專利名稱:壓電/電致伸縮設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種壓電/電致伸縮設(shè)備。詳細地說,是涉及一種作為利用彎曲位移的驅(qū)動器(actuator)、或用于檢測流體特性、聲壓、微小重量、加速度等的各種傳感器(例如麥克風(fēng)用傳感器、粘度傳感器等)的壓電/電致伸縮設(shè)備。
背景技術(shù):
壓電/電致伸縮設(shè)備作為驅(qū)動器或各種傳感器而使用。作為這樣的壓電/電致伸縮設(shè)備,公開了用于測定例如流體的密度、濃度、粘度等特性的壓電/電致伸縮設(shè)備(參照專利文獻1)。這樣的壓電/電致伸縮設(shè)備利用與作為壓電/電致伸縮設(shè)備的振子的振幅、和與壓電/電致伸縮設(shè)備(振子)相接觸的流體的粘性阻抗相關(guān)的特性,作為傳感器使用。
一般地,像振子的振動那樣的機械系統(tǒng)中的振動形式可以轉(zhuǎn)換為電氣系統(tǒng)中的等價電路,在流體中使壓電/電致伸縮設(shè)備(振子)振動,該振子根據(jù)流體的粘性阻抗受到機械阻抗,由此使用構(gòu)成振子的壓電/電致伸縮器件的等價電路的電氣常數(shù)的變化,測定流體的粘度、密度、濃度等特性。這里,作為能夠測定的流體,可以是液體及氣體。作為這樣的液體,可以是由水、酒精、油等單一成分構(gòu)成的液體,也可以是在這些液體中溶解、混合或懸濁可溶的或不可溶的介質(zhì)的液體、漿液、膏等。
另外,作為檢測的電氣常數(shù),例如可以是損失系數(shù)、相位、電阻、電抗、電導(dǎo)、電納、電感、電容等。特別地,優(yōu)選使用在等價電路的共振頻率附近具有一個極大或極小變化點的損失系數(shù)或相位。由此,不僅可以測定流體的粘度,而且可以測定密度或濃度(例如,硫酸水溶液中的硫酸濃度)。另外,作為檢測振動形式變化的指標(biāo),除電氣常數(shù)之外,如果從測定精度、耐久性的觀點來看沒有什么特別的問題的話,也可以利用共振頻率的變化。
公開了作為這樣的壓電/電致伸縮設(shè)備的結(jié)構(gòu)為具備具有厚壁部、及與厚壁部一體成形形成空腔的薄壁隔板部的陶瓷基體,和固定在陶瓷基體外表面的壓電/電致伸縮器件,在與構(gòu)成壓電/電致伸縮器件的下部電極相獨立的位置形成輔助電極,并且將該輔助電極的一部分插入壓電/電致伸縮膜下側(cè)的一部分(參照專利文獻2)。通過這樣的結(jié)構(gòu),可以在輔助電極及壓電/電致伸縮器件的表面上不間斷地連續(xù)形成上部電極,可以提高上部電極的連接的可靠性。另外,被測定流體經(jīng)由貫通孔導(dǎo)入并填充到空腔內(nèi)。另外,輔助電極不僅在薄壁隔板部的外表面上,而且一直連續(xù)形成至厚壁部,由此可以得到穩(wěn)定的設(shè)備特性、及很難受到使用條件限制的壓電/電致伸縮設(shè)備。
特開平8-201265號公報[專利文獻2]特開2002-261347號公報然而,在上述專利文獻中公開的壓電/電致伸縮設(shè)備等中,連動驅(qū)動壓電/電致伸縮器件僅使薄壁隔板部振動,但實際上不僅使薄壁隔板部振動,而且也會使厚壁部振動,由此薄壁隔板部的振動能量衰減使位移(振幅)減小,同時使響應(yīng)性下降,由此存在高精度(高分辨率、高靈敏度)檢測變得困難的問題。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于上述問題而發(fā)明的,其目在于提供一種壓電/電致伸縮設(shè)備,其可以有效地防止薄壁隔板部振動的衰減,維持大位移(振幅),并且響應(yīng)性良好,可以進行高精度(高分辨率、高靈敏度)檢測。
