JP4849432B2 - 圧電膜の製造方法、基板と圧電膜との積層構造、圧電アクチュエータおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、圧電膜の製造方法、基板と圧電膜との積層構造、圧電アクチュエータおよびその製造方法に関する。
例えばインクジェットプリンタのプリンタヘッド等に用いられる圧電アクチュエータ等の製造方法として、エアロゾルデポジション法（ＡＤ法）と呼ばれるものがある。これは、圧電材料の微粒子を気体中に分散させたもの（エアロゾル）を基板表面に向けて噴射させ、微粒子を基板上に衝突・堆積させることにより圧電膜を形成させるものである（例えば特許文献１、２）。
特開２００１−１５２３６０公報
特開平１１−３３０５７７号公報
ところで、本発明者らの研究によれば、成膜条件と得られた圧電膜の特性との間には相関性があることがわかってきている。例えば、エアロゾルの基板への吹き付け速度を大きくすると、膜の基板への密着性や耐電圧特性が向上するが、膜の圧電特性が低下する傾向が見られた。そして、アニール処理（圧電特性を向上させる目的で行われる、膜を加熱する処理）を行っても十分な圧電特性が得られないことがあった。このように、圧電膜に求められる種々の条件を同時に満足させる成膜条件を見出すことは、困難であった。
本発明は、上記した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、圧電膜に求められる種々の特性を同時に満足させる簡易な圧電膜の製造方法を提供することにある。
本発明者らは、圧電膜に求められる種々の条件を同時に満足させる簡易な圧電膜の製造方法を開発すべく鋭意研究してきたところ、以下の知見を見出した。
上記したように、ＡＤ法においては、吹き付け速度を大きくすることにより圧電膜の密着性および耐電圧特性が向上する。これは、材料粒子が基板への衝突により粉砕されて基板にめり込んで微細構造を取り、粒界面が緻密になること、および、衝突により表面に露出した粒子と基板との新生面が電気的、化学的に活性が高いために、粒子と基板との電気的、化学的な結合力が大きくなること、が原因であると考えられる。この場合に、微細構造をとる粒子はそれらの界面が複雑になるものと考えられるため、圧電膜の厚さ方向における粒界距離が増しているものと推測される。
一方、吹き付け速度を小さくすれば、密着性および耐電圧特性が低下する反面、成膜後にアニール処理を行うことで十分な圧電特性を得ることができる。これは、基板への衝突エネルギーが小さいことにより、粉砕されないで付着する材料粒子が増し圧電膜中に粒径が大きい結晶が増えたこと、および、粒子構造の欠陥（格子の欠陥、ひずみ、転位、ホールなど）が少ないためアニール処理により特性が回復しやすいこと、が理由であると考えられる。すなわち、粒子の構造欠陥は衝突エネルギーの大きさに比例して増加するものと考えられる。
したがって、まず粒子の衝突エネルギーがより大きくなる条件で成膜を行って密着性の良い層を作り、続いてその層の上に、粒子の衝突エネルギーがより小さくなる条件で成膜を行って圧電特性の良い層を重ねる。このようにすれば、基板と対向する面側に密着性の良い層、その外側に圧電特性の良い層を有する圧電膜を作ることができ、基板への密着性と圧電特性とを両立させることができる。本発明は、かかる新規な知見に基づいてなされたものである。
すなわち、本発明は、圧電材料の粒子を含むエアロゾルを金属製の基板に吹き付けて前記粒子を付着させることで前記基板上に圧電膜を形成する圧電膜の製造方法であって、前記基板上に第１の圧電層を形成させる第１の膜形成工程と、前記粒子の前記基板への衝突エネルギーが前記第１の膜形成工程よりも小さくなるように吹き付けを行って前記第１の圧電層上に第２の圧電層を形成させる第２の膜形成工程とを経ることを特徴とする。
第２の膜形成工程において粒子の衝突エネルギーを第１の膜形成工程を低くすることは、例えばエアロゾル中の粒子濃度を低くすること、エアロゾル内の粒子の噴射速度を小さくすること、エアロゾルの基板への吹き付け角度を小さくすること、エアロゾル内の粒子の径や材質を変えること、あるいはこれらの条件を組み合わせることによって実現することができる。
例えば、エアロゾルの噴射速度を変えることによって衝突エネルギーを調整する場合には、噴射速度を第１の膜形成工程においては３００ｍ／ｓｅｃ以上とすることが好ましく、３００ｍ／ｓｅｃ以上４５０ｍ／ｓｅｃ以下とすることがさらに好ましい。また、第２の膜形成工程においては１５０ｍ／ｓｅｃ以上３００ｍ／ｓｅｃ未満とすることが好ましく、１５０ｍ／ｓｅｃ以上２００ｍ／ｓｅｃ以下とすることがさらに好ましい。
