JP4629896B2

JP4629896B2 - 圧電体素子及びこれを用いた電気機器

Info

Publication number: JP4629896B2
Application number: JP2001101286A
Authority: JP
Inventors: 浩二角
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2001-03-30
Filing date: 2001-03-30
Publication date: 2011-02-09
Anticipated expiration: 2021-03-30
Also published as: JP2002299714A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は圧電体とこれを挟んで配置される一対の電極を備えた圧電体素子に係り、特に、電歪領域において良好な特性を得ることができる圧電体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電体素子は、電気機械変換機能を呈する圧電体膜を２つの電極で挟んだ素子であり、圧電体膜は結晶化した圧電性セラミックスにより構成されている。この圧電性セラミックスとしては、ペロブスカイト型結晶構造を有し、化学式ＡＢＯ_３で示すことのできる複合酸化物が知られている。例えばＡには鉛（Ｐｂ），Ｂにジルコニウム（Ｚｒ）とチタン（Ｔｉ）の混合を適用したチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）が知られている。
【０００３】
この圧電体素子において良好な圧電特性を得るため、結晶系および配向性を制御する工夫が種々が行われている。例えば、特開平１０−８１０１６号公報には、圧電体膜の結晶構造が菱面体晶であり、面方位（１１１）の結晶面、あるいは面方位（１００）の結晶面、あるいはその両方に強く配向している圧電体薄膜素子が記載されている。また、圧電体膜の結晶構造が正方晶であり、面方位（００１）の結晶面に強く配向している圧電体薄膜素子が記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、圧電体素子を電界強度が比較的小さい電歪領域で駆動させる場合、圧電体膜を例えば菱面体晶系で００１（１００）配向させても、無配向膜とあまり変わらないことがわかってきた。このように、電歪領域で駆動する場合に好適な圧電体素子は未だ確立されていなかった。
【０００５】
そこで、本発明は、電歪領域で駆動させる場合に好適な特性を示すことのできる圧電体素子を提供することを目的とする。そして、この圧電体素子を備えたマイクロマシンなどの電気機器を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明による圧電体素子は、圧電体膜と、この圧電体膜の両面を挟んで配置される下部電極および上部電極とを備えた圧電体素子であって、前記圧電体膜は、菱面体晶系で、かつ（００１）面優先配向であり、電界方向の格子定数が面内の格子定数より大きいことを特徴とする。
【０００７】
圧電体膜の電歪領域における電界強度Ｅと歪みＳとの関係は、Ｓ＝ＭＥ^２で表すことができる。分極Ｐと歪みＳとの関係は、Ｓ＝ＱＰ^２で表すことができる。分極Ｐはベクトルであり、図２にその座標系を示す。圧電体膜を構成する結晶が、立方晶、点群ｍ３ｍである場合、上記Ｓ＝ＱＰ^２を行列で表すと、
【０００８】
【数１】

