CN1780010A

CN1780010A - 压电/电致伸缩器件

Info

Publication number: CN1780010A
Application number: CNA2005101169179A
Authority: CN
Inventors: 七泷努; 吉冈邦彦; 山口浩文
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2004-11-19
Filing date: 2005-10-25
Publication date: 2006-05-31
Anticipated expiration: 2025-10-25
Also published as: DE602005022974D1; JP2006147840A; US20060108896A1; US7221075B2; EP1659644B1; EP1659644A2; CN1780010B; JP4963159B2; EP1659644A3

Abstract

提供一种压电/电致伸缩器件，可以有效防止薄壁膜片部的振动的衰减，维持高变位，同时应答性好且可进行高精度(高分辨率、高灵敏度)的检测，其具有：具有厚壁部11和薄壁膜片部12的陶瓷基体1；和具有包含下部电极21、压电/电致伸缩膜22和上部电极23的分层结构的压电/电致伸缩元件2；并构成为与压电/电致伸缩元件2的驱动联动，陶瓷基体1的薄壁膜片部12振动；另外，构成为满足下述(A)～(C)规定的形状和尺寸关系：(A)薄壁膜片部的形状，是朝外方凸出的拱形，且拱形的朝外方的突出量是5～50μm；(B)薄壁膜片部的架设宽度是600～2000μm；(C)所述厚壁部的高度对宽度之比(高度/宽度)是0.25～3。

Description

压电/电致伸缩器件

技术领域

本发明涉及压电/电致伸缩器件。更详细地说是涉及被用作使用弯曲变位的致动器、或用来检测流体特性、声压、微重、加速度等的各种传感器(例如话筒用传感器、粘度传感器等)的压电/电致伸缩器件。

背景技术

压电/电致伸缩器件被用作制动器或各种传感器。作为这样的压电/电致伸缩器件，例如公开的有被用于流体的密度、浓度、粘度等特性的测定的器件(参照专利文献1)。这种压电/电致伸缩器件，利用作为压电/电致伸缩器件的振子的振幅与接触压电/电致伸缩器件(振子)的流体的粘性阻抗存在相关的现象而被用作传感器。

一般，振子在振动的机械系统中的振动形态，可以置换为在电气系统中的等效电路内，在流体内使压电/电致伸缩器件(振子)振动，利用通过该振子基于流体的粘性阻抗受机械阻抗的作用而构成振子的压电/电致伸缩元件的等效电路的电气常数变化来测定流体的粘度、密度、浓度等特性。这里，作为可测定的流体可列举的是液体和气体。作为这样的液体，既可以是由水、酒精、油等单一成分构成的液体，也可以是将可溶或不溶的媒质在其中溶解、混合或悬浊过的液体、浆液、膏等。

作为检测的电气常数，可以例如有损耗系数、相位、电阻、电抗、电导、电纳、电感、电容等，特别最好是采用在等效电路的谐振频率附近具有一个极大或极小变化点的损耗系数或相位。这样，不仅可以测定流体的粘度，而且可以测定密度或浓度(例如硫酸水溶液中的硫酸浓度)。作为检测振动形态变化的指标，除电气常数之外，如果从测定精度、耐久性的观点来看没有特别问题的话，也可以利用谐振频率的变化。另外，在使用强电介质作为压电/电致伸缩元件的情况下，也可以加上脉冲状的电场之后，将起因于强电介质的偶极子力矩的滞后而产生的电荷作为电压进行检测，也利用电压的变化。

作为这样的压电/电致伸缩器件，所公开的一种技术方案是，具有有陶瓷基体和被固定于其外表面的压电/电致伸缩元件，该陶瓷基体具有厚壁部和与厚壁部一体形成后形成空洞的薄壁膜片部，在与构成压电/电致伸缩元件的下部电极相独立的位置上，形成有辅助电极，且被形成为该辅助电极的一部分嵌入压电/电致伸缩膜的下侧的一部分内(参照专利文献2)。按照这样构成，就能够把上部电极不断线地连续形成在辅助电极和压电/电致伸缩元件的面上，可以提高上部电极的连接的可靠性。另外，被测定流体经通孔导入并填充到空腔内。进而，把辅助电极不仅连续地形成在薄壁膜片部的外表面上，而一直连续形成到厚壁部为止，从而能够得到稳定的器件特性和难以受限使用条件的压电/电致伸缩器件。

【专利文献1】特开平8-201265号公报

【专利文献2】特开2002-261347号公报

但是，在上述的专利文献所公开的压电/电致伸缩器件中，是做成与压电/电致伸缩元件的驱动相联动来仅使薄壁膜片部振动，而实际上，不仅使薄壁膜片部振动，也使厚壁部振动，薄壁膜片部振动能量衰减后，使变位(振幅)减小的同时，降低了应答性，很难进行高精度(高分辨率、高灵敏度)的检测。

