JP2003152236A - Ceramic diaphragm structure and its manufacturing method - Google Patents

Ceramic diaphragm structure and its manufacturing method

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JP2003152236A
JP2003152236A JP2002284728A JP2002284728A JP2003152236A JP 2003152236 A JP2003152236 A JP 2003152236A JP 2002284728 A JP2002284728 A JP 2002284728A JP 2002284728 A JP2002284728 A JP 2002284728A JP 2003152236 A JP2003152236 A JP 2003152236A
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JP
Japan
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diaphragm
ceramic
ceramic green
sheet
substrate
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Application number
JP2002284728A
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Japanese (ja)
Inventor
Yukihisa Takeuchi
幸久 武内
Tsutomu Nanataki
七瀧  努
Hideo Masumori
秀夫 増森
Katsuyuki Takeuchi
勝之 竹内
Takahiro Maeda
高宏 前田
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NGK Insulators Ltd
Original Assignee
NGK Insulators Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a highly reliable thin-wall ceramic diaphragm structure in which recesses, cracks, etc., do not occur in a diaphragm portion and which has a high natural resonance frequency, is excellent in strength, and does not hinder sintering at the time of sintering various kinds of films formed on its surface, and to provide a method by which the structure can be manufactured profitably. SOLUTION: The ceramic diaphragm structure is an integrally fired product composed of a ceramic substrate having at least one window section and a thin ceramic diaphragm plate laminated upon the substrate so as to cover the window section. In addition, a thin-wall diaphragm section is integrally formed with ceramic substrate at the window section. The diaphragm section is formed so that the section may be protruded outward in the direction opposite to the window section. In addition, the diaphragm section is protruded outward in the direction opposite to the window section at firing time when the ceramic diaphragm structure is manufactured.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【技術分野】本発明は、セラミックダイヤフラム構造体
及びその製造方法に係り、特に、薄肉のセラミックダイ
ヤフラム部位の形状に特徴を有するセラミックダイヤフ
ラム構造体とそれを有利に製造する方法に関するもので
ある。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a ceramic diaphragm structure and a method for manufacturing the same, and more particularly to a ceramic diaphragm structure having a characteristic shape of a thin ceramic diaphragm portion and a method for advantageously manufacturing the same.

【0002】[0002]

【背景技術】従来から、少なくとも一つの窓部を有する
基体を支持体として、そのような窓部を可撓性の薄肉膜
材料にて覆蓋してダイヤフラムとした構造体が、各種セ
ンサの構成部材等として用いられて来ており、また近年
では、圧電/電歪アクチュエータの構成部材としても、
注目を受けている。例えば、センサ構成部材として用い
られる場合にあっては、そのようなダイヤフラム構造体
のダイヤフラム部位が測定すべき対象によって受ける屈
曲変位を、適当な検出手段にて検出するように構成さ
れ、また圧電/電歪アクチュエータの構成部材として用
いられる場合にあっては、かかるダイヤフラム構造体の
ダイヤフラム部位が、圧電/電歪素子によって変形せし
められて、該構造体の内部に形成された加圧室に圧力を
生ぜしめるようにして用いられることとなる。
2. Description of the Related Art Conventionally, a structure having a base body having at least one window as a support and covering the window with a flexible thin film material to form a diaphragm is a constituent member of various sensors. Etc., and in recent years, as a constituent member of a piezoelectric / electrostrictive actuator,
Has received attention. For example, when it is used as a sensor component, the diaphragm displacement of such a diaphragm structure is configured to be detected by an appropriate detection means for the bending displacement received by the object to be measured, and the piezoelectric / piezoelectric When used as a constituent member of an electrostrictive actuator, the diaphragm portion of such a diaphragm structure is deformed by a piezoelectric / electrostrictive element to apply pressure to a pressurizing chamber formed inside the structure. It will be used as it is produced.

【0003】しかして、そのようなダイヤフラム構造体
は、それを構成する支持体としての基体と、ダイヤフラ
ムを与える膜部材とを、一体的に組み付けることによっ
て製造されることとなるが、その一体的構造の信頼性や
耐熱、耐食性の付与等の点より、そのようなダイヤフラ
ム構造体を、セラミックスの一体焼成体にて構成するこ
とが考えられ、本願出願人も、先に、特願昭62−12
9360号(特開昭63−292032号)や特願平3
−204845号(特開平5−49270号)等とし
て、一体焼成にて得られたセラミックス製のダイヤフラ
ム構造体を用いた圧力検出器や圧電/電歪アクチュエー
タを明らかにした。
Thus, such a diaphragm structure is manufactured by integrally assembling a base body as a support member constituting the diaphragm structure and a membrane member for providing the diaphragm. From the viewpoints of structural reliability, heat resistance, corrosion resistance, and the like, it is considered that such a diaphragm structure is composed of an integrally fired body of ceramics. 12
9360 (Japanese Patent Laid-Open No. 63-292032) and Japanese Patent Application No. 3
A pressure detector and a piezoelectric / electrostrictive actuator using a diaphragm structure made of ceramics obtained by integral firing have been disclosed as Japanese Patent Publication No. 204845 (JP-A-5-49270).

【0004】ところで、このような一体焼成により得ら
れるセラミックス製のダイヤフラム構造体は、一般に、
窓部を有する所定形状のセラミックグリーン基体と該窓
部を覆蓋する薄肉のセラミックグリーンシートとの一体
的な積層物を焼成せしめることにより、得られるもので
あるが、そのような一体焼成操作において、かかるセラ
ミックグリーン基体の窓部に位置し、セラミックグリー
ンシートから形成されるダイヤフラム部位が、凹状に変
形したり、該ダイヤフラム部位にクラックを生じたりす
る問題が内在していることが、本発明者らの検討によ
り、明らかとなったのである。そして、そのようなダイ
ヤフラム部位の凹みやクラックの発生は、ダイヤフラム
の機能乃至は作動を阻害し、また、その信頼性を低下さ
せているのである。
By the way, the ceramic diaphragm structure obtained by such integral firing is generally
Although it is obtained by firing an integral laminate of a ceramic green substrate having a predetermined shape having a window portion and a thin ceramic green sheet that covers the window portion, in such an integral firing operation, The present inventors have found that there is an inherent problem that the diaphragm portion formed from the ceramic green sheet located in the window portion of the ceramic green substrate is deformed into a concave shape or cracks are generated in the diaphragm portion. It became clear by the examination of. The occurrence of such dents and cracks in the diaphragm portion hinders the function or operation of the diaphragm and reduces its reliability.

【0005】また、かかるセラミックダイヤフラム構造
体にあっては、通常、そのダイヤフラム部位の平坦化が
図られているが、そのような平坦な形態のダイヤフラム
部位においては、その固有共振周波数を大きくすること
が困難である他、強度が充分でないために、その厚さを
薄くすることが困難であり、更には表面に形成される電
極膜や圧電/電歪膜等の焼結を充分に行ない得ない等の
問題をも内在するものであった。
Further, in such a ceramic diaphragm structure, the diaphragm portion is usually flattened. However, in such a flat diaphragm portion, its natural resonance frequency should be increased. In addition, it is difficult to reduce the thickness because the strength is not sufficient, and further, the electrode film or the piezoelectric / electrostrictive film formed on the surface cannot be sufficiently sintered. Such problems were inherent.

【0006】[0006]

【解決課題】ここにおいて、本発明は、かかる事情を背
景と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、ダイヤフラム部位における凹みやクラック等の
発生の無い、そしてその固有共振周波数を大きくするこ
とが出来ると共に、強度に優れ、また、表面に形成され
る各種の膜の焼結に際しても、それを阻害することの少
ない、信頼性の高い薄肉のセラミックダイヤフラム構造
体を提供することにあり、またそのようなダイヤフラム
構造体を有利に製造する方法を提供することにある。
Here, the present invention has been made in view of such circumstances, and the problem to be solved is that there is no occurrence of dents or cracks in a diaphragm portion, and its natural resonance frequency is To provide a highly reliable thin ceramic diaphragm structure that can be increased in size, has excellent strength, and does not hinder the sintering of various films formed on the surface. And to provide a method for advantageously manufacturing such a diaphragm structure.

【0007】[0007]

【解決手段】そして、かかる課題を解決するため、本発
明は、少なくとも一つの窓部を有するセラミック基体
と、該窓部を覆蓋するように積層された、薄肉のセラミ
ックダイヤフラム板とからなる一体焼成物であって、該
窓部において薄肉のダイヤフラム部が一体に形成されて
なる構造体にして、該ダイヤフラム部が、前記窓部とは
反対方向となる外方に凸なる形状とされていることを特
徴とするセラミックダイヤフラム構造体を、その要旨と
するものである。
In order to solve such a problem, the present invention is an integral firing method comprising a ceramic base having at least one window and a thin ceramic diaphragm plate laminated so as to cover the window. A structure in which a thin diaphragm portion is integrally formed in the window portion, and the diaphragm portion is formed in a shape protruding outward in a direction opposite to the window portion. The gist is a ceramic diaphragm structure characterized by the following.

【0008】なお、このような本発明に従うセラミック
ダイヤフラム構造体の有利な態様によれば、前記セラミ
ックダイヤフラム板は、安定化ジルコニア、部分安定化
ジルコニア、アルミナ若しくはそれらの混合物を主成分
とする材料から構成されているものである。
According to such an advantageous aspect of the ceramic diaphragm structure according to the present invention, the ceramic diaphragm plate is made of a material whose main component is stabilized zirconia, partially stabilized zirconia, alumina or a mixture thereof. It is configured.

【0009】また、本発明の望ましい態様によれば、前
記セラミック基体及びセラミックダイヤフラム板は、そ
れぞれ、5μm以下の平均結晶粒子径を有するものとし
て形成され、更に、前記ダイヤフラム部は、30μm以
下の厚さにおいて形成され、更にまた、相対密度:90
%以上の緻密体にて構成されることとなる。
According to a preferred aspect of the present invention, the ceramic substrate and the ceramic diaphragm plate are each formed to have an average crystal grain size of 5 μm or less, and the diaphragm portion has a thickness of 30 μm or less. Formed at a relative density of 90.
% Or more of a dense body.

