JP2013207073A - Piezoelectric/electrostrictive actuator and manufacturing method of the same - Google Patents
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- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Abstract
Description
本発明は、圧電/電歪アクチュエータに関する。より詳しくは、本発明は、圧電変位の阻害を抑制しつつ、高湿度雰囲気下において高い信頼性を有する圧電/電歪アクチュエータに関する。更に、本発明は、かかる圧電/電歪アクチュエータの製造方法にも関する。 The present invention relates to a piezoelectric / electrostrictive actuator. More specifically, the present invention relates to a piezoelectric / electrostrictive actuator having high reliability in a high humidity atmosphere while suppressing inhibition of piezoelectric displacement. The present invention further relates to a method of manufacturing such a piezoelectric / electrostrictive actuator.
圧電/電歪アクチュエータは、サブミクロンのオーダーで変位を精密に制御することができるという利点を有する。特に、圧電/電歪磁器組成物の焼結体を圧電/電歪体として用いた圧電/電歪アクチュエータは、変位を精密に制御することができる他にも、電気機械変換効率が高く、発生力が大きく、応答速度が速く、耐久性が高く、消費電力が少ないという利点も有し、これらの利点を生かして、インクジェットヘッドやマイクロポンプ等に採用されている。しかしながら、これらの用途においては、高温、高湿度における圧電膜(以降、「圧電体」又は「圧電/電歪層」と称する場合がある)の劣化や絶縁破壊に対する懸念が従前より存在しており、このような水による圧電膜の劣化や絶縁破壊を抑制するために、種々の手段が講じられている。 Piezoelectric / electrostrictive actuators have the advantage that displacement can be precisely controlled on the order of submicrons. In particular, a piezoelectric / electrostrictive actuator using a sintered body of a piezoelectric / electrostrictive porcelain composition as a piezoelectric / electrostrictive body can precisely control displacement, and has high electromechanical conversion efficiency. It has the advantages of large force, fast response speed, high durability, and low power consumption. Taking advantage of these advantages, it has been adopted in ink jet heads and micro pumps. However, in these applications, there are concerns over deterioration and dielectric breakdown of piezoelectric films (hereinafter sometimes referred to as “piezoelectric bodies” or “piezoelectric / electrostrictive layers”) at high temperatures and high humidity. In order to suppress such deterioration and dielectric breakdown of the piezoelectric film due to water, various means have been taken.
そこで、当該技術分野においては、例えばAl2O3やSiO2等の無機材料からなる緻密な防湿膜で圧電/電歪アクチュエータを覆うことにより、外部から圧電膜への水分の侵入を防止することが提案されている(例えば、特許文献1を参照)。しかしながら、上記のような無機材料からなる防湿膜は硬く、圧電素子の変位を阻害する虞が高い。そこで、当該技術分野においては、圧電素子としての変位を発生させる活性部を防湿膜で覆わないようにするためのパターニング等の対策が提案されている。この場合、圧電素子の外表面の活性部に対応する領域は防湿膜で覆われずに露出することとなる。 Therefore, in this technical field, for example, by covering the piezoelectric / electrostrictive actuator with a dense moisture-proof film made of an inorganic material such as Al 2 O 3 or SiO 2 , moisture can be prevented from entering the piezoelectric film from the outside. Has been proposed (see, for example, Patent Document 1). However, the moisture-proof film made of the inorganic material as described above is hard and has a high possibility of hindering the displacement of the piezoelectric element. Therefore, in this technical field, measures such as patterning have been proposed in order not to cover the active part that generates displacement as a piezoelectric element with a moisture-proof film. In this case, the region corresponding to the active portion on the outer surface of the piezoelectric element is exposed without being covered with the moisture-proof film.
上記のように圧電素子の活性部に対応する箇所に開口部を有する防湿膜を備える圧電/電歪アクチュエータにおいては、例えば、水蒸気透過率が低い金属(例えば、Ti、Ru等)からなる上部電極を用いたり、例えば、スパッタ法等の気相法やゾルゲル(Sol−Gel)法等の液相法等を始めとする薄膜法によって圧電膜を形成したりすることが提案されている(例えば、特許文献2を参照)。因みに、上記のような薄膜法によって形成される圧電膜は微細な柱状構造を有し、例えば、ゲルキャスト法やドクターブレード法等を始めとする一般的な成形法(以降、「厚膜法」と称する場合がある)によって形成される圧電膜と比較して、より緻密な構造を有する。 In the piezoelectric / electrostrictive actuator provided with the moisture-proof film having the opening at the position corresponding to the active portion of the piezoelectric element as described above, for example, the upper electrode made of a metal having a low water vapor transmission rate (for example, Ti, Ru, etc.) Or forming a piezoelectric film by a thin film method such as a gas phase method such as a sputtering method or a liquid phase method such as a sol-gel method (for example, (See Patent Document 2). Incidentally, the piezoelectric film formed by the thin film method as described above has a fine columnar structure. For example, a general molding method such as a gel cast method or a doctor blade method (hereinafter referred to as a “thick film method”). Compared with the piezoelectric film formed by the above), it has a denser structure.
上記の結果、薄膜法によって形成される圧電膜は、厚膜法によって形成される圧電膜と比較して、例えば、圧電素子の分極処理又は駆動の際に層内にマイクロクラック(微細な亀裂)を生じ難い。従って、薄膜法によって形成される圧電膜においては、例えば、圧電素子の製造工程におけるエッチング等の処理に起因するダメージを受ける側面部のみを被覆することで、ある程度良好なレベルの防湿性を達成することができる。つまり、薄膜法によって形成される圧電膜は、上記のように圧電素子の活性部に対応する箇所に開口部を有する防湿膜を適用するのに適していると言うことができる。 As a result, the piezoelectric film formed by the thin film method is compared with the piezoelectric film formed by the thick film method, for example, micro cracks (fine cracks) in the layer when the piezoelectric element is polarized or driven. It is hard to produce. Therefore, in the piezoelectric film formed by the thin film method, for example, a certain level of moisture resistance is achieved by covering only the side surface portions that are damaged due to processing such as etching in the manufacturing process of the piezoelectric element. be able to. That is, it can be said that the piezoelectric film formed by the thin film method is suitable for applying a moisture-proof film having an opening at a position corresponding to the active portion of the piezoelectric element as described above.
しかしながら、防湿膜の圧電素子の活性部に対応する箇所に開口部を設けるためには、上記のようにパターニング等の加工処理が必要とされるので、圧電/電歪アクチュエータの製造工程を複雑化し、製造コストの増大を招く虞がある。また、薄膜法によって形成される圧電膜は非常に薄く、所望の変位及び応力を発生させるのに必要な厚みを有する圧電膜を薄膜法によって形成するためには、圧電膜が所望の厚みに達するまで薄膜法を繰り返す必要があり、やはり製造コストの増大を招く虞がある。 However, in order to provide an opening at a location corresponding to the active portion of the moisture-proof film piezoelectric element, processing such as patterning is required as described above, which complicates the manufacturing process of the piezoelectric / electrostrictive actuator. There is a risk of increasing the manufacturing cost. Also, the piezoelectric film formed by the thin film method is very thin, and in order to form a piezoelectric film having a thickness necessary for generating a desired displacement and stress by the thin film method, the piezoelectric film reaches a desired thickness. It is necessary to repeat the thin film method until the manufacturing cost increases.
一方、上述のような厚膜法によれば所望の厚みを有する圧電膜を容易に形成することができる。しかしながら、前述のように、厚膜法によって形成される圧電膜は、薄膜法によって形成される圧電膜ほど緻密な構造を有する訳ではない。具体的には、厚膜法によって形成される圧電膜においては、薄膜法によって形成される圧電膜と比較して、膜内に存在する結晶粒が大きく、結晶粒同士の界面である粒界の間隔がより広い。従って、厚膜法によって形成される圧電膜においては、例えば、分極処理又は圧電/電歪素子としての駆動の際に、薄膜法によって形成される圧電膜と比較して、より大きい応力が粒界(特に、三重点となる粒界)に集中し易い。特に活性部(作動部)と不活性部(非作動部)との境界近傍においては、層内にマイクロクラック(微細な亀裂)を生じ易い。 On the other hand, according to the thick film method as described above, a piezoelectric film having a desired thickness can be easily formed. However, as described above, the piezoelectric film formed by the thick film method does not have a dense structure as the piezoelectric film formed by the thin film method. Specifically, in the piezoelectric film formed by the thick film method, the crystal grains existing in the film are larger than the piezoelectric film formed by the thin film method, and the grain boundary that is the interface between the crystal grains is large. Spacing is wider. Therefore, in the piezoelectric film formed by the thick film method, for example, during polarization treatment or driving as a piezoelectric / electrostrictive element, a larger stress is applied compared to the piezoelectric film formed by the thin film method. It is easy to concentrate on (particularly, the grain boundary that becomes a triple point). In particular, in the vicinity of the boundary between the active part (active part) and the inactive part (non-active part), microcracks (fine cracks) are likely to occur in the layer.
上記のように活性部(作動部)と不活性部(非作動部)との境界近傍や粒界(特に、三重点となる粒界)に生ずるマイクロクラック(微細な亀裂)は、圧電/電歪層の劣化や絶縁破壊、電極のショート等の問題に繋がる虞がある。従って、厚膜法によって形成される圧電膜については、薄膜法によって形成される圧電膜のように側面部のみを被覆することによっては、高湿度雰囲気下において十分な絶縁性を確保することは困難である。尚、活性部(作動部)と不活性部(非作動部)、及び粒界(特に、三重点となる粒界)の詳細については後述する。 As described above, microcracks (fine cracks) generated near the boundary between the active part (working part) and the inactive part (non-working part) and at the grain boundary (particularly, the grain boundary serving as a triple point) are piezoelectric / electrical. There is a possibility that it may lead to problems such as degradation of the strained layer, dielectric breakdown, and short circuit of the electrode. Therefore, for piezoelectric films formed by the thick film method, it is difficult to ensure sufficient insulation in a high humidity atmosphere by covering only the side surfaces as in the piezoelectric film formed by the thin film method. It is. The details of the active part (acting part), the inactive part (non-acting part), and the grain boundary (particularly, the grain boundary that becomes a triple point) will be described later.
以上のように、当該技術分野においては、圧電/電歪アクチュエータの変位を阻害すること無く、圧電/電歪層を備える圧電/電歪アクチュエータの防湿性を高めて高湿度雰囲気下における絶縁性を改善することができる技術に対する継続的な要求が存在する。 As described above, in the technical field, the moisture resistance of the piezoelectric / electrostrictive actuator including the piezoelectric / electrostrictive layer is improved without hindering the displacement of the piezoelectric / electrostrictive actuator, and the insulation in a high humidity atmosphere is improved. There is an ongoing need for technology that can be improved.
前述のように、当該技術分野においては、圧電/電歪アクチュエータの変位を阻害すること無く、圧電/電歪層を備える圧電/電歪アクチュエータの防湿性を高めて高湿度雰囲気下における絶縁性を改善することができる技術に対する継続的な要求が存在する。本発明は、かかる要求に応えるために為されたものである。即ち、本発明は、圧電/電歪アクチュエータの変位を阻害すること無く、圧電/電歪層を備える圧電/電歪アクチュエータの防湿性を高めて高湿度雰囲気下における絶縁性を改善することを1つの目的とする。 As described above, in this technical field, the moisture resistance of the piezoelectric / electrostrictive actuator including the piezoelectric / electrostrictive layer is increased without impeding the displacement of the piezoelectric / electrostrictive actuator, and the insulation in a high humidity atmosphere is improved. There is an ongoing need for technology that can be improved. The present invention has been made to meet such a demand. That is, the present invention improves the insulation in a high-humidity atmosphere by enhancing the moisture resistance of the piezoelectric / electrostrictive actuator including the piezoelectric / electrostrictive layer without inhibiting the displacement of the piezoelectric / electrostrictive actuator. One purpose.
上記目的は、
圧電/電歪セラミックスを含んでなる第1圧電/電歪層と前記第1圧電/電歪層の両面にそれぞれ配設された1対の電極とを含む積層体を少なくとも1つ含んでなり、前記第1圧電/電歪層が前記1対の電極の間に挟まれている部分に対応する作動部と、前記第1圧電/電歪層が前記1対の電極の間に挟まれていない部分に対応する非作動部とを有する圧電/電歪素子を備える、圧電/電歪アクチュエータであって、
周囲雰囲気に最も近い前記積層体において、
周囲雰囲気側の前記電極と前記第1圧電/電歪層との間に、圧電/電歪セラミックスを含んでなる第2圧電/電歪層を更に備え、
前記第2圧電/電歪層の主面に平行な面における前記第2圧電/電歪層を構成する圧電/電歪セラミックスの結晶粒の直径の平均値である第2直径が、前記第1圧電/電歪層の主面に平行な面における前記第1圧電/電歪層を構成する圧電/電歪セラミックスの結晶粒の直径の平均値である第1直径の0.12倍以下であり、且つ
前記第2直径が、前記第2圧電/電歪層の主面の法線方向における厚みである第2層厚の1.5倍以下である、
圧電/電歪アクチュエータによって達成される。
The above purpose is
Comprising at least one laminate comprising a first piezoelectric / electrostrictive layer comprising piezoelectric / electrostrictive ceramics and a pair of electrodes respectively disposed on both sides of the first piezoelectric / electrostrictive layer; An operation portion corresponding to a portion where the first piezoelectric / electrostrictive layer is sandwiched between the pair of electrodes, and the first piezoelectric / electrostrictive layer is not sandwiched between the pair of electrodes. A piezoelectric / electrostrictive actuator comprising a piezoelectric / electrostrictive element having a non-actuating part corresponding to a part,
In the laminate closest to the ambient atmosphere,
A second piezoelectric / electrostrictive layer comprising piezoelectric / electrostrictive ceramics between the electrode on the ambient atmosphere side and the first piezoelectric / electrostrictive layer;
A second diameter, which is an average value of the diameters of crystal grains of the piezoelectric / electrostrictive ceramics constituting the second piezoelectric / electrostrictive layer in a plane parallel to the main surface of the second piezoelectric / electrostrictive layer, is the first diameter. It is not more than 0.12 times the first diameter which is the average value of the diameters of the crystal grains of the piezoelectric / electrostrictive ceramics constituting the first piezoelectric / electrostrictive layer in a plane parallel to the main surface of the piezoelectric / electrostrictive layer. And the second diameter is not more than 1.5 times the second layer thickness which is the thickness in the normal direction of the main surface of the second piezoelectric / electrostrictive layer.
This is achieved by a piezoelectric / electrostrictive actuator.
本発明によれば、圧電/電歪アクチュエータとしての変位を阻害すること無く、圧電/電歪層を備える圧電/電歪アクチュエータの防湿性を高めて高湿度雰囲気下における絶縁性を改善することができる。 According to the present invention, the moisture resistance of a piezoelectric / electrostrictive actuator including a piezoelectric / electrostrictive layer can be improved without impeding displacement as a piezoelectric / electrostrictive actuator to improve insulation in a high humidity atmosphere. it can.
前述のように、本発明の1つの目的は、圧電/電歪アクチュエータの変位を阻害すること無く、圧電/電歪層を備える圧電/電歪アクチュエータの防湿性を高めて高湿度雰囲気下における絶縁性を改善することである。本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意研究の結果、第1圧電/電歪層の外側(周囲雰囲気側)に第2圧電/電歪層を防湿膜として配設し、第2圧電/電歪層を構成する結晶粒の大きさの第1圧電/電歪層を構成する結晶粒の大きさ及び第2圧電/電歪層の厚みのそれぞれに対する比率が特定の範囲に入るように構成することにより、圧電/電歪アクチュエータの変位を阻害すること無く、圧電/電歪層を備える圧電/電歪アクチュエータの防湿性を高めて高湿度雰囲気下における絶縁性を改善することができることを見出し、本発明を想到するに至ったものである。 As described above, one object of the present invention is to increase the moisture resistance of a piezoelectric / electrostrictive actuator including a piezoelectric / electrostrictive layer without impeding the displacement of the piezoelectric / electrostrictive actuator and to insulate in a high humidity atmosphere. Is to improve sex. As a result of diligent research to achieve the above object, the present inventor has arranged the second piezoelectric / electrostrictive layer as a moisture-proof film outside the first piezoelectric / electrostrictive layer (on the ambient atmosphere side). The ratio of the size of the crystal grains constituting the electrostrictive layer to the size of the crystal grains constituting the first piezoelectric / electrostrictive layer and the thickness of the second piezoelectric / electrostrictive layer falls within a specific range. As a result, it was found that the insulation in a high-humidity atmosphere can be improved by increasing the moisture resistance of the piezoelectric / electrostrictive actuator including the piezoelectric / electrostrictive layer without hindering the displacement of the piezoelectric / electrostrictive actuator. The present invention has been conceived.
