(57)【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、
前記ダミー層は銀を含んで構成され、
前記ダミー層において、前記セラミック材料の少なくとも一部が前記基板と前記第１の電極層とに渡って粒成長していることを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項２】
前記基板がステンレス鋼で構成されていることを特徴とする請求項１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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−５４９４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述の特許文献１に記載された圧電アクチュエータは、ダミー層と基板との間やダミー層と第１の電極層との間で剥離が生じやすいという問題点を有している。具体的には、特許文献１記載の圧電アクチュエータでは、ダミー層はセラミック材料からなるため、ダミー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ダミー層と第１の電極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恐れがある。
【０００５】
本発明は、ダミー層と基板との間及びダミー層と第１の電極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】
【０００６】
上記目的を達成するため、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、ダミー層において、セラミック材料の少なくとも一部が基板と第１の電極層とに渡って粒成長していることを特徴とする。
【０００７】
上記の圧電アクチュエータによれば、セラミック材料の少なくとも一部が基板と第１の電極層とに渡って粒成長してダミー層を形成されるため、粒成長に伴って基板とセラミック材料からなるダミー層との間及び第１の電極層とセラミック材料からなるダミー層との間が密着する。したがって、この圧電アクチュエータは、基板とセラミック材料からなるダミー層との間、及び第１の電極層とセラミック材料からなるダミー層との間の密着性が高められ、剥離の発生が抑制される。
【０００８】
ここで、上記基板がステンレス鋼で構成されている態様とすることができる。
【０００９】
このように基板がステンレス鋼で構成されている場合、セラミック材料の粒成長がステンレス鋼からなる基板に含まれるクロムの拡散に伴って促進されることから、基板とセラミック材料からなるダミー層との間、及び第１の電極層とセラミック材料からなるダミー層との間の密着性が高められ、剥離の発生がさらに抑制される。
【００１０】
また、上記ダミー層が銀を含んで構成されている態様とすることができる。
【００１１】
ダミー層が銀を含んで構成されている場合、銀がセラミック材料の粒成長を促進することから、基板とセラミック材料からなるダミー層との間、及び第１の電極層とセラミック材料からなるダミー層との間の密着性が高められ、剥離の発生がさらに抑制される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ダミー層と基板との間及びダミー層と第１の電極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が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【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】圧電アクチュエータの断面構成の一部を拡大した図であって、圧電アクチュエータのダミー層の結晶粒の状態を説明する図である。
【図３】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。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照して、本発明の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。
【００１５】
図１及び図２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。また、図２は、圧電アクチュエータの断面構成の一部を拡大した図であって、圧電アクチュエータのダミー層の結晶粒の状態を説明する図である。
【００１６】
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。
【００１７】
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。後述のダミー層５の粒成長を促進する観点及び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。
【００１８】