為了達到上述目的,根據(jù)本發(fā)明提供以下的壓電/電致伸縮設(shè)備。
一種壓電/電致伸縮設(shè)備,其特征在于,其具有框狀的厚壁部以及在所述厚壁部的端面上為覆蓋所述厚壁部而一體架設(shè)的薄壁隔板部,具備由所述厚壁部及所述薄壁隔板部形成了與外部連通的空腔的陶瓷基體,及固定在所述陶瓷基體的薄壁隔板部的外表面上的,具有包含下部電極、壓電/電致伸縮膜及上部電極的層結(jié)構(gòu)的壓電/電致伸縮器件,可以聯(lián)動于所述壓電/電致伸縮器件的驅(qū)動,所述陶瓷基體的薄壁隔板部一邊使所述空腔的內(nèi)部容積變化一邊進行振動,所述薄壁隔板部外側(cè)呈凸出的弧狀,且所述壓電/電致伸縮器件在其內(nèi)部殘留有與其和所述薄壁隔板部的固定面平行的拉應(yīng)力。
根據(jù)所述[1]中記載的壓電/電致伸縮設(shè)備,所述壓電/電致伸縮器件是用膜形成方法形成的,而且是通過將具有比所述薄壁隔板部的構(gòu)成材料的熱膨脹率大的熱膨脹率的構(gòu)成材料設(shè)置在所述薄壁隔板部的外表面上,然后進行熱處理固定在所述薄壁隔板部的外表面上得到的。
根據(jù)本發(fā)明,可以提供一種有效防止薄壁隔板部的振動衰減、維持大位移(振幅)、且響應(yīng)性好、可以高精度(高分辨率、高靈敏度)檢測的壓電/電致伸縮設(shè)備。
圖1是表示本發(fā)明的壓電/電致伸縮設(shè)備的一種實施方式的說明圖;圖2是表示在薄壁隔板部外側(cè)凸出的弧形的突出量的說明圖。
具體實施例方式
圖1是表示本發(fā)明的壓電/電致伸縮設(shè)備的一種實施方式的說明圖。圖2是表示在薄壁隔板部外側(cè)凸出的弧形的突出量的說明圖。
下面,參照附圖對用于實施本發(fā)明的壓電/電致伸縮設(shè)備的最佳實施方式進行說明。
如圖1所示,本實施方式的壓電/電致伸縮設(shè)備10具有框狀的厚壁部11、及在厚壁部11的端面上為覆蓋厚壁部11而一體架設(shè)的薄壁隔板部12,具備由厚壁部11及薄壁隔板部12形成與外部連通的空腔13的陶瓷基體1,和固定在陶瓷基體1的薄壁隔板部12的外表面上的,具有包含下部電極21、壓電/電致伸縮膜22及上部電極23的層結(jié)構(gòu)的壓電/電致伸縮器件2,可以聯(lián)動于壓電/電致伸縮器件2的驅(qū)動,陶瓷基體1的薄壁隔板部12一邊使所述空腔13的內(nèi)部容積變化一邊進行振動,薄壁隔板部12外側(cè)呈凸出的弧狀,且壓電/電致伸縮器件2在其內(nèi)部殘留有與其和薄壁隔板部12的固定面平行的拉應(yīng)力。另外,作為拉應(yīng)力的大小,優(yōu)選在50MPa~200MPa。如果拉應(yīng)力F不足50MPa,則存在位移變小,振動能量逸失顯著的情況。另外,如果超過200MPa,則存在接近壓電/電致伸縮膜的破壞強度,無法得到高可靠性的器件的情況。
在本實施方式中,薄壁隔板部12在外側(cè)具有凸出的弧形。通過這種構(gòu)造,可以高效地把在壓電/電致伸縮器件2中產(chǎn)生的變形或應(yīng)力變換為位移。即,在外側(cè)呈凸出弧形的薄壁隔板部12的外表面上形成的壓電/電致伸縮器件2經(jīng)驅(qū)動,在垂直于薄壁隔板部12的外表面的方向(X方向)上位移,由此連動于壓電/電致伸縮器件2的驅(qū)動,陶瓷基體1的薄壁隔板部12也一邊使空腔13的內(nèi)部體積變化,一邊在垂直于其外表面的方向(X方向)上振動,但對于在薄壁隔板部12的外側(cè)呈凸出弧形的外表面,通過形成壓電/電致伸縮器件2(具體地,至少形成下部電極21及壓電/電致伸縮膜22),可以有效地提高形成薄壁隔板部12的壓電/電致伸縮器件2的部位的剛性。另外,由于薄壁隔板部12在外側(cè)具有凸出的弧形,可以提高對于來自薄壁隔板部12的外表面一側(cè)的壓力的機械強度。另外,也可以增大形成壓電/電致伸縮器件2的薄壁隔板部12的固有頻率及響應(yīng)速度。
