JP2000049398A

JP2000049398A - 圧電／電歪膜型アクチュエータ

Info

Publication number: JP2000049398A
Application number: JP10216787A
Authority: JP
Inventors: Takuya Gendoshi; 拓哉源通; Hiroaki Shigetome; 宏章重留
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1998-07-31
Filing date: 1998-07-31
Publication date: 2000-02-18

Abstract

(57)【要約】【課題】低電圧で大きな屈曲変位が得られ、信頼性が高
く、応答速度が早く、且つ高集積化が可能な圧電／電歪
膜型アクチュエータを提供する。【解決手段】薄肉の絶縁性セラミック基板を、酸化ディ
スプロシウム及び酸化セリウムを安定化剤として含有し
てなり、ジルコニアの結晶相が主として正方晶からなる
部分安定化ジルコニアセラミックスにより形成し、その
一方の主面を中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．０３〜０．
９μｍとした上記基板表面上に下部電極膜、圧電／電歪
層膜、及び上部電極膜をを順次焼結一体化して形成した
駆動部を設けることにより圧電／電歪膜型アクチュエー
タを構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、低電圧駆動で、し
かも大きな屈曲変位が得られ、応答速度の早い信頼性に
優れた圧電／電歪膜型アクチュエータに関するものであ
り、特に、インクジェットプリンタヘッド、マイクロホ
ン、発音体（スピーカーなど）等の各種振動子や発振子
として好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、インクジェットプリンタヘッドや
マイクロホンあるいは発音体（スピーカーなど）などの
分野では、サブミクロンオーダーでの変位調整や微小変
位を電気信号として検知することが要求されており、こ
のような変位素子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を利用し
た圧電／電歪膜型アクチュエータの開発が進められてい
る。

【０００３】例えば、インクジェットプリンタヘッドに
おいては、薄肉の絶縁性セラミック基板上に下部電極
膜、圧電／電歪膜、及び上部電極膜を順次積層し、熱処
理によって焼結一体化して構成した駆動部を有する圧電
／電歪膜型アクチュエータが使用されており、上記絶縁
性セラミック基板として、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、酸化マグ
ネシウムのうち１種以上の安定化剤によって安定化ある
いは部分安定化されたジルコニアセラミックスにより形
成したものがあった（特開平５−２９６７５号公報、特
開平６−２６０６９４号公報参照）。

【０００４】このような圧電／電歪膜型アクチュエータ
は、駆動部を薄くできるとともに、接着剤等を用いずに
一体化でき、さらには絶縁性セラミック基板が高強度、
高靱性のジルコニアセラミックスからなるため基板の厚
みを薄くできるといった特徴があり、それ故、相対的に
低電圧駆動にて大きな屈曲変位が得られるとともに、応
答速度を早めることができ、さらには同一基板上におい
て駆動部の高集積化が可能となるなどの優れた利点を有
していた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記安
定化剤でもって安定化あるいは部分安定化されたジルコ
ニアセラミックスからなる絶縁性セラミック基板は、耐
熱性がそれほど良くないため、駆動部を構成する下部電
極膜、圧電／電歪膜、上部電極膜をそれぞれ形成する際
の熱処理時において、ジルコニアの結晶相が立方晶や正
方晶から急激に単斜晶へ相変態するため、絶縁性セラミ
ック基板の強度が大きく低下し、屈曲時に作用する応力
によって破損したり、相変態に伴うジルコニア粒子の体
積膨張によって表面粗度が悪くなるために、駆動部を構
成する各膜を破壊したり歪みを発生させ、所望の変位量
や応答性が得られないといった課題があった。

【０００６】なお、これまでインクジェットプリンタヘ
ッドを例にとって説明したが、これらの課題はマイクロ
ホンや発音体（スピーカー等）など他の振動子や発振子
においても同様にあった。