即ち、本発明の第1の実施態様は、
圧電/電歪セラミックスを含んでなる第1圧電/電歪層と前記第1圧電/電歪層の両面にそれぞれ配設された1対の電極とを含む積層体を少なくとも1つ含んでなり、前記第1圧電/電歪層が前記1対の電極の間に挟まれている部分に対応する作動部と、前記第1圧電/電歪層が前記1対の電極の間に挟まれていない部分に対応する非作動部とを有する圧電/電歪素子を備える、圧電/電歪アクチュエータであって、
周囲雰囲気に最も近い前記積層体において、
周囲雰囲気側の前記電極と前記第1圧電/電歪層との間に、圧電/電歪セラミックスを含んでなる第2圧電/電歪層を更に備え、
前記第2圧電/電歪層の主面に平行な面における前記第2圧電/電歪層を構成する圧電/電歪セラミックスの結晶粒の直径の平均値である第2直径が、前記第1圧電/電歪層の主面に平行な面における前記第1圧電/電歪層を構成する圧電/電歪セラミックスの結晶粒の直径の平均値である第1直径の0.12倍以下であり、且つ
前記第2直径が、前記第2圧電/電歪層の主面の法線方向における厚みである第2層厚の1.5倍以下である、
圧電/電歪アクチュエータである。
That is, the first embodiment of the present invention is:
Comprising at least one laminate comprising a first piezoelectric / electrostrictive layer comprising piezoelectric / electrostrictive ceramics and a pair of electrodes respectively disposed on both sides of the first piezoelectric / electrostrictive layer; An operation portion corresponding to a portion where the first piezoelectric / electrostrictive layer is sandwiched between the pair of electrodes, and the first piezoelectric / electrostrictive layer is not sandwiched between the pair of electrodes. A piezoelectric / electrostrictive actuator comprising a piezoelectric / electrostrictive element having a non-actuating part corresponding to a part,
In the laminate closest to the ambient atmosphere,
A second piezoelectric / electrostrictive layer comprising piezoelectric / electrostrictive ceramics between the electrode on the ambient atmosphere side and the first piezoelectric / electrostrictive layer;
A second diameter, which is an average value of the diameters of crystal grains of the piezoelectric / electrostrictive ceramics constituting the second piezoelectric / electrostrictive layer in a plane parallel to the main surface of the second piezoelectric / electrostrictive layer, is the first diameter. It is not more than 0.12 times the first diameter which is the average value of the diameters of the crystal grains of the piezoelectric / electrostrictive ceramics constituting the first piezoelectric / electrostrictive layer in a plane parallel to the main surface of the piezoelectric / electrostrictive layer. And the second diameter is not more than 1.5 times the second layer thickness which is the thickness in the normal direction of the main surface of the second piezoelectric / electrostrictive layer.
It is a piezoelectric / electrostrictive actuator.
上記のように、本実施態様に係る圧電/電歪アクチュエータは、圧電/電歪セラミックスを含んでなる第1圧電/電歪層と前記第1圧電/電歪層の両面にそれぞれ配設された1対の電極とを含む積層体を少なくとも1つ含んでなる圧電/電歪素子を備える。上記第1圧電/電歪層は、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)系の圧電/電歪磁器組成物や昨今の環境保護の観点から精力的に開発が進められている非鉛系の圧電/電歪磁器組成物を始めとする、圧電/電歪焼結体の製造に使用される各種圧電/電歪磁器組成物の中から適宜選択することができる。具体例としては、例えば、ジルコン酸鉛、チタン酸鉛、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、アンチモンスズ酸鉛、マンガンタングステン酸鉛、コバルトニオブ酸鉛、チタン酸バリウム、ニッケルニオブ酸ビスマス、チタン酸ナトリウムビスマス、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等の単独、あるいは、2成分以上、好ましくは3成分以上の混合物として含有する圧電/電歪セラミックスが挙げられる。 As described above, the piezoelectric / electrostrictive actuator according to this embodiment is disposed on both surfaces of the first piezoelectric / electrostrictive layer including the piezoelectric / electrostrictive ceramic and the first piezoelectric / electrostrictive layer. A piezoelectric / electrostrictive element including at least one laminate including a pair of electrodes is provided. The first piezoelectric / electrostrictive layer is composed of a lead zirconate titanate (PZT) -based piezoelectric / electrostrictive porcelain composition and a lead-free piezoelectric / electrostrictive layer that has been vigorously developed from the viewpoint of recent environmental protection. It can be appropriately selected from various piezoelectric / electrostrictive porcelain compositions used for the production of piezoelectric / electrostrictive sintered bodies including electrostrictive porcelain compositions. Specific examples include, for example, lead zirconate, lead titanate, lead magnesium niobate, lead nickel niobate, lead zinc niobate, lead manganate niobate, lead antimony stannate, lead manganese tungstate, lead cobalt niobate, Piezoelectric / electrostrictive ceramics containing barium titanate, bismuth nickel niobate, sodium bismuth titanate, potassium sodium niobate, strontium bismuth tantalate, etc., alone or as a mixture of two or more components, preferably three or more components. It is done.
また、上記電極は、例えば、金(Au)、銀(Ag)、白金(Pt)等、当該技術分野において電極として使用される種々の材料の中から適宜選択することができる。更に、上記圧電/電歪層や電極の厚みについても、本発明に係る圧電/電歪アクチュエータを適用しようとする用途に応じて、適宜設定することができる。尚、上記第1圧電/電歪層と上記電極との積層は、当該技術分野において周知の何れの手法(例えば、気相成長法、又は各層のスクリーン印刷後の焼成等)によって行ってもよい。 Moreover, the said electrode can be suitably selected from the various materials used as an electrode in the said technical field, such as gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), for example. Further, the thickness of the piezoelectric / electrostrictive layer and the electrode can be appropriately set according to the application to which the piezoelectric / electrostrictive actuator according to the present invention is applied. The first piezoelectric / electrostrictive layer and the electrode may be laminated by any method known in the technical field (for example, vapor phase epitaxy or firing after screen printing of each layer). .
ところで、上記圧電/電歪素子は、上記積層体を2つ以上含んでもよい。このように上記積層体を2つ以上含む圧電/電歪素子もまた、当該技術分野において周知の手法によって製造することができる。何れの場合であっても、当該技術分野において既知の様々な手法を用いて上記圧電/電歪素子を様々な構成に製造することができることは当業者にとって明らかであるので、本明細書においては、これ以上の詳細な説明は割愛する。 By the way, the piezoelectric / electrostrictive element may include two or more of the laminated bodies. Thus, a piezoelectric / electrostrictive element including two or more of the above laminates can also be manufactured by a technique well known in the art. In any case, it will be apparent to those skilled in the art that the piezoelectric / electrostrictive element can be manufactured in various configurations using various methods known in the art. No more detailed explanation is given here.
また、前述のように、圧電/電歪層においては、例えば、分極処理又は圧電/電歪素子としての駆動の際に、粒界(特に、粒界三重点)においてマイクロクラック等の微少な欠陥が発生し易い。尚、粒界とは、圧電/電歪層(圧電体)を構成する複数の結晶粒の境界を指す。更に、粒界三重点とは、隣り合う3つの結晶粒の境界が交わる点を指す。圧電/電歪層(圧電体)においては、電界が印加された際に、結晶粒内のドメインが伸縮、回転することにより、変位が発現される。その際、特にドメインや結晶格子の方向性が整っていない粒界において応力が集中する。粒界の三重点は、かかる粒界の中で特に応力が集中し易い箇所である。従って、前記作動部に含まれる圧電/電歪層(圧電体)の粒界(特に、粒界三重点)においても、マイクロクラックが発生しがちである。 In addition, as described above, in the piezoelectric / electrostrictive layer, for example, in the case of polarization processing or driving as a piezoelectric / electrostrictive element, a minute defect such as a microcrack at a grain boundary (particularly, a grain boundary triple point). Is likely to occur. Note that the grain boundary refers to a boundary between a plurality of crystal grains constituting the piezoelectric / electrostrictive layer (piezoelectric body). Furthermore, the grain boundary triple point refers to a point where the boundaries of three adjacent crystal grains intersect. In the piezoelectric / electrostrictive layer (piezoelectric body), when an electric field is applied, the domain in the crystal grains expands and contracts and rotates, so that a displacement is expressed. At that time, stress concentrates particularly at grain boundaries where the orientation of domains and crystal lattices is not well established. The triple point of a grain boundary is a part where stress is particularly concentrated in the grain boundary. Therefore, microcracks tend to occur at grain boundaries (particularly, grain boundary triple points) of the piezoelectric / electrostrictive layer (piezoelectric body) included in the operating portion.
特に、前述のように、厚膜法によって形成される圧電膜は、薄膜法によって形成される圧電膜ほど緻密な構造を有する訳ではなく、薄膜法によって形成される圧電膜と比べて、膜内に存在する結晶粒が大きく、結晶粒同士の界面である粒界の間隔がより広い。即ち、厚膜法によって形成される圧電膜においては、例えば、分極処理又は圧電/電歪素子としての駆動の際に、薄膜法によって形成される圧電膜と比較して、より大きい応力が粒界(特に、三重点となる粒界)に集中し易い。 In particular, as described above, the piezoelectric film formed by the thick film method does not have a dense structure as the piezoelectric film formed by the thin film method. The crystal grains present in the crystal are large, and the interval between the grain boundaries, which are the interfaces between the crystal grains, is wider. That is, in a piezoelectric film formed by the thick film method, for example, when driving as a polarization process or a piezoelectric / electrostrictive element, a larger stress is applied to the grain boundary compared to the piezoelectric film formed by the thin film method. It is easy to concentrate on (particularly, the grain boundary that becomes a triple point).
更に、上記圧電/電歪素子が含む上記積層体(1層の圧電/電歪層と前記圧電/電歪層の両面にそれぞれ配置された1対の電極とを含む)の数の如何にかかわらず、本実施態様に係る圧電/電歪アクチュエータが備える圧電/電歪素子には、上記第1圧電/電歪層が上記1対の電極に挟まれている部分に対応する作動部と、上記第1圧電/電歪層が上記1対の電極に挟まれていない部分に対応する非作動部とが存在する。 Further, depending on the number of the laminates (including one piezoelectric / electrostrictive layer and a pair of electrodes respectively disposed on both sides of the piezoelectric / electrostrictive layer) included in the piezoelectric / electrostrictive element. The piezoelectric / electrostrictive element included in the piezoelectric / electrostrictive actuator according to this embodiment includes an operation unit corresponding to a portion where the first piezoelectric / electrostrictive layer is sandwiched between the pair of electrodes, There is a non-actuating portion corresponding to a portion where the first piezoelectric / electrostrictive layer is not sandwiched between the pair of electrodes.
上記圧電/電歪素子において、上記作動部は、上記第1圧電/電歪層が上記1対の電極に挟まれている部分に対応する部分を指し、当該作動部は、焼成後の当該圧電/電歪素子において、上記電極間に電界が印加された際に、印加された電界に応じた変形(変位)を生ずる部位である。一方、上記非作動部は、上記第1圧電/電歪層が上記1対の電極に挟まれていない部分に対応する部分を指し、当該非作動部は、焼成後の当該圧電/電歪素子において、上記電極間に電界が印加されても、印加された電界に応じた変形(変位)を(殆ど又は全く)生じない部位である。 In the piezoelectric / electrostrictive element, the operating portion refers to a portion corresponding to a portion where the first piezoelectric / electrostrictive layer is sandwiched between the pair of electrodes, and the operating portion is the piezoelectric after firing. / In an electrostrictive element, when an electric field is applied between the electrodes, it is a part that causes deformation (displacement) according to the applied electric field. On the other hand, the non-operating portion refers to a portion corresponding to a portion where the first piezoelectric / electrostrictive layer is not sandwiched between the pair of electrodes, and the non-operating portion is the piezoelectric / electrostrictive element after firing. In this case, even when an electric field is applied between the electrodes, a deformation (displacement) corresponding to the applied electric field does not occur (little or no).
従って、前述のように、例えば、分極処理の際又は圧電/電歪素子としての駆動の際等において、作動部と非作動部との境界近傍に応力が作用し、マイクロクラックが発生しがちである。ましてや、作動部と非作動部との境界近傍に含まれる圧電/電歪層(圧電体)の粒界においては、マイクロクラックが特に発生し易い。このマイクロクラックは、圧電/電歪層の劣化や絶縁破壊、電極のショート等の問題を引き起こす主因となり、高湿度雰囲気下における圧電/電歪素子の絶縁性を低下させる要因となる。 Therefore, as described above, for example, during polarization processing or when driving as a piezoelectric / electrostrictive element, stress acts on the vicinity of the boundary between the operating part and the non-operating part, and microcracks tend to occur. is there. Furthermore, microcracks are particularly likely to occur at the grain boundaries of the piezoelectric / electrostrictive layer (piezoelectric body) included in the vicinity of the boundary between the operating portion and the non-operating portion. This microcrack is a main cause of problems such as deterioration of the piezoelectric / electrostrictive layer, dielectric breakdown, and short-circuiting of the electrodes, and a factor of lowering the insulation of the piezoelectric / electrostrictive element in a high humidity atmosphere.
そこで、従来技術に係る圧電/電歪アクチュエータにおいては、前述のように、例えばAl2O3やSiO2等の無機材料からなる緻密な防湿膜で圧電/電歪アクチュエータを覆うことにより、外部から圧電膜への水分の侵入を防止することが提案されている。また、上記のような無機材料からなる硬い防湿膜によって圧電/電歪アクチュエータを覆うことに伴う圧電素子の変位の阻害を軽減することを目的として、防湿膜の圧電素子の活性部に対応する領域に開口部を設けることも提案されている。しかしながら、防湿膜の開口部を介する水分の侵入を防ぐためには、例えば、水蒸気透過率が低い特殊な金属(例えば、Ti、Ru等)からなる上部電極を用いたり、例えば、スパッタ法等の気相法やゾルゲル(Sol−Gel)法等の液相法等を始めとする薄膜法によって圧電膜を形成したりすることが必要とされる。 Therefore, in the piezoelectric / electrostrictive actuator according to the prior art, as described above, the piezoelectric / electrostrictive actuator is covered from the outside by covering the piezoelectric / electrostrictive actuator with a dense moisture-proof film made of an inorganic material such as Al 2 O 3 or SiO 2. It has been proposed to prevent moisture from entering the piezoelectric film. In addition, the region corresponding to the active portion of the piezoelectric element of the moisture-proof film is intended to reduce the inhibition of the displacement of the piezoelectric element caused by covering the piezoelectric / electrostrictive actuator with the hard moisture-proof film made of the inorganic material as described above. It has also been proposed to provide an opening in the plate. However, in order to prevent moisture from entering through the opening of the moisture-proof film, for example, an upper electrode made of a special metal (for example, Ti, Ru, etc.) having a low water vapor transmission rate is used. It is necessary to form a piezoelectric film by a thin film method such as a liquid phase method such as a phase method or a sol-gel method.
上記のような薄膜法によって形成される圧電膜は、例えば、ゲルキャスト法やドクターブレード法等を始めとする一般的な成形法である厚膜法によって形成される圧電膜と比較して、より微細な柱状構造を有することから、例えば、圧電素子の分極処理又は駆動の際に層内にマイクロクラック(微細な亀裂)を生じ難い。結果として、薄膜法によって形成される圧電膜においては、例えば、圧電素子の製造工程におけるエッチング等の処理に起因するダメージを受ける側面部のみを被覆すれば、ある程度良好なレベルの防湿性を達成することができる。しかしながら、防湿膜の圧電素子の活性部に対応する箇所に開口部を設けるためには、上記のようにパターニング等の加工処理が必要とされる。加えて、薄膜法によって形成される圧電膜は非常に薄く、所望の変位及び応力を発生させるのに必要な厚みを有する圧電膜を薄膜法によって形成するためには、圧電膜が所望の厚みに達するまで薄膜法を繰り返す必要がある。かかる事情から、当該技術分野においては、前述のように、圧電/電歪アクチュエータの変位を阻害すること無く、圧電/電歪層を備える圧電/電歪アクチュエータの防湿性を高めて高湿度雰囲気下における絶縁性を改善することができる技術に対する継続的な要求が存在していた。 The piezoelectric film formed by the thin film method as described above is more in comparison with the piezoelectric film formed by the thick film method which is a general molding method such as a gel cast method or a doctor blade method. Since it has a fine columnar structure, for example, it is difficult to generate microcracks (fine cracks) in the layer during polarization processing or driving of the piezoelectric element. As a result, in a piezoelectric film formed by a thin film method, for example, if only the side surface that is damaged due to processing such as etching in the manufacturing process of the piezoelectric element is covered, a certain level of moisture resistance is achieved. be able to. However, in order to provide an opening at a location corresponding to the active portion of the piezoelectric element of the moisture-proof film, processing such as patterning is required as described above. In addition, the piezoelectric film formed by the thin film method is very thin, and in order to form a piezoelectric film having a thickness necessary for generating the desired displacement and stress by the thin film method, the piezoelectric film has a desired thickness. It is necessary to repeat the thin film method until it reaches. Under such circumstances, in this technical field, as described above, the moisture resistance of the piezoelectric / electrostrictive actuator including the piezoelectric / electrostrictive layer is increased without hindering the displacement of the piezoelectric / electrostrictive actuator, and thus, in a high humidity atmosphere. There was a continuing need for technology that could improve the insulation in the.