发明内容

本发明，是鉴于上述的问题而形成的，目的在于提供一种可以有效地防止薄壁膜片部振动的衰减、维持高变位(振幅)，同时应答性好、可以进行高精度(高分辨率、高灵敏度)的检测的压电/电致伸缩器件。

为实现上述的目的，按照本发明，提供以下的压电/电致伸缩器件。

[1]一种压电/电致伸缩器件，其特征在于：设置有陶瓷基体和压电/电致伸缩元件，该陶瓷基体，具有厚壁部和一体地架设在所述厚壁部的端面上的薄壁膜片部，由所述厚壁部与所述薄壁膜片部形成了与外部连通的空腔；该压电/电致伸缩元件，具有被固定在所述陶瓷基体的薄壁膜片部的外表面上的，包含下部电极、压电/电致伸缩膜和上部电极的分层结构；所述陶瓷基体的薄壁膜片部可以与所述压电/电致伸缩元件的驱动联动地振动；该压电/电致伸缩器件满足下述(A)～(C)规定的形状和尺寸关系：

(A)所述薄壁膜片部的形状，是朝外方凸出的拱形，所述拱形的朝外方的突出量是5～50μm；

(B)所述薄壁膜片部的架设宽度是600～2000μm；

(C)所述厚壁部的高度对宽度之比(高度/宽度)是0.25～3。

[2]如[1]中所记载的压电/电致伸缩器件，其特征在于：分别具有2个以上所述薄壁膜片部和被固定在所述薄壁膜片部的外表面上的压电/电致伸缩元件；所述薄壁膜片部和所述压电/电致伸缩元件，分别被配置在第一平面上和/或与所述第一平面平行的第二平面上。

[3]如[1]中所记载的压电/电致伸缩器件，其特征在于：分别具有2个以上所述薄壁膜片部和被固定在所述薄壁膜片部的外表面上的压电/电致伸缩元件；所述薄壁膜片部和所述压电/电致伸缩元件，分别被配置在第一平面上、与所述第一平面平行的第二平面上和/或垂直于所述第一平面的第三平面上。

[4]如[1]～[3]任一项中所记载的压电/电致伸缩器件，其特征在于：所述压电/电致伸缩元件，是用膜形成方法形成的，同时，是通过将所述压电/电致伸缩元件的构成材料，配设在所述薄壁膜片部的外表面上之后，进行热处理后固定在所述薄壁膜片部的外表面上来得到的。

依据本发明可以提供能够有效防止薄壁膜片部的振动的衰减、维持高变位，同时，应答性优良、可进行高精度(高分辨率、高灵敏度)的检测的压电/电致伸缩器件。

附图说明

图1是本发明的压电/电致伸缩器件的一个实施方式的示意图；

图2是图1所示的实施方式的形状和尺寸关系的示意图；

图3的图3(a)是薄壁膜片部的突出量(h)与薄壁膜片部的变位的关系曲线图；图3(b)是薄壁膜片部的突出量(h)与厚壁部的开口的关系曲线图；

图4的图4(a)是薄壁膜片部的架设宽度(m)与薄壁膜片部的变位的关系曲线图；图4(b)是薄壁膜片部的架设宽度(m)与振动波振幅之比的关系曲线图；

图5的图5(a)是示意性地表示厚壁部的高度(p)对其宽度(q)之比(高度(p)/宽度(q))小时，器件端部E的X方向振动被激励得大(高度(p)/宽度(q)大时，器件端部E的X方向振动被激励得小)的说明图；图5(b)是高度(p)/宽度(q)与器件端部E的X方向的变位量的关系曲线图；

图6的图6(a)是示意性地表示高度(p)/宽度(q)大时，器件端部E的宽方向振动被激励得大(高度(p)/宽度(q)小时，器件端部E的宽方向振动被激励得小)的说明图；图6(b)是高度(p)/宽度(q)与器件端部E的宽方向的变位量的关系曲线图；

图7是本发明的压电/电致伸缩器件的其他实施方式的示意图，所表示的是在两个厚壁部的各自的两个端面上(第一平面上和与第一平面平行的第二平面上)分别仅配置一个薄壁膜片部和压电/电致伸缩元件的情况；

图8是本发明的压电/电致伸缩器件的其他实施方式的示意图，所表示的是在一个厚壁部的两个端面上(第一平面上和与第一平面平行的第二平面上)以单支梁的状态分别仅配置一个薄壁膜片部和压电/电致伸缩元件的情况；

图9是本发明的压电/电致伸缩器件的其他实施方式的示意图，所表示的是在四个厚壁部的各自的单方的端面上(第一平面上)分别各配置三个薄壁膜片部和压电/电致伸缩元件的情况；

图10是本发明的压电/电致伸缩器件的其他实施方式的示意图，所表示的是在四个厚壁部的各自的两个端面上(第一平面上和与第一平面平行的第二平面上)分别各配置三个、共计6个薄壁膜片部和压电/电致伸缩元件的情况；

