JP5934540B2 - 圧電/電歪アクチュエータ及びその製造方法 - Google Patents
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- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Description
圧電/電歪セラミックスを含んでなる第1圧電/電歪層と前記第1圧電/電歪層の両面にそれぞれ配設された1対の電極とを含む積層体を少なくとも1つ含んでなり、前記第1圧電/電歪層が前記1対の電極の間に挟まれている部分に対応する作動部と、前記第1圧電/電歪層が前記1対の電極の間に挟まれていない部分に対応する非作動部とを有する圧電/電歪素子を備える、圧電/電歪アクチュエータであって、
周囲雰囲気に最も近い前記積層体において、
周囲雰囲気側の前記電極と前記第1圧電/電歪層との間に、圧電/電歪セラミックスを含んでなる第2圧電/電歪層を更に備え、
前記第2圧電/電歪層の主面に平行な面における前記第2圧電/電歪層を構成する圧電/電歪セラミックスの結晶粒の直径の平均値である第2直径が、前記第1圧電/電歪層の主面に平行な面における前記第1圧電/電歪層を構成する圧電/電歪セラミックスの結晶粒の直径の平均値である第1直径の0.109倍以下であり、且つ
前記第2直径が、前記第2圧電/電歪層の主面の法線方向における厚みである第2層厚の1.5倍以下である、
圧電/電歪アクチュエータによって達成される。
圧電/電歪セラミックスを含んでなる第1圧電/電歪層と前記第1圧電/電歪層の両面にそれぞれ配設された1対の電極とを含む積層体を少なくとも1つ含んでなり、前記第1圧電/電歪層が前記1対の電極の間に挟まれている部分に対応する作動部と、前記第1圧電/電歪層が前記1対の電極の間に挟まれていない部分に対応する非作動部とを有する圧電/電歪素子を備える、圧電/電歪アクチュエータであって、
周囲雰囲気に最も近い前記積層体において、
周囲雰囲気側の前記電極と前記第1圧電/電歪層との間に、圧電/電歪セラミックスを含んでなる第2圧電/電歪層を更に備え、
前記第2圧電/電歪層の主面に平行な面における前記第2圧電/電歪層を構成する圧電/電歪セラミックスの結晶粒の直径の平均値である第2直径が、前記第1圧電/電歪層の主面に平行な面における前記第1圧電/電歪層を構成する圧電/電歪セラミックスの結晶粒の直径の平均値である第1直径の0.109倍以下であり、且つ
前記第2直径が、前記第2圧電/電歪層の主面の法線方向における厚みである第2層厚の1.5倍以下である、
圧電/電歪アクチュエータである。
電歪層の主面に平行な面における前記第2圧電/電歪層を構成する圧電/電歪セラミック
スの結晶粒の直径の平均値である第2直径が、前記第1圧電/電歪層の主面に平行な面に
おける前記第1圧電/電歪層を構成する圧電/電歪セラミックスの結晶粒の直径の平均値
である第1直径の0.109倍以下であり、且つ前記第2直径が、前記第2圧電/電歪層の主面の法線方向における厚みである第2層厚の1.5倍以下である。
本発明の前記第1の実施態様に係る圧電/電歪アクチュエータであって、
前記第2直径が前記第1直径の0.073倍以下である、
圧電/電歪アクチュエータである。
本発明の前記第1又は前記第2の実施態様の何れか1つに係る圧電/電歪アクチュエータであって、
前記第2層厚が、前記第1圧電/電歪層の主面の法線方向における厚みである第1層厚の0.11倍以下である、
圧電/電歪アクチュエータである。
本発明の前記第1乃至前記第3の実施態様の何れか1つに係る圧電/電歪アクチュエータであって、
前記第2直径が0.20μm以下である、
圧電/電歪アクチュエータである。
本発明の前記第1乃至前記第4の実施態様の何れか1つに係る圧電/電歪アクチュエータであって、
前記圧電/電歪素子が基板上に配置されている、
圧電/電歪アクチュエータである。
本発明の前記第5の実施態様に係る圧電/電歪アクチュエータであって、
前記基板が薄肉部を有しており、その薄肉部の少なくとも一部を覆うように前記圧電/電歪素子が配置されている、
圧電/電歪アクチュエータである。
本発明の前記第6の実施態様に係る圧電/電歪アクチュエータであって、
前記圧電/電歪素子が、前記基板上の前記薄肉部に対応する領域に固着されている、
圧電/電歪アクチュエータである。
本発明の前記第5乃至前記第7の実施態様の何れか1つに係る圧電/電歪アクチュエータであって、
