WO2010123108A1 - 薄板状焼成圧電体の製造方法 - Google Patents

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WO2010123108A1
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piezoelectric body
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高橋 伸夫
大西 孝生
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日本碍子株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a thin plate-like piezoelectric body having both surfaces constituted by a fired surface and excellent flatness.
  • This piezoelectric device is a piezoelectric actuator that uses distortion (deformation) based on the inverse piezoelectric effect that occurs when an electric field is applied to a ferroelectric or antiferroelectric material, or a ferroelectric / antiferroelectric based on the same effect.
  • the core of these piezoelectric devices is a fired piezoelectric body and a piezoelectric element sandwiched between the electrodes.
  • the fired piezoelectric body (fired piezoelectric body) can be produced by firing at a high temperature. And this fired piezoelectric material can obtain a large displacement with a high piezoelectric constant by appropriately selecting the type of additive. Since a piezoelectric element composed of such a fired piezoelectric body can obtain a large displacement even if it is small in size, it is suitably employed as a drive unit for the displacement control device.
  • Patent Documents 1 and 2 can be cited as prior documents on a method of manufacturing a piezoelectric body.
  • the conventional method for manufacturing a piezoelectric body has the following problems. That is, when the piezoelectric body is a single layer or several layers and the whole thickness is 20 ⁇ m or less, the piezoelectric body is largely deformed by firing and a high flatness piezoelectric body cannot be obtained. . In addition, due to the deformation, cracks are likely to occur during handling. In addition, there is a case where a large amount of material is discarded or an expensive mold or the like is used.
  • Patent Document 1 discloses a method of manufacturing a diaphragm structure having a two-layer structure and a second layer having a window shape (closed space).
  • the firing atmosphere is different on the front and back surfaces of the first diaphragm portion, and there is a subtle difference in the sintered state, so that the diaphragm portion is desired. There is concern that it will not be shaped.
  • Patent Document 2 discloses a method for manufacturing a multi-diaphragm structure, in which a second layer of a three-layer structure is formed by printing.
  • This multi-diaphragm structure is manufactured as a substrate in which the first layer is a vibration plate, the second layer is patterned by printing (a closed space is formed), and the third layer is formed with a through hole. .
  • the diaphragm is composed of a first layer and a second layer, and the third layer through-hole communicates with the outside.
  • the through-hole is formed in the third layer, there is a concern that the formation of the through-hole itself causes an increase in cost as the density of the piezoelectric element and the accompanying increase in the number of pieces are increased.
  • the third layer may be unnecessary. Further, if the first layer (thin plate portion) is cut out after firing, the portion other than the cut out portion becomes the object to be discarded, so the amount of material to be discarded can be reduced. Furthermore, in order to improve the flatness of the thin plate portion, if the third layer is used as a reinforcement, the through hole becomes unnecessary, and there is no need to use a mold for forming the through hole, thereby reducing the man-hours. It is thought that it can be done.
  • the object of the present invention is to produce a thin plate-like piezoelectric body excellent in flatness at low cost. Is to provide a means.
  • a green reinforcing sheet for piezoelectric material is joined to a remote island-shaped firing reinforcing member to prevent deformation during firing, and after firing, it is not a firing reinforcing member part (originally a green sheet) It was found that by cutting out a thin plate portion, the above-mentioned problems were solved, and a thin plate-like fired piezoelectric body excellent in flatness could be obtained at a low cost.
  • the thickness T after firing is 0.1 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less, and the ratio T between the thickness T and the in-plane maximum length L / L is 0.000002 or more and 0.2 or less, the process of producing a green sheet, and the firing which is scattered on at least one side of the green sheet so as to avoid the portion which becomes a thin plate-like fired piezoelectric body later And a step of obtaining a thin plate-like sintered piezoelectric body with a reinforcing member for firing after the reinforcing member is disposed.
  • reinforcing members for firing may be provided on both sides of the green sheet.
  • a thin plate-like fired piezoelectric body can be obtained by removing the firing reinforcing member from the thin plate-like fired piezoelectric body with a firing reinforcing member after firing.
  • the shrinkage rate is considered based on the thickness of the thin plate-like fired piezoelectric body to be obtained and the maximum in-plane length.
  • the green sheet thickness T and the in-plane maximum length L may be determined.
  • the green sheet is a sheet made of a piezoelectric ceramic material before firing, including a portion that later becomes a thin plate-like fired piezoelectric body.
  • the firing reinforcing member is a sheet (also a green sheet) made of a ceramic material before firing, substantially like the green sheet.
  • the ceramic material of the reinforcing member for firing may be the same as or different from the piezoelectric ceramic material of the green sheet that becomes the thin plate-like fired piezoelectric body. The same material is preferable.
  • the ratio T / L is preferably 0.001 or more and 0.06 or less.
  • the firing reinforcing members are scattered and disposed on at least one surface of the green sheet. Since it is scattered, there are a plurality of reinforcing members for firing. Scattered means a mode of being separated and present independently like a remote island.
  • the preferred scattered mode is specifically as follows.
  • the firing reinforcing members are scattered on at least one surface of the green sheet so as to be point-symmetric.
  • Scattering so as to be point-symmetric means that the arrangement (form) of a plurality of firing reinforcing members selected from all of the scattered firing reinforcing members has a symmetry point, and the symmetry point Even if it is rotated 180 ° around the center, it means that its arrangement (shape) remains unchanged.
  • the firing reinforcing members are scattered on at least one surface of the green sheet in a shape in which a continuous lattice shape is divided and part thereof is removed.
  • Such an embodiment is preferably employed when a large number of firing reinforcing members are used and a large number of thin plate-like fired piezoelectric bodies are taken.
  • the firing reinforcing member is formed by a screen printing method and disposed on at least one side of the green sheet.
  • the firing reinforcing plate is used for firing. It is preferable to dispose the reinforcing member for firing on at least one surface of the green sheet by bonding the surface on which the reinforcing member is disposed to the green sheet.
  • the firing reinforcing member is thicker than the green sheet. Specifically, for example, if the thickness of the green sheet is 10 ⁇ m, the firing reinforcing member is more than 10 ⁇ m and preferably several tens of ⁇ m (for example, 50 ⁇ m to 90 ⁇ m). It may be on the order of 100 ⁇ m.
