JP5031737B2 - 圧電／電歪膜型素子 - Google Patents

Description

本発明は、薄肉ダイヤフラム部の振動特性を利用した圧電／電歪膜型素子に関する。

この種の圧電／電歪膜型素子として、前記薄肉ダイヤフラム部の屈曲変位を利用したアクチュエータや、当該薄肉ダイヤフラム部に近接する媒体の特性（例えば、流体特性、音圧、微小重量、加速度等）を検知するセンサ（例えば、マイクロホンや粘度センサ）等が知られている。

特開平８−２０１２６５号公報（特許文献１）、特開２００２−２６１３４７号公報（特許文献２）、特開２００５−３２２８９０号公報（特許文献３）には、前記センサとしての前記圧電／電歪膜型素子が開示されている。この圧電／電歪膜型センサは、圧電／電歪膜型振動子の振幅と当該振動子に接触する流体の粘性抵抗との間に相関関係があることを利用して、当該流体の密度、濃度、粘度等の特性を測定し得るように構成されている。

具体的には、この圧電／電歪膜型センサにおいては、前記流体の存在下で前記振動子を振動させた場合に、当該振動子が、当該流体の粘性によって、力学的な抵抗を受ける。ここで、当該振動子の機械的な振動形態は、等価的な電気回路に置換され得る。よって、当該振動子が受ける粘性抵抗に基づいて、当該振動子を構成する圧電／電歪膜の等価回路の電気的定数が変化する。この電気的定数の変化を検出することで、流体の粘度、密度、濃度等の特性が測定され得る。

かかる圧電／電歪膜型センサによって特性の測定が可能な流体としては、液体及び気体のいずれもが含まれる。測定対象となる液体としては、例えば、水、アルコール、油等のうちから選択される主たる媒質のみからなる単一成分の液体は当然含まれる。のみならず、かかる主たる媒質に対して可溶、難溶、あるいは不溶な他の媒質が添加（溶解、混合、分散、あるいは懸濁）されたもの（スラリー、ペースト等）も、測定対象液体に含まれ得る。

また、上述の電気的定数としては、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、キャパシタンス等が挙げられる。特に、等価回路の共振周波数近傍で極大または極小の変化点を１つ有する損失係数、または位相が、好ましく用いられる。これにより、前記流体の粘度のみならず、密度や濃度も測定可能となる。例えば、硫酸水溶液中の硫酸濃度を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は、測定精度や耐久性の観点から特に問題が無ければ、上述のような電気的定数の他に、共振周波数の変化も用いられ得る。
特開平８−２０１２６５号公報 特開２００２−２６１３４７号公報 特開２００５−３２２８９０号公報

この種の圧電／電歪膜型素子において、従来、前記薄肉ダイヤフラム部の屈曲変位量や内部応力値をより大きくする等により、素子特性（センサ感度等）を向上しようとすると、前記圧電／電歪膜にクラックが生じる等、耐久性に問題が生じていた。

本発明は、かかる問題を解決するためになされたものである。すなわち、本発明の目的は、より優れた素子特性及び耐久性を有する圧電／電歪膜型素子を提供することにある。

本発明の圧電／電歪膜型素子は、基板と、下部電極と、圧電／電歪膜と、上部電極と、を備えている。前記基板は、薄肉ダイヤフラム部と、その周囲に形成された厚肉部と、を備えている。前記下部電極は、前記薄肉ダイヤフラム部と前記厚肉部とに跨るように、前記基板の上に形成されている。前記圧電／電歪膜は、前記下部電極の上に形成されている。前記上部電極は、前記薄肉ダイヤフラム部と対向するように、前記圧電／電歪膜の上に設けられている。

本発明の特徴は、前記基板と、前記下部電極と、前記圧電／電歪膜と、前記上部電極と、を備えた圧電／電歪膜型素子における前記上部電極が、前記薄肉ダイヤフラム部の平面形状と略相似形の平面形状に形成された上部電極本体部と、その上部電極本体部と接続するように設けられた接続部と、を備えたことにある。ここで、前記上部電極本体部は、前記薄肉ダイヤフラム部と対向するように設けられている。また、前記接続部は、前記上部電極本体部よりも狭い幅に形成されている。

かかる構成を備えた本発明の圧電／電歪膜型素子においては、前記上部電極本体部と前記下部電極との間に印加される所定の入力電圧に基づいて、当該上部電極本体部に対応する前記薄肉ダイヤフラム部が振動する。あるいは、前記薄肉ダイヤフラム部の振動状態、及び／又はその変化に応じて、前記上部電極本体部と前記下部電極との間に、所定の出力が生じる。

ここで、本発明においては、前記上部電極本体部の平面形状が、前記薄肉ダイヤフラム部の平面形状と略相似形の平面形状に形成されている。

よって、かかる構成によれば、前記入力電圧に基づいて、前記薄肉ダイヤフラム部の振動状態が、より効率よく、所定の状態に設定され得る。あるいは、前記薄肉ダイヤフラム部の振動状態が、より効率よく、前記出力に反映され得る。これにより、入力電圧を大きくすることなく、高出力が得られる。したがって、本発明によれば、前記圧電／電歪膜におけるクラックの発生を抑制することが可能となり、耐久性を向上させることができるので、より優れた圧電／電歪膜型素子が得られる。

本発明の圧電／電歪膜型素子には、補助電極がさらに設けられていてもよい。この補助電極は、前記薄肉ダイヤフラム部の端部と前記厚肉部とに跨るように、且つ前記下部電極と離隔するように、前記基板の上に形成されている。そして、この補助電極は、前記接続部と接続されている。具体的には、かかる圧電／電歪膜型素子は、以下の通り構成されている。

