JPH03128681A

JPH03128681A - 圧電／電歪膜型アクチュエータ

Info

Publication number: JPH03128681A
Application number: JP2011174A
Authority: JP
Inventors: Yukihisa Takeuchi; 幸久武内; Masato Komazawa; 正人駒澤; Koji Kimura; 浩二木村
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1989-07-11
Filing date: 1990-01-20
Publication date: 1991-05-31
Anticipated expiration: 2014-01-06
Also published as: JP2842448B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（技術分野）本発明は、変位制御素子、個体素子モータ、インクジェ
ットヘッド、リレー、スイッチ、シャッター、プリント
ヘッド、ポンプ、ファン等に用いられる圧電／電歪膜型
アクチュエータに関するものである。なお、ここで述べ
るアクチュエータとは、電気エネルギーを、機械エネル
ギーに変換、つまり機械的な変位又は応力に変換する素
子を意味するものである。

（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ときに惹起
される逆圧電効果や電歪効果に基づくところの変位を利
用した素子である圧電／電歪アクチュエータの開発が進
められている。

ところで、この圧電／電歪アクチュエータの構造として
は、従来から、モノモルフ型、ユニモルフ型、バイモル
フ型、積層型等が知られているが、その中で、モノモル
フ型、ユニモルフ型、バイモルフ型は、電界誘起歪みの
横効果を利用して屈曲変位を得るために、比較的大きな
変位が得られるものの、発生力が小さく、また応答速度
が遅く、電気機械変換効率が悪いという問題を内在する
ものであった。一方、積層型は、電界誘起歪みの縦効果
を利用しているために、それら発生力や応答速度におい
て優れ、また電気機械変換効率も高いものであるが、発
生変位が小さいという問題を内在している。

しかも、それら従来のユニモルフ型やバイモルフ型のア
クチュエータにおいては、何れも、圧電／電歪板等の板
状の構成部材を接着剤を用いて張り付けてなる構造を採
用するものであるために、アクチュエータとしての作動
の信頼性にも問題があるものであった。

このように、従来の圧電／電歪アクチュエータには、そ
れぞれ一長一短があり、また解決されるべき幾つかの問
題を内在するものであったのである。

（解決課Ｂ）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、接着剤等
で張り付けた構造ではなく、相対的に低駆動電圧で大変
位が得られ、応答速度が速く、且つ発生力が大きく、ま
た高集積化が可能である構造の圧電／電歪膜型アクチュ
エータを提供しようとするものである。

（解決手段）そして、本発明にあっては、そのような課題解決のため
に、セラミック基板の少なくとも一方の面上に、第一の
電極膜と圧電／電歪膜と第二の電極膜との組合せからな
る圧電／電歪駆動部の少なくとも一つが、それら膜が順
次層状に積層せしめられて、形成されてなる構造を有す
る圧電／電歪膜型アクチュエータを、その特徴とするも
のである。

（作用・効果）このような本発明に従う圧電／電歪膜型アクチュエータ
構造によれば、膜状の圧電／電歪体となるものであると
ころから、相対的に低駆動電圧にて大変位が得られ、ま
た応答速度が速く、且つ発生力も大きく、更には高集積
化が可能となる特徴を発揮するのである。つまり、膜を
基板上に層状に積み重ね、一体とした積層構造とするこ
とによって、従来のバルクを用いた積層型とやや類似し
た構造にも拘わらず、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と共に、高応答速度と発生力大の
特徴を併わせ有する圧電／電歪膜型アクチュエータとな
るのである。

また、本発明は、基板と電極膜若しくは電極膜と圧電／
電歪膜を構成要件とするので、薄板を接合するような、
従来のユニモルフ型、バイモルフ型等のアクチュエータ
で採用されているような、所謂接着剤を用いることなく
一体化してなる圧電／電歪膜型アクチュエータのために
、長期使用に対する信頼性も高く、また変位量ドリフト
も小さい特徴を発揮するのである。

さらに、本発明に従う圧電／電歪膜型アクチュエータは
、圧電／電歪駆動部が膜状に形成されるために、同一基
板面上に多数個の素子の形成が容易に出来、かかる圧電
／電歪駆動部の高集積化が可能となる特徴も有している
のである。

なお、本発明に従う圧電／電歪膜型アクチュエータでは
、低電圧駆動が可能で、しかも大きい屈曲変位・発生力
を得るために、有利には、その厚さが３００μｍ以下、
好ましくは１５０μｍ以下とされ、また、そのとき使用
するセラミック基板の曲げ強度は、一般に、１２００　
ｋｇｆ　／ｃ角２以上、好ましくは１５００　ｋｇｆ　
／ｃｍ２以上の値となるように調整されることとなる。

（具体的構成・実施例）以下、本発明に従う圧電／電歪膜型アクチュエータの具
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。

