JP3313531B2 - Piezoelectric / electrostrictive film element and method of manufacturing the same - Google Patents
Piezoelectric / electrostrictive film element and method of manufacturing the sameInfo
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
- H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
- H04R17/04—Gramophone pick-ups using a stylus; Recorders using a stylus
- H04R17/08—Gramophone 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)
Description
【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。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a piezoelectric / electrostrictive film type element, especially a unimorph type element used for a filter, a display, a microphone, a sounding body (such as a speaker), various vibrators and oscillators, and a sensor. The present invention relates to a piezoelectric / electrostrictive film element of the type which generates bending displacement or force, or detects bending displacement or force, and a method of manufacturing the same.
The element referred to here means an element that converts electrical energy into mechanical energy, that is, an element that converts mechanical energy into mechanical displacement, stress, or vibration, and also an element that performs reverse 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,
Displacement elements that adjust the optical path length and position on the order of sub-microns, and detection elements that detect minute displacements as electrical changes, have been desired. In response to this, piezoelectric elements such as ferroelectrics have been required. The development of a piezoelectric / electrostrictive element used in actuators and sensors, which is an element utilizing the phenomenon of displacement based on the inverse piezoelectric effect that occurs when an electric field is applied to a material or the opposite phenomenon, has been promoted. I have. Among them, in a speaker or the like, a conventionally known unimorph type or the like is suitably 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。[0003] For this reason, even the applicant of the present application, first,
JP-A-3-128681 and JP-A-5-49270 have proposed a ceramic piezoelectric / electrostrictive film element (actuator) which can be suitably used for various applications. This piezoelectric / electrostrictive film element has at least one window, and at least one thin wall is formed by integrally providing a thin diaphragm so as to cover the window. Comprising a ceramic substrate,
And on the outer surface of the diaphragm portion of the ceramic base,
A piezoelectric / electrostrictive operating portion composed of 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. It is a highly reliable actuator, has a large displacement at a low driving voltage, has a fast response speed, and has a great feature of generating power. It is truly useful as an actuator member or the like.
【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 studies by the present inventors on such a piezoelectric / electrostrictive film element, such a piezoelectric / electrostrictive film element has a piezoelectric / electrostrictive film at a predetermined position of a diaphragm portion of a ceramic substrate. The lower electrode, the piezoelectric / electrostrictive layer, and the upper electrode constituting the strain actuating section are sequentially laminated in a layered manner by a film forming method, and the necessary heat treatment (firing) is performed. Because it is a structure that is provided integrally on the diaphragm part, the rigidity of the thin diaphragm part is not enough, and the mechanical strength is low, so the natural frequency is small,
The response speed is inherently slow, and the piezoelectric / electrostrictive operating part, specifically, the heat treatment (firing) at the time of forming the piezoelectric / electrostrictive layer has a small operation characteristic of the piezoelectric / electrostrictive film element. It was 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 heat treatment at the time of forming the piezoelectric / electrostrictive layer causes the piezoelectric / electrostrictive layer (piezoelectric / electrostrictive operating section) to be formed.
Causes stress due to firing shrinkage between it and the diaphragm portion of the ceramic substrate, thereby hindering the sintering of the piezoelectric / electrostrictive layer, making it difficult to sufficiently perform sintering. Sufficient operating characteristics cannot be obtained.
【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 in a display, a plurality of windows are provided in a predetermined ceramic substrate in a predetermined arrangement form, and the above-mentioned thin diaphragm formed on the windows is provided with the above-described window. The piezoelectric / electrostrictive operation portion as described above is formed. However, the firing of the piezoelectric / electrostrictive layer causes the thin diaphragm portion to bend and the adjacent piezoelectric / electrostrictive portions to be formed due to the stress remaining after firing. There is also an inherent problem that the amount of displacement when the electrostriction operation unit is driven simultaneously is significantly lower than when the electrostriction operation unit is driven independently. When two adjacent piezoelectric / electrostrictive actuators are driven at the same time, the displacement of the diaphragm provided with the piezoelectric / electrostrictive actuators interferes with each other, thereby reducing the amount of their 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。Here, the present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a piezoelectric substrate having a piezoelectric member on an outer surface of a diaphragm portion constituting a thin wall portion of a ceramic substrate. In a piezoelectric / electrostrictive film type element in which an electrostriction operating portion is formed by a film forming method, a strain or stress generated in the piezoelectric / electrostriction operating portion is efficiently converted into a displacement, and a plurality of piezoelectric / electrostrictive It is an object of the present invention to reduce the rate of reduction in displacement during simultaneous driving even when operating parts are provided.
