JP3009945B2

JP3009945B2 - 圧電／電歪膜型素子

Info

Publication number: JP3009945B2
Application number: JP3203831A
Authority: JP
Inventors: 幸久武内; 浩二木村
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1991-07-18
Filing date: 1991-07-18
Publication date: 2000-02-14
Anticipated expiration: 2015-02-14
Also published as: JPH0529675A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】本発明は、圧電／電歪膜型素子、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、更にはセン
サー、モーター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／電歪膜
型素子に関するものである。なお、ここで呼称される素
子とは、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の
他、その逆の変換を行なう素子をも意味するものであ
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
素子や微小変位を電気的変化として検知する検出素子が
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時に
起こる逆圧電効果や電歪効果に基づくところの変位或い
はその逆の現象を利用した素子である、アクチュエータ
やセンサの如き圧電／電歪素子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／電歪素子構造として、
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
素子を用いたプリンタの印字品質・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
膜型素子の小型高密度化、低電圧作動化、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／電歪素子においては、大きな屈曲変位や発生力
或いは発生電位を得るために、振動板となる基板の厚さ
を薄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。し
かも、従来のユニモルフ型やバイモルフ型の圧電／電歪
素子においては、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貼り付けてなる構造を採用する
ものであるために、素子としての作動の信頼性にも問題
があるものであった。

【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、その課題とするところ
は、相対的に低作動電圧で大変位が得られ、また信頼性
が高く、応答速度が早く、且つ発生力が大きい、更に高
集積化が可能である、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、更には加速度センサー、圧力センサー、振動セ
ンサー、角速度センサー、モーター等に好適に用いられ
る、強度に優れた圧電／電歪膜型素子を提供することに
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、薄肉のセラミック基板と該セラミ
ック基板上に設けられた、電極及び圧電／電歪層からな
る圧電／電歪作動部とを備えた圧電／電歪素子におい
て、前記圧電／電歪作動部を膜形成法によって形成する
一方、前記セラミック基板を、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
の化合物の含有によって結晶相が安定化されてなる酸化
ジルコニウムを主成分とする材料にて構成することを、
その要旨とするものである。

【０００７】なお、かかる本発明において、圧電／電歪
作動部は、好ましくは、マグネシウムニオブ酸鉛とジル
コン酸鉛とチタン酸鉛とからなる成分を主成分とする圧
電／電歪材料を用いて形成されていることが望ましい。

【０００８】

【作用・効果】このような本発明に従う圧電／電歪膜型
素子にあっては、薄肉のセラミック基板と、その基板面
上に形成された膜状の圧電／電歪作動部（二つの電極膜
とそれら電極膜の間に形成された膜状の圧電／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
的に低作動電圧にて大変位が得られ、また応答速度が早
く、且つ発生力或いは発生電位も大きい特徴が得られる
他に、厚膜形成法の如き膜形成プロセスが得意とすると
ころの、同一基板面上に多数個の圧電／電歪作動部を有
する素子を接着材を用いずに同時に且つ容易に形成する
ことが出来る特徴があり、更には、かかる圧電／電歪作
動部の高集積化が可能となる特徴をも有している。

【０００９】しかも、本発明にあっては、そのような圧
電／電歪作動部が形成される基板として用いられるセラ
ミック基板は、酸化イットリウム、酸化イッテルビウ
ム、酸化セリウム、酸化カルシウム及び酸化マグネシウ
ムからなる群より選ばれた少なくとも一つの化合物の含
有によって、その結晶相が安定化された酸化ジルコニウ
ムを主成分とする材料であるところから、薄い板厚にお
いても機械的強度が大きい、高靭性である、また圧電／
電歪材料との熱処理時の応力が小さい、更にその圧電／
電歪材料との化学的な反応性が小さい等の特徴が得ら
れ、以て優れた特性を有する素子の提供が可能となった
のである。

