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JPH0851241A - Piezoelectric/electrostrictive film element and its manufacture - Google Patents

Piezoelectric/electrostrictive film element and its manufacture

Info

Publication number
JPH0851241A
JPH0851241A JP1232795A JP1232795A JPH0851241A JP H0851241 A JPH0851241 A JP H0851241A JP 1232795 A JP1232795 A JP 1232795A JP 1232795 A JP1232795 A JP 1232795A JP H0851241 A JPH0851241 A JP H0851241A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
piezoelectric
electrostrictive
diaphragm
type element
film type
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP1232795A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP3313531B2 (en
Inventor
Yukihisa Takeuchi
幸久 武内
Tsutomu Nanataki
七瀧  努
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NGK Insulators Ltd
Original Assignee
NGK Insulators Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by NGK Insulators Ltd filed Critical NGK Insulators Ltd
Priority to JP1232795A priority Critical patent/JP3313531B2/en
Priority to CN95115543A priority patent/CN1050229C/en
Publication of JPH0851241A publication Critical patent/JPH0851241A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3313531B2 publication Critical patent/JP3313531B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04RLOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
    • H04R17/04Gramophone pick-ups using a stylus; Recorders using a stylus
    • H04R17/08Gramophone pick-ups using a stylus; Recorders using a stylus signals being recorded or played back by vibration of a stylus in two orthogonal directions simultaneously

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

PURPOSE:To provide a piezoelectric/electrostrictive film element and its advantageous manufacturing method whereby the strain and stress in its piezoelectric/ electrostrictive operation part can be changed efficiently into displacements and the reduction percentages of the displacements in the case of the concurrent operations of a plurality of piezoelectric/electrostrictive operation parts can be made small. CONSTITUTION:A piezoelectric/electrostrictive film element has a ceramic base body 2 wherein a diaphragm part 10 is so provided as to cover a window part 6, and it has a film-like piezoelectric/electrostrictive operation part 18 provided in the diaphragm part 10 which comprises a lower electrode 12, a piezoelectric/ electrostrictive layer 14 and an upper electrode 16. In this piezoelectric/ electrostrictive film element, the shape of the diaphragm part 10 is made protrusive outward. Also, in the case of manufacturing such piezoelectric/ electrostrictive film element, the ceramic base body 2 whose diaphragm part 10 is made protrusive outward is prepared, and its outside surface, at least the lower electrode 12 and the piezoelectric/electrostrictive layer 14 are formed in one body.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【技術分野】本発明は、圧電/電歪膜型素子、中でも主
にフィルター、ディスプレイ、マイクロホン、発音体
(スピーカ等)、各種振動子や発振子、更にはセンサ等
に用いられるユニモルフ型等の、屈曲変位または力を発
生させる、或いは屈曲変位や力を検出するタイプの圧電
/電歪膜型素子及びその製造方法に関するものである。
なお、ここで称呼される素子とは、電気エネルギを機械
エネルギに変換、即ち機械的な変位、応力または振動に
変換する素子の他、その逆の変換を行なう素子をも意味
するものである。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a piezoelectric / electrostrictive film type element, and in particular, a filter, a display, a microphone, a sounding body (speaker, etc.), various vibrators and oscillators, and further a unimorph type used for a sensor and the like. The present invention relates to a piezoelectric / electrostrictive film type element of a type that generates a bending displacement or force, or detects a bending displacement or force, and a manufacturing method thereof.
The element called here means not only an element that converts electric energy into mechanical energy, that is, mechanical displacement, stress or vibration, but also an element that performs the opposite conversion.

【0002】[0002]

【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、或いはその
逆の現象を利用した素子である、アクチュエ−タやセン
サに用いられる圧電/電歪素子の開発が進められてい
る。そして、その中で、スピーカー等においては、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。
BACKGROUND ART In recent years, in fields such as optics and precision processing,
A displacement element that adjusts the optical path length and position on the order of submicrons and a detection element that detects a minute displacement as an electrical change have been desired, and in response to this, a piezoelectric material such as a ferroelectric substance is used. Development of piezoelectric / electrostrictive elements used for actuators and sensors, which are elements that utilize the phenomenon of displacement due to the inverse piezoelectric effect that occurs when an electric field is applied to a material, or the opposite phenomenon There is. Among them, in a speaker or the like, a conventionally known unimorph type or the like is preferably adopted as such a piezoelectric / electrostrictive element structure.

【0003】このため、本願出願人にあっても、先に、
特開平3−128681号や特開平5−49270号等
として、各種の用途に好適に用いられ得る、セラミック
製の圧電/電歪膜型素子(アクチュエ−タ)を提案し
た。この圧電/電歪膜型素子は、少なくとも一つの窓部
を有すると共に、該窓部を覆蓋するように、薄肉のダイ
ヤフラム部を一体に設けることによって、少なくとも一
つの薄肉の壁部を形成してなるセラミック基体を備え、
そして該セラミック基体のダイヤフラム部の外面上に、
下部電極と圧電/電歪層と上部電極との組み合わせから
なる圧電/電歪作動部が、膜形成法によって、一体的に
積層形成されてなる構造を有するものであって、小型で
安価な、高信頼性のアクチュエ−タであると共に、低い
駆動電圧にて大変位が得られ、又、応答速度が速く、且
つ発生力も大きいという優れた特徴を有しており、フィ
ルター、ディスプレイ、センサー等におけるアクチュエ
ータ部材等として誠に有用なものである。
Therefore, even the applicant of the present application,
As Japanese Patent Laid-Open No. 3-128681 and Japanese Patent Laid-Open No. 5-49270, a piezoelectric / electrostrictive film type element (actuator) made of ceramics, which can be suitably used in various applications, has been proposed. This piezoelectric / electrostrictive film type element has at least one window portion and at least one thin wall portion is formed by integrally providing a thin diaphragm portion so as to cover the window portion. Equipped with a ceramic base,
And on the outer surface of the diaphragm portion of the ceramic substrate,
A piezoelectric / electrostrictive actuating portion including a combination of a lower electrode, a piezoelectric / electrostrictive layer, and an upper electrode has a structure in which the piezoelectric / electrostrictive operating portion is integrally laminated by a film forming method. In addition to being a highly reliable actuator, it has the excellent features that large displacement can be obtained at low drive voltage, and that the response speed is fast and the generated force is large. It is extremely useful as an actuator member.

【0004】しかしながら、かかる圧電/電歪膜型素子
について、本発明者らが更に検討した結果、そのような
圧電/電歪膜型素子は、セラミック基体におけるダイヤ
フラム部の所定位置に、圧電/電歪作動部を構成する下
部電極、圧電/電歪層及び上部電極が、膜形成法によっ
て順次層状に積層形成され、そして必要な熱処理(焼
成)が施されて、該圧電/電歪作動部がダイヤフラム部
上に一体的に設けられた構造とされるものであるところ
から、薄肉のダイヤフラム部位の剛性が充分でなく、ま
た機械的強度が低く、そのために固有振動数が小さく、
応答速度も遅い問題を内在し、加えてその圧電/電歪作
動部、具体的には圧電/電歪層形成時における熱処理
(焼成)によって、かかる圧電/電歪膜型素子の作動特
性が少なからず影響を受けることが、明らかとなったの
である。
However, as a result of further study by the present inventors on such a piezoelectric / electrostrictive film type element, such a piezoelectric / electrostrictive film type element was found to have a piezoelectric / electrostrictive film element at a predetermined position of a diaphragm portion of a ceramic substrate. The lower electrode, the piezoelectric / electrostrictive layer, and the upper electrode that form the strain actuating portion are sequentially laminated in layers by a film forming method, and the necessary heat treatment (baking) is performed so that the piezoelectric / electrostrictive actuating portion is formed. Since it is a structure integrally provided on the diaphragm part, the rigidity of the thin diaphragm part is not sufficient and the mechanical strength is low, so the natural frequency is small,
Since the response speed is slow, and in addition, the piezoelectric / electrostrictive actuating portion, specifically, the heat treatment (firing) at the time of forming the piezoelectric / electrostrictive layer has a small operating characteristic of the piezoelectric / electrostrictive film type element. It became clear that they would be affected.

【0005】すなわち、そのような圧電/電歪層形成時
の熱処理により、該圧電/電歪層(圧電/電歪作動部)
には、それとセラミック基体のダイヤフラム部との間の
焼成収縮による応力が発生して、それによって、かかる
圧電/電歪層の焼結が妨げられ、その焼結を充分に行な
うことが困難となり、充分な作動特性が得られないので
ある。
That is, the piezoelectric / electrostrictive layer (piezoelectric / electrostrictive operating portion) is subjected to heat treatment during the formation of the piezoelectric / electrostrictive layer.
Causes stress due to firing shrinkage between it and the diaphragm portion of the ceramic substrate, which prevents sintering of the piezoelectric / electrostrictive layer, making it difficult to perform the sintering sufficiently. It is not possible to obtain sufficient operating characteristics.

【0006】また、ディスプレイにおけるアクチュエー
タ部材等においては、所定のセラミック基板に、所定の
配列形態をもって、複数の窓部が設けられ、そして、そ
れら窓部に形成された薄肉のダイヤフラム部上に、上述
の如き圧電/電歪作動部が形成されることとなるが、上
記した圧電/電歪層の焼成によって、薄肉のダイヤフラ
ム部が撓んだり、また焼成後に残留する応力等によっ
て、隣接する圧電/電歪作動部を同時に駆動した時の変
位量が、それを独立して駆動した場合よりも、著しく低
下する問題も、内在している。隣接する二つの圧電/電
歪作動部を同時に駆動した時に、それら圧電/電歪作動
部の設けられたダイヤフラム部の変位が相互に干渉し
て、それらの変位量を低下せしめることとなるからであ
る。
Further, in an actuator member or the like of a display, a plurality of windows are provided on a predetermined ceramic substrate in a predetermined arrangement form, and the thin diaphragm portion formed in the windows is provided with the above-mentioned structure. Piezoelectric / electrostrictive operating parts such as those described above are formed. However, due to the firing of the piezoelectric / electrostrictive layer described above, the thin diaphragm portion is bent, and the stress that remains after firing causes the adjacent piezoelectric / electrostrictive layers to move. There is also an inherent problem that the amount of displacement when the electrostrictive actuators are simultaneously driven is significantly lower than that when they are independently driven. When two adjacent piezoelectric / electrostrictive actuating parts are driven simultaneously, the displacements of the diaphragm parts provided with the piezoelectric / electrostrictive actuating parts interfere with each other, which reduces the amount of displacement. is there.