先ず、第１図は、セラミック基板の片面に圧電／電歪駆
動部が設けられてなる、本発明に従う圧電／電歪膜型ア
クチュエータの一例を示すものであって、セラミック基
板２の一方の面上に、下側電極膜４、圧電／電歪膜６及
び上側電極膜８が順次積層され、多層に形成された一体
構造とされている。なお、下側及び上側の電極膜４，８
は、それぞれ、圧電／電歪膜６の端部より延び出させら
れ、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に通電
が行なわれるようになっている。

また、第２図は、セラミック基板の両面に圧電／電歪駆
動部が設けられた、本発明に従う圧電／電歪膜型アクチ
ュエータの一例を示すものであって、セラくツク基板２
のそれぞれの面に対して、下側電極膜４、圧電／電歪膜
６及び上側電極膜８が順次積層されて、熱処理により基
板２と圧電／電歪駆動部（４，６，，８）とが一体的な
構造として形成されている。

また、第３図〜第７図は、それぞれ、複数の圧電／電歪
駆動部がセラミック基板上に設けられてなる、本発明に
従うアクチュエータの異なる例を示すものであって、そ
れら複数の圧電／電歪駆動部は、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。

例えば、第３図〜第５図に示される例においては、複数
の圧電／電歪駆動部（４，６，８）が、セラミック基Ｉ
ｔｆｉ２上に並設形態において設けられており、特に、
第３図及び第４図に示されるアクチュエータにおいては
、それら複数の圧電／電歪駆動部（４，６，８）の間に
位置するセラミック基板２にスリン）１０が入れられて
、それぞれの圧電／電歪駆動部が互いに独立した形態と
されている。また、第５図のアクチュエータにおいては
、セラミック基板２に長手の矩形孔１２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１２．１２
に挟まれた接続部２ａ上に、下側電極膜４と圧電／電歪
膜６と上側電極膜８とからなる圧電／電歪駆動部がそれ
ぞれ形成されている。なお、第３図において、１４は、
圧電／電歪膜６の背部で、下側電極１１ｇ４と上側電極
膜８とを電気的に絶縁する絶縁膜である。

また、第６図に示される本発明に従うアクチュエータは
、セラミック基板２上に、複数の圧電／電歪駆動部が積
層形態において設けられてなる構造の一例に係るもので
あって、そこでは、下側電極膜４と圧電／電歪膜６と上
側電極膜８とからなる圧電／電歪駆動部の二つが、セラ
ミック基板２上に二段重ね状態にて一体的に形成されて
なる構造とされている。なお、ここでは、上側電極膜８
が二つの圧電／電歪駆動部の共通の電極膜として利用さ
れている。

さらに、第７図に示される本発明に従う圧電／電歪膜型
アクチュエータの例においては、−枚の大きなセラミッ
ク基板２上に、下側電極膜４と圧電／電歪）Ｉ＊６と上
側電極膜８とからなる圧電／電歪駆動部の複数が、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。

そして、上記の如き本発明に従う構造の圧電／電歪膜型
アクチュエータにおいては、その下側電極膜４と上側電
極膜８と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／電歪膜６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／電歪膜６の電界
誘起歪みが誘起され、以てその横効果により、セラξツ
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。

ところで、本発明に従う圧電／電歪脱型アクチュエータ
は、上記のように、振動板の如き作動板となるセラミッ
ク基板２上に、電極材料、圧電若しくは電歪材料及び電
極材料にて、それぞれの膜４．６．８が多層に形成され
た構造を有するものであって、熱処理によって、基板２
と圧電／電歪駆動部（下側電極膜４＋圧電／電歪膜６＋
上側電極膜８）とが一体構造を形成し、接着剤は何等用
いられていない特徴を有するものであるが、そのような
圧電／電歪脱型アクチュエータは、次のようにして作製
されることとなる。

すなわち、先ず、各材料からなる膜４，６．８をセラミ
ック基板２上に形成するには、公知の各種の膜形成手法
が適宜に利用され、例えば、スクリーン印刷の如き厚膜
手法やディッピング等の塗布手法、スパッタリング、真
空蒸着、メツキ等の薄膜手法等が利用され、特に限定さ
れるもので羞よないが、圧電／電歪膜６を形成する時に
は、スクリーン印刷、ディッピング、塗布等による手法
が好適に採用される。これは、圧電／電歪セラミック粒
子を主成分とするペーストやスラリーを用いて基板上に
膜形成することが出来、良好なアクチュエータ特性が得
られるからである。また、そのような膜の形状は、スク
リーン印刷手法、フォトリソグラフィ手法等を用いて、
パターン形成する他、レーザー加工法やスライシング等
の機械加工法を用いて不必要な部分を除去して形成して
も良いが、その中でも、レーザー加工法や機械加工法を
用いて基板と膜を同時に加工し、圧電／電歪駆動部の集
積度を向上させることが好ましい。

