JPH11284243A

JPH11284243A - 圧電セラミクス構造体の製造方法

Info

Publication number: JPH11284243A
Application number: JP8674298A
Authority: JP
Inventors: Tomoki Funakubo; 朋樹舟窪; Yukihiko Sawada; 之彦沢田; Katsuhiro Wakabayashi; 勝裕若林; Masaki Esashi; 正喜江刺; Shidan O; 詩男王
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1998-03-31
Filing date: 1998-03-31
Publication date: 1999-10-15

Abstract

(57)【要約】【課題】高温時にもシリコン型と圧電セラミクスとの
反応が少なく、ひいては圧電特性に優れた圧電セラミク
ス構造体を製造することが可能な圧電セラミクス構造体
の製造方法を提供する。【解決手段】（ａ）シリコン基材に反応性イオンエッ
チング法を用いて複数の穴を設けた後に、少なくとも該
穴の内部表面にＭｇＡｌ₂ O ₄ もしくはＳｒＦ₂のセラ
ミクス保護膜を設ける工程と、（ｂ）該穴内部に圧電セ
ラミクス粉体とバインダーとを含むスラリーを充填する
工程と、（ｃ）該スラリーを加圧した状態で加熱して該
圧電セラミクスを焼成させる工程と、（ｄ）焼成後、該
シリコン基材をエッチング法により除去する工程とを含
むことを特徴とする圧電セラミクス構造体の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は微細な構造を有する
圧電セラミクス構造体の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、マイクロマシン技術が発展し、そ
れらの技術を活用した圧電セラミクスの微細構造を有す
る振動子の製造が容易に出来るようになった。例えば、
「ＮＯＶＥＬＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧＯＦＨＩＧＨ
ＡＳＰＥＣＴＲＡＴＩＯ１−３ＳＴＲＵＣＴＵ
ＲＥＳＯＦＨＩＧＨＤＥＮＳＩＴＹＰＺＴ」
（Ｐｒｏｃ．１９８８ＩＥＥＥＭＥＭＳ，ＦＴ
４，Ｊａｎ．２５−２９，１９９８，Ｈｅｉｄ
ｅｌｂｅｒｇ，Ｇｅｒｍａｎｙ）に、圧電セラミクス
構造体の製造方法に関して記載がなされている。

【０００３】以下、この従来方法について説明する。（ａ）まず、シリコン型作成の工程として、シリコン
（Ｓｉ）基材上にフォトレジスト材を塗布する。パター
ンを露光後現像してレジスト層のパターンニングを行
う。その後、ディープＲＩＥ（反応性イオンエッチン
グ）法によりシリコンのエッチングをう。エッチングの
結果、シリコン基材上に直径が１６μm 、深さが１００
μm の穴が開口されたシリコン型を形成する。

【０００４】（ｂ）次に、圧電セラミクススラリーキャ
スティングの工程として、圧電セラミクススラリーを加
振しながら工程（ａ）で作成したシリコン型の穴に流し
込む。ここで圧電セラミクススラリーは、圧電セラミク
ス（Ｐｂ（Ｚｒ_0.52 Ｔｉ_0. ₅₂ Ｔｉ_0.48 O ₃ ））粉
末とＰＶＡ（ポリビニルアルコール）と水との混合体で
ある。１２時間以上自然乾燥させて水分を蒸発させ、圧
電セラミクスをグリーン状態とする。その後、圧電セラ
ミクスグリーンを２時間以上空気中で５００℃で加熱し
て脱脂する。ここで脱脂とは圧電セラミクス粉体のバイ
ンダーであるＰＶＡを除去することである。

【０００５】（ｃ）次に、ＨＩＰ処理の工程として、シ
リコン型中の圧電セラミクス粉体の密度を大きくするた
めに、工程（ｂ）までに得られた試料をガラス中に封入
した状態でＨＩＰ（ホットアイソスタティックプレシン
グ）処理を行う。ＨＩＰ処理の手順は、まず工程（ｂ）
までに得られた試料をＢＮ（窒化ボロン）粉末で包み込
み、水中で約１００ＭＰａの等方圧をかけてＣＩＰ（コ
ールドアイソスタティックプレシング）処理を行う。こ
の段階で圧電セラミクス粉体はかなり密に圧縮される。
次に、窒化ボロン粉末中に入れられた試料をパイレック
スガラスチューブに入れ、チューブ内の真空度が約１０
^-3Ｐａの状態になるまで真空引きする。そして、真空引
きを続けながらチューブをガラスの軟化点（約７５０
℃）まで加熱して、試料をガラスチューブによって包み
込む。次に、ガスバーナーによってガラスチューブを封
じ切って、試料をガラスチューブ内にシールする。最後
に、ガラスに封じ込められた試料をＡｒガス中で焼成温
度に加熱しながら等方圧を印加して、ＨＩＰ処理を行
う。ＨＩＰ処理後、試料をガラスおよび窒化ボロン粉末
から取り出す。

