている。非特許文献1には、(Li,Na,K)(Nb,Ta)O3系圧電体において、非鉛でありながらPZTに匹敵する圧電特性を実現したことが開示されている。非特許文献2には、リチウムを添加した[Lix(Na0.5K0.5)1−x]NbO3(0.04≦x≦0.20)が良好な非鉛高温圧電セラミックスであることが開示されている。これらの文献に開示される圧電/電歪体はいずれもバルク形態のものである。
Thus, in recent years, alkali niobate-based piezoelectric / electrostrictive porcelain compositions have been proposed. For example, in
一方、膜形態の圧電/電歪体を用いた圧電薄膜素子も知られている。例えば、特許文献3には、基板上に下部電極、圧電薄膜、上部電極を配した圧電薄膜素子において、前記圧電薄膜が(Nax1Ky1Liz1)NbO3(0<x1<1、0.4<y1<1、0≦z1<1、x1+y1+z1=1)で表されるアルカリニオブ酸化物系ペロブスカイト構造の誘電体薄膜であり、前記下部電極と前記圧電薄膜の間に(Nax2Ky2Liz2)NbO3(0<x2<1、0<y2≦0.4、0≦z2<1、x2+y2+z2=1かつy1>y2)で表されるアルカリニオブ酸化物系ペロブスカイト構造の下地誘電体薄膜を有する圧電薄膜素子が開示されている。
On the other hand, a piezoelectric thin film element using a film-type piezoelectric / electrostrictive body is also known. For example, in
しかしながら、(Li,Na,K)(Nb,Ta,Sb)O3系非鉛圧電体を膜化した圧電膜型素子では、材料が本来持つ特性を十分に発揮することができない。これは、非特許文献3(P. C. Goh et. al., Appl. Phys. Lett. 99 (2011) 092902)に言及されているように、熱処理中(焼成中)にリチウムが下部電極(例えば白金膜)を通過し、基板(例えば酸化ジルコニウム)に拡散し、その結果、(Li,Na,K)(Nb,Ta,Sb)O3系非鉛圧電体膜中のリチウム濃度が大幅に低下するためと考えられる。すなわち、リチウムは(Li,Na,K)(Nb,Ta,Sb)O3系非鉛圧電体を圧電特性の高い正方晶にするために必要な元素であるが、焼成中に下部電極の結晶粒界等を通って基板へと拡散することにより、(Li,Na,K)(Nb,Ta,Sb)O3系非鉛圧電体膜のリチウム濃度が低下して、特性の低い斜方晶となるものと考えられる。このため、膜化した圧電素子の性能が当初の仕込み組成から期待される特性よりも低くなるものと考えられる。 However, a piezoelectric film-type element obtained by forming a (Li, Na, K) (Nb, Ta, Sb) O 3 -based non-lead piezoelectric film cannot fully exhibit the inherent properties of the material. As mentioned in Non-Patent Document 3 (PC Goh et. Al., Appl. Phys. Lett. 99 (2011) 092902), lithium is applied to the lower electrode (for example, a platinum film) during the heat treatment (during firing). ) And diffuses into the substrate (eg, zirconium oxide), and as a result, the lithium concentration in the (Li, Na, K) (Nb, Ta, Sb) O 3 -based lead-free piezoelectric film is significantly reduced. it is conceivable that. That is, lithium is an element necessary for making a (Li, Na, K) (Nb, Ta, Sb) O 3 -based non-lead piezoelectric material into a tetragonal crystal having high piezoelectric characteristics. By diffusing into the substrate through the grain boundary or the like, the lithium concentration of the (Li, Na, K) (Nb, Ta, Sb) O 3 -based lead-free piezoelectric film is lowered, and the orthorhombic crystal having low characteristics It is considered that. For this reason, it is considered that the performance of the piezoelectric element formed into a film is lower than the characteristics expected from the initial charged composition.
本発明者らは、今般、狙いの組成に対してリチウムを過剰に含んだ原料粉末を用いて、主相としての斜方晶ペロブスカイト以外に異相としてLi3NbO4及び/又はLi3SbO4を含む仮焼/粉砕粉を作製しておき、この仮焼/粉砕粉を用いて基板上に圧電/電歪体膜を形成するという簡素な工程により、狙い組成どおりの正方晶ペロブスカイトからなる特性の高い圧電/電歪体膜を製造できるとの知見を得た。 The inventors of the present invention have recently used Li 3 NbO 4 and / or Li 3 SbO 4 as a different phase in addition to orthorhombic perovskite as a main phase, using a raw material powder containing excessive lithium with respect to a target composition. Preliminary calcined / ground powder is prepared, and a simple process of forming a piezoelectric / electrostrictive film on the substrate using the calcined / ground powder has a characteristic of tetragonal perovskite according to the target composition. The knowledge that a high piezoelectric / electrostrictive film can be manufactured was obtained.
したがって、本発明の目的は、所望量のリチウムを含んだ狙い組成どおりの正方晶ペロブスカイトからなる、特性の高い圧電/電歪体膜を簡素な工程で作製できる製造方法及びそのための粉末組成物を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a production method and a powder composition therefor, which can produce a piezoelectric / electrostrictive film having high characteristics and comprising a tetragonal perovskite as a target composition containing a desired amount of lithium in a simple process. It is to provide.
本発明の一態様によれば、一般式AxBO3±δ(式中、0.90≦x≦1.20、δは酸素過剰量又は酸素欠損量を示すが0でありうる)で表され、AサイトがLi、Na及びKを含み、BサイトがNb及び/又はSbを含む基本組成を有する正方晶ペロブスカイトからなる圧電/電歪体膜の製造方法であって、
Liの量が前記基本組成に対してモル比で2倍以上となるように前記基本組成の構成元素を含む原料粉末を用意する工程と、
前記原料粉末を仮焼して、斜方晶ペロブスカイトで構成される主相と、少なくともLi3NbO4及び/又はLi3SbO4で構成される異相とからなる仮焼物を形成する工程と、
前記仮焼物を粉砕して仮焼/粉砕粉を得る工程と、
前記仮焼/粉砕粉を含む被膜を基板上に形成する工程と、
前記被膜を950℃以上で焼成して、正方晶ペロブスカイトからなる圧電/電歪体膜を形成する工程と
を有してなる、方法が提供される。
According to one embodiment of the present invention, it is represented by the general formula A x BO 3 ± δ (where 0.90 ≦ x ≦ 1.20, δ represents an oxygen excess or oxygen deficiency, but may be 0). A method for producing a piezoelectric / electrostrictive film comprising a tetragonal perovskite having a basic composition in which an A site contains Li, Na, and K and a B site contains Nb and / or Sb,
Preparing a raw material powder containing constituent elements of the basic composition such that the amount of Li is twice or more in molar ratio to the basic composition;
Calcining the raw material powder to form a calcined product composed of a main phase composed of orthorhombic perovskite and a heterogeneous phase composed of at least Li 3 NbO 4 and / or Li 3 SbO 4 ;
Crushing the calcined product to obtain a calcined / pulverized powder;
Forming a film containing the calcined / ground powder on a substrate;
And baking the coating at 950 ° C. or higher to form a piezoelectric / electrostrictive film made of tetragonal perovskite.
本発明の他の一態様によれば、一般式AxBO3±δ(式中、0.90≦x≦1.20、δは酸素過剰量又は酸素欠損量を示すが0でありうる)で表され、AサイトがLi、Na及びKを含み、BサイトがNb及び/又はSbを含む基本組成を有する正方晶ペロブスカイトからなる圧電/電歪体膜の製造に用いられる粉末組成物の製造方法であって、
Li量が前記基本組成に対してモル比で2倍以上となるように前記基本組成の構成元素を含む原料粉末を用意する工程と、
前記原料粉末を仮焼して、斜方晶ペロブスカイトで構成される主相と、Li3NbO4及び/又はLi3SbO4で構成される異相とからなる仮焼物を形成する工程と、
前記仮焼物を粉砕して仮焼/粉砕粉を得る工程と
を有してなる、方法が提供される。
According to another aspect of the present invention, the general formula A x BO 3 ± δ (where 0.90 ≦ x ≦ 1.20, δ represents an oxygen excess or oxygen deficiency, but may be 0) Production of a powder composition used for production of a piezoelectric / electrostrictive film composed of tetragonal perovskite having a basic composition in which the A site contains Li, Na and K and the B site contains Nb and / or Sb A method,
Preparing a raw material powder containing constituent elements of the basic composition so that the amount of Li is twice or more in molar ratio to the basic composition;
Calcining the raw material powder to form a calcined product comprising a main phase composed of orthorhombic perovskite and a heterogeneous phase composed of Li 3 NbO 4 and / or Li 3 SbO 4 ;
And a step of pulverizing the calcined product to obtain a calcined / pulverized powder.
