JP5526945B2 - 圧電組成物、圧電磁器、振動子、及び超音波モータ - Google Patents
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Description
本発明は、圧電組成物に関する。本発明は、圧電組成物を用いて製造された圧電磁器、振動子、及び超音波モータを包含する。
超音波モータ、超音波洗浄器、及び圧電トランス等に用いられる圧電磁器、並びに共振変位を利用したアクチュエータに用いられる圧電磁器には、共振変位が大きく優れた圧電特性を有することが要求される。特に、圧電磁器が超音波モータ等に用いられる場合、駆動周波数が高くなることから、圧電磁器の機械的品質係数（Ｑｍ）が低いと発熱し易く、脱分極あるいは圧電定数の変化等を引き起こすおそれがある。このため、機械的品質係数（Ｑｍ）の高い圧電磁器が要請されている。
このような特性を満足する圧電磁器には、ＰＺＴ（ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３固溶体）系、及びＰＴ（ＰｂＴｉＯ３）系等のペロブスカイト型化合物が用いられてきた（特許文献１参照）。しかしながら、これらの化合物は、Ｐｂを含有することから、環境上の問題が懸念されている。このため、Ｐｂを含有しない化合物が種々検討されている。
例えば、ＢａＴｉＯ３系の化合物、又はＫＮＮ（ＫＮｂＯ３−ＮａＮｂＯ３固溶体）系の化合物を用いた圧電磁器が提案されている（特許文献２参照）。また、ビスマス層状化合物の結晶を配向させることで優れた機械的品質係数（Ｑｍ）を発揮する共振アクチュエータも提案されている（非特許文献１、２参照）。
Shinichiro KAWADA, Hirozumi OGAWA, Masahiko KIMURA, Kosuke SHIRATSUYU, and Yukio HIGUCHI, "Relationship between Vibration Direction and High-Power Characteristics of h001i-Textured SrBi2Nb2O9 Ceramics", Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 46, No. 10B, 2007, pp. 7079-7083.
Hirozumi Ogawa, Shinichiro Kawada, Masahiko Kimura, Kousuke Shiratsuyu, and Yukio Sakabe, "High-Power Piezoelectric Characteristics of Textured Bismuth Layer Structured Ferroelectric Ceramics", IEEE transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control, vol. 54, no. 12, December 2007, pp. 2500-2504.
しかしながら、特許文献２に開示されているＢａＴｉＯ３系化合物を用いた圧電磁器は、ＰＺＴ系及びＰＴ系化合物を用いた圧電磁器に比べて、機械的品質係数（Ｑｍ）が低い。このため、超音波モータ等の上述の用途に適さないおそれがある。また、特許文献２に開示されているＫＮＮ系化合物を用いた圧電磁器は、原料にＮｂを含有するため、材料コストが割高となることに加えて、Ｋ、Ｎａ等のアルカリ金属を使用するため、焼成時の組成ずれが発生し易く、しかも耐湿性が十分に得られないおそれがある。
