JP4997942B2 - Piezoelectric element - Google Patents
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Description
本発明は、圧電アクチュエータ等として使用される圧電素子に関するものである。 The present invention relates to a piezoelectric element used as a piezoelectric actuator or the like.
圧電アクチュエータ等として使用される圧電素子としては、例えば特許文献1に記載されているように、Pb、Zr及びTiを主成分とする圧電磁器組成物により圧電体を形成したものが広く知られている。
ところで、近年、ディーゼルエンジン等の内燃機関における燃料噴射制御用の圧電アクチュエータの開発が盛んに行われている。この種の圧電アクチュエータでは、十分な変位を得るために、通常の圧電アクチュエータに比べて大きな電界を加える必要がある。しかし、上記従来技術の圧電磁器組成物により圧電体を形成した場合には、圧電アクチュエータを大電界で駆動させようとしても、所望の変位が得られず、圧電特性が劣化するという問題があった。 By the way, in recent years, development of a piezoelectric actuator for controlling fuel injection in an internal combustion engine such as a diesel engine has been actively performed. In this type of piezoelectric actuator, it is necessary to apply a larger electric field than a normal piezoelectric actuator in order to obtain sufficient displacement. However, when the piezoelectric body is formed from the above-described conventional piezoelectric ceramic composition, there is a problem that even if the piezoelectric actuator is driven by a large electric field, a desired displacement cannot be obtained and the piezoelectric characteristics deteriorate. .
本発明の目的は、変位に対する電界依存性を低くすることができる圧電素子を提供することである。 The objective of this invention is providing the piezoelectric element which can make the electric field dependence with respect to a displacement low.
本発明者らは、圧電素子の変位に対する電界依存性について鋭意研究を重ねた結果、Pb、Zr及びTiを主成分とする圧電磁器にP及びKを適切な量だけ含有させると、圧電磁器の粒子径が大きくなり、その結果、圧電素子を大電界で駆動しても圧電特性が殆ど劣化しないことを見出し、本発明を完成させるに至った。 As a result of intensive studies on the electric field dependency on the displacement of the piezoelectric element, the present inventors have found that a piezoelectric ceramic mainly composed of Pb, Zr and Ti contains P and K in appropriate amounts. As a result, it was found that the piezoelectric characteristics hardly deteriorate even when the piezoelectric element is driven by a large electric field, and the present invention has been completed.
即ち、本発明は、Pb、Zr及びTiを主成分とする圧電磁器により形成された圧電体を備えた圧電素子であって、圧電磁器は、P及びKを含み、圧電磁器中におけるPの含有量は、P2O5に換算して、0<P2O5≦250ppmであり、圧電磁器中におけるKの含有量は、K2Oに換算して、30ppm≦K2O≦250ppmであることを特徴とするものである。
That is, the present invention is a piezoelectric element including a piezoelectric body formed of a piezoelectric ceramic mainly composed of Pb, Zr and Ti, the piezoelectric ceramic including P and K, and the inclusion of P in the piezoelectric ceramic. the amount is in terms of P 2 O 5, 0 <a
このように圧電体を形成する圧電磁器は、主成分となるPb、Zr及びTiに加えて、P及びKを含んでいる。このとき、圧電磁器中におけるPの含有量が必要以上に多いと、圧電素子の製造工程において素子を焼成した際に、圧電磁器の粒界にPが析出して粒成長を阻害するため、圧電磁器の粒子径が小さくなり、圧電磁器における単位厚み当たりの粒界の数が多くなる。このため、圧電素子に大きな電界を印加すると、圧電磁器の粒界で熱ロスが発生するため、所望の変位が得られなくなると推測される。そこで、圧電磁器中におけるPの含有量を、P2O5に換算して250ppm以下と制限している。また、圧電磁器中におけるP及びKの含有量の割合バランスが悪い場合には、素子の焼成時に、圧電磁器の粒界にP及びKが析出しやすくなるため、圧電素子に大きな電界をかけたときに、上記のように圧電磁器の粒界で生じる熱ロスによって所望の変位が得られなくなることがあり得る。そこで、圧電磁器中におけるKの含有量を、K2Oに換算して30ppm≦K2O≦250ppmとしている。このKの含有量は、Pの含有量に対して割合バランスが良好になる数値範囲として、本発明者らによる検討及び評価等によって導き出されたものである。 