ダミー層５は、基板３上に配置されており、セラミック材料である一般式ＡＢＯ３で表されるペロブスカイト構造を有する化合物により形成され、本実施形態では、主としてチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる材料が好適に用いられ、具体的には、（Ｐｂ０．９８８Ｓｒ０．０２）［（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）０．１Ｔｉ０．４３Ｚｒ０．４７］Ｏ３が用いられる。ダミー層５は、エアロゾルデポジション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には上記のセラミック材料に加えて、焼結助剤が添加されていてもよい。焼結助剤としては、Ａｇ，Ｃｒ，Ｆｅ等が挙げられる。
【００１９】
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層であり、ダミー層５が設けられることで圧電アクチュエータとしての特性の劣化が抑制される。ダミー層５のセラミック材料には、ステンレス鋼に含まれるＣｒが固溶した状態で含まれる。
【００２０】
ダミー層５は、その一部が基板３と第１の電極層７との間に渡っている結晶粒により構成されている。具体的には、図２に示すように、ダミー層において、基板３とダミー層５との界面及び第１の電極層７とダミー層５との界面のいずれの界面にも端面を有するセラミック材料の結晶粒が含まれる。これにより、基板３とダミー層５との間及び第１の電極層７とダミー層５との間の密着性がそれぞれ高められる。ダミー層５の結晶粒についての詳細については後述する。
【００２１】
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、スパッタ法や印刷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。
【００２２】
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である一般式ＡＢＯ３で表されるペロブスカイト構造を有する化合物により形成され、圧電層９としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）が好適に用いられ、また、ＰＺＴに添加物を添加した材料を用いることもできる。本実施形態では、圧電層９として、（Ｐｂ０．９８８Ｓｒ０．０２）［（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）０．１Ｔｉ０．４３Ｚｒ０．４７］Ｏ３が用いられる。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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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０．５〜５μｍに設定することができる。
【００２６】
ここで、ダミー層５となるセラミック層を形成するエアロゾルデポジション法とは、具体的には以下に示す方法である。まず、セラミック材料の原料となるＰｂＯ，ＺｒＯ２及びＴｉＯ２を水と混合し、８００℃前後で仮焼きを行うことにより、ＰＺＴを得る。そして、ＰＺＴを粉砕することにより、粒子径が１μｍ程度のＰＺＴ粉体を得る。そして、ＰＺＴ粉体をＨｅガス等のキャリアガスを用いてエアロゾル化し、これを減圧されたチャンバー内に設置された基板に対して、スリットを入れたノズルを用いて吹き付ける方法である。ダミー層５に対して焼結助剤を添加する場合には、この焼結助剤をＰＺＴ粉体と混合してエアロゾル化した後、基板に吹き付ける構成とすることが好ましい。
【００２７】
次に、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。第１の電極層７となる金属層の厚みは、０．５〜１μｍに設定することができる。
【００２８】
次に、ダミー層５となるセラミック層及び第１の電極層７となる金属層を積層した基板３に対して事前熱処理を施す。事前熱処理は、例えば、５５０〜６５０℃の温度範囲で、０．５〜１時間行うことができる。事前熱処理を施すことによって、ダミー層５となるセラミック層及び第１の電極層７となる金属層の形成時に発生した応力が緩和され、ダミー層５となるセラミック層と基板３との間、及びダミー層５となるセラミック層と第１の電極層７となる金属層との間の密着性が向上する。
【００２９】
次に、事前熱処理後の第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となるセラミック層を形成する。圧電層９となるセラミック層の厚みは、３〜６μｍに設定することができる。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。
【００３０】
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。すなわち、ダミー層５と圧電層９とは、同時熱処理（焼成、アニール）により形成される。このとき、ダミー層５の少なくとも一部の結晶粒が、基板３と第１の電極７との間にわたって粒成長する。
【００３１】
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。第２の電極層１１となる金属層の厚みは、０．５〜１μｍに設定することができる。上述の第１の電極層７となる金属層及び第２の電極層１１となる金属層の形成方法はスパッタ法とは異なる方法でもよく、例えば、印刷法を用いてもよい。
【００３２】
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。
