JP3482101B2 - 圧電膜型素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電膜型素子の改
良に係り、特に、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、力あるいは振動に変換したり、
その逆の変換を行なう素子において、その作動特性を向
上せしめ得る構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】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いる。

【０００３】これに応えるものとして、強誘電体等の圧
電材料に電界を加えた時に起こる逆圧電効果に基づくと
ころの変位の発現を利用したアクチュエータやその逆の
現象（圧電効果）を利用したセンサ等に用いられる圧電
／電歪素子の開発が進められている。

【０００４】その中で、スピーカ等においては、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
ユニモルフ型等が好適に採用されている。

【０００５】このため、本願出願人にあっても、先に、
特開平３−１２８６８１号公報や特開平５−４９２７０
号公報等において、各種の用途に好適に用いられ得る、
セラミック材料製の圧電（／電歪）膜型素子を提案し
た。

【０００６】この先に提案の圧電膜型素子は、少なくと
も１つの窓部（空所）を覆蓋するように薄肉のダイヤフ
ラム部が一体に設けられることによって、少なくとも１
つの薄肉の壁部が形成されたセラミック基体を備え、更
に、該セラミック基体のダイヤフラム部の外面上に、下
部電極、圧電層及び上部電極との組合せからなる膜状の
圧電作動層が膜形成法によって一体的に積層形成された
構造を有する。

【０００７】この圧電膜型素子は、前記上部電極及び下
部電極間への通電によって、圧電効果（特に、電界誘起
歪み）の横効果、即ち、電界の方向と直交している方向
の歪みを利用した変位、力、振動等を発生させるように
作動されるものである。

【０００８】この圧電膜型素子は、小型で安価な、高信
頼性の電気機械変換素子であると共に、低い駆動電圧に
て大変位が得られ、また応答速度が速く、かつ、発生力
も大きいという優れた特徴を有しており、アクチュエー
タ、フィルタ、ディスプレイ、センサ等の構成部材等と
して有用であることが認められている。

【０００９】一方、米国特許第２５４０１９４号明細書
には、所定厚さを有する長手板状の圧電層の面上に、該
圧電層の幅方向に延びる帯状電極を、前記圧電層の長手
方向に所定間隔を隔ててストライプ状に設けるようにし
た構造の圧電アクチュエータが明示されている。

【００１０】このアクチュエータでは、上述のようにス
トライプ状に配された帯状電極に対して交互に異なる電
圧を印加することによって、帯状電極間に所定の電界を
印加させることにより、帯状電極間に存在する圧電層部
分における圧電効果（電界誘起歪み）の縦効果、即ち、
電界の方向と平行している方向の効果を利用して、変
位、力、振動等を発現せしめたり、あるいはその逆の変
換を行わせるようになっている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
従来の圧電素子あるいは圧電膜型素子にあっては、何れ
も、圧電層とその厚み方向の両側に設けた２つの電極と
からなる圧電作動層の圧電効果の横効果（電界の方向と
直交している方向の効果）、或いは圧電層とその一方の
側に設けた帯状電極とからなる圧電作動層における圧電
効果の縦効果（電界の方向と平行している方向の効果）
の何れか一方のみを利用しているに過ぎないものであっ
た。そして、そのような素子の圧電作動層の作動特性を
充分に発揮せしめて向上させることは、素子の小型化の
面からして、また素子機能を高める上において、極めて
有効なことである。

【００１２】また、上述の特開平５−４９２７０号公報
の図面（図１４）には、セラミック基板上に、帯状電極
及び圧電層を順次一体的に積層形成して、１つの圧電作
動層（駆動部）を構成すると共に、更にその上に、膜状
電極、圧電層及び膜状電極を順次積層形成して、更に他
の１つの圧電作動層（駆動部）を一体的に構成してなる
圧電アクチュエータが明らかにされている。

【００１３】しかし、ここではあくまでも、単に２つの
圧電作動層（駆動部）を重ね合わせ、積層一体化させた
構造に過ぎないものであることから、必然的に２つの圧
電層が必要となることは勿論、圧電作動層としての全体
の厚さが著しく厚くなることは避けられない。また、一
方の圧電作動層の作動に際して、他方の圧電作動層の存
在によって、その作動が拘束あるいは阻害されることか
ら、それぞれの圧電作動層の作動特性を充分に発揮させ
ることが困難となる等の問題が内在している。

【００１４】ここにおいて、本発明は、かかる事情を背
景としてなされたものであって、その解決すべき課題と
するところは、圧電作動層の作動特性を充分に活用する
ことができ、小型化、かつ、低電圧駆動が可能な、高機
能な圧電膜型素子を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明に係る圧電膜型素
子は、セラミック基板と、該セラミック基板の少なくと
も一方の面上の少なくとも一部分に層状に設けられた１
つの圧電層と、該圧電層の厚み方向の両側に一体的に配
された第１及び第２の電極とからなる膜状の圧電作動層
とを有し、該圧電作動層上に他の圧電作動層が積層され
ていない構造の圧電膜型素子において、前記第１の電極
は、単一の平膜状の電極層にて形成し、前記第２の電極
を、少なくともその一部を複数の帯状電極にて形成して
構成し、前記第１及び第２の電極と前記圧電層とから構
成された第１の圧電作動手段と、前記第２の電極におけ
る前記複数の帯状電極と前記圧電層とから構成された第
２の圧電作動手段とを有することを特徴とする。

【００１６】このような本発明に係る圧電膜型素子にお
いては、前記第１の圧電作動手段によって、圧電効果の
横効果が効果的に発現され、第２の圧電作動手段によっ
て、圧電効果の縦効果が有利に発現される。

【００１７】従って、このような素子を例えばアクチュ
エータや振動子等に適用すれば、圧電層を厚み方向にお
いて挟んだ電極（第１の電極及び第２の電極）間への電
界印加による電界誘起歪みの横効果と、そのような圧電
層を面方向において挟んだ複数の帯状電極（第２の電
極）間への電界印加による電界誘起歪みの縦効果とを利
用して、変位や振動を振動板であるセラミック基板に対
して上下両方向に得ることが可能となる。しかも、変位
振幅並びに振動振幅として、縦効果によるものと横効果
によるものとの合成を利用することができ、これによ
り、飛躍的に向上した変位特性並びに振動特性が得られ
る。換言すれば、従来の素子と同等の変位がより低い駆
動電圧にて得られる、ということを意味している。

【００１８】従来の圧電膜型素子、即ち、１つの圧電層
にて１つの圧電効果を利用する素子においても、変位並
びに振動振幅を拡大するために、その圧電層の分極方向
と反対方向への電界印加を行なって振動板であるセラミ
ック基板を上下方向に変位させることによって、同様の
動作をさせる試みが行われていたが、分極方向と反対の
方向への電界は、分極反転電界（臨界電界若しくは抗電
界ともいう）に制限されるために、結局、充分な変位や
発生力を得ることが困難であったばかりでなく、分極反
転電界に近い電界が印加されていることから、変位や振
動の安定性にも課題が残る手法であった。

【００１９】しかし、本発明に係る圧電膜型素子におい
ては、原理上、上述した分極反転電界には制限されず、
電界印加する電極を選択して通電、作動させるものであ
るから、信頼性が高く、安定した作動が得られることと
なる。

