JP2023060517A - Piezoelectric element, ultrasonic transducer and ultrasonic motor having the same - Google Patents

Piezoelectric element, ultrasonic transducer and ultrasonic motor having the same Download PDF

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Abstract

To provide a piezoelectric element with small mechanical loss and large displacement when driven at high speed and large amplitude.SOLUTION: A piezoelectric element consists of first and second electrodes provided opposite each other, and a piezoelectric ceramics disposed between the first electrode and the second electrode and in contact therewith, mainly composed of a compound having a perovskite-type structure containing Pb, Zr, Ti and O as constituent elements, wherein the average domain width in the sintered particles 11 observed in the cross section perpendicular to the first and second electrodes is between 100 nm and 500 nm and the area percentage of sintered particles with observed domain 12 in the cross section is 60% or more.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明は、圧電素子、並びにこれを備える超音波振動子及び超音波モータに関する。 The present invention relates to a piezoelectric element, and an ultrasonic vibrator and an ultrasonic motor having the same.

圧電素子は、機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換する正圧電効果を利用して、センサ素子や発電素子等に用いられている。また、圧電素子は、電気的エネルギーを機械的エネルギーに変換する逆圧電効果を利用して、振動子、発音体、アクチュエータ、超音波モータ及びポンプ等にも用いられている。さらに、圧電素子は、正圧電効果と逆圧電効果との併用により、回路素子及び振動制御素子等にも用いられている。 Piezoelectric elements are used in sensor elements, power generating elements, and the like by utilizing the positive piezoelectric effect that converts mechanical energy into electrical energy. Piezoelectric elements are also used in vibrators, sound generators, actuators, ultrasonic motors, pumps, etc., by utilizing the inverse piezoelectric effect of converting electrical energy into mechanical energy. Furthermore, piezoelectric elements are also used in circuit elements, vibration control elements, etc., due to the combination of the positive piezoelectric effect and the inverse piezoelectric effect.

圧電素子のうち、振動子及び超音波モータ等については、共振点等の大振幅が生じる条件下で連続駆動されるため、素子自体が発熱しやすい。圧電素子の発熱は、圧電特性の劣化や喪失に繋がるため、これを抑制する必要がある。圧電素子の発熱は、駆動時に生じる機械的な損失と電気的な損失とに起因する。このため、前述のような圧電素子には、ハード系圧電材料あるいはハード材と称される、前述した両損失の小さい材料が用いられている。ハード系圧電材料においては、機械的な損失が小さいことの指標として機械的品質係数Qmが高いことが、電気的な損失が小さいことの指標として誘電正接tanδが小さいことが、それぞれ重要となる。 Among piezoelectric elements, vibrators, ultrasonic motors, and the like are continuously driven under conditions such as a resonance point where large amplitude occurs, so the elements themselves tend to generate heat. Since the heat generation of the piezoelectric element leads to deterioration or loss of piezoelectric characteristics, it is necessary to suppress this. The heat generated by the piezoelectric element is caused by mechanical loss and electrical loss that occur during driving. For this reason, the above-described piezoelectric element is made of a material called a hard piezoelectric material or a hard material, which has a small loss in both cases. In hardware piezoelectric materials, a high mechanical quality factor Qm is important as an index of small mechanical loss, and a small dielectric loss tangent tan δ is important as an index of small electrical loss.

このような低損失のハード系圧電材料としては、ペロブスカイト型構造を有するチタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr,Ti)O:PZT)を基本組成とし、これに種々の元素を固溶させて低損失化したものが提案されている。 As such a low-loss hard piezoelectric material, lead zirconate titanate (Pb(Zr, Ti)O 3 : PZT) having a perovskite structure is used as a basic composition, and various elements are dissolved therein. A low-loss type has been proposed.

例えば、機械的品質係数Qmが高い圧電磁器組成物として、Pb、Zn、Nb、Ti、Zr及びOを構成元素として含み、ペロブスカイト型構造を有する化合物に対し、Mn等を添加したものが知られている(特許文献1、2)。 For example, as a piezoelectric ceramic composition having a high mechanical quality factor Qm, a compound containing Pb, Zn, Nb, Ti, Zr and O as constituent elements and having a perovskite structure with Mn added thereto is known. (Patent Documents 1 and 2).

また、PZT系の圧電セラミックスの機械的品質係数Qmを高める手段として、ドメインサイズが100nm以下である結晶粒子の面積比率を30%以上とすることも知られている(特許文献3)。 In addition, as a means of increasing the mechanical quality factor Qm of PZT-based piezoelectric ceramics, it is also known to increase the area ratio of crystal grains having a domain size of 100 nm or less to 30% or more (Patent Document 3).

特公昭54-18400号公報Japanese Patent Publication No. 54-18400 特開2001-181037号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-181037 特開2017-92280号公報JP 2017-92280 A

超音波振動子や超音波モータに用いられる圧電素子には、駆動時に発熱が小さいことに加え、変位量が大きいことも求められる。圧電素子の変位量の大きさは、圧電d定数が高いほど大きくなる。しかし、圧電素子の機械的品質係数Qmと圧電d定数とは、一般的にトレードオフの関係にあるため、両者が高い圧電素子を得ることは困難であった。実際、特許文献1から3に記載された圧電磁器組成物によれば、高い機械的品質係数Qmを有する圧電素子は得られるものの、該素子は圧電d定数の低いものとなることが多かった。 Piezoelectric elements used in ultrasonic vibrators and ultrasonic motors are required to generate little heat when driven and to have a large displacement. The displacement amount of the piezoelectric element increases as the piezoelectric d constant increases. However, since the mechanical quality factor Qm and the piezoelectric d-constant of a piezoelectric element generally have a trade-off relationship, it has been difficult to obtain a piezoelectric element with both high values. In fact, according to the piezoelectric ceramic compositions described in Patent Documents 1 to 3, although a piezoelectric element having a high mechanical quality factor Qm is obtained, the element often has a low piezoelectric d-constant.

そこで本発明は、高速大振幅で駆動した場合の機械的損失が小さく、かつ変位量の大きな圧電素子を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to provide a piezoelectric element having a small mechanical loss and a large amount of displacement when driven at high speed and large amplitude.

本発明者は、前記課題を解決するための検討過程で、PZT系の圧電セラミックスにおける焼結粒子中のドメイン構造に着目した。そして、前記ドメインの幅を大きくすることで、前記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。 The present inventor focused on the domain structure in the sintered particles in the PZT-based piezoelectric ceramics in the course of investigation for solving the above problems. Then, the inventors found that the problem can be solved by increasing the width of the domain, and completed the present invention.

すなわち、前記課題を解決するための本発明の一側面は、対向して設けられた第1及び第2の電極、並びに前記第1及び第2の電極間に、これらに接して配置され、構成元素としてPb、Zr、Ti及びOを含むペロブスカイト型構造を有する化合物を主成分とし、前記第1及び第2の電極に垂直な断面内に観察される、焼結粒子中の平均ドメイン幅が100nm以上500nm以下であり、かつ前記断面内を占める、前記ドメインが観察される焼結粒子の面積百分率が60%以上である圧電セラミックスを備える圧電素子である。 That is, one aspect of the present invention for solving the above-mentioned problems is to provide first and second electrodes that are provided facing each other, and between and in contact with the first and second electrodes. The main component is a compound having a perovskite structure containing Pb, Zr, Ti and O as elements, and the average domain width in the sintered particles observed in the cross section perpendicular to the first and second electrodes is 100 nm. The piezoelectric element comprises piezoelectric ceramics having a size of 500 nm or more and having an area percentage of 60% or more of the sintered particles in which the domains are observed occupying the cross section.

また、本発明の他の一側面は、前述の圧電素子と、該圧電素子を一軸方向から挟み込む一対のブロック体とを備える超音波振動子である。 Another aspect of the present invention is an ultrasonic transducer comprising the piezoelectric element described above and a pair of block bodies sandwiching the piezoelectric element from one axial direction.

さらに、本発明の他の一側面は、前述の圧電素子と、該圧電素子に接着された摺動材とを備える超音波モータである。 Furthermore, another aspect of the present invention is an ultrasonic motor comprising the piezoelectric element described above and a sliding member adhered to the piezoelectric element.

本発明によれば、高速大振幅で駆動した場合の機械的損失が小さく、かつ変位量の大きな圧電素子を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a piezoelectric element with small mechanical loss and large displacement when driven at high speed and large amplitude.

本発明の一側面に係る積層型圧電素子の構造を示す概略斜視図1 is a schematic perspective view showing the structure of a laminated piezoelectric element according to one aspect of the present invention; FIG. 図1に示す積層型圧電素子のA-A’断面図A-A' cross-sectional view of the laminated piezoelectric element shown in FIG. 本発明の一側面に係る圧電素子における、ドメイン幅の測定方法を示す説明図Explanatory drawing showing a method of measuring a domain width in a piezoelectric element according to one aspect of the present invention. 本発明の一側面に係る圧電素子における、ドメインが観察される焼結粒子の面積の測定方法を示す説明図Explanatory drawing showing a method for measuring the area of sintered particles in which domains are observed in the piezoelectric element according to one aspect of the present invention.