如圖2所示,作為在陶瓷基體1的薄壁隔板部12的外側(cè)凸出的弧形的突出量,為達到本發(fā)明的目的而適當(dāng)?shù)卮_定,一般地,為了確保有效的位移量,用百分率表示的薄壁隔板部12的中央部附近相對于陶瓷基體1中空腔13的短方向長度(通過陶瓷基體1中的空腔13的中心的最短尺寸)(m)的突出量(最大突出量)(h)的突出率[(y)=(h/m)×100]優(yōu)選為0.1~10%,0.5~5%更適用于獲得大位移量。
這里,陶瓷基板1中的空腔13的短方向的長度(m)與薄壁隔板部12的中央部附近的突出量(最大突出量)(h)可以通過斷面的SEM觀察測長或工業(yè)顯微鏡測長來求得。另外,空腔13的短方向的長度(m),例如在空腔13的形狀(垂直于X方向的斷面形狀)是圓形的情形下,是與該圓形的直徑相當(dāng)?shù)拈L度,在為長方形的情形下,是與該長方形的短邊長度相當(dāng)?shù)拈L度,在為橢圓形的情形下,是與該橢圓形的短軸長度相當(dāng)?shù)拈L度,等等。
如上所述,在本實施方式中,壓電/電致伸縮器件2是在其內(nèi)部殘留有與其和薄壁隔板部12的固定面平行的拉應(yīng)力F的狀態(tài)下構(gòu)成的。通過這樣的結(jié)構(gòu),通過壓電/電致伸縮器件2的驅(qū)動的振動能量向厚壁部11的擴散、漫延可以有效地防止薄壁隔板部振動的衰減、維持大位移(振幅)。
從上述可知,本實施方式的壓電/電致伸縮設(shè)備可以有效地防止薄壁隔板部振動的衰減、維持大位移(振幅),同時響應(yīng)性良好,可以進行高精度(高分辨率、高靈敏度)地檢測。
在本實施方式中,壓電/電致伸縮器件2是用膜形成方法形成的,而且最好通過把具有比薄壁隔板部12的構(gòu)成材料的熱膨脹率大的熱膨脹率的構(gòu)成材料設(shè)置在薄壁隔板部12的外表面上,然后進行熱處理固定在薄壁隔板部12的外表面上來得到。通過進行熱處理的固定,在熱處理的降溫過程中,可以因熱膨脹率差而產(chǎn)生應(yīng)力,通過上述的結(jié)構(gòu),可以在壓電/電致伸縮器件2中殘留適當(dāng)?shù)睦瓚?yīng)力。關(guān)于滿足這樣熱膨脹系數(shù)條件的薄壁隔板部12的構(gòu)成材料及壓電/電致伸縮器件2的構(gòu)成材料的具體的組合等將在后面的各構(gòu)成要素的說明中進行說明。
通過這樣的結(jié)構(gòu),可以簡易且高效率地形成在壓電/電致伸縮器件2的內(nèi)部殘留有與其和薄壁隔板部12的固定面平行的拉應(yīng)力F的結(jié)構(gòu),可以簡易且有效率地得到能夠進行高精度(高分辨率、高靈敏度)的檢測的壓電/電致伸縮設(shè)備。
下面,具體說明用于本發(fā)明的壓電/電致伸縮設(shè)備的各構(gòu)成要素。
用于本發(fā)明的陶瓷基體1其材質(zhì)最好具有耐熱性、化學(xué)穩(wěn)定性、絕緣性。這是因為在其外表面上固定后述的壓電/電致伸縮器件2(包含下部電極21、壓電/電致伸縮膜22、上部電極23)時要進行上述那樣的熱處理,另外是因為在壓電/電致伸縮設(shè)備作為傳感器器件用于液體特性的傳感的情況下,有時該液體具有導(dǎo)電性或腐蝕性。
