JP5591050B2 - 圧電材料、圧電素子、液体吐出ヘッドおよび超音波モータ - Google Patents
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Description
非特許文献1には、ニオブ酸バリウムビスマス系の圧電材料が開示されている。また、特許文献1には、ニオブ酸バリウムリチウムを主成分とし、ニオブ酸ビスマスを副成分として含有する材料系が開示されている。
また、特許文献1の材料系においてもビスマスが多くなるとキュリー温度が低下するという課題があった。
また、本発明は、前記圧電材料を用いた圧電素子、液体吐出ヘッドおよび超音波モータを提供するものである。
下記一般式(2)で表されるタングステンブロンズ構造金属酸化物を含有する圧電材料であって、前記タングステンブロンズ構造金属酸化物にLiが含有されており、前記Liの含有量が金属換算で前記タングステンブロンズ構造金属酸化物100重量部に対して0.015重量部以上0.600重量部以下であることを特徴とする圧電材料。
(式中、a、b、c、dは0.6≦a<0.85、0≦b<0.40、0<c≦0.20、0≦d≦0.20の数値を表す。ただし、a+b+c+d=1である。)
である。
前記課題を解決するための液体吐出ヘッドは、前記圧電素子を用いた液体吐出ヘッドである。
前記課題を解決するための超音波モータは、前記圧電素子を用いた超音波モータである。
また、Aに含まれるBaとBiのモル比が5.7≦Ba/Bi≦6.3であることが好ましい。
また、AがBa、BiおよびNaを含み、BがNbからなることが好ましい。
また、AがCa、Ba、BiおよびNaを含み、BがNbからなることが好ましい。
また、Aに含まれるBiとNaのモル比が0.5≦Bi/Na≦1.5であることが好ましい。
また、本発明における好ましい圧電材料として以下の圧電材料が挙げられる。すなわち、下記一般式(3)で表されるタングステンブロンズ構造金属酸化物を含有する圧電材料であって、
前記タングステンブロンズ構造金属酸化物にLiが含有されており、前記Liの含有量が金属換算で前記タングステンブロンズ構造金属酸化物100重量部に対して0.015重量部以上0.600重量部以下であることを特徴とする圧電材料。
一般式(3)
(Ba e 、M f 、Bi g 、Na h ) 14/3−5.3 (Nb i Ta j ) 10 O 30
(式中、MはCaまたはSrから選ばれる少なくとも1種の元素である。e、f、g、h、iおよびjは0.6≦e≦0.86、0≦f≦0.35、0.025≦g≦0.20、0.025≦h≦0.20、0.80≦i≦1.00、0≦j≦0.20の数値を表す。ただし、e+f+g+h=1、i+j=1である。)
(Ba、Ca)4Bi2/3(Nb、Ta)10O30の例
原料には、炭酸バリウム、炭酸カルシウム、酸化ビスマス、酸化ニオブ、酸化タンタルおよび炭酸リチウム粉末を用いた。各粉末を目的の組成になるように秤量し、混合した。混合した粉末を大気中900から1100℃で2から5時間かけて仮焼した。仮焼粉を粉砕し、バインダーを加えて造粒した。造粒粉を金型内に充填し、圧縮することで成形体を作製した。得られた成形体を1000から1400℃で空気中で2から6時間焼成することにより、焼結体を得た。焼結温度は炭酸リチウムの量が多くなるとともに低下させた。
(1)焼結体の組成
焼結体の組成はBa、Bi、Ca、NbおよびTaをICP発光分光分析法で、Liを原子吸光分析法で、それぞれ定量した。
以下の実施例で述べられるLi(重量部)は、上記方法により求めた値である。
(2)キュリー温度(Tc)
キュリー温度(Tc)は、周波数1MHzの微小交流電界を用いて、誘電率の温度依存性を測定し、その最大値を示す温度とした。
(3)c軸長
c軸長は、(002)面のd値をX線回折パターンから求めることにより決定した。
(4)圧電性
圧電性は、X線回折による結晶構造から圧電性の有無を評価し、キュリー温度の結果、アルキメデス法による相対密度と併せて評価した。
○:圧電性があり、Liを含有することによりキュリー温度が上昇し、かつ相対密度が97%以上のもの
△:圧電性はあるが、Liを含有してもキュリー温度が上昇しなかった、もしくは相対密度が97%未満であったもの
×:圧電性がない、もしくは異相が存在し評価できなかったもの。
(Ba、Bi、Na)xNb10O30の例
原料には、炭酸バリウム、酸化ビスマス、炭酸ナトリウム、酸化ニオブおよび炭酸リチウム粉末を用いた。各粉末を目的の組成になるように秤量し、混合した。混合した粉末を大気中900から1100℃で2から5時間かけて仮焼した。仮焼粉を粉砕し、バインダーを加えて造粒した。造粒粉を金型内に充填し、圧縮することで成形体を作製した。得られた成形体を1000から1400℃で空気中2から6時間焼成することにより焼結体を得た。焼結温度は炭酸リチウムと炭酸ナトリウムの量が多くなるとともに低下させた。得られた焼結体は実施例1から4と同様の手法で研磨、加工、評価を行なった。その結果を表2に示す。
(Ba、Bi、Na)5(Nb、Ta)10O30の例
