JP4471585B2

JP4471585B2 - Film formation method

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Publication number: JP4471585B2
Application number: JP2003125617A
Authority: JP
Inventors: 信二白仁田; 久之土本; 大始田邊
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2003-04-30
Filing date: 2003-04-30
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2023-04-30
Also published as: JP2004335545A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、膜形成手法により被膜形成体の表面上にペーストを用いて所定のパターンの膜を形成する膜形成方法に関し、特に、スクリーン印刷等の厚膜形成手法による膜形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、スクリーン印刷等の厚膜形成手法により被膜形成体（ワーク）の表面上にペーストを用いて所定のパターンの膜を形成する場合、完成後の膜内に気泡が内包されないようにすること、及び、完成後の膜の表面（上面）が平らになっていることが要求されている。
【０００３】
上記した完成後の膜内に気泡が内包されないようにすることを達成するため、非特許文献１に記載のスクリーン印刷装置は、内部が略真空状態となり得る真空チャンバーを備えていて、略真空状態となっている真空チャンバー内で、所定のペーストをメッシュ状の製版の開口部からスキージで押し出してワークの表面上に同ペーストを転写することで、所定のパターンの膜をスクリーン印刷するようになっている。
【０００４】
これによれば、大気中等にてペーストを作製する等により作製時点におけるペースト内に気泡が内包されている場合でも、ペースト（の表面）を略真空にさらすことでスクリーン印刷開始前の時点においては同ペースト内に内包されていた気泡が除去され得（以下、気泡を除去することを「脱泡」と云うこともある。）、また、スクリーン印刷開始前の時点においてペーストが完全に脱泡されていない場合であっても、その時点以降同スクリーン印刷終了後の時点に渡ってペースト（の表面）は継続して略真空にさらされ続けているから、スクリーン印刷工程の途中で前記内包されていた気泡が完全に除去され得る。また、スクリーン印刷工程中に渡ってペースト（の表面）が略真空にさらされ続けていることで同スクリーン印刷工程中にペースト内に新たに気泡が混入することもない。従って、完成後の膜内に気泡が内包されないことを確実に達成することができる。
【０００５】
【非特許文献１】
ニューロング精密工業株式会社製真空スクリーン印刷装置
LS-340VC のカタログ（2002年5月27日第１版発行）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の真空スクリーン印刷装置は、スクリーン印刷を真空チャンバー内で実行するため、スクリーン印刷を実行するために必要なスキージ部そのもの、ワークをセットするためのテーブル部そのもの等の比較的大きな構造体を真空チャンバー内に配置する必要がある。従って、真空チャンバーの容積が大きくなる。この結果、真空チャンバー内の圧力を大気圧から略真空に相当する圧力まで減少させるために必要な時間が長くなるとともに、印刷装置全体が大きくなるという問題がある。
【０００７】
また、ペースト（の表面）を略真空にさらすと、ペーストの粘度を調整するため同ペースト中に含まれている有機溶剤の沸点が低下して同有機溶剤が蒸発し易くなるからペーストの粘度が短時間内で変化（上昇）し易くなる。従って、ペーストの交換周期を短くする必要があることに加え、一回のスクリーン印刷工程の途中で、若しくは、同一の製版にて同一のパターンの膜を連続して複数回スクリーン印刷する場合には各スクリーン印刷工程間でペーストの粘度が変化（上昇）する可能性が高く、印刷される膜の品質（例えば、膜厚等）を一定に管理することが困難であるという問題がある。
【０００８】
また、所定のペーストをメッシュ状の製版の開口部からスキージで押し出して所定のパターンの膜をスクリーン印刷する場合、印刷直後の膜の表面には前記メッシュのパターンに対応する凹凸（メッシュの跡）が不可避的に形成される。この凹凸は、大気中にペースト（膜）がさらされている場合にはペーストそのものに働く重力の作用により同ペーストが流動することで短時間内に消滅させられ、その結果、ペースト（膜）の表面は平らになり得る（以下、重力の作用により膜の表面（上面）が平らになることを「レベリング」と云うこともある。）。しかしながら、上記真空スクリーン印刷装置を利用してスクリーン印刷を行った場合、印刷直後においてペースト（膜）が略真空にさらされて有機溶剤が蒸発し易い状態が継続する期間が存在する。従って、前記期間中にペースト表面に乾燥皮膜が形成されて同表面が硬化することでレベリングが確実に達成されにくくなるという問題がある。
【０００９】
一方、以上のような種々の問題を解決するため、大気中で所定のパターンの膜をペーストを用いてワーク上にスクリーン印刷し、その後の所定時間に渡ってペースト（膜）を加熱するとともに略真空にさらす技術も知られている。これによれば、ペーストを略真空にさらすことと、加熱に基づく同ペーストの粘度の低下により同ペーストの流動性が向上することが相俟って、ペースト作製時点から同ペーストに内包されている気泡、及びスクリーン印刷工程中にてペーストがワーク上に印刷される際に同ペースト内に新たに混入した気泡（従って、ペーストに内包された総ての気泡）が除去され得る。また、上記ペーストの粘度の低下による同ペーストの流動性の向上により、レベリングが一層確実に達成され易くなる。
【００１０】
しかしながら、かかる技術においては、印刷されたペースト（膜）の膜厚の増加につれて、ペーストの脱泡の程度が低下するとともに、膜の外周部の形状のばらつきの程度が大きくなるという問題がある。この点について、以下、図１１、及び図１２を参照しながら説明する。
【００１１】
図１１（ａ）は、ワーク１００の表面上に、（Ｘ軸方向の）一辺の長さ（幅）がＷmask（即ち、製版に形成された長方形の開口部おける一辺の長さがＷmask）の直方体状の比較的膜厚の大きい膜２００を所定のペーストを用いて大気中にて一回スクリーン印刷した直後における膜２００の平面図、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）の４−４線に沿った平面でワーク、及び膜を切断した断面図である。図１１（ｂ）に示すように、印刷直後における膜２００の表面（上面）には前記メッシュのパターンに対応する凹凸（メッシュの跡）が形成されているとともに、膜２００の輪郭における前記一辺に沿う方向の幅はＷmaskになっている。また、膜２００内には、膜２００の表面（上面）に比較的近い位置に存在する気泡２００ａと、同膜２００の表面から比較的遠い位置（従って、ワーク１００の表面（上面）に比較的近い位置）に存在する気泡２００ｂとが内包されている。
【００１２】
図１２（ａ）は、図１１に示した膜２００を、前記印刷後の所定時間に渡って加熱するとともに略真空にさらした後の時点における膜２００の平面図、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）の４−４線に沿った平面でワーク、及び膜を切断した断面図である。図１２（ｂ）に示すように、この時点における膜２００の表面においては先に説明したペースト（膜）の流動性の向上によりレベリングが確実に達成されている。
【００１３】
また、ペーストの脱泡については、膜２００の表面に比較的近い位置に存在する気泡２００ａは同表面から真空中へ抜け易いことから除去されている一方、膜２００の表面から比較的遠い位置に存在する気泡２００ｂは膜（ペースト）２００の粘度によっては真空中に抜け難いことから除去されずに膜２００内に残留している。換言すれば、印刷された膜の膜厚の増加につれて、膜内におけるワークの表面に近い位置に存在する気泡は除去されにくくなる（従って、ペーストの脱泡の程度が低下する）。
【００１４】
更には、この時点においては、図１２（ａ）（ｂ）に示すように、膜２００の外周部が平面視で（Ｚ軸正方向から見て）膜２００の外側に向けて広がる方向に変形している（図１２（ａ）において多数の微細なドットで示した領域を参照。）。以下、本明細書において、膜の上方向から見たときにおける膜の外周部の印刷直後の時点からの膜の外側への変形量を「広がり量」と称呼する（例えば、図１２（ａ）（ｂ）においてw1，w2を参照。）。この広がり量は、ワーク（の表面）と膜（の表面）との性質に基づいて決定されるワークに対する膜（ペースト）の濡れの程度（濡れ性）に依存する量である。
【００１５】
この広がり量には、図１２（ａ）に示すように、膜２００の外周部の位置によってばらつきが不可避的に発生する。かかる広がり量のばらつきの程度は、例えば、膜２００の各辺についての広がり量の最大値と最小値の差（例えば、図１２（ａ）（ｂ）においてΔw1，Δw2）によって表すことができ、広がり量のばらつきの程度（例えば、Δw1，Δw2）は膜２００の膜厚の増加に応じて比例的に増加する関係にある。換言すれば、印刷された膜の膜厚の増加につれて、膜の外周部の形状のばらつきの程度が大きくなる。これにより、膜の膜厚が大きくなると、膜の外観不良が発生し易くなるとともに、例えば、膜が圧電／電歪素子の前駆体である場合等においては、圧電／電歪素子が所期の性能を発揮し得なくなる可能性が高くなる。
【００１６】
従って、本発明の目的は、膜形成手法（特に、スクリーン印刷等の厚膜形成手法）により被膜形成体の表面上にペーストを用いて所定のパターンの膜を形成する膜形成方法において、形成された膜の膜厚に拘わらず、膜の脱泡の程度を高く維持し、膜の外周部の形状のばらつきの程度を小さくすることができるとともに、膜表面におけるレベリングを確実に達成し得るものを提供することにある。
【００１７】
【発明の概要】
本発明の膜形成方法は、第１の温度、且つ第１の圧力下にて被膜形成体の表面上に第１のペーストを用いて所定のパターンの前駆膜を形成した後、前記前駆膜を前記第１の温度よりも高い第２の温度、且つ前記第１の圧力よりも低い第２の圧力下にさらすことで少なくとも同前駆膜内に内包されている気泡を除去する第１工程と、前記第１の温度、且つ前記第１の圧力下にて前記前駆膜の表面上に第２のペーストを用いて前記所定のパターンの新たな前駆膜を重ねて形成した後、前記新たな前駆膜を前記第１の温度よりも高い第３の温度、且つ前記第１の圧力よりも低い第３の圧力下にさらすことで少なくとも同新たな前駆膜内に内包されている気泡を除去する工程を１回以上行う第２工程とを備え、複数枚の前記前駆膜から成る前記所定のパターンの（１枚の、１層の）膜を形成する方法である。
【００１８】
