JP2000049400A - 関数的に勾配がある可変ｄ―係数を有する圧電性材料を含む圧電性素子を形成する方法 - Google Patents
関数的に勾配がある可変ｄ―係数を有する圧電性材料を含む圧電性素子を形成する方法Info
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- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 関数的に勾配がある可変ｄ−係数を有する圧
電性材料を含む圧電性素子を形成する方法を提供する。 【解決手段】 以下のステップによって、圧電性材料の
一様な濃度を有するブロックをコーティングすることを
含む、関数的に勾配がある可変ｄ−係数を有する圧電性
材料を含む圧電性素子を形成する方法である。それは、
ブロックとは異なる化学的構成を有する圧電性材料を含
む第１層をブロックの表面に加えて、ブロックと異なる
結晶構造を設けるステップと、１つまたは複数の圧電性
材料の層を第１層およびそれに続く層に連続して加え、
ここにおいて異なる化学的構成を有する圧電性材料の層
もブロックおよび後に加えられた層と異なる結晶構造を
有していて、関数的に勾配があるｄ−係数を有する圧電
性素子を形成するステップからなる。
電性材料を含む圧電性素子を形成する方法を提供する。 【解決手段】 以下のステップによって、圧電性材料の
一様な濃度を有するブロックをコーティングすることを
含む、関数的に勾配がある可変ｄ−係数を有する圧電性
材料を含む圧電性素子を形成する方法である。それは、
ブロックとは異なる化学的構成を有する圧電性材料を含
む第１層をブロックの表面に加えて、ブロックと異なる
結晶構造を設けるステップと、１つまたは複数の圧電性
材料の層を第１層およびそれに続く層に連続して加え、
ここにおいて異なる化学的構成を有する圧電性材料の層
もブロックおよび後に加えられた層と異なる結晶構造を
有していて、関数的に勾配があるｄ−係数を有する圧電
性素子を形成するステップからなる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般に圧電性変換
器の分野に関するものであり、より詳細には関数的に勾
配がある圧電性特性を有する圧電性素子を製造する方法
に関するものである。
器の分野に関するものであり、より詳細には関数的に勾
配がある圧電性特性を有する圧電性素子を製造する方法
に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】圧電性変換器は、加速度計、マイクロフ
ォン、共鳴器、電圧発生器、超音波溶接洗浄装置、さら
にマイクロステッピング装置とマイクロポンピング装置
を含む広範囲の装置において使用される。従来の圧電性
変換器は、１つまたは複数の一様に分極した圧電性素子
とともに、付属の表面電極を含む。３つの最も一般的な
変換器配置は、複数層のセラミック、モノモルフまたは
バイモルフ、および伸縮自在の合成変換器である。変換
器を作動させるために、その電極を介して電圧がかけら
れ、それによって圧電性素子を通る電場を生成する。こ
の場は、伸長、収縮、ずれ、またはそれらの組み合わせ
のような圧電性素子の幾何学上の変化を誘導する。誘導
された素子の幾何学的ゆがみは、動きを実行するまたは
仕事を行うために使用されることが可能である。しかし
ながら、従来の圧電性変換器の欠点は、２つまたはそれ
以上が結合した圧電性素子が屈曲のような好ましい幾何
学的ゆがみを実行するためにたいてい必要とされること
である。さらに、多重結合素子が使用されるとき、圧迫
される動きにより素子に誘発される圧力は、材料特性に
おける突然の変化と材料表面におけるひずみにより素子
を傷つけるか、素子を破壊するかもしれない。
ォン、共鳴器、電圧発生器、超音波溶接洗浄装置、さら
にマイクロステッピング装置とマイクロポンピング装置
を含む広範囲の装置において使用される。従来の圧電性
変換器は、１つまたは複数の一様に分極した圧電性素子
とともに、付属の表面電極を含む。３つの最も一般的な
変換器配置は、複数層のセラミック、モノモルフまたは
バイモルフ、および伸縮自在の合成変換器である。変換
器を作動させるために、その電極を介して電圧がかけら
れ、それによって圧電性素子を通る電場を生成する。こ
の場は、伸長、収縮、ずれ、またはそれらの組み合わせ
のような圧電性素子の幾何学上の変化を誘導する。誘導
された素子の幾何学的ゆがみは、動きを実行するまたは
仕事を行うために使用されることが可能である。しかし
ながら、従来の圧電性変換器の欠点は、２つまたはそれ
以上が結合した圧電性素子が屈曲のような好ましい幾何
学的ゆがみを実行するためにたいてい必要とされること
である。さらに、多重結合素子が使用されるとき、圧迫
される動きにより素子に誘発される圧力は、材料特性に
おける突然の変化と材料表面におけるひずみにより素子
を傷つけるか、素子を破壊するかもしれない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、関数