本発明の更に他の一態様によれば、一般式AxBO3±δ(式中、0.90≦x≦1.20、δは酸素過剰量又は酸素欠損量を示すが0でありうる)で表され、AサイトがLi、Na及びKを含み、BサイトがNb及び/又はSbを含む基本組成を有する正方晶ペロブスカイトからなる圧電/電歪体膜の製造に用いられる粉末組成物であって、
前記基本組成の構成元素を含む斜方晶のペロブスカイトで構成される主相と、
少なくともLi3NbO4及び/又はLi3SbO4で構成される異相と
を含んでなる、粉末組成物が提供される。
According to yet another aspect of the present invention, the general formula A x BO 3 ± δ (where 0.90 ≦ x ≦ 1.20, δ represents an oxygen excess or oxygen deficiency, but may be 0) And a powder composition used for manufacturing a piezoelectric / electrostrictive film comprising a tetragonal perovskite having a basic composition in which the A site contains Li, Na and K and the B site contains Nb and / or Sb. There,
A main phase composed of orthorhombic perovskite containing the constituent elements of the basic composition;
A powder composition comprising at least a heterogeneous phase composed of Li 3 NbO 4 and / or Li 3 SbO 4 is provided.
圧電/電歪体膜の製造方法
本発明による方法は、一般式AxBO3±δ(式中、0.90≦x≦1.20、δは酸素過剰量又は酸素欠損量を示すが0でありうる)で表され、AサイトがLi、Na及びKを含み、BサイトがNb及び/又はSbを含む基本組成を有する正方晶ペロブスカイトからなる圧電/電歪体膜を製造する方法である。この一般式で表される基本組成は化学量論組成及び非化学量論組成のいずれも包含するものであるが、最新の装置を用いても酸素過剰量又は酸素欠損量(δ)を分析及び定量できない実情に照らして、慣習上AxBO3と略記されてもよいものである。いずれにせよ0≦δ<1であれば問題無いものと考えられる。このように、本発明の圧電/電歪体膜は(Li,Na,K)(Nb,Sb)O3系の化学量論組成及び非化学量論組成を有するものであり、このような組成の正方晶ペロブスカイトからなる圧電/電歪体膜を狙いの組成どおりに作製することで、非鉛系でありながら優れた圧電/電歪特性を発揮させることができる。
Method for Manufacturing Piezoelectric / Electrostrictive Film The method according to the present invention has a general formula A x BO 3 ± δ (where 0.90 ≦ x ≦ 1.20, δ represents an oxygen excess amount or an oxygen deficiency amount, but 0 In which the A site contains Li, Na, and K, and the B site contains Nb and / or Sb. The piezoelectric / electrostrictive film is made of tetragonal perovskite. . The basic composition represented by this general formula includes both stoichiometric and non-stoichiometric compositions. However, even with the latest equipment, oxygen excess or oxygen deficiency (δ) can be analyzed and in light of the circumstances that can not be quantified, but that may be abbreviated as customary a x BO 3. In any case, it is considered that there is no problem if 0 ≦ δ <1. Thus, the piezoelectric / electrostrictive film of the present invention has a (Li, Na, K) (Nb, Sb) O 3 -based stoichiometric composition and non-stoichiometric composition, and such composition By producing a piezoelectric / electrostrictive film made of tetragonal perovskite according to the target composition, excellent piezoelectric / electrostrictive characteristics can be exhibited while being lead-free.
上記一般式において、AサイトはBi、Ba、Sr、Ca、La、Ce、Nd、Sm、Dy、Ho、Yb、及びAgからなる群から選択される少なくとも一種のAサイト置換元素をさらに含んでもよい。これらのAサイト置換元素は、Aサイトを構成する全原子の0.5原子%以下を占めるのが好ましく、より好ましくは0.2原子%以下であり、さらに好ましくは0.1原子%以下である。 In the above general formula, the A site may further contain at least one A site substitution element selected from the group consisting of Bi, Ba, Sr, Ca, La, Ce, Nd, Sm, Dy, Ho, Yb, and Ag. Good. These A site substitution elements preferably occupy 0.5 atomic percent or less of all atoms constituting the A site, more preferably 0.2 atomic percent or less, and even more preferably 0.1 atomic percent or less. is there.
上記一般式において、BサイトはTa、Ti、Zr、V、Cr、Fe、Co及びNiからなる群から選択される少なくとも一種のBサイト置換元素をさらに含んでもよく、より好ましくはTaである。これらのBサイト置換元素が、Bサイトを構成する全原子の50原子%以下を占めるのが好ましく、より好ましくは25原子%以下であり、さらに好ましくは15原子%以下である。 In the above general formula, the B site may further contain at least one B site substitution element selected from the group consisting of Ta, Ti, Zr, V, Cr, Fe, Co, and Ni, and is more preferably Ta. These B site substitution elements preferably occupy 50 atomic percent or less of all atoms constituting the B site, more preferably 25 atomic percent or less, and even more preferably 15 atomic percent or less.
上記一般式中、Aサイトを構成する原子の、Bサイトを構成する原子に対する比率xは0.90≦x≦1.20であるが、1≦x≦1.20であるのが好ましく、より好ましくは1<x≦1.05である。このようにAサイトを構成する原子がBサイトを構成する原子よりも富む非化学量論組成であると高い圧電/電歪特性が得られやすい反面、アルカリ金属過剰に起因して化学量論組成よりも異相を生成しやすく、それによりアルカリ元素が基板に拡散しやすくなる。この点、本発明の方法によれば、耐熱性を有する特定の異相を含む仮焼/粉砕粉を作製して使用することで、アルカリ元素の基板への拡散による損失を抑制することができ、狙い組成どおりの正方晶ペロブスカイトからなる圧電/電歪体膜を製造することができる。 In the above general formula, the ratio x of the atoms constituting the A site to the atoms constituting the B site is 0.90 ≦ x ≦ 1.20, but preferably 1 ≦ x ≦ 1.20. Preferably 1 <x ≦ 1.05. As described above, when the atoms constituting the A site are richer than the atoms constituting the B site, high piezoelectric / electrostrictive characteristics are easily obtained, but the stoichiometric composition is caused by excess alkali metal. It is easier to produce a heterogeneous phase than the alkali element, thereby diffusing the alkali element into the substrate. In this regard, according to the method of the present invention, by using a calcined / ground powder containing a specific heterogeneous phase having heat resistance, it is possible to suppress loss due to diffusion of alkali elements into the substrate, A piezoelectric / electrostrictive film made of tetragonal perovskite according to the target composition can be manufactured.
圧電/電歪体膜は、Mn、Cu及びZnからなる群から選択される少なくとも一種をさらに含むものであってもよい。これらの元素は緻密化の向上に寄与する。Mn、Cu及びZnはいずれも、ペロブスカイトのBサイトに固溶せずに異相又は粒界相に含まれる傾向があるが、必ずしもこれに限定されず、膜中のいかなる部位に含まれていてもよい。 The piezoelectric / electrostrictive film may further include at least one selected from the group consisting of Mn, Cu, and Zn. These elements contribute to improvement of densification. All of Mn, Cu and Zn tend not to be dissolved in the B site of the perovskite but to be included in the heterogeneous phase or the grain boundary phase. However, the present invention is not necessarily limited to this and may be included in any part of the film. Good.
