JP4962663B2 - アクチュエータ、及びアクチュエータを駆動する方法 - Google Patents
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Description
本発明は、圧電体薄膜を備えるアクチュエータ、及びアクチュエータを駆動する方法に関する。
図１０Ａおよび図１０Ｂは、従来のアクチュエータの構造および駆動方法を示す。
図１０Ａに示されるように、従来のアクチュエータ１０１は、基板１０３、第１電極１０５、圧電体層１０７、および第２電極１０９を、この順に具備している。積層体１１１は、基板１０３、第１電極１０５、圧電体層１０７、および第２電極１０９から構成されている。積層体１１１の一端部は、支持体１１３により固定されている。
図１０Ｂに示されるように、電源１２１により第１電極１０５と第２電極１０９との間に電位差が印加される。当該電位差が、圧電体層１０７の面内方向に電歪をもたらす。その結果、Ｘ方向に圧電体層１０７が伸びる。一方、基板１０３は伸びないままである。このようにして、アクチュエータ１０１の他端部が−Ｚ方向に変位する。
しかし、従来のアクチュエータに電位差が印加されると、圧電効果による応力が圧電体層１０７の面内で均一に発生する。このため、図５Ａに示されるように、Ｘ方向だけでなくＹ方向にも圧電体層１０７が伸びる。その結果、他端部はＹ方向に湾曲した形状に変形してしまう。
本発明の目的は、不要な変形が抑制されたアクチュエータを駆動する方法を提供することである。
本発明は、アクチュエータを駆動する方法であって、以下の工程（ａ）〜（ｂ）を具備する方法を提供する。
アクチュエータを用意する工程（ａ）。
ここで、アクチュエータは、第１電極、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3から構成される圧電体層、および第２電極を具備しており、圧電体層は、第１電極および第２電極の間に挟まれており、＋Ｘ方向、＋Ｙ方向、＋Ｚ方向は、それぞれ、［１００］方向、［０１−１］方向、および［０１１］方向であり、圧電体層は、＋Ｚ方向に優先配向している。
第１電極および第２電極との間に電位差を印加し、前記アクチュエータを駆動させる工程（ｂ）。
本発明は、Ｙ方向に沿った小さい変化量と比較して、Ｘ方向に沿った大きい変位量を有するアクチュエータを駆動する方法を提供する。
本発明の実施の形態が、図面を参照して以下、説明される。
（実施の形態１）
図１は、本実施の形態１によるアクチュエータ１を示す。アクチュエータ１は、積層体１１、支持体１３、および第３電極２５を具備する。図３に示されるように、積層体１１は、基板３、第１電極５、圧電体層７、および第２電極９をこの順に具備する。
図１は、本実施の形態１によるアクチュエータ１を示す。アクチュエータ１は、積層体１１、支持体１３、および第３電極２５を具備する。図３に示されるように、積層体１１は、基板３、第１電極５、圧電体層７、および第２電極９をこの順に具備する。
支持体１３の例は、酸化された表面を有するシリコン基板である。第３電極２５の例は、Ａｕ層およびＴｉ層から構成される積層電極である。当該積層電極は、Ａｕ薄膜が連続的に蒸着されたＴｉ薄膜をドライエッチング法によりパターニングすることによって形成され得る。第３電極２５は支持体１３上に配置されることを必要としない。ＬＸおよびＬＹはアクチュエータ１のＸ方向の長さおよびＹ方向の幅である。
図２は、座標軸の定義のための説明図である。図２に示されるように、＋Ｘ方向、＋Ｙ方向、＋Ｚ方向は、それぞれ、［１００］軸方向、［０１−１］軸方向、および［０１１］軸方向である。
図２において、平行四辺形ＡＢＣＤは、（１１０）面配向を有する。当該平行四辺形ＡＢＣＤは、［０１１］軸方向（すなわち、＋Ｚ方向）の法線を有する。