また、第２の膜形成工程後に、粒子２の衝突エネルギーが第２の膜形成工程よりも大きくなるように吹き付けを行って、第３の圧電層を積層しても良い。これにより、緻密で耐電圧特性の高い第１層および第３層によって中間の第２層が挟み込まれた構造の圧電膜が形成される。このような構造によれば、良好な圧電特性を維持しつつ膜全体としての耐電圧特性を向上させることができる。
また、全ての膜形成工程が終了した後に、圧電膜を加熱するアニール処理工程を行っても良い。
また、全ての膜形成工程が終了した後に、圧電膜を加熱するアニール処理工程を行っても良い。
また、本発明は、圧電材料の粒子を含むエアロゾルを、正負一対の電極のうち一方の電極を構成する金属製の基板に吹き付けて前記粒子を付着させることで前記基板上に圧電膜を形成する圧電アクチュエータの製造方法であって、前記基板上に第１の圧電層を形成させる第１の膜形成工程と、前記粒子の前記基板への衝突エネルギーが前記第１の膜形成工程よりも小さくなるように吹き付けを行って前記第１の圧電層上に第２の圧電層を形成させる第２の膜形成工程と、前記第２の圧電層上に前記一対の電極のうち他方の電極を構成する電極層を形成させる電極層形成工程を経ることを特徴とする。
また、本発明は、金属製の基板と、この基板上に圧電材料の粒子を含むエアロゾルを吹き付けて前記粒子を付着させることで形成された圧電膜とを備えた基板と圧電膜との積層構造であって、前記圧電膜は、互いに前記エアロゾルの前記基板への衝突エネルギーを変化させることによって形成される複数の異なる層が積層されてなり、前記複数の層のうち前記基板に接する層を形成する際の前記エアロゾルの衝突エネルギーがその他の層を形成する際の前記エアロゾルの衝突エネルギーよりも大きいことを特徴とする。
複数の異なる層のうち前記基板に接する層は、前記基板との密着力が２０ＭＰａ以上であり、比誘電率が８００以上であり、耐電圧が３５０ｋｖ／ｃｍ以上であることが好ましい。
また、前記複数の層が積層された前記圧電膜は、前記基板との密着力が２０ＭＰａ以上であり、比誘電率が８００以上であり、耐電圧が３５０ｋｖ／ｃｍ以上であることが好ましい。
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また、本発明は、インクジェットプリンタのプリンタヘッド等に用いられる圧電アクチュエータに好ましく適用することができる。この場合には、基板として導電性のものを使用してこれを一方の電極として使用するとともに、圧電膜上に他方の電極を構成する電極層を形成すればよい。
本発明によれば、基板と対向する面側に密着性の良い層、その外側に圧電特性の良い層を有する圧電膜を作ることができ、基板への密着性と圧電特性とを両立させることができる。また、同じＡＤ法で成膜条件を変化させるだけで異なる性質を持つ層を積層することができるので、製造工程を複雑化させることなく良好な特性を持つ圧電膜を得ることができる。
本発明は、基板上に第１の圧電層を形成させる第１の膜形成工程と、前記粒子の前記基板への衝突エネルギーが前記第１の膜形成工程よりも小さくなるように吹き付けを行って前記第１の圧電層上に第２の圧電層を形成させる第２の膜形成工程とを経る圧電膜の製造方法である。
本発明の圧電膜を形成させるための成膜装置の概略図を、図１に示した。この成膜装置１は、材料粒子２をキャリアガスに分散させてエアロゾル３を形成させるエアロゾル発生器１０、エアロゾル３をノズルから噴出させて基板に付着させるための成膜チャンバー２０、使用後のエアロゾル３から材料粒子２を回収するための粉体回収装置３０を備えている。
エアロゾル発生器１０には、内部に圧電材料の粒子２を収容可能なエアロゾル室１１と、このエアロゾル室１１に取り付けられてエアロゾル室１１を振動させる加振装置１２とを備えている。エアロゾル室１１には、キャリアガスを導入するためのガスボンベ１３が導入管１４を介して接続されている。導入管１４の先端はエアロゾル室１１内部において底面付近に位置し、材料粒子２中に埋没するようにされている。キャリアガスとしては、例えばヘリウム、アルゴン、窒素等の不活性ガスや空気、酸素等を使用することができる。また、圧電材料としては、圧電膜の材料として通常に使用されるものであれば特に制限はなく、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、水晶、ニオブ酸リチウム、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、メタニオブ酸鉛、酸化亜鉛等を使用することができる。