【0007】[0007]

【解決課題】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、その解決課題とすると
ころは、セラミック基体の薄肉の壁部を構成するダイヤ
フラム部の外面上に圧電/電歪作動部が膜形成法によっ
て形成されてなる圧電/電歪膜型素子において、その圧
電/電歪作動部に発生する歪みや応力を効率よく変位に
変え、また複数の圧電/電歪作動部を設けた場合にあっ
ても、それらの同時駆動に際しての変位低下率を小さく
為し得るようにすることにある。
The present invention has been made in view of such circumstances, and a problem to be solved by the present invention is to provide a piezoelectric element on an outer surface of a diaphragm portion forming a thin wall portion of a ceramic substrate. In a piezoelectric / electrostrictive film type element in which an electrostrictive actuating portion is formed by a film forming method, strain or stress generated in the piezoelectric / electrostrictive actuating portion can be efficiently converted into displacement, and a plurality of piezoelectric / electrostrictive Even in the case where the actuating portion is provided, it is to make it possible to reduce the displacement reduction rate when they are simultaneously driven.

【0008】また、本発明は、そのような優れた特性を
有する圧電/電歪膜型素子を有利に製造し得る手法を提
供することにある。
Another object of the present invention is to provide a method capable of advantageously manufacturing a piezoelectric / electrostrictive film type element having such excellent characteristics.

【0009】[0009]

【解決手段】そして、上記の如き課題を解決するため
に、本発明は、少なくとも一つの窓部を有すると共に、
該窓部を覆蓋するように、薄肉のダイヤフラム部が一体
に設けられてなるセラミック基体と、該ダイヤフラム部
の外面上に膜形成法によって層状に順次設けた下部電
極、圧電/電歪層及び上部電極より構成される膜状の圧
電/電歪作動部とを備えた圧電/電歪膜型素子にして、
前記セラミック基体におけるダイヤフラム部が外方に凸
なる形状を有し、該凸形状の外面上に前記膜状の圧電/
電歪作動部が形成されていることを特徴とする圧電/電
歪膜型素子を、その要旨とするものである。
In order to solve the above problems, the present invention has at least one window part, and
A ceramic substrate integrally provided with a thin diaphragm portion so as to cover the window portion, a lower electrode, a piezoelectric / electrostrictive layer and an upper portion which are sequentially provided in layers on the outer surface of the diaphragm portion by a film forming method. A piezoelectric / electrostrictive film type element including a film-shaped piezoelectric / electrostrictive actuating portion composed of electrodes,
The diaphragm portion of the ceramic substrate has a shape that is convex outward, and the film-shaped piezoelectric / piezoelectric element is formed on the convex outer surface.
A piezoelectric / electrostrictive film type element characterized in that an electrostrictive actuating portion is formed is its gist.

【0010】なお、このような本発明に従う圧電/電歪
膜型素子の好ましい態様によれば、前記セラミック基体
におけるダイヤフラム部の外方に凸なる形状の突出量
は、前記窓部の中心を通る最短寸法の5%以下とされる
こととなる。
According to the preferred embodiment of the piezoelectric / electrostrictive film type element according to the present invention, the protrusion amount of the diaphragm portion of the ceramic substrate protruding outward passes through the center of the window portion. It will be 5% or less of the shortest dimension.

【0011】また、本発明の他の好ましい態様によれ
ば、前記圧電/電歪膜型素子におけるダイヤフラム部の
平均結晶粒子径は、5μm以下とされ、更にダイヤフラ
ム部の厚さは、50μm以下とされ、更にまた、圧電/
電歪作動部の厚さは、100μm以下とされることとな
る。
According to another preferred embodiment of the present invention, the average crystal grain diameter of the diaphragm portion of the piezoelectric / electrostrictive film type element is 5 μm or less, and the thickness of the diaphragm portion is 50 μm or less. Piezo /
The thickness of the electrostrictive operating portion will be 100 μm or less.

【0012】さらに、本発明に従う圧電/電歪膜型素子
の好ましい態様の一つによれば、前記セラミック基体は
複数の窓部を有し、それら窓部に前記ダイヤフラム部が
それぞれ外方に凸なる形状に一体に形成されていると共
に、該ダイヤフラム部の各々の外面上に、前記圧電/電
歪作動部が形成されている構成が、採用される。
Further, according to one of the preferred embodiments of the piezoelectric / electrostrictive film type element according to the present invention, the ceramic substrate has a plurality of windows, and the diaphragms project outward in the windows. A structure in which the piezoelectric / electrostrictive operating portion is formed on the outer surface of each of the diaphragm portions is adopted.

【0013】そして、本発明は、このような圧電/電歪
膜型素子を有利に得るべく、少なくとも一つの窓部を有
すると共に、該窓部を覆蓋するように、薄肉のダイヤフ
ラム部が一体に設けられてなるセラミック基体と、該ダ
イヤフラム部の外面上に膜形成法によって層状に順次設
けた下部電極、圧電/電歪層及び上部電極より構成され
る膜状の圧電/電歪作動部とを備えた圧電/電歪膜型素
子を製造する方法にして、前記セラミック基体における
ダイヤフラム部が外方に凸なる形状を呈するものを準備
し、次いで該外方に凸なる形状のダイヤフラム部の外面
上に、膜形成法によって前記下部電極及び圧電/電歪層
を順次層状に形成し、更に必要に応じて前記上部電極を
設けた後、かかる圧電/電歪層を焼成せしめて、該ダイ
ヤフラム部の凸形状の外面上に少なくとも該下部電極及
び圧電/電歪層を一体的に形成したことを特徴とする圧
電/電歪膜型素子の製造方法をも、その要旨とするもの
である。
In order to advantageously obtain such a piezoelectric / electrostrictive film type element, the present invention has at least one window portion, and a thin diaphragm portion is integrally formed so as to cover the window portion. A ceramic substrate provided, and a film-shaped piezoelectric / electrostrictive actuating portion composed of a lower electrode, a piezoelectric / electrostrictive layer, and an upper electrode, which are sequentially formed in layers on the outer surface of the diaphragm by a film forming method. A method of manufacturing a piezoelectric / electrostrictive film type element having the above-mentioned method, in which a diaphragm portion of the ceramic substrate has an outwardly convex shape, and then on the outer surface of the outwardly convex diaphragm portion Then, the lower electrode and the piezoelectric / electrostrictive layer are sequentially formed into a layer by a film forming method, and the upper electrode is further provided if necessary, and then the piezoelectric / electrostrictive layer is fired to form the diaphragm portion. Convex Also a method for manufacturing a piezoelectric / electrostrictive film type element characterized in that integrally formed at least said lower electrode and the piezoelectric / electrostrictive layer on the outer surface, is to its gist.

【0014】[0014]

【具体的構成・作用】このように、本発明は、セラミッ
ク基体に設けられた窓部を覆蓋するように一体的に形成
されたダイヤフラム部位の外面上に、膜形成法によって
設けられた膜状の圧電/電歪作動部を有する圧電/電歪
膜型素子において、かかるダイヤフラム部位を外方に凸
なる形状となし、その外面上に膜状の圧電/電歪作動部
を形成せしめたものであるが、そのような本発明の対象
とする圧電/電歪膜型素子の一例が、図1及び図2に示
されている。なお、ここに例示の具体例では、窓部は一
つとされている。
As described above, according to the present invention, the film-like film formed by the film-forming method is formed on the outer surface of the diaphragm portion integrally formed so as to cover the window provided on the ceramic substrate. In the piezoelectric / electrostrictive film type element having the piezoelectric / electrostrictive operation part, the diaphragm portion is formed in a convex shape outward, and a film-shaped piezoelectric / electrostrictive operation part is formed on the outer surface thereof. However, an example of such a piezoelectric / electrostrictive film type element to which the present invention is applied is shown in FIGS. 1 and 2. In the specific example illustrated here, the number of windows is one.

【0015】すなわち、それらの図において、セラミッ
ク基体2は、所定大きさの矩形の窓部6を有する支持体
としての所定厚さのベースプレート4と、その一方の面
に重ね合わされて、窓部6を覆蓋する薄肉のダイヤフラ
ム板8とから一体的に構成されており、かかるダイヤフ
ラム板8の前記ベースプレート4における窓部6に位置
する部分が、ダイヤフラム部位10とされているのであ
る。そして、この板状のセラミック基体2のダイヤフラ
ム部位10の外面上には、それぞれ薄膜状の下部電極1
2、圧電/電歪層14及び上部電極16が、通常の膜形
成手法によって順次積層形成されて、膜状の圧電/電歪
作動部18として、一体的に形成されている。なお、下
部電極12及び上部電極16には、良く知られているよ
うに、図示しないそれぞれのリード部を通じて、所定の
電圧が印加せしめられるようになっている。
That is, in these figures, the ceramic substrate 2 is superposed on one surface of a base plate 4 having a predetermined thickness as a support having a rectangular window 6 of a predetermined size, and the window 6 is formed. The thin diaphragm plate 8 that covers the base plate 4 is integrally formed, and the portion of the diaphragm plate 8 located in the window portion 6 of the base plate 4 serves as the diaphragm portion 10. Then, on the outer surface of the diaphragm portion 10 of the plate-shaped ceramic substrate 2, the thin film-shaped lower electrode 1 is formed.
2. The piezoelectric / electrostrictive layer 14 and the upper electrode 16 are sequentially laminated and formed by a normal film forming method, and are integrally formed as a film-shaped piezoelectric / electrostrictive operating portion 18. It is to be noted that, as is well known, a predetermined voltage is applied to the lower electrode 12 and the upper electrode 16 through respective lead portions (not shown).

【0016】従って、このような構造の圧電/電歪膜型
素子においては、それをアクチュエータとして機能させ
る場合には、その圧電/電歪作動部18を構成する二つ
の電極12、16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/電歪層14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電界誘起歪
みが惹起され、この電界誘起歪みの横効果にて、セラミ
ック基体2(ダイヤフラム部位10)の板面に垂直な方
向の屈曲変位乃至は力が発現せしめられることとなるの
である。
Therefore, in the piezoelectric / electrostrictive film type element having such a structure, when it is to function as an actuator, it is provided between the two electrodes 12 and 16 constituting the piezoelectric / electrostrictive actuating portion 18. When electricity is applied in the same manner as in the conventional case and an electric field is caused to act on the piezoelectric / electrostrictive layer 14 by this, an electric field induced strain caused by such an electric field is induced, and a lateral effect of this electric field induced strain is caused. The bending displacement or force in the direction perpendicular to the plate surface of the ceramic base 2 (diaphragm portion 10) is exhibited.

【0017】本発明は、かかる圧電/電歪膜型素子にお
いて、そのセラミック基体2のダイヤフラム部位10
を、図3に示されるように、外方に凸なる形状、換言す
れば窓部6とは反対側に突出した湾曲形状と為し、その
湾曲した外面に対して、圧電/電歪作動部18が形成さ
れるように構成したものであり、これによって、圧電/
電歪作動部18に発生する歪みや応力を効率よく変位に
変え、また隣接する圧電/電歪作動部18を同時駆動し
た際の変位低下率を効果的に小さく為し得たのである。
In the piezoelectric / electrostrictive film type element according to the present invention, the diaphragm portion 10 of the ceramic substrate 2 is provided.
As shown in FIG. 3, a convex shape outward, in other words, a curved shape protruding to the side opposite to the window 6 is formed, and the piezoelectric / electrostrictive actuating portion is attached to the curved outer surface. 18 is formed so that the piezoelectric /
The strain and stress generated in the electrostrictive actuating portion 18 can be efficiently converted into the displacement, and the displacement reduction rate when the adjacent piezoelectric / electrostrictive operating portions 18 are simultaneously driven can be effectively reduced.

