JP3272004B2 - Piezoelectric / electrostrictive film type element - Google Patents
Piezoelectric / electrostrictive film type elementInfo
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Description
【０００１】[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。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a piezoelectric / electrostrictive film type element, and more particularly to a unimorph type or bimorph used mainly for an ink jet print head, a microphone, a sounding body (such as a speaker), various vibrators and oscillators, and a sensor. Type,
The present invention relates to a piezoelectric / electrostrictive film type element that generates bending displacement. The element referred to herein means an element that converts electrical energy into mechanical energy, that is, an element that converts mechanical energy into mechanical displacement or stress or vibration, and also an element that performs reverse conversion.
【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
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。BACKGROUND ART In recent years, in fields such as optics and precision processing,
Displacement elements that adjust the optical path length and position on the order of sub-microns and detection elements that detect minute displacements as electrical changes have become desired. The development of piezoelectric / electrostrictive elements such as actuators and sensors, which are elements utilizing the reverse piezoelectric effect or the displacement based on the electrostrictive effect that occurs when an electric field is applied to an electrostrictive material, or the opposite phenomenon, has been promoted. I have.
【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。In an ink jet print head or the like, such a piezoelectric / electrostrictive element structure has
Conventionally known unimorph type and bimorph type,
It is preferably employed. There is a demand for improvements in printing quality and printing speed of printers using such elements, and in order to meet such demands, such piezoelectric / electrostrictive film type elements have been reduced in size and density and operated at lower voltages. The development for high-speed response is underway.
【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。In these unimorph type and bimorph type piezoelectric / electrostrictive elements, it is important to reduce the thickness of a substrate serving as a diaphragm in order to obtain a large bending displacement, a generated force or a generated potential. However, when the thickness of such a substrate is reduced, there is a disadvantage that the strength is reduced. Moreover, the conventional unimorph-type and bimorph-type piezoelectric / electrostrictive elements each employ a structure in which a plate-like component member such as a piezoelectric / electrostrictive plate is attached using an adhesive or the like. For this reason, there has been a problem in the reliability of operation as an element.
【０００５】[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、
ポンプ、マイクロホン、発音体（スピーカー等）、アク
チュエ−タ、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。The present invention has been made in view of the above circumstances, and has as its object to provide a large displacement at a relatively low operating voltage and high reliability. An ink jet print head having a high response speed, a large generating force, and a higher integration.
Pump, microphones, sounding bodies (speakers, etc.), Aku
An object of the present invention is to provide a piezoelectric / electrostrictive film type element having excellent strength, which is suitably used for a tutor, various oscillators and oscillators, an acceleration sensor, a pressure sensor, a vibration sensor, an angular velocity sensor and the like.
【０００６】[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
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
て結晶相が部分安定化され、且つその結晶相が、主とし
て正方晶、若しくは主として立方晶と正方晶の混晶から
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。According to the present invention, there is provided a piezoelectric / electrostrictive device comprising a thin ceramic substrate and electrodes and a piezoelectric / electrostrictive layer provided on the ceramic substrate. A piezoelectric / electrostrictive element having a strain operating portion, wherein the piezoelectric / electrostrictive operating portion is formed by a film forming method, and the ceramic substrate is formed from a group consisting of yttrium oxide, cerium oxide, calcium oxide and magnesium oxide. The crystal phase is partially stabilized by the inclusion of at least one selected compound, and the crystal phase is mainly made of a material mainly composed of tetragonal or zirconium oxide composed of a mixed crystal of cubic and tetragonal. The gist is to constitute.
【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。In the present invention, the piezoelectric / electrostrictive operating portion is preferably made of lead magnesium niobate and zirconium.
It is desirable to use a piezoelectric / electrostrictive material whose main component is a component consisting of lead conate and lead titanate .
【０００８】[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。In the piezoelectric / electrostrictive film element according to the present invention, a thin ceramic substrate and a film-shaped piezoelectric / electrostrictive operating portion (two electrodes) formed on the substrate surface are provided. (Composed of a film-like piezoelectric / electrostrictive layer formed between the film and the electrode film), a large displacement can be obtained at a relatively low operating voltage, and a response speed can be obtained. In addition to being able to obtain a feature that is fast and has a large generating force or generated potential, it has a large number of piezoelectric / electrostrictive operating parts on the same substrate surface, which is good at a film forming process such as a thick film forming method. There is a feature that the element can be formed simultaneously and easily without using an adhesive, and further, there is a feature that the piezoelectric / electrostrictive operation section can be highly integrated.
【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
が部分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。Further, in the present invention, the ceramic substrate used as a substrate on which such a piezoelectric / electrostrictive operating portion is formed is selected from the group consisting of yttrium oxide, cerium oxide, calcium oxide and magnesium oxide. In addition, since the crystal phase is a material mainly composed of zirconium oxide whose crystal phase is partially stabilized by containing at least one compound, it has high mechanical strength even at a small plate thickness, has high toughness, and has a piezoelectric / Characteristics such as a small stress during heat treatment with the electrostrictive material and a low chemical reactivity with the piezoelectric / electrostrictive material are obtained, thereby making it possible to provide an element having excellent characteristics. It is.
