JP2019216238A - 圧電セラミックス、圧電素子および電子機器 - Google Patents
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Abstract
Description
(圧電セラミックス)
本明細書において、「セラミックス」とは、基本成分が金属酸化物であり、熱処理(焼成)によって焼き固められた(焼結された)結晶粒の凝集体(バルク体)である。セラミックスは、いわゆる多結晶を表し、焼結後に加工されたものも含まれる。ただし、粉末や粉末を分散させたスラリーは含まない。
より好ましくは、第二の領域402の断面積の比率が、0.03%以上である。前記断面積の比率が0.03%以上であると同組成の第一の領域401のみからなる圧電セラミックスに対して3%以上、圧電定数を大きくすることができる。
本発明の圧電セラミックスに係る前記結晶粒40の外縁部は、前記第一の領域401により占められていることが好ましい。結晶粒40の外縁部が前記第一の領域401により占められていることは、SEM等により結晶粒40内のドメイン構造が粒界近傍まで存在することを観察することで確認できる。
キュリー温度TCとは、一般的にその温度以上で圧電セラミックスの圧電性が消失する摂氏表記(℃)での温度である。本明細書においては、強誘電相(正方晶相であることが多い)と常誘電相(立方晶相)の相転移温度近傍で誘電率が極大となる温度をTCとする。例えば、測定温度を変えながらインピーダンスアナライザを用いて周波数が1kHz、電界強度が10V/cmの交流電界を印加して誘電率を測定することでTCを特定することができる。
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を用いて得られる共振周波数およ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。
本発明の圧電セラミックスの相対密度(焼結体の嵩密度/理論密度×100)は、93%以上100%以下であることが好ましい。相対密度は、前記圧電セラミックスの格子定数と前記圧電セラミックスの構成元素の原子量から理論密度を算出し、その理論密度と実測した密度(焼結体の嵩密度)との割合のことを示す。格子定数は、例えば、X線回折測定により算出することができる。密度は、例えば、アルキメデス法により実測することができる。
本発明の圧電セラミックスに係る第一の領域401の主成分は特に限定されないが、チタン酸バリウムを主成分とすることがより好ましい。従来の圧電素子に係る圧電セラミックスはそのほとんどがチタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電セラミックスである。このため、例えば圧電素子が廃却され酸性雨を浴びたり、過酷な環境に放置されたりした際、圧電セラミックス中の鉛成分が土壌に溶け出し生態系に害を成す可能性が指摘されている。鉛の含有量が1000ppm未満であるチタン酸バリウムを主成分とする圧電セラミックスであれば、例えば圧電素子が廃却され酸性雨を浴びたり、過酷な環境に放置されたりしても、圧電セラミックス中の鉛成分が環境に悪影響を及ぼす可能性は低い。また、鉛成分を含まない圧電セラミックスの中で、チタン酸バリウムを主成分とする圧電セラミックスは圧電定数の絶対値|d|が大きい。従って、同じ歪量を得るために必要な電圧が小さくできる。
本発明において、チタン酸バリウム系の金属酸化物はCaを含むことがより好ましい。さらにBaおよびCaの含有量の和であるA(mol)に対するCaの含有量(mol)の比であるxの値は0.02以上0.30以下であることがより好ましい。
本発明の圧電セラミックスに係る第二の領域402の結晶構造は、立方晶またはGdFeO3型構造であることが好ましい。GdFeO3型構造とは、中心元素が対称位置にある斜方晶系のペロブスカイト型構造であり、第一の領域401と隣接しても安定的に存在できる。第二の領域402がGdFeO3型構造であることは、該当部分の電子線回折図形をデータベースと照合することで判定可能である。第二の領域402の結晶構造が、立方晶またはGdFeO3型構造であることで、第一の領域401の正方晶単位格子を歪ませる効果と結晶構造の安定性を確保することができる。このため、キュリー温度を維持したまま圧電定数の大きな圧電セラミックスを提供することが可能となる。
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、以下にチタン酸バリウム系の金属酸化物を用いた代表的な製造方法について例示する。
