JP6180234B2 - 圧電材料、圧電素子、および電子機器 - Google Patents
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-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
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-
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- H10N30/877—Conductive materials
Description
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、鉛、コバルトを含まず、キュリー温度が200℃以上であり、1150℃以下の温度で焼結できる、機械的品質係数と絶縁性が良好な圧電材料を提供するものである。また本発明は、前記非鉛圧電材料を用いた圧電素子、積層圧電素子、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。
(KvBiwBa1−v−w)1−yNax(NbyTi1−y)O3 一般式(1)
(式中、0<v≦0.39、0<w≦0.39、0.9≦w/v≦1.1、0.80≦x≦0.95、0.85≦y≦0.95)
で表わされるペロブスカイト型金属酸化物1molに対して、Cuを0.04mol%以上2.00mol%以下含むことを特徴とする。
本発明の積層圧電素子の製造方法は、K、Bi、Ba、Na、Nb、TiおよびCuの少なくとも1種を含む金属化合物を分散させてスラリーを得る工程(A)と、前記スラリーから成形体を得る工程(B)と、前記成形体に電極を形成する工程(C)と、前記金属化合物を含む成形体と前記電極とが交互に積層された形成された成形体を焼結して、積層圧電素子を得る工程(D)とを有し、前記工程(D)における焼結温度が1150℃以下であることを特徴とする。
本発明の超音波モータは、前記圧電素子または積層圧電素子を配した振動体と、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。
本発明の振動装置は、前記圧電素子または積層圧電素子を配した振動体を有することを特徴とする。
本発明の圧電材料は、鉛を使用していないために環境に対する負荷が極めて小さい。
本発明は、NN−BTをベースとし、高キュリー温度かつ機械的品質係数と絶縁性の良好な非鉛圧電材料を提供するものである。なお、本発明の圧電材料は、誘電材料としての特性を利用してコンデンサ、メモリ、およびセンサ等のさまざまな用途に利用することができる。
(KvBiwBa1−v−w)1−yNax(NbyTi1−y)O3 一般式(1)
(式中、0<v≦0.39、0<w≦0.39、0.9≦w/v≦1.1、0.80≦x≦0.95、0.85≦y≦0.95)
で表わされるペロブスカイト型金属酸化物1molに対して、Cuを0.04mol%以上2.00mol%以下含むことを特徴とする。
本発明において、ペロブスカイト型金属酸化物とは、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型構造(ペロフスカイト構造とも言う)を持つ金属酸化物を指す。ペロブスカイト型構造を持つ金属酸化物は一般にABO3の化学式で表現される。ペロブスカイト型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。
(Bi0.5K0.5)TiO3は正方晶構造を有するペロブスカイト型金属酸化物であり、a軸長とc軸長の比を示すc/aが1.024と大きな値をもつ。この正方晶歪みの大きさのため、(Bi0.5K0.5)TiO3単体のキュリー温度は約300℃と高い。この性質を利用して、NN−BTのBT(c/a=1.01)の一部に(Bi0.5K0.5)TiO3を固溶させることで、キュリー温度を高めることができる。
前記工程(A)における金属化合物粉体としては、K化合物、Bi化合物、Ba化合物、Na化合物、Nb化合物、Ti化合物およびCu化合物を挙げることができる。
使用可能なK化合物としては、炭酸カリウム、硝酸カリウム、チタン酸ビスマスカリウムなどが挙げられる。
粒子、粉体、液滴の搬送、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。
前述したように本発明の圧電素子および積層圧電素子は、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吐出速度および吐出精度を有する液体吐出装置を提供できる。
