JP4074493B2

JP4074493B2 - セラミック素子

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Publication number: JP4074493B2
Application number: JP2002246484A
Authority: JP
Inventors: 幸久武内; 七瀧　　努; 浩二木村; 正郎高橋
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2001-08-31
Filing date: 2002-08-27
Publication date: 2008-04-09
Anticipated expiration: 2022-08-27
Also published as: US6998763B2; EP1291317A3; DE60239779D1; JP2003152235A; EP1291317B1; EP1291317A2; US20030062807A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種トランスデューサ、各種アクチュエータ、周波数領域機能部品（フィルタ）、トランス、通信用や動力用の振動子や共振子、発振子、ディスクリミネータ等の能動素子のほか、超音波センサや加速度センサ、角速度センサや衝撃センサ、質量センサ等の各種センサ用のセンサ素子として利用することができるセラミック素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近時、光学や精密加工等の分野において、サブミクロンのオーダーで光路長や位置を調整する変位素子が用いられるようになっている。この変位素子として、圧電／電歪材料に電界を加えたときに起き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がある。
【０００３】
アクチュエータは、本出願人においても、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るセラミック製の圧電／電歪膜型素子を提案している。
【０００４】
前記圧電／電歪膜型素子は、小型で安価な、高信頼性の電気機械変換素子であり、しかも、低い駆動電圧で大変位が得られ、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、ディスプレイ、リレー等の構成部材等として有用である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記圧電／電歪膜型素子は、作動部（アクチュエータ部）に電圧を印加することによって、その逆圧電効果あるいは電歪効果で機械的変位を得るようにしている。そのため、作動部を上下に一定振幅で変位させる場合は、一定の振幅を有するパルス電圧を印加することで達成することができる。
【０００６】
しかし、前記作動部において、その表面に変位動作を阻害するような例えば樹脂などによるコーティングを施し、駆動耐久を実施したところ、非常に短期間のうちに、変位量の低下（変位の劣化）が確認された。これは、作動部単体ではみられなかった現象である。
【０００７】
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、作動部上に変位伝達部材が載置、あるいは形成されていても、作動部に対するパルス電圧の印加時間の経過に伴って変位量が低下するということを抑制することができ、長時間駆動しても変位量の制御を精密に行い続けることが可能なセラミック素子を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上述のように、変位動作が阻害された状況で駆動を続けた結果、変位量の低下が確認されたという事実に基づき、作動部の内部に破壊（マイクロクラック）が発生して変位の劣化を引き起こしているものと想定して、焼成応力の影響を最も受けやすい作動部の界面（圧電／電歪層や反強誘電体層にて構成された形状保持層と電極との界面、電極とセラミック基板との界面）の接合性の改善を検討した。
【０００９】
その結果、作動部の変位量の低下には、２つのモードがあることが判明した。第１のモードは、破壊（形状保持層−電極界面のクラック）によるもので、変位量の回復が不可能なモードであることがわかった。第２のモードは、変位動作が阻害されたために、作動部の内部に存在する応力のバランスが変化して、形状保持層の分極状態が変化していき、変位劣化を起こしたものであり、加熱により変位量の回復が見られるモードであることがわかった。
【００１０】
この検討結果に基づき、セラミック基板と形状保持層の層間に存在する電極材料に添加物を加えたところ、作動部の表面に例えば樹脂などによるコーティング等を施した状態でも変位量の低下（変位の劣化）が低減でき、中でも酸化ジルコニウム、酸化セリウム、酸化チタンを添加物として用いた場合、変位量の低下が大きく改善され、特に酸化セリウム並びに酸化チタンを用いたものは、作動部単体と同等のレベルにまで改善した。
【００１１】