图11是本发明的压电/电致伸缩器件的其他实施方式的示意图，所表示的是在四个厚壁部的各自相互平行的两个端面和相互垂直的两个端面上(第一平面上、与第一平面平行的第二平面上和与第一平面垂直的第三平面(该面有两面)上)分别各配置一个共计4个薄壁膜片部和压电/电致伸缩元件的情况。

【符号说明】

1…陶瓷基体、2…压电/电致伸缩元件、11…厚壁部、12…薄壁膜片部、13…空腔、14…通孔、21…下部电极、22…压电/电致伸缩膜、23…上部电极、X…垂直于薄壁膜片部的外表面的方向、h…薄壁膜片部的突出量、m…薄壁膜片部的架设宽度、p…厚壁部的高度、q…厚壁部的宽度、A…第一平面、B…平行于第一平面的第二平面、C…垂直于第一平面的第三平面、T…厚壁部的开口的概念的基准点、E…装置端部。

具体实施方式

以下参照附图说明实施本发明的压电/电致伸缩器件的最佳方式。

图1是本发明的压电/电致伸缩器件的示意图，图2是图1所示的压电/电致伸缩器件的一个实施方式的形状和尺寸关系的示意图。

如图1、2所示，本实施方式的压电/电致伸缩器件，其特征在于：设置有陶瓷基体1和压电/电致伸缩元件2；该陶瓷基体1具有厚壁部11和一体架设在厚壁部11的端面上的薄壁膜片部12，厚壁部11和薄壁膜片部12形成与外部连通的空腔13；该压电/电致伸缩元件2，具有被固定在陶瓷基体1的薄壁膜片部12的外表面上的，包含下部电极21、压电/电致伸缩膜22和上部电极23的分层结构；陶瓷基体1的薄壁膜片部12可与压电/电致伸缩元件2的驱动联动地振动；该压电/电致伸缩器件10满足如下(A)～(C)规定的形状和尺寸关系。

(A)所述薄壁膜片部12的形状是朝外方凸出的拱形，且拱形的朝外方的突出量是5～50μm；

(B)所述薄壁膜片部的架设宽度是600～2000μm；

(C)所述厚壁部的高度对宽度之比(高度/宽度)是0.25～3。

在本实施方式中，如上所述，(A)薄壁膜片部12的形状是朝外方凸出的拱形，且拱形的朝外方的突出量必须是5～50μm，理想的是5～30μm。通过做成朝外方凸出的拱形，能够高效地将压电/电致伸缩元件2内产生的变形和应力变为变位。即，形成在朝外方凸出的拱形的薄壁膜片部12的外表面上的压电/电致伸缩元件2，因被驱动而沿垂直于薄壁膜片部12的外表面的方向(X方向)变位，从而陶瓷基体1的薄壁膜片部12也与压电/电致伸缩元件2联动地使空腔13的内容积发生变化，同时沿垂直于其外表面的方向(X方向)就振动，但是，对于朝薄壁膜片部12的外方凸出的拱形的外表面来说，由于形成有压电/电致伸缩元件2(具体地说，至少是下部电极21和压电/电致伸缩膜22)，所以可以有效地提高形成薄壁膜片部12的压电/电致伸缩元件2的部位的刚性。另外，薄壁膜片部12，由于具有朝外方凸出的拱形，所以可以提高对来自薄壁膜片部12的外表面侧的按押力的机械强度。另外，还可以增大形成了压电/电致伸缩元件2的薄壁膜片部12的固有振动数和应答速度。另外，如果拱形的朝外方的突出量(h)偏离5～50μm的范围，如图3(a)、(b)所示，就很难确保输出强而鲜明的信号所必要的足够大的变位和难衰减的振动模式。另外，由于随着突出量(h)的增大，变位变小的同时容易引起不需要的变形，所以输出信号的S/N比变小，但是，如果突出量(h)在5～50μm范围之内，能够确实得到鲜明的输出信号，这是理想的。即，图3(a)是薄壁膜片部的突出量(h)与薄壁膜片部的变位的关系曲线图，显示出如果突出量(h)偏离5～50μm的范围，变位急剧减小。图3(b)是薄壁膜片部的突出量(h)与厚壁部的开口的关系曲线图，如果突出量(h)不足5μm，厚壁部倒入空腔侧，如果超过50μm，薄壁膜片部的刚性下降，就不成为薄壁膜片部的中央成为变形的腹部那样(例如振动的情况为1次模式)的所希望的变形(如果突出量(h)超过50μm而厚壁部的开口不变化，就表示了这种情况)。所谓“厚壁部的开口”是图2所示的基准点T沿厚壁部11的宽度(q)方向的移动量，在宽度(q)方向向外方移动的情况为正的量，在宽度(q)方向向内方移动的情况为负的量。

