(57)【要約】【課題】鉛を含有しない特定の組成のアルカリニオブ酸化物の薄膜からなり、優れた圧電特性を有する圧電セラミックス及び圧電セラミックス素子を提供することにある。【解決手段】一般式が（ＮａｘＫ１−ｘ）１−ｙＮｂｙＯ３で表されるアルカリニオブ酸化物の薄膜からなり、その組成が０．４０≦ｘ≦０．４８かつ０．４８≦ｙ≦０．５５である圧電セラミックス。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一般式（ＮａｘＫ１−ｘ）１−ｙＮｂｙＯ３で表されるアルカリニオブ酸化物からなり、その組成が０．４０≦ｘ≦０．４８かつ０．４８≦ｙ≦０．５５であることを特徴とする圧電セラミックス。
【請求項２】
一般式（ＮａｘＫ１−ｘ）１−ｙＮｂｙＯ３で表されるアルカリニオブ酸化物の薄膜からなり、その組成が０．４０≦ｘ≦０．４８かつ０．４８≦ｙ≦０．５５であることを特徴とする圧電セラミックス。
【請求項３】
ぺロブスカイト構造の結晶構造を有する多結晶体からなり、かつ圧電性を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電セラミックス。
【請求項４】
一般式（ＮａｘＫ１−ｘ）１−ｙＮｂｙＯ３で表されるアルカリニオブ酸化物の薄膜からなり、その組成が０．４０≦ｘ≦０．４８かつ０．４８≦ｙ≦０．５５である圧電セラミックスを、導電性を有する下部電極と、導電性を有する上部電極との間に配置して構成されたことを特徴とする圧電セラミックス素子。
【請求項５】
前記導電性を有する下部電極は、Ｐｔ単層、ＰｔとＴｉの積層、ＰｔとＩｒの積層のいずれかであることを特徴とする請求項４に記載の圧電セラミックス素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、優れた圧電特性を有するアルカリニオブ酸化物からなる圧電セラミックス及び圧電セラミックス素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電セラミックスは種々の目的に応じて様々な圧電素子に加工され、素子に電圧を加えることによって変形を生じさせるアクチュエータや、素子に圧力を加えることによって変形を生じさせ、その変形に応じて電圧を発生させるセンサなどの機能性電子部品として広く利用されている。
【０００３】
アクチュエータやセンサの用途に利用される圧電セラミックスとしては、優れた圧電特性を有する鉛系材料の強誘電体材料、特にＰＺＴと呼ばれるＰｂ（Ｚｒ１−ｘＴｉｘ）Ｏ３系のペロブスカイト型強誘電体材料がこれまで広く用いられており、このような強誘電体材料は通常個々の元素からなる材料の酸化物粉末を焼結することにより作製される。
【０００４】
一方、近年はアクチュエータ等の圧電素子をより小型化することが求められており、半導体集積回路を作製する際等に用いられるフォトリソグラフィー技術を用いて素子を作製する必要が生じている。この場合には圧電セラミックスも微細に加工する必要性から膜厚が数ミクロンから数十ミクロンの薄膜形状にすることが要求される。このような場合には、前記により作製した焼結体からこれを薄膜形状に加工することは、経済的、工業的見地からみて現実的な方法とは言えず、適当な基板上に薄膜を形成する方法が用いられる。
【０００５】
基板上に薄膜を形成する方法としては、例えば特許文献１に記載されているようなスパッタリング法や、ＰＬＤ（レーザーアブレーション法）、ゾルゲル法等が知られている。