從這種觀點可知,作為陶瓷基體1的構(gòu)成材料優(yōu)選使用的陶瓷例如可以采用穩(wěn)定化的氧化鋯、氧化鋁、氧化鎂、富鋁紅柱石、氮化鋁、氮化硅、玻璃等。尤其已穩(wěn)定的氧化鋯即使在較薄地構(gòu)成薄壁隔板部12的情況下,也可以保持高的機械強度,以及良好的韌性等,所以其更為理想。另外,這樣的陶瓷的熱膨脹系數(shù)為3×10-6~14×10-6/K,在比后述的壓電/電致伸縮器件2的熱膨脹系數(shù)小的方面十分理想。
為了不限制壓電/電致伸縮器件2的驅(qū)動,陶瓷基體1的薄壁隔板部12的厚度通常為小于等于50μm,理想的為小于等于30μm,更為理想的為小于等于15μm。
另外,薄壁隔板部12的外形形狀與作為厚壁部11的框體的形狀相對應(yīng),可以是長方形、正方形、三角形、橢圓形、正圓形等各種形狀。如圖1所示,在由厚壁部11與薄壁隔板部12形成空腔13,同時形成貫通孔14,經(jīng)由貫通孔14將測定流體提供、排出給空腔13的情形下,薄壁隔板部12的外形形狀優(yōu)選長方形、卵形、橢圓形。為了獲得理想的振動(位移),更為理想的是縱橫比大于等于1.5的長方形、卵形、橢圓形。
用于本發(fā)明的壓電/電致伸縮器件2(包含下部電極、壓電/電致伸縮膜22、上部電極23)被固定在薄壁隔板部12的外表面上。構(gòu)成壓電/電致伸縮器件2的下部電極21的大小與薄壁隔板部12外表面上的,應(yīng)該形成壓電/電致伸縮膜22的大小相同。在這種情形下,下部電極21的短方向的寬度可以比薄壁隔板部12大,也可以比壓電/電致伸縮膜22的寬度小。
為了提高上部電極的電連接的可靠性,可以并行設(shè)置輔助電極(圖中未示出)。輔助電極可以在薄壁隔板部12外表面上規(guī)定的位置連續(xù)形成。下部電極21及輔助電極可以是不同的材質(zhì),也可以是相同的材質(zhì),優(yōu)選的是與陶瓷基體1及壓電/電致伸縮膜22中任何一個接合性良好的導(dǎo)電性材料。具體地,可以采用以鉑、鈀、銠、銀、或者它們的合金為主要成分的電極材料。特別地,在形成壓電/電致伸縮膜22時進行用于燒結(jié)的熱處理的情形下,更優(yōu)選的為以鉑或者其合金為主要成分的電極材料。對于下部電極21及輔助電極的形成,可以使用公知的各種膜形成方法。作為這種膜形成方法,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,可以設(shè)置用于使壓電/電致伸縮膜22與薄壁隔板部12相結(jié)合的結(jié)合層(圖中未示出)。在這種情形下,在形成壓電/電致伸縮膜22之前形成結(jié)合層。通過形成這種結(jié)合層,在薄壁隔板部12的外表面上的壓電/電致伸縮器件2的剛性變得均勻,可以獲得理想的振動(位移)。作為結(jié)合層,如果具有絕緣性,并且與壓電/電致伸縮膜22及陶瓷基體1中任何一個的粘著性、結(jié)合性高,則即可以是有機材料也可以是無機材料。另外,構(gòu)成結(jié)合層的材料的熱膨脹系數(shù)具有陶瓷基體1及壓電/電致伸縮膜22各自構(gòu)成材料的熱膨脹系數(shù)的中間值,這在獲得高可靠性的結(jié)合的方面是理想的。在為燒結(jié)壓電/電致伸縮膜22而進行熱處理的情況下,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,或具有壓電/電致伸縮膜22的熱處理溫度以上的軟化點的玻璃材料適于獲得和壓電/電致伸縮膜22及陶瓷基體1中任意一個的高粘著性、結(jié)合性。