Thus, the piezoelectric ceramic forming the piezoelectric body includes P and K in addition to Pb, Zr and Ti as main components. At this time, if the content of P in the piezoelectric ceramic is larger than necessary, when the element is baked in the manufacturing process of the piezoelectric element, P precipitates at the grain boundary of the piezoelectric ceramic and inhibits the grain growth. The particle diameter of the porcelain is reduced, and the number of grain boundaries per unit thickness in the piezoelectric ceramic is increased. For this reason, when a large electric field is applied to the piezoelectric element, a heat loss is generated at the grain boundary of the piezoelectric ceramic, so that a desired displacement cannot be obtained. Therefore, the content of P in the piezoelectric ceramic is limited to 250 ppm or less in terms of P 2 O 5 . In addition, when the proportion balance of the contents of P and K in the piezoelectric ceramic is poor, P and K are likely to precipitate at the grain boundaries of the piezoelectric ceramic when firing the element, so that a large electric field was applied to the piezoelectric element. Sometimes, as described above, a desired displacement may not be obtained due to heat loss generated at the grain boundary of the piezoelectric ceramic. Therefore, the content of K in the piezoelectric ceramic, and a 30ppm ≦ K 2 O ≦ 250ppm in terms of K 2 O. The content of K is derived as a numerical range in which the ratio balance is favorable with respect to the content of P, and has been derived by examination and evaluation by the present inventors.
このように本発明では、圧電磁器中におけるP及びKの含有量を上記のように規定することにより、素子の焼成時に、圧電磁器の粒界にP及びKが析出しにくくなり、圧電磁器の粒成長が促進されるため、圧電磁器の粒子径が大きくなり、圧電磁器における単位厚み当たりの粒界の数が少なくなる。このため、圧電素子に大きな電界を印加した時に圧電磁器に生じる熱ロスが抑えられると考えられる。これにより、圧電素子が大きな電界で駆動されても、所望の変位を得ることができる。 As described above, in the present invention, by defining the contents of P and K in the piezoelectric ceramic as described above, it becomes difficult for P and K to precipitate at the grain boundaries of the piezoelectric ceramic when the element is fired. Since grain growth is promoted, the particle diameter of the piezoelectric ceramic is increased, and the number of grain boundaries per unit thickness in the piezoelectric ceramic is reduced. For this reason, it is thought that the heat loss which arises in a piezoelectric ceramic when a big electric field is applied to a piezoelectric element is suppressed. Thereby, even if the piezoelectric element is driven by a large electric field, a desired displacement can be obtained.
好ましくは、圧電磁器の平均粒子径が2.5μm以上である。これにより、圧電磁器における単位厚み当たりの粒界の数が十分少なくなるため、圧電素子を大きな電界で駆動しても、所望の変位を確実に得ることができる。 Preferably, the average particle diameter of the piezoelectric ceramic is 2.5 μm or more. Thereby, since the number of grain boundaries per unit thickness in the piezoelectric ceramic is sufficiently reduced, a desired displacement can be reliably obtained even when the piezoelectric element is driven with a large electric field.