このことから、本発明に係るセラミック素子は、圧電／電歪層や反強誘電体層にて構成された形状保持層に形成された少なくとも一対の電極を有する作動部と、セラミックスにて構成され、かつ、前記作動部を支持する振動部と、セラミックスにて構成され、かつ、前記振動部を振動可能に支持する固定部とを有し、前記振動部と、該振動部に接する電極と、前記形状保持層とが焼成によって一体化され、前記一対の電極のうち、少なくとも前記振動部と接する電極が、電極材料に微量の添加物が含有されて構成されていることを特徴とするものである。添加物としては、セラミック材料であることが好ましく、この場合、セラミック材料は、酸化ジルコニウム、酸化セリウム、酸化ハフニウム、酸化チタン及び圧電／電歪層や反強誘電体層を構成する材料からなるグループより選ばれた少なくとも１種類以上の材料であることが好ましい。更に好ましくは、酸化ジルコニウム、酸化セリウム及び酸化チタンからなるグループより選ばれた少なくとも１種類以上の材料である。
【００１２】
そして、本発明の作用を上述の作動部の変位量低下に係るモード別に考察すると、第１のモードに対しては、電極材料に添加物を加えることで、セラミック基板と電極間との接合性に向上がみられなくても、形状保持層と電極間との接合性が向上すれば、変位量の低下が改善され、極めて少量の添加量であっても大きな改善効果がみられた。
【００１３】
このことから、前記振動部と、該振動部に接する電極と、前記形状保持層とが焼成によって一体化されている場合、電極とセラミック基板間の接合性以上に形状保持層と電極間の接合性の方が変位量の低下（変位発現を抑制するものの存在下において）の改善に対し、より関与しているものと考えられる。
【００１４】
一方、第２のモードに対しては、電極材料に添加物を加えることで、焼成時に発生する焼成応力が変化しているものと考えられる。これは、前記振動部と、該振動部に接する電極と、前記形状保持層とが焼成によって一体化されている場合、形状保持層を接着剤等を利用せずにセラミック基板上に焼成一体化するわけだが、この場合、形状保持層が焼成され収縮することで、焼成後の形状保持層は、接合面付近に内部応力を生じた状態となっている。
【００１５】
このような状態（形状保持層の接合面に応力が存在した状態）において、作動部の表面に例えば樹脂などによるコーティング等を形成すると、形状保持層の内部応力のバランスが変化し、その状態で駆動による通電が続けられると、分極状態が変化していって変位量の低下を招くものとみられる。なお、変位量が低下した作動部は、キュリー温度以上で加熱することによって形状保持層を脱極した後、再度分極することで、前記変化した分極状態が回復し、前記低下した変位量は復帰する。
【００１６】
それに対し、下部電極に添加物を加えると、形状保持層を焼成一体化する際に、形状保持層を構成する例えば圧電／電歪体の焼成収縮が異なった挙動となり、形状保持層の焼成後の内部応力に変化をもたらしたため、作動部の表面にコーティングが形成され駆動による通電が続けられても、分極状態の変化が非常に小さく、変位量の低下が抑えられたものと考えられる。
【００１７】
このようなことから、本発明においては、作動部上に変位伝達部材が載置、あるいは形成されていても、作動部に対するパルス電圧の印加時間の経過に伴って変位量が低下するということを抑制することができ、長時間駆動しても変位量の制御を精密に行い続けることが可能となる。
【００１８】
そして、前記一対の電極は、前記形状保持層の上部に形成された上部電極と、前記形状保持層と前記振動部との間に形成された下部電極とを有するようにしてもよい。この場合、振動部と接する下部電極を、前記電極材料に微量の前記添加物を含有して構成する。もちろん、前記一対の電極は共に、前記振動部に接するように形成されていてもよい。この場合、一対の電極を共に前記電極材料に微量の前記添加物を含有して構成することが好ましい。
【００１９】
また、前記一対の電極のうち、少なくとも前記振動部と接する電極の前記電極材料は、白金族の単体、あるいは白金族の単体と金及び／又は銀との合金、あるいは白金族の合金、あるいは白金族の合金と金及び／又は銀との合金を含むことが好ましく、更に好ましくは、白金を主成分とする材料で構成することである。
【００２０】
そして、前記電極材料に０．０１ｗｔ％〜２０ｗｔ％の添加物を含有させることが好ましく、更に好ましくは前記電極材料に０．１ｗｔ％〜１０ｗｔ％の添加物を含有させることである。
【００２１】
また、前記添加物としてはセラミック材料がよい。この場合、酸化ジルコニウム、酸化セリウム、酸化ハフニウム、酸化チタン及び圧電／電歪層や反強誘電体層を構成する材料からなるグループより選ばれた少なくとも１種類以上の材料が好ましく使用される。前記添加物の平均粒径は、前記添加物が、酸化ジルコニウム、酸化セリウム及び酸化ハフニウムからなるグループより選ばれた少なくとも１種類以上の材料である場合は、０．０１〜１．０μｍであることが好ましい。また、前記添加物が、酸化チタン及び圧電／電歪層や反強誘電体層を構成する材料からなるグループより選ばれた少なくとも１種類以上の材料である場合は、０．１〜１０．０μｍであることが好ましい。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るセラミック素子の実施の形態例を図１〜図１６を参照しながら説明する。