  • the cutting method is any one selected from a cutting means group consisting of a grindstone method, a water jet method, an etching method, and a sand blast method. .
  • a thin plate-like sintered piezoelectric body with a reinforcing member for firing is obtained by using the method for producing a thin-plate-like sintered piezoelectric body, and the portion that becomes the thin plate-like sintered piezoelectric body in the thin plate-like sintered piezoelectric body with the reinforcing member for firing.
  • a method of manufacturing a piezoelectric element having a process of forming a film-like electrode is provided.
  • the film-like electrode is formed by any one selected from a film forming means group consisting of a spin coating method, a sputtering method, a dip method, and a non-contact coating method. Is preferred.
  • the process of obtaining the piezoelectric element by removing the firing reinforcing member from the thin fired piezoelectric member with the firing reinforcing member on which the film-like electrode is formed by cutting is preferably any one selected from a cutting means group consisting of a grindstone method, a water jet method, an etching method, and a sandblast method.
  • a thickness T after firing is 0.1 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less using a piezoelectric material, and the thickness T and the maximum in-plane length L are
  • a green sheet having a ratio T / L of 0.000002 or more and 0.2 or less is prepared, and is scattered on at least one surface of the green sheet so as to avoid a portion that will later become a thin plate-like sintered piezoelectric body. Since firing is performed after the firing reinforcing member is disposed, the firing reinforcing member is scattered during firing, so that the atmosphere during firing is not locally different, and the atmosphere around the green sheet is easily made uniform.
  • a thin plate-like fired piezoelectric body having the same sintered state on the front and back surfaces can be obtained.
  • firing is performed after disposing a reinforcing member for firing dispersed on at least one surface of the green sheet so as to avoid a portion that later becomes a thin plate-like fired piezoelectric body, Thereafter, the electrode is further baked, but the amount of deformation due to heat at that time can be reduced, so that a piezoelectric element having a thin plate-like piezoelectric body with excellent flatness can be obtained.
  • Flatness refers to the magnitude of deviation from the geometric plane of the surface of the thin plate-like sintered piezoelectric material that should be flat.
  • the firing reinforcing members when firing reinforcing members are disposed on both sides of the green sheet, the firing reinforcing members are particularly symmetrical on both sides with respect to the green sheet. By disposing, it is possible to obtain a thin plate-like fired piezoelectric body having no difference in the sintered state between the front and back surfaces than in the case where it does not.
  • the reinforcing members for firing are scattered on at least one surface of the green sheet so as to be point-symmetric.
  • the stress applied to the (fired piezoelectric body) becomes a point object, and the occurrence of local deformation can be reduced.
  • the firing reinforcing member is formed by screen printing, and therefore various firing reinforcing member patterns can be realized at low cost.
  • the pattern of the firing reinforcing member is either or both of the shape of the firing reinforcing member and the arrangement of the firing reinforcing member.
  • the firing reinforcement is provided after firing reinforcing members are disposed on a firing reinforcing plate thicker than a green sheet in advance.
  • the firing reinforcing member is disposed on at least one surface of the green sheet.
  • it is baked after that, it is baked in the state in which the green sheet and the reinforcing plate for baking were joined via the reinforcing member for baking sandwiched between them. Accordingly, it is possible to reduce the overall warpage including the green sheet and the firing reinforcing plate and the firing reinforcing member sandwiched between them after firing.
  • the firing reinforcing member is thicker than the green sheet, the rigidity can be made higher than when it is thin, and the warpage during firing can be reduced. I can do it.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of a method for manufacturing a thin plate-like fired piezoelectric body according to the present invention, and shows steps (1) to (4).
  • FIG. 2 is a perspective view showing a green sheet to be used, showing an embodiment of a method for manufacturing a thin plate-like fired piezoelectric body according to the present invention.
  • FIG. 3A is a diagram showing an embodiment of a method for manufacturing a thin plate-like fired piezoelectric body according to the present invention, and is a back view showing the thin plate-like fired piezoelectric body with a reinforcing member for firing obtained in the manufacturing process.
  • FIG. 3B is a cross-sectional view showing the AA cross section shown in FIG.
  • FIG. 4A is a diagram illustrating an example of a pattern of a reinforcing member for firing.
  • FIG. 4B is a diagram showing another example of the pattern of the reinforcing member for firing.
  • FIG. 4C is a diagram showing another example of the pattern of the reinforcing member for firing.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing another embodiment of the method for manufacturing a thin plate-like fired piezoelectric material according to the present invention, and shows steps (1) to (5).
  • FIGS. 1 to 4C an embodiment of a method for manufacturing a thin plate-like sintered piezoelectric material according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 4C.
  • 1 is drawn as a view for obtaining one thin plate-like sintered piezoelectric body (others are omitted), and
  • FIGS. 3A and 3B are drawn as views for obtaining nine thin plate-like fired piezoelectric materials. It is.
  • the method for producing a thin plate-like fired piezoelectric material according to the present invention can be manufactured in multiples of nine or more, and it is possible to produce a thin plate-like fired piezoelectric material of several to several hundreds order from one green sheet. Needless to say.
  • a green sheet 21 is produced using a piezoelectric material (see step (1) in FIG. 1 and FIG. 2).
  • the green sheet 21 has a single-layered thin plate shape, the thickness T is 0.1 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less, and the ratio T / L between the thickness T and the in-plane maximum length L is 0. 0.000002 or more and 0.2 or less.
  • a binder, a solvent, a dispersant, a plasticizer, and the like are added to and mixed with ceramic powder such as lead zirconate titanate to prepare a slurry, and after defoaming treatment, a reverse roll coater method, a doctor A green sheet having the above thickness is prepared by a method such as a blade method, and then the ratio of the thickness to the maximum length in the plane is as described above by a method such as punching using a mold or laser processing. A green sheet 21 having a large size can be obtained.
  • the planar shape of the green sheet 21 including a portion that will later become a thin plate-like sintered piezoelectric material is a rectangle as shown in FIG. 2, but in the method for producing a thin plate-like sintered piezoelectric material according to the present invention, the outer shape of the green sheet Is not particularly limited. Since the productivity is improved, an outer shape that can be machined is desirable. In consideration of productivity, a shape formed by a straight line, for example, a polygon, particularly a rectangle is preferable.
