JP2826078B2 - Piezoelectric / electrostrictive film type actuator - Google Patents
Piezoelectric / electrostrictive film type actuatorInfo
- Publication number
- JP2826078B2 JP2826078B2 JP8263495A JP8263495A JP2826078B2 JP 2826078 B2 JP2826078 B2 JP 2826078B2 JP 8263495 A JP8263495 A JP 8263495A JP 8263495 A JP8263495 A JP 8263495A JP 2826078 B2 JP2826078 B2 JP 2826078B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- piezoelectric
- electrostrictive
- ceramic substrate
- type actuator
- film
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 82
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 67
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 46
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 13
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 12
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 7
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims description 5
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910001928 zirconium oxide Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims description 4
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 claims description 3
- IHWJXGQYRBHUIF-UHFFFAOYSA-N [Ag].[Pt] Chemical compound [Ag].[Pt] IHWJXGQYRBHUIF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 claims description 3
- PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M copper(1+);methylsulfanylmethane;bromide Chemical compound Br[Cu].CSC PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 3
- CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N magnesium oxide Inorganic materials [Mg]=O CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000000395 magnesium oxide Substances 0.000 claims description 3
- AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N magnesium;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[Mg+2] AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 claims description 3
- SWELZOZIOHGSPA-UHFFFAOYSA-N palladium silver Chemical compound [Pd].[Ag] SWELZOZIOHGSPA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052703 rhodium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010948 rhodium Substances 0.000 claims description 3
- MHOVAHRLVXNVSD-UHFFFAOYSA-N rhodium atom Chemical compound [Rh] MHOVAHRLVXNVSD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910001252 Pd alloy Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010408 film Substances 0.000 description 115
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 16
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 12
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 12
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 11
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 10
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 6
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 6
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 6
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 4
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 4
- 238000010304 firing Methods 0.000 description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 4
- 238000007650 screen-printing Methods 0.000 description 4
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 3
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 229910000464 lead oxide Inorganic materials 0.000 description 3
- YEXPOXQUZXUXJW-UHFFFAOYSA-N oxolead Chemical compound [Pb]=O YEXPOXQUZXUXJW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- ZBSCCQXBYNSKPV-UHFFFAOYSA-N oxolead;oxomagnesium;2,4,5-trioxa-1$l^{5},3$l^{5}-diniobabicyclo[1.1.1]pentane 1,3-dioxide Chemical compound [Mg]=O.[Pb]=O.[Pb]=O.[Pb]=O.O1[Nb]2(=O)O[Nb]1(=O)O2 ZBSCCQXBYNSKPV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N Manganese Chemical compound [Mn] PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- NKZSPGSOXYXWQA-UHFFFAOYSA-N dioxido(oxo)titanium;lead(2+) Chemical compound [Pb+2].[O-][Ti]([O-])=O NKZSPGSOXYXWQA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000007598 dipping method Methods 0.000 description 2
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 2
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 2
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 2
- 229910052451 lead zirconate titanate Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011572 manganese Substances 0.000 description 2
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 2
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052788 barium Inorganic materials 0.000 description 1
- DSAJWYNOEDNPEQ-UHFFFAOYSA-N barium atom Chemical compound [Ba] DSAJWYNOEDNPEQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 210000001520 comb Anatomy 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 229910002112 ferroelectric ceramic material Inorganic materials 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 229910052746 lanthanum Inorganic materials 0.000 description 1
- FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N lanthanum atom Chemical compound [La] FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HEPLMSKRHVKCAQ-UHFFFAOYSA-N lead nickel Chemical compound [Ni].[Pb] HEPLMSKRHVKCAQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- JQJCSZOEVBFDKO-UHFFFAOYSA-N lead zinc Chemical compound [Zn].[Pb] JQJCSZOEVBFDKO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N lead zirconate titanate Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ti+4].[Zr+4].[Pb+2] HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010955 niobium Substances 0.000 description 1
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 230000007261 regionalization Effects 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N silicon monoxide Chemical compound [Si-]#[O+] LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 229940071182 stannate Drugs 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 238000001771 vacuum deposition Methods 0.000 description 1
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 1
- 229910052845 zircon Inorganic materials 0.000 description 1
- GFQYVLUOOAAOGM-UHFFFAOYSA-N zirconium(iv) silicate Chemical compound [Zr+4].[O-][Si]([O-])([O-])[O-] GFQYVLUOOAAOGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
- H01H57/00—Electrostrictive relays; Piezoelectric relays
Landscapes
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
- Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)
Description
【０００１】[0001]
【技術分野】本発明は、変位制御素子、個体素子モータ
ー、リレー、スイッチ、シャッター、プリンタヘッド、
ポンプ、ファン、マイクロホン、発音体（スピーカー
等）、インクジェットプリンタ、各種振動子等に好適に
用いられるユニモルフ型、バイモルフ型等の屈曲変位を
発生させるタイプの圧電／電歪型アクチュエータに関す
るものである。なお、ここで言う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
変位または応力に変換する素子を意味するものである。TECHNICAL FIELD The present invention relates to a displacement control element, a solid element motor, a relay, a switch, a shutter, a printer head,
The present invention relates to a unimorph-type or bimorph-type piezoelectric / electrostrictive actuator that is preferably used for a pump, a fan, a microphone, a sound generator (such as a speaker), an ink-jet printer, and various vibrators, and that generates a bending displacement. The actuator referred to here is
It refers to an element that converts electrical energy into mechanical energy, that is, mechanical displacement or stress.
【０００２】[0002]
【背景技術】近年、光学や精密加工等の分野において、
サブミクロンのオーダーで光路長や位置を調整する変位
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。BACKGROUND ART In recent years, in fields such as optics and precision processing,
A displacement control element that adjusts the optical path length and position on the order of sub-microns has been desired. In response to this, it occurs when an electric field is applied to a piezoelectric / electrostrictive material such as a ferroelectric material. A piezoelectric / electrostrictive actuator, which is an element utilizing displacement based on the inverse piezoelectric effect and the electrostrictive effect, is being developed.
【０００３】ところで、かかる圧電／電歪アクチュエー
タの構造としては、従来から、モノモルフ型、ユニモル
フ型、バイモルフ型、及び積層型が知られているが、そ
の中でも、モノモルフ型、ユニモルフ型、バイモルフ型
は、電界誘起歪の横効果を利用して屈曲変位を得るため
に、比較的大きな変位が得られるものの、発生力が小さ
く、また応答速度が遅く、電気機械変換効率が悪いとい
う問題を内在するものであった。一方、積層型は、電界
誘起歪の縦効果を利用しているために、それら発生力や
応答速度において優れ、また電気機械変換効率も高いも
のであるが、発生変位が小さいという問題を内在してい
た。As the structure of such a piezoelectric / electrostrictive actuator, a monomorph type, a unimorph type, a bimorph type, and a laminated type are conventionally known. Among them, the monomorph type, the unimorph type, and the bimorph type are known. Although relatively large displacement can be obtained to obtain bending displacement by using the lateral effect of electric field induced strain, the problem is that the generated force is small, the response speed is slow, and the electromechanical conversion efficiency is poor. Met. On the other hand, the multilayer type is superior in its generated force and response speed and uses high electromechanical conversion efficiency because it utilizes the longitudinal effect of electric field induced strain, but has the problem of small generated displacement. I was
【０００４】しかも、それら従来のユニモルフ型やバイ
モルフ型のアクチュエータにおいては、何れも、圧電／
電歪板等の板状の構成部材を、接着剤等を用いて張り付
けてなる構造を採用するものであるために、アクチュエ
ータとしての作動の信頼性にも問題があるものであっ
た。In addition, in these conventional unimorph type and bimorph type actuators, both
Since a structure in which a plate-shaped component member such as an electrostrictive plate is adhered using an adhesive or the like is employed, there is a problem in reliability of operation as an actuator.