以下、図面を参照しながら、本発明の構成及び作用効果について、技術的思想を交えて説明する。但し、作用機構については推定を含んでおり、その正否は、本発明を制限するものではない。 Hereinafter, with reference to the drawings, the configuration and effects of the present invention will be described along with technical ideas. However, the mechanism of action is presumed, and whether it is correct or not does not limit the present invention.

本明細書において、圧電素子の「高速大振幅での駆動」とは、共振周波数での駆動、又はレーザードップラー振動計にて測定した振動速度が0.62m/s以上となる条件下での駆動をいう。 In this specification, "driving at high speed and large amplitude" of the piezoelectric element means driving at the resonance frequency, or driving under the condition that the vibration velocity measured with a laser Doppler vibrometer is 0.62 m / s or more. Say.

[圧電素子]
本発明の一側面に係る圧電素子(以下、単に「第1側面」と記載することがある。)は、対向して設けられた第1及び第2の電極、並びに前記第1及び第2の電極間に、これらに接して配置され、構成元素としてPb、Zr、Ti及びOを含むペロブスカイト型構造を有する化合物を主成分とし、前記第1及び第2の電極に垂直な断面内に観察される、焼結粒子中の平均ドメイン幅が100nm以上500nm以下であり、かつ前記断面内を占める、前記ドメインが観察される焼結粒子の面積百分率が60%以上である圧電セラミックスを備える。
[Piezoelectric element]
A piezoelectric element according to one aspect of the present invention (hereinafter sometimes simply referred to as "first aspect") includes first and second electrodes provided to face each other, and the first and second electrodes. A compound having a perovskite structure containing Pb, Zr, Ti and O as constituent elements is placed between and in contact with the electrodes as a main component, and is observed in a cross section perpendicular to the first and second electrodes. wherein the average domain width in the sintered particles is 100 nm or more and 500 nm or less, and the area percentage of the sintered particles in which the domains are observed in the cross section is 60% or more.

第1及び第2の電極は、後述する圧電セラミックスを挟むように対向して設けられ、駆動時には互いに異なる極性(「+」又は「-」)となるように電圧が印加される。電極の材質、形状及び配置は、圧電セラミックスに対して所期の電圧を印加することができるものであれば特に限定されない。電極の材質の例としては、銀(Ag)、銅(Cu)、金(Au)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)及びニッケル(Ni)並びにこれらの合金等が挙げられる。電極の形状及び配置の例としては、圧電セラミックスの特定の面のほぼ全体を覆うものが挙げられる。また、電極は、圧電素子の表面にのみ形成されていてもよく、後述する積層型圧電素子中の内部電極のように、圧電素子の内部に形成されていてもよい。 The first and second electrodes are provided facing each other so as to sandwich piezoelectric ceramics, which will be described later, and are applied with voltages having different polarities ("+" or "-") when driven. The material, shape and arrangement of the electrodes are not particularly limited as long as a desired voltage can be applied to the piezoelectric ceramics. Examples of electrode materials include silver (Ag), copper (Cu), gold (Au), platinum (Pt), palladium (Pd), nickel (Ni), and alloys thereof. Examples of the shape and arrangement of the electrodes include those that cover substantially the entire specific surface of the piezoelectric ceramic. Further, the electrodes may be formed only on the surface of the piezoelectric element, or may be formed inside the piezoelectric element like internal electrodes in a laminated piezoelectric element to be described later.

第1側面が、図1及び図2に示す構造の積層型圧電素子100である場合には、圧電セラミックス層10間に複数存在する第1の電極20a同士、及び第2の電極20b同士を、それぞれ電気的に接続する接続導体30a及び30bを備える。接続導体の材質としては、前述した電極と同様、銀(Ag)、銅(Cu)、金(Au)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)及びニッケル(Ni)並びにこれらの合金等が例示される。接続導体の配置の仕方としては、図1及び図2に示されるような積層型圧電素子100の表面への配置の他、積層型圧電素子100の内部において、圧電セラミックス層10を貫通する配置としてもよい。なお、図1及び図2に示す積層型圧電素子100では、第1の電極20a及び第2の電極20bが圧電素子の内部に配置されていることから、これらを内部電極20と総称する。 When the first side surface is the laminated piezoelectric element 100 having the structure shown in FIGS. They are provided with connecting conductors 30a and 30b for electrical connection, respectively. Examples of the material of the connection conductor include silver (Ag), copper (Cu), gold (Au), platinum (Pt), palladium (Pd), nickel (Ni), and alloys thereof, as with the electrodes described above. be. The connection conductors may be arranged on the surface of the laminated piezoelectric element 100 as shown in FIGS. good too. In the laminated piezoelectric element 100 shown in FIGS. 1 and 2, the first electrode 20a and the second electrode 20b are arranged inside the piezoelectric element, so they are collectively called internal electrodes 20. As shown in FIG.

また、第1側面が積層型圧電素子100である場合には、図1及び図2に示すように、その表面に、接続導体30a及び30bと電気的に接続され、積層方向両端部に位置する圧電セラミックスに電圧を印加する一対の外部電極40a及び40bを設けてもよい。外部電極の材質としては、前述した接続導体と同様のものが使用できる。 In addition, when the first side surface is the laminated piezoelectric element 100, as shown in FIGS. A pair of external electrodes 40a and 40b for applying voltage to the piezoelectric ceramics may be provided. As the material of the external electrode, the same material as that of the connection conductor described above can be used.

第1側面は、第1及び第2の電極間に、これらに接して配置された圧電セラミックスを備える。 The first side comprises a piezoelectric ceramic disposed between and in contact with the first and second electrodes.

この圧電セラミックスは、構成元素としてPb、Zr、Ti及びOを含むペロブスカイト型構造を有する化合物を主成分とする。これにより、圧電素子に電圧を印加した際に大きな変位を得ることができる。 This piezoelectric ceramic is mainly composed of a compound having a perovskite structure containing Pb, Zr, Ti and O as constituent elements. Thereby, a large displacement can be obtained when a voltage is applied to the piezoelectric element.

ここで、圧電セラミックスが、ペロブスカイト型構造を有する化合物を主成分とするものであることは、以下の手順で確認する。
まず、圧電セラミックスを粉砕して粉末状試料を調製する。その際には、電極や被覆等の圧電セラミックス以外の部分を除去した後、粉砕することが好ましいが、前述した積層型圧電素子等の、圧電セラミックス部分と他の部分との分離が困難であり、かつ圧電セラミックス部分の割合が他の部分に比べて高い圧電素子については、素子ごと粉砕して粉末状試料としてもよい。
次いで、得られた粉末状試料について、Cu-Kα線を用いたX線回折(XRD)装置で回折線プロファイルを測定し、ペロブスカイト構造由来のプロファイルにおける最強回折線強度に対する、他の構造由来の回折プロファイルにおける最強回折線強度の割合が10%以下となったことをもって、圧電セラミックスがペロブスカイト型構造を有する化合物を主成分とするものと判定する。なお、圧電セラミックス部分を他の部分と分離することなく、圧電素子ごと粉砕して粉末状試料とした場合で、回折線プロファイル中に電極等の圧電セラミックス以外の部分に由来することが明らかなピークが観測された場合には、該ピークを除外して、前述した最強線強度の比較を行う。
Here, it is confirmed by the following procedure that the piezoelectric ceramics is mainly composed of a compound having a perovskite structure.
First, a piezoelectric ceramic is pulverized to prepare a powdery sample. In this case, it is preferable to pulverize after removing portions other than the piezoelectric ceramics such as electrodes and coatings, but it is difficult to separate the piezoelectric ceramics portion from other portions such as the laminated piezoelectric element described above. In addition, for a piezoelectric element having a higher percentage of piezoelectric ceramics than other parts, the entire element may be pulverized to obtain a powdery sample.
Next, for the obtained powdery sample, the diffraction line profile is measured with an X-ray diffraction (XRD) apparatus using Cu-Kα rays, and the diffraction line derived from other structures is compared with the strongest diffraction line intensity in the profile derived from the perovskite structure. When the ratio of the strongest diffraction line intensity in the profile is 10% or less, it is determined that the piezoelectric ceramic is mainly composed of a compound having a perovskite structure. In addition, when the piezoelectric element is pulverized into a powder sample without separating the piezoelectric ceramic portion from other portions, a peak clearly derived from a portion other than the piezoelectric ceramic, such as the electrode, in the diffraction line profile is observed, the peak is excluded and the strongest line intensity is compared as described above.

