JP5526704B2

JP5526704B2 - 圧電アクチュエータ

Info

Publication number: JP5526704B2
Application number: JP2009245439A
Authority: JP
Inventors: 龍太茂谷; 誠志佐々木
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2009-10-26
Filing date: 2009-10-26
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2029-10-26
Also published as: JP2011091310A

Description

本発明は、圧電アクチュエータに関する。

圧電アクチュエータとして、基板と、基板上に配置され、セラミック材料からなるダミー層と、ダミー層上に配置された第１の電極層と、第１の電極層上に配置され、セラミック材料からなる圧電層と、圧電層上に配置された第２の電極層と、を備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−５４９４６号公報

しかしながら、上述の特許文献１に記載された圧電アクチュエータは、ダミー層と基板との間や第１の電極層と圧電層との間で剥離が生じやすいという問題点を有している。具体的には、特許文献１記載の圧電アクチュエータでは、ダミー層及び圧電層はセラミック材料からなるため、ダミー層及び圧電層を焼成により得る際に、セラミック材料が焼結してダミー層及び圧電層は収縮することとなる。このため、ダミー層と基板との間や第１の電極層を圧電層との間では収縮差による応力が生じ、この応力に起因して剥離が生じる恐れがある。

本発明は、ダミー層と基板との間及び第１の電極層と圧電層との間での剥離の発生を防ぐことが可能な圧電アクチュエータを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る圧電アクチュエータは、基板と、基板上に配置され、セラミック材料からなるダミー層と、ダミー層上に配置された第１の電極層と、第１の電極層上に配置され、セラミック材料からなる圧電層と、圧電層上に配置された第２の電極層と、を備え、ダミー層及び圧電層は、それぞれ一般式ＡＢＯ_３で表されるペロブスカイト構造を有する化合物により形成され、ダミー層を形成する化合物のＡサイト成分とＢサイト成分とのモル比（Ａ／Ｂ）は、圧電層を形成する化合物のＡサイト成分とＢサイト成分とのモル比よりも小さいことを特徴とする。

この圧電アクチュエータでは、ダミー層を形成する化合物のＡサイト成分とＢサイト成分とのモル比が、圧電層を形成する化合物のＡサイト成分とＢサイト成分とのモル比よりも小さいことで、ダミー層の焼結性が圧電層の焼結性よりも低くなり、ダミー層の焼結による収縮が圧電層の焼結による収縮よりも小さくなる。したがって、ダミー層と基板との間及び第１の電極層と圧電層との間において収縮差により生じる応力が小さくなり、ダミー層と基板との間及び第１の電極層と圧電層との間での剥離の発生を防ぐことができる。

本発明によれば、ダミー層と基板との間及び第１の電極層と圧電層との間での剥離の発生を防ぐことが可能な圧電アクチュエータが提供される。

本実施形態に係る圧電アクチュエータの断面構成を示す図である。本実施形態の変形例に係る圧電アクチュエータの断面構成を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

図１を参照して、本実施形態に係る圧電アクチュエータ１の構成について説明する。図１は、本実施形態に係る圧電アクチュエータの断面構成を示す図である。

圧電アクチュエータ１は、基板３と、ダミー層５と、第１の電極層７と、圧電層９と、第２の電極層１１と、を備えている。

基板３は、ステンレス鋼からなる。基板３は、ステンレス鋼以外の材料にて構成されていてもよく、例えば、Ｓｉ又はジルコニア（ＺｒＯ_２）等の基板であってもよい。コストメリットから、基板３はステンレス鋼であることが好ましい。