【０００６】（ｄ）最後に、シリコン型除去の工程とし
て、工程（ｃ）までに得られた試料について、ＸｅＦ₂
ガスを用いたエッチングによりシリコン型のみを除去す
る。除去した結果、圧電セラミクス板の上に圧電セラミ
クスロッドが林立した圧電セラミクス構造体を得る。

【０００７】このような従来技術の方法においては、以
下のような問題点が存在する。すなわち、ＨＩＰ処理時
に高温にするためにシリコン型と圧電セラミクスとが反
応し、圧電セラミクス中の鉛原子もしくは酸素原子がシ
リコン型の方に拡散してしまう。拡散する結果、圧電セ
ラミクスに組成のずれが生じ、最終的に出来上がった圧
電セラミクスロッドが十分な圧電性を示さないという問
題があった。

【０００８】なお、従来技術においては、圧電セラミク
ススラリーをシリコン型の穴内に流し込む前に、窒化シ
リコンもしくは酸化シリコンからなる膜を穴の内部の表
面に設けてシリコン型と圧電セラミクスとの反応を最小
限に押さえる旨の記述があるが、このような膜でも両者
の反応は十分には抑制されていなかった。

【０００９】また、圧電セラミクススラリーを加振しな
がらシリコン型の穴内に流し込む方法では、穴内にスラ
リーを均一に充填することができなかった。さらに、Ｈ
ＩＰ処理では一度に大量の圧電セラミクス試料を加圧し
ながら焼成することが難しいため、圧電セラミクス構造
体を量産することが困難であった。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】よって、本発明の第１
の目的は、高温時にもシリコン型と圧電セラミクスとの
反応が少なく、ひいては圧電特性に優れた圧電セラミク
ス構造体を製造することが可能な圧電セラミクス構造体
の製造方法を提供することである。

【００１１】また、本発明の第２の目的は、シリコン型
中に均一に圧電セラミクススラリーを充填することが可
能な圧電セラミクス構造体の製造方法を提供することで
ある。

【００１２】さらに、本発明の第３の目的は、大量の圧
電セラミクス試料を加圧しながら焼成することができ圧
電セラミクス構造体を量産することが可能な圧電セラミ
クス構造体の製造方法を提供することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明においては、（ａ）シリコン基材に反応性イ
オンエッチング法を用いて複数の穴を設ける工程と、
（ｂ）該穴内部に圧電セラミクス粉体とバインダーとを
含むスラリーを充填する工程と、（ｃ）該スラリーを加
圧した状態で加熱して該圧電セラミクスを焼成させる工
程と、（ｄ）焼成後、該シリコン基材をエッチング法に
より除去する工程とを含む圧電セラミクス構造体の製造
方法であって、該工程（ａ）において、シリコン基材に
反応性イオンエッチング法を用いて複数の穴を設けた後
に、少なくとも該穴の内部表面にＭｇＡｌ₂ O ₄ もしく
はＳｒＦ₂ のセラミクス保護膜を設けることを特徴とす
る圧電セラミクス構造体の製造方法が提供される。

【００１４】また、本発明によれば、（ａ）シリコン基
材に反応性イオンエッチング法を用いて複数の穴を設け
る工程と、（ｂ）該穴内部に圧電セラミクス粉体とバイ
ンダーとを含むスラリーを充填する工程と、（ｃ）該ス
ラリーを加圧した状態で加熱して該圧電セラミクスを焼
成させる工程と、（ｄ）焼成後、該シリコン基材をエッ
チング法により除去する工程とを含む圧電セラミクス構
造体の製造方法であって、該工程（ａ）において、シリ
コン基材に反応性イオンエッチング法を用いて複数の穴
を設けた後に、少なくとも該穴の内部表面に鉛もしくは
酸素を導入することを特徴とする圧電セラミクス構造体
の製造方法が提供される。

【００１５】また、本発明によれば、（ａ）シリコン基
材に反応性イオンエッチング法を用いて複数の穴を設け
る工程と、（ｂ）該穴内部に圧電セラミクス粉体とバイ
ンダーとを含むスラリーを充填する工程と、（ｃ）該ス
ラリーを加圧した状態で加熱して該圧電セラミクスを焼
成させる工程と、（ｄ）焼成後、該シリコン基材をエッ
チング法により除去する工程とを含む圧電セラミクス構
造体の製造方法であって、該工程（ｂ）において、該穴
の深さ方向の遠心力により該スラリーを充填することを
特徴とする圧電セラミクス構造体の製造方法が提供され
る。