前記基板と前記圧電/電歪素子が、前記電極を介して固着されている、
圧電/電歪アクチュエータである。
即ち、本発明の第9の実施態様は、
圧電/電歪セラミックスを含んでなる第1圧電/電歪層と前記第1圧電/電歪層の両面にそれぞれ配設された1対の電極とを含む積層体を少なくとも1つ含んでなり、前記第1圧電/電歪層が前記1対の電極の間に挟まれている部分に対応する作動部と、前記第1圧電/電歪層が前記1対の電極の間に挟まれていない部分に対応する非作動部とを有する圧電/電歪素子を備える、圧電/電歪アクチュエータであって、
周囲雰囲気に最も近い前記積層体において、
周囲雰囲気側の前記電極と前記第1圧電/電歪層との間に、圧電/電歪セラミックスを含んでなる第2圧電/電歪層を更に備え、
前記第2圧電/電歪層の主面に平行な面における前記第2圧電/電歪層を構成する圧電/電歪セラミックスの結晶粒の直径の平均値である第2直径が、前記第1圧電/電歪層の主面に平行な面における前記第1圧電/電歪層を構成する圧電/電歪セラミックスの結晶粒の直径の平均値である第1直径の0.109倍以下であり、且つ
前記第2直径が、前記第2圧電/電歪層の主面の法線方向における厚みである第2層厚の1.5倍以下である、
圧電/電歪アクチュエータ、
の製造方法であって、
前記第1圧電/電歪層は、第1温度における熱処理を伴う固相反応法によって形成され、
前記第2圧電/電歪層は、前記第1温度より低い温度である第2温度における熱処理を伴う薄膜法によって形成される、
圧電/電歪アクチュエータの製造方法である。
ように、前記第1圧電/電歪層は、第1温度における熱処理を伴う固相反応法によって形成され、前記第2圧電/電歪層は、前記第1温度より低い第2温度における熱処理を伴う薄膜法によって形成される。これにより、本実施態様に係る圧電/電歪アクチュエータの製造方法によって製造される圧電/電歪アクチュエータは、上述の第1直径、第2直径、及び第2層厚等に関する条件を満足することができる。尚、第1温度及び第2温度の具体的な値は、例えば、第1圧電/電歪層が含んでなる圧電/電歪セラミックスの組成、第2圧電/電歪層が含んでなる圧電/電歪セラミックスの組成等に応じて、適宜設定することができる。また、第1圧電/電歪層及び/又は第2圧電/電歪層の熱処理の方法としては、例えば、高速熱処理(RTA:Rapid Thermal Annealing)を採用することもできる。第1温度及び第2温度の具体例としては、例えば、それぞれ、800℃以上1300℃未満及び500℃以上700℃未満の温度範囲を挙げることができる。
本発明の前記第9の実施態様に係る圧電/電歪アクチュエータの製造方法であって、
前記第1温度が800℃以上1300℃未満であり、
前記第2温度が500℃以上700℃未満である、
圧電/電歪アクチュエータの製造方法である。
本発明の前記第9又は前記第10の実施態様の何れか1つに係る圧電/電歪アクチュエータの製造方法であって、
前記薄膜法が、ゾル−ゲル法及びスパッタリング法から選ばれる何れか一方の方法を含む、
圧電/電歪アクチュエータの製造方法である。
上述のような構成を有する圧電/電歪アクチュエータの高湿度雰囲気下における絶縁性に対する第1直径、第2直径、第1層厚、及び第2層厚の影響を評価することを目的として、様々な第1直径、第2直径、第1層厚、及び第2層厚の組み合わせを有する圧電/電歪アクチュエータを製造し、個々の圧電/電歪アクチュエータの高湿度雰囲気下における絶縁性を評価した。但し、以下に説明する構成や製造方法等はあくまでも例示であって、本発明に係る圧電/電歪アクチュエータの構成や製造方法は、これらに限定されるものではない。
本実施例においては、基板の材料として、主として酸化ジルコニウム(ZrO2)からなる基板を使用し、薄肉部の厚みを2μm、幅を80μm、長さを1mmとした。次に、当該基板の主面の薄肉部に対応する領域(薄肉部によって形成されるキャビティとは反対側)を覆うように、厚み0.5μmの白金(Pt)電極(下部電極)をレジスト法により形成した。
上記のようにして得られた圧電/電歪アクチュエータを分極処理に付した。上記のように電極が形成された圧電/電歪アクチュエータ(焼結体)の電極に電圧を印加した。この際、圧電/電歪アクチュエータを50〜150℃に加熱する高温分極処理を行うことが望ましい。高温分極処理を行うときには、圧電/電歪アクチュエータに2〜20kV/mmの電界が印加される。尚、本実施例においては、圧電/電歪アクチュエータに、70℃において、15kV/mmの電界を印加したが、分極処理の条件もまた、圧電/電歪素子の構成等に応じて、当該技術分野において周知の種々の技法の中から適宜選択することができる。更にエージング処理を行う場合は、電極が開放された状態で当該圧電/電歪アクチュエータを大気中で100〜300℃に加熱してもよい。
