JPH0529675A - Piezoelectric/electrostrictive film type element - Google Patents
Piezoelectric/electrostrictive film type elementInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【技術分野】本発明は、圧電／電歪膜型素子、中でも主
にインクジェットプリントヘッド、マイクロホン、発音
体（スピーカー等）、各種振動子や発振子、更にはセン
サー等に用いられるユニモルフ型やバイモルフ型等の、
屈曲変位を発生させるタイプの圧電／電歪膜型素子に関
するものである。なお、ここで呼称される素子とは、電
気エネルギーを機械エネルギーに変換、即ち機械的な変
位または応力または振動に変換する素子の他、その逆の
変換を行なう素子をも意味するものである。TECHNICAL FIELD The present invention relates to a piezoelectric / electrostrictive film type element, and in particular, an inkjet printhead, a microphone, a sounding body (speaker, etc.), various vibrators and oscillators, and a unimorph type or bimorph type used for a sensor or the like. Mold, etc.
The present invention relates to a piezoelectric / electrostrictive film type element of a type that causes bending displacement. The element referred to herein means an element that converts electrical energy into mechanical energy, that is, mechanical displacement or stress or vibration, and an element that performs the opposite conversion.
【０００２】[0002]
【背景技術】近年、光学や精密加工等の分野において、
サブミクロンのオーダーで光路長や位置を調整する変位
素子や微小変位を電気的変化として検知する検出素子が
所望されるようになってきており、これに応えるものと
して、強誘電体等の圧電／電歪材料に電界を加えた時に
起こる逆圧電効果や電歪効果に基づくところの変位或い
はその逆の現象を利用した素子である、アクチュエータ
やセンサの如き圧電／電歪素子の開発が進められてい
る。BACKGROUND ART In recent years, in fields such as optics and precision processing,
A displacement element that adjusts the optical path length and position on the order of submicrons and a detection element that detects a minute displacement as an electrical change have been desired, and in response to this, a piezoelectric / ferroelectric material such as a ferroelectric material is used. Development of piezoelectric / electrostrictive elements such as actuators and sensors, which are elements that utilize the reverse piezoelectric effect that occurs when an electric field is applied to an electrostrictive material or the displacement based on the electrostrictive effect or the reverse phenomenon, There is.
【０００３】ところで、インクジェットプリントヘッド
等においては、そのような圧電／電歪素子構造として、
従来から知られているユニモルフ型やバイモルフ型が、
好適に採用されている。そして、そこでは、そのような
素子を用いたプリンタの印字品質・印字速度等の向上が
要求されており、それに応えるべく、かかる圧電／電歪
膜型素子の小型高密度化、低電圧作動化、高速応答化を
図るための開発が進められている。By the way, in an ink jet print head or the like, such a piezoelectric / electrostrictive element structure is
The conventionally known unimorph type and bimorph type are
It is preferably used. Then, there is a demand for improvement in printing quality, printing speed, etc. of a printer using such an element, and in order to meet such demand, miniaturization and high voltage operation of such a piezoelectric / electrostrictive film type element are realized. , Development for high-speed response is in progress.
【０００４】また、それらユニモルフ型やバイモルフ型
の圧電／電歪素子においては、大きな屈曲変位や発生力
或いは発生電位を得るために、振動板となる基板の厚さ
を薄くすることが重要とされるが、かかる基板の厚さを
減少させると、強度が低下するという欠点があった。し
かも、従来のユニモルフ型やバイモルフ型の圧電／電歪
素子においては、何れも、圧電／電歪板等の板状の構成
部材を接着剤等を用いて貼り付けてなる構造を採用する
ものであるために、素子としての作動の信頼性にも問題
があるものであった。In these unimorph type and bimorph type piezoelectric / electrostrictive elements, it is important to reduce the thickness of the substrate to be the vibrating plate in order to obtain a large bending displacement, a generated force or a generated potential. However, when the thickness of the substrate is reduced, there is a drawback that the strength is reduced. Moreover, in the conventional unimorph type or bimorph type piezoelectric / electrostrictive element, any of the structures adopting a structure in which plate-shaped constituent members such as a piezoelectric / electrostrictive plate are attached using an adhesive or the like is adopted. Therefore, there is a problem in the reliability of the operation as an element.
【０００５】[0005]
【解決課題】ここにおいて、本発明は、かかる事情を背
景にして為されたものであって、その課題とするところ
は、相対的に低作動電圧で大変位が得られ、また信頼性
が高く、応答速度が早く、且つ発生力が大きい、更に高
集積化が可能である、インクジェットプリントヘッド、
マイクロホン、発音体（スピーカー等）、各種振動子や
発振子、更には加速度センサー、圧力センサー、振動セ
ンサー、角速度センサー等に好適に用いられる、強度に
優れた圧電／電歪膜型素子を提供することにある。The present invention has been made in view of such circumstances, and its object is to obtain a large displacement at a relatively low operating voltage and to have high reliability. , An inkjet print head that has a high response speed and a large generating force, and can be highly integrated,
Provided is a piezoelectric / electrostrictive film type element having excellent strength, which is suitably used for a microphone, a sounding body (speaker, etc.), various vibrators and oscillators, and further an acceleration sensor, a pressure sensor, a vibration sensor, an angular velocity sensor, etc. Especially.
【０００６】[0006]
【解決手段】そして、本発明にあっては、上記の如き課
題を解決するために、薄肉のセラミック基板と該セラミ
ック基板上に設けられた、電極及び圧電／電歪層からな
る圧電／電歪作動部とを備えた圧電／電歪素子におい
て、前記圧電／電歪作動部を膜形成法によって形成する
一方、前記セラミック基板を、酸化イットリウム、酸化
イッテルビウム、酸化セリウム、酸化カルシウム及び酸
化マグネシウムからなる群より選ばれた少なくとも一つ
の化合物の含有によって結晶相が安定化されてなる酸化
ジルコニウムを主成分とする材料にて構成することを、
その要旨とするものである。In order to solve the above problems, the present invention provides a piezoelectric / electrostrictive device including a thin ceramic substrate and an electrode and a piezoelectric / electrostrictive layer provided on the ceramic substrate. In a piezoelectric / electrostrictive element having an operating part, the piezoelectric / electrostrictive operating part is formed by a film forming method while the ceramic substrate is made of yttrium oxide, ytterbium oxide, cerium oxide, calcium oxide and magnesium oxide. Comprising a material having zirconium oxide as a main component whose crystalline phase is stabilized by the inclusion of at least one compound selected from the group,
This is the summary.
【０００７】なお、かかる本発明において、圧電／電歪
作動部は、好ましくは、マグネシウムニオブ酸鉛を第三
成分としたジルコン酸チタン酸鉛を主成分とする圧電／
電歪材料を用いて形成されていることが望ましい。In the present invention, the piezoelectric / electrostrictive operating portion is preferably a piezoelectric / electrostrictive actuating portion containing lead magnesium niobate as a third component and lead zirconate titanate as a main component.
It is preferably formed using an electrostrictive material.
【０００８】[0008]
【作用・効果】このような本発明に従う圧電／電歪膜型
素子にあっては、薄肉のセラミック基板と、その基板面
上に形成された膜状の圧電／電歪作動部（二つの電極膜
とそれら電極膜の間に形成された膜状の圧電／電歪層か
ら構成される）とからなるものであるところから、相対
的に低作動電圧にて大変位が得られ、また応答速度が早
く、且つ発生力或いは発生電位も大きい特徴が得られる
他に、厚膜形成法の如き膜形成プロセスが得意とすると
ころの、同一基板面上に多数個の圧電／電歪作動部を有
する素子を接着材を用いずに同時に且つ容易に形成する
ことが出来る特徴があり、更には、かかる圧電／電歪作
動部の高集積化が可能となる特徴をも有している。In the piezoelectric / electrostrictive film type element according to the present invention as described above, a thin ceramic substrate and a film-shaped piezoelectric / electrostrictive operating portion (two electrodes) formed on the surface of the substrate. Film and a film-shaped piezoelectric / electrostrictive layer formed between the electrode films), a large displacement can be obtained at a relatively low operating voltage, and the response speed can be increased. In addition to the characteristics of being fast and having a large generated force or generated potential, it has a large number of piezoelectric / electrostrictive operating parts on the same substrate surface, which is good at film forming processes such as thick film forming methods. There is a feature that the elements can be formed simultaneously and easily without using an adhesive material, and further, a feature that the piezoelectric / electrostrictive operating portion can be highly integrated.
