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

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 Download PDF

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Description

本発明は鉛やアルカリ金属を含まない圧電セラミックスおよびその製造方法に関する。また、本発明は前記圧電セラミックスを用いた圧電素子、振動体、液体吐出ヘッド、液体吐出装置、超音波モータ、光学機器、振動装置、塵埃除去装置、撮像装置および電子機器に関する。
圧電セラミックスは、チタン酸ジルコン酸鉛(以下「PZT」という)のようなペロブスカイト構造の金属酸化物が一般的である。しかしながら、PZTは鉛を含有するために、環境に対する影響が問題視されている。このため、鉛を含有しない圧電セラミックスの開発が求められている。
鉛を含有しない圧電セラミックスとして、チタン酸バリウムが知られている。また、その特性を改良する目的で、チタン酸バリウムをベースとした材料開発が行われている。
特許文献1には、チタン酸バリウムの圧電特性を向上させるために、チタン酸バリウムのAサイトの一部をCaに、Bサイトの一部をZrで置換した圧電セラミックスが開示されている。これらの材料は、チタン酸バリウムに比べて圧電定数に優れるものの、機械的品質係数が小さい。
非特許文献1には、チタン酸バリウムのAサイトの一部をCaに置換し、さらにMn、Fe、またはCuを含有する材料が開示されている。これらの材料は、チタン酸バリウムに比べて機械的品質係数が優れるものの、電気機械結合定数k31が0.119と小さい。
特開2009−215111号公報
"Japanese Journal of Applied Physics"2010年49巻09MD03−1から09MD03−4
しかしながら従来技術では、圧電セラミックスの機械的品質係数と電気機械結合定数の両立が不十分であり、前記圧電セラミックスを圧電素子にした際に圧電素子の消費電力が増大してしまうという課題があった。
本発明はこの様な課題を解決するためになされたものであり、高い機械的品質係数を有し、消費電力が小さい、鉛やアルカリ金属を含まない圧電セラミックスおよびその製造方法を提供するものである。また、本発明は前記圧電セラミックスを用いた、圧電素子、振動体、液体吐出ヘッド、液体吐出装置、超音波モータ、光学機器、振動装置、塵埃除去装置、撮像装置および電子機器を提供するものである。
本発明に係る圧電セラミックスは、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る。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である。さらに室温の前記(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。
本発明の圧電セラミックスの製造方法は、上記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。
本発明に係る圧電素子は、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、前記圧電材料部が上記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。
本発明に係る圧電素子の製造方法は、上記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、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。
本発明に係る振動体は、上記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。
本発明に係る液体吐出ヘッドは、上記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。
本発明に係る液体吐出ヘッドは、上記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。
本発明に係る液体吐出装置は、被転写体の載置部と、上記の液体吐出ヘッドを備えることを特徴とする。
本発明に係る超音波モータは、上記振動体と、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。
本発明に係る光学機器は、駆動部に上記の超音波モータを備えることを特徴とする。
本発明に係る振動装置は、上記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。
本発明に係る塵埃除去装置は、上記の振動装置を振動部に備えることを特徴とする。
本発明に係る撮像装置は、上記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。
本発明に係る電子機器は、上記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。
本発明によれば、高い機械的品質係数を有し、消費電力が小さい、鉛やアルカリ金属を含まない圧電セラミックスおよびその製造方法を提供することができる。
また、本発明は前記圧電セラミックスを用いた、圧電素子、振動体、液体吐出ヘッド、液体吐出装置、超音波モータ、光学機器、振動装置、塵埃除去装置、撮像装置および電子機器を提供することができる。
本発明の圧電セラミックス一実施形態における縦断面図である。 本発明の圧電セラミックスの残留分極の方向の特定方法を示す概略図である。 本発明の圧電セラミックスを構成する結晶粒に存在するaドメインとcドメインを示す概念図である。 本発明の圧電セラミックスのX線回折測定方法を示す概略図である。 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る。 本発明の振動体の構成の一実施形態を示す概略図である。 本発明の液体吐出ヘッドの構成の一実施形態を示す概略図である。 本発明の液体吐出装置の一実施形態を示す概略図である。 本発明の液体吐出装置の一実施形態を示す概略図である。 本発明の超音波モータの構成の一実施形態を示す概略図である。 本発明の光学機器の一実施形態を示す概略図である。 本発明の光学機器の一実施形態を示す概略図である。 本発明の振動装置を塵埃除去装置とした場合の一実施形態を示す概略図である。 本発明の塵埃除去装置における圧電素子の構成を示す概略図である。 本発明の塵埃除去装置の振動原理を示す模式図である。 本発明の撮像装置の一実施形態を示す概略図である。 本発明の撮像装置の一実施形態を示す概略図である。 本発明の電子機器の一実施形態を示す概略図である。
以下、本発明を実施するための形態について説明する。
本発明に係る圧電セラミックスは、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る。加え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以上である。さらに、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。
本発明は、チタン酸バリウム系セラミックスの結晶構造を制御することにより、機械的品質係数を向上させ、消費電力が小さい、鉛やアルカリ金属を含まない圧電セラミックスを提供するものである。
本発明の圧電セラミックスは、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。
本発明において、ペロブスカイト型金属酸化物のペロブスカイト構造とは、岩波理化学辞典第5版(岩波書店、1998年2月20日発行)に記載されているような、理想的には立方晶構造であるペロブスカイト構造(ペロフスカイト構造とも言う)を指す。ペロブスカイト構造を持つ金属酸化物は一般にABOの化学式で表現される。ペロブスカイト構造を持つ金属酸化物において、元素A、Bは各々イオンの形でAサイト、Bサイトと呼ばれる単位格子の特定の位置を占める。例えば、立方晶系の単位格子であれば、A元素は立方体の頂点、B元素は体心に位置する。O元素は酸素の陰イオンとして立方体の面心位置を占める。すなわち、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はBaTiOの化学式で表現される。前記圧電セラミックスがペロブスカイト構造であることは、例えば、X線回折や電子線回折による結晶構造解析から判断することができる。A元素、B元素、O元素がそれぞれ単位格子の対象位置から僅かに座標シフトすると、ペロブスカイト型構造の単位格子が歪み、正方晶、菱面体晶、斜方晶といった結晶系となる。圧電セラミックスが良好な電気機械結合定数を得られるという観点において、前記ペロブスカイト型金属酸化物の結晶系は室温で正方晶構造であることが好ましい。
本発明の圧電セラミックスは、Mnを含むことにより、室温の機械的品質係数Qmが向上する。ここで、機械的品質係数Qmとは圧電セラミックスを圧電振動子として評価した際の振動による弾性損失を表す係数であり、機械的品質係数Qmの大きさはインピーダンス測定における共振曲線の鋭さとして観察される。つまり圧電振動子の共振の鋭さを表す定数である。前記圧電セラミックスは、圧電素子として共振周波数付近で駆動させた際に、機械的品質係数Qmの大きさに比例した変位を得ることができる。
前記Mnの含有量は、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、好ましくは0.10重量部以上0.36重量部以下であることが望ましい。ここで、副成分の「金属換算」での含有量は、前記圧電セラミックスの組成を蛍光X線分析(XRF)、ICP発光分光分析、原子吸光分析などにより測定した際の各金属の含有量をまず算出する。算出された含有量に基づき、前記主成分で表わされる金属酸化物を構成する元素を酸化物換算し、その総重量を100としたときに、その総重量に対する前記副成分の重量で表す。