【００１０】すなわち、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
料を調整することである。そして、本発明においては、
その結晶相が主として正方晶若しくは主として立方晶と
正方晶の混晶からなる部分安定化された酸化ジルコニウ
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／電歪膜型素子における基板材料として、非常に好
適に用いられ得るものであり、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。[0010] Chi I sand, zirconium oxide, as is known, in a pure state without additives, by phase transformation monoclinic-tetragonal interdendritic at around 1000 ° C., resulting porcelain fracture,
Although it is difficult to manufacture a thin substrate, the addition of the compound as described above can completely or partially stabilize the crystal phase so that such a crystal transformation does not occur. It is. Here, "partially stabilizing" means to adjust a material so that partial crystal transformation can occur. And in the present invention,
Partially stabilized zirconium oxide whose crystal phase is mainly tetragonal or a mixture of cubic and tetragonal crystals undergoes crystal transformation due to stress, that is, high mechanical strength and toughness due to the stress-induced phase transformation strengthening mechanism and the like. The piezoelectric / electrostrictive layer, the electrode film, and the substrate are integrally formed without an adhesive, and are very suitably used as a substrate material in a piezoelectric / electrostrictive film element that generates displacement, force, or potential. It is possible to advantageously configure a film-type element by utilizing such material characteristics.
【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、前記部分安定化した
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。Further, in the present invention, a component comprising lead magnesium niobate, lead zirconate and lead titanate is used as a main component of a piezoelectric / electrostrictive material, and is combined with the partially stabilized zirconium oxide substrate. During the heat treatment of the piezoelectric / electrostrictive layer formed by the thick film method or the like, there is very little change in the composition of the film-like piezoelectric / electrostrictive layer due to the reaction with the substrate or the like or the occurrence of a crystalline phase such as pyrochlore. The composition and the crystal structure exhibit the characteristic that the piezoelectric / electrostrictive layer can be advantageously formed.
【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、部分安定
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、２モル％以上７モル％以下、好ましくは２モル％以
上４モル％以下とされ、且つその部分安定化された酸化
ジルコニウムの結晶相は、主として正方晶若しくは主と
して立方晶と正方晶の混晶からなることとなる。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。このような範囲の結晶粒子径は、前記した正方晶
を安定に存在させるためにも重要である。In the piezoelectric / electrostrictive film type element according to the present invention, in order to be able to operate at a low voltage and to obtain a large bending displacement / generating force or generated potential, the thickness is preferably 100 μm or less, preferably 100 μm or less. Is a piezoelectric /
An electrostriction actuating portion, having a thickness of 50 μm or less, preferably 3 μm or less;
It is composed of a ceramic substrate of 0 μm or less, more preferably 10 μm or less. Further, in order to obtain high mechanical strength even at such a thin plate thickness, as the partially stabilized zirconium oxide, preferably, zirconium oxide stabilized with yttrium oxide is used as a substrate material, and such an oxide is used. The content of yttrium is 2 mol% to 7 mol%, preferably 2 mol% to 4 mol%, and the crystal phase of the partially stabilized zirconium oxide is mainly tetragonal or cubic. It consists of a tetragonal mixed crystal. Furthermore,
As for the crystal grain size of the substrate, from the viewpoint of the mechanical strength of the substrate,
The average particle size is preferably 0.05 μm to 2 μm, and more preferably 1 μm or less. The crystal particle diameter in such a range is important for stably allowing the above-described tetragonal crystal to exist.
【００１３】[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。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 element according to the present invention. For easy understanding, the same reference numerals are given to components having the same structure or function throughout the drawings.
【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
従う部分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。First, a piezoelectric / electrostrictive film type element (actuator) shown in FIG. 1 has a first electrode film 4 and a film-shaped piezoelectric / electrode on one surface of a thin flat ceramic substrate 2. The strained layer 6 and the second electrode film 8 are sequentially laminated by a normal film forming method to form a multilayer integrated structure. Note that the first and second electrode films 4 and 8 are respectively made of piezoelectric /
Extending from the end of the electrostrictive layer 6, the lead portions 4a,
8a are formed, and a voltage is applied to the respective electrode films 4, 8 through the leads 4a, 8a. The ceramic substrate 2 is made of partially stabilized zirconium oxide according to the present invention. Therefore, in the piezoelectric / electrostrictive film type element having such a structure, when an electric field is applied to the piezoelectric / electrostrictive layer 6, the transverse effect of the electric field induced strain causes the piezoelectric / electrostrictive layer 6 to move in a direction perpendicular to the plate surface of the ceramic substrate 2. The bending displacement or the generated force is expressed.
【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。In FIG. 2, the ceramic substrate 2
A comb-shaped electrode film 14a composed of a plurality of band-shaped electrodes 10 and a band-shaped electrode connection portion 12 connecting them and an electrode film 14b having the same shape are provided on one surface in an arrangement form as shown in FIG. Further, a piezoelectric / electrostrictive layer 6 is formed between the electrode films 14a and 14b so as to be in contact with the electrode films 14a and 14b, thereby forming an integral structure. In the piezoelectric / electrostrictive film type element having such a structure, when an electric field is applied to the piezoelectric / electrostrictive layer 6, the piezoelectric / electrostrictive layer 6 is bent in a direction perpendicular to the plate surface of the ceramic substrate 2 due to a longitudinal effect of electric field induced strain. The displacement or generated force is developed.
