JP4963159B2 - 圧電／電歪デバイス - Google Patents

Description

本発明は、圧電／電歪デバイスに関する。さらに詳しくは、屈曲変位を利用したアクチュエータや、流体特性、音圧、微小重量、加速度等を検出するための各種センサ（例えば、マイクロホン用センサ、粘度センサ等）として用いられる圧電／電歪デバイスに関する。

圧電／電歪デバイスは、アクチュエータや各種センサとして用いられている。このような圧電／電歪デバイスとしては、例えば、流体の密度、濃度、粘度等の特性の測定に利用されたものが開示されている（特許文献１参照）。このような圧電／電歪デバイスは、圧電／電歪デバイスの振動子としての振幅と、圧電／電歪デバイス（振動子）に接触する流体の粘性抵抗とに相関があることを利用してセンサとして用いられるものである。

一般に、振動子の振動のような機械系での振動形態は、電気系での等価回路に置き換えることができ、流体中で圧電／電歪デバイス（振動子）を振動させ、この振動子が流体の粘性抵抗に基づいて機械的抵抗を受けることによって振動子を構成する圧電／電歪素子の等価回路の電気的定数が変化するのを利用して、流体の粘度、密度、濃度等の特性を測定している。ここで、測定可能な流体としては、液体及び気体を挙げることができる。このような液体としては、水、アルコール、油等の単一の成分からなるものであってもよく、これらに可溶又は不溶な媒質を、溶解、混合又は懸濁せしめたもの、スラリー、ペースト等であってもよい。

また、検出する電気的定数としては、例えば、損失係数、位相、抵抗、リアクタンス、コンダクダンス、サセプタンス、インダクタンス、キャパシタンス等を挙げることができ、特に、等価回路の共振周波数近傍で極大又は極小変化点を１つ有する損失係数又は位相が好ましく用いられる。これにより流体の粘度だけではなく、密度や濃度（例えば、硫酸水溶液中の硫酸濃度）をも測定することができる。なお、振動形態の変化を検出する指標として、電気的定数以外に、測定精度、耐久性の観点から特に問題がなければ、共振周波数の変化を利用することもできる。また、圧電／電歪素子として強誘電体を用いた場合には、パルス状の電界を与えた後に、強誘電体の双極子モーメントの遅れに起因して発生する電荷を電圧として検知し、これの変化を利用することもできる。

このような圧電／電歪デバイスとして、厚肉部、及び厚肉部と一体的に形成されて空洞を形成する薄肉ダイヤフラム部を有するセラミック基体と、その外表面に固定された圧電／電歪素子とを備え、圧電／電歪素子を構成する下部電極とは独立した位置に、補助電極を形成し、その補助電極の一部が圧電／電歪膜の下側の一部に入り込ませるように形成されたものが開示されている（特許文献２参照）。このように構成することによって、上部電極を補助電極及び圧電／電歪素子の面上で断線することなく連続して形成することが可能となり、上部電極の接続の信頼性を向上させることができる。なお、被測定流体は、貫通孔を経由して空洞内に導入、充填される。さらに、補助電極を、薄肉ダイヤフラム部の外表面上だけでなく、厚肉部にまで連続して形成することにより、安定したデバイス特性と、使用条件による制限を受け難い圧電／電歪デバイスを得ることができる。
特開平８−２０１２６５号公報 特開２００２−２６１３４７号公報

しかしながら、上述の特許文献に開示された圧電／電歪デバイス等においては、圧電／電歪素子の駆動に連動して薄肉ダイヤフラム部だけを振動させようとするものであるが、実際は、薄肉ダイヤフラム部だけではなく、厚肉部をも振動させることになり、薄肉ダイヤフラム部の振動エネルギーが減衰して、変位（振幅）を減少させるとともに応答性を低下させてしまうことになり、高精度（高分解能、高感度）な検知が困難となるという問題があった。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、薄肉ダイヤフラム部の振動の減衰が有効に防止され、変位（振幅）を高く維持するとともに応答性に優れ、高精度（高分解能、高感度）な検知が可能な圧電／電歪デバイスを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明によれば以下の圧電／電歪デバイスが提供される。

［１］厚肉部と、前記厚肉部の端面上に一体的に架設された薄肉ダイヤフラム部、及び、前記厚肉部及び前記薄肉ダイヤフラム部によって外部に連通するように形成された空洞とからなるセラミック基体、及び前記セラミック基体の薄肉ダイヤフラム部の外表面上に固定された層構造からなる下部電極、圧電／電歪膜及び上部電極を含む圧電／電歪素子とから構成され、前記セラミック基体の薄肉ダイヤフラム部が、前記圧電／電歪素子の駆動に連動して振動することが可能であり、下記（Ａ）〜（Ｄ）に規定された形状及び寸法関係を満たすことを特徴とする圧電／電歪デバイス。
（Ａ）前記薄肉ダイヤフラム部の形状が、外方に凸のアーチ形状であり、かつ前記アーチ形状の外方への突出量が、５〜５０μｍである
（Ｂ）前記薄肉ダイヤフラム部の架設幅が、６００〜２０００μｍである
（Ｃ）前記厚肉部の高さの、その幅に対する割合（高さ／幅）が、０．２５〜３である
（Ｄ）前記薄肉ダイヤフラム部の外形形状は、アスペクト比が１．５以上の、長方形、長円形、又は楕円形である

［２］前記薄肉ダイヤフラム部及び薄肉ダイヤフラム部の外表面上に固定された圧電／電歪素子をそれぞれ２以上有し、前記薄肉ダイヤフラム部及び前記圧電／電歪素子が、第１の平面上及び／又は前記第１の平面に平行な第２の平面上にそれぞれ配設されてなる前記［１］に記載の圧電／電歪デバイス。

