JPH04149059A - セラミックス圧電体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、ナノメートルオーダーの超精密な位置決め
制御や変位制御を行うための圧電アクチュエータに好適
なセラミックス圧電体に関する。

（従来の技術） 半導体製造装置の微細位置決め機構や走査型トンネル顕
微鏡（ＳＴＭ）の微細変位機構にはセラミックス圧電体
の圧電変位を利用した圧電アクチュエータが用いられて
いる。このアクチュエータ用のセラミックス圧電体とし
ては、複合ペロブスカイト型化合物からなる原料粉体を
成形して焼結したものが一般的である。

（発明が解決しようとする課題） セラミックス圧電体によるアクチュエータでは、第２図
に示すように、印加電圧をゼロから定格電圧まで増加さ
せたときの変位特性ａと、印加電圧を定格電圧からゼロ
まで低下させたときの変位特性すとが一致しない（ヒス
テリシスを有する）という問題かある。ここで定格電圧
印加時の最大変位量をＡ１印加電圧をゼロに戻したとき
の残留変位量をＢとすると、（Ｂ／Ａ）ｘｌｏｏをヒス
テリシス率（％）と呼んでいる。

従来のセラミックス圧電体では前記のヒステリシス率は
２％以上あり、前記のようなナノメートルオーダーの超
精密な微細変位を制御する分野ではヒステリシス率をよ
り小さくすることが強く望まれている。

この発明の目的は、圧電アクチュエータとして使用した
ときのヒステリシス率を従来より小さくすることのでき
るセラミックス圧電体を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 前述のヒステリシスはセラミックス圧電体の強誘電体微
結晶の分域状態か印加電圧により変化するために起きる
と考えられ、分域構造を持つ粒子である限りはヒステリ
シス率を大きく改善することは困難である。

本発明者らは、原料粉体の粒径、成形・焼結工程の条件
、完成したセラミックスの焼結粒子（強誘電体微結晶）
の粒径といった因子と圧電アクチュエータとして使用し
たときのヒステリシスの関係について実験、考察を重ね
た結果、第１図に示すように、前記ヒステリシス率かセ
ラミックス焼結粒子の平均粒径に依存していることを解
明した。

そして、従来のセラミックス圧電体の焼結粒子の（Ｔ工
均粒径は最低でも３〜４虜と大きく、その結果ヒステリ
シス率は最良のものでも約２％であっｔ二。

そこで本発明では、実施例で詳述する製造技術によりセ
ラミックス圧電体の焼結粒子の平均粒径を１μｍ以下に
することで、前記ヒステリシス率を０．５〜２％程度に
低減した圧電アクチュエータを実現できるようにした。

（作　用） 平均粒径を１−以下にすることで、強誘電体微結晶の焼
結体であるセラミックスの分域構造かなくなる。分域構
造の電圧依存性がヒステリシスの主な原因なので、分域
構造がなくなったことによりヒステリシス率か第１図の
ように明かに低下した。

〈実　施　例） まず原料粉末とする複合ペロブスカイト型化合について
説明する。

複合ペロブスカイト型化合物の原料としては、Ｐｂ　　
Ｓｒ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｍｎ及びｓｂの金属のアルコキシド
化合物が使用される。

この様な金属のアルコキシド化合物の具体例を挙げれば
、以下に示す化合物かある。

Ｐｂ　（Ｏｉ　　Ｃ３Ｈ７）２．　　Ｓｒ　（Ｏｉ　　
Ｃ３Ｈ７）２．Ｚｒ　（Ｏｉ　　Ｃ３Ｈ７）４．Ｔｉ（
Ｏｉ　　Ｃ３Ｈ７）　４　、　Ｍｎ　（０−ｉ−Ｃ３Ｈ
７）２．Ｓｂ　（Ｏｉ　　Ｃ３Ｈ７）３＋　’ｒｉ　（
０ｉ−Ｃ４Ｈ９）４．　　Ｚｒ　　（Ｏｉ　　　　Ｃ４
Ｈ９）、ｉ　　、　　Ｔｊ　　（ＯＣＨｑ　　）　　４
　　、　　Ｚｒ　　（ＯＣＨ３）　　４Ｓ　ｒ　（ＯＣ
Ｈｉ　）２　、Ｓｂ　（ＯＣＨ３）３などかある。