【００２０】特に、本発明においては、分極反転電界
（抗電界）が１０ｋＶ／ｃｍ以下である圧電材料にて、
圧電層を形成することが望ましく、そのような圧電材料
からなる圧電層にあっては、分極が電界印加と共に比較
的容易に、かつ、瞬時に行なわれ得るため、本発明の特
徴を効果的に発揮させることが可能となる。更に、圧電
層を形成する圧電材料を選択すれば、素子の使用に先立
つ分極処理を省略することも可能となる。勿論、このよ
うな効果は、例示のアクチュエータや振動子以外に、発
音体、ディスプレイ素子等においても、同様に利用され
得るものである。

【００２１】一方、本発明に係る圧電膜型素子の構造を
フィルタ等に適用した場合においても、１つの圧電層を
共用して、電極を選択しさえすれば、励振部と受信部と
を構成することができるため、素子を小型化する上にお
いて、有利な構造となる。また、トランスとしても、同
じように構成して利用することが可能である。

【００２２】このように、本発明に係る圧電膜型素子の
構造を採用することによって、従来の素子では利用され
ていない圧電層の特性を巧みに引き出し、従来の同様な
機能を有する素子と比較して、より一層の小型化、低消
費電力化、高機能化が図られ得ることとなる。

【００２３】そして、本発明に係る圧電膜型素子の好ま
しい態様の１つによれば、前記セラミック基板を薄肉の
ダイヤフラム部として形成し、前記ダイヤフラム部の外
面上に、前記圧電作動層を一体的に形成する構造が採用
されることとなる。

【００２４】また、本発明に係る圧電膜型素子の好まし
い態様の１つによれば、前記セラミック基板に少なくと
も１つの空所を設けて、該空所を外部から仕切る壁部を
与えるセラミック基板の部位を薄肉のダイヤフラム部と
して形成し、前記ダイヤフラム部の外面上に、前記圧電
作動層を一体的に形成する構造が採用されることとな
る。

【００２５】これらの好ましい態様の場合、複数の帯状
電極を、その長手方向の両端部において、それぞれ異な
る１つおきの組にて接続することによって、２つの櫛形
電極を構成させるようにしてもよい。また、前記セラミ
ック基板としては、完全安定化もしくは部分安定化され
た酸化ジルコニウムを主成分とする材料から構成するこ
とが好ましい。

【００２６】また、前記構成において、相対的に低作動
電圧で大きな変位を得るために、前記圧電層の厚みを１
００μｍ以下とすることが望ましい。なお、圧電作動層
の厚みとしては１５０μｍ以下が好ましい。

【００２７】また、前記第２の圧電作動手段を作動させ
る場合において、電極として利用しない下部の導体膜
（第１の電極）近傍の電界を考慮した場合、前記圧電層
の厚みをＸ、前記複数の帯状電極間の距離をＹとしたと
き、０．３≦Ｘ／Ｙ≦６を満足することが望ましい。

【００２８】また、前記構成において、圧電膜型素子の
高速応答性や大きな変位を得るために、前記ダイヤフラ
ム部の厚みを５０μｍ以下とすることが好ましい。更
に、圧電作動層の作動特性を高め、例えばアクチュエー
タを検出部として、大きな変位や大きな発生力等を得る
ために、前記セラミック基板のうち、少なくとも前記ダ
イヤフラム部を構成する結晶の平均粒子径を０．１〜２
μｍとすることが望ましい。

【００２９】なお、特に断りのない限り、本発明で使用
する圧電効果には、圧電効果のほか、逆圧電効果、電歪
効果をも含まれるものであり、また、その効果を利用し
た作動手段である圧電作動手段には、電歪作動手段も含
まれることは勿論である。

【００３０】

【発明の実施の形態】上述のように、本発明は、セラミ
ック基板上に形成された１つの圧電層と異なる２種の電
極（第１、第２の電極）の組合せにより構成し、前記１
つの圧電層に対する異なる電界により具現されるそれぞ
れの作用あるいは特性の両方を利用し得るようにして、
その作動特性の向上乃至は高機能化を図ったものであ
る。

【００３１】以下、本発明に係る圧電膜型素子を例えば
変位素子として適用した実施の形態例（以下、単に本実
施の形態に係る圧電膜型素子と記す）について図１〜図
１５を参照しながら説明する。

【００３２】本実施の形態に係る圧電膜型素子は、図１
Ａに示すように、セラミック基板２を具備する。このセ
ラミック基板２は、その内部に空所４を有し、該空所４
を外部から仕切る壁部を構成するセラミック基板２の薄
肉部位が、振動板として機能する薄肉部２ａとされてい
る。この薄肉部２ａの外面上には、下部電極６、圧電層
８及び上部電極１０が順次一体的に積層形成されて、膜
状の圧電作動層が構成されている。前記下部電極６は単
一の平膜状に形成され、上部電極１０は複数の帯状電極
１０ａ、１０ｂにて構成されている。従って、ここで
は、下部電極６が第１の電極に相当し、上部電極１０が
第２の電極に相当することとなる。

【００３３】本実施の形態に係る圧電膜型素子は、図１
Ｂに示すように、上部電極１０を構成する複数の帯状電
極１０ａ、１０ｂが交互に＋極及び−極となるように通
電して、これら複数の帯状電極１０ａ、１０ｂ間に所定
の電界を印加すると、圧電効果、ここでは電界誘起歪み
の縦効果によって、薄肉部２ａは、一方向（帯状電極１
０ａ、１０ｂが自由空間を臨む方向：図１Ｂ中の矢印参
照）に変位する。この縦効果による変位量と電界との関
係を図２Ａに示す。

【００３４】一方、図１Ｃに示すように、上部電極１０
（帯状電極１０ａ、１０ｂの全て、もしくはその選択さ
れたもの）を同じ極性とし、該上部電極１０と下部電極
６の間に電界を印加すると、圧電効果、ここでは電界誘
起歪みの横効果によって、簿肉部２ａは他方向（帯状電
極１０ａ、１０ｂが自由空間を臨む方向の反対方向：図
１Ｃ中の矢印参照）に変位する。この変位量と電界との
関係を図２Ｂに示す。

【００３５】このように、図１Ｃの場合においては、下
部電極６、圧電層８及び上部電極１０から第１の圧電作
動手段が構成され、図１Ｂの場合においては、上部電極
１０を構成する複数の帯状電極１０ａ、１０ｂと圧電層
８とから第２の圧電作動手段が構成されることになる。

【００３６】従って、上部電極１０および下部電極６へ
の通電乃至は電圧印加を所定のタイミングにより制御す
ることによって、１つの圧電層８にて、一方向または他
方向のどちらの方向にも任意に変位や力を発生させるこ
とができる。つまり、図２Ａ及び図２Ｂに示した変位を
合成した領域において、変位や力等が発現され得ること
になる。これは、従来の圧電膜型素子にはない効果であ
る。

【００３７】また、図２Ｃにおける変位領域ａに関し
て、圧電材料を用いる場合、分極作用により残留歪みを
生じることから、スイッチングを行なって、分極方向を
９０°回転させることにより、かかる残留歪みを変位と
して利用することが可能となる。このように、１つの圧
電層８における縦効果による変位、力、振動と、横効果
による変位、力、振動の両方を利用することによって、
例えば変位においては、縦効果による変位と横効果によ
る変位を合成したものが得られ、従来の縦効果又は横効
果の何れかのみ利用していたものに比べて、飛躍的な特
性の向上が図られ得ることとなる。また、前記した変位
領域ａを、変位状態の維持という観点において利用する
ことによって、本実施の形態に係る圧電膜型素子をメモ
リーとして構成することも可能である。