【００１０】しかも、酸化ジルコニウムは、公知のよう
に、添加物のない純粋な状態では、１０００℃近辺での
単斜晶・正方晶間の相変態により、磁器破壊が生じ、薄
肉の基板としては製造することが困難となるが、上記の
如き化合物を添加することにより、そのような結晶変態
が起こらないように、結晶相を完全に若しくは部分的に
安定化することが出来るのである。ここで、部分的に安
定化するとは部分的に結晶変態が起こり得るように材料
を調製することであり、本発明では、完全安定化酸化ジ
ルコニウムと共に、そのような部分的に安定化された酸
化ジルコニウムをも含んで、「安定化された酸化ジルコ
ニウム」の語句を用いることとする。そして、特に、こ
の部分安定化した酸化ジルコニウムは、応力によって結
晶変態が生じる、即ち応力誘起相変態強化メカニズム等
により、高い機械強度、靭性を示し、圧電／電歪層と電
極膜と基板とが接着剤なしに一体として構成され、変位
または力或いは電位を発生する圧電／電歪膜型素子とし
て、非常に好適に用いられ得るものであり、本発明で
は、そのような材料特性を利用して、膜型素子を有利に
構成し得たものである。

【００１１】また、本発明において、マグネシウムニオ
ブ酸鉛とジルコン酸鉛とチタン酸鉛とからなる成分を圧
電／電歪材料の主成分として用い、前記安定化した酸化
ジルコニウム基板と組み合わせることにより、厚膜手法
等によって膜形成した圧電／電歪層の熱処理時、基板と
の反応等による膜状の圧電／電歪層の組成変動或いはパ
イロクロア等の結晶相を惹起させることが非常に少な
く、目的とする組成及び結晶構造の圧電／電歪層を有利
に形成することが出来る特徴を発揮する。

【００１２】なお、本発明に従う圧電／電歪膜型素子で
は、低電圧作動が可能で、しかも大きな屈曲変位・発生
力或いは発生電位を得るために、有利には、厚さとして
１００μｍ以下、好ましくは５０μｍ以下である圧電／
電歪作動部と、厚さとして５０μｍ以下、好ましくは３
０μｍ以下、更に好ましくは１０μｍ以下のセラミック
基板とから構成されることとなる。また、そのような薄
い板厚においても高い機械強度を得るために、安定化酸
化ジルコニウムとしては、好ましくは酸化イットリウム
で安定化された酸化ジルコニウムが基板材料として採用
され、且つそのような酸化イットリウムの含有量は、１
モル％以上３０モル％以下、好ましくは１．５モル％以
上６モル％以下とされ、更に好ましくは２モル％以上４
モル％以下とされることとなる。更に、基板の結晶粒子
径としても、基板の機械強度の点から、平均粒子径とし
て、０．０５μｍ〜２μｍであることが好ましく、更に
好ましくは１μｍ以下であることが望ましい。

【００１３】

【具体的構成・実施例】以下に、本発明に従う圧電／電
歪膜型素子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。

【００１４】先ず、図１に示される圧電／電歪膜型素子
（アクチュエータ）は、薄肉の平板状のセラミック基板
２の一方の面上に、第一の電極膜４、膜状の圧電／電歪
層６及び第二の電極膜８が、通常の膜形成手法によって
順次積層形成されて、多層の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／
電歪層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。また、セラミック基板２は、本発明に
従う安定化された酸化ジルコニウムから構成されてい
る。従って、このような構造の圧電／電歪膜型素子にお
いては、その圧電／電歪層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。

【００１５】また、図２においては、セラミック基板２
の一面上に複数の帯状電極１０とそれらを接続する帯状
の電極接続部１２とからなる櫛型の電極膜１４ａ及びそ
れと同形状の電極膜１４ｂ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
１４ａ，１４ｂ間に、それら電極膜１４ａ，１４ｂと接
するように、圧電／電歪層６が形成され、一体構造とさ
れている。そして、かかる構造の圧電／電歪膜型素子に
おいては、その圧電／電歪層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。

【００１６】さらに、図３及び図４には、それぞれ、図
１及び図２に示される如き素子において、そのセラミッ
ク基板２の形状を変えた例が示されている。即ち、図３
及び図４においては、外縁部が厚肉とされる一方、内側
部位が薄肉部１６ａとされたセラミック基板１６が用い
られており、そして、その薄肉部１６ａの面上に、二つ
の電極膜４，８；１４ａ，１４ｂと圧電／電歪層６とか
らなる圧電／電歪作動部が、一体的に設けられている。

