JP4357659B2 - 圧電体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波モータ、圧電アクチュエータ、および圧電センサー等に用いられる圧電体装置およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、圧電アクチュエータは、モータの微細化、高密度化が可能であるという点で、電磁型モータに代わる新しいモータとして、携帯情報機器分野、ならびに化学、医療分野で注目されている。圧電アクチュエータはその駆動に際して電磁ノイズを発生させず、またノイズの影響も受けない。さらに、サブミリメートルクラスの大きさの機器を作るため、その駆動源として微小な圧電アクチュエータが求められている。圧電体装置は、上記の超音波モータ、圧電アクチュエータ等の振動部分に用いられている。先ず、従来の圧電体装置の構成を説明する。
【０００３】
従来の圧電体装置の構造を図１４及び図１５に示す。一般に金属やシリコンなどの基板上の所定の位置にバルク材の焼結体を加工した圧電体１７が設けられている。図１４に、基板３と圧電体１７を接着剤１６を用いて貼り合わされた圧電体装置を示す。圧電体はバルク材の焼結体を所望の大きさ、厚さに研磨加工を施したり、グリーンシートから型抜きして熱処理したものを用いている。このようなバルク材の焼結体、グリーンシートからの成形体では、厚みがおよそ１００μｍ以上のものが一般的である。
【０００４】
一方、接着剤による貼り合わせの他に、スパッタ法や印刷法などを用いて、基板上に圧電体を直接形成する手法がある。図１５に直接形成法により作製した圧電体装置を示す。通常、スパッタ法やゾルゲル法により形成される圧電体の厚みは、数百Å〜数μｍであり、印刷法では５０〜数１００μｍ程度である。
また、いずれの構成においても、圧電体１７には電極が設けられており、電極を通じて交流電圧が印加されるようになっている。
【０００５】
このような圧電体装置を振動部分に用いた超音波モータの概略構成を図1６に示す。この超音波モータは、ステータ１３と移動体７（ロータ）より構成されている。さらに、このステータ１３は、一般に弾性材の振動体６と電極付きの圧電体１７を備えており、この振動体６と圧電体１７は接着剤１６により貼り合わされている。このような構成の超音波モータでは、圧電体１７に交流電圧が印加されると、圧電効果によって生じた力が振動体６に伝播し、ステータ１３（振動体６）に加圧接触している移動体部分７が駆動することとなる。
【０００６】
上記の説明で代表されるように、圧電体装置の基本的構成は圧電体と基板を接着剤で貼り合わせた構成、もしくは基板上に圧電体を直接形成した構成となっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のような構成では、以下のような問題点があった。
すなわち、従来のように接着剤を使用した場合、圧電体より発生した力が伝播する際に接着層で乱反射したり吸収されてしまい、その結果として、振動部の電気的および機械的な性能や信頼性を低下させてしまうだけでなく、圧電体との接着界面における剥離現象も生じさせてしまうという不具合があった。特に、この不具合は、微小構造の駆動源として圧電体装置の振動部分を用いようとした場合に、その大きさがサブミリメートルクラスとなるために、相対的に接着層の影響が大きくなる。
【０００８】
このような問題が生じる本質的原因は、接着層およびその境界面が力学的に不安定な点にある。この問題を解決するために、振動体に圧電体を直接形成する方法が近年盛んに研究されてきた。
圧電体を直接形成する製造方法として、スパッタ法や、ＣＶＤ法が代表的な製法であるが、寸法の小さい素子を作成できるという利点の反面、非常に工数がかかるという課題がある。また、アクチュエータの駆動力を出力するためには、圧電体層を数〜数十μｍの厚みに形成する必要があるが、上記に示す従来法では、数〜数十μｍの厚さの膜を形成するのは困難であった。
【０００９】
また、他の製造方法として、インクジェットプリンタヘッドの圧電素子に広く用いられているスクリーン印刷法がある。この製造方法は圧電体ペーストを基板に塗布し、乾燥させ、さらに焼成することにより製造する方法である。しかしながら、１０００℃以上の高温で焼成するため、基板と圧電体ペーストにかかる熱応力の差により割れが発生したり、耐熱性基板を用いなければならないという制約がある。
【００１０】
同じく圧電体を直接形成する製造方法として水熱法が知られている。これはチタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする強誘電体セラミックス（以下、ＰＺＴと称する）の強アルカリ性溶液をオートクレーブ中で反応させ、チタン、あるいは酸化チタン基板の上にＰＺＴを形成するものである。ここではＰＺＴを形成できる基板がチタン、あるいはチタンを含む材料といったように限定されてしまう。
【００１１】
そこで、本発明は、これらの問題点を解決して製造工程を簡略化でき、しかも特性の向上、安定した圧電体装置の製造方法および装置を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、圧電体装置の構成において、基板と圧電体層の間に粒径１μｍ以下の超微粒子からなる超微粒子層が形成されるとともに、前記超微粒子層と前記圧電体が接合された接合面を備えるとした。また、基板と圧電体層との間に超微粒子層が形成されるとともに、超微粒子層が圧電体層の主成分とおよそ同一の主成分であることとした。また、基板と圧電体層との間に超微粒子層が形成されるとともに、超微粒子層が圧電体層の結晶構造とおよそ同一の結晶構造であることとした。
【００１３】
さらに、１μｍ以下の超微粒子層と圧電体層がチタンとジルコニウムと鉛を有することとした。また、上述した構成の圧電体装置を製造するために、本発明の製造方法は、基板上に１μｍ以下の超微粒子層を形成する第１の工程と、前記超微粒子層上に圧電体層を接合する第２の工程と、を備えることとした。
【００１４】
さらに、第１の工程が、１μｍ以下の超微粒子を噴射堆積して第１の超微粒子層を形成する工程と、前記第１の超微粒子層に超微粒子を含んだペースト状の溶液を塗布する第２の超微粒子層を形成されることとした。あるいは、基板上に１μｍ以下の超微粒子層を形成する第１の工程と、前記超微粒子層上に圧電体を接合する第２の工程と、を備えることとした。
【００１５】
さらに、超微粒子層上に圧電体を接合する第２の工程において、超微粒子層と圧電体層を接合する手段として水素結合を用いることとした。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明による圧電体装置は、基板と圧電体層との間に超微粒子層が形成されるとともに、超微粒子層が圧電体層の主成分とおよそ同一の主成分であることとした。このように超微粒子層と圧電体層の主成分を同一にすることにより、基板と圧電体層との密着性を高めるだけでなく、焼成時における圧電体層と接合層との熱膨張差を減少させる効果がある。
【００１７】
また、基板と圧電体層との間に超微粒子層が形成されるとともに、超微粒子層が圧電体層の結晶構造とおよそ同一の結晶構造であることとした。このように構成により、圧電体層と基板との接合部分に同じ結晶構造を持つ超微粒子層を介在させることとなり、基板と圧電体層との密着性を高めることができる。各層の境界面において同じ結晶構造を有する層同士を接触させることにより各層を形成する結晶の格子間隔が近くなり格子間の歪みが少なくなる。したがって接合層で生じていた圧電振動の吸収、乱反射が起こりにくくなる。
【００１８】
さらに、超微粒子層と圧電体層がチタンとジルコニウムと鉛を有することとした。これは、圧電体装置に用いられる圧電体の中でも特に優れた圧電特性を示すＰＺＴの成分であるチタンとジルコニウムと鉛を超微粒子層と圧電体層の両方に用いることにより、接合による圧電体の振動特性のばらつきおよび特性不良を減少させる効果がある。
【００１９】