本発明の圧電セラミックスは、前記範囲のMnを有すると、十分な変位を得ることができる。Mnの含有量が0.04重量部未満であると、室温の機械的品質係数Qmが400未満と小さくなるおそれがある。室温の機械的品質係数Qmが400未満の圧電セラミックスは、共振周波数付近においても十分な変位を得ることができず、その結果、圧電セラミックスの駆動に必要な入力電圧が増し、消費電力(後述する駆動電力)が大きくなるおそれがある。一方、Mnの含有量が0.50重量部より多いと、圧電セラミックスの電気機械結合定数k31が低下し、圧電セラミックスの駆動に必要な入力電圧が増した結果、消費電力が大きくなるおそれがある。Mnの含有量が適正であれば、室温における機械的品質係数Qmが400以上となる。
好ましい機械的品質係数Qmは800以上であり、800以上あれば消費電力は大きくならない。より好ましい機械的品質係数Qmは1200以上である。
本明細書における消費電力とは、圧電セラミックスが消費する電力のことであり、圧電セラミックスが駆動することで消費する電力と圧電セラミックスの静電容量に比例して消費する電力の和である。以降、圧電セラミックスが駆動することで消費する電力を駆動電力、圧電セラミックスの静電容量に比例して消費する電力をキャパシタンス電力とよぶ。駆動電力は、圧電セラミックスの電気機械結合定数k31や機械的品質係数Qmが大きいと、小さくなる傾向がある。一方、キャパシタンス電力は、圧電セラミックスの比誘電率εrが小さく、電気機械結合定数k31が大きくなると小さくなる傾向がある。
本発明の圧電セラミックスの消費電力は、圧電セラミックスに電極を付すと、電力計によって測定することができる。キャパシタンス電力(CW)は、圧電セラミックスの静電容量(C)、駆動周波数(f)、印加電圧(V)に2πを乗じた値に比例する。駆動電力は電力計の測定値より、キャパシタンス電力を引いた差から求めることができる。
本発明の圧電セラミックスの比誘電率εrは、インピーダンスアナライザやLCRメータから静電容量を測定することから、計算によって求めることができる。
本発明の圧電セラミックスの電気機械結合定数k31および機械的品質係数Qmは、インピーダンスアナライザを用いて得られる共振周波数及び反共振周波数の測定結果から求められる。具体的には、電子情報技術産業協会規格(JEITA EM−4501)に基づいて、計算により求めることができる。以下、この方法を共振−反共振法と呼ぶ。
本発明の圧電セラミックスは残留分極を有する。
残留分極とは、圧電セラミックスに外部電場を印加していない時に圧電セラミックス中に残留している分極のことを指す。圧電セラミックスを分極処理することで、圧電セラミックスの内部で自発分極の方向が一定方向に揃い、残留分極が発生する。圧電セラミックスが残留分極を有しているか否かは、圧電セラミックスに電圧を印加し、印加電界Eと分極量Pの関係(P−Eヒステリシス曲線)を測定することにより、特定することができる。
本発明の圧電セラミックスは、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以上である。好ましくは1.06以上である。
図1は、本発明の圧電セラミックス一実施形態における縦断面図であり、直方体形状の圧電セラミックス8を示している。ここで、矢印Aの方向は残留分極の方向を示し、被測定面4は、圧電セラミックス8の残留分極の方向に沿った面のことを指す。なお、圧電セラミックス8の形状は直方体に限定されず、円柱や多面体であっても構わない。
残留分極の方向は以下の方法で特定できる。図2はその特定方法の説明図であり、図中の矢印方向が残留分極の方向である。まず、分極処理後の圧電セラミックスを任意の角度β(βは0°≦β<360°かつ10の倍数)で切り出し、切り出し面5のいずれにも電極を形成し、圧電定数を測定する。この測定を繰り返し、圧電定数のβ依存性を観察した際に、前記圧電定数が最大となる角度βに90°を足した角度(β+90°)に沿った方向が残留分極の方向となる。ただし、最大となるβは切り出しの誤差や測定誤差を鑑みると、±10°は誤差を含んでいてもよい。この際の圧電定数の測定はd33メータを用いると簡便に行うことができる。
本発明の圧電セラミックスは、室温の被測定面のX線回折による(002)/(200)回折強度比が1.0以上である。ここで(002)/(200)回折強度比とは、2θ−θ法によって得られる、擬立方晶表記による結晶の002面に起因する回折ピークの最大強度と200面に起因する回折ピークの最大強度との比を表わしたものである。前記002面と200面に起因する回折ピークの位置は、前記圧電セラミックスのX線回折測定結果とチタン酸バリウムに関する既知の文献によるデータ(例えば、ICDD=The International Centre for Diffraction DataのPDF−2のNo.05−0626)とを比較することによって特定できる。図1の圧電セラミックスの分極方向に交差する面に電極を付し短冊状の圧電素子を作製したとき、被測定面のX線回折による(002)/(200)回折強度比が1.0以上であるということは以下のことを示している。すなわち、被測定面近傍における圧電セラミックスを構成する結晶粒において、被測定面方向から観察したときにcドメインがaドメインより多く存在していることを意味する。このとき、本発明の圧電セラミックスは電界印加方向に対して垂直な方向に優れた機械的品質係数Qmを有する。そのため、本発明の圧電セラミックスを用いた圧電素子を、電界印加方向に対して垂直な方向に駆動させると、駆動電力を低減することできる。一方、室温の被測定面のX線回折による(002)/(200)回折強度比が1.0未満のときには下記のことが言える。すなわち被測定面近傍における圧電セラミックスを構成する結晶粒において、被測定面方向から観察したときにaドメインがcドメインより多く存在すると、電界印加方向に対して垂直な方向の機械的品質係数Qmは低下してしまう。ここでドメインとは自発分極の方向が揃っている領域を指す。また、本明細書において、室温とは25℃のことを指す。しかし、本発明の特徴および効果が室温と変わらない20℃から30℃の温度範囲も本発明の室温に含まれる。
図3は、本発明の圧電セラミックスを構成する結晶粒に存在するaドメインとcドメインを示す概念図である。図3は結晶系が正方晶の圧電セラミックスのaドメイン7とcドメイン6の概念図を示したものであり、矢印B,Cの方向は自発分極の方向を表わしている。aドメインとは、正方晶において[h00]方向および[0k0]方向とその逆方向の自発分極からなるドメインのことを指す。cドメインとは[00l]方向とその逆方向の自発分極からなるドメインのことを指す。正方晶のチタン酸バリウムの自発分極軸はc軸であるため、本発明の圧電セラミックス全体としては、電極面方向から観察したときにcドメインがaドメインより多く存在すると優れた電気機械結合定数k31が得られる。そのため、本発明の圧電セラミックスは、室温の残留分極の方向に交差する面のX線回折による(002)/(200)回折強度比が1.0以上であることが好ましい。
ここで、残留分極の方向に交差する面の結晶構造の評価は、加工歪の影響を受けない方法で評価することが好ましい。これは、本発明の圧電セラミックスがPZTと比較してヤング率が高い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を主成分とするためである。ヤング率が高いので、研磨、研削、切削、切断等の加工を行う際に、圧電セラミックスの加工表面近傍に加工歪(転位とも呼ばれる)が生じ易い。そのため、研磨の仕上げ工程を、コロイダルシリカを用いたバフ研磨で行うことが好ましい。バフ研磨を行うことにより、表面粗さが200nm以下の平滑な表面が得られる。この際、前記加工表面を10μm以上除去することが好ましい。表面粗さは触針式表面粗さ測定器を用いて評価することが可能である(JIS B 0651:2001)。また、本明細書における表面粗さとは、中心線平均粗さRaを指す。
前記X線回折測定の条件は特に限定されず、平行ビーム法を用いた2θ−θ法など一般的な手法を用いることができる。以下に代表的な測定条件を示す。
管球の線源にはCu−Kα線を用いる。2θの測定範囲を20°から50°までとすることにより、前記002面および200面の情報が得られるようにする。好ましい入射光のスポット径は、前記被測定面の面積に依存するが、被測定面の全域に入射光が当たる大きさであることが好ましい。また、十分な強度を得るためにスキャン速度を0.10度/分から1.00度/分に、サンプリング間隔を0.001度から0.020度の範囲にすることで再現性のあるデータを得ることができる。図4は本発明の圧電セラミックスのX線回折測定方法を示す概略図であり、θと2θの関係を示している。なお、多軸X線回折測定器を用いる際には、被測定面と入射光の法線のなす角度ψ(プサイ)を0°にして測定する必要がある。
本発明の圧電セラミックスの室温のc軸の格子定数cとa軸の格子定数a(ただしc>a)との比c/aは1.004≦c/a≦1.010である。c/aが前記範囲にある時、本発明の圧電セラミックスは優れた電気機械結合定数k31を有する。そのため、本発明の圧電セラミックスを用いた圧電素子は、駆動電力を低減できる。c/aが1.004未満であると圧電セラミックスの結晶構造が立方晶に近づくため、室温の電気機械結合定数k31が低下し、圧電素子の駆動に必要な入力電圧が増し、駆動電力が大きくなる。また、c/aが1.010より大きいと、分極処理に必要な電圧が高くなってしまう。
本発明の圧電セラミックスの格子定数aおよびcは、2θ−θ法によって得られる回折ピークから得られる面間隔より、求めることができる。X線の波長をλ、200面の面間隔をd(200)、200面の回折ピークの最大強度を取る角度をθ200、002面の面間隔をd(002)、002面の回折ピークの最大強度を取る角度をθ002とする。そうすると、格子定数aおよびcは以下の式で表わすことができる。なお、これらの結晶面は、いずれも擬立方晶表記によるものである。
Figure 0005980354
