專利名稱：壓電/電致伸縮器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓電/電致伸縮器件。更詳細(xì)地說是涉及被用作使用彎曲變位的致動(dòng)器、或用來檢測(cè)流體特性、聲壓、微重、加速度等的各種傳感器(例如話筒用傳感器、粘度傳感器等)的壓電/電致伸縮器件。
背景技術(shù)：
壓電/電致伸縮器件被用作制動(dòng)器或各種傳感器。作為這樣的壓電/電致伸縮器件，例如公開的有被用于流體的密度、濃度、粘度等特性的測(cè)定的器件(參照專利文獻(xiàn)1)。這種壓電/電致伸縮器件，利用作為壓電/電致伸縮器件的振子的振幅與接觸壓電/電致伸縮器件(振子)的流體的粘性阻抗存在相關(guān)的現(xiàn)象而被用作傳感器。
一般，振子在振動(dòng)的機(jī)械系統(tǒng)中的振動(dòng)形態(tài)，可以置換為在電氣系統(tǒng)中的等效電路內(nèi)，在流體內(nèi)使壓電/電致伸縮器件(振子)振動(dòng)，利用通過該振子基于流體的粘性阻抗受機(jī)械阻抗的作用而構(gòu)成振子的壓電/電致伸縮元件的等效電路的電氣常數(shù)變化來測(cè)定流體的粘度、密度、濃度等特性。這里，作為可測(cè)定的流體可列舉的是液體和氣體。作為這樣的液體，既可以是由水、酒精、油等單一成分構(gòu)成的液體，也可以是將可溶或不溶的媒質(zhì)在其中溶解、混合或懸濁過的液體、漿液、膏等。
作為檢測(cè)的電氣常數(shù)，可以例如有損耗系數(shù)、相位、電阻、電抗、電導(dǎo)、電納、電感、電容等，特別最好是采用在等效電路的諧振頻率附近具有一個(gè)極大或極小變化點(diǎn)的損耗系數(shù)或相位。這樣，不僅可以測(cè)定流體的粘度，而且可以測(cè)定密度或濃度(例如硫酸水溶液中的硫酸濃度)。作為檢測(cè)振動(dòng)形態(tài)變化的指標(biāo)，除電氣常數(shù)之外，如果從測(cè)定精度、耐久性的觀點(diǎn)來看沒有特別問題的話，也可以利用諧振頻率的變化。另外，在使用強(qiáng)電介質(zhì)作為壓電/電致伸縮元件的情況下，也可以加上脈沖狀的電場(chǎng)之后，將起因于強(qiáng)電介質(zhì)的偶極子力矩的滯后而產(chǎn)生的電荷作為電壓進(jìn)行檢測(cè)，也利用電壓的變化。
作為這樣的壓電/電致伸縮器件，所公開的一種技術(shù)方案是，具有有陶瓷基體和被固定于其外表面的壓電/電致伸縮元件，該陶瓷基體具有厚壁部和與厚壁部一體形成后形成空洞的薄壁膜片部，在與構(gòu)成壓電/電致伸縮元件的下部電極相獨(dú)立的位置上，形成有輔助電極，且被形成為該輔助電極的一部分嵌入壓電/電致伸縮膜的下側(cè)的一部分內(nèi)(參照專利文獻(xiàn)2)。按照這樣構(gòu)成，就能夠把上部電極不斷線地連續(xù)形成在輔助電極和壓電/電致伸縮元件的面上，可以提高上部電極的連接的可靠性。另外，被測(cè)定流體經(jīng)通孔導(dǎo)入并填充到空腔內(nèi)。進(jìn)而，把輔助電極不僅連續(xù)地形成在薄壁膜片部的外表面上，而一直連續(xù)形成到厚壁部為止，從而能夠得到穩(wěn)定的器件特性和難以受限使用條件的壓電/電致伸縮器件。
專利文獻(xiàn)1特開平8-201265號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2特開2002-261347號(hào)公報(bào)但是，在上述的專利文獻(xiàn)所公開的壓電/電致伸縮器件中，是做成與壓電/電致伸縮元件的驅(qū)動(dòng)相聯(lián)動(dòng)來僅使薄壁膜片部振動(dòng)，而實(shí)際上，不僅使薄壁膜片部振動(dòng)，也使厚壁部振動(dòng)，薄壁膜片部振動(dòng)能量衰減后，使變位(振幅)減小的同時(shí)，降低了應(yīng)答性，很難進(jìn)行高精度(高分辨率、高靈敏度)的檢測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明，是鑒于上述的問題而形成的，目的在于提供一種可以有效地防止薄壁膜片部振動(dòng)的衰減、維持高變位(振幅)，同時(shí)應(yīng)答性好、可以進(jìn)行高精度(高分辨率、高靈敏度)的檢測(cè)的壓電/電致伸縮器件。
為實(shí)現(xiàn)上述的目的，按照本發(fā)明，提供以下的壓電/電致伸縮器件。
一種壓電/電致伸縮器件，其特征在于設(shè)置有陶瓷基體和壓電/電致伸縮元件，該陶瓷基體，具有厚壁部和一體地架設(shè)在所述厚壁部的端面上的薄壁膜片部，由所述厚壁部與所述薄壁膜片部形成了與外部連通的空腔；該壓電/電致伸縮元件，具有被固定在所述陶瓷基體的薄壁膜片部的外表面上的，包含下部電極、壓電/電致伸縮膜和上部電極的分層結(jié)構(gòu)；所述陶瓷基體的薄壁膜片部可以與所述壓電/電致伸縮元件的驅(qū)動(dòng)聯(lián)動(dòng)地振動(dòng)；該壓電/電致伸縮器件滿足下述(A)～(C)規(guī)定的形狀和尺寸關(guān)系
