(57)【要約】【課題】良好な圧電特性を有する圧電膜を備えた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１００における圧電膜４０を、Ｐｂ（Ｎｉ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３系材料で構成され且つ０．２μｍ〜２．０μｍの平均粒径を有する結晶からなるものとした。基板１０が圧電膜４０と反応する可能性のあるものの場合には、例えば、基板１０の表面を酸化物膜や窒化物膜などの拡散バリア層２０を基板１０上に形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板、該基板上に形成された第１電極、該第１電極上に形成された圧電膜、及び該圧電膜上に形成された第２電極を備える圧電アクチュエータであって、
前記圧電膜は、Ｐｂ（Ｎｉ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３系材料で構成され、０．２μｍ〜２．０μｍの平均粒径を有する結晶からなる
圧電アクチュエータ。
【請求項２】
前記平均粒径は０．２μｍ〜０．５μｍの範囲内に含まれる、
請求項１記載の圧電アクチュエータ。
【請求項３】
前記圧電膜は、Ｐｂ（Ｎｉ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３をｘモル％、ＰｂＺｒＯ３をｙモル％、ＰｂＴｉＯ３系をｚモル％とした場合（但し、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００）に、三成分系相図において、
Ａ（ｘ＝５５，ｙ＝  ５，ｚ＝４０）
Ｂ（ｘ＝５５，ｙ＝１５，ｚ＝３０）
Ｃ（ｘ＝２０，ｙ＝４５，ｚ＝３５）
Ｄ（ｘ＝２０，ｙ＝３５，ｚ＝４５）
の４点を頂点とした四角形領域内に存在する組成を有する
請求項１又は請求項２記載の圧電アクチュエータ。
【請求項４】
前記基板は、金属からなる、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
【請求項５】
前記基板は、ステンレスからなる、請求項４記載の圧電アクチュエータ。
【請求項６】
前記基板は、半導体単結晶からなる、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
【請求項７】
前記基板と前記圧電膜との間に前記基板と前記圧電膜との反応を防止するための拡散バリア層を更に備える、請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
【請求項８】
前記拡散バリア層は、前記基板表面に形成された酸化物層又は窒化物層である、請求項７記載の圧電アクチュエータ。
【請求項９】
前記圧電膜において３％以下のＰｂをＳｒ又は希土類元素で置換してなる、請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１０】
前記圧電膜に対して、ＭｎＯ又はＦｅ２Ｏ３を０．０５〜０．５％添加してなる、請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１１】
前記圧電膜は、少なくとも５μｍの膜厚を有する、請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１２】
前記圧電膜は、Ｐｂ（Ｎｉ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３系粉末を材料としたエアロゾルデポジション法によりＰｂ（Ｎｉ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３系膜を前記第１電極上に形成した後、Ｐｂ（Ｎｉ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３系膜に対して熱処理を行って粒成長させることにより、得られるものである、
請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１３】
基板上に第１電極を形成するステップと、
Ｐｂ（Ｎｉ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３系粉末を材料としたエアロゾルデポジション法によりＰｂ（Ｎｉ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３系膜を前記第１電極上に形成した後、Ｐｂ（Ｎｉ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３系膜に対して熱処理を行って粒成長させることにより、０．２μｍ〜２．０μｍの平均粒径を有する結晶からなる圧電膜を前記第１電極上に形成するステップと、
該圧電膜上に第２電極を形成するステップと
を備える圧電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、圧電アクチュエータに関し、特に、ＰＮＮ−ＰＺＴ系の圧電膜を有する圧電アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
ステンレスなどの安価な金属基板上に圧電膜を形成し、圧電アクチュエータを構成しようとする例としては、例えば、ＰＺＴ系材料からなる圧電膜を備えた特許文献１に開示されたものがある。