本発明に係る圧電セラミックスの原料粉の製造方法として、構成元素を含んだ酸化物、炭酸塩、硝酸塩、蓚酸塩などの固体粉末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。固体粉末としては、Ba化合物、Ca化合物、Ti化合物、Zr化合物、Mn化合物といった金属化合物から構成される。
BaおよびCaの含有量の和であるA(mol)とTi、ZrおよびMnの含有量の和であるB(mol)の比を示すA/Bの値は0.98以上で1.01以下に調整することがより好ましい。A/Bの値が上記範囲に調整することで、圧電セラミックスが緻密化しやすく、機械的強度が向上するとともに、結晶粒40の成長に必要な温度が一般的な焼成炉で焼成できる1500℃以下に下がる。
A/Bの値は0.990以上0.999以下の範囲に調整することがさらに好ましい。A/Bの値を上記範囲に調整し1400℃よりも低い温度で焼成することで、本発明の第二の領域402を形成することが可能である。さらにA/Bの値を0.992以上0.997以下の範囲に調整することがより好ましい。
本発明に係る圧電セラミックスの原料粉を造粒し、成形用の顆粒を得る方法は特に限定されない。造粒する際に使用可能なバインダーの例としては、PVA(ポリビニルアルコール)、PVB(ポリビニルブチラール)、アクリル系樹脂が挙げられる。添加するバインダーの量は、圧電セラミックスの原料粉末100重量部に対して、1重量部から10重量部が好ましく、成形体の密度が上がるという観点において2重量部から5重量部がより好ましい。Ba化合物、Ca化合物、Ti化合物、Zr化合物およびMn化合物を機械的に混合した混合粉を造粒してもよいし、これらの化合物を800〜1300℃程度で仮焼した後に造粒してもよい。あるいは、Ba化合物、Ca化合物、Ti化合物、およびZr化合物を仮焼した後に、Mn化合物をバインダーと同時に添加させてもよい。造粒方法としては、いかなる方法を用いても良いが、成形用の顆粒状造粒粉の粒径をより均一にできるという観点において、最も好ましい造粒方法はスプレードライ法である。
本発明に係る圧電セラミックスの成形体の作成方法は特に限定されない。成形体とは原料粉末、造粒粉、もしくはスラリーから作成される固形物である。成形体作成の手段としては、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などを用いることができる。
本発明に係る圧電セラミックスの焼結方法は特に限定されない。焼結方法の例としては、電気炉による焼結、ガス炉による焼結、通電加熱法、マイクロ波焼結法、ミリ波焼結法、HIP(熱間等方圧プレス)などが挙げられる。電気炉およびガスによる焼結は、連続炉であってもバッチ炉であっても構わない。
次に、本発明の圧電素子について説明する。
図3は本発明の圧電素子の構成の一実施形態を示す概略図である。本発明に係る圧電素子は、第一の電極1、圧電セラミックス部2および第二の電極3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2を構成する圧電セラミックスが本発明の圧電セラミックスであることを特徴とする。
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。ここで、分極軸とは圧電セラミックスを構成する多結晶の各結晶における自発分極の向きのことである。前記分極軸が一定方向に揃っているとは、前記各結晶における自発分極が概ね同じ方向を向いていることを意味する。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。分極軸が一定方向に揃っているかは、例えばP−E(分極−電界)ヒステリシス測定において残留分極があることで確認できる。また、その他にはd33メータを用いた応力を加えたときに発生する電荷量により確認することができる。前記第一の電極1を上向きに設置しd33メータで測定したときの電荷量の符号と、前記第二の電極3を上向きに設置しd33メータで測定したときの電荷量の符号が逆方向を示す時、分極軸が一定方向に揃っている。
本発明の圧電セラミックスの、25℃における、周波数1kHzにおけるtanδは0.006以下であることが好ましい。25℃における抵抗率は、1GΩcm以上であることが好ましい。tanδが0.006以下であると、圧電セラミックスを圧電素子の駆動条件下で最大500V/cmの電界を印加した際でも、安定した動作を得ることができる。抵抗率が1GΩcm以上であると、分極処理の効果を十分に得られる。tanδおよび抵抗率は、インピーダンスアナライザを用いて、例えば、周波数が1kHz、電界強度が10V/cmの交流電界を印加することで測定可能である。
次に、本発明の積層構造を有する圧電素子について説明する。
