WO2012133529A1 - 圧電体基板の製造方法 - Google Patents

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    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/42—Piezoelectric device making

Definitions

  • the technology disclosed in this specification relates to a method for manufacturing a piezoelectric substrate.
  • Japanese Patent Application Publication No. 2007-084357 discloses a technique for firing a piezoelectric substrate using a setter made of ZrO 2 to which Ca is added.
  • the present specification provides a manufacturing method capable of suitably manufacturing a piezoelectric substrate having a thickness of 30 ⁇ m or less.
  • the inventors of the present application have found that the following two problems arise when a piezoelectric substrate having a thickness of 30 ⁇ m or less is baked on a setter.
  • One is that the piezoelectric substrate adheres to the setter. When the sticking occurs, the piezoelectric substrate is broken when the piezoelectric substrate is moved from the setter.
  • the other is that the diffusion of atoms from the piezoelectric substrate to the setter occurs at the contact surface between the piezoelectric substrate and the setter, resulting in non-uniform characteristics of the piezoelectric body (the characteristics differ between the front and back surfaces of the piezoelectric substrate). It is). Both phenomena are problematic because they greatly affect the characteristics of the piezoelectric body.
  • FIGS. 6 to 8 show that by firing a green sheet having a composition of Pb 1-y / 2 + x (N 1-y Nb y ) O 3 + x (where N is Ti 0.48 Zr 0.52 ), The piezoelectric substrate is manufactured with various thicknesses, and the sticking rate and the c / a front / back difference (a high c / a front / back difference means that atoms are diffused from the piezoelectric substrate to the setter). The evaluation results are shown. Graphs 8 to 8 in FIG.
  • FIG. 6 to FIG. 8 represent the adhesion rate
  • graph B represents the c / a front / back difference
  • the problem of sticking and diffusing is a problem that became apparent for the first time when a piezoelectric substrate having a thickness of 30 ⁇ m or less was fired.
  • the present inventors have found that the governing factor of these problems is the composition of the piezoelectric material, and have come up with the manufacturing method disclosed below.
  • the manufacturing method of the piezoelectric substrate disclosed in this specification is M 1 ⁇ y / 2 + x (N 1 ⁇ y N by ) O 3 + x (where 0 ⁇ y ⁇ 0.045, and M is Pb 1 ⁇ p Sr p represents 0 ⁇ p ⁇ 0.03, N represents Ti 1-q Zr q , and 0.45 ⁇ q ⁇ 0.60).
  • the variable x is a value in the hatched region R and on the boundary line of the hatched region R shown in the following figure.
  • the area / thickness ratio is a value obtained by dividing the area ( ⁇ m 2 ) of the piezoelectric substrate when the piezoelectric substrate is viewed in plan by the thickness ( ⁇ m) of the piezoelectric substrate.
  • FIG. 1 shows the result of the experiment conducted by the inventors of the present invention superimposed on the above figure.
  • ⁇ upward triangle
  • ⁇ downward triangle
  • ⁇ downward triangle
  • atom diffusion from the piezoelectric substrate to the setter occurs.
  • the ⁇ black dots
  • the variable x and y if the value of the boundary line of the hatched regions R within and shaded area R, without sticking problems and diffusion problems, the thickness of not more than the piezoelectric substrate 30 ⁇ m preferred Can be manufactured.
  • a piezoelectric substrate with a thickness of 30 ⁇ m or less can be suitably manufactured if the value is on the line. According to the above invention, a piezoelectric substrate of 30 ⁇ m or less can be manufactured.
  • the setter is made of stabilized zirconia having a purity of 99.9 mol% or more, the weight concentration of Na in the setter is 50 ppm or less, and the weight concentration of Si in the setter is 5 ppm or more, And it is preferable that it is 50 ppm or less.
  • Stabilized zirconia is a composition obtained by adding 5 to 10 mol% Y 2 O 3 to ZrO 2 .
  • FIG. 1 The figure which shows the evaluation result of the piezoelectric material board manufactured with the manufacturing method of an Example.
  • the flowchart which shows the manufacturing method which concerns on one Embodiment of this invention.
  • FIG. The top view which shows arrangement
  • FIG. 2 shows a manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
  • a piezoelectric substrate having a thickness of 30 ⁇ m or less can be manufactured.