［３］前記薄肉ダイヤフラム部及び薄肉ダイヤフラム部の外表面上に固定された圧電／電歪素子をそれぞれ２以上有し、前記薄肉ダイヤフラム部及び前記圧電／電歪素子が、第１の平面上、前記第１の平面に平行な第２の平面上及び／又は前記第１の平面に垂直な第３の平面上にそれぞれ配設されてなる前記［１］に記載の圧電／電歪デバイス。

［４］前記圧電／電歪素子が、膜形成手法にて形成されたものであるとともに、前記圧電／電歪素子の構成材料が、前記薄肉ダイヤフラム部の外表面上に配設された後、熱処理されて、前記薄肉ダイヤフラム部の外表面上に固定されることによって得られたものである前記［１］〜［３］のいずれかに記載の圧電／電歪デバイス。

本発明によって、薄肉ダイヤフラム部の振動の減衰が有効に防止され、変位（振幅）を高く維持するとともに応答性に優れ、高精度（高分解能、高感度）な検知が可能な圧電／電歪デバイスが提供される。

以下、本発明の圧電／電歪デバイスを実施するための最良の形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の圧電／電歪デバイスの一の実施の形態を模式的に示す説明図であり、図２は、図１に示す圧電／電歪デバイスの一の実施の形態における形状及び寸法関係を模式的に示す説明図である。

図１、２に示すように、本実施の形態の圧電／電歪デバイスは、厚肉部１１、及び厚肉部１１の端面上に一体的に架設された薄肉ダイヤフラム部１２を有し、厚肉部１１及び薄肉ダイヤフラム部１２によって外部に連通する空洞１３が形成されたセラミック基体１と、セラミック基体１の薄肉ダイヤフラム部１２の外表面上に固定された、下部電極２１、圧電／電歪膜２２及び上部電極２３を含む層構造を有する圧電／電歪素子２とを備え、圧電／電歪素子２の駆動に連動してセラミック基体１の薄肉ダイヤフラム部１２が振動することが可能な圧電／電歪デバイス１０であって、下記（Ａ）〜（Ｃ）に規定された形状及び寸法関係を満たすことを特徴とするものである。
（Ａ）薄肉ダイヤフラム部１２の形状が、外方に凸のアーチ形状であり、かつアーチ形状の外方への突出量（ｈ）が、５〜５０μｍであること、
（Ｂ）薄肉ダイヤフラム部の架設幅（ｍ）が、６００〜２０００μｍであること、
（Ｃ）前記厚肉部の高さの、その幅に対する割合（高さ／幅）が、０．２５〜３であること。

本実施の形態においては、上述のように、（Ａ）薄肉ダイヤフラム部１２の形状が、外方に凸のアーチ形状であり、かつアーチ形状の外方への突出量（ｈ）が、５〜５０μｍであることが必要であり、５〜３０μｍであることが好ましい。外方に凸のアーチ形状とすることによって、圧電／電歪素子２に発生する歪みや応力を効率よく変位に変えることが可能となる。すなわち、外方に凸のアーチ形状の薄肉ダイヤフラム部１２の外表面に形成された圧電／電歪素子２は、駆動されることによって薄肉ダイヤフラム部１２の外表面に垂直な方向（Ｘ方向）に変位するから、圧電／電歪素子２の駆動に連動してセラミック基体１の薄肉ダイヤフラム部１２も空洞１３の内容積を変化させつつ、その外表面に垂直な方向（Ｘ方向）に振動することになるのであるが、薄肉ダイヤフラム部１２の外方に凸のアーチ形状の外表面に対して、圧電／電歪素子２（具体的には、少なくとも下部電極２１及び圧電／電歪膜２２）が形成されることによって、薄肉ダイヤフラム部１２の圧電／電歪素子２が形成される部位の剛性を有効に向上させることが可能となる。また、薄肉ダイヤフラム部１２が、外方に凸のアーチ形状を有することによって、薄肉ダイヤフラム部１２の外表面側からの押圧力に対する機械的強度を向上させることが可能となる。さらに、圧電／電歪素子２が形成された薄肉ダイヤフラム部１２の固有振動数及び応答速度を増大させることも可能となる。また、アーチ形状の外方への突出量（ｈ）が、５〜５０μｍの範囲を外れると、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、強く鮮明な信号を出力するために必要な、十分に大きな変位、及び減衰しにくい振動モードを確保することが困難となる。なお、突出量（ｈ）が大きくなるにつれて、変位が小さくなるとともに、不要な変形が起こりやすくなるため、出力信号のＳ／Ｎ比が小さくなるが、突出量（ｈ）が５〜３０μｍの範囲内であると、確実に鮮明な出力信号を得ることができるため好ましい。すなわち、図３（ａ）は、薄肉ダイヤフラム部の突出量（ｈ）と薄肉ダイヤフラム部の変位との関係を示すグラフであり、突出量（ｈ）が、５〜５０μｍの範囲を外れると変位が急激に小さくなることを示している。図３（ｂ）は、薄肉ダイヤフラム部の突出量（ｈ）と厚肉部の開きとの関係を示すグラフであり、突出量（ｈ）が５μｍ未満であると、厚肉部が空洞側に倒れこみ、５０μｍを超えると、薄肉ダイヤフラム部の剛性が低下し、薄肉ダイヤフラム部の中央が変形の腹になる（例えば、振動の場合は１次モードになる）ような所望の変形にならない（突出量（ｈ）が５０μｍを超えると厚肉部の開きが変化しないことが、これを示している）。なお、「厚肉部の開き」とは、図２に示す基準点Ｔが厚肉部１１の幅（ｑ）方向に移動する量を意味し、幅（ｑ）方向で外方に向かって（図では右側に）移動する場合は正の量、幅（ｑ）方向で内方に向かって（図では左側に）移動する場合は負の量を示す。

