JP2016138038A - 圧電セラミックス、圧電セラミックスの製造方法、圧電素子、および圧電装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】組成式(1)で表わされる金属酸化物と金属酸化物100重量部に対して金属換算で0.04〜0.36重量部のMn及び0.042〜0.850重量部のBiを含有する圧電セラミックスであって、圧電セラミックスはペロブスカイト型構造を有する複数の第一の結晶粒子1501と第一の結晶粒子1501間の粒界1502に備えられた第一の結晶粒子1501とは異なる結晶構造を有する複数の第二の結晶粒子1504よりなり、第二の結晶粒子1504はBa4Ti12O27及びBa6Ti17O40から選ばれる少なくとも一つの金属酸化物を主成分とする厚電セラミックス。(Ba1−xCax)a(Ti1−yZry)O3(1)(0.09≦x≦0.30、0.025≦y≦0.085、0.986≦a≦1.02)
【選択図】図15
Description
(Ba1−xCax)a(Ti1−yZry)O3 (1)
(式中、0.09≦x≦0.30、0.025≦y≦0.085、0.986≦a≦1.02)
(Ba1−xCax)a(Ti1−yZry)O3 (1)
(式中、0.09≦x≦0.30、0.025≦y≦0.085、0.986≦a≦1.02)
本発明に係る圧電セラミックスの製造方法は特に限定されないが、以下に代表的な製造方法を説明する。
圧電セラミックスを製造する場合は、構成元素を含んだ酸化物、炭酸塩、硝酸塩、蓚酸塩、酢酸塩などの固体粉末から成形体を作り、その成形体を常圧下で焼結する一般的な手法を採用することができる。原料としては、Ba化合物、Ca化合物、Ti化合物、Zr化合物、Mn化合物およびBi化合物等の金属化合物から構成される。
本発明に係る圧電セラミックスの原料粉は必要に応じて、仮焼してから成形体に用いてもよい。仮焼処理は600℃から1050℃の温度で実施することが好ましい。仮焼処理によって得られた粉末を仮焼粉と呼ぶ。
前記成形体とは、前記固体粉末を成形した固形物である。成形方法としては、一軸加圧加工、冷間静水圧加工、温間静水圧加工、鋳込成形と押し出し成形を挙げることができる。成形体を作製する際には、造粒粉を用いることが好ましい。造粒粉を用いた成形体を焼結すると、焼結体の結晶粒の大きさの分布が均一になり易いという利点がある。
前記成形体の焼結方法は特に限定されない。
次に、本発明の圧電素子について説明する。
前記圧電素子は一定方向に分極軸が揃っているものであると、より好ましい。分極軸とは、圧電セラミックスの内部に存在する自発分極の向きのことである。分極軸が一定方向に揃っていることで前記圧電素子の圧電定数は大きくなる。前記圧電素子の分極方法は特に限定されない。分極処理は大気中で行ってもよいし、シリコーンオイル中で行ってもよい。分極をする際の温度は60℃から150℃の温度が好ましいが、素子を構成する圧電セラミックスの組成によって最適な条件は多少異なるため特に限定されない。分極処理をするために印加する電界は800V/mmから2.0kV/mmが好ましい。
前記圧電素子の圧電定数および機械的品質係数は、市販のインピーダンスアナライザーを用いて得られる共振周波数及び反共振周波数の測定結果から、電子情報技術産業協会規格(JEITA EM−4501)に基づいて、計算により求めることができる。以下、この方法を共振−反共振法と呼ぶ。
次に、本発明の積層圧電素子について説明する。
次に、本発明の液体吐出ヘッドについて説明する。
次に、本発明の液体吐出装置について説明する。本発明の液体吐出装置は、被転写体の載置部と前記液体吐出ヘッドを備えたことを特徴とする。
次に、本発明の超音波モータについて説明する。本発明に係る超音波モータは、前記圧電素子または前記積層圧電素子を配した振動体と、前記振動体と接触する移動体とを少なくとも有することを特徴とする。
次に、本発明の光学機器について説明する。本発明の光学機器は、駆動部に前記超音波モータを備えたことを特徴とする。
