JP3439570B2 - ダイヤフラム構造体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】 本発明はダイヤフラム構造体に
係わり、更に詳しくは、薄肉のダイヤフラムを空洞部に
保持するダイヤフラム構造体において、空洞部内におけ
るダイヤフラムの付け根部を特定形状としたセラミック
製のダイヤフラム構造体に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】 従来から、少なくとも１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
センサーの構成部材などとして用いられてきており、ま
た近年においては、圧電／電歪アクチュエータの構成部
材としても注目されている。例えば、センサー構成部材
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
て受ける屈曲変位や振動を、適当な検出手段にて検出す
るように構成される。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／電歪ダ
イヤフラム構造体によって変形せしめられて、変位、振
動し、音響を発生したり前記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。

【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、一体的に組付けることによっ
て製造されることになるが、その一体的構造の信頼性や
耐熱、耐蝕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６２−１２９
３６０号（特開昭６３−２９２０３２号）として、一体
焼成にて得られたセラミック製のダイヤフラム構造体を
用いた圧力検出器および圧電／電歪アクチュエータを提
案した。

【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、図９に
示すように、一般に、窓部１０ａを貫通形成された第１
の基板１０と、薄肉平板状の第２の基板９とを、グリー
ンシート積層焼成によって一体化することによって、あ
るいは必要に応じて、更に、前記窓部１０ａと連通する
孔１１ａが形成された平板状の第３の基板１１の如きそ
の他の基板とをグリーンシート積層焼成によって一体化
すること等によって得られる。

【０００５】 ここにおいて、もし孔１１ａが存在せず
キャビティ（空洞部）が密閉空間となる場合には、製造
過程での熱処理などを通じて空洞部内の気体圧力が高ま
り、不具合が発生する。孔１１ａは、このような不具合
を防止する役割を果たす。また、この孔１１ａは、例え
ばスピーカー用ダイヤフラム構造体として使用する場合
には、空気等の流出入を調整し、背圧を調整する作用も
有する。

【０００６】 以上のような、ダイヤフラム構造体を応
用したセンサー、スピーカー、アクチュエータ、フィル
ター、コンデンサーアレイ等の素子においては、１個の
素子内において素子表面に占める作動部表面積の増大
（非作動部表面積の抑制）や、複数の作動部の高密度配
置による素子の高性能化や小型化、あるいは頻繁な設計
変更への即応性や、１素子内における特性の異なる複数
駆動部の配置といった各種の要求がある。特にセンサー
として使用する場合、非作動部表面積の占める面積が大
きい素子はセンシングロスが増える為、センサー性能の
低下に繋がる。

【０００７】 そこでダイヤフラム構造体においては、
従来は、図１０に示すように、第１のセラミック基板
（１３，１７）の窓部（１３ａ，１７ａ）の相対向する
内壁面間の距離は縮小しないで（Ｌ１＝Ｌ２）、隣接す
る窓部（１３ａ，１７ａ）間に形成される仕切り壁の肉
厚のみを厚いもの（１３ｃ）から薄い仕切り壁（１７
ｃ）に変更することにより（Ｄ２≦Ｄ１）、ダイヤフラ
ム部の寸法を維持しつつ、ダイヤフラム部同士の間隔を
狭くしてダイヤフラム構造体のダイヤフラム部以外の表
面積（Ｄ１〜Ｄ４）の抑制に対応していた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】 しかしながら、仕切
り壁の肉厚を薄くし、作動部同士の間隔を狭くすること
によってダイヤフラム部以外の占める表面積の抑制を試
みたダイヤフラム構造体においては、以下のような幾つ
かの問題が生じる。第一に、窓部間に形成される仕切り
壁（１７ｃ）の肉厚が薄いことに起因して第１のセラミ
ックグリーンシートの剛性が低くなるため、窓部（１７
ａ）の打ち抜き時に窓部内壁面、即ち仕切り壁（１７
ｃ）が歪んだり、バリが出て、得られるダイヤフラム構
造体の形状が安定しない場合が生じる。第二に、打ち抜
き加工用の金型にも微細な形状が要求されるので、金型
が損耗しやすく、金型寿命が短くなるため、ダイヤフラ
ム構造体の形状不安定化とともに金型の維持管理コスト
が増大し、ひいてはダイヤフラム構造体が高価なものと
なる。第三に、打ち抜き後のハンドリング、特にセラミ
ックグリーンシートを加圧積層する際の積層圧力によっ
て仕切り壁（１７ｃ）が潰れ変形して、ダイヤフラム形
状が安定しないという課題があった。