【０００５】このように、従来の圧電／電歪アクチュエ
ータには、それぞれ、一長一短があり、また解決される
べき幾つかの問題を内在するものであったのである。As described above, each of the conventional piezoelectric / electrostrictive actuators has advantages and disadvantages, and has some problems inherent therein to be solved.
【０００６】[0006]
【解決課題】ここにおいて、本発明は、かかる事情を背
景にして為されたものであって、その課題とするところ
は、接着剤等で張り付けた構造ではなく、相対的に低駆
動電圧で大変位が得られ、応答速度が速く、且つ発生力
が大きく、また高集積化が可能である圧電／電歪膜型ア
クチュエータを提供することにある。Here, the present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is not to use a structure bonded with an adhesive or the like but to use a relatively low driving voltage and a very low driving voltage. An object of the present invention is to provide a piezoelectric / electrostrictive film type actuator which can obtain a high response speed, has a high response speed, generates a large force, and can be highly integrated.
【０００７】[0007]
【解決手段】そして、本発明にあっては、上述の如き課
題を解決するために、第一の電極膜と圧電／電歪膜と第
二の電極膜とを順次層状に積層せしめてなる構造の圧電
／電歪駆動部、若しくは所定の間隔を隔てて位置する複
数の帯状電極膜間にそれら電極膜と接するように圧電／
電歪膜を設けてなる構造の圧電／電歪駆動部を、所定の
セラミック基板上に形成してなる圧電／電歪膜型アクチ
ュエータにおいて、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、窒化珪素のうちの何れか１種以上を主成分
とするセラミック材料の多結晶体よりなり、且つ該多結
晶体の少なくとも前記圧電／電歪駆動部の形成部位にお
ける少なくとも結晶粒界に、鉛元素が存在せしめられて
いることを特徴とする圧電／電歪膜型アクチュエータ
を、その要旨とするものである。According to the present invention, in order to solve the above-described problems, a structure in which a first electrode film, a piezoelectric / electrostrictive film, and a second electrode film are sequentially laminated in layers. Or between a plurality of strip-shaped electrode films positioned at a predetermined interval so as to be in contact with these electrode films.
In a piezoelectric / electrostrictive film type actuator in which a piezoelectric / electrostrictive driving section having a structure provided with an electrostrictive film is formed on a predetermined ceramic substrate, the ceramic substrate may be made of aluminum oxide, magnesium oxide, zirconium oxide, A polycrystalline body of a ceramic material containing at least one of aluminum nitride and silicon nitride as a main component, and at least a crystal grain boundary of the polycrystalline body at a portion where the piezoelectric / electrostrictive driving section is formed. And a piezoelectric / electrostrictive film type actuator characterized by the presence of a lead element.
【０００８】なお、このような本発明に従う圧電／電歪
膜型アクチュエータの好ましい態様によれば、前記鉛元
素は、セラミック基板を構成する多結晶体の結晶粒界中
に、４０重量％以上の割合において含有せしめられるこ
ととなる。According to a preferred embodiment of the piezoelectric / electrostrictive film type actuator according to the present invention, the lead element accounts for 40% by weight or more in the crystal grain boundary of the polycrystalline body constituting the ceramic substrate. It will be contained in proportions.
【０００９】また、本発明の他の好ましい態様によれ
ば、前記圧電／電歪膜型アクチュエータにおけるセラミ
ック基板は、０．５重量％以上、５重量％以下の範囲の
酸化珪素を含んでいるのである。According to another preferred embodiment of the present invention, the ceramic substrate in the piezoelectric / electrostrictive film type actuator contains silicon oxide in a range of 0.5% by weight or more and 5% by weight or less. is there.
【００１０】さらに、本発明に従う圧電／電歪膜型アク
チュエータの好ましい態様の一つによれば、前記セラミ
ック基板上には、二つ以上の圧電／電歪駆動部が、積層
形態において若しくは並設形態において設けられ、また
該セラミック基板の板厚は、有利には１００μｍ以下と
されることとなる。Further, according to one preferred embodiment of the piezoelectric / electrostrictive film type actuator according to the present invention, two or more piezoelectric / electrostrictive driving sections are provided on the ceramic substrate in a laminated form or in parallel. Provided in the form, and the plate thickness of the ceramic substrate is advantageously less than 100 μm.
【００１１】更にまた、本発明の好ましい態様の他の一
つによれば、少なくとも前記第一の電極膜或いは少なく
とも前記帯状電極膜は、白金、パラジウム、ロジウムか
らなる高融点貴金属及び銀−パラジウム、銀−白金、白
金−パラジウムからなる合金のうちの少なくとも１種以
上を主成分とする材料から構成されている。According to still another preferred embodiment of the present invention, at least the first electrode film or at least the strip electrode film has a high melting point noble metal made of platinum, palladium and rhodium, and silver-palladium. It is made of a material mainly containing at least one of silver-platinum and platinum-palladium alloys.
【００１２】[0012]
【作用・効果】このような本発明に従う圧電／電歪膜型
アクチュエータ構造によれば、膜状の圧電／電歪体とな
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、更には高集積化が可能となる特徴を発揮するのであ
る。According to the piezoelectric / electrostrictive film type actuator structure according to the present invention, since it becomes a film-like piezoelectric / electrostrictive body, a large displacement can be obtained at a relatively low driving voltage. It has the characteristics that it can be obtained, has a high response speed, has a large generating force, and can be highly integrated.
【００１３】また、本発明は、基板と電極膜、基板と圧
電／電歪膜、または電極膜と圧電／電歪膜を接合する構
成を採用するものであるために、薄板を接合するような
従来のユニモルフ型、バイモルフ型等のアクチュエータ
で採用されている如き接着剤等を何等用いることなく、
一体化して、目的とする圧電／電歪膜型アクチュエータ
を構成することが出来るところから、長期使用に対する
信頼性も高く、また変位量ドリフトも小さい特徴を発揮
するのである。Further, the present invention employs a structure in which a substrate and an electrode film, a substrate and a piezoelectric / electrostrictive film, or an electrode film and a piezoelectric / electrostrictive film are bonded. Without using any adhesive or the like as used in conventional unimorph-type and bimorph-type actuators,
Since the desired piezoelectric / electrostrictive film type actuator can be constituted by integrating the actuators, they exhibit high reliability for long-term use and small displacement drift.
【００１４】特に、鉛元素を含む結晶粒界の位置するセ
ラミック基板部位上に、少なくとも圧電／電歪駆動部を
形成することにより、かかる粒界に生成した鉛元素を含
む低融点材料の効果で、基板と膜とは強固に接着せしめ
られ、また基板と圧電／電歪膜を熱処理すれば、基板と
膜のストレスが緩和され、以て緻密な圧電／電歪膜を得
ることが出来、その結果、振動板となるセラミック基板
への力の伝達が効率よく行なわれるという特徴を発揮す
るのである。In particular, by forming at least a piezoelectric / electrostrictive driving portion on a ceramic substrate portion where a crystal grain boundary containing a lead element is located, the effect of a low melting point material containing a lead element generated on the grain boundary can be obtained. The substrate and the film are firmly adhered to each other, and if the substrate and the piezoelectric / electrostrictive film are subjected to a heat treatment, the stress of the substrate and the film is alleviated, whereby a dense piezoelectric / electrostrictive film can be obtained. As a result, a characteristic is exhibited in which force is efficiently transmitted to the ceramic substrate serving as the diaphragm.
