JP2006185950A - 圧電／電歪体、圧電／電歪積層体、及び圧電／電歪膜型アクチュエータ - Google Patents
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Abstract
【課題】優れた圧電／電歪特性を有するとともに、屈曲変位が多数回繰り返されるような場合であっても十分な耐久性を発揮する圧電／電歪体を提供する。
【解決手段】圧電／電歪性を有する多数の結晶粒子３１からなる膜状又は１以上の層を持つ層状の圧電／電歪体３０である。任意の厚み方向の断面において観察される多数の結晶粒子３１に占める、厚み方向の少なくともいずれかの外部との界面３５ａ，３５ｂにその一部が露出している結晶粒子３２の個数割合が、８０％以上である。
【選択図】図１
【解決手段】圧電／電歪性を有する多数の結晶粒子３１からなる膜状又は１以上の層を持つ層状の圧電／電歪体３０である。任意の厚み方向の断面において観察される多数の結晶粒子３１に占める、厚み方向の少なくともいずれかの外部との界面３５ａ，３５ｂにその一部が露出している結晶粒子３２の個数割合が、８０％以上である。
【選択図】図１
Description
本発明は圧電／電歪体、圧電／電歪積層体、及び圧電／電歪膜型アクチュエータに関する。
従来、サブミクロンのオーダーで微小変位を制御できるアクチュエータとして、圧電／電歪アクチュエータが知られている。特に、セラミックスからなる基体上に、圧電／電歪磁器組成物からなる圧電／電歪部、及び電圧が印加される電極部を有する圧電／電歪駆動部を配設した圧電／電歪膜型アクチュエータは、微小変位の制御に好適であることの他、高電気機械変換効率、高速応答性、高耐久性、及び省消費電力等の優れた特性を有するものである。これらの圧電／電歪アクチュエータは、圧電型圧力センサ、走査型トンネル顕微鏡のプローブ移動機構、超精密加工装置における直進案内機構、油圧制御用サーボ弁、ＶＴＲ装置のヘッド、フラットパネル型の画像表示装置を構成する画素、又はインクジェットプリンタのヘッド等、様々な用途に用いられている。
また、圧電／電歪部を構成する圧電／電歪磁器組成物についても、種々検討がなされている。例えば、Ｐｂ（Ｍｇ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3−ＰｂＴｉＯ3−ＰｂＺｒＯ3三成分固溶系組成物、又はこれらの組成物中のＰｂの一部をＳｒ、Ｌａ等で置換した圧電／電歪磁器組成物が開示されており（例えば、特許文献１，２参照）、圧電／電歪素子の圧電／電歪特性を決定する最も重要な部分である圧電／電歪部自体について、優れた圧電／電歪特性（例えば、圧電ｄ定数）を有する圧電／電歪素子が得られるものと期待されている。
近年の急激な産業発達に伴い、印加される電界の強度が低い場合であっても十分に大きな変位を得ることができる等、より優れた圧電／電歪特性を有する圧電／電歪体や圧電／電歪膜型アクチュエータを開発することが要求されている。しかしながら、従前の圧電／電歪体等はこのような要求を十分に満足するとはいえず、更なる改良を図る余地がある。
また、屈曲変位の繰り返し回数が多数回に及ぶような場合には、圧電／電歪部にマイクロクラック等の構造上の不具合が発生し易くなり、急激に耐久性が低下して初期の圧電／電歪特性が発揮されなくなるという問題がある。更には、絶縁破壊等の不具合も生じ易くなるため、屈曲変位が多数回繰り返されるような場合であっても、十分な耐久性を発揮する圧電／電歪体や圧電／電歪膜型アクチュエータの開発が望まれている。
特公昭４４−１７１０３号公報
特公昭４５−８１４５号公報
本発明は、このような従来技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、優れた圧電／電歪特性を有するとともに、屈曲変位が多数回繰り返されるような場合であっても十分な耐久性を発揮する圧電／電歪体、圧電／電歪積層体、及び圧電／電歪膜型アクチュエータを提供することにある。
本発明者らは上記課題を達成すべく鋭意検討した結果、任意の厚み方向の断面において観察される多数の前記結晶粒子に占める、厚み方向の少なくともいずれかの外部との界面にその一部が露出している結晶粒子の個数割合を所定の割合以上とすることによって、上記課題を達成することが可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。
即ち、本発明によれば、以下に示す圧電／電歪体、圧電／電歪積層体、及び圧電／電歪膜型アクチュエータが提供される。
［１］圧電／電歪性を有する多数の結晶粒子からなる膜状又は１以上の層を持つ層状の圧電／電歪体であって、任意の厚み方向の断面において観察される多数の前記結晶粒子に占める、厚み方向の少なくともいずれかの外部との界面にその一部が露出している結晶粒子の個数割合が、８０％以上である圧電／電歪体。
［２］任意の厚み方向の断面において観察される多数の前記結晶粒子に占める、厚み方向の外部との両界面にその一部が露出している結晶粒子の個数割合が、５０％以上である前記［１］に記載の圧電／電歪体。
［３］厚みが１〜２０μｍである前記［１］又は［２］に記載の圧電／電歪体。
［４］任意の厚み方向の断面において観察される多数の前記結晶粒子の、厚み方向の粒子径（Ｔ）に対する幅方向の粒子径（Ｗ）の比（Ｗ／Ｔ）の平均値が、１．３以上である前記［１］〜［３］のいずれかに記載の記載の圧電／電歪体。