【0010】本発明にあっては、このようなセラミック
ダイヤフラム構造体を製造するために、(a)少なくと
も一つの窓部を有するセラミックグリーン基体を準備す
る工程と、(b)所定厚さの薄肉のセラミックグリーン
シートを準備する工程と、(c)前記セラミックグリー
ン基体に対して、その窓部を覆蓋するように、該薄肉の
セラミックグリーンシートを積層し、一体的な積層物と
為す工程と、(d)該積層物を焼成して一体的な焼結体
と為し、前記セラミックグリーン基体の窓部部位におい
て薄肉のダイヤフラム部を形成する一方、かかる積層物
の焼成と同時に、該ダイヤフラム部を該窓部とは反対方
向となる外方に凸なる形状に突出せしめる工程と、を含
むセラミックダイヤフラム構造体の製造方法を、その要
旨とするものである。
In the present invention, in order to manufacture such a ceramic diaphragm structure, (a) a step of preparing a ceramic green substrate having at least one window portion, and (b) a thin wall having a predetermined thickness. And (c) a step of laminating the thin ceramic green sheets on the ceramic green substrate so as to cover the window part thereof to form an integral laminated body, (D) The laminate is fired to form an integral sintered body to form a thin diaphragm portion at the window portion of the ceramic green substrate, and at the same time as the firing of the laminate, the diaphragm portion is formed. The gist of the method is a method of manufacturing a ceramic diaphragm structure including a step of projecting outward in a direction opposite to the window portion. .

【0011】そして、そのような製造手法においては、
有利には、前記セラミックグリーン基体と前記セラミッ
クグリーンシートとが、下式: S(基体)−S(シート)≧−0.08{T70(基体)
−T70(シート)}−1 0≦T70(基体)−T70(シート)≦300 S(基体)−S(シート)≦20 〔但し、S(基体)及びS(シート)は、それぞれ、セ
ラミックグリーン基体及びセラミックグリーンシートを
単独で前記積層物の焼成温度と同じ温度で焼成した際
の、面方向の長さの収縮率(%)を表し、またT70(基
体)及びT70(シート)は、それぞれ、セラミックグリ
ーン基体の前記収縮率:S(基体)及びセラミックグリ
ーンシートの前記収縮率:S(シート)の70%に達す
る時の温度(℃)を表している。〕を満足する焼結途上
温度と収縮率を有するように調製され、前記積層物の焼
成に伴って、前記ダイヤフラム部が外方へ突出せしめら
れることとなる。
And in such a manufacturing method,
Advantageously, the ceramic green substrate and the ceramic green sheet have the following formula: S (substrate) −S (sheet) ≧ −0.08 {T 70 (substrate)
-T 70 (sheet)}-10 ≤ T 70 (base) -T 70 (sheet) ≤ 300 S (base) -S (sheet) ≤ 20 [where S (base) and S (sheet) are respectively Represents the shrinkage ratio (%) of the length in the plane direction when the ceramic green substrate and the ceramic green sheet are independently fired at the same temperature as the firing temperature of the laminate, and also T 70 (base) and T 70 ( The sheet represents the temperature (° C.) when the shrinkage rate of the ceramic green substrate: S (substrate) and the shrinkage rate of the ceramic green sheet: S (sheet) reach 70%, respectively. ] It is prepared so as to have a sintering temperature and a shrinkage ratio satisfying the above condition, and the diaphragm portion is projected outward as the laminate is fired.

【0012】なお、上記した本発明に従う製造手法の好
ましい態様において、前記セラミックグリーンシート
は、平均粒子径:0.05〜1.0μmの、部分安定化
ジルコニア材料、完全安定化ジルコニア材料、アルミナ
材料若しくはそれらの混合材料を主成分とする材料、ま
たは焼成後にそれらの材料となる材料を用いて形成され
ている。なお、上記材料に対して、30%以下の助剤が
添加されても、何等差し支えない。
In the preferred embodiment of the manufacturing method according to the present invention, the ceramic green sheet has a partially stabilized zirconia material, a fully stabilized zirconia material, and an alumina material having an average particle diameter of 0.05 to 1.0 μm. Alternatively, it is formed using a material whose main component is a mixed material thereof, or a material which becomes the material after firing. It should be noted that there is no problem even if 30% or less of an auxiliary agent is added to the above material.

【0013】また、本発明は、上記した本発明に従うセ
ラミックダイヤフラム構造体を有利に得るべく、(a)
少なくとも一つの窓部を有するセラミックグリーン基体
を準備する工程と、(b)所定厚さの薄肉のセラミック
グリーンシートを準備する工程と、(c)前記セラミッ
クグリーン基体に対して、その窓部を覆蓋するように、
該薄肉のセラミックグリーンシートを積層し、一体的な
積層物と為す工程と、(e)該積層物を焼成して一体的
な焼結体と為し、前記セラミックグリーン基体の窓部部
位において薄肉のダイヤフラム部を形成する工程と、
(f)かくして得られた焼結体を加熱しつつ、前記ダイ
ヤフラム部に対して圧力を作用せしめて、該ダイヤフラ
ム部を外方に凸なる形状と為す工程と、を含むことを特
徴とするセラミックダイヤフラム構造体の製造方法を
も、その要旨とするものである。
In order to advantageously obtain the above-mentioned ceramic diaphragm structure according to the present invention, the present invention provides (a)
Preparing a ceramic green substrate having at least one window, (b) preparing a thin ceramic green sheet having a predetermined thickness, and (c) covering the ceramic green substrate with its window. To do
A step of laminating the thin ceramic green sheets to form an integral laminated body; and (e) firing the laminated body to form an integral sintered body, which is thin in the window portion of the ceramic green substrate. The step of forming the diaphragm part of
(F) a step of applying pressure to the diaphragm portion while heating the thus obtained sintered body to form the diaphragm portion in an outwardly convex shape. A method of manufacturing a diaphragm structure is also the subject of the invention.

【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薄肉のダイヤ
フラム部が一体的に形成されてなるセラミックダイヤフ
ラム構造体において、かかるダイヤフラム部位を、外方
に凸なる形状となるように突出せしめたものであるが、
そのような本発明の対象とするセラミックダイヤフラム
構造体の一例が、図1及び図2に示されている。なお、
そ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, in a ceramic diaphragm structure in which a thin diaphragm part is integrally formed so as to cover the window part provided in the ceramic base, such a diaphragm part is provided. , Which is projected to have a convex shape outward,
An example of such a ceramic diaphragm structure to which the present invention is applied is shown in FIGS. 1 and 2. In addition,
In the illustrated specific example, there is one window.

【0015】すなわち、それらの図において、ダイヤフ
ラム構造体2は、所定大きさの矩形窓部6を有する支持
体としての所定厚さのセラミック基体4と、その一方の
面に重ね合わされて窓部6を覆蓋する薄肉のセラミック
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の前記セラミック基体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、このようなダイヤフラム構造
体2は、図3に示されているように、セラミックダイヤ
フラム板8を与える薄肉のセラミックグリーンシート1
2を、セラミック基体4を与えるセラミックグリーン基
体14に対して、その窓部16を覆蓋するようにして、
重ね合わせ、熱圧着せしめて、一体的な積層体とした
後、それを一体焼成することにより、製造されることと
なる。なお、かかるセラミックグリーンシート12やセ
ラミックグリーン基体14は、それぞれ、複数枚のシー
ト成分や基体成分の重ね合わせによって形成することが
可能である。また、ここでは、ダイヤフラム構造体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、ダイヤフラム構造体2の用途に応じ
て、例えば円形、多角形、楕円形等、またはそれらを組
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。
That is, in these drawings, the diaphragm structure 2 has a ceramic base 4 of a predetermined thickness as a support having a rectangular window 6 of a predetermined size, and the window 6 is superposed on one surface thereof. Is integrally formed with a thin ceramic diaphragm plate 8 for covering the above, and the portion of the diaphragm plate 8 located in the window portion 6 of the ceramic base 4 is the diaphragm portion 10. Then, such a diaphragm structure 2 is, as shown in FIG. 3, a thin ceramic green sheet 1 that provides a ceramic diaphragm plate 8.
2 to the ceramic green substrate 14 which provides the ceramic substrate 4 so as to cover the window 16 thereof,
It is manufactured by stacking and thermocompressing to form an integral laminated body, and then integrally firing the laminated body. The ceramic green sheet 12 and the ceramic green substrate 14 can be formed by stacking a plurality of sheet components or substrate components, respectively. Further, here, the shape of the window portion 6 of the diaphragm structure 2, that is, the shape of the diaphragm portion 10 is a rectangle (quadrangle), but the shape is not limited to this, and the diaphragm structure 2 is not limited thereto. Depending on the application, an arbitrary shape such as a circular shape, a polygonal shape, an elliptical shape, or a combination thereof is appropriately selected.

【0016】本発明は、かかるダイヤフラム構造体2に
おいて、そのダイヤフラム部位10を、図4に拡大して
示されているように、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なるように構成し
たものであり、これによって、凹みやクラックの発生の
防止は勿論、フラット形状のダイヤフラム部位10では
得られなかったような利点、例えば固有共振周波数の増
大、外方からの力に対する強度の向上、ダイヤフラム部
位10の外表面に形成される膜の焼結に対する阻害の回
避等が有利に達成され、ダイヤフラム構造体2の用途が
著しく拡大され得ることとなったのである。因みに、振
動板たるダイヤフラム板8の固有共振周波数fは、(H
/A2 )√(E/ρ)[但し、2A:ダイヤフラム板8
の外径、H:凸高さ、E:材料のヤング率、ρ:材料の
密度]に比例するところから、その凸高さを調節すれ
ば、固有共振周波数fを任意に変えることが出来るので
ある。具体的には、凸高さを高くすれば、薄いダイヤフ
ラム板8を使っても、剛性を高めることが可能となり、
固有共振周波数fを高くすることが出来るのである。
According to the present invention, in the diaphragm structure 2, the diaphragm portion 10 has an outwardly convex shape, that is, the side opposite to the window portion 6, as shown in an enlarged view in FIG. It is configured so as to have a curved shape protruding to, thereby preventing the occurrence of dents and cracks, as well as advantages not obtained in the flat diaphragm portion 10, such as an increase in natural resonance frequency, Improvement of strength against external force, avoidance of inhibition of sintering of the film formed on the outer surface of the diaphragm portion 10, etc. are advantageously achieved, and the application of the diaphragm structure 2 can be significantly expanded. Of. By the way, the natural resonance frequency f of the diaphragm 8 which is the diaphragm is (H
/ A 2 ) √ (E / ρ) [However, 2A: diaphragm plate 8
Outer diameter, H: convex height, E: Young's modulus of material, ρ: density of material], the natural resonance frequency f can be arbitrarily changed by adjusting the convex height. is there. Specifically, if the convex height is increased, the rigidity can be increased even if the thin diaphragm plate 8 is used.
The natural resonance frequency f can be increased.

【0017】なお、このダイヤフラム構造体2におい
て、そのダイヤフラム部位10の外方に凸なる形状の突
出量としては、かかるダイヤフラム構造体2の用途に応
じて、適宜に決定されることとなるが、一般に、上記し
た効果を充分に奏せしめる上において、セラミック基体
4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、1%以上とされる
こととなる。また、かかる突出し率(y)の上限にあっ
ても、適宜に決定されることとなるが、一般に、50%
程度である。
In this diaphragm structure 2, the amount of protrusion of the diaphragm portion 10 that is convex outward is appropriately determined according to the application of the diaphragm structure 2. Generally, in order to sufficiently exert the above-mentioned effects, the protrusion amount (h) near the central portion 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 body 4,
In other words, the protrusion rate [y = (h / m) × 100], which represents the maximum protrusion amount (h) as a percentage, is 1% or more. Further, even if it is at the upper limit of the protrusion rate (y), it will be appropriately determined, but in general, it is 50%.
It is a degree.