【００２３】
本実施の形態に係るセラミック素子１０は、図１に示すように、例えばセラミックスにて構成されたアクチュエータ基板１２と、電圧印加に伴って変位動作を行うアクチュエータ部１４とを有する。
【００２４】
アクチュエータ基板１２は、その内部のうち、アクチュエータ部１４が形成される部分に対応した位置に、それぞれ後述する振動部を形成するための空所１６が設けられている。各空所１６は、アクチュエータ基板１２の他端面に設けられた径の小さい貫通孔１８を通じて外部と連通されている。
【００２５】
アクチュエータ基板１２のうち、空所１６の形成されている部分が薄肉とされ、それ以外の部分が厚肉とされている。薄肉の部分は、外部応力に対して振動を受けやすい構造となって振動部２０として機能し、空所１６以外の部分は厚肉とされて前記振動部２０を支持する固定部２２として機能するようになっている。
【００２６】
つまり、アクチュエータ基板１２は、最下層である基板層１２Ａと中間層であるスペーサ層１２Ｂと最上層である薄板層１２Ｃの積層体であって、スペーサ層１２Ｂのうち、アクチュエータ部１４に対応する箇所に空所１６が形成された一体構造体として把握することができる。基板層１２Ａは、補強用基板として機能するほか、配線用の基板としても機能するようになっている。なお、前記アクチュエータ基板１２は、各層同時に焼成一体化してもよいし、各層順次焼成しながら積層して一体化してもよいし、各層個別に焼成した後、積層一体化してもよい。
【００２７】
一方、アクチュエータ部１４は、振動部２０と固定部２２のほか、該振動部２０上に直接形成された圧電／電歪層や反強誘電体層等の形状保持層２４と、該形状保持層２４の上面と下面に形成された一対の電極（上部電極２６ａ及び下部電極２６ｂ）とからなるアクチュエータ部本体２８を有する。
【００２８】
一対の電極としては、前記上部電極２６ａ及び下部電極２６ｂのほか、図２及び図３に示すように、形状保持層２４と振動部２０との間に櫛型の一対の電極２６ａ及び２６ｂを形成するようにしてもよいし、図４に示すように、形状保持層２４に櫛型の一対の電極２６ａ及び２６ｂを埋め込んで形成するようにしてもよい。この場合、一対の電極２６ａ及び２６ｂの下面が共に振動部２０に接するように形成される。
【００２９】
図２及び図３に示す構造の場合、消費電力を低く抑えることができるという利点があり、図４に示す構造は、歪み、発生力の大きな電界方向の逆圧電効果を効果的に利用できる構造であることから、大変位の発生に有利になる。
【００３０】
そして、図５に示すように、アクチュエータ部１４の上部には、このアクチュエータ部１４の変位を例えば上方に伝えるための変位伝達部材３０が載置、あるいは形成されている。この変位伝達部材３０は、このセラミック素子１０の実施態様に応じて様々なものが使用される。
【００３１】
例えばこのセラミック素子１０をディスプレイの画素として使用する場合は、図６に示すように、光導波板４０をアクチュエータ基板１２と対向させて配置し、更に、光導波板４０とアクチュエータ基板１２間に複数の桟４２を形成し、各画素に対応させてアクチュエータ部１４を配置するという構成を採用することができる。図６では、光導波板４０と桟４２との間にそれぞれ光遮蔽層４４を形成した例を示す。
【００３２】
各アクチュエータ部１４上には例えば白色散乱体４６、着色層４８及び透明層５０という樹脂による積層体にて構成された画素構成体５２が形成され、この画素構成体５２は、アクチュエータ部１４の変位動作に応じて光導波板４０に対して接触離隔することとなる。
【００３３】
この光導波板４０には、図示しない光源から光が導入されており、アクチュエータ部１４の変位動作によって画素構成体５２の端面が接触することで、光導波板４０の前面（表示面）のうち、前記画素構成体５２に対応した位置から光が発することになる。つまり、画素構成体５２の光導波板４０への接触の有無により、表示面における光の発光（漏れ光）の有無を制御することで、表示面に画像が表示されることになる。
【００３４】
ところで、例えば図５及び図６の構成において、前記薄板層１２Ｃの厚みとしては、アクチュエータ部１４を大きく変位させるために、通常５０μｍ以下とされ、好ましくは３〜２０μｍ程度とされる。
【００３５】
スペーサ層１２Ｂは、アクチュエータ基板１２に空所１６を構成するものとして存在していればよく、その厚みは特に制限されるものではない。しかし一方で、空所１６の利用目的に応じてその厚みを決定してもよく、その中でもアクチュエータ部１４が機能する上で必要以上の厚みを有さず、例えば図７に示すように、薄い状態で構成されていることが好ましい。即ち、スペーサ層１２Ｂの厚みは、利用するアクチュエータ部１４の変位の大きさ程度であることが好ましい。
【００３６】
このような構成により、薄肉の部分（振動部２０の部分）の撓みが、その撓み方向に近接する基板層１２Ａにより制限され、意図しない外力の印加に対して、前記薄肉部分の破壊を防止するという効果が得られる。なお、基板層１２Ａによる撓みの制限効果を利用して、アクチュエータ部１４の変位を特定値に安定させることも可能である。
【００３７】