また、（Ｂ）薄肉ダイヤフラム部の架設幅（ｍ）が、６００〜２０００μｍであることが必要であり、６００〜１５００μｍであることが好ましい。ここで、薄肉ダイヤフラム部の架設幅（ｍ）とは、空洞１３の短手方向の長さを意味し、例えば、空洞１３の形状（Ｘ方向に垂直な断面形状）が円形である場合においては、その直径、長方形である場合においては、その短辺長さ、楕円形である場合においては、その短軸長さ等に相当する長さを意味する。図４（ａ）、（ｂ）に示すように、薄肉ダイヤフラム部の架設幅（ｍ）が６００μｍ未満であると、流路抵抗が増大するとともに変位が小さくなってしまい、２０００μｍを超えると、薄肉ダイヤフラム部の剛性が低くなり固有振動数が低下するとともに減衰しやすくなるため十分な出力信号が得られない。なお、架設幅（ｍ）が１５００μｍを超えると、不要な変形が起こりやすくなるため、出力信号のＳ／Ｎ比が小さくなることがあるが（架設幅（ｍ）が２０００μｍまでは不要な変形が起こりやすくはなるが許容範囲である）、架設幅（ｍ）が６００〜１５００μｍの範囲内であると、確実に鮮明な出力信号を得ることができるため好ましい。すなわち、図４（ａ）は、薄肉ダイヤフラム部の架設幅（ｍ）と薄肉ダイヤフラム部の変位との関係を示すグラフであり、架設幅（ｍ）が、６００μｍ未満であると、変位が小さくなり十分な出力信号が得られないことを示している。図４（ｂ）は、薄肉ダイヤフラム部の架設幅（ｍ）と減衰の関係を示すグラフであり、架設幅（ｍ）が、２０００μｍを超えると、薄肉ダイヤフラム部の剛性低下により固有振動数が低下し、また、不要な振動モードの影響を受けやすくなるため、減衰し易くなって十分な出力信号が得られないことを示している。また、架設幅（ｍ）が６００μｍ未満になると薄肉ダイヤフラム部の質量が小さくなり両端部における拘束の影響を受け易くなることから減衰し易くなって十分な出力信号が得られないことを示している。なお、図４（ａ）のグラフにおいては、薄肉ダイヤフラム部の突出量（ｈ）が５０μｍの場合を○、２０μｍの場合を□、０μｍの場合を△の点でそれぞれ示す。また、図４（ｂ）の縦軸における減衰の具体的な尺度は、振動波振幅の比の値＝［（第１０振動波振幅／第５振動波振幅）×１００（％）］で示した。ここで、第５振動波振幅とは、自由振動により生じた振幅の５番目のものを意味し、また、第１０振動波振幅とは、自由振動により生じた振幅の１０番目のものを意味する。第５振動波振幅をＶ５、第１０振動波振幅をＶ１０でそれぞれ表すと、振動波振幅の比の値は、［（Ｖ１０／Ｖ５）×１００（％）］で示されることになる。

また、（Ｃ）厚肉部の高さ（ｐ）の、その幅（ｑ）に対する割合（高さ（ｐ）／幅（ｑ））が０．２５〜３であることが必要であり、０．２５〜１．５であることが好ましい。図５（ａ）、（ｂ）及び図６（ａ）、（ｂ）に示すように、この割合が０．２５未満であると、薄肉ダイヤフラム部の駆動によるデバイス端部ＥのＸ方向振動が励起されやすくなり、薄肉ダイヤフラム部振動の減衰を引き起こす。また、割合が３を超えるように大きいと、薄肉ダイヤフラム部の駆動の際に、デバイス端部Ｅの幅方向振動が励起され易くなり薄肉ダイヤフラム部振動の減衰を引き起こす。なお、割合（高さ（ｐ）／幅（ｑ））が１．５を超えると、厚肉部の高次変形が発生しやすくなり、出力信号のＳ／Ｎ比が小さくなることがあるが、割合（高さ（ｐ）／幅（ｑ））が０．２５〜１．５の範囲内であると、確実に鮮明な出力信号を得ることができるため好ましい。すなわち、図５（ａ）は、厚肉部の高さ（ｐ）の、その幅（ｑ）に対する割合（高さ（ｐ）／幅（ｑ））が小さいときに（図では実線で示す）、デバイス端部ＥのＸ方向振動は大きく励起される（割合が大きいときには（図では破線で示す）、デバイス端部ＥのＸ方向振動は小さく励起される）ことを模式的に示す説明図であり、また、図５（ｂ）は、高さ（ｐ）／幅（ｑ）とデバイス端部ＥのＸ方向（図１参照）の変位量との関係を示すグラフであり、高さ（ｐ）／幅（ｑ）が０．２５未満であると、デバイス端部ＥのＸ方向振動が励起され、薄肉ダイヤフラム部振動の減衰を引き起こすことを示している。図６（ａ）は、高さ（ｐ）／幅（ｑ）が３を超えるように大きいと（図では破線で示す）、デバイス端部Ｅの幅方向振動は大きく励起される（割合が小さいときには（図では実線で示す）、デバイス端部Ｅの幅方向振動は小さく励起される）ことを模式的に示す説明図であり、また、図６（ｂ）は、高さ（ｐ）／幅（ｑ）とデバイス端部Ｅの幅方向の変位量との関係を示すグラフであり、高さ（ｐ）／幅（ｑ）が３を超えると、厚肉部が変形してしまい、薄肉ダイヤフラム部振動の減衰を引き起こすことを示している。

上述の構成を有することから、本実施の形態の圧電／電歪デバイスは、薄肉ダイヤフラム部の振動の減衰が有効に防止され、変位（振幅）を高く維持するとともに応答性に優れ、高精度（高分解能、高感度）な検知が可能なものとなる。