また、超微粒子層を形成する超微粒子の粒径が１μｍ以下であることとした。これは、圧電体の表面粗さ、うねりに対してより微小な１μｍ以下の超微粒子を接合層に用いることにより、基板および圧電体との接触点を増加させて密着性を上げることができる。さらに、粒径を小さくすることにより粒子の体積に対する表面積の割合（比表面積）を増加させることができるため、接合層のもつ表面エネルギーが増加し、焼成時の熱エネルギーの駆動源となる。そのため通常のＰＺＴ系の圧電体を焼成するよりも低温で焼成することができる。
【００２０】
あるいは、本発明は圧電体装置の製造方法において、基板上に超微粒子層を形成する第１の工程と、超微粒子層上に圧電体層を形成する第２の工程と、を備えることとした。
さらに、超微粒子層を形成する第１の工程が、超微粒子を含んだペースト状の溶液を基板上に塗布することによって形成することとした。すなわち、接合層にポリビニルアルコールやグリセリンなどの成形助剤を含んだ超微粒子のペーストを用いることにより、成形助剤が超微粒子間をつなぎとめる役割を果たし焼成後の圧電体層との密着性を上げるだけでなく、十分な強度を持たせる効果がある。さらに圧電体層をグリーンシートから形成した場合、超微粒子のペースト上に圧電体層のグリーンシートを加圧密着させるとともにペーストと圧電体層の同時焼成が可能である。
【００２１】
また、超微粒子層を形成する第１の工程が超微粒子を基板上に噴射堆積することにより形成されることとした。これは、高速で非常に大きな運動エネルギーを持った超微粒子を基板に直接衝突させるため基板との密着性を上げることができるとともに、十分な強度を持った超微粒子層を形成することができる。
また、圧電体層と同じ結晶構造を持ち、主成分が同一である超微粒子を用いることにより圧電体の振動特性の劣化を防ぐ効果がある。
【００２２】
また、粒径およそ０．１μｍの超微粒子を用いることにより気体分子の流れに乗りやすくなるため、容易にエアロゾル状態になり得る。すなわち高速で大きな運動エネルギーを持った超微粒子を噴射堆積することができる。
あるいは、本発明による圧電体装置の製造方法において、基板上に超微粒子層を形成する第１の工程と、超微粒子層上に圧電体を接合する第２の工程と、を備えることとした。これは、圧電体と同じ主成分の超微粒子を基板上に直接形成するため、接着剤を介して圧電体を接合するよりも基板との密着性を上げることができる。しかも、圧電体層と同じ結晶構造を有する超微粒子を用いており、接合面において同じ格子間隔を持った面同士を接合するため、原子レベルでの接合が可能であり圧電体層との密着性を上げる効果がある。
【００２３】
また、超微粒子層上に圧電体を接合する第２の工程において、超微粒子層と圧電体を接合する手段として水素結合を用いることとした。これは、同じ結晶構造を有する超微粒子層と圧電体層との接合面に水酸基を吸着させてその水酸基間の水素結合を利用している。金属結合や共有結合のように結合に至らしめるための高温熱処理を必要とせず、さらに結合角や結合距離のフレキシビリティが比較的大きいという利点がある。結合に関与する酸素原子および水素原子の原子間距離は数Å程度であるため、接合層の厚みは従来の接着剤による接合層に比べて非常に薄く、圧電体の持つ振動が接合層で吸収されたり乱反射する問題は極めて少ない。
【００２４】
【実施例】
以下に、本発明の実施例を図面を基に説明する。
（実施例１）
図１は、実施例１の圧電体装置の構成を表す縦断面図である。基板３上の所定の位置に下部電極４が形成され、その上に圧電体層２と同じ結晶構造を有し、同一主成分からなる超微粒子を含んだ超微粒子層１が形成されている。ここでは超微粒子層１はＰＺＴを含んでいる。さらに、その上にＰＺＴ系の圧電体層２を形成し、その圧電体層２上に上部電極５が形成されている。なお、基板３が下部電極４としても機能する場合は、基板３上に直接超微粒子層１を設け、超微粒子層１上に圧電体層２を形成する。
【００２５】
図１４と図１５に示した従来の圧電体装置と比較して、基板と圧電体層の間に接着剤を用いず、圧電体とおよそ同じ主成分を有する超微粒子層を介しているため、介在した超微粒子層において圧電体の振動が妨げられる可能性は少ない。しかも、圧電体と同一主成分であり、同じ結晶構造を有する層であるため圧電体層との密着性が良い。
【００２６】
本発明の実施例１における圧電体装置の製造方法を図８、図９を用いて説明する。圧電体装置の製造方法の工程を表す模式図を図８に、製造工程のフローチャートを図９に示す。
はじめに、基板の洗浄工程（工程Ａ）により洗浄された基板３の表面に蒸着法やスパッタ法により、下部電極４を形成する（工程Ｂ）。具体的には、シリコンウエハを洗浄後、中間層Ｔｉ膜とＳｉの反応を防止する拡散バリア層として約１０００Åの熱酸化膜を形成した。続いて、Ｐｔ膜との密着改善層として中間層にＴｉ膜をスパッタ法を用いて約５００Å程度スパッタした後、下部電極４となるＰｔ膜をスパッタ法を用いて約１０００〜３０００Å程度スパッタした。Ｔｉ膜のスパッタは、アルゴンの流量が１１ＳＣＣＭ、ＲＦパワーが０．２ｋＷ、圧力が４ｍｔｏｒｒの条件でおこなった。Ｐｔ膜のスパッタは、アルゴンの流量が１２０ＳＣＣＭ、ＲＦパワーが２ｋＷ、圧力が４ｍｔｏｒｒの条件でおこなった。ここで、下部電極をＰｔで作成したのはＰｔが高温熱処理によって変質しないためである。スパッタされたＰｔ膜は顕著な配向を示さないが、比較的（１１１）面の配向が強く、下層のＴｉとの格子間隔からＰＺＴの配向に適している。
【００２７】
次いで、超微粒子層の形成工程（工程Ｃ）では、圧電体層と同じ結晶構造を有し、同一主成分からなる超微粒子のペースト状の溶液を基板３に塗布する方法を用いて形成した。ここではＰＺＴを含む超微粒子のペースト状の溶液を用いた。ペースト状の溶液は粒径１μｍ以下からなる圧電体層２と同じＰＺＴを含む粉末原料に成形助剤としてポリビニルアルコール（以下ＰＶＡと称する）を約１％加え混練、脱泡して調製する。このペースト状の溶液を印刷法、あるいはスピンコート法、ディップ法などを用いて基板３上に均一に塗布し超微粒子層１を形成した。ここでは成形助剤の配合比、および混練の仕方によりペースト状の溶液の粘性は調整することが可能である。したがって得られる超微粒子層の厚みを数μｍ〜数十μｍに制御することができる。
【００２８】
次に工程Ｄにおいて、超微粒層１と同じ結晶構造を有し同一主成分から成る圧電体の燒結材、あるいはグリーンシートを加圧密着させて一体で焼成し圧電体層２を形成する。ここでは、ＰＺＴを含むペースト状の溶液を基板３上に塗布した後、同じくＰＺＴを含む圧電体の燒結材、あるいは型抜きされたグリーンシートを加圧密着させた。加圧は０．５〜２ｋｇｆでおこない、これを６００〜９００℃で０．５〜２時間の条件で大気雰囲気中にて焼成することにより圧電体層２を形成した。作成した圧電体装置において超微粒子層１を含めた圧電体層２の厚みは約８０μｍを得た。
【００２９】
この超微粒子層１を含めた圧電体層２の結晶構造をＸ線回折により調べたところ、ペロブスカイト型構造の結晶ピークが検出された。超微粒子層１のみ形成したときのＸ線回折ピークと比較して、より鋭くシャープなピークが観察された。最後に、上部電極形成工程（工程Ｅ）により、この圧電体層２の表面に金電極（上部電極５）を蒸着法で形成した。この物性を測定したところ、比誘電率１２００、電圧歪み定数１４０ｐＣ／Ｎとなる優れた特性を示した。
（実施例２）
次に実施例２の圧電体装置を図面に基づいて説明する。図２は、実施例２の圧電体装置の構成を模式的に表す縦断面図である。基板３上の所定の位置に下部電極４が形成され、その上に圧電体層と同一主成分からなり、同じ結晶構造を有する超微粒子を基板上に噴射堆積することにより形成された第１の超微粒子層１aを備えている。さらに同一の超微粒子からなるペースト状の溶液を塗布することにより形成された第２の超微粒子層１ｂが設けられている。ここでは第１の超微粒子層１aと第２の超微粒子１ｂはＰＺＴを含んでいる。さらに、その上にＰＺＴ系の圧電体層２を形成し、その圧電体層２上に上部電極５が形成されている。なお、基板３が下部電極４としても機能する場合は、基板３上に直接第１の超微粒子層１aを設け、超第２の微粒子層１ｂ上に圧電体層２を形成する。
【００３０】
図１４に示した従来の圧電体装置と比較して、基板と圧電体層の間に接着剤を用いず、圧電体とおよそ同じ主成分を有する超微粒子層を介しているため、介在した超微粒子層において圧電体の振動が妨げられる可能性が少ない。しかも、超微粒子の衝突エネルギーを利用するため、従来に比べても低温で基板上に直接形成することができる。