となり、この式よりＳ_３を求めると、
【数２】

が導かれる。ここでＱ₁₁がＱ₁₂より十分大きく、
【０００９】
【数３】

の条件では、Ｐ_３が大きい方が特性が良いことがわかる。すなわち、図２の「３」方向の分極を大きくすることにより、歪みを大きくすることができる。このためには、電界方向の格子定数を面内の格子定数より大きくすることが望ましい。
【００１０】
また、本発明の圧電体素子は、圧電体膜と、この圧電体膜の両面を挟んで配置される下部電極および上部電極とを備えた圧電体素子であって、前記圧電体膜は、菱面体晶系で、かつ（００１）面優先配向であり、前記圧電体膜は、面方向に圧縮応力を有することを特徴とする。
【００１２】
上記圧電体素子は、電歪領域で駆動されるものであることが好ましい。
【００１３】
本発明の電気機器は、上記圧電体素子を駆動素子として備えたことを特徴とする。電気機器とは電気で駆動される機械器具一般をいい、例としては圧電ファン、圧電モータ、圧電ポンプ、圧電リレー、圧電バルブ等が挙げられる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（圧電体素子及び電気機器の構成）
図１は、本発明の実施形態による圧電体素子を備えた電気機器の一例であるマイクロポンプの断面図である。マイクロポンプ２０は、スペーサ２６を挟んで対向する振動板２５及びノズル板２７と、振動板２５上に形成された圧電体素子２１を備えている。振動板２５とノズル板２７との間にはポンプ室２８が形成され、振動板２５には吸入口２５ａ、ノズル板２７には吐出口２７ａが形成されている。吸入口２５ａ、吐出口２７ａには図示しない逆止弁が形成されている。また、圧電体素子２１は、圧電体薄膜２３並びにこれを上下両面から挟む上部電極２４及び下部電極２２を備えている。
【００１６】
振動板２５は二酸化珪素（ＳｉＯ_２）により構成され、圧電体薄膜の変形により変形するようになっている。
【００１７】
下部電極２２及び上部電極２４は、圧電体薄膜２３に電圧を印加するための電極であり、導電性を有する材料、例えば、白金（Ｐｔ）などにより構成されている。
【００１８】
圧電体薄膜２３は、ペロブスカイト構造を持つ圧電性セラミックスの結晶であり、例えばジルコニウム酸チタン酸鉛（Ｐｂ_ｘ（Ｚｒ_ｙ、Ｔｉ_１−ｙ）Ｏ_３：ＰＺＴ）等を用いる。特にここでは、菱面体晶系、（００１）面優先配向であるＰＺＴが好ましい。そして、膜厚方向の分極を大きくして大きな変位を得るため、膜厚方向の格子定数が面内の格子定数より大きくなるようにする。但し、膜厚方向の格子定数を大きくする場合でも、立方晶系ないし疑似立方晶系の範囲であることが好ましい。また、膜厚方向の格子定数を大きくするためには、面内に圧縮応力を有するように圧電体膜を成膜することが好ましい。
【００１９】
上下両電極２２、２４間に電圧が供給されると、圧電体薄膜２３の膜厚方向に電圧が印加され、圧電体素子２１に歪みが生じる。このため、ポンプ室２６内の圧力が変化し、吸入口２７、吐出口２８にそれぞれ設けられた逆止弁の働きによって流体が吸入口２７からポンプ室２６内に流れ、排出口２８から外部に排出される。
【００２０】
かかるマイクロポンプでは、膜厚２μｍ程度の圧電体薄膜に対して数ボルト（Ｖ）以下の電圧を印加するので、圧電体薄膜における電界強度は５×１０^６Ｖ／ｍ以下となり、圧電体素子は電歪領域で動作する。本実施形態の圧電体素子はこのような電歪領域で好適な特性を示す。
【００２１】
本発明の圧電体素子は上記の他に、（位置決め）ポジショナ、圧電ファン、圧電モータ、圧電リレー、圧電バルブ等、種々の電気機器に用いることができ、その圧電特性の高さを利用して効率の高い電気機器を作成することができる。また、本発明の圧電体素子は、フィルタ、リードセレクタ、音叉発振子、音叉時計、トランシーバ、圧電ピックアップ、圧電イヤホン、圧電マイクロフォン、ＳＡＷフィルタ、ＲＦモジュレータ、共振子、遅延素子、マルチストリップカプラ、圧電加速度計、圧電スピーカ等に応用することもできる。
【００２２】
（製造方法）
次に、この実施形態による圧電体素子の製造方法を説明する。
【００２３】
まず、振動板２５を構成する二酸化珪素基板上に、下部電極２２を成膜する。下部電極２２は白金等を電子ビーム蒸着法、スパッタ法等により０．２μｍの厚みに成膜して得られる。
【００２４】