【００１７】さらにまた、図５に示される素子は、セラ
ミック基板１６の薄肉厚部１６ａの両面に、圧電／電歪
作動部（４，６，８）がそれぞれ設けられたバイモルフ
型の圧電／電歪膜型素子の例である。

【００１８】図６に示される素子においては、セラミッ
ク基板２の一方の面上に、二つの帯状電極膜１８，１８
が渦巻状に相対向して位置するように設けられ、またこ
れら帯状電極膜１８，１８を埋め込むように、圧電／電
歪層６が設けられることによって、それら帯状電極膜１
８，１８と圧電／電歪層６とによって、圧電／電歪作動
部が構成されている。

【００１９】また、図７〜図１１は、それぞれ、複数の
圧電／電歪作動部がセラミック基板上に設けられてな
る、本発明に従う素子の異なる例を示すものであって、
それら複数の圧電／電歪作動部は、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。

【００２０】例えば、図７では、セラミック基板２の一
方の面上に、一定の間隔で複数の帯状電極膜１８が配列
され、そして、それら帯状電極膜１８を埋め込んだ状態
において、所定厚さの圧電／電歪層６が設けられること
によって、圧電／電歪作動部が形成された例が示されて
おり、更にその圧電／電歪作動部（６，１８）上には、
電極膜２０、膜状の圧電／電歪層２２及び電極膜２０が
順次積層一体化せしめられた構造とされている。かかる
二つの電極膜２０，２０と圧電／電歪層２２によって、
他の一つの圧電／電歪作動部が形成されているのであ
る。

【００２１】また、図８〜図１０に示される例において
は、複数の圧電／電歪作動部（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、特に図
８及び図９に示される素子においては、それら複数の圧
電／電歪作動部（４，６，８）の間に位置するセラミッ
ク基板２に、スリット２４が入れられて、それぞれの圧
電／電歪作動部が互いに独立した形態とされている。ま
た、図１０の素子においは、セラミック基板２に長手の
矩形孔２６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２６，２６に挟まれた接続部２ａ上に
第一の電極膜４と膜状の圧電／電歪層６と第二の電極膜
８とからなる圧電／電歪作動部が、それぞれ形成されて
いる。なお、図８において、２８は、圧電／電歪層６の
背部で、第一の電極膜４と第二の電極膜８とを電気的に
絶縁する絶縁膜である。

【００２２】さらに、図１１に示される素子の例におい
ては、１枚の大きなセラミック基板２上に、第一の電極
膜４と膜上の圧電／電歪層６と第二の電極膜８とからな
る圧電／電歪作動部の複数が、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。

【００２３】そして、このような各種の構造の素子にお
いては、何れも、アクチュエータとして機能させるべ
く、その圧電／電歪作動部を構成する二つの電極膜の間
に、従来と同様にして通電が行なわれ、それによって圧
電／電歪層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／電歪層の電界誘起歪が誘起さ
れ、以てセラミック基板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。

【００２４】ところで、これら本発明に従う圧電／電歪
膜型素子において、その圧電／電歪作動部が形成される
セラミック基板（２，１６）に関して、それを与える材
料としては、所定の化合物で結晶相が安定化された酸化
ジルコニウムを主成分とする材料が用いられる。本発明
に従う膜型素子は、後述するように、一般に基板と共に
高い温度で熱処理され、その際の耐熱性、また圧電／電
歪材料との電極膜を介した反応性、更には熱処理時の応
力に対する強度等、基板の材料特性によって、得られる
膜型素子の特性、例えば発生力や変位が影響を受けるこ
とを見い出したが、その中で部分的に或いは完全に安定
化された酸化ジルコニウムは素子の変位発生力等の特性
に優れ、基板材料として極めて有効なものである。