【0018】すなわち、図3に示される如く、上に凸な
る形状のダイヤフラム部位10の外面に形成された圧電
/電歪作動部18の駆動によって、素子の変位方向は、
図において下方(X方向)、換言すれば窓部6内に入り
込む方向となっているところから、駆動時における圧電
/電歪作動部18の発生応力の方向(図において矢印:
B方向)に応じて、ダイヤフラム部位10には、その基
部において、矢印:A方向の力が作用し、セラミック基
体2の本体部分(ベースプレート4部分)を押す方向に
力が働くこととなるのである。このため、隣接する圧電
/電歪作動部18を同時駆動しても変位量の低下が小さ
く、独立して駆動した場合に比して、変位量の変化を少
なく為し得るのである。しかも、ダイヤフラム部位10
の外方に凸なる形状の外面に対して、圧電/電歪作動部
18(具体的には、少なくとも下部電極12及び圧電/
電歪層14)が形成されていることによって、当該部位
の剛性が有利に高められ得ることとなる。また、そのよ
うなダイヤフラム部位10の凸形状によって、該ダイヤ
フラム部位10の外側から窓部6内に入り込む方向の押
圧力に対して、それによる荷重が主にダイヤフラム部位
10に圧縮応力として入ることから、そのような方向か
らの押圧力に対する機械的強度に優れたものともなるの
であり、更には圧電/電歪作動部18を含むダイヤフラ
ム部位10の固有振動数が大きくなり、応答速度が速く
なる特徴をも発揮するのである。
That is, as shown in FIG. 3, by driving the piezoelectric / electrostrictive actuating portion 18 formed on the outer surface of the diaphragm portion 10 having a convex shape, the element displacement direction is
The direction of the stress generated in the piezoelectric / electrostrictive actuating portion 18 during driving (arrow in the figure:
According to the (B direction), a force in the arrow direction: A acts on the diaphragm portion 10 at its base portion, and a force acts in a direction to push the main body portion (base plate 4 portion) of the ceramic base 2. . Therefore, even if the adjacent piezoelectric / electrostrictive actuating portions 18 are simultaneously driven, the decrease in the displacement amount is small, and the change in the displacement amount can be reduced as compared with the case where they are independently driven. Moreover, the diaphragm portion 10
Of the piezoelectric / electrostrictive operating portion 18 (specifically, at least the lower electrode 12 and
By forming the electrostrictive layer 14), the rigidity of the site can be advantageously increased. Further, due to the convex shape of the diaphragm portion 10, the load due to the pressing force in the direction of entering the window portion 6 from the outside of the diaphragm portion 10 mainly enters the diaphragm portion 10 as a compressive stress. In addition, the mechanical strength against pressing force from such a direction is also excellent, and further, the natural frequency of the diaphragm portion 10 including the piezoelectric / electrostrictive operating portion 18 is increased, and the response speed is increased. It also demonstrates.

【0019】なお、この圧電/電歪膜型素子において、
そのセラミック基体2におけるダイヤフラム部位10の
外方に凸なる形状の突出量としては、本発明の目的が達
成され得るように適宜に決定されることとなるが、一般
に有効な変位量を確保する上において、その突出量は、
セラミック基体2における窓部6の中心を通る最短寸法
(m)に対するダイヤフラム部位10の中央部付近の突
出し量(h)、換言すれば最大突出し量(h)を百分率
にて表した突出し率〔y=(h/m)×100〕が50
%以下とされ、特に大きな変位量を得るためには、その
突出量は、有利には、窓部6の中心を通る最短寸法の5
%以下〔(h/m)×100≦5〕とされることとな
る。
In this piezoelectric / electrostrictive film type element,
The amount of protrusion of the ceramic substrate 2 in a shape that is convex outward of the diaphragm portion 10 will be appropriately determined so that the object of the present invention can be achieved, but generally in order to secure an effective displacement amount. , The amount of protrusion is
The protrusion rate (h) in the vicinity of the central portion of the diaphragm portion 10 with respect to the shortest dimension (m) passing through the center of the window 6 in the ceramic base 2, in other words, the maximum protrusion amount (h) in percentage, the protrusion rate [y. = (H / m) × 100] is 50
% Or less, and in order to obtain a particularly large amount of displacement, the amount of protrusion is preferably 5 which is the shortest dimension passing through the center of the window portion 6.
% Or less [(h / m) × 100 ≦ 5].

【0020】また、このような本発明に従う圧電/電歪
膜型素子において、その圧電/電歪作動部18が形成さ
れるセラミック基体2を与える材料としては、公知の各
種の材料が適宜に選択して用いられ得るが、一般に、安
定化ジルコニア材料、部分安定化ジルコニア材料、アル
ミナ材料及びこれらの混合材料等が好適に用いられ、中
でも、特に本発明者らが特開平5−270912号公報
において明らかにした如き、酸化イットリウム等の化合
物を添加せしめて、結晶相が主として正方晶、若しくは
主として立方晶、正方晶、単斜晶のうち少なくとも2種
以上の結晶相からなる混晶とすることで、部分安定化さ
れたジルコニアを主成分とする材料が好ましく使用され
る。そのような材料から形成されるセラミック基体2
は、薄い板厚においても、大きな機械的強度や高靱性を
示し、また圧電/電歪材料との化学的な反応も少ない等
の特徴を発揮するからである。なお、セラミック基体2
は、金型や超音波加工等の機械加工法を用いて、窓部6
となる空孔部を設けた、ベースプレート4を与えるグリ
ーンシートに、ダイヤフラム板8(ダイヤフラム部位1
0)を与える薄いグリーンシートを積層、熱圧着した
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ましい。また、そのようなセラミッ
ク基体2の圧電/電歪作動部18が形成されるダイヤフ
ラム部位10を構成するセラミックは、機械的強度の点
より、一般に5μm以下、望ましくは2μm以下の結晶
粒子径を有していることが好ましく、更にそのようなダ
イヤフラム部位10における厚さとしては、素子の高速
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、より好ましくは15μm
以下とすることが望ましい。
In the piezoelectric / electrostrictive film type element according to the present invention as described above, various known materials are appropriately selected as a material for providing the ceramic substrate 2 on which the piezoelectric / electrostrictive operating portion 18 is formed. In general, stabilized zirconia materials, partially stabilized zirconia materials, alumina materials, and mixed materials thereof are preferably used. Among them, in particular, the inventors of the present invention described in JP-A-5-270912. As has been clarified, by adding a compound such as yttrium oxide, the crystal phase is mainly tetragonal, or a mixed crystal mainly composed of at least two crystal phases of cubic, tetragonal and monoclinic. A partially stabilized zirconia-based material is preferably used. Ceramic substrate 2 formed from such a material
The reason is that, even when the plate thickness is thin, it exhibits great mechanical strength and high toughness, and has a small chemical reaction with the piezoelectric / electrostrictive material. The ceramic base 2
Using a machining method such as a die or ultrasonic machining,
The diaphragm plate 8 (diaphragm portion 1
It is preferable from the viewpoint of high reliability that thin green sheets giving 0) are laminated, thermocompression-bonded, and then fired and integrated. The ceramic constituting the diaphragm portion 10 in which the piezoelectric / electrostrictive operating portion 18 of the ceramic base 2 is formed generally has a crystal grain diameter of 5 μm or less, preferably 2 μm or less, from the viewpoint of mechanical strength. Further, the thickness of the diaphragm portion 10 is generally 50 μm or less, preferably 30 μm or less, and more preferably 15 μm in order to obtain high-speed response and large displacement of the element.
The following is desirable.

【0021】さらに、かかるベースプレート4やダイヤ
フラム板8を与える各グリーンシートは、それぞれ、複
数枚のシート成分の重ね合わせによって形成することも
可能である。また、ここでは、セラミック基体2の窓部
6の形状、換言すればダイヤフラム部位10の形状は、
矩形(四角形)形状とされているが、これに限定される
ものではなく、圧電/電歪膜型素子の用途に応じて、例
えば、円形、多角形、楕円形等、またはこれらを組み合
わせた形状等、任意の形状が適宜に選択されることとな
る。それらの窓部6の形状において、その中心を通る最
短寸法(m)とは、例えば円形においては、その直径、
例示の矩形においては、その短辺長さ、更に楕円形にお
いては、その短軸長さ等に相当するものである。
Further, each green sheet for providing the base plate 4 and the diaphragm plate 8 can be formed by superposing a plurality of sheet components. Further, here, the shape of the window portion 6 of the ceramic base 2, that is, the shape of the diaphragm portion 10 is
Although the shape is a rectangle (quadrangle), the shape is not limited to this, and may be, for example, a circle, a polygon, an ellipse, or a combination thereof depending on the application of the piezoelectric / electrostrictive film type element. An arbitrary shape such as the above will be appropriately selected. In the shape of the window portions 6, the shortest dimension (m) passing through the center thereof is, for example, in the case of a circle, its diameter,
In the illustrated rectangle, it corresponds to the length of its short side, and in the case of an ellipse, it corresponds to the length of its short axis.

【0022】そして、かくして得られるセラミック基体
2のダイヤフラム部位10上に、所定の電極12、16
及び圧電/電歪層14を設けて、圧電/電歪作動部18
を形成するには、公知の各種の膜形成手法が適宜に採用
されることとなるが、圧電/電歪層14の形成にあたっ
ては、スクリーン印刷、スプレー、コーティング、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。この厚膜形成手法を用いれば、平均粒子径が0.0
1μm〜7μm程度の、好ましくは0.05μm〜5μ
m程度の圧電/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、セラミック基体2のダイヤフ
ラム部位10の外面上に、膜形成することが出来、良好
な素子特性が得られるからである。そして、この厚膜形
成手法の中でも、微細なパターニングが安価に形成出来
ると言う点で、スクリーン印刷法が特に好ましく用いら
れる。なお、圧電/電歪層14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。
Then, on the diaphragm portion 10 of the ceramic substrate 2 thus obtained, predetermined electrodes 12, 16 are provided.
The piezoelectric / electrostrictive layer 14 is provided, and the piezoelectric / electrostrictive operating portion 18 is provided.
Various known film forming methods are appropriately adopted to form the piezoelectric film. However, when forming the piezoelectric / electrostrictive layer 14, a thick film forming process such as screen printing, spraying, coating, dipping, or coating is performed. The method is preferably adopted. If this thick film forming method is used, the average particle diameter is 0.0
About 1 μm to 7 μm, preferably 0.05 μm to 5 μm
This is because a film can be formed on the outer surface of the diaphragm portion 10 of the ceramic base 2 by using a paste or slurry containing piezoelectric / electrostrictive ceramic particles of about m as the main component, and good element characteristics can be obtained. . Among the thick film forming methods, the screen printing method is particularly preferably used because fine patterning can be formed at low cost. The thickness of the piezoelectric / electrostrictive layer 14 is preferably 50 μm in order to obtain a large displacement at a low operating voltage.
It is desirable that the thickness is more preferably 3 μm or more and 40 μm or less.