【００３１】
本発明の実施例２における圧電体装置の製造方法を図１０、図１１を用いて説明する。圧電体装置の製造方法の工程を表す模式図を図１０に、製造工程のフローチャートを図１１に示す。
はじめに、基板の洗浄工程（工程Ａ）により洗浄された基板３の表面に蒸着法やスパッタ法により、下部電極４を形成する（工程Ｂ）。具体的には、約１０００Å厚の熱酸化膜が形成されたシリコンなどの基板上に中間層となるＴｉ膜をスパッタ法を用いて約５００Å程度スパッタした後、下部電極４となるＰｔ膜をスパッタ法を用いて約１０００〜３０００Å程度スパッタした。Ｔｉ膜のスパッタは、アルゴンの流量が１１ＳＣＣＭ、ＲＦパワーが０．２ｋＷ、圧力が４ｍとｒｒの条件下でおこなった。Ｐｔ膜のスパッタは、アルゴンの流量が１２０ＳＣＣＭ、ＲＦパワーが２ｋＷ、圧力が４ｍｔｏｒｒの条件下でおこなった。
【００３２】
次いで、工程Ｃで第１段階として超微粒子を噴射堆積させて第１の超微粒子層１ａを形成し、さらに工程Ｄで第２段階として同一の超微粒子からなるペースト状の溶液を塗布することにより第２の超微粒子層１ｂを形成する。ここでは圧電体層と同一のＰＺＴを含む超微粒子を用いた。ここで超微粒子層１ａと超微粒子層１ｂは工程上区別するが、本発明の圧電体装置における振動部分の構成においては同じ特性を示すものとし、超微粒子層１として同一層とみなす。
【００３３】
工程Ｃにおいて、超微粒子層１ａの形成は超微粒子１５を基板３に噴射堆積する方法を用いて形成した。この噴射堆積法は公知の手法であり、例えば特開平４−１８８５０３号公報や、賀集氏による「超微粒子のガス・デポジション」（真空Ｖｏｌ．３５、Ｎｏ．７、１９９２、ｐｐ６４９〜ｐｐ６５３）に開示されている。この手法は、粒径が１μｍ以下の超微粒子を不活性ガス（窒素、ヘリウム、アルゴン、水素ガスなど）と混合してエアロゾル化し、そのエアロゾルをガスの流れを用いて搬送し、基板に吹き付け堆積させる成膜手法である。
【００３４】
はじめに、基板３を１３０〜２００℃程度で加熱し、ＰＺＴを含む超微粒子１５をＮ2の不活性ガス流にのせ、基板３の上面に噴射ノズル１４を通して高速で噴射堆積する。
この時、基板３をホルダーしたステージの移動速度は１〜１２５μｍ／ｓと変化させることによって超微粒子層１ａの膜厚を調節することができる。実施例１では、約１２５μｍ／sの成膜速度で同じエリアを５回往復させることにより、およそ１０μmの膜厚を得た。
【００３５】
次いで工程Ｄにおいて、同じ超微粒子のペースト状の溶液を塗布することにより超微粒子層１ｂを形成する工程を示す。
ペースト状の溶液は粒径１μｍ以下からなる圧電体層２と同じＰＺＴを含む粉末原料に成形助剤としてポリビニルアルコール（以下ＰＶＡと称する）を約１％加え混練、脱泡して調製する。このペースト状の溶液を印刷法、あるいはスピンコート法、ディップ法などを用いて超微粒子層１ａを形成した基板３上に均一に塗布した。
【００３６】
次に工程Ｅにおいて、超微粒子層１ａおよび超微粒子層１ｂを形成した基板上に圧電体の燒結材、あるいはグリーンシートを加圧密着させて一体で焼成し圧電体層2を形成する。ここでは、超微粒子層１ｂを形成した後、同じくＰＺＴを含む圧電体の燒結材、あるいは型抜きされたグリーンシートを加圧密着させた。加圧は０．５〜２ｋｇｆでおこない、これを６００〜９００℃で０．５〜２時間の条件で大気雰囲気中にて焼成することにより圧電体層２を形成した。作成した圧電体装置において超微粒子層１を含めた圧電体層２の厚みは約８０μｍを得た。
【００３７】
この超微粒子層１を含めた圧電体層２をＸ線回折により結晶構造を調べたところ、ペロブスカイト型構造の結晶ピークが検出された。超微粒子層１のみ形成したときのＸ線回折ピークと比較して、より鋭くシャープなピークが観察された。最後に、上部電極形成工程（工程Ｆ）により、この圧電体層２の表面に金電極（上部電極５）を蒸着法で形成した。この物性を測定したところ、比誘電率１２００、電圧歪み定数１５０ｐＣ／Ｎとなる優れた特性を示した。
（実施例３）
次に実施例３の製造方法を図面に基づいて説明する。装置の構成は図１に示すように、実施例１の製造方法を用いた場合と同じである。すなわち、基板３上の所定の位置に下部電極４が形成されており、圧電体と同じ結晶構造を有し、同一主成分からなる超微粒子を噴射堆積させることにより形成された超微粒子層１が下部電極上に設けられている。ここでは超微粒子層１はＰＺＴを含む超微粒子を用いて形成されている。さらに、超微粒子層１とＰＺＴ系の圧電体層２が水素結合を用いて接合されており、その圧電体層２の上面に上部電極５が形成されている。なお、基板３が下部電極４としても機能する場合は、基板３上に直接超微粒子層１を設け、超微粒子層１上に圧電体層２を接合する。
【００３８】
図１４に示した従来の圧電体装置と比較して、基板と圧電体層の間に接着剤を用いず、圧電体とおよそ同じ主成分を有する超微粒子層を介しているため、介在した超微粒子層において圧電体の振動が妨げられる可能性が少ない。しかも、超微粒子の衝突エネルギーを利用するため、従来に比べても低温で基板上に直接形成することができる。また、超微粒子層と圧電体を水素結合を用いて接合しているため、従来の接着層に比べて接合層の厚みが数Å程度と非常に小さい。
【００３９】
さらに、本発明の実施例３による圧電体装置の製造方法を図１２、図１３を用いて詳細に説明する。圧電体装置の製造方法の工程を表す模式図を図１２に、製造工程のフローチャートを図１３に示す。
はじめに、基板の洗浄工程（工程Ａ）により洗浄された基板３の表面に蒸着法やスパッタ法により、下部電極４を形成する（工程Ｂ）。具体的には、約１０００Å厚の熱酸化膜が形成されたシリコンなどの基板上に中間層となるＴｉ膜をスパッタ法を用いて約５００Å程度スパッタした後、スパッタ法を用いて下部電極４となるＰｔ膜を約１０００〜３０００Å程度スパッタした。Ｔｉ膜のスパッタは、アルゴンの流量が１１ＳＣＣＭ、ＲＦパワーが０．２ｋＷ、圧力が４ｍｔｏｒｒの条件でおこなった。Ｐｔ膜のスパッタは、アルゴンの流量が１２０ＳＣＣＭ、ＲＦパワーが２ｋＷ、圧力が４ｍｔｏｒｒの条件でおこなった。
【００４０】
次いで、超微粒子層の形成工程（工程Ｃ）では、超微粒子１５を基板３に噴射堆積する方法を用いて形成した。ここでは圧電体層と同じＰＺＴを含む超微粒子を用いた。この手法は、粒径が１μｍ以下の超微粒子を不活性ガス（窒素、ヘリウム、アルゴン、水素ガスなど）と混合してエアロゾル化し、そのエアロゾルをガスの流れを用いて搬送し、基板に吹き付け堆積させる成膜手法である。
【００４１】
はじめに、基板３を１３０〜２００℃程度で加熱し、ＰＺＴを含む超微粒子１５をＮ2の不活性ガス流にのせ、基板３の上面に噴射ノズル１４を通して高速で噴射堆積する。
この時、基板３をホルダーしたステージの移動速度は１〜１２５μｍ／ｓと変化させることによって超微粒子層1の膜厚を調節することができる。実施例１では、約１２５μｍ／sの成膜速度で同じエリアを５回往復させることにより、およそ１０μmの膜厚を得た。
【００４２】
次いで工程Ｄにおいて、超微粒子層１と圧電体層２を水素結合を用いて接合する工程を示す。
ここでは圧電体層２にＰＺＴ系の圧電体の燒結材を用いた。圧電体層２は粒度０．０５μｍのアルミナを用いて平均面粗度（Ｒａ）がおよそ４０ｎｍまで表面研磨をおこなった。同様に超微粒子層１についても表面研磨をおこないＲａがおよそ２０〜４０ｎｍを得た。さらに水酸基の吸着はドライプロセスによりおこなった。まず、水蒸気を４×１０-2Ｐａまで導入し、イオン源内部で電子衝撃によりイオン化し、イオン加速電圧３００Ｖ、イオン電流密度２００μＡ/ｃｍ2の条件で超微粒子層１と圧電体層２の表面にイオン照射した。イオン照射時間は試料（ここでは超微粒子層１および圧電体層２）表面に存在する水素量を測定することにより決定した。各々の表面に水酸基を吸着させた後、大気中で加圧することにより密着させて接合した。密着の条件は、４００℃においては３０ＭＰａ、２５０℃においては１５０ＭＰａとした。圧電体層２に燒結材ではなく、型抜きされたグリーンシートを用いた場合は加圧密着させた後、６００〜９００℃で３０分〜２時間の条件下で大気雰囲気中にて焼成することにより圧電体層２を形成した。接合強度は引っ張り試験によって評価した。作成した圧電体装置において超微粒子層１を含めた圧電体層２の厚みは約８０μｍを得た。
