JPH07235708A - 圧電／電歪膜型素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】作動部を高密度化した場合でも不良発生率を増
大させることなく、又信頼性や生産性を大きく低下させ
ることもなく、セラミック基板と圧電／電歪作動部との
一体化のための熱処理を行なっても、圧電／電歪材料の
材料特性の低下率が小さい圧電／電歪膜型素子を提供す
ること。 【構成】窓部５と、適宜長さの第１の溝６ａが形成され
たグリーンシート状態の第１のセラミック部材８と、前
記窓部５及び第１の溝６ａを閉塞するグリーンシート状
態の第２のセラミック部材４とを積層するとともに焼成
一体化してセラミック基板を形成し、次にそのセラミッ
ク基板の閉塞された各窓部の底部外表面上に圧電／電歪
作動部２を前記セラミック基板と焼成一体化して形成
し、その後、セラミック基板の厚肉部外表面上から前記
各第１の溝に連通する第２の溝６ｂをそれぞれ形成する
ことを特徴とする圧電／電歪膜型素子の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、フィルター、加速度セ
ンサや衝撃センサ等の各種センサ、トランス、マイクロ
ホン、発音体（スピーカー等）、動力用や通信用の振動
子や発振子の他、ディスプレイや内野研二著（日本工業
技術センター編）「圧電／電歪アクチュエータ基礎から
応用まで」（森北出版）に記載のリレー、サーボ変位素
子等に用いられるユニモルフ型の屈曲変位を発生させる
タイプのアクチュエータ等、電気エネルギーを機械エネ
ルギーに変換、即ち機械的な変位又は応力又は振動に変
換を行なう、並びにその逆の変換を行なう圧電／電歪膜
型素子に関するものである。又、本発明によって製造さ
れる素子は、圧電／電歪特性の他、誘電性も有している
ので、膜状のコンデンサ素子等としても用いることがで
きる。

【０００２】

【従来の技術】近年、光学や精密加工等の分野におい
て、サブミクロンのオーダーで光路長や位置を調整する
変位素子や微小変位を電気的変化として検知する検出素
子が所望されるようになってきており、これに応えるも
のとして強誘電体等の圧電／電歪材料に電界を加えた時
に起こる逆圧電効果や電歪効果に基づく変位或はその逆
の現象を利用した素子の開発が進められている。

【０００３】そのような分野の中で、アクチュエータ等
においては、素子の構造として、従来から知られている
ユニモルフ型の屈曲変位タイプが好適に採用されてお
り、プリンタの印字品質・印字速度等の向上の要求に応
えるため、素子の小型高密度化、低電圧作動化、高速応
答化を図るための開発が進められている。

【０００４】そのような特性を改善するには、素子の振
動板となる基板の肉厚を薄くすることが重要と考え、本
願出願人は、先の出願（特開平5-49270 号）において、
空孔部乃至欠如部を有する第１のセラミック基板と、薄
肉で平板状の第２の基板をグリーンシートの状態で積層
し、空孔部乃至欠如部の閉塞によって形成された凹部の
外表面上に圧電／電歪作動部（以下、作動部と略称す
る）を形成し、振動板となる部分のみを薄肉とした圧電
／電歪アクチュエータを提案した。このような構造によ
れば、アクチュエータとして機能する部分のみが薄肉で
各作動部間は厚肉部となっているため、セラミック基板
全体として十分な強度を確保することができるととも
に、各作動部間での振動の干渉を抑えることが容易とな
る。更にそのようなセラミック基板構造で複数個の作動
部を同一セラミック基板面上に形成し、各作動部を同時
に作動させた時の変位低下を低減するため、並びに基板
剛性によって圧電／電歪膜の材料自体の特性が低下する
ことのないように、前記空孔部乃至欠如部の内壁に沿っ
てセラミック基板の厚肉部表面から薄肉部（振動板）の
肉厚より深い溝を形成した素子を開発した（特願平5-16
3945号）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、その後の検討
で前記溝を形成した素子構造を実現する際、次のような
課題が存在することが明らかとなった。薄肉部（振動
板）の肉厚より深い溝加工は、大きく分けて空孔部乃至
欠如部が形成されたセラミック基板及びそれに積層され
るセラミック基板のそれぞれがグリーンシートの状態で
行なう方法、若しくは各セラミック基板を焼成した後に
行なう方法、更には各セラミック基板を焼成し作動部形
成後に行なう方法がある。各方法で溝加工した素子は、
何れも溝のない素子と比較すれば同一セラミック基板面
上で複数の作動部を同時に作動させた時の変位低下率並
びに圧電／電歪膜材料の材料特性は向上する。しかし、
予め各セラミック基板がグリーンシートの状態で溝を加
工しておく方法は、焼成後に加工する場合より、加工ス
ピードが速い点で有利であるものの、各セラミック基板
を焼成し圧電／電歪作動部形成後に溝加工する方法と比
較すると、同一セラミック基板面上で複数の作動部を同
時に作動させた場合の変位の低下率に関しては同等であ
るが、圧電／電歪膜の材料特性の向上の度合いは小さい
ことを見出した。又、セラミック基板を焼成した後、即
ち圧電／電歪膜作動部形成前に溝加工する方法において
も、グリーンシートの状態で行なった場合と同様に、圧
電／電歪膜の材料特性の向上の度合いは小さいことを見
出した。即ち、圧電／電歪膜作動部を形成した後に溝が
形成されることが好ましいという事実を見出したのであ
る。