また、好ましくは、圧電磁器は、Znを更に含む。この場合には、Znを圧電磁器に含有させない場合に比べて低温で焼成することが可能となる。ところで、焼成温度が低い条件(例えば1000℃以下)では、焼成のエネルギーが低いため、上述したように圧電磁器中におけるPの含有量が多い場合に、圧電磁器の粒成長を妨げやすくなる。従って、圧電磁器にZnが含有されているような場合に、P及びKを上記範囲内の量だけ圧電磁器に含有させることが特に効果的となる。 Preferably, the piezoelectric ceramic further contains Zn. In this case, firing can be performed at a lower temperature than when Zn is not contained in the piezoelectric ceramic. By the way, when the firing temperature is low (for example, 1000 ° C. or lower), the firing energy is low. Therefore, when the content of P in the piezoelectric ceramic is large as described above, the grain growth of the piezoelectric ceramic tends to be hindered. Therefore, when Zn is contained in the piezoelectric ceramic, it is particularly effective to contain P and K in the piezoelectric ceramic by an amount within the above range.
本発明によれば、圧電素子の変位に対する電界依存性を低くすることができる。これにより、高性能の圧電素子を提供することが可能となる。 According to the present invention, the electric field dependency on the displacement of the piezoelectric element can be reduced. As a result, a high-performance piezoelectric element can be provided.
以下、本発明に係わる圧電素子の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of a piezoelectric element according to the invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明に係わる圧電素子の一実施形態を示す正面図である。同図において、本実施形態の圧電素子1は、例えば自動車に搭載される内燃機関の燃料噴射装置に圧電アクチュエータとして適用される積層型圧電素子である。
FIG. 1 is a front view showing an embodiment of a piezoelectric element according to the present invention. In the figure, a
圧電素子1は、直方体状の積層体2を備えている。積層体2は、圧電体3を介して内部電極4A,4Bを交互に積層してなる活性層5と、この活性層5を上下から挟み込むように配置され、複数の圧電体3を積層してなる上蓋層6及び下蓋層7とを有している。
The
圧電体3は、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を主成分とするペロブスカイト構造を有する圧電磁器で形成されている。この圧電磁器としては、例えば下記の組成のものが挙げられる。
(Pb0.97 Sr0.02)[(Zn1/3 Nb2/3)0.1 Ti0.435 Zr0.465]O3
The
(Pb0.97 Sr0.02) [(Zn 1/3 Nb 2/3 ) 0.1 Ti0.435 Zr0.465] O 3
圧電磁器(PZT)には、P及びKが含有されている。圧電磁器中におけるPの含有量は、P2O5に換算して、0<P2O5≦250ppm、好ましくは0<P2O5≦200ppmである。P2O5は、原料中からの混入を完全に防ぐことができないため、0より大きい値となる。圧電磁器中におけるKの含有量は、K2Oに換算して、30ppm≦K2O≦250ppm、好ましくは30ppm≦K2O≦200ppmである。
The piezoelectric ceramic (PZT) contains P and K. The content of P in the piezoelectric ceramic, in terms of P 2 O 5, 0 <P 2
また、圧電磁器には、ZnがZnOに換算して0.4〜1.7重量%含有されていることが好ましい。これにより、PZTの特性を劣化させること無く、圧電磁器を1000℃以下という低い温度で焼成することができる。このとき、Me(Nb、Sb、Ta)をZn=1に対してMe=2の割合で含んでいることが更に好ましい。さらに、圧電特性の改善のために、圧電磁器にはW、Ni、Fe、Co、Cu等が含まれていても良い。 The piezoelectric ceramic preferably contains Zn in an amount of 0.4 to 1.7% by weight in terms of ZnO. Thus, the piezoelectric ceramic can be fired at a low temperature of 1000 ° C. or less without deteriorating the characteristics of PZT. At this time, it is more preferable that Me (Nb, Sb, Ta) is contained at a ratio of Me = 2 with respect to Zn = 1. Further, the piezoelectric ceramic may contain W, Ni, Fe, Co, Cu or the like for improving the piezoelectric characteristics.
