WO2012026055A1 - 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

アクチュエータ、及びアクチュエータを駆動する方法 Download PDF

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electrode
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potential difference
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路人 上田
貴聖 張替
良明 田中
秀明 足立
映志 藤井
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パナソニック株式会社
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    • H10N30/076—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base by depositing piezoelectric or electrostrictive layers, e.g. aerosol or screen printing by vapour phase deposition

Definitions

  • the present invention relates to an actuator including a piezoelectric thin film and a method for driving the actuator.
  • 10A and 10B show the structure and driving method of a conventional actuator.
  • the conventional actuator 101 includes a substrate 103, a first electrode 105, a piezoelectric layer 107, and a second electrode 109 in this order.
  • the stacked body 111 includes a substrate 103, a first electrode 105, a piezoelectric layer 107, and a second electrode 109. One end of the stacked body 111 is fixed by a support body 113.
  • a potential difference is applied between the first electrode 105 and the second electrode 109 by the power source 121.
  • the potential difference causes electrostriction in the in-plane direction of the piezoelectric layer 107.
  • the piezoelectric layer 107 extends in the X direction.
  • the substrate 103 remains unstretched. In this way, the other end of the actuator 101 is displaced in the ⁇ Z direction.
  • the piezoelectric layer 107 extends not only in the X direction but also in the Y direction. As a result, the other end is deformed into a shape curved in the Y direction.
  • An object of the present invention is to provide a method for driving an actuator in which unnecessary deformation is suppressed.
  • the present invention provides a method for driving an actuator, comprising the following steps (a) to (b).
  • Step (a) of preparing an actuator Step (a) of preparing an actuator.
  • the actuator includes a first electrode, a piezoelectric layer composed of (Bi, Na, Ba) TiO 3 , and a second electrode, and the piezoelectric layer includes the first electrode and the second electrode.
  • the + X direction, + Y direction, and + Z direction are the [100] direction, [01-1 direction], and [011] direction, respectively, and the piezoelectric layer is preferentially oriented in the + Z direction. ing.
  • the present invention provides a method of driving an actuator that has a large displacement along the X direction compared to a small variation along the Y direction.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of the present actuator.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram for defining coordinate axes.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the present actuator.
  • FIG. 4A is a schematic perspective view showing displacement along the ⁇ Z direction of the actuator.
  • FIG. 4B is a schematic perspective view showing displacement along the + Z direction of the actuator.
  • FIG. 5A is a schematic perspective view showing another displacement of the present actuator.
  • FIG. 5B is a cross-sectional view showing the displacement along the Z direction at the other end of the actuator.
  • FIG. 5C is a cross-sectional view showing deformation along the Y direction at the other end of the actuator.
  • FIG. 6 is an X-ray diffraction profile of the piezoelectric thin film according to Example 1.
  • FIG. 6 is an X-ray diffraction profile of the piezoelectric thin film according to Example 1.
  • FIG. 7A is a diagram for explaining the value of dZ1 .
  • FIG. 7B is a diagram for explaining the value of dZ2 .
  • FIG. 8A is a graph showing the results of evaluation of piezoelectric performance according to Example 1 corresponding to FIG. 7A.
  • FIG. 8B is a graph corresponding to FIG. 7B and showing the results of evaluation of piezoelectric performance according to Example 1.
  • FIG. 9 is a graph illustrating the relationship between the potential difference and the displacement amount in the actuator according to the first embodiment.
  • FIG. 10A is a sectional view of a conventional actuator including a piezoelectric thin film.
  • FIG. 10B is a cross-sectional view of a conventional actuator when a potential difference is applied.
  • FIG. 1 shows an actuator 1 according to the first embodiment.
  • the actuator 1 includes a multilayer body 11, a support body 13, and a third electrode 25.
  • the multilayer body 11 includes a substrate 3, a first electrode 5, a piezoelectric layer 7, and a second electrode 9 in this order.
  • An example of the support 13 is a silicon substrate having an oxidized surface.
  • An example of the third electrode 25 is a laminated electrode composed of an Au layer and a Ti layer. The laminated electrode can be formed by patterning a Ti thin film on which an Au thin film is continuously deposited by a dry etching method. The third electrode 25 does not need to be disposed on the support 13.
  • L X and L Y are the length of the actuator 1 in the X direction and the width in the Y direction.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram for defining coordinate axes. As shown in FIG. 2, the + X direction, + Y direction, and + Z direction are the [100] axial direction, the [01-1] axial direction, and the [011] axial direction, respectively.
