JP7150511B2 - Piezoelectric materials, piezoelectric elements, vibration wave motors, optical devices and electronic devices - Google Patents

Piezoelectric materials, piezoelectric elements, vibration wave motors, optical devices and electronic devices Download PDF

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本発明は、鉛を含有しない圧電材料、並びに当該圧電材料を用いる圧電素子、振動波モータ、光学機器及び電子機器に関する。 The present invention relates to a lead-free piezoelectric material, and a piezoelectric element, vibration wave motor, optical device, and electronic device using the piezoelectric material.

鉛を含有するチタン酸ジルコン酸鉛は代表的な圧電材料であり、アクチュエータ、発振子、センサやフィルター等の多様な圧電デバイスで用いられる。しかしながら、廃棄された圧電材料に含有される鉛成分が土壌に溶け出すと、生態系に悪影響を与える可能性があることから、圧電デバイスの非鉛化のために、非鉛圧電材料の開発が盛んに行われている。 Lead-containing lead zirconate titanate is a representative piezoelectric material, and is used in various piezoelectric devices such as actuators, oscillators, sensors, and filters. However, if the lead component contained in discarded piezoelectric materials leaches into the soil, it may adversely affect the ecosystem. It is actively carried out.

ところで、振動速度が大きい圧電デバイスを作製するためには、大きい圧電定数(d31やd33)と大きい機械的品質係数(以下、単に「Q」という。)を両立する圧電材料が必要となる。 By the way, in order to produce a piezoelectric device with a high vibration velocity, a piezoelectric material that has both a large piezoelectric constant (d 31 and d 33 ) and a large mechanical quality factor (hereinafter simply referred to as “Q m ”) is required. Become.

チタン酸ジルコン酸鉛に代わる有望な非鉛圧電材料の1つとして、チタン酸ジルコン酸バリウムカルシウム(以下、「BCTZ」という。)系非鉛圧電材料が挙げられる。また、特許文献1は、優れた圧電定数を有する非鉛圧電材料としてチタン酸バリウム系材料を開示する。このチタン酸バリウム系材料は{[(Ba1-x1M1x1)((Ti1-xZr1-y1N1y1)O]―δ%[((Ba1-yCa1-x2M2x2)(Ti1-y2N2y2)O]}組成を有する。ここで、M1、N1、M2、N2は添加元素を示す。このチタン酸バリウム系材料において、第1端成分の(Ba1-x1M1x1)((Ti1-xZr1-y1N1y1)Oは菱面体晶構造を有し、第2端成分((Ba1-yCa1-x2M2x2)(Ti1-y2N2y2)Oは正方晶構造を有する。特許文献1のチタン酸バリウム系材料では、結晶系の異なる二成分を擬二元系固溶体とし、結晶相境界(morphotropic phase boundary、以下、「MPB」という。)付近の組成で分極方向の自由度が増大することを利用して圧電定数d33を向上させている。例えば、特許文献1では、Ba(Ti0.8Zr0.2)O―50%(Ba0.7Ca0.3)TiOの20℃における圧電定数d33は584pC/Nであることが開示されている。さらに、特許文献2は、圧電材料としてのチタン酸バリウムの室温におけるQを向上させるために、チタン酸バリウムのAサイトの一部をCaに置換し、Bサイトの一部をアクセプタであるMn、Fe又はCuで置換することを開示する。具体的には、Bサイトの一部をアクセプタで置換して酸素空孔を形成させ、さらに、強誘電体ドメイン壁の移動度を低下(ピニング)させることにより、Qを向上する。 Barium calcium zirconate titanate (hereinafter referred to as “BCTZ”)-based non-lead piezoelectric material is one of the promising lead-free piezoelectric materials to replace lead zirconate titanate. Moreover, Patent Document 1 discloses a barium titanate-based material as a lead-free piezoelectric material having an excellent piezoelectric constant. This barium titanate-based material is {[(Ba 1-x1 M1 x1 )((Ti 1-x Zr x ) 1-y1 N1 y1 )O 3 ]-δ%[((Ba 1-y Ca y ) 1- x2 M2 x2 )(Ti 1-y2 N2 y2 )O 3 ]} composition. Here, M1, N1, M2, and N2 indicate additive elements. In this barium titanate-based material, the first end member (Ba 1-x1 M1 x1 )((Ti 1-x Zr x ) 1-y1 N1 y1 )O 3 has a rhombohedral crystal structure, and the second end member The component ((Ba 1-y Ca y ) 1-x2 M2 x2 )(Ti 1-y2 N2 y2 )O 3 has a tetragonal crystal structure. In the barium titanate-based material of Patent Document 1, two components with different crystal systems are used as a pseudo-binary solid solution, and the composition near the crystal phase boundary (morphotropic phase boundary, hereinafter referred to as "MPB") has a degree of freedom in the polarization direction. is used to improve the piezoelectric constant d33 . For example, in Patent Document 1, the piezoelectric constant d33 of Ba( Ti0.8Zr0.2 ) O3-50 % ( Ba0.7Ca0.3 ) TiO3 at 20 °C is 584 pC/N. is disclosed. Furthermore, in Patent Document 2, in order to improve the Qm at room temperature of barium titanate as a piezoelectric material, part of the A site of barium titanate is replaced with Ca, and part of the B site is replaced with Mn, which is an acceptor. , Fe or Cu. Specifically, part of the B sites are replaced with acceptors to form oxygen vacancies, and the mobility of the ferroelectric domain wall is reduced (pinning), thereby improving Qm .

特開2009-215111号公報JP 2009-215111 A 特開2010-120835号公報JP 2010-120835 A

ところで、特許文献1に示すような、MPB付近の組成の分極方向の自由度の増大は、脱分極し易いことを意味し、例えば、特許文献1のBCTZ系非鉛圧電材料は、キュリー温度(以下、「T」という。)が110℃未満のソフト材である。これは、当該BCTZ系非鉛圧電材料の共振駆動時における弾性損失が大きくなることを意味するため、特許文献1のBCTZ系非鉛圧電材料では、大きいQを実現することができない。また、特許文献2における、アクセプタによるBサイトの一部の置換による酸素空孔の形成及び強誘電体ドメイン壁の移動度の低下は、Qを向上させるものの、圧電定数を向上させることが無い。すなわち、特許文献2のチタン酸バリウムでは、大きい圧電定数を実現することができない。したがって、従来の非鉛圧電材料として、大きい圧電定数と大きいQを両立するものが存在していない。 By the way, as shown in Patent Document 1, the increase in the degree of freedom in the direction of polarization of the composition near the MPB means that depolarization is easy. hereinafter referred to as “T C ”) is a soft material having a temperature of less than 110°C. This means that the BCTZ-based lead-free piezoelectric material has a large elastic loss during resonance driving, so that the BCTZ-based lead-free piezoelectric material of Patent Document 1 cannot achieve a large Qm . Further, in Patent Document 2, the formation of oxygen vacancies and the decrease in the mobility of the ferroelectric domain wall by substituting a portion of the B site with an acceptor improves the Qm , but does not improve the piezoelectric constant. . That is, the barium titanate of Patent Document 2 cannot achieve a large piezoelectric constant. Therefore, there is no conventional lead-free piezoelectric material that achieves both a large piezoelectric constant and a large Qm .

本発明の目的は、環境に対する負荷が小さく、且つ大きい圧電定数と大きい機械的品質係数を両立する圧電材料を提供することにある。また、本発明の他の目的は、駆動特性に優れる圧電素子、振動波モータ、光学機器及び電子機器を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a piezoelectric material that has a small environmental load and has both a large piezoelectric constant and a large mechanical quality factor. Another object of the present invention is to provide a piezoelectric element, a vibration wave motor, an optical device, and an electronic device with excellent driving characteristics.

上記目的を達成するために、本発明の圧電材料は、Ba、Ca、Ti、Zr、Mn、Oを含有する複数の結晶粒を含む圧電材料であって、前記複数の結晶粒の平均円相当径が1.0μm以上且つ10μm以下であり、前記複数の結晶粒には、その幅が300nm以上且つ800nm以下の第1のドメインを有する結晶粒Aと、その幅が20nm以上且つ50nm以下の第2のドメインを有する結晶粒Bと、まれており、室温下における前記圧電材料の機械的品質係数が600以上であることを特徴とする。 In order to achieve the above object, the piezoelectric material of the present invention includes a plurality of crystal grains containing Ba, Ca, Ti, Zr, Mn, and O, wherein The plurality of crystal grains have a diameter of 1.0 μm or more and 10 μm or less, and the plurality of crystal grains include a crystal grain A having a first domain with a width of 300 nm or more and 800 nm or less, and a crystal grain A having a width of 20 nm or more and 50 nm or less. and a crystal grain B having two domains, and the piezoelectric material has a mechanical quality factor of 600 or more at room temperature .

上記目的を達成するために、本発明の圧電素子は、第一の電極、圧電材料部及び第二の電極を備え、前記圧電材料部を構成する圧電材料が本発明の圧電材料であることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a piezoelectric element of the present invention comprises a first electrode, a piezoelectric material portion and a second electrode, wherein the piezoelectric material constituting the piezoelectric material portion is the piezoelectric material of the present invention. Characterized by

上記目的を達成するために、本発明の振動波モータは、本発明の圧電素子が配された振動体と、前記振動体に接触する移動体とを備えることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a vibration wave motor of the present invention is characterized by comprising a vibrating body on which the piezoelectric element of the present invention is arranged, and a moving body that contacts the vibrating body.

上記目的を達成するために、本発明の光学機器は、駆動部を備え、前記駆動部が本発明の振動波モータを有することを特徴とする。 In order to achieve the above object, an optical apparatus according to the present invention includes a drive section, and the drive section includes the vibration wave motor of the present invention.

上記目的を達成するために、本発明の電子機器は、本発明の圧電素子を備えることを特徴とする。 In order to achieve the above object, an electronic device according to the present invention includes the piezoelectric element according to the present invention.

本発明によれば、環境に対する負荷が小さく、且つ大きい圧電定数と大きい機械的品質係数を両立する圧電材料を提供することができる。また、本発明によれば、駆動特性に優れる圧電素子、振動波モータ、光学機器及び電子機器を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a piezoelectric material that has a small environmental load and has both a large piezoelectric constant and a large mechanical quality factor. Further, according to the present invention, it is possible to provide piezoelectric elements, vibration wave motors, optical devices, and electronic devices that are excellent in driving characteristics.

本発明に係る圧電材料の断面に表れる各結晶粒におけるドメインを概略的に示す図である。FIG. 4 is a diagram schematically showing domains in each crystal grain appearing in the cross section of the piezoelectric material according to the present invention; 本発明に係る圧電素子の構成を概略的に示す部分斜視図である。1 is a partial perspective view schematically showing the configuration of a piezoelectric element according to the present invention; FIG. 本発明に係る圧電素子の構成を概略的に示す部分断面図である。1 is a partial cross-sectional view schematically showing the configuration of a piezoelectric element according to the present invention; FIG. 本発明に係る振動波モータの構成を概略的に示す図である。1 is a diagram schematically showing the configuration of a vibration wave motor according to the present invention; FIG. 本発明に係る光学機器としての一眼レフカメラの交換レンズ鏡筒の主要部の構成を示す部分拡大断面図である。FIG. 2 is a partially enlarged cross-sectional view showing the configuration of main parts of an interchangeable lens barrel of a single-lens reflex camera as an optical device according to the present invention; 本発明に係る光学機器としての一眼レフカメラの交換レンズ鏡筒の構成を示す分解斜視図である。1 is an exploded perspective view showing the configuration of an interchangeable lens barrel of a single-lens reflex camera as an optical device according to the present invention; FIG. 本発明に係る電子機器としてのデジタルカメラの全体斜視図である。1 is an overall perspective view of a digital camera as an electronic device according to the present invention; FIG. 本発明の実施の形態に係る超音波プローブを説明するために有用な概略図である。1 is a schematic diagram useful for explaining an ultrasonic probe according to an embodiment of the present invention; FIG. 本発明の実施の形態に係る超音波検査装置を説明するために有用な概略図である。1 is a schematic diagram useful for explaining an ultrasonic inspection apparatus according to an embodiment of the present invention; FIG. 比較例1,2及び実施例1~5の焼成時間を示す表1である。1 is Table 1 showing firing times of Comparative Examples 1 and 2 and Examples 1-5. 比較例1,2及び実施例1~5の算出結果及び測定結果を示す表2である。4 is Table 2 showing calculation results and measurement results of Comparative Examples 1 and 2 and Examples 1 to 5. FIG. 実施例6~10の算出結果及び測定結果を示す表3である。3 is Table 3 showing calculation results and measurement results of Examples 6 to 10. FIG. 実施例11,12の算出結果及び測定結果を示す表4である。4 is Table 4 showing calculation results and measurement results of Examples 11 and 12. FIG. 第1のドメインと第2のドメインをいずれも有する結晶粒を示す拡大断面図である。FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view showing a grain having both a first domain and a second domain; 実施例13,14の算出結果及び測定結果を示す表5である。5 is Table 5 showing calculation results and measurement results of Examples 13 and 14. FIG. 隣接する結晶粒の粒界を越えて延在する第1のドメインを示す拡大断面図である。FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view showing a first domain extending beyond the grain boundaries of adjacent grains; 実施例15~20の算出結果及び測定結果を示す表6である。FIG. 6 is Table 6 showing calculation results and measurement results of Examples 15 to 20. FIG. 実施例15~20の他の算出結果及び測定結果を示す表7である。7 is Table 7 showing other calculation results and measurement results of Examples 15-20. 実施例21~25の算出結果及び測定結果を示す表8である。FIG. 8 is Table 8 showing calculation results and measurement results of Examples 21 to 25. FIG. 実施例26~31の算出結果及び測定結果を示す表9である。FIG. 9 is Table 9 showing calculation results and measurement results of Examples 26 to 31. FIG. 実施例32~37の算出結果及び測定結果を示す表10である。FIG. 10 is Table 10 showing calculation results and measurement results of Examples 32 to 37. FIG. 実施例38~42の算出結果及び測定結果を示す表11である。FIG. 11 is Table 11 showing calculation results and measurement results of Examples 38 to 42. FIG.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

まず、本発明に係る圧電材料について説明する。本発明に係る圧電材料は、Ba、Ca、Ti、Zr、Mn、Oを含有する複数の結晶粒を含む圧電材料である。本発明に係る圧電材料では、結晶粒の平均円相当径が1.0μm以上且つ10μm以下である。また、本発明に係る圧電材料は、幅が300nm以上且つ800nm以下の第1のドメインを有する結晶粒Aと、幅が20nm以上且つ50nm以下の第2のドメインを有する結晶粒Bを含む。圧電材料は結晶粒の集合体であり、個々の結晶粒には圧電材料を構成する元素が含有されている。本発明において、圧電材料の主成分は、Ba、Ca、Ti、Zr、Mn、Oからなることが好ましい。圧電材料の主成分がBa、Ca、Ti、Zr、Mn、Oからなるとは、圧電材料の組成を分析した際に、モル量に関する存在比の上位の6元素がBa、Ca、Ti、Zr、Mn、Oによって占められることを意味する。具体的に、圧電材料は、Ba、Ca、Ti、Zr、Mn、Oを総和で98.5モル%以上含むことが好ましい。また、圧電材料の結晶構造はペロブスカイト構造を有することが好ましい。ペロブスカイト構造を持つ金属酸化物(ペロブスカイト型金属酸化物)は一般にABOの化学式で表現される。ペロブスカイト型金属酸化物では、A元素、B元素が各々イオンとしてAサイト、Bサイトと呼ばれる単位格子の特定の位置を占める。例えば、立方晶系の単位格子であれば、A元素は立方体の頂点に位置し、B元素は体心に位置する。O元素は酸素の陰イオンとして立方体の面心位置を占める。単位格子が、立方晶単位格子の[001]、[011]又は[111]方向に歪むことにより、それぞれ、正方晶、斜方晶又は菱面体晶のペロブスカイト構造を有する結晶格子となる。 First, the piezoelectric material according to the present invention will be explained. A piezoelectric material according to the present invention is a piezoelectric material containing a plurality of crystal grains containing Ba, Ca, Ti, Zr, Mn and O. In the piezoelectric material according to the present invention, the average equivalent circle diameter of crystal grains is 1.0 μm or more and 10 μm or less. Also, the piezoelectric material according to the present invention includes crystal grains A having a first domain with a width of 300 nm or more and 800 nm or less and crystal grains B having a second domain with a width of 20 nm or more and 50 nm or less. A piezoelectric material is an aggregate of crystal grains, and each crystal grain contains an element that constitutes the piezoelectric material. In the present invention, the main components of the piezoelectric material are preferably Ba, Ca, Ti, Zr, Mn and O. When the piezoelectric material is composed of Ba, Ca, Ti, Zr, Mn, and O as the main components, the six elements with the highest molar abundance ratios are Ba, Ca, Ti, Zr, Mn, O are meant to be occupied. Specifically, the piezoelectric material preferably contains 98.5 mol % or more of Ba, Ca, Ti, Zr, Mn, and O in total. Also, the crystal structure of the piezoelectric material preferably has a perovskite structure. A metal oxide having a perovskite structure (perovskite-type metal oxide) is generally represented by the chemical formula ABO3 . In the perovskite-type metal oxide, the A element and the B element occupy specific positions of the unit cell called the A site and the B site as ions, respectively. For example, in a cubic unit cell, the A element is located at the vertices of the cube, and the B element is located at the center of the body. The O element occupies the face-center position of the cube as an anion of oxygen. When the unit lattice is distorted in the [001], [011] or [111] direction of the cubic unit lattice, it becomes a crystal lattice having a tetragonal, orthorhombic or rhombohedral perovskite structure, respectively.

ここで、Ba、Ca、Ti、Zr、Mn、Oを含有する複数の結晶粒を含む圧電材料をペロブスカイト型金属酸化物の化学式で表現すると、下記式(1)のように表記される。(Ba1-xCa(Ti1-y-zZrMn)O …(1) Here, when a piezoelectric material including a plurality of crystal grains containing Ba, Ca, Ti, Zr, Mn, and O is represented by a chemical formula of a perovskite-type metal oxide, it is represented by the following formula (1). (Ba 1-x Ca x ) a (Ti 1-yz Zr y Mn z )O 3 (1)

上記式(1)中、xはBaとCaの含有量の和であるA(mol)に対するCaの含有量(mol)の比であり、yはTi、ZrとMnの含有量の和であるB(mol)に対するZrの含有量(mol)の比である。また、上記式(1)中、zはB(mol)に対するMnの含有量(mol)の比であり、aはA(mol)とB(mol)モルの比(A/B)である。上記式(1)は、Aサイトに位置する金属元素がBaとCaであり、Bサイトに位置する金属元素がTi、ZrとMnである金属酸化物を意味する。但し、一部のBaとCaがBサイトに位置してもよい。同様に、一部のTi、ZrとMnがAサイトに位置してもよい。上記式(1)では、Bサイトの元素とO元素のモル比は1対3であるが、元素量の比(モル比)が多少、例えば、1%以内でずれた場合でも、金属酸化物がペロブスカイト構造を主相としていれば、当該圧電材料は本発明に係る圧電材料に含まれる。金属酸化物がペロブスカイト構造を有することは、例えば、圧電材料に施されるX線回折や電子線回折から判断することができる。ペロブスカイト構造が主たる結晶相(主相)であれば、圧電材料がその他の結晶相を副次的に含んでいても、当該圧電材料は本発明に係る圧電材料に含まれる。また、本発明において、圧電材料のBa、Ca、Ti、Zr、Mn、Oを含有する結晶粒の平均円相当径は1.0μm以上且つ10μm以下である。結晶粒の平均円相当径をこの範囲に設定することにより、本発明に係る圧電材料は、良好なQと機械的強度を有することができる。本発明において、結晶粒の円相当径とは、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」を意味し、圧電材料の断面を走査型電子顕微鏡(SEM)等で観察する際に、観察された結晶粒の投影面積と等しい面積を有する真円の直径に該当する。なお、本発明において粒径の測定方法は特に制限されない。例えば、圧電材料を日本工業規格(以下、「JIS」という。)R 1633等の試料調製方法に基づいて圧電材料へ処理を施し、得られた圧電材料の断面を偏光顕微鏡やSEM等を用いてJIS R 1670等に基づいて観察する。その後、得られた写真画像を画像処理して粒径を求めてもよい。また、対象となる粒子径に応じて最適倍率が異なるため、光学顕微鏡と電子顕微鏡を使い分けてもよい。観察時に、観察視野からはみ出した結晶粒を除外した、観察視野内の全ての結晶粒について求めた円相当径を平均したものが、平均円相当径である。圧電材料内の全ての金属酸化物結晶粒の円相当径を算出するのは困難であるが、JIS Z 8827-1等に基づき、圧電材料内の粒径分布を正しく取得できるよう、観察視野のサイズや部位、数を適宜調整して平均円相当径の算出を行う。 In the above formula (1), x is the ratio of the content (mol) of Ca to A (mol), which is the sum of the contents of Ba and Ca, and y is the sum of the contents of Ti, Zr and Mn. It is the ratio of Zr content (mol) to B (mol). Further, in the above formula (1), z is the ratio of the content (mol) of Mn to B (mol), and a is the ratio (A/B) of A (mol) and B (mol) mol. The above formula (1) means a metal oxide in which the metal elements positioned at the A site are Ba and Ca, and the metal elements positioned at the B site are Ti, Zr and Mn. However, some Ba and Ca may be located at the B site. Similarly, some Ti, Zr and Mn may be located at the A site. In the above formula (1), the molar ratio of the B-site element and the O element is 1:3, but even if the ratio of the amounts of the elements (molar ratio) deviates somewhat, for example, within 1%, the metal oxide has a perovskite structure as a main phase, the piezoelectric material is included in the piezoelectric material according to the present invention. Whether the metal oxide has a perovskite structure can be determined from, for example, X-ray diffraction or electron diffraction applied to the piezoelectric material. As long as the perovskite structure is the main crystal phase (principal phase), the piezoelectric material is included in the piezoelectric material according to the present invention even if the piezoelectric material contains other crystal phases secondarily. In the present invention, the average equivalent circle diameter of crystal grains containing Ba, Ca, Ti, Zr, Mn, and O in the piezoelectric material is 1.0 μm or more and 10 μm or less. By setting the average equivalent circle diameter of the crystal grains within this range, the piezoelectric material according to the present invention can have good Qm and mechanical strength. In the present invention, the equivalent circle diameter of a crystal grain means the "projected area equivalent circle diameter" generally referred to in the microscope observation method. It corresponds to the diameter of a perfect circle having an area equal to the projected area of the observed grain. In addition, the method for measuring the particle size is not particularly limited in the present invention. For example, the piezoelectric material is processed based on a sample preparation method such as Japanese Industrial Standards (hereinafter referred to as "JIS") R 1633, and the cross section of the obtained piezoelectric material is examined using a polarizing microscope, SEM, or the like. Observe based on JIS R 1670 or the like. After that, the obtained photographic image may be image-processed to determine the particle size. In addition, since the optimum magnification differs depending on the particle size of interest, an optical microscope and an electron microscope may be used separately. The average equivalent circle diameter is obtained by averaging the equivalent circle diameters obtained for all the crystal grains within the observation field, excluding the crystal grains protruding from the observation field. Although it is difficult to calculate the circle-equivalent diameter of all metal oxide crystal grains in the piezoelectric material, the observation field of view should be increased so that the particle size distribution in the piezoelectric material can be obtained correctly based on JIS Z 8827-1. Calculate the average circle equivalent diameter by adjusting the size, part, and number as appropriate.

ところで、平均円相当径が1.0μmよりも大きくなると、圧電材料の結晶構造の正方歪が増大するため、誘電率が増大し、圧電定数が増大すると考えられる。また、平均円相当径が1.0μmよりも大きくなると、結晶粒界やドメイン間の境界(ドメインウォール、ドメイン壁、又は分域壁と呼ばれる。)に起因する内部損失の割合が誘電損失tanδに比較して小さくなる。その結果、Qが圧電材料として好適な大きさになると考えられる。一般に、Qは圧電材料を振動子として評価した際の振動による弾性損失を表す係数であり、Qの大きさはインピーダンス測定における共振曲線の鋭さとして観察される。つまり、Qは振動子の共振の鋭さを表す定数である。Qが高いと振動で失われるエネルギーは少ない。絶縁性やQが向上すると、圧電材料を圧電素子として電圧を印加し、駆動させた際の圧電素子の長期信頼性が確保できる。なお、Qは電子情報技術産業協会規格である、EM-4501Aに従って測定可能である。また、一般に、ドメインは、分域や磁区とも呼ばれ、SEM等によって結晶粒内に帯状(縞状)に観察される、自発分極の向きが揃った領域のことである。また、本明細書におけるドメインとは、ドメイン構造やドメイン集合体と呼ばれるものと同義である。一般に圧電材料において、Qの逆数(Q -1)は内部損失を表し、内部損失は誘電損失(tan δ)に比例するとされている。強誘電体材料の内部損失は、下記式(2)のように表記される。
-1=C(Qm(SD) -1+ktan δ(SD))+Qm(Ce) -1 …(2)
By the way, when the average circle equivalent diameter is larger than 1.0 μm, the tetragonal strain of the crystal structure of the piezoelectric material is increased, so that the permittivity is increased and the piezoelectric constant is increased. In addition, when the average equivalent circle diameter is larger than 1.0 μm, the ratio of the internal loss caused by the crystal grain boundary and the boundary between domains (called domain wall, domain wall, or domain wall) becomes the dielectric loss tan δ. smaller in comparison. As a result, it is considered that Q m becomes a size suitable for a piezoelectric material. In general, Qm is a coefficient representing elastic loss due to vibration when evaluating a piezoelectric material as a vibrator, and the magnitude of Qm is observed as the sharpness of a resonance curve in impedance measurement. That is, Qm is a constant representing the sharpness of resonance of the vibrator. The higher the Qm , the less energy is lost in vibration. When the insulating property and Qm are improved, the long-term reliability of the piezoelectric element can be ensured when the piezoelectric material is used as a piezoelectric element and a voltage is applied to drive the piezoelectric element. Q m can be measured according to EM-4501A, which is a standard of the Japan Electronics and Information Technology Industries Association. In general, a domain is also called a domain or a magnetic domain, and is a region in which the direction of spontaneous polarization is aligned and which is observed in a band shape (stripe shape) in a crystal grain by SEM or the like. In addition, the domain in this specification is synonymous with what is called a domain structure or a domain assembly. Generally, in piezoelectric materials, the reciprocal of Q m (Q m −1 ) represents the internal loss, and the internal loss is said to be proportional to the dielectric loss (tan δ). The internal loss of a ferroelectric material is represented by the following formula (2).
Q m −1 =C(Q m (SD) −1 +k 2 tan δ (SD) )+Q m (Ce) −1 (2)

上記式(2)中、Qm(SD) -1は1つのドメインの本質的な内部損失であり、Qm(Ce) -1は強誘電体材料の構造(粒界、ドメイン壁)に起因する内部損失である。また、tan δ(SD)は1つのドメインの本質的な誘電損失であり、kは1つのドメインの電気機械結合係数であり、Cは定数である。 In the above equation (2), Q m (SD) −1 is the intrinsic internal loss of one domain, and Q m (Ce) −1 is due to the structure of the ferroelectric material (grain boundaries, domain walls) is the internal loss. Also, tan δ (SD) is the intrinsic dielectric loss of one domain, k is the electromechanical coupling coefficient of one domain, and C is a constant.