  • the green sheet 21 is scattered on one surface (for example, the lower surface (back surface)) so as to avoid a portion (see step (2) in FIG. 1, FIG. 3A and FIG. 3B) that will later become a thin plate-like sintered piezoelectric material.
  • the fired reinforcing member 22 is formed by (for example) screen printing and disposed.
  • a portion B enclosed by a broken line in FIG. 3A is a portion that later becomes a thin plate-like sintered piezoelectric material.
  • a binder, a solvent, a dispersant, a plasticizer, and the like are added and mixed with the same ceramic powder such as lead zirconate titanate to produce a paste, which is defoamed.
  • the paste is printed on the surface of the green sheet 21 using a screen printer (screen printing plate making) to form a thick printed film in a desired pattern, which is used as the reinforcing member 22 for firing. .
  • a pattern may be formed on the tape and then transferred.
  • the pattern of the reinforcing member 22 (printing film) for firing may be one in which the cross-shaped firing reinforcing members 22 are arranged at equal intervals.
  • FIG. 4B may be arranged, and as shown in FIG. 4B, two sets of rod-like firing reinforcement members may be arranged in parallel to face each other, as shown in FIG. 4C.
  • a circular firing reinforcing member may be arranged at a position corresponding to the apex of a square.
  • the portion to be a thin plate-like fired piezoelectric body is secured as a square or a rectangle, and four or two firing reinforcing members are arranged so as to be point-symmetric with a symmetry point P.
  • the Such an arrangement is a shape obtained by dividing a (continuous) lattice shape and removing a part thereof.
  • firing is performed at an appropriate temperature in the range of 800 to 1600 ° C. based on the piezoelectric material to be used, and the thin plate fired piezoelectric body 23 with the firing reinforcing member. Get. Thereafter, the firing reinforcing member is removed from the thin plate-like fired piezoelectric body with the firing reinforcing member by cutting by a mechanical method such as a grindstone method, a water jet method, a sandblast method, or a chemical method such as an etching method. A shaped fired piezoelectric body 1 is obtained (see steps (3) and (4) in FIG. 1).
  • a reinforcing plate 51 for firing thicker than the green sheet 21 shown later is prepared (see step (1) in FIG. 5).
  • the firing reinforcing plate 51 is made of the same material as the firing reinforcing member 22 or has a composition close to that material, and is formed in advance by a tape forming method such as a doctor blade method or a screen printing method. What was formed in is preferable.
  • the reinforcing member 22 is formed by (for example) screen printing (see step (2) in FIG. 5). Specifically, for example, a binder, a solvent, a dispersant, a plasticizer, and the like are added to and mixed with ceramic powder such as lead zirconate titanate to prepare a paste, which is defoamed. Thereafter, the paste is printed on the surface of the firing reinforcing plate 51 using a screen printer (screen printing plate making) to form a thick printed film in a desired pattern, and this is used as the firing reinforcing member 22. And
  • a green sheet 21 is produced using a piezoelectric material.
  • the green sheet 21 has a single-layered thin plate shape, the thickness T is 0.1 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less, and the ratio T / L between the thickness T and the in-plane maximum length L is 0. 0.000002 or more and 0.2 or less.
  • a binder, a solvent, a dispersant, a plasticizer, and the like are added to and mixed with ceramic powder such as lead zirconate titanate to prepare a slurry, and after defoaming treatment, a reverse roll coater method, a doctor A green sheet having the above thickness is produced by a method such as a blade method, and then the ratio of the thickness to the maximum length in the plane is as described above by a method such as punching using a mold or laser processing.
  • a green sheet 21 having a large size can be obtained.
  • the surface of the firing reinforcing plate 51 on which the firing reinforcing member 22 is disposed is joined to the green sheet 21 (see step (3) in FIG. 5). This joining is performed by heating, applying a load and crimping. Then, firing is performed at an appropriate temperature in the range of 800 to 1600 ° C. based on the piezoelectric material to be used to obtain a thin plate-like fired piezoelectric body 24 with a firing reinforcing member further provided with a firing reinforcing plate.
  • the method for manufacturing a piezoelectric element according to the present invention is a method using any one of the above-described methods for manufacturing a thin plate-like sintered piezoelectric material according to the present invention.
  • the piezoelectric element indicates a thin plate-like fired piezoelectric body on which electrodes are formed.
  • the method for manufacturing a piezoelectric element according to the present invention is a method in which the process of forming a film-like electrode in a portion that becomes a thin plate-like sintered piezoelectric material is added to the method for manufacturing a thin plate-like sintered piezoelectric material according to the present invention.
  • a thin plate-like fired piezoelectric material with a firing reinforcing member (or a thin plate-like fired piezoelectric material with a firing reinforcing member further provided with a firing reinforcing plate) is obtained.
  • a film-like electrode is formed on the portion to become a thin plate-like sintered piezoelectric material by a film forming means such as a spin coating method, a sputtering method, a dip method, or a non-contact coating method.
  • a piezoelectric element a thin plate-like fired piezoelectric body on which electrodes are formed
  • piezoelectric material of the thin plate fired piezoelectric body
  • Any material can be used as long as it causes electric field induced strain such as piezoelectric effect or electrostrictive effect.
  • Semiconductor ceramics, ferroelectric ceramics, and antiferroelectric ceramics can be used, and may be appropriately selected and used depending on the application. Moreover, even if it is a material which requires a polarization process, the material which is not required may be sufficient.
  • preferable materials include lead zirconate, lead titanate, lead magnesium niobate, lead nickel niobate, lead nickel tantalate, lead zinc niobate, lead manganese niobate, lead antimony stannate, manganese tungstic acid.
  • These materials include lanthanum, calcium, strontium, molybdenum, tungsten, barium, niobium, zinc, nickel, manganese, cerium, cadmium, chromium, cobalt, antimony, iron, yttrium, tantalum, lithium, bismuth, tin, An oxide such as copper may be dissolved.
  • these materials there is no particular limitation as long as the required performance as a device is satisfied.
  • a composite of lead zirconate, lead titanate, lead magnesium niobate, and lead nickel niobate An oxide is preferable because it can exhibit high material properties.