また、前記ペロブスカイト型構造を有する化合物が構成元素としてPb、Zr、Ti及びOを含むことは、以下の手順で確認する。
まず、前述した方法によりペロブスカイト型構造を有する化合物を主成分とすると判定された粉末状試料について、高周波誘導結合プラズマ(ICP)発光分光分析装置、イオンクロマトグラフィー装置ないしは、蛍光X線(XRF)分析装置によって組成分析を行う。
次いで、組成分析の結果、Pb、Zr及びTiの存在が確認されたことをもって、前記ペロブスカイト型構造を有する化合物が、前記各元素及びOを含むものと判定する。また、この組成分析によって、Zn、Nb及びMnの存在も確認された場合には、前記ペロブスカイト型構造を有する化合物が、後述するように、構成元素としてさらにZn、Nb及びMnを含むと判定する。
In addition, it is confirmed by the following procedure that the compound having the perovskite structure contains Pb, Zr, Ti and O as constituent elements.
First, a powdery sample determined to be mainly composed of a compound having a perovskite structure by the above-described method is subjected to an inductively coupled plasma (ICP) emission spectrometer, an ion chromatography device, or an X-ray fluorescence (XRF) analysis. A compositional analysis is performed by the instrument.
Then, the presence of Pb, Zr, and Ti was confirmed as a result of composition analysis, and it was determined that the compound having the perovskite structure contained each of the above elements and O. In addition, when the presence of Zn, Nb and Mn is also confirmed by this composition analysis, it is determined that the compound having the perovskite structure further contains Zn, Nb and Mn as constituent elements, as will be described later. .

前記ペロブスカイト型構造を有する化合物は、構成元素としてさらにZn、Nb及びMnを含むことが好ましい。これにより、前記化合物が、Pb(Zr,Ti)O-Pb(Zn,Nb)O-Pb(Mn,Nb)Oを主体とするものとなり、圧電素子に電圧を印加した際に、より大きな変位を得ることができると共に、駆動時の機械的損失が小さくなる。 The compound having the perovskite structure preferably further contains Zn, Nb and Mn as constituent elements. As a result, the compound mainly contains Pb(Zr, Ti)O 3 —Pb(Zn, Nb)O 3 —Pb(Mn, Nb)O 3 , and when a voltage is applied to the piezoelectric element, Larger displacement can be obtained, and mechanical loss during driving is reduced.

前記ペロブスカイト型構造を有する化合物は、下記一般式(1)で表されるものであることがより好ましい。これにより、より大きな変位量とより小さな機械的損失とを達成できる。

xPb(Zr1-aTia)O3-yPb(Zn1/3Nb2/3)O3
-zPb(Mn1/3Nb2/3)O3 …(1)

ただし、式中のa、x、y及びzはそれぞれ、0.45≦a≦0.60、0<x≦0.85、0≦y<0.99、0.01<z<0.10及びx+y+z=1.0を満たす実数である。
More preferably, the compound having a perovskite structure is represented by the following general formula (1). This makes it possible to achieve larger displacements and smaller mechanical losses.

xPb(Zr1 -aTia ) O3 - yPb(Zn1 / 3Nb2 /3 ) O3
-zPb(Mn1 /3Nb2 /3 ) O3 (1)

provided that a, x, y and z in the formula are respectively 0.45≤a≤0.60, 0<x≤0.85, 0≤y<0.99, 0.01<z<0.10 and x+y+z=1.0.

なお、以下の説明では、前記一般式(1)で表される化合物を「PZT-PZN-PMnN」と表記することがあり、また前記一般式(1)においてハイフン(-)で繋がれた各部分に個別に言及する場合には、それぞれ「PZT」、「PZN」及び「PMnN」と表記することがある。 In the following description, the compound represented by the general formula (1) may be referred to as "PZT-PZN-PMnN", and in the general formula (1), each connected by a hyphen (-) When referring to the parts individually, they may be denoted as "PZT," "PZN," and "PMnN," respectively.

ここで、前記ペロブスカイト型構造を有する化合物が前記一般式(1)で表されるものであることは、以下の手順で確認する。
まず、前述した組成分析の結果から、Zr、Ti、Zn、Nb及びMnの含有量を、原子%ないしモル%で算出する。
次いで、ZrとTiの合計量に対するTiの含有量の比を「a」とする。
次いで、Znの含有量に対するNbの含有量の比、及びMnの含有量に対するNbの含有量の比が共に2となるように、ペロブスカイト構造中のZn、Nb及びMnの含有量を決定する。その際、ZnとMnの合計量に対するNbの含有量の比が2を超える場合には、超過分のNbは、ペロブスカイト型構造中には含まれないものとする。他方、ZnとMnの合計量に対するNbの含有量の比が2を下回る場合、換言すればNbの含有量に対するZnとMnの合計量の比が1/2を超える場合には、Nbの総量をZnとMnの含有量比にしたがって按分することで、PZN及びPMnNにそれぞれ含まれるNbの量を決定した上で、該各Nbの量の1/2に相当するZn及びMnがペロブスカイト構造中に含まれ、これを超える分のZn及びMnは、ペロブスカイト型構造中には含まれないものとする。
次いで、決定されたペロブスカイト構造中のZn、Nb及びMnの含有量、並びにZr及びTiの含有量の合計(以下、単に「Bサイトの総量」と記載する)に対するZrとTiの合計量の比を「x」、Bサイトの総量に対するPZN中のZnとNbの合計量の比を「y」、Bサイトの総量に対するPMnN中のMnとNbの合計量の比を「z」とする。
そして、得られた「a」、「x」、「y」及び「z」の値が全て前記一般式(1)を満たすことをもって、前記ペロブスカイト型構造を有する化合物が前記一般式(1)で表されるものであると判定する。
Here, it is confirmed by the following procedure that the compound having the perovskite structure is represented by the general formula (1).
First, the contents of Zr, Ti, Zn, Nb and Mn are calculated in terms of atomic % to mol % from the results of the composition analysis described above.
Next, the ratio of the content of Ti to the total amount of Zr and Ti is defined as "a".
Next, the contents of Zn, Nb and Mn in the perovskite structure are determined so that the ratio of the Nb content to the Zn content and the ratio of the Nb content to the Mn content are both 2. At that time, when the ratio of the content of Nb to the total amount of Zn and Mn exceeds 2, the excess Nb is not included in the perovskite structure. On the other hand, when the ratio of the Nb content to the total amount of Zn and Mn is less than 2, in other words, when the ratio of the total amount of Zn and Mn to the Nb content exceeds 1/2, the total amount of Nb is proportionally divided according to the content ratio of Zn and Mn to determine the amount of Nb contained in PZN and PMnN, respectively, and then Zn and Mn corresponding to 1/2 of the amount of each Nb are added in the perovskite structure Zn and Mn in excess of this are not included in the perovskite structure.
Next, the determined contents of Zn, Nb and Mn in the perovskite structure, and the ratio of the total amount of Zr and Ti to the total amount of Zr and Ti (hereinafter simply referred to as "the total amount of B sites") is "x", the ratio of the total amount of Zn and Nb in PZN to the total amount of B sites is "y", and the ratio of the total amount of Mn and Nb in PMnN to the total amount of B sites is "z".
Then, when the obtained values of "a", "x", "y" and "z" all satisfy the general formula (1), the compound having the perovskite structure is represented by the general formula (1) determined to be represented.

圧電セラミックスは、前述の各元素を構成元素として含有し、ペロブスカイト型構造を有する化合物を主成分とするものであれば、他の添加元素ないし化合物を含有するものであってもよい。添加元素の例としては、ABOで表されるペロブスカイト型構造において、Aサイトに固溶するCa、Sr、Ba、Ag、La、Ce及びBi等、Bサイトに固溶するMg、Fe、Co、Ni、Ta及びW等が挙げられる。化合物の例としては、焼結温度を下げるために添加した成分に由来する、ガラス質の粒界相等が挙げられる。 The piezoelectric ceramics may contain other additive elements or compounds as long as it contains the above elements as constituent elements and is mainly composed of a compound having a perovskite structure. Examples of additive elements include Ca, Sr, Ba, Ag, La, Ce, Bi, etc., which form a solid solution at the A site, Mg, Fe, Co, which form a solid solution at the B site, in the perovskite structure represented by ABO3 . , Ni, Ta and W, and the like. Examples of the compound include a glassy grain boundary phase derived from a component added to lower the sintering temperature.