成膜チャンバー２０には、基板４を取り付けるためのステージ２１と、このステージ２１の下方に設けられた噴出ノズル２２が備えられている。噴出ノズル２２は、エアロゾル供給管２３を介してエアロゾル室１１に接続されており、エアロゾル室１１内のエアロゾル３が、エアロゾル供給管２３を通って噴出ノズル２２に供給されるようになっている。また、ステージ２１は、図示しない駆動装置によって、基板４を取り付けた状態で板面方向に移動可能とされているとともに、噴出ノズル２２からのエアロゾル噴射方向に対する基板面の角度を調整できるようになっている（図１中矢印参照）。また、この成膜チャンバー２０には、粉体回収装置３０を介して真空ポンプ２５が接続されており、その内部を減圧できるようにされている。
粉体回収装置３０は電気集塵機であって、集塵容器３１の内部に複数枚の集塵フィルタ３２が並列して設置されている（図２および図３参照）。成膜チャンバー２０と接続されている吸入口３３からエアロゾル３が進入すると、含まれる材料粒子２が荷電部（図示せず）により荷電される。そしてエアロゾル３が集塵フィルタ３２間を通過する際に、荷電された粒子２が静電引力によって集塵フィルタ３２に吸着される。粒子２が除去された後のキャリアガスは、真空ポンプ２５と接続された排出口３４から排出される。
各集塵フィルタ３２には、このフィルタ３２の両表面に沿って上下方向に移動可能なスクレバー３５がそれぞれ設置されている。スクレバー３５は、作動していないときには集塵容器３１の上部に設置されたスクレバー収納部３６に収納されている。各スクレバー３５の上端には磁石３７Ａが取り付けられており、スクレバー収納部３６の外周面にもスクレバー側の磁石３７Ａと対応する磁石３７Ｂが取り付けられている。スクレバー収納部３６側の磁石３７Ｂは、スクレバー収納部３６の外周面に沿って上下方向に移動操作可能とされている。スクレバー３５を作動させる際には、スクレバー収納部３６側の磁石３７Ｂを下方向へ移動させる。すると、収納部３６側の磁石３７Ａとスクレバー３５側の磁石３７Ａとの相互作用によってスクレバー３５が下側へ移動していき、集塵フィルタ３２の表面に付着した粒子２をこそげ落とす。集塵容器３２の底部にはホッパ３８が設けられており、こそげ落とされたダストはこのホッパ３８に落下し、回収されるようになっている。一般にこの種の電気集塵機では、集塵フィルタ３２の清掃はバッチ状態で逆電荷をかけることによって行われるが、本装置では内部を減圧する必要があり、エアロゾル３の流れをとめることができないため、スクレバー３５によって清掃を行うのである。
この成膜装置１を用いて圧電膜を形成させる際には、エアロゾル室１１の内部に材料粒子２を投入する。そして、ガスボンベ１３からキャリアガスを導入して、そのガス圧で材料粒子２を舞い上がらせる。それととともに、加振装置１２によってエアロゾル室１１を振動させることで、材料粒子２とキャリアガスとを混合してエアロゾル３を発生させる。そして、成膜チャンバー２０内を真空ポンプ２５により減圧することにより、エアロゾル室１１と成膜チャンバー２０との間の差圧により、エアロゾル室１１内のエアロゾル３を高速に加速しつつ噴出ノズル２２から噴出させる。噴出したエアロゾル３に含まれる材料粒子２は基板４に衝突して堆積し、圧電膜を形成する。エアロゾルの吹き付けは、ステージ２１に取り付けられた駆動装置によって基板４を板面方向に移動させながら行われ、これにより、基板４の全面に渡って圧電膜が形成される。
このとき、図４（Ａ）に示されるように、まず粒子の衝突エネルギーがより大きくなる条件で成膜を行って密着性の良い第１の圧電層５を作り（第１の膜形成工程）、続いて、図４（Ｂ）に示されるように、その層の上に、粒子の衝突エネルギーがより小さくなる条件で成膜を行って圧電特性の良い第２の圧電層６を重ねる（第２の膜形成工程）。このようにして２層の圧電膜７が形成される。成膜後には、必要に応じて、圧電特性の回復を目的として圧電膜７を５００℃以上で加熱するアニール処理を行っても良い。
衝突エネルギーは、例えばエアロゾル３の粒子濃度、噴射速度、基板への吹き付け角度等の成膜条件を変化させることにより調整することができる。
例えば、エアロゾル内の粒子の噴射速度を変えることによって衝突エネルギーを調整する場合には、第２の膜形成工程における噴射速度が第１の膜形成工程よりも小さくなるようにすればよい。具体的には、第１の膜形成工程においては３００ｍ／ｓｅｃ以上、第２の膜形成工程においては１５０ｍ／ｓｅｃ以上３００ｍ／ｓｅｃ未満とすることが好ましく、第１の膜形成工程においては３００ｍ／ｓｅｃ以上４５０ｍ／ｓｅｃ未満、第２の膜形成工程においては１５０ｍ／ｓｅｃ以上２００ｍ／ｓｅｃ未満とすることがより好ましい。