【００４３】
最後に、上部電極形成工程（工程Ｅ）により、この圧電体層２の表面に金電極（上部電極５）を蒸着法で形成した。この物性を測定したところ、比誘電率１２００、電圧歪み定数１５０ｐＣ／Ｎとなる優れた特性を示した。
次に、実施例１から実施例３の製造方法を用いて作製した圧電体装置を振動部分に用いた超音波モータの構成と特性について説明する。
【００４４】
この発明による圧電体装置を振動部分に用いた超音波モータの基本構造を図１７に、振動部分の構造を図１８に示す。超微粒子層１を介して圧電体層２が設けられた振動体６は金属などからなる弾性部材で作製されており、中心軸１１に打ち込みなどにより支持されている。さらに、この中心軸１１が案内として組み込まれ、上方にある加圧ばね１０により振動体６に加圧接触するように配置されている。ここで２本のリード線１２に時間的位相がほぼ９０°異なる信号を印加することによって、圧電体層２と振動体６は屈曲運動による機械的進行波を発生し、振動体６に加圧接触させた移動体７が回転運動する構成である。実際に本発明の圧電体装置の構成を持つ超音波モータを製作した。モータの径は４mmφとし、振動体６の材質にはアルミニウム、またはＳＵＳ３０４材を用いた。振動体６の形状は、ＮＣ旋盤により丸棒原料を加工することで振動体６の形状は形成され、煽動面も切削加工で仕上げられている。摩擦材８の材質はカーボンファイバを含有した複合プラスチックを用いた。
【００４５】
実施例１から実施例３の製造方法を用いて作製された超音波モータの特性を以下に示す。図３に従来の接着剤１６による接合方法によって構成された振動体を備えた超音波モータのアドミッタンス特性を示し、図４に本実施例の製造方法を用いて形成した超微粒子層１が設けられた振動体を備えた本発明による超音波モータのアドミッタンス特性を示す。ただし、これら図に示したアドミッタンス特性は移動体を取り外した状態、すなわち、振動体が上下方向に対してフリーな状態で測定したものである。対象としたモータ仕様の概略を下記の表１に示す。
【００４６】
【表１】
【００４７】
図３では、主共振点以外でのスプリアス振動が見られるのに対して、図４では機械的Ｑ値が高く、主共振点以外でのスプリアス振動が見られない。
これらのアドミッタンス特性において、スプリアス振動は境界面での力の乱反射に起因する現象であり、Ｑ値は力が伝播する際の減衰の度合いを示すものであるから、本発明によるアクチュエータは従来型のアクチュエータと比較して、大きく性能向上していることが判明する。
【００４８】
図５は本発明にかかる超微粒子層を備えた進行性超音波モータの周波数−回転数特性を示す図表である。駆動電圧は正弦波形で約６Ｖp-p 、振動体６への移動体７の加圧力は約１０ｇｆでの特性である。
本発明の構成によれば、回転周波数領域も比較的広く、最大回転数も６０００ｒｐｍ以上と高速なことから、中速〜高速領域における超音波モータの適用も可能であり、本発明の有効性を示すものである。
【００４９】
つぎに、この超音波モータを駆動させた場合のトルク性能、および耐久性を調査した。図６に超音波モータのトルク性能を示す効率の測定結果を示し、図７に耐久性についての測定結果を示す。図中の（ａ）は本発明にかかる超微粒子層を設けた振動部分を有する超音波モータの測定結果を表し、（ｂ）は従来例による振動部分を有する超音波モータの測定結果を表している。これらの結果から明らかなように、効率および耐久性ともに、本発明による振動部分の構造を有する超音波モータは従来法に比べ明らかに優れている。このように、超微粒子層を介して振動体と圧電体を接合した振動部分を有する超音波モータでは、性能および耐久性が向上すると言える。
【００５０】
すなわち、本発明にかかる超微粒子層を設けた振動部分の構成によれば、径小薄型な超音波モータにおいても高効率化が実現できるようになると言える。
なお、実施例ではＰＺＴ系圧電体の組成を純粋な二成分系としたが、圧電特性を向上させるために、例えば、マグネシウムニオブ酸鉛−ジルコン酸鉛−チタン酸鉛のような三成分系にしたり、また、耐電圧向上のために鉄、経時変化を小さくする目的でクロム、強度向上のためにアンチモンのような添加物を加えても良い。この場合、超微粒子粉末原料の組成を目的とする組成に合わせて調製することにより対応することができる。
【００５１】
また、実施例において、セラミックス圧電体の超微粒子をエアロゾル化するための不活性ガスはＮ2 、Ｈｅ、Ａｒなどいずれのものも使用できる。
なお、圧電振動子を利用した超音波モータについては定在波方式と進行波方式が考えられるが、本発明にかかる振動部分の構造はいずれの方式においても利用することができる。
【００５２】
【発明の効果】
この発明によれば、基板上に圧電体と同じ結晶構造を有し同一主成分から成る超微粒子層を直接形成することができるので、従来の接着剤を用いず、超微粒子層を介してバルクの圧電体と基板を接合することができる。
本発明では、下部電極を形成した基板、あるいは下部電極として機能する基板に超微粒子層を形成したことにより、圧電体層と基板の間に圧電特性を低下させる接着層をなくした。これにより、圧電体層より発生した力が接着層で乱反射したり、吸収されることなく伝播し、不要なスプリアス振動が発生せず、良好なアドミッタンス特性を示す。さらに、モータの効率、および耐久性を向上させることができる。特に、マイクロマシンのような微小構造の駆動源として電気的および機械的性能を向上させ、信頼性を高めることができる。また、1μｍ以下の超微粒子を用いることにより、緻密な膜が構成されるだけでなく、基板との密着性を良くし、さらに圧電体層との密着性をあげることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による圧電体装置の構造を示す概略図。
【図２】実施例２による圧電体装置の構造を示す概略図
【図３】従来の超音波モータの特性を表す図表。
【図４】本発明に係る超音波モータの特性を表す図表。
【図５】本発明に係る超音波モータの周波数−回転特性を表す図表。
【図６】本発明に係る超音波モータの効率を表す図表。
【図７】本発明に係る超音波モータの耐久性を表す図表。
【図８】本発明の実施例１による製造工程を表す模式図。
【図９】本発明の実施例１による製造工程を示すフローチャート図。
【図１０】本発明の実施例２による製造工程を表す模式図。
【図１１】本発明の実施例２による製造工程を示すフローチャート図。
【図１２】本発明の実施例３による製造工程を表す模式図。
【図１３】本発明の実施例３による製造工程を示すフローチャート図。
【図１４】従来の製造方法による圧電体装置を示す概略図。
【図１５】従来の製造方法による圧電体装置を示す概略図。
【図１６】従来の圧電体装置を用いた超音波モータの振動部分を示す概略図。
【図１７】本発明の圧電体装置を用いた超音波モータの縦断面図。
【図１８】本発明による圧電体装置を用いた超音波モータの振動部分の構造を示す概略図。
【符号の説明】
１ 超微粒子層
１ａ 第１の超微粒子層
１ｂ 第２の超微粒子層
２ 圧電体層
３ 基板
４ 下部電極
５ 上部電極
６ 振動体
７ 移動体（ロータ）
８ 摩擦材
９ 固定台
１０ 加圧ばね
１３ ステータ
１５ 超微粒子
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波モータ、圧電アクチュエータ、および圧電センサー等に用いられる圧電体装置およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、圧電アクチュエータは、モータの微細化、高密度化が可能であるという点で、電磁型モータに代わる新しいモータとして、携帯情報機器分野、ならびに化学、医療分野で注目されている。圧電アクチュエータはその駆動に際して電磁ノイズを発生させず、またノイズの影響も受けない。さらに、サブミリメートルクラスの大きさの機器を作るため、その駆動源として微小な圧電アクチュエータが求められている。圧電体装置は、上記の超音波モータ、圧電アクチュエータ等の振動部分に用いられている。先ず、従来の圧電体装置の構成を説明する。
【０００３】