【特許文献１】特開２００２−１５１７５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＰＺＴから成る圧電セラミックスは、酸化鉛（ＰｂＯ）を６０〜７０重量％程度含有しているので、生態学的見地および公害防止の面から好ましくない。そこで環境への配慮から鉛を含有しない圧電セラミックスの開発が望まれている。
【０００７】
現在様々な鉛を含有しない圧電セラミックスが研究されているが、その中にニオブ酸リチウムカリウムナトリウム（一般式：（ＮａｘＫｙＬｉｚ）ＮｂＯ３（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｚ＜１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１））がある。このニオブ酸リチウムカリウムナトリウムは、ＰＺＴに匹敵する圧電特性を有することから、非鉛圧電セラミックスの有力な候補として期待されている。
【０００８】
ニオブ酸リチウムカリウムナトリウム系圧電セラミックスは、一般に焼結法によって作製され、その際の出発原料としてはＮｂ２０５、Ｋ２ＣＯ３、ＮａＣＯ３、ＬｉＣＯ３の夫々粉末が用いられる。目的とする圧電セラミックスの焼結体は、これらの粉末物質を固相反応させて作製するが、出発原料の全てを完全に固相反応させることは困難であり、出発原料の一部が焼結体中に残存する。このうち、Ｋ２ＣＯ３は潮解性を有するために、大気中の水分と反応して焼結体が分解してしまい、これにより安定した焼結体が得られ難いという問題があった。
【０００９】
一方、スパッタリング法等の薄膜形成法を用いた場合には、焼結法で問題であった残存Ｋ２ＣＯ３の潮解性による分解については回避が可能である。しかしながら薄膜形成法においては、現在までに優れた圧電特性を有する結晶性の圧電セラミックスを得られたという報告はなく、その原因についても明らかになっていない。
【００１０】
そこで本発明の目的は、上記課題に鑑み、優れた圧電特性を有する特定の組成のニオブ酸化物からなる圧電セラミックス、及びその薄膜を用いた圧電セラミックス素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために本発明の圧電セラミックスは、一般式が（ＮａｘＫ１−ｘ）１−ｙＮｂｙＯ３で表されるアルカリニオブ酸化物からなり、その組成が０．４０≦ｘ≦０．４８かつ０．４８≦ｙ≦０．５５であることとしたものである。
【００１２】
また、上記目的を達成するために本発明の圧電セラミックスは、一般式が（ＮａｘＫ１−ｘ）１−ｙＮｂｙＯ３で表されるアルカリニオブ酸化物の薄膜からなり、その組成が０．４０≦ｘ≦０．４８かつ０．４８≦ｙ≦０．５５であることとしたものである。
【００１３】
上記圧電セラミックスは、夫々ぺロブスカイト構造の結晶構造を有する多結晶体からなり、かつ圧電性を有するものであることが好ましい。
【００１４】
ここでいう薄膜とは、スパッタリング法のような物理的な薄膜形成法あるいはＣＶＤ（化学的気相成長）法のような化学的な薄膜形成法によって板状の支持体（基板）上に被着された、一般に数十ミクロン以下の薄膜をいう。
【００１５】
また、上記目的を達成するために本発明の圧電セラミックス素子は、一般式（ＮａｘＫ１−ｘ）１−ｙＮｂｙＯ３で表されるアルカリニオブ酸化物の薄膜からなり、その組成が０．４０≦ｘ≦０．４８かつ０．４８≦ｙ≦０．５５である圧電セラミックスを、導電性を有する下部電極と、導電性を有する上部電極との間に配置して構成されたものである。
【００１６】
上記導電性を有する下部電極は、Ｐｔ単層、ＰｔとＴｉの積層、ＰｔとＩｒの積層のいずれかであることが好ましい。
【００１７】
