JP3104550B2 - 圧電アクチュエータおよびその製造方法 - Google Patents
圧電アクチュエータおよびその製造方法Info
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関する。
エータとしては電界に対して大きな歪が発生する鉛系の
誘電体、特にPZTと呼ばれるPb(Zr1-x,Tix)
O3のペロブスカイト型強誘電体が広く用いられてい
る。これらの圧電体はセラミックス材料を切削、研磨な
どの工程により短冊状に加工し、対向する位置に形成し
た電極に電圧を加えて変位変位を発生させる。発生する
変位が電界と垂直方向のものを利用した屈曲変位の場
合、電界方向に得られるものよりも大きな変位を得ら
れ、短冊状のセラミックスの圧電体の単板を用いたモノ
モルフ素子や、2枚の圧電体の間に電極を挿入したバイ
モルフ素子の圧電アクチュエータが広く用いられてい
る。近年これらの圧電アクチュエータをより小型化し、
マイクロマシンなどへの利用が考えられており、それに
よってこれまで不可能とされていた様々な分野への応用
が可能になると期待されている。そのため精密な動作を
する圧電材料の開発と共にその加工技術の研究が行われ
ている。
のように圧電セラミックスを切削などの機械的な方法に
より加工した場合、素子の小型化において限界があり、
その形状も限られたものとなってくる。一方、圧電体を
薄膜化した圧電体薄膜では小型化および任意の形状に加
工することが可能となる。しかしアクチュエータとして
十分な特性を有する圧電薄膜は、その化学組成および薄
膜化にともなう内部応力などが原因でこれまで困難であ
り、実用に耐え得る圧電アクチュエータの実現には至っ
ていない。
で、圧電アクチュエータとしての機能を有する圧電体薄
膜の構造およびその作製方法を提供することを目的とす
る。
め、本発明にかかる圧電アクチュエータは、圧電性を有
する膜の対向する面に電極を形成した構成で、電極の少
なくとも一方を白金またはパラジウムとし、圧電性の膜
として鉛を含有した圧電体からなる構造で、対向する電
極間に電圧を加えることにより膜の水平面に対して垂直
な変位を発生させることを特徴とする圧電アクチュエー
タであることが好ましい。
を主成分をする圧電体薄膜、その上に白金もしくはパラ
ジウムの電極を形成し、その上に鉛を主成分とする圧電
体薄膜を形成し、更にその上の電極からなる構造で、各
々の圧電体薄膜の分極軸方向が対向する方向の構成のバ
イモルフ構造とすることが好ましい。
上に鉛を主成分をする圧電体薄膜、その上に白金もしく
はパラジウムの電極を形成し、その上に鉛を主成分とす
る圧電体薄膜を形成し、更にその上の電極からなる構造
で、各々の圧電体薄膜の分極軸方向が同方向の構成のバ
イモルフ構造であることが好ましい。
コニウムとチタンを主成分とする誘電体で、電極上の第
1層としてジルコニウムとチタンの構成比がZr/(T
i+Zr)=0.2以下の圧電体、第2層としてジルコ
ニウムとチタンの構成比がZr/(Ti+Zr)=0.
2以上の積層構造を有する圧電体薄膜とすることが好ま
しい。
蒸着し、その上に鉛を主成分とする圧電体をスパッタ蒸
着することにより圧電性を有する膜を形成し、最後にM
gO基板を除去することにより圧電アクチュエータを製
造する方法が好ましい。
タを小型化でき任意の形状に加工することが容易にな
る。すなわち圧電性を有する膜をはさむ電極の少なくと
も一方を白金またはパラジウム、圧電性の膜として鉛を
含有した圧電体であれば、圧電性の薄膜を結晶性良く配
向させて形成することが容易となり、また白金またはパ
ラジウム電極と圧電性薄膜との付着力も強いため、この
電極の変位を抑えることで、膜厚が薄い圧電体であって
も大きな変位が発生し、また良好な圧電特性を得ること
ができる。
の電極上に鉛を主成分をする圧電体、その上に白金もし
くはパラジウムの電極を形成し、その上に鉛を主成分と
する圧電体を形成し、更にその上の電極からなるバイモ
ルフ構造の圧電アクチュエータでは、圧電体薄膜の自発
分極の方向を2枚の圧電体薄膜を互いに接着剤で貼り合
わせる等の方法により自発分極の方法を対向させること
により、より大きな変位を発生させることが可能とな
る。
の電極上に鉛を主成分をする圧電体、その上に白金もし
くはパラジウムの電極を形成し、その上に鉛を主成分と
する圧電体を形成し、更にその上の電極からなるバイモ
ルフ構造の圧電アクチュエータでは、容易に圧電体薄膜
の自発分極の方向を同方向とすることができ、容易に大
きな変位を発生させるアクチュエータとすることができ
る。
ち圧電性を有する膜として鉛、ジルコニウムとチタンを
主成分とする誘電体で、電極上の第1層としてジルコニ
ウムとチタンの構成比がZr/(Ti+Zr)=0.2
以下の圧電体、第2層としてジルコニウムとチタンの構
成比がZr/(Ti+Zr)=0.2以上の圧電体から
なる好ましい構成とすることによって、電極上に圧電性
を持たない相を析出させることなく、結晶性の良い圧電
性薄膜が形成することが可能になり、良好な特性を有す
る圧電アクチュエータを実現できる。
造方法において、MgO基板上に白金もしくはパラジウ
ムを蒸着し、その上に鉛を主成分とする圧電体をスパッ
タ蒸着することにより圧電性を有する膜を形成し、最後
にMgO基板を除去する好ましい製造方法により、電極
および圧電体を結晶性良く作製することが可能であり、
またこの時の圧電体薄膜の分極方向は上向きに向いてお
り、分極方向を揃える処理が不要であり良好な圧電特性
を有する圧電アクチュエータが実現できる。
エータおよびその製造方法について、図面を参照しなが
ら説明する。
の一実施例を示す。下部電極上たとえば(100)面に配向
した白金電極1上に鉛を含有した圧電性を有する膜、た
とえばペロブスカイト型PZT薄膜2から構成する。こ
の構成によりペロブスカイト型PZT薄膜を結晶性良く
また(001)面に配向させて成長させることができる。圧
電性薄膜を結晶性良く配向させることにより、電圧の印
加に対して大きな変位量及び応力を発生させることがで
きる。形成したアクチュエータの形状は薄膜化したこと
により、従来行われていた焼結体を切り出して加工した
場合よりも小型にできる。片持ち梁の大きさが50x10x0.
