(57)【要約】【課題】ダミー層と基板との間及び第１の電極層と圧電層との間での剥離の発生を防ぐことが可能な圧電アクチュエータを提供すること。【解決手段】圧電アクチュエータ１は、基板３と、基板３上に配置され、セラミック材料からなるダミー層５と、ダミー層５上に配置された第１の電極層７と、第１の電極層７上に配置され、セラミック材料からなる圧電層９と、圧電層９上に配置された第２の電極層１１と、を備えている。ダミー層５の焼結性は、圧電層９の焼結性よりも低い。【選択図】図１
2010103174.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に配置され、セラミック材料からなるダミー層と、
前記ダミー層上に配置された第１の電極層と、
前記第１の電極層上に配置され、セラミック材料からなる圧電層と、
前記圧電層上に配置された第２の電極層と、を備え、
前記ダミー層の焼結性は、前記圧電層の焼結性よりも低いことを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項２】
前記ダミー層は、前記圧電層と同一組成系のセラミック材料により形成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電アクチュエータとして、基板と、基板上に配置され、セラミック材料からなるダミー層と、ダミー層上に配置された第１の電極層と、第１の電極層上に配置され、セラミック材料からなる圧電層と、圧電層上に配置された第２の電極層と、を備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００１−５４９４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述した特許文献１に記載された圧電アクチュエータでは、ダミー層と基板との間や第１の電極層と圧電層との間で剥離が生じ易いという問題点を有している。特許文献１に記載された圧電アクチュエータでは、ダミー層及び圧電層はセラミック材料からなるため、ダミー層及び圧電層を焼成により得る際に、セラミック材料が焼結してダミー層及び圧電層は収縮することとなる。このため、ダミー層と基板との間や第１の電極層と圧電層との間では収縮差による応力が生じ、この応力に起因して剥離が生じる懼れがある。
【０００４】
本発明は、ダミー層と基板との間及び第１の電極層と圧電層との間での剥離の発生を防ぐことが可能な圧電アクチュエータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る圧電アクチュエータは、基板と、基板上に配置され、セラミック材料からなるダミー層と、ダミー層上に配置された第１の電極層と、第１の電極層上に配置され、セラミック材料からなる圧電層と、圧電層上に配置された第２の電極層と、を備え、ダミー層の焼結性は、圧電層の焼結性よりも低いことを特徴とする。
【０００６】
本発明に係る圧電アクチュエータでは、ダミー層の焼結性が圧電層の焼結性よりも低いので、ダミー層の焼結による収縮は、圧電層の焼結による収縮よりも小さい。このため、ダミー層と基板との間及び第１の電極層と圧電層との間において収縮差により生じる応力が小さくなり、ダミー層と基板との間及び第１の電極層と圧電層との間での剥離の発生を防ぐことができる。
【０００７】
好ましくは、ダミー層は、圧電層と同一組成系のセラミック材料により形成されている。この場合、圧電層が焼結の際にダミー層と反応して特性が劣化するのを防ぐことができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ダミー層と基板との間及び第１の電極層と圧電層との間での剥離の発生を防ぐことが可能な圧電アクチュエータを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００１０】
図１を参照して、本実施形態に係る圧電アクチュエータ１の構成について説明する。図１は、本実施形態に係る圧電アクチュエータの断面構成を示す図である。
【００１１】
圧電アクチュエータ１は、基板３と、ダミー層５と、第１の電極層７と、圧電層９と、第２の電極層１１と、を備えている。
【００１２】
基板３は、ステンレス鋼からなる。基板３は、ステンレス鋼以外の材料にて構成されていてもよく、例えば、Ｓｉ又はジルコニア（ＺｒＯ２）等の基板であってもよい。コストメリットから、基板３はステンレス鋼であることが好ましい。
【００１３】
ダミー層５は、基板３上に配置されており、セラミック材料からなり、本実施形態では、主としてチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる。ダミー層５は、エアロゾルデポジション法やスパッタ法といった既知の手法を用いることにより、基板３上に形成されている。ダミー層５は、後述する熱処理の際に、ステンレス鋼に含まれるＦｅ及びＣｒが圧電層９へ拡散するのを防止する。
