JP7297456B2 - 圧電セラミックス、圧電セラミックスの製造方法、圧電素子、振動装置および電子機器 - Google Patents
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Description
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。
また、本発明の圧電セラミックスは、鉛を実質的に使用していないために環境に対する負荷が極めて小さい。
本発明は、ペロブスカイト型構造のチタン酸バリウム(BaTiO3)のBaサイトとTiサイトを部分的に他の金属元素で置換した一片の非鉛型圧電セラミックスに関するものであって、前記一片の圧電セラミックスの箇所によって置換元素の局所的な濃度を変化させることで、実用温度域における圧電定数の変化を小さくしたものである。
チタン酸バリウム系圧電セラミックスの結晶構造は、環境温度の変化によって、低温側から菱面体晶構造、斜方晶構造、正方晶構造、立方晶構造に転移することが知られている。この構造間の転移が発生する温度を相転移温度という。圧電セラミックスの場合、相転移温度付近で圧電定数が極大値を取るので、本発明においては温度に対する圧電定数の極大値を相転移温度としている。転移前後の構造は、X線回折測定や電子線回折測定により特定することができる。
圧電セラミックスの相転移温度が実用温度域の内部にある場合は、相転移温度とTmaxは一致する。
(1)一片の圧電セラミックスである。
(2)該圧電セラミックスはABO3の組成式で示されるペロブスカイト型金属酸化物を主成分とする。
(3)前記A元素は、BaとM1を含み、前記M1はCaおよびBiから選ばれた少なくとも1種からなる。
(4)前記B元素は、TiとM2を含み、前記M2はZr、SnおよびHfから選ばれた少なくとも1種からなる。
(5)前記M1および前記M2は圧電セラミックスの少なくとも一方向に対して濃度が変化しており、濃度変化の増減方向が前記M1と前記M2で逆方向になっている。
本発明の圧電セラミックスは、一片の圧電セラミックスよりなる。ここで、一片の圧電セラミックスとは、1個の成形体を焼成して得られた、圧電性を有し、構造的に繋ぎ目の無いセラミックスを意味する。
前記一片の圧電セラミックスの形状は限定されないが、複数の電極を設けて圧電素子とすることを踏まえると、2面以上の平面を有する板状であることが好ましく、更には平板状、矩形板状、円盤状、ドーナツ状であることが好ましい。
本発明の圧電セラミックスはABO3の組成式で示されるペロブスカイト型金属酸化物を主成分とする。本発明の圧電セラミックスを構成する金属酸化物の結晶構造は、ペロブスカイト型構造のみからなる、いわゆる単相であると、より好ましい。例えば、圧電セラミックスを構成する金属酸化物の結晶構造中に、六方晶系の構造が混在すると、圧電セラミックスの圧電定数が大幅に低下するおそれがある。
より好ましくは、前記圧電セラミックスに含まれるPb成分が500ppm未満であり、K成分が500ppm未満である。更により好ましくは、Pb成分およびK成分の合計が500ppm未満である。
前記金属酸化物(ABO3)におけるA元素は、BaとM1を含み、M1はCaおよびBiから選ばれた少なくとも1種からなる。
前記B元素は、TiとM2を含み、前記M2はZr、SnおよびHfから選ばれた少なくとも1種からなる。
前記M1および前記M2は圧電セラミックスの少なくとも一方向に対して濃度が変化しており、濃度変化の増減方向が前記M1と前記M2で逆方向になっている。
このような濃度変化は、一片の圧電セラミックスではなく、図3(b)と図3(c)のセラミックスを焼結後に貼り合せることでも、見かけ上は達せられるが、この場合は各セラミックスで発生する別々のモードの圧電振動の合成になってしまうので、共振モードを要する圧電デバイスには不適となる。
(7)第一のセラミックス前駆体と第二のセラミックス前駆体を互いに積層して積層体を得る工程を有する。
(8)前記積層体を焼結して一片の圧電セラミックスを得る工程を有する。
(9)第一のセラミックス前駆体と第二のセラミックス前駆体の選択において、5℃≦|TotA-TotB|≦20℃および0≦2|d31A-d31B|/|d31A+d31B|≦0.2という条件を満たす。
ただし、前記第一のセラミックス前駆体のみを焼結して得られる第一のセラミックスと前記第二のセラミックス前駆体のみを焼結して得られる第二のセラミックスの各々の斜方晶から正方晶への相転移温度をTotA、TotBとし、各々の分極処理後の圧電定数をd31A、d31Bとする。
図1および図4に示すように本発明の特徴を有する圧電セラミックスは、層状に組成の異なる部分を有する一片のセラミックスである場合がある。このような組成分布を持つ一片のセラミックスを作成するために、第一のセラミックス前駆体と第二のセラミックス前駆体を互いに積層して焼結前の積層体を製造する。
