JP3592023B2

JP3592023B2 - 機能性膜素子の製造方法

Info

Publication number: JP3592023B2
Application number: JP04925097A
Authority: JP
Inventors: 伸夫高橋; 七瀧　　努
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1997-03-04
Filing date: 1997-03-04
Publication date: 2004-11-24
Anticipated expiration: 2017-03-04
Also published as: JPH10246654A; DE69825512T2; EP0862995A3; EP0862995B1; EP0862995A2; DE69825512D1; US6171420B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、機能性膜素子の製造方法に関し、更に詳しくは、流体センサ、温度センサ、流体ポンプ、スピーカ、アクチュエータ、トランスデューサ等に好適に用いられる機能性膜素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年になり、基体内部にキャビティ部を形成し、このキャビティ部の外表面に機能性膜作動部を設け、キャビティ部内に生じた圧力変化や温度変化といった物理量の変化をこの機能性膜作動部が感知して、その物理量の変化に対応する電気信号を出力するといった、機能性膜のエネルギー変換機能を利用した機能性膜素子が知られている。このように種々の物理量の変化を電気信号へ変換する性質を利用した機能性膜素子は、一般的に機能性膜センサ、あるいは機能性フィルタ等と呼ばれている。
【０００３】
一方、上記とは反対に、このような機能性膜素子に電気信号（電圧または電流）を印加した場合には、印加する電圧あるいは電流に相応して、機能性膜作動部が伸縮、湾曲あるいは振動するといった機械的応力をキャビティ部に生ぜしめたり、あるいは機能性膜作動部が発熱してキャビティ内を加熱するヒータ等として作用する。
【０００４】
図４は、従来公知の機能性膜素子１４あるいはセンサの構造の一例を示すもので、測定対象である外部環境を取り込む連通孔２、３が設けられ、セラミックス基体９内に測定エリアであるキャビティ部１が形成されており、このキャビティ部１の連通孔２、３と反対に位置する外側壁の覆蓋プレート６上に機能性膜作動部１３が一体的に形成されて機能性膜素子１４が構成されている。ここで、セラミックス基体９は、それぞれ極薄平板状の覆蓋プレート６と、キャビティ部１へ通ずる連通孔２、３を有する連通孔プレート８とが窓部スペーサプレート７を挟んで重ね合わされ、一体的に構成されている。なお、連通孔は連通孔２、３に限られず、目的に応じて連通孔４あるいはそれ以上の多くの連通孔を設けて外部環境との接点を増設してもかまわない。
【０００５】
窓部スペーサプレート７には、窓部５が形成されており、その窓部５に対して、連通孔プレート８に設けられた３つの連通孔２、３、４が開口されるように、窓部８の長さ方向の範囲内に形成されている。また、窓部スペーサプレート７の連通孔プレート８が重ね合わされた側とは、反対側の面には、窓部８を覆蓋閉塞するように、極薄状の覆蓋プレート６が重ね合わされて、セラミックス基体９の内部にキャビティ部１を形成している。
【０００６】
そして、セラミックス基体９には、覆蓋プレート６の外面上において、キャビティ部１に対応する部位にそれぞれ機能性膜作動部１３が設けられている。ここで、機能性膜作動部１３は、下部電極１２、機能性膜層１１、および上部電極１０から成り立っている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来公知の機能性膜素子１４は上記の如く構成されており、キャビティ部１と連通孔２、３、４の位置を平面的にみると、図５の如く示され、連通孔２、３、４とキャビティ部１が重なる構造となる。これに対し、近年になり、図２の窓部２９および連通孔２２、２３、２４の位置関係を示す平面図に見られるように、機能性膜素子の検出精度等を向上させるという観点から、セラミック基体に形成される複数の連通孔の内、たとえば、連通孔２２、２３の位置をキャビティ部２１（窓部２９）の長さ方向に突出させた形状が採用されるようになってきた。
【０００８】
