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JP2008127244A - 圧電セラミックス及び圧電セラミックス素子 - Google Patents

圧電セラミックス及び圧電セラミックス素子 Download PDF

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JP2008127244A
JP2008127244A JP2006314303A JP2006314303A JP2008127244A JP 2008127244 A JP2008127244 A JP 2008127244A JP 2006314303 A JP2006314303 A JP 2006314303A JP 2006314303 A JP2006314303 A JP 2006314303A JP 2008127244 A JP2008127244 A JP 2008127244A
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piezoelectric
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piezoelectric ceramics
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Fumito Oka
史人 岡
Kenji Shibata
憲治 柴田
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Hitachi Cable Ltd
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Hitachi Cable Ltd
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Abstract

【課題】鉛を含有しない特定の組成のアルカリニオブ酸化物の薄膜からなり、優れた圧電特性を有する圧電セラミックス及び圧電セラミックス素子を提供することにある。
【解決手段】一般式が(Na1−x1−yNbで表されるアルカリニオブ酸化物の薄膜からなり、その組成が0.40≦x≦0.48かつ0.48≦y≦0.55である圧電セラミックス。
【選択図】 図1

Description

本発明は、優れた圧電特性を有するアルカリニオブ酸化物からなる圧電セラミックス及び圧電セラミックス素子に関する。
圧電セラミックスは種々の目的に応じて様々な圧電素子に加工され、素子に電圧を加えることによって変形を生じさせるアクチュエータや、素子に圧力を加えることによって変形を生じさせ、その変形に応じて電圧を発生させるセンサなどの機能性電子部品として広く利用されている。
アクチュエータやセンサの用途に利用される圧電セラミックスとしては、優れた圧電特性を有する鉛系材料の強誘電体材料、特にPZTと呼ばれるPb(Zr1−xTi)O系のペロブスカイト型強誘電体材料がこれまで広く用いられており、このような強誘電体材料は通常個々の元素からなる材料の酸化物粉末を焼結することにより作製される。
一方、近年はアクチュエータ等の圧電素子をより小型化することが求められており、半導体集積回路を作製する際等に用いられるフォトリソグラフィー技術を用いて素子を作製する必要が生じている。この場合には圧電セラミックスも微細に加工する必要性から膜厚が数ミクロンから数十ミクロンの薄膜形状にすることが要求される。このような場合には、前記により作製した焼結体からこれを薄膜形状に加工することは、経済的、工業的見地からみて現実的な方法とは言えず、適当な基板上に薄膜を形成する方法が用いられる。
基板上に薄膜を形成する方法としては、例えば特許文献1に記載されているようなスパッタリング法や、PLD(レーザーアブレーション法)、ゾルゲル法等が知られている。
特開2002−151754号公報
PZTから成る圧電セラミックスは、酸化鉛(PbO)を60〜70重量%程度含有しているので、生態学的見地および公害防止の面から好ましくない。そこで環境への配慮から鉛を含有しない圧電セラミックスの開発が望まれている。
現在様々な鉛を含有しない圧電セラミックスが研究されているが、その中にニオブ酸リチウムカリウムナトリウム(一般式:(NaLi)NbO(0<x<1、0<y<1、0<z<1、x+y+z=1))がある。このニオブ酸リチウムカリウムナトリウムは、PZTに匹敵する圧電特性を有することから、非鉛圧電セラミックスの有力な候補として期待されている。
ニオブ酸リチウムカリウムナトリウム系圧電セラミックスは、一般に焼結法によって作製され、その際の出発原料としてはNb、KCO、NaCO、LiCOの夫々粉末が用いられる。目的とする圧電セラミックスの焼結体は、これらの粉末物質を固相反応させて作製するが、出発原料の全てを完全に固相反応させることは困難であり、出発原料の一部が焼結体中に残存する。このうち、KCOは潮解性を有するために、大気中の水分と反応して焼結体が分解してしまい、これにより安定した焼結体が得られ難いという問題があった。