【００３８】次に、本実施の形態に係る圧電膜型素子の
代表的な構造の幾つかの例（実施例）を図３Ａ以降の図
面を参照しながら説明する。なお、それら図３Ａ以降に
示される各種実施例では、それぞれの層の積層構造の理
解を容易にするために、厚さや長さ、幅等が強調して表
現されており、実際の寸法に対応していないことが理解
されるべきである。

【００３９】まず、図３Ａに示す第１実施例に係る圧電
膜型素子は、所定幅の長手平板状に構成されたセラミッ
ク基板１２の一方の面上に、図１Ａの例と同様に、単一
の平膜状の下部電極１６、同じく単一の平膜状の圧電層
１８及び複数の帯状電極２０ａ、２０ｂからなる膜状の
上部電極２０が順次一体的に積層形成されて、膜状の圧
電作動層を構成している。

【００４０】セラミック基板１２は、その内部に空所１
４を有しており、該空所１４を外部から仕切る壁部を構
成するセラミック基板１２の薄肉部位が、ダイヤフラム
部となる薄肉部１２ａとして形成され、該薄肉部１２ａ
の外面上に、膜状の圧電作動層が一体的に形成されてい
る。そして、前記圧電作動層は、空所１４の両側に位置
するセラミック基板１２の厚肉部１２ｂ、１２ｂに跨が
るように、下部電極１６、圧電層１８及び上部電極２０
（帯状電極２０ａ、２０ｂ）が順次積層されている。

【００４１】前記上部電極２０を構成する前記複数の帯
状電極２０ａ、２０ｂは、それぞれ、所定の間隔を隔て
てストライプ状に交互に配列されている。また、該上部
電極２０の上には、他の圧電層、ひいては他の圧電作動
層は、何等積層されてはいない。

【００４２】このように、図３Ａに示す第１実施例に係
る圧電膜型素子においては、下部電極１６、圧電層１８
及び上部電極２０とから、圧電効果の横効果を利用する
第１の圧電作動手段が構成され、上部電極２０の複数の
帯状電極２０ａ、２０ｂと圧電層１８とから、圧電効果
の縦効果を利用する第２の圧電作動手段が構成される。
これによって、１つの圧電層１８を利用することによ
り、２つの圧電効果を発揮させることができ、圧電膜型
素子の特性の向上を実現させることができる。

【００４３】その他、図３Ｂに示すように、１枚の板状
のセラミック基板１２に前記膜状の圧電作動部を形成す
るようにしてもよい。この場合、前記板状のセラミック
基板１２を別体に設けられた支持部材（図示せず）にて
支持することによって、上述したダイヤフラム部と同様
の機能を持たせることができる。

【００４４】また、図４Ａ、Ｂに示す第２実施例に係る
圧電膜型素子は、上部電極２０を構成する複数の帯状電
極２０ａ、２０ｂが、その長手方向の両端部において、
それぞれ異なる１つおきの組にて接続され、２つの櫛形
電極を構成しているところに特徴を有している。

【００４５】即ち、１つおきに配された帯状電極２０ａ
が長手方向の同じ側の端部において接続されることによ
って櫛形電極が構成され、前記帯状電極２０ａに対して
交互に配置される帯状電極２０ｂが帯状電極２０ａとは
異なる側の端部において相互に接続されることによって
他の１つの櫛形電極が構成されている。特に、このよう
な櫛形電極構造を採用することにより、複数の帯状電極
２０ａ群や他の複数の帯状電極２０ｂ群への給電が容易
となる等の利点がある。

【００４６】更に、図５Ａ、Ｂに示す第３実施例に係る
圧電膜型素子は、長手薄肉のセラミック基板１２上に設
けられた下部電極１６を幅方向に対して覆うように圧電
層１８が設けられており、更に、圧電層１８を幅方向に
対して覆うように上部電極２０を構成する帯状電極２０
ａ、２０ｂがそれぞれ設けられているところに特徴があ
る。

【００４７】即ち、セラミック基板１２の幅方向に対し
て、圧電層１８は下部電極１６よりも長く、上部電極２
０は圧電層１８よりも長くなるように設けられている。
この場合、下部電極１６に対する圧電層１８や上部電極
２０（帯状電極２０ａ、２０ｂ）が位置ずれした際にお
いても、これら電極１６、２０の短絡の回避が図られ得
る。

【００４８】本実施の形態に係る圧電膜型素子において
は、上述のようなユニモルフ型構造の素子ばかりでな
く、図６Ａ、Ｂに示すようなバイモルフ型構造の素子を
構成することも可能である。

【００４９】即ち、図６Ａ、Ｂに示す第４実施例に係る
圧電膜型素子においては、セラミック基板１２の一方の
面上に、第１実施例（図３Ａ、Ｂ参照）と同様の構造の
下部電極１６、圧電層１８及び上部電極２０（帯状電極
２０ａ、２０ｂ）からなる１つの圧電作動層が一体的に
設けられ、セラミック基板１２の他方の面上にも、前記
圧電作動層と同様な構造の下部電極１１６、圧電層１１
８及び上部電極１２０（帯状電極１２０ａ、１２０ｂ）
からなる他の１つの圧電作動層が一体的に設けられてい
る。

【００５０】このようなバイモルフ型の圧電膜型素子に
あっては、それぞれの圧電作動層における２つの圧電作
動手段の作動形態が制御され、例えば、変位素子として
使用される場合にあっては、セラミック基板１２の両側
の圧電作動層が、何れも同一方向に変位、力あるいは振
動を作用するように制御されることになる。

【００５１】また、図７に示す第５実施例に係る圧電膜
型素子は、セラミック基板１２がキャビティ構造とされ
ているところに特徴がある。即ち、このセラミック基板
１２は、その内部に空所１４を有しており、該空所１４
を外部から仕切る壁部を構成するセラミック基板１２の
薄肉部位が、ダイヤフラム部となる薄肉部１２ａとして
形成され、該薄肉部１２ａの外面上に、図３Ａ、Ｂの例
と同様な膜状の圧電作動層が一体的に形成されている。
そして、前記圧電作動層は、空所１４の両側に位置する
セラミック基板１２の厚肉部１２ｂ、１２ｂに跨がるよ
うに、下部電極１６、圧電層１８及び上部電極２０（帯
状電極２０ａ、２０ｂ）が順次積層されて一体化される
ことにより構成され、いわゆる両持梁構造とされてい
る。

【００５２】図８に示す第６実施例に係る圧電膜型素子
は、空所１４の形成によって、幅方向の中央部に形成さ
れた薄肉部１２ａと両側部に位置する厚肉部１２ｂ、１
２ｂとからなるキャビティ構造のセラミック基板１２が
用いられ、このセラミック基板１２の薄肉部１２ａ上
に、２つの圧電作動層が、それぞれの端部が厚肉部１２
ｂ上に位置するように一体的に設けられている。

【００５３】即ち、各圧電作動層は、セラミック基板１
２の厚肉部１２ｂ上から薄肉部１２ａ上に跨がった形態
において、下部電極１６、圧電層１８及び上部電極２０
（帯状電極２０ａ、２０ｂ）が順次積層形成されて一体
化されることによって構成されている。

【００５４】この第６の実施例に係る圧電膜型素子は、
他の実施例に係る圧電膜型素子とは異なり、上部電極２
０を構成する複数の帯状電極２０ａ、２０ｂが交互に＋
極及び−極となるように通電して、これら複数の帯状電
極２０ａ、２０ｂ間に所定の電界を印加すると、電界誘
起歪みの縦効果によって、薄肉部１２ａは、他方向（帯
状電極２０ａ、２０ｂが自由空間を臨む方向の反対方
向）に変位する。

