JP5980354B2 - 圧電セラミックス、圧電セラミックスの製造方法、圧電素子、および電子機器 - Google Patents
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Description
(Ba1−xCax)q(Ti1−yZry)O3 (1)
(式中、xは0.125≦x≦0.300、yは0.041≦y≦0.074、qは0.986≦q≦1.020である。)
本発明に係る圧電素子は、第一の電極1、圧電材料部2および第二の電極3を少なくとも有する圧電素子である。前記圧電材料部2が本発明の圧電セラミックスから構成されており、かつ前記第一の電極および第二の電極が前記圧電セラミックスの残留分極の方向と交差している。図5は本発明の圧電素子の構成の一実施形態における縦断面図であり、直方体形状の圧電材料部2に直方体形状の第一の電極1および第二の電極3を付した構成を一例として示している。矢印Aは残留分極の方向を表わしている。また、第一の電極1および第二の電極3は、圧電材料部2の対向する面に設けられている。圧電材料部2の形状は直方体形状に限定されず、円柱や多面体であっても構わない。さらに、第一の電極1および第二の電極3の配置および形状もこれらに限定されるものではなく、対抗する面に設けられていれば、所望の形状にパターニングされていても構わない。
図6は本発明の振動体の構成の一実施態様を示す概略図である。
次に、本発明の液体吐出ヘッドについて説明する。
次に、本発明の液体吐出装置について説明する。本発明の液体吐出装置は、被転写体の載置部と前記液体吐出ヘッドを備えることを特徴とする。
次に、本発明の超音波モータについて説明する。本発明に係る超音波モータは、前記振動体と、前記振動体と接触する移動体とを少なくとも有することを特徴とする。また、前記振動体は本発明の振動体であることが好ましい。
次に、本発明の光学機器について説明する。本発明の光学機器は、駆動部に前記超音波モータを備えることを特徴とする。
粒子、粉体、液体の搬送、除去等で利用される振動装置は、電子機器等で広く使用されている。以下、本発明の振動装置の一つの例として、本発明の圧電素子を用いた塵埃除去装置について説明する。
次に、本発明の撮像装置について説明する。本発明の撮像装置は、前記塵埃除去装置と撮像素子ユニットとを少なくとも有する撮像装置であって、前記塵埃除去装置の振動板を前記撮像素子ユニットの受光面側に設けた事を特徴とする。図16および図17は本発明の撮像装置の好適な実施形態の一例であるデジタル一眼レフカメラを示す図である。
次に、本発明の電子機器について説明する。本発明の電子機器は、前記圧電素子を備えた圧電音響部品を有することを特徴とする。圧電音響部品にはスピーカ、ブザー、マイク、表面弾性波(SAW)素子が含まれる。
(実施例1)
(Ba1−xCax)q(Ti1−yZry)O3 (1)
(式中、xは0.125≦x≦0.300、yは0.041≦y≦0.074、qは0.986≦q≦1.020である。)
(Ba1−xCax)q(Ti1−yZry)O3の一般式(1)において、x=0.16、y=0.06、q=1.006の組成に相当する(Ba0.84Ca0.16)1.006(Ti0.94Zr0.06)O3の原料粉を以下のように秤量した。
得られたセラミックスを厚さ0.5mmになるように研磨した後に、前記セラミックスの表裏両面にAgペーストを焼き付けて、厚み3μmの電極を形成した。焼き付け条件は、まず、800℃まで5℃/分の速度で昇温させた後、800℃で5分保持した。その後、毎時350℃の速度で降温させ、40℃まで温度が下がってから電極付きのセラミックスを電気炉から取り出した。
得られた電極付きのセラミックスを10mm×2.5mm×0.5mmの短冊状に切断加工した。短冊状の電極付きセラミックスを、140℃に加熱したホットプレートに載せ、表裏面の電極間に0.6kV/mmの電界を30分間印加した。その後、ホットプレートを毎時200℃の速度で降温させ、40℃まで温度が下がってから電圧の印加を止めて、本発明の圧電セラミックスを備える圧電素子を得た。
得られた圧電セラミックスの残留分極の方向を評価するために、分極済みの短冊状の圧電素子を図2のように任意の角度β(0°≦β<360°)で切り出した。切り出した分極済みのセラミックスにスパッタリングによって第1の電極Auと第2の電極Auを付し、d33メータで圧電定数を評価した。その結果、β=180°のときに最大値を示した。これより、圧電素子を構成する圧電セラミックスの残留分極の方向は、Ag電極面と垂直な方向であることが分かった。