しかしながら、このようなキャビティ部２１（窓部２９）の外周から外側に突出した形状の連通孔２２、２３を配した機能性膜素子を実際に製造するに当たっては、セラミックスグリーンシートを積層して圧力により一体化する際に、窓部スペーサプレート２６と連通孔プレート２７に設けた連通孔２２、２３が各グリーンシートの積層方向の圧力伝達を阻害し、圧着圧力がかかり難くなってグリーンシート間の十分な密着性が得られず、結果的に、図３に示されるように、焼成後に窓部２１に面した覆蓋プレート２５と窓部スペーサプレート２６の接着部分が剥離し、ギャップ４１が発生する問題が生じ易い。
【０００９】
このようなギャップ４１の発生は、たとえば、機能性膜素子を圧力測定センサとして使用する場合には、被圧力測定流体をキャビティ部内に充填しようとしても空気が残り、圧力測定誤差を生じるので好ましくない。また、温度センサとして使用する場合にも、特に液体流体等の温度測定において、ギャップ部に残留した空気は流体と異なる熱容量を有する場合が多いことから、正確な流体の温度変化に対する測定の追従が遅れる原因となる。さらに、スピーカとして用いた場合には、機能性膜素子の振動によって覆蓋プレート２５にかかる機械的応力により、ギャップ４１が破壊起点となって、覆蓋プレート２５の剥離等が進行することによるスピーカ故障の原因となる。
【００１０】
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、連通孔の位置がキャビティ部（窓部）の外側に突出した構造を有する機能性膜素子を製造するにあたり、覆蓋プレートと窓部スペーサプレートとの間にギャップが生じない構造の機能性膜素子の製造方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明によれば、少なくとも一つの窓部が設けられた窓部スペーサプレートの一方の側に覆蓋プレートを重ね合わせて当該窓部を覆蓋閉塞し、次いで、前記窓部スペーサプレートの他方の側に連通孔を有する連通孔プレートを重ね合わせて、当該連通孔の少なくとも一部が当該窓部に連通し、かつ、当該連通孔が当該窓部から当該窓部の外側に突出した形状を有するようにし、前記窓部スペーサプレートの厚さｔと前記連通孔の短軸方向の幅ｗとの比率ｔ／ｗが１以上となるようにして、前記各プレートのグリーンシートを積層形成した後に一体焼成せしめ、当該窓部に当該通孔が連通したキャビティ部を形成してなるセラミックス基体を作製した後、当該覆蓋プレートの外面上に機能性膜を形成することを特徴とする機能性膜素子の製造方法、が提供される。
【００１２】
また、上記機能性膜素子の製造方法においては、連通孔プレートのグリーンシートに形成する連通孔の短軸方向の幅ｗが３００μｍ以下であることが好ましく、当該連通孔の形状は、長円形または楕円形あるいは長方形であることが好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
上述の通り、本発明の機能性膜素子の製造方法によれば、機能性膜素子のセラミックス基体の作製における覆蓋プレートと窓部スペーサプレートとの接続面でのギャップの発生が防止され、検出精度、機械的特性に優れた機能性膜素子が提供される。
なお、本発明における機能性膜とは、具体的には、誘電体膜、熱電素子膜、圧電／電歪膜、バリスタ膜または単に電極のみからなるもの等をいう。
以下、本発明の内容について詳細に説明するが、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。
【００１４】
図１は、本発明による製造方法によって作製される機能性膜素子３４の一実施形態を示す断面図であり、機能性膜素子３４は、セラミックス基体２８とセラミックス基体２８に一体的に形成された機能性膜作動部３３とから構成されている。セラミックス基体２８は、それぞれ極薄の覆蓋プレート２５と連通孔２２、２３、２４を形成した連通孔プレート２７が窓部スペーサプレート２６を挟んで重ね合わされ、一体的に構成されている。
【００１５】
窓部スペーサプレート２６には、窓部２９が少なくとも一つ形成され、これらの窓部２９に対して連通孔プレート２７に設けられた連通孔２２、２３が窓部スペーサプレート２６の窓部２９と一部が重なって開口するように、そして、連通孔２４が窓部２９と完全に連通するようにして、窓部スペーサプレート２６と連通孔プレート２７が重ね合わされる。したがって、窓部２９と連通孔２２、２３、２４の位置関係を示す平面図は図２に示したものと同じとなる。また、窓部スペーサプレート２６と連通孔プレート２７が重ね合わされた側とは反対側の面には、覆蓋プレート２５が重ね合わされており、覆蓋プレート２５により窓部２９の開口が覆蓋閉塞されて、セラミックス基体２８内部にキャビティ部２１が形成されている。