図３は、アクチュエータ１のＡ−Ａ’断面図を示す。基板３の材料の例は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）またはチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）であり得る。後述される圧電体層７の＋Ｚ方向への優先配向を考慮すれば、ＭｇＯ（１１０）基板が好ましい。
第１電極５は、＋Ｚ方向に優先配向している。第１電極５は、例えば、金属薄膜または酸化物導電体薄膜から構成され得る。２層以上の薄膜が用いられ得る。金属は、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、および金（Ａｕ）を包含する。酸化物導電体は、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、酸化ルテニウム（ＲｕＯ２）、酸化イリジウム（ＩｒＯ２）、ルテニウム酸ストロンチウム（ＳｒＲｕＯ３）、およびニッケル酸ランタン（ＬａＮｉＯ３）を包含する。
圧電体層７は、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ３から構成される。圧電体層７は、少量のマンガンおよび鉄のような不純物を含み、圧電体層７の特性を改善し得る。圧電体層７は、＋Ｚ方向、すなわち［０１１］軸方向に優先配向している。このことは、本発明を特徴付ける。圧電体層７は、スパッタリング法により形成され得る。
好ましくは、第２電極９は金から形成される。
第１電極５は、第３電極２５と電気的に接続されている。第３電極２５は第１電極５に電圧を印加するために設けられ得る。しかし、第３電極２５は必須ではない。支持体１３は積層体１１の一端部を固定している。支持体１３は積層体１１に接着され得る。エポキシ樹脂または半田も用いられ得る。基板３の一部がエッチングされて、支持体１３を形成し得る。
実施の形態１によるアクチュエータ１は、第１電極５、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ３から構成される圧電体層７、および第２電極９を具備している。圧電体層７は、前記第１電極５および前記第２電極９の間に挟まれている。第１電極５および第２電極９との間に電圧が印加され、アクチュエータ１を駆動する。ＸＺ面の断面において、積層体１１の一端部は固定される一方、他端部はＺ方向に変位する。
以下、アクチュエータ１を駆動する方法が記述される。
図４Ａ、図４Ｂはアクチュエータ１の動作を示す。
図４Ａに示されるように、第１電極５に印加される電圧が、第２電極９に印加される電圧よりも低い場合、アクチュエータ１の他端部は−Ｚ方向に変位する。
図４Ｂに示されるように、第１電極５に印加される電圧が、第２電極９に印加される電圧よりも高い場合、アクチュエータ１の他端部は＋Ｚ方向に変位する。
しかし、第１電極５および第２電極９との間に電圧が印加されると、図５Ａに示されるように、アクチュエータ１の他端部はＹ方向にも変形する。
本明細書において用いられる用語「変位」は、＋Ｚ方向または−Ｚ方向への動作を意味する。これは、アクチュエータに求められる好ましい機能を意味する。一方、本明細書において用いられる用語「変形」は、ＹＺ面内での湾曲を意味する。これは、アクチュエータに求められない、好ましくない機能を意味する。すなわち、大きな変位かつ小さな変形が求められる。
図５Ｂはアクチュエータ１のＸＺ面における断面図である。図５Ｂは、他端部の変位量を説明するために用いられる。図５Ｂにおいて、ｄｚは、アクチュエータ１に電位差が印加されていないときの他端部の位置と、電位差が印加されたときのその位置との間の、Ｚ方向に沿った長さである。
図５Ｃはアクチュエータ１のＹＺ面における断面図である。図５Ｃは、他端部の変形量を説明するために用いられる。図５Ｃにおいては、電位差がアクチュエータ１に印加されている。