また、スペーサ層１２Ｂを薄くすることで、アクチュエータ基板１２自体の厚みが低減し、曲げ剛性を小さくすることができるため、例えばアクチュエータ基板１２を別体に接着・固定するにあたって、相手方（例えば光導波板４０）に対し自分自身（この場合、アクチュエータ基板１２）の反り等が効果的に矯正され、接着・固定の信頼性の向上を図ることができる。
【００３８】
加えて、アクチュエータ基板１２が全体として薄く構成されるため、アクチュエータ基板１２の製造にあたっての原材料使用量を低減することができ、製造コストの観点からも有利な構造である。従って、スペーサ層１２Ｂの具体的な厚みとしては、３〜５０μｍの厚みとすることが好ましく、中でも３〜２０μｍとすることが好ましい。
【００３９】
一方、基板層１２Ａの厚みとしては、上述したスペーサ層１２Ｂを薄く構成することから、アクチュエータ基板１２全体の補強目的として、一般に５０μｍ以上、好ましくは８０〜３００μｍ程度とされる。
【００４０】
次に、セラミック素子１０の各構成部材、特に各構成部材の材料等の選定について説明する。
【００４１】
まず、振動部２０は、高耐熱性材料であることが好ましい。その理由は、アクチュエータ部本体２８を有機接着剤等の耐熱性に劣る材料を用いずに振動部２０に積層させるには、少なくとも形状保持層２４の形成時に、振動部２０が変質しないようにするため、振動部２０は、高耐熱性材料であることが好ましい。
【００４２】
また、振動部２０は、アクチュエータ基板１２上に形成される上部電極２６ａに通じる配線と下部電極２６ｂに通じる配線との電気的な分離を行うために、電気絶縁材料であることが好ましい。
【００４３】
従って、振動部２０は、高耐熱性の金属あるいはその金属表面をガラス等のセラミック材料で被覆したホーロウ等の材料であってもよいが、セラミックスが最適である。
【００４４】
振動部２０を構成するセラミックスとしては、例えば安定化された酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化チタン、スピネル、ムライト、窒化アルミニウム、窒化珪素、ガラス、これらの混合物等を用いることができる。安定化された酸化ジルコニウムは、振動部２０の厚みが薄くても機械的強度が高いこと、靭性が高いこと、形状保持層２４及び一対の電極２６ａ、２６ｂとの化学反応性が小さいこと等のため、特に好ましい。安定化された酸化ジルコニウムとは、安定化酸化ジルコニウム及び部分安定化酸化ジルコニウムを包含する。安定化された酸化ジルコニウムでは、立方晶等の結晶構造をとるため、相転移を起こさない。
【００４５】
一方、酸化ジルコニウムは、１０００℃前後で、単斜晶と正方晶とで相転移し、この相転移のときにクラックが発生する場合がある。安定化された酸化ジルコニウムは、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化イットリウム、酸化スカンジウム、酸化イッテルビウム、酸化セリウム又は希土類金属の酸化物等の安定化剤を、１〜３０モル％含有する。振動部２０の機械的強度を高めるために、安定化剤が酸化イットリウムを含有することが好ましい。このとき、酸化イットリウムは、好ましくは１．５〜６モル％含有し、更に好ましくは２〜４モル％含有することであり、更に０．１〜５モル％の酸化アルミニウムが含有されていることが好ましい。
【００４６】
また、結晶相は、立方晶＋単斜晶の混合相、正方晶＋単斜晶の混合相、立方晶＋正方晶＋単斜晶の混合相などであってもよいが、中でも主たる結晶相が、正方晶、又は正方晶＋立方晶の混合相としたものが、強度、靭性、耐久性の観点から最も好ましい。
【００４７】
振動部２０がセラミックスからなるとき、多数の結晶粒が振動部２０を構成するが、振動部２０の機械的強度を高めるため、結晶粒の平均粒径は、０．０５〜２μｍであることが好ましく、０．１〜１μｍであることが更に好ましい。
【００４８】
固定部２２は、セラミックスからなることが好ましいが、振動部２０の材料と同一のセラミックスでもよいし、異なっていてもよい。固定部２２を構成するセラミックスとしては、振動部２０の材料と同様に、例えば、安定化された酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化チタン、スピネル、ムライト、窒化アルミニウム、窒化珪素、ガラス、これらの混合物等を用いることができる。
【００４９】
特に、このセラミック素子で用いられるアクチュエータ基板１２は、酸化ジルコニウムを主成分とする材料、酸化アルミニウムを主成分とする材料、又はこれらの混合物を主成分とする材料等が好適に採用される。その中でも、酸化ジルコニウムを主成分としたものが更に好ましい。
【００５０】
なお、焼結助剤として粘土等を加えることもあるが、酸化珪素、酸化ホウ素等のガラス化しやすいものが過剰に含まれないように、助剤成分を調節する必要がある。なぜなら、これらガラス化しやすい材料は、アクチュエータ基板１２と形状保持層２４とを接合させる上で有利ではあるものの、アクチュエータ基板１２と形状保持層２４との反応を促進し、所定の形状保持層２４の組成を維持することが困難となり、その結果、素子特性を低下させる原因となるからである。
【００５１】