上述のようにして製造した種々の圧電/電歪アクチュエータの高湿度雰囲気下における絶縁性の評価方法及び評価結果につき、以下に説明する。27℃×85%RHの高湿度雰囲気下において、上述のように製造した種々の圧電/電歪アクチュエータの上部電極と下部電極との間に印加する電界の強度を変化させながら、これらの電極間に流れる電流(IV特性)を測定した。当該測定結果の一例につき、添付図面を参照しながら更に説明する。図2は、前述のように、圧電/電歪アクチュエータの上部電極と下部電極との間に印加する電界の強度と、電極間に流れる電流との関係(IV特性)を表すグラフである。
先ず、ここでは、第1直径(D1)に対する第2直径(D2)の比率(D2/D1)が高湿度雰囲気下における絶縁性に与える影響について考察する。そこで、表1に列挙した第1直径(D1)、第2直径(D2)、第1層厚(T1)、及び第2層厚(T2)の種々の組み合わせにつき、高湿度雰囲気下における絶縁性の評価結果と共に、第1直径(D1)に対する第2直径(D2)の比率(D2/D1)を以下の表2に列挙する。
ある場合及び第2層厚(T2)が0.04μmであり且つ第2直径(D2)が0.12μ
mである場合においては、第1直径(D1)(何れの場合も1.2μm)に対する第2直
径(D2)の比率(D2/D1)は0.109以下(具体的には、それぞれ0.067及び0.100)であるにも拘わらず、高湿絶縁性が不良(×)となっている。これは、これらの場合において、第2層厚(T2)に対する第2直径(D2)の比率(D2/T2)が適切な範囲(具体的には、前述したように、1.5以下)から逸脱しているために、高湿度雰囲気下における絶縁性が悪化したものと考えられる。
次に、ここでは、第2層厚(T2)に対する第2直径(D2)の比率(D2/T2)が高湿度雰囲気下における絶縁性に与える影響について考察する。そこで、表1に列挙した第1直径(D1)、第2直径(D2)、第1層厚(T1)、及び第2層厚(T2)の種々の組み合わせにつき、高湿度雰囲気下における絶縁性の評価結果と共に、第2層厚(T2)に対する第2直径(D2)の比率(D2/T2)を以下の表3に列挙する。
上述のように、ここでは、上述のA−1及びA−2における種々のデータを整理し、第1直径(D1)に対する第2直径(D2)の比率(D2/D1)と第2層厚(T2)に対する第2直径(D2)の比率(D2/T2)との種々の組み合わせにおける高湿絶縁性について改めて考察する。そこで、表1及び表2に列挙したデータに基づき、D2/D1とD2/T2との種々の組み合わせにおける高湿絶縁性の評価結果をグラフとして纏めたものを図3に示す。図3に示すグラフにおいて、個々のプロットにおいて表示されている記号は、それぞれ、高湿度雰囲気下における絶縁性の評価結果(良(○)、可(△)、及びf不良(×))を表す。
縁性)を良好なものとするためには、第1直径(D1)に対する第2直径(D2)の比率
(D2/D1)及び第2層厚(T2)に対する第2直径(D2)の比率(D2/T2)の
両方が適切な範囲にある必要があることが確認された。具体的には、高湿絶縁性を良好な
ものとするためには、第1直径(D1)に対する第2直径(D2)の比率(D2/D1)
が0.109以下、より好ましくは0.073以下であり、且つ第2層厚(T2)に対する第2直径(D2)の比率(D2/T2)が1.5以下である必要がある。
前述のように、圧電/電歪セラミックスを含んでなる第2圧電/電歪層といえども、その層厚が過大であると、第1圧電/電歪層の圧電変位を阻害する要因となり得る。そこで、本実施例においては、上述のようにして製造した種々の圧電/電歪アクチュエータの各々について圧電変位の大きさを測定した。尚、圧電変位は、個々の圧電/電歪アクチュエータの電極間に4kV/mmの電界を印加した際の厚み方向の変位量をレーザードップラーにて測定することによって求めた。斯くして得られた圧電変位[nm]を、個々の圧電/電歪アクチュエータにおける第1直径(D1)、第2直径(D2)、第1層厚(T1)、及び第2層厚(T2)の値と共に、以下の表4に列挙する。