さらに、特許文献３に開示されている圧電磁器は、機械的品質係数（Ｑｍ）を十分に高くしても、駆動時の自己発熱を十分に抑制できないおそれがあり、これにより圧電特性が変化する場合がある。加えて、非特許文献１、２に開示されている圧電磁器は、ビスマス層状化合物を結晶配向させることで、高い機械的品質係数（Ｑｍ）を得ているが、結晶配向させるためには多くのプロセスが必要となり、工業的に製造するにはコスト等の問題がある。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、Ｐｂ含有量を十分に低減して環境上の問題に配慮することを前提に、特に、圧電特性に優れ、ひいては駆動時の発熱の少ない圧電磁器の製造に好適な圧電組成物を提供することを目的とする。本発明は、このような圧電組成物を用いることにより得られる圧電磁器、並びに当該圧電磁器を備える振動子、及び超音波モータを提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明者らは、圧電特性に優れ、駆動時の発熱の少ない圧電組成物について鋭意研究した。その結果、本発明者らは、主成分の組成と、副成分の組成及び添加量とを規定することで、優れた機械的品質係数（Ｑｍ）が得られるとともに、良好な振動速度及び共振周波数変動を発揮することができる圧電磁器の製造に好適な組成物が得られるとの知見を得た。このような知見の詳細は、次の通りである。
ビスマス層状構造強誘電体（ＢＬＳＦ）は、疑ペロブスカイトブロックがＢｉ２Ｏ２層に挟まれた構造を有し、疑ペロブスカイトブロックの酸素八面体が傾いた構造を有する。このため、ＢＬＳＦはペロブスカイト型強誘電体に比べて大きな抗電界Ｅｃを示す。このため、ＢＬＳＦはドメインウォールが動き難いことから、機械的品質係数（Ｑｍ）がペロブスカイト構造の誘電体に比べて一般に大きい。
しかしながら、ＢＬＳＦはドメインウォールが動き難いことから、圧電特性を付与するのに必要な分極処理が困難であり、ペロブスカイト構造の誘電体に比べて分極処理の点で不利である。
上記諸事情に鑑み、発明者らは、ＢＬＳＦにＭｎを添加することで、優れた機械的品質係数（Ｑｍ）を有するとともに、容易な分極反転によって、比較的な大きな振動速度を示すとともに共振周波数変動が高いレベルで低減できること、換言すれば優れた圧電特性を有することで、駆動時の発熱を低減可能な圧電磁器を製造することができる、組成物が得られるとの知見を得た。本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものである。
本発明は、主成分として、一般式：Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２−ＳｒＢｉ４Ｔｉ４Ｏ１５で表される化合物を含み、副成分としてＭｎ又はＭｎ化合物を含み、Ｍｎ含有量が主成分量を基準として１．０質量％未満である圧電組成物に関する。本発明の圧電組成物は、構成元素としてＰｂを含まないため、環境上の問題に配慮した組成物である。なお、当該組成物は例外的に鉛を含むこともあり得るが、その場合、鉛の含有量は１質量％以下とすることが望ましい。
本発明の望ましい態様としては、ＳｒＢｉ４Ｔｉ４Ｏ１５の４０ｍｏｌ％以下を、ＢａＢｉ４Ｔｉ４Ｏ１５で置換してなることが好ましい。このような手段によれば、共振周波数変動をさらに低減することができる。
本発明は、上述した圧電組成物を用いて製造され、機械的品質係数が１０００以上である、圧電磁器を包含する。本発明の圧電磁器によれば、構成元素としてＰｂを含まなくても、機械的品質係数（Ｑｍ）を１０００以上とすることができる。これにより、駆動時の発熱を十分に低減することができる。
本発明は、さらに、上記圧電磁器と電極とを備える振動子を包含する。本発明の振動子は、上述の特徴を有する組成物からなる圧電磁器を備えるため、共振変位を利用した圧電アクチユエータ、超音波モータ、超音波振動子、及び圧電トランス等に特に好適に用いることができ、これらは十分に高い出力を発揮することができる。
本発明に係る圧電組成物は、Ｐｂを含まないか或いは殆ど含まないことから、環境上の問題に配慮した組成物であり、当該組成物を用いた圧電磁器は、優れた圧電特性を発揮するため、駆動時の発熱を抑制することができる。また、当該圧電磁器は振動子の構成部材として用いることができ、当該振動子を用いた超音波モータは高い出力を発揮することができる。
以下、本発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の説明により本発明が限定されるものではない。また、以下の説明における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実施的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。また、以下に開示する構成は、適宜組み合わせることができる。