  • the parallelogram ABCD has a (110) plane orientation.
  • the parallelogram ABCD has a normal line in the [011] axial direction (that is, + Z direction).
  • FIG. 3 shows a cross-sectional view of the actuator 1 along AA ′.
  • the material of the substrate 3 may be magnesium oxide (MgO) or strontium titanate (SrTiO 3 ).
  • MgO magnesium oxide
  • SrTiO 3 strontium titanate
  • an MgO (110) substrate is preferable.
  • the first electrode 5 is preferentially oriented in the + Z direction.
  • the 1st electrode 5 may be comprised from a metal thin film or an oxide conductor thin film, for example. Two or more thin films can be used.
  • Metals include platinum (Pt), palladium (Pd), and gold (Au).
  • the oxide conductors include nickel oxide (NiO), ruthenium oxide (RuO 2 ), iridium oxide (IrO 2 ), strontium ruthenate (SrRuO 3 ), and lanthanum nickelate (LaNiO 3 ).
  • the piezoelectric layer 7 is made of (Bi, Na, Ba) TiO 3 .
  • the piezoelectric layer 7 contains a small amount of impurities such as manganese and iron, and can improve the characteristics of the piezoelectric layer 7.
  • the piezoelectric layer 7 is preferentially oriented in the + Z direction, that is, the [011] axis direction. This characterizes the present invention.
  • the piezoelectric layer 7 can be formed by a sputtering method.
  • the second electrode 9 is made of gold.
  • the first electrode 5 is electrically connected to the third electrode 25.
  • the third electrode 25 can be provided to apply a voltage to the first electrode 5.
  • the third electrode 25 is not essential.
  • the support 13 fixes one end of the laminate 11.
  • the support 13 can be bonded to the laminate 11. Epoxy resin or solder can also be used.
  • a portion of the substrate 3 can be etched to form the support 13.
  • the actuator 1 includes a first electrode 5, a piezoelectric layer 7 made of (Bi, Na, Ba) TiO 3 , and a second electrode 9.
  • the piezoelectric layer 7 is sandwiched between the first electrode 5 and the second electrode 9.
  • a voltage is applied between the first electrode 5 and the second electrode 9 to drive the actuator 1.
  • one end of the laminate 11 is fixed, while the other end is displaced in the Z direction.
  • displacement used in this specification means movement in the + Z direction or the ⁇ Z direction. This means a preferable function required for the actuator.
  • deformation used in the present specification means bending in the YZ plane. This means an undesirable function that is not required for the actuator. That is, a large displacement and a small deformation are required.
  • FIG. 5B is a cross-sectional view of the actuator 1 on the XZ plane.
  • FIG. 5B is used to explain the amount of displacement at the other end.
  • d z is between the position of the other end when the potential difference actuator 1 is not applied, and its position when a potential difference is applied, a length along the Z-direction.
  • FIG. 5C is a cross-sectional view of the actuator 1 on the YZ plane.
  • FIG. 5C is used to explain the deformation amount of the other end.
  • a potential difference is applied to the actuator 1.
  • a broken line indicates an ideal state (hereinafter referred to as “non-deformed state”) in which the central portion of the actuator 1 exists on a line connecting both ends of the actuator 1 when the actuator 1 is seen from the + X direction.
  • a solid line indicates an actual state where the central portion of the actuator 1 does not exist on a line segment connecting both ends of the actuator 1 when viewed from the + X direction (hereinafter referred to as “deformed state”).
  • both ends of the actuator 1 in the non-deformed state coincide with both ends of the actuator 1 in the deformed state.
  • the central portion of the actuator 1 in the non-deformed state does not coincide with the central portion of the actuator 1 in the deformed state. The difference between these central positions is defined as h z .
  • h z is the Z direction between the center of an imaginary line segment connecting both ends of the actuator 1 and the center of the actuator 1 when the actuator 1 to which the potential difference is applied is viewed from the + X direction. It is the length along.
  • An actuator 1 having a small value of h Z / d Z is required. Specifically, the value of h Z / d Z is 0.1 or less. When the value of h Z / d Z exceeds 0.1, the other end portion of the actuator 1 may be damaged.
  • the actuator 1 having a larger L Y has a greater driving force.
  • the actuator 1 having a smaller L X has a greater rigidity. Therefore, it is preferable that the value of L Y / L X is larger. Specifically, the value of L Y / L X is preferably 0.1 or more.
  • the maximum value of L Y is approximately 20 mm.
  • the minimum value of L X is about 1 mm in consideration of cutting out of the piezoelectric layer 7. Therefore, the value of L Y / L X is preferably 20 or less.
  • the actuator 1 is characterized in that the piezoelectric layer 7 is preferentially oriented in the + Z direction, one end portion in the X direction is fixed, and the other end portion is displaced in the Z direction. This allows the L even if the value of Y / L X are the same, to reduce the value of h Z / d Z of the actuator of the present invention over other actuators.
  • Example 1 the actuator according to FIG. 1 was prepared as follows.