続いて短冊状の圧電素子を構成する圧電セラミックスの結晶構造を評価した。評価は圧電素子の残留分極の方向に沿った被測定面(2.5mm×0.5mmの面)にX線を照射することにより行った。評価はXRD(ブルカー・エイエックスエス株式会社製:D8 ADVANCE)を用いて、2θ−θ法により測定を行った。管球の線源にはCu−Kα線を用いて、2θの測定範囲を20°から50°までとし、スキャン速度は0.50度/分、サンプリング間隔は0.02度とした。また、入射光のスポット径は50μmとした。その結果、被測定面の(002)/(200)回折強度比は1.46、c/aは1.007、被測定面の(002)回折ピークの半価幅は0.36°であった。このとき室温は25℃であった。
短冊状の圧電素子の比誘電率εr、電気機械結合定数k31および機械的品質係数Qmをインピーダンスアナライザによって評価した。このとき室温は25℃であった。インピーダンスアナライザの印加電圧は0.05Vppとした。結果、比誘電率εr=1780、電気機械結合定数k31=0.219、機械的品質係数Qm=1700であった。なお、電気機械結合定数k31と機械的品質係数Qmは共振−反共振法により評価した。
原料粉に酸化ビスマス粉を用いた点以外は実施例1と同様の工程で、実施例2から10のセラミックスを作製した。ただし、各成分の秤量比率は表1に示す比率にした。表1のA1/B1とはBaとCaのモル量の和A1とTi、ZrおよびMnのモル量の和B1との比である。次に、実施例1と同様に平均円相当径と相対密度を評価した。その結果を表2に示す。実施例1と同様に組成分析を行った結果、いずれのサンプルにおいても表1に示した秤量組成と焼結後の組成は表記した有効桁数において一致していることが分かった。
(比較例1)
(Ba1−xCax)q(Ti1−yZry)O3の一般式において、x=0.10、y=0、q=1.000の組成に相当する(Ba0.90Ca0.10)1.000TiO3の原料粉を以下のように秤量した。
得られたセラミックスを厚さ0.5mmになるように研磨した後に、前記セラミックスの表裏両面にAgペーストを焼き付けて、厚み3μmの電極を形成した。焼き付けは、まず、600℃まで毎分5℃の速度で昇温させた後、600℃で2時間保持した後に加熱を止めた。その後、毎時50℃の速度で降温させ、40℃まで温度が下がってからセラミックスを電気炉から取り出した。
得られた電極付きのセラミックスを10mm×2.5mm×0.5mmの短冊状に切断加工した。短冊状の電極付きセラミックスを、70℃に加熱したシリコーンオイル中に入れ、表裏面の電極間に1.0kV/mmの電界を30分間印加した。その後、毎時50℃の速度で降温させ、電界の印加を止め、比較例1の圧電セラミックスを備える圧電素子を得た。
得られた圧電セラミックスの残留分極の方向を評価するために、分極済みの短冊状の圧電素子を図2のように任意の角度β(0°≦β<360°)で切り出した。切り出した分極済みのセラミックスにスパッタリングによって第1の電極Auと第2の電極Auを付し、d33メータで圧電定数を評価した。その結果、β=180°のときに最大値を示した。これより、圧電素子を構成する圧電セラミックスの残留分極の方向は、Ag電極面と垂直な方向であることが分かった。
続いて、短冊状の圧電素子を構成する圧電セラミックスの結晶構造を評価した。評価は圧電素子の残留分極の方向に沿った被測定面(2.5mm×0.5mmの面)にX線を照射することにより行った。評価はXRD(ブルカー・エイエックスエス株式会社製:D8ADVANCE)を用いて、2θ−θ法により測定を行った。管球の線源にはCu−Kα線を用いて、2θの測定範囲を20°から50°までとし、スキャン速度は0.50度/分、サンプリング間隔は0.02度とした。また、入射光のスポット径は50μmとした。その結果、被測定面の(002)/(200)回折強度比は0.91、c/aは1.009、被測定面の(002)回折ピークの半価幅は0.38°であった。このとき室温は25℃であった。
短冊状の圧電素子の比誘電率εr、電気機械結合定数k31および機械的品質係数Qmをインピーダンスアナライザによって評価した。このとき室温は25℃であった。インピーダンスアナライザの印加電圧は0.05Vppとした。結果、比誘電率εr=880、電気機械結合定数k31=0.119、機械的品質係数Qm=1700であった。なお、電気機械結合定数k31と機械的品質係数Qmは共振−反共振法により評価した。
(比較例2)
水熱合成法によって得られた粒径100nmのチタン酸バリウムを含有するペロブスカイト型金属酸化物粉に対して、3重量部となるPVAバインダを、スプレードライヤ装置を用いて、チタン酸バリウム粉表面に付着させ造粒した。