【0018】また、このような本発明に従うダイヤフラ
ム構造体2において、それを構成するセラミック基体4
やセラミックダイヤフラム板8を与える材料としては、
公知の各種のセラミック材料が適宜に選択して用いられ
得るが、中でも、セラミックダイヤフラム板8は、一般
に、ムライト、ベリリア、スピネル、チタニア、窒化ア
ルミニウム、窒化ケイ素、安定化ジルコニア、部分安定
化ジルコニア、アルミナ若しくはそれらの混合材料を主
成分とする材料にて形成されるが、中でも安定化ジルコ
ニアや部分安定化ジルコニア、アルミナ若しくはそれら
の混合材料を主成分とする材料にて形成されていること
が望ましく、特に、本発明者等が、特開平5−2709
12号公報等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、単斜晶の内、
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ダ
イヤフラム板8は、高強度及び耐熱・耐食性と共に、薄
肉でフレキシブルという優れた特性を発揮し、有効なダ
イヤフラム構造体を与えることとなる。なお、ダイヤフ
ラム構造体2の一体的構造を実現する上において、セラ
ミック基体4も、また、セラミックダイヤフラム板8と
同様な、上記した材料にて構成することが望ましいが、
その他、ガラスセラミックス、コージエライト等のセラ
ミック材料を用いて構成することも可能である。
Further, in the diaphragm structure 2 according to the present invention as described above, the ceramic substrate 4 forming the same is used.
And as a material for providing the ceramic diaphragm plate 8,
Although various known ceramic materials can be appropriately selected and used, among them, the ceramic diaphragm plate 8 is generally mullite, beryllia, spinel, titania, aluminum nitride, silicon nitride, stabilized zirconia, partially stabilized zirconia, It is formed of a material containing alumina or a mixed material thereof as a main component, and it is particularly preferable that the material is formed of a material containing stabilized zirconia or partially stabilized zirconia, alumina or a mixed material thereof as a main component. In particular, the present inventor et al.
As disclosed in Japanese Unexamined Patent Publication No. 12 etc., by adding a compound such as yttrium oxide, the crystal phase is mainly tetragonal, or mainly cubic, tetragonal and monoclinic,
By using a mixed crystal composed of at least two kinds of crystal phases, a material having zirconia partially stabilized as a main component is preferably used. The diaphragm plate 8 formed of such a material exhibits high strength, heat resistance and corrosion resistance, as well as excellent characteristics of being thin and flexible, and provides an effective diaphragm structure. In order to realize the integral structure of the diaphragm structure 2, it is desirable that the ceramic base body 4 is also made of the above-mentioned material similar to the ceramic diaphragm plate 8.
In addition, it is possible to use a ceramic material such as glass ceramics or cordierite.

【0019】さらに、かかるダイヤフラム構造体2にお
いて、セラミック基体4やセラミックダイヤフラム板8
(ダイヤフラム部位10)を、それぞれ構成するセラミ
ックは、機械的強度の点より、一般に、5μm以下、望
ましくは3μm以下、より望ましくは1μm以下の結晶
粒子径を有していることが好ましい。また、セラミック
基体4の窓部6において、薄肉のダイヤフラム部位10
を与えるセラミックダイヤフラム板8の厚さとしては、
振動特性上において、30μm以下とすることが望まし
く、特に3〜20μmがより好ましく、更にまた、その
ようなダイヤフラム板8の緻密度としては、相対密度
(嵩密度/理論密度)が90%以上であるようにするこ
とが、強度やヤング率等の材料特性上から好ましく、中
でも95%以上がより好ましく、特に98%以上が更に
好ましい。
Further, in such a diaphragm structure 2, the ceramic base 4 and the ceramic diaphragm plate 8 are provided.
From the viewpoint of mechanical strength, it is preferable that the ceramic constituting each (diaphragm portion 10) generally has a crystal grain size of 5 μm or less, preferably 3 μm or less, more preferably 1 μm or less. Further, in the window portion 6 of the ceramic substrate 4, the thin diaphragm portion 10
The thickness of the ceramic diaphragm plate 8 that gives
In terms of vibration characteristics, it is desirable that the thickness is 30 μm or less, and particularly 3 to 20 μm is more preferable. Further, as the density of such diaphragm plate 8, relative density (bulk density / theoretical density) is 90% or more From the viewpoint of material properties such as strength and Young's modulus, it is preferable that the content be 95% or more, and particularly preferably 98% or more.

【0020】なお、ダイヤフラム構造体2を構成するセ
ラミック基体4の厚みや焼結度は、特に限定されず、ダ
イヤフラム構造体2の使用目的によって、適宜に決定さ
れるものである。また、そのようなセラミック基体4
は、前述せるように、一層にて構成されるばかりでな
く、多層構造とされていても何等差し支えないが、ダイ
ヤフラム板8と同様なセラミック材料を用いて構成され
ておれば、ダイヤフラム板8との積層界面の信頼性等の
点で有利となる。
The thickness and the degree of sintering of the ceramic substrate 4 constituting the diaphragm structure 2 are not particularly limited, and are appropriately determined depending on the purpose of use of the diaphragm structure 2. Also, such a ceramic substrate 4
As described above, not only is it composed of a single layer, but it does not matter if it has a multilayer structure. However, if it is composed of a ceramic material similar to that of the diaphragm plate 8, Is advantageous in terms of reliability of the laminated interface of

【0021】ところで、かくの如き構成のセラミックダ
イヤフラム構造体2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得るものであるが、特に本発明
にあっては、その有利な製造手法の一つとして、次の
(a)〜(d)からなる工程を有する手法が採用され
る。
By the way, the ceramic diaphragm structure 2 having such a structure can be manufactured by various methods based on the knowledge of those skilled in the art. Particularly, in the present invention, the advantageous manufacturing method is used. As one of the above, a method having the following steps (a) to (d) is adopted.

【0022】すなわち、先ず、(a)工程においては、
図3に示されるように、少なくとも一つの窓部16を有
するセラミックグリーン基体14が準備される一方、
(b)工程においては、所定厚さの薄肉のセラミックグ
リーンシート12が準備されるのである。なお、このセ
ラミックグリーンシート12やセラミックグリーン基体
14の作製に際しては、前述したセラミック材料が適宜
に用いられることとなるが、中でも、セラミックグリー
ンシート12は、0.05〜1.0μmの平均粒子径を
有する粉末形態の、部分安定化ジルコニア材料、完全安
定化ジルコニア材料、アルミナ材料若しくはそれらの混
合材料を主成分とする材料、または焼成後にそれらの材
料となる材料を用いて形成されることとなる。また、セ
ラミック材料に対しては、従来と同様に、適当なバイン
ダ、可塑剤、分散剤、焼結助剤、有機溶媒等が配合され
て、スラリーまたはペーストが調製され、そしてそのよ
うなスラリーやペーストを用いて、ドクターブレード
法、カレンダー法、印刷法、リバースロールコーター法
等の従来から公知の手法に従って、所定厚みのセラミッ
クグリーンシート12やセラミックグリーン基体14が
成形され、その後必要に応じて、切断、切削、打抜き等
の加工を施したり、複数枚の積層を行なったりして、所
定形状及び厚さの成形物(セラミックグリーンシート1
2及びセラミックグリーン基体14)とされる。
That is, first, in the step (a),
As shown in FIG. 3, while a ceramic green substrate 14 having at least one window 16 is prepared,
In the step (b), a thin ceramic green sheet 12 having a predetermined thickness is prepared. When the ceramic green sheet 12 and the ceramic green substrate 14 are manufactured, the above-mentioned ceramic materials are appropriately used. Among them, the ceramic green sheet 12 has an average particle diameter of 0.05 to 1.0 μm. Will be formed using a partially stabilized zirconia material, a fully stabilized zirconia material, a material containing an alumina material or a mixed material thereof as a main component, or a material that becomes these materials after firing. . Further, with respect to the ceramic material, a slurry, a paste or the like is prepared by mixing an appropriate binder, a plasticizer, a dispersant, a sintering aid, an organic solvent and the like, as in the conventional case, and The paste is used to form a ceramic green sheet 12 or a ceramic green substrate 14 having a predetermined thickness according to a conventionally known method such as a doctor blade method, a calendar method, a printing method, a reverse roll coater method, and the like, and then, if necessary, By performing processing such as cutting, cutting and punching, or laminating a plurality of sheets, a molded product having a predetermined shape and thickness (ceramic green sheet 1
2 and a ceramic green substrate 14).

【0023】また、積層を行なう際には、積層界面に接
着補助層を設けることも有利に採用され得るのである。
そして、この接着補助層としては、上記バインダ、可塑
剤、溶剤又はこれらの混合物、上記セラミック粉末を主
体としたスラリー又はペースト等が用いられることとな
る。なお、この積層を(c)工程において、同時に行う
ことも可能である。
Further, when laminating, it is also advantageous to provide an adhesion auxiliary layer at the laminating interface.
Then, as the adhesion auxiliary layer, the binder, the plasticizer, the solvent or a mixture thereof, the slurry or the paste mainly containing the ceramic powder, and the like are used. In addition, it is also possible to perform this lamination simultaneously in the step (c).

【0024】そして、このように準備されたセラミック
グリーンシート12とセラミックグリーン基体14と
は、次の(c)工程において、重ね合わされ、積層物と
される。即ち、該セラミックグリーン基体14に対し
て、その窓部16を覆蓋するように、薄肉のセラミック
グリーンシート12が積層され、熱圧着等によって、一
体的な積層物とされるのである。また、この積層を行な
う際にも、接着補助層を設けることが可能である。
Then, the ceramic green sheet 12 and the ceramic green substrate 14 thus prepared are laminated and laminated in the next step (c). That is, a thin ceramic green sheet 12 is laminated on the ceramic green substrate 14 so as to cover the window portion 16 thereof, and an integrated laminate is formed by thermocompression bonding or the like. Further, it is possible to provide an adhesion auxiliary layer also when performing this lamination.