図１、２に示す実施の形態においては、２つの厚肉部１１の端面上（第１の平面Ａ上）に一体的に架設された薄肉ダイヤフラム部１２及び薄肉ダイヤフラム部１２の外表面上に固定された圧電／電歪素子２がそれぞれ１つ配設される場合について説明したが、図７〜１０に示すように、他の実施の形態として、薄肉ダイヤフラム部１２及び圧電／電歪素子２が、第１の平面Ａ上及び／又は第１の平面Ａに平行な第２の平面Ｂ上にそれぞれ配設されてなるものであってもよい。図７は、薄肉ダイヤフラム部１２及び圧電／電歪素子２が、２つの厚肉部１１のそれぞれの両端面上（第１の平面Ａ上及び第１の平面Ａに平行な第２の平面Ｂ上）にそれぞれ１つ配設された場合を示す。図８は、薄肉ダイヤフラム部１２及び圧電／電歪素子２が、１つの厚肉部１１の両端面上（第１の平面Ａ上及び第１の平面Ａに平行な第２の平面Ｂ上）にそれぞれ１つ、片持ち梁の状態で配設された場合を示す。図９は、薄肉ダイヤフラム部１２及び圧電／電歪素子２が、４つの厚肉部１１のそれぞれの片方の端面上（第１の平面Ａ上）にそれぞれ３つ配設された場合を示す。図１０は、薄肉ダイヤフラム部１２及び圧電／電歪素子２が、４つの厚肉部１１のそれぞれの両端面上（第１の平面Ａ上及び第１の平面Ａに平行な第２の平面Ｂ上）にそれぞれ３つ、合計６つ配設された場合を示す。

また、図１１に示すように、他の実施の形態として、薄肉ダイヤフラム部１２及び薄肉ダイヤフラム部１２の外表面上に固定された圧電／電歪素子２をそれぞれ２以上有する場合、前記薄肉ダイヤフラム部及び前記圧電／電歪素子が、第１の平面Ａ上、第１の平面Ａに平行な第２の平面Ｂ上及び／又は第１の平面Ａに垂直な第３の平面Ｃ上にそれぞれ配設されてなるものであってもよい。図１１は、薄肉ダイヤフラム部１２及び圧電／電歪素子２が、４つの厚肉部１１のそれぞれ互いに平行な両端面及び互いに垂直な両端面上（第１の平面Ａ上、第１の平面Ａに平行な第２の平面Ｂ上及び第１の平面Ａに垂直な第３の平面Ｃ（平面Ｃは二面ある）上）にそれぞれ１つ、合計４つ配設された場合を示す。

なお、図３〜６に示したグラフは、図７〜１１に示すような薄肉ダイヤフラム部を２つ以上有する構成の圧電／電歪デバイスの場合、薄肉ダイヤフラム部１２を互いに独立振動させることによって得た値をベースに作成されたものである。なお、これらのグラフは一例を示すものであり、薄肉ダイヤフラム部の厚さ１４μｍ、突出量２０μｍ、架設幅１５００μｍ、厚肉部の高さ８００μｍ、厚肉部の幅８００μｍの寸法関係を有するとともに、図７に示すような、対称に配置された２つの薄肉ダイヤフラム部を有するデバイスに基づいて作成されたグラフである。

本実施の形態においては、圧電／電歪素子２が、膜形成手法にて形成されたものであるとともに、圧電／電歪素子２の構成材料が、薄肉ダイヤフラム部１２の外表面上に配設された後、熱処理されて、薄肉ダイヤフラム部１２の外表面上に固定されることによって得られたものである場合に、各層間の接合性を向上させることが可能となり、その効果を最も有効に発揮することができる。

以下、本発明の圧電／電歪デバイスに用いられる各構成要素について具体的に説明する。

本発明に用いられるセラミック基体１は、その材質が、耐熱性、化学的安定性、絶縁性を有するものであることが好ましい。これは、その外表面上に、後述する圧電／電歪素子２（下部電極２１、圧電／電歪膜２２、上部電極２３を含む）を固定する際に、上述のように熱処理をすることがあるからであり、また、圧電／電歪デバイスが、センサ素子として、液体の特性のセンシングに用いられる場合、その液体が導電性や、腐食性を有することがあるからである。

このような観点から、セラミック基体１の構成材料として好ましく用いられるセラミックとしては、例えば、安定化された酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、ムライト、窒化アルミニウム、窒化珪素、ガラス等を挙げることができる。中でも、安定化された酸化ジルコニウムが、薄肉ダイヤフラム部１２を薄く構成した場合であっても機械的強度を高く保持することができること、及び靭性に優れること等から、さらに好ましい。

セラミック基体１の薄肉ダイヤフラム部１２の厚さは、圧電／電歪素子２の駆動を制約することがないように、通常、１００μｍ以下、好ましくは３０μｍ以下、さらに好ましくは１５μｍ以下である。

また、薄肉ダイヤフラム部１２の外形形状は、厚肉部１１の枠体又はコの字状体等の形状に対応して、長方形、正方形、三角形、楕円形、真円形等のいかなる形状であってもよいが、図１に示すように、厚肉部１１と薄肉ダイヤフラム部１２とによって空洞１３を形成するとともに、貫通孔１４を形成して、被測定流体を貫通孔１４を経由して空洞１３に供給、排出させる場合には、長方形、長円形、楕円形であることが好ましい。理想的な振動（変位）を得るためには、アスペクト比が１．５以上の、長方形、長円形、楕円形であることがさらに好ましい。また、厚肉部にはデバイスの取り付け、位置決め等に用いられる孔又は穴が設けられていてもよい。

本発明に用いられる圧電／電歪素子２（下部電極２１、圧電／電歪膜２２上部電極２３を含む）は、薄肉ダイヤフラム部１２の外表面上に固定される。圧電／電歪素子２を構成する下部電極２１は、薄肉ダイヤフラム部１２の外表面上の、圧電／電歪膜２２が形成されるべき大きさと同等の大きさで形成される。この場合、下部電極２１の短手方向の幅は、薄肉ダイヤフラム部１２より大きくしてもよいし、圧電／電歪膜２２の幅より小さくしてもよい。