そこで、本実施態様に係る圧電/電歪アクチュエータにおいては、当該圧電/電歪アクチュエータが備える圧電/電歪素子に含まれる、第1圧電/電歪層とその両面に配設された1対の電極とを含む少なくとも1つの積層体のうち、周囲雰囲気に最も近い前記積層体において、周囲雰囲気側の前記電極と前記第1圧電/電歪層との間に、圧電/電歪セラミックスを含んでなる第2圧電/電歪層を更に備える。ここで、周囲雰囲気とは、例えば、本実施態様に係る圧電/電歪アクチュエータが備える圧電/電歪素子が接触している外気等、当該圧電/電歪素子を構成する第1圧電/電歪層に侵入する水分の供給源となり得る外部環境を指す。従って、例えば、圧電/電歪素子の一方の主面が基板上に配置されており、他方の主面が外気に露出している場合、当該圧電/電歪素子の他方の主面に最も近い積層体が上記「周囲雰囲気に最も近い積層体」に該当する。尚、当該「周囲雰囲気に最も近い積層体」は、上述のように、圧電/電歪セラミックスを含んでなる第1圧電/電歪層と前記第1圧電/電歪層の両面にそれぞれ配設された1対の電極とを含む。 Therefore, in the piezoelectric / electrostrictive actuator according to the present embodiment, the first piezoelectric / electrostrictive layer included in the piezoelectric / electrostrictive element included in the piezoelectric / electrostrictive actuator and a pair of layers disposed on both surfaces thereof. Among the at least one laminate including electrodes, the laminate closest to the ambient atmosphere includes piezoelectric / electrostrictive ceramics between the electrode on the ambient atmosphere side and the first piezoelectric / electrostrictive layer. The second piezoelectric / electrostrictive layer is further provided. Here, the ambient atmosphere is, for example, the first piezoelectric / electrostrictive constituting the piezoelectric / electrostrictive element, such as outside air in contact with the piezoelectric / electrostrictive element included in the piezoelectric / electrostrictive actuator according to the present embodiment. It refers to the external environment that can be a source of moisture that enters the layer. Therefore, for example, when one main surface of the piezoelectric / electrostrictive element is disposed on the substrate and the other main surface is exposed to the outside air, it is closest to the other main surface of the piezoelectric / electrostrictive element. The laminated body corresponds to the above-mentioned “laminated body closest to the ambient atmosphere”. The “laminated body closest to the surrounding atmosphere” is disposed on both surfaces of the first piezoelectric / electrostrictive layer and the first piezoelectric / electrostrictive layer, respectively, including the piezoelectric / electrostrictive ceramic as described above. A pair of formed electrodes.
本実施態様に係る圧電/電歪アクチュエータにおいては、かかる「周囲雰囲気に最も近い積層体」を構成する第1圧電/電歪層と、1対の電極のうち周囲雰囲気(例えば、外部環境、外気等)に近い側の電極との間に、圧電/電歪セラミックスを含んでなる第2圧電/電歪層を更に備える。当該第2圧電/電歪層は、詳しくは後述するように、当該第1圧電/電歪層(及び、更に下層の第1圧電/電歪層が存在する場合は、更なる第1圧電/電歪層)への周囲雰囲気からの水分の侵入を防ぐ防湿膜として機能する。当該防湿層は、上述のように、圧電/電歪セラミックスを含んでなる第2圧電/電歪層からなり、且つ周囲雰囲気側の電極と第1圧電/電歪層との間に配設される。 In the piezoelectric / electrostrictive actuator according to the present embodiment, the first piezoelectric / electrostrictive layer constituting the “laminated body closest to the ambient atmosphere” and the ambient atmosphere (for example, the external environment, the outside air) of the pair of electrodes. A second piezoelectric / electrostrictive layer containing piezoelectric / electrostrictive ceramics is further provided between the electrode and the near electrode. As will be described in detail later, the second piezoelectric / electrostrictive layer includes the first piezoelectric / electrostrictive layer (and, if there is a lower first piezoelectric / electrostrictive layer, further first piezoelectric / electrostrictive layers). It functions as a moisture barrier film that prevents moisture from entering the electrostrictive layer) from the surrounding atmosphere. As described above, the moisture-proof layer is composed of the second piezoelectric / electrostrictive layer containing piezoelectric / electrostrictive ceramics, and is disposed between the electrode on the ambient atmosphere side and the first piezoelectric / electrostrictive layer. The
従って、第2圧電/電歪層がピエゾ(圧電/電歪)効果を呈する圧電/電歪セラミックスを含んでなる場合、当該防湿層は、電極間に電界が印加された際には、第1圧電/電歪層と共に、印加された電界に応じた変形(変位)を生ずることができる。この場合、かかる第2圧電/電歪層からなる防湿膜は、ピエゾ効果を呈する圧電/電歪セラミックスを含んでなるが故に、前述のような従来技術に係る防湿膜において懸念されてきた第1圧電/電歪層による圧電/電歪アクチュエータのピエゾ効果に基づく変位(本明細書においては、単に「圧電変位」と称する場合がある)の阻害を招く虞が低い。かかる観点から、圧電/電歪セラミックスを含んでなる第2圧電/電歪層からなる防湿層は、上述のように、周囲雰囲気に最も近い積層体において、周囲雰囲気側の電極と第1圧電/電歪層との間に配設されることが望ましい。 Therefore, when the second piezoelectric / electrostrictive layer includes a piezoelectric / electrostrictive ceramic exhibiting a piezo (piezoelectric / electrostrictive) effect, the moisture-proof layer has a first property when an electric field is applied between the electrodes. Along with the piezoelectric / electrostrictive layer, deformation (displacement) corresponding to the applied electric field can be generated. In this case, since the moisture-proof film composed of the second piezoelectric / electrostrictive layer includes the piezoelectric / electrostrictive ceramics exhibiting a piezoelectric effect, the first moisture-proof film related to the prior art as described above has been concerned. There is a low possibility that the displacement based on the piezoelectric effect of the piezoelectric / electrostrictive actuator by the piezoelectric / electrostrictive layer (which may be simply referred to as “piezoelectric displacement” in this specification) is hindered. From this point of view, the moisture-proof layer composed of the second piezoelectric / electrostrictive layer containing the piezoelectric / electrostrictive ceramics, as described above, in the laminate closest to the ambient atmosphere, the electrode on the ambient atmosphere side and the first piezoelectric / electrostrictive layer. It is desirable to be disposed between the electrostrictive layer.
尚、第2圧電/電歪層は、上記のように防湿層として機能することを目的として配設される。従って、第2圧電/電歪層は、第1圧電/電歪層と比較して、より緻密な構造を有することが望ましい。即ち、第2圧電/電歪層は、例えば、第2圧電/電歪層を構成する圧電/電歪セラミックスの結晶性の高低や、結晶構造の如何によらず、小さい結晶粒によって構成される緻密な構造を有することが望ましい。 The second piezoelectric / electrostrictive layer is provided for the purpose of functioning as a moisture-proof layer as described above. Therefore, it is desirable that the second piezoelectric / electrostrictive layer has a denser structure than the first piezoelectric / electrostrictive layer. That is, the second piezoelectric / electrostrictive layer is composed of small crystal grains regardless of the crystallinity of the piezoelectric / electrostrictive ceramics constituting the second piezoelectric / electrostrictive layer or the crystal structure, for example. It is desirable to have a dense structure.
具体的には、本実施態様に係る圧電/電歪アクチュエータにおいては、前記第2圧電/電歪層の主面に平行な面における前記第2圧電/電歪層を構成する圧電/電歪セラミックスの結晶粒の直径の平均値である第2直径が、前記第1圧電/電歪層の主面に平行な面における前記第1圧電/電歪層を構成する圧電/電歪セラミックスの結晶粒の直径の平均値である第1直径の0.12倍以下であり、且つ前記第2直径が、前記第2圧電/電歪層の主面の法線方向における厚みである第2層厚の1.5倍以下である。 Specifically, in the piezoelectric / electrostrictive actuator according to this embodiment, the piezoelectric / electrostrictive ceramics constituting the second piezoelectric / electrostrictive layer in a plane parallel to the main surface of the second piezoelectric / electrostrictive layer. The second diameter, which is the average value of the diameters of the crystal grains, of the piezoelectric / electrostrictive ceramics constituting the first piezoelectric / electrostrictive layer in a plane parallel to the main surface of the first piezoelectric / electrostrictive layer The second diameter is equal to or less than 0.12 times the first diameter which is an average value of the diameters of the second piezoelectric layer and the second diameter is a thickness in the normal direction of the main surface of the second piezoelectric / electrostrictive layer. 1.5 times or less.
上述のように、第1圧電/電歪層及び第2圧電/電歪層は何れも圧電/電歪セラミックスを含んでなる圧電/電歪層である。従って、これらの圧電/電歪層は、圧電/電歪セラミックスの複数の結晶粒によって構成される。本実施態様に係る圧電/電歪アクチュエータにおいては、上述のように、前記第2圧電/電歪層の主面に平行な面における前記第2圧電/電歪層を構成する圧電/電歪セラミックスの結晶粒の直径の平均値である第2直径が、前記第1圧電/電歪層の主面に平行な面における前記第1圧電/電歪層を構成する圧電/電歪セラミックスの結晶粒の直径の平均値である第1直径の0.12倍以下である。 As described above, the first piezoelectric / electrostrictive layer and the second piezoelectric / electrostrictive layer are both piezoelectric / electrostrictive layers including piezoelectric / electrostrictive ceramics. Therefore, these piezoelectric / electrostrictive layers are composed of a plurality of crystal grains of piezoelectric / electrostrictive ceramics. In the piezoelectric / electrostrictive actuator according to this embodiment, as described above, the piezoelectric / electrostrictive ceramics constituting the second piezoelectric / electrostrictive layer in a plane parallel to the main surface of the second piezoelectric / electrostrictive layer. The second diameter, which is the average value of the diameters of the crystal grains, of the piezoelectric / electrostrictive ceramics constituting the first piezoelectric / electrostrictive layer in a plane parallel to the main surface of the first piezoelectric / electrostrictive layer Or less than 0.12 times the first diameter, which is the average value of the diameters.
ここで、第1直径とは、第1圧電/電歪層の主面に平行な面における第1圧電/電歪層を構成する圧電/電歪セラミックスの結晶粒の直径の平均値である。第1直径は、例えば、走査型電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)によって第1圧電/電歪層の主面において観察される結晶粒の等価円直径の平均値として求めることができる。第2直径についても第1直径と同様に定義され、第1直径と同様に求めることができる。上記のように、本実施態様に係る圧電/電歪アクチュエータにおいては、第2直径が第1直径の0.12倍以下、より好ましくは0.07倍以下である。第2直径が第1直径の0.12倍を超えると、高湿度雰囲気下における絶縁性(以降、「IV特性」とも称する場合がある)が低下するので望ましくない。 Here, the first diameter is an average value of the diameters of crystal grains of piezoelectric / electrostrictive ceramics constituting the first piezoelectric / electrostrictive layer in a plane parallel to the main surface of the first piezoelectric / electrostrictive layer. The first diameter can be obtained, for example, as an average value of the equivalent circular diameters of crystal grains observed on the main surface of the first piezoelectric / electrostrictive layer by a scanning electron microscope (SEM). The second diameter is also defined in the same manner as the first diameter, and can be obtained in the same manner as the first diameter. As described above, in the piezoelectric / electrostrictive actuator according to this embodiment, the second diameter is 0.12 times or less, more preferably 0.07 times or less than the first diameter. If the second diameter exceeds 0.12 times the first diameter, the insulation in a high-humidity atmosphere (hereinafter sometimes referred to as “IV characteristics”) is lowered, which is not desirable.
上記のように、本実施態様に係る圧電/電歪アクチュエータにおいては、各々の圧電/電歪層の主面において観察される結晶粒の大きさが、第2圧電/電歪層の方が第1圧電/電歪層よりも十分に小さくなるように構成される。これにより、本実施態様に係る圧電/電歪アクチュエータにおいては、第2圧電/電歪層が、第1圧電/電歪層と比較して、より緻密な構造を有することができ、結果として、周囲雰囲気から第1圧電/電歪層への水分の侵入を防ぐ防湿膜として機能することができる。 As described above, in the piezoelectric / electrostrictive actuator according to this embodiment, the size of crystal grains observed on the main surface of each piezoelectric / electrostrictive layer is larger in the second piezoelectric / electrostrictive layer. It is configured to be sufficiently smaller than one piezoelectric / electrostrictive layer. Thereby, in the piezoelectric / electrostrictive actuator according to the present embodiment, the second piezoelectric / electrostrictive layer can have a denser structure as compared with the first piezoelectric / electrostrictive layer. It can function as a moisture-proof film that prevents moisture from entering the first piezoelectric / electrostrictive layer from the ambient atmosphere.
尚、上述のように、第1直径及び第2直径は、それぞれ第1圧電/電歪層及び第2圧電/電歪層を構成するセラミックの結晶粒の各圧電/電歪層の主面に平行な(厚み方向に垂直な)面における結晶粒の直径(例えば、等価円直径)の平均値である。従って、場合によっては(例えば、結晶粒の形状が平板状である場合等においては)、第2直径が第2圧電/電歪層の厚み(即ち、第2圧電/電歪層の主面の法線方向における寸法)よりも大きい場合もあり得る。しかしながら、第2直径が第2圧電/電歪層の厚みに対して過大である場合、結晶粒同士の界面である粒界の間隔が過度に広くなり、例えば、分極処理又は圧電/電歪素子としての駆動の際に、個々の粒界に応力が集中して過大となり、マイクロクラック(微細な亀裂)を生じて、第2圧電/電歪層の防湿膜としての機能が低下する虞がある。 As described above, the first diameter and the second diameter are on the main surface of each piezoelectric / electrostrictive layer of the ceramic crystal grains constituting the first piezoelectric / electrostrictive layer and the second piezoelectric / electrostrictive layer, respectively. It is an average value of diameters of crystal grains (for example, equivalent circular diameter) in parallel (perpendicular to the thickness direction) plane. Therefore, in some cases (for example, when the shape of the crystal grains is a flat plate shape), the second diameter is the thickness of the second piezoelectric / electrostrictive layer (that is, the main surface of the second piezoelectric / electrostrictive layer). It may be larger than the dimension in the normal direction). However, when the second diameter is excessive with respect to the thickness of the second piezoelectric / electrostrictive layer, the interval between the grain boundaries, which are the interfaces between crystal grains, becomes excessively wide, for example, polarization treatment or piezoelectric / electrostrictive element When driving, the stress concentrates on each grain boundary and becomes excessive, and microcracks (fine cracks) are generated, which may reduce the function of the second piezoelectric / electrostrictive layer as a moisture-proof film. .
そこで、本実施態様に係る圧電/電歪アクチュエータにおいては、上述のように、前記第2直径が、前記第2圧電/電歪層の主面の法線方向における厚みである第2層厚の1.5倍以下である。第2直径が第2層厚の1.5倍を超えると、上記のように第2直径が第2層厚に対して過大となり、結晶粒同士の界面である粒界の間隔が過度に広くなった結果として、例えば、分極処理又は圧電/電歪素子としての駆動の際に、個々の粒界に応力が集中して過大となり、マイクロクラック(微細な亀裂)を生じて、第2圧電/電歪層の防湿膜としての機能が低下する等の問題に繋がる虞があるので望ましくない。 Therefore, in the piezoelectric / electrostrictive actuator according to this embodiment, as described above, the second diameter is a thickness of the second layer that is the thickness in the normal direction of the main surface of the second piezoelectric / electrostrictive layer. 1.5 times or less. When the second diameter exceeds 1.5 times the second layer thickness, the second diameter becomes excessive with respect to the second layer thickness as described above, and the interval between the grain boundaries which are the interfaces between the crystal grains is excessively wide. As a result, for example, in the case of polarization processing or driving as a piezoelectric / electrostrictive element, stress concentrates on individual grain boundaries and becomes excessive, resulting in microcracks (fine cracks), and the second piezoelectric / This is not desirable because it may lead to problems such as deterioration of the function of the electrostrictive layer as a moisture-proof film.
以上のように、本実施態様に係る圧電/電歪アクチュエータにおいては、第1圧電/電歪層の外側(周囲雰囲気側)に第2圧電/電歪層を防湿膜として配設し、第2圧電/電歪層を構成する結晶粒の大きさ(第2直径)の第1圧電/電歪層を構成する結晶粒の大きさ(第1直径)に対する比率、及び第2圧電/電歪層を構成する結晶粒の大きさ(第2直径)の第2圧電/電歪層の厚み(第2層厚)に対する比率を、それぞれ、特定の範囲に入るように構成することにより、圧電/電歪アクチュエータの変位を阻害すること無く、圧電/電歪層を備える圧電/電歪アクチュエータの防湿性を高めて、高湿度雰囲気下における絶縁性を改善することができる。 As described above, in the piezoelectric / electrostrictive actuator according to this embodiment, the second piezoelectric / electrostrictive layer is disposed as a moisture-proof film on the outer side (ambient atmosphere side) of the first piezoelectric / electrostrictive layer. The ratio of the size (second diameter) of crystal grains constituting the piezoelectric / electrostrictive layer to the size (first diameter) of crystal grains constituting the first piezoelectric / electrostrictive layer, and the second piezoelectric / electrostrictive layer By configuring the ratio of the size of the crystal grains (second diameter) to the thickness of the second piezoelectric / electrostrictive layer (thickness of the second layer) to fall within a specific range, Without hindering the displacement of the strain actuator, the moisture resistance of the piezoelectric / electrostrictive actuator including the piezoelectric / electrostrictive layer can be improved, and the insulation in a high humidity atmosphere can be improved.
ところで、上述のように、本実施態様に係る圧電/電歪アクチュエータにおいては、第2直径が第1直径の0.12倍以下、より好ましくは0.07倍以下である。第2直径が第1直径の0.07倍以下である場合、極めて良好なIV特性を発揮することができる(高湿度雰囲気下における絶縁性が極めて高い)。 As described above, in the piezoelectric / electrostrictive actuator according to this embodiment, the second diameter is 0.12 times or less, more preferably 0.07 times or less of the first diameter. When the second diameter is 0.07 times or less of the first diameter, extremely good IV characteristics can be exhibited (insulation in a high humidity atmosphere is extremely high).
従って、本発明の第2の実施態様は、
本発明の前記第1の実施態様に係る圧電/電歪アクチュエータであって、
前記第2直径が前記第1直径の0.07倍以下である、
圧電/電歪アクチュエータである。
Accordingly, the second embodiment of the present invention provides:
A piezoelectric / electrostrictive actuator according to the first embodiment of the present invention,
The second diameter is 0.07 times or less of the first diameter;
It is a piezoelectric / electrostrictive actuator.
