JP2693291B2

JP2693291B2 - 圧電／電歪アクチュエータ

Info

Publication number: JP2693291B2
Application number: JP3204845A
Authority: JP
Inventors: 幸久武内; 浩二木村
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1990-07-26
Filing date: 1991-07-19
Publication date: 1997-12-24
Anticipated expiration: 2012-12-24
Also published as: JPH0549270A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】本発明は、圧電／電歪アクチュエータ、中
でも、主にインクジェットプリントヘッド、マイクロホ
ン、発音体（スピーカー等）、各種振動子や発振子等に
用いられるユニモルフ型やバイモルフ型等の、屈曲変位
を発生させるタイプの圧電／電歪アクチュエータに関す
るものである。なお、ここで呼称されるアクチュエータ
とは、電気エネルギーを機械エネルギーに変換、即ち機
械的な変位または応力または振動に変換する素子を意味
するものである。

【０００２】

【背景技術】近年、光学や精密加工等の分野において、
サブミクロンのオーダーで光路長や位置を調整する変位
制御素子が所望されるようになってきており、これに応
えるものとして、強誘電体等の圧電／電歪材料に電界を
加えたときに起こる逆圧電効果や電歪効果に基づくとこ
ろの変位を利用した素子である圧電／電歪アクチュエー
タの開発が進められている。

【０００３】ところで、インクジェットプリントヘッド
等においては、そのような圧電／電歪アクチュエータ構
造として、従来から知られているユニモルフ型やバイモ
ルフ型が、好適に採用されている。そして、そこでは、
そのようなアクチュエータを用いたプリンターの印字品
質・印字速度等の向上が要求されており、それに応える
べく、かかる圧電／電歪アクチュエータの小型高密度
化、低電圧駆動化、高速応答化を図るための開発が進め
られている。

【０００４】また、それらユニモルフ型やバイモルフ型
の圧電／電歪アクチュエータにおいては、大きな屈曲変
位や発生力を得るために、振動板となる基板の厚さを小
さくすることが重要とされるが、かかる基板の厚さを減
少させると、強度が低下するという欠点があった。

【０００５】

【解決課題】ここにおいて、本発明は、かかる事情を背
景にして為されたものであって、その解決すべき課題と
するところは、相対的に低駆動電圧で大変位が得られ、
信頼性が高く、応答速度が早く、且つ発生力が大きく、
また高集積化が可能で、インクジェットプリントヘッ
ド、マイクロホン、発音体（スピーカー等）、各種振動
子や発振子等に好適に用いられる、強度に優れた圧電／
電歪アクチュエータを提供することにある。

【０００６】

【解決手段】そして、本発明にあっては、上記の如き課
題を解決するために、セラミック基板と圧電／電歪駆動
部とから形成されてなる圧電／電歪アクチュエータにお
いて、該セラミック基板に所定大きさの凹所乃至は空孔
部が形成されて、該凹所乃至は空孔部の底部が薄肉厚部
とされていると共に、少なくとも該薄肉厚部における結
晶の平均粒子径が０．１〜２μｍとされてなり、更に前
記圧電／電歪駆動部が、該セラミック基板の前記薄肉厚
部の面上に形成されて、該圧電／電歪駆動部の作動にて
該薄肉厚部が振動板として機能せしめられるように構成
したことを特徴とする圧電／電歪アクチュエータを、そ
の要旨とするものである。

【０００７】また、本発明は、セラミック基板と圧電
／電歪駆動部とから形成されてなる圧電／電歪アクチュ
エータにおいて、該セラミック基板を、所定大きさの空
孔部乃至は欠除部を有する第一の基板に平板状の第二の
基板をグリーンシートの状態で積層し、焼成することに
より、該空孔部乃至は欠除部において凹所が形成され
て、該凹所の底部が薄肉厚部とされてなる一体化された
積層セラミック基板とすると共に、更に前記圧電／電歪
駆動部を、該積層セラミック基板の前記薄肉厚部の面上
に形成して、該圧電／電歪駆動部の作動にて該薄肉厚部
が振動板として機能せしめられるように構成したことを
特徴とする圧電／電歪アクチュエータをも、その要旨と
するものである。