従来の圧電体装置の構造を図１４及び図１５に示す。一般に金属やシリコンなどの基板上の所定の位置にバルク材の焼結体を加工した圧電体１７が設けられている。図１４に、基板３と圧電体１７を接着剤１６を用いて貼り合わされた圧電体装置を示す。圧電体はバルク材の焼結体を所望の大きさ、厚さに研磨加工を施したり、グリーンシートから型抜きして熱処理したものを用いている。このようなバルク材の焼結体、グリーンシートからの成形体では、厚みがおよそ１００μｍ以上のものが一般的である。
【０００４】
一方、接着剤による貼り合わせの他に、スパッタ法や印刷法などを用いて、基板上に圧電体を直接形成する手法がある。図１５に直接形成法により作製した圧電体装置を示す。通常、スパッタ法やゾルゲル法により形成される圧電体の厚みは、数百Å〜数μｍであり、印刷法では５０〜数１００μｍ程度である。
また、いずれの構成においても、圧電体１７には電極が設けられており、電極を通じて交流電圧が印加されるようになっている。
【０００５】
このような圧電体装置を振動部分に用いた超音波モータの概略構成を図1６に示す。この超音波モータは、ステータ１３と移動体７（ロータ）より構成されている。さらに、このステータ１３は、一般に弾性材の振動体６と電極付きの圧電体１７を備えており、この振動体６と圧電体１７は接着剤１６により貼り合わされている。このような構成の超音波モータでは、圧電体１７に交流電圧が印加されると、圧電効果によって生じた力が振動体６に伝播し、ステータ１３（振動体６）に加圧接触している移動体部分７が駆動することとなる。
【０００６】
上記の説明で代表されるように、圧電体装置の基本的構成は圧電体と基板を接着剤で貼り合わせた構成、もしくは基板上に圧電体を直接形成した構成となっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のような構成では、以下のような問題点があった。
すなわち、従来のように接着剤を使用した場合、圧電体より発生した力が伝播する際に接着層で乱反射したり吸収されてしまい、その結果として、振動部の電気的および機械的な性能や信頼性を低下させてしまうだけでなく、圧電体との接着界面における剥離現象も生じさせてしまうという不具合があった。特に、この不具合は、微小構造の駆動源として圧電体装置の振動部分を用いようとした場合に、その大きさがサブミリメートルクラスとなるために、相対的に接着層の影響が大きくなる。
【０００８】
このような問題が生じる本質的原因は、接着層およびその境界面が力学的に不安定な点にある。この問題を解決するために、振動体に圧電体を直接形成する方法が近年盛んに研究されてきた。
圧電体を直接形成する製造方法として、スパッタ法や、ＣＶＤ法が代表的な製法であるが、寸法の小さい素子を作成できるという利点の反面、非常に工数がかかるという課題がある。また、アクチュエータの駆動力を出力するためには、圧電体層を数〜数十μｍの厚みに形成する必要があるが、上記に示す従来法では、数〜数十μｍの厚さの膜を形成するのは困難であった。
【０００９】
また、他の製造方法として、インクジェットプリンタヘッドの圧電素子に広く用いられているスクリーン印刷法がある。この製造方法は圧電体ペーストを基板に塗布し、乾燥させ、さらに焼成することにより製造する方法である。しかしながら、１０００℃以上の高温で焼成するため、基板と圧電体ペーストにかかる熱応力の差により割れが発生したり、耐熱性基板を用いなければならないという制約がある。
【００１０】
同じく圧電体を直接形成する製造方法として水熱法が知られている。これはチタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする強誘電体セラミックス（以下、ＰＺＴと称する）の強アルカリ性溶液をオートクレーブ中で反応させ、チタン、あるいは酸化チタン基板の上にＰＺＴを形成するものである。ここではＰＺＴを形成できる基板がチタン、あるいはチタンを含む材料といったように限定されてしまう。
【００１１】
そこで、本発明は、これらの問題点を解決して製造工程を簡略化でき、しかも特性の向上、安定した圧電体装置の製造方法および装置を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、圧電体装置の構成において、基板と圧電体層の間に粒径１μｍ以下の超微粒子からなる超微粒子層が形成されるとともに、前記超微粒子層と前記圧電体が接合された接合面を備えるとした。また、基板と圧電体層との間に超微粒子層が形成されるとともに、超微粒子層が圧電体層の主成分とおよそ同一の主成分であることとした。また、基板と圧電体層との間に超微粒子層が形成されるとともに、超微粒子層が圧電体層の結晶構造とおよそ同一の結晶構造であることとした。
【００１３】
さらに、１μｍ以下の超微粒子層と圧電体層がチタンとジルコニウムと鉛を有することとした。また、上述した構成の圧電体装置を製造するために、本発明の製造方法は、基板上に１μｍ以下の超微粒子層を形成する第１の工程と、前記超微粒子層上に圧電体層を接合する第２の工程と、を備えることとした。
【００１４】
さらに、第１の工程が、１μｍ以下の超微粒子を噴射堆積して第１の超微粒子層を形成する工程と、前記第１の超微粒子層に超微粒子を含んだペースト状の溶液を塗布する第２の超微粒子層を形成されることとした。あるいは、基板上に１μｍ以下の超微粒子層を形成する第１の工程と、前記超微粒子層上に圧電体を接合する第２の工程と、を備えることとした。
【００１５】
さらに、超微粒子層上に圧電体を接合する第２の工程において、超微粒子層と圧電体層を接合する手段として水素結合を用いることとした。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明による圧電体装置は、基板と圧電体層との間に超微粒子層が形成されるとともに、超微粒子層が圧電体層の主成分とおよそ同一の主成分であることとした。このように超微粒子層と圧電体層の主成分を同一にすることにより、基板と圧電体層との密着性を高めるだけでなく、焼成時における圧電体層と接合層との熱膨張差を減少させる効果がある。
【００１７】
また、基板と圧電体層との間に超微粒子層が形成されるとともに、超微粒子層が圧電体層の結晶構造とおよそ同一の結晶構造であることとした。このように構成により、圧電体層と基板との接合部分に同じ結晶構造を持つ超微粒子層を介在させることとなり、基板と圧電体層との密着性を高めることができる。各層の境界面において同じ結晶構造を有する層同士を接触させることにより各層を形成する結晶の格子間隔が近くなり格子間の歪みが少なくなる。したがって接合層で生じていた圧電振動の吸収、乱反射が起こりにくくなる。
【００１８】
さらに、超微粒子層と圧電体層がチタンとジルコニウムと鉛を有することとした。これは、圧電体装置に用いられる圧電体の中でも特に優れた圧電特性を示すＰＺＴの成分であるチタンとジルコニウムと鉛を超微粒子層と圧電体層の両方に用いることにより、接合による圧電体の振動特性のばらつきおよび特性不良を減少させる効果がある。
【００１９】
また、超微粒子層を形成する超微粒子の粒径が１μｍ以下であることとした。これは、圧電体の表面粗さ、うねりに対してより微小な１μｍ以下の超微粒子を接合層に用いることにより、基板および圧電体との接触点を増加させて密着性を上げることができる。さらに、粒径を小さくすることにより粒子の体積に対する表面積の割合（比表面積）を増加させることができるため、接合層のもつ表面エネルギーが増加し、焼成時の熱エネルギーの駆動源となる。そのため通常のＰＺＴ系の圧電体を焼成するよりも低温で焼成することができる。
【００２０】
あるいは、本発明は圧電体装置の製造方法において、基板上に超微粒子層を形成する第１の工程と、超微粒子層上に圧電体層を形成する第２の工程と、を備えることとした。
さらに、超微粒子層を形成する第１の工程が、超微粒子を含んだペースト状の溶液を基板上に塗布することによって形成することとした。すなわち、接合層にポリビニルアルコールやグリセリンなどの成形助剤を含んだ超微粒子のペーストを用いることにより、成形助剤が超微粒子間をつなぎとめる役割を果たし焼成後の圧電体層との密着性を上げるだけでなく、十分な強度を持たせる効果がある。さらに圧電体層をグリーンシートから形成した場合、超微粒子のペースト上に圧電体層のグリーンシートを加圧密着させるとともにペーストと圧電体層の同時焼成が可能である。
