JPH07202284A - 圧電／電歪膜型素子 - Google Patents

圧電／電歪膜型素子

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JPH07202284A
JPH07202284A JP6241653A JP24165394A JPH07202284A JP H07202284 A JPH07202284 A JP H07202284A JP 6241653 A JP6241653 A JP 6241653A JP 24165394 A JP24165394 A JP 24165394A JP H07202284 A JPH07202284 A JP H07202284A
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electrostrictive
film
lead
lower electrode
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幸久 武内
Koji Kimura
浩二 木村
Mitsuru Kurashina
満 倉品
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    • B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01—Ink jet
    • B41J2/135—Nozzles
    • B41J2/14—Structure thereof only for on-demand ink jet heads
    • B41J2/14201—Structure of print heads with piezoelectric elements
    • B41J2/14233—Structure of print heads with piezoelectric elements of film type, deformed by bending and disposed on a diaphragm
    • B41J2002/1425—Embedded thin film piezoelectric element

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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)
  • Pressure Sensors (AREA)
  • Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】キャビティとは反対方向への変位、力等を安定
して得ることができるとともに、圧電／電歪作動部の形
成位置がずれた場合でも発生する変位及びキャビティ内
の増加する体積が殆ど変化しない安定した素子を実現す
ること。 【構成】セラミック基板５に形成されたキャビティ５ｂ
上の薄肉部５ａ外表面上に、非圧電／電歪作動部８を設
け、その非圧電／電歪作動部８の周囲の所定範囲に圧電
／電歪作動部２，３を形成して成る圧電／電歪膜型素子
１。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、フィルター、加速度セ
ンサや衝撃センサ等の各種センサ、トランス、マイクロ
ホン、発音体（スピーカ等）、動力用や通信用の振動子
や発振子の他、ディスプレイや刊行物「圧電／電歪アク
チュエータ基礎から応用まで」（森北出版発行、内野研
二著、日本工業技術センター編）に記載のリレー、サー
ボ変位素子等に用いられるユニモルフ型の屈曲変位を発
生させるタイプのアクチュエータ等、電気エネルギーを
機械エネルギーに変換、即ち機械的な変位又は応力又は
振動に変換を行う、並びにその逆の変換を行う圧電／電
歪膜型素子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変位或はその逆の現
象を利用したアクチュエータやセンサの開発が進められ
ている。
【０００３】そのような分野の中で、アクチュエータ等
においては、安価で小型化、低電圧作動化、高速応答化
を安定して実現することができるよう開発が進められて
いる。
【０００４】図１５に本願発明者が先に提案した圧電／
電歪膜型素子を示す。素子(20)は、セラミック基板(5)
に形成されたキャビティ(5b)の薄肉部(5a)上に下部電極
膜(21a) 及び圧電／電歪膜(21b) 及び上部電極膜(21c)
を順次積層形成した圧電／電歪作動部(21)を設けて成
る。ここで、(21b) の材料に圧電材料を用いた場合、上
部電極膜(21c) 及び下部電極膜(21a) に、圧電膜の分極
処理時の印加電圧と正負が同じとなるように電圧を印加
すると、電界誘起歪の横効果によって(21b) がキャビテ
ィ(5b)側へ屈曲変位する。又、(21b) の材料として電歪
材料を用いた場合は、上部電極膜(21c) と下部電極膜(2
1a) に電圧を印加すれば、その極性に関係なく、(21b)