本発明に係る積層構造を有する圧電素子は、少なくとも1つの内部電極を備え、前記圧電セラミックスからなる圧電セラミックス層と層状の前記少なくとも1つの内部電極とが交互に積層された積層構造を有することを特徴とする。
次に、本発明の電子機器について説明する。本発明において、前記電子機器は、前記の圧電素子または前記積層構造を有する圧電素子を備えることを特徴とする。
(圧電セラミックス原料の秤量と混合)
(Ba1−xCax)a(Ti1−y−zZryMnz)O3で示される金属酸化物の組成比率がX=0.187、Y=0.060、Z=0.00952となるように上記各原料を秤量した。また、a=0.9950となるように調整するために炭酸バリウム粉末を秤量した。これらをボールミル装置を用いて24時間の乾式混合によって混合し、混合粉を作製した。
前記混合粉の総重量を100重量部とし、この混合粉に対して3重量部となるPVAバインダーを、スプレードライヤー装置を用いて、混合粉表面に付着させ、造粒粉とした。
次に得られた造粒粉を金型に充填し、プレス成型機を用いて200MPaの成形圧をかけて円盤状の成形体を作製した。また、この成形体を、冷間等方加圧成型機を用いてさらに加圧しても、得られる結果は同様であった。
得られた成形体を、電気炉を用い、まず大気雰囲気で600℃に保持して加熱を行った後、1340℃まで昇温させ5時間保持した後に、自然放冷により室温に降温した。以上の工程により、円盤状の焼結体(多結晶の実施例1の圧電セラミックス)を得た。
作製した実施例1の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。本実施例において、原料の仕込み比と、焼結後の(Ba1−xCax)a(Ti1−y−zZryMnz)O3で示される金属酸化物における、Ca量の分析値、Zr量の分析値、BaとCaのモル量とTiとZrとMnのモル量との比の分析値は一致していた。保持した温度を実施例1の焼成保持温度(℃)として表1に示す。
計算した相対密度を表1に示す。
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3に示す構成の10mm×2.5mm×0.5mmの実施例1の圧電素子を作製した。
実施例1の圧電素子の圧電定数(d31)は、雰囲気を25℃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(4294A Precision Impedance Analyzer:Agilent製)を用いて得られる圧電素子の共振周波数およ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た。
次に表1に示すように、(Ba1−xCax)a(Ti1−y−zZryMnz)O3で示される金属酸化物の組成比率(X、Y、Zおよびa)と保持温度を変更した以外は実施例1と同様に、実施例2〜10および比較例1〜4の圧電セラミックスを作製した。また、実施例11〜17および比較例5〜7においては、一般式(Ba1−xCax)a(Ti1−y−zZryMnz)O3で表される金属酸化物100モル部に対してBiを金属換算で表1に示すモル部添加して混合粉を作製し、実施例1と同様に、実施例11〜17よび比較例5〜7の圧電セラミックスを作製した。実施例1と同様に、実施例2〜17および比較例1〜7において、原料の仕込み比と、焼結後の(Ba1−xCax)a(Ti1−y−zZryMnz)O3で示される金属酸化物における、Ca量の分析値、Zr量の分析値、BaとCaのモル量とTiとZrとMnのモル量との比の分析値は一致していた。
実施例1〜4および比較例1〜2の圧電セラミックス中の各元素の組成比率は、表1に示すように同じである。表1および図6に示したように、実施例1〜4の圧電セラミックスは、1400℃以下で焼成したことで、第二の領域402の断面積の比率が0.010%から0.100%となった。一方、1480℃の保持温度で焼成した比較例2の圧電セラミックスには、第一の領域401の内部に第二の領域402が生じなかった。そのため、実施例1〜4の圧電セラミックスは、比較例2の圧電セラミックスよりも圧電定数の絶対値|d31|が7%以上大きい結果となった。また、第二の領域402の断面積の比率が0.05%以下の実施例3および実施例4の圧電セラミックスは、キュリー温度を高い温度で維持したまま圧電定数の絶対値|d31|を大きくすることができた。一方、比較例1では、焼成保持温度が1300℃と低いため、得られた圧電セラミックスの相対密度が90.8%と93%よりも小さく、機械的強度が小さく焼結も不十分であった。
