JP3432974B2 - 圧電/電歪膜型素子 - Google Patents
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Description
素子に係り、更に詳しくは、センサー、フィルター等に
好適に用いることができる圧電/電歪膜型素子に関す
る。 【0002】 【従来の技術】 近年になり、基体内部に形成した空洞
部の圧力変化等を検知する機構の一つとして、空洞部の
外表面に圧電/電歪作動部を設け、空洞部内の圧力変化
による空洞部の体積変化を圧電/電歪作動部が機械・電
気変換器として作用し検知する圧電/電歪膜型素子が知
られている。このような圧電/電歪膜型素子は、例えば
センサー、フィルターなどとして利用されており、開口
部から導入された被検査雰囲気の圧力変化が空洞部の体
積を拡大、縮小し、このときの空洞部の壁の歪が圧電/
電歪作動部に機械的変化を与え、これが圧電/電歪作動
部により電気信号に変換されるようになっている 【0003】 図5は、従来公知の圧電/電歪膜型素子
をセンサーとして用いた一例を示すもので、開口部26
によって導入された被検査雰囲気の圧力変化が空洞部3
0の体積を拡大、縮小し、このときの空洞部の壁の歪が
圧電/電歪作動部22に機械的変化を与え、これが圧電
/電歪作動部22により電気信号に変換されるようにな
っている。 【0004】 圧電/電歪膜型素子20は、セラミック
ス基体21と、該セラミックス基体21に一体的に形成
された圧電/電歪作動部22とから構成される。セラミ
ックス基体21は、それぞれ薄肉平板状の閉塞プレート
23とベースプレート24が、スペーサープレート25
を挟んで重ね合され、一体的に構成されている。 【0005】 スペーサープレート25には、窓部28
が形成されており、これらの窓部28に対して、ベース
プレート24に設けられた開口部26が開口されるよう
に、スペーサープレート25とベースプレート24が重
ね合わされている。また、スペーサープレート25のベ
ースプレート24が重ね合わされた側とは反対側の面に
は、閉塞プレート23が重ね合わされており、この閉塞
プレート23により窓部28の開口が覆蓋されている。
このようにして、セラミックス基体21の内部には、空
洞部30が形成されている。 【0006】 そして、セラミックス基体21には、閉
塞プレート23の外面上において、空洞部30に対応す
る部位にそれぞれ圧電/電歪作動部22が設けられてい
る。ここで、圧電/電歪作動部22は、下部電極31、
圧電/電歪層32および上部電極33から成っている。 【0007】 【発明が解決しようとする課題】 従来公知の圧電/電
歪膜型素子は上記のように構成されており、圧電/電歪
層32と空洞部30を平面的に見ると、図6の如くとな
り、機械・電気変換効率を重視するため、圧電/電歪層
32が空洞部30の全面を覆うように、且つ製作精度も
考慮に入れてやや圧電/電歪層32を大きめに製作して
いる。しかしながら、このように、圧電/電歪作動部2
2が空洞部30の平面形状全体を覆うように形成した場
合、圧電/電歪作動部22の変位に基づく振動モードが
空洞部30の角部の拘束のため、空洞部中央部と端部に
おいて均一にならないと考えられ、センサー、フィルタ
ー、音波発振器等設計時の特性シミュレーションと実際
の製品との間に誤差が生じていた。 【0008】 また、空洞部30の平面形状全体を覆う
ように圧電/電歪作動部22を設ける場合、閉塞プレー
ト23の外面上に、電極膜(上下電極)31、33およ
び圧電/電歪層32を、公知の膜形成法、例えば、スク
リーン印刷法、スプレー法等の手段により形成した後、
熱処理される。この熱処理に際して、各膜が焼成収縮す
るが、空洞部30の両端部における拘束のため、中央部
に比して両端部が収縮し難く(即ち、焼きしまらず)、
焼成度合が全体として均一にならず、しかも両端部に大