【0023】なお、かかる圧電/電歪作動部18を構成
する下部電極12や、上部電極16を与える電極材料と
しては、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、また絶縁性セラミックスと金
属単体、若しくはその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。
尤も、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、或
いは白金とセラミック基体材料や圧電材料とのサーメッ
ト材料が好適に用いられる。その中でも、更に好ましく
は、白金のみ、若しくは白金系の合金を主成分とする材
料が望ましい。なお、電極材料中に添加せしめるセラミ
ック基体材料の割合は、5〜30体積%程度が好まし
く、また圧電/電歪材料の割合は、5〜20体積%程度
であることが好ましい。
The electrode material for the lower electrode 12 and the upper electrode 16 constituting the piezoelectric / electrostrictive operating portion 18 is not particularly limited as long as it is a conductor that can withstand a high temperature oxidizing atmosphere. For example, it may be a simple metal or an alloy, a mixture of an insulating ceramic and a simple metal, or a mixture thereof, or a conductive ceramic.
However, more preferably, high melting point noble metals such as platinum, palladium and rhodium, or silver-palladium, silver-platinum,
An electrode material containing an alloy such as platinum-palladium as a main component, or a cermet material of platinum and a ceramic substrate material or a piezoelectric material is preferably used. Among these, it is more preferable to use only platinum or a material containing a platinum-based alloy as a main component. The ratio of the ceramic base material added to the electrode material is preferably about 5 to 30% by volume, and the ratio of the piezoelectric / electrostrictive material is preferably about 5 to 20% by volume.

【0024】そして、各電極12、16は、それぞれ、
かかる導体材料を用いて、前記した厚膜形成手法若しく
は、スパッタリング、イオンビーム、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によ
る通常の膜形成手法に従って形成されることとなるが、
中でも、下部電極12の形成に関しては、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が
好ましく採用され、また上部電極16にあっても、同様
な厚膜形成手法の他、前記した薄膜形成手法も好適に採
用され、そしてそれら電極12、16は、何れも、一般
に20μm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。なお、これら電極12、16の
厚さに、圧電/電歪層14の厚さを加えた、圧電/電歪
作動部18の全体の厚さとしては、一般に100μm以
下、好ましくは50μm以下とされる。
The electrodes 12 and 16 are respectively
By using such a conductor material, the thick film forming method described above or a normal film forming method by a thin film forming method such as sputtering, ion beam, vacuum deposition, ion plating, CVD, or plating will be formed.
Among them, for forming the lower electrode 12, a thick film forming method such as screen printing, spraying, dipping or coating is preferably adopted, and for the upper electrode 16, a similar thick film forming method or the above-mentioned thin film is used. A forming method is also suitably adopted, and the electrodes 12 and 16 are both formed to have a thickness of generally 20 μm or less, preferably 5 μm or less. The total thickness of the piezoelectric / electrostrictive operating portion 18, which is obtained by adding the thickness of the piezoelectric / electrostrictive layer 14 to the thickness of these electrodes 12 and 16, is generally 100 μm or less, preferably 50 μm or less. It

【0025】また、圧電/電歪作動部18における膜状
の圧電/電歪層14を与える圧電/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、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材料、チタン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。更に、これら圧電/電歪材
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、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PLZT系となるように、前記材料に所定
の添加物を適宜に加えたものも、好適に使用される。
Further, as the piezoelectric / electrostrictive material for providing the film-shaped piezoelectric / electrostrictive layer 14 in the piezoelectric / electrostrictive operating portion 18,
Preferably, a material containing lead zirconate titanate (PZT system) as a main component, a material containing lead magnesium niobate (PMN system) as a main component, a material containing lead nickel niobate (PNN system) as a main component, and manganese. Lead niobate-based material, lead antimony stannate-based material, lead zinc niobate-based material, lead titanate-based material, lead magnesium tantalate-based material A material, a material containing lead nickel tantalate as a main component, a composite material thereof, or the like is used. Furthermore, lanthanum, barium, niobium, zinc, cerium,
Materials containing oxides such as cadmium, chromium, cobalt, antimony, iron, yttrium, tantalum, tungsten, nickel, manganese, lithium, strontium, and bismuth, and other compounds as additives, such as PLZT-based materials As described above, a material obtained by appropriately adding a predetermined additive to the above material is also suitably used.

【0026】そして、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、マグネシウム
ニオブ酸鉛とニッケルタンタル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
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、更には、これらの材料の鉛の一部をストロンチ
ウム及び/又はランタンで置換したもの等が有利に用い
られ、前記したスクリーン印刷等の厚膜形成手法で圧電
/電歪層14を形成する場合の材料として、推奨され
る。なお、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成分系材料や、マグネシウムニオブ酸鉛
−ニッケルタンタル酸鉛−ジルコン酸鉛−チタン酸鉛、
並びにマグネシウムタンタル酸鉛−マグネシウムニオブ
酸鉛−ジルコン酸鉛−チタン酸鉛の4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:15〜50モル
%、ジルコン酸鉛:10〜45モル%、チタン酸鉛:3
0〜45モル%の組成や、マグネシウムニオブ酸鉛:1
5〜50モル%、ニッケルタンタル酸鉛:10〜40モ
ル%、ジルコン酸鉛:10〜45モル%、チタン酸鉛:
30〜45モル%の組成、更にはマグネシウムニオブ酸
鉛:15〜50モル%、マグネシウムタンタル酸鉛:1
0〜40モル%、ジルコン酸鉛:10〜45モル%、チ
タン酸鉛:30〜45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。
Among these piezoelectric / electrostrictive materials, materials containing lead magnesium niobate, lead zirconate, and lead titanate as main components, lead nickel niobate, lead magnesium niobate, and zirconate. A material containing a component consisting of lead and lead titanate as a main component, a material containing a component consisting of lead magnesium niobate, lead nickel tantalate, lead zirconate and lead titanate, or lead magnesium tantalate. Materials containing a main component of lead magnesium niobate, lead zirconate, and lead titanate as the main components, and those obtained by substituting a part of lead with strontium and / or lanthanum, etc. are advantageously used. It is recommended as a material for forming the piezoelectric / electrostrictive layer 14 by a thick film forming method such as the screen printing described above. In the case of a multi-component piezoelectric / electrostrictive material, the piezoelectric / electrostrictive characteristics change depending on the composition of the components. However, lead magnesium niobate-lead zirconate-which is preferably used in the present invention
Three component materials of lead titanate, lead magnesium niobate-lead nickel tantalate-lead zirconate-lead titanate,
In addition, in the four-component material of lead magnesium tantalate-lead magnesium niobate-lead zirconate-lead titanate,
A composition in the vicinity of the phase boundary of pseudo-cubic crystal-tetragonal crystal-rhombohedral crystal is preferable, and particularly, lead magnesium niobate: 15 to 50 mol%, lead zirconate: 10 to 45 mol%, lead titanate: 3
0-45 mol% composition and lead magnesium niobate: 1
5 to 50 mol%, lead nickel tantalate: 10 to 40 mol%, lead zirconate: 10 to 45 mol%, lead titanate:
30-45 mol% composition, further lead magnesium niobate: 15-50 mol%, lead magnesium tantalate: 1
A composition of 0 to 40 mol%, lead zirconate: 10 to 45 mol%, and lead titanate: 30 to 45 mol% is advantageously adopted because it has a high piezoelectric constant and an electromechanical coupling coefficient.

【0027】また、上記の如くしてセラミック基体2に
おけるダイヤフラム部位10の外表面上に膜形成される
それぞれの膜(12、14、16)は、それぞれの膜の
形成の都度、熱処理(焼成)されて、セラミック基体
2、具体的にはダイヤフラム部位10と一体構造となる
ようにされても良く、また全部の膜を形成した後、同時
に熱処理(焼成)して、各膜が同時にダイヤフラム部位
10に一体的に結合せしめられるようにしても良い。な
お、電極膜(12、16)の形成手法の如何によって
は、かかる一体化のための電極膜の熱処理(焼成)を必
要としないことがある。また、このように形成された膜
とダイヤフラム部位とを一体化するための熱処理(焼
成)温度としては、一般に500℃〜1400℃程度の
温度が採用され、特に好ましくは、1000℃〜140
0℃の範囲の温度が有利に選択される。更に、膜状の圧
電/電歪層14を熱処理(焼成)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(焼成)することが好ましい他、圧
電/電歪層14上に適当な覆蓋部材を載置して、該圧電
/電歪層14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、基体と同様な材料系のも
のが用いられることとなる。
The respective films (12, 14, 16) formed on the outer surface of the diaphragm portion 10 of the ceramic substrate 2 as described above are heat-treated (baked) each time the respective films are formed. Then, the ceramic substrate 2, specifically, the diaphragm portion 10 may be formed into an integral structure. Further, after all the films are formed, they are heat treated (baked) at the same time so that the respective films are simultaneously formed. It may be configured to be integrally connected to. Depending on the method of forming the electrode films (12, 16), heat treatment (baking) of the electrode films for such integration may not be necessary. Further, as the heat treatment (baking) temperature for integrating the film thus formed and the diaphragm portion, a temperature of about 500 ° C to 1400 ° C is generally adopted, and particularly preferably 1000 ° C to 140 ° C.
Temperatures in the range of 0 ° C. are advantageously chosen. Further, when the film-shaped piezoelectric / electrostrictive layer 14 is heat-treated (baked), the composition of the piezoelectric / electrostrictive layer is prevented from becoming unstable at a high temperature together with an evaporation source of such piezoelectric / electrostrictive material. It is preferable to perform heat treatment (baking) while controlling the atmosphere, and also to mount the appropriate cover member on the piezoelectric / electrostrictive layer 14 so that the surface of the piezoelectric / electrostrictive layer 14 is directly exposed to the baking atmosphere. It is also recommended to use a method of baking so as not to expose it.
In that case, a material similar to that of the substrate is used as the cover member.