は図１５(b) に示すようにキャビティ(5b)側へ屈曲変位
する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところで、前記素子(2
0)をリレー等の用途として用い、素子(20)を上部電極膜
(21c) 上に設けられた接点(22)の方向、即ちキャビティ
(5b)とは反対の方向に変位させようとした場合、(21b)
に圧電膜を用いると、分極処理の極性とは逆の極性で上
部電極膜(21c) 、下部電極膜(21a) 間に電圧を印加する
こととなる。しかしこの場合、分極反転が起こる抗電界
よりも小さい電位に限られるため、十分な変位を得るこ
とができない他、変位自体が不安定であった。一方、(2
1b) に電歪膜を用いると、分極処理をして分極方向を設
定することができないので、印加電圧の極性を変更して
も変位方向はキャビティ(5b)の方向であり、反対の方向
に変位させることができない。即ち、電界誘起歪の横効
果を用いるタイプでは、安定して大きな変位を上方に得
ることができない。又、キャビティ側へ変位した薄肉部
の、元の位置に戻る時の反動を利用して逆方向に変位さ
せることも可能であるが、この場合には変位量と変位速
度等を任意に得ることが困難である。更に、図１６の素
子では、薄肉部外表面上に圧電／電歪作動部(21)が形成
されているが、これを薄肉部内表面上に形成することに
より、素子の上方への変位が可能となるが、キャビティ
構造の場合、その薄肉部内表面上に圧電／電歪作動部を
形成することは容易ではなく、製造上問題がある。この
ようにキャビティ構造であるが故に変位方向を上方にす
るには大きな制約がある。
【０００６】そして更に、前記従来構造の素子は、その
製造過程のばらつきにより図１３(a) に示すように圧電
／電歪作動部(21)が薄肉部(5a)の中心からずれて形成さ
れる場合がある。この場合、素子の変位量は同図(b) に
示すようにセラミック基板の厚肉部に近い部分程、厚肉
部の高い基板剛性による影響を受けるため小さくなる。
従って、このような素子は、前記作動手段を用いても本
来の変位量を得ることができない。
【０００７】故に本発明の目的は、例えばリレー等に用
いるアクチュエータにおいて、リレーの接点方向、即ち
キャビティとは反対方向への変位、力等を安定して得る
ことのできる素子を実現することにある。又、セラミッ
ク基板の薄肉部への圧電／電歪作動部の形成位置が中央
から若干ずれた場合でも、そのずれとは無関係に、発生
する変位及びキャビティ内の増加する体積が、殆ど変化
しない安定した素子を実現することにもある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
の本発明の構成とは、セラミック基板に形成されたキャ
ビティ上の薄肉部外表面上に、非圧電／電歪作動部を設
け、その非圧電／電歪作動部の周囲の所定範囲に圧電／
電歪作動部を形成して成ることにある。
【０００９】具体的には、前記非圧電／電歪作動部が少
なくとも二箇所以上の圧電／電歪作動部により挾まれて
成る構成である。
【００１０】又、前記非圧電／電歪作動部の全周を圧電
／電歪作動部により囲んで成る構成でもよい。
【００１１】そして、前記目的を達成するための本発明
の別の構成とは、セラミック基板に形成されたキャビテ
ィ上の薄肉部外表面上に、下部電極膜非形成部を設け、
その下部電極膜非形成部の周囲の所定範囲に下部電極膜
を設け、その下部電極膜上に圧電／電歪膜及び上部電極
膜を順次積層形成して成ることにある。
【００１２】具体的には、前記下部電極膜非形成部が少
なくとも二箇所以上の下部電極膜により挾まれて成る構
成である。
【００１３】又、前記下部電極膜非形成部の全周を下部
電極膜により囲んで成る構成でもよい。
【００１４】尚、本発明の効果をより一層高めるために
は前記下部電極膜及び圧電／電歪膜及び上部電極膜で構
成される部分（以下、圧電／電歪作動部と略称する）の
端部をセラミック基板の厚肉部外表面上にかかるように
設けることが望ましい。
【００１５】又、前記セラミック基板が、完全安定化若
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
る材料で構成されていることが望ましい。
【００１６】更に、前記圧電／電歪膜がマグネシウムニ
オブ酸鉛及びジルコン酸鉛及びチタン酸鉛から成る成分
を主成分とする材料、若しくはニッケルニオブ酸鉛及び
マグネシウムニオブ酸鉛及びジルコン酸鉛及びチタン酸
鉛から成る成分を主成分とする材料、若しくはニッケル
タンタル酸鉛及びマグネシウムニオブ酸鉛及びジルコン
酸鉛及びチタン酸鉛から成る成分を主成分とする材料、
若しくはマグネシウムタンタル酸鉛及びマグネシウムニ
オブ酸鉛及びジルコン酸鉛及びチタン酸鉛から成る成分
を主成分とする材料で構成されていることが望ましい。
【００１７】そして更に、前記キャビティ上の薄肉部の
肉厚が５０μｍ以下であることが望ましい。
【００１８】
【作用】非圧電／電歪作動部の周囲の所定範囲に設けら
れた圧電／電歪作動部の上部電極膜及び下部電極膜に電
圧を印加すると圧電／電歪膜に電界誘起歪が発生し、そ
