JP7195742B2 - 圧電材料、圧電材料の製造方法、圧電素子、振動波モータ、光学機器、および電子機器 - Google Patents
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Description
原料1:Ba、TiおよびZrを有し、TiとZrの含有量の和(mol)に対するZrの含有量の比であるpが0.00005≦p≦0.0020
原料2:Ca、TiおよびZrを有し、TiとZrの含有量の和(mol)に対するZrの含有量の比であるqが0.00005≦q≦0.0200
原料3:Ca、TiおよびZrを有し、TiとZrの含有量の和(mol)に対するTiの含有量の比であるrが0.00005≦r≦0.0060
本発明に係る光学機器は、駆動部を有する光学機器であって、前記駆動部が、上記の振動波モータを備えることを特徴とする。
本発明に係る電子機器は、上記の圧電素子を備えることを特徴とする。
また、本発明によれば、前記圧電材料の製造方法を提供することができる。
さらに、本発明によれば、前記圧電材料を用いた圧電素子、振動波モータおよび電子機器を提供することができる。
(圧電材料)
本発明に係る圧電材料は、少なくともBa、Ca、Ti、Zr、Mnを有する金属酸化物よりなり、かつ、ペロブスカイト構造を有する圧電材料であって、Baおよび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が0.10≦x≦0.18であり、Ti、Zrおよび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yが0.055≦y≦0.085であり、前記B(mol)に対するMnの含有量(mol)の比であるzが0.003≦z≦0.012であり、前記圧電材料を-30℃から-20℃まで昇温して計測した圧電定数d31をd31(-20u)、前記圧電材料を25℃から-20℃まで降温して計測した圧電定数d31をd31(-20d)としたときに、0≦(|d31(-20u)-d31(-20d)|)/|d31(-20u)|≦0.08であり、かつ、|d31(-20u)|と|d31(-20d)|のいずれもが130pm/V以上であることを特徴とする。
(Ba1-xCax)a(Ti1-y-zZryMnz)O3 (1)
(式中、0.10≦x≦0.18、0.055≦y≦0.085、0.003≦z≦0.012)
本発明に係る圧電材料の形態は限定されず、セラミックス、粉末、単結晶、薄膜、スラリー、造粒粉、成形体などのいずれの形態をも取り得るが、セラミックスの形態であることが好ましい。本明細書中において「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結晶粒子の凝集体(バルク体とも言う)、いわゆる多結晶を表す。焼結後に加工されたものも含まれる。
本発明において、ペロブスカイト型金属酸化物とは、岩波理化学辞典 第5版(岩波書店 1998年2月20日発行)に記載されているような、理想的には立方晶構造であるペロブスカイト構造(ペロフスカイト構造とも言う)を有する金属酸化物を指す。ペロブスカイト構造を有する金属酸化物は一般にABO3の化学式で表現される。ペロブスカイト型金属酸化物において、元素A、Bは各々イオンの形でAサイト、Bサイトと呼ばれる単位格子の特定の位置を占める。例えば、立方晶系の単位格子であれば、A元素は立方体の頂点、B元素は体心に位置する。O元素は酸素の陰イオンとして立方体の面心位置を占める。
前記一般式(1)で表わされる金属酸化物は、Aサイトに位置する金属元素がBaとCa、Bサイトに位置する金属元素がTi、ZrとMnであることを意味する。ただし、一部のBaとCaがBサイトに位置してもよい。同様に、一部のTi、ZrとMnがAサイトに位置してもよい。
前記金属酸化物がペロブスカイト構造であることは、例えば、圧電材料に対する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良い。
本発明の圧電材料において、Baおよび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の値は0.10≦x≦0.18である。xの値が、0.10≦x≦0.18の範囲であることで、動作温度範囲(例えば-30℃~60℃)における温度に対する圧電定数の変動が小さくなる。
一方、xが0.18より大きい場合、動作温度範囲における圧電定数が総じて、例えばd31定数が50pm/V以下と、小さくなってしまう。
xが0.12以上で0.16以下の場合は、温度に対する圧電定数の変動抑制と圧電定数の大きさが両立されるので、より好ましい。
一方、yが0.085より大きい場合は、キュリー温度が、例えば100℃未満と低くなり、圧電デバイスの動作保証温度範囲が狭くなってしまう。