第1側面では、圧電セラミックスにおける第1及び第2の電極に垂直な断面を観察した際に、焼結粒子中に存在するドメインの幅の平均値、すなわち平均ドメイン幅が、100nm以上500nm以下となる。これにより、圧電素子が機械的品質係数Qm及び圧電d定数の大きなものとなる。この理由は明らかでないが、平均ドメイン幅が100nm以上と大きいことで、圧電素子の駆動時に、ドメインの境界であるドメイン壁の移動が抑制され、該移動に起因する機械的な損失が低減されること、及び平均ドメイン幅が500nm以下と大きすぎないことで、焼結粒子がある程度の量のドメイン壁を含むものとなり、該ドメイン壁の優れた電場応答性に起因して変位能が向上すること、が影響しているものと推定される。より大きな機械的品質係数Qmを得る点からは、平均ドメイン幅は105nm以上とすることが好ましく、110nm以上とすることがより好ましい。他方、より大きな圧電d定数を得る点からは、平均ドメイン幅は、450nm以下とすることが好ましく、400nm以下とすることがより好ましい。また、前述した理由から、平均ドメイン幅は、105nm以上450nm以下とすることが好ましく、110nm以上400nm以下とすることがより好ましい。 In the first aspect, when observing the cross section perpendicular to the first and second electrodes in the piezoelectric ceramic, the average value of the widths of the domains present in the sintered particles, that is, the average domain width is 100 nm or more and 500 nm or less. Become. As a result, the piezoelectric element has a large mechanical quality factor Qm and a large piezoelectric d constant. Although the reason for this is not clear, the large average domain width of 100 nm or more suppresses the movement of the domain wall, which is the boundary between the domains, when the piezoelectric element is driven, and reduces the mechanical loss caused by the movement. and that the average domain width is not too large, ie, 500 nm or less, so that the sintered particles contain a certain amount of domain walls, and the displacement capability is improved due to the excellent electric field responsiveness of the domain walls. , is presumed to have an effect. From the viewpoint of obtaining a larger mechanical quality factor Qm, the average domain width is preferably 105 nm or more, more preferably 110 nm or more. On the other hand, in terms of obtaining a larger piezoelectric d constant, the average domain width is preferably 450 nm or less, more preferably 400 nm or less. For the reason described above, the average domain width is preferably 105 nm or more and 450 nm or less, more preferably 110 nm or more and 400 nm or less.

第1側面では、圧電セラミックスにおける第1及び第2の電極に垂直な断面を観察した際に、該断面内を占める、ドメインが観察される焼結粒子の面積百分率が60%以上となる。これにより、圧電素子が機械的品質係数Qmの大きなものとなる。この理由は明らかでないが、前記断面に現れるドメイン壁は、該断面に現れないものに比べて、圧電素子の駆動時に移動しにくいことが影響していると推定される。より大きな機械的品質係数Qmを得る点からは、前記面積百分率は65%以上であることが好ましく、70%以上であることが好ましい。他方、前記面積百分率は高いほど好ましいため、その上限値は限定されず、100%であってもよい。 In the first aspect, when a section perpendicular to the first and second electrodes in the piezoelectric ceramic is observed, the area percentage of sintered particles in which a domain is observed in the section is 60% or more. As a result, the piezoelectric element has a large mechanical quality factor Qm. Although the reason for this is not clear, it is presumed that the domain wall that appears in the cross section is less likely to move when the piezoelectric element is driven than the domain wall that does not appear in the cross section. From the point of obtaining a larger mechanical quality factor Qm, the area percentage is preferably 65% or more, preferably 70% or more. On the other hand, the higher the area percentage, the better, so the upper limit is not limited and may be 100%.

第1側面では、圧電セラミックスにおける第1及び第2の電極に垂直な断面を観察した際に、焼結粒子中に存在するドメイン壁の密度が2.5本/μm以下となることが好ましい。これにより、圧電素子が機械的品質係数Qmの大きなものとなる。この理由は明らかでないが、同じ幅のドメインを有する焼結粒子においては、ドメイン壁の長さ方向の寸法が大きいもの、すなわち含有するドメイン壁長が長いものの方がドメイン壁密度は低くなることを考慮すると、焼結粒子中のドメイン壁の密度が低く、含有するドメイン壁長が長いことで、ドメイン壁が移動するために要するエネルギーが大きくなり、圧電素子の駆動時にドメイン壁が移動しにくくなることが影響していると推定される。 In the first aspect, it is preferable that the density of domain walls existing in the sintered particles is 2.5 lines/μm 2 or less when a cross section perpendicular to the first and second electrodes in the piezoelectric ceramic is observed. . As a result, the piezoelectric element has a large mechanical quality factor Qm. Although the reason for this is not clear, in sintered particles having domains of the same width, the domain wall density is lower when the dimension of the domain wall in the longitudinal direction is larger, that is, when the domain wall length is longer. Considering that the density of the domain walls in the sintered particles is low and the length of the domain walls contained is long, the energy required to move the domain walls increases, and the domain walls are less likely to move when the piezoelectric element is driven. It is presumed that

ここで、圧電セラミックスの第1及び第2の電極に垂直な断面における平均ドメイン幅、該断面内を占める、ドメインが観察される焼結粒子の面積百分率、及び焼結粒子中のドメイン壁密度は、以下の手順で決定する。
まず、圧電素子を、第1及び第2の電極に垂直な面で切断する。切断手段は特に限定されず、ダイシングソー、カッター等を使用できる。
次いで、切断された圧電セラミックスを、切断面が露出するようにエポキシ樹脂に埋設した後、コロイダルシリカを用いて切断面を鏡面研磨する。
次いで、圧電セラミックスの切断面に導電性を付与するため、研磨面にオスミウム(Os)コートを施し、測定用試料とする。
次いで、鏡面となった切断面について、ショットキー走査電子顕微鏡を用い、圧電セラミックス部分の反射電子(BSE)像を取得する。このとき、加速電圧は7.00kV、対物レンズ下面と試料との距離である作動距離(WD)は4mm、倍率は10000倍とする。
次いで、得られたBSE像の画像ファイルをPDF形式で保存した後、当該PDFファイルをAcrobat(Adobe社製)にて開く。
次いで、BSE像中に観察される焼結粒子のうち、内部に縞状のドメインが、端から端まで明瞭に確認されるものを任意に3個選択し、これらを測定対象粒子とする。そして、各測定対象粒子について、図3に示すように、内部に存在する縞状のドメイン12の幅を、異なる5箇所のドメイン12について測定する。測定は、Acrobatの機能である「ものさしツール」において、測定タイプとして「距離ツール」を選択し、ドメイン12の一端を始点に設定した後(図3の(a)参照)、ドメイン12の他端にカーソルを移動し(図3の(b)参照)、該他端側に表示される線分が、ドメインの境界(ドメイン壁13)に沿う位置を終点に設定し(図3の(c)参照)、表示される距離を読み取ることで行う。
次いで、各測定対象粒子から得られた合計15個のドメイン幅データの平均値を算出し、これを1/10000にしたものを圧電セラミックスの平均ドメイン幅とする。
次いで、Acrobatの機能である「ものさしツール」において、測定タイプとして「面積ツール」を選択し、BSE像中に観察される焼結粒子のうち、内部に縞状のドメインが、該ドメインの幅方向に、端から端まで明瞭に確認される全粒子について、図4に示すように、その輪郭をなぞって多角形を作図し、該多角形の面積を表示させる。なお、図4では、内部に縞状のドメイン12が、該ドメイン12の幅方向に、端から端まで明瞭に確認される焼結粒子11に、斑点を付けて表示している。そして、表示された面積の総和をBSE像全体の面積で割って100倍したものを、圧電セラミックスの断面内を占める、ドメインが観察される焼結粒子の面積百分率とする。
次いで、前記ドメイン12が端から端まで明瞭に観察される焼結粒子11から任意に3個を選択し、選択した各粒子中に存在するドメインの境界(ドメイン壁13)を計数し、合計する。そして、該合計値を、選択した粒子の面積の総和(μm)で割ったものを、焼結粒子中のドメイン壁密度とする。
Here, the average domain width in the cross section perpendicular to the first and second electrodes of the piezoelectric ceramic, the area percentage of the sintered particles in which the domains are observed occupying the cross section, and the domain wall density in the sintered particles are , determined by the following procedure.
First, the piezoelectric element is cut along a plane perpendicular to the first and second electrodes. A cutting means is not particularly limited, and a dicing saw, a cutter, or the like can be used.
Next, the cut piezoelectric ceramic is embedded in epoxy resin so that the cut surface is exposed, and then the cut surface is mirror-polished using colloidal silica.
Next, in order to impart electrical conductivity to the cut surface of the piezoelectric ceramic, the polished surface is coated with osmium (Os) to obtain a sample for measurement.
Next, a Schottky scanning electron microscope is used to obtain a backscattered electron (BSE) image of the piezoelectric ceramic portion of the mirror-finished cut surface. At this time, the acceleration voltage is 7.00 kV, the working distance (WD), which is the distance between the lower surface of the objective lens and the sample, is 4 mm, and the magnification is 10000 times.
Next, after saving the image file of the obtained BSE image in PDF format, the PDF file is opened with Acrobat (manufactured by Adobe).
Next, among the sintered particles observed in the BSE image, three particles in which striped domains are clearly confirmed from end to end are arbitrarily selected, and these are used as particles to be measured. Then, for each particle to be measured, as shown in FIG. 3, the widths of the striped domains 12 existing inside are measured for the domains 12 at five different locations. The measurement is performed by selecting the "distance tool" as the measurement type in the "measurer tool" function of Acrobat, setting one end of the domain 12 as the starting point (see FIG. 3(a)), and then measuring the other end of the domain 12. (see (b) of FIG. 3), and the line segment displayed on the other end sets the position along the boundary of the domain (domain wall 13) as the end point (see (c) of FIG. 3). ), by reading the displayed distance.
Next, the average value of a total of 15 domain width data obtained from each particle to be measured is calculated, and the average domain width of the piezoelectric ceramic is defined as 1/10000.
Next, in the Acrobat function "measure tool", select "area tool" as the measurement type, and among the sintered particles observed in the BSE image, the striped domain inside is the width direction of the domain Next, as shown in FIG. 4, trace the contours of all grains that are clearly identified from one end to the other, draw a polygon, and display the area of the polygon. In FIG. 4, sintered particles 11 in which stripe-shaped domains 12 are clearly observed from one end to the other in the width direction of the domains 12 are displayed with dots. Then, the sum of the displayed areas divided by the area of the entire BSE image and multiplied by 100 is taken as the area percentage of the sintered particles in which the domain is observed, which occupies the cross section of the piezoelectric ceramic.
Next, arbitrarily select three sintered particles 11 from which the domains 12 are clearly observed from end to end, and count and total the domain boundaries (domain walls 13) present in each selected particle. . The domain wall density in the sintered particles is obtained by dividing the total value by the total area (μm 2 ) of the selected particles.