【００１６】
このような機能性膜素子３４の作製に際して、窓部スペーサプレート２６のグリーンシートの厚さｔと、連通孔プレート２７のグリーンシートに形成する連通孔２２、２３の短軸方向の幅ｗ（図２に表示する）との比率ｔ／ｗを１以上とし、また、特に連通孔２２、２３の短軸方向の幅ｗを３００μｍ以下とすることが好ましい。このような条件とすることで、グリーンシートを積層して加圧により一体化する際に、窓部スペーサプレート２６と連通孔プレート２７に設けられた連通孔２２、２３によるグリーンシートの積層方向の圧力伝達の阻害が抑制されて、焼成後のキャビティ部２１に面した覆蓋プレート２５と窓部スペーサプレート２６の接着部分の剥離によるギャップ４１の発生を防止できる。しかし、連通孔２２、２３の短軸方向の幅ｗが３００μｍを超えると、ｔ／ｗ値が１以上という限定値範囲に設定しても、もはやグリーンシート積層による一体化が覆蓋プレート２５と窓部スペーサプレート２６の一部で困難となり、ギャップ４１の発生が起こり易くなる。
【００１７】
したがって、本発明においては、連通孔２２、２３については、短軸方向の幅が制限されるために、連通孔２２、２３の平面形状は、図２に示される長円形をはじめ、長方形、楕円形のものが好ましい。また、このような各形状における長軸方向の端部を多角形に変更したもの、あるいは一方向に長い形状をした多角形としても構わない。なお、連通孔２４の形成条件についても、連通孔２２、２３と同様の条件に従うことが好ましいが、図１に示すように連通孔２４全体がキャビティ部２１に連通する必要はなく、連通孔２２、２３と同様に形成してもよい。また、キャビティ部２１の平面形状は、図２に示された長円形に限定されず、種々の形状に設定することが可能である。
【００１８】
本発明において、上述したセラミックス基体２８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および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、カレンダロール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の切断、切削、打抜き等の加工を行い、窓部２９や連通孔２２、２３、２４を形成した各々のプレートの前駆体を作製する。そして、それらの前駆体を積層し、圧力（必要に応じて加熱を行いながら）によって一体化し、焼成することによって一体型セラミックス基体２８が作製される。なお、セラミックス基体２８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、機械的特性、成形性等の観点から、アルミナ、ジルコニア等が好適に使用される。また、作製されるグリーンシートの焼成収縮率をほぼ同等とすること好ましい。なぜならば、焼成収縮率が極端に異なると、焼成時のシートの剥離やセラミックス基体２８の変形を生じるからである。
【００１９】
次に、セラミックス基体２８には、覆蓋プレート２５の外面上において、機能性膜作動部３３の機能性膜層３１が、キャビティ部２１の平面形状の一部を被覆するように設けられる。ここで、機能性膜作動部３３は、下部電極３２、機能性膜層３１および上部電極３０から構成されており、これらの部材は、通常、公知である各種の膜形成法、例えば、スクリーン印刷、スプレー塗布、スラリーコート等の厚膜形成方法、イオンビーム、スパッタリング、化学的気相蒸着法（ＣＶＤ）などの薄膜形成方法によって形成することができる。
【００２０】
こうして形成された機能性膜作動部３３の各膜（下部電極３２、機能性膜層３１及び上部電極３０）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ってもよく、あるいは全ての膜を形成した後に同時に行ってもよい。但し、逐次焼成を行う場合は、後工程における熱処理温度が、前工程の熱処理温度と同じか、または低いことが好ましい。これは、後工程の処理温度が前工程の処理温度より高い場合には、前処理で焼き付けられた膜が後工程処理時にも焼結し、過剰焼結による剥離や凝集を生ずる可能性があるからである。
【００２１】