的に勾配がある圧電性材料の圧電性素子の製造に関する
改良方法を提供することである。
的に勾配がある圧電性材料の圧電性素子の製造に関する
改良方法を提供することである。
【０００４】本発明は、上記目的を達成する方法と、さ
らに上記に記載された問題を解決する方法とを提供す
る。
らに上記に記載された問題を解決する方法とを提供す
る。
【０００５】
【課題を解決するための手段】この目的は、以下のステ
ップによって、圧電性材料の一様な濃度を有するブロッ
クをコーティングすることを含む、関数的に勾配がある
可変ｄ−係数を有する圧電性材料を含む圧電性素子を形
成する方法を達成することである。 （ａ）ブロックと異なる化学的構成を有する圧電性材料
を含む第１層をブロックの表面に加えて、ブロックと異
なる結晶構造を設ける。 （ｂ）１つまたは複数の圧電性材料の層を第１層および
それに続く層に連続して加え、ここにおいて異なる化学
的構成を有する圧電性材料の層もブロックおよび後に加
えられた層と異なる結晶構造を有していて、関数的に勾
配があるｄ−係数を有する圧電性素子を形成する。
ップによって、圧電性材料の一様な濃度を有するブロッ
クをコーティングすることを含む、関数的に勾配がある
可変ｄ−係数を有する圧電性材料を含む圧電性素子を形
成する方法を達成することである。 （ａ）ブロックと異なる化学的構成を有する圧電性材料
を含む第１層をブロックの表面に加えて、ブロックと異
なる結晶構造を設ける。 （ｂ）１つまたは複数の圧電性材料の層を第１層および
それに続く層に連続して加え、ここにおいて異なる化学
的構成を有する圧電性材料の層もブロックおよび後に加
えられた層と異なる結晶構造を有していて、関数的に勾
配があるｄ−係数を有する圧電性素子を形成する。
【０００６】本発明に係るこれらおよびその他の態様、
目的、特徴、および利点は、以下の好ましい実施態様の
詳細な説明および添付クレイムの再検討と、さらに添付
図面の参照によってより明確に理解されかつ正しく認識
されるであろう。
目的、特徴、および利点は、以下の好ましい実施態様の
詳細な説明および添付クレイムの再検討と、さらに添付
図面の参照によってより明確に理解されかつ正しく認識
されるであろう。
【０００７】特に、先行技術のバイモルフ変換器におい
て使用される多数の圧電性素子と比較して、本発明に係
る関数的に勾配がある材料は単一圧電性素子で圧電性屈
曲変換器を製造するために使用されることが可能であ
る。
て使用される多数の圧電性素子と比較して、本発明に係
る関数的に勾配がある材料は単一圧電性素子で圧電性屈
曲変換器を製造するために使用されることが可能であ
る。
【０００８】この圧電性変換器は、以下の利点を有す
る。 １．圧電性変換器によって、好ましい幾何学的ゆがみを
実行するために単一の圧電性素子を使用でき、それによ
り多重層化圧電性構造または複合圧電性構造を必要とし
ない。 ２．圧電性変換器は、多数の電極および関連する駆動電
子機器を必要としない。 ３．圧電性変換器は、多重化圧電性構造または複合圧電
性構造において生じる圧力誘発破壊を最小限にするか、
またはなくす。
る。 １．圧電性変換器によって、好ましい幾何学的ゆがみを
実行するために単一の圧電性素子を使用でき、それによ
り多重層化圧電性構造または複合圧電性構造を必要とし
ない。 ２．圧電性変換器は、多数の電極および関連する駆動電
子機器を必要としない。 ３．圧電性変換器は、多重化圧電性構造または複合圧電
性構造において生じる圧力誘発破壊を最小限にするか、
またはなくす。
【０００９】
【発明の実施の形態】容易に理解するために、可能な部
分には同一の参照番号が使用されていて、図面と共通で
ある同一の要素を表す。
分には同一の参照番号が使用されていて、図面と共通で
ある同一の要素を表す。
【００１０】図１（ａ）について説明する。本発明に係
る圧電性素子１０の斜視図が示されている。圧電性素子
１０は、それぞれ第１面２０と第２面３０とを有する。
Ｔで表される圧電性素子１０の幅は、図示されているよ
うにそれぞれ第１面２０と第２面３０とに対して垂直で
ある。Ｌで表される圧電性素子１０の長さは、図示され
ているようにそれぞれ第１面２０と第２面３０とに対し
て平行である。分極ベクトル４０で表されているよう
に、第１面２０と第２面３０に対して垂直に圧電性素子
１０の極性が一致する。従来の圧電性変換器において、
圧電性の“ｄ”−係数は、圧電性素子のどこでも一定で
ある。さらに誘導されるずれとひずみの大きさは、よく
知られているような構造関係によるこれらの“ｄ”−係
数と関係がある。圧電性素子１０は目新しい方法で製造
され、それによりその圧電性特性は、以下に記載される
ようにその幅全体において規定された方法で変化する。
ｄ31係数は、図１（ｂ）において図示されているように
第１面２０と第２面３０に対して垂直な第１方向に沿っ
て変化し、さらに第１面２０から第２面３０かけて減少
する。これは、図１（ｃ）で図示されているような先行
技術の圧電性素子におけるｄ31係数の一様なまたは不変
な空間的依存性と著しく相違している。