破線は、＋Ｘ方向からアクチュエータ１が見られたときに、アクチュエータ１の中央部が、アクチュエータ１の両端を結ぶ線分上に存在する理想的な状態（以下、「非変形状態」という）を示す。一方、図５Ｃにおいて、実線は、＋Ｘ方向から見たときに、アクチュエータ１の中央部が、アクチュエータ１の両端を結ぶ線分上に存在しない実際の状態（以下、「変形状態」という）を示す。
図５Ｃに示されるように、非変形状態におけるアクチュエータ１の両端は、変形状態におけるアクチュエータ１の両端に一致する。一方、非変形状態におけるアクチュエータ１の中央部は、変形状態におけるアクチュエータ１の中央部に一致しない。これらの中央部の位置の差が、ｈｚとして定義される。
すなわち、ｈｚは、電位差が印加されたアクチュエータ１が＋Ｘ方向から見られたときに、アクチュエータ１の両端を結ぶ架空の線分の中央部と、アクチュエータ１の中央部との間の、Ｚ方向に沿った長さである。
ｈＺ／ｄＺの小さい値を有するアクチュエータ１が求められる。具体的には、ｈＺ／ｄＺの値は０．１以下である。ｈＺ／ｄＺの値が０．１を超えると、アクチュエータ１の他端部が破損し得る。
より大きいＬＹを有するアクチュエータ１は、より大きい駆動力を有する。より小さいＬＸを有するアクチュエータ１は、より大きい剛性を有する。従って、ＬＹ／ＬＸの値がより大きいことが好ましい。具体的には、ＬＹ／ＬＸの値は０．１以上であることが好ましい。
基板３の大きさを考慮すれば、ＬＹの最大値はおよそ２０ｍｍである。ＬＹが２０ｍｍである場合、圧電体層７の切り出しを考慮すれば、ＬＸの最小値はおよそ１ｍｍである。従って、ＬＹ／ＬＸの値は２０以下が好ましい。
一方で、ＬＹを大きくすると、ｈＺ／ｄＺの値も大きくなる。これは矛盾である。
本アクチュエータ１は、圧電体層７が＋Ｚ方向に優先配向し、Ｘ方向の一端部が固定されており、他端部がＺ方向に変位することによって特徴付けられる。これが、ＬＹ／ＬＸの値が同一である場合でも、他のアクチュエータよりも本発明のアクチュエータのｈＺ／ｄＺの値を小さくすることを可能にする。
以下の実施例は、本発明をより詳細に説明する。
（実施例１）
実施例１では、図１によるアクチュエータが以下のように作成された。
実施例１では、図１によるアクチュエータが以下のように作成された。
［積層体１１の作成］
（１１０）面配向および０．５ｍｍの厚みを有するＭｇＯ単結晶基板の表面に、ＲＦマグネトロンスパッタリングにより、［０１１］軸方向および２５０ｎｍの厚みを有するＰｔ層が形成された。当該ＭｇＯ単結晶基板および当該Ｐｔ層は、それぞれ、基板３および第１電極５に対応する。
（１１０）面配向および０．５ｍｍの厚みを有するＭｇＯ単結晶基板の表面に、ＲＦマグネトロンスパッタリングにより、［０１１］軸方向および２５０ｎｍの厚みを有するＰｔ層が形成された。当該ＭｇＯ単結晶基板および当該Ｐｔ層は、それぞれ、基板３および第１電極５に対応する。
ＲＦマグネトロンスパッタリングの条件は以下に記述される。
ターゲット：金属Ｐｔ
雰囲気：アルゴン（Ａｒ）ガス
ＲＦ出力：１５Ｗ
基板温度：摂氏３００度
次に、第１電極５の表面に、ＲＦマグネトロンスパッタリングにより、２．７μｍの厚みを有する（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ３層が堆積され、圧電体層７が形成された。
雰囲気：アルゴン（Ａｒ）ガス
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次に、第１電極５の表面に、ＲＦマグネトロンスパッタリングにより、２．７μｍの厚みを有する（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ３層が堆積され、圧電体層７が形成された。
ＲＦマグネトロンスパッタリングの条件は以下に記述される。
ターゲット：上記の組成物
雰囲気：Ａｒ／Ｏ２の流量比が５０／５０であるＡｒと酸素との混合ガス