【0028】ところで、かくの如き構成の圧電/電歪膜
型素子は、当業者の知識に基づいて各種の手法によって
製造され、例えば、セラミック基板2部分の熱膨張率と
圧電/電歪作動部18部分の熱膨張率を制御して、かか
る圧電/電歪作動部18の圧電/電歪層14の焼成と同
時に、セラミック基板2のダイヤフラム部位10を凸形
状とする方法;圧電/電歪作動部18の圧電/電歪層1
4を焼成する際に、ダイヤフラム部位10に押圧力を作
用せしめて、外方に凸なる形状とする方法;圧電/電歪
作動部18の圧電/電歪層14の焼成収縮率を考慮しつ
つ、上記の二つの熱膨張率を制御する方法等、圧電/電
歪作動部18(具体的には、少なくとも下部電極12及
び圧電/電歪層14)の形成と同時にダイヤフラム部位
10の外方への凸形状を形成する手法が採用可能である
が、有利には、図4に示されているように、ダイヤフラ
ム部位10が外方に突出せしめられてなるセラミック基
体2を予め準備し、そのダイヤフラム部位10の外方に
凸なる外面上に、所定の圧電/電歪作動部18を形成せ
しめる手法が、工業的生産性の点より、好適に採用され
ることとなる。
By the way, the piezoelectric / electrostrictive film type element having such a structure is manufactured by various methods based on the knowledge of those skilled in the art. For example, the coefficient of thermal expansion of the ceramic substrate 2 portion and the piezoelectric / electrostrictive actuating portion. A method of controlling the coefficient of thermal expansion of the 18th portion to simultaneously fire the piezoelectric / electrostrictive layer 14 of the piezoelectric / electrostrictive operating portion 18 and to make the diaphragm portion 10 of the ceramic substrate 2 have a convex shape; Piezoelectric / electrostrictive layer 1 of portion 18
When firing No. 4, a method of exerting a pressing force on the diaphragm portion 10 to form an outwardly convex shape; taking into consideration the firing shrinkage rate of the piezoelectric / electrostrictive layer 14 of the piezoelectric / electrostrictive operating portion 18. At the same time as the formation of the piezoelectric / electrostrictive actuating portion 18 (specifically, at least the lower electrode 12 and the piezoelectric / electrostrictive layer 14), the method of controlling the two coefficients of thermal expansion is applied to the outside of the diaphragm portion 10. Although it is possible to adopt a method of forming the convex shape of the ceramic base 2, it is advantageous to prepare the ceramic base 2 in which the diaphragm portion 10 is projected outward as shown in FIG. The method of forming the predetermined piezoelectric / electrostrictive operating portion 18 on the outer surface of the portion 10 protruding outward is preferably adopted from the viewpoint of industrial productivity.

【0029】すなわち、かかる有利な方法は、図4の
(a)に示されている如く、先ず、セラミック基体2に
おけるダイヤフラム部位10が外方に凸なる形状、換言
すれば窓部6とは反対側に突出した形状(突出量:H)
を呈するものを準備し、次いで、(b)に示される如
く、かかる外方に凸なる形状のダイヤフラム部位10の
外面上に、膜形成法によって下部電極12及び圧電/電
歪層14を順次層状に形成し、更に必要に応じて上部電
極16を形成した後、該圧電/電歪層14の焼成を行な
うことにより、(c)に示される如き、目的とする圧電
/電歪膜型素子を製造するようにしたものである。そし
て、かかる圧電/電歪層14の焼成によって惹起される
焼成収縮は、ダイヤフラム部位10の大きな凸形状(突
出量:H)によって吸収され、これによって焼成後にお
けるダイヤフラム部位10の突出量:hは小さくなるの
であり(h<H)、以て圧電/電歪層14の焼成収縮時
に発生する応力が効果的に小さく為され、また、圧電/
電歪層14の焼結が効果的に進行せしめられ得て、その
緻密度が有利に向上せしめられ得るのである。
That is, in such an advantageous method, as shown in FIG. 4 (a), first, the diaphragm portion 10 of the ceramic base 2 has a shape protruding outward, in other words, opposite to the window portion 6. Shape protruding to the side (projection amount: H)
Then, as shown in (b), the lower electrode 12 and the piezoelectric / electrostrictive layer 14 are sequentially layered on the outer surface of the outwardly convex diaphragm portion 10 by a film forming method. And then, if necessary, the upper electrode 16 is formed, the piezoelectric / electrostrictive layer 14 is fired to obtain the desired piezoelectric / electrostrictive film type element as shown in (c). It is designed to be manufactured. The firing shrinkage caused by the firing of the piezoelectric / electrostrictive layer 14 is absorbed by the large convex shape (projection amount: H) of the diaphragm portion 10, whereby the protrusion amount: h of the diaphragm portion 10 after firing is Therefore, the stress generated when the piezoelectric / electrostrictive layer 14 is contracted by firing is effectively reduced, and the piezoelectric / electrostrictive layer 14 is reduced in size (h <H).
The sintering of the electrostrictive layer 14 can be effectively advanced, and the compactness thereof can be advantageously improved.

【0030】なお、かかる方法に用いられる、ダイヤフ
ラム部位10が外方に凸なる形状を呈するセラミック基
体2は、それを構成するベースプレート4及びダイヤフ
ラム板8(図1及び図2参照)の焼結速度や収縮率を制
御したり、焼成前にダイヤフラム板8の形状を調節した
りする方法や、それらの熱膨張差を利用して、突出せし
める方法等によって、容易に得ることが出来る。より具
体的には、ダイヤフラム板8を与えるグリーンシートの
焼結を先に進行させ、ベースプレート4を与えるグリー
ンシートの焼結を遅らせたり、ダイヤフラム板8用グリ
ーンシートの焼結による収縮率よりもベースプレート4
用グリーンシートの焼成収縮率を大きくして、それらの
焼結収縮差を利用して、ダイヤフラム部位10を外方に
突出するようにするのである。
The ceramic substrate 2 used in such a method, in which the diaphragm portion 10 has an outwardly convex shape, has a sintering rate of the base plate 4 and the diaphragm plate 8 (see FIGS. 1 and 2) constituting the ceramic substrate 2. It can be easily obtained by a method of controlling the shrinkage rate, controlling the shape of the diaphragm plate 8 before firing, or a method of making the diaphragm plate 8 project by utilizing the difference in thermal expansion between them. More specifically, the sintering of the green sheet that provides the diaphragm plate 8 proceeds first, the sintering of the green sheet that provides the base plate 4 is delayed, or the contraction rate of the green sheet for the diaphragm plate 8 due to the sintering does not exceed the base plate. Four
The firing shrinkage of the green sheet for use is increased, and the difference in sintering shrinkage is used to cause the diaphragm portion 10 to project outward.

【0031】また、かかるセラミック基体2におけるダ
イヤフラム部位10の圧電/電歪作動部18の形成され
る前の突出量:Hとしては、圧電/電歪層14の焼成収
縮率や最終的なダイヤフラム部位10の突出量:hの度
合い等によって、適宜に決定されることとなるが、一般
的には、窓部6の中心を通る最短寸法(m)の1〜55
%、好ましくは2〜10%が有利に採用されることとな
る。けだし、この突出量:Hが小さすぎる場合にあって
は、圧電/電歪層14の焼成によって、ダイヤフラム部
位10が内方に凹陥するようになるからであり、またそ
れが大きくなり過ぎると、圧電/電歪作動部18の駆動
によって、有効な変位を発生させることが困難となるか
らである。
Further, the protrusion amount H of the diaphragm portion 10 of the ceramic substrate 2 before the piezoelectric / electrostrictive operating portion 18 is formed is defined as the firing shrinkage ratio of the piezoelectric / electrostrictive layer 14 and the final diaphragm portion. The amount of protrusion of 10: will be appropriately determined depending on the degree of h, etc., but in general, it is 1 to 55 of the shortest dimension (m) passing through the center of the window portion 6.
%, Preferably 2-10% will be advantageously employed. This is because if the protrusion amount: H is too small, the diaphragm portion 10 will be recessed inward by firing the piezoelectric / electrostrictive layer 14, and if it is too large, This is because it becomes difficult to generate an effective displacement by driving the piezoelectric / electrostrictive operating unit 18.

【0032】さらに、かかる方法において、セラミック
基体2におけるダイヤフラム部位10の外面上の所定部
位に形成される下部電極12や圧電/電歪層14や上部
電極16は、何れも、前記した膜形成法によって形成さ
れ、そして前記した焼成温度条件下において焼成される
ことによって、それぞれ、前述の如き目的とする厚さの
層として仕上げられ、以て圧電/電歪作動部18がダイ
ヤフラム部位10上に一体的に形成されるのである。な
お、圧電/電歪層14の焼成は、それを下部電極12上
に形成した段階において(従って上部電極16は、形成
されていない)行なうことが望ましいが、更にその上に
上部電極16を形成した形態において圧電/電歪層14
の焼成を実施しても、何等差し支えない。
Further, in this method, the lower electrode 12, the piezoelectric / electrostrictive layer 14, and the upper electrode 16 formed on a predetermined portion of the outer surface of the diaphragm portion 10 of the ceramic substrate 2 are all formed by the above-mentioned film forming method. And the piezoelectric / electrostrictive operating portion 18 is integrally formed on the diaphragm portion 10 by being formed into a layer having a desired thickness as described above. It is formed as a result. The firing of the piezoelectric / electrostrictive layer 14 is preferably performed at the stage where it is formed on the lower electrode 12 (therefore, the upper electrode 16 is not formed), but the upper electrode 16 is further formed thereon. Piezoelectric / electrostrictive layer 14
There is no problem even if firing is performed.

【0033】このようにして得られる本発明に従う圧電
/電歪膜型素子は、そのダイヤフラム部位において外方
に凸なる形状を有していることによって、当該部位の剛
性が高く、またダイヤフラム部位外側からの押圧力に対
する機械的強度に優れ、更に固有振動数が大きくて、応
答速度が速いという特徴を有すると共に、隣接する圧電
/電歪作動部を同時駆動させた場合における変位量が、
それぞれの単独駆動の場合の変位量と殆ど変わることが
ないという、格別の特徴を発揮するものであって、これ
によりセンサやアクチュエ−タ等の各種の用途に有利に
用いられ得ることとなったのである。
The piezoelectric / electrostrictive film type element according to the present invention thus obtained has a high rigidity at the diaphragm portion, and has a high rigidity at the diaphragm portion, and the outside of the diaphragm portion. It has excellent mechanical strength against pressing force from, and has a characteristic that the natural frequency is large and the response speed is fast, and the displacement amount when adjacent piezoelectric / electrostrictive actuating parts are driven simultaneously is
It exhibits a special feature that it is almost the same as the displacement amount in the case of each individual drive, and it can be advantageously used for various applications such as sensors and actuators. Of.

【0034】尤も、この本発明に従う圧電/電歪膜型素
子は、そのダイヤフラム部位の外面側に設けられた圧電
/電歪作動部による作動によって、その変位が効果的に
為され得るようになっているところから、各種の圧電/
電歪膜型素子として有利に用いられ得るものである。す
なわち、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
レイや内野研二著(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
ータ等に用いられるユニモルフ型等の、屈曲変位を発生
させるタイプの圧電/電歪膜型アクチュエータとして、
特に有利に用いられ得るのである。
Of course, the piezoelectric / electrostrictive film type element according to the present invention can be effectively displaced by the operation of the piezoelectric / electrostrictive operating portion provided on the outer surface side of the diaphragm portion. Various piezoelectric /
It can be advantageously used as an electrostrictive film type element. That is, in addition to filters, various sensors such as acceleration sensors and shock sensors, transformers, microphones, sounding bodies (speakers, etc.), power and communication oscillators and oscillators, displays and Kenji Uchino (ed. ) "Piezoelectric /
Electrostrictive Actuator From Basic to Applied "(Morikita Publishing)
As a piezoelectric / electrostrictive film type actuator of a type that causes a bending displacement, such as a unimorph type used in a servo displacement element, a pulse drive motor, an ultrasonic motor, etc.
It can be used particularly advantageously.