【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 producing a piezoelectric / electrostrictive film 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,
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 by a film forming method on the outer surface of the diaphragm portion; A piezoelectric / electrostrictive film type device having a film-shaped piezoelectric / electrostrictive operating portion composed of electrodes,
The diaphragm portion of the ceramic base has a shape that protrudes outward, and the film-shaped piezoelectric /
A gist is a piezoelectric / electrostrictive film element having an electrostriction operating portion formed thereon.
【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 a preferred aspect of the piezoelectric / electrostrictive film type element according to the present invention, the amount of protrusion of the ceramic base protruding outward from the diaphragm portion 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 in the piezoelectric / electrostrictive film element is 5 μm or less, and the thickness of the diaphragm is 50 μm or less. And piezoelectric /
The thickness of the electrostriction operating portion is set to 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 preferred embodiment of the piezoelectric / electrostrictive film type element according to the present invention, the ceramic base has a plurality of windows, and the diaphragms project outward in the windows. A configuration is adopted in which the piezoelectric / electrostrictive operating portion is formed integrally with the diaphragm portion on the outer surface of each of the diaphragm portions.
【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 element, the present invention has at least one window, and a thin-walled diaphragm is integrally formed so as to cover the window. A ceramic substrate provided, and a film-shaped piezoelectric / electrostrictive operating portion composed of a lower electrode, a piezoelectric / electrostrictive layer, and an upper electrode sequentially provided in layers on the outer surface of the diaphragm portion by a film forming method. In a method for manufacturing a piezoelectric / electrostrictive film element provided with the above, a ceramic substrate having a diaphragm portion having an outwardly protruding shape is prepared, and then the outer surface of the outwardly protruding diaphragm portion is provided. Then, the lower electrode and the piezoelectric / electrostrictive layer are sequentially formed in a layered form by a film forming method, and the upper electrode is further provided as necessary. Then, the piezoelectric / electrostrictive layer is baked 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, a film formed by a film forming method on the outer surface of a diaphragm portion integrally formed so as to cover a window provided in a ceramic substrate is provided. In the piezoelectric / electrostrictive film type element having the piezoelectric / electrostrictive operating portion of the above, the diaphragm portion is formed to have an outwardly convex shape, and a film-like piezoelectric / electrostrictive operating portion 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. In addition, 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 base 2 is superimposed on one surface of a base plate 4 of a predetermined thickness as a support having a rectangular window 6 of a predetermined size. And a thin diaphragm plate 8 for covering the base plate 4, and a portion of the diaphragm plate 8 located in the window 6 in the base plate 4 is a diaphragm portion 10. On the outer surface of the diaphragm portion 10 of the plate-shaped ceramic substrate 2, a thin film-shaped lower electrode 1 is formed.
2. The piezoelectric / electrostrictive layer 14 and the upper electrode 16 are sequentially laminated by a normal film forming method, and are integrally formed as a film-shaped piezoelectric / electrostrictive operating portion 18. 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 functions as an actuator, the piezoelectric / electrostrictive film element is provided between the two electrodes 12 and 16 constituting the piezoelectric / electrostrictive operating portion 18. When an electric current is applied in the same manner as in the prior art and an electric field is applied to the piezoelectric / electrostrictive layer 14, an electric field-induced distortion based on such an electric field is induced. The bending displacement or force in the direction perpendicular to the plate surface of the ceramic base 2 (diaphragm portion 10) is developed.
【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。According to the present invention, in such a piezoelectric / electrostrictive film type device, the diaphragm portion 10 of the ceramic base 2 is provided.
As shown in FIG. 3, the piezoelectric / electrostrictive operating portion is formed to have an outwardly convex shape, in other words, a curved shape protruding on the opposite side to the window portion 6. 18 are formed so that the piezoelectric /
The distortion and stress generated in the electrostriction operating section 18 can be efficiently converted into displacement, and the displacement reduction rate when the adjacent piezoelectric / electrostriction operating section 18 is 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, the displacement direction of the element is changed by the driving of the piezoelectric / electrostrictive operating portion 18 formed on the outer surface of the diaphragm portion 10 having a convex shape.
In the figure, the direction of the stress generated in the piezoelectric / electrostrictive operating part 18 during driving (arrow in the figure) is from the lower side (X direction), in other words, the direction of entering the window 6.