また、エアロゾルの粒子濃度を変えることによって衝突エネルギーを調整する場合には、第２の膜形成工程における粒子濃度が第１の膜形成工程よりも低くなるようにすればよい。さらに、エアロゾルの基板への吹き付け角度を変えることによって衝突エネルギーを調整する場合には、第２の膜形成工程において吹き付け角度が第１の膜形成工程よりも小さくなるようにすればよい。
このようにすれば、第１の膜形成工程においては、材料粒子がより大きな衝突エネルギーにより細かく粉砕されて基板に適度にめり込んだ微細構造を取るから、粒界面が緻密で密着性の高い層を作ることができる。一方、第２の膜形成工程においては、衝突エネルギーが比較的小さいために、元の材料粒子は第１の層よりも構造欠陥が少ない状態で成膜され、また、材料粒子が粉砕されず衝突前の粒子径を保ったまま層中に取り込まれることもあるため、第１の層よりも圧電特性の高い層を作ることができる。このように、基板と対向する面側に密着性の良い層、その外側に圧電特性の良い層を有する圧電膜を作ることができ、基板への密着性と圧電特性とを両立させることができる。また、同じＡＤ法で成膜条件を変化させるだけで異なる性質を持つ層を積層することができるので、製造工程を複雑化させることなく良好な特性を持つ圧電膜を得ることができる。
その他の成膜条件の好ましい範囲は、他の成膜条件等によっても変動し、一概に限定できないが、例えば成膜チャンバー内圧力５０〜４００Ｐａ、エアロゾル室内圧力１００００〜８００００Ｐａ、ノズル開口サイズ１０ｍｍ×０．４ｍｍ、キャリアガス種類Ｈｅ、Ａｉｒ、ノズル基板相対速度１．２ｍｍ／ｓｅｃ、ノズル−基板間距離１０〜２０ｍｍ、材料粒子の平均粒子径０．３〜１μｍという条件で優れた圧電膜を形成することが出来る。
また、大きな衝突エネルギーにより作られた緻密な層は、良好な耐電圧特性をも有している。したがって、第２の膜形成工程後に、粒子２の衝突エネルギーが第２の膜形成工程よりも大きくなるように吹き付けを行って、第３の圧電層を積層しても良い。これにより、圧電膜を、圧電特性の高い第２の圧電層が耐電圧特性の高い第１、第３の圧電層で挟み込まれたサンドイッチ構造とし、良好な圧電特性を維持しつつ膜全体としての耐電圧特性を向上させることができる。
また、基板上に粒子との密着性が良いチタン等の材料からなる中間層をあらかじめ設けておき、第１の膜形成工程において材料粒子を中間層に衝突させるようにしても良い。これによれば、第１の膜形成工程における衝突エネルギーを極端に大きくしなくても、層の密着性を確保することができる。
また、基板上に粒子との密着性が良いチタン等の材料からなる中間層をあらかじめ設けておき、第１の膜形成工程において材料粒子を中間層に衝突させるようにしても良い。これによれば、第１の膜形成工程における衝突エネルギーを極端に大きくしなくても、層の密着性を確保することができる。
本発明は、インクジェットプリンタのプリンタヘッド等に用いられる圧電アクチュエータに好ましく適用することができる。この場合には、基板として導電性のものを使用してこれを一方の電極として使用するとともに、形成された圧電膜上に他方の電極を構成する電極層を積層すればよい。
図５には、本発明をインクジェットヘッド用の圧電アクチュエータに適用した一例を示す。インクジェットヘッド４０は、インク４１が収容される複数の圧力室４２を備えた流路ユニット４３と、この流路ユニット１３上に圧力室１２を閉じるように接合されたアクチュエータプレート４４（本発明の圧電アクチュエータに該当する）とを備えている。アクチュエータプレート４４は、圧力室４２の壁面の一部を構成する振動板４５（本発明の導電性基板に該当する）と、この振動板４５における圧力室４２と反対側の面全体に積層された圧電膜２７とから構成されている。振動板４５は、ステンレス等の導電性の金属材料にて矩形状に形成されており、流路ユニット４３の上面にエポキシ系の熱硬化性の接着剤によって接合されて、流路ユニット４３の上面全体を覆う形態となっている。なお、この振動板４５は、駆動回路ＩＣ（図示せず）のグランドに接続され、下部電極としても使用されるようになっている。
圧電膜４６は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電体の圧電セラミックス材料から形成されており、振動板４６の表面全体に均一な厚みで積層されている。この圧電膜４６は、エアロゾルデポジション法により形成されたものであり、振動板４５上に積層された第１の圧電層と、この第１の圧電層上に積層された第２の圧電層との２層により構成されている。
この圧電膜４６上において振動版４５に密着されている側と逆側の面上には、上部電極４７（本発明の電極層に該当する）が備えられている。この上部電極４７は、薄膜状の導体をプリント等によって所定形状に形成するとともに、駆動回路ＩＣに接続されたものである。