得られたセラミックスを厚さ0.5mmになるように研磨した後に、前記セラミックスの表裏両面にDCスパッタリング法により厚さ400nmの金電極を形成した。なお、電極とセラミックスの間には、密着層として30nmのチタンを成膜した。成膜は加熱をしないで行った。また、金電極形成後に熱処理は行わなかった。
得られた電極付きのセラミックスを10mm×2.5mm×0.5mmの短冊状に切断加工した。短冊状の電極付きセラミックスを、100℃に加熱したホットプレートに載せ、表裏面の電極間に1.0kV/mmの電界を30分間印加した。その後、毎時50℃の速度で降温させ、電界の印加を止め、比較例2の圧電セラミックスを備える圧電素子を得た。
比較例1と同様の工程で、得られた圧電セラミックスの残留分極の方向を評価した。その結果、β=180°のときに最大値を示した。これより、圧電素子を構成する圧電セラミックスの残留分極の方向は、Au電極面と垂直な方向であることが分かった。
続いて、比較例1と同様の工程で短冊状の比較例2の圧電素子を構成する圧電セラミックスの結晶構造を評価した。このとき室温は25℃であった。その結果、被測定面の(002)/(200)回折強度比は0.97、c/aは1.009、被測定面の(002)回折ピークの半価幅は0.13°であった。また、残留分極の方向に交差する面の(002)/(200)回折強度比は0.96であった。
続いて、比較例1と同様の工程で比誘電率εr、電気機械結合定数k31、機械的品質係数Qmおよび消費電力を評価した。このとき室温は25℃であった。結果、比誘電率εr=3650、電気機械結合定数k31=0.188、機械的品質係数Qm=280、消費電力は72mWであった。
実施例1から10と同様の工程で、セラミックスを作製するために成形体を作製した。ただし各成分の秤量比率を表1に示す比率にした。
得られたセラミックスを厚さ0.5mmになるように研磨した後に、前記セラミックスの表裏両面にDCスパッタリング法により厚さ400nmの金電極を形成した。なお、電極とセラミックスの間には、密着層として30nmのチタンを成膜した。成膜は加熱をしないで行った。また金電極形成後に熱処理は行わなかった。
得られた電極付きのセラミックスを10mm×2.5mm×0.5mmの短冊状に切断加工した。短冊状の電極付きセラミックスを、100℃に加熱したホットプレートに載せ、表裏面の電極間に1.0kV/mmの電界を30分間印加した。その後、毎時50℃の速度で降温させ、電界の印加を止め、比較例3の圧電セラミックスを備える圧電素子を得た。
比較例1と同様の工程で、得られた圧電セラミックスの残留分極の方向を評価した。その結果、β=180°のときに最大値を示した。これより、圧電素子を構成する圧電セラミックスの残留分極の方向は、Au電極面と垂直な方向であることが分かった。
続いて、比較例1と同様の工程で短冊状の比較例3の圧電素子を構成する圧電セラミックスの結晶構造を評価した。このとき室温は25℃であった。その結果、被測定面の(002)/(200)回折強度比は1.19、c/aは1.001、被測定面の(002)回折ピークの半価幅は0.45°であった。また、残留分極の方向に交差する面の(002)/(200)回折強度比は1.09であった。
続いて、比較例1と同様の工程で比誘電率εr、電気機械結合定数k31、機械的品質係数Qmおよび消費電力を評価した。このとき室温は25℃であった。結果、比誘電率εr=2520、電気機械結合定数k31=0.188、機械的品質係数Qm=1810、消費電力は31mWであった。
(実施例11)
実施例1の圧電セラミックス(熱膨張係数8×10−6/K)を用いて、実施例1と同様の工程で、電極の作製および分極処理を行い、圧電素子を得た。得られた10mm×2.5mm×0.5mmの短冊状の圧電素子に、10mm×2.5mm×2.5mmのインバー(熱膨張係数1×10−6/K)より成る振動板を室温硬化の接着剤を用いて貼り付け、図6に示される構造の振動体を作製した。
実施例1の圧電セラミックス(熱膨張係数8×10−6/K)を用いて、実施例1と同様の工程で、電極の作製および分極処理を行い、圧電素子を得た。得られた10mm×2.5mm×0.5mmの短冊状の圧電素子に、10mm×2.5mm×2.5mmのSUS420(熱膨張係数9×10−6K)より成る振動板を室温硬化の接着剤を用いて貼り付け、図6に示される構造の振動体を作製した。
さらに、比較例2の圧電セラミックス(熱膨張係数7.8×10−6/K)を用いて、実施例1と同様の工程で、電極の作製および分極処理を行い、圧電素子を得た。得られた10mm×2.5mm×0.5mmの短冊状の圧電素子に、10mm×2.5mm×2.5mmのSUS420(熱膨張係数9×10−6K)より成る振動板を室温硬化の接着剤を用いて貼り付け、図6に示される構造の振動体を作製した。
