JP7150466B2 - Piezoelectric devices, vibrators, vibration wave motors, optical devices and electronic devices - Google Patents

Piezoelectric devices, vibrators, vibration wave motors, optical devices and electronic devices Download PDF

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Description

本発明は、圧電素子、該圧電素子を用いた振動子、振動波モータ、光学機器および電子機器に関する。 The present invention relates to a piezoelectric element, a vibrator using the piezoelectric element, a vibration wave motor, an optical device, and an electronic device.

圧電素子とは圧電材料層と電極層を積層した構造を有しており、低い電圧で大きな変形歪みが得られる。圧電素子に振動を制御するための弾性体を取り付けると圧電振動子となり、圧電振動子は様々なアクチュエータに用いることができる。例えば、圧電振動子に移動体を取り付け、電圧によって移動体部分が運動するようにすると振動波モータが得られる。 A piezoelectric element has a structure in which a piezoelectric material layer and an electrode layer are laminated, and a large deformation strain can be obtained at a low voltage. When an elastic body for controlling vibration is attached to a piezoelectric element, it becomes a piezoelectric vibrator, and the piezoelectric vibrator can be used for various actuators. For example, a vibration wave motor can be obtained by attaching a moving body to a piezoelectric vibrator so that the moving body portion is moved by a voltage.

圧電素子の圧電材料層には、チタン酸ジルコン酸鉛(以下、PZTと呼ぶ)を用いることが一般的である。しかし、PZTは主成分として鉛を含有するため、廃棄された際に鉛成分が土壌に溶け出し、生態系に害を及ぼす可能性があるなど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、いわゆる非鉛圧電材料を圧電素子に用いることが検討されている。 Lead zirconate titanate (hereinafter referred to as PZT) is generally used for the piezoelectric material layer of the piezoelectric element. However, since PZT contains lead as a main component, the lead component dissolves into the soil when it is discarded, and its impact on the environment, such as the possibility of harming the ecosystem, is viewed as a problem. For this reason, the use of so-called lead-free piezoelectric materials, which do not contain lead, for piezoelectric elements has been studied.

しかし、特許文献1には、非鉛圧電材料は鉛系の圧電磁器に比べて圧電特性が低く、十分に大きな発生変位量を得ることができないという問題があると記載されている。そして、その解決策のひとつとして、ニオブ酸カリウム系材料を用いた圧電素子が開示されている。しかし焼成温度と酸素量が不足していることから圧電定数はまだ小さく、この素子を積層圧電振動子に用いた場合の振動速度は十分なものでは無かった。 However, Patent Literature 1 describes that lead-free piezoelectric materials have lower piezoelectric characteristics than lead-based piezoelectric ceramics, and have the problem that a sufficiently large amount of generated displacement cannot be obtained. As one solution to this problem, a piezoelectric element using a potassium niobate-based material has been disclosed. However, the piezoelectric constant was still small due to insufficient firing temperature and oxygen content, and the vibration velocity was not sufficient when this element was used in a laminated piezoelectric vibrator.

他方、特許文献2には、非鉛圧電材料の焼成後の平均粒径を最大60.9μmまで大きくすることで、歪み率から換算した圧電定数を大きくする技術が開示されている。しかしながら、圧電素子の圧電材料層は、消費電力を抑制する目的で、例えば20μm~70μm程度と薄くすることが好ましく、加えて、圧電材料層の前駆体は電極形成用ペーストと一緒に積層形態として焼結することが一般的である。そのため、単純に焼結温度を高くして粒径を大きくした場合は、圧電材料層の平坦性が失われて電極層の形状や厚みが不均一になったり、素子全体の反りや層間剥がれが発生したりする、という問題があった。その結果、圧電素子の電気的損失が大きくなり、消費電力が過剰となる問題があった。 On the other hand, Patent Literature 2 discloses a technique for increasing the piezoelectric constant converted from the strain rate by increasing the average particle size of the lead-free piezoelectric material after sintering to a maximum of 60.9 μm. However, the piezoelectric material layer of the piezoelectric element is preferably made as thin as, for example, about 20 μm to 70 μm for the purpose of suppressing power consumption. Sintering is common. Therefore, if the sintering temperature is simply raised to increase the grain size, the flatness of the piezoelectric material layer will be lost, the shape and thickness of the electrode layer will become uneven, and the entire element will warp or delaminate. There was a problem that occurred. As a result, there is a problem that the electrical loss of the piezoelectric element becomes large, resulting in excessive power consumption.

特開2007-258280号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-258280 特開2003-128460号公報JP-A-2003-128460

本発明は、前記の振動速度不足と過剰な消費電力の問題に対処するためになされたものであり、高効率で駆動可能な非鉛系圧電素子を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a lead-free piezoelectric element that can be driven with high efficiency in order to deal with the problems of insufficient vibration speed and excessive power consumption.

本発明の一態様としての圧電素子は、圧電材料層と電極層が交互に積層された圧電素子において、
前記圧電材料層は複数の結晶粒と複数の空隙部を有し、
前記圧電材料層の少なくとも1層が、
前記圧電材料層の積層方向の平均厚さをT、前記複数の結晶粒の平均円相当径をD、前記電極層と接しない前記複数の空隙部の積層方向の最大長さをL、少なくとも一つの前記圧電材料層に接する電極層の平均厚さをTとしたとき、0.07T≦D≦0.33T、T≦L≦0.3T、かつ鉛の含有量が1000ppm未満であり、
前記圧電素子の断面観察視野を、前記圧電材料層の前記積層方向の長さを前記T +前記T +前記T とし、前記積層方向に交差する方向の長さを前記T +前記T +前記T よりも大きい長さとした場合、
前記断面観察視野において、前記空隙部の占める面積S が、前記圧電材料層の面積S に占める割合P が3面積%以上10面積%以下であることを特徴とする。
A piezoelectric element as one aspect of the present invention is a piezoelectric element in which piezoelectric material layers and electrode layers are alternately laminated,
The piezoelectric material layer has a plurality of crystal grains and a plurality of voids,
At least one of the piezoelectric material layers comprises:
T P is the average thickness in the stacking direction of the piezoelectric material layer, D G is the average circle equivalent diameter of the plurality of crystal grains, and LV is the maximum length in the stacking direction of the plurality of gaps that are not in contact with the electrode layer. , where TE is the average thickness of the electrode layer in contact with at least one of the piezoelectric material layers, 0.07T P ≤ DG ≤ 0.33T P , TE ≤ LV ≤ 0.3T P , and lead The content is less than 1000 ppm ,
In the cross-sectional observation field of view of the piezoelectric element, the length of the piezoelectric material layer in the lamination direction is TE + TP + TE , and the length in the direction intersecting the lamination direction is TE + TE . For a length greater than T P + T E ,
In the cross - sectional observation field of view, the area SV occupied by the void portion is characterized in that the ratio PV to the area SP of the piezoelectric material layer is 3 area % or more and 10 area % or less .

本発明によれば、高効率で駆動可能な非鉛系の圧電素子を提供できる。また、高効率で駆動可能な振動子、振動波モータ、光学機器および電子機器を提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a lead-free piezoelectric element that can be driven with high efficiency. In addition, it is possible to provide vibrators, vibration wave motors, optical devices, and electronic devices that can be driven with high efficiency.

本発明の圧電素子の一実施形態を示す断面図および外観図である。1A and 1B are a cross-sectional view and an external view showing an embodiment of a piezoelectric element of the present invention; 本発明の圧電素子の圧電材料層と電極層の実施形態の一例を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows an example of embodiment of the piezoelectric material layer of the piezoelectric element of this invention, and an electrode layer. 本発明の振動子の一実施形態を示した概略構造の断面図である。1 is a cross-sectional view of a schematic structure showing an embodiment of a vibrator of the present invention; FIG. 本発明の振動波モータの一実施形態を示した概略構造の断面図である。1 is a cross-sectional view of a schematic structure showing an embodiment of a vibration wave motor of the present invention; FIG. 本発明の光学機器の一実施形態を示した概略構造の断面図である。1 is a cross-sectional view of a schematic structure showing an embodiment of an optical device of the present invention; FIG. 本発明の電子機器の一実施形態を示した概念図である。1 is a conceptual diagram showing an embodiment of an electronic device of the present invention; FIG. 本発明の実施例の圧電素子の断面構造を示す図である。It is a figure which shows the cross-sectional structure of the piezoelectric element of the Example of this invention. 本発明の実施例および比較例の圧電素子の特徴を示す相関図である。FIG. 4 is a correlation diagram showing features of piezoelectric elements of examples of the present invention and comparative examples. 本発明の電子機器の実施例としての液体吐出ヘッドの構造を示す概略図である。1 is a schematic diagram showing the structure of a liquid ejection head as an example of an electronic device of the present invention; FIG.

(本発明の圧電素子)
本発明の圧電素子は、交互に積層された圧電材料層と電極層とを有する圧電素子において、前記圧電材料層は複数の結晶粒と複数の空隙部を有している。その前記圧電材料層の少なくとも1層が、前記圧電材料層の積層方向の厚みをT、前記結晶粒の平均円相当径をD、前記電極層と接しない前記空隙部の積層方向の最大長さをL、前記圧電材料層に接する電極層の平均厚さをTとする。その際に、0.07T≦D≦0.33T、T≦L≦0.3T、かつ鉛の含有量が1000ppm未満であることを特徴とする。
(Piezoelectric element of the present invention)
A piezoelectric element of the present invention is a piezoelectric element having piezoelectric material layers and electrode layers alternately laminated, wherein the piezoelectric material layers have a plurality of crystal grains and a plurality of voids. At least one of the piezoelectric material layers has a thickness T P in the stacking direction of the piezoelectric material layer, an average circle equivalent diameter of the crystal grains D G , and a maximum thickness in the stacking direction of the gap portion not in contact with the electrode layer. Let L V be the length, and T E be the average thickness of the electrode layer in contact with the piezoelectric material layer. At that time, it is characterized by 0.07 T P ≦D G ≦0.33 T P , T E ≦L V ≦0.3 T P and a lead content of less than 1000 ppm.

図1(a)は、本発明の圧電素子の一実施形態を示した断面概略図である。本発明に係る圧電素子は、1層以上の圧電材料層2と1層以上の電極層(図1(a)の場合は1および3)を少なくとも有し、圧電材料層と電極層が交互に積層されている。 FIG. 1(a) is a schematic cross-sectional view showing one embodiment of the piezoelectric element of the present invention. A piezoelectric element according to the present invention has at least one or more piezoelectric material layers 2 and one or more electrode layers (1 and 3 in the case of FIG. 1(a)), and the piezoelectric material layers and the electrode layers are alternately arranged. Laminated.

図1(b)は、1層以上の圧電材料層54と1層以上の電極層55が交互に積層され、その積層構造体を第一の金属電極51と第二の金属電極53で狭持した本発明の圧電素子の断面概略図である。本発明に係る圧電素子は、圧電材料層54と、電極層55を含む電極層とで構成されており、これらが交互に積層されている。電極層は、電極層55以外に第一の金属電極51や第二の金属電極53といった外部電極を含んでいても良い。 In FIG. 1B, one or more piezoelectric material layers 54 and one or more electrode layers 55 are alternately laminated, and the laminated structure is sandwiched between a first metal electrode 51 and a second metal electrode 53. 1 is a schematic cross-sectional view of a piezoelectric element of the present invention, shown in FIG. The piezoelectric element according to the present invention is composed of piezoelectric material layers 54 and electrode layers including electrode layers 55, which are alternately laminated. The electrode layer may include external electrodes such as the first metal electrode 51 and the second metal electrode 53 in addition to the electrode layer 55 .

図1(c)のように圧電材料層と電極層の数を増やしてもよく、その層数に限定はないが、好ましい層数の範囲は圧電材料層として2層以上60層以下である。圧電材料層が2層以上であることで、1層の場合と比較して低い電圧で大きな圧電歪みと高い振動速度を得る効果を期待できる。他方、圧電材料層が60層以下であることで圧電素子の小型化と電極コストの低減という効果が期待できる。 As shown in FIG. 1C, the number of piezoelectric material layers and electrode layers may be increased, and the number of layers is not limited, but the preferable number of layers is 2 to 60 as piezoelectric material layers. By using two or more piezoelectric material layers, the effect of obtaining a large piezoelectric strain and a high vibration velocity at a low voltage can be expected as compared with the case of a single layer. On the other hand, since the number of piezoelectric material layers is 60 or less, effects such as miniaturization of the piezoelectric element and reduction in electrode cost can be expected.

図1(c)に示した圧電素子の場合は、9層の圧電材料層504と8層の電極層505(505aもしくは505b)が交互に積層されている。その積層構造体は第一の電極501と第二の電極503で圧電材料層504を挟持した構成であり、交互に形成された電極層505を短絡するための外部短絡電極506aおよび外部短絡電極506bを有する。電極層505を短絡するための電極の形状や配置は図1(c)の例に限定されない。電極層を短絡するための電極は、外部短絡電極を用いる他に積層構造体を貫通する孔部(スルーホール)に設けた短絡電極であっても良い。短絡電極ではなく、導電ワイヤ等の配線によって電極層505を短絡しても良い。 In the case of the piezoelectric element shown in FIG. 1C, nine piezoelectric material layers 504 and eight electrode layers 505 (505a or 505b) are alternately laminated. The laminated structure has a structure in which a piezoelectric material layer 504 is sandwiched between a first electrode 501 and a second electrode 503, and external short-circuit electrodes 506a and 506b for short-circuiting the alternately formed electrode layers 505. have The shape and arrangement of the electrodes for short-circuiting the electrode layer 505 are not limited to the example in FIG. 1(c). The electrode for short-circuiting the electrode layers may be an external short-circuit electrode or a short-circuit electrode provided in a hole (through-hole) passing through the laminated structure. The electrode layer 505 may be short-circuited by wiring such as a conductive wire instead of the short-circuit electrode.

