WO1999001901A1

WO1999001901A1 - Parallel plate structure provided with pzt thin-film bimorph and method of fabrication thereof

Info

Publication number: WO1999001901A1
Application number: PCT/JP1998/002991
Authority: WO
Inventors: Toshio Fukuda; Fumihito Arai; Hitoshi Iwata; Koichi Itoigawa
Original assignee: Tokai Rika Co Ltd
Current assignee: Tokai Rika Co Ltd
Priority date: 1997-07-04
Filing date: 1998-07-02
Publication date: 1999-01-14
Anticipated expiration: 2000-01-04
Also published as: JPH1126834A; EP1020937A1; EP1020937A4; US6262516B1

Description

明細書

PZT薄膜バイモルフを備える平行板構造体、及びその製造方法技術分野

本発明は PZT(leae (Pb) Zinrconate Titanate)薄膜バイモルフを備える平行板構造体、及びその製造方法に係り、より詳しくは圧電ァクチユエ一夕として使用される構造体に関する。背景技術

従来から、板状の基材と、同基材の表裏両面に形成された圧電素子として 2枚の PZT (ジルコン ·チタン酸鉛：チタン酸鉛およびジルコン酸鉛の固溶体からなるセラミックス）素子と、各 PZT素子上に形成された電極とからなるバイモルフ（B imo r ph) が知られている。一方の P Z T素子が伸びるのに対して、他方の P ZT素子が縮むように、両 P ZT素子に対して電圧が印加される。その結果、バイモルフが全体的に特定の方向に変位するため、同バイモルフはァクチユエ一夕として利用される。

ところが、上記バイモルフにおいて、予め形成された個々の P ZT素子を使用する場合、その素子を後の工程で薄く形成することは難しい。従って、バイモルフの小型化が難しいという問題がある。また、 PZT素子は基材の表裏面にそれぞれ貼り付けるための工程に時間がかかるため、バイモルフの製造時間が長くなるという問題がある。

さらに、バイモルフは一体的に形成された 1枚の板状をなすため、同バイモルフに外力が加わると所望の変位方向以外の方向に変位しやすい。この場合、バイモルフは正確に変位せず捩じれた状態で変位するという問題がある。発明の開示本発明の目的は、大きな変位を得ることができる P Z T薄膜バイモルフを備える平行板構造体を提供することにある。

本発明の別の目的は、大量生産および小型化に適し、かつ捩じれ難い P Z T薄膜バイモルフを備える平行板構造体を提供することにある。

本発明の更に別の目的は、生産性に優れた P Z T薄膜バイモルフを備える平行板構造体の製造方法を提供することにある。

本発明のバイモルフを備える平行板構造体によると、チタン基材の第 1及び第 2の面に形成された P Z T薄膜が薄いため、バイモルフは小型化され、その結果

、構造体全体としても小型化される。又、平行板構造体は、一対のバイモルフがスぺーサを介して積層された 2重構造をなすため、構造体は向上した剛性を有し、捩じれに対して強い。

構造体を変位させる場合、各バイモルフの第 1の面において、隣接する電極に対して互いに逆極性の電位が印加される。また、各バイモルフの第 2の面において、隣接する電極に対して互いに逆極性の電位が印加される。この結果、分極方向に電界が印加された P Z T薄膜の部分は縮み、分極方向と反対方向に電界が印加された P Z T薄膜の部分は伸びる。

各バイモルフは、同様に電圧が印加されているため、同一方向に変位する。そして、各バイモルフの各面において隣接する電極には、互いに異なる極性の電圧が印加されるため、異なる極性の電圧が印加された P Z T薄膜は、互いに逆方向に変位する。この結果、隣接する電極に対応する P Z T薄膜の部分は、逆方向に変位するため、構造体は S字又は逆 S字状に湾曲して変位することになる。図面の簡単な説明