  • the ratio S / T between the thickness T ( ⁇ m) of the piezoelectric substrate to be manufactured and the area S ( ⁇ m 2 ) of the piezoelectric substrate can be 1 ⁇ 10 7 ( ⁇ m) or more.
  • the area S of the piezoelectric substrate is an area of the piezoelectric substrate when the piezoelectric substrate is viewed in plan along the thickness direction of the piezoelectric substrate. In the manufacturing method shown in FIG. 2, such a PZT piezoelectric substrate can be preferably manufactured.
  • a piezoelectric powder (that is, a powder having a composition that becomes a piezoelectric body when sintered) is synthesized.
  • a piezoelectric powder can be synthesized by mixing various material powders and heating the mixed material powders.
  • each of material powders composed of PbO, SrCO 3 , TiO 2 , ZrO 2 , Nb 2 O 5 is finely wet pulverized by a ball mill, a bead mill, etc. Uniform and disperse the particle size of the powder.
  • each material powder is dried, and then each material powder is mixed using a dry crusher such as an atomizer.
  • Step S2 is performed by adjusting the blending ratio of each material powder so that the synthesized piezoelectric powder has a composition of M 1 ⁇ y / 2 + x (N 1 ⁇ y Nb y ) O 3 + x .
  • M represents Pb 1-p Sr p and N represents Ti 1-q Zr q .
  • the variable p is adjusted to a value in the range of 0 ⁇ p ⁇ 0.03.
  • the reason for adjusting the variable p within the range of 0 ⁇ p ⁇ 0.03 is that when the variable p exceeds 0.03, oxygen defects in the piezoelectric body increase, resulting in coarsening of the particle size and deterioration of the characteristics. It is.
  • the variable q is adjusted to a value within the range of 0.45 ⁇ q ⁇ 0.60.
  • the reason why the variable q is adjusted to a value of 0.45 or more is to prevent the grain size of the piezoelectric body from becoming coarse.
  • the reason why the variable q is adjusted to a value of 0.60 or less is to prevent the decomposition of PbO during firing and to form a piezoelectric body having a perovskite structure.
  • the variable q is preferably 0.51 ⁇ q ⁇ 0.55. According to such a configuration, since the sintered piezoelectric body has a composition in the vicinity of MPB (morphotopic phase), a piezoelectric substrate having a high piezoelectric constant can be manufactured. More preferably, 0.51 ⁇ q ⁇ 0.53. According to such a configuration, the fired piezoelectric body becomes tetragonal, and the amount of electric field induced strain of the piezoelectric substrate becomes larger when a high electric field is applied. Since a high electric field can be easily applied to a thin piezoelectric substrate having a thickness of 30 ⁇ m or less, it is desirable that the amount of electric field induced strain be large when a high electric field is applied.
  • variables q are suitable when attention is paid to the amount of electric field induced strain when a high electric field is applied.
  • the variable q satisfies at least the condition of 0.45 ⁇ q ⁇ 0.60. Just do it.
  • This composition is obtained by adding Sr, Nb and PbO to Pb (Ti 1-q Zr q ) O 3 which is a general PZT composition.
  • the variable x represents the addition amount of PbO
  • the variable y represents the addition amount of Nb.
  • M in the composition formula can also be represented as (Pb 1-p Sr p ) 1-y / 2 + x ⁇ y / 2 .
  • the variables x and y are adjusted so as to have values in the hatched region R and the boundary of the hatched region R shown in FIG.
  • a green sheet is formed using the piezoelectric powder synthesized in step S2.
  • a green sheet can be formed by the following procedure. That is, a solvent, a dispersion material, a binder, and a plasticizer are added to the synthesized piezoelectric powder, and wet mixing is performed using a ball mill, a bead mill, or the like. Next, the mixed material is applied onto a PET film by a doctor blade method to form a green sheet. At this time, the thickness of the green sheet is set to 38 ⁇ m or less. Thus, when the thickness of the green sheet is 38 ⁇ m or less, the thickness of the piezoelectric substrate obtained after firing is 30 ⁇ m or less.
  • step S6 the green sheet formed in step S4 is cut.
  • the green sheet can be cut into a square having a side of about 40 mm.
  • a known method can be used for cutting the green sheet.