ここで、圧電セラミックスが良好な電気機械結合定数k31を得られるという観点において、前記圧電セラミックスの室温における結晶系は、正方晶構造であることが好ましい。
本発明の圧電セラミックスの室温の被測定面の(002)回折ピークの半値幅は、1.2°以下である。好ましくは0.5°以下である。半値幅とは、回折ピークの最大強度をPとして、P/2を取る角度をθ、θとした(θ>θ)ときに、θとθの差で表わされる幅のことである。半値幅は半値全幅とも呼ばれる。なお、最大強度の大きさはバックグラウンドの値を除去して求める必要がある。
本発明の圧電セラミックスの室温の(002)回折ピークの半値幅が1.2°以下であれば、十分な機械的品質係数Qmが得られる。(002)回折ピークの半値幅1.2°より大きいと、結晶性が不十分となり十分な機械的品質係数Qmが得られない。
本発明の圧電セラミックスは、さらにBiを含有することが好ましい。本発明の圧電セラミックスはBiを含有することによって、相対密度が向上する。前記Biの含有量は、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が望ましい。
Biの含有量が0.04重量部未満であると、Biを含まないセラミックスと比べて相対密度が向上しないおそれがある。一方、Biの含有量が0.80重量部より多くなると、電気機械結合定数k31が低下し、圧電セラミックスの駆動に必要な入力電圧が増した結果、駆動電力が大きくなるおそれがある。
本発明の圧電セラミックスの主成分の前記ペロブスカイト型金属酸化物が、下記一般式(1)で表わされることが好ましい。
(Ba1−xCa(Ti1−yZr)O (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。)
上記範囲のx、yおよびqの値を満たすことにより、本発明の圧電セラミックスは、室温においてより高い機械的品質係数Qmと良好な電気機械結合定数k31を有することができる。
前記一般式(1)で表わされるペロブスカイト型金属酸化物は、Aサイトに位置する金属元素がBaとCa、Bサイトに位置する金属元素がTiとZrであることを意味する。ただし、一部のBaとCaがBサイトに位置してもよい。同様に、一部のTiとZrがAサイトに位置してもよい。前記一般式(1)における、Bサイトの元素とO元素のモル比は1対3であるが、元素量の比が若干ずれた場合でも、前記金属酸化物がペロブスカイト構造を主相としていれば、本発明の範囲に含まれる。
本発明の圧電セラミックスは、前記一般式(1)において、AサイトにおけるCaのモル比を示すxが、0.125≦x≦0.300の範囲であることが好ましい。xが0.125未満であると室温の比誘電率εrが高くなり、キャパシタンス電力が大きくなるおそれがある。一方、xが0.300より大きいと機械的品質係数Qmが低下し、圧電セラミックスの駆動に必要な入力電圧が増した結果、駆動電力が大きくなるおそれがある。より好ましくは、0.125≦x≦0.190である。
本発明の圧電セラミックスは、前記一般式(1)において、BサイトにおけるZrのモル比を示すyが、0.041≦y≦0.074の範囲であることが好ましい。yが0.074より大きいと室温の比誘電率εrが高くなり、キャパシタンス電力が大きくなるおそれがある。一方、yが0.041より小さいと電気機械結合定数k31が低下し、圧電セラミックスの駆動に必要な入力電圧が増した結果、駆動電力が大きくなるおそれがある。より好ましくは、0.050≦y≦0.074である。
本発明の圧電セラミックスは、前記一般式(1)において、AサイトにおけるBaとCaのモル量と、BサイトにおけるTiとZrのモル量との比を示すqが、0.986≦q≦1.020の範囲であることが好ましい。qが0.986より小さいと圧電セラミックスを構成する結晶粒に異常粒成長が生じ易くなり、セラミックスの機械的強度が低下するおそれがある。一方で、qが1.020より大きくなると粒成長に必要な温度が高くなり過ぎ、一般的な焼成炉で焼結ができなくなるおそれがある。ここで、「焼結ができない」とは密度が充分な値にならないことや、セラミックス内にポアや欠陥が多数存在している状態を指す。好ましいqの範囲は0.998≦q≦1.016である。また、BaとCaのモル量の和をA1、Ti、ZrおよびMnのモル量の和をB1としたときのそれぞれの比をA1/B1としたときに、A1/B1の範囲が0.993≦A1/B1≦0.998であることが好ましい。A1/B1がこの範囲のとき、本発明の圧電セラミックスは電気機械結合定数k31と機械的品質係数が特に優れるため、低消費電力での駆動が可能となる。
本発明の圧電セラミックスの室温における電気機械結合定数k31は0.200以上であることが好ましい。
室温の電気機械結合定数k31が0.200以上であることにより、圧電素子の駆動に必要な入力電圧を低減させることが可能となり、駆動電力を低減できる。一方、室温の電気機械結合定数k31が0.200未満であると圧電素子の駆動に必要な入力電圧が増した結果、駆動電力が大きくなるおそれがある。
本発明の圧電セラミックスの室温における比誘電率εrは2500以下であることが好ましい。
室温の比誘電率が2500を超えると圧電素子として、キャパシタンス電力が大きくなるおそれがある。
本発明の圧電セラミックスを構成する結晶粒の平均円相当径は、0.5μm以上10μm以下であることが好ましい。平均円相当径とは、複数の結晶粒の円相当径の平均値を示す。結晶粒の平均円相当径をこの範囲にすることで、本発明の圧電セラミックスは、良好な機械的品質係数と機械的強度を有することが可能となる。平均円相当径が0.5μm未満であると、圧電特性が充分でなくなるおそれがある。一方で、10μmより大きくなると機械的強度が低下するおそれがある。より好ましい範囲は1.9μm以上9.0μm以下である。
本明細書における「円相当径」とは、顕微鏡観察法において一般に言われる「投影面積円相当径」を表し、結晶粒の投影面積と同面積を有する真円の直径を表す。本発明において、この円相当径の測定方法は特に制限されない。例えば圧電セラミックスの表面を偏光顕微鏡や走査型電子顕微鏡で撮影して得られる写真画像を画像処理して求めることができる。対象となる粒径により最適倍率が異なるため、光学顕微鏡と電子顕微鏡を使い分けても構わない。
本発明の圧電セラミックスは、相対密度が93%以上100%以下であることが好ましい。相対密度は、圧電セラミックスの格子定数と構成元素の原子量から理論密度を算出し、その理論密度と実測した密度との割合である。格子定数は、例えば、X線回折分析により測定することができる。密度は、例えば、アルキメデス法により測定することができる。
相対密度が93%より小さくなると、電気機械結合定数k31や機械的品質係数Qmが充分でなかったり、機械的強度が低下したりするおそれがある。前記圧電セラミックスのより好ましい相対密度は95%以上100%以下の範囲であり、さらに好ましい相対密度は97%以上100%以下の範囲である。
本発明の圧電セラミックスの製造方法は特に限定されないが、以下に製造方法の一例を説明する。圧電セラミックスの製造工程は、少なくとも、原料粉から成形体を作る工程と、前記成形体を焼結する工程とを有する。
前記原料粉から成形体を作る工程は特に限定されず、構成元素を含んだ酸化物、炭酸塩、硝酸塩、蓚酸塩などの固体粉末から成形体を作り、その成形体を常圧下で焼結する一般的な手法を採用することができる。原料としては、Ba化合物、Ca化合物、Ti化合物、Zr化合物、Mn化合物、Bi化合物等の金属化合物から構成される。
使用可能なBa化合物としては、酸化バリウム、炭酸バリウム、蓚酸バリウム、酢酸バリウム、硝酸バリウム、チタン酸バリウム、ジルコン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸バリウムなどが挙げられる。
使用可能なCa化合物としては、酸化カルシウム、炭酸カルシウム、蓚酸カルシウム、酢酸カルシウム、チタン酸カルシウム、ジルコン酸カルシウムなどが挙げられる。
使用可能なTi化合物としては、酸化チタン、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸バリウム、チタン酸カルシウムなどが挙げられる。
使用可能なZr化合物としては、酸化ジルコニウム、ジルコン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸バリウム、ジルコン酸カルシウムなどが挙げられる。
使用可能なMn化合物としては、炭酸マンガン、酸化マンガン、二酸化マンガン、酢酸マンガン、四酸化三マンガンなどが挙げられる。
使用可能なBi化合物としては、酸化ビスマスなどが挙げられる。
また、前記圧電セラミックスのAサイトにおけるBaとCaのモル量とBサイトにおけるTiとZrのモル量との比を示すqを調整するための原料は特に限定されない。Ba化合物、Ca化合物、Ti化合物、Zr化合物のいずれでも効果は同じである。
前記成形体とは、前記固体粉末を成形した固形物である。成形方法としては、一軸加圧加工、冷間静水圧加工、温間静水圧加工、鋳込成形と押し出し成形を挙げることができる。成形体を作製する際には、造粒粉を用いることが好ましい。造粒粉を用いた成形体を焼結すると、焼結体の結晶粒の大きさの分布が均一になり易いという利点がある。
圧電セラミックスの原料粉を造粒する方法は特に限定されないが、造粒粉の粒径をより均一にできるという観点において、最も好ましい造粒方法はスプレードライ法である。
造粒する際に使用可能なバインダの例としては、PVA(ポリビニルアルコール)、PVB(ポリビニルブチラール)、アクリル系樹脂が挙げられる。添加するバインダの量は、前記圧電セラミックスの原料粉100重量部に対して1重量部から10重量部が好ましく、成形体の密度が上がるという観点において2重量部から5重量部がより好ましい。
前記成形体の焼結方法は特に限定されない。焼結方法の例としては、電気炉による焼結、ガス炉による焼結、通電加熱法、マイクロ波焼結法、ミリ波焼結法、HIP(熱間等方圧プレス)などが挙げられる。電気炉およびガス炉による焼結は、連続炉であってもバッチ炉であっても構わない。