図 1 ( a ) は、本発明の一実施形態に従う P Z T薄膜バイモルフを備える平行板構造体に対する電圧の印加方法を示す断面図。

図 1 ( b ) は、図 1 ( a ) の構造体に対する別の電圧の印加方法を示す断面図図 2 ( a ) は、構造体の変位状態を示す断面図。

図 2 ( b ) は、構造体の別の変位状態を示す断面図。

図 3は、基材を示す断面図。

図 4は、 P Z T薄膜にて被覆された基材を示す断面図。

図 5は、電極膜が形成された基材を示す断面図。

図 6は、電極膜をパターンニングして形成された圧電素子を示す断面図。図 7は、図 6の圧電素子を示す斜視図。

図 8は、平行板構造体の組付け方法を示す分解斜視図。

図 9は、組み付けられた平行板構造体を示す斜視図。

図 1 0は、図 9の構造体を示す斜視図。

図 1 1は、比較例のバイモルフを備える構造体を示す斜視図。

図 1 2は、図 1 1の構造体が変位した状態を示す断面図。

図 1 3は、平行板作動モード時における構造体を示す概略図。

図 1 4は、単純湾曲作動モード時における構造体を示す概略図。発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の一実施形態に従う P Z T薄膜バイモルフを備える平行板構造体を図 1乃至図 1 0を参照して説明する。図面に示されている各部材の厚みは、説明の便宜上、実際のものより適宜拡大されている。

図 1 ( a ) ， ( b ) に示すように、平行板構造体 1は、バイモルフからなる一対の平板状の圧電素子 2と、同圧電素子 2間に配置された角柱状の絶縁スぺ一サ 3とからなる。スぺーサ 3は、構造体 1の上下両端において圧電素子 2を互いに接続し、圧電素子 2間の短絡防止のために絶縁材料からなる。

各圧電素子 2は、均一な厚みを有する平板状のチタン基材 4と、同チタン基材 4の両側面上に形成された P Z T薄膜 5と、各 P Z T薄膜 5上に形成された上下一対の電極膜 6とを含む。各電極膜 6は互いに絶縁され、一方の電極膜 6は対応する P Z T薄膜 5の一端からほぼ中央部まで延び、他方の電極膜 6は対応する P ZT薄膜 5の他端からほぼ中央部まで延びる。また、各電極膜 6は、対応する Ρ ΖΤ薄膜 5のほぼ半分の面積を有する。基材 4は 20 zmの厚みを有し、 PZT 薄膜 5は数十 mの厚みを有する。電極膜 6はアルミニウムからなり、数の厚みを有する。

構造体 1をァクチユエ一夕として使用する場合、図 1 (a) , (b) に示すように直流電源 B 1〜B 4が構造体 1に接続される。図 1 (a) において、 PZT 薄膜 5の分極方向は矢印 αで示されている。電源 B l, Β 2は直列に接続され、電源 Β 1のプラス端子は、各圧電素子 2下部における左側の電極膜 6に接続され、電源 Β 2のマイナス端子は、各圧電素子 2下部における右側の電極膜 6に接続され、電源 B l， Β 2間の接続点はチタン基材 4に接続されている。

一方、電源 Β 3, Β4は、電源 B l， Β 2と同様に直列に接続されている。電源 Β 4のプラス端子は、図 1 (a) の各圧電素子 2上部における右側の電極膜 6 に接続され、電源 B 3のマイナス端子は各圧電素子 2上部における左側の電極膜 6に接続され、電源 B 3, B 4間の接続点は基材 4に接続されている。

電源 B 1， B 2間の接続点のチタン基材 4への接続と、電源 B 3, B4間の接続点のチタン基材 4への接続とは、チタン基材 4の両側の P ZT薄膜 5のそれぞれに、均一に電界を印加するためのものである。しかしながら、各 PZT薄膜 5 の膜厚が均一であれば、上記接続点を基材 4に接続する必要はない。電源 B l〜 B 4は同一の電圧を有し、その電圧は各電極膜 6を介して P ZT薄膜 5に印加される。ここで、各圧電素子 2の上側と下側には、互いに異なる極性の電圧が印加される。