即ち、アクチュエータ基板１２中の酸化珪素等は重量比で３％以下、更に好ましくは１％以下となるように制限することが好ましい。ここで、主成分とは、重量比で５０％以上の割合で存在する成分をいう。
【００５２】
形状保持層２４は、上述したように、圧電／電歪層や反強誘電体層等を用いることができるが、形状保持層２４として圧電／電歪層を用いる場合、該圧電／電歪層としては、例えば、ジルコン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛、ニッケルニオブ酸鉛、亜鉛ニオブ酸鉛、マンガンニオブ酸鉛、マグネシウムタンタル酸鉛、ニッケルタンタル酸鉛、アンチモンスズ酸鉛、チタン酸鉛、チタン酸バリウム、マグネシウムタングステン酸鉛、コバルトニオブ酸鉛等、又はこれらの何れかの組合せを含有するセラミックスが挙げられる。
【００５３】
主成分がこれらの化合物を５０重量％以上含有するものであってもよいことはいうまでもない。また、前記セラミックスのうち、ジルコン酸鉛を含有するセラミックスは、形状保持層２４を構成する圧電／電歪層の構成材料として最も使用頻度が高い。
【００５４】
また、圧電／電歪層をセラミックスにて構成する場合、前記セラミックスに、更に、ランタン、カルシウム、ストロンチウム、モリブデン、タングステン、バリウム、ニオブ、亜鉛、ニッケル、マンガン等の酸化物、若しくはこれらの何れかの組合せ、又は他の化合物を、適宜、添加したセラミックスを用いてもよい。
【００５５】
例えば、マグネシウムニオブ酸鉛とジルコン酸鉛及びチタン酸鉛とからなる成分を主成分とし、更にランタンやストロンチウムを含有するセラミックスを用いることが好ましい。
【００５６】
圧電／電歪層は、緻密であっても、多孔質であってもよく、多孔質の場合、その気孔率は４０％以下であることが好ましい。
【００５７】
形状保持層２４として反強誘電体層を用いる場合、該反強誘電体層としては、ジルコン酸鉛を主成分とするもの、ジルコン酸鉛とスズ酸鉛とからなる成分を主成分とするもの、更にはジルコン酸鉛に酸化ランタンを添加したもの、ジルコン酸鉛とスズ酸鉛とからなる成分に対してジルコン酸鉛やニオブ酸鉛を添加したものが望ましい。
【００５８】
特に、下記の組成のようにジルコン酸鉛とスズ酸鉛からなる成分を含む反強誘電体膜をアクチュエータ部１４のような膜型素子として適用する場合、比較的低電圧で駆動することができるため、特に好ましい。
【００５９】
Ｐｂ_0.99Ｎｂ_0.02［（Ｚｒ_xＳｎ_1-x）_1-yＴｉ_y］_0.98Ｏ₃
但し、0.5 ＜ｘ＜ 0.6，0.05＜ｙ＜ 0.063，0.01＜Ｎｂ＜ 0.03
また、この反強誘電体膜は、多孔質であってもよく、多孔質の場合には気孔率３０％以下であることが望ましい。
【００６０】
そして、振動部２０の上に形状保持層２４を形成する方法としては、スクリーン印刷法、ディッピング法、塗布法、電気泳動法等の各種厚膜形成法や、イオンビーム法、スパッタリング法、真空蒸着法、イオンプレーティング法、化学気相蒸着法（ＣＶＤ）、めっき等の各種薄膜形成法を用いることができる。
【００６１】
この実施の形態においては、振動部２０上に前記形状保持層２４を形成するにあたっては、スクリーン印刷法やディッピング法、塗布法、電気泳動法等による厚膜形成法が好適に採用される。
【００６２】
これらの手法は、平均粒径０．０１〜５μｍ、好ましくは０．０５〜３μｍの圧電セラミックスの粒子を主成分とするペーストやスラリー、又はサスペンション、エマルジョン、ゾル等を用いて形成することができ、良好な圧電作動特性が得られるからである。
【００６３】
特に、電気泳動法は、膜を高い密度で、かつ、高い形状精度で形成することができることをはじめ、「電気化学および工業物理化学Ｖｏｌ．５３，Ｎｏ．１（１９８５），ｐ６３〜６８安斎和夫著」あるいは「第１回電気泳動法によるセラミックスの高次成形法研究討論会予稿集（１９９８），ｐ５〜６，ｐ２３〜２４」等の技術文献に記載されるような特徴を有する。従って、要求精度や信頼性等を考慮して、適宜、手法を選択して用いるとよい。
【００６４】
また、前記振動部２０の厚みと形状保持層２４の厚みは、同次元の厚みであることが好ましい。なぜなら、振動部２０の厚みが極端に形状保持層２４の厚みより厚くなると（１桁以上異なると）、形状保持層２４の焼成収縮に対して、振動部２０がその収縮を妨げるように働くため、形状保持層２４とアクチュエータ基板１２界面での応力が大きくなり、はがれ易くなる。反対に、厚みの次元が同程度であれば、形状保持層２４の焼成収縮にアクチュエータ基板１２（振動部２０）が追従し易くなるため、一体化には好適である。具体的には、振動部２０の厚みは、１〜１００μｍであることが好ましく、３〜５０μｍが更に好ましく、５〜２０μｍが更になお好ましい。一方、形状保持層２４は、その厚みとして５〜１００μｍが好ましく、５〜５０μｍが更に好ましく、５〜３０μｍが更になお好ましい。
【００６５】
前記形状保持層２４の上面及び下面に形成される上部電極２６ａ及び下部電極２６ｂ、あるいは図２及び図３に示すように、形状保持層２４と振動部２０との間に形成される一対の電極２６ａ及び２６ｂ、あるいは形状保持層２４に埋め込まれて形成された一対の電極２６ａ及び２６ｂは、用途に応じて適宜な厚さとされるが、０．０１〜５０μｍの厚さであることが好ましく、０．１〜５μｍが更に好ましい。