上部電極の電気的接続の信頼性を高めるため、補助電極（図示せず）を併設してもよい。補助電極は、薄肉ダイヤフラム部１２の外表面上の所定の位置に連続して形成することができる。下部電極２１及び補助電極は、異なる材質であっても、同一の材質であってもよく、セラミック基体１及び圧電／電歪膜２２のいずれとも接合性のよい導電性材料であることが好ましい。具体的には、白金、パラジウム、ロジウム、銀、又はこれらの合金を主成分とする電極材料を挙げることができる。特に、圧電／電歪膜２２を形成する際に焼結のための熱処理が行われる場合には、白金、又はこれの合金を主成分とする電極材料がさらに好ましい。下部電極２１及び補助電極の形成には、公知の各種の膜形成手法を用いることができる。このような膜形成手法としては、例えば、イオンビーム、スパッタリング、真空蒸着、ＣＶＤ、イオンプレーティング、メッキ等の薄膜形成手法や、スクリーン印刷、スプレー、ディッピング等の厚膜形成手法を挙げることができる。中でも、スパッタリング法及びスクリーン印刷法が好ましい。

下部電極２１と補助電極との間に、圧電／電歪膜２２と薄肉ダイヤフラム部１２とを結合させるための結合層（図示せず）を設けてもよい。この場合には、圧電／電歪膜２２の形成に先立って結合層を形成することになる。このような結合層を形成することによって、薄肉ダイヤフラム部１２の外表面上での圧電／電歪素子２の剛性が均一となり、理想的な振動（変位）を得る上で好ましい。結合層としては、絶縁性を有し、圧電／電歪膜２２及びセラミック基体１のいずれとも密着性、結合性が高いものであれば、有機材料及び無機材料のいずれであってもよい。また、結合層を構成する材料の熱膨張係数が、セラミック基体１及び圧電／電歪膜２２のそれぞれの構成材料の熱膨張係数の中間の値を有することが、信頼性の高い結合を得る上で好ましい。圧電／電歪膜２２を焼結のために熱処理する場合には、圧電／電歪膜２２の構成材料に微量のガラス成分を添加したものや、圧電／電歪膜２２の熱処理温度以上の軟化点を有するガラス材料が、圧電／電歪膜２２及びセラミック基体１のいずれとも密着性、結合性が高いことから好ましい。

また、後述する圧電／電歪膜２２の構成材料が、（Ｂｉ_0.5Ｎａ_0.5）ＴｉＯ₃若しくはこれを主成分とする材料、又は（１−ｘ）（Ｂｉ_0.5Ｎａ_0.5）ＴｉＯ₃−ｘＫＮｂＯ₃（ｘはモル分率で０≦ｘ≦０．０６）若しくはこれを主成分とする材料である場合には、（１−ｘ）（Ｂｉ_0.5Ｎａ_0.5）ＴｉＯ₃−ｘＫＮｂＯ₃（ｘはモル分率で０＜ｘ≦０．５）を主成分とする材料にガラス成分を微量添加したものが、圧電／電歪膜２２及びセラミック基体１のいずれとも密着性が高く、熱処理の際の圧電／電歪膜２２及びセラミック基体１への悪影響を抑制することができることから好ましい。すなわち、結合層を、ガラス成分を微量添加した（１−ｘ）（Ｂｉ_0.5Ｎａ_0.5）ＴｉＯ₃−ｘＫＮｂＯ₃（ｘはモル分率で０＜ｘ≦０．５）とすることで、圧電／電歪膜２２と同様の成分を有することになるから、圧電／電歪膜２２との密着性が高く、ガラスを単独で用いた場合に生じ易い異種元素の拡散による問題が解消され、また、ＫＮｂＯ₃を含むことから、セラミック基体１との反応性が高く強固な結合が可能となる。また、結合層の主成分を、（１−ｘ）（Ｂｉ_0.5Ｎａ_0.5）ＴｉＯ₃−ｘＫＮｂＯ₃（ｘはモル分率で０．０８≦ｘ≦０．５）とした場合には、圧電特性をほとんど示さないので、使用時に下部電極２１及び補助電極に生じる電界に対し、振動（変位）及び応力等を発生させることがなく、安定したデバイス特性を得ることができる。

結合層の形成には、通常の厚膜手法が用いられ、特に、スタンピング法、スクリーン印刷法、形成すべき部分の大きさが数１０μｍ〜数１００μｍ程度の場合にはインクジェット法が好適に用いられる。また、結合層の熱処理が必要な場合には、圧電／電歪膜２２の形成前に熱処理してもよいし、圧電／電歪膜２２の形成と同時に熱処理してもよい。

圧電／電歪素子２を構成する圧電／電歪膜２２は、下部電極２１（必要に応じて補助電極及び結合層）の外表面上に載置されるようにして形成される。圧電／電歪膜２２の構成材料としては、圧電／電歪効果を示す材料であれば特に制限はなく、例えば、ジルコン酸鉛、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の鉛系セラミック圧電／電歪材料；チタン酸バリウム及びこれを主成分とするチタバリ系セラミック強誘電体；ポリ弗化ビニリデン（ＰＶＤＦ）に代表される高分子圧電体；（Ｂｉ_0.5Ｎａ_0.5）ＴｉＯ₃に代表されるＢｉ系セラミック圧電体；Ｂｉ層状セラミック等を挙げることができる。圧電／電歪特性を改善した、これらの混合物、固溶体、これらに添加物を添加せしめたもの等であってもよい。