【０００６】又一方、材料特性をより一層向上させるに
は、溝を深くすることが好ましく、焼成後のセラミック
基板に深い溝加工を施せば大きい効果を得ることができ
る。しかし、例えばインクジェットプリントヘッドのア
クチュエータのように同一セラミック基板面上に多くの
作動部が形成され、高密度化したものへの適用を考えた
場合、各作動部間のピッチが小さく且つ非常に肉厚の薄
い振動板から構成されるため、溝加工によるダメージが
大きく振動板等にクラックが入る可能性が高いという問
題がある。更に、焼成後の基板とグリーンシート状態の
基板とを比較した場合、焼成後の基板には、その焼成歪
みにより変形したり、又基板にうねりが残るなどの現象
が発生する場合があり、そのような加工表面にばらつき
がある場合、例えばレーザーにより加工すると焦点がば
らつき、それによって加工の深さが変わってしまう。一
方、常に焦点をモニターしながら加工を進めれば、その
ばらつきを吸収することは可能であるが、加工スピード
が落ちてしまい、生産性の低下を招く。そこで、前述の
ように各基板がグリーンシートの状態で溝加工を施せば
そのような問題は生じないものの、前述のように圧電／
電歪膜の材料特性の向上の度合いが小さいという別の問
題が生ずる。

【０００７】故に本発明の目的とするところは、作動部
を高密度化した場合でも不良発生率を増大させることな
く、又信頼性や生産性を大きく低下させることもなく、
複数の作動部を同時に作動させた時の変位低下率の小さ
い圧電／電歪膜型素子を提供すること、そして特にセラ
ミック基板と作動部との一体化のための熱処理を行なっ
ても、圧電／電歪材料の材料特性の低下率が小さい圧電
／電歪膜型素子を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成すること
ができる本発明の構成とは、所定の大きさの窓部が少な
くとも１つ以上形成され、適宜長さの少なくとも１本以
上の第１の溝が前記窓部の内壁面に沿って、且つ、その
内壁面から適宜間隔を隔ててそれぞれ形成されたグリー
ンシート状態の第１の板状セラミック部材と、この第１
の板状セラミック部材の少なくとも一方の面に前記各窓
部及び第１の溝を閉塞する薄肉のグリーンシート状態の
第２の平板状セラミック部材とを積層し、そして、前記
積層した両セラミック部材を焼成一体化してセラミック
基板を形成し、次に、前記セラミック基板の閉塞された
各窓部の底部外表面上に、下部電極膜及び圧電／電歪膜
及び上部電極膜から成る圧電／電歪作動部を前記セラミ
ック基板と焼成一体化して形成し、その後、セラミック
基板の厚肉部外表面上から前記各第１の溝に連通する第
２の溝をそれぞれ形成することにある。

【０００９】又、前記第１の板状セラミック部材の一方
の面に前記薄肉の第２の平板状セラミック部材を、他方
の面に第３の板状セラミック部材をそれぞれ積層すると
ともに、焼成一体化して前記セラミック基板を形成する
ことにある。

【００１０】尚、本発明の効果をより一層高めるために
は、前記セラミック基板が完全安定化若しくは部分安定
化された酸化ジルコニウムを主成分とする材料から構成
されていることが望ましい。

【００１１】又、前記圧電／電歪膜が、マグネシウムニ
オブ酸鉛及びジルコン酸鉛及びチタン酸鉛から成る成分
を主成分とする材料、若しくはニッケルニオブ酸鉛及び
マグネシウムニオブ酸鉛及びジルコン酸鉛及びチタン酸
鉛から成る成分を主成分とする材料、若しくはニッケル
タンタル酸鉛及びマグネシウムニオブ酸鉛及びジルコン
酸鉛及びチタン酸鉛から成る成分を主成分とする材料、
若しくはマグネシウムタンタル酸鉛及びマグネシウムニ
オブ酸鉛及びジルコン酸鉛及びチタン酸鉛から成る成分
を主成分とする材料から構成されていることが望まし
い。

【００１２】更に、前記セラミック基板の薄肉部の肉厚
が５０μｍ以下であることが望ましい。

【００１３】又更に、前記溝をエキシマレーザー若しく
はＹＡＧレーザーによって形成することが望ましい。

【００１４】

【作用】窓部を形成するグリーンシート状態の第１の板
状セラミック部材に予め第１の溝を加工しておくため、
焼成後にセラミック基板外表面からの第２の溝加工の深
さは第２のセラミック部材の肉厚でよく、高エネルギー
で第２のセラミック部材の肉厚を超えて溝を加工する必
要がない。最終的には溝は第２のセラミック部材で閉塞
されるため、前記第１のセラミック部材の溝に連通する
第２の溝を加工する必要があるが、第２のセラミック部
材が薄肉であるため、高スピード且つ低エネルギーで溝
加工を行なうことができ、その低エネルギー故、薄肉部
（振動板）等へのダメージも抑えられ、セラミック基板
の薄肉部にクラックや割れ等が発生する虞れが少ない。
又、第１のセラミック部材に加工する第１の溝は最終的
に形成される溝の最下部に相当するから、その深さを一
定にすれば最終的に形成される総ての溝の深さを統一す
ることができるが、その最下部の加工は第１のセラミッ
ク部材がグリーンシートの状態、即ち加工し易い状態で
行なうため、容易に統一することができ、従って各作動
部間の特性のばらつきの低減を図ることができる。即
ち、各作動部は、実質的に溝のない状態のセラミック基
板において熱処理一体化されることになり、その後の溝
加工によって、圧電／電歪材料特性の低下を有利に低減
することができ、且つその溝加工自体も、前述の不良素
子の発生及び加工速度を向上することができる点で有利
となるのである。

