JP6814916B2 - 膜構造体、アクチュエータ、モータ及び膜構造体の製造方法 - Google Patents
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Description
また、本発明の一態様は、膜構造体が受ける力であって、逆圧電効果による力以外の力を増加させることができる膜構造体を提供することを課題とする。また、本発明の一態様は、前記膜構造体を用いたアクチュエータまたはモータを提供することを課題とする。
[1]単結晶基板と、
前記単結晶基板上に配向して形成された第1の強磁性膜と、
を有する膜構造体。
前記単結晶基板と前記第1の強磁性膜との間に配置され、前記単結晶基板上に配向して形成された第1の膜を有する膜構造体。
前記第1の強磁性膜上に形成された圧電膜を有する膜構造体。
[4]第1の強磁性膜と、
前記第1の強磁性膜上に形成された圧電膜と、
を有する膜構造体。
[5]上記[3]または[4]において、
前記圧電膜上に形成された第2の強磁性膜または第2の導電膜を有する膜構造体。
[6]上記[1]において、
前記単結晶基板と前記第1の強磁性膜との間に配置された圧電膜を有する膜構造体。
前記圧電膜上に形成された第1の強磁性膜と、
を有する膜構造体。
[8]上記[6]において、
前記単結晶基板上に配向して形成された第1の膜と、
前記第1の膜上に形成された第1の導電膜と、
を有し、
前記第1の膜及び前記第1の導電膜は、前記単結晶基板と前記圧電膜との間に配置されている膜構造体。
前記単結晶基板はシリコン基板であり、
前記第1の膜はシリコンより酸化しやすい金属酸化膜である膜構造体。
前記第1の強磁性膜は金属膜である膜構造体。
前記シリコン基板は、(100)面よりなる主面を有し、
前記第1の膜は、立方晶の結晶構造を有し、かつ、(100)配向した酸化ジルコニウムを含む膜構造体。
前記第1の強磁性膜と前記圧電膜との間に形成された第1の導電膜を有する膜構造体。
[13]上記[1]乃至[12]のいずれか一項において、
前記第1の強磁性膜は、立方晶の結晶構造を有し、かつ、(100)配向したニッケルを含む膜構造体。
前記第1の強磁性膜は、正方晶の結晶構造を有し、かつ、(001)配向したR2Fe14B(Rは希土類元素から選ばれる少なくとも1種類の元素)を含む膜構造体。
前記第1の強磁性膜は、六方晶の結晶構造を有し、かつ、(11−20)配向したRCo5(Rは希土類元素から選ばれる少なくとも1種類の元素)を含む膜構造体。
前記第1の強磁性膜は、鉄とニッケルとコバルトとアルミニウムとの合金を含む膜構造体。
[17]上記[1]乃至[12]のいずれか一項において、
前記第1の強磁性膜は、鉄と白金との合金を含む膜構造体。
前記圧電膜は、正方晶の結晶構造を有し、かつ、(001)配向したチタン酸ジルコン酸鉛を含む膜構造体。
前記圧電膜は、菱面体晶の結晶構造を有し、かつ、(100)配向したチタン酸ジルコン酸鉛を含む膜構造体。
前記第1の導電膜は、立方晶の結晶構造を有し、かつ、(100)配向した白金を含む膜構造体。
前記第1の導電膜は、立方晶の結晶構造を有し、かつ、(100)配向したルテニウム酸ストロンチウムを含む膜構造体。
前記単結晶基板を挟んで前記圧電膜と反対側に、前記膜構造体から離れて配置された強磁性体と、
前記膜構造体の第1端部と前記強磁性体の第2端部とに接続され、前記第1端部と前記第2端部との間隔を保持する保持部と、
を備えたアクチュエータ。
前記回転子は、リング状のロータと、前記ロータの内側の円周上に配置された第1のN極永久磁石、第1のS極永久磁石、第2のN極永久磁石及び第2のS極永久磁石を有し、
前記固定子は、リング状のステータと、前記ステータ上に沿って配置された上記[5]または[8]に記載の膜構造体を備えた複数の圧電素子を有するモータ。
前記第1の膜上に第1の強磁性膜をエピタキシャル成長させる膜構造体の製造方法。
[26]上記[25]において、
前記第1の強磁性膜上に圧電膜をエピタキシャル成長させる膜構造体の製造方法。
前記圧電膜上に第2の強磁性膜をエピタキシャル成長させる膜構造体の製造方法。
前記第1の膜上に第1の導電膜をエピタキシャル成長させ、