圧電体3を形成する圧電磁器の平均粒子径は、2.5μm以上であることが好ましく、2.8μm以上であることが特に好ましい。なお、圧電磁器に含まれる粒子の形状は、円形または楕円形に限られず様々である。よって、ここでいう粒子径は、粒子を取り囲み且つ粒子の少なくとも一部に接するように仮想した円(粒子仮想円)の外径とする。
The average particle diameter of the piezoelectric ceramic forming the
内部電極4A,4Bは、PZTを用いた素子に好適な電極材として、Ag及びPdを主成分とする導電材料で形成されている。
The
積層体2は、互いに対向する側面2a,2bを有している。内部電極4Aは、積層体2の側面2bよりも内側から側面2aに露出するように形成され、内部電極4Bは、積層体2の側面2aよりも内側から側面2bに露出するように形成されている。これにより、積層体2の側面2a,2側端部を除いた領域において、内部電極4A,4B同士が積層体2の積層方向に対して互いに重なり合うこととなる。そして、圧電体3における内部電極4A,4Bに挟まれる部分は、内部電極4A,4Bに電圧を印加(後述)した時に積層体2の積層方向に伸縮動作(変位)する圧電活性部となる。
The
積層体2は、例えば縦10mm×横10mm×厚み85μm程度の圧電体3を300層積層した構造を呈している。また、内部電極4A,4Bの厚みは、例えば2μm程度である。
The laminated
積層体2の側面2aには、各内部電極4Aと電気的に接続された外部電極8Aが設けられ、積層体2の側面2bには、各内部電極4Bと電気的に接続された外部電極8Bが設けられている。外部電極8A,8Bは、積層体2の積層方向に延びている。また、外部電極8A,8Bは、例えばAg、Au及びCuのいずれかを主成分とする導電材料で形成されている。
An
次に、このような圧電素子1を製造する方法について説明する。まず圧電磁器の出発原料としてPbO、TiO2、ZrO2、ZnO、Nb2O5及びSrCO3の粉体を用意し、これらの出発原料を上記組成となるように秤量する。そして、圧電磁器中におけるP及びKの含有量が上記範囲内となるように、P2O5及びK2CO3を出発原料に添加し、ボールミルにより湿式混合を行う。
Next, a method for manufacturing such a
なお、TiO2中にP,Kを予め含有させておいたり、ZrO2中にPを予め含有させておいても良い。TiO2中にPを含有させることで、TiO2の結晶構造は、低温焼成可能で且つ安価なアナターゼ型に安定化するようになる。 Incidentally, in the TiO 2 P, or in advance to contain K, it may be previously allowed to contain P in ZrO 2. By containing P in TiO 2, the crystal structure of the TiO 2 will be stabilized and inexpensive anatase can low-temperature firing.
続いて、混合粉体を空気中で仮焼成する。このとき、混合粉体にはKが所定量含有されているので、900℃という低い温度で混合粉体を仮焼成することができる。そして、仮焼成した混合粉体をボールミルで湿式粉砕することにより、PZTを主成分とする圧電磁器粉体が得られる。 Subsequently, the mixed powder is temporarily fired in air. At this time, since the mixed powder contains a predetermined amount of K, the mixed powder can be pre-fired at a temperature as low as 900 ° C. And the piezoelectric ceramic powder which has PZT as a main component is obtained by wet-grinding the pre-baked mixed powder with a ball mill.