【００１５】また、このような本発明の圧電／電歪膜型
アクチュエータにおいては、鉛元素は、多結晶体である
セラミック基板の結晶粒界中において、酸化物の如き化
合物等の形態で存在しており、それによってセラミック
基板は適度に撓み易くなり、以て大きな変位を示すアク
チュエータが効果的に得られるのである。なお、かかる
効果を有利に達成する上において、そのような鉛元素
は、その粒界中に、一般に粒界物質の全重量に対して４
０重量％以上、好ましくは５０重量％以上、更に好まし
くは６０重量％以上において含まれており、そのような
セラミック基板上に、目的とする圧電／電歪駆動部が構
成されていることが望ましい。In the piezoelectric / electrostrictive film type actuator according to the present invention, the lead element exists in the form of a compound such as an oxide in the crystal grain boundary of the ceramic substrate which is a polycrystal. As a result, the ceramic substrate is easily flexed moderately, so that an actuator exhibiting a large displacement can be effectively obtained. In order to advantageously achieve such an effect, such a lead element is generally contained in the grain boundary in an amount of 4% based on the total weight of the grain boundary material.
It is contained in an amount of 0% by weight or more, preferably 50% by weight or more, more preferably 60% by weight or more, and it is desirable that a target piezoelectric / electrostrictive drive section is formed on such a ceramic substrate. .
【００１６】さらに、本発明に従う圧電／電歪膜型アク
チュエータは、圧電／電歪駆動部が膜状に形成されるた
めに、同一基板面上に多数個の素子を形成することが容
易に出来、かかる圧電／電歪駆動部の高集積化が可能と
なる特徴も有している。Further, in the piezoelectric / electrostrictive film type actuator according to the present invention, since the piezoelectric / electrostrictive driving section is formed in a film shape, a large number of elements can be easily formed on the same substrate surface. In addition, the piezoelectric / electrostrictive drive unit has a feature that enables high integration.
【００１７】なお、本発明に係る圧電／電歪膜型アクチ
ュエータは、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、その厚さは、３０
０μｍ以下、好ましくは１５０μｍ以下とされることが
望ましく、またセラミック基板の板厚としては、１００
μｍ以下、好ましくは５０μｍ以下とされることとな
る。The thickness of the piezoelectric / electrostrictive film type actuator according to the present invention is preferably 30 in order to be able to be driven at a low voltage and to obtain a large bending displacement / generating force.
0 μm or less, preferably 150 μm or less, and the thickness of the ceramic substrate is 100 μm or less.
μm or less, preferably 50 μm or less.
【００１８】[0018]
【具体的構成・実施例】以下に、本発明に従う圧電／電
歪膜型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、
同様の構造を有するものは、同一の符号を付すものとす
る。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be more specifically described with reference to the drawings showing a specific structure of a piezoelectric / electrostrictive film type actuator according to the present invention. In addition, in order to facilitate understanding,
Components having a similar structure are denoted by the same reference numerals.
【００１９】先ず、図１は、本発明におけるセラミック
基板の断面形態を概略的に示すものである。従来のセラ
ミック基板においては、多結晶体であるセラミック基板
を構成する主成分のセラミック粒子（結晶粒）の粒界
（結晶粒界）には、石英ガラス等の介在物が存在するの
みであるが、本発明に従うセラミック基板は、その粒界
に、鉛元素を酸化物等の化合物形態において拡散させる
こと等によって形成される低融点材料を含有するもので
ある。なお、図面中、２４は、セラミック粒子（結晶
粒）であり、２６は粒界を示している。First, FIG. 1 schematically shows a sectional form of a ceramic substrate according to the present invention. In a conventional ceramic substrate, only inclusions such as quartz glass are present at grain boundaries (crystal grain boundaries) of ceramic particles (crystal grains) as main components constituting a polycrystalline ceramic substrate. The ceramic substrate according to the present invention contains a low melting point material formed by diffusing lead element in the form of a compound such as an oxide in the grain boundary. In the drawings, reference numeral 24 denotes ceramic particles (crystal grains), and reference numeral 26 denotes a grain boundary.
【００２０】そして、圧電／電歪膜型アクチュエータを
構成する基板を、本発明に係る、鉛元素が酸化物等の化
合物形態において、有利には４０重量％以上の割合にお
いて粒界に含有されているセラミック基板とすることに
より、緻密な膜で且つ基板との接合性が良好な圧電／電
歪膜駆動部が得られ、これにより、優れたアクチュエー
タ特性を示す圧電／電歪膜型アクチュエータが実現され
るのである。Further, the substrate constituting the piezoelectric / electrostrictive film type actuator may be provided with a lead element in a compound form such as an oxide according to the present invention, preferably in a grain boundary at a ratio of 40% by weight or more. By using a ceramic substrate, a piezoelectric / electrostrictive film drive unit having a dense film and good bonding properties with the substrate can be obtained, thereby realizing a piezoelectric / electrostrictive film type actuator exhibiting excellent actuator characteristics. It is done.
【００２１】また、鉛元素は、酸化物の如き化合物等の
形態において、少なくとも圧電／電歪駆動部が形成され
ているセラミック基板部位の板厚方向全域の結晶粒界に
含まれていることが好ましく、より望ましくは、セラミ
ック基板全体の結晶粒界に均一に含有されていることが
好ましい。The lead element, in the form of a compound such as an oxide, may be contained at least in the crystal grain boundaries in the entire thickness direction of the ceramic substrate portion where the piezoelectric / electrostrictive driving section is formed. Preferably, more preferably, it is preferably uniformly contained in the crystal grain boundaries of the entire ceramic substrate.
【００２２】以下に、本発明に従って、上記の如き構造
を有するセラミック基板を用いて作製された圧電／電歪
膜型アクチュエータの幾つかの具体例について、説明す
ることとする。Hereinafter, some specific examples of the piezoelectric / electrostrictive film type actuator manufactured using the ceramic substrate having the above-described structure according to the present invention will be described.
【００２３】先ず、図２に示される圧電／電歪膜型アク
チュエータは、セラミック基板２の面上に、第一の電極
膜４、圧電／電歪膜６及び第二の電極膜８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４、８は、それぞれ、圧電／電歪
膜６の端部より延び出させられて、リード部４ａ、８ａ
を形成しており、それらリード部４ａ、８ａを通じて、
それぞれの電極膜４、８に電圧印加が行なわれるように
なっている。かかる構造の圧電／電歪膜型アクチュエー
タにおいては、その圧電／電歪膜６に電界が作用せしめ
られると、電界誘起歪の横効果により、セラミック基板
２の板面に垂直な方向の屈曲変位乃至は発生力が発現せ
しめられるのである。First, in the piezoelectric / electrostrictive film type actuator shown in FIG. 2, a first electrode film 4, a piezoelectric / electrostrictive film 6, and a second electrode film 8 are sequentially laminated on the surface of a ceramic substrate 2. As a result, an integrated structure is formed in multiple layers. In addition,
The first and second electrode films 4 and 8 are extended from the ends of the piezoelectric / electrostrictive film 6, respectively, to form lead portions 4a and 8a.
Are formed through the lead portions 4a and 8a.
A voltage is applied to each of the electrode films 4 and 8. In the piezoelectric / electrostrictive film type actuator having such a structure, when an electric field is applied to the piezoelectric / electrostrictive film 6, a bending displacement or a direction perpendicular to the plate surface of the ceramic substrate 2 is caused by a lateral effect of the electric field induced strain. Is a developmental force.