前記下部電極は、前記薄肉ダイヤフラム部の一端と隣接する前記厚肉部から、前記薄肉ダイヤフラム部の前記一端と対向する他端よりも前記一端側の位置に亘って、前記基板の上に形成されている。また、前記補助電極は、前記薄肉ダイヤフラム部の前記他端と隣接する前記厚肉部から、前記薄肉ダイヤフラム部の前記他端よりも前記一端側の位置に亘って、前記下部電極と離隔するように、前記基板の上に形成されている。すなわち、前記下部電極と前記補助電極とは、略同一平面上にて、所定のギャップを隔てて形成されている。そして、このギャップは、前記薄肉ダイヤフラム部の前記他端よりも前記一端側の位置、換言すれば、前記薄肉ダイヤフラム部上に形成されている。

前記圧電／電歪膜は、前記厚肉部上にて前記下部電極の端部及び前記補助電極の端部を露出させるように、当該下部電極及び当該補助電極の上に形成されている。また、前記上部電極本体部は、前記下部電極及び前記圧電／電歪膜を挟んで、当該薄肉ダイヤフラム部と対向するように設けられている。さらに、前記接続部は、前記上部電極本体部と前記補助電極とを接続するように、前記圧電／電歪膜及び前記補助電極の上に設けられている。

前記薄肉ダイヤフラムの振動あるいは変位に伴って、当該薄肉ダイヤフラム部と前記厚肉部との接続箇所、すなわち、当該薄肉ダイヤフラム部の前記一端及び前記他端にて、曲げ応力が最大となる。この箇所に、材質の不連続部分からなるノッチや微小亀裂等の欠陥が存在すると、当該欠陥にて応力集中が生じ、当該欠陥を起点として前記圧電／電歪膜に疲労亀裂が進展することとなる。しかしながら、上述の構成においては、前記薄肉ダイヤフラム部の前記一端及び前記他端に対応する位置には、前記ギャップが形成されない。

よって、かかる構成によれば、前記ギャップを起点として前記圧電／電歪膜にクラックが生じることが、効果的に抑制され得る。

また、かかる構成においては、前記薄肉ダイヤフラム部と前記厚肉部とに跨る、前記薄肉ダイヤフラム部の前記他端の近傍部にて、前記圧電／電歪膜が、同電位の前記補助電極と前記上部電極との間に設けられる。すなわち、前記薄肉ダイヤフラム部の前記他端の近傍部にて、前記圧電／電歪膜に対して電界が印加されない部分（不活性部）が生じる。換言すれば、前記電界の印加により前記薄肉ダイヤフラム部を屈曲変形させる位置が、前記他端よりも前記薄肉ダイヤフラム部の「内側」となる。

よって、かかる構成によれば、前記薄肉ダイヤフラム部の励振が、効率よく行われ得る。あるいは、前記圧電／電歪膜の面方向の伸縮応力が最大となる当該薄肉ダイヤフラム部の中央部にて、前記上部電極と前記下部電極との間の、当該薄肉ダイヤフラム部の振動状態に応じた出力が、効率よく生じる。

また、本発明の圧電／電歪膜型素子には、補助接続部がさらに設けられていてもよい。この補助接続部は、前記上部電極本体部と前記補助電極とを接続するように設けられている。

かかる構成においては、前記上部電極本体部と前記補助電極とは、前記接続部と前記補助接続部という、互いに独立した２つの経路を介して、電気的に接続される。

よって、かかる構成によれば、前記上部電極本体部と前記補助電極との電気的接続が、より確実に維持され得る。したがって、本圧電／電歪膜型素子の耐久性がよりいっそう向上し得る。

本発明の圧電／電歪膜型素子においては、前記圧電／電歪膜のうちの、前記上部電極本体部と前記下部電極とに挟まれる部分である、圧電／電歪活性部が、前記薄肉ダイヤフラム部上にのみ設けられていることが好ましい。

かかる構成においては、前記圧電／電歪膜のうちの、電界が印加される部分である、前記圧電／電歪活性部が、前記薄肉ダイヤフラム部上にだけ存在する。

よって、かかる構成によれば、前記薄肉ダイヤフラム部の励振、あるいは、当該薄肉ダイヤフラム部の振動状態に応じた前記上部電極と前記下部電極との間の出力の取得が、より効率よく行われ得る。

本発明の圧電／電歪膜型素子においては、幅方向又は当該幅方向と垂直な長さ方向における、前記薄肉ダイヤフラム部の寸法に対する前記圧電／電歪膜の寸法の比の値が０．９５以下であることが、さらに好ましい。すなわち、前記薄肉ダイヤフラム部の幅又は長さを１とした場合に、前記圧電／電歪膜の幅又は長さが０．９５以下となるように、前記圧電／電歪膜の主要な部分が、平面視にて前記薄肉ダイヤフラム部の外形の内側に形成されていることが、さらに好ましい。

かかる構成においては、前記圧電／電歪膜（特に前記圧電／電歪活性部）の外側に位置する前記薄肉ダイヤフラム部の端部の屈曲変形が、当該圧電／電歪膜による機械的な拘束から比較的自由な状態で生じ得る。

よって、かかる構成によれば、前記薄肉ダイヤフラム部の励振、あるいは、電極間の出力の取得が、より効率よく行われ得る。また、前記圧電／電歪膜におけるクラックの発生を抑制することで、本圧電／電歪膜型素子の耐久性をより向上することが可能になる。

また、前記上部電極本体部には、貫通孔又は切欠部から構成された不活性部が形成されていてもよい。

かかる構成においては、前記圧電／電歪膜のうちの、前記上部電極本体部と前記下部電極とに挟まれる部分である、前記圧電／電歪活性部の内部に、印加電界の弱い領域が形成される。

よって、かかる構成によれば、前記圧電／電歪膜の伸縮に伴う当該圧電／電歪膜内の応力が低減される。したがって、当該圧電／電歪膜内のクラックの発生が抑制され、本圧電／電歪膜型素子の耐久性がより向上され得る。

前記薄肉ダイヤフラム部及び前記上部電極本体部は、幅と長さとの比であるアスペクト比の値が、略１．２以上となるように形成されていることが好ましい。

かかる構成によれば、前記薄肉ダイヤフラム部における屈曲変位をより大きくすることで、より優れた素子特性が得られる。

以下、本発明の実施形態（本願の出願時点において取り敢えず出願人が最良と考えている実施形態）について、図面を参照しつつ説明する。なお、本実施形態の各構成要素における、具体的な構造等の記述については、とりあえず代表的な１つの実施形態を理解しやすく首尾一貫して説明する便宜上、単なる１つの代表例が例示的に示されているものである。本実施形態の各構成要素の構造等に関する変形例は、実施形態の構成、作用、効果の説明の後に、末尾にまとめて記述されている。

