JP2006147839A - 圧電／電歪デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】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。
【解決手段】枠状の厚肉部１１及び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、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とから構成し、さらに、薄肉ダイヤフラム部１２を、外方に凸のアーチ形状を有するものとし、かつ前記圧電／電歪素子２を、その内部に、薄肉ダイヤフラム部１２との固定面に平行な引っ張り応力Ｆが残留せしめられてなるものとする。
【選択図】図１

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。

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］枠状の厚肉部、及び前記厚肉部の端面上に前記厚肉部を覆蓋するように一体的に架設された薄肉ダイヤフラム部を有し、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空洞が形成されたセラミック基体と、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、下部電極、圧電／電歪膜及び上部電極を含む層構造を有する圧電／電歪素子とを備え、前記圧電／電歪素子の駆動に連動して前記セラミック基体の薄肉ダイヤフラム部が前記空洞の内容積を変化させつつ振動することが可能な圧電／電歪デバイスであって、前記薄肉ダイヤフラム部が、外方に凸のアーチ形状を有するものであり、かつ前記圧電／電歪素子が、その内部に、前記薄肉ダイヤフラム部との固定面に平行な引っ張り応力を残留せしめられてなるものであることを特徴とする圧電／電歪デバイス。

［２］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、前記薄肉ダイヤフラム部の構成材料の熱膨張率よりも大きな熱膨張率を有する構成材料が、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］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、薄肉ダイヤフラム部における外方に凸のアーチ形状の突出量を模式的に示す説明図である。

図１に示すように、本実施の形態の圧電／電歪デバイスは、枠状の厚肉部１１、及び厚肉部１１の端面上に厚肉部１１を覆蓋するよう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が空洞１３の内容積を変化させつつ振動することが可能な圧電／電歪デバイス１０であって、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ものであり、かつ圧電／電歪素子２が、その内部に、薄肉ダイヤフラム部１２との固定面に平行な引っ張り応力Ｆを残留せしめられてなるものであることを特徴とするものである。また、引っ張り応力Ｆの大きさとしては、５０ＭＰａ〜２００ＭＰａであることが好ましい。引っ張り応力Ｆが５０ＭＰａ未満であると、変位が小さくなり、また振動エネルギーの散逸が顕著になることがある。また２００ＭＰａを超えると、圧電／電歪膜の破壊強度に近くなり、信頼性の高い素子が得られないことがある。

本実施の形態においては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ように構成されている。このように構成することによって、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。

図２に示すように、セラミック基体１の薄肉ダイヤフラム部１２の外方に凸のアーチ形状の突出量としては、本発明の目的が達成され得るように適宜に決定されるが、一般に、有効な変位量を確保するためには、セラミック基体２における空洞１３の短手方向の長さ（セラミック基板１における空洞１３の中心を通る最短寸法）（ｍ）に対する薄肉ダイヤフラム部１２の中央部付近の突出量（最大突出量）（ｈ）を百分率にて表した突出率［（ｙ）＝（ｈ／ｍ）×１００］は、０．１〜１０％であることが好ましく、０．５〜５％であることが大きな変位量を得るために、さらに好ましい。

ここで、セラミック基板１における空洞１３の短手方向の長さ（ｍ）と、薄肉ダイヤフラム部１２の中央部付近の突出量（最大突出量）（ｈ）とは、断面のＳＥＭ観察による測長又は工場顕微鏡による測長から求めることができる。なお、空洞１３の短手方向の長さ（ｍ）とは、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。

上述のように、本実施の形態においては、圧電／電歪素子２が、その内部に、薄肉ダイヤフラム部１２との固定面に平行な引っ張り応力Ｆを残留せしめられた状態で構成されている。このように構成することによって、圧電／電歪素子２の駆動による振動エネルギーの厚肉部１１への拡散、延いては、薄肉ダイヤフラム部の振動の減衰を有効に防止して、変位（振幅）を高く維持することが可能となる。

上述のことから、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。

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、薄肉ダイヤフラム部１２の構成材料の熱膨張率よりも大きな熱膨張率を有する構成材料が、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ことが好ましい。熱処理による固定を行うことにより、熱処理の降温過程において、熱膨張率差に起因して応力を発生させることができ、上記の構成にすることにより、圧電／電歪素子２に適切な引っ張り応力を残留せしめることができる。このような熱膨張係数の条件を満たす薄肉ダイヤフラム部１２の構成材料及び圧電／電歪素子２の構成材料の具体的な組み合わせ等については、各構成要素の説明の後に説明する。