続いて、圧電磁器粉体に有機バインダ及び有機溶剤等を混合した圧電磁器ペーストを作製する。そして、ドクターブレード法によって圧電磁器ペーストをPETフィルム上に塗布して、所定の厚みでシート成形することにより、上記の圧電体3となるグリーンシートを得る。
Subsequently, a piezoelectric ceramic paste in which an organic binder, an organic solvent, and the like are mixed with the piezoelectric ceramic powder is produced. And a piezoelectric ceramic paste is apply | coated on PET film by a doctor blade method, and the green sheet used as said
続いて、Ag:Pd=85:15の比率で構成された金属材と有機バインダ及び有機溶剤等とを混合した導電ペーストを作製し、スクリーン印刷法によってグリーンシート上に導電ペーストを印刷することにより、上記の内部電極4A,4Bとなる電極パターンを形成する。
Subsequently, a conductive paste is prepared by mixing a metal material configured with a ratio of Ag: Pd = 85: 15, an organic binder, an organic solvent, and the like, and the conductive paste is printed on the green sheet by a screen printing method. Then, an electrode pattern to be the
続いて、電極パターンが形成されたグリーンシートと電極パターンが形成されていないグリーンシートとを所定の枚数だけ所定の順序で積層する。そして、積層後の各グリーンシートに対して60℃程度の熱を加えながら、各層のグリーンシートを100MPaの圧力でプレス(圧着)することにより、グリーン積層体を得る。 Subsequently, a predetermined number of green sheets on which electrode patterns are formed and green sheets on which electrode patterns are not formed are stacked in a predetermined order. And a green laminated body is obtained by pressing the green sheet of each layer with the pressure of 100 Mpa, applying a heat | fever about 60 degreeC with respect to each green sheet after lamination | stacking.
その後、グリーン積層体をセッターに載せ、大気雰囲気中においてグリーン積層体の脱脂(脱バインダ)を400℃程度の温度で10時間程度行う。そして、グリーン積層体をセッターと共に密閉こう鉢内に入れ、グリーン積層体の焼成(本焼成)を950℃〜1000℃程度の温度で2時間程度行う。これにより、焼結体としての上記積層体2が得られる。
Thereafter, the green laminated body is placed on a setter, and degreasing (debinding) of the green laminated body is performed at a temperature of about 400 ° C. for about 10 hours in an air atmosphere. Then, the green laminate is put in a sealed mortar together with a setter, and the green laminate is fired (main firing) at a temperature of about 950 ° C. to 1000 ° C. for about 2 hours. Thereby, the said
続いて、焼成後の積層体2を所定の寸法に切断加工する。そして、焼付等により積層体2の側面2a,2bに外部電極8A,8Bをそれぞれ形成する。最後に、例えば温度120℃の環境下で、電界強度が2〜3kV/mmとなるように所定の電圧を3分間程度印加することにより、分極処理を行う。以上により、圧電アクチュエータとして機能する積層型圧電素子1が完成する。
Subsequently, the fired
このような圧電素子1において、外部電極8A,8B間に電圧が印加されると、外部電極8A,8Bと接続された各内部電極4A,4B間に電圧が印加され、両者間に電界が生じ、活性層5が積層体2の積層方向(縦方向)に変位するようになる。
In such a
ところで、そのような素子の変位量は、各内部電極4A,4B間に印加される電界が高くなるに従って大きくなっていくのが望ましい。しかし、製造コスト等の観点から内部電極4A,4B中のPdの含有量を低減するために、本実施形態のように低温で焼結可能な圧電材料により圧電体3を形成した場合には、例えば図2の破線に示すように、1kV/mmの駆動電界では所望の変位が得られても、2kV/mmの駆動電界では所望の変位が得られなくなる現象が生じることがある。特に圧電素子が燃料噴射制御用の圧電アクチュエータとして使用される場合には、大きな変位量を発生させる必要があるため、上記の現象は大きな問題となる。
By the way, it is desirable that the amount of displacement of such an element increases as the electric field applied between the
駆動電界が高くなると所望の変位が得られなくなる原因としては、以下のことが考えられる。即ち、PZTを主成分とする圧電磁器中に含まれるPの量が多いと、上述したグリーン積層体の焼成時に、圧電磁器の粒界にPが析出してしまう。また、圧電磁器中に含まれるP,Kの量の割合によっては、グリーン積層体の焼成時に、圧電磁器の粒界にKが析出することもある。 The following can be considered as reasons why a desired displacement cannot be obtained when the driving electric field is increased. That is, if the amount of P contained in the piezoelectric ceramic containing PZT as a main component is large, P is deposited at the grain boundary of the piezoelectric ceramic when the green laminate is fired. Further, depending on the ratio of the amount of P and K contained in the piezoelectric ceramic, K may be deposited at the grain boundary of the piezoelectric ceramic when the green laminate is fired.