【００１５】尚、本発明に係る素子を形成する上で好適
に採用するセラミック部材の肉厚としては、窓部及び第
１の溝を形成する第１のセラミック部材に対しては、５
０μｍ以上、更に好ましくは１００μｍ以上の厚みで、
又、その第１のセラミック部材に積層される第２のセラ
ミック部材に対しては、５０μｍ以下、更に好ましくは
３〜２０μｍの範囲で形成することが望ましい。又、第
３のセラミック部材に対しては、１０μｍ以上、好まし
くは５０μｍ以上の厚みで形成することが望ましい。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の素子の製造方法について図面
を参照しながら詳細に説明する。尚、理解を容易にする
ため、各図面を通して同様の構造や機能を有するものに
は、同一の符号を付すものとする。図１及び図２は本発
明の素子の製造方法を示す説明図、図４は製造工程を示
すフローチャートである。図１において(8) はグリーン
シート状態の板状の第１のセラミック部材、(4) はグリ
ーンシート状態の薄肉で平板状の第２のセラミック部
材、(7) はグリーンシート状態の板状の第３のセラミッ
ク部材である。第３のセラミック部材(7) に穿設されて
いる孔(7b)は、センサ等に使用する際、気体、液体をキ
ャビティ内外に流入出させるための孔である。図１に示
すように、先ず第１のセラミック部材(8) に複数の窓部
(5),・・(5) を貫通形成し、各窓部の両側に第１の溝(6
a)を窓部(5) の内壁面(8b)に沿って、且つ、その内壁面
から適宜間隔を隔てて形成する。次にその第１のセラミ
ック部材(8) の表面上に第２のセラミック部材(4) を積
層するとともに、裏面に第３のセラミック部材(7) を積
層する。そして、その積層したセラミック部材を焼成一
体化してセラミック基板(14)を形成する（図２(b) ）。
次に各窓部(5) の上部開口面に対応する面であってセラ
ミック基板(14)の外表面、即ち振動板となる面上に、下
部電極膜及び圧電／電歪膜及び上部電極膜の三層から成
る作動部(2) を後述する膜形成手法によって形成し、そ
の作動部(2) とセラミック基板(14)とを焼成により一体
化する（図２(c) ）。次にセラミック基板(14)の窓部
(5) の両側に形成された厚肉部、即ち第３のセラミック
部材(7) の(7a)、第１のセラミック部材(8) の(8a)、及
び第２のセラミック部材(4) の(4b)から成る部分の外表
面上の前記各第１の溝(6a)に対応する部位へ第２の溝(6
b)を第１の溝(6a)に連通するようにそれぞれ加工し、目
的の素子が完成する。図３は完成した素子の図２(d) に
おけるＡ−Ａ断面説明図である。図示のように第１の溝
(6a)及び第２の溝(6b)によって最終的な溝(6) が形成さ
れている。

【００１７】溝(6) の長さ（図１(a) 及び図２(d) に(L
1)で示す）は、溝に沿った窓部(5) の長手方向側縁の少
なくとも1/8 以上、好ましくは1/4 以上の長さで、溝の
長手方向中心が窓部(5) の長手方向側縁中心からの延長
線上にあるように形成するのが好ましい。又、図３に示
す溝(6) の深さ(D3)は少なくとも振動板(4a)の肉厚(D1)
を超え、好ましくは数１に示す深さとなるように形成す
ることが望ましい。尚、孔(7b)は目的に応じて複数形成
してもよい。

【００１８】

【数１】Ｄ３≧Ｄ２／４＋Ｄ１

【００１９】より一層好ましくは、数２に示す深さとな
るように形成することが望ましい。

【００２０】

【数２】Ｄ３≧Ｄ２／２＋Ｄ１

【００２１】尚、溝の形状は本実施例のように基板面に
対して鉛直方向に形成されたものの他、Ｖ字形、台形等
の形状でもよい。

【００２２】又、作動部が形成された面、即ち振動板(4
a)の肉厚は、作動部の高速応答性と大きな変位を得るた
めに、一般に５０μｍ以下、好ましくは３〜２０μｍの
範囲に形成される。

【００２３】更に、第３のセラミック部材の肉厚は、１
０μｍ以上、好ましくは５０μｍ以上に形成される。

【００２４】このように本発明の素子の製造方法は、第
２のセラミック部材の肉厚を超える部分の溝、即ち最終
的に形成される溝の最下部を予めグリーンシート状態の
第１のセラミック部材に加工しておくため、両部材を焼
成した後に溝全部を加工する方法に比べ、低エネルギー
で浅い加工を施せばよいため、薄肉の振動板にクラック
や割れが発生する虞れも少ないし、速いスピードで加工
することができる。而も、溝の最下部はグリーンシート
状態の第１のセラミック部材に形成するため、加工が容
易であり、最終的な溝の深さを概ね一定とすることがで
き、従って同一セラミック基板上に複数の作動部を設け
た場合でも、作動部間の特性のばらつきを小さくできる
のである。