ＲＦ出力：１７０Ｗ
基板温度：摂氏６５０度
圧電体層７の結晶構造が、Ｘ線回折により解析された。図６は、Ｘ線回折プロファイルの結果を示す。ＭｇＯ基板およびＰｔ層の反射ピークを除き、（１１０）面配向、（すなわち［０１１］軸方向、図２を参照）を有する（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ３層の反射ピークのみが観察された。当該（１１０）反射ピークの強度は、２５５，９５６ｃｐｓと非常に強かった。図６に示されるプロファイルは、本実施例１による圧電体層７が極めて強い＋Ｚ方向の配向を有することを意味する。
雰囲気：Ａｒ／Ｏ２の流量比が５０／５０であるＡｒと酸素との混合ガス
ＲＦ出力：１７０Ｗ
基板温度：摂氏６５０度
圧電体層７の結晶構造が、Ｘ線回折により解析された。図６は、Ｘ線回折プロファイルの結果を示す。ＭｇＯ基板およびＰｔ層の反射ピークを除き、（１１０）面配向、（すなわち［０１１］軸方向、図２を参照）を有する（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ３層の反射ピークのみが観察された。当該（１１０）反射ピークの強度は、２５５，９５６ｃｐｓと非常に強かった。図６に示されるプロファイルは、本実施例１による圧電体層７が極めて強い＋Ｚ方向の配向を有することを意味する。
最後に、圧電体層７の表面に、蒸着により１００ｎｍの厚みを有するＡｕ層が形成された。当該Ａｕ層は、第２電極９に対応する。このようにして、積層体１１が作製された。
［圧電性能の評価］
積層体１１の圧電性能は、以下のように評価された。
積層体１１の圧電性能は、以下のように評価された。
積層体１１は切り出されて、各々２０ｍｍの長さおよび２ｍｍの幅を有する数枚の板を形成した。当該板が支持体１３に接着され、カンチレバーが調製された。
図７Ａは、Ｘ方向に沿った電歪を利用するカンチレバーを示す。ｄＺ１はカンチレバーの一端部の−Ｚ方向に沿った変位量である。
図７Ｂは、Ｙ方向に沿った電歪を利用するカンチレバーを示す。ｄＺ２はカンチレバーの一端部の−Ｚ方向に沿った変位量である。
第１電極５および第２電極９の間に電位差が印加されたときに、カンチレバーの一端部の変位量がレーザー変位計により測定された。図８Ａおよび図８Ｂはその結果を示す。
図８Ａは、電位差（印加電圧）の横軸、およびｄＺ１の縦軸を有するグラフを示す。図８Ｂは、電位差（印加電圧）の横軸、およびｄＺ２の縦軸を有するグラフを示す。
図８Ａおよび図８Ｂから理解されるように、ｄｚ１は、ｄＺ２よりもずっと大きい。すなわち、Ｘ方向の一端が固定されたカンチレバーは、極めて大きな変位量（ｄｚ１）を有する。一方、Ｙ方向の一端が固定されたカンチレバーは、極めて小さい変位量（ｄｚ２）を有する。本発明はこの知見に基づく。
１０Ｖの電位差が印加された時の変位量が圧電定数ｄ３１に変換された。図８Ａによる圧電定数ｄ３１は−１３０ｐＣ／Ｎであった、一方、図８Ｂによる圧電定数ｄ３１は−１０ｐＣ／Ｎであった。［０１１］軸配向を有する（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ３層７は、大きな異方性を有する圧電特性を具備した。具体的には、Ｘ方向に沿った圧電定数ｄ３１はＹ方向に沿った圧電定数ｄ３１の１０倍以上であった。
アクチュエータでは、印加電圧に対して変位量がヒステリシスを生じないことが望ましい。このことは、印加電圧を２０Ｖ以下にすることを必要とする。そのため、本実施例では、印加電圧の最大値は１０Ｖに設定された。
［アクチュエータの作成］
より大きい変位量を得るため、ＭｇＯ単結晶基板は研磨され、その厚みを５０μｍにされた。第３電極２５を具備する支持体１３上に、積層体１１から切り出された板がエポキシ樹脂により接着され、積層体１１を固定した。第１電極５は、銀ペーストにより第３電極２５に電気的に接続された。このようにして、アクチュエータ１が作成された。図８Ａと同様に、変位量ｄＺ１がレーザー変位計により測定された。図９はその結果を示す。