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−９３３４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、特許文献１よりも更に良好な圧電特性を有する圧電膜を備えた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】
圧電特性の優れた材料としてＰＮＮ−ＰＺＴ系材料がある。しかし、本発明者らが試作・検証してみたところ、圧電性を示さないものや信頼性に欠けるものがあった。そこで、本発明者らは、更に検討を重ねた結果、ＰＮＮ−ＰＺＴ系材料からなる圧電膜の中から良好な圧電性を有し且つ信頼性の高いものを選択するためのパラメータとして、圧電膜を構成する結晶の平均粒径が適切であることを見出した。
【０００６】
本発明はかかる知見に基づくものであり、より具体的には、本発明によれば、基板、該基板上に形成された第１電極、該第１電極上に形成された圧電膜、及び該圧電膜上に形成された第２電極を備える圧電アクチュエータであって、
前記圧電膜は、Ｐｂ（Ｎｉ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３系材料で構成され、０．２μｍ〜２．０μｍの平均粒径を有する結晶からなる
圧電アクチュエータが得られる。
【発明の効果】
【０００７】
Ｐｂ（Ｎｉ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３系材料で構成され、０．２μｍ〜２．０μｍの平均粒径を有する結晶からなる圧電膜を用いると、良好な圧電特性を有し且つ高い信頼性を有する圧電アクチュエータを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１に示されるように、本発明の実施の形態による圧電アクチュエータ１００は、基板１０、基板１０上に形成された拡散バリア層２０、拡散バリア層２０上に形成された第１電極３０、第１電極３０上に形成された圧電膜４０、及び圧電膜４０上に形成された第２電極５０を備えている。
【０００９】
本実施の形態における基板１０は、ステンレスからなる。基板１０としては、ステンレスに代えて、他の金属材料を用いても良いし、シリコン単結晶などの半導体単結晶やセラミックなどで構成しても良い。
【００１０】
本実施の形態における拡散バリア層２０は、基板１０上に直接成膜されたＡｌ２Ｏ３皮膜からなる。拡散バリア層２０としては、Ａｌ２Ｏ３皮膜に代えて、ＺｒＯ２やＭｇＯなどの他の酸化物や窒化物からなる皮膜を用いても良い。なお、この拡散バリア層２０は、圧電膜を構成する結晶の粒成長のための熱処理の際に基板１０と圧電膜４０との反応を防ぐためのものであるので、本実施の形態のようにステンレスからなる基板１０の場合には設けることが好ましいが、例えば、基板１０がセラミックなどからなる場合には、省略することができる。
【００１１】
本実施の形態における第１電極３０は、拡散バリア層２０上にスパッタ法で形成されたＰｔ膜からなる。第１電極３０の形成は、他の方法によっても良いし、第１電極３０はＰｔ以外の貴金属、例えば、Ｉｒなどを用いて形成しても良い。熱処理時に酸素分圧を制御することを前提として、第１電極３０の材料として、ＣｕやＮｉなどの卑金属を用いても良い。更には、本実施の形態のように金属からなる基板を用いる場合、基板と第１電極とを兼ねることとしても良い。
【００１２】
本実施の形態における圧電膜４０は、Ｐｂ（Ｎｉ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３系材料で構成され、０．２５μｍの平均粒径を有する結晶からなる。平均粒径は、０．２μｍ〜２．０μｍの範囲に入っていれば良い。本発明者らによる検証の結果、平均粒径が０．２μｍに満たない場合には、圧電性を示さず、変位特性が極端に低いことが確認され、また、平均粒径が２．０μｍよりも大きい場合には、圧電膜に電気的異方性を与える分極処理工程でクラックが発生する確率が高く、また連続駆動により変位が低下することが確認されたためである。更に、良好な耐電圧特性を得るためには、平均粒径が０．２μｍ〜０．５μｍの範囲に入っていることが好ましい。
【００１３】
なお、圧電膜４０を構成する結晶の平均粒径は、下記文献に基づき、膜の表面、もしくは断面のＳＥＭ写真より結晶粒が１００ヶ以上クロスするように線を引き、その線の長さから粒１ヶ当たりの長さの平均値を計算し、結晶粒が球であると仮定し、補正係数１．５を乗じた値を結晶粒径とした。
参考文献：「セラミックプロセシング」
水谷惟恭他著、１９８５年３月技報堂出版発行
【００１４】
また、本実施の形態における圧電膜４０は、Ｐｂ（Ｎｉ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３を５０モル％、ＰｂＺｒＯ３を１５モル％、ＰｂＴｉＯ３を３５モル％としたＰｂ（Ｎｉ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３材料からなるものである。組成としては、Ｐｂ（Ｎｉ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３をｘモル％、ＰｂＺｒＯ３をｙモル％、ＰｂＴｉＯ３系をｚモル％とした場合（但し、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００）に、図２に示されるような三成分系相図において、
Ａ（ｘ＝５５，ｙ＝  ５，ｚ＝４０）
Ｂ（ｘ＝５５，ｙ＝１５，ｚ＝３０）
Ｃ（ｘ＝２０，ｙ＝４５，ｚ＝３５）
Ｄ（ｘ＝２０，ｙ＝３５，ｚ＝４５）