(A)所述薄壁膜片部的形狀，是朝外方凸出的拱形，所述拱形的朝外方的突出量是5～50μm；(B)所述薄壁膜片部的架設(shè)寬度是600～2000μm；(C)所述厚壁部的高度對(duì)寬度之比(高度/寬度)是0.25～3。
如[1]中所記載的壓電/電致伸縮器件，其特征在于分別具有2個(gè)以上所述薄壁膜片部和被固定在所述薄壁膜片部的外表面上的壓電/電致伸縮元件；所述薄壁膜片部和所述壓電/電致伸縮元件，分別被配置在第一平面上和/或與所述第一平面平行的第二平面上。
如[1]中所記載的壓電/電致伸縮器件，其特征在于分別具有2個(gè)以上所述薄壁膜片部和被固定在所述薄壁膜片部的外表面上的壓電/電致伸縮元件；所述薄壁膜片部和所述壓電/電致伸縮元件，分別被配置在第一平面上、與所述第一平面平行的第二平面上和/或垂直于所述第一平面的第三平面上。
如[1]～[3]任一項(xiàng)中所記載的壓電/電致伸縮器件，其特征在于所述壓電/電致伸縮元件，是用膜形成方法形成的，同時(shí)，是通過將所述壓電/電致伸縮元件的構(gòu)成材料，配設(shè)在所述薄壁膜片部的外表面上之后，進(jìn)行熱處理后固定在所述薄壁膜片部的外表面上來得到的。
依據(jù)本發(fā)明可以提供能夠有效防止薄壁膜片部的振動(dòng)的衰減、維持高變位，同時(shí)，應(yīng)答性優(yōu)良、可進(jìn)行高精度(高分辨率、高靈敏度)的檢測(cè)的壓電/電致伸縮器件。


圖1是本發(fā)明的壓電/電致伸縮器件的一個(gè)實(shí)施方式的示意圖；圖2是圖1所示的實(shí)施方式的形狀和尺寸關(guān)系的示意圖；圖3的圖3(a)是薄壁膜片部的突出量(h)與薄壁膜片部的變位的關(guān)系曲線圖；圖3(b)是薄壁膜片部的突出量(h)與厚壁部的開口的關(guān)系曲線圖；圖4的圖4(a)是薄壁膜片部的架設(shè)寬度(m)與薄壁膜片部的變位的關(guān)系曲線圖；圖4(b)是薄壁膜片部的架設(shè)寬度(m)與振動(dòng)波振幅之比的關(guān)系曲線圖；圖5的圖5(a)是示意性地表示厚壁部的高度(p)對(duì)其寬度(q)之比(高度(p)/寬度(q))小時(shí)，器件端部E的X方向振動(dòng)被激勵(lì)得大(高度(p)/寬度(q)大時(shí)，器件端部E的X方向振動(dòng)被激勵(lì)得小)的說明圖；圖5(b)是高度(p)/寬度(q)與器件端部E的X方向的變位量的關(guān)系曲線圖；圖6的圖6(a)是示意性地表示高度(p)/寬度(q)大時(shí)，器件端部E的寬方向振動(dòng)被激勵(lì)得大(高度(p)/寬度(q)小時(shí)，器件端部E的寬方向振動(dòng)被激勵(lì)得小)的說明圖；圖6(b)是高度(p)/寬度(q)與器件端部E的寬方向的變位量的關(guān)系曲線圖；圖7是本發(fā)明的壓電/電致伸縮器件的其他實(shí)施方式的示意圖，所表示的是在兩個(gè)厚壁部的各自的兩個(gè)端面上(第一平面上和與第一平面平行的第二平面上)分別僅配置一個(gè)薄壁膜片部和壓電/電致伸縮元件的情況；圖8是本發(fā)明的壓電/電致伸縮器件的其他實(shí)施方式的示意圖，所表示的是在一個(gè)厚壁部的兩個(gè)端面上(第一平面上和與第一平面平行的第二平面上)以單支梁的狀態(tài)分別僅配置一個(gè)薄壁膜片部和壓電/電致伸縮元件的情況；圖9是本發(fā)明的壓電/電致伸縮器件的其他實(shí)施方式的示意圖，所表示的是在四個(gè)厚壁部的各自的單方的端面上(第一平面上)分別各配置三個(gè)薄壁膜片部和壓電/電致伸縮元件的情況；圖10是本發(fā)明的壓電/電致伸縮器件的其他實(shí)施方式的示意圖，所表示的是在四個(gè)厚壁部的各自的兩個(gè)端面上(第一平面上和與第一平面平行的第二平面上)分別各配置三個(gè)、共計(jì)6個(gè)薄壁膜片部和壓電/電致伸縮元件的情況；圖11是本發(fā)明的壓電/電致伸縮器件的其他實(shí)施方式的示意圖，所表示的是在四個(gè)厚壁部的各自相互平行的兩個(gè)端面和相互垂直的兩個(gè)端面上(第一平面上、與第一平面平行的第二平面上和與第一平面垂直的第三平面(該面有兩面)上)分別各配置一個(gè)共計(jì)4個(gè)薄壁膜片部和壓電/電致伸縮元件的情況。
符號(hào)說明1…陶瓷基體、2…壓電/電致伸縮元件、11…厚壁部、12…薄壁膜片部、13…空腔、14…通孔、21…下部電極、22…壓電/電致伸縮膜、23…上部電極、X…垂直于薄壁膜片部的外表面的方向、h…薄壁膜片部的突出量、m…薄壁膜片部的架設(shè)寬度、p…厚壁部的高度、q…厚壁部的寬度、A…第一平面、B…平行于第一平面的第二平面、C…垂直于第一平面的第三平面、T…厚壁部的開口的概念的基準(zhǔn)點(diǎn)、E…裝置端部。
具體實(shí)施例方式
以下參照

實(shí)施本發(fā)明的壓電/電致伸縮器件的最佳方式。
圖1是本發(fā)明的壓電/電致伸縮器件的示意圖，圖2是圖1所示的壓電/電致伸縮器件的一個(gè)實(shí)施方式的形狀和尺寸關(guān)系的示意圖。