原料粉末の用意
本発明の方法においては、まず、最終的に得ようとする圧電/電歪体膜の基本組成(以下、狙いの基本組成という)に対して、リチウムの量がモル比で2倍以上となるように基本組成の構成元素を含む原料粉末を用意する。このような原料粉末は、リチウム以外の構成金属元素が狙いの基本組成の元素比率を満たし、かつ、リチウムが所定の過剰比率となるような配合割合で、素原料の粉末を秤量することにより好ましく得ることができるが、最終的に正方晶ペロブスカイトからなる圧電/電歪体膜が得られるかぎり、これに限定されない。狙いの基本組成は正方晶ペロブスカイトに相当する組成であるが、この基本組成に対してモル比で2倍以上という過剰量のリチウムを含む原料粉末は、仮焼を行うことで、主相である斜方晶ペロブスカイトに加えて、少なくともLi3NbO4及び/又はLi3SbO4で構成される異相を含んだ仮焼物を与えることができる。
Preparation of Raw Material Powder In the method of the present invention, first, the amount of lithium is 2 in molar ratio to the basic composition of the piezoelectric / electrostrictive film to be finally obtained (hereinafter referred to as the target basic composition). A raw material powder containing constituent elements of the basic composition is prepared so as to be twice or more. Such raw material powder is preferably obtained by weighing the raw material powder at a blending ratio such that the constituent metal elements other than lithium satisfy the element ratio of the target basic composition and lithium is in a predetermined excess ratio. However, the present invention is not limited to this as long as a piezoelectric / electrostrictive film composed of tetragonal perovskite is finally obtained. The target basic composition is a composition corresponding to tetragonal perovskite, but the raw material powder containing an excessive amount of lithium in a molar ratio of 2 times or more with respect to this basic composition is the main phase by calcining. In addition to orthorhombic perovskite, a calcined product containing a heterogeneous phase composed of at least Li 3 NbO 4 and / or Li 3 SbO 4 can be provided.
前述のとおり、リチウムは(Li,Na,K)(Nb,Ta,Sb)O3系非鉛圧電体を圧電特性の高い正方晶にするために必要な元素であるが、焼成中に下部電極の結晶粒界等を通って基板へと拡散することにより、(Li,Na,K)(Nb,Ta,Sb)O3系非鉛圧電体膜のリチウム濃度が低下して、特性の低い斜方晶となる傾向がある。このような基板へのリチウムの拡散は、とりわけLiNbO3を異相として含む場合に起こりやすい。この点、本発明の仮焼工程において積極的に生成させる、少なくともLi3NbO4及び/又はLi3SbO4で構成される異相は、LiNbO3等の異相よりも耐熱性が高く、例えば約900〜約1000℃の温度域であっても分解しにくいため、焼成温度域においてリチウムの基板への拡散による損失を抑制することができる。すなわち、この耐熱性の高い異相をリチウム供給源として焼成温度域(950℃以上)まで保持させることで、焼成時におけるリチウムの損失を補填するに足る量のリチウムを固相反応中の斜方晶ペロブスカイト系内に効率良く供給することができ、その結果、正方晶ペロブスカイトからなる圧電/電歪体膜の形成を可能とする。また、こうして得られる圧電/電歪体膜は緻密性も高い。 As described above, lithium is an element necessary for making a (Li, Na, K) (Nb, Ta, Sb) O 3 -based non-lead piezoelectric body into a tetragonal crystal having high piezoelectric characteristics. Diffusing into the substrate through the crystal grain boundaries, etc., the lithium concentration of the (Li, Na, K) (Nb, Ta, Sb) O 3 -based lead-free piezoelectric film is lowered, and the low characteristic of Tend to be tetragonal. Such diffusion of lithium into the substrate is likely to occur particularly when LiNbO 3 is included as a different phase. In this regard, the heterogeneous phase composed of at least Li 3 NbO 4 and / or Li 3 SbO 4 that is positively generated in the calcining process of the present invention has higher heat resistance than that of the heterogeneous phase such as LiNbO 3, and is about 900, for example. Since it is difficult to decompose even in a temperature range of about 1000 ° C., loss due to diffusion of lithium into the substrate can be suppressed in the firing temperature range. That is, an orthorhombic crystal in the solid-phase reaction is supplied in an amount sufficient to compensate for the loss of lithium during firing by maintaining this heat-resistant heterogeneous phase as a lithium supply source up to the firing temperature range (950 ° C. or higher). It can be efficiently supplied into the perovskite system, and as a result, it is possible to form a piezoelectric / electrostrictive film made of tetragonal perovskite. In addition, the piezoelectric / electrostrictive film thus obtained has high density.
原料粉末の製造は、ペロブスカイト型酸化物の構成元素(Li、Na、K、Nb、Ta、Sb等)の素原料の粉末に分散媒を加え、分散媒が加えられた素原料の粉末を乳鉢混合、ボールミル等のポットミル、ビーズミル、ハンマーミル、ジェットミル等で混合することにより行えばよい。ペロブスカイト型酸化物の構成元素の素原料としては、酸化物又は仮焼過程において酸化物となる炭酸塩、酒石酸塩等の化合物が使用可能である。分散媒としては、エタノール、トルエン、アセトン等の有機溶剤が使用可能である。こうして得られた混合スラリーから蒸発乾燥や濾過等により分散媒が除去され、乾燥した原料粉末が得られる。 The raw material powder is produced by adding a dispersion medium to the raw material powder of the constituent elements (Li, Na, K, Nb, Ta, Sb, etc.) of the perovskite oxide, and then adding the raw material powder to which the dispersion medium has been added to the mortar. What is necessary is just to mix and mix by pot mills, such as a ball mill, bead mill, a hammer mill, a jet mill. As the raw material of the constituent element of the perovskite oxide, an oxide or a compound such as carbonate or tartrate that becomes an oxide in the calcination process can be used. As the dispersion medium, an organic solvent such as ethanol, toluene, or acetone can be used. The dispersion medium is removed from the mixed slurry thus obtained by evaporation drying, filtration or the like, and a dried raw material powder is obtained.
原料粉末は、狙いの基本組成に対してモル比で2倍以上の量のLiを含むが、好ましくは2〜20倍であり、より好ましく4〜12倍、さらに好ましくは6〜10倍である。このような範囲内であると、焼成後の圧電/電歪体膜の相対密度を高くすることができ、それにより圧電/電歪体膜の圧電特性を向上することができる。 The raw material powder contains 2 times or more of Li in a molar ratio with respect to the target basic composition, preferably 2 to 20 times, more preferably 4 to 12 times, still more preferably 6 to 10 times. . Within such a range, the relative density of the piezoelectric / electrostrictive film after firing can be increased, thereby improving the piezoelectric characteristics of the piezoelectric / electrostrictive film.
仮焼物の形成及び粉砕
得られた原料粉末を仮焼して、斜方晶ペロブスカイトで構成される主相と、少なくともLi3NbO4及び/又はLi3SbO4で構成される異相とからなる仮焼物を形成する。この仮焼は、原料粉末を600〜950℃の温度、好ましくは700〜900℃に加熱した後、この温度範囲内で0〜20時間、好ましくは30秒〜10時間保持することにより行われるのが好ましい。ここで、0時間の保持時間とは、仮焼をしないことを意味するのではなく、昇温して所定の温度に達した後、すぐに冷却することを意味する。また、この異相はLi3TaO4及びLi3(Nb,Ta,Sb)O4からなる群から選択される少なくとも一種を更に含むものであってもよい。仮焼物中における上記異相の量は、仮焼物全体に対して、1〜40mol%が好ましく、より好ましくは5〜25mol%であり、さらに好ましくは8〜20mol%である。なお、この仮焼物は5重量%未満、好ましくは2重量%未満、より好ましくは1重量%未満の不純物レベルの他の結晶相を含むものも許容される。
Formation and pulverization of calcined material The calcined raw material powder is calcined, and is composed of a main phase composed of orthorhombic perovskite and a heterogeneous phase composed of at least Li 3 NbO 4 and / or Li 3 SbO 4. A ceramic is formed. This calcination is carried out by heating the raw material powder to a temperature of 600 to 950 ° C., preferably 700 to 900 ° C., and then holding within this temperature range for 0 to 20 hours, preferably 30 seconds to 10 hours. Is preferred. Here, the holding time of 0 hours does not mean that the calcination is not performed, but means that the temperature is raised immediately and then cooled immediately after reaching a predetermined temperature. Further, the hetero phase may further include at least one selected from the group consisting of Li 3 TaO 4 and Li 3 (Nb, Ta, Sb) O 4 . The amount of the heterogeneous phase in the calcined product is preferably 1 to 40 mol%, more preferably 5 to 25 mol%, still more preferably 8 to 20 mol% with respect to the entire calcined product. The calcined product may contain other crystal phases having an impurity level of less than 5% by weight, preferably less than 2% by weight, more preferably less than 1% by weight.