より大きい変位量を得るため、ＭｇＯ単結晶基板は研磨され、その厚みを５０μｍにされた。第３電極２５を具備する支持体１３上に、積層体１１から切り出された板がエポキシ樹脂により接着され、積層体１１を固定した。第１電極５は、銀ペーストにより第３電極２５に電気的に接続された。このようにして、アクチュエータ１が作成された。図８Ａと同様に、変位量ｄＺ１がレーザー変位計により測定された。図９はその結果を示す。
図９は、電位差の横軸、および変位量ｄＺ１の縦軸を有するグラフを示す。図９では、図７Ａと同様の軸方向が用いられた。電位差が１０Ｖであった場合、およそ２００μｍの大きな変位が得られた。
［ＬＹ／ＬＸの値とｈＺ／ｄＺの値の間の関係の調査］
積層体１１は切り出されて、様々な長さＬＸおよび様々な幅ＬＹを有する複数の板を形成した。当該板の一端部が固定され、様々なアクチュエータを調製した。
積層体１１は切り出されて、様々な長さＬＸおよび様々な幅ＬＹを有する複数の板を形成した。当該板の一端部が固定され、様々なアクチュエータを調製した。
表１は、実施例１によるアクチュエータ１が有するＬＹ／ＬＸの値とｈＺ／ｄＺの値の間の関係を示す。当該アクチュエータは、５０μｍの厚みを有するＭｇＯ単結晶基板３を具備していた。ｈＺは第１電極５と第２電極９との間の電位差が１０Ｖである時の測定値であった。
表１に示されるように、ＬＹ／ＬＸの値が増すと、ｈＺ／ｄＺの値が増す。駆動力を得るための最低条件が充足されるようなＬＹ／ＬＸの値が０．１である場合、ｈＺ／ｄＺの値は測定され得ないほど、非常に小さかった（＜０．０１）。ＬＹ／ＬＸの値が２．０である場合でも、ｈＺ／ｄＺの値は０．１０であった。不等式ｈＺ／ｄＺ≦０．１が充足されていた。このように、本実施例１に係るアクチュエータは、より大きな変位量を有し、かつ、より小さな変形量を有していた。
（比較例１）
比較例１によるアクチュエータは、（１１０）面方位を有する基板３の代わりに、（１００）の面方位を有するＭｇＯ単結晶基板が用いられた。この事を除き、実施例１によるアクチュエータと同様に作成された。基板３の（１００）面方位に従って、第１電極５および圧電体層７はいずれも［００１］軸方向に沿って配向した。
比較例１によるアクチュエータは、（１１０）面方位を有する基板３の代わりに、（１００）の面方位を有するＭｇＯ単結晶基板が用いられた。この事を除き、実施例１によるアクチュエータと同様に作成された。基板３の（１００）面方位に従って、第１電極５および圧電体層７はいずれも［００１］軸方向に沿って配向した。
実施例１と同様に、圧電定数ｄ３１が評価された。比較例１による圧電体層７の圧電定数ｄ３１は面内である［１００］軸方向に沿って−１３０ｐＣ／Ｎであった。［１００］軸方向に直交する［０１０］軸方向に沿った圧電定数ｄ３１もまた、−１３０ｐＣ／Ｎであった。これは、比較例１による圧電体層７が面内における等方的な圧電特性を有していたことを意味する。
表２は、比較例１によるアクチュエータのＬＹ／ＬＸの値とｈＺ／ｄＺの値との間の関係を示す。
圧電特性が等方的であるため、表２においては、ＬＹ／ＬＸの値が同一である場合、ｈＺ／ｄＺの値は表１のそれより大きかった。このため、ｈＺ／ｄＺの値が０．１未満であることを満たすＬＹ／ＬＸの上限値はおよそ０．５であった。当該上限値は、実施例１によるＬＹ／ＬＸの上限値（およそ２．０）の１／４であった。さらに、比較例１によるアクチュエータは、実施例１によるアクチュエータと比較して、およそ１／４の駆動力しか有さなかった。
以上より、（１１０）面方位を有する基板３を用いて作成した実施例１のアクチュエータは、（１００）面方位を有する基板３で作成した比較例１のアクチュエータよりも、ＬＹ／ＬＸ、ｈＺ／ｄＺの値が優れた圧電性能を示すことが分かる。