る圧電性素子１０の斜視図が示されている。圧電性素子
１０は、それぞれ第１面２０と第２面３０とを有する。
Ｔで表される圧電性素子１０の幅は、図示されているよ
うにそれぞれ第１面２０と第２面３０とに対して垂直で
ある。Ｌで表される圧電性素子１０の長さは、図示され
ているようにそれぞれ第１面２０と第２面３０とに対し
て平行である。分極ベクトル４０で表されているよう
に、第１面２０と第２面３０に対して垂直に圧電性素子
１０の極性が一致する。従来の圧電性変換器において、
圧電性の“ｄ”−係数は、圧電性素子のどこでも一定で
ある。さらに誘導されるずれとひずみの大きさは、よく
知られているような構造関係によるこれらの“ｄ”−係
数と関係がある。圧電性素子１０は目新しい方法で製造
され、それによりその圧電性特性は、以下に記載される
ようにその幅全体において規定された方法で変化する。
ｄ31係数は、図１（ｂ）において図示されているように
第１面２０と第２面３０に対して垂直な第１方向に沿っ
て変化し、さらに第１面２０から第２面３０かけて減少
する。これは、図１（ｃ）で図示されているような先行
技術の圧電性素子におけるｄ31係数の一様なまたは不変
な空間的依存性と著しく相違している。
【００１１】ここで図２（ａ）と２（ｂ）について説明
する。図１（ａ）の線Ａ−Ａに沿って得られる図１
（ａ）の圧電性素子１０を含む圧電性変換器４２の断面
図について、それぞれ変換器の作動前と作動後を示す。
圧電性変換器４２は、分極ベクトル４０を有する圧電性
素子１０と、第１面２０に取り付けられる第１表面電極
５０と、第２面３０に取り付けられる第２表面電極６０
とをそれぞれ含む。第１表面電極５０はワイヤー７０
に、第２表面電極６０はワイヤー８０にそれぞれ接続さ
れる。ワイヤー７０は、電源９２の第１端子に直列に接
続されるスイッチ９０に接続される。ワイヤー８０は、
図示されているように電源９２の第２端子に接続され
る。図２（ａ）において、スイッチ９０が開いた状態で
変換器４２は図示されている。したがって、変換器４２
にかかる電圧はなく、それは作動していない。図２
（ｂ）において、スイッチ９０が閉じた状態で変換器４
２は図示されている。この場合において、電源９２の電
圧Ｖは変換器４２に電圧が加えられ、それによって圧電
性素子１０を通る電場が生じる。よく知られているよう
にその電場によって圧電性素子１０は、その第１面２０
と第２面３０に対してそれぞれ平行でありかつ分極ベク
トル４０に対して垂直であるように長手方向に伸びる。
特に、発明者らは、ｘ（平行または横）方向に関する伸
びをＳ（ｚ）と定義し、Ｓ（ｚ）はこの伸びがｚの関数
として変化することを示す。図示されているように圧電
性素子の厚さはＴで与えられ、したがってよく知られて
いるようにＳ（ｚ）＝（ｄ31（ｚ）Ｖ／Ｔ）×Ｌであ
る。図１（ｂ）において図示されているように圧電性係
数ｄ31（ｚ）の関数依存性は、ｚとともに増加する。し
たがって、圧電性素子１０の横方向への伸びＳ（ｚ）
は、大きさに関して第１面２０から第２面３０にかけて
減少する。より詳細には、フーラニら（Ｆｕｒｌａｎｉ
ｅｔ ａｌ）による米国特許出願が一般に割り当てら
れる相互参照を調べよ。したがって、圧電性素子１０の
平行方向または横方向への伸びは、図１（ｂ）において
図示されているようにｚとともに増加し、それによって
圧電性素子１０が曲がる。先行技術のバイモルフ構造に
おける２つまたはそれ以上の素子と比較して、この圧電
性素子４２が圧電性素子を１つだけ必要とすることを示
すことは重要である。
する。図１（ａ）の線Ａ−Ａに沿って得られる図１
（ａ）の圧電性素子１０を含む圧電性変換器４２の断面
図について、それぞれ変換器の作動前と作動後を示す。
圧電性変換器４２は、分極ベクトル４０を有する圧電性
素子１０と、第１面２０に取り付けられる第１表面電極
５０と、第２面３０に取り付けられる第２表面電極６０
とをそれぞれ含む。第１表面電極５０はワイヤー７０
に、第２表面電極６０はワイヤー８０にそれぞれ接続さ
れる。ワイヤー７０は、電源９２の第１端子に直列に接
続されるスイッチ９０に接続される。ワイヤー８０は、
図示されているように電源９２の第２端子に接続され
る。図２（ａ）において、スイッチ９０が開いた状態で
変換器４２は図示されている。したがって、変換器４２
にかかる電圧はなく、それは作動していない。図２
（ｂ）において、スイッチ９０が閉じた状態で変換器４
２は図示されている。この場合において、電源９２の電
圧Ｖは変換器４２に電圧が加えられ、それによって圧電
性素子１０を通る電場が生じる。よく知られているよう
にその電場によって圧電性素子１０は、その第１面２０
と第２面３０に対してそれぞれ平行でありかつ分極ベク
トル４０に対して垂直であるように長手方向に伸びる。
特に、発明者らは、ｘ（平行または横）方向に関する伸
びをＳ（ｚ）と定義し、Ｓ（ｚ）はこの伸びがｚの関数
として変化することを示す。図示されているように圧電
性素子の厚さはＴで与えられ、したがってよく知られて
いるようにＳ（ｚ）＝（ｄ31（ｚ）Ｖ／Ｔ）×Ｌであ
る。図１（ｂ）において図示されているように圧電性係