実施例および比較例で得られた圧電材料およびその中間体の加工と評価は下記のような手順で行った。
評価のための圧電材料は厚みが約0.5mmとなるように研磨処理をした。アルキメデス法により圧電材料の密度を評価し、理論密度の95%以上であれば十分に結晶化が進んでいると判断した。圧電材料の結晶相と格子定数はエックス線回折測定により評価した。
Bi、K、Cuを含まないNN−BTよりなる比較用の金属酸化物材料を作製した。原料には、ニオブ酸ナトリウム(NaNbO3)、チタン酸バリウム(BaTiO3)の粉末を用いた。ニオブ酸ナトリウム粉末純度99%以上のニオブ酸ナトリウム(NaNbO3)、チタン酸バリウム粉末は純度99%以上のチタン酸バリウム(BaTiO3)を用いた。
目的組成NazBa1−yNbyTi1−yO3(y=0.85(比較例2)、0.88(比較例1)、0.90(比較例3))になるように原料を秤量して混合した。混合した粉末を大気中1000から1100℃で空気中、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、圧縮することで直径17mm、厚みが約1mmの成形体を作製した。得られた成形体を最大温度1200℃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。得られた焼結体の表面を光学顕微鏡で観察し粒径を評価した所、粒径は、0.5μmから60μmであった。
エックス線回折により、試料はほぼペロブスカイト構造単相であることが確認できた。焼結体の密度は理論密度の95%以上であった。焼結体の組成を誘導結合プラズマ発光分光分析法(ICP)で評価したところ、ナトリウムは目的組成から約1%から5%少なかった。一方で、バリウム、ニオブおよびチタンは目的組成と同じであった。
目的組成(KvBiwBa1−v−w)1−yNax(NbyTi1−y)O3 (v=w=0.05(実施例1)、0.10(実施例2)、0.20(実施例3)、0.30(実施例4)、x=0.88、y=0.88)になるようにニオブ酸ナトリウム(NaNbO3)、チタン酸バリウム(BaTiO3)、チタン酸ビスマスカリウム((Bi0.5K0.5)TiO3)の粉末と、目的組成(KvBiwBa1−v−w)1−yNax(NbyTi1−y)O3のぺロブスカイト型金属酸化物1molに対して0.4molのCuを秤量して混合した。
混合した粉末を大気中900から1000℃で空気中、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、圧縮することで直径17mm、厚みが約1mmの成形体を作製した。得られた成形体を最大温度1100℃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。得られた焼結体の表面を光学顕微鏡で観察し粒径を評価した所、粒径は、0.5μmから50μmであった。
焼結後の圧電材料についてエックス線回折を測定すると、試料はほぼペロブスカイト構造単相であることが確認できた。圧電材料の密度は理論密度の95%以上であった。圧電材料の組成をICPで分析したところ、ナトリウムは目的組成から約3%から4%少なかった。一方で、カリウム、ビスマス、バリウム、ニオブ、チタンおよび銅は目的組成と同じであった。
実施例1から4と同様の方法で試料を作製し、本発明の圧電材料とした。ただしv=w=0.05(実施例5)、0.10(実施例6)、0.20(実施例7)、0.30(実施例8)、y=0.85、z=0.85になるようにニオブ酸ナトリウム(NaNbO3)、チタン酸バリウム(BaTiO3)、チタン酸ビスマスカリウム((Bi0.5K0.5)TiO3)、酸化銅(CuO(II))の粉末を秤量して混合した。焼結体は、成形体を最大温度1100℃、空気中で1から6時間焼成することにより得た。得られた焼結体の表面を光学顕微鏡で観察し粒径を評価した所、粒径は、0.5μmから60μmであった。
焼結後の圧電材料についてエックス線回折を測定すると、試料はほぼペロブスカイト構造単相であることが確認できた。圧電材料の密度は理論密度の95%以上であった。圧電材料の組成をICPで分析したところ、ナトリウムは目的組成から約4%から5%少なかった。一方で、カリウム、ビスマス、バリウム、ニオブ、チタンおよび銅は目的組成と同じであった。