【０００９】しかも、本発明にあっては、そのような圧
電／電歪作動部が形成される基板として用いられるセラ
ミック基板は、酸化イットリウム、酸化イッテルビウ
ム、酸化セリウム、酸化カルシウム及び酸化マグネシウ
ムからなる群より選ばれた少なくとも一つの化合物の含
有によって、その結晶相が安定化された酸化ジルコニウ
ムを主成分とする材料であるところから、薄い板厚にお
いても機械的強度が大きい、高靭性である、また圧電／
電歪材料との熱処理時の応力が小さい、更にその圧電／
電歪材料との化学的な反応性が小さい等の特徴が得ら
れ、以て優れた特性を有する素子の提供が可能となった
のである。Moreover, in the present invention, the ceramic substrate used as the substrate on which such a piezoelectric / electrostrictive operating portion is formed is a group consisting of yttrium oxide, ytterbium oxide, cerium oxide, calcium oxide and magnesium oxide. By containing at least one compound selected from the more, because the crystal phase is a material whose main component is stabilized zirconium oxide, the mechanical strength is large even in a thin plate thickness, high toughness, and Piezoelectric /
Low stress during heat treatment with electrostrictive materials,
Features such as low chemical reactivity with the electrostrictive material were obtained, and it was possible to provide an element having excellent characteristics.
【００１０】しかも、酸化ジルコニウムは、公知のよう
に、添加物のない純粋な状態では、１０００℃近辺での
単斜晶・正方晶間の相変態により、磁器破壊が生じ、薄
肉の基板としては製造することが困難となるが、上記の
如き化合物を添加することにより、そのような結晶変態
が起こらないように、結晶相を完全に若しくは部分的に
安定化することが出来るのである。ここで、部分的に安
定化するとは部分的に結晶変態が起こり得るように材料
を調製することであり、本発明では、完全安定化酸化ジ
ルコニウムと共に、そのような部分的に安定化された酸
化ジルコニウムをも含んで、「安定化された酸化ジルコ
ニウム」の語句を用いることとする。そして、特に、こ
の部分安定化した酸化ジルコニウムは、応力によって結
晶変態が生じる、即ち応力誘起相変態強化メカニズム等
により、高い機械強度、靭性を示し、圧電／電歪層と電
極膜と基板とが接着剤なしに一体として構成され、変位
または力或いは電位を発生する圧電／電歪膜型素子とし
て、非常に好適に用いられ得るものであり、本発明で
は、そのような材料特性を利用して、膜型素子を有利に
構成し得たものである。Moreover, as is well known, zirconium oxide, in a pure state with no additive, causes a porcelain breakdown due to a phase transformation between a monoclinic system and a tetragonal system at around 1000 ° C., and as a thin substrate. Although it is difficult to produce, the crystal phase can be completely or partially stabilized by adding the above compound so that such crystal transformation does not occur. Here, "partially stabilizing" means preparing a material so that a partial crystal transformation can occur, and in the present invention, such a partially stabilized oxide is used together with fully stabilized zirconium oxide. The term "stabilized zirconium oxide" will be used, including zirconium. In particular, this partially stabilized zirconium oxide exhibits high mechanical strength and toughness due to a stress-induced phase transformation strengthening mechanism or the like, and crystal transformation occurs due to stress, whereby the piezoelectric / electrostrictive layer, the electrode film and the substrate are separated from each other. It can be very suitably used as a piezoelectric / electrostrictive film type element that is integrally formed without an adhesive and generates displacement or force or electric potential, and the present invention utilizes such material characteristics. The film-type element can be advantageously constructed.
【００１１】また、本発明において、マグネシウムニオ
ブ酸鉛を第三成分としたジルコン酸チタン酸鉛を圧電／
電歪材料の主成分として用い、前記安定化した酸化ジル
コニウム基板と組み合わせることにより、厚膜手法等に
よって膜形成した圧電／電歪層の熱処理時、基板との反
応等による膜状の圧電／電歪層の組成変動或いはパイロ
クロア等の結晶相を惹起させることが非常に少なく、目
的とする組成及び結晶構造の圧電／電歪層を有利に形成
することが出来る特徴を発揮する。In the present invention, lead zirconate titanate containing lead magnesium niobate as a third component is piezoelectric / piezoelectric.
When used as a main component of an electrostrictive material and combined with the stabilized zirconium oxide substrate, the piezoelectric / electrostrictive layer formed into a film by a thick film method or the like is subjected to a film-like piezoelectric / electrostrictive reaction due to a reaction with the substrate during heat treatment. Very little variation in composition of the strained layer or crystal phase such as pyrochlore is caused, and the piezoelectric / electrostrictive layer having a desired composition and crystal structure can be advantageously formed.
【００１２】なお、本発明に従う圧電／電歪膜型素子で
は、低電圧作動が可能で、しかも大きな屈曲変位・発生
力或いは発生電位を得るために、有利には、厚さとして
１００μｍ以下、好ましくは５０μｍ以下である圧電／
電歪作動部と、厚さとして５０μｍ以下、好ましくは３
０μｍ以下、更に好ましくは１０μｍ以下のセラミック
基板とから構成されることとなる。また、そのような薄
い板厚においても高い機械強度を得るために、安定化酸
化ジルコニウムとしては、好ましくは酸化イットリウム
で安定化された酸化ジルコニウムが基板材料として採用
され、且つそのような酸化イットリウムの含有量は、１
モル％以上３０モル％以下、好ましくは１．５モル％以
上６モル％以下とされ、更に好ましくは２モル％以上４
モル％以下とされることとなる。更に、基板の結晶粒子
径としても、基板の機械強度の点から、平均粒子径とし
て、０．０５μｍ〜２μｍであることが好ましく、更に
好ましくは１μｍ以下であることが望ましい。In the piezoelectric / electrostrictive film type element according to the present invention, it is possible to operate at a low voltage and to obtain a large bending displacement / generated force or generated potential, the thickness is preferably 100 μm or less, preferably Is 50 μm or less piezoelectric /
Electrostrictive actuation part and thickness of 50 μm or less, preferably 3
It is composed of a ceramic substrate of 0 μm or less, and more preferably 10 μm or less. Further, in order to obtain high mechanical strength even in such a thin plate thickness, zirconium oxide stabilized with yttrium oxide is preferably adopted as the substrate material as the stabilized zirconium oxide, and Content is 1
Mol% to 30 mol%, preferably 1.5 mol% to 6 mol%, more preferably 2 mol% to 4
It will be less than or equal to mol%. Further, the crystal grain size of the substrate is preferably 0.05 μm to 2 μm, more preferably 1 μm or less, from the viewpoint of mechanical strength of the substrate.
【００１３】[0013]
【具体的構成・実施例】以下に、本発明に従う圧電／電
歪膜型素子の具体的構造を示す図面を参照しつつ、本発
明を更に具体的に明らかにすることとする。なお、理解
を容易にするために、各図面を通して、同様の構造乃至
は機能を有するものには、同一の符号を付すものとす
る。Specific Structure / Examples The present invention will be more specifically clarified below with reference to the drawings showing the specific structure of the piezoelectric / electrostrictive film type element according to the present invention. In addition, in order to facilitate understanding, the same reference numerals are given to those having the same structure or function throughout the drawings.
【００１４】先ず、図１に示される圧電／電歪膜型素子
（アクチュエータ）は、薄肉の平板状のセラミック基板
２の一方の面上に、第一の電極膜４、膜状の圧電／電歪
層６及び第二の電極膜８が、通常の膜形成手法によって
順次積層形成されて、多層の一体構造とされている。な
お、第一及び第二の電極膜４，８は、それぞれ、圧電／
電歪層６の端部より延び出させられて、リード部４ａ，
８ａを形成しており、それらリード部４ａ，８ａを通じ
て、それぞれの電極膜４，８に電圧印加が行なわれるよ
うになっている。また、セラミック基板２は、本発明に
従う安定化された酸化ジルコニウムから構成されてい
る。従って、このような構造の圧電／電歪膜型素子にお
いては、その圧電／電歪層６に電界が作用せしめられる
と、電界誘起歪の横効果により、セラミック基板２の板
面に垂直な方向の屈曲変位乃至は発生力が発現せしめら
れるのである。First, in the piezoelectric / electrostrictive film type element (actuator) shown in FIG. 1, a first electrode film 4 and a film-shaped piezoelectric / electrostrictive film are formed on one surface of a thin plate-shaped ceramic substrate 2. The strained layer 6 and the second electrode film 8 are sequentially laminated by a normal film forming method to form a multilayer integrated structure. The first and second electrode films 4 and 8 are piezoelectric /
The lead portion 4a is extended from the end of the electrostrictive layer 6 and
8a is formed, and a voltage is applied to the respective electrode films 4 and 8 through the lead portions 4a and 8a. The ceramic substrate 2 is also composed of the stabilized zirconium oxide according to the invention. Therefore, in the piezoelectric / electrostrictive film type element having such a structure, when an electric field is applied to the piezoelectric / electrostrictive layer 6, the lateral effect of the electric field induced strain causes a direction perpendicular to the plate surface of the ceramic substrate 2. The bending displacement or the generation force of is generated.