ところで、公知の方法によれば、膜化する前の圧電粉末原料は原料を混合、仮焼及び粉砕して作製されるが、性能低下につながる粉砕時のコンタミネーションや不十分な緻密化度につながる粒径の粗大化を回避するために高温での仮焼は行われていない。その結果、圧電原料粉末はペロブスカイト単相ではなく、膜焼成時に基板(特に酸化ジルコニウム基板)への焼成時にリチウムの拡散が優先的に起こりやすいLiNbO3が異相として生成してしまう。しかしながら、前述のとおり、本発明の方法においては、仮焼物中に少なくともLi3NbO4及び/又はLi3SbO4で構成される異相を積極的に生成させておくことで、焼成温度域においてリチウムの基板への拡散による損失を抑制することができる。すなわち、この耐熱性の高い異相をリチウム供給源として焼成温度域(950℃以上)まで保持させることで、焼成時におけるリチウムの損失を補填するに足る量のリチウムを固相反応中の斜方晶ペロブスカイト系内に効率良く供給することができ、その結果、正方晶ペロブスカイトからなる圧電/電歪体膜の形成を可能とする。 By the way, according to a known method, the piezoelectric powder raw material before film formation is prepared by mixing raw materials, calcining and pulverization. However, due to contamination during pulverization and insufficient densification leading to performance degradation. In order to avoid the coarsening of the connected particle diameter, calcination at high temperature is not performed. As a result, the piezoelectric raw material powder is not a perovskite single phase, and LiNbO 3, which is liable to preferentially diffuse lithium when firing on a substrate (particularly zirconium oxide substrate) during film firing, is generated as a different phase. However, as described above, in the method of the present invention, the heterogeneous phase composed of at least Li 3 NbO 4 and / or Li 3 SbO 4 is actively generated in the calcined product, so that the Loss due to diffusion of the substrate into the substrate can be suppressed. That is, an orthorhombic crystal in the solid-phase reaction is supplied in an amount sufficient to compensate for the loss of lithium during firing by maintaining this heat-resistant heterogeneous phase as a lithium supply source up to the firing temperature range (950 ° C. or higher). It can be efficiently supplied into the perovskite system, and as a result, it is possible to form a piezoelectric / electrostrictive film made of tetragonal perovskite.
仮焼は、1回だけ行われてもよいし、2回以上行われてもよい。2回以上の仮焼が行われる場合は、各仮焼の条件は同じであってもよいし、異なっていてもよい。仮焼の際の雰囲気は、大気雰囲気であってもよいし、酸素雰囲気であってもよい。仮焼の際の昇温速度及び降温速度は20〜2000℃/時間であることが好ましい。混合原料は、一般的に用いられる1段階の仮焼スケジュール(台形型又は鋭角の温度プロファイル)で仮焼されてもよいし、多段階の仮焼スケジュールで仮焼されてもよいし、あるいは、上記の2通りの2段階の仮焼スケジュールを組み合わせた3段階の仮焼スケジュールにより仮焼されてもよい。本発明の好ましい態様によれば、仮焼が、原料粉末を200〜2000℃/hの昇温速度で900〜1200℃の温度まで加熱し、この温度で0〜10分間保持し、この温度から800℃まで200〜2000℃/hの降温速度で冷却することを含む温度プロファイルに従って行われてよく、その際、温度プロファイルにおいて、800℃以上の温度領域における、温度に時間を乗じることにより算出される温度時間面積が67〜200℃・hであるように温度操作が行われるのが好ましい。また、仮焼工程の前に、原料粉末を600〜900℃の温度で予備仮焼して予備仮焼物を得る工程をさらに行ってもよい。 The calcination may be performed only once or may be performed twice or more. When two or more calcinations are performed, the conditions for each calcination may be the same or different. The atmosphere at the time of calcination may be an air atmosphere or an oxygen atmosphere. It is preferable that the temperature increase rate and the temperature decrease rate during calcination are 20 to 2000 ° C./hour. The mixed raw material may be calcined with a commonly used one-stage calcining schedule (trapezoidal or acute temperature profile), may be calcined with a multi-stage calcining schedule, or It may be calcined by a three-stage calcining schedule that combines the above two-stage calcining schedules. According to a preferred embodiment of the present invention, the calcining is performed by heating the raw material powder to a temperature of 900 to 1200 ° C. at a temperature rising rate of 200 to 2000 ° C./h, and holding at this temperature for 0 to 10 minutes. It may be performed according to a temperature profile including cooling to 800 ° C. at a rate of temperature decrease of 200 to 2000 ° C./h, where the temperature profile is calculated by multiplying the temperature in the temperature region of 800 ° C. or higher by time. The temperature operation is preferably performed so that the temperature time area is 67 to 200 ° C. · h. Moreover, you may further perform the process of pre-calcining raw material powder at the temperature of 600-900 degreeC before a calcination process, and obtaining a pre-calcination thing.
得られた仮焼物は、ボールミル等で粉砕されて、所望の粒子径の仮焼/粉砕粉とされる。粉砕は、乳鉢粉砕、ポットミル、ビーズミル、ハンマーミル、ジェットミル、メッシュ又はスクリーンに押し当てる方法等の粉砕方法によって行えばよく、特に限定されない。また、固相反応法ではなくアルコキシド法や共沈法により上記異相を含有するペロブスカイト型酸化物の粉末を合成してもよい。さらに、予めBサイト元素同士の固溶体(例えば、複数のBサイト元素の複合酸化物等)を合成した後、Aサイトの構成元素の素原料と混合、仮焼して、上記異相を含有するペロブスカイト型酸化物の粉末を合成してもよい。 The obtained calcined product is pulverized by a ball mill or the like to obtain a calcined / pulverized powder having a desired particle size. The pulverization may be performed by a pulverization method such as mortar pulverization, pot mill, bead mill, hammer mill, jet mill, mesh or screen pressing method, and is not particularly limited. Alternatively, the perovskite-type oxide powder containing the heterogeneous phase may be synthesized by an alkoxide method or a coprecipitation method instead of the solid phase reaction method. Further, after synthesizing a solid solution of B-site elements in advance (for example, a composite oxide of a plurality of B-site elements), it is mixed with a raw material of the constituent elements of the A site and calcined, and the perovskite containing the above heterogeneous phase A type oxide powder may be synthesized.
仮焼/粉砕粉の体積基準D50(メジアン径)は、0.07〜10μmであることが好ましく、0.1〜3μmであることがさらに好ましい。また、仮焼/粉砕粉の粒子径の調整のために、仮焼/粉砕粉を400〜850℃で熱処理してもよい。微細な粒子ほど他の粒子と一体化しやすいので、この熱処理を行うと、粒子径が均一な仮焼/粉砕粉が得られ、粒径が均一な焼結体が得られる。 The volume standard D50 (median diameter) of the calcined / ground powder is preferably 0.07 to 10 μm, and more preferably 0.1 to 3 μm. Further, the calcined / ground powder may be heat treated at 400 to 850 ° C. in order to adjust the particle size of the calcined / ground powder. Since finer particles are easier to be integrated with other particles, by performing this heat treatment, a calcined / ground powder having a uniform particle size is obtained, and a sintered body having a uniform particle size is obtained.
粉末組成物
上記のようにして得られる仮焼/粉砕粉は、狙いの基本組成の構成元素を含む斜方晶のペロブスカイトで構成される主相と、少なくともLi3NbO4及び/又はLi3SbO4で構成される異相とを含んでなる粉末組成物であり、以下に説明する圧電/電歪体膜の製造に好ましく供することができる。
Powder composition The calcined / pulverized powder obtained as described above has a main phase composed of orthorhombic perovskite containing constituent elements of a target basic composition, and at least Li 3 NbO 4 and / or Li 3 SbO. 4 is a powder composition comprising a heterogeneous phase composed of 4 , and can be preferably used for the production of a piezoelectric / electrostrictive film described below.
