JP2006093424A - Piezoelectric/electrostrictive device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧電/電歪デバイスに関する。さらに詳しくは、少なくとも2次元空間において、長期間にわたり安定して、低駆動電圧にて相対的に大変位を高速に発生することができるとともに、少なくとも2次元空間において、外部からの応力を高感度にセンシングすることができる圧電/電歪デバイスに関する。 The present invention relates to a piezoelectric / electrostrictive device. More specifically, at least in a two-dimensional space, it can stably generate a large displacement at a high speed with a low driving voltage stably for a long period of time, and at least in a two-dimensional space, it is highly sensitive to external stress. The present invention relates to a piezoelectric / electrostrictive device that can be sensed.
近年、光学記録、磁気記録、精密加工等の分野において、サブミクロンオーダーで光路長や位置を調整可能な変位素子が必要とされており、圧電/電歪材料(例えば、強誘電体等)に電圧を印加したときに惹起される逆圧電効果や電歪効果による変位を利用した変位素子(アクチュエーター)の開発が進められている。 In recent years, in the fields of optical recording, magnetic recording, precision processing, etc., a displacement element capable of adjusting the optical path length and position on the order of submicron is required. For piezoelectric / electrostrictive materials (for example, ferroelectrics) Development of a displacement element (actuator) using a displacement due to an inverse piezoelectric effect or an electrostrictive effect caused when a voltage is applied is underway.
例えば、2次元空間における変位を利用することができるアクチュエーターが開示されている(特許文献1参照)。しかしながら、特許文献1に開示されたアクチュエーターは、固定部材又は中継部材に対してバイモルフを貼り付けたものであることに加え、バイモルフ自身2枚の圧電子を貼り合わせてなる構造のものであることから、それらの貼り付け、貼り合わせ時の加熱処理や接着剤の硬化収縮等に起因した応力が残留しやすく、その内部残留応力によって、変位動作が妨げられ、設計通りの変位、共振周波数を実現できないおそれがある。また、貼り合わせ構造のために、その接合箇所の剛性は低下せざるを得ず、動作時にねじれが生じやすく、加えて応答性に課題を残すものであった。
For example, an actuator that can utilize displacement in a two-dimensional space is disclosed (see Patent Document 1). However, the actuator disclosed in
また、ステンレス基体に対し切削又はエッチングによって互いに直交する貫通孔を形成することにより、2組の平行平板部を有する構造(2組の平行平板部外表面に薄膜圧電素子を設け、片側の平行平板部を駆動用、残りの片方を検出用に利用する振動ジャイロとする構造)が開示されている(特許文献2参照)。特許文献2に開示された発明はアクチュエーターではないものの、基本構造として、圧電素子が形成された基体が一体物であり、特許文献1におけるような各接合部位の接着等に起因する問題は少なくとも抑制されていると考えられる。
Further, by forming through holes perpendicular to each other by cutting or etching in the stainless steel substrate, a structure having two sets of parallel flat plate portions (a thin plate piezoelectric element is provided on the outer surface of the two sets of parallel flat plate portions, and one side parallel plate is provided. A structure is disclosed in which a vibrating gyroscope is used in which the part is used for driving and the remaining one is used for detection (see Patent Document 2). Although the invention disclosed in
さらに、本発明者等によって、セラミックス一体型の圧電/電歪デバイスが開示されている(特許文献3参照)。すなわち、対向する一対の薄板部及びその薄板部上に形成された圧電/電歪素子で構成された駆動部、その駆動部を介して結合された固定部及び可動部から構成されるアクチュエーターであって、それら駆動部、可動部及び固定部の内壁で孔部を形成したアクチュエーターが開示されている。このアクチュエーターは、薄板部と固定部、薄板部と駆動部との接合部には第三の物質が介在しない、境界のないものであることから、高剛性であり高速動作が可能な特徴を有するとともに、煽りのない一軸方向に支配的な動作が可能である特徴を有している。 Further, the present inventors have disclosed a ceramics integrated piezoelectric / electrostrictive device (see Patent Document 3). In other words, it is an actuator composed of a pair of opposed thin plate portions and a driving portion composed of a piezoelectric / electrostrictive element formed on the thin plate portion, a fixed portion coupled via the driving portion, and a movable portion. An actuator in which holes are formed in the inner walls of the drive unit, the movable unit, and the fixed unit is disclosed. This actuator is characterized by being highly rigid and capable of high-speed operation because there is no boundary between the thin plate portion and the fixed portion, and there is no boundary between the thin plate portion and the drive portion. At the same time, it has a feature that it can operate dominantly in a single axial direction.
そこで、本発明者等は、特許文献3に開示された技術をベースに、特許文献2に開示された発明を少なくとも2次元空間への変位が可能なアクチュエーターに応用することを試みた。試作したアクチュエーターは、ジルコニアを主成分とするセラミックスを基体として、その各平行平板部である薄板部上に圧電/電歪膜型素子の前駆体を形成し、焼成によりセラミック基体と圧電/電歪素子とを一体化したものである。
しかしながら、試作したアクチュエーターの特性を評価したところ、所定の変位特性を得ることができず、加えて、コンデンサとしてみた場合の圧電素子の静電容量も小さな値しか得られなかった。このことは、試作したアクチュエーターは、外観的には特許文献3に開示されたアクチュエーターの2つを互いに90°ずらして結合した構造にすぎないものであるにもかかわらず、個々のアクチュエーターの特性は低下してしまったことを示している。従って、2次元で優位に動作するアクチュエーターは、特許文献3で開示された技術を用いただけでは得られないことが判明した。ところで、焼成一体化によって製作される膜型アクチュエーターは、焼成時の応力が残留しやすく、その残留応力によって、特性低下が惹起されることが知られている。このような観点から上記結果を考察すると、セラミック基体の形状が異なる、つまり互いに直交する貫通孔があることによって、圧電/電歪膜に応力が残留しやすくなったものと考えられる。
However, when the characteristics of the prototype actuator were evaluated, a predetermined displacement characteristic could not be obtained, and in addition, the capacitance of the piezoelectric element as a capacitor was only small. This is because although the prototype actuator is merely a structure in which two of the actuators disclosed in
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、少なくとも2次元空間において、長期間にわたり安定して、低駆動電圧にて相対的に大変位を高速に発生することができるとともに、少なくとも2次元空間において、外部からの応力を高感度にセンシングすることができる圧電/電歪デバイスを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problem, and can stably generate a large displacement at a high speed at a low driving voltage stably over a long period of time in at least a two-dimensional space. It is an object of the present invention to provide a piezoelectric / electrostrictive device capable of sensing external stress with high sensitivity in at least a two-dimensional space.
上記目的を達成するため、本発明によれば、以下の圧電/電歪デバイスが提供される。 In order to achieve the above object, according to the present invention, the following piezoelectric / electrostrictive device is provided.