前記焼結方法における焼結温度は特に限定されないが、各化合物が反応し、充分に結晶成長する温度であることが好ましい。好ましい焼結温度としては、粒径を1.5μmから10μmの範囲にするという観点で、1100℃以上1400℃以下であり、より好ましくは1100℃以上1350℃以下である。焼結処理により得られる圧電材料の特性を再現よく安定させるためには、焼結温度を上記範囲内で一定にして2時間以上48時間以下の焼結処理を行うとよい。また、最高温度から降温させる過程において、急速冷却することが好ましい。急速冷却することによって、本発明の圧電セラミックスは内部応力が残留しやすくなる。その結果、本発明の圧電セラミックスは被測定面近傍における圧電セラミックスを構成する結晶粒において、被測定面から観察したときにcドメインが多く存在するようになり、機械的品質係数が高くなる。好ましい冷却速度は毎時50℃以上である。
(圧電素子)
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。
前記第一の電極1および第二の電極3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により、本発明の圧電素子は電圧印加方向に対して垂直な方向の電気機械結合定数k31と機械的品質係数Qmに優れる。前記第一の電極1および第二の電極3は、厚み5nmから20μm程度の導電層よりなる。その材料は特に限定されず、圧電素子に通常用いられているものであればよい。例えば、Ti、Pt、Ta、Ir、Sr、In、Sn、Au、Al、Fe、Cr、Ni、Pd、Ag、Cuなどの金属およびこれらの金属の化合物を挙げることができる。前記第一の電極1および第二の電極3は、これらのうちの1種からなるものであっても、あるいはこれらの2種以上を積層してなるものであってもよい。また、第一の電極1と第二の電極3が、それぞれ異なる材料であっても良い。ただし、量産性及びコストの観点においては、電極はAgであることが好ましい。電極がAgであるとき、その厚みは1μmから10μmであることが好ましい。
前記第一の電極1と第二の電極3を設ける方法は限定されない。前記電極は、金属ペーストの塗布、焼き付けにより形成しても良いし、スパッタ、蒸着法などにより形成してもよい。ただし、Agを用いる際には電極原料としてのAgペーストの塗布、焼き付けにより電極を形成することが好ましい。より好ましくは、圧電材料部2を形成する圧電セラミックスの表面にAgペーストを塗布して、最高温度が700℃から900℃となるように圧電セラミックスとAgペーストを一体的に熱処理し、Agペーストを5分程度の時間で焼き付けるとよい。さらに好ましくは、電極焼き付け後に毎時100℃以上の速度で降温するとよい。前記条件で焼き付けることにより、Ag電極は十分な導電性を安定して得られる。また、前記圧電材料部を構成する圧電セラミックスに熱処理を加えることにもなり、残留応力が解放されるため、残留分極の方向に交差する面のX線回折による(002)/(200)回折強度比を1.0以上にすることが容易となる。一方、1000℃以上で熱処理を行うことは、前記圧電セラミックスの組成が熱処理の前後で変化してしまうおそれがあるので好ましくない。
本発明の圧電セラミックスの分極処理方法は特に限定されない。分極処理は、大気中で行ってもよいし、シリコーンオイル中で行ってもよいが、量産性の観点より大気中であることが好ましい。好ましい分極処理の条件としては、90℃から150℃の最高温度で、5kV/cmから14kV/cmの電界を10分から30分程度印加することが好ましい。また、前記最高温度から降温する際に電界を印加し続けることが好ましい。降温過程まで電圧を印加し続けることによって、残留分極の方向に交差する面のX線回折による(002)/(200)回折強度比を1.0以上にすることが容易となる。また、分極処理の電界を低くするには、圧電セラミックスが700℃から900℃の温度で熱処理されていることが好ましい。熱処理されることにより、8kV/cm以下の電界でも分極処理が容易となる。機械的品質係数Qmが大きくなるという観点においては、圧電セラミクスを加熱し、直流電圧を印加した後に電圧印加を継続しながら降温する。この降温過程において毎時100℃以上の速度で降温することがより好ましい。
(振動体)
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。
本発明に係る振動体は、前記圧電素子を振動板9に配した振動体である。前記圧電素子の圧電材料部2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は、以下の条件を満たしている。すなわち室温の前記被測定面の底面近傍10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11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。
前記振動板9は弾性体よりなる。振動板9の材質は特に限定されず、例えば、SUSやインバーといったステンレス鋼やSi、セラミックス、ガラス、石英など用いることができる。前記被測定面の底面近傍10とは、圧電セラミックスの被測定面の底面側の端部か10aから中点12までにある任意の領域のことを指す。一方、前記被測定面の表面近傍11とは、圧電セラミックスの被測定面の表面側の端部11aから中点12までにある任意の領域のことを指す。好ましい前記被測定面の底面近傍の領域は、底面側の端部から中点までの長さを100としたときに底面側の端部から50までであり、さらに好ましくは底面側の端部から20までである。同様に、好ましい前記被測定面の表面近傍の領域は、表面側の端部から中点までの長さを100としたときに表面側の端部から50までであり、さらに好ましくは表面側の端部から20までである。
前記回折強度比Aの値が前記回折強度比Bより大きい時、振動体の機械的品質係数Qmが良好な値を示す。これは、前記圧電セラミックスが振動体と接着されることにより、底面近傍の領域が振動板から引張応力を受けることに起因していると考えられる。前記底面近傍10のX線回折による(002)/(200)回折強度比Aを測定する際には、中点から表面までの領域にX線を照射しないように入射光のスポット径に留意する必要がある。同様に、前記表面近傍11のX線回折による(002)/(200)回折強度比Bを測定する際には、中点から底面までの領域にX線を照射しないように入射光のスポット径に留意する必要がある。本測定における好ましいスポット径は100μm以下である。本測定は回折強度を得るために高い精度が要求されるため、任意の領域を10回以上測定し、その平均値を回折強度比として採用することが好ましい。
前記圧電素子の圧電材料部2を構成する圧電セラミックスの室温の熱膨張係数をα、前記振動板9の室温の熱膨張係数をαとしたときに、α<αであることが好ましい。圧電セラミックスの室温の熱膨張係数αと振動板の室温の熱膨張係数αが前記関係を有するとき、圧電セラミックスが振動体より引張応力を受けて、被測定面から観察した時にcドメインがさらに多く存在し易くなる。その結果、振動体の機械的品質係数Qmがさらに向上する。振動体の機械的品質係数Qmが向上すると、前記振動体をデバイスに用いた時に効率が向上する。ここで効率とは、入力電力に対する出力電力の比のことである。すなわち、入力電力が一定の場合は、出力される消費電力の値の大きさが効率を示す指標となる。また、後述する超音波モータにおいては、効率とは入力電力に対するトルクと回転数の積との比を指す。
本発明の圧電セラミックスの室温の熱膨張係数は7×10−6/Kから8×10−6/Kが好ましい。また、振動板9の熱膨張係数は8×10−6/Kより大きいことが好ましい。よって振動板の材質としては、前述したステンレス鋼の中ではSUSが好ましく、SUS420が特に好ましい。
本発明の振動体の製造方法は特に限定されない。分極された圧電素子を振動板に接着しても良いし、圧電素子を振動板に接着した後に分極しても良い。生産性の観点においては、分極された圧電素子を振動板に接着することが、工程数が少なくなるため好ましい。
本発明の圧電セラミックスはチタン酸バリウムを主成分とするため、130℃以上の温度で圧電性を喪失するおそれがある。そのため、接着に用いる接着剤は100℃以下の温度で接着可能であることが好ましい。
(液体吐出ヘッド)
次に、本発明の液体吐出ヘッドについて説明する。
本発明に係る液体吐出ヘッドは、前記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。また、本発明に係る液体吐出ヘッドは、前記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。
図7は、本発明の液体吐出ヘッドの構成の一実施態様を示す概略図である。図7(a)(b)に示すように、本発明の液体吐出ヘッドは、本発明の圧電素子101を有する液体吐出ヘッドである。圧電素子101は、第一の電極1011、圧電セラミックス部1012、第二の電極1013を少なくとも有する圧電素子である。圧電セラミックス部1012は、図7(b)の如く、必要に応じてパターニングされている。
図7(b)は液体吐出ヘッドの模式図である。液体吐出ヘッドは、吐出口105、個別液室102、個別液室102と吐出口105をつなぐ連通孔106、液室隔壁104、共通液室107、振動板103、圧電素子101を有する。図において圧電素子101は矩形状だが、その形状は、楕円形、円形、平行四辺形等の矩形以外でも良い。一般に、圧電セラミックス部1012は個別液室102の形状に沿った形状となる。
本発明の液体吐出ヘッドに含まれる圧電素子101の近傍を図7(a)で詳細に説明する。図7(a)は、図7(b)に示された圧電素子の幅方向での断面図である。圧電素子101の断面形状は矩形で表示されているが、台形や逆台形でもよい。
