JP7013151B2 - 積層圧電素子、振動子、振動波モータ、光学機器および電子機器 - Google Patents
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Description
前記圧電材料はチタン酸バリウム系材料であり、
前記圧電素子の二つの抗電界Ec1およびEc2が同じ符号であり、
(|Ec2|-|Ec1|)≧8kV/cm
であり、
前記チタン酸バリウム系材料は、
(Ba1-xCax)(Ti1-yZry)O3
但し0.10≦x≦0.20、0.03≦y≦0.07、
であらわされる酸化物である主成分と、少なくともMnを含む添加物から構成され、前記酸化物100重量部に対する前記Mnの含有量は、金属換算で0.02重量部以上0.40重量部以下であることを特徴とする圧電素子を提供する。
前記圧電材料層はチタン酸バリウム系材料を含み、
前記積層圧電素子の二つの抗電界Ec1およびEc2が同じ符号であり、
(|Ec2|-|Ec1|)≧8kV/cm
であることを特徴とする。
前記Baおよび前記Caの和に対する前記Caのモル比であるxが0.02≦x≦0.30であり、前記Tiおよび前記Zrの和に対するZrのモル比であるyが0.01≦y≦0.10である。また前記酸化物100重量部に対する前記Mnの含有量は、金属換算で0.02重量部以上0.40重量部以下である。
本発明にかかる積層圧電素子の製造方法は特に限定されないが、以下にその製造方法を例示する。
(実施例1)
まず、圧電材料層の出発原料となる粉末状のチタン酸バリウム系材料を準備した。
第一のナットを2kgf・mで加圧締め込みを行った点以外は、実施例1と同様の工程で、実施例2の積層圧電振動子を得た。
第一のナットを4kgf・mで加圧締め込みを行った点以外は、実施例1と同様の工程で、実施例3の積層圧電振動子を得た。
以下の点以外は、実施例1と同様の工程で、実施例4の積層圧電振動子を得た。
(1)炭酸バリウム(BaCO3)、炭酸カルシウム(CaCO3)、酸化チタン(TiO2)、酸化ジルコニウム(ZrO2)および四酸化三マンガン(Mn3O4)を、BaおよびCaの含有量(mol)の和に対するBaの含有量の比であるxの値が0.10に、TiおよびZrの含有量(mol)の和に対するZrの含有量の比であるyの値が0.07に、Mnの含有量がBa、Ca、TiおよびZrを含む酸化物100重量部に対して金属換算で0.20重量部となるように秤量して混合した点
(2)導電ペーストには、銀(Ag)40%-パラジウム(Pd)60%合金(Ag/Pd=0.67)ペーストを用いた点
(3)積層体を最高温度1280℃で5時間保持する焼成をして焼結体を得た点
以下の点以外は、実施例4と同様の工程で、実施例5の積層圧電振動子を得た。
(1)炭酸バリウム(BaCO3)、炭酸カルシウム(CaCO3)、酸化チタン(TiO2)、酸化ジルコニウム(ZrO2)および四酸化三マンガン(Mn3O4)を、BaおよびCaの含有量(mol)の和に対するBaの含有量の比であるxの値が0.20に、TiおよびZrの含有量(mol)の和に対するZrの含有量の比であるyの値が0.03に、Mnの含有量がBa、Ca、TiおよびZrを含む酸化物100重量部に対して金属換算で0.10重量部となるように秤量して混合した点
以下の点以外は、実施例4と同様の工程で、実施例6の積層圧電振動子を得た。
(1)炭酸バリウム(BaCO3)、炭酸カルシウム(CaCO3)、酸化チタン(TiO2)、酸化ジルコニウム(ZrO2)および四酸化三マンガン(Mn3O4)を、BaおよびCaの含有量(mol)の和に対するBaの含有量の比であるxの値が0.10に、TiおよびZrの含有量(mol)の和に対するZrの含有量の比であるyの値が0.05に、Mnの含有量がBa、Ca、TiおよびZrを含む酸化物100重量部に対して金属換算で0.40重量部となるように秤量して混合した点
まず、圧電材料層の出発原料となる粉末状のチタン酸バリウム系材料を準備した。
以下の点以外は、比較例1と同様の工程で、比較例2の積層圧電振動子を得た。
(1)炭酸バリウム(BaCO3)、炭酸カルシウム(CaCO3)、酸化チタン(TiO2)、酸化ジルコニウム(ZrO2)および四酸化三マンガン(Mn3O4)を、BaおよびCaの含有量(mol)の和に対するBaの含有量の比であるxの値が0.13に、TiおよびZrの含有量(mol)の和に対するZrの含有量の比であるyの値が0.03に、Mnの含有量がBa、Ca、TiおよびZrを含む酸化物100重量部に対して金属換算で0.20重量部となるように秤量して混合した点
(2)導電ペーストには、銀(Ag)60%-パラジウム(Pd)40%合金(Ag/Pd=1.5)ペーストを用いた点
(3)積層体に対して分極処理を行わなかった点
以下の点以外は、比較例1と同様の工程で、比較例3の積層圧電振動子を得た。
(1)炭酸バリウム(BaCO3)、炭酸カルシウム(CaCO3)、酸化チタン(TiO2)および酸化ジルコニウム(ZrO2)を、BaおよびCaの含有量(mol)の和に対するBaの含有量の比であるxの値が0.02に、TiおよびZrの含有量(mol)の和に対するZrの含有量の比であるyの値が0.05になるように秤量して混合した点
(2)導電ペーストには、銀(Ag)40%-パラジウム(Pd)60%合金(Ag/Pd=0.67)ペーストを用いた点
(3)積層体を最高温度1300℃で5時間保持する焼成をして焼結体を得た点