【0025】その後、(d)工程において、かかる積層
物に対して焼成操作が実施され、これによって、該積層
物を一体的な焼結体と為し、前記セラミックグリーン基
体14の窓部16部位において、薄肉のダイヤフラム部
位(10)を形成する一方、かかる積層物の焼成と同時
に、該ダイヤフラム部位(10)を該窓部16(6)と
は反対方向となる外方に凸なる形状に湾曲して突出せし
め、以て図1や図4に示される如きセラミックダイヤフ
ラム構造体2とするのである。なお、この時の焼成温度
は、一般に、1200〜1700℃程度、好ましくは1
300〜1600℃程度の温度が採用されることとな
る。
Thereafter, in the step (d), a firing operation is performed on the laminated body, whereby the laminated body is made into an integral sintered body, and the window portion 16 portion of the ceramic green substrate 14 is formed. In, while forming a thin diaphragm portion (10), at the same time as firing the laminate, the diaphragm portion (10) is curved so as to be convex outward in a direction opposite to the window portion 16 (6). Then, the ceramic diaphragm structure 2 as shown in FIGS. 1 and 4 is made to project. The firing temperature at this time is generally about 1200 to 1700 ° C., preferably 1
A temperature of about 300 to 1600 ° C. will be adopted.

【0026】このように、セラミックグリーンシート1
2とセラミックグリーン基体14とからなる積層一体化
物の焼成と同時に、そのダイヤフラム部位を外方に湾曲
させた形態にて突出せしめるには、セラミック材料の材
質の選定、材料粉末の粒径の選定、バインダ、分散剤、
焼結助剤等の添加剤の選定やその添加量の程度等によっ
て、それらセラミックグリーンシート12やセラミック
グリーン基体14の焼結速度や焼成収縮率を制御して、
セラミックグリーンシート12にて形成されるダイヤフ
ラム部位(10)が、焼成に伴って外方に湾曲せしめら
れるようにする等の手法が採用されることとなるが、特
に、本発明にあっては、セラミックグリーンシート12
とセラミックグリーン基体14とが、次式(イ): S(基体)−S(シート)≧−0.08{T70(基体)
−T70(シート)}−1 0≦T70(基体)−T70(シート)≦300 S(基体)−S(シート)≦20 〔但し、S(基体)及びS(シート)は、それぞれ、セ
ラミックグリーン基体及びセラミックグリーンシートを
単独で前記積層物の焼成温度と同じ温度で焼成した際
の、面方向の長さの収縮率(%)を表し、またT70(基
体)及びT70(シート)は、それぞれ、セラミックグリ
ーン基体の前記収縮率:S(基体)及びセラミックグリ
ーンシートの前記収縮率:S(シート)の70%に達す
る時の温度(℃)を表している。〕を満足する焼結途上
温度と収縮率を有するように調製され、これによって、
それらセラミックグリーンシート12とセラミックグリ
ーン基体14との積層物の焼成に伴って、ダイヤフラム
部位が有利に外方に突出せしめられることとなるのであ
る。
Thus, the ceramic green sheet 1
In order to make the diaphragm portion project outward in a curved shape at the same time as the firing of the laminated integrated body composed of 2 and the ceramic green substrate 14, the selection of the material of the ceramic material, the selection of the particle diameter of the material powder, Binder, dispersant,
The sintering speed and the firing shrinkage rate of the ceramic green sheet 12 and the ceramic green substrate 14 are controlled by selecting the additive such as the sintering aid and the degree of the addition amount thereof.
A method such that the diaphragm portion (10) formed of the ceramic green sheet 12 is curved outward with firing is adopted. Particularly, in the present invention, Ceramic green sheet 12
And the ceramic green substrate 14 have the following formula (a): S (substrate) -S (sheet) ≥ -0.08 {T 70 (substrate)
-T 70 (sheet)}-10 ≤ T 70 (base) -T 70 (sheet) ≤ 300 S (base) -S (sheet) ≤ 20 [where S (base) and S (sheet) are respectively Represents the shrinkage ratio (%) of the length in the plane direction when the ceramic green substrate and the ceramic green sheet are independently fired at the same temperature as the firing temperature of the laminate, and also T 70 (base) and T 70 ( The sheet represents the temperature (° C.) when the shrinkage rate of the ceramic green substrate: S (substrate) and the shrinkage rate of the ceramic green sheet: S (sheet) reach 70%, respectively. ] It is prepared so as to have a sintering temperature and a shrinkage ratio satisfying
As the laminate of the ceramic green sheet 12 and the ceramic green substrate 14 is fired, the diaphragm portion is advantageously projected outward.

【0027】なお、上記の(イ)式において、面方向の
長さの収縮率は、[(焼成前長さ−焼成後長さ)/焼成
前長さ]×100(%)にて表され、そして、その際の
面方向とは、厚み方向ではなく、シート若しくは基体を
成形した面(主面)における所定の方向を指している。
また、収縮率の70%に達する時の温度は、前記の式よ
り算出した収縮率が、焼成の過程において、ダイヤフラ
ム構造体を得るための焼成温度での全収縮率S%〔S
(基体)%またはS(シート)%〕に0.7を乗じた収
縮率(0.7S%)となる時の温度を指している。更
に、Tは、焼結性を観る尺度であり、薄肉のセラミック
グリーンシート12の方が、セラミックグリーン基体1
4より、焼結速度が同等若しくは速いことが条件とされ
るのであるが、この条件を満足した場合でも、ダイヤフ
ラム構造体を得るための焼成温度での収縮率(S)によ
って、凸形状となったり、フラット状となったりするた
めに、前記(イ)式におけるSとTとの間の関係式を満
足せしめることが必要となるのである。
In the above formula (a), the shrinkage ratio of the length in the plane direction is represented by [(length before firing-length after firing) / length before firing] × 100 (%). The surface direction at that time is not the thickness direction but a predetermined direction on the surface (main surface) on which the sheet or the base is molded.
Further, the temperature at which the shrinkage ratio reaches 70% is such that the shrinkage ratio calculated by the above formula is the total shrinkage ratio S% [S [S] [S] at the baking temperature for obtaining the diaphragm structure during the baking process.
(Substrate)% or S (sheet)%] is the shrinkage rate (0.7S%) multiplied by 0.7. Further, T is a scale for observing the sinterability, and the thinner ceramic green sheet 12 has a smaller ceramic green substrate 1.
From 4 above, the condition is that the sintering rate is equal or faster, but even if this condition is satisfied, a convex shape is obtained due to the shrinkage rate (S) at the firing temperature for obtaining the diaphragm structure. In order to obtain a flat shape or a flat shape, it is necessary to satisfy the relational expression between S and T in the above equation (a).

【0028】また、セラミックグリーンシート12とセ
ラミックグリーン基体14との焼結性に差が有り過ぎる
と、換言すればT70(基体)−T70(シート)の値が3
00よりも大きくなると、凸形状が不安定になったり、
クラックを生じたりする。更に、Sは、実際にダイヤフ
ラム構造体を一体焼成する時に採用される焼成温度で、
それぞれのシートを単独で焼成した場合の収縮率を指す
ものであるが、この収縮率に差が有り過ぎると、即ちS
(基体)−S(シート)の値が20よりも大きくなる
と、ダイヤフラム構造体の焼成後の反りが大きくなった
り、ダイヤフラム板8にクラックが生じたりする問題が
ある。
If there is too much difference in sinterability between the ceramic green sheet 12 and the ceramic green base 14, in other words, the value of T 70 (base) -T 70 (sheet) is 3.
When it is larger than 00, the convex shape becomes unstable,
It may cause cracks. Further, S is the firing temperature that is actually adopted when integrally firing the diaphragm structure,
It indicates the shrinkage rate when each sheet is fired alone, but if there is too much difference in this shrinkage rate, that is, S
When the value of (base) -S (sheet) is larger than 20, there is a problem that the warp of the diaphragm structure after firing becomes large or cracks are generated in the diaphragm plate 8.

【0029】上記した本発明に従うセラミックダイヤフ
ラム構造体の製造手法において、ダイヤフラム部位の凸
形状の安定性、構造体の反り量、焼成後、ダイヤフラム
板に残留する応力等の点より、好ましくは下式(ロ): S(基体)−S(シート)≧−0.08{T70(基体)
−T70(シート)}+0.8 10≦T70(基体)−T70(シート)≦200 S(基体)−S(シート)≦10 を満足するように、セラミックグリーンシート12及び
セラミックグリーン基体14が調製され、更に望ましく
は下式(ハ): S(基体)−S(シート)≧−0.08{T70(基体)
−T70(シート)}+0.8 10≦T70(基体)−T70(シート)≦100 S(基体)−S(シート)≦5 を満足するように、セラミックグリーンシート12及び
セラミックグリーン基体14が調製されることとなる。
なお、上記の式(イ)、(ロ)及び(ハ)にて規定され
る範囲を図示すると、図5の如くなる。
In the above-mentioned manufacturing method of the ceramic diaphragm structure according to the present invention, from the viewpoints of stability of the convex shape of the diaphragm portion, amount of warp of the structure, stress remaining in the diaphragm plate after firing, etc., the following formula is preferable. (B): S (base) -S (sheet) ≥ -0.08 {T 70 (base)
−T 70 (sheet)} + 0.8 10 ≦ T 70 (base) −T 70 (sheet) ≦ 200 S (base) −S (sheet) ≦ 10 so that the ceramic green sheet 12 and the ceramic green base are satisfied. 14 is prepared, more preferably the following formula (C): S (base) -S (sheet) ≥ -0.08 {T 70 (base)
−T 70 (sheet)} + 0.8 10 ≦ T 70 (base) −T 70 (sheet) ≦ 100 S (base) −S (sheet) ≦ 5, so that the ceramic green sheet 12 and the ceramic green base are satisfied. 14 will be prepared.
The range defined by the above equations (a), (b) and (c) is illustrated in FIG.

【0030】さらに、本発明にあっては、本発明に従う
セラミックダイヤフラム構造体を有利に製造し得る第二
の方法として、前記(a)〜(c)の工程に従って得ら
れた一体的な積層物を用い、先ず、(e)工程におい
て、該積層物を焼成して、一体的な焼結体と為し、前記
セラミックグリーン基体14の窓部16部位において、
薄肉のダイヤフラム部位(10)を形成した後、(f)
工程において、そのようにして得られた焼結体を加熱し
つつ、前記ダイヤフラム部位(10)に対して、圧力を
作用せしめて、該ダイヤフラム部位(10)を外方に凸
なる形状と為すことからなる製造手法も、有利に採用さ
れることとなる。
Further, according to the present invention, as a second method capable of advantageously producing the ceramic diaphragm structure according to the present invention, an integral laminate obtained by the steps (a) to (c) above. First, in step (e), the laminate is fired to form an integral sintered body, and at the window portion 16 portion of the ceramic green substrate 14,
After forming the thin diaphragm portion (10), (f)
In the step, while heating the thus obtained sintered body, pressure is applied to the diaphragm portion (10) to form the diaphragm portion (10) in a convex shape outward. The manufacturing method consisting of will also be advantageously employed.