実施例4および実施例5の圧電セラミックス中の(Ba1−xCax)a(Ti1−y−zZryMnz)O3のX、Y、およびZは、表1に示すように同じである。しかし、実施例4がa=0.9950および焼成保持温度1400℃、実施例5がa=0.9920および焼成保持温度1320℃の条件において異なる。実施例4および実施例5の圧電セラミックスでは、第二の領域402の断面積の比率が0.010%となり、キュリー温度を高い温度で維持したまま圧電定数の絶対値|d31|を大きくすることができた。しかし、実施例5の圧電セラミックスは、平均円相当径が45.1μmと10μmよりも大きいため、実施例4の圧電セラミックスと比較して機械的強度が低下した。
実施例4と実施例7の圧電セラミックス中の(Ba1−xCax)a(Ti1−y−zZryMnz)O3のX、Y、およびZは、表1に示すように同じである。しかし、実施例4がa=0.9950および焼成保持温度1400℃、実施例7がa=0.9970および焼成保持温度1420℃の条件において異なる。実施例4と実施例7の圧電セラミックスは、第二の領域402の断面積の比率が0.010%であり、第一の領域401の内部に第二の領域402が存在しない比較例2の圧電セラミックスよりも大きな圧電定数の絶対値|d31|を示した。しかし、実施例7の圧電セラミックスは第一の領域401の断面積の比率が95.0%と98%よりも小さいためキュリー温度が2℃低下した。
実施例2と実施例6の圧電セラミックス中の(Ba1−xCax)a(Ti1−y−zZryMnz)O3のX、Y、およびZ=は、表1に示すように同じである。しかし、実施例2がa=0.9950および焼成保持温度1360℃、実施例6がa=0.9930および焼成保持温度1340℃の条件において異なる。実施例2と実施例6の圧電セラミックスは、第二の領域402の断面積の比率が0.070%であり、キュリー温度を高い温度で維持したまま圧電定数の絶対値|d31|を大きくすることができた。また、実施例6のようにaの値を小さくすることで、低い焼成保持温度でも圧電セラミックスの第一の領域401の内部に第二の領域402を生じさせることができた。
比較例3の圧電セラミックスは、aが1.0000と大きいため焼成温度を1420℃にしても相対密度が91.7%と93%よりも小さく、焼結が不十分であった。
実施例8〜10および比較例4の圧電セラミックス中の各元素の組成比率は、表1に示すように同じである。表1および図7に示したように、実施例8〜10の圧電セラミックスは、1380℃以下の焼成保持温度で焼成したことで、第二の領域402の断面積の比率が0.019%から0.050%であった。一方、1400℃の焼成保持温度で焼成した比較例4の圧電セラミックスには、第一の領域401の内部に第二の領域402が生じなかった。そのため、実施例8〜10の圧電セラミックスは、比較例4の圧電セラミックスよりも圧電定数の絶対値|d31|が2.5%以上大きい結果となった。また、第二の領域402の断面積の比率が0.05%以下の実施例8〜10の圧電セラミックスは、それぞれ同じキュリー温度であるが、第二の領域402の断面積の比率が大きいほど圧電定数の絶対値|d31|が大きくなった。
実施例11〜13および比較例5の圧電セラミックス各元素の組成比率は、表1に示すように同じである。表1および図8に示したように、実施例11〜13の圧電セラミックスは、1380℃以下の焼成保持温度で焼成したことで、第二の領域402の断面積の比率が0.020%から0.045%であった。一方、1400℃の焼成保持温度で焼成したことで、比較例5の圧電セラミックスには、第一の領域の内部に第二の領域402が生じなかった。そのため、実施例11〜13の圧電セラミックスは、比較例5の圧電セラミックスよりも圧電定数の絶対値|d31|が5.7%以上大きい結果となった。また、実施例11〜13の圧電セラミックスは、同じキュリー温度であるが、第二の領域402の断面積の比率が大きいほど圧電定数の絶対値|d31|が大きくなった。
実施例14〜17および比較例6〜7の圧電セラミックス中の各元素の組成比率は、表1に示すように同じである。表1および図9に示したように、実施例14〜17の圧電セラミックスは、1340℃以上1400℃以下で焼成したことで、第二の領域402の断面積の比率が0.010%から0.100%であった。一方、1420℃以上の焼成保持温度で焼成したことで、比較例7の圧電セラミックスには第一の領域の内部に第二の領域402が生じなかった。そのため、実施例14〜17の圧電セラミックスは、比較例7の圧電セラミックスよりも圧電定数の絶対値|d31|が2.1%以上大きい結果となった。また、第二の領域402の断面積の比率が0.05%以下の実施例16および実施例17の圧電セラミックスでは、キュリー温度を高い温度で維持したまま圧電定数の絶対値|d31|を大きくすることができた。一方、比較例6の圧電セラミックスは、焼成保持温度が1320℃と低いため相対密度が88.4%と小さく、機械的強度が小さく焼結も不十分であった。