粒子、粉体、液体の搬送、除去等で利用される振動装置は、電子機器等で広く使用されている。以下、本発明の振動装置の一つの例として、本発明の圧電素子を用いた塵埃除去装置について説明する。
次に、本発明の撮像装置について説明する。本発明の撮像装置は、前記塵埃除去装置と撮像素子ユニットとを少なくとも有する撮像装置であって、前記塵埃除去装置の振動板を前記撮像素子ユニットの受光面側に設けた事を特徴とする。図12および図13は本発明の撮像装置の好適な実施形態の一例であるデジタル一眼レフカメラを示す図である。
次に、本発明の電子機器について説明する。本発明の電子機器は、前記圧電素子または前記積層圧電素子を備えた圧電音響部品を配することを特徴とする。圧電音響部品にはスピーカ、ブザー、マイク、表面弾性波(SAW)素子が含まれる。
(圧電セラミックス原料の作製)
原料として、Ba原料には炭酸バリウム(BaCO3)粉末(純度99.9%以上)、Ca原料には炭酸カルシウム(CaCO3)粉末(純度99.9%以上)、Bi原料には酸化ビスマス(Bi2O3)粉末(純度99.9%以上)、Ti原料には酸化チタン(TiO2)粉末(純度99.9%以上)、Zr原料には酸化ジルコン(ZrO2)粉末(純度99.9%以上)、四酸化三マンガン(Mn3O4)粉末(純度99.5%以上)を準備した。
次に造粒粉を金型内に充填し、プレス成形機で加圧することで成形体を作製した。得られた成形体を電気炉に入れ、1000℃からゆるやかに昇温して1310℃で5時間保持する焼成条件により焼結体(多結晶の圧電セラミックス)を作製した。
作製した圧電セラミックスの組成をICP発光分光分析によって評価した。表1に示すx値、y値、a値は一般式(Ba1−xCax)a(Ti1−yZry)O3における、Ca量、Zr量、BaとCaのモル量とTiとZrのモル量との比を意味する焼結後の分析値である。また、表1に示すMn量、Bi量は、分析によって求めた圧電セラミックスに含まれるMn量、Bi量を、同じく分析によって同定した前記一般式(1)で示される金属酸化物100重量部に対して、金属重量に換算した値である。本実施例において、原料の仕込み比と焼結後の分析値は一致していた。
得られた圧電セラミックスを厚さ0.5mmになるように研磨した後、圧電セラミックスの表裏両面にDCスパッタリング法により電極を形成した。具体的には、密着層として厚さ30nmのチタンを成膜してから厚さ400nmの金を成膜した。この電極付きの圧電セラミックスを切断加工し、図1に示す構成の10mm×2.5mm×0.5mmの圧電素子を作製した。
本発明の機械的品質係数、及び圧電定数(d31)は、雰囲気を0℃に調整した恒温槽内に圧電素子を設置し、市販のインピーダンスアナライザーを用いて得られる圧電素子の共振周波数及び反共振周波数の測定結果から求める。具体的には、電子情報技術産業協会規格(JEITA EM−4501)に基づいて計算により求めた。
実施例1と同様の原料を秤量し、同様の作製方法によって、複数の第一の結晶粒子および複数の第二の結晶粒子を有する表1に示す組成の圧電セラミックスを作製した。
(積層圧電素子の作製)
原料として、炭酸バリウム(BaCO3)粉末(純度99.9%以上)、炭酸カルシウム(CaCO3)粉末(純度99.9%以上)、酸化ビスマス(Bi2O3)粉末(純度99.9%以上)、酸化チタン(TiO2)粉末(純度99.9%以上)、酸化ジルコン(ZrO2)粉末(純度99.9%以上)、四酸化三マンガン(Mn3O4)粉末(純度99.5%以上)を準備した。
(Ag、Pdの重量比が0.25以上4.00以下の内部電極を備えた積層圧電素子)
Agの含有重量M1とPdの含有重量M2がM1/M2が0.25で調合した導電ペーストを用いて、前記の積層圧電素子を作製した。得られた圧電素子は、十分な絶縁性を有し、実施例1の圧電セラミックスを用いた圧電素子と同等の良好な圧電特性を得ることができた。
(NiまたはCuを内部電極として備えた積層圧電素子)
