JPH11346012A - 圧電／電歪膜型アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】熱処理時における圧電／電歪膜の緻密化を促進
し、ほぼ完全に焼結させることで、所望の圧電特性が得
られるようにし、低電圧駆動でありながら大きな屈曲変
位が得られる圧電／電歪膜アクチュエータを提供する。 【解決手段】薄肉のセラミック基板１上に積層一体化す
る導電膜２中に、酸化物セラミックスが付着した金属粒
子の凝集粒２２を分散させて導電膜２の表面を凹凸面と
し、この導電膜２上に圧電／電歪膜３を積層一体化した
あと、さらに上記圧電／電歪膜３上に電極膜４を積層一
体化して圧電／電歪膜型アクチュエータを構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、薄肉のセラミック
基板上に導電膜、圧電／電歪膜及び電極膜を順次積層一
体化してなる圧電／電歪膜型アクチュエータに関するも
のであり、例えば、インクジェット記録ヘッド、マイク
ロホン、振動体、発振体、各種変位センサー、ポンプ、
スイッチなどに好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、精密加工分野や光学分野において
は、サブミクロンオーダーでの位置制御が求められてお
り、この位置制御に強誘電体等の圧電／電歪材料に電界
を加えたときに起こる逆圧電効果や電歪効果に基づく変
位あるいはその逆の現象を利用した圧電／電歪膜型アク
チュエータが使用されている。

【０００３】例えば、インクジェット記録ヘッドにおい
ては、ユニモルフ型やバイモルフ型等の圧電／電歪膜型
アクチュエータが使用されており、小型化、高密度化、
低電圧駆動、高速応答性等の特性が要求されている。

【０００４】図４に一般的な圧電／電歪膜型アクチュエ
ータの構造を示すように、このアクチュエータはユニモ
ルフ型と呼ばれるもので、薄肉の絶縁性セラミック基板
１上に、下側電極をなす導電膜５を形成するとともに、
該導電膜５上にジルコン酸チタン酸鉛、マグネシウムニ
オブ酸鉛、ニッケルニオブ酸鉛、アンチモンスズ鉛等の
圧電材料からなる圧電／電歪膜３を積層し、さらに該圧
電／電歪膜３上に上側電極膜４を積層一体化したものが
あり、上記導電膜５及び上側電極膜４はＰｔ、Ｐｄ、Ｒ
ｈ等の高融点金属により形成したものがあった（特開平
６−２６０６９４号公報参照）。

【０００５】このようにセラミック基板１上に下側電極
をなす導電膜５、圧電／電歪膜３、上側電極膜４からな
る駆動部を形成したものは、低電圧駆動で高速応答性を
有するとともに、電界誘起歪みの横効果による大きな屈
曲変位が得られることが知られている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、Ｐｔ、
Ｐｄ、Ｒｈ等の高融点金属からなる導電膜５上に前述し
た圧電材料からなる圧電／電歪膜３を積層一体化しよう
としても、圧電／電歪膜３を十分に緻密化させることが
できないため、下側電極をなす導電膜５と上側電極膜４
に通電して圧電／電歪膜３に電界誘起歪みを発生させた
としても所望の圧電／電歪特性が得られず、大きな屈曲
変位が得られないといった課題があった。

【０００７】

【課題を解決するための手段】そこで、本件発明者は、
圧電／電歪膜を十分に緻密化し、所望の圧電／電歪特性
が得られる圧電／電歪膜型アクチュエータについて、鋭
意研究を重ねたところ、セラミック基板上に設ける導電
膜の表面粗さを粗くし、圧電／電歪膜との接触面積を小
さくしておくことで、圧電／電歪膜の熱処理時に緻密化
して所望の圧電／電歪特性を発揮できることを突き止め
た。

【０００８】即ち、本発明は、薄肉のセラミック基板上
に導電膜、圧電／電歪膜、電極膜を順次積層一体化して
なる圧電／電歪膜型アクチュエータにおいて、上記導電
膜中に、酸化物セラミックスが付着した金属粒子の凝集
粒を分散させたことを特徴とする。

【０００９】

【作用】本発明によれば、薄肉のセラミック基板上に形
成する導電膜中に、酸化物セラミックスが付着した金属
粒子の凝集粒を分散させたことにより、圧電／電歪膜を
積層する導電膜の表面を凹凸面とし、圧電／電歪膜との
接触面積を小さくすることができるため、圧電／電歪膜
の熱処理温度領域において、圧電／電歪膜を構成する圧
電材料と導電膜との密着力が低下して圧電材料が収縮し
やすくなることから、圧電／電歪膜を緻密化させること
ができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
説明する。なお、従来例である図４と同一部分について
は同一符号で示す。