＜センサ用圧電／電歪膜型素子の構成＞
図１は、本発明の一実施形態である、流体センサ用の圧電／電歪膜型素子１０の構成を示す図である。ここで、図１（Ａ）は、本実施形態の圧電／電歪膜型素子１０の平面図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）におけるＢ−Ｂ断面図である。図１（Ｃ）は、図１（Ａ）におけるＣ−Ｃ断面図である。

＜＜基板＞＞
圧電／電歪膜型素子１０は、基板１１を備えている。基板１１には、薄肉ダイヤフラム部１１ａが設けられている。薄肉ダイヤフラム部１１ａは、励起される共振モードを単純化させるために、略長方形状の平面形状に形成されている。この薄肉ダイヤフラム部１１ａは、その長さ方向Ｌにおける先端１１ａ１及び基端１１ａ２と、幅方向Ｗにおける両側の側端１１ａ３を固定端として、屈曲変形し得るように構成されている。薄肉ダイヤフラム部１１ａは、５０μｍ以下、好ましくは３０μｍ以下、さらに好ましくは１５μｍ以下の厚さに形成されている。

基板１１における薄肉ダイヤフラム部１１ａの周囲には、厚肉部１１ｂが形成されている。厚肉部１１ｂは、薄肉ダイヤフラム部１１ａと継ぎ目なく一体に成形されている。この厚肉部１１ｂは、薄肉ダイヤフラム部１１ａよりも充分厚く形成されている。

基板１１は、当該圧電／電歪膜型素子１０の製造工程にて熱処理工程が行われ得ることや、腐食性流体の特性をセンシングすることがあり得ること等に鑑み、耐熱性、化学的安定性、絶縁性を有する材質から構成されている。具体的には、基板１１は、例えば、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、安定化された酸化ジルコニウム、等のうちから選択された材質から構成されている。これらのうち、安定化された酸化ジルコニウムは、薄肉ダイヤフラム部１１ａを薄く形成した場合にも機械的強度を高く保てること、靭性に優れること等から、基板１１の材質として特に好適に用いられ得る。

基板１１には、キャビティ１１ｃ及び貫通孔１１ｄが形成されている。キャビティ１１ｃは、本実施形態の圧電／電歪膜型素子１０におけるセンシング対象物である流体が収容される空洞部であって、薄肉ダイヤフラム部１１ａに対応する位置に形成されている。貫通孔１１ｄは、基板１１の厚さ方向に沿って形成されている。この貫通孔１１ｄは、基板１１の下側表面にて開口するように設けられていて、当該裏面側とキャビティ１１ｃとを連通させ得るように形成されている。

＜＜下部電極＞＞
下部電極１２は、基板１１の上側表面の上に、薄肉ダイヤフラム部１１ａと厚肉部１１ｂとに跨るように形成されている。具体的には、下部電極１２は、薄肉ダイヤフラム部１１ａにおける先端１１ａ１と隣接する厚肉部１１ｂから、薄肉ダイヤフラム部１１ａの基端１１ａ２よりも先端１１ａ１側の位置に亘って形成されている。この下部電極１２は、基板１１の上側表面の上に固着することで、当該基板１１と一体的に設けられている。

下部電極１２は、白金、パラジウム、ロジウム、銀、あるいはこれらの合金を主成分とする電極材料から構成されている。この下部電極１２は、公知の各種の膜形成手法（具体的には、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等）によって形成されている。

＜＜補助電極＞＞
補助電極１３は、薄肉ダイヤフラム部１１ａの基端１１ａ２と厚肉部１１ｂとに跨るように、基板１１の上側表面の上に形成されている。具体的には、補助電極１３は、薄肉ダイヤフラム部１１ａの基端１１ａ２と隣接する厚肉部１１ｂから、薄肉ダイヤフラム部１１ａの基端１１ａ２よりも先端１１ａ１側の位置に亘って形成されている。この補助電極１３も、基板１１の上側表面の上に固着することで、当該基板１１と一体的に設けられている。

補助電極１３は、下部電極１２と略同一平面上に設けられている。この補助電極１３と下部電極１２との間には、両者を電気的に絶縁するために、所定のギャップ１４が設けられている。すなわち、補助電極１３は、ギャップ１４を隔てて下部電極１２と離隔するように設けられている。このギャップ１４は、薄肉ダイヤフラム部１１ａの基端１１ａ２よりも先端１１ａ１側の位置に、換言すれば、薄肉ダイヤフラム部１１ａ上に設けられている。

補助電極１３は、白金、パラジウム、ロジウム、銀、あるいはこれらの合金を主成分とする電極材料から構成されている。この補助電極１３は、上述したような公知の各種の膜形成手法によって形成されている。

＜＜圧電／電歪膜＞＞
圧電／電歪膜１５は、下部電極１２及び補助電極１３を跨るように、当該下部電極１２及び補助電極１３の上に形成されている。この圧電／電歪膜１５は、下部電極１２の幅方向Ｗにおける両端部を覆うように設けられている。

圧電／電歪膜１５は、下部電極１２及び補助電極１３の上に固着することで、当該下部電極１２及び補助電極１３と一体的に設けられている。圧電／電歪膜１５は、上述のような下部電極１２や補助電極１３と同様の、公知の各種膜形成法によって形成されている。

圧電／電歪膜１５は、その長さ方向Ｌに沿った両端部にて、下部電極１２の端部及び補助電極１３の端部を厚肉部１１ｂ上で露出させるように形成されている。このようにして厚肉部１１ｂ上にて露出された下部電極１２及び補助電極１３の端部によって、リード用端子が構成されている。