実施例45と同様の手法で混合粉を作成した。得られた混合粉をロータリーキルンで回転させながら1000℃で大気中3時間仮焼を行い、仮焼粉を得た。ボールミルを用いて、得られた仮焼粉を解砕した。得られた解砕粉にPVBを加えて混合した後、ドクターブレード法によりシート形成して厚み50μmのグリーンシートを得た。上記グリーンシートに内部電極用の導電ペーストを印刷した。導電ペーストには、Niペーストを用いた。導電ペーストを塗布したグリーンシートを9枚積層して、その積層体を熱圧着した。
(実施例1の圧電セラミックスによる液体吐出ヘッド)
実施例1と同じ圧電セラミックスを用いて、図3に示される液体吐出ヘッドを作製した。入力した電気信号に追随したインクの吐出が確認された。
(実施例1の圧電セラミックスによる液体吐出ヘッドを有す吐出装置)
実施例48の液体吐出ヘッドを用いて、図4に示される液体吐出装置881を作製した。入力した電気信号に追随したインクの吐出が被転写体上に確認された。
(実施例1の圧電セラミックスによる超音波モータ)
実施例1と同じ圧電セラミックスを用いて、図6(a)に示される超音波モータを作製した。交番電圧の印加に応じたモータの回転挙動が確認された。
実施例1と同じ圧電セラミックスを用いて、図6(b)に示される超音波モータを作製した。交番電圧の印加に応じたモータの回転挙動が確認された。
(実施例1の圧電セラミックスによる超音波モータを備えた光学機器)
実施例50の超音波モータを用いて、図7(a)に示される光学機器を作製した。交番電圧の印加に応じたオートフォーカス動作が確認された。
(実施例1の圧電セラミックスによる塵埃除去装置)
実施例1と同じ圧電セラミックスを用いて、図9に示される塵埃除去装置310を作製した。プラスチック製ビーズを振動板320の表面に散布し、圧電素子330に交番電圧を印加したところ、前記ビーズが振動板320の表面から良好に除去されることが確認された。
(実施例1の圧電セラミックスによる塵埃除去装置を有す撮像装置)
塵埃除去装置310を撮像センサ(不図示)の表面に備えた図12に示される撮像装置を作製した。振動板320表面の塵埃は撮像センサに写り込んで撮影した画像を悪化させるが、塵埃除去装置を稼働させることにより、塵埃が良好に除去され、欠陥の無い撮影画像が得られた。
(実施例1の圧電セラミックスによる電子機器)
実施例45の積層圧電素子2042を用いて、図14に示される電子機器を作製した。交番電圧の印加に応じたスピーカ動作が確認された。
全体として表2の組成になるように秤量を行い、実施例1と同様の工程で比較例1から15のセラミックス、及び素子を作製した。
2 圧電セラミックス部
3 第二の電極
101 圧電素子
1501 第一の結晶粒子
1502 結晶粒子の粒界
1503 三重点
1504 第二の結晶粒子
1505 三重点に存在する第二の結晶粒子
Claims (20)
- 下記一般式(1)で表わされる金属酸化物と前記金属酸化物100重量部に対して金属換算で0.04重量部以上0.36重量部以下のMnおよび0.042重量部以上0.850重量部以下のBiを含有する圧電セラミックスであって、前記圧電セラミックスはペロブスカイト型構造を有する複数の第一の結晶粒子と前記第一の結晶粒子間の粒界に備えられた第一の結晶粒子とは異なる結晶構造を有する複数の第二の結晶粒子よりなり、前記第二の結晶粒子はBa4Ti12O27およびBa6Ti17O40から選ばれる少なくとも一つの金属酸化物を主成分とすることを特徴とする圧電セラミックス。
(Ba1−xCax)a(Ti1−yZry)O3 (1)
(式中、0.09≦x≦0.30、0.025≦y≦0.085、0.986≦a≦1.02) - 前記第二の結晶粒子と接する前記第一の結晶粒子のBaとCaのモル数A1とTiおよびZrのモル数B1の比A1/B1と、前記第二の結晶粒子と接しない前記第一の結晶粒子のBaとCaのモル数A2とTiおよびZrのモル数B2の比A2/B2とが、A1/B1>A2/B2の関係を満たすことを特徴とする請求項1に記載の圧電セラミックス。