前記圧電材料を-30℃から-20℃まで昇温して計測した圧電定数d31をd31(-20u)とする。計測時の圧電材料の温度は-20℃であるが、±0.1℃程度の誤差は許容される。-30℃からの昇温以前の温度履歴は制限されないが、脱分極を誘発するような加熱は避ける。-30℃から-20℃までの加熱方法や加熱速度は制限されないが、-20℃を超えた過加熱は+0.5℃(-19.5℃)までに抑える。
本発明の圧電材料において、前記|d31(-20u)|と前記|d31(-20d)|のいずれの圧電定数も、130pm/V以上であることが好ましい。実用的な圧電デバイスにおいて、-20℃の使用環境になると、ゴム部材等の周辺部材が室温時より硬化して、圧電動作を阻害することがままある。そこで、-20℃においては、圧電材料の温度履歴に依らず、130pm/V以上の圧電定数d31が求められる。
圧電材料の前記|d31(-20u)|と前記|d31(-20d)|の少なくとも一方が、130pm/V未満であると、圧電デバイスの動作保証温度範囲が狭くなってしまう。
前記圧電材料の25℃における圧電定数d31をd31(rt)としたときに、1≦(|d31(-20u)|+|d31(-20d)|)/2|d31(rt)|≦2であると、室温と-20℃の圧電特性の変動が小さくなるので、圧電デバイスにおける圧電材料への投入電力が温度に対して安定する。そうすると、簡易な電源回路で圧電デバイスを駆動することが可能となり、好ましい。
前記圧電材料の-20℃における機械的品質係数Qmが400以上であることが望ましい。-20℃のような低温では、デバイスの構成部材の温度変化によってデバイス特性が低下する傾向がある。そこで、-20℃における機械的品質係数Qmが400以上であると、低温であってもデバイス特性を維持できるのでより望ましい。例えば、回転型振動波モータは低温では構成部材の温度変化に伴う変形や、使用するグリスの硬化に伴う摺動損失の増加などにより回転数が低下する傾向がある。-20℃における機械的品質係数Qmが400以上であると回転数の低下傾向を軽減することができる。
前記一般式(1)において、A(mol)とB(mol)の比を示すaは0.98以上で1.01以下であることがより好ましい。aが上記範囲であると、圧電材料のセラミックスとしての結晶粒径が3μmから30μmの範囲となり、圧電材料の強度が十分得られるので望ましい。
前記圧電材料がBiよりなる副成分を有し、Biの前記金属酸化物に対するモル比が0.15%以上0.40%以下であると、より好ましい。本発明の圧電材料が前記範囲のBiよりなる副成分を含有していると、低温領域、例えば-20℃での機械的品質係数が400以上と、大きくなり、低温領域での圧電デバイスの制御が容易となる。
本発明の圧電材料を基板上に作製された膜として利用する際、前記圧電材料の厚みは200nm以上10μm以下、より好ましくは300nm以上3μm以下であることが望ましい。圧電材料の膜厚を200nm以上10μm以下とすることで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。
前記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)などが挙げられる。これらのうち、最も好ましい積層方法は、化学溶液堆積法またはスパッタリング法である。化学溶液堆積法また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。
本発明の圧電材料に用いる基板は(001)面または(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で、その基板表面に設けられた圧電材料膜も同一方位に強く配向させることができる。
以下に本発明の圧電材料を用いた圧電素子について説明する。
図1は本発明の圧電素子の構成の一実施形態を示す概略図である。本発明に係る圧電素子は、第一の電極1、圧電材料部2および第二の電極3を少なくとも有する圧電素子であって、前記圧電材料部2が本発明の圧電材料であることを特徴とする。
すなわち電極と圧電材料部を有し、当該圧電材料部を構成する圧電材料が前述の圧電材料である圧電素子である。
本発明に係る圧電材料は、少なくとも第一の電極と第二の電極を有する圧電素子にすることにより、その圧電特性を評価することができる。前記第一の電極および第二の電極は、厚み5nmから10μm程度の導電層よりなる。その材料は特に限定されず、圧電素子に通常用いられているものであればよい。例えば、Ti、Pt、Ta、Ir、Sr、In、Sn、Au、Al、Fe、Cr、Ni、Pd、Ag、Cuなどの金属およびこれらの化合物を挙げることができる。