実施例1から8と同様の方法で試料を作製し、本発明の圧電材料とした。ただしv=w=0.05(実施例9)、0.10(実施例10)、0.20(実施例11)、0.30(実施例12)、y=0.90、z=0.90になるようにニオブ酸ナトリウム(NaNbO3)、チタン酸バリウム(BaTiO3)、チタン酸ビスマスカリウム((Bi0.5K0.5)TiO3)、酸化銅(CuO(II))の粉末を秤量して混合した。焼結体は、成形体を最大温度1100℃、空気中で1から6時間焼成することにより得た。得られた焼結体の表面を光学顕微鏡で観察し粒径を評価した所、粒径は、0.5μmから50μmであった。
焼結後の圧電材料についてエックス線回折を測定すると、試料はほぼペロブスカイト構造単相であることが確認できた。圧電材料の密度は理論密度の95%以上であった。圧電材料の組成をICPで分析したところ、ナトリウムは目的組成から約1%から2%少なかった。一方で、カリウム、ビスマス、バリウム、ニオブ、チタンおよび銅は目的組成と同じであった。
実施例1から12と同様の方法で比較用の金属酸化物材料を作製した。ただしv=w=0.40、y=z=0.88(比較例4)、0.85(比較例5)、0.90(比較例6)になるように原料の粉末を秤量して混合した。焼結体は、成形体を最大温度1100℃、空気中で1から6時間焼成することにより得た。得られた焼結体の表面を光学顕微鏡で観察し粒径を評価した所、粒径は、0.5μmから50μmであった。
実施例1から12と同様の方法で比較用の金属酸化物材料を作製した。ただしv=w=0.40、y=z=0.88、になるように原料の粉末を秤量し、さらに目的組成(KvBiwBa1−v−w)1−yNax(NbyTi1−y)O3のぺロブスカイト型金属酸化物1molに対して5molのCuを秤量して混合した。焼結体は、成形体を最大温度1150℃、空気中で1から6時間焼成することにより得た。得られた焼結体の密度は理論密度の93%より小さく、焼結が不十分なため絶縁抵抗も低く、分極処理を行えなかった。
抵抗率の測定には、未分極の素子を用いた。素子の2つの電極間に直流10Vのバイアスを印加し、20秒後のリーク電流値より抵抗率を求めた。この抵抗率が1GΩ・cm以上、より好ましくは100GΩ・cm以上であれば、圧電材料及び圧電素子の実用において十分な絶縁性を有している。
圧電性の評価に先立っては、試料に分極処理を施した。具体的には、試料をオイルバス中で100℃から150℃に加熱し、該試料に20kV/cmの電圧を30分間印加し、電圧を印加したままで室温まで冷却した。
また、比較例1から3の組成は、Cuを含まないため1200℃よりも低い温度で焼成しても充分な絶縁抵抗が得られず、分極処理が行えなかった。
実施例2と同様に原料の粉末を湿式混合して脱水乾燥し、900℃から1000℃で仮焼して仮焼物を得た。この原料に有機バインダーを加えて混合した後、ドクターブレード法によりシート形成して厚み50μmのグリーンシートを得た。
上記グリーンシートに内部電極用の導電ペーストを印刷した。導電ペーストには、Ag70%−Pd30%合金を用いた。このように作製した導電ペーストを塗布したグリーンシートを9枚積層して、その積層体を1140℃で焼成して焼結体を得た。このようにして得られた焼結体を10mm×2.5mmの大きさに切断した後にその側面を研磨し、内部電極を交互に短絡させる一対の外部電極(第一の電極と第二の電極)をAuスパッタにより形成し、図2(b)のような積層圧電素子を作製した。
得られた積層圧電素子の内部電極を観察したところ、電極材であるAg−Pdが圧電材料層と交互に形成されていた。
圧電性の評価に先立って試料に分極処理を施した。具体的には、試料をホットプレート上で100℃から150℃に加熱し、第一の電極と第二の電極間に20kV/cmの電圧を30分間印加し、電圧を印加したままで室温まで冷却した。
圧電性を評価したところ、十分な絶縁性を有し、実施例4の圧電材料と同等の良好な圧電特性を得ることができた。
比較例1と同様に原料の粉末を湿式混合して脱水乾燥し、1000℃から1100℃で仮焼して仮焼物を得た。この原料に有機バインダーを加えて混合した後、ドクターブレード法によりシート形成して厚み50μmのグリーンシートを得た。
上記グリーンシートに内部電極用の導電ペーストを印刷した。導電ペーストには、Ag70%−Pd30%合金を用いた。このように作製した導電ペーストを塗布したグリーンシートを9枚積層して、その積層体を1280℃で焼成して焼結体を得た。このようにして得られた焼結体を実施例13と同様に加工して、図2(b)のような積層圧電素子を作製した。
得られた積層圧電素子の内部電極を観察したところ、電極材であるAg−Pdが高い焼結温度の影響で溶けており、圧電材料層にAg、Pdが拡散していた。また、素子の一対の外部電極間の抵抗率が106Ω・cm以下と低かったために、圧電定数を測定できなかった。
