(57)【要約】【課題】  電気−歪み履歴においてヒステリシスを持たない圧電セラミックスで形成した圧電アクチュエータを提供すること。【解決手段】  基板上に圧電セラミックス層を配置してなる圧電アクチュエータにおいて、前記圧電セラミックス層が走査型電子顕微鏡観察により平均粒径０．０１μｍ以上、０．１μｍ以下の範囲のセラミックスで形成されていることを特徴とする。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に圧電セラミックス層を配置してなる圧電アクチュエータにおいて、前記圧電セラミックス層が走査型電子顕微鏡観察により平均粒径０．０１μｍ以上、０．１μｍ以下の範囲のセラミックスで形成されていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項２】
前記圧電セラミックス層を形成するセラミックスの相対密度が９５％以上であ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。
【請求項３】
前記セラミックスがジルコン酸チタン酸鉛系組成からなることを特徴とする請求項２記載の圧電アクチュエータ。
【請求項４】
前記セラミックスがチタン酸バリウムを主成分とする組成からなることを特徴とする請求項２記載の圧電アクチュエータ。
【請求項５】
前記セラミックスがニオブ酸カリウム系組成からなることを特徴とする請求項２記載の圧電アクチュエータ。
【請求項６】
前記圧電セラミックス層の膜厚が下記式（１）を満たす範囲であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
【数１】
2005143245.tif 000005
Ｙｐはセラミックス層のヤング率
Ｔｐはセラミックス層の厚さ
Ｙｓは基板のヤング率
Ｔｓは基板の厚さ
【請求項７】
前記圧電セラミックス層の膜厚が０．５μｍ以上、３０μｍ以下の範囲であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
【請求項８】
請求項３、４または５記載のセラミックスを用い、該セラミックス粒子に運動エネルギーを与え、基板に衝突させて成膜してなる圧電セラミックス層を有することを特徴とする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、微小位置決め素子、ハードディスクヘッド等の精密制御に用いられる圧電アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電セラミックスは電界強度に比例した歪みを発生し、工業的には広く原子間力顕微鏡、ステッパー、ハードディスクヘッド等の位置決め素子などに使用されている。これら代表的なセラミックス組成としてはジルコン酸チタン酸鉛セラミックス（ＰＺＴ）が知られている。
【０００３】
ＰＺＴセラミックスは分極処理を行うことで圧電性が利用できる。一般に、印加電界とセラミックスの歪みは電界強度の１次に比例するが、最大電界印加時の、ある電界強度における歪みと、最大電界印加時から無電界時にもどした時の、先記同じ電界強度における歪みは異なる値を示す。これは一般に、歪み履歴曲線で、電界挿引で両者が異なる軌跡を呈し、これを圧電歪みのヒステリシス現象と呼ぶ。
【０００４】
ヒステリシスの起因は分域壁の移動現象と関係付けられ、程度の差はあるものの全ての圧電歪みに観測されるものであった。このヒステリシスは精密位置決めの際、同じ印加電界に対し異なる２点の歪み値が存在するわけで、利用上種々の問題を呈するものである。
【０００５】
従来、このヒステリシスを解消すべく、駆動回路にて種々の工夫がなされてきた。例えば、圧電アクチュエータのヒステリシスを機械的稼働部に弾性体を配置させ、全ストローク、応答速度を犠牲にして、ヒステリシスの低減を図る（特許文献１参照）、また、駆動回路部にフィードバック機構を付与し、外付け回路にてアクチュエータのヒステリシスを低減させる（特許文献２参照）等である。例として、分域壁の移動は分極値の変化を２次的に伴うことより、分極値をモニターして、駆動電圧信号へ帰還させる制御がなされている。
【０００６】
しかしながら、回路上の制御はシステムの煩雑さを招き、この様な対応は、本来、材料の改善により克服されるべきものである。なお、ここで述べる分域とは圧電セラミックスにおける強誘電分域のことである。強誘電分域は印加電界の閾値以上にて、強誘電セラミックスの個々の分域壁がセラミックス粒を貫き進展するものである。分域壁の進展を防ぐ方法として分域壁のピン止め作用を積極的に用いる方法がある。これはＰＺＴ組成物に微量な欠陥構造を導入する添加物の添加でなされる。しかし、この様な対策を行っても、無ヒステリシス圧電セラミックスは得られない。
【０００７】