［５］前記［１］〜［４］のいずれかに記載の複数の圧電／電歪体と、膜状又は層状の複数の電極とを備え、複数の前記圧電／電歪体が、複数の前記電極により交互に挟持・積層された圧電／電歪積層体。
［６］セラミックからなる基板と、前記基板上に配設される、少なくとも１の圧電／電歪部及び少なくとも１対の電極を有する圧電／電歪駆動部とを備えてなり、前記圧電／電歪駆動部の駆動により前記基板が変位する圧電／電歪アクチュエータであって、前記圧電／電歪部が、前記［１］〜［４］のいずれかに記載の圧電／電歪体により構成された圧電／電歪アクチュエータ。
本発明の圧電／電歪体は、優れた圧電／電歪特性を有するとともに、屈曲変位が多数回繰り返されるような場合であっても十分な耐久性を発揮するという効果を奏するものである。
本発明の圧電／電歪積層体は、優れた圧電／電歪特性を有するとともに、屈曲変位が多数回繰り返されるような場合であっても十分な耐久性を発揮するという効果を奏するものである。
本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータは、優れた圧電／電歪特性を有するとともに、屈曲変位が多数回繰り返されるような場合であっても十分な耐久性を発揮するという効果を奏するものである。
以下、本発明の実施の最良の形態について説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、以下の実施の形態に対し適宜変更、改良等が加えられたものも本発明の範囲に入ることが理解されるべきである。
図１は、本発明の圧電／電歪体の一実施形態を模式的に示す部分断面図であり、任意の箇所を厚み方向に切断した断面を示す図面である。図１に示すように、本実施形態の圧電／電歪体３０は、多数の結晶粒子３１からなる膜状又は１以上の層を持つ層状の構造を有するものである。多数の結晶粒子３１は、圧電／電歪性を有するもの、即ち、圧電／電歪磁器組成物からなる結晶粒子である。
本実施形態の圧電／電歪体３０は、任意の厚み方向の断面において観察される多数の結晶粒子３１に占める、厚み方向の少なくともいずれかの外部との界面３５ａ，３５ｂにその一部が露出している結晶粒子（露出結晶粒子３２）の個数割合（以下、単に「露出結晶粒子割合」ともいう）が、８０％以上である。なお、図１中、符号３４は、いずれの界面３５ａ，３５ｂにも露出する部分を有しない非露出結晶粒子を示す。このように、露出結晶粒子割合を所定の割合以上とすると、比較的低電圧が印加された場合であっても大きく変位し、優れた圧電／電歪特性を示す。これは、電界方向（図１における厚み方向）における、誘電率の低い粒界層３７の存在割合が低いために、圧電／電歪特性を発現する結晶粒子３１のコア部（核）に電圧が十分に印加されて十分に大きな電界誘起歪が生起されるからであると推測される。
また、本実施形態の圧電／電歪体３０は、屈曲変位が多数回繰り返されるような場合であっても十分な耐久性を発揮する。これは、電界方向（図１における厚み方向）に重なり合う結晶粒子の数が適当であるために、電極（界面３５ａ，３５ｂに相当）間を繋ぐ粒界層３７の長さが短くなって絶縁破壊に対する耐久性が向上するためであると推測される。なお、より優れた圧電／電歪特性と耐久性とを発揮させるといった観点からは、露出結晶粒子割合は８５％以上であることが好ましく、９０％以上であることが更に好ましい。
また、本実施形態の圧電／電歪体においては、任意の厚み方向の断面において観察される多数の結晶粒子に占める、厚み方向の外部との両界面にその一部が露出している結晶粒子の個数割合（以下、単に「一層結晶粒子割合」ともいう）が、５０％以上であることが好ましく、６０％以上であることが更に好ましく、７０％以上であることが特に好ましい。一層結晶粒子割合が前記数値範囲内であると、より優れた圧電／電歪特性を示すとともに、更なる耐久性を発揮する。なお、一層結晶粒子割合の上限値については特に限定されないが、１００％（即ち、多数の結晶粒子が相互に重なり合うことなく、一列に並んだ状態）であることが最も好ましい。但し、実質的な性状可能性等の観点からは、９０％以下であればよい。
本実施形態の圧電／電歪体３０の厚みは、１〜２０μｍであることが好ましく、２〜１５μｍであることが更に好ましく、３〜１０μｍであることが特に好ましい。圧電／電歪体３０の厚みが１μｍ未満であると、薄すぎて緻密な圧電／電歪体の形成が困難になる場合がある。一方、圧電／電歪体３０の厚みが２０μｍ超であると、結晶粒子径のばらつきが大きくなり、その結果として圧電／電歪特性のばらつきが大きくなる場合がある。
本実施形態の圧電／電歪体３０における、任意の厚み方向の断面において観察される多数の結晶粒子の、厚み方向の粒子径（Ｔ）に対する幅方向の粒子径（Ｗ）の比（Ｗ／Ｔ）（以下、単に「アスペクト比」ともいう）の平均値は、１．３以上であることが好ましく、１．５以上であることが更に好ましく、１．７以上であることが特に好ましい（図２参照）。圧電／電歪体３０のアスペクト比の平均値が前記数値範囲内であると、より優れた圧電／電歪特性を示すとともに、更なる耐久性を発揮する。
