JP2842448B2

JP2842448B2 - 圧電／電歪膜型アクチュエータ

Info

Publication number: JP2842448B2
Application number: JP2011174A
Authority: JP
Inventors: 幸久武内; 正人駒澤; 浩二木村
Original assignee: NIPPON GAISHI KK; Seiko Epson Corp
Current assignee: NIPPON GAISHI KK; Seiko Epson Corp
Priority date: 1989-07-11
Filing date: 1990-01-20
Publication date: 1999-01-06
Anticipated expiration: 2014-01-06
Also published as: JPH03128681A

Description

【発明の詳細な説明】（技術分野）本発明は、変位制御素子、個体素子モータ、インクジ
ェットヘッド、リレー、スイッチ、シャッター、プリン
トヘッド、ポンプ、フィン等に用いられる圧電／電歪膜
型アクチュエータに関するものである。なお、ここで述
べ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、つまり機械的な変位又は応力に変換する
誹を意味するものである。

（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
惹起され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。

ところで、この圧電／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、積層型等が知られているが、その中で、モノモ
ルフ型、ユニモルフ型、バイモルフ型は、電界誘起歪み
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、電界誘起歪みの縦効
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る。

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。

このように、従来の圧電／電歪アクチュエータには、
ぞ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。

（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構造の圧電／電歪膜型アクチ
ュエータを提供しようとするものである。

（解決手段）そして、本発明にあっては、そのような課題解決のた
めに、セラミック基板の少なくとも一方の面上に、接着
剤を用いることなく、第一の電極膜と圧電／電歪膜と第
二の電極膜との組合せからなる圧電／電歪駆動部の少な
くとも一つが、それら膜が順次層状に積層せしめられる
と共に、少なくとも圧電／電歪膜が厚膜形成手法にて形
成され、熱処理によって一体化されて、形成されてなる
一体積層構造を有する圧電／電歪膜型アクチュエータ
を、その特徴とするものである。

（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。つまり、膜
を基板上に層状に積み重ね、一体とした積層構造とする
ことによって、従来のバルクを用いた積層型とやや類似
した構造にも拘わらず、電界誘起歪みの横効果による大
きな屈曲変位が得られると共に、高応答速度と発生力大
の特徴を併わせ有する圧電／電歪膜型アクチュエータと
なるのである。

また、本発明は、基板と電極膜若しくは電極膜と圧電
／電歪膜を構成要件とするので、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
ータで採用されるような、所謂接着剤を用いることなく
一体化してなる圧電／電歪膜型アクチュエータのため
に、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。

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の形成が容易に出来、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
るのである。

なお、本発明に従う圧電／電歪膜型アクチュエータで
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、その厚さが300μｍ以下、
好ましくは150μｍ以下とされ、また、そのとき使用す
るセラミック基板の曲げ強度は、一般に、200kgf/cm²以
上、好ましくは1500kgf/cm²以上の値となるように調整
されることとなる。

（具体的構成・実施例）以下、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。

先ず、第１図は、セラミック基板の片面に圧電／電歪
駆動部が設けられてなる、本発明に従う圧電／電歪膜型
アクチュエータの一例を示すものであって、セラミック
基板２の一方の面上に、下側電極膜４、圧電／電歪膜６
及び上側電極膜８が順次積層され、多層に形成された一
体構造とされている。なお、下側及び上側の電極膜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、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に通電が行なわれる
ようになっている。

また、第２図は、セラミック基板の両面に圧電／電歪
駆動部が設けられた、本発明に従う圧電／電歪膜型アク
チュエータの一例を示すものであって、セラミック基板
２のそれぞれの面に対して、下側電極膜４、圧電／電歪
膜６及び上側電極膜８が順次積層されて、熱処理により
基板２と圧電／電歪駆動部（4,6,8）とが一体的な構造
として形成されている。

また、第３図〜第７図は、それぞれ、複数の圧電／電
歪駆動部がセラミック基板上に設けられてなる、本発明
に従うアクチュエータの異なる例を示すものであって、
それら複数の圧電／電歪駆動部は、積層形態において或
いは並設形態において、セラミック基板上に設けられて
いる。

例えば、第３図〜第５図に示される例においては、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ており、特に、第３図及
び第４図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10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。ま
た、第５図のアクチュエータにおいては、セラミック基
板２に長手の矩形孔21が所定ピッチで設けられ、梯子状
のセラミック基板２とされており、そしてこの梯子状の
セラミック基板２の矩形孔12,12に挟まれた接続部2a上
に、下側電極膜４と圧電／電歪膜６と上側電極膜８とか
らなる圧電／電歪駆動部がそれぞれ形成されている。な
お、第３図において、14は、圧電／電歪膜６の背部で、
下側電極膜４と上側電極膜８とを電気的に絶縁する絶縁
膜である。