- 前記圧電セラミックスの表面または断面で観測した際の前記第二の結晶粒子が占める割合が、前記圧電セラミックスの表面または断面の全面積に対して0.05面積%以上1面積%以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の圧電セラミックス。
- 前記第二の結晶粒子の主成分がMnを含有することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の圧電セラミックス。
- 前記圧電セラミックスを構成する第一の結晶粒子の平均円相当径が500nm以上10μm以下であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の圧電セラミックス。
- 前記圧電セラミックスの相対密度が93%以上100%以下であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の圧電セラミックス。
- 第一の電極、圧電セラミックス部および第二の電極を少なくとも有する圧電素子であって、前記圧電セラミックス部を構成する圧電セラミックスが請求項1乃至6のいずれか一項に記載の圧電セラミックスであることを特徴とする圧電素子。
- 複数の圧電セラミックス層と、内部電極を含む複数の電極層とが交互に積層された積層圧電素子であって、前記圧電セラミックス層が請求項1乃至6のいずれか一項に記載の圧電セラミックスよりなることを特徴とする積層圧電素子。
- 前記内部電極がAgとPdを含み、前記Agの含有重量M1と前記Pdの含有重量M2との重量比M1/M2が0.25≦M1/M2≦4.0であることを特徴とする請求項8に記載の積層圧電素子。
- 前記内部電極がNiおよびCuの少なくともいずれか1種を含むことを特徴とする請求項8に記載の積層圧電素子。
- 請求項7に記載の圧電素子または請求項8乃至10のいずれか一項に記載の積層圧電素子を配した振動部を備えた液室と、前記液室と連通する吐出口を少なくとも有することを特徴とする液体吐出ヘッド。
- 被転写体の載置部と請求項11に記載の液体吐出ヘッドを備えたことを特徴とする液体吐出装置。
- 請求項7に記載の圧電素子または請求項8乃至10のいずれか一項に記載の積層圧電素子を配した振動体と、前記振動体と接触する移動体とを少なくとも有することを特徴とする超音波モータ。
- 駆動部に請求項13に記載の超音波モータを備えたことを特徴とする光学機器。
- 請求項7に記載の圧電素子または請求項8乃至10のいずれか一項に記載の積層圧電素子を振動板に配した振動体を有することを特徴とする振動装置。
- 請求項15に記載の振動装置を振動部に備えたことを特徴とする塵埃除去装置。
- 請求項16に記載の塵埃除去装置と撮像素子ユニットとを少なくとも有する撮像装置であって、前記塵埃除去装置の振動板を前記撮像素子ユニットの受光面側に設けたことを特徴とする撮像装置。
- 請求項7に記載の圧電素子または請求項8乃至10のいずれか一項に記載の積層圧電素子を備えた圧電音響部品を配したことを特徴とする電子機器。
- 請求項7に記載の圧電素子または請求項8乃至10のいずれか一項に記載の積層圧電素子を備え、かつ、前記圧電素子または積層圧電素子への電圧印加手段および前記圧電素子または積層圧電素子からの電力取出手段の少なくとも一方を有することを特徴とする圧電装置。
- 請求項1乃至6のいずれか一項に記載の圧電セラミックスの製造方法であって、
Ba、Ca、Ti、Zrを含み、ペロブスカイト構造を有する金属酸化物よりなる第一の粉体と、Ba、Tiを含み、前記Baのモル数より前記Tiのモル数が過剰であり、前記第一の粉体とは異なる結晶構造を有する金属酸化物よりなる第二の粉体とを、前記第一の粉体の混合比が95質量%以上99.9質量%以下となるように混合して混合粉を得る工程と、
造粒工程と、
成形工程と、
最高温度1380℃以下の焼結工程とを
順に実施することを特徴とする圧電セラミックスの製造方法。
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