  • a Pt layer having a [011] axial direction and a thickness of 250 nm was formed on the surface of an MgO single crystal substrate having a (110) plane orientation and a thickness of 0.5 mm by RF magnetron sputtering.
  • the MgO single crystal substrate and the Pt layer correspond to the substrate 3 and the first electrode 5, respectively.
  • Target Metal Pt Atmosphere: Argon (Ar) gas RF output: 15W Substrate temperature: 300 degrees Celsius Next, a (Bi, Na, Ba) TiO 3 layer having a thickness of 2.7 ⁇ m is deposited on the surface of the first electrode 5 by RF magnetron sputtering to form the piezoelectric layer 7. It was.
  • Atmosphere Ar / O 2 flow ratio of 50/50 Ar / oxygen mixed gas
  • RF output 170 W
  • Substrate temperature 650 degrees Celsius
  • FIG. 6 shows the results of the X-ray diffraction profile. Except for the reflection peaks of the MgO substrate and the Pt layer, only the reflection peak of the (Bi, Na, Ba) TiO 3 layer with (110) plane orientation (ie, [011] axial direction, see FIG. 2) was observed . The intensity of the (110) reflection peak was very strong at 255,956 cps.
  • the profile shown in FIG. 6 means that the piezoelectric layer 7 according to Example 1 has a very strong + Z direction orientation.
  • an Au layer having a thickness of 100 nm was formed on the surface of the piezoelectric layer 7 by vapor deposition.
  • the Au layer corresponds to the second electrode 9.
  • the laminated body 11 was produced.
  • the laminate 11 was cut out to form several plates each having a length of 20 mm and a width of 2 mm.
  • the said board was adhere
  • FIG. 7A shows a cantilever that utilizes electrostriction along the X direction.
  • d Z1 is the amount of displacement along the ⁇ Z direction at one end of the cantilever.
  • FIG. 7B shows a cantilever that utilizes electrostriction along the Y direction.
  • d Z2 is the amount of displacement along the ⁇ Z direction at one end of the cantilever.
  • FIG. 8A shows a graph having a horizontal axis of potential difference (applied voltage) and a vertical axis of dZ1 .
  • FIG. 8B shows a graph having a horizontal axis of potential difference (applied voltage) and a vertical axis of dZ2 .
  • d z1 is much larger than d Z2 . That is, the cantilever with one end in the X direction fixed has an extremely large displacement (d z1 ). On the other hand, the cantilever with one end fixed in the Y direction has an extremely small displacement (d z2 ).
  • the present invention is based on this finding.
  • Displacement amount when a potential difference is applied for 10V is converted into a piezoelectric constant d 31.
  • the piezoelectric constant d 31 according to FIG. 8A was ⁇ 130 pC / N, while the piezoelectric constant d 31 according to FIG. 8B was ⁇ 10 pC / N.
  • the (Bi, Na, Ba) TiO 3 layer 7 having an axial orientation had piezoelectric characteristics having large anisotropy. Specifically, the piezoelectric constant d 31 along the X direction was 10 times or more the piezoelectric constant d 31 along the Y direction.
  • the displacement does not cause hysteresis with respect to the applied voltage.
  • the applied voltage be 20V or less. Therefore, in this embodiment, the maximum value of the applied voltage is set to 10V.
  • the MgO single crystal substrate was polished to a thickness of 50 ⁇ m.
  • a plate cut out from the laminated body 11 was bonded with an epoxy resin, and the laminated body 11 was fixed.
  • the first electrode 5 was electrically connected to the third electrode 25 by silver paste. In this way, the actuator 1 was created.
  • the displacement amount dZ1 was measured with a laser displacement meter.
  • FIG. 9 shows the result.
  • FIG. 9 shows a graph having a horizontal axis of the potential difference and a vertical axis of the displacement amount dZ1 .
  • the same axial direction as in FIG. 7A was used.
  • the potential difference was 10 V, a large displacement of about 200 ⁇ m was obtained.
  • the laminate 11 was cut out to form a plurality of plates having various lengths L X and various widths L Y. One end of the plate was fixed, and various actuators were prepared.
  • Table 1 shows the relationship between the value of L Y / L X and the value of h Z / d Z that the actuator 1 according to Example 1 has.
  • the actuator was provided with an MgO single crystal substrate 3 having a thickness of 50 ⁇ m.
  • h Z was a measure of when the potential difference between the first electrode 5 and the second electrode 9 is 10V.
  • the piezoelectric constant d 31 was evaluated.
  • the piezoelectric constant d 31 of the piezoelectric layer 7 according to Comparative Example 1 was ⁇ 130 pC / N along the in-plane [100] axial direction.
  • the piezoelectric constant d 31 along the [010] axis direction orthogonal to the [100] axis direction was also ⁇ 130 pC / N. This means that the piezoelectric layer 7 according to Comparative Example 1 had in-plane isotropic piezoelectric characteristics.
  • Table 2 shows the relationship between the values of L Y / L X and h Z / d Z of the actuator according to Comparative Example 1.
  • the actuator of Example 1 created using the substrate 3 having the (110) plane orientation is L Y / L X, more than the actuator of Comparative Example 1 made of the substrate 3 having the (100) plane orientation . It is seen that the h Z / d Z value excellent piezoelectric performance.
  • the actuator according to the present invention can be suitably used for Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) because of its large driving force.
  • MEMS Micro Electro Mechanical Systems