の横効果により圧電／電歪作動部が下方向（キャビティ
方向）へ屈曲変位しようとする。しかし、セラミック基
板の薄肉部両側の厚肉部付近の各圧電／電歪作動部の端
部は、厚肉部によって下方向への屈曲変位が阻止され
る。従って、圧電／電歪作動部は、圧電／電歪膜の厚肉
部付近を支点として薄肉部側の端部が上方（キャビティ
と反対方向）へ持ち上げられる。即ち、素子全体として
上方に変位する。
【００１９】前記非圧電／電歪作動部が少なくとも二箇
所以上の圧電／電歪作動部により挾まれて成る構成で
は、各圧電／電歪作動部の上部電極膜及び下部電極膜に
電圧を印加することにより、各圧電／電歪作動部は、圧
電／電歪膜の厚肉部付近を支点として薄肉部側の端部が
上方（キャビティと反対方向）へ持ち上げられる。即
ち、素子全体として上方に変位する。
【００２０】又、前記非圧電／電歪作動部の全周を圧電
／電歪作動部により囲んで成る構成でも、圧電／電歪作
動部の上部電極膜及び下部電極膜に電圧を印加すること
により、圧電／電歪作動部は、圧電／電歪膜の厚肉部付
近を支点として薄肉部側の端部が上方（キャビティと反
対方向）へ持ち上げられる。即ち、素子全体として上方
に変位する。
【００２１】そして、セラミック基板に形成されたキャ
ビティ上の薄肉部外表面上に下部電極膜非形成部を設
け、その下部電極膜非形成部周囲の所定範囲に下部電極
膜を設け、その下部電極膜上に圧電／電歪膜及び上部電
極膜を順次積層形成して成る構成においては、上部電極
膜及び下部電極膜に電圧を印加することにより、下部電
極膜を設けたセラミック基板上の圧電／電歪作動部が圧
電／電歪膜の厚肉部付近を支点として、薄肉部側の端部
が上方（キャビティと反対方向）へ持ち上げられる。即
ち、素子全体として上方に変位する。
【００２２】前記下部電極膜非形成部が少なくとも二箇
所以上の下部電極膜により挾まれて成る構成では、上部
電極膜及び下部電極膜に電圧を印加することにより、各
下部電極膜を設けたセラミック基板上の圧電／電歪作動
部が、それぞれ圧電／電歪膜の厚肉部付近を支点とし
て、薄肉部側の端部が上方（キャビティと反対方向）へ
持ち上げられる。即ち、素子全体として上方に変位す
る。
【００２３】又、前記下部電極膜非形成部の全周を下部
電極膜により囲んで成る構成でも、上部電極膜及び下部
電極膜に電圧を印加することにより、下部電極膜を設け
たセラミック基板上の圧電／電歪作動部が圧電／電歪膜
の厚肉部付近を支点として、薄肉部側の端部が上方（キ
ャビティと反対方向）へ持ち上げられる。即ち、素子全
体として上方に変位する。
【００２４】尚、圧電／電歪とは、圧電又は電歪両者の
何れかを選択し得ることを意味し、圧電／電歪膜と称し
た場合は圧電膜又は電歪膜を、圧電／電歪作動部と称し
た場合は圧電作動部又は電歪作動部を意味するものとす
る。
【００２５】
【実施例】以下、本発明の素子について図面を参照しな
がら詳細に説明する。尚、理解を容易にするため、各図
面を通して同様の構造や機能を有するものには同一の符
号を付すものとする。
【００２６】図１は本発明の素子の一実施例を示す断面
説明図、図２(a) は複数のキャビティを有するセラミッ
ク基板上の各キャビティに圧電／電歪作動部を形成した
素子の外観斜視図、同図(b) はそのＡ−Ａ断面説明図を
それぞれ示す。(1) は素子、(2) 及び(3) は圧電／電歪
作動部をそれぞれ示す。圧電／電歪作動部(2) はキャビ
ティ(5b)を有するセラミック基板(5) の薄肉部(5a)上に
膜形成された下部電極膜(2a)上に圧電／電歪膜(2b)及び
上部電極膜(2c)を順次積層形成することにより一体形成
され、圧電／電歪作動部(3) も同様に下部電極膜(3a)上
に圧電／電歪膜(3b)及び上部電極膜(3c)を順次積層形成
することにより一体形成される。各圧電／電歪作動部は
それぞれの一端をセラミック基板(5) の厚肉部(5c)の外
表面上にかかるように薄肉部(5a)上に設けられ、各下部
電極膜(2a)，(3a)は相互間に適宜間隔を保って設けられ
ている。(4) は両圧電／電歪作動部(2) ，(3)と上部電
極膜(2c)，(3c)間に絶縁性、信頼性の向上を目的として
形成された樹脂層であり、圧電／電歪作動部(2) と(3)
に挾まれた部分の(8) が非圧電／電歪作動部である。
【００２７】図３は本発明の素子の動作を示す断面説明
図である。ここでは(2b)及び(3b)に圧電膜を用い、(2)
及び(3) をそれぞれ圧電作動部とする。同図(a)におい
て上部電極膜(2c)及び(3c)と下部電極膜(2a)及び(3a)
に、圧電膜(2b)及び(3b)の分極処理時の印加電圧と正負
が同じになるように電圧を印加すると、電界誘起歪が発
生し、その横効果によって圧電膜(2b)がキャビティ(5b)
側へ屈曲変位しようとする。しかし、圧電作動部(2) の
一端は、薄肉部(5a)両側の剛性の高い厚肉部(5c)外表面
上に形成され、他端は剛性の低い薄肉部(5a)上に形成さ
れているため、圧電膜(2b)の厚肉部(5c)に近い部分は屈
曲変位し難く、薄肉部(5a)側の部分は屈曲変位し易い。
即ち、圧電膜(2b)は厚肉部(5c)側を支点として変位量の