構造体 1の下端（基端）を台（図示しない）に固定した状態で、図 1 (a) に示すように構造体 1に対して電圧を印加するとき、分極方向に電界が印加された PZT薄膜 5の部分は分極方向に伸び、分極方向と直交する方向に縮む。これに対して、分極方向と反対方向に電界が印加された P ZT薄膜 5の部分は分極方向に縮み、分極方向と直交する方向に伸びる。この結果、図 2 (a) に示すように、構造体 1は、下部が左側に湾曲し、上部が右側に湾曲するように変位する。以下、 PZT薄膜 5の伸びる方向または縮む方向は、分極方向と直交する方向について述べる。

又、図 1 (a) とは逆極性の電圧を PZT薄膜 5に印加した場合には、各圧電素子 2の右側上部及び左側下部は伸び、各圧電素子 2の左側上部および右側下部は縮む。この結果、図 2 (b) に示すように、構造体 1は、下部が右側に湾曲し、上部が左側に湾曲するように変位する。

なお、図 2 (a) ， (b) においては、電極膜 6は省略されており、 PZT薄膜 5の圧縮された部分 5 aは左下がりのハッチングにて示し、伸びた部分 5 bは右下がりのハッチングにて示されている。

図 1 (b) において、 P ZT薄膜 5の分極方向は矢印) 3で示されている。同図に示すように、電源 B 5のマイナス端子は基材 4に接続され、電源 B 5のプラス端子は各圧電素子 2の下部両側の電極膜 6に接続されている。電源 B 6のマイナス端子は基材 4に接続され、電源 B 6のプラス端子は各圧電素子 2の上部両側の電極膜 6に接続されている。電源 B 5により P ZT薄膜 5に対してプラス電位が印加されるとき、右側下部の P Z T薄膜 5は伸び、左側下部の P Z T薄膜 5は縮む（図 1 (b) においては、左側へ変形する）。これに対して、電源 B 6により P Z T薄膜 5に対してマイナス電位が印加されるとき、右側上部の P Z T薄膜は縮み、左側上部の PZT薄膜 5は伸びる。従って、図 2 (a) に示すように構造体 1は、下部が左側に湾曲し、上部が右側に湾曲するように変位する。この PZ T薄膜 5の分極方向 ]3である場合、図 1 (a) の電源 B 1〜B4の半分の電圧で、図 1 (a) と同じ量の変位が得られる。

又、図 1 (b) とは、逆極性の電圧を PZT薄膜 5に印加する場合には、図 2

(b) に示すように、構造体 1は、下部が右側に湾曲し、上部が左側に湾曲するように変位する。

次に、構造体 1の製造方法を図 3乃至図 10を参照して説明する。

図 3に示すように、チタンからなる母材 4 Aが提供される。母材 4 Aは均一な厚みを有し、かつ平板状をなす。母材 4 Aは、上記構造体 1の基材 4の複数個分の面積を有している。まず、母材 4 Aは酸等でクリーニングされた後、母材 4 A の一端部（図 1において、基端となる側）を合成樹脂、又はスパッタリングや真空蒸着等の物理的成膜法によりチタン以外の金属にて被覆してマスク Mが形成される。

次に、図 4に示すように、母材 4Aの両面に水熱法を用いて PZT薄膜 5が形成される。この水熱法は以下の 2つの段階からなっている。

(第 1段階）

母材 4A、原材料であるォキシ塩化ジルコニウム（Z rOC l ₂ * 8 H 2 O) と硝酸鉛（Pb (N O s) 2) との水溶液、及び鉱化剤としての KO H (8N) 溶液がテフロン瓶（図示しない）に投入されて攪拌される。なお、 PZT薄膜 5の圧電性は、 P ZT薄膜 5におけるチタン酸鉛およびジルコン酸鉛の構成組成比によつて決まるため、後にできあがる P ZT薄膜 5の圧電性に応じてォキシ塩化ジルコニゥムと硝酸鉛とのモル比が決められる。