ここにおいて、前記第１のペーストと前記第２のペーストとは同一のペースト（同一の組成（物性）を有するペースト）であってもよい。また、この場合、前記第１の温度、及び第１の圧力は、それぞれ、大気温度（常温）、及び大気圧力（常圧）であり、前記第２の温度、及び前記第３の温度は加熱により達成される温度であるとともに、前記第２の圧力、及び前記第３の圧力は真空ポンプを利用して達成される圧力（例えば、略真空に相当する圧力）であることが好適である。また、前記第２の温度と前記第３の温度とは同一の温度であってもよいし、前記第２の圧力と前記第３の圧力とは同一の圧力であってもよい。更には、前記第１工程において、前記前駆膜を前記第２の温度、且つ第２の圧力下にさらすことで同前駆膜内に内包されている気泡を除去した後、同前駆膜を乾燥させることが好適である。同様に、前記第２工程において、前記前駆膜を前記第３の温度、且つ第３の圧力下にさらすことで同前駆膜内に内包されている気泡を除去した後、同前駆膜を乾燥させることが好適である。
【００１９】
これによれば、複数枚の前駆膜の各々が第１の温度、且つ第１の圧力下（例えば、大気中）にて所定の膜形成手法（例えば、スクリーン印刷）により形成される毎に、同形成された前駆膜（積み重ねられていく前駆膜のうちその時点において最上段に位置する前駆膜）がその後、第１の温度よりも高い第２（又は、第３）の温度（例えば、大気中での加熱により達成される大気温度よりも高い温度）、且つ第１の圧力よりも低い第２（又は、第３）の圧力（例えば、略真空に相当する圧力）下にさらされる。従って、先に説明したように、前駆膜を第２（又は、第３）の圧力下にさらすことと、同前駆膜を第２（又は、第３）の温度下にさらすことにより同前駆膜（第１，第２のペースト）の流動性が向上することとが相俟って、前駆膜が形成される毎に、同形成された前駆膜（前記最上段に位置する前駆膜）内に内包されている気泡が除去されていく。また、上記前駆膜の流動性の向上により、前駆膜が形成される毎に、同形成された前駆膜（前記最上段に位置する前駆膜）のレベリングが確実に達成されていくから、完成後の（一枚の）膜のレベリングも確実に達成され得る。
【００２０】
また、複数枚の所定のパターンの前駆膜が積み重ねられて同複数枚の前駆膜から成る同所定のパターンの（一枚の）膜が形成（完成）されることから、前駆膜の各々の膜厚は、完成後の（一枚の）膜の膜厚よりも当然に薄くなる。従って、先に説明したように、各前駆膜の脱泡の程度がそれぞれ向上するとともに、各前駆膜の外周部の形状のばらつきの程度がそれぞれ小さくなる。この結果、上記方法のように複数の前駆膜を積み重ねることで或る所定の膜厚の（一枚の）膜（完成後の膜）を形成する場合、一枚の膜（一層の膜）で同所定の膜厚の膜を形成する場合に比して、（完成後の（一枚の）膜全体としての）膜の脱泡の程度が向上するとともに、同膜の外周部の形状のばらつきの程度が小さくなる。換言すれば、完成後の膜の膜厚に拘わらず、膜の脱泡の程度を高く維持し、膜の外周部の形状のばらつきの程度を小さくすることができる。
【００２１】
また、上記膜形成方法においては、前記第１工程における前記被膜形成体に対する前記第１のペーストの濡れの程度は、前記第２工程における前記前駆膜（好ましくは、乾燥せしめられた後の前記前駆膜）に対する前記第２のペーストの濡れの程度よりも大きい。これによれば、積み重ねられている前駆膜のうち被膜形成体の表面（上面）上に形成されている最下段に位置する前駆膜の広がり量は、その上段に重ねて形成されている単数、又は複数枚の前駆膜の広がり量よりも大きくなる。従って、膜の上方向から見て最下段に位置する前駆膜以外の前駆膜の外周部が最下段に位置する前駆膜の外周部の外側にはみ出す部分が存在しなくなり、より一層膜の外周部の形状のばらつきの程度が小さくなり得る。
【００２２】
加えて、上記膜形成方法においては、前記第２工程において使用される前記第２のペーストの粘度は、前記第１工程において使用される前記第１のペーストの粘度よりも同一温度下において低い。これによれば、最下段に位置する前駆膜を形成するための第１のペーストの粘度を比較的高い値に設定することで同最下段に位置する前駆膜の膜厚を比較的大きく設定し易くなる。更に、最下段に位置する前駆膜以外の前駆膜を形成するための第２のペーストの粘度を比較的低い値に設定することで最上段に位置する前駆膜のレベリング、従って、完成後の膜のレベリングが確実に達成され易くなる。換言すれば、レベリングを確実に達成しつつ厚い（一枚の）膜を形成することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による膜形成方法を用いて作製した圧電体膜を含む圧電／電歪素子を使用した圧電／電歪ユニット１０の実施形態を詳細に説明する。圧電／電歪ユニット１０は、その平面図である図１、及び図１の１−１線に沿った平面で同圧電／電歪ユニット１０を切断した断面図である図２に示したように、各辺が互いに直交するＸ，Ｙ，Ｚ軸に平行に延びる略直方体形状を有し、基体部２０と、基体部２０の上面（Ｚ軸正方向のＸ−Ｙ平面に沿った平面）に固着された複数（ここでは７個）の圧電／電歪素子３０とから構成されている。
【００２４】
基体部２０は、厚肉シート２１、及び薄肉シート２２から構成されていて、Ｚ軸負方向に向けて開口するとともに互いに独立した複数（ここでは７個）のチャンバー形成用空間２０ａを備えている。複数のチャンバー形成用空間２０ａの各々は、厚肉シート２１に形成されるとともに長軸及び短軸がそれぞれＹ軸方向及びＸ軸方向に沿う長円形の切欠き部の側壁面、薄肉シート２２の下面（Ｚ軸負方向のＸ−Ｙ平面に沿った平面）により画定された長尺空間である。
【００２５】
圧電／電歪素子３０は、その平面図である図３（Ａ）、図３（Ａ）の２−２線に沿った平面で薄肉シート２２及び圧電／電歪素子３０を切断した断面図である図３（Ｂ）、及び図３（Ａ）の３−３線に沿った平面で薄肉シート２２及び圧電／電歪素子３０を切断した断面図である図３（Ｃ）に示したように、下部電極３１と、圧電体膜３２と、上部電極３３から構成されている。
【００２６】
下部電極３１は、平面視で（Ｚ軸正方向から見て）略長方形の薄板状となるように、図３（Ａ），（Ｂ）において右から左に延びた形で薄肉シート２２の上に固着（焼成により接合）されている。圧電体膜３２は、平面視で略長方形の薄板状であって、外周（輪郭）部が薄肉シート２２の上に、中央部が下部電極３１の上に固着（焼成により接合）されている。上部電極３３は平面視で略長方形の薄板状であって、図３（Ａ），（Ｂ）において左から右に延びた形で薄肉シート２２、及び圧電体膜３２の上に、下部電極３１と対向するように固着（焼成により接合）されている。この結果、圧電体膜３２は、平面視で上部電極３３と下部電極３１とが重なった部分（図３（Ａ）の斜線を付した部分）において、同上部電極３３と同下部電極３１との間に挟まれている。このように、圧電／電歪素子３０は、１層の圧電体膜３２が下部電極３１と上部電極３３とにより挟まれた構造を有している。
【００２７】
また、圧電／電歪素子３０は、図１に示すように、平面視で（Ｚ軸正方向から見て）各チャンバー形成用空間２０ａよりも僅かに小さく、同平面視でチャンバー形成用空間２０ａの内側に配設されている。なお、図１、及び図３（Ａ）に示す、各圧電／電歪素子３０の長さＬ（Ｙ軸に沿った長さ）は１ｍｍ、幅Ｗ（Ｘ軸に沿った長さ）は０．３ｍｍである。以上の構成により、上部電極３１及び下部電極３３の間に図示しない電気制御装置（駆動電圧信号発生装置）により所定の駆動電圧が付与されると、圧電体膜３２における上記重なった部分（図３（Ａ）の斜線を付した部分）に電界が加わって同部分が薄肉シート２２を変形させる力を発生するとともに、この結果、チャンバー形成用空間２０ａの容積が駆動電圧に応じて変化するようになっている。
【００２８】
上記基体部２０の厚肉シート２１、及び薄肉シート２２は、セラミックから成るものであればよい。かかるセラミックは、耐熱性、科学的安定性、及び絶縁性に優れるという観点から、安定化された酸化ジルコニウム、部分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、及びガラスよりなる群から選択された少なくとも１種類の成分を含むことが好適であり、これらの中においても、機械的強度が高く靱性に優れるという観点から、前記部分安定された酸化ジルコニウムを含むことが特に好ましい。
【００２９】
圧電／電歪素子３０の圧電体膜３２は、圧電／電歪効果を発揮し得る材料から成っていればよく、例えば、PZT（PbZrO₃-PbTiO₃）系の材料、特開２００２−２１７４６４又は特開２００２−２１７４６５に開示されている材料等から成っていればよい。
【００３０】
また、圧電／電歪素子３０の下部電極３１、及び上部電極３３の材料としては、金、白金、パラジウム、ロジウム、銀、及びこれらの合金よりなる群から選択された少なくとも１種類の成分を含む材料が挙げられる。ここで、下部電極３１は、後述するように圧電体膜３２の形成前に形成されることから、同圧電体膜３２の焼成温度と同等、若しくはそれ以上の温度に対する耐熱性を有する白金を主成分とする材料から成っていることが好ましい。一方、上部電極３３は、後述するように圧電体膜３２の形成後に形成されることから、同圧電体膜３２の焼成温度より低い温度で形成可能な金を主成分とする材料から成っていることが好ましい。
【００３１】
次に、以上、説明した圧電／電歪素子３０の製造工程について説明する。圧電／電歪素子３０は、先に説明した酸化ジルコニウムから成る基体部２０の上面（従って、薄肉シート２２の上面）であってチャンバー形成用空間２０ａ部分に相当する各個所（７箇所）にそれぞれ作製される。以下、この製造工程について図４〜図８を適宜参照しながら説明する。なお、図４〜図７は、圧電／電歪素子３０を作製していく過程を図３（Ｃ）が示す断面と同一の断面にて示した工程図である。また、ここでは、各圧電／電歪素子３０のうちの任意の一つの圧電／電歪素子３０にのみ着目して説明していくが、その他の圧電／電歪素子３０についても同様である。
【００３２】
先ず、下部電極３１を作製する。下部電極３１は、所定の粒径の白金（Pt）粉末、所定の有機バインダー、及び所定の有機溶剤から成る白金ペーストを用いて、下部電極３１用の下部電極膜を薄肉シート２２の上面の所定箇所にスクリーン印刷により形成し、この下部電極膜を乾燥炉に入れて１２０℃−５minにて乾燥し、その後、同下部電極膜を焼成炉に入れて１３５０℃−２ｈにて焼成することで作製する。図４は、完成した下部電極３１を示している。完成後の下部電極３１の膜厚は３μｍ程度である。
【００３３】
次に、こうして出来あがった下部電極３１の上面（及び、薄肉シート２２の上面）の所定箇所に、本発明に係る膜形成方法を用いて２枚の（２層の）前駆膜から成る圧電体膜３２を作製する。この製造工程としては、下記のものを採用した。
【００３４】
工程１；所定の粒径のジルコン酸チタン酸鉛（PZT系）を主成分とする材料（PbZrO₃-PbTiO₃-Pb(Mg1/3 Nb2/3)O₃）の粉末、ポリビニルブチラールを主成分とする有機バインダー、及び、α-テルピネオールと2-エチルヘキサノールの混合液である有機溶剤を所定の割合で大気中にて混合し、トリロールミルにて混練して圧電体膜３２の前駆体である圧電体ペースト（第１のペースト）を作製する。
【００３５】
工程２；この圧電体ペーストを用いて、図５（ａ）に示すように、圧電体膜３２用の一次圧電体膜３２ａ（前駆膜）を圧電体膜３２作成用の製版を使用したスクリーン印刷により下部電極３１の上面（及び、薄肉シート２２の上面）に大気中（第１の温度、且つ第１の圧力下）にて形成する。印刷時の膜厚は８μｍ程度である。印刷時点での一次圧電体膜３２ａの幅（Ｘ軸に沿った長さ）Ｗmask（即ち、圧電体膜３２作成用の製版に形成された長方形の開口部おける対応する辺の長さ）は、完成後の圧電体膜３２の前記幅Ｗよりも前記広がり量に相当する分だけ狭くなっている。また、この時点では、一次圧電体膜３２ａの上面に、圧電体膜３２作成用の製版のメッシュパターンに対応する凹凸（メッシュの跡）が形成されているとともに、一次圧電体膜３２ａ内には気泡が混入している。