以下の点以外は、比較例3と同様の工程で、比較例4の積層圧電振動子を得た。
(1)炭酸バリウム(BaCO3)、炭酸カルシウム(CaCO3)、酸化チタン(TiO2)および酸化ジルコニウム(ZrO2)を、BaおよびCaの含有量(mol)の和に対するBaの含有量の比であるxの値が0.08に、TiおよびZrの含有量(mol)の和に対するZrの含有量の比であるyの値が0.05になるように秤量して混合した点
以下の点以外は、比較例3と同様の工程で、比較例5の積層圧電振動子を得た。
(1)炭酸バリウム(BaCO3)、炭酸カルシウム(CaCO3)、酸化チタン(TiO2)および酸化ジルコニウム(ZrO2)を、BaおよびCaの含有量(mol)の和に対するBaの含有量の比であるxの値が0.20に、TiおよびZrの含有量(mol)の和に対するZrの含有量の比であるyの値が0.05になるように秤量して混合した点
得られた積層圧電振動子の分極-電界ヒステリシス特性は、強誘電体評価装置(東陽テクニカ社製、商品名:FCE-1)によって評価した。
(項目1) 二つの抗電界点の電界極性
(項目2) 二つの抗電界点における抗電界Ec1およびEc2の差(|Ec2|-|Ec1|)
(項目3) |Ec2|の値
(項目4) 二つの抗電界点が位置する電界極性とは異なる電界極性のヒステリシスループの面積S
(項目5) 二つの抗電界点が位置する電界極性側における分極量の最大値Pmaxと分極量の最小値Pminの差(|Pmax-Pmin|)の絶対値
(項目6) (|Ec2|-|Ec1|)と(|Pmax-Pmin|)の積
実施例1から6および比較例1から5の分極-電界ヒステリシス特性を表2にまとめた。
(実施例7から12)
実施例1から6で作製した積層圧電振動子と、ゴム、移動体、ギア、加圧バネ、フランジ及び第二のナットを用いて、図6のような振動波モータを作製した(実施例7から12)。
比較例1から5で作製した積層圧電振動子と、ゴム、移動体、ギア、加圧バネ、フランジ及び第二のナットを用いて、図6のような振動波モータを作製した(比較例6から10)。
(実施例13および比較例11)
実施例7で作製した振動波モータと光学部材とを力学的に接続し、図7のような光学機器を作製した(実施例13)。また、比較例6で作製した振動波モータと光学部材とを力学的に接続し、図7のような光学機器を作製した(比較例11)。どちらの光学機器も交番電圧の印加に応じたオートフォーカス動作を確認できたが、実施例13のフォーカス動作は比較例11のフォーカス動作に比べて、消費電力が小さかった。
実施例1の積層圧電素子を用いて、図11に示される液体吐出ヘッドを作製した。図11に示す液体吐出ヘッドは、実施例の積層圧電素子101(電極1011、積層部1012、電極1013よりなる)を有している。さらに、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。液室内には液状のインクを貯留し得る。
11 圧電材料層
12 金属電極層
13 スルーホール
Claims (10)
- 圧電材料と、電極を備えた圧電素子において、
前記圧電材料はチタン酸バリウム系材料であり、前記圧電素子の二つの抗電界Ec1およびEc2が同じ符号であり、(|Ec2|-|Ec1|)≧8kV/cm
であり、
前記チタン酸バリウム系材料は、
(Ba1-xCax)(Ti1-yZry)O3
但し0.10≦x≦0.20、0.03≦y≦0.07、
であらわされる酸化物である主成分と、少なくともMnを含む添加物から構成され、前記酸化物100重量部に対する前記Mnの含有量は、金属換算で0.02重量部以上0.40重量部以下であることを特徴とする圧電素子。 - 前記|Ec2|が10kV/cm以上である請求項1に記載の圧電素子。
- 前記圧電素子のヒステリシスループにおける、前記Ec1および前記Ec2とは異なる電界極性のヒステリシスループと電界がゼロの軸とで囲まれる面積SがS≦5mV・C/m3である請求項1または2に記載の圧電素子。
- 前記圧電素子のヒステリシスループにおける、前記Ec1および前記Ec2と同じ電界極性における分極量の最大値Pmaxと分極量の最小値Pminとしたとき、
(|Pmax-Pmin|)≧15μC/cm2である請求項1から3のいずれか1項に記載の圧電素子。 - 前記圧電素子のヒステリシスループにおける、前記Ec1および前記Ec2が位置する電界極性における分極量の最大値Pmaxと分極量の最小値Pminとしたとき、
(|Ec2|-|Ec1|)と(|Pmax-Pmin|)の積が120kV・C/m3以上である請求項1から4のいずれか1項に記載の圧電素子。 - 請求項1から5のいずれか1項に記載された圧電素子と、前記圧電素子を挟持する第一の弾性体と第二の弾性体と、前記圧電素子と第一の弾性体と第二の弾性体を貫通するシャフトを有する振動子。
- 前記第一の弾性体と前記第二の弾性体とが2Kgf・m以上4Kgf・m以下で加圧締込されている請求項6記載の振動子。
- 請求項6または7に記載の振動子と、前記振動子と接する移動体を有する振動波モータ。
- 請求項8の振動波モータと、光学部材を有することを特徴とする光学機器。
- 請求項1乃至5のいずれか1項に記載された圧電素子あるいは請求項6または7に記載の振動子を備えた電子機器。
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