另外,在后述的壓電/電致伸縮膜22的構(gòu)成材料為(Bi0.5Na0.5)TiO3或以其為主要成分的材料、或為(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形下,在以(1-x)(Bi0.5Na0.5)TiO3-xKNbO3(按克分子x為0≤x≤0.5)為主要成分的材料中添加微量的玻璃成分的材料,因為與壓電/電致伸縮膜22及陶瓷基體1中任何一個的粘著性高,可以抑制熱處理時對壓電/電致伸縮膜22及陶瓷基體1的不良影響,所以是理想的。即,通過使結(jié)合層為微量添加了玻璃成分的(1-x)(Bi0.5Na0.5)TiO3-xKNbO3(按克分子x為0≤x≤0.5),由于為具有與壓電/電致伸縮膜22相同的成分,所以與壓電/電致伸縮膜22的粘著性高,消除了在單獨使用玻璃時容易產(chǎn)生的因不同種元素的擴散的問題。另外,在使結(jié)合層的主要成分為(1-x)(Bi0.5Na0.5)TiO3-xKNbO3(按克分子x為0.08≤x≤0.5)的情形下,由于幾乎不表示壓電特性,所以對于在使用時在下部電極21及輔助電極產(chǎn)生的電場,不產(chǎn)生振動(位移)及應(yīng)力等,可以得到穩(wěn)定的設(shè)備特性。
對于結(jié)合層的形成使用通常的厚膜方法,尤其是壓印法、網(wǎng)篩印刷法,在應(yīng)形成的部分的大小為數(shù)十μm~數(shù)百μm時最適于使用噴墨法。另外,在需要進行結(jié)合層的熱處理的情形下,可以在壓電/電致伸縮膜22形成前進行熱處理,也可以在壓電/電致伸縮膜22形成的同時進行熱處理。
構(gòu)成壓電/電致伸縮器件2的壓電/電致伸縮膜22被載置在下部電極21(根據(jù)需要,為輔助電極及結(jié)合層)的外表面上地形成。作為壓電/電致伸縮膜22的構(gòu)成材料,如果是表示壓電/電致伸縮效果的材料則沒有特別的限制,例如可以采用鋯酸鉛、鈦酸鉛、鈦鋯酸鉛(PZT)等鉛類陶瓷壓電/電致伸縮材料;鈦酸鋇及以其為主要成分的鈦鋇類陶瓷強電介質(zhì);以聚偏二氟乙烯(PVDF)為代表的高分子壓電體;以(Bi0.5Na0.5)TiO3為代表的Bi類陶瓷壓電體;Bi層狀陶瓷等。也可以是改善了壓電/電致伸縮特性的,這些的混合物、固溶體、以及在這些中添加了添加物的材料等。
PZT類陶瓷壓電/電致伸縮材料壓電特性高,適用于作為可以進行高靈敏度檢測的傳感器的材料。尤其,由從鈦酸鉛、鋯酸鉛、鎂鈮酸鉛和鎳鈮酸鉛所形成的組中選擇的至少一種作為主要成分的材料來構(gòu)成,因為與陶瓷基體1的構(gòu)成材料的反應(yīng)性低,熱處理中的成分的偏析很難產(chǎn)生,并且順利地進行用于保持組成的處理,容易獲得想要的組成、結(jié)晶構(gòu)造,所以是理想的。
作為下部電極21及輔助電極的構(gòu)成材料,在使用鉑或以鉑為主要成分的合金時,由于與它們的接合性更高、減少壓電/電致伸縮設(shè)備的特性的不均勻、得到高可靠性,所以適合采用(Bi0.5Na0.5)TiO3或以其為主要成分的材料。尤其,(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。對于壓電/電致伸縮膜22的形成,與下部電極21及輔助電極相同,可以采用公知的各種膜形成方法。其中,從降低成本來講最好是網(wǎng)篩印刷法。