【００５５】上部電極２０（帯状電極２０ａ、２０ｂの
全て、もしくはその選択されたもの）を同じ極性とし、
該上部電極２０と下部電極１６の間に電界を印加する
と、電界誘起歪みの横効果によって、薄肉部１２ａは一
方向（帯状電極２０ａ、２０ｂが自由空間を臨む方向）
に変位する。

【００５６】図９及び図１０Ａ、Ｂに示される第７実施
例に係る圧電膜型素子は、図から明らかなように、セラ
ミック基板１２の内部に３つの空所１４が形成されてお
り、各空所１４は、それぞれ連通用開口部２２を通じて
外部に連通されるようになっている。また、前記空所１
４にて形成されるセラミック基板１２の薄肉部１２ａの
外面上には、それぞれ図４Ａ、Ｂに示すような構成の膜
状の圧電作動層が一体的に形成されている。

【００５７】即ち、前記圧電作動層は、下部電極１６と
圧電層１８と上部電極２０とが順次積層形成されて一体
的な構造とされ、上部電極２０を構成する帯状電極２０
ａ、２０ｂは、それぞれ図４Ａ、Ｂの例と同様に櫛形電
極として形成されている。

【００５８】その他、図１１Ａ、Ｂに示すように、１枚
の板状のセラミック基板１２に前記膜状の圧電作動部を
形成するようにしてもよい。この場合、前記板状のセラ
ミック基板１２を別体に設けられた支持部材（図示せ
ず）にて支持することによって、上述したダイヤフラム
部と同様の機能を持たせることができる。

【００５９】図１０Ａ、図１１Ａでは、圧電作動部が３
つとされているが、目的に応じてもちろん４つ以上とさ
れることもある。

【００６０】なお、本実施の形態に係る圧電膜型素子に
おいて、複数の帯状電極２０ａ、２０ｂから構成される
上部電極２０は、上述の例では、何れも同様なサイズに
おいてストライプ状に設けられているが、前記帯状電極
２０ａ、２０ｂの幅は、適宜に選択され得るものであ
る。例えば図１２Ａ、Ｂに示すように、帯状電極２０
ａ、２０ｂの幅を交互に変更して、帯状電極２０ａの幅
よりも帯状電極２０ｂの幅を広くすることも可能であ
り、このような電極構造にすれば、フィルタとしての帯
域や各種トランスデューサーとしての変換量の調整を容
易に行うことが可能となる。

【００６１】また、本実施の形態に係る圧電膜型素子
は、図１３Ａ、Ｂに示すように、上部電極２０をそれぞ
れ渦巻き状の２つの帯状電極２０ａ、２０ｂにて構成
し、その渦巻きの中心から径方向外方に向かって、一方
の帯状電極２０ａと他方の帯状電極２０ｂとが交互に位
置するように配置させた構造とすることも可能である。

【００６２】また、本実施の形態に係る圧電膜型素子
は、図１４Ａ、Ｂに示すように、上部電極２０の所定の
部分を複数の帯状電極２０ａ、２０ｂにて構成し、か
つ、他の部分を単一の平膜状の電極部２０ｃとした構成
を有する膜状の圧電作動層を、セラミックス基板１２上
に一体的に設けるようにしてもよい。なお、図１４Ａ、
Ｂに示す例では、帯状電極２０ａ、２０ｂは、それぞれ
櫛形電極として形成されている。そして、このような上
部電極２０の構造を採用することにより、例えばアクチ
ュエータや振動子として使用した場合において、電界誘
起歪みの横効果による発生変位や発生力、並びに縦効果
による発生変位や発生力のバランスの調整が容易となる
利点がある。

【００６３】このように、本実施の形態に係る圧電膜型
素子は、各種の形態において具体化され得るものであっ
て、上述の例示の他にも、本発明の趣旨を逸脱しない範
囲内において、各種の変形、修正、改良等が加えられ得
るものであり、それらの何れもが、本発明の範疇に属す
るものであることが理解されるべきである。

【００６４】例えば、上述の例の具体例では、上部電極
２０を構成する複数の帯状電極２０ａ、２０ｂ間が空間
とされているが、それら帯状電極２０ａ、２０ｂ間を圧
電層１８を与える圧電材料にて充填するようにしても何
等差支えなく、また、下部電極１６と上部電極２０とを
逆の構造とすることも可能である。上部電極２０を単一
の平膜状の電極層とし、下部電極１６の少なくとも一部
を複数の帯状電極にて形成することも可能である。この
場合、単一の平膜状の電極層からなる上部電極２０が第
１の電極に相当し、複数の帯状電極から構成される下部
電極１６が第２の電極に相当することになる。

【００６５】そして、本実施の形態に係る圧電膜型素子
は、具体的には以下のように作製される。

【００６６】まず、本実施の形態に係る圧電膜型素子を
構成するセラミック基板（２、１２）を形成する材料と
しては、機械的強度が大きく、後述するように１４００
℃程度の熱処理が可能で、また接着剤等を用いることな
く圧電作動層と積層一体化し得る絶縁体もしくは誘電体
であれば採用可能で、それは、酸化物系のセラミック材
料であっても、また非酸化物系のセラミック材料であっ
ても、何等差支えない。

【００６７】変位や発生力が大きく、応答速度も速いと
いう優れた作動特性を得るために、上述した条件を有す
る材料の中でも、酸化アルミニウム、酸化マグネシウ
ム、酸化ジルコニウム、窒化アルミニウム、窒化珪素の
うちの少なくとも何れかを主成分とした材料が、好適に
採用される。特に、酸化アルミニウム及び／又は酸化ジ
ルコニウムを主成分としたセラミック材料の使用が推奨
される。更に、その中でも、特に、酸化イットリウム、
酸化イッテルビウム、酸化セリウム、酸化カルシウム及
び酸化マグネシウムのうち、少なくとも１つの化合物で
完全あるいは部分安定化された酸化ジルコニウムを主成
分とする材料が有利に用いられ得る。なぜなら、薄い基
板厚さにおいても高い機械的強度が得られ、高靭性であ
り、膜形成手法において採用される圧電材料との熱処理
時の応力が小さく、更にその圧電材料との化学的な反応
性が小さいからである。

【００６８】更に、酸化ジルコニウムを安定化するため
の上述した化合物の添加量としては、酸化イットリウム
や酸化イッテルビウムでは１モル％〜３０モル％、酸化
セリウムでは６モル％〜４０モル％、酸化カルシウムや
酸化マグネシウムでは５モル％〜４０モル％とすること
が好ましい。その中でも、特に、酸化イットリウムを安
定化剤として用いることが望ましく、その場合の添加量
は１．５モル％以上６モル％以下とすること、更に好ま
しくは、２モル％以上４モル％以下とすることが望まし
い。このような添加範囲で、酸化イットリウムを添加し
た酸化ジルコニウムは、その結晶相が部分安定化される
ため、優れた基板特性を有する基板の実現が可能であ
る。

【００６９】更にまた、これら安定化された酸化ジルコ
ニウムに、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よい。この場合、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。なぜなら、過剰の酸化珪素が基板に含有されてい
ると、圧電材料との熱処理時に反応が惹起され易く、組
成の制御が困難となるからである。