電極層55、505および外部短絡電極506a、506b、第一の金属電極51、501および第二の金属電極53、503の大きさや形状は必ずしも圧電材料層54、504と同一である必要はなく、また複数に分割されていてもよい。 The electrode layers 55, 505, the external short-circuit electrodes 506a, 506b, the first metal electrodes 51, 501, and the second metal electrodes 53, 503 need not necessarily have the same size and shape as the piezoelectric material layers 54, 504. Moreover, it may be divided into a plurality of parts.

電極層55、505および外部短絡電極506a、506b、第一の金属電極51、501および第二の金属電極53、503の厚さは、5nm~10μm程度である。 The thickness of the electrode layers 55, 505, the external short-circuit electrodes 506a, 506b, the first metal electrodes 51, 501 and the second metal electrodes 53, 503 is about 5 nm to 10 μm.

電極層55、505および外部短絡電極506a、506b、第一の金属電極51、501および第二の金属電極53、503の材質は、導電性金属であれば特に限定されないが、例えば、Ti、Pt、Ta、Ir、Sr、In、Sn、Au、Al、Fe、Cr、Ni、Pd、Ag、Cuなどの金属単体および合金、積層体が挙げられる。また、各電極が別の材質であっても良い。 The material of the electrode layers 55, 505, the external short-circuit electrodes 506a, 506b, the first metal electrodes 51, 501 and the second metal electrodes 53, 503 is not particularly limited as long as it is a conductive metal. , Ta, Ir, Sr, In, Sn, Au, Al, Fe, Cr, Ni, Pd, Ag, Cu and other metals, alloys, and laminates. Moreover, each electrode may be made of a different material.

電極層55、505の材質は、AgとPdを含み、これらが主成分であると、例えばAgとPdの合計で電極層の90重量%以上100重量%以下を占めると、製造時の加工性、電極層としての導電性、形状均一性、コストの面で好ましい。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0.25≦M1/M2≦4.0であることが好ましい。より好ましくは0.3≦M1/M2≦3.0である。前記重量比M1/M2が0.25未満であると電極層の焼結温度が高くなるので望ましくない。一方で、前記重量比M1/M2が4.0よりも大きくなると、電極層が島状になるために面内で不均一になるので望ましくない。より好ましくは0.3≦M1/M2≦3.0である。 The material of the electrode layers 55 and 505 contains Ag and Pd, and when these are the main components, for example, when the total of Ag and Pd accounts for 90% by weight or more and 100% by weight or less of the electrode layers, workability during manufacturing is improved. , is preferable in terms of conductivity, shape uniformity, and cost as an electrode layer. It is preferable that the weight ratio M1/M2 between the Ag content M1 and the Pd content M2 is 0.25≦M1/M2≦4.0. More preferably, 0.3≤M1/M2≤3.0. If the weight ratio M1/M2 is less than 0.25, the sintering temperature of the electrode layer becomes high, which is undesirable. On the other hand, if the weight ratio M1/M2 is greater than 4.0, the electrode layer becomes island-shaped, which is undesirable because it causes non-uniformity in the plane. More preferably, 0.3≤M1/M2≤3.0.

本発明の圧電素子に含まれる鉛成分は、1000ppm未満である。より好ましくは500ppm以下である。圧電素子に含まれる鉛成分を定量する方法は特に限定されないが、例えば、蛍光X線分析(XRF)、ICP発光分光分析、原子吸光分析などが挙げられる。この中で、微量の鉛成分の定量に適しているのはICP発光分光分析である。 The lead component contained in the piezoelectric element of the present invention is less than 1000 ppm. More preferably, it is 500 ppm or less. A method for quantifying the lead component contained in the piezoelectric element is not particularly limited, but examples thereof include X-ray fluorescence spectrometry (XRF), ICP emission spectrometry, and atomic absorption spectrometry. Among these, ICP emission spectroscopy is suitable for quantifying trace amounts of lead components.

圧電素子における鉛の含有量が1000ppm未満であれば、本発明の圧電素子を用いた製品が廃棄され、種々の過酷な環境にさらされたとしても、製品中の鉛が自然環境や生体に及ぼす影響が低減される。本発明の圧電素子を構成する部材の中でも、リサイクル時に特に鉛成分を分離しにくい圧電材料層に含まれる鉛成分が、1000ppm未満であると、なお好ましい。また、本発明の圧電素子を用いた積層圧電振動子、振動波モータ、光学機器、電子機器においても構成部材全体における鉛成分は、1000ppm未満であると、なお好ましい。積層圧電振動子、振動波モータ、光学機器、電子機器における鉛成分の定量方法については、圧電素子と同様である。 If the lead content in the piezoelectric element is less than 1000 ppm, even if the product using the piezoelectric element of the present invention is discarded and exposed to various harsh environments, the lead in the product affects the natural environment and living organisms. Reduced impact. Among the members constituting the piezoelectric element of the present invention, it is more preferable that the lead component contained in the piezoelectric material layer from which the lead component is particularly difficult to separate during recycling is less than 1000 ppm. Also, in the laminated piezoelectric vibrator, vibration wave motor, optical device, and electronic device using the piezoelectric element of the present invention, it is more preferable that the lead content in the entire constituent members is less than 1000 ppm. The method of quantifying the lead component in laminated piezoelectric vibrators, vibration wave motors, optical devices, and electronic devices is the same as that for piezoelectric elements.

図2(a)は、本発明の圧電素子の圧電材料層と電極層の実施形態の一例を示す断面模式図である。図にあるように、圧電材料層504と505a、505bとは、交互に積層している。図2(a)は、図1(a)(b)(c)の圧電素子の一部を拡大した観察視野をイメージしたものであり、図の上下に続く圧電材料層504の表記や、図の左右に続く圧電材料層504、電極層505a、505bの表記を省略している。 FIG. 2(a) is a schematic cross-sectional view showing an example of an embodiment of the piezoelectric material layer and the electrode layer of the piezoelectric element of the present invention. As shown, the piezoelectric material layers 504 and 505a, 505b are alternately laminated. FIG. 2(a) is an image of an observation field of view in which a part of the piezoelectric element in FIGS. 1(a), (b) and (c) is enlarged. The piezoelectric material layer 504 and the electrode layers 505a and 505b continuing to the left and right of are omitted.

圧電材料層504は、複数の結晶粒の集合体5041(図中の白塗り部、各結晶粒の粒界を省略している)と複数の空隙部5042の集合体よりなる。空隙部には、電極層505a、505bと接する空隙部(以下、電極隣接空隙部)と、電極層505a、505bと接しない空隙部(以下、電極独立空隙部)がある。いずれの空隙部も、圧電材料層が電極層と接する界面部を平坦化して、圧電素子の誘電正接を小さくする効果を生み出すが、電極隣接空隙部は圧電材料層と電極層の電気的接触を妨げるものであるため少ない方が好ましい。例えば、圧電素子の断面観察視野における電極隣接空隙部の個数NV1と電極独立空隙部の個数NV2の比は、NV2/NV1≧3の関係であることが好ましい。 The piezoelectric material layer 504 is composed of an aggregate 5041 of a plurality of crystal grains (in the figure, white-painted portions and grain boundaries of crystal grains are omitted) and an aggregate of a plurality of gaps 5042 . The voids include voids in contact with the electrode layers 505a and 505b (hereinafter referred to as electrode adjacent voids) and voids not in contact with the electrode layers 505a and 505b (hereinafter referred to as electrode independent voids). All of the gaps flatten the interface where the piezoelectric material layer contacts the electrode layer, and produce the effect of reducing the dielectric loss tangent of the piezoelectric element. Since it interferes, the smaller one is preferable. For example, the ratio between the number N V1 of the electrode-adjacent voids and the number N V2 of the electrode-independent voids in the cross-sectional observation field of the piezoelectric element preferably satisfies the relationship N V2 /N V1 ≧3.

また、圧電素子の断面観察視野における空隙部の占める面積Sが、圧電材料層の面積Sに占める割合Pは、3面積%以上10面積%以下であることが好ましい。前記Pが3面積%以上10面積%以下であることで、本発明の圧電素子の振動を妨げることなく、誘電正接を抑制することができる。前記Pが3面積%より小さいと、圧電材料層と電極層の界面平坦性が損なわれて、圧電素子の誘電正接が大きくなるおそれがある。他方、前記Pが10面積%より大きいと、空隙部が圧電材料層の変形を一部吸収してしまい、圧電素子や該圧電素子を用いた積層圧電振動子が所望の振動速度やトルクを発揮できなくなるおそれがある。 Further, the ratio Pv of the area Sv occupied by the void in the cross-sectional observation field of the piezoelectric element to the area Sp of the piezoelectric material layer is preferably 3 area % or more and 10 area % or less. When the PV is 3 area % or more and 10 area % or less, the dielectric loss tangent can be suppressed without disturbing the vibration of the piezoelectric element of the present invention. If the PV is less than 3% by area, the flatness of the interface between the piezoelectric material layer and the electrode layer may be impaired and the dielectric loss tangent of the piezoelectric element may increase. On the other hand, if the PV is more than 10% by area, the void part will partially absorb the deformation of the piezoelectric material layer, and the piezoelectric element or the laminated piezoelectric vibrator using the piezoelectric element will not be able to achieve the desired vibration speed and torque. It may not work.

前記、NV1、NV2、S、S、Pの算出にあたり、実際には、圧電素子の全箇所を高倍率で一度に観測することが困難である。そこで、走査型電子顕微鏡(SEM)で圧電素子の断面を100~500倍程度の倍率で観察し、各圧電材料層について5箇所程度の代表的な観察像を得ることで前記パラメータの算出および大小関係の判断を行うことができる。 In calculating N V1 , N V2 , S V , S P , and P V , it is actually difficult to observe all locations of the piezoelectric element at once at a high magnification. Therefore, the cross section of the piezoelectric element is observed with a scanning electron microscope (SEM) at a magnification of about 100 to 500 times, and representative observation images are obtained at about 5 locations for each piezoelectric material layer, thereby calculating the parameters and their magnitudes. Relationship determinations can be made.

観察対象となる圧電材料層504の積層方向の厚みをTとする。Tは、1つの圧電材料層504における平均厚さであり、圧電材料層ごとに異なる厚さであっても良い。任意の圧電材料層のTは、SEMによる断面観察像を画像処理することで容易に算出できる。圧電素子において、同一の圧電材料層における厚みは箇所によって、殆ど変化しないのが一般的である。したがって代表的な1箇所のSEM像からT値を求めても良いが、同一の圧電材料層について5箇所以上のSEM像を得て、平均的なT値を用いることがより望ましい。 Let TP be the thickness in the stacking direction of the piezoelectric material layer 504 to be observed. T P is the average thickness of one piezoelectric material layer 504 and may be different thickness for each piezoelectric material layer. The TP of an arbitrary piezoelectric material layer can be easily calculated by image processing a cross - sectional observation image by SEM. In a piezoelectric element, the thickness of the same piezoelectric material layer generally varies little depending on the location. Therefore, the TP value may be obtained from a representative SEM image of one location, but it is more desirable to obtain SEM images of five or more locations for the same piezoelectric material layer and use the average TP value.

の大きさは特に限定されないが、圧電素子の設計および製造の観点において20μm以上70μm以下であることが好ましい。Tが20μm未満であると、圧電素子のアドミタンスを大きくするために、層数を多くする必要があり、その結果、電極層が増え、電極層のコストが増大するおそれがある。一方で、70μmより厚いと、圧電素子が大きな変位を得るために必要な電圧が大きくなり、その結果、電源のコストが増大するおそれがある。 Although the size of T P is not particularly limited, it is preferably 20 μm or more and 70 μm or less from the viewpoint of design and manufacture of the piezoelectric element. If T P is less than 20 μm, it is necessary to increase the number of layers in order to increase the admittance of the piezoelectric element. On the other hand, if the thickness is more than 70 μm, the voltage required for obtaining a large displacement of the piezoelectric element increases, and as a result, the cost of the power supply may increase.

空隙部5042のうち電極層と接しない、すなわち結晶粒に囲まれた部位に存在する空隙部(電極独立空隙部)の積層方向の最大長さをLとする。図2(a)の場合、もっとも積層方向に長い空隙部は空隙部50421であるので、この空隙部50421の積層方向の長さをLとする。一つの狭い観察視野だけで最大長さを判断するのは困難なので、同一の圧電材料層について電極層に挟まれ、平均厚さTを決定するために観察した領域の全域を観察して最大長さLを決定することが望ましい。空隙部の積層方向の長さは、SEMによる断面観察像を画像処理することで容易に算出できる。図2(b)は、空隙部50241の拡大図である。空隙部の断面外周に対して、電極層と垂直な方向に内接する線分の最大長さがLである。 Let LV be the maximum length in the stacking direction of the voids (electrode independent voids) present in the voids 5042 that are not in contact with the electrode layer, that is, that are surrounded by crystal grains. In the case of FIG. 2(a), since the gap 50421 is the longest in the stacking direction, the length of the gap 50421 in the stacking direction is defined as LV. Since it is difficult to determine the maximum length with only one narrow observation field, the maximum length is obtained by observing the entire observed area sandwiched between electrode layers for the same piezoelectric material layer to determine the average thickness TP . It is desirable to determine the length LV . The length of the void in the stacking direction can be easily calculated by image processing of a cross-sectional observation image by SEM. FIG. 2B is an enlarged view of the gap 50241. FIG. LV is the maximum length of a line segment inscribed in the direction perpendicular to the electrode layer with respect to the cross-sectional periphery of the gap.

観察対象となる少なくとも一つの圧電材料層504に接する電極層の平均厚さをTとする。具体的には、電極層505aの平均厚さをTE1、電極層505bの平均厚さをTE2とした時に、T=(TE1+TE2)/2である。電極層の積層方向の長さは、SEMによる断面観察像を画像処理することで容易に算出できる。 Let TE be the average thickness of the electrode layer in contact with at least one piezoelectric material layer 504 to be observed. Specifically, T E =(T E1 +T E2 )/2, where T E1 is the average thickness of the electrode layer 505a and T E2 is the average thickness of the electrode layer 505b. The length of the electrode layers in the stacking direction can be easily calculated by image processing of a cross-sectional observation image by SEM.