【０００８】

【作用・効果】このような本発明に係る圧電／電歪アク
チュエータは、セラミック基板とその薄肉厚部の面上に
形成された膜状若しくは層状の圧電／電歪駆動部（第一
の電極と第二の電極とそれら電極間に形成された圧電／
電歪層から構成される）とからなるものであるところか
ら、相対的に低駆動電圧にて大変位が得られ、また応答
速度が速く、且つ発生力も大きく、更にはその製造プロ
セスに膜形成プロセスを用いることにより、同一基板面
上に多数個の素子を容易に形成することが出来、かかる
圧電／電歪駆動部の高集積化が可能となる特徴を有して
いる。しかも、かかる圧電／電歪駆動部の形成される薄
肉厚部におけるセラミック結晶の平均粒子径が０．１〜
２μｍとされていることによって、アクチュエータとし
て大きな変位と大きな発生力を効果的に得ることが出来
るのである。

【０００９】また、本発明に従って、そのような圧電／
電歪駆動部形成用の基板として有利に用いられる積層構
造のセラミック基板は、所定大きさの空孔部乃至は欠除
部を有する第一の基板と平板状の第二の基板とを、グリ
ーンシートの状態で積層し、焼成することにより、一体
化してなるものであるところから、かかるセラミック基
板のアクチュエータとして使用する部位を、第一の基板
の空孔部乃至は欠除部に相当する第二の基板部位とする
ことにより、当該部位のみを薄肉厚化することが出来、
以てアクチュエータ基板の強度を低下させることなく、
また隣接する圧電／電歪駆動部同士が変位時に互いに干
渉することなく、アクチュエータの小型化、高集積化を
容易に図ることが出来るのである。

【００１０】特に、本発明にあっては、空孔部乃至は欠
除部を有した第一の基板に、平板状の第二の基板（これ
が振動板として機能する）を貼り合わせ、アクチュエー
タとして必要な部分のみを薄板化し、アクチュエータ用
基板全体としての強度が保持され得る構造とされている
ところから、一つの基板面上に多数の圧電／電歪駆動部
を有するアクチュエータ構造として、機能と強度を両立
させることが出来、非常に有効であり、しかも、第一の
基板と第二の基板がセラミックグリーンシート或いはセ
ラミックグリーンテープの状態で積層され、焼成により
一体化されているところから、非常に信頼性の高い積層
基板を有するものである。

【００１１】なお、本発明に従う圧電／電歪アクチュエ
ータにあっては、低電圧駆動が可能で、しかも大きい屈
曲変位・発生力を得るために、有利には、厚さとして１
００μｍ以下、好ましくは５０μｍ以下である圧電／電
歪駆動部と、厚さとして５０μｍ以下、好ましくは３０
μｍ以下の薄肉厚部（第二の基板厚さ）を有するセラミ
ック積層基板とから構成されることとなる。

【００１２】

【具体的構成・実施例】以下に、本発明に従う圧電／電
歪アクチュエータの具体的構造を示す図面を参照しつ
つ、本発明を、更に具体的に明らかにすることとする。
なお、理解を容易にするために、各図面を通して、同様
の構造乃至は機能を有するものには、同一の符号を付す
ものとする。

【００１３】先ず、図１及び図２には、本発明に係る圧
電／電歪アクチュエータにおいて好適に用いられるセラ
ミック基板の一例が示されている。

【００１４】かかる図において、セラミック基板２は、
所定大きさの矩形の空孔部６を有する第一の基板４と、
その一方の面に重ね合わされた平板状の第二の基板８と
からなり、それら第一及び第二の基板４，８は、グリー
ンシートの状態で積層、一体化され、焼成されることに
より、一体的な構成とされ、以て薄肉厚部８ａを有する
と共に、周縁部を第一の基板４にて補強された構成とさ
れている。即ち、その一体化された基板２は、空孔部６
において凹所が形成されており、またかかる凹所の底部
が薄肉厚部８ａとして構成されているのである。

【００１５】また、図３及び図４に示されるセラミック
基板１０は、第一の基板として上記とは異なる形態のも
のを用いたものであって、ここでは、第一の基板１２に
は、圧電／電歪駆動部の設けられる各部位に位置して、
複数の矩形状の空孔部１４が並列的に設けられている。
そして、そのような第一の基板１２が、第二の基板８と
一体的に積層されることにより、複数の空孔部１４に対
応する部位に所定大きさの凹所が形成され、そして該凹
所の底部が薄肉厚部８ａとして構成されているのであ
る。