圧電／電歪膜１５は、圧電／電歪効果を示す任意の材料から構成されている。具体的には、圧電／電歪膜１５は、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材料、あるいは（Ｂi_0.5Ｎa_0.5）ＴiＯ₃に代表されるＢi系セラミック圧電体材料等から選択された材料から構成されている。本実施形態のようなセンサ用途の場合、ＰＺＴ系圧電体が、圧電特性が高く高感度検出が可能であるために、最も好適に用いられる。

圧電／電歪膜１５は、圧電／電歪活性部１５ａと、不完全結合部１５ｂと、張り出し部１５ｃと、不完全結合部１５ｄと、を備えている。

圧電／電歪活性部１５ａは、圧電／電歪膜１５の上に形成された上部電極１６における主要な部分である上部電極本体部１６ａと、下部電極１２との間に挟まれた部分から構成されている。この圧電／電歪活性部１５ａは、薄肉ダイヤフラム部１１ａの上にのみ設けられている。

不完全結合部１５ｂは、ギャップ１４内に突出するように設けられている。この不完全結合部１５ｂは、基板１１に対する結合状態が不完全（不完全結合状態）となっている部分である。具体的には、不完全結合部１５ｂは、基板１１からのピール(引き剥がし)強度で、０．５kg／mm²以下となるように、基板１１に対して不完全に結合されている。

張り出し部１５ｃは、図１（Ｃ）に示されているように、幅方向Ｗにおける圧電／電歪膜１５の端部であって、上部電極１６から側方にはみ出すように設けられている。この張り出し部１５ｃの下方には、下部電極１２を側方から覆うように、不完全結合部１５ｄが設けられている。この不完全結合部１５ｄも、上述の不完全結合部１５ｂと同様に、基板１１に対する結合状態が不完全となっている部分である。

＜＜上部電極＞＞
上述の上部電極１６は、圧電／電歪膜１５から補助電極１３に跨るように設けられている。この上部電極１６は、圧電／電歪膜１５及び補助電極１３の上に固着することで、当該圧電／電歪膜１５及び補助電極１３と一体的に設けられている。上部電極１６は、圧電／電歪膜１５との接合性の高い導電性材料から構成されていて、下部電極１２及び補助電極１３と同様の膜形成法により形成されている。

上部電極１６は、上部電極本体部１６ａと、接続部１６ｂと、から構成されている。

上部電極本体部１６ａは、下部電極１２及び圧電／電歪膜１５を挟んで、薄肉ダイヤフラム部１１ａと対向するように配置されている。この上部電極本体部１６ａは、薄肉ダイヤフラム部１１ａの平面形状と略相似形の平面形状に形成されている。

接続部１６ｂは、上部電極本体部１６ａよりも狭い幅に形成されている。接続部１６ｂは、上部電極本体部１６ａと補助電極１３とを接続するように、圧電／電歪膜１５及び補助電極１３の上に設けられている。すなわち、接続部１６ｂの一端部は、上部電極本体部１６ａと接続するように、当該上部電極本体部１６ａと継ぎ目なく一体に形成されている。また、接続部１６ｂの他端部は、補助電極１３と接合されることで、当該補助電極１３と電気的に接続されている。

図２は、図１に示されている圧電／電歪膜型素子１０の平面図であって、図１（Ａ）に相当する図である。この図２を参照すると、上部電極本体部１６ａ（及び薄肉ダイヤフラム部１１ａ）は、幅と長さとの比であるアスペクト比の値が、略１．２以上となるように形成されている。

すなわち、上部電極本体部幅Ｗｅと上部電極本体部長さＬｅとの比である電極アスペクト比Ｒｅ＝Ｌｅ／Ｗｅの値が、略１．２以上となり、且つ、薄肉ダイヤフラム部幅Ｗｄと薄肉ダイヤフラム部長さＬｄとの比であるダイヤフラム部アスペクト比Ｒｄ＝Ｌｄ／Ｗｄの値が、略１．２以上となるように、薄肉ダイヤフラム部１１ａ及び上部電極本体部１６ａが形成されている。

また、本実施形態の圧電／電歪膜型素子１０においては、圧電／電歪膜幅Ｗｐと薄肉ダイヤフラム部幅Ｗｄとの比（Ｗｐ／Ｗｄ）の値が０．９５以下となり、且つ圧電／電歪膜長さＬｐと薄肉ダイヤフラム部長さＬｄとの比（Ｌｐ／Ｌｄ）の値が０．９５以下となるように、薄肉ダイヤフラム部１１ａ及び圧電／電歪膜１５が形成されている。すなわち、圧電／電歪膜１５の主要な部分（図１における圧電／電歪活性部１５ａ）が、平面視にて薄肉ダイヤフラム部１１ａの外形の内側に形成されている。

＜＜補助接続部＞＞
再び図１を参照すると、補助接続部１７は、接続部１６ｂとは独立に、上部電極本体部１６ａと補助電極１３とを電気的に接続するように設けられている。すなわち、本実施形態の圧電／電歪膜型素子１０においては、上部電極１６と補助電極１３とは、互いに独立した複数の経路を介して、電気的に接続されている。補助接続部１７は、接続部１６ｂから可及的に離れた位置に配置されている。

＜実施形態の圧電／電歪膜型素子の製造方法の一例＞
次に、本実施形態の圧電／電歪膜型素子１０の製造方法の一例について説明する。

まず、上述のような所定の形状に形成された基板１１の上側表面の上に、下部電極１２及び補助電極１３が、スクリーン印刷法によって形成される。

次に、基板１１の上側表面における、不完全結合部１５ｂ及び１５ｄに対応する位置にて、圧電／電歪膜１５と基板１１とが直接的に接しないように、ダミー層が、スクリーン印刷法によって形成される。このダミー層は、後述する圧電／電歪膜１５を焼成する際の、後述する熱処理工程において燃焼により消失する合成樹脂材料からなる膜である。

続いて、圧電／電歪膜１５が、スクリーン印刷法による塗布工程、及び当該塗布工程による塗布膜を焼成する熱処理工程を経て形成される。このとき、上述のダミー層が消失することで、不完全結合部１５ｂ及び１５ｄが形成される。