【００１５】また、図２においては、セラミック基板２
の一面上に複数の帯状電極１０とそれらを接続する帯状
の電極接続部１２とからなる櫛型の電極膜１４ａ及びそ
れと同形状の電極膜１４ｂが、図示の如き配置形態にお
いて、それぞれ設けられると共に、更にそれらの電極膜
１４ａ，１４ｂ間に、それら電極膜１４ａ，１４ｂと接
するように、圧電／電歪層６が形成され、一体構造とさ
れている。そして、かかる構造の圧電／電歪膜型素子に
おいては、その圧電／電歪層６に電界が作用せしめられ
ると、電界誘起歪の縦効果により、セラミック基板２の
板面に垂直な方向の屈曲変位乃至は発生力が発現せしめ
られるのである。Further, in FIG. 2, the ceramic substrate 2
A comb-shaped electrode film 14a composed of a plurality of strip-shaped electrodes 10 and a strip-shaped electrode connecting portion 12 connecting them and an electrode film 14b having the same shape as that of the strip-shaped electrode 10 are provided on one surface in the arrangement shown in the drawing. Further, the piezoelectric / electrostrictive layer 6 is formed between the electrode films 14a and 14b so as to be in contact with the electrode films 14a and 14b to form an integrated structure. Then, in the piezoelectric / electrostrictive film type element having such a structure, when an electric field is applied to the piezoelectric / electrostrictive layer 6, the piezoelectric / electrostrictive layer 6 is bent in a direction perpendicular to the plate surface of the ceramic substrate 2 due to a vertical effect of electric field induced strain. The displacement or the generating force is exhibited.
【００１６】さらに、図３及び図４には、それぞれ、図
１及び図２に示される如き素子において、そのセラミッ
ク基板２の形状を変えた例が示されている。即ち、図３
及び図４においては、外縁部が厚肉とされる一方、内側
部位が薄肉部１６ａとされたセラミック基板１６が用い
られており、そして、その薄肉部１６ａの面上に、二つ
の電極膜４，８；１４ａ，１４ｂと圧電／電歪層６とか
らなる圧電／電歪作動部が、一体的に設けられている。Further, FIGS. 3 and 4 show examples in which the shape of the ceramic substrate 2 is changed in the elements as shown in FIGS. 1 and 2, respectively. That is, FIG.
4 and FIG. 4, a ceramic substrate 16 having an outer edge portion having a thick wall and an inner portion having a thin wall portion 16a is used, and two electrode films 4 are formed on the surface of the thin wall portion 16a. , 8; 14a, 14b and the piezoelectric / electrostrictive layer 6 are integrally provided.
【００１７】さらにまた、図５に示される素子は、セラ
ミック基板１６の薄肉厚部１６ａの両面に、圧電／電歪
作動部（４，６，８）がそれぞれ設けられたバイモルフ
型の圧電／電歪膜型素子の例である。Furthermore, the element shown in FIG. 5 is a bimorph type piezoelectric / electrical element in which piezoelectric / electrostrictive actuating portions (4, 6, 8) are provided on both surfaces of the thin and thick portion 16a of the ceramic substrate 16, respectively. It is an example of a strained film type element.
【００１８】図６に示される素子においては、セラミッ
ク基板２の一方の面上に、二つの帯状電極膜１８，１８
が渦巻状に相対向して位置するように設けられ、またこ
れら帯状電極膜１８，１８を埋め込むように、圧電／電
歪層６が設けられることによって、それら帯状電極膜１
８，１８と圧電／電歪層６とによって、圧電／電歪作動
部が構成されている。In the device shown in FIG. 6, two strip-shaped electrode films 18, 18 are formed on one surface of the ceramic substrate 2.
Are provided so as to face each other in a spiral shape, and the piezoelectric / electrostrictive layer 6 is provided so as to embed these strip-shaped electrode films 18, 18, whereby the strip-shaped electrode film 1 is formed.
The piezoelectric / electrostrictive layer 6 constitutes a piezoelectric / electrostrictive operating portion.
【００１９】また、図７〜図１１は、それぞれ、複数の
圧電／電歪作動部がセラミック基板上に設けられてな
る、本発明に従う素子の異なる例を示すものであって、
それら複数の圧電／電歪作動部は、積層形態において、
或いは並設形態において、セラミック基板上に設けられ
ている。FIGS. 7 to 11 show different examples of the element according to the present invention in which a plurality of piezoelectric / electrostrictive actuating portions are provided on a ceramic substrate, respectively.
The plurality of piezoelectric / electrostrictive actuating parts, in the laminated form,
Alternatively, they are provided on the ceramic substrate in a juxtaposed form.
【００２０】例えば、図７では、セラミック基板２の一
方の面上に、一定の間隔で複数の帯状電極膜１８が配列
され、そして、それら帯状電極膜１８を埋め込んだ状態
において、所定厚さの圧電／電歪層６が設けられること
によって、圧電／電歪作動部が形成された例が示されて
おり、更にその圧電／電歪作動部（６，１８）上には、
電極膜２０、膜状の圧電／電歪層２２及び電極膜２０が
順次積層一体化せしめられた構造とされている。かかる
二つの電極膜２０，２０と圧電／電歪層２２によって、
他の一つの圧電／電歪作動部が形成されているのであ
る。For example, in FIG. 7, a plurality of strip-shaped electrode films 18 are arranged at regular intervals on one surface of the ceramic substrate 2, and when the strip-shaped electrode films 18 are embedded, they have a predetermined thickness. An example is shown in which the piezoelectric / electrostrictive actuating portion is formed by providing the piezoelectric / electrostrictive layer 6, and further, on the piezoelectric / electrostrictive actuating portion (6, 18),
The electrode film 20, the film-shaped piezoelectric / electrostrictive layer 22, and the electrode film 20 are sequentially laminated and integrated. With the two electrode films 20 and 20 and the piezoelectric / electrostrictive layer 22,
The other piezoelectric / electrostrictive actuating portion is formed.
【００２１】また、図８〜図１０に示される例において
は、複数の圧電／電歪作動部（４，６，８）がセラミッ
ク基板２上に並設形態において設けられており、特に図
８及び図９に示される素子においては、それら複数の圧
電／電歪作動部（４，６，８）の間に位置するセラミッ
ク基板２に、スリット２４が入れられて、それぞれの圧
電／電歪作動部が互いに独立した形態とされている。ま
た、図１０の素子においは、セラミック基板２に長手の
矩形孔２６が所定ピッチで設けられ、梯子状のセラミッ
ク基板２とされており、そして、この梯子状のセラミッ
ク基板２の矩形孔２６，２６に挟まれた接続部２ａ上に
第一の電極膜４と膜状の圧電／電歪層６と第二の電極膜
８とからなる圧電／電歪作動部が、それぞれ形成されて
いる。なお、図８において、２８は、圧電／電歪層６の
背部で、第一の電極膜４と第二の電極膜８とを電気的に
絶縁する絶縁膜である。Further, in the example shown in FIGS. 8 to 10, a plurality of piezoelectric / electrostrictive actuating portions (4, 6, 8) are provided in parallel on the ceramic substrate 2, and in particular, FIG. Also, in the element shown in FIG. 9, the ceramic substrate 2 located between the plurality of piezoelectric / electrostrictive actuating portions (4, 6, 8) is provided with the slit 24, and each of the piezoelectric / electrostrictive actuating portions is operated. The parts are independent of each other. In the element of FIG. 10, long rectangular holes 26 are provided in the ceramic substrate 2 at a predetermined pitch to form a ladder-shaped ceramic substrate 2, and the rectangular holes 26 of the ladder-shaped ceramic substrate 2 are Piezoelectric / electrostrictive actuating portions composed of a first electrode film 4, a film-shaped piezoelectric / electrostrictive layer 6 and a second electrode film 8 are formed on the connection portion 2 a sandwiched between the electrodes 26. In FIG. 8, reference numeral 28 denotes a back portion of the piezoelectric / electrostrictive layer 6, which is an insulating film that electrically insulates the first electrode film 4 and the second electrode film 8.
【００２２】さらに、図１１に示される素子の例におい
ては、１枚の大きなセラミック基板２上に、第一の電極
膜４と膜上の圧電／電歪層６と第二の電極膜８とからな
る圧電／電歪作動部の複数が、所定ピッチにて一体的に
並設された構造において設けられている。Further, in the example of the device shown in FIG. 11, the first electrode film 4, the piezoelectric / electrostrictive layer 6 on the film, and the second electrode film 8 are provided on one large ceramic substrate 2. A plurality of piezoelectric / electrostrictive actuating parts consisting of are provided in a structure in which they are integrally juxtaposed at a predetermined pitch.
【００２３】そして、このような各種の構造の素子にお
いては、何れも、アクチュエータとして機能させるべ
く、その圧電／電歪作動部を構成する二つの電極膜の間
に、従来と同様にして通電が行なわれ、それによって圧
電／電歪層に電界が作用せしめられると、そのような電
界に基づくところの圧電／電歪層の電界誘起歪が誘起さ
れ、以てセラミック基板の板面に垂直な方向の屈曲変位
乃至は発生力が発現せしめられるのである。In each of the elements having various structures as described above, in order to function as an actuator, current is applied between the two electrode films constituting the piezoelectric / electrostrictive operating portion in the same manner as in the conventional case. When an electric field is made to act on the piezoelectric / electrostrictive layer by this, electric field-induced strain of the piezoelectric / electrostrictive layer is induced based on such an electric field, and the direction perpendicular to the plate surface of the ceramic substrate is thus induced. The bending displacement or the generation force of is generated.