  • a material obtained by adding lithium bismutate, lead germanate, or the like to the above materials for example, a material added with lithium bismutate or lead germanate can exhibit high material properties while realizing low-temperature firing of the piezoelectric body. Therefore, it is more preferable.
  • the piezoelectric material described above can also be used as a material for the reinforcing member for firing. In order to make the degree of thermal expansion the same, it is preferable to use the same material as the thin plate-like fired piezoelectric body (green sheet).
  • the piezoelectric material described above can be used for the material of the reinforcing plate for firing.
  • the same material it is preferable to use the same material as the thin plate-like fired piezoelectric body (green sheet) and the firing reinforcing member.
  • a conductive metal is employed as the electrode material.
  • simple metals such as aluminum, titanium, chromium, iron, cobalt, nickel, copper, zinc, niobium, molybdenum, ruthenium, palladium, rhodium, silver, tin, tantalum, tungsten, iridium, platinum, gold, or lead, or these
  • an alloy composed of two or more types, for example, one of silver-platinum, platinum-palladium, silver-palladium, etc., alone or in combination of two or more.
  • a mixture or cermet of these materials and aluminum oxide, zirconium oxide, titanium oxide, silicon oxide, cerium oxide, glass, piezoelectric material, or the like may be used. In selecting these materials, it is preferable to select them according to the type of piezoelectric material.
  • a thin plate-like sintered piezoelectric material includes a measuring instrument, an optical modulator, an optical switch, a microvalve, a transport device, an image display device (display, projector, etc.), an image drawing device, a micropump, a droplet discharge device, a micro Main piezoelectric elements provided in various piezoelectric actuators applied to mixing devices, minute stirring devices, minute reaction devices, etc., and various piezoelectric sensors used for detecting fluid characteristics, sound pressure, minute weight, acceleration, etc. It is suitably used as a component (displacement generator).

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Abstract

 圧電材料を用いて、焼成後の厚さTと、面内の最大長Lと、の比率T/Lが、0.000002以上、0.2以下である、グリーンシートを作製する過程と、そのグリーンシートの少なくとも片面に、のちに薄板状焼成圧電体となる部分を避けるように散在させた焼成用補強部材を配設した後に、焼成をして、焼成用補強部材付薄板状焼成圧電体を得る過程と、を有する薄板状焼成圧電体の製造方法によれば、平面度に優れた、薄い板状の圧電体を、安価に製造することが出来る。

Description

薄板状焼成圧電体の製造方法
 本発明は、両面が焼成面で構成され、平面度に優れた、薄い板状の圧電体を製造する方法に関する。
 近年、光学、精密機械、半導体製造等の分野において、サブミクロンのオーダーで光路長や位置を調整する、変位制御デバイスが所望されるようになってきている。これに応え、圧電デバイスの開発が進められている。この圧電デバイスは、強誘電体や反強誘電体に電界を加えたときに起こる逆圧電効果等に基づく歪み(変形)を利用した圧電アクチュエータや、同様の効果に基づいて強誘電体/反強誘電体に応力を加えたときに起こる電荷発生を利用した圧電センサ等である。そして、これら圧電デバイスの中核をなすものは、焼成された圧電体、及び、それを電極で挟んでなる圧電素子である。
 焼成された圧電体(焼成圧電体)は、高温で焼成して作製することが可能である。そして、この焼成圧電体は、添加物の種類を適切に選定することによって、圧電定数が高い、大きな変位を得られるものとすることが出来る。このような焼成圧電体で構成される圧電素子は、小型であっても大きな変位を得ることが出来るので、上記変位制御デバイスの駆動部として、好適に採用される。