ここで、圧電磁器の焼成温度が高い(例えば1200℃)場合には、焼成のエネルギーが粒界成分を維持するためのエネルギーよりも高くなるため、圧電磁器の粒成長(結晶成長)を妨げることは殆ど無い。しかし、圧電磁器の焼成温度が1000℃以下の条件では、焼成のエネルギーが粒界成分を維持するためのエネルギーよりも低くなるため、圧電磁器の粒成長が阻害される。このため、焼結された後の圧電体3の粒子径が小さくなり、圧電体3における単位厚み当たりの粒界の数が多くなる。その結果、完成した圧電素子1において各内部電極4A,4B間に比較的大きな電界(電圧)を印加すると、圧電体3の粒界が発熱して熱ロスが発生し、この熱ロスにより所望の変位が得られなくなる。つまり、圧電素子1の変位に対する電界(電圧)依存性が悪化してしまう。
Here, when the firing temperature of the piezoelectric ceramic is high (for example, 1200 ° C.), the firing energy becomes higher than the energy for maintaining the grain boundary component, which hinders the grain growth (crystal growth) of the piezoelectric ceramic. There is almost no. However, under the condition where the firing temperature of the piezoelectric ceramic is 1000 ° C. or less, the firing energy is lower than the energy for maintaining the grain boundary component, and thus the grain growth of the piezoelectric ceramic is hindered. For this reason, the particle diameter of the
これに対し本実施形態では、圧電磁器中におけるPの含有量を、P2O5に換算して0<P2O5≦250ppmとし、圧電磁器中におけるKの含有量を、K2Oに換算して30ppm≦K2O≦250ppmとしてある。つまり、圧電磁器中に含まれるPの量が必要最小限に抑えられると共に、圧電磁器中に含まれるKの量が少量のPに対して適正なものとなる。 On the other hand, in this embodiment, the P content in the piezoelectric ceramic is converted to P 2 O 5 so that 0 <P 2 O 5 ≦ 250 ppm, and the K content in the piezoelectric ceramic is changed to K 2 O. In terms of conversion, 30 ppm ≦ K 2 O ≦ 250 ppm. That is, the amount of P contained in the piezoelectric ceramic is suppressed to a necessary minimum, and the amount of K contained in the piezoelectric ceramic is appropriate for a small amount of P.
これにより、上述したようにグリーン積層体を1000℃以下の温度で焼成しても、圧電磁器の粒界にP及びKが析出しにくくなり、圧電磁器の粒成長が促進されるため、焼結された後の圧電体3の粒子径が大きくなり、圧電体3における単位厚み当たりの粒界の数が少なくなる。その結果、完成した圧電素子1において各内部電極4A,4B間に比較的大きな電界(電圧)を印加したときに、圧電体3の粒界での発熱により生じる熱ロスが抑制されるため、所望の変位が得られるようになる。従って、変位に対する電界(電圧)依存性の小さい圧電素子1が得られる。
As a result, even if the green laminate is fired at a temperature of 1000 ° C. or less as described above, P and K are less likely to precipitate at the grain boundaries of the piezoelectric ceramic, and the grain growth of the piezoelectric ceramic is promoted. As a result, the particle diameter of the
また、圧電素子1の変位時には、応力集中によって積層体2にクラックが発生することがあるが、このクラックの進行方向は圧電体3の粒界の状態に影響される。このとき、圧電体3における単位厚み当たりの粒界の数が多くなると、クラックがランダムな方向に延びやすくなるため、積層体2の積層方向(縦方向)に延びるクラックが生じやすくなる。このような縦方向のクラックが発生すると、異極の内部電極4A,4B間がショートして、圧電素子1の絶縁破壊を引き起こす可能性がある。
In addition, when the
本実施形態では、焼成後に圧電体3の粒子径が大きくなることで、圧電体3における単位厚み当たりの粒界の数が少なくなるので、圧電体3の粒界に沿ったクラックの進行が抑えられ、縦方向に延びるクラックが生じにくくなる。これにより、内部電極4A,4B間のショートが防止され、圧電素子1の絶縁破壊を回避することができる。
In the present embodiment, since the number of grain boundaries per unit thickness in the
以上のように本実施形態の圧電素子1によれば、大きな電界で駆動されても、圧電特性が殆ど劣化せず、十分な変位量を確保することができると共に、縦方向に延びるクラックによる絶縁破壊を防止することができる。これにより、信頼性の高い圧電素子1を得ることが可能となる。
As described above, according to the
実際に、上述した実施形態と同様の圧電磁器を用いて評価用圧電素子を作製し、評価を行った。 Actually, a piezoelectric element for evaluation was manufactured and evaluated using the same piezoelectric ceramic as in the above-described embodiment.