  • what is necessary is just to cut a green sheet with PET film, when the material mixed on PET film was apply
  • step S8 the green sheet is degreased.
  • the degreasing of the green sheet can be performed, for example, by the following procedure. That is, first, a green sheet is placed on a setter made of stabilized zirconia having a purity of 99.9% or more. Next, a porous setter is placed on the green sheet. That is, the green sheet is sandwiched between two setters. In this state, the green sheet is heated to 500 ° C. in an air ventilation atmosphere. Thereby, the green sheet can be degreased. Thus, if the green sheet is degreased with the porous setter placed thereon, it is possible to prevent the warpage of the green sheet during degreasing.
  • the setter placed on the green sheet is porous, the gas generated from the green sheet at the time of degreasing is released to the outside through the pores inside the porous setter. Therefore, it can degrease suitably.
  • a green sheet may break if a porous setter is too heavy, it is preferable to use a porous setter having an appropriate weight.
  • what is necessary is just to remove the porous setter mounted on the green sheet after degreasing
  • the steps S2 to S8 described above correspond to a step of forming a material having a composition of M 1-y / 2 + x (N 1-y Nb y ) O 3 + x into a sheet shape.
  • step S10 the piezoelectric substrate is baked by heating the degreased green sheet. That is, the piezoelectric powder in the green sheet is sintered to be converted into ceramics, thereby obtaining a plate-like piezoelectric substrate.
  • the firing of the piezoelectric substrate can be performed, for example, by the following procedure. That is, first, as shown in FIG. 3, a plurality of stabilized zirconia setters 20 that have been degreased are stacked in the sheath 40 with the green sheet 10 placed on the inside of the MgO sheath 40. To do. Note that four spacers 30 are arranged on the setter 20 as shown in FIG. 4, and a space is secured between the green sheet 10 and the setter 20 thereabove as shown in FIG.
  • a dummy sheet 22 created by the same process as the green sheet 10 can be arranged around the green sheet 10.
  • the dummy sheet 22 preferably has the same composition as the green sheet 10.
  • the atmosphere powder (powder for adjusting the atmosphere inside the sheath at the time of firing) is placed inside the sheath in a state where it is placed in a MgO dish (not shown). In this state, the sheath is sealed and the inside of the sheath is heated. Thereby, the piezoelectric powder in the green sheet is sintered, and a plate-like piezoelectric substrate is completed. Note that the thickness of the green sheet decreases during firing.
  • the thickness of the green sheet before firing is 38 ⁇ m or less, the thickness of the piezoelectric substrate after firing is 30 ⁇ m or less. Further, the green sheet before firing is a square having a side of about 40 mm, but this size is also reduced during firing.
  • the fired piezoelectric substrate has a square shape with a side of about 32 mm. Therefore, the area / thickness ratio of the fired piezoelectric substrate is about 3 ⁇ 10 7 ⁇ m (that is, 1 ⁇ 10 7 ⁇ m or more).
  • the firing temperature is not particularly limited, but can be appropriately set depending on the composition and particle diameter of the piezoelectric powder, the denseness required for the fired piezoelectric substrate, and the like.
  • a dense piezoelectric substrate having the above composition and having a theoretical density of 95% or more is produced, it can be fired in the range of 1175 ° C. to 1250 ° C.
  • the temperature is lower than 1175 ° C., the denseness is inferior, and when fired at 1250 ° C. or higher, the particles may grow abnormally or the decomposition of Pb cannot be suppressed, and a different phase may precipitate.
  • the concentration of PbO gas around the green sheet 10 can be increased during firing. Thereby, the PbO is prevented from coming off from the green sheet 10, and the warpage of the green sheet 10 can be suppressed.
  • the distance H1 between the setters 20 shown in FIG. 3 is preferably 30 ⁇ m or more and 200 ⁇ m or less, more preferably 50 ⁇ m or more and 150 ⁇ m or less.
  • the thickness D1 of the uppermost setter 20a and the thickness D2 of the lowermost setter 20b are preferably at least twice the thickness D3 of the other setters 20. If a thick and heavy setter 20a is arranged at the top, the lower setter 20 can be pressed by the load of the setter 20a. Thereby, the warp of each setter 20 at the time of firing can be prevented. Further, by increasing the thickness of the lowermost setter 20b, the load of each upper setter 20 can be received without deformation of the setter 20b. By suppressing the warpage of each setter 20 as described above, the warpage of the green sheet 10 can be suppressed.