【０００９】 また、ダイヤフラム構造の設計変更への
即応や、形態の異なる複数のダイヤフラム部を配置する
という要求に対して、高精度に製作できないという課題
や、少量多品種の生産に対応できない、などの課題があ
った。従って、本発明の目的とするところは、製造過程
のセラミックグリーンシート剛性及び完成したダイヤフ
ラム構造体のダイヤフラム形状を維持しつつ、非ダイヤ
フラム部の占める表面積比率を抑制して小さくすること
が可能なダイヤフラム構造体であって、しかも、頻繁な
設計変更や、１基板中に形状の異なるダイヤフラム部を
複数配置する設計においても、安価で迅速に製作可能な
ダイヤフラム構造体を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】 本発明は、上記した各
課題を解決するためになされたもので、その要旨とする
ところは、複数のセラミックグリーンシートを積層焼成
し接合・一体化してなるダイヤフラム構造体であって、
仕切壁で仕切られた少なくとも２個の空洞部を有する平
板状のセラミック主基体と、該セラミック主基体の下に
積層され、上記空洞部へ通じる貫通孔を有する平板状の
セラミック基体と、該セラミック主基体の上に積層さ
れ、上記空洞部を覆う薄肉ダイヤフラム部から構成さ
れ、且つ、上記仕切壁と該薄肉ダイヤフラム部は、上記
仕切壁の全幅の一部で該薄肉ダイヤフラム部と接合する
ことにより、付け根部を形成し、以って上記仕切壁の上
部端部の幅が、それに対向する下部端部の幅よりも狭く
構成されており、前記付け根部における前記セラミック
主基体と、前記薄肉ダイヤフラム部との非接合部が、微
小なギャップ部として形成され、前記ギャップ部の平均
開口幅が最大で４０μｍであるとともに、前記ダイヤフ
ラム部を形成する板厚が５０μｍ以下であることを特徴
とするダイヤフラム構造体である。

【００１１】 本発明によれば、ダイヤフラムの付け根
部におけるセラミック積層界面の非接合部は、グリーン
シート積層界面において微小なギャップ部として形成し
ているので、セラミックグリーンシート積層時におい
て、積層圧力が各空洞部間の仕切り壁全体に略均一に加
わり、積層圧力による仕切り壁の破壊を回避することが
できる。また、ダイヤフラムの付け根部におけるセラミ
ック積層界面の一部を、所定の制御された幅で接合する
ことが、各ダイヤフラム部の屈曲変位を一定にすること
ができるため、好ましい。なお、本発明の好ましい実施
態様としては、ギャップ部の平均開口幅が最大で２０μ
ｍ、より好ましくは最大１０μｍである。

【００１２】

【作用】 本発明におけるダイヤフラム構造体の作用
を、図１の一部切欠斜視図および図２〜３に示す断面図
に基づいて説明する。図１〜３において、ダイヤフラム
構造体１は、窓部３ｂ間の仕切り壁３ａの肉厚を厚く保
ったまま、形成された空洞部３ｂ内の、仕切り壁３ａの
付け根部３ｄに、後述するようなセラミックグリーンシ
ートに対する処理を施すことにより、セラミック積層界
面の一部のみを接合して、第１の基板２と、第２の基板
３とが一体化していない微小開口のギャップ領域５を形
成している。

【００１３】 すなわち、ダイヤフラム構造体１の製造
工程におけるグリーンシートへの打抜き加工において、
窓部３ｂ間の仕切り壁３ａの肉厚を厚く保つので、窓部
３ｂを有するセラミックグリーンシートの剛性を高く保
持できる。その結果、打抜き時に窓部内壁面（即ち、仕
切り壁）３ａが歪んだり、バリが出ることを防止しつ
つ、さらには、打抜き後の諸工程で半完成品に加わる
力、特に全セラミックグリーンシート積層時の積層圧力
によって仕切り壁３ａが潰れることを防止しつつ、ダイ
ヤフラム構造体を製造することができる。