[1]互いに平行な1対の外表面間を貫通孔が軸方向と垂直な方向に貫通することによってその一部が薄肉化された一対の対向する薄板部を有するセラミック基体と、前記セラミック基体の薄板部の外表面上に配設された圧電/電歪素子とを有するとともに、前記セラミック基体の薄板部と前記圧電/電歪素子とが連動して駆動部として機能する圧電/電歪駆動ユニットを少なくとも2つ備えた圧電/電歪デバイスであって、少なくとも2つの前記圧電/電歪駆動ユニットが、前記貫通孔の貫通方向が互いに直交又は交差する位置関係に保持された状態で、また前記セラミック基体が軸方向に直列に一体化された状態で、構成されてなり、かつ、一体化された前記セラミック基体の前記貫通孔相互間に、応力緩和手段が形成されてなることを特徴とする圧電/電歪デバイス。 [1] A ceramic substrate having a pair of opposed thin plate portions, each of which is thinned by penetrating through a pair of outer surfaces parallel to each other in a direction perpendicular to the axial direction, and the ceramic substrate Piezoelectric / electrostrictive drive having a piezoelectric / electrostrictive element disposed on the outer surface of the thin plate portion and the thin plate portion of the ceramic substrate and the piezoelectric / electrostrictive element functioning as a drive unit in conjunction with each other A piezoelectric / electrostrictive device comprising at least two units, wherein at least two of the piezoelectric / electrostrictive drive units are held in a positional relationship in which the through-directions of the through-holes are orthogonal to or cross each other, and The ceramic substrate is configured in a state of being integrated in series in the axial direction, and stress relaxation means is formed between the through holes of the integrated ceramic substrate. The piezoelectric / electrostrictive device and butterflies.
[2]前記圧電/電歪素子が、膜形成手法にて形成されたものであるとともに、熱処理を経て前記薄板部と一体化されたものである前記[1]に記載の圧電/電歪デバイス。 [2] The piezoelectric / electrostrictive device according to [1], wherein the piezoelectric / electrostrictive element is formed by a film forming method and is integrated with the thin plate portion through heat treatment. .
[3]前記応力緩和手段が、一体化された前記セラミック基体の前記貫通孔相互間における、軸方向に形成された空隙を有する部分から構成されてなる前記[1]又は[2]に記載の圧電/電歪デバイス。 [3] The [1] or [2], wherein the stress relaxation means is configured by a portion having a gap formed in an axial direction between the through holes of the integrated ceramic base. Piezoelectric / electrostrictive device.
[4]前記応力緩和手段が、一体化された前記セラミック基体の前記貫通孔相互間における、前記圧電/電歪素子の圧電/電歪材料の成分が含有された部分から構成されてなる前記[1]〜[3]のいずれかに記載の圧電/電歪デバイス。 [4] The stress relaxation means includes a portion containing a component of the piezoelectric / electrostrictive material of the piezoelectric / electrostrictive element between the through holes of the integrated ceramic base. The piezoelectric / electrostrictive device according to any one of 1] to [3].
[5]一体化された前記セラミックス基体の、前記駆動部の駆動に対応して作動する部分が、可動部として機能する前記[1]〜[4]のいずれかに記載の圧電/電歪デバイス。 [5] The piezoelectric / electrostrictive device according to any one of [1] to [4], wherein a portion of the integrated ceramic substrate that operates in response to driving of the driving unit functions as a movable unit. .
[6]一体化された前記セラミックス基体の前記貫通孔相互間が、固定部として機能する前記[1]〜[5]のいずれかに記載の圧電/電歪デバイス。 [6] The piezoelectric / electrostrictive device according to any one of [1] to [5], wherein the through holes of the integrated ceramic substrate function as a fixing portion.
[7]最端に位置する2つの前記圧電/電歪駆動ユニットのうちの、少なくとも一方の端部が、固定部として機能する前記[1]〜[6]のいずれかに記載の圧電/電歪デバイス。 [7] The piezoelectric / electrostrictive device according to any one of [1] to [6], wherein at least one end portion of the two piezoelectric / electrostrictive driving units located at the extreme end functions as a fixed portion. Strain device.
[8]最端に位置する2つの前記圧電/電歪駆動ユニットのうちの、少なくとも一方における前記薄板部の端部が外部に開放されて、それぞれ自由端を構成してなる前記[1]〜[7]のいずれかに記載の圧電/電歪デバイス。 [8] The [1] to [1], wherein the end of the thin plate portion in at least one of the two piezoelectric / electrostrictive drive units located at the extreme end is opened to the outside, and each constitutes a free end. [7] The piezoelectric / electrostrictive device according to any one of [7].
なお、本発明の「圧電/電歪デバイス」とは、圧電/電歪材料によって電気エネルギーと機械的エネルギーとを相互に変換することが可能な素子を包括する概念でを意味する。本発明の「圧電/電歪デバイス」は、各種アクチュエータや振動子等の能動素子、特に、逆圧電効果や電歪効果による変位を利用した変位素子として好適に用いられるが、加速度センサ素子や衝撃センサ素子等の受動素子として用いられてもよい。 The “piezoelectric / electrostrictive device” of the present invention means a concept including elements capable of mutually converting electrical energy and mechanical energy by a piezoelectric / electrostrictive material. The “piezoelectric / electrostrictive device” of the present invention is preferably used as an active element such as various actuators and vibrators, particularly as a displacement element utilizing displacement due to the inverse piezoelectric effect or electrostrictive effect. It may be used as a passive element such as a sensor element.
本発明によって、少なくとも2次元空間において、長期間にわたり安定して、低駆動電圧にて相対的に大変位を高速に発生することができるとともに、少なくとも2次元空間において、外部からの応力を高感度にセンシングすることができる圧電/電歪デバイスが提供される。さらに具体的には、本発明に用いられる応力緩和手段は、圧電/電歪素子をセラミック基体と熱処理一体化する際の焼成応力を軽減することができるものであり、高温時にセラミック基体の貫通孔相互間部位の剛性を、圧電/電歪材料の焼結を抑制しないように、薄板部と同等の剛性程度に低減することができる。この部位の高温剛性の低下によって、圧電/電歪材料の焼結が均一にスムーズに進み、材料特性の劣化のない圧電/電歪層の提供が可能となる。一方、圧電/電歪デバイスを駆動させる常温では、応力緩和手段が形成されているセラミック基体の貫通孔相互間の部位は構造的に十分高い剛性を与えるので、圧電/電歪素子に電気信号を印加した際の電界誘起歪みが薄板部によって効率よく屈曲変位へと変換され、その結果、前述した特許文献3に開示されたアクチュエータ(圧電/電歪駆動ユニット)を単に組み合わせただけでは達成し得なかった大変位を発現することができるとともに、高速に動作するアクチュエーター、また、外部からの応力を高感度にセンシングすることができるセンサ等の圧電/電歪デバイスを実現することができる。さらに、圧電/電歪素子に残留する内部応力が低く抑えられているため、長期間にわたり安定した動作を維持することができる特徴を併せ持つ圧電/電歪デバイスを実現することができる。なお、本発明においては、それぞれの圧電/電歪素子を個別に動作させることによって2次元空間における作用を得ることができるが、3次元空間の場合は、例えば、一つの圧電/電歪駆動ユニットに配設されている圧電/電歪素子双方(一対の薄板部に配設されている双方の圧電/電歪素子)に同電位のバイアス電圧を印加することにより軸方向の変位を得ることができる。つまり、バイアス電圧を印加することで、基準位置を変え、あとは2次元空間における動作と同様に圧電/電歪素子を駆動することによって、3次元空間における作用を得ることができる。
According to the present invention, it is possible to stably generate a large displacement at a high speed with a low driving voltage stably over a long period of time in at least a two-dimensional space, and to provide high sensitivity to external stress in at least a two-dimensional space. There is provided a piezoelectric / electrostrictive device capable of sensing. More specifically, the stress relaxation means used in the present invention can reduce the firing stress when the piezoelectric / electrostrictive element is integrated with the ceramic substrate by heat treatment. The rigidity of the mutual part can be reduced to a degree of rigidity equivalent to that of the thin plate portion so as not to suppress the sintering of the piezoelectric / electrostrictive material. Due to the reduction of the high-temperature rigidity of this portion, the piezoelectric / electrostrictive material can be sintered uniformly and smoothly, and a piezoelectric / electrostrictive layer without deterioration of material properties can be provided. On the other hand, at room temperature for driving the piezoelectric / electrostrictive device, the portion between the through holes of the ceramic substrate on which the stress relaxation means is formed gives structurally sufficiently high rigidity, so that an electrical signal is sent to the piezoelectric / electrostrictive element. The applied electric field induced strain is efficiently converted into a bending displacement by the thin plate portion. As a result, it can be achieved by simply combining the actuator (piezoelectric / electrostrictive drive unit) disclosed in
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照しつつ具体的に説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be specifically described with reference to the drawings.