比較例8と同様にして厚み50μmのグリーンシートを得た。
上記グリーンシートに内部電極用の導電ペーストを印刷した。導電ペーストには、Ag95%−Pd5%合金を用いた。このように作製した導電ペーストを塗布したグリーンシートを9枚積層して、その積層体を1300℃で焼成して焼結体を得た。このようにして得られた焼結体を実施例13と同様に加工して、図2(b)のような積層圧電素子を作製した。
得られた積層圧電素子の内部電極を観察したところ、内部電極は溶解し、島状に点在していていた。よって、内部電極が導通していないので分極処理が行えなかった。そのため、圧電定数は測定できなかった。
ニオブ酸ナトリウム、チタン酸バリウム、ジルコン酸バリウム粉末を、Na、Nb、Ba、Zrが表1の実施例2記載の組成になるよう秤量した。秤量した原料粉末をボールミルで一晩混合した。これらの秤量粉に対して、3重量部となるPVBバインダーを加えて混合した。この混合粉を用いて、ドクターブレード法によりシート形成して厚み50μmのグリーンシートを得た。
上記グリーンシートに内部電極用の導電ペーストを印刷した。導電ペーストには、Niペーストを用いた。導電ペーストを塗布したグリーンシートを9枚積層して、その積層体を熱圧着した。
実施例2の圧電素子を用いて、図3に示される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。
実施例15の液体吐出ヘッドを用いて、図4に示される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。
実施例2の圧電素子を用いて、図6(a)に示される超音波モータを作製した。交番電圧の印加に応じたモータの回転が確認された。
実施例17の超音波モータを用いて、図7に示される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。
実施例2の圧電素子を用いて、図9に示される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。
実施例19の塵埃除去装置を用いて、図12に示される撮像装置を作製した。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。
実施例13の積層圧電素子を用いて、図3に示される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。
実施例21の液体吐出ヘッドを用いて、図4に示される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。
実施例13の積層圧電素子を用いて、図6(b)に示される超音波モータを作製した。交流電圧の印加に応じたモータの回転が確認された。
実施例23の超音波モータを用いて、図7に示される光学機器を作製した。交流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。
実施例13の積層圧電素子を用いて、図9に示される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、交流電圧を印加したところ、良好な塵埃除去率が確認された。
実施例25の塵埃除去装置を用いて、図12に示される撮像装置を作製した。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。
実施例13の積層圧電素子を用いて、図14に示される電子機器を作製した。交流電圧の印加に応じたスピーカ動作が確認された。
2 圧電材料部
3 第二の電極
101 圧電素子
102 個別液室
103 振動板
104 液室隔壁
105 吐出口
106 連通孔
107 共通液室
108 バッファ層
1011 第一の電極
1012 圧電材料
1013 第二の電極
201 振動子
202 ロータ
203 出力軸
204 振動子
205 ロータ
206 バネ
2011 弾性体リング
2012 圧電素子
2013 有機系接着剤
2041 金属弾性体
2042 積層圧電素子
310 塵埃除去装置
330 圧電素子
320 振動板
330 圧電素子
331 圧電材料
332 第1の電極
333 第2の電極
336 第1の電極面
337 第2の電極面
310 塵埃除去装置
320 振動板
330 圧電素子
51 第一の電極
53 第二の電極
54 圧電材料層
55 内部電極
501 第一の電極
503 第二の電極
504 圧電材料層