【００２５】図５は本発明に従って製造した素子の外観
斜視説明図、図６(a) はそのＢ−Ｂ断面部分説明図であ
る。図５において(1) は前記工程で製造されたセラミッ
ク基板(14)上に複数の作動部(2),・・(2) を千鳥状に形
成した素子を示し、図６において(2a)は下部電極膜、(2
b)は圧電／電歪膜、(2c)は上部電極膜を示す。図６(b)
に示すように、振動板(4a)の肉厚より深く形成された溝
(6) と、向上した圧電／電歪膜の材料特性とによって各
振動板は大きく屈曲し易く、又振動板の変位に伴って、
キャビティ(5a)の内壁(8b),(8b) も内側に変位するた
め、振動板のみが変位する従来のものと比較して、キャ
ビティ内の体積変化を容易、且つ迅速に行なうことがで
きる。而も、複数の作動部が同時に作動しても、振動板
同士が引っ張り合う力が溝によって緩衝されるととも
に、溝の深さも一定しているため、各振動板の変位のば
らつきを小さくすることができる。更に、図５に示すよ
うに作動部を千鳥状に配置した構造にすると、千鳥状で
はない前後対称の配列の構造と比較して、前後の溝が長
手方向の延長線上に位置しないため、基板全体の機械的
強度の低下が小さく、ハンドリング等を行なっても、基
板がうねったりすることがない。

【００２６】尚、図７に示すような閉塞基板（第３のセ
ラミック部材）を形成していない素子の場合でも、予め
グリーンシート状態の第１のセラミック基板に第１の溝
を形成しておき、第２のセラミック部材を積層し、作動
部を焼成一体化した後にセラミック基板上から第２の溝
を形成すれば、前記閉塞基板を有するもの同様の効果を
有する素子を製造することができる。

【００２７】又、図８に示すように第１のセラミック部
材に２本の第１の溝を加工し、セラミック基板の外表面
上から第１の溝に連通する２本の第２の溝を加工して最
終的に第１のセラミック部材（振動板）の肉厚を超える
２本の溝を形成した素子を製造することもできる。この
構造によれば、作動部間のピッチが広く、厚肉部の幅を
広く設計する場合でも、複数本の溝を形成することで作
動部周辺の基板剛性を小さくすることができる他、前述
の１本の溝を形成した素子と比較すると、更に優れた素
子特性を得ることができ、好ましい。

【００２８】図９(a) は、本願出願人が先の出願（特願
平5-75414 号）において提案した素子の作動部を応用し
て本発明に従って製造した素子の断面説明図である。そ
の作動部は、同図(b) に示すように、下部電極膜(9a)上
の圧電／電歪膜(9b)を、下部電極膜を覆い、且つ端部が
セラミック基板(14)上へ張り出す大きさとした構造であ
る。張り出し部(10)とセラミック基板(14)間は不完全結
合部(11)を形成している。ここで不完全結合部とは、張
り出し部(10)とセラミック基板(14)間の結合が不完全で
あり、作動部(9) が必要とされる性能を十分発揮できる
程度の結合状態をいう。(12)は上部電極膜(9c)の断線を
防止するために上部電極膜をスムーズにセラミック基板
(14)上に導くために形成されている樹脂層である。この
素子は、かかる構造によって、短絡防止のための下部電
極膜、圧電／電歪膜並びに上部電極膜それぞれの位置合
わせが容易となり、素子の生産性を向上させることがで
きるとともに、張り出し部とセラミック基板とが結合
し、圧電／電歪膜の屈曲変位ないし発生力が制限される
こともないのである。従って、前記作動部を用いて本発
明に従って素子を製造すれば、素子性能の向上に加えて
素子の生産性をも向上させることができる。尚、上記各
実施例では複数の作動部をセラミック基板上に設けた場
合について説明したが、作動部を一つだけ設けた場合で
も、その基板の厚肉部に前記同様の溝を形成することに
よってその圧電／電歪膜の材料特性を十分引出すことが
でき、その結果変位が増大することは勿論である。

【００２９】次に、本発明に従って製造される素子の圧
電／電歪膜の材料特性を十分発揮させるためには、セラ
ミック基板が、完全安定化若しくは部分安定化された酸
化ジルコニウムを主成分とする材料で構成されているこ
とが望ましい。

【００３０】そして、酸化ジルコニウムを完全安定化若
しくは部分安定化させるためには、一般に知られている
ように、アルカリ土類、又は希土類元素の酸化物を用い
ることができるが、好適には酸化イットリウム、酸化セ
リウム、酸化マグネシウム、酸化カルシウムの内、少な
くとも１つが用いられる。そして、その添加量は、酸化
イットリウムは 1モル％〜30モル％、酸化セリウムは 6
モル％〜50モル％、酸化マグネシウムや酸化カルシウム
は、 5モル％〜40モル％とすることが好ましいが、その
中でも特に酸化イットリウムを 2モル％〜 4モル％とす
ることが望ましい。なぜならば、それらの範囲で酸化イ
ットリウムが添加された酸化ジルコニウムは、その結晶
相が部分安定化され、特に優れた基板特性を示すからで
ある。

【００３１】又、基板材料中に粘土等の焼結助剤を添加
してもよいが、少なくとも、薄肉部を構成する第２のセ
ラミック部材中には、酸化珪素、酸化ホウ素、酸化リ
ン、酸化ゲルマニウム等のガラス化し易い材料が、 1重
量％以上含有されないように、助剤の組成や添加量を調
整することが望ましい。なぜならば、前記ガラス化し易
い材料がセラミック基板に含有されていると圧電／電歪
膜との熱処理時に反応が生じ易く、圧電／電歪膜の組成
の制御が困難となるためである。