ここで、図２を参照しつつ、本明細書における、結晶粒子３１の厚み方向の粒子径Ｔと幅方向の粒子径Ｗの測定方法、及び結晶粒子３１のアスペクト比の平均値の算出方法について説明する。理解を容易にするため、多数の結晶粒子３１のうち、斜線で示した結晶粒子（特定結晶粒子３３）を例に挙げて説明する。「厚み方向の粒子径Ｔ」は、厚み方向の最上端と最下端の間の長さ（Ｔ）として測定する。また、「幅方向の粒子径Ｗ」は、厚み方向と直交する方向（幅方向）の最左端と最右端の間の長さ（Ｗ）として測定する。一方、「アスペクト比の平均値」は、圧電／電歪体３０の任意の厚み方向の断面において観察される多数の結晶粒子３１から任意に２０個以上の結晶粒子３１を抽出するとともに、抽出したそれぞれの結晶粒子３１のアスペクト比（Ｗ／Ｔ）を算出し、これらの平均値を算出する。
結晶粒子を構成する圧電／電歪磁器組成物の具体例としては、チタン酸ジルコン酸鉛を挙げることができる。更に、このチタン酸ジルコン酸鉛としては、例えば、（１）ＰｂＭｇ1/3Ｎｂ2/3Ｏ3−ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3三成分固溶系組成物からなるもの、（２）ＰｂＭｇ1/3Ｎｂ2/3Ｏ3−ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3三成分固溶系組成物を主成分とし、ＮｉＯを０．０５〜３質量％含有してなるもの、（３）Ｐｂ（Ｍｇ、Ｎｉ）1/3Ｎｂ2/3Ｏ3−ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3三成分固溶系組成物からなるもの、等を挙げることができる。ここで、「ＰｂＭｇ1/3Ｎｂ2/3Ｏ3−ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3三成分固溶系組成物を主成分とし」というときの「主成分」とは、ＮｉＯを除いた圧電／電歪磁器組成物の全体に対する、ＰｂＭｇ1/3Ｎｂ2/3Ｏ3−ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3三成分固溶系組成物の含有割合が、９９．５質量％以上であることをいい、好ましくは９９．８質量％以上であることをいう。
また、前述のＰｂＭｇ1/3Ｎｂ2/3Ｏ3−ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3三成分固溶系組成物の組成は、下記組成式（１）で表されるものであることが、より高い圧電／電歪特性を有する圧電／電歪体とすることができる点で好ましい。
Ｐｂx（Ｍｇy/3Ｎｂ2/3）aＴｉbＺｒcＯ3 …（１）
（前記組成式（１）中、０．９５≦ｘ≦１．０５、０．８≦ｙ≦１．０であり、かつａ，ｂ，ｃが、前記ａ，ｂ，ｃの３つを座標軸とする座標中、（ａ，ｂ，ｃ）＝（０．５５０，０．４２５，０．０２５）、（０．５５０，０．３２５，０．１２５）、（０．３７５，０．３２５，０．３００）、（０．０５０，０．４２５，０．５２５）、（０．０５０，０．５２５，０．４２５）、（０．３７５，０．４２５，０．２００）で囲まれる範囲の小数（但し、ａ＋ｂ＋ｃ＝１．００）である）
Ｐｂx（Ｍｇy/3Ｎｂ2/3）aＴｉbＺｒcＯ3 …（１）
（前記組成式（１）中、０．９５≦ｘ≦１．０５、０．８≦ｙ≦１．０であり、かつａ，ｂ，ｃが、前記ａ，ｂ，ｃの３つを座標軸とする座標中、（ａ，ｂ，ｃ）＝（０．５５０，０．４２５，０．０２５）、（０．５５０，０．３２５，０．１２５）、（０．３７５，０．３２５，０．３００）、（０．０５０，０．４２５，０．５２５）、（０．０５０，０．５２５，０．４２５）、（０．３７５，０．４２５，０．２００）で囲まれる範囲の小数（但し、ａ＋ｂ＋ｃ＝１．００）である）
更に、前述のＰｂ（Ｍｇ、Ｎｉ）1/3Ｎｂ2/3Ｏ3−ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3三成分固溶系組成物の組成は、下記組成式（２）で表されるものであることが、より高い圧電／電歪特性を有する圧電／電歪体とすることができる点で好ましい。
Ｐｂx｛（Ｍｇ1-yＮｉy）(1/3)×aＮｂ2/3｝bＴｉcＺｒdＯ3 …（２）
（前記組成式（２）中、０．９５≦ｘ≦１．０５、０．０５≦ｙ≦０．２０、０．９０≦ａ≦１．１０であり、かつｂ，ｃ，ｄが、前記ｂ，ｃ，ｄを座標軸とする座標中、（ｂ，ｃ，ｄ）＝（０．５５０，０．４２５，０．０２５），（０．５５０，０．３２５，０．１２５），（０．３７５，０．３２５，０．３００），（０．０５０，０．４２５，０．５２５），（０．０５０，０．５２５，０．４２５），（０．３７５，０．４２５，０．２００）で囲まれる範囲の小数（但し、（ｂ＋ｃ＋ｄ）＝１．０００）である）
Ｐｂx｛（Ｍｇ1-yＮｉy）(1/3)×aＮｂ2/3｝bＴｉcＺｒdＯ3 …（２）
（前記組成式（２）中、０．９５≦ｘ≦１．０５、０．０５≦ｙ≦０．２０、０．９０≦ａ≦１．１０であり、かつｂ，ｃ，ｄが、前記ｂ，ｃ，ｄを座標軸とする座標中、（ｂ，ｃ，ｄ）＝（０．５５０，０．４２５，０．０２５），（０．５５０，０．３２５，０．１２５），（０．３７５，０．３２５，０．３００），（０．０５０，０．４２５，０．５２５），（０．０５０，０．５２５，０．４２５），（０．３７５，０．４２５，０．２００）で囲まれる範囲の小数（但し、（ｂ＋ｃ＋ｄ）＝１．０００）である）