図中では、第一の電極1011が下部電極、第二の電極1013が上部電極として使用されている。しかし、第一の電極1011と、第二の電極1013の配置はこの限りではない。例えば、第一の電極1011を下部電極として使用しても良いし、上部電極として使用しても良い。同じく、第二の電極1013を上部電極として使用しても良いし、下部電極として使用しても良い。また、振動板103と下部電極の間にバッファ層108が存在しても良い。なお、これらの名称の違いはデバイスの製造方法によるものであり、いずれの場合でも本発明の効果は得られる。
前記液体吐出ヘッドにおいては、振動板103が圧電セラミックス部1012の伸縮によって上下に変動し、個別液室102の液体に圧力を加える。その結果、吐出口105より液体が吐出される。本発明の液体吐出ヘッドは、プリンタ用途や電子デバイスの製造に用いる事ができる。
振動板103の厚みは、1.0μm以上15μm以下であり、好ましくは1.5μm以上8μm以下である。振動板の材料は限定されないが、加工が容易という観点において好ましくはSiである。振動板のSiにホウ素やリンがドープされていても良い。また、振動板上のバッファ層、電極層が振動板の一部となっても良い。バッファ層108の厚みは、5nm以上300nm以下であり、好ましくは10nm以上200nm以下である。吐出口105の大きさは、円相当径で5μm以上40μm以下である。吐出口105の形状は、円形であっても良いし、星型や角型状、三角形状でも良い。
(液体吐出装置)
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。
本発明の液体吐出装置の一例として、図8および図9に示すインクジェット記録装置を挙げることができる。図8に示す液体吐出装置(インクジェット記録装置)881の外装882から885及び887を外した状態を図9に示す。インクジェット記録装置881は、被転写体としての記録紙を装置本体896内へ自動給送する自動給送部897を有する。更に、自動給送部897から送られる記録紙を所定の記録位置へ導き、記録位置から排出口898へ導く3つの部位を備えている。すなわち、被転写体の載置部である搬送部899と、記録位置に搬送された記録紙に記録を行う記録部891と、記録部891に対する回復処理を行う回復部890とインクジェット記録装置881を有する。記録部891には、本発明の液体吐出ヘッドを収納し、レール上を往復移送されるキャリッジ892が備えられる。
このようなインクジェット記録装置において、コンピューターから送出される電気信号によりキャリッジ892がレール上を移送され、圧電セラミックスを挟持する電極に駆動電圧が印加されると圧電セラミックスが変位する。この圧電セラミックスの変位により、図7(b)に示す振動板103を介して個別液室102を加圧し、インクを吐出口105から吐出させて、印字を行う。
本発明の液体吐出装置においては、均一に高速度で液体を吐出させることができ、装置の小型化を図ることができる。
上記例は、プリンタとして例示したが、本発明の液体吐出装置は、ファクシミリや複合機、複写機などのインクジェット記録装置の他、産業用液体吐出装置として使用することができる。
加えてユーザーは用途に応じて所望の被転写体を選択することができる。なお載置部としてのステージに載置された被転写体に対して液体吐出ヘッドが相対的に移動する構成をとっても良い。
(超音波モータ)
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。
図10は、本発明の超音波モータの構成の一実施態様を示す概略図である。本発明の圧電素子の圧電材料部が単板の圧電セラミックスからなる超音波モータを示す。超音波モータは、振動子201、振動子201の摺動面に不図示の加圧バネによる加圧力で接触しているロータ202、ロータ202と一体的に設けられた出力軸203を有する。前記振動子201は、金属の弾性体リング2011、本発明の圧電素子2012、圧電素子2012を弾性体リング2011に接着する有機系接着剤2013(エポキシ系、シアノアクリレート系など)で構成される。本発明の圧電素子2012は、不図示の第一の電極と第二の電極によって挟まれた圧電材料部で構成される。図10においては、振動子201が前記振動体であり、ロータ202が前記移動体のことを指す。
本発明の圧電素子に位相がπ/2の奇数倍異なる二相の交番電圧を印加すると、振動子201に屈曲進行波が発生し、振動子201の摺動面上の各点は楕円運動をする。この振動子201の摺動面にロータ202が圧接されていると、ロータ202は振動子201から摩擦力を受け、屈曲進行波とは逆の方向へ回転する。不図示の被駆動体は、出力軸203と接合されており、ロータ202の回転力で駆動される。
圧電材料部に電圧を印加すると、圧電横効果によって圧電材料部は伸縮する。金属などの弾性体が圧電素子に接合している場合、弾性体は圧電材料部の伸縮によって曲げられる。ここで説明された種類の超音波モータは、この原理を利用したものである。
本発明の超音波モータは前記振動体を有することにより、より効率よく駆動することができる。
(光学機器)
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。
図11は、本発明の光学機器の好適な実施形態の一例である一眼レフカメラの交換レンズ鏡筒の主要断面図である。また、図12は本発明の光学機器の好適な実施形態の一例である一眼レフカメラの交換レンズ鏡筒の分解斜視図である。カメラとの着脱マウント711には、固定筒712と、直進案内筒713、前群鏡筒714が固定されている。これらは交換レンズ鏡筒の固定部材である。
直進案内筒713には、フォーカスレンズ702用の光軸方向の直進案内溝713aが形成されている。フォーカスレンズ702を保持した後群鏡筒716には、径方向外方に突出するカムローラ717a、717bが軸ビス718により固定されており、このカムローラ717aがこの直進案内溝713aに嵌まっている。
直進案内筒713の内周には、カム環715が回動自在に嵌まっている。直進案内筒713とカム環715とは、カム環715に固定されたローラ719が、直進案内筒713の周溝713bに嵌まることで、光軸方向への相対移動が規制されている。このカム環715には、フォーカスレンズ702用のカム溝715aが形成されていて、カム溝715aには、前述のカムローラ717bが同時に嵌まっている。
固定筒712の外周側にはボールレース727により固定筒712に対して定位置回転可能に保持された回転伝達環720が配置されている。回転伝達環720には、回転伝達環720から放射状に延びた軸720fにコロ722が回転自由に保持されており、このコロ722の径大部722aがマニュアルフォーカス環724のマウント側端面724bと接触している。またコロ722の径小部722bは接合部材729と接触している。コロ722は回転伝達環720の外周に等間隔に6つ配置されており、それぞれのコロが上記の関係で構成されている。
マニュアルフォーカス環724の内径部には低摩擦シート(ワッシャ部材)733が配置され、この低摩擦シートが固定筒712のマウント側端面712aとマニュアルフォーカス環724の前側端面724aとの間に挟持されている。また、低摩擦シート733の外径面はリング状とされマニュアルフォーカス環724の内径724cと径嵌合しており、更にマニュアルフォーカス環724の内径724cは固定筒712の外径部712bと径嵌合している。低摩擦シート733は、マニュアルフォーカス環724が固定筒712に対して光軸周りに相対回転する構成の回転環機構における摩擦を軽減する役割を果たす。
なお、コロ722の径大部722aとマニュアルフォーカス環のマウント側端面724bとは、波ワッシャ726が超音波モータ725をレンズ前方に押圧する力により、加圧力が付与された状態で接触している。また同じく、波ワッシャ726が超音波モータ725をレンズ前方に押圧する力により、コロ722の径小部722bと接合部材729の間も適度な加圧力が付与された状態で接触している。波ワッシャ726は、固定筒712に対してバヨネット結合したワッシャ732によりマウント方向への移動を規制されており、波ワッシャ726が発生するバネ力(付勢力)は、超音波モータ725、更にはコロ722に伝わり、マニュアルフォーカス環724が固定筒712のマウント側端面712aを押し付け力ともなる。つまり、マニュアルフォーカス環724は、低摩擦シート733を介して固定筒712のマウント側端面712aに押し付けられた状態で組み込まれている。
従って、不図示の制御部により超音波モータ725が固定筒712に対して回転駆動されると、接合部材729がコロ722の径小部722bと摩擦接触しているため、コロ722が軸720f中心周りに回転する。コロ722が軸720f回りに回転すると、結果として回転伝達環720が光軸周りに回転する(オートフォーカス動作)。
また、不図示のマニュアル操作入力部からマニュアルフォーカス環724に光軸周りの回転力が与えられると以下のように作用する。すなわち、マニュアルフォーカス環724のマウント側端面724bがコロ722の径大部722aと加圧接触しているため、摩擦力によりコロ722が軸720f周りに回転する。コロ722の径大部722aが軸720f周りに回転すると、回転伝達環720が光軸周りに回転する。このとき超音波モータ725は、ロータ725cとステータ725bの摩擦保持力により回転しないようになっている(マニュアルフォーカス動作)。
回転伝達環720には、フォーカスキー728が2つ互いに対向する位置に取り付けられており、フォーカスキー728がカム環715の先端に設けられた切り欠き部715bと嵌合している。従って、オートフォーカス動作或いはマニュアルフォーカス動作が行われて、回転伝達環720が光軸周りに回転させられると、その回転力がフォーカスキー728を介してカム環715に伝達される。カム環が光軸周りに回転させられると、カムローラ717aと直進案内溝713aにより回転規制された後群鏡筒716が、カムローラ717bによってカム環715のカム溝715aに沿って進退する。これにより、フォーカスレンズ702が駆動され、フォーカス動作が行われる。
ここで本発明の光学機器として、一眼レフカメラの交換レンズ鏡筒について説明したが、コンパクトカメラ、電子スチルカメラ等、カメラの種類を問わず、駆動部に超音波モータを有する光学機器に適用することができる。