【００１６】さらに、図５〜図７に示されるセラミック
基板１６は、第一の基板１８として、圧電／電歪駆動部
が設けられる部位に相当する部分が欠除されて、所定大
きさの欠如部２０が設けられてなるコ字状形状のものを
用い、そのような第一の基板１８に、前記と同様に、平
板状の第二の基板８が一体的に積層、一体化せしめられ
て形成されている。それによって、セラミック基板１６
において、該第一の基板１８の欠如部２０に相当する部
位に薄肉厚部８ａが形成されると共に、第二の基板８の
底部は、その矩形状周縁をコ字状において補強されてい
るのである。このように、第一の基板１８は、それが一
体的な構造を有している限りにおいて、空孔部形態の他
に、欠除された形態のものであってもよいのである。

【００１７】また、図８〜図１０に示されるセラミック
基板３８において、長方形状を為す第一の基板４０は、
圧電／電歪駆動部が設けられる部位に相当する部分が欠
除されて、矩形の空孔部４２が設けられていると共に、
この空孔部４２の長手方向（図において左右方向）の両
端部位に、空孔部４２から所定長さに亘ってそれぞれ切
り欠かれた段部４４が設けられてなる構成とされてい
る。これによって、インクジエットプリントヘッドへの
適用に際し、インクジェットノズル基板を接合した場合
に、インクタンクからインクを導く流路として用いるこ
とが出来るようになっている。そして、この第一の基板
４０に、前記と同様に、平板状の第二の基板８が積層一
体化されているのである。

【００１８】これらの構造によって、アクチュエータと
して必要なセラミック基板部分のみを薄肉化し、アクチ
ュエータ用の基板全体としての強度は維持することが出
来るのである。そして、このような基板構造とすること
により、１つの基板面上に多数の圧電／電歪駆動部を有
するアクチュエータ構造として、機能と強度を両立させ
ることが出来、しかもセラミックの一体焼成物であると
ころから、耐熱性が高く、また非常に信頼性の高い積層
基板とされている。

【００１９】本発明は、上記の如き構造を有する積層
型のセラミック基板を用いて、目的とする圧電／電歪ア
クチュエータを形成したものであって、その幾つかの具
体例が図１１〜図１６に示されている。なお、それら具
体例を示す図面において、セラミック基板２２の下部が
波線表記となっているのは、言うまでもなく、本発明の
主旨とは直接に関わらない部位の図示を省略したためで
あることが理解されるべきである。

【００２０】先ず、図１１に示される圧電／電歪アクチ
ュエータは、セラミック基板２２の空孔部２４が設けら
れている部位（凹所の底部）に相当する面上、即ちセラ
ミック基板２２の薄肉厚部２２ａ上において、第一の電
極膜２６、膜状若しくはシート状の圧電／電歪層２８、
及び第二の電極膜３０が順次積層されて、多層に形成さ
れた一体構造とされている。なお、第一及び第二の電極
膜２６，３０は、それぞれ、圧電／電歪層２８の端部よ
り延び出させられて、リード部２６ａ，３０ａを形成し
ており、それらリード部２６ａ，３０ａを通じて、それ
ぞれの電極膜２６，３０に電圧印加が行なわれるように
なっている。従って、このような構造の圧電／電歪アク
チュエータにおいては、その圧電／電歪層２８に電界が
作用せしめられると、電界誘起歪の横効果により、セラ
ミック基板２２の板面に垂直な方向の屈曲変位乃至は発
生力が発現せしめられるのである。

【００２１】また、図１２は、セラミック基板２２の薄
肉厚部２２ａの面上に、複数の帯状電極膜３２とそれら
を接続する電極接続部３４とからなる櫛形の電極膜３６
ａ及びそれと同形状の電極膜３６ｂが図示の如き配置形
態においてそれぞれ設けられると共に、更にそれらの電
極膜３６ａ，３６ｂ間に、それら電極膜３６ａ，３６ｂ
と接するように、圧電／電歪層２８が形成され、一体構
造とされている例を示している。そして、かかる構造の
圧電／電歪アクチュエータにおいては、その圧電／電歪
層２８に電界が作用せしめられると、電界誘起歪の縦効
果により、セラミック基板２２の板面に垂直な方向の屈
曲変位乃至は発生力が発現せしめられるのである。

【００２２】さらに、図１３は、第一の電極膜２６と圧
電／電歪層２８と第二の電極膜３０とからなる圧電／電
歪駆動部の複数が、別個に、セラミック基板２２上に設
けられてなる例を示すものであり、膜状のアクチュエー
タが好適に用いられる高集積化構造を実現したものであ
る。なお、ここで用いられている基板２２は、図３に示
される如き複数の空孔部が基板の底面側に設けられてな
るものであり、該空孔部に相当する第二の基板部位（薄
肉厚部）に各圧電／電歪駆動部が配設されているのであ
る。