05mmの図1に示したユニモルフタイプの圧電アクチュエ
ータを形成し、電極間に15Vの電圧を印加した場合、素
子先端の変位は約0.5mmの大きな値を得た。
ュエータを互いに貼り合わせたバイモルフ構造の圧電ア
クチュエータの一実施例を示す。前記(100)面に配向し
た白金電極1上に鉛を含有した圧電性を有する膜、たと
えばペロブスカイト型Pb(Zr,Ti)O3(PZT)薄膜2か
ら構成する薄膜で、これらを接着剤、例えばエポキシ樹
脂3により接着した。一般に2枚のPZT薄膜2の分極
軸方向を連続した薄膜作製方法により対向させることは
困難であるが、これらを接着することにより分極方向を
容易に対向させる構成とすることができる。また一般に
圧電体の厚さを薄くしていくと、おもに薄膜作製中に蓄
積された内部応力のためはじめから反り返った様な変形
がしばしば起こり、アクチュエータの設計および作製を
困難にしていた。しかしユニモルフタイプの圧電体薄膜
を互いに貼り合わせることによって、薄膜内部の応力を
打ち消しあうことができる。また白金電極1上にPZT
等のペロブスカイト型強誘電体をスパッタ法などで薄膜
化した場合、後述するように自発分極方向が揃うことが
知られており、このことより本構成のバイモルフアクチ
ュエータの分極方向は容易に対向させることができ、図
に示した方向の電圧を印加することにより変位が発生す
る。前記ユニモルフタイプのアクチュエータを貼り合わ
せ大きさ、50x10x0.1mmのバイモルフタイプ圧電アクチ
ュエータに15Vの電圧を印加した場合、1mm程度の大きな
変位が得られた。
電アクチュエータの一実施例を図3に示す。まず白金電
極1上に圧電性薄膜であるPZT薄膜2を形成し、その
上に内部電極として白金電極1、その上にPZT薄膜2
を形成し、外部電極として白金電極1から構成する。こ
の時のPZT薄膜2の膜厚は10μmとし、白金電極1の
厚みは1μm以下とした。PZT等のペロブスカイト型
誘電体は前述のように白金などの上に結晶性の良い配向
膜を形成することが可能で、このような構成の圧電アク
チュエータを一貫して形成することにより、繰り返しの
変位によりしばしば起こる内部電極と圧電薄膜の剥離を
防止することができた。また白金電極1上にPZT等の
ペロブスカイト型強誘電体をスパッタ法などで薄膜化し
た場合、自発分極方向が揃い図3に示した好ましい構成
によれば、ともに同じ分極方向を持つバイモルフを形成
できる。このバイモルフ型圧電アクチュエータを大きさ
5x0.5x0.02mmに成形し、図3に示す方向の電圧を15V
印加した場合、非常に小型であるにもかかわらず約0.1m
m程度の変位が安定して得られた。
示す。圧電体薄膜としてその変位量の大きさなどからこ
れまでZrとTiの構成比が約50/50のPZTが良く用
いられている。しかしこの組成のPZTを白金などの金
属電極上に形成する場合、その界面に圧電性をしめさな
いZrの酸化物などの相が析出し、アクチュエータとし
ての特性に悪影響を与えていた。しかしアクチュエータ
を構成する圧電体薄膜をPZTとし、その組成を図4に
示すように白金電極1上の第1層としてジルコニウムと
チタンの構成比がZr/(Ti+Zr)=0.2以下、
第2層としてジルコニウムとチタンの構成比がZr/
(Ti+Zr)=0.2以上とすることにより、圧電体
形成時に白金電極1との界面に圧電性を示さないZrの
酸化物を形成させることなく圧電体薄膜を形成すること
ができ、特性の良いアクチュエータを形成できた。この
好ましい圧電薄膜の構造で、まず第1層としてZr/
(Ti+Zr)=0のPbTiO3薄膜、第2層としてZr/
(Ti+Zr)=0.5のPZT薄膜とし、図1に示し
た物と同様の圧電アクチュエータを作製したところ、約
2倍近くの変位量が得ることができた。
方法の一実施例を以下に説明する。まず(100)MgO基
板上に(100)面に配向した白金電極をスパッタ法で蒸着
した。その上に鉛を主成分とする圧電体であるPZT薄
膜をスパッタ蒸着することにより圧電性を有する膜を形
成した。スパッタ法を用いてPZT薄膜を作製すること
によりc軸配向したPZTを安定的に作製することがで
き、かつ自発分極軸が上向きであった。自発分極の向き
が揃う理由については不明なところが多いが、焼結体で
必要な分極処理が不要になり、アクチュエータ作製にお
ける工程が簡素化できた。またMgO基板は硝酸溶液な
どにより容易に溶かすことができ、モノモルフまたはバ
イモルフの形状への加工が容易に行うことができた。
クチュエータ及びその製造方法においては、小型化およ
び微細加工に適した圧電体薄膜を用いることにより伴う
圧電特性の劣化を防ぐ構成を提供し、またその作製法に