大きい薄肉部(5a)側が上方（キャビティ(5b)と反対側）
へ持ち上がろうとし、これに伴って薄肉部(5a)が図３
(b) に示すように上方へ凸状に湾曲する。この時、もう
一方の圧電作動部(3) も同様に湾曲するため、セラミッ
ク基板(5) の薄肉部(5a)全体が上方へ凸状に湾曲した形
状となる。而も、両圧電作動部(2) 及び(3)の変位によ
る相乗効果によって図１５に示した従来の素子と同等の
変位を上方に得ることができる。尚、(2b)及び(3b)に電
歪膜を用いた場合には、印加電圧の極性とは関係なく圧
電膜を用いた場合と同様の原理に従って素子の変位を得
ることができる。又、本発明の素子によれば素子が上方
向へ変位する結果キャビティの体積は増大することにな
るため、例えば図示のように孔(7) をキャビティ底部に
貫通形成したり、図２に示すように隣接するキャビティ
(5b)間に連通するように厚肉部(5c)に形成し、流体を吸
引するポンプとして利用することもできる。
【００２８】図４は本発明の素子を形成する圧電／電歪
作動部の形成位置がずれた場合の動作を示す断面説明図
である。同図(a) に示すように両圧電／電歪作動部(2),
(3) がセラミック基板(5) の右側厚肉部(5c)方向へずれ
て形成されているが、前記実施例同様に各上部電極膜(2
c),(3c) 及び各下部電極膜(2a),(3a) に所定の電圧を印
加すれば、同図(b) に示すように薄肉部(5a)を上方へ凸
状に湾曲させることができる。この場合、右側の厚肉部
(5c)へずれた圧電／電歪作動部(3)の変位量が、厚肉部
(5c)へずれ込んだ分だけ小さくなるが、薄肉部(5a)側へ
ずれた圧電／電歪作動部(2) の変位量が、ずれた分だけ
大きくなるため、結果として圧電／電歪作動部(2) の増
加した変位量が、圧電／電歪作動部(3) の不足した変位
量を補う形となり、ずれることなく形成された場合と略
同等の変位量を得ることができる。このように、本発明
の構成の副次的効果として膜形成位置のずれをある程度
許容しても素子の特性に影響がないため、素子製造上の
歩留を向上させることができる利点がある。
【００２９】図５は本発明の素子の別の構成を示す断面
説明図である。この素子(14)の特徴は、前記実施例の素
子と異なり、薄肉部(5a)上に設けた下部電極膜非形成部
(9) を下部電極膜(15a),(16a) で挾み、それら下部電極
膜(15a),(16a) を覆う圧電／電歪膜(17)及び上部電極膜
(18)を共通に形成したところにある。このように、圧電
／電歪膜を一枚にすることによって、前記実施例のよう
に個別に形成する場合と比較し、素子の製造が容易とな
り、コストダウンを図ることができる。しかし、素子中
央部にも圧電／電歪膜(17)がある分、中央部に樹脂層が
ある素子よりも素子の剛性が増すため、その変位量は例
えば図１に示す圧電／電歪膜が分離している素子の変位
量よりは少なくなる。
【００３０】図６は圧電／電歪作動部(15)及び(16)それ
ぞれの厚肉部(5c)側の一端が厚肉部(5c)の外表面上にか
かっていない本発明の素子の別の実施例を示す断面説明
図である。このような構造においても前記同様の原理に
より圧電／電歪作動部(15)及び(16)を全体として上方
（キャビティ(5b)と反対方向）に変位させることができ
る。但し、変位量においては変位時の各圧電／電歪作動
部(15),(16)の支点が剛性の低い薄肉部(5a)上となるた
め各圧電／電歪作動部の厚肉部(5c)側の一端が厚肉部(5
c)の外表面上にかかっている構造の素子よりは小さくな
る。
【００３１】図７はセラミック基板上に複数の素子(1),
・・(1) を形成した例の断面説明図である。図示のよう
に、複数の素子の内、必要な素子のみを作動させ、スイ
ッチングに用いることができる。
【００３２】又、図８の素子(19)のように、圧電／電歪
作動部及び薄肉部を予め上方へ凸状に湾曲形成させてお
くことによって、低い応力でも薄肉部(5a)を容易に上方
へ湾曲させることもできる。
【００３３】図９は、セラミック基板の厚肉部(5c)に薄
肉部(5a)の厚みより深い溝(6) を形成した素子の断面説
明図である。この構成によって圧電／電歪作動部周辺の
基板剛性が低くなり、薄肉部(5a)が変位し易くなる。従
って、基板が圧電／電歪作動部の熱収縮の挙動に追随し
易くなることから、圧電／電歪作動部をセラミック基板
と一体化するための熱処理過程において発生する基板材
料と圧電／電歪膜材料との熱膨張率差に起因する残留応
力や圧電／電歪膜の焼成収縮を妨げる力を低く抑えるこ
とが可能となり、圧電／電歪膜材料が本来有する材料特
性を十分引出すことができる。而も、隣接する素子間に
溝が形成されているため、隣接するキャビティの薄肉部
同士が相互に引っ張り合う力を緩衝することができると
ともに、他の素子の変位による干渉も小さくすることが
できるため、素子本来の変位を引出すことが可能とな
る。尚、溝の形状は本実施例のようにＶ字形に形成され
たものの外、基板面に対して鉛直方向に形成されたもの
や台形などの形状でもよく、溝の本数も適宜変更可能で
ある。
【００３４】図１０は本発明の素子の別の構成を示す説