前記積層体を焼結することで一片の圧電セラミックスとなる。
前記積層体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。
前記第一のセラミックス前駆体と前記第二のセラミックス前駆体は、互いに化学組成が異なるが、その組成の調製においては、5℃≦|TotA-TotB|≦30℃および0≦2|d31A-d31B|/|d31A+d31B|≦0.2となるような組成を選択するのが本発明の製造方法の特徴である。
次に、本発明の圧電素子について説明する。
図6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、圧電セラミックス部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、前記圧電セラミックス部2を構成する圧電セラミックスが本発明の圧電セラミックスであることを特徴とする。
前記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。
次に、前記圧電素子の一実施形態である積層型の圧電素子について説明する。
本発明に係る積層型の圧電素子は、前記圧電素子において、前記圧電セラミックス部内に少なくとも1つの内部電極を備え、前記圧電セラミックスからなる圧電セラミックス層と層状の前記少なくとも1つの内部電極とが交互に積層された積層構造を有することを特徴とする。
本発明に係る積層型の圧電素子の製造方法は、特に限定されないが、以下にその作製方法を例示する。まず、第一のセラミックス前駆体であるスラリー1および第二のセラミックス前駆体であるスラリー2を金属酸化物粉から得る工程(A)と、前記スラリー1および前記スラリー2を基材上に別々に設置してシート化し、このシートを一体化して成形体を得る工程(B)を実行する。その後に、前記成形体に電極を形成する工程(C)と前記電極が形成された成形体を焼結して、積層圧電素子を得る工程(D)を実行する。
ここで、工程(C)を略し、工程(D)の焼結の後に外部電極を設けると、図6に示すような単板型の圧電素子を得ることができる。
図8(a)~(d)は、本発明の圧電素子を備えた振動装置と該振動装置を用いた電子機器である撮像装置の構成を模式的に示す概略図である。図8(a)および図8(b)に示した振動装置は、本発明の圧電素子を振動板に配した振動体を少なくとも有しており、振動板の表面に付着した塵埃を除去する機能を有する塵埃除去装置である。本発明に係る電子機器は、本発明の圧電素子を備えることを特徴とするが、図8(c)および図8(d)に示した撮像装置は、前記塵埃除去装置と撮像素子ユニットとを少なくとも有する撮像装置であって、前記塵埃除去装置の振動板を前記撮像素子ユニットの受光面側に設けている。
但し、各部材の形状や配置は図8(a)~(d)の例に限定されない。
この撮像装置も本発明の電子機器の一例と言える。図8(c)および図8(d)には、デジタル一眼レフカメラとしての撮像装置を例示した。
図9(a)および図9(b)は、本発明の電子機器の一例として、本発明の圧電素子を備えた液体吐出ヘッドと該液体吐出ヘッドを用いた液体吐出装置の構成を模式的に示す概略図である。液体吐出ヘッドは、前記圧電素子または前記積層型の圧電素子を配した振動部を備えた液室と、前記液室と連通する吐出口を少なくとも有する。液体吐出装置は、被転写体の載置部と前記液体吐出ヘッドを備える。但し、各部材の形状や配置は図9(a)および図9(b)の例に限定されない。
この液体吐出装置も本発明の電子機器の一例と言える。図9(b)には、インクジェット記録装置としての液体吐出装置を例示した。
図10(a)~(e)は、本発明の電子機器の一例として、本発明の圧電素子を備えた振動波モータと該振動波モータを用いた光学機器の構成を模式的に示す概略図である。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。光学機器は、駆動部に前記振動波モータを備える。但し、各部材の形状や配置は図10(a)~(e)の例に限定されない。
この光学機器も本発明の電子機器の一例と言える。図10(c)、(d)および(e)には、一眼レフカメラの交換レンズ鏡筒としての光学機器を例示した。
Ba、Ca、Bi、Ti、Zr、Sn、Hfを含有し、更にMnを含有するセラミックス前駆体を調製した。
Ba原料には、市販のチタン酸バリウム(BaTiO3)、ジルコン酸バリウム(BaZrO3)、炭酸バリウム(BaCO3、純度99.9%以上)の粉末を用いた。Ca原料には、市販のチタン酸カルシウム(CaTiO3)の粉末を用いた。Bi原料には、市販の酸化ビスマス(Bi2O3、純度99.9%以上、粒径500nm未満)の粉末を用いた。