具体的には、まず上記のPbO、TiO2、ZrO2、ZnO、Nb2O5、SrCO3、P2O5及びK2CO3から、PZTを主成分としP及びKを含む圧電磁器粉体を作製した。そして、この圧電磁器粉体にポリビニールアルコール系のバインダーを加えて造粒を行い、これを約196MPaの圧力でプレスして所定の大きさに成形した。 Specifically, first, the piezoelectric ceramic powder containing P and K containing PZT as a main component from the above PbO, TiO 2 , ZrO 2 , ZnO, Nb 2 O 5 , SrCO 3 , P 2 O 5 and K 2 CO 3. The body was made. The piezoelectric ceramic powder was granulated by adding a polyvinyl alcohol-based binder, and this was pressed at a pressure of about 196 MPa to form a predetermined size.
次いで、その成形体を大気雰囲気中において1000℃の温度で焼成した。この焼成は、大気中より酸素分圧の高い雰囲気中や純酸素中でも可能である。こうして得られた焼結体を厚さ2mm、直径15mmとなるような円板状に加工し、この焼結体の両面に銀を蒸着して電極を施した。そして、この素子を120℃の絶縁油中に入れ、電界強度3kV/mm、電圧印加時間30分間という条件で分極処理を行い、評価用圧電素子を得た。 Subsequently, the molded body was fired at a temperature of 1000 ° C. in an air atmosphere. This baking can be performed in an atmosphere having a higher oxygen partial pressure than in the air or in pure oxygen. The sintered body thus obtained was processed into a disk shape having a thickness of 2 mm and a diameter of 15 mm, and silver was vapor-deposited on both surfaces of the sintered body to provide electrodes. Then, this element was placed in an insulating oil at 120 ° C., and polarization treatment was performed under the conditions of an electric field strength of 3 kV / mm and a voltage application time of 30 minutes, to obtain a piezoelectric element for evaluation.
このとき、圧電磁器中におけるP及びKの含有量が異なる複数種類(10種類)の評価用圧電素子を作製した。 At this time, plural types (10 types) of evaluation piezoelectric elements having different P and K contents in the piezoelectric ceramic were produced.
表1は、各種類の評価用圧電素子について、圧電体におけるP(P2O5)及びK(K2O)の含有量と、圧電体の平均粒子径と、圧電歪定数d33とを表したものである。
このとき、完成した評価用圧電素子の研磨・エッチング処理を行った後、走査電子顕微鏡で粒子の観察を行い、画像処理により粒子仮想円(前述)の粒子径を求めて、平均粒子径の算出を行った。また、完成した評価用圧電素子に2kV/mmの電界を印加し、レーザードップラー振動計を用いて素子の変位量を求め、この変位量と電界より圧電歪定数d33を算出した。 At this time, after polishing and etching of the completed piezoelectric element for evaluation, the particles are observed with a scanning electron microscope, and the particle diameter of the virtual particle circle (described above) is obtained by image processing to calculate the average particle diameter. Went. Further, an electric field of 2 kV / mm was applied to the completed piezoelectric element for evaluation, the amount of displacement of the element was determined using a laser Doppler vibrometer, and the piezoelectric strain constant d33 was calculated from the amount of displacement and the electric field.