明図である。同図(a) は素子(23)を上側から見た平面
図、同図(b) は同図(a) のＢ−Ｂ断面図を示す。この素
子(23)の特徴は、前記各実施例の素子とは異なり、１つ
のキャビティ(5b)の薄肉部(5a)上に相対向する４つの圧
電／電歪作動部(24), ・・(24)を形成し、圧電／電歪作
動部(24)を形成していない薄肉部(5a)上を非圧電／電歪
作動部(11)としていることにある。そして、各圧電／電
歪作動部(24)の上部電極膜(24c) 及び下部電極膜(24a)
に電圧をそれぞれ印加すると、各圧電／電歪作動部(24)
は、圧電／電歪膜(24b) の基板厚肉部(5c)付近を支点と
して、薄肉部(5a)側の端部が接点(22)方向（キャビティ
(5b)と反対方向）へ持ち上げられる。即ち、素子(23)は
接点(22)を頂点として全体が盛り上がるように変位す
る。尚、キャビティ(5b)の形状が、円柱形状、断面長円
の円柱形状等であっても前記四角柱形状の場合と同様に
キャビティ薄肉部の少なくとも２箇所以上に非圧電／電
歪作動部を挾むように若しくは囲むように圧電／電歪作
動部を配置することにより素子全体を盛り上がるように
変位させることができる。
【００３５】図１１は本発明の素子の別の実施例を示す
説明図である。同図(a)は素子(25)を上側から見た平面
図、同図(b) は同図(a) のＣ−Ｃ断面図を示す。この素
子(25)の特徴は、１つのキャビティ薄肉部に対して１つ
の圧電／電歪作動部から成る構成ではあるものの、円柱
形状のキャビティ(5b)の薄肉部(5a)の上部周縁に沿って
圧電／電歪作動部(26)を形成し、その圧電／電歪作動部
(26)で囲まれた内部を非圧電／電歪作動部(11)とする構
成にある。そして、上部電極膜(26c) 及び下部電極膜(2
6a) に電圧を印加すると、素子(25)は、接点(22)を頂点
として盛り上がるように変位する。尚、キャビティの形
状が、四角柱形状、断面長円の円柱形状等であっても前
記円柱形状の場合と同様に、キャビティの上部周縁に沿
って圧電／電歪作動部を配置することにより素子全体を
盛り上がるように変位させることができる。又、図１０
に示す素子(23)の(24b) 及び図１１に示す素子(25)の(2
6b) に圧電膜を用いた場合は、圧電膜の分極処理時の印
加電圧と同じ極性で電圧を印加することにより素子の変
位を得ることができ、電歪膜を用いた場合は印加電圧の
極性とは関係なく圧電膜を用いた場合と同様の原理に従
って素子の変位を得ることができる。
【００３６】上記各実施例では上部電極膜上に接点(22)
を形成した場合について説明したが、図１２に示すよう
に接点を形成せず、上部電極膜を接点に代えて用いるこ
ともできる。この素子の場合も変位の原理及び方法は前
記各実施例と同様である。
【００３７】又、図１３に示すように上部電極膜を分割
した圧電／電歪作動部(28),(28) を形成し、両圧電／電
歪作動部間には樹脂を形成しない素子構造としても、前
記各実施例の素子と同様の原理及び方法により、素子を
上方へ変位させることができる。
【００３８】更に、図１４に示すように上部電極膜を分
割し、圧電／電歪膜を共用にした圧電／電歪作動部(2
9),(29) を形成した素子構造でも、前記各実施例の素子
と同様の原理及び方法により、素子を上方へ変位させる
ことができる。尚、図１２〜図１４に示す素子は、前記
図１０又は図１１に示す素子構造とすることもでき、キ
ャビティの形状は、四角柱形状、円柱形状、断面長円の
円柱形状等でもよい。
【００３９】ところで、前述の圧電／電歪作動部の寸法
並びに材料構成については、それぞれ対となる圧電／電
歪作動部間で一致させても構わないが、本願に記載の範
囲内で異なる寸法構成並びに材料構成の圧電／電歪作動
部対を用いて、フィルタ、トランス等を形成することも
できる。
【００４０】又、振動板となるキャビティの薄肉部(5a)
の肉厚は、圧電／電歪作動部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以下に形成される。
【００４１】更に、本発明の素子を形成する圧電／電歪
膜は、図１等に示すように下部電極膜を覆い、且つ端部
がセラミック基板上へ張り出す大きさに形成されている
が、これによって圧電／電歪膜端部を下部電極膜端部に
合わせるという精密な位置合わせが不要となり、容易に
短絡防止を図ることができる。
【００４２】又更に、本発明の素子の圧電／電歪膜の材
料特性を十分発揮させるためには、セラミック基板が、
完全安定化若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で構成されていることが望ましい。
【００４３】そして、酸化ジルコニウムを完全安定化若
しくは部分安定化させるためには、一般に知られている
ように、アルカリ土類又は希土類の酸化物を用いること
ができるが、好適には酸化イットリウム、酸化セリウ
ム、酸化マグネシウム、酸化カルシウムの内、少なくと
も一つが用いられる。その含有量は、酸化イットリウム
は 1モル％〜30モル％、酸化セリウムでは 6モル％〜50
モル％、酸化マグネシウムや酸化カルシウムは、 5モル