(B)所述薄壁膜片部的架设宽度(m)必须是600～2000μm，理想的是600～1500μm。这里，所谓“薄壁膜片部的架设宽度(m)”是指空腔13的短方向的长度，例如，空腔13的形状(垂直于X方向的断面形状)为圆形的情况下，是指其直径，在为长方形的情况下，是指其短边长度，在为椭圆形的情况下，是指相当于其短轴长度等的长度。如图4(a)、4(b)所示，如果薄壁膜片部的架设宽度(m)不足600μm，流路阻力增大，同时变位会小下来，如果超过2000μm，薄壁膜片部的刚性就低，固有振动数下降，同时容易产生衰减，所以得不到足够大的输出信号。另外，如果薄壁膜片部的架设宽度(m)超过1500μm，由于容易引起不需要的变形，所以，往往输出信号的S/N比就会变小(虽然架设宽度(m)在到2000μm之前就容易引起不需要的变形，但仍是容许的范围)，而如果架设宽度(m)在600～1500μm范围内，能够得到确实鲜明的输出信号，故此这是理想的。即，图4(a)是薄壁膜片部的架设宽度(m)与薄壁膜片部的变位的关系曲线图，图中显示出了如果架设宽度(m)不足600μm，变位小而得不到足够大的输出信号。图4(b)是薄壁膜片部的架设宽度(m)与衰减的关系曲线图，图中显示出了如果架设宽度(m)超过2000μm，由于薄壁膜片部的刚性下降而使固有振动数下降，另外由于易受不需要的振动模式的影响，所以容易衰减而得不到足够大的输出信号。另外，图中还显示出了如果架设宽度(m)不足600μm，薄壁膜片部的质量变小，易受两端部的约束的影响，所以容易衰减而得不到足够大的输出信号。在图4(a)的曲线中，分别用○、口、△表示薄壁膜片部的突出量(h)为50μm、20μm、0μm的情况。图4(b)的纵坐标的衰减的具体的尺度，用振动波振幅的比值＝[(第10振动波振幅/第5振动波振幅)×100(％)]来表示。这里，所谓第5振动波振幅，是指由自由振动生成的振幅的第5振幅，而所谓第10振动波振幅是指由自由振动生成的振幅的第10振幅。如果分别用V5、V10来表示第5振动波振幅、第10振动波振幅，则振动波振幅之比值就由[(V10/V5)×100(％)]来表示。

另外，(C)厚壁部的高度(p)对其宽度(q)之比(高度(p)/宽度(q))必须是0.25～3，理想的是0.25～1.5。如图5(a)、5(b)和图6(a)、6(b)所示，如果该比例不足0.25，就容易激起由薄壁膜片部的驱动引起的器件端部E的X方向振动，并引起薄壁膜片部的振动的衰减。另外，如果比例大到超过3，在薄壁膜片部驱动时，容易激励起器件端部E的宽度方向振动，并引起薄壁膜片部的振动的衰减。另外，如果比例(高度(p)/宽度(q))超过1.5，则容易产生厚壁部的高次变形，往往输出信号的S/N比会变小，但是如果比例(高度(p)/宽度(q))是在0.25～1.5范围内，就能够确实地得到鲜明的输出信号，故此，这是理想的。即，图5(a)是示意性地表示厚壁部的高度(p)对其宽度(q)之比(高度(p)/宽度(q))小时(图中用实线表示)，器件端部E的X方向振动被激励得大(高度(p)/宽度(q)大时(图中用虚线表示)，器件端部E的X方向振动被激励得小)的说明图，另外，图5(b)是高度(p)/宽度(q)与器件端部E的X方向(参照图1)的变位量的关系曲线图，该曲线图显示出了如果高度(p)/宽度(q)不足0.25，则激励起器件端部E的X方向振动，并引起薄壁膜片部的振动的衰减。图6(a)是示意性地表示高度(p)/宽度(q)大到超过3时(图中用虚线表示)，器件端部E的宽方向振动被激励得大(比例小时(图中用实线表示)，器件端部E的宽方向振动被激励得小)的说明图；另外，图6(b)是高度(p)/宽度(q)与器件端部E的宽方向的变位量的关系曲线图，该曲线图显示出了如果高度(p)/宽度(q)超过3，则厚壁部会变形，并引起薄壁膜片部的振动的衰减。

由于具有上述的构成，本实施方式的压电/电致伸缩器件，可以有效地防止薄壁膜片部振动的衰减、维持高变位(振幅)，同时，应答性好、可以进行高精度(高分辨率、高灵敏度)的检测。