振動板４５上の圧電膜４６にはその厚み方向に分極するように分極処理が施されており、駆動回路ＩＣによって上部電極４７の電位が下部電極である振動板４５より高い電位とされると、圧電膜４６にその分極方向（厚み方向）に電界が印加される。すると、圧電膜４６が厚み方向に膨らむとともに、面方向に収縮する。これにより、圧電膜４６と振動板４５と（即ちアクチュエータプレート４４）が、圧力室４２側に凸となるように局所的に変形する（ユニモルフ変形）。このため、圧力室１２の容積が低下して、インク４１の圧力が上昇し、ノズル４８からインク４１が噴射される。その後、上部電極４７が下部電極である振動板４５と同じ電位に戻されると、圧電膜４６と振動板４５とが元の形状になって圧力室４２の容積が元の容積に戻るので、インク４１をインクタンクに連通するマニホールド（図示せず）より吸い込む。
このとき、圧電膜４６は、まず粒子の衝突エネルギーがより大きくなる条件で成膜が行われて振動板４５上に密着性の良い第１の圧電層が形成され、続いてその層の上に、粒子の衝突エネルギーがより小さくなる条件で成膜が行われて圧電特性の良い第２の圧電層が重ねられたものである。これにより、圧電膜４６の振動板４５への密着性と圧電特性とを両立させることができる。なお、上述したように振動板４５の上にあらかじめ中間層を形成し、この中間層の上に第１の圧電層を形成するようにしても良い。
以下、実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明する。
[２層の圧電膜と単層の圧電膜との比較]
＜実施例１＞
１）成膜
基板としてはビッカース硬度Ｈｖ３００のステンレス（ＳＵＳ４３０）板を使用した。また、材料粒子としては平均粒子径０．３〜１μｍ、ビッカース硬度Ｈｖ３００〜４００のＰＺＴを用いた。上記実施形態と同様の成膜装置によって基板上に圧電膜を形成させた。なお、基板、粒子のビッカース硬度は、＋ｃｓｍ社製Ｎａｎｏ−Ｈａｒｄｎｅｓｓ Ｔｅｓｔｅｒを用いて測定した。
このとき、まず粒子速度４００ｍ／ｓｅｃで吹き付けを行って基板上に第１の圧電層を形成し（第１の膜形成工程）、次いで、この第１の圧電層上に粒子速度１７０ｍ／ｓｅｃで吹き付けを行って第２の圧電層を形成した（第２の膜形成工程）。その後、６００℃で１時間アニーリングを行って厚さ１０μｍの圧電膜を形成した。
その他の成膜条件は、成膜チャンバー内圧力１５０Ｐａ、エアロゾル室内圧力３００００Ｐａ、ノズル開口サイズ１０ｍｍ×０．４ｍｍ、キャリアガス種類Ｈｅ、ノズル基板相対速度１．２ｍｍ／ｓｅｃ、ノズル−基板間距離１０〜２０ｍｍとした。
＜実施例１＞
１）成膜
基板としてはビッカース硬度Ｈｖ３００のステンレス（ＳＵＳ４３０）板を使用した。また、材料粒子としては平均粒子径０．３〜１μｍ、ビッカース硬度Ｈｖ３００〜４００のＰＺＴを用いた。上記実施形態と同様の成膜装置によって基板上に圧電膜を形成させた。なお、基板、粒子のビッカース硬度は、＋ｃｓｍ社製Ｎａｎｏ−Ｈａｒｄｎｅｓｓ Ｔｅｓｔｅｒを用いて測定した。
このとき、まず粒子速度４００ｍ／ｓｅｃで吹き付けを行って基板上に第１の圧電層を形成し（第１の膜形成工程）、次いで、この第１の圧電層上に粒子速度１７０ｍ／ｓｅｃで吹き付けを行って第２の圧電層を形成した（第２の膜形成工程）。その後、６００℃で１時間アニーリングを行って厚さ１０μｍの圧電膜を形成した。
その他の成膜条件は、成膜チャンバー内圧力１５０Ｐａ、エアロゾル室内圧力３００００Ｐａ、ノズル開口サイズ１０ｍｍ×０．４ｍｍ、キャリアガス種類Ｈｅ、ノズル基板相対速度１．２ｍｍ／ｓｅｃ、ノズル−基板間距離１０〜２０ｍｍとした。
２）試験
得られた圧電膜について、室温でのＰ−Ｅヒステリシス、および絶縁破壊電圧の測定を行った。
得られた圧電膜について、室温でのＰ−Ｅヒステリシス、および絶縁破壊電圧の測定を行った。
＜比較例１−１＞
粒子速度を４００ｍ／ｓｅｃとし、１段階の膜形成工程で圧電膜を形成させた。その他の成膜条件は実施例１と同様とした。得られた圧電膜について、実施例１と同様にして試験を行った。
粒子速度を４００ｍ／ｓｅｃとし、１段階の膜形成工程で圧電膜を形成させた。その他の成膜条件は実施例１と同様とした。得られた圧電膜について、実施例１と同様にして試験を行った。
＜比較例１−２＞
粒子速度を１７０ｍ／ｓｅｃとし、１段階の膜形成工程で圧電膜を形成させた。その他の成膜条件は実施例１と同様とした。得られた圧電膜について、実施例１と同様にして試験を行った。
粒子速度を１７０ｍ／ｓｅｃとし、１段階の膜形成工程で圧電膜を形成させた。その他の成膜条件は実施例１と同様とした。得られた圧電膜について、実施例１と同様にして試験を行った。
[エアロゾルの噴射速度と圧電層の特性]