次に、本発明の圧電／電歪積層体の一実施形態について説明する。本実施形態の圧電／電歪積層体は、これまで述べてきたいずれかの圧電／電歪体と、膜状又は層状の電極とをそれぞれ複数ずつ備え、複数の圧電／電歪体が、複数の電極により交互に挟持・積層されたものである。従って、本実施形態の圧電／電歪積層体は、優れた圧電／電歪特性を有するとともに、圧電／電歪体が一層のみである場合に比してより大きな変位を得ることができるものである。また、本実施形態の圧電／電歪積層体は、屈曲変位が多数回繰り返されるような場合であっても十分な耐久性を発揮する。
本実施形態の圧電／電歪積層体を構成する電極の材質としては、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ａｕ、Ａｇ、及びこれらの合金からなる群より選択される少なくとも一種の金属を挙げることができる。中でも、焼成に際しての耐熱性が高い点で、白金、又は白金を主成分とする合金が好ましい。なお、電極の寸法について特に制限はない。
次に、本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータの実施形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。図３に示すように、本実施形態の圧電／電歪膜型アクチュエータ５１は、セラミックスからなる基板１と、この基板１上に配設される少なくとも１の圧電／電歪部２、及びこの圧電／電歪部２に電気的に接続される少なくとも１対の電極４，５を有する圧電／電歪駆動部とを備え、この圧電／電歪駆動部の駆動により、基板１が変位するものである。なお、圧電／電歪部２は、電極４を介在させた状態で基板１上に固着されている状態が示されているが、圧電／電歪部は、電極を介在させることなく、直接、基板上に固着されていてもよい。なお、「固着」とは、有機系、無機系の一切の接着剤を用いることなく、圧電／電歪部２と、基板１又は電極４との固相反応により、両者が緊密一体化した状態のことをいう。
本実施形態の圧電／電歪膜型アクチュエータ５１は、圧電／電歪部２が、これまで述べてきたいずれかの圧電／電歪体により構成されている。従って、この圧電／電歪部２を備えた本実施形態の圧電／電歪膜型アクチュエータ５１は、優れた圧電／電歪特性を有するとともに大きな変位を得ることができるものである。また、本実施形態の圧電／電歪膜型アクチュエータ５１は、屈曲変位が多数回繰り返されるような場合であっても十分な耐久性を発揮するものである。
また、図５に示すように、本実施形態の圧電／電歪膜型アクチュエータ５１は、圧電／電歪部２，３を複数、及び電極４，５，６を複数備え、複数の圧電／電歪部２，３が、複数の電極４，５，６により交互に挟持・積層されてなる構成とすることも好ましい。この構成は、いわゆる多層型の構成であり、低電圧で大きな屈曲変位を得ることができるために好ましい。
本発明の実施形態である圧電／電歪膜型アクチュエータを構成する基板はセラミックスからなるものであるが、このセラミックスの種類に特に制限はない。もっとも、耐熱性、化学的安定性、及び絶縁性の点から、安定化された酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、ムライト、窒化アルミニウム、窒化珪素、及びガラスからなる群より選択される少なくとも一種を含むセラミックスが好ましい。中でも、機械的強度が大きく、靭性に優れる点から安定化された酸化ジルコニウムが更に好ましい。なお、本発明にいう「安定化された酸化ジルコニウム」とは、安定化剤の添加により結晶の相転移を抑制した酸化ジルコニウムをいい、安定化酸化ジルコニウムの他、部分安定化酸化ジルコニウムを包含する。
安定化された酸化ジルコニウムとしては、酸化ジルコニウムに安定化剤として、例えば酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化イットリウム、酸化スカンジウム、酸化イッテルビウム、酸化セリウム、又は希土類金属の酸化物を、１〜３０ｍｏｌ％含有するものを挙げることができる。中でも、振動部の機械的強度が特に高い点で、酸化イットリウムを安定化剤として含有させたものが好ましい。この際、酸化イットリウムは、１．５〜６ｍｏｌ％含有させることが好ましく、２〜４ｍｏｌ％含有させることが更に好ましい。また、更に酸化アルミニウムを０．１〜５ｍｏｌ％含有させたものが好ましい。安定化された酸化ジルコニウムの結晶相は、立方晶＋単斜晶の混合相、正方晶＋単斜晶の混合相、立方晶＋正方晶＋単斜晶の混合相等であってもよいが、主たる結晶相が、正方晶、又は正方晶＋立方晶の混合相であるものが、強度、靭性、及び耐久性の観点から好ましい。
なお、基板の厚みは、１μｍ〜１ｍｍが好ましく、１．５〜５００μｍが更に好ましく、２〜２００μｍが特に好ましい。基板の厚みが１μｍ未満であると、圧電／電歪膜型アクチュエータの機械的強度が低下する場合がある。一方、１ｍｍを超えると圧電／電歪部に電圧を印加した場合に、発生する収縮応力に対する基板の剛性が大きくなり、圧電／電歪部の屈曲変位が小さくなってしまう場合がある。