【００３６】
工程３；一次圧電体膜３２ａが付着した基体部２０に対して、図８に示す加熱真空装置４０を利用して加熱・真空処理を行う。ここで、加熱真空装置４０の概略構成について簡単に説明すると、加熱真空装置４０は、前記基体部２０を置くためのテーブル４１ａを上面に備えた本体４１と、本体４１の支点部４１ｂを支点として開閉作動可能な蓋４２と、本体４１に形成されたＯリング溝４３ｃに収容されたＯリング４３と、本体４１の内部に配設されるとともにテーブル４１ａを加熱するためのセラミックヒータ４４とを含んでいる。セラミックヒータ４４は、電気コード４４ａ，４４ａを介して図示しないヒータ制御装置に電気的に接続されていて、同ヒータ制御装置を制御することでセラミックヒータ４４、ひいてはテーブル４１ａの表面温度を制御できるようになっている。また、蓋４２が閉じた状態では、テーブル４１ａを含む本体４１の上面と蓋４２の下面とＯリング４３により画定される真空チャンバーＳが形成されるようになっている。この真空チャンバーＳは本体４１に形成された連通孔４１ｄ，４１ｄ、チューブ４５，４５を介して図示しない真空ポンプに接続されていて、同真空ポンプを制御することで真空チャンバーＳ内の圧力を略真空に相当する圧力まで下げることができるようになっている。
【００３７】
次に、上記加熱・真空処理について具体的に述べると、先ず、大気中に配置された加熱真空装置４０の蓋４２を開け、表面温度が５０℃に設定されたテーブル４１ａ上に一次圧電体膜３２ａが付着した基体部２０を置き、この状態で１５sec間保持する（加熱処理）。その後、蓋４２を閉めて真空ポンプを制御することで真空チャンバーＳ内を略真空（真空チャンバー内圧力：４Kpa）にし、この状態を３秒間保持する（真空処理）。このような加熱・真空処理（即ち、一次圧電体膜３２ａ（及び、後述する二次圧電体膜３２ｂ）を第２（又は、第３）の温度、且つ第２（又は、第３）の圧力下にさらす処理）により、一次圧電体膜３２ａが略真空にさらされるとともに加熱によりその流動性が向上する。その結果、図５（ｂ）に示すように、一次圧電体膜３２ａ内の気泡が完全に除去されるとともに、一次圧電体膜３２ａのレベリングが確実に達成されて上記凹凸が消滅する。
【００３８】
この状態において、一次圧電体膜３２ａの図５（ｂ）に示した幅（Ｘ軸に沿った長さ）は、前記Ｗmaskに左側の広がり量wa1と右側の広がり量wa2とを加えた値となり、この値は完成後の圧電体膜３２の前記幅Ｗに略等しい値（実際には、その後の乾燥処理、焼成処理による縮み分だけ大きい値）になっている。この広がり量wa1，wa2は、酸化ジルコニウムからなる薄肉シート２２と一次圧電体膜３２ａ（即ち、上記圧電体ペースト）との性質に基づいて決定される薄肉シート２２に対する一次圧電体膜３２ａの濡れの程度（濡れ性）に依存する。この場合、薄肉シート２２に対する一次圧電体膜３２ａの濡れの程度（濡れ性）は比較的高いから、広がり量wa1，wa2は比較的大きい値となる。
【００３９】
工程４；加熱・真空処理後の一次圧電体膜３２ａ（実際には、一次圧電体膜３２ａが付着した基体部２０）を乾燥炉に入れて１２０℃−５minにて乾燥する（乾燥処理）。
【００４０】
工程５；上記工程１と同様にして、同工程１にて作製した圧電体ペーストと同一の圧電体ペースト（第２のペースト）を作製する。
【００４１】
工程６；この圧電体ペーストを用いて、上記工程２と同様、図６（ａ）に示すように、圧電体膜３２用の二次圧電体膜３２ｂ（（新たな）前駆膜）を、同工程２にて使用した圧電体膜３２作成用の製版と同一の製版を使用したスクリーン印刷により一次圧電体膜３２ａの上面に重ねて大気中にて形成する。印刷時の膜厚は３μｍ程度である。印刷時点での二次圧電体膜３２ｂの幅（Ｘ軸に沿った長さ）は、前記工程２と同様に前記Ｗmaskになっている。また、この時点では、二次圧電体膜３２ｂの上面に、前記圧電体膜３２作成用の製版のメッシュパターンに対応する凹凸（メッシュの跡）が形成されているとともに、二次圧電体膜３２ｂ内には気泡が混入している。
【００４２】
工程７；二次圧電体膜３２ｂが付着した基体部２０に対して、前述した加熱真空装置４０を利用して前記工程３と同様の加熱・真空処理を行う。即ち、先ず、加熱真空装置４０の蓋４２を開け、表面温度が５０℃（第３の温度）に設定されたテーブル４１ａ上に二次圧電体膜３２ｂが付着した基体部２０を置き、この状態で１５sec間保持する（加熱処理）。その後、蓋４２を閉めて真空ポンプを制御することで真空チャンバーＳ内を略真空（真空チャンバー内圧力（第３の圧力）：４Kpa）にし、この状態を３秒間保持する（真空処理）。このような加熱・真空処理により、二次圧電体膜３２ｂが略真空にさらされるとともに加熱によりその流動性が向上する。その結果、図６（ｂ）に示すように、二次圧電体膜３２ｂ内の気泡が完全に除去されるとともに、二次圧電体膜３２ｂのレベリングが確実に達成されて上記凹凸が消滅する。
【００４３】
この状態において、二次圧電体膜３２ｂの図６（ｂ）に示した幅（Ｘ軸に沿った長さ）は、前記Ｗmaskに左側の広がり量wb1と右側の広がり量wb2とを加えた値であるＷ１となっている。この広がり量wb1，wb2は、前記乾燥処理後の一次圧電体膜３２ａと二次圧電体膜３２ｂ（即ち、前記圧電体ペースト）との性質に基づいて決定される乾燥処理後の一次圧電体膜３２ａに対する二次圧電体膜３２ｂの濡れの程度（濡れ性）に依存する。この場合、乾燥処理後の一次圧電体膜３２ａに対する二次圧電体膜３２ｂの濡れの程度（濡れ性）は、前記薄肉シート２２（被膜形成体）に対する一次圧電体膜３２ａの濡れの程度（濡れ性）に比して小さいから、広がり量wb1，wb2は、それぞれ前記広がり量wa1，wa2よりも小さい値となる。即ち、幅Ｗ１は幅Ｗよりも小さい。従って、上面視にて（Ｚ軸正方向から見て）二次圧電体膜３２ｂの外周部が一次圧電体膜３２ａの外周部の外側にはみ出す部分が存在しない（存在する可能性が極めて低い）。
【００４４】
工程８；加熱・真空処理後の二次圧電体膜３２ｂ（実際には、二次圧電体膜３２ｂが付着した基体部２０）を乾燥炉に入れて１２０℃−５minにて乾燥する（乾燥処理）。
【００４５】
工程９；このように一次圧電体膜３２ａの上面（表面上）に二次圧電体膜３２ｂが積み重ねられて成る圧電体膜３２（実際には、圧電体膜３２が付着した基体部２０）を焼成炉に入れて１３００℃−２ｈにて焼成する（焼成処理）。
このようにして、図６（ｂ）に示すように、一枚の（１層の）圧電体膜３２を２層の（前駆）膜（二回のスクリーン印刷）により作製した。完成後の圧電体膜３２の膜厚Ｔは８μｍ程度である。
【００４６】
次に、こうして出来あがった圧電体膜３２の上面（及び、薄肉シート２２の上面）の所定箇所に上部電極３３を作製する。上部電極３３は、所定の粒径の金（Au）粉末、所定の有機バインダー、及び所定の有機溶剤から成る金ペーストを用いて、上部電極３３用の上部電極膜を圧電体膜３２の上面（及び、薄肉シート２２の上面）にスクリーン印刷により形成し、この上部電極膜を乾燥炉に入れて１２０℃−５minにて乾燥し、その後、同上部電極膜を焼成炉に入れて８００℃−２ｈにて焼成することで作製する。このようにして、図７に示すように、上部電極３３を作製した。完成後の上部電極３３の膜厚は０．５μｍ程度である。以上のようにして、圧電／電歪素子３０を作製した。
【００４７】
次に、上述した圧電／電歪素子３０の製造工程における工程３及び工程７にて実行される上記加熱・真空処理において、テーブル４１ａの表面温度を５０℃に設定している根拠について図９を用いて説明する。図９は、上述した圧電／電歪素子３０の製造工程における工程１及び工程５にて作製した圧電体ペーストと同一の圧電体ペーストの温度を変更した場合の各温度に対する同圧電体ペーストの粘度を測定した結果を示したグラフである。
【００４８】
各温度に対する圧電体ペーストの粘度は、前記加熱・真空処理と同様の処理をテーブル４１ａの表面温度を順次変更しながら繰り返し実行していくことで測定する。具体的な測定方法は以下のとおりである。
１；加熱真空装置４０のテーブル４１ａの表面温度を所定の温度（２０〜８０℃）に設定する。
２；蓋４２を開けて、大気中にて作製した圧電体ペーストを入れた所定の容器をテーブル４１ａ上に置く。
３；この状態で１５sec間保持する。
４；蓋４２を閉めて真空ポンプを制御することで真空チャンバーＳ内を略真空（真空チャンバー内圧力：４Kpa）にし、この状態を３秒間保持する。
５；その直後に蓋４２を開けて、圧電体ペースト（特に、表面近傍）の粘度を測定する。
６；テーブル４１ａの表面温度（所定の温度）を適宜変更して、上記１〜５を所定回数だけ繰り返す。
【００４９】
また、圧電体ペーストの粘度を測定する際の具体的な測定条件は以下のとおりである。
粘度計：東機産業（株）社製Ｂ型粘度計
コーン：Ｒ−１４
サンプル量：２．５ｍｌ
せん断速度：０．２ｓｅｃ^-1
【００５０】
図９に示したように、テーブル４１ａの表面温度が略５０℃よりも低いときは、同表面温度（従って、圧電体ペーストの温度）の上昇に応じて圧電体ペーストの粘度が低下する（矢印Ａを参照。）。一方、テーブル４１ａの表面温度が略５０℃よりも高いときは、同表面温度（従って、圧電体ペーストの温度）の上昇に応じて圧電体ペーストの粘度が増加するようになる（矢印Ｂを参照。）。即ち、テーブル４１ａの表面温度が略５０℃のときに圧電体ペーストの粘度は最も低くなる。これは、略５０℃を超える温度下では、温度の上昇に応じて圧電体ペースト中の有機溶剤の蒸発の程度が急激に大きくなって圧電体ペーストの組成自体が大きく変化すること、及び、有機溶剤が圧電体ペーストの表面近傍から蒸発していくことにより同表面に比較的硬い（粘度が高い）乾燥皮膜が形成されることに基づく。
【００５１】
一方、圧電体ペースト内に内包されている気泡を除去するためには、同圧電体ペーストの流動性がより高いこと（従って、粘度がより低いこと）が好ましい。よって、圧電体ペーストの脱泡を確実に行うためには、テーブル４１ａの表面温度（従って、圧電体ペーストの温度）を５０℃を含んだ所定の範囲内（例えば、４０〜６０℃）に設定することが好ましいと云うことができる。以上が、上述した加熱・真空処理においてテーブル４１ａの表面温度を５０℃に設定している根拠である。
【００５２】
次に、上記加熱・真空処理を行ったこと、及び、同加熱・真空処理においてテーブル４１ａの表面温度を５０℃に設定したことによる効果を確認するための試験、及びその結果について説明する。具体的には、下記ＮＯ１〜ＮＯ４の条件にて圧電／電歪素子３０の試験品をそれぞれ作製し、各試験品の上部電極３３と下部電極３１との間に１００Ｖの電圧を印加して圧電体膜３２を分極処理したとき、圧電体膜３２に絶縁破壊が発生したか否かで圧電体膜３２内に気泡が残留していたか否かを判定した。なお、圧電体膜３２に絶縁破壊が発生したか否かは、圧電体膜３２内に発生したショートにより上部電極３３が破損しているか否かを目視にて確認することで判定した。
【００５３】
上記ＮＯ１〜ＮＯ４の条件は、下記のとおりである。
ＮＯ１；前記加熱・真空処理を実行することなく上述した圧電／電歪素子３０の製造工程を行う（即ち、工程３及び工程７を省略して工程１〜９を実行する）。
ＮＯ２；前記加熱・真空処理実行中（工程３又は工程７実行中）におけるテーブル４１ａの表面温度を５０℃に設定して（従って、上述した例と同一の条件で）工程１〜９を実行する。
ＮＯ３；ＮＯ２の条件と同一の条件である。
ＮＯ４；前記加熱・真空処理実行中（工程３又は工程７実行中）におけるテーブル４１ａの表面温度を６５℃に設定して工程１〜９を実行する。