従来、圧電セラミックスはセラミックス仮焼粉を十分な熱処理を施し、粒成長を伴い焼結せしめて得る物である。ＰＺＴ系セラミックスの場合、概ねこの焼結時の処理温度は１２００℃前後が相当する。この間、結晶粒同士の焼結、粒成長が発生し、最終的にはセラミックス組織において多角形状の約２μｍ径からなる緻密な粒組織が得られる。十分な焼結がなされた圧電セラミックスは理論密度に対する相対密度が９５％以上を有し、実用に即する特性を示す。理論密度の定義は岡崎清著、学献社発行「セラミックス誘電体工学第４版」ｐ．２４に詳細に記されており、また相対密度とはこの理論密度の商にて求められる値である。
【０００８】
この様なセラミックス組織は走査型電子顕微鏡の観察により、容易に粒観察がされる。また、分極処理後、塩酸等による微程度の化学エッチング処理により、分域構造が観測され、一つの粒に一方向に向いた複数の分域壁が観察される。
【０００９】
ヒステリシス現象はこの分域壁の移動により、複数の分域構造を有するセラミックス粒内が単一の分域構造に変化することに起因している。従って、従来の熱固相反応により作製される圧電セラミックスは、相対密度９５％以上、かつ数μｍの粒組織からなり、更に粒内に複数の強誘電体分域を有する構造体しか得ることが出来ず、ヒステリシスを伴わないものを作製することは不可能であった。
【００１０】
ガスデポジション法により平均粒径が０．０８〜１．２μｍの値を有するセラミックス粉体を用いてセラミックス誘電体を安定して形成する方法の提案がある（特許文献３参照）。しかしながら、ここには得られるセラミックス膜の粒組織（構造）については何ら記載がない。本発明者は上記粒径のセラミックス粉体を用いて成膜したところ概ね平均粒径０．０１〜０．８μｍの粒組織が得られたが、本発明から明らかなごとく平均粒径０．８μｍのような粒組織では圧電アクチュエータのヒステリシスを低減することはできない。
【００１１】
【特許文献１】特開２０００−２９８９６２号公報
【特許文献２】特開平０５−５６６６７号公報
【特許文献３】特開２００１−１５２３６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、上述した実情に鑑みてなされたもので、電気−歪み履歴においてヒステリシスを持たない圧電セラミックスで形成した圧電アクチュエータを提供することを目的とする。以下に各請求項に対応した目的を記載する。
請求項１の発明は、分域反転に伴うヒステリシス現象を圧電セラミックス層のセラミックス組織の微細化により防ぐべく、適正な粒径範囲を提供すること、請求項２の発明は、圧電アクチュエータとして十分機能するためのセラミックスの適正な密度を提供することを目的とするものである。請求項３〜５の発明は、圧電セラミックスの好適な材料組成を提供することを目的とするもので、特に請求項４、５は、近年、鉛を含まない材料系が望まれており、その要望に供するものである。
【００１３】
請求項６は、アクチュエータとして効率よく電気−機械変換させるための適正な構造を提供すること、請求項７は、低電圧駆動下でも十分機械的変位を生じさせるための適正なセラミックス層を提供すること、請求項８は上記各目的を満たすため、結晶粒の増大を招くことなく相対密度を達成させ、かつ各種セラミックス組成物を膜形成させる方法により形成されたセラミックス層を有するアクチュエータを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するため研究したところ、圧電セラミックス膜の粒組織として平均粒径０．０１μｍ乃至０．１μｍの範囲の粒からなる膜でのみ圧電アクチュエータのヒステリシスを低減できることを見出し本発明に至った。すなわち、
請求項１の発明は、基板上に圧電セラミックス層を配置してなる圧電アクチュエータにおいて、前記圧電セラミックス層が走査型電子顕微鏡観察により平均粒径０．０１μｍ以上、０．１μｍ以下の範囲のセラミックスで形成されていることを特徴とする。
【００１５】
請求項２の発明は、請求項１記載の圧電アクチュエータにおいて、前記圧電セラミックス層を形成するセラミックスの相対密度が９５％以上であることを特徴とする。
【００１６】
請求項３の発明は、請求項２記載の圧電アクチュエータにおいて、前記セラミックスがジルコン酸チタン酸鉛系組成からなることを特徴とするジルコン酸チタン酸鉛系組成からなることを特徴とする。
【００１７】
請求項４の発明は、請求項２記載の圧電アクチュエータにおいて、前記セラミックスがチタン酸バリウムを主成分とする組成からなることを特徴とする。
【００１８】
請求項５の発明は、請求項２記載の圧電アクチュエータにおいて、前記セラミックスがニオブ酸カリウム系組成からなることを特徴とする。
【００１９】
請求項６の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の圧電アクチュエータにおいて、前記圧電セラミックス層の膜厚が下記式（１）を満たす範囲であることを特徴とする。
【００２０】
【数２】