  • the center line average roughness Ra indicating the surface roughness of the upper surface of the setter 20 is preferably 0.02 ⁇ m to 5 ⁇ m, and the maximum height Rmax is preferably 10 ⁇ m or less.
  • the surface roughness of the setter 20 can be set to an appropriate value.
  • the upper surface of the setter 20 is formed by polishing or blasting, it is difficult to reduce the maximum height Rmax, which is not preferable.
  • the amount of impurities contained in the setter 20 it is preferable that Na is 50 ppm or less and Si is 50 ppm or less. This is because when there is too much Na or Si, mutual diffusion is easily placed between the setter 20 and the green sheet 10. Moreover, it is preferable that Si contained in the setter 20 is 5 ppm or more. This is because if the amount of Si is too small, the density of the setter 20 becomes low, and PbO enters the setter 20 and the PbO gas concentration in the atmosphere easily changes.
  • a piezoelectric substrate having the following composition can be preferably manufactured. That is, according to this manufacturing method, it is possible to prevent atoms from diffusing from the piezoelectric substrate (that is, the green sheet) to the setter during firing while preventing the piezoelectric substrate and the setter from sticking. Thereby, the uniformity of the composition in the piezoelectric substrate can be ensured. In addition, since diffusion of atoms can be prevented in this way, a piezoelectric substrate having no difference in particle diameter between the front side surface and the back side surface can be manufactured.
  • the surface of the piezoelectric substrate means the surface that was not in contact with the setter at the time of firing (ie, the upper surface), and the back surface of the piezoelectric substrate was the surface that was in contact with the setter at the time of firing (ie, the lower surface). means. More specifically, according to this production method, the difference in the average particle diameter between the front side surface and the back side surface is within 10% of the average value of the front side surface, and between the front side surface and the back side surface. Piezoelectric substrates in which the difference in the standard deviation of the particle diameter is within 10% of the standard deviation on the front side surface can be manufactured.
  • the piezoelectric substrate manufactured using this method can then be used as a piezoelectric element by forming electrodes on both sides and cutting it into a predetermined shape.
  • the piezoelectric element can be used as a piezoelectric actuator, a sensor, an ultrasonic motor, or the like by bonding to a circuit board so that a voltage can be applied between electrodes formed on both sides.
  • a piezoelectric element manufactured from this piezoelectric substrate is preferably used in fields where downsizing and a large amount of displacement are required. be able to.
  • a large piezoelectric substrate can be manufactured, so that a large number of piezoelectric elements can be obtained, and the piezoelectric elements can be manufactured at low cost.
  • a piezoelectric substrate having a thickness of 30 ⁇ m or less can be manufactured by firing. That is, a thin piezoelectric substrate can be obtained without performing surface polishing or the like (that is, thinning) of the piezoelectric substrate after firing. Therefore, this manufacturing method can manufacture a thin piezoelectric substrate with excellent production efficiency.
  • both the front side surface and the back side surface are fired surfaces (surfaces exposed to the surface of the piezoelectric substrate during firing). On the fired surface, there are minute irregularities due to the particle diameter of the piezoelectric body constituting the piezoelectric substrate. For this reason, when the electrode is formed on the surface of the piezoelectric substrate, the adhesion of the electrode to the piezoelectric substrate is high.
  • the manufacturing method mentioned above was used for the manufacturing method.
  • the manufactured piezoelectric substrate had a square shape of about 40 mm and a thickness of about 15 ⁇ m.
  • FIG. 5 shows the result of evaluating the adhesion and c / a front / back difference for each piezoelectric substrate.
  • the sticking in FIG. 5 means that the piezoelectric substrate sticks to the setter during firing in step S10.
  • the presence or absence of sticking was determined by checking whether or not the piezoelectric substrate was moved after firing in step S10. O of the evaluation result of sticking represents that no sticking occurred in all of the ten test sheets, and X represents that sticking occurred even in one sheet.
  • the c / a front / back difference means the difference in c / a between the front and back sides of the piezoelectric substrate.
  • c / a is a axial ratio tetragonal a crystal lattice of the piezoelectric (value obtained by dividing the length c of the shaft which does not form a square with length a of the shaft constituting the square).