【０００７】

【発明の目的】本発明はかかる事情を背景にしてなされ
たものであり、その目的は、駆動部を構成する各膜を形
成する際の熱処理時に、強度劣化及び表面粗度の劣化の
ない部分安定化されたジルコニアセラミックスにより絶
縁性セラミック基板を形成し、以て、低電圧駆動であり
ながら大きな屈曲変位が得られ、応答速度の早い信頼性
に優れた圧電／電歪膜型アクチュエータを提供すること
にある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明は上記課
題に鑑み、薄肉の絶縁性セラミック基板上に下部電極
膜、圧電／電歪膜、及び上部電極膜を順次焼結一体化し
た駆動部を有する圧電／電歪膜型アクチュエータにおい
て、上記絶縁性セラミック基板を、酸化ディスプロシウ
ム及び酸化セリウムを安定化剤として含有してなり、ジ
ルコニアの結晶相が主として正方晶からなる部分安定化
ジルコニアセラミックスにより形成するとともに、上記
絶縁性セラミック基板の少なくとも駆動部側の表面粗さ
を中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．０３〜０．９μｍとし
たことを特徴とする。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
説明する。

【００１０】図１は本発明の圧電／電歪膜型アクチュエ
ータ１の一例を示す一部を破断した斜視図で、酸化ディ
スプロシウム及び酸化セリウムの安定化剤を含有してな
り、ジルコニアの結晶相が主として正方晶からなる部分
安定化ジルコニアセラミックスにより形成した薄肉の絶
縁性セラミック基板２の一主面上に、下部電極膜４、圧
電／電歪膜５、及び上部電極膜８を順次積層し、熱処理
を加えて焼結一体化して駆動部９を構成したものであ
り、図１のアクチュエータにおいて、下部電極膜４は圧
電／電歪膜５より延設してあり、この延設部をリード取
出部４ａとするとともに、上部電極膜８はコーナーの一
部をリード取出部８ａとしてある。

【００１１】また、図２は本発明の圧電／電歪膜型アク
チュエータ１１の他の例を示す一部を破断した斜視図
で、酸化ディスプロシウム及び酸化セリウムの安定化剤
を含有してなり、ジルコニアの結晶相が主として正方晶
からなる部分安定化ジルコニアセラミックスにより形成
した絶縁性セラミック基板２の一主面に、複数の帯状電
極１２とそれらを接続する帯状の電極接続部１３とから
なる櫛型の下部電極膜１４と、該下部電極膜１４と同形
の櫛型状をした板状の圧電／電歪膜１５、及び複数の帯
状電極１６とそれらを接続する帯状の電極接続部１７と
からなる櫛型の上部電極膜１８を順次積層し、熱処理を
加えて焼結一体化して駆動部１９を構成したものであ
り、各電極膜１４，１８はそれぞれ延設する電極接続部
１３，１７の端部をそれぞれリード取出部１４ａ，１８
ａとしてある。

【００１２】かくして、これらの圧電／電歪膜型アクチ
ュエータ１，１１のリード取出部４ａ，８ａ，１４ａ，
１８ａに通電して圧電／電歪膜５，１５に電界を発生さ
せると、電界誘起歪により、絶縁性セラミック基板２を
板厚方向に屈曲変位させることがきる。

【００１３】また、絶縁性セラミック基板２上には、各
電極膜４，８，１４，１８及圧電／電歪膜５，１５が直
接一体的に形成され、接着剤等が介在しないため、圧電
／電歪膜５，１５の電界誘起歪をほぼ直にセラミック基
板２へ伝達することができ、以て、低電圧駆動にて大き
な屈曲変位が得られるとともに、応答速度を早くするこ
とができる。しかも、同一セラミック基板２上には駆動
部９，１９を同時に形成することができるため、駆動部
９，１９の高集積化も可能となる。