図1に示すように、本発明の圧電/電歪デバイスの第1の実施の形態は、互いに平行な1対の外表面間を貫通孔11が軸方向と垂直な方向に貫通することによってその一部が薄肉化された一対の対向する薄板部12を有するセラミック基体1と、セラミック基体1の薄板部12の外表面上に配設された圧電/電歪素子2とを有するとともに、セラミック基体1の薄板部12と圧電/電歪素子2とが連動して駆動部3として機能する圧電/電歪駆動ユニット5を少なくとも2つ備えた圧電/電歪デバイス10であって(図1では圧電/電歪駆動ユニットを2つ備えた場合を示す)、圧電/電歪駆動ユニット5が、貫通孔11の貫通方向が互いに直交又は交差する位置関係に保持された状態で、また、セラミック基体1が軸方向に直列に一体化された状態で、構成されてなり、かつ、一体化されたセラミック基体1の貫通孔11相互間に、応力緩和手段4が形成されてなることを特徴とする。
As shown in FIG. 1, the piezoelectric / electrostrictive device according to the first embodiment of the present invention has a through
本実施の形態においては、一体化されたセラミック基体10の駆動部3の駆動に対応して作動する部分が可動部6として機能し、また、最端に位置する2つの圧電/電歪駆動ユニット5のうちの、少なくとも一方の端部が、固定部7として機能する(他の実施の形態の場合も同様である)。図1においては、図1の最下端に位置する圧電/電歪駆動ユニット5の端部が固定部7として機能する場合を示す。一体化されたセラミックス基体10の貫通孔11相互間が、固定部7として機能するものであってもよい。この場合、下端は可動部6として機能することになる。このように構成することによって、各ユニットを異なる方向に個別に動作させ、移動させることができる。また、図1において、符号8は端子を示す。
In the present embodiment, the portion that operates corresponding to the driving of the
本実施の形態において、圧電/電歪素子2は、セラミック基体1の薄板部12の外表面上に、第1の電極21、圧電/電歪膜22、第2の電極23の順に積層された状態で配設されている。この場合、圧電/電歪素子2の駆動部3として機能する部分の片側の端部を固定部7又は貫通孔11相互間に配設するとともに、他端は薄板部12上となるように配設することが、圧電/電歪膜22の電界誘起歪みに基づく伸縮変位を屈曲変位に高効率で変化させることができ、大きな変位が得られることから好ましい。
In the present embodiment, the piezoelectric /
ここで、貫通孔11の形状は、駆動部3、可動部6及び固定部7の容積を低減しつつ、一対の対向する薄板部12を形成することができるものであれば特に制限はないが、例えば、断面形状が正方形、四角形等のものを挙げることができる。その使用態様等に応じて、任意の断面形状のものを適宜選択してもよい。
Here, the shape of the through-
図1に示すように、応力緩和手段4の具体的な構成は、一体化されたセラミック基体1の貫通孔11相互間における、軸方向に形成された空隙41を有する部分からなるものが好ましい。すなわち、本実施の形態においては、一体化されたセラミック基体1の貫通孔11相互間に、軸方向に空隙41を形成して、貫通孔11相互間を中空構造としている。この中空構造は、貫通孔11の場合と同様に、所定の断面形状の軸方向の貫通孔を適宜選択して形成することができる。この場合、断面積の比較的小さな貫通孔の複数を用いて空隙41を形成してもよい。このように、セラミック基体1の貫通孔11相互間における、空隙41を有する中空構造からなる応力緩和手段4は、圧電/電歪膜22焼成時のような高温環境では、構造的に柔軟な状態を保持し得ることから、圧電/電歪膜22の焼結を阻害することが少なく、一方、デバイスの使用時の常温程度の低温環境では、セラミックス基体10の四面で囲まれた高剛性な構造であることから、応答性、ハンドリング性を低下させることもない。なお、1つの空隙41で構成する場合の肉厚としては、薄板部と同じ(等倍)〜薄板部の5倍が好ましい。このように構成することによって、圧電/電歪膜22の焼成応力を効果的に緩和することができる。
As shown in FIG. 1, the specific configuration of the stress relaxation means 4 is preferably composed of a portion having a
本実施の形態の圧電/電歪デバイス10は、圧電/電歪素子2が、後述する膜形成手法にて形成されたものであるとともに、熱処理を経て薄板部12と一体化されたものである場合に最も有効である(他の実施の形態の場合も同様である)。すなわち、本発明の圧電/電歪デバイス10は、圧電/電歪膜を焼成する高温状態において、応力緩和手段4によってセラミック基体1が構造的又は組成的に柔軟な状態を保持することが可能であるため、圧電/電歪素子2(圧電/電歪膜22)の焼結を大きく阻害することがない。すなわち、圧電/電歪素子2の機能発現に必要な、緻密な膜が得られるとともに、残存内部応力が極めて小さく、圧電特性の高い膜をが得ることができる。一方で、デバイスとして使用する常温程度の低温環境下においては、セラミック基体1は高い剛性を有するため、応答性、ハンドリング性を犠牲にすることもない。
In the piezoelectric /
図2に示すように、本発明の圧電/電歪デバイスの第2の実施の形態は、圧電/電歪素子2の構成を、圧電/電歪膜22を四層とし、各層間に第1の電極21及び第2の電極22を配設した、所謂、多層圧電素子構造としたこと以外は、図1に示す第1の実施の形態と同様である。このように、多層圧電素子構造としたことによって、駆動力及び剛性が大きく、高速応答性と大変位発生能力とに優れたものとすることができる。図2に示す第2の実施の形態においては、第1の電極21及び第2の電極22は一層おきに同電位となるように束ねられており、その結果、端子8は各圧電/電歪素子2に2つずつ形成されている。なお、第1の電極21及び第2の電極22を全て独立させ、それぞれ異なる電位となるように、すべて個別に構成してもよい。
As shown in FIG. 2, in the second embodiment of the piezoelectric / electrostrictive device of the present invention, the configuration of the piezoelectric /
図3に示すように、本発明の圧電/電歪デバイスの第3の実施の形態は、応力緩和手段4として、一体化されたセラミック基体1の貫通孔11相互間を中空構造にしただけではなく、可動部6及び固定部7をも中空構造とした(セラミックス基体10の全体を中空構造とした)こと以外は、図1に示す第1の実施の形態と同様である。なお、図3においては、中空構造を符号14で示す。このように、セラミックス基体10の全体を中空構造としたことによって、高温時のセラミックス基体10の剛性をさらに低減させることができる。加えて、圧電/電歪デバイスの全体の質量が低減するので、高速応答性をさらに向上させることができる。