数ｄ31（ｚ）の関数依存性は、ｚとともに増加する。し
たがって、圧電性素子１０の横方向への伸びＳ（ｚ）
は、大きさに関して第１面２０から第２面３０にかけて
減少する。より詳細には、フーラニら（Ｆｕｒｌａｎｉ
ｅｔ ａｌ）による米国特許出願が一般に割り当てら
れる相互参照を調べよ。したがって、圧電性素子１０の
平行方向または横方向への伸びは、図１（ｂ）において
図示されているようにｚとともに増加し、それによって
圧電性素子１０が曲がる。先行技術のバイモルフ構造に
おける２つまたはそれ以上の素子と比較して、この圧電
性素子４２が圧電性素子を１つだけ必要とすることを示
すことは重要である。
【００１２】本発明に記載されているタイプの素子にお
いて使用されている目新しい材料は、関数的に勾配があ
る（ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｌｙ ｇｒａｄｉｅｎｔ）圧
電性材料である。当該材料の目新しさと、当該材料の製
造をもたらす本発明とが以下に記載される。本発明にお
いて記載されているような素子のために使用される最も
一般的なベース材料は、セラミック材料、特に中心対称
構造を持たない酸化物である。これは、これらの結晶構
造が立方体ではないか、またはより詳細には、単純な対
称性を持たないことを示す。これらの材料の結晶構造
は、正方晶系と菱面体晶系の２種類に分類されることが
広く行われている。
いて使用されている目新しい材料は、関数的に勾配があ
る（ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｌｙ ｇｒａｄｉｅｎｔ）圧
電性材料である。当該材料の目新しさと、当該材料の製
造をもたらす本発明とが以下に記載される。本発明にお
いて記載されているような素子のために使用される最も
一般的なベース材料は、セラミック材料、特に中心対称
構造を持たない酸化物である。これは、これらの結晶構
造が立方体ではないか、またはより詳細には、単純な対
称性を持たないことを示す。これらの材料の結晶構造
は、正方晶系と菱面体晶系の２種類に分類されることが
広く行われている。
【００１３】上記に記載されたような結晶構造を有しか
つ圧電性特性を有するために選択されることが可能な材
料は、ジルコル酸チタン酸鉛（ｌｅａｄ ｔｉｔａｎａ
ｔｅｚｉｒｃｏｎａｔｅ）（ＰＺＴ）、ランタンドープ
されたジルコル酸チタン酸鉛（ｌａｎｔｈａｎｕｍ ｄ
ｏｐｅｄ ｌｅａｄ ｔｉｔａｎａｔｅ ｚｉｒｃｏｎ
ａｔｅ）（ＰＬＺＴ）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ
3）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）、ニオブ酸カ
リウム（ＫＮｂＯ3）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉ
Ｏ3）、およびそれらに類似するものである。これらの
圧電性材料は、全て多重成分系を形成する。
つ圧電性特性を有するために選択されることが可能な材
料は、ジルコル酸チタン酸鉛（ｌｅａｄ ｔｉｔａｎａ
ｔｅｚｉｒｃｏｎａｔｅ）（ＰＺＴ）、ランタンドープ
されたジルコル酸チタン酸鉛（ｌａｎｔｈａｎｕｍ ｄ
ｏｐｅｄ ｌｅａｄ ｔｉｔａｎａｔｅ ｚｉｒｃｏｎ
ａｔｅ）（ＰＬＺＴ）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ
3）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）、ニオブ酸カ
リウム（ＫＮｂＯ3）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉ
Ｏ3）、およびそれらに類似するものである。これらの
圧電性材料は、全て多重成分系を形成する。
【００１４】材料構成および多重成分系における連続的
な変化は、物理的特性および機械的特性において勾配が
ある。これらのタイプの材料系は、関数的に勾配がある
材料（ＦＧＭ）と呼ばれる。ＦＧＭは、微視的に均一な
特性を有する複合材料の実質的に特別な種類である。微
視的構造における連続的な変化は、ＦＧＭと従来の複合
材料とを区別し、この特別な場合においては、ＦＧＭと
従来の圧電性材料とを区別する。たいてい無機材料、よ
り詳細にはセラミック、合金、さらに金属は、特定の特
性を最適化するか、物品を横切る特性変化の特別な分布
を確立するかのいずれかを行うために制御された方法で
組み合わされた選択材料である。この特徴の目新しさと
目新しい作動装置を製造するために圧電性材料における
その誘導は、本発明の主題を構成する。
な変化は、物理的特性および機械的特性において勾配が
ある。これらのタイプの材料系は、関数的に勾配がある
材料（ＦＧＭ）と呼ばれる。ＦＧＭは、微視的に均一な
特性を有する複合材料の実質的に特別な種類である。微
視的構造における連続的な変化は、ＦＧＭと従来の複合
材料とを区別し、この特別な場合においては、ＦＧＭと