の４点を頂点とした四角形領域内に存在する組成を有することが好ましい。この四角形領域内に含まれる組成を有する圧電膜４０の場合、圧電定数の絶対値｜ｄ３１｜として１００ｐｍ／Ｖ以上の値を得られるからである。
【００１５】
なお、特性向上その他の目的で、Ｐｂ（Ｎｉ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３におけるＰｂを、３％以下に限り、Ｓｒや希土類元素で置換しても良い。また、Ｐｂ（Ｎｉ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３に対してＭｎＯ又はＦｅ２Ｏ３を０．０５〜０．５％添加しても良い。
【００１６】
本実施の形態における圧電膜４０の膜厚は、１０μｍとした。圧電膜４０の膜厚は、１０μｍよりも厚くても薄くても構わないが、アクチュエータに要求される発生力を得るためには５μｍ以上であることが好ましい。また、同様の理由により、膜密度は、相対密度で９０％以上であることが望ましい。
【００１７】
上述してきた本発明の形態による圧電膜４０を実際に形成するにあたって、まずは、第１電極３０まで形成された基板１０をイソプロピルアルコール中で超音波洗浄した。その後、５０Ｐｂ（Ｎｉ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−１５ＰｂＺｒＯ３−３５ＰｂＴｉＯ３組成のセラミック粉末を用いてエアロゾルデポジション（ＡＤ）法により圧電膜４０を第１電極３０上に形成した。ＡＤ法に用いる粉末の比表面積は１〜４ｍ２／ｇであることが好ましい。また、成膜時の温度に関し、室温で成膜しても良いし、基板を加熱した状態で成膜しても良い。
【００１８】
ＡＤ法により圧電膜を成膜した後、圧電膜を構成する結晶の粒径を成長させるため熱処理を行った。熱処理温度が低すぎると粒径が小さくなり、高すぎると大きくなりすぎるので、適切な温度範囲を選択すべきである。本実施の形態においては、９００℃で熱処理を行った。温度範囲は熱処理前の結晶等との関係を考慮して定められるべきものであるが、８５０〜９００℃の範囲であれば、ほぼ確実に、平均粒径を０．２μｍ〜０．５μｍの範囲内に収めることができる。
【００１９】
本実施の形態における第２電極５０は、圧電膜４０上に蒸着されたＡｕからなる。第１電極３０同様、他の貴金属等から構成されていても良い。
【００２０】
第２電極５０形成後、圧電膜４０に対して、１００℃で４０ｋＶ／ｃｍの電界を１５分間印加して分極処理を施した。
【００２１】
以下、図３及び図４を用いて、本実施の形態による圧電アクチュエータ１００と平均粒径が０．２μｍ〜０．５μｍの範囲外にある結晶からなる圧電膜を備えた圧電アクチュエータとの比較した結果について説明する。比較例としては、熱処理温度だけを異ならせて、上述した本実施の形態による圧電アクチュエータ１００と同様の手法により作成されたものを２種類用意した。一つは、８００℃で熱処理したものであり、結晶粒径が０．１８μｍを有するものである。他方は、１０５０℃で熱処理したものであり、結晶粒径が２．２μｍを有するものである。図３を参照すると、前者について、変位特性測定試験を行った結果が示されている。変位特性測定試験（圧電定数測定試験）は、図１におけるＰ１点、Ｐ２点を保持した片持ち梁状態で、Ｐ３点及びＰ４点に０Ｖ〜５０Ｖの電圧を印加しつつＰ５点の変位をレーザ変位系で測定することにより行われた。なお、後者についても同様の測定を試みたが、後者の圧電膜では分極処理時にクラックが発生し、評価することができなかった。一方、本実施の形態に対して、同様の測定を行って得られた結果が図４である。
【００２２】
図３を一見して理解されるように、平均粒径が０．１８μｍの場合、電圧に対する変位変化が二次曲線状になっており、強誘電性を示していないが、平均粒径が０．２５μｍの場合、分極反転を伴う変位特性が得られた。
【００２３】
更に、片持ち梁状の圧電アクチュエータに対して電圧を１０９回印加して耐久試験（連続駆動試験）も行った。その結果、平均粒径が０．２μｍ〜０．５μｍの結晶からなる圧電膜の場合、信頼性に優れた特性を示すことが確認された。
【００２４】
これらの比較結果を含めた上述した実施の形態から理解されるように、本発明によれば、良好な圧電性を有し且つ信頼性の高い圧電膜を有する圧電アクチュエータが得られる。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明の圧電アクチュエータは、超音波モータやＨＤＤにおける位置決め素子や、インクジェットヘッド、スピーカなどに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施の形態による圧電アクチュエータに用いられた圧電膜の組成範囲を示す三成分系相図である。
【図２】本発明の実施の形態による圧電アクチュエータを示す断面図である。
【図３】比較例の特性を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態による圧電アクチュエータの特性を示す図である。
【符号の説明】
【００２７】
１０        基板
２０        拡散バリア層
３０        第１電極
４０        圧電膜
５０        第２電極
１００        圧電アクチュエータ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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