一方、スパッタリング法等の薄膜形成法を用いた場合には、焼結法で問題であった残存KCOの潮解性による分解については回避が可能である。しかしながら薄膜形成法においては、現在までに優れた圧電特性を有する結晶性の圧電セラミックスを得られたという報告はなく、その原因についても明らかになっていない。
そこで本発明の目的は、上記課題に鑑み、優れた圧電特性を有する特定の組成のニオブ酸化物からなる圧電セラミックス、及びその薄膜を用いた圧電セラミックス素子を提供することにある。
上記目的を達成するために本発明の圧電セラミックスは、一般式が(Na1−x1−yNbで表されるアルカリニオブ酸化物からなり、その組成が0.40≦x≦0.48かつ0.48≦y≦0.55であることとしたものである。
また、上記目的を達成するために本発明の圧電セラミックスは、一般式が(Na1−x1−yNbで表されるアルカリニオブ酸化物の薄膜からなり、その組成が0.40≦x≦0.48かつ0.48≦y≦0.55であることとしたものである。
上記圧電セラミックスは、夫々ぺロブスカイト構造の結晶構造を有する多結晶体からなり、かつ圧電性を有するものであることが好ましい。
ここでいう薄膜とは、スパッタリング法のような物理的な薄膜形成法あるいはCVD(化学的気相成長)法のような化学的な薄膜形成法によって板状の支持体(基板)上に被着された、一般に数十ミクロン以下の薄膜をいう。
また、上記目的を達成するために本発明の圧電セラミックス素子は、一般式(Na1−x1−yNbで表されるアルカリニオブ酸化物の薄膜からなり、その組成が0.40≦x≦0.48かつ0.48≦y≦0.55である圧電セラミックスを、導電性を有する下部電極と、導電性を有する上部電極との間に配置して構成されたものである。
上記導電性を有する下部電極は、Pt単層、PtとTiの積層、PtとIrの積層のいずれかであることが好ましい。
本発明の圧電セラミックスは、上記アルカリニオブ酸化物中に少量の添加物を混入させても良く、同様の効果を得ることができる。
本発明によれば、一般式が(Na1−x1−yNbで表されるアルカリニオブ酸化物について、このような特定の組成を採用したことにより優れた圧電特性を有する圧電セラミックスを得ることができるとともに、このような特定の組成であれば薄膜形成法によりその薄膜を安定して得ることができる。
前記圧電セラミックス中に少量の添加物を混入した場合も、同様の効果を得ることができる。
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について詳述する。
図1は、本発明に係る圧電セラミックス1を、導電性を有する下部電極2と導電性を有する上部電極3との間に配置して基板4上に一体に形成した圧電セラミックス素子5を示す。前記圧電セラミックスは、一般式が(Na1−x1−yNbで表されるアルカリニオブ酸化物からなり、その組成が0.40≦x≦0.48かつ0.48≦y≦0.55の条件を満たすものである。
また、この圧電セラミックス1は、基板4上に下部電極2を介して薄膜形成法により薄膜として形成されたものである。
基板4としては、安価なSi基板やガラス基板が用いられるが、この他に酸化マグネシウム基板、ステンレス基板、銅基板、アルミニウム基板を用いることもできる。また基板4が導電性である場合には、その表面に絶縁膜を形成してもよい。
このような構成とすることによって、上記圧電セラミックス素子5は、薄膜にして優れた圧電特性を発揮し、しかも鉛を含有していないアルカリニオブ酸化物のセラミックスを用いたものであることから、生態学的見地及び公害防止の点からも非常に有用である。
本発明の実施例として、図1に示す構造の圧電セラミックス素子5を作製する。
(001)面、厚さ0.5mm、20×20mmの酸化膜付きSi基板4上に、薄膜形成法としてスパッタリング法を用いることにより厚さ200nmのPt/Tiの積層からなる下部電極2を形成した。
Tiの成膜条件は、基板温度300℃、放電パワー200W、導入ガスAr雰囲気、圧力1Pa、成膜時間3分とし、Ptの成膜条件は、基板温度300℃、放電パワー200W、導入ガスAr雰囲気、圧力1Pa、成膜時間15分とした。
この下部電極2上に、(Na0.450.550.48Nb0.52で表されるアルカリニオブ酸化物の薄膜からなる圧電セラミックス1を、スパッタリング法により作製した。成膜条件は、基板温度700℃、放電パワー75W、導入ガスAr雰囲気、圧力0.4Pa、成膜時間3時間30分とした。
さらに、Ptからなる上部電極3を同様のスパッタリング法により形成した。成膜条件は、基板温度200℃、放電パワー200W、導入ガスAr雰囲気、圧力2.5Pa、成膜時間1分とした。