但し、図４に示すように、基板１の形状は、その一表面に固着面１ａが形成された、上記の厚みを有する薄肉部１ｃと、この固着面１ａに対応する部分以外の部分に配設された、薄肉部１ｃよりも厚みのある厚肉部１ｂとを備えた形状であってもよい。なお、電極４（又は圧電／電歪部）は、固着面１ａに略対応する領域で配設される。基板１がこのような形状であると、屈曲変位が十分に大きく、かつ機械的強度の大きい圧電／電歪膜型アクチュエータとすることができる。また、図４に示す基板１の形状が連続して形成された、図６に示すような共通基板２０を使用し、第一の圧電／電歪部１２、第二の圧電／電歪部１３、及び電極４，５，６を含む複数の圧電／電歪駆動部単位１０をこの共通基板２０上に配設することもできる。
本発明の実施形態である圧電／電歪膜型アクチュエータにおける基板の表面形状（図３における、電極４が固着される面の形状）について特に制限はなく、例えば、長方形、正方形、三角形、楕円形、真円形、Ｒ付正方形、Ｒ付長方形、又はこれらを組合わせた複合形等の表面形状を挙げることができる。また、基板全体の形状についても特に制限はなく、適当な内部空間を有するカプセル形状であってもよい。
また、基板の薄肉部の形状としては、電界に対する屈曲変位の直線性が高い点で、図９に示すように、その中央部が、圧電／電歪部２，３が配設される面と反対側に屈曲した形状、或いは図１０に示すように、厚さ方向における断面形状が、基板の長手方向における中心線より見て、基板の両端部が底部側に対して垂直方向に突き出ており、そして、その中央部が上部に突き出た、いわゆるＷ形状であることが好ましい。なお、図１０に示す屈曲形状は、各圧電／電歪部２，３の焼成工程における収縮を利用して形成することができ、図１０に示すＷ形状は、圧電／電歪部２と圧電／電歪部３との焼成収縮開始タイミングや焼成収縮量、さらには薄肉部１ｃの形状を調整することにより形成することができる。
本実施形態の圧電／電歪膜型アクチュエータにおいて、電極は圧電／電歪部に電気的に接続されるものであり、各圧電／電歪部の間に配設される。また、電極は、圧電／電歪部の実質上屈曲変位等に寄与する領域を含んだ状態で配設されることが好ましく、例えば、図５に示すように第一の圧電／電歪部１２と第二の圧電／電歪部１３の形成面のうちの、その中央部分付近を含む８０面積％以上の領域において電極４，５，６が配設されていることが好ましい。
また、図７（ａ）、図７（ｂ）に示すように、複数の圧電／電歪駆動部単位１０ａ〜１０ｃで共通基板２０を共用する場合には、各圧電／電歪駆動部単位１０ａ〜１０ｃにおける最下層の電極１４と最上層の電極１６は各圧電／電歪駆動部単位１０ａ〜１０ｃ間で共用され、各圧電／電歪部２ａ〜２ｃ，３ａ〜３ｃに対応する領域に配設される一体型の電極１４としてもよい。このような一体型の電極１４とすれば、個々の圧電／電歪部２ａ〜２ｃ，３ａ〜３ｃに対応した形状とする必要がなく、電極を形成する際の位置合わせが容易となる。
本実施形態の圧電／電歪膜型アクチュエータにおいては、電極の材質として、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ａｕ、Ａｇ、及びこれらの合金からなる群より選択される少なくとも一種の金属を挙げることができる。中でも、圧電／電歪部を焼成する際の耐熱性が高い点で、白金、又は白金を主成分とする合金が好ましい。電極の寸法について特に制限はないが、例えば、図８、及び図１４（ａ）、図１４（ｂ）に示すように、各電極４，５，６を同一の幅とし、各電極４，５，６がそれぞれの幅方向で対応する位置に設けられているものでもよい。また、図１１に示すように、各電極４，５，６が、最下層に位置する電極４から、順次、下層に位置する電極に対応する範囲を含んでより広い範囲で設けられているものも好ましい。このような構成とすることにより、上層に位置する圧電／電歪部を下層に位置する圧電／電歪部より大きく歪ませることができるため、曲げ効率を高め、屈曲変位をより有効に発現することができる。
但し、圧電／電歪膜型アクチュエータの駆動電圧を高めることにより大きな屈曲変位を得る場合には、図１２に示すように、中間に位置する電極５が、その下層又は上層に位置する電極４，６より広い範囲で設けられているもの、或いは図１３に示すように、中間に位置する電極５が、電極４，６より狭い範囲で設けられているものが好ましい。このような構成とすることにより、圧電／電歪部２，３の厚みが薄くなり易い（短手方向）端部近傍で電界が殆ど加わらず、圧電／電歪部２，３の絶縁破壊を回避することができる。また、電極を設ける範囲に広狭の差を設ける場合におけるその広狭差は、電界分布を考慮して最適化することが好ましい。例えば、圧電／電歪部２（又は３）を挟んで隣接する電極４，５（又は５，６）間で、電極を設ける面積（形成面の面積）の比の値が０．５〜２であることが好ましく、０．６７〜１．５であることが更に好ましく、０．８３〜１．２であることが特に好ましい。なお、図１１〜図１３中、符号Ｐは下部電極の幅、符号Ｑは中間電極の幅、符号Ｒは上部電極の幅を各々示す。
本実施形態の圧電／電歪膜型アクチュエータにおいては、電極の厚みは１５μｍ以下であることが好ましく、５μｍ以下であることが更に好ましい。１５μｍを超えると電極が緩和層として作用し、屈曲変位が小さくなる場合がある。なお、実質的な電極としての機能を発揮させるといった観点からは、電極の厚みは０．０５μｍ以上であればよい。