【００２４】ところで、これら本発明に従う圧電／電歪
膜型素子において、その圧電／電歪作動部が形成される
セラミック基板（２，１６）に関して、それを与える材
料としては、所定の化合物で結晶相が安定化された酸化
ジルコニウムを主成分とする材料が用いられる。本発明
に従う膜型素子は、後述するように、一般に基板と共に
高い温度で熱処理され、その際の耐熱性、また圧電／電
歪材料との電極膜を介した反応性、更には熱処理時の応
力に対する強度等、基板の材料特性によって、得られる
膜型素子の特性、例えば発生力や変位が影響を受けるこ
とを見い出したが、その中で部分的に或いは完全に安定
化された酸化ジルコニウムは素子の変位発生力等の特性
に優れ、基板材料として極めて有効なものである。By the way, in the piezoelectric / electrostrictive film type element according to the present invention, regarding the ceramic substrate (2, 16) on which the piezoelectric / electrostrictive operating portion is formed, the material for giving it is a crystal of a predetermined compound. A material whose main component is zirconium oxide whose phase is stabilized is used. As will be described later, the film-type element according to the present invention is generally heat-treated with a substrate at a high temperature, and has heat resistance at that time, reactivity with a piezoelectric / electrostrictive material through an electrode film, and stress during heat treatment. It has been found that the characteristics of the obtained film type element, such as the generated force and the displacement, are affected by the material properties of the substrate such as the strength of the zirconium oxide partially or completely stabilized. It has excellent characteristics such as displacement generation force, and is extremely effective as a substrate material.
【００２５】この酸化ジルコニウムを安定化せしめる化
合物としては、酸化イットリウム、酸化イッテルビウ
ム、酸化セリウム、酸化カルシウム及び酸化マグネシウ
ムがあり、少なくともそのうちの一つの化合物を添加、
含有せしめることにより、酸化ジルコニウムは部分的に
或いは完全に安定化されることとなるが、その安定化は
一種類の化合物の添加のみならず、それら化合物を組み
合わせて添加することによっても、目的とする酸化ジル
コニウムの安定化は可能である。なお、それぞれの化合
物の添加含有量としては、酸化イットリウムや酸化イッ
テルビウムの場合にあっては１〜３０モル％、好ましく
は１．５〜６モル％、酸化セリウムの場合にあっては６
〜５０モル％、好ましくは８〜２０モル％、酸化カルシ
ウムや酸化マグネシウムの場合にあっては５〜４０モル
％、好ましくは５〜２０モル％とすることが望ましい
が、その中でも特に酸化イットリウムを安定化剤として
用いることが好ましく、その場合においては１．５〜６
モル％、更に好ましくは２〜４モル％とすることが望ま
しい。そのような添加範囲で酸化イットリウムを添加・
含有せしめてなる酸化ジルコニウムは、その結晶相が部
分安定化されることにより、優れた基板特性を与えるこ
ととなる。Compounds for stabilizing the zirconium oxide include yttrium oxide, ytterbium oxide, cerium oxide, calcium oxide and magnesium oxide, at least one of which is added,
By containing, zirconium oxide will be partially or completely stabilized, but the stabilization is not limited to the addition of one kind of compound, and the addition of those compounds in combination also has the purpose. It is possible to stabilize zirconium oxide. The added content of each compound is 1 to 30 mol% in the case of yttrium oxide or ytterbium oxide, preferably 1.5 to 6 mol%, and 6 in the case of cerium oxide.
˜50 mol%, preferably 8 to 20 mol%, and in the case of calcium oxide or magnesium oxide, it is desirable to set it to 5 to 40 mol%, preferably 5 to 20 mol%. It is preferably used as a stabilizer, in which case 1.5 to 6
It is desirable to set the content to be mol%, more preferably 2 to 4 mol%. Add yttrium oxide in such an addition range.
The zirconium oxide contained makes the crystal phase partially stabilized, thereby providing excellent substrate characteristics.
【００２６】また、セラミック基板の形態としては、先
に、図１や図２等に示した単板状の物（２）でも、また
図３や図４に示される如き、凹所の底部が薄肉厚部（１
６ａ）とされ、その薄肉厚部の面上に圧電／電歪作動部
が形成されるキャビティ構造を有している基板（１６）
でも良いが、後者のキャビティ構造を有する基板の方
が、当該部位の基板厚さを薄くすることが出来、以て素
子基板の強度を低下させることなく、また並設形態にお
いて隣接する圧電／電歪作動部同士が変位或いは振動時
に薄肉厚部と薄肉厚部の間にある厚肉部によって互いに
干渉することが少ないために、好ましく用いられる。As the form of the ceramic substrate, the single plate-shaped article (2) shown in FIGS. 1 and 2 and the bottom of the recess as shown in FIGS. 3 and 4 are used. Thin wall thickness (1
6a), and a substrate (16) having a cavity structure in which the piezoelectric / electrostrictive operating portion is formed on the surface of the thin wall portion
However, the latter substrate having a cavity structure can reduce the thickness of the substrate at the relevant portion, and thus does not reduce the strength of the element substrate, and the adjacent piezoelectric / electrical electrodes in the side-by-side configuration can be used. It is preferably used because the strain actuating portions are less likely to interfere with each other due to the thick-walled portions between the thin-walled thick portions and the thin-walled thick portions during displacement or vibration.
【００２７】さらに、薄肉のセラミック基板の厚さに関
しては、素子の高速応答性と大きな変位を得るために、
一般に５０μｍ以下、好ましくは３０μｍ以下、更に好
ましくは１０μｍ以下とされ、更にそのセラミック基板
の結晶粒子径は、基板強度の面から、平均粒子径として
０．０５μｍ〜２μｍであることが好ましく、更に好ま
しくは１μｍ以下が好ましい。Furthermore, regarding the thickness of the thin ceramic substrate, in order to obtain high-speed response and large displacement of the element,
It is generally 50 μm or less, preferably 30 μm or less, more preferably 10 μm or less, and the crystal grain size of the ceramic substrate is preferably 0.05 μm to 2 μm as an average grain size from the viewpoint of substrate strength, and further preferably Is preferably 1 μm or less.
【００２８】更にまた、かかるセラミック基板は、最終
的には、焼結せしめられた形態とされるが、圧電／電歪
作動部の形成に先立って、予め焼結した基板としておく
ことが出来、また基板材料のグリーンシートを用い、後
述の膜形成による圧電／電歪作動部の形成を行なった後
に焼結させても良いが、その中では、予め焼結した基板
が、素子の反りを小さくすることが出来、またパターン
寸法精度が得られることから、有利に用いられることと
なる。なお、キャビティ構造を有するセラミック基板
（１６）は、金型や超音波加工等の機械加工法を用いて
空孔部を設けたグリーンシートに、薄肉厚部となる薄い
グリーンシートを積層・熱圧着した後、焼成・一体化す
ることによって作製することが、高い信頼性の点から好
ましい。また、本発明に従う安定化された酸化ジルコニ
ウムを主成分とする基板材料中に、酸化アルミニウムや
酸化チタン、更には粘土等の焼結助剤を添加しても良い
が、焼成した基板に酸化珪素（ＳｉＯ2 ，ＳｉＯ）が１
％以上含有されないように、助剤の組成や添加量を調整
することが望ましい。過剰に酸化珪素が基板に含有され
ていると、圧電／電歪材料との熱処理時に反応が生じ易
く、組成の制御が困難となる。Furthermore, although the ceramic substrate is finally sintered, it may be pre-sintered prior to the formation of the piezoelectric / electrostrictive operating portion. Alternatively, a green sheet of a substrate material may be used and sintered after forming a piezoelectric / electrostrictive operating portion by film formation described later. In this, a pre-sintered substrate reduces warpage of the element. Since it is possible to obtain the pattern dimensional accuracy, it can be advantageously used. The ceramic substrate (16) having a cavity structure is formed by stacking and thermocompression-bonding a thin green sheet, which is a thin wall portion, on a green sheet provided with holes using a machining method such as a die or ultrasonic machining. It is preferable from the viewpoint of high reliability that it is manufactured by firing and then integrating. In addition, a sintering aid such as aluminum oxide, titanium oxide, or clay may be added to the stabilized substrate material containing zirconium oxide as a main component according to the present invention. (SiO 2 , SiO) is 1
It is desirable to adjust the composition and amount of the auxiliary agent so that the content of the auxiliary agent is not more than 100%. If the substrate contains excessive silicon oxide, a reaction is likely to occur during the heat treatment with the piezoelectric / electrostrictive material, making it difficult to control the composition.