【００１６】さらに、本発明によれば、（ａ）シリコン
基材に反応性イオンエッチング法を用いて複数の穴を設
ける工程と、（ｂ）該穴内部に圧電セラミクス粉体とバ
インダーとを含むスラリーを充填する工程と、（ｃ）該
スラリーを加圧した状態で加熱して該圧電セラミクスを
焼成させる工程と、（ｄ）焼成後、該シリコン基材をエ
ッチング法により除去する工程とを含む圧電セラミクス
構造体の製造方法であって、該工程（ｃ）において、該
穴の深さ方向のみの力により該加圧を行うことを特徴と
する圧電セラミクス構造体の製造方法が提供される。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明を
詳細に説明する。本発明に係る圧電セラミクス構造体の
製造方法はロストモールド法であり、以下の工程を含
む。すなわち、（ａ）シリコン型を作成する工程、
（ｂ）圧電セラミクスのスラリーをシリコン型へキャス
ティングする工程、（ｃ）加圧しながら圧電セラミクス
を焼成する工程、および（ｄ）シリコン型を除去する工
程である。

【００１８】まず、図１を参照しながら、本発明に係る
製造方法の基本工程を上述の各工程ごとに説明する（ａ）シリコン型を作成する工程本工程は、反応性イオンエッチング法を用いて、シリコ
ン基材に複数の穴を開けたシリコン型を作成する工程で
ある。

【００１９】例えば、図１（ａ）に示すように、シリコ
ン基材上に例えばポジフォトレジストなどのフォトレジ
スト１を塗布する。レジスト１層に所望のパターンを露
光したのちに現像する。パターンは、製造する圧電セラ
ミクス構造体の形状、寸法による。

【００２０】次に、ディープＲＩＥ（反応性イオンエッ
チング）法により、レジスト層１のパターンに従ってシ
リコン基板に穴２を開けてシリコン型３を形成する。穴
２はシリコン基材を貫通していても良いし、貫通してい
なくても良い。

【００２１】ディープＲＩＥ法は、アスペクト比が大き
くシリコン基材面に対して垂直な側面を有する穴２を形
成することができるエッチング方法であり、当該技術分
野で良く知られている方法である。ディープＲＩＥ法を
用いたエッチングにより、例えば直径が１６μｍ、深さ
が１００μｍの、シリコン基材面に対して垂直な側面を
有する穴２をシリコン基材上に形成することができる。

【００２２】（ｂ）圧電セラミクスのスラリーをシリコ
ン型へキャスティングする工程本工程は、図１（ｂ）に示したように、工程（ａ）で得
られた試料の穴２の内部に圧電セラミクス４のスラリー
を充填する工程である。スラリーは、圧電セラミクス４
粉体、バインダーおよび水などから構成される混合体な
どからなる。バインダーとしては、ＰＶＡ（ポリビニル
アルコール）などが挙げられる。また、圧電セラミクス
粉末の平均粒子サイズは例えば０．３μm である。

【００２３】例えば、圧電セラミクス４のスラリーを超
音波攪拌などによって加振しながら、工程（ａ）で作成
したシリコン型３に流し込む。スラリーの流し込みは、
シリコン型３の穴２内に圧電セラミクス４を充填すると
ともに、シリコン型３の表面を圧電セラミクス４が覆う
ように行う。このように流し込むことで、シリコン型３
の表面を覆う圧電セラミクス４とそれぞれの穴２に充填
された圧電セラミクス４とが一体化された圧電セラミク
ス構造体を、得ることができる。

【００２４】次に、シリコン型３に流し込んだスラリー
を乾燥させて、圧電セラミクス４をグリーン状態とす
る。乾燥方法としては自然乾燥などが挙げられ、乾燥時
間は例えば１２時間以上である。

【００２５】最後に、グリーン状態の圧電セラミクス４
を脱脂する。脱脂とは圧電セラミクス４粉体のバインダ
ーを除去することである。脱脂の方法としては、空気中
で高温に保つ方法などが挙げられる。空気中で乾燥させ
る温度および乾燥させる時間としては、例えば５００
℃、２時間以上である。なお、脱脂した状態では、穴２
の中の圧電セラミクス４の密度は十分には高くない。

【００２６】（ｃ）加圧しながら圧電セラミクスを焼成
する工程本工程は、図１（ｃ）に示すように、圧電セラミクスス
ラリー４を加圧した状態で加熱して圧電セラミクス４を
焼成させる工程である。

【００２７】例えば、工程（ｂ）で脱脂した試料にＨＩ
Ｐ（ホットアイソスタティックプレシング：熱間静水圧
焼結）処理を行う。ＨＩＰ処理はシリコン型３中の圧電
セラミクス４粉体の密度を大きくするためであり、当該
技術分野で良く知られた方法で行うことができる。

【００２８】図２および図３にＨＩＰ処理の手順の一例
を示す。最初に、図２に示すようにして、試料にＣＩＰ
（コールドアイソスタティックプレシング）処理を行
う。つまり、図１（ｂ）の脱脂した試料をＢＮ（窒化ボ
ロン）粉末などの反応性の低い保護用セラミクス粉体１
０で包み込んだ後、ゴムチューブ１１、テープ１２で周
囲を包んで保持する。この試料を水中に置き、例えば約
１００ＭＰａの等方圧をかける。ＣＩＰ処理によって、
圧電セラミクス４粉体をかなり高密度に圧縮することが
できる。