前記圧電材料および圧電素子は一定方向に分極軸が揃っているものであると、より好ましい。分極軸が一定方向に揃っていることで前記圧電素子の圧電定数は大きくなる。前記圧電材料および圧電素子が、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があることで確認することができる。
本発明の圧電材料の25℃、周波数1kHzにおける誘電正接は0.006以下であることが好ましい。25℃における抵抗率は、1GΩcm以上であることが好ましい。誘電正接が0.006以下であると、圧電材料を素子の駆動条件下で最大500V/cmの電界を印加した際でも、安定した動作を得ることができる。抵抗率が1GΩcm以上であると、分極処理の効果を十分に得ることができる。誘電正接および抵抗率は、インピーダンスアナライザを用いて、例えば、周波数が1kHz、電界強度が10V/cmの交流電界を印加することで測定可能である。
焼結体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。本発明では、焼結体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.)の割合、つまり相対密度(ρmeas./ρcalc.)が95%以上であると、圧電材料として十分に高いと言える。
本発明における「粒径」とは、顕微鏡観察法において一般に言われる「投影面積円相当径」を表し、結晶粒の投影面積と同面積を有する真円の直径を表す。本発明においては粒径の測定方法は特に制限されない。例えば圧電材料の表面を偏光顕微鏡や走査型電子顕微鏡で撮影して得られる写真画像を画像処理して求めることができる。対象となる粒子径により最適倍率が異なるため、光学顕微鏡と電子顕微鏡を使い分けても構わない。材料の表面ではなく研磨面や断面の画像から円相当径を求めても良い。
キュリー温度TCとは、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。本明細書においては、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TC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、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。
本発明の圧電材料はキュリー温度TCが100℃以上である事が好ましい。本発明に係る圧電材料は、キュリー温度TCが100℃以上に存在することにより、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、安定な圧電定数と機械的品質係数を有することが可能となる。
本発明の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。本明細書で言及する相転移とは、専ら斜方晶から正方晶、もしくは正方晶から斜方晶への相転移を指す。相転移温度はキュリー温度と同様の測定方法で評価することができ、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、またはラマン散乱などで評価することができる。
共振-反共振法を用いて測定した前記圧電素子の圧電定数および電気機械品質係数の温度依存性は以下のように測定しても良い。恒温槽に前記圧電素子を入れ、雰囲気の温度を変化させる。温度の変化速度は特に限定されることはないが、例えば1~10℃/分で変化させても良い。温度を変化させた後に、前記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、圧電定数および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、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。
本発明に係る圧電材料の製造方法は特に限定されない。
本発明に係る圧電材料の原料粉末としては、特に限定はされないが、以下のようなペロブスカイト構造を有する原料1、原料2および原料3の少なくとも一種以上を用いることが望ましい。
原料1:Ba、TiおよびZrを有し、TiとZrの含有量の和(mol)に対するZrの含有量の比であるpが0.00005≦p≦0.0020
原料2:Ca、TiおよびZrを有し、TiとZrの含有量の和(mol)に対するZrの含有量の比であるqが0.00005≦q≦0.0200
原料3:Ca、TiおよびZrを有し、TiとZrの含有量の和(mol)に対するTiの含有量の比であるrが0.00005≦r≦0.0060
原料4:Ba、Ca、TiおよびZrを有し、TiとZrの含有量の和(mol)に対するZrの含有量の比であるsが0.00005≦s≦0.0020