【００２４】また、図３は、セラミック基板２の面上
に、複数の帯状電極１６とそれらを接続する電極接続部
１０とからなる櫛形の電極膜１８ａ及びそれと同形状の
電極膜１８ｂ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１８ａ、１８ｂ間
に、それら電極膜１８ａ、１８ｂと接するように、圧電
／電歪膜６が形成され、一体構造とされている例を示し
ている。かかる構造の圧電／電歪膜型アクチュエータに
おいては、その圧電／電歪膜６に電界が作用せしめられ
ると、電界誘起歪の縦効果により、セラミック基板２の
板面に垂直な方向の屈曲変位乃至は発生力が発現せしめ
られるのである。FIG. 3 shows a comb-shaped electrode film 18a composed of a plurality of strip-shaped electrodes 16 and an electrode connecting portion 10 connecting them, and an electrode film 18b of the same shape on the surface of the ceramic substrate 2. An example is shown in which the piezoelectric / electrostrictive film 6 is provided in such an arrangement form, and is further formed between the electrode films 18a and 18b so as to be in contact with the electrode films 18a and 18b to form an integral structure. ing. In the piezoelectric / electrostrictive film type actuator having such a structure, when an electric field is applied to the piezoelectric / electrostrictive film 6, a bending displacement or a direction perpendicular to the plate surface of the ceramic substrate 2 due to a longitudinal effect of electric field induced strain. Is a developmental force.
【００２５】さらに、図４は、第一の電極膜４と圧電／
電歪膜６と第二の電極膜８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２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。FIG. 4 shows the first electrode film 4 and the piezoelectric /
This shows an example in which a plurality of piezoelectric / electrostrictive driving sections each including the electrostrictive film 6 and the second electrode film 8 are separately provided on the ceramic substrate 2, and a film-like actuator is preferably used. This realizes a highly integrated structure to be used.
【００２６】更にまた、図５は、セラミック基板２の一
方の面上に複数の帯状電極膜１６が配列され、圧電／電
歪膜６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、電極層
２２、圧電／電歪層２８及び電極層２２が順次積層一体
化せしめられた構造とされている。FIG. 5 shows a state in which a plurality of strip-shaped electrode films 16 are arranged on one surface of the ceramic substrate 2 and embedded in the piezoelectric / electrostrictive film 6, and the piezoelectric / electrostrictive driving section is This is an example in which an electrode layer 22, a piezoelectric / electrostrictive layer 28, and an electrode layer 22 are sequentially laminated and integrated on the piezoelectric / electrostrictive driving section.
【００２７】また、図６に示される圧電／電歪膜型アク
チュエータは、セラミック基板２の形状が円形形状とさ
れた例であり、該セラミック基板２の形状に対応して、
その一方の面上に形成される圧電／電歪膜６及び帯状電
極１６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。The piezoelectric / electrostrictive film type actuator shown in FIG. 6 is an example in which the ceramic substrate 2 has a circular shape.
The piezoelectric / electrostrictive driving section including the piezoelectric / electrostrictive film 6 and the strip electrode 16 formed on one surface is also provided in a circular shape.
【００２８】さらに、図７〜図９に示されるアクチュエ
ータは、それぞれ、複数の圧電／電歪駆動部（４、６、
８）が、セラミック基板２上に並設形態において設けら
れた例であり、特に図７及び図８に示されるアクチュエ
ータにおいては、それら複数の圧電／電歪駆動部（４、
６、８）の間に位置するセラミック基板２にスリット２
０が入れられて、それぞれの圧電／電歪駆動部が互いに
独立した形態とされている。なお、図７において、１４
は、圧電／電歪膜６の背部で、第一、第二の電極膜４、
８を電気的に絶縁する絶縁膜である。また、図９のアク
チュエータにおいては、セラミック基板２は、長手の矩
形孔１２が設けられて梯子状とされており、そして該矩
形孔１２、１２に挟まれた接続部２ａ上に、圧電／電歪
駆動部（４、６、８）がそれぞれ形成された構造とされ
ている。Further, each of the actuators shown in FIGS. 7 to 9 has a plurality of piezoelectric / electrostrictive driving units (4, 6,
8) is an example in which the plurality of piezoelectric / electrostrictive driving units (4, 4) are provided in the form of juxtaposition on the ceramic substrate 2, particularly in the actuators shown in FIGS.
The slits 2 are formed in the ceramic substrate 2 located between 6, 8).
0 is inserted, and each piezoelectric / electrostrictive drive section is in a form independent of each other. In FIG. 7, 14
Is the back of the piezoelectric / electrostrictive film 6, and the first and second electrode films 4,
8 is an insulating film that electrically insulates 8. In the actuator shown in FIG. 9, the ceramic substrate 2 is formed in a ladder shape with a long rectangular hole 12 provided thereon, and a piezoelectric / electrical electrode is provided on the connecting portion 2a sandwiched between the rectangular holes 12. It has a structure in which the strain drive sections (4, 6, 8) are formed respectively.
【００２９】ところで、本発明に従う圧電／電歪膜型ア
クチュエータは、上記のように、圧電／電歪駆動部を構
成する電極、圧電／電歪体が膜形成により作製されてお
り、そして熱処理によってセラミック基板と圧電／電歪
駆動部とが一体構造とされ、接着剤は何等用いられてい
ない特徴を有するものであるが、そのような圧電／電歪
膜型アクチュエータは、例えば、次のようにして作製さ
れることとなる。Incidentally, in the piezoelectric / electrostrictive film type actuator according to the present invention, as described above, the electrodes and the piezoelectric / electrostrictive body constituting the piezoelectric / electrostrictive driving section are manufactured by forming a film, and the film is formed by heat treatment. The ceramic substrate and the piezoelectric / electrostrictive drive unit are of an integral structure, and have the feature that no adhesive is used. Such a piezoelectric / electrostrictive film type actuator is, for example, as follows. It will be manufactured by.
【００３０】先ず、圧電／電歪駆動部を形成するセラミ
ック基板（２）に関して、基板材料としては、機械的強
度が大きく、後述するように、８００〜１５００℃程度
の熱処理が可能な絶縁体若しくは誘電体であれば、酸化
物系であっても、非酸化物系であっても良いが、本発明
にあっては、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
何れかの１種以上を主成分とした材料が採用される。な
お、ここで、主成分とは、全体の５０重量％以上の割合
において含有されているものとする。本発明では、それ
ら材料を用いて形成した基板（多結晶体）の粒界に、鉛
元素を、酸化物の如き化合物等の形態において、含有す
ることとなるので、特に、酸化アルミニウムまたは酸化
ジルコニウムを主成分とした基板が、板厚が薄くても優
れたアクチュエータ用基板特性が得られるところから、
有利に用いられることとなり、更に、酸化アルミニウム
を主成分とした基板が好ましく用いられる。First, as for the ceramic substrate (2) forming the piezoelectric / electrostrictive drive section, the substrate material has a large mechanical strength and, as will be described later, an insulator or a heat-treatable material at about 800 to 1500 ° C. As long as it is a dielectric, it may be an oxide-based or non-oxide-based, but in the present invention, any one of aluminum oxide, magnesium oxide, zirconium oxide, aluminum nitride, and silicon nitride is used. A material containing at least one of the above as a main component is employed. Here, it is assumed that the main component is contained in a proportion of 50% by weight or more of the whole. In the present invention, a lead element is contained in the form of a compound such as an oxide in a grain boundary of a substrate (polycrystal) formed using such a material, and therefore, in particular, aluminum oxide or zirconium oxide The main component is that the substrate has excellent actuator characteristics even if the thickness is small.