2005143245.tif 000002
Ｙｐはセラミックス層のヤング率
Ｔｐはセラミックス層の厚さ
Ｙｓは基板のヤング率
Ｔｓは基板の厚さ
【００２１】
請求項７の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の圧電アクチュエータにおいて、前記圧電セラミックス層の膜厚が０．５μｍ以上、３０μｍ以下の範囲であることを特徴とする。
【００２２】
請求項８の発明は、請求項３、４または５記載のセラミックスを用い、該セラミックス粒子に運動エネルギーを与え、基板に衝突させて成膜してなる圧電セラミックス層を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、ヒステリシスの少ない、すなわちヒステリシス量が従来の１／３から１／４０に低減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】
【００２４】
以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。
本発明による相対密度９５％以上、かつ粒径０．０１μｍ以上、０．１μｍ以下の組織は従来の熱固相反応では生成せず、それとは異なるガスジェットデポジション法（粒子吹き付け法）にて作製するものである。この組織においては一つの粒内に複数の強誘電体分域は存在することが出来ないため、電界印加時の分域壁の移動が発生せず、結果としてヒステリシスのない特性が得られる。
【００２５】
本発明により各種圧電セラミックス粉、平均粒径０．８μｍを気流に乗せ、２０ｍ／ｓｅｃ以上の速度まで加速させた後、基板に衝突させることにより、セラミックス粒子の堆積膜、もしくは構造体を形成することが可能である。粒子の基板衝突時における運動エネルギーからの他へのエネルギー変換がなされ、一部の粒子は破壊され、元の粒子径より微細な粒径の構造物が出来る。
【００２６】
この様にして作製した構造物は、相対密度９５％以上の緻密体である。衝突時の粒子破壊は酸化物セラミックスの場合、特に結晶構造中の酸素原子の離脱が発生し、この酸素欠損が、従来の分域壁移動の際のピン止め作用も一部呈する。部分的に酸素欠損を補償するために、セラミックス構造物形成後、６００℃以上の熱処理を大気中にて施すことにより、圧電性を出現させる。
【００２７】
本発明における上記ジルコン酸チタン酸鉛系材料は公知の三成分系も含まれる。また、鉛を含まない材料系として、チタン酸バリウムを主成分とするセラミックス組成とはバリウムの一部をアルカリ土類元素で置換させたもの、チタンをハフニウム、ジルコニウムで置換したものを含むことを意味する。また、上記ニオブ酸カリウム系組成とは、カリウムの代わりにアルカリ金属で置換させた組成や、ニオブを一部タンタルに置き換えても良い。また、ニオブ酸カリウム系組成とチタン酸バリウム系組成の固溶体からなる組成物も含まれる。
【００２８】
以下に本発明における圧電アクチュエータのヒステリシスの定量、圧電セラミックス層（粒組織）を形成する圧電セラミックスの平均粒径の算出、圧電セラミックス層の膜密度の算出、基板および圧電セラミックス層のヤング率の測定方法を示す。
【００２９】
（ヒステリシスの定量）
矩形状の基板（シム材）と圧電セラミックス層を積層させた圧電アクチュエータを作り、矩形の一方の端を固定して片持ち梁とし、他端の変位を測定した。アクチュエータの駆動方法は片電界駆動、１周期（すなわち、０→１０ｋＶ／ｃｍ→０）で、最大変位量：電界強度１０ｋＶ／ｃｍにおける梁の変位、昇圧時の電界強度５ｋＶ／ｃｍにおける梁の変位：変位１、降圧時の電界強度５ｋＶ／ｃｍにおける梁の変位：変位２、片電界の周波数０．１Ｈｚとし、次式によりヒステリシス量を求めた。
【００３０】
【数３】
2005143245.tif 000003
従って、ヒステリシスを持たない場合変位１と変位２は等しいので（分子は零）ヒステリシス量は０になる。市販の片持ち梁式アクチュエータは０．３ほどある（後述の実施例記述）。本発明ではこの１／３以下のヒステリシス量を達成することを目的とした。
【００３１】
（平均粒径の算出）
上記圧電セラミックス層の膜断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した。ＳＥＭ粒径観察は観察倍率が５万倍以上、２５２ピクセル／インチの解像度で画像保存、画像処理ソフト（フォトショップ）にてコントラスト、ブライトネスを調整後、画像拡張し測長した。なお、希塩酸を用い、温度６０℃、浸漬時間１２０秒以下で前処理した。ＳＥＭによる写真撮影と写真インターセプト法より５０個以上のサンプリングを行い、相加平均より算出した。
【００３２】
（膜密度の算出）
上記圧電セラミックス層の膜堆積後、研摩により膜厚を均一化し、ダイシングソーにて基板と一体切りだしを行い、アルキメデス法にて密度を算出し、基板密度を差し引き（補正し）膜密度を求める。
【００３３】