According to the direction (B direction), a force in the direction indicated by an arrow A acts on the base of the diaphragm portion 10 at the base thereof, and the force acts in the direction of pressing the main body portion (base plate 4 portion) of the ceramic base 2. . Therefore, even if the adjacent piezoelectric / electrostrictive actuators 18 are simultaneously driven, the decrease in the displacement is small, and the change in the displacement can be reduced as compared with the case where the piezoelectric / electrostrictive actuators 18 are driven independently. Moreover, the diaphragm part 10
Of the piezoelectric / electrostrictive operating portion 18 (specifically, at least the lower electrode 12 and the piezoelectric / electrostrictive
By forming the electrostrictive layer 14), the rigidity of the portion can be advantageously increased. Further, due to such a convex shape of the diaphragm portion 10, a load caused by the pressing force in a 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 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 device,
The amount of protrusion of the ceramic base 2 having a shape protruding outward from the diaphragm portion 10 is appropriately determined so that the object of the present invention can be achieved. In, the protrusion amount is
The protrusion amount (h) in the vicinity of the center of the diaphragm portion 10 with respect to the shortest dimension (m) passing through the center of the window portion 6 in the ceramic base 2, in other words, the protrusion ratio [y expressed as a percentage of the maximum protrusion amount (h)] = (H / m) × 100] is 50
% Or less, and in order to obtain a particularly large displacement, the amount of protrusion is advantageously 5 mm of the shortest dimension passing through the center of the window 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 device according to the present invention, as the material for the ceramic substrate 2 on which the piezoelectric / electrostrictive operating portion 18 is formed, various known materials are appropriately selected. In general, a stabilized zirconia material, a partially stabilized zirconia material, an alumina material, a mixed material thereof, and the like are preferably used. Among them, in particular, the inventors of the present invention disclosed in JP-A-5-270912. As has been clarified, by adding a compound such as yttrium oxide, the crystal phase is mainly made of tetragonal, or a mixed crystal mainly composed of at least two or more crystal phases of cubic, tetragonal and monoclinic. A material mainly composed of partially stabilized zirconia is preferably used. Ceramic substrate 2 formed from such a material
This is because they exhibit characteristics such as high mechanical strength and high toughness even at a small plate thickness and little chemical reaction with the piezoelectric / electrostrictive material. The ceramic substrate 2
The window 6 is formed using a machining method such as a mold or ultrasonic machining.
A green sheet provided with a base plate 4 provided with a hole portion to be formed has a diaphragm plate 8 (a diaphragm portion 1).
It is preferable from the viewpoint of high reliability that the thin green sheet giving 0) is formed by laminating, thermocompression bonding, baking, and integrating. In addition, the ceramic constituting the diaphragm portion 10 on which the piezoelectric / electrostrictive operating portion 18 of the ceramic base 2 is formed generally has a crystal grain size of 5 μm or less, preferably 2 μm or less in terms of mechanical strength. The thickness of the diaphragm portion 10 is generally 50 μm or less, preferably 30 μm or less, and more preferably 15 μm or less, in order to obtain high-speed response and large displacement of the element.
It is desirable to make the following.
【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 of the green sheets providing the base plate 4 and the diaphragm plate 8 can be formed by superposing a plurality of sheet components. 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 rectangular (quadrangle), the shape is not limited to this. For example, a circular shape, a polygonal shape, an elliptical shape, or a combination thereof may be used according to the application of the piezoelectric / electrostrictive film element. An arbitrary shape such as the above is appropriately selected. In the shape of the windows 6, the shortest dimension (m) passing through the center is, for example, the diameter of a circular shape,
In the illustrated rectangle, the length corresponds to the short side length, and in the elliptical shape, the length corresponds to the short axis length.
【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, predetermined electrodes 12, 16 are placed on the diaphragm portion 10 of the ceramic substrate 2 thus obtained.
And a piezoelectric / electrostrictive layer 14, and a piezoelectric / electrostrictive operating section 18.
In order to form the piezoelectric / electrostrictive layer 14, a thick film is formed by screen printing, spraying, coating, dipping, coating, or the like. The technique 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 using a paste or a slurry containing piezoelectric / electrostrictive ceramic particles of about m as a main component, and good element characteristics can be obtained. . Among these thick film forming methods, the screen printing method is particularly preferably used in that 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 or the like at a low operating voltage.
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 material of 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, a simple metal or an alloy may be used, or a mixture of an insulating ceramic and a simple metal or an alloy thereof, or a conductive ceramic may be used.