(実施例13)
実施例1の圧電セラミックスを用いて、図7(b)に示される構造の液体吐出ヘッドを作製した。入力した電気信号に追随したインクの吐出が確認された。
比較例3の圧電セラミックスを用いて、図7(b)に示される構造の液体吐出ヘッドを作製した。入力した電気信号に追随したインクの吐出が確認された。このとき、消費電力は実施例13の2倍であった。
(実施例14)
実施例13の液体吐出ヘッドを用いて、図8に示される構造の液体吐出装置を作製した。入力した電気信号に追随したインクの吐出が記録媒体上に確認された。
比較例5の液体吐出ヘッドを用いて、図8に示される構造の液体吐出装置を作製した。入力した電気信号に追随したインクの吐出が記録媒体上に確認された。このとき、消費電力は実施例14の2倍であった。
(実施例15)
実施例11と同じ材質の振動体を用いて、図10に示される構造の超音波モータを作製した。150gf・cmの負荷をかけて回転数が100rpmになるよう入力電圧を調整し、そのときの効率を評価した。結果、効率は11.1%であった。
実施例12と同じ材質の振動体を用いて、図10に示される構造の超音波モータを作製した。150gf・cmの負荷をかけて回転数が100rpmになるよう入力電圧を調整し、そのときの効率を評価した。結果、効率は12.7%であった。
比較例4と同じ材質の振動体を用いて、図10に示される構造の超音波モータを作製した。150gf・cmの負荷をかけて回転数が100rpmになるよう入力電圧を調整したが、100rpmに到達することはなかった。
(実施例17)
実施例16の超音波モータを用いて、図11に示される構造の光学機器を作製した。交番電圧の印加に応じたオートフォーカス動作が確認された。
比較例7の超音波モータを用いて、図11に示される構造の光学機器を作製した。交番電圧の印加に応じたオートフォーカス動作が確認された。このとき、消費電力は実施例17の2.5倍であった。
(実施例18)
実施例1の圧電セラミックスを用いて、図13に示される構造の塵埃除去装置を作製した。プラスチック製ビーズを散布し、交番電圧を印加したところ、良好な塵埃除去率が確認された。
比較例3の圧電セラミックスを用いて、図13に示される構造の塵埃除去装置を作製した。プラスチック製ビーズを散布し、交番電圧を印加し、塵埃除去を行った。このとき、消費電力は実施例18の2倍であった。
(実施例19)
実施例18の塵埃除去装置を用いて、図16に示される構造の撮像装置を作製した。作成した装置を動作させたところ、撮像ユニットの表面の塵を良好に除去し、塵欠陥の無い画像が得られた。
比較例9の塵埃除去装置を用いて、図16に示される構造の撮像装置を作製した。作成した装置を動作させたところ、撮像ユニットの表面の塵を良好に除去し、塵欠陥の無い画像が得られた。しかし、このときの消費電力は実施例19の2倍であった。
(実施例20)
実施例1の圧電セラミックスを用いて、図18に示される構造の電子機器を作製した。交番電圧の印加に応じたスピーカ動作が確認された。
比較例3の圧電セラミックスを用いて、図18に示される構造の電子機器を作製した。交番電圧の印加に応じたスピーカ動作が確認された。このとき、消費電力は実施例20の2倍であった。
2 圧電材料部
3 第二の電極
4 被測定面
5 切り出し面
6 cドメイン
7 aドメイン
Claims (24)
- チタン酸バリウムを含有するペロブスカイト型金属酸化物とMnとを含有する、残留分極を有する圧電セラミックスであって、前記圧電セラミックスの残留分極の方向に沿った面を被測定面とした際に、室温の前記被測定面のX線回折による(002)/(200)回折強度比が1.0以上であり、室温の前記圧電セラミックスのc軸の格子定数cとa軸の格子定数aとの比c/aが1.004≦c/a≦1.010であり、室温の前記(002)回折ピークの半値幅が1.2°以下であることを特徴とする圧電セラミックス。
- 前記ペロブスカイト型金属酸化物が、下記一般式(1)で表わされることを特徴とする請求項1に記載の圧電セラミックス。
(Ba1−xCax)q(Ti1−yZry)O3 (1)
(式中、xは0.125≦x≦0.300、yは0.041≦y≦0.074、qは0.986≦q≦1.020である。) - 前記Mnの含有量が、前記ペロブスカイト型金属酸化物100重量部に対して金属換算で0.04重量部以上0.50重量部以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の圧電セラミックス。