(振動装置および塵埃除去装置)
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。
本発明に係る振動装置は、上記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し、振動板の表面に付着した塵埃を除去する機能を有する。前記振動体は本発明の振動体であることが好ましい。また、本発明に係る塵埃除去装置は、上記の振動装置を振動部に備えることを特徴とする。
図13(a)および図13(b)は本発明の塵埃除去装置の一実施態様を示す概略図である。塵埃除去装置310は板状の圧電素子330と振動板320より構成される。振動板320の材質は限定されないが、塵埃除去装置310を光学デバイスに用いる場合には透光性材料や光反射性材料を振動板320として用いることができ、振動板の透光部や光反射部が塵埃の除去の対象となる。
図14は図13における圧電素子330の構成を示す概略図である。図14(a)と(c)は圧電素子330の表裏面の構成、図14(b)は側面の構成を示している。圧電素子330は図13に示すように圧電材料部331と第1の電極332と第2の電極333より構成され、第1の電極332と第2の電極333は圧電材料部331の板面に対向して配置されている。図14(c)において圧電素子330の手前に出ている第1の電極332が設置された面を第1の電極面336、図14(a)において圧電素子330の手前に出ている第2の電極333が設置された面を第2の電極面337とする。
電極面とは電極が設置されている圧電素子の面であり、例えば図14に示すように第1の電極332が第2の電極面337に回りこんでいても良い。
圧電素子330と振動板320は、図13(a)(b)に示すように圧電素子330の第1の電極面336で振動板320の板面に固着される。そして圧電素子330の駆動により圧電素子330と振動板320との間に応力が発生し、振動板に面外振動を発生させる。本発明の塵埃除去装置310は、この振動板320の面外振動により振動板320の表面に付着した塵埃等の異物を除去する装置である。面外振動とは、振動板を光軸方向つまり振動板の厚さ方向に変位させる弾性振動を意味する。
図15は本発明の塵埃除去装置310の振動原理を示す模式図である。図15(a)は左右一対の圧電素子330に同位相の交番電圧を印加して、振動板320に面外振動を発生させた状態を表している。左右一対の圧電素子330を構成する圧電セラミックスの分極方向は圧電素子330の厚さ方向と同一であり、塵埃除去装置310は7次の振動モードで駆動している。図15(b)は左右一対の圧電素子330に位相が180°反対である逆位相の交番電圧を印加して、振動板320に面外振動を発生させた状態を表している。塵埃除去装置310は6次の振動モードで駆動している。本発明の塵埃除去装置310は少なくとも2つの振動モードを使い分けることで振動板の表面に付着した塵埃を効果的に除去できる装置である。
(撮像装置)
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。
図16は、カメラ本体601を被写体側より見た正面側斜視図であって、撮影レンズユニットを外した状態を示す。図17は、本発明の塵埃除去装置と撮像ユニット400の周辺構造について説明するためのカメラ内部の概略構成を示す分解斜視図である。
図16に示すカメラ本体601内には、撮影レンズを通過した撮影光束が導かれるミラーボックス605が設けられており、ミラーボックス605内にメインミラー(クイックリターンミラー)606が配設されている。メインミラー606は、撮影光束をペンタダハミラー(不図示)の方向へ導くために撮影光軸に対して45°の角度に保持される状態と、撮像素子(不図示)の方向へ導くために撮影光束から退避した位置に保持される状態とを取り得る。
図17において、カメラ本体の骨格となる本体シャーシ300の被写体側には、被写体側から順にミラーボックス605、シャッタユニット200が配設される。また、本体シャーシ300の撮影者側には、撮像ユニット400が配設される。前記撮像ユニット400は、塵埃除去装置の振動板と撮像素子ユニットで構成される。また、塵埃除去装置の振動板は前記撮像素子ユニットの受光面と同一軸上に順に設けてある。撮像ユニット400は、撮影レンズユニットが取り付けられる基準となるマウント部602(図16)の取付面に設置され、撮像素子ユニットの撮像面が撮像レンズユニットと所定の距離を空けて、且つ平行になるように調整されている。
ここで、本発明の撮像装置として、デジタル一眼レフカメラについて説明したが、例えばミラーボックス605を備えていないミラーレス型のデジタル一眼カメラのような撮影レンズユニット交換式カメラであってもよい。また、撮影レンズユニット交換式のビデオカメラや、複写機、ファクシミリ、スキャナ等の各種の撮像装置もしくは撮像装置を備える電子電気機器のうち、特に光学部品の表面に付着する塵埃の除去が必要な機器にも適用することができる。
(電子機器)
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。
図18は本発明の電子機器の好適な実施形態の一例であるデジタルカメラの本体931の前方から見た全体斜視図である。本体931の前面には光学装置901、マイク914、ストロボ発光部909、補助光部916が配置されている。マイク914は本体内部に組み込まれているため、破線で示している。マイク914の前方には外部からの音を拾うための穴が設けられている。
本体931上面には電源ボタン933、スピーカ912、ズームレバー932、合焦動作を実行するためのレリーズボタン908が配置される。スピーカ912は本体931内部に組み込まれており、破線で示してある。スピーカ912の前方には音声を外部へ伝えるための穴が設けられている。
本発明の圧電音響部品は、マイク914、スピーカ912、また表面弾性波素子の少なくとも一つに用いられる。
ここで、本発明の電子機器としてデジタルカメラについて説明したが、本発明の電子機器は、音声再生機器、音声録音機器、携帯電話、情報端末等各種の圧電音響部品を有する電子機器にも適用することができる。
前述したように本発明の圧電素子は、液体吐出ヘッド、液体吐出装置、超音波モータ、光学機器、振動装置、塵埃除去装置、撮像装置および電子機器に好適に用いられる。
本発明の圧電素子および振動体を用いることで、鉛を含む圧電素子を用いた場合と同等以上の消費電力、効率、ノズル密度および吐出速度を有する液体吐出ヘッドを提供することができる。
本発明の液体吐出ヘッドを用いることで、鉛を含む圧電素子を用いた場合と同等以上の消費電力、効率、吐出速度および吐出精度を有する液体吐出装置を提供することができる。
本発明の圧電素子および振動体を用いることで、鉛を含む圧電素子を用いた場合と同等以上の消費電力、効率、駆動力および耐久性を有する超音波モータを提供することができる。
本発明の超音波モータを用いることで、鉛を含む圧電素子を用いた場合と同等以上の消費電力、効率、耐久性および動作精度を有する光学機器を提供することができる。
本発明の圧電素子および振動体を用いることで、鉛を含む圧電素子を用いた場合と同等以上の消費電力、効率、振動能力および耐久性を有する振動装置を提供することができる。
本発明の振動装置を用いることで、鉛を含む圧電素子を用いた場合と同等以上の消費電力、効率、塵埃除去効率および耐久性を有する塵埃除去装置を提供することができる。
本発明の塵埃除去装置を用いることで、鉛を含む圧電素子を用いた場合と同等以上の消費電力、効率および塵埃除去機能を有する撮像装置を提供することができる。
本発明の圧電素子を備えた圧電音響部品を用いることで、鉛を含む圧電素子を用いた場合と同等以上の消費電力、効率および発音性を有する電子機器を提供することができる。
本発明の圧電素子および振動体は、前述のデバイスのみならず、超音波振動子等の圧電アクチュエータに用いることができる。
以下に実施例を挙げて本発明の圧電セラミックスをより具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
(圧電セラミックスの作製と評価)
(実施例1)
(Ba1−xCa(Ti1−yZr)O (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−xCa(Ti1−yZr)O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(Ba0.84Ca0.161.006(Ti0.94Zr0.06)Oの原料粉を以下のように秤量した。
固相法によって作製された粒径300nm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、チタン酸カルシウム粉およびジルコン酸カルシウム粉と炭酸バリウム粉を上記化学式の比率になるように秤量した。
上記組成(Ba0.84Ca0.161.006(Ti0.94Zr0.06)Oの金属酸化物100重量部に対して、Mnが0.24重量部となるように四酸化三マンガンを秤量した。これらの秤量粉を、ボールミルを用いて24時間の乾式混合によって混合した。混合粉に対して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、混合粉表面に付着させ造粒した。
次に、前記造粒粉を金型に充填し、プレス成型機を用いて200MPaの成形圧をかけて円盤状の成形体を作製した。
前記成形体を大気雰囲気中の電気炉に入れ、まず600℃まで昇温させ3時間保持させた。その後に、最高温度1340℃まで昇温させ5時間保持し、1340℃から300℃まで毎時100℃の速度で降温させ、本発明の圧電セラミックスを得た。
得られたセラミックスを構成する結晶粒の平均円相当径と相対密度を評価した。その結果、平均円相当径は5.7μm、相対密度は96.2%であった。なお、結晶粒の観察には、偏光顕微鏡を用いた。偏光顕微鏡で撮影して得られた写真画像を画像処理して、平均円相当径を算出した。また、相対密度はアルキメデス法を用いて評価した。