これらの中では、 Ｐｂ　（Ｏｉ　　Ｃ３Ｈ７）２．　　Ｓｒ　（Ｏｉ　　
Ｃ３Ｈ，）２．Ｚｒ　（０−ｉ−Ｃ３Ｈ７）４．’ｒｉ
（ＯＬ　　Ｃ３Ｈ７）４．　Ｍｎ　（ＯＬ　　Ｃ３Ｈ７
）　２　、　　Ｓｂ　（Ｏ１−Ｃ３Ｈ７）　３を用いる
ことか好ま［７い。

前記Ｐｂ、Ｓｒ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｍｎ及びｓｂの金属のア
ルコキシド化合物の混合比率は、得ようとする複合ペロ
ブスカイト型化合物の組成の化学量論的割合と同じ割合
にして混合する。

上記金属のアルコキシド化合物を溶解させるために沸点
か１００℃以上の有機溶媒、例えばキシレン１　トルエ
ン、ペンタノール、イソブチルアルコ−、ル、ニトロベ
ンゼンなどを用いる。これらの中ではキンレン、トルエ
ン、ペンタノール、イソブチルアルコールが、特にキシ
レンを使用することか好ましい。

前記金属のアルコキシド化合物の溶解は通常の溶解方法
と同様にして行なうことができる。例えば、１００〜１
３０℃、好ましくは１００〜１４０℃の温度で加熱下に
、特に沸点が１００℃以上の溶媒の還流下に５〜１０時
間撹拌することによって、溶解させることかできる。

沸点か１００℃以上の溶媒の使用量は、前記金属のアル
コキシド化合物を全量溶解させることができる量、具体
的には、各々の金属アルコキシド化合物１モルに対して
、一般に１０〜２０リツトル、好ましくは１０〜１５リ
ツトルの範囲内で使用される。

上記のようにして得られた金属アルコキシド化合物と沸
点が１００℃以上の溶媒との混合物に、蒸溜水、水蒸気
などの水、特に好ましくは水蒸気を金属アルコキシド化
合物に対して、加水分解に必要な量の１０〜２０倍、好
ましくは１０〜１５倍の量の水を、各金属アルコキシド
化合物を溶解したａ機溶媒に対して撹拌下に５ｍ（７分
以下、好ましくは１〜２ｍ（７分の速度で微量づつゆっ
くりと加えて、各金属アルコキシドの加水分解反応速度
の違いによる影響をできるだけ少なくして、沸点が１０
０℃以上の溶媒中に溶解された金属アルコキシド化合物
を徐々に加水分解反応を起こさせる。該加水分解反応は
通常９０〜１．００℃、好ましくは９５〜１００℃の温
度で、好ましくは沸点が１００℃以上の溶媒の還流下に
３〜１０時間撹拌することによって行われる。

この加水分解反応によって、各金属アルコキシドは沸点
が１００℃以上の溶媒に不溶の金属酸化物となって析出
してきて沈殿物となる。

水を急速に供給して加水分解反応が生じ易くすれば、各
金属アルコキシドの加水分解反応速度の違いによって、
生成物の組成か異なったものとなるので、その影響をで
きるだけ少なくさせることが均一性の高い沈殿物を得る
ために重要なことである。

従って、上記水の供給速度は各金属アルコキシドの加水
分解反応速度の違いか生じないようなゆつくりした速度
によって供給する。

特に生成した均一性や粒子の大きさなどによって目的と
するアクチュエータの性能などに影響が生しるので、金
属アルコキシド化合物のそれぞれの反応速度の違いによ
る組成分布の不均一性を最小限にするような条件を設定
することか重要である。