 圧電体を製造する方法についての先行文献としては、次の特許文献1,2を挙げることが出来る。
特開平8-051238号公報 特開平9―229013号公報
 しかしながら、従来の圧電体の製造方法は、以下のような問題を抱えている。即ち、圧電体が、1層又は数層であり、全体の厚さが20μm以下であるような、薄板状である場合には、焼成による変形が大きく、平面度の高い圧電体が得られない。加えて、その変形があるために、ハンドリングする際に割れが発生し易い。又、廃棄する材料が多大となったり、高額な金型等を使用せざるを得ない場合がある。
 先行文献に基づく具体的な問題を挙げる。先ず、上記特許文献1では、2層構造で2層目が窓形状(閉空間)であるダイヤフラム構造体を製造する方法が開示されている。この特許文献1においては、セッター等に載せて焼成するときに、1層目のダイヤフラム部の表裏面において、焼成雰囲気が異なるものとなり、焼結状態に微妙な差が生じて、ダイヤフラム部が所望形状とならないことが懸念される。
 次に、上記特許文献2では、マルチダイヤフラム構造体を製造する方法が開示されており、その中で、3層構造のうち2層目を印刷で形成することが記載されている。このマルチダイヤフラム構造体は、1層目を振動板とし、2層目を印刷でパターニングし(閉空間を形成し)、3層目を貫通穴が形成された基板として、作製されるものである。ダイヤフラムは1層目と2層目で構成され、3層目の貫通孔は外部に連通している。このようなマルチダイヤフラム構造体を製造する方法においては、3層目が存在するので、これがのちに製品として使用しない部分となり、廃棄する材料の量が多くなることが懸念される。又、3層目に貫通孔を形成するので、圧電素子の高密度化及びそれに伴う製造における多個取り化が進むにつれ、貫通孔を形成すること自体がコスト増を招来する懸念がある。
 特許文献2に対して検討するに、先ず、2層目の印刷パターンは、少なくとも1箇所、同一の平面に開口を持つため、3層目は不要とすることも可能と考えられる。又、焼成後に1層目(薄板部)を切り出すようにすれば、切り出す部分以外が廃棄対象になるので、廃棄する材料の量を減らすことが出来ると思われる。更には、薄板部の平面度を向上させるため、3層目を補強として使用すれば、貫通孔が不要となって、貫通孔を形成するための金型を使用する必要はなくなり、工数を低減することが出来ると考えられる。
 本発明は、上記のような検討に加えて、更なる研究を積み重ねてなされたものであり、その課題とするところは、平面度に優れた、薄い板状の圧電体を、安価に製造する手段を提供することである。検討及び研究の結果、圧電体となるグリーンシートに、離島状の焼成用補強部材を接合して、焼成時の変形を防止し、焼成後に、焼成用補強部材部分ではない(元はグリーンシートであった)薄板部分を切り出すことによって、上記課題が解決され、安価に、平面度に優れた薄板状焼成圧電体を得られることが、見出された。
 即ち、先ず、本発明によれば、圧電材料を用いて、焼成後の厚さTが、0.1μm以上、20μm以下であり、厚さTと、面内の最大長Lと、の比率T/Lが、0.000002以上、0.2以下である、グリーンシートを作製する過程と、そのグリーンシートの少なくとも片面に、のちに薄板状焼成圧電体となる部分を避けるように散在させた焼成用補強部材を配設した後に、焼成をして、焼成用補強部材付薄板状焼成圧電体を得る過程と、を有する薄板状焼成圧電体の製造方法が提供される。
 少なくとも片面に、であるから、グリーンシートの両面に焼成用補強部材を配設してもよい。
 後述するように、焼成後に、焼成用補強部材付薄板状焼成圧電体から、焼成用補強部材を取り除けば、薄板状焼成圧電体が得られる。
 グリーンシートの厚さT及び面内の最大長Lは、高温の焼成によって縮むため、得ようとする薄板状焼成圧電体の厚さ及び面内の最大長を基にして、収縮率を考慮し、グリーンシートの厚さT及び面内の最大長Lを決定すればよい。
 グリーンシートは、のちに薄板状焼成圧電体となる部分を含む、焼成前の圧電セラミック材料からなるシートである。焼成用補強部材は、実質的には、そのグリーンシートと同様に、焼成前のセラミック材料からなるシート(同じくグリーンシート)である。焼成用補強部材のセラミック材料は、薄板状焼成圧電体となるグリーンシートの圧電セラミック材料と、同じであっても異なっていてもよいが、より平面度の高いものを得ようとする場合には、同一の材料であることが好ましい。
 本発明に係る薄板状焼成圧電体の製造方法においては、上記比率T/Lが、0.001以上、0.06以下であることが好ましい。
 本発明に係る薄板状焼成圧電体の製造方法では、焼成用補強部材は、グリーンシートの少なくとも片面に、散在して配設される。散在するのであるから、焼成用補強部材は複数である。散在して、とは、離島のように、分離、独立して存在する態様を意味する。好ましい散在の態様は、具体的には以下のようなものである。
 即ち、本発明に係る薄板状焼成圧電体の製造方法においては、焼成用補強部材を、点対称となるように、グリーンシートの少なくとも片面に散在させることが好ましい。点対称となるように散在させるとは、散在させた全ての焼成用補強部材のうちから選択した複数の焼成用補強部材の配置(の形状)が、対称点を有しており、その対称点を中心に180°回転させても、その配置(の形状)が不変であることを意味する。
 本発明に係る薄板状焼成圧電体の製造方法においては、焼成用補強部材を、連続する格子形状を分断しその一部を除去した形状で、グリーンシートの少なくとも片面に散在させることが好ましい。このような態様は、多数の焼成用補強部材を用い、薄板状焼成圧電体多個取りする場合に、好ましく採用される。
 本発明に係る薄板状焼成圧電体の製造方法においては、焼成用補強部材を、スクリーン印刷法で形成して、グリーンシートの少なくとも片面に配設することが好ましい。
 本発明に係る薄板状焼成圧電体の製造方法においては、予めグリーンシートより厚い焼成用補強板の上に、焼成用補強部材を散在させて配設した後で、その焼成用補強板の焼成用補強部材が配設された面を、グリーンシートに接合することによって、グリーンシートの少なくとも片面に焼成用補強部材を配設することが好ましい。
 本発明に係る薄板状焼成圧電体の製造方法においては、焼成用補強部材が、グリーンシートより厚いことが好ましい。具体的には、例えば、グリーンシートの厚さを10μmとすれば、焼成用補強部材は10μm超であって、数十μm(例えば50μm~90μm)であることが好ましい。百μmオーダーであってもよい。