  • O in the evaluation result of c / a front / back difference means that the c / a front / back difference is 0.001 or less, and X means that the c / a front / back difference is larger than 0.001.
  • the measurement error of c / a is about 0.001
  • c / a was calculated from the ratio of the detected intensity of the (200) plane and the detected intensity of the (002) plane in X-ray diffraction.
  • the X-ray diffractometer uses X-part MPD Pro made by Spectris, the X-ray source measures CuK ⁇ , acceleration voltage 45kV, and the range of 40 ° -50 ° by ⁇ / 2 ⁇ method, so that the accuracy is high. The measurement time was set so that the main peak was 100,000 counts or more.
  • FIG. 1 is a graph showing the evaluation results of FIG.
  • ⁇ upward triangle
  • ⁇ downward triangle
  • ⁇ black dot
  • FIG. 1 shows that easily sticking occurs more variable x is smaller, but higher c / a front and back difference variable x is large there is a tendency becomes large, by the variable x with the appropriate value, these problems It turns out that it does not occur.
  • the appropriate range of the variable x varies depending on the value of the variable y.
  • the piezoelectric substrate can be suitably manufactured without causing the above.
  • the variable p is in the range of 0 ⁇ p ⁇ 0.03, and the variable q is 0.

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Abstract

　圧電体基板の製造方法であって、Ｍ１－ｙ／２＋ｘ（Ｎ１－ｙＮｂｙ）Ｏ３＋ｘ（但し、０≦ｙ≦０．０４５であり、ＭはＰｂ１－ｐＳｒｐを表し、０≦ｐ≦０．０３であり、ＮはＴｉ１－ｑＺｒｑを表し、０．４５≦ｑ≦０．６０である）の組成を有する材料をシート形状に成形する工程と、シート形状に成形した材料をセッター上に載置した状態で焼成することで、厚みが３０μｍ以下であり、面積／厚み比が１×１０７μｍ以上となる圧電体基板を得る工程を有しており、変数ｘが、図１に示す斜線領域Ｒ内及び斜線領域Ｒの境界線上の値である。

Description

圧電体基板の製造方法
　本出願は、２０１１年３月３０日に出願された日本国特許出願第２０１１－０７６２６５号に基づく優先権を主張する。その出願の全ての内容はこの明細書中に参照により援用されている。
　本明細書が開示する技術は、圧電体基板の製造方法に関する。
　圧電体基板の製造方法として、種々の製造方法が提案されている。例えば、日本国公開特許公報２００７－０８４３５７には、Ｃａを添加したＺｒＯ２からなるセッターを用いて圧電体基板を焼成する技術が開示されている。
　従来から薄い圧電体基板に対するニーズが高まっており、近年では厚みが３０μｍ以下の圧電体基板が求められるようになってきている。しかしながら、厚みが３０μｍ以下の圧電体基板の製造方法は、未だ確立されていなかった。したがって、本明細書では、厚みが３０μｍ以下の圧電体基板を好適に製造することができる製造方法を提供する。