【００２５】この酸化ジルコニウムを安定化せしめる化
合物としては、酸化イットリウム、酸化イッテルビウ
ム、酸化セリウム、酸化カルシウム及び酸化マグネシウ
ムがあり、少なくともそのうちの一つの化合物を添加、
含有せしめることにより、酸化ジルコニウムは部分的に
或いは完全に安定化されることとなるが、その安定化は
一種類の化合物の添加のみならず、それら化合物を組み
合わせて添加することによっても、目的とする酸化ジル
コニウムの安定化は可能である。なお、それぞれの化合
物の添加含有量としては、酸化イットリウムや酸化イッ
テルビウムの場合にあっては１〜３０モル％、好ましく
は１．５〜６モル％、酸化セリウムの場合にあっては６
〜５０モル％、好ましくは８〜２０モル％、酸化カルシ
ウムや酸化マグネシウムの場合にあっては５〜４０モル
％、好ましくは５〜２０モル％とすることが望ましい
が、その中でも特に酸化イットリウムを安定化剤として
用いることが好ましく、その場合においては１．５〜６
モル％、更に好ましくは２〜４モル％とすることが望ま
しい。そのような添加範囲で酸化イットリウムを添加・
含有せしめてなる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こ
ととなる。

【００２６】また、セラミック基板の形態としては、先
に、図１や図２等に示した単板状の物（２）でも、また
図３や図４に示される如き、凹所の底部が薄肉厚部（１
６ａ）とされ、その薄肉厚部の面上に圧電／電歪作動部
が形成されるキャビティ構造を有している基板（１６）
でも良いが、後者のキャビティ構造を有する基板の方
が、当該部位の基板厚さを薄くすることが出来、以て素
子基板の強度を低下させることなく、また並設形態にお
いて隣接する圧電／電歪作動部同士が変位或いは振動時
に薄肉厚部と薄肉厚部の間にある厚肉部によって互いに
干渉することが少ないために、好ましく用いられる。

【００２７】さらに、薄肉のセラミック基板の厚さに関
しては、素子の高速応答性と大きな変位を得るために、
一般に５０μｍ以下、好ましくは３０μｍ以下、更に好
ましくは１０μｍ以下とされ、更にそのセラミック基板
の結晶粒子径は、基板強度の面から、平均粒子径として
０．０５μｍ〜２μｍであることが好ましく、更に好ま
しくは１μｍ以下が好ましい。

【００２８】更にまた、かかるセラミック基板は、最終
的には、焼結せしめられた形態とされるが、圧電／電歪
作動部の形成に先立って、予め焼結した基板としておく
ことが出来、また基板材料のグリーンシートを用い、後
述の膜形成による圧電／電歪作動部の形成を行なった後
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ことから、有利に用いられることと
なる。なお、キャビティ構造を有するセラミック基板
（１６）は、金型や超音波加工等の機械加工法を用いて
空孔部を設けたグリーンシートに、薄肉厚部となる薄い
グリーンシートを積層・熱圧着した後、焼成・一体化す
ることによって作製することが、高い信頼性の点から好
ましい。また、本発明に従う安定化された酸化ジルコニ
ウムを主成分とする基板材料中に、酸化アルミニウムや
酸化チタン、更には粘土等の焼結助剤を添加しても良い
が、焼成した基板に酸化珪素（ＳｉＯ₂，ＳｉＯ）が１
％以上含有されないように、助剤の組成や添加量を調整
することが望ましい。過剰に酸化珪素が基板に含有され
ていると、圧電／電歪材料との熱処理時に反応が生じ易
く、組成の制御が困難となる。

【００２９】そして、このようなセラミック基板上に所
定の電極膜（４，８）及び圧電／電歪層６を設けて圧電
／電歪作動部を形成するには、公知の各種の膜形成法が
適宜に採用され、例えばスクリーン印刷、スプレー、デ
ィッピング、塗布等の厚膜形成手法、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、ＣＶ
Ｄ、メッキ等の薄膜形成手法が適宜に選択される。特
に、膜状の圧電／電歪層（６）を形成するには、スクリ
ーン印刷、スプレー、ディッピング、塗布等による厚膜
形成手法が好適に採用されることとなる。この厚膜形成
手法によれば、圧電／電歪材料の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セラミック基板上
に膜形成することが出来、良好な素子特性が得られるか
らである。また、そのような膜の形状としては、スクリ
ーン印刷法や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。

【００３０】なお、ここで作製される素子の構造や膜状
の圧電／電歪作動部の形状は、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、格子状又はこれらを組み合わせた特殊
形状であっても、何等差し支えない。

【００３１】また、このようにしてセラミック基板上に
上記方法で膜形成されたそれぞれの膜（４，６，８）
は、それぞれの膜の形成の都度、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、また全部の膜を形
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、このよ
うな膜形成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。