It is advantageously used, and a substrate containing aluminum oxide as a main component is preferably used.
【００３１】なお、そのようなセラミック基板材料中に
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、後述する圧電／電歪材料との熱処理中の過剰
な反応を避け、良好なアクチュエータ特性を得る上にお
いて重要なことである一方、鉛元素を酸化物等の形態に
おいて粒界に均一に含有せしめて、適度な低融点材料を
形成するためにも重要なこととなるのである。Incidentally, silicon oxide (SiO, SiO 2 ) is advantageously contained in such a ceramic substrate material. The content of the silicon oxide is 0.5% by weight or more,
5% by weight or less, preferably 1% by weight or more and 3% by weight
It is desirable to make the following. The content of silicon oxide in such a ratio is important for avoiding an excessive reaction during the heat treatment with the piezoelectric / electrostrictive material described later and obtaining good actuator characteristics. This is important for forming a moderately low-melting-point material by allowing it to be uniformly contained in the grain boundary in the above-mentioned form.
【００３２】ところで、セラミック基板の粒界に鉛元素
を酸化物等の形態において含有せしめる方法としては、
例えば、鉛元素を単体形態或いは化合物形態で含有する
雰囲気中で、セラミック粒子の粒界に鉛元素が酸化物等
の形態において均一に拡散出来る７００℃以上の温度条
件において、セラミック基板を熱処理する方法が好まし
い。また、鉛単体や、酸化物、酸素酸塩の如き鉛元素を
含む化合物を、セラミック基板のグリーンシート中に混
入して、或いはグリーンシートの表面に塗布した後、焼
成することにより、鉛元素を粒界中に導入することも可
能である。更に、セラミック基板の鉛元素を含有せしめ
るべき所定の部位に、鉛単体や鉛元素を含む化合物を載
置したり、それらを含むペーストを塗布したりして、前
記の熱処理を施すことによっても、セラミック基板の目
的とする部位の粒界中に鉛元素を導入することが可能で
ある。By the way, as a method for incorporating the lead element in the form of an oxide or the like in the grain boundaries of the ceramic substrate,
For example, a method of heat-treating a ceramic substrate in an atmosphere containing lead element in a simple form or a compound form under a temperature condition of 700 ° C. or more at which lead element can be uniformly diffused in the form of an oxide or the like at grain boundaries of ceramic particles. Is preferred. Also, a lead element such as elemental lead, an oxide, or a compound containing a lead element such as an oxyacid salt is mixed into a green sheet of a ceramic substrate, or is applied to the surface of the green sheet, and then baked to reduce the lead element. It is also possible to introduce them into the grain boundaries. Furthermore, by placing a simple substance or a compound containing a lead element on a predetermined portion of the ceramic substrate where the lead element is to be contained, or by applying a paste containing them, and by performing the heat treatment, It is possible to introduce lead element into the grain boundary of the target portion of the ceramic substrate.
【００３３】なお、上記の熱処理による鉛元素の導入
は、後述する圧電／電歪駆動部の形成に先立って行なわ
れるものの他、かかる圧電／電歪駆動部の形成時におけ
る熱処理、即ち電極膜や圧電／電歪膜の焼成と同時に実
施することも出来、その場合には、その焼成雰囲気中に
鉛元素が単体状態若しくは化合物形態で存在せしめられ
ることとなる。It should be noted that the introduction of lead element by the above-mentioned heat treatment is carried out prior to the formation of the piezoelectric / electrostrictive drive section described later, and also the heat treatment at the time of forming such a piezoelectric / electrostrictive drive section, that is, the electrode film or the like. It can be carried out simultaneously with the firing of the piezoelectric / electrostrictive film, in which case the lead element is present in the firing atmosphere in a simple state or in a compound form.
【００３４】また、本発明に従う圧電／電歪膜型アクチ
ュエータにおいて、その高速応答性と大きな屈曲変位を
得る為には、本発明のセラミック基板の厚さは、一般に
１００μｍ以下、好ましくは５０μｍ以下、更に好まし
くは３０μｍ以下とすることが望ましい。また、その曲
げ強度としては、５００ｋｇｆ／ｃｍ2 以上が好まし
く、特に１０００ｋｇｆ／ｃｍ2 以上であることが望ま
しい。In the piezoelectric / electrostrictive film type actuator according to the present invention, in order to obtain high-speed response and large bending displacement, the thickness of the ceramic substrate of the present invention is generally 100 μm or less, preferably 50 μm or less. More preferably, it is desirable to be 30 μm or less. Further, examples of the flexural strength, it is desirable that preferably 500 kgf / cm 2 or more, in particular 1000 kgf / cm 2 or more.
【００３５】なお、かかるセラミック基板としては、予
め焼結した基板を用いてもよく、また基板材料のグリー
ンシートを用い、後記の膜形成を行なった後に焼結させ
てもよいが、中でも、予め焼結した基板が、素子の反り
を小さくすることが出来ると共に、パターン寸法精度が
得られることから、有利に用いられることとなる。As such a ceramic substrate, a substrate sintered in advance may be used, or a green sheet of a substrate material may be used and sintered after forming a film described later. The sintered substrate can be advantageously used because the warpage of the element can be reduced and the pattern dimensional accuracy can be obtained.
【００３６】また、このようなセラミック基板の形状と
しては、何等限定されるものではなく、用途に応じて如
何なる形状であっても採用可能であり、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。The shape of such a ceramic substrate is not limited at all, and any shape can be adopted depending on the application.
Even polygons such as quadrilaterals, circles, ellipses, circles such as rings, combs, lattices, or special shapes combining these,
No problem.
【００３７】そして、これら基板上への圧電／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。先ず、各材料からなる電極膜（４、８）及び圧電／
電歪膜（６）をセラミック基板（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、スパッタリング、
真空蒸着、メッキ等の薄膜法等が適宜採用され得るが、
それらに何等限定されるものではない。なお、圧電／電
歪膜（６）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好適に採用され
る。これらの手法は、平均粒径０．１〜５μｍ、好まし
くは０．１〜２μｍの圧電／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、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形
成しても良く、特に、レーザー加工法や機械加工法を用
いて基板と膜を同時に加工し、圧電／電歪駆動部の集積
度を向上させることが好ましい。The formation of the piezoelectric / electrostrictive drive section on these substrates is performed as follows. First, the electrode films (4, 8) made of each material and the piezoelectric /
In order to form the electrostrictive film (6) on the ceramic substrate (2), various known film forming methods, for example, a thick film method such as screen printing, a coating method such as dipping, sputtering,
Vacuum deposition, a thin film method such as plating may be appropriately adopted,
They are not limited in any way. In order to form the piezoelectric / electrostrictive film (6), a method such as screen printing, dipping, or coating is preferably employed. These methods can form a film on a substrate using a paste or a slurry mainly composed of piezoelectric / electrostrictive ceramic particles having an average particle diameter of 0.1 to 5 μm, preferably 0.1 to 2 μm, This is because good actuator characteristics can be obtained. In addition, as for the shape of such a film, in addition to pattern formation using a screen printing method, a photolithography method, or the like, a laser processing method, slicing, or a mechanical processing method such as ultrasonic processing is used to remove unnecessary portions. In particular, it is preferable to simultaneously process the substrate and the film using a laser processing method or a mechanical processing method to improve the degree of integration of the piezoelectric / electrostrictive driving unit.