【００３２】ところで、そのようなセラミック基板は、
その上に形成される作動部の作動特性、換言すればそこ
において発生する歪み、力を有効に受け、又その逆の作
用を有効に行なうために、Ｒａにて表わされる表面粗さ
が0.03〜0.9 μｍの範囲内となるように調整される。

【００３３】第１のセラミック部材に形成される第１の
溝は、グリーンシートの状態で加工されるが、その際に
は種々の方法が採用される。第１次・第２次・第４次高
調波等を利用したＹＡＧ，エキシマ，炭酸ガス等のレー
ザー、ダイシング，スライシング，超音波等による機械
加工、型押し，金型等による打ち抜き加工等が好適に採
用される。一方、セラミック基板上への第２の溝加工に
は、前記各種レーザーや、ダイシング，スライシング等
の機械加工等が好適に採用される。尚、それら加工法の
中では、比較的複雑な加工が簡単に可能であるＹＡＧや
エキシマ等のレーザー加工が好ましく採用されるが、そ
の際には、振動板のクラックや割れを防止するために、
熱ストレスを極力小さくする必要がある。この熱ストレ
スを低減するためには、加工上種々の条件があるが、例
えば本願のような加工を行なう場合においては、レーザ
ー光源としてはＹＡＧレーザー（例えばＮｄ−ＹＡＧ）
が、又、パルス幅では140nsec 以下、好ましくは100nse
c 以下で、Ｑスイッチによるパルス制御（例えば3.6KH
z) を行なうことが、更にレーザー光のビーム径として
はレンズ集光によってφ50μｍ以下、好ましくはφ5 〜
φ10μｍが、加工スピードとしては50mm/sec以下が、そ
してレーザービーム内のエネルギー分布としてはガウシ
アン分布（正規分布）が得られるように、TEM 00の単一
モード共振を採用することが望ましい。

【００３４】そして、そのようなセラミック基板上に所
定の下部電極膜(2a)、上部電極膜(2c)及び圧電／電歪膜
(2b)を設けて作動部(2) を形成するためには、公知の各
種の膜形成手法が適宜に採用され、例えばスクリーン印
刷、スプレー、ディッピング、塗布等の厚膜形成手法、
イオンビーム、スパッタリング、真空蒸着、イオンプレ
ーティング、ＣＶＤ、メッキ等の薄膜形成手法が適宜に
選択される。特に、圧電／電歪膜(2b)を形成するには、
スクリーン印刷、スプレー、ディッピング、塗布等によ
る厚膜形成手法が好適に採用されることとなる。なぜな
らば、それらの厚膜形成手法によれば、平均粒子径0.01
μｍ以上 5μｍ以下の、好ましくは0.05μｍ以上 3μｍ
以下の圧電／電歪材料のセラミック粒子を主成分とする
ペーストやスラリーを用いてセラミック基板上に膜形成
することができ、良好な素子特性が得られるからであ
る。又そのような膜の形状としては、スクリーン印刷法
やフォトリソグラフィ法等を用いてパターン形成する
他、レーザー加工法や、スライシング、超音波加工等の
機械加工法を用い、不必要な部分を除去してパターン形
成しても良い。

【００３５】又、圧電／電歪作動部(2) を構成する下部
電極膜(2a)、圧電／電歪膜(2b)及び上部電極膜(2c)の各
膜は、前記各種膜形成手法によって形成されるが、圧電
／電歪作動部(2) をセラミック基板の窓部外表面上にセ
ラミック基板と焼成一体化して形成する方法には、次の
方法の何れかが適宜選択される。 （Ａ）下部電極膜(2a)をセラミック基板の窓部外表面上
に形成した後に下部電極膜(2a)をセラミック基板と焼成
一体化し、その焼成一体化した下部電極膜(2a)上に圧電
／電歪膜(2b)を形成して焼成一体化し、その焼成一体化
した圧電／電歪膜(2b)上に上部電極膜(2c)を形成して焼
成一体化する。 （Ｂ）下部電極膜(2a)、圧電／電歪膜(2b)及び上部電極
膜(2c)を、下部電極膜(2a)、圧電／電歪膜(2b)、上部電
極膜(2c)の順にセラミック基板上に順次膜形成した後に
それらを一括してセラミック基板と焼成一体化する。 （Ｃ）下部電極膜(2a)及び圧電／電歪膜(2b)を、下部電
極膜(2a)、圧電／電歪膜(2b)の順にセラミック基板上に
順次膜形成した後にそれらをセラミック基板と焼成一体
化し、その焼成された圧電／電歪膜(2b)上に上部電極膜
(2c)を形成した後にそれらを焼成一体化する。 （Ｄ）下部電極膜(2a)をセラミック基板上に形成した後
に、その下部電極膜(2a)とセラミック基板とを焼成一体
化し、その焼成された下部電極膜(2a)上に圧電／電歪膜
(2b)及び上部電極膜(2c)を、圧電／電歪膜(2b)、上部電
極膜(2c)の順に膜形成してそれらを焼成一体化する。