このような条件としては、通常沸点か１００℃以上の溶
媒１００重量部当たり１〜５重量部／分、好ましくは１
〜２重量部／分の速度で水を添加することか望ましい。

上記のようにして得られた沈殿物を乾燥した後、一般に
、本格的焼成を行なうのに先立って、通常５８０〜６５
０℃、好ましくは６００〜６３０℃温度で仮焼成するこ
とによって金属粉末を得る。

前記仮焼成の後に、或いは仮焼成を行なわずに、本焼成
か行われる。

該本焼成は、一般に８５０〜１０ｏＯ℃、好ましくは８
５０〜９００℃の比較的低温度で、通常、１〜５時間、
焼結またはホットプレスすることによって、単一な分域
構造を有する粒子の集合体を得る。

（実　験　例） ｐｂアルコキシド（Ｐ　ｂ　（ＯＩ　　Ｃ３Ｈ７）２）
９．６モル％、Ｓｒアルコキシド（Ｓｒ（Ｏｊ　　Ｃ３
Ｈ５）２）０．４モル９６．Ｚｒアルコシキト（Ｚｒ　
（Ｏｉ　　Ｃ３Ｈ７）４）５．１モル％、Ｔｉアルコキ
シド（Ｔｉ　（０−ｉ−Ｃ３Ｈ７）４）４．９モル％、
Ｍｎアルコキシド（Ｍ　ｎ（０−ｉ−Ｃ３Ｈ７）２）０
．１８４モル％及びｓｂアルコキシド（Ｓｂ　（Ｏｉ　
　Ｃｓ　Ｈ７）３）０．３６９モル％からなる組成の金
属アルコキシドの混合物を、キシレン２リツトル（金属
アルコキシド混合物／キシレン−０，１モル／リットル
）中に添加して、１３０℃の温度で１０時間撹拌下に還
流させた。

その後、この溶液にｐＨ７，８の理論量の１０倍の量の
９５℃の蒸溜水を、１ｍ（７分の速度でゆっくりと加え
て１００℃の温度で１０時間撹拌下に還流させて加水分
解を行なった。

その結果、生した沈殿物を濾過して分離し、乾燥させて
粉体を得た。

この乾燥した粉体を６３０℃の温度で２時間仮焼成を行
なって平均粒径か０．０７，１ｆｆｌの金属微粉末を得
た。

該金属微粉末は、Ｘ線分析の回折図から各結晶面を見て
みるとピーク割れが生じていないことがら固溶体となっ
ており、更に、分析電子顕微鏡により元素の分布並びに
組成を調べた結果、元素の分布は均一で組成も保たれて
いることが確認されたことから、超微粒子の複合ペロブ
スカイト型構造の化合物であることが判明した。

このようにして得られた超微粒子の複合ペロブスカイト
型構造の化合物を、プレス機によって成形した後、大気
中で８５０　’Ｃ１２時間焼成し、焼結体（セラミック
ス圧電体）を得た。

このセラミックス圧電体の平均粒径は約０．４虜以下の
ものであり、従来の粉砕による方法によって得られる複
合ペロブスカイト型構造の化合物を用いたセラミックス
の平均粒径約７〜８朗に比ベて、かなり小さな粒径のも
のであることか確認された。

前記のセラミックス圧電体に電極を取り付けて圧電アク
チュエータとして動作させ、ヒステリシス率を測定した
結果、約０．６％と従来に比べて大幅に減少した。

（発明の効果） 以上詳細に説明したように、本発明のセラミックス圧電
体では、圧電アクチュエータとして動作させたときのヒ
ステリシスの主原因となる分域構造を呈さないので、ヒ
ステリシスの小さな優れた圧電アクチュエータを実現す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の問題点および本発明の効果を示す平均粒
径とヒステリシス率の関係グラフ、第２図は圧電アクチ
ュエータのヒステリシスの説明図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　原料粉体を成形して焼結したセラミックス圧電体であ
   って、焼結粒子の平均粒径が１μｍ以下であることを特
   徴とするセラミックス圧電体。