【００７０】また、前記セラミック基板（２、１２）
は、最終的には、焼結した形態とされるが、セラミック
基板（２、１２）の焼結に際しては、本実施の形態に係
る圧電膜型素子の圧電作動層の形成に先立って、予め焼
結して基板を形成する方法、または、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作動層の形成
を行なった後に焼結させる方法を用いることができる。
この中でも、セラミック基板（２、１２）を予め焼結し
て基板を形成しておく方法が、素子の反りを小さくする
ことができ、また必要な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。

【００７１】なお、図１や図３Ａ等に示されるようなキ
ャビティ構造を有するセラミック基板（２、１２）は、
金型や超音波加工等の機械加工法を用いて、前記空所
（４、１４）を形成するための空孔部を設けたグリーン
シートに、薄肉部（２ａ、１２ａ）を与える薄いグリー
ンシートを積層、熱圧着させた後、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適に採
用される。

【００７２】更に、セラミック基板（２、１２）は、本
実施の形態に係る圧電膜型素子の圧電作動層が形成され
る部位の少なくとも一部が、薄肉部（２ａ、１２ａ）と
されていることが望ましい。その厚さは、圧電膜型素子
の高速応答性や大きな変位を得るために、一般に５０μ
ｍ以下、好ましくは３０μｍ以下、更に好ましくは１５
μｍ以下とすることが望ましい。

【００７３】また、前記薄肉部（２ａ、１２ａ）は、そ
こに設けられる圧電作動層の作動特性を高め、例えばア
クチュエータや検出部として、大きな変位や大きな発生
力等を得るために、一般に、結晶の平均粒子径が０．１
〜２μｍとなるように構成されることが望ましく、更に
好ましくは、１μｍ以下の平均粒子径となるように構成
されていることが望ましい。

【００７４】また、図３Ｂや図４Ｂ等に示されるような
１枚の板状のセラミック基板１２においても、セラミッ
ク基板１２の厚さは、圧電膜型素子の高速応答性や大き
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１５μｍ以下とすること
が望ましい。

【００７５】また、セラミックス基板１２のうち、少な
くとも圧電作動層が形成される部位は、該圧電作動層の
作動特性を高め、例えばアクチュエータや検出部とし
て、大きな変位や大きな発生力等を得るために、一般
に、結晶の平均粒子径が０．１〜２μｍとなるように構
成されることが望ましく、更に好ましくは、１μｍ以下
の平均粒子径となるように構成されていることが望まし
い。

【００７６】そして、本実施の形態に係る圧電膜型素子
のように、セラミック基板（２、１２）の少なくとも一
方の面上に、所定の下部電極１６、圧電層１８及び上部
電極２０を設けてなる圧電作動層を形成するためには、
各種の膜形成手法が適宜に採用される。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
法や、イオンビーム、スパッタリング、真空蒸着、イオ
ンプレーティング、ＣＶＤ、めっき等の薄膜形成手法が
適宜に選択される。

【００７７】特に、圧電層１８を形成する場合には、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。これらの厚膜形成手
法によれば、平均粒子径が０．０１μｍ〜５μｍ、好ま
しくは０．０５μｍ〜３μｍの圧電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でき、良好な素子特性が
得られる。

【００７８】また、前記膜を所望の形状とするには、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
ーン形成する手法のほか、エキシマ、ＹＡＧ等のレーザ
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、パターン形成する等の
手法が採用される。これによって、下部電極１６、圧電
層１８、上部電極２０の所望の形状が実現されることと
なる。

【００７９】更に、これらのパターン形成は、後述する
熱処理の前後の何れかにおいて行なわれ得るものである
が、好ましくは熱処理前に行なうことが、パターン形成
の容易さやパターン精度の点から望ましい。

【００８０】なお、ここで作製される素子の構造や膜状
の圧電作動層の形状は、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
であっても何等差支えない。

【００８１】また、このようにしてセラミック基板
（２、１２）上に、上述の手法で膜形成された各膜
（６、８、１０；１６、１８、２０）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
うにしてもよく、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されるよ
うにしてもよい。

【００８２】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。例えば、上部電極膜
（１０、２０）を形成する前に、下部電極膜（６、１
６）との絶縁性を確実にするため、素子周りに絶縁樹脂
等で絶縁コートを行なう場合があるが、その場合には、
上部電極膜（１０、２０）の形成には、熱処理を必要と
しない蒸着、スパッタリング、めっき等の方法が採用さ
れる。

【００８３】このようにして形成される各膜とセラミッ
ク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１０００℃〜１４００℃の範囲内の温度が有利に選
択される。なお、圧電層（８、１８）を熱処理する場合
には、高温時に該圧電層の組成が不安定とならないよう
に、圧電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。

【００８４】また、圧電層（８、１８）上に、適当な覆
蓋部材を載置して、その表面が焼成雰囲気に直接に露呈
されないようにして焼成する方法を採用することも推奨
される。この場合、覆蓋部材としては、基板と同様な材
料系のもの（例えば、酸化アルミニウム、酸化ジルコニ
ウム、または酸化マグネシウムを主成分とする材料）が
用いられることとなる。更に、焼成の際に使用される焼
き台（セッター）に関しても、圧電層の焼成雰囲気に影
響を及ぼさないように、例えば前記覆蓋部材と同様に、
酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、または酸化マグ
ネシウムを主成分とする材料からなるものを採用するこ
とが好ましい。

【００８５】ところで、上述の圧電作動層を構成する下
部電極膜（６、１６）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の酸化雰囲気に耐えられ得る
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、合金であってもよく、また絶縁性セ
ラミックスと金属や合金との混合物であっても、更には
導電性セラミックスであっても何等差支えない。

【００８６】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、白金とセラミック基板材料とのサーメット材料、白
金と圧電材料とのサーメット材料、白金と基板材料と圧
電材料とのサーメット材料が好適に用いられ、そのなか
でも、更に好ましくは、白金を主成分とする材料が望ま
しい。

【００８７】また、電極に添加する材料として酸化珪素
等のガラスを用いると、圧電層（８、１８）との熱処理
中に反応が生じ易く、素子特性を低下させる原因となり
易いため、その使用を避けることが望ましい。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、圧電材料としては５〜２０体積％程度であることが
好ましい。

【００８８】一方、上部電極（１０、２０）の形成材料
に関しては、特に制限されるものではなく、上述のよう
な電極材料のほか、金、クロム、銅等のスパッタ膜、あ
るいは金、銀のレジネート印刷膜であっても何等差支え
ない。

【００８９】そして、このような導体材料を用いて形成
される電極膜は、一般に、２０μｍ以下、好ましくは５
μｍ以下とされることとなるが、特に、上部電極膜（１
０、２０）にあっては、有利には１μｍ以下、好ましく
は０．５μｍ以下の厚さにおいて形成されることとな
る。

【００９０】本実施の形態に係る圧電膜型素子は、上述
のようにして形成される下部電極（６、１６）、圧電層
（８、１８）、及び上部電極（１０、２０）からなる膜
状の圧電作動層において、これら下部電極（６、１６）
及び上部電極（１０、２０）の何れか一方の少なくとも
一部を、複数の帯状電極にて構成して、ストライプ状と
するものである。

【００９１】このような帯状電極（例示の具体例では、
１０ａ、１０ｂ；２０ａ、２０ｂ）間の距離は適宜に選
定され、一義的に決定することは困難であるが、一般に
１００μｍ以下、好ましくは５０μｍ以下とされ、特に
２０μｍ以下とされるのが、低電圧で大変位を得る上に
おいて有効である。