[圧電組成物]
本実施形態の圧電組成物は、主成分として、一般式：Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２−ＳｒＢｉ４Ｔｉ４Ｏ１５で表される化合物を含み、副成分としてＭｎ又はＭｎ化合物を含み、Ｍｎ含有量が主成分量を基準として１．０質量％未満である。
本実施形態の圧電組成物は、主成分として、一般式：Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２−ＳｒＢｉ４Ｔｉ４Ｏ１５で表される化合物を含み、副成分としてＭｎ又はＭｎ化合物を含み、Ｍｎ含有量が主成分量を基準として１．０質量％未満である。
上記一般式で表わされる組成物は、複合ビスマス層状化合物であり、Ｂｉ２Ｏ２層に疑ペロブスカイトブロックが挟まれ、疑ペロブスカイトブロックの酸素八面体が傾いた構造を有する。当該組成物は、疑ペロブスカイトブロックを構成する複数層のＡＸＢＹＯＺ（ＡはＢｉ又はＳｒ、ＢはＴｉ、Ｘは２又は３、Ｙは３又は４、Ｚは１０又は１３）のうち、Ｂサイトの一部がＭｎで置換された構造を有する。或いはまた、当該組成物は、主成分の結晶粒界に、Ｍｎ化合物が偏析した構造を有する。
この組成物を用いた圧電磁器は、Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２又はＳｒＢｉ４Ｔｉ４Ｏ１５単独の組成物を用いた圧電磁器に比べて圧電歪み定数が高く、常温において優れた機械的品質係数（Ｑｍ）を有する。この組成物を用いた圧電磁器は、振動時の速度が大きくかつ共振周波数変動が小さいため、駆動時の発熱の少ない圧電磁器である。従って、本実施形態において、圧電磁器の機械的品質係数（Ｑｍ）が優れているということは、圧電歪み定数が高いこと、振動時の速度が大きいこと、及び共振周波数変動が小さいこと等を総じて、圧電特性が高いことを意味する。
この組成物は、主成分として、一般式：Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２−ＳｒＢｉ４Ｔｉ４Ｏ１５で表される化合物を含む。主成分の含有量は、組成物全体を基準として、好ましくは９０質量％以上であり、より好ましくは９５質量％以上であり、さらに好ましくは９８質量％以上である。
この組成物は、副成分としてＭｎ又はＭｎ化合物を含む。Ｍｎ含有量は、Ｍｎ単独の場合及びＭｎ化合物の場合のいずれも、主成分量を基準として１．０質量％未満である。組成物が副成分としてＭｎ又はＭｎ化合物を含むことで、圧電磁器の優れた機械的品質係数（Ｑｍ）が実現され、これにより駆動時の発熱が十分に低減される。なお、上記Ｍｎの含有量は、好ましくは０．２質量％以上０．８質量％以下である。
この組成物は、鉛（Ｐｂ）を含んでいてもよいが、上述したように、その含有量は、Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２−ＳｒＢｉ４Ｔｉ４Ｏ１５を基準に１質量％以下であることが好ましく、鉛を全く含んでいないことがより好ましい。鉛の含有量が十分に低減された組成物を使用して得られる圧電磁器は、焼成時における鉛の揮発、及び圧電素子等の圧電部品として市場に流通し廃棄された後における環境中への鉛の放出を最小限に抑制することができる。
本実施形態の圧電組成物は、以下のようにして製造することができる。即ち、まず、主成分となる原料として、ビスマス、チタン、ストロンチウムを含む酸化物粉末をそれぞれ準備する。また、副成分の原料としてマンガンを含む酸化物粉末を準備する。さらに、必要に応じて、置換成分の原料であるバリウムを含む酸化物粉末を準備する。これらの粉末は通常の市販品を用いることができ、公知の方法で混合することができる。なお、これらの主成分、副成分、及び置換成分の原料としては、酸化物ではなく、炭酸塩又はシュウ酸塩のように、焼成により酸化物となるものを用いてもよい。