【００１１】図１は本発明の圧電／電歪膜型アクチュエ
ータの一例を示す斜視図である。このアクチュエータは
ユニモルフ型と呼ばれるもので、薄肉のセラミック基板
１上に導電膜２を介して圧電／電歪膜３及び電極膜４を
熱処理によって順次積層一体化したものである。また、
図２は本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータの他の例
を示す斜視図で、このアクチュエータはバイモルフ型と
呼ばれるもので、薄肉のセラミック基板１の上下面に導
電膜２を介して圧電／電歪膜３及び電極膜４を熱処理に
よって順次積層一体化したものである。

【００１２】そして、図１及び図２の圧電／電歪膜型ア
クチュエータはいずれも図３に示すように、上記導電膜
２を構成する金属粒子２１中に、酸化物セラミックスが
付着した金属粒子の凝集粒２２を分散してある。

【００１３】このように、上記導電膜２中に、酸化物セ
ラミックスが付着した金属粒子の凝集粒２２を分散させ
ると、導電膜２の熱処理時に酸化物セラミックスが付着
していない金属粒子２１は粒成長する一方、酸化物セラ
ミックスが付着した金属粒子の凝集粒２２は粒成長が抑
制される結果、焼結した導電膜２の表面は凹凸面とな
り、表面粗さを粗くすることができる。その結果、この
あと積層する圧電／電歪膜３との接触面積を小さくで
き、圧電／電歪膜３の熱処理温度領域（９００〜１４０
０℃）において、圧電／電歪膜３を構成する圧電材料が
収縮しやすくなるため、圧電／電歪膜３の緻密化が進み
易くなりほぼ完全に焼結させることができるため、良好
な圧電特性を得ることができる。

【００１４】ところで、上記導電膜２を構成する材質と
しては、Ｐｔ又はＰｂの金属、あるいはＰｔ−Ｗ、Ｐｔ
−Ｒｈ、Ｐｔ−Ａｕ、Ｐｔ−Ａｇ、Ｐｔ−Ｐｄ等のＰｔ
又はＰｂを主体とする合金を用いることができ、これら
金属粒子２１の平均粒子径としては５〜２０μｍの範囲
にあるものが良い。特に、Ｐｔ又はＰｔを主体とする合
金はセラミック基板１との密着性に優れることから好適
である。

【００１５】また、上記導電膜２中に分散させる凝集粒
２２は、酸化物セラミックスが付着した上記導電膜２を
構成する金属粒子の集合体であり、凝集粒２２の平均粒
子径は上記金属粒子２１の粒子径より小さく、かつ３〜
１５μｍ、好ましくは５〜１０μｍの範囲にあるものが
良い。そして、付着する酸化物セラミックスとしては、
導電膜２を構成する金属粒子との反応が少なくかつ金属
粒子の成長を抑える効果を有するものが良く、酸化ジル
コニウムや酸化マグネシウムを用いることができる。な
お、酸化物セラミックスが付着するとは、金属粒子の表
面上に複数個の酸化物セラミックスが固着していること
は勿論のこと、膜状に被覆されたものも含むものであ
る。

【００１６】また、圧電／電歪膜３を駆動させることに
より発生する電界誘起歪みを効率良くセラミック基板１
に伝達して設計通り屈曲変位させるには、導電膜２の厚
み幅ｔを１〜５μｍ、好ましくは３〜４μｍとすること
が良い。即ち、導電膜２の厚み幅ｔが５μｍより厚くな
ると、圧電／電歪膜３の電界誘起歪みが導電膜２で吸収
されるために薄肉のセラミック基板１を設計通り屈曲変
位させることができないからであり、逆に、導電膜２の
厚み幅ｔが１μｍ未満では均一な厚み幅を持った導電膜
２の形成が難しく、ピンホール等ができると圧電／電歪
特性を劣化させてしまうからである。

【００１７】一方、図１及び図２に示す圧電／電歪膜型
アクチュエータにおいて、セラミック基板１を構成する
材質としては、アルミナセラミックス、炭化珪素セラミ
ックス、窒化珪素セラミックス、ジルコニアセラミック
ス、あるいはランタンクロマイト系等のペロブスカイト
型の結晶構造を有するセラミックスを用いることがで
き、これらの中でも特にジルコニアセラミックス及びペ
ロブスカイト型の結晶構造を有するセラミックスは前述
した金属成分からなる導電膜２との反応が少ないため、
セラミック基板１の構成成分が導電膜２上に積層する圧
電／電歪膜３に拡散し、圧電／電歪膜３の特性を劣化さ
せることがない。