【００３２】さらに、このように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９００
℃〜１４００℃程度の温度が採用され、好ましくは１０
００℃〜１４００℃の範囲の温度が有利に選択される。
また、膜状の圧電／電歪層（６）を熱処理する場合に
は、高温時に圧電／電歪層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。

【００３３】なお、上記の方法にて作製される圧電／電
歪作動部を構成する電極膜（４，８等）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、特に規制されるものでは
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等と、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、
何等差し支えない。尤も、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、或いは銀−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、その中でも更に好ま
しくは、白金とセラミック基板材料とのサーメット材料
がセラミック基板との付着が良く、また焼成時の熱応力
を小さく出来る等の点から望ましい。なお、白金と基板
材料とのサーメットにおいて、基板材料の含有量として
は５〜３０体積％程度であることが好ましい。

【００３４】そして、このような導体材料を用いて形成
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、電界誘起歪の横効果を用いるタイプにおいては、
一般に２０μｍ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、電界誘起歪の縦効果
を用いるタイプにおいては、電極厚さは３μｍ以上が望
ましく、好ましくは１０μｍ以上であり、更に好ましく
は２０μｍ以上の厚さにおいて、電極形成されることと
なる。

【００３５】また、圧電／電歪作動部を構成する圧電／
電歪材料としては、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、何れの材料であっても採用され得
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、何等差し支えなく、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。

【００３６】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、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、亜鉛ニオブ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。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
のであっても、何等差し支えない。

【００３７】これら圧電／電歪材料の中でも、特に、マ
グネシウムニオブ酸鉛とジルコン酸鉛とチタン酸鉛とか
らなる成分を主成分とする材料が、その熱処理中におけ
る基板材料との反応が少ないことから成分の偏析が起き
にくく、組成を保つための処理が好適に行なわれ得、目
的とする組成及び結晶構造が得られ易い等、高い圧電定
数を有することと併せて有利に用いられ、スクリーン印
刷、スプレー、ディッピング、塗布等の厚膜形成手法で
圧電／電歪膜を形成する場合の材料として推奨される。
なお、多成分系圧電／電歪材料の場合、成分の組成によ
って圧電特性が変化するが、本発明で好適に採用される
マグネシウムニオブ酸鉛−ジルコン酸鉛−チタン酸鉛の
３成分系材料では、擬立方晶−正方晶−菱面体晶の相境
界付近の組成が好ましく、特にマグネシウムニオブ酸
鉛：１５モル％〜５０モル％、ジルコン酸鉛：１０モル
％〜４５モル％、チタン酸鉛：３０モル％〜４５モル％
の組成が、高い圧電定数と電気機械結合係数を有するこ
とから、有利に採用される。

【００３８】なお、上記の如くして形成される電極膜と
圧電／電歪膜（層）から構成される圧電／電歪作動部の
厚さとしては、一般に１００μｍ以下とされ、また圧電
／電歪膜の厚さとしては、低作動電圧で大きな変位等を
得るために、好ましくは５０μｍ以下、更に好ましくは
３μｍ以上４０μｍ以下とされることが望ましい。

【００３９】以下の表に、各種の材料からなる基板を用
いて作製された素子の諸特性を示した。なお、素子の作
製に際しては、基板形状としては、図３に示される如き
薄肉厚部（１６ａ）を有するキャビティ形状とし、その
薄肉厚部（１６ａ）厚さは１０μｍとした。また、圧電
／電歪作動部には、マグネシウムニオブ酸鉛とジルコン
酸鉛とチタン酸鉛とからなる圧電／電歪材料を用い、そ
れを３０μｍ厚になるようにスクリーン印刷し、１００
０℃以上の熱処理を行なって、形成した。薄肉厚部の大
きさは０．８ｍｍ×３ｍｍである。破壊強度の測定は、
０．３ｍｍφの面積を有する測定子を薄肉厚部の中心部
に垂直に当て、荷重をかけることにより、行なった。素
子の変位は、ＤＣ３０Ｖ引加時の数値である。