通常、上記式(2)において、Qm(SD) -1とQm(Ce) -1は共に無視できるほど小さく、また、強誘電体材料の誘電損失(tan δ)がtanδ(SD)に比例することから、Q -1がtan δに比例すると説明されている。しかしながら、結晶粒の平均円相当径が1.0μmよりも小さい場合、Qm(Ce) -1は無視できないほど大きくなるため、Qが小さくなると考えられる。また、結晶粒の平均円相当径が10μmよりも小さいと、結晶粒同士の結着が高まり、密度の向上とともに、圧電材料の機械的強度が高くなる。圧電材料の密度は、例えば、アルキメデス法で測定することができる。ここで、圧電材料の組成と格子定数から求められる理論密度(ρcalc.)に対する測定密度(ρmeas.)の比、つまり、相対密度(ρcalc./ρmeas.)が95%以上であれば、圧電材料として十分に緻密化していると考えられる。 Generally, in the above equation (2), both Q m(SD) −1 and Q m(Ce) −1 are so small that they can be ignored, and the dielectric loss (tan δ) of the ferroelectric material is equal to tan δ (SD) . Since it is proportional, it is explained that Q m −1 is proportional to tan δ. However, when the average equivalent circle diameter of crystal grains is smaller than 1.0 μm, Q m(Ce) −1 becomes too large to be ignored, and Q m is considered to be small. Further, when the average equivalent circle diameter of the crystal grains is smaller than 10 μm, the bonding between the crystal grains increases, the density is improved, and the mechanical strength of the piezoelectric material is increased. The density of the piezoelectric material can be measured, for example, by the Archimedes method. Here, the ratio of the measured density (ρ calc. ) to the theoretical density (ρ calc. ) obtained from the composition and lattice constant of the piezoelectric material, that is, the relative density (ρ calc. / ρ meas . ) is 95% or more. If so, it is considered to be sufficiently densified as a piezoelectric material.

また、本発明に係る圧電材料は、幅が300nm以上且つ800nm以下の第1のドメインを有する結晶粒Aと、幅が20nm以上且つ50nm以下の第2のドメインを有する結晶粒Bとをいずれも含む。第1のドメインと第2のドメインは、圧電材料中の同一の結晶粒にいずれもが存在していてもよいし、若しくは、別々の結晶粒にそれぞれが存在していてもよい。 In addition, the piezoelectric material according to the present invention includes crystal grains A having a first domain with a width of 300 nm or more and 800 nm or less and crystal grains B having a second domain with a width of 20 nm or more and 50 nm or less. include. The first domain and the second domain may both exist in the same crystal grain in the piezoelectric material, or each may exist in separate crystal grains.

図1は、本発明に係る圧電材料の断面に表れる各結晶粒におけるドメインを概略的に示す図である。図1において各ドメインは縞で表され、本発明に係る圧電材料に存在するドメイン(以下、単に「本発明のドメイン」という。)の幅は、これらの縞の短辺の長さに該当する。ドメインの幅は、JIS R 1633等の試料調製方法に基づいて作製した圧電材料の断面をSEMによって観察し、得られた写真画像において計測することができる。なお、本発明のドメインをSEMで観察するためには、圧電材料の断面を鏡面状に研磨し、薄い導電性膜を当該断面に蒸着することが好ましい。本発明のドメイン観察に用いるSEMの検出器としては、二次電子検出器、若しくは反射電子検出器が用いられる。 FIG. 1 is a diagram schematically showing domains in each crystal grain appearing in a cross section of a piezoelectric material according to the present invention. In FIG. 1, each domain is represented by stripes, and the width of the domains present in the piezoelectric material according to the present invention (hereinafter simply referred to as "domains of the present invention") corresponds to the length of the short sides of these stripes. . The width of the domain can be measured in the photographic image obtained by observing the cross section of the piezoelectric material produced based on the sample preparation method such as JIS R 1633 by SEM. In order to observe the domain of the present invention with an SEM, it is preferable to mirror-polish the cross section of the piezoelectric material and deposit a thin conductive film on the cross section. A secondary electron detector or a backscattered electron detector is used as the SEM detector used for domain observation in the present invention.

一般に、Qと圧電定数はトレードオフの関係にあり、Qが大きくなると圧電定数が小さくなり、逆にQが小さくなると圧電定数が大きくなることが知られている。これに対して、本発明では、圧電材料に含まれる各結晶粒におけるドメインの幅を調整することにより、Qと圧電定数のトレードオフの関係を解消し、大きい圧電定数(特に、大きい圧電定数d31の絶対値)と大きいQを両立する圧電材料を提供する。具体的に、本発明に係る圧電材料は、Qの増大に寄与する第1のドメインを有する結晶粒Aと、圧電定数d31(以下、単に「d31」という。)の絶対値の増大に寄与する第2のドメインを有する結晶粒Bを同時に含む。第2のドメインではドメインの反転が比較的容易に起こるため、第1のドメインを有する結晶粒Aの間に、第2のドメインを有する結晶粒Bが入り込むことにより、結晶粒の間の応力や歪が低減されると考えられる。これにより、本発明に係る圧電材料では、d31の絶対値が増大する。 Generally, there is a trade-off relationship between Qm and the piezoelectric constant, and it is known that the larger the Qm , the smaller the piezoelectric constant, and conversely, the smaller the Qm , the larger the piezoelectric constant. On the other hand, in the present invention, by adjusting the width of the domain in each crystal grain contained in the piezoelectric material, the trade-off relationship between Qm and the piezoelectric constant is eliminated, and a large piezoelectric constant (especially, a large piezoelectric constant To provide a piezoelectric material that achieves both the absolute value of d31 ) and a large Qm . Specifically, the piezoelectric material according to the present invention includes a crystal grain A having a first domain that contributes to an increase in Q m and an increase in the absolute value of the piezoelectric constant d 31 (hereinafter simply referred to as “d 31 ”). At the same time, it contains grains B having a second domain that contributes to . Since the domain inversion occurs relatively easily in the second domain, the crystal grain B having the second domain enters between the crystal grains A having the first domain, thereby causing stress and stress between the crystal grains. It is believed that distortion is reduced. This increases the absolute value of d31 in the piezoelectric material according to the invention.

ここで、Ba、Ca、Ti、Zr、Mn、Oを含有し、平均円相当径が1.0μm以上且つ10μm以下の結晶粒において、第2のドメインの幅が50nm以下になる場合について考察する。この場合、電界応答性の高い90°ドメインのドメイン壁の密度が大きくなる。その結果、圧電材料では、誘電率が増大してd31の絶対値が大きくなると考えられる。次に、第2のドメインの幅が20nm以上になる場合について考察する。この場合、各結晶粒の結晶構造が安定し、残留分極が大きくなると考えられる。その結果、d31の絶対値が圧電材料に好適な値になると考えられる。そこで、本発明では、第2のドメインの幅が20nm以上且つ50nm以下となるように設定される。一般に、圧電材料のd31は、Qと同様に、市販のインピーダンスアナライザを用いて得られる共振周波数及び反共振周波数の測定結果から、電子情報技術産業協会規格(JEITA EM-4501A)に基づいて、計算によって求めることができる。以下、このd31の計算方法を共振・反共振法と称する。なお、d31の絶対値が50pm/Vよりも小さいと、圧電材料を含む圧電デバイスを駆動する際に大きい電力を圧電デバイスへ供給する必要がある。したがって、圧電材料として好ましいd31の絶対値は50pm/V以上であり、特に、d31の絶対値が80pm/V以上になると圧電デバイスの駆動時の消費電力が抑えられ、圧電材料は実用に適する。さらに、d31の絶対値が90pm/V以上になると、圧電デバイスとして、より優れた性能を有する。 Here, in a crystal grain containing Ba, Ca, Ti, Zr, Mn, and O and having an average equivalent circle diameter of 1.0 μm or more and 10 μm or less, the case where the width of the second domain is 50 nm or less will be considered. . In this case, the density of the domain walls of the 90° domains with high electric field responsiveness increases. As a result, it is believed that the piezoelectric material has an increased dielectric constant and a larger absolute value of d31 . Next, consider the case where the width of the second domain is 20 nm or more. In this case, it is considered that the crystal structure of each crystal grain is stabilized and the residual polarization is increased. As a result, the absolute value of d31 is considered to be a suitable value for piezoelectric materials. Therefore, in the present invention, the width of the second domain is set to 20 nm or more and 50 nm or less. In general, d 31 of the piezoelectric material is determined based on the Japan Electronics and Information Technology Industries Association standard (JEITA EM-4501A) from the measurement results of the resonance frequency and anti-resonance frequency obtained using a commercially available impedance analyzer, similar to Q m . , can be calculated. This method of calculating d31 is hereinafter referred to as the resonance/anti-resonance method. Note that if the absolute value of d31 is less than 50 pm/V, it is necessary to supply a large amount of power to the piezoelectric device when driving the piezoelectric device including the piezoelectric material. Therefore, the absolute value of d31 is preferably 50 pm/V or more for the piezoelectric material, and in particular, when the absolute value of d31 is 80 pm/V or more, the power consumption during driving of the piezoelectric device can be suppressed, and the piezoelectric material can be practically used. Suitable. Furthermore, when the absolute value of d31 is 90 pm/V or more, the piezoelectric device has better performance.

また、Ba、Ca、Ti、Zr、Mn、Oを含有し、平均円相当径が1.0μm以上且つ10μm以下の結晶粒において、第1のドメインの幅が800nm以下になる場合について考察する。この場合、非180度ドメインのドメインスイッチングによって結晶粒子間に発生する残留応力が小さくなるのに伴い、Qが大きくなると考えられる。次に、第1のドメインの幅が300nm以上になる場合について考察する。この場合、粒界やドメイン壁に起因する内部損失が小さくなるために、Qが大きくなると考えられる。そこで、本発明では、第1のドメインの幅が300nm以上且つ800nm以下となるように設定される。ところで、Qの値が600よりも小さいと、圧電材料を圧電素子にして共振デバイスとして駆動した際に消費電力が増大してしまう。したがって、本発明に係る圧電材料のQの値に関しては、Qの値は600以上であることが好ましい。特に、Qの値が800以上になると消費電力の極端な増大は発生しないことから、より好ましい。さらに、Qの値が1000以上になると、圧電素子として良好な性能を有することができる。 Also, a case where the width of the first domain is 800 nm or less in crystal grains containing Ba, Ca, Ti, Zr, Mn, and O and having an average equivalent circle diameter of 1.0 μm or more and 10 μm or less will be considered. In this case, it is considered that Q m increases as the residual stress generated between crystal grains due to domain switching of non-180 degree domains decreases. Next, consider the case where the width of the first domain is 300 nm or more. In this case, Qm is considered to increase because the internal loss caused by grain boundaries and domain walls decreases. Therefore, in the present invention, the width of the first domain is set to 300 nm or more and 800 nm or less. By the way, if the value of Qm is smaller than 600, power consumption will increase when the piezoelectric material is used as a piezoelectric element and driven as a resonant device. Therefore, regarding the value of Qm of the piezoelectric material according to the present invention, it is preferable that the value of Qm is 600 or more. In particular, when the value of Qm is 800 or more, an extreme increase in power consumption does not occur, which is more preferable. Furthermore, when the value of Qm is 1000 or more, it can have good performance as a piezoelectric element.

本実施の形態において、第1のドメインを有するとは、上述した顕微鏡観察において、幅が300nm以上且つ800nm以下のドメインが単一の結晶粒の中に1つ以上存在することを意味する。第2のドメインを有するとは、上述した顕微鏡観察において、幅が20nm以上且つ50nmのドメインが単一の結晶粒の中に1つ以上存在することを意味する。第1のドメインを有する結晶粒Aが5個数%以上存在するとは、上述した顕微鏡観察において、観察視野内の全ての結晶粒の個数を100とした時に、幅が300nm以上且つ800nm以下のドメインを有する結晶粒Aが5以上存在することを意味する。また、第2のドメインを有する結晶粒Bが5個数%以上存在するとは、上述した顕微鏡観察において、観察視野内の全ての結晶粒の個数を100とした時に、幅が20nm以上且つ50nm以下のドメインを有する結晶粒Bが5以上存在することを意味する。 In this embodiment, having the first domain means that one or more domains with a width of 300 nm or more and 800 nm or less exist in a single crystal grain in the microscopic observation described above. Having a second domain means that one or more domains with a width of 20 nm or more and 50 nm are present in a single crystal grain in the microscopic observation described above. The presence of 5% by number or more of the crystal grains A having the first domain means that, in the microscopic observation described above, domains having a width of 300 nm or more and 800 nm or less when the number of all crystal grains in the observation field is 100. It means that 5 or more crystal grains A are present. The presence of 5% by number or more of the crystal grains B having the second domain means that when the number of all crystal grains in the observation field is 100 in the above-described microscopic observation, the width is 20 nm or more and 50 nm or less. It means that 5 or more crystal grains B having domains are present.

上述したように、ドメインの幅が300nm以上且つ800nm以下であれば、Qが大きくなると考えられ、ドメインの幅が20nm以上且つ50nm以下であれば、d31の絶対値が大きくなると考えられる。そこで、本発明では、圧電材料のBa、Ca、Ti、Zr、Mn、Oを含有する結晶粒において、第1のドメインを有する結晶粒Aが5個数%以上存在し、且つ第2のドメインを有する結晶粒Bが5個数%以上存在するように設定される。これにより、圧電材料において、Qの増大へ寄与する結晶粒を増やすと同時に、d31の絶対値の増大に寄与する結晶粒を増やすことができ、Qが800以上であって、d31の絶対値が80pm/V以上となる好適な圧電材料を得ることができる。特に、第2のドメインを有する結晶粒Bは、Ba、Ca、Ti、Zr、Mn、Oを含有する結晶粒のうち、10個数%以上50個数%以下であると、本発明に係る圧電材料のd31の絶対値がより大きくなるのでより好ましい。また、第1のドメインを有する結晶粒Aは、Ba、Ca、Ti、Zr、Mn、Oを含有する結晶粒のうち、10個数%以上50個数%以下であると、本発明に係る圧電材料のQがより大きくなるのでより好ましい。第1のドメインを有する結晶粒Aの個数や、第2のドメインを有する結晶粒Bの個数を計数するに当たっては、より多くの結晶粒を観察することによって計数の精度を上げることが望ましい。具体的には、少なくとも200個、特に、1000個以上の結晶粒においてドメインの幅を計測し、第1のドメインを有する結晶粒Aと、第2のドメインを有する結晶粒Bの個数を計数することが望ましい。 As described above, if the width of the domain is 300 nm or more and 800 nm or less, Qm is considered to be large, and if the width of the domain is 20 nm or more and 50 nm or less, the absolute value of d31 is considered to be large. Therefore, in the present invention, in the crystal grains containing Ba, Ca, Ti, Zr, Mn, and O of the piezoelectric material, 5% by number or more of the crystal grains A having the first domain are present, and the second domain is It is set so that the crystal grains B having 5 number % or more are present. As a result, in the piezoelectric material, it is possible to increase the number of crystal grains that contribute to an increase in Qm and at the same time increase the number of crystal grains that contribute to an increase in the absolute value of d31 . A suitable piezoelectric material having an absolute value of 80 pm/V or more can be obtained. In particular, the crystal grains B having the second domain are 10% by number or more and 50% by number or less of the crystal grains containing Ba, Ca, Ti, Zr, Mn, and O. is more preferable because the absolute value of d31 of is larger. Further, the crystal grains A having the first domain are 10% by number or more and 50% by number or less of the crystal grains containing Ba, Ca, Ti, Zr, Mn, and O, the piezoelectric material according to the present invention. is more preferable because the Q m of is larger. When counting the number of crystal grains A having the first domain and the number of crystal grains B having the second domain, it is desirable to observe more crystal grains to improve the counting accuracy. Specifically, the domain width is measured in at least 200, particularly 1000 or more crystal grains, and the number of crystal grains A having the first domain and crystal grains B having the second domain is counted. is desirable.

また、第1のドメインと第2のドメインが同じ結晶粒に含まれる場合について考察する。この場合、Qの増大とd31の絶対値の増大がより相乗して効果的に発生する。そこで、本発明では、圧電材料が、第1のドメイン及び第2のドメインのいずれも有する結晶粒を含むことがより好ましい。特に、圧電材料が、第1のドメイン及び第2のドメインのいずれも有する結晶粒を5個数%以上含む場合、Qが900以上、d31の絶対値が85pm/V以上となるため、圧電材料としてより好ましい。結晶粒が第1のドメイン及び第2のドメインのいずれも有するとは、300nm以上且つ800nm以下の幅のドメインと、20nm以上且つ50nm以下の幅のドメインとが、同じ1つの結晶粒にそれぞれ1つ以上存在することを意味する。なお、第1のドメインを有する結晶粒Aが第2のドメインも有してもよいし、第2のドメインを有する結晶粒Bが第1のドメインも有してもよい。さらに、圧電材料が、隣接する結晶粒の粒界を越えて第1のドメインが延在している場合について考察する。この場合、非180度ドメインのドメインスイッチングによって結晶粒子間に発生する残留応力がより小さくなり、粒界に起因する内部損失がより小さくなる。これにより、Qを増大させる効果がより大きくなる。そこで、本発明では、圧電材料が、隣接する結晶粒の粒界を越えて第1のドメインが延在していることがより好ましい。結晶粒の粒界を越えて第1のドメインが延在しているとは、300nm以上且つ800nm以下の幅のドメインが、同程度のドメインの幅を保持したまま、結晶粒界を越えて2つ以上の結晶粒に延在するものが、観察視野内に存在することを意味する。このとき、ドメインは同じ誘電分極の向きで2つ以上の結晶粒に存在する。また、圧電材料に含まれるPb成分が1000ppm未満である場合について考察する。この場合、例えば圧電材料や圧電材料を用いる素子や装置が廃却され酸性雨を浴びたり、過酷な環境に放置されたりしても、圧電材料中の鉛成分が環境へ悪影響を与える可能性を低減することができる。そこで、本発明に係る圧電材料では、含まれるPb成分が1000ppm未満が好ましい。 Also, consider the case where the first domain and the second domain are included in the same crystal grain. In this case, the increase in Qm and the increase in the absolute value of d31 are effectively generated in synergy. Therefore, in the present invention, it is more preferable that the piezoelectric material contains crystal grains having both the first domain and the second domain. In particular, when the piezoelectric material contains 5% by number or more of crystal grains having both the first domain and the second domain, Qm is 900 or more and the absolute value of d31 is 85 pm/V or more. It is more preferable as a material. A crystal grain having both the first domain and the second domain means that one crystal grain has one domain with a width of 300 nm or more and 800 nm or less and one domain with a width of 20 nm or more and 50 nm or less. means that there are more than one The crystal grain A having the first domain may also have the second domain, and the crystal grain B having the second domain may also have the first domain. Further, consider the case where the piezoelectric material has a first domain extending beyond the grain boundaries of adjacent grains. In this case, the domain switching of the non-180 degree domain causes less residual stress between crystal grains, and the internal loss caused by the grain boundaries becomes less. As a result, the effect of increasing Qm becomes greater. Therefore, in the present invention, it is more preferable that the first domain of the piezoelectric material extends beyond the grain boundaries of adjacent crystal grains. That the first domain extends beyond the grain boundary of the crystal grain means that the domain with a width of 300 nm or more and 800 nm or less extends two times beyond the grain boundary while maintaining the same domain width. It means that there is something in the field of view that extends to more than one grain. At this time, the domains exist in two or more grains with the same direction of dielectric polarization. Also, consider the case where the Pb component contained in the piezoelectric material is less than 1000 ppm. In this case, even if a piezoelectric material or an element or device using a piezoelectric material is discarded and exposed to acid rain or left in a harsh environment, the lead component in the piezoelectric material may adversely affect the environment. can be reduced. Therefore, it is preferable that the Pb component contained in the piezoelectric material according to the present invention is less than 1000 ppm.

次に、本発明に係る圧電材料の組成比について説明する。まず、Caを含有する場合について考察する。この場合、温度下降時の正方晶から斜方晶への相転移温度(Tto)や、温度上昇時の斜方晶から正方晶への相転移温度(Tot)が低下する。特に、BaとCaの含有量の和であるA(mol)に対するCaの含有量(mol)の比であるxの値が0.02以上、0.10以下である場合、TtoとTotが室温に近くなる。また、室温付近(例えば、0℃~40℃)で大きいd31の絶対値(例えば、150pm/V以上)を呈する。xの値が0.10よりも大きくなると、TtoとTotが0℃未満に下がり、圧電定数の温度依存性が小さくなる。一方、xが0.30よりも小さいと、Caの固溶が促進され、焼成温度を下げることができる。そこで、本発明では、上記式(1)において、xの値が0.02≦x≦0.30であることがより好ましい。 Next, the composition ratio of the piezoelectric material according to the present invention will be explained. First, the case of containing Ca is considered. In this case, the phase transition temperature (T to ) from the tetragonal system to the orthorhombic system when the temperature is decreased and the phase transition temperature (T ot ) from the orthorhombic system to the tetragonal system when the temperature is increased are decreased. In particular, when the value of x, which is the ratio of the content (mol) of Ca to A (mol), which is the sum of the contents of Ba and Ca, is 0.02 or more and 0.10 or less, T to and T ot is close to room temperature. It also exhibits a large absolute value of d31 (eg, 150 pm/V or more) near room temperature (eg, 0° C. to 40° C.). When the value of x is larger than 0.10, T to and T ot decrease below 0° C., and the temperature dependence of the piezoelectric constant becomes small. On the other hand, when x is less than 0.30, solid solution of Ca is promoted and the firing temperature can be lowered. Therefore, in the present invention, it is more preferable that the value of x in the above formula (1) is 0.02≦x≦0.30.

ところで、本発明に係る圧電材料は低温から温度が上昇するにつれて、菱面体晶、斜方晶、正方晶、立方晶へと逐次相転移を起こす。本実施の形態における相転移とは、専ら斜方晶から正方晶、若しくは正方晶から斜方晶への相転移を指す。相転移温度は、後述するTと同様の測定方法で評価でき、本実施の形態では、誘電率を試料温度で微分した値が最大となる温度を相転移温度とする。結晶系はエックス線回折、電子線回折又はラマン散乱等で評価することができる。相転移温度付近では誘電率や電気機械結合係数kが極大となり、ヤング率が極小となる。圧電定数はこれら三つのパラメータの関数であり、相転移温度付近で極大値、若しくは変曲点を示す。ここで、相転移温度に関しては、圧電デバイスの動作温度範囲から遠ざかり、例えば、相転移温度が-50℃以上且つ-10℃以下であると、動作温度範囲における圧電性能の温度依存性が小さくなるため、デバイスを制御するという観点からはより好ましい。しかしながら、上述したように圧電定数は相転移温度付近で極大値を示すので、相転移温度と動作温度範囲との関係を圧電材料の組成によって制御することによってデバイスの制御性と大きい圧電定数を両立することが望ましい。この観点からは、xが0.20以下であれば、圧電定数が高く、且つ、圧電性能の温度依存性が抑えられるため、より好ましい。 By the way, the piezoelectric material according to the present invention undergoes successive phase transitions to rhombohedral, orthorhombic, tetragonal and cubic as the temperature rises from a low temperature. A phase transition in the present embodiment exclusively refers to a phase transition from orthorhombic to tetragonal or from tetragonal to orthorhombic. The phase transition temperature can be evaluated by a measurement method similar to T C described later, and in the present embodiment, the temperature at which the value obtained by differentiating the dielectric constant with respect to the sample temperature is the maximum is defined as the phase transition temperature. The crystal system can be evaluated by X-ray diffraction, electron diffraction, Raman scattering, or the like. In the vicinity of the phase transition temperature, the dielectric constant and the electromechanical coupling coefficient k are maximized and the Young's modulus is minimized. The piezoelectric constant is a function of these three parameters and exhibits a maximum value or inflection point near the phase transition temperature. Here, the phase transition temperature is far from the operating temperature range of the piezoelectric device. For example, when the phase transition temperature is −50° C. or higher and −10° C. or lower, the temperature dependence of the piezoelectric performance in the operating temperature range becomes small. Therefore, it is more preferable from the viewpoint of controlling the device. However, as described above, the piezoelectric constant exhibits a maximum value near the phase transition temperature. Therefore, by controlling the relationship between the phase transition temperature and the operating temperature range through the composition of the piezoelectric material, both the controllability of the device and the large piezoelectric constant can be achieved. It is desirable to From this point of view, x is preferably 0.20 or less because the piezoelectric constant is high and the temperature dependence of the piezoelectric performance is suppressed.