【００２１】
また、超微粒子層を形成する第１の工程が超微粒子を基板上に噴射堆積することにより形成されることとした。これは、高速で非常に大きな運動エネルギーを持った超微粒子を基板に直接衝突させるため基板との密着性を上げることができるとともに、十分な強度を持った超微粒子層を形成することができる。
また、圧電体層と同じ結晶構造を持ち、主成分が同一である超微粒子を用いることにより圧電体の振動特性の劣化を防ぐ効果がある。
【００２２】
また、粒径およそ０．１μｍの超微粒子を用いることにより気体分子の流れに乗りやすくなるため、容易にエアロゾル状態になり得る。すなわち高速で大きな運動エネルギーを持った超微粒子を噴射堆積することができる。
あるいは、本発明による圧電体装置の製造方法において、基板上に超微粒子層を形成する第１の工程と、超微粒子層上に圧電体を接合する第２の工程と、を備えることとした。これは、圧電体と同じ主成分の超微粒子を基板上に直接形成するため、接着剤を介して圧電体を接合するよりも基板との密着性を上げることができる。しかも、圧電体層と同じ結晶構造を有する超微粒子を用いており、接合面において同じ格子間隔を持った面同士を接合するため、原子レベルでの接合が可能であり圧電体層との密着性を上げる効果がある。
【００２３】
また、超微粒子層上に圧電体を接合する第２の工程において、超微粒子層と圧電体を接合する手段として水素結合を用いることとした。これは、同じ結晶構造を有する超微粒子層と圧電体層との接合面に水酸基を吸着させてその水酸基間の水素結合を利用している。金属結合や共有結合のように結合に至らしめるための高温熱処理を必要とせず、さらに結合角や結合距離のフレキシビリティが比較的大きいという利点がある。結合に関与する酸素原子および水素原子の原子間距離は数Å程度であるため、接合層の厚みは従来の接着剤による接合層に比べて非常に薄く、圧電体の持つ振動が接合層で吸収されたり乱反射する問題は極めて少ない。
【００２４】
【実施例】
以下に、本発明の実施例を図面を基に説明する。
（実施例１）
図１は、実施例１の圧電体装置の構成を表す縦断面図である。基板３上の所定の位置に下部電極４が形成され、その上に圧電体層２と同じ結晶構造を有し、同一主成分からなる超微粒子を含んだ超微粒子層１が形成されている。ここでは超微粒子層１はＰＺＴを含んでいる。さらに、その上にＰＺＴ系の圧電体層２を形成し、その圧電体層２上に上部電極５が形成されている。なお、基板３が下部電極４としても機能する場合は、基板３上に直接超微粒子層１を設け、超微粒子層１上に圧電体層２を形成する。
【００２５】
図１４と図１５に示した従来の圧電体装置と比較して、基板と圧電体層の間に接着剤を用いず、圧電体とおよそ同じ主成分を有する超微粒子層を介しているため、介在した超微粒子層において圧電体の振動が妨げられる可能性は少ない。しかも、圧電体と同一主成分であり、同じ結晶構造を有する層であるため圧電体層との密着性が良い。
【００２６】
本発明の実施例１における圧電体装置の製造方法を図８、図９を用いて説明する。圧電体装置の製造方法の工程を表す模式図を図８に、製造工程のフローチャートを図９に示す。
はじめに、基板の洗浄工程（工程Ａ）により洗浄された基板３の表面に蒸着法やスパッタ法により、下部電極４を形成する（工程Ｂ）。具体的には、シリコンウエハを洗浄後、中間層Ｔｉ膜とＳｉの反応を防止する拡散バリア層として約１０００Åの熱酸化膜を形成した。続いて、Ｐｔ膜との密着改善層として中間層にＴｉ膜をスパッタ法を用いて約５００Å程度スパッタした後、下部電極４となるＰｔ膜をスパッタ法を用いて約１０００〜３０００Å程度スパッタした。Ｔｉ膜のスパッタは、アルゴンの流量が１１ＳＣＣＭ、ＲＦパワーが０．２ｋＷ、圧力が４ｍｔｏｒｒの条件でおこなった。Ｐｔ膜のスパッタは、アルゴンの流量が１２０ＳＣＣＭ、ＲＦパワーが２ｋＷ、圧力が４ｍｔｏｒｒの条件でおこなった。ここで、下部電極をＰｔで作成したのはＰｔが高温熱処理によって変質しないためである。スパッタされたＰｔ膜は顕著な配向を示さないが、比較的（１１１）面の配向が強く、下層のＴｉとの格子間隔からＰＺＴの配向に適している。
【００２７】
次いで、超微粒子層の形成工程（工程Ｃ）では、圧電体層と同じ結晶構造を有し、同一主成分からなる超微粒子のペースト状の溶液を基板３に塗布する方法を用いて形成した。ここではＰＺＴを含む超微粒子のペースト状の溶液を用いた。ペースト状の溶液は粒径１μｍ以下からなる圧電体層２と同じＰＺＴを含む粉末原料に成形助剤としてポリビニルアルコール（以下ＰＶＡと称する）を約１％加え混練、脱泡して調製する。このペースト状の溶液を印刷法、あるいはスピンコート法、ディップ法などを用いて基板３上に均一に塗布し超微粒子層１を形成した。ここでは成形助剤の配合比、および混練の仕方によりペースト状の溶液の粘性は調整することが可能である。したがって得られる超微粒子層の厚みを数μｍ〜数十μｍに制御することができる。
【００２８】
次に工程Ｄにおいて、超微粒層１と同じ結晶構造を有し同一主成分から成る圧電体の燒結材、あるいはグリーンシートを加圧密着させて一体で焼成し圧電体層２を形成する。ここでは、ＰＺＴを含むペースト状の溶液を基板３上に塗布した後、同じくＰＺＴを含む圧電体の燒結材、あるいは型抜きされたグリーンシートを加圧密着させた。加圧は０．５〜２ｋｇｆでおこない、これを６００〜９００℃で０．５〜２時間の条件で大気雰囲気中にて焼成することにより圧電体層２を形成した。作成した圧電体装置において超微粒子層１を含めた圧電体層２の厚みは約８０μｍを得た。
【００２９】
この超微粒子層１を含めた圧電体層２の結晶構造をＸ線回折により調べたところ、ペロブスカイト型構造の結晶ピークが検出された。超微粒子層１のみ形成したときのＸ線回折ピークと比較して、より鋭くシャープなピークが観察された。最後に、上部電極形成工程（工程Ｅ）により、この圧電体層２の表面に金電極（上部電極５）を蒸着法で形成した。この物性を測定したところ、比誘電率１２００、電圧歪み定数１４０ｐＣ／Ｎとなる優れた特性を示した。
（実施例２）
次に実施例２の圧電体装置を図面に基づいて説明する。図２は、実施例２の圧電体装置の構成を模式的に表す縦断面図である。基板３上の所定の位置に下部電極４が形成され、その上に圧電体層と同一主成分からなり、同じ結晶構造を有する超微粒子を基板上に噴射堆積することにより形成された第１の超微粒子層１aを備えている。さらに同一の超微粒子からなるペースト状の溶液を塗布することにより形成された第２の超微粒子層１ｂが設けられている。ここでは第１の超微粒子層１aと第２の超微粒子１ｂはＰＺＴを含んでいる。さらに、その上にＰＺＴ系の圧電体層２を形成し、その圧電体層２上に上部電極５が形成されている。なお、基板３が下部電極４としても機能する場合は、基板３上に直接第１の超微粒子層１aを設け、超第２の微粒子層１ｂ上に圧電体層２を形成する。
【００３０】
図１４に示した従来の圧電体装置と比較して、基板と圧電体層の間に接着剤を用いず、圧電体とおよそ同じ主成分を有する超微粒子層を介しているため、介在した超微粒子層において圧電体の振動が妨げられる可能性が少ない。しかも、超微粒子の衝突エネルギーを利用するため、従来に比べても低温で基板上に直接形成することができる。
【００３１】
本発明の実施例２における圧電体装置の製造方法を図１０、図１１を用いて説明する。圧電体装置の製造方法の工程を表す模式図を図１０に、製造工程のフローチャートを図１１に示す。
はじめに、基板の洗浄工程（工程Ａ）により洗浄された基板３の表面に蒸着法やスパッタ法により、下部電極４を形成する（工程Ｂ）。具体的には、約１０００Å厚の熱酸化膜が形成されたシリコンなどの基板上に中間層となるＴｉ膜をスパッタ法を用いて約５００Å程度スパッタした後、下部電極４となるＰｔ膜をスパッタ法を用いて約１０００〜３０００Å程度スパッタした。Ｔｉ膜のスパッタは、アルゴンの流量が１１ＳＣＣＭ、ＲＦパワーが０．２ｋＷ、圧力が４ｍとｒｒの条件下でおこなった。Ｐｔ膜のスパッタは、アルゴンの流量が１２０ＳＣＣＭ、ＲＦパワーが２ｋＷ、圧力が４ｍｔｏｒｒの条件下でおこなった。
【００３２】