ＰＺＴ系セラミック圧電／電歪材料は、圧電特性が高く、高感度検出が可能なセンサの材料として好適に用いられる。中でも、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛及びニッケルニオブ酸鉛からなる群から選ばれる少なくとも一種を主成分とする材料で構成されることが、セラミック基体１の構成材料との反応性が低く、熱処理中の成分の偏析が起き難く、組成を保持するための処理が円滑に行われ、目的とする組成、結晶構造が得られやすいことから好ましい。

下部電極２１及び補助電極の構成材料として、白金又は白金を主成分とする合金が用いられる場合には、これらとの接合性がより高く、圧電／電歪デバイスの特性のばらつきを少なくし、高い信頼性が得られることから、（Ｂｉ_0.5Ｎａ_0.5）ＴｉＯ₃又はこれを主成分とする材料が好適に用いられる。中でも、（１−ｘ）（Ｂｉ_0.5Ｎａ_0.5）ＴｉＯ₃−ｘＫＮｂＯ₃（ｘはモル分率で０≦ｘ≦０．０６）又はこれを主成分とする材料が、比較的高い圧電特性を有することから好ましい。圧電／電歪膜２２の形成には、下部電極２１及び補助電極と同様に、公知の各種の膜形成手法を用いることができる。中でも、コスト低減の観点からスクリーン印刷が好ましい。

上述の方法で形成された圧電／電歪膜２２は必要に応じて熱処理され、下部電極２１（必要に応じて補助電極及び結合層）と一体化される。圧電／電歪デバイスの特性のばらつきを抑え、信頼性を高くするために、圧電／電歪膜２２と下部電極２１（必要に応じて補助電極及び結合層）の接合性をより強固にする必要がある場合には、（Ｂｉ_0.5Ｎａ_0.5）ＴｉＯ₃又はこれを主成分とする材料、中でも、（１−ｘ）（Ｂｉ_0.5Ｎａ_0.5）ＴｉＯ₃−ｘＫＮｂＯ₃（ｘはモル分率で０≦ｘ≦０．０６）又はこれを主成分とする材料を用い、９００〜１４００℃、好ましくは１０００〜１３００℃の温度で熱処理することが好ましい。ＰＺＴ系セラミック圧電／電歪材料を用いた場合も同様である。この際、高温時に圧電／電歪膜２２が不安定にならないように、セラミック圧電／電歪材料の蒸発源とともに雰囲気制御を行いながら熱処理することが好ましい。

圧電／電歪素子２を構成する上部電極２３は、上述のようにして形成された圧電／電歪膜２２の外表面上に、載置されるように形成される。上部電極２３の材質としては、圧電／電歪膜２２との接合性の高い導電性材料が用いられ、下部電極２１及び補助電極と同様の膜形成法により形成される。さらに、上部電極２３は、膜形成後必要に応じて熱処理され、圧電／電歪膜２２及び補助電極と接合され、一体構造とされる。このような熱処理が必ずしも必要でないことは下部電極２１の場合と同様である。理想的な駆動（変位）を実現するためには、薄肉ダイヤフラム部１２上で剛性が均一であることが好ましく、このためには、下部電極２１、圧電／電歪膜２２及び上部電極２３は接着剤を用いて接合するよりも、熱処理により薄肉ダイヤフラム部１２と一体化されることが好ましい。また、シャープなピークを得るためには、上部電極２３の幅方向の形状は、線対称であることが好ましい。対称形とすることで固有の振動だけを強調して振動させることができる。さらにに、上部電極２３と薄肉ダイヤフラム部１２の中心は一致させることが好ましいが、中心からのずれが、薄肉ダイヤフラム部１２の長さ方向において、薄肉ダイヤフラム部１２の長さに対し５％以下、幅方向において薄肉ダイヤフラム部１２の幅に対し１０％以下であることが好ましい。なお、上部電極２３の駆動に有効な面積と薄肉ダイヤフラム部１２の面積との比は１５〜４０％であることが好ましい。この範囲内であると、センシングするのに必要な振動を得ることができ、また、振動するのに有利な剛性を得ることができる。

なお、下部電極２１、必要に応じて接合層、圧電／電歪膜２２、上部電極２３が熱処理により接合される場合には、それぞれの形成ごとに熱処理してもよいし、それぞれを順次膜形成した後、同時に熱処理してもよい。熱処理する際、良好な接合性や構成元素の拡散による変質を抑制するために、適切な熱処理温度を選択することが好ましい。また、図１には、空洞１３に貫通孔１４を形成した場合を示すが、圧電／電歪デバイスが流体に接触する空洞１３等の構造は、単純なキャビティ構造であってもよく、特に制限はない。さらに、圧電／電歪膜２２の長さ方向の端部は薄肉ダイヤフラム部１２を超えない長さとし、圧電／電歪膜２２が厚肉部１まで延設されない構造としてもよい。

以下、本発明を実施例によってさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によっていかなる制限を受けるものではない。

（実施例１）
１つの薄肉ダイヤフラム部（厚さ１４μｍ、突出量２０μｍ、架設幅１５００μｍ）と、２つの厚肉部（厚肉部の高さ８００μｍ、厚肉部の幅８００μｍ、（厚肉部の高さ／厚肉部の幅）＝１．０）と、１つの圧電／電歪素子（下部電極厚さ４μｍ、圧電／電歪膜厚さ２０μｍ、上部電極厚さ０．５μｍ）とを備えた圧電／電歪デバイスを作製した。なお、実施例１で得られた圧電／電歪デバイスを構成する薄肉ダイヤフラム部におけるアーチ形状の突出量は、圧電／電歪デバイスの切断面を光学測定顕微鏡にて測定することによって確認した。

（薄肉ダイヤフラム部の特性の測定）
実施例１で得られた圧電／電歪デバイスを構成する薄肉ダイヤフラム部における振動特性を、圧電／電歪デバイスに５０Ｖの電圧を印加した状態からその電圧を遮断した瞬間を時間の原点とし、その時に振動している薄肉ダイヤフラム部の位置の経時変化をレーザードップラー測定器によって２０周期分の波形を測定した。その結果、第５振動波振幅（Ｖ５）は２．７０μｍ、第１０振動波振幅（Ｖ１０）は２．４５μｍ、振動波振幅の比の値＝［（Ｖ１０／Ｖ５）×１００（％）］は、９０．７％であり、その振動の減衰が小さいことがわかった。