本実施の形態において、共振・反共振法を用いて測定した圧電素子のd31とQの温度依存性は以下のように測定してもよい。具体的には、恒温槽に圧電素子を入れ、雰囲気の温度を変化させながら、共振・反共振法でd31とQを測定する。温度の変化速度は特に限定されることはないが、1~10℃/分で変化させてもよい。温度を変化させた後に、圧電素子の温度が雰囲気温度に追従するまで温度を一定に保持してから圧電定数と電気機械品質係数を共振・反共振法を用いて測定すると測定結果の再現性が高くなるので、このように測定するのが望ましい。温度を一定に保持する時間は、特に限定されることはないが、1~10分であることが望ましい。 In this embodiment, the temperature dependence of d31 and Qm of the piezoelectric element measured using the resonance/antiresonance method may be measured as follows. Specifically, the piezoelectric element is placed in a constant temperature bath, and d31 and Qm are measured by the resonance/antiresonance method while changing the temperature of the atmosphere. The temperature change rate is not particularly limited, but may be changed at 1 to 10° C./min. After changing the temperature, holding the temperature constant until the temperature of the piezoelectric element follows the ambient temperature, and then measuring the piezoelectric constant and the electromechanical quality factor using the resonance/anti-resonance method, the reproducibility of the measurement results is improved. It is desirable to measure in this way because it will be higher. The time for keeping the temperature constant is not particularly limited, but it is desirable to be 1 to 10 minutes.

また、Zrを含有する場合について考察する。この場合、TtoやTotの温度が上昇する。特に、上記式(1)のTi、ZrとMnのモル数の和に対するZrのモル比であるyの値を0.01以上とすることにより、TtoとTotが室温に近くなり、動作温度範囲(例えば、-30℃~60℃)の圧電定数が大きくなる。その結果、圧電材料を用いる圧電素子、積層構造を有する圧電素子、振動波モータ、光学機器、及び電子機器等の駆動に必要な電力を抑えることができる。一方、yを0.095以下とすることにより、Tが、例えば、100℃以上の高温となり、高温下で使用する際の脱分極がより抑制されることから、圧電デバイスの動作保証温度範囲がより広くなるとともに、圧電定数の経時劣化が小さくなる。そこで、本発明では、上記式(1)において、yの値が0.01≦y≦0.095であることがより好ましい。Tは、その温度以上で圧電材料の圧電性が消失する温度である。本実施の形態では、強誘電相(正方晶相)と常誘電相(立方晶相)の相転移温度近傍で誘電率が極大となる温度をTとする。誘電率は、例えばインピーダンスアナライザを用いて、平行板コンデンサ法により、周波数が1kHz、電界強度が10V/cmの交流電界を印加して測定される。 Also, the case of containing Zr is considered. In this case, the temperature of T to and T ot rises. In particular, by setting the value of y, which is the molar ratio of Zr to the sum of the number of moles of Ti, Zr, and Mn in the above formula (1), to 0.01 or more, T to and T ot are close to room temperature, and the operation The piezoelectric constant in the temperature range (eg -30°C to 60°C) is increased. As a result, it is possible to reduce the power required to drive piezoelectric elements using piezoelectric materials, piezoelectric elements having a laminated structure, vibration wave motors, optical devices, electronic devices, and the like. On the other hand, by setting y to 0.095 or less, T C reaches a high temperature of, for example, 100° C. or higher, and depolarization is further suppressed when used at high temperatures. is wider, and deterioration of the piezoelectric constant with time becomes smaller. Therefore, in the present invention, it is more preferable that the value of y in the above formula (1) is 0.01≤y≤0.095. T C is the temperature above which the piezoelectric material loses its piezoelectricity. In the present embodiment, T C is the temperature at which the dielectric constant is maximized near the phase transition temperature between the ferroelectric phase (tetragonal phase) and the paraelectric phase (cubic phase). The dielectric constant is measured by applying an AC electric field with a frequency of 1 kHz and an electric field strength of 10 V/cm, for example, using an impedance analyzer, according to the parallel plate capacitor method.

次に、本発明に係る圧電材料において、Tが100℃以上である場合について考察する。この場合、夏季の車中で想定される80℃という過酷な状況下においても、圧電性を損失することなく、維持することができ、安定な圧電定数とQを有することができる。そこで、本発明では、Tが100℃以上である事がより好ましい。また、上記式(1)のTi、ZrとMnのモル数の和に対するMnのモル比であるzについて考察する。Mnは2価から4価の間で価数変動する性質があり、圧電材料中の電荷バランスの欠陥を補償する役割を果たす。zの値が0.003以上である場合、圧電材料の結晶格子中の酸素空孔濃度が増大し、非180度ドメインのドメインスイッチングによって結晶粒子間に発生する残留応力が小さくなるため、Qの値がより増大すると考えられる。一方で、zの値が0.012以下である場合、Mnの固溶を促進し、絶縁抵抗をより高くすることができる。特に、zの値が、0.003≦z≦0.012の範囲にある場合、Qの値が1200以上になり、より好ましい。そこで、本発明では、上記式(1)のzの値は0.003≦z≦0.012であることがより好ましい。ここで、Mnは金属Mnに限らず、Mn成分として圧電材料に含まれていれば良く、その含有の形態は問わない。例えば、Bサイトに固溶していてもよいし、粒界に含まれていてもかまわない。又は、金属、イオン、酸化物、金属塩、錯体等の形態でMn成分が圧電材料に含まれていてもよい。また、絶縁性や焼結容易性という観点においても、Mnが存在することが好ましい。Mnの価数は一般に4+、2+、3+を取ることができるが、Mnの価数が4+よりも低い場合、Mnはアクセプタとなる。アクセプタとしてMnがペロブスカイト構造結晶中に存在すると、結晶中に酸素空孔が形成される。酸素空孔は欠陥双極子を形成すると、圧電材料のQを向上させることができる。そこで、本発明では、Mnの価数が4+よりも低いことが好ましい。Mnが4+よりも低い価数で存在するためには、Aサイトに3価の元素が存在することが好ましい。このときの好ましい3価の元素はBiである。ここで、Mnの価数は、磁化率の温度依存性の測定によって評価できる。 Next, in the piezoelectric material according to the present invention, the case where T C is 100° C. or higher will be considered. In this case, even under the harsh conditions of 80° C. expected in a car in summer, the piezoelectricity can be maintained without loss, and a stable piezoelectric constant and Qm can be obtained. Therefore, in the present invention, it is more preferable that T C is 100° C. or higher. Also, let us consider z, which is the molar ratio of Mn to the sum of the molar numbers of Ti, Zr and Mn in the above formula (1). Mn has the property of varying in valence between 2 and 4, and plays a role in compensating for charge balance defects in the piezoelectric material. When the value of z is 0.003 or more, the concentration of oxygen vacancies in the crystal lattice of the piezoelectric material increases, and the residual stress generated between crystal grains due to domain switching of non-180 degree domains decreases. It is thought that the value of On the other hand, when the value of z is 0.012 or less, solid solution of Mn can be promoted and the insulation resistance can be further increased. In particular, when the value of z is in the range of 0.003≤z≤0.012, the value of Qm is 1200 or more, which is more preferable. Therefore, in the present invention, it is more preferable that the value of z in the above formula (1) is 0.003≤z≤0.012. Here, Mn is not limited to metal Mn, and may be contained in the piezoelectric material as a Mn component, and the form of inclusion is not limited. For example, it may be dissolved in the B site, or may be included in the grain boundary. Alternatively, the piezoelectric material may contain the Mn component in the form of metal, ion, oxide, metal salt, complex, or the like. In addition, from the viewpoint of insulation and sinterability, the presence of Mn is preferable. The valence of Mn can generally be 4+, 2+, or 3+, but if the valence of Mn is lower than 4+, Mn becomes an acceptor. When Mn exists as an acceptor in a perovskite structure crystal, oxygen vacancies are formed in the crystal. Oxygen vacancies can improve the Qm of piezoelectric materials when they form defect dipoles. Therefore, in the present invention, the valence of Mn is preferably lower than 4+. In order for Mn to exist with a valence lower than 4+, it is preferable to have a trivalent element on the A site. A preferable trivalent element at this time is Bi. Here, the valence of Mn can be evaluated by measuring the temperature dependence of magnetic susceptibility.

本発明において、圧電材料がBiからなる副成分を含むと、低温におけるQが向上するため、より好ましい。特に、上記式(1)において、A(mol)とB(mol)の和に対するBiの含有量(mol)が0.15%以上且つ0.40%以下であると、低温領域、例えば、-30℃におけるQが、例えば、350以上と大きくなる。これにより、圧電材料を用いる圧電デバイスにおいて、低温領域における制御が容易となる。また、本発明において、上記式(1)において、A(mol)とB(mol)の比を示すaの値は0.98以上且つ1.01以下であることがより好ましい。aの値が0.98以上且つ1.01以下であると、圧電材料が緻密化しやすく、機械的強度が向上するとともに、結晶粒の成長に必要な温度が一般的な焼成炉で焼成できる1500℃以下に下がる。 In the present invention, it is more preferable for the piezoelectric material to contain an auxiliary component made of Bi, because this improves the Qm at low temperatures. In particular, in the above formula (1), when the content (mol) of Bi with respect to the sum of A (mol) and B (mol) is 0.15% or more and 0.40% or less, the low temperature region, for example, - Qm at 30° C. becomes as large as 350 or more, for example. This facilitates control in a low-temperature region in a piezoelectric device using a piezoelectric material. In the present invention, more preferably, in the above formula (1), the value of a, which indicates the ratio of A (mol) to B (mol), is 0.98 or more and 1.01 or less. When the value of a is 0.98 or more and 1.01 or less, the piezoelectric material is easily densified, the mechanical strength is improved, and the temperature necessary for the growth of crystal grains can be fired in a general firing furnace. below °C.

次に、本発明に係る圧電材料の形態について説明する。本発明に係る圧電材料の形態は、特に限定されず、セラミックス、粉末、単結晶、薄膜、スラリー、造粒粉、成形体等のいずれの形態でも構わないが、セラミックスであることが好ましい。本実施の形態において「セラミックス」とは、基本成分が金属酸化物であり、熱処理によって焼き固められた(焼結させられた)結晶粒子の凝集体(バルク体)、所謂、多結晶を表す。なお、焼結後に加工されたセラミックスも含まれる。 Next, the form of the piezoelectric material according to the present invention will be described. The form of the piezoelectric material according to the present invention is not particularly limited, and it may be in any form such as ceramics, powder, single crystal, thin film, slurry, granulated powder, compact, etc. Ceramics is preferred. In the present embodiment, the term “ceramics” refers to an aggregate (bulk body) of crystal particles whose basic component is a metal oxide and which is sintered (sintered) by heat treatment, that is, a so-called polycrystal. Ceramics processed after sintering are also included.

次に、本発明に係る圧電材料の製造方法について説明する。本発明に係る圧電材料の製造方法は特に限定されないが、以下に代表的な製造方法について例示する。 Next, a method for manufacturing a piezoelectric material according to the present invention will be described. Although the manufacturing method of the piezoelectric material according to the present invention is not particularly limited, typical manufacturing methods are exemplified below.

まず、本発明に係る圧電材料の原料粉について説明する。本発明に係る圧電材料の原料粉の製造方法として、構成元素を含んだ酸化物、炭酸塩、硝酸塩、蓚酸塩等の固体粉末を常圧下で焼結する一般的な手法を採用することができる。ここでの固体粉末は、Ba化合物、Ca化合物、Ti化合物、Zr化合物、Mn化合物、Bi化合物等の金属化合物から構成される。特に、Ba化合物、Ca化合物、Ti化合物、Zr化合物及びMn化合物の全てにペロブスカイト型金属酸化物を用いて混合すると、焼結後の結晶粒の微細化効果が得られ、圧電材料や圧電素子の加工時のクラック、チッピングの発生をさらに抑制できる。したがって、Ba化合物、Ca化合物、Ti化合物、Zr化合物及びMn化合物の全てにペロブスカイト型金属酸化物を用いて混合するのが好ましい。ここで、使用可能なBa化合物としては、酸化バリウム、炭酸バリウム、蓚酸バリウム、酢酸バリウム、硝酸バリウム、チタン酸バリウム、ジルコン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸バリウム等が挙げられる。また、使用可能なCa化合物としては、酸化カルシウム、炭酸カルシウム、蓚酸カルシウム、酢酸カルシウム、チタン酸カルシウム、ジルコン酸カルシウム等が挙げられる。さらに、使用可能なTi化合物としては、酸化チタン、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸バリウム、チタン酸カルシウム等が挙げられる。また、使用可能なZr化合物としては、酸化ジルコニウム、ジルコン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸バリウム、ジルコン酸カルシウム等が挙げられる。さらに、使用可能なMn化合物としては、炭酸マンガン、一酸化マンガン、二酸化マンガン、三酸化四マンガン、酢酸マンガン等が挙げられる。また、使用可能なBi化合物としては、酸化ビスマス等が挙げられる。 First, the raw material powder of the piezoelectric material according to the present invention will be described. As a method for producing the raw material powder of the piezoelectric material according to the present invention, a general method of sintering solid powders of oxides, carbonates, nitrates, oxalates, etc. containing constituent elements under normal pressure can be adopted. . The solid powder here is composed of metal compounds such as Ba compounds, Ca compounds, Ti compounds, Zr compounds, Mn compounds, and Bi compounds. In particular, when a perovskite-type metal oxide is mixed with all of a Ba compound, a Ca compound, a Ti compound, a Zr compound, and an Mn compound, an effect of refining crystal grains after sintering can be obtained, which is useful for piezoelectric materials and piezoelectric elements. The occurrence of cracks and chipping during processing can be further suppressed. Therefore, it is preferable to mix the perovskite metal oxide with all of the Ba compound, Ca compound, Ti compound, Zr compound and Mn compound. Barium oxide, barium carbonate, barium oxalate, barium acetate, barium nitrate, barium titanate, barium zirconate, barium zirconate titanate, and the like can be used as the Ba compound. Ca compounds that can be used include calcium oxide, calcium carbonate, calcium oxalate, calcium acetate, calcium titanate, calcium zirconate, and the like. Furthermore, usable Ti compounds include titanium oxide, barium titanate, barium zirconate titanate, calcium titanate, and the like. Zr compounds that can be used include zirconium oxide, barium zirconate, barium zirconate titanate, and calcium zirconate. Furthermore, usable Mn compounds include manganese carbonate, manganese monoxide, manganese dioxide, tetramanganese trioxide, manganese acetate, and the like. Moreover, bismuth oxide etc. are mentioned as a Bi compound which can be used.

なお、本実施の形態では、上記式(1)における、圧電材料のBa、Caのモル数の和に対するTi、Zr、Mnのモル数の和の比を示すaを調整するための原料は特に限定されない。Ba化合物、Ca化合物、Ti化合物、Zr化合物、Mn化合物のいずれでもaの調整による効果は同じである。 In the present embodiment, the raw material for adjusting a, which indicates the ratio of the sum of the number of moles of Ti, Zr, and Mn to the sum of the number of moles of Ba and Ca in the piezoelectric material, is particularly Not limited. The effect of adjusting a is the same for any of Ba compounds, Ca compounds, Ti compounds, Zr compounds, and Mn compounds.

次に、成形用顆粒を得る工程について説明する。本発明に係る圧電材料の原料粉を造粒し、成形用顆粒を得る方法は特に限定されない。造粒する際に使用可能なバインダーの例としては、PVA(ポリビニルアルコール)、PVB(ポリビニルブチラール)、アクリル系樹脂が挙げられる。添加するバインダーの量は1重量部から10重量部が好ましく、成形体の密度が上がるという観点において2重量部から5重量部がより好ましい。Ba化合物、Ca化合物、Ti化合物、Zr化合物及びMn化合物を機械的に混合した混合粉から原料粉を造粒してもよいし、これらの化合物を800~1300℃程度で仮焼した後に原料粉を造粒してもよい。または、Ba化合物、Ca化合物、Ti化合物、及びZr化合物を仮焼した後に、Mn化合物をバインダーと同時に添加させてもよい。成形用の顆粒状造粒粉の粒径をより均一にできるという観点において、最も好ましい造粒方法はスプレードライ法である。 Next, the steps for obtaining granules for molding will be described. The method of granulating the raw material powder of the piezoelectric material according to the present invention to obtain molding granules is not particularly limited. Examples of binders that can be used for granulation include PVA (polyvinyl alcohol), PVB (polyvinyl butyral), and acrylic resins. The amount of the binder to be added is preferably 1 to 10 parts by weight, more preferably 2 to 5 parts by weight from the viewpoint of increasing the density of the molded article. The raw material powder may be granulated from a mixed powder obtained by mechanically mixing a Ba compound, a Ca compound, a Ti compound, a Zr compound and a Mn compound, or the raw material powder may be obtained after calcining these compounds at about 800 to 1300 ° C. may be granulated. Alternatively, after calcining the Ba compound, Ca compound, Ti compound, and Zr compound, the Mn compound may be added together with the binder. The most preferable granulation method is the spray drying method from the viewpoint that the particle size of the granular granulated powder for molding can be made more uniform.

続いて、成形体を得る工程について説明する。本発明に係る圧電材料の成形体の作製方法は特に限定されない。成形体とは原料粉末、造粒粉、若しくはスラリーから作成される固形物である。成形体作成の手段としては、一軸加圧加工、冷間静水圧加工、温間静水圧加工、鋳込成形と押し出し成形等を用いることができる。 Next, a process for obtaining a molded body will be described. The method for producing the compact of piezoelectric material according to the present invention is not particularly limited. A compact is a solid made from raw material powder, granulated powder, or slurry. As means for producing a molded body, uniaxial pressure processing, cold isostatic processing, warm isostatic processing, cast molding, extrusion molding, and the like can be used.

次に、圧電材料を得る工程について説明する。本発明では、焼結によって圧電材料を得るが、圧電材料の焼結方法は特に限定されない。焼結方法の例としては、電気炉による焼結、ガス炉による焼結、通電加熱法、マイクロ波焼結法、ミリ波焼結法、HIP(熱間等方圧プレス)等が挙げられる。電気炉やガスによる焼結で用いられる焼結炉は、連続炉であってもバッチ炉であっても構わない。また、焼結方法における圧電材料の焼結温度も特に限定されない。各化合物が反応し、充分に結晶成長する温度であればよい。特に、好ましい焼結温度は1200℃以上且つ1500℃以下であり、より好ましい焼結温度は1250℃以上且つ1450℃以下である。この温度範囲において焼結した圧電材料は良好な圧電性能を示す。焼結によって得られる圧電材料の特性を再現性よく安定させるためには、焼結温度を上記範囲内で一定にして2時間以上24時間以下の焼結処理を行うのが好ましい。このとき、二段階焼結法等の焼結方法を用いてもよいが、生産性を考慮すると急激な温度変化の無い方法が好ましい。 Next, the process of obtaining the piezoelectric material will be described. In the present invention, the piezoelectric material is obtained by sintering, but the method of sintering the piezoelectric material is not particularly limited. Examples of the sintering method include sintering in an electric furnace, sintering in a gas furnace, electric heating method, microwave sintering method, millimeter wave sintering method, HIP (hot isostatic pressing), and the like. A sintering furnace used for sintering with an electric furnace or gas may be a continuous furnace or a batch furnace. Also, the sintering temperature of the piezoelectric material in the sintering method is not particularly limited. Any temperature may be used as long as each compound reacts and crystals grow sufficiently. In particular, the preferred sintering temperature is 1200°C or higher and 1500°C or lower, and the more preferred sintering temperature is 1250°C or higher and 1450°C or lower. The piezoelectric material sintered in this temperature range exhibits good piezoelectric performance. In order to stabilize the characteristics of the piezoelectric material obtained by sintering with good reproducibility, it is preferable to keep the sintering temperature constant within the above range and carry out the sintering treatment for 2 hours or more and 24 hours or less. At this time, a sintering method such as a two-stage sintering method may be used, but considering productivity, a method that does not cause abrupt temperature changes is preferable.

次に、本発明に係る圧電材料からなる薄膜について説明する。本発明に係る圧電材料を基板上に作製された膜として利用する際、圧電材料の厚みは400nm以上且つ10μm以下、より好ましくは500nm以上且つ3μm以下であることが望ましい。圧電材料の膜厚を400nm以上且つ10μm以下とすることにより、圧電素子として十分な電気機械変換機能が得られるからである。ここで、圧電材料からなる薄膜の成膜方法は特に制限されない。例えば、化学溶液堆積法(CSD法)、ゾルゲル法、有機金属化学気相成長法(MOCVD法)、スパッタリング法、パルスレーザデポジション法(PLD法)、水熱合成法、エアロゾルデポジション法(AD法)等が挙げられる。化学溶液堆積法又はスパッタリング法は、容易に成膜面積を大面積化できるため、化学溶液堆積法又はスパッタリング法が最も好ましい積層方法である。また、本発明に係る圧電材料に用いる基板は(001)面又は(110)面で切断・研磨された単結晶基板であることが好ましい。特定の結晶面で切断・研磨された単結晶基板を用いることにより、その基板表面に設けられた圧電材料の薄膜を同一方位に強く配向させることができる。 Next, a thin film made of a piezoelectric material according to the present invention will be described. When the piezoelectric material according to the present invention is used as a film formed on a substrate, the thickness of the piezoelectric material is desirably 400 nm or more and 10 μm or less, more preferably 500 nm or more and 3 μm or less. This is because by setting the film thickness of the piezoelectric material to 400 nm or more and 10 μm or less, a sufficient electromechanical conversion function as a piezoelectric element can be obtained. Here, the method for forming the thin film made of the piezoelectric material is not particularly limited. For example, chemical solution deposition method (CSD method), sol-gel method, metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD method), sputtering method, pulse laser deposition method (PLD method), hydrothermal synthesis method, aerosol deposition method (AD law), etc. Since the chemical solution deposition method or the sputtering method can easily increase the film formation area, the chemical solution deposition method or the sputtering method is the most preferable lamination method. Also, the substrate used for the piezoelectric material according to the present invention is preferably a single crystal substrate cut and polished along the (001) plane or (110) plane. By using a single-crystal substrate cut and polished along a specific crystal plane, the thin film of piezoelectric material provided on the surface of the substrate can be strongly oriented in the same direction.

次に、本発明に係る圧電素子について説明する。図2は、本発明に係る圧電素子の構成を概略的に示す部分斜視図である。図2において、圧電素子200は、上側電極201、圧電材料部202及び下側電極203を少なくとも備える。圧電素子200では、圧電材料部202を構成する圧電材料として本発明に係る圧電材料が用いられる。本発明に係る圧電材料は、圧電材料部202を構成する圧電材料として用いることにより、その圧電特性を評価することができる。上側電極201や下側電極203は、厚み5nmから10μm程度の導電層からなる。この導電層の材料は特に限定されず、圧電素子に通常用いられているものであればよい。例えば、Ti、Pt、Ta、Ir、Sr、In、Sn、Au、Al、Fe、Cr、Ni、Pd、Ag、Cu等の金属やこれらの化合物を用いることができる。上側電極201や下側電極203は、上述した金属や化合物のうちの1種からなるものであってもよく、又はこれらの2種以上を積層してなるものであってもよい。また、上側電極201と下側電極203が、それぞれ異なる材料からなっていてもよい。上側電極201や下側電極203の製造方法は限定されず、金属ペーストの焼き付けによって形成してもよいし、スパッタ、蒸着法等によって形成してもよい。また、上側電極201、下側電極203とも所望の形状にパターニングして用いてもよい。 Next, a piezoelectric element according to the present invention will be explained. FIG. 2 is a partial perspective view schematically showing the configuration of the piezoelectric element according to the present invention. In FIG. 2, the piezoelectric element 200 includes at least an upper electrode 201 , a piezoelectric material portion 202 and a lower electrode 203 . In the piezoelectric element 200 , the piezoelectric material according to the present invention is used as the piezoelectric material forming the piezoelectric material portion 202 . By using the piezoelectric material according to the present invention as a piezoelectric material forming the piezoelectric material portion 202, the piezoelectric characteristics can be evaluated. The upper electrode 201 and the lower electrode 203 are made of a conductive layer with a thickness of about 5 nm to 10 μm. The material of this conductive layer is not particularly limited, and any material commonly used in piezoelectric elements may be used. For example, metals such as Ti, Pt, Ta, Ir, Sr, In, Sn, Au, Al, Fe, Cr, Ni, Pd, Ag, Cu, and compounds thereof can be used. The upper electrode 201 and the lower electrode 203 may be made of one of the metals and compounds described above, or may be made of a laminate of two or more of these. Also, the upper electrode 201 and the lower electrode 203 may be made of different materials. The method of manufacturing the upper electrode 201 and the lower electrode 203 is not limited, and they may be formed by baking a metal paste, sputtering, vapor deposition, or the like. Further, both the upper electrode 201 and the lower electrode 203 may be patterned into desired shapes and used.