この試験の結果は、下記表１のとおりである。
【００５４】
【表１】

【００５５】
表１に示すように、加熱・真空処理を実行しない場合（ＮＯ１）、及び、６５℃で加熱・真空処理を実行した場合（ＮＯ４）においては、圧電体膜３２に絶縁破壊が発生していて、圧電体膜３２内に気泡が残留していたことが判る。一方、５０℃で加熱・真空処理を実行した場合（ＮＯ２，ＮＯ３）においては、圧電体膜３２に絶縁破壊が発生しておらず、圧電体膜３２内の脱泡が確実に行われていたことが判る。
【００５６】
以上、説明したように、本発明の実施形態に係る膜形成方法によれば、一枚の圧電体膜３２を作製する際、先ず、その前駆膜である一次圧電体膜３２ａを形成し、前記加熱・真空処理を行って同一次圧電体膜３２ａの脱泡、及びレベリングを行った後に前記乾燥処理を行って同一次圧電体膜３２ａを乾燥させる。次いで、一次圧電体膜３２ａの上面に重ねて、圧電体膜３２の前駆膜である二次圧電体膜３２ｂを形成し、前記加熱・真空処理を再び行って同二次圧電体膜３２ｂの脱泡、及びレベリングを行った後に前記乾燥処理を再び行って同二次圧電体膜３２ｂを乾燥させる。従って、一次圧電体膜３２ａ及び二次圧電体膜３２ｂの２枚の前駆膜が積み重ねられてなる一枚の圧電体膜３２内に内包されている気泡が効果的に除去され得るとともに、同圧電体膜３２のレベリングが確実に達成された。
【００５７】
また、一次圧電体膜３２ａ及び二次圧電体膜３２ｂの２枚の膜が積み重ねられて一枚の圧電体膜３２が形成（完成）されることから、一次圧電体膜３２ａ及び二次圧電体膜３２ｂの各々の膜厚は、同圧電体膜３２の膜厚よりも当然に薄くなる。従って、一枚の膜（一層の膜）で同一の膜厚の圧電体膜３２を形成する場合に比して、圧電体膜３２の脱泡の程度が向上するとともに、同圧電体膜３２の外周部の形状のばらつきの程度が小さくなった。
【００５８】
また、乾燥処理後の一次圧電体膜３２ａに対する二次圧電体膜３２ｂ（第２のペースト）の濡れの程度（濡れ性）は、酸化ジルコニウムから成る前記薄肉シート２２に対する一次圧電体膜３２ａ（第１のペースト）の濡れの程度（濡れ性）に比して小さいことから、上面視にて（Ｚ軸正方向から見て）二次圧電体膜３２ｂの外周部が一次圧電体膜３２ａの外周部の外側にはみ出す部分が存在しない。従って、より一層、完成後の圧電体膜３２の外周部の形状のばらつきの程度が小さくなった。
【００５９】
本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上記実施形態においては、上述した圧電／電歪素子３０の製造工程における工程１にて作製した圧電体ペーストの粘度と工程５にて作製した圧電体ペーストの粘度とを等しくしているが、工程５にて作製した圧電体ペーストの粘度を工程１にて作製した圧電体ペーストの粘度よりも低く設定してもよい。この場合、工程５にて作製する圧電体ペースト全体に対する有機溶剤の（質量）割合を工程１にて作製する圧電体ペースト全体に対する有機溶剤の（質量）割合よりも大きく設定すればよい。これによれば、一次圧電体膜３２ａを形成するための圧電体ペーストの粘度を比較的高い値に設定することで同一次圧電体膜３２ａの膜厚を比較的大きく設定し易くなる。更に、二次圧電体膜３２ｂを形成するための圧電体ペーストの粘度を比較的低い値に設定することで二次圧電体膜３２ｂのレベリング、従って、一枚の圧電体膜３２全体としてのレベリングが確実に達成され易くなる。即ち、レベリングを確実に達成しつつ厚い圧電体膜３２を形成することができる。
【００６０】
また、上記実施形態においては、膜形成手法としてスクリーン印刷を用いて圧電体膜を形成しているが、ディッピング、塗布等の公知の他の厚膜形成手法を用いて圧電体膜を形成してもよい。また、上記実施形態においては、２枚の前駆膜（一次圧電体膜３２ａ及び二次圧電体膜３２ｂ）を積み重ねて圧電体膜３２を形成しているが、３枚以上の前駆膜を積み重ねて圧電体膜を形成してもよい。また、上記実施形態においては、本発明に係る膜形成方法を圧電体膜３２にのみ適用しているが、本発明に係る膜形成方法を、下部電極３１用の下部電極膜、及び／又は、上部電極３３用の上部電極膜に適用してもよい。
【００６１】
また、上記実施形態においては、圧電／電歪素子３０は、本発明による膜形成方法を適用して作製した１層の圧電体膜３２が下部電極３１と上部電極３３とにより挟まれた構造を有しているが、本発明による膜形成方法を適用して作製した複数層の圧電体膜と複数層の電極とを交互に多層にわたり積み重ねてなる構造を有するように構成してもよい。
【００６２】
図１０は、本発明の実施形態の変形例に係る膜形成方法を用いて作製した２層の圧電体膜を含む圧電／電歪素子を使用した圧電／電歪ユニットを図３（Ｂ）が示す断面と同一の断面にて示した図である。図１０において、図３（Ｂ）における各構成と対応する構成については、図３（Ｂ）における符号と同一の符号を付している。
【００６３】
図１０に示すように、この変形例では、薄肉シート２２の上面に、上記実施形態と同様に下部電極３１、圧電体膜３２、及び（上記実施形態における上部電極３３に相当する）中間電極３３をこの順に積み重ねた後、更にその上面に、圧電体膜３４、及び上部電極３５をこの順に積み重ねて２層の圧電体膜を含む圧電／電歪素子３０を作製している。圧電体膜３２及び圧電体膜３４は、共に、２枚の前駆膜を積み重ねることにより作製している。
【００６４】
より具体的に述べると、先ず、上述の実施形態と同様、下部電極３１用の下部電極膜を薄肉シート２２の上面にスクリーン印刷後、同下部電極膜を乾燥、焼成して下部電極３１を作製する。次に、前述の工程１〜９と同一の各工程を順に実行することで２枚の前駆膜を積み重ねて成る圧電体膜３２を下部電極３１の上面に作製する。次いで、中間電極３３用の中間電極膜を圧電体膜３２の上面にスクリーン印刷後、同中間電極膜を乾燥、焼成して中間電極３３を作製する。
【００６５】
続いて、前述の工程１〜９と同一の各工程を順に再び実行することで２枚の前駆膜を積み重ねて成る圧電体膜３４を中間電極３３の上面に作製する。最後に、上部電極３５用の上部電極膜を圧電体膜３４の上面にスクリーン印刷後、同上部電極膜を乾燥、焼成して上部電極３５を作製する。
【００６６】
ここで、下部電極３１は、圧電体膜３２、及び圧電体膜３４の形成前に形成されることから、圧電体膜３２の焼成温度と圧電体膜３４の焼成温度のうち高い方の温度と同等、若しくはそれ以上の温度に対する耐熱性を有する白金を主成分とする材料から成っていることが好ましい。また、中間電極３３は、圧電体膜３４の形成前に形成されることから、圧電体膜３４の焼成温度と同等、若しくはそれ以上の温度に対する耐熱性を有する白金を主成分とする材料から成っていることが好ましい。一方、上部電極３５は、圧電体膜３２、及び圧電体膜３４の形成後に形成されることから、圧電体膜３２の焼成温度と圧電体膜３４の焼成温度のうち低い方の温度より低い温度で形成可能な金を主成分とする材料から成っていることが好ましい。
【００６７】
なお、図１０に示された薄肉シート２２のＺ軸方向の変形は、圧電／電歪素子３０の前記各構成部品３１〜３５が順に焼成により作製されていく過程において発生するものであって、この変形形状は、上部電極３５が作製された後（従って、圧電／電歪素子３０全体が完成した後）の段階における形状である。ただし、薄肉シート２２は、前記各構成部品３１〜３５の焼成前の段階から図１０に示すようにＺ軸方向に変形していてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る膜形成方法を用いて作製した圧電体膜を含む圧電／電歪素子を使用した圧電／電歪ユニットの平面図である。
【図２】図１の１−１線に沿った平面にて圧電／電歪ユニットを切断した断面図である。
【図３】図３（Ａ）は図１に示した圧電／電歪素子の平面図、図３（Ｂ）は図３（Ａ）の２−２線に沿った平面にて圧電／電歪素子及び薄肉シートを切断した断面図、図３（Ｃ）は図３（Ａ）の３−３線に沿った平面にて圧電／電歪素子及び薄肉シートを切断した断面図である。
【図４】図１に示した圧電／電歪素子における下部電極を作製した後の状態を示す工程図である。
【図５】図１に示した圧電／電歪素子における圧電体膜を作製する際の過程の前半部（圧電体膜の前駆膜である一次圧電体膜を作製する際の過程）を示す工程図である。
【図６】図１に示した圧電／電歪素子における圧電体膜を作製する際の過程の後半部（圧電体膜の前駆膜である二次圧電体膜を作製する際の過程）を示す工程図である。
【図７】図１に示した圧電／電歪素子における上部電極を作製した後の状態（即ち、完成後の圧電／電歪素子）を示す工程図である。
【図８】図１に示した圧電／電歪素子における圧電体膜を作製する際の過程の一部である加熱・真空処理を行うための加熱真空装置の部分断面図を含む正面図である。
【図９】図１に示した圧電／電歪素子における圧電体膜の前駆体である圧電体ペーストの温度を変更した場合の各温度に対する同圧電体ペーストの粘度を測定した結果を示したグラフである。
【図１０】本発明の実施形態の変形例に係る膜形成方法を用いて作製した圧電体膜を含む圧電／電歪素子を使用した圧電／電歪ユニットの断面図である。
【図１１】図１１（ａ）は、ワークの表面上に、（Ｘ軸方向の）一辺の長さ（幅）がＷmaskの直方体状の比較的膜厚の大きい膜を大気中にて一回スクリーン印刷した直後における膜の平面図、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）の４−４線に沿った平面でワーク、及び膜を切断した断面図である。
【図１２】図１２（ａ）は、図１１に示した膜を、印刷後の所定時間に渡って加熱するとともに略真空にさらした後の時点における膜の平面図、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）の４−４線に沿った平面でワーク、及び膜を切断した断面図である。
【符号の説明】
１０…圧電／電歪ユニット、２０…基体部、２２…薄肉シート、３０…圧電／電歪素子、３１…下部電極、３２…圧電体膜、３２ａ…一次圧電体膜、３２ｂ…二次圧電体膜、３３…上部電極、４０…加熱真空装置[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a film forming method in which a film having a predetermined pattern is formed on a surface of a film forming body using a film forming method, and more particularly to a film forming method using a thick film forming method such as screen printing.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, when a film having a predetermined pattern is formed on the surface of a film forming body (work) using a thick film forming method such as screen printing, a bubble should not be included in the completed film. And, it is required that the surface (upper surface) of the completed film is flat.