【００２９】そして、このようなセラミック基板上に所
定の電極膜（４，８）及び圧電／電歪層６を設けて圧電
／電歪作動部を形成するには、公知の各種の膜形成法が
適宜に採用され、例えばスクリーン印刷、スプレー、デ
ィッピング、塗布等の厚膜形成手法、イオンビーム、ス
パッタリング、真空蒸着、イオンプレーティング、ＣＶ
Ｄ、メッキ等の薄膜形成手法が適宜に選択される。特
に、膜状の圧電／電歪層（６）を形成するには、スクリ
ーン印刷、スプレー、ディッピング、塗布等による厚膜
形成手法が好適に採用されることとなる。この厚膜形成
手法によれば、圧電／電歪材料のセラミック粒子を主成
分とするペーストやスラリーを用いてセラミック基板上
に膜形成することが出来、良好な素子特性が得られるか
らである。また、そのような膜の形状としては、スクリ
ーン印刷法やフォトリソグラフィ法等を用いてパターン
形成する他、レーザー加工法や、スライシング、超音波
加工等の機械加工法を用い、不必要な部分を除去して、
パターン形成しても良い。In order to form the piezoelectric / electrostrictive operating portion by providing the predetermined electrode films (4, 8) and the piezoelectric / electrostrictive layer 6 on such a ceramic substrate, various known film forming methods are used. Are appropriately adopted, for example, thick film forming methods such as screen printing, spraying, dipping, coating, ion beam, sputtering, vacuum deposition, ion plating, CV.
A thin film forming method such as D or plating is appropriately selected. In particular, in order to form the film-shaped piezoelectric / electrostrictive layer (6), a thick film forming method such as screen printing, spraying, dipping, coating or the like is preferably adopted. According to this thick film forming method, it is possible to form a film on a ceramic substrate by using a paste or slurry containing ceramic particles of a piezoelectric / electrostrictive material as a main component, and good device characteristics can be obtained. In addition, as the shape of such a film, in addition to patterning using a screen printing method or a photolithography method, a laser processing method, a slicing method, a mechanical processing method such as ultrasonic processing, or the like is used to remove unnecessary portions. Remove it
You may form a pattern.
【００３０】なお、ここで作製される素子の構造や膜状
の圧電／電歪作動部の形状は、何等限定されるものでは
なく、用途に応じて、如何なる形状でも採用可能であ
り、例えば三角形、四角形等の多角形、円、楕円、円環
等の円形、櫛状、格子状又はこれらを組み合わせた特殊
形状であっても、何等差し支えない。The structure of the element manufactured here and the shape of the film-like piezoelectric / electrostrictive operating portion are not limited at all, and any shape can be adopted according to the application, for example, a triangle. It may be a polygon such as a quadrangle, a circle, an ellipse, a circle such as a ring, a comb, a lattice, or a special shape in which these are combined.
【００３１】また、このようにしてセラミック基板上に
上記方法で膜形成されたそれぞれの膜（４，６，８）
は、それぞれの膜の形成の都度、熱処理されて、基板と
一体構造となるようにされても良く、また全部の膜を形
成した後、同時に熱処理して、各膜が同時に基板に一体
的に結合せしめられるようにしても良い。なお、このよ
うな膜形成手法により電極膜を形成する場合には、一体
化するために必ずしも熱処理を必要としないことがあ
る。The respective films (4, 6, 8) thus formed on the ceramic substrate by the above method.
May be heat-treated each time each film is formed so as to form an integrated structure with the substrate. Alternatively, after forming all the films, heat-treating at the same time so that each film is simultaneously formed on the substrate. It may be possible to combine them. When the electrode film is formed by such a film forming method, heat treatment may not always be necessary for integration.
【００３２】さらに、このように形成された膜と基板と
を一体化するための熱処理温度としては、一般に９００
℃〜１４００℃程度の温度が採用され、好ましくは１０
００℃〜１４００℃の範囲の温度が有利に選択される。
また、膜状の圧電／電歪層（６）を熱処理する場合に
は、高温時に圧電／電歪層の組成が不安定とならないよ
うに、そのような圧電／電歪材料の蒸発源と共に雰囲気
制御を行ないながら、熱処理することが好ましい。Further, the heat treatment temperature for integrating the film thus formed and the substrate is generally 900.
A temperature of about ℃ to 1400 ℃ is adopted, preferably 10
Temperatures in the range of 00 ° C to 1400 ° C are advantageously chosen.
When heat-treating the film-shaped piezoelectric / electrostrictive layer (6), the atmosphere of the piezoelectric / electrostrictive material and the evaporation source of the piezoelectric / electrostrictive material should be set so that the composition of the piezoelectric / electrostrictive layer does not become unstable at high temperatures. It is preferable to perform heat treatment while controlling.
【００３３】なお、上記の方法にて作製される圧電／電
歪作動部を構成する電極膜（４，８等）の材料として
は、前記熱処理温度並びに焼成温度程度の高温酸化雰囲
気に耐えられる導体であれば、特に規制されるものでは
なく、例えば金属単体であっても、合金であっても良
く、また絶縁性セラミックスやガラス等と、金属や合金
との混合物であっても、更には導電性セラミックスであ
っても、何等差し支えない。尤も、より好ましくは、白
金、パラジウム、ロジウム等の高融点貴金属類、或いは
銀−パラジウム、銀−白金、白金−パラジウム等の合金
を主成分とする電極材料が好適に用いられ、その中でも
更に好ましくは、白金とセラミック基板材料とのサーメ
ット材料がセラミック基板との付着が良く、また焼成時
の熱応力を小さく出来る等の点から望ましい。なお、白
金と基板材料とのサーメットにおいて、基板材料の含有
量としては５〜３０体積％程度であることが好ましい。The material of the electrode films (4, 8 etc.) which compose the piezoelectric / electrostrictive operating portion produced by the above method is a conductor which can endure a high temperature oxidizing atmosphere at the above heat treatment temperature and firing temperature. So long as it is not particularly limited, it may be, for example, a simple metal or an alloy, or a mixture of insulating ceramics, glass, etc., and a metal or an alloy, and further, a conductive material. There is no problem even if it is made of natural ceramics. However, more preferably, a high melting point noble metal such as platinum, palladium, rhodium, or an electrode material containing silver-palladium, silver-platinum, or an alloy such as platinum-palladium as a main component is preferably used, and further preferable among them. Is desirable because the cermet material of platinum and the ceramic substrate material adheres well to the ceramic substrate, and the thermal stress during firing can be reduced. In addition, in the cermet of platinum and the substrate material, the content of the substrate material is preferably about 5 to 30% by volume.
【００３４】そして、このような導体材料を用いて形成
される電極は用途に応じて適宜の厚さとされることとな
るが、電界誘起歪の横効果を用いるタイプにおいては、
一般に２０μｍ以下、好ましくは５μｍ以下の厚さにお
いて形成されることとなる。一方、電界誘起歪の縦効果
を用いるタイプにおいては、電極厚さは３μｍ以上が望
ましく、好ましくは１０μｍ以上であり、更に好ましく
は２０μｍ以上の厚さにおいて、電極形成されることと
なる。The electrode formed using such a conductor material has an appropriate thickness depending on the application, but in the type using the lateral effect of electric field induced strain,
Generally, it is formed in a thickness of 20 μm or less, preferably 5 μm or less. On the other hand, in the type using the longitudinal effect of electric field induced strain, the electrode thickness is preferably 3 μm or more, preferably 10 μm or more, and more preferably 20 μm or more.
【００３５】また、圧電／電歪作動部を構成する圧電／
電歪材料としては、圧電或いは電歪効果等の電界誘起歪
を示す材料であれば、何れの材料であっても採用され得
るものであり、結晶質の材料であっても、非晶質の材料
であっても良く、また半導体材料であっても、誘電体セ
ラミックス材料や強誘電体セラミックス材料であって
も、何等差し支えなく、更には分極処理が必要な材料で
あっても、またそれが不必要な材料であっても良いので
ある。Further, the piezoelectric / electrostrictive actuating portion is composed of piezoelectric /
As the electrostrictive material, any material that exhibits electric field induced strain such as piezoelectric or electrostrictive effect can be used, and a crystalline material or an amorphous material can be used. It may be a material, a semiconductor material, a dielectric ceramic material, a ferroelectric ceramic material, or any material that requires polarization treatment. It may be unnecessary material.
【００３６】尤も、本発明に用いられる圧電／電歪材料
としては、好ましくは、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ
系）を主成分とする材料、マグネシウムニオブ酸鉛（Ｐ
ＭＮ系）を主成分とする材料、ニッケルニオブ酸鉛（Ｐ
ＮＮ系）を主成分とする材料、マンガンニオブ酸鉛を主
成分とする材料、アンチモンスズ酸鉛を主成分とする材
料、亜鉛ニオブ酸鉛を主成分とする材料、チタン酸鉛を
主成分とする材料、更にはこれらの複合材料等が用いら
れる。なお、ＰＺＴ系を主成分とする材料に、ランタ
ン、バリウム、ニオブ、亜鉛、セリウム、カドミウム、
クロム、コバルト、アンチモン、鉄、イットリウム、タ
ンタル、タングステン、ニッケル、マンガン等の酸化物
やそれらの他の化合物を添加物として含有せしめた材
料、例えばＰＬＺＴ系となるように、前記材料に所定の
添加物を適宜に加えても、何等差し支えない。However, the piezoelectric / electrostrictive material used in the present invention is preferably lead zirconate titanate (PZT).