【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
部位が薄肉厚部１６ａとされたセラミック基板１６が用
いられており、そして、その薄肉厚部１６ａの面上に
は、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。FIGS. 3 and 4 show examples in which the shape of the ceramic substrate 2 is changed in the elements shown in FIGS. 1 and 2, respectively. That is, FIG.
4 and FIG. 4, a ceramic substrate 16 is used in which an outer edge portion is made thick and an inner portion is made a thin thick portion 16a, and two thin portions 16a are provided on the surface of the thin thick portion 16a. Piezoelectric / electrostrictive operating portions composed of the electrode films 4, 8; 14a, 14b and the piezoelectric / electrostrictive layer 6 are provided integrally.
【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。Further, the element shown in FIG. 5 has a bimorph type piezoelectric / electrostrictive element in which piezoelectric / electrostrictive operating portions (4, 6, 8) are provided on both surfaces of a thin thick portion 16a of a ceramic substrate 16, respectively. It is an example of a strain film type element.
【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。In the device shown in FIG. 6, two band-like electrode films 18 and 18 are provided on one surface of the ceramic substrate 2.
Are provided so as to be spirally opposed to each other, and the piezoelectric / electrostrictive layer 6 is provided so as to embed these band-shaped electrode films 18, 18.
The piezoelectric / electrostrictive operating section is constituted by the piezoelectric / electrostrictive layers 6 and 8.
【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。FIGS. 7 to 11 show different examples of the element according to the present invention in which a plurality of piezoelectric / electrostrictive operating parts are provided on a ceramic substrate, respectively.
The plurality of piezoelectric / electrostrictive actuating parts, in a laminated form,
Alternatively, in a side-by-side configuration, they are provided on a ceramic substrate.
【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。For example, in FIG. 7, a plurality of strip-shaped electrode films 18 are arranged on one surface of the ceramic substrate 2 at regular intervals, and when the strip-shaped electrode films 18 are embedded, An example is shown in which a piezoelectric / electrostrictive operating section is formed by providing the piezoelectric / electrostrictive layer 6, and further on the piezoelectric / electrostrictive operating section (6, 18),
The electrode film 20, the film-like piezoelectric / electrostrictive layer 22, and the electrode film 20 are sequentially laminated and integrated. With the two electrode films 20 and 20 and the piezoelectric / electrostrictive layer 22,
Another piezoelectric / electrostrictive operating portion is formed.
【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。In the examples shown in FIGS. 8 to 10, a plurality of piezoelectric / electrostrictive operating portions (4, 6, 8) are provided on the ceramic substrate 2 side by side. In the device shown in FIG. 9 and FIG. 9, a slit 24 is formed in the ceramic substrate 2 located between the plurality of piezoelectric / electrostrictive actuation portions (4, 6, 8), so that the respective piezoelectric / electrostrictive The parts are independent from each other. In the element shown in FIG. 10, the ceramic substrate 2 is provided with long rectangular holes 26 at a predetermined pitch to form a ladder-shaped ceramic substrate 2. A piezoelectric / electrostrictive operating portion composed of the first electrode film 4, the film-shaped piezoelectric / electrostrictive layer 6, and the second electrode film 8 is formed on the connection portion 2a sandwiched between the two. In FIG. 8, reference numeral 28 denotes an insulating film for electrically insulating the first electrode film 4 from the second electrode film 8 at the back of the piezoelectric / electrostrictive layer 6.
【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。Further, in the example of the element shown in FIG. 11, a first electrode film 4, a film-like piezoelectric / electrostrictive layer 6, and a second electrode film 8 are formed on one large ceramic substrate 2. Are provided in a structure in which a plurality of the piezoelectric / electrostrictive operation sections are integrally arranged at a predetermined pitch.
【００２３】更にまた、図１２及び図１３には、図１１
に示される素子において、そのセラミック基板２の形状
及び圧電／電歪作動部（４，６，８）の配設形態を変え
た例が示されている。即ち、基板裏面形態を示す図１２
から明らかなように、厚肉のセラミック基板１６の裏面
に、所定の大きさのキャビティ３０が所定ピッチで千鳥
状に設けられており、以てこのキャビティ３０の底部に
よって与えられる薄肉厚部１６ａが千鳥状に配置された
基板構成となっている。そして、このセラミック基板１
６の表面には、図１３に示されるように、前記薄肉厚部
１６ａ上に位置するように、圧電／電歪作動部（４，
６，８）が一体的に形成されて、千鳥状に配置せしめら
れている。FIGS. 12 and 13 show FIG.
2 shows an example in which the shape of the ceramic substrate 2 and the arrangement of the piezoelectric / electrostrictive operating portions (4, 6, 8) are changed. That is, FIG.
As is apparent from FIG. 3, on the back surface of the thick ceramic substrate 16, cavities 30 of a predetermined size are provided in a staggered manner at a predetermined pitch, so that a thin thick portion 16 a provided by the bottom of the cavity 30 is formed. The substrate configuration is a staggered arrangement. And this ceramic substrate 1
As shown in FIG. 13, the surface of the piezoelectric / electrostrictive operating portion (4, 6) is positioned on the thin thick portion 16a.
6, 8) are integrally formed and arranged in a staggered manner.