【００２３】更にまた、図１４は、セラミック基板２２
の薄肉厚部２２ａの一方の面上に複数の帯状電極膜３２
が配列され、圧電／電歪層２８にて埋め込まれた状態
で、圧電／電歪駆動部が形成された例であり、該圧電／
電歪駆動部上には、電極膜４６、圧電／電歪層３６、及
び電極膜４６が順次積層一体化せしめられた構造とされ
ている。

【００２４】また、図１５に示される圧電／電歪アクチ
ュエータは、セラミック基板２２において、薄肉厚部２
２ａのみの形状が円形形状とされた例であり、該セラミ
ック基板２２の薄肉厚部２２ａの形状に対応して、その
面上に形成される圧電／電歪層２８及び帯状電極膜３２
からなる圧電／電歪駆動部も、円形形状において設けら
れているのである。

【００２５】さらに、図１６に示されるアクチュエータ
は、セラミック基板２２の薄肉厚部２２ａの両面に、圧
電／電歪駆動部（２６，２８，３０）が設けられた、バ
イモルフ型の圧電／電歪アクチュエータの例である。

【００２６】ところで、これら本発明に従う圧電／電歪
アクチュエータは、具体的には、次のようにして作製さ
れることとなる。

【００２７】先ず、圧電／電歪駆動部が形成されるセラ
ミック基板（２２）に関して、それを形成する材料とし
ては、機械的強度が大きく、後述するように、１４００
℃程度の熱処理が可能で、望ましくは接着剤等を用いる
ことなく圧電／電歪駆動部と積層一体化し得る絶縁体若
しくは誘電体であれば、酸化物系のセラミック材料であ
っても、また非酸化物系のセラミック材料であっても良
いが、その中でも、少なくとも酸化アルミニウム，酸化
マグネシウム，酸化ジルコニウム，窒化アルミニウム，
窒化珪素のうちの何れかを主成分とした材料が、変位や
発生力が大きく、応答速度も速いという優れたアクチュ
エータ特性を得る為に好適に採用され、特に酸化アルミ
ニウムおよび／または酸化ジルコニウムを主成分とした
セラミック材料の使用が好ましい。更に、その中でも、
特に、酸化イットリウム、酸化イッテルビウム、酸化セ
リウム、酸化カルシウム及び酸化マグネシウムからなる
群より選ばれた少なくとも一つの化合物で安定化された
酸化ジルコニウムを主成分とする材料が、薄い基板厚さ
においても高い機械的強度が得られること、高靭性であ
ること、膜形成手法において採用される圧電／電歪材料
との熱処理時の応力が小さいこと、更にその圧電／電歪
材料との化学的な反応性が小さいことから、アクチュエ
ータの基板として有利に用いられる。しかも、このよう
な安定化された酸化ジルコニウム材料からなるセラミッ
ク基板においては、本発明に従うキャビティ構造におい
ても、変位を大きく取り易い利点があるのである。な
お、酸化ジルコニウムを安定化する為の前記化合物の添
加量としては、酸化イットリウムや酸化イッテルビウム
では１モル％〜３０モル％、酸化セリウムでは６モル％
〜５０モル％、酸化カルシウムや酸化マグネシウムでは
５モル％〜４０モル％とすることが好ましいが、その中
でも、特に、酸化イットリウムを安定化剤として用いる
ことが望ましく、その場合には、１．５モル％以上６モ
ル％以下とすることが、更に好ましくは、２モル％以上
４モル％以下とすることが、望ましい。このような添加
範囲で、酸化イットリウムを添加した酸化ジルコニウム
は、その結晶相が部分安定化されることにより、優れた
基板特性を与える。

【００２８】また、そのようなセラミック基板は、有利
には、所定大きさの空孔部乃至は欠除部を有する第一の
基板（４，１２，１８，４０）と、振動板として機能す
る平板状の第二の基板（８）とを用いて、形成されるこ
ととなるが、少なくとも第二の基板材料中には、酸化珪
素（ＳｉＯ，ＳｉＯ₂）が有利に含有せしめられる。こ
の酸化珪素の含有量は、０．５重量％以上、５重量％以
下とすることが好ましく、特に１重量％以上、３重量％
以下とすることが望ましい。このような割合の酸化珪素
の含有は、該第二の基板上に形成される圧電／電歪駆動
部の熱処理時において、圧電／電歪材料との過剰な反応
を避け、良好なアクチュエータ特性を得る上において、
有効である。