[0003]
In order to prevent bubbles from being encapsulated in the completed film, the screen printing apparatus described in Non-Patent Document 1 includes a vacuum chamber that can be in a substantially vacuum state, and is in a substantially vacuum state. In a vacuum chamber, a predetermined pattern is screen-printed by extruding a predetermined paste from the opening of the mesh-like plate making with a squeegee and transferring the paste onto the surface of the workpiece. ing.
[0004]
According to this, even when bubbles are encapsulated in the paste at the time of production, such as by producing the paste in the atmosphere, etc., at the time before the start of screen printing by exposing the paste (surface) to a substantially vacuum Bubbles encapsulated in the paste can be removed (hereinafter, removing the bubbles may be referred to as “defoaming”), and the paste is completely defoamed before the start of screen printing. Even if it is not, since the paste (surface) continues to be exposed to a substantially vacuum over the time after the end of the screen printing after that point, it is included in the middle of the screen printing process. Air bubbles can be completely removed. Further, since the paste (the surface thereof) continues to be exposed to a substantially vacuum during the screen printing process, no new bubbles are mixed into the paste during the screen printing process. Therefore, it is possible to reliably achieve that bubbles are not included in the completed film.
[0005]
[Non-Patent Document 1]
New Long Seimitsu Kogyo Co., Ltd. vacuum screen printer
LS-340VC catalog (May 27, 2002 1st edition issued)
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, since the above conventional vacuum screen printing apparatus executes screen printing in a vacuum chamber, it has a relatively large structure such as a squeegee part itself necessary for executing screen printing and a table part itself for setting a work. The body needs to be placed in a vacuum chamber. Therefore, the volume of the vacuum chamber is increased. As a result, there is a problem that the time required for reducing the pressure in the vacuum chamber from atmospheric pressure to a pressure substantially equivalent to vacuum becomes longer and the entire printing apparatus becomes larger.
[0007]
Moreover, when the paste (surface) is exposed to a substantially vacuum, the boiling point of the organic solvent contained in the paste is lowered to adjust the viscosity of the paste, and the organic solvent is likely to evaporate. It becomes easy to change (rise) within a short time. Therefore, in addition to the need to shorten the paste replacement cycle, in the case of screen printing a plurality of times in the same pattern making process in the middle of a single screen printing process or multiple times in succession There is a high possibility that the viscosity of the paste changes (increases) between each screen printing process, and it is difficult to control the quality of the printed film (for example, the film thickness) uniformly.
[0008]
In addition, when screen printing a predetermined pattern film by extruding a predetermined paste from the opening of the mesh-shaped plate making with a squeegee, the surface of the film immediately after printing has irregularities (mesh traces) corresponding to the mesh pattern. Is inevitably formed. When the paste (film) is exposed to the atmosphere, the unevenness is eliminated within a short time by the paste flowing due to the action of gravity acting on the paste itself. As a result, the paste (film) The surface can be flattened (hereinafter, the surface (upper surface) of the membrane being flattened by the action of gravity may be referred to as “leveling”). However, when screen printing is performed using the above-described vacuum screen printing apparatus, there is a period in which a state in which the paste (film) is exposed to a substantially vacuum immediately after printing and the organic solvent easily evaporates continues. Therefore, there is a problem that leveling cannot be reliably achieved by forming a dry film on the paste surface during the period and curing the surface.
[0009]
On the other hand, in order to solve the various problems as described above, a film having a predetermined pattern is screen-printed on a work using a paste in the atmosphere, and the paste (film) is heated for a predetermined time and then substantially omitted. Techniques for exposure to vacuum are also known. According to this, the paste is exposed to a substantially vacuum, and the fluidity of the paste is improved due to a decrease in the viscosity of the paste due to heating. Air bubbles and bubbles newly mixed in the paste when the paste is printed on the workpiece during the screen printing process (and thus all bubbles contained in the paste) can be removed. Moreover, leveling can be more reliably achieved by improving the fluidity of the paste due to a decrease in the viscosity of the paste.
[0010]
However, in this technique, there is a problem that the degree of defoaming of the paste decreases as the film thickness of the printed paste (film) increases, and the degree of variation in the shape of the outer peripheral portion of the film increases. This point will be described below with reference to FIGS. 11 and 12.
[0011]
FIG. 11A shows that the length (width) of one side (in the X-axis direction) on the surface of the workpiece 100 is Wmask (that is, the length of one side in the rectangular opening formed in the plate making is Wmask). FIG. 11B is a plan view of the film 200 immediately after screen-printing a rectangular parallelepiped film 200 having a relatively large film thickness in the atmosphere using a predetermined paste. It is sectional drawing which cut | disconnected the workpiece | work and the film | membrane in the plane along 4 lines. As shown in FIG. 11B, the surface (upper surface) of the film 200 immediately after printing has irregularities (mesh marks) corresponding to the pattern of the mesh formed on the one side in the contour of the film 200. The width along the direction is Wmask. Further, in the film 200, there are bubbles 200a that are relatively close to the surface (upper surface) of the film 200 and relatively far from the surface of the film 200 (thus, relatively closer to the surface (upper surface) of the workpiece 100). The bubble 200b existing in the near position is included.
[0012]
FIG. 12 (a) is a plan view of the film 200 at a time after the film 200 shown in FIG. 11 is heated for a predetermined time after the printing and exposed to a substantially vacuum, and FIG. It is sectional drawing which cut | disconnected the workpiece | work and the film | membrane in the plane along 4-4 line of Fig.12 (a). As shown in FIG. 12B, the leveling is reliably achieved on the surface of the film 200 at this time by improving the fluidity of the paste (film) described above.
[0013]
Further, regarding the defoaming of the paste, the bubbles 200a existing at a position relatively close to the surface of the film 200 are removed because they easily escape from the surface into the vacuum, while at a position relatively far from the surface of the film 200. The existing bubbles 200b remain in the film 200 without being removed because they are difficult to be removed in a vacuum depending on the viscosity of the film (paste) 200. In other words, as the film thickness of the printed film increases, bubbles existing near the surface of the workpiece in the film are difficult to remove (thus, the degree of defoaming of the paste decreases).
[0014]
Further, at this time, as shown in FIGS. 12A and 12B, the outer peripheral portion of the film 200 is deformed in a direction spreading toward the outside of the film 200 in a plan view (viewed from the positive direction of the Z axis). (See the area indicated by a large number of fine dots in FIG. 12A). Hereinafter, in this specification, the deformation amount to the outside of the film from the time immediately after printing of the outer peripheral portion of the film when viewed from above the film is referred to as “a spread amount” (for example, FIG. 12A). (See w1 and w2 in (b).) This spread amount is an amount depending on the degree of wetting (wetting property) of the film (paste) with respect to the work determined based on the properties of the work (surface) and the film (surface).
[0015]
As shown in FIG. 12A, the spread amount inevitably varies depending on the position of the outer peripheral portion of the film 200. The degree of variation in the spread amount can be expressed by, for example, the difference between the maximum value and the minimum value of the spread amount for each side of the film 200 (for example, Δw1 and Δw2 in FIGS. 12A and 12B). The degree of variation in the spread amount (for example, Δw1, Δw2) has a relationship of increasing proportionally as the film thickness of the film 200 increases. In other words, as the thickness of the printed film increases, the degree of variation in the shape of the outer periphery of the film increases. As a result, when the film thickness is increased, the appearance of the film is liable to occur. For example, when the film is a precursor of a piezoelectric / electrostrictive element, the piezoelectric / electrostrictive element is expected. There is a high possibility that performance cannot be achieved.
[0016]
Accordingly, an object of the present invention is formed in a film forming method in which a film having a predetermined pattern is formed on a surface of a film forming body by a film forming method (particularly, a thick film forming method such as screen printing). Regardless of the thickness of the film, the degree of deaeration of the film can be kept high, the degree of variation in the shape of the outer periphery of the film can be reduced, and leveling on the film surface can be reliably achieved. It is to provide.
[0017]
SUMMARY OF THE INVENTION
In the film forming method of the present invention, a precursor film having a predetermined pattern is formed on the surface of the film-forming body using a first paste at a first temperature and a first pressure, and then the precursor film is formed. A first step of removing bubbles contained in at least the precursor film by exposure to a second temperature higher than the first temperature and a second pressure lower than the first pressure; After the new precursor film having the predetermined pattern is overlaid on the surface of the precursor film using the second paste under the first temperature and the first pressure, the new precursor film is formed. Exposing at least a third temperature higher than the first temperature and a third pressure lower than the first pressure to remove bubbles contained in at least the new precursor film. A second step performed at least once, and the predetermined step comprising a plurality of the precursor films Turn (one sheet, one layer of) a method for forming a film.
[0018]
Here, the first paste and the second paste may be the same paste (paste having the same composition (physical properties)). In this case, the first temperature and the first pressure are an atmospheric temperature (normal temperature) and an atmospheric pressure (normal pressure), respectively, and the second temperature and the third temperature are heating. It is preferable that the second pressure and the third pressure are pressures achieved using a vacuum pump (for example, a pressure substantially equivalent to a vacuum). Further, the second temperature and the third temperature may be the same temperature, and the second pressure and the third pressure may be the same pressure. Furthermore, in the first step, the precursor film is exposed to the second temperature and the second pressure to remove bubbles contained in the precursor film, and then the precursor film is dried. Is preferred. Similarly, in the second step, the precursor film is exposed to the third temperature and the third pressure to remove bubbles contained in the precursor film, and then the precursor film is dried. Is preferred.
[0019]
According to this, each time a plurality of precursor films are formed by a predetermined film formation technique (for example, screen printing) at a first temperature and a first pressure (for example, in the atmosphere), The formed precursor film (the precursor film positioned at the top of the stacked precursor films at that time) is then heated to a second (or third) temperature higher than the first temperature (for example, atmospheric air). And a second (or third) pressure lower than the first pressure (e.g., a pressure substantially equivalent to a vacuum). Therefore, as described above, the precursor film is exposed to the second (or third) pressure, and the precursor film is exposed to the second (or third) temperature. In combination with the improvement of the fluidity of the (first and second pastes), each time the precursor film is formed, the precursor film (precursor film located at the uppermost stage) formed in the same is formed. The encapsulated bubbles are removed. In addition, since the flowability of the precursor film is improved, leveling of the formed precursor film (precursor film located at the uppermost stage) is reliably achieved each time the precursor film is formed. The leveling of the (single) membrane can also be achieved reliably.
[0020]
In addition, since a plurality of precursor films of a predetermined pattern are stacked to form (complete) a film of the same pattern including the plurality of precursor films, each film of the precursor film The thickness is naturally smaller than the film thickness of the completed film. Accordingly, as described above, the degree of defoaming of each precursor film is improved, and the degree of variation in the shape of the outer peripheral portion of each precursor film is reduced. As a result, when a (single) film (finished film) having a predetermined film thickness is formed by stacking a plurality of precursor films as in the above method, a single film (single film) is used. Compared to the case of forming a film having the same film thickness, the degree of defoaming of the film (as a whole (single film) after completion) is improved and the shape of the outer periphery of the film is not uniform. The degree of becomes smaller. In other words, regardless of the thickness of the completed film, the degree of defoaming of the film can be maintained high, and the degree of variation in the shape of the outer peripheral portion of the film can be reduced.