の大きさは特に限定されないが、Tが3.5μm以上10μm以下であると好ましい。電極層のTが3.5μm以上であることで、電極層の導電性が高まって圧電材料層54、504に所望の電圧を効率良く印加できるようになる。他方、電極層のTが10μm以下であることで、圧電素子の振動性能を十分に維持しながら、圧電素子の小型化、低コスト化を達成できる。 Although the size of TE is not particularly limited, it is preferable that TE is 3.5 μm or more and 10 μm or less. When the TE of the electrode layer is 3.5 μm or more, the conductivity of the electrode layer is increased, and a desired voltage can be applied to the piezoelectric material layers 54 and 504 efficiently. On the other hand, when the TE of the electrode layer is 10 μm or less, the piezoelectric element can be made smaller and less expensive while maintaining sufficient vibration performance of the piezoelectric element.

図2(c)は、本発明の圧電素子の圧電材料層504と電極層505a,505bの実施形態の一例を示す断面模式図である。圧電材料層504を構成する結晶粒(図番無し、図中の白塗り部)の集合体と空隙部(図番無し、図中の黒塗り部)の集合体を模式的に表記している。 FIG. 2(c) is a schematic cross-sectional view showing an example of an embodiment of the piezoelectric material layer 504 and the electrode layers 505a and 505b of the piezoelectric element of the present invention. An aggregate of crystal grains (no figure number, white areas in the figure) and an aggregate of voids (no figure number, black areas in the figure) constituting the piezoelectric material layer 504 are shown schematically. .

同一の圧電材料層に結晶粒がN個あった場合に、n番目の金属酸化物の円相当径をDGnとする。本発明における「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が、圧電素子の断面をSEM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。同一の圧電材料層におけるN個の結晶粒の円相当径の平均値を、平均円相当径Dとする。 When there are N crystal grains in the same piezoelectric material layer, the equivalent circle diameter of the n-th metal oxide is DGn . The "equivalent circle diameter" in the present invention represents the "projected area equivalent circle diameter" generally referred to in microscope observation, and represents the diameter of a perfect circle having the same area as the projected area of a crystal grain. In the present invention, the method for measuring the equivalent circle diameter is not particularly limited, but it can be obtained by image processing a photographic image obtained by photographing a cross section of the piezoelectric element with an SEM. An average equivalent circle diameter of N crystal grains in the same piezoelectric material layer is defined as an average equivalent circle diameter DG .

一つの圧電材料層における全ての結晶粒の円相当径を算出するのは困難である。圧電材料層の内部において、図2(c)の上下方向に相当する積層方向での円相当径にはバラツキがあるが、左右方向に相当する層の面方向にはバラツキが少ない。よって、図2(c)のごとく、一つの圧電材料層504の積層方向の厚さTが全て視野に収まるようなSEM像を取得して、視野内にある結晶粒の円相当径を平均すれば、十分信用に足るDの値が得られる。例えば、100個以上、かつ、圧電材料層の積層方向を網羅した結晶粒の平均円相当径Dを算出すれば十分である。 It is difficult to calculate the equivalent circle diameters of all crystal grains in one piezoelectric material layer. Inside the piezoelectric material layer, there is variation in the equivalent circle diameter in the stacking direction corresponding to the vertical direction in FIG. Therefore, as shown in FIG. 2(c), an SEM image is obtained in which the thickness TP of one piezoelectric material layer 504 in the stacking direction is entirely within the field of view, and the equivalent circle diameters of the crystal grains within the field of view are averaged. Then, a value of DG that is sufficiently reliable can be obtained. For example, it is sufficient to calculate the average circle-equivalent diameter DG of 100 or more crystal grains covering the stacking direction of the piezoelectric material layers.

平均円相当径Dの大きさは特に限定されないが、Dが5μm以上かつ15μm以下であると好ましい。圧電材料層を構成する結晶粒の平均円相当径Dをこの範囲にすることで、前記圧電材料層は、大きな圧電定数を有することになる。Dは5μm未満であると、Dが5μm以上かつ15μm以下であるであるときと比べて圧電定数が十分でなくなり、結果として圧電素子の振動速度が不足する場合がある。 Although the size of the average equivalent circle diameter DG is not particularly limited, it is preferable that DG is 5 μm or more and 15 μm or less. By setting the average equivalent circle diameter DG of the crystal grains forming the piezoelectric material layer within this range, the piezoelectric material layer has a large piezoelectric constant. When DG is less than 5 μm, the piezoelectric constant becomes insufficient compared to when DG is 5 μm or more and 15 μm or less, and as a result, the vibration velocity of the piezoelectric element may be insufficient.

圧電材料層の圧電定数d33は、例えば、圧電素子の全体のみかけの圧電定数d33 *sumを計測して、d33 *sumを圧電材料層の層数で割ることでd33を近似的に求めることができる。圧電素子の全体のみかけの圧電定数d33 *sumについては、例えば、市販のd33メーターを用いて計測可能である。なお、d33メーターを用いると圧電素子の誘電正接も同時に計測できる。圧電素子の誘電正接と圧電材料層の誘電正接は同値とみなして構わない。通常、室温、例えば25℃、で圧電定数d33 *sumや誘電正接を計測し、圧電材料層のd33や誘電正接を算出すると良い。 The piezoelectric constant d33 of the piezoelectric material layer can be approximated by, for example, measuring the apparent piezoelectric constant d33 *sum of the entire piezoelectric element and dividing d33 *sum by the number of piezoelectric material layers. can be asked for. The apparent piezoelectric constant d 33 *sum of the entire piezoelectric element can be measured using, for example, a commercially available d 33 meter. If a d33 meter is used, the dielectric loss tangent of the piezoelectric element can also be measured at the same time. The dielectric loss tangent of the piezoelectric element and the dielectric loss tangent of the piezoelectric material layer may be regarded as having the same value. Normally, the piezoelectric constant d 33 *sum and the dielectric loss tangent are measured at room temperature, eg, 25° C., and the d 33 and the dielectric loss tangent of the piezoelectric material layer are calculated.

一方で、Dが15μmを超えると、Dが5μm以上15μm以下であるであるときと比べて厚さT、例えば20~70μm程度の圧電材料層を結晶粒が稠密に埋めることが困難となることがある。そして、空隙部の割合が、例えば断面像の圧電材料層の領域に対して20面積%以上と大きくなる場合がある。その結果、圧電材料層の機械的強度や誘電正接が損なわれる場合がある。いずれにせよ、本発明の圧電素子の利用者は用途に応じて任意に平均円相当径Dの大きさを決めてよい。 On the other hand, when D G exceeds 15 μm, it is difficult for crystal grains to densely fill a piezoelectric material layer having a thickness T P of about 20 to 70 μm, compared to when D G is 5 μm or more and 15 μm or less. can be In some cases, the proportion of voids is as large as 20 area % or more with respect to the area of the piezoelectric material layer in the cross-sectional image. As a result, the mechanical strength and dielectric loss tangent of the piezoelectric material layer may be impaired. In any case, the user of the piezoelectric element of the present invention may arbitrarily determine the size of the average circle equivalent diameter DG according to the application.

また、各結晶粒の円相当径DGnは、DGn≦20μmであると好ましい。円相当径DGnが20μmを超える結晶粒が存在すると、圧電材料層の機械的強度や誘電正接が損なわれる場合がある。 Also, the equivalent circle diameter D Gn of each crystal grain is preferably D Gn ≦20 μm. The presence of crystal grains having an equivalent circle diameter D Gn exceeding 20 μm may impair the mechanical strength and dielectric loss tangent of the piezoelectric material layer.

本発明の圧電素子は、0.07T≦D≦0.33T、かつ、T≦L≦0.3Tとなる圧電材料層を少なくとも1層以上有する。より好ましくは、圧電素子の圧電振動に寄与する全ての圧電材料層において、0.07T≦D≦0.33T、かつ、T≦L≦0.3Tの関係を満たす。 The piezoelectric element of the present invention has at least one piezoelectric material layer satisfying 0.07 T P ≦D G ≦0.33 T P and T E ≦L V ≦0.3 T P . More preferably, all the piezoelectric material layers that contribute to the piezoelectric vibration of the piezoelectric element satisfy the relationships of 0.07T P ≤ DG ≤ 0.33T P and TE ≤ LV ≤ 0.3T P .

本発明の圧電素子においては、結晶粒の平均円相当径Dが、圧電材料層の積層方向厚みTの0.07倍以上であることで、圧電材料層の圧電定数は大きくなる。例えば、圧電材料層にチタン酸バリウム系を用いた場合には、圧電定数d33≧160pm/Vと大きくなる。他方、Dが0.07Tより小さいと圧電材料層の圧電定数は、小さくなり、十分な振動速度が得られなくなる。例えば、圧電材料層にチタン酸バリウム系を用いた場合には、圧電定数d33≦100pm/Vと小さくなる。 In the piezoelectric element of the present invention, the piezoelectric constant of the piezoelectric material layer increases when the average circle equivalent diameter D G of the crystal grains is 0.07 times or more the thickness T P of the piezoelectric material layer in the stacking direction. For example, when a barium titanate-based material is used for the piezoelectric material layer, the piezoelectric constant d 33 is as large as ≧160 pm/V. On the other hand, if DG is less than 0.07T P , the piezoelectric constant of the piezoelectric material layer becomes small, and sufficient vibration velocity cannot be obtained. For example, when a barium titanate-based material is used for the piezoelectric material layer, the piezoelectric constant d 33 is reduced to 100 pm/V.

また、Dが、Tの0.33倍以下であることで、圧電材料層の積層方向に3つ以上の結晶粒が積み重なることが期待でき、圧電材料層の機械的強度や十分に得られ、圧電材料層の誘電正接が十分小さくなる。他方、Dが0.33Tより大きいと、結晶粒界、すなわち空隙部の割合が増えて、その結果、圧電材料層の機械的強度や誘電正接が損なわれる。 In addition, when D G is 0.33 times or less than T P , three or more crystal grains can be expected to be stacked in the stacking direction of the piezoelectric material layer, and the mechanical strength of the piezoelectric material layer can be sufficiently obtained. and the dielectric loss tangent of the piezoelectric material layer becomes sufficiently small. On the other hand, if DG is greater than 0.33 T P , the proportion of crystal grain boundaries, that is, voids increases, resulting in a loss of mechanical strength and dielectric loss tangent of the piezoelectric material layer.

空隙部の積層方向の最大長さLが、該圧電材料層に接する電極層の平均厚さTより大きい事で、圧電材料層部における結晶粒の充填性の不完全な箇所を、複数の空隙部が緩衝する。その結果として電極層と圧電材料層の界面の平坦性が向上する。そのため、金属電極から圧電材料への電界印加が均一となり、圧電素子としての誘電正接が小さくなる。 Since the maximum length LV of the void in the stacking direction is greater than the average thickness TE of the electrode layer in contact with the piezoelectric material layer, a plurality of locations in the piezoelectric material layer with imperfect filling of the crystal grains can be removed. The gap of the buffer. As a result, the flatness of the interface between the electrode layer and the piezoelectric material layer is improved. Therefore, the electric field applied from the metal electrode to the piezoelectric material becomes uniform, and the dielectric loss tangent of the piezoelectric element becomes small.

結晶粒の成長や移動によって結晶粒が電極層を押して、電極層が層厚以上に変形してしまうと電極層が断裂するおそれがある。LがTより大きいと言う事は、電極層の層厚に相当する変形を空隙部が緩衝できると言う事である。Lは空隙部の積層方向の最大長さであるので、圧電材料層の内部には、より小さな空隙部が多数ある。これらの小さな空隙部は、電極層の変形を抑制するために大きな空隙部が結晶粒の成長や移動を受け入れた痕跡である。 If the crystal grains push the electrode layer due to the growth or movement of the crystal grains and the electrode layer is deformed beyond the layer thickness, the electrode layer may break. The fact that LV is larger than TE means that the gap can absorb the deformation corresponding to the thickness of the electrode layer. Since LV is the maximum length of the air gap in the stacking direction, there are many smaller air gaps inside the piezoelectric material layer. These small voids are traces of large voids receiving growth and movement of crystal grains in order to suppress deformation of the electrode layer.

しかしながら、空隙部は圧電効果による素子の振動に貢献しない部分であるので、大きさには上限がある。本発明においてLの上限は圧電材料層の積層方向厚みTの0.3倍、すなわちL≦0.3Tである。Lが0.3Tより大きいと、圧電素子に電界を印加した際の圧電効果による素子の振動を空隙部が阻害してしまう。 However, since the gap does not contribute to the vibration of the element due to the piezoelectric effect, there is an upper limit to the size of the gap. In the present invention, the upper limit of L V is 0.3 times the thickness T P in the stacking direction of the piezoelectric material layer, that is, L V ≦0.3 T P. If the LV is greater than 0.3T P , the gap will hinder the vibration of the piezoelectric element due to the piezoelectric effect when an electric field is applied to the piezoelectric element.

前記の0.07T≦D≦0.33T、かつ、T≦L≦0.3Tとなる圧電材料層において、該圧電材料層と隣接する電極層の界面を断面方向から観察した時の線平均粗さRaは1μm以下であることが好ましい。本明細における線平均粗さRaとは、JIS B 0601に記載の輪郭曲線の算術平均粗さRaに相当する。例えば、SEMによる断面観察像を画像処理して、図2(a)のように電極層と圧電材料層の界面部の輪郭線を明らかにし、その積層方向(図面縦方向)の変動値を線分方向に積分し線分長さで平均することで算出することができる。当該部のRaが1μm以下であると、圧電材料層を挟む2つの電極層の平行性が高くなり、圧電材料層に対して垂直に電界を印加できるようになるため、圧電素子の振動効率が高まり、消費電力が低減する。Raが0.6μm以下であると、圧電素子の消費電力は、より一層低減する。理想的なRaは0(ゼロ)であるが、実際に製造可能なRaの最小値は0.05μm程度である。 In the piezoelectric material layer satisfying 0.07T P ≤ DG ≤ 0.33T P and TE ≤ LV ≤ 0.3T P , the interface between the piezoelectric material layer and the adjacent electrode layer is observed from the cross-sectional direction. It is preferable that the line average roughness Ra is 1 μm or less. The line average roughness Ra in this specification corresponds to the arithmetic average roughness Ra of the contour curve described in JIS B 0601. For example, a cross-sectional observation image by SEM is image-processed to clarify the contour line of the interface between the electrode layer and the piezoelectric material layer as shown in FIG. It can be calculated by integrating in the segment direction and averaging over the segment length. When the Ra of the portion is 1 μm or less, the parallelism of the two electrode layers sandwiching the piezoelectric material layer becomes high, and an electric field can be applied perpendicularly to the piezoelectric material layer, so that the vibration efficiency of the piezoelectric element increases. and power consumption is reduced. When Ra is 0.6 μm or less, the power consumption of the piezoelectric element is further reduced. The ideal Ra is 0 (zero), but the minimum value of Ra that can actually be manufactured is about 0.05 μm.