【００２９】次に、図３（ａ）に示すようにして、保護
用セラミクス粉体１０で包んだ試料をパイレックスガラ
スなどのガラスカプセル１４内に封じ込める。つまり、
ガラス管１３の中の真空度が１０^-3Pa以下になるまで排
気を行い、次にガラス管１３を約７５０℃まで加熱し試
料を包むようにガラス管１３を軟化させる。その後、ガ
スバーナーでガラスカプセル１４をガラス管１３から切
り離す。保護用セラミクス粉体１０によって試料を包み
込むことで、ガラスカプセル１４内への封じ込め時、ま
たは次のＨＩＰ処理時に、試料とガラスカプセル１４の
間の反応を防ぐことができる。

【００３０】なお、保護用セラミクス粉体１０としては
窒化ボロンに限らず、該試料とガラスカプセル１４との
間の反応を防いだり、それ自身がシリコンやＰＺＴとの
反応性が低いようなセラミクス材料ならば他の材料でも
構わない。

【００３１】最後に、図３（ｂ）に示すようにして、試
料にＨＩＰ処理を行う。つまり、試料を封じ込めたガラ
スカプセル１４をＡｒなどの不活性ガス中で加熱しなが
ら、このカプセル１３に等方圧を印加する。

【００３２】ＨＩＰ処理の際の、試料に印加する温度と
圧力のプログラムの一例を図４に示す。最初に、例えば
約１ＭＰａの低い圧力をかけながら、試料の温度をガラ
スの軟化点（パイレックスガラスの場合、約７５０℃）
まで上昇させる。

【００３３】次に、温度と圧力を同時に上昇させて、圧
電セラミクス４粉末が焼結する温度（ＰＺＴ粉末の場
合、約１０００℃）および約７０ＭＰａの高圧力を印加
する。そして、この状態のもとで例えば約２時間、保持
する。

【００３４】上述したＨＩＰ処理の後、温度、圧力を徐
々に下げる。所定の温度、圧力まで下げた後に、試料を
ガラスカプセル１４および保護用セラミクス粉体１０か
ら取り出す。

【００３５】（ｄ）シリコン型を除去する工程本工程は、工程（ｃ）で焼成した後、図１（ｄ）に示す
ように、シリコン型３をエッチング法により除去する工
程である。

【００３６】例えば、ＨＩＰ処理を行った試料を、Ｘｅ
Ｆ₂ ガスなどのエッチング材を用いてエッチングし、圧
電セラミクス４を残してシリコン型３のみをエッチング
除去する。ＸｅＦ₂ ガスは、ＰＺＴなどの圧電セラミク
ス４を残してシリコンのみを選択的にエッチングするこ
とができるエッチング材である。

【００３７】以上説明した（ａ）〜（ｄ）の工程によっ
て、例えば図５に示すような、圧電セラミクス板５の上
に圧電セラミクスロッド６が林立した構造の圧電セラミ
クス構造体を製造することができる。なお、図５に示し
た構造以外の圧電セラミクス構造体についても、上述の
方法によって同様にしてシリコン型３から製造できるこ
とは言うまでもない。

【００３８】本発明の第１の側面として、上述のシリコ
ン型を作成する工程（ａ）において、図６に示したよう
に、穴２を形成した後に、シリコン型３の少なくとも穴
２の内部表面にＭｇＡｌ₂ Ｏ₄ またはＳｒＦ₂ からなる
セラミクス保護膜７を設ける。

【００３９】ＭｇＡｌ₂ Ｏ₄ またはＳｒＦ₂ 膜は、高温
または酸素雰囲気中でも安定な絶縁材料であり、シリコ
ンとの密着性も高い。従って、前述の圧電セラミクス４
を焼成する工程においても、穴２の内部表面にこれらの
膜からなるセラミクス保護膜７があるために、高温時で
も圧電セラミクス４の構成元素がシリコン型３へ拡散す
ることを防止することができる。このように圧電セラミ
クス４の構成元素の拡散が防止される結果、圧電セラミ
クス４の組成変化が抑えられ、圧電特性に優れた圧電セ
ラミクス構造体を製造することができる。

【００４０】一例としては、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン
酸鉛）などの鉛元素を含む圧電セラミクス４から鉛元素
がシリコン型３へ拡散することを防止できる。鉛元素の
拡散が防止されることで、ＰＺＴの組成変化が抑えら
れ、圧電特性に優れたＰＺＴ圧電セラミクスの構造体を
製造することができる。