次に、本発明の実施形態である圧電／電歪体の製造方法について説明する。本実施形態の圧電／電歪体は、圧電／電歪磁器組成物を焼成することにより製造することができる。圧電／電歪磁器組成物の調製に際しては、先ず、ＰｂＯ、ＭｇＯ、Ｎｂ2Ｏ5、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2、及びＮｉＯ等の各元素の酸化物、又は炭酸塩等の原料を、所望の組成となるように秤量し、ボールミル等の混合方法により混合して混合スラリーを得る。次いで、得られた混合スラリーを、乾燥器を使用するか、又は濾過等の操作によって乾燥することにより、混合原料を得ることができる。得られた混合原料を仮焼及び粉砕することにより、所望とする粒子径の圧電／電歪磁器組成物を調製することができる。なお、仮焼は７５０〜１３００℃の温度で行えばよい。また、粉砕はボールミル等の方法により行えばよい。調製した圧電／電歪磁器組成物の、Ｘ線回折装置による回折強度におけるパイロクロア相の最強回折線の強度とペロブスカイト相の最強回折線の強度との比は、５％以下であることが好ましく、２％以下であることが更に好ましい。
また、圧電／電歪磁器組成物の平均粒子径は０．０７〜１μｍであることが好ましく、０．１〜０．７μｍであることが更に好ましい。なお、粒子径の調整は、圧電／電歪磁器組成物の粉末を４００〜７５０℃で熱処理することにより行ってもよい。この際には、微細な粒子ほど他の粒子と一体化して粒子径の揃った粉末となり、粒子径が揃った圧電／電歪体を形成することができるため好ましい。また、圧電／電歪磁器組成物は、例えば、アルコキシド法や共沈法等によって調製してもよい。
得られた粉末状の圧電／電歪磁器組成物に可塑剤や分散剤や溶媒等を加えて、ボールミル等の一般的な混合装置を用いてスラリー化した後、ドクターブレード等の一般的な成形機によりシート状に成形することができる。シート状の成形体を、１分〜１０時間、８００〜１３００℃で焼成することにより、焼成体を得ることができる。次いで、必要に応じて電極を形成し、分極処理を行うことにより本実施形態の圧電／電歪体を製造することができる。
なお、露出結晶粒子割合が８０％以上である圧電／電歪体、及び一層結晶粒子割合が５０％以上である圧電／電歪体を得るには、使用する圧電／電歪磁器組成物（粒子）の粒子径を適当なものとすればよい。具体的には、その厚みが１〜２０μｍの圧電／電歪体を得ようとするような場合には、圧電／電歪磁器組成物の粒子径を０．２〜１．５μｍ程度とすればよい。即ち、得ようとする圧電／電歪体の厚みに対して、粒子径が小さすぎる（例えば、０．１μｍ以下）圧電／電歪磁器組成物を用いると、形成される結晶粒子が相互に重なり合ってしまい、非露出結晶粒子の存在割合が多くなり易いからである。また、結晶粒子のアスペクト比の平均値が１．３以上である圧電／電歪体を得るには、膜状又は１以上の層を持つ層状の積層体を焼成するに際し、圧電／電歪磁器組成物と同一組成の雰囲気調整材料を焼成用の容器の内に共存させるとともに、容器内空間単位体積当たりに含まれるこの雰囲気調整材料の量を調整すればよい。
シート状の成形体の調製と、電極の形成とを、それぞれ複数回ずつ交互に行うか、或いはシート状の成形体に電極を形成したものを複数積層することにより、本実施形態の圧電／電歪積層体を製造することができる。焼成後には、適当な条件下で分極処理を実施する。分極処理は、公知の手法通り加熱により実施することが望ましい。加熱温度は、圧電／電歪磁器のキュリー点にもよるが、４０〜２００℃とすることが好適である。
次に、本発明の実施形態である圧電／電歪膜型アクチュエータの製造方法について説明する。まず、セラミックスからなる基板上に、又は基板表面に形成された電極上に、圧電／電歪磁器組成物からなる１以上の層を持つ層を形成する。電極を形成する方法としては、例えば、イオンビーム、スパッタリング、真空蒸着、ＰＶＤ、イオンプレーティング、ＣＶＤ、メッキ、エアロゾルデポジション、スクリーン印刷、スプレー、又はディッピング等の方法を挙げることができる。中でも、基板、及び圧電／電歪部との接合性の点でスパッタリング法、又はスクリーン印刷法が好ましい。形成された電極は、その材質により適度な温度が選択されるが、８００〜１４００℃程度の熱処理により、基板及び／又は圧電／電歪部と一体化することができる。この熱処理は電極を形成する毎に行ってもよいが、圧電／電歪磁器組成物からなる層についてする焼成と一括して行ってもよい。ただし、圧電／電歪磁器組成物からなる層が形成された後では、圧電／電歪磁器組成物からなる層の焼成温度を超える温度での熱処理は行わない。
圧電／電歪磁器組成物からなる層を基板上に形成する方法としては、例えば、イオンビーム、スパッタリング、真空蒸着、ＰＶＤ、イオンプレーティング、ＣＶＤ、メッキ、ゾルゲル、エアロゾルデポジション、スクリーン印刷、スプレー、又はディッピング等の方法を挙げることができる。中でも、簡単に精度の高い形状、厚さで連続して形成することができる点でスクリーン印刷法が好ましい。なお、圧電／電歪部及び電極を複数備え、これらが交互に挟持・積層された圧電／電歪膜型アクチュエータを作製する場合には、基板上に形成した圧電／電歪磁器組成物からなる層の上に、前述の方法と同様の方法により電極を形成する。なお、この電極上に圧電／電歪磁器組成物からなる層、及び電極を、所望とする多層となるまで交互に繰り返し形成する。