【００１８】電界誘起歪みを発生する圧電／電歪膜３の
材質としては、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ系）を主
成分とする圧電材料、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ
系）を主成分とする圧電材料、ニッケルニオブ酸鉛を主
成分とする圧電材料、アンチモンスズ酸鉛を主成分とす
る圧電材料、チタン酸鉛を主成分とする圧電材料、チタ
ン酸バリウムを主成分とする圧電材料、さらにはこれら
主成分の複合圧電材料等を用いることができ、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
を主成分とする複合圧電材料も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
鉛を主成分とする複合圧電材料により形成することが好
ましい。

【００１９】圧電／電歪膜３上に積層する電極膜４の材
質としては、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｂ、Ｒｈ等の高融点金属
や、Ｐｔ−Ａｕ、Ｐｂ−Ａｇ、Ｐｔ−Ｐｂ等の合金を主
成分とする電極材料を用いることができる。

【００２０】なお、圧電／電歪膜３を駆動させるにあた
っては、セラミック基板１が絶縁性のセラミックスであ
る時は、導電膜２を下側電極とし、セラミック基板１が
導電性を有するセラミックスである時は、セラミック基
板１を下側電極としてそれぞれに通電すれば良い。

【００２１】次に、図１又は図２に示す圧電／電歪膜型
アクチュエータの製造方法について説明する。

【００２２】予め焼結した前記セラミック材料からなる
薄肉のセラミック基板１を用意し、このセラミック基板
１の一主面又は上下面に、導電膜２を構成する導体ペー
ストをスクリーン印刷法やディピッング法、あるいは塗
布など周知の膜形成手段により敷設する。上記導体ペー
ストとしては、酸化物セラミックスが被覆されていない
Ｐｔ又はＰｂあるいはＰｔ又はＰｂを主体とする合金か
らなる金属粒子と、微細な酸化ジルコニウムや酸化マグ
ネシウムからなる酸化物セラミックスが付着したＰｔ又
はＰｂあるいはＰｔ又はＰｂを主体とする合金からなる
金属粒子とを含むものを使用する。なお、金属粒子の表
面に酸化物セラミックスを付着させる方法としてはメカ
ノアロイング法や共沈法等を用いれば良い。

【００２３】そして、導体ペーストを敷設したセラミッ
ク基板１を９００〜１４００℃の温度で熱処理すること
により導電膜２を焼結させるのであるが、この時、酸化
物セラミックスによって覆われていない金属粒子は粒成
長する一方、酸化物セラミックスによって覆われた金属
粒子は粒成長が抑制されるとともに、収縮にともなって
凝集する。その為、得られた導電膜２中には、酸化物セ
ラミックスが付着した金属粒子の凝集粒２２が分散しお
り、導電膜２の表面は凹凸面となる。

【００２４】次に、得られた導電膜２上に圧電／電歪膜
３を構成する前記圧電材料を含んだペーストをスクリー
ン印刷法やディピッング法、あるいは塗布など周知の膜
形成手段により敷設し、１１００〜１４００℃の温度で
熱処理を施すことで圧電／電歪膜３を導体膜２上に焼結
一体化するのであるが、この時、導電膜２の表面は粗
く、圧電材料を含んだペーストとの接触面積が小さいこ
とから、圧電材料の収縮が促進させ、圧電／電歪膜３を
緻密化してほぼ完全に焼結させることができる。

【００２５】そして、得られた圧電／電歪膜３上に電極
膜４を構成する前記電極材料を含む導体ペーストをスク
リーン印刷法やディピッング法、あるいは塗布など周知
の膜形成手段により敷設したあと、５００〜１３００℃
の温度で熱処理を施して電極膜４を積層一体化すること
により得ることができる。

【００２６】かくして、図１又は図２の圧電／電歪膜型
アクチュエータを用いれば、圧電／電歪膜３が十分に焼
結され、緻密化されていることから、圧電／電歪膜３を
駆動させれば所望の圧電／電歪特性を発揮することがで
き、その結果、低電圧駆動でも大きく屈曲変位させるこ
とができるとともに、応答速度を高めることができる。
その為、本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータを、例
えば、インクジェット記録ヘッドに用いれば、インクの
吐出量を高めることができるとともに、印字速度を高め
ることができ、また、他にマイクロホン、振動体、発振
体、各種変位センサー、ポンプ、スイッチなどとしても
好適に使用することができる。

【００２７】（実施例）以下、図１に示す圧電／電歪膜
型アクチュエータの具体例について説明する。

【００２８】薄肉のセラミック基板１として、平均粒径
０．２μｍのＹ₂ Ｏ₃ を３ｍｏｌ％含有する部分安定化
されたジルコニア粉末に、アクリル酸エステル共重合体
水性エマルジョンを主成分とするバインダーを添加し、
ボールミルにて２０時間混合した後、テープ状に成形
し、１２００〜１４００℃で１〜５時間焼成して厚みが
約０．２ｍｍのジルコニアセラミックスからなるセラミ
ック基板１を製作した。