Lead) magnesium niobate (P)
MN-based material, lead nickel niobate (P
NN) as a main component, lead manganese niobate as a main component, lead antimony stannate as a main component, lead zinc niobate as a main component, and lead titanate as a main component. The above-mentioned materials, and composite materials of these materials are used. In addition, lanthanum, barium, niobium, zinc, cerium, cadmium,
Predetermined addition of a material containing oxides of chromium, cobalt, antimony, iron, yttrium, tantalum, tungsten, nickel, manganese, etc. or other compounds thereof as an additive, for example, a PLZT-based material. It doesn't matter what kind of thing is added.
【００３７】これら圧電／電歪材料の中でも、特に、マ
グネシウムニオブ酸鉛を第三成分としたジルコン酸チタ
ン酸鉛を主成分とする材料が、その熱処理中における基
板材料との反応が少ないことから成分の偏析が起きにく
く、組成を保つための処理が好適に行なわれ得、目的と
する組成及び結晶構造が得られ易い等、高い圧電定数を
有することと併せて有利に用いられ、スクリーン印刷、
スプレー、ディッピング、塗布等の厚膜形成手法で圧電
／電歪膜を形成する場合の材料として推奨される。な
お、多成分系圧電／電歪材料の場合、成分の組成によっ
て圧電特性が変化するが、本発明で好適に採用されるマ
グネシウムニオブ酸鉛−ジルコン酸鉛−チタン酸鉛の３
成分系材料では、擬立方晶−正方晶−菱面体晶の相境界
付近の組成が好ましく、特にマグネシウムニオブ酸鉛：
１５モル％〜５０モル％、ジルコン酸鉛：１０モル％〜
４５モル％、チタン酸鉛：３０モル％〜４５モル％の組
成が、高い圧電定数と電気機械結合係数を有することか
ら、有利に採用される。Among these piezoelectric / electrostrictive materials, in particular, the material containing lead zirconate titanate as the third component containing lead magnesium niobate as the main component has little reaction with the substrate material during the heat treatment. Segregation of the components is less likely to occur, treatment for maintaining the composition can be suitably carried out, the composition and crystal structure of interest are easily obtained, and the like, which is advantageously used in combination with having a high piezoelectric constant, screen printing,
It is recommended as a material for forming the piezoelectric / electrostrictive film by a thick film forming method such as spraying, dipping, or coating. Incidentally, in the case of a multi-component piezoelectric / electrostrictive material, the piezoelectric characteristics change depending on the composition of the components, but it is preferable to use lead magnesium niobate-lead zirconate-lead titanate in the present invention.
In the component material, a composition in the vicinity of a phase boundary of pseudo-cubic crystal-tetragonal crystal-rhombohedral crystal is preferable, and particularly lead magnesium niobate:
15 mol% to 50 mol%, lead zirconate: 10 mol% to
A composition of 45 mol% and lead titanate: 30 mol% to 45 mol% is advantageously adopted because it has a high piezoelectric constant and an electromechanical coupling coefficient.
【００３８】なお、上記の如くして形成される電極膜と
圧電／電歪膜（層）から構成される圧電／電歪作動部の
厚さとしては、一般に１００μｍ以下とされ、また圧電
／電歪膜の厚さとしては、低作動電圧で大きな変位等を
得るために、好ましくは５０μｍ以下、更に好ましくは
３μｍ以上４０μｍ以下とされることが望ましい。The thickness of the piezoelectric / electrostrictive operating portion composed of the electrode film and the piezoelectric / electrostrictive film (layer) formed as described above is generally 100 μm or less. The thickness of the strain film is preferably 50 μm or less, more preferably 3 μm or more and 40 μm or less in order to obtain a large displacement or the like at a low operating voltage.
【００３９】以下の表に、各種の材料からなる基板を用
いて作製された素子の諸特性を示した。なお、素子の作
製に際しては、基板形状としては、図３に示される如き
薄肉厚部（１６ａ）を有するキャビティ形状とし、その
薄肉厚部（１６ａ）厚さは１０μｍとした。また、圧電
／電歪作動部には、マグネシウムニオブ酸鉛を第三成分
として添加してなるジルコン酸チタン酸鉛からなる圧電
／電歪材料を用い、それを３０μｍ厚になるようにスク
リーン印刷し、１０００℃以上の熱処理を行なって、形
成した。薄肉厚部の大きさは０．８ｍｍ×３ｍｍであ
る。破壊強度の測定は、０．３ｍｍφの面積を有する測
定子を薄肉厚部の中心部に垂直に当て、荷重をかけるこ
とにより、行なった。素子の変位は、ＤＣ３０Ｖ印加時
の数値である。The following table shows various characteristics of devices manufactured by using substrates made of various materials. In the fabrication of the device, the substrate shape was a cavity shape having a thin wall portion (16a) as shown in FIG. 3, and the thickness of the thin wall portion (16a) was 10 μm. Further, for the piezoelectric / electrostrictive operating portion, a piezoelectric / electrostrictive material made of lead zirconate titanate obtained by adding lead magnesium niobate as a third component is used, and it is screen-printed to a thickness of 30 μm. It was formed by performing heat treatment at 1000 ° C. or higher. The size of the thin thick portion is 0.8 mm × 3 mm. The breaking strength was measured by applying a probe having an area of 0.3 mmφ vertically to the center of the thin wall thickness portion and applying a load. The element displacement is a numerical value when DC30V is applied.
【００４０】
破壊強度（Ｋｇｆ／ 圧電／電歪材料 素子の変位
基 板 材 料 ｃｍ2 ：１０μｍ） との反応性 （μｍ）
ガラス ＜１ ─ ＜０．１
アルミナ ５ 小 ０．５
酸化マグネシウム ３ 小 ０．２
窒化珪素 １０ 中 ＜０．１
Ｙ2 Ｏ3 安定化ＺｒＯ2 ２０ 無 ２．０
ＭｇＯ安定化ＺｒＯ2 １０ 無 １．０
ＣｅＯ2 安定化ＺｒＯ2 １０ 無 １．０
（注）・ガラスを基板材料とした場合においては、基板
厚さは５０μｍであり、且つ膜形成法ではなく、圧電板
を接着材で基板に貼り付けたアクチュエータである。
・ＺｒＯ2 の安定化に用いるＹ2 Ｏ3 の量は３モル％、
ＭｇＯの量は９モル％、ＣｅＯ2 の量は１２モル％とし
た。Breaking strength (Kgf / piezoelectric / electrostrictive material, element displacement substrate, material cm 2 : 10 μm) , reactivity (μm) glass <1 − <0.1 alumina 5 small 0.5 magnesium oxide 3 small 0.2 Silicon nitride 10 <0.1 Y 2 O 3 stabilized ZrO 2 20 No 2.0 MgO stabilized ZrO 2 10 No 1.0 CeO 2 stabilized ZrO 2 10 No 1.0 (Note) -Glass In the case of using as a substrate material, the substrate has a thickness of 50 μm and is an actuator in which a piezoelectric plate is attached to the substrate by an adhesive instead of the film forming method. The amount of Y 2 O 3 used for stabilizing ZrO 2 is 3 mol%,
The amount of MgO was 9 mol%, and the amount of CeO 2 was 12 mol%.
【００４１】かかる表の結果から明らかなように、安定
化された酸化ジルコニウムは、他の基板材料に比べて、
圧電／電歪材料との反応がなく、且つ素子としての変位
が大きく、更に薄い板厚においても高い機械強度を示し
ている。As is clear from the results in the above table, the stabilized zirconium oxide is superior to other substrate materials in comparison with other substrate materials.
It has no reaction with the piezoelectric / electrostrictive material, has a large displacement as an element, and exhibits high mechanical strength even with a thin plate thickness.
【００４２】以上、本発明を幾つかの実施例に基づいて
具体的に説明してきたが、本発明は、上記の実施例によ
って限定的に解釈されるものでは決してなく、本発明の
範囲を逸脱しない限りにおいて、種々なる変更、修正、
改良等を加え得るものであることが理解されるべきであ
る。Although the present invention has been specifically described based on some embodiments, the present invention should not be construed as limited by the above embodiments, and deviates from the scope of the present invention. Unless changed, various changes, modifications,
It should be understood that improvements and the like can be added.
【図１】本発明に係る圧電／電歪膜型素子の一実施例を
示す斜視部分説明図である。FIG. 1 is a perspective partial explanatory view showing an embodiment of a piezoelectric / electrostrictive film type element according to the present invention.
【図２】本発明に係る圧電／電歪膜型素子の異なる一実
施例を示す斜視部分説明図である。FIG. 2 is a perspective partial explanatory view showing a different embodiment of the piezoelectric / electrostrictive film type element according to the present invention.
【図３】本発明に係る圧電／電歪膜型素子の更に異なる
実施例を示す斜視部分説明図である。FIG. 3 is a perspective partial explanatory view showing still another embodiment of the piezoelectric / electrostrictive film type element according to the present invention.
【図４】本発明に係る圧電／電歪膜型素子の更に異なる
実施例を示す斜視部分説明図である。FIG. 4 is a perspective partial explanatory view showing still another embodiment of the piezoelectric / electrostrictive film type element according to the present invention.