【００６６】
前記下部電極２６ｂ、あるいは図２〜図４における一対の電極２６ａ及び２６ｂについては、電極材料に０．０１ｗｔ％〜２０ｗｔ％の添加物、好ましくは０．１ｗｔ％〜１０ｗｔ％の添加物が含有されて構成されている。
【００６７】
前記電極材料は、白金族の単体、あるいは白金族の単体と金及び／又は銀との合金、白金族の合金、又は白金族の合金と金及び／又は銀との合金を含む。好ましくは、白金を主成分とする材料である。
【００６８】
前記添加物としてはセラミック材料がよく、この場合、酸化ジルコニウム、酸化セリウム、酸化ハフニウム、酸化チタン及び圧電／電歪層や反強誘電体層を構成する材料からなるグループより選ばれた少なくとも１種類以上の材料が好ましく使用される。
【００６９】
なお、上部電極２６ａは、室温で固体であって、導電性の金属で構成されていることが好ましい。例えば、アルミニウム、チタン、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、ロジウム、銀、スズ、タンタル、タングステン、イリジウム、白金、金、鉛等を含有する金属単体又は合金が挙げられる。これらの元素を任意の組合せで含有していてもよいことはいうまでもない。
【００７０】
ここで、６つの実験例（便宜的に第１〜第６の実験例と記す）について説明する。
【００７１】
第１の実験例は、比較例について、以下に示す３つのケースでのアクチュエータ部における変位動作の経時的な変動をみたものである。
【００７２】
３つのケースとは、▲１▼：アクチュエータ部１４上に何も形成しない場合（ケース１）、▲２▼：アクチュエータ部１４上にスピンコータによりアクリル樹脂をコートして１５０℃、１時間の硬化により、０．５μｍの層を形成した場合（ケース２）、▲３▼：アクチュエータ部１４上にスクリーン印刷により変性エポキシを印刷・硬化（１３０℃、１時間）して、１０μｍの層を形成した場合（ケース３）である。
【００７３】
また、比較例に係るセラミック素子は、図１に示す本実施の形態に係るセラミック素子１０において、空所のサイズを１ｍｍ×１ｍｍとし、振動部２０の厚みを１０μｍ、形状保持層２４としてチタン酸ジルコン酸鉛を使用し、その厚みを２５μｍとし、下部電極２６ｂをＰｔにて構成し、その厚みを３．０μｍとし、上部電極２６ａをＡｕにて構成し、その厚みを０．５μｍとした。
【００７４】
この第１の実験例の結果を図８に示す。この図８において、ケース１でのプロットを●で示し、ケース２でのプロットを■で示し、ケース３でのプロットを▲で示す。ここで、パルス１回目におけるアクチュエータ部１４の変位量を初期変位量と定義付けする。
【００７５】
この結果から、ケース１での初期変位量を１００％としたとき、ケース２での初期変位量は９８％、ケース３での初期変位量は７８％であり、定性的にはアクチュエータ部１４上に厚みが大きく、より変位動作を阻害する層を形成するほど初期変位量が低下していることがわかる。
【００７６】
また、パルス１億回目での変位量を比べると、ケース１では９８％程度でほとんど変化していないが、ケース２では７９％程度まで低下し、その変化幅は１９％である。また、ケース３では５８％程度まで低下し、その変化幅は２０％である。
【００７７】
次に、第２の実験例は、実施例１について、上述したケース２及びケース３でのアクチュエータ部１４における変位動作の経時的な変動をみたものである。
【００７８】
実施例１に係るセラミック素子は、上述した比較例の場合とほぼ同じ構成を有するが、下部電極２６ｂの構成材料として、Ｐｔに５．０ｗｔ％の酸化ジルコニウム（平均粒径０．０９μｍ）を添加した点で異なる。この第２の実験例の結果を図９に示す。この図９において、ケース２でのプロットを■で示し、ケース３でのプロットを▲で示す。
【００７９】
次に、第３の実験例は、実施例２について、上述したケース２及びケース３でのアクチュエータ部１４における変位動作の経時的な変動をみたものである。
【００８０】
実施例２に係るセラミック素子は、上述した比較例の場合とほぼ同じ構成を有するが、下部電極２６ｂの構成材料として、Ｐｔに０．１ｗｔ％の酸化ジルコニウム（平均粒径０．０４μｍ）を添加した点で異なる。この第３の実験例の結果を図１０に示す。この図１０において、ケース２でのプロットを■で示し、ケース３でのプロットを▲で示す。
【００８１】
次に、第４の実験例は、実施例３について、上述したケース２及びケース３でのアクチュエータ部１４における変位動作の経時的な変動をみたものである。
【００８２】
実施例３に係るセラミック素子は、上述した比較例の場合とほぼ同じ構成を有するが、下部電極２６ｂの構成材料として、Ｐｔに０．５ｗｔ％の酸化セリウム（平均粒径０．０５μｍ）を添加した点で異なる。この第４の実験例の結果を図１１に示す。この図１１において、ケース２でのプロットを■で示し、ケース３でのプロットを▲で示す。
【００８３】
次に、第５の実験例は、実施例４について、上述したケース２及びケース３でのアクチュエータ部１４における変位動作の経時的な変動をみたものである。
【００８４】