As shown in FIG. 3, in the third embodiment of the piezoelectric / electrostrictive device of the present invention, as the stress relaxation means 4, the through-
図4に示すように、本発明の圧電/電歪デバイスの第4の実施の形態は、応力緩和手段4が、一体化されたセラミック基体1の貫通孔11相互間における、圧電/電歪素子2の圧電/電歪材料の成分が含有された部分から構成されていること以外は、図1に示す第1の実施の形態と同様である。なお、本実施の形態における応力緩和手段4は、セラミック基体1の構造にその機能を求めたものではなく、セラミック基体1の材料組成に機能を求めたものである。従って、圧電/電歪デバイスの構造は、利用対象となる、例えば、変位デバイス、センサデバイスとしての機能を最大限発揮し得る設計を採りつつ、駆動源たる圧電/電歪材料本来の材料特性を引き出し、活用することができる点に特徴がある。このように構成することによって、一体化されたセラミック基体1の貫通孔11相互間の材料を高温時に柔軟とすることができる。本実施の形態では、圧電/電歪膜22を、一体化されたセラミック基体1の貫通孔11相互間の4つの表面上に集約して配設し、圧電/電歪膜22の焼成時に圧電/電歪膜22からセラミック基体1の貫通孔11相互間に圧電/電歪材料を拡散させることにより応力緩和手段4を効果的に形成することができる。このように、本実施の形態の場合、圧電/電歪膜22の焼成と同時に応力緩和手段4を形成することができるという利点がある。また、端子8を圧電/電歪デバイスの中央部分(セラミック基体1の貫通孔11相互間)に集約することができるため、可動部3及び固定部7は、その機能を最大限に発揮することができる。圧電/電歪膜22の焼成とは別に、予め少なくともこの部位の材料組成を所望の組成としておいてもよいし、空隙を併設してもよい。
As shown in FIG. 4, in the fourth embodiment of the piezoelectric / electrostrictive device of the present invention, the piezoelectric / electrostrictive element is provided between the through
図5に示すように、本発明の圧電/電歪デバイスの第5の実施の形態は、第1の電極21と圧電/電歪膜22とを固定部7から応力緩和手段4(セラミック基体1の貫通孔11相互間)及びそこから可動部6にわたって配設したこと以外は、図4に示す第4の実施の形態と同様である。このように構成することによって、図4に示す第4の実施の形態と同様の効果を発揮することができるが、薄板部12が第1の電極21及びに圧電/電歪膜22で全面覆われることから、発生変位的には若干劣ることになる。駆動部3は、片方の端部が固定部7又は応力緩和手段4(セラミック基体1の貫通孔11相互間)上に、もう一方の端部が薄板部12上となるように配設されている。
As shown in FIG. 5, in the fifth embodiment of the piezoelectric / electrostrictive device of the present invention, the
図6に示すように、本発明の圧電/電歪デバイスの第6の実施の形態は、各薄板部12に対し2つずつ圧電/電歪素子2を配設したこと以外は、図4に示す第4の実施の形態と同様である。それぞれの圧電/電歪素子2の駆動部3として機能する部分は、片側の端部が可動部6、応力緩和手段4(セラミック基体1の貫通孔11相互間)、又は固定部7上に、一方の端部が薄板部12上となるように配設されている。このように構成することによって、圧電/電歪素子2にそれぞれ相異なる命令、例えば、電気信号を送ることにより、より複雑な変位をさせることも可能となる。また、変位の支点が4箇所とれるために、圧電/電歪素子2を同時に駆動させることにより、駆動力を倍増させることができるので、変位量を格段に増大させることに加え、駆動力を変位に効率的に変換することが可能となる。この場合、歪み方向が互いに異なる(伸張と収縮)圧電/電歪素子2を同一駆動部3(薄板部12)上に形成する、又は同一駆動部3に形成した圧電/電歪素子を歪み方向が互いに異なるように駆動することになる。また、このような素子配置ないしは駆動方法を採ることにより、例えば、上側の駆動ユニットにおいては可動部6を横方向、すなわち、X方向に支配的に作動(動作)させることができる。なお、支配的な動作については、4素子を同時に作動させずとも、少なくとも対角に位置する素子を対で駆動することでも実現することができる。加えて、この態様においては、固定部7及び可動部6と薄板部12とが連続する部分上に圧電/電歪素子2が形成されているために、その部位での強度が確保されるという利点がある。
As shown in FIG. 6, the sixth embodiment of the piezoelectric / electrostrictive device of the present invention is the same as that shown in FIG. 4 except that two piezoelectric /
図7に示すように、本発明の圧電/電歪デバイスの第7の実施の形態は、最端に位置する2つの圧電/電歪駆動ユニット5のうちの、少なくとも一方における薄板部12の端部が外部に開放されて、それぞれ自由端13を構成するようにしたこと以外は、図4に示す第4の実施の形態と同様である。このように構成することによって、圧電/電歪膜22に残存する焼成残留応力を大幅に低減することができる。また、可動部6及び固定部7として、セラミック基体と比較して比重の小さい材料を選択して間隙に挿入して軽量化を図ることができるため、その変位量を低下させることなく、共振周波数を高めることが可能となる。さらに、後述するように、可動部や固定部には、何らかの対象部材を取り付けるか、又は何らかの対象部材に取り付けられることになるが、その際、これらの対象部材自身を圧電/電歪デバイスの内部に収容することができる(突出することがない)ため、より小型化を図ることができる。
As shown in FIG. 7, in the seventh embodiment of the piezoelectric / electrostrictive device of the present invention, the end of the
以下、本発明の圧電/電歪デバイスに用いられる各構成要素及び本発明の圧電/電歪デバイスの製造方法について具体的に説明する。 Hereinafter, each component used for the piezoelectric / electrostrictive device of the present invention and a method for manufacturing the piezoelectric / electrostrictive device of the present invention will be specifically described.