[圧電素子の製造方法]
第1側面に係る圧電素子は、例えば、Pb、Zr及びTiから選択される1種又は複数種の元素を含む化合物の粉末を混合し、該各元素を含む混合粉末を得ること、前記混合粉末を仮焼して仮焼粉を得ること、前記仮焼粉を所定形状に成形して成形体を得ること、前記成形体を焼成して焼結体を得ること、前記焼結体の表面に電極及び/又は接続導体を形成すること、並びに前記電極又は接続導体間に高電圧を印可して分極処理を行うこと、を経て製造される。この製造方法について、以下に説明する。
[Manufacturing method of piezoelectric element]
The piezoelectric element according to the first aspect includes, for example, mixing powder of a compound containing one or more elements selected from Pb, Zr and Ti to obtain a mixed powder containing each of the elements; calcining to obtain a calcined powder, molding the calcined powder into a predetermined shape to obtain a molded body, firing the molded body to obtain a sintered body, and on the surface of the sintered body It is manufactured through forming electrodes and/or connecting conductors and applying a high voltage between the electrodes or connecting conductors to perform a polarization treatment. This manufacturing method will be described below.

原料として使用する化合物の粉末は、焼成により所定の圧電セラミックスが得られるものであれば、組成及び粒度は限定されない。粉末を構成する化合物は、前述した元素以外の添加元素を含むものであってもよい。使用できる化合物の例としては、Pb含有化合物としてPbO及びPb34等が、Zr含有化合物としてZrO2等が、Ti含有化合物としてTiO2等がそれぞれ挙げられる。また、より高い機械的品質係数Qm及び圧電d定数を得るために、ペロブスカイト型構造中にZn、Nb及びMnを含有させる場合には、Zn含有化合物としてZnO等を、Nb含有化合物としてNb25等を、Mn含有化合物としてMnCO3等を、それぞれ使用してもよい。 The composition and particle size of the powder of the compound used as the raw material are not limited as long as the predetermined piezoelectric ceramics can be obtained by sintering. The compound constituting the powder may contain additional elements other than the elements described above. Examples of usable compounds include PbO and Pb 3 O 4 as Pb-containing compounds, ZrO 2 as Zr-containing compounds, and TiO 2 as Ti-containing compounds. When Zn, Nb and Mn are contained in the perovskite structure in order to obtain a higher mechanical quality factor Qm and piezoelectric d constant, ZnO or the like is used as the Zn-containing compound, and Nb 2 O as the Nb-containing compound. 5 and the like, and MnCO 3 and the like as the Mn-containing compound may be used, respectively.

原料粉末の混合方法は、不純物の混入を防ぎつつ各粉末が均一に混合されるものであれば特に限定されず、乾式混合、湿式混合のいずれを採用してもよい。ボールミルを用いた湿式混合を採用する場合には、例えば8~24時間程度混合すればよい。 The method of mixing the raw material powders is not particularly limited as long as the powders are uniformly mixed while preventing contamination of impurities, and either dry mixing or wet mixing may be employed. When wet mixing using a ball mill is employed, mixing may be performed for, for example, about 8 to 24 hours.

仮焼条件は、各原料が反応して所定の組成を有するペロブスカイト型構造の化合物が生成するものであれば限定されず、例えば大気雰囲気中、700℃~1000℃で2時間~8時間とすればよい。焼成温度が低すぎたり、焼成時間が短すぎたりすると、未反応の原料や中間生成物が残存する虞がある。反対に、焼成温度が高すぎたり、焼成時間が長すぎたりすると、PbやZnの揮発により所期の組成の化合物が得られない虞や、生成物が固結して解砕しにくくなることで生産性が低下する虞がある。 The calcination conditions are not limited as long as each raw material reacts to form a compound with a perovskite structure having a predetermined composition. Just do it. If the firing temperature is too low or the firing time is too short, unreacted raw materials and intermediate products may remain. On the other hand, if the firing temperature is too high or the firing time is too long, there is a possibility that the compound with the desired composition may not be obtained due to volatilization of Pb or Zn, or the product may solidify and become difficult to crush. There is a risk that the productivity will decrease.

仮焼粉に対しては、後述する焼成時にペロブスカイト型構造中に取り込まれる成分や、圧電セラミックスの焼結粒子間に析出物を生成する成分を、成形前に混合してもよい。この場合には、原料粉末の混合方法と同様の混合方法が採用できる。 The calcined powder may be mixed with a component that will be incorporated into the perovskite structure during firing, which will be described later, or a component that will form a precipitate between the sintered particles of the piezoelectric ceramic before molding. In this case, a mixing method similar to the method for mixing raw material powders can be employed.

仮焼粉に対してZnO粉末を添加した場合、上述した平均ドメイン幅を拡張し、第1側面に係る圧電素子が得られやすくなる。圧電素子の平均ドメイン幅を所定の範囲内とする点からは、ZnO粉末の添加量は、仮焼粉に対して0.1質量%以上1.0質量%以下とすることが好ましく、0.3質量%以上0.5質量%以下とすることがより好ましい。 When ZnO powder is added to the calcined powder, the above-described average domain width is expanded, making it easier to obtain the piezoelectric element relating to the first side surface. In order to keep the average domain width of the piezoelectric element within a predetermined range, the amount of ZnO powder added is preferably 0.1% by mass or more and 1.0% by mass or less relative to the calcined powder. More preferably, the content is 3% by mass or more and 0.5% by mass or less.

仮焼粉を成形する方法としては、粉末の一軸加圧成形、粉末を含む坏土の押出成形及び粉末を分散したスラリーの鋳込成形等の、セラミックス粉末の成形に通常用いられる方法を採用することができる。 As a method for molding the calcined powder, methods commonly used for molding ceramic powder, such as uniaxial pressure molding of powder, extrusion molding of clay containing powder, and cast molding of slurry in which powder is dispersed, are employed. be able to.

ここで、圧電素子を、図1及び図2に示す積層型圧電素子100とする場合には、成形方法として以下のものを採用できる。 Here, when the piezoelectric element is the laminated piezoelectric element 100 shown in FIGS. 1 and 2, the following molding method can be employed.

まず、仮焼粉をバインダ等と混合し、スラリー又は坏土を形成した後、これをシート状に成形して仮焼粉を含むグリーンシートを得る。シートの成形方法としては、ドクターブレード法、押出成形法等の慣用されている方法を採用できる。 First, the calcined powder is mixed with a binder or the like to form a slurry or clay, which is formed into a sheet to obtain a green sheet containing the calcined powder. As a method for forming the sheet, commonly used methods such as a doctor blade method and an extrusion molding method can be employed.

次いで、仮焼粉を含むグリーンシート上に、焼成後に内部電極20となる電極パターンを形成する。電極パターンは慣用されている方法で形成すれば良く、電極材料を含むペーストを印刷又は塗布する方法がコストの点で好ましい。印刷又は塗布により電極パターンを形成する際には、焼成後の圧電セラミックスへの付着強度を向上させるため、焼成後の圧電セラミックスと同様の組成及び結晶構造を有する粉末(共材)やガラスフリットをペースト中に含有させてもよい。 Next, an electrode pattern that will become the internal electrode 20 after firing is formed on the green sheet containing the calcined powder. The electrode pattern may be formed by a commonly used method, and a method of printing or applying a paste containing an electrode material is preferable in terms of cost. When forming an electrode pattern by printing or coating, powder (common material) or glass frit having the same composition and crystal structure as the fired piezoelectric ceramics is used in order to improve the adhesion strength to the fired piezoelectric ceramics. It may be contained in the paste.