Claims (11)
- 圧電/電歪セラミックスを含んでなる第1圧電/電歪層と前記第1圧電/電歪層の両面にそれぞれ配設された1対の電極とを含む積層体を少なくとも1つ含んでなり、前記第1圧電/電歪層が前記1対の電極の間に挟まれている部分に対応する作動部と、前記第1圧電/電歪層が前記1対の電極の間に挟まれていない部分に対応する非作動部とを有する圧電/電歪素子を備える、圧電/電歪アクチュエータであって、
周囲雰囲気に最も近い前記積層体において、
周囲雰囲気側の前記電極と前記第1圧電/電歪層との間に、圧電/電歪セラミックスを含んでなる第2圧電/電歪層を更に備え、
前記第2圧電/電歪層の主面に平行な面における前記第2圧電/電歪層を構成する圧電/電歪セラミックスの結晶粒の直径の平均値である第2直径が、前記第1圧電/電歪層の主面に平行な面における前記第1圧電/電歪層を構成する圧電/電歪セラミックスの結晶粒の直径の平均値である第1直径の0.109倍以下であり、且つ
前記第2直径が、前記第2圧電/電歪層の主面の法線方向における厚みである第2層厚の1.5倍以下である、
圧電/電歪アクチュエータ。 - 請求項1に記載の圧電/電歪アクチュエータであって、
前記第2直径が前記第1直径の0.073倍以下である、
圧電/電歪アクチュエータ。 - 請求項1又は2の何れか1項に記載の圧電/電歪アクチュエータであって、
前記第2層厚が、前記第1圧電/電歪層の主面の法線方向における厚みである第1層厚の0.11倍以下である、
圧電/電歪アクチュエータ。 - 請求項1乃至3の何れか1項に記載の圧電/電歪アクチュエータであって、
前記第2直径が0.20μm以下である、
圧電/電歪アクチュエータ。 - 請求項1乃至4の何れか1項に記載の圧電/電歪アクチュエータであって、
前記圧電/電歪素子が基板上に配置されている、
圧電/電歪アクチュエータ。 - 請求項5に記載の圧電/電歪アクチュエータであって、
前記基板が薄肉部を有しており、その薄肉部の少なくとも一部を覆うように前記圧電/電歪素子が配置されている、
圧電/電歪アクチュエータ。 - 請求項6に記載の圧電/電歪アクチュエータであって、
前記圧電/電歪素子が、前記基板上の前記薄肉部に対応する領域に固着されている、
圧電/電歪アクチュエータ。 - 請求項5乃至7の何れか1項に記載の圧電/電歪アクチュエータであって、
前記基板と前記圧電/電歪素子が、前記電極を介して固着されている、
圧電/電歪アクチュエータ。 - 圧電/電歪セラミックスを含んでなる第1圧電/電歪層と前記第1圧電/電歪層の両面にそれぞれ配設された1対の電極とを含む積層体を少なくとも1つ含んでなり、前記第1圧電/電歪層が前記1対の電極の間に挟まれている部分に対応する作動部と、前記第1圧電/電歪層が前記1対の電極の間に挟まれていない部分に対応する非作動部とを有する圧電/電歪素子を備える、圧電/電歪アクチュエータであって、
周囲雰囲気に最も近い前記積層体において、
周囲雰囲気側の前記電極と前記第1圧電/電歪層との間に、圧電/電歪セラミックスを含んでなる第2圧電/電歪層を更に備え、
前記第2圧電/電歪層の主面に平行な面における前記第2圧電/電歪層を構成する圧電/電歪セラミックスの結晶粒の直径の平均値である第2直径が、前記第1圧電/電歪層の主面に平行な面における前記第1圧電/電歪層を構成する圧電/電歪セラミックスの結晶粒の直径の平均値である第1直径の0.109倍以下であり、且つ
前記第2直径が、前記第2圧電/電歪層の主面の法線方向における厚みである第2層厚の1.5倍以下である、
圧電/電歪アクチュエータ、
の製造方法であって、
前記第1圧電/電歪層は、第1温度における熱処理を伴う固相反応法によって形成され、
前記第2圧電/電歪層は、前記第1温度より低い第2温度における熱処理を伴う薄膜法によって形成される、
圧電/電歪アクチュエータの製造方法。 - 請求項9に記載の圧電/電歪アクチュエータの製造方法であって、
前記第1温度が800℃以上1300℃未満であり、
前記第2温度が500℃以上700℃未満である、
圧電/電歪アクチュエータの製造方法。 - 請求項9又は10の何れか1項に記載の圧電/電歪アクチュエータの製造方法であって、
前記薄膜法が、ゾル−ゲル法及びスパッタリング法から選ばれる何れか一方の方法を含む、
圧電/電歪アクチュエータの製造方法。
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