本発明に用いられるセラミック基体は、上述のように、軸方向に直列に一体化された状態で構成されてなるものであり、具体的な材料としては、完全安定化ジルコニア、部分安定化ジルコニア、窒化珪素、窒化アルミニウム、アルミナ、マグネシア、酸化チタン等の材料を挙げることができるが、中でも、完全安定化又は部分安定化ジルコニアを主成分とする材料からなるものが好ましい。完全安定化又は部分安定化ジルコニアを主成分とする材料は、薄肉としても機械的強度が大きいこと、靭性が高いこと、圧電/電歪膜や電極材との反応性が小さいことから好ましい。ジルコニア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、ジルコニアは部分的に又は完全に安定化されることとなる。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してもよい。また、少なくとも薄板部、可動部及び固定部は、セラミックグリーン積層体を焼成したものが好ましい。このように構成することによって、焼成一体化による境界のない構造とすることができ、経時的な長期信頼性が向上させることができ、また、変位の経時変化としてもドリフト等の現象を極めて小さく抑え、高い変位を再現性よく発現することができる。 As described above, the ceramic substrate used in the present invention is configured to be integrated in series in the axial direction, and specific materials include fully stabilized zirconia, partially stabilized zirconia, Examples of the material include silicon nitride, aluminum nitride, alumina, magnesia, and titanium oxide. Among these, a material mainly composed of fully stabilized or partially stabilized zirconia is preferable. A material mainly composed of fully stabilized or partially stabilized zirconia is preferable because it has high mechanical strength, high toughness, and low reactivity with piezoelectric / electrostrictive films and electrode materials even if it is thin. Compounds that stabilize zirconia include yttrium oxide, ytterbium oxide, cerium oxide, calcium oxide, and magnesium oxide. By adding and including at least one of these compounds, zirconia is partially or completely stable. Will be converted. The stabilization may be performed not only by adding one kind of compound but also by combining these compounds. Further, at least the thin plate portion, the movable portion, and the fixed portion are preferably those obtained by firing a ceramic green laminate. With such a configuration, it is possible to obtain a structure without a boundary due to integrated firing, and it is possible to improve the long-term reliability over time, and also to extremely reduce phenomena such as drift as changes in displacement over time. It is possible to suppress and express high displacement with good reproducibility.
セラミック基体は、その形状面から、特に、駆動部として、圧電/電歪素子と連動して駆動するための肉薄の部分を薄板部として区別され、また、その機能面から、駆動部、可動部及び固定部に大別される。 The ceramic substrate is distinguished from the shape surface, in particular, as a drive portion, a thin portion for driving in conjunction with the piezoelectric / electrostrictive element as a thin plate portion, and from the functional surface, the drive portion and the movable portion. And it is divided roughly into fixed parts.
薄板部は、肉薄のため可撓性を有し、表面に配設された圧電/電歪素子と連動して駆動部を構成し、駆動部として、圧電/電歪素子の伸縮変位を撓み変位として増幅し、可動部に伝達する機能を有する。通常、薄板部の肉厚は2μm 〜100μm程度とすることが好ましく、薄板部と圧電/電歪素子を合わせた厚さは7μm 〜500μmとすることが好ましい。また、薄板部の幅としては50μm 〜2000μmが好ましい。 The thin plate part is flexible because it is thin, and configures the drive unit in conjunction with the piezoelectric / electrostrictive element disposed on the surface. As the drive unit, the expansion / contraction displacement of the piezoelectric / electrostrictive element is flexed and displaced. And has a function of transmitting to the movable part. In general, the thickness of the thin plate portion is preferably about 2 μm to 100 μm, and the combined thickness of the thin plate portion and the piezoelectric / electrostrictive element is preferably 7 μm to 500 μm. Moreover, as a width | variety of a thin-plate part, 50 micrometers-2000 micrometers are preferable.
可動部は、駆動部の駆動に対応して作動する部分であり、可動部には圧電/電歪デバイスの使用目的に応じて種々の部材が取り付けられる。例えば、圧電/電歪デバイスを変位素子として使用する場合であれば、光シャッターの遮蔽版、ハードディスク用の位置決めやリンギング抑制機構として使用する場合であれば、磁気ヘッド、磁気ヘッドを搭載したスライダ、スライダを搭載したサスペンション等の位置決めを必要とする部材、さらに、オートフォーカス機能を有した光ピックアップ、電子顕微鏡用の触針等が取り付けられる。 A movable part is a part which respond | corresponds to the drive of a drive part, and various members are attached to a movable part according to the intended purpose of a piezoelectric / electrostrictive device. For example, if a piezoelectric / electrostrictive device is used as a displacement element, a shielded plate of an optical shutter, a magnetic head, a slider equipped with a magnetic head, if used as a positioning or ringing suppression mechanism for a hard disk, A member that requires positioning such as a suspension on which a slider is mounted, an optical pickup having an autofocus function, a stylus for an electron microscope, and the like are attached.
固定部は、駆動部及び可動部を支持する部分であり、固定部を何らかの基体、例えば、ハードディスクの位置決めに利用する場合にはVCM(ボイスコイルモータ)に付けられたキャリッジアーム、又はキャリッジアームにつけられた固定プレート等に支持固定することにより圧電/電歪デバイスの全体が固定される。また、圧電/電歪素子を制御するための電極リード、その他の部材が配置される場合もある。 The fixed part is a part that supports the drive part and the movable part. When the fixed part is used for positioning a certain substrate, for example, a hard disk, it is attached to a carriage arm attached to a VCM (voice coil motor) or a carriage arm. The entire piezoelectric / electrostrictive device is fixed by being fixed to a fixed plate or the like. In some cases, electrode leads and other members for controlling the piezoelectric / electrostrictive element are arranged.
圧電/電歪素子は、少なくとも圧電/電歪膜と、圧電/電歪膜に電圧を印加させるための一対の電極とからなるものであり、ユニモルフ型、バイモルフ型等の従来公知の圧電/電歪素子を使用することができるが、ユニモルフ型が、発生する変位量の安定性に優れ、軽量化に有利であるため好ましい。例えば、第1の電極(下部電極)、圧電/電歪膜、及び第2の電極(上部電極)が層状に積層された積層型圧電素子等を好適に用いることができる。圧電/電歪膜を上下一対の電極ではさみ込んだ構造に加え、さらに上部電極上に、圧電/電歪膜を形成し、さらにその圧電/電歪膜上に電極を形成した多段構造の圧電/電歪素子としてもよい。また、櫛型構造の第1の電極及び第2の電極とからなり、第1の電極と第2の電極とが、互いの櫛の歯部間に一定幅の間隙をもって相互に対向する構造を有するものであってもよい。なお、圧電/電歪素子は、図1に示す圧電/電歪デバイスのように、その外面側に形成する方が駆動部をより大きく駆動させることができる点において好ましいが、使用態様等に応じて、その内面側(貫通孔内)に形成してもよく、その内面側及び外面側の双方に形成してもよい。 The piezoelectric / electrostrictive element is composed of at least a piezoelectric / electrostrictive film and a pair of electrodes for applying a voltage to the piezoelectric / electrostrictive film, and is a conventionally known piezoelectric / electrostrictive such as a unimorph type or a bimorph type. Although a strain element can be used, the unimorph type is preferable because it is excellent in stability of the amount of displacement generated and is advantageous for weight reduction. For example, a laminated piezoelectric element in which a first electrode (lower electrode), a piezoelectric / electrostrictive film, and a second electrode (upper electrode) are laminated in layers can be suitably used. In addition to a structure in which a piezoelectric / electrostrictive film is sandwiched between a pair of upper and lower electrodes, a piezoelectric / electrostrictive film is further formed on the upper electrode, and an electrode is further formed on the piezoelectric / electrostrictive film. / It may be an electrostrictive element. The first electrode and the second electrode have a comb-shaped structure, and the first electrode and the second electrode are opposed to each other with a constant gap between the comb teeth. You may have. Note that the piezoelectric / electrostrictive element is preferably formed on the outer surface side like the piezoelectric / electrostrictive device shown in FIG. 1 in that the drive unit can be driven more greatly. It may be formed on the inner surface side (in the through hole) or on both the inner surface side and the outer surface side.