[0021]
Also, the above film forming methodIn the first step, the degree of wetness of the first paste with respect to the film forming body in the first step is the second degree with respect to the precursor film (preferably, the precursor film after being dried) in the second step. Than the degree of paste wetnesslarge.According to this, the spread amount of the precursor film located on the lowermost stage formed on the surface (upper surface) of the film forming body among the stacked precursor films is the single number formed on the upper stage, Or it becomes larger than the spread amount of a plurality of precursor films. Therefore, the outer peripheral portion of the precursor film other than the precursor film positioned at the lowermost stage when viewed from the upper side of the film does not exist outside the outer peripheral portion of the precursor film positioned at the lowermost stage, and the outer peripheral portion of the film is further increased. The degree of variation in the shape of each can be reduced.
[0022]
In addition, the film forming methodIn, the viscosity of the second paste used in the second step is under the same temperature as the viscosity of the first paste used in the first stepLow.According to this, by setting the viscosity of the first paste for forming the precursor film located at the lowermost stage to a relatively high value, the film thickness of the precursor film located at the lowermost stage is set to be relatively large. It becomes easy. Further, by setting the viscosity of the second paste for forming a precursor film other than the precursor film positioned at the lowermost level to a relatively low value, the leveling of the precursor film positioned at the uppermost level, and thus the completed film Leveling is surely easily achieved. In other words, a thick (single) film can be formed while reliably achieving leveling.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the piezoelectric / electrostrictive unit 10 using a piezoelectric / electrostrictive element including a piezoelectric film manufactured using the film forming method according to the present invention will be described in detail. As shown in FIG. 1 which is a plan view of the piezoelectric / electrostrictive unit 10 and FIG. 2 which is a cross-sectional view of the piezoelectric / electrostrictive unit 10 cut along a plane along line 1-1 in FIG. The base portion 20 and the upper surface of the base portion 20 (a plane along the XY plane in the positive direction of the Z axis) have a substantially rectangular parallelepiped shape in which each side extends parallel to the X, Y, and Z axes orthogonal to each other. A plurality of (here, seven) piezoelectric / electrostrictive elements 30 are fixed.
[0024]
The base portion 20 includes a thick sheet 21 and a thin sheet 22, and includes a plurality (seven in this case) of chamber forming spaces 20a that open in the negative direction of the Z axis and are independent from each other. . Each of the plurality of chamber forming spaces 20a is formed in the thick sheet 21, and the long axis and the short axis are the side walls of the oval cutout portion along the Y axis direction and the X axis direction, respectively, and the thin sheet 22 This is a long space defined by the lower surface (a plane along the XY plane in the negative Z-axis direction).
[0025]
The piezoelectric / electrostrictive element 30 is a cross-sectional view in which the thin sheet 22 and the piezoelectric / electrostrictive element 30 are cut along a plane along line 2-2 in FIGS. 3A and 3A which is a plan view thereof. As shown in FIG. 3B, which is a sectional view of the thin sheet 22 and the piezoelectric / electrostrictive element 30 cut along a plane along line 3-3 in FIG. 3B and FIG. 3A. , The lower electrode 31, the piezoelectric film 32, and the upper electrode 33.
[0026]
The lower electrode 31 is formed on the thin sheet 22 so as to extend from right to left in FIGS. 3A and 3B so as to be a substantially rectangular thin plate in plan view (viewed from the positive direction of the Z axis). Is fixed (bonded by firing). The piezoelectric film 32 has a substantially rectangular thin plate shape in plan view, and has an outer peripheral (contour) portion fixed onto the thin sheet 22 and a central portion fixed onto the lower electrode 31 (bonded by firing). The upper electrode 33 has a substantially rectangular thin plate shape in plan view, and extends on the thin sheet 22 and the piezoelectric film 32 in a shape extending from left to right in FIGS. Are fixed (bonded by firing) so as to face each other. As a result, the piezoelectric film 32 is formed between the upper electrode 33 and the lower electrode 31 at a portion where the upper electrode 33 and the lower electrode 31 overlap in a plan view (the hatched portion in FIG. 3A). It is sandwiched between. As described above, the piezoelectric / electrostrictive element 30 has a structure in which a single piezoelectric film 32 is sandwiched between the lower electrode 31 and the upper electrode 33.
[0027]
Further, as shown in FIG. 1, the piezoelectric / electrostrictive element 30 is slightly smaller than each chamber forming space 20a in a plan view (viewed from the positive direction of the Z axis), and the chamber forming space 20a in the same plan view. It is arrange | positioned inside. 1 and 3A, each piezoelectric / electrostrictive element 30 has a length L (length along the Y axis) of 1 mm and a width W (length along the X axis) of 0. .3 mm. With the above configuration, when a predetermined drive voltage is applied between the upper electrode 31 and the lower electrode 33 by an electric control device (drive voltage signal generator) (not shown), the overlapping portion of the piezoelectric film 32 (FIG. 3). An electric field is applied to the hatched portion (A) to generate a force that deforms the thin sheet 22, and as a result, the volume of the chamber forming space 20a changes according to the drive voltage. It has become.
[0028]
The thick sheet 21 and the thin sheet 22 of the base part 20 may be made of ceramic. From the viewpoint of excellent heat resistance, scientific stability, and insulation, such ceramics are stabilized zirconium oxide, partially stabilized zirconium oxide, aluminum oxide, magnesium oxide, mullite, aluminum nitride, silicon nitride, And at least one component selected from the group consisting of glass, and among them, the partially stabilized zirconium oxide is included from the viewpoint of high mechanical strength and excellent toughness. Is particularly preferred.
[0029]
The piezoelectric film 32 of the piezoelectric / electrostrictive element 30 only needs to be made of a material that can exhibit a piezoelectric / electrostrictive effect. For example, PZT (PbZrO_Three-PbTiO_Three) Based materials, materials disclosed in JP-A No. 2002-217464 or JP-A No. 2002-217465, etc.
[0030]
The material of the lower electrode 31 and the upper electrode 33 of the piezoelectric / electrostrictive element 30 includes at least one component selected from the group consisting of gold, platinum, palladium, rhodium, silver, and alloys thereof. Materials. Here, since the lower electrode 31 is formed before the formation of the piezoelectric film 32 as will be described later, platinum having heat resistance to a temperature equal to or higher than the firing temperature of the piezoelectric film 32 is mainly used. It is preferable to consist of the material used as a component. On the other hand, since the upper electrode 33 is formed after the formation of the piezoelectric film 32 as will be described later, the upper electrode 33 is made of a material mainly composed of gold that can be formed at a temperature lower than the firing temperature of the piezoelectric film 32. It is preferable.
[0031]
Next, the manufacturing process of the piezoelectric / electrostrictive element 30 described above will be described. The piezoelectric / electrostrictive element 30 is provided on each of the upper portions of the base portion 20 made of zirconium oxide (accordingly, the upper surface of the thin sheet 22) and corresponding to the chamber forming space 20a (seven locations). Produced. Hereinafter, this manufacturing process will be described with reference to FIGS. 4 to 7 are process diagrams showing the process of manufacturing the piezoelectric / electrostrictive element 30 in the same cross section as that shown in FIG. In addition, here, only one piezoelectric / electrostrictive element 30 among the respective piezoelectric / electrostrictive elements 30 will be described and described, but the same applies to the other piezoelectric / electrostrictive elements 30.
[0032]
First, the lower electrode 31 is produced. The lower electrode 31 is made of a platinum paste made of platinum (Pt) powder having a predetermined particle size, a predetermined organic binder, and a predetermined organic solvent, and a lower electrode film for the lower electrode 31 is formed on the upper surface of the thin sheet 22 by a predetermined amount. It is formed by screen printing at this point, and this lower electrode film is put in a drying furnace and dried at 120 ° C. for 5 minutes, and then the lower electrode film is put in a baking furnace and fired at 1350 ° C. for 2 hours. To do. FIG. 4 shows the completed lower electrode 31. The film thickness of the lower electrode 31 after completion is about 3 μm.
[0033]
Next, a piezoelectric body composed of two (two layers) precursor films at predetermined locations on the upper surface of the lower electrode 31 thus completed (and the upper surface of the thin sheet 22) using the film forming method according to the present invention. A film 32 is produced. As this manufacturing process, the following was adopted.
[0034]
Step 1: Material mainly composed of lead zirconate titanate (PZT) with a predetermined particle size (PbZrO)_Three-PbTiO_Three-Pb (Mg1 / 3 Nb2 / 3) O_Three), An organic binder mainly composed of polyvinyl butyral, and an organic solvent that is a mixture of α-terpineol and 2-ethylhexanol in the air at a predetermined ratio, and kneaded in a tri-roll mill. A piezoelectric paste (first paste) that is a precursor of the piezoelectric film 32 is produced.
[0035]
Step 2: Using this piezoelectric paste, as shown in FIG. 5 (a), the primary piezoelectric film 32a (precursor film) for the piezoelectric film 32 is screen-printed using the plate making for producing the piezoelectric film 32. Thus, it is formed on the upper surface of the lower electrode 31 (and the upper surface of the thin sheet 22) in the atmosphere (at a first temperature and a first pressure). The film thickness at the time of printing is about 8 μm. The width (length along the X axis) Wmask of the primary piezoelectric film 32a at the time of printing (that is, the length of the corresponding side in the rectangular opening formed in the plate making for forming the piezoelectric film 32) is: The completed piezoelectric film 32 is narrower than the width W by an amount corresponding to the spread amount. At this time, the upper surface of the primary piezoelectric film 32a has irregularities (mesh marks) corresponding to the mesh pattern of the plate making for forming the piezoelectric film 32, and in the primary piezoelectric film 32a Air bubbles are mixed in.
[0036]
Step 3: Heating / vacuum processing is performed on the base portion 20 to which the primary piezoelectric film 32a is adhered using the heating vacuum device 40 shown in FIG. Here, the schematic configuration of the heating vacuum apparatus 40 will be briefly described. The heating vacuum apparatus 40 has a main body 41 provided with a table 41a on the upper surface thereof for placing the base body portion 20 and a fulcrum portion 41b of the main body 41 as fulcrums. A lid 42 that can be opened and closed, an O-ring 43 accommodated in an O-ring groove 43c formed in the main body 41, and a ceramic heater 44 that is disposed inside the main body 41 and that heats the table 41a. It is out. The ceramic heater 44 is electrically connected to a heater control device (not shown) via the

electric cords

44a and 44a, and the surface temperature of the ceramic heater 44 and thus the table 41a can be controlled by controlling the heater control device. It has become. When the lid 42 is closed, a vacuum chamber S defined by the upper surface of the main body 41 including the table 41a, the lower surface of the lid 42, and the O-ring 43 is formed. The vacuum chamber S is connected to a vacuum pump (not shown) through

communication holes

41d and 41d and

tubes

45 and 45 formed in the main body 41. By controlling the vacuum pump, the pressure in the vacuum chamber S is substantially reduced. The pressure can be reduced to a pressure corresponding to a vacuum.
[0037]
Next, the heating / vacuum treatment will be specifically described. First, the lid 42 of the heating vacuum apparatus 40 disposed in the atmosphere is opened, and the primary piezoelectric film is placed on the table 41a whose surface temperature is set to 50 ° C. The base body portion 20 to which 32a is attached is placed and held in this state for 15 seconds (heat treatment). Thereafter, the lid 42 is closed and the vacuum pump is controlled to make the inside of the vacuum chamber S substantially vacuum (vacuum chamber pressure: 4 Kpa), and this state is maintained for 3 seconds (vacuum processing). Such heating / vacuum treatment (that is, the primary piezoelectric film 32a (and the secondary piezoelectric film 32b described later) is subjected to the second (or third) temperature and the second (or third) pressure. By the exposure process), the primary piezoelectric film 32a is exposed to a substantially vacuum and its fluidity is improved by heating. As a result, as shown in FIG. 5B, the bubbles in the primary piezoelectric film 32a are completely removed, and the leveling of the primary piezoelectric film 32a is reliably achieved, and the irregularities disappear.