次に、圧力容器（図示しない）内において、母材 4 Aを上方に配置した状態で、ォキシ塩化ジルコニウム（Z rOC l ₂ * 8 H 2 O) 、硝酸鉛（Pb (N O s) 2 ) の水溶液、及び K〇H (8N) 溶液が混合され、 300 r pmの速度で攪拌しながら、その混合液が加熱および加圧される。ここでいう加圧とは、.加熱された溶液の蒸気圧よる加圧のことである。温度条件は 150でで、 48時間にわたつてこの処理が継続して行われる。この結果、過飽和状態で、母材 4 Aの両側面に PZTの種結晶（結晶核）が形成される。種結晶が形成された後、母材 4 Aは圧力容器から取り出され、水洗および乾燥される。

(第 2段階）

次に、種結晶を有する母材 4 A、原材料としてのォキシ塩化ジルコニウム（Z r O C 12 · 8 H2 O) と硝酸鉛（Pb (N O s) 2) との水溶液、四塩化チタン（ T i C 1₄) 及び鉱化剤としての KOH (4N) 溶液がテフロン瓶（図示しない）に投入されて攪拌される。ここでも、ォキシ塩化ジルコニウムと硝酸鉛とのモル比は、 PZTの圧電性に応じて決められる。次に、圧力容器（図示しない）内において、母材 4Aを上方に配置した状態で、ォキシ塩化ジルコニウム（Z r〇C 1₂ · 8H₂〇）と硝酸鉛（Pb (N〇₃) ₂ ) との水溶液、四塩化チタン（T i C 1₄) 及び KOH (4N) 溶液が混合され、 300 r pmの速度で攪拌しながら、加熱および加圧される。ここでいう加圧とは、加熱された混合液の蒸気圧よる加圧のことである。この処理は、 120¾の温度で、 48時間にわたって継続される。この結果、過飽和状態で、母材 4Aの両側面に所定の厚み（この実施形態では数十 μιη) を有する ΡΖΤ薄膜 5が形成される（図 4参照）。 ΡΖΤ薄膜 5の形成後、母材 4Αは圧力容器から取り出され、水洗および乾燥される。この後、マスク Μが除去される。

次に、図 5に示すように、スパッタリングや真空蒸着等の物理的成膜法により、 ΡΖΤ薄膜 5を含む、母材 4 Αの両側面に電極膜 6 Αが形成される。図 6及び図 7に示すように、母材 4Aから複数個分（この実施形態では 3個分）の圧電素子 2を取れるように、パターニングにより電極膜 6 Aの不要な部分が除去される。この結果、この実施形態では、図 7に示すように母材 4 Aの両側面の PZT薄膜 5上に複数個の電極膜 6がそれぞれ矢印「A」で示す方向に沿って 3列に並ぶように設けられる。各列は、 2個の同一面積を有する同一形状の電極膜 6から構成される。図 7において、チタン基材 4の両側面に設けられた各電極膜 6は、それぞれ母材 4 Aを挟んで相対するように配置される。

図 8に示すように、母材 4 Aの不要部分は除去される。続いて、 PZT薄膜 5 および電極膜 6を備えた一対の母材 4 Aが互いに相対させ、その両母材 4 A間には、合成樹脂からなる角柱状の絶縁スぺーサ 3が配置される。

図 9に示すように、各母材 4 Aおよびスぺーサ 3は、硬化後に剛性の高くなる接着剤にて固定されることより、平行板構造体 1Aとなる。この構造体 1Aは、単一の構造体が互いに連結された構成となっている。