使用上述方法形成的壓電/電致伸縮膜22根據(jù)需要被熱處理,與下部電極21(根據(jù)需要還有輔助電極及結(jié)合層)一體化。為了抑制壓電/電致伸縮設(shè)備的特性的不均勻,提高可靠性,在需要使壓電/電致伸縮膜22與下部電極21(根據(jù)需要還有輔助電極及結(jié)合層)的接合性更強固的情況下,優(yōu)選使用(Bi0.5Na0.5)TiO3或以其為主要成分的材料,尤其使用(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,在900~1400℃,最好在1000~1300℃的溫度下進行熱處理。在使用PZT類陶瓷壓電/電致伸縮材料時也是同樣。這時,在高溫時為了壓電/電致伸縮膜22不會不穩(wěn)定,最好與陶瓷壓電/電致伸縮材料的蒸發(fā)源一起,一邊進行氣體介質(zhì)控制一邊進行熱處理。
構(gòu)成壓電/電致伸縮器件2的上部電極23被載置在如上所述形成的壓電/電致伸縮膜22的外表面上地形成。作為上部電極23的材質(zhì),使用與壓電/電致伸縮膜22的接合性高的導(dǎo)電性材料,通過與下部電極21及輔助電極同樣的膜形成法形成。而且,上部電極23在膜形成后根據(jù)需要被熱處理,與壓電/電致伸縮膜22及輔助電極相接合,形成一體結(jié)構(gòu)。這種熱處理未必總是必要的,這與下部電極21的情況相同。為了實現(xiàn)理想的驅(qū)動(位移),最好在薄壁隔板部12上剛性是均勻的,因此,與下部電極21、壓電/電致伸縮膜22及上部電極23使用粘接劑進行接合相比,最好通過熱處理與薄壁隔板部12一體化。另外,為了得到尖銳的峰值,上部電極23寬度方向的形狀最好是線對稱的。通過使其對稱,可以只強調(diào)固有的振動使其振動。并且,最好使上部電極23與薄壁隔板部12的中心一致,但從中心的偏移在薄壁隔板部12的長度方向上,相對于薄壁隔板部12的長度最好小于等于5%,在寬度方向上,相對于薄壁隔板部12的寬度最好小于等于10%。另外,對上部電極23的驅(qū)動有效的面積與薄壁隔板部12的面積之比最好是15~40%。如果在這個范圍內(nèi),則可以得到傳感檢測所需的振動。另外,可以獲得對振動有利的剛性。
另外,下部電極21、根據(jù)需要的接合層、壓電/電致伸縮膜22、上部電極23通過熱處理接合時,可以對每個各自的形成進行熱處理,也可以在依次分別進行膜形成之后同時進行熱處理。熱處理時,為了良好的接合性和抑制因構(gòu)成元素的擴散而引起的變質(zhì),最好選擇適當(dāng)?shù)臒崽幚頊囟?。另外,雖然在圖1中表示在空腔13中形成貫通孔14的情況,但壓電/電致伸縮設(shè)備與流體接觸的空腔13等的構(gòu)造也可以是單純的空心構(gòu)造,沒有特別的限制。另外,壓電/電致伸縮膜22的長度方向的端部可以為做成不超過薄壁隔板部12的長度,壓電/電致伸縮膜22不伸展至厚壁部1的結(jié)構(gòu)。
如上所述,作為壓電/電致伸縮器件2,最好是通過具有比薄壁隔板部12的構(gòu)成材料的熱膨脹率大的熱膨脹率的構(gòu)成材料在被設(shè)置在薄壁隔板部12的外表面上之后,經(jīng)熱處理固定在薄壁隔板部12的外表面上而得到。具體地,作為熱處理時的薄壁隔板部12的構(gòu)成材料,最好使用熱膨脹率為6×10-6~10×10-6/K的氧化鋁或已部分穩(wěn)定的氧化鋯,作為壓電/電致伸縮器件2的構(gòu)成材料,最好組合使用熱膨脹率為10×10-6~15×10-6/K的BaTiO3、(Bi0.5Na0.5)TiO3、KNbO3、(K、Na)NbO3、(K、Na)(Nb、Ta)O3及以這些為主要成分的材料。通過這種構(gòu)造,壓電/電致伸縮器件2可以簡易且高效地形成在其內(nèi)部殘留有與和薄壁隔板部12的固定面平行的拉應(yīng)力的構(gòu)造。
下面通過實施例更具體地說明本發(fā)明,但本發(fā)明并不受這些實施例所限制。