[0038]
In this state, the width (length along the X axis) of the primary piezoelectric film 32a shown in FIG. 5B is a value obtained by adding the left spread amount wa1 and the right spread amount wa2 to the Wmask. This value is substantially equal to the width W of the completed piezoelectric film 32 (actually, a value corresponding to the shrinkage due to the subsequent drying and firing processes). The spread amounts wa1 and wa2 are determined by the properties of the thin sheet 22 made of zirconium oxide and the primary piezoelectric film 32a (that is, the piezoelectric paste), and the wetting of the primary piezoelectric film 32a on the thin sheet 22 is determined. Depends on the degree (wetting). In this case, since the degree of wetting (wetting property) of the primary piezoelectric film 32a with respect to the thin sheet 22 is relatively high, the spread amounts wa1 and wa2 are relatively large values.
[0039]
Step 4: The primary piezoelectric film 32a after heating / vacuum treatment (actually, the base portion 20 to which the primary piezoelectric film 32a is attached) is placed in a drying furnace and dried at 120 ° C. for 5 minutes (drying process).
[0040]
Step 5: In the same manner as in the above step 1, the same piezoelectric paste (second paste) as the piezoelectric paste produced in the step 1 is produced.
[0041]
Step 6: Using this piezoelectric paste, the secondary piezoelectric film 32b ((new) precursor film) for the piezoelectric film 32 is formed as shown in FIG. The upper surface of the primary piezoelectric film 32a is overlaid on the upper surface of the primary piezoelectric film 32a by screen printing using the same plate making for making the piezoelectric film 32 used in step 2. The film thickness at the time of printing is about 3 μm. The width (the length along the X axis) of the secondary piezoelectric film 32b at the time of printing is the Wmask as in the step 2. At this time, the upper and lower surfaces of the secondary piezoelectric film 32b have irregularities (mesh marks) corresponding to the mesh pattern of the plate making for forming the piezoelectric film 32, and the secondary piezoelectric film 32b. There are air bubbles inside.
[0042]
Step 7: The heating / vacuum process similar to the above-described Step 3 is performed on the base portion 20 to which the secondary piezoelectric film 32b is adhered using the heating vacuum device 40 described above. That is, first, the lid 42 of the heating vacuum apparatus 40 is opened, and the base portion 20 with the secondary piezoelectric film 32b attached is placed on the table 41a whose surface temperature is set to 50 ° C. (third temperature). For 15 seconds (heat treatment). Thereafter, the lid 42 is closed and the vacuum pump is controlled to make the inside of the vacuum chamber S a substantially vacuum (pressure in the vacuum chamber (third pressure): 4 Kpa), and this state is maintained for 3 seconds (vacuum processing). By such heating / vacuum treatment, the secondary piezoelectric film 32b is exposed to a substantially vacuum and its fluidity is improved by heating. As a result, as shown in FIG. 6B, the bubbles in the secondary piezoelectric film 32b are completely removed, the leveling of the secondary piezoelectric film 32b is reliably achieved, and the unevenness disappears.
[0043]
In this state, the width (the length along the X axis) of the secondary piezoelectric film 32b shown in FIG. 6B is a value obtained by adding the left spreading amount wb1 and the right spreading amount wb2 to the Wmask. W1 that is. The spread amounts wb1 and wb2 are determined based on the properties of the primary piezoelectric film 32a and the secondary piezoelectric film 32b (that is, the piezoelectric paste) after the drying process. It depends on the degree of wetting (wetting property) of the secondary piezoelectric film 32b with respect to 32a. In this case, the degree of wetting (wetting) of the secondary piezoelectric film 32b with respect to the primary piezoelectric film 32a after the drying treatment is the degree of wetting (wetting) of the primary piezoelectric film 32a with respect to the thin sheet 22 (film forming body). The spread amounts wb1 and wb2 are smaller than the spread amounts wa1 and wa2, respectively. That is, the width W1 is smaller than the width W. Accordingly, there is no portion where the outer peripheral portion of the secondary piezoelectric film 32b protrudes outside the outer peripheral portion of the primary piezoelectric film 32a when viewed from the top (viewed from the positive direction of the Z axis) (very unlikely). .
[0044]
Step 8: The secondary piezoelectric film 32b after heating / vacuum treatment (actually, the base portion 20 with the secondary piezoelectric film 32b attached) is placed in a drying furnace and dried at 120 ° C. for 5 minutes (drying process). ).
[0045]
Step 9: In this way, the piezoelectric film 32 (actually, the base portion 20 to which the piezoelectric film 32 is attached) is formed by stacking the secondary piezoelectric film 32b on the upper surface (on the surface) of the primary piezoelectric film 32a. It puts into a baking furnace and bakes at 1300 degreeC-2h (baking process).
In this way, as shown in FIG. 6B, one (one layer) piezoelectric film 32 was produced by two layers (precursor) films (two screen printings). The film thickness T of the completed piezoelectric film 32 is about 8 μm.
[0046]
Next, the upper electrode 33 is formed at a predetermined location on the upper surface of the piezoelectric film 32 thus completed (and the upper surface of the thin sheet 22). The upper electrode 33 is made of gold (Au) powder having a predetermined particle diameter, a predetermined organic binder, and a gold paste made of a predetermined organic solvent, and the upper electrode film for the upper electrode 33 is formed on the upper surface of the piezoelectric film 32 (see FIG. And the upper electrode film is put into a drying furnace and dried at 120 ° C. for 5 minutes, and then the upper electrode film is put into a baking furnace at 800 ° C. for 2 hours. It is produced by firing at Thus, the upper electrode 33 was produced as shown in FIG. The film thickness of the upper electrode 33 after completion is about 0.5 μm. The piezoelectric / electrostrictive element 30 was produced as described above.
[0047]
Next, FIG. 9 shows the grounds for setting the surface temperature of the table 41a to 50 ° C. in the heating / vacuum treatment performed in the steps 3 and 7 in the manufacturing process of the piezoelectric / electrostrictive element 30 described above. It explains using. FIG. 9 shows the viscosity of the piezoelectric paste with respect to each temperature when the temperature of the same piezoelectric paste as the piezoelectric paste produced in the steps 1 and 5 in the manufacturing process of the piezoelectric / electrostrictive element 30 described above is changed. It is the graph which showed the result of having measured.
[0048]
The viscosity of the piezoelectric paste with respect to each temperature is measured by repeatedly performing the same process as the heating / vacuum process while sequentially changing the surface temperature of the table 41a. The specific measurement method is as follows.
1; The surface temperature of the table 41a of the heating vacuum device 40 is set to a predetermined temperature (20 to 80 ° C.).
2; Open the lid 42 and place a predetermined container containing the piezoelectric paste prepared in the air on the table 41a.
3; Hold for 15 seconds in this state.
4; The lid 42 is closed and the vacuum pump is controlled to make the vacuum chamber S substantially vacuum (pressure in the vacuum chamber: 4 Kpa), and this state is maintained for 3 seconds.
5: Immediately after that, the lid 42 is opened, and the viscosity of the piezoelectric paste (particularly near the surface) is measured.
6: The surface temperature (predetermined temperature) of the table 41a is appropriately changed, and steps 1 to 5 are repeated a predetermined number of times.
[0049]
Specific measurement conditions for measuring the viscosity of the piezoelectric paste are as follows.
Viscometer: B-type viscometer manufactured by Toki Sangyo Co., Ltd.
Corn: R-14
Sample volume: 2.5ml
Shear rate: 0.2 sec^-1
[0050]
As shown in FIG. 9, when the surface temperature of the table 41a is lower than about 50 ° C., the viscosity of the piezoelectric paste decreases as the surface temperature (and thus the temperature of the piezoelectric paste) increases (arrows). See A). On the other hand, when the surface temperature of the table 41a is higher than about 50 ° C., the viscosity of the piezoelectric paste increases as the surface temperature (and hence the temperature of the piezoelectric paste) increases (see arrow B). .) That is, when the surface temperature of the table 41a is approximately 50 ° C., the viscosity of the piezoelectric paste is the lowest. This is because, at temperatures exceeding about 50 ° C., the degree of evaporation of the organic solvent in the piezoelectric paste suddenly increases as the temperature increases, and the composition of the piezoelectric paste itself changes greatly. This is based on the fact that the solvent evaporates from the vicinity of the surface of the piezoelectric paste to form a relatively hard (high viscosity) dry film on the surface.
[0051]
On the other hand, in order to remove bubbles contained in the piezoelectric paste, it is preferable that the piezoelectric paste has higher fluidity (and therefore lower viscosity). Therefore, in order to surely defoam the piezoelectric paste, the surface temperature of the table 41a (accordingly, the temperature of the piezoelectric paste) is set within a predetermined range including 50 ° C. (for example, 40 to 60 ° C.). It can be said that it is preferable. The above is the grounds for setting the surface temperature of the table 41a to 50 ° C. in the heating / vacuum processing described above.
[0052]
Next, a test for confirming the effect of performing the heating / vacuum treatment and the effect of setting the surface temperature of the table 41a to 50 ° C. in the heating / vacuum treatment and results thereof will be described. Specifically, a test product of the piezoelectric / electrostrictive element 30 is prepared under the following conditions of NO1 to NO4, and a voltage of 100 V is applied between the upper electrode 33 and the lower electrode 31 of each test product to apply piezoelectricity. Whether or not bubbles remained in the piezoelectric film 32 was determined based on whether or not dielectric breakdown occurred in the piezoelectric film 32 when the body film 32 was polarized. Whether or not dielectric breakdown occurred in the piezoelectric film 32 was determined by visually confirming whether or not the upper electrode 33 was damaged due to a short circuit generated in the piezoelectric film 32.
[0053]
The conditions of said NO1-NO4 are as follows.
NO1: The above-described manufacturing process of the piezoelectric / electrostrictive element 30 is performed without executing the heating / vacuum treatment (that is, the steps 1 and 9 are performed by omitting the steps 3 and 7).
NO2: The surface temperature of the table 41a is set to 50 ° C. during execution of the heating / vacuum treatment (step 3 or step 7) (therefore, the steps 1 to 9 are executed under the same conditions as in the above example) .
NO3: The same condition as NO2.
NO4: The surface temperature of the table 41a during execution of the heating / vacuum treatment (step 3 or step 7) is set to 65 ° C., and steps 1 to 9 are executed.
The results of this test are shown in Table 1 below.
[0054]
[Table 1]

[0055]
As shown in Table 1, when the heating / vacuum treatment is not executed (NO1) and when the heating / vacuum treatment is executed at 65 ° C. (NO4), dielectric breakdown occurs in the piezoelectric film 32. It can be seen that bubbles remained in the piezoelectric film 32. On the other hand, when heating / vacuum treatment was performed at 50 ° C. (NO 2, NO 3), dielectric breakdown did not occur in the piezoelectric film 32, and degassing in the piezoelectric film 32 was reliably performed. I understand that.