【００３３】
上記の圧電アクチュエータ１の製造方法によれば、結晶粒が基板３と第１の電極７との間に渡って粒成長したダミー層５が形成される。
【００３４】
ダミー層５の粒成長は、基板３を構成するステンレス鋼に含まれるＣｒが積層体に対する熱処理を行う際に拡散することによって促進される。具体的には、基板３がステンレス鋼からなる場合、熱処理を行うことによって、ステンレス鋼からＣｒがダミー層５となるセラミック層に対して拡散し、ステンレス鋼とセラミック層との界面からＣｒがセラミック層に対して固溶する。ダミー層５となるセラミック層のうちＣｒが固溶した領域は、セラミック層を構成する結晶粒の粒成長が促進され、その結果、基板３と第１の電極７との間に渡って粒成長した結晶粒が形成される。このセラミック層５を構成する結晶粒は、７５０℃以上の温度条件で熱処理を行った場合に粒成長が促進される。
【００３５】
セラミック層のうちＣｒが固溶した領域ではＰＺＴとＣｒとが結合する一方、ステンレス鋼のセラミック層との界面では、Ｃｒが拡散したことによりその濃度が低下するため、セラミック層とステンレス鋼との界面のうち、ＰＺＴとＣｒとが結合した領域はステンレス鋼の表面との密着性が高められる。また、セラミック層のうち結晶粒が粒成長した領域は、セラミック層を構成する他の領域と比較して柔軟性が高くなることから、上側の第１の電極７との密着性も高められる。
【００３６】
このように、結晶粒が基板３と第１の電極７との間に渡って粒成長しているセラミック層から形成されるダミー層５は、基板３との間及び第１の電極７との間で密着性が高められる。これにより、熱処理時の基板３、ダミー層５、及び第１の電極７における収縮率の差に由来する応力が大きくなることに由来する基板３とダミー層５との間及びダミー層５と第１の電極７との間での剥離の発生を防止することができる。
【００３７】
上記の効果は、ダミー層５となるセラミック層に焼結助剤を混合させた場合でも達成される。すなわち、焼結助剤が混合された状態で基板上にセラミック層が形成され、これを熱処理した場合であっても、セラミック層を構成する結晶粒の粒成長が促進され、基板３と第１の電極７との間に渡って粒成長した結晶粒を含んで構成されるダミー層５が得られる。この場合にも基板３とダミー層５との間、第１の電極７とダミー層５との間のそれぞれにおいて密着性が高められ、剥離の発生が防止される。
【００３８】
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。
【００３９】
第１の電極層７は、図３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。
【００４０】
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。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。
【００４１】
ダミー層５及び圧電層９を形成するセラミック材料（圧電セラミック材料）には、添加物が添加されていてもよく、この添加物については特に限定されない。具体的には、上記実施形態では、ダミー層５及び圧電層９を形成するセラミック材料（圧電セラミック材料）として、（Ｐｂ０．９８８Ｓｒ０．０２）［（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）０．１Ｔｉ０．４３Ｚｒ０．４７］Ｏ３を示したが、上記化学式におけるＡサイト成分に含まれるＳｒに代えて、Ｂａ，Ｃａ，Ｌａ等を用いてもよい。Ｂサイト成分に含まれるＺｎに代えて、Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅ等を用いてもよく、Ｎｂに代えてＷ，Ｔａ，Ｓｂ等を用いてもよい。Ｂサイト成分に含まれるＺｎ１／３Ｎｂ２／３をＮｂのみとしてもよい。
【００４２】
上記実施形態では、ダミー層５に対して焼結助剤を添加する場合に、焼結助剤をＰＺＴ粉体に対して混合してエアロゾル化した後、基板に吹き付ける構成について説明したが、焼結助剤をＰＺＴ粉体と混合するのではなく、セラミック材料の原料となるＰｂＯ，ＺｒＯ２及びＴｉＯ２を水と混合する際に併せて混合する態様としてもよい。この場合には、水と混合したセラミック材料の原料を仮焼きしてＰＺＴを形成する際にも結晶粒の粒成長が進む。仮焼き後のＰＺＴはいったん粉砕した後にＰＺＴ粉体としてダミー層５の形成に用いられるため、焼結助剤をＰＺＴ粉体と混合する場合と比較して、ダミー層５となるセラミック層の粒成長を促進する効果が低くなる可能性がある。
【００４３】
セラミック層の粒成長を促進するために用いられる焼結助剤をＰＺＴ粉体に混合する構成に代えて、ダミー層５となるセラミック層と基板３との間やダミー層５となるセラミック層と第１の電極層７となる金属層との間に焼結助剤を含む膜を設ける構成としてもよい。この場合でも焼結助剤を含む膜とダミー層５との界面から焼結助剤がダミー層５側に固溶することで、ダミー層５となるセラミック層において、熱処理時に粒成長が促進され、基板３と第１の電極層７との間に渡って粒成長した結晶粒を有するダミー層５を得ることができる。
【符号の説明】
【００４４】
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】
0005540839.tif 000002
【図２】
0005540839.tif 000003
【図３】
0005540839.tif 000004