【００４１】ＭｇＡｌ₂ Ｏ₄ 膜は、例えば、Ａｌ（Ｃ₂
Ｈ₅ ）₃ およびＭｇ（Ｃ₂ Ｈ₅ ）₂およびＯ₂ ガスから
なる混合ガスなどを用いたＣＶＤ法により形成すること
ができる。また、ＳｒＦ₂ 膜は、例えば、ＳｒＦ₂ 材な
どをターゲットとするＥＢ（電子ビーム）蒸着法により
形成することができる。

【００４２】なお、セラミクス保護膜７の膜厚は大きい
ほど、より高い焼成温度に対しても構成元素の拡散を抑
える効果がある。しかし、膜厚が大きすぎるとセラミク
ス保護膜７内部の残留応力が増加し、高温時にクラック
などが発生して保護膜としての効果を失ってしまう。従
って、セラミクス保護膜７の膜厚としては、０．１〜１
μｍの範囲にあることが好ましいが、特に、圧電セラミ
クスの焼成温度に対して必要最小限度の大きさとなるよ
うに膜厚を設定することが好ましい。このような最適な
値としては、焼成温度が例えば１０００℃の場合に、例
えば０．３μｍ程度である。

【００４３】また、前述のシリコン型を除去する工程
（ｄ）においては、セラミクス保護膜７は圧電セラミク
ス４に残したままでシリコン型３のみを除去する。セラ
ミクス保護膜７は、その厚みが０．３μｍ程度と薄い場
合には、圧電セラミクス４に残したままであっても形成
される圧電セラミクス構造体の圧電性能には影響しない
からである。

【００４４】例えば、前述の工程（ｄ）で使用するＸｅ
Ｆ₂ ガスは、ＰＺＴなどの圧電セラミクス４だけでな
く、ＭｇＡｌ₂ O ₄ またはＳｒＦ₂ などの膜も残して、
シリコンのみを選択的にエッチング除去することができ
る。

【００４５】本発明の第２の側面として、上述のセラミ
クス保護膜７の代わりに、図７に示したように、圧電セ
ラミクス４の高温時にシリコン型３へと拡散しやすい構
成元素が多く分布する拡散防止層８を形成する。つま
り、シリコン型を作成する工程（ａ）において、穴２を
形成した後にシリコン型３の少なくとも穴２の内部表面
に、圧電セラミクス４の高温時に拡散しやすい構成元素
を導入して拡散防止層８を形成する。

【００４６】シリコン型３の表面にこのような拡散防止
層８を形成することで、圧電セラミクス４の拡散しやす
い構成元素が、高温時に圧電セラミクス４からシリコン
型３へと拡散することを防止することができる。拡散を
防止できる結果、圧電セラミクス４の組成変化が抑えら
れ、圧電特性に優れた圧電セラミクス構造体を製造する
ことができる。

【００４７】拡散防止層８内で多く分布させる構成元素
としては、例えば鉛元素または酸素元素が挙げられる。
シリコン型３の表面に鉛元素または酸素元素の多い拡散
防止層８を形成することにより、鉛元素または酸素元素
を含むＰＺＴなどのような圧電セラミクス４からシリコ
ン型３へ、高温時に鉛原子または酸素原子が拡散するこ
とを抑えることができる。拡散が抑えられる結果、ＰＺ
Ｔなどの圧電セラミクス４の組成変化が抑えられ、圧電
特性に優れた圧電セラミクス構造体を製造することがで
きる。

【００４８】このような圧電セラミクス４の構成元素を
シリコン型２の表面入に導入する方法としては、イオン
注入法、または熱拡散法などが挙げられる。イオン注入
法は、イオン化した構成元素を電気的に加速してシリコ
ン型３の表面へ打ち込むことで、構成元素が多く分布す
る拡散防止層８をシリコン型３の表面に形成するもので
ある。

【００４９】構成元素のイオン化は、構成元素を含むガ
ス中で放電などを起こして行う。例えば鉛イオン発生用
のガスとしては、例えば固体の鉛に電子ビームを照射し
て鉛を融解させ、その結果発生した鉛蒸気ガスなどを使
用する。また、例えば酸素イオン発生用のガスとして、
酸素ガスなどを使用する。

【００５０】シリコン表面へのイオンの進入深さおよび
イオン加速エネルギーは、圧電セラミクス４の焼成温度
または焼成時間などの条件により最適な値を選択する。
つまり、焼成温度が高いかまたは焼成時間が長い場合に
は圧電セラミクス４の構成元素が拡散しやすいので、拡
散しやすい構成元素がより多く拡散防止層８内に分布す
るように、進入深さおよび加速エネルギーを調整する。

【００５１】例えば、鉛イオンの進入深さおよび加速エ
ネルギーの一例としては、進入深さが例えば０．５μｍ
程度、この侵入深さに対応する加速エネルギーとして例
えば１ＭｅＶないし１０ＭｅＶである。