【００２９】さらに、本発明に従う圧電／電歪アクチュ
エータにおいて、その高速応答性と大きな変位を得るた
めに、圧電／電歪駆動部が形成される第二のセラミック
基板（８）の厚さ、換言すれば薄肉厚部（８ａ）の厚さ
は、一般に、５０μｍ以下、好ましくは３０μｍ以下、
更に好ましくは１５μｍ以下とすることが望ましい。一
方、第一のセラミック基板（４，１２，１８）の厚さ
は、一般に、３０μｍ以上、好ましくは５０μｍ以上、
更に好ましくは１００μｍ以上とすることが望ましい。
また、アクチュエータとして大きな変位と大きな発生力
を得るために、少なくとも第二のセラミック基板につい
ては、結晶の平均粒子径が０．１〜２μｍであることが
好ましく、更に好ましくは１μｍ以下の平均粒子径が望
ましい。

【００３０】なお、このようなセラミック基板（２，１
０，１６，３８）を加工・成形する方法としては、例え
ば、所定大きさの空孔部乃至は欠除部を有する第一の基
板に、平板状の第二の基板を、グリーンシートの状態で
積層するグリーンシート積層法の他、成形型を用いる加
圧成形、鋳込成形、射出成形等の各種成形法、更には超
音波加工、切削・研削加工等の機械加工によって、空孔
部乃至は欠除部（凹所）を形成する加工法等が挙げられ
るが、中でも、加工応力が残らず、薄肉厚部の板厚の精
度も高い方法であるグリーンシート積層法が好ましく用
いられる。このグリーンシート積層法では、好適には、
両者のグリーンシートを熱圧着により積層し、その後焼
成することにより、一体化せしめられることとなる。ま
た、その一体化に際して、第一の基板と第二の基板の厚
さは、必ずしも同一とする必要はないが、少なくとも焼
成による収縮率が同程度になるようにしたグリーンシー
トを用いることが望ましい。

【００３１】また、第一の基板には、圧電／電歪駆動部
が形成される部位において、所定寸法にて空孔部（６，
１４，４２）乃至は欠除部（２０）が形成されている
が、それら空孔部乃至は欠除部の形成は、予め空孔部乃
至は欠除部を有するようにグリーンシートを成形する方
法の他、レーザー加工や金型によるプレス機械加工、超
音波加工等を用いる方法等を採用して、好適に実施され
るが、中でも、金型による機械加工が、量産性、集積性
に優れることから、有利に用いられる。また、これらの
加工は、基板焼成後に行なうことも可能であるが、より
好ましくはグリーンシート時に行なわれる。

【００３２】なお、このようなセラミック基板の形状、
更には第一の基板に設けられる空孔部乃至は欠除部の形
状としては、例示の如き矩形形状に何等限定されるもの
ではなく、用途に応じて如何なる形状であっても採用可
能であり、例えば円形、楕円形、Ｒ型正方形、Ｒ型長方
形、カプセル形、各種多角形、更にはそれらを組み合わ
せた複合形等の、様々な形状が採用され得るが、特に、
コーナーが丸味を持つ形状、例えばＲ型正方形、Ｒ型長
方形、カプセル形（長円形）、円形、楕円形等が好まし
い。

【００３３】そして、このようなセラミック基板上への
圧電／電歪駆動部の形成は、以下のようにして、行なわ
れることとなる。

【００３４】先ず、圧電／電歪材料のバルクを用いる場
合には、金型を用いたプレス成形法やスラリー原料を用
いたテープ成形法等によって得られた圧電／電歪材料の
生成形体を、前記未焼成のセラミック積層基板の薄肉厚
部面（８ａ）上に熱圧着によって積層し、基板と圧電／
電歪駆動部を同時に焼成する方法があり、この場合に
は、電極は予め後述する膜形成法によって少なくとも積
層基板側或いは圧電／電歪成形体側に形成しておく必要
がある。

【００３５】また、上記と同様にして得られた圧電／電
歪材料の成形体を焼成し、得られた焼結体を、接着剤を
介して前記焼結したセラミック積層基板の薄肉厚部面上
に貼り合わせることによって形成する方法があり、この
場合も、電極は予め後述する膜形成法によって少なくと
も積層基板側或いは圧電／電歪成形体側に形成しておく
必要がある。なお、接着剤としては、導電性を有するも
のが良い。

【００３６】なお、かかる圧電／電歪材料の焼成温度と
しては、８００℃〜１４００℃程度が良く、好ましくは
１０００〜１４００℃の範囲の温度が有利に選択され
る。この場合、組成を制御するために、圧電／電歪材料
の蒸発源の存在下に焼成して、雰囲気制御することが好
ましい。