【0031】この第二の製造手法における(f)工程に
おいて、既に焼結されてなる焼結体のダイヤフラム部位
(10)を外方に凸なる形状とするには、先ず、それを
焼結温度と同程度若しくはそれよりも低い適当な温度下
に加熱して、変形可能な状態として、そのダイヤフラム
部位(10)に対して、適当な治具等による機械的な押
圧力を加えたり、或いは流体圧を加えたりすること等に
よって、当該ダイヤフラム部位(10)を外方に突出せ
しめることが可能である。そして、そのようにして突出
せしめられたダイヤフラム部位(10)は、その後、冷
却されることによって、目的とする突出量(h)におい
て外方に突出するダイヤフラム構造体2となるのであ
る。なお、生産性の点からは、第一の製造方法がより好
ましい。
In the step (f) in the second manufacturing method, in order to make the diaphragm portion (10) of the sintered body, which has already been sintered, have an outwardly convex shape, it is first set at a sintering temperature. It is heated to an appropriate temperature which is the same as or lower than that to make it deformable, and a mechanical pressing force by an appropriate jig or the like is applied to the diaphragm portion (10), or a fluid is applied. By applying pressure or the like, it is possible to make the diaphragm portion (10) project outward. Then, the diaphragm portion (10) thus projected is then cooled to become the diaphragm structure 2 which projects outward at the desired projection amount (h). From the viewpoint of productivity, the first manufacturing method is more preferable.

【0032】このようにして得られる本発明に従う薄肉
のセラミックダイヤフラム構造体2は、そのダイヤフラ
ム部位10において、凹みやクラック等の欠陥の無い、
品質の良好な、且つ信頼性の高いものとなると共に、強
度的に優れ、また固有共振周波数を大きくすることが出
来、更にかかるダイヤフラム部位10の外表面上に形成
される膜の焼結にも悪影響をもたらさないものであっ
て、センサやアクチュエータ等の各種の用途に有利に用
いられ得るものである。また、このセラミックダイヤフ
ラム構造体は、その材料特性より、例えば腐食条件の厳
しい装置、配管等の一部に適応すれば、歪みゲージ等の
各種検知手段と併用することで、内圧等をモニタする耐
食性の圧力センサとすることが出来、また空気圧や押し
棒等の駆動源と併用することで、周波数が低いものの、
変位量が大きいアクチュエ−タ等として用いることも出
来るのである。
The thin-walled ceramic diaphragm structure 2 according to the present invention thus obtained has no defects such as dents and cracks in its diaphragm portion 10.
In addition to providing good quality and high reliability, the strength is excellent, the natural resonance frequency can be increased, and the film formed on the outer surface of the diaphragm portion 10 can be sintered. It has no adverse effect and can be advantageously used for various applications such as sensors and actuators. Due to its material properties, this ceramic diaphragm structure can be used in combination with various sensing means such as strain gauges if it is applied to a part of equipment, piping, etc. under severe corrosion conditions. Although it can be used as a pressure sensor, and when used in combination with air pressure or a drive source such as a push rod, the frequency is low,
It can also be used as an actuator having a large displacement amount.

【0033】もっとも、本発明に従う薄肉セラミックダ
イヤフラム構造体は、そのダイヤフラム部位の一方の側
の面に圧電/電歪作動部を設けて、圧電/電歪膜型素子
として有利に用いられ得るものであり、中でも、アクチ
ュエータ、フィルタ、ディスプレイ、加速度センサや衝
撃センサ、トランス、マイクロフォン、発音体(スピー
カ等)、動力用や通信用の振動子や発振子に用いられる
ユニモルフ型等の屈曲変位や力を発生させる、或いは屈
曲変位や力を検出するタイプの圧電/電歪膜型素子とし
て特に有利に用いられ得るものである。因みに、図6に
は、本発明に従う薄肉セラミックダイヤフラム構造体を
用いた圧電/電歪膜型素子の一例が、概略的に示されて
おり、また図7には、その分解斜視図が示されている。
そして、そこに図示された圧電/電歪膜型素子20は、
ダイヤフラム構造体22と、そのダイヤフラム部位の外
表面に配置された圧電/電歪作動部24とが、接合、一
体化されることによって形成されており、かかる圧電/
電歪作動部24が、印加電圧に従い、ダイヤフラム構造
体22のダイヤフラム部位を屈曲変形せしめるようにし
たものである。
However, the thin ceramic diaphragm structure according to the present invention has a piezoelectric / electrostrictive operating portion provided on the surface on one side of the diaphragm portion and can be advantageously used as a piezoelectric / electrostrictive film type element. Yes, among others, bending displacement and force such as actuators, filters, displays, acceleration sensors and shock sensors, transformers, microphones, sounding bodies (speakers, etc.), unimorph type transducers and oscillators used for power and communication. It can be particularly advantageously used as a piezoelectric / electrostrictive film type element of a type that generates or detects bending displacement or force. Incidentally, FIG. 6 schematically shows an example of a piezoelectric / electrostrictive film type element using the thin ceramic diaphragm structure according to the present invention, and FIG. 7 is an exploded perspective view thereof. ing.
And, the piezoelectric / electrostrictive film type element 20 shown there is
The diaphragm structure 22 and the piezoelectric / electrostrictive actuating portion 24 arranged on the outer surface of the diaphragm portion are formed by being joined and integrated.
The electrostriction actuating portion 24 is configured to bend and deform the diaphragm portion of the diaphragm structure 22 according to the applied voltage.

【0034】より詳細には、ダイヤフラム構造体22
は、本発明に従う構成を採用するものであって、それぞ
れ、ジルコニア等のセラミック材料からなる薄肉の平板
形状を呈する閉塞プレート(ダイヤフラム部)26と接
続プレート(基体部)28が、同じくジルコニア等のセ
ラミック材料からなるスペーサプレート(基体部)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。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、その長
手方向に所定の間隔を隔てて配列されている。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
けられた各一つの連通用開孔部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。なお、連
通用開孔部32の配置は、圧電/電歪膜型素子20の用
途に応じて、各窓部36につき、適宜の個数において設
定されるものであって、例示の如き1個のみの場合だけ
でなく、2個或いはそれ以上の個数において配設される
ものである。また、連通用開孔部の形状、寸法等も、用
途に応じて適宜に選択し得るものである。更に、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3
6の開口が覆蓋されている。それによって、ダイヤフラ
ム構造体22の内部には、連通用開孔部32を通じて外
部に連通された複数の加圧室38が形成されているので
ある。なお、ここでは、閉塞プレート(ダイヤフラム
部)、スペーサプレート(基体部)及び接続プレート
(基体部)の3層構造を例としたが、4層或いはそれ以
上の多層構造とすることも可能である。
More specifically, the diaphragm structure 22
Adopts the configuration according to the present invention, in which the closing plate (diaphragm portion) 26 and the connecting plate (base portion) 28 each having a thin flat plate shape made of a ceramic material such as zirconia are made of zirconia or the like. Spacer plate (base part) 30 made of a ceramic material
It is integrally formed with a structure in which they are overlapped with each other. The connection plate 28 is provided with a plurality of communication opening portions 32 (here, 3
Individual pieces) are formed and serve as a communication portion with the outside. Further, a plurality of square window portions 36 (here, three) are formed on the spacer plate 30, and are arranged at predetermined intervals in the longitudinal direction. And
The spacer plate 30 is superposed on the connection plate 28 so that each one of the communication openings 32 provided in the connection plate 28 is opened in each of the windows 36. Is there. It should be noted that the arrangement of the communication openings 32 is set in an appropriate number for each window 36 according to the application of the piezoelectric / electrostrictive film type element 20, and only one such as illustrated. Not only in the case of, but also in the number of two or more. Further, the shape, size, etc. of the communication opening can be appropriately selected according to the application. Further, a closing plate 26 is overlapped on the surface of the spacer plate 30 opposite to the side on which the connection plate 28 is overlapped.
The 6 openings are covered. As a result, a plurality of pressurizing chambers 38 are formed inside the diaphragm structure 22 so as to communicate with the outside through the communicating openings 32. Here, the three-layer structure of the closing plate (diaphragm part), the spacer plate (base part) and the connecting plate (base part) is taken as an example, but a four-layer or more multi-layer structure is also possible. .

【0035】そして、このようなダイヤフラム構造体2
2は、前述せるように、ジルコニア等の所定のセラミッ
ク材料を用いて一体焼成品として形成されていると共
に、そのダイヤフラム部位(26)が、窓部36とは反
対方向となる外方に凸なる形状とされている。具体的に
は、先ず、所定のセラミック材料とバインダ並びに溶媒
等から調製されるスラリー乃至はペーストより、ドクタ
ーブレード装置、リバースロールコーター装置、スクリ
ーン印刷装置等の一般的な装置を用いてグリーンシート
を成形、成膜し、次いで必要に応じて、該グリーンシー
トに切断、切削、打抜き等の加工を施して、窓部36や
連通用開孔部32等を形成し、各プレート26、28、
30の前駆体を形成した後、それら各前駆体を積層、熱
圧着して、一体的な積層物と為し、更にその後、焼成を
施すことによって、一体的なダイヤフラム構造体22を
得る一方、そのダイヤフラム部位を与える閉塞プレート
26が、前述した手段にて外方に凸なる形状とされるの
である。
Then, such a diaphragm structure 2
As described above, 2 is formed as an integrally fired product using a predetermined ceramic material such as zirconia, and its diaphragm portion (26) is convex outward in the direction opposite to the window portion 36. It is shaped. Specifically, first, a green sheet is prepared from a slurry or paste prepared from a predetermined ceramic material, a binder, a solvent and the like, using a general device such as a doctor blade device, a reverse roll coater device and a screen printing device. Molding, film formation, and then, if necessary, processing such as cutting, cutting, punching, etc., to form the window 36, the communication opening 32, etc., and the plates 26, 28,
After forming the 30 precursors, the precursors are laminated, thermocompression-bonded to form an integral laminate, and then, firing is performed to obtain an integral diaphragm structure 22, while The closing plate 26 that provides the diaphragm portion is formed in a shape that is convex outward by the means described above.

【0036】また、かかるダイヤフラム構造体22に
は、その閉塞プレート26の外方に凸なる外面上におい
て、各加圧室38に対応する部位に、それぞれ、圧電/
電歪作動部24が設けられている。この圧電/電歪作動
部24は、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。なお、かかる圧電/電歪作
動部24としては、本願出願人が先に特願平3−203
831号や特願平3−204845号等において提案し
た圧電/電歪作動部24の構成が有利に採用されること
となる。
Further, in the diaphragm structure 22, the piezoelectric / piezoelectric material is provided at a portion corresponding to each pressurizing chamber 38 on an outer convex surface of the closing plate 26.
An electrostrictive operating unit 24 is provided. The piezoelectric / electrostrictive operating portion 24 is formed by sequentially forming the lower electrode 40, the piezoelectric / electrostrictive layer 42, and the upper electrode 44 on the outer surface of the closing plate 26, that is, the diaphragm portion by a film forming method. It is a thing. As the piezoelectric / electrostrictive actuating portion 24, the applicant of the present application has previously filed Japanese Patent Application No. 3-203.
The configuration of the piezoelectric / electrostrictive actuating portion 24 proposed in Japanese Patent Application No. 831 and Japanese Patent Application No. 3-204845 is advantageously adopted.