[0056]
As described above, according to the film forming method according to the embodiment of the present invention, when the single piezoelectric film 32 is manufactured, first, the primary piezoelectric film 32a as the precursor film is formed, After performing defoaming and leveling of the primary piezoelectric film 32a by performing heating and vacuum processing, the drying process is performed to dry the primary piezoelectric film 32a. Next, a secondary piezoelectric film 32b, which is a precursor film of the piezoelectric film 32, is formed on the upper surface of the primary piezoelectric film 32a, and the heating / vacuum treatment is performed again to remove the secondary piezoelectric film 32b. After performing foaming and leveling, the drying process is performed again to dry the secondary piezoelectric film 32b. Therefore, bubbles contained in one piezoelectric film 32 formed by stacking two precursor films of the primary piezoelectric film 32a and the secondary piezoelectric film 32b can be effectively removed, and the piezoelectric film Leveling of the body membrane 32 was reliably achieved.
[0057]
In addition, the two films of the primary piezoelectric film 32a and the secondary piezoelectric film 32b are stacked to form (complete) one piezoelectric film 32, so that the primary piezoelectric film 32a and the secondary piezoelectric film are formed. Naturally, the film thickness of each of the films 32 b is thinner than the film thickness of the piezoelectric film 32. Therefore, the degree of defoaming of the piezoelectric film 32 is improved as compared with the case where the piezoelectric film 32 having the same film thickness is formed by one film (one film), and the piezoelectric film 32 has The degree of variation in the shape of the outer peripheral portion was reduced.
[0058]
The degree of wetting (wetting) of the secondary piezoelectric film 32b (second paste) with respect to the primary piezoelectric film 32a after the drying treatment is determined according to the primary piezoelectric film 32a (first property) with respect to the thin sheet 22 made of zirconium oxide. 1), the outer peripheral portion of the secondary piezoelectric film 32b is the outer periphery of the primary piezoelectric film 32a when viewed from above (as viewed from the positive direction of the Z axis). There is no part that protrudes outside the part. Therefore, the degree of variation in the shape of the outer peripheral portion of the completed piezoelectric film 32 is further reduced.
[0059]
The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be employed within the scope of the present invention. For example, in the above embodiment, the viscosity of the piezoelectric paste produced in step 1 in the manufacturing process of the piezoelectric / electrostrictive element 30 described above is equal to the viscosity of the piezoelectric paste produced in step 5. The viscosity of the piezoelectric paste produced in step 5 may be set lower than the viscosity of the piezoelectric paste produced in step 1. In this case, the (mass) ratio of the organic solvent to the entire piezoelectric paste produced in step 5 may be set larger than the (mass) ratio of the organic solvent to the entire piezoelectric paste produced in process 1. According to this, by setting the viscosity of the piezoelectric paste for forming the primary piezoelectric film 32a to a relatively high value, it becomes easy to set the film thickness of the primary piezoelectric film 32a to be relatively large. Furthermore, by setting the viscosity of the piezoelectric paste for forming the secondary piezoelectric film 32b to a relatively low value, the leveling of the secondary piezoelectric film 32b, and therefore the leveling of the entire piezoelectric film 32 is achieved. Is surely easily achieved. That is, the thick piezoelectric film 32 can be formed while reliably achieving leveling.
[0060]
In the above embodiment, the piezoelectric film is formed by screen printing as the film forming technique. However, the piezoelectric film is formed by using another known thick film forming technique such as dipping or coating. Also good. In the above embodiment, the piezoelectric film 32 is formed by stacking two precursor films (the primary piezoelectric film 32a and the secondary piezoelectric film 32b). However, three or more precursor films are stacked. A piezoelectric film may be formed. In the above embodiment, the film forming method according to the present invention is applied only to the piezoelectric film 32. However, the film forming method according to the present invention is applied to the lower electrode film for the lower electrode 31, and / or The present invention may be applied to the upper electrode film for the upper electrode 33.
[0061]
In the above embodiment, the piezoelectric / electrostrictive element 30 has a structure in which a single piezoelectric film 32 manufactured by applying the film forming method according to the present invention is sandwiched between the lower electrode 31 and the upper electrode 33. However, it may be configured to have a structure in which a plurality of layers of piezoelectric films and electrodes formed by applying the film forming method according to the present invention are alternately stacked in multiple layers.
[0062]
FIG. 10 shows a piezoelectric / electrostrictive unit using a piezoelectric / electrostrictive element including a two-layer piezoelectric film manufactured by using a film forming method according to a modification of the embodiment of the present invention. It is the figure shown in the same cross section as the shown cross section. In FIG. 10, components corresponding to those in FIG. 3B are denoted by the same reference numerals as those in FIG.
[0063]
As shown in FIG. 10, in this modification, the lower electrode 31, the piezoelectric film 32, and the intermediate electrode 33 (corresponding to the upper electrode 33 in the above embodiment) are formed on the upper surface of the thin sheet 22 as in the above embodiment. Are stacked in this order, and the piezoelectric film 34 and the upper electrode 35 are further stacked in this order on the upper surface to produce the piezoelectric / electrostrictive element 30 including two layers of piezoelectric films. Both the piezoelectric film 32 and the piezoelectric film 34 are produced by stacking two precursor films.
[0064]
More specifically, first, similarly to the above-described embodiment, after the lower electrode film for the lower electrode 31 is screen-printed on the upper surface of the thin sheet 22, the lower electrode film is dried and fired to produce the lower electrode 31. To do. Next, the piezoelectric film 32 formed by stacking two precursor films is formed on the upper surface of the lower electrode 31 by sequentially executing the same processes as the above-described processes 1 to 9. Next, after the intermediate electrode film for the intermediate electrode 33 is screen-printed on the upper surface of the piezoelectric film 32, the intermediate electrode film is dried and fired to produce the intermediate electrode 33.
[0065]
Subsequently, the same processes as the above-described processes 1 to 9 are performed again in order, so that a piezoelectric film 34 formed by stacking two precursor films is formed on the upper surface of the intermediate electrode 33. Finally, after the upper electrode film for the upper electrode 35 is screen-printed on the upper surface of the piezoelectric film 34, the upper electrode film is dried and fired to produce the upper electrode 35.
[0066]
Here, since the lower electrode 31 is formed before the piezoelectric film 32 and the piezoelectric film 34 are formed, the higher one of the firing temperature of the piezoelectric film 32 and the firing temperature of the piezoelectric film 34 It is preferably made of a material whose main component is platinum that has heat resistance to the same or higher temperature. Further, since the intermediate electrode 33 is formed before the piezoelectric film 34 is formed, the intermediate electrode 33 is made of a material mainly composed of platinum having heat resistance to a temperature equal to or higher than the firing temperature of the piezoelectric film 34. It is preferable. On the other hand, since the upper electrode 35 is formed after the formation of the piezoelectric film 32 and the piezoelectric film 34, the temperature is lower than the lower one of the firing temperature of the piezoelectric film 32 and the firing temperature of the piezoelectric film 34. It is preferable that it consists of the material which has gold as a main component which can be formed by.
[0067]
Note that the deformation in the Z-axis direction of the thin sheet 22 shown in FIG. 10 occurs in the process in which the respective component parts 31 to 35 of the piezoelectric / electrostrictive element 30 are sequentially manufactured by firing, This deformed shape is a shape in a stage after the upper electrode 35 is manufactured (therefore, after the entire piezoelectric / electrostrictive element 30 is completed). However, the thin sheet 22 may be deformed in the Z-axis direction as shown in FIG. 10 from the stage before firing each of the component parts 31 to 35.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view of a piezoelectric / electrostrictive unit using a piezoelectric / electrostrictive element including a piezoelectric film manufactured using a film forming method according to an embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional view of a piezoelectric / electrostrictive unit cut along a plane along line 1-1 in FIG.
3A is a plan view of the piezoelectric / electrostrictive element shown in FIG. 1, and FIG. 3B is a plan view along the line 2-2 of FIG. 3A. FIG. 3C is a cross-sectional view of the element and the thin sheet, and FIG. 3C is a cross-sectional view of the piezoelectric / electrostrictive element and the thin sheet cut along a plane 3-3 in FIG.
FIG. 4 is a process diagram showing a state after a lower electrode in the piezoelectric / electrostrictive element shown in FIG. 1 is manufactured.
5 is a diagram showing a first half of a process for manufacturing a piezoelectric film in the piezoelectric / electrostrictive element shown in FIG. 1 (process for manufacturing a primary piezoelectric film that is a precursor film of a piezoelectric film). FIG.
6 shows the latter half of the process for producing a piezoelectric film in the piezoelectric / electrostrictive element shown in FIG. 1 (process for producing a secondary piezoelectric film as a precursor film of the piezoelectric film). It is process drawing.
7 is a process diagram showing a state after an upper electrode is manufactured in the piezoelectric / electrostrictive element shown in FIG. 1 (that is, a completed piezoelectric / electrostrictive element). FIG.
8 is a front view including a partial cross-sectional view of a heating vacuum apparatus for performing a heating / vacuum process, which is a part of a process for producing a piezoelectric film in the piezoelectric / electrostrictive element shown in FIG. 1; .
9 is a graph showing the results of measuring the viscosity of the piezoelectric paste for each temperature when the temperature of the piezoelectric paste, which is the precursor of the piezoelectric film in the piezoelectric / electrostrictive element shown in FIG. 1, is changed. It is.
FIG. 10 is a cross-sectional view of a piezoelectric / electrostrictive unit using a piezoelectric / electrostrictive element including a piezoelectric film manufactured using a film forming method according to a modification of the embodiment of the present invention.
FIG. 11 (a) is a drawing showing a rectangular parallelepiped film having a relatively long thickness (width in one side in the X-axis direction) of Wmask (on the X-axis direction) once on the surface of the workpiece in the atmosphere. FIG. 11B is a cross-sectional view of the work and the film cut along a plane along line 4-4 in FIG. 11A.
FIG. 12 (a) is a plan view of the film after heating the film shown in FIG. 11 for a predetermined time after printing and exposing it to a substantially vacuum, and FIG. 12 (b) is a plan view of the film. It is sectional drawing which cut | disconnected the workpiece | work and the film | membrane in the plane along 4-4 line of Fig.12 (a).
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Piezoelectric / electrostrictive unit, 20 ... Base part, 22 ... Thin sheet, 30 ... Piezoelectric / electrostrictive element, 31 ... Lower electrode, 32 ... Piezoelectric film, 32a ... Primary piezoelectric film, 32b ... Secondary piezoelectric substance Membrane 33 ... Upper electrode 40 ... Heating vacuum device

Claims

After forming a precursor film having a predetermined pattern using a first paste on the surface of the film forming body at a first temperature and under a first pressure, the precursor film is higher than the first temperature. A first step of removing bubbles contained in at least the precursor film by exposing to a second temperature and a second pressure lower than the first pressure;
After the first step, a new precursor film having a predetermined pattern is formed by using a second paste on the surface of the precursor film at the first temperature and the first pressure. Then, by exposing the new precursor film to a third temperature higher than the first temperature and a third pressure lower than the first pressure, at least the new precursor film is included in the new precursor film. A second step of performing the step of removing the air bubbles at least once;
In a film forming method for forming a film of the predetermined pattern composed of a plurality of the precursor films ,
The degree of wetting of the first paste with respect to the film forming body in the first step is greater than the degree of wetting of the second paste with respect to the precursor film in the second step,
The film forming method according to claim 1, wherein the viscosity of the second paste used in the second step is lower than the viscosity of the first paste used in the first step under the same temperature.

The film forming method according to claim 1 ,
The first temperature and the first pressure are an atmospheric temperature and an atmospheric pressure, respectively. The second temperature and the third temperature are temperatures achieved by heating, and the second temperature. And the third pressure is a film forming method achieved by using a vacuum pump.

The film forming method according to claim 1 or 2,
After the second step, a film having the predetermined pattern composed of the plurality of precursor films that has not yet been fired is fired at a temperature higher than the second temperature and the third temperature. A film forming method comprising three steps.