実施例４に係るセラミック素子は、上述した比較例の場合とほぼ同じ構成を有するが、下部電極２６ｂの構成材料として、Ｐｔに１．０ｗｔ％のチタン酸ジルコン酸鉛（平均粒径０．２μｍ）を添加した点で異なる。この第５の実験例の結果を図１２に示す。この図１２において、ケース２でのプロットを■で示し、ケース３でのプロットを▲で示す。
【００８５】
これらの結果から、ケース２においては、実施例１〜実施例４の初期変位量は共にほぼ１００％であったが、ケース３においては、初期変位量が共にほぼ７５％であった。このことから、アクチュエータ部１４上に厚みが大きく、より変位動作を阻害する層を形成するほど初期変位量が低下していることがわかる。
【００８６】
そして、パルス１億回目での変位量を比べると、実施例１〜実施例４について、ケース２では実施例１及び実施例２が共に９５％程度、実施例３は９８％程度、実施例４は９４％程度で、ほとんど変化しておらず、比較例のように２０％程度低下した点とは大きく異なる。
【００８７】
また、ケース３では、各実施例共に７２％程度まで低下しているが、各実施例における初期変位量からの変化幅はほぼ３％であり、ほとんど変化がないことがわかる。更に、パルス１０億回目においても、変位量の変化はほとんどない。
【００８８】
つまり、実施例１〜実施例４においては、アクチュエータ部１４に層を形成した場合、パルス電圧の印加時間に拘わらず、変位量の低下はほとんどなく、ほぼ一定の変位量を維持していることがわかる。
【００８９】
このように、電極材料に添加物を加えることで、アクチュエータ部１４の変位量の低下に対して改善がみられ、極めて少量の添加量であっても大きな改善効果がみられている。これは、振動部２０と、該振動部２０に接する電極（この場合、下部電極２６ｂ）と、形状保持層２４とが焼成によって一体化されている場合、下部電極２６ｂとアクチュエータ基板１２間の接合性以上に、形状保持層２４と下部電極２４ｂ間の接合性の方が、形状保持層２４とアクチュエータ基板１２間の接合性以上に形状保持層２４と下部電極２６ｂ間の接合性の方が変位量の低下（変位発現を抑制するものの存在下において）の改善に対し、より関与しているものと考えられる。
【００９０】
また、電極材料に添加物を加えることで、焼成時に発生する焼成応力が変化しているものと考えられる。
【００９１】
これは、振動部２０と、該振動部２０に接する下部電極２６ｂと、形状保持層２４とが焼成によって一体化されている場合、形状保持層２４を接着剤等を利用せずにアクチュエータ基板１２上に焼成一体化するわけだが、この場合、形状保持層２４が焼成され収縮することで、焼成後の形状保持層２４は、接合面付近に内部応力を生じた状態となっている。
【００９２】
このような状態（形状保持層２４の接合面に応力が存在した状態）において、アクチュエータ部１４の表面に例えば樹脂製のコーティング等を形成すると、形状保持層２４の内部応力のバランスが変化し、その状態で駆動による通電が続けられると、分極状態が変化していって変位量の低下を招くものとみられる。
【００９３】
それに対し、電極材料に添加物を加えると、形状保持層２４を焼成一体化する際に、形状保持層２４を構成する例えば圧電／電歪体の焼成収縮が異なった挙動となり、形状保持層２４の焼成後の内部応力に変化をもたらしたため、アクチュエータ部１４の表面にコーティングが形成され駆動による通電が続けられても、分極状態の変化が非常に小さく、変位量の低下が抑えられたものと考えられる。
【００９４】
次に、第６の実験例は、例えば実施例１に係るセラミック素子において、下部電極２６ｂの構成材料であるＰｔと微量の添加物（この場合、酸化ジルコニウム）のうち、Ｐｔに添加する酸化ジルコニウム（平均粒径０．０５μｍ）の量を変化させて、４０億回のパルス駆動を行った際の変位量の変動をみたものである。実験は、ケース２の状態で行った。
【００９５】
その実験結果を図１３に示す。この図１３から、Ｐｔに添加する酸化ジルコニウムの量を０．０１ｗｔ％〜２０ｗｔ％とした場合の変位変動率は約１５％であり、特に、０．１ｗｔ％〜１０．０ｗｔ％においては約７％の変位変動率となっている。
【００９６】
次に、第７の実験例は、第６の実験例とほぼ同じであるが、Ｐｔへの添加物がチタン酸ジルコン酸鉛（平均粒径０．５μｍ）である点で異なる。実験結果を図１４に示す。この図１４から、Ｐｔに添加するチタン酸ジルコン酸鉛の量を０．０１ｗｔ％〜２０ｗｔ％とした場合の変位変動率は約１７％であり、特に、０．１ｗｔ％〜１０．０ｗｔ％においては約１０％の変位変動率となっている。
【００９７】
次に、第８の実験例は、Ｐｔへの添加物が酸化セリウム（平均粒径０．０５μｍ）である点で異なる。実験結果を図１５に示す。この図１５から、Ｐｔに添加する酸化セリウムの量を０．０１ｗｔ％〜２０ｗｔ％とした場合の変位変動率は約１０％であり、特に、０．１ｗｔ％〜１０．０ｗｔ％においては約４％の変位変動率となっている。
【００９８】
次に、第９の実験例は、Ｐｔへの添加物が酸化チタン（平均粒径１．５μｍ）である点で異なる。実験結果を図１６に示す。この図１６から、Ｐｔに添加する酸化チタンの量を０．０１ｗｔ％〜２０ｗｔ％とした場合の変位変動率は約１０％であり、特に、０．１ｗｔ％〜１０．０ｗｔ％においては約４％の変位変動率となっている。