前記圧電材料層を構成する金属酸化物は、チタン酸バリウム系の金属酸化物であることが好ましい。チタン酸バリウム系材料は、鉛成分を使用せずに高い圧電定数を示し、かつ微量の添加物によって誘電正接を小さくできるという利点がある。 The metal oxide forming the piezoelectric material layer is preferably a barium titanate-based metal oxide. A barium titanate-based material has the advantage that it exhibits a high piezoelectric constant without using a lead component, and can reduce the dielectric loss tangent with a small amount of additive.

ここでチタン酸バリウム系材料とは、チタン酸バリウム(BaTiO)、チタン酸バリウムカルシウム((Ba、Ca)TiO)、チタン酸ジルコン酸バリウム(Ba(Ti、Zr)O)、チタン酸ジルコン酸バリウムカルシウム((Ba、Ca)(Ti、Zr)O)、ニオブ酸ナトリウム-チタン酸バリウム(NaNbO-BaTiO)、チタン酸ビスマスナトリウム-チタン酸バリウム((Bi、Na)TiO-BaTiO)、チタン酸ビスマスカリウム-チタン酸バリウム((Bi、K)TiO-BaTiO)、チタン酸バリウム-鉄酸ビスマス(BaTiO-BiFeO)などの組成や、これらの組成を主成分とした材料のことを指す。 Here, the barium titanate-based material includes barium titanate (BaTiO 3 ), barium calcium titanate ((Ba, Ca)TiO 3 ), barium zirconate titanate (Ba(Ti, Zr)O 3 ), titanic acid Barium calcium zirconate ((Ba, Ca) (Ti, Zr) O 3 ), sodium niobate-barium titanate (NaNbO 3 -BaTiO 3 ), bismuth sodium titanate-barium titanate ((Bi, Na) TiO 3 -BaTiO 3 ), bismuth potassium titanate-barium titanate ((Bi, K)TiO 3 -BaTiO 3 ), barium titanate-bismuth ferrate (BaTiO 3 -BiFeO 3 ), etc. It refers to the material used as a component.

これら例示材料の中でも、圧電材料層の圧電定数と温度安定性を両立できるという観点において、前記チタン酸バリウム系材料が、Ba、Ca、Ti、Zrを含む酸化物であることが好ましい。圧電材料層の圧電定数が大きくなると、圧電素子のアドミタンスが大きくなり、大きな変位を得ることができる。また、圧電材料層の圧電定数の温度安定性が高いと、使用温度による圧電素子の振動速度や消費電力が安定する。 Among these exemplified materials, the barium titanate-based material is preferably an oxide containing Ba, Ca, Ti, and Zr from the viewpoint of achieving both the piezoelectric constant and the temperature stability of the piezoelectric material layer. As the piezoelectric constant of the piezoelectric material layer increases, the admittance of the piezoelectric element increases and a large displacement can be obtained. Further, when the piezoelectric constant of the piezoelectric material layer has high temperature stability, the vibration speed and power consumption of the piezoelectric element are stabilized depending on the operating temperature.

また、前記Ba、Ca、Ti、Zrを含む酸化物において、BaおよびCaの和に対するCaのモル比であるxの値は、0.02≦x≦0.30であることが好ましい。 In the oxide containing Ba, Ca, Ti, and Zr, the molar ratio x of Ca to the sum of Ba and Ca is preferably 0.02≦x≦0.30.

より好ましくは0.10≦x≦0.20である。 More preferably, 0.10≤x≤0.20.

xが0.10以上であることで、チタン酸バリウム系材料の正方晶構造と菱面体晶構造の相転移温度を低温にシフトするので、圧電素子の実用温度範囲、例えば0℃~50℃における振動速度および消費電力が特に安定する。他方、xが0.20以下であることで、圧電材料層の圧電定数を特に高く保つことができ、圧電素子に求められる振動速度およびトルクを得ることができる。 When x is 0.10 or more, the phase transition temperature between the tetragonal crystal structure and the rhombohedral crystal structure of the barium titanate-based material shifts to a low temperature, so the practical temperature range of the piezoelectric element, for example, 0 ° C. to 50 ° C. Vibration speed and power consumption are particularly stable. On the other hand, when x is 0.20 or less, the piezoelectric constant of the piezoelectric material layer can be kept particularly high, and the vibration velocity and torque required for the piezoelectric element can be obtained.

また、前記Ba、Ca、Ti、Zrを含む酸化物において、TiおよびZrの和に対するZrのモル比であるyの値は、0.01≦y≦0.09であることが好ましい。 Further, in the oxide containing Ba, Ca, Ti and Zr, the value of y, which is the molar ratio of Zr to the sum of Ti and Zr, is preferably 0.01≤y≤0.09.

より好ましくは0.02≦y≦0.07である。 More preferably, 0.02≤y≤0.07.

yが0.02以上であることで、圧電材料層の圧電定数が特に高くなり、圧電素子に求められる振動速度およびトルクを得ることができる。他方、yが0.07以下であることで、圧電材料層のキュリー温度を100℃以上に特に保つことができる。 When y is 0.02 or more, the piezoelectric constant of the piezoelectric material layer becomes particularly high, and vibration velocity and torque required for the piezoelectric element can be obtained. On the other hand, when y is 0.07 or less, the Curie temperature of the piezoelectric material layer can be particularly kept at 100° C. or more.

また前記圧電材料層は、前記Ba、Ca、Ti、Zrを含む酸化物とともに、Mn成分を含有しており、Mnの含有量は、前記Ba、Ca、Ti、Zrを含む酸化物100重量部に対して金属換算で0.02重量部以上0.40重量部以下であることが好ましい。 Further, the piezoelectric material layer contains a Mn component together with the oxide containing Ba, Ca, Ti, and Zr, and the content of Mn is 100 parts by weight of the oxide containing Ba, Ca, Ti, and Zr. is preferably 0.02 parts by weight or more and 0.40 parts by weight or less in terms of metal.

より好ましくは、0.04重量部以上0.40重量部以下であり、さらに好ましくはMnの含有量の範囲は、0.08重量部以上0.30重量部以下である。 More preferably, the content of Mn is 0.04 to 0.40 parts by weight, and more preferably 0.08 to 0.30 parts by weight.

「金属換算」でのMnの含有量は、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前記圧電材料を測定した際の各金属の含有量から、金属酸化物を構成する元素を酸化物換算することによって得られる。その総重量を100としたときに、その総重量とMn金属の重量との比で表される。酸化物換算する際には、あらかじめX線回折実験などを通じて結晶構造を特定し(例えばペロブスカイト型構造)、特定された結晶構造および金属の含有量の分析結果に基づいて酸素数を算出する。ペロブスカイト型構造酸化物の場合は一般に組成式ABOと表現されるが、チャージバランス等の観点から、算出した酸素数に数%のずれがあってもかまわない。 The content of Mn in "metal equivalent" constitutes a metal oxide from the content of each metal when the piezoelectric material is measured by X-ray fluorescence analysis (XRF), ICP emission spectrometry, atomic absorption analysis, etc. It is obtained by converting the element to oxide. When the total weight is 100, it is represented by the ratio of the total weight to the weight of the Mn metal. When converting to oxide, the crystal structure is specified in advance through an X-ray diffraction experiment (for example, a perovskite structure), and the oxygen number is calculated based on the specified crystal structure and the analysis result of the metal content. In the case of a perovskite structure oxide, it is generally represented by the compositional formula ABO 3 , but from the viewpoint of charge balance and the like, the calculated oxygen number may deviate by several percent.

前記Ba、Ca、Ti、Zrを含む酸化物が前記範囲のMnを含有すると、本発明の圧電素子の電気絶縁性が向上し、誘電正接が小さくなる。その結果として圧電素子の消費電力が小さくなるため前記範囲のMn含有量が好ましい。Mnの含有量が0.04重量部未満であると、Mnを含有しない酸化物と比べて誘電正接の改善効果を見込めない場合がある。一方、Mnの含有量が0.40重量部より大きくなると、Mnを含有しない酸化物と比べて圧電定数が低下する場合がある。本願発明の利用者は用途に応じて所望の含有量を採用することができる。 When the oxide containing Ba, Ca, Ti, and Zr contains Mn within the above range, the electrical insulation of the piezoelectric element of the present invention is improved and the dielectric loss tangent is reduced. As a result, the power consumption of the piezoelectric element is reduced, so the Mn content within the above range is preferable. If the Mn content is less than 0.04 parts by weight, the effect of improving the dielectric loss tangent may not be expected in comparison with oxides containing no Mn. On the other hand, when the content of Mn is more than 0.40 parts by weight, the piezoelectric constant may be lowered compared to an oxide containing no Mn. A user of the present invention can adopt a desired content according to the application.

本発明の圧電素子を構成する圧電材料層の室温の圧電定数d33は、d33≧160pm/Vであると、圧電素子を振動子や振動波モータに応用した際に十分な振動速度、トルクを得られる。 When the room temperature piezoelectric constant d 33 of the piezoelectric material layer constituting the piezoelectric element of the present invention satisfies d 33 ≧160 pm/V, sufficient vibration velocity and torque are obtained when the piezoelectric element is applied to a vibrator or vibration wave motor. is obtained.

本発明の圧電素子および該圧電素子を構成する圧電材料層の室温での誘電正接が、100~1000Hzの範囲で0.8%以下であると、圧電素子の消費電力への悪影響が無視できるレベルとなる。 When the dielectric loss tangent of the piezoelectric element of the present invention and the piezoelectric material layer constituting the piezoelectric element at room temperature is 0.8% or less in the range of 100 to 1000 Hz, the adverse effect on the power consumption of the piezoelectric element is negligible. becomes.

(圧電素子の製造方法)
本発明にかかる圧電素子の製造方法は特に限定されないが、以下に圧電材料層を構成する金属酸化物にチタン酸バリウム系材料を用いた場合の製造方法を例示する。
(Manufacturing method of piezoelectric element)
Although the method of manufacturing the piezoelectric element according to the present invention is not particularly limited, a method of manufacturing the piezoelectric element using a barium titanate-based material as the metal oxide constituting the piezoelectric material layer will be exemplified below.

まず、粉末状のチタン酸バリウム系材料に溶媒を加えてスラリーを得る。 First, a slurry is obtained by adding a solvent to a powdery barium titanate-based material.

粉末状のチタン酸バリウム系材料には、後の焼成工程時における積層素子の反りやクラックの発生を防止するために、予めBa、Ca、TiおよびZr成分を含む酸化物を800℃から1100℃程度の温度で仮焼した、いわゆる仮焼粉を用いることが好ましい。前記酸化物にMn酸化物を加えて仮焼して仮焼粉を得ても良い。仮焼粉に含まれるBa、Ca、Ti、ZrおよびMn成分の混合比は、目的とする金属酸化物と同様にする。 The powdery barium titanate-based material is pretreated with an oxide containing Ba, Ca, Ti and Zr components at 800° C. to 1100° C. in order to prevent warping and cracking of the laminated element during the subsequent firing process. It is preferable to use a so-called calcined powder that has been calcined at a temperature of about. A calcined powder may be obtained by adding a Mn oxide to the oxide and calcining the mixture. The mixing ratio of the Ba, Ca, Ti, Zr and Mn components contained in the calcined powder is the same as that of the target metal oxide.

この仮焼粉に対し、焼成後の空隙部の形成を目的として、助剤を添加する。助剤が粒子状のSiO、B、Al、NaCOを含むと、焼成時の粒成長に伴う収縮の開始温度が低下して、圧電材料層の内部に空隙部が生成するので、好ましい。粒子状のSiO、B、Al、NaCOの好ましい平均粒子径は、0.5μm以上2.0μm以下である。 An auxiliary agent is added to the calcined powder for the purpose of forming voids after sintering. When the auxiliary agent contains particulate SiO 2 , B 2 O 3 , Al 2 O 3 and Na 2 CO 3 , the temperature at which shrinkage occurs due to grain growth during firing is lowered, and voids are formed inside the piezoelectric material layer. It is preferable because the part is generated. Preferable average particle diameters of particulate SiO 2 , B 2 O 3 , Al 2 O 3 and Na 2 CO 3 are 0.5 μm or more and 2.0 μm or less.

また、圧電材料層の内部の空隙部の生成を促進するために、助剤に中空粒子を含有させても良い。粒子の素材としては、焼成後の圧電特性に影響しない素材が好ましく、例えばSiOや有機高分子ポリマーを使用できる。 In addition, the auxiliary agent may contain hollow particles in order to promote the formation of voids inside the piezoelectric material layer. As the material of the particles, a material that does not affect the piezoelectric properties after firing is preferable, and for example, SiO 2 or an organic polymer can be used.

仮焼粉に対する助剤の添加割合は、0.05重量部以上1.0重量部以下が好ましい。助剤の添加割合を前記範囲にすることで、圧電素子の振動速度を損ねることなく、圧電材料層の内部に空隙部を形成することができる。 The addition ratio of the auxiliary agent to the calcined powder is preferably 0.05 parts by weight or more and 1.0 parts by weight or less. By setting the addition ratio of the auxiliary agent within the above range, it is possible to form a void inside the piezoelectric material layer without impairing the vibration speed of the piezoelectric element.