【００２４】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。In each of the elements having such various structures, in order to function as an actuator, a current is applied between the two electrode films constituting the piezoelectric / electrostrictive operating portion in the same manner as in the prior art. When an electric field is applied to the piezoelectric / electrostrictive layer, electric field-induced strain of the piezoelectric / electrostrictive layer based on such an electric field is induced, and the direction perpendicular to the plate surface of the ceramic substrate is generated. The bending displacement or the generated force is expressed.
【００２５】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主として正方晶若
しくは主として立方晶と正方晶の混晶とされた部分安定
化酸化ジルコニウムを主成分とする材料が用いられるこ
ととなる。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ことに基づくも
のであるが、その中で部分的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。Incidentally, in the piezoelectric / electrostrictive film type element according to the present invention, as for the ceramic substrate (2, 16) on which the piezoelectric / electrostrictive operating portion is formed, the material for providing the same is a crystal made of a predetermined compound. A material mainly composed of partially stabilized zirconium oxide in which the phase is mainly tetragonal or a mixed crystal of cubic and tetragonal will be used. The film type device according to the present invention, as described below,
In general, heat treatment is performed at a high temperature together with the substrate, and the heat resistance at that time, the reactivity through the electrode film with the piezoelectric / electrostrictive material, and the strength of the substrate against the stress during the heat treatment, etc., are obtained depending on the material characteristics of the substrate. It is based on the finding that the characteristics of the film-type element used, such as the generated force and displacement, are affected, and among them, partially stabilized zirconium oxide has a Excellent and extremely effective as a substrate material.
【００２６】この酸化ジルコニウムを部分安定化せし
め、且つその結晶相を主として正方晶若しくは主として
立方晶と正方晶の混晶にするための化合物としては、酸
化イットリウム、酸化セリウム、酸化マグネシウム、酸
化カルシウムのうちの少なくとも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安定
化されることとなるが、その部分安定化は、一種類の化
合物の添加のみならず、それらの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
の部分安定化は可能である。なお、それら部分安定化剤
の添加含有量としては、酸化イットリウムに関しては２
モル％〜７モル％、酸化セリウムに関しては６モル％〜
１５モル％、酸化マグネシウム、酸化カルシウムに関し
ては５モル％〜１２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部分安定化剤として
用いることが好ましく、その場合においては２モル％〜
７モル％、更に好ましくは２モル％〜４モル％とするこ
とが望ましい。そのような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、その主たる
結晶相が正方晶若しくは主として立方晶と正方晶からな
る混晶において部分安定化され、優れた基板特性を与え
ることとなる。また、その正方晶を安定に存在させ、大
きな基板強度が得られる為には、基板の平均結晶粒子径
も重要となる。即ち、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。Compounds which partially stabilize the zirconium oxide and make its crystal phase mainly a tetragonal crystal or a mixture of mainly cubic and tetragonal crystals include yttrium oxide, cerium oxide, magnesium oxide and calcium oxide. Adding at least one of the compounds,
By containing the zirconium oxide, the zirconium oxide is partially stabilized. The partial stabilization can be achieved not only by adding one kind of compound but also by adding those compounds in combination. Partial stabilization of zirconium is possible. The content of these partial stabilizers is 2% for yttrium oxide.
Mol% to 7 mol%, and for cerium oxide, 6 mol% to
It is preferable to use 15 mol%, 5 mol% to 12 mol% with respect to magnesium oxide and calcium oxide. Among them, it is particularly preferable to use yttrium oxide as a partial stabilizer, and in that case, it is preferable to use 2 mol% to
It is desirable that the content be 7 mol%, more preferably 2 mol% to 4 mol%. Zirconium oxide obtained by adding and containing yttrium oxide in such a range has a main crystal phase partially stabilized in a tetragonal crystal or a mixed crystal mainly composed of a cubic crystal and a tetragonal crystal, and provides excellent substrate characteristics. Become. In addition, in order for the tetragonal crystal to be stably present and to obtain a large substrate strength, the average crystal grain size of the substrate is also important. That is, as an average particle diameter, 0.05μm
To 2 μm, more preferably 1 μm
It is desirable that:
【００２７】なお、酸化ジルコニウム基板の安定化に用
いられる化合物としては、一般に、酸化イットリウム、
酸化マグネシウム等が知られているが、そのような化合
物の添加量によって、安定化される結晶相は異なるもの
となる。しかし、結晶相は、そのような化合物の添加量
だけで決定されるものではなく、原料粉末の結晶粒子径
によっても異なることとなり、更には焼成によって作製
された酸化ジルコニウム磁器の結晶粒子径、それに関連
して焼成温度・時間も因子となるのである。例えば、酸
化イットリウムを安定化剤として用いた場合には、結晶
相を主として正方晶にするためには、安定化剤の添加量
として２〜４モル％、原料粉末の粒子径として０．１μ
m 以下、作製される磁器の結晶粒子径として１μm 以
下、焼成温度は原料によって異なるため、一概に言えな
いところであるが、粒成長の起こらない温度・時間が必
要となるのである。即ち、これらの条件を同時に満足し
てはじめて、正方晶が安定に存在した結晶相を主とする
酸化ジルコニウム基板の調製が可能となるのである。一
方、結晶相を主として立方晶と正方晶の混晶とするため
には、安定化剤の添加量の上限を７モル％程度までと
し、作製した磁器の結晶粒子径も２μm 以下という条件
が採用される。これらの条件の範囲外では、例えば、安
定化剤の添加量が２モル％より小さくなると単斜晶が主
となり、また原料粉末や磁器の結晶粒子径も大きくなる
と、正方晶が安定して出来難くなるのである。なお、そ
れが出来たとしても、時間と共に単斜晶や立方晶に変態
するようになる。一般には、それは単斜晶と立方晶から
なる部分安定化酸化ジルコニウムとなり、正方晶若しく
は正方晶と立方晶の混晶からなる部分安定化酸化ジルコ
ニウムと比較して、同じ部分安定化されているにも拘わ
らず、基板強度は劣るものである。The compound used for stabilizing the zirconium oxide substrate is generally yttrium oxide,
Magnesium oxide and the like are known, but the crystal phase to be stabilized differs depending on the amount of such a compound added. However, the crystal phase is not determined only by the amount of such a compound added, but also depends on the crystal particle diameter of the raw material powder, and furthermore, the crystal particle diameter of zirconium oxide porcelain produced by firing, and Relatedly, the firing temperature and time are also factors. For example, when yttrium oxide is used as a stabilizer, in order to make the crystal phase mainly a tetragonal crystal, the amount of the stabilizer added is 2 to 4 mol%, and the particle diameter of the raw material powder is 0.1 μm.