【００５２】また、例えば酸素イオンの進入深さおよび
加速エネルギーの一例としては、進入深さが例えば０．
５μｍ程度、この侵入深さに対応する加速エネルギーと
して例えば１００ＫｅＶないし１ＭｅＶである。

【００５３】拡散防止層８を形成する別の方法である熱
拡散法は、シリコン型３と圧電セラミクス４の構成元素
とを一緒に加温することで行う。一緒に加温すること
で、圧電セラミクス４の構成元素を少なくとも穴２の内
部表面に拡散させ、シリコン型３の表面に構成元素の多
い拡散防止層８を形成する。

【００５４】例えば鉛元素を熱拡散法により導入すると
きには、シリコン型３を鉛とを一緒に加温する。また、
例えば酸素元素を熱拡散法により導入するときには、シ
リコン型３を酸素ガス中で加温する。

【００５５】熱拡散法において一緒に加温する温度およ
び加温する時間も、前述したように、圧電セラミクス４
の焼成温度または焼成時間などの条件によって、シリコ
ン表面に構成元素が最適に分布するように選択する。例
えば、鉛元素を導入するときには、シリコン表面への鉛
原子の拡散深さが例えば０．５μｍ程度となるように、
加熱の温度および加温する時間を調整する。また、シリ
コン表面へ酸素元素を導入するときには、酸素原子の拡
散深さが例えば０．５μｍ程度となるように、加熱の温
度および加温する時間を調整する。

【００５６】本発明の第３の側面として、上述の圧電セ
ラミクスのスラリーをシリコン型へキャスティングする
工程（ｂ）において、超音波などによって加振しながら
スラリーを充填する代わりに、穴２の深さ方向の遠心力
によりスラリーを充填する。つまり、圧電セラミクスス
ラリー４を遠心力を利用してシリコン型３の穴２の内部
に流し込む。

【００５７】図８に、このように遠心力を利用してスラ
リー４を流し込むための装置の一例を示す。図８におい
て、回転軸２０に、この回転軸２０に垂直なアーム２１
が一体に固定されている。アーム２１の先には、試料を
セットするためのホルダー２２が取付けられている。ア
ーム２１とホルダー２２は、ピン２３を介して、ホルダ
ー２２が回転軸２０を含む平面内においてピン２３を中
心に回転自在に動けるように接続されている。なお、図
２ではホルダー２２の一部を透過させて中の試料が見え
るようにしてある。

【００５８】ホルダー２２内に、シリコン型３に予め圧
電セラミクススラリー４を塗布した試料をセットする。
予め行う圧電セラミクススラリー４の塗布は、シリコン
型３の穴２の内部とともにシリコン型３の表面を圧電セ
ラミクス４が覆うように行う。シリコン型３の表面を圧
電セラミクス４が覆うことで、それぞれの穴２に充填さ
れた圧電セラミクス４が互いに一体化された圧電セラミ
クス構造体を形成することができる。

【００５９】試料のホルダー２２内へのセッティング
は、回転軸２０の回転によってホルダー２２内に生じる
遠心力の方向とシリコン型３の穴２の深さ方向とが一致
するように行う。

【００６０】図示しないモータにより回転軸２０を回転
させると、アーム２１を介してホルダー２２は円軌道を
描いて回転する。ホルダー２２がこのように回転するこ
とで、図８に示すように、アーム２１に平行な遠心力が
ホルダー２２内に生じる。回転によって発生させる遠心
力の遠心加速度としては、例えば１００Ｇないし１００
０Ｇである（ここでG は重力加速度）。遠心力によっ
て、ホルダー２２内にセットされたシリコン型３の穴２
に圧電セラミクススラリー４が加圧されて流し込まれ
る。

【００６１】本発明においては、圧電セラミクススラリ
ー４を十分大きな遠心力を利用してシリコン型３に流し
込むので、圧電セラミクススラリー４を穴２の内部まで
十分にかつ均一に充填することができる。

【００６２】上述のようにして圧電セラミクススラリー
４を流し込んだ後、回転軸２０の回転を止めて試料をホ
ルダー２２から取り出し、取出した試料を、前述の工程
（ｂ）のようにして圧電セラミクス４の乾燥、脱脂を行
う。

【００６３】なお、図８に示した遠心力をかけるための
装置において、ホルダー２２の内部に試料を加熱するた
めのヒータを内蔵させてこれを作動させ、もしくはホル
ダー２２を外部から加熱する装置を作動させて、試料を
ホルダー２２から取り出さずに加熱して脱脂を行っても
良い。

【００６４】なお、上述のように遠心力を利用してスラ
リー4 を流し込んだ状態では、圧電セラミクス４はシリ
コン型３の穴２の内部にはまだ十分には密に入ってはい
ない。

【００６５】本発明の第４の側面として、上述の加圧し
ながら圧電セラミクスを焼成する工程（ｃ）において、
ＨＩＰ処理により加圧しながら焼成する代わりに、穴２
の深さ方向の一方向みの力により加圧しながら焼成す
る。