如圖1、2所示，本實(shí)施方式的壓電/電致伸縮器件，其特征在于設(shè)置有陶瓷基體1和壓電/電致伸縮元件2；該陶瓷基體1具有厚壁部11和一體架設(shè)在厚壁部11的端面上的薄壁膜片部12，厚壁部11和薄壁膜片部12形成與外部連通的空腔13；該壓電/電致伸縮元件2，具有被固定在陶瓷基體1的薄壁膜片部12的外表面上的，包含下部電極21、壓電/電致伸縮膜22和上部電極23的分層結(jié)構(gòu)；陶瓷基體1的薄壁膜片部12可與壓電/電致伸縮元件2的驅(qū)動(dòng)聯(lián)動(dòng)地振動(dòng)；該壓電/電致伸縮器件10滿足如下(A)～(C)規(guī)定的形狀和尺寸關(guān)系。
(A)所述薄壁膜片部12的形狀是朝外方凸出的拱形，且拱形的朝外方的突出量是5～50μm；(B)所述薄壁膜片部的架設(shè)寬度是600～2000μm；(C)所述厚壁部的高度對(duì)寬度之比(高度/寬度)是0.25～3。
在本實(shí)施方式中，如上所述，(A)薄壁膜片部12的形狀是朝外方凸出的拱形，且拱形的朝外方的突出量必須是5～50μm，理想的是5～30μm。通過做成朝外方凸出的拱形，能夠高效地將壓電/電致伸縮元件2內(nèi)產(chǎn)生的變形和應(yīng)力變?yōu)樽兾弧＜?，形成在朝外方凸出的拱形的薄壁膜片?2的外表面上的壓電/電致伸縮元件2，因被驅(qū)動(dòng)而沿垂直于薄壁膜片部12的外表面的方向(X方向)變位，從而陶瓷基體1的薄壁膜片部12也與壓電/電致伸縮元件2聯(lián)動(dòng)地使空腔13的內(nèi)容積發(fā)生變化，同時(shí)沿垂直于其外表面的方向(X方向)就振動(dòng)，但是，對(duì)于朝薄壁膜片部12的外方凸出的拱形的外表面來說，由于形成有壓電/電致伸縮元件2(具體地說，至少是下部電極21和壓電/電致伸縮膜22)，所以可以有效地提高形成薄壁膜片部12的壓電/電致伸縮元件2的部位的剛性。另外，薄壁膜片部12，由于具有朝外方凸出的拱形，所以可以提高對(duì)來自薄壁膜片部12的外表面?zhèn)鹊陌囱毫Φ臋C(jī)械強(qiáng)度。另外，還可以增大形成了壓電/電致伸縮元件2的薄壁膜片部12的固有振動(dòng)數(shù)和應(yīng)答速度。另外，如果拱形的朝外方的突出量(h)偏離5～50μm的范圍，如圖3(a)、(b)所示，就很難確保輸出強(qiáng)而鮮明的信號(hào)所必要的足夠大的變位和難衰減的振動(dòng)模式。另外，由于隨著突出量(h)的增大，變位變小的同時(shí)容易引起不需要的變形，所以輸出信號(hào)的S/N比變小，但是，如果突出量(h)在5～50μm范圍之內(nèi)，能夠確實(shí)得到鮮明的輸出信號(hào)，這是理想的。即，圖3(a)是薄壁膜片部的突出量(h)與薄壁膜片部的變位的關(guān)系曲線圖，顯示出如果突出量(h)偏離5～50μm的范圍，變位急劇減小。圖3(b)是薄壁膜片部的突出量(h)與厚壁部的開口的關(guān)系曲線圖，如果突出量(h)不足5μm，厚壁部倒入空腔側(cè)，如果超過50μm，薄壁膜片部的剛性下降，就不成為薄壁膜片部的中央成為變形的腹部那樣(例如振動(dòng)的情況為1次模式)的所希望的變形(如果突出量(h)超過50μm而厚壁部的開口不變化，就表示了這種情況)。所謂“厚壁部的開口”是圖2所示的基準(zhǔn)點(diǎn)T沿厚壁部11的寬度(q)方向的移動(dòng)量，在寬度(q)方向向外方移動(dòng)的情況為正的量，在寬度(q)方向向內(nèi)方移動(dòng)的情況為負(fù)的量。
(B)所述薄壁膜片部的架設(shè)寬度(m)必須是600～2000μm，理想的是600～1500μm。這里，所謂“薄壁膜片部的架設(shè)寬度(m)”是指空腔13的短方向的長(zhǎng)度，例如，空腔13的形狀(垂直于X方向的斷面形狀)為圓形的情況下，是指其直徑，在為長(zhǎng)方形的情況下，是指其短邊長(zhǎng)度，在為橢圓形的情況下，是指相當(dāng)于其短軸長(zhǎng)度等的長(zhǎng)度。如圖4(a)、4(b)所示，如果薄壁膜片部的架設(shè)寬度(m)不足600μm，流路阻力增大，同時(shí)變位會(huì)小下來，如果超過2000μm，薄壁膜片部的剛性就低，固有振動(dòng)數(shù)下降，同時(shí)容易產(chǎn)生衰減，所以得不到足夠大的輸出信號(hào)。另外，如果薄壁膜片部的架設(shè)寬度(m)超過1500μm，由于容易引起不需要的變形，所以，往往輸出信號(hào)的S/N比就會(huì)變小(雖然架設(shè)寬度(m)在到2000μm之前就容易引起不需要的變形，但仍是容許的范圍)，而如果架設(shè)寬度(m)在600～1500μm范圍內(nèi)，能夠得到確實(shí)鮮明的輸出信號(hào)，故此這是理想的。即，圖4(a)是薄壁膜片部的架設(shè)寬度(m)與薄壁膜片部的變位的關(guān)系曲線圖，圖中顯示出了如果架設(shè)寬度(m)不足600μm，變位小而得不到足夠大的輸出信號(hào)。圖4(b)是薄壁膜片部的架設(shè)寬度(m)與衰減的關(guān)系曲線圖，圖中顯示出了如果架設(shè)寬度(m)超過2000μm，由于薄壁膜片部的剛性下降而使固有振動(dòng)數(shù)下降，另外由于易受不需要的振動(dòng)模式的影響，所以容易衰減而得不到足夠大的輸出信號(hào)。另外，圖中還顯示出了如果架設(shè)寬度(m)不足600μm，薄壁膜片部的質(zhì)量變小，易受兩端部的約束的影響，所以容易衰減而得不到足夠大的輸出信號(hào)。在圖4(a)的曲線中，分別用○、口、△表示薄壁膜片部的突出量(h)為50μm、20μm、0μm的情況。圖4(b)的縱坐標(biāo)的衰減的具體的尺度，用振動(dòng)波振幅的比值＝[(第10振動(dòng)波振幅/第5振動(dòng)波振幅)×100(％)]來表示。這里，所謂第5振動(dòng)波振幅，是指由自由振動(dòng)生成的振幅的第5振幅，而所謂第10振動(dòng)波振幅是指由自由振動(dòng)生成的振幅的第10振幅。如果分別用V5、V10來表示第5振動(dòng)波振幅、第10振動(dòng)波振幅，則振動(dòng)波振幅之比值就由[(V10/V5)×100(％)]來表示。