圧電/電歪体膜の作製
上記仮焼/粉砕粉ないし粉末組成物を含む被膜が基板上に形成される。この被膜の形成は粉末を用いることが可能な各種の被膜形成方法により行うことができる。被膜が形成される基板は、無機酸化物基材と、無機酸化物基材上に形成される下部電極層とを有してなるのが好ましく、下部電極層上に圧電/電歪体膜が形成される。また、焼成前に、仮焼/粉砕粉を含む被膜上に中間電極層を形成し、この中間電極層上に仮焼/粉砕粉を含む被膜をさらに形成する工程を行ってもよく、この工程を1回又は複数回行うことができる。最上層としての圧電/電歪体膜には中間電極層と同様にして上部電極層をさらに形成してもよい。
Production of Piezoelectric / Electrostrictive Film A film containing the calcined / ground powder or powder composition is formed on a substrate. This film can be formed by various film forming methods that can use powder. The substrate on which the film is formed preferably includes an inorganic oxide base material and a lower electrode layer formed on the inorganic oxide base material, and a piezoelectric / electrostrictive film is formed on the lower electrode layer. It is formed. Further, before firing, a step of forming an intermediate electrode layer on the film containing the calcined / ground powder and further forming a film containing the calcined / ground powder on the intermediate electrode layer may be performed. Can be performed once or multiple times. An upper electrode layer may be further formed on the piezoelectric / electrostrictive film as the uppermost layer in the same manner as the intermediate electrode layer.
こうして形成した被膜を焼成して、正方晶ペロブスカイトからなる圧電/電歪体膜を形成する。この圧電/電歪体膜は正方晶ペロブスカイトの単相からなるものが好ましいが、5重量%未満、好ましくは2重量%未満、より好ましくは1重量%未満の不純物レベルの結晶相を含むものも許容される。こうして得られた圧電/電歪体膜は正方晶ペロブスカイトからなるため高い圧電特性を発揮するものであり、圧電/電歪特性の高い圧電/電歪アクチュエータ等の圧電/電歪素子を実現することができる。 The film thus formed is baked to form a piezoelectric / electrostrictive film made of tetragonal perovskite. This piezoelectric / electrostrictive film is preferably composed of a single phase of tetragonal perovskite, but also includes a crystal phase having an impurity level of less than 5% by weight, preferably less than 2% by weight, more preferably less than 1% by weight. Permissible. Since the piezoelectric / electrostrictive film thus obtained is composed of tetragonal perovskite, it exhibits high piezoelectric characteristics, and a piezoelectric / electrostrictive element such as a piezoelectric / electrostrictive actuator having high piezoelectric / electrostrictive characteristics is realized. Can do.
以下、本発明により製造される圧電/電歪体膜を含む圧電/電歪アクチュエータの具体的態様に基づき、圧電/電歪体膜の製造工程を説明するが、本発明の方法は以下の具体的態様に限定されるものではない。 Hereinafter, the manufacturing process of the piezoelectric / electrostrictive film will be described based on specific embodiments of the piezoelectric / electrostrictive actuator including the piezoelectric / electrostrictive film manufactured according to the present invention. It is not limited to the specific embodiment.
図1Aに単層型の圧電/電歪アクチュエータ1の模式断面図を示す。図1Aに示されるように、圧電/電歪アクチュエータ1は、基板11の上面に、電極層121、圧電/電歪体膜122及び電極層123をこの順序で積層した構造を有する。圧電/電歪体膜122の両主面上の電極層121,123は、圧電/電歪体膜122を挟んで対向する。電極層121、圧電/電歪体膜122及び電極層123を積層した積層体12は基板11に固着される。「固着」とは、有機接着剤や無機接着剤を用いることなく、基板11と積層体12との界面における固相反応により、積層体12を基板11に接合することをいう。なお、基板と積層体の最下層の圧電/電歪体膜との界面における固相反応により積層体を基板に接合してもよい。圧電/電歪アクチュエータ1では、電極層121,123に電圧が印加されると、印加された電圧に応じて圧電/電歪体122が電界と垂直な方向に伸縮し、その結果として屈曲変位を生じる。
FIG. 1A shows a schematic cross-sectional view of a single-layer piezoelectric /
圧電/電歪体膜122は、本発明の製造方法により得られる正方晶ペロブスカイトからなる膜である。圧電/電歪体膜122の膜厚は、0.5〜50μmであることが好ましく、0.8〜40μmであることがさらに好ましく、1〜30μmであることが特に好ましい。このような範囲の膜厚であると、十分な緻密化が得られるとともに、焼結時の収縮応力が大きくなりすぎることがないので基板11の板厚を薄くして圧電/電歪アクチュエータ1の小型化を実現することができる。
The piezoelectric /
電極層121,123の材質は、白金、パラジウム、ロジウム、金若しくは銀等の金属又はこれらの合金である。中でも、焼成時の耐熱性が高い点で白金又は白金を主成分とする合金が好ましい。また、焼成温度によっては、銀−パラジウム等の合金も好適に用いられる。電極層121,123の膜厚は、15μm以下であることが好ましく、5μm以下であることがさらに好ましい。このような範囲の膜厚であると、電極層121,123が緩和層として機能するのを防止して屈曲変位が大きく確保することができる。また、電極層121,123がその役割を適切に果たすためには、電極層121,123の膜厚は、0.05μm以上であることが好ましい。電極層121,123は、圧電/電歪体膜122の屈曲変位に実質的に寄与する領域を覆うように形成されることが好ましい。例えば、圧電/電歪体膜122の中央部分を含み、圧電/電歪体膜122の両主面の80%以上の領域を覆うように形成されることが好ましい。
The material of the electrode layers 121 and 123 is a metal such as platinum, palladium, rhodium, gold or silver, or an alloy thereof. Among these, platinum or an alloy containing platinum as a main component is preferable in terms of high heat resistance during firing. Depending on the firing temperature, an alloy such as silver-palladium is also preferably used. The film thicknesses of the electrode layers 121 and 123 are preferably 15 μm or less, and more preferably 5 μm or less. When the film thickness is in such a range, the electrode layers 121 and 123 can be prevented from functioning as a relaxation layer, and a large bending displacement can be secured. In addition, in order for the electrode layers 121 and 123 to appropriately perform their roles, the film thickness of the electrode layers 121 and 123 is preferably 0.05 μm or more. The electrode layers 121 and 123 are preferably formed so as to cover regions that substantially contribute to the bending displacement of the piezoelectric /
基板11の材質は、セラミックスであるが、その種類に制限はない。もっとも、耐熱性、化学的安定性及び絶縁性の観点から、安定された酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、ムライト、窒化アルミニウム、窒化ケイ素及びガラスからなる群より選択される少なくとも1種類を含むセラミックスであることが好ましい。中でも、機械的強度及び靭性の観点から安定化された酸化ジルコニウムがさらに好ましい。「安定化された酸化ジルコニウム」とは、安定化剤の添加によって結晶の相転移を抑制した酸化ジルコニウムをいい、安定化酸化ジルコニウムの他、部分安定化酸化ジルコニムを包含する。
Although the material of the board |
安定化された酸化ジルコニウムとしては、例えば、1〜30mol%の酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化イットリウム、酸化イッテルビウム若しくは酸化セリウム又は希土類金属の酸化物を安定化剤として含有させた酸化ジルコニウムがあげられる。中でも、機械的強度が特に高い点で、酸化イットリウムを安定化剤として含有させた酸化ジルコニウムが好ましい。酸化イットリウムの含有量は、1.5〜6mol%であることが好ましく、2〜4mol%であることがさらに好ましい。また、酸化イットリウムに加えて、0.1〜5mol%の酸化アルミニウムを含有させることもさらに好ましい。安定化された酸化ジルコニウムの結晶相は、立方晶と単斜晶との混合晶、正方晶と単斜晶との混合晶又は立方晶と正方晶と単斜晶との混合晶等であってもよいが、主たる結晶相が正方晶と立方晶との混合晶又は正方晶となっていることが、機械的強度、靭性及び耐久性の観点から好ましい。 Examples of the stabilized zirconium oxide include zirconium oxide containing 1 to 30 mol% of calcium oxide, magnesium oxide, yttrium oxide, ytterbium oxide, cerium oxide, or a rare earth metal oxide as a stabilizer. Of these, zirconium oxide containing yttrium oxide as a stabilizer is preferred because of its particularly high mechanical strength. The content of yttrium oxide is preferably 1.5 to 6 mol%, and more preferably 2 to 4 mol%. In addition to yttrium oxide, it is more preferable to contain 0.1 to 5 mol% of aluminum oxide. The stabilized zirconium oxide crystal phase is a mixed crystal of cubic and monoclinic, a mixed crystal of tetragonal and monoclinic, or a mixed crystal of cubic, tetragonal and monoclinic, etc. However, it is preferable from the viewpoint of mechanical strength, toughness, and durability that the main crystal phase is a mixed crystal of tetragonal crystals and cubic crystals or a tetragonal crystal.