在图1、2所示的实施方式中，说明了分别配置一个一体地架设在2个厚壁部11的端面上(第一平面上)的薄壁膜片部12和被固定在了薄壁膜片部12的外表面上的压电/电致伸缩元件2，而如图7～10所示，作为其他实施方式，也可以把薄壁膜片部12和压电/电致伸缩元件2，分别配置在第一平面A上和/或与第一平面A平行的第二平面B上。图7所表示的是在两个厚壁部11的各自的两个端面上(第一平面A上和与第一平面A平行的第二平面B上)分别配置一个薄壁膜片部12和压电/电致伸缩元件2的情况。图8所表示的是在一个厚壁部11的两个端面上(第一平面A上和与第一平面A平行的第二平面B上)以单支梁的状态分别配置一个薄壁膜片部12和压电/电致伸缩元件2的情况。图9是所表示的是在四个厚壁部11的各自的单方的端面上(第一平面A上)分别配置三个薄壁膜片部12和压电/电致伸缩元件2的情况。图10是所表示的是在四个厚壁部11的各自的两个端面上(第一平面A上和与第一平面A平行的第二平面B上)分别各配置3个共计6个薄壁膜片部12和压电/电致伸缩元件2的情况。

另外，如图11所示，作为其他实施方式，在各有两个或两个以上薄壁膜片部12和被固定在薄壁膜片部12的外表面上的压电/电致伸缩元件2的情况下，也可以把所述薄壁膜片部和压电/电致伸缩元件，分别配置在第一平面A上、与第一平面A平行的第二平面B上和/或垂直于第一平面A的第三平面C上。图11所表示的是在四个厚壁部11的各自相互平行的两个端面和相互垂直的两个端面上(第一平面A上、与第一平面A平行的第二平面B上和与第一平面A垂直的第三平面C(平面C有两个面)上)分别各配置一个共计4个薄壁膜片部12和压电/电致伸缩元件2的情况。

图3～图6所示的曲线图，是在具有2个图7～图11所示的薄壁膜片部的结构的压电/电致伸缩器件的情况下，根据通过使薄壁膜片部12相互独立地振动而得到的值所作成的曲线。另外，这些曲线表示1个例子，是具有薄壁膜片部的厚度14μm、突出量20μm、架设宽度1500μm、厚壁部的高度800μm、厚壁部的宽度800μm的尺寸关系，同时，是基于具有图7所示的、对称配置的2个薄壁膜片部的器件而作成的曲线。

在本实施方式中，压电/电致伸缩元件2，是用成膜方法来形成的，同时，是通过将压电/电致伸缩元件2的构成材料配置在薄壁膜片部12的外表面上之后，进行热处理后固定到薄壁膜片部12的外表面上而得到的，在这种情况下，可以提高各层之间的接合性，并能够最有效地发挥其效果。

以下具体说明本发明的压电/电致伸缩器件所使用的各构成要素。

本发明中所使用的陶瓷基体1的材料，理想的是其材质是具有耐热性、化学稳定性、绝缘性。这是因为在将后述的压电/电致伸缩元件2(包含下部电极21、压电/电致伸缩膜22、上部电极23)固定在其外表面上时，如上所述，往往要进行热处理；另外，还因为在压电/电致伸缩器件作为传感器元件被用于进行液体特性的检测的情况下，往往其液体具有导电性和腐蚀性。

出于这种观点，作为优选被用作陶瓷基体1的构成材料的陶瓷，例如，可以列举出被稳定化后的氧化锆、氧化铝、氧化镁、富铝红柱石、氮化铝、氮化硅、玻璃等。其中，被稳定化后的氧化锆，因为即使在薄壁膜片部12构成得很薄的情况下，也可以保持高的机械强度和优良的韧性，所以更理想。

陶瓷基体1的薄壁膜片部12的厚度，为了不制约压电/电致伸缩元件2的驱动，通常，是小于或等于100μm，最好为小于或等于30μm，小于或等于15μm则更好。

薄壁膜片部12的外形形状对应于厚壁部11的框架或コ字形等形状，也可以是长方形、正方形、三角形、椭圆形、正圆形等任何形状，但是如图1所示，在由厚壁部11和薄壁膜片部12形成空腔13的同时形成通孔14并经由通孔14把被测定流体供给/排出空腔13的情况下，最好是长方形、长圆形、椭圆形。为了得到理想的振动(变位)，长宽比大于1.5的长方形、长圆形、椭圆形更好。在厚壁部上也可以设置器件的安装、定位等用的孔或穴。

用于本发明的压电/电致伸缩元件2(包含下部电极21、压电/电致伸缩膜22、上部电极23)被固定在薄壁膜片部12的外表面上。构成压电/电致伸缩元件2的下部电极21的大小与薄壁膜片部12的外表面上的应形成压电/电致伸缩膜22的大小同等。这种情况下，既可以把下部电极21的短方向的宽度作得大于薄壁膜片部12，也可以做得小于压电/电致伸缩膜22的宽度。