 本発明に係る薄板状焼成圧電体の製造方法においては、焼成用補強部材付薄板状焼成圧電体を得る過程の後、切断により、焼成用補強部材付薄板状焼成圧電体から、焼成用補強部材を除去して、薄板状焼成圧電体を得る過程を有し、切断の方法が、砥石法、ウォータージェット法、エッチング法、サンドブラスト法からなる切断手段群から選ばれる何れか1であることが好ましい。
 次に、本発明によれば、上記した(切断により焼成用補強部材付薄板状焼成圧電体から焼成用補強部材を除去して薄板状焼成圧電体を得る過程を有しない、その前の過程からなる)薄板状焼成圧電体の製造方法を用いて、焼成用補強部材付薄板状焼成圧電体を得て、その焼成用補強部材付薄板状焼成圧電体におけるのちに薄板状焼成圧電体となる部分に、膜状の電極を形成する過程を有する圧電素子の製造方法が提供される。
 本発明に係る圧電素子の製造方法においては、上記膜状の電極が、スピンコート法、スパッタ法、ディップ法、非接触塗布法からなる膜形成手段群から選ばれる何れか1によって形成されることが好ましい。
 本発明に係る圧電素子の製造方法においては、切断により、膜状の電極が形成された焼成用補強部材付薄板状焼成圧電体から、焼成用補強部材を除去して、圧電素子を得る過程を有し、切断の方法が、砥石法、ウォータージェット法、エッチング法、サンドブラスト法からなる切断手段群から選ばれる何れか1であることが好ましい。
 本発明に係る薄板状焼成圧電体の製造方法は、圧電材料を用いて、焼成後の厚さTが、0.1μm以上、20μm以下であり、厚さTと、面内の最大長Lと、の比率T/Lが、0.000002以上、0.2以下である、グリーンシートを作製し、そのグリーンシートの少なくとも片面に、のちに薄板状焼成圧電体となる部分を避けるように散在させた焼成用補強部材を配設した後に焼成をするので、焼成時に、焼成用補強部材が散在することによって、局所的に焼成時の雰囲気が異なることがなく、グリーンシート周辺の雰囲気を均一にし易く、表裏面で同一焼結状態の薄板状焼成圧電体を得ることが出来る。そして、その結果、平面度に優れた薄い板状の圧電体を得ることが可能となる。又、本発明に係る圧電素子の製造方法では、グリーンシートの少なくとも片面に、のちに薄板状焼成圧電体となる部分を避けるように散在させた焼成用補強部材を配設した後に焼成をし、その後、更に、電極を焼成させるが、その際の熱による変形量を低減することが出来るので、平面度に優れた薄い板状の圧電体を有する圧電素子を得ることが可能となる。平面度とは、平面であるべき薄板状焼成圧電体の表面の、幾何学的平面からの狂いの大きさのことをいう。
 本発明に係る薄板状焼成圧電体の製造方法において、グリーンシートの両面に焼成用補強部材を配設した場合に、特に、両面に、グリーンシートに対して対称となるように焼成用補強部材を配置することによって、そうしない場合より、表裏面で焼結状態の差がない薄板状焼成圧電体を得ることが出来る。
 本発明に係る薄板状焼成圧電体の製造方法は、その好ましい態様において、焼成用補強部材を、点対称となるように、グリーンシートの少なくとも片面に散在させるので、焼成時に、グリーンシート(薄板状焼成圧電体)に与えられる応力が点対象となり、局所的な変形の発生を低減することが出来る。
 本発明に係る薄板状焼成圧電体の製造方法は、その好ましい態様において、焼成用補強部材を、スクリーン印刷法で形成するので、様々な焼成用補強部材のパターンを、安価に実現することが出来る。焼成用補強部材のパターンとは、焼成用補強部材の形状及び焼成用補強部材の配置態様の何れか又は両方である。
 本発明に係る薄板状焼成圧電体の製造方法は、その好ましい態様において、予めグリーンシートより厚い焼成用補強板の上に、焼成用補強部材を散在させて配設した後で、その焼成用補強板の焼成用補強部材が配設された面を、グリーンシートに接合することによって、グリーンシートの少なくとも片面に、焼成用補強部材を配設する。そして、その後、焼成されるので、グリーンシートと焼成用補強板が、それらに挟まれた焼成用補強部材を介して接合された状態で、焼成される。従って、焼成後の、グリーンシート及び焼成用補強板並びにそれらに挟まれた焼成用補強部材を含む全体の反りを、低減することが可能である。
 本発明に係る薄板状焼成圧電体の製造方法は、その好ましい態様において、焼成用補強部材がグリーンシートより厚いので、薄い場合より剛性を高くすることが出来、焼成時の反りを低減することが出来る。
図1は、本発明に係る薄板状焼成圧電体の製造方法における一の実施形態を表す断面図であり、工程(1)~(4)を示す図である。 図2は、本発明に係る薄板状焼成圧電体の製造方法の一の実施形態を表す図であり、使用するグリーンシートを表す斜視図である。 図3Aは、本発明に係る薄板状焼成圧電体の製造方法の一の実施形態を表す図であり、製造過程で得られる焼成用補強部材付薄板状焼成圧電体を表す裏面図である。 図3Bは、図3Aに示されるAA断面を表す断面図であり、上側を表面とし、下側を裏面(図3Aに表された面)として表した図である。 図4Aは、焼成用補強部材のパターンの一例を示す図である。 図4Bは、焼成用補強部材のパターンの他例を示す図である。 図4Cは、焼成用補強部材のパターンの他例を示す図である。 図5は、本発明に係る薄板状焼成圧電体の製造方法における他の実施形態を表す断面図であり、工程(1)~(5)を示す図である。
 以下、本発明の実施の形態について、適宜、図面を参酌しながら説明するが、本発明はこれらに限定されて解釈されるべきものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加え得るものである。例えば、図面は、好適な本発明の実施の形態を表すものであるが、本発明は図面に表される態様や図面に示される情報により制限されない。本発明を実施し又は検証する上では、本明細書中に記述されたものと同様の手段若しくは均等な手段が適用され得るが、好適な手段は以下に記述される手段である。
 最初に、本発明に係る薄板状焼成圧電体の製造方法における一の実施形態について、図1~図4Cを参酌しながら説明する。尚、図1は、薄板状焼成圧電体を1個得るための図として(他を省略して)描かれ、図3A及び図3Bは、薄板状焼成圧電体を9個得るための図として描かれている。本発明に係る薄板状焼成圧電体の製造方法は、9個以上の多個取りが可能であり、一枚のグリーンシートから、数~数百オーダーの薄板状焼成圧電体を作成することが可能なことはいうまでもない。