基板11の板厚は均一になっている。基板11の板厚は、1〜1000μmであることが好ましく、1.5〜500μmであることがさらに好ましく、2〜200μmであることが特に好ましい。このような範囲の板厚であると、圧電/電歪アクチュエータ1の高い機械的強度を確保できるとともに、基板11の剛性が高くなりすぎるのを防止して電圧印加時の圧電/電歪体膜122の伸縮による屈曲変位を大きくすることができる。基板11の表面形状(積層体が固着される面の形状)は、特に制限されず、三角形、四角形(長方形や正方形)、楕円形又は円形とすることができ、三角形及び四角形については角丸めを行ってもよい。これらの基本形を組み合わせた複合形としてもよい。
The thickness of the
圧電/電歪アクチュエータ1の製造にあっては、基板11の上に電極層121が形成される。電極層121は、イオンビーム、スパッタリング、真空蒸着、PVD(Physical Vapor Deposition)、イオンプレーティング、CVD(Chemical Vapor Deposition)、メッキ、エアロゾルデポジション、スクリーン印刷、スプレー、ディッピング等の方法で形成される。中でも、基板11及び圧電/電歪体膜122との接合性の観点から、スパッタリング法又はスクリーン印刷法が好ましい。形成された電極層121は、熱処理により、基板11及び圧電/電歪体膜122と固着される。熱処理の温度は、電極層121の材質や形成方法に応じて異なるが、概ね500〜1400℃である。
In manufacturing the piezoelectric /
続いて、本発明による仮焼/粉砕粉を用いて、電極層121の上に圧電/電歪体膜122が形成される。圧電/電歪体膜122は、イオンビーム、スパッタリング、真空蒸着、PVD(Physical Vapor Deposition)、イオンプレーティング、CVD(Chemical Vapor Deposition)、メッキ、ゾルゲル、エアロゾルデポジション、スクリーン印刷、スプレー、ディッピング等の方法で形成される。中でも、平面形状や膜厚の精度が高く、圧電/電歪体膜を連続して形成することができる点で、スクリーン印刷法が好ましい。さらに続いて、圧電/電歪体膜122の上に電極層123が形成される。電極層123は、電極層121と同様に形成される。
Subsequently, the piezoelectric /
電極層123を形成した後に、積層体12が形成された基板11が一体的に焼成される。この焼成により、圧電/電歪体膜122の焼結が進行するとともに、電極層121,123が熱処理される。圧電/電歪体膜122の焼成温度は、950℃以上が好ましく、950〜1200℃がより好ましく、970〜1100℃がさらに好ましい。このような範囲の温度であると、圧電/電歪体膜122を十分に緻密化して、基板11と電極層121との固着や電極層121,123と圧電/電歪体膜122との固着を強固なものとするとともに、高い圧電/電歪特性を実現することができる。また、上記焼成温度域における保持時間は、0〜20時間とするのが好ましく、1分〜10時間がより好ましく、5分〜4時間がさらに好ましい。この範囲内であると、圧電/電歪体膜122を十分に緻密化することができるとともに、高い圧電/電歪特性を実現することができる。ここで、0時間の保持時間とは、焼成をしないことを意味するのではなく、昇温して所定の温度に達した後、すぐに冷却することを意味する。
After forming the
なお、電極層121,123の熱処理を焼成とともに行うことが生産性の観点から好ましいが、このことは、電極層121,123を形成するごとに熱処理を行うことを妨げない。ただし、電極層123の熱処理の前に圧電/電歪体膜122の焼成を行っている場合は、圧電/電歪体膜122の焼成温度より低い温度で電極層123を熱処理する。焼成の終了後、圧電/電歪アクチュエータに対して、分極処理及びエージング処理が行われる。
Note that the heat treatment of the electrode layers 121 and 123 is preferably performed together with the firing from the viewpoint of productivity, but this does not prevent the heat treatment from being performed every time the electrode layers 121 and 123 are formed. However, when the piezoelectric /
圧電/電歪アクチュエータ1は、積層セラミック電子部品の製造において常用されているグリーンシート積層法によっても製造される。グリーンシート積層法においては、原料粉末にバインダー、可塑剤、分散剤及び分散媒が加えられ、セラミックス、バインダー、可塑剤及び分散媒がボールミル等で混合される。得られたスラリーはドクターブレード法等でシート形状に成形され、成形体が得られる。
The piezoelectric /
続いて、スクリーン印刷法等で成形体の両主面に電極ペーストの膜が印刷される。ここで用いる電極ペーストは、上述の金属又は合金の粉末に、溶媒、ビヒクル及びガラスフリット等を加えたものである。さらに続いて、電極ペーストの膜が両主面に印刷された成形体と基板とが圧着される。しかる後に、積層体が形成された基板が一体的に焼成され、焼成が終わった後に適当な条件下で分極処理及びエージング処理が行われる。 Subsequently, an electrode paste film is printed on both main surfaces of the molded body by a screen printing method or the like. The electrode paste used here is obtained by adding a solvent, vehicle, glass frit, or the like to the above-described metal or alloy powder. Subsequently, the molded body having the electrode paste film printed on both main surfaces and the substrate are pressure-bonded. Thereafter, the substrate on which the laminate is formed is integrally fired, and after the firing is finished, polarization treatment and aging treatment are performed under appropriate conditions.
図1Bには、単層型の圧電/電歪アクチュエータ1の変形例の模式断面図が示される。
図1Bに示される圧電/電歪アクチュエータ1’は、基板11’に接する電極層121’が圧電/電歪体膜122’よりも広い領域にわたって形成されていること以外は図1Aの単層型の圧電/電歪アクチュエータ1と同様である。この構成によれば、圧電/電歪体膜122’が基板11’に接しにくく、結果として、基板11’へのリチウムの拡散が抑制されやすいという利点がある。
FIG. 1B shows a schematic cross-sectional view of a modified example of the single-layer piezoelectric /
The piezoelectric /
図2Aに、多層型の圧電/電歪アクチュエータ2の模式断面図を示す。図2Aに示されるように、圧電/電歪アクチュエータ2は、基板21の上面に、電極層221、圧電/電歪体膜222、電極層223、圧電/電歪体膜224及び電極層225をこの順序で積層した構造を有する。圧電/電歪体膜222の両主面上の電極層221,223は、圧電/電歪体膜222を挟んで対向し、圧電/電歪体膜224の両主面上の電極層223,225は、圧電/電歪体膜224を挟んで対向する。電極層221、圧電/電歪体膜222、電極層223、圧電/電歪体膜224及び電極層225を積層した積層体22は基板21に固着される。なお、図2Aには、圧電/電歪体膜が2層である場合が図示されているが、圧電/電歪体膜が3層以上となってもよい。圧電/電歪アクチュエータ2の基板21の板厚は積層体22が接合される中央部215が周縁部216よりも薄肉化されている。これにより、基板21の機械的強度を保ちつつ、屈曲変位を大きくすることができる。基板21を第2実施形態の圧電/電歪アクチュエータ1に用いてもよい。圧電/電歪アクチュエータ2も、形成すべき圧電/電歪体膜及び電極層の数が増える点を除いては、単層型の圧電/電歪アクチュエータ1と同様に製造される。
FIG. 2A shows a schematic cross-sectional view of the multilayer piezoelectric /
図2Bには、多層型の圧電/電歪アクチュエータ2の変形例の模式断面図が示される。
図2Bに示される圧電/電歪アクチュエータ2’は、基板21’に接する電極層221’が圧電/電歪体膜222’よりも広い領域にわたって形成されていること以外は図2Aの多層型の圧電/電歪アクチュエータ2と同様である。この構成によれば、圧電/電歪体膜222’が基板21’に接しにくく、結果として、基板21’へのリチウムの拡散が抑制されやすいという利点がある。
FIG. 2B shows a schematic cross-sectional view of a modified example of the multilayer piezoelectric /
The piezoelectric /
図3Aに、多層型の圧電/電歪アクチュエータ3の模式断面図を示す。図3Aに示されるように、圧電/電歪アクチュエータ3は、第3実施形態の基板21と同様の構造を有する単位構造が繰り返される基板31を備える。基板31の単位構造の各々の上には、第3実施形態の積層体22と同様の構造を有する積層体32が固着される。圧電/電歪アクチュエータ3も、形成すべき積層体の数並びに圧電/電歪体膜及び電極層の数が増える点を除いては、単層型の圧電/電歪アクチュエータ1と同様に製造される。
FIG. 3A shows a schematic cross-sectional view of the multilayer piezoelectric /
図3Bに、多層型の圧電/電歪アクチュエータ3の変形例の模式断面図を示す。図3Bに示される圧電/電歪アクチュエータ3’は、基板31’に接する電極層321’が圧電/電歪体膜322’よりも広い領域にわたって形成されていること以外は図3Aの多層型の圧電/電歪アクチュエータ3と同様である。この構成によれば、圧電/電歪体膜322’が基板31’に接しにくく、結果として、基板31’へのリチウムの拡散が抑制されやすいという利点がある。
FIG. 3B shows a schematic cross-sectional view of a modification of the multilayer piezoelectric /
本発明を以下の例によってさらに具体的に説明する。 The invention is further illustrated by the following examples.