より良好な動作を行う圧電アクチュエータが実現でき
た。
の構成を示す図
の構成を示す図
の構成を示す図
す図
Claims (4)
- 【請求項1】 圧電性を有する膜の対向する面に電極を
形成した構成で、電極の少なくとも一方を白金またはパ
ラジウムとし、圧電性を有する膜として鉛、ジルコニウムとチタンを主
成分とする誘電体で、電極上の第1層としてジルコニウ
ムとチタンの構成比がZr/(Ti+Zr)=0.2以
下の圧電体、第2層としてジルコニウムとチタンの構成
比がZr/(Ti+Zr)=0.2以上の圧電体の積層
構造を有する圧電体薄膜からな ることを特徴とする圧電
アクチュエータ。 - 【請求項2】 白金もしくはパラジウムの電極上に鉛を
主成分とする圧電体薄膜、その上に白金もしくはパラジ
ウムの電極を形成し、その上に鉛を主成分とする圧電体
薄膜を形成し、更にその上の電極からなる構造であり、各電極上に形成した圧電性を有する膜として鉛、ジルコ
ニウムとチタンを主成分とする誘電体で、電極上の第1
層としてジルコニウムとチタンの構成比がZr/(Ti
+Zr)=0.2以下の圧電体、第2層としてジルコニ
ウムとチタンの構成比がZr/(Ti+Zr)=0.2
以上の圧電体の積層構造を有する圧電体薄膜であり、 各
々の圧電体薄膜の分極軸方向が対向する方向の構成のバ
イモルフ構造を有する圧電アクチュエータ。 - 【請求項3】 白金もしくはパラジウムの電極上に鉛を
主成分とする圧電体薄膜、その上に白金もしくはパラジ
ウムの電極を形成し、その上に鉛を主成分とする圧電体
薄膜を形成し、更にその上の電極からなる構造であり、各電極上に形成した圧電性を有する膜として鉛、ジルコ
ニウムとチタンを主成分とする誘電体で、電極上の第1
層としてジルコニウムとチタンの構成比がZr/(Ti
+Zr)=0.2以下の圧電体、第2層としてジルコニ
ウムとチタンの構成比がZr/(Ti+Zr)=0.2
以上の圧電体の積層構造を有する圧電体薄膜であり、 各
々の圧電体薄膜の分極軸方向が同方向の構成のバイモル
フ構造を有する圧電アクチュエータ。 - 【請求項4】 MgO基板上に白金もしくはパラジウム
を蒸着し、その上に鉛を主成分とする圧電体をスパッタ
蒸着することにより圧電性を有する膜を形成し、最後に
MgO基板を除去することを特徴とする請求項1から3
のいずれかに記載の圧電アクチュエータ製造方法。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP25053694A JP3104550B2 (ja) | 1994-10-17 | 1994-10-17 | 圧電アクチュエータおよびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP25053694A JP3104550B2 (ja) | 1994-10-17 | 1994-10-17 | 圧電アクチュエータおよびその製造方法 |
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Publication Number | Publication Date |
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JPH08116103A JPH08116103A (ja) | 1996-05-07 |
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ID=17209367
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP25053694A Expired - Lifetime JP3104550B2 (ja) | 1994-10-17 | 1994-10-17 | 圧電アクチュエータおよびその製造方法 |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN107063521B (zh) * | 2017-04-28 | 2023-10-13 | 黑龙江大学 | 一种具有闭环功能的微力加载机构及其制作工艺与应用 |
CN112928200B (zh) * | 2021-01-21 | 2023-04-07 | 齐鲁工业大学 | 一种锆钛酸铅压电薄膜及其制备方法与应用 |
-
1994
- 1994-10-17 JP JP25053694A patent/JP3104550B2/ja not_active Expired - Lifetime
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