【００３８】また、作製されるアクチュエータの構造や
電極膜の形状は、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。The structure of the actuator to be manufactured and the shape of the electrode film are not limited at all, and any shape can be adopted according to the application. For example, a polygon such as a triangle and a quadrangle, a circle and an ellipse can be used. , A circular shape such as a ring, a comb shape, a grid shape, or a special shape obtained by combining these shapes can be used.
【００３９】そして、かくしてセラミック基板（２）上
に形成されたそれぞれの電極膜（４或いは１６）及び圧
電／電歪膜（６）は、それらの膜の形成の都度、熱処理
されて、基板と一体構造となるようにされても良く、ま
た、例えば電極膜（４或いは１６）及び圧電／電歪膜
（６）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、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、８００℃〜１５００℃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（６）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
発源の配置と共に、雰囲気制御を行ないながら、熱処理
することが好ましい。Each of the electrode films (4 or 16) and the piezoelectric / electrostrictive film (6) thus formed on the ceramic substrate (2) is subjected to a heat treatment every time these films are formed, so that the substrate and the substrate are separated from each other. It may be made into an integral structure, and for example, an electrode film (4 or 16) and a piezoelectric / electrostrictive film
After the formation of (6), heat treatment may be performed at the same time so that the respective films are simultaneously and integrally bonded to the substrate. As a heat treatment temperature for integrating the formed film and the substrate, a temperature of about 800 ° C. to 1500 ° C. is adopted, and a temperature in the range of 1000 ° C. to 1400 ° C. is advantageously selected. . When the piezoelectric / electrostrictive film (6) is subjected to a heat treatment, the arrangement of the piezoelectric / electrostrictive material evaporation source and the atmosphere are controlled so that the composition of the piezoelectric / electrostrictive film does not become unstable at a high temperature. It is preferable to perform heat treatment while performing control.
【００４０】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（４或いは１６）の材料とし
ては、前記熱処理温度程度の高温酸化雰囲気に耐えられ
る導体であれば特に規定されるものではなく、例えば金
属単体であっても、合金であっても採用可能であり、ま
た絶縁性セラミックス等の添加物が配合された金属や合
金と絶縁セラミックス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
の合金の少なくとも１種以上を主成分とする電極材料が
好適に用いられることとなる。特に、白金或いは白金を
含む合金を主成分とする電極材料が好ましく用いられ
る。なお、この場合の主成分とは、５０体積％以上の割
合において含まれていることを意味するものである。The material of the electrode film (4 or 16) constituting the piezoelectric / electrostrictive driving section manufactured by the above-mentioned method may be any conductor as long as it can withstand a high temperature oxidizing atmosphere at about the heat treatment temperature. It is not limited, for example, a simple metal or an alloy can be adopted, and a metal or alloy mixed with an additive such as an insulating ceramic and a mixture of the insulating ceramic can be used. Even if it is a conductive ceramic, it does not matter at all. More preferably, an electrode material containing at least one or more of high-melting noble metals such as platinum, palladium, and rhodium, and alloys such as silver-palladium, silver-platinum, and platinum-palladium as main components is suitably used. . In particular, an electrode material mainly containing platinum or an alloy containing platinum is preferably used. The main component in this case means that it is contained in a proportion of 50% by volume or more.
【００４１】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の中から選
択して用いることが望ましく、その添加量としては、セ
ラミック基板と同じ材料の使用の場合においては５〜３
０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、目的とする電極膜の形成に有利に用いられ
る。In addition, in the above mixture, it is desirable that the ceramic to be added to the metal or alloy is selected from the above-mentioned substrate material or a material similar to a piezoelectric / electrostrictive material to be described later. Is 5 to 3 in the case of using the same material as the ceramic substrate.
0% by volume, and 5 in the same material as the piezoelectric / electrostrictive material.
About 20% by volume is preferable. In particular, a mixture obtained by mixing the substrate material and the piezoelectric / electrostrictive material together with the above metal or alloy is advantageously used for forming a target electrode film.
【００４２】そして、このような材料を用いて形成され
る電極膜は、用途に応じて適宜の厚さとされることとな
るが、例えば図２に示される電界誘起歪の横効果を用い
るタイプの第一の電極（４）においては、１５μｍ以
下、好ましくは５μｍ以下の厚さにおいて形成されるこ
ととなる。一方、第３図に示される電界誘起歪の縦効果
を用いるタイプの電極（１６）においては、３μｍ以
上、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。The electrode film formed by using such a material has an appropriate thickness depending on the application. For example, the electrode film of the type using the transverse effect of electric field induced strain shown in FIG. In the first electrode (4), it is formed in a thickness of 15 μm or less, preferably 5 μm or less. On the other hand, in the electrode (16) of the type using the longitudinal effect of electric field induced strain shown in FIG. 3, it is 3 μm or more, preferably 10 μm or more, and more preferably 20 μm or more.
It will be formed in the above thickness.
【００４３】また、圧電／電歪駆動部を構成する圧電／
電歪膜（６）は、アクチュエータとして好適な材料、即
ち圧電或いは電歪効果等の大きな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、例えば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。Further, the piezoelectric / electrostrictive driving unit constituting the piezoelectric / electrostrictive driving unit is
The electrostrictive film (6) can be formed using any material suitable for an actuator, that is, any material that exhibits a large electric field-induced strain such as a piezoelectric or electrostrictive effect. Or a dielectric ceramic material or a ferroelectric ceramic material, it does not matter at all, and it may be a material that requires a polarization treatment or a material that does not need it. is there.
【００４４】尤も、本発明において用いられる圧電／電
歪膜材料としては、鉛元素を含む酸化物が好ましく、特
に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（ＰＭＮ系）を主成分とす
る材料、ニッケルニオブ酸鉛（ＰＮＮ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、更
にはこれらの複合材料等が用いられる。なお、ＰＺＴ系
を主成分とする材料に、ランタン、バリウム、ニオブ、
亜鉛、ニッケル、マンガン等の酸化物やそれらの他の化
合物を添加物として含んだ材料、例えばＰＬＺＴ系とな
るように、前記材料に所定の添加物を適宜に加えても何
等差支えない。However, as the piezoelectric / electrostrictive film material used in the present invention, an oxide containing a lead element is preferable. In particular, a material containing lead zirconate titanate (PZT) as a main component, lead magnesium niobate ( PMN-based material, lead nickel niobate (PNN-based) material, lead zinc niobate-based material, lead manganese niobate-based material, antimony stannate A material containing lead as a main component, a material containing lead titanate as a main component, and a composite material thereof are used. In addition, lanthanum, barium, niobium,
A material containing an oxide such as zinc, nickel or manganese or other compounds as an additive, for example, a PLZT-based material, may be added with a predetermined additive to the material as appropriate, without any problem.
【００４５】そして、この本発明に従う構造のアクチュ
エータにあっては、圧電／電歪膜（６）は、アクチュエ
ータ特性の点から、圧電定数で｜ｄ31｜が５０×１０
-12 〔Ｃ／Ｎ〕以上、若しくは｜ｄ33｜が１００×１０
-12 である膜が、特に｜ｄ31｜が１００×１０-12 〔Ｃ
／Ｎ〕以上、若しくは｜ｄ33｜が２００×１０-12 〔Ｃ
／Ｎ〕以上である膜が、より好ましい。In the actuator having the structure according to the present invention, the piezoelectric / electrostrictive film (6) has a piezoelectric constant | d 31 |
-12 [C / N] or more, or | d 33 |
-12 , especially | d 31 | is 100 × 10 -12 [C
/ N] or more, or | d 33 | is 200 × 10 −12 [C
/ N] or more is more preferable.