従来の圧電性材料とを区別する。たいてい無機材料、よ
り詳細にはセラミック、合金、さらに金属は、特定の特
性を最適化するか、物品を横切る特性変化の特別な分布
を確立するかのいずれかを行うために制御された方法で
組み合わされた選択材料である。この特徴の目新しさと
目新しい作動装置を製造するために圧電性材料における
その誘導は、本発明の主題を構成する。
【００１５】関数的に勾配がある圧電性材料を設計しか
つ製造する１つの利点は、これらの材料の“ｄ”係数を
特別な応用にぴったり合うようにできることである。構
造における“ｄ”係数の連続的な変化は、構造の特別な
領域における好ましい値の応力および圧力を用いること
ができるために有利である。それにより材料の疲労を減
らし、さらにそれらの構造を作動するために必要な電力
も減らすことができる。圧電性材料における疲労、特に
そのような材料から作られる変換器における疲労は、材
料の早期破壊と、変換器の悲劇的な破損を生じさせる。
つ製造する１つの利点は、これらの材料の“ｄ”係数を
特別な応用にぴったり合うようにできることである。構
造における“ｄ”係数の連続的な変化は、構造の特別な
領域における好ましい値の応力および圧力を用いること
ができるために有利である。それにより材料の疲労を減
らし、さらにそれらの構造を作動するために必要な電力
も減らすことができる。圧電性材料における疲労、特に
そのような材料から作られる変換器における疲労は、材
料の早期破壊と、変換器の悲劇的な破損を生じさせる。
【００１６】具体例において、Ｐｂ（Ｔｉ1-xＺｒx）Ｏ
3のような一般的な式を有するジルコル酸チタン酸鉛は
たいていＰＺＴとして設計される。この一般的な式にお
けるｘは整数である。これは一般に使用される圧電性材
料の１つである。ＰＺＴ材料のさまざまな結晶学的フェ
ーズの中で、正方晶系のフェーズと菱面体晶系のフェー
ズは、極性のある圧電性である。この材料における有効
な圧電性特性の多くは、ほぼｘ＝０．５２の構成物にお
いて達成される。ここにおいて正方晶系と菱面体晶系の
両方の結晶学的フェーズが同時に存在する。ＰＺＴの圧
電性特性は、ｚの範囲がほぼ０．５４と０．５０の間の
転移領域において高められることが可能である。ここで
は正方晶系と菱面体晶系の構造が同時に存在する。この
転移は、圧電性の性質に関するいくつかの特徴を高める
点においてキューリー転移と同様の効果も有する。通
常、ＰＺＴ材料は、チタン酸鉛ＰｂＴｉＯ3粉末とジル
コン酸鉛ＰｂＺｒＯ3粉末とを混合しボールミリングし
てから、次に粉末コンパクトを加熱圧搾することによっ
て作成される。関数的に勾配があるＰＺＴ材料は、連続
的なディップコーティング、および／または連続的なス
リップキャスティングによって得られることが可能であ
る。
3のような一般的な式を有するジルコル酸チタン酸鉛は
たいていＰＺＴとして設計される。この一般的な式にお
けるｘは整数である。これは一般に使用される圧電性材
料の１つである。ＰＺＴ材料のさまざまな結晶学的フェ
ーズの中で、正方晶系のフェーズと菱面体晶系のフェー
ズは、極性のある圧電性である。この材料における有効
な圧電性特性の多くは、ほぼｘ＝０．５２の構成物にお
いて達成される。ここにおいて正方晶系と菱面体晶系の
両方の結晶学的フェーズが同時に存在する。ＰＺＴの圧
電性特性は、ｚの範囲がほぼ０．５４と０．５０の間の
転移領域において高められることが可能である。ここで
は正方晶系と菱面体晶系の構造が同時に存在する。この
転移は、圧電性の性質に関するいくつかの特徴を高める
点においてキューリー転移と同様の効果も有する。通
常、ＰＺＴ材料は、チタン酸鉛ＰｂＴｉＯ3粉末とジル
コン酸鉛ＰｂＺｒＯ3粉末とを混合しボールミリングし
てから、次に粉末コンパクトを加熱圧搾することによっ
て作成される。関数的に勾配があるＰＺＴ材料は、連続
的なディップコーティング、および／または連続的なス
リップキャスティングによって得られることが可能であ
る。
【００１７】ＰＺＴの関数的に勾配がある圧電性素子を
製造する方法に関する図３（ａ）について説明する。市
販の標準的なＰＺＴ材料の薄いブロック１００は、ブロ
ックの１側面１２０がフォトレジスト層１１０で覆われ
ていた。ＰＺＴ材料ブロックは、その長さと幅全般にわ
たって一様な濃度の圧電性材料を有する。フォトレジス
トによるブロックのコーティングは、表面を覆うために
行われた。ブロックの上面１３０と底面１４０も覆われ
た方法で、フォトレジストはブロックにコーティングさ
れた。フォトレジストでコーティングされたブロック
は、チタン酸鉛とジルコン酸鉛の水性スラリー１６０を
含む容器１５０に浸された。これらの成分の化学的構成
または化学的割合は、ブロック１００における化学的構
成または化学的割合とを含む成分のそれとは異なってい
る。次に、ブロック１００は容器１５０から取り出さ
れ、オーブンにおいてほぼ１３０°Ｃで乾燥させられ
た。この処理によって、ブロック１００におけるものと
化学的に異なる構成を有するＰＺＴ材料の成分を含む層
１７０の構造が生じる。フォトレジスト層１１０は、こ
の分野で知られているプラズマ処理または高温加熱によ