【００１４】なお、駆動部９，１９の形成にあたって、
下部電極膜４，１４、圧電／電歪膜５，１５、及び上部
電極膜８，１８を順次積層し、熱処理を加えて焼結一体
化するとは、下部電極膜４，１４、圧電／電歪膜５，１
５、及び上部電極膜８，１８を構成する各々のペースト
やスラリーを塗布するごとに熱処理を加えて焼結させ、
絶縁性セラミック基板２上に順次一体的に形成するか、
あるいは下部電極膜４，１４、圧電／電歪膜５，１５、
及び上部電極膜８，１８を構成する各々のペーストやス
ラリーを全て積層したあと、熱処理を加えて一体的に焼
結させることを言い、上記ペーストやスラリーを塗布す
る方法としては、スクリーン印刷法、スプレー法、ディ
ッピング法、塗布等の公知の厚膜形成手法を用いること
ができる。

【００１５】また、図２のように電極膜１４，１８を櫛
型など複雑なパターン形状に形成する方法としては、ス
クリーン印刷法以外に、レーザー加工法、スライシン
グ、超音波加工等の機械加工法やフォトリソグラフィー
法を用いれば良い。

【００１６】さらに、絶縁性セラミック基板２の形状と
しては上下面が平坦な板状体だけでなく、一方の面にキ
ャビティ部を設けた板状体であっても良く、また、その
平面形状は長方形をしたものだけに限らず、正方形や三
角形など他の多角形をしたもの、さらには円形、楕円
形、リング状、櫛型状など使用目的に応じて適宜設計す
れば良い。また、駆動部９，１９の平面形状においても
三角形や四角形等の多角形、円形、楕円形、リング状、
あるいは格子状とすることができ、さらにはこれらを組
み合わせた特殊形状であっても何等差し支えない。

【００１７】ところで、本発明によれば、振動板として
機能する絶縁性セラミック基板２を、酸化ディスプロシ
ウム及び酸化セリウムの２種類の安定化剤を含有させ、
ジルコニアの結晶相が主として正方晶からなる部分安定
化されたジルコニアセラミックスにより形成してあるこ
とから、数μｍ乃至数十μｍといった薄い板厚としても
十分な曲げ強度と高靱性を兼ね備えたものとすることが
でき、さらには駆動部９，１９を形成する際の熱処理時
における熱応力が小さく、かつ下部電極膜４，１４、圧
電／電歪膜５，１５、上部電極膜８，１８との化学的な
反応が少ないといった利点がある。

【００１８】即ち、ジルコニアは安定化剤等の添加物を
含まない純粋な状態では、１０００℃付近で正方晶から
単斜晶への相変態が頻繁に起こり、薄肉の絶縁性セラミ
ック基板２を製作することが難しいのであるが、上記の
如き安定化剤を加えることによって相変態が部分的に起
こるようにしたことから、この部分的に起こる応力誘起
相変態強化メカニズムにより高い曲げ強度と高靭性を実
現することができる。なお、本発明において部分安定化
されているとは、ジルコニアの主結晶相が正方晶からな
り、ジルコニアの一部が部分的に相変態を起こし得るよ
うに材料調整されていることであり、また、ジルコニア
の結晶相が主として正方晶からなるとは、実質的に正方
晶のみからなる場合は勿論のこと、正方晶量が５０重量
％以上であって、他に立方晶及び／又は単斜晶を含む混
晶からなるものを含むものを言う。

【００１９】また、酸化ディスプロシウム及び酸化セリ
ウムの含有によって部分安定化されたジルコニアは、従
来のような酸化イットリウム、酸化イッテルビウム、酸
化セリウム、酸化カルシウム、酸化マグネシウム等の安
定化剤によって安定化あるいは部分安定化されたジルコ
ニアと比較して熱的安定性に優れることから、駆動部
９，１９の形成における熱処理時に頻繁に発生していた
立方晶や正方晶から単斜晶への急激な相変態を抑えるこ
とができるために大幅な強度劣化がなく、数μｍ乃至数
十μｍといった薄い板厚でありながら大きく屈曲変位さ
せても破損することのない絶縁性セラミック基板２とす
ることができる。