上述の機能性膜作動部３３を構成する下部電極３２および上部電極３０の材料としては、それぞれの部材を形成する際の温度及び雰囲気に耐え得る導体であれば特に限定はなく、一般的に、金属単体、合金あるいは導電性セラミックスが用いられる。具体的には、白金、金、パラジウム、銀−パラジウム合金等の高融点貴金属類を好適なものとしてあげることができる。
【００２２】
また、機能性膜作動部３３を構成する機能性膜層３１の材料としては、用途に応じて種々の機能性セラミックス、機能性高分子、金属材料等が使用できる。たとえば、熱電素子では鉄（Ｆｅ）−シリコン（Ｓｉ）系金属間化合物等、バリスタ素子では酸化亜鉛（ＺｎＯ）等、圧電あるいは電歪効果等の電界誘起歪みを示す材料であればジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）やマグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ）あるいはニッケルニオブ酸鉛（ＰＮＮ）が好適に使用される。
【００２３】
なお、こうして作製される機能性膜素子３４については、覆蓋プレート２５上に一層の電極のみを設けてもよく、この場合には覆蓋プレート２５を含むセラミックス基体２８を上述した機能性膜層３１に使用される種々の機能性材料で作製してもよい。
【００２４】
さらに、機能性膜作動部３３の厚さは、一般的に１００μｍ以下で、下部電極３２と上部電極３０の厚さは一般に２０μｍ以下、好ましくは５μｍ以下が望ましく、更に、機能性膜層３１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。
【００２５】
以上、本発明の実施形態について詳述してきたが、本発明はこれらの実施形態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形態の他にも、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、改良等を加え得るものであることが理解されるべきである。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によって、連通孔をキャビティ部から突出した形状の流体流路を有する機能性膜素子をギャップを発生させることなしに作製することが可能となったことにより、従来よりも検出精度等に優れた機能性膜素子を提供できるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による機能性膜素子の断面図である。
【図２】本発明による機能性膜素子の連通孔とキャビティ部の位置関係を示す平面図である。
【図３】本発明の解決課題であるギャップの発生を示す断面図である。
【図４】従来の機能性膜素子の断面図である。
【図５】従来の機能性膜素子の連通孔とキャビティ部の位置関係を示す平面図である。
【符号の説明】
１…キャビティ部、２…連通孔、３…連通孔、４…連通孔、５…窓部、６…覆蓋プレート、７…窓部スペーサプレート、８…連通孔プレート、９…セラミックス基体、１０…上部電極、１１…機能性膜層、１２…下部電極、１３…機能性膜作動部、１４…機能性膜素子、２１…キャビティ部、２２…連通孔、２３…連通孔、２４…連通孔、２５…覆蓋プレート、２６…窓部スペーサプレート、２７…連通孔プレート、２８…セラミックス基体、２９…窓部、３０…上部電極、３１…機能性膜層、３２…下部電極、３３…機能性膜作動部、３４…機能性膜素子、４１…ギャップ。

Claims

少なくとも一つの窓部が設けられた窓部スペーサプレートの一方の側に覆蓋プレートを重ね合わせて当該窓部を覆蓋閉塞し、
次いで、前記窓部スペーサプレートの他方の側に連通孔を有する連通孔プレートを重ね合わせて、当該連通孔の少なくとも一部が当該窓部に連通し、かつ、当該連通孔が当該窓部から当該窓部の外側に突出した形状を有するようにし、
前記窓部スペーサプレートの厚さｔと前記連通孔の短軸方向の幅ｗとの比率ｔ／ｗが１以上となるようにして、前記各プレートのグリーンシートを積層形成した後に一体焼成せしめ、当該窓部に当該通孔が連通したキャビティ部を形成してなるセラミックス基体を作製した後、当該覆蓋プレートの外面上に機能性膜を形成することを特徴とする機能性膜素子の製造方法。
前記連通孔の短軸方向の幅ｗが３００μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の機能性膜素子の製造方法。
前記連通孔プレートに設けられた連通孔の形状が、長円形または楕円形あるいは長方形であることを特徴とする請求項１または２記載の機能性膜素子の製造方法。