(57)【要約】【課題】  鉛を含まない高い圧電定数を有する圧電膜を使用した高性能、かつ、温度特性に優れた圧電膜型アクチュエータおよびその製造方法を提供すること。【解決手段】  基板１上に形成された圧電膜２とこの圧電膜２に電圧を印加するための下部電極３および上部電極４とからなり、この両電極間に電圧を印加することにより圧電膜２に生ずる変位を利用して物体の駆動を行う圧電膜型アクチュエータであって、圧電膜２は粒径が０．２〜０．５μｍのチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）の多結晶から構成されている。圧電膜２はエアロゾルデポジション法により形成され、その後、８５０〜１１００℃の温度で熱処理される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された圧電膜と該圧電膜に電圧を印加するための電極とからなり、該電極に電圧を印加することにより前記圧電膜に生ずる変位を利用して物体の駆動を行う圧電膜型アクチュエータであって、前記圧電膜は粒径が０．２〜０．５μｍのチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）の多結晶から構成されていることを特徴とする圧電膜型アクチュエータ。
【請求項２】
前記圧電膜はエアロゾルデポジション法により形成され、その後、８５０〜１１００℃の温度で熱処理されることを特徴とする請求項１記載に圧電膜型アクチュエータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上に形成された圧電膜に電圧を印加することにより生ずる変位を利用して物体の駆動を行う圧電膜型アクチュエータおよびその製造方法に関し、特に圧電アクチュエータに用いられる圧電膜の材料およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電デバイスは、エネルギー密度を高くできること、消費電力が少ないこと、電磁ノイズを低減できることなどのメリットがあることから、電子機器の小型化に伴い、カメラのオートフォーカス機構や薄型スピーカー、インクジェットプリンタ用ヘッドなどのアクチュエータやジャイロなどのセンサ素子に採用され、応用分野が拡大している。
【０００３】
これらの圧電デバイスではさらに小型化、薄型化が要求され、近年では圧電膜を基板上に形成し、その圧電膜に電圧を印加することにより生ずる変位を利用して物体の駆動を行う圧電膜型アクチュエータなどの圧電膜型デバイスの開発が活発に行われている。圧電膜の材料としては、通常、圧電性能の優れた鉛系の圧電材料、例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）などが使用されるのが一般的である。
【０００４】
一方、近年、ＥＵ（欧州連合）では環境・安全への配慮から電子機器に鉛などの特定有害物質を使用することを規制するＲｏＨＳ指令などが施行され始めている。圧電材料に関してはまだ代替材料が無いことから規制の対象外になっているが、非鉛圧電材料の開発が活発に行われるようになっている。
【０００５】
一般的に、非鉛材料は圧電特性が鉛系材料に比べ低いことに加え、その材料の相転移温度がデバイスの使用温度範囲内に存在する場合、温度特性が問題となる。非鉛材料の一つであるチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）はバルクの結晶では圧電定数が大きいが、圧電定数を大きく保ったまま高品質の膜を作製するのが難しいことや、相転移温度が低いため従来の結晶膜をデバイスに応用しても安定な温度特性が得られないことが問題となる。
【０００６】
従来技術として、非鉛圧電材料として、チタン酸バリウムを主成分とし、その一部を添加物で置換することにより電界誘起歪特性を向上させた材料を焼結し、電界誘起歪素子として使用することが特許文献１に記載されている。また、セラミックスなどの微粒子をガス中に浮遊させてエアロゾル化して基板に衝突させ、そのときの熱エネルギーを利用して微粒子間や微粒子と基材間を焼結するガスデポジション法によるチタン酸バリウムなどの誘電体膜の製造方法が特許文献２に記載されている。さらに、特許文献３では、セラミックス膜などの作製方法として、セラミックスなどの微粒子を含むエアロゾルを基板に高速で衝突させ、そのとき生ずる結晶面のずれや結晶粒の微細化およびメカノケミカル反応による粒子間結合を利用したエアロゾルデポジション法（ＡＤ法）が示され、非特許文献１ではこのＡＤ法によるチタン酸バリウム膜を用いたコンタクトプローブが示されている。一方、非特許文献２では、バルクのチタン酸バリウムを焼結して作製する際、圧電アクチュエータの性能を決定する圧電定数と結晶粒径の関係について示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−１７２０７７号公報
【特許文献２】特開平４−１８８５０３号公報
【特許文献３】特許第３３４８１５４号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】「エアロゾルデポジション法の基礎から応用まで」２００７年、ＣＭＣ出版、Ｐ．１９９−２０８