また、作製されるアクチュエータの構造や膜の形状は、
特に規定される訳ではなく、用途に合わせて、如何なる
形状や構造であっても良く、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
そ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。尤も、本発明の特徴を活かすためには、第３〜７
図に示されるような同一セラミック基板上に二つ以上の
圧電／電歪駆動部がＳ積された形状が有利に採用される
こととなる。特に、その中でも、第３〜４図や第５図に
示されるような櫛状等の形態のアクチュエータ構造の素
子が、圧電／電歪駆動部の集積度と変位、振動特性が好
ましく両立するために、望ましいものである。

なお、同一のセラミック基板上に多数の圧電／電歪駆動
部を集積した、本発明に従うアクチュエータにおいては
、かかる圧電／電歪駆動部が少なくとも３０００μｍピ
ッチよりも狭いピッチで設けられた、高い集積度を持つ
ことが好ましく、更には１０００μｍピッチよりも狭い
ピッチで、更に好ましくは５００μｍピッチよりも狭い
ピッチで、圧電／電歪駆動部を設けてなる、高い集積度
を有するアクチュエータとするのが望ましい。

また、セラミック基板２上に上記の方法で形成されたそ
れぞれのＭ４．６．８は、そ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
全層形成した後、同時に熱処理して、各層が同時に基板
に一体的に結合せしめられるようにしても良い。なお、
かかる形成された膜を基板と一体化するための熱処理温
度としては、一般に、８００　”Ｃ〜１４００　”Ｃ程
度の温度が採用され、好ましくは１１００’Ｃ−１４０
０°Ｃの範囲の温度が有利に作用される。また、圧電／
電歪膜を熱処理する場合には、高温時に圧電／電歪膜の
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。更に、下側の電極膜は、一般に
、セラミック基板に直接に設けられることとなるが、そ
のような基板との接合性を向上させる目的で、基板と電
極膜との間に中間層膜を設けると好ましい場合もある。

なお、ここで言う接合性とは、接着性と熱膨張率の整合
性のことである。

本発明に従うアクチュエータの作製に際して用いられる
セラミック基板２に関して、基板材料としては、機械的
強度が大きく、前記熱処理が可能な絶縁体若しくは誘電
体であれば、酸化物系であっても、非酸化物系であって
も良いが、その中でも、少なくとも、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、窒化珪素の何れかを主成分とした材料を用いて形
成された基板が好ましく、特に酸化アルミニウム又は酸
化ジルコニウムを主成分とする基板が、板厚が薄くても
優れた基板特性が得られるところから、有利に用いられ
る。なお、そのようなセラミック基板材料中に含有され
る酸化珪素（Ｓｉ○。

５ｉＯｚ）の量は、１０重量％以下が望ましく、特に３
重量％以下とすることが望ましい。このような酸化珪素
含有量の規制は、前述した圧電／電歪材料との熱処理中
の反応を避け、良好なアクチュエータ特性を得る上にお
いて、重要なことである。

また、本発明に従う圧電／電歪膜型アクチュエータにお
いて、その高速応答性と大きな屈曲変位を得るために、
かかるセラミック基板２の厚さは、一般に、１００μｍ
以下、好ましくは５０μｍ以下、更に好ましくは３０μ
ｍ以下とすることが望ましく、またそのヤング率は、１
．５×１０６ｋｇ／ｃｍ”以上、４．５　Ｘ　１０６ｋ
ｇ／ｃｍ２以下、特に２．ＯＸ　１０６ｋｇ／　ｃｍ２
以上、４．　ＯＸ　１０６ｋｇ／ｃｍ２以下であること
が、好ましい。更に、その曲げ強度としては、１２００
　ｋｇｆ　７ｃｍ２以上が好ましく、特に１５００　ｋ
ｇｆ　７ｃｍ２以上であることが望ましい。

なお、かかるセラミック基板２としては、予め焼結した
基板を用いても良く、また基板材料のグリーンシートを
用い、前記の膜形成を行なった後に焼結させても良いが
、その中５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
ところから、有利に用いられることとなる。

また、このようなセラミック基板２の基板形状は、特に
規定されるものではなく、用途に合わせて如何なる形状
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。

次に、本発明に従う圧電／電歪膜型アクチュエータにお
ける電極膜４，８の材料としては、前記熱処理温度程度
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、例えば金属単体でも、合金でも良
く、また絶縁性セラミックス等の添加物を加えた金属や
合金と絶縁セラミックスの混合物であっても良く、更に
は導電性セラミックスであっても何等差支えない。尤も
、その中でも、白金、パラジウム、ロジウム等の高融点
貴金属類、銀−パラジウム、讃−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る。