きな応力が残存するという問題がある。このような圧電
/電歪作動部22の焼成度合の不均一は、圧電/電歪作
動部22の振動モードにも悪影響を与える。 【0009】 【課題を解決するための手段】 従って、本発明の目的
とするところは、圧電/電歪作動部の振動モードが設計
通りにでき、センシング、フィルタリングや音波発信時
のノイズを極力小さくすることができる圧電/電歪膜型
素子を提供することにある。 【0010】 即ち、本発明によれば、少なくとも一つ
の窓部を有するスペーサープレートと、該窓部を覆蓋す
る薄肉の閉塞プレートが一体となっているセラミック基
体と、前記閉塞プレートの外面上で前記窓部の覆蓋部位
に膜形成法によって層状に順次設けた下部電極、平面形
状が略矩形の圧電/電歪層及び上部電極より構成される
圧電/電歪作動部とを備えた圧電/電歪膜型素子であっ
て、平面図において、前記スペーサープレートの前記窓
部の形状と圧電/電歪層の形状が、方向の共通する2本
の対称軸をそれぞれ有しており、どちらか一方の該対称
軸と交わる前記略矩形の圧電/電歪層の辺が、当該対称
軸と前記窓部の平面形状の交点より、前記閉塞プレート
の板厚の5倍以上の距離だけ、前記2本の対称軸の交点
の方向に退いた形状であることを特徴とする圧電/電歪
膜型素子、が提供される。 【0011】 本発明においては、圧電/電歪層が、窓
部(空洞部)の中央部のみを被覆してもよく、また、圧
電/電歪層が、窓部(空洞部)のどちらか一方向の両端
部を除いて被覆してもよい。なお、本発明において、圧
電/電歪膜型素子とは、圧電膜のみを備えた素子、電歪
膜のみを備えた素子、および圧電膜と電歪膜をともに備
えた素子のいずれをも指すものである。 【0012】 【発明の実施の形態】 以下、本発明に係る圧電/電歪
膜型素子について、図面を参照しながら詳細に説明す
る。図1は、本発明に係る圧電/電歪膜型素子の一実施
例を示す断面図、図2は、図1の圧電/電歪膜型素子を
分解して示した分解斜視図で、圧力センサーに適用され
る場合を示している。圧電/電歪膜型素子40は、セラ
ミックス基体41と、該セラミックス基体41に一体的
に形成された圧電/電歪作動部42とから構成されてい
る。セラミックス基体41は、それぞれ薄肉平板状の閉
塞プレート43とベースプレート44が、スペーサープ
レート45を挟んで重ね合わされ、一体的に構成されて
いる。ここで、ベースプレート44には、図5と同様
に、開口部46が形成されている。 【0013】 スペーサープレート45には、窓部48
が少なくとも一つ形成され、これらの窓部48に対し
て、ベースプレート44に設けられた開口部46が開口
されるように、スペーサープレート45とベースプレー
ト44が重ね合わされている。また、スペーサープレー
ト45のベースプレート44が重ね合わされた側とは反
対側の面には、閉塞プレート43が重ね合わされてお
り、閉塞プレート43により窓部48の開口が覆蓋され
て、セラミックス基体41の内部に、空洞部50が形成
されている。 【0014】 そして、セラミックス基体41には、閉
塞プレート43の外面上において、圧電/電歪作動部4
2が、空洞部50の平面形状の一部のみを被覆するよう
に設けられている。ここで、圧電/電歪作動部42は、
下部電極51、圧電/電歪層52および上部電極53か
ら成っている。図3〜図4は、それぞれ空洞部(窓部)
の平面形状に対する圧電/電歪層の被覆状態を示す平面
説明図で、空洞部50の平面形状全体を覆わずに、空洞
部50の平面形状の一部のみを被覆するように、圧電/
電歪層52が閉塞プレート43の外面上に設けられてい
る。 【0015】 このように、圧電/電歪層52を空洞部
50の平面形状の一部を被覆するように形成すると、空
洞部50の長手方向の両端部においては圧電/電歪層5
2が形成されていないため、空洞部50の両端部では変
位・振動がなく、従って、空洞部50の中央部と端部に