【００２９】そして、このセラミック基板１上に、平均
粒径が１μｍのＰｔからなる金属粒子を４０重量％、共
沈法にて酸化ジルコニウムが付着した平均粒径が１μｍ
のＰｔからなる金属粒子を２９重量％の割合でそれぞれ
混合した混合粉末を総量６９重量％含有し、残分が有機
物バインダーからなる導体ペーストを、乳剤厚み１０μ
ｍの製版を用いてスクリーン印刷法にて敷設したあと、
１２００℃の温度で２時間焼成することにより厚みが約
５μｍの導電膜２を積層一体化した。

【００３０】なお、この導電膜２の構造を確認したとこ
ろ、平均粒径が５〜１０μｍのＰｔからなる金属粒子２
１間に平均粒径が５μｍ程度の凝集粒２２が分散したも
のであった。また、凝集粒２２を構成する一つの粒子を
観察したところ、ジルコニアセラミックスにより覆われ
たＰｔ粒子であった。

【００３１】次に、上記導電膜２上に、平均粒径１μｍ
程度のチタン酸ジルコン酸鉛（以下ＰＺＴと称す。）を
７０重量％含有し、残部が有機物バインダーからなるペ
ーストをスクリーン印刷法にて敷設し、１２５０℃で２
時間焼成して厚みが約１４μｍのＰＺＴからなる圧電／
電歪膜３を形成したあと、さらに上記圧電／電歪膜３上
に、有機物バインダーにＡｕを含有させた導体ペースト
をスクリーン印刷法にて敷設し、７００℃で１５分間熱
処理を施して厚さ０．８μm の電極膜４を形成すること
により図１に示す圧電／電歪膜型アクチュエータを得
た。

【００３２】そして、この圧電／電歪膜型アクチュエー
タの特性を確認するため、圧電／電歪膜３の比誘電率と
緻密具合を基準試料と比較する実験を行った。なお、基
準試料とは、圧電／電歪膜３と同一の組成からなるＰＺ
Ｔの上下面に厚さ０．８μｍの金電極をそれぞれ形成し
たもので、この基準試料と圧電／電歪膜型アクチュエー
タの圧電／電歪膜３の結晶状態を電子顕微鏡にて測定
し、各ＰＺＴ粒子の粒子径を測定、比較することにより
圧電／電歪膜３の緻密具合を確認し、また、比誘電率は
インピーダンスアナライザーによって測定したコンデン
サー容量からそれぞれ算出した。

【００３３】また、比較例として、導電膜５がＰｔのみ
からなる以外は実施例と同様の材質、方法にて形成した
従来の圧電／電歪膜型アクチュエータも用意し、基準試
料との比較を行った。

【００３４】それぞれの結果は表１に示す通りである。

【００３５】この結果、表１に見られるように、従来の
圧電／電歪膜型アクチュエータは、圧電／電歪膜３を構
成するＰＺＴ粒子の粒子径が１〜２μｍと、基準試料よ
り小さく、緻密化されていなかった。その為、比誘電率
も１５７０と小さく基準試料の３２００と比較して大幅
に小さいものであった。

【００３６】これに対し、実施例の圧電／電歪膜型アク
チュエータは、圧電／電歪膜３を構成するＰＺＴ粒子の
粒子径が２〜３μｍと、基準試料と同等であることから
圧電／電歪膜３の緻密化が十分であることが確認でき
た。その為、圧電／電歪膜３の比誘電率も基準試料と近
似しており、所望の圧電／電歪特性が得られることが確
認できた。

【００３７】

【表１】

【００３８】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、薄肉の
セラミック基板上に導電膜、圧電／電歪膜、電極膜を順
次積層一体化してなり、上記導電膜中に、酸化物セラミ
ックスが付着した金属粒子の凝集粒を分散させることで
圧電／電歪膜型アクチュエータを構成したことから、上
記圧電／電歪膜の熱処理時における緻密化を促進し、ほ
ぼ完全に焼結させることができるため、所望の圧電／電
歪特性を発揮することができ、よって、低電圧駆動であ
りながら大きな屈曲変位が得られるとともに、応答速度
を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータの一例
を示す斜視図である。

【図２】本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータの他の
例を示す斜視図である。

【図３】本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータに備え
る導電膜を示す状態図である。

【図４】従来の圧電／電歪膜型アクチュエータを示す斜
視図である。

【符号の説明】

１・・・セラミック基板 ２・・・導電膜 ３・・・圧
電／電歪膜 ４・・・電極膜 ２１・・・金属粒子 ２２・・・凝集
粒

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】薄肉のセラミック基板上に導電膜、圧電／
   電歪膜、電極膜を順次積層一体化してなり、上記導電膜
   中に、酸化物セラミックスが付着した金属粒子の凝集粒
   が分散して成る圧電／電歪膜型アクチュエータ。