本発明によるアクチュエータは、その大きな駆動力のため、Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ（ＭＥＭＳ）に好適に用いられ得る。
１，１０１ アクチュエータ
３，１０３ 基板
５，１０５ 第１電極
７，１０７ 圧電体層
９，１０９ 第２電極
１１，１１１ 積層体
１３，１１３ 支持体
２１，１２１ 電源
２５ 第３電極
３，１０３ 基板
５，１０５ 第１電極
７，１０７ 圧電体層
９，１０９ 第２電極
１１，１１１ 積層体
１３，１１３ 支持体
２１，１２１ 電源
２５ 第３電極
Claims (9)
- アクチュエータを駆動する方法であって、
前記アクチュエータを用意する工程（ａ）と、
前記アクチュエータは、第１電極、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3から構成される圧電体層、および第２電極を具備しており、
前記圧電体層は、前記第１電極および前記第２電極の間に挟まれており、
＋Ｘ方向、＋Ｙ方向、＋Ｚ方向は、それぞれ、［１００］方向、［０１−１］方向、および［０１１］方向であり、
前記アクチュエータのＸ方向の一端部が固定され、
前記圧電体層は、＋Ｚ方向に優先配向しており、
前記第１電極および前記第２電極との間に電位差を印加し、前記アクチュエータのＸ方向の他端部をＺ方向に変位させる工程（ｂ）とを、
含む方法。 - 前記アクチュエータは、さらに支持体を具備し、
前記第２電極は、前記支持体および前記圧電体層の間に挟まれている、
請求項１に記載の方法。 - 前記工程（ｂ）において、前記第１電極に印加される電圧が、前記第２電極に印加される電圧よりも低く、かつ
前記アクチュエータの他端部が−Ｚ方向に変位される、
請求項１に記載の方法。 - 前記工程（ｂ）において、前記第１電極に印加される電圧が、前記第２電極に印加される電圧よりも高く、かつ
前記アクチュエータの他端部が＋Ｚ方向に変位される、
請求項１に記載の方法。 - 前記工程（ｂ）において、前記第１電極に印加される電圧が、前記第２電極に印加される電圧よりも高く、かつ
前記アクチュエータの他端部が＋Ｚ方向に変位する、
請求項３に記載の方法。 - 前記工程（ｂ）において電位差が印加された前記アクチュエータが＋Ｘ方向から見られたときに、前記アクチュエータの両端を結ぶ線分の中央部と、前記アクチュエータの中央部との間の、Ｚ方向に沿った長さをｈzとし、
前記アクチュエータに前記電位差が印加されていないときの前記他端部の位置と、前記電位差が印加されたときの前記他端部の位置との間の、Ｚ方向に沿った長さをｄzとし、
ｈZ／ｄZの値が０．１以下である、
請求項１に記載の方法。 - 前記アクチュエータのＹ方向に沿った幅をＬY、前記アクチュエータのＸ方向に沿った長さをＬXとし、
ＬY／Ｌxの値が０．１以上２以下である、
請求項１に記載の方法。 - 前記アクチュエータのＹ方向に沿った幅をＬY、前記アクチュエータのＸ方向に沿った長さをＬXとし、
ＬY／Ｌxの値が０．１以上２以下である、
請求項６に記載の方法。 - 第１電極、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3から構成される圧電体層、および第２電極を具備しているアクチュエータであって、
前記圧電体層は、前記第１電極および前記第２電極の間に挟まれており、
＋Ｘ方向、＋Ｙ方向、＋Ｚ方向は、それぞれ、［１００］方向、［０１−１］方向、および［０１１］方向であり、
前記アクチュエータのＸ方向の一端部が固定され、
前記圧電体層は、＋Ｚ方向に優先配向しており、
前記第１電極および前記第２電極との間に電位差を印加し、前記アクチュエータのＸ方向の他端部をＺ方向に変位させることを特徴とする、
アクチュエータ。
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