粉末状のチタン酸バリウム系材料に加える溶媒としては、例えば、トルエン、エタノール、または、トルエンとエタノールの混合溶媒、酢酸n-ブチル、水を用いることができる。溶媒の量は、例えば、金属化合物粉体の1.0~2.0倍の重量とする。前記金属化合物粉体に溶媒を加えボールミルで24時間混合した後に、バインダーと可塑剤を加える。バインダーは例えば、PVA(ポリビニルアルコール)、PVB(ポリビニルブチラール)、アクリル系樹脂などを用いることができる。バインダーにPVBを用いる場合、溶媒とPVBの重量比を、例えば、88:12となるようにPVBを秤量する。可塑剤としては例えば、ジオクチルセバケート、ジオクチルフタレート、ジブチルフタレートを用いることができる。可塑剤にジブチルフタレートを用いる場合、バインダーと等重量のジブチルフタレートを加える。 As a solvent to be added to the powdery barium titanate-based material, for example, toluene, ethanol, a mixed solvent of toluene and ethanol, n-butyl acetate, and water can be used. The amount of solvent is, for example, 1.0 to 2.0 times the weight of the metal compound powder. A solvent is added to the metal compound powder and mixed by a ball mill for 24 hours, and then a binder and a plasticizer are added. For example, PVA (polyvinyl alcohol), PVB (polyvinyl butyral), acrylic resin, or the like can be used as the binder. When PVB is used as the binder, PVB is weighed so that the weight ratio of the solvent to PVB is, for example, 88:12. Examples of plasticizers that can be used include dioctyl sebacate, dioctyl phthalate, and dibutyl phthalate. When dibutyl phthalate is used as the plasticizer, dibutyl phthalate is added in the same weight as the binder.

バインダーと可塑剤を加えた後は、再度、ボールミルでの混合を一晩行う。スラリーの目標粘度は300~500mPa・sであり、粘度の調整のために溶媒やバインダーの量を増減させても良い。 After adding the binder and plasticizer, the mixture is ball milled again overnight. The target viscosity of the slurry is 300 to 500 mPa·s, and the amount of solvent and binder may be increased or decreased to adjust the viscosity.

次に前記スラリーを基材上に設置し、圧電材料層の前駆体であるグリーンシートを得る。 Next, the slurry is placed on a substrate to obtain a green sheet that is a precursor of the piezoelectric material layer.

グリーンシートは例えば、ドクターブレードを用いて前記スラリーを前記基材上に塗布し、乾燥させることで得られる。基材としては例えば、フッ素コートPETフィルムを用いることができる。前記グリーンシートの厚みは特に制限されることはなく、目的とする圧電材料層の厚さに合わせて調整することができる。グリーンシートの厚みは例えばスラリーの粘度を高くすると厚くすることができる。 A green sheet can be obtained, for example, by applying the slurry onto the base material using a doctor blade and drying it. For example, a fluorine-coated PET film can be used as the base material. The thickness of the green sheet is not particularly limited, and can be adjusted according to the intended thickness of the piezoelectric material layer. The thickness of the green sheet can be increased, for example, by increasing the viscosity of the slurry.

次に前記グリーンシートに電極層を形成する。 Next, an electrode layer is formed on the green sheet.

グリーンシートに、必要に応じてスルーホールとなる小さな孔を形成する。更に、グリーンシートに形成した孔の中に、短絡電極となる導電粉末材料からなるペーストをスクリーン印刷法で充填する。更に、グリーンシートの表面に、電極層を形成する導電粉末材料からなるペーストをスクリーン印刷法で印刷する。 Small holes are formed in the green sheet to serve as through holes as required. Furthermore, the holes formed in the green sheet are filled with a paste made of a conductive powder material that will serve as a short-circuit electrode by screen printing. Furthermore, a paste made of a conductive powder material for forming an electrode layer is printed on the surface of the green sheet by screen printing.

複数枚のグリーンシートを図1のごとく下から順に重ねて、加熱・加圧装置により加熱しながら加圧し、積層化し、焼成前の積層体を形成する。 A plurality of green sheets are stacked in order from the bottom as shown in FIG. 1, and heated and pressed by a heating/pressurizing device to laminate and form a laminate before firing.

そして、積層体を1150℃~1350℃の大気雰囲気下で焼成を行う。次に、焼成を行った後の焼成体に対して、分極処理を行う。分極処理の条件は、圧電材料層の組成や構造によって変えるが、例えば、60~150℃に加熱して、1kV/mm~2kV/mm程度の電界を、10~60分間程度印加すると良い。 Then, the laminated body is sintered at 1150.degree. C. to 1350.degree. C. in an air atmosphere. Next, the sintered body after sintering is subjected to polarization treatment. The conditions for the polarization treatment vary depending on the composition and structure of the piezoelectric material layer.

(本発明の振動子)
本発明の振動子は、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、前記圧電素子と前記第一の弾性体と前記第二の弾性体を貫通するシャフトと、前記シャフトに設けられたナットとを有する振動子である。
(Vibrator of the present invention)
The vibrator of the present invention includes a piezoelectric element, a first elastic body and a second elastic body sandwiching the piezoelectric element, and penetrating through the piezoelectric element, the first elastic body, and the second elastic body. The vibrator has a shaft and a nut provided on the shaft.

図3は、本発明の振動子の一実施形態を示した概略構造の断面図である。 FIG. 3 is a cross-sectional view of a schematic structure showing one embodiment of the vibrator of the present invention.

図3に示すように、圧電素子10は、圧電素子10の積層方向に第一の弾性体21と第二の弾性体22によって挟持されている。更に圧電素子10は、シャフト24と第一のナット25を有する。 As shown in FIG. 3, the piezoelectric element 10 is sandwiched between a first elastic body 21 and a second elastic body 22 in the stacking direction of the piezoelectric element 10 . Furthermore, the piezoelectric element 10 has a shaft 24 and a first nut 25 .

第一の弾性体21と第二の弾性体22は、シャフト24を通すための孔部を有する。 The first elastic body 21 and the second elastic body 22 have holes through which the shaft 24 is passed.

シャフト24は圧電素子10、第一の弾性体21および第2の弾性体22を貫通する。 Shaft 24 passes through piezoelectric element 10 , first elastic body 21 and second elastic body 22 .

さらに、第一のナット25が前記シャフト24に取り付けられている。第一の弾性体21、第二の弾性体22、シャフト24および第一のナット25の素材は限定されないが、弾性率の観点から金属製であることが好ましく、例えばSUS材や真鍮が例示される。 Furthermore, a first nut 25 is attached to said shaft 24 . Materials for the first elastic body 21, the second elastic body 22, the shaft 24, and the first nut 25 are not limited, but are preferably made of metal from the viewpoint of elastic modulus, and examples thereof include SUS material and brass. be.

圧電素子10は、第一の電極および第二の電極の箇所において接着剤等を用いて第一の弾性体21と第二の弾性体22とに接合されている。接合に際しては1MPaから10MPa程度の圧力を加圧しながら行うことが好ましい。また、圧電素子10はシャフト24及び第一のナット25によって締め付けられて、所定の圧縮力が付与されている。圧電素子10に圧縮力が付与されていることで、積層圧電振動子が大きな変位で振動した際の圧電素子10の破壊を防止できる。 The piezoelectric element 10 is joined to the first elastic body 21 and the second elastic body 22 using an adhesive or the like at the locations of the first electrode and the second electrode. It is preferable to perform the bonding while applying a pressure of about 1 MPa to 10 MPa. Also, the piezoelectric element 10 is tightened by the shaft 24 and the first nut 25 to apply a predetermined compressive force. By applying a compressive force to the piezoelectric element 10, it is possible to prevent the piezoelectric element 10 from breaking when the laminated piezoelectric vibrator vibrates with a large displacement.

(本発明の振動波モータ)
本発明の振動波モータは、前記振動子と、該振動子の第一の弾性体21に接する移動体とを有することを特徴とする。
(Vibration wave motor of the present invention)
A vibration wave motor of the present invention is characterized by having the vibrator and a moving body in contact with the first elastic body 21 of the vibrator.

図4は本発明の振動波モータの一実施形態を示した概略構造の断面図である。 FIG. 4 is a sectional view of a schematic structure showing one embodiment of the vibration wave motor of the present invention.

本発明の振動波モータ40は、振動子20を構成する、圧電素子10、第一の弾性体21、第二の弾性体22、シャフト24、第一のナット25に加えて、移動体30を有する。更に振動波モータ40は必要に応じて、振動波モータ40を機器に取り付けるためのフランジ35、移動体30を振動子20に押し付けるための第二のナット36を有していても良い。フランジ35は、振動波モータ40が搭載される機器のフレーム等の不図示の外部部材に振動波モータ40を取り付けるための部材であり、第二のナット36により所定位置に固定されている。 The vibration wave motor 40 of the present invention includes the piezoelectric element 10, the first elastic body 21, the second elastic body 22, the shaft 24, and the first nut 25, which constitute the vibrator 20, as well as the moving body 30. have. Further, the vibration wave motor 40 may have a flange 35 for attaching the vibration wave motor 40 to the device and a second nut 36 for pressing the moving body 30 against the vibrator 20, if necessary. The flange 35 is a member for attaching the vibration wave motor 40 to an external member (not shown) such as a frame of equipment on which the vibration wave motor 40 is mounted, and is fixed at a predetermined position by a second nut 36 .

移動体30の構成は制限されないが、図4に示した一般的な構成では、主材として圧電素子の振動を回転運動に変換するためのローター31を有する。更に必要に応じて、移動体30は、振動時の異音を抑制するための摺動部材32、第一の弾性体21と移動体30の接触面に摩擦力を付与するための加圧バネ33、動力伝達のためのギア34を図のごとく有していても良い。 Although the structure of the moving body 30 is not limited, the general structure shown in FIG. 4 has a rotor 31 as a main member for converting vibration of a piezoelectric element into rotational motion. Further, if necessary, the moving body 30 includes a sliding member 32 for suppressing abnormal noise during vibration, and a pressure spring for applying a frictional force to the contact surface between the first elastic body 21 and the moving body 30. 33. It may have a gear 34 for power transmission as shown.

摺動部材32の素材は、天然ゴムや合成ゴム等の樹脂が好ましい。ローター31、加圧バネ33、ギア34、フランジ35、第二のナット36の素材は金属製が好ましく、例えばSUS材や真鍮などが用いられる。 The material of the sliding member 32 is preferably resin such as natural rubber or synthetic rubber. The rotor 31, the pressure spring 33, the gear 34, the flange 35, and the second nut 36 are preferably made of metal, such as SUS material or brass.

振動波モータ40において、構成部材である振動子20の第一の弾性体21は、移動体27(図においては摺動部材32)と接している。第一の弾性体21と移動体27が接していると、振動子20に電圧を印加して発生する振動を移動体27に効率的に伝えることができる。 In the vibration wave motor 40, the first elastic body 21 of the vibrator 20, which is a constituent member, is in contact with the moving body 27 (sliding member 32 in the figure). When the first elastic body 21 and the moving body 27 are in contact with each other, vibration generated by applying a voltage to the vibrator 20 can be efficiently transmitted to the moving body 27 .

摺動部材32の下端は、第一の弾性体21の上面に接触している。ローター31は、摺動部材32に固定されている。ギア34はローター31の上側に配置されており、ローター31の上側に設けられた凹部とギア34の下側に設けられた凸部とが係合している。加圧バネ33は、ローター31とギア34との間に配置されている。加圧バネ33のバネ力によって、ギア34は位置が定まると共に、ローター31を下側へ加圧する。これにより、ローター31に固定された摺動部材32の下側端面が、第一の弾性体21の上側表面に押し付けられて加圧接触するので、その接触面に所定の摩擦力が生じる。 A lower end of the sliding member 32 is in contact with the upper surface of the first elastic body 21 . The rotor 31 is fixed to the sliding member 32 . The gear 34 is arranged above the rotor 31 , and the concave portion provided on the upper side of the rotor 31 and the convex portion provided on the lower side of the gear 34 are engaged. A pressure spring 33 is arranged between the rotor 31 and the gear 34 . The spring force of the pressure spring 33 positions the gear 34 and presses the rotor 31 downward. As a result, the lower end surface of the sliding member 32 fixed to the rotor 31 is pressed against the upper surface of the first elastic body 21 and comes into pressure contact, so that a predetermined frictional force is generated on the contact surface.

圧電素子10に電圧を印加すると、振動子20に曲げ振動が発生し、移動体30を構成する、摺動部材32、ローター31、ギア34及び加圧バネ33が一体となってシャフト24の軸回りに回転する。回転出力は、摺動部材32、ローター31及びギア34のいずれかから取り出すことができる。 When a voltage is applied to the piezoelectric element 10, bending vibration is generated in the vibrator 20, and the sliding member 32, the rotor 31, the gear 34, and the pressure spring 33, which constitute the moving body 30, are united to move the axis of the shaft 24. rotate around. Rotation output can be taken out from any one of the sliding member 32 , the rotor 31 and the gear 34 .

(本発明の光学機器)
本発明の光学機器は、前記振動波モータ40と、該振動波モータ40と力学的に接続された光学部材を有することを特徴とする。
(Optical device of the present invention)
The optical apparatus of the present invention is characterized by having the vibration wave motor 40 and an optical member dynamically connected to the vibration wave motor 40 .

図5は本発明の光学機器の一例であるデジタルカメラ(撮像装置)200の概略構造を示す斜視図である。 FIG. 5 is a perspective view showing a schematic structure of a digital camera (imaging device) 200, which is an example of the optical equipment of the present invention.

デジタルカメラ200の前面には、レンズ鏡筒202が取り付けられており、レンズ鏡筒202の内部には、レンズと、手ぶれ補正光学系203が配置されている。 A lens barrel 202 is attached to the front surface of the digital camera 200. Inside the lens barrel 202, a lens and a camera shake correction optical system 203 are arranged.