（比較例１）
実施例１において、薄肉ダイヤフラム部をアーチ形状にしなかったこと（突出量を０μｍとしたこと）以外は実施例１と同様にし、振動特性を同様に測定した。その結果、第５振動波振幅は２．４３μｍ、第１０振動波振幅は１．９３μｍ、振動波振幅の比の値＝［（Ｖ１０／Ｖ５）×１００（％）］は７９．４％であり、振動の減衰が大きいことがわかった。

（比較例２）
実施例１において、薄肉ダイヤフラム部におけるアーチ形状の突出量を４μｍとしたこと以外は実施例１と同様にし、振動特性を同様に測定した。その結果、第５振動波振幅は２．３１μｍ、第１０振動波振幅は１．９５μｍ、振動波振幅の比の値＝［（Ｖ１０／Ｖ５）×１００（％）］は８４．４％であり、振動の減衰が大きいことがわかった。

（比較例３）
実施例１において、薄肉ダイヤフラム部におけるアーチ形状の突出量を６０μｍとしたこと以外は実施例１と同様にし、振動特性を同様に測定した。その結果、第５振動波振幅は１．３１μｍ、第１０振動波振幅は０．７９μｍ、振動波振幅の比の値＝［（Ｖ１０／Ｖ５）×１００（％）］は６０．３％であり、振動の減衰が大きいことがわかった。

（比較例４）
実施例１において、薄肉ダイヤフラム部の架設幅を３００μｍ、突出量を０μｍとしたこと以外は実施例１と同様にし、振動特性を同様に測定した。その結果、第５振動波振幅は０．４μｍ、第１０振動波振幅は０．２９μｍ、振動波振幅の比の値＝［（Ｖ１０／Ｖ５）×１００（％）］は７２．５％であり、振動の減衰が大きいことがわかった。

（比較例５）
実施例１において、薄肉ダイヤフラム部の架設幅を２５００μｍとしたこと以外は実施例１と同様にし、振動特性を同様に測定した。その結果、第５振動波振幅は３．７１μｍ、第１０振動波振幅は２．７３μｍ、振動波振幅の比の値＝［（Ｖ１０／Ｖ５）×１００（％）］は７３．６％であり、振動の減衰が大きいことがわかった。

（比較例６）
実施例１において、厚肉部の高さ２００μｍ、厚肉部の幅１５００μｍ、（厚肉部の高さ／厚肉部の幅）＝０．１３としたこと以外は実施例１と同様にし、振動特性を同様に測定した。その結果、第５振動波振幅は２．４０μｍ、第１０振動波振幅は１．９４μｍ、振動波振幅の比の値＝［（Ｖ１０／Ｖ５）×１００（％）］は８０．１％であり、振動の減衰が大きいことがわかった。

（比較例７）
実施例１において、厚肉部の高さ１２００μｍ、厚肉部の幅２００μｍ、（厚肉部の高さ／厚肉部の幅）＝６．０としたこと以外は実施例１と同様にし、振動特性を同様に測定した。その結果、第５振動波振幅は２．３６μｍ、第１０振動波振幅は１．８８μｍ、振動波振幅の比の値＝［（Ｖ１０／Ｖ５）×１００（％）］は７９．７％であり、振動の減衰が大きいことがわかった。

本発明の圧電／電歪デバイスは、屈曲変位を利用したアクチュエータ；マイクロホン用センサ、粘度センサ等の、流体特性、音圧、微小重量、加速度等を検出するための各種センサ；フィルター；トランス；スピーカ等の発音体；動力用や通信用の振動子及び発振子；ディスプレイ；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（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）参照）等を必要とする各種産業分野で有効に用いられる。

本発明の圧電／電歪デバイスの一の実施の形態を模式的に示す説明図である。 図１に示す実施の形態における形状及び寸法関係を模式的に示す説明図である。 図３（ａ）は、薄肉ダイヤフラム部の突出量（ｈ）と薄肉ダイヤフラム部の変位との関係を示すグラフであり、図３（ｂ）は、薄肉ダイヤフラム部の突出量（ｈ）と厚肉部の開きとの関係を示すグラフである。 図４（ａ）は、薄肉ダイヤフラム部の架設幅（ｍ）と薄肉ダイヤフラム部の変位との関係を示すグラフであり、図４（ｂ）は、薄肉ダイヤフラム部の架設幅（ｍ）と振動波振幅の比の関係を示すグラフである。 図５（ａ）は、厚肉部の高さ（ｐ）の、その幅（ｑ）に対する割合（高さ（ｐ）／幅（ｑ））が小さいときに、デバイス端部ＥのＸ方向振動が大きく励起される（大きいときには、デバイス端部Ｅの振動は小さく励起される）ことを模式的に示す説明図であり、図５（ｂ）は、高さ（ｐ）／幅（ｑ）とデバイス端部ＥのＸ方向の変位量との関係を示すグラフである。 図６（ａ）は、高さ（ｐ）／幅（ｑ）が大きいと、デバイス端部Ｅの幅方向振動は大きく励起される（割合が小さいときには、デバイス端部Ｅの幅方向振動は小さく励起される）ことを模式的に示す説明図であり、また、図６（ｂ）は、高さ（ｐ）／幅（ｑ）とデバイス端部Ｅの幅方向の変位量との関係を示すグラフである。 本発明の圧電／電歪デバイスの他の実施の形態を模式的に示す説明図であり、薄肉ダイヤフラム部及び圧電／電歪素子が、２つの厚肉部のそれぞれの両端面上（第１の平面上及び第１の平面に平行な第２の平面上）にそれぞれ１つだけ配設された場合を示す。 本発明の圧電／電歪デバイスの他の実施の形態を模式的に示す説明図であり、薄肉ダイヤフラム部及び圧電／電歪素子が、１つの厚肉部の両端面上（第１の平面上及び第１の平面に平行な第２の平面上）にそれぞれ１つだけ、片持ち梁の状態で配設された場合を示す。 本発明の圧電／電歪デバイスの他の実施の形態を模式的に示す説明図であり、薄肉ダイヤフラム部及び圧電／電歪素子が、４つの厚肉部のそれぞれの片方の端面上（第１の平面上）にそれぞれ３つずつ配設された場合を示す。 本発明の圧電／電歪デバイスの他の実施の形態を模式的に示す説明図であり、薄肉ダイヤフラム部及び圧電／電歪素子が、４つの厚肉部のそれぞれの両端面上（第１の平面上及び第１の平面に平行な第２の平面上）にそれぞれ３つずつ、合計として６つずつ配設された場合を示す。 本発明の圧電／電歪デバイスの他の実施の形態を模式的に示す説明図であり、薄肉ダイヤフラム部及び圧電／電歪素子が、４つの厚肉部のそれぞれ互いに平行な両端面及び互いに垂直な両端面上（第１の平面上、第１の平面に平行な第２の平面上及び第１の平面に垂直な第３の平面（この面は二面ある）上）にそれぞれ１つずつ、合計として４つ配設された場合を示す。