例1:圧電/電歪体膜及び圧電/電歪アクチュエータの作製
表1の試料1〜16に示される各種狙い組成の圧電/電歪体膜の作製を以下の手順により行った。
Example 1: Production of Piezoelectric / Electrostrictive Film and Piezoelectric / Electrostrictive Actuator Piezoelectric / electrostrictive films having various target compositions shown in
(1)仮焼/粉砕粉の作製
炭酸リチウム(Li2CO3)、酒石酸水素ナトリウム一水和物(C4H5O6Na・H2O)、酒石酸水素カリウム(C4H5O6K)、酸化ニオブ(Nb2O5)及び酸化タンタル(Ta2O5)の素原料の粉末を用意した。これらの粉末を、Li以外の金属元素が表1に示される「圧電/電歪体膜の狙い組成」を与えるが、Liの添加量が表1に示されるLi過剰比率となるように秤量した。その際、比較のため、試料1〜4において、Li過剰比率を1とした、狙い組成どおりに秤量した。続いて、秤量した素原料の粉末に分散媒としてアルコールを加えてボールミルで16時間混合した。さらに続いて、得られた混合原料を乾燥し、800℃で5時間仮焼してボールミルで粉砕することを2回繰り返し、ペロブスカイト型酸化物を主相として含む仮焼粉末を得た。続いて、この仮焼粉末を粗粉砕した後、100メッシュのふるいに通して粒度調整を行った。こうして、ペロブスカイト型酸化物を主相として含む仮焼/粉砕粉を得た。
(1) Preparation of calcined / ground powder Lithium carbonate (Li 2 CO 3 ), sodium hydrogen tartrate monohydrate (C 4 H 5 O 6 Na.H 2 O), potassium hydrogen tartrate (C 4 H 5 O 6 K), niobium oxide (Nb 2 O 5 ) and tantalum oxide (Ta 2 O 5 ) raw material powders were prepared. These powders were weighed so that a metal element other than Li gives the “target composition of the piezoelectric / electrostrictive film” shown in Table 1, but the amount of Li added was the Li excess ratio shown in Table 1. . At that time, for comparison,
得られた仮焼/粉砕粉のX線回折パターンを、X線回折装置(ブルカーAXS社製、D8ADVANCE)により以下の条件で測定し、リートベルト解析(解析ソフト:ブルカーAXS社製、TOPAS)にて結晶構造及び仮焼/粉砕粉に含まれる異相の量を解析した。
‐X線出力:40kV×40mA
‐ゴニオメーター半径:250mm
‐発散スリット:0.6°
‐散乱スリット:0.6°
‐受光スリット:0.2mm
‐ソーラースリット:4°(入射側、受光側)
‐測定法:試料水平型の集中光学系による2θ/θ法(2θ=20〜60°を測定、ステップ幅0.01°)
その結果、試料1〜4について、主相である斜方晶ペロブスカイトに加えて、LiNbO3からなる異相の存在が確認される一方、試料5〜16について、主相である斜方晶ペロブスカイトに加えて、Li3NbO4からなる異相の存在が確認された。
The X-ray diffraction pattern of the calcined / ground powder obtained was measured with an X-ray diffractometer (Bulker AXS, D8ADVANCE) under the following conditions, and subjected to Rietveld analysis (analysis software: Bruker AXS, TOPAS). Thus, the crystal structure and the amount of different phases contained in the calcined / ground powder were analyzed.
-X-ray output: 40 kV x 40 mA
-Goniometer radius: 250mm
-Divergent slit: 0.6 °
-Scattering slit: 0.6 °
-Light receiving slit: 0.2mm
-Solar slit: 4 ° (incident side, light receiving side)
-Measurement method: 2θ / θ method using a sample horizontal type concentrated optical system (2θ = 20-60 ° is measured, step width is 0.01 °)
As a result, in addition to the orthorhombic perovskite that is the main phase, the presence of a heterogeneous phase composed of LiNbO 3 was confirmed for
(2)圧電/電歪アクチュエータの作製
得られたペロブスカイト仮焼/粉砕粉を用いて、図1Bに示される圧電/電歪アクチュエータ1’を作製した。まず、基材11’としての安定化された酸化ジルコニウム基板上に、白金ペーストをスクリーン印刷し、熱処理により、白金電極層121’を形成した。次いで、白金電極層121’上に、仮焼/粉砕粉をバインダーに混合させたペーストをスクリーン印刷して未焼成の圧電/電歪体膜122’を形成した。続いて、基材11’、白金電極層121’と未焼成の圧電/電歪体膜122’からなる構成物をアルミナ容器内に収納し、1050℃で3時間焼成した。続いて、焼成後の圧電/電歪体膜122’上に金ペーストをスクリーン印刷し、熱処理により、金電極層123’を形成した。こうして正方晶ペロブスカイトからなる圧電/電歪体膜を備えた圧電/電歪アクチュエータを得た。
(2) Production of Piezoelectric / Electrostrictive Actuator Using the obtained perovskite calcined / ground powder, a piezoelectric /
例2:圧電/電歪体膜の評価
例1で作製された試料1〜16の圧電/電歪体膜について以下のとおり評価を行った。
Example 2 Evaluation of Piezoelectric / Electrostrictive Films The piezoelectric / electrostrictive films of
(1)結晶構造解析
焼成後の圧電/電歪体膜素子のX線回折パターンを、X線回折装置(ブルカーAXS社製、D8ADVANCE)により以下の条件で測定して結晶構造を解析した。
‐X線出力:40kV×40mA
‐ゴニオメーター半径:250mm
‐発散スリット:0.6°
‐散乱スリット:0.6°
‐受光スリット:0.2mm
‐ソーラースリット:4°(入射側、受光側)
‐測定法:試料水平型の集中光学系による2θ/θ法(2θ=20〜60°を測定、ステップ幅0.01°)
(1) Crystal structure analysis The X-ray diffraction pattern of the fired piezoelectric / electrostrictive film element was measured with an X-ray diffractometer (Bulker AXS, D8ADVANCE) under the following conditions to analyze the crystal structure.
-X-ray output: 40 kV x 40 mA
-Goniometer radius: 250mm
-Divergent slit: 0.6 °
-Scattering slit: 0.6 °
-Light receiving slit: 0.2mm
-Solar slit: 4 ° (incident side, light receiving side)
-Measurement method: 2θ / θ method using a sample horizontal type concentrated optical system (2θ = 20-60 ° is measured, step width is 0.01 °)
(2)表面微構造観察
焼成後の圧電/電歪体素子の表面に、イオンスパッタリング装置(日本電子社製、JFC−1500)にてAuを厚さ10nm程度となるようにスパッタした後、表面微構造を走査型電子顕微鏡(日本電子社製、JSM−6390)により観察して、二次電子像を得た。
(2) Surface microstructure observation After the surface of the fired piezoelectric / electrostrictive element was sputtered with an ion sputtering apparatus (JFC-1500, manufactured by JEOL Ltd.) to a thickness of about 10 nm, the surface The microstructure was observed with a scanning electron microscope (JSM-6390, manufactured by JEOL Ltd.) to obtain a secondary electron image.