【００２０】さらに、ジルコニア粒子は正方晶から単斜
晶へ相変態する際、体積膨張が起こるため、相変態の起
こる割合が多いと、絶縁性セラミック基板２の表面粗度
が大幅に低下し、駆動部９，１９の形成時に歪みが発生
したり、あるいは相変態によってジルコニア粒子が突起
状に体積膨張する結果、下部電極膜４，１４を突き破
り、その上の圧電／電歪膜５，１５を破壊する恐れがあ
る。しかも、この相変態が不規則な頻度で発生すると、
同一基板２上に複数の駆動部９，１９を形成する場合、
各駆動部９，１９が形成される表面状態によって駆動部
９，１９の特性バラツキが発生することになる。

【００２１】これに対し、本発明の部分安定化されたジ
ルコニアセラミックスは、熱的安定性に優れ、駆動部
９，１９の形成時における正方晶から単斜晶への相変態
が少なく基板２の表面荒れを抑えることができるため、
駆動部９，１９の破壊や歪みを防いで、所望の変位量や
高速応答性を実現することができる。

【００２２】このような特性を得るために、ジルコニア
の結晶相が主として正方晶からなるように構成するに
は、酸化ディスプロシウムの含有量を０．５〜４．５モ
ル％とするとともに、酸化セリウムの含有量を２〜８モ
ル％とし、かつこれらの安定化剤の合計含有量を６〜１
２．５モル％とすることが重要である。

【００２３】即ち、酸化ディスプロシウムの含有量が
０．５モル％未満であると、駆動部９，１９を形成する
前のジルコニアの単斜晶量が５０重量％以上となり、表
面粗度が劣化するとともに、焼結に伴ってクラックが発
生しやすいからであり、４．５モル％を越えると、ジル
コニアの主結晶相が立方晶となり、ジルコニアセラミッ
クスの強度が大幅に低下するからである。また、酸化セ
リウムの含有量が２モル％未満であると、駆動部９，１
９の形成における熱処理によってジルコニアの単斜晶量
が５０重量％以上となって強度が低下し、８モル％を越
えると、ジルコニアセラミックスの強度が大幅に低下す
るからである。

【００２４】さらに、これら安定化剤の合計含有量が６
モル％未満となると、駆動部９，１９の形成における熱
処理によってジルコニアの単斜晶量が５０重量％以上と
なり、表面粗度が劣化するからであり、１２．５モル％
より多くなると、ジルコニアの立方晶量が５０重量％以
上となって部分安定化というよりはむしろ安定化される
ため、体積膨張によって表面状態が悪くなり、その結
果、その表面上に形成する駆動部９，１９の各電極膜
４，８，１４，１８や圧電／電歪膜５，１５が不均一と
なるために、所望の屈曲特性が得られないからである。

【００２５】より好ましくは、酸化ディスプロシウムの
含有量を０．５〜２．５モル％とするとともに、酸化セ
リウムの含有量を５．５〜７．５モル％とすることが良
い。また、絶縁性セラミック基板２の強度及びジルコニ
ア結晶相を安定化させるためには、ジルコニアの平均結
晶粒子径も重要な要件であり、３μｍ以下、好ましく２
μｍ以下、さらに好ましくは１μｍ以下が良く、この範
囲内にあれば単斜晶量を抑え、強度及び靱性を向上させ
ることができる。

【００２６】さらに、本発明の部分安定化ジルコニアセ
ラミックスには、前述したジルコニアと安定化剤を必須
成分として含む以外に、例えばアルミナを含有していて
も良く、この場合３重量％まで許容される。

【００２７】なお、ジルコニアの結晶相の同定にあたっ
ては、ジルコニアセラミックスを鏡面研磨し、Ｘ線回折
測定法により確認することができる。

【００２８】即ち、正方晶量の算出にあたっては、Ｘ線
回折における単斜晶ジルコニアのＸ線回折ピーク強度を
Ｉｍ（１１１），Ｉｍ（−１１１）、立方晶ジルコニア
のＸ線回折ピーク強度をＩｃ（１１１）、及び正方晶ジ
ルコニアのＸ線回折ピーク強度をＩｔ（１１１）とする
と、数１により算出することができる。