なお、図1及び2に示すものとは異なる構造を有する積層型圧電素子として、圧電セラミックス層内を貫通するスルーホール(ビア)内に、内部電極同士を電気的に接続する接続導体を配置したものも挙げられる。こうした構造の積層型圧電素子を製造する場合には、電極パターンの形成に先立ち、得られたグリーンシートに、パンチングやレーザー光の照射等により貫通孔を形成すると共に、電極パターンの形成に前後して、該貫通孔に電極材料を充填する。充填方法は特に限定されないが、電極材料を含むペーストを印刷する方法が、コストの点で好ましい。 As a multilayer piezoelectric element having a structure different from that shown in FIGS. 1 and 2, connection conductors for electrically connecting internal electrodes are arranged in through holes (vias) penetrating through the piezoelectric ceramic layers. things are also mentioned. When manufacturing a laminated piezoelectric element having such a structure, prior to the formation of the electrode pattern, through holes are formed in the obtained green sheet by punching or irradiation with a laser beam. to fill the through holes with an electrode material. The filling method is not particularly limited, but a method of printing a paste containing an electrode material is preferable in terms of cost.

次いで、電極パターンを形成したグリーンシートを所定の枚数積層し、シート同士を接着して成形体を得る。積層及び接着は慣用されている方法で行えば良く、グリーンシート同士をバインダの作用で熱圧着する方法がコストの点で好ましい。 Next, a predetermined number of green sheets having electrode patterns formed thereon are laminated, and the sheets are adhered to each other to obtain a compact. Lamination and bonding may be performed by a commonly used method, and a method in which the green sheets are thermocompressed by the action of a binder is preferable from the viewpoint of cost.

以上の手順で得られた成形体は、必要に応じてバインダが除去された後、焼成される。焼成の条件は、仮焼粉の焼結性、及び成形体中に電極材料が含まれる場合にはその耐久性等を考慮して、適宜設定すればよい。なお、内部電極材料として銅(Cu)又はニッケル(Ni)を含む成形体を焼成する場合には、その酸化を防止するために、焼成雰囲気を還元性ないし不活性雰囲気とすることが好ましい。内部電極材料として銅(Cu)又はニッケル(Ni)のいずれも含まない成形体の焼成条件の例としては、大気雰囲気中、900℃~1200℃で1時間~5時間が挙げられる。焼成温度が低すぎたり、焼成時間が短すぎたりすると、緻密化が不十分であることにより、所期の特性の圧電セラミックスが得られない虞がある。反対に、焼成温度が高すぎたり、焼成時間が長すぎたりすると、PbやZnの揮発により組成ずれが生じる虞や、粗大粒子の生成により特性が低下する虞がある。また、成形体が内部電極材料を含む場合には、該電極材料の溶融や拡散により所期の特性の圧電セラミックスないし圧電素子が得られなくなる虞もある。焼成温度が高すぎることによるこうした不都合を避けると共に、内部電極材料に低融点の材料を使用して材料コストを低減する点からは、焼成温度を1100℃以下とすることが好ましい。なお、1つの成形体から複数の圧電セラミックスないし圧電素子を得る場合には、焼成に先立って成形体を幾つかのブロックに分割してもよい。 The compact obtained by the above procedure is fired after the binder is removed as necessary. The sintering conditions may be appropriately set in consideration of the sinterability of the calcined powder and the durability of the electrode material in the case where the compact is contained. When firing a compact containing copper (Cu) or nickel (Ni) as an internal electrode material, the firing atmosphere is preferably a reducing or inert atmosphere in order to prevent oxidation. An example of firing conditions for a compact containing neither copper (Cu) nor nickel (Ni) as an internal electrode material is 900° C. to 1200° C. for 1 hour to 5 hours in an air atmosphere. If the sintering temperature is too low or the sintering time is too short, the densification will be insufficient, and there is a risk that a piezoelectric ceramic with desired characteristics will not be obtained. On the other hand, if the firing temperature is too high or the firing time is too long, there is a risk that Pb or Zn will volatilize, resulting in a compositional deviation, or that coarse particles will be formed, resulting in deterioration of properties. Moreover, when the compact contains an internal electrode material, there is a possibility that the electrode material will melt or diffuse, making it impossible to obtain piezoelectric ceramics or piezoelectric elements having desired characteristics. It is preferable to set the firing temperature to 1100° C. or lower in order to avoid such inconveniences due to an excessively high firing temperature and to reduce the material cost by using a material with a low melting point for the internal electrode material. When obtaining a plurality of piezoelectric ceramics or piezoelectric elements from one compact, the compact may be divided into several blocks prior to firing.

第1側面においては、その製造過程における焼成を大気中で行う場合、その温度を高くすることで、平均ドメイン幅が大きくなりやすい。平均ドメイン幅が大きな圧電素子が得られる焼成温度としては、1050℃以上が例示される。他方、前記焼成温度が高すぎないことで、ドメインが観察される焼結粒子の面積百分率が大きくなりやすい。ドメインが観察される焼結粒子の面積百分率が大きな圧電素子が得られる焼成温度としては、1100℃以下が例示される。これらの点から、平均ドメイン幅が大きく、かつドメインが観察される焼結粒子の面積百分率が大きな圧電素子が得られる大気中での焼成温度の例としては、1050℃以上1100℃以下が挙げられる。 In the first aspect, when firing is performed in the atmosphere during the manufacturing process, increasing the temperature tends to increase the average domain width. As a firing temperature for obtaining a piezoelectric element having a large average domain width, 1050° C. or higher is exemplified. On the other hand, when the firing temperature is not too high, the area percentage of sintered particles in which domains are observed tends to increase. As a firing temperature at which a piezoelectric element having a large area percentage of sintered particles in which domains can be observed is obtained, 1100° C. or less is exemplified. From these points, an example of the firing temperature in the air at which a piezoelectric element having a large average domain width and a large area percentage of sintered particles in which domains are observed is obtained is 1050° C. or more and 1100° C. or less. .

次いで、得られた焼結体の表面に、電極及び/又は接続導体を形成する。焼結体が内部電極を含まない場合には、その表面に1対の電極を形成する。これらの電極がそれぞれ、圧電素子における第1及び第2の電極となる。他方、焼結体が内部電極を含む場合には、その表面に一対の接続導体を形成する。この場合、焼結体の表面に、各接続導体に電気的に接続する一対の外部電極を、第1の電極及び第2の電極としてさらに形成してもよい。電極及び/又は接続導体の形成には、電極材料を含むペーストを圧電セラミックス表面に塗布ないし印刷して焼き付ける方法や、圧電セラミックス表面に電極材料を蒸着する方法等の、慣用されている方法を採用できる。 Next, electrodes and/or connection conductors are formed on the surface of the obtained sintered body. If the sintered body does not contain internal electrodes, a pair of electrodes is formed on its surface. These electrodes become the first and second electrodes of the piezoelectric element, respectively. On the other hand, when the sintered body includes internal electrodes, a pair of connecting conductors are formed on the surfaces thereof. In this case, a pair of external electrodes electrically connected to each connection conductor may be further formed on the surface of the sintered body as a first electrode and a second electrode. For the formation of electrodes and/or connecting conductors, commonly used methods such as applying or printing a paste containing electrode materials to the surface of the piezoelectric ceramics and baking the paste, or vapor-depositing the electrode material on the surface of the piezoelectric ceramics are employed. can.

次いで、形成した電極又は接続導体間に高電圧を印可して、圧電セラミックスの分極処理を行う。分極処理の条件は、圧電セラミックスに亀裂等の損傷を生じることなく自発分極の向きを揃えられるものであれば特に限定されない。一例として、100℃~180℃の温度にて、1kV/mm~5kV/mmの電界を印加することが挙げられる。 Next, a high voltage is applied between the formed electrodes or connection conductors to polarize the piezoelectric ceramics. Conditions for the polarization treatment are not particularly limited as long as the direction of spontaneous polarization can be aligned without causing damage such as cracks in the piezoelectric ceramics. An example is applying an electric field of 1 kV/mm to 5 kV/mm at a temperature of 100.degree. C. to 180.degree.