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Abstract

　アクチュエータを駆動する方法であって、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、第１電極および第２電極との間に電位差を印加し、アクチュエータを駆動させる。これにより、アクチュエータ駆動時の不要な変形を抑制する。

Description

アクチュエータ、及びアクチュエータを駆動する方法
　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。
特開平０５－１８７８６７号公報
　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。
図１は、本アクチュエータの模式的斜視図である。 図２は、座標軸の定義のための説明図である。 図３は、本アクチュエータの断面図である。 図４Ａは、本アクチュエータの－Ｚ方向に沿った変位を示す模式的斜視図である。 図４Ｂは、本アクチュエータの＋Ｚ方向に沿った変位を示す模式的斜視図である。 図５Ａは、本アクチュエータの他の変位を示す模式的斜視図である。 図５Ｂは、本アクチュエータの他端におけるＺ方向に沿った変位を示す断面図である。 図５Ｃは、本アクチュエータの他端におけるＹ方向に沿った変形を示す断面図である。 図６は、実施例１による圧電体薄膜のＸ線回折プロファイルである。 図７Ａは、ｄＺ１の値を説明するための図である。 図７Ｂは、ｄＺ２の値を説明するための図である。 図８Ａは、図７Ａに対応する、実施例１による圧電性能の評価の結果を示すグラフである。 図８Ｂは、図７Ｂに対応する、実施例１による圧電性能の評価の結果を示すグラフである。 図９は、実施例１によるアクチュエータにおける電位差と変位量との間の関係を示すグラフである。 図１０Ａは、圧電体薄膜を具備する従来のアクチュエータの断面図である。 図１０Ｂは、電位差が印加された時の従来のアクチュエータの断面図である。
　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。
　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。
　［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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　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。
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　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

Claims (9)

  1. 　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。
  2. 　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。
  3. 　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。
  4. 　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。
  5. 　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。
  6. 　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。
  7. 　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。
  8. 　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。
  9. 　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、
           前記圧電体層は、＋Ｚ方向に優先配向している、
    アクチュエータ。
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