次に、本発明に係る圧電素子の分極について説明する。圧電素子では、分極軸が一定方向に揃っていると圧電素子の圧電定数は大きくなるため、圧電素子では分極軸が一定方向に揃っているのが好ましい。圧電材料や圧電素子において、一定方向に分極軸が揃っていることは、P-E(分極-電界)ヒステリシス測定において残留分極の存在の確認を通じて確認することができる。本発明に係る圧電素子の分極方法は、第1のドメインを有する結晶粒Aと、第2のドメインを有する結晶粒Bとが共存できる方法であれば特に限定されない。また、分極は大気中で行ってもよいし、シリコーンオイル中で行ってもよい。分極をする際の温度は、室温(例えば、25℃)程度から150℃の温度が好ましい。しかしながら、圧電素子を構成する圧電材料の組成や作製方法により、分極前の圧電材料に存在するドメインの幅の分布や、Mnの添加により発生する酸素空孔によるドメイン壁のピン止め効果が異なるため、分極に最適な条件も異なる。特に、分極温度が高く、分極時間が長いほど、ドメインの幅が大きくなり易い。例えば、分極前の圧電材料の大部分のドメインの幅が、既に第2のドメインの幅に合致する場合、分極における分極温度の上昇や分極時間の増大に応じてドメインの幅も増大するため、第2のドメインの数が減少する。特に、分極温度が高過ぎる場合、若しくは分極時間が長過ぎる場合は、ドメインの幅が大きくなり過ぎるため、第2のドメインが消失するおそれがある。一方、分極温度が低い場合、若しくは分極時間が短い場合は、ドメインの成長が抑制されるため、第2のドメインが十分に残存しても、第1のドメインが殆ど生成しないおそれがある。 Next, the polarization of the piezoelectric element according to the present invention will be explained. In a piezoelectric element, if the polarization axes are aligned in a certain direction, the piezoelectric constant of the piezoelectric element increases. In a piezoelectric material or a piezoelectric element, it is possible to confirm that the polarization axes are aligned in a certain direction by confirming the presence of residual polarization in PE (polarization-electric field) hysteresis measurement. The method of polarizing the piezoelectric element according to the present invention is not particularly limited as long as the crystal grain A having the first domain and the crystal grain B having the second domain can coexist. Also, the polarization may be performed in the atmosphere or in silicone oil. The temperature for polarization is preferably about room temperature (for example, 25°C) to 150°C. However, the distribution of the width of domains existing in the piezoelectric material before polarization and the pinning effect of the domain walls due to oxygen vacancies generated by the addition of Mn differ depending on the composition and manufacturing method of the piezoelectric material constituting the piezoelectric element. , the optimum conditions for polarization are also different. In particular, the higher the polarization temperature and the longer the polarization time, the larger the domain width. For example, if the width of most of the domains of the piezoelectric material before poling already matches the width of the second domain, then as the polarization temperature increases and the poling time increases during poling the domain width also increases, The number of second domains is reduced. In particular, when the polarization temperature is too high or the polarization time is too long, the domain width becomes too large, and the second domain may disappear. On the other hand, when the polarization temperature is low or the polarization time is short, domain growth is suppressed, so even if the second domain remains sufficiently, the first domain may hardly be formed.

分極において、分極時間と分極温度のみをパラメータとして用いる場合、ドメインの幅は基本的に分極時間や分極温度に応じて増大するため、第1のドメインを有する結晶粒Aと、第2のドメインを有する結晶粒Bを共存させるための制御が困難となる。そこで、分極時間や分極温度以外のパラメータを用いて分極を制御するのが好ましい。例えば、第1の分極処理として、T前後の温度で直流電圧を圧電素子に印加することによって第1のドメインを生成させ、その後、圧電素子を一旦冷却し、第1のドメインを安定化させる。そして、続く第2の分極処理として、室温から80℃未満の温度で第1の分極処理とは逆方向に、弱い直流電圧やパルス状の電圧を短時間印加し、第2のドメインを生成させることが考えられる。この場合、第1の分極処理で印加する電界は、800V/mmから2.0kV/mmが好ましく、第2の分極処理で印加する電界はこれよりも低い電圧を用いる。例えば、第2の分極処理で印加する電界は、第2のドメインが所望の分布や数になるように、分極時間や分極温度等と併せて適宜調整される。また、他の分極としては、例えば、第1の分極処理として、Tよりも少し低い温度(例えば、10℃程度)で相対的に小さい(例えば、650V/mm)直流電圧を圧電素子に印加することによって第1のドメインを生成させる。そして、続く第2の分極処理として、一定速度で冷却しながら第1の分極処理と逆方向に、微弱な直流電圧やパルス状の電圧を印加し、第2のドメインを生成させる等の方法が考えられる。 In polarization, when only the polarization time and the polarization temperature are used as parameters, the domain width basically increases according to the polarization time and the polarization temperature. It becomes difficult to control the grains B to coexist. Therefore, it is preferable to control the polarization using parameters other than the polarization time and the polarization temperature. For example, as the first polarization treatment, a first domain is generated by applying a DC voltage to the piezoelectric element at a temperature around TC , and then the piezoelectric element is once cooled to stabilize the first domain. . Then, as the subsequent second polarization treatment, a weak DC voltage or a pulsed voltage is applied for a short time at a temperature from room temperature to less than 80° C. in the opposite direction to the first polarization treatment to generate a second domain. can be considered. In this case, the electric field applied in the first polarization treatment is preferably 800 V/mm to 2.0 kV/mm, and the electric field applied in the second polarization treatment uses a voltage lower than this. For example, the electric field applied in the second poling treatment is appropriately adjusted together with the poling time, poling temperature, etc. so that the second domains have a desired distribution and number. As another polarization, for example, a relatively small DC voltage (eg, 650 V/mm) is applied to the piezoelectric element at a temperature slightly lower than TC (eg, about 10° C.) as a first polarization treatment. to generate the first domain. Then, as the subsequent second polarization treatment, a weak DC voltage or pulse voltage is applied in the opposite direction to the first polarization treatment while cooling at a constant rate to generate a second domain. Conceivable.

次に、本発明に係る圧電材料の絶縁性について説明する。本発明に係る圧電材料の25℃の周波数1kHzにおけるtanδは0.006以下であることが好ましい。また、25℃における抵抗率は、1GΩcm以上であることが好ましい。tanδが0.006以下であると、圧電素子の駆動条件下で圧電材料へ最大500V/cmの電界を印加した場合でも、安定した動作を得ることができる。また、抵抗率が1GΩcm以上であると、分極の効果を十分に得られる。tanδや抵抗率は、インピーダンスアナライザを用いて、例えば、周波数が1kHz且つ電界強度が10V/cmの交流電界を圧電素子へ印加することによって測定可能である。 Next, the insulating properties of the piezoelectric material according to the present invention will be explained. The tan δ at a frequency of 1 kHz at 25° C. of the piezoelectric material according to the present invention is preferably 0.006 or less. Also, the resistivity at 25° C. is preferably 1 GΩcm or more. When tan δ is 0.006 or less, stable operation can be obtained even when an electric field of up to 500 V/cm is applied to the piezoelectric material under driving conditions of the piezoelectric element. Further, when the resistivity is 1 GΩcm or more, a sufficient polarization effect can be obtained. Tan δ and resistivity can be measured by using an impedance analyzer, for example, by applying an AC electric field with a frequency of 1 kHz and an electric field strength of 10 V/cm to the piezoelectric element.

次に、本発明に係る圧電素子の絶縁性について説明する。図3は、本発明に係る圧電素子の構成を概略的に示す部分断面図である。図3において、圧電素子300は、圧電材料層301と、少なくとも1層の内部電極302とを備え、圧電材料層301と少なくとも1層の内部電極302が交互に積層される。圧電材料層301が上記の圧電材料からなる。電極層としては、少なくとも1層の内部電極302の他に上側電極303や下側電極304のそれぞれの層が設けられる。例えば、圧電素子300としては、2層の圧電材料層301と1層の内部電極302が交互に積層された積層構造体であってもよい(図3(A))。この積層構造体の上面や下面にはそれぞれ上側電極303、下側電極304が配置される。圧電素子300が備える圧電材料層301や内部電極302の層数は図3(A)に示す事例に限られず、特に限定されない。例えば、圧電素子300は、9層の圧電材料層301と8層の内部電極302が交互に積層された積層構造体であってもよい(図3(B))。この積層構造体の上面や下面にもそれぞれ上側電極303、下側電極304が配置される。また、内部電極302の各層を短絡するために、両側にそれぞれ外部電極305や外部電極306が配置される。内部電極302、上側電極303、下側電極304や外部電極305,306の大きさや形状は、必ずしも圧電材料層301の大きさや形状と同一である必要はなく、また、各電極が複数に分割されていてもよい。内部電極302、上側電極303、下側電極304や外部電極305,306は、それぞれ厚み5nmから10μm程度の導電層からなる。各電極の材料は特に限定されず、圧電素子に通常用いられているものであればよい。例えば、Ti、Pt、Ta、Ir、Sr、In、Sn、Au、Al、Fe、Cr、Ni、Pd、Ag、Cu等の金属やこれらの化合物を挙げることができる。特に、内部電極302や外部電極305,306は、これらの材料のうちの1種からなるものであってもよく、又は2種以上の混合物或いは2種以上の合金であってもよい。また、内部電極302や外部電極305,306は、これらの材料のうちの2種以上を積層してなるものであってもよい。また、各電極302~306がそれぞれ異なる材料からなっていてもよい。 Next, the insulating properties of the piezoelectric element according to the present invention will be explained. FIG. 3 is a partial cross-sectional view schematically showing the configuration of the piezoelectric element according to the present invention. In FIG. 3, the piezoelectric element 300 includes piezoelectric material layers 301 and at least one internal electrode 302, and the piezoelectric material layers 301 and at least one internal electrode 302 are alternately laminated. The piezoelectric material layer 301 is made of the above piezoelectric material. As the electrode layers, in addition to at least one layer of the internal electrode 302, each layer of the upper electrode 303 and the lower electrode 304 is provided. For example, the piezoelectric element 300 may be a laminated structure in which two piezoelectric material layers 301 and one internal electrode 302 are alternately laminated (FIG. 3A). An upper electrode 303 and a lower electrode 304 are arranged on the upper surface and the lower surface of this laminated structure, respectively. The number of layers of the piezoelectric material layers 301 and internal electrodes 302 provided in the piezoelectric element 300 is not limited to the example shown in FIG. 3A, and is not particularly limited. For example, the piezoelectric element 300 may be a laminated structure in which nine piezoelectric material layers 301 and eight internal electrodes 302 are alternately laminated (FIG. 3B). An upper electrode 303 and a lower electrode 304 are also arranged on the upper and lower surfaces of this laminated structure, respectively. In order to short-circuit each layer of the internal electrode 302, an external electrode 305 and an external electrode 306 are arranged on both sides. The size and shape of the internal electrode 302, the upper electrode 303, the lower electrode 304, and the external electrodes 305 and 306 do not necessarily have to be the same as the size and shape of the piezoelectric material layer 301, and each electrode is divided into a plurality of parts. may be The internal electrode 302, the upper electrode 303, the lower electrode 304, and the external electrodes 305 and 306 are each made of a conductive layer with a thickness of about 5 nm to 10 μm. The material of each electrode is not particularly limited as long as it is commonly used for piezoelectric elements. For example, metals such as Ti, Pt, Ta, Ir, Sr, In, Sn, Au, Al, Fe, Cr, Ni, Pd, Ag, Cu, and compounds thereof can be used. In particular, the internal electrode 302 and the external electrodes 305 and 306 may consist of one of these materials, or may be a mixture of two or more or an alloy of two or more. Also, the internal electrode 302 and the external electrodes 305 and 306 may be formed by stacking two or more of these materials. Also, the electrodes 302-306 may be made of different materials.

圧電素子300において、特に、内部電極302はAgとPdを含み、Agの含有重量M1と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く、0.3≦M1/M2≦3.0であることがより好ましい。重量比M1/M2が0.25未満であると内部電極の焼結温度が高くなるために望ましくない。一方で、重量比M1/M2が4.0よりも大きくなると、内部電極が島状になって面内で不均一に存在するために望ましくない。また、電極材料を安価にするためには、内部電極302がNi及びCuの少なくともいずれか1種を含むことが好ましい。内部電極302にNi及びCuの少なくともいずれか1種を用いる場合、圧電素子300は還元雰囲気で焼成することが好ましい。また、図3(B)に示すように、内部電極302の各層は、駆動電圧の位相をそろえるために互いに短絡させてもよい。例えば、内部電極302の層の半数と上側電極303を外部電極305で短絡させ、内部電極302の層の他の半数と下側電極304を外部電極306で短絡させてもよい。さらに、上側電極303と短絡する内部電極30の各層2と、下側電極304に短絡する内部電極302の各層とが交互に配置されていてもよい。なお、各電極の短絡の形態は、図3(B)に示す形態に限定されない。積層構造体の側面に短絡のための電極や配線を設けてもよいし、各圧電材料層301を貫通する貫通穴を設け、貫通穴の内側に導電材料を設けて各電極同士を短絡させてもよい。 In the piezoelectric element 300, in particular, the internal electrode 302 contains Ag and Pd, and the weight ratio M1/M2 between the Ag content M1 and the Pd content M2 is 0.25≦M1/M2≦4.0. is preferred, and 0.3≦M1/M2≦3.0 is more preferred. If the weight ratio M1/M2 is less than 0.25, the sintering temperature of the internal electrodes becomes high, which is undesirable. On the other hand, if the weight ratio M1/M2 is greater than 4.0, the internal electrodes are insular and non-uniformly present within the plane, which is undesirable. Moreover, in order to make the electrode material inexpensive, it is preferable that the internal electrode 302 contains at least one of Ni and Cu. When at least one of Ni and Cu is used for the internal electrode 302, the piezoelectric element 300 is preferably fired in a reducing atmosphere. Further, as shown in FIG. 3B, each layer of the internal electrode 302 may be short-circuited to match the phase of the drive voltage. For example, half of the layers of the internal electrode 302 and the upper electrode 303 may be shorted by the external electrode 305 , and the other half of the layers of the internal electrode 302 and the lower electrode 304 may be shorted by the external electrode 306 . Furthermore, each layer 2 of the internal electrode 30 short-circuited with the upper electrode 303 and each layer of the internal electrode 302 short-circuited with the lower electrode 304 may be alternately arranged. Note that the form of short-circuiting each electrode is not limited to the form shown in FIG. Electrodes and wiring for short-circuiting may be provided on the side surface of the laminated structure, or a through hole may be provided to penetrate each piezoelectric material layer 301, and a conductive material may be provided inside the through hole to short-circuit the electrodes. good too.

次に、本発明に係る振動波モータについて説明する。図4は、本発明に係る振動波モータの構成を概略的に示す図である。本発明に係る振動波モータとしての振動波モータ400は、振動子401(振動体)と、該振動子401の摺動面へ加圧バネによる加圧力で加圧接触するロータ402(移動体)と、該ロータ402と一体的に設けられた出力軸403とを備える(図4(A))。振動子401は、金属の弾性体リング404と、圧電素子405とを有し、圧電素子405が有機系接着剤406(エポキシ系やシアノアクリレート系等の接着剤)によって弾性体リング404へ接着される。圧電素子405は、例えば、上述した圧電素子200の様に、(圧電材料層が1つしか存在しない)単層構造を有し、上側電極と下側電極によって挟まれた圧電材料で構成される。ところで、圧電材料に電圧を印加すると圧電横効果によって圧電材料は伸縮する。ここで、金属等の弾性体が圧電素子に接合していると、弾性体は圧電材料の伸縮によって曲げられて弾性体に屈曲進行波が発生する。振動波モータ400はこの屈曲進行波を用いて駆動を行う。具体的には、圧電素子405へ、互いの位相がπ/2の奇数倍ほど異なる二相の交番電圧を印加すると、振動子401に屈曲進行波が発生し、振動子401の摺動面上の各点は楕円運動を行う。この振動子401の摺動面にロータ402が圧接されていると、ロータ402は振動子401から摩擦力を受け、屈曲進行波とは逆の方向へ回転する。振動波モータ400では、出力軸403が不図示の被駆動体と接合されているため、ロータ402の回転力によって被駆動体が出力軸403によって駆動される。 Next, a vibration wave motor according to the present invention will be described. FIG. 4 is a diagram schematically showing the configuration of the vibration wave motor according to the present invention. A vibration wave motor 400 as a vibration wave motor according to the present invention includes a vibrator 401 (vibrating body) and a rotor 402 (moving body) that pressurizes and contacts a sliding surface of the vibrator 401 with a pressure force of a pressure spring. and an output shaft 403 provided integrally with the rotor 402 (FIG. 4(A)). The vibrator 401 has a metal elastic ring 404 and a piezoelectric element 405. The piezoelectric element 405 is bonded to the elastic ring 404 with an organic adhesive 406 (an epoxy-based or cyanoacrylate-based adhesive). be. The piezoelectric element 405 has, for example, a single-layer structure (only one piezoelectric material layer exists) like the piezoelectric element 200 described above, and is composed of a piezoelectric material sandwiched between an upper electrode and a lower electrode. . By the way, when a voltage is applied to a piezoelectric material, the piezoelectric material expands and contracts due to the transverse piezoelectric effect. Here, when an elastic body such as a metal is bonded to the piezoelectric element, the elastic body is bent by expansion and contraction of the piezoelectric material, and bending traveling waves are generated in the elastic body. The vibration wave motor 400 is driven using this bending traveling wave. Specifically, when two-phase alternating voltages whose phases are different from each other by odd multiples of π/2 are applied to the piezoelectric element 405 , bending traveling waves are generated in the vibrator 401 , and the vibration on the sliding surface of the vibrator 401 is increased. Each point of performs an elliptical motion. When the rotor 402 is pressed against the sliding surface of the vibrator 401, the rotor 402 receives frictional force from the vibrator 401 and rotates in the opposite direction to the bending traveling wave. In vibration wave motor 400 , output shaft 403 is joined to a driven body (not shown), so the driven body is driven by output shaft 403 by the rotational force of rotor 402 .

また、本発明に係る振動波モータの他の一例としての振動波モータ407は、振動子408と、加圧用のバネ409によって振動子408と加圧接触するロータ410とを備える(図4(B))。振動子408は、分割された筒状体からなる金属弾性体411と、金属弾性体411の各筒状体に挟まれた圧電素子412とを有する。圧電素子412は、例えば、上述した圧電素子300のように、(複数の圧電材料層が存在する)積層構造を有し、積層構造の外側に上側電極と下側電極が配置され、積層構造の内側に複数の層の内部電極が各圧電材料層と交互に配置される。金属弾性体411の各筒状体はボルトによって締結され、圧電素子412を挟持して固定し、振動子408を構成する。圧電素子412へ互いの位相が異なる二相の交番電圧を印加することにより、振動子408は互いに直交する2つの振動を励起する。この2つの振動は合成されて振動子408の先端部を駆動するための円振動を形成する。振動波モータ407では、振動子408の上部にはくびれた周溝413が形成され、円振動の変位を大きくする。ロータ410は振動子408と加圧接触するため、振動子408から駆動のための摩擦力を得る。ロータ410は不図示のベアリングによって回転可能に支持されている。 A vibration wave motor 407 as another example of the vibration wave motor according to the present invention includes a vibrator 408 and a rotor 410 that pressurizes and contacts the vibrator 408 by a pressure spring 409 (FIG. 4B). )). The vibrator 408 has a metal elastic body 411 composed of divided cylindrical bodies, and a piezoelectric element 412 sandwiched between the cylindrical bodies of the metal elastic body 411 . The piezoelectric element 412 has a laminated structure (in which a plurality of piezoelectric material layers are present), for example, like the piezoelectric element 300 described above, and an upper electrode and a lower electrode are arranged outside the laminated structure. Inside, a plurality of layers of internal electrodes are alternately arranged with each piezoelectric material layer. Each cylindrical body of the metal elastic body 411 is fastened with a bolt, holds and fixes the piezoelectric element 412 , and constitutes the vibrator 408 . By applying two-phase alternating voltages having mutually different phases to the piezoelectric element 412, the vibrator 408 excites two vibrations orthogonal to each other. These two vibrations are combined to form a circular vibration for driving the tip of vibrator 408 . In the vibration wave motor 407, a constricted circumferential groove 413 is formed in the upper portion of the vibrator 408 to increase the displacement of the circular vibration. Since the rotor 410 is in pressure contact with the vibrator 408 , it obtains frictional force for driving from the vibrator 408 . The rotor 410 is rotatably supported by bearings (not shown).

次に、本発明に係る光学機器について説明する。図5は、本発明に係る光学機器としての一眼レフカメラの交換レンズ鏡筒の主要部の構成を示す部分拡大断面図である。図6は、本発明に係る光学機器としての一眼レフカメラの交換レンズ鏡筒の構成を示す分解斜視図である。図5及び図6において、交換レンズ鏡筒500は、固定部材として、固定筒501と、直進案内筒502と、前群鏡筒503とを備え、これらの固定部材はカメラの着脱マウント504に固定される。また、交換レンズ鏡筒500は、フォーカスレンズ505と、フォーカスレンズ505を保持する後群鏡筒506とを備える(図5(A))。直進案内筒502にはフォーカスレンズ505用の光軸方向の直進案内溝507が形成される。後群鏡筒506には、径方向外側に突出するカムローラ508,509が軸ビス510によって固定され、カムローラ508が直進案内溝507に嵌合する。直進案内筒502の内周にはカム環511が回動自在に嵌合する。カム環511に固定されたローラ512が、直進案内筒502の周溝513に嵌まることにより、直進案内筒502とカム環511は光軸方向への相対移動が規制され、光軸方向へ一体的に移動する。カム環511には、フォーカスレンズ505用のカム溝514が形成され、カム溝514には上述のカムローラ509が嵌合する。固定筒501の外周側にはボールレース515によって固定筒501に対して定位置回転可能に保持された回転伝達環516が配置される。回転伝達環516は放射状に延びる軸517を有し、各軸517にはコロ518が回転自由に保持される。このコロ518の径大部519がマニュアルフォーカス環520のマウント側端面521と接触する(図5(B))。また、コロ518の径小部522は接合部材523と接触する。交換レンズ鏡筒500では、6つのコロ518が回転伝達環516の外周に沿って等間隔に配置され、各軸517に回転自由に保持される。 Next, optical instruments according to the present invention will be described. FIG. 5 is a partially enlarged cross-sectional view showing the configuration of the main parts of an interchangeable lens barrel of a single-lens reflex camera as an optical apparatus according to the present invention. FIG. 6 is an exploded perspective view showing the configuration of an interchangeable lens barrel of a single-lens reflex camera as an optical device according to the present invention. 5 and 6, an interchangeable lens barrel 500 includes a fixed barrel 501, a rectilinear guide barrel 502, and a front group barrel 503 as fixed members, and these fixed members are fixed to a detachable mount 504 of the camera. be done. The interchangeable lens barrel 500 also includes a focus lens 505 and a rear group barrel 506 that holds the focus lens 505 (FIG. 5A). A rectilinear guide groove 507 for the focus lens 505 is formed in the rectilinear guide tube 502 in the optical axis direction. Cam rollers 508 and 509 protruding radially outward are fixed to the rear group barrel 506 by a shaft screw 510 , and the cam roller 508 is fitted in the rectilinear guide groove 507 . A cam ring 511 is rotatably fitted to the inner circumference of the rectilinear guide tube 502 . A roller 512 fixed to the cam ring 511 is fitted in the circumferential groove 513 of the rectilinear guide cylinder 502, so that the rectilinear guide cylinder 502 and the cam ring 511 are restricted from moving relative to each other in the optical axis direction, and integrated in the optical axis direction. to move. A cam groove 514 for the focus lens 505 is formed in the cam ring 511 , and the cam roller 509 described above is fitted in the cam groove 514 . A rotation transmission ring 516 rotatably held at a fixed position with respect to the fixed cylinder 501 by a ball race 515 is arranged on the outer peripheral side of the fixed cylinder 501 . The rotation transmission ring 516 has shafts 517 extending radially, and rollers 518 are rotatably held on each shaft 517 . The large-diameter portion 519 of the roller 518 contacts the mount-side end surface 521 of the manual focus ring 520 (FIG. 5B). Also, the small-diameter portion 522 of the roller 518 contacts the joining member 523 . In the interchangeable lens barrel 500, six rollers 518 are arranged at regular intervals along the outer periphery of a rotation transmission ring 516 and are rotatably held on each shaft 517. As shown in FIG.