次いで、工程Ｃで第１段階として超微粒子を噴射堆積させて第１の超微粒子層１ａを形成し、さらに工程Ｄで第２段階として同一の超微粒子からなるペースト状の溶液を塗布することにより第２の超微粒子層１ｂを形成する。ここでは圧電体層と同一のＰＺＴを含む超微粒子を用いた。ここで超微粒子層１ａと超微粒子層１ｂは工程上区別するが、本発明の圧電体装置における振動部分の構成においては同じ特性を示すものとし、超微粒子層１として同一層とみなす。
【００３３】
工程Ｃにおいて、超微粒子層１ａの形成は超微粒子１５を基板３に噴射堆積する方法を用いて形成した。この噴射堆積法は公知の手法であり、例えば特開平４−１８８５０３号公報や、賀集氏による「超微粒子のガス・デポジション」（真空Ｖｏｌ．３５、Ｎｏ．７、１９９２、ｐｐ６４９〜ｐｐ６５３）に開示されている。この手法は、粒径が１μｍ以下の超微粒子を不活性ガス（窒素、ヘリウム、アルゴン、水素ガスなど）と混合してエアロゾル化し、そのエアロゾルをガスの流れを用いて搬送し、基板に吹き付け堆積させる成膜手法である。
【００３４】
はじめに、基板３を１３０〜２００℃程度で加熱し、ＰＺＴを含む超微粒子１５をＮ2の不活性ガス流にのせ、基板３の上面に噴射ノズル１４を通して高速で噴射堆積する。
この時、基板３をホルダーしたステージの移動速度は１〜１２５μｍ／ｓと変化させることによって超微粒子層１ａの膜厚を調節することができる。実施例１では、約１２５μｍ／sの成膜速度で同じエリアを５回往復させることにより、およそ１０μmの膜厚を得た。
【００３５】
次いで工程Ｄにおいて、同じ超微粒子のペースト状の溶液を塗布することにより超微粒子層１ｂを形成する工程を示す。
ペースト状の溶液は粒径１μｍ以下からなる圧電体層２と同じＰＺＴを含む粉末原料に成形助剤としてポリビニルアルコール（以下ＰＶＡと称する）を約１％加え混練、脱泡して調製する。このペースト状の溶液を印刷法、あるいはスピンコート法、ディップ法などを用いて超微粒子層１ａを形成した基板３上に均一に塗布した。
【００３６】
次に工程Ｅにおいて、超微粒子層１ａおよび超微粒子層１ｂを形成した基板上に圧電体の燒結材、あるいはグリーンシートを加圧密着させて一体で焼成し圧電体層2を形成する。ここでは、超微粒子層１ｂを形成した後、同じくＰＺＴを含む圧電体の燒結材、あるいは型抜きされたグリーンシートを加圧密着させた。加圧は０．５〜２ｋｇｆでおこない、これを６００〜９００℃で０．５〜２時間の条件で大気雰囲気中にて焼成することにより圧電体層２を形成した。作成した圧電体装置において超微粒子層１を含めた圧電体層２の厚みは約８０μｍを得た。
【００３７】
この超微粒子層１を含めた圧電体層２をＸ線回折により結晶構造を調べたところ、ペロブスカイト型構造の結晶ピークが検出された。超微粒子層１のみ形成したときのＸ線回折ピークと比較して、より鋭くシャープなピークが観察された。最後に、上部電極形成工程（工程Ｆ）により、この圧電体層２の表面に金電極（上部電極５）を蒸着法で形成した。この物性を測定したところ、比誘電率１２００、電圧歪み定数１５０ｐＣ／Ｎとなる優れた特性を示した。
（実施例３）
次に実施例３の製造方法を図面に基づいて説明する。装置の構成は図１に示すように、実施例１の製造方法を用いた場合と同じである。すなわち、基板３上の所定の位置に下部電極４が形成されており、圧電体と同じ結晶構造を有し、同一主成分からなる超微粒子を噴射堆積させることにより形成された超微粒子層１が下部電極上に設けられている。ここでは超微粒子層１はＰＺＴを含む超微粒子を用いて形成されている。さらに、超微粒子層１とＰＺＴ系の圧電体層２が水素結合を用いて接合されており、その圧電体層２の上面に上部電極５が形成されている。なお、基板３が下部電極４としても機能する場合は、基板３上に直接超微粒子層１を設け、超微粒子層１上に圧電体層２を接合する。
【００３８】
図１４に示した従来の圧電体装置と比較して、基板と圧電体層の間に接着剤を用いず、圧電体とおよそ同じ主成分を有する超微粒子層を介しているため、介在した超微粒子層において圧電体の振動が妨げられる可能性が少ない。しかも、超微粒子の衝突エネルギーを利用するため、従来に比べても低温で基板上に直接形成することができる。また、超微粒子層と圧電体を水素結合を用いて接合しているため、従来の接着層に比べて接合層の厚みが数Å程度と非常に小さい。
【００３９】
さらに、本発明の実施例３による圧電体装置の製造方法を図１２、図１３を用いて詳細に説明する。圧電体装置の製造方法の工程を表す模式図を図１２に、製造工程のフローチャートを図１３に示す。
はじめに、基板の洗浄工程（工程Ａ）により洗浄された基板３の表面に蒸着法やスパッタ法により、下部電極４を形成する（工程Ｂ）。具体的には、約１０００Å厚の熱酸化膜が形成されたシリコンなどの基板上に中間層となるＴｉ膜をスパッタ法を用いて約５００Å程度スパッタした後、スパッタ法を用いて下部電極４となるＰｔ膜を約１０００〜３０００Å程度スパッタした。Ｔｉ膜のスパッタは、アルゴンの流量が１１ＳＣＣＭ、ＲＦパワーが０．２ｋＷ、圧力が４ｍｔｏｒｒの条件でおこなった。Ｐｔ膜のスパッタは、アルゴンの流量が１２０ＳＣＣＭ、ＲＦパワーが２ｋＷ、圧力が４ｍｔｏｒｒの条件でおこなった。
【００４０】
次いで、超微粒子層の形成工程（工程Ｃ）では、超微粒子１５を基板３に噴射堆積する方法を用いて形成した。ここでは圧電体層と同じＰＺＴを含む超微粒子を用いた。この手法は、粒径が１μｍ以下の超微粒子を不活性ガス（窒素、ヘリウム、アルゴン、水素ガスなど）と混合してエアロゾル化し、そのエアロゾルをガスの流れを用いて搬送し、基板に吹き付け堆積させる成膜手法である。
【００４１】
はじめに、基板３を１３０〜２００℃程度で加熱し、ＰＺＴを含む超微粒子１５をＮ2の不活性ガス流にのせ、基板３の上面に噴射ノズル１４を通して高速で噴射堆積する。
この時、基板３をホルダーしたステージの移動速度は１〜１２５μｍ／ｓと変化させることによって超微粒子層1の膜厚を調節することができる。実施例１では、約１２５μｍ／sの成膜速度で同じエリアを５回往復させることにより、およそ１０μmの膜厚を得た。
【００４２】
次いで工程Ｄにおいて、超微粒子層１と圧電体層２を水素結合を用いて接合する工程を示す。
ここでは圧電体層２にＰＺＴ系の圧電体の燒結材を用いた。圧電体層２は粒度０．０５μｍのアルミナを用いて平均面粗度（Ｒａ）がおよそ４０ｎｍまで表面研磨をおこなった。同様に超微粒子層１についても表面研磨をおこないＲａがおよそ２０〜４０ｎｍを得た。さらに水酸基の吸着はドライプロセスによりおこなった。まず、水蒸気を４×１０-2Ｐａまで導入し、イオン源内部で電子衝撃によりイオン化し、イオン加速電圧３００Ｖ、イオン電流密度２００μＡ/ｃｍ2の条件で超微粒子層１と圧電体層２の表面にイオン照射した。イオン照射時間は試料（ここでは超微粒子層１および圧電体層２）表面に存在する水素量を測定することにより決定した。各々の表面に水酸基を吸着させた後、大気中で加圧することにより密着させて接合した。密着の条件は、４００℃においては３０ＭＰａ、２５０℃においては１５０ＭＰａとした。圧電体層２に燒結材ではなく、型抜きされたグリーンシートを用いた場合は加圧密着させた後、６００〜９００℃で３０分〜２時間の条件下で大気雰囲気中にて焼成することにより圧電体層２を形成した。接合強度は引っ張り試験によって評価した。作成した圧電体装置において超微粒子層１を含めた圧電体層２の厚みは約８０μｍを得た。
【００４３】
最後に、上部電極形成工程（工程Ｅ）により、この圧電体層２の表面に金電極（上部電極５）を蒸着法で形成した。この物性を測定したところ、比誘電率１２００、電圧歪み定数１５０ｐＣ／Ｎとなる優れた特性を示した。
次に、実施例１から実施例３の製造方法を用いて作製した圧電体装置を振動部分に用いた超音波モータの構成と特性について説明する。
【００４４】