原料5:Ba、Ca、TiおよびZrを有し、TiとZrの含有量の和(mol)に対するZrの含有量の比であるtが0.00005≦t≦0.0200
使用可能なBa化合物としては、酸化バリウム、炭酸バリウム、蓚酸バリウム、酢酸バリウム、硝酸バリウム、チタン酸バリウム、ジルコン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸バリウムなどが挙げられる。
使用可能なCa化合物としては、酸化カルシウム、炭酸カルシウム、蓚酸カルシウム、酢酸カルシウム、チタン酸カルシウム、ジルコン酸カルシウムなどが挙げられる。
使用可能なTi化合物としては、酸化チタン、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸バリウム、チタン酸カルシウムなどが挙げられる。
使用可能なZr化合物としては、酸化ジルコニウム、ジルコン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸バリウム、ジルコン酸カルシウムなどが挙げられる。
使用可能なMn化合物としては、炭酸マンガン、一酸化マンガン、二酸化マンガン、三酸化四マンガン、酢酸マンガンなどが挙げられる。
使用可能なBi化合物としては、酸化ビスマス、ビスマス酸リチウムなどが挙げられる。
本発明に係る圧電材料の原料粉末を造粒する方法は特に限定されない。原料粉末を被覆して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、原料粉末100重量部に対して1重量部から10重量部が好ましく、成形体の密度が上がるという観点において2重量部から5重量部がより好ましい。原料1、原料2、原料3、Bi化合物及びMn化合物を機械的に混合した混合粉末を造粒してもよい。あるいは、原料4、原料5、Bi化合物及びMn化合物を機械的に混合した混合粉末を造粒してもよい。あるいは、Ba化合物、Ca化合物、Ti化合物、Zr化合物、Bi化合物及びMn化合物を機械的に混合した混合粉末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造粒してもよい。あるいは、Ba化合物、Ca化合物、Ti化合物、およびZr化合物を仮焼したのちに、バインダーを添加させてもよい。
0.871≦M1/(M1+M2+M3)≦0.930
0.009≦M2/(M1+M2+M3)≦0.078
0.043≦M3/(M1+M2+M3)≦0.070
本発明に係る圧電セラミックス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、もしくはスラリーから作製される固形物である。成形体作製の手段としては、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などを用いることができる。
本発明に係る圧電セラミックスの焼結方法は特に限定されない。焼結方法の例としては、電気炉による焼結、ガス炉による焼結、通電加熱法、マイクロ波焼結法、ミリ波焼結法、HIP(熱間等方圧プレス)などが挙げられる。電気炉およびガスによる焼結は、連続炉であってもバッチ炉であっても構わない。
前記焼結方法におけるセラミックスの焼成条件である焼結温度は特に限定されない。各化合物が反応し、充分に結晶成長する温度であることが好ましい。好ましい焼結温度としては、セラミックスの粒径を3μmから30μmの範囲にするという観点で、1200℃以上1450℃以下である。より好ましくは1250℃以上1420℃以下である。上記温度範囲において焼結した圧電セラミックスは良好な圧電性能を示す。
焼結処理により得られる圧電セラミックスの特性を再現よく安定させるためには、焼結温度を上記範囲内で一定にして2時間以上24時間以下の焼結処理を行うとよい。二段階焼結法など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ない方法が好ましい。
本発明に係る積層構造を有した圧電素子(積層圧電素子)は、複数の圧電材料層と、内部電極を含む複数の電極とが交互に積層された積層圧電素子であって、前記圧電材料層が本発明の圧電材料よりなることを特徴とする。
本発明に係る振動波モータは、前記圧電素子または前記積層圧電素子を配した振動体と、前記振動体と接触する移動体とを少なくとも有することを特徴とする。図3は、本発明の振動波モータの構成の一実施態様を示す概略図である。本発明の圧電素子が単板からなる振動波モータを、図3(a)に示す。振動波モータは、振動子201、振動子201の摺動面に不図示の加圧バネによる加圧力で接触しているロータ202、ロータ202と一体的に設けられた出力軸203を有する。前記振動子201は、金属の弾性体リング2011、本発明の圧電素子2012、圧電素子2012を弾性体リング2011に接着する有機系接着剤2013(エポキシ系、シアノアクリレート系など)で構成される。