マニュアルフォーカス環520の内径部には低摩擦シート524が配置され、低摩擦シート524が固定筒501のマウント側端面525とマニュアルフォーカス環520の前側端面526との間に挟持される。また、低摩擦シート524の外径面はリング状を呈し、マニュアルフォーカス環520の内径527と径嵌合する。さらに、マニュアルフォーカス環520の内径527は固定筒501の外径部528と径嵌合する。低摩擦シート524は、マニュアルフォーカス環520が固定筒501に対して光軸周りに相対回転する際の摩擦を軽減する。なお、コロ518の径大部519とマニュアルフォーカス環520のマウント側端面521は、波ワッシャ529が振動波モータ530をレンズ前方に押圧する力によって互いに接触する。交換レンズ鏡筒500の振動波モータ530は、交換レンズ鏡筒500の駆動部を構成し、例えば、振動波モータ400と類似の構造を有する。また、波ワッシャ529が振動波モータ530をレンズ前方に押圧する力により、コロ518の径小部522と接合部材523も適度な加圧力が付与された状態で接触する。波ワッシャ529は、固定筒501に対してバヨネット結合したワッシャ531によってマウント方向への移動が規制される。波ワッシャ529が発生するバネ力(付勢力)は、振動波モータ530、さらにはコロ518に伝達され、マニュアルフォーカス環520を固定筒501のマウント側端面525に押し付ける。つまり、マニュアルフォーカス環520は、低摩擦シート524を介して固定筒501のマウント側端面525に押し付けられた状態で交換レンズ鏡筒500に組み込まれる。したがって、振動波モータ530が固定筒501に対して回転駆動すると、接合部材523がコロ518の径小部522と摩擦接触するため、コロ518が軸517を中心として回転する。これにより、回転伝達環516が光軸周りに回転する(オートフォーカス動作)。また、不図示のマニュアル操作入力部からマニュアルフォーカス環520に光軸周りの回転力が与えられる場合について考察する。この場合、マニュアルフォーカス環520のマウント側端面521がコロ518の径大部519と加圧接触するため、摩擦力によりコロ518が軸517周りに回転する。これによっても、回転伝達環516が光軸周りに回転する。このとき、振動波モータ530は、ロータ532とステータ533の摩擦保持力によって回転が抑制される(マニュアルフォーカス動作)。 A low-friction sheet 524 is arranged on the inner diameter of the manual focus ring 520 and sandwiched between the mount-side end face 525 of the fixed barrel 501 and the front-side end face 526 of the manual focus ring 520 . Further, the outer diameter surface of the low-friction sheet 524 has a ring shape and is radially fitted with the inner diameter 527 of the manual focus ring 520 . Further, the inner diameter 527 of the manual focus ring 520 is radially fitted with the outer diameter portion 528 of the fixed barrel 501 . The low-friction sheet 524 reduces friction when the manual focus ring 520 rotates relative to the fixed barrel 501 around the optical axis. The large-diameter portion 519 of the roller 518 and the mount-side end face 521 of the manual focus ring 520 contact each other due to the force of the wave washer 529 pressing the vibration wave motor 530 forward of the lens. The vibration wave motor 530 of the interchangeable lens barrel 500 constitutes a driving section of the interchangeable lens barrel 500 and has a structure similar to that of the vibration wave motor 400, for example. In addition, due to the force of the wave washer 529 pressing the vibration wave motor 530 forward of the lens, the small diameter portion 522 of the roller 518 and the joining member 523 are brought into contact with each other while applying an appropriate pressure. The wave washer 529 is restricted from moving in the mounting direction by a washer 531 bayonet-coupled to the fixed cylinder 501 . A spring force (biasing force) generated by the wave washer 529 is transmitted to the vibration wave motor 530 and further to the roller 518 to press the manual focus ring 520 against the mount-side end face 525 of the fixed barrel 501 . That is, the manual focus ring 520 is assembled into the interchangeable lens barrel 500 while being pressed against the mount-side end surface 525 of the fixed barrel 501 via the low-friction sheet 524 . Therefore, when the vibration wave motor 530 rotates with respect to the fixed cylinder 501 , the joining member 523 frictionally contacts the small diameter portion 522 of the roller 518 , so that the roller 518 rotates about the shaft 517 . As a result, the rotary transmission ring 516 rotates around the optical axis (autofocus operation). Also, consider a case where a manual operation input unit (not shown) applies a rotational force around the optical axis to the manual focus ring 520 . In this case, since the mount-side end surface 521 of the manual focus ring 520 is pressed against the large-diameter portion 519 of the roller 518, the roller 518 rotates around the shaft 517 due to frictional force. This also causes the rotary transmission ring 516 to rotate around the optical axis. At this time, the rotation of vibration wave motor 530 is suppressed by the frictional holding force between rotor 532 and stator 533 (manual focus operation).

回転伝達環516には2つのフォーカスキー534が回転伝達環516を挟んで互いに対向するように取り付けられ、各フォーカスキー534がカム環511の先端に設けられた切り欠き部535と嵌合する。したがって、オートフォーカス動作又はマニュアルフォーカス動作が行われ、回転伝達環516が光軸周りに回転させられると、その回転力がフォーカスキー534を介してカム環511に伝達される。カム環511が光軸周りに回転させられると、カムローラ508と直進案内溝507により回転規制された後群鏡筒506が、カムローラ509によってカム環511のカム溝514に沿って進退する。これにより、フォーカスレンズ505が駆動され、フォーカス動作が行われる。 Two focus keys 534 are attached to the rotation transmission ring 516 so as to face each other with the rotation transmission ring 516 interposed therebetween. Therefore, when an autofocus operation or a manual focus operation is performed and the rotation transmission ring 516 is rotated around the optical axis, the rotational force is transmitted to the cam ring 511 via the focus key 534 . When the cam ring 511 is rotated around the optical axis, the rear lens group barrel 506 whose rotation is restricted by the cam roller 508 and the rectilinear guide groove 507 advances and retreats along the cam groove 514 of the cam ring 511 by the cam roller 509 . As a result, the focus lens 505 is driven and a focus operation is performed.

なお、本実施の形態では、本発明に係る振動波モータが適用される光学機器として一眼レフカメラの交換レンズ鏡筒について説明した。しかしながら、本発明に係る振動波モータが適用される光学機器はこれに限られない。例えば、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、駆動部を有する光学機器に本発明に係る振動波モータを適用することができる。 In this embodiment, the interchangeable lens barrel of a single-lens reflex camera has been described as an optical device to which the vibration wave motor according to the present invention is applied. However, the optical equipment to which the vibration wave motor according to the present invention is applied is not limited to this. For example, the vibration wave motor according to the present invention can be applied to optical equipment having a drive unit regardless of the type of camera, such as a compact camera, an electronic still camera, and a mobile information terminal with a camera.

次に、本発明に係る電子機器について説明する。本発明に係る電子機器としては、圧電素子を駆動源として備える電子機器が該当する。例えば、スピーカ、ブザー、マイク、表面弾性波(SAW)素子等の圧電音響部品を内蔵した電子機器が本発明に係る電子機器に該当する。その他、液体吐出装置、振動装置、塵埃除去装置、可動ミラー装置、超音波発振装置、センサ装置、シャッター装置等の駆動源を備える電子機器も本発明に係る電子機器に該当する。図7は、本発明に係る電子機器としてのデジタルカメラを前方から眺めたときの全体斜視図である。デジタルカメラ700は本体701を備え、該本体701の前面にはレンズ鏡筒を含む光学装置702、マイク703(破線参照)、ストロボ発光部704や補助光部705が配置される。マイク703の前方には外部からの音を拾うためのマイク穴706が穿設される。本体701上面には電源ボタン707、スピーカ708、ズームレバー709や撮影動作を実行するためのレリーズボタン710が配置される。スピーカ708は本体701内部に設けられているため破線で示す。スピーカ708の前方には音声を外部へ伝えるためのスピーカ穴711が穿設される。デジタルカメラ700では、マイク703やスピーカ708等の圧電音響部品へ上述した圧電素子200や圧電素子300が組み込まれる。 Next, electronic equipment according to the present invention will be described. An electronic device having a piezoelectric element as a drive source corresponds to the electronic device according to the present invention. For example, electronic devices incorporating piezoelectric acoustic components such as speakers, buzzers, microphones, and surface acoustic wave (SAW) elements correspond to electronic devices according to the present invention. In addition, an electronic device having a drive source such as a liquid ejection device, a vibrating device, a dust removing device, a movable mirror device, an ultrasonic oscillator, a sensor device, a shutter device, etc., also corresponds to the electronic device according to the present invention. FIG. 7 is an overall perspective view of a digital camera as an electronic device according to the present invention when viewed from the front. A digital camera 700 has a main body 701, and an optical device 702 including a lens barrel, a microphone 703 (see broken line), a strobe light emitting section 704, and an auxiliary light section 705 are arranged on the front surface of the main body 701. FIG. A microphone hole 706 is formed in front of the microphone 703 to pick up sounds from the outside. A power button 707 , a speaker 708 , a zoom lever 709 , and a release button 710 for executing a photographing operation are arranged on the upper surface of the main body 701 . Since the speaker 708 is provided inside the main body 701, it is indicated by a dashed line. A speaker hole 711 is formed in front of the speaker 708 for transmitting sound to the outside. In the digital camera 700, the piezoelectric element 200 and the piezoelectric element 300 described above are incorporated into piezoelectric acoustic components such as the microphone 703 and the speaker 708. FIG.

なお、本実施の形態では、本発明に係る電子機器としてデジタルカメラについて説明した。しかしながら、本発明に係る電子機器はこれに限られない。例えば、音声再生機器、音声録音機器、携帯電話、情報端末等各種の圧電音響部品を有し、当該圧電音響部品に圧電素子200や圧電素子300が組み込まれる電子機器も本発明に係る電子機器に該当する。 Note that in this embodiment, a digital camera has been described as an electronic device according to the present invention. However, the electronic device according to the present invention is not limited to this. For example, an electronic device having various piezoelectric acoustic components such as a voice reproducing device, a voice recording device, a mobile phone, and an information terminal, and having the piezoelectric element 200 or the piezoelectric element 300 incorporated in the piezoelectric acoustic component is also included in the electronic device according to the present invention. Applicable.

以上、説明したように、圧電素子200や圧電素子300は、振動波モータ、光学機器や電子機器に好適に用いられる。例えば、圧電素子200や圧電素子300を組み込むことにより、従来の鉛を含む圧電素子を組み込む場合と同等以上の駆動力や耐久性を発揮する振動波モータを提供することができる。また、この振動波モータを組み込むことにより、従来の鉛を含む圧電素子を組み込む場合と同等以上の耐久性や動作精度を発揮する光学機器を提供することができる。さらに、圧電素子200や圧電素子300が組み込まれる圧電音響部品を用いることにより、従来の鉛を含む圧電素子を組み込む場合と同等以上の発音性を発揮する電子機器を提供することができる。なお、本発明に係る圧電材料は、振動波モータや電子機器等だけでなく、超音波振動子、圧電アクチュエータ、圧電センサ、強誘電メモリ等のデバイスにも組み込むことができる。 As described above, the piezoelectric element 200 and the piezoelectric element 300 are suitably used for vibration wave motors, optical devices, and electronic devices. For example, by incorporating the piezoelectric element 200 and the piezoelectric element 300, it is possible to provide a vibration wave motor that exhibits driving force and durability equal to or greater than those in the case of incorporating a conventional lead-containing piezoelectric element. In addition, by incorporating this vibration wave motor, it is possible to provide an optical device exhibiting durability and operating accuracy equal to or greater than those in the case of incorporating a conventional lead-containing piezoelectric element. Furthermore, by using a piezoelectric acoustic component in which the piezoelectric element 200 or the piezoelectric element 300 is incorporated, it is possible to provide an electronic device that exhibits sound generation performance equal to or greater than that in the case of incorporating a conventional lead-containing piezoelectric element. The piezoelectric material according to the present invention can be incorporated not only in vibration wave motors, electronic devices, etc., but also in devices such as ultrasonic transducers, piezoelectric actuators, piezoelectric sensors, and ferroelectric memories.

次に、本発明に係る超音波プローブについて説明する。本発明に係る超音波プローブは、上述した圧電アクチュエータを備え、超音波の発振機能と反射波の受信機能を有する。本発明に係る超音波プローブの一例として、図8Aに超音波プローブの構成の一例を概略図として示す。但し、超音波プローブの構成部材の個数、形状や配置は図8Aの例に限定されない。超音波プローブ1001は圧電アクチュエータ10011を内包し、圧電アクチュエータ10011の逆圧電効果に起因して発生した超音波を被検体に向かって発振(発信)する。図8Aにおける波線の矢印は、超音波の伝播を模式的に示したものであり、超音波プローブ1001の構成部材ではない。この超音波は被検体の内部組織によって反射され、超音波エコーとして超音波プローブ1001に向かって返ってくる。この超音波エコーに起因する振動を圧電アクチュエータ10011が電気信号変換することで被検体の内部構造に応じた情報が得られる。超音波の発振と受信を担う圧電アクチュエータ10011は単一のもので無くてもよく、一方を圧電アクチュエータ以外のユニットで代用してもよい。 Next, an ultrasonic probe according to the present invention will be described. An ultrasonic probe according to the present invention includes the piezoelectric actuator described above, and has an ultrasonic wave oscillating function and a reflected wave receiving function. As an example of the ultrasonic probe according to the present invention, FIG. 8A shows a schematic diagram of an example of the configuration of the ultrasonic probe. However, the number, shape, and arrangement of constituent members of the ultrasonic probe are not limited to the example in FIG. 8A. The ultrasonic probe 1001 includes a piezoelectric actuator 10011, and oscillates (transmits) ultrasonic waves toward the subject due to the inverse piezoelectric effect of the piezoelectric actuator 10011. FIG. A wavy arrow in FIG. 8A schematically shows the propagation of ultrasonic waves and is not a constituent member of the ultrasonic probe 1001 . This ultrasonic wave is reflected by the internal tissue of the subject and returns toward the ultrasonic probe 1001 as an ultrasonic echo. The piezoelectric actuator 10011 converts the vibration caused by the ultrasonic echo into an electrical signal, thereby obtaining information corresponding to the internal structure of the subject. The piezoelectric actuator 10011 responsible for oscillating and receiving ultrasonic waves may not be a single one, and one of them may be replaced by a unit other than the piezoelectric actuator.

次に、本発明に係る超音波検査装置について説明する。本発明に係る超音波検査装置は、図8Aの超音波プローブと、信号処理ユニットと、画像生成ユニットとを備える。本発明に係る超音波検査装置の一例として、図8Bに超音波検査装置の構成の一例を概略図として示す。但し、各構成ユニットの接続順は図8Bに示す順に限定されない。図8Bに示す超音波検査装置では、超音波プローブ1001で受信した反射波に起因する電気信号を、信号処理ユニット1002においてデータ変換し且つデータ蓄積し、画像形成ユニット1003において画像情報に変換する。超音波検査装置は、この画像情報を外部の画像表示ユニット(ディスプレイ)に送信する機能も有する。 Next, an ultrasonic inspection apparatus according to the present invention will be described. An ultrasonic inspection apparatus according to the present invention includes the ultrasonic probe of FIG. 8A, a signal processing unit, and an image generation unit. As an example of an ultrasonic inspection apparatus according to the present invention, FIG. 8B shows a schematic diagram of an example of the configuration of an ultrasonic inspection apparatus. However, the connection order of each component unit is not limited to the order shown in FIG. 8B. In the ultrasonic inspection apparatus shown in FIG. 8B, the signal processing unit 1002 converts and stores electrical signals resulting from reflected waves received by the ultrasonic probe 1001, and the image forming unit 1003 converts the data into image information. The ultrasonic inspection apparatus also has a function of transmitting this image information to an external image display unit (display).

以上、本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明は上述した実施の形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。 Although preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and changes are possible within the scope of the gist thereof.

次に本発明の実施例について具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例によって限定されることはない。まず、実施例1~5及び比較例1,2について説明する。最初に、いずれもペロブスカイト型金属酸化物であるチタン酸バリウム、チタン酸カルシウム及びジルコン酸カルシウムの原料粉末を固相法により作製した。いずれの原料粉末も平均粒径は300nmであり、純度は99.99%以上であった。その後、これらの原料粉末を二酸化マンガン(MnO)粉末(純度99.5%以上)と混合した。このとき、Ba、Ca、Ti、Zr、Mnの量が、上記式(1)において、x=0.14、y=0.050、z=0.002及びa=0.9955の組成を満たすように秤量して混合した。また、上記式(1)においてaを調整するために炭酸バリウム及び酸化チタンを適量添加した。これらの混合粉末を、ボールミルを用いて24時間の乾式混合によって混合し、混合粉を生成した。 EXAMPLES Next, examples of the present invention will be specifically described, but the present invention is not limited by the following examples. First, Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2 will be described. First, raw material powders of barium titanate, calcium titanate and calcium zirconate, all of which are perovskite metal oxides, were produced by a solid phase method. All raw material powders had an average particle size of 300 nm and a purity of 99.99% or more. These raw material powders were then mixed with manganese dioxide (MnO 2 ) powder (purity of 99.5% or higher). At this time, the amounts of Ba, Ca, Ti, Zr, and Mn satisfy the composition of x = 0.14, y = 0.050, z = 0.002, and a = 0.9955 in the above formula (1) Weighed and mixed. Appropriate amounts of barium carbonate and titanium oxide were added to adjust a in the above formula (1). These mixed powders were mixed by dry mixing for 24 hours using a ball mill to produce a mixed powder.

次いで、混合粉の総重量を100重量部とし、この混合粉に対して3重量部となるPVAバインダーを、スプレードライヤー装置を用いて混合粉表面に付着させ、造粒粉を生成した。その後、生成された造粒粉を金型に充填し、プレス成型機を用いて200MPaの成形圧を負荷して円盤状の成形体を作製した。金型の表面には予め非マグネシウム系の離型剤を塗布していた。また、この成形体を冷間等方加圧成型機によってさらに加圧しても、得られる成形体はさらに加圧していない成形体と同様であった。 Next, the total weight of the mixed powder was 100 parts by weight, and a PVA binder of 3 parts by weight with respect to the mixed powder was adhered to the surface of the mixed powder using a spray dryer to produce granulated powder. Thereafter, the produced granulated powder was filled in a mold, and a molding pressure of 200 MPa was applied using a press molding machine to produce a disk-shaped compact. The surface of the mold was previously coated with a non-magnesium release agent. Further, even if this molded article was further pressurized by a cold isostatic press molding machine, the resulting molded article was the same as the molded article that was not further pressurized.

次いで、作製された成形体を、電気炉を用い、まず、大気雰囲気下で600℃に保持して加熱を行った後、さらに1330℃まで昇温させ、図9の表1に示す焼成時間に亘って1330℃の状態を保持した。その後、自然放冷によって室温に降温させた。これにより、圧電材料として円盤状のセラミックス(実施例1~5及び比較例1,2)を製作した。 Next, using an electric furnace, the formed body was first heated while being held at 600° C. in an air atmosphere, then further heated to 1330° C., and fired for the time shown in Table 1 of FIG. A state of 1330° C. was maintained throughout. After that, the temperature was lowered to room temperature by natural cooling. As a result, disk-shaped ceramics (Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2) were produced as piezoelectric materials.

次いで、圧電材料の室温(25℃)における実測密度を、アルキメデス法を用いて評価した。また、圧電材料の相対密度を、以下のX線回折から求めた格子定数と秤量組成から計算される理論密度及びアルキメデス法による実測密度を用いて評価した。このとき得られた相対密度を図10の表2に示した。比較例1の圧電材料の相対密度が90.8%と低く、焼結が不十分な状態であった。次に、円盤状のセラミックスをその厚さが0.5mmとなるように研磨し、研磨面に対するX線回折によって結晶構造を雰囲気温度25℃で解析した。このとき、実施例1~5及び比較例1,2のセラミックスのいずれにおいても、正方晶系のペロブスカイト構造に相当するピークが観察された。 Next, the measured density of the piezoelectric material at room temperature (25° C.) was evaluated using the Archimedes method. Also, the relative density of the piezoelectric material was evaluated using the theoretical density calculated from the lattice constant obtained from the following X-ray diffraction and the weighed composition, and the measured density by the Archimedes method. The relative densities obtained at this time are shown in Table 2 of FIG. The relative density of the piezoelectric material of Comparative Example 1 was as low as 90.8%, and the sintering was insufficient. Next, the disk-shaped ceramic was polished to a thickness of 0.5 mm, and the crystal structure was analyzed by X-ray diffraction of the polished surface at an atmospheric temperature of 25°C. At this time, in all of the ceramics of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2, a peak corresponding to a tetragonal perovskite structure was observed.

次いで、蛍光X線分析により、実施例1~5及び比較例1,2の各円盤状のセラミックスの組成を評価した。その結果、全ての円盤状のセラミックスにおいて、その組成が秤量時の組成(Ba0.86Ca0.140.9955(Ti0.948Zr0.050Mn0.002)Oと一致することが分かった。また、全ての円盤状のセラミックス(実施例1~5及び比較例1,2)において、含有されるPb成分は1000ppm未満であった。 Next, the composition of each disk-shaped ceramic of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2 was evaluated by fluorescent X-ray analysis. As a result, in all disk-shaped ceramics, the composition matches the composition at the time of weighing ( Ba0.86Ca0.14 ) 0.9955 ( Ti0.948Zr0.050Mn0.002 ) O3 . I found out. In addition, the Pb component contained in all disc-shaped ceramics (Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2) was less than 1000 ppm.

その後、各円盤状のセラミックスの厚さが0.5mm程度になるように各円盤状のセラミックスへ研磨加工を施し、その表裏両面へDCスパッタリング法によって厚さ400nmの金電極を形成した。なお、電極とセラミックスの間には、密着層として30nmのチタンを成膜した。この電極付きのセラミックスを切断加工し、10mm×2.5mm×0.5mmの短冊状素子を作製した。さらに、第1の分極処理として、各短冊状素子をその表面が100℃になるように加熱し、1kV/mmの電界がセラミックスに生じるように金電極へ30分間直流電圧を印加した後、各短冊状素子が室温になるように自然放冷した。その後に、第2の分極処理として、各短冊状素子をその表面が75℃になるように加熱し、第1の分極処理の電界とは逆方向の500V/mmの電界がセラミックスに生じるように金電極へ10分間直流電圧を印加した後、自然放冷した。これにより、本発明に係る圧電素子(実施例1~5)及び比較例1,2に対応する圧電素子を作製した。次いで、本発明に係る圧電素子及び比較例1,2に対応する圧電素子の静特性として、これら短冊状圧電素子の室温下におけるd31とQを共振・反共振法によって測定した。この測定では、インピーダンスアナライザ(Agilent Technologies社製の4294A)を用いた。このときの測定結果を図10の表2に示した。なお、以下の各表において、室温下におけるd31の絶対値は「|d31,RT|」と表記され、室温下におけるQは各表において「Qm,RT」と表記される。 After that, each disk-shaped ceramic was polished so that the thickness of each disk-shaped ceramic was about 0.5 mm, and a gold electrode having a thickness of 400 nm was formed on both the front and back surfaces by a DC sputtering method. A titanium film of 30 nm was formed as an adhesion layer between the electrode and the ceramics. This electrode-attached ceramic was cut to produce strip-shaped elements of 10 mm×2.5 mm×0.5 mm. Furthermore, as a first polarization treatment, each strip-shaped element was heated so that its surface reached 100° C., and a DC voltage was applied to the gold electrodes for 30 minutes so that an electric field of 1 kV/mm was generated in the ceramics. The strip-shaped element was allowed to cool naturally to room temperature. After that, as the second polarization treatment, each strip-shaped element was heated so that its surface reached 75° C., and an electric field of 500 V/mm was generated in the ceramics in the opposite direction to the electric field of the first polarization treatment. After applying a DC voltage to the gold electrode for 10 minutes, it was allowed to cool naturally. Thus, piezoelectric elements according to the present invention (Examples 1 to 5) and piezoelectric elements corresponding to Comparative Examples 1 and 2 were produced. Next, as the static characteristics of the piezoelectric element according to the present invention and the piezoelectric elements corresponding to Comparative Examples 1 and 2, d 31 and Q m of these strip-shaped piezoelectric elements were measured at room temperature by the resonance/anti-resonance method. In this measurement, an impedance analyzer (4294A manufactured by Agilent Technologies) was used. The measurement results at this time are shown in Table 2 of FIG. In each table below, the absolute value of d 31 at room temperature is expressed as “|d 31,RT |”, and Q m at room temperature is expressed as “Q m,RT ” in each table.

次いで、本発明に係る圧電素子及び比較例1,2に対応する圧電素子から結晶粒及びドメイン観察用の断面試料を作製した。まず、砥粒が埋め込まれた研磨シートやダイヤモンドスラリー等で各電素子を機械的に研磨した後、ケミカルエッチングを施して鏡面状の断面試料を作製した。その後、各断面試料を導電ペーストでSEMの試料台に固定し、断面に3nmのカーボン膜を蒸着した。 Next, cross-sectional samples for crystal grain and domain observation were produced from the piezoelectric element according to the present invention and the piezoelectric elements corresponding to Comparative Examples 1 and 2. FIG. First, each electronic element was mechanically polished with a polishing sheet embedded with abrasive grains, diamond slurry, or the like, and then subjected to chemical etching to prepare a mirror-like cross-sectional sample. After that, each cross-sectional sample was fixed on the SEM sample table with a conductive paste, and a carbon film of 3 nm was vapor-deposited on the cross-section.

次いで、作製した各断面試料の断面をSEMで観察し、得られた写真画像から結晶粒の平均円相当径を算出した。具体的には、各断面試料につき、倍率4000倍の写真画像を3枚得、各写真画像において凡そ600個の結晶粒を観察した。この観察画像に画像処理を施して平均円相当径を算出した。このときの算出結果及び測定結果を図10の表2に示した。なお、平均円相当径の算出は、円盤状セラミックス、分極前の圧電素子、又は分極後の圧電素子のいずれの断面の写真画像に基づいて行ってもよい。 Next, the cross-section of each cross-section sample thus prepared was observed with an SEM, and the average circle equivalent diameter of crystal grains was calculated from the obtained photographic image. Specifically, three photographic images at a magnification of 4000 were obtained for each cross-sectional sample, and approximately 600 crystal grains were observed in each photographic image. The observed image was subjected to image processing to calculate the average equivalent circle diameter. The calculation results and measurement results at this time are shown in Table 2 of FIG. The average equivalent circle diameter may be calculated based on a photographic image of any cross section of the disc-shaped ceramic, the piezoelectric element before polarization, or the piezoelectric element after polarization.