m or less, the crystal grain diameter of the porcelain to be produced is 1 μm or less, and the firing temperature differs depending on the raw material. Therefore, although it cannot be said unconditionally, a temperature and time that do not cause grain growth are required. That is, only when these conditions are satisfied at the same time, it becomes possible to prepare a zirconium oxide substrate mainly composed of a crystal phase in which tetragonal crystals are stably present. On the other hand, in order to make the crystal phase mainly a mixed crystal of cubic and tetragonal, the upper limit of the amount of the stabilizer to be added is up to about 7 mol%, and the crystal grain size of the produced porcelain is 2 μm or less. Is done. Outside of these conditions, for example, when the amount of the stabilizer added is less than 2 mol%, monoclinic crystals are predominant, and when the crystal grain size of the raw material powder or porcelain increases, tetragonal crystals are formed stably. It becomes difficult. Even if this is achieved, it will be transformed into monoclinic or cubic with time. Generally, it becomes partially stabilized zirconium oxide composed of monoclinic and cubic crystals, and has the same partially stabilized state as compared with partially stabilized zirconium oxide composed of tetragonal crystals or a mixed crystal of tetragonal crystals and cubic crystals. Nevertheless, the substrate strength is inferior.
【００２８】かかる状況下、本発明に従う部分安定化酸
化ジルコニウム基板を作製するためには、一般に、前述
の如き化合物の所定量を用いると共に、原料粉末の結晶
平均粒子径が０．１μm 以下の原料を使用し、焼成温度
を１３００℃〜１６００℃に設定する条件が採用される
こととなる。Under these circumstances, in order to produce the partially stabilized zirconium oxide substrate according to the present invention, generally, a predetermined amount of the compound as described above is used, and a raw material powder having a crystal average particle diameter of 0.1 μm or less is used. And the conditions for setting the firing temperature to 1300 ° C. to 1600 ° C. will be adopted.
【００２９】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等に示される如き、凹所の底部が薄肉厚部
（１６ａ）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（１
６）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。
なお、このようなキャビティ構造を有している基板（１
６）のキャビティの寸法に関し、そのようなキャビティ
の長さは、その幅の２倍から２０倍であることが好まし
く、一方キャビティ基板（１６）の薄肉厚部（１６ａ）
に形成される圧電／電歪作動部は、素子の変位・発生力
の点から、該キャビティの幅に対して５０％〜９０％と
することが好ましい。As the form of the ceramic substrate, the single plate-shaped object (2) shown in FIGS. 1 and 2 and the bottom of the recess as shown in FIGS. Is a thin portion (16a), and a substrate (1) having a cavity structure in which a piezoelectric / electrostrictive operating portion is formed on the surface of the thin portion.
6), the latter substrate having a cavity structure can reduce the thickness of the substrate at the relevant portion, thereby reducing the strength of the element substrate, and further reducing the piezoelectric strength of the adjacent piezoelectric elements in a juxtaposed configuration. It is preferably used because the electrostriction actuating portions are less likely to interfere with each other due to the thick portion between the thin portion and the thick portion during displacement or vibration.
The substrate (1) having such a cavity structure
With regard to the dimensions of the cavity of 6), the length of such a cavity is preferably from 2 to 20 times its width, while the thinned portion (16a) of the cavity substrate (16)
Is preferably 50% to 90% with respect to the width of the cavity from the viewpoint of the displacement and generation force of the element.
【００３０】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 以下とされる。Further, regarding the thickness of the thin ceramic substrate, in order to obtain a high-speed response and a large displacement of the element,
Generally, it is 50 μm or less, preferably 30 μm or less, and more preferably 10 μm or less.