【００９２】また、これら帯状電極（１０ａ、１０ｂ；
２０ａ、２０ｂ）のピッチは、相対的に低電圧で大変位
を得るために、２００μｍ以下とするのが望ましく、特
に好ましくは１００μｍ以下であり、その中でも、４０
μｍ以下が更に望ましい。

【００９３】また、本発明に係る圧電膜型素子の圧電作
動層を構成する圧電層（８、１８）の圧電材料として
は、圧電効果、なかでも電界誘起歪みを示す材料であれ
ば、何れの材料であっても採用され得る。例えば、結晶
質の材料であっても、非晶質の材料であってもよく、ま
た半導体材料であっても、誘電体セラミック材料や強誘
電体セラミック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
材料であってもよい。特に、本実施の形態にあっては、
分極処理が必要でない圧電材料が有利に用いられ、分極
処理が必要な材料においては、その分極反転電界（抗電
界）が１０ｋＶ／ｃｍ以下である圧電材料が有利に用い
らる。これにより、圧電膜型素子の特性が効果的に引き
出され得ることになる。

【００９４】具体的には、本発明に用いられる圧電材料
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、チタン酸鉛を主成分とする材
料、ジルコン酸鉛を主成分とする材料、更にはマグネシ
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、マグ
ネシウムタングステン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、アンチモン錫酸鉛を
主成分とする材料、亜鉛ニオブ酸鉛を主成分とする材
料、マグネシウムタンタル酸鉛を主成分とする材料、ニ
ッケルタンタル酸鉛を主成分とする材料、更には、これ
らの複合材料等を挙げることができる。

【００９５】なお、上述した材料に、ランタン、バリウ
ム、ニオブ、亜鉛、セリウム、カドミウム、クロム、コ
バルト、アンチモン、鉄、イットリウム、タンタル、タ
ングステン、ニッケル、マンガン、リチウム、ストロン
チウム、マグネシウム、カルシウム、ビスマス等の酸化
物やそれらの他の化合物を添加物として含有せしめても
何等差支えなく、例えばＰＺＴ系を主成分とする材料
に、ランタンの酸化物等を加えてＰＬＺＴ系とした材料
も使用可能である。

【００９６】また、これら圧電材料の中で、上記した抗
電界が１０ｋＶ／ｃｍ以下のものとしては、ＰＺＴ系、
ＰＭＮ系、チタン酸鉛とＰＭＮの混合系、ＰＬＺＴ系、
ＰＺＴ系を主成分とする材料にバリウムを加えたＰＢＺ
Ｔ系、ＰＺＴを基本とする３成分系（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、ニッケルニオブ酸鉛とチタン酸鉛とジ
ルコン酸鉛とからなる成分を主成分とする材料等）等が
成分調整されて用いられることになる。

【００９７】更に、それらの中でも、ＰＭＮ系、ＰＭＮ
混合系、ＰＬＺＴ系、ＰＢＺＴ系は、電歪材料として、
特に分極処理を行なうことなく使用できるものである。

【００９８】そして、これらの圧電材料のなかでも、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、若しくはニッケルニオ
ブ酸鉛と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、若しくはニ
ッケルタンタル酸鉛と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、もしくはマグネシウムタンタル酸鉛とマグネシウム
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好ましい。

【００９９】更に、その中でも、特に、マグネシウムニ
オブ酸鉛、ジルコン酸鉛およびチタン酸鉛とからなる成
分を主成分とする材料が有利に用いられる。なぜなら、
上述の材料は、高い圧電定数を有するだけでなく、熱処
理中における基板材料との反応が特に少ないからであ
る。

【０１００】つまり、例えば図５Ａ、Ｂに示すような圧
電層１８の張出部とセラミック基板１２との結合状態を
圧電作動層に必要とされる性能に影響を与えない程度に
低く抑えることができるほか、成分の偏析が惹起され難
く、組成を保つための処理が好適に行なわれ易く、目的
とする組成及び結晶構造が得られ易いからである。従っ
て、前記材料は、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、圧電層を形成する場合
の材料として推奨される。

【０１０１】なお、多成分系圧電材料の場合、成分の組
成によって圧電特性が変化するが、本実施の形態に係る
圧電膜型素子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。

【０１０２】また、このような圧電材料を用いて形成さ
れる圧電層（８、１８）の厚さとしては、相対的に低作
動電圧で大きな変位等を得るために、一般に１００μｍ
以下、好ましくは５０μｍ以下、更に好ましくは３μｍ
〜４０μｍ程度とされることが望ましい。更に、前記圧
電層（８、１８）に加えて、下部電極（６、１６）及び
上部電極（１０、２０）を含んで構成される膜状の圧電
作動層の厚さとしては、一般に１５０μｍ以下、好まし
くは５０μｍ以下とされることが望ましい。

【０１０３】また、より効果的には、第２の圧電作動手
段を作動させる場合における、電極として利用しない下
部の導体膜（下部電極）（６、１６）近傍の電界を考慮
して、帯状の上部電極間の距離Ｙ（図１Ａ参照）と、前
記した圧電層（８、１８）の厚さＸ（図１Ａ参照）との
割合を適度に調節することが望ましく、好ましくは上部
帯状電極間の距離Ｙと圧電層の厚みＸとの割合Ｘ／Ｙが
次の範囲となるように構成されることが望ましい。

【０１０４】０．３≦Ｘ／Ｙ≦６ また、各圧電作動手段に印加する電圧信号も前記圧電層
１８の厚み並びに電極間距離に応じて適宜調節して駆動
することが望ましい。

【０１０５】前記実施の形態に係る圧電膜型素子（キャ
ビティ構造のセラミック基板を用いたもの）において
は、膜状の圧電作動部は、その一部がセラミック基板１
２の厚肉部に一部かかった形状を有するが、その他、例
えば図１５に代表的に示すように、前記膜状の圧電作動
部を薄肉部１２ａのみに形成するようにしてもよい。

【０１０６】上述のようにして得られる本実施の形態に
係る圧電膜型素子は、電気エネルギーを機械エネルギー
に変換する、即ち機械的な変位や力や振動に変換した
り、あるいはその逆の変換を行なう各種トランスデュー
サー、更には、各種アクチュエータ、周波数領域機能部
品（フィルタ）、各種表示デバイス（ディスプレイ）、
トランス、マイクロホン、発音体（スピーカー等）、通
信用や動力用の振動子や共振子や発信子、ディスクリミ
ネーター、超音波センサや加速度センサや角速度センサ
や衝撃センサ等の各種センサ、ジャイロ、更には内野健
二著（日本工業技術センター編）「圧電／電歪アクチュ
エータ 基礎から応用まで」（森北出版）に記載のサー
ボ変位素子、パルス駆動モータ、超音波モータ、圧電フ
ァン、圧電リレー等に用いられるユニモルフ型素子並び
にバイモルフ型素子に適用され得るものであり、好適に
は各種アクチュエータ、振動子、発音体、表示デバイス
等に有利に採用される。

【０１０７】また、本実施の形態に係る圧電膜型素子
は、圧電特性（電歪特性をも含む）のほか、誘電性をも
有しているところから、膜状のコンデンサ素子としても
利用でき、強誘電性をも有する材料を圧電材料として用
いれば、電子放出素子としての利用も可能である。

【０１０８】以上の説明から明らかなように、本発明に
よれば、１つの圧電層を利用して、第１の圧電作動手段
と第２の圧電作動手段が構成され、それら２つの圧電作
動手段の作動を併せた形態において、圧電膜型素子の全
体の作動が発揮されることから、圧電効果が充分に活用
され、従来の１つの圧電作動手段を用いる場合に比べ
て、圧電膜型素子の素子特性は著しく向上する。その結
果、小型化の可能で、また低電圧駆動が可能な、高機能
な圧電膜型素子が実現され得る。