(實施例1)準(zhǔn)備形成了大小為6mm×1.1mm長方形空腔的框狀厚壁部由10μm厚的薄壁隔板部覆蓋的,一體成型的陶瓷基板。另外,該陶瓷基板由重量占80%的3%摩爾氧化釔的穩(wěn)定氧化鋯粉末,及重量占20%的氧化鋁粉末形成。使用平均粒子直徑為0.4μm的陶瓷混合粉末,按照通常的方法,將粘合劑、可塑劑、及有機溶劑混合在一起調(diào)制成漿,使用這種漿通過刮粉刀法,形成燒成后的厚度為200μm的厚壁部用印刷電路基板,另一方面,使用平均粒子直徑為0.3μm的3%摩爾氧化釔的穩(wěn)定氧化鋯粉末,按照通常的方法將粘合劑、可塑劑及有機溶劑配合調(diào)制成漿,然后在逆轉(zhuǎn)輥涂布裝置使燒成后的厚度為10μm那樣地形成薄壁隔板部用印刷電路基板。對如上述所得到的厚壁部用印刷電路基板使用規(guī)定的模具進行沖壓成型(形成空腔)后,在其上重疊上述制作的隔板用印刷電路基板,在100kg/cm2的壓力下,在80℃×1分的條件下進行熱壓接,通過在1500℃的溫度下2小時燒成積層體,成為薄壁隔板部向外側(cè)突出成凸出的弧形(最大突出量(h)=30μm)的陶瓷基板。這種陶瓷基板的熱膨脹系數(shù)是9.5×10-6/K。而且,在該陶瓷基體的薄壁隔板部的外面上的規(guī)定位置,使用鉑膏通過網(wǎng)篩印刷法進行印刷使得燒成后的厚度為5μm,在120℃下干燥10分鐘時間之后,在1350℃下燒成2小時,由此形成下部電極。另外在該下部電極上,作為壓電/電致伸縮材料,使用由具有13×10-6/K的熱膨脹系數(shù)的0.98(Bi0.5Na0.5)TiO3-0.02KNbO3(數(shù)字是摩爾分數(shù))形成的材料,通過絲網(wǎng)格法進行印刷使燒成后的厚度為20μm,在120℃干燥20分鐘后,在1100℃進行壓電/電致伸縮膜的燒成,形成壓電/電致伸縮膜。然后,在所得到的向陶瓷基體的外側(cè)呈凸出狀的薄壁隔板部上設(shè)置的下部電極及壓電/電致伸縮膜上,還作為上部電極使用濺散法形成Au,得到本發(fā)明的壓電/電致伸縮設(shè)備。另外,使上部電極的厚度為0.1μm。另外,在所得到的壓電/電致伸縮設(shè)備中在構(gòu)成壓電/電致伸縮器件的上部電極與下部電極之間施加150V的電壓,進行極化處理。
(實施例2)把使用其他方法燒結(jié)后得到的,由厚20μm的0.98(Bi0.5Na0.5)TiO3-0.02KNbO3(數(shù)字是摩爾分數(shù))構(gòu)成的壓電/電致伸縮材料的燒結(jié)體把持在夾具上,使用與100Mpa的拉應(yīng)力相當(dāng)?shù)牧M行拉伸,同時使用導(dǎo)電性粘結(jié)劑粘貼在和實施例1中使用的相同的陶瓷基板的薄壁隔板部上,除此之外與實施例1相同,得到壓電/電致伸縮設(shè)備。
(比較例1)
把使用其他方法燒結(jié)后得到的,由厚20μm的0.98(Bi0.5Na0.5)TiO3-0.02KNbO3(數(shù)字是摩爾分數(shù))構(gòu)成的壓電/電致伸縮材料的燒結(jié)體,使用和實施例2中所使用的相同的導(dǎo)電性粘接劑,粘貼在和實施例1中使用的相同的陶瓷基板的薄壁隔板部上,除此之外與實施例1相同,得到壓電/電致伸縮設(shè)備。
關(guān)于在實施例1、2及比較例1中得到的三個壓電/電致伸縮設(shè)備,在與實施極化處理的方向相同的方向上將30V電壓施加在各壓電/電致伸縮設(shè)備中構(gòu)成壓電/電致伸縮器件的上部電極與下部電極之間,通過激光多譜勒裝置分別測定壓電/電致伸縮器件的位移量,同時以評價向厚壁部的振動能量逸失狀態(tài)(衰減特性)為目的,測定在厚壁部上的位移量。在表1中顯示了其結(jié)果。