【００２９】

【数１】

【００３０】また、ジルコニアセラミックスの組成につ
いてはＩＣＰ発光分光分析により確認することができ
る。

【００３１】かくして、このような部分安定化ジルコニ
アセラミックスにより絶縁性セラミック基板２を形成す
れば、板厚を５０μｍ以下、３０μｍ以下、さらには１
０μｍ以下としても使用可能となるため、圧電／電歪膜
型アクチュエータ１，１１のさらなる応答性の向上と大
きな屈曲変位の実現が可能となる。

【００３２】ところで、このような部分安定化されたジ
ルコニアセラミックスからなる絶縁性セラミック基板２
を製作するには、出発原料としてジルコニア（Ｚｒ
Ｏ₂）の粉末に対し、酸化ディスプロシウム（Ｄｙ₂Ｏ
₃）の粉末と酸化セリウム（ＣｅＯ₂）の粉末とを混
合、仮焼、粉砕する乾式合成法、あるいはジルコニウム
化合物と、ディスプロシウム化合物と、セリウム化合物
との混合溶液から共沈させて得た混合粉末を乾燥、仮
焼、粉砕する湿式合成法によりそれぞれ酸化ディスプロ
シウムと酸化セリウムの含有量が前述した範囲となるよ
うに調製した平均粒子径が１μｍ以下の部分安定化され
たジルコニア粉体を製作する。

【００３３】そして、このジルコニア粉体にバインダー
及び溶媒を添加混合して泥漿を作製し、ドクターブレー
ド法などのテープ成形法にてグリーンシートを成形する
か、あのいは上記泥漿をスプレードライヤにて乾燥造粒
して顆粒を製作し、この顆粒を所定の型内に充填して板
状体とする。この時、必要に応じて切削加工を施しても
良い。なお、原料調合の手段として前述では予め安定化
剤によって部分安定化されたジルコニア粉末を用意した
が、ジルコニア（ＺｒＯ₂）の粉末に対し、酸化ディス
プロシウム（Ｄｙ₂Ｏ₃）の粉末と酸化セリウム（Ｃｅ
Ｏ₂）の粉末、さらにバインダー及び溶媒を添加混合し
た泥漿を用いても良い。

【００３４】次に、得られた成形体を大気雰囲気中、酸
素雰囲気中、真空雰囲気中にて１３００℃〜１６００℃
の温度にて焼成することで、酸化ディスプロシウム及び
酸化セリウムを含有してなり、ジルコニアの結晶相が主
として正方晶からなる部分安定化されたジルコニアセラ
ミック製の絶縁性セラミック基板２を得ることができ
る。

【００３５】一方、駆動部９，１９との密着性を高め、
圧電／電歪膜５，１５が発生する電界誘起歪に伴う応力
を絶縁性セラミック基板２に有効に伝えるためには、駆
動部９，１９の形成後における絶縁性セラミック基板２
の少なくとも駆動部９，１９側の表面粗さを中心線平均
粗さ（Ｒａ）で０．０３〜０．９μｍとすることが重要
であり、さらに、このような表面粗さの制御は板厚の薄
い絶縁性セラミック基板２の強度を確保するうえにおい
ても有効であるため、好ましくは中心線平均粗さ（Ｒ
ａ）で０．１〜０．７μｍとすることが良い。この表面
粗さが中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．９μｍより大きく
なると、下部電極膜４，１４との密着強度を高めること
ができるものの、その上に形成する圧電／電歪膜５，１
５の平坦度が低下するため、圧電／電歪膜５，１５に発
生する電界が不均一なものとなり、所望の変位量が得ら
れないからであり、逆に中心線平均粗さ（Ｒａ）が０．
０３μｍより小さくなると下部電極膜４，１４とのアン
カー効果が小さくなり、密着強度が低下するため、圧電
／電歪膜５，１５に通電して電界誘起歪を発生させると
剥離する恐れがあり信頼性に問題があるからである。な
お、熱処理後における表面粗さを上記範囲とするために
は、熱処理前の表面粗さを中心線平均粗さ（Ｒａ）で
０．０１〜０．９μｍ、好ましくは０．０１〜０．５μ
ｍとすることが良い。