However, more preferably, platinum, palladium, high melting point noble metals such as rhodium, or silver-palladium, silver-platinum,
An electrode material mainly composed of an alloy such as platinum-palladium, or a cermet material of platinum and a ceramic base material or a piezoelectric material is preferably used. Among them, more preferably, a material containing only platinum or a platinum-based alloy as a main component is preferable. 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, 16 are respectively
Using such a conductor material, the above-mentioned thick film forming method or sputtering, ion beam, vacuum deposition, ion plating, CVD, will be formed according to a normal film forming method by a thin film forming method such as plating,
Above all, with respect to the formation of the lower electrode 12, a method of forming a thick film such as screen printing, spraying, dipping, coating or the like is preferably employed. The formation technique is also suitably adopted, and both of the electrodes 12 and 16 are generally formed in a thickness of 20 μm or less, preferably 5 μm or less. In addition, the total thickness of the piezoelectric / electrostrictive operating portion 18 obtained by adding the thickness of the piezoelectric / electrostrictive layer 14 to the thickness of the electrodes 12 and 16 is generally 100 μm or less, preferably 50 μm or less. You.
【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。The piezoelectric / electrostrictive material for providing the film-shaped piezoelectric / electrostrictive layer 14 in the piezoelectric / electrostrictive operating section 18 includes:
Preferably, a material mainly containing lead zirconate titanate (PZT), a material mainly containing lead magnesium niobate (PMN), a material mainly containing lead nickel niobate (PNN), manganese Lead niobate-based material, Lead antimony stannate-based material, Lead zinc niobate-based material, Lead titanate-based material, Lead magnesium tantalate-based A material, a material containing lead nickel tantalate as a main component, and a composite material thereof are used. Further, these piezoelectric / electrostrictive materials include lanthanum, barium, niobium, zinc, cerium,
Materials containing oxides such as cadmium, chromium, cobalt, antimony, iron, yttrium, tantalum, tungsten, nickel, manganese, lithium, strontium, bismuth, and other compounds as additives, such as PLZT As such, a material obtained by appropriately adding a predetermined additive to the above material is also preferably 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, a material mainly composed of a component consisting of lead magnesium niobate, lead zirconate and lead titanate, lead nickel niobate, lead magnesium niobate and zirconate A material mainly containing a component consisting of lead and lead titanate, a material mainly containing a component consisting of lead magnesium niobate, lead nickel tantalate, lead zirconate and lead titanate, or lead magnesium tantalate. Materials mainly composed of components consisting of lead magnesium niobate, lead zirconate and lead titanate, and those in which a part of lead of these materials is replaced with strontium and / or lanthanum are advantageously used. It is recommended as a material for forming the piezoelectric / electrostrictive layer 14 by a thick film forming technique such as the screen printing described above. In the case of a multi-component piezoelectric / electrostrictive material, although the piezoelectric / electrostrictive characteristics change depending on the composition of the components, the lead magnesium niobate-lead zirconate-preferably employed in the present invention is used.
Ternary materials of lead titanate, lead magnesium niobate-lead nickel tantalate-lead zirconate-lead titanate,
And in the four-component material of lead magnesium tantalate-lead magnesium niobate-lead zirconate-lead titanate,
A composition near the phase boundary of pseudo-cubic-tetragonal-rhombohedral is preferable, and in particular, lead magnesium niobate: 15 to 50 mol%, lead zirconate: 10 to 45 mol%, and lead titanate: 3
A composition of 0 to 45 mol% or lead magnesium niobate: 1
5 to 50 mol%, lead nickel tantalate: 10 to 40 mol%, lead zirconate: 10 to 45 mol%, lead titanate:
Composition of 30 to 45 mol%, furthermore, lead magnesium niobate: 15 to 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 employed 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。Each of the films (12, 14, 16) formed on the outer surface of the diaphragm portion 10 in the ceramic substrate 2 as described above is subjected to heat treatment (firing) each time each film is formed. Then, the entire structure may be formed integrally with the ceramic substrate 2, specifically, the diaphragm portion 10, and after all the films are formed, heat treatment (firing) may be performed at the same time so that each of the films is formed at the same time. It may be configured to be integrally connected to the camera. Depending on the method of forming the electrode films (12, 16), heat treatment (firing) of the electrode films for such integration may not be required. In addition, as a heat treatment (firing) temperature for integrating the thus formed film and the diaphragm portion, a temperature of about 500 ° C. to 1400 ° C. is generally used, and particularly preferably 1000 ° C. to 140 ° C.