2 圧電セラミックス部
3 第二の電極
40 結晶粒
41 ポア
401 第一の領域
402 第二の領域
42 Aサイト原子
43 Bサイト原子
44 酸素原子
51 第一の電極
53 第二の電極
54 圧電セラミックス層
55 内部電極
501 第一の電極
503 第二の電極
504 圧電セラミックス層
505a 内部電極
505b 内部電極
506a 外部電極
506b 外部電極
901 光学装置
908 レリーズボタン
909 ストロボ発光部
912 スピーカ
914 マイク
916 補助光部
931 デジタルカメラの本体
932 ズームレバー
933 電源ボタン
Claims (17)
- 単位格子の中心元素が非対称位置にある結晶構造を有するペロブスカイト型金属酸化物より構成される第一の領域と、
単位格子の中心元素が対称位置にある結晶構造を有するペロブスカイト型金属酸化物より構成され、前記第一の領域の内部に存在する第二の領域と、を有する結晶粒を備えた圧電セラミックスであって、
前記圧電セラミックスの断面積に対する前記第二の領域の断面積の比率が0.1%以下であることを特徴とする圧電セラミックス。 - 前記圧電セラミックスの断面積に対する前記第一の領域の断面積の比率が99%以上であることを特徴とする請求項1に記載の圧電セラミックス。
- 前記結晶粒の外縁部が、前記第一の領域により占められてい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。
- キュリー温度が100℃以上であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の圧電セラミックス。
- 25℃における圧電定数の絶対値|d31|が80pm/V以上であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の圧電セラミックス。
- 前記結晶粒の平均円相当径が1.0μm以上10μm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1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6のいずれか1項に記載の圧電セラミックス。
- 前記第二の領域の結晶構造が立方晶またはGdFeO3型構造であることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の圧電セラミックス。
- 前記第二の領域の結晶構造を示す空間群がPnmaであることを特徴とする請求項8に記載の圧電セラミックス。
- 前記第一の領域の結晶構造を示す空間群がP4mmであることを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載の圧電セラミックス。
- 前記第二の領域の金属酸化物がCaとTiを含有することを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項に記載の圧電セラミックス。
- 前記第一の領域の金属酸化物がBaとTiを含有することを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項に記載の圧電セラミックス。
- 前記第二の領域の金属酸化物がCaとTiを含有し、前記第一の領域の金属酸化物がBaとTiを含有することを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項に記載の圧電セラミックス。
- 絶対密度が5.5g/cm3以上5.8g/cm3以下である請求項13に記載の圧電セラミックス。
- 第一の電極と圧電セラミックス部と第二の電極とを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14のいずれか1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。
- 前記圧電セラミックス部に少なくとも1つの内部電極を備え、前記圧電セラミックスからなる圧電セラミックス層と層状の前記少なくとも1つの内部電極とが交互に積層された積層構造を有することを特徴とする請求項15に記載の圧電素子。
- 請求項15または16に記載の圧電素子を備えたことを特徴とする電子機器。
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