【００４０】破壊強度（Ｋｇｆ／圧電／電歪材料素子の変位基板材料ｃｍ²：１０μｍ）との反応性（μｍ）ガラス＜１ ─ ＜０．１アルミナ５小０．５酸化マグネシウム３小０．２窒化珪素１０中＜０．１Ｙ₂Ｏ₃安定化ＺｒＯ₂ ２０無２．０ＭｇＯ安定化ＺｒＯ₂ １０無１．０ＣｅＯ₂安定化ＺｒＯ₂ １０無１．０（注）・ガラスを基板材料とした場合においては、基板
厚さは５０μｍであり、且つ膜形成法ではなく、圧電板
を接着材で基板に貼り付けたアクチュエータである。・ＺｒＯ₂の安定化に用いるＹ₂Ｏ₃の量は３モル％、
ＭｇＯの量は９モル％、ＣｅＯ₂の量は１２モル％とし
た。

【００４１】かかる表の結果から明らかなように、安定
化された酸化ジルコニウムは、他の基板材料に比べて、
圧電／電歪材料との反応がなく、且つ素子としての変位
が大きく、更に薄い板厚においても高い機械強度を示し
ている。

【００４２】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、上記の実施例によ
って限定的に解釈されるものでは決してなく、本発明の
範囲を逸脱しない限りにおいて、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】本発明に係る圧電／電歪膜型素子の一実施例を
示す斜視部分説明図である。

【図２】本発明に係る圧電／電歪膜型素子の異なる一実
施例を示す斜視部分説明図である。

【図３】本発明に係る圧電／電歪膜型素子の更に異なる
実施例を示す斜視部分説明図である。

【図４】本発明に係る圧電／電歪膜型素子の更に異なる
実施例を示す斜視部分説明図である。

【図５】本発明に係る圧電／電歪膜型素子の他の一つの
実施例を示す斜視部分説明図である。

【図６】本発明に係る圧電／電歪膜型素子の他の異なる
実施例を示す斜視部分説明図である。

【図７】本発明に係る圧電／電歪膜型素子の他の更に異
なる実施例を示す斜視部分説明図である。

【図８】本発明に係る圧電／電歪膜型素子の異なる実施
例の一つを示す斜視部分説明図である。

【図９】本発明に係る圧電／電歪膜型素子の更に異なる
実施例の一つを示す斜視部分説明図である。

【図１０】本発明に係る圧電／電歪膜型素子の他の更に
異なる実施例を示す斜視部分説明図である。

【図１１】本発明に係る圧電／電歪膜型素子の他の更に
異なる実施例の一つを示す斜視部分説明図である。

【符号の説明】

２，１６セラミック基板４第一の電極膜６，２２圧電／電歪層８第二の電極膜１０，１８帯状電極膜１２電極接続部１４ａ，１４ｂ櫛状電極膜１６ａ薄肉厚部２０電極膜２４スリット２６矩形孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 41/09 H01L 41/187

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】薄肉のセラミック基板と該セラミック基
板上に設けられた、電極及び圧電／電歪層からなる圧電
／電歪作動部とを備えた圧電／電歪素子にして、前記圧
電／電歪作動部が膜形成法によって形成されている一
方、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
化合物の含有によって結晶相が安定化されてなる酸化ジ
ルコニウムを主成分とする材料から構成されていること
を特徴とする圧電／電歪膜型素子。
【請求項２】前記圧電／電歪作動部が、マグネシウム
ニオブ酸鉛とジルコン酸鉛とチタン酸鉛とからなる成分
を主成分とする圧電／電歪材料を用いて形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の圧電／電歪膜型素
子。
【請求項３】前記セラミック基板が、酸化イットリウ
ムで安定化された酸化ジルコニウムを主成分とする材料
からなり、且つかかる酸化イットリウムの含有量が１．
０モル％以上３０モル％以下であることを特徴とする請
求項１または２に記載の圧電／電歪膜型素子。
【請求項４】前記セラミック基板面上に、二つ以上の
圧電／電歪作動部を、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３の何れかに記載の圧
電／電歪膜型素子。
【請求項５】前記セラミック基板の板厚が、５０μｍ
以下である請求項１乃至４の何れかに記載の圧電／電歪
膜型素子。
【請求項６】前記圧電／電歪作動部の厚さが、１００
μｍ以下である請求項１乃至は５の何れかに記載の圧電
／電歪膜型素子。