これらの原料を、Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２−ＳｒＢｉ４Ｔｉ４Ｏ１５に従う場合、又はＳｒＢｉ４Ｔｉ４Ｏ１５の一部をＢａＢｉ４Ｔｉ４Ｏ１５で置換する場合のいずれの場合においても、所定の組成となるような比率に秤量する。副成分（Ｍｎ）の添加時には、主成分全体に対して所定の割合（１．０質量％未満）となるように秤量する。そして、秤量した原料を、ボールミル等を用いて有機溶媒中又は水中で十分に混合する。なお、原料の混合比率を変化させることによって、圧電組成物の組成を調整することが可能となる。
次に、上記の方法で混合された混合物を乾燥し、プレス成形して、７００℃以上１０００℃以下で１時間以上５時間未満仮焼して、凝集物を得る。この凝集物を、ボールミル等により有機溶媒中又は水中で十分に粉砕して、乾燥する。そして、バインダを加えて造粒することにより、本実施形態の圧電組成物が得られる。得られた組成物の組成は、Ｘ線回折又はＩＣＰ発光分光分析で分析することができる。
[圧電磁器]
本実施形態の圧電磁器は、上記のような組成物を用いて製造されるため、優れた機械的品質係数（Ｑｍ）を発揮し、振動時の速度が大きく、共振周波数変動の小さいこと、換言すれば圧電特性に優れることで、駆動時の発熱の少ない圧電磁器である。本実施形態の圧電磁器は、例えば、以下のようにして製造される。
本実施形態の圧電磁器は、上記のような組成物を用いて製造されるため、優れた機械的品質係数（Ｑｍ）を発揮し、振動時の速度が大きく、共振周波数変動の小さいこと、換言すれば圧電特性に優れることで、駆動時の発熱の少ない圧電磁器である。本実施形態の圧電磁器は、例えば、以下のようにして製造される。
すなわち、上述した粉末状の圧電組成物を一軸プレス成形機、静水圧成形機（ＣＩＰ）を用いてプレス成形して成形体を得る。この成形体を加熱して脱バインダを行い、１１５０℃以上１２００℃以下で１時間以上５時間以下焼結して圧電磁器用の焼結体を得る。なお、焼結は空気中で行うことができる。焼結体を、必要に応じて所定の形状に加工することができる。最後に、所定の電界を印加する方法で、焼結体に分極処理を施す。以上により、本実施形態の圧電磁器を得ることができる。
この圧電磁器は、９５％以上の相対密度を有することが好ましい。このように高い相対密度を有することによって、さらに優れた圧電特性（振動時の速度や共振周波数変動）を得ることができる。なお、圧電磁器の相対密度は、アルキメデス法によって測定することができる。圧電磁器の相対密度は、焼結温度や焼結時間を変化することによって調整することができる。
[振動子]
本実施形態の振動子は、上述の圧電磁器を使用して得られる。その例として、２つのタイプの振動子について説明する。
本実施形態の振動子は、上述の圧電磁器を使用して得られる。その例として、２つのタイプの振動子について説明する。
図１は、本実施形態の振動子の一例を示す斜視図である。同図に示すように、振動子１０は、圧電磁器１２と、圧電磁器１２をその長手方向の対向面で挟持するように設けられた一対の電極１４、１６とを備える。電極１４、１６は金（Ａｕ）及び銀（Ａｇ）等の金属で構成することができ、当該金属のペーストを塗布して焼付けにより設けることができる。電極１４、１６は、ワイヤ等の導線を介して外部電源と電気的に接続することができる。
圧電磁器１２は、一対の電極１４、１６が対向する方向（図１では圧電磁器１２の長手方向）に分極されており、電極１４、１６を介して電圧が印加されると振動子１０はその長手方向に振動する。圧電磁器１２は、上記組成物を使用して製造されるため、優れた機械的品質係数（Ｑｍ）、換言すれば優れた圧電特性を有しており、ひいては駆動時の発熱が十分に低減される磁器である。
図２は、本実施形態の振動子の他の例を示す斜視図である。同図に示すように、振動子２０は、圧電磁器２２と、圧電磁器２２をその厚さ方向の対向面で挟持するように設けられた一対の電極２４、２６とを備える。電極２４、２６は金（Ａｕ）及び銀（Ａｇ）等の金属で構成することができ、当該金属のペーストを塗布して焼付けにより設けることができる。電極２４、２６は、ワイヤ等の導線を介して外部電源と電気的に接続することができる。