【００１４】 同時に、形成された空洞部３ｂ内の、仕
切り壁３ａの付け根部３ｄに、セラミック積層界面の一
部のみを接合して、第１の基板２と、第２の基板３とが
一体化していないギャップ領域５を形成することによ
り、複雑な寸法、形状を有するダイヤフラム部２ａを備
えたダイヤフラム構造体であっても、ダイヤフラム部形
状に合わせた打抜き金型を専用に準備すること無く、高
精度な形状を容易かつ迅速に製造することができる。

【００１５】 また、本発明のダイヤフラム構造体で
は、空洞部３ｂ内の、仕切り壁３ａの付け根部３ｄに、
第１の基板２と、第２の基板３とが一体化していないギ
ャップ領域５を形成したため、図４〜図５に示すよう
に、窓部３ｂ間の仕切り壁３ａの肉厚を薄くしたダイヤ
フラム構造体６と、ダイヤフラム部幅（Ｌ）を同一とし
て、同等寸法、形状のダイヤフラム部２ａを有するダイ
ヤフラム構造体１を得ることができるのである。

【００１６】 なお、本発明における好ましい態様とし
ては、ダイヤフラム部２ａの厚さが５０μｍ以下であ
り、ギャップ部５の平均開口幅（ｄ）が最大で４０μｍ
であるが、このように形成することにより、セラミック
グリーンシート積層時には、積層圧力が、仕切り壁３ａ
の全体（Ｄ１の全幅）に加わり、積層圧力による仕切り
壁の破壊を回避できるものである。

【００１７】

【実施例】 以下、本発明のダイヤフラム構造体につい
て、圧力センサー用のダイヤフラム構造体の例を用い、
図面を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明のダ
イフラム構造体の一例を示す一部切欠斜視図であり、図
２ははその断面、図３は図２の一部拡大図である。また
図６はダイフラム構造体の製作手順を表す分解斜視図で
ある。ダイフラム構造体１は、図６に示すように、積層
焼成一体化後に空洞部となる複数の窓部３ｂが連通形成
された第１のセラミックグリーンシート３、及び薄肉平
板状の第２のセラミックグリーンシート２、及び前記窓
部３ｂに連通し、スピーカー形成時には背圧調整機能を
有する複数の孔４ａが穿設された第３のセラミックグリ
ーンシート４を積層し焼成一体化して成る。

【００１８】 ここにおいて、当該セラミックグリーン
シートは、先ず、セラミック原料とバインダーならびに
溶剤等から調製されるセラミックスのスラリーから、ド
クターブレード装置やリバースロールコーター装置等の
一般的な装置を用いて成形される。次いで、第１のセラ
ミックグリーンシート３は、第２のセラミックグリーン
シート２との積層を行う側の表面に、また第３のセラミ
ックグリーンシート４は、第１のセラミックグリーンシ
ート３との積層を行う表面に、各々、前記スラリーより
もバインダーや溶剤の含有量が多いセラミックスラリー
ないしペーストを、印刷やロールコーターなどの方法を
用いて塗布し、乾燥することで、積層焼成一体化を助け
る効果を有する、セラミック含有量が少なく積層圧力で
圧壊しやすいセラミックス層（以下、接着層と呼ぶ）を
形成する。

【００１９】 そして、必要に応じて、各セラミックグ
リーンシートに切断・切削・打抜き等の加工を施して、
窓部３ｂや孔４ａを形成する。その後、第１のセラミッ
クグリーンシート３の、第２のグリーンシート２を積層
する面において、窓部３ｂ外周の所望の領域（仕切り壁
３ａの積層面の外周部領域、および第１のセラミックグ
リーンシート３の窓部３ｂ側部分）３ｃにエキシマレー
ザーを照射し、照射部分の接着層表面のバインダーを分
解除去することで、当該領域において積層焼成一体化を
助ける効果を消失させる。