（ヤング率の測定）
上記と同様、圧電アクチュエータを作り、一方の端を固定して片持ち梁構造とし、支持部に振動を与え、自由端（他端）の変位を測定する（電子材料工業会規格ＥＭＡＳ６１００に準拠して測定を実施）。振動周波数を変化させ共振周波数を求める。周知の振動関係式より構造体のヤング率を求める。このときの密度は上述の値を用いる。
［実施例１］
【００３４】
基板としてステンレスシート（厚さ３０μｍ）、セラミック組成として堺化学社製ＰＺＴを用い、図１に示すガスジェットデポジション装置により、次の条件でＰＺＴ構造物を形成し、次いで熱処理および分極処理を行った。
キャリアガス：Ｈｅ、粒子速度：７０ｍ／ｓｅｃ、ＰＺＴ膜厚：１０μｍ、熱処理：６００℃、１時間、
分極条件：直流電界：６０ｋＶ／ｃｍ、温度：２００℃、時間：３０分。
得られた構造物について、上述の測定法により平均粒径、膜密度、ヤング率、ヒステリシス量を測定し評価した。結果を表１に示す。
［実施例２］
【００３５】
粒子速度を８５ｍ／ｓｅｃとする以外、実施例１と同様にしてＰＺＴ構造物を形成し、熱処理および分極処理を行った。得られた構造物について実施例１と同様、平均粒径、膜密度、ヤング率、ヒステリシス量を測定し評価した。結果を表１に示す。
［比較例１］
【００３６】
粒子速度を２０ｍ／ｓｅｃとする以外、実施例１と同様にしてＰＺＴ構造物を形成し、熱処理および分極処理を行った。得られた構造物について実施例１と同様、平均粒径、膜密度、ヤング率、ヒステリシス量を測定し評価した。結果を表１に示す。
［実施例３］
【００３７】
セラミックス組成を（Ｂａ，Ｓｒ）（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｏ３  、粒子速度を５０ｍ／ｓｅｃ、分極条件を直流電界：６０ｋＶ／ｃｍ電界空冷、温度：１５０℃とする以外、実施例１と同様にしてセラミックス構造物を形成し、熱処理および分極処理を行った。得られた構造物について実施例１と同様、平均粒径、膜密度、ヤング率、ヒステリシス量を測定し評価した。結果を表１に示す。
［実施例４］
【００３８】
セラミックス組成を（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ３−ＢａＴｉＯ３、分極条件の温度を２５０℃とする以外、実施例４と同様にしてセラミックス構造物を形成し、熱処理および分極処理を行った。得られた構造物について実施例１と同様、平均粒径、膜密度、ヤング率、ヒステリシス量を測定し評価した。結果を表１に示す。
［実施例５］
【００３９】
基板の厚さを２０μｍ、粒子速度：７０ｍ／ｓｅｃ、ＰＺＴ膜厚を３０μｍとする以外、実施例１と同様にしてＰＺＴ構造物を形成し、熱処理および分極処理を行った。得られた構造物について実施例１と同様、平均粒径、膜密度、ヤング率、ヒステリシス量を測定し評価した。結果を表１に示す。
［実施例６］
【００４０】
基板の厚さを２０μｍ、、セラミックス組成をＰＮＮ−ＰＺ−ＰＴ、粒子速度を６０ｍ／ｓｅｃ、セラミックス膜厚を０．０５μｍ、分極条件を直流電界：４０ｋＶ／ｃｍ電界空冷、温度：７０℃とする以外、実施例１と同様にしてセラミックス構造物を形成し、熱処理および分極処理を行った。得られた構造物について実施例１と同様、平均粒径、膜密度、ヤング率、ヒステリシス量を測定し評価した。結果を表１に示す。
［実施例７］
【００４１】
基板をＳｉウェハ（梁厚さ１０μｍ）、セラミックス膜厚を２０μｍとする以外、実施例６と同様にしてセラミックス構造物を形成し、熱処理および分極処理を行った。得られた構造物について実施例１と同様、平均粒径、膜密度、ヤング率、ヒステリシス量を測定し評価した。結果を表１に示す。
［比較例２］
【００４２】
基板を４２アロイ（厚さ５０μｍ）、セラミックス膜厚を５０μｍ、分極条件を直流電界：２０ｋＶ／ｃｍ、温度：１２５℃、時間：２０分とする以外、実施例１と同様にしてセラミックス構造物を形成し、熱処理および分極処理を行った。得られた構造物について実施例１と同様、平均粒径、膜密度、ヤング率、ヒステリシス量を測定し評価した。結果を表１に示す。
【００４３】
【表１】
2005143245.tif 000004
表中、膜密度は嵩密度（質量／体積）の実測値を相対密度に換算した結果を記載した。判定はヒステリシス量０．１６以上を×とした。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】実施例で用いたガスジェットデポジション装置の概略図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０  ガスボンベ
２０  ガス搬送管
３０  エアロゾル形成槽
４０  エアロゾル搬送管
５０  真空槽
５１  Ｘ−Ｙ−Ｚθステージ
５２  基板ホルダ
５３  マスクパターン
５４  ノズル
６０  真空排気装置
【図１】
2005143245.tif 000006