[超音波振動子]
本発明の他の一側面に係る超音波振動子(以下、単に「第2側面」と記載することがある)は、第1側面に係る圧電素子と、該圧電素子を一軸方向から挟み込む一対のブロック体とを備える。この超音波振動子は、ランジュバン型振動子として知られている。ランジュバン型振動子は、圧電素子に対してブロック体をボルトで締め付けて挟み込んで一体化した、いわゆるボルト締めランジュバン振動子であってもよい。ランジュバン型振動子は、圧電素子に電気エネルギーを供給することで超音波振動を発生させ、該超音波振動を、前記ブロック体を介して外部に伝達するように作動する。第2側面は、圧電素子として第1側面に係るものを備えることで、高速大振幅にて駆動した場合の発熱が少なく、長時間にわたって安定した駆動が可能な振動子となる。また、第2側面は、圧電素子として第1側面に係るものを備えることで、大振幅で振動することが可能な振動子となる。
[Ultrasonic transducer]
An ultrasonic transducer according to another aspect of the present invention (hereinafter sometimes simply referred to as "second aspect") comprises a piezoelectric element according to the first aspect and a pair of piezoelectric elements sandwiching the piezoelectric element from one axial direction. and a block body. This ultrasonic transducer is known as a Langevin transducer. The Langevin vibrator may be a so-called bolt-tightened Langevin vibrator in which a block body is sandwiched between and integrated with a piezoelectric element by bolting. The Langevin vibrator operates to generate ultrasonic vibrations by supplying electric energy to a piezoelectric element and to transmit the ultrasonic vibrations to the outside through the block body. Since the second side includes the piezoelectric element related to the first side, the vibrator generates little heat when driven at high speed and large amplitude, and can be stably driven for a long period of time. Further, the second side surface is provided with the piezoelectric element related to the first side surface, so that it becomes a vibrator capable of vibrating with a large amplitude.

第2側面で使用するブロック体の材質は、圧電素子から発生する超音波振動を効率的に伝達可能なものであれば特に限定されず、例えばチタン合金、アルミニウム合金又はSUS等が使用できる。 The material of the block used in the second side is not particularly limited as long as it can efficiently transmit the ultrasonic vibration generated from the piezoelectric element, and for example, titanium alloy, aluminum alloy, SUS, or the like can be used.

[超音波モータ]
本発明の他の一側面に係る超音波モータ(以下、単に「第3側面」と記載することがある)は、第1側面に係る圧電素子と、該圧電素子に接着された摺動体とを備える。超音波モータは、圧電素子の振動により、これに接着された摺動体が所定の軌跡を描き、これが被駆動体と接触することで被駆動体を移動するように作動する。第3側面は、圧電素子として第1側面に係るものを備えることで、高速大振幅にて駆動した場合の発熱が少なく、長時間にわたって安定した駆動が可能なモータとなる。また、第3側面は、圧電素子として第1側面に係るものを備えることで、摺動体の描く軌跡が大きくなり、1回の振動あたりの被駆動体の移動量が増加することで、被駆動体をより高速で移動させることが可能なモータとなる。
[Ultrasonic motor]
An ultrasonic motor according to another aspect of the present invention (hereinafter sometimes simply referred to as a "third aspect") includes a piezoelectric element according to the first aspect and a sliding body adhered to the piezoelectric element. Prepare. The ultrasonic motor operates such that the vibration of the piezoelectric element causes the sliding body adhered to the piezoelectric element to draw a predetermined trajectory, and the driven body moves when the sliding body comes into contact with the driven body. Since the third side includes the piezoelectric element related to the first side, the motor generates little heat when driven at high speed and large amplitude, and can be stably driven for a long period of time. In addition, since the third side includes a piezoelectric element related to the first side, the trajectory drawn by the sliding body becomes large, and the amount of movement of the driven body per vibration increases. It becomes a motor that can move the body at a higher speed.

第3側面で使用する摺動体の材質は、圧電素子の振動に追従して変位可能であり、かつ耐摩耗性に優れるものであれば特に限定されず、アルミナ、窒化ケイ素等のセラミックス材料が好適に使用できる。 The material of the sliding body used in the third side is not particularly limited as long as it can be displaced following the vibration of the piezoelectric element and has excellent wear resistance. Ceramic materials such as alumina and silicon nitride are suitable. can be used for

第3側面において、圧電素子と摺動体とを接着する手段は、両者が駆動中に剥離することなく、一体的に変位できるものであれば特に限定されない。一例として、接着剤による接着が挙げられる。 In the third aspect, the means for bonding the piezoelectric element and the sliding body is not particularly limited as long as they can be displaced integrally without peeling off during driving. One example is bonding with an adhesive.

以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は該実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES The present invention will be described in more detail with reference to examples below, but the present invention is not limited to the examples.

(実施例1)
出発原料として、高純度のPb34、ZrO2、TiO2、ZnO、Nb25及びMnCO3粉末を準備し、該各粉末を、一般式0.79Pb(Zr1/2Ti1/2)O3-0.16Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-0.05Pb(Mn1/3Nb2/3)O3で表される、ペロブスカイト型構造を有する仮焼粉が得られるように秤量し、ジルコニアボールを用いたボールミルにて湿式混合した。混合後、分散媒を除去した混合粉末を、大気中、820℃にて3時間仮焼して、仮焼粉を得た。得られた仮焼粉に対して、0.3質量%のZnO粉末を添加して解砕した後、アクリル系バインダを混合し、2tfの荷重で一軸プレス成形して、直径10mmの円板状成形体を得た。得られた円板状成形体を、大気中、1100℃で2時間焼成し、焼結体(圧電セラミックス)を得た。得られた焼結体の両面にAgペーストを塗布した後、600℃まで昇温して焼き付けることで、一対の接続導体及び外部電極を形成した。電極形成後の焼結体を、150℃のシリコンオイル中で、2.2kV/mmの電界強度で15分間分極処理して、実施例1に係る圧電素子を得た。
(Example 1)
As starting materials, high-purity Pb 3 O 4 , ZrO 2 , TiO 2 , ZnO, Nb 2 O 5 and MnCO 3 powders were prepared, and each of the powders was prepared according to the general formula 0.79Pb (Zr 1/2 Ti 1/ 2 ) A calcined powder having a perovskite structure represented by O 3 -0.16Pb(Zn 1/3 Nb 2/3 )O 3 -0.05Pb(Mn 1/3 Nb 2/3 )O 3 It was weighed as obtained and wet-mixed in a ball mill using zirconia balls. After mixing, the mixed powder from which the dispersion medium was removed was calcined in the atmosphere at 820° C. for 3 hours to obtain calcined powder. After adding 0.3% by mass of ZnO powder to the obtained calcined powder and pulverizing it, an acrylic binder is mixed and uniaxially press-molded with a load of 2 tf to form a disk with a diameter of 10 mm. A compact was obtained. The obtained disk-shaped molded body was fired at 1100° C. for 2 hours in the atmosphere to obtain a sintered body (piezoelectric ceramics). After applying Ag paste to both surfaces of the obtained sintered body, the temperature was raised to 600° C. and baked to form a pair of connecting conductors and external electrodes. After forming the electrodes, the sintered body was subjected to a polarization treatment in silicon oil at 150° C. for 15 minutes at an electric field strength of 2.2 kV/mm to obtain a piezoelectric element according to Example 1.

(実施例2)
出発原料粉粉末の配合量を、一般式0.79Pb(Zr1/2Ti1/2)O3-0.13Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-0.08Pb(Mn1/3Nb2/3)O3で表される仮焼粉が得られるものとした以外は実施例1と同様の方法で、実施例2に係る圧電素子を得た。
(Example 2)
The blending amount of the starting raw material powder was calculated according to the general formula 0.79Pb(Zr 1/2 Ti 1/2 )O 3 -0.13Pb(Zn 1/3 Nb 2/3 )O 3 -0.08Pb(Mn 1/ A piezoelectric element according to Example 2 was obtained in the same manner as in Example 1, except that a calcined powder represented by 3 Nb 2/3 )O 3 was obtained.

(比較例1)
出発原料粉粉末の配合量を、一般式0.79Pb(Zr0.51Ti0.49)O3-0.21Pb(Zn1/3Nb2/3)O3で表される仮焼粉が得られるものとしたこと、仮焼分に対してZnOを添加しなかったこと、及び円板状成形体の焼成温度を1000℃としたこと以外は実施例1と同様の方法で、比較例1に係る圧電素子を得た。
(Comparative example 1)
It is assumed that a calcined powder represented by the general formula 0.79Pb(Zr 0.51 Ti 0.49 )O 3 -0.21Pb(Zn 1/3 Nb 2/3 )O 3 is obtained. A piezoelectric element according to Comparative Example 1 was produced in the same manner as in Example 1 except that ZnO was not added to the calcined content, and the firing temperature of the disk-shaped compact was set to 1000 ° C. got

(比較例2)
出発原料粉粉末の配合量を、一般式0.79Pb(Zr0.51Ti0.49)O3-0.18Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-0.03Pb(Mn1/3Nb2/3)O3で表される仮焼粉が得られるものとした以外は実施例1と同様の方法で、比較例2に係る圧電素子を得た。
(Comparative example 2)
The blending amount of the starting raw material powder was calculated according to the general formula 0.79Pb(Zr 0.51 Ti 0.49 )O 3 -0.18Pb(Zn 1/3 Nb 2/3 )O 3 -0.03Pb(Mn 1/3 Nb 2/ 3 ) A piezoelectric element according to Comparative Example 2 was obtained in the same manner as in Example 1, except that calcined powder represented by O 3 was obtained.