圧電磁器２２は、一対の電極２４、２６が対向する方向（図２では圧電磁器２２の厚さ方向）に分極されており、電極２４、２６を介して電圧が印加されると振動子２０はその長辺方向に振動する。圧電磁器２２は、図１に示す圧電磁器１２と同様に、上記組成物を使用して製造されるため、優れた機械的品質係数（Ｑｍ）、換言すれば優れた圧電特性を有しており、ひいては駆動時の発熱が十分に低減される磁器である。
[超音波モータ]
図３は、本実施形態の超音波モータの一例を示す斜視図及びその分解斜視図である。超音波モータ３０は、上述の振動子を使用して得られる。超音波モータ３０は、ランジュバン振動子部分４０と、当該部分４０と連結するねじり結合子５０とを備える。ランジュバン振動子部分４０は、アルミシリンダ４２、振動子４４ａ、４４ｂ、スペーサー４６、及びアルミホーン４８により構成され、これらを図３に示すように順次連結してなる。
図３は、本実施形態の超音波モータの一例を示す斜視図及びその分解斜視図である。超音波モータ３０は、上述の振動子を使用して得られる。超音波モータ３０は、ランジュバン振動子部分４０と、当該部分４０と連結するねじり結合子５０とを備える。ランジュバン振動子部分４０は、アルミシリンダ４２、振動子４４ａ、４４ｂ、スペーサー４６、及びアルミホーン４８により構成され、これらを図３に示すように順次連結してなる。
ねじり結合子５０は、本体５０Ｘと本体５０Ｘの上部に形成されたつまみ部５０Ｙとを備え、本体５０Ｘは、底面視で円弧及び直線により画成された一対の足部５０ａ、５０ｂを有し、これらの足部５０ａ、５０ｂの間には同視で略矩形の切り欠き部５０ｃが形成されている。つまみ部５０Ｙはその長手方向が切り欠き部５０ｃの長手方向とは一致しないように傾斜して形成されている。なお、図３中、各部材４０、５０の中心に設けられた開口は、超音波モータ３０の実際の使用時にシャフトを通すための開口である。
ランジュバン振動子部分４０から発生するたて振動を、２本の足部５０ａ、５０ｂが受け止めると、切り欠き部５０ｃの底面にたわみ振動が励起される。つまみ部５０Ｙは、その長手方向が切り欠き部５０ｃの長手方向に対して斜めに設けられていることから、切り欠き部５０ｃの底面のたわみ振動によってつまみ部５０Ｙのねじり振動が励起される。このねじり振動とたわみ振動との結合により、つまみ部５０Ｙの上端面部５０ｄにおいて楕円運動が生じる。
実際の使用時においては、超音波モータ３０は、所定のケースにボルト締めして使用されるため、ロータがケースを介して押さえられ、これによりロータ押さえ力が増加し、高トルクと高効率を発揮する。また、超音波モータ３０の構成部材である振動子４４ａ、４４ｂは、上記組成物を用いて得られた圧電磁器を含むため、優れた機械的品質係数（Ｑｍ）即ち優れた圧電特性を有しており、ひいては駆動時の発熱が十分に低減される。以上により、超音波モータ３０は、十分に高い出力を発揮することができる。
[評価]
本実施形態及び比較例に係る振動子を作製し、評価した。なお、本実施形態によるものが実施例である。比較例は、従来例を示すものではない。
本実施形態及び比較例に係る振動子を作製し、評価した。なお、本実施形態によるものが実施例である。比較例は、従来例を示すものではない。
[振動子の作製]
（実施例１〜５及び比較例１〜４）
出発原料として、市販の酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、炭酸ストロンチウム（ＳｒＣＯ３）及び炭酸マンガン（ＭｎＣＯ３）の各粉末原料を準備した。これらの各粉末原料を、表１の組成となるように秤量した。なお、Ｍｎの添加量は、主成分量を基準としたものである。
（実施例１〜５及び比較例１〜４）
出発原料として、市販の酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、炭酸ストロンチウム（ＳｒＣＯ３）及び炭酸マンガン（ＭｎＣＯ３）の各粉末原料を準備した。これらの各粉末原料を、表１の組成となるように秤量した。なお、Ｍｎの添加量は、主成分量を基準としたものである。