(3)断面微構造観察及び元素分析
圧電/電歪体膜素子を機械研磨し、FE−EPMA(日本電子株式会社製、JXA−8530F)で圧電/電歪体膜素子の断面を観察し、膜の緻密化度を評価した。加えて、元素分析し、リチウム以外の元素の組成を算出した。
(3) Cross-sectional microstructure observation and elemental analysis The piezoelectric / electrostrictive film element was mechanically polished, and the cross section of the piezoelectric / electrostrictive film element was observed with FE-EPMA (JXA-8530F, manufactured by JEOL Ltd.). The degree of densification of the film was evaluated. In addition, elemental analysis was performed to calculate the composition of elements other than lithium.
(4)リチウム濃度分析
D−SIMS(CAMECA社製、IMS−6f)を用いて、焼成後の圧電/電歪体膜素子のLi深さ方向分析を行い、圧電/電歪体膜のリチウム濃度を算出した。
(4) Lithium concentration analysis Li-direction analysis of the piezoelectric / electrostrictive film element after firing was performed using D-SIMS (manufactured by CAMCA, IMS-6f), and the lithium concentration of the piezoelectric / electrostrictive film was Was calculated.
(5)相対密度の測定
上記(3)で得た、圧電/電歪体膜の断面写真から、画像編集ソフト(商品名「Image−Pro」、Media Cybernetics社製)を使用して、気孔部の面積を求め、圧電/電歪体膜の相対密度を評価した。
(5) Measurement of relative density From the cross-sectional photograph of the piezoelectric / electrostrictive film obtained in (3) above, using image editing software (trade name “Image-Pro”, manufactured by Media Cybernetics), the pore portion The relative density of the piezoelectric / electrostrictive film was evaluated.
得られた結果は表1に示されるとおりであった。なお、表1中、得られた圧電/電歪体膜の結晶系は上記(1)により決定したものであり、Li量は上記(4)により決定したものであり、得られた圧電/電歪体膜の最終組成は上記(3)及び(4)の評価結果に基づいて決定したものである。表1から分かるように、本発明の方法に従うLi過剰比率の原料を用いて作製された試料5〜16にあっては、正方晶ペロブスカイトからなる狙い組成どおりの特性の高い圧電/電歪体膜が得られた。一方、本発明の方法に従わずに作製された試料1〜4にあっては、斜方晶ペロブスカイトからなる特性の低い圧電/電歪体膜が得られた。また、様々なLi過剰比率を用いて作製された試料9〜16の結果から分かるように、原料粉末におけるLi過剰比率が4〜12の試料10〜14が高い相対密度を呈する点で好ましく、より好ましくは95%以上の相対密度を示すLi過剰比率が6〜10の試料11〜13である。このように高い相対密度は高い圧電特性をもたらす。なお、余剰のリチウムは蒸発や基板への拡散を通じて膜外へ抜けたものと推察される。
The obtained results were as shown in Table 1. In Table 1, the crystal system of the obtained piezoelectric / electrostrictive film was determined by the above (1), the Li amount was determined by the above (4), and the obtained piezoelectric / electrostrictive film was The final composition of the strained film is determined based on the evaluation results (3) and (4) above. As can be seen from Table 1, in Samples 5 to 16 produced using the raw material having an excess of Li according to the method of the present invention, a piezoelectric / electrostrictive film having high characteristics according to the target composition made of tetragonal perovskite. was gotten. On the other hand, in the
例3:他の異相を用いた例
素原料の粉末として、酸化アンチモン(Sb2O3)を加え、仮焼/粉砕粉の異相をLi3SbO4として生成させたこと以外は、例1及び2と同様にして圧電/電歪体膜の作製及び評価を行った。その結果、例1及び2と同様に、正方晶ペロブスカイトからなる狙い組成どおりの特性の高い圧電/電歪体膜が得られた。
Example 3: a powder of example Motogenryo using other heterogeneous phase, except that antimony oxide and (Sb 2 O 3) was added, the heterogeneous phase of the calcined / crushed powder was produced as Li 3 SbO 4, Example 1 and The piezoelectric / electrostrictive film was prepared and evaluated in the same manner as in 2. As a result, in the same manner as in Examples 1 and 2, a piezoelectric / electrostrictive film having high characteristics as a target composition made of tetragonal perovskite was obtained.
1,1’,2,2’,3,3’ 圧電/電歪アクチュエータ
11,11’,21,21’,31,31’ 基板
122,122’,222,224,222’,224’,322,324,322’,324’ 圧電/電歪体膜
121,121’,123,123’,221,221’,223,223’,225,225’,321,321’,323,323’,325,325’ 電極層
1,1 ′, 2,2 ′, 3,3 ′ Piezoelectric /
Claims (21)
Liの量が前記基本組成に対してモル比で2倍以上となるように前記基本組成の構成元素を含む原料粉末を用意する工程と、
前記原料粉末を仮焼して、斜方晶ペロブスカイトで構成される主相と、少なくともLi3NbO4及び/又はLi3SbO4で構成される異相とからなる仮焼物を形成する工程と、
前記仮焼物を粉砕して仮焼/粉砕粉を得る工程と、
前記仮焼/粉砕粉を含む被膜を基板上に形成する工程と、
前記被膜を950℃以上で焼成して、正方晶ペロブスカイトからなる圧電/電歪体膜を形成する工程と
を有してなる、方法。 It is represented by the general formula A x BO 3 ± δ (where 0.90 ≦ x ≦ 1.20, δ represents oxygen excess or oxygen deficiency, but may be 0), and the A site is Li, Na and A method for producing a piezoelectric / electrostrictive film comprising a tetragonal perovskite having a basic composition containing K and having a B site containing Nb and / or Sb,
Preparing a raw material powder containing constituent elements of the basic composition such that the amount of Li is twice or more in molar ratio to the basic composition;
Calcining the raw material powder to form a calcined product composed of a main phase composed of orthorhombic perovskite and a heterogeneous phase composed of at least Li 3 NbO 4 and / or Li 3 SbO 4 ;
Crushing the calcined product to obtain a calcined / pulverized powder;
Forming a film containing the calcined / ground powder on a substrate;
And baking the film at 950 ° C. or higher to form a piezoelectric / electrostrictive film made of tetragonal perovskite.
Li量が前記基本組成に対してモル比で2倍以上となるように前記基本組成の構成元素を含む原料粉末を用意する工程と、
前記原料粉末を仮焼して、斜方晶ペロブスカイトで構成される主相と、Li3NbO4及び/又はLi3SbO4で構成される異相とからなる仮焼物を形成する工程と、
前記仮焼物を粉砕して仮焼/粉砕粉を得る工程と
を有してなる、方法。 It is represented by the general formula A x BO 3 ± δ (where 0.90 ≦ x ≦ 1.20, δ represents oxygen excess or oxygen deficiency, but may be 0), and the A site is Li, Na and A method for producing a powder composition used for producing a piezoelectric / electrostrictive film comprising a tetragonal perovskite having a basic composition containing K and containing a B site containing Nb and / or Sb,
Preparing a raw material powder containing constituent elements of the basic composition so that the amount of Li is twice or more in molar ratio to the basic composition;
Calcining the raw material powder to form a calcined product comprising a main phase composed of orthorhombic perovskite and a heterogeneous phase composed of Li 3 NbO 4 and / or Li 3 SbO 4 ;
And crushing the calcined product to obtain a calcined / pulverized powder.
前記基本組成の構成元素を含む斜方晶のペロブスカイトで構成される主相と、
少なくともLi3NbO4及び/又はLi3SbO4で構成される異相と
を含んでなる、粉末組成物。 It is represented by the general formula A x BO 3 ± δ (where 0.90 ≦ x ≦ 1.20, δ represents oxygen excess or oxygen deficiency, but may be 0), and the A site is Li, Na and A powder composition used for the production of a piezoelectric / electrostrictive film comprising a tetragonal perovskite having a basic composition containing K and having a B site containing Nb and / or Sb,
A main phase composed of orthorhombic perovskite containing the constituent elements of the basic composition;
A powder composition comprising at least a heterogeneous phase composed of Li 3 NbO 4 and / or Li 3 SbO 4 .
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