表1にまとめたように、圧電磁器中におけるPの含有量を0<P2O5≦250ppmとし、圧電磁器中におけるKの含有量を30ppm≦K2O≦250ppmとした試料1〜4,7〜9については、圧電体の平均粒子径が2.5μm以上となり、圧電歪定数d33が750pm/V以上となっている。しかし、圧電磁器中におけるP及びKの含有量が上記範囲内に無い試料5,6,10については、圧電体の平均粒子径が2.5μmよりも小さく、また750pm/V以上の圧電歪定数d33が得られていないことが分かる。
As summarized in Table 1,
図2は、試料6,7について、電界強度と圧電歪定数d33との関係を表したグラフである。なお、グラフ中の実線が試料7の特性を表し、グラフ中の破線が試料6の特性を表している。
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the electric field strength and the piezoelectric strain constant d33 for
図2から分かるように、圧電磁器中におけるP及びKの含有量が上記範囲内に無い試料6(比較例)では、電界強度が高くなるに従って所望の変位量(圧電歪定数d33)が得られなくなるが、圧電磁器中におけるP及びKの含有量が上記範囲内にある試料7(実施例)では、電界強度が高くなっても所望の変位量(圧電歪定数d33)が確保される。 As can be seen from FIG. 2, in the sample 6 (comparative example) in which the contents of P and K in the piezoelectric ceramic are not within the above range, a desired displacement (piezoelectric strain constant d33) is obtained as the electric field strength increases. However, in the sample 7 (Example) in which the contents of P and K in the piezoelectric ceramic are within the above range, a desired displacement amount (piezoelectric strain constant d33) is ensured even when the electric field strength increases.
以上の評価結果から、PZTを主成分としP及びKを含む圧電磁器において、Pの含有量を0<P2O5≦250ppmとし、Kの含有量を30ppm≦K2O≦250ppmとすることにより、変位量の電界(電圧)依存性が良好になるという本発明の有効性を実証することができた。 From the above evaluation results, in a piezoelectric ceramic containing PZT as a main component and containing P and K, the P content is 0 <P 2 O 5 ≦ 250 ppm, and the K content is 30 ppm ≦ K 2 O ≦ 250 ppm. As a result, the effectiveness of the present invention that the electric field (voltage) dependence of the displacement amount is improved can be verified.
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、素子の低温焼成を行うべく、圧電体を形成する圧電磁器にZnが含有されているが、圧電磁器の組成については、PZTを主成分とするものであれば、特にZnを含有したものには限られない。 The present invention is not limited to the above embodiment. For example, in the above embodiment, Zn is contained in the piezoelectric ceramic that forms the piezoelectric body in order to perform low-temperature firing of the element, but the composition of the piezoelectric ceramic is particularly Zn if PZT is the main component. It is not restricted to the thing containing.
1…圧電素子、2…圧電体。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記圧電磁器は、P及びKを含み、
前記圧電磁器中におけるPの含有量は、P2O5に換算して、0<P2O5≦250ppmであり、
前記圧電磁器中におけるKの含有量は、K2Oに換算して、30ppm≦K2O≦250ppmであることを特徴とする圧電素子。 A piezoelectric element including a piezoelectric body formed of a piezoelectric ceramic mainly composed of Pb, Zr, and Ti,
The piezoelectric ceramic includes P and K,
The content of P in the piezoelectric in porcelain, in terms of P 2 O 5, is 0 <P 2 O 5 ≦ 250ppm ,
The content of K in the piezoelectric ceramic, in terms of K 2 O, the piezoelectric element which is a 30ppm ≦ K 2 O ≦ 250ppm.
The piezoelectric element according to claim 1, wherein the piezoelectric ceramic further contains Zn.
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