本発明の圧電セラミックスは、上記アルカリニオブ酸化物中に少量の添加物を混入させても良く、同様の効果を得ることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、一般式が（ＮａｘＫ１−ｘ）１−ｙＮｂｙＯ３で表されるアルカリニオブ酸化物について、このような特定の組成を採用したことにより優れた圧電特性を有する圧電セラミックスを得ることができるとともに、このような特定の組成であれば薄膜形成法によりその薄膜を安定して得ることができる。
【００１９】
前記圧電セラミックス中に少量の添加物を混入した場合も、同様の効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について詳述する。
【００２１】
図１は、本発明に係る圧電セラミックス１を、導電性を有する下部電極２と導電性を有する上部電極３との間に配置して基板４上に一体に形成した圧電セラミックス素子５を示す。前記圧電セラミックスは、一般式が（ＮａｘＫ１−ｘ）１−ｙＮｂｙＯ３で表されるアルカリニオブ酸化物からなり、その組成が０．４０≦ｘ≦０．４８かつ０．４８≦ｙ≦０．５５の条件を満たすものである。
【００２２】
また、この圧電セラミックス１は、基板４上に下部電極２を介して薄膜形成法により薄膜として形成されたものである。
【００２３】
基板４としては、安価なＳｉ基板やガラス基板が用いられるが、この他に酸化マグネシウム基板、ステンレス基板、銅基板、アルミニウム基板を用いることもできる。また基板４が導電性である場合には、その表面に絶縁膜を形成してもよい。
【００２４】
このような構成とすることによって、上記圧電セラミックス素子５は、薄膜にして優れた圧電特性を発揮し、しかも鉛を含有していないアルカリニオブ酸化物のセラミックスを用いたものであることから、生態学的見地及び公害防止の点からも非常に有用である。
【実施例】
【００２５】
本発明の実施例として、図１に示す構造の圧電セラミックス素子５を作製する。
【００２６】
（００１）面、厚さ０．５ｍｍ、２０×２０ｍｍの酸化膜付きＳｉ基板４上に、薄膜形成法としてスパッタリング法を用いることにより厚さ２００ｎｍのＰｔ／Ｔｉの積層からなる下部電極２を形成した。
【００２７】
Ｔｉの成膜条件は、基板温度３００℃、放電パワー２００Ｗ、導入ガスＡｒ雰囲気、圧力１Ｐａ、成膜時間３分とし、Ｐｔの成膜条件は、基板温度３００℃、放電パワー２００Ｗ、導入ガスＡｒ雰囲気、圧力１Ｐａ、成膜時間１５分とした。
【００２８】
この下部電極２上に、（Ｎａ０．４５Ｋ０．５５）０．４８Ｎｂ０．５２Ｏ３で表されるアルカリニオブ酸化物の薄膜からなる圧電セラミックス１を、スパッタリング法により作製した。成膜条件は、基板温度７００℃、放電パワー７５Ｗ、導入ガスＡｒ雰囲気、圧力０．４Ｐａ、成膜時間３時間３０分とした。
【００２９】
さらに、Ｐｔからなる上部電極３を同様のスパッタリング法により形成した。成膜条件は、基板温度２００℃、放電パワー２００Ｗ、導入ガスＡｒ雰囲気、圧力２．５Ｐａ、成膜時間１分とした。
【００３０】
その後、この圧電セラミックスを含む多層構造から、長さ２０ｍｍ、幅３ｍｍの短冊形の小片の圧電セラミックス素子（試料）６を切り出し、図２に示すように、長手方向の一端を除震台７の上に設けたクランプ８で固定することにより、簡易的なユニモルフカンチレバーを作製した。
【００３１】
この状態で両電極２と３の間に電圧を印加し、圧電セラミックス素子（試料）６を伸縮させてレバー先端を動作させた。そのときの先端の変位量をレーザードップラー変位計９で測定した。
【００３２】
さらに圧電セラミックス素子（試料）６のうち、圧電セラミックスの組成のみを変えたものを上記と全く同様に作製した。
【００３３】
すなわち、ナトリウムとカリウムの組成を変えたものとして