为了提高上部电极的电连接的可靠性，也可以并列设置辅助电极(未图示)。可以将辅助电极连续形成在薄壁膜片部12的外表面上的规定的位置上。下部电极21和辅助电极，既可以是不同的材质也可以是同一种材质，陶瓷基体1和压电/电致伸缩膜22最好都是接合性好的导电性材料。具体地说，可以列举出白金、钯、铑、银或以它们的合金为主要成分的电极材料。特别是，在形成压电/电致伸缩膜22时要进行用于烧结热处理的情况下，以白金及其合金为主要成分的电极材料更好。在下部电极21和辅助电极的形成中，可以使用各种周知的成膜方法。作为这样的膜形成方法，例如可以列举出离子束、溅散、真空蒸涂、CVD、离子镀、电镀等薄膜形成方法，或者网筛印刷、喷印、浸渍等厚膜形成方法。其中最好的方法是溅散法和网筛印刷法。

在下部电极21与辅助电极之间，也可以设置用来使压电/电致伸缩膜22与薄壁膜片部12结合的结合层(未图示)。这种情况下，在压电/电致伸缩膜22的形成之前就形成结合层。通过形成这样的结合层，就能够使薄壁膜片部12的外表面上的压电/电致伸缩元件2的刚性均匀，在得到理想的振动(变位)方面是理想的。作为结合层，只要是具有绝缘性并与压电/电致伸缩膜22和陶瓷基体1的附着性、结合性都高，有机材料和无机材料都可以。另外，构成结合层的材料的热涨系数，具有陶瓷基体1和压电/电致伸缩膜22的各自的构成材料的热涨系数的中间值，在得到高可靠性结合方面是理想的。在为了烧结对压电/电致伸缩膜22进行热处理的情况下，在压电/电致伸缩膜22的构成材料中添加了微量的玻璃成分的材料或具有高于压电/电致伸缩膜22的热处理温度的软化点的玻璃材料，与压电/电致伸缩膜22和陶瓷基体1的附着性、结合性都高，所以，是理想的。

另外，在后述的压电/电致伸缩膜22的构成材料是(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃或以此为主要成分的材料、或者是(1-x)(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃-xKNbO₃(按克分子x为0≤x≤0.06)或以其为主要成分的材料的情况下，在以(1-x)(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃-xKNbO₃(按克分子x为0＜x≤0.5)主要成分的材料中添加微量玻璃成分，能够使压电/电致伸缩膜22和陶瓷基体1的附着性都很高，并可以抑制对热处理时压电/电致伸缩膜22和陶瓷基体1的恶劣影响，所以，是理想的。即，通过做成添加了微量玻璃成分的(1-x)(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃-xKNbO₃(按克分子x为0＜x≤0.5)，就使结合层具有与压电/电致伸缩膜22同样的成分，所以与压电/电致伸缩膜22附着性高，并解决了单独使用玻璃时容易产生的异种元素的扩散引起的问题，另外，由于包含KNbO₃成分，与陶瓷基体1的反应性高，且进行能够实现牢固的结合。另外，在把结合层的主要成分作成(1-x)(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃-xKNbO₃(按克分子x为0.08≤x≤0.5)的情况下，几乎不呈现压电特性，所以对使用时在下部电极21和辅助电极上产生的电场不产生振动(变位)和应力等，能够得到稳定的器件特性。

在结合层的形成中，使用通常的厚膜方法，特别是压印法、网印法，在应形成的部分的大小为数十μm～数百μm的情况下，最适于使用喷墨法。另外，在必须进行结合层的热处理的情况下，既可以在压电/电致伸缩膜22的形成之前进行热处理，也可以与压电/电致伸缩膜22的形成同时进行热处理。

构成压电/电致伸缩元件2的压电/电致伸缩膜22，做成为被载置于下部电极21(根据需要载置于辅助电极和结合层)的外表面上来形成。作为压电/电致伸缩膜22的构成材料，只要是呈现压电/电致伸缩的材料就可以，例如，可以是锆酸铅、钛酸铅、钛锆酸铅(PZT)等铅系陶瓷压电/电致伸缩材料、钛酸钡及以其为主要成分的钛钡系陶瓷强电介质、以聚氟化亚乙烯基(PVDF)为代表的高分子压电体、以(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃为代表的Bi系陶瓷压电体、Bi层状陶瓷等。也可以是改善了压电/电致伸缩特性的这些材料的混合物、固溶体、将添加物添加到这些材料之中的物质等。

最好采用PZT系陶瓷压电/电致伸缩材料作为压电特性高且可进行高灵敏度检测的传感器的材料。其中，由以钛酸铅、锆酸铅、镁铌酸铅和镍铌酸铅构成的组选择的至少一种为主要成分的材料构成PZT系陶瓷压电/电致伸缩材料，与陶瓷基体1的构成材料的反应性低，不易引起热处理中的成分的偏析，能顺畅地进行用于保持组成的处理、容易得到作为目的的组成、结晶构造，所以，是理想的。

作为下部电极21和辅助电极的构成材料，在使用白金或以白金为主要成分的合金的情况下，由于与它们的结合性更高、压电/电致伸缩的特性的散差少，可以得到高的可靠性，所以，使用(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃或者以其为主要成分的材料最为合适。其中，因为(1-x)(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃-xKNbO₃(按克分子x为0≤x≤0.06)或以其为主要成分的材料，具有比较高的压电特性，所以，是理想的。在压电/电致伸缩膜22的形成中，与下部电极21和辅助电极一样，可以采用周知的各种膜形成方法。其中，从降低成本的观点出发，最好是网印法。