次に蛍光X線分析およびICP発光分光分析により組成を評価した。その結果、(Ba0.84Ca0.161.006(Ti0.94Zr0.06)Oの化学式で表わすことができるチタン酸バリウムを主成分とする金属酸化物100重量部に対してMnが0.24重量部含有されていることが分かった。これは秤量した組成と焼結後の組成が一致していることを意味する。また、Ba、Ca、Ti、ZrおよびMn以外の元素は検出限界以下の量であり、0.001重量部未満であった。
(電極の作製)
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。
(分極処理)
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。
(残留分極の方向の評価)
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。
(結晶構造の評価)
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。
さらに、圧電セラミックスの残留分極の方向に交差する面(10×2.5mmの面)の結晶構造を評価した。まず、Ag電極を除去するために粒度#2000番の研磨材を用いて研磨を行い、その後、コロイダルシリカを用いたバフ研磨を行った。研磨された残留分極の方向に交差する面の結晶構造評価は、前記被測定面の結晶構造評価と同条件で行った。その結果、残留分極の方向に交差する面の(002)/(200)回折強度比は1.21であった。このとき室温は25℃であった。
(電気特性評価)
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。
次に短冊状の圧電素子の消費電力を評価した。消費電力は、交番電圧を印加し、変位量が1.0μmになるように交番電圧の大きさと周波数を変化させたときの消費電力の値を電力計で測定した。この際、変位量はレーザドップラ振動計によって測定した。このときの消費電力は16mWであった。
(実施例2から10)
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。
続いて、実施例1と同様の工程で、圧電素子を作製し、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、結晶構造、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。その結果を表3および表4に示す。
(圧電セラミックスの作製と評価)
(比較例1)
(Ba1−xCa(Ti1−yZr)Oの一般式において、x=0.10、y=0、q=1.000の組成に相当する(Ba0.90Ca0.101.000TiOの原料粉を以下のように秤量した。
純度99.9%の炭酸カルシウム粉、炭酸バリウム粉、酸化チタン粉および炭酸マンガン粉を上記化学式の比率になるように秤量した。
上記組成(Ba0.90Ca0.101.000TiOの金属酸化物100重量部に対して、Mnが0.24重量部となるように炭酸マンガンを秤量した。これらの秤量粉を、ボールミルを用いて16時間の湿式混合によって混合し、混合粉を得た。得られた混合粉を1000℃で2時間仮焼成し、仮焼成粉を得た。得られた仮焼成粉を8時間湿式粉砕した後に、仮焼成粉に対し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、仮焼成粉表面に付着させ造粒した。
次に、前記造粒粉を金型に充填し、プレス成型機を用いて200MPaの成形圧をかけて円盤状の成形体を作製した。
前記成形体を電気炉に入れ、最高温度が1300℃の条件で10時間保持し、合計48時間かけて大気雰囲気で焼結し、比較例1のセラミックスを得た。なお、最高温度からの降温過程は炉冷により行った。
得られたセラミックスを構成する結晶粒の平均円相当径と相対密度を評価した。その結果、平均円相当径は12.5μm、相対密度は92.0%であった。なお、結晶粒の観察には、偏光顕微鏡を用いた。偏光顕微鏡で撮影して得られた写真画像を画像処理して、平均円相当径を算出した。また、相対密度はアルキメデス法を用いて評価した。
次に蛍光X線分析およびICP発光分光分析により組成を評価した。その結果、(Ba0.90Ca0.101.000TiOの化学式で表わすことができる金属酸化物100重量部に対してMnが0.24重量部含有されていることが分かった。これは秤量した組成と焼結後の組成が一致していることを意味する。また、Ba、Ca、TiおよびMn以外の元素は検出限界以下の量であり、0.001重量部未満であった。
(電極の作製)
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。
(分極処理)
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。
(残留分極の方向の評価)
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。
(結晶構造の評価)
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。
さらに、圧電セラミックスの残留分極の方向に交差する面(10×2.5mmの面)の結晶構造を評価した。まず、Ag電極を除去するために粒度#2000番の研磨材を用いて研磨を行い、その後、コロイダルシリカを用いたバフ研磨を行った。研磨された残留分極の方向に交差する面の結晶構造評価は、前記被測定面の結晶構造評価と同条件で行った。このとき室温は25℃であった。その結果、残留分極の方向に交差する面の(002)/(200)回折強度比は0.91であった。
(電気特性評価)
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。
次に短冊状の圧電素子の消費電力を評価した。消費電力は、交番電圧を印加し、変位量が1.0μmになるように交番電圧の大きさと周波数を変化させたときの消費電力の値を電力計で測定した。この際、変位量はレーザドップラ振動計によって測定した。このときの消費電力は35mWであった。
(圧電セラミックスの作製と評価)
(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。
次に、前記造粒粉を金型に充填し、プレス成型機を用いて200MPaの成形圧をかけて円盤状の成形体を作製した。
前記成形体を電気炉に入れ、まず1390℃まで15℃/分の速度で昇温し、1390℃で1分キープした後に、30℃/分の速度で1190℃まで降温し、1190℃で4時間キープする。その後毎時60℃の速度で室温まで降温する焼結プロファイルで焼結し、セラミックスを得た。
得られたセラミックスを構成する結晶粒の平均円相当径と相対密度を評価した。その結果、平均円相当径は8.1μm、相対密度は94.9%であった。なお、結晶粒の観察には、偏光顕微鏡を用いた。偏光顕微鏡で撮影して得られた写真画像を画像処理して、平均円相当径を算出した。また、相対密度はアルキメデス法を用いて評価した。
次に蛍光X線分析およびICP発光分光分析により組成を評価した。その結果、Ba1.000TiOの化学式で表わすことができることが分かった。これは秤量した組成と焼結後の組成が一致していることを意味する。また、BaおよびTi以外の元素は検出限界以下の量であり、0.001重量部未満であった。
(電極の作製)
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。
(分極処理)
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。
(残留分極の方向の評価)
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。
(結晶構造の評価)
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。
(電気特性評価)
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。
(比較例3)
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。
前記成形体を電気炉に入れ、最高温度が1440℃の条件で5時間保持し、合計24時間かけて大気雰囲気で焼結し、セラミックスを得た。なお、最高温度からの降温過程は炉冷により行った。
比較例2と同様の工程で、得られたセラミックスの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。
次に蛍光X線分析およびICP発光分光分析により組成を評価した。その結果、(Ba0.84Ca0.161.014(Ti0.90Zr0.10)Oの化学式で表わすことができる金属酸化物100重量部に対してMnが0.40重量部含有されていることが分かった。これは秤量した組成と焼結後の組成が一致していることを意味する。また、Ba、Ca、Ti、ZrおよびMn以外の元素は検出限界以下の量であり、0.001重量部未満であった。
(電極の作製)
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。
(分極処理)
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。
(残留分極の方向の評価)
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。
(結晶構造の評価)
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。
(電気特性評価)
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。
Figure 0005980354
Figure 0005980354
Figure 0005980354