【００２０】 次いで、それら各セラミックグリーンシ
ートを積層し、焼成することによって、一体的なダイヤ
フラム構造体１が得られるが、前記エキシマレーザー照
射部分３ｃに対応する部分のみは、非一体化領域（非接
合領域）５として微小なギャップ形状で残存する。

【００２１】 本発明のダイヤフラム構造体で用いられ
るセラミックスの材質は、特に限定されるものではない
が、強度と靭性が高く、又各種薬品への耐久性に優れた
部分安定化ジルコニアやアルミナ、或いはアルミナを分
散した部分安定化ジルコニアが好適であり、又ジルコニ
アの安定化剤としては、特に酸化イットリウムを含むも
のが強度的に優れている。

【００２２】 また、かかるダイヤフラム構造体におい
て、第１のセラミックグリーンシートの板厚は、薄すぎ
ると打抜き後のハンドリング時において異常変形などを
生じるため、焼成後の板厚が５０μｍ以上とすることが
好ましい。また第２のセラミックグリーンシートの板厚
は、薄すぎると焼成後の工程中において破損しやすく、
また厚すぎるとセンサーや圧電／電歪素子の基板として
使用した際の特性が低下するため、焼成後において、好
ましくは５０μｍ以下、より好ましくは３〜１２μｍ程
度とする。第３のセラミックグリーンシートは、薄すぎ
ると、焼成一体化以降の工程中および使用中における外
力等でダイヤフラム構造体が歪むため、焼成後におい
て、５０μｍ以上、好ましくは９０μｍ以上とするほ
か、さらに複数のセラミックグリーンシートを同時に積
層焼成一体化することも好ましい。

【００２３】 かかる工程によって得られたダイヤフラ
ム構造体１と、そのダイヤフラム部２ａに電極および圧
電／電歪膜からなる圧電作動部７を形成して、圧電セン
サー８を製作した例を図７および図８に示す。上記圧電
センサー８においては、圧電作動部７がダイヤフラム部
２ａ上に形成されるので、センサー８の圧電作動部７に
圧力が加わると、前記圧電／電歪膜とダイヤフラム部２
ａが、ダイヤフラム部２ａに垂直な方向に屈曲変位、振
動し、圧電／電歪膜に起電力が発生する。その起電力を
電極から取り出すことで、圧力センサーとして機能す
る。

【００２４】 各空洞部３ｂにおけるダイヤフラム部２
ａの支持部である仕切り壁３ａの付け根部３ｄは、図７
〜図８に示すように、空洞部３ｂの縁に亘って所定の形
状と寸法で、エキシマレーザー照射によって接着層表面
のバインダーが分解除去された結果、積層焼成時にグリ
ーンシートが結合一体化することを阻害した非接合領域
が形成されている。なお、グリーンシートの結合一体化
を阻害する上では、接着層自体も若干量、分解除去する
ことが望ましい場合もある。

【００２５】 このため、図４〜図５に示すように、図
４のダイヤフラム構造体１は、従来の製法による図５の
ダイフラム構造体６と同等の寸法（Ｌ）を有するが、ダ
イフラム構造体１は、ダイフラム構造体６と比べて、非
ダイヤフラム部（Ｄ５、Ｄ６）の面積を、非ダイヤフラ
ム部（Ｄ７、Ｄ８）よりも低減することができる。

【００２６】 以上、本発明の代表的な実施例について
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。

【００２７】 例えば、図１１〜１２は本発明の別の実
施態様である。図１２に示すように、圧電作動部７およ
びダイヤフラム部２ａが複雑な形状をしている場合であ
っても、複雑で高価な金型を製造することなく、単純な
形状で打抜き加工した後、レーザー照射領域を複雑な形
状に設定するだけで、本発明のダイヤフラム構造体を形
成することができる。また、図１１に示すように、各ダ
イヤフラム部の大きさを少しづつ変更する如き、ダイヤ
フラム部２ａの形状の微調整も、同じくレーザー照射領
域の変更だけでただちに対応可能であり、少量他品種生
産にも対応することが容易である。