上記のように、本実施態様に係る圧電/電歪アクチュエータにおいては、前記第2直径が前記第1直径の0.07倍以下である。即ち、本実施態様に係る圧電/電歪アクチュエータにおいては、第2圧電/電歪層を構成する圧電/電歪セラミックスの結晶粒は、第1圧電/電歪層を構成する圧電/電歪セラミックスの結晶粒と比較して、より一層細かい(粒径が小さい)。その結果、第2圧電/電歪層は、第1圧電/電歪層と比較して、より一層緻密な構造を有することができる。これにより、本実施態様に係る圧電/電歪アクチュエータにおいては、第2圧電/電歪層の防湿膜としての機能がより一層高まり、極めて良好なIV特性を発揮することができる(高湿度雰囲気下における絶縁性が極めて高い)。 As described above, in the piezoelectric / electrostrictive actuator according to this embodiment, the second diameter is 0.07 times or less the first diameter. That is, in the piezoelectric / electrostrictive actuator according to the present embodiment, the crystal grains of the piezoelectric / electrostrictive ceramic constituting the second piezoelectric / electrostrictive layer are the piezoelectric / electrostrictive ceramic constituting the first piezoelectric / electrostrictive layer. Compared with the crystal grains of (1), it is much finer (the particle size is small). As a result, the second piezoelectric / electrostrictive layer can have a more dense structure than the first piezoelectric / electrostrictive layer. Thereby, in the piezoelectric / electrostrictive actuator according to the present embodiment, the function of the second piezoelectric / electrostrictive layer as a moisture-proof film is further enhanced, and extremely good IV characteristics can be exhibited (in a high humidity atmosphere). Insulation is extremely high.
ところで、圧電/電歪セラミックスを含んでなる第2圧電/電歪層といえども、その層厚が過大であると、第1圧電/電歪層の圧電変位を阻害する要因となり得る。例えば、上述のように、第1圧電/電歪層と第2圧電/電歪層とでは、それぞれの圧電/電歪層を構成する圧電/電歪セラミックスの結晶粒の大きさが大きく異なることから、例えば、分極処理又は圧電/電歪素子としての駆動の際に、電界の印加に伴う結晶粒内のドメインの伸縮や回転の程度や様式が、第1圧電/電歪層と第2圧電/電歪層とで異なる場合がある。このような場合、結果として、第1圧電/電歪層の圧電変位が阻害されることとなる。従って、第2圧電/電歪層の層厚は、第1圧電/電歪層の圧電変位を阻害することの無い範囲に限定することが望ましい。 By the way, even if it is the 2nd piezoelectric / electrostrictive layer containing a piezoelectric / electrostrictive ceramic, if the layer thickness is excessive, it may become a factor which inhibits the piezoelectric displacement of a 1st piezoelectric / electrostrictive layer. For example, as described above, the size of crystal grains of piezoelectric / electrostrictive ceramics constituting each piezoelectric / electrostrictive layer is greatly different between the first piezoelectric / electrostrictive layer and the second piezoelectric / electrostrictive layer. Thus, for example, when driving as a polarization process or a piezoelectric / electrostrictive element, the degree and mode of expansion and contraction and rotation of the domains in the crystal grains accompanying application of an electric field depends on the first piezoelectric / electrostrictive layer and the second piezoelectric element. / It may be different from the electrostrictive layer. In such a case, as a result, the piezoelectric displacement of the first piezoelectric / electrostrictive layer is inhibited. Therefore, it is desirable to limit the thickness of the second piezoelectric / electrostrictive layer to a range that does not hinder the piezoelectric displacement of the first piezoelectric / electrostrictive layer.
従って、本発明の第3の実施態様は、
本発明の前記第1又は前記第2の実施態様の何れか1つに係る圧電/電歪アクチュエータであって、
前記第2層厚が、前記第1圧電/電歪層の主面の法線方向における厚みである第1層厚の0.11倍以下である、
圧電/電歪アクチュエータである。
Therefore, the third embodiment of the present invention
A piezoelectric / electrostrictive actuator according to any one of the first or second embodiments of the present invention,
The second layer thickness is not more than 0.11 times the first layer thickness which is the thickness in the normal direction of the main surface of the first piezoelectric / electrostrictive layer.
It is a piezoelectric / electrostrictive actuator.
上記のように、本実施態様に係る圧電/電歪アクチュエータにおいては、前記第2層厚が、前記第1圧電/電歪層の主面の法線方向における厚みである第1層厚の0.11倍以下である。即ち、本実施態様に係る圧電/電歪アクチュエータにおいては、第2圧電/電歪層は、第1圧電/電歪層と比較して、その厚み(圧電/電歪層の主面の法線方向における寸法)が大幅に薄い。これにより、本実施態様に係る圧電/電歪アクチュエータにおいては、第2圧電/電歪層が第1圧電/電歪層の圧電変位を阻害することを回避することができる。 As described above, in the piezoelectric / electrostrictive actuator according to this embodiment, the second layer thickness is 0 of the first layer thickness which is the thickness in the normal direction of the main surface of the first piezoelectric / electrostrictive layer. .11 times or less. That is, in the piezoelectric / electrostrictive actuator according to this embodiment, the second piezoelectric / electrostrictive layer has a thickness (normal line of the main surface of the piezoelectric / electrostrictive layer) as compared with the first piezoelectric / electrostrictive layer. The dimension in the direction) is significantly thinner. Thereby, in the piezoelectric / electrostrictive actuator according to the present embodiment, it is possible to avoid the second piezoelectric / electrostrictive layer from hindering the piezoelectric displacement of the first piezoelectric / electrostrictive layer.
ここで、本実施態様に係る圧電/電歪アクチュエータの構成につき、添付図面を参照しながら、更に説明する。図1は、前述のように、本発明の1つの実施態様に係る圧電/電歪アクチュエータを構成する第1圧電/電歪層及び第1圧電/電歪層の上に配設された第2圧電/電歪層の断面のSEM写真である。尚、実際の本実施態様に係る圧電/電歪アクチュエータが備える圧電/電歪素子においては、かかる第1圧電/電歪層と第2圧電/電歪層との積層体を挟むように1対の電極が設けられる。しかしながら、図1に示すSEM写真においては、第1圧電/電歪層と第2圧電/電歪層との積層体の構造を判り易くすることを目的として、電極を省いた積層体の破断面を観察した。 Here, the configuration of the piezoelectric / electrostrictive actuator according to this embodiment will be further described with reference to the accompanying drawings. As described above, FIG. 1 shows a first piezoelectric / electrostrictive layer and a second piezoelectric / electrostrictive layer which are disposed on a first piezoelectric / electrostrictive layer constituting a piezoelectric / electrostrictive actuator according to one embodiment of the present invention. It is a SEM photograph of the section of a piezoelectric / electrostrictive layer. In the piezoelectric / electrostrictive element provided in the actual piezoelectric / electrostrictive actuator according to this embodiment, a pair of the piezoelectric / electrostrictive layer and the piezoelectric / electrostrictive layer is sandwiched between the pair. Electrodes are provided. However, in the SEM photograph shown in FIG. 1, the fracture surface of the laminate without the electrodes is used for the sake of easy understanding of the structure of the laminate of the first piezoelectric / electrostrictive layer and the second piezoelectric / electrostrictive layer. Was observed.
図1に示すように、図面に向かって上側に配設された第2圧電/電歪層の主面の法線方向における厚みである第2層厚T2は、図面に向かって下側に配設された第1圧電/電歪層の主面の法線方向における厚みである第1層厚T1よりも、大幅に薄い。従って、上述のように、例えば、電界の印加に伴う結晶粒内のドメインの伸縮や回転の程度や様式における相違等に起因して第2圧電/電歪層が第1圧電/電歪層の圧電変位を阻害する要因となり得る場合においても、第2層厚T2が第1層厚T1よりも十分に薄いことから、第2圧電/電歪層が第1圧電/電歪層の圧電変位を阻害することが回避される。 As shown in FIG. 1, the second layer thickness T2, which is the thickness in the normal direction of the main surface of the second piezoelectric / electrostrictive layer disposed on the upper side in the drawing, is arranged on the lower side in the drawing. It is much thinner than the first layer thickness T1, which is the thickness in the normal direction of the principal surface of the first piezoelectric / electrostrictive layer provided. Therefore, as described above, the second piezoelectric / electrostrictive layer is different from the first piezoelectric / electrostrictive layer due to, for example, a difference in the degree of expansion / contraction and rotation of domains in crystal grains accompanying application of an electric field. Even in the case where the piezoelectric displacement can be a factor, the second layer thickness T2 is sufficiently smaller than the first layer thickness T1, so that the second piezoelectric / electrostrictive layer causes the piezoelectric displacement of the first piezoelectric / electrostrictive layer. Inhibiting is avoided.
また、図1に示すSEM写真においては判り難いけれども、図面に向かって上側に配設された第2圧電/電歪層を構成する圧電/電歪セラミックスの結晶粒の大きさは、図面に向かって下側に配設された第1圧電/電歪層を構成する圧電/電歪セラミックスの結晶粒の大きさと比較して、十分に小さい。即ち、図1に示す実施態様に係る圧電/電歪アクチュエータにおいても、上述のように、周囲雰囲気に最も近い前記積層体において、周囲雰囲気側の前記電極と前記第1圧電/電歪層との間に、圧電/電歪セラミックスを含んでなる第2圧電/電歪層を更に備え、前記第2圧電/電歪層の主面に平行な面における前記第2圧電/電歪層を構成する圧電/電歪セラミックスの結晶粒の直径の平均値である第2直径が、前記第1圧電/電歪層の主面に平行な面における前記第1圧電/電歪層を構成する圧電/電歪セラミックスの結晶粒の直径の平均値である第1直径の0.12倍以下であり、且つ前記第2直径が、前記第2圧電/電歪層の主面の法線方向における厚みである第2層厚の1.5倍以下である。これにより、図1に示す実施態様に係る圧電/電歪アクチュエータにおいても、第2圧電/電歪層が、第1圧電/電歪層と比較して、より緻密な構造を有することができ、結果として、周囲雰囲気から第1圧電/電歪層への水分の侵入を防ぐ防湿膜として機能することができる。 Further, although it is difficult to understand in the SEM photograph shown in FIG. 1, the size of the crystal grains of the piezoelectric / electrostrictive ceramics constituting the second piezoelectric / electrostrictive layer disposed on the upper side in the drawing is appropriate for the drawing. The size of the crystal grains of the piezoelectric / electrostrictive ceramics constituting the first piezoelectric / electrostrictive layer disposed on the lower side is sufficiently small. That is, also in the piezoelectric / electrostrictive actuator according to the embodiment shown in FIG. 1, as described above, in the laminated body closest to the ambient atmosphere, the electrode on the ambient atmosphere side and the first piezoelectric / electrostrictive layer are A second piezoelectric / electrostrictive layer comprising a piezoelectric / electrostrictive ceramic is further provided therebetween, and the second piezoelectric / electrostrictive layer is configured in a plane parallel to the main surface of the second piezoelectric / electrostrictive layer. The second diameter, which is the average value of the diameters of the crystal grains of the piezoelectric / electrostrictive ceramics, constitutes the first piezoelectric / electrostrictive layer in the plane parallel to the main surface of the first piezoelectric / electrostrictive layer. It is not more than 0.12 times the first diameter which is the average value of the diameters of the crystal grains of the strain ceramics, and the second diameter is the thickness in the normal direction of the main surface of the second piezoelectric / electrostrictive layer. It is 1.5 times or less of the second layer thickness. Thereby, also in the piezoelectric / electrostrictive actuator according to the embodiment shown in FIG. 1, the second piezoelectric / electrostrictive layer can have a denser structure than the first piezoelectric / electrostrictive layer, As a result, it can function as a moisture-proof film that prevents moisture from entering the first piezoelectric / electrostrictive layer from the ambient atmosphere.
ところで、第2圧電/電歪層の主面に平行な面における第2圧電/電歪層を構成する圧電/電歪セラミックスの結晶粒の直径の平均値である第2直径は、上述の種々の条件を満足する限りにおいて、如何なる大きさであってもよい。しかしながら、第2圧電/電歪層の構造を十分に緻密なものとする観点からは、上記第2直径は、0.20μm以下であることがより望ましい。 Incidentally, the second diameter, which is an average value of the diameters of the crystal grains of the piezoelectric / electrostrictive ceramics constituting the second piezoelectric / electrostrictive layer in a plane parallel to the main surface of the second piezoelectric / electrostrictive layer, is the above-mentioned various Any size may be used as long as the above condition is satisfied. However, from the viewpoint of making the structure of the second piezoelectric / electrostrictive layer sufficiently dense, the second diameter is more preferably 0.20 μm or less.
従って、本発明の第4の実施態様は、
本発明の前記第1乃至前記第3の実施態様の何れか1つに係る圧電/電歪アクチュエータであって、
前記第2直径が0.20μm以下である、
圧電/電歪アクチュエータである。
Therefore, the fourth embodiment of the present invention is
A piezoelectric / electrostrictive actuator according to any one of the first to third embodiments of the present invention,
The second diameter is 0.20 μm or less;
It is a piezoelectric / electrostrictive actuator.
上記のように、本実施態様に係る圧電/電歪アクチュエータにおいては、前記第2直径が0.20μm以下である。これにより、本実施態様に係る圧電/電歪アクチュエータにおいては、第2圧電/電歪層の構造を十分に緻密なものとすることができ、かかる第2圧電/電歪層は、結果として、周囲雰囲気から第1圧電/電歪層への水分の侵入を防ぐ防湿膜として確実に機能することができる。 As described above, in the piezoelectric / electrostrictive actuator according to this embodiment, the second diameter is 0.20 μm or less. Thereby, in the piezoelectric / electrostrictive actuator according to the present embodiment, the structure of the second piezoelectric / electrostrictive layer can be made sufficiently dense. As a result, the second piezoelectric / electrostrictive layer has the following structure: It can function reliably as a moisture-proof film that prevents moisture from entering the first piezoelectric / electrostrictive layer from the ambient atmosphere.
ところで、当業者に周知であるように、圧電/電歪アクチュエータは、印加される電圧(電界)に起因する圧電体の変形(ピエゾ効果)を利用して、電圧(電界)を力(応力)に変換する素子である圧電/電歪素子を含んでなる。圧電/電歪素子の少なくとも一方の主面は、ピエゾ効果によって生ずる圧電/電歪素子の変位に応じて変形又は移動する基板上に配設されることが一般的である。 As is well known to those skilled in the art, a piezoelectric / electrostrictive actuator uses a deformation (piezo effect) of a piezoelectric body caused by an applied voltage (electric field) to apply a voltage (electric field) to a force (stress). It includes a piezoelectric / electrostrictive element that is an element for converting into a piezoelectric material. Generally, at least one main surface of the piezoelectric / electrostrictive element is disposed on a substrate that is deformed or moved in accordance with the displacement of the piezoelectric / electrostrictive element caused by the piezoelectric effect.
従って、本発明の第5の実施態様は、
本発明の前記第1乃至前記第4の実施態様の何れか1つに係る圧電/電歪アクチュエータであって、
前記圧電/電歪素子が基板上に配置されている、
圧電/電歪アクチュエータである。
Accordingly, the fifth embodiment of the present invention provides:
A piezoelectric / electrostrictive actuator according to any one of the first to fourth embodiments of the present invention,
The piezoelectric / electrostrictive element is disposed on a substrate;
It is a piezoelectric / electrostrictive actuator.
上記のように、本実施態様に係る圧電/電歪アクチュエータにおいては、前記圧電/電歪素子が基板上に配置されている。当該基板は、ピエゾ効果によって生ずる圧電/電歪素子の変位に応じて変形又は移動する。これにより、本実施態様に係る圧電/電歪アクチュエータにおいては、ピエゾ効果に起因して電圧(電界)に応じて生ずる圧電/電歪素子の変位を有効に利用することができる。 As described above, in the piezoelectric / electrostrictive actuator according to this embodiment, the piezoelectric / electrostrictive element is disposed on the substrate. The substrate is deformed or moved in accordance with the displacement of the piezoelectric / electrostrictive element caused by the piezoelectric effect. Thereby, in the piezoelectric / electrostrictive actuator according to the present embodiment, the displacement of the piezoelectric / electrostrictive element generated according to the voltage (electric field) due to the piezoelectric effect can be effectively used.
ところで、上記基板としては、圧電/電歪アクチュエータ用の基板として一般的に使用されるものを用いることができる。かかる基板は、例えば、酸化ジルコニウム(ZrO2)、二酸化珪素(SiO2)、酸化アルミニウム(Al2O3)等の材質を用いて製造することができる。また、上記基板には、少量の添加剤、例えば、酸化イットリウム(Y2O3)、酸化チタン(TiO2)等が含有されていてもよい。更に、基板の製造方法としては、当該技術分野において周知の技法(例えば、グリーンシート成形等)を用いることができる。尚、上記基板の厚みや形状については、本実施態様に係る圧電/電歪アクチュエータを適用しようとする用途に応じて、適宜設計することができる。 By the way, as the substrate, a substrate generally used as a substrate for a piezoelectric / electrostrictive actuator can be used. Such a substrate can be manufactured using materials such as zirconium oxide (ZrO 2 ), silicon dioxide (SiO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), for example. The substrate may contain a small amount of additives such as yttrium oxide (Y 2 O 3 ) and titanium oxide (TiO 2 ). Furthermore, as a substrate manufacturing method, a technique well-known in the technical field (for example, green sheet molding or the like) can be used. The thickness and shape of the substrate can be appropriately designed according to the application to which the piezoelectric / electrostrictive actuator according to this embodiment is applied.