【００６６】図９に、このように穴２の深さ方向のみの
一方向の力により加圧しながら焼成するための装置の一
例を示す断面図を示す。図９において、アルミナ（Ａｌ
₂ Ｏ₃ ）またはマグネシア（ＭｇＯ）のセラミクスから
なる凹状の容器３０の中に、アルミナ板３１を介して、
工程（ｂ）でスラリー4 を充填した試料を配置する。試
料の配置は、シリコン型３の穴２の深さ方向が容器３０
内で上下方向となるように行う。

【００６７】配置した試料の上に、アルミナ板３１を介
して、上部から加圧するためのジルコニアセラミクスか
らなる重り３２を配置する。このように試料の上下にア
ルミナ板３１を介するのは、試料に対して加圧が上下方
向のみに行われるようにするためである。なお、アルミ
ナ板３１の代わりに、上下方向の力の伝達が確実に行え
て、高温でもシリコン型３およびＰＺＴなどの圧電セラ
ミクス４との反応が小さい材料であれば、他の種類のセ
ラミクスなどの他の材料を使用してもかまわない。

【００６８】重り３２を配置して加圧を容器３０内で上
下方向のみに行うことで、シリコン型３に充填された圧
電セラミクス４に対して、穴２の深さ方向のみに加圧す
ることができる。このように深さ方向の一方向に加圧を
行うだけで、穴２の内部に圧電セラミクス４をより密に
充填することができる。

【００６９】なお、試料にかける圧力は、後述する圧電
セラミクス４を焼成する温度、時間などの条件によって
最適化する。つまり、焼成温度が高いか、または焼成時
間が長いときには試料にかける圧力は低くし、焼成温度
が低いか、または焼成時間が短いときには試料にかける
圧力は高くする。かける圧力の値の例としては、例えば
焼成温度が１０００℃で焼成時間が２時間のときに、約
１ＭＰａ程度である。

【００７０】重り３２を配置して試料を加圧した状態
で、容器３０を電気炉内に入れる。電気炉内の温度を圧
電セラミクス４の粉末が焼成する温度、例えば１２００
℃程度に設定して例えば約２時間程度保持し、圧電セラ
ミクス４を焼成する。加圧した状態で焼成する結果、圧
電セラミクス４がシリコン型３の穴２の内部に、より高
密度で充填された状態で焼成することができる。なお、
焼成は、空気中、もしくは酸素ガス中で行う。また、焼
成温度、焼成時間などの条件は、圧電セラミクス４の種
類によって最適なものを選ぶ。

【００７１】また、上述の説明では、容器３０内に1 個
の試料しか配置していないが、より大きな容器３０内に
複数個の試料を配置して、これらの試料を同時に加圧し
ながら焼成できることは言うまでもない。

【００７２】上述したように、本発明においては圧電セ
ラミクス４を一方向に加圧するだけなので、加圧するた
めの装置および方法が簡単である。従って、一度に大量
の圧電セラミクス試料について加圧しながら焼成を行う
ことができ、完成品である圧電セラミクス構造体を量産
することが可能となる。

【００７３】以上、説明した本発明に係る第１ないし第
４の側面は、本発明に係る目的を達成するために、以下
のようにして実施する。つまり、工程（ａ）において本
発明の第１の側面または第２の側面のどちらかを実施す
れば、続く工程（ｂ）における第３の側面および工程
（ｃ）における第４の側面はそれぞれ実施しても良いし
実施しなくても良い。

【００７４】また、工程（ａ）において本発明の第１の
側面および第２の側面のどちらも実施せずに、続く工程
（ｂ）における第３の側面および工程（ｃ）における第
４の側面の少なくとも一方を実施しても良い。

【００７５】もちろん、工程（ａ）において本発明の第
１の側面または第２の側面のどちらかを実施し、かつ、
続く工程（ｂ）における第３の側面および工程（ｃ）に
おける第３の側面をどちらも実施したときに、本発明に
係る製造方法によって最も課題が解決された圧電セラミ
クス構造体が得られることは言うまでもない。

【００７６】従って、このような最も課題が解決された
圧電セラミクス構造体は、シリコン型３と圧電セラミク
ス４とが焼成中に反応を起こしていないために圧電セラ
ミクス４に組成ずれが生じておらず、また圧電セラミク
ス４が高密度に均一に充填されているために、十分な圧
電性を示す。さらに、このような圧電セラミクス構造体
は、低コストで大量に製造することが可能となる。