圧電素子2042に位相の異なる交番電圧を印加することにより、振動子204は互いに直交する2つの振動を励起する。この二つの振動は合成され、振動子204の先端部を駆動するための円振動を形成する。なお、振動子204の上部にはくびれた周溝が形成され、駆動のための振動の変位を大きくしている。ロータ205は、加圧用のバネ206により振動子204と加圧接触し、駆動のための摩擦力を得る。ロータ205はベアリングによって回転可能に支持されている。
次に、本発明の光学機器について説明する。本発明の光学機器は、駆動部に前記振動波モータを備えたことを特徴とする。
次に、本発明の電子機器について説明する。本発明の電子機器は、前記圧電素子または前記積層圧電素子を備えたことを特徴とする。電子機器の例として、スピーカ、ブザー、マイク、表面弾性波(SAW)素子といった圧電音響部品を内蔵した電子機器が挙げられる。
また、本発明の圧電素子および積層圧電素子を用いることで、鉛を含む圧電素子を用いた場合と同等以上の駆動力、および耐久性を有する振動波モータを提供することができる。
以下に示す手順で本発明の圧電材料を作製した(実施例1~18及び比較例1~4)。
表1に示した組み合わせの原料1、原料2および原料3を固相法で合成した。原料1、原料2および原料3はいずれもペロブスカイト型構造を有していた。
原料1は、一般式Ba(Ti1-pZrp)O3で示され、原料2は、一般式Ca(Ti1-qZrq)O3で示され、原料3は、一般式Ca(TirZr1-r)O3で、それぞれ示される。表1に示されるp、q、rの値は、ICP-MS分析によって組成分析を行った結果である。
表1に示した原料1、原料2および原料3と三酸化四マンガンと酸化ビスマスを表2に示すような比率になるように秤量した。組成の比率を図7に図示した。これらの秤量粉は、ボールミルを用いて24時間の乾式混合によって混合した。得られた混合粉末を造粒するために、混合粉末の100重量部に対して3重量部のPVAバインダーを、それぞれスプレードライヤー装置を用いて、混合粉末表面に付着させた。
前記圧電材料の混合粉末の組成分析をXRF分析によって行った。全ての圧電材料の混合粉末において、Ba、Ti、Ca、Zr、Mn、Biは秤量した組成と一致していた。
得られたセラミックスの組成分析をXRF分析によって行った。全ての圧電材料において、Ba、Ti、Ca、Zr、Mn、Biは秤量した組成と焼結後の組成が一致していていた。各圧電材料の実施例の成分比の分布を図7に示す。
得られたセラミックスを厚さ0.5mmになるように研磨し、X線回折により結晶構造を解析した。その結果、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。
結晶粒の観察には、主に偏光顕微鏡を用いた。小さな結晶粒の粒径を特定する際には、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いた。この観察結果より平均円相当径を算出した。測定結果を表3に示す。
相対密度は、エックス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、アルキメデス法による実測密度を用いて評価した。測定結果を表3に示す。
前記円盤状のセラミックスの表裏両面にDCスパッタリング法により厚さ400nmの金電極を形成した。なお、電極とセラミックスの間には、密着層として30nmのチタンを成膜した。この電極付きのセラミックスを切断加工し、10mm×2.5mm×0.5mmの短冊状圧電素子を作製した。得られた圧電素子を、ホットプレートの表面を60℃から100℃になるように設定し、前記ホットプレート上で1kV/mmの電界を30分間印加し、分極処理した。
実施例及び比較例に対応する圧電材料を有する圧電素子の静特性として、分極処理した圧電素子の圧電定数d31及び機械的品質係数Qmをインピーダンスアナライザ(Agilent Techonologies社製 4194A(商品名))を用いて共振反共振法により評価した。測定結果を表3に示す。
実施例及び比較例に対応する圧電材料を有する圧電素子の静特性として、絶縁性特性をインピーダンスアナライザ(Agilent Techonologies社製 4194A(商品名))を用いて、室温で周波数が1kHz、電界強度が10V/cmの交流電界を印加して誘電正接を測定した。測定結果を表3に示す。