さらに、上部電極１６が、スクリーン印刷法によって形成される。そして、上部電極１６、圧電／電歪膜１５、補助電極１３、下部電極１２、及び基板１１の積層体が熱処理される。これにより、当該積層体の各層が、互いに強固に固着することで一体化する。

最後に、上部電極１６と下部電極１２との間に所定の高電圧を印加することで、圧電／電歪膜１５が分極処理される。

＜実施形態の圧電／電歪膜型素子の動作＞
次に、上述のように構成された、本実施形態の圧電／電歪膜型素子１０の動作について、各図面を参照しつつ説明する。

被測定流体は、貫通孔１１ｄを介して、キャビティ１１ｃ内に導入される。また、キャビティ１１ｃ内の測定済みの流体は、貫通孔１１ｄを介してキャビティ１１ｃから排出される。

上部電極１６と下部電極１２との間に、所定の駆動電圧が印加されると、圧電／電歪膜１５における圧電／電歪活性部１５ａが、圧電逆効果によって変形する。この圧電／電歪膜１５の変形により、薄肉ダイヤフラム部１１ａが屈曲変形する。この薄肉ダイヤフラム部１１ａは、上述の駆動電圧の印加により、所定の共振周波数にて励振される。

ここで、キャビティ１１ｃ内の流体によって、薄肉ダイヤフラム部１１ａの振動は、粘性的な抵抗を受ける。この粘性抵抗に基づく薄肉ダイヤフラム部１１ａの振動状態及びその変化は、上部電極１６と下部電極１２との間の圧電／電歪膜１５における圧電／電歪活性部１５ａの伸縮状態及びその変化となって現れる。この圧電／電歪活性部１５ａの伸縮状態及びその変化は、上部電極１６と下部電極１２との間の出力電圧の波形及びその変化となって現れる。この出力電圧の波形及びその変化を解析することで、キャビティ１１ｃ内に導入された被測定流体の特性が判定され得る。

＜実施形態の構成による作用・効果＞
次に、上述のように構成された、本実施形態の圧電／電歪膜型素子１０の構成による作用・効果について、各図面を参照しつつ説明する。

・本実施形態の圧電／電歪膜型素子１０においては、材質的な不連続部分を構成する、ギャップ１４及び不完全結合部１５ｂが、薄肉ダイヤフラム部１１ａにおける曲げ応力が最大となる先端１１ａ１及び基端１１ａ２に跨るようには形成されていない。

かかる構成によれば、先端１１ａ１及び基端１１ａ２における応力集中の発生、及び当該応力集中による圧電／電歪膜１５内の疲労亀裂の進展が、効果的に抑制され得る。よって、圧電／電歪膜型素子１０の耐久性が向上する。

・本実施形態の圧電／電歪膜型素子１０においては、薄肉ダイヤフラム部１１ａ及び上部電極本体部１６ａは、略相似形の平面形状に形成されている。また、電極アスペクト比Ｒｅ＝Ｌｅ／Ｗｅの値、及びダイヤフラム部アスペクト比Ｒｄ＝Ｌｄ／Ｗｄの値が、略１．２以上となるように、薄肉ダイヤフラム部１１ａ及び上部電極本体部１６ａが形成されている。

かかる構成によれば、薄肉ダイヤフラム部１１ａにおける屈曲変位をより大きくすることで、より優れた素子特性（センサ感度）が得られる。すなわち、かかる構成によれば、上述の駆動電圧に基づいて、薄肉ダイヤフラム部１１ａの振動状態が、より効率よく、所定の状態に設定され得る。あるいは、薄肉ダイヤフラム部１１ａの振動状態が、より効率よく、上述の出力電圧に反映され得る。したがって、圧電／電歪膜１５におけるクラックの発生を抑制することで耐久性を向上させつつ、より優れた素子特性が得られる。

・本実施形態の圧電／電歪膜型素子１０においては、圧電／電歪活性部１５ａが、薄肉ダイヤフラム部１１ａ上にのみ設けられている。また、圧電／電歪活性部１５ａの周囲に、不完全結合部１５ｂ及び１５ｄが設けられている。

かかる構成によれば、張り出し部１５ｃ及びギャップ１４における基板１１と圧電／電歪膜１５との結合が緩和され、薄肉ダイヤフラム部１１ａにおける充分な屈曲変位量や振幅が得られる。また、薄肉ダイヤフラム部１１ａの励振、あるいは、当該薄肉ダイヤフラム部１１ａの振動状態に応じた上部電極１６と下部電極１２との間の出力の取得が、より効率よく行われ得る。したがって、より優れた素子特性（センサ感度）が得られる。

・本実施形態の圧電／電歪膜型素子１０においては、薄肉ダイヤフラム部１１ａと厚肉部１１ｂとに跨る、薄肉ダイヤフラム部１１ａにおける基端１１ａ２の近傍部にて、圧電／電歪膜１５が、同電位の補助電極１３と上部電極１６との間に設けられる。すなわち、薄肉ダイヤフラム部１１ａにおける基端１１ａ２の近傍部にて、圧電／電歪膜１５に対して電界が印加されない部分（不活性部）が生じる。換言すれば、電界の印加により薄肉ダイヤフラム部１１ａを屈曲変形させる位置が、基端１１ａ２よりも薄肉ダイヤフラム部１１ａの「内側」となる。

かかる構成によれば、薄肉ダイヤフラム部１１ａの励振が、効率よく行われ得る。あるいは、圧電／電歪膜１５の面方向の伸縮応力が最大となる、薄肉ダイヤフラム部１１ａの中央部にて、上部電極１６と下部電極１２との間の、薄肉ダイヤフラム部１１ａの振動状態に応じた出力電圧が、効率よく生じる。したがって、より優れた素子特性が得られる。また、圧電／電歪膜１５におけるクラックの発生が抑制され、圧電／電歪膜型素子１０の耐久性がよりいっそう向上し得る。