次に、構造体 1 Aは、電極膜 6の列間に位置する点線に沿って切断され、図 1 0に示すように単一の平行板構造体 1に分離される。この切断は、放電加工、或いはレーザカツトにて行われる。上述したように、この実施形態の構造体 1では、圧電素子 2の上部および下部に対して互いに極性の異なる電圧を印加することにより、構造体 1は図 2 ( a ) 、又は図 2 ( b ) に示すように変位する。この変位モードを以下、平行板作動モードという。

図 1 1は、比較例としてバイモルフを備える平行板構造体 2 1を示している。同図において、本実施形態の構造体 1と同一の構成については、同一符号が付されている。

比較例の構造体 2 1は、チタン基材 4の各側面に、単一の電極膜 2 6が形成されている点で本実施形態の構造体 1と異なる。電源 B 1 , B 2は、構造体 2 1に対してそれぞれ直列に接続されている。電源 B 1のプラス端子は、各圧電素子 2 の左側面の電極膜 2 6に接続され、電源 B 2のマイナス端子は各圧電素子 2の右側面の電極膜 6に接続され、電源 B l , B 2間の接続点はチタン基材 4に接続されている。なお、この比較例では、 P Z T薄膜 5の分極方向は、図 1 ( a ) と同様とする。

構造体 2 1の下端を台（図示しない）に固定した状態で、図 1 1に示すように電圧を印加するとき、分極方向に電界が印加された P Z T薄膜 5の部分は縮み、分極方向と反対方向に電界が印加された P Z T薄膜 5の部分は伸びる。従って、構造体 2 1は図 1 1の左方へ変位する。

これに対して、図 1 1とは逆極性の電圧を各圧電素子 2に印加するとき、各圧電素子 2の右側の P Z T薄膜 5は縮み、各圧電素子 2の左側の P Z T薄膜 5は伸びる。従って、構造体 2 1は図 1 2示すように右方へ変位する。図 1 2において、比較例の電極膜 2 6は省略されている。ここで、 P Z T薄膜 5の縮んだ部分 5 は左下がりのハッチングにて示され、伸びた部分は右下がりのハツチングにて示されている。

構造体 1および構造体 2 1に対して同じ電圧を印加する場合、構造体 1の変位量は、構造体 2 1のそれよりも大きい。その理由を図 1 3及び図 1 4を参照して説明する。図 1 3は本実施形態の構造体 1の変位を示し、図 1 4は比較例の構造体 2 1の変位を示す。

図 1 4において、自由端側の絶縁スぺーサ 3が無かった時の電圧印加時の変位を aとする。これに対し、絶縁スぺーサ 3を取付けると、圧電素子 2の変位が絶縁スぺ一サ 3により妨げられ、その変位は c ( c < a ) となる。図 1 3においては、電極が 2分割されているため、固定側の圧電素子 2における変位は aZ 2となり、さらに自由端側の圧電素子 2は固定側の圧電素子と同様の変位をするため、その変位は a Z 2となり、構造体 1の全体の変位は aとなる。従って、本実施形態の構造体 1の方が変位量が大きい。

本実施形態では、 P Z T薄膜 5は数十/ と薄く形成しているため、圧電素子 2の小型化、ひいては構造体 1の小型化が図られる。

本実施形態の構造体 1は、一対のバイモルフからなる圧電素子 2がスぺーサ 3 を介して積層された平行板構造であるため、捩じれに対する強度が向上している本実施形態の構造体 1の製造方法によれば、水熱法により、一度に複数個の基材 4に対して P Z T薄膜 5及び電極膜 6が形成されるため、均一な品質を有する構造体 1を効率的に生産される。スぺーサを使用したバイモルフの固着は、構造体 1の形成を容易とする。

本発明の実施形態は、次のように変更されてもよい。

圧電素子 2間の絶縁性が確保されていれば、絶縁スぺ一サ 3に代えて金属などの非絶縁性のスぺ一サが使用されてもよい。この場合、圧電素子 2に対する固着は溶接等の他の手段により行われる。また、電極膜 6はアルミニウムに代えて、 A u (金）のような他の金属にて形成されてもよい。