A temperature in the range of 0 ° C. is advantageously chosen. Further, when the film-shaped piezoelectric / electrostrictive layer 14 is subjected to heat treatment (firing), the composition of the piezoelectric / electrostrictive layer is not unstable at a high temperature together with such a source of evaporation of the piezoelectric / electrostrictive material. In addition to heat treatment (firing) while controlling the atmosphere, a suitable cover member is placed on the piezoelectric / electrostrictive layer 14 so that the surface of the piezoelectric / electrostrictive layer 14 is directly exposed to the firing atmosphere. It is also recommended to adopt a firing method so as not to be exposed.
In this case, a material similar to the base material 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 configuration 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 and the piezoelectric / electrostrictive operating section A method of controlling the coefficient of thermal expansion of the portion 18 so that the piezoelectric / electrostrictive layer 14 of the piezoelectric / electrostrictive operating portion 18 is fired and the diaphragm portion 10 of the ceramic substrate 2 is made convex at the same time; Piezoelectric / electrostrictive layer 1 of part 18
When firing 4, a method of applying a pressing force to the diaphragm portion 10 to make it outwardly convex; while taking into account the firing shrinkage rate of the piezoelectric / electrostrictive layer 14 of the piezoelectric / electrostrictive operating portion 18. A method for controlling the two coefficients of thermal expansion described above, such as a method of controlling the coefficient of thermal expansion, is performed simultaneously with the formation of the piezoelectric / electrostrictive operating portion 18 (specifically, at least the lower electrode 12 and the piezoelectric / electrostrictive layer 14) at the same time as outward of the diaphragm portion 10. It is possible to adopt a method of forming a convex shape, but advantageously, as shown in FIG. 4, a ceramic base 2 having a diaphragm portion 10 protruded outward is prepared in advance, and the diaphragm is prepared. The method of forming the predetermined piezoelectric / electrostrictive operating portion 18 on the outer surface protruding outward from the portion 10 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, as shown in FIG. 4 (a), this advantageous method first has a configuration in which the diaphragm portion 10 of the ceramic base 2 is outwardly convex, 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 formed on the outer surface of the outwardly projecting diaphragm portion 10 by a film forming method as shown in FIG. After forming the upper electrode 16 if necessary, the piezoelectric / electrostrictive layer 14 is baked to obtain the target piezoelectric / electrostrictive film type element as shown in FIG. It is intended 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 of the diaphragm portion 10 after firing: h (H <H), so that the stress generated when the piezoelectric / electrostrictive layer 14 shrinks during firing is effectively reduced.
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 a shape protruding outward, is formed by the sintering speed of the base plate 4 and the diaphragm plate 8 (see FIGS. 1 and 2) constituting the same. It can be easily obtained by controlling the shrinkage or shrinkage, adjusting the shape of the diaphragm plate 8 before firing, or making the diaphragm plate 8 project by utilizing the difference in thermal expansion. More specifically, the sintering of the green sheet providing the diaphragm plate 8 is advanced first, and the sintering of the green sheet providing the base plate 4 is delayed. 4
The sintering shrinkage of the green sheet is increased, and the difference in sintering shrinkage is used to project the diaphragm portion 10 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。The protrusion amount H of the diaphragm portion 10 of the ceramic base 2 before the piezoelectric / electrostrictive operation portion 18 is formed is represented by the firing shrinkage rate of the piezoelectric / electrostrictive layer 14 and the final diaphragm portion. The protrusion amount of 10: is appropriately determined depending on the degree of h, etc., but is generally 1 to 55 of the shortest dimension (m) passing through the center of the window 6.
%, Preferably 2 to 10%, will be advantageously employed. If the protrusion amount: H is too small, the firing of the piezoelectric / electrostrictive layer 14 causes the diaphragm portion 10 to be depressed inward, and if it is too large, This is because it becomes difficult to generate an effective displacement by driving the piezoelectric / electrostrictive operation section 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, which are formed at predetermined portions on the outer surface of the diaphragm portion 10 in the ceramic substrate 2, are all formed by the above-mentioned film forming method. And sintering under the above-described sintering temperature conditions, thereby finishing each of the layers having the desired thickness as described above, so that the piezoelectric / electrostrictive operating portion 18 is integrated on the diaphragm portion 10. Is formed. The firing of the piezoelectric / electrostrictive layer 14 is desirably performed at the stage when 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. The piezoelectric / electrostrictive layer 14
Even if baking is performed, there is no problem.
【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 thus obtained piezoelectric / electrostrictive film type element according to the present invention has a high rigidity at the diaphragm portion due to its outwardly projecting shape at the diaphragm portion, and the outer portion of the diaphragm portion. It has excellent mechanical strength against the pressing force from, and has a characteristic that the natural frequency is large and the response speed is fast, and the displacement amount when the adjacent piezoelectric / electrostrictive operating parts are simultaneously driven is:
It exerts a special feature that it hardly changes from the displacement amount in the case of individual driving, whereby it can be advantageously used for various applications such as sensors and actuators. It is.