このように構成することによって、圧電／電歪素子２の内部に、薄肉ダイヤフラム部１２との固定面に平行な引っ張り応力Ｆが残留せしめられてなる構造を簡易かつ効率的に形成することができ、高精度（高分解能、高感度）な検知が可能な圧電／電歪デバイスを簡易かつ効率的に得ることができる。

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、腐食性を有する場合があるからである。

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。なお、このようなセラミックの熱膨張係数は、３×１０^-6〜１４×１０^-6／Ｋであるが、後述する圧電／電歪素子２の熱膨張係数よりも小さいものであることが特に好ましい。

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５０μｍ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の枠体としての形状に対応して、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。

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。

上述のように、圧電／電歪素子２としては、薄肉ダイヤフラム部１２の構成材料の熱膨張率よりも大きな熱膨張率を有する構成材料が、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ことが好ましい。具体的には、熱処理に際しての薄肉ダイヤフラム部１２の構成材料として、熱膨張率が、６×１０^-6〜１０×１０^-6／Ｋの、アルミナや部分安定化ジルコニアと、圧電／電歪素子２の構成材料として、熱膨張率が、１０×１０^-6〜１５×１０^-6／Ｋの、ＢａＴｉＯ₃や、（Ｂｉ_0.5Ｔｉ_0.5）ＴｉＯ₃や、ＫＮｂＯ₃、（Ｋ、Ｎａ）ＮｂＯ₃、（Ｋ、Ｎａ）（Ｎｂ、Ｔａ）Ｏ₃及びこれらを主成分とする材料とを組み合わせて用いることが好ましい。このように構成することによって、圧電／電歪素子２が、その内部に、薄肉ダイヤフラム部１２との固定面に平行な引っ張り応力を残留せしめられてなる構造を簡易かつ効率的に形成することができる。

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）
６ｍｍ×１．１ｍｍの大きさの長方形の空洞が形成された枠状の厚肉部が、１０μｍの厚さの薄肉ダイヤフラム部によって、覆蓋されてなる一体的構造のセラミック基板を準備した。なお、このセラミック基板は、３モル％イットリア部分安定化ジルコニア粉末：８０重量％とアルミナ粉末：２０重量％とからなる、平均粒子径０．４μｍのセラミック混合粉末を用い、常法に従って、バインダ、可塑剤及び有機溶剤を混合せしめて、スラリーを調製し、このスラリーより、ドクターブレード法にて、焼成後の厚さが２００μｍとなるように、厚肉部用グリーンシートを成形する一方、平均粒子径０．３μｍの３モル％イットリア部分安定化ジルコニア粉末を用いて、常法に従ってバインダ、可塑剤及び有機溶剤を配合してスラリーを調製した後、リバースロールコータ装置にて焼成後の厚さが１０μｍとなるように、薄肉ダイヤフラム部用グリーンシートを成形し、上記の如くして得られた厚肉部用グリーンシートを所定の金型にてパターン打抜きした（空洞を形成した）後、これに、上記で作製したダイヤフラム板用グリーンシートを重ね合わせ、１００ｋｇ／ｃｍ²の圧力下に、８０℃×１分の条件にて熱圧着せしめ、積層体を１５００℃の温度で２時間焼成することにより、薄肉ダイヤフラム部が外方に凸のアーチ形状に突出せしめられてなる（最大突出量（ｈ）＝３０μｍ）セラミック基板とした。このセラミック基板の熱膨張係数は９.５×１０^-6／Ｋであった。そして、このセラミック基体の薄肉ダイヤフラム部の外面上の所定位置に、白金ペーストを用いて、スクリーン印刷法により、焼成後の厚さが５μｍとなるように印刷し、１２０℃で１０分間乾燥した後、１３５０℃で２時間焼成することにより、下部電極を形成し、さらにこの下部電極上に、圧電／電歪材料として、１３×１０^-6／Ｋの熱膨張係数を有する０．９８（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５）ＴｉＯ₃−０．０２ＫＮｂＯ₃（数字はモル分率）からなる材料を用いて、焼成後の厚さが２０μｍとなるように、スクリーン印刷法により印刷し、１２０℃で２０分間乾燥した後、１１００℃で圧電／電歪膜の焼成を行なって、圧電／電歪膜を形成した。その後、得られたセラミック基体の外方に凸なる形状の薄肉ダイヤフラム部上に設けられている下部電極及び圧電／電歪膜の上に、さらに上部電極として、Ａｕをスパッタ法により形成して、本発明の圧電／電歪デバイスを得た。なお、上部電極の厚さは、０．１μｍとした。また、得られた圧電／電歪デバイスにおいて圧電／電歪素子を構成する上部電極と下部電極との間に１５０Ｖの電圧を印加して、分極処理を施した。