秤量した各粉末原料にエチルアルコールを加え、ジルコニアボールを用いて１０時間のボールミル混合を行った。ボールミル混合して得られたスラリーを十分に乾燥させた後、プレス成形し８５０℃で２時間の仮焼を行った。
仮焼によって得られた圧電組成物をボールミルで微粉砕して乾燥し、直径２０ｍｍの金型に約１０ｇ投入した。そして、１軸プレス成形機を用いて１００ＭＰａの圧力でプレ成形した後、ＣＩＰ（冷間等方圧プレス）を用い１５０ＭＰａの圧力で本成形した。成形体を１１５０℃以上１２００℃以下で２時間焼結して圧電磁器を得た。
焼結体を厚さ２ｍｍにスライス加工した後、所定サイズ（縦×横×高さ＝２ｍｍ×２ｍｍ×５ｍｍ）に切断加工し、その両端部に、電極として市販のＡｇペーストを塗布して５００℃で焼付けを行った。その後、２００℃以上２８０℃以下のシリコーンオイル中で４ｋＶ／ｍｍ以上７．５ｋＶ／ｍｍ以下の電界を７分間印加して、焼結体に分極処理を施し、実施例１〜５及び比較例１〜４の振動子を得た。
（実施例６、７及び比較例５、６）
出発原料として、市販の酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、炭酸ストロンチウム（ＳｒＣＯ３）、炭酸バリウム（ＢａＣＯ３）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）及び炭酸マンガン（ＭｎＣＯ３）の各粉末原料を準備した。これらの各粉末原料を、表２の組成となるように秤量した。なお、Ｍｎの添加量は、主成分量を基準としたものである。
出発原料として、市販の酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、炭酸ストロンチウム（ＳｒＣＯ３）、炭酸バリウム（ＢａＣＯ３）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）及び炭酸マンガン（ＭｎＣＯ３）の各粉末原料を準備した。これらの各粉末原料を、表２の組成となるように秤量した。なお、Ｍｎの添加量は、主成分量を基準としたものである。
秤量した各粉末原料にエチルアルコールを加え、ジルコニアボールを用いて１０時間のボールミル混合を行った。そして、実施例１〜５及び比較例１〜４の場合と同様にして、成形体、焼結体を順次作製するとともに、電極を塗布して、実施例６、７及び比較例５、６の振動子を得た。
分極処理を施した各圧電磁器（実施例１〜７及び比較例１〜６）の圧電特性として、機械的品質係数（Ｑｍ）、振動速度（ｍ/ｓ）、及び共振周波数変動（％）を測定した。機械的品質係数（Ｑｍ）は、インピーダンスアナライザ（アジレントテクノロジー社製、４２９４Ａ）を使用し、共振・反共振法により縦振動４００ｋＨｚ付近で測定を行った。次いで、測定値からＥＭＡＳ６０００シリーズを用いてＱｍを計算した。計算結果を表３に示す。振動速度及び共振周波数変動は、次のようにして測定した。
図４は、振動子及び振動子の振動速度及び共振周波数変動の評価に用いた測定装置を示す概略図である。当該測定装置は、圧電磁器１２にレーザー光を照射するとともに、圧電磁器１２の振動速度を検出するレーザードップラー振動計を内蔵するレーザー照射装置（ＬＶ−１７１０（小野測器社製））５２と、圧電磁器１２に交流電界を印加するためのファンクションジェネレータ５４（ＮＦ−ＷＦ−１９４３Ａ）とパワーアンプ５６（ＮＦ−ＨＡＳ−４０５２）とを備えている。そして、上下対のばね端子６２、６４により圧電磁器１２を保持し、圧電磁器１２の長手方向対向面にそれぞれ設けられた一対の電極１４、１６の端部に、導電性ペーストによりアルミホイル６６、６８が接着されている。
ファンクションジェネレータ５４とパワーアンプ５６とにより、種々の定電圧及び共振周波数近傍の交流電界を圧電磁器１２に印加するとともに、主電極１４の中心部にレーザー照射装置５２からレーザー光を照射し、レーザードップラー振動計により圧電磁器１２の振動速度Ｖを測定した。
また、ファンクションジェネレータ５４が発生した交流信号は、共振周波数近傍で定電圧掃引され、最大の振動速度Ｖが得られた周波数を共振周波数として採用した。さらに、インピーダンスアナライザにより測定した低振幅時の共振周波数からの変動を共振周波数変動とした。表３に、電圧が５Ｖ／ｍｍで印加されたときの振動速度（ｍ／ｓ）、及び振動速度が２ｍ／ｓのときの周波数変動（％）を併記する。