另外，(C)厚壁部的高度(p)對(duì)其寬度(q)之比(高度(p)/寬度(q))必須是0.25～3，理想的是0.25～1.5。如圖5(a)、5(b)和圖6(a)、6(b)所示，如果該比例不足0.25，就容易激起由薄壁膜片部的驅(qū)動(dòng)引起的器件端部E的X方向振動(dòng)，并引起薄壁膜片部的振動(dòng)的衰減。另外，如果比例大到超過3，在薄壁膜片部驅(qū)動(dòng)時(shí)，容易激勵(lì)起器件端部E的寬度方向振動(dòng)，并引起薄壁膜片部的振動(dòng)的衰減。另外，如果比例(高度(p)/寬度(q))超過1.5，則容易產(chǎn)生厚壁部的高次變形，往往輸出信號(hào)的S/N比會(huì)變小，但是如果比例(高度(p)/寬度(q))是在0.25～1.5范圍內(nèi)，就能夠確實(shí)地得到鮮明的輸出信號(hào)，故此，這是理想的。即，圖5(a)是示意性地表示厚壁部的高度(p)對(duì)其寬度(q)之比(高度(p)/寬度(q))小時(shí)(圖中用實(shí)線表示)，器件端部E的X方向振動(dòng)被激勵(lì)得大(高度(p)/寬度(q)大時(shí)(圖中用虛線表示)，器件端部E的X方向振動(dòng)被激勵(lì)得小)的說明圖，另外，圖5(b)是高度(p)/寬度(q)與器件端部E的X方向(參照?qǐng)D1)的變位量的關(guān)系曲線圖，該曲線圖顯示出了如果高度(p)/寬度(q)不足0.25，則激勵(lì)起器件端部E的X方向振動(dòng)，并引起薄壁膜片部的振動(dòng)的衰減。圖6(a)是示意性地表示高度(p)/寬度(q)大到超過3時(shí)(圖中用虛線表示)，器件端部E的寬方向振動(dòng)被激勵(lì)得大(比例小時(shí)(圖中用實(shí)線表示)，器件端部E的寬方向振動(dòng)被激勵(lì)得小)的說明圖；另外，圖6(b)是高度(p)/寬度(q)與器件端部E的寬方向的變位量的關(guān)系曲線圖，該曲線圖顯示出了如果高度(p)/寬度(q)超過3，則厚壁部會(huì)變形，并引起薄壁膜片部的振動(dòng)的衰減。
由于具有上述的構(gòu)成，本實(shí)施方式的壓電/電致伸縮器件，可以有效地防止薄壁膜片部振動(dòng)的衰減、維持高變位(振幅)，同時(shí)，應(yīng)答性好、可以進(jìn)行高精度(高分辨率、高靈敏度)的檢測(cè)。
在圖1、2所示的實(shí)施方式中，說明了分別配置一個(gè)一體地架設(shè)在2個(gè)厚壁部11的端面上(第一平面上)的薄壁膜片部12和被固定在了薄壁膜片部12的外表面上的壓電/電致伸縮元件2，而如圖7～10所示，作為其他實(shí)施方式，也可以把薄壁膜片部12和壓電/電致伸縮元件2，分別配置在第一平面A上和/或與第一平面A平行的第二平面B上。圖7所表示的是在兩個(gè)厚壁部11的各自的兩個(gè)端面上(第一平面A上和與第一平面A平行的第二平面B上)分別配置一個(gè)薄壁膜片部12和壓電/電致伸縮元件2的情況。圖8所表示的是在一個(gè)厚壁部11的兩個(gè)端面上(第一平面A上和與第一平面A平行的第二平面B上)以單支梁的狀態(tài)分別配置一個(gè)薄壁膜片部12和壓電/電致伸縮元件2的情況。圖9是所表示的是在四個(gè)厚壁部11的各自的單方的端面上(第一平面A上)分別配置三個(gè)薄壁膜片部12和壓電/電致伸縮元件2的情況。圖10是所表示的是在四個(gè)厚壁部11的各自的兩個(gè)端面上(第一平面A上和與第一平面A平行的第二平面B上)分別各配置3個(gè)共計(jì)6個(gè)薄壁膜片部12和壓電/電致伸縮元件2的情況。
另外，如圖11所示，作為其他實(shí)施方式，在各有兩個(gè)或兩個(gè)以上薄壁膜片部12和被固定在薄壁膜片部12的外表面上的壓電/電致伸縮元件2的情況下，也可以把所述薄壁膜片部和壓電/電致伸縮元件，分別配置在第一平面A上、與第一平面A平行的第二平面B上和/或垂直于第一平面A的第三平面C上。圖11所表示的是在四個(gè)厚壁部11的各自相互平行的兩個(gè)端面和相互垂直的兩個(gè)端面上(第一平面A上、與第一平面A平行的第二平面B上和與第一平面A垂直的第三平面C(平面C有兩個(gè)面)上)分別各配置一個(gè)共計(jì)4個(gè)薄壁膜片部12和壓電/電致伸縮元件2的情況。