【0035】因みに、図5には、本発明に従う圧電/電
歪膜型素子の一例が概略的に示されており、また図6に
は、その分解斜視図が示されている。そして、そこに図
示される圧電/電歪膜型素子20は、セラミック基体2
2とそのダイヤフラム部位(26)の外方に突出した外
表面に配置された圧電/電歪作動部24とが一体化され
てなる構造とされており、その圧電/電歪作動部24
が、印加電圧に従い、セラミック基体22の薄肉のダイ
ヤフラム部位(26)を屈曲変形せしめるようになって
いる。
Incidentally, FIG. 5 schematically shows an example of the piezoelectric / electrostrictive film type element according to the present invention, and FIG. 6 shows an exploded perspective view thereof. The piezoelectric / electrostrictive film type device 20 shown in the figure is the ceramic base 2
2 and the piezoelectric / electrostrictive actuating portion 24 arranged on the outer surface of the diaphragm portion (26) projecting outward, and the piezoelectric / electrostrictive actuating portion 24 is integrated.
However, the thin diaphragm portion (26) of the ceramic base 22 is bent and deformed according to the applied voltage.

【0036】より詳細には、セラミック基体22は、そ
れぞれ、ジルコニア材料からなる薄肉の平板形状を呈す
る閉塞プレート(ダイヤフラム板)26と接続プレート
(ベースプレート)28が同じくジルコニア材料からな
るスペーサプレート(ベースプレート)30を挟んで重
ね合わされてなる構造をもって、一体的に形成されてい
る。そして、接続プレート28には、所定の間隔を隔て
て連通用開孔部32の複数(ここでは3個)が形成さ
れ、外部との連通部となるように構成されている。な
お、この連通用開孔部32の個数、形状、寸法、位置等
は、圧電/電歪膜型素子20の用途に応じて適宜に選定
されることとなる。また、スペーサプレート30には、
正方形状の窓部36が複数個(ここでは3個)形成され
ている。そして、それら各窓部36に対して、前記接続
プレート28に設けられた各1つの連通用開孔部32が
開孔せしめられるように、かかるスペーサプレート30
が、接続プレート28に対して重ね合わされているので
ある。更にまた、このスペーサプレート30における接
続プレート28が重ね合わされた側とは反対側の面に
は、閉塞プレート26が重ね合わされており、この閉塞
プレート26にて窓部36の開孔が覆蓋されている。そ
れによって、セラミック基体22の内部には、連通用開
孔部32を通じて、外部に連通された加圧室38が形成
されているのである。なお、このようなセラミック基体
22は、前述せるように、所定のセラミック材料、ここ
ではジルコニア材料を用いて、一体焼成品として形成さ
れている。また、ここでは、閉塞プレート(ダイヤフラ
ム板)とスペーサプレート(ベースプレート)と接続プ
レート(ベースプレート)とから構成される3層構造品
を例示したが、4層構造品或いは、図7に示すようなそ
れ以上の多層構造品とすることも可能である。なお、図
7において、46、48は、それぞれ中間室及び連通孔
を示す。
More specifically, in the ceramic base 22, the closing plate (diaphragm plate) 26 and the connecting plate (base plate) 28, which are each made of a zirconia material and have a thin flat plate shape, are spacer plates (base plates) that are also made of a zirconia material. It is integrally formed with a structure in which 30 is sandwiched in between. A plurality of communication opening portions 32 (here, three) are formed on the connection plate 28 at predetermined intervals, and are configured to serve as communication portions with the outside. The number, shape, size, position, etc. of the communication openings 32 are appropriately selected depending on the application of the piezoelectric / electrostrictive film type element 20. In addition, the spacer plate 30 includes
A plurality of (here, three) square windows 36 are formed. Then, the spacer plate 30 is formed so that each one communication opening 32 provided in the connection plate 28 is opened in each of the windows 36.
Are superposed on the connection plate 28. Furthermore, a closing plate 26 is placed on the surface of the spacer plate 30 opposite to the side on which the connection plate 28 is placed, and the opening of the window portion 36 is covered by the closing plate 26. There is. As a result, a pressure chamber 38 that communicates with the outside through the communication opening 32 is formed inside the ceramic substrate 22. It should be noted that such a ceramic substrate 22 is formed as an integrally fired product by using a predetermined ceramic material, here, a zirconia material, as described above. In addition, here, the three-layer structure product including the closing plate (diaphragm plate), the spacer plate (base plate), and the connection plate (base plate) is illustrated, but a four-layer structure product or that as shown in FIG. 7 is used. It is also possible to use the above multi-layer structure product. In FIG. 7, reference numerals 46 and 48 respectively denote an intermediate chamber and a communication hole.

【0037】また、かかるセラミック基体22には、そ
の閉塞プレート26の外面上における、各加圧室38に
対応する部位に、それぞれ、膜状の圧電/電歪作動部2
4が設けられている。この圧電/電歪作動部24は、セ
ラミック基体22の窓部36部位に位置する閉塞プレー
ト26部分、即ちダイヤフラム部位の外面上に、下部電
極40、圧電/電歪層42及び上部電極44を膜形成法
によって順次形成することにより、構成されたものであ
る。
In addition, in the ceramic base 22, the film-shaped piezoelectric / electrostrictive actuating portion 2 is provided on the outer surface of the closing plate 26 at a portion corresponding to each pressurizing chamber 38.
4 are provided. The piezoelectric / electrostrictive actuating portion 24 has a lower electrode 40, a piezoelectric / electrostrictive layer 42, and an upper electrode 44 formed on the outer surface of the closing plate 26 located at the window portion 36 of the ceramic base 22, that is, the diaphragm portion. It is configured by sequentially forming by a forming method.

【0038】従って、このようなセラミック基体22の
ダイヤフラム部位(26)上に圧電/電歪作動部24が
一体的に設けられてなる圧電/電歪膜型素子20にあっ
ては、その圧電/電歪作動部24の作動に基づいて、加
圧室38内が加圧せしめられることとなり、以てかかる
加圧室38内の流体の吐出が効果的に実現され得るので
ある。また、本構造の圧電/電歪膜型素子は、アクチュ
エータとしてだけでなく、ダイヤフラム部の屈曲変位を
電圧信号として取り出し、センサとしても使用され得る
ものである。
Therefore, in the piezoelectric / electrostrictive film type element 20 in which the piezoelectric / electrostrictive operating portion 24 is integrally provided on the diaphragm portion (26) of the ceramic substrate 22 as described above, Based on the operation of the electrostrictive operating unit 24, the inside of the pressurizing chamber 38 is pressurized, and thus the discharge of the fluid in the pressurizing chamber 38 can be effectively realized. Further, the piezoelectric / electrostrictive film type element of this structure can be used not only as an actuator but also as a sensor by taking out the bending displacement of the diaphragm portion as a voltage signal.

【0039】このように、本発明に従う圧電/電歪膜型
素子は、アクチュエータやセンサとして、有利にはディ
スプレイ、スピーカー、サーボ変位素子、パルス駆動モ
ータ、超音波モータ、加速度センサ、衝撃センサの構成
部材に用いられ得るものであるが、勿論、その他の公知
の各種用途にも有利に用いられ得ることは、言うまでも
ないところである。
As described above, the piezoelectric / electrostrictive film type element according to the present invention is used as an actuator or a sensor, and is preferably a display, a speaker, a servo displacement element, a pulse drive motor, an ultrasonic motor, an acceleration sensor, or an impact sensor. It is needless to say that it can be used as a member, but of course, it can be advantageously used for various other known uses.

【0040】[0040]

【実施例】以下に、本発明の代表的な実施例を示し、本
発明を更に具体的に明らかにすることとするが、本発明
が、そのような実施例の記載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。
また、本発明には、以下の実施例の他にも、更には上記
した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。
Hereinafter, typical examples of the present invention will be described to clarify the present invention more specifically. However, the present invention is not limited by the description of such examples. It goes without saying that it is not what you receive.
Further, in addition to the specific description above, in addition to the following examples, the present invention, various modifications based on the knowledge of those skilled in the art without departing from the spirit of the present invention,
It should be understood that modifications, improvements, etc. can be made.

【0041】実施例 1 矩形形状のセラミック基体の長手方向に、図6と同様な
配列形態にて、0.2mmの間隔を隔てて、0.5mm
×0.7mmの大きさの矩形の窓部が、該矩形の窓部の
0.5mmの長さを有する辺の延びる方向に沿って4個
配列されてなると共に、それら窓部が、10μmの厚み
のダイヤフラム部にて、覆蓋されてなる一体的構造のセ
ラミック基体を準備した。なお、このセラミック基体
は、その基体本体部及びダイヤフラム部共に、平均粒径
0.4μmの、イットリアで部分安定化されたジルコニ
ア材料の粉末を用いて成形されたグリーンシートを使用
して、常法に従って成形、焼成されたものであり、その
基体本体部の厚さは、焼成後に200μmとなるように
した。
Example 1 0.5 mm in the longitudinal direction of a rectangular ceramic substrate with an arrangement similar to that shown in FIG. 6 at intervals of 0.2 mm.
Four rectangular windows having a size of 0.7 mm are arranged along the extending direction of the sides having a length of 0.5 mm of the rectangular windows, and the windows have a size of 10 μm. A ceramic base body having an integral structure in which a diaphragm portion having a thickness is covered is prepared. This ceramic substrate is formed by a conventional method using a green sheet formed by using a powder of a zirconia material partially stabilized with yttria and having an average particle diameter of 0.4 μm for both the substrate body and the diaphragm. The substrate body was molded and fired according to the procedure described above, and the thickness of the base body was 200 μm after firing.