次に、下部電極上に圧電体薄膜２３をゾルゲル法等により成膜する。ゾルゲル法は、圧電体膜を構成する金属成分の水酸化物の水和錯体（ゾル）を基板上に塗布し、乾燥、脱脂させた後、結晶化熱処理を行う方法である。特にこの実施形態では、ゾルの塗布から結晶化までの工程を数回繰り返すことにより厚膜化する。
【００２５】
まず、圧電体薄膜の原料となる圧電性セラミックスのゾルを製造する。例えば、２−ｎ−ブトキシエタノール中にチタニウムテトライソプロポキシド、およびテトラ−ｎ−プロポキシジルコニウムを混入し、室温下で２０分間攪拌する。次いでジエタノールアミンを加えて室温下でさらに２０分間攪拌する。酢酸鉛を加え８０℃に加温する。加温した状態で２０分間攪拌し、その後室温になるまで自然冷却する。以上の工程で製造された金属アルコキシド溶液を前駆体として用いる。ただし、ゾルの製造方法は上記に限定されるものではない。
【００２６】
上記のようにして製造した金属アルコキシド溶液を、下部電極２２上に一定の厚み（例えば０．２μｍ）に塗布する。例えば公知のスピンコート法を用いる場合には、毎分５００回転で３０秒、毎分１５００回転で３０秒、最後に毎分５００回転で１０秒間塗布する。塗布した段階では、ＰＺＴを構成する各金属原子は有機金属錯体として分散している。塗布後、一定温度で一定時間乾燥させる。例えば、乾燥温度は例えば１５０℃以上２００℃以下に設定する。好ましくは、１８０℃で乾燥させる。乾燥時間は例えば５分以上１５分以下にする。好ましくは１０分程度乾燥させる。
【００２７】
乾燥後、さらに大気雰囲気下において一定の脱脂温度で一定時間脱脂する。脱脂温度は、３００℃以上５００℃以下の範囲が好ましい。この範囲より高い温度では結晶化が始まってしまい、この範囲より低い温度では、十分な脱脂が行えないからである。好ましくは３５０℃程度に設定する。脱脂時間は、例えば５分以上９０分以下にする。この範囲より長い時間では結晶化が始まってしまい、この範囲より短い時間では十分に脱脂されないからである。好ましくは１０分程度脱脂させる。脱脂により金属に配位している有機物が金属から解離し酸化燃焼反応を生じ、大気中に飛散する。
【００２８】
上記の工程によって得られた圧電体前駆体膜を加熱処理することによって結晶化させ、圧電体膜を形成する。焼結温度は材料により異なるが、本実施形態では６５０℃で５分から３０分間加熱を行う。加熱装置としては、ＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）装置、拡散炉等を使用することができる。
【００２９】
上記のゾルの塗布、乾燥、脱脂、結晶化の工程を複数回実施することにより圧電体膜を積層し、厚膜化することにより圧電体薄膜層２３を形成する。
【００３０】
圧電体薄膜層２３の上に、さらに電子ビーム蒸着法、スパッタ法等の技術を用いて、上部電極２４を形成する。上部電極の材料は、白金（Ｐｔ）等を用いる。厚みは０．１μｍ程度にする。
【００３１】
上記工程で圧電体素子が完成する。この圧電体素子を用いて、例えば上記マイクロポンプを製造する場合にはスペーサを介してノズル板を貼りあわせ、吸入口及び吐出口を形成し、これら吸入口及び吐出口にそれぞれ逆止弁を形成する。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、電歪領域で駆動させる場合に好適な特性を示すことのできる圧電体素子を提供することができる。そして、この圧電体素子を備えたマイクロマシンなどの電気機器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態による圧電体素子を備えた電気機器の一例であるマイクロポンプの断面図である。
【図２】分極Ｐの座標系を示す図である。
【符号の説明】
２０…マイクロポンプ（電気機器）、２１…圧電体素子、２２…下部電極、２３…圧電体薄膜、２４…上部電極、２５…振動板、２６…スペーサ、２７…ノズル板、２８…ポンプ室

Claims

ペロブスカイト構造を持つジルコニウム酸チタン酸鉛からなる圧電体膜と、この圧電体膜の両面を挟んで配置される下部電極および上部電極とを備えた圧電体素子であって、
前記下部電極は白金を含み、
前記圧電体膜は、菱面体晶系で、かつ（００１）面優先配向であり、前記圧電体膜は、圧電体膜の面方向に圧縮応力を有し、かつ、電界方向の格子定数が圧電体膜の面内の格子定数より大きいことを特徴とする圧電体素子。
請求項１に記載の圧電体素子を駆動素子として備えた電気機器。