・本実施形態の圧電／電歪膜型素子１０においては、圧電／電歪膜幅Ｗｐと薄肉ダイヤフラム部幅Ｗｄとの比（Ｗｐ／Ｗｄ）、及び圧電／電歪膜長さＬｐと薄肉ダイヤフラム部長さＬｄとの比（Ｌｐ／Ｌｄ）の値が０．９５以下となるように、薄肉ダイヤフラム部１１ａ及び圧電／電歪膜１５が形成されている。

かかる構成によれば、圧電／電歪膜１５（特に圧電／電歪活性部１５ａ）の外側に位置する薄肉ダイヤフラム部１１ａの端部の屈曲変形が、当該圧電／電歪膜１５による機械的な拘束から比較的自由な状態で生じ得る。よって、薄肉ダイヤフラム部１１ａの励振、あるいは、電極間の出力の取得が、より効率よく行われ得る。また、圧電／電歪膜１５におけるクラックの発生が抑制され、圧電／電歪膜型素子１０の耐久性がよりいっそう向上し得る。

・本実施形態の圧電／電歪膜型素子１０においては、上部電極本体部１６ａと補助電極１３とは、接続部１６ｂと補助接続部１７という、互いに独立した２つの経路を介して、電気的に接続されている。

かかる構成によれば、例えば、圧電／電歪膜１５の絶縁性の低下に起因して、上部電極１６の一部が破損し、上部電極本体部１６ａと接続部１６ｂとが断線した場合であっても、補助接続部１７を介して、上部電極本体部１６ａと補助電極１３との電気的接続が維持され得る。このように、本実施形態の構成によれば、上部電極本体部１６ａと補助電極１３との電気的接続が、より確実に維持され得る。したがって、当該圧電／電歪膜型素子１０の耐久性が、よりいっそう向上し得る。

・本実施形態の圧電／電歪膜型素子１０においては、圧電／電歪膜１５が、下部電極１２の幅方向Ｗにおける両端部を覆うように設けられている。これにより、下部電極１２と圧電／電歪膜１５との精密な位置合わせが不要となり、製造コストが低減され得る。また、下部電極１２と上部電極１６とのの短絡が、簡略な装置構成で効果的に抑制され得る。

＜変形例の例示列挙＞
なお、上述の実施形態は、上述した通り、出願人が取り敢えず本願の出願時点において最良であると考えた本発明の代表的な実施形態を単に例示したものにすぎない。よって、本発明はもとより上述の実施形態に何ら限定されるものではない。したがって、本発明の本質的部分を変更しない範囲内において、上述の実施形態に対して種々の変形が施され得ることは、当然である。

以下、代表的な変形例について、幾つか例示する。以下の変形例の説明において、上述の実施形態にて説明されているものと同様の構成及び機能を有する部材に対しては、上述の実施形態と同様の符号が付されているものとする。そして、かかる部材の説明については、技術的に矛盾しない範囲内において、上述の実施形態における説明が援用され得るものとする。

もっとも、言うまでもなく、変形例とて、以下に列挙されたもの限定されるものではない。また、複数の変形例が、技術的に矛盾しない範囲内において、適宜、複合的に適用され得る。

本発明（特に、本発明の課題を解決するための手段を構成する各構成要素における、作用的・機能的に表現されているもの）は、上述の実施形態や、下記変形例の記載に基づいて限定解釈されてはならない（このような限定解釈は、先願主義の下で出願を急ぐ出願人の利益を不当に害する反面、模倣者を不当に利するものであって、発明の保護及び利用を目的とする特許法の目的に反し、許されない）。

（１）本発明の対象は、上述の実施形態のような、センサ素子に限定されない。例えば、本発明は、アクチュエータに対しても適用され得る。

（２）薄肉ダイヤフラム部１１ａ及び上部電極本体部１６ａの平面形状としては、長方形、正方形、三角形、楕円形、真円形等、いかなる形状も適用され得る。もっとも、励起される共振モードを単純化させる必要がある場合の、センサ素子としての圧電／電歪膜型素子１０においては、長方形や真円形が、必要に応じて選択される。

（３）キャビティ１１ｃの形状、及びキャビティ１１ｃに形成された貫通孔１１ｄの個数、配置、構造は、特に限定されない。

あるいは、キャビティ１１ｃは、薄肉ダイヤフラム部１１ａのほぼ全部を基板１１の下側表面側に露出するように形成されていてもよい。すなわち、平面視における開口形状が薄肉ダイヤフラム部１１ａの平面形状と略同一な、１つの貫通孔１１ｄが形成されていてもよい。

（４）下部電極１２、補助電極１３、及び上部電極１６は、互いに異なる材質で形成されていてもよいし、すべて同一の材質で形成されていてもよい。

下部電極１２及び補助電極１３の材質としては、基板１１と圧電／電歪膜１５とのいずれとも接合性のよい導電性材料が、最も好適に用いられる。特に、圧電／電歪膜１５を形成する際に、焼結のための熱処理工程が行われる場合には、白金、及びこれを主成分とする合金が好適に用いられる。

また、上部電極１６の材質としては、補助電極１３と圧電／電歪膜１５とのいずれとも接合性のよい導電性材料が、最も好適に用いられる。

（５）圧電／電歪膜１５は、厚肉部１１ｂに跨らないように形成されていてもよい。すなわち、圧電／電歪膜１５における、補助電極１３側の端部が、薄肉ダイヤフラム部１１ａにおける補助電極１３側の端部である基端１１ａ２よりも、先端１１ａ１側（薄肉ダイヤフラム部１１ａの内側）になるように、圧電／電歪膜１５が形成されていてもよい。

（６）圧電／電歪膜１５の材質としては、上述の実施形態で示されているようなものが、単独で、又は圧電／電歪特性の改善のために複合して用いられる。あるいは、圧電／電歪特性の改善のために、他の添加物が適宜添加され得る。上述のような複合材料は、混合物、あるいは固溶体の状態で用いられ得る。

特に、圧電／電歪膜１５が、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛、ニッケルニオブ酸鉛から選ばれた少なくとも１種以上を主成分とする材料で構成された場合、基板１１を構成する材料との反応性が低いこと、熱処理中の成分の偏析が起き難いことから、目的とする組成や結晶構造が得られやすいため、好適である。