圖3～圖6所示的曲線圖，是在具有2個(gè)圖7～圖11所示的薄壁膜片部的結(jié)構(gòu)的壓電/電致伸縮器件的情況下，根據(jù)通過使薄壁膜片部12相互獨(dú)立地振動(dòng)而得到的值所作成的曲線。另外，這些曲線表示1個(gè)例子，是具有薄壁膜片部的厚度14μm、突出量20μm、架設(shè)寬度1500μm、厚壁部的高度800μm、厚壁部的寬度800μm的尺寸關(guān)系，同時(shí)，是基于具有圖7所示的、對(duì)稱配置的2個(gè)薄壁膜片部的器件而作成的曲線。
在本實(shí)施方式中，壓電/電致伸縮元件2，是用成膜方法來形成的，同時(shí)，是通過將壓電/電致伸縮元件2的構(gòu)成材料配置在薄壁膜片部12的外表面上之后，進(jìn)行熱處理后固定到薄壁膜片部12的外表面上而得到的，在這種情況下，可以提高各層之間的接合性，并能夠最有效地發(fā)揮其效果。
以下具體說明本發(fā)明的壓電/電致伸縮器件所使用的各構(gòu)成要素。
本發(fā)明中所使用的陶瓷基體1的材料，理想的是其材質(zhì)是具有耐熱性、化學(xué)穩(wěn)定性、絕緣性。這是因?yàn)樵趯⒑笫龅膲弘?電致伸縮元件2(包含下部電極21、壓電/電致伸縮膜22、上部電極23)固定在其外表面上時(shí)，如上所述，往往要進(jìn)行熱處理；另外，還因?yàn)樵趬弘?電致伸縮器件作為傳感器元件被用于進(jìn)行液體特性的檢測(cè)的情況下，往往其液體具有導(dǎo)電性和腐蝕性。
出于這種觀點(diǎn)，作為優(yōu)選被用作陶瓷基體1的構(gòu)成材料的陶瓷，例如，可以列舉出被穩(wěn)定化后的氧化鋯、氧化鋁、氧化鎂、富鋁紅柱石、氮化鋁、氮化硅、玻璃等。其中，被穩(wěn)定化后的氧化鋯，因?yàn)榧词乖诒”谀て?2構(gòu)成得很薄的情況下，也可以保持高的機(jī)械強(qiáng)度和優(yōu)良的韌性，所以更理想。
陶瓷基體1的薄壁膜片部12的厚度，為了不制約壓電/電致伸縮元件2的驅(qū)動(dòng)，通常，是小于或等于100μm，最好為小于或等于30μm，小于或等于15μm則更好。
薄壁膜片部12的外形形狀對(duì)應(yīng)于厚壁部11的框架或コ字形等形狀，也可以是長(zhǎng)方形、正方形、三角形、橢圓形、正圓形等任何形狀，但是如圖1所示，在由厚壁部11和薄壁膜片部12形成空腔13的同時(shí)形成通孔14并經(jīng)由通孔14把被測(cè)定流體供給/排出空腔13的情況下，最好是長(zhǎng)方形、長(zhǎng)圓形、橢圓形。為了得到理想的振動(dòng)(變位)，長(zhǎng)寬比大于1.5的長(zhǎng)方形、長(zhǎng)圓形、橢圓形更好。在厚壁部上也可以設(shè)置器件的安裝、定位等用的孔或穴。
用于本發(fā)明的壓電/電致伸縮元件2(包含下部電極21、壓電/電致伸縮膜22、上部電極23)被固定在薄壁膜片部12的外表面上。構(gòu)成壓電/電致伸縮元件2的下部電極21的大小與薄壁膜片部12的外表面上的應(yīng)形成壓電/電致伸縮膜22的大小同等。這種情況下，既可以把下部電極21的短方向的寬度作得大于薄壁膜片部12，也可以做得小于壓電/電致伸縮膜22的寬度。
為了提高上部電極的電連接的可靠性，也可以并列設(shè)置輔助電極(未圖示)?？梢詫⑤o助電極連續(xù)形成在薄壁膜片部12的外表面上的規(guī)定的位置上。下部電極21和輔助電極，既可以是不同的材質(zhì)也可以是同一種材質(zhì)，陶瓷基體1和壓電/電致伸縮膜22最好都是接合性好的導(dǎo)電性材料。具體地說，可以列舉出白金、鈀、銠、銀或以它們的合金為主要成分的電極材料。特別是，在形成壓電/電致伸縮膜22時(shí)要進(jìn)行用于燒結(jié)熱處理的情況下，以白金及其合金為主要成分的電極材料更好。在下部電極21和輔助電極的形成中，可以使用各種周知的成膜方法。作為這樣的膜形成方法，例如可以列舉出離子束、濺散、真空蒸涂、CVD、離子鍍、電鍍等薄膜形成方法，或者網(wǎng)篩印刷、噴印、浸漬等厚膜形成方法。其中最好的方法是濺散法和網(wǎng)篩印刷法。
在下部電極21與輔助電極之間，也可以設(shè)置用來使壓電/電致伸縮膜22與薄壁膜片部12結(jié)合的結(jié)合層(未圖示)。這種情況下，在壓電/電致伸縮膜22的形成之前就形成結(jié)合層。通過形成這樣的結(jié)合層，就能夠使薄壁膜片部12的外表面上的壓電/電致伸縮元件2的剛性均勻，在得到理想的振動(dòng)(變位)方面是理想的。作為結(jié)合層，只要是具有絕緣性并與壓電/電致伸縮膜22和陶瓷基體1的附著性、結(jié)合性都高，有機(jī)材料和無機(jī)材料都可以。另外，構(gòu)成結(jié)合層的材料的熱漲系數(shù)，具有陶瓷基體1和壓電/電致伸縮膜22的各自的構(gòu)成材料的熱漲系數(shù)的中間值，在得到高可靠性結(jié)合方面是理想的。在為了燒結(jié)對(duì)壓電/電致伸縮膜22進(jìn)行熱處理的情況下，在壓電/電致伸縮膜22的構(gòu)成材料中添加了微量的玻璃成分的材料或具有高于壓電/電致伸縮膜22的熱處理溫度的軟化點(diǎn)的玻璃材料，與壓電/電致伸縮膜22和陶瓷基體1的附著性、結(jié)合性都高，所以，是理想的。