【０１０９】特に、本発明に係る圧電膜型素子を、アク
チュエータや振動子等の変位素子として用いることによ
って、圧電効果、なかでも電界誘起歪みの横効果と縦効
果とを利用して、その変位振幅あるいは振動振幅や力を
著しく増大させることが可能となり、飛躍的に向上した
変位特性あるいは振動特性や力特性を実現させることが
できる。

【０１１０】以上、本実施の形態に係る圧電膜型素子を
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、上述の実施例に限定されて解釈されるべきもの
では決してなく、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。

【０１１１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る圧電
膜型素子は、第１の電極、第２の電極および圧電層とか
ら第１の圧電作動手段を構成する一方、前記第２の電極
と前記圧電層とから第２の圧電作動手段を構成して、つ
まり、１つの圧電層を利用して２つの圧電作動手段が構
成される素子構造をとることにより、圧電作動部の作動
特性を充分に活用することができ、よって、小型化さ
れ、低電圧駆動が可能な、高機能な圧電膜型素子を提供
することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１Ａは、本発明に係る圧電膜型素子を変位素
子として適用した場合の実施の形態例（実施の形態に係
る圧電膜型素子と記す）を示す断面略図であり、図１Ｂ
は、本実施の形態に係る圧電膜型素子の第２の圧電作動
手段を作動させた状態を示す断面略図であり、図１Ｃ
は、本実施の形態に係る圧電膜型素子の第１の圧電作動
手段を作動させた状態を示す断面略図である。

【図２】図２Ａは、本実施の形態に係る圧電膜型素子の
第２の圧電作動手段を作動させた状態における変位と電
界の関係を示すグラフであり、図２Ｂは、本実施の形態
に係る圧電膜型素子の第１の圧電作動手段を作動させた
状態における変位と電界の関係を示すグラフであり、図
２Ｃは、本実施の形態に係る圧電膜型素子の第１の圧電
作動手段と第２の圧電作動手段の両方を作動させた状態
における変位と電界の関係を示すグラフである。

【図３】図３Ａは、第１実施例に係る圧電膜型素子（キ
ャビティ構造のセラミック基板を用いたもの）を示す部
分斜視図であり、図３Ｂは、第１実施例に係る圧電膜型
素子（１枚の板状のセラミック基板を用いたもの）を示
す部分斜視図である。

【図４】図４Ａは、第２実施例に係る圧電膜型素子（キ
ャビティ構造のセラミック基板を用いたもの）を示す部
分斜視図であり、図４Ｂは、第２実施例に係る圧電膜型
素子（１枚の板状のセラミック基板を用いたもの）を示
す部分斜視図である。

【図５】図５Ａは、第３実施例に係る圧電膜型素子（キ
ャビティ構造のセラミック基板を用いたもの）を示す部
分斜視図であり、図５Ｂは、第３実施例に係る圧電膜型
素子（１枚の板状のセラミック基板を用いたもの）を示
す部分斜視図である。

【図６】図６Ａは、第４実施例に係る圧電膜型素子（キ
ャビティ構造のセラミック基板を用いたバイモルフ型構
造の素子）を示す部分斜視図であり、図６Ｂは、第４実
施例に係る圧電膜型素子（１枚の板状のセラミック基板
を用いたバイモルフ型構造の素子）を示す部分斜視図で
ある。

【図７】第５実施例に係る圧電膜型素子（キャビティ構
造のセラミック基板を用いたもの）を示す部分斜視図で
ある。

【図８】第６実施例に係る圧電膜型素子（キャビティ構
造のセラミック基板を用いたもの）を示す部分斜視図で
ある。

【図９】第７実施例に係る圧電膜型素子を示す斜視図で
ある。

【図１０】図１０Ａは、図９に示される圧電膜型素子
（３つの空所を有するセラミック基板を用いたもの）の
Ａ−Ａ断面説明図であり、図１０Ｂは、図９に示される
圧電膜型素子（３つの空所を有するセラミック基板を用
いたもの）のＢ−Ｂ断面説明図である。

【図１１】図１１Ａは、図９に示される圧電膜型素子
（１枚の板状のセラミック基板を用いたもの）のＡ−Ａ
断面説明図であり、図１１Ｂは、図９に示される圧電膜
型素子（１枚の板状のセラミック基板を用いたもの）の
Ｂ−Ｂ断面説明図である。

【図１２】図１２Ａは、本実施の形態に係る圧電膜型素
子（キャビティ構造のセラミック基板を用いたもの）の
他の例を示す部分斜視図であり、図１２Ｂは、本実施の
形態に係る圧電膜型素子（１枚の板状のセラミック基板
を用いたもの）の他の例を示す部分斜視図である。

【図１３】図１３Ａは、本実施の形態に係る圧電膜型素
子（キャビティ構造のセラミック基板を用いたもの）の
更に異なる一例を示す斜視図であり、図１３Ｂは、本実
施の形態に係る圧電膜型素子（１枚の板状のセラミック
基板を用いたもの）の更に異なる一例を示す斜視図であ
る。

【図１４】図１４Ａは、本実施の形態に係る圧電膜型素
子（キャビティ構造のセラミック基板を用いたもの）の
更に異なる他の例を示す部分斜視図であり、図１４Ｂ
は、本実施の形態に係る圧電膜型素子（１枚の板状のセ
ラミック基板を用いたもの）の更に異なる他の例を示す
部分斜視図である。

【図１５】本実施の形態に係る圧電膜型素子の変形例、
特に、薄肉部のみに膜状の圧電作動部を形成した例を示
す断面図である。

【符号の説明】

２、１２…セラミック基板 ２ａ、１２ａ…薄
肉部 ４、１４…空所 ６、１６、１１６
…下部電極 ８、１８、１１８…圧電層 １０、２０、１２
０…上部電極 １０ａ、１０ｂ、２０ａ、２０ｂ、１２０ａ、１２０ｂ
…帯状電極 １２ｂ…厚肉部 ２０ｃ…電極部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｈ０２Ｎ 2/00 Ｈ０１Ｌ 41/18 １０１Ｄ 41/22 Ｚ (56)参考文献 特開 平８−153915（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−128681（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−204580（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−49270（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 41/09