【００３６】また、駆動部９，１９を構成する圧電／電
歪膜５，１５の材質としては、電界誘起歪みを発生する
ものであれば良く、例えば、ジルコン酸チタン酸鉛（Ｐ
ＺＴ系）を主成分とする材料、マグネシウムニオブ酸鉛
（ＰＭＮ系）を主成分とする材料、ニッケルニオブ酸鉛
（ＰＭＮ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、さらにはこれらの複合材料等を
用いることができる。また、前記主成分に対し、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、リチウ
ム、ストロンチウム、カルシウム、ビスマス等の酸化物
やその他の化合物を添加物として含有せしめた材料でも
構わない。

【００３７】これらの圧電／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の３成
分を主成分とする材料あるいはニッケルニオブ酸鉛とマ
グネシウムニオブ酸鉛とジルコン酸鉛とチタン酸鉛の４
成分を主成分とする材料は、焼結させるための熱処理時
において前記絶縁性セラミック基板２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
が行い易いため、目的とする組成及び結晶構造が得やす
いなど、高い圧電定数を有することと併せて好適であ
る。

【００３８】なお、多成分系の圧電／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ージルコン酸鉛
ーチタン酸鉛の３成分系材料では擬立方晶ー正方晶ー菱
面体晶の相境界付近の組成が好ましく、特にマグネシウ
ムニオブ酸鉛が１５モル％〜５０モル％、ジルコン酸鉛
が１０モル％〜４５モル％、チタン酸鉛が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である。

【００３９】さらに、上記圧電／電歪膜５，１５の上下
面に形成される各電極膜４，８，１４，１８の材質とし
ては、前記圧電／電歪膜５，１５の熱処理温度ならびに
焼成温度付近の高温酸化雰囲気に耐える導体であれば特
に制限されるものではなく、例えば金属や合金、あるい
は上記金属や合金に絶縁性セラミックスを加えた混合
物、さらには導電性セラミックスを用いることができ、
好ましくは、白金、パラジウム、ロジウム等の高融点貴
金属類や銀−パラジウム、銀−白金、白金−パラジウム
等の合金が良い。

【００４０】また、各電極膜４，８，１４，１８の膜厚
としては、圧電／電歪膜５，１５による電界誘起歪みの
方向に応じて設定すれば良く、例えば、電界誘起歪の横
効果を用いるものにあっては２０μｍ以下、好ましくは
５μｍ以下の膜厚に形成すれば良く、また電界誘起歪の
縦効果を用いるものにあっては３μｍ以上、好ましくは
１０μｍ以上、さらに好ましくは２０μｍ以上の厚さに
設定すれば良い。

【００４１】さらに、駆動部９，１９全体の厚さとして
は１００μｍ以下が良く、また圧電／電歪膜５，１５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３
〜５０μｍ、好ましくは３〜４μｍの範囲が良い。