（実施例２）
実施例１において用いたものと同様のセラミック基板の薄肉ダイヤフラム部上に、別途焼結して得た、厚さ２０μｍの０．９８（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５）ＴｉＯ₃−０．０２ＫＮｂＯ₃（数字はモル分率）からなる圧電／電歪材料の焼結体を、治具に把持し１００ＭＰａの引っ張り応力にする相当する力で引っ張りつつ、導電性接着剤を使用して貼り付けたこと以外は実施例１と同様にして、圧電／電歪デバイスを得た。

（比較例１）
実施例１において用いたものと同様のセラミック基板の薄肉ダイヤフラム部上に、別途焼結して得た、厚さ２０μｍの０．９８（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５）ＴｉＯ₃−０．０２ＫＮｂＯ₃（数字はモル分率）からなる圧電／電歪材料の焼結体を、実施例２で用いたものと同様の導電性接着剤を使用して貼り付けた（圧電／電歪素子に引っ張り応力を残留させなかった）こと以外は実施例１と同様にして、圧電／電歪デバイスを得た。

実施例１、２及び比較例１で得られた三つの圧電／電歪デバイスについて、分極処理を施した方向と同じ方向に電圧３０Ｖを、各圧電／電歪デバイスにおいて圧電／電歪素子を構成する上部電極と下部電極との間に印加し、レーザードップラー装置により、圧電／電歪素子の変位量をそれぞれ測定するとともに、厚肉部への振動エネルギーの散逸状態（減衰特性）を評価する目的で、厚肉部上での変位量を測定した。その結果を、表１に示す。

表１から、圧電／電歪素子に引っ張り応力を残留させた実施例１、２の場合の方が引っ張り応力を残留させなかった比較例１の場合よりも、変位が高く、また薄肉ダイヤフラム部の振動の減衰が有効に防止されることがわかる。さらに、圧電／電歪素子に引っ張り応力を残留させた実施例１、２のうちでも、薄肉ダイヤフラム部の構成材料の熱膨張率よりも大きな熱膨張率を有する圧電／電歪材料が、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、薄肉ダイヤフラム部の外表面上に固定された実施例１の場合の方が、熱処理がされないで固定された実施例２の場合よりも、より効果的に引っ張り応力が残留し、より変位（振幅）が高く、振動の減衰が有効に防止されることがわかる。

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。 薄肉ダイヤフラム部における外方に凸のアーチ形状の突出量を模式的に示す説明図である。

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…上部電極、２２…圧電／電歪膜、２３…下部電極、Ｆ…引っ張り応力、Ｘ…薄肉ダイヤフラム部の外表面に垂直な方向、ｈ…最大突出量、ｍ…空洞の短手方向の長さ。

Claims (2)

1. 枠状の厚肉部、及び前記厚肉部の端面上に前記厚肉部を覆蓋するように一体的に架設された薄肉ダイヤフラム部を有し、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空洞が形成されたセラミック基体と、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、下部電極、圧電／電歪膜及び上部電極を含む層構造を有する圧電／電歪素子とを備え、前記圧電／電歪素子の駆動に連動して前記セラミック基体の薄肉ダイヤフラム部が前記空洞の内容積を変化させつつ振動することが可能な圧電／電歪デバイスであって、
   前記薄肉ダイヤフラム部が、外方に凸のアーチ形状を有するものであり、かつ前記圧電／電歪素子が、その内部に、前記薄肉ダイヤフラム部との固定面に平行な引っ張り応力を残留せしめられてなるものであることを特徴とする圧電／電歪デバイス。
2. 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、前記薄肉ダイヤフラム部の構成材料の熱膨張率よりも大きな熱膨張率を有する構成材料が、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請求項１に記載の圧電／電歪デバイス。

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