Claims (15)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】セラミック基板と、該セラミック基板の少
   なくとも一方の面上の少なくとも一部分に層状に設けら
   れた１つの圧電層と、該圧電層の厚み方向の両側に一体
   的に配された第１及び第２の電極とからなる膜状の圧電
   作動層とを有し、該圧電作動層上に他の圧電作動層が積
   層されていない構造の圧電膜型素子において、 前記第１の電極は、単一の平膜状の電極層にて形成さ
   れ、 前記第２の電極は、少なくともその一部が複数の帯状電
   極にて形成され、 前記圧電層は、１０ｋＶ／ｃｍ以下の抗電界を有する圧
   電材料にて形成され、 前記第１及び第２の電極と前記圧電層とから構成された
   第１の圧電作動手段と、 前記第２の電極における前記複数の帯状電極と前記圧電
   層とから構成された第２の圧電作動手段とを有す ること
   を特徴とする圧電膜型素子。
2. 【請求項２】セラミック基板と、該セラミック基板の少
   なくとも一方の面上の少なくとも一部分に層状に設けら
   れた１つの圧電層と、該圧電層の厚み方向の両側に一体
   的に配された第１及び第２の電極とからなる膜状の圧電
   作動層とを有し、該圧電作動層上に他の圧電作動層が積
   層されていない構造の圧電膜型素子において、 前記第１の電極は、単一の平膜状の電極層にて形成さ
   れ、 前記第２の電極は、少なくともその一部が複数の帯状電
   極にて形成され、 前記第１及び第２の電極と前記圧電層とから構成された
   第１の圧電作動手段と、 前記第２の電極における前記複数の帯状電極と前記圧電
   層とから構成された第２の圧電作動手段とを有し、 前記セラミック基板が薄肉のダイヤフラム部として形成
   され、該ダイヤフラム部の外面上に、前記圧電作動層が
   一体的に形成されていることを特徴とする圧電膜型素
   子。
3. 【請求項３】請求項２記載の圧電膜型素子において、 前記セラミック基板を構成する結晶の平均粒子径が０．
   １〜２μｍであることを特徴とする圧電膜型素子。
4. 【請求項４】セラミック基板と、該セラミック基板の少
   なくとも一方の面上の少なくとも一部分に層状に設けら
   れた１つの圧電層と、該圧電層の厚み方向の両側に一体
   的に配された第１及び第２の電極とからなる膜状の圧電
   作動層とを有し、該圧電作動層上に他の圧電作動層が積
   層されていない構造の圧電膜型素子において、 前記第１の電極は、単一の平膜状の電極層にて形成さ
   れ、 前記第２の電極は、少なくともその一部が複数の帯状電
   極にて形成され、 前記第１及び第２の電極と前記圧電層とから構成された
   第１の圧電作動手段と、 前記第２の電極における前記複数の帯状電極と前記圧電
   層とから構成された第２の圧電作動手段とを有し、 前記セラミック基板は、少なくとも１つの空所を有し、 前記空所を外部から仕切る壁部を与えるセラミック基板
   部位が、薄肉のダイヤフラム部として形成され、 前記ダイヤフラム部の外面上に、前記圧電作動層が一体
   的に形成されていることを特徴とする圧電膜型素子。
5. 【請求項５】請求項４記載の圧電膜型素子において、 前記セラミック基板のうち、少なくとも前記ダイヤフラ
   ム部を構成する結晶の平均粒子径が０．１〜２μｍであ
   ることを特徴とする圧電膜型素子。
6. 【請求項６】請求項２〜５のいずれか１項に記載の圧電
   膜型素子において、 前記ダイヤフラム部は、その厚みが５０μｍ以下である
   ことを特徴とする圧電膜型素子。
7. 【請求項７】請求項１〜６のいずれか１項に記載の圧電
   膜型素子において、 前記複数の帯状電極は、その長手方向の両端部において
   それぞれ異なる１つおきの組にて接続されて２つの櫛形
   電極を構成していることを特徴とする圧電膜型素子。
8. 【請求項８】請求項１〜７のいずれか１項に記載の圧電
   膜型素子において、 前記セラミック基板は、完全安定化もしくは部分安定化
   された酸化ジルコニウムを主成分とする材料から構成さ
   れていることを特徴とする圧電膜型素子。
9. 【請求項９】請求項１〜８のいずれか１項に記載の圧電
   膜型素子において、 前記圧電層は、その厚みが１００μｍ以下であることを
   特徴とする圧電膜型素子。
10. 【請求項１０】請求項１〜９のいずれか１項に記載の圧
    電膜型素子において、 前記圧電作動層は、その厚みが１５０μｍ以下であるこ
    とを特徴とする圧電膜型素子。
11. 【請求項１１】請求項１〜１０のいずれか１項に記載の
    圧電膜型素子において、 前記圧電層の厚みをＸ、前記複数の帯状電極間の距離を
    Ｙとしたとき、 ０．３≦Ｘ／Ｙ≦６ を満足することを特徴とする圧電膜型素子。
12. 【請求項１２】セラミック基板と、該セラミック基板の
    少なくとも一方の面上の少なくとも一部分に層状に設け
    られた１つの圧電層と、該圧電層の厚み方向の両側に一
    体的に配された第１及び第２の電極とからなる膜状の圧
    電作動層とを有し、該圧電作動層上に他の圧電作動層が
    積層されていない構造の圧電膜型素子において、 前記第１の電極は、単一の平膜状の電極層にて形成さ
    れ、 前記第２の電極は、少なくともその一部が複数の帯状電
    極にて形成され、 前記第１及び第２の電極と前記圧電層とから構成された
    第１の圧電作動手段と、 前記第２の電極における前記複数の帯状電極と前記圧電
    層とから構成された第 ２の圧電作動手段とを有し、 前記セラミック基板は、完全安定化もしくは部分安定化
    された酸化ジルコニウムを主成分とする材料から構成さ
    れていることを特徴とする圧電膜型素子。
13. 【請求項１３】セラミック基板と、該セラミック基板の
    少なくとも一方の面上の少なくとも一部分に層状に設け
    られた１つの圧電層と、該圧電層の厚み方向の両側に一
    体的に配された第１及び第２の電極とからなる膜状の圧
    電作動層とを有し、該圧電作動層上に他の圧電作動層が
    積層されていない構造の圧電膜型素子において、 前記第１の電極は、単一の平膜状の電極層にて形成さ
    れ、 前記第２の電極は、少なくともその一部が複数の帯状電
    極にて形成され、 前記第１及び第２の電極と前記圧電層とから構成された
    第１の圧電作動手段と、 前記第２の電極における前記複数の帯状電極と前記圧電
    層とから構成された第２の圧電作動手段とを有し、 前記圧電層は、その厚みが１００μｍ以下であることを
    特徴とする圧電膜型素子。
14. 【請求項１４】セラミック基板と、該セラミック基板の
    少なくとも一方の面上の少なくとも一部分に層状に設け
    られた１つの圧電層と、該圧電層の厚み方向の両側に一
    体的に配された第１及び第２の電極とからなる膜状の圧
    電作動層とを有し、該圧電作動層上に他の圧電作動層が
    積層されていない構造の圧電膜型素子において、 前記第１の電極は、単一の平膜状の電極層にて形成さ
    れ、 前記第２の電極は、少なくともその一部が複数の帯状電
    極にて形成され、 前記第１及び第２の電極と前記圧電層とから構成された
    第１の圧電作動手段と、 前記第２の電極における前記複数の帯状電極と前記圧電
    層とから構成された第２の圧電作動手段とを有し、 前記圧電作動層は、その厚みが１５０μｍ以下であるこ
    とを特徴とする圧電膜型素子。
15. 【請求項１５】セラミック基板と、該セラミック基板の
    少なくとも一方の面上の少なくとも一部分に層状に設け
    られた１つの圧電層と、該圧電層の厚み方向の両側に一
    体的に配された第１及び第２の電極とからなる膜状の圧
    電作動層とを有し、該圧電作動層上に他の圧電作動層が
    積層されていない構造の圧電膜型素子において、 前記第１の電極は、単一の平膜状の電極層にて形成さ
    れ、 前記第２の電極は、少なくともその一部が複数の帯状電
    極にて形成され、 前記第１及び第２の電極と前記圧電層とから構成された
    第１の圧電作動手段と、 前記第２の電極における前記複数の帯状電極と前記圧電
    層とから構成された第２の圧電作動手段とを有し、 前記圧電層の厚みをＸ、前記複数の帯状電極間の距離を
    Ｙとしたとき、 ０．３≦Ｘ／Ｙ≦６ を満足することを特徴とする圧電膜型素子。