ダミー層５は、基板３上に配置されており、セラミック材料である一般式ＡＢＯ_３で表されるペロブスカイト構造を有する化合物により形成され、本実施形態では、主としてチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる材料が好適に用いられ、具体的には、（Ｐｂ_{０．９８８}Ｓｒ_０．０２）［（Ｚｎ_１／３Ｎｂ_２／３）_０．１Ｔｉ_０．４３Ｚｒ_０．４７］Ｏ_３が用いられる。ダミー層５は、エアロゾルデポジション法やスパッタ法といった既知の手法を用いることにより、基板３上に形成されている。ダミー層５は、後述する熱処理の際に、ステンレス鋼に含まれるＦｅ及びＣｒが圧電層９へ拡散するのを防止する。

第１の電極層７は、ダミー層５上に配置されている。第１の電極層７は、スパッタ法等の既知の手法を用いることにより、ダミー層５上に形成されている。第１の電極層７は、Ｐｔからなる。第１の電極層７は、Ｐｔ以外の金属にて構成されていてもよく、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｃｕ、又はこれらの合金にて構成されていてもよい。

圧電層９は、第１の電極層７上に配置されており、圧電セラミック材料である一般式ＡＢＯ_３で表されるペロブスカイト構造を有する化合物により形成され、圧電層９としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）が好適に用いられ、また、ＰＺＴに添加物を添加した材料を用いることもできる。本実施形態では、圧電層９として、（Ｐｂ_{０．９８８}Ｓｒ_０．０２）［（Ｚｎ_１／３Ｎｂ_２／３）_０．１Ｔｉ_０．４３Ｚｒ_０．４７］Ｏ_３が用いられる。圧電層９は、ダミー層５と同様に、エアロゾルデポジション法やスパッタ法といった既知の手法を用いることにより、第１の電極層７上に形成されている。

第２の電極層１１は、圧電層９上に配置されている。第２の電極層１１は、第１の電極層７と同様に、スパッタ法等の既知の手法を用いることにより、圧電層９上に形成されている。第２の電極層１１も、Ｐｔ以外の金属にて構成されていてもよく、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｃｕ、又はこれらの合金にて構成されていてもよい。

続いて、上述した構成の圧電アクチュエータ１の製造方法について説明する。

まず、基板３を用意し、エアロゾルデポジション法により、基板３上にダミー層５となるセラミック層を形成する。ダミー層５となるセラミック層の厚みは０．５〜６μｍ、より好ましくは２〜５μｍに設定することができる。そして、ダミー層５となるセラミック層上に、スパッタ法により、第１の電極層７となる金属層を形成する。

次に、ダミー層５となるセラミック層及び第１の電極層７となる金属層を積層した基板３に対して事前熱処理を施す。この事前熱処理は、例えば、５５０〜６５０℃の温度範囲で、０．５〜１時間行うことができる。この事前熱処理を施すことによって、ダミー層５となるセラミック層及び電極層７となる金属層の形成時に発生した応力が緩和されることで、ダミー層５となるセラミック層と基板３との間、及びダミー層５となるセラミック層と第１の電極層７となる金属層との間の密着性が向上する。

次に、事前熱処理後の第１の電極層７となる金属層上に、エアロゾルデポジション法により、圧電層９となるセラミック層を形成する。これらの工程により、基板３上に、上述したセラミック層と金属層との積層体が形成されることとなる。

次に、上記積層体に基板３と共に熱処理を施す。熱処理は、例えば、８００〜９００℃の温度範囲で、０．５〜１時間行うことができる。これにより、各セラミック層が焼結し、それぞれダミー層５と圧電層９とになる。すなわち、ダミー層５と圧電層９とは、同時熱処理（焼成）により形成される。

次に、圧電層９なるセラミック層上に、スパッタ法により、第２の電極層１１となる金属層を形成する。なお、上述の第１の電極層７となる金属層及び第２の電極層１１となる金属層の形成方法はスパッタ法とは異なる方法でもよく、例えば印刷法を用いることができる。