って複合ブロック１７５から剥がされた。次に複合ブロ
ック１７８は、元々のブロック１００の露出していない
側面１２０をふさぐためにフォトレジスト層１８０でさ
らにコーティングされた。フォトレジストが複合ブロッ
ク１７８の上面１９０と底面２００とを覆うような方法
でフォトレジストがコーティングされ、端が覆われる。
製造する方法に関する図３（ａ）について説明する。市
販の標準的なＰＺＴ材料の薄いブロック１００は、ブロ
ックの１側面１２０がフォトレジスト層１１０で覆われ
ていた。ＰＺＴ材料ブロックは、その長さと幅全般にわ
たって一様な濃度の圧電性材料を有する。フォトレジス
トによるブロックのコーティングは、表面を覆うために
行われた。ブロックの上面１３０と底面１４０も覆われ
た方法で、フォトレジストはブロックにコーティングさ
れた。フォトレジストでコーティングされたブロック
は、チタン酸鉛とジルコン酸鉛の水性スラリー１６０を
含む容器１５０に浸された。これらの成分の化学的構成
または化学的割合は、ブロック１００における化学的構
成または化学的割合とを含む成分のそれとは異なってい
る。次に、ブロック１００は容器１５０から取り出さ
れ、オーブンにおいてほぼ１３０°Ｃで乾燥させられ
た。この処理によって、ブロック１００におけるものと
化学的に異なる構成を有するＰＺＴ材料の成分を含む層
１７０の構造が生じる。フォトレジスト層１１０は、こ
の分野で知られているプラズマ処理または高温加熱によ
って複合ブロック１７５から剥がされた。次に複合ブロ
ック１７８は、元々のブロック１００の露出していない
側面１２０をふさぐためにフォトレジスト層１８０でさ
らにコーティングされた。フォトレジストが複合ブロッ
ク１７８の上面１９０と底面２００とを覆うような方法
でフォトレジストがコーティングされ、端が覆われる。
【００１８】ここで図３（ｂ）について説明する。フォ
トレジストでコーティングされた複合ブロック２０５
は、水性スラリー２２０を有する容器２１０でディップ
コーティングされた。この水性スラリー２２０は、上記
の容器１５０における水性スラリーと比較して、チタン
酸鉛とジルコン酸鉛の化学的構成または化学的割合が異
なる。これにより、新しいフォトレジストでコーティン
グされた複合ブロック２４０に追加層２３０が生じる。
新しく形成された層２３０を乾燥させることと、フォト
レジスト層１８０を剥がすことは上記に記載された以下
の手順にしたがって実行されて、複合ブロック２５０が
生じた。ブロック２５０は、ジルコニウムに対するチタ
ン割合が変化する化学的に異なる構造の圧電性材料の別
々の３つの層１００、１７０、２３０を含む。
トレジストでコーティングされた複合ブロック２０５
は、水性スラリー２２０を有する容器２１０でディップ
コーティングされた。この水性スラリー２２０は、上記
の容器１５０における水性スラリーと比較して、チタン
酸鉛とジルコン酸鉛の化学的構成または化学的割合が異
なる。これにより、新しいフォトレジストでコーティン
グされた複合ブロック２４０に追加層２３０が生じる。
新しく形成された層２３０を乾燥させることと、フォト
レジスト層１８０を剥がすことは上記に記載された以下
の手順にしたがって実行されて、複合ブロック２５０が
生じた。ブロック２５０は、ジルコニウムに対するチタ
ン割合が変化する化学的に異なる構造の圧電性材料の別
々の３つの層１００、１７０、２３０を含む。
【００１９】上記に記載された手順が複数回繰り返され
て、ブロック上に別々の圧電性材料の多重層を形成する
ことが可能である。５つの別々の層１００、１７０、２
３０、２６０、２７０を含む当該ブロック２８０の１つ
が、図４において図示されている。
て、ブロック上に別々の圧電性材料の多重層を形成する
ことが可能である。５つの別々の層１００、１７０、２
３０、２６０、２７０を含む当該ブロック２８０の１つ
が、図４において図示されている。
【００２０】次に、濃縮するために、ほぼ１１００°Ｃ
が好ましい、ほぼ９００°Ｃから１３００°Ｃの範囲に
ある炉の中でブロック２８０が焼結され、さらにより重
要である、ブロックにおいて勾配がある構成物を生じ
る。別々の構成を有する層とともに構成材料を高温で焼
結することにより核種が拡散できる。これによって、材
料を横切る方向に関して勾配がある構成物のスムーズな
変化が生じる。複合ブロック２８０を焼結した後で、そ
れは関数的に勾配がある圧電性ブロック２９０に変えら
れた。ここにおいて、構成、さらにチタンのジルコニウ
ムに対する割合も、幅方向に関して、つまり第１面３０
０から第２面３１０にかけて徐々に直線的に変化した。
が好ましい、ほぼ９００°Ｃから１３００°Ｃの範囲に
ある炉の中でブロック２８０が焼結され、さらにより重
要である、ブロックにおいて勾配がある構成物を生じ
る。別々の構成を有する層とともに構成材料を高温で焼
結することにより核種が拡散できる。これによって、材
料を横切る方向に関して勾配がある構成物のスムーズな
変化が生じる。複合ブロック２８０を焼結した後で、そ
れは関数的に勾配がある圧電性ブロック２９０に変えら