デジタルカメラ200の本体側には撮像素子208が配置されており、撮像素子208に、レンズ鏡筒202を通過した光が光学像として結像する。撮像素子208は、CMOSセンサ或いはCCDセンサ等の光電変換デバイスであり、光学像をアナログ電気信号に変換する。撮像素子208から出力されるアナログ電気信号は、不図示のA/D変換器によってデジタル信号に変換された後、不図示の画像処理回路による所定の画像処理を経て、画像データ(映像データ)として不図示の半導体メモリ等の記憶媒体に記憶される。 An imaging element 208 is arranged on the main body side of the digital camera 200, and light passing through the lens barrel 202 forms an image on the imaging element 208 as an optical image. The imaging device 208 is a photoelectric conversion device such as a CMOS sensor or CCD sensor, and converts an optical image into an analog electrical signal. An analog electrical signal output from the image pickup device 208 is converted into a digital signal by an A/D converter (not shown), and then undergoes predetermined image processing by an image processing circuit (not shown) to form image data (video data). It is stored in a storage medium such as a semiconductor memory (not shown).

レンズ鏡筒202には、光軸方向に移動可能な不図示のレンズ群が配置されている。振動波モータ100は、不図示のギア列等を介してレンズ鏡筒等の光学部材に力学的に接続され、レンズ鏡筒202に配置されたレンズ群を駆動する。振動波モータ100はデジタルカメラ200において、ズームレンズの駆動、フォーカスレンズの駆動等に用いることができる。 A lens group (not shown) movable in the optical axis direction is arranged in the lens barrel 202 . The vibration wave motor 100 is mechanically connected to an optical member such as a lens barrel through a gear train (not shown) or the like, and drives a lens group arranged in the lens barrel 202 . The vibration wave motor 100 can be used in the digital camera 200 to drive a zoom lens, a focus lens, and the like.

ここで本発明の光学機器として、デジタルカメラについて説明した。それ以外にも一眼レフカメラの交換レンズ鏡筒、コンパクトカメラ、電子スチルカメラ、カメラ付き携帯情報端末等、カメラの種類を問わず、駆動部に振動波モータを有する光学機器に本発明を適用することができる。 Here, a digital camera has been described as an optical device of the present invention. In addition, the present invention can be applied to optical equipment having a vibration wave motor in its drive unit, regardless of the type of camera, such as an interchangeable lens barrel of a single-lens reflex camera, a compact camera, an electronic still camera, and a mobile information terminal with a camera. be able to.

(本発明の電子機器)
本発明の電子機器は、電子部品と前記圧電素子10を駆動源として備えることを特徴とする。
(Electronic device of the present invention)
An electronic device according to the present invention is characterized by including an electronic component and the piezoelectric element 10 as a drive source.

図6は本発明の電子機器の一実施形態を示した概略図である。 FIG. 6 is a schematic diagram showing one embodiment of the electronic device of the present invention.

本発明の積層圧電振動子は、液体吐出ヘッド、振動装置、圧電集音装置、圧電発音装置、圧電アクチュエータ、圧電センサ、圧電トランス、強誘電メモリ、発電装置等の電子機器に用いることができる。 The laminated piezoelectric vibrator of the present invention can be used in electronic devices such as liquid ejection heads, vibration devices, piezoelectric sound collectors, piezoelectric sound generators, piezoelectric actuators, piezoelectric sensors, piezoelectric transformers, ferroelectric memories, and power generators.

本発明の電子機器は、図6に示すように、本発明の積層圧電振動子を備えており、前記積層圧電振動子への電圧印加手段および電力取出手段の少なくとも一方を有している。「電力取出」とは、電気エネルギーを採取する行為、および、電気信号を受信する行為のいずれであっても良い。電圧印加手段により発生する振動子振動を電子機器がその機能のために利用する。あるいは、外部作用によって振動した積層振動子に発生した電力を電力取り出し手段で検知して電子機器がその機能のために利用する。 An electronic device of the present invention, as shown in FIG. 6, includes the laminated piezoelectric vibrator of the present invention, and has at least one of means for applying voltage to the laminated piezoelectric vibrator and means for extracting power. “Electric power extraction” may be either an act of extracting electrical energy or an act of receiving an electrical signal. An electronic device uses the vibrator vibration generated by the voltage applying means for its function. Alternatively, the electric power generated in the laminated vibrator vibrated by an external action is detected by the electric power extracting means and used by the electronic device for its function.

以下に実施例を挙げて、本発明をより具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例により限定されるものではない。 EXAMPLES The present invention will be described in more detail with reference to examples below, but the present invention is not limited to the following examples.

(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。
(Example 1)
First, a powdery barium titanate-based material was prepared as a starting material for the piezoelectric material layer.

具体的には、炭酸バリウム(BaCO)、炭酸カルシウム(CaCO)、酸化チタン(TiO)、酸化ジルコニウム(ZrO)および四酸化三マンガン(Mn)を、BaおよびCaの和に対するBaのモル比であるxの値が0.13に、TiおよびZrの和に対するZrのモル比である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0.30重量部となるように秤量して混合した。この混合粉を900℃で4時間仮焼し、チタン酸バリウム系材料よりなる仮焼粉を得た。 Specifically, barium carbonate (BaCO 3 ), calcium carbonate (CaCO 3 ), titanium oxide (TiO 2 ), zirconium oxide (ZrO 2 ) and trimanganese tetroxide (Mn 3 O 4 ) are added to the sum of Ba and Ca. The value of x, which is the molar ratio of Ba to They were weighed and mixed so as to be 0.30 parts by weight in terms of metal with respect to 100 parts by weight of the oxide contained. This mixed powder was calcined at 900° C. for 4 hours to obtain a calcined powder made of a barium titanate-based material.

この仮焼粉100重量部に対し、0.1重量部の助剤を添加した。助剤には平均粒子径が1.0μmの粒子状であるSiO、B、Al、NaCOの混合物を用いた。助剤に含まれるSiO、B、Al、NaCOの重量比は、無水物として5対2対2対1とした。 0.1 part by weight of an auxiliary agent was added to 100 parts by weight of the calcined powder. A mixture of particulate SiO 2 , B 2 O 3 , Al 2 O 3 and Na 2 CO 3 having an average particle diameter of 1.0 μm was used as the auxiliary agent. The weight ratio of SiO 2 , B 2 O 3 , Al 2 O 3 and Na 2 CO 3 contained in the auxiliary agent was 5:2:2:1 as anhydride.

次に、溶媒である水に対し、助剤混合済みの仮焼粉と、仮焼粉100重量部に対して3重量部のバインダ(PVB)を加えて混合し、スラリーを得た。 Next, calcined powder mixed with an auxiliary agent and 3 parts by weight of a binder (PVB) with respect to 100 parts by weight of calcined powder were added to water as a solvent and mixed to obtain a slurry.

得られたスラリーを用いて、ドクターブレード法により60μm厚のグリーンシートを得た。 Using the obtained slurry, a green sheet having a thickness of 60 μm was obtained by a doctor blade method.

上記グリーンシートに内部金属電極用の導電ペーストを印刷した。導電ペーストには、Ag60%-Pd40%合金(Ag/Pd=1.50)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36枚積層して、その積層体を最高温度1250℃で5時間保持するように焼成を実施して焼結体を得た。 A conductive paste for internal metal electrodes was printed on the green sheet. A 60% Ag-40% Pd alloy (Ag/Pd=1.50) paste was used as the conductive paste. A sintered body was obtained by stacking 36 green sheets coated with a conductive paste and firing the stack at a maximum temperature of 1250° C. for 5 hours.

このようにして得られた焼結体の圧電材料部分の組成をICP発光分光分析により評価した。その結果、(Ba0.87Ca0.13)(Ti0.97Zr0.03)Oの化学式で表わすことができる酸化物を主成分としており、前記主成分100重量部に対してMnが0.30重量部含有されていることが分かった。Ba、Ca、Ti、Zr、Mnの各成分は、秤量した組成と焼結後の圧電材料としての組成が一致していた。 The composition of the piezoelectric material portion of the sintered body thus obtained was evaluated by ICP emission spectroscopic analysis. As a result, the main component is an oxide represented by the chemical formula ( Ba0.87Ca0.13 ) ( Ti0.97Zr0.03 ) O3 , and Mn was found to contain 0.30 parts by weight. The components of Ba, Ca, Ti, Zr, and Mn matched the weighed composition and the composition of the piezoelectric material after sintering.

前記焼結体の積層方向の厚さは、2.0mmであった。 The thickness of the sintered body in the stacking direction was 2.0 mm.

前記焼結体を外径6mmの円柱状に削り出し、円形面の中心部に内径2mmの貫通孔を切削プロセスによって形成した。この円柱状素子の外側面に内部電極層を交互に短絡させる一対の金属電極(第一の電極と第二の電極)をAuスパッタ法により形成し、図1(c)のような圧電素子を作製した。次に積層焼結体に分極処理を施して、本発明の圧電素子を得た。具体的には、試料をホットプレート上で135℃に加熱し、第一の電極と第二の電極間に14kV/cmの電界を30分間印加し、電界を印加したままで室温まで冷却した。 The sintered body was cut into a cylindrical shape with an outer diameter of 6 mm, and a through hole with an inner diameter of 2 mm was formed in the center of the circular surface by a cutting process. A pair of metal electrodes (a first electrode and a second electrode) for alternately short-circuiting the internal electrode layers are formed on the outer surface of the cylindrical element by Au sputtering, thereby forming a piezoelectric element as shown in FIG. 1(c). made. Next, the laminated sintered body was subjected to polarization treatment to obtain the piezoelectric element of the present invention. Specifically, the sample was heated to 135° C. on a hot plate, an electric field of 14 kV/cm was applied between the first electrode and the second electrode for 30 minutes, and cooled to room temperature while the electric field was applied.

圧電素子に含まれる鉛成分をICP発光分光分析により評価したところ、圧電素子に対して約2ppmの鉛成分が含まれていることが分かった。圧電材料層部分に含まれる鉛成分も約2ppmであった。 When the lead component contained in the piezoelectric element was evaluated by ICP emission spectroscopic analysis, it was found that the piezoelectric element contained about 2 ppm of lead component. The lead component contained in the piezoelectric material layer portion was also approximately 2 ppm.

圧電素子の側断面を25倍の顕微鏡で観察したところ、36層の圧電材料層と35層の電極層とが交互に積層されていた。圧電材料層の層厚Tは、いずれの圧電材料層においても55μmであった。電極層の層厚Tは、いずれの電極層においても6μmであった。 Observation of the side section of the piezoelectric element with a microscope of 25 magnifications revealed that 36 piezoelectric material layers and 35 electrode layers were alternately laminated. The layer thickness TP of each piezoelectric material layer was 55 μm. The layer thickness TE of the electrode layers was 6 μm for all electrode layers.

更に走査型電子顕微鏡を用いて、圧電素子の側断面を400倍の高倍率で観察した。図7に実施例1の圧電素子の側断面の反射電子像を示す。図7において、輝度の高い白色部分は電極層であり、複数の電極層に挟まれた輝度の低い着色部が圧電材料層である。圧電材料層の内部にある黒色部は空隙部であり、中間色の箇所は結晶粒の集合体である。金属酸化物は粒ごとに反射電子の輝度が異なっている。図の下部の黒色の帯部は、スケールバーを示すための人為的な着色部であり、圧電素子の構造とは関係が無い。 Furthermore, using a scanning electron microscope, the side cross section of the piezoelectric element was observed at a high magnification of 400 times. FIG. 7 shows a backscattered electron image of a side section of the piezoelectric element of Example 1. As shown in FIG. In FIG. 7, white portions with high brightness are electrode layers, and colored portions with low brightness sandwiched between a plurality of electrode layers are piezoelectric material layers. The black portions inside the piezoelectric material layer are voids, and the neutral-colored portions are aggregates of crystal grains. Metal oxide particles have different brightness of backscattered electrons. The black band at the bottom of the figure is artificially colored to show the scale bar and has nothing to do with the structure of the piezoelectric element.

図7に見られる3層の圧電材料層は、いずれも複数の結晶粒と、複数の空隙部の集合体で形成されていた。 Each of the three piezoelectric material layers seen in FIG. 7 was formed of aggregates of multiple crystal grains and multiple voids.

ここで、図7の下から2番目の圧電材料層に着目する。該圧電材料層について、観察箇所を変えた同倍率の反射電子像を5つ取得して、これらの観察像から圧電材料層の積層方向の平均厚みTと該圧電材料層に接する電極層の平均厚さTを算出したところ、Tは55μmであり、Tは6.0μmであった。次に、該圧電材料層について同じ観察像から、結晶粒の平均円相当径Dを算出したところ、Tの0.07倍より大きく0.33倍より小さな8.5μmであった。 Here, attention is focused on the second piezoelectric material layer from the bottom in FIG. For the piezoelectric material layer, five backscattered electron images of the same magnification are acquired at different observation points, and from these observed images, the average thickness TP in the stacking direction of the piezoelectric material layer and the thickness of the electrode layer in contact with the piezoelectric material layer are calculated. The average thickness T E was calculated to be T P of 55 μm and T E of 6.0 μm. Next, when the average circular equivalent diameter D G of the crystal grains was calculated from the same observed image of the piezoelectric material layer, it was 8.5 μm, which was larger than 0.07 times smaller than 0.33 times T P .

更に、該圧電材料層の断面全域を観察して、電極層と接せずに結晶粒に囲まれた部位に存在する空隙部の積層方向の最大長さLを求めたところ、Lは、Tより大きくTの0.3倍より小さい10μmであった。 Further, by observing the entire cross section of the piezoelectric material layer, the maximum length LV in the stacking direction of the void portion present in the portion surrounded by the crystal grains and not in contact with the electrode layer was determined. , 10 μm which is larger than T E and smaller than 0.3 times T P .

同じ観察像から、着目する圧電材料層と隣接する電極層との界面の線平均粗さRaを算出したところ、2つの界面の平均値としてRaは0.42μmであった。 When the line average roughness Ra of the interface between the piezoelectric material layer of interest and the adjacent electrode layer was calculated from the same observed image, Ra was 0.42 μm as the average value of the two interfaces.