【００３１】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、本発明に従う部分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。Furthermore, such a ceramic substrate is finally formed into a sintered form, but it can be a sintered substrate before forming the piezoelectric / electrostrictive operating portion. Alternatively, a green sheet of a substrate material may be used to form a piezoelectric / electrostrictive operating portion by forming a film, which will be described later, followed by sintering. And the pattern dimensional accuracy can be obtained. The ceramic substrate (16) having a cavity structure is formed by laminating a thin green sheet to be a thin thick part on a green sheet having a hole by using a machining method such as a mold or ultrasonic processing, and thermocompression bonding. After that, it is preferable to produce by firing and integrating from the viewpoint of high reliability. Further, a sintering aid such as aluminum oxide, titanium oxide, or clay may be added to the partially stabilized zirconium oxide-based substrate material according to the present invention. Silicon (SiO 2 , SiO)
It is desirable to adjust the composition and amount of the auxiliary agent so that 1% or more is not contained. If silicon oxide is excessively contained in the substrate, a reaction is likely to occur during heat treatment with the piezoelectric / electrostrictive material, and it becomes difficult to control the composition.
【００３２】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。In order to form a piezoelectric / electrostrictive operating portion by providing a predetermined electrode film (4, 8) and a piezoelectric / electrostrictive layer 6 on such a ceramic substrate, various known film forming methods are used. Are appropriately adopted, for example, thick film forming techniques such as screen printing, spraying, dipping, and coating, ion beam, sputtering, vacuum deposition, ion plating, and CV.
D, a thin film forming technique such as plating is appropriately selected. In particular, in order to form the film-like piezoelectric / electrostrictive layer (6), a method of forming a thick film by screen printing, spraying, dipping, coating, or the like is suitably adopted. According to this method of forming a thick film, a film can be formed on a ceramic substrate using a paste or a slurry mainly composed of ceramic particles of a piezoelectric / electrostrictive material, and good element characteristics can be obtained. In addition, as 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. Remove it,
A pattern may be formed.
【００３３】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。The structure of the element manufactured here and the shape of the film-shaped piezoelectric / electrostrictive operating portion are not limited at all, and any shape can be adopted according to the application. , A polygon such as a quadrangle, a circle such as a circle, an ellipse, a ring, a comb, a lattice, or a combination of these special shapes.
【００３４】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。Each of the films (4, 6, 8) thus formed on the ceramic substrate by the above method.
May be heat-treated to form an integral structure with the substrate each time each film is formed, or heat-treated simultaneously after forming all the films so that each film is simultaneously integrated with the substrate. You may make it combine. Note that when an electrode film is formed by such a film formation technique, heat treatment may not always be required for integration.
【００３５】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。Further, the heat treatment temperature for integrating the film thus formed and the substrate is generally 900
° C to 1400 ° C, preferably 10 ° C.
A temperature in the range from 00C to 1400C is advantageously chosen.
When the film-shaped piezoelectric / electrostrictive layer (6) is subjected to a heat treatment, the atmosphere of the piezoelectric / electrostrictive layer (6) may be heated together with the evaporation source of such a piezoelectric / electrostrictive material so that the composition of the piezoelectric / electrostrictive layer does not become unstable at a high temperature. It is preferable to perform heat treatment while performing control.
【００３６】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
が好ましく、さらに好ましくは白金と基板材料と圧電材
料とのサーメット材料が好ましい。なお、電極中に添加
せしめる基板材料としては、５〜３０体積％程度、一方
圧電材料としては５〜２０体積％程度であることが好ま
しい。The material of the electrode films (4, 8 and the like) constituting the piezoelectric / electrostrictive operating section manufactured by the above-mentioned method may be a conductor capable of withstanding the heat treatment temperature and the high temperature oxidizing atmosphere at about the firing temperature. if, it is not particularly restricted, for example, it is a simple metal may be an alloy, also an insulating ceramics such as, be a mixture of a metal or alloy, further conductive Even ceramics
No problem. However, more preferably, platinum, palladium, high melting point noble metals such as rhodium, or silver-palladium, silver-platinum, an electrode material containing an alloy such as platinum-palladium as a main component is preferably used, among which more preferably Is preferably a cermet material of platinum and a ceramic substrate material, and more preferably a cermet material of platinum, a substrate material and a piezoelectric material. The substrate material to be added to the electrode is preferably about 5 to 30% by volume, while the piezoelectric material is preferably about 5 to 20% by volume.
【００３７】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。The electrode formed using such a conductor material has an appropriate thickness depending on the application. In the type using the transverse effect of electric field induced strain,
Generally, it is formed in a thickness of 20 μm or less, preferably 5 μm or less. On the other hand, in the type using the longitudinal effect of electric field induced strain, the electrode thickness is desirably 3 μm or more, preferably 10 μm or more, and more preferably 20 μm or more.
【００３８】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。Also, the piezoelectric / electrostrictive actuator constituting the piezoelectric / electrostrictive operating section
As the electrostrictive material, any material can be employed as long as it exhibits an electric field-induced strain such as a piezoelectric or electrostrictive effect. It may be a material, a semiconductor material, a dielectric ceramic material or a ferroelectric ceramic material, or any material that requires a polarization treatment. Unnecessary materials may be used.
【００３９】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加えたもの
であっても、何等差し支えない。However, as the piezoelectric / electrostrictive material used in the present invention, preferably, lead zirconate titanate (PZT) is used.
) -Based material, lead magnesium niobate (P
MN-based material, lead nickel niobate (P
NN-based material, lead manganese niobate-based material, lead antimony stannate-based material, zinc zinc niobate-based material, lead titanate-based material And further, a composite material of these materials and the like are used. In addition, lanthanum,
Materials containing oxides such as barium, niobium, zinc, cerium, cadmium, chromium, cobalt, antimony, iron, yttrium, tantalum, tungsten, nickel, manganese and other compounds as additives, for example, <br / > For example, the PZT system is a main component so as to be a PLZT system.