【００３６】尚、これらの作動部の形成方法を用い、図
９に示した素子を形成する場合は、圧電／電歪膜のはみ
だし部(10)とセラミック基板(14)とは、不完全結合状態
とされる。又、このような膜形成手法により電極膜を形
成する場合には、一体化するために必ずしも熱処理を必
要としないことがある。例えば、上部電極膜(2c)を形成
する前に、下部電極膜(2a)との絶縁性を確実にするため
素子周りに絶縁樹脂等で絶縁コートを行う場合や、図９
(b) に記載してあるような、上部電極膜(9c)の断線を防
止するための樹脂層(12)を形成する場合があるが、その
場合には、上部電極膜(9c)の形成には熱処理を必要とし
ない蒸着、スパッタリングや鍍などの方法が採用され
る。

【００３７】更に、このように形成された膜とセラミッ
ク基板とを一体化するための熱処理温度としては、一般
に900 °C 〜1400°C 程度の温度が採用され、好ましく
は1000°C 〜1400°C の範囲の温度が有利に選択され
る。又、圧電／電歪膜を熱処理する場合には、高温時に
圧電／電歪層の組成が不安定とならないように、圧電／
電歪材料の蒸発源と共に、雰囲気制御を行ないながら熱
処理することが好ましい。又、圧電／電歪膜上に適当な
覆蓋部材を載置して、その表面が焼成雰囲気に直接に露
呈されないようにして、焼成する手法を採用することも
推奨される。その場合、覆蓋部材としては、セラミック
基板と同様な材料系のものが用いられることとなる。

【００３８】上記の方法にて作製される作動部を構成す
る下部電極膜(2a)の材料としては、前記熱処理温度並び
に焼成温度程度の高温酸化雰囲気に耐えられる導体であ
れば特に規制されるものではなく、例えば金属単体であ
っても合金であっても良く、又絶縁性セラミックスと、
金属や合金との混合物であっても、更には導電性セラミ
ックスであっても何等差し支えない。而も、より好まし
くは、白金、パラジウム、ロジウムなどの高融点貴金属
類、或は、銀−パラジウム、銀−白金、白金−パラジウ
ムなどの合金を主成分とする電極材料、白金とセラミッ
ク基板材料とのサーメット材料、白金と圧電／電歪材料
とのサーメット材料、白金と基板材料と圧電材料とのサ
ーメット材料が好適に用いられ、その中でも更に好まし
くは、白金を主成分とする材料が望ましい。又、電極に
添加する材料として、酸化珪素等のガラスは、圧電／電
歪膜との熱処理中に反応が生じ易く、アクチュエータ特
性を低下させる原因となり易いため、その使用を避ける
ことが望ましい。尚、電極中に添加せしめる基板材料と
しては、 5〜30体積％程度、圧電材料としては 5〜20体
積％程度であることが好ましい。一方、上部電極膜材料
に関しては、特に制限されるものではない。

【００３９】そして、このような導体材料を用いて形成
される電極膜は、一般に20μｍ以下、好ましくは 5μｍ
以下の膜厚において形成されることとなる。

【００４０】又、作動部を構成する圧電／電歪材料とし
ては、圧電、或は電歪効果などの電界誘起歪を示す材料
であれば、何れの材料であっても採用され得るものであ
り、結晶質の材料であっても、非晶質の材料であっても
良く、又半導体材料であっても、誘電体セラミックス材
料や強誘電体セラミックス材料であっても、何等差し支
えなく、更には分極処理が必要な材料であっても、又そ
れが不必要な材料であってもよいのである。

【００４１】而も、本発明に用いられる圧電／電歪材料
としては、好ましくは、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ
系）を主成分とする材料、マグネシウムニオブ酸鉛（Ｐ
ＭＮ系）を主成分とする材料、ニッケルニオブ酸鉛（Ｐ
ＮＮ系）を主成分とする材料、マグネシウムタングステ
ン酸鉛を主成分とする材料、マンガンニオブ酸鉛を主成
分とする材料、アンチモンスズ酸鉛を主成分とする材
料、亜鉛ニオブ酸鉛を主成分とする材料、チタン酸鉛を
主成分とする材料、ジルコン酸鉛を主成分とする材料、
ニッケルタンタル酸鉛を主成分とする材料、マグネシウ
ムタンタル酸鉛を主成分とする材料、更には、これらの
複合材料等が用いられる。尚、前述した材料に、ランタ
ン、バリウム、ニオブ、亜鉛、セリウム、カドミウム、
クロム、コバルト、アンチモン、鉄、イットリウム、タ
ンタル、タングステン、ニッケル、マンガン、リチウ
ム、ストロンチウム、マグネシウム、カルシウム、ビス
マス等の酸化物や、それらの他の化合物を添加物として
含有せしめた材料、例えばＰＺＴ系を主成分とする材料
にランタンを加え、ＰＬＺＴ系となるように、前記材料
に上述の添加物を適宜に加えても、何等差し支えない。
尚、酸化珪素等のガラス材料の添加は避けるべきであ
る。なぜならば、ＰＺＴ系等の鉛系圧電／電歪材料はガ
ラスと反応し易いために、所望の圧電／電歪膜組成への
制御が困難となり、アクチュエータ特性のバラツキ並び
に低下を惹起するからである。