おいて振動モードが均一になり、センシング、フィルタ
リングや音波発信時のノイズを極力小さくすることがで
きる。 【0016】 ここで、空洞部50の平面形状としては
特に限定されず、図3〜図4に示すような矩形(長方
形)、正方形、楕円形、長円形のもの、あるいは両端部
が多角形を呈するものなど、各種の形状を挙げることが
できる。圧電/電歪層52が空洞部50の平面形状の一
部を被覆する態様としては、特に限定はなく、例えば、
空洞部50の中央部のみを被覆する場合、空洞部50の
長手方向の両端部を除いて被覆する場合(図3参照)、
あるいは短手方向の両端部を除いて被覆する場合(図4
参照)などを挙げることができる。 【0017】 なお、本発明においては、図3に示すよ
うに、圧電/電歪層52が略矩形で、空洞部50の長手
方向の両端部を除いて被覆しており、両端部からの拘束
を逃れる上で、空洞部50上で、圧電/電歪層52が被
覆していない長さをL、閉塞プレート43の板厚をtと
すると、L≧5tである。即ち、本発明においては、ス
ペーサープレート45の窓部48(空洞部50)の形状
と圧電/電歪層52の形状が、方向の共通する2本の対
称軸X,Yをそれぞれ有しており、どちらか一方の対称
軸(図3の場合、Y)と交わる略矩形の圧電/電歪層5
2の辺が、対称軸と窓部48(空洞部50)の平面形状
の交点(図3では、55)より、閉塞プレート43の板
厚の5倍以上の距離だけ、2本の対称軸の交点(図3で
は、56)の方向に退いた形状とする。 【0018】 本発明において、セラミックス基体41
は、セラミックスの一体焼成品として形成されるもので
ある。具体的には、先ず、セラミックス原料とバインダ
ー並びに溶媒等から調製されるセラミックススラリーか
ら、ドクターブレード装置等の一般的な装置を用いてグ
リーンシートを成形する。次いで、必要に応じて、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48や少なくとも1個の開口部46を形成し、各プレ
ート43、44、45の前駆体を形成する。そして、そ
れら各前駆体を積層、焼成することによって、一体的な
セラミックス基体41が得られる。 【0019】 セラミックス基体41を構成する材質と
しては、特に限定されるものではないが、成形性等の観
点から、アルミナ、ジルコニアが好適に使用される。ま
た、閉塞プレート43の板厚は好ましくは50μm以下
であり、オリフィスプレート44の板厚は好ましくは1
0μm以上であり、さらに、スペーサプレート45の板
厚は好ましくは50μm以上である。 【0020】 また、圧電/電歪作動部42は、閉塞プ
レート43上に、下部電極51、圧電/電歪層52およ
び上部電極53から構成され、この圧電/電歪作動部4
2は、通常、膜形成法によって形成される。すなわち、
この閉塞プレート43の外面上に、下部電極51、圧電
/電歪層52および上部電極53が、公知の各種の膜形
成法、例えば、スクリーン印刷、スプレー等の厚膜形成
方法、イオンビーム、スパッタリング、CVD等の薄膜
形成方法によって形成される。 【0021】 このように形成された各膜(下部電極5
1、圧電/電歪層52および上部電極53)は、次いで
熱処理(焼成)に付されるが、かかる熱処理は、それぞ
れの膜の形成の都度行なってもよく、あるいは全部の膜
を形成した後、同時に行なってもよい。圧電/電歪作動
部42を構成する下部電極51および上部電極53の材
料としては、熱処理(焼成)温度程度の高温酸化雰囲気
に耐え得る導体であれば、特に限定はなく、例えば、金
属単体でも合金であってもよい。導電性セラミックスで
あってもよい。具体的には、白金、パラジウム等の高融
点貴金属類などを好適なものとして挙げることができ
る。 【0022】 また、圧電/電歪作動部42を構成する
圧電/電歪層52の材料としては、圧電あるいは電歪効