例えば、上記基板は、他の部分よりも薄い厚みを有する薄肉部を有していてもよい。この場合、上記薄肉部(の少なくとも一部)を覆うように圧電/電歪素子を配置することにより、ピエゾ効果に起因して電圧(電界)に応じて生ずる圧電/電歪素子の変位を、より一層有効に利用することができる。 For example, the substrate may have a thin portion having a thickness thinner than other portions. In this case, by disposing the piezoelectric / electrostrictive element so as to cover (at least a part of) the thin-walled portion, the displacement of the piezoelectric / electrostrictive element generated according to the voltage (electric field) due to the piezoelectric effect is It can be used more effectively.
従って、本発明の第6の実施態様は、
本発明の前記第5の実施態様に係る圧電/電歪アクチュエータであって、
前記基板が薄肉部を有しており、その薄肉部の少なくとも一部を覆うように前記圧電/電歪素子が配置されている、
圧電/電歪アクチュエータである。
Accordingly, the sixth embodiment of the present invention provides:
A piezoelectric / electrostrictive actuator according to the fifth embodiment of the present invention,
The substrate has a thin portion, and the piezoelectric / electrostrictive element is disposed so as to cover at least a part of the thin portion,
It is a piezoelectric / electrostrictive actuator.
上記のように、本実施態様に係る圧電/電歪アクチュエータにおいては、前記基板が薄肉部を有しており、その薄肉部の少なくとも一部を覆うように前記圧電/電歪素子が配置されている。これにより、本実施態様に係る圧電/電歪アクチュエータにおいては、ピエゾ効果に起因して電圧(電界)に応じて生ずる圧電/電歪素子の変位を、より一層有効に利用することができる。 As described above, in the piezoelectric / electrostrictive actuator according to this embodiment, the substrate has a thin portion, and the piezoelectric / electrostrictive element is disposed so as to cover at least a part of the thin portion. Yes. Thereby, in the piezoelectric / electrostrictive actuator according to the present embodiment, the displacement of the piezoelectric / electrostrictive element caused by the voltage (electric field) due to the piezo effect can be used more effectively.
上記基板が有する薄肉部もまた、圧電/電歪アクチュエータ用の基板において一般的に用いられている手法によって形成することができる。例えば、薄肉部は、基板をエッチング等の手法によって切削することによって形成されていてもよく、また、薄肉部を形成すべき相対的に薄い(例えば、数μmの厚みを有する)部材に、薄肉部に対応する箇所に開口部を有するように加工された比較的厚い別の部材(厚肉部)を積層することによって形成されていてもよい。 The thin portion of the substrate can also be formed by a method generally used for substrates for piezoelectric / electrostrictive actuators. For example, the thin portion may be formed by cutting the substrate by a technique such as etching, and the thin portion is formed on a relatively thin member (for example, having a thickness of several μm) where the thin portion is to be formed. You may form by laminating | stacking another member (thick part) comparatively thick processed so that it may have an opening part in the location corresponding to a part.
つまり、上記薄肉部を形成する方法(切削法又は積層法)の如何を問わず、上記薄肉部の圧電/電歪素子が固着される側とは反対の側には、ある面(例えば、上面)が薄肉部に接し、その面と交差する面(例えば、側面)が厚肉部の開口部の内壁に接する空間が存在することとなる。尚、上記基板の厚みや上記基板における薄肉部の厚みや面積、厚肉部の開口部の容積(厚肉部の厚み)についても、本実施態様に係る圧電/電歪アクチュエータを適用しようとする用途に応じて、適宜設計することができる。 That is, regardless of the method for forming the thin portion (cutting method or lamination method), there is a surface (for example, the top surface) on the side opposite to the side where the piezoelectric / electrostrictive element of the thin portion is fixed. ) Is in contact with the thin-walled portion, and there is a space where the surface (for example, a side surface) intersecting the thin-walled portion is in contact with the inner wall of the opening of the thick-walled portion. The piezoelectric / electrostrictive actuator according to this embodiment is also applied to the thickness of the substrate, the thickness and area of the thin portion of the substrate, and the volume of the opening of the thick portion (thickness of the thick portion). It can design suitably according to a use.
例えば、インクジェットプリンタにおいて使用されるインクジェットヘッド等の液体噴射ヘッドとして本実施態様に係る圧電/電歪アクチュエータを使用する場合には、インク等の液体を噴射させるための機構(例えば、噴射ノズル等)を、上記空間の開口面(薄肉部にも厚肉部の内壁にも接していない面)に接続するように設けることができる。かかる噴射機構の構成についても、液体噴射ヘッドの技術分野において一般的に用いられる構成を採用することができる。 For example, when the piezoelectric / electrostrictive actuator according to this embodiment is used as a liquid ejecting head such as an ink jet head used in an ink jet printer, a mechanism for ejecting a liquid such as ink (for example, an ejecting nozzle) Can be provided so as to be connected to the opening surface of the space (a surface not in contact with the thin wall portion or the inner wall of the thick wall portion). A configuration generally used in the technical field of the liquid ejecting head can also be adopted as the configuration of the ejecting mechanism.
ところで、本実施態様に係る圧電/電歪アクチュエータにおいては、上述のように、前記基板が薄肉部を有しており、その薄肉部の少なくとも一部を覆うように前記圧電/電歪素子が配置されている。換言すれば、前記圧電/電歪素子は、前記基板の前記空間(厚肉部の開口部)とは反対側の、上記薄肉部に対応する領域に配置される。当該領域においては、前記圧電/電歪素子と前記基板とは、互いにしっかりと固着されていてもよく、あるいは前記圧電/電歪素子が前記薄肉部の少なくとも一部を覆うように配置されているのみで、前記圧電/電歪素子と前記基板との間は固着されていなくてもよい。何れの配置方法を採用するかは、本実施態様に係る圧電/電歪アクチュエータを適用しようとする用途に応じて、適宜決定することができる。 By the way, in the piezoelectric / electrostrictive actuator according to this embodiment, as described above, the substrate has a thin portion, and the piezoelectric / electrostrictive element is disposed so as to cover at least a part of the thin portion. Has been. In other words, the piezoelectric / electrostrictive element is disposed in a region corresponding to the thin portion on the opposite side of the space (opening portion of the thick portion) of the substrate. In the region, the piezoelectric / electrostrictive element and the substrate may be firmly fixed to each other, or the piezoelectric / electrostrictive element is disposed so as to cover at least a part of the thin portion. However, the piezoelectric / electrostrictive element and the substrate may not be fixed. Which arrangement method is adopted can be appropriately determined according to the application to which the piezoelectric / electrostrictive actuator according to this embodiment is to be applied.
従って、本発明の第7の実施態様は、
本発明の前記第6の実施態様に係る圧電/電歪アクチュエータであって、
前記圧電/電歪素子が、前記基板上の前記薄肉部に対応する領域に固着されている、
圧電/電歪アクチュエータである。
Accordingly, the seventh embodiment of the present invention provides:
A piezoelectric / electrostrictive actuator according to the sixth embodiment of the present invention,
The piezoelectric / electrostrictive element is fixed to a region corresponding to the thin portion on the substrate,
It is a piezoelectric / electrostrictive actuator.
上記のように、本実施態様に係る圧電/電歪アクチュエータにおいては、前記圧電/電歪素子が、前記基板上の前記薄肉部に対応する領域に固着されている。換言すれば、本実施態様に係る圧電/電歪アクチュエータにおいては、前記圧電/電歪素子は、前記基板の前記空間(厚肉部の開口部)とは反対側の、上記薄肉部に対応する領域に固着される。これにより、本実施態様に係る圧電/電歪アクチュエータにおいては、前記基板が有する薄肉部の少なくとも一部を覆うように前記圧電/電歪素子を確実に配置することができる。加えて、本実施態様に係る圧電/電歪アクチュエータにおいては、前記基板上の前記薄肉部に対応する領域に前記圧電/電歪素子が固着されるので、例えば、ピエゾ効果に起因して電圧(電界)に応じて生ずる圧電/電歪素子の変位を、より忠実に薄肉部に伝えることができる。 As described above, in the piezoelectric / electrostrictive actuator according to this embodiment, the piezoelectric / electrostrictive element is fixed to a region corresponding to the thin portion on the substrate. In other words, in the piezoelectric / electrostrictive actuator according to the present embodiment, the piezoelectric / electrostrictive element corresponds to the thin portion on the opposite side of the space (opening portion of the thick portion) of the substrate. Secured to the area. Thereby, in the piezoelectric / electrostrictive actuator according to this embodiment, the piezoelectric / electrostrictive element can be reliably arranged so as to cover at least a part of the thin portion of the substrate. In addition, in the piezoelectric / electrostrictive actuator according to the present embodiment, since the piezoelectric / electrostrictive element is fixed to a region corresponding to the thin portion on the substrate, for example, a voltage ( The displacement of the piezoelectric / electrostrictive element generated according to the electric field can be more faithfully transmitted to the thin portion.
ところで、前述のように、本発明に係る圧電/電歪アクチュエータが備える圧電/電歪素子は、1層の圧電/電歪層と当該圧電/電歪層の両面にそれぞれ配置された1対の電極とを含む積層体を少なくとも1つ含んでなる。かかる構成を有する圧電/電歪素子の最外層は、最外層に位置する積層体を構成する電極が露出していてもよく、あるいは、例えば加工上又は設計上の理由等から、最外層に位置する積層体を構成する電極を何等かの絶縁材料が覆っていてもよい。前者の場合は、前記基板と前記圧電/電歪素子が、前記電極を介して固着されることとなる。 By the way, as described above, the piezoelectric / electrostrictive element included in the piezoelectric / electrostrictive actuator according to the present invention is a pair of piezoelectric / electrostrictive layers disposed on both sides of the piezoelectric / electrostrictive layer and the piezoelectric / electrostrictive layer. At least one laminate including an electrode is included. The outermost layer of the piezoelectric / electrostrictive element having such a structure may have an electrode constituting the laminate positioned in the outermost layer exposed, or may be positioned in the outermost layer for processing or design reasons, for example. Any insulating material may cover the electrodes constituting the laminated body. In the former case, the substrate and the piezoelectric / electrostrictive element are fixed via the electrodes.
従って、本発明の第8の実施態様は、
本発明の前記第5乃至前記第7の実施態様の何れか1つに係る圧電/電歪アクチュエータであって、
前記基板と前記圧電/電歪素子が、前記電極を介して固着されている、
圧電/電歪アクチュエータである。
Accordingly, the eighth embodiment of the present invention provides:
A piezoelectric / electrostrictive actuator according to any one of the fifth to seventh embodiments of the present invention,
The substrate and the piezoelectric / electrostrictive element are fixed via the electrodes,
It is a piezoelectric / electrostrictive actuator.
上記のように、本実施態様に係る圧電/電歪アクチュエータにおいては、前記基板と前記圧電/電歪素子が、前記電極を介して固着されている。換言すれば、本実施態様に係る圧電/電歪アクチュエータにおいては、前記圧電/電歪素子を構成する電極のうち、前記基板に最も近い電極が、例えば前記圧電/電歪層等を介すること無く、前記基板に直接固着されている。かかる構成により、本実施態様に係る圧電/電歪アクチュエータにおいては、例えば、前記基板の厚み方向における寸法をより小さくする(薄型化する)ことができる。また、かかる構成は、前記基板に最も近い電極が前記圧電/電歪層を介して前記基板に固着されている(即ち、前記基板に最も近い電極と前記基板との間に前記圧電/電歪層が介在する)構成と比較して、圧電変位に寄与しない部分がより少ないことから、より小さい圧電/電歪アクチュエータにおいて、より大きい圧電変位を達成しようとする用途において有用である。 As described above, in the piezoelectric / electrostrictive actuator according to this embodiment, the substrate and the piezoelectric / electrostrictive element are fixed via the electrode. In other words, in the piezoelectric / electrostrictive actuator according to this embodiment, among the electrodes constituting the piezoelectric / electrostrictive element, the electrode closest to the substrate does not pass through, for example, the piezoelectric / electrostrictive layer. , Directly fixed to the substrate. With this configuration, in the piezoelectric / electrostrictive actuator according to this embodiment, for example, the dimension in the thickness direction of the substrate can be further reduced (thinned). Further, in this configuration, the electrode closest to the substrate is fixed to the substrate via the piezoelectric / electrostrictive layer (that is, the piezoelectric / electrostrictive is between the electrode closest to the substrate and the substrate). Since there are fewer parts that do not contribute to the piezoelectric displacement compared to the configuration (with layers interposed), it is useful in applications that seek to achieve greater piezoelectric displacement in smaller piezoelectric / electrostrictive actuators.
ところで、本発明は、前述のように、上述した各種実施態様を始めとする本発明に係る種々の圧電/電歪アクチュエータの製造方法にも関する。
即ち、本発明の第9の実施態様は、
圧電/電歪セラミックスを含んでなる第1圧電/電歪層と前記第1圧電/電歪層の両面にそれぞれ配設された1対の電極とを含む積層体を少なくとも1つ含んでなり、前記第1圧電/電歪層が前記1対の電極の間に挟まれている部分に対応する作動部と、前記第1圧電/電歪層が前記1対の電極の間に挟まれていない部分に対応する非作動部とを有する圧電/電歪素子を備える、圧電/電歪アクチュエータであって、
周囲雰囲気に最も近い前記積層体において、
周囲雰囲気側の前記電極と前記第1圧電/電歪層との間に、圧電/電歪セラミックスを含んでなる第2圧電/電歪層を更に備え、
前記第2圧電/電歪層の主面に平行な面における前記第2圧電/電歪層を構成する圧電/電歪セラミックスの結晶粒の直径の平均値である第2直径が、前記第1圧電/電歪層の主面に平行な面における前記第1圧電/電歪層を構成する圧電/電歪セラミックスの結晶粒の直径の平均値である第1直径の0.12倍以下であり、且つ
前記第2直径が、前記第2圧電/電歪層の主面の法線方向における厚みである第2層厚の1.5倍以下である、
圧電/電歪アクチュエータ、
の製造方法であって、
前記第1圧電/電歪層は、相対的に高い温度である第1温度における熱処理を伴う固相反応法によって形成され、
前記第2圧電/電歪層は、相対的に低い温度である第2温度における熱処理を伴う薄膜法によって形成される、
圧電/電歪アクチュエータの製造方法である。
Incidentally, as described above, the present invention also relates to various piezoelectric / electrostrictive actuator manufacturing methods according to the present invention including the various embodiments described above.
That is, the ninth embodiment of the present invention
Comprising at least one laminate comprising a first piezoelectric / electrostrictive layer comprising piezoelectric / electrostrictive ceramics and a pair of electrodes respectively disposed on both sides of the first piezoelectric / electrostrictive layer; An operation portion corresponding to a portion where the first piezoelectric / electrostrictive layer is sandwiched between the pair of electrodes, and the first piezoelectric / electrostrictive layer is not sandwiched between the pair of electrodes. A piezoelectric / electrostrictive actuator comprising a piezoelectric / electrostrictive element having a non-actuating part corresponding to a part,
In the laminate closest to the ambient atmosphere,
A second piezoelectric / electrostrictive layer comprising piezoelectric / electrostrictive ceramics between the electrode on the ambient atmosphere side and the first piezoelectric / electrostrictive layer;
A second diameter, which is an average value of the diameters of crystal grains of the piezoelectric / electrostrictive ceramics constituting the second piezoelectric / electrostrictive layer in a plane parallel to the main surface of the second piezoelectric / electrostrictive layer, is the first diameter. It is not more than 0.12 times the first diameter which is the average value of the diameters of the crystal grains of the piezoelectric / electrostrictive ceramics constituting the first piezoelectric / electrostrictive layer in a plane parallel to the main surface of the piezoelectric / electrostrictive layer. And the second diameter is not more than 1.5 times the second layer thickness which is the thickness in the normal direction of the main surface of the second piezoelectric / electrostrictive layer.
Piezoelectric / electrostrictive actuator,
A manufacturing method of
The first piezoelectric / electrostrictive layer is formed by a solid phase reaction method involving heat treatment at a first temperature, which is a relatively high temperature,
The second piezoelectric / electrostrictive layer is formed by a thin film method involving heat treatment at a second temperature, which is a relatively low temperature.
This is a method for manufacturing a piezoelectric / electrostrictive actuator.
上記のように、本実施態様に係る圧電/電歪アクチュエータの製造方法は、圧電/電歪セラミックスを含んでなる第1圧電/電歪層と前記第1圧電/電歪層の両面にそれぞれ配設された1対の電極とを含む積層体を少なくとも1つ含んでなり、前記第1圧電/電歪層が前記1対の電極の間に挟まれている部分に対応する作動部と、前記第1圧電/電歪層が前記1対の電極の間に挟まれていない部分に対応する非作動部とを有する圧電/電歪素子を備える、圧電/電歪アクチュエータであって、周囲雰囲気に最も近い前記積層体において、周囲雰囲気側の前記電極と前記第1圧電/電歪層との間に、圧電/電歪セラミックスを含んでなる第2圧電/電歪層を更に備え、前記第2圧電/電歪層の主面に平行な面における前記第2圧電/電歪層を構成する圧電/電歪セラミックスの結晶粒の直径の平均値である第2直径が、前記第1圧電/電歪層の主面に平行な面における前記第1圧電/電歪層を構成する圧電/電歪セラミックスの結晶粒の直径の平均値である第1直径の0.12倍以下であり、且つ前記第2直径が、前記第2圧電/電歪層の主面の法線方向における厚みである第2層厚の1.5倍以下である、圧電/電歪アクチュエータを製造しようとするものである。上記圧電/電歪アクチュエータの構成等については、上述した各種実施態様に関する説明において既に述べたので、ここでは説明を繰り返さない。 As described above, the piezoelectric / electrostrictive actuator manufacturing method according to the present embodiment is arranged on both surfaces of the first piezoelectric / electrostrictive layer including the piezoelectric / electrostrictive ceramic and the first piezoelectric / electrostrictive layer. An actuating portion corresponding to a portion in which the first piezoelectric / electrostrictive layer is sandwiched between the pair of electrodes, comprising at least one laminate including a pair of electrodes provided; A piezoelectric / electrostrictive actuator comprising a piezoelectric / electrostrictive element having a non-actuating portion corresponding to a portion where the first piezoelectric / electrostrictive layer is not sandwiched between the pair of electrodes. In the nearest laminate, a second piezoelectric / electrostrictive layer containing piezoelectric / electrostrictive ceramics is further provided between the electrode on the ambient atmosphere side and the first piezoelectric / electrostrictive layer, The second piezoelectric / electrostrictive layer is formed on a plane parallel to the main surface of the piezoelectric / electrostrictive layer. The second diameter, which is the average value of the diameters of the crystal grains of the piezoelectric / electrostrictive ceramic, is the piezoelectric / electrostrictive layer constituting the first piezoelectric / electrostrictive layer in a plane parallel to the main surface of the first piezoelectric / electrostrictive layer. The second diameter is equal to or less than 0.12 times the first diameter, which is an average value of the diameters of the electrostrictive ceramic crystal grains, and the thickness in the normal direction of the main surface of the second piezoelectric / electrostrictive layer. A piezoelectric / electrostrictive actuator that is less than 1.5 times the thickness of a certain second layer is to be manufactured. The configuration and the like of the piezoelectric / electrostrictive actuator have already been described in the description of the various embodiments described above, and thus description thereof will not be repeated here.