圧電/電歪膜の材料としては、高い圧電定数、高い電気機械結合係数を有する材料が好ましく、具体的には、ジルコン酸鉛、マンガンタングステン酸鉛、チタン酸ナトリウムビスマス、鉄酸ビスマス、ニオブ酸カリウムナトリウム、タンタル酸ストロンチウムビスマス、マグネシウムニオブ酸鉛、ニッケルニオブ酸鉛、亜鉛ニオブ酸鉛、マンガンニオブ酸鉛、マグネシウムタンタル酸鉛、ニッケルタンタル酸鉛、アンチモンスズ酸鉛、チタン酸鉛、チタン酸バリウム、銅タングステン酸バリウム、マグネシウムタングステン酸鉛、コバルトニオブ酸鉛、あるいはこれらのうちの2種以上からなる複合酸化物を挙げることができる。また、これらの圧電材料には、ランタン、カルシウム、ストロンチウム、モリブデン、タングステン、バリウム、ニオブ、亜鉛、ニッケル、マンガン、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、リチウム、ビスマス、スズ、銅等の酸化物が固溶されていてもよい。また、上述の材料等に、ビスマス酸リチウム、ゲルマン酸鉛等を添加した材料、例えば、ジルコン酸鉛、チタン酸鉛及びマグネシウムニオブ酸鉛の複合酸化物に、ビスマス酸リチウム及び/又はゲルマン酸鉛を添加した材料は、その圧電層の低温焼成を実現しつつ高い材料特性を発現することができるので好ましい。 The material of the piezoelectric / electrostrictive film is preferably a material having a high piezoelectric constant and a high electromechanical coupling coefficient. Specifically, lead zirconate, lead manganese tungstate, sodium bismuth titanate, bismuth ferrate, niobic acid Sodium potassium, strontium bismuth tantalate, lead magnesium niobate, lead nickel niobate, lead zinc niobate, lead manganese niobate, lead magnesium tantalate, lead nickel tantalate, lead antimony stannate, lead titanate, barium titanate , Copper barium tungstate, lead magnesium tungstate, lead cobalt niobate, or a composite oxide composed of two or more of these. These piezoelectric materials include lanthanum, calcium, strontium, molybdenum, tungsten, barium, niobium, zinc, nickel, manganese, cerium, cadmium, chromium, cobalt, antimony, iron, yttrium, tantalum, lithium, bismuth, tin An oxide such as copper may be dissolved. In addition, a material obtained by adding lithium bismutate, lead germanate, or the like to the above materials, for example, a composite oxide of lead zirconate, lead titanate and lead magnesium niobate, lithium bismutate and / or lead germanate A material to which is added is preferable because it can exhibit high material properties while realizing low-temperature firing of the piezoelectric layer.
これらの圧電/電歪材料の中でも、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、ニッケル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、又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とからなる成分を主成分とする材料が好ましく、さらにその中でも特に、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セラミック基体材料との反応が少ないことから、この熱処理時に圧電/電歪材料成分のセラミック基体への導入が過剰ではなく、コントローラブルであるため、好適に、応力緩和手段を熱処理と同時に形成することができるとともに、この低反応性故、焼成後に圧電/電歪材料の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、電気機械結合係数を有することと併せて有利に用いられ、後述のスクリーン印刷、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好ましい。 Among these piezoelectric / electrostrictive materials, materials composed mainly of components composed of lead magnesium niobate, lead zirconate and lead titanate, and components composed of lead nickel niobate, lead zirconate and lead titanate. Preferred is a material containing as a main component, or a material containing as a main component a component composed of lead nickel niobate, lead magnesium niobate, lead zirconate and lead titanate, and more particularly, lead magnesium niobate and lead zirconate. Since the material mainly composed of the component consisting of lead titanate has little reaction with the ceramic substrate material during the heat treatment, the introduction of the piezoelectric / electrostrictive material component into the ceramic substrate during the heat treatment is not excessive. Since it is controllable, the stress relaxation means can be preferably formed simultaneously with the heat treatment, and because of this low reactivity, It is advantageously used in conjunction with having a high piezoelectric constant and electromechanical coupling coefficient, such as the intended composition and crystal structure of the piezoelectric / electrostrictive material being easily obtained, such as screen printing, spraying, dipping, coating, etc. described later. It is preferable as a material for forming a piezoelectric / electrostrictive film by a thick film forming method.
電極としては、室温で固体であり、導電性に優れた金属で構成されることが好ましく、例えば、アルミニウム、チタン、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、パラジウム、ロジウム、銀、スズ、タンタル、タングステン、イリジウム、白金、金、鉛等の金属単体又はこれらの合金を挙げることができる。これらに圧電/電歪膜又は薄板部と同じ材料を分散させたサーメット材料を用いてもよい。圧電/電歪素子における電極の材料選定は、圧電/電歪膜の形成方法に依存して決定される。例えば、薄板部上に第1の電極を形成した後、第1の電極上に圧電/電歪膜を焼成により形成する場合には、第1の電極には圧電/電歪膜の焼成温度においても変化しない白金等の高融点金属を使用することが好ましいが、圧電/電歪膜を形成した後に圧電/電歪膜上に形成される第2の電極は、低温で電極形成を行うことができるので、アルミニウム、金、銀等の低融点金属を使用することができる。また、電極の厚さは、少なからず圧電/電歪素子の変位を低下させる要因ともなるので、特に、圧電/電歪膜焼成後に形成される上部電極や櫛形の電極等については、焼成後に緻密でより薄い膜が得られる有機金属ペースト、例えば、金レジネートペースト、白金レジネートペースト、銀レジネートペースト等の材料を用いることが好ましい。 The electrode is preferably made of a metal that is solid at room temperature and has excellent conductivity, such as aluminum, titanium, chromium, iron, cobalt, nickel, copper, zinc, niobium, molybdenum, ruthenium, palladium, Examples thereof include simple metals such as rhodium, silver, tin, tantalum, tungsten, iridium, platinum, gold, lead, and alloys thereof. A cermet material in which the same material as the piezoelectric / electrostrictive film or the thin plate portion is dispersed may be used. The material selection of the electrode in the piezoelectric / electrostrictive element is determined depending on the method of forming the piezoelectric / electrostrictive film. For example, when the piezoelectric / electrostrictive film is formed on the first electrode by firing after the first electrode is formed on the thin plate portion, the first electrode is applied at the firing temperature of the piezoelectric / electrostrictive film. It is preferable to use a refractory metal such as platinum that does not change, but the second electrode formed on the piezoelectric / electrostrictive film after forming the piezoelectric / electrostrictive film may be formed at a low temperature. Therefore, low melting point metals such as aluminum, gold, and silver can be used. In addition, since the thickness of the electrode is a factor that lowers the displacement of the piezoelectric / electrostrictive element, the upper electrode and the comb-shaped electrode formed after firing the piezoelectric / electrostrictive film are dense after firing. It is preferable to use a material such as a metal resin paste, a gold resinate paste, a platinum resinate paste, or a silver resinate paste that can provide a thinner film.