＜実施例２＞
粒子速度を１５０〜４５０ｍ／ｓｅｃの間で変化させ、１段階の膜形成工程でそれぞれ圧電膜を形成させた。その他の成膜条件は実施例１と同様とした。得られた圧電膜について、実施例１と同様にして試験を行った。
＜実施例２＞
粒子速度を１５０〜４５０ｍ／ｓｅｃの間で変化させ、１段階の膜形成工程でそれぞれ圧電膜を形成させた。その他の成膜条件は実施例１と同様とした。得られた圧電膜について、実施例１と同様にして試験を行った。
＜結果と考察＞
１．２層の圧電膜と単層の圧電膜との比較
１）密着性
密着性は、引張試験機による引張試験により測定した。具体的には、成膜した膜の表面に２５ｍｍ２の断面積の冶具を系接着剤を用いて接着し、これを引き剥がす試験を行った。
粒子速度４００ｍ／ｓｅｃ、１７０ｍ／ｓｅｃで２層の圧電膜を形成させた場合（実施例１）、粒子速度４００ｍ／ｓｅｃで１層の圧電膜を形成させた場合（比較例１）では、いずれも圧電膜が基板に強く密着していた。このとき圧電膜は２０ＭＰａ以上の密着力を有することが確認された。これに対し、粒子速度１７０ｍ／ｓｅｃとした比較例２については、成膜はなされたものの冶具を接着したときに基板との剥離が生じるほど基板との密着性が弱かった。
１．２層の圧電膜と単層の圧電膜との比較
１）密着性
密着性は、引張試験機による引張試験により測定した。具体的には、成膜した膜の表面に２５ｍｍ２の断面積の冶具を系接着剤を用いて接着し、これを引き剥がす試験を行った。
粒子速度４００ｍ／ｓｅｃ、１７０ｍ／ｓｅｃで２層の圧電膜を形成させた場合（実施例１）、粒子速度４００ｍ／ｓｅｃで１層の圧電膜を形成させた場合（比較例１）では、いずれも圧電膜が基板に強く密着していた。このとき圧電膜は２０ＭＰａ以上の密着力を有することが確認された。これに対し、粒子速度１７０ｍ／ｓｅｃとした比較例２については、成膜はなされたものの冶具を接着したときに基板との剥離が生じるほど基板との密着性が弱かった。
２）圧電特性
圧電膜の上にＡｕ蒸着により２ｍｍ×２ｍｍの上部電極を形成し、基板であるステンレス（ＳＵＳ４３０）板を下部電極とした圧電アクチュエータを構成した。この圧電アクチュエータの誘電特性を強誘電体ラスタを用いて測定し評価した。
粒子速度４００ｍ／ｓｅｃで１層の圧電膜を形成させた場合（比較例１）には、残留分極Ｐｒ＝２５μＣ／ｃｍ２、抗電界Ｅｃ＝１７０ｋＶ／ｃｍ、比誘電率ε０＝４８１であった。これに対し、粒子速度４００ｍ／ｓｅｃ、１７０ｍ／ｓｅｃで２層の圧電膜を形成させた場合（実施例１）では、残留分極Ｐｒが３５μＣ／ｃｍ２と、比較例１に比べて向上しており、抗電界Ｅｃについては６０ｋＶ／ｃｍと、比較例１に比べて大幅に向上していた。このときの比誘電率ε０は８４９であった。
なお、粒子速度１７０ｍ／ｓｅｃとした比較例２については、成膜はなされていたものの膜上に上部電極を形成したときに基板との剥離を生じたため、圧電特性の評価を行わなかった。
圧電膜の上にＡｕ蒸着により２ｍｍ×２ｍｍの上部電極を形成し、基板であるステンレス（ＳＵＳ４３０）板を下部電極とした圧電アクチュエータを構成した。この圧電アクチュエータの誘電特性を強誘電体ラスタを用いて測定し評価した。
粒子速度４００ｍ／ｓｅｃで１層の圧電膜を形成させた場合（比較例１）には、残留分極Ｐｒ＝２５μＣ／ｃｍ２、抗電界Ｅｃ＝１７０ｋＶ／ｃｍ、比誘電率ε０＝４８１であった。これに対し、粒子速度４００ｍ／ｓｅｃ、１７０ｍ／ｓｅｃで２層の圧電膜を形成させた場合（実施例１）では、残留分極Ｐｒが３５μＣ／ｃｍ２と、比較例１に比べて向上しており、抗電界Ｅｃについては６０ｋＶ／ｃｍと、比較例１に比べて大幅に向上していた。このときの比誘電率ε０は８４９であった。
なお、粒子速度１７０ｍ／ｓｅｃとした比較例２については、成膜はなされていたものの膜上に上部電極を形成したときに基板との剥離を生じたため、圧電特性の評価を行わなかった。
３）耐電圧特性
上述した圧電アクチュエータの絶縁破壊電圧を微小電流計で測定し評価した。
粒子速度４００ｍ／ｓｅｃで１層の圧電膜を形成させた場合（比較例１）には、絶縁破壊電圧は５００ｋＶ／ｃｍであった。これに対し、粒子速度を４００ｍ／ｓｅｃ（第１の膜形成工程）、１７０ｍ／ｓｅｃ（第２の膜形成工程）と変化させて２層の圧電膜を形成させた場合（実施例１）では、絶縁破壊電圧は４５０ｋＶ／ｃｍであった。このように、低い粒子速度で形成させた第２の圧電層を積層している実施例１においては、絶縁破壊特性がわずかに低下したものの、高い粒子速度で形成させた層のみで構成される比較例１とほぼ遜色ない耐電圧特性が得られた。
なお、粒子速度１７０ｍ／ｓｅｃとした比較例２については、基板との剥離を生じたため、圧電特性の評価を行わなかった。