Ti原料には、市販のチタン酸バリウム(BaTiO3)、チタン酸カルシウム(CaTiO3)、酸化チタン(TiO2、純度99.9%以上)の粉末を用いた。Zr原料には、市販のジルコン酸バリウム(BaZrO3)、ジルコン酸カルシウム(CaZrO3)の粉末を用いた。
Sn原料には、市販のスズ酸バリウム(BaSnO3)、スズ酸カルシウム(CaSnO3)の粉末を用いた。
Hf原料には、市販のチタン酸ハフニウム(HfTiO3)の粉末を用いた。
製造例1と同様にして、表1に示す組成の造粒粉である製造例2から製造例5のセラミックス前駆体を作製した。
熱処理後の圧電セラミックスの表裏両面にDCスパッタリング法で厚さ400nmの金(Au)電極を形成した。なお、電極と圧電セラミックスの間には、密着層として30nm厚のチタン(Ti)を成膜した。
この電極付きの圧電セラミックスを特性評価に好適な、10mm×2.5mm×0.5mmtの矩形板状に切断加工して、圧電素子とした。
第一のセラミックス前駆体として製造例3の造粒粉を用い、第二のセラミックス前駆体として製造例1の造粒粉を用いて、実施例1の圧電セラミックスを製造した。
この組み合わせにおける|TotA-TotB|は30℃、2|d31A-d31B|/|d31A+d31B|は0.05、(TotA+TotB)/2は20℃であった。
まず、焼き上がりの円盤状の圧電セラミックスを厚さが約0.5mmになるように研磨した。研磨により失われる厚みは円盤の両面で均等となるように処理を行った。この研磨処理に起因する圧電セラミックス内部の応力と圧電セラミックス表面の有機成分を除去するために、400℃の空気雰囲気で30分間の熱処理を施した。
熱処理後の圧電セラミックスの表裏両面にDCスパッタリング法で厚さ400nmの金(Au)電極を形成した。なお、電極と圧電セラミックスの間には、密着層として30nm厚のチタン(Ti)を成膜した。
この電極付きの圧電セラミックスを特性評価に好適な、10mm×2.5mm×0.5mmの矩形板状に切断加工して、本発明の圧電素子を得た。実施例1の圧電材料の機械強度は、研磨加工や切断加工を問題なく行える程度に高かった。
分極処理を実施済みの圧電素子について、環境試験箱とインピーダンスアナライザを用いて-30℃から+45℃まで温度を変化させながら共振-***振法を実施した。その結果、図5(a)のような測定結果を得た。このチャートから、斜方晶から正方晶への相転移温度Tmaxとその相転移温度における圧電定数d31の絶対値dmaxを算出した。また、Tmax±10℃における|d31|の最小値をdmaxと比較して変化率を算出した。その結果を表2に示す。
次に、セラミックス前駆体の組み合わせを変更したこと以外は、実施例1と同様にして本発明の圧電セラミックスを製造した。
各実施例におけるセラミックス前駆体の組み合わせ、これらの組み合わせにおける|TotA-TotB|、2|d31A-d31B|/|d31A+d31B|、(TotA+TotB)/2は表2に示すとおりである。
次に、実施例1から6と同様にして比較用の圧電セラミックスを製造した。
ただし、表2に示すように第一のセラミックス前駆体と第二のセラミックス前駆体には、同じ製造例の造粒粉を用いた。
いずれの比較例においても一片のセラミックスが得られ、X線回折測定よりペロブスカイト型構造を主相としていることが分かった。
以下の要領で、積層型の本発明の圧電素子を作成した。
製造例1から5におけるスプレードライ造粒前の混合粉に、PVBバインダーを加えてスラリー化し、セラミックス前駆体とした。次にドクターブレード法により、この各セラミック前駆体をシート形成して厚み50μmのグリーンシートを得た。
実施例とセラミックス前駆体の種類の対応を表3に示す。
実施例1から12の圧電素子を用いて、図8(a)および図8(b)に示される塵埃除去装置を作製した。プラスチック製の球形ビーズを散布し、一定振幅の交流電圧を印加したところ、0℃から40℃の環境温度範囲において安定して良好な塵埃除去挙動が確認された。
実施例1から12の圧電素子を用いて、図9(a)に示される液体吐出ヘッドを作製した。一定振幅の交流電圧を印加したところ、0℃から40℃の環境温度範囲において安定して信号に追随したインクの吐出が確認された。
実施例1から12の圧電素子を用いて、図10(a)または図10(b)に示される超音波モータを作製した。一定振幅の交流電圧を印加したところ、0℃から40℃の環境温度範囲において安定してモータの回転が確認された。
2 圧電セラミックス部
3 第二の電極
11 圧電セラミックス
101 圧電素子
102 振動板
103 個別液室
104 液室隔壁
105 吐出口
106 連通孔
107 共通液室
1011 第一の電極
1012 圧電セラミックス
1013 第二の電極
201 振動体
202 移動体(ロータ)
203 出力軸
204 振動体
205 移動体
206 バネ
2011 弾性体リング
2012 圧電素子
2013 有機系接着剤
2041 金属弾性体
2042 積層圧電素子
310 塵埃除去装置