％〜40モル％とすることが好ましいが、その中でも特に
酸化イットリウムは、 2モル％〜 4モル％とすることが
望ましい。なぜならば、それらの範囲で酸化イットリウ
ムが添加された酸化ジルコニウムは、その結晶層が部分
安定化され、特に強度、靱性、信頼性において優れた基
板特性を示すからである。
【００４４】又、基板材料中に粘土等の焼結助剤を添加
してもよいが、少なくとも、薄肉部を構成するセラミッ
ク基板中には、酸化珪素、酸化ホウ素、酸化リン、酸化
ゲルマニウム等のガラス化し易い材料が、 1重量％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。なぜならば、前記ガラス化し易い材料が
基板に含有されていると圧電／電歪膜との熱処理時に反
応が生じ易く、圧電／電歪膜の組成の制御が困難となる
ためである。
【００４５】ところで、そのようなセラミック基板は、
その上に形成される圧電／電歪作動部の作動特性、換言
すればそこにおいて発生する歪み、力を有効に受け、
又、その逆の作用を有効に行なうために、Ｒａにて表わ
される表面粗さが0.03〜0.9 μｍの範囲内となるように
調整される。このような表面粗さ：Ｒａの調整は、又、
薄い基板の強度を確保する上においても有効である。
【００４６】そして、そのようなセラミック基板上に所
定の下部電極膜、上部電極膜、及び圧電／電歪膜を設け
て圧電／電歪作動部を形成するには、公知の各種の膜形
成手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、ＣＶＤ、メッキ等の薄膜形成手法が適宜に選択され
る。特に、圧電／電歪膜を形成するには、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。なぜならば、それら
の厚膜形成手法によれば、平均粒子径0.01μｍ以上 5μ
ｍ以下の、好ましくは0.05μｍ以上 3μｍ以下の圧電／
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で
き、良好な素子特性が得られるからである。又、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外、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。
【００４７】尚、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。
【００４８】又、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各膜は、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
良く、又、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良
い。尚、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、上部電極膜を形成する前に、
下部電極膜との絶縁性を確実にするため、素子周りに絶
縁樹脂などで絶縁コートを行なう場合があるが、その場
合には、上部電極膜の形成には熱処理を必要としない蒸
着、スパッタリングや鍍金などの方法が採用される。
【００４９】更に、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 °C
〜1400°C 程度の温度が採用され、好ましくは1000°C
〜1400°C の範囲の温度が有利に選択される。又、圧電
／電歪膜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にように圧電／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。又、圧電／電歪膜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、焼成する手法を採用することも推奨される。そ
の場合、覆蓋部材としては、基板と同様な材料系のもの
が用いられることとなる。
【００５０】上記の方法にて作製される圧電／歪作動部
を構成する下部電極膜の材料としては、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、又、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、何等差し支えない。而
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
／電歪材料とのサーメット材料、白金と基板材料と圧電
／電歪材料とのサーメット材料が好適に用いられ、その
中でも、更に好ましくは、白金を主成分とする材料が望
ましい。又、電極に添加する材料として、酸化珪素等の
ガラスは、圧電／電歪膜との熱処理中に反応が生じ易
く、アクチュエータ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。尚、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