また、作製した各断面試料の断面をSEMで観察し、得られた写真画像からドメインの幅の計測を行った。ドメインの検出には反射電子検出器を用いた。具体的には、各断面試料につき、倍率4000倍の写真画像を5枚得、各写真画像において凡そ1000個の結晶粒を観察して第1のドメイン及び第2のドメインの有無を確認した。このときの測定結果を図10の表2に示した。 In addition, the cross section of each cross-sectional sample thus prepared was observed with an SEM, and the width of the domain was measured from the obtained photographic image. A backscattered electron detector was used to detect the domains. Specifically, five photographic images at a magnification of 4000 were obtained for each cross-sectional sample, and approximately 1000 crystal grains were observed in each photographic image to confirm the presence or absence of the first domain and the second domain. The measurement results at this time are shown in Table 2 of FIG.

さらに、本発明に係る圧電素子及び比較例1,2に対応する圧電素子の室温下におけるd31とQの測定を行った。このときの測定結果も図10の表2に示した。 Furthermore, d 31 and Q m of the piezoelectric element according to the present invention and the piezoelectric elements corresponding to Comparative Examples 1 and 2 were measured at room temperature. The measurement results at this time are also shown in Table 2 of FIG.

表2に示すように、比較例1は、第1のドメインを有する結晶粒Aと第2のドメインを有する結晶粒Bのいずれも含むものの、結晶粒の平均円相当径が1.0μm未満であり、また、相対密度が低く、焼結が不十分な状態であるため、室温下におけるQ(表2のQm,RT)が470と低く600未満となっていた。したがって、比較例1は振動時の弾性損失が大きいため、駆動源に用いるには不適切である。表2に示すように、比較例2は、第1のドメインを有する結晶粒Aと第2のドメインを有する結晶粒Bのいずれも含む。しかしながら、比較例2では、結晶粒の平均円相当径が10μmより大きく、室温下におけるd31の絶対値(表2の|d31,RT|)が50pm/V未満未満であるとともに、Q(表2のQm,RT)も510と低い値になっていた。したがって、比較例2は振動時に伸び縮みしにくく、振動時の弾性損失が大きいため、駆動源に用いるには不適切である。一方、表2に示すように、実施例1~5は、結晶粒の平均円相当径が1.0μm以上且つ10μm以下であった。さらに、実施例1~5は、第1のドメインを有する結晶粒Aと第2のドメインを有する結晶粒Bのいずれも含み、室温下におけるd31の絶対値が70pm/V以上であり、Qも600以上であった。したがって、実施例1~5は振動時に伸び縮みし易く、振動時の弾性損失も小さいため、駆動源に用いるのに適切であることが分かった。 As shown in Table 2, Comparative Example 1 includes both the crystal grain A having the first domain and the crystal grain B having the second domain, but the average equivalent circle diameter of the crystal grains is less than 1.0 μm. In addition, since the relative density was low and the sintering was insufficient, Q m (Q m,RT in Table 2) at room temperature was as low as 470 and less than 600. Therefore, Comparative Example 1 is not suitable for use as a drive source because of its large elastic loss during vibration. As shown in Table 2, Comparative Example 2 includes both the crystal grain A having the first domain and the crystal grain B having the second domain. However, in Comparative Example 2, the average equivalent circle diameter of the crystal grains was larger than 10 μm, the absolute value of d 31 at room temperature (|d 31,RT | in Table 2) was less than 50 pm/V, and Q m (Q m,RT in Table 2) was also a low value of 510. Therefore, Comparative Example 2 is not suitable for use as a drive source because it is difficult to expand and contract when vibrating and has a large elastic loss when vibrating. On the other hand, as shown in Table 2, in Examples 1 to 5, the average circle equivalent diameter of the crystal grains was 1.0 μm or more and 10 μm or less. Furthermore, Examples 1 to 5 include both the crystal grain A having the first domain and the crystal grain B having the second domain, the absolute value of d31 at room temperature is 70 pm / V or more, and Q m was also 600 or more. Therefore, it was found that Examples 1 to 5 are suitable for use as a drive source because they easily expand and contract when vibrating and have small elastic loss when vibrating.

次に、実施例6~10について説明する。実施例1~5と同様に、原料粉末を秤量した後に混合して混合粉を生成した。その後、1340℃まで昇温させて1340℃の状態を保持する焼成時間を5.5時間に統一したこと以外は実施例1~5と同様の工程を経て、円盤状のセラミックス(実施例6~10で共通)を作製した。 Next, Examples 6 to 10 will be described. As in Examples 1 to 5, raw material powders were weighed and mixed to form a mixed powder. After that, the same process as in Examples 1 to 5 was performed except that the firing time for heating to 1340 ° C. and maintaining the state at 1340 ° C. was unified to 5.5 hours. 10) was produced.

次いで、実施例1~5と同様に、X線回折によって各円盤状のセラミックスの結晶構造を雰囲気温度25℃で解析したところ、正方晶系のペロブスカイト構造に相当するピークのみが観察された。また、全ての円盤状のセラミックスにおいて、蛍光X線分析によって組成を評価したところ、その組成が秤量時の組成(Ba0.86Ca0.140.9955(Ti0.948Zr0.050Mn0.002)Oと一致することが分かった。また、全ての円盤状のセラミックス(実施例6~10)において、含有されるPb成分は1000ppm未満であった。その後、実施例1~5と同様に、各円盤状のセラミックスから短冊状素子を作製し、各短冊状素子へ第1の分極処理を施し、さらに、各短冊状素子へ第2の分極処理を施して本発明に係る圧電素子(実施例6~10)を作製した。但し、このときの第2の分極処理では、直流電圧の印加時間を図11の表3に示す印加時間Sに設定した。 Then, in the same manner as in Examples 1 to 5, when the crystal structure of each disk-shaped ceramic was analyzed by X-ray diffraction at an ambient temperature of 25° C., only a peak corresponding to a tetragonal perovskite structure was observed. In addition, when the composition of all disc-shaped ceramics was evaluated by fluorescent X-ray analysis, the composition was the composition at the time of weighing (Ba 0.86 Ca 0.14 ) 0.9955 (Ti 0.948 Zr 0.050 Mn 0.002 )O 3 . In addition, the Pb component contained in all disc-shaped ceramics (Examples 6 to 10) was less than 1000 ppm. After that, in the same manner as in Examples 1 to 5, strip-shaped elements were produced from each disk-shaped ceramic, each strip-shaped element was subjected to the first polarization treatment, and each strip-shaped element was further subjected to the second polarization treatment. Thus, piezoelectric elements according to the present invention (Examples 6 to 10) were produced. However, in the second polarization treatment at this time, the DC voltage application time was set to the application time S shown in Table 3 of FIG.

次いで、本発明に係る圧電素子(実施例6~10)から、実施例1~5と同様の工程を経て、結晶粒及びドメイン観察用の断面試料を作製した。また、実施例1~5と同様の条件により、各断面試料における結晶粒の平均円相当径を算出した。このときの算出結果を図11の表3に示した。なお、平均円相当径の算出は、実施例1~5と同様に、円盤状セラミックス、分極前の圧電素子、又は分極後の圧電素子のいずれの断面の写真画像に基づいて行ってもよい。 Next, from the piezoelectric elements (Examples 6 to 10) according to the present invention, through the same steps as in Examples 1 to 5, cross-sectional samples for crystal grain and domain observation were produced. Also, under the same conditions as in Examples 1 to 5, the average equivalent circle diameter of crystal grains in each cross-sectional sample was calculated. The calculation results at this time are shown in Table 3 of FIG. As in Examples 1 to 5, the average equivalent circle diameter may be calculated based on a photographic image of any cross section of the disc-shaped ceramic, the piezoelectric element before polarization, or the piezoelectric element after polarization.

また、本発明に係る圧電素子(実施例6~10)の各断面試料の断面をSEMで観察し、得られた写真画像からドメインの幅の計測を行った。このときもドメインの検出には反射電子検出器を用いた。具体的には、各断面試料につき、倍率4000倍の写真画像を10枚得、各写真画像において凡そ2000個の結晶粒を観察し結晶粒内のドメインを観察した。このときの測定結果を図11の表3に示した。さらに、得られた写真画像に画像処理を施し、第1のドメインを有する結晶粒Aの数密度(個数%)と第2のドメインを有する結晶粒Bの数密度(個数%)を算出した。このときの算出結果を図11の表3に示した。さらに、本発明に係る圧電素子(実施例6~10)の室温下におけるd31とQの測定を行った。このときの測定結果も図11の表3に示した。 Further, the cross section of each cross section sample of the piezoelectric element (Examples 6 to 10) according to the present invention was observed by SEM, and the width of the domain was measured from the obtained photographic image. Also in this case, a backscattered electron detector was used to detect the domains. Specifically, 10 photographic images at a magnification of 4000 were obtained for each cross-sectional sample, and approximately 2000 crystal grains were observed in each photographic image to observe domains within the crystal grains. The measurement results at this time are shown in Table 3 of FIG. Further, the obtained photographic image was subjected to image processing, and the number density (% by number) of crystal grains A having the first domain and the number density (% by number) of crystal grains B having the second domain were calculated. The calculation results at this time are shown in Table 3 of FIG. Further, d 31 and Q m of the piezoelectric elements (Examples 6 to 10) according to the present invention were measured at room temperature. The measurement results at this time are also shown in Table 3 of FIG.

表3に示すように、実施例6~実施例10のいずれにおいても、結晶粒の平均円相当径が1.0μm以上且つ10μm以下であり、第1のドメインを有する結晶粒Aと第2のドメインを有する結晶粒Bのいずれもが含まれていた。また、室温下におけるd31の絶対値が50pm/V以上であり、Qも600以上であった。特に、第1のドメインと第2のドメインを有する結晶粒Bがいずれも5個数%以上存在する実施例7~実施例9では、室温下におけるd31の絶対値が80pm/V以上であり、Qが800以上であった。したがって、実施例7~実施例9は振動時に容易に伸び縮みし易く、振動時の弾性損失もより小さいという特に好適な圧電特性を有していることが分かった。 As shown in Table 3, in any of Examples 6 to 10, the average equivalent circle diameter of the crystal grains is 1.0 μm or more and 10 μm or less, and the crystal grain A having the first domain and the second domain Any of the grains B with domains were included. In addition, the absolute value of d31 at room temperature was 50 pm/V or more, and the Qm was also 600 or more. In particular, in Examples 7 to 9 in which 5% by number or more of the crystal grains B having the first domain and the second domain are present, the absolute value of d31 at room temperature is 80 pm/V or more, Qm was 800 or more. Therefore, it was found that Examples 7 to 9 easily expand and contract when vibrating, and have particularly favorable piezoelectric characteristics such as smaller elastic loss when vibrating.

次に、実施例11,12について説明する。まず、実施例1~5と同様の原料粉末を用い、これらの原料粉末を、Ba、Ca、Ti、Zr、Mnの量が、上記式(1)において、x=0.14、y=0.050、z=0.002及びa=0.9955の組成を満たすように秤量して混合した。また、上記式(1)においてaを調整するために炭酸バリウム及び酸化チタンを適量添加した。これらの混合粉末を、ボールミルを用いて24時間の乾式混合によって混合し、混合粉を生成した。その後、実施例6~10と同様の工程を経て、円盤状のセラミックス(実施例11,12で共通)を作製した。 Next, Examples 11 and 12 will be described. First, the same raw material powders as in Examples 1 to 5 were used, and the amounts of Ba, Ca, Ti, Zr, and Mn in the above formula (1) were x = 0.14, y = 0. 0.050, z=0.002 and a=0.9955. Appropriate amounts of barium carbonate and titanium oxide were added to adjust a in the above formula (1). These mixed powders were mixed by dry mixing for 24 hours using a ball mill to produce a mixed powder. After that, through the same steps as in Examples 6 to 10, disk-shaped ceramics (common to Examples 11 and 12) were produced.

次いで、実施例1~5と同様に、X線回折によって各円盤状のセラミックスの結晶構造を雰囲気温度25℃で解析したところ、正方晶系のペロブスカイト構造に相当するピークのみが観察された。また、各円盤状のセラミックスにおいて、蛍光X線分析によって組成を評価したところ、その組成が秤量時の組成(Ba0.86Ca0.140.9955(Ti0.948Zr0.050Mn0.002)Oと一致することが分かった。さらに、各円盤状のセラミックス(実施例11,12)において、含有されるPb成分は1000ppm未満であった。 Then, in the same manner as in Examples 1 to 5, when the crystal structure of each disk-shaped ceramic was analyzed by X-ray diffraction at an ambient temperature of 25° C., only a peak corresponding to a tetragonal perovskite structure was observed. In addition, when the composition of each disk-shaped ceramic was evaluated by fluorescent X-ray analysis, the composition was the composition at the time of weighing (Ba 0.86 Ca 0.14 ) 0.9955 (Ti 0.948 Zr 0.050 Mn 0.002 ) O3 . Furthermore, the Pb component contained in each disk-shaped ceramic (Examples 11 and 12) was less than 1000 ppm.

その後、実施例1~5と同様に、各円盤状のセラミックスから短冊状素子を作製し、各短冊状素子へ第1の分極処理を施し、さらに、各短冊状素子へ第2の分極処理を施して本発明に係る圧電素子(実施例11,12)を作製した。但し、実施例11の圧電素子では、第2の分極処理における直流電圧の印加時間が13分間に設定され、実施例12の圧電素子では、第2の分極処理における直流電圧の印加時間が5分間に設定された。その後、実施例1~5と同様に、本発明に係る圧電素子の室温下におけるd31とQの測定を行った。このときの測定結果を図12の表4に示した。 After that, in the same manner as in Examples 1 to 5, strip-shaped elements were produced from each disk-shaped ceramic, each strip-shaped element was subjected to the first polarization treatment, and each strip-shaped element was further subjected to the second polarization treatment. Thus, piezoelectric elements (Examples 11 and 12) according to the present invention were produced. However, in the piezoelectric element of Example 11, the application time of the DC voltage in the second polarization treatment was set to 13 minutes, and in the piezoelectric element of Example 12, the application time of the DC voltage in the second polarization treatment was set to 5 minutes. was set to Thereafter, d 31 and Q m of the piezoelectric element according to the present invention were measured at room temperature in the same manner as in Examples 1-5. The measurement results at this time are shown in Table 4 of FIG.

次いで、本発明に係る圧電素子(実施例11,12)から、実施例1~5と同様の工程を経て、結晶粒及びドメイン観察用の断面試料を作製し、各断面試料における結晶粒の平均円相当径を算出し、ドメインの幅を計測した。このとき、本発明に係る圧電素子(実施例11,12)について、実施例6~10と同様に、第1のドメインを有する結晶粒Aの数密度(個数%)と第2のドメインを有する結晶粒Bの数密度(個数%)を算出した。このときの算出結果、測定結果を図12の表4に示した。算出された本発明に係る圧電素子(実施例11,12)の結晶粒の平均円相当径はいずれも2.8μmであった。このとき、実施例12では、図13に示すように、第1のドメインと第2のドメインをいずれも有する結晶粒が散見された。一方、実施例11では、第1のドメインと第2のドメインはそれぞれ異なる結晶粒に存在し、第1のドメインと第2のドメインをいずれも有する結晶粒は確認されなかった。表4から分かるように第1のドメインと第2のドメインが共存する結晶粒を有する圧電材料の方がd31及びQの値がともに高かった。 Next, from the piezoelectric element according to the present invention (Examples 11 and 12), through the same steps as in Examples 1 to 5, cross-sectional samples for observing crystal grains and domains were produced. The equivalent circle diameter was calculated and the width of the domain was measured. At this time, in the piezoelectric element according to the present invention (Examples 11 and 12), as in Examples 6 to 10, the number density (number %) of the crystal grains A having the first domain and the second domain The number density (number %) of crystal grains B was calculated. The calculation results and measurement results at this time are shown in Table 4 of FIG. The calculated average equivalent circle diameters of the crystal grains of the piezoelectric elements according to the present invention (Examples 11 and 12) were both 2.8 μm. At this time, in Example 12, as shown in FIG. 13, crystal grains having both the first domain and the second domain were observed here and there. On the other hand, in Example 11, the first domain and the second domain existed in different crystal grains, and no crystal grain having both the first domain and the second domain was confirmed. As can be seen from Table 4, the piezoelectric material having crystal grains in which the first domain and the second domain coexist had higher d 31 and Q m values.

実施例11,12のいずれにおいても、結晶粒の平均円相当径が1.0μm以上且つ10μm以下であった。また、表4に示すように、実施例11,12のいずれにおいても、第1のドメインを有する結晶粒Aと第2のドメインを有する結晶粒Bがいずれも5個数%以上存在し、室温下におけるd31の絶対値が80pm/V以上であり、Qが800以上であった。したがって、実施例11,12は振動時に容易に伸び縮みし易く、振動時の弾性損失もより小さいという特に好適な圧電特性を有していることが分かった。 In both Examples 11 and 12, the average equivalent circle diameter of the crystal grains was 1.0 μm or more and 10 μm or less. Further, as shown in Table 4, in both Examples 11 and 12, the crystal grains A having the first domain and the crystal grains B having the second domain were both present at 5% by number or more, and at room temperature The absolute value of d31 was 80 pm/V or more, and Qm was 800 or more. Therefore, it was found that Examples 11 and 12 easily expanded and contracted during vibration, and had particularly favorable piezoelectric characteristics such that elastic loss during vibration was small.

次に、実施例13,14について説明する。まず、実施例1~5と同様の原料粉末を用い、これらの原料粉末を、Ba、Ca、Ti、Zr、Mnの量が、上記式(1)において、x=0.14、y=0.050、z=0.002及びa=0.9955の組成を満たすように秤量して混合した。また、上記式(1)においてaを調整するために炭酸バリウム及び酸化チタンを適量添加した。これらの混合粉末を、ボールミルを用いて24時間の乾式混合によって混合し、混合粉を生成した。その後、実施例6~10と同様の工程を経て、円盤状のセラミックス(実施例13,14で共通)を作製した。 Next, Examples 13 and 14 will be described. First, the same raw material powders as in Examples 1 to 5 were used, and the amounts of Ba, Ca, Ti, Zr, and Mn in the above formula (1) were x = 0.14, y = 0. 0.050, z=0.002 and a=0.9955. Appropriate amounts of barium carbonate and titanium oxide were added to adjust a in the above formula (1). These mixed powders were mixed by dry mixing for 24 hours using a ball mill to produce a mixed powder. After that, through the same steps as in Examples 6 to 10, disk-shaped ceramics (common to Examples 13 and 14) were produced.

次いで、実施例1~5と同様に、X線回折によって各円盤状のセラミックスの結晶構造を雰囲気温度25℃で解析したところ、正方晶系のペロブスカイト構造に相当するピークのみが観察された。また、各円盤状のセラミックスにおいて、蛍光X線分析によって組成を評価したところ、その組成が秤量時の組成(Ba0.86Ca0.140.9955(Ti0.948Zr0.050Mn0.002)Oと一致することが分かった。さらに、各円盤状のセラミックス(実施例13,14)において、含有されるPb成分は1000ppm未満であった。 Then, in the same manner as in Examples 1 to 5, when the crystal structure of each disk-shaped ceramic was analyzed by X-ray diffraction at an ambient temperature of 25° C., only a peak corresponding to a tetragonal perovskite structure was observed. In addition, when the composition of each disk-shaped ceramic was evaluated by fluorescent X-ray analysis, the composition was the composition at the time of weighing (Ba 0.86 Ca 0.14 ) 0.9955 (Ti 0.948 Zr 0.050 Mn 0.002 ) O3 . Furthermore, the Pb component contained in each disk-shaped ceramic (Examples 13 and 14) was less than 1000 ppm.

その後、実施例1~5と同様に、各円盤状のセラミックスから短冊状素子を作製し、各短冊状素子へ第1の分極処理を施し、さらに、各短冊状素子へ第2の分極処理を施して本発明に係る圧電素子(実施例13,14)を作製した。但し、実施例13では、第1の分極処理における直流電圧の印加時間が35分間に設定され、第2の分極処理における直流電圧の印加時間が6分間に設定された。実施例14では、第1の分極処理における直流電圧の印加時間が60分間に設定され、第2の分極処理における直流電圧の印加時間が7分間に設定された。その後、実施例1~5と同様に、本発明に係る圧電素子の室温下におけるd31とQの測定を行った。このときの測定結果を図14の表5に示した。 After that, in the same manner as in Examples 1 to 5, strip-shaped elements were produced from each disk-shaped ceramic, each strip-shaped element was subjected to the first polarization treatment, and each strip-shaped element was further subjected to the second polarization treatment. Thus, piezoelectric elements according to the present invention (Examples 13 and 14) were produced. However, in Example 13, the application time of the DC voltage in the first polarization treatment was set to 35 minutes, and the application time of the DC voltage in the second polarization treatment was set to 6 minutes. In Example 14, the application time of the DC voltage in the first polarization treatment was set to 60 minutes, and the application time of the DC voltage in the second polarization treatment was set to 7 minutes. Thereafter, d 31 and Q m of the piezoelectric element according to the present invention were measured at room temperature in the same manner as in Examples 1-5. The measurement results at this time are shown in Table 5 of FIG.

次いで、本発明に係る圧電素子(実施例13,14)から、実施例1~5と同様の工程を経て、結晶粒及びドメイン観察用の断面試料を作製し、各断面試料における結晶粒の平均円相当径を算出し、ドメインの幅を計測した。このとき、本発明に係る圧電素子(実施例13,14)について、実施例6~10と同様に、第1のドメインを有する結晶粒Aの数密度(個数%)と第2のドメインを有する結晶粒Bの数密度(個数%)を算出した。このときの算出結果、計測結果を図14の表5に示した。また、算出された本発明に係る圧電素子(実施例13,14)の結晶粒の平均円相当径はいずれも2.8μmであった。このとき、実施例14では、図15のように、隣接する結晶粒の粒界を越えた第1のドメインの存在が散見された。一方、実施例13では、第1のドメインが1つの結晶粒内に留まっており、隣接する結晶粒の粒界を越えた第1のドメインは確認されなかった。 Next, from the piezoelectric element according to the present invention (Examples 13 and 14), through the same steps as in Examples 1 to 5, cross-sectional samples for observing crystal grains and domains were produced. The equivalent circle diameter was calculated and the width of the domain was measured. At this time, in the piezoelectric element according to the present invention (Examples 13 and 14), as in Examples 6 to 10, the number density (number %) of the crystal grains A having the first domain and the second domain The number density (number %) of crystal grains B was calculated. The calculation results and measurement results at this time are shown in Table 5 of FIG. In addition, the calculated average equivalent circle diameters of the crystal grains of the piezoelectric elements according to the present invention (Examples 13 and 14) were both 2.8 μm. At this time, in Example 14, as shown in FIG. 15, the existence of the first domains beyond the grain boundaries of adjacent crystal grains was found here and there. On the other hand, in Example 13, the first domain remained within one crystal grain, and the first domain beyond the grain boundary between adjacent crystal grains was not confirmed.

実施例13,14のいずれにおいても、結晶粒の平均円相当径が1.0μm以上且つ10μm以下であった。また、表5に示すように、実施例13,14のいずれにおいても、第1のドメインを有する結晶粒Aと第2のドメインを有する結晶粒Bがいずれも5個数%以上存在し、室温下におけるd31の絶対値が90pm/V以上であり、Qが900以上であった。特に、隣接する結晶粒の粒界を越えた第1のドメインが延在している実施例14では、室温下におけるQが1100以上であった。したがって、実施例13,14は振動時に容易に伸び縮みし易く、振動時の弾性損失もより小さいという特に好適な圧電特性を有していることが分かった。 In both Examples 13 and 14, the average equivalent circle diameter of the crystal grains was 1.0 μm or more and 10 μm or less. Further, as shown in Table 5, in both Examples 13 and 14, the crystal grains A having the first domain and the crystal grains B having the second domain were present at 5% by number or more, and at room temperature The absolute value of d31 was 90 pm/V or more, and Qm was 900 or more. In particular, in Example 14, in which the first domain extends beyond the grain boundaries of adjacent crystal grains, Qm at room temperature was 1100 or more. Therefore, it was found that Examples 13 and 14 easily expanded and contracted during vibration and had particularly favorable piezoelectric characteristics such that elastic loss during vibration was small.

次に、実施例15~20について説明する。まず、実施例1~5と同様の原料粉末を用い、これらの原料粉末を、Ba、Ca、Ti、Zr、Mnの量が、上記式(1)において、y=0.050、z=0.002及びa=0.9955の組成を満たすように秤量して混合した。このとき、上記式(1)において、xが図16の表6に示す組成となるように、Ba、Ca、Ti、Zr、Mnの量を調整した。また、上記式(1)においてaを調整するために炭酸バリウム及び酸化チタンを適量添加した。これらの混合粉末を、ボールミルを用いて24時間の乾式混合によって混合して混合粉を生成し、実施例1~5と同様の工程を経て円盤状の成形体を作製した。その後、作製された成形体を、電気炉を用い、まず大気雰囲気下で600℃に保持して加熱を行った後、図16の表6に示す焼成温度まで昇温させ、各焼成温度で5.5時間保持した後に、自然放冷により室温に降温させた。これにより、圧電材料として円盤状のセラミックス(実施例15~20)を製作した。 Next, Examples 15 to 20 will be described. First, the same raw material powders as in Examples 1 to 5 were used, and the amounts of Ba, Ca, Ti, Zr, and Mn in the above formula (1) were y = 0.050, z = 0. Weighed and mixed to meet the composition of 0.002 and a=0.9955. At this time, the amounts of Ba, Ca, Ti, Zr, and Mn were adjusted so that x in the above formula (1) had the composition shown in Table 6 of FIG. Appropriate amounts of barium carbonate and titanium oxide were added to adjust a in the above formula (1). These mixed powders were mixed by dry mixing for 24 hours using a ball mill to produce a mixed powder, and a disk-shaped molded body was produced through the same steps as in Examples 1 to 5. After that, using an electric furnace, the formed body was first held at 600 ° C. in an air atmosphere and heated, and then heated to the firing temperature shown in Table 6 in FIG. After holding for 0.5 hours, the temperature was lowered to room temperature by natural cooling. As a result, disc-shaped ceramics (Examples 15 to 20) were produced as piezoelectric materials.