【００４６】以下に、本発明に従い、図２に示される如
き電界誘起歪の横効果を用いるタイプの圧電／電歪膜型
アクチュエータを種々作製して、セラミック基板中の粒
界に含有される鉛元素の量と圧電定数との関係を調べた
結果を示す。In the following, various types of piezoelectric / electrostrictive film type actuators using the transverse effect of electric field induced strain as shown in FIG. 2 are manufactured according to the present invention, and lead contained in a grain boundary in a ceramic substrate. The result of having investigated the relationship between the amount of an element and a piezoelectric constant is shown.
【００４７】ここで、アクチュエータは、次のようにし
て作製した。即ち、酸化アルミニウムを主成分とする材
料を用いて作製された多結晶体からなるセラミック基板
２（板厚：５０μｍ）上に、スクリーン印刷法により膜
形成された、白金を主成分とする材料（白金８５体積
％、圧電／電歪材料１０体積％、酸化ジルコニウム５体
積％）を用いた第一の電極膜４と、マグネシウムニオブ
酸鉛を主成分とする材料（チタン酸鉛３７モル％、ジル
コン酸鉛２４モル％、マグネシウムニオブ酸鉛３９モル
％）を用いた圧電／電歪膜６とを順次積層、焼成して、
一体的に形成した後、更に該圧電／電歪膜６上に、金を
用いてスパッタリング法により、第二の電極膜８を形成
することにより、図２に示される如きアクチュエータと
した。かかる第一の電極４及び圧電／電歪膜６の膜厚
は、それぞれ、５μｍ及び３０μｍに調整し、また第二
の電極膜８の膜厚は０．３μｍとした。Here, the actuator was manufactured as follows. That is, a platinum-based material (film formed by a screen printing method on a ceramic substrate 2 (plate thickness: 50 μm) made of a polycrystalline body manufactured using a material mainly containing aluminum oxide ( 85% by volume of platinum, 10% by volume of piezoelectric / electrostrictive material, 5% by volume of zirconium oxide) and a material mainly composed of lead magnesium niobate (37 mol% of lead titanate, zircon And a piezoelectric / electrostrictive film 6 using 24 mol% of lead oxide and 39 mol% of lead magnesium niobate) are sequentially laminated and fired.
After being integrally formed, a second electrode film 8 was further formed on the piezoelectric / electrostrictive film 6 by sputtering using gold to obtain an actuator as shown in FIG. The thicknesses of the first electrode 4 and the piezoelectric / electrostrictive film 6 were adjusted to 5 μm and 30 μm, respectively, and the thickness of the second electrode film 8 was 0.3 μm.
【００４８】なお、第一の電極膜４は１２００℃の温度
で焼成し、また圧電／電歪膜６は１２５０℃の温度で焼
成すると共に、セラミック基板２の粒界中に含有される
鉛元素の量が下記表１に示される各値となるように、そ
れぞれの焼成雰囲気中の酸化鉛含有量や焼成時間を適宜
調整して、各種のセラミック基板２からなる各種アクチ
ュエータとした。The first electrode film 4 is fired at a temperature of 1200 ° C., the piezoelectric / electrostrictive film 6 is fired at a temperature of 1250 ° C., and a lead element contained in the grain boundaries of the ceramic substrate 2 Various actuators composed of various ceramic substrates 2 were obtained by appropriately adjusting the content of lead oxide in each firing atmosphere and the firing time so that the amount of each of the components was as shown in Table 1 below.
【００４９】かくして得られた各種のアクチュエータに
おいて、それぞれのセラミック基板の粒界中の酸化鉛と
して存在する鉛元素の含有量を測定すると共に、それぞ
れの圧電定数（｜ｄ31｜）の値を測定し、それらの結果
を、下記表１に示した。In the various actuators thus obtained, the content of the lead element present as the lead oxide in the grain boundary of each ceramic substrate was measured, and the value of each piezoelectric constant (| d 31 |) was measured. The results are shown in Table 1 below.
【００５０】なお、表１の中で、鉛元素の含有量が０ｗ
ｔ％のアクチュエータの一部では、膜の剥離が発生し
た。In Table 1, the content of lead element is 0 w
In a part of the actuator of t%, peeling of the film occurred.
【００５１】[0051]
【表１】 [Table 1]
【００５２】かかる表１の結果から明らかなように、セ
ラミック基板２を構成する多結晶体の結晶粒界中に鉛元
素が酸化物形態において４０重量％以上含有されている
アクチュエータでは、その圧電定数が大きくなり、更に
５０重量％以上含有すると、急激に大きくなっているこ
とが認められる。そして、このような大きな圧電定数が
実現される結果、一般に知られているように（例えば、
日本音響学会誌第２３巻第５号（１９６７）第３０３頁
参照）、大きな変位のアクチュエータが得られることと
なるのである。As is clear from the results shown in Table 1, in the actuator in which the lead element is contained in the crystal grain boundary of the polycrystal constituting the ceramic substrate 2 in an oxide form in an amount of 40% by weight or more, the piezoelectric constant is obtained. Is increased, and when the content is more than 50% by weight, it is recognized that the content is rapidly increased. As a result of realizing such a large piezoelectric constant, as generally known (for example,
According to the Acoustical Society of Japan, Vol. 23, No. 5, (1967), p. 303), an actuator having a large displacement can be obtained.
【図１】本発明に従うセラミック基板の部分断面拡大説
明図である。FIG. 1 is an enlarged partial cross-sectional explanatory view of a ceramic substrate according to the present invention.
【図２】本発明に従う圧電／電歪膜型アクチュエータの
一実施例を示す斜視部分説明図である。FIG. 2 is a partial perspective view showing an embodiment of a piezoelectric / electrostrictive film type actuator according to the present invention.
【図３】本発明に従う圧電／電歪膜型アクチュエータの
他の一例を示す斜視部分説明図である。FIG. 3 is a partial perspective view showing another example of the piezoelectric / electrostrictive film type actuator according to the present invention.
【図４】本発明に従う圧電／電歪膜型アクチュエータの
異なる実施例を示す斜視部分説明図である。FIG. 4 is a partial perspective view showing another embodiment of the piezoelectric / electrostrictive film type actuator according to the present invention.
【図５】本発明に従う圧電／電歪膜型アクチュエータの
更に異なる一例を示す斜視部分説明図である。FIG. 5 is a partial perspective view showing still another example of the piezoelectric / electrostrictive film type actuator according to the present invention.
【図６】本発明に係る圧電／電歪膜型アクチュエータの
異なる他の一例を示す斜視部分説明図である。FIG. 6 is a partial perspective view showing another example of the piezoelectric / electrostrictive film type actuator according to the present invention.
【図７】本発明に従う圧電／電歪膜型アクチュエータの
他の異なる実施例を示す斜視部分説明図である。FIG. 7 is a partial perspective view showing another embodiment of the piezoelectric / electrostrictive film type actuator according to the present invention.
【図８】本発明に従う圧電／電歪膜型アクチュエータの
更に異なる他の実施例を示す斜視部分説明図である。FIG. 8 is a partial perspective view showing still another embodiment of the piezoelectric / electrostrictive film type actuator according to the present invention.
【図９】本発明に係る圧電／電歪膜型アクチュエータの
更にまた異なる他の一例を示す斜視部分説明図である。FIG. 9 is a partial perspective view showing still another example of the piezoelectric / electrostrictive film type actuator according to the present invention.