另外，在后述的壓電/電致伸縮膜22的構(gòu)成材料是(Bi0.5Na0.5)TiO3或以此為主要成分的材料、或者是(1-x)(Bi0.5Na0.5)TiO3-xKNbO3(按克分子x為0≤x≤0.06)或以其為主要成分的材料的情況下，在以(1-x)(Bi0.5Na0.5)TiO3-xKNbO3(按克分子x為0＜x≤0.5)主要成分的材料中添加微量玻璃成分，能夠使壓電/電致伸縮膜22和陶瓷基體1的附著性都很高，并可以抑制對(duì)熱處理時(shí)壓電/電致伸縮膜22和陶瓷基體1的惡劣影響，所以，是理想的。即，通過做成添加了微量玻璃成分的(1-x)(Bi0.5Na0.5)TiO3-xKNbO3(按克分子x為0＜x≤0.5)，就使結(jié)合層具有與壓電/電致伸縮膜22同樣的成分，所以與壓電/電致伸縮膜22附著性高，并解決了單獨(dú)使用玻璃時(shí)容易產(chǎn)生的異種元素的擴(kuò)散引起的問題，另外，由于包含KNbO3成分，與陶瓷基體1的反應(yīng)性高，且進(jìn)行能夠?qū)崿F(xiàn)牢固的結(jié)合。另外，在把結(jié)合層的主要成分作成(1-x)(Bi0.5Na0.5)TiO3-xKNbO3(按克分子x為0.08≤x≤0.5)的情況下，幾乎不呈現(xiàn)壓電特性，所以對(duì)使用時(shí)在下部電極21和輔助電極上產(chǎn)生的電場(chǎng)不產(chǎn)生振動(dòng)(變位)和應(yīng)力等，能夠得到穩(wěn)定的器件特性。
在結(jié)合層的形成中，使用通常的厚膜方法，特別是壓印法、網(wǎng)印法，在應(yīng)形成的部分的大小為數(shù)十μm～數(shù)百μm的情況下，最適于使用噴墨法。另外，在必須進(jìn)行結(jié)合層的熱處理的情況下，既可以在壓電/電致伸縮膜22的形成之前進(jìn)行熱處理，也可以與壓電/電致伸縮膜22的形成同時(shí)進(jìn)行熱處理。
構(gòu)成壓電/電致伸縮元件2的壓電/電致伸縮膜22，做成為被載置于下部電極21(根據(jù)需要載置于輔助電極和結(jié)合層)的外表面上來形成。作為壓電/電致伸縮膜22的構(gòu)成材料，只要是呈現(xiàn)壓電/電致伸縮的材料就可以，例如，可以是鋯酸鉛、鈦酸鉛、鈦鋯酸鉛(PZT)等鉛系陶瓷壓電/電致伸縮材料、鈦酸鋇及以其為主要成分的鈦鋇系陶瓷強(qiáng)電介質(zhì)、以聚氟化亞乙烯基(PVDF)為代表的高分子壓電體、以(Bi0.5Na0.5)TiO3為代表的Bi系陶瓷壓電體、Bi層狀陶瓷等。也可以是改善了壓電/電致伸縮特性的這些材料的混合物、固溶體、將添加物添加到這些材料之中的物質(zhì)等。
最好采用PZT系陶瓷壓電/電致伸縮材料作為壓電特性高且可進(jìn)行高靈敏度檢測(cè)的傳感器的材料。其中，由以鈦酸鉛、鋯酸鉛、鎂鈮酸鉛和鎳鈮酸鉛構(gòu)成的組選擇的至少一種為主要成分的材料構(gòu)成PZT系陶瓷壓電/電致伸縮材料，與陶瓷基體1的構(gòu)成材料的反應(yīng)性低，不易引起熱處理中的成分的偏析，能順暢地進(jìn)行用于保持組成的處理、容易得到作為目的的組成、結(jié)晶構(gòu)造，所以，是理想的。
作為下部電極21和輔助電極的構(gòu)成材料，在使用白金或以白金為主要成分的合金的情況下，由于與它們的結(jié)合性更高、壓電/電致伸縮的特性的散差少，可以得到高的可靠性，所以，使用(Bi0.5Na0.5)TiO3或者以其為主要成分的材料最為合適。其中，因?yàn)?1-x)(Bi0.5Na0.5)TiO3-xKNbO3(按克分子x為0≤x≤0.06)或以其為主要成分的材料，具有比較高的壓電特性，所以，是理想的。在壓電/電致伸縮膜22的形成中，與下部電極21和輔助電極一樣，可以采用周知的各種膜形成方法。其中，從降低成本的觀點(diǎn)出發(fā)，最好是網(wǎng)印法。
用上述的方法形成的壓電/電致伸縮膜22根據(jù)需要進(jìn)行熱處理，并與下部電極21(根據(jù)需要是輔助電極和結(jié)合層)被一體化。為了抑制壓電/電致伸縮器件的特性的散差，提高可靠性，在必須使壓電/電致伸縮膜22與下部電極21(根據(jù)需要是輔助電極和結(jié)合層)的結(jié)合性更加強(qiáng)固的情況下，使用(Bi0.5Na0.5)TiO3或者以其為主要成分的材料，其中也使用(1-x)(Bi0.5Na0.5)TiO3-xKNbO3(按克分子x為0≤x≤0.06)或以其為主要成分的材料，理想的是在900～1400℃、最好是在1000～1300℃的溫度下進(jìn)行熱處理。在使用PZT系陶瓷壓電/電致伸縮材料的情況下也是一樣。此時(shí)，最好與陶瓷壓電/電致伸縮材料的蒸發(fā)源一起一面進(jìn)行氣氛控制一面進(jìn)行熱處理，以便在高溫時(shí)壓電/電致伸縮膜22不會(huì)不穩(wěn)定。