【００４２】

【実施例１】酸化ディスプロシウムと酸化セリウムの含
有量を異ならせたジルコニアセラミックスからなる絶縁
性セラミック基板２と、酸化イットリウムを３モル％含
有させた部分安定化ジルコニアセラミックスからなる絶
縁性セラミック基板２、及び酸化マグネシウムを９モル
％含有させた部分安定化ジルコニアセラミックスからな
る絶縁性セラミック基板２をそれぞれ用意し、これらの
絶縁性セラミック基板２上に白金ペーストをスクリーン
印刷にて塗布したあと熱処理にて焼結一体化して白金か
らなる下部電極膜４を形成し、次いで下部電極膜４上に
マグネシウムニオブ酸鉛−ジルコン酸鉛−チタン酸鉛系
の圧電／電歪材料を含むペーストをスクリーン印刷にて
塗布したあと、約１２００℃の温度にて熱処理を加えて
焼結一体化することにより圧電／電歪膜５を形成すると
ともに、最後に圧電／電歪膜５上に下部電極膜４と同様
にして白金からなる上部電極膜８を形成することで駆動
部９を構成し、図１に示す圧電／電歪膜型アクチュエー
タ１を製作した。

【００４３】なお、駆動部９形成前の絶縁性セラミック
基板２の表面粗さを測定したところ、酸化ディスプロシ
ウムと酸化セリウムを含有するジルコニアセラミックス
及び酸化イットリウムを含有するジルコニアセラミック
スはいずれも中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．３μｍ程度
であったが、酸化マグネシウムを含有するジルコニアセ
ラミックスは結晶粒径が大きく、中心線平均粗さ（Ｒ
ａ）で１．２μｍであった。

【００４４】そして、上記駆動部９にＤＣ３０Ｖの電圧
を印加してアクチュエータ１を駆動させた時の変位量を
レーザ変位計にて測定するとともに、駆動部９の形成後
におけるジルコニアの結晶相をＸ線回折測定法にて測定
した。また、酸化ディスプロシウムと酸化セリウムの含
有量についてＩＣＰ発光分光分析にて測定した。

【００４５】なお、絶縁性セラミック基板２の寸法は、
１．５ｍｍ×１．５ｍｍ×ｔ１０μｍの板状体とし、圧
電／電歪膜５の膜厚は３０μｍ、各電極膜４，８の膜厚
は３μｍ、駆動部９全体の平面形状は０．８ｍｍ×３ｍ
ｍの長方形とした。

【００４６】それぞれの結果は表１に示す通りである。

【００４７】

【表１】

【００４８】表１より判るように、絶縁性セラミック基
板２が酸化イットリウムを含有するジルコニアセラミッ
クスからなる試料Ｎｏ．８は、駆動部９の形成時、特に
圧電／電歪膜５の形成における熱処理時に正方晶が単斜
晶へ急激に相変態して単斜晶量が多くなり、強度及び表
面粗さの劣化によって駆動部９に歪みが発生し、０．０
６μｍ程度しか変位させることができなかった。

【００４９】また、絶縁性セラミック基板２が酸化マグ
ネシウムを含有するジルコニアセラミックスからなる試
料Ｎｏ．９では、相変態は少ないものの表面状態が悪
く、駆動部９を構成する下部電極膜４，圧電／電歪膜
５、上部電極膜８を平坦に成膜できなかったため、０．
０８μｍ程度しか変位させることができなかった。

【００５０】一方、酸化ディスプロシウムと酸化セリウ
ムを含有したジルコニアセラミックスにおいて、酸化デ
ィスプロシウムの含有量が２モル％、酸化セリウムの含
有量が２モル％である試料Ｎｏ．１は、安定化剤の合計
含有量が６モル％未満であるため、駆動部９の形成にお
ける熱処理時に正方晶が単斜晶へ急激に相変態して単斜
晶量が多くなり、表面粗さの劣化によって駆動部９に歪
みが発生し、その変位量は０．０９μｍであった。

【００５１】また、試料Ｎｏ．６，７は、酸化ディスプ
ロシウムの含有量が４．５モル％以上であるため、主と
して立方晶が存在し、ジルコニアセラミックスの強度が
小さくかつ表面粗さが悪いために、均一な駆動部９の形
成ができず、０．０６μｍ程度しか変位させることがで
きなかった。