（Ｎａ０．００Ｋ１．００）０．４８Ｎｂ０．５２Ｏ３、
（Ｎａ０．１５Ｋ０．８５）０．４８Ｎｂ０．５２Ｏ３、
（Ｎａ０．１９Ｋ０．８１）０．４８Ｎｂ０．５２Ｏ３、
（Ｎａ０．２５Ｋ０．７５）０．４８Ｎｂ０．５２Ｏ３、
（Ｎａ０．３２Ｋ０．６８）０．４８Ｎｂ０．５２Ｏ３、
（Ｎａ０．３９Ｋ０．６１）０．４８Ｎｂ０．５２Ｏ３、
（Ｎａ０．４１Ｋ０．５９）０．４８Ｎｂ０．５２Ｏ３、
（Ｎａ０．４３Ｋ０．５７）０．４８Ｎｂ０．５２Ｏ３、
（Ｎａ０．４７Ｋ０．５３）０．４８Ｎｂ０．５２Ｏ３、
（Ｎａ０．４９Ｋ０．５１）０．４８Ｎｂ０．５２Ｏ３、
（Ｎａ０．５８Ｋ０．４２）０．４８Ｎｂ０．５２Ｏ３、
（Ｎａ０．６２Ｋ０．３８）０．４８Ｎｂ０．５２Ｏ３、
（Ｎａ０．７５Ｋ０．２５）０．４８Ｎｂ０．５２Ｏ３、
の１３種類を作製した。
【００３４】
以上の１４種類のナトリウムとカリウムの組成が異なる圧電セラミックス素子（試料）６を用いて作製した圧電セラミックス素子のナトリウム組成と、図２の測定結果から求めた圧電定数との関係を図３に示す。ナトリウム組成ｘが、０．４０≦ｘ≦０．４８の範囲で急激に圧電定数が向上し、圧電特性が良くなっていることがわかる。
【００３５】
一方、ナトリウム及びカリウムに対するニオブの組成を変えたものとして、
（Ｎａ０．４５Ｋ０．５５）０．５４Ｎｂ０．４６Ｏ３、
（Ｎａ０．４５Ｋ０．５５）０．５３Ｎｂ０．４７Ｏ３、
（Ｎａ０．４５Ｋ０．５５）０．５２Ｎｂ０．４８Ｏ３、
（Ｎａ０．４５Ｋ０．５５）０．５０Ｎｂ０．５０Ｏ３、
（Ｎａ０．４５Ｋ０．５５）０．４７Ｎｂ０．５３Ｏ３、
（Ｎａ０．４５Ｋ０．５５）０．４６Ｎｂ０．５４Ｏ３、
（Ｎａ０．４５Ｋ０．５５）０．４５Ｎｂ０．５５Ｏ３、
（Ｎａ０．４５Ｋ０．５５）０．４４Ｎｂ０．５６Ｏ３、
（Ｎａ０．４５Ｋ０．５５）０．４３Ｎｂ０．５７Ｏ３、
（Ｎａ０．４５Ｋ０．５５）０．４２Ｎｂ０．５８Ｏ３、
の１０種類を作製した。
【００３６】
以上の１１種類のナトリウム及びカリウムに対するニオブの組成が異なる圧電セラミックス素子（試料）６を用いて作製した圧電セラミックス素子のニオブ組成と、図２の測定結果から求めた圧電定数との関係を図４に示す。ニオブ組成ｙが、０．４８≦ｙ≦０．５５の範囲で急激に圧電定数が向上し、圧電特性が良くなっていることがわかる。
【００３７】
本実施例より、一般式が（ＮａｘＫ１−ｘ）１−ｙＮｂｙＯ３で表されるアルカリニオブ酸化物の薄膜について、その組成を、０．４０≦ｘ≦０．４８かつ０．４８≦ｙ≦０．５５とすることにより、優れた圧電特性を有する圧電セラミックス及び圧電セラミックス素子が得られることが明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の一実施の形態に係る圧電セラミックス素子の断面構造を示す模式図である。
【図２】ユニモルフカンチレバーの形状と測定の状態を示す模式図である。
【図３】アルカリニオブ酸化物薄膜のカリウムに対するナトリウム組成と圧電定数との関係を示すグラフである。
【図４】アルカリニオブ酸化物薄膜のナトリウム及びカリウムに対するニオブ組成と圧電定数との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３９】
１  圧電セラミックス
２  下部電極
３  上部電極
４  基板
５  圧電セラミックス素子
６  圧電セラミックス素子（試料）
７  除震台
８  クランプ
９  レーザードップラー変位計
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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