【非特許文献２】「ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ）」２００７年、４６巻、１０Ｂ号、Ｐ．７０４４−７０４７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記特許文献１では印刷法で圧電膜を形成するため、緻密化させるために１３００℃以上の高温で焼成する必要があり、基板がセラミックに限定されるなどの課題がある。また、ＢａＴｉＯ３を主成分とし高温で焼成させているため粒径が大きいことにより室温付近に相転移温度があり、そこで誘電率のピークを持つため圧電特性が室温以上で低下してしまうという課題がある。
【００１０】
特許文献２の方法では特許文献１の方法に比べて焼成温度は低くできるがやはり高温で作製するため基板の制約があることが問題である。また、特許文献２に示されたチタン酸バリウムの製造方法はその高誘電率を利用したコンデンサの製造方法であり、圧電定数が大きく、かつ安定な温度特性が要求されるアクチュエータに使用できるチタン酸バリウム膜の製造については記載されていない。
【００１１】
一方、特許文献３に示されたＡＤ法は室温で成膜できることから様々な膜の作製方法として有効であり、非特許文献１では、コンタクトプローブにコンデンサの機能を持たせるため、その外表面にＡＤ法を用いてチタン酸バリウムの膜を作製する方法が記載されている。しかし、このチタン酸バリウム膜はコンデンサを得るための高い誘電率を有する膜を得ることが目的であり、圧電定数やその温度特性については不明である。大きな圧電定数を得るためには、誘電率以外に弾性定数、結合係数などの要素が重要であり、さらに実用上は温度特性が重要となる。
【００１２】
非特許文献２では焼結で作成したチタン酸バリウムの圧電定数と結晶粒径の関係について示されており、結晶粒径が２．５μｍのとき高い圧電定数が得られることが示されている。しかし、後の本発明の説明で述べるように、上記の粒径の値はＡＤ法により作製されるチタン酸バリウム膜を用いた圧電膜型アクチュエータに最適な結晶粒径とは異なっている。
【００１３】
以上のように、従来の技術では非鉛圧電材料を用い、高い圧電定数を有する圧電膜を使用した高性能の圧電膜型アクチュエータは得られていない。また、圧電膜型アクチュエータの実用化に不可欠な温度特性の安定化の手段もまったく得られていない。
【００１４】
そこで、本発明の課題は、鉛を含まない高い圧電定数を有する圧電膜を使用した高性能、かつ、温度特性に優れた圧電膜型アクチュエータおよびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は上記の課題を解決させるためになされたものであり、本発明の圧電膜型アクチュエータは、基板上に形成された圧電膜と該圧電膜に電圧を印加するための電極とからなり、該電極に電圧を印加することにより前記圧電膜に生ずる変位を利用して物体の駆動を行う圧電膜型アクチュエータであって、前記圧電膜は粒径が０．２〜０．５μｍのチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）の多結晶から構成されていることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の圧電膜型アクチュエータの製造方法においては、前記圧電膜はＡＤ法により形成され、その後、８５０〜１１００℃の温度で熱処理されることを特徴とする。
【００１７】
本発明は、発明者らがＡＤ法によるチタン酸バリウム膜の作製条件を検討し、圧電特性および温度特性に優れた膜の構造および製造条件を見出したことに基づくものである。
【００１８】
本発明によれば、ＡＤ法によりチタン酸バリウム膜を形成した後、熱処理により粒径を制御することで、圧電特性と温度特性に優れた非鉛圧電膜を得ることができる。これにより、鉛を含まない高い圧電定数を有する圧電膜を使用した高性能、かつ、温度特性に優れた圧電膜型アクチュエータおよびその製造方法が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明による圧電膜型アクチュエータの一実施の形態を示す断面図。
【図２】実施例のチタン酸バリウムの多結晶からなる圧電膜の表面の観察結果の一例を示す写真。
【図３】実施例の圧電膜の変位特性を測定した結果の一例を示す図。
【図４】実施例の圧電膜の比誘電率の温度特性の測定結果の一例を従来のバルク結晶の焼結により得られた圧電膜と比較して示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明による圧電膜型アクチュエータの一実施の形態を示す断面図である。図１において、本実施の形態の圧電膜型アクチュエータは、基板１上に形成された圧電膜２とこの圧電膜２に電圧を印加するための下部電極３および上部電極４とからなり、この両電極間に電圧を印加することにより圧電膜２に生ずる変位を利用して物体の駆動を行う圧電膜型アクチュエータであって、圧電膜２は粒径が０．２〜０．５μｍのチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）の多結晶から構成されている。
【実施例】
【００２１】