その後、圧電／電歪磁器組成物からなる層、及び電極を基板上に交互に積層することにより得られた積層体を一体的に焼成する。この焼成により、圧電／電歪磁器組成物からなる結晶粒子により構成された圧電／電歪部を、基板上に直接又は電極を介して固着させることができる。なお、この焼成は必ずしも一体的に実施する必要はなく、圧電／電歪磁器組成物からなる層を一層形成する毎に順次実施してもよいが、生産効率の観点からは電極も含めた状態で一体的に焼成することが好ましい。
このときの焼成温度は８００〜１３５０℃が好ましく、９００〜１３００℃が更に好ましい。８００℃未満では、基板又は電極と、圧電／電歪部との固着が不完全であったり、圧電／電歪部の緻密性が不十分となることがある。一方、１３５０℃を超えると、所望の組成の圧電／電歪部を形成することが困難となる場合がある。また、焼成時の最高温度保持時間は１分以上１０時間以下が好ましく、５分以上４時間以下が更に好ましい。最高温度保持時間が１分未満では、圧電／電歪部の緻密化が不十分となり易く、所望の特性が得られない場合があり、最高温度保持時間が１０時間を超えると、圧電／電歪特性が低下する場合がある。
その後、適当な条件下で分極処理を実施する。分極処理は、公知の手法通り加熱により実施することが好ましい。加熱温度は、圧電／電歪磁器のキュリー点にもよるが、４０〜２００℃とすることが好適である。
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
［露出結晶粒子割合］：圧電／電歪体を任意の位置で厚み方向に切断して断面を露出させ、場合によってはエッチングをする等した後に、この断面を顕微鏡観察することにより、「露出結晶粒子割合（％）」を算出した。
［一層結晶粒子割合］：圧電／電歪体を任意の位置で厚み方向に切断して断面を露出させ、場合によってはエッチングをする等した後に、この断面を顕微鏡観察することにより、「一層結晶粒子割合（％）」を算出した。
［アスペクト比の平均値］：圧電／電歪体を任意の位置で厚み方向に切断して断面を露出させ、場合によってはエッチングをする等した後に、この断面を顕微鏡観察して任意に２０個以上の結晶粒子を抽出するとともに、抽出したそれぞれの結晶粒子のアスペクト比（Ｗ／Ｔ）を算出し、これらの平均値を「アスペクト比の平均値」として算出した。
［屈曲変位］：圧電／電歪膜型アクチュエータの電極間に、電界が３ｋＶ／ｍｍとなるように電圧を印加し、生じた屈曲変位（μｍ）をレーザー変位測定機により測定した。
［耐久試験］：それぞれの実施例について１００個ずつの試料を用意し、印加電圧０〜３ｋＶ／ｍｍ、周波数１ｋＨｚで駆動を行い、初期（０サイクル）、１０9サイクル駆動後の各試料について屈曲変位を測定した。１０9サイクル駆動後の屈曲変位が、初期の屈曲変位の値の９０％以下となった試料の数を計測した。
（実施例１，２、比較例１）
Ｙ2Ｏ3で安定化された、薄肉部が平坦なＺｒＯ2基体（薄肉部の寸法：１．６×１．１ｍｍ、厚さ：７μｍ）上に、Ｐｔからなる下部電極（寸法：１．２×０．８ｍｍ、厚さ：３μｍ）をスクリーン印刷法により形成し、１３００℃、２時間の熱処理により基体と一体化させた。次いで、その上に、Ｐｂ1.00（Ｍｇ1/3Ｎｂ2/3）0.20Ｔｉ0.43Ｚｒ0.37Ｏ3９８．５質量％と、ＮｉＯ１．５質量％とを含有する、その平均粒子径が表１に示す値である圧電磁器組成物からなる圧電材料をスクリーン印刷法により、寸法１．３×０．９ｍｍ、厚み８μｍで積層した積層体を得た。得られた積層体を、容器内空間単位体積当たりに含まれる雰囲気調整材料の量が９ｍｇ／ｃｍ3となるように、圧電磁器組成物と同一組成の雰囲気調整材料を共存させて雰囲気を調整した容器に入れ、１２７５℃、２時間熱処理（焼成）した。熱処理後の圧電部の厚みは、いずれも５μｍであった。次に、圧電部の上に、Ａｕからなる上部電極（寸法：１．２×０．８ｍｍ、厚さ：０．５μｍ）をスクリーン印刷法により形成した後、熱処理して、膜状の圧電駆動部を有する圧電膜型アクチュエータ（実施例１，２、比較例１）を製造した。製造した圧電膜型アクチュエータの物性値、及び屈曲変位の測定結果を表１に示す。
Ｙ2Ｏ3で安定化された、薄肉部が平坦なＺｒＯ2基体（薄肉部の寸法：１．６×１．１ｍｍ、厚さ：７μｍ）上に、Ｐｔからなる下部電極（寸法：１．２×０．８ｍｍ、厚さ：３μｍ）をスクリーン印刷法により形成し、１３００℃、２時間の熱処理により基体と一体化させた。次いで、その上に、Ｐｂ1.00（Ｍｇ1/3Ｎｂ2/3）0.20Ｔｉ0.43Ｚｒ0.37Ｏ3９８．５質量％と、ＮｉＯ１．５質量％とを含有する、その平均粒子径が表１に示す値である圧電磁器組成物からなる圧電材料をスクリーン印刷法により、寸法１．３×０．９ｍｍ、厚み８μｍで積層した積層体を得た。得られた積層体を、容器内空間単位体積当たりに含まれる雰囲気調整材料の量が９ｍｇ／ｃｍ3となるように、圧電磁器組成物と同一組成の雰囲気調整材料を共存させて雰囲気を調整した容器に入れ、１２７５℃、２時間熱処理（焼成）した。熱処理後の圧電部の厚みは、いずれも５μｍであった。次に、圧電部の上に、Ａｕからなる上部電極（寸法：１．２×０．８ｍｍ、厚さ：０．５μｍ）をスクリーン印刷法により形成した後、熱処理して、膜状の圧電駆動部を有する圧電膜型アクチュエータ（実施例１，２、比較例１）を製造した。製造した圧電膜型アクチュエータの物性値、及び屈曲変位の測定結果を表１に示す。