上記のように、本実施態様に係る圧電/電歪アクチュエータの製造方法においては、前記第1圧電/電歪層は、相対的に高い温度である第1温度における熱処理を伴う固相反応法によって形成され、前記第2圧電/電歪層は、相対的に低い温度である第2温度における熱処理を伴う薄膜法によって形成される。ここで、固相反応法とは、当業者に周知であるように、例えば、目的とするセラミックの原料となる酸化物、炭酸塩、硝酸塩等(の粉末)を所定の組成となるように秤量、混合した後、熱処理を行って、所望の組成を有する圧電/電歪セラミックスを得る方法である。斯くして得られた圧電/電歪セラミックスは、例えば、粉砕後、ゲルキャスト法やドクターブレード法等を始めとする一般的な成形法である厚膜法によって成形することができる。 As described above, in the method for manufacturing a piezoelectric / electrostrictive actuator according to this embodiment, the first piezoelectric / electrostrictive layer is formed by a solid-phase reaction method involving heat treatment at a first temperature that is a relatively high temperature. The second piezoelectric / electrostrictive layer formed is formed by a thin film method involving heat treatment at a second temperature which is a relatively low temperature. Here, as is well known to those skilled in the art, the solid phase reaction method, for example, weighs oxides, carbonates, nitrates, etc. (powder), which are the raw materials of the target ceramic, to a predetermined composition. In this method, after mixing, heat treatment is performed to obtain a piezoelectric / electrostrictive ceramic having a desired composition. The piezoelectric / electrostrictive ceramics thus obtained can be formed by, for example, a thick film method, which is a general forming method such as a gel cast method or a doctor blade method, after pulverization.
前述のように、本実施態様に係る製造方法によって製造される圧電/電歪アクチュエータが備える圧電/電歪素子を構成する第1圧電/電歪層は、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)系の圧電/電歪磁器組成物や昨今の環境保護の観点から精力的に開発が進められている非鉛系の圧電/電歪磁器組成物を始めとする、圧電/電歪焼結体の製造に使用される各種圧電/電歪磁器組成物の中から適宜選択することができる。具体例としては、例えば、ジルコン酸鉛、チタン酸鉛、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、アンチモンスズ酸鉛、マンガンタングステン酸鉛、コバルトニオブ酸鉛、チタン酸バリウム、ニッケルニオブ酸ビスマス、チタン酸ナトリウムビスマス、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等の単独、あるいは、2成分以上、好ましくは3成分以上の混合物として含有する圧電/電歪セラミックスが挙げられる。また、コスト削減等の観点から低温焼成が望まれているが、かかる目的のために焼結助剤を添加してもよい。 As described above, the first piezoelectric / electrostrictive layer constituting the piezoelectric / electrostrictive element included in the piezoelectric / electrostrictive actuator manufactured by the manufacturing method according to this embodiment is made of lead zirconate titanate (PZT). For the production of piezoelectric / electrostrictive ceramics, including piezoelectric / electrostrictive ceramic compositions and lead-free piezoelectric / electrostrictive ceramic compositions that have been vigorously developed from the viewpoint of recent environmental protection It can be suitably selected from various piezoelectric / electrostrictive porcelain compositions used. Specific examples include, for example, lead zirconate, lead titanate, lead magnesium niobate, lead nickel niobate, lead zinc niobate, lead manganate niobate, lead antimony stannate, lead manganese tungstate, lead cobalt niobate, Piezoelectric / electrostrictive ceramics containing barium titanate, bismuth nickel niobate, sodium bismuth titanate, potassium sodium niobate, strontium bismuth tantalate, etc., alone or as a mixture of two or more components, preferably three or more components. It is done. Moreover, although low-temperature baking is desired from the viewpoint of cost reduction or the like, a sintering aid may be added for this purpose.
また、上記電極は、前述のように、例えば、金(Au)、銀(Ag)、白金(Pt)等、当該技術分野において電極として使用される種々の材料の中から適宜選択することができる。更に、上記圧電/電歪層や電極の厚みについても、本発明に係る圧電/電歪アクチュエータを適用しようとする用途に応じて、適宜設定することができる。尚、上記第1圧電/電歪層と上記電極との積層は、当該技術分野において周知の何れの手法(例えば、気相成長法、又は各層のスクリーン印刷後の焼成等)によって行ってもよい。 Further, as described above, the electrode can be appropriately selected from various materials used as an electrode in the technical field, such as gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), and the like. . Further, the thickness of the piezoelectric / electrostrictive layer and the electrode can be appropriately set according to the application to which the piezoelectric / electrostrictive actuator according to the present invention is applied. The first piezoelectric / electrostrictive layer and the electrode may be laminated by any method known in the technical field (for example, vapor phase epitaxy or firing after screen printing of each layer). .
一方、前記第2圧電/電歪層は、相対的に低い温度である第2温度における熱処理を伴う薄膜法によって形成される。ここで、薄膜法とは、当業者に周知であるように、例えば、スパッタ法等の気相法やゾルゲル法等の液相法等を始めとする成膜法である。かかる薄膜法によって形成される圧電膜は、例えば、ゲルキャスト法やドクターブレード法等を始めとする一般的な圧電/電歪セラミックスの成膜法である厚膜法によって形成される圧電膜と比較して、より微細な柱状構造を有することから、例えば、圧電素子の分極処理又は駆動の際に層内にマイクロクラック(微細な亀裂)を生じ難く、防湿膜としての機能を発揮することができる。尚、上述の第1直径、第2直径、及び第2層厚に関する条件を満足する限り、第2圧電/電歪層が含んでなる圧電/電歪セラミックスの組成は、第1圧電/電歪層が含んでなる圧電/電歪セラミックスの組成と同じであっても、異なっていてもよい。 On the other hand, the second piezoelectric / electrostrictive layer is formed by a thin film method involving a heat treatment at a second temperature which is a relatively low temperature. Here, the thin film method is a film forming method such as a vapor phase method such as a sputtering method or a liquid phase method such as a sol-gel method, as is well known to those skilled in the art. A piezoelectric film formed by such a thin film method is compared with a piezoelectric film formed by a thick film method, which is a general piezoelectric / electrostrictive ceramic film forming method such as a gel cast method or a doctor blade method. In addition, since it has a finer columnar structure, for example, when a piezoelectric element is polarized or driven, microcracks (fine cracks) hardly occur in the layer, and the function as a moisture-proof film can be exhibited. . The composition of the piezoelectric / electrostrictive ceramics included in the second piezoelectric / electrostrictive layer is the first piezoelectric / electrostrictive as long as the conditions regarding the first diameter, the second diameter, and the second layer thickness are satisfied. The composition may be the same as or different from the composition of the piezoelectric / electrostrictive ceramics that the layer comprises.
ところで、本実施態様に係る圧電/電歪アクチュエータの製造方法においては、上述のように、前記第1圧電/電歪層は、相対的に高い温度である第1温度における熱処理を伴う固相反応法によって形成され、前記第2圧電/電歪層は、相対的に低い温度である第2温度における熱処理を伴う薄膜法によって形成される。これにより、本実施態様に係る圧電/電歪アクチュエータの製造方法によって製造される圧電/電歪アクチュエータは、上述の第1直径、第2直径、及び第2層厚等に関する条件を満足することができる。尚、第1温度及び第2温度の具体的な値は、例えば、第1圧電/電歪層が含んでなる圧電/電歪セラミックスの組成、第2圧電/電歪層が含んでなる圧電/電歪セラミックスの組成等に応じて、適宜設定することができる。また、第1圧電/電歪層及び/又は第2圧電/電歪層の熱処理の方法としては、例えば、高速熱処理(RTA:Rapid Thermal Annealing)を採用することもできる。第1温度及び第2温度の具体例としては、例えば、それぞれ、800℃以上1300℃未満及び500℃以上700℃未満の温度範囲を挙げることができる。 By the way, in the method for manufacturing a piezoelectric / electrostrictive actuator according to the present embodiment, as described above, the first piezoelectric / electrostrictive layer has a solid-phase reaction involving heat treatment at a first temperature which is a relatively high temperature. The second piezoelectric / electrostrictive layer is formed by a thin film method involving heat treatment at a second temperature, which is a relatively low temperature. As a result, the piezoelectric / electrostrictive actuator manufactured by the method for manufacturing a piezoelectric / electrostrictive actuator according to the present embodiment satisfies the above-described conditions regarding the first diameter, the second diameter, the second layer thickness, and the like. it can. The specific values of the first temperature and the second temperature are, for example, the composition of the piezoelectric / electrostrictive ceramics included in the first piezoelectric / electrostrictive layer, and the piezoelectric / electrostrictive layer included in the second piezoelectric / electrostrictive layer. It can be set as appropriate according to the composition of the electrostrictive ceramic. In addition, as a method for heat treatment of the first piezoelectric / electrostrictive layer and / or the second piezoelectric / electrostrictive layer, for example, rapid thermal annealing (RTA) can be employed. Specific examples of the first temperature and the second temperature include a temperature range of 800 ° C. or higher and lower than 1300 ° C. and 500 ° C. or higher and lower than 700 ° C., respectively.
従って、本発明の第10の実施態様は、
本発明の前記第9の実施態様に係る圧電/電歪アクチュエータの製造方法であって、
前記第1温度が800℃以上1300℃未満であり、
前記第2温度が500℃以上700℃未満である、
圧電/電歪アクチュエータの製造方法である。
Accordingly, the tenth embodiment of the present invention provides:
A method for manufacturing a piezoelectric / electrostrictive actuator according to the ninth embodiment of the present invention, comprising:
The first temperature is 800 ° C. or higher and lower than 1300 ° C .;
The second temperature is 500 ° C. or higher and lower than 700 ° C.,
This is a method for manufacturing a piezoelectric / electrostrictive actuator.
上記のように、本実施態様に係る圧電/電歪アクチュエータの製造方法においては、前記第1温度が800℃以上1300℃未満であり、前記第2温度が500℃以上700℃未満である。これにより、これにより、上述の第1直径、第2直径、及び第2層厚等に関する条件を満足する本発明に係る圧電/電歪アクチュエータを、より確実に製造することができる。因みに、第1温度が800℃未満であると、例えば、緻密性に乏しくなり絶縁性が悪くなったり、第2圧電/電歪層を焼成する際に第1圧電/電歪層と一体化し易くなったりするので望ましくなく、1300℃以上であると、例えば、圧電/電歪層の鉛成分の蒸発を抑えることが困難となるので望ましくない。一方、第2温度が500℃未満であると、例えば、第2圧電/電歪層の結晶化が困難となるため、緻密性に乏しくなり絶縁性が悪くなったり、圧電変位の量が低下したりするので望ましくなく、700℃以上であると、例えば、焼成時に第2圧電/電歪層と一体化したり、鉛成分の蒸発を抑えるのが困難となったりするので望ましくない。 As described above, in the method for manufacturing a piezoelectric / electrostrictive actuator according to this embodiment, the first temperature is 800 ° C. or higher and lower than 1300 ° C., and the second temperature is 500 ° C. or higher and lower than 700 ° C. Thereby, the piezoelectric / electrostrictive actuator according to the present invention that satisfies the conditions regarding the first diameter, the second diameter, the second layer thickness, and the like described above can be more reliably manufactured. Incidentally, when the first temperature is less than 800 ° C., for example, the denseness is poor and the insulation is deteriorated, or when the second piezoelectric / electrostrictive layer is baked, it is easy to be integrated with the first piezoelectric / electrostrictive layer. For example, it is difficult to suppress the evaporation of the lead component of the piezoelectric / electrostrictive layer. On the other hand, if the second temperature is less than 500 ° C., for example, it becomes difficult to crystallize the second piezoelectric / electrostrictive layer, so that the denseness becomes poor and the insulation becomes worse, or the amount of piezoelectric displacement decreases. If it is 700 ° C. or higher, for example, it is not desirable because it is difficult to integrate with the second piezoelectric / electrostrictive layer during firing or to suppress the evaporation of the lead component.
ところで、上述したように、本発明に係る圧電/電歪アクチュエータの製造方法において第2圧電/電歪層を形成するための方法としては、薄膜法が採用される。薄膜法とは、上述したように、例えば、スパッタ法等の気相法やゾルゲル法等の液相法等を始めとする成膜法であり、本発明に係る圧電/電歪アクチュエータの製造方法において第2圧電/電歪層を形成するための方法としては、何れの薄膜法を採用してもよい。 Incidentally, as described above, a thin film method is employed as a method for forming the second piezoelectric / electrostrictive layer in the method for manufacturing a piezoelectric / electrostrictive actuator according to the present invention. As described above, the thin film method is a film forming method such as a gas phase method such as a sputtering method or a liquid phase method such as a sol-gel method, and the method for manufacturing a piezoelectric / electrostrictive actuator according to the present invention. As a method for forming the second piezoelectric / electrostrictive layer, any thin film method may be employed.
従って、本発明の第11の実施態様は、
本発明の前記第9又は前記第10の実施態様の何れか1つに係る圧電/電歪アクチュエータの製造方法であって、
前記薄膜法が、ゾル−ゲル法及びスパッタリング法から選ばれる何れか一方の方法を含む、
圧電/電歪アクチュエータの製造方法である。
Accordingly, the eleventh embodiment of the present invention is
A method for manufacturing a piezoelectric / electrostrictive actuator according to any one of the ninth or tenth embodiments of the present invention,
The thin film method includes any one method selected from a sol-gel method and a sputtering method,
This is a method for manufacturing a piezoelectric / electrostrictive actuator.
上記のように、本実施態様に係る圧電/電歪アクチュエータの製造方法においては、前記薄膜法が、ゾル−ゲル法及びスパッタリング法から選ばれる何れか一方の方法を含む。換言すれば、本実施態様に係る圧電/電歪アクチュエータの製造方法においては、第2圧電/電歪層を形成するための方法として、ゾル−ゲル法及びスパッタリング法から選ばれる何れか一方の方法を採用することができる。これにより、本実施態様に係る製造方法によって製造される圧電/電歪アクチュエータにおいては、第2圧電/電歪層が、第1圧電/電歪層と比較して、より緻密な構造を有することができ、結果として、周囲雰囲気から第1圧電/電歪層への水分の侵入を防ぐ防湿膜として機能することができる。 As described above, in the method for manufacturing a piezoelectric / electrostrictive actuator according to this embodiment, the thin film method includes any one method selected from a sol-gel method and a sputtering method. In other words, in the method for manufacturing a piezoelectric / electrostrictive actuator according to this embodiment, as a method for forming the second piezoelectric / electrostrictive layer, any one method selected from a sol-gel method and a sputtering method is used. Can be adopted. Thereby, in the piezoelectric / electrostrictive actuator manufactured by the manufacturing method according to this embodiment, the second piezoelectric / electrostrictive layer has a denser structure than the first piezoelectric / electrostrictive layer. As a result, it can function as a moisture-proof film that prevents moisture from entering the first piezoelectric / electrostrictive layer from the ambient atmosphere.
以下に記載する実施例によって本発明を更に詳しく説明するけれども、本発明の技術的範囲は、これらの例に限定されるものではない。 The present invention will be described in more detail with reference to the following examples, but the technical scope of the present invention is not limited to these examples.
圧電/電歪アクチュエータの製造
上述のような構成を有する圧電/電歪アクチュエータの高湿度雰囲気下における絶縁性に対する第1直径、第2直径、第1層厚、及び第2層厚の影響を評価することを目的として、様々な第1直径、第2直径、第1層厚、及び第2層厚の組み合わせを有する圧電/電歪アクチュエータを製造し、個々の圧電/電歪アクチュエータの高湿度雰囲気下における絶縁性を評価した。但し、以下に説明する構成や製造方法等はあくまでも例示であって、本発明に係る圧電/電歪アクチュエータの構成や製造方法は、これらに限定されるものではない。
Production of Piezoelectric / Electrostrictive Actuator Evaluation of the influence of the first diameter, the second diameter, the first layer thickness, and the second layer thickness on the insulation properties of the piezoelectric / electrostrictive actuator having the above-described configuration in a high humidity atmosphere. For the purpose of manufacturing piezoelectric / electrostrictive actuators having various first diameters, second diameters, first layer thicknesses, and second layer thickness combinations, high humidity atmospheres of the individual piezoelectric / electrostrictive actuators The lower insulation was evaluated. However, the configuration and manufacturing method described below are merely examples, and the configuration and manufacturing method of the piezoelectric / electrostrictive actuator according to the present invention are not limited to these.