【００４２】これらの圧電／電歪材料の中でも、マグネ
シウムニオブ酸鉛及びジルコン酸鉛及びチタン酸鉛から
成る成分を主成分とする材料、若しくはニッケルニオブ
酸鉛及びマグネシウムニオブ酸鉛及びジルコン酸鉛及び
チタン酸鉛から成る成分を主成分とする材料、若しくは
ニッケルタンタル酸鉛及びマグネシウムニオブ酸鉛及び
ジルコン酸鉛及びチタン酸鉛から成る成分を主成分とす
る材料、若しくはマグネシウムタンタル酸鉛及びマグネ
シウムニオブ酸鉛及びジルコン酸鉛及びチタン酸鉛から
成る成分を主成分とする材料が好ましく、更ににその中
でも特に、マグネシウムニオブ酸鉛及びジルコン酸鉛及
びチタン酸鉛から成る成分を主成分とする材料が、その
熱処理中における基板材料との反応が特に少ないことか
ら、例えば、張り出し部とセラミック基板との結合状態
を圧電／電歪作動部が必要とされる性能に影響を与えな
い程度に低く抑えることができる他、成分の偏析が起き
難く、組成を保つための処理が好適に行なわれ得、目的
とする組成及び結晶構造が得られ易い等、高い圧電定数
を有することと併せて有利に用いられ、スクリーン印
刷、スプレー、ディッピング、塗布などの厚膜形成手法
で圧電／電歪膜を形成する場合の材料として推奨され
る。尚、多成分系圧電／電歪材料の場合、成分の組成に
よって圧電特性が変化するが、本発明で好適に採用され
るマグネシウムニオブ酸鉛−ジルコン酸鉛−チタン酸鉛
の３成分系材料では、擬立方晶−正方晶−菱面体晶の相
境界付近の組成が好ましく、特にマグネシウムニオブ酸
鉛：15モル％〜50モル％、ジルコン酸鉛：10モル％〜45
モル％、チタン酸鉛：30モル％〜45モル％の組成が、高
い圧電定数と電気機械結合係数を有することから、有利
に採用される。

【００４３】又、上記の如くして形成される電極膜と圧
電／電歪膜から構成される作動部の厚さとしては、一般
に100 μｍ以下とされ、又圧電／電歪膜の厚さとして
は、低作動電圧で大きな変位等を得るために、好ましく
は50μｍ以下、更に好ましくは 3μｍ以上40μｍ以下と
されることが望ましい。

【００４４】更に、ここで作製される素子の構造や膜状
の作動部の形状は、何等限定されるものではなく、用途
に応じて、如何なる形状でも採用可能であり、例えば三
角形、四角形等の多角形、円、楕円、円環等の円形、櫛
状、格子状又はこれらを組み合わせた特殊形状であって
も、何等差し支えなく、厚肉部に形成される溝も、その
作動部の形状に対応して形成することにより、本発明の
効果を奏することができる。

【００４５】次に本発明による効果を実験結果に基づい
て説明する。本実験は図１０に示すような基板(15)上に
〜の同一の作動部を有する素子を三通りの方法で製
造して行ない、作動部の変位変化率、比誘電率、クラ
ック発生数及び加工スピードについて測定した。その三
通りの方法の一つは第１のセラミック部材及び第２のセ
ラミック部材を積層し、グリーンシートの状態の時に両
部材へ溝を加工し、焼成した後に、作動部を形成するも
のであり（比較例１）、もう一つは作動部とセラミック
基板とを焼成一体化した後に溝を加工したものであり
（比較例２）、残る一つは本発明の製造方法によるもの
である（本願）。又、素子構造は、それぞれ５個の作動
部がセラミック基板の同一面上に一列に配置されたもの
であり、そのセラミック基板は、振動板となる第２のセ
ラミック部材の厚みを10μｍ、窓部を形成する第１のセ
ラミック部材の厚みを 150μｍ、第２のセラミック部材
と相対する第３のセラミック部材の厚みを 200μｍとし
て構成した。作動部を形成するセラミック基板の窓部、
即ち薄肉部の寸法は、0.5×2mm であり、作動部間のピ
ッチは0.6mm である。作動部は、下部電極膜材料にはＰ
ｔを、圧電／電歪膜材料にはマグネシウムニオブ酸鉛−
ジルコン酸鉛−チタン酸鉛から成り、比誘電率がバルク
で4300の材料を、上部電極膜材料にはＡｕをそれぞれ用
いて厚膜手法により形成し、各溝はＹＡＧレーザーによ
って加工した。尚、各作動部の変位の測定は、各作動部
に対して30Ｖの電圧を個々に、若しくは同時に印加した
場合の変位をレーザードップラー振動計により評価する
ことにより行なった。

【００４６】

【表１】

【００４７】この実験結果を示す表１から明らかなよう
に、本願に従う製造方法は、先ず作動部の変位変化率が
小さく、その溝加工工程におけるクラックの発生数は、
比較例２の方法よりも飛躍的に少なく、比較例１の方法
と略同等であり、加工による不良の発生が殆どないこと
が解る。又、溝の加工スピードにおいて比較例１の方法
よりは遅いものの、比較例２の方法よりは圧倒的に速い
ことが解る。一方、比誘電率は比較例２の方法よりは僅
かに小さいものの、比較例１の方法よりは相当大きい、
即ち圧電／電歪膜の材料特性の向上の度合いが大きいこ
とが解る。このように本発明によれば、作動部を高密度
化した場合でも、不良発生率を増大させることなく、又
信頼性や生産性を大きく低下させることもなく、複数の
作動部を同時に作動させた時の変位低下率及び圧電／電
歪膜の材料特性低下率の改善を図ることができる。