端子8は、駆動信号の印加、発生電荷の検出等に用いられる。このような、端子8としては、上述の電極材料と同等の材料からなるものを挙げることができる。端子8は、圧電/電歪素子2の形成面と同じ面に配置することができる。このように構成することによって、圧電/電歪デバイスの固定を端子が配置された面とは独立させて行うことができ、結果として、圧電/電歪デバイスの固定と、回路及び端子間の接合とに高い信頼性を得ることができる。なお、この形態においては、フレキシブルプリント回路(FPC)、フレキシブルフラットケーブル(FFC)、ワイヤボンディング等により端子と回路との接合がなされる。また、圧電/電歪素子2の形成面と直交する面に配置してもよい。
The
以下、本発明の圧電/電歪デバイスの製造方法について説明する。なお、本発明の圧電/電歪デバイスを製造するに際しては、全てを焼成一体化したものが好ましい。構造体として不連続な接合部を有することがないため、駆動部の作動によって圧電/電歪デバイスに応力が印加されても安定性、信頼性の点で優れたものとなるため、前述した全てを焼成一体化して(接着剤等を用いないで)形成することが好ましい。 Hereinafter, the manufacturing method of the piezoelectric / electrostrictive device of the present invention will be described. In the production of the piezoelectric / electrostrictive device of the present invention, it is preferable that all are fired and integrated. Since there is no discontinuous joint as a structure, even if stress is applied to the piezoelectric / electrostrictive device by the operation of the drive unit, it will be excellent in terms of stability and reliability. Are preferably formed by firing and integration (without using an adhesive or the like).
本発明の圧電/電歪デバイスの製造方法においては、圧電/電歪素子を除いたセラミック基体、すなわち、薄板部、固定部及び可動部をセラミックグリーンシート積層法を用いて製造することが好ましく、一方、圧電/電歪素子、電極、端子は、薄膜、厚膜等の膜形成手法を用いて製造することが好ましい。圧電/電歪デバイスのセラミック基体を一体的に成形することが可能なセラミックグリーンシート積層法によれば、接合部がなく、その経時的な状態変化が生じないため、信頼性が高く、かつ剛性を容易に確保することができる。セラミックグリーンシート積層法は生産性や成形性に優れるため、所定形状の圧電/電歪デバイスを短時間に、再現性良く得ることもできる。 In the method for manufacturing a piezoelectric / electrostrictive device of the present invention, it is preferable to manufacture a ceramic substrate excluding a piezoelectric / electrostrictive element, that is, a thin plate portion, a fixed portion, and a movable portion using a ceramic green sheet lamination method, On the other hand, the piezoelectric / electrostrictive element, the electrode, and the terminal are preferably manufactured using a film forming method such as a thin film or a thick film. According to the ceramic green sheet laminating method capable of integrally forming the ceramic substrate of the piezoelectric / electrostrictive device, there is no joint and its state change with time does not occur, so it is highly reliable and rigid. Can be easily secured. Since the ceramic green sheet lamination method is excellent in productivity and formability, a piezoelectric / electrostrictive device having a predetermined shape can be obtained in a short time with good reproducibility.
図8を用いて、セラミックグリーンシート積層法を用いた本発明の圧電/電歪デバイスの製造方法について具体的に説明する。 The manufacturing method of the piezoelectric / electrostrictive device of the present invention using the ceramic green sheet lamination method will be specifically described with reference to FIG.
図8(a)に示すように、先ず、ジルコニア等のセラミック粉末にバインダ、溶剤、分散剤、可塑剤等を添加混合してスラリーを作製し、これを脱泡処理後、リバースロールコーター法、ドクターブレード法等によって所定の厚さを有するセラミックグリーンシート(打ち抜き前)(図示せず)を作製し、次に、金型を用いた打ち抜き(パンチング)、レーザー加工等の方法により、貫通孔が形成されたセラミックグリーンシート9(貫通孔11aが形成されたセラミックグリーンシート91及び貫通孔11aに加えて貫通孔11bが形成されたセラミックグリーンシート92)を得る。貫通孔11a、11bは、本発明の圧電/電歪デバイスにおける、貫通方向が互いに直交又は交差する位置関係に保持された貫通孔11を形成するためのものである。セラミックグリーンシート91は、焼成後に主として薄板部(駆動部)となる部材であり、貫通孔11bを閉塞する。また、セラミックグリーンシート92は、焼成後に主として可動部6及び固定部7となる部材である。
As shown in FIG. 8 (a), first, a binder, a solvent, a dispersant, a plasticizer, and the like are added to and mixed with ceramic powder such as zirconia to prepare a slurry, and after defoaming treatment, a reverse roll coater method, A ceramic green sheet having a predetermined thickness (before punching) (not shown) is prepared by a doctor blade method or the like, and then a through hole is formed by a method such as punching using a mold or laser processing. The formed ceramic green sheet 9 (the ceramic
次いで、図8(a)に示す順でセラミックグリーンシート91、92を積層、圧着し、セラミックグリーン積層体(図示せず)を得、セラミックグリーン積層体を焼成して、図8(b)に示すセラミック焼成体93を得る。
Next, the ceramic
次いで、図8(c)に示すように、セラミック焼成体93の薄板部となる部分に第1の圧電/電歪素子2aをセラミック焼成体93の両面に形成して、圧電/電歪素子形成セラミック焼成体94を得る。圧電/電歪素子2aの形成は、セラミック焼成体93の薄板部となる部分の表面にスクリーン印刷法、ディッピング法、塗布法、粉末吹き付け法、電気泳動法等の厚膜形成法又はイオンビーム法、スパッタリング法、真空蒸着、イオンプレーティング法、化学気相蒸着法(CVD)、メッキ等の薄膜形成法を用いて行うことができる。中でも、厚膜形成法が好ましい。厚膜形成法によれば、平均粒径0.01〜5μm、好ましくは0.05〜3μmの圧電セラミックスの粒子を主成分とするペーストやスラリー、又はサスペンションやエマルション、ゾル、エアロゾル等を用いて圧電/電歪膜2aを形成することができ、良好な圧電作動特性を得ることができる。特に、電気泳動法は、圧電/電歪膜を高い密度で、かつ、高い形状精度で形成することができる。また、スクリーン印刷法は、圧電/電歪素子2aの形成とパターン形成とを同時に行うことができるため好ましい。なお、圧電/電歪素子2aの圧電作動部位(歪み発現部)の少なくとも一方の端部が固定部及び/又は可動部上に存在することとなるように形成することが好ましい。
Next, as shown in FIG. 8 (c), the first piezoelectric /
圧電/電歪膜2aの焼成温度は、これを構成する材料によって適宜定められるが、一般には、800℃〜1400℃であり、好ましくは1000℃〜1400℃である。この場合、圧電/電歪膜2aの組成を制御するために、圧電/電歪膜2aの材料の蒸発源の存在下に焼結することが好ましい。なお、圧電/電歪膜2aとセラミック焼成体93とを同時に焼成する場合には、両者の焼成条件を統一することが必要である。
The firing temperature of the piezoelectric /
次いで、図8(d)に示すように、図8(c)において、圧電/電歪素子形成セラミック焼成体94の破線で示された部位を積層方向に切断し、第1の圧電/電歪素子2aが形成された圧電/電歪構造体95を得る。切断の方法としては、ダイサーによるダイシング加工、スライサーによるスライシング加工、ワイヤーソーによるワイヤーソー加工等(機械加工)の他、YAGレーザ、エキシマレーザ等によるレーザ加工、電子ビーム加工等を好適例として挙げることができる。
