JP5183986B2 - 圧電/電歪素子、圧電/電歪セラミックス組成物及び圧電モータ - Google Patents
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Description
ACTUATOR2006予講集A1.1(Piezoelectric Ultrasonic Motors for Lens Positioning of Cellular Phone Camera Modules)
本発明の圧電素子11は、図1及び図2に示すように、圧電体と、この圧電体上に設けられた一対以上の電極(第一電極3、第二電極4)とから概ね構成される。ここで、図1は本発明の圧電素子の一実施形態を模式的に示す斜視図であり、図2は図1で示した圧電素子の構成をわかりやすく説明するために、各層で分解した分解斜視図である。以下、圧電/電歪素子について説明するが、主に圧電素子について説明する。電歪素子については、電圧を加えると微小に伸縮する素子として圧電素子と基本的構成が同様であることから、圧電素子を電歪素子と置き換えて、圧電素子の説明として参照されることを望む。
また、前記圧電/電歪体が、PbをPbO換算で65質量%以上70質量%以下含み、TiをTiO2換算で7.0質量%以上16.0質量%以下含み、ZrをZrO2換算で10.5質量%以上24.5質量%以下含み、SbをSb2O3換算で0.65質量%以上1.05質量%以下含み、NbをNb2O5換算で0.5質量%以上0.8質量%以下含み、CuをCuO換算で0.3質量%以上0.7質量%以下含み、WをWO3換算で0.6質量%以上1.5質量%以下含み、MnをMnO2換算で0.3質量%以上0.7質量%以下含み、CuとWのモル比が1.5:1以上2.5:1以下である圧電/電歪セラミック組成物からなることが好ましく、より好ましいのは、上記圧電/電歪セラミック組成物を主成分とする圧電/電歪体と、この圧電/電歪体上に設けられた一対以上の電極とから圧電/電歪素子が構成されることである。この圧電/電歪セラミック組成物、或いは、上記圧電/電歪セラミック組成物を主成分とする圧電/電歪体は、焼成温度が1050度以下であっても、十分に緻密化し高い特性を有し、更に、この圧電/電歪セラミック組成物を用いて作製した圧電/電歪素子では、共振周波数の温度変化率が小さいという特性を有している。
このような圧電/電歪セラミック組成物の調製方法としては、次のものがある。なお、
本実施形態の圧電/電歪セラミック組成物は、全原料をまとめて混合してなる混合原料を仮焼・粉砕して調製しても良いし、一部の原料を混合してなる混合原料を仮焼・粉砕した二次原料を数種類調製し、これら数種類の二次原料および原料を混合してなる混合原料を仮焼・粉砕して調製しても良い。以下、圧電/電歪セラミック組成物の調製方法について具体的に説明する。
上記の第一及び第二の圧電/電歪セラミック組成物の調製方法によって作製した粒子状の圧電/電歪セラミック組成物の平均粒子径は0.03〜1.0μmであることが好ましく、0.05〜0.5μmであることが更に好ましい。
本実施形態の圧電/電歪層を形成するための方法としては、圧電/ 電歪セラミック組成物に可塑剤や分散剤や溶媒等を加えて、ボールミル等の一般的な混合装置を用いてスラリー化した後、ドクターブレード等の一般的なシート成形機によりシート状に成形することができる。その後、切断し、所望の寸法の圧電/電歪層を形成する。
上記圧電/電歪層間に第一電極、第二電極、共通電極を形成するには、前記で所望の寸法にて作製した圧電/電歪層上に、例えばスクリーン印刷のような一般的な膜形成装置を用いて形成し、これらを順次積層し、加圧一体化する工程を経た後、電気炉等の加熱装置により焼成する。
また、上記圧電/電歪層中にAgを含むことが好ましい。
更に、上記圧電/電歪層中一次縦−二次屈曲振動モードを利用した定在波型圧電モータであることも望ましい実施形態の一つである。
PbOを68.5質量%、TiO2を11.7質量%、ZrO2を17.5質量%、Sb2O3を0.90質量%、Nb2O5を0.82質量%、MnCO3をMnO2換算で0.60質量%となるように、各原料を量り取り、所定量の水と共にボールミルにて24時間の混合を行った。その後、調製スラリーを熱風乾燥機内に入れて蒸発・乾燥させた。得られた混合原料は、マグネシアのサヤ内に入れマグネシアの蓋をして、電気炉中で1000℃に加熱し仮焼・合成を行う。得られた仮焼物は、再度、所定量の水と共にボールミルにて所定時間の粉砕を行い、熱風乾燥機内にて蒸発・乾燥させ第一の二次原料とした。
PbOを68.5質量%、TiO2を11.7質量%、ZrO2を17.5質量%、Sb2O3を0.90質量%、Nb2O5を0.82質量%、MnCO3をMnO2換算で0.60質量%となるように、各原料を量り取り、所定量の水と共にボールミルにて24時間の混合を行った。その後、調製スラリーを熱風乾燥機内に入れて蒸発・乾燥させた。得られた混合原料は、マグネシアのサヤ内に入れマグネシアの蓋をして、電気炉中で1000℃に加熱し仮焼・合成を行う。得られた仮焼物は、再度、所定量の水と共にボールミルにて所定時間の粉砕を行い、熱風乾燥機内にて蒸発・乾燥させ第一の二次原料とした。