【図５】本発明に係る圧電／電歪膜型素子の他の一つの
実施例を示す斜視部分説明図である。FIG. 5 is a perspective partial explanatory view showing another embodiment of the piezoelectric / electrostrictive film type element according to the present invention.
【図６】本発明に係る圧電／電歪膜型素子の他の異なる
実施例を示す斜視部分説明図である。FIG. 6 is a perspective partial explanatory view showing another different embodiment of the piezoelectric / electrostrictive film type element according to the present invention.
【図７】本発明に係る圧電／電歪膜型素子の他の更に異
なる実施例を示す斜視部分説明図である。FIG. 7 is a perspective partial explanatory view showing still another embodiment of the piezoelectric / electrostrictive film type element according to the present invention.
【図８】本発明に係る圧電／電歪膜型素子の異なる実施
例の一つを示す斜視部分説明図である。FIG. 8 is a perspective partial explanatory view showing one of different embodiments of the piezoelectric / electrostrictive film type element according to the present invention.
【図９】本発明に係る圧電／電歪膜型素子の更に異なる
実施例の一つを示す斜視部分説明図である。FIG. 9 is a perspective partial explanatory view showing one of further different embodiments of the piezoelectric / electrostrictive film type element according to the present invention.
【図１０】本発明に係る圧電／電歪膜型素子の他の更に
異なる実施例を示す斜視部分説明図である。FIG. 10 is a perspective partial explanatory view showing still another embodiment of the piezoelectric / electrostrictive film type element according to the present invention.
【図１１】本発明に係る圧電／電歪膜型素子の他の更に
異なる実施例の一つを示す斜視部分説明図である。FIG. 11 is a perspective partial explanatory view showing another further different embodiment of the piezoelectric / electrostrictive film type element according to the present invention.
２，１６ セラミック基板 ４ 第一の電極膜 ６，２２ 圧電／電歪層 ８ 第二の電極膜 １０，１８ 帯状電極膜 １２ 電極接続部 １４ａ，１４ｂ 櫛状電極膜 １６ａ 薄肉厚部 ２０ 電極膜 ２４ スリット ２６ 矩形孔 2,16 Ceramic substrate 4 First electrode film 6,22 Piezoelectric / electrostrictive layer 8 Second electrode film 10,18 Strip electrode film 12 electrode connection part 14a, 14b Comb-shaped electrode film 16a Thin wall thickness 20 electrode film 24 slits 26 rectangular hole
─────────────────────────────────────────────────────
─────────────────────────────────────────────────── ───
【手続補正書】[Procedure amendment]
【提出日】平成４年８月２６日[Submission date] August 26, 1992
【手続補正１】[Procedure Amendment 1]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】請求項２[Name of item to be corrected] Claim 2
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction content]
【手続補正２】[Procedure Amendment 2]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】０００１[Correction target item name] 0001
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction content]
【０００１】[0001]
【技術分野】本発明は、圧電／電歪膜型素子、中でも主
にインクジェットプリントヘッド、マイクロホン、発音
体（スピーカー等）、各種振動子や発振子、更にはセン
サー、モーター等に用いられるユニモルフ型やバイモル
フ型等の、屈曲変位を発生させるタイプの圧電／電歪膜
型素子に関するものである。なお、ここで呼称される素
子とは、電気エネルギーを機械エネルギーに変換、即ち
機械的な変位または応力または振動に変換する素子の
他、その逆の変換を行なう素子をも意味するものであ
る。TECHNICAL FIELD The present invention relates to a piezoelectric / electrostrictive film type element, and in particular, a unimorph type mainly used for inkjet print heads, microphones, sounding bodies (speakers, etc.), various vibrators and oscillators, and also sensors , motors and the like. The present invention relates to a piezoelectric / electrostrictive film type element of a type that causes bending displacement, such as a bimorph type or a bimorph type. The element referred to herein means an element that converts electrical energy into mechanical energy, that is, mechanical displacement or stress or vibration, and an element that performs the opposite conversion.
【手続補正３】[Procedure 3]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】０００５[Name of item to be corrected] 0005
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction content]
【０００５】[0005]
【解決課題】ここにおいて、本発明は、かかる事情を背
景にして為されたものであって、その課題とするところ
は、相対的に低作動電圧で大変位が得られ、また信頼性
が高く、応答速度が早く、且つ発生力が大きい、更に高
集積化が可能である、インクジェットプリントヘッド、
マイクロホン、発音体（スピーカー等）、各種振動子や
発振子、更には加速度センサー、圧力センサー、振動セ
ンサー、角速度センサー、モーター等に好適に用いられ
る、強度に優れた圧電／電歪膜型素子を提供することに
ある。The present invention has been made in view of such circumstances, and its object is to obtain a large displacement at a relatively low operating voltage and to have high reliability. , An inkjet print head that has a high response speed and a large generating force, and can be highly integrated,
A piezoelectric / electrostrictive film type element with excellent strength, which is suitable for use in microphones, sound generators (speakers, etc.), various vibrators and oscillators, as well as acceleration sensors, pressure sensors, vibration sensors, angular velocity sensors , motors, etc. To provide.
【手続補正４】[Procedure amendment 4]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】０００７[Correction target item name] 0007
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction content]
【０００７】なお、かかる本発明において、圧電／電歪
作動部は、好ましくは、マグネシウムニオブ酸鉛とジル
コン酸鉛とチタン酸鉛とからなる成分を主成分とする圧
電／電歪材料を用いて形成されていることが望ましい。In the present invention, the piezoelectric / electrostrictive operating portion is preferably lead magnesium niobate and zirconium.
It is desirable to use a piezoelectric / electrostrictive material containing a component of lead conate and lead titanate as a main component .
【手続補正５】[Procedure Amendment 5]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】００１１[Correction target item name] 0011
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction content]
【００１１】また、本発明において、マグネシウムニオ
ブ酸鉛とジルコン酸鉛とチタン酸鉛とからなる成分を圧
電／電歪材料の主成分として用い、前記安定化した酸化
ジルコニウム基板と組み合わせることにより、厚膜手法
等によって膜形成した圧電／電歪層の熱処理時、基板と
の反応等による膜状の圧電／電歪層の組成変動或いはパ
イロクロア等の結晶相を惹起させることが非常に少な
く、目的とする組成及び結晶構造の圧電／電歪層を有利
に形成することが出来る特徴を発揮する。Further, in the present invention, a component consisting of lead magnesium niobate, lead zirconate and lead titanate is used as a main component of the piezoelectric / electrostrictive material and combined with the stabilized zirconium oxide substrate to obtain a thick film. During the heat treatment of the piezoelectric / electrostrictive layer formed by the film method or the like, the compositional change of the film-like piezoelectric / electrostrictive layer due to the reaction with the substrate or the crystal phase such as pyrochlore is extremely small, The piezoelectric / electrostrictive layer having the composition and crystal structure described above can be advantageously formed.
【手続補正６】[Procedure correction 6]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】００３３[Correction target item name] 0033
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction content]
【００３３】なお、上記の方法にて作製される圧電／電
歪作動部を構成する電極膜（４，８等）の材料として
は、前記熱処理温度並びに焼成温度程度の高温酸化雰囲
気に耐えられる導体であれば、特に規制されるものでは
なく、例えば金属単体であっても、合金であっても良
く、また絶縁性セラミックス等と、金属や合金との混合
物であっても、更には導電性セラミックスであっても、
何等差し支えない。尤も、より好ましくは、白金、パラ
ジウム、ロジウム等の高融点貴金属類、或いは銀−パラ
ジウム、銀−白金、白金−パラジウム等の合金を主成分
とする電極材料が好適に用いられ、その中でも更に好ま
しくは、白金とセラミック基板材料とのサーメット材料
がセラミック基板との付着が良く、また焼成時の熱応力
を小さく出来る等の点から望ましい。なお、白金と基板
材料とのサーメットにおいて、基板材料の含有量として
は５〜３０体積％程度であることが好ましい。The material of the electrode films (4, 8 etc.) which compose the piezoelectric / electrostrictive operating portion produced by the above method is a conductor which can endure a high temperature oxidizing atmosphere at the above heat treatment temperature and firing temperature. if, it is not particularly restricted, for example, it is a simple metal may be an alloy, also an insulating ceramics such as, be a mixture of a metal or alloy, further conductive Even with ceramics,
No problem whatsoever. However, more preferably, a high melting point noble metal such as platinum, palladium, rhodium, or an electrode material containing silver-palladium, silver-platinum, or an alloy such as platinum-palladium as a main component is preferably used, and further preferable among them. Is desirable because the cermet material of platinum and the ceramic substrate material adheres well to the ceramic substrate, and the thermal stress during firing can be reduced. In addition, in the cermet of platinum and the substrate material, the content of the substrate material is preferably about 5 to 30% by volume.