【００１４】
第１の電極層７は、ダミー層５上に配置されている。第１の電極層７は、スパッタ法等の既知の手法を用いることにより、ダミー層５上に形成されている。第１の電極層７は、Ｐｔからなる。第１の電極層７は、Ｐｔ以外の金属にて構成されていてもよく、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｃｕ、又はこれらの合金にて構成されていてもよい。
【００１５】
圧電層９は、第１の電極層７上に配置されており、圧電セラミック材料からなり、本実施形態では、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる。圧電層９は、ダミー層５と同様に、エアロゾルデポジション法やスパッタ法といった既知の手法を用いることにより、第１の電極層７上に形成されている。
【００１６】
第２の電極層１１は、圧電層９上に配置されている。第２の電極層１１は、第１の電極層７と同様に、スパッタ法等の既知の手法を用いることにより、圧電層９上に形成されている。第２の電極層１１も、Ｐｔ以外の金属にて構成されていてもよく、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｃｕ、又はこれらの合金にて構成されていてもよい。
【００１７】
続いて、上述した構成の圧電アクチュエータ１の製造方法について説明する。
【００１８】
まず、基板３を用意し、エアロゾルデポジション法により、基板３上にダミー層５となるセラミック層を形成する。ダミー層５となるセラミック層の厚みは、３〜５μｍに設定することができる。そして、ダミー層５となるセラミック層上に、スパッタ法により、第１の電極層７となる金属層を形成する。次に、第１の電極層７となる金属層上に、エアロゾルデポジション法により、圧電層９なるセラミック層を形成する。これらの工程により、基板３上に、上述したセラミック層と金属層との積層体が形成されることとなる。
【００１９】
次に、上記積層体に基板３と共に熱処理を施す。熱処理は、例えば、８００〜９００℃の温度範囲で、０．５〜１時間行なうことができる。これにより、各セラミック層が焼結し、それぞれダミー層５と圧電層９とになる。
【００２０】
次に、圧電層９なるセラミック層上に、スパッタ法により、第２の電極層１１となる金属層を形成する。
【００２１】
その後、圧電層９に分極処理を施す。分極処理とは、所定の条件下（例えば、１００〜２００℃の温度範囲に加熱する）で圧電層９に対し所定の直流電界（例えば、３〜４ｋＶ／ｍｍ）を加えて圧電層９の内部の電気双極子を一定方向に揃える処理をいう。これにより、圧電層９は圧電特性を有することとなる。
【００２２】
ここで、それぞれセラミック材料からなるダミー層５及び圧電層９との焼結性について説明する。
【００２３】
本実施形態では、ダミー層５の焼結性は、圧電層９の焼結性よりも低く設定されている。このように、ダミー層５の焼結性が圧電層９の焼結性よりも低く設定されていると、ダミー層５の焼結による収縮は、圧電層９の焼結による収縮よりも小さくなる。
【００２４】
ところで、圧電層９は、所望の圧電特性を得るために、所定の焼結性が必要とされる。すなわち、圧電層９は、所定の焼結性が確保されない場合には、圧電特性が低下することとなる。そこで、ダミー層５の焼結性が圧電層９の焼結性と同等に設定されていると、ダミー層５の焼結による収縮も、圧電層９の焼結による収縮と同程度となる。このため、第１の電極層７と圧電層９との間において収縮差により生じる応力が小さくなり、第１の電極層７と圧電層９との間での剥離の発生を防ぐことができるものの、ダミー層５と基板３との間において収縮差により生じる応力が大きくなり、ダミー層５と基板３との間で剥離が発生する懼れがある。
【００２５】
一方、ダミー層５が収縮し難いと、ダミー層５と基板３との間において収縮差により生じる応力が小さくなり、ダミー層５と基板３との間での剥離の発生を防ぐことができるものの、第１の電極層７と圧電層９との間において収縮差により生じる応力が大きくなり、第１の電極層７と圧電層９との間で剥離が発生する懼れがある。
【００２６】
本実施形態では、上述したように、ダミー層５がセラミック材料からなると共に、ダミー層５の焼結性が圧電層９の焼結性よりも低く設定されていると、上述したように、ダミー層５は、焼結により収縮し、更に、ダミー層５の焼結による収縮が圧電層９の焼結による収縮よりも小さくなる。この結果、ダミー層５と基板３との間及び第１の電極層７と圧電層９との間において収縮差により生じる応力が小さくなり、ダミー層５と基板３との間及び第１の電極層７と圧電層９との間での剥離の発生を防ぐことができる。
【００２７】
次に、ダミー層５の焼結性を圧電層９の焼結性よりも低く設定する手法について説明する。
【００２８】