(1)圧電/電歪アクチュエータの製造
本実施例においては、基板の材料として、主として酸化ジルコニウム(ZrO2)からなる基板を使用し、薄肉部の厚みを2μm、幅を80μm、長さを1mmとした。次に、当該基板の主面の薄肉部に対応する領域(薄肉部によって形成されるキャビティとは反対側)を覆うように、厚み0.5μmの白金(Pt)電極(下部電極)をレジスト法により形成した。
(1) Production of Piezoelectric / Electrostrictive Actuator In this example, a substrate mainly made of zirconium oxide (ZrO 2 ) is used as the substrate material, the thickness of the thin portion is 2 μm, the width is 80 μm, and the length is 1 mm. It was. Next, a platinum (Pt) electrode (lower electrode) having a thickness of 0.5 μm is applied by a resist method so as to cover a region corresponding to the thin portion of the main surface of the substrate (the side opposite to the cavity formed by the thin portion). Formed by.
第1圧電/電歪層の主材料としては、0.2Bi(Ni2/3Nb1/3)O3 + 0.80PZTの圧電/電歪セラミックスを固相反応法によって合成した。斯くして得られた圧電/電歪セラミックスに、酸化鉛(PbO)、分散剤、及びバインダーを添加して湿式粉砕し、0.15μmの平均粒径を有するスラリーとした。当該スラリーを上記下部電極にスクリーン印刷し、脱脂した後、1000℃の温度において2時間焼成することにより、第1圧電/電歪層を形成した。尚、スクリーン印刷時の塗布量を変化させることにより、第1層厚を種々に変化させた。個々の圧電/電歪アクチュエータにおける第1層厚(T1)及び第1直径(D1)の値は、表1に列挙されている。 As a main material of the first piezoelectric / electrostrictive layer, a piezoelectric / electrostrictive ceramic of 0.2 Bi (Ni 2/3 Nb 1/3 ) O 3 + 0.80 PZT was synthesized by a solid phase reaction method. Lead oxide (PbO), a dispersant, and a binder were added to the piezoelectric / electrostrictive ceramic thus obtained, and wet pulverized to obtain a slurry having an average particle size of 0.15 μm. The slurry was screen-printed on the lower electrode, degreased, and then fired at 1000 ° C. for 2 hours to form a first piezoelectric / electrostrictive layer. The first layer thickness was variously changed by changing the coating amount during screen printing. The values of the first layer thickness (T1) and the first diameter (D1) for each piezoelectric / electrostrictive actuator are listed in Table 1.
一方、第2圧電/電歪層は、Pb/Zr/Ti=1.1/0.52/0.48の組成比を有するゾルゲル液を、スピンコート法によって、上記第1圧電/電歪層の上に塗布し、RTAによって熱処理することにより形成した。尚、RTA時の温度を500℃乃至700℃の範囲において変化させることにより、第2直径(D2)を種々に変化させた。個々の圧電/電歪アクチュエータにおける第2層厚(T2)及び第2直径(D2)の値もまた、表1に列挙されている。斯くして得られた第2圧電/電歪層の上に、金(Au)レジネートを用いるレジスト法により、0.1μmの厚みを有する上部電極を形成した。 On the other hand, the second piezoelectric / electrostrictive layer is formed by applying a sol-gel solution having a composition ratio of Pb / Zr / Ti = 1.1 / 0.52 / 0.48 by spin coating to the first piezoelectric / electrostrictive layer. It was formed by coating on and heat-treating with RTA. Incidentally, the second diameter (D2) was variously changed by changing the temperature during RTA in the range of 500 ° C. to 700 ° C. The values of the second layer thickness (T2) and the second diameter (D2) for each piezoelectric / electrostrictive actuator are also listed in Table 1. On the second piezoelectric / electrostrictive layer thus obtained, an upper electrode having a thickness of 0.1 μm was formed by a resist method using gold (Au) resinate.
(2)圧電/電歪アクチュエータの分極処理
上記のようにして得られた圧電/電歪アクチュエータを分極処理に付した。上記のように電極が形成された圧電/電歪アクチュエータ(焼結体)の電極に電圧を印加した。この際、圧電/電歪アクチュエータを50〜150℃に加熱する高温分極処理を行うことが望ましい。高温分極処理を行うときには、圧電/電歪アクチュエータに2〜20kV/mmの電界が印加される。尚、本実施例においては、圧電/電歪アクチュエータに、70℃において、15kV/mmの電界を印加したが、分極処理の条件もまた、圧電/電歪素子の構成等に応じて、当該技術分野において周知の種々の技法の中から適宜選択することができる。更にエージング処理を行う場合は、電極が開放された状態で当該圧電/電歪アクチュエータを大気中で100〜300℃に加熱してもよい。
(2) Polarization treatment of piezoelectric / electrostrictive actuator The piezoelectric / electrostrictive actuator obtained as described above was subjected to polarization treatment. A voltage was applied to the electrode of the piezoelectric / electrostrictive actuator (sintered body) on which the electrode was formed as described above. At this time, it is desirable to perform a high temperature polarization treatment in which the piezoelectric / electrostrictive actuator is heated to 50 to 150 ° C. When performing the high temperature polarization process, an electric field of 2 to 20 kV / mm is applied to the piezoelectric / electrostrictive actuator. In this example, an electric field of 15 kV / mm was applied to the piezoelectric / electrostrictive actuator at 70 ° C., but the conditions for the polarization treatment also depend on the configuration of the piezoelectric / electrostrictive element and the like. It can be appropriately selected from various techniques well known in the field. Furthermore, when performing an aging process, you may heat the said piezoelectric / electrostrictive actuator to 100-300 degreeC in air | atmosphere in the state by which the electrode was open | released.
A)高湿度雰囲気下における絶縁性の評価
上述のようにして製造した種々の圧電/電歪アクチュエータの高湿度雰囲気下における絶縁性の評価方法及び評価結果につき、以下に説明する。27℃×85%RHの高湿度雰囲気下において、上述のように製造した種々の圧電/電歪アクチュエータの上部電極と下部電極との間に印加する電界の強度を変化させながら、これらの電極間に流れる電流(IV特性)を測定した。当該測定結果の一例につき、添付図面を参照しながら更に説明する。図2は、前述のように、圧電/電歪アクチュエータの上部電極と下部電極との間に印加する電界の強度と、電極間に流れる電流との関係(IV特性)を表すグラフである。
A) Evaluation of Insulating Property in High Humidity Atmosphere Evaluation methods and evaluation results of various piezoelectric / electrostrictive actuators manufactured as described above in a high humidity atmosphere will be described below. While changing the strength of the electric field applied between the upper and lower electrodes of the various piezoelectric / electrostrictive actuators manufactured as described above in a high humidity atmosphere of 27 ° C. × 85% RH, between these electrodes The current (IV characteristic) flowing in the was measured. An example of the measurement result will be further described with reference to the accompanying drawings. FIG. 2 is a graph showing the relationship (IV characteristic) between the intensity of the electric field applied between the upper electrode and the lower electrode of the piezoelectric / electrostrictive actuator and the current flowing between the electrodes as described above.
図2のグラフにおいて、本発明の例示的な実施態様に係る圧電/電歪アクチュエータは実線で、従来技術に係る圧電/電歪アクチュエータは点線で、それぞれ表されている。図2のグラフに示すように、本発明に係る圧電/電歪アクチュエータ及び従来技術に係る圧電/電歪アクチュエータの両方において、上部電極と下部電極との間に印加する電界の強度が増大すると、これらの電極間に流れる電流の値が増大する傾向が認められる。しかしながら、同じ電界強度において比較すると、本発明に係る圧電/電歪アクチュエータにおいて流れる電流値は、従来技術に係る圧電/電歪アクチュエータにおいて流れる電流値よりも著しく小さい。即ち、本発明に係る圧電/電歪アクチュエータは、従来技術に係る圧電/電歪アクチュエータと比較して、高湿度雰囲気下における優れた絶縁性を呈することが確認された。斯くして得られた評価結果として、20V/μmの電界強度における電流値[μA]を、個々の圧電/電歪アクチュエータにおける第1直径(D1)、第2直径(D2)、第1層厚(T1)、及び第2層厚(T2)の値と共に、以下の表1に列挙する。 In the graph of FIG. 2, the piezoelectric / electrostrictive actuator according to an exemplary embodiment of the present invention is represented by a solid line, and the piezoelectric / electrostrictive actuator according to the prior art is represented by a dotted line. As shown in the graph of FIG. 2, in both the piezoelectric / electrostrictive actuator according to the present invention and the piezoelectric / electrostrictive actuator according to the prior art, when the strength of the electric field applied between the upper electrode and the lower electrode increases, It is recognized that the value of the current flowing between these electrodes tends to increase. However, when compared at the same electric field strength, the current value flowing in the piezoelectric / electrostrictive actuator according to the present invention is significantly smaller than the current value flowing in the piezoelectric / electrostrictive actuator according to the prior art. That is, it was confirmed that the piezoelectric / electrostrictive actuator according to the present invention exhibits superior insulation in a high humidity atmosphere as compared with the piezoelectric / electrostrictive actuator according to the prior art. As an evaluation result thus obtained, the current value [μA] at an electric field strength of 20 V / μm was calculated from the first diameter (D1), the second diameter (D2), and the first layer thickness of each piezoelectric / electrostrictive actuator. It is listed in the following Table 1 together with the values of (T1) and the second layer thickness (T2).
上述のように、表1においては、第1直径(D1)、第2直径(D2)、第1層厚(T1)、及び第2層厚(T2)の種々の組み合わせの各々について、20V/μmの電界強度での電流値(μA)が上段に、個々の電流値に基づく高湿度雰囲気下における絶縁性の評価結果が下段に、それぞれ列挙されている。尚、高湿度雰囲気下における絶縁性の評価基準としては、20V/μmの電界強度における電流値(μA)が、0.10μA以下である場合は良(○)、0.10μAを超え且つ1.5μA以下である場合は可(△)、1.5μAを超える場合は不良(×)とした。表1に示す結果からも明らかであるように、第1直径(D1)、第2直径(D2)、第1層厚(T1)、及び第2層厚(T2)が特定の関係を満たしている範囲においてのみ、高湿度雰囲気下における絶縁性が良(○)又は可(△)として評価される結果となった。そこで、圧電/電歪アクチュエータの高湿度雰囲気下における絶縁性に対する第1直径(D1)、第2直径(D2)、第1層厚(T1)、及び第2層厚(T2)の影響につき、以下に詳しく考察する。 As described above, in Table 1, for each of the various combinations of the first diameter (D1), the second diameter (D2), the first layer thickness (T1), and the second layer thickness (T2), 20V / The current value (μA) at an electric field strength of μm is listed in the upper row, and the evaluation results of the insulation properties in a high humidity atmosphere based on the individual current values are listed in the lower row. In addition, as an evaluation standard for insulation in a high humidity atmosphere, when the current value (μA) at an electric field strength of 20 V / μm is 0.10 μA or less, it is good (◯), exceeds 0.10 μA and 1. When it was 5 μA or less, it was acceptable (Δ), and when it exceeded 1.5 μA, it was judged as defective (×). As is clear from the results shown in Table 1, the first diameter (D1), the second diameter (D2), the first layer thickness (T1), and the second layer thickness (T2) satisfy a specific relationship. Only in a certain range, the result was evaluated as good (◯) or acceptable (Δ) in the insulation under a high humidity atmosphere. Thus, regarding the influence of the first diameter (D1), the second diameter (D2), the first layer thickness (T1), and the second layer thickness (T2) on the insulation properties of the piezoelectric / electrostrictive actuator in a high humidity atmosphere, Consider the following in detail.
[A−1]第1直径(D1)に対する第2直径(D2)の比率(D2/D1)
先ず、ここでは、第1直径(D1)に対する第2直径(D2)の比率(D2/D1)が高湿度雰囲気下における絶縁性に与える影響について考察する。そこで、表1に列挙した第1直径(D1)、第2直径(D2)、第1層厚(T1)、及び第2層厚(T2)の種々の組み合わせにつき、高湿度雰囲気下における絶縁性の評価結果と共に、第1直径(D1)に対する第2直径(D2)の比率(D2/D1)を以下の表2に列挙する。
[A-1] Ratio of the second diameter (D2) to the first diameter (D1) (D2 / D1)
First, the influence of the ratio (D2 / D1) of the second diameter (D2) to the first diameter (D1) on the insulation in a high humidity atmosphere will be considered. Therefore, in various combinations of the first diameter (D1), the second diameter (D2), the first layer thickness (T1), and the second layer thickness (T2) listed in Table 1, the insulating properties in a high humidity atmosphere Table 2 below lists the ratio (D2 / D1) of the second diameter (D2) to the first diameter (D1).
表2においては、第1直径(D1)、第2直径(D2)、第1層厚(T1)、及び第2層厚(T2)の種々の組み合わせの各々について、第1直径(D1)に対する第2直径(D2)の比率(D2/D1)が上段に、高湿度雰囲気下における絶縁性の評価結果が下段に、それぞれ列挙されている。表2に示す結果からも明らかであるように、第1直径(D1)に対する第2直径(D2)の比率(D2/D1)が0.12以下である場合にのみ、20V/μmの電界強度での電流値に基づく評価結果として可(△)以上の高湿度雰囲気下における絶縁性が達成された。更に、高湿度雰囲気下における絶縁性の評価結果を良(○)とするためには、第1直径(D1)に対する第2直径(D2)の比率(D2/D1)を0.07以下とする必要があることが確認された。 In Table 2, for each of the various combinations of first diameter (D1), second diameter (D2), first layer thickness (T1), and second layer thickness (T2), for the first diameter (D1). The ratio (D2 / D1) of the second diameter (D2) is listed in the upper row, and the evaluation results of the insulating properties in a high humidity atmosphere are listed in the lower row. As is apparent from the results shown in Table 2, the electric field strength of 20 V / μm is obtained only when the ratio (D2 / D1) of the second diameter (D2) to the first diameter (D1) is 0.12 or less. As a result of evaluation based on the current value, insulation in a high-humidity atmosphere of (Δ) or higher was achieved. Furthermore, in order to make the evaluation result of the insulating property in a high humidity atmosphere good (◯), the ratio (D2 / D1) of the second diameter (D2) to the first diameter (D1) is set to 0.07 or less. It was confirmed that there was a need.
但し、第2層厚(T2)が0.04μmであり且つ第2直径(D2)が0.08μmである場合及び第2層厚(T2)が0.04μmであり且つ第2直径(D2)が0.12μmである場合においては、第1直径(D1)(何れの場合も1.2μm)に対する第2直径(D2)の比率(D2/D1)は0.12以下(具体的には、それぞれ0.07及び0.11)であるにも拘わらず、高湿絶縁性が不良(×)となっている。これは、これらの場合において、第2層厚(T2)に対する第2直径(D2)の比率(D2/T2)が適切な範囲(具体的には、前述したように、1.5以下)から逸脱しているために、高湿度雰囲気下における絶縁性が悪化したものと考えられる。 However, when the second layer thickness (T2) is 0.04 μm and the second diameter (D2) is 0.08 μm, and the second layer thickness (T2) is 0.04 μm and the second diameter (D2). Is 0.12 μm, the ratio (D2 / D1) of the second diameter (D2) to the first diameter (D1) (in each case 1.2 μm) is 0.12 or less (specifically, Despite being 0.07 and 0.11), the high-humidity insulation is poor (x). This is because, in these cases, the ratio (D2 / T2) of the second diameter (D2) to the second layer thickness (T2) is within an appropriate range (specifically, as described above, 1.5 or less). Since it deviates, it is thought that the insulation in a high humidity atmosphere deteriorated.
[A−2]第2層厚(T2)に対する第2直径(D2)の比率(D2/T2)
次に、ここでは、第2層厚(T2)に対する第2直径(D2)の比率(D2/T2)が高湿度雰囲気下における絶縁性に与える影響について考察する。そこで、表1に列挙した第1直径(D1)、第2直径(D2)、第1層厚(T1)、及び第2層厚(T2)の種々の組み合わせにつき、高湿度雰囲気下における絶縁性の評価結果と共に、第2層厚(T2)に対する第2直径(D2)の比率(D2/T2)を以下の表3に列挙する。
[A-2] Ratio of second diameter (D2) to second layer thickness (T2) (D2 / T2)
Next, the influence of the ratio (D2 / T2) of the second diameter (D2) to the second layer thickness (T2) on the insulation in a high humidity atmosphere will be considered. Therefore, in various combinations of the first diameter (D1), the second diameter (D2), the first layer thickness (T1), and the second layer thickness (T2) listed in Table 1, the insulating properties in a high humidity atmosphere Table 3 below lists the ratio (D2 / T2) of the second diameter (D2) to the second layer thickness (T2).
表3においては、第1直径(D1)、第2直径(D2)、第1層厚(T1)、及び第2層厚(T2)の種々の組み合わせの各々について、第2層厚(T2)に対する第2直径(D2)の比率(D2/T2)が上段に、高湿度雰囲気下における絶縁性の評価結果が下段に、それぞれ列挙されている。表3に示す結果からも明らかであるように、第2層厚(T2)に対する第2直径(D2)の比率(D2/T2)が1.5以下である場合にのみ、20V/μmの電界強度での電流値に基づく評価結果として可(△)以上の高湿度雰囲気下における絶縁性が達成されることが確認された。 In Table 3, the second layer thickness (T2) for each of the various combinations of the first diameter (D1), the second diameter (D2), the first layer thickness (T1), and the second layer thickness (T2). The ratio (D2 / T2) of the second diameter (D2) to the upper is listed in the upper row, and the evaluation results of the insulation in a high humidity atmosphere are listed in the lower row. As is clear from the results shown in Table 3, an electric field of 20 V / μm is obtained only when the ratio (D2 / T2) of the second diameter (D2) to the second layer thickness (T2) is 1.5 or less. As an evaluation result based on the current value in terms of strength, it was confirmed that insulation in a high humidity atmosphere of acceptable (Δ) or higher was achieved.