【0037】そして、そのような圧電/電歪作動部24
を与える電極膜(上下の電極44、40)及び圧電/電
歪層42は、公知の各種の膜形成法、例えばスクリーン
印刷、スプレー、ディッピング、塗布等の厚膜形成手法
や、イオンビーム、スパッタリング、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
って、焼成一体化されてなるダイヤフラム構造体22の
閉塞プレート26の外面上に、形成されるのである。な
お、その際の電極膜40、44の形成材料や圧電/電歪
層42の形成材料としては、公知の各種の材料や、先に
引用の本願出願人の特許出願に開示の材料等が適宜に採
用されることとなる。またそのようにして形成される電
極膜40、44と圧電/電歪層42とから構成される圧
電/電歪作動部24の厚さとしては、一般に、100μ
m以下とされ、また電極膜40、44の厚さとしては、
一般に、20μm以下、好ましくは5μm以下とされる
ことが望ましく、更に圧電/電歪層42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, such a piezoelectric / electrostrictive actuating portion 24
The electrode film (upper and lower electrodes 44, 40) and the piezoelectric / electrostrictive layer 42 for providing the film are formed by various known film forming methods, for example, thick film forming methods such as screen printing, spraying, dipping, coating, ion beam, and sputtering. It is formed on the outer surface of the closing plate 26 of the diaphragm structure 22 integrally formed by firing by a thin film forming method such as vacuum deposition, ion plating, CVD, and plating. In this case, as the forming material of the electrode films 40 and 44 and the forming material of the piezoelectric / electrostrictive layer 42, various known materials and materials disclosed in the above-cited applicant's patent application are appropriately used. Will be adopted by. In addition, the thickness of the piezoelectric / electrostrictive operating portion 24 composed of the electrode films 40 and 44 and the piezoelectric / electrostrictive layer 42 thus formed is generally 100 μm.
m or less, and the thickness of the electrode films 40 and 44 is
Generally, it is desirable that the thickness is 20 μm or less, preferably 5 μm or less. Further, the thickness of the piezoelectric / electrostrictive layer 42 is preferably 50 μm or less, more preferably 3 μm in order to obtain a large displacement at a low operating voltage. It is desirable that the thickness is 40 μm or less.

【0038】従って、このようなダイヤフラム構造体2
2のダイヤフラム部位(26)上に圧電/電歪作動部2
4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、かかるダイヤフラム部位(26)の変位が有効に為
され、以て加圧室38内が加圧せしめられることとな
り、そして該加圧室38内の流体の吐出が効果的に実現
され得るのである。
Therefore, such a diaphragm structure 2
Piezoelectric / electrostrictive actuating portion 2 on the diaphragm portion (26) of 2
In the piezoelectric / electrostrictive film type element 20 in which 4 is integrally provided, the displacement of the diaphragm portion (26) is effectively performed based on the operation of the piezoelectric / electrostrictive operating portion 24. As a result, the inside of the pressurizing chamber 38 is pressurized, and the fluid in the pressurizing chamber 38 can be effectively discharged.

【0039】そして、かくの如き本発明に従うダイヤフ
ラム構造体の有利な適用例においては、ダイヤフラム構
造体22のダイヤフラム部位(26)が外方に凸なる形
状とされていることによって、圧電/電歪作動部24の
設けられるダイヤフラム部位(26)の剛性が効果的に
高められ得、また、その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、ダイヤフラム部位(26)の外表面に形
成される圧電/電歪層42等の膜の焼結に対する阻害の
回避等が有利に達成され、圧電/電歪作動部24に発生
する歪みや応力を効率良く変位に変え得る等の優れた特
徴を発揮する他、複数の圧電/電歪作動部24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24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無く、それら圧電/電歪
作動部24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、品質の均一な圧
電/電歪膜型素子20となるのである。また、本構造の
圧電/電歪膜型素子は、ダイヤフラム部における屈曲変
位や力等を電圧信号として取り出す検出器(センサ)と
しても使用可能である。
In an advantageous application example of the diaphragm structure according to the present invention as described above, the diaphragm portion (26) of the diaphragm structure 22 has a shape protruding outward, so that the piezoelectric / electrostrictive structure is formed. The rigidity of the diaphragm part (26) provided with the operating part 24 can be effectively increased, and its mechanical strength and natural frequency can be effectively increased, and its response speed is advantageously increased. At the same time, it is possible to advantageously prevent the sintering of the piezoelectric / electrostrictive layer 42 and the like formed on the outer surface of the diaphragm portion (26) from being hindered, and to prevent the strain generated in the piezoelectric / electrostrictive operating portion 24 from occurring. In addition to exhibiting excellent characteristics such as being able to efficiently change stress into displacement, even when a plurality of piezoelectric / electrostrictive actuating portions 24 are driven simultaneously, the respective displacement amounts are the piezoelectric / electrostrictive operation. As compared with the case of a single drive parts 24,
A piezoelectric / electrostrictive film having a uniform quality and a uniform quality without a problem such as a change in the amount of displacement in the driving mode of the piezoelectric / electrostrictive actuating portion 24 without any significant decrease. It becomes the mold element 20. Further, the piezoelectric / electrostrictive film type element of this structure can also be used as a detector (sensor) for extracting bending displacement, force, etc. in the diaphragm portion as a voltage signal.

【0040】ところで、上記した本発明に従う薄肉のセ
ラミックダイヤフラム構造体は、上例の如き圧電/電歪
膜型素子の構成部材として有利に用いられ得るものであ
るが、そのような圧電/電歪膜型素子の構造としては、
上例以外のものも採用され得ることは言うまでもなく、
またスピーカ、センサ、振動子、発振子、フィルター、
ディスプレイ、トランス等の他、内野研二著(日本工業
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
やバイモルフ型の圧電/電歪膜型アクチュエータ等の公
知の各種の用途における構成部材としても、有利に用い
られ得るものである。
By the way, the above-mentioned thin ceramic diaphragm structure according to the present invention can be advantageously used as a constituent member of the piezoelectric / electrostrictive film type element as in the above example. As the structure of the film type element,
Needless to say, other than the above examples can be adopted.
In addition, speakers, sensors, oscillators, oscillators, filters,
In addition to displays, transformers, etc., unimorphs used in servo displacement elements, pulse drive motors, ultrasonic motors, etc. described in "Piezoelectric / electrostrictive actuators from basics to applications" by Kenji Uchino (Edited by Japan Industrial Center) (Morikita Publishing). Also, it can be advantageously used as a constituent member in various known uses such as a piezoelectric type or bimorph type piezoelectric / electrostrictive film type actuator.

【0041】[0041]

【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。
EXAMPLES Hereinafter, representative examples of the present invention will be shown to clarify the present invention in more detail. However, the present invention is not limited by the description of such examples. Needless to say, it is not something to receive. In addition to the following embodiments, the present invention further includes various changes and modifications based on the knowledge of those skilled in the art, in addition to the above specific description, without departing from the spirit of the present invention. It should be understood that improvements and the like can be added.

【0042】実施例 1 先ず、図6及び図7に示される圧電/電歪膜型素子20
に用いられるダイヤフラム構造体22を得るために、下
記表1に示される各種のセラミック材料を準備した。な
お、添加物たるアルミナは、それが微量に添加された時
には、セラミック材料(ジルコニア)の焼結を促進する
一方、多量に添加された時には、焼結を阻害する作用を
有している。
Example 1 First, the piezoelectric / electrostrictive film type device 20 shown in FIGS.
Various ceramic materials shown in Table 1 below were prepared in order to obtain the diaphragm structure 22 used in the above. Alumina, which is an additive, has the function of promoting the sintering of the ceramic material (zirconia) when it is added in a small amount, and has the effect of inhibiting the sintering when added in a large amount.

【0043】[0043]

【表1】 [Table 1]

【0044】次いで、かかる各種のセラミック材料を用
いて、常法に従って、それぞれ、各種厚さのグリーンシ
ートを成形し、更に必要に応じて、切断、切削、打抜き
等の加工を施して、図6及び図7に示される圧電/電歪
膜型素子20用ダイヤフラム構造体22の形成に用いら
れる、各種の閉塞プレート26用グリーン体、接続プレ
ート28用グリーン体及びスペーサプレート30用グリ
ーン体を、それぞれ作製した。なお、グリーンシート成
形用スラリーの調製は、所定のセラミック材料粉末の1
00容量部と、バインダとしてのポリビニールブチラー
ル樹脂と可塑剤としてのフタル酸ジブチルの合計量での
60容量部と、必要に応じて添加せしめられるソルビタ
ン系分散剤と、溶媒としてのトルエン/イソプロピルア
ルコール=50/50(容量比)混合物の500容量部
とを、ボールミルにて、5〜200時間の間、混合せし
めることにより行ない、そして、そのようにして得られ
たスラリーを脱泡し、閉塞プレート26用には2000
cpsとなるように、また接続プレート28やスペーサ
プレート30用には20000cpsとなるように、そ
れぞれ粘度調整して、ドクターブレード法により、目的
とするグリーンシートを成形した。また、そのようにし
て得られるグリーンシートの収縮率の制御は、ボールミ
ルでの混合時間やソルビタン系分散剤の添加によって成
形体グリーン密度を制御することにより、或いは焼成時
の最高到達温度を制御することにより、行なった。な
お、ボールミルでの混合時間が長いと、収縮率は小さく
なり、またソルビタン系分散剤の添加によっても、収縮
率は小さくなり、更に焼成時の最高到達温度を低くする
ことによっても、収縮率は小さくなるのである。
Next, using various ceramic materials, green sheets of various thicknesses are formed in accordance with a conventional method, and if necessary, further processed such as cutting, cutting and punching, and the like as shown in FIG. And various green bodies for the closing plate 26, the connecting plate 28, and the spacer plate 30, which are used for forming the diaphragm structure 22 for the piezoelectric / electrostrictive film type element 20 shown in FIG. It was made. It should be noted that the preparation of the green sheet forming slurry is carried out by using one of the predetermined ceramic material powders.
00 parts by volume, 60 parts by volume in total of polyvinyl butyral resin as a binder and dibutyl phthalate as a plasticizer, a sorbitan-based dispersant added as necessary, and toluene / isopropyl alcohol as a solvent. = 50/50 (volume ratio) with 500 parts by volume of the mixture in a ball mill for 5 to 200 hours, and the slurry thus obtained is degassed and closed. 2000 for 26
The target green sheet was formed by the doctor blade method after adjusting the viscosity so that it would be cps and 20000 cps for the connection plate 28 and the spacer plate 30. Further, the shrinkage ratio of the green sheet thus obtained is controlled by controlling the green density of the molded body by mixing time in a ball mill or addition of a sorbitan-based dispersant, or by controlling the maximum temperature reached during firing. By doing so. When the mixing time in the ball mill is long, the shrinkage rate becomes small, and the shrinkage rate also becomes small by the addition of the sorbitan-based dispersant, and the shrinkage rate becomes low by lowering the maximum temperature reached during firing. It gets smaller.