上述した圧電アクチュエータの絶縁破壊電圧を微小電流計で測定し評価した。
粒子速度４００ｍ／ｓｅｃで１層の圧電膜を形成させた場合（比較例１）には、絶縁破壊電圧は５００ｋＶ／ｃｍであった。これに対し、粒子速度を４００ｍ／ｓｅｃ（第１の膜形成工程）、１７０ｍ／ｓｅｃ（第２の膜形成工程）と変化させて２層の圧電膜を形成させた場合（実施例１）では、絶縁破壊電圧は４５０ｋＶ／ｃｍであった。このように、低い粒子速度で形成させた第２の圧電層を積層している実施例１においては、絶縁破壊特性がわずかに低下したものの、高い粒子速度で形成させた層のみで構成される比較例１とほぼ遜色ない耐電圧特性が得られた。
なお、粒子速度１７０ｍ／ｓｅｃとした比較例２については、基板との剥離を生じたため、圧電特性の評価を行わなかった。
２．噴射速度と圧電層の特性
粒子の基板への密着性に関しては、噴射速度が１５０ｍ／ｓ未満では、粒子が基板上にきわめて付着しにくく、成膜速度がきわめて遅かった。噴射速度が１５０ｍ／ｓ以上では、粒子が基板上に付着するための必要最低限の衝突エネルギーを確保でき、実用的な成膜速度を得ることができたが、ある程度の厚さの層が形成されるまでに時間を要した。噴射速度３００ｍ／ｓ以上では、粒子が基板上、あるいは基板に既に付着している粒子層に強く密着し、短時間で厚みのある層が形成された。なお、噴射速度が４５０ｍ／ｓを超えると、密着性については全く問題がなかったが、形成された層の内部応力により基板が弾性変形する状態が確認された。
一方、圧電特性に関しては、噴射速度が２００ｍ／ｓを超えるとやや低下した。
これらの結果から、基板との密着性を充分に確保したい第１の圧電層の形成においては、噴射速度を３００ｍ／ｓ以上とすることが好ましく、特に、層自身が内部応力により割れることを防止するためには、４５０ｍ／ｓ以下とすることが好ましいことがわかった。また、実用的な膜の形成速度および密着性を確保しつつ圧電特性を向上させたい第２の圧電層の形成においては、噴射速度を１５０ｍ／ｓ以上３００ｍ／ｓ未満、特に１５０ｍ／ｓ以上２００ｍ／ｓ以下とすることが好ましいことがわかった。
粒子の基板への密着性に関しては、噴射速度が１５０ｍ／ｓ未満では、粒子が基板上にきわめて付着しにくく、成膜速度がきわめて遅かった。噴射速度が１５０ｍ／ｓ以上では、粒子が基板上に付着するための必要最低限の衝突エネルギーを確保でき、実用的な成膜速度を得ることができたが、ある程度の厚さの層が形成されるまでに時間を要した。噴射速度３００ｍ／ｓ以上では、粒子が基板上、あるいは基板に既に付着している粒子層に強く密着し、短時間で厚みのある層が形成された。なお、噴射速度が４５０ｍ／ｓを超えると、密着性については全く問題がなかったが、形成された層の内部応力により基板が弾性変形する状態が確認された。
一方、圧電特性に関しては、噴射速度が２００ｍ／ｓを超えるとやや低下した。
これらの結果から、基板との密着性を充分に確保したい第１の圧電層の形成においては、噴射速度を３００ｍ／ｓ以上とすることが好ましく、特に、層自身が内部応力により割れることを防止するためには、４５０ｍ／ｓ以下とすることが好ましいことがわかった。また、実用的な膜の形成速度および密着性を確保しつつ圧電特性を向上させたい第２の圧電層の形成においては、噴射速度を１５０ｍ／ｓ以上３００ｍ／ｓ未満、特に１５０ｍ／ｓ以上２００ｍ／ｓ以下とすることが好ましいことがわかった。
４．まとめ
以上のように、高い噴射速度で形成させた第１の圧電層と、低い噴射速度で形成させた第２の圧電層を積層することで、基板への密着性、圧電特性、耐電圧特性をともに満足する圧電膜が得られることがわかった。
以上のように、高い噴射速度で形成させた第１の圧電層と、低い噴射速度で形成させた第２の圧電層を積層することで、基板への密着性、圧電特性、耐電圧特性をともに満足する圧電膜が得られることがわかった。
２...粒子
３...エアロゾル
４...基板
５...第１の圧電層
６...第２の圧電層
７、４６...圧電膜
４４...アクチュエータプレート
４５...振動板（導電性基板）
４７...電極層
３...エアロゾル
４...基板
５...第１の圧電層
６...第２の圧電層
７、４６...圧電膜
４４...アクチュエータプレート
４５...振動板（導電性基板）
４７...電極層
Claims (14)
- 圧電材料の粒子を含むエアロゾルを金属製の基板に吹き付けて前記粒子を付着させることで前記基板上に圧電膜を形成する圧電膜の製造方法であって、
前記基板上に第１の圧電層を形成させる第１の膜形成工程と、