505a 内部電極
505b 内部電極
506a 外部電極
506b 外部電極
601 カメラ本体
602 マウント部
605 ミラーボックス
606 メインミラー
200 シャッタユニット
300 本体シャーシ
400 撮像ユニット
701 前群レンズ
702 後群レンズ(フォーカスレンズ)
711 着脱マウント
712 固定筒
713 直進案内筒
714 前群鏡筒
715 カム環
716 後群鏡筒
717 カムローラ
718 軸ビス
719 ローラ
720 回転伝達環
722 コロ
724 マニュアルフォーカス環
725 超音波モータ
726 波ワッシャ
727 ボールレース
728 フォーカスキー
729 接合部材
732 ワッシャ
733 低摩擦シート
881 液体吐出装置
882 外装
883 外装
884 外装
885 外装
887 外装
890 回復部
891 記録部
892 キャリッジ
896 装置本体
897 自動給送部
898 排出口
899 搬送部
901 光学装置
908 レリーズボタン
909 ストロボ発光部
912 スピーカ
914 マイク
916 補助光部
931 本体
932 ズームレバー
933 電源ボタン
Claims (16)
- 下記一般式(1):
(KvBiwBa1−v−w)1−yNax(NbyTi1−y)O3
(式中、0<v≦0.39、0<w≦0.39、0.9≦w/v≦1.1、0.80≦x<0.95、0.85≦y≦0.95、かつ、x<y)
で表わされるペロブスカイト型金属酸化物1molに対して、Cuを0.04mol%以上2.00mol%以下含むことを特徴とする圧電材料。 - 前記一般式(1)において、0<v≦0.05、0<w≦0.05であることを特徴とする、請求項1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又は2に記載の圧電材料であることを特徴とする、圧電素子。
- 圧電材料層と、内部電極を含む電極層とが交互に積層された積層圧電素子であって、前記圧電材料層が請求項1又は2に記載の圧電材料からなることを特徴とする、積層圧電素子。
- 前記内部電極がAgとPdを含み、前記Agの含有重量M1と前記Pdの含有重量M2との重量比M1/M2が1.5≦M1/M2≦9.0であることを特徴とする、請求項4に記載の積層圧電素子。
- 前記内部電極がNiおよびCuの少なくともいずれか1種を含むことを特徴とする、請求項4に記載の積層圧電素子。
- 請求項4乃至6のいずれか1項に記載の積層圧電素子の製造方法であって、
K、Bi、Ba、Na、Nb、TiおよびCuの少なくとも1種を含む金属化合物を分散させてスラリーを得る工程(A)、
前記スラリーから成形体を得る工程(B)、
前記成形体に電極を形成する工程(C)、及び
前記金属化合物を含む成形体と前記電極とが交互に積層された成形体を焼結して、積層圧電素子を得る工程(D)、
を有し、
前記工程(D)における焼結温度が1150℃以下であることを特徴とする、積層圧電素子の製造方法。 - 請求項3に記載の圧電素子または請求項4乃至6のいずれか1項に記載の積層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とを少なくとも有することを特徴とする、液体吐出ヘッド。
- 記録媒体の搬送部と請求項8に記載の液体吐出ヘッドとを備えることを特徴とする、液体吐出装置。
- 請求項3に記載の圧電素子または請求項4乃至6のいずれか1項に記載の積層圧電素子を配した振動体と、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10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3に記載の圧電素子または請求項4乃至6のいずれか1項に記載の積層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12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13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3に記載の圧電素子または請求項4乃至6のいずれか1項に記載の積層圧電素子を備えることを特徴とする、圧電音響部品。
- 請求項3に記載の圧電素子または請求項4乃至6のいずれか1項に記載の積層圧電素子を備えることを特徴とする、電子機器。
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