２ セラミック基板 ４ 第一の電極膜 ６ 圧電／電歪膜 ８ 第二の電極膜 １６ 帯状電極膜 ２４ セラミック
粒子 ２６ 粒界Reference Signs List 2 ceramic substrate 4 first electrode film 6 piezoelectric / electrostrictive film 8 second electrode film 16 strip electrode film 24 ceramic particles 26 grain boundary
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H02N 2/00 H01L 41/00 - 41/26──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 6 , DB name) H02N 2/00 H01L 41/00-41/26
Claims (6)
極膜とを順次層状に積層せしめてなる構造の圧電／電歪
駆動部、若しくは所定の間隔を隔てて位置する複数の帯
状電極膜間にそれら電極膜と接するように圧電／電歪膜
を設けてなる構造の圧電／電歪駆動部を、所定のセラミ
ック基板上に形成してなる圧電／電歪膜型アクチュエー
タにおいて、 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
素のうちの何れか１種以上を主成分とするセラミック材
料の多結晶体よりなり、且つ該多結晶体の少なくとも前
記圧電／電歪駆動部の形成部位における少なくとも結晶
粒界に、鉛元素が存在せしめられていることを特徴とす
る圧電／電歪膜型アクチュエータ。1. A piezoelectric / electrostrictive drive unit having a structure in which a first electrode film, a piezoelectric / electrostrictive film, and a second electrode film are sequentially laminated in layers, or a plurality of piezoelectric / electrostrictive drive units located at a predetermined interval. A piezoelectric / electrostrictive driving unit having a structure in which a piezoelectric / electrostrictive film is provided between strip-shaped electrode films so as to be in contact with the electrode films on a predetermined ceramic substrate. The ceramic substrate is made of a polycrystalline ceramic material containing at least one of aluminum oxide, magnesium oxide, zirconium oxide, aluminum nitride, and silicon nitride as a main component, and at least the polycrystalline body A piezoelectric / electrostrictive film type actuator characterized in that a lead element is present at least in a crystal grain boundary in a portion where a piezoelectric / electrostrictive driving section is formed.
る多結晶体の結晶粒界中に、４０重量％以上の割合にお
いて含有せしめられている請求項１記載の圧電／電歪膜
型アクチュエータ。2. The piezoelectric / electrostrictive film type actuator according to claim 1, wherein the lead element is contained in a crystal grain boundary of a polycrystalline body constituting the ceramic substrate at a ratio of 40% by weight or more.
上、５重量％以下の範囲の酸化珪素を含んでいる請求項
１または請求項２記載の圧電／電歪膜型アクチュエー
タ。3. The piezoelectric / electrostrictive film type actuator according to claim 1, wherein the ceramic substrate contains silicon oxide in a range of 0.5% by weight or more and 5% by weight or less.
電／電歪駆動部が、積層形態において若しくは並設形態
において、設けられている請求項１記載の圧電／電歪膜
型アクチュエータ。4. The piezoelectric / electrostrictive film type actuator according to claim 1, wherein two or more piezoelectric / electrostrictive driving sections are provided on the ceramic substrate in a stacked form or in a side-by-side form.
ｍ以下である請求項１乃至請求項４の何れかに記載の圧
電／電歪膜型アクチュエータ。5. The ceramic substrate has a thickness of 100 μm.
The piezoelectric / electrostrictive film type actuator according to any one of claims 1 to 4, wherein m is equal to or less than m.
くとも前記帯状電極膜が、白金、パラジウム、ロジウム
からなる高融点貴金属及び銀−パラジウム、銀−白金、
白金−パラジウムからなる合金のうちの少なくとも１種
以上を主成分とする材料から構成されていることを特徴
とする請求項１または請求項２記載の圧電／電歪膜型ア
クチュエータ。6. A method in which at least the first electrode film or at least the strip-shaped electrode film is made of platinum, palladium, a high melting point noble metal made of rhodium and silver-palladium, silver-platinum,
3. The piezoelectric / electrostrictive film type actuator according to claim 1, wherein the piezoelectric / electrostrictive film type actuator is made of a material containing at least one of platinum-palladium alloy as a main component.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8263495A JP2826078B2 (en) | 1995-04-07 | 1995-04-07 | Piezoelectric / electrostrictive film type actuator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8263495A JP2826078B2 (en) | 1995-04-07 | 1995-04-07 | Piezoelectric / electrostrictive film type actuator |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11566590A Division JPH07108102B2 (en) | 1990-05-01 | 1990-05-01 | Method for manufacturing piezoelectric / electrostrictive film type actuator |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08116684A JPH08116684A (en) | 1996-05-07 |
| JP2826078B2 true JP2826078B2 (en) | 1998-11-18 |
Family
ID=13779875
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8263495A Expired - Lifetime JP2826078B2 (en) | 1995-04-07 | 1995-04-07 | Piezoelectric / electrostrictive film type actuator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2826078B2 (en) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3706903B2 (en) * | 2000-08-10 | 2005-10-19 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | Flexible high sensitivity ceramic sensor |
| US8669694B2 (en) | 2005-11-29 | 2014-03-11 | Kyocera Corporation | Multi-layer electronic component and method for manufacturing the same |
| WO2007145189A1 (en) * | 2006-06-14 | 2007-12-21 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Laminated ceramic electronic component |
-
1995
- 1995-04-07 JP JP8263495A patent/JP2826078B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH08116684A (en) | 1996-05-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP2842448B2 (en) | Piezoelectric / electrostrictive film type actuator | |
| JPH07108102B2 (en) | Method for manufacturing piezoelectric / electrostrictive film type actuator | |
| JP3120260B2 (en) | Piezoelectric / electrostrictive film type element | |
| JP2665106B2 (en) | Piezoelectric / electrostrictive film element | |
| JP3151644B2 (en) | Piezoelectric / electrostrictive film type element | |
| JP2886588B2 (en) | Piezoelectric / electrostrictive actuator | |
| US6441537B1 (en) | Piezoelectric/electrostrictive actuator having at least one piezoelectric/electrostrictive film | |
| US6605887B2 (en) | Piezoelectric/electrostrictive device and method of manufacturing same | |
| JP2693291B2 (en) | Piezoelectric / electrostrictive actuator | |
| EP1091424B1 (en) | Piezoelectric/electrostrictive device and method of manufacturing same | |
| JP2003258328A (en) | Stacked piezoelectric actuator | |
| US6844659B2 (en) | Wiring board and method of manufacturing same | |
| JP3482101B2 (en) | Piezoelectric film type element | |
| JP2826078B2 (en) | Piezoelectric / electrostrictive film type actuator | |
| JPH07131086A (en) | Piezoelectric film type element and its treatment method and drive method | |
| JP2002009359A (en) | Integrated piezoelectric/electrostrictive film type element exhibiting excellent durability and its manufacturing method | |
| JP2004186436A (en) | Piezoelectric/electrostrictive film element | |
| JPH11191645A (en) | Piezoelectric-electrostrictive film actuator | |
| US7007355B2 (en) | Method of manufacturing a piezoelectric/electrostrictive device | |
| JP3207315B2 (en) | Piezoelectric / electrostrictive film type element | |
| JP2001063048A (en) | Piezoelectric/electrostriction film type actuator and ink jet printing head using the same | |
| JP4562756B2 (en) | Piezoelectric / electrostrictive device | |
| JP3999132B2 (en) | Piezoelectric / electrostrictive device | |
| JPH11284244A (en) | Piezoelectric/electrostrictive film type actuator | |
| JP3013568B2 (en) | Conductive paste material for piezoelectric element and electrode for piezoelectric element |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20070911 Year of fee payment: 9 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080911 Year of fee payment: 10 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090911 Year of fee payment: 11 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100911 Year of fee payment: 12 |
|
| EXPY | Cancellation because of completion of term | ||
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100911 Year of fee payment: 12 |