原料には、炭酸バリウム、酸化ビスマス、炭酸ナトリウム、酸化ニオブ、酸化タンタルおよび炭酸リチウム粉末を用いた。各粉末を目的の組成になるように秤量し、混合した。混合した粉末を大気中900から1100℃で2から5時間かけて仮焼した。仮焼粉を粉砕し、バインダーを加えて造粒した。造粒粉を金型内に充填し、圧縮することで成形体を作製した。得られた成形体を1000から1400℃で空気中2から6時間焼成することにより焼結体を得た。焼結温度は炭酸リチウムと炭酸ナトリウムの量が多くなるとともに低下させ、酸化タンタルの量が多くなるとともに上昇させた。得られた焼結体は実施例1から18と同様の手法で研磨、加工、評価を行なった。その結果を表3に示す。
(Ba、Ca、Bi、Na)5Nb10O30の例
原料には、炭酸バリウム、炭酸カルシウム、酸化ビスマス、炭酸ナトリウム、酸化ニオブおよび炭酸リチウム粉末を用いた。各粉末を目的の組成になるように秤量し、混合した。混合された粉末を大気中900から1100℃で2から5時間かけて仮焼した。仮焼粉を粉砕し、バインダーを加えて造粒した。造粒粉を金型内に充填し、圧縮することで成形体を作製した。得られた成形体を1000から1400℃で空気中2から6時間焼成することにより焼結体を得た。焼結温度は炭酸リチウムと炭酸ナトリウムの量が多くなるとともに低下させた。得られた焼結体は実施例1と同様の手法で研磨、加工、評価を行なった。その結果を表4に示す。
(Ba、Sr、Bi、Na)xNb10O30の例
原料には、炭酸バリウム、炭酸ストロンチウム、酸化ビスマス、炭酸ナトリウム、酸化ニオブおよび炭酸リチウム粉末を用いた。各粉末を目的の組成になるように秤量し、混合した。混合した粉末を大気中900から1100℃で2から5時間かけて仮焼した。仮焼粉を粉砕し、バインダーを加えて造粒した。造粒粉を金型内に充填し、圧縮することで成形体を作製した。得られた成形体を1000から1400℃で空気中2から6時間焼成することにより焼結体を得た。焼結温度は炭酸リチウムと炭酸ナトリウムの量が多くなるとともに低下させた。得られた焼結体は1から24と同様の手法で研磨、加工、評価を行なった。その結果を表5に示す。
(Ba、Sr)6Ti2Nb8O30の例原料には、炭酸バリウム、炭酸ストロンチウム、酸化チタン、酸化ニオブおよび炭酸リチウム粉末を用いた。各粉末を目的の組成になるように秤量し、混合した。混合した粉末を大気中900から1100℃で2から5時間かけて仮焼した。仮焼粉を粉砕し、バインダーを加えて造粒した。造粒粉を金型内に充填し、圧縮することで成形体を作製した。得られた成形体を1000から1400℃で空気中2から6時間焼成することにより焼結体を得た。焼結温度は炭酸リチウムを含むものは低下させた。得られた焼結体は実施例1から29と同様の手法で研磨、加工、評価を行なった。結果を表6に示す。
以上の結果より、一般式(1)におけるxの値がx<5.5であるタングステンブロンズ構造金属酸化物の圧電材料にLiを含有させると、該圧電材料のキュリー温度が上昇することが分かった。
実施例8と同じ組成である(Ba0.75、Bi0.125、Na0.125)5Nb10O30にLiを0.019重量部含有させた圧電材料を用いて、図1および図2に示される、液体吐出ヘッド及び超音波モータを試作した。液体吐出ヘッド、超音波モータともに良好な特性であった。
10 圧電素子
11 吐出口
12 連通孔
13 個別液室
14 共通液室
15 振動板
16 下部電極
18 上部電極
19 バッファ層
21 弾性体リング
22 圧電素子
24 振動体
25 ローター
61 振動子
62 ローター
63 圧電素子
Claims (8)
- 下記一般式(3)で表されるタングステンブロンズ構造金属酸化物を含有する圧電材料であって、
前記タングステンブロンズ構造金属酸化物にLiが含有されており、前記Liの含有量が金属換算で前記タングステンブロンズ構造金属酸化物100重量部に対して0.015重量部以上0.600重量部以下であることを特徴とする圧電材料。
一般式(3)
(Ba e 、M f 、Bi g 、Na h ) 4.98 − 5.03 (Nb i Ta j ) 10 O 30
(式中、MはCaまたはSrから選ばれる少なくとも1種の元素である。e、f、g、h、iおよびjは0.6≦e≦0.86、0≦f≦0.35、0.025≦g≦0.20、0.025≦h≦0.20、0.80≦i≦1.00、0≦j≦0.20の数値を表す。ただし、e+f+g+h=1、i+j=1である。) - 前記圧電材料のc軸長がLiを含まない場合の前記タングステンブロンズ構造金属酸化物のc軸長より大きいことを特徴とする請求項1または2に記載の圧電材料。
- 前記Aに含まれるBiとNaのモル比が0.5≦Bi/Na≦1.5であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の圧電材料。
- 第一の電極、圧電材料および第二の電極を少なくとも有する圧電素子であって、前記圧電材料が請求項1乃至4のいずれかに記載の圧電材料であることを特徴とする圧電素子。
- 請求項5に記載の圧電素子を用いた液体吐出ヘッド。
- 請求項5に記載の圧電素子を用いた超音波モータ。
- 請求項1乃至4のいずれかに記載の圧電材料を用いたデバイス。
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