【手続補正７】[Procedure Amendment 7]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】００３６[Correction target item name] 0036
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction content]
【００３６】尤も、本発明に用いられる圧電／電歪材料
としては、好ましくは、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ
系）を主成分とする材料、マグネシウムニオブ酸鉛（Ｐ
ＭＮ系）を主成分とする材料、ニッケルニオブ酸鉛（Ｐ
ＮＮ系）を主成分とする材料、マンガンニオブ酸鉛を主
成分とする材料、アンチモンスズ酸鉛を主成分とする材
料、亜鉛ニオブ酸鉛を主成分とする材料、チタン酸鉛を
主成分とする材料、更にはこれらの複合材料等が用いら
れる。また、このような圧電／電歪材料に、ランタン、
バリウム、ニオブ、亜鉛、セリウム、カドミウム、クロ
ム、コバルト、アンチモン、鉄、イットリウム、タンタ
ル、タングステン、ニッケル、マンガン等の酸化物やそ
れらの他の化合物を添加物として含有せしめた材料、例
えば、ＰＬＺＴ系となるように、前記ＰＺＴ系を主成分
とする材料に上記の如き所定の添加物を適宜に加えたも
のであっても、何等差し支えない。However, the piezoelectric / electrostrictive material used in the present invention is preferably lead zirconate titanate (PZT).
Lead) magnesium niobate (P)
MN-based material, lead nickel niobate (P
NN) as a main component, lead manganese niobate as a main component, lead antimony stannate as a main component, lead zinc niobate as a main component, and lead titanate as a main component. The above-mentioned materials, and composite materials of these materials are used. In addition, lanthanum,
Materials containing oxides of barium, niobium, zinc, cerium, cadmium, chromium, cobalt, antimony, iron, yttrium, tantalum, tungsten, nickel, manganese, etc. or other compounds thereof as additives, for example <br / > For example, the main component is the PZT system so that it becomes a PLZT system.
Ash added above such predetermined additives appropriate material to
However, it does not matter.
【手続補正８】[Procedure Amendment 8]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】００３７[Name of item to be corrected] 0037
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction content]
【００３７】これら圧電／電歪材料の中でも、特に、マ
グネシウムニオブ酸鉛とジルコン酸鉛とチタン酸鉛とか
らなる成分を主成分とする材料が、その熱処理中におけ
る基板材料との反応が少ないことから成分の偏析が起き
にくく、組成を保つための処理が好適に行なわれ得、目
的とする組成及び結晶構造が得られ易い等、高い圧電定
数を有することと併せて有利に用いられ、スクリーン印
刷、スプレー、ディッピング、塗布等の厚膜形成手法で
圧電／電歪膜を形成する場合の材料として推奨される。
なお、多成分系圧電／電歪材料の場合、成分の組成によ
って圧電特性が変化するが、本発明で好適に採用される
マグネシウムニオブ酸鉛−ジルコン酸鉛−チタン酸鉛の
３成分系材料では、擬立方晶−正方晶−菱面体晶の相境
界付近の組成が好ましく、特にマグネシウムニオブ酸
鉛：１５モル％〜５０モル％、ジルコン酸鉛：１０モル
％〜４５モル％、チタン酸鉛：３０モル％〜４５モル％
の組成が、高い圧電定数と電気機械結合係数を有するこ
とから、有利に採用される。Among these piezoelectric / electrostrictive materials, particularly lead magnesium niobate, lead zirconate and lead titanate,
Since the material containing the component as a main component reacts less with the substrate material during the heat treatment, segregation of the component is less likely to occur, and the treatment for maintaining the composition can be suitably performed. It is advantageously used in combination with having a high piezoelectric constant, such as easy structure, and is recommended as a material when forming a piezoelectric / electrostrictive film by a thick film forming method such as screen printing, spraying, dipping, or coating. It
In the case of a multi-component piezoelectric / electrostrictive material, the piezoelectric characteristics change depending on the composition of the components, but in the case of the three-component system of lead magnesium niobate-lead zirconate-lead titanate which is preferably adopted in the present invention, The composition in the vicinity of the phase boundary of pseudo-cubic crystal-tetragonal crystal-rhombohedral crystal is preferable. Particularly, lead magnesium niobate: 15 mol% to 50 mol%, lead zirconate: 10 mol% to 45 mol%, lead titanate: 30 mol% to 45 mol%
The composition is preferably used because it has a high piezoelectric constant and an electromechanical coupling coefficient.
【手続補正９】[Procedure Amendment 9]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】００３９[Correction target item name] 0039
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction content]
【００３９】以下の表に、各種の材料からなる基板を用
いて作製された素子の諸特性を示した。なお、素子の作
製に際しては、基板形状としては、図３に示される如き
薄肉厚部（１６ａ）を有するキャビティ形状とし、その
薄肉厚部（１６ａ）厚さは１０μｍとした。また、圧電
／電歪作動部には、マグネシウムニオブ酸鉛とジルコン
酸鉛とチタン酸鉛とからなる圧電／電歪材料を用い、そ
れを３０μｍ厚になるようにスクリーン印刷し、１００
０℃以上の熱処理を行なって、形成した。薄肉厚部の大
きさは０．８ｍｍ×３ｍｍである。破壊強度の測定は、
０．３ｍｍφの面積を有する測定子を薄肉厚部の中心部
に垂直に当て、荷重をかけることにより、行なった。素
子の変位は、ＤＣ３０Ｖ引加時の数値である。The following table shows various characteristics of devices manufactured by using substrates made of various materials. In the fabrication of the device, the substrate shape was a cavity shape having a thin wall portion (16a) as shown in FIG. 3, and the thickness of the thin wall portion (16a) was 10 μm. Also, the piezoelectric / electrostrictive actuator is equipped with lead magnesium niobate and zircon.
Piezoelectric / electrostrictive material consisting of lead oxide and lead titanate was used, which was screen-printed to a thickness of 30 μm.
It was formed by performing heat treatment at 0 ° C. or higher. The size of the thin thick portion is 0.8 mm × 3 mm. The measurement of breaking strength is
The measurement was performed by applying a probe having an area of 0.3 mmφ vertically to the center of the thin wall thickness portion and applying a load. The displacement of the element is a numerical value when DC30V is applied.
Claims (6)
板上に設けられた、電極及び圧電／電歪層からなる圧電
／電歪作動部とを備えた圧電／電歪素子にして、前記圧
電／電歪作動部が膜形成法によって形成されている一
方、前記セラミック基板が、酸化イットリウム、酸化イ
ッテルビウム、酸化セリウム、酸化カルシウム及び酸化
マグネシウムからなる群より選ばれた少なくとも一つの
化合物の含有によって結晶相が安定化されてなる酸化ジ
ルコニウムを主成分とする材料から構成されていること
を特徴とする圧電／電歪膜型素子。1. A piezoelectric / electrostrictive element comprising a thin ceramic substrate and a piezoelectric / electrostrictive operating portion provided on the ceramic substrate and comprising an electrode and a piezoelectric / electrostrictive layer. While the strain actuating portion is formed by a film forming method, the ceramic substrate has a crystalline phase due to the inclusion of at least one compound selected from the group consisting of yttrium oxide, ytterbium oxide, cerium oxide, calcium oxide and magnesium oxide. A piezoelectric / electrostrictive film type element, which is composed of a material containing stabilized zirconium oxide as a main component.
ニオブ酸鉛を第三成分としたジルコン酸チタン酸鉛を主
成分とする圧電／電歪材料を用いて形成されていること
を特徴とする請求項１に記載の圧電／電歪膜型素子。2. The piezoelectric / electrostrictive actuating portion is formed by using a piezoelectric / electrostrictive material containing lead magnesium niobate as a third component and lead zirconate titanate as a main component. The piezoelectric / electrostrictive film type element according to claim 1.
ムで安定化された酸化ジルコニウムを主成分とする材料
からなり、且つかかる酸化イットリウムの含有量が１．
０モル％以上３０モル％以下であることを特徴とする請
求項１または２に記載の圧電／電歪膜型素子。3. The ceramic substrate is made of a material whose main component is zirconium oxide stabilized with yttrium oxide, and the content of such yttrium oxide is 1.
The piezoelectric / electrostrictive film type element according to claim 1 or 2, wherein the content is 0 mol% or more and 30 mol% or less.
圧電／電歪作動部を、積層形態において、若しくは並設
形態において設けた請求項１乃至３の何れかに記載の圧
電／電歪膜型素子。4. The piezoelectric / electrostrictive device according to claim 1, wherein two or more piezoelectric / electrostrictive operating parts are provided on the surface of the ceramic substrate in a laminated form or in a juxtaposed form. Membrane type device.
以下である請求項１乃至４の何れかに記載の圧電／電歪
膜型素子。5. The plate thickness of the ceramic substrate is 50 μm.
The piezoelectric / electrostrictive film type element according to any one of claims 1 to 4, which is as follows.
μｍ以下である請求項１乃至は５の何れかに記載の圧電
／電歪膜型素子。6. The piezoelectric / electrostrictive operating portion has a thickness of 100.
The piezoelectric / electrostrictive film type device according to any one of claims 1 to 5, which has a thickness of not more than μm.
Priority Applications (6)
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|---|---|---|---|
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ID=16480431
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