(比較例3)
出発原料粉粉末の配合量を、一般式0.79Pb(Zr1/2Ti1/2)O3-0.17Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-0.04Pb(Mn1/3Nb2/3)O3で表される仮焼粉が得られるものとした以外は実施例1と同様の方法で、比較例3に係る圧電素子を得た。
(Comparative Example 3)
The blending amount of the starting raw material powder was calculated according to the general formula 0.79Pb(Zr 1/2 Ti 1/2 )O 3 -0.17Pb(Zn 1/3 Nb 2/3 )O 3 -0.04Pb(Mn 1/ A piezoelectric element according to Comparative Example 3 was obtained in the same manner as in Example 1, except that a calcined powder represented by 3 Nb 2/3 )O 3 was obtained.

<評価>
[平均ドメイン幅、ドメインが観察される焼結粒子の面積百分率、及び焼結粒子中のドメイン壁密度]
得られた各圧電素子について、上述した方法で、平均ドメイン幅、ドメインが観察される焼結粒子の面積百分率、及び焼結粒子中のドメイン壁密度を測定・算出した。結果を表1に示す。
<Evaluation>
[Average domain width, area percentage of sintered particles where domains are observed, and domain wall density in sintered particles]
For each piezoelectric element obtained, the average domain width, the area percentage of the sintered particles where the domains are observed, and the domain wall density in the sintered particles were measured and calculated by the methods described above. Table 1 shows the results.

[機械的品質係数Qm]
得られた各圧電素子について、インピーダンスアナライザーを用いて、周波数とインピーダンスとの関係を測定し、共振-反共振法により機械的品質係数Qmを算出した。結果を表1に示す。
[Mechanical quality factor Qm]
For each piezoelectric element obtained, the relationship between frequency and impedance was measured using an impedance analyzer, and the mechanical quality factor Qm was calculated by the resonance-antiresonance method. Table 1 shows the results.

[圧電定数d33
得られた各圧電素子について、d33メータを用いて圧電定数d33を測定した。結果を表1に示す。
[Piezoelectric constant d 33 ]
For each piezoelectric element obtained, the piezoelectric constant d33 was measured using a d33 meter. Table 1 shows the results.

Figure 2023060517000002
Figure 2023060517000002

実施例と比較例とを対比すると、第1及び第2の電極に垂直な断面内に観察される、焼結粒子中の平均ドメイン幅が100nm以上500nm以下であり、かつ前記断面内を占める、前記ドメインが観察される焼結粒子の面積百分率が60%以上である実施例に係る圧電素子は、前記平均ドメイン幅及び焼結粒子の面積百分率の小さなものに比べて、高い機械的品質係数Qmと圧電d定数とを有することが判る。この結果から、構成元素としてPb、Zr、Ti及びOを含み、ペロブスカイト型構造を有する化合物を主成分とする圧電セラミックスにおいて、第1及び第2の電極に垂直な断面内に観察される、焼結粒子中の平均ドメイン幅を100nm以上500nm以下とし、かつ前記断面内を占める、前記ドメインが観察される焼結粒子の面積百分率を60%以上とすることで、機械的品質係数Qm及び圧電d定数が共に高い圧電素子が得られるといえる。 When comparing the example and the comparative example, the average domain width in the sintered particles observed in the cross section perpendicular to the first and second electrodes is 100 nm or more and 500 nm or less, and occupies the cross section. The piezoelectric element according to the example in which the area percentage of the sintered particles where the domains are observed is 60% or more has a high mechanical quality factor Qm and the piezoelectric d-constant. From this result, in the piezoelectric ceramics containing Pb, Zr, Ti and O as constituent elements and mainly composed of a compound having a perovskite structure, the sintering observed in the cross section perpendicular to the first and second electrodes The average domain width in the sintered grains is 100 nm or more and 500 nm or less, and the area percentage of the sintered grains in which the domains are observed, which occupies the cross section, is 60% or more. It can be said that a piezoelectric element having both high constants can be obtained.

本発明によれば、高速大振幅で駆動した場合の機械的損失が小さく、かつ変位量の大きな圧電素子を提供することができる。このような圧電素子は、高速大振幅で駆動した際に、駆動中の発熱量が従来のものよりも抑えられると共に、より大きな振幅が得られる。このため、本発明に係る圧電素子は、高速大振幅で駆動される超音波振動子や超音波モータ等に好適に用いることができる。 According to the present invention, it is possible to provide a piezoelectric element with small mechanical loss and large displacement when driven at high speed and large amplitude. When such a piezoelectric element is driven at high speed and with large amplitude, the amount of heat generated during driving is suppressed more than the conventional one, and a larger amplitude can be obtained. Therefore, the piezoelectric element according to the present invention can be suitably used for ultrasonic vibrators, ultrasonic motors, etc., which are driven at high speed and large amplitude.

100 積層型圧電素子
10 圧電セラミックス層
11 焼結粒子
12 ドメイン
13 ドメイン壁
20 内部電極
20a 第1の電極
20b 第2の電極
30a、30b 接続導体
40a、40b 外部電極
100 Laminated piezoelectric element 10 Piezoelectric ceramic layer 11 Sintered particles 12 Domain 13 Domain wall 20 Internal electrode 20a First electrode 20b Second electrode 30a, 30b Connection conductor 40a, 40b External electrode

Claims (6)

対向して設けられた第1及び第2の電極、並びに
前記第1及び第2の電極間に、これらに接して配置され、
構成元素としてPb、Zr、Ti及びOを含むペロブスカイト型構造を有する化合物
を主成分とし、
前記第1及び第2の電極に垂直な断面内に観察される、焼結粒子中の平均ドメイン幅
が100nm以上500nm以下であり、かつ
前記断面内を占める、前記ドメインが観察される焼結粒子の面積百分率が60%以上
である
圧電セラミックス
を備える圧電素子。
first and second electrodes provided to face each other, and disposed between and in contact with the first and second electrodes,
The main component is a compound having a perovskite structure containing Pb, Zr, Ti and O as constituent elements,
An average domain width in the sintered particle observed in a cross section perpendicular to the first and second electrodes is 100 nm or more and 500 nm or less, and the sintered particle in which the domain is observed occupying the cross section A piezoelectric element comprising piezoelectric ceramics having an area percentage of 60% or more.
前記焼結粒子中のドメイン壁密度が2.5本/μm以下である、請求項1に記載の圧電素子。 2. The piezoelectric element according to claim 1, wherein the domain wall density in said sintered particles is 2.5 lines/[mu]m <2> or less. 前記ペロブスカイト型構造を有する化合物が、構成元素としてさらにZn、Nb及びMnを含む、請求項1又は2に記載の圧電素子。 3. The piezoelectric element according to claim 1, wherein said compound having a perovskite structure further contains Zn, Nb and Mn as constituent elements. 前記ペロブスカイト型構造を有する化合物が、下記一般式(1)で表されるものである、請求項1から3のいずれか1項に記載の圧電素子。

xPb(Zr1-aTia)O3-yPb(Zn1/3Nb2/3)O3
-zPb(Mn1/3Nb2/3)O3 …(1)

ただし、式中のa、x、y及びzはそれぞれ、0.45≦a≦0.60、0<x≦0.85、0≦y<0.99、0.01<z<0.10及びx+y+z=1.0を満たす実数である。
4. The piezoelectric element according to any one of claims 1 to 3, wherein the compound having a perovskite structure is represented by the following general formula (1).

xPb(Zr1 -aTia ) O3 - yPb(Zn1 / 3Nb2 /3 ) O3
-zPb(Mn1 /3Nb2 /3 ) O3 (1)

provided that a, x, y and z in the formula are respectively 0.45≤a≤0.60, 0<x≤0.85, 0≤y<0.99, 0.01<z<0.10 and x+y+z=1.0.
請求項1から4のいずれか1項に記載の圧電素子と、該圧電素子を一軸方向から挟み込む一対のブロック体とを備える超音波振動子。 An ultrasonic transducer comprising: the piezoelectric element according to any one of claims 1 to 4; and a pair of block bodies uniaxially sandwiching the piezoelectric element. 請求項1から4のいずれか1項に記載の圧電素子と、該圧電素子に接着された摺動体とを備える超音波モータ。 An ultrasonic motor comprising the piezoelectric element according to any one of claims 1 to 4, and a sliding member adhered to the piezoelectric element.
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