前記第1の導電膜上に圧電膜をエピタキシャル成長させ、
前記圧電膜上に強磁性膜をエピタキシャル成長させる膜構造体の製造方法。
前記単結晶基板はシリコン基板であり、
前記第1の膜はシリコンより酸化しやすい金属酸化膜である膜構造体の製造方法。
前記シリコン基板は、(100)面よりなる主面を有し、
前記第1の膜は、前記主面上にエピタキシャル成長しており、
前記第1の膜は、立方晶の結晶構造を有し、かつ、(100)配向した酸化ジルコニウムを含む膜構造体の製造方法。
また、上記の本発明の種々の態様において、上下の方向が逆の態様も含むものとする。別言すれば、膜構造体の向きを上下逆転させた態様を排除する意味ではない。
また、本発明の一態様を適用することで、膜構造体が受ける力であって、逆圧電効果による力以外の力を増加させることができる膜構造体を提供することができる。また、本発明の一態様を適用することで、前記膜構造体を用いたアクチュエータまたはモータを提供することができる。
<膜構造体>
初めに、本発明の一実施形態である第1の実施形態の膜構造体について説明する。図1は、第1の実施形態の膜構造体の断面図である。
次に、図4〜図9を参照し、本第1の実施形態の膜構造体をアクチュエータに適用した例を説明する。
次に、図10および図11を参照し、本第1の実施形態の膜構造体をモータおよび自動車に適用した例を説明する。
図10に示すように、モータ50は、回転子51と、固定子52と、を有する。回転子51は、軸53を回転中心として回転可能に設けられており、軸53に垂直な断面形状として、例えば円または多角形の断面形状を有する。固定子52は、回転子51の周りに設けられており、軸53に垂直な断面形状として、例えばリング形状の断面形状を有する。
このように、図10に示すモータ50は、回転子51が永久磁石を含む、いわゆる永久磁石モータである。
図11に示すように、自動車60は、エンジン61と、モータ62と、発電機63と、動力伝達切替部64と、車輪65と、充放電切替部66と、バッテリー67と、を有する。エンジン61から出力された動力61a、モータ62から出力された動力62a、および、発電機63に入力される動力63aは、動力伝達切替部64を介して、車輪65との間で伝達される。モータ62に入力される電力62b、および、発電機63から出力される電力63bは、充放電切替部66を介して、バッテリー67との間で充電または放電される。あるいは、発電機63から出力された電力63bは、充放電切替部66を介して、電力62bとしてモータ62に入力される。充放電切替部66として、例えばインバータを用いることができる。
図12は、本発明の一態様に係る圧電体素子を模式的に示す断面図であり、この圧電素子は磁気シールドを有する。基板11上に所定の面に配向した配向膜12が形成されており、この配向膜12上に下部電極(導電膜)13が形成されている。下部電極13及び配向膜12上にエピタキシャル成長した圧電膜14が形成されており、圧電膜14上には当該圧電膜14を覆うように強磁性膜からなる上部電極15が形成されている。
図14は圧電ステッピングモータと永久磁石モータを備えた圧電磁石モータを説明する平面図である。図14(A)はロータ及び永久磁石を含む回転子を示す平面図であり、図14(B)は圧電素子及び電磁石を含む固定子を示す平面図であり、図14(C)は図14(A)に示す回転子と図14(B)に示す固定子を重ね合わせた圧電磁石モータを示す平面図である。
図15は、図14(B)に示す固定子の一部を拡大した平面図である。
図16は、図15に示す16−16線に沿った断面図である。
圧電ステッピングモータ(超音波モータ)は、人間の耳には聞こえない超音波(周波数20kHz以上)を使ってロータを移動させるモータである。超音波モータは超音波の発生に圧電素子を使用し、圧電素子は2つの端子に±電位差を与えると、電位の向きによって膨張、または収縮する。この膨張・収縮により超音波が発生する。