また、下部電極１２及び補助電極１３の材質として、白金または白金を主成分とする合金が用いられる場合には、素子の特性のばらつきが小さくなり高い信頼性が得られることから、これらとの接合性がより高い、（Ｂi_0.5Ｎa_0.5）ＴiＯ₃またはこれを主成分とする材料が好適に用いられる。これらの中でも、特に、（１−ｘ）(Ｂi_0.5Ｎa_0.5)ＴiＯ₃−ｘＫＮbＯ₃（ｘはモル分率で０≦ｘ≦０．０６)また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、より好適に用いられる。

この場合、９００℃から１４００℃、好ましくは１０００℃から１３００℃の温度で熱処理工程が行われることが好ましい（圧電／電歪膜１５の材質としてＰＺＴ系材料を用いた場合も同様である）。このとき、高温時に圧電／電歪膜１５が不安定にならないように、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。

（７）不完全結合部１５ｂ等における、上述のような不完全結合状態の形成の際の、上述のダミー層は、スクリーン印刷法の他、スタンピング法、インクジェット法等が好適に用いられ得る。

圧電／電歪膜１５や上部電極１６等の形成の際に熱処理工程が行われない場合には、ダミー層は、水や有機溶媒等に溶解する材料（合成樹脂等）を用いて形成され得る。この場合、圧電／電歪膜１５を形成後、あるいは上部電極１６を形成後、水や有機溶媒等によってダミー層が溶解・除去されることで、不完全結合部１５ｂ等が形成される。

また、基板１１及び圧電／電歪膜１５の材質及び成膜条件を適宜調整することで、上述のようなダミー層を用いることなく、不完全結合部１５ｂ等が形成され得る。

（８）不完全結合部１５ｂ等においては、基板１１と結合した部分が全く無い未結合状態であってもよい。

（９）張り出し部１５ｃ及び当該張り出し部１５ｃの下方の不完全結合部１５ｄは、省略され得る。すなわち、素子特性としての電気的定数の、ばらつきや経時変化をより小さくすることが求められる場合には、下部電極１２と圧電／電歪膜１５は、ほぼ同等の大きさとされる場合がある。この場合、張り出し部１５ｃは形成されない。また、下部電極１２が、圧電／電歪膜１５より大きく形成されていてもよい。

（10）図３は、図１に示されている上部電極１６の一つの変形例の構成を示す平面図である。図３に示されているように、上部電極本体部１６ａには、切欠部から構成された不活性部１６ｃが形成されている。この不活性部１６ｃは、幅方向（接続部１６ｂの延設方向と略垂直な方向）における、上部電極本体部１６ａの両端を切り欠くように形成されている。

図１及び図３を参照すると、かかる構成においては、圧電／電歪膜１５のうちの、上部電極本体部１６ａと下部電極１２とに挟まれる部分である、圧電／電歪活性部１５ａの内部に、印加電界の弱い領域が形成される。

よって、かかる構成によれば、圧電／電歪膜１５の伸縮に伴う当該圧電／電歪膜１５内の応力が低減される。したがって、当該圧電／電歪膜１５内のクラックの発生が抑制され、圧電／電歪膜型素子１０の耐久性がより向上され得る。

（11）図４は、図３に示されている上部電極１６の他の変形例の構成を示す平面図である。図４に示されているように、上部電極本体部１６ａには、貫通孔から構成された不活性部１６ｃが形成されていてもよい。この変形例においては、貫通孔からなる不活性部１６ｃは、長さ方向（接続部１６ｂの延設方向に沿った方向）における、上部電極本体部１６ａの両端部に設けられている。

かかる構成によれば、上述の図３の変形例と同様に、圧電／電歪膜１５内のクラックの発生が抑制され、圧電／電歪膜型素子１０の耐久性がより向上され得る。

（12）図５は、図３に示されている上部電極１６のさらに別の変形例の構成を示す平面図である。図５に示されているように、貫通孔からなる不活性部１６ｃが形成されていてもよい。この変形例においては、貫通孔からなる不活性部１６ｃは、幅方向（接続部１６ｂの延設方向と略垂直な方向）における、上部電極本体部１６ａの両端部に設けられている。

かかる構成によれば、上述の図３や図４の変形例と同様に、圧電／電歪膜１５内のクラックの発生が抑制され、圧電／電歪膜型素子１０の耐久性がより向上され得る。

（13）図６は、図１に示されている圧電／電歪膜型素子１０における、下部電極１２と補助電極１３との間のギャップ１４の周辺の構成の、一つの変形例を示す断面図である。

図６を参照すると、この変形例においては、下部電極１２と補助電極１３との間のギャップ１４には、圧電／電歪膜１５と薄肉ダイヤフラム部１１ａを結合させるための結合層１８が設けられている。この結合層１８は、絶縁体から構成されている。

かかる構成においては、下部電極１２と補助電極１３との間のギャップ１４の位置にて、圧電／電歪膜１５と基板１１とが完全結合状態となる。これにより、薄肉ダイヤフラム部１１ａの振動状態が安定化され得る。よって、圧電／電歪膜型素子１０の素子特性がさらに向上され得る。

この結合層１８が設けられる場合には、圧電／電歪膜１５の形成に先立ち、ギャップ１４に結合層１８が形成される。この結合層１８の形成には、通常の厚膜手法が用いられ得る。特に、スタンピング法、スクリーン印刷法、あるいは、形成すべき部分の大きさが数十μｍ〜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得る。そして、圧電／電歪膜１５の形成後に、必要に応じて熱処理を行うことで、圧電／電歪膜１５と、下部電極１２、補助電極１３、及び結合層１８とが、一体化される。

結合層１８の材質としては、圧電／電歪膜１５及び基板１１の双方との密着性、結合性が高いものが好適に用いられ得る。例えば、ガラス等の無機材料の他に、有機材料も好適に用いられ得る。圧電／電歪膜１５の形成の際に、焼結のための熱処理工程が用いられる場合には、結合層１８を構成する材料として、ガラス材料が用いられ得る。特に、圧電／電歪膜１５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１５と基板１１とをより強固に結合させ、また、軟化点が高いために熱処理による変形を抑制できることから、より好適に用いられる。