【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。However, the displacement of the piezoelectric / electrostrictive film type element according to the present invention can be effectively performed by the operation of the piezoelectric / electrostrictive operating portion provided on the outer surface side of the diaphragm portion. From various piezoelectric /
It can be advantageously used as an electrostrictive film element. That is, in addition to a filter, various sensors such as an acceleration sensor and an impact sensor, a transformer, a microphone, a sounding body (such as a speaker), a vibrator and an oscillator for power and communication, a display and Kenji Uchino (edited by Japan Industrial Technology Center) ) "Piezo /
Electrostrictive Actuators: From Basics to Applications ”(Morikita Publishing)
As a piezoelectric / electrostrictive film type actuator of the type that generates bending displacement, such as a unimorph type used for 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。FIG. 5 schematically shows an example of the piezoelectric / electrostrictive film type device according to the present invention, and FIG. 6 is an exploded perspective view thereof. Then, the piezoelectric / electrostrictive film type element 20 shown in FIG.
2 and a piezoelectric / electrostrictive operating portion 24 disposed on an outer surface protruding outward of the diaphragm portion (26).
However, according to the applied voltage, the thin diaphragm portion (26) of the ceramic base 22 is bent and deformed.
【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, the ceramic base 22 has a blocking plate (diaphragm plate) 26 and a connection plate (base plate) 28 each having a thin flat plate shape made of a zirconia material and a spacer plate (base plate) also made of a zirconia material. It is formed integrally with a structure that is overlapped with 30 interposed therebetween. A plurality of (three in this case) communication opening portions 32 are formed in the connection plate 28 at predetermined intervals, and are configured to be communication portions with the outside. The number, shape, size, position, and the like of the communication holes 32 are appropriately selected according to the use of the piezoelectric / electrostrictive film element 20. In addition, the spacer plate 30 includes
A plurality (three in this case) of square windows 36 are formed. The spacer plate 30 is formed in such a manner that one communication opening 32 provided in the connection plate 28 is opened in each of the windows 36.
Are superimposed on the connection plate 28. Furthermore, on the surface of the spacer plate 30 opposite to the side on which the connection plate 28 is overlaid, a closing plate 26 is overlaid, and the opening of the window 36 is covered with the closing plate 26. I have. As a result, a pressurizing chamber 38 communicated with the outside through the communication opening 32 is formed inside the ceramic base 22. As described above, such a ceramic base 22 is formed as an integrally fired product using a predetermined ceramic material, here, a zirconia material. 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 the four-layer structure product or the one shown in FIG. It is also possible to make the above-mentioned multilayer structure product. In FIG. 7, reference numerals 46 and 48 denote an intermediate chamber and a communication hole, respectively.
【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。The ceramic substrate 22 has a film-shaped piezoelectric / electrostrictive operating section 2 at a position corresponding to each pressurizing chamber 38 on the outer surface of the closing plate 26.
4 are provided. The piezoelectric / electrostrictive operating section 24 includes a lower electrode 40, a piezoelectric / electrostrictive layer 42, and an upper electrode 44 on the closing plate 26 located at the window 36 of the ceramic base 22, that is, on the outer surface of the diaphragm. It is formed by forming sequentially 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 section 24 is integrally provided on the diaphragm portion (26) of the ceramic base 22, the piezoelectric / electrostrictive film type element 20 is provided. Based on the operation of the electrostriction operation section 24, the inside of the pressurizing chamber 38 is pressurized, whereby the discharge of the fluid in the pressurizing chamber 38 can be effectively realized. Further, the piezoelectric / electrostrictive film type element having this structure can be used not only as an actuator but also as a sensor by extracting the bending displacement of the diaphragm 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 advantageously constituted as a display, a speaker, a servo displacement element, a pulse drive motor, an ultrasonic motor, an acceleration sensor, and an impact sensor as an actuator or a sensor. Although it can be used for members, it goes without saying that it can be used advantageously 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.
In addition, the present invention, in addition to the following examples, in addition to the specific description described above, unless departing from the spirit of the present invention, based on the knowledge of those skilled in the art, various changes,
It should be understood that modifications, improvements and the like 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 In the longitudinal direction of a rectangular ceramic base, in the same arrangement as in FIG.