また、上記混合物において、金属や合金に添加せしめら
れるセラミックスとしては、前記基板材料或いは後述す
る圧電／電歪材料と同じ材料であることが望ましく、そ
の添加量は、基板材料においては５〜３０体積％程度、
また圧電／電歪材料においては５〜２０体積％程度が好
ましい。特に、それら基板材料と圧電／電歪材料を共に
上記金属や合金に混在せしめてなる混合物が、目的とす
る電極膜の形成に有利に用いられる。これは、それら２
種の添加物を配合することにより、先に述べた中間層膜
と同様な効果が得られるからである。

そして、このような電極膜材料を用いて形成される下側
電極膜４や上側電極膜８は、用途に応して適宜の厚さと
されることとなるが、−Ｃに、１５μｍ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。

さらに、本発明に従う圧電／電歪膜型アクチュエータに
おいて、圧電／電歪駆動部を構成する圧電／電歪膜６は
、圧電或いは電歪効果等の電界講起歪みを示す材料であ
れば、何れの材料を用いても形成され得るものである。

また、そのような圧電／電歪膜材料は、結晶質の材料で
あっても、非晶質の材料であっても良く、また半導体で
あっても、誘電体セラミックス、強誘電体セラミックス
であっても良く、更には分極処理が必要な材料であって
も、不必要な材料であっても良いのである。

尤も、本発明に用いられる圧電／電歪膜材料としては、
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、マグネシウム三オブ酸鉛（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、チタン
酸鉛を主成分とする材料、チタン酸バリウムを主成分と
する材料、更にはこれらの複合材料等が用いられる。な
お、ＰＺＴ系を主成分とする材料に、ランタン、バリウ
ム、ニオブ、亜鉛、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んだ材料、例えばＰ
ＬＺＴ系となるように、前記材料に所定の添加物を適宜
に加えても何等差支えない。

そして、本発明に従う構造のアクチュエータにあっては
、アクチュエータ特性の点から、圧電定数でｌａ３＋１
が５０　Ｘ　１０−”　（Ｃ／Ｎ）以上、中でも、１０
０　Ｘ　１０−”　（Ｃ／Ｎ）以上である膜が、圧電／
電歪膜６として有利に用いられることとなるのである。

また、このような圧電／電歪膜６の厚さとしては、低電
圧で駆動できる様に、１００μｍ以下、好ましくは５０
μｍ以下、更に好ましくは３０μｍ以下となるように選
定されるのである。

以上、本発明に従う圧電／電歪脱型アクチュエータにつ
いて、図面に示される具体例に基づき詳細に説明してき
たが、本発明が、そのような具体例によって何等の制約
をも受けるものでないことは、言うまでもないところで
ある。

そして、本発明には、上記の具体的記述以外にも、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。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第７図は、それぞれ、本発明に従う圧電／電歪
脱型アクチュエータの異なる例を示す斜視部分説明図で
ある。２：セラ逅ツク基板　　　４二下側電極膜６：圧電／電
歪膜　　　　８：上側電極膜１０ニスリツト　　　　　
１２：矩形孔：絶縁膜

Claims

【特許請求の範囲】（１）セラミック基板の少なくとも一方の面上に、第一
の電極膜と圧電／電歪膜と第二の電極膜との組合せから
なる圧電／電歪駆動部の少なくとも一つが、それら膜が
順次層状に積層せしめられて、形成されてなる構造を有
する圧電／電歪膜型アクチュエータ。（２）前記セラミック基板が、１．５×１０＾６ｋｇ／
ｃｍ＾２以上、４．５×１０＾６ｋｇ／ｃｍ＾２以下の
ヤング率を有する請求項（１）記載の圧電／電歪膜型ア
クチュエータ。（３）前記アクチュエータの厚みが３００μｍ以下であ
り、且つ前記セラミック基板の曲げ強度が１２００ｋｇ
ｆ／ｃｍ＾２以上である請求項（１）記載の圧電／電歪
膜型アクチュエータ。（４）前記セラミック基板が、少なくとも、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、窒化珪素の何れかを主成分とする材料より
なることを特徴とする請求項（１）記載の圧電／電歪膜
型アクチュエータ。（５）酸化珪素の含有量が１０重量％以下であるセラミ
ック板状体が、前記セラミツク基板として用いられてい
る請求項（１）又は（４）記載の圧電／電歪膜型アクチ
ュエータ。（６）前記セラミック基板面上に、二つ以上
の圧電／電歪駆動部を、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）記載の圧電／電歪膜型
アクチュエータ。（７）前記セラミック基板の板厚が、１００μｍ以下で
ある請求項（１）又は（３）記載の圧電／電歪膜型アク
チュエータ。（８）前記圧電／電歪膜の厚さが、１００μｍ以下であ
る請求項（１）又は（７）記載の圧電／電歪膜型アクチ
ュエータ。