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表1から表4を考察する。まず実施例1から9と比較例1から3の電気機械結合定数k31を比較すると、実施例の電気機械結合定数k31は0.201以上となっていた。そのため、消費電力が25mW以下と比較例と比べて小さくなっていた。
また、実施例1から9を比較すると、実施例1、2、4、7、8および9は消費電力が25mW以下と優れていた。これは機械的品質係数Qmが1320以上と実施例の中でも高い数字であったことに起因していると考えられる。
続いて、実施例10と比較例1を比較すると、消費電力は実施例10の方が小さかった。実施例10と比較例1の圧電セラミックスは同じ組成であるが、被測定面の(002)/(200)回折強度比は異なり、比較例1の被測定面の(002)/(200)回折強度比は1.0未満となっていた。そのため、実施例10の方が電気機械結合定数k31と機械的品質係数Qmにも差が生じた。比較例1は実施例10よりも電気機械結合定数k31が小さいため、1.0μmの変位を得るために必要な電圧が大きくなった結果、キャパシタンス電力が増え、消費電力が増大したと考えられる。
比較例2も被測定面の(002)/(200)回折強度比が1.0未満となっているために電気機械結合定数k31が0.200未満になっていた。また、比較例2は消費電力が72mWと比較例1よりは大きくなっていた。これは比較例1より機械的品質係数が大幅に小さかったために駆動電力が増え、消費電力が増大したと考えられる。
比較例3はc/aが1.004未満であった。また、比較例3は消費電力が31mWと実施例1から10より大きくなっていた。これは比誘電率が高いためにキャパシタンス電力が増加したことに起因していると考えられる。
(振動体の作製と評価)
(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。
続いて、得られた振動体を構成する圧電セラミックスの結晶構造を評価した。評価は圧電セラミックスの被測定面(2.5mm×0.5mmの面)の表面近傍および底面近傍の2箇所に対して行った。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。測定は10回繰り返して行い、得られた被測定面の(002)/(200)回折強度比の平均値を評価した。結果、表面近傍の回折強度比Bは1.37、底面近傍の回折強度比Aは1.41であった。このとき室温は25℃であった。
また、得られた振動体の機械的品質係数Qmを共振−反共振法により評価したところ2200であった。さらに、共振周波数付近の周波数の交番電圧を印加し、振動速度が0.5m/sとなる電圧を評価した。結果、0.5m/sに達するまでに14Vppの電圧を要した。
(実施例12)
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。
続いて、得られた振動体を構成する圧電セラミックスの結晶構造を実施例11と同様の工程で評価した。結果、表面近傍の回折強度比Bは1.37、底面近傍の回折強度比Aは1.43であった。このとき室温は25℃であった。
また、得られた振動体の機械的品質係数Qmを共振−反共振法により評価したところ2300であった。
得られた振動体に共振周波数付近の周波数の交番電圧を印加し、振動速度が0.5m/sとなる電圧を評価した。結果、0.5m/sに達するまでに12.5Vppの電圧を要した。
(比較例4)
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。
得られた振動体に共振周波数付近の周波数の交番電圧を印加し、振動速度が0.5m/sとなる電圧を評価した。20Vppまで印加したが、0.5m/sに到達することはなかった。
実施例11と実施例12を比較すると、SUS420を振動板に用いた振動体の方が低電圧で0.5m/sの振動速度に到達した。これは振動体の機械的品質係数Qmの差に起因すると考えられる。この結果より、振動板の熱膨張係数は圧電セラミックスの熱膨張係数より大きいと、振動体の駆動効率が優れることが分かった。
(液体吐出ヘッドの作製と評価)
(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5)
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。
(液体吐出装置の作製と評価)
(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6)
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。
(超音波モータの作製と評価)
(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16)
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7)
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15と実施例16を比較すると、SUS420を用いた振動体を用いた超音波モータの方が高効率で回転した。これは振動体の機械的品質係数Qmの差に起因すると考えられる。この結果より、振動板の熱膨張係数は圧電セラミックスの熱膨張係数より大きいと、超音波モータの駆動効率が優れることが分かった。
(光学機器の作製と評価)
(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8)
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。
(塵埃除去装置の作製と評価)
(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9)
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。
(撮像装置の作製と評価)
(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10)
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。
(電子機器の作製と評価)
(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11)
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。
本発明の圧電セラミックスは、高い機械品質係数を有するため、圧電素子として駆動した際に、消費電力が小さく、良好な効率で駆動する。また、鉛やアルカリ金属を含まないために、環境に対する負荷が少ない。よって、本発明の圧電セラミックスは、液体吐出ヘッド、超音波モータ、塵埃除去装置などの圧電素子を多く用いる機器にも効率良く利用することができる。
1 第一の電極
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)

  1. 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。
  2. 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−xCa(Ti1−yZr)O (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。)
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 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。
  9. 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。
  10. 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。
  11. 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。
  12. 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。
  13. 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。
  14. 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α、前記振動板の室温の熱膨張係数をαとしたときに、α<αであることを特徴とする請求項13に記載の振動体。
  15. 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。
  16. 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。
  17. 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。
  18. 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。
  19. 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。
  20. 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。
  21. 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。
  22. 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。
  23. 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。
  24. 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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