まず、ダミー層５及び圧電層９となるセラミック層を構成するセラミック原料（圧電セラミック材料）の製造方法を異ならせることにより、ダミー層５の焼結性を圧電層９の焼結性よりも低く設定することができる。例えば、各セラミック原料の出発原料として、粉体特性の異なる出発原料を用いる、すなわち、ダミー層５となるセラミック原料の出発原料として、圧電層９となるセラミック原料の出発原料に比して、粉体粒子が粗い出発原料を用いる。この場合、仮焼成後に得られた粉体も、ダミー層５となるセラミック原料となる粉体は、圧電層９となるセラミック原料となる粉体よりも粗くなり、焼結性が低下する。これにより、ダミー層５の焼結性が圧電層９の焼結性よりも低く設定されることとなる。
【００２９】
例えば、各出発原料の混合条件を異ならせる、すなわち、ダミー層５となるセラミック原料の出発原料の粉砕混合の程度を、圧電層９となるセラミック原料の出発原料の粉砕混合の程度に比して、低くする。これによっても、ダミー層５となるセラミック原料となる仮焼成後に得られた粉体は、圧電層９となるセラミック原料となる仮焼成後に得られた粉体よりも粗くなり、ダミー層５の焼結性が低下する。
【００３０】
例えば、各出発原料の仮焼成時の焼成温度を異ならせる、すなわち、ダミー層５となるセラミック原料の出発原料の仮焼成時の焼成温度を、圧電層９となるセラミック原料の出発原料の仮焼成時の焼成温度に比して、高くする。これによっても、ダミー層５となるセラミック原料となる仮焼成後に得られた粉体は、圧電層９となるセラミック原料となる仮焼成後に得られた粉体よりも、粒成長が進行して粗くなり、ダミー層５の焼結性が低下する。
【００３１】
例えば、各出発原料の仮焼成後の粉砕条件を異ならせる、すなわち、ダミー層５となるセラミック原料となる仮焼成後に得られた粉体が、圧電層９となるセラミック原料の出発原料となる仮焼成後に得られた粉体に比して、粗くなるように粉砕時間等を設定する。これによっても、ダミー層５の焼結性が低下する。
【００３２】
また、ダミー層５となるセラミック層を構成するセラミック原料に、焼結性を低下させる添加物（例えば、Ａｌ２Ｏ３等）を加えることによっても、ダミー層５の焼結性を圧電層９の焼結性よりも低く設定することができる。
【００３３】
例えば、ダミー層５及び圧電層９となる各セラミック原料（出発原料）をＰＺＴの同一の組成系とすると共に、ダミー層５には圧電層９よりも多くのＮｂ２Ｏ５を添加する。Ｎｂ２Ｏ５の添加量増加により、ダミー層５の焼結性が低下することとなる。ダミー層５となるセラミック原料は、例えば、Ｐｂ［Ｔｉ０．４８Ｚｒ０．５２］Ｏ３にＮｂ２Ｏ５を０．６〜１．０重量％添加することにより得ることができる。
【００３４】
例えば、ダミー層５及び圧電層９にＰｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３を加え、ダミー層５及び圧電層９となる各セラミック原料の組成を三成分系ＰＺＴとすると共に、ダミー層５に加えるＰｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３を圧電層９よりも少なくする。これによっても、ダミー層５の焼結性が低下する。具体的には、ダミー層５は、Ｐｂ０．９９［（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）０．０３Ｔｉ０．４６Ｚｒ０．５１］Ｏ３とし、圧電層９は、Ｐｂ０．９９［（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）０．１Ｔｉ０．４４Ｚｒ０．４６］Ｏ３とすることができる。
【００３５】
なお、ダミー層５が圧電層９と同一組成系のセラミック材料により形成されると、圧電層９が焼結の際にダミー層５と反応して特性が劣化するのを防ぐことができる。
【００３６】
以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
【００３７】
第１の電極層７は、図２に示されるように、複数の個別電極にて構成されていてもよい。
【００３８】
圧電層９は、ＰＺＴに限られることなく、その他の圧電セラミック材料（例えば、ＰＴ、ＰＬＺＴ、ニオブ酸カリウムナトリウム等）からなっていてもよい。ダミー層５も、上述した材料に限られることなく、例えば、ＰＴ、ＰＬＺＴ、ニオブ酸カリウムナトリウム等のセラミック材料からなっていてもよい。ただし、圧電層９の特性劣化を防止するためには、上述したように、圧電層９と同一の組成系であることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本実施形態に係る圧電アクチュエータの断面構成を示す図である。
【図２】本実施形態の変形例に係る圧電アクチュエータの断面構成を示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
１…圧電アクチュエータ、３…基板、５…ダミー層、７…第１の電極層、９…圧電層、１１…第２の電極層。
【図１】
2010103174.tif 000003
【図２】
2010103174.tif 000004