但し、第2直径(D2)が0.20μmであり且つ第2層厚(T2)が0.18μm乃至1.50μmである場合においては、第2層厚(T2)に対する第2直径(D2)の比率(D2/T2)が1.5以下(具体的には、それぞれ1.25、1.00、0.67、0.50、0.25、0.17、及び0.13)であるにも拘わらず、高湿絶縁性が不良(×)となっている。これは、これらの場合において、第1直径(D1)に対する第2直径(D2)の比率(D2/D1)が適切な範囲(具体的には、前述したように、0.12以下)から逸脱しているために、高湿度雰囲気下における絶縁性が悪化したものと考えられる。 However, when the second diameter (D2) is 0.20 μm and the second layer thickness (T2) is 0.18 μm to 1.50 μm, the second diameter (D2) with respect to the second layer thickness (T2). Ratio (D2 / T2) is 1.5 or less (specifically, 1.25, 1.00, 0.67, 0.50, 0.25, 0.17, and 0.13, respectively). Nevertheless, the high-humidity insulation is poor (x). In these cases, the ratio (D2 / D1) of the second diameter (D2) to the first diameter (D1) deviates from an appropriate range (specifically, as described above, 0.12 or less). Therefore, it is considered that the insulation in a high humidity atmosphere deteriorated.
上述のA−1及びA−2における考察から、高湿度雰囲気下における絶縁性(高湿絶縁性)を良好なものとするためには、第1直径(D1)に対する第2直径(D2)の比率(D2/D1)及び第2層厚(T2)に対する第2直径(D2)の比率(D2/T2)の両方が適切な範囲にある必要があることが示唆された。そこで、以下のA−3において、上述のA−1及びA−2における種々のデータを整理し、第1直径(D1)に対する第2直径(D2)の比率(D2/D1)と第2層厚(T2)に対する第2直径(D2)の比率(D2/T2)との種々の組み合わせにおける高湿絶縁性を改めて評価する。 From the above considerations in A-1 and A-2, in order to improve the insulation (high-humidity insulation) in a high-humidity atmosphere, the second diameter (D2) with respect to the first diameter (D1) It was suggested that both the ratio (D2 / D1) and the ratio of the second diameter (D2) to the second layer thickness (T2) (D2 / T2) need to be in an appropriate range. Therefore, in the following A-3, various data in the above-described A-1 and A-2 are arranged, the ratio (D2 / D1) of the second diameter (D2) to the first diameter (D1) and the second layer. The high-humidity insulating properties in various combinations with the ratio (D2 / T2) of the second diameter (D2) to the thickness (T2) are evaluated again.
[A−3]D2/D1とD2/T2との種々の組み合わせにおける高湿絶縁性
上述のように、ここでは、上述のA−1及びA−2における種々のデータを整理し、第1直径(D1)に対する第2直径(D2)の比率(D2/D1)と第2層厚(T2)に対する第2直径(D2)の比率(D2/T2)との種々の組み合わせにおける高湿絶縁性について改めて考察する。そこで、表1及び表2に列挙したデータに基づき、D2/D1とD2/T2との種々の組み合わせにおける高湿絶縁性の評価結果をグラフとして纏めたものを図3に示す。図3に示すグラフにおいて、個々のプロットにおいて表示されている記号は、それぞれ、高湿度雰囲気下における絶縁性の評価結果(良(○)、可(△)、及びf不良(×))を表す。
[A-3] High-humidity insulation in various combinations of D2 / D1 and D2 / T2 As described above, here, various data in the above-described A-1 and A-2 are arranged, and the first diameter High humidity insulation in various combinations of ratio (D2 / D1) of second diameter (D2) to (D1) and ratio (D2 / T2) of second diameter (D2) to second layer thickness (T2) Consider again. Therefore, FIG. 3 shows a graph summarizing the evaluation results of the high-humidity insulation in various combinations of D2 / D1 and D2 / T2 based on the data listed in Tables 1 and 2. In the graph shown in FIG. 3, the symbols displayed in the individual plots represent the evaluation results of insulating properties (good (◯), acceptable (Δ), and f-defective (×)) in a high humidity atmosphere, respectively. .
図3に示すグラフからも明らかであるように、高湿度雰囲気下における絶縁性(高湿絶縁性)を良好なものとするためには、第1直径(D1)に対する第2直径(D2)の比率(D2/D1)及び第2層厚(T2)に対する第2直径(D2)の比率(D2/T2)の両方が適切な範囲にある必要があることが確認された。具体的には、高湿絶縁性を良好なものとするためには、第1直径(D1)に対する第2直径(D2)の比率(D2/D1)が0.12以下、より好ましくは0.07いかであり、且つ第2層厚(T2)に対する第2直径(D2)の比率(D2/T2)が1.5以下である必要がある。 As is clear from the graph shown in FIG. 3, in order to improve the insulation (high-humidity insulation) in a high-humidity atmosphere, the second diameter (D2) with respect to the first diameter (D1) It was confirmed that both the ratio (D2 / D1) and the ratio (D2 / T2) of the second diameter (D2) to the second layer thickness (T2) need to be in an appropriate range. Specifically, in order to improve the high-humidity insulation, the ratio (D2 / D1) of the second diameter (D2) to the first diameter (D1) is 0.12 or less, more preferably 0.8. And the ratio (D2 / T2) of the second diameter (D2) to the second layer thickness (T2) needs to be 1.5 or less.
B)高湿度雰囲気下における絶縁性の評価
前述のように、圧電/電歪セラミックスを含んでなる第2圧電/電歪層といえども、その層厚が過大であると、第1圧電/電歪層の圧電変位を阻害する要因となり得る。そこで、本実施例においては、上述のようにして製造した種々の圧電/電歪アクチュエータの各々について圧電変位の大きさを測定した。尚、圧電変位は、個々の圧電/電歪アクチュエータの電極間に4kV/mmの電界を印加した際の厚み方向の変位量をレーザードップラーにて測定することによって求めた。斯くして得られた圧電変位[nm]を、個々の圧電/電歪アクチュエータにおける第1直径(D1)、第2直径(D2)、第1層厚(T1)、及び第2層厚(T2)の値と共に、以下の表4に列挙する。
B) Evaluation of insulation in a high humidity atmosphere As described above, even if the second piezoelectric / electrostrictive layer containing piezoelectric / electrostrictive ceramics is too thick, the first piezoelectric / electrostrictive layer is This may be a factor that hinders the piezoelectric displacement of the strained layer. Therefore, in this example, the magnitude of the piezoelectric displacement was measured for each of the various piezoelectric / electrostrictive actuators manufactured as described above. The piezoelectric displacement was determined by measuring the amount of displacement in the thickness direction when an electric field of 4 kV / mm was applied between the electrodes of each piezoelectric / electrostrictive actuator with a laser Doppler. The piezoelectric displacement [nm] thus obtained is converted into the first diameter (D1), the second diameter (D2), the first layer thickness (T1), and the second layer thickness (T2) in each piezoelectric / electrostrictive actuator. ) And the following values are listed in Table 4.
上述のように、表4においては、第1直径(D1)、第2直径(D2)、第1層厚(T1)、及び第2層厚(T2)の種々の組み合わせの各々について、上述のようにして測定された圧電変位[nm]が列挙されている。尚、圧電変位の評価基準としては、測定値が345nm以上である場合は良(○)、345nm未満である場合は不良(×)とした。表4に示す結果からも明らかであるように、第1層厚(T1)に対する第2層厚(T2)の比率(T2/T1)が0.11以下である場合にのみ、十分な圧電変位が維持される結果となった。即ち、第1層厚(T1)に対する第2層厚(T2)の比率(T2/T1)が0.11を超える程度にまで第2圧電/電歪層を厚くすると、第1圧電/電歪層による圧電変位が阻害されることが確認された。 As described above, in Table 4, each of the various combinations of the first diameter (D1), the second diameter (D2), the first layer thickness (T1), and the second layer thickness (T2) is described above. The piezoelectric displacements [nm] measured in this way are listed. In addition, as an evaluation standard of piezoelectric displacement, when the measured value was 345 nm or more, it was set as good ((circle)), and when it was less than 345 nm, it was set as bad (x). As is clear from the results shown in Table 4, only when the ratio (T2 / T1) of the second layer thickness (T2) to the first layer thickness (T1) is 0.11 or less, sufficient piezoelectric displacement is achieved. Was maintained. That is, when the second piezoelectric / electrostrictive layer is thickened so that the ratio (T2 / T1) of the second layer thickness (T2) to the first layer thickness (T1) exceeds 0.11, the first piezoelectric / electrostrictive layer is increased. It was confirmed that the piezoelectric displacement by the layer was inhibited.
以上、本発明を説明することを目的として、特定の構成を有する幾つかの実施態様について説明してきたが、本発明の範囲は、これらの例示的な実施態様に限定されるものではなく、特許請求の範囲及び明細書に記載された事項の範囲内で、適宜修正を加えることができることは言うまでも無い。 Although several embodiments having specific configurations have been described above for the purpose of illustrating the present invention, the scope of the present invention is not limited to these exemplary embodiments, and patents Needless to say, modifications can be made as appropriate within the scope of the claims and the description of the specification.
Claims (11)
周囲雰囲気に最も近い前記積層体において、
周囲雰囲気側の前記電極と前記第1圧電/電歪層との間に、圧電/電歪セラミックスを含んでなる第2圧電/電歪層を更に備え、
前記第2圧電/電歪層の主面に平行な面における前記第2圧電/電歪層を構成する圧電/電歪セラミックスの結晶粒の直径の平均値である第2直径が、前記第1圧電/電歪層の主面に平行な面における前記第1圧電/電歪層を構成する圧電/電歪セラミックスの結晶粒の直径の平均値である第1直径の0.12倍以下であり、且つ
前記第2直径が、前記第2圧電/電歪層の主面の法線方向における厚みである第2層厚の1.5倍以下である、
圧電/電歪アクチュエータ。 Comprising at least one laminate comprising a first piezoelectric / electrostrictive layer comprising piezoelectric / electrostrictive ceramics and a pair of electrodes respectively disposed on both sides of the first piezoelectric / electrostrictive layer; An operation portion corresponding to a portion where the first piezoelectric / electrostrictive layer is sandwiched between the pair of electrodes, and the first piezoelectric / electrostrictive layer is not sandwiched between the pair of electrodes. A piezoelectric / electrostrictive actuator comprising a piezoelectric / electrostrictive element having a non-actuating part corresponding to a part,
In the laminate closest to the ambient atmosphere,
A second piezoelectric / electrostrictive layer comprising piezoelectric / electrostrictive ceramics between the electrode on the ambient atmosphere side and the first piezoelectric / electrostrictive layer;
A second diameter, which is an average value of the diameters of crystal grains of the piezoelectric / electrostrictive ceramics constituting the second piezoelectric / electrostrictive layer in a plane parallel to the main surface of the second piezoelectric / electrostrictive layer, is the first diameter. It is not more than 0.12 times the first diameter which is the average value of the diameters of the crystal grains of the piezoelectric / electrostrictive ceramics constituting the first piezoelectric / electrostrictive layer in a plane parallel to the main surface of the piezoelectric / electrostrictive layer. And the second diameter is not more than 1.5 times the second layer thickness which is the thickness in the normal direction of the main surface of the second piezoelectric / electrostrictive layer.
Piezoelectric / electrostrictive actuator.
前記第2直径が前記第1直径の0.07倍以下である、
圧電/電歪アクチュエータ。 The piezoelectric / electrostrictive actuator according to claim 1,
The second diameter is 0.07 times or less of the first diameter;
Piezoelectric / electrostrictive actuator.
前記第2層厚が、前記第1圧電/電歪層の主面の法線方向における厚みである第1層厚の0.11倍以下である、
圧電/電歪アクチュエータ。 The piezoelectric / electrostrictive actuator according to any one of claims 1 and 2,
The second layer thickness is not more than 0.11 times the first layer thickness which is the thickness in the normal direction of the main surface of the first piezoelectric / electrostrictive layer.
Piezoelectric / electrostrictive actuator.
前記第2直径が0.20μm以下である、
圧電/電歪アクチュエータ。 The piezoelectric / electrostrictive actuator according to any one of claims 1 to 3,
The second diameter is 0.20 μm or less;
Piezoelectric / electrostrictive actuator.
前記圧電/電歪素子が基板上に配置されている、
圧電/電歪アクチュエータ。 The piezoelectric / electrostrictive actuator according to any one of claims 1 to 4,
The piezoelectric / electrostrictive element is disposed on a substrate;
Piezoelectric / electrostrictive actuator.
前記基板が薄肉部を有しており、その薄肉部の少なくとも一部を覆うように前記圧電/電歪素子が配置されている、
圧電/電歪アクチュエータ。 The piezoelectric / electrostrictive actuator according to claim 5,
The substrate has a thin portion, and the piezoelectric / electrostrictive element is disposed so as to cover at least a part of the thin portion,
Piezoelectric / electrostrictive actuator.
前記圧電/電歪素子が、前記基板上の前記薄肉部に対応する領域に固着されている、
圧電/電歪アクチュエータ。 The piezoelectric / electrostrictive actuator according to claim 6,
The piezoelectric / electrostrictive element is fixed to a region corresponding to the thin portion on the substrate,
Piezoelectric / electrostrictive actuator.
前記基板と前記圧電/電歪素子が、前記電極を介して固着されている、
圧電/電歪アクチュエータ。 The piezoelectric / electrostrictive actuator according to any one of claims 5 to 7,
The substrate and the piezoelectric / electrostrictive element are fixed via the electrodes,
Piezoelectric / electrostrictive actuator.
周囲雰囲気に最も近い前記積層体において、
周囲雰囲気側の前記電極と前記第1圧電/電歪層との間に、圧電/電歪セラミックスを含んでなる第2圧電/電歪層を更に備え、
前記第2圧電/電歪層の主面に平行な面における前記第2圧電/電歪層を構成する圧電/電歪セラミックスの結晶粒の直径の平均値である第2直径が、前記第1圧電/電歪層の主面に平行な面における前記第1圧電/電歪層を構成する圧電/電歪セラミックスの結晶粒の直径の平均値である第1直径の0.12倍以下であり、且つ
前記第2直径が、前記第2圧電/電歪層の主面の法線方向における厚みである第2層厚の1.5倍以下である、
圧電/電歪アクチュエータ、
の製造方法であって、
前記第1圧電/電歪層は、相対的に高い温度である第1温度における熱処理を伴う固相反応法によって形成され、
前記第2圧電/電歪層は、相対的に低い温度である第2温度における熱処理を伴う薄膜法によって形成される、
圧電/電歪アクチュエータの製造方法。 Comprising at least one laminate comprising a first piezoelectric / electrostrictive layer comprising piezoelectric / electrostrictive ceramics and a pair of electrodes respectively disposed on both sides of the first piezoelectric / electrostrictive layer; An operation portion corresponding to a portion where the first piezoelectric / electrostrictive layer is sandwiched between the pair of electrodes, and the first piezoelectric / electrostrictive layer is not sandwiched between the pair of electrodes. A piezoelectric / electrostrictive actuator comprising a piezoelectric / electrostrictive element having a non-actuating part corresponding to a part,
In the laminate closest to the ambient atmosphere,
A second piezoelectric / electrostrictive layer comprising piezoelectric / electrostrictive ceramics between the electrode on the ambient atmosphere side and the first piezoelectric / electrostrictive layer;
A second diameter, which is an average value of the diameters of crystal grains of the piezoelectric / electrostrictive ceramics constituting the second piezoelectric / electrostrictive layer in a plane parallel to the main surface of the second piezoelectric / electrostrictive layer, is the first diameter. It is not more than 0.12 times the first diameter which is the average value of the diameters of the crystal grains of the piezoelectric / electrostrictive ceramics constituting the first piezoelectric / electrostrictive layer in a plane parallel to the main surface of the piezoelectric / electrostrictive layer. And the second diameter is not more than 1.5 times the second layer thickness which is the thickness in the normal direction of the main surface of the second piezoelectric / electrostrictive layer.
Piezoelectric / electrostrictive actuator,
A manufacturing method of
The first piezoelectric / electrostrictive layer is formed by a solid phase reaction method involving heat treatment at a first temperature, which is a relatively high temperature,
The second piezoelectric / electrostrictive layer is formed by a thin film method involving heat treatment at a second temperature, which is a relatively low temperature.
A method for manufacturing a piezoelectric / electrostrictive actuator.
前記第1温度が800℃以上1300℃未満であり、
前記第2温度が500℃以上700℃未満である、
圧電/電歪アクチュエータの製造方法。 A method for manufacturing a piezoelectric / electrostrictive actuator according to claim 9,
The first temperature is 800 ° C. or higher and lower than 1300 ° C .;
The second temperature is 500 ° C. or higher and lower than 700 ° C.,
A method for manufacturing a piezoelectric / electrostrictive actuator.
前記薄膜法が、ゾル−ゲル法及びスパッタリング法から選ばれる何れか一方の方法を含む、
圧電/電歪アクチュエータの製造方法。 A method for manufacturing a piezoelectric / electrostrictive actuator according to any one of claims 9 and 10,
The thin film method includes any one method selected from a sol-gel method and a sputtering method,
A method for manufacturing a piezoelectric / electrostrictive actuator.
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