【００４８】尚、本発明は上記各実施例に限定されるも
のではなく、本発明の範囲を逸脱しない限り、変更、修
正、改良を加えることができる。

【００４９】

【発明の効果】本発明によれば、窓部を形成するグリー
ンシート状態の第１のセラミック部材に予め溝の最下部
を加工しておくため、焼成されたセラミック部材外表面
からの溝加工の深さは薄肉の第２のセラミック部材、即
ち振動板の肉厚でよいため、作動部を形成した後に高エ
ネルギーで第２のセラミック部材の肉厚を超えて溝を加
工する必要がなく、従って加工時に振動板等にクラック
や割れが生ずることが少ない。而も、グリーンシート状
態の第１のセラミック部材への溝加工によって溝全体の
深さを決定することができるため、焼成後に溝全体を加
工する方法よりも溝深さの制御が容易且つ正確であると
ともに、加工位置の位置ずれに有利であり、従って各作
動部間の特性のばらつきの低減にも有効である。このよ
うに本発明によれば、作動部を高密度化した場合でも、
不良発生率を増大させることなく、又信頼性や生産性を
大きく低下させることもなく、複数の作動部を同時に作
動させた時の変位低下率及び圧電／電歪膜の材料特性低
下率の改善を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる素子の製造方法を示す説明図で
ある。

【図２】本発明にかかる素子の製造方法を示す説明図で
ある。

【図３】図２(d) のＡ−Ａ断面説明図である。

【図４】本発明にかかる素子の製造方法を示すフローチ
ャートである。

【図５】本発明にかかる素子の製造方法により製造した
素子の説明図である。

【図６】(a) は図５のＢ−Ｂ断面部分説明図、(b) は変
位した素子の説明図である。

【図７】閉塞基板のない素子の説明図である。

【図８】複数の溝を形成した素子の説明図である。

【図９】圧電／電歪膜が張り出し形成された素子の説明
図である。

【図１０】実験に用いた素子の説明図である。

【符号の説明】

１・・素子、２，９・・作動部、２ａ，９ａ・・下部電
極膜、２ｂ，９ｂ・・圧電／電歪膜、２ｃ，９ｃ・・上
部電極膜、７ａ，８ａ・・厚肉部、８ｂ・・内壁面、４
・・第２のセラミック部材、７・・第３のセラミック部
材、８・・第１のセラミック部材、４ａ・・振動板、５
・・窓部、６・・溝、６ａ・・第１の溝、６ｂ・・第２
の溝、１０・・張り出し部、１１・・不完全結合部、１
２・・樹脂層、１４，１５・・セラミック基板。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 41/09 Ｈ０１Ｌ 41/08 Ｊ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】所定の大きさの窓部が少なくとも１つ以上
   形成され、適宜長さの少なくとも１本以上の第１の溝が
   前記窓部の内壁面に沿って、且つ、その内壁面から適宜
   間隔を隔ててそれぞれ形成されたグリーンシート状態の
   第１の板状セラミック部材と、この第１の板状セラミッ
   ク部材の少なくとも一方の面に前記各窓部及び第１の溝
   を閉塞する薄肉のグリーンシート状態の第２の平板状セ
   ラミック部材とを積層し、そして、前記積層した両セラ
   ミック部材を焼成一体化してセラミック基板を形成し、
   次に、前記セラミック基板の閉塞された各窓部の底部外
   表面上に、下部電極膜及び圧電／電歪膜及び上部電極膜
   から成る圧電／電歪作動部を前記セラミック基板と焼成
   一体化して形成し、その後、セラミック基板の厚肉部外
   表面上から前記各第１の溝に連通する第２の溝をそれぞ
   れ形成することを特徴とする圧電／電歪膜型素子の製造
   方法。
2. 【請求項２】前記第１の板状セラミック部材の一方の面
   に前記第２の平板状セラミック部材を、他方の面に第３
   の板状セラミック部材をそれぞれ積層するとともに、焼
   成一体化して前記セラミック基板を形成することを特徴
   とする請求項１記載の圧電／電歪膜型素子の製造方法。
3. 【請求項３】前記セラミック基板が完全安定化若しくは
   部分安定化された酸化ジルコニウムを主成分とする材料
   から構成された請求項１又は請求項２記載の圧電／電歪
   膜型素子の製造方法。
4. 【請求項４】前記圧電／電歪膜が、マグネシウムニオブ
   酸鉛及びジルコン酸鉛及びチタン酸鉛から成る成分を主
   成分とする材料、若しくはニッケルニオブ酸鉛及びマグ
   ネシウムニオブ酸鉛及びジルコン酸鉛及びチタン酸鉛か
   ら成る成分を主成分とする材料、若しくはニッケルタン
   タル酸鉛及びマグネシウムニオブ酸鉛及びジルコン酸鉛
   及びチタン酸鉛から成る成分を主成分とする材料、若し
   くはマグネシウムタンタル酸鉛及びマグネシウムニオブ
   酸鉛及びジルコン酸鉛及びチタン酸鉛から成る成分を主
   成分とする材料から構成された請求項１〜請求項３記載
   の圧電／電歪膜型素子の製造方法。
5. 【請求項５】前記セラミック基板の薄肉部の肉厚が５０
   μｍ以下である請求項１又は請求項２又は請求項３又は
   請求項４記載の圧電／電歪膜型素子の製造方法。
6. 【請求項６】前記溝をエキシマレーザー若しくはＹＡＧ
   レーザーによって形成することを特徴とする請求項１又
   は請求項２又は請求項３又は請求項４又は請求項５記載
   の圧電／電歪膜型素子の製造方法。