符号の説明

１…セラミック基体、２…圧電／電歪素子、１１…厚肉部、１２…薄肉ダイヤフラム部、１３…空洞、１４…貫通孔、２１…下部電極、２２…圧電／電歪膜、２３…上部電極、Ｘ…薄肉ダイヤフラム部の外表面に垂直な方向、ｈ…薄肉ダイヤフラム部の突出量、ｍ…薄肉ダイヤフラム部の架設幅、ｐ…厚肉部の高さ、ｑ…厚肉部の幅、Ａ…第１の平面、Ｂ…第１の平面に平行な第２の平面、Ｃ…第１の平面に垂直な第３の平面、Ｔ…厚肉部の開きの概念における基準点、Ｅ…デバイス端部。

Claims (8)

1. 厚肉部と、前記厚肉部の端面上に一体的に架設された薄肉ダイヤフラム部、及び、前記厚肉部及び前記薄肉ダイヤフラム部によって外部に連通するように形成された空洞とからなるセラミック基体、及び
   前記セラミック基体の薄肉ダイヤフラム部の外表面上に固定された層構造からなる下部電極、圧電／電歪膜及び上部電極を含む圧電／電歪素子
   とから構成され、
   前記セラミック基体の薄肉ダイヤフラム部が、前記圧電／電歪素子の駆動に連動して振動することが可能であり、
   下記（Ａ）〜（Ｄ）に規定された形状及び寸法関係を満たすことを特徴とする圧電／電歪デバイス。
   （Ａ）前記薄肉ダイヤフラム部の形状が、外方に凸のアーチ形状であり、かつ前記アーチ形状の外方への突出量が、５〜５０μｍである
   （Ｂ）前記薄肉ダイヤフラム部の架設幅が、６００〜２０００μｍである
   （Ｃ）前記厚肉部の高さの、その幅に対する割合（高さ／幅）が、０．２５〜３である
   （Ｄ）前記薄肉ダイヤフラム部の外形形状は、アスペクト比が１．５以上の、長方形、長円形、又は楕円形である
2. 前記薄肉ダイヤフラム部及び薄肉ダイヤフラム部の外表面上に固定された圧電／電歪素子をそれぞれ２以上有し、前記薄肉ダイヤフラム部及び前記圧電／電歪素子が、第１の平面上及び前記第１の平面に平行な第２の平面上にそれぞれ配設されてなる請求項１に記載の圧電／電歪デバイス。
3. 前記薄肉ダイヤフラム部及び薄肉ダイヤフラム部の外表面上に固定された圧電／電歪素子をそれぞれ２以上有し、前記薄肉ダイヤフラム部及び前記圧電／電歪素子が、第１の平面上、前記第１の平面に平行な第２の平面上及び前記第１の平面に垂直な第３の平面上にそれぞれ配設されてなる請求項１に記載の圧電／電歪デバイス。
4. 前記圧電／電歪素子が、膜形成手法にて形成されたものであるとともに、前記圧電／電歪素子の構成材料が、前記薄肉ダイヤフラム部の外表面上に配設された後、熱処理されて、前記薄肉ダイヤフラム部の外表面上に固定されることによって得られてなる請求項１〜３の何れか一項に記載の圧電／電歪デバイス。
5. 前記セラミック基体の前記薄肉ダイヤフラム部の厚さが１００μｍ以下である請求項１〜４の何れか一項に記載の圧電／電歪デバイス。
6. 前記上部電極の中心と前記薄肉ダイヤフラム部の中央とのずれが、前記薄肉ダイヤフラム部の長さ方向において、該薄肉ダイヤフラム部の長さに対し５％以下、該薄肉ダイヤフラム部の幅方向において、該薄肉ダイヤフラム部の幅に対し１０％以下である請求項１〜５の何れか一項に記載の圧電／電歪デバイス。
7. 前記圧電／電歪膜の材料が、（１−ｘ）（Ｂｉ _０．５ Ｎａ _０．５ ）ＴｉＯ _３ −ｘＫＮｂＯ _３ （ｘはモル分率で０≦ｘ≦０．０６）若しくはこれを主成分とする材料である請求項１〜６の何れか一項に記載の圧電／電歪デバイス。
8. 流体特性、音圧、微小重量、又は加速度を検出するためのセンサとして用いられる請求項１〜７の何れか一項に記載の圧電／電歪デバイス。

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