【0042】そして、このセラミック基体のダイヤフラ
ム部の外面上の所定位置に、白金ペーストを用いて、ス
クリーン印刷法により、焼成後の厚みが5μmとなるよ
うに印刷し、120℃で10分間乾燥した後、1350
℃で2時間焼成することにより、下部電極を形成し、更
にこの下部電極上に、圧電/電歪材料としてマグネシウ
ムニオブ酸鉛とジルコン酸鉛とチタン酸鉛とからなる材
料を用いて、焼成後の厚みが30μmとなるように、ス
クリーン印刷法により印刷し、120℃で20分間乾燥
した後、1300℃で圧電/電歪層の焼成を行なって、
圧電/電歪層を形成した。更に、このようにしてダイヤ
フラム部上に下部電極及び圧電/電歪層の形成されたセ
ラミック基体を用い、それぞれの窓部内に、凸形状をし
たアルミナセラミックピンを嵌入せしめ、それぞれのダ
イヤフラム部を内側(下部電極や圧電/電歪層の形成さ
れていない側)から押圧せしめて、1300℃の温度で
再焼成することにより、それぞれのダイヤフラム部が外
方に20μm(h)の割合で突出せしめられた形状のセ
ラミック基体を得た。
Then, a platinum paste was used at a predetermined position on the outer surface of the diaphragm portion of the ceramic substrate by screen printing so as to have a thickness of 5 μm after firing, and dried at 120 ° C. for 10 minutes. After 1350
A lower electrode is formed by firing at 2 ° C. for 2 hours, and a material made of lead magnesium niobate, lead zirconate, and lead titanate is used as a piezoelectric / electrostrictive material on the lower electrode, and after firing, To be 30 μm in thickness by screen printing, drying at 120 ° C. for 20 minutes, and then firing the piezoelectric / electrostrictive layer at 1300 ° C.,
A piezoelectric / electrostrictive layer was formed. Further, by using the ceramic substrate having the lower electrode and the piezoelectric / electrostrictive layer formed on the diaphragm portion in this way, the alumina ceramic pins having a convex shape are fitted into the respective window portions, and the respective diaphragm portions are placed inside. By pressing from the side (where the lower electrode and the piezoelectric / electrostrictive layer are not formed) and re-baking at a temperature of 1300 ° C., each diaphragm part is projected outward at a rate of 20 μm (h). A shaped ceramic substrate was obtained.

【0043】その後、こうして得られたセラミック基体
の外方に凸なる形状のダイヤフラム部上に設けられてい
る下部電極及び圧電/電歪層の上に、更に上部電極とし
て、Cr薄膜及びCu薄膜をスパッタリング法にて形成
し、以て目的とする圧電/電歪膜型素子(本発明素子)
を得た。なお、上部電極の厚さは、全体として0.3μ
mとした。また、この得られた圧電/電歪膜型素子にお
ける各圧電/電歪作動部の上部電極と下部電極との間
に、100Vの電圧を掛けて、それぞれ分極処理せしめ
た。
Thereafter, on the lower electrode and the piezoelectric / electrostrictive layer provided on the diaphragm portion of the ceramic substrate thus obtained, which is convex outward, Cr thin film and Cu thin film are further used as upper electrodes. A piezoelectric / electrostrictive film type element (element of the present invention) which is formed by a sputtering method and is thus intended
I got The total thickness of the upper electrode is 0.3 μm.
m. In addition, a voltage of 100 V was applied between the upper electrode and the lower electrode of each piezoelectric / electrostrictive actuating portion in the obtained piezoelectric / electrostrictive film type element to perform polarization treatment.

【0044】一方、従来素子として、前記で準備したセ
ラミック基体を用い、そのダイヤフラム部上に、導電性
接着剤を使用して、厚さ30μmの圧電/電歪材料の板
を貼り付けて、従来と同様な圧電/電歪素子を作製し
た。
On the other hand, as a conventional element, the ceramic substrate prepared as described above was used, and a plate of a piezoelectric / electrostrictive material having a thickness of 30 μm was pasted on the diaphragm portion using a conductive adhesive. A piezoelectric / electrostrictive element similar to the above was produced.

【0045】かくして得られた二つの素子について、各
圧電/電歪作動部に電圧を印加せしめて駆動させた場合
における全駆動時の変位量/単独駆動時の変位量の割合
を求めると共に、各素子のダイヤフラム部の固有振動数
及び破壊荷重を求めて、その結果を、下記表1に示し
た。
With respect to the two elements thus obtained, the ratio of the displacement amount at the time of full drive / the displacement amount at the time of single drive when the voltage is applied to each piezoelectric / electrostrictive operating portion to drive it is obtained, and The natural frequency and the breaking load of the diaphragm portion of the device were determined, and the results are shown in Table 1 below.

【0046】なお、各素子における圧電/電歪作動部の
作動評価においては、分極処理と同様な方向に電圧30
Vを各素子の各圧電/電歪作動部の上部電極と下部電極
との間に印加し、レーザードップラー装置により、各圧
電/電歪作動部の変位量(単独変位量)をそれぞれ測定
すると共に、その固有振動数を測定した。また、各素子
の4個の圧電/電歪作動部の全部に30Vの電圧を印加
し、それぞれの圧電/電歪作動部の変位量を測定し、そ
の平均値を全駆動時の変位量とした。そして、これら得
られた値より、(全駆動変位量/単独変位量)×100
(%)にて全駆動/単独駆動変位量の比(%)を算出し
た。更に、破壊荷重は、各素子のそれぞれのダイヤフラ
ム部の中央付近を外側(下部電極や圧電/電歪層の形成
されている側)から0.2mm径の圧子によって押圧
し、その破壊荷重を求めた。
In the operation evaluation of the piezoelectric / electrostrictive actuating portion in each element, a voltage of 30 is applied in the same direction as the polarization process.
V is applied between the upper electrode and the lower electrode of each piezoelectric / electrostrictive operating portion of each element, and the displacement amount (single displacement amount) of each piezoelectric / electrostrictive operating portion is measured by a laser Doppler device. , Its natural frequency was measured. In addition, a voltage of 30 V is applied to all four piezoelectric / electrostrictive operating parts of each element, the displacement amount of each piezoelectric / electrostrictive operating part is measured, and the average value thereof is taken as the displacement amount at the time of full driving. did. Then, from these obtained values, (total driving displacement / single displacement) × 100
The ratio (%) of the total drive amount / single drive displacement amount was calculated in (%). Further, the breaking load is obtained by pressing the vicinity of the center of each diaphragm part of each element from the outside (the side on which the lower electrode and the piezoelectric / electrostrictive layer are formed) with an indenter having a diameter of 0.2 mm. It was

【0047】 [0047]

【0048】かかる表1の結果から明らかなように、本
発明に従ってセラミック基体のダイヤフラム部を外方に
凸なる形状とし、その凸形状の外面に圧電/電歪作動部
を形成せしめた素子にあっては、圧電/電歪作動部の全
駆動時の変位量と単独駆動時の変位量とが略等しく、従
来素子の50%に比べて、著しく改善されていることが
認められる。また、固有振動数及び破壊荷重において
も、本発明に従う素子にあっては、従来素子に比べて、
顕著な改善効果が認められるのである。
As is clear from the results shown in Table 1, there is an element in which the diaphragm portion of the ceramic substrate is convex outward and the piezoelectric / electrostrictive operating portion is formed on the convex outer surface according to the present invention. It is recognized that the amount of displacement of the piezoelectric / electrostrictive actuating portion at the time of full driving is substantially equal to the amount of displacement at the time of single driving, which is significantly improved compared to 50% of the conventional element. Further, also in the natural frequency and the breaking load, in the element according to the present invention, compared with the conventional element,
A remarkable improvement effect is recognized.

【0049】実施例 2 3モル%イットリア部分安定化ジルコニア粉末:80重
量%とアルミナ粉末:20重量%とからなる、平均粒子
径0.4μmのセラミック混合粉末を用い、常法に従っ
て、バインダ、可塑剤及び有機溶剤を混合せしめて、ス
ラリーを調製し、このスラリーより、ドクターブレード
法にて、焼成後の厚みが200μmとなるように、ベー
スプレート用グリーンシートを成形した。
Example 2 A ceramic mixed powder consisting of 3 mol% yttria partially stabilized zirconia powder: 80% by weight and alumina powder: 20% by weight and having an average particle size of 0.4 μm was used, and a binder and a plastic were prepared in accordance with a conventional method. A slurry was prepared by mixing the agent and the organic solvent, and a green sheet for a base plate was formed from the slurry by a doctor blade method so that the thickness after firing was 200 μm.

【0050】一方、平均粒子径0.3μmの3モル%イ
ットリア部分安定化ジルコニア粉末を用いて、常法に従
ってバインダ、可塑剤及び有機溶剤を配合してスラリー
を調製した後、リバースロールコータ装置にて焼成後の
厚みが10μmとなるように、ダイヤフラム板用グリー
ンシートを成形した。
On the other hand, a 3 mol% yttria partially stabilized zirconia powder having an average particle diameter of 0.3 μm was mixed with a binder, a plasticizer and an organic solvent according to a conventional method to prepare a slurry, which was then placed in a reverse roll coater apparatus. A green sheet for a diaphragm plate was formed so that the thickness after firing was 10 μm.

【0051】その後、上記の如くして得られたベースプ
レート用グリーンシートを所定の金型にてパターン打抜
き(窓部の形成)した後、これに、上記で作製したダイ
ヤフラム板用グリーンシートを重ね合わせ、100kg
/cm2 の圧力下に、80℃×1分の条件にて熱圧着せし
めた。そして、この得られた一体積層物を1500℃の
温度で2時間焼成することにより、ダイヤフラム部が外
方に突出せしめられてなる(突出量:H=30μm)セ
ラミック基体を得た。
Then, the green sheet for base plate obtained as described above is punched out with a predetermined die (formation of a window portion), and the green sheet for diaphragm plate produced above is superposed on it. , 100 kg
Thermocompression bonding was performed under the condition of 80 ° C. × 1 minute under a pressure of / cm 2 . Then, the obtained monolithic laminate was fired at a temperature of 1500 ° C. for 2 hours to obtain a ceramic substrate in which the diaphragm portion was projected outward (protrusion amount: H = 30 μm).

【0052】次いで、この得られたセラミック基体を用
い、その外方に突出されたダイヤフラム部の外面上に、
実施例1と同様にして、下部電極及び圧電/電歪層を形
成して、その焼成を行なったところ、かかるダイヤフラ
ム部の突出量は、実施例1と同様に、約20μm(=
h)となった。そして、この焼成された圧電/電歪層の
上に、実施例1と同様にして、上部電極を形成すること
により、本発明に従う圧電/電歪膜型素子を得た。
Next, using the obtained ceramic substrate, on the outer surface of the diaphragm portion protruding outward,
When the lower electrode and the piezoelectric / electrostrictive layer were formed and fired in the same manner as in Example 1, the protrusion amount of the diaphragm portion was about 20 μm (=
h). Then, an upper electrode was formed on the fired piezoelectric / electrostrictive layer in the same manner as in Example 1 to obtain a piezoelectric / electrostrictive film type element according to the present invention.

【0053】このようにして得られた圧電/電歪膜型素
子について、実施例1と同様にして全駆動/単独駆動変
位量、固有振動数及び破壊荷重を測定したところ、実施
例1における素子と同様な優れた結果が得られた。
With respect to the piezoelectric / electrostrictive film type element thus obtained, the total drive / single drive displacement amount, natural frequency and breaking load were measured in the same manner as in Example 1, and the element in Example 1 was obtained. Similar excellent results were obtained.