その後、圧電層９に分極処理を施す。分極処理とは、所定の条件下（例えば、１００〜２００℃の温度範囲に加熱する）で圧電層９に対し所定の直流電界（例えば、３〜４ｋＶ／ｍｍ）を加えて圧電層９の内部の電気双極子を一定方向に揃える処理をいう。これにより、圧電層９は圧電特性を有することとなる。

ここで、それぞれセラミック材料からなるダミー層５及び圧電層９との焼結性について説明する。

ダミー層５及び圧電層９は、上述のように、基板３と、この基板３上の積層体に対して熱処理を施すことによってセラミック層が焼結することで形成される。ここで各セラミック層の焼結による収縮の大きさは、ダミー層５及び圧電層９の焼結性に応じて変化する。すなわち、焼結性が低く設定された層は焼結による収縮が小さくなる。

しかしながら、圧電層９は、所望の圧電特性を得るために、所定の焼結性が必要とされる。すなわち、圧電層９は、所定の焼結性が確保されない場合には、圧電特性が低下することとなる。ここで、ダミー層５の焼結性が圧電層９の焼結性と同等に設定されていると、ダミー層５の焼結による収縮も、圧電層９の焼結による収縮と同程度となる。このため、第１の電極層７と圧電層９との間において収縮差により生じる応力が小さくなり、第１の電極層７と圧電層９との間での剥離の発生を防ぐことができるものの、ダミー層５と基板３との間において収縮差により生じる応力が大きくなり、ダミー層５と基板３との間で剥離が発生する懼れがある。

一方、ダミー層５が収縮し難いと、ダミー層５と基板３との間において収縮差により生じる応力が小さくなり、ダミー層５と基板３との間での剥離の発生を防ぐことができるものの、第１の電極層７と圧電層９との間において収縮差により生じる応力が大きくなり、第１の電極層７と圧電層９との間で剥離が発生する懼れがある。

本実施形態では、セラミック材料からなるダミー層５の焼結性が圧電層９の焼結性よりも低く設定されている。したがって、上述したように、ダミー層５は、焼結により収縮し、更に、ダミー層５の焼結による収縮が圧電層９の焼結による収縮よりも小さくなる。この結果、ダミー層５と基板３との間及び第１の電極層７と圧電層９との間において収縮差により生じる応力が小さくなり、ダミー層５と基板３との間及び第１の電極層７と圧電層９との間での剥離の発生を防ぐことができる。

そして、ダミー層５の焼結性を圧電層９の焼結性よりも低く設定するため、本実施形態のダミー層５を形成するセラミック材料のＡサイト成分とＢサイト成分とのモル比は、圧電層９を形成する圧電セラミック材料のＡサイト成分とＢサイト成分とのモル比よりも小さくされている。

本実施形態のように一般式ＡＢＯ_３で示されるペロブスカイト構造を有する化合物をセラミック層（圧電セラミック材料）として用いる場合、その化合物のＡサイト成分とＢサイト成分とのモル比がセラミック層の焼結性に影響する。具体的には、Ａサイト成分とＢサイト成分とのモル比を大きくすることで、焼結性が高くなり、低温焼成が可能となる。一方、Ａサイト成分とＢサイト成分とのモル比を小さくすることで、焼結性が低くなり、高温焼成が必要となる。すなわち、同じような温度条件で焼成した場合、Ａサイト成分とＢサイト成分とのモル比が小さく設定されているセラミック層は、Ａサイト成分とＢサイト成分とのモル比が大きく設定されているセラミック層に比して焼結性が低くなる。

したがって、上述のように、ダミー層５を形成するセラミック材料のＡサイト成分とＢサイト成分とのモル比を、圧電層９を形成する圧電セラミック材料のＡサイト成分とＢサイト成分とのモル比よりも小さくすることで、ダミー層５の焼結性を圧電層９の焼結性よりも低く設定することができる。そして、この結果、上述のように、ダミー層５と基板３との間及び第１の電極層７と圧電層９との間での剥離の発生を防ぐことができる。