れた。ここにおいて、構成、さらにチタンのジルコニウ
ムに対する割合も、幅方向に関して、つまり第１面３０
０から第２面３１０にかけて徐々に直線的に変化した。
【００２１】以前に記載されたように、関数的に勾配が
ある材料は、構成において生じる変化か、結晶構造にお
ける変化のいずれかによって作られることが可能であ
る。関数的に勾配がある圧電性材料の製造方法に関する
前記の実施の形態は、構成的変化と結晶構造的変化の両
方がもたらされた。
ある材料は、構成において生じる変化か、結晶構造にお
ける変化のいずれかによって作られることが可能であ
る。関数的に勾配がある圧電性材料の製造方法に関する
前記の実施の形態は、構成的変化と結晶構造的変化の両
方がもたらされた。
【００２２】次に、関数的に勾配がある圧電性材料ブロ
ック２９０は、銀、銅、金−パラジウム合金、銀−ニッ
ケル合金等のこの分野で既知の金属と合金のような電極
材料でコーティングされた。コーティングは、表面３０
０、３１０上に行われ、それによりそれぞれ表面電極５
０と６０が生じた。このコーティングは、スパッタリン
グ、熱的蒸発、電子ビーム蒸発のような物理的蒸着によ
って行われることが可能である。ＦＧＭ圧電性材料上に
電極材料の有機金属の先駆物質によるスピンコーティン
グと、高温でのそれの分解も、電極を形成する好ましい
方法である。関数的に勾配がある圧電性材料上の電極
は、金、銀、銅、パラジウム、およびそれらの合金で作
られた厚い伝導性フィルムインクを使用するスクリーン
プリンティング（米国特許第５，３０２，９３５号と一
般に指定されたチャタージーら（Ｃｈａｔｔｅｒｊｅｅ
ｅｔ ａｌ）による発明参照）によって作成されるこ
とが可能である。
ック２９０は、銀、銅、金−パラジウム合金、銀−ニッ
ケル合金等のこの分野で既知の金属と合金のような電極
材料でコーティングされた。コーティングは、表面３０
０、３１０上に行われ、それによりそれぞれ表面電極５
０と６０が生じた。このコーティングは、スパッタリン
グ、熱的蒸発、電子ビーム蒸発のような物理的蒸着によ
って行われることが可能である。ＦＧＭ圧電性材料上に
電極材料の有機金属の先駆物質によるスピンコーティン
グと、高温でのそれの分解も、電極を形成する好ましい
方法である。関数的に勾配がある圧電性材料上の電極
は、金、銀、銅、パラジウム、およびそれらの合金で作
られた厚い伝導性フィルムインクを使用するスクリーン
プリンティング（米国特許第５，３０２，９３５号と一
般に指定されたチャタージーら（Ｃｈａｔｔｅｒｊｅｅ
ｅｔ ａｌ）による発明参照）によって作成されるこ
とが可能である。
【００２３】関数的に勾配がある圧電性材料２９０が形
成されると、よく知られているようにその強誘電性ドメ
インを整列させるために極性が一致する。そのような極
性の一致は、外部電場を利用することによってか、表面
電極５０と６０を通る電場を利用することによって達成
されることが可能である。
成されると、よく知られているようにその強誘電性ドメ
インを整列させるために極性が一致する。そのような極
性の一致は、外部電場を利用することによってか、表面
電極５０と６０を通る電場を利用することによって達成
されることが可能である。
【００２４】図５は、関数的に勾配がある“ｄ”−係数
を有するＰＺＴのような圧電性素子１０を示す。圧電性
素子１０は第１面２０と第２面３０とを有し、図示され
ているようにそれぞれ第１面電極５０、第２面電極６０
を有する。この関数的に勾配がある圧電性素子は、以前
に記載されたように目新しい作動装置として実質的に使
用された。
を有するＰＺＴのような圧電性素子１０を示す。圧電性
素子１０は第１面２０と第２面３０とを有し、図示され
ているようにそれぞれ第１面電極５０、第２面電極６０
を有する。この関数的に勾配がある圧電性素子は、以前
に記載されたように目新しい作動装置として実質的に使
用された。
【００２５】本発明が好ましい実施の形態に関する参照
とともに記載されているが、当業者によって本発明の範
囲から外れることなく変形例や修正例が生み出されるこ
とは理解されるであろう。
とともに記載されているが、当業者によって本発明の範
囲から外れることなく変形例や修正例が生み出されるこ
とは理解されるであろう。
【図１】 （ａ）は、本発明に係る圧電性素子の斜視図
を示す。（ｂ）と（ｃ）は、それぞれ本発明に係る圧電
性素子の圧電性ｄ31係数の関数依存性を示すグラフと、
先行技術に係る圧電性変換器素子の圧電性ｄ31係数の関
数依存性を示すグラフである。
を示す。（ｂ）と（ｃ）は、それぞれ本発明に係る圧電
性素子の圧電性ｄ31係数の関数依存性を示すグラフと、
先行技術に係る圧電性変換器素子の圧電性ｄ31係数の関
数依存性を示すグラフである。
【図２】 （ａ）と（ｂ）は、図１（ａ）の線Ａ−Ａに
沿って得られる図１（ａ）の圧電性素子に関する圧電性
変換器の断面図について、それぞれ変換器の作動前と作
動後を示す。
沿って得られる図１（ａ）の圧電性素子に関する圧電性
変換器の断面図について、それぞれ変換器の作動前と作
動後を示す。
【図３】 （ａ）、（ｂ）は、それぞれ関数的に勾配が