【0054】実施例 3 再焼成時にセラミック基体のダイヤフラム部を押圧せし
めるアルミナセラミックピンの凸形状(突出し量)を変
えること以外は、実施例1と同様にして、本発明に従う
圧電/電歪膜型素子を作製した。なお、かかるアルミナ
セラミックピンの変更によって、本実施例にて得られた
素子は、そのダイヤフラム部が40μmの高さ(=h)
にて外方に凸なる形状となった。
Example 3 A piezoelectric / electrostrictive film type according to the present invention was carried out in the same manner as in Example 1 except that the convex shape (amount of protrusion) of the alumina ceramic pin that pressed the diaphragm portion of the ceramic substrate during re-baking was changed. A device was produced. By changing the alumina ceramic pins, the element obtained in this example has a diaphragm portion with a height of 40 μm (= h).
The shape became convex outward.

【0055】かくして得られた圧電/電歪膜型素子につ
いて、実施例1と同様にして、全駆動/単独駆動変位
量、固有振動数、破壊荷重を測定し、その結果を、下記
表2に示した。なお、表2には、実施例1において得ら
れた本発明素子についての評価結果も併せて示されてい
るが、それらの評価結果の対比からも明らかな如く、セ
ラミック基板のダイヤフラム部の凸率を8%とすること
により、固有振動数及び破壊荷重において優れているこ
とが認められ、一方、単独駆動変位量においては、凸率
を4%とする方が、大きな変位を得ることが出来るので
ある。
With respect to the piezoelectric / electrostrictive film type element thus obtained, the total drive / single drive displacement amount, natural frequency and breaking load were measured in the same manner as in Example 1, and the results are shown in Table 2 below. Indicated. Table 2 also shows the evaluation results for the element of the present invention obtained in Example 1. As is clear from the comparison of the evaluation results, the convexity of the diaphragm portion of the ceramic substrate is shown. 8%, it is recognized that the natural frequency and the breaking load are excellent. On the other hand, in the single drive displacement amount, a convexity of 4% makes it possible to obtain a large displacement. is there.

【0056】 凸率:(h/m)×100(%)[0056] Convex rate: (h / m) x 100 (%)

【0057】[0057]

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、セラミック基体の圧電/電歪作動部の設けら
れるダイヤフラム部位の剛性が効果的に高められ得、ま
た、そのダイヤフラム部位外側からの押圧に対する機械
的強度や固有振動数が効果的に大ならしめられ得て、そ
の応答速度が有利に高められ得ると共に、圧電/電歪作
動部に発生する歪みや応力を効率よく変位に変え得る等
の優れた特徴を有する圧電/電歪膜型素子が、効果的に
実現され得たのである。
As is apparent from the above description, according to the present invention, the rigidity of the diaphragm portion of the ceramic substrate where the piezoelectric / electrostrictive operating portion is provided can be effectively enhanced, and the outside of the diaphragm portion can be effectively improved. The mechanical strength and natural frequency against the pressure from can be effectively increased, the response speed can be advantageously increased, and the strain and stress generated in the piezoelectric / electrostrictive operating part can be efficiently displaced. A piezoelectric / electrostrictive film type element having excellent characteristics such as changeability can be effectively realized.

【0058】また、本発明に従う圧電/電歪膜型素子に
おいては、その複数の圧電/電歪作動部を同時に駆動せ
しめた場合にあっても、それぞれの変位量が、それら圧
電/電歪作動部の単独駆動の場合に比して、それほど低
下するようなことがなく、それら圧電/電歪作動部の駆
動形態において、その変位量が変化する等の問題もな
く、均一な変位量を示し、品質の均一な素子となるので
ある。
Further, in the piezoelectric / electrostrictive film type element according to the present invention, even when the plurality of piezoelectric / electrostrictive actuating portions are simultaneously driven, the respective displacement amounts are the same. Compared to the case where the parts are driven independently, it does not decrease so much, and in the drive form of these piezoelectric / electrostrictive actuating parts, there is no problem that the amount of displacement changes, etc. Therefore, it becomes an element of uniform quality.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明に従う圧電/電歪膜型素子の基本的な構
造の一例を示す分解斜視図である。
FIG. 1 is an exploded perspective view showing an example of a basic structure of a piezoelectric / electrostrictive film type element according to the present invention.

【図2】図1に示される圧電/電歪膜型素子の断面説明
図である。
2 is a cross-sectional explanatory view of the piezoelectric / electrostrictive film type device shown in FIG.

【図3】図1に示される圧電/電歪膜型素子における窓
部の中心を通る最短寸法の方向(窓部6の短辺方向)に
おける断面の拡大説明図である。
3 is an enlarged explanatory view of a cross section in the direction of the shortest dimension (the short side direction of the window portion 6) passing through the center of the window portion in the piezoelectric / electrostrictive film type element shown in FIG.

【図4】本発明に従う圧電/電歪膜型素子の製造方法の
一例の工程を示す部分断面拡大説明図である。
FIG. 4 is an enlarged partial cross-sectional explanatory view showing steps of an example of a method for manufacturing a piezoelectric / electrostrictive film type element according to the present invention.

【図5】本発明に係る圧電/電歪膜型素子の一例を示す
断面図である。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing an example of a piezoelectric / electrostrictive film type element according to the present invention.

【図6】図5に示される圧電/電歪膜型素子の分解斜視
図である。
FIG. 6 is an exploded perspective view of the piezoelectric / electrostrictive film type element shown in FIG.

【図7】本発明に係る圧電/電歪膜型素子の他の一例を
示す断面図である。
FIG. 7 is a cross-sectional view showing another example of the piezoelectric / electrostrictive film type element according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

2 セラミック基体 4 ベースプレート 6 窓部 8 ダイヤフラム板 10 ダイヤフラム部位 12 下部電極 14 圧電/電歪層 16 上部電極 18 圧電/電歪作動部 2 Ceramic Base 4 Base Plate 6 Window 8 Diaphragm Plate 10 Diaphragm Part 12 Lower Electrode 14 Piezoelectric / Electrostrictive Layer 16 Upper Electrode 18 Piezoelectric / Electrostrictive Actuator

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 少なくとも一つの窓部を有すると共に、
該窓部を覆蓋するように、薄肉のダイヤフラム部が一体
に設けられてなるセラミック基体と、該ダイヤフラム部
の外面上に膜形成法によって層状に順次設けた下部電
極、圧電/電歪層及び上部電極より構成される膜状の圧
電/電歪作動部とを備えた圧電/電歪膜型素子にして、 前記セラミック基体におけるダイヤフラム部が外方に凸
なる形状を有し、該凸形状の外面上に前記膜状の圧電/
電歪作動部が形成されていることを特徴とする圧電/電
歪膜型素子。
1. Having at least one window,
A ceramic substrate integrally provided with a thin diaphragm part so as to cover the window part, a lower electrode, a piezoelectric / electrostrictive layer and an upper part which are sequentially provided in layers on the outer surface of the diaphragm part by a film forming method. A piezoelectric / electrostrictive film type element comprising a film-shaped piezoelectric / electrostrictive operating portion composed of electrodes, wherein a diaphragm portion of the ceramic substrate has a shape protruding outward, and an outer surface of the protruding shape The film-shaped piezoelectric /
A piezoelectric / electrostrictive film type element, wherein an electrostrictive actuating portion is formed.
【請求項2】 前記セラミック基体におけるダイヤフラ
ム部の外方に凸なる形状の突出量が、前記窓部の中心を
通る最短寸法の5%以下とされている請求項1に記載の
圧電/電歪膜型素子。
2. The piezoelectric / electrostrictive element according to claim 1, wherein the protrusion amount of the shape protruding outward of the diaphragm portion of the ceramic substrate is 5% or less of the shortest dimension passing through the center of the window portion. Membrane type device.
【請求項3】 前記ダイヤフラム部の平均結晶粒子径
が、5μm以下である請求項1又は請求項2に記載の圧
電/電歪膜型素子。
3. The piezoelectric / electrostrictive film type element according to claim 1, wherein the average crystal grain size of the diaphragm portion is 5 μm or less.
【請求項4】 前記ダイヤフラム部の厚さが、50μm
以下である請求項1乃至請求項3の何れかに記載の圧電
/電歪膜型素子。
4. The thickness of the diaphragm portion is 50 μm
The piezoelectric / electrostrictive film type element according to any one of claims 1 to 3, which is as follows.
【請求項5】 前記圧電/電歪作動部の厚さが、100
μm以下である請求項1乃至請求項4の何れかに記載の
圧電/電歪膜型素子。
5. The piezoelectric / electrostrictive operating portion has a thickness of 100.
The piezoelectric / electrostrictive film type element according to any one of claims 1 to 4, which has a thickness of not more than μm.
【請求項6】 前記セラミック基体が複数の窓部を有
し、それら窓部に前記ダイヤフラム部がそれぞれ外方に
凸なる形状に一体に形成されていると共に、該ダイヤフ
ラム部の各々の外面上に、前記圧電/電歪作動部が形成
されている請求項1乃至請求項5の何れかに記載の圧電
/電歪膜型素子。
6. The ceramic substrate has a plurality of windows, and the diaphragms are integrally formed in the windows so as to project outward, and the diaphragms are formed on the outer surfaces of the respective diaphragms. The piezoelectric / electrostrictive film type element according to any one of claims 1 to 5, wherein the piezoelectric / electrostrictive operating portion is formed.
【請求項7】 少なくとも一つの窓部を有すると共に、
該窓部を覆蓋するように、薄肉のダイヤフラム部が一体
に設けられてなるセラミック基体と、該ダイヤフラム部
の外面上に膜形成法によって層状に順次設けた下部電
極、圧電/電歪層及び上部電極より構成される膜状の圧
電/電歪作動部とを備えた圧電/電歪膜型素子を製造す
る方法にして、 前記セラミック基体におけるダイヤフラム部が外方に凸
なる形状を呈するものを準備し、次いで該外方に凸なる
形状のダイヤフラム部の外面上に、膜形成法によって前
記下部電極及び圧電/電歪層を順次層状に形成し、更に
必要に応じて前記上部電極を設けた後、かかる圧電/電
歪層を焼成せしめて、該ダイヤフラム部の凸形状の外面
上に少なくとも該下部電極及び圧電/電歪層を一体的に
形成したことを特徴とする圧電/電歪膜型素子の製造方
法。
7. Having at least one window,
A ceramic substrate integrally provided with a thin diaphragm part so as to cover the window part, a lower electrode, a piezoelectric / electrostrictive layer and an upper part which are sequentially provided in layers on the outer surface of the diaphragm part by a film forming method. A method for manufacturing a piezoelectric / electrostrictive film type element having a film-like piezoelectric / electrostrictive actuating portion composed of electrodes, in which a diaphragm portion of the ceramic substrate has an outwardly convex shape is prepared. Then, the lower electrode and the piezoelectric / electrostrictive layer are sequentially formed in layers on the outer surface of the outwardly convex diaphragm portion by a film forming method, and after the upper electrode is further provided as necessary. A piezoelectric / electrostrictive film type element, characterized in that the piezoelectric / electrostrictive layer is fired to integrally form at least the lower electrode and the piezoelectric / electrostrictive layer on the convex outer surface of the diaphragm portion. Manufacturing method.
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