電極膜 6、 P Z T薄膜 5、および基材 4の厚みは上記数値に限定されるものではなく、適宜に変更されてもよい。

上記実施形態では、 1つの母材 4 Aから採られるバイモルフは 3個であるが、 2個以下或いは 4個以上のバイモルフが 1つの母材 4 Aから形成されてもよい。

Claims

請求の範囲

1. 互いに平行に配置された一対のバイモルフ（2) と、前記バイモルフ（2) を互いに連結するためのスぺ一サ（3) とを備える平行板構造体であって、各バイモルフ（2) は、

チタン基材（4) と、

同チタン基材（4) は第 1の面と、同第 1の面と反対側に位置する第 2の面とを有することと、

各第 1及び第 2の面上に形成された PZT薄膜（5) とを備え、

前記平行板構造体は、各 PZT薄膜（5) 上に形成され、同一の方向に沿って延び、互いに離間された複数の電極（6) を備えることを特徴とする。

2. 請求項 1に記載の平行板構造体において、各第 1及び第 2の面上の電極（6 ) の数は第 1および第 2の電極（6) を含む 2個であることを特徴とする。

3. 請求項 2に記載の平行板構造体において、前記第 1の電極（6) は対応する PZT薄膜（5) の一端からほぼ中央部まで延び、前記第 2の電極（6) は対応する PZT薄膜（5) の他端からほぼ中央部まで延びることを特徴とする。

4. 請求項 1〜3の何れか 1項に記載の平行板構造体おいて、前記 PZT薄膜（ 5) は、水熱法を用いて形成されていることを特徴とする。

5. 請求項 1〜 3の何れか 1項に記載の平行板構造体において、前記スぺーサ ( 3) は前記バイモルフ（2) の一端に設けられ、同バイモルフ（2) の他端に設けられるスぺーサ（3) を更に備え、両スぺ一サ（3) は絶縁体であることを特徴とする。

6. 平行板構造体の製造方法は、

チタン基材（4) を提供する工程と、

水熱法により、チタン基材（4) の第 1の面と、第 1の面の反対側に位置する第 2の面とに PZT薄膜（5) を形成する工程と、

各 PZT薄膜（5) 上に複数の電極（6) を同一の方向に沿って並ぶように形成することによりバイモルフ（2) を得る工程と、

一対のバイモルフ（2) を互いに平行に相対させ、両バイモルフ（2) をスぺーサ（3) により固定する工程とを備えることを特徴とする。

7. 請求項 6に記載の方法において、バイモルフ（2) を得る工程は、各 PZT 薄膜（5) 上に同一方向に延びる複数の列の電極（6) を形成した後に、各列間を切断する工程を含むことを特徴とする。

8. 請求項 6又は 7に記載の方法において、水熱法は、

チタン基材（4) の第 1及び第 2の面上に種結晶を形成する工程と、チタン基材（4) の第 1及び第 2の面上に PZTの結晶を成長させる工程とを含むことを特徴とする。

9. 請求項 8に記載の方法において、種結晶形成工程は、硝酸鉛溶液、およびォキシ塩化ジルコニウムを鉱化剤とともに混合し、攪拌しながら加圧及び加熱することを含む。

10. 請求項 8に記載の方法において、結晶成長工程は、硝酸鉛溶液、およびォキシ塩化ジルコニウムを鉱化剤とともに混合し、攪拌しながら加圧及び加熱する工程を含むことを特徴とする。

1 1. 請求項 9又は 10に記載の方法において、前記加圧は、加熱された混合液の蒸気圧によって行われることを特徴とする。

12. 請求項 6〜1 1の何れか 1項に記載の方法において、 PZT薄膜（5) を形成する工程の前に、チタン基材（4) の所定部分にマスクを予め施すことを特徴とする。