まず図14(B)のように円形のステータ102と呼ばれる金属板の平面上に、等間隔に圧電素子154を貼り付け、図18の上図のように圧電素子154を1個おきにそれぞれつなぎ、電極を付与する。この電極に+、および、−の電位を交互に与える(正弦波)と、図18の下図のように圧電素子154が上下に震動し、その震動がステータ反対面の規則正しく並んだ凹凸部構造の櫛歯部分に伝わる。つまり電極間に印加した±電圧の正弦波が右に進むにつれて、櫛歯部分の突起が次々に上下に動き、その突起の頂点を追いかけると、反時計回りの楕円運動になっている。
次に、図19〜図22を参照し、本第1の実施形態の膜構造体の製造方法を説明する。図19〜図22は、第1の実施形態の膜構造体の製造工程中の断面図である。
ステップS1では、シリコン単結晶よりなる基板11を用意する。また、好適には、シリコン単結晶よりなる基板11は、立方晶の結晶構造を有し、かつ、(100)面よりなる主面としての上面11aを有する。なお、基板11の上面11a上には、SiO2膜などの酸化膜が形成されていてもよい。
ステップS2では、次に、Zr単結晶の蒸着材料を用いた電子ビーム蒸着法によりZrを蒸発させる。このとき、蒸発したZrが700℃以上に加熱された基板11上で酸素と反応することにより、ZrO2膜となって成膜される。そして、単層膜としてのZrO2膜よりなる配向膜12が形成される。
まず、非晶質PZT膜形成用ゾルゲル溶液を用意する。非晶質PZT膜形成用ゾルゲル溶液として、ブタノールを溶媒とし、鉛が70〜90%不足した量添加された、濃度が10重量%であるE1溶液を、用意することができる。
第1の実施形態では、永久磁石膜13上に、圧電膜14が直接形成されていた。しかし、永久磁石膜13上に、導電膜13a(第1の導電膜ともいう)を介して圧電膜14が形成されていてもよい。このような例を、第1の実施形態の変形例として説明する。
第1の実施形態では、配向膜と圧電膜との間に永久磁石膜が形成されていた。しかし、配向膜と圧電膜との間に導電膜が形成され、永久磁石膜が圧電膜上に形成されていてもよい。このような例を、第2の実施形態として説明する。
図26は、第2の実施形態の膜構造体の断面図である。
図26に示すように、本第2の実施形態の膜構造体10bは、基板11と、配向膜12と、導電膜13b(第1の導電膜ともいう)と、圧電膜14と、永久磁石膜15aと、を有する。
本第2の実施形態の膜構造体10bについても、第1の実施形態で図4〜図11を用いて説明したように、アクチュエータおよびモータに適用することができる。これにより、第1の実施形態におけるアクチュエータおよびモータと同様の効果を得ることができる。
図27および図28は、第2の実施形態の膜構造体の製造工程中の断面図である。
本第2の実施形態の膜構造体の製造工程では、第1の実施形態で図19および図20を用いて説明した工程(ステップS1およびステップS2)を行って、配向膜12を形成した後、図27に示すように、配向膜12上に、例えばスパッタリング法により導電膜13bを形成する。導電膜13bとして、例えばSrRuO3などのペロブスカイト型構造を有する導電性酸化物、および、Ptなどの金属、からなる群から選択された一種以上の導電体を含む導電膜13bを形成することができる。
表面に自然酸化膜が付いている、(100)に配向したSi単結晶基板上に、最初に表1の(1)の左側の条件(10secの成膜時間、Zrの蒸着源)でZrのみを蒸着し、そのまま続けて表1の(1)の右側の条件により、Zr蒸着と同時に、基板に向けてO2(酸素)を供給しながら170secの成膜時間で蒸着を行った。このようにして真空蒸着法で総膜厚15nmのZrO2(100)/Si(100)基板を形成した。
表面に自然酸化膜が付いている、(100)に配向したSi単結晶基板上に、最初に表1の(1)の左側の条件(10secの成膜時間、Zrの蒸着源)でZrのみを蒸着し、そのまま続けて表1の(1)の右側の条件により、Zr蒸着と同時に、基板に向けてO2(酸素)を供給しながら170secの成膜時間で蒸着を行った。このようにして真空蒸着法で総膜厚15nmのZrO2(100)/Si(100)基板を形成した。
また、上記の第1の実施形態及び第2の実施形態では、基板を含む膜構造体を説明しているが、膜構造体を作製した後に基板を除去することで基板を含まない膜構造体を実施することも可能である。
11 基板
11a 上面
12 配向膜