同じ観察像から空隙部の合計断面積が圧電材料層の断面積に占める割合Pは、6.2面積%であった。 From the same observed image, the ratio PV of the total cross-sectional area of the voids to the cross-sectional area of the piezoelectric material layer was 6.2% by area.

本実施例で得た圧電素子の全体のみかけの圧電定数d33 *sumをd33メーターで室温測定して、測定値d33 *sumを層数である36で割ったところ、圧電定数d33は200pm/Vであった。同時に、d33メーターで得られた誘電正接は160Hzにおいて0.5%であった。 The apparent piezoelectric constant d 33 *sum of the entire piezoelectric element obtained in this example was measured with a d 33 meter at room temperature, and the measured value d 33 *sum was divided by 36 , which is the number of layers. was 200 pm/V. At the same time, the loss tangent obtained with the d 33 meter was 0.5% at 160 Hz.

続いて、得られた圧電素子を用いて積層圧電振動子を作製した。 Subsequently, a laminated piezoelectric vibrator was produced using the obtained piezoelectric element.

まず、圧電素子をプライマー処理して、SUS製の第一の弾性体に加圧接着した。続いて、前記圧電素子の第一の弾性体が接着していない面に対し、フレキシブルプリント基板からなる電気配線をSUS製の第二の弾性体によって挟み込んだ。最後に、SUS製のシャフトを圧電素子、第一の弾性体および第二の弾性体に貫通させた後に、SUS製の第一のナットで加圧締込を行い、本発明の積層圧電振動子を得た。 First, the piezoelectric element was treated with a primer and pressure-bonded to the first elastic body made of SUS. Subsequently, an electric wiring made of a flexible printed circuit board was sandwiched between a second elastic body made of SUS and the surface of the piezoelectric element to which the first elastic body was not adhered. Finally, after the shaft made of SUS was passed through the piezoelectric element, the first elastic body and the second elastic body, the first nut made of SUS was used to pressurize and tighten the laminated piezoelectric vibrator of the present invention. got

(実施例2から7)
原料の混合比、グリーンシートの厚さ、導電ペーストのAg/Pd比、積層体の焼成最高温度を変化させた他は、実施例1と同様にして本発明の圧電素子を得た。
(Examples 2 to 7)
A piezoelectric element of the present invention was obtained in the same manner as in Example 1, except that the mixing ratio of raw materials, the thickness of the green sheet, the Ag/Pd ratio of the conductive paste, and the maximum firing temperature of the laminate were changed.

圧電材料部分の組成をICP発光分光分析により評価したところ、いずれの圧電素子においても、Ba、Ca、Ti、Zr、Mnの各成分は、秤量した組成と焼結後の組成が一致していた。圧電素子および圧電材料層に含まれる鉛成分は、いずれの圧電素子も10ppm未満であった。圧電素子の製造条件を表1に示す。 When the composition of the piezoelectric material portion was evaluated by ICP emission spectroscopic analysis, in all piezoelectric elements, the weighed composition of Ba, Ca, Ti, Zr, and Mn matched the composition after sintering. . The lead component contained in the piezoelectric element and the piezoelectric material layer was less than 10 ppm in all piezoelectric elements. Table 1 shows the manufacturing conditions of the piezoelectric element.

実施例1と同様にして、圧電素子のT、T、D、L、Ra、d33、誘電正接を計測、測定した。各パラメータの計測結果を表2に示す。実施例1と同様にして求めたPは、3~10面積%の範囲内であった。 In the same manner as in Example 1, T P , T E , D G , L V , Ra, d 33 and dielectric loss tangent of the piezoelectric element were measured. Table 2 shows the measurement results of each parameter. The PV obtained in the same manner as in Example 1 was within the range of 3 to 10 area %.

次に、実施例1と同様にして、実施例2から7の圧電素子を用いた積層圧電振動子を作製した。 Next, in the same manner as in Example 1, laminated piezoelectric vibrators using the piezoelectric elements of Examples 2 to 7 were produced.

(実施例8)
仮焼粉に対する助剤として、SiO、B、Al、NaCOの混合物に加えて、仮焼粉100重量部に対して固形分で0.1重量部の中空シリカ微粒子をIPA分散液の形態で添加した他は、実施例1と同様にして本発明の圧電素子を得た。
(Example 8)
As an auxiliary agent for the calcined powder, in addition to a mixture of SiO 2 , B 2 O 3 , Al 2 O 3 and Na 2 CO 3 , 0.1 part by weight of solid content per 100 parts by weight of the calcined powder A piezoelectric element of the present invention was obtained in the same manner as in Example 1, except that silica fine particles were added in the form of an IPA dispersion.

圧電材料部分の組成をICP発光分光分析により評価したところ、Ba、Ca、Ti、Zr、Mnの各成分は、秤量した組成と焼結後の組成が一致していた。圧電素子および圧電材料層に含まれる鉛成分は、約3ppmであった。 When the composition of the piezoelectric material portion was evaluated by ICP emission spectroscopic analysis, the weighed composition of Ba, Ca, Ti, Zr, and Mn matched the composition after sintering. The lead component contained in the piezoelectric element and piezoelectric material layer was about 3 ppm.

実施例1と同様にして、圧電素子のT、T、D、L、Ra、d33、誘電正接を計測、測定した。各パラメータの計測結果を表2に示す。実施例1と同様にして求めたPは、9.0面積%であった。 In the same manner as in Example 1, T P , T E , D G , L V , Ra, d 33 and dielectric loss tangent of the piezoelectric element were measured. Table 2 shows the measurement results of each parameter. PV obtained in the same manner as in Example 1 was 9.0 area %.

次に、実施例1と同様にして、実施例8の圧電素子を用いた積層圧電振動子を作製した。 Next, in the same manner as in Example 1, a laminated piezoelectric vibrator using the piezoelectric element of Example 8 was produced.

(比較例1)
導電ペーストのAg/Pd比を6:4から4:6に変更し、積層体の焼成最高温度を1250℃から1400℃に変更した他は、実施例1と同様にして比較用の圧電素子を得た。
(Comparative example 1)
A comparative piezoelectric element was prepared in the same manner as in Example 1, except that the Ag/Pd ratio of the conductive paste was changed from 6:4 to 4:6 and the maximum firing temperature of the laminate was changed from 1250°C to 1400°C. Obtained.

圧電材料部分の組成をICP発光分光分析により評価したところ、Ba、Ca、Ti、Zr、Mnの各成分は、秤量した組成と焼結後の組成が一致していた。圧電素子の製造条件を表1に示す。 When the composition of the piezoelectric material portion was evaluated by ICP emission spectroscopic analysis, the weighed composition of Ba, Ca, Ti, Zr, and Mn matched the composition after sintering. Table 1 shows the manufacturing conditions of the piezoelectric element.

実施例1と同様にして、圧電素子のT、T、D、L、Ra、d33、誘電正接を計測、測定した。その結果、Tは55μm、Dは20.1μm、Lは19.0μm、Tは6.0μmであった。すなわち、DはTの0.36倍であり、LはTより大きくTの0.35倍であった。各パラメータの計測結果を表2に示す。実施例1と同様にして求めたPは、13.7面積%であった。 In the same manner as in Example 1, T P , T E , D G , L V , Ra, d 33 and dielectric loss tangent of the piezoelectric element were measured. As a result, TP was 55 μm, DG was 20.1 μm, LV was 19.0 μm, and TE was 6.0 μm. That is, D G was 0.36 times T P and L V was greater than T E and 0.35 times T P . Table 2 shows the measurement results of each parameter. PV obtained in the same manner as in Example 1 was 13.7 area %.

次に、実施例1と同様にして、比較例1の圧電素子を用いた積層圧電振動子を作製した。 Next, in the same manner as in Example 1, a laminated piezoelectric vibrator using the piezoelectric element of Comparative Example 1 was produced.

(比較例2)
グリーンシートの厚さ、導電ペーストのAg/Pd比、積層体の焼成最高温度を変化させ、助剤の添加量を仮焼粉100重量部に対して1.0重量部の助剤となるように増量した他は、実施例1と同様にして比較用の圧電素子を得た。
(Comparative example 2)
The thickness of the green sheet, the Ag/Pd ratio of the conductive paste, and the maximum firing temperature of the laminate are changed, and the amount of the auxiliary agent added is set to 1.0 part by weight per 100 parts by weight of the calcined powder. A piezoelectric element for comparison was obtained in the same manner as in Example 1, except that the amount was increased to .

圧電材料部分の組成をICP発光分光分析により評価したところ、Ba、Ca、Ti、Zr、Mnの各成分は、秤量した組成と焼結後の組成が一致していた。圧電素子の製造条件を表1に示す。 When the composition of the piezoelectric material portion was evaluated by ICP emission spectroscopic analysis, the weighed composition of Ba, Ca, Ti, Zr, and Mn matched the composition after sintering. Table 1 shows the manufacturing conditions of the piezoelectric element.

実施例1と同様にして、圧電素子のT、T、D、L、Ra、d33、誘電正接を計測、測定した。その結果、Tは30μm、Dは12.3μm、Lは10μm、Tは6μmであった。すなわち、DはTの0.40倍であり、LはTより大きくTの0.33倍であった。各パラメータの計測結果を表2に示す。実施例1と同様にして求めたPは、10.4面積%であった。 In the same manner as in Example 1, T P , T E , D G , L V , Ra, d 33 and dielectric loss tangent of the piezoelectric element were measured. As a result, TP was 30 μm, DG was 12.3 μm, LV was 10 μm, and TE was 6 μm. That is, D G was 0.40 times T P and L V was greater than T E and 0.33 times T P . Table 2 shows the measurement results of each parameter. PV obtained in the same manner as in Example 1 was 10.4 area %.

次に、実施例1と同様にして、比較例2の圧電素子を用いた積層圧電振動子を作製した。 Next, in the same manner as in Example 1, a laminated piezoelectric vibrator using the piezoelectric element of Comparative Example 2 was produced.

(比較例3)
グリーンシートの厚さ、導電ペーストのAg/Pd比、積層体の焼成最高温度を変化させた他は、実施例1と同様にして比較用の圧電素子を得た。
(Comparative Example 3)
A comparative piezoelectric element was obtained in the same manner as in Example 1, except that the thickness of the green sheet, the Ag/Pd ratio of the conductive paste, and the maximum firing temperature of the laminate were changed.

圧電材料部分の組成をICP発光分光分析により評価したところ、Ba、Ca、Ti、Zr、Mnの各成分は、秤量した組成と焼結後の組成が一致していた。圧電素子の製造条件を表1に示す。 When the composition of the piezoelectric material portion was evaluated by ICP emission spectroscopic analysis, the weighed composition of Ba, Ca, Ti, Zr, and Mn matched the composition after sintering. Table 1 shows the manufacturing conditions of the piezoelectric element.

実施例1と同様にして、圧電素子のT、T、D、L、Ra、d33、誘電正接を計測、測定した。その結果、Tは45μm、Dは1.9μm、Lは1.2μm、Tは6.0μmであった。すなわち、DはTの0.04倍であり、LはTより小さかった。各パラメータの計測結果を表2に示す。実施例1と同様にして求めたPは、2.8面積%であった。 In the same manner as in Example 1, T P , T E , D G , L V , Ra, d 33 and dielectric loss tangent of the piezoelectric element were measured. As a result, TP was 45 μm, DG was 1.9 μm, LV was 1.2 μm, and TE was 6.0 μm. That is, D G was 0.04 times T P and L V was less than T E . Table 2 shows the measurement results of each parameter. PV obtained in the same manner as in Example 1 was 2.8 area %.

次に、実施例1と同様にして、比較例3の圧電素子を用いた積層圧電振動子を作製した。 Next, in the same manner as in Example 1, a laminated piezoelectric vibrator using the piezoelectric element of Comparative Example 3 was produced.

(比較例4)
導電ペーストのAg/Pd比、積層体の焼成最高温度を変化させ、助剤の成分比をSiO、B、Al、NaCOの重量比で7対3対0対0とした他は、実施例1と同様にして比較用の圧電素子を得た。
(Comparative Example 4)
By changing the Ag/Pd ratio of the conductive paste and the maximum firing temperature of the laminate, the component ratio of the auxiliary agent was changed to 7:3:0 by weight ratio of SiO 2 , B 2 O 3 , Al 2 O 3 and Na 2 CO 3 . A piezoelectric element for comparison was obtained in the same manner as in Example 1, except that the pair was 0.

圧電材料部分の組成をICP発光分光分析により評価したところ、Ba、Ca、Ti、Zr、Mnの各成分は、秤量した組成と焼結後の組成が一致していた。圧電素子の製造条件を表1に示す。 When the composition of the piezoelectric material portion was evaluated by ICP emission spectroscopic analysis, the weighed composition of Ba, Ca, Ti, Zr, and Mn matched the composition after sintering. Table 1 shows the manufacturing conditions of the piezoelectric element.

実施例1と同様にして、圧電素子のT、T、D、L、Ra、d33、誘電正接を計測、測定した。その結果、Tは55μm、Dは10.0μm、Lは0.8μm、Tは6.0μmであった。すなわち、DはTの0.18倍であり、LはTより小さかった。各パラメータの計測結果を表2に示す。実施例1と同様にして求めたPは、1.1面積%であった。 In the same manner as in Example 1, T P , T E , D G , L V , Ra, d 33 and dielectric loss tangent of the piezoelectric element were measured. As a result, TP was 55 μm, DG was 10.0 μm, LV was 0.8 μm, and TE was 6.0 μm. That is, D G was 0.18 times T P and L V was less than T E. Table 2 shows the measurement results of each parameter. PV obtained in the same manner as in Example 1 was 1.1 area %.

次に、実施例1と同様にして、比較例4の圧電素子を用いた積層圧電振動子を作製した。 Next, in the same manner as in Example 1, a laminated piezoelectric vibrator using the piezoelectric element of Comparative Example 4 was produced.