【００３７】一方、膜形成法によって圧電／電歪駆動部
を形成する場合においては、以下のようにして行なわれ
る。

【００３８】先ず、各材料からなる電極膜（２６，３
０）及び圧電／電歪膜（２８）をセラミック基板（２
２）上に形成するには、公知の各種の膜形成法、例え
ば、スクリーン印刷の如き厚膜法やディッピング等の塗
布法、イオンビーム、スパッタリング、真空蒸着、イオ
ンプレーティング、ＣＶＤ、メッキ等の薄膜法等が適宜
に採用され得るが、それらに何等限定されるものではな
い。なお、圧電／電歪膜（２８）を形成するには、好ま
しくはスクリーン印刷、ディッピング、塗布等による手
法が採用される。これらの手法は、圧電／電歪セラミッ
ク粒子を主成分とするペーストやスラリーを用いて、基
板上に膜形成することが出来、良好なアクチュエータ特
性が得られるからである。また、このようにして、圧電
／電歪駆動部の形成を膜形成法によって行なうと、接着
剤等を用いずにセラミック基板と一体化することが出来
ることから、信頼性、再現性が優れ、更に集積化し易い
こと等から、特に好ましい。また、そのような膜の形状
としては、スクリーン印刷法、フォトリソグラフィ法等
を用いてパターン形成する他、レーザー加工法やスライ
シング、超音波加工等の機械加工法を用い、不必要な部
分を除去してパターン形成しても良い。

【００３９】また、作製されるアクチュエータの構造や
膜の形状は、何等限定されるものではなく、用途に応じ
て如何なる形状でも採用可能であり、例えば三角形、四
角形等の多角形、円、楕円、円環等の円形、櫛状、格子
状またはこれらを組み合わせた特殊形状であっても、何
等差支えない。

【００４０】そして、このようにしてセラミック積層基
板上に形成されたそれぞれの膜（２６，２８，３０）
は、各膜の形成の都度、熱処理されて、基板と一体構造
となるようにされても良く、また全膜を形成した後、同
時に熱処理して各膜が同時に基板に一体的に結合せしめ
られるようにしても良い。なお、薄膜化手法により、電
極膜を形成する場合には、一体化するために必ずしも熱
処理を必要としないことがある。

【００４１】さらに、かかる形成された膜と基板とを一
体化するための熱処理温度としては、一般に８００℃〜
１４００℃程度の温度が採用され、好ましくは１０００
℃〜１４００℃の範囲の温度が有利に選択される。ま
た、圧電／電歪膜（２８）を熱処理する場合には、高温
時に圧電／電歪膜の組成が不安定とならないように、そ
のような圧電／電歪材料の蒸発源と共に、雰囲気制御を
行ないながら、熱処理することが好ましい。

【００４２】なお、上記の方法にて作製される圧電／電
歪駆動部を構成する電極膜（２６，３０）の材料として
は、前記熱処理温度並びに焼成温度程度の高温酸化雰囲
気に耐えられる導体であれば特に限定されるものではな
く、例えば金属単体であっても、合金であっても良く、
また絶縁性セラミックスやガラス等の添加物と金属や合
金との混合物であっても、更には導電性セラミックスで
あっても何等差支えない。より好ましくは、白金、パラ
ジウム、ロジウム等の高融点貴金属類、銀−パラジウ
ム、銀−白金、白金−パラジウム等の合金を主成分とす
る電極材料が好適に用いられる。

【００４３】また、上記混合物において、金属や合金に
添加せしめられるセラミックスとしては、前記基板材料
或いは後述する圧電／電歪材料と同様な材料を用いるこ
とが望ましく、その添加量としては、基板と同じ材料に
おいては５〜３０体積％、また圧電／電歪材料と同じ材
料においては５〜２０体積％程度が好ましい。特に、そ
れら基板材料と圧電／電歪材料を共に上記金属や合金に
混在せしめてなる混合物が、目的とする電極の形成に有
利に用いられる。

【００４４】なお、上記の如き電極材料は、電極が圧電
／電歪材料若しくは基板材料と同時に熱処理されるか、
或いは圧電／電歪材料を熱処理する環境に晒される場合
に、有利に用いられるものである。また、バルクを用い
たアクチュエータ構造において、電極のみを単独で熱処
理する場合や、膜構造を有するアクチュエータにおける
第二の電極膜については、上記電極材料の他に、金、銀
等の材料を使用することも可能である。