330 圧電素子
320 振動板
330 圧電素子
331 圧電セラミックス
332 第一の電極
333 第二の電極
51 第一の電極
53 第二の電極
54 圧電セラミックス層
55 内部電極
501 第一の電極
503 第二の電極
504 圧電セラミックス層
505a 内部電極
505b 内部電極
506a 外部電極
506b 外部電極
601 カメラ本体
602 マウント部
605 ミラーボックス
606 メインミラー
200 シャッタユニット
300 本体シャーシ
400 撮像ユニット
701 前群レンズ
702 後群レンズ(フォーカスレンズ)
711 着脱マウント
712 固定筒
713 直進案内筒
714 前群鏡筒
715 カム環
716 後群鏡筒
717 カムローラ
718 軸ビス
719 ローラ
720 回転伝達環
722 コロ
724 マニュアルフォーカス環
725 振動波モータ
726 波ワッシャ
727 ボールレース
728 フォーカスキー
729 接合部材
732 ワッシャ
733 低摩擦シート
890 回復部
891 記録部
892 キャリッジ
896 装置本体
897 自動給送部
898 排出口
899 搬送部
Claims (12)
- 一片の圧電セラミックスであって、
該圧電セラミックスは
ABO3の組成式で示されるペロブスカイト型金属酸化物を主成分とし、前記組成式のA元素は、BaとM1を含み、前記M1はCaおよびBiから選ばれた少なくとも1種からなり、かつ、Ba、Ca、およびBiの合計モル量に対する、Caのモル量の比x、Biのモル量の比yは、それぞれ、0≦x≦0.12、0≦y≦0.005を満たし、
前記組成式のB元素は、TiとM2を含み、前記M2はZr、SnおよびHfから選ばれた少なくとも1種からなり、かつ、Ti、Zr、SnおよびHfの合計モル量に対する、Zrのモル量の比l、Snのモル量の比m、Hfのモル量の比nは、それぞれ、0≦l≦0.08、0≦m≦0.03、0≦n≦0.08を満たし、
前記M1および前記M2は前記圧電セラミックスの少なくとも一方向に対して濃度が変化しており、
濃度変化の増減方向が前記M1と前記M2で逆方向になっていることを特徴とする圧電セラミックス。 - 前記圧電セラミックスが互いに平均組成の異なる複数の領域を層状に含有している請求項1に記載の圧電セラミックス。
- 前記複数の領域は少なくとも3つ以上の領域からなり、
層の垂直方向における前記M1と前記M2の少なくとも1種の濃度変化が、5%以下である第一の領域と、
5%以上である第二の領域と、
5%以下である第三の領域を有する請求項2に記載の圧電セラミックス。 - 前記ペロブスカイト型金属酸化物100モル部に対して、金属換算でMn成分を0.3モル部以上1.5モル部以下の量で含む請求項1乃至3のいずれか1項に記載の圧電セラミックス。
- 第一のセラミックス前駆体と第二のセラミックス前駆体を互いに積層して積層体を得る工程と、
前記積層体を焼結して一片の圧電セラミックスを得る工程を有する圧電セラミックスの製造方法であって、
前記第一のセラミックス前駆体のみを焼結して得られる第一のセラミックスと前記第二のセラミックス前駆体のみを焼結して得られる第二のセラミックスの各々の斜方晶から正方晶への相転移温度をTotA、TotBとし、各々の分極処理後の圧電定数をd31A、d31Bとした場合に、
5℃≦|TotA-TotB|≦30℃
0≦2|d31A-d31B|/|d31A+d31B|≦0.2
であることを特徴とする圧電セラミックスの製造方法。 - 前記第一のセラミックス前駆体および前記第二のセラミックス前駆体は、いずれもBaとTiを含む請求項5に記載の圧電セラミックスの製造方法。
- 前記第一のセラミックス前駆体および前記第二のセラミックス前駆体が、Ca、ZrおよびBiから選択される少なくとも一つの元素を含む請求項5または6のいずれかに記載の圧電セラミックスの製造方法。
- (TotA+TotB)/2が0℃以上30℃以下である請求項5乃至7のいずれか1項に記載の圧電セラミックスの製造方法。
- 第一の電極と圧電セラミックス部と第二の電極とを有する圧電素子であって、前記圧電セラミックス部を構成する前記圧電セラミックスが請求項1乃至4のいずれか1項に記載の圧電セラミックスであることを特徴とする圧電素子。
- 前記圧電セラミックス部内に少なくとも1つの内部電極を備え、前記圧電セラミックスからなる圧電セラミックス層と層状の前記少なくとも1つの内部電極とが交互に積層された積層構造を有することを特徴とする請求項9に記載の圧電素子。
- 請求項9または10のいずれかに記載の圧電素子を振動板に配した振動体を有することを特徴とする振動装置。
- 請求項9または10のいずれかに記載の圧電素子を備えたことを特徴とする電子機器。
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