12a 拡散層
12b 絶縁膜
13 強磁性膜(上部電極、永久磁石膜)
13a、13b、15 導電膜
13c 強磁性膜
14 圧電膜
15 導電膜(強磁性膜、上部電極)
15a 永久磁石膜
20 アクチュエータ
21 膜構造体
21a、22a 端部
21b、22b 貫通孔
22 強磁性体
23 保持部
24、25 凸レンズ
26 光
27 焦点位置
30 磁気ヘッド
31 回転体
32 第1アクチュエータ
33 第2アクチュエータ
34 ヘッド
35 軸
36 コイル
37 永久磁石
38、39、40 アーム
38a、38b、39a、39b、40a、40b 端部
41〜44 膜構造体
45 強磁性体
46 保持部
50 モータ
51 回転子
52 固定子
53 軸
54、55 膜構造体
56 コイル
60 自動車
61 エンジン
61a、62a、63a 動力
62 モータ
62b、63b 電力
63 発電機
64 動力伝達切替部
65 車輪
66 充放電切替部
66 動力伝達切替部
67 バッテリー
101 ロータ
102 ステータ
103 N極の永久磁石
104 S極の永久磁石
105 N極の永久磁石
106 S極の永久磁石
111 シリコン基板
112 配向膜
113 強磁性膜
114 圧電膜
115 強磁性膜(上部電極)
116 開口部
117 矢印
151 回転子
152 固定子
153 軸
154 圧電素子
Claims (11)
- (100)面よりなる主面を有する単結晶基板と、
前記単結晶基板上に配向して形成された、(100)配向した酸化ジルコニウムを含む第1の膜と、
前記第1の膜上に配向して形成された第1の強磁性膜と、
前記第1の強磁性膜上に形成された圧電膜と、
を有し、
前記第1の強磁性膜は、正方晶の結晶構造を有し、かつ、(001)配向したR2Fe14B(Rは希土類元素から選ばれる少なくとも1種類の元素)を含む、
膜構造体。 - (100)面よりなる主面を有する単結晶基板と、
前記単結晶基板上に配向して形成された、(100)配向した酸化ジルコニウムを含む第1の膜と、
前記第1の膜上に配向して形成された第1の強磁性膜と、
前記第1の強磁性膜上に形成された圧電膜と、
を有し、
前記第1の強磁性膜は、六方晶の結晶構造を有し、かつ、(11−20)配向したRCo5(Rは希土類元素から選ばれる少なくとも1種類の元素)を含む、
膜構造体。 - 請求項1または2において、
前記圧電膜上に形成された第2の強磁性膜または第2の導電膜を有する膜構造体。 - 請求項1または2において、
前記第1の強磁性膜と前記圧電膜との間に形成された第1の導電膜を有する膜構造体。 - 請求項1または2において、
前記圧電膜は、正方晶の結晶構造を有し、かつ、(001)配向したチタン酸ジルコン酸鉛を含む膜構造体。 - 請求項1または2において、
前記圧電膜は、菱面体晶の結晶構造を有し、かつ、(100)配向したチタン酸ジルコン酸鉛を含む膜構造体。 - 請求項4において、
前記第1の導電膜は、立方晶の結晶構造を有し、かつ、(100)配向した白金を含む膜構造体。 - 請求項4において、
前記第1の導電膜は、立方晶の結晶構造を有し、かつ、(100)配向したルテニウム酸ストロンチウムを含む膜構造体。 - 請求項1乃至8のいずれか一項に記載の膜構造体と、
前記単結晶基板を挟んで前記圧電膜と反対側に、前記膜構造体から離れて配置された強磁性体と、
前記膜構造体の第1端部と前記強磁性体の第2端部とに接続され、前記第1端部と前記第2端部との間隔を保持する保持部と、
を備えたアクチュエータ。 - 請求項1乃至8のいずれか一項に記載の膜構造体を備えた回転子または固定子を有するモータ。
- 回転子と固定子を有するモータであり、
前記回転子は、リング状のロータと、前記ロータの内側の円周上に配置された第1のN極永久磁石、第1のS極永久磁石、第2のN極永久磁石及び第2のS極永久磁石を有し、
前記固定子は、リング状のステータと、前記ステータ上に沿って配置された請求項1乃至8のいずれか一項に記載の膜構造体を備えた複数の圧電素子を有するモータ。
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