【００２８】

【発明の効果】 以上説明したように、本発明によれ
ば、グリーンシートへの窓部打抜き時において、打抜き
部が単純形状で、かつ窓部間の仕切り壁の肉厚を厚くし
た金型を使用できるので、第２のセラミックグリーンシ
ートの剛性を高く保持できる。このため、本発明のダイ
ヤフラム構造体は、ダイヤフラム部の寸法を維持しつ
つ、ダイヤフラム部同士の間隔を狭くしてダイヤフラム
構造体のダイヤフラム部以外の表面積を抑制する設計、
あるいは形状、寸法の異なるダイヤフラム部を複数配置
する設計であっても、打ち抜きや積層時に生じる窓部の
仕切り壁の損傷あるいは変形による特性の不安定化が無
い。更に、頻繁な設計変更にも、コストを抑えつつ迅速
に対応可能である。従って、高密度・高性能なスピーカ
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、ディスプレイ等のダイヤフラム構造体を得
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明のダイフラム構造体の一例を示す一部
切欠斜視図である。

【図２】 図１の断面図である。

【図３】 図２の一部拡大図である。

【図４】 本発明のダイフラム構造体の例を示す説明図
である。

【図５】 従来のダイフラム構造体の例を示す説明図で
ある。

【図６】 ダイフラム構造体の製作手順を表す分解斜視
図である。

【図７】 本発明のダイフラム構造体を用いた圧電セン
サーの例を示す一部切欠断面説明図である。

【図８】 本発明のダイフラム構造体を用いた圧電セン
サーの例を示す断面説明図である。

【図９】 一体焼成により得られるセラミックス製ダイ
ヤフラム構造体の例を示す分解斜視図である。

【図１０】 ダイヤフラム構造体の非作動部を低減する
従来例を示す説明図である。

【図１１】 本発明のダイフラム構造体の他の例を示す
断面斜視図である。

【図１２】 本発明のダイフラム構造体の他の例を示す
断面斜視図である。

【符合の説明】

１・・ダイヤフラム構造体、２・・第２の基板（第２の
セラミックグリーンシート）、２ａ・・ダイヤフラム
部、３・・第１の基板（第１のセラミックグリーンシー
ト）、３ａ・・仕切り壁、３ｂ・・空洞部（窓部）、３
ｃ・・窓部外周の領域、３ｄ・・付け根部、４・・第３
の基板（第３のセラミックグリーンシート）、５・・ギ
ャップ領域、６・・ダイヤフラム構造体、７・・圧電作
動部、８・・圧電センサー。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高橋 伸夫 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 (56)参考文献 特開 昭63−292032（ＪＰ，Ａ) 欧州特許出願公開640481（ＥＰ，Ａ １) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01L 9/04 101 G01L 7/08

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数のセラミックグリーンシートを積層
   焼成し接合・一体化してなるダイヤフラム構造体であっ
   て、 仕切壁で仕切られた少なくとも２個の空洞部を有する平
   板状のセラミック主基体と、 該セラミック主基体の下に積層され、上記空洞部へ通じ
   る貫通孔を有する平板状のセラミック基体と、 該セラミック主基体の上に積層され、上記空洞部を覆う
   薄肉ダイヤフラム部から構成され、 且つ、上記仕切壁と該薄肉ダイヤフラム部は、上記仕切
   壁の全幅の一部で該薄肉ダイヤフラム部と接合すること
   により、付け根部を形成し、 以って上記仕切壁の上部端部の幅が、それに対向する下
   部端部の幅よりも狭く構成されており、 前記付け根部における前記セラミック主基体と、前記薄
   肉ダイヤフラム部との非接合部が、微小なギャップ部と
   して形成され、前記ギャップ部の平均開口幅が最大で４
   ０μｍであるとともに、 前記ダイヤフラム部を形成する板厚が５０μｍ以下であ
   る ことを特徴とするダイヤフラム構造体。
2. 【請求項２】 前記付け根部における前記平板状のセラ
   ミック主基体と、前記薄肉ダイヤフラム部との接合部
   は、所定の制御された幅で形成されている請求項１記載
   のダイヤフラム構造体。