この発明による圧電体装置を振動部分に用いた超音波モータの基本構造を図１７に、振動部分の構造を図１８に示す。超微粒子層１を介して圧電体層２が設けられた振動体６は金属などからなる弾性部材で作製されており、中心軸１１に打ち込みなどにより支持されている。さらに、この中心軸１１が案内として組み込まれ、上方にある加圧ばね１０により振動体６に加圧接触するように配置されている。ここで２本のリード線１２に時間的位相がほぼ９０°異なる信号を印加することによって、圧電体層２と振動体６は屈曲運動による機械的進行波を発生し、振動体６に加圧接触させた移動体７が回転運動する構成である。実際に本発明の圧電体装置の構成を持つ超音波モータを製作した。モータの径は４mmφとし、振動体６の材質にはアルミニウム、またはＳＵＳ３０４材を用いた。振動体６の形状は、ＮＣ旋盤により丸棒原料を加工することで振動体６の形状は形成され、煽動面も切削加工で仕上げられている。摩擦材８の材質はカーボンファイバを含有した複合プラスチックを用いた。
【００４５】
実施例１から実施例３の製造方法を用いて作製された超音波モータの特性を以下に示す。図３に従来の接着剤１６による接合方法によって構成された振動体を備えた超音波モータのアドミッタンス特性を示し、図４に本実施例の製造方法を用いて形成した超微粒子層１が設けられた振動体を備えた本発明による超音波モータのアドミッタンス特性を示す。ただし、これら図に示したアドミッタンス特性は移動体を取り外した状態、すなわち、振動体が上下方向に対してフリーな状態で測定したものである。対象としたモータ仕様の概略を下記の表１に示す。
【００４６】
【表１】
図３では、主共振点以外でのスプリアス振動が見られるのに対して、図４では機械的Ｑ値が高く、主共振点以外でのスプリアス振動が見られない。
これらのアドミッタンス特性において、スプリアス振動は境界面での力の乱反射に起因する現象であり、Ｑ値は力が伝播する際の減衰の度合いを示すものであるから、本発明によるアクチュエータは従来型のアクチュエータと比較して、大きく性能向上していることが判明する。
【００４８】
図５は本発明にかかる超微粒子層を備えた進行性超音波モータの周波数−回転数特性を示す図表である。駆動電圧は正弦波形で約６Ｖp-p 、振動体６への移動体７の加圧力は約１０ｇｆでの特性である。
本発明の構成によれば、回転周波数領域も比較的広く、最大回転数も６０００ｒｐｍ以上と高速なことから、中速〜高速領域における超音波モータの適用も可能であり、本発明の有効性を示すものである。
【００４９】
つぎに、この超音波モータを駆動させた場合のトルク性能、および耐久性を調査した。図６に超音波モータのトルク性能を示す効率の測定結果を示し、図７に耐久性についての測定結果を示す。図中の（ａ）は本発明にかかる超微粒子層を設けた振動部分を有する超音波モータの測定結果を表し、（ｂ）は従来例による振動部分を有する超音波モータの測定結果を表している。これらの結果から明らかなように、効率および耐久性ともに、本発明による振動部分の構造を有する超音波モータは従来法に比べ明らかに優れている。このように、超微粒子層を介して振動体と圧電体を接合した振動部分を有する超音波モータでは、性能および耐久性が向上すると言える。
【００５０】
すなわち、本発明にかかる超微粒子層を設けた振動部分の構成によれば、径小薄型な超音波モータにおいても高効率化が実現できるようになると言える。
なお、実施例ではＰＺＴ系圧電体の組成を純粋な二成分系としたが、圧電特性を向上させるために、例えば、マグネシウムニオブ酸鉛−ジルコン酸鉛−チタン酸鉛のような三成分系にしたり、また、耐電圧向上のために鉄、経時変化を小さくする目的でクロム、強度向上のためにアンチモンのような添加物を加えても良い。この場合、超微粒子粉末原料の組成を目的とする組成に合わせて調製することにより対応することができる。
【００５１】
また、実施例において、セラミックス圧電体の超微粒子をエアロゾル化するための不活性ガスはＮ2 、Ｈｅ、Ａｒなどいずれのものも使用できる。
なお、圧電振動子を利用した超音波モータについては定在波方式と進行波方式が考えられるが、本発明にかかる振動部分の構造はいずれの方式においても利用することができる。
【００５２】
【発明の効果】
この発明によれば、基板上に圧電体と同じ結晶構造を有し同一主成分から成る超微粒子層を直接形成することができるので、従来の接着剤を用いず、超微粒子層を介してバルクの圧電体と基板を接合することができる。
本発明では、下部電極を形成した基板、あるいは下部電極として機能する基板に超微粒子層を形成したことにより、圧電体層と基板の間に圧電特性を低下させる接着層をなくした。これにより、圧電体層より発生した力が接着層で乱反射したり、吸収されることなく伝播し、不要なスプリアス振動が発生せず、良好なアドミッタンス特性を示す。さらに、モータの効率、および耐久性を向上させることができる。特に、マイクロマシンのような微小構造の駆動源として電気的および機械的性能を向上させ、信頼性を高めることができる。また、1μｍ以下の超微粒子を用いることにより、緻密な膜が構成されるだけでなく、基板との密着性を良くし、さらに圧電体層との密着性をあげることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による圧電体装置の構造を示す概略図。
【図２】実施例２による圧電体装置の構造を示す概略図
【図３】従来の超音波モータの特性を表す図表。
【図４】本発明に係る超音波モータの特性を表す図表。
【図５】本発明に係る超音波モータの周波数−回転特性を表す図表。
【図６】本発明に係る超音波モータの効率を表す図表。
【図７】本発明に係る超音波モータの耐久性を表す図表。
【図８】本発明の実施例１による製造工程を表す模式図。
【図９】本発明の実施例１による製造工程を示すフローチャート図。
【図１０】本発明の実施例２による製造工程を表す模式図。
【図１１】本発明の実施例２による製造工程を示すフローチャート図。
【図１２】本発明の実施例３による製造工程を表す模式図。
【図１３】本発明の実施例３による製造工程を示すフローチャート図。
【図１４】従来の製造方法による圧電体装置を示す概略図。
【図１５】従来の製造方法による圧電体装置を示す概略図。
【図１６】従来の圧電体装置を用いた超音波モータの振動部分を示す概略図。
【図１７】本発明の圧電体装置を用いた超音波モータの縦断面図。
【図１８】本発明による圧電体装置を用いた超音波モータの振動部分の構造を示す概略図。
【符号の説明】
１ 超微粒子層
１ａ 第１の超微粒子層
１ｂ 第２の超微粒子層
２ 圧電体層
３ 基板
４ 下部電極
５ 上部電極
６ 振動体
７ 移動体（ロータ）
８ 摩擦材
９ 固定台
１０ 加圧ばね
１３ ステータ
１５ 超微粒子
Claims (9)
- 基板上に圧電体層が設けられた圧電体装置において、前記基板と前記圧電体層の間に粒径が１μｍ以下の超微粒子からなる超微粒子層が形成されるとともに、前記超微粒子層と前記圧電体層が接合された接合面を備えることを特徴とする圧電体装置。
- 前記超微粒子層が前記圧電体層の主成分と同一の主成分からなること特徴とする請求項１に記載の圧電体装置。
- 前記超微粒子層と前記圧電体層の結晶構造が同一であることを特徴とする請求項１または２に記載の圧電体装置。
- 前記超微粒子層と前記圧電体層がチタンとジルコニウムと鉛を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の圧電体装置。
- 前記接合面は、前記超微粒子層と前記圧電体が水素結合によって接合されたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の圧電体装置。
- 基板上に粒径が１μｍ以下の超微粒子を噴射堆積して第１の超微粒子層を形成する工程と、前記第１の超微粒子層に粒径が１μｍ以下の超微粒子を含んだペースト状の溶液を塗布する第２の超微粒子層を形成する工程とを有する第１の工程と、
前記超微粒子層上に圧電体層を接合する第２の工程と、
を備えることを特徴とする圧電体装置の製造方法。 - 圧電体を形成する工程と、
基板上に粒径が１μｍ以下の超微粒子からなる超微粒子層を形成する工程と、
前記超微粒子層と前記圧電体を接合する工程と、
を備えることを特徴とする圧電体装置の製造方法。 - 前記超微粒子層と前記圧電体を接合する工程において、
前記超微粒子層と前記圧電体が水素結合を用いて接合されることを特徴とする請求項７に記載の圧電体装置の製造方法。 - 請求項１から５のいずれか１項の圧電体装置を備えた超音波モータ。
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