【0045】かくして得られた各種の閉塞プレート26
用グリーン体、接続プレート28用グリーン体及びスペ
ーサプレート30用グリーン体を用い、下記表2及び表
3の組合せにおいて重ね合わせ、それぞれ、100℃×
1分、200kgf/cm2の条件下で熱圧着し、積層
一体化物を作製した。なお、ここでは、接続プレート2
8用グリーン体及びスペーサプレート30用グリーン体
は、何れも、同じグリーンシートから作製されている。
そして、かくして得られた積層一体化物を、下記表4及
び表5に示される焼成温度に、3時間保持して、焼成
し、目的とする各種ダイヤフラム構造体22を得た。な
お、このダイヤフラム構造体22におけるスペーサプレ
ート30の窓部36の形状、換言すればダイヤフラム形
状は、実験No.が奇数の場合においては、2mmφの
円形とし、また、偶数の場合には、0.5mm×0.7
mmの矩形形状とすると共に、それら窓部の間隔は0.
3mmとされ、3個の窓部が形成されている。なお、矩
形形状の窓部は、その0.5mm巾の方向において、
0.3mmの間隔を隔てて並べられている。また、表4
及び表5には、組み合わされる閉塞プレート26用グリ
ーン体と接続プレート28用グリーン体、スペーサプレ
ート30用グリーン体との焼結途上温度差:ΔT 70=T
70(基体)−T70(シート)及び収縮率差:ΔS=S
(基体)−S(シート)の値が併せ示されている。
Various closing plates 26 thus obtained
Green body for connection plate 28 and green body for connection plate 28
Using the green body for the server plate 30, the following Table 2 and Table
Overlapping in 3 combinations, each 100 ℃ ×
1 minute, 200 kgf / cm2Laminated by thermocompression bonding under the conditions
An integrated product was produced. In addition, here, the connection plate 2
8 green body and spacer plate 30 green body
Are manufactured from the same green sheet.
The laminated integrated product thus obtained is shown in Table 4 below.
And firing at the firing temperature shown in Table 5 for 3 hours.
Then, various target diaphragm structures 22 were obtained. Na
The spacer plate in this diaphragm structure 22
The shape of the window portion 36 of the door 30, in other words, the diaphragm shape
As for the state, Is an odd number,
Circular, and in the case of an even number, 0.5 mm x 0.7
The rectangular shape of each of the windows is 0.
The width is 3 mm, and three window portions are formed. Note that the rectangle
The shape of the window is 0.5mm wide,
They are arranged at intervals of 0.3 mm. Also, Table 4
And Table 5 shows that the grease for the closure plate 26 to be combined is
Green body for connecting plate 28, spacer plate
Temperature difference during sintering with the green body for the sheet 30: ΔT 70= T
70(Substrate) -T70(Sheet) and shrinkage difference: ΔS = S
The values of (base) -S (sheet) are also shown.

【0046】このように焼成して得られた各種ダイヤフ
ラム構造体のそれぞれの10個について、ダイヤフラム
部位(26)の形状を、クラックの有無をも含んで評価
し、更に外方に凸なる形状となったものについて、その
凸形状の形状安定性を、その凸量のばらつきより、評価
した。即ち、各実験No.のダイヤフラム構造体の10
個について、その凸量のばらつきの少ないものから多い
ものまで、◎(優)、○(良)、△(可)の三段階で評
価し、その結果を、下記表4及び表5に併せ示した。
The shape of the diaphragm portion (26) of each of the 10 diaphragm structures obtained by firing in this manner was evaluated, including the presence or absence of cracks, and the shape was further projected outward. Then, the shape stability of the convex shape was evaluated from the variation of the convex amount. That is, each experiment No. Of diaphragm structure of
The individual pieces were evaluated in three grades from ◎ (excellent), ○ (good), and △ (acceptable), from those with little variation in convexity to those with many variations, and the results are also shown in Tables 4 and 5 below. It was

【0047】[0047]

【表2】 [Table 2]

【0048】[0048]

【表3】 [Table 3]

【0049】[0049]

【表4】 [Table 4]

【0050】[0050]

【表5】 [Table 5]

【0051】かかる各種のダイヤフラム構造体22の作
製の結果から明らかなように、前記式(イ)なる条件を
満足する焼結途上温度差:ΔT70や収縮率差:ΔSを有
する閉塞プレート26用グリーン体と接続プレート28
用及びスペーサプレート30用グリーン体との組み合わ
せを採用することにより、得られるダイヤフラム構造体
22の薄肉のダイヤフラム部位(26)におけるクラッ
クの発生や凹みの発生が効果的に阻止せしめられ、ま
た、当該部位を外方に凸なる形状に有利に形成し得るの
である。
As is clear from the results of the production of the various diaphragm structures 22, for the closing plate 26 having the temperature difference during sintering: ΔT 70 and the difference in shrinkage ratio: ΔS which satisfy the condition of the above-mentioned formula (a). Green body and connection plate 28
And the spacer plate 30 are used in combination with a green body to effectively prevent the occurrence of cracks and dents in the thin diaphragm portion (26) of the diaphragm structure 22 obtained, and The part can be advantageously formed in a shape that is convex outward.

【0052】実施例 2 実施例1における実験No.1と同様の材料、条件に
て、ダイヤフラム部位(26)がフラットなダイヤフラ
ム構造体22を得た(但し、ここでは、接続プレート2
8は重ね合わされていない)。次に、この得られたダイ
ヤフラム構造体22のそれぞれの窓部36内に、凸形状
を呈するアルミナセラミックピンを、該セラミックピン
がダイヤフラム構造体22のダイヤフラム部位(26)
に対して内側から押圧力を及ぼすように、挿入した。そ
して、かかるダイヤフラム構造体22を、セラミックピ
ンを挿入したままで、1350℃の温度で、3時間、再
焼成して、それぞれのダイヤフラム部位(26)が外方
に凸なる形状とされたダイヤフラム構造体22を得た。
そして、実施例1と同様な判定基準にて、その凸形状の
形状安定性を評価したところ、△(可)であった。
Example 2 Experiment No. 1 in Example 1 A diaphragm structure 22 having a flat diaphragm portion (26) was obtained by using the same material and conditions as in Example 1 (however, in this case, the connecting plate 2).
8 are not overlaid). Next, in each of the windows 36 of the obtained diaphragm structure 22, an alumina ceramic pin having a convex shape is provided, and the ceramic pin is a diaphragm portion (26) of the diaphragm structure 22.
It was inserted so as to exert a pressing force on the inside from. Then, the diaphragm structure 22 is re-fired at a temperature of 1350 ° C. for 3 hours with the ceramic pin still inserted, and each diaphragm portion (26) has a shape protruding outward. I got body 22.
Then, the shape stability of the convex shape was evaluated by the same criteria as in Example 1, and was Δ (OK).

【0053】[0053]

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
に従うセラミックダイヤフラム構造体にあっては、その
ダイヤフラム部位が、外方に凸なる形状とされているの
であり、これによって、従来のフラット状のダイヤフラ
ムでは得られなかったような利点、例えば固有共振周波
数を有利に大きくすることが出来る他、窓部とは反対方
向からの力に対する強度が向上し、また、ダイヤフラム
部位の外面上に厚膜法等によって形成される膜(例えば
電極膜や圧電/電歪膜等)の焼結も阻害することがない
等の特徴を発揮し、以て品質の良好な、信頼性の高い薄
肉セラミックダイヤフラム構造体が提供され得るのであ
る。
As is apparent from the above description, in the ceramic diaphragm structure according to the present invention, the diaphragm portion has an outwardly convex shape, which allows the conventional flat structure. -Like diaphragm, which has not been obtained, for example, the natural resonance frequency can be advantageously increased, the strength against the force from the direction opposite to the window is improved, and the thickness of the outer surface of the diaphragm is increased. A thin ceramic diaphragm of high quality and high reliability, which has characteristics such as not interfering with the sintering of a film formed by a film method (for example, an electrode film or a piezoelectric / electrostrictive film). A structure can be provided.

【0054】また、そのような本発明に従うセラミック
ダイヤフラム構造体は、積層タイプであるところから、
高集積化が可能であり、更に一体焼成品であるために、
信頼性が高く、且つハンドリング性も高いことに加え
て、ダイヤフラム形状を自由に設計することが出来る
他、その凸高さの制御も容易であって、また生産性も高
く非常に薄いダイヤフラム部位を実現することが出来る
等の各種の利点を有しているのである。
Since the ceramic diaphragm structure according to the present invention is of the laminated type,
High integration is possible, and because it is an integrally fired product,
In addition to being highly reliable and easy to handle, the diaphragm shape can be freely designed, its convex height can be easily controlled, and productivity is very high. It has various advantages such as realization.

【0055】さらに、本発明手法によれば、上述の如き
優れた特徴を有するセラミックダイヤフラム構造体が有
利に製造され得ることとなったのであり、以て該セラミ
ックダイヤフラム構造体の工業的生産をより一層容易な
らしめているのである。
Further, according to the method of the present invention, the ceramic diaphragm structure having the above-mentioned excellent characteristics can be advantageously manufactured, and thus the industrial production of the ceramic diaphragm structure can be further improved. It's even easier.

【0056】そして、そのような本発明に従うセラミッ
クダイヤフラム構造体を用いて得られる圧電/電歪膜型
素子は、また、その作動信頼性の著しく向上されたもの
となり、以てアクチュエータ、ディスプレイ、フィル
タ、マイクロフォン、発音体(スピーカ等)、各種セン
サ、各種振動子や発振子等に有利に用いられ得るのであ
る。
The piezoelectric / electrostrictive film type element obtained by using such a ceramic diaphragm structure according to the present invention has a significantly improved operational reliability, whereby an actuator, a display and a filter are provided. , Microphones, sound generators (speakers, etc.), various sensors, various vibrators, oscillators, etc.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明に従う薄肉ジルコニアダイヤフラム構造
体の基本的な構造の一例を示す断面図である。
FIG. 1 is a sectional view showing an example of a basic structure of a thin zirconia diaphragm structure according to the present invention.

【図2】図1に示されるダイヤフラム構造体の底面図で
ある。
2 is a bottom view of the diaphragm structure shown in FIG. 1. FIG.