用上述的方法形成的压电/电致伸缩膜22根据需要进行热处理，并与下部电极21(根据需要是辅助电极和结合层)被一体化。为了抑制压电/电致伸缩器件的特性的散差，提高可靠性，在必须使压电/电致伸缩膜22与下部电极21(根据需要是辅助电极和结合层)的结合性更加强固的情况下，使用(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃或者以其为主要成分的材料，其中也使用(1-x)(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃-xKNbO₃(按克分子x为0≤x≤0.06)或以其为主要成分的材料，理想的是在900～1400℃、最好是在1000～1300℃的温度下进行热处理。在使用PZT系陶瓷压电/电致伸缩材料的情况下也是一样。此时，最好与陶瓷压电/电致伸缩材料的蒸发源一起一面进行气氛控制一面进行热处理，以便在高温时压电/电致伸缩膜22不会不稳定。

构成压电/电致伸缩元件2的上部电极23，被载置形成在像上述那样形成的压电/电致伸缩膜22的外表面上。作为上部电极23的材质，使用与压电/电致伸缩膜22的结合性高的导电材料，用与下部电极21和辅助电极同样的成膜方法来形成。另外，上部电极23，在成膜之后，根据需要被进行热处理，并与压电/电致伸缩膜22和辅助电极结合，被做成一体结构。未必一定进行这样的热处理的情况，与下部电极21的情况一样。为了实现理想的驱动(变位)，最好在薄壁膜片部12上刚性均匀，因此，比起使用粘接剂把下部电极21、压电/电致伸缩膜22和上部电极23进行结合来，最好是通过热处理使之与薄壁膜片部12一体化。另外，为了得到尖锐的峰，上部电极23的宽度方向的形状，最好是线对称，通过作成对称形就可以使之仅强调固有振动进行振动。另外，最好使上部电极23与薄壁膜片部12的中心一致，而与中心的偏离，在薄壁膜片部12的长度方向上，最好低于薄壁膜片部12的长度的5％或以下，在宽度方向上，最好低于薄壁膜片部12的宽度的10％或以下。另外，用于上部电极23的驱动的有效面积与薄壁膜片部12的面积之比最好为15％～40％。只要是在该范围之内，就可以得到检测所必要的振动，而且能够得到对振动有利的刚性。

另外，在根据需要通过热处理把下部电极21、结合层、压电/电致伸缩膜22、上部电极23结合起来的情况下，既可以在各自形成时进行热处理，也可以在顺次对各自进行膜形成之后，同时进行热处理。进行热处理时，为了抑制因良好的结合性或构成元件的扩散引起的变质，最好选择合适的热处理温度。另外，在图1中表示把通孔形成在了空腔13上的情况，但压电/电致伸缩器件与流体接触的空腔13的构造，也可以是单纯的空腔结构，并没有特别限定。另外，既可以使压电/电致伸缩膜22的长度方向的端部作成不超过薄壁膜片部12的长度，也可以不将压电/电致伸缩膜22一直延长到厚壁部1。

【实施例】

以下用实施例来更加详细地说明本发明，但是本发明并不受这些实施例的任何限制。

(实施例1)

所制作成的压电/电致伸缩器件，具备一个薄壁膜片部(厚度14μm、突出量20μm、架设宽度1500μm)、两个厚壁部(厚壁部的高度800μm、厚壁部的宽度800μm、(厚壁部的高度/厚壁部的宽度)＝1.0)和一个压电/电致伸缩元件(下部电极厚度4μm、压电/电致伸缩膜厚204μm、上部电极厚度0.5μm)。再者，通过用光学显微镜测定压电/电致伸缩器件的横断面来确认构成按实施例1得到的压电/电致伸缩器件的薄壁膜片部上的拱形形状的突出量。

(薄壁膜片部的特性的测定)

构成按实施例1得到的压电/电致伸缩器件的薄壁膜片部中的振动特性，以由在压电/电致伸缩器件上施加了50V电压的状态切断该电压的瞬间为原点进行测定，此时正在振动的薄壁膜片部的位置的经时变化用激光多普勒测定器测定了20个周期的波形。结果，第五振动波振幅(V5)是2.70μm，第十振动波振幅(V10)是2.45μm，振动波振幅的比值＝[(v10/v5)×100％]为90.7％，可见其振动的衰减很小。

(比较例1)

在比较例1中，除未把薄壁膜片部作成拱形(突出量为0μm)之外，其余都与实施例1一样，同样测定了振动特性。结果，第五振动波振幅(V5)是2.43μm，第十振动波振幅(V10)是1.93μm，振动波振幅的比值＝[(v10/v5)×100％]为79.4％，可见振动的衰减大。