表１に示す結果から、露出結晶粒子割合が８０％以上である実施例１，２の圧電膜型アクチュエータは、露出結晶粒子割合が８０％未満である比較例１の圧電膜型アクチュエータに比べて、大きな屈曲変位が得られること、及び耐久性に優れたものであることが明らかである。更に、一層結晶粒子割合が５０％以上である実施例２の圧電膜型アクチュエータは、一層結晶粒子割合が５０％未満である実施例１の圧電膜型アクチュエータに比べて、更に大きな屈曲変位が得られることが明らかである。
（実施例３）
スクリーン印刷法を繰り返すことにより、その厚みが３５μｍとなるまで圧電材料を積層したこと以外は、前述の実施例１の場合と同様にして、圧電膜型アクチュエータ（実施例３）を製造した。製造した圧電膜型アクチュエータの物性値、及び屈曲変位の測定結果を表２に示す。
スクリーン印刷法を繰り返すことにより、その厚みが３５μｍとなるまで圧電材料を積層したこと以外は、前述の実施例１の場合と同様にして、圧電膜型アクチュエータ（実施例３）を製造した。製造した圧電膜型アクチュエータの物性値、及び屈曲変位の測定結果を表２に示す。
表２に示す結果から、圧電部の厚みが２０μｍを超えると、得られる屈曲変位の大きさが徐々に小さくなる傾向にあることが明らかである。
（実施例４）
スクリーン印刷法により圧電材料を８μｍの厚みで積層した後、熱処理する前に、Ｐｔからなる上部電極、及び８μｍ厚みの圧電材料をスクリーン印刷法により形成し、次いで熱処理すること以外は、前述の実施例１の場合と同様にして、圧電膜型アクチュエータ（実施例４）を製造した。製造した圧電膜型アクチュエータの物性値、及び屈曲変位の測定結果を表３に示す。
スクリーン印刷法により圧電材料を８μｍの厚みで積層した後、熱処理する前に、Ｐｔからなる上部電極、及び８μｍ厚みの圧電材料をスクリーン印刷法により形成し、次いで熱処理すること以外は、前述の実施例１の場合と同様にして、圧電膜型アクチュエータ（実施例４）を製造した。製造した圧電膜型アクチュエータの物性値、及び屈曲変位の測定結果を表３に示す。
表３に示す結果から、圧電体の積層数が多く、圧電部の合計の厚みが厚いほど、より大きな屈曲変位が得られることが明らかである。
（実施例５）
スクリーン印刷法により圧電材料を５μｍの厚みで積層したこと以外は、実施例１の場合と同様にして、圧電膜型アクチュエータ（実施例５）を製造した。製造した圧電膜型アクチュエータの物性値、及び屈曲変位の測定結果を表４に示す。
スクリーン印刷法により圧電材料を５μｍの厚みで積層したこと以外は、実施例１の場合と同様にして、圧電膜型アクチュエータ（実施例５）を製造した。製造した圧電膜型アクチュエータの物性値、及び屈曲変位の測定結果を表４に示す。
表４に示す結果から、アスペクト比（Ｗ／Ｔ）の平均値が大きくなるに従って、より大きな屈曲変位が得られることが明らかである。
本発明の圧電／電歪体、圧電／電歪積層体、及び圧電／電歪膜型アクチュエータは、走査型トンネル顕微鏡のプローブ移動機構、超精密加工装置における直進案内機構、油圧制御用サーボ弁、ＶＴＲ装置のヘッド、フラットパネル型の画像表示装置を構成する画素、又はインクジェットプリンタのヘッド等に好適に使用される。
１…基板、１ａ…固着面、１ｂ…厚肉部、１ｃ…薄肉部、２，２ａ，２ｂ，２ｃ，３，３ａ，３ｂ，３ｃ…圧電／電歪部、４，５，６，１４，１６…電極、１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ…圧電／電歪膜型素子単位、１２…第一の圧電／電歪部、１３…第二の圧電／電歪部、１５…最下圧電／電歪部、２０…共通基板、３０…圧電／電歪体、３１…結晶粒子、３２…露出結晶粒子、３３…特定結晶粒子、３４…非露出結晶粒子、３５ａ，３５ｂ…界面、３７…粒界層、５１…圧電／電歪膜型アクチュエータ、Ｐ…下部電極の幅、Ｑ…中間電極の幅、Ｒ…上部電極の幅、Ｔ…厚み方向の粒子径、Ｗ…幅方向の粒子径。
Claims (6)
- 圧電／電歪性を有する多数の結晶粒子からなる膜状又は１以上の層を持つ層状の圧電／電歪体であって、
任意の厚み方向の断面において観察される多数の前記結晶粒子に占める、厚み方向の少なくともいずれかの外部との界面にその一部が露出している結晶粒子の個数割合が、８０％以上である圧電／電歪体。 - 任意の厚み方向の断面において観察される多数の前記結晶粒子に占める、厚み方向の外部との両界面にその一部が露出している結晶粒子の個数割合が、５０％以上である請求項１に記載の圧電／電歪体。
- 厚みが１〜２０μｍである請求項１又は２に記載の圧電／電歪体。
- 任意の厚み方向の断面において観察される多数の前記結晶粒子の、厚み方向の粒子径（Ｔ）に対する幅方向の粒子径（Ｗ）の比（Ｗ／Ｔ）の平均値が、１．３以上である請求項１〜３のいずれか一項に記載の記載の圧電／電歪体。
- 請求項１〜４のいずれか一項に記載の複数の圧電／電歪体と、膜状又は層状の複数の電極とを備え、
複数の前記圧電／電歪体が、複数の前記電極により交互に挟持・積層された圧電／電歪積層体。 - セラミックからなる基板と、前記基板上に配設される、少なくとも１の圧電／電歪部及び少なくとも１対の電極を有する圧電／電歪駆動部とを備えてなり、前記圧電／電歪駆動部の駆動により前記基板が変位する圧電／電歪アクチュエータであって、
前記圧電／電歪部が、請求項１〜４のいずれか一項に記載の圧電／電歪体により構成された圧電／電歪アクチュエータ。
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