【図3】図1に示されるダイヤフラム構造体の製造に際
しての、セラミックグリーンシートとセラミックグリー
ン基体との組合せの一例を示す説明図である。
FIG. 3 is an explanatory diagram showing an example of a combination of a ceramic green sheet and a ceramic green substrate when manufacturing the diaphragm structure shown in FIG.

【図4】図1に示されるダイヤフラム構造体の要部断面
を拡大して示す部分説明図である。
FIG. 4 is a partial explanatory view showing an enlarged cross section of a main part of the diaphragm structure shown in FIG.

【図5】本発明に従うセラミックダイヤフラム構造体の
製造方法において、収縮率差:ΔSと焼結途上温度差:
ΔT70の関係を示すグラフである。
FIG. 5 is a diagram showing a method for manufacturing a ceramic diaphragm structure according to the present invention, in which a difference in shrinkage ratio: ΔS and a temperature difference during sintering:
Is a graph showing the relationship between [Delta] T 70.

【図6】本発明に係る薄肉セラミックダイヤフラム構造
体を用いた圧電/電歪膜型素子の一例を示す断面図であ
る。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing an example of a piezoelectric / electrostrictive film type element using a thin ceramic diaphragm structure according to the present invention.

【図7】図6に示される圧電/電歪膜型素子の分解斜視
図である。
FIG. 7 is an exploded perspective view of the piezoelectric / electrostrictive film type element shown in FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

2,22 ダイヤフラム構造体 4 セラミック基
体 6,16,36 窓部 8 ダイヤフラム
板 10 ダイヤフラム部位 12 セラミックグ
リーンシート 14 セラミックグリーン基体 20 圧電/電歪膜
型素子 24 圧電/電歪作動部 26 閉塞プレート 28 接続プレート 30 スペーサプレ
ート 32 連通用開孔部 38 加圧室 40 下部電極 42 圧電/電歪層 44 上部電極
2,22 Diaphragm structure 4 Ceramic base 6,16,36 Window part 8 Diaphragm plate 10 Diaphragm part 12 Ceramic green sheet 14 Ceramic green base 20 Piezoelectric / electrostrictive film type element 24 Piezoelectric / electrostrictive operating part 26 Closing plate 28 Connection Plate 30 Spacer Plate 32 Opening Port for Communication 38 Pressurizing Chamber 40 Lower Electrode 42 Piezoelectric / Electrostrictive Layer 44 Upper Electrode

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 増森 秀夫 愛知県名古屋市瑞穂区須田町2番56号 日 本碍子株式会社内 (72)発明者 竹内 勝之 愛知県名古屋市瑞穂区須田町2番56号 日 本碍子株式会社内 (72)発明者 前田 高宏 愛知県名古屋市瑞穂区須田町2番56号 日 本碍子株式会社内   ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    (72) Inventor Hideo Masumori             2-56, Sudacho, Mizuho-ku, Nagoya-shi, Aichi             Inside Hon insulator Co., Ltd. (72) Inventor Katsuyuki Takeuchi             2-56, Sudacho, Mizuho-ku, Nagoya-shi, Aichi             Inside Hon insulator Co., Ltd. (72) Inventor Takahiro Maeda             2-56, Sudacho, Mizuho-ku, Nagoya-shi, Aichi             Inside Hon insulator Co., Ltd.

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 少なくとも一つの窓部を有するセラミッ
ク基体と、該窓部を覆蓋するように積層された、薄肉の
セラミックダイヤフラム板とからなる一体焼成物であっ
て、該窓部において薄肉のダイヤフラム部が一体に形成
されてなる構造体にして、 該ダイヤフラム部が、前記窓部とは反対方向となる外方
に凸なる形状とされていることを特徴とするセラミック
ダイヤフラム構造体。
1. A monolithic fired product comprising a ceramic substrate having at least one window portion and a thin ceramic diaphragm plate laminated so as to cover the window portion, the diaphragm being thin in the window portion. A ceramic diaphragm structure characterized in that the diaphragm part is formed integrally with the diaphragm part, and the diaphragm part is convex outward in a direction opposite to the window part.
【請求項2】 前記セラミックダイヤフラム板が、安定
化ジルコニア、部分安定化ジルコニア、アルミナ若しく
はそれらの混合材料を主成分とする材料から構成されて
いる請求項1に記載のセラミックダイヤフラム構造体。
2. The ceramic diaphragm structure according to claim 1, wherein the ceramic diaphragm plate is made of a material whose main component is stabilized zirconia, partially stabilized zirconia, alumina or a mixed material thereof.
【請求項3】 前記セラミック基体及びセラミックダイ
ヤフラム板の平均結晶粒子径が、それぞれ、5μm以下
である請求項1又は請求項2に記載のセラミックダイヤ
フラム構造体。
3. The ceramic diaphragm structure according to claim 1, wherein the ceramic substrate and the ceramic diaphragm plate each have an average crystal grain diameter of 5 μm or less.
【請求項4】 前記ダイヤフラム部の厚さが、30μm
以下である請求項1乃至請求項3の何れかに記載のセラ
ミックダイヤフラム構造体。
4. The thickness of the diaphragm portion is 30 μm
The ceramic diaphragm structure according to any one of claims 1 to 3, which is as follows.
【請求項5】 前記ダイヤフラム部が、相対密度:90
%以上の緻密体にて構成されている請求項1乃至請求項
4の何れかに記載のセラミックダイヤフラム構造体。
5. The relative density of the diaphragm portion is 90.
The ceramic diaphragm structure according to any one of claims 1 to 4, wherein the ceramic diaphragm structure is formed of a dense body of at least%.
【請求項6】 少なくとも一つの窓部を有するセラミッ
クグリーン基体を準備する工程と、 所定厚さの薄肉のセラミックグリーンシートを準備する
工程と、 前記セラミックグリーン基体に対して、その窓部を覆蓋
するように、該薄肉のセラミックグリーンシートを積層
し、一体的な積層物と為す工程と、 該積層物を焼成して一体的な焼結体と為し、前記セラミ
ックグリーン基体の窓部部位において薄肉のダイヤフラ
ム部を形成する一方、かかる積層物の焼成と同時に、該
ダイヤフラム部を該窓部とは反対方向となる外方に凸な
る形状に突出せしめる工程と、 を含む請求項1記載のセラミックダイヤフラム構造体の
製造方法。
6. A step of preparing a ceramic green substrate having at least one window portion, a step of preparing a thin ceramic green sheet having a predetermined thickness, and a step of covering the window portion with respect to the ceramic green substrate. As described above, a step of stacking the thin ceramic green sheets to form an integrated laminate, and firing the stack to form an integral sintered body, and forming a thin wall in the window portion of the ceramic green substrate. While forming the diaphragm portion, and simultaneously projecting the laminate, projecting the diaphragm portion in an outwardly convex shape in a direction opposite to the window portion, the ceramic diaphragm according to claim 1. Structure manufacturing method.
【請求項7】 前記セラミックグリーン基体と前記セラ
ミックグリーンシートとが、下式: S(基体)−S(シート)≧−0.08{T70(基体)
−T70(シート)}−1 0≦T70(基体)−T70(シート)≦300 S(基体)−S(シート)≦20 〔但し、S(基体)及びS(シート)は、それぞれ、セ
ラミックグリーン基体及びセラミックグリーンシートを
単独で前記積層物の焼成温度と同じ温度で焼成した際
の、面方向の長さの収縮率(%)を表し、またT70(基
体)及びT70(シート)は、それぞれ、セラミックグリ
ーン基体の前記収縮率:S(基体)及びセラミックグリ
ーンシートの前記収縮率:S(シート)の70%に達す
る時の温度(℃)を表している。〕を満足する焼結途上
温度と収縮率を有するように調製され、前記積層物の焼
成に伴って、前記ダイヤフラム部が外方へ突出せしめら
れる請求項6に記載の製造方法。
7. The ceramic green base and the ceramic green sheet have the following formula: S (base) -S (sheet) ≧ −0.08 {T 70 (base).
-T 70 (sheet)}-10 ≤ T 70 (base) -T 70 (sheet) ≤ 300 S (base) -S (sheet) ≤ 20 [where S (base) and S (sheet) are respectively Represents the shrinkage ratio (%) of the length in the plane direction when the ceramic green substrate and the ceramic green sheet are independently fired at the same temperature as the firing temperature of the laminate, and also T 70 (base) and T 70 ( The sheet represents the temperature (° C.) when the shrinkage rate of the ceramic green substrate: S (substrate) and the shrinkage rate of the ceramic green sheet: S (sheet) reach 70%, respectively. ] The manufacturing method according to claim 6, wherein the diaphragm portion is made to have a temperature in the middle of sintering and a shrinkage ratio satisfying the above condition, and the diaphragm portion is projected outward as the laminate is fired.
【請求項8】 前記セラミックグリーンシートが、平均
粒子径:0.05〜1.0μmの、部分安定化ジルコニ
ア材料、完全安定化ジルコニア材料、アルミナ材料若し
くはそれらの混合材料、または焼成後にそれらの材料と
なる材料を用いて形成されている請求項6又は請求項7
に記載の製造方法。
8. The ceramic green sheet has an average particle size of 0.05 to 1.0 μm, a partially stabilized zirconia material, a fully stabilized zirconia material, an alumina material or a mixed material thereof, or a material thereof after firing. 6. The method according to claim 6 or 7, wherein the material is formed of
The manufacturing method described in.
【請求項9】 少なくとも一つの窓部を有するセラミッ
クグリーン基体を準備する工程と、所定厚さの薄肉のセ
ラミックグリーンシートを準備する工程と、前記セラミ
ックグリーン基体に対して、その窓部を覆蓋するよう
に、該薄肉のセラミックグリーンシートを積層し、一体
的な積層物と為す工程と、該積層物を焼成して一体的な
焼結体と為し、前記セラミックグリーン基体の窓部部位
において薄肉のダイヤフラム部を形成する工程と、かく
して得られた焼結体を加熱しつつ、前記ダイヤフラム部
に対して圧力を作用せしめて、該ダイヤフラム部を外方
に凸なる形状と為す工程と、を含むことを特徴とする請
求項1に記載のセラミックダイヤフラム構造体の製造方
法。
9. A step of preparing a ceramic green substrate having at least one window portion, a step of preparing a thin ceramic green sheet having a predetermined thickness, and a step of covering the window portion with respect to the ceramic green substrate. As described above, a step of laminating the thin ceramic green sheets to form an integrated laminate, and firing the laminate to form an integral sintered body, and forming a thin wall at the window portion of the ceramic green substrate. And a step of applying pressure to the diaphragm portion while heating the sintered body thus obtained to form the diaphragm portion in an outwardly convex shape. The method for manufacturing a ceramic diaphragm structure according to claim 1, wherein
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WO2011158636A1 (en) * 2010-06-15 2011-12-22 日本碍子株式会社 Composite substrate

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