ある圧電性素子を製造する方法におけるさまざまなステ
ップを示す。
ある圧電性素子を製造する方法におけるさまざまなステ
ップを示す。
【図４】 関数的に勾配がある圧電性素子を製造する方
法におけるさまざまなステップを示す。
法におけるさまざまなステップを示す。
【図５】 電極を有する関数的に勾配がある圧電性材料
を示す。
を示す。
１０…圧電性素子 ２０…第１面 ３０…第２面 ４０…分極ベクトル ４２…圧電性変換器 ５０…第１面電極 ６０…第２面電極 ７０…ワイヤー ８０…ワイヤー ９０…スイッチ ９２…電源 １００…薄いブロックまたはウェーハ １１０…フォトレジスト層 １２０…ブロックの露出されていない側面 １３０…ブロックの上面 １４０…ブロックの底面 １５０…スラリーを収容する容器 １６０…水性スラリー １７０…材料層 １７５…フォトレジストを含む複合ブロック １７８…フォトレジストを含まない複合ブロック １８０…フォトレジスト層 １９０…ブロックの上面 ２００…ブロック１７８の底面 ２０５…フォトレジストでコーティングされた複合ブロ
ック ２１０…スラリーを収容する容器 ２２０…水性スラリー ２３０…材料層 ２４０…フォトレジストでコーティングされた複合ブロ
ック ２５０…複合ブロック ２６０…材料層 ２７０…材料層 ２８０…別々の材料層を有するブロック ２９０…関数的に勾配がある圧電性ブロック ３００…ブロックの第１面 ３１０…ブロックの第２面
ック ２１０…スラリーを収容する容器 ２２０…水性スラリー ２３０…材料層 ２４０…フォトレジストでコーティングされた複合ブロ
ック ２５０…複合ブロック ２６０…材料層 ２７０…材料層 ２８０…別々の材料層を有するブロック ２９０…関数的に勾配がある圧電性ブロック ３００…ブロックの第１面 ３１０…ブロックの第２面
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 エドワード・ピー・ファーラニ アメリカ合衆国14086ニューヨーク州ラン カスター、ヒルサイド・パークウェイ12番
Claims (3)
- 【請求項１】 圧電性材料の一様な濃度を有するブロッ
クをコーティングすることを含む、関数的に勾配がある
可変ｄ−係数を有する圧電性材料を含む圧電性素子を形
成する方法であって、 （ａ）ブロックとは異なる化学的構成を有する圧電性材
料を含む第１層をブロックの表面に加えて、ブロックと
異なる結晶構造を設けるステップと、 （ｂ）１つまたは複数の圧電性材料の層を第１層および
それに続く層に連続して加え、ここにおいて異なる化学
的構成を有する圧電性材料の層もブロックおよび後に加
えられた層と異なる結晶構造を有していて、関数的に勾
配があるｄ−係数を有する圧電性素子を形成するステッ
プとによって、関数的に勾配がある可変ｄ−係数を有す
る圧電性材料を含む圧電性素子を形成する方法。 - 【請求項２】 圧電性材料の一様な濃度を有するブロッ
クをコーティングすることを含む、関数的に勾配がある
可変ｄ−係数を有する圧電性材料を含む圧電性素子を形
成する方法であって、 （ａ）ブロックとは異なる化学的構成を有する圧電性材
料を含む第１層をブロックの表面に加えて、ブロックと
異なる結晶構造を設けるステップと、 （ｂ）１つまたは複数の圧電性材料の層を第１層および
それに続く層に連続して加え、ここにおいて異なる化学
的構成を有する圧電性材料の層もブロックおよび後に加
えられた層と異なる結晶構造を有していて、関数的に勾
配があるｄ−係数を有する圧電性素子を形成するステッ
プと、 （ｃ）加えられる電場に応じて強誘電体ドメインを整列
させるように圧電性素子の極性を一致させるステップと
によって、関数的に勾配がある可変ｄ−係数を有する圧
電性材料を含む圧電性素子を形成する方法。 - 【請求項３】 圧電性材料の一様な濃度を有するブロッ
クをコーティングすることを含む、関数的に勾配がある
可変ｄ−係数を有する圧電性材料を含む第１および第２
平行面を有する圧電性素子を形成する方法であって、 （ａ）ブロックとは異なる化学的構成を有する圧電性材
料を含む第１層をブロックの平らな表面に加えて、ブロ
ックと異なる結晶構造を設けるステップと、 （ｂ）１つまたは複数の圧電性材料の層を第１層および
それに続く層に連続して加え、ここにおいて異なる化学
的構成を有する圧電性材料の層もブロックおよび後に加
えられた層と異なる結晶構造を有していて、関数的に勾
配があるｄ−係数を有する圧電性素子を形成するステッ
プと、 （ｃ）加えられる電場に応じて幾何学的構造を変えるよ
うに第１および第２平行面に対して垂直方向に圧電性素
子の極性を一致させ、その結果第１および第２平行面に
対して垂直方向に圧電性素子の極性が一致し、加えられ
た電場によりブロックおよび後に加えられた層におい
て、異なる伸びを生じさせるステップとによって、関数
的に勾配がある可変ｄ−係数を有する圧電性材料を含む
第１および第２平行面を有する圧電性素子を形成する方
法。
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