また、結合層１８を構成する材質の熱膨張係数は、基板１１の熱膨張係数と、圧電／電歪膜１５の熱膨張係数の中間の値を有することが、信頼性の高い結合性が得られるため、より好ましい。

さらに、圧電／電歪膜１５が、上述のような、(Ｂi_0.5Ｎa_0.5)ＴiＯ₃またはこれを主成分とする材料で構成される場合には、結合層１８の材質として、（１−ｘ）(Ｂi_0.5Ｎa_0.5)ＴiＯ₃−ｘＫＮbＯ₃（ｘはモル分率で０．０８≦ｘ≦０．５)を主成分とする材料が好適に選択され得る。

この場合、結合層１８と圧電／電歪膜１５とが、同様の成分を含む材質から構成されることとなる。よって、結合層１８と圧電／電歪膜１５との密着性が向上する。また、この場合、結合層１８としてガラス材料が用いられた場合と比較して、異種元素の拡散による問題が少ない。また、結合層１８がＫＮbＯ₃を多く含むことから、基板１１との反応性が高くなり、基板１１との結合が強固となる。

さらに、結合層１８を構成する、（１−ｘ）(Ｂi_0.5Ｎa_0.5)ＴiＯ₃−ｘＫＮbＯ₃（ｘはモル分率で０．０８≦ｘ≦０．５)は、圧電特性をほとんど示さない。よって、使用時に下部電極１２と補助電極１３との間に生じる電界による、結合層１８における振動、変位、応力の発生が抑制される。したがって、安定した素子特性が得られる。

（14）下部電極１２、補助電極１３、圧電／電歪膜１５、上部電極１６、（結合層１８）は、熱処理により、強固に接合され、一体構造となる。この熱処理は、各層を形成した都度行われてもよい。あるいは、すべての層が形成された後に、一度に熱処理が行われてもよい。熱処理に際しては、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、熱処理温度が適切に設定されるのは言うまでもない。

結合層１８に対する熱処理が必要な場合には、次の圧電／電歪膜１５の形成工程の前に熱処理されてもよい。あるいは、圧電／電歪膜１５の形成後に、圧電／電歪膜１５と同時に熱処理されてもよい。

（15）その他、本発明の課題を解決するための手段を構成する各要素における、作用・機能的に表現されている要素は、上述の実施形態や変形例にて開示されている具体的構造の他、当該作用・機能を実現可能な、いかなる構造をも含む。

本発明の一実施形態である、流体センサ用の圧電／電歪膜型素子の構成を示す図である。ここで、図１（Ａ）は、本実施形態の圧電／電歪膜型素子の平面図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）におけるＢ−Ｂ断面図である。図１（Ｃ）は、図１（Ａ）におけるＣ−Ｃ断面図である。 図１に示されている圧電／電歪膜型素子の平面図である。 図１に示されている上部電極の一つの変形例の構成を示す平面図である。 図３に示されている上部電極の構成の他の変形例を示す平面図である。 図３に示されている上部電極のさらに別の変形例の構成を示す平面図である。 図１に示されている圧電／電歪膜型素子における、下部電極と補助電極との間のギャップの周辺の構成の、一つの変形例を示す断面図である。

１０…圧電／電歪膜型素子、 １１…基板、 １１ａ…薄肉ダイヤフラム部、
１１ｂ…厚肉部、 １２…下部電極、 １３…補助電極、
１４…ギャップ、 １５…圧電／電歪膜、 １５ａ…圧電／電歪活性部、
１６…上部電極、 １６ａ…上部電極本体部、１６ｂ…接続部、
１６ｃ…不活性部、 １７…補助接続部、 Ｌｅ…上部電極本体部長さ、
Ｌｐ…圧電／電歪膜長さ、 Ｌｄ…薄肉ダイヤフラム部長さ、
Ｗｅ…上部電極本体部幅、 Ｗｐ…圧電／電歪膜幅、 Ｗｄ…薄肉ダイヤフラム部幅、
Ｒｄ…ダイヤフラム部アスペクト比、 Ｒｅ…電極アスペクト比

Claims (4)

1. 薄肉ダイヤフラム部と、その周囲に形成された厚肉部と、を備えた基板と、
   前記薄肉ダイヤフラム部と前記厚肉部とに跨るように、前記基板の上に形成された下部電極と、
   前記下部電極の上に形成された圧電／電歪膜と、
   前記薄肉ダイヤフラム部の平面形状と略相似形の平面形状に形成されていて、前記薄肉ダイヤフラム部と対向するように前記圧電／電歪膜の上に設けられた上部電極本体部と、その上部電極本体部と接続するように前記圧電／電歪膜の上に設けられていて、前記上部電極本体部よりも狭い幅に形成された接続部と、を備えた上部電極と、
   を備え、
   前記上部電極本体部には、貫通孔又は切欠部から構成された不活性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。
2. 請求項１に記載の圧電／電歪膜型素子において、
   前記薄肉ダイヤフラム部の端部と前記厚肉部とに跨るように、且つ前記下部電極と離隔するように、前記基板の上に形成されていて、前記接続部と接続された補助電極と、
   前記上部電極本体部と前記補助電極とを接続するように設けられた補助接続部と、
   をさらに備えたことを特徴とする圧電／電歪膜型素子。
3. 請求項１又は請求項２に記載の圧電／電歪膜型素子であって、
   幅方向又は当該幅方向と垂直な長さ方向における、前記薄肉ダイヤフラム部の寸法に対する前記圧電／電歪膜の寸法の比の値が、０．９５以下となるように、前記圧電／電歪膜が形成されていることを特徴とする圧電／電歪膜型素子。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の圧電／電歪膜型素子であって、
   前記薄肉ダイヤフラム部及び前記上部電極本体部は、幅と長さとの比であるアスペクト比の値が、略１．２以上となるように形成されていることを特徴とする圧電／電歪膜型素子。

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