また、第６図に示される本発明に従うアクチュエータ
は、セラミック基板２上に、複数の圧電／電歪駆動部が
積層形態において設けられてなる構造の一例に係るもの
であって、そこでは、下側電極膜４と圧電／電歪膜６と
上側電極膜８とからなる圧電／電歪駆動部の二つが、セ
ラミック基板２上に二段重ね状態にて一体的に形成され
てなる構造とされている。なお、ここでは、上側電極膜
８が二つの圧電／電歪駆動部の共通の電極膜として利用
されている。

さらに、第７図に示される本発明に従う圧電／電歪膜
型アクチュエータの例においては、一枚の大きなセラミ
ック基板２上に、下側電極膜４と圧電／電歪膜６と上側
電極膜８とからなる圧電／電歪駆動部の複数が、所定ピ
ッチにて一体的に並設された構造において設けられてい
る。

そして、上記の如き本発明に従う構造の圧電／電歪膜
型アクチュエータにおいては、下側電極膜４と上側電極
膜８との間に従来と同様にして通電が行なわれ、それに
よって圧電／電歪膜６に電界が作用せしめられると、そ
のような電界に基づくところの圧電／電歪膜６の電界誘
起歪みが誘起され、以てその横効果により、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。

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、振動板の如き作動板となるセラミ
ック基板２上に、電極材料、圧電若しくは電歪材料及び
電極材料にて、それぞれの膜4,6,8が多層に形成された
構造を有するユニモルフ型或いはバイモルフ型のもので
あって、熱処理によって、基板２と圧電／電歪駆動部
（下側電極膜４＋圧電／電歪膜６＋上側電極膜８）とが
一体構造を形成し、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、次のようにして作製されることとなる。

すなわち、先ず、各材料からなる膜4,6,8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手法が
適宜に利用され、例えば、スクリーン印刷の如き厚膜手
法やディッピング等の塗布手法、スパッタリング、真空
蒸着、メッキ等の薄膜手法等が利用され、特に限定され
るものではないが、圧電／電歪膜６を形成する時には、
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、そのような膜の形状は、スクリー
ン印刷手法、フォトリソグラフィ手法等を用いて、パタ
ーン形成する他、レーザー加工法やスライシング等の機
械加工法を用いて不必要な部分を除去して形成しても良
いが、その中でも、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。

また、作製されるアクチュエータの構造や膜の形状
は、特に規定される訳ではなく、用途に合わせて、如何
なる形状や構造であっても良く、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
又はそ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。尤も、本発明の特徴を活かすためには、第３
〜７図に示されるような同一セラミック基板上に二つ以
上の圧電／電歪駆動部が集積された形状が有利に採用さ
れることとなる。特に、その中でも、第３〜４図や第５
図に示されるような櫛状等の形態のアクチュエータ構造
の素子が、圧電／電歪駆動部の集積度と変位、振動特性
が好ましく両立するために、望ましいものである。

なお、同一のセラミック基板上に多数の圧電／電歪駆
動部を集積した、本発明に従うアクチュエータにおいて
は、かかる圧電／電歪駆動部が少なくとも3000μｍピッ
チよりも狭いピッチで設けられた、高い集積度を持つこ
とが好ましく、更には1000μｍピッチよりも狭いピッチ
で、更に好ましくは500μｍピッチよりも狭いピッチ
で、圧電／電歪駆動部を設けてなる、高い集積度を有す
るアクチュエータとするのが望ましい。

また、セラミック基板２上に上記の方法で形成された
それぞれの膜4,6,8は、そ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、また全
層形成した後、同時に熱処理して、各層が同時に基板に
一体的に結合せしめられるようにしても良い。但し、電
極膜８を、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレ
ーティング法、CVD法、メッキ法等の薄膜手法により形
成する場合は、電極膜８を熱処理しなくても良い。な
お、かかる形成された膜を基板と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1100℃〜1400℃の範囲の温度が有
利に作用される。また、圧電／電歪膜を熱処理する場合
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。
更に、下側の電極膜は、一般に、セラミック基板に直接
に設けられることとなるが、そのような基板との接合性
を向上させる目的で、基板と電極膜との間に中間層膜を
設けると好ましい場合もある。なお、ここで言う接合性
とは、接着性と熱膨張率の整合性のことである。

本発明に従うアクチュエータの作製に際して用いられ
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、前期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、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、窒化珪素の何れかを主成分とした材料を用いて
形成された基板が好ましく、特に酸化アルミニウム又は
酸化ジルコニウムを主成分とする基板が、板厚が薄くて
も優れた基板特性が得られるところから、有利に用いら
れる。なお、そのようなセラミック基板材料中に含有さ
れる酸化珪素（SiO,SiO₂）の量は、10重量％以下が望ま
しく、特に３重量％以下とすることが望ましい。このよ
うな酸化珪素含有量の規制は、前述した圧電／電歪材料
との熱処理中の反応を避け、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。

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ため
に、かかるセラミック基板２の厚さは、一般に、100μ
ｍ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く、またそのヤング率は、1.5
×10⁶kg/cm²以上、4.5×10⁶kg/cm²以下、特に2.0×10⁶k
g/c²以上、4.0×10⁶kg/cm²以下であることが、好まし
い。更に、その曲げ強度としては、1200kgf/cm²以上が
好ましく、特に1500kgf/cm²以上であることが望まし
い。