構(gòu)成壓電/電致伸縮元件2的上部電極23，被載置形成在像上述那樣形成的壓電/電致伸縮膜22的外表面上。作為上部電極23的材質(zhì)，使用與壓電/電致伸縮膜22的結(jié)合性高的導(dǎo)電材料，用與下部電極21和輔助電極同樣的成膜方法來形成。另外，上部電極23，在成膜之后，根據(jù)需要被進(jìn)行熱處理，并與壓電/電致伸縮膜22和輔助電極結(jié)合，被做成一體結(jié)構(gòu)。未必一定進(jìn)行這樣的熱處理的情況，與下部電極21的情況一樣。為了實(shí)現(xiàn)理想的驅(qū)動(dòng)(變位)，最好在薄壁膜片部12上剛性均勻，因此，比起使用粘接劑把下部電極21、壓電/電致伸縮膜22和上部電極23進(jìn)行結(jié)合來，最好是通過熱處理使之與薄壁膜片部12一體化。另外，為了得到尖銳的峰，上部電極23的寬度方向的形狀，最好是線對(duì)稱，通過作成對(duì)稱形就可以使之僅強(qiáng)調(diào)固有振動(dòng)進(jìn)行振動(dòng)。另外，最好使上部電極23與薄壁膜片部12的中心一致，而與中心的偏離，在薄壁膜片部12的長(zhǎng)度方向上，最好低于薄壁膜片部12的長(zhǎng)度的5％或以下，在寬度方向上，最好低于薄壁膜片部12的寬度的10％或以下。另外，用于上部電極23的驅(qū)動(dòng)的有效面積與薄壁膜片部12的面積之比最好為15％～40％。只要是在該范圍之內(nèi)，就可以得到檢測(cè)所必要的振動(dòng)，而且能夠得到對(duì)振動(dòng)有利的剛性。
另外，在根據(jù)需要通過熱處理把下部電極21、結(jié)合層、壓電/電致伸縮膜22、上部電極23結(jié)合起來的情況下，既可以在各自形成時(shí)進(jìn)行熱處理，也可以在順次對(duì)各自進(jìn)行膜形成之后，同時(shí)進(jìn)行熱處理。進(jìn)行熱處理時(shí)，為了抑制因良好的結(jié)合性或構(gòu)成元件的擴(kuò)散引起的變質(zhì)，最好選擇合適的熱處理溫度。另外，在圖1中表示把通孔形成在了空腔13上的情況，但壓電/電致伸縮器件與流體接觸的空腔13的構(gòu)造，也可以是單純的空腔結(jié)構(gòu)，并沒有特別限定。另外，既可以使壓電/電致伸縮膜22的長(zhǎng)度方向的端部作成不超過薄壁膜片部12的長(zhǎng)度，也可以不將壓電/電致伸縮膜22一直延長(zhǎng)到厚壁部1。
實(shí)施例以下用實(shí)施例來更加詳細(xì)地說明本發(fā)明，但是本發(fā)明并不受這些實(shí)施例的任何限制。
(實(shí)施例1)所制作成的壓電/電致伸縮器件，具備一個(gè)薄壁膜片部(厚度14μm、突出量20μm、架設(shè)寬度1500μm)、兩個(gè)厚壁部(厚壁部的高度800μm、厚壁部的寬度800μm、(厚壁部的高度/厚壁部的寬度)＝1.0)和一個(gè)壓電/電致伸縮元件(下部電極厚度4μm、壓電/電致伸縮膜厚204μm、上部電極厚度0.5μm)。再者，通過用光學(xué)顯微鏡測(cè)定壓電/電致伸縮器件的橫斷面來確認(rèn)構(gòu)成按實(shí)施例1得到的壓電/電致伸縮器件的薄壁膜片部上的拱形形狀的突出量。
(薄壁膜片部的特性的測(cè)定)
構(gòu)成按實(shí)施例1得到的壓電/電致伸縮器件的薄壁膜片部中的振動(dòng)特性，以由在壓電/電致伸縮器件上施加了50V電壓的狀態(tài)切斷該電壓的瞬間為原點(diǎn)進(jìn)行測(cè)定，此時(shí)正在振動(dòng)的薄壁膜片部的位置的經(jīng)時(shí)變化用激光多普勒測(cè)定器測(cè)定了20個(gè)周期的波形。結(jié)果，第五振動(dòng)波振幅(V5)是2.70μm，第十振動(dòng)波振幅(V10)是2.45μm，振動(dòng)波振幅的比值＝[(v10/v5)×100％]為90.7％，可見其振動(dòng)的衰減很小。
(比較例1)在比較例1中，除未把薄壁膜片部作成拱形(突出量為0μm)之外，其余都與實(shí)施例1一樣，同樣測(cè)定了振動(dòng)特性。結(jié)果，第五振動(dòng)波振幅(V5)是2.43μm，第十振動(dòng)波振幅(V10)是1.93μm，振動(dòng)波振幅的比值＝[(v10/v5)×100％]為79.4％，可見振動(dòng)的衰減大。
(比較例2)在比較例2中，除把薄壁膜片部中的拱形的突出量作成為4μm之外，其余都與實(shí)施例1一樣，同樣測(cè)定了振動(dòng)特性。結(jié)果，第五振動(dòng)波振幅是2.31μm，第十振動(dòng)波振幅是1.95μm，振動(dòng)波振幅的比值＝[(v10/v5)×100％]為84.4％，可見振動(dòng)的衰減大。
(比較例3)在比較例3中，除把薄壁膜片部中的拱形的突出量作成為60μm之外，其余都與實(shí)施例1一樣，同樣測(cè)定了振動(dòng)特性。結(jié)果，第五振動(dòng)波振幅是1.31μm，第十振動(dòng)波振幅是0.79μm，振動(dòng)波振幅的比值＝[(v10/v5)×100％]為60.3％，可見振動(dòng)的衰減大。
(比較例4)在比較例4中，除把薄壁膜片部架設(shè)寬度作成為300μm，把突出量作成為0μm之外，其余都與實(shí)施例1一樣，同樣測(cè)定了振動(dòng)特性。結(jié)果，第五振動(dòng)波振幅是0.4μm，第十振動(dòng)波振幅是0.29μm，振動(dòng)波振幅的比值＝[(v10/v5)×100％]為72.5％，可見振動(dòng)的衰減大。
(比較例5)在比較例5中，除把薄壁膜片部架設(shè)寬度作成為2500μm之外，其余都與實(shí)施例1一樣，同樣測(cè)定了振動(dòng)特性。結(jié)果，第五振動(dòng)波振幅是3.71μm，第十振動(dòng)波振幅是2.73μm，振動(dòng)波振幅的比值＝[(v10/v5)×100％]為73.6％，可見振動(dòng)的衰減大。