圧電定数d31の温度依存性を以下のように評価した。実施例及び比較例に対応する圧電材料を有する圧電素子を恒温槽(エスペック社製 SH-261(商品名))に入れ、恒温槽の雰囲気温度を変化させて、共振反共振法により圧電定数d31及び機械的品質係数Qmを測定した。恒温槽の温度を5℃/分で変化させた。温度を変化させた後は5分保持した。圧電材料を-30℃から-20℃まで昇温して計測した圧電定数d31をd31(-20u)、前記圧電材料を25℃から-20℃まで降温して計測した圧電定数d31をd31(-20d)とし、(|d31(-20u)-d31(-20d)|)/|d31(-20u)|を算出した。測定結果を表3に示す。実施例1と比較例1の温度依存性の結果を図8に示す。
比較例2~4を実施例1~18と比較すると、-20℃の圧電定数d31が130pm/Vよりも低いので、望ましくない。
比較例3を実施例1~18と比較すると、yが0.055より小さく、25℃における圧電定数が50pm/Vを下回るので、望ましくない。
比較例2、4を実施例1~18と比較すると、yが0.085より大きく、Tcが60℃を下回るので望ましくない。
比較例3を実施例1~18と比較すると、xが0.18より大きいと25℃における圧電定数が50pm/Vを下回るので、望ましくない。
比較例4を実施例1~18と比較すると、xが0.10より小さく、圧電定数の変動が大きく、(|d31(-20u)|+|d31(-20d)|)/2|d31(rt)|を1を大きく下回るので望ましくない。
比較例1、2及び4を実施例1~18と比較すると、zの値が0.012よりも大きいので、絶縁性が不良になり、誘電正接が0.01を大きく超えるので望ましくない。
比較例3を実施例1~18と比較すると、zの値が0.012よりも小さいので、同様で縁性が不良になり、誘電正接が0.01を大きく超えるので望ましくない。
実施例1の圧電素子を用いて、図3(a)に示される振動波モータを作製した。交番電圧の印加に応じたモータの回転が確認された。
本発明の圧電素子を用いた振動波モータの回転数の温度依存性は以下のように評価した。実施例19の振動波モータを恒温槽(エスペック社製 SH-642(商品名))に入れ、恒温槽の雰囲気温度を変化させて、振動波モータに負荷トルク150g・cmをかけ、以下に示した条件で最高回転数を測定した。振動波モータには波高値が70Vの正弦波を26kHzから29kHzまで周波数掃引した時の回転数の最高値を最高回転数とした。振動波モータの駆動には2相の正弦波を用いるが、2相の正弦波の位相差は90°とした。恒温槽の温度は5℃/分で変化させた。温度を変化させた後は15分保持した。
表4は、実施例1と比較例1の圧電素子を用いて製作したそれぞれ10個の振動波モータ(実施例19、比較例5)の各温度での最高回転数の最低値を示している。比較例5の振動波モータは用いている圧電材料のヒステリシスが大きく、駆動が不安定になるので最低値が低く、望ましくないことが分かる。
本発明の圧電素子を用いた振動波モータの駆動効率の温度依存性は以下のように評価した。なおモータの駆動効率は、モータの入力電力値(W)に対する仕事率(W)の比から算出した。またモータの入力電力値は、モータに入力した電圧値と電流値を用いて、仕事率はモータの回転数と負荷トルクを用いて算出した。
振動波モータを恒温槽(エスペック社製 SH-642(商品名))に入れ、恒温槽の雰囲気温度を5℃/分で変化させた。温度を変化させた後は15分保持した。その後、振動波モータに負荷トルク150g・cmをかけて位相差が90°で波高値が各々70Vの2相の正弦波を26kHzから29kHzまで周波数掃引し、回転数とモータの入力電力値を測定し駆動効率を算出した。
表5は、実施例19および比較例5のそれぞれ10個の振動波モータの23℃および-20℃における駆動効率の平均値を示している。駆動効率は実施例19および比較例5の振動波モータ全てにおいて、回転が確認できたモータ入力電力値が2Wの時の回転数から算出した。比較例5の振動波モータは用いている圧電材料のヒステリシスが大きいので、駆動が不安定になるため駆動効率が実施例19よりも2割ほど低く、望ましくないことが分かる。
実施例19の振動波モータを用いて、図4、図5に示される光学機器を作製した。交番電圧の印加に応じたオートフォーカス動作が確認された。
原料1、原料2、原料3、酸化ビスマス(Bi2O3)、三酸化四マンガン(Mn3O4)を、表2の実施例1の組成になるよう秤量した。秤量した原料粉末を混合し、ボールミルで一晩混合して混合粉末を得た。得られた混合粉末にPVBを加えて混合した後、ドクターブレード法によりシート形成して厚み50μmのグリーンシートを得た。
上記グリーンシートに内部電極用の導電ペーストを印刷した。導電ペーストには、Pdペーストを用いた。導電ペーストを塗布したグリーンシートを9枚積層して、その積層体を1340℃の条件で5時間焼成して焼結体を得た。前記焼結体を10mm×2.5mmの大きさに切断した後にその側面を研磨し、内部電極を交互に短絡させる一対の外部電極(第一の電極と第二の電極)をAuスパッタにより形成し、図2(b)に示すような積層圧電素子を作製した。