次いで、実施例1~5と同様に、X線回折によって各円盤状のセラミックスの結晶構造を雰囲気温度25℃で解析したところ、正方晶系のペロブスカイト構造に相当するピークのみが観察された。ところで、実施例19や実施例20と同じ組成の成形体を1340℃で焼成したところ、不純物相であるCaTiOが生成した。そこで、実施例19では焼成温度を1370℃に設定し、実施例20では焼成温度を1400℃に設定した。その後、実施例1~5と同様に、蛍光X線分析によって各円盤状のセラミックスの組成を評価したところ、各円盤状のセラミックスにおいて、その組成が秤量時の組成と一致することが分かった。また、各円盤状のセラミックス(実施例15~20)において、含有されるPb成分は1000ppm未満であった。 Then, in the same manner as in Examples 1 to 5, when the crystal structure of each disk-shaped ceramic was analyzed by X-ray diffraction at an ambient temperature of 25° C., only a peak corresponding to a tetragonal perovskite structure was observed. By the way, when the compacts having the same composition as in Examples 19 and 20 were fired at 1340° C., CaTiO 3 as an impurity phase was generated. Therefore, in Example 19, the firing temperature was set to 1370°C, and in Example 20, the firing temperature was set to 1400°C. After that, the composition of each disk-shaped ceramic was evaluated by fluorescent X-ray analysis in the same manner as in Examples 1 to 5, and it was found that the composition of each disk-shaped ceramic matched the composition at the time of weighing. Further, the Pb component contained in each disk-shaped ceramic (Examples 15 to 20) was less than 1000 ppm.

その後、実施例1~5と同様に、各円盤状のセラミックスから短冊状素子を作製し、各短冊状素子へ第1の分極処理を施し、さらに、各短冊状素子へ第2の分極処理を施して本発明に係る圧電素子(実施例15~20)を作製した。但し、第1の分極処理では直流電圧の印加時間が70分間に設定され、第2の分極処理では第1の分極処理の電界とは逆方向の600V/mmの電界がセラミックスに生じるように金電極へ直流電圧が印加された。 After that, in the same manner as in Examples 1 to 5, strip-shaped elements were produced from each disk-shaped ceramic, each strip-shaped element was subjected to the first polarization treatment, and each strip-shaped element was further subjected to the second polarization treatment. Thus, piezoelectric elements according to the present invention (Examples 15 to 20) were produced. However, in the first polarization treatment, the application time of the DC voltage was set to 70 minutes, and in the second polarization treatment, gold was applied so that an electric field of 600 V/mm in the opposite direction to the electric field in the first polarization treatment was generated in the ceramics. A DC voltage was applied to the electrodes.

次いで、本発明に係る圧電素子(実施例15~20)を恒温槽(エスペック社製 SH-261)に収容し、恒温槽の雰囲気温度を変化させて、共振・反共振法により、d31とQの測定を行った。恒温槽の温度は5℃/分で変化させ、温度を変化させた後は5分保持した。具体的には、各圧電素子を30℃から60℃まで昇温させた後に、-30℃まで降温させてから、d31とQの測定を行った。さらに、10℃と40℃のd31の絶対値(以下、それぞれ「|d31,10℃|」、「|d31,40℃|」と表記する。)を用い、圧電定数の温度依存性の目安としての圧電定数変化比|d31, 40℃-d31, 10℃|/|d31, RT|を算出した。ここで「|d31, 40℃-d31, 10℃|」は、10℃と40℃のd31の絶対値の差を表す。このときの測定結果、算出結果を図17の表7に示した。 Next, the piezoelectric elements according to the present invention (Examples 15 to 20) were housed in a constant temperature bath (SH-261 manufactured by Espec Co., Ltd.), and the atmospheric temperature of the constant temperature bath was changed to determine d 31 and d 31 by the resonance/antiresonance method. Q m measurements were made. The temperature of the constant temperature bath was changed at a rate of 5° C./min, and the temperature was maintained for 5 minutes after changing the temperature. Specifically, after raising the temperature of each piezoelectric element from 30° C. to 60° C. and then lowering the temperature to −30° C., d 31 and Q m were measured. Furthermore, using the absolute values of d31 at 10°C and 40°C (hereinafter referred to as “| d31,10 ° C |” and “| d31,40°C |” respectively), the temperature dependence of the piezoelectric constant A piezoelectric constant change ratio |d 31,40 ° C.d 31,10 ° C. |/|d 31, RT | as a measure of the temperature was calculated. Here, "|d31,40 °C -d31,10 °C |" represents the difference in the absolute values of d31 between 10°C and 40°C. The measurement results and calculation results at this time are shown in Table 7 of FIG.

次いで、本発明に係る圧電素子(実施例15~20)から、実施例1~5と同様の工程を経て、結晶粒及びドメイン観察用の断面試料を作製し、各断面試料における結晶粒の平均円相当径を算出し、ドメインの幅を計測した。このとき、本発明に係る圧電素子(実施例15~20)について、実施例6~10と同様に、第1のドメインを有する結晶粒Aの数密度(個数%)と第2のドメインを有する結晶粒Bの数密度(個数%)を算出した。このときの算出結果、計測結果を図17の表7に示した。また、算出された本発明に係る圧電素子(実施例15~20)の結晶粒の平均円相当径はいずれも2.8μmであった。 Next, from the piezoelectric element according to the present invention (Examples 15 to 20), through the same steps as in Examples 1 to 5, cross-sectional samples for observing crystal grains and domains were produced, and the average number of crystal grains in each cross-sectional sample was The equivalent circle diameter was calculated and the width of the domain was measured. At this time, in the piezoelectric element according to the present invention (Examples 15 to 20), similarly to Examples 6 to 10, the number density (number %) of the crystal grains A having the first domain and the second domain The number density (number %) of crystal grains B was calculated. The calculation results and measurement results at this time are shown in Table 7 of FIG. In addition, the calculated average equivalent circle diameter of the crystal grains of the piezoelectric elements according to the present invention (Examples 15 to 20) was 2.8 μm.

実施例15~20のいずれにおいても、結晶粒の平均円相当径が1.0μm以上且つ10μm以下であった。また、表6に示すように、実施例15~20のいずれにおいても、第1のドメインを有する結晶粒Aと第2のドメインを有する結晶粒Bがいずれも5個数%以上存在し、室温下におけるd31の絶対値が120pm/V以上であり、Qが600以上であった。したがって、実施例15~実施例20は振動時に伸び縮みし易く、振動時の弾性損失も小さいため、駆動源に用いるのに適切であることが分かった。特に、xの値が0.02以上且つ0.10以下である場合、室温下におけるd31の絶対値が150pm/V以上であり、振動時の伸び縮みのし易さの観点からは好ましい。また、xの値が0.10以上且つ0.20以下であっても、室温下におけるd31の絶対値が130pm/V以上であり、且つ、圧電定数変化比の値が0.30未満と小さく、振動時の伸び縮みのし易さが温度に依存しにくい点で好ましい。さらに、実施例15~実施例20のいずれにおいても、xの値が0.30よりも小さくCaの相対的な含有量が少ないことから、焼成温度を1400℃以下に設定することができ、作製の容易さの観点からは望ましいことが分かった。 In any of Examples 15 to 20, the average equivalent circle diameter of the crystal grains was 1.0 μm or more and 10 μm or less. Further, as shown in Table 6, in any of Examples 15 to 20, the crystal grains A having the first domain and the crystal grains B having the second domain were both present at 5% by number or more, and at room temperature The absolute value of d31 was 120 pm/V or more, and Qm was 600 or more. Therefore, it was found that Examples 15 to 20 are suitable for use as a drive source because they easily expand and contract when vibrating and have small elastic loss when vibrating. In particular, when the value of x is 0.02 or more and 0.10 or less, the absolute value of d31 at room temperature is 150 pm/V or more, which is preferable from the viewpoint of ease of expansion and contraction during vibration. Further, even if the value of x is 0.10 or more and 0.20 or less, the absolute value of d31 at room temperature is 130 pm/V or more and the value of the piezoelectric constant change ratio is less than 0.30. It is preferable in that it is small and the easiness of expansion and contraction during vibration does not easily depend on temperature. Furthermore, in any of Examples 15 to 20, since the value of x is less than 0.30 and the relative content of Ca is small, the firing temperature can be set to 1400 ° C. or less. It was found to be desirable from the viewpoint of ease of

次に、実施例21~25について説明する。まず、実施例1~5と同様の原料粉末を用い、これらの原料粉末を、Ba、Ca、Ti、Zr、Mnの量が、上記式(1)において、x=0.13、z=0.002及びa=0.9955の組成を満たすように秤量して混合した。このとき、上記式(1)において、yが図18の表8に示す組成となるように、Ba、Ca、Ti、Zr、Mnの量を調整した。また、上記式(1)においてaを調整するために炭酸バリウム及び酸化チタンを適量添加した。これらの混合粉末を、ボールミルを用いて24時間の乾式混合によって混合し、混合粉を生成した。その後、実施例6~10と同様の工程を経て、円盤状のセラミックス(実施例21~25)を作製した。 Next, Examples 21 to 25 will be described. First, the same raw material powders as in Examples 1 to 5 were used, and the amounts of Ba, Ca, Ti, Zr, and Mn in the above formula (1) were x = 0.13, z = 0. Weighed and mixed to meet the composition of 0.002 and a=0.9955. At this time, the amounts of Ba, Ca, Ti, Zr, and Mn were adjusted so that y in the above formula (1) had the composition shown in Table 8 of FIG. Appropriate amounts of barium carbonate and titanium oxide were added to adjust a in the above formula (1). These mixed powders were mixed by dry mixing for 24 hours using a ball mill to produce a mixed powder. Thereafter, disc-shaped ceramics (Examples 21 to 25) were produced through the same steps as in Examples 6 to 10.

次いで、実施例1~5と同様に、X線回折によって各円盤状のセラミックスの結晶構造を雰囲気温度25℃で解析したところ、正方晶系のペロブスカイト構造に相当するピークのみが観察された。その後、実施例1~5と同様に、蛍光X線分析によって各円盤状のセラミックスの組成を評価したところ、各円盤状のセラミックスにおいて、その組成が秤量時の組成と一致することが分かった。また、各円盤状のセラミックス(実施例21~25)において、含有されるPb成分は1000ppm未満であった。 Then, in the same manner as in Examples 1 to 5, when the crystal structure of each disk-shaped ceramic was analyzed by X-ray diffraction at an ambient temperature of 25° C., only a peak corresponding to a tetragonal perovskite structure was observed. After that, the composition of each disk-shaped ceramic was evaluated by fluorescent X-ray analysis in the same manner as in Examples 1 to 5, and it was found that the composition of each disk-shaped ceramic matched the composition at the time of weighing. Moreover, the Pb component contained in each of the disk-shaped ceramics (Examples 21 to 25) was less than 1000 ppm.

次いで、実施例1~5と同様に、各円盤状のセラミックスから短冊状素子を作製し、各短冊状素子へ、実施例15~実施例20と同様の第1の分極処理及び第2の分極処理を施して本発明に係る圧電素子(実施例21~25)を作製した。その後、実施例1~5と同様に、本発明に係る圧電素子の室温下におけるd31とQの測定を行った。このときの測定結果を上記表8に示した。 Next, in the same manner as in Examples 1 to 5, a strip-shaped element is produced from each disk-shaped ceramic, and each strip-shaped element is subjected to the first polarization treatment and the second polarization as in Examples 15 to 20. Piezoelectric elements according to the present invention (Examples 21 to 25) were produced by performing the treatment. Thereafter, d 31 and Q m of the piezoelectric element according to the present invention were measured at room temperature in the same manner as in Examples 1-5. The measurement results at this time are shown in Table 8 above.

次いで、本発明に係る圧電素子(実施例21~25)を恒温槽(エスペック社製 SH-261)に収容し、恒温槽の雰囲気温度を変化させて、平行板コンデンサ法によって各圧電素子の誘電率の温度依存性を測定し、キュリー温度Tを決定した。このとき、各圧電素子には周波数1kHz、電界強度10V/cmの交流電界が印加された。また、恒温槽の温度は室温から150℃まで5℃/分で変化させ、温度を変化させた後は5分保持した。このときの測定結果、算出結果を図18の表8に示した。 Next, the piezoelectric elements according to the present invention (Examples 21 to 25) were housed in a constant temperature bath (SH-261 manufactured by Espec Co., Ltd.), the ambient temperature of the constant temperature bath was changed, and the dielectric of each piezoelectric element was measured by the parallel plate capacitor method. The temperature dependence of the modulus was measured and the Curie temperature TC was determined. At this time, an AC electric field with a frequency of 1 kHz and an electric field strength of 10 V/cm was applied to each piezoelectric element. The temperature of the constant temperature bath was changed from room temperature to 150° C. at a rate of 5° C./min, and the temperature was maintained for 5 minutes after changing the temperature. The measurement results and calculation results at this time are shown in Table 8 of FIG.

次いで、本発明に係る圧電素子(実施例21~25)から、実施例1~5と同様の工程を経て、結晶粒及びドメイン観察用の断面試料を作製し、各断面試料における結晶粒の平均円相当径を算出し、ドメインの幅を計測した。このとき、本発明に係る圧電素子(実施例21~25)について、実施例6~10と同様に、第1のドメインを有する結晶粒Aの数密度(個数%)と第2のドメインを有する結晶粒Bの数密度(個数%)を算出した。このときの算出結果、計測結果を図18の表8に示した。また、算出された本発明に係る圧電素子(実施例21~25)の結晶粒の平均円相当径はいずれも2.8μmであった。 Next, from the piezoelectric element according to the present invention (Examples 21 to 25), through the same steps as in Examples 1 to 5, cross-sectional samples for observing crystal grains and domains were produced. The equivalent circle diameter was calculated and the width of the domain was measured. At this time, in the piezoelectric elements according to the present invention (Examples 21 to 25), similarly to Examples 6 to 10, the number density (number %) of the crystal grains A having the first domain and the second domain The number density (number %) of crystal grains B was calculated. The calculation results and measurement results at this time are shown in Table 8 of FIG. In addition, the calculated average equivalent circle diameter of the crystal grains of the piezoelectric elements according to the present invention (Examples 21 to 25) was all 2.8 μm.

実施例21~25のいずれにおいても、結晶粒の平均円相当径が1.0μm以上且つ10μm以下であった。また、表8に示すように、実施例21~25のいずれにおいても、第1のドメインを有する結晶粒Aと第2のドメインを有する結晶粒Bがいずれも5個数%以上存在し、室温下におけるd31の絶対値が110pm/V以上であり、Qも800以上であった。したがって、実施例21~25は振動時に伸び縮みし易く、振動時の弾性損失も小さいため、駆動源に用いるのに適切であることが分かった。特に、yの値が0.010以上且つ0.095以下である場合、室温下におけるd31の絶対値が120pm/V以上であり、且つ、Tが100℃以上であることから、圧電特性の観点からはより望ましい。 In any of Examples 21 to 25, the average equivalent circle diameter of the crystal grains was 1.0 μm or more and 10 μm or less. Further, as shown in Table 8, in any of Examples 21 to 25, the crystal grains A having the first domain and the crystal grains B having the second domain were both present at 5% by number or more, and at room temperature The absolute value of d31 was 110 pm/V or more, and the Qm was also 800 or more. Therefore, it was found that Examples 21 to 25 are suitable for use as a drive source because they easily expand and contract during vibration and have small elastic loss during vibration. In particular, when the value of y is 0.010 or more and 0.095 or less, the absolute value of d31 at room temperature is 120 pm/V or more, and T C is 100° C. or more. is more desirable from the viewpoint of

次に、実施例26~31について説明する。まず、実施例1~5と同様の原料粉末を用い、これらの原料粉末を、Ba、Ca、Ti、Zr、Mnの量が、上記式(1)において、x=0.14、y=0.050及びa=0.9955の組成を満たすように秤量して混合した。このとき、上記式(1)において、zが図19の表9に示す組成となるように、Ba、Ca、Ti、Zr、Mnの量を調整した。また、上記式(1)においてaを調整するために炭酸バリウム及び酸化チタンを適量添加した。これらの混合粉末を、ボールミルを用いて24時間の乾式混合によって混合し、混合粉を生成した。その後、実施例6~10と同様の工程を経て、円盤状のセラミックス(実施例26~31)を作製した。 Next, Examples 26 to 31 will be described. First, the same raw material powders as in Examples 1 to 5 were used, and the amounts of Ba, Ca, Ti, Zr, and Mn in the above formula (1) were x = 0.14, y = 0. Weighed and mixed to meet the composition of 0.050 and a=0.9955. At this time, the amounts of Ba, Ca, Ti, Zr, and Mn were adjusted so that z in the above formula (1) had the composition shown in Table 9 of FIG. Appropriate amounts of barium carbonate and titanium oxide were added to adjust a in the above formula (1). These mixed powders were mixed by dry mixing for 24 hours using a ball mill to produce a mixed powder. After that, through the same steps as in Examples 6 to 10, disk-shaped ceramics (Examples 26 to 31) were produced.

次いで、実施例1~5と同様に、X線回折によって各円盤状のセラミックスの結晶構造を雰囲気温度25℃で解析したところ、正方晶系のペロブスカイト構造に相当するピークのみが観察された。その後、実施例1~5と同様に、蛍光X線分析によって各円盤状のセラミックスの組成を評価したところ、各円盤状のセラミックスにおいて、その組成が秤量時の組成と一致することが分かった。また、各円盤状のセラミックス(実施例26~31)において、含有されるPb成分は1000ppm未満であった。 Then, in the same manner as in Examples 1 to 5, when the crystal structure of each disk-shaped ceramic was analyzed by X-ray diffraction at an ambient temperature of 25° C., only a peak corresponding to a tetragonal perovskite structure was observed. After that, the composition of each disk-shaped ceramic was evaluated by fluorescent X-ray analysis in the same manner as in Examples 1 to 5, and it was found that the composition of each disk-shaped ceramic matched the composition at the time of weighing. In addition, the Pb component contained in each disk-shaped ceramic (Examples 26 to 31) was less than 1000 ppm.

次いで、実施例1~5と同様に、各円盤状のセラミックスから短冊状素子を作製し、各短冊状素子へ、実施例15~実施例20と同様の第1の分極処理及び第2の分極処理を施して本発明に係る圧電素子(実施例26~31)を作製した。その後、実施例1~5と同様に、本発明に係る圧電素子の室温下におけるd31とQの測定を行った。このときの測定結果を図19の表9に示した。 Next, in the same manner as in Examples 1 to 5, a strip-shaped element is produced from each disk-shaped ceramic, and each strip-shaped element is subjected to the first polarization treatment and the second polarization as in Examples 15 to 20. After processing, piezoelectric elements according to the present invention (Examples 26 to 31) were produced. Thereafter, d 31 and Q m of the piezoelectric element according to the present invention were measured at room temperature in the same manner as in Examples 1-5. The measurement results at this time are shown in Table 9 of FIG.

次いで、本発明に係る圧電素子(実施例26~31)から、実施例1~5と同様の工程を経て、結晶粒及びドメイン観察用の断面試料を作製し、各断面試料における結晶粒の平均円相当径を算出し、ドメインの幅を計測した。このとき、本発明に係る圧電素子(実施例26~31)について、実施例6~10と同様に、第1のドメインを有する結晶粒Aの数密度(個数%)と第2のドメインを有する結晶粒Bの数密度(個数%)を算出した。このときの算出結果、計測結果を図19の表9に示した。また、算出された本発明に係る圧電素子(実施例26~31)の結晶粒の平均円相当径はいずれも2.8μmであった。 Next, from the piezoelectric element according to the present invention (Examples 26 to 31), through the same steps as in Examples 1 to 5, cross-sectional samples for observing crystal grains and domains were produced. The equivalent circle diameter was calculated and the width of the domain was measured. At this time, in the piezoelectric elements according to the present invention (Examples 26 to 31), similarly to Examples 6 to 10, the number density (number %) of the crystal grains A having the first domain and the second domain The number density (number %) of crystal grains B was calculated. The calculation results and measurement results at this time are shown in Table 9 of FIG. In addition, the calculated average equivalent circle diameter of the crystal grains of the piezoelectric elements according to the present invention (Examples 26 to 31) was 2.8 μm.

実施例26~31のいずれにおいても、結晶粒の平均円相当径が1.0μm以上且つ10μm以下であった。また、表9に示すように、実施例26~31のいずれにおいても、第1のドメインを有する結晶粒Aと第2のドメインを有する結晶粒Bがいずれも5個数%以上存在し、室温下におけるd31の絶対値が130pm/V以上であり、Qも1000以上であった。したがって、実施例26~31は振動時に伸び縮みし易く、振動時の弾性損失も小さいため、駆動源に用いるのに適切であることが分かった。特に、zの値が0.003以上且つ0.012以下である場合、室温下におけるQが1200以上であることから、弾性損失抑制の観点からはより望ましい。 In any of Examples 26 to 31, the average equivalent circle diameter of the crystal grains was 1.0 μm or more and 10 μm or less. Further, as shown in Table 9, in any of Examples 26 to 31, the crystal grains A having the first domain and the crystal grains B having the second domain were both present at 5% by number or more, and at room temperature The absolute value of d31 was 130 pm/V or more, and the Qm was also 1000 or more. Therefore, it was found that Examples 26 to 31 are suitable for use as a drive source because they easily expand and contract when vibrated and have small elastic loss when vibrated. In particular, when the value of z is 0.003 or more and 0.012 or less, Qm at room temperature is 1200 or more, which is more desirable from the viewpoint of suppressing elastic loss.

次に、実施例32~37について説明する。まず、実施例1~5と同様の原料粉末を用い、これらの原料粉末を、Ba、Ca、Ti、Zr、Mnの量が、上記式(1)において、x=0.15、y=0.060、z=0.006及びa=0.9955の組成を満たすように秤量して混合した。ここで、実施例32~36に関し、原料粉末として酸化ビスマス(Bi、純度99.99%以上)を用いた。そして、上記式(1)におけるA(mol)とB(mol)の和に対するBiの含有量(mol)が、図20の表10に示す値になるようにBiを秤量して添加した。また、上記式(1)においてaを調整するために炭酸バリウム及び酸化チタンを適量添加した。これらの混合粉末を、ボールミルを用いて24時間の乾式混合によって混合し、混合粉を生成した。その後、実施例6~10と同様の工程を経て、円盤状のセラミックス(実施例32~37)を作製した。 Next, Examples 32 to 37 will be described. First, the same raw material powders as in Examples 1 to 5 were used, and the amounts of Ba, Ca, Ti, Zr, and Mn in the above formula (1) were x = 0.15, y = 0. 0.060, z=0.006 and a=0.9955. Here, regarding Examples 32 to 36, bismuth oxide (Bi 2 O 3 , purity of 99.99% or more) was used as the raw material powder. Then, Bi was weighed and added so that the content (mol) of Bi with respect to the sum of A (mol) and B (mol) in the above formula (1) was the value shown in Table 10 of FIG. Appropriate amounts of barium carbonate and titanium oxide were added to adjust a in the above formula (1). These mixed powders were mixed by dry mixing for 24 hours using a ball mill to produce a mixed powder. Thereafter, disc-shaped ceramics (Examples 32 to 37) were produced through the same steps as in Examples 6 to 10.

次いで、実施例1~5と同様に、X線回折によって各円盤状のセラミックスの結晶構造を雰囲気温度25℃で解析したところ、正方晶系のペロブスカイト構造に相当するピークのみが観察された。その後、実施例1~5と同様に、蛍光X線分析によって各円盤状のセラミックスの組成を評価したところ、各円盤状のセラミックスにおいて、その組成が秤量時の組成と一致することが分かった。また、各円盤状のセラミックス(実施例32~37)において、含有されるPb成分は1000ppm未満であった。 Then, in the same manner as in Examples 1 to 5, when the crystal structure of each disk-shaped ceramic was analyzed by X-ray diffraction at an ambient temperature of 25° C., only a peak corresponding to a tetragonal perovskite structure was observed. After that, the composition of each disk-shaped ceramic was evaluated by fluorescent X-ray analysis in the same manner as in Examples 1 to 5, and it was found that the composition of each disk-shaped ceramic matched the composition at the time of weighing. Further, the Pb component contained in each disk-shaped ceramic (Examples 32 to 37) was less than 1000 ppm.

次いで、実施例1~5と同様に、各円盤状のセラミックスから短冊状素子を作製し、各短冊状素子へ、実施例15~実施例20と同様の第1の分極処理及び第2の分極処理を施して本発明に係る圧電素子(実施例32~37)を作製した。その後、実施例1~5と同様に、本発明に係る圧電素子の室温下におけるd31とQの測定を行った。このときの測定結果を図20の表10に示した。 Next, in the same manner as in Examples 1 to 5, a strip-shaped element is produced from each disk-shaped ceramic, and each strip-shaped element is subjected to the first polarization treatment and the second polarization as in Examples 15 to 20. After processing, piezoelectric elements according to the present invention (Examples 32 to 37) were produced. Thereafter, d 31 and Q m of the piezoelectric element according to the present invention were measured at room temperature in the same manner as in Examples 1-5. The measurement results at this time are shown in Table 10 of FIG.