(比較例6)在比較例6中，除做成厚壁部的高度為200μm、厚壁部的寬度為1500μm、(厚壁部的高度/厚壁部的寬度)＝0.13之外，其余都與實(shí)施例1一樣，同樣測(cè)定了振動(dòng)特性。結(jié)果，第五振動(dòng)波振幅是2.40μm，第十振動(dòng)波振幅是1.94μm，振動(dòng)波振幅的比值＝[(v10/v5)×100％]為80.1％，可見振動(dòng)的衰減大。
(比較例7)在比較例7中，除做成厚壁部的高度為1200μm、厚壁部的寬度為200μm、(厚壁部的高度/厚壁部的寬度)＝6.0之外，其余都與實(shí)施例1一樣，同樣測(cè)定了振動(dòng)特性。結(jié)果，第五振動(dòng)波振幅是2.36μm，第十振動(dòng)波振幅是1.88μm，振動(dòng)波振幅的比值＝[(v10/v5)×100％]為79.7％，可見振動(dòng)的衰減大。
本發(fā)明的壓電/電致伸縮器件可以有效地用于必須要下列器件的各種產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，即利用彎曲變位的致動(dòng)器；用于檢測(cè)話筒用傳感器、粘度傳感器等的流體特性、聲壓、微重、加速度等的各種傳感器；濾波器；變壓器；揚(yáng)聲器等發(fā)音體；動(dòng)力用或通信用的振子和振蕩器；顯示器；被用于伺服變位元件、脈沖驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、超聲波電動(dòng)機(jī)等的均一表面幾何形狀型等發(fā)生彎曲變位型的壓電/電致伸縮型致動(dòng)器(參照內(nèi)野研二著(日本工業(yè)技術(shù)中心編)“壓電/電致伸縮致動(dòng)器從基礎(chǔ)到應(yīng)用”(森北出版))。
權(quán)利要求
1.一種壓電/電致伸縮器件，其特征在于具有陶瓷基體，該陶瓷基體，具有厚壁部和一體地架設(shè)在所述厚壁部的端面上的薄壁膜片部，并由所述厚壁部與所述薄壁膜片部形成了與外部連通的空腔；和壓電/電致伸縮元件，該壓電/電致伸縮元件，具有被固定在所述陶瓷基體的薄壁膜片部的外表面上的，包含下部電極、壓電/電致伸縮膜和上部電極的分層結(jié)構(gòu)；所述陶瓷基體的薄壁膜片部可以與所述壓電/電致伸縮元件的驅(qū)動(dòng)聯(lián)動(dòng)地振動(dòng)；該壓電/電致伸縮器件滿足下述(A)～(C)規(guī)定的形狀和尺寸關(guān)系(A)所述薄壁膜片部的形狀是朝外方凸出的拱形，且所述拱形的朝外方的突出量是5～50μm；(B)所述薄壁膜片部的架設(shè)寬度是600～2000μm；(C)所述厚壁部的高度對(duì)寬度之比(高度/寬度)是0.25～3。
2.如權(quán)利要求1所述的壓電/電致伸縮器件，其特征在于分別具有2個(gè)以上所述薄壁膜片部和被固定在了所述薄壁膜片部的外表面上的壓電/電致伸縮元件；所述薄壁膜片部和所述壓電/電致伸縮元件，分別被配置在第一平面上和/或與所述第一平面平行的第二平面上。
3.如權(quán)利要求1所述的壓電/電致伸縮器件，其特征在于分別具有2個(gè)以上所述薄壁膜片部和被固定在了所述薄壁膜片部的外表面上的壓電/電致伸縮元件；所述薄壁膜片部和所述壓電/電致伸縮元件，分別被配置在第一平面上、與所述第一平面平行的第二平面上和/或垂直于所述第一平面的第三平面上。
4.如權(quán)利要求1～3任一項(xiàng)所述的壓電/電致伸縮器件，其特征在于所述壓電/電致伸縮元件是用成膜方法形成的，同時(shí)，是通過將所述壓電/電致伸縮元件的構(gòu)成材料，配設(shè)在所述薄壁膜片部的外表面上之后，進(jìn)行熱處理后固定在所述薄壁膜片部的外表面上來得到的。
全文摘要
提供一種壓電/電致伸縮器件，可以有效防止薄壁膜片部的振動(dòng)的衰減，維持高變位，同時(shí)應(yīng)答性好且可進(jìn)行高精度(高分辨率、高靈敏度)的檢測(cè)，其具有具有厚壁部11和薄壁膜片部12的陶瓷基體1；和具有包含下部電極21、壓電/電致伸縮膜22和上部電極23的分層結(jié)構(gòu)的壓電/電致伸縮元件2；并構(gòu)成為與壓電/電致伸縮元件2的驅(qū)動(dòng)聯(lián)動(dòng)，陶瓷基體1的薄壁膜片部12振動(dòng)；另外，構(gòu)成為滿足下述(A)～(C)規(guī)定的形狀和尺寸關(guān)系(A)薄壁膜片部的形狀，是朝外方凸出的拱形，且拱形的朝外方的突出量是5～50μm；(B)薄壁膜片部的架設(shè)寬度是600～2000μm；(C)所述厚壁部的高度對(duì)寬度之比(高度/寬度)是0.25～3。
文檔編號(hào)G01N11/16GK1780010SQ20051011691
公開日2006年5月31日 申請(qǐng)日期2005年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月19日
發(fā)明者七瀧努, 吉岡邦彥, 山口浩文 申請(qǐng)人:日本礙子株式會(huì)社