次に、図１に示す本発明の圧電膜型アクチュエータおよびその製造方法の具体的な一実施例について説明する。ここでは、基板１としてステンレス板を使用し、基板１の表面には、基板１の成分と下部電極３および圧電膜２の成分との間の相互拡散を防止するバリア層５として酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜が形成され、その上に下部電極３として白金（Ｐｔ）膜が形成されている。基板１の材料としては、成分の相互拡散が防止できれば、セラミックやシリコンなどでもよい。基板１の形状は、アクチュエータの用途に応じて、長さ数十μｍ〜３０ｍｍ、幅数十μｍ〜１０ｍｍ、厚さ１０〜５００μｍ程度、下部電極３および上部電極４の厚さは数十ｎｍ〜数μｍ程度の値とすることができる。
【００２２】
圧電膜２は、材料として水熱合成法で形成された粒径０．１〜０．５μｍのチタン酸バリウム粉末を使用し、ＡＤ法により作製した。上記粉末はＡＤ法による成膜が可能であれば固相法で作製しても構わない。ＡＤ法による圧電膜２の形成は、キャリアガスとしてＮ２ガスを用い、室温で膜厚が約１０μｍになるように成膜を行った。膜厚は１０μｍに限定されるものではなく、電気的な耐電圧が確保できれば薄くても問題なく、また厚くてもクラックや、剥離などが生じなければ構わない。成膜した膜は大気中で８５０〜１１００℃の温度で熱処理を行った。
【００２３】
熱処理した圧電膜２の表面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察し、圧電膜２を構成するチタン酸バリウム結晶の粒径を測定した。その結果、圧電膜２は粒径０．２〜０．５μｍの結晶からなる多結晶膜であることが確認された。図２は実施例のチタン酸バリウムの多結晶からなる圧電膜の表面の観察結果の一例を示す写真である。
【００２４】
次に、圧電膜２の表面にメタルマスクを配置し、スパッタで金（Ａｕ）を蒸着し上部電極４を形成した。圧電膜２の圧電特性は図１に示した構造体、すなわち圧電ユニモルフを片持ち梁構造で保持し、印加電圧による圧電膜２中の電界強度が２０ｋＶ／ｃｍの時の本構造体の変位特性から圧電定数ｄ３１を求めた。図３は実施例の圧電膜の変位特性を測定した結果の一例を示す図である。これより良好な圧電特性が得られていることがわかる。
【００２５】
また、圧電特性は誘電率の平方根に比例することから、本発明に用いる圧電膜の温度特性の評価を、その比誘電率を−２０〜１４０℃の温度範囲で測定することにより行った。図４は比誘電率の温度特性の測定結果の一例を従来のバルク結晶の焼結により得られた圧電膜と比較して示す図である。これより、従来の圧電膜と比較して、広い温度範囲で安定な特性が得られていることがわかる。本発明においては粒径を小さくすることにより圧電特性をそれほど低下させないで相転移による比誘電率のピークを押さえることができることを示している。
【００２６】
本発明の有効性を確認するために、比較例として上記と同様な方法でＡＤ法により圧電膜を作成後、それぞれ７５０℃、１２００℃、１２５０℃で熱処理し、図１と同じ構造の比較例のサンプルを作製した。８５０℃、９５０℃、１０００℃、１１００℃の各温度で熱処理し作製した圧電膜による実施例のサンプルと上記の比較例について、結晶粒径、圧電定数、温度特性の評価結果をまとめて表１に示す。圧電定数ｄ３１は絶対値が５０ｐｍ／Ｖ以上であるものが良品として使用でき、温度特性は−２０〜８０℃の温度範囲で顕著な変曲点を示さないものを良品（○）として判定した。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
表１より本発明の実施例は圧電定数と温度特性の両者とも良品の条件を満たしていることがわかる。さらに、デバイスとしては使用範囲で正の温度係数を持つことが望ましい。そこで、比誘電率の温度特性について実施例と従来例を比較した。図４は、実施例の圧電膜の比誘電率の温度特性の測定結果の一例を従来のバルク結晶の焼結により得られた圧電膜と比較して示す図である。図４の例に示されるように、実施例では−２０℃から１００℃付近までの広い範囲で正の温度係数が得られている。
【００２９】
以上のように、本発明では、チタン酸バリウムによる圧電膜の結晶粒径を０．２〜０．５μｍに制御することで圧電特性に優れ、温度特性の良好な圧電膜型アクチュエータが実現できる。
【００３０】
本発明による圧電膜型アクチュエータは、インクジェットヘッド、医療用マイクロポンプ、超音波モータ、超音波トランスデューサ、光スキャナーなどのデバイスで利用できる。
【００３１】
なお、本発明は上記の実施の形態や実施例に限定されるものではないことはいうまでもなく、目的や用途に応じて設計変更可能である。例えば、基板や電極の材料、ＡＤ法による圧電膜の材料となるチタン酸バリウム粉末の製法や粒子径なども変更可能であり、圧電膜型アクチュエータの構造は圧電膜と電極膜とを多層に積層しても構成してもよい。
【符号の説明】
【００３２】
１      基板
２      圧電膜
３      下部電極
４      上部電極
５      バリア層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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