 先ず、圧電材料を用いてグリーンシート21を作製する(図1の工程(1)及び図2を参照)。このグリーンシート21は、単層の薄板状を呈し、厚さTが、0.1μm以上、20μm以下であり、厚さTと、面内の最大長Lと、の比率T/Lが、0.000002以上、0.2以下である。具体的には、例えば、ジルコン酸チタン酸鉛等のセラミックス粉末にバインダ、溶剤、分散剤、可塑剤等を添加混合してスラリーを作製し、これを脱泡処理後、リバースロールコーター法、ドクターブレード法等の方法によって、上記の厚さを有するグリーンシートを作製し、その後、金型を用いた打ち抜き、レーザー加工等の方法により、厚さと面内の最大長との比率が上記となるような大きさのグリーンシート21を得ることが出来る。
 のちに薄板状焼成圧電体となる部分を含むグリーンシート21の平面形状は、図2に示されるように長方形であるが、本発明に係る薄板状焼成圧電体の製造方法において、グリーンシートの外形は、特に限定されるものではない。生産性が向上するので、機械加工で加工出来る外形形状が望ましい。生産性を考慮すると、直線で形成される形状、例えば多角形、特に長方形が好ましい。
 次に、グリーンシート21の片面(例えば、下面(裏面))に、のちに薄板状焼成圧電体となる部分(図1の工程(2)、図3A及び図3Bを参照)を避けるように散在させた焼成用補強部材22を、(例えば)スクリーン印刷法で形成して、配設する。図3Aの破線で四角囲いしたB部分が、のちに薄板状焼成圧電体となる部分である。具体的には、例えば、同じジルコン酸チタン酸鉛等のセラミックス粉末に、バインダ、溶剤、分散剤、可塑剤等を添加混合しペーストを作製し、これを脱泡処理する。その後、そのペーストを、スクリーン印刷機(スクリーン印刷用製版)を使用して、グリーンシート21の面上に印刷し、厚い印刷膜を所望のパターンで形成し、これを焼成用補強部材22とする。又、テープ上にパターンを形成してから、転写してもよい。
 焼成用補強部材22(印刷膜)のパターンは、図3Aに示されるように、十字形の焼成用補強部材22を等間隔で配置したものでもよく、図4Aに示されるように、2つの十字形を接続した焼成用補強部材を配置したものでもよく、図4Bに示されるように、2組の棒状の焼成用補強部材をそれぞれ対向させて平行に配置したものでもよく、図4Cに示されるように、円形の焼成用補強部材を正方形の頂点に相当する位置に配置したものでもよい。何れのパターンにおいても、のちに薄板状焼成圧電体となる部分が正方形又は長方形で確保されるとともに、4つ又は2つの焼成用補強部材が、対称点Pを有する点対称となるように配置される。このような配置は、(連続する)格子形状を分断しその一部を除去した形状でもある。
 そして、グリーンシート21と焼成用補強部材22を接合した後に、使用する圧電材料に基づき800~1600℃の範囲の適切な温度で、焼成をして、焼成用補強部材付薄板状焼成圧電体23を得る。その後、砥石法、ウォータージェット法、サンドブラスト法等の機械的方法、又は、エッチング法等の化学的方法によって、切断により焼成用補強部材付薄板状焼成圧電体から焼成用補強部材を除去し、薄板状焼成圧電体1を得る(図1の工程(3)、(4)を参照)。
 次に、本発明に係る薄板状焼成圧電体の製造方法における他の実施形態について、図5を参酌しながら説明する。先ず、のちに示すグリーンシート21より厚い焼成用補強板51を用意する(図5の工程(1)を参照)。例えば、焼成用補強板51は、焼成用補強部材22と同一材料であるか又はその材料に組成が近いものを使用して、予めドクターブレード法等のテープ成形法で形成したもの又はスクリーン印刷法で形成したものが好ましい。次いで、焼成用補強板51の片面(例えば、上面(表面))に、のちにグリーンシート21を接合したときにそのグリーンシート21の薄板状焼成圧電体となる部分を避けるように散在させた焼成用補強部材22を、(例えば)スクリーン印刷法で形成して、配設する(図5の工程(2)を参照)。具体的には、例えば、ジルコン酸チタン酸鉛等のセラミックス粉末に、バインダ、溶剤、分散剤、可塑剤等を添加混合しペーストを作製し、これを脱泡処理する。その後、そのペーストを、スクリーン印刷機(スクリーン印刷用製版)を使用して、焼成用補強板51の面上に印刷し、厚い印刷膜を所望のパターンで形成し、これを焼成用補強部材22とする。
 又、別途、圧電材料を用いて、グリーンシート21を作製する。このグリーンシート21は、単層の薄板状を呈し、厚さTが、0.1μm以上、20μm以下であり、厚さTと、面内の最大長Lと、の比率T/Lが、0.000002以上、0.2以下である。具体的には、例えば、ジルコン酸チタン酸鉛等のセラミックス粉末にバインダ、溶剤、分散剤、可塑剤等を添加混合してスラリーを作製し、これを脱泡処理後、リバースロールコーター法、ドクターブレード法等の方法によって、上記の厚さを有するグリーンシートを作製し、その後、金型を用いた打ち抜き、レーザー加工等の方法により、厚さと面内の最大長との比率が上記となるような大きさのグリーンシート21を得ることが出来る。
 そして、先に得られた、焼成用補強板51の焼成用補強部材22が配設された面を、グリーンシート21に接合する(図5の工程(3)を参照)。この接合は、加熱し荷重を加え圧着することで行う。そして、使用する圧電材料に基づき800~1600℃の範囲の適切な温度で、焼成をして、焼成用補強板が更に付いた焼成用補強部材付薄板状焼成圧電体24を得る。その後、砥石法、ウォータージェット法等の機械的方法、又は、エッチング法等の化学的方法によって、切断により、焼成用補強板が更に付いた焼成用補強部材付薄板状焼成圧電体から、焼成用補強板及び焼成用補強部材を除去し、薄板状焼成圧電体1を得る(図5の工程(4)、(5)を参照)。
 次に、本発明に係る圧電素子の製造方法について説明する。本発明に係る圧電素子の製造方法は、上記した何れかの本発明に係る薄板状焼成圧電体の製造方法を用いる方法である。圧電素子は、電極が形成された薄板状焼成圧電体のことを示す。本発明に係る圧電素子の製造方法は、薄板状焼成圧電体となる部分に膜状の電極を形成する過程が、本発明に係る薄板状焼成圧電体の製造方法に付加された方法である。本発明に係る薄板状焼成圧電体の製造方法によって、焼成用補強部材付薄板状焼成圧電体(あるいは焼成用補強板が更に付いた焼成用補強部材付薄板状焼成圧電体)を得て、それを切断する前に、スピンコート法、スパッタ法、ディップ法、非接触塗布法等の膜形成手段によって、のちに薄板状焼成圧電体となる部分に膜状の電極を形成し、その後、切断によって、焼成用補強部材を除去して、圧電素子(電極が形成された薄板状焼成圧電体)を得ることが出来る。
 次に、薄板状焼成圧電体及び圧電素子に用いられる材料について説明する。先ず、薄板状焼成圧電体の材料(圧電材料)について説明する。材料としては、圧電効果若しくは電歪効果等の電界誘起歪みを起こす材料であれば、問われるものではない。半導体セラミック、強誘電体セラミック、及び反強誘電体セラミックを用いることが可能であり、用途に応じて適宜選択し採用すればよい。又、分極処理が必要な材料であっても必要がない材料であってもよい。