Four rectangular windows having a size of 0.7 mm are arranged along a direction in which a side having a length of 0.5 mm of the rectangular windows extends, and the windows have a size of 10 μm. A ceramic substrate having an integral structure and covered by a thick diaphragm was prepared. In addition, this ceramic substrate was formed by using a green sheet molded 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 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, the ceramic substrate was printed at a predetermined position on the outer surface of the diaphragm portion using a platinum paste by a screen printing method so that the thickness after firing was 5 μm, and dried at 120 ° C. for 10 minutes. After 1350
C. for 2 hours to form a lower electrode. On this lower electrode, a material composed of lead magnesium niobate, lead zirconate and lead titanate is used as a piezoelectric / electrostrictive material. Is printed by a screen printing method so as to have a thickness of 30 μm, dried at 120 ° C. for 20 minutes, and then baked at 1300 ° C. to obtain a piezoelectric / electrostrictive layer.
A piezoelectric / electrostrictive layer was formed. Further, using the ceramic substrate having the lower electrode and the piezoelectric / electrostrictive layer formed on the diaphragm in this manner, a convex alumina ceramic pin is fitted into each window, and each diaphragm is 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 ceramic substrate having a different shape 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, a Cr thin film and a Cu thin film are further formed as upper electrodes on the lower electrode and the piezoelectric / electrostrictive layer provided on the outwardly projecting diaphragm portion of the ceramic substrate thus obtained. Piezoelectric / electrostrictive film type element formed by sputtering method (element of the present invention)
I got The thickness of the upper electrode is 0.3 μm as a whole.
m. In addition, a voltage of 100 V was applied between the upper electrode and the lower electrode of each piezoelectric / electrostrictive operating portion in the obtained piezoelectric / electrostrictive film type element to perform a polarization process.
【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, a 30 μm-thick plate made of a piezoelectric / electrostrictive material is adhered to the diaphragm portion of the ceramic base prepared above using a conductive adhesive. A piezoelectric / electrostrictive element similar to that described 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 amount of displacement at the time of full drive / the amount of displacement at the time of single drive when driving by applying a voltage to each piezoelectric / electrostrictive actuator is determined. The natural frequency and the breaking load of the diaphragm portion of the element 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 evaluation of the operation of the piezoelectric / electrostrictive actuator in each element, the voltage 30 was applied in the same direction as the polarization processing.
V is applied between the upper electrode and the lower electrode of each piezoelectric / electrostrictive operating section of each element, and the displacement (single displacement) of each piezoelectric / electrostrictive operating section is measured by a laser Doppler device. And its natural frequency was measured. In addition, a voltage of 30 V is applied to all of the four piezoelectric / electrostrictive actuators of each element, the displacement of each piezoelectric / electrostrictive actuator is measured, and the average value is calculated as the displacement during full driving. did. Then, from these obtained values, (total driving displacement amount / single displacement amount) × 100
(%) Was used to calculate the ratio (%) of the total drive / single drive displacement. Further, the breaking load is obtained by pressing the vicinity of the center of each diaphragm portion of each element from the outside (the side where the lower electrode and the piezoelectric / electrostrictive layer are formed) with an indenter having a diameter of 0.2 mm, and obtaining the breaking load. 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 evident from the results shown in Table 1, according to the present invention, the diaphragm portion of the ceramic substrate has an outwardly convex shape, and the piezoelectric / electrostrictive operation portion is formed on the outer surface of the convex shape. In other words, it is recognized that the displacement amount of the piezoelectric / electrostrictive operation section at the time of full driving and the displacement amount at the time of single driving are substantially equal, and are remarkably improved as compared with 50% of the conventional element. Also in the natural frequency and the breaking load, in the element according to the present invention, compared to 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 Using a ceramic mixed powder having an average particle diameter of 0.4 μm, consisting of 80% by weight of a 3 mol% yttria partially stabilized zirconia powder and 20% by weight of an alumina powder, was prepared according to a conventional method. The agent and the organic solvent were mixed to prepare a slurry, 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, using a 3 mol% yttria partially stabilized zirconia powder having an average particle diameter of 0.3 μm, a binder, a plasticizer and an organic solvent are blended according to a conventional method to prepare a slurry, which is then subjected to a reverse roll coater. The 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。Thereafter, the green sheet for the base plate obtained as described above is punched in a pattern (formation of a window) with a predetermined die, and the green sheet for the diaphragm plate prepared above is superimposed thereon. , 100kg
Thermocompression bonding under a pressure of 80 ° C. × 1 minute under a pressure of / cm 2 . The obtained laminated body was fired at a temperature of 1500 ° C. for 2 hours to obtain a ceramic substrate having a diaphragm portion protruding outward (projection 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 baked in the same manner as in Example 1, the amount of protrusion of the diaphragm 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 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, the natural frequency, and the breaking load were measured in the same manner as in Example 1. Excellent results similar to 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 produced in the same manner as in Example 1 except that the convex shape (projection amount) of the alumina ceramic pin for pressing the diaphragm portion of the ceramic base during refiring was changed. An element was manufactured. Note that, by changing the alumina ceramic pins, the element obtained in this example has a diaphragm portion having 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, the natural frequency, and the 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 of the device of the present invention obtained in Example 1. As is clear from comparison of the evaluation results, the convexity of the diaphragm portion of the ceramic substrate is shown. Is set to 8%, it is recognized that the natural frequency and the breaking load are excellent. On the other hand, in the case of the single driving displacement amount, a larger displacement can be obtained by setting the convexity to 4%. is there.