【００７７】

【発明の効果】以上、詳述したように、本発明によれ
ば、高温時にもシリコン型と圧電セラミクスとの反応が
少なく、ひいては圧電特性に優れた圧電セラミクス構造
体を製造することが可能な圧電セラミクス構造体の製造
方法が提供される。また、本発明によれば、シリコン型
中に均一に圧電セラミクススラリーを充填することが可
能な圧電セラミクス構造体の製造方法が提供される。さ
らに、本発明によって、大量の圧電セラミクス試料を加
圧しながら焼成することができ圧電セラミクス構造体を
量産することが可能な圧電セラミクス構造体の製造方法
が提供される。その結果、特性の良好な圧電振動子を低
コストで製造できる等の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る圧電セラミクス構造体の製造方法
の基本工程の一例を示す工程図。

【図２】本発明に係る基本工程でのＨＩＰ処理工程の一
例を示す図。

【図３】本発明に係る基本工程でのＨＩＰ処理工程の一
例を示す図。

【図４】本発明に係るＨＩＰ処理時の温度および圧力の
変化の一例を示す図。

【図５】本発明に係る圧電セラミクス構造体の一例を示
す図。

【図６】本発明の第１の側面に係るシリコン基板にセラ
ミクス保護膜を形成する工程を示す図。

【図７】本発明の第２の側面に係るシリコン基板に拡散
防止層を形成する工程を示す図。

【図８】本発明の第３の側面に係るシリコン基板に遠心
力により圧電セラミクススラリー充填するための装置の
一例を示す概略図。

【図９】本発明の第４の側面に係る一方向に加圧しなが
ら圧電セラミクスを焼成するための装置の一例を示す概
略断面図。

【符号の説明】

１…レジスト２…穴３…シリコン型４…圧電セラミクス５…圧電セラミクス板６…圧電セラミクスロッド７…セラミクス保護膜１０…保護用セラミクス粉体１１…ゴムチューブ１２…テープ１３…ガラス管１４…ガラスカプセル２０…回転軸２１…アーム２２…ホルダー２３…ピン３０…容器３１…アルミナ板３２…重り

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者江刺正喜宮城県仙台市青葉区荒巻字青葉無番地東北大学内 (72)発明者王詩男宮城県仙台市青葉区荒巻字青葉無番地東北大学内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（ａ）シリコン基材に反応性イオンエッ
チング法を用いて複数の穴を設ける工程と、（ｂ）該穴
内部に圧電セラミクス粉体とバインダーとを含むスラリ
ーを充填する工程と、（ｃ）該スラリーを加圧した状態
で加熱して該圧電セラミクスを焼成させる工程と、
（ｄ）焼成後、該シリコン基材をエッチング法により除
去する工程とを含む圧電セラミクス構造体の製造方法で
あって、該工程（ａ）において、シリコン基材に反応性イオンエ
ッチング法を用いて複数の穴を設けた後に、少なくとも
該穴の内部表面にＭｇＡｌ₂ O ₄ もしくはＳｒＦ₂ のセ
ラミクス保護膜を設けることを特徴とする圧電セラミク
ス構造体の製造方法。
【請求項２】（ａ）シリコン基材に反応性イオンエッ
チング法を用いて複数の穴を設ける工程と、（ｂ）該穴
内部に圧電セラミクス粉体とバインダーとを含むスラリ
ーを充填する工程と、（ｃ）該スラリーを加圧した状態
で加熱して該圧電セラミクスを焼成させる工程と、
（ｄ）焼成後、該シリコン基材をエッチング法により除
去する工程とを含む圧電セラミクス構造体の製造方法で
あって、該工程（ａ）において、シリコン基材に反応性イオンエ
ッチング法を用いて複数の穴を設けた後に、少なくとも
該穴の内部表面に鉛もしくは酸素を導入することを特徴
とする圧電セラミクス構造体の製造方法。
【請求項３】（ａ）シリコン基材に反応性イオンエッ
チング法を用いて複数の穴を設ける工程と、（ｂ）該穴
内部に圧電セラミクス粉体とバインダーとを含むスラリ
ーを充填する工程と、（ｃ）該スラリーを加圧した状態
で加熱して該圧電セラミクスを焼成させる工程と、
（ｄ）焼成後、該シリコン基材をエッチング法により除
去する工程とを含む圧電セラミクス構造体の製造方法で
あって、該工程（ｂ）において、該穴の深さ方向の遠心力により
該スラリーを充填することを特徴とする圧電セラミクス
構造体の製造方法。
【請求項４】（ａ）シリコン基材に反応性イオンエッ
チング法を用いて複数の穴を設ける工程と、（ｂ）該穴
内部に圧電セラミクス粉体とバインダーとを含むスラリ
ーを充填する工程と、（ｃ）該スラリーを加圧した状態
で加熱して該圧電セラミクスを焼成させる工程と、
（ｄ）焼成後、該シリコン基材をエッチング法により除
去する工程とを含む圧電セラミクス構造体の製造方法で
あって、該工程（ｃ）において、該穴の深さ方向のみの力により
該加圧を行うことを特徴とする圧電セラミクス構造体の
製造方法。