ここで、圧電層９を形成する圧電セラミック材料のＡサイト成分とＢサイト成分とのモル比は、ダミー層５を形成するセラミック材料のＡサイト成分とＢサイト成分とのモル比よりも０．００１〜０．０７小さいことが好ましく、０．００２〜０．０５小さいことが更に好ましい。ダミー層５を形成するセラミック材料のＡサイト成分とＢサイト成分とのモル比と圧電層９を形成する圧電セラミック材料のＡサイト成分とＢサイト成分とのモル比との差を上記の範囲とすることで、ダミー層５と基板３との間及び第１の電極層７と圧電層９との間での剥離の発生が効果的に抑制される。

また、ダミー層５を形成するセラミック材料のＡサイト成分とＢサイト成分とのモル比と圧電層９を形成する圧電セラミック材料のＡサイト成分とＢサイト成分とのモル比との差を上記の範囲とした場合、エアロゾルデポジション法によりダミー層５となるセラミック層を形成するための製造条件と、圧電層９となるセラミック層を形成するための製造条件との差異が少なくなり、エアロゾルデポジション法による製造条件を大幅に変更することなく積層体を作成することができ、圧電アクチュエータ１を製造することができる。

また、ダミー層５が圧電層９と同一組成系のセラミック材料により形成されると、圧電層９が焼結の際にダミー層５と反応して特性が劣化するのを防ぐことができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。

第１の電極層７は、図２に示されるように、複数の個別電極にて構成されていてもよい。

圧電層９は、ＰＺＴに限られることなく、その他の圧電セラミック材料（例えば、ＰＴ、ＰＬＺＴ、ニオブ酸カリウムナトリウム等）からなっていてもよい。ダミー層５も、上述した材料に限られることなく、例えば、ＰＴ、ＰＬＺＴ、ニオブ酸カリウムナトリウム等のセラミック材料からなっていてもよい。ただし、圧電層９の特性劣化を防止するためには、上述したように、圧電層９と同一の組成系であることが好ましい。

また、ダミー層５及び圧電層９を形成するセラミック材料（圧電セラミック材料）には、添加物が添加されていてもよく、この添加物については特に限定されない。具体的には、上記実施形態では、ダミー層５及び圧電層９を形成するセラミック材料（圧電セラミック材料）として、（Ｐｂ_{０．９８８}Ｓｒ_０．０２）［（Ｚｎ_１／３Ｎｂ_２／３）_０．１Ｔｉ_０．４３Ｚｒ_０．４７］Ｏ_３を示したが、上記化学式におけるＡサイト成分に含まれるＳｒに代えて、Ｂａ，Ｃａ，Ｌａ等を用いてもよい。また、Ｂサイト成分に含まれるＺｎに代えて、Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅ等を用いてもよく、Ｎｂに代えてＷ，Ｔａ，Ｓｂ等を用いてもよい。また、Ｂサイト成分に含まれるＺｎ_１／３Ｎｂ_２／３をＮｂのみとしてもよい。

１…圧電アクチュエータ、３…基板、５…ダミー層、７…第１の電極層、９…圧電層、
１１…第２の電極層。

Claims

基板と、
前記基板上に配置され、セラミック材料からなるダミー層と、
前記ダミー層上に配置された第１の電極層と、
前記第１の電極層上に配置され、セラミック材料からなる圧電層と、
前記圧電層上に配置された第２の電極層と、を備え、
前記ダミー層及び前記圧電層は、それぞれ一般式ＡＢＯ_３で表されるペロブスカイト構造を有する化合物により形成され、
前記ダミー層を形成する前記化合物のＡサイト成分とＢサイト成分とのモル比（Ａ／Ｂ）は、前記圧電層を形成する前記化合物のＡサイト成分とＢサイト成分とのモル比よりも小さいことを特徴とする圧電アクチュエータ。
前記基板が金属で構成されていることを特徴とする請求項１記載の圧電アクチュエータ。