／電歪材料としては 5〜20体積％程度であることが好ま
しい。一方、上部電極膜材料に関しては、特に制限され
るものではなく、金、クロム、銅等のスパッタ膜、或い
は金ないし銀のレジネート印刷膜でも良い。
【００５１】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、一般に下部電極膜は20μｍ以下、好ま
しくは 5μｍ以下、上部電極膜は 1μｍ以下、好ましく
は 0.5μｍ以下の肉厚において形成されることとなる。
【００５２】又、圧電／電歪作動部を構成する圧電／電
歪材料としては、圧電効果又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、又、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、又、それが不必要な材料であってもよいので
ある。
【００５３】而も、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、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、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
らの複合材料等が用いられる。尚、前述した材料に、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
して含有せしめた材料、例えばＰＺＴ系を主成分とする
材料にランタンを加え、ＰＬＺＴ系となるように、前記
材料に上述の添加物を適宜に加えても、何等差し支えな
い。尚、酸化珪素等のガラス材料の添加は避けるべきで
ある。なぜならば、ＰＺＴ系等の鉛系圧電／電歪材料は
ガラスと反応し易いために、所望の圧電／電歪膜組成へ
の制御が困難となり、アクチュエータ特性のバラツキ並
びに低下を惹起するからである。
【００５４】これらの圧電／電歪材料の中でも、マグネ
シウムニオブ酸鉛及びジルコン酸鉛及びチタン酸鉛から
成る成分を主成分とする材料、若しくはニッケルニオブ
酸鉛及びマグネシウムニオブ酸鉛及びジルコン酸鉛及び
チタン酸鉛から成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及びマグネシウムニオブ酸鉛及び
ジルコン酸鉛及びチタン酸鉛とから成る成分を主成分と
する材料、若しくはマグネシウムタンタル酸鉛及びマグ
ネシウムニオブ酸鉛及びジルコン酸鉛及びチタン酸鉛か
ら成る成分を主成分とする材料が好ましく、更にその中
でも特にマグネシウムニオブ酸鉛及びジルコン酸鉛及び
チタン酸鉛から成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特に少ないことか
ら、例えば、圧電／電歪膜の張り出し部とセラミック基
板との結合状態を圧電／電歪作動部が必要とされる性能
に影響を与えない程度に低く抑えることができる外、成
分の偏析が起き難く、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。尚、多成分系圧電／電歪材料の場合、
成分の組成によって圧電／電歪特性が変化するが、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。
【００５５】更に、上記の如くして形成される電極膜と
圧電／電歪膜から構成される圧電／電歪作動部の厚さと
しては、一般に100 μｍ以下とされ、又、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。
【００５６】
【表１】
【００５７】この表１に示す実験結果から、本発明の素
子によれば、図１５に示した従来構造の素子が下方へ変
位した場合の変位量と同等の変位量で素子を上方へ変位
させることができ、その変位量も安定していることが分
る。尚、この実験に使用した本発明の素子構造は、図３
と同じ構造であり、セラミック基板の薄肉部の厚みは10
μｍ、下部電極膜の厚みは 5μｍ、圧電／電歪膜の厚み
は30μｍである。これらの膜はスクリーン印刷にてパタ
ーン形成し、焼成により基板と一体化し、上部電極膜は
Ａｕをスパッタリングにより形成した。又、変位の測定
は印加電圧30Ｖでレーザー変位計により評価した。
【００５８】尚、上記実施例では本発明をリレーとして
用いた場合を中心に説明したが、本発明の範囲を逸脱し
ない限り他の用途に用いることもでき、又、変更、修
正、改良を加えることもできる。
【００５９】
【発明の効果】本発明によれば、上下電極膜間に圧電膜
層の分極処理時の印加電圧と正負が同じになるように電
圧を印加した時にセラミック基板に形成されたキャビテ
ィ上の薄肉部をキャビティの開口部と反対方向へ湾曲さ
せ、キャビティ内の体積を増加することができる（キャ
ビティ内に負圧を発生させることができる）。而も圧電
膜の分極特性を損なわないため素子が本来有する特性を
減殺してしまうことがない。又、電歪膜を用いた場合に