次いで、本発明に係る圧電素子(実施例32~37)を恒温槽(エスペック社製 SH-261)に収容し、恒温槽の雰囲気温度を変化させて、平行板コンデンサ法によって各圧電素子の誘電率の温度依存性を測定し、キュリー温度Tを決定した。このとき、各圧電素子には周波数1kHz、電界強度10V/cmの交流電界が印加された。また、恒温槽の温度は室温から150℃まで5℃/分で変化させ、温度を変化させた後は5分保持した。このときの測定結果、算出結果を図20の表10に示した。 Next, the piezoelectric elements according to the present invention (Examples 32 to 37) were housed in a constant temperature bath (SH-261 manufactured by Espec Co., Ltd.), the ambient temperature of the constant temperature bath was changed, and the dielectric of each piezoelectric element was measured by the parallel plate capacitor method. The temperature dependence of the modulus was measured and the Curie temperature TC was determined. At this time, an AC electric field with a frequency of 1 kHz and an electric field strength of 10 V/cm was applied to each piezoelectric element. The temperature of the constant temperature bath was changed from room temperature to 150° C. at a rate of 5° C./min, and the temperature was maintained for 5 minutes after changing the temperature. The measurement results and calculation results at this time are shown in Table 10 of FIG.

次いで、本発明に係る圧電素子(実施例32~37)を恒温槽(エスペック社製 SH-261)に収容し、恒温槽の雰囲気温度を変化させて、共振・反共振法により、各圧電素子の-30℃下におけるQ(以下、「Qm,-30℃」と表記する。)を測定した。ここで、各圧電素子の温度を-30℃に変化させた後は5分保持した。このときの測定結果を図20の表10に示した。 Next, the piezoelectric elements according to the present invention (Examples 32 to 37) were housed in a constant temperature bath (SH-261 manufactured by Espec Co., Ltd.), and the atmospheric temperature of the constant temperature bath was changed, and each piezoelectric element was measured by a resonance/antiresonance method. was measured at −30° C. (hereinafter referred to as “Q m , −30° C. ”). Here, after changing the temperature of each piezoelectric element to −30° C., the temperature was held for 5 minutes. The measurement results at this time are shown in Table 10 of FIG.

次いで、本発明に係る圧電素子(実施例32~37)から、実施例1~5と同様の工程を経て、結晶粒及びドメイン観察用の断面試料を作製し、各断面試料における結晶粒の平均円相当径を算出し、ドメインの幅を計測した。このとき、本発明に係る圧電素子(実施例32~37)について、実施例6~10と同様に、第1のドメインを有する結晶粒Aの数密度(個数%)と第2のドメインを有する結晶粒Bの数密度(個数%)を算出した。このときの算出結果、計測結果を図20の表10に示した。また、算出された本発明に係る圧電素子(実施例32~37)の結晶粒の平均円相当径はいずれも2.8μmであった。 Next, from the piezoelectric element according to the present invention (Examples 32 to 37), through the same steps as in Examples 1 to 5, cross-sectional samples for observing crystal grains and domains were produced. The equivalent circle diameter was calculated and the width of the domain was measured. At this time, in the piezoelectric elements according to the present invention (Examples 32 to 37), similarly to Examples 6 to 10, the number density (number %) of the crystal grains A having the first domain and the second domain The number density (number %) of crystal grains B was calculated. The calculation results and measurement results at this time are shown in Table 10 of FIG. The calculated average equivalent circle diameter of the crystal grains of the piezoelectric elements according to the present invention (Examples 32 to 37) was 2.8 μm.

実施例32~37のいずれにおいても、結晶粒の平均円相当径が1.0μm以上且つ10μm以下であった。また、表10に示すように、実施例32~37のいずれにおいても、第1のドメインを有する結晶粒Aと第2のドメインを有する結晶粒Bがいずれも5個数%以上存在し、室温下におけるd31の絶対値が120pm/V以上であり、Qも1200以上であった。したがって、実施例32~37は振動時に伸び縮みし易く、振動時の弾性損失も小さいため、駆動源に用いるのに適切であることが分かった。特に、Bi/(A+B)が0.15mol%以上且つ0.41mol%以下である場合、-30℃下におけるQ(Qm,-30℃)が350以上であることから、低温おける弾性損失を抑制することができることが分かった。 In any of Examples 32 to 37, the average equivalent circle diameter of the crystal grains was 1.0 μm or more and 10 μm or less. Further, as shown in Table 10, in any of Examples 32 to 37, the crystal grains A having the first domain and the crystal grains B having the second domain were both present at 5% by number or more, and at room temperature The absolute value of d31 was 120 pm/V or more, and the Qm was also 1200 or more. Therefore, it was found that Examples 32 to 37 are suitable for use as a drive source because they easily expand and contract during vibration and have small elastic loss during vibration. In particular, when Bi/(A+B) is 0.15 mol% or more and 0.41 mol% or less, Q m at −30° C. (Q m , −30° C. ) is 350 or more, so elastic loss at low temperature was found to be able to be suppressed.

次に、実施例38~42について説明する。まず、実施例1~5と同様の原料粉末を用い、これらの原料粉末を、Ba、Ca、Ti、Zr、Mnの量が、上記式(1)において、x=0.06、y=0.030及びz=0.008の組成を満たすように秤量して混合した。また、上記式(1)におけるaが図21の表11に示す値になるように炭酸バリウム及び酸化チタンを適量添加した。その後、これらの混合粉末を、ボールミルを用いて24時間の乾式混合によって混合して混合粉を生成し、実施例1~5と同様の工程を経て円盤状の成形体を作製した。その後、作製された成形体を、電気炉を用い、まず大気雰囲気下で600℃に保持して加熱を行った後、図21の表11に示す焼成温度まで昇温させ、各焼成温度で4.5時間保持した後に、自然放冷により室温に降温させた。これにより、圧電材料として円盤状のセラミックス(実施例38~42)を製作した。 Next, Examples 38 to 42 will be described. First, the same raw material powders as in Examples 1 to 5 were used, and the amounts of Ba, Ca, Ti, Zr, and Mn in the above formula (1) were x = 0.06, y = 0. Weighed and mixed to meet composition of .030 and z=0.008. Appropriate amounts of barium carbonate and titanium oxide were added so that a in the above formula (1) had the value shown in Table 11 of FIG. After that, these mixed powders were mixed by dry mixing for 24 hours using a ball mill to produce a mixed powder, and a disk-shaped molded body was produced through the same steps as in Examples 1 to 5. After that, using an electric furnace, the produced molded body was first heated at 600 ° C. in an air atmosphere, and then heated to the firing temperature shown in Table 11 in FIG. After holding for 0.5 hours, the temperature was lowered to room temperature by natural cooling. As a result, disk-shaped ceramics (Examples 38 to 42) were produced as piezoelectric materials.

次いで、各円盤状のセラミックスの室温(25℃)における実測密度を、アルキメデス法を用いて評価した。また、各円盤状のセラミックスの相対密度を、以下のX線回折から求めた格子定数と秤量組成から計算される理論密度及びアルキメデス法による実測密度を用いて評価した。このとき得られた相対密度を図21の表11に示した。 Next, the measured density of each disk-shaped ceramic at room temperature (25° C.) was evaluated using the Archimedes method. Also, the relative density of each disk-shaped ceramic was evaluated using the theoretical density calculated from the lattice constant obtained from the following X-ray diffraction and the weighed composition, and the measured density by the Archimedes method. The relative densities obtained at this time are shown in Table 11 of FIG.

次いで、実施例1~5と同様に、X線回折によって各円盤状のセラミックスの結晶構造を雰囲気温度25℃で解析したところ、正方晶系のペロブスカイト構造に相当するピークのみが観察された。その後、実施例1~5と同様に、蛍光X線分析によって各円盤状のセラミックスの組成を評価したところ、各円盤状のセラミックスにおいて、その組成が秤量時の組成と一致することが分かった。また、各円盤状のセラミックス(実施例38~42)において、含有されるPb成分は1000ppm未満であった。 Then, in the same manner as in Examples 1 to 5, when the crystal structure of each disk-shaped ceramic was analyzed by X-ray diffraction at an ambient temperature of 25° C., only a peak corresponding to a tetragonal perovskite structure was observed. After that, the composition of each disk-shaped ceramic was evaluated by fluorescent X-ray analysis in the same manner as in Examples 1 to 5, and it was found that the composition of each disk-shaped ceramic matched the composition at the time of weighing. In addition, the Pb component contained in each disk-shaped ceramic (Examples 38 to 42) was less than 1000 ppm.

その後、実施例1~5と同様に、各円盤状のセラミックスから短冊状素子を作製し、各短冊状素子へ第1の分極処理を施し、さらに、各短冊状素子へ第2の分極処理を施して本発明に係る圧電素子(実施例38~42)を作製した。但し、第1の分極処理では直流電圧の印加時間が100分間に設定され、第2の分極処理では第1の分極処理の電界とは逆方向の650V/mmの電界がセラミックスに生じるように金電極へ直流電圧が13分間に亘って印加された。その後、実施例1~5と同様に、本発明に係る圧電素子の室温下におけるd31とQの測定を行った。このときの測定結果を図21の表11に示した。 After that, in the same manner as in Examples 1 to 5, strip-shaped elements were produced from each disk-shaped ceramic, each strip-shaped element was subjected to the first polarization treatment, and each strip-shaped element was further subjected to the second polarization treatment. Thus, piezoelectric elements according to the present invention (Examples 38 to 42) were produced. However, in the first polarization treatment, the application time of the DC voltage was set to 100 minutes, and in the second polarization treatment, gold was applied so that an electric field of 650 V/mm in the opposite direction to the electric field of the first polarization treatment was generated in the ceramics. A DC voltage was applied to the electrodes for 13 minutes. Thereafter, d 31 and Q m of the piezoelectric element according to the present invention were measured at room temperature in the same manner as in Examples 1-5. The measurement results at this time are shown in Table 11 of FIG.

次いで、本発明に係る圧電素子(実施例38~42)から、実施例1~5と同様の工程を経て、結晶粒及びドメイン観察用の断面試料を作製し、各断面試料における結晶粒の平均円相当径を算出し、ドメインの幅を計測した。このとき、本発明に係る圧電素子(実施例38~42)について、実施例6~10と同様に、第1のドメインを有する結晶粒Aの数密度(個数%)と第2のドメインを有する結晶粒Bの数密度(個数%)を算出した。このときの算出結果、計測結果を図21の表11に示した。 Next, from the piezoelectric element according to the present invention (Examples 38 to 42), through the same steps as in Examples 1 to 5, cross-sectional samples for observing crystal grains and domains were produced. The equivalent circle diameter was calculated and the width of the domain was measured. At this time, in the piezoelectric elements according to the present invention (Examples 38 to 42), similarly to Examples 6 to 10, the number density (number %) of the crystal grains A having the first domain and the second domain The number density (number %) of crystal grains B was calculated. The calculation results and measurement results at this time are shown in Table 11 of FIG.

図21の表11に示すように、実施例38~42のいずれにおいても、結晶粒の平均円相当径が1.0μm以上且つ10μm以下であった。また、実施例38~42のいずれにおいても、第1のドメインを有する結晶粒Aと第2のドメインを有する結晶粒Bがいずれも5個数%以上存在し、室温下におけるd31の絶対値が80pm/V以上であり、Qも600以上であった。したがって、実施例38~42は振動時に伸び縮みし易く、振動時の弾性損失も小さいため、駆動源に用いるのに適切であることが分かった。特に、aが0.98以上且つ1.01以下である場合、相対密度が95%以上であり、焼成温度を1500℃未満に設定することができ、作製の容易さの観点からは望ましいことが分かった。 As shown in Table 11 of FIG. 21, in all of Examples 38 to 42, the average equivalent circle diameter of the crystal grains was 1.0 μm or more and 10 μm or less. Further, in any of Examples 38 to 42, the crystal grains A having the first domain and the crystal grains B having the second domain are present at 5% by number or more, and the absolute value of d31 at room temperature is It was 80 pm/V or more, and Qm was also 600 or more. Therefore, it was found that Examples 38 to 42 are suitable for use as a drive source because they easily expand and contract during vibration and have small elastic loss during vibration. In particular, when a is 0.98 or more and 1.01 or less, the relative density is 95% or more, and the firing temperature can be set to less than 1500 ° C., which is desirable from the viewpoint of ease of production. Do you get it.

次に、実施例43について説明する。実施例43として、上述した実施例2の圧電素子を用い、上述した振動波モータ400を作製した。この振動波モータ400では、交番電圧の印加に応じた出力軸403の回転が確認された。また、実施例44について説明する。実施例44として、実施例43の振動波モータ400を用い、上述した交換レンズ鏡筒500を作製した。この交換レンズ鏡筒500では、交番電圧の印加に応じたオートフォーカス動作が確認された。 Next, Example 43 will be described. As Example 43, the vibration wave motor 400 described above was manufactured using the piezoelectric element of Example 2 described above. In this vibration wave motor 400, it was confirmed that the output shaft 403 rotated according to the application of the alternating voltage. In addition, Example 44 will be described. As Example 44, the vibration wave motor 400 of Example 43 was used to fabricate the interchangeable lens barrel 500 described above. It was confirmed that the interchangeable lens barrel 500 performs an autofocus operation in response to application of an alternating voltage.

次に、実施例45について説明する。まず、チタン化合物、カルシウム化合物、ジルコン化合物、酸化ビスマス(Bi)、三酸化四マンガン(Mn)を、表10における実施例34の組成を満たすように秤量して混合し、混合粉末を得た。その後、これらの混合粉末を、ボールミルを用いて一晩混合して混合粉を生成した。次いで、生成された混合粉にPVBを加えて混合した後、ドクターブレード法によって混合物を塗布し、結果として厚さが50μmのグリーンシートを作製した。さらに、このグリーンシートに内部電極用の導電ペーストを印刷した。導電ペーストにはPdペーストを用いた。その後、導電ペーストを塗布したグリーンシートを9枚積層して積層体を構成し、該積層体を1340℃まで昇温させ、5時間に亘って1340℃の状態を保持して焼結体を作製した。次いで、焼結体を10mm×2.5mmの大きさに切断し、さらにその側面を研磨し、内部電極の層を交互に短絡させる一対の外部電極をその側面に、さらに、それぞれ当該一対の外部電極に接続する上側電極と下側電極をその上面と下面にAuスパッタによって形成した。これにより、積層構造を有する圧電素子300を作製した。この圧電素子300の内部電極を観察したところ、Pdからなる複数の層の内部電極302が圧電材料層301と交互に形成されていた。その後、圧電性の評価に先立って圧電素子300に分極処理を施した。具体的には、第1の分極処理として、圧電素子300をオイルバス中で100℃に加熱し、上側電極303と下側電極304の間に1kV/mmの電界が生じるように70分間直流電圧を印加した後、圧電素子300が室温になるように自然放冷した。その後に、第2の分極処理として、圧電素子300が75℃になるように加熱し、第1の分極処理の電界とは逆方向の600V/mmの電界が上側電極303と下側電極304の間に生じるように10分間直流電圧を印加し、その後に急冷させた。このとき作製された圧電素子300の圧電性を評価したところ、十分な絶縁性を有し、実施例1の圧電材料と同等の良好な圧電特性を得ることが確認できた。 Next, Example 45 will be described. First, a titanium compound, a calcium compound, a zircon compound, bismuth oxide (Bi 2 O 3 ), and tetramanganese trioxide (Mn 3 O 4 ) were weighed and mixed so as to satisfy the composition of Example 34 in Table 10, A mixed powder was obtained. These mixed powders were then mixed overnight using a ball mill to produce a mixed powder. Next, after adding and mixing PVB to the mixed powder thus produced, the mixture was applied by a doctor blade method, and as a result, a green sheet having a thickness of 50 μm was produced. Further, a conductive paste for internal electrodes was printed on this green sheet. Pd paste was used as the conductive paste. After that, nine green sheets coated with a conductive paste are laminated to form a laminate, and the laminate is heated to 1340° C. and maintained at 1340° C. for 5 hours to prepare a sintered body. did. Next, the sintered body is cut into a size of 10 mm × 2.5 mm, the side surface is polished, and a pair of external electrodes for alternately short-circuiting the layers of the internal electrodes are formed on the side surface. Upper and lower electrodes connected to the electrodes were formed on the upper and lower surfaces by Au sputtering. Thus, a piezoelectric element 300 having a laminated structure was produced. When the internal electrodes of this piezoelectric element 300 were observed, it was found that a plurality of layers of internal electrodes 302 made of Pd and the piezoelectric material layers 301 were alternately formed. Thereafter, the piezoelectric element 300 was subjected to polarization treatment prior to evaluation of piezoelectricity. Specifically, as the first polarization treatment, the piezoelectric element 300 is heated to 100° C. in an oil bath, and a DC voltage is applied for 70 minutes so that an electric field of 1 kV/mm is generated between the upper electrode 303 and the lower electrode 304 . was applied, the piezoelectric element 300 was naturally cooled to room temperature. After that, as the second polarization treatment, the piezoelectric element 300 is heated to 75° C., and an electric field of 600 V/mm is applied to the upper electrode 303 and the lower electrode 304 in the opposite direction to the electric field of the first polarization treatment. A DC voltage was applied for 10 minutes in between, followed by quenching. When the piezoelectric properties of the piezoelectric element 300 produced at this time were evaluated, it was confirmed that the piezoelectric element 300 had sufficient insulating properties and had good piezoelectric properties equivalent to those of the piezoelectric material of the first embodiment.

次に、実施例46について説明する。実施例46として、実施例45の圧電素子300を用い、上述した振動波モータ407を作製した。この振動波モータ407では、交番電圧の印加に応じたロータ410の回転が確認された。また、実施例47について説明する。実施例47として、実施例46の振動波モータ407を用い、上述した交換レンズ鏡筒500を作製した。この交換レンズ鏡筒500では、交番電圧の印加に応じたオートフォーカス動作が確認された。さらに、実施例48について説明する。実施例48として、実施例2の圧電素子を用い、上述したデジタルカメラ700を作製した。このデジタルカメラ700では、交番電圧の印加に応じたスピーカ動作が確認された。 Next, Example 46 will be described. As Example 46, the piezoelectric element 300 of Example 45 was used to fabricate the vibration wave motor 407 described above. In this vibration wave motor 407, it was confirmed that the rotor 410 rotated according to the application of the alternating voltage. In addition, Example 47 will be described. As Example 47, using the vibration wave motor 407 of Example 46, the interchangeable lens barrel 500 described above was manufactured. It was confirmed that the interchangeable lens barrel 500 performs an autofocus operation in response to application of an alternating voltage. Further, Example 48 will be described. As Example 48, the above-described digital camera 700 was manufactured using the piezoelectric element of Example 2. FIG. In this digital camera 700, it was confirmed that the speaker operated according to the application of the alternating voltage.

次に、実施例49について説明する。実施例49として、実施例45の圧電素子300を用い、上述した圧電アクチュエータ10011を作製した。さらに、この圧電アクチュエータ10011を用いて、図8Aに示される超音波プローブ1001を作製した。この超音波プローブ1001では、入力した電気信号に追随した超音波の発信動作と被検体から反射した超音波の受信動作が確認された。また、上述した超音波プローブ1001を用いて、図8Bに示される超音波検査装置を作製した。この超音波検査装置では、出入力した超音波の振動データからノイズの軽減された超音波画像の生成が確認された。 Next, Example 49 will be described. As Example 49, using the piezoelectric element 300 of Example 45, the piezoelectric actuator 10011 described above was produced. Furthermore, using this piezoelectric actuator 10011, an ultrasonic probe 1001 shown in FIG. 8A was produced. In this ultrasonic probe 1001, it was confirmed that an operation of transmitting an ultrasonic wave following an input electrical signal and an operation of receiving an ultrasonic wave reflected from a subject were performed. Also, using the ultrasonic probe 1001 described above, an ultrasonic inspection apparatus shown in FIG. 8B was produced. In this ultrasonic inspection apparatus, it was confirmed that an ultrasonic image with reduced noise was generated from vibration data of ultrasonic waves input and output.

本発明に係る圧電材料は、広範囲な動作温度に亘って良好で安定した圧電性を発現することができる。また、鉛を含まないために環境に対する負荷を低減することができる。また、本発明に係る圧電材料は、振動波モータ、該振動波モータを備えた光学機器や電子機器等の圧電材料を多く用いる機器にも問題なく利用することができる。 The piezoelectric material according to the present invention can exhibit good and stable piezoelectricity over a wide range of operating temperatures. In addition, since it does not contain lead, the load on the environment can be reduced. In addition, the piezoelectric material according to the present invention can also be used without problems in equipment that uses a large amount of piezoelectric material, such as vibration wave motors, optical equipment equipped with the vibration wave motor, and electronic equipment.

200,300,405,412 圧電素子
201,303 上側電極
202 圧電材料部
203,304 下側電極
301 圧電材料層
302 内部電極
400,407 振動波モータ
500 交換レンズ鏡筒
530 振動波モータ
700 デジタルカメラ
703 マイク
708 スピーカ
1001 超音波プローブ
10011 圧電アクチュエータ
1002 信号処理ユニット
1003 画像形成ユニット
200, 300, 405, 412 Piezoelectric element 201, 303 Upper electrode 202 Piezoelectric material portion 203, 304 Lower electrode 301 Piezoelectric material layer 302 Internal electrode 400, 407 Vibration wave motor 500 Interchangeable lens barrel 530 Vibration wave motor 700 Digital camera 703 Microphone 708 Speaker 1001 Ultrasonic Probe 10011 Piezoelectric Actuator 1002 Signal Processing Unit 1003 Image Forming Unit

Claims (13)

Ba、Ca、Ti、Zr、Mn、Oを含有する複数の結晶粒を含む圧電材料であって、
前記複数の結晶粒の平均円相当径が1.0μm以上且つ10μm以下であり、
前記複数の結晶粒には、その幅が300nm以上且つ800nm以下の第1のドメインを有する結晶粒Aと、その幅が20nm以上且つ50nm以下の第2のドメインを有する結晶粒Bと、が含まれており、
室温下における前記圧電材料の機械的品質係数が600以上であることを特徴とする圧電材料。
A piezoelectric material including a plurality of crystal grains containing Ba, Ca, Ti, Zr, Mn, and O,
The average equivalent circle diameter of the plurality of crystal grains is 1.0 μm or more and 10 μm or less,
The plurality of crystal grains include a crystal grain A having a first domain with a width of 300 nm or more and 800 nm or less, and a crystal grain B having a second domain with a width of 20 nm or more and 50 nm or less. and
A piezoelectric material having a mechanical quality factor of 600 or more at room temperature .
前記複数の結晶粒において、前記第1のドメインを有する結晶粒Aが5個数%以上存在し、且つ、前記第2のドメインを有する結晶粒Bが5個数%以上存在することを特徴とする請求項1に記載の圧電材料。 5% or more of the crystal grains A having the first domain and 5% or more of the crystal grains B having the second domain among the plurality of crystal grains Item 1. The piezoelectric material according to item 1. 前記結晶粒Aは、前記第1のドメイン及び前記第2のドメインのいずれも有する結晶粒Aを含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の圧電材料。 3. The piezoelectric material according to claim 1, wherein the crystal grains A include crystal grains A having both the first domain and the second domain. 前記結晶粒Bは、前記第1のドメイン及び前記第2のドメインのいずれも有する結晶粒Bを含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の圧電材料。 3. The piezoelectric material according to claim 1, wherein the crystal grains B include crystal grains B having both the first domain and the second domain. 前記第1のドメインは、隣接する結晶粒の粒界を越えて延在することを特徴とすることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の圧電材料。 5. A piezoelectric material as claimed in any one of the preceding claims, characterized in that the first domains extend beyond grain boundaries of adjacent grains. 含有されるPb成分が1000ppm未満であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の圧電材料。 6. The piezoelectric material according to any one of claims 1 to 5, wherein the Pb component contained is less than 1000 ppm. 前記含有されるBaとCaのモル数の和に対する、前記含有されるCaのモル数の比であるxが0.02≦x≦0.30であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の圧電材料。 7. The method of claims 1 to 6, wherein x, which is the ratio of the number of moles of Ca contained to the sum of the number of moles of Ba and Ca contained, is 0.02 ≤ x ≤ 0.30. The piezoelectric material according to any one of items 1 and 2. 前記含有されるTi、ZrとMnのモル数の和に対する、前記含有されるZrのモル数の比であるyが0.01≦y≦0.095で あることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の圧電材料。 1 to 1, wherein y, which is the ratio of the number of moles of Zr contained to the sum of the number of moles of Ti, Zr, and Mn contained, is 0.01 ≤ y ≤ 0.095. 8. The piezoelectric material according to any one of 7. 電極及び圧電材料部を備え、
前記圧電材料部を構成する圧電材料が請求項1乃至8のいずれか1項に記載の圧電材料であることを特徴とする圧電素子。
Equipped with an electrode and a piezoelectric material part,
A piezoelectric element, wherein the piezoelectric material constituting the piezoelectric material portion is the piezoelectric material according to any one of claims 1 to 8.
前記圧電材料部と電極とが交互に積層されていることを特徴とする請求項9に記載の圧電素子。 10. The piezoelectric element according to claim 9, wherein the piezoelectric material portions and the electrodes are alternately laminated. 請求項9又は10に記載の圧電素子が配された振動体と、移動体とを備えることを特徴とする振動波モータ。 11. A vibration wave motor, comprising: a vibrating body in which the piezoelectric element according to claim 9 or 10 is arranged; and a moving body. 駆動部を備え、前記駆動部が請求項11に記載の振動波モータを有することを特徴とする光学機器。 12. An optical apparatus comprising a driving section, wherein the driving section has the vibration wave motor according to claim 11. 請求項9又は10に記載の圧電素子を備えることを特徴とする電子機器。 An electronic device comprising the piezoelectric element according to claim 9 or 10.
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