表1
從表1可知,在壓電/電致伸縮器件中殘留有拉應(yīng)力的實施例1、2的情況比沒有殘留拉應(yīng)力的比較例1的情況,位移大,還能有效地防止薄壁隔板部的振動的衰減。另外,還可以知道,即使在壓電/電致伸縮器件中殘留有拉應(yīng)力的實施例1、2中,具有比薄壁隔板部的構(gòu)成材料的熱膨脹率大的熱膨脹率的壓電/電致伸縮材料在被設(shè)置在薄壁隔板部的外表面上之后,經(jīng)熱處理固定在薄壁隔板部的外表面上的實施例1的情況比沒有經(jīng)熱處理而被固定的實施例2的情況,殘留有更有效果的拉應(yīng)力,位移(振幅)更大,可以有效地防止振動的衰減。
工業(yè)上的應(yīng)用可能性本發(fā)明的壓電/電致伸縮設(shè)備在需要使用彎曲位移的驅(qū)動器;麥克風(fēng)用傳感器、粘度傳感器等的,用于檢測流體特性、音壓、微小重量、加速度等的各種傳感器;過濾器;變壓器;揚聲器等發(fā)音體;動力用或通信用振子及振蕩器;顯示器;用于伺服位移器件、脈沖驅(qū)動馬達、超音波馬達等的單壓電晶片(unimorph)型等的,產(chǎn)生彎曲位移類型的壓電/電致伸縮膜型驅(qū)動器(參照內(nèi)野研二著(日本工業(yè)技術(shù)中心編)“壓電/電致伸縮驅(qū)動器從基礎(chǔ)至應(yīng)用”(森北出版))的各種工業(yè)領(lǐng)域中被有效地使用。
權(quán)利要求
1.一種壓電/電致伸縮設(shè)備,其特征在于,其具有框狀的厚壁部以及在所述厚壁部的端面上為覆蓋所述厚壁部而一體架設(shè)的薄壁隔板部,具備由所述厚壁部及所述薄壁隔板部形成了與外部連通的空腔的陶瓷基體,及固定在所述陶瓷基體的薄壁隔板部的外表面上的,具有包含下部電極、壓電/電致伸縮膜及上部電極的層結(jié)構(gòu)的壓電/電致伸縮器件,可以聯(lián)動于所述壓電/電致伸縮器件的驅(qū)動,所述陶瓷基體的薄壁隔板部在使所述空腔的內(nèi)部容積變化的同時進行振動,所述薄壁隔板部外側(cè)呈凸出的弧狀,且所述壓電/電致伸縮器件在其內(nèi)部殘留有與其和所述薄壁隔板部的固定面平行的拉應(yīng)力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電/電致伸縮設(shè)備,其特征在于,所述壓電/電致伸縮器件是用膜形成方法形成的,同時是通過將具有比所述薄壁隔板部的構(gòu)成材料的熱膨脹率大的熱膨脹率的構(gòu)成材料設(shè)置在所述薄壁隔板部的外表面上,然后進行熱處理固定在所述薄壁隔板部的外表面上得到的。
全文摘要
本發(fā)明提供一種能夠有效防止薄壁隔板部的振動衰減,保持高位移(振幅)且響應(yīng)性好、可進行高精度(高分辨率、靈敏性)檢測的壓電/電致伸縮設(shè)備。其具有框狀的厚壁部(11)及薄壁隔板部(12),通過由厚壁部(11)及薄壁隔板部(12)形成與外部連通的空腔(13)的陶瓷基體(1);和具有包含下部電極(21)、壓電/電致伸縮膜(22)及上部電極(23)的層結(jié)構(gòu)的壓電/電致伸縮器件(2)來構(gòu)成,另外,使薄壁隔板部(12)外側(cè)呈凸出的弧狀,并且使所述壓電/電致伸縮器件(2)在其內(nèi)部殘留有與和薄壁隔板部(12)的固定面平行的拉應(yīng)力F。
文檔編號G01N11/16GK1780009SQ20051011664
公開日2006年5月31日 申請日期2005年10月26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 申請人:日本礙子株式會社