The above-mentioned materials are appropriately added with the specified additives
However , there is no problem.
【００４０】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。Among these piezoelectric / electrostrictive materials, in particular, lead magnesium niobate, lead zirconate, lead titanate, etc.
Since the material containing the main component consisting of the main component hardly reacts with the substrate material during the heat treatment, segregation of the component hardly occurs, and a process for maintaining the composition can be suitably performed, and the desired composition and crystal can be obtained. It is advantageously used in combination with having a high piezoelectric constant, such as easy to obtain structure, and is recommended as a material for forming piezoelectric / electrostrictive films by thick film forming techniques such as screen printing, spraying, dipping, coating, etc. You.
In the case of a multi-component piezoelectric / electrostrictive material, the piezoelectric characteristics change depending on the composition of the components. However, in the three-component material of lead magnesium niobate-lead zirconate-lead titanate suitably employed in the present invention, The composition is preferably in the vicinity of the phase boundary of pseudocubic-tetragonal-rhombohedral. Particularly, lead magnesium niobate: 15 mol% to 50 mol%, lead zirconate: 10 mol% to 45 mol%, lead titanate: 30 mol%-45 mol%
Is advantageously employed because of its high piezoelectric constant and electromechanical coupling coefficient.
【００４１】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。The thickness of the piezoelectric / electrostrictive operating portion composed of the electrode film and the piezoelectric / electrostrictive film (layer) formed as described above is generally 100 μm or less. The thickness of the strain film is preferably 50 μm or less, more preferably 3 μm or more and 40 μm or less, in order to obtain a large displacement or the like at a low operating voltage.
【００４２】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
酸鉛とチタン酸鉛を主成分とする材料からなる圧電／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、１０００℃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印加時の数値
である。The following table shows various characteristics of devices manufactured using substrates made of various materials. At the time of manufacturing the device, the substrate was formed into a cavity shape having a thin thick portion (16a) as shown in FIG. 3, and the thickness of the thin thick portion (16a) was set to 10 μm. In addition, the piezoelectric / electrostrictive operating part contains lead magnesium niobate and zircon.
A piezoelectric / electrostrictive material composed of a material mainly composed of lead oxide and lead titanate was screen-printed to a thickness of 30 μm, and heat-treated at 1000 ° C. or more to be formed. The size of the thin thick part is 0.8 mm × 3 mm. The measurement of the breaking strength was performed by applying a load to the center of the thin-walled portion vertically with a probe having an area of 0.3 mmφ. The displacement of the element is a numerical value when DC 30 V is applied.
【００４３】 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 Ｙ2 Ｏ3 部分安定化ＺｒＯ2 ２０ 無 ２．０ （主な結晶相：正方晶） Ｙ2 Ｏ3 完全安定化ＺｒＯ2 ５ 無 ０．８ （主な結晶相：立方晶） ＭｇＯ部分安定化ＺｒＯ2 １０ 無 １．０ （主な結晶相：立方晶＋正方晶） ＣｅＯ2 部分安定化ＺｒＯ2 １０ 無 １．０ （主な結晶相：立方晶＋正方晶） （注）・ガラスについては、基板厚さは５０μm であ
る。且つ膜形成法ではなく、１０００℃以上の熱処理を
行わず、圧電／電歪板を基板にはりつけたアクチュエー
タである。 ・ＺｒＯ2 の部分安定化に用いるＹ2 Ｏ3 の量は３モル
％、完全安定化には８モル％。また、ＺｒＯ2 の部分安
定化に用いるＭｇＯの量は９モル％。更に、また、Ｚｒ
Ｏ2 の部分安定化に用いるＣｅＯ2 の量は１２モル％で
ある。Reactivity ( μm) with breaking strength (Kgf / displacement substrate material of piezoelectric / electrostrictive element : cm 2 : 10 μm) Glass <1─ <0.1 Alumina 5 Small 0.5 Y 2 O 3 Partially stabilized ZrO 2 20 No 2.0 (Main crystal phase: tetragonal) Y 2 O 3 Fully stabilized ZrO 2 5 No 0.8 (Main crystal phase: Cubic) MgO Partially stabilized ZrO 2 10 No 1.0 (Main crystal phase: cubic + tetragonal) CeO 2 partially stabilized ZrO 2 10 No 1.0 (Main crystal phase: cubic + tetragonal) (Note) ・ For glass, substrate thickness Is 50 μm. In addition, it is an actuator in which a piezoelectric / electrostrictive plate is attached to a substrate without performing a heat treatment at 1000 ° C. or higher, instead of a film forming method. The amount of Y 2 O 3 used for partial stabilization of ZrO 2 is 3 mol%, and 8 mol% for complete stabilization. The amount of MgO used for the partial stabilization of ZrO 2 was 9 mol%. Furthermore, Zr
The amount of CeO 2 used for the partial stabilization of O 2 is 12 mol%.
【００４４】かかる表の結果から明らかなように、部分
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。As is clear from the results of the table, the partially stabilized zirconium oxide has no reaction with the piezoelectric / electrostrictive material and has a large displacement as an element as compared with other substrate materials. High mechanical strength is exhibited even at a small thickness.