Next, as shown in FIG. 8 (d), in FIG. 8 (c), the portion indicated by the broken line of the piezoelectric / electrostrictive element-formed ceramic fired
切断されて得られた圧電/電歪構造体95を300〜800℃で加熱処理することが好ましい。加工により焼成体内部にマイクロクラック等の欠陥が生じやすいが、熱処理によりその欠陥を取り除くことができ、信頼性が向上する。さらに熱処理後に、80℃程度の温度で少なくとも10時間程度放置しエージング処理を施すことも好ましい。この処理によって、製造過程の中で受けた種々の応力等を緩和し、特性向上に寄与することになる。
The piezoelectric /
次いで、図8(e)に示すように、圧電/電歪構造体95の第1の圧電/電歪素子2aの形成面に直交する薄板部12vに第2の圧電/電歪素子2bを同様に形成し、圧電/電歪素子デバイス10を得る。なお、図8(e)においては、得られた圧電/電歪素子デバイス10の、第1の圧電/電歪素子2aと第2の圧電/電歪素子2bとの厚さが異なる場合を示すが、同一の厚さであってもよい。また、第1の圧電/電歪素子2a及び第2の圧電/電歪素子2bのいずれもが、セラミック基体1(薄板部12)と同一端面を有している場合を示すが、端面が異なるようにしてもよい。また、必要に応じて、常法に従い、適宜端子の形成をする。
Next, as shown in FIG. 8E, the second piezoelectric /
図7に示すような、最端に位置する2つの圧電/電歪駆動ユニットのうちの、少なくとも一方における薄板部の端部が外部に開放されて、それぞれ自由端を構成する実施の形態の場合は、図8(e)に示す圧電/電歪素子デバイス10に、さらに適宜切断を加えることによって製造することができる。
In the case of an embodiment in which at least one of the two piezoelectric / electrostrictive drive units located at the extreme end as shown in FIG. 7 is open to the outside, and each of which forms a free end. Can be manufactured by further appropriately cutting the piezoelectric /
また、図9に示すように、図1〜3に示すような、応力緩和手段の構成として、軸方向に空隙を形成した(貫通孔相互間を中空構造とした)第1〜第3の実施の形態の場合は、図8に示すセラミックグリーンシート92における貫通孔11aと貫通孔11bとを連通させた形状の貫通孔11cを有するセラミックグリーンシート92aとして、セラミックグリーンシート91(図8に示す場合と同じ)及びセラミックグリーンシート92aとを積層、焼成することによってセラミック焼成体93を得、最終的に、応力緩和手段として空隙41を有する圧電/電歪素子デバイス10を得ることができる。この場合、圧電/電歪素子の形成、切断については図8に示す場合と同様にすることができる。
Moreover, as shown in FIG. 9, as a structure of the stress relaxation means as shown in FIGS. 1-3, the 1st-3rd implementation which formed the space | gap in the axial direction (it was made into the hollow structure between through-holes). In the case of the embodiment, as the ceramic
なお、本発明の圧電/電歪デバイスの製造方法は、上述したセラミックグリーンシートを用いた場合の他に、成形型を用いた加圧成形法、鋳込成形法、射出成形法、フォトリソグラフィ等を用いて製造してもよい。さらに、上述の例では、対向する厚板部の双方に圧電/電歪素子が配設された例となっているが、片方の厚板部にだけ圧電/電歪素子を配設してもよい。 The piezoelectric / electrostrictive device manufacturing method of the present invention is not limited to the case where the above-described ceramic green sheet is used, but a pressure molding method using a mold, a casting method, an injection molding method, photolithography, etc. You may manufacture using. Furthermore, in the above example, the piezoelectric / electrostrictive element is disposed on both of the opposing thick plate portions. However, the piezoelectric / electrostrictive element may be disposed only on one thick plate portion. Good.
本発明の圧電/電歪デバイスは、光学記録、磁気記録、精密加工、表面分析等の種々の分野において、変位素子(アクチュエーター)、振動子、フィルタ、センサ等として有効に利用される。 The piezoelectric / electrostrictive device of the present invention is effectively used as a displacement element (actuator), a vibrator, a filter, a sensor, etc. in various fields such as optical recording, magnetic recording, precision processing, and surface analysis.
1…セラミック基体、2(2a、2b)…圧電/電歪素子、3…駆動部、4…応力緩和手段、5…圧電/電歪駆動ユニット、6…可動部、7…固定部、8…端子、9…セラミックグリーンシート、10…圧電/電歪デバイス、11(11a、11b、11c)…貫通孔、12(12v)…薄板部、13…自由端、14…中空構造、21…第1の電極、22…圧電/電歪膜、23…第2の電極、41…空隙、91、92、92(a)…セラミックグリーンシート、93…セラミック焼成体、94…圧電/電歪素子形成セラミック焼成体、95…圧電/電歪構造体。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
少なくとも2つの前記圧電/電歪駆動ユニットが、前記貫通孔の貫通方向が互いに直交又は交差する位置関係に保持された状態で、また前記セラミック基体が軸方向に直列に一体化された状態で、構成されてなり、かつ、
一体化された前記セラミック基体の前記貫通孔相互間に、応力緩和手段が形成されてなることを特徴とする圧電/電歪デバイス。 A ceramic substrate having a pair of opposed thin plate portions, each of which is thinned by passing through holes in a direction perpendicular to the axial direction between a pair of outer surfaces parallel to each other, and the thin plate portion of the ceramic substrate At least a piezoelectric / electrostrictive drive unit that functions as a drive unit in conjunction with the thin plate portion of the ceramic substrate and the piezoelectric / electrostrictive element. Two piezoelectric / electrostrictive devices comprising:
In a state where at least two of the piezoelectric / electrostrictive drive units are held in a positional relationship in which the through-directions of the through-holes are orthogonal or cross each other, and the ceramic base is integrated in series in the axial direction, Composed of, and
A piezoelectric / electrostrictive device, wherein stress relaxation means is formed between the through holes of the integrated ceramic substrate.
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JP (1) | JP2006093424A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012122790A (en) * | 2010-12-07 | 2012-06-28 | Seiko Epson Corp | Sensor device and sensor device array |
-
2004
- 2004-09-24 JP JP2004277419A patent/JP2006093424A/en not_active Withdrawn
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JP2012122790A (en) * | 2010-12-07 | 2012-06-28 | Seiko Epson Corp | Sensor device and sensor device array |
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