その後、この圧電セラミックスを含む多層構造から、長さ20mm、幅3mmの短冊形の小片の圧電セラミックス素子(試料)6を切り出し、図2に示すように、長手方向の一端を除震台7の上に設けたクランプ8で固定することにより、簡易的なユニモルフカンチレバーを作製した。
この状態で両電極2と3の間に電圧を印加し、圧電セラミックス素子(試料)6を伸縮させてレバー先端を動作させた。そのときの先端の変位量をレーザードップラー変位計9で測定した。
さらに圧電セラミックス素子(試料)6のうち、圧電セラミックスの組成のみを変えたものを上記と全く同様に作製した。
すなわち、ナトリウムとカリウムの組成を変えたものとして
(Na0.001.000.48Nb0.52
(Na0.150.850.48Nb0.52
(Na0.190.810.48Nb0.52
(Na0.250.750.48Nb0.52
(Na0.320.680.48Nb0.52
(Na0.390.610.48Nb0.52
(Na0.410.590.48Nb0.52
(Na0.430.570.48Nb0.52
(Na0.470.530.48Nb0.52
(Na0.490.510.48Nb0.52
(Na0.580.420.48Nb0.52
(Na0.620.380.48Nb0.52
(Na0.750.250.48Nb0.52
の13種類を作製した。
以上の14種類のナトリウムとカリウムの組成が異なる圧電セラミックス素子(試料)6を用いて作製した圧電セラミックス素子のナトリウム組成と、図2の測定結果から求めた圧電定数との関係を図3に示す。ナトリウム組成xが、0.40≦x≦0.48の範囲で急激に圧電定数が向上し、圧電特性が良くなっていることがわかる。
一方、ナトリウム及びカリウムに対するニオブの組成を変えたものとして、
(Na0.450.550.54Nb0.46
(Na0.450.550.53Nb0.47
(Na0.450.550.52Nb0.48
(Na0.450.550.50Nb0.50
(Na0.450.550.47Nb0.53
(Na0.450.550.46Nb0.54
(Na0.450.550.45Nb0.55
(Na0.450.550.44Nb0.56
(Na0.450.550.43Nb0.57
(Na0.450.550.42Nb0.58
の10種類を作製した。
以上の11種類のナトリウム及びカリウムに対するニオブの組成が異なる圧電セラミックス素子(試料)6を用いて作製した圧電セラミックス素子のニオブ組成と、図2の測定結果から求めた圧電定数との関係を図4に示す。ニオブ組成yが、0.48≦y≦0.55の範囲で急激に圧電定数が向上し、圧電特性が良くなっていることがわかる。
本実施例より、一般式が(Na1−x1−yNbで表されるアルカリニオブ酸化物の薄膜について、その組成を、0.40≦x≦0.48かつ0.48≦y≦0.55とすることにより、優れた圧電特性を有する圧電セラミックス及び圧電セラミックス素子が得られることが明らかである。
本発明の一実施の形態に係る圧電セラミックス素子の断面構造を示す模式図である。 ユニモルフカンチレバーの形状と測定の状態を示す模式図である。 アルカリニオブ酸化物薄膜のカリウムに対するナトリウム組成と圧電定数との関係を示すグラフである。 アルカリニオブ酸化物薄膜のナトリウム及びカリウムに対するニオブ組成と圧電定数との関係を示すグラフである。
符号の説明
1 圧電セラミックス
2 下部電極
3 上部電極
4 基板
5 圧電セラミックス素子
6 圧電セラミックス素子(試料)
7 除震台
8 クランプ
9 レーザードップラー変位計

Claims (5)

  1. 一般式(Na1−x1−yNbで表されるアルカリニオブ酸化物からなり、その組成が0.40≦x≦0.48かつ0.48≦y≦0.55であることを特徴とする圧電セラミックス。
  2. 一般式(Na1−x1−yNbで表されるアルカリニオブ酸化物の薄膜からなり、その組成が0.40≦x≦0.48かつ0.48≦y≦0.55であることを特徴とする圧電セラミックス。
  3. ぺロブスカイト構造の結晶構造を有する多結晶体からなり、かつ圧電性を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の圧電セラミックス。
  4. 一般式(Na1−x1−yNbで表されるアルカリニオブ酸化物の薄膜からなり、その組成が0.40≦x≦0.48かつ0.48≦y≦0.55である圧電セラミックスを、導電性を有する下部電極と、導電性を有する上部電極との間に配置して構成されたことを特徴とする圧電セラミックス素子。
  5. 前記導電性を有する下部電極は、Pt単層、PtとTiの積層、PtとIrの積層のいずれかであることを特徴とする請求項4に記載の圧電セラミックス素子。
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