果等の電界誘起歪を示す材料であれば、何れの材料であ
ってもよい。具体的には、ジルコン酸チタン酸鉛(PZ
T系)を主成分とする材料、マグネシウムニオブ酸鉛
(PMN系)を主成分とする材料、ニッケルニオブ酸鉛
(PNN系)を主成分とする材料などが好ましく用いら
れる。圧電/電歪作動部42の厚さは、一般に100μ
m以下で、下部電極51、上部電極53の厚さは一般に
20μm以下、好ましくは5μm以下が望ましく、さら
に圧電/電歪層52の厚さは、低作動電圧で大きな変位
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以下である。 【0023】 以上、本発明の実施例について詳述して
きたが、本発明はこれらの実施例によって何らの限定を
も受けるものでないことは言うまでもないところであ
り、説明上は圧電/電歪作動部の働きを機械的変位→電
気信号によって説明してきたが、電気信号→機械的変位
の使用時にも本発明の効果が発揮されることは当然のと
ころである。また、本発明には、上記の実施例の他に
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の変更、修正、改良等を加えうるも
のであることが理解されるべきである。 【0024】 【発明の効果】 以上説明したように、本発明の圧電/
電歪膜型素子によれば、圧電/電歪層を空洞部の平面形
状の一部のみを被覆するように形成したので、空洞部の
端部では端部のノイズが多く含まれるであろう変位・振
動を圧電/電歪作動部が拾わず、その結果、センシン
グ、フィルタリングや音波発信時のノイズを極力小さく
できる、あるいは設計時の特性シミュレーションと実際
の製品との間の誤差を小さくできるという顕著な効果を
奏する。本発明の圧電/電歪膜型素子は、スピーカー、
アクチュエータ、フィルター、センサー、コンデンサー
アレイ、ディスプレイ、トランス、マイクロホン、各種
振動子、共振子、発振子、ジャイロ、ディスクリミネー
タ等に好適に使用することができる。
を示す断面図である。 【図2】 図1の圧電/電歪膜型素子を分解して示した
分解斜視図である。 【図3】 圧電/電歪層が空洞部の長手方向の両端部を
除いて被覆する状態を示す平面説明図である。 【図4】 圧電/電歪層が空洞部の短手方向の両端部を
除いて被覆する状態を示す平面説明図である。 【図5】 従来公知の圧電/電歪膜型素子をセンサーと
して用いた一例を示す断面図である。 【図6】 図5の圧電/電歪膜型素子における圧電/電
歪層と空洞部の平面状態を示す説明図である。 【符合の説明】 40…圧電/電歪膜型素子、41…セラミックス基体、
42…圧電/電歪作動部、43…閉塞プレート、44…
ベースプレート、45…スペーサープレート、46…開
口部、48…窓部、50…空洞部、51…下部電極、5
2…圧電/電歪層、53…上部電極。
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】 少なくとも一つの窓部を有するスペーサ
ープレートと、該窓部を覆蓋する薄肉の閉塞プレートが
一体となっているセラミック基体と、 前記閉塞プレートの外面上で前記窓部の覆蓋部位に膜形
成法によって層状に順次設けた下部電極、平面形状が略
矩形の圧電/電歪層及び上部電極より構成される圧電/
電歪作動部とを備えた圧電/電歪膜型素子であって、 平面図において、前記スペーサープレートの前記窓部の
形状と圧電/電歪層の形状が、方向の共通する2本の対
称軸をそれぞれ有しており、 どちらか一方の該対称軸と交わる前記略矩形の圧電/電
歪層の辺が、当該対称軸と前記窓部の平面形状の交点よ
り、前記閉塞プレートの板厚の5倍以上の距離だけ、前
記2本の対称軸の交点の方向に退いた形状であることを
特徴とする圧電/電歪膜型素子。
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