【００５２】これに対し、試料Ｎｏ．２〜５は、酸化デ
ィスプロシウムの含有量が０．５〜４．５モル％、酸化
セリウムの含有量が２〜８モル％の範囲にあり、かつこ
れらの合計含有量が６〜１２．５モル％の範囲あるた
め、駆動部９の形成前後においても正方晶を主として存
在させることができ、強度劣化や表面粗度の劣化もない
ため、駆動部９に歪みがほとんどなく、その結果、０．
１μｍ以上変位させることが可能であった。

【００５３】

【実施例２】そこで、表１における試料Ｎｏ．２のジル
コニアセラミックスを用い、駆動部９形成前の絶縁性セ
ラミック基板２の表面粗さを変化させ、駆動部９を形成
したあとの表面粗さと変位量との関係を調べる実験を行
った。

【００５４】それぞれの結果は表２に示す通りである。

【００５５】この結果、表面粗さ（Ｒａ）が０．０３μ
ｍ未満の試料Ｎｏ．１０は駆動部９が剥離し、表面粗さ
（Ｒａ）が０．０９μｍより大きい試料Ｎｏ．１４では
駆動部９を構成する下部電極膜４，圧電／電歪膜５、上
部電極膜８を均一に成膜できないために所望の屈曲力が
得られず、０．０８μｍ程度しか変位させることができ
なかった。

【００５６】これに対し、表面粗さ（Ｒａ）が０．０３
〜０．０９μｍの範囲にある試料１１〜１３は、均一な
膜４，５，８の形成ができ、剥離を生じることなく所望
の屈曲力が得られ、０．１μｍ以上の変位量が得られ
た。

【００５７】この結果、駆動部９形成後における絶縁性
セラミック基板２の表面粗さ（Ｒａ）は０．０３〜０．
０９μｍの範囲が良いことが判る。

【００５８】

【表２】

【００５９】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、薄肉の
絶縁性セラミック基板上に下部電極膜、圧電／電歪膜、
及び上部電極膜を順次焼結一体化した駆動部を有する圧
電／電歪膜型アクチュエータにおいて、上記絶縁性セラ
ミック基板を、酸化ディスプロシウム及び酸化セリウム
を安定化剤として含有してなり、ジルコニアの結晶相が
主として正方晶からなる部分安定化ジルコニアセラミッ
クスにより形成するとともに、少なくとも上記駆動部を
形成する表面を中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．０３〜
０．９μｍとしたことから、絶縁性セラミック基板上に
は各電極膜及び圧電／電歪膜が直接一体的に形成でき、
接着剤等が介在しないため、圧電／電歪膜の電界誘起歪
をほぼ直にセラミック基板へ伝達することができるた
め、低電圧駆動にて大きな屈曲変位が得られるととも
に、応答速度を速くすることができる。しかも、同一セ
ラミック基板上には駆動部を同時に形成することができ
るため、駆動部の高集積化も可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータの一例
を示す一部を破断した斜視図である。

【図２】本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータの他の
例を示す一部を破断した斜視図である。

【符号の説明】

１，１１・・・圧電／電歪膜型アクチュエータ２・・・絶縁性セラミック基板４，１４・・・下部電極膜４ａ，１４ａ・・・リード取出部５，１５・・・圧電／電歪膜８，１８・・・上部電極膜８ａ，１８ａ・・・リード取出部１２，１６・・・帯状電極１３，１７・・・電極接続部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】薄肉の絶縁性セラミック基板上に下部電極
膜、圧電／電歪膜、及び上部電極膜を順次焼結一体化し
て構成した駆動部を有する圧電／電歪膜型アクチュエー
タにおいて、上記絶縁性セラミック基板を、酸化ディス
プロシウム及び酸化セリウムを安定化剤として含有して
なり、ジルコニアの結晶相が主として正方晶からなる部
分安定化ジルコニアセラミックスにより形成するととも
に、上記絶縁性セラミック基板の少なくとも駆動部側の
表面粗さが中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．０３〜０．９
μｍであることを特徴とする圧電／電歪膜型アクチュエ
ータ。