(比较例2)

在比较例2中，除把薄壁膜片部中的拱形的突出量作成为4μm之外，其余都与实施例1一样，同样测定了振动特性。结果，第五振动波振幅是2.31μm，第十振动波振幅是1.95μm，振动波振幅的比值＝[(v10/v5)×100％]为84.4％，可见振动的衰减大。

(比较例3)

在比较例3中，除把薄壁膜片部中的拱形的突出量作成为60μm之外，其余都与实施例1一样，同样测定了振动特性。结果，第五振动波振幅是1.31μm，第十振动波振幅是0.79μm，振动波振幅的比值＝[(v10/v5)×100％]为60.3％，可见振动的衰减大。

(比较例4)

在比较例4中，除把薄壁膜片部架设宽度作成为300μm，把突出量作成为0μm之外，其余都与实施例1一样，同样测定了振动特性。结果，第五振动波振幅是0.4μm，第十振动波振幅是0.29μm，振动波振幅的比值＝[(v10/v5)×100％]为72.5％，可见振动的衰减大。

(比较例5)

在比较例5中，除把薄壁膜片部架设宽度作成为2500μm之外，其余都与实施例1一样，同样测定了振动特性。结果，第五振动波振幅是3.71μm，第十振动波振幅是2.73μm，振动波振幅的比值＝[(v10/v5)×100％]为73.6％，可见振动的衰减大。

(比较例6)

在比较例6中，除做成厚壁部的高度为200μm、厚壁部的宽度为1500μm、(厚壁部的高度/厚壁部的宽度)＝0.13之外，其余都与实施例1一样，同样测定了振动特性。结果，第五振动波振幅是2.40μm，第十振动波振幅是1.94μm，振动波振幅的比值＝[(v10/v5)×100％]为80.1％，可见振动的衰减大。

(比较例7)

在比较例7中，除做成厚壁部的高度为1200μm、厚壁部的宽度为200μm、(厚壁部的高度/厚壁部的宽度)＝6.0之外，其余都与实施例1一样，同样测定了振动特性。结果，第五振动波振幅是2.36μm，第十振动波振幅是1.88μm，振动波振幅的比值＝[(v10/v5)×100％]为79.7％，可见振动的衰减大。

本发明的压电/电致伸缩器件可以有效地用于必须要下列器件的各种产业领域，即：利用弯曲变位的致动器；用于检测话筒用传感器、粘度传感器等的流体特性、声压、微重、加速度等的各种传感器；滤波器；变压器；扬声器等发音体；动力用或通信用的振子和振荡器；显示器；被用于伺服变位元件、脉冲驱动电动机、超声波电动机等的均一表面几何形状型等发生弯曲变位型的压电/电致伸缩型致动器(参照内野研二著(日本工业技术中心编)“压电/电致伸缩致动器：从基础到应用”(森北出版))。

Claims

1.一种压电/电致伸缩器件，其特征在于：具有：陶瓷基体，该陶瓷基体，具有厚壁部和一体地架设在所述厚壁部的端面上的薄壁膜片部，并由所述厚壁部与所述薄壁膜片部形成了与外部连通的空腔；和压电/电致伸缩元件，该压电/电致伸缩元件，具有被固定在所述陶瓷基体的薄壁膜片部的外表面上的，包含下部电极、压电/电致伸缩膜和上部电极的分层结构；所述陶瓷基体的薄壁膜片部可以与所述压电/电致伸缩元件的驱动联动地振动；该压电/电致伸缩器件满足下述(A)～(C)规定的形状和尺寸关系：

(A)所述薄壁膜片部的形状是朝外方凸出的拱形，且所述拱形的朝外方的突出量是5～50μm；

(B)所述薄壁膜片部的架设宽度是600～2000μm；

(C)所述厚壁部的高度对宽度之比(高度/宽度)是0.25～3。

2.如权利要求1所述的压电/电致伸缩器件，其特征在于：分别具有2个以上所述薄壁膜片部和被固定在了所述薄壁膜片部的外表面上的压电/电致伸缩元件；所述薄壁膜片部和所述压电/电致伸缩元件，分别被配置在第一平面上和/或与所述第一平面平行的第二平面上。

3.如权利要求1所述的压电/电致伸缩器件，其特征在于：分别具有2个以上所述薄壁膜片部和被固定在了所述薄壁膜片部的外表面上的压电/电致伸缩元件；所述薄壁膜片部和所述压电/电致伸缩元件，分别被配置在第一平面上、与所述第一平面平行的第二平面上和/或垂直于所述第一平面的第三平面上。

4.如权利要求1～3任一项所述的压电/电致伸缩器件，其特征在于：所述压电/电致伸缩元件是用成膜方法形成的，同时，是通过将所述压电/电致伸缩元件的构成材料，配设在所述薄壁膜片部的外表面上之后，进行热处理后固定在所述薄壁膜片部的外表面上来得到的。