[結果]
（実施例１〜５）
表１〜３から明らかなように、ＭｎＣＯ３を用いてＭｎを０．２質量％以上０．８質量％以下添加した、実施例１〜５に係る振動子については、機械的品質係数（Ｑｍ）が十分に高く、振動速度が概ね２ｍ／ｓ以上であり、さらに共振周波数振動が−０．００７％未満に抑えられていることが判る。特に、Ｍｎを０．２質量％添加した実施例１に係る振動子では、機械的品質係数（Ｑｍ）が５０００近い値を示し、振動速度も高い値（２．４ｍ／ｓ）を示した。
（実施例１〜５）
表１〜３から明らかなように、ＭｎＣＯ３を用いてＭｎを０．２質量％以上０．８質量％以下添加した、実施例１〜５に係る振動子については、機械的品質係数（Ｑｍ）が十分に高く、振動速度が概ね２ｍ／ｓ以上であり、さらに共振周波数振動が−０．００７％未満に抑えられていることが判る。特に、Ｍｎを０．２質量％添加した実施例１に係る振動子では、機械的品質係数（Ｑｍ）が５０００近い値を示し、振動速度も高い値（２．４ｍ／ｓ）を示した。
（実施例６、７）
また、ＳｒＢｉ４Ｔｉ４Ｏ１５の２０ｍｏｌ％又は４０ｍｏｌ％をＢａＢｉ４Ｔｉ４Ｏ１５に置換した実施例６、７に係る振動子においても、Ｍｎ含有量が同じであってＢａによる置換がなされていない実施例１に係る振動子と同様に、全ての評価項目（機械的品質係数、振動速度、及び共振周波数変動）について優れた結果を示すことが判る。
また、ＳｒＢｉ４Ｔｉ４Ｏ１５の２０ｍｏｌ％又は４０ｍｏｌ％をＢａＢｉ４Ｔｉ４Ｏ１５に置換した実施例６、７に係る振動子においても、Ｍｎ含有量が同じであってＢａによる置換がなされていない実施例１に係る振動子と同様に、全ての評価項目（機械的品質係数、振動速度、及び共振周波数変動）について優れた結果を示すことが判る。
（比較例１、２）
これに対し、実施例１〜５の主成分のうちの一方Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２のみを主成分とする比較例１に係る振動子については、圧電磁器の抵抗率が低く、分極処理時に電流が流れてしまい当該処理ができないことから、振動速度及び共振周波数変動について測定できなかった。また、実施例１〜５の主成分のうちの他方ＳｒＢｉ４Ｔｉ４Ｏ１５のみを主成分とする比較例２に係る振動子については、比較的大きな機械的品質係数（Ｑｍ）（約２５００）を示したが、振動子の密度も低く振動速度が非常に小さいため、振動速度及び共振周波数変動については正確に測定できなかった。
これに対し、実施例１〜５の主成分のうちの一方Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２のみを主成分とする比較例１に係る振動子については、圧電磁器の抵抗率が低く、分極処理時に電流が流れてしまい当該処理ができないことから、振動速度及び共振周波数変動について測定できなかった。また、実施例１〜５の主成分のうちの他方ＳｒＢｉ４Ｔｉ４Ｏ１５のみを主成分とする比較例２に係る振動子については、比較的大きな機械的品質係数（Ｑｍ）（約２５００）を示したが、振動子の密度も低く振動速度が非常に小さいため、振動速度及び共振周波数変動については正確に測定できなかった。
（比較例３、４）
また、実施例１〜５の主成分においてＭｎを含まない比較例３に係る振動子については、機械的品質係数（Ｑｍ）が３０００を上回り、比較例１、２に対し、比較例１、２の成分を併せ持ったことに対する効果が実証されているが、振動速度及び共振周波数変動については実施例１〜７と同等の結果が得られていないことが判る。また、実施例１〜５のＭｎ添加量を１．０質量％に変更した、比較例４に係る振動子については、機械的品質係数（Ｑｍ）が２０００未満となるばかりでなく、実施例１〜５に対し振動速度が大きく低下し、しかも共振周波数変動も大きくなることが判る。