は、印加電圧の極性に関係なく薄肉部をキャビティの開
口部と反対方向へ湾曲させることができる。更に圧電／
電歪作動部の形成位置がずれても、ずれない場合と略同
等の変位量を得ることができるため、素子製造上の歩留
向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の素子の断面説明図である。
【図２】(a) は本発明の素子が複数形成されたセラミッ
ク基板の説明図、(b) は図２(a) のＡ−Ａ断面説明図で
ある。
【図３】本発明の素子の動作を示す説明図である。
【図４】圧電作動部の形成位置がずれた場合の説明図で
ある。
【図５】一対の下部電極膜を一枚の圧電膜で覆った本発
明の素子を示す説明図である。
【図６】各圧電作動部の一端が厚肉部の外表面上にかか
っていない本発明の素子を示す説明図である。
【図７】本発明の素子が複数形成されたセラミック基板
において、任意の素子を作動させる場合を示す説明図で
ある。
【図８】圧電作動部及び薄肉部を予め上方へ凸状に湾曲
させて形成した本発明の素子を示す説明図である。
【図９】厚肉部に溝を形成した本発明の素子を示す説明
図である。
【図１０】薄肉部の４箇所に圧電作動部を形成した本発
明の素子を示す説明図である。
【図１１】薄肉部上部の周縁に圧電作動部を形成した本
発明の素子を示す説明図である。
【図１２】接点を形成しない素子を示す説明図である。
【図１３】上部電極膜が分割した素子を示す説明図であ
る。
【図１４】上部電極膜が分割し、圧電／電歪膜を共有し
た素子を示す説明図である。
【図１５】従来構造の素子の動作を示す説明図である。
【図１６】圧電作動部の形成位置がずれた従来構造の素
子の動作を示す説明図である。
【符号の説明】
１，１４，１９，２０，２３，２５・・素子、２，３，
１５，１６，２１，２４，２６，２８，２９・・圧電／
電歪作動部、２ａ，３ａ，１５ａ，１６ａ，２１ａ，２
４ａ，２６ａ・・下部電極膜、２ｂ，３ｂ，１７，２１
ｂ，２４ｂ，２６ｂ・・圧電／電歪膜、２ｃ，３ｃ，１
８，２１ｃ，２４ｃ，２６ｃ・・上部電極膜、４・・樹
脂層、５・・セラミック基板、５ａ・・薄肉部、５ｂ・
・キャビティ、５ｃ・・厚肉部、６・・溝、７・・孔、
８，１１・・非圧電／電歪作動部、９・・下部電極膜非
形成部、２２・・接点。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｂ４１Ｊ 2/055 Ｈ０１Ｌ 29/84 Ｂ 8932−4Ｍ

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】セラミック基板に形成されたキャビティ上
    の薄肉部外表面上に、非圧電／電歪作動部を設け、その
    非圧電／電歪作動部の周囲の所定範囲に圧電／電歪作動
    部を形成して成る圧電／電歪膜型素子。
  2. 【請求項２】前記非圧電／電歪作動部が少なくとも二箇
    所以上の圧電／電歪作動部により挾まれて成る請求項１
    記載の圧電／電歪膜型素子。
  3. 【請求項３】前記非圧電／電歪作動部の全周を圧電／電
    歪作動部により囲んで成る請求項１記載の圧電／電歪膜
    型素子。
  4. 【請求項４】セラミック基板に形成されたキャビティ上
    の薄肉部外表面上に、下部電極膜非形成部を設け、その
    下部電極膜非形成部の周囲の所定範囲に下部電極膜を設
    け、その下部電極膜上に圧電／電歪膜及び上部電極膜を
    順次積層形成して成る圧電／電歪膜型素子。
  5. 【請求項５】前記下部電極膜非形成部が少なくとも二箇
    所以上の下部電極膜により挾まれて成る請求項４記載の
    圧電／電歪膜型素子。
  6. 【請求項６】前記下部電極膜非形成部の全周を下部電極
    膜により囲んで成る請求項４記載の圧電／電歪膜型素
    子。
  7. 【請求項７】前記セラミック基板が完全安定化若しくは
    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
    から構成された請求項１〜請求項６記載の圧電／電歪膜
    型素子。
  8. 【請求項８】前記圧電／電歪膜がマグネシウムニオブ酸
    鉛及びジルコン酸鉛及びチタン酸鉛から成る成分を主成
    分とする材料、若しくはニッケルニオブ酸鉛及びマグネ
    シウムニオブ酸鉛及びジルコン酸鉛及びチタン酸鉛から
    成る成分を主成分とする材料、若しくはニッケルタンタ
    ル酸鉛及びマグネシウムニオブ酸鉛及びジルコン酸鉛及
    びチタン酸鉛から成る成分を主成分とする材料、若しく
    はマグネシウムタンタル酸鉛及びマグネシウムニオブ酸
    鉛及びジルコン酸鉛及びチタン酸鉛から成る成分を主成
    分とする材料から構成された請求項１〜請求項７記載の
    圧電／電歪膜型素子。
  9. 【請求項９】前記キャビティ上の薄肉部の肉厚が５０μ
    ｍ以下である請求項１〜請求項８記載の圧電／電歪膜型
    素子。
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