各原料を下記の表1に示した割合となるように量り取り、実施例2と同様な方法にて圧電素子を作製した。
上記実施例及び比較例における、Q値、MnO2量、共振周波数の温度変化率の数値を下記の表2に示した。なお、Q値、共振周波数の温度変化率の数値は、次式を用いて算出した。
Q値:(素子の共振周波数)/(共振周波数の半値幅)
共振周波数の温度変化率:(fmax−fmin)/f20
fmax:−40℃から80℃における最大の共振周波数
fmin:−40℃から80℃における最小の共振周波数
f20:20℃における共振周波数
Claims (12)
- 圧電/電歪体と、前記圧電/電歪体上に設けられた一対以上の電極とからなる圧電/電歪素子であって、
前記圧電/電歪体に使用している圧電/電歪材料の共振周波数の温度変化率と、電極材料の共振周波数の温度変化率とが、−40℃から+80℃の温度範囲において、正負の符号が異なるとともに、
前記圧電/電歪体が、PbをPbO換算で65質量%以上70質量%以下含み、TiをTiO 2 換算で7.0質量%以上16.0質量%以下含み、ZrをZrO 2 換算で10.5質量%以上24.5質量%以下含み、SbをSb 2 O 3 換算で0.65質量%以上1.05質量%以下含み、NbをNb 2 O 5 換算で0.5質量%以上0.8質量%以下含み、CuをCuO換算で0.3質量%以上0.7質量%以下含み、WをWO 3 換算で0.6質量%以上1.5質量%以下含み、MnをMnO 2 換算で0.3質量%以上0.7質量%以下含み、CuとWのモル比が1.5:1以上2.5:1以下である圧電/電歪セラミック組成物を主成分とする圧電/電歪素子。 - 前記電極材料が金属材料からなり、前記圧電/電歪体に使用している圧電/電歪材料のヤング率の温度変化率と、前記金属材料のヤング率の温度変化率とが、−40℃から+80℃の温度範囲において、正負の符号が異なる請求項1に記載の圧電/電歪素子。
- 圧電/電歪層と内部電極層とが、交互に、複数、積層されてなる柱状積層体と、その柱状積層体の周面に設けられ、前記内部電極層のうち、極性の同じものを、それぞれ接続する一対の側面電極と、を有する請求項1又は2に記載の圧電/電歪素子。
- 前記圧電/電歪素子において、前記内部電極層に使用している金属材料のヤング率の温度変化率が、−40℃から+80℃の温度範囲において、−8.0%以上−1.0%以下である請求項1〜3の何れか一項に記載の圧電/電歪素子。
- 前記圧電/電歪素子において、前記圧電/電歪材料のヤング率の温度変化率が、−40℃から+80℃の温度範囲において、0%より大きく4.0%以下である請求項1〜4の何れか一項に記載の圧電/電歪素子。
- 前記圧電/電歪材料が、正方晶を主相とする請求項1〜5の何れか一項に記載の圧電/電歪素子。
- 前記圧電/電歪層のヤング率に対する、前記内部電極層のヤング率の比率(電極層のヤング率÷圧電/電歪層のヤング率)が0.75以上1.30以下である請求項3〜6の何れか一項に記載の圧電/電歪素子。
- 前記圧電/電歪層のヤング率が60GPa以上100GPa以下である請求項3〜7の何れか一項に記載の圧電/電歪素子。
- 前記圧電/電歪層中にAgを含む請求項3〜8の何れか一項に記載の圧電/電歪素子。
- 請求項3〜9の何れか一項に記載の圧電/電歪素子を用い、前記圧電/電歪層中一次縦−二次屈曲振動モードを利用した定在波型圧電モータである圧電モータ。
- 一次縦共振周波数および二次屈曲共振周波数の温度変化が、−40℃から+80℃の温度範囲において1.0%以内である請求項10に記載の圧電モータ。
- 圧電/電歪体と、圧電/電歪体上に設けられた一対以上の電極とからなる圧電/電歪素子であり、圧電/電歪体に使用している圧電/電歪材料の共振周波数の温度変化率と、電極材料の共振周波数の温度変化率とが、−40℃から+80℃の温度範囲において、正負の符号が異なる圧電/電歪素子における、前記圧電/電歪体を構成する圧電/電歪セラミック組成物であり、
PbをPbO換算で65質量%以上70質量%以下含み、TiをTiO2換算で7.0質量%以上16.0質量%以下含み、ZrをZrO2換算で10.5質量%以上24.5質量%以下含み、SbをSb2O3換算で0.65質量%以上1.05質量%以下含み、NbをNb2O5換算で0.5質量%以上0.8質量%以下含み、CuをCuO換算で0.3質量%以上0.7質量%以下含み、WをWO3換算で0.6質量%以上1.5質量%以下含み、MnをMnO2換算で0.3質量%以上0.7質量%以下含み、CuとWのモル比が1.5:1以上2.5:1以下である圧電/電歪セラミック組成物。
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