- 前記圧電セラミックスが、さらにBiを含有することを特徴とする請求項1乃至3のいずれかの1項に記載の圧電セラミックス。
- 前記Biの含有量が、前記ペロブスカイト型金属酸化物100重量部に対して金属換算で0.04重量部以上0.80重量部以下であることを特徴とする請求項4に記載の圧電セラミックス。
- 室温における電気機械結合定数k31が0.200以上であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかの1項に記載の圧電セラミックス。
- 室温における機械的品質係数Qmが400以上であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかの1項に記載の圧電セラミックス。
- 室温における比誘電率εrが2500以下であることを特徴とする請求項1乃至7のいずれかの項に記載の圧電セラミックス。
- 請求項1乃至8のいずれかの1項に記載の圧電セラミックスの製造方法であって、少なくとも、原料粉からなる成形体を作る工程と、前記成形体を焼結して圧電セラミックスを得る工程とを順に有しており、前記圧電セラミックスを得る工程において、1100℃から1400℃の最高温度で焼結し、毎時50℃以上の速度で降温する工程を有することを特徴とする圧電セラミックスの製造方法。
- 第一の電極、圧電材料部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、前記圧電材料部が請求項1乃至8のいずれかの1項に記載の圧電セラミックスから構成されており、かつ前記第一の電極および第二の電極が前記圧電セラミックスの残留分極の方向と交差していることを特徴とする圧電素子。
- 請求項10に記載の圧電素子の製造方法であって、少なくとも、原料粉からなる成形体を作る工程と、前記成形体を焼結して圧電セラミックスを得る工程と、前記圧電セラミックスに第一の電極と第二の電極を設ける工程と、前記圧電セラミックスを分極処理する工程とを順に有しており、前記圧電セラミックスに第一の電極と第二の電極を設ける工程において、前記圧電セラミックス、前記第一の電極、前記第二の電極を700℃から900℃の最高温度で熱処理し、毎時100℃以上の速度で降温する工程を有することを特徴とする圧電素子の製造方法。
- 前記圧電セラミックスを分極処理する工程において、前記圧電セラミックスを加熱し、直流電圧を印加した後に電圧印加を継続しながら毎時100℃以上の速度で降温する工程を有することを特徴とする請求項11に記載の圧電素子の製造方法。
- 請求項10に記載の圧電素子を振動板に配した振動体であって、前記圧電素子の圧電材料部を構成する圧電セラミックスの振動板と接触している面を底面、接触していない面を表面としたときに、室温の前記圧電セラミックスの端部の被測定面の底面近傍のX線回折による(002)/(200)回折強度比Aと、室温の前記被測定面の表面近傍のX線回折による(002)/(200)回折強度比Bとが、A>Bの関係を有することを特徴とする振動体。
- 前記圧電素子の圧電材料部を構成する圧電セラミックスの室温の熱膨張係数をα1、前記振動板の室温の熱膨張係数をα2としたときに、α1<α2であることを特徴とする請求項13に記載の振動体。
- 請求項10に記載の圧電素子を配した振動部を備えた液室と、前記液室と連通する吐出口を少なくとも有することを特徴とする液体吐出ヘッド。
- 請求項13または14に記載の振動体を振動部に備えた液室と、前記液室と連通する吐出口を少なくとも有することを特徴とする液体吐出ヘッド。
- 被転写体の載置部と、請求項15または16に記載の液体吐出ヘッドを備えたことを特徴とする液体吐出装置。
- 請求項13または14に記載の振動体と、前記振動体と接触する移動体とを少なくとも有することを特徴とする超音波モータ。
- 駆動部に請求項18に記載の超音波モータを備えることを特徴とする光学機器。
- 請求項10に記載の圧電素子を振動板に配した振動体を有することを特徴とする振動装置。
- 請求項13または14に記載の振動体を有することを特徴とする振動装置。
- 請求項20または21に記載の振動装置を振動部に備えることを特徴とする塵埃除去装置。
- 請求項22に記載の塵埃除去装置と撮像素子ユニットとを少なくとも有する撮像装置であって、前記塵埃除去装置の振動板を前記撮像素子ユニットの受光面側に設けたことを特徴とする撮像装置。
- 請求項10に記載の圧電素子を備えた圧電音響部品を有することを特徴とする電子機器。
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