【００４５】そして、このような材料を用いて形成され
る電極は、用途に応じて適宜の厚さとされることとなる
が、図１１，１３，１４，１６に示される如き、電界誘
起歪の横効果を用いるタイプにおいては、一般に１５μ
ｍ以下、好ましくは５μｍ以下の厚さにおいて形成され
ることとなり、一方、図１２，１４，１５に示される如
き電界誘起歪の縦効果を用いるタイプにおいては、３μ
ｍ以上が良く、好ましくは１０μｍ以上、更に好ましく
は２０μｍ以上の厚さにおいて形成されることとなる。

【００４６】また、圧電／電歪駆動部を構成する圧電／
電歪材料は、圧電或いは電歪効果等の電界誘起歪を示す
材料であれば、何れの材料を用いても形成され得るもの
であり、結晶質の材料であっても、非晶質の材料であっ
ても良く、また半導体材料であっても、誘電体セラミッ
クス材料や強誘電体セラミックス材料であっても、何等
差支えなく、更には分極処理が必要な材料であっても、
またそれが不必要な材料であっても良いのである。

【００４７】尤も、本発明に用いられる圧電／電歪材料
としては、好ましくはジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ
系）を主成分とする材料、マグネシウムニオブ酸鉛（Ｐ
ＭＮ系）を主成分とする材料、ニッケルニオブ酸鉛（Ｐ
ＮＮ系）を主成分とする材料、亜鉛ニオブ酸鉛を主成分
とする材料、マンガンニオブ酸鉛を主成分とする材料、
アンチモンスズ酸鉛を主成分とする材料、チタン酸鉛を
主成分とする材料、チタン酸バリウムを主成分とする材
料、更にはこれらの複合材料等が用いられる。また、こ
のような圧電／電歪材料に、ランタン、バリウム、ニオ
ブ、亜鉛、セリウム、カドミウム、クロム、コバルト、
アンチモン、鉄、イットリウム、タンタル、タングステ
ン、ニッケル、マンガン、リチウム、ストロンチウム、
カルシウム、ビスマス等の酸化物やそれらの他の化合物
を添加物として含有せしめた材料、例えば、ＰＬＺＴ系
となるように、前記ＰＺＴ系を主成分とする材料に上記
の如き所定の添加物を適宜に加えたものも、好適に使用
される。

【００４８】そして、本発明に従う構造のアクチュエー
タにあっては、アクチュエータの特性の点から、圧電定
数で、｜ｄ₃₁｜が５０×１０^-12〔Ｃ／Ｎ〕以上、若し
くは｜ｄ₃₃｜が１００×１０^-12〔Ｃ／Ｎ〕以上である
材料が、中でも｜ｄ₃₁｜が１００×１０^-12〔Ｃ／Ｎ〕
以上若しくは｜ｄ₃₃｜が２００×１０^-12〔Ｃ／Ｎ〕以
上である材料が、圧電／電歪材料として有利に用いられ
ることとなる。

【００４９】なお、圧電／電歪駆動部の厚さとしては、
一般に１００μｍ以下、好ましくは５０μｍ以下、更に
好ましくは３０μｍ以下とされることが望ましい。

【００５０】以上、本発明を、幾つかの実施例に基づい
て、具体的に説明してきたが、本発明は、上記実施例に
何等限定されて解釈されるべきものではなく、本発明の
範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づい
て、種々なる変更、修正、改良等を加え得るものである
ことが、理解されるべきである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に従うセラミック基板の一例を示す底面
図である。