前記粒子の前記基板への衝突エネルギーが前記第１の膜形成工程よりも小さくなるように吹き付けを行って前記第１の圧電層上に第２の圧電層を形成させる第２の膜形成工程とを経ることを特徴とする圧電膜の製造方法。 - 前記第２の膜形成工程において前記エアロゾル中の粒子濃度が前記第１の膜形成工程よりも低いことを特徴とする請求項１に記載の圧電膜の製造方法。
- 前記第２の膜形成工程において前記エアロゾルの噴射速度が前記第１の膜形成工程よりも小さいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧電膜の製造方法。
- 前記第２の膜形成工程において前記エアロゾルの前記基板への吹き付け角度が前記第１の膜形成工程よりも小さいことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の圧電膜の製造方法。
- 前記第１の膜形成工程における前記エアロゾルの噴射速度を３００ｍ／ｓｅｃ以上とし、前記第２の膜形成工程における前記エアロゾルの噴射速度を１５０ｍ／ｓｅｃ以上３００ｍ／ｓｅｃ未満とすることを特徴とする請求項３に記載の圧電膜の製造方法。
- 前記第１の膜形成工程における前記エアロゾルの噴射速度を３００ｍ／ｓｅｃ以上４５０ｍ／ｓｅｃ以下とし、前記第２の膜形成工程における前記エアロゾルの噴射速度を１５０ｍ／ｓｅｃ以上２００ｍ／ｓｅｃ以下とすることを特徴とする請求項３に記載の圧電膜の製造方法。
- 前記第２の膜形成工程後に、前記粒子の前記基板への衝突エネルギーが前記第２の膜形成工程よりも大きくなるように吹き付けを行って前記第２の圧電層上に第３の圧電層を形成させる第３の膜形成工程とを経ることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の圧電膜の製造方法。
- 前記膜形成工程が全て終了した後に、前記圧電膜を加熱するアニール処理工程を行うことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載の圧電膜の製造方法。
- 圧電材料の粒子を含むエアロゾルを、正負一対の電極のうち一方の電極を構成する金属製の基板に吹き付けて前記粒子を付着させることで前記基板上に圧電膜を形成する圧電アクチュエータの製造方法であって、
前記基板上に第１の圧電層を形成させる第１の膜形成工程と、
前記粒子の前記基板への衝突エネルギーが前記第１の膜形成工程よりも小さくなるように吹き付けを行って前記第１の圧電層上に第２の圧電層を形成させる第２の膜形成工程と、
前記第２の圧電層上に前記一対の電極のうち他方の電極を構成する電極層を形成させる電極層形成工程を経ることを特徴とする圧電アクチュエータの製造方法。 - 前記第２の膜形成工程後に、前記粒子の前記基板への衝突エネルギーが前記第２の膜形成工程よりも大きくなるように吹き付けを行って前記第２の圧電層上に第３の圧電層を形成させ、この第３の圧電層上に前記電極層を形成させることを特徴とする請求項９に記載の圧電アクチュエータの製造方法。
- 前記膜形成工程が全て終了した後に、前記圧電膜を加熱するアニール処理工程を行うことを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の圧電アクチュエータの製造方法。
- 金属製の基板と、この基板上に圧電材料の粒子を含むエアロゾルを吹き付けて前記粒子を付着させることで形成された圧電膜とを備えた基板と圧電膜との積層構造であって、
前記圧電膜は、互いに前記エアロゾルの前記基板への衝突エネルギーを変化させることによって形成される複数の異なる層が積層されてなり、
前記複数の層のうち前記基板に接する層を形成する際の前記エアロゾルの衝突エネルギーがその他の層を形成する際の前記エアロゾルの衝突エネルギーよりも大きいことを特徴とする基板と圧電膜との積層構造。 - 前記複数の層が積層された前記圧電膜は、前記基板との密着力が２０ＭＰａ以上であり、比誘電率が８００以上であり、耐電圧が３５０ｋｖ／ｃｍ以上であることを特徴とする請求項１２に記載の基板と圧電膜との積層構造。
- 金属製の基板と、この基板上に圧電材料の粒子を含むエアロゾルを吹き付けて前記粒子を付着させることで形成された圧電膜とを備えた圧電アクチュエータであって、
前記圧電膜は、前記基板上に形成された第１の圧電層と、前記第１の圧電層上に形成された第２の圧電層とを備えており、
前記第１の圧電層を構成する粒子は、この粒子の前記基板への衝突エネルギーが前記第２の膜形成工程よりも大きくなるように吹き付けを行うことにより前記第２の圧電層を構成する粒子よりも細かく砕かれていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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