 具体的には、好ましい材料として、ジルコン酸鉛、チタン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛、ニッケルニオブ酸鉛、ニッケルタンタル酸鉛、亜鉛ニオブ酸鉛、マンガンニオブ酸鉛、アンチモンスズ酸鉛、マンガンタングステン酸鉛、コバルトニオブ酸鉛、マグネシウムタングステン酸鉛、マグネシウムタンタル酸鉛、チタン酸バリウム、チタン酸ナトリウムビスマス、チタン酸ビスマスネオジウム(BNT)、ニオブ酸カリウムナトリウム、タンタル酸ストロンチウムビスマス、銅タングステンバリウム、鉄酸ビスマス、あるいはこれらのうちの2種以上からなる複合酸化物を挙げることが出来る。又、これらの材料には、ランタン、カルシウム、ストロンチウム、モリブデン、タングステン、バリウム、ニオブ、亜鉛、ニッケル、マンガン、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、リチウム、ビスマス、スズ、銅等の酸化物が固溶されていてもよい。これらの材料選定にあたっては、デバイスとしての必要性能を満たすものであれば、特に限定されるものではないが、例えば、ジルコン酸鉛、チタン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛、及びニッケルニオブ酸鉛の複合酸化物は、高い材料特性を発現出来るので好ましい。更に、上記材料等に、ビスマス酸リチウム、ゲルマン酸鉛等を添加した材料、例えば、ビスマス酸リチウム乃至ゲルマン酸鉛を添加した材料は、圧電体の低温焼成を実現しつつ高い材料特性を発現出来るので、更に好ましい。
 尚、焼成用補強部材の材料についても、上記の圧電材料を用いることが出来る。熱膨張の程度を同じにすべく、薄板状焼成圧電体(グリーンシート)と同じ材料を用いることが好ましい。
 又、焼成用補強板の材料についても、上記の圧電材料を用いることが出来る。熱膨張の程度を同じにすべく、薄板状焼成圧電体(グリーンシート)、焼成用補強部材と同じ材料を用いることが好ましい。
 次に、電極の材料としては、導電性の金属が採用される。例えば、アルミニウム、チタン、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、パラジウム、ロジウム、銀、スズ、タンタル、タングステン、イリジウム、白金、金、又は鉛等の金属単体又はこれら2種類以上からなる合金、例えば、銀-白金、白金-パラジウム、銀-パラジウム等を1種単独で又は2種類以上を組み合わせたものを用いることが好ましい。又、これらの材料と、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化ケイ素、酸化セリウム、ガラス、又は圧電材料等との混合物、サーメットであってもよい。これらの材料の選定にあたっては、圧電材料の種類に応じて選択することが好ましい。
 本発明に係る薄板状焼成圧電体は、計測器、光変調器、光スイッチ、マイクロバルブ、搬送装置、画像表示装置(ディスプレイ、プロジェクタ等)、画像描画装置、マイクロポンプ、液滴吐出装置、微小混合装置、微小撹拌装置、微小反応装置、等に適用される各種の圧電アクチュエータや、流体特性、音圧、微小重量、加速度等の検出に用いられる各種の圧電センサに設けられる、圧電素子の主構成要素(変位発生部)として、好適に利用される。
1:薄板状焼成圧電体
21:グリーンシート
22:焼成用補強部材
23:焼成用補強部材付薄板状焼成圧電体
24:(焼成用補強板が更に付いた)焼成用補強部材付薄板状焼成圧電体
51:焼成用補強板

Claims (11)

  1.  圧電材料を用いて、焼成後の厚さTと、面内の最大長Lと、の比率T/Lが、0.000002以上、0.2以下である、グリーンシートを作製する過程と、
     そのグリーンシートの少なくとも片面に、のちに薄板状焼成圧電体となる部分を避けるように散在させた焼成用補強部材を配設した後に、焼成をして、焼成用補強部材付薄板状焼成圧電体を得る過程と、
     を有する薄板状焼成圧電体の製造方法。
  2.  前記比率T/Lが、0.001以上、0.06以下である請求項1に記載の薄板状焼成圧電体の製造方法。
  3.  前記焼成用補強部材を、点対称となるように、前記グリーンシートの少なくとも片面に散在させる請求項1又は2に記載の薄板状焼成圧電体の製造方法。
  4.  前記焼成用補強部材を、連続する格子形状を分断しその一部を除去した形状で、前記グリーンシートの少なくとも片面に散在させる請求項1~3の何れか一項に記載の薄板状焼成圧電体の製造方法。
  5.  前記焼成用補強部材を、スクリーン印刷法で形成して、前記グリーンシートの少なくとも片面に配設する請求項1~4の何れか一項に記載の薄板状焼成圧電体の製造方法。
  6.  予め前記グリーンシートより厚い焼成用補強板の上に、前記焼成用補強部材を散在させて配設した後で、その焼成用補強板の前記焼成用補強部材が配設された面を、前記グリーンシートに接合することによって、前記グリーンシートの少なくとも片面に焼成用補強部材を配設する請求項1~5の何れか一項に記載の薄板状焼成圧電体の製造方法。
  7.  前記焼成用補強部材が、前記グリーンシートより厚い請求項1~6の何れか一項に記載の薄板状焼成圧電体の製造方法。
  8.  前記焼成用補強部材付薄板状焼成圧電体を得る過程の後、切断により、焼成用補強部材付薄板状焼成圧電体から、焼成用補強部材を除去して、薄板状焼成圧電体を得る過程を有し、
     前記切断の方法が、砥石法、ウォータージェット法、エッチング法、サンドブラスト法からなる切断手段群から選ばれる何れか1である請求項1~7の何れか一項に記載の薄板状焼成圧電体の製造方法。
  9.  請求項1~7の何れか一項に記載の薄板状焼成圧電体の製造方法を用いて、前記焼成用補強部材付薄板状焼成圧電体を得て、
     その焼成用補強部材付薄板状焼成圧電体におけるのちに薄板状焼成圧電体となる部分に、膜状の電極を形成する過程を有する圧電素子の製造方法。
  10.  前記膜状の電極が、スピンコート法、スパッタ法、ディップ法、非接触塗布法からなる膜形成手段群から選ばれる何れか1によって形成される請求項9に記載の圧電素子の製造方法。
  11.  切断により、膜状の電極が形成された焼成用補強部材付薄板状焼成圧電体から、焼成用補強部材を除去して、圧電素子を得る過程を有し、
     前記切断の方法が、砥石法、ウォータージェット法、エッチング法、サンドブラスト法からなる切断手段群から選ばれる何れか1である請求項9又は10に記載の圧電素子の製造方法。
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