【００５６】 凸率：（ｈ／ｍ）×１００（％）[0056] Convexity: (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 provided with the piezoelectric / electrostrictive operating portion of the ceramic base can be effectively increased, and the outside of the diaphragm portion can be effectively improved. The mechanical strength and the natural frequency against the pressure from the pressure can be effectively increased, the response speed can be improved advantageously, and the strain and stress generated in the piezoelectric / electrostrictive operating section can be efficiently displaced. A piezoelectric / electrostrictive film type element having excellent characteristics such as being changeable could 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 a plurality of piezoelectric / electrostrictive actuating sections are driven simultaneously, the respective displacement amounts are not changed by the piezoelectric / electrostrictive actuating sections. In comparison with the case of single drive of the unit, the piezoelectric / electrostrictive operation unit shows a uniform displacement amount without a problem such as a change in the displacement amount. , Resulting in a device of uniform quality.
【図面の簡単な説明】[Brief description of the 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 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。FIG. 2 is an explanatory sectional 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。FIG. 3 is an enlarged explanatory view of a cross section in the direction of the shortest dimension (the short side direction of the window section 6) passing through the center of the window section 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 a step of an example of a method for manufacturing a piezoelectric / electrostrictive film 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 sectional view showing an example of a piezoelectric / electrostrictive film type device 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 device 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 sectional view showing another example of the piezoelectric / electrostrictive film type device according to the present invention.
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 substrate 4 Base plate 6 Window 8 Diaphragm plate 10 Diaphragm part 12 Lower electrode 14 Piezoelectric / electrostrictive layer 16 Upper electrode 18 Piezoelectric / electrostrictive operating part
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 41/09 H01L 41/22 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 41/09 H01L 41/22
Claims (7)
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。At least one window has at least one window,
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 by a film forming method on the outer surface of the diaphragm portion; A piezoelectric / electrostrictive film element having a film-shaped piezoelectric / electrostrictive operating portion composed of electrodes, wherein the diaphragm portion of the ceramic base has a shape protruding outward; The film-like piezoelectric /
A piezoelectric / electrostrictive film element, wherein an electrostriction operating portion is formed.
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 according to claim 1, wherein the amount of protrusion of the ceramic base in a shape protruding outward from the diaphragm is 5% or less of the shortest dimension passing through the center of the window. Film type element.
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 device according to claim 1, wherein the average crystal grain size of the diaphragm portion is 5 μm or less.
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 is 50 μm.
The piezoelectric / electrostrictive film type device according to claim 1, wherein:
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 device according to any one of claims 1 to 4, wherein the thickness is not more than μm.
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, wherein the diaphragms are integrally formed in the windows so as to protrude outward, respectively, and are provided on the outer surface of each of the diaphragms. 6. The piezoelectric / electrostrictive film type device according to claim 1, wherein said piezoelectric / electrostrictive operating portion is formed.
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 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 by a film forming method on the outer surface of the diaphragm portion; A method for manufacturing a piezoelectric / electrostrictive film element having a film-shaped piezoelectric / electrostrictive operating portion composed of electrodes, comprising preparing a ceramic substrate in which a diaphragm portion of the ceramic substrate has an outwardly convex shape. Then, the lower electrode and the piezoelectric / electrostrictive layer are sequentially formed in a layer shape by a film forming method on the outer surface of the outwardly projecting diaphragm portion, and the upper electrode is further provided as necessary. Wherein the piezoelectric / electrostrictive layer is fired, and at least the lower electrode and the piezoelectric / electrostrictive layer are integrally formed on the convex outer surface of the diaphragm portion. Manufacturing method.
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