【図２】図１におけるＩＩ−ＩＩ断面図である。

【図３】本発明に従うセラミック基板の他の例を示す底
面図である。

【図４】図３におけるＩＶ−ＩＶ断面図である。

【図５】本発明に従うセラミック基板の更に異なる例に
おいて、第一及び第二の基板の一体化前の状態を示す斜
視説明図である。

【図６】図５における第一及び第二の基板を一体化して
形成されてなるセラミック基板を示す斜視説明図であ
る。

【図７】図６におけるＶＩＩ−ＶＩＩ断面図である。

【図８】本発明に従うセラミック基板の更に異なる例に
おいて、その底面を示す説明図である。

【図９】図８のＩＸ−ＩＸ断面における第一及び第二の
基板の一体化前の状態を示す断面説明図である。

【図１０】図９の第一及び第二の基板を一体化した後の
状態を示す断面説明図である。

【図１１】本発明に係る圧電／電歪アクチュエータの一
実施例を示す斜視部分説明図である。

【図１２】本発明に係る圧電／電歪アクチュエータの異
なる実施例を示す斜視部分説明図である。

【図１３】本発明に係る圧電／電歪アクチュエータの更
に異なる実施例を示す斜視部分説明図である。

【図１４】本発明に係る圧電／電歪アクチュエータの更
に異なる実施例を示す斜視部分説明図である。

【図１５】本発明に係る圧電／電歪アクチュエータの更
に異なる実施例を示す斜視部分説明図である。

【図１６】本発明に係る圧電／電歪アクチュエータの更
に異なる実施例を示す斜視部分説明図である。

【符号の説明】

２，１０，１６，２２，３８：セラミック基板４，１２，１８，４０：第一の基板６，１４，４２：空孔部２０：欠除部８：第二の基板２６：第一の電極膜２８：圧電／電歪層３０：第二の電極膜３２：帯状電極膜３４：電極接続部４６：電極膜

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミック基板と圧電／電歪駆動部とか
ら形成されてなる圧電／電歪アクチュエータにおいて、
該セラミック基板に所定大きさの凹所が形成されて、該
凹所の底部が薄肉厚部とされていると共に、少なくとも
該薄肉厚部における結晶の平均粒子径が０．１〜２μｍ
とされてなり、更に前記圧電／電歪駆動部が、該セラミ
ック基板の前記薄肉厚部の面上に形成されて、該圧電／
電歪駆動部の作動にて該薄肉厚部が振動板として機能せ
しめられるように構成したことを特徴とする圧電／電歪
アクチュエータ。
【請求項２】セラミック基板と圧電／電歪駆動部とか
ら形成されてなる圧電／電歪アクチュエータにおいて、
該セラミック基板に所定大きさの空孔部が形成されて、
該空孔部の底部が薄肉厚部とされていると共に、少なく
とも該薄肉厚部における結晶の平均粒子径が０．１〜２
μｍとされてなり、更に前記圧電／電歪駆動部が、該セ
ラミック基板の前記薄肉厚部の面上に形成されて、該圧
電／電歪駆動部の作動にて該薄肉厚部が振動板として機
能せしめられるように構成したことを特徴とする圧電／
電歪アクチュエータ。
【請求項３】セラミック基板と圧電／電歪駆動部とか
ら形成されてなる圧電／電歪アクチュエータにおいて、
該セラミック基板を、所定大きさの空孔部乃至は欠除部
を有する第一の基板に平板状の第二の基板をグリーンシ
ートの状態で積層し、焼成することにより、該空孔部乃
至は欠除部において凹所が形成されて、該凹所の底部が
薄肉厚部とされてなる一体化された積層セラミック基板
とすると共に、更に前記圧電／電歪駆動部を、該積層セ
ラミック基板の前記薄肉厚部の面上に形成して、該圧電
／電歪駆動部の作動にて該薄肉厚部が振動板として機能
せしめられるように構成したことを特徴とする圧電／電
歪アクチュエータ。
【請求項４】前記圧電／電歪駆動部が、膜形成によっ
て作製されている請求項１乃至３の何れかに記載の圧電
／電歪アクチュエータ。
【請求項５】前記セラミック基板が、酸化アルミニウ
ム、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム、窒化アルミ
ニウム、窒化珪素の何れかを主成分とする材料よりなる
ことを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の圧電
／電歪アクチュエータ。
【請求項６】前記セラミック基板が、酸化イットリウ
ム、酸化イッテルビウム、酸化セリウム、酸化カルシウ
ム及び酸化マグネシウムからなる群より選ばれた少なく
とも一つの化合物にて安定化された酸化ジルコニウムを
主成分とする材料よりなることを特徴とする請求項１乃
至５の何れかに記載の圧電／電歪アクチュエータ。
【請求項７】前記セラミック基板のうち、少なくとも
前記第二の基板が、酸化珪素の含有量が０．５重量％以
上、５重量％以下であるセラミック材料にて形成されて
いる請求項３乃至６の何れかに記載の圧電／電歪アクチ
ュエータ。
【請求項８】前記セラミック基板の面上に、二つ以上
の圧電／電歪駆動部を、積層形態において若しくは並設
形態において設けた請求項１乃至７の何れかに記載の圧
電／電歪アクチュエータ。
【請求項９】前記セラミック基板の板厚において、少
なくとも前記薄肉厚部が５０μｍ以下である請求項１乃
至８の何れかに記載の圧電／電歪アクチュエータ。
【請求項１０】前記圧電／電歪駆動部の厚さが、１０
０μｍ以下である請求項１乃至９の何れかに記載の圧電
／電歪アクチュエータ。