Figure 0007150466000001
Figure 0007150466000001

Figure 0007150466000002
Figure 0007150466000002

図8に、実施例1~8の圧電素子および比較例1~4の圧電素子のTとD及びTとLの値の関係を示す。◆印は実施例、○印は比較例の値をプロットしたものである。図8(a)の横軸はT、縦軸はDを表しており、実線は0.07T≦D≦0.33Tの範囲、点線は5μm≦D≦15μmの範囲を補助的に示すものである。 FIG. 8 shows the relationship between the values of T P and D G and T P and L V of the piezoelectric elements of Examples 1-8 and the piezoelectric elements of Comparative Examples 1-4. ♦ indicates values plotted for the example, and ◯ indicates values for the comparative example. In FIG. 8(a), the horizontal axis represents T P and the vertical axis represents D G , the solid line represents the range of 0.07 T P ≦D G ≦0.33 T P , and the dotted line represents the range of 5 μm≦D G ≦15 μm. It is shown as an auxiliary.

他方、図8(b)の横軸はT、縦軸はLを表しており、実線はL≦0.3Tの範囲を補助的に示すものである。 On the other hand, in FIG. 8(b), the horizontal axis represents T P , the vertical axis represents L V , and the solid line indicates the range of L V ≦0.3 T P.

(振動子発生変位量)
実施例1~8および比較例1~4の積層圧電振動子に、3kV/mmの直流電界を印加して、レーザ変位計により歪み率を計測した。ここでの歪み率とは、計測した歪み量を積層部の厚さで割った値に100をかけたパーセンテージである。
(Vibrator generated displacement)
A DC electric field of 3 kV/mm was applied to the laminated piezoelectric vibrators of Examples 1 to 8 and Comparative Examples 1 to 4, and the strain rate was measured with a laser displacement meter. The strain rate here is a percentage obtained by multiplying the value obtained by dividing the measured strain amount by the thickness of the laminated portion and multiplying by 100.

実施例1~8の振動子歪み率は、いずれも0.10%以上0.15%以下の範囲にあったのに対し、比較例1、2、4の振動子歪み率は0.08%程度と小さかった。特に比較例3の振動子歪み率は、0.04%程度と小さかった。 The oscillator distortion rates of Examples 1 to 8 were all in the range of 0.10% or more and 0.15% or less, while the oscillator distortion rates of Comparative Examples 1, 2, and 4 were 0.08%. was small in extent. In particular, the oscillator strain rate of Comparative Example 3 was as small as about 0.04%.

(振動波モータの作製)
実施例1~8および比較例1~4の積層圧電振動子に、ゴム製の摺動部材、SUS製のローター、SUS製の加圧バネ、SUS製のギアよりなる移動体と、SUS製のフランジ、SUS製の第二のナットを取り付けて、図4に示す構造の振動波モータを作製した。
(Fabrication of vibration wave motor)
In the laminated piezoelectric vibrators of Examples 1 to 8 and Comparative Examples 1 to 4, a moving body comprising a rubber sliding member, a SUS rotor, a SUS pressure spring, and a SUS gear, and a SUS A flange and a second SUS nut were attached to fabricate a vibration wave motor having the structure shown in FIG.

作製した振動波モータに、15Vrmsの交番電圧を印加して、振動波モータを回転駆動させた。印加電圧の周波数を共振周波数に近づけて、回転速度が700rpmに達した振動波モータについて、モータ部分の消費電力を電力計で測定した。測定結果を表3に示す。 An alternating voltage of 15 Vrms was applied to the produced vibration wave motor to rotate the vibration wave motor. The frequency of the applied voltage was brought close to the resonance frequency, and the power consumption of the motor portion was measured with a wattmeter for the vibration wave motor whose rotational speed reached 700 rpm. Table 3 shows the measurement results.

Figure 0007150466000003
Figure 0007150466000003

表3に示すように、実施例の振動波モータの700rpm時のモータの消費電力は、いずれも1.7W以下であったのに対し、比較例1、2、4の同条件の消費電力は2.3W以上となった。また、比較例3の振動波モータは、電圧印加時の最高回転速度が700rpmに達しなかった。 As shown in Table 3, the power consumption of the vibration wave motors of the examples at 700 rpm was all 1.7 W or less, while the power consumption of Comparative Examples 1, 2, and 4 under the same conditions was 2.3W or more. In addition, the vibration wave motor of Comparative Example 3 did not reach a maximum rotation speed of 700 rpm when a voltage was applied.

図8(a)からわかるように、平均円相当径Dは、圧電材料層の積層方向の厚みTに対して、適切な範囲に収まることで優れた効能を発揮する。加えて図8(b)からわかるように、空隙部の積層方向の最大長さをLは、同じくTに対して、適切な範囲に収まることで優れた効能を発揮する。表2に記載の各実施例、各比較例によると上記の条件を満たす実施例は圧電定数d33の値が170pC/N以上と、比較例とくらべて10%以上も高い良好な値を示した。また表3からわかるように各実施例の消費電力は1.7W以下と比較例とくらべて20%以上も低い良好な値を示した。 As can be seen from FIG. 8(a), the average equivalent circle diameter D.sub.G exerts excellent effects by being within an appropriate range with respect to the thickness T.sub.P in the lamination direction of the piezoelectric material layers. In addition, as can be seen from FIG. 8(b), the maximum length of the gap in the stacking direction, LV , is also excellent when it falls within an appropriate range with respect to TP . According to each example and each comparative example described in Table 2, the example satisfying the above conditions showed a favorable value of piezoelectric constant d33 of 170 pC/N or more, which is 10% or more higher than that of the comparative example. rice field. Also, as can be seen from Table 3, the power consumption of each example was 1.7 W or less, which was a good value lower than that of the comparative example by more than 20%.

(圧電材料層の層数)
実施例1~8の圧電素子、積層圧電振動子および振動波モータにおける圧電材料層の層数は36層であるが、2層から60層の範囲で層数を変化させても、同様に作製することができた。特に層数が25層以上55層以下の振動波モータは、表3に近いモータの消費電力で700rpmの駆動が可能であった。
(Number of piezoelectric material layers)
Although the number of piezoelectric material layers in the piezoelectric elements, laminated piezoelectric vibrators, and vibration wave motors of Examples 1 to 8 is 36, the number of layers can be changed from 2 to 60 in the same manner. We were able to. In particular, the vibration wave motor having 25 to 55 layers could be driven at 700 rpm with the power consumption of the motor close to Table 3.

(光学機器)
実施例1~8および比較例1、2、4の振動波モータと光学部材であるレンズ鏡筒とを力学的に接続し、図5のような光学機器を作製した。いずれ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、実施例の光学機器のフォーカス動作は比較例の光学機器のフォーカス動作に比べて、消費電力が20%以上小さかった。
(optical equipment)
The vibration wave motors of Examples 1 to 8 and Comparative Examples 1, 2, and 4 were mechanically connected to a lens barrel as an optical member to produce an optical apparatus as shown in FIG. Autofocus operation in response to the application of the alternating voltage could be confirmed in any optical device, but the power consumption of the optical device of the example was 20% or more smaller than that of the optical device of the comparative example. .

(電子機器)
実施例1~8の圧電素子を用いて、図9に示される液体吐出ヘッドを作製した。図9に示す液体吐出ヘッドは、実施例の圧電素子101(電極1011、積層部1012、電極1013よりなる)を有する。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。
(Electronics)
Using the piezoelectric elements of Examples 1 to 8, the liquid ejection head shown in FIG. 9 was manufactured. The liquid ejection head shown in FIG. 9 has the piezoelectric element 101 (consisting of an electrode 1011, a laminated portion 1012, and an electrode 1013) of the embodiment. Further, it has an ejection port 105 , an individual liquid chamber 102 , a communication hole 106 connecting the individual liquid chamber 102 and the ejection port 105 , a liquid chamber partition 104 , a common liquid chamber 107 , a vibration plate 103 and a piezoelectric element 101 . Liquid ink can be stored in the liquid chamber.

液体吐出ヘッドに電気信号を入力すると、信号パターンに追随したインクの吐出が確認された。この液体吐出ヘッドをインクジェット式プリンタに組込み、記録紙へのインク吐出を確認した。 When an electric signal was input to the liquid ejection head, it was confirmed that the ink was ejected following the signal pattern. This liquid ejection head was incorporated into an ink jet printer, and ejection of ink onto recording paper was confirmed.

本発明によれば高効率な駆動特性を有する圧電素子を提供できる。また、本発明によれば、高効率な駆動特性を有する振動子、振動波モータ、光学機器および電子機器を提供できる。さらに、本発明の積層素子は積層素子を用いた圧電デバイス全般に適用可能である。 According to the present invention, a piezoelectric element having highly efficient drive characteristics can be provided. Further, according to the present invention, it is possible to provide vibrators, vibration wave motors, optical devices, and electronic devices that have highly efficient drive characteristics. Furthermore, the laminated element of the present invention can be applied to piezoelectric devices using laminated elements in general.

1 電極層
2 圧電材料層
3 電極層
REFERENCE SIGNS LIST 1 electrode layer 2 piezoelectric material layer 3 electrode layer

Claims (12)

圧電材料層と電極層が交互に積層された圧電素子において、
前記圧電材料層は複数の結晶粒と複数の空隙部を有し、
前記圧電材料層の少なくとも1層が、
前記圧電材料層の積層方向の平均厚さをT、前記複数の結晶粒の平均円相当径をD、前記電極層と接しない前記複数の空隙部の積層方向の最大長さをL、少なくとも一つの前記圧電材料層に接する電極層の平均厚さをTとしたとき、0.07T≦D≦0.33T、T≦L≦0.3T、かつ鉛の含有量が1000ppm未満であり、
前記圧電素子の断面観察視野を、前記圧電材料層の前記積層方向の長さを前記T +前記T +前記T とし、前記積層方向に交差する方向の長さを前記T +前記T +前記T よりも大きい長さとした場合、
前記断面観察視野において、前記空隙部の占める面積S が、前記圧電材料層の面積S に占める割合P が3面積%以上10面積%以下であ圧電素子
In a piezoelectric element in which piezoelectric material layers and electrode layers are alternately laminated,
The piezoelectric material layer has a plurality of crystal grains and a plurality of voids,
At least one of the piezoelectric material layers comprises:
T P is the average thickness in the stacking direction of the piezoelectric material layer, D G is the average circle equivalent diameter of the plurality of crystal grains, and LV is the maximum length in the stacking direction of the plurality of gaps that are not in contact with the electrode layer. , where TE is the average thickness of the electrode layer in contact with at least one of the piezoelectric material layers, 0.07T P ≤ DG ≤ 0.33T P , TE ≤ LV ≤ 0.3T P , and lead The content is less than 1000 ppm ,
In the cross-sectional observation field of view of the piezoelectric element, the length of the piezoelectric material layer in the lamination direction is TE + TP + TE , and the length in the direction intersecting the lamination direction is TE + TE . For a length greater than T P + T E ,
A piezoelectric element in which, in the cross - sectional observation field, the ratio PV of the area SV occupied by the void portion to the area SP of the piezoelectric material layer is 3 area % or more and 10 area % or less .
前記平均円相当径Dが5μm以上15μm以下である請求項1に記載の圧電素子。 2. The piezoelectric element according to claim 1, wherein the average circle equivalent diameter DG is 5 [mu]m or more and 15 [mu]m or less. 前記積層方向の断面から観察した際、前記圧電材料層に接する前記電極層の界面の線平均粗さRaが1μm以下である請求項1または2に記載の圧電素子。 3. The piezoelectric element according to claim 1, wherein the line average roughness Ra of the interface of the electrode layer in contact with the piezoelectric material layer is 1 [mu]m or less when observed from the cross section in the stacking direction. 前記圧電材料層の積層方向の平均厚さTが20μm以上70μm以下である請求項1乃至3のいずれか一項に記載の圧電素子。 4. The piezoelectric element according to claim 1, wherein the piezoelectric material layer has an average thickness TP of 20 [mu]m or more and 70 [mu]m or less in the stacking direction. 前記少なくとも一つの前記圧電材料層に接する電極層の平均厚さTが3.5μm以上10μm以下である請求項1乃至4のいずれか一項に記載の圧電素子。 The piezoelectric element according to any one of claims 1 to 4, wherein an average thickness TE of the electrode layer in contact with the at least one piezoelectric material layer is 3.5 µm or more and 10 µm or less. 前記圧電材料層は、チタンとバリウムの酸化物を含む請求項1乃至5のいずれか一項に記載の圧電素子。 6. The piezoelectric element according to any one of claims 1 to 5, wherein the piezoelectric material layer comprises oxides of titanium and barium. 前記チタンとバリウムの酸化物はBa、Ca、Ti、およびZrを含む請求項6に記載の圧電素子。 7. The piezoelectric element of claim 6, wherein said oxides of titanium and barium include Ba, Ca, Ti, and Zr. 前記圧電材料層は、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の和に対する前記Zrのモル比であるyが0.01≦y≦0.09であり、前記酸化物100重量部に対して金属換算で0.02重量部以上0.40重量部以下のMnを含有している請求項6に記載の圧電素子。 In the piezoelectric material layer, x, which is the molar ratio of Ca to the sum of Ba and Ca, is 0.02≦x≦0.30, and the molar ratio of Zr to the sum of Ti and Zr. 7. The method according to claim 6, wherein y is 0.01≦y≦0.09, and 0.02 parts by weight or more and 0.40 parts by weight or less of Mn in terms of metal is contained with respect to 100 parts by weight of the oxide. piezoelectric element. 請求項1乃至8のいずれか一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を有する振動子。 A vibrator comprising the piezoelectric element according to any one of claims 1 to 8, and a first elastic body and a second elastic body that sandwich the piezoelectric element. 請求項9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。 10. A vibration wave motor comprising the vibrator according to claim 9 and a moving body in contact with the vibrator. 請求項10記載の振動波モータと、前記振動波モータによって移動可能に保持された光学部材を有する光学機器。 11. An optical apparatus comprising the vibration wave motor according to claim 10 and an optical member movably held by the vibration wave motor. 電子部品と請求項1乃至8のいずれか一項に記載された圧電素子を有する電子機器。 An electronic device comprising an electronic component and the piezoelectric element according to claim 1 .
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