また、実施例１〜５の主成分においてＭｎを含まない比較例３に係る振動子については、機械的品質係数（Ｑｍ）が３０００を上回り、比較例１、２に対し、比較例１、２の成分を併せ持ったことに対する効果が実証されているが、振動速度及び共振周波数変動については実施例１〜７と同等の結果が得られていないことが判る。また、実施例１〜５のＭｎ添加量を１．０質量％に変更した、比較例４に係る振動子については、機械的品質係数（Ｑｍ）が２０００未満となるばかりでなく、実施例１〜５に対し振動速度が大きく低下し、しかも共振周波数変動も大きくなることが判る。
（比較例５、６）
加えて、実施例６、７のＢａＢｉ４Ｔｉ４Ｏ１５置換量を６０ｍｏｌ％に変更した、比較例５に係る振動子については、分極処理ができないことから、振動速度及び共振周波数変動について測定できなかった。また、実施例６における置換物質ＢａＢｉ４Ｔｉ４Ｏ１５をＣａＢｉ４Ｔｉ４Ｏ１５に同量にて変更した、比較例６に係る振動子については、全ての評価項目（機械的品質係数、振動速度、及び共振周波数変動）について、実施例６に係る振動子に比べて優れた結果が得られておらず、Ｃａを含む酸化物を使用することに効果はないことが判る。
加えて、実施例６、７のＢａＢｉ４Ｔｉ４Ｏ１５置換量を６０ｍｏｌ％に変更した、比較例５に係る振動子については、分極処理ができないことから、振動速度及び共振周波数変動について測定できなかった。また、実施例６における置換物質ＢａＢｉ４Ｔｉ４Ｏ１５をＣａＢｉ４Ｔｉ４Ｏ１５に同量にて変更した、比較例６に係る振動子については、全ての評価項目（機械的品質係数、振動速度、及び共振周波数変動）について、実施例６に係る振動子に比べて優れた結果が得られておらず、Ｃａを含む酸化物を使用することに効果はないことが判る。
以上のように、本発明に係る圧電組成物は、Ｐｂを含まないか或いは殆ど含まないことから、環境上の問題に配慮することができ、特に、優れた機械的品質係数（Ｑｍ）、換言すれば優れた圧電特性を有し、駆動時の発熱の少ない圧電磁器を製造することに有用である。
１０、２０ 振動子
１２、２２ 圧電磁器
１４、１６、２４、２６ 電極
３０ 超音波モータ
４０ ランジュバン振動子部分
４２ アルミシリンダ
４４ａ、４４ｂ 振動子
４６ スペーサー
４８ アルミホーン
５０ ねじり結合子
５０Ｘ 本体
５０Ｙ つまみ部
５０ａ、５０ｂ 足部
５０ｃ 切り欠き部
５０ｄ 上端面部
５２ レーザー照射装置
５４ ファンクションジェネレータ
５６ パワーアンプ
６２、６４ ばね端子
６６、６８ アルミホイル
１２、２２ 圧電磁器
１４、１６、２４、２６ 電極
３０ 超音波モータ
４０ ランジュバン振動子部分
４２ アルミシリンダ
４４ａ、４４ｂ 振動子
４６ スペーサー
４８ アルミホーン
５０ ねじり結合子
５０Ｘ 本体
５０Ｙ つまみ部
５０ａ、５０ｂ 足部
５０ｃ 切り欠き部
５０ｄ 上端面部
５２ レーザー照射装置
５４ ファンクションジェネレータ
５６ パワーアンプ
６２、６４ ばね端子
６６、６８ アルミホイル
Claims (3)
- 主成分として、一般式：Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２−ＳｒＢｉ４Ｔｉ４Ｏ１５で表される化合物を含み、副成分としてＭｎ又はＭｎ化合物を含み、Ｍｎ含有量が主成分量を基準として１．０質量％未満であることを特徴とする圧電組成物を用いる圧電磁器と電極とを備え、機械的品質係数が１０００以上であることを特徴とする振動子。
- 前記ＳｒＢｉ４Ｔｉ４Ｏ１５の４０ｍｏｌ％以下を、ＢａＢｉ４Ｔｉ４Ｏ１５で置換した前記圧電組成物を用いる圧電磁器と電極とを備えることを特徴とする請求項1記載の振動子。
- 請求項１または請求項２に記載の振動子を備えることを特徴とする超音波モータ。
Priority Applications (3)
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| JP2010082909A JP5526945B2 (ja) | 2010-03-31 | 2010-03-31 | 圧電組成物、圧電磁器、振動子、及び超音波モータ |
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