なお、かかるセラミック基板２としては、予め焼結し
た基板を用いても良く、また基板材料のグリーンシート
を用い、前記の膜形成を行なった後に焼結させても良い
が、その中では、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、またパターン寸法精度が得られる
ところから、有利に用いられることとなる。

また、このようなセラミック基板２の基板形状は、特
に規定されるものではなく、用途に合わせて如何なる形
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、円関等の円形、櫛状、格子状又はこれら
を組み合わせた特殊形状であっても、何等差支えない。

次に、本発明に従う圧電／電歪膜型アクチュエータに
おける電極膜4,8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、特に規制
されるものではなく、例えば金属単体でも、合金でも良
く、また絶縁性セラミックス等の添加物を加えた金属や
合金と絶縁セラミックスの混合物であっても良く、更に
は導電性セラミックスであっても何等差支えない。尤
も、その中でも、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。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／電歪材料と同じ材料であることが望まし
く、その添加量は、基板材料においては５〜30体積％程
度、また圧電／電歪材料においては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
に上記金属や白金に混在せしめてなる混合物が、目的と
する電極各の形成に有利に用いられる。これは、それら
２種の添加物を配合することにより、先に述べた中間層
膜と同様な効果が得られるからである。

そして、このような電極膜材料を用いて形成される下
側電極膜４や上側電極膜８は、用途に応じて適宜の厚さ
とされることとなるが、一般に、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。

さらに、本発明に従う圧電／電歪膜型アクチュエータ
において、圧電／電歪駆動分を構成する圧電／電歪膜６
は、圧電或いは電歪効果等の電界誘起歪みを示す材料で
あれば、何れの材料を用いても形成され得るものであ
る。また、そのような圧電／電歪膜材料は、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
体であっても、誘電体セラミックス、強誘電体セラミッ
クスであっても良く、更には分極処理が必要な材料であ
っても、不必要な材料であっても良いのである。

尤も、本発明に用いられる圧電／電歪膜材料として
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（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、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。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PL
ZT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。

そして、本発明に従う構造のアクチュエータにあって
は、アクチュエータ特性の点から、圧電定数で|d₃₁|が5
0×10^-12〔C/〕以上、中でも、100×10^-12〔C/N〕以上
である膜が、圧電／電歪膜６として有利に用いられるこ
ととなるのである。また、このような圧電／電歪膜６の
厚さとしては、低電圧で駆動できる様に、100μｍ以
下、好ましくは50μｍ以下、更に好ましくは30μｍ以下
となるように選定されるのである。

以上、本発明に従う圧電／電歪膜型アクチュエータに
ついて、図面に示される具体例に基づき詳細に説明して
きたが、本発明が、そのような具体例によって何等の制
約を受けるものでないことは、言うまでもないところで
ある。

そして、本発明には、上記の具体的記述以外にも、本
発明の趣旨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】

第１図〜第７図は、それぞれ、本発明に従う圧電／電歪
膜型アクチュエータの異なる例を示す斜視部分説明図で
ある。 2:セラミック基板、4:下側電極膜 6:圧電／電歪膜、8:上側電極膜 10:スリット、12:矩形孔 14:絶縁膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭63−107469（ＪＰ，Ａ) 実開昭58−37159（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H02N 2/00 - 2/18

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミック基板の少なくとも一方の面上
に、接着剤を用いることなく、第一の電極膜と圧電／電
歪膜と第二の電極膜との組合せからなる圧電／電歪駆動
部の少なくとも一つが、それら膜が順次層状に積層せし
められると共に、少なくとも圧電／電歪膜が厚膜形成手
法にて形成され、熱処理によって一体化されて、形成さ
れてなる一体積層構造を有する圧電／電歪膜型アクチュ
エータ。
【請求項２】前記セラミック基板が、1.5×10⁶kg/cm²以
上、4.5×10⁶kg/cm²以下のヤング率を有する請求項
（１）記載の圧電／電歪膜型アクチュエータ。
【請求項３】前記アクチュエータの厚みが300μｍ以下
であり、且つ前記セラミック基板の曲げ強度が1200kgf/
cm²以上である請求項（１）または（２）記載の圧電／
電歪膜型アクチュエータ。
【請求項４】前記セラミック基板が、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（３）の
何れかに記載の圧電／電歪膜型アクチュエータ。
【請求項５】酸化珪素の含有量が10重量％以下であるセ
ラミック板状体が、前記セラミック基板として用いられ
ている請求項（１）乃至（４）の何れかに記載の圧電／
電歪膜型アクチュエータ。
【請求項６】前記セラミック基板面上に、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（５）の何れかに記載
の圧電／電歪膜型アクチュエータ。
【請求項７】前記セラミック基板の板厚が、100μｍ以
下である請求項（１）乃至（６）の何れかに記載の圧電
／電歪膜型アクチュエータ。
【請求項８】前記圧電／電歪膜の厚さが、100μｍ以下
である請求項（１）乃至（７）の何れかに記載の圧電／
電歪膜型アクチュエータ。