得られた積層圧電素子の内部電極を観察したところ、電極材であるPdが圧電材料と交互に形成されていた。
圧電性の評価に先立って試料に分極処理を施した。具体的には、試料をオイルバス中で100℃に加熱し、第一の電極と第二の電極間に1kV/mmの電圧を30分間印加し、電圧を印加したままで室温まで冷却した。
得られた積層圧電素子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できた。
実施例21の積層圧電素子を用いて、図3(b)に示される振動波モータを作製した。交番電圧の印加に応じたモータの回転が確認された。
実施例22の振動波モータを用いて、図4、図5に示される光学機器を作製した。交番電圧の印加に応じたオートフォーカス動作が確認された。
実施例1の圧電素子を用いて、図6に示される電子機器を作製した。交番電圧の印加に応じたスピーカ動作が確認された。
Claims (11)
- 少なくともBa、Ca、Ti、Zr、Mnを有する金属酸化物よりなり、かつ、ペロブスカイト構造である圧電材料であって、
Baおよび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が0.10≦x≦0.18であり、
Ti、Zrおよび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yが0.055≦y≦0.085であり、
前記B(mol)に対するMnの含有量(mol)の比であるzが0.003≦z≦0.012であり、
前記圧電材料を-30℃から60℃の動作温度範囲内の温度に保ち、かつ室温から-30℃まで前記圧電材料を降温し、続けて-30℃から前記圧電材料を60℃まで昇温した際、前記圧電材料を-30℃から-20℃まで昇温して計測した圧電定数d31をd31(-20u)、前記圧電材料を25℃から-20℃まで降温して計測した圧電定数d31をd31(-20d)としたときに、
0≦(|d31(-20u)-d31(-20d)|)/|d31(-20u)|≦0.08
であり、
前記圧電材料の25℃における圧電定数d31をd31(rt)としたときに、
1.34≦(|d31(-20u)|+|d31(-20d)|)/2|d31(rt)|≦1.68
であり、
かつ、|d31(-20u)|と|d31(-20d)|のいずれもが130pm/V以上であることを特徴とする圧電材料。 - 前記B(mol)に対する前記A(mol)の比であるaが、0.98≦a≦1.01である、請求項1に記載の圧電材料。
- 前記圧電材料がBiよりなる成分をさらに有し、Biの前記金属酸化物に対するモル比が0.15%以上0.40%以下である、請求項1又は2に記載の圧電材料。
- 前記圧電材料の-20℃における機械的品質係数Qmが400以上である、請求項1~3のいずれか一項に記載の圧電材料。
- 請求項1~4のいずれか一項に記載の圧電材料の製造方法であって、
ペロブスカイト構造を有する下記の原料1、原料2および原料3の少なくとも一種以上を含有する原料粉末を、バインダーで被覆して成形用顆粒を得る工程と、
前記成形用顆粒を成形して成形体を得る工程と、
前記成形体を最高温度が1200℃以上1450℃以下の焼成条件で焼結して圧電材料を得る工程と、
を有することを特徴とする、圧電材料の製造方法。
原料1:Ba、TiおよびZrを有し、TiとZrの含有量の和(mol)に対するZrの含有量の比であるpが0.00005≦p≦0.0020
原料2:Ca、TiおよびZrを有し、TiとZrの含有量の和(mol)に対するZrの含有量の比であるqが0.00005≦q≦0.0200
原料3:Ca、TiおよびZrを有し、TiとZrの含有量の和(mol)に対するTiの含有量の比であるrが0.00005≦r≦0.0060 - 前記原料粉末における前記原料1、原料2、原料3の重量を、それぞれM1、M2、M3としたときに、前記M1、M2、M3が下記の関係を満たす、請求項5に記載の圧電材料の製造方法。
0.871≦M1/(M1+M2+M3)≦0.930
0.009≦M2/(M1+M2+M3)≦0.078
0.043≦M3/(M1+M2+M3)≦0.070 - 電極と圧電材料部を有する圧電素子であって、前記圧電材料部を構成する圧電材料が請求項1~4のいずれか一項に記載の圧電材料である、圧電素子。
- 前記電極と、前記圧電材料部が交互に積層された積層構造を有する、請求項7に記載の圧電素子。
- 請求項7または8に記載の圧電素子を配した振動体と、前記振動体と接触する移動体とを有する、振動波モータ。
- 駆動部を有する光学機器であって、前記駆動部が、請求項9に記載の振動波モータを備える、光学機器。
- 請求項7または8に記載の圧電素子を備える、電子機器。
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