【００９９】
このように、本実施の形態に係るセラミック素子１０においては、アクチュエータ部を構成する一対の電極２６ａ及び２６ｂのうち、振動部２０と接する電極（下部電極２６ｂ、一対の電極２６ａ及び２６ｂ）を、電極材料に微量の添加物を含有させて構成するようにしたので、アクチュエータ部１４の表面に例えば樹脂製のコーティングを施した状態でもアクチュエータ部１４の変位量の低下（変位の劣化）が低減でき、アクチュエータ部単体と同等のレベルにまで改善させることができる。
【０１００】
従って、本実施の形態においては、アクチュエータ部１４上に変位伝達部材３０が載置、あるいは形成されていても、アクチュエータ部１４に対するパルス電圧の印加時間の経過に伴って変位量が低下するということを抑制することができ、長時間駆動しても変位量の制御を精密に行い続けることが可能となる。
【０１０１】
なお、この発明に係るセラミック素子は、上述の実施の形態に限らず、この発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【０１０２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るセラミック素子によれば、作動部上に変位伝達部材が載置、あるいは形成されていても、作動部に対するパルス電圧の印加時間の経過に伴って変位量が低下するということを抑制することができ、長時間駆動しても変位量の制御を精密に行い続けることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係るセラミック素子を一部省略して示す断面図である。
【図２】本実施の形態に係るセラミック素子における電極構造の第１の変形例を示す断面図である。
【図３】第１の変形例に係る電極構造を底面から見て示す図である。
【図４】本実施の形態に係るセラミック素子における電極構造の第２の変形例を示す断面図である。
【図５】本実施の形態に係るセラミック素子のアクチュエータ部上に変位伝達部材を載置、又は形成した状態を示す構成図である。
【図６】本実施の形態に係るセラミック素子をディスプレイに適用した例を一部省略して示す構成図である。
【図７】本実施の形態に係るセラミック素子をディスプレイに適用した他の例を一部省略して示す構成図である。
【図８】第１の実験例（比較例）による結果を示す図である。
【図９】第２の実験例（実施例１）による結果を示す図である。
【図１０】第３の実験例（実施例２）による結果を示す図である。
【図１１】第４の実験例（実施例３）による結果を示す図である。
【図１２】第５の実験例（実施例４）による結果を示す図である。
【図１３】第６の実験例による結果を示す図である。
【図１４】第７の実験例による結果を示す図である。
【図１５】第８の実験例による結果を示す図である。
【図１６】第９の実験例による結果を示す図である。
【符号の説明】
１０…セラミック素子１２…アクチュエータ基板
１４…アクチュエータ部２０…振動部
２２…固定部２４…形状保持層
２６ａ、２６ｂ…一対の電極（上部電極、下部電極）
３０…変位伝達部材

Claims

圧電／電歪層や反強誘電体層にて構成された形状保持層に形成された少なくとも一対の電極を有する作動部と、
酸化ジルコニウムを主成分として構成され、かつ、前記作動部を支持する振動部と、
酸化ジルコニウムを主成分として構成され、かつ、前記振動部を振動可能に支持する固定部とを有し、
前記振動部と、該振動部に接する電極と、前記形状保持層とが焼成によって一体化され、
前記一対の電極のうち、少なくとも前記振動部に接する電極が、電極材料に０．１ｗｔ％〜１０ｗｔ％の酸化セリウム又は酸化チタンが含有されて構成されていることを特徴とするセラミック素子。
請求項１記載のセラミック素子において、
前記一対の電極は、前記形状保持層の上部に形成された上部電極と、前記形状保持層と前記振動部との間に形成された下部電極とを有し、
前記下部電極が、前記振動部に接する電極であることを特徴とするセラミック素子。
請求項１記載のセラミック素子において、
前記一対の電極は共に、前記振動部に接するように形成されていることを特徴とするセラミック素子。
請求項１〜３のいずれか１項に記載のセラミック素子において、
前記一対の電極のうち、少なくとも前記振動部と接する電極の電極材料は、白金族の単体、あるいは白金族の単体と金及び／又は銀との合金、あるいは白金族の合金、あるいは白金族の合金と金及び／又は銀との合金を含むことを特徴とするセラミック素子。
請求項４記載のセラミック素子において、
前記電極材料は白金を主成分とする材料で構成されていることを特徴とするセラミック素子。
請求項１〜５のいずれか１項に記載のセラミック素子において、
前記酸化セリウムの平均粒径は、０．０１〜１．０μｍであることを特徴とするセラミック素子。
請求項１〜５のいずれか１項に記載のセラミック素子において、
前記酸化チタンの平均粒径は、０．１〜１０．０μｍであることを特徴とするセラミックス素子。
請求項１〜７のいずれか１項に記載のセラミック素子において、
前記作動部上に、該作動部の変位動作を規制する物体が形成されていることを特徴とするセラミック素子。