【００４５】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。Although the present invention has been described in detail with reference to some embodiments, the present invention should not be construed as being limited to the above-described embodiments, and depart from the scope of the present invention. Unless otherwise stated, various changes, modifications,
It should be understood that improvements and the like can be made.
【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。FIG. 1 is a partial perspective view showing one embodiment of a piezoelectric / electrostrictive film element according to the present invention.
【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。FIG. 2 is a perspective partial explanatory view showing another embodiment of the piezoelectric / electrostrictive film type device according to the present invention.
【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。FIG. 3 is a partial perspective view showing still another embodiment of the piezoelectric / electrostrictive film element according to the present invention.
【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。FIG. 4 is a partial perspective view showing still another embodiment of the piezoelectric / electrostrictive film element according to the present invention.
【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。FIG. 5 is a partial perspective view showing another embodiment of the piezoelectric / electrostrictive film element according to the present invention.
【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。FIG. 6 is a partial perspective view showing another example of the piezoelectric / electrostrictive film type device according to the present invention.
【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。FIG. 7 is a partial perspective view showing still another embodiment of the piezoelectric / electrostrictive film element according to the present invention.
【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。FIG. 8 is a partial perspective view showing another embodiment of the piezoelectric / electrostrictive film type device according to the present invention.
【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。FIG. 9 is a partial perspective view showing still another embodiment of the piezoelectric / electrostrictive film element according to the present invention.
【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。FIG. 10 is a partial perspective view showing still another embodiment of the piezoelectric / electrostrictive film element according to the present invention.
【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。FIG. 11 is a partial perspective view showing another still another embodiment of the piezoelectric / electrostrictive film type device according to the present invention.
【図１２】図１１に示される圧電／電歪膜型素子の変形
例の素子裏面を示す斜視部分説明図である。FIG. 12 is a partial perspective view showing a back surface of a modified example of the piezoelectric / electrostrictive film type device shown in FIG. 11;
【図１３】図１２に示される圧電／電歪膜型素子の図１
１に相当する斜視部分説明図である。13 is a view showing the piezoelectric / electrostrictive film type device shown in FIG. 12; FIG.
FIG. 2 is a perspective partial explanatory view corresponding to FIG.
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 2, 16 Ceramic substrate 4 First electrode film 6, 22 Piezoelectric / electrostrictive layer 8 Second electrode film 10, 18 Strip electrode film 12 Electrode connection portion 14a, 14b Comb electrode film 16a Thin thick portion 20 Electrode film 24 Slit 26 rectangular hole
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C01G 25/00 C04B 35/48 H01L 41/187 H02N 2/00 Continuation of the front page (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) C01G 25/00 C04B 35/48 H01L 41/187 H02N 2/00
Claims (7)
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、酸化セ
リウム、酸化マグネシウム及び酸化カルシウムからなる
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
結晶相が部分安定化され、且つその結晶相が、実質的に
単斜晶を含まず、主として正方晶、若しくは主として立
方晶と正方晶の混晶から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。1. A piezoelectric / electrostrictive element comprising a thin ceramic substrate and a piezoelectric / electrostrictive operating portion provided on the ceramic substrate and including an electrode and a piezoelectric / electrostrictive layer. While the electrostriction actuating portion is formed by a film forming method, the ceramic substrate partially stabilizes the crystal phase by containing at least one compound selected from the group consisting of yttrium oxide, cerium oxide, magnesium oxide and calcium oxide. And its crystalline phase is substantially
Piezoelectric material characterized by being composed of a material containing zirconium oxide as a main component , mainly containing tetragonal or mixed crystals of cubic and tetragonal, without containing monoclinic crystals
Electrostrictive film type element.
が、０．０５μｍ〜２μｍであ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。 2. The average crystal particle diameter of the ceramic substrate.
Is 0.05 μm to 2 μm.
Item 2. A piezoelectric / electrostrictive film element according to item 1.
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又は請求項２に記載の圧電／
電歪膜型素子。3. The piezoelectric / electrostrictive operating portion is formed by using a piezoelectric / electrostrictive material mainly composed of a component composed of lead magnesium niobate, lead zirconate and lead titanate. The piezoelectric / electrode according to claim 1 or 2 ,
Electrostrictive film type element.
リウムで部分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２モル％以上７モル％以下であ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／電歪膜型素子。4. The method according to claim 1, wherein the ceramic substrate is made of a material mainly composed of zirconium oxide partially stabilized with the yttrium oxide, and the content of the yttrium oxide is 2 mol% or more and 7 mol% or less. the piezoelectric / electrostrictive film element according to any one of claims 1 to 3, characterized.
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４の何れかに記載の圧
電／電歪膜型素子。5. A on the ceramic substrate surface, two or more piezoelectric / electrostrictive operation portion, in the multilayer form or a piezoelectric / electrostrictive according to any one of claims 1 to 4 is provided in parallel form Film type element.
以下である請求項１乃至５の何れかに記載の圧電／電歪
膜型素子。6. The ceramic substrate has a thickness of 50 μm.
Less piezoelectric / electrostrictive film element according to any one of claims 1 to 5 is.
μm 以下である請求項１乃至６の何れかに記載の圧電／
電歪膜型素子。7. The piezoelectric / electrostrictive operating portion has a thickness of 100
The piezoelectric / electrode according to any one of claims 1 to 6 , wherein
Electrostrictive film type element.
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