　本願発明者らは、厚みが３０μｍ以下の圧電体基板をセッター上で焼成しようとすると、以下の２つの問題が生じることを発見した。１つは、圧電体基板がセッターに固着してしまうことである。固着が生じると、セッター上から圧電体基板を移動させる際に、圧電体基板が割れてしまう。もう１つは、圧電体基板とセッターとの接触面において圧電体基板からセッターへの原子の拡散が生じ、圧電体の特性が不均一化する（圧電体基板の表面と裏面とで特性が異なってしまう）ことである。何れも現象も、圧電体の特性に大きな影響を及ぼすため、問題となる。３０μｍよりも厚い圧電体基板を焼成する際にはこれら２つの問題が生じない場合でも、同じ条件で３０μｍ以下の圧電体基板を焼成するとこれら２つの問題が生じる。例えば、図６～８は、Ｐｂ１－ｙ／２＋ｘ（Ｎ１－ｙＮｂｙ）Ｏ３＋ｘ（但し、ＮはＴｉ０．４８Ｚｒ０．５２）の組成を有するグリーンシートを焼成することによって、圧電体基板を種々の厚みで製造し、固着率とｃ／ａ表裏差（ｃ／ａ表裏差が高いことは、圧電体基板からセッターへの原子の拡散が生じていることを意味する）を評価した結果を示している。図６～８のグラフＡは固着率を表しており、グラフＢはｃ／ａ表裏差を表している。図６はｘ＝０．００４５、ｙ＝０．０２０のときの評価結果を示しており、図７はｘ＝－０．００３、ｙ＝０．０２０のときの評価結果を示しており、図８はｘ＝０．０００、ｙ＝０．０００のときの評価結果を示している。図６～図８の何れにおいても、圧電体基板の厚みが３０μｍより大きい場合には固着率とｃ／ａ表裏差は共に低い値となる。しかしながら、圧電体基板の厚みが３０μｍ以下となると、図６、８ではｃ／ａ表裏差が上昇し、図７では固着率が上昇する。このように、固着及び拡散の問題は、厚みが３０μｍ以下の圧電体基板を焼成する際に初めて明らかになった問題である。本発明者らは、これらの問題の支配因子が圧電体材料の組成にあることを見出し、以下に開示する製造方法を想到するに至った。
　本明細書が開示する圧電体基板の製造方法は、Ｍ１－ｙ／２＋ｘ（Ｎ１－ｙＮｂｙ）Ｏ３＋ｘ（但し、０≦ｙ≦０．０４５であり、ＭはＰｂ１－ｐＳｒｐを表し、０≦ｐ≦０．０３であり、ＮはＴｉ１－ｑＺｒｑを表し、０．４５≦ｑ≦０．６０である）の組成を有する材料をシート形状に成形する工程と、シート形状に成形した材料をセッター上に載置した状態で焼成することで、厚みが３０μｍ以下であり、面積／厚み比が１×１０７μｍ以上となる圧電体基板を得る工程を有している。変数ｘは、以下の図に示す斜線領域Ｒ内及び斜線領域Ｒの境界線上の値である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000002
  
　なお、面積／厚み比は、圧電体基板を平面視したときの圧電体基板の面積（μｍ２）を圧電体基板の厚み（μｍ）で除算した値である。
　図１は、上記の図に、本願発明者が実施した実験結果を重ねて示している。図１において、△（上向き三角）は圧電体基板のセッターへの固着が発生したことを示しており、▽（下向き三角）は圧電体基板からセッターへの原子の拡散が発生したことを示しており、●（黒ドット）はこれらの何れもが発生しなかったこと（すなわち、圧電体基板を好適に製造することができたこと）を意味する。図示するように、変数ｘ及びｙが、斜線領域Ｒ内及び斜線領域Ｒの境界線上の値であれば、固着の問題及び拡散の問題が生じることなく、厚みが３０μｍ以下の圧電体基板を好適に製造することができる。なお、０≦ｐ≦０．０３であり、０．４５≦ｑ≦０．６０であれば、変数ｐ及びｑが何れの場合でも、変数ｘ及びｙが斜線領域Ｒ内及び斜線領域Ｒの境界線上の値であれば３０μｍ以下の圧電体基板を好適に製造することができることが確認できた。上記の発明によれば、３０μｍ以下の圧電体基板を製造することができる。
　上述した製造方法は、セッターが、純度が９９．９ｍｏｌ％以上の安定化ジルコニアにより構成されており、セッター中におけるＮａの重量濃度が５０ｐｐｍ以下であり、セッター中におけるＳｉの重量濃度が５ｐｐｍ以上、かつ、５０ｐｐｍ以下であることが好ましい。なお、安定化ジルコニアとは、ＺｒＯ２に５～１０ｍｏｌ％のＹ２Ｏ３を添加した組成物である。
実施例の製造方法により製造した圧電体基板の評価結果を示す図。 本発明の一実施形態に係る製造方法を示すフローチャート。 鞘４０の内部に配置したセッター２０及びグリーンシート１０の縦断面図。 セッター２０上の各部材の配置を示す平面図。 実施例の評価結果を示す図。 Ｐｂ１－ｙ／２＋ｘ（Ｎ１－ｙＮｂｙ）Ｏ３＋ｘ（ｘ＝０．００４５、ｙ＝０．０２０）の評価結果を示す図。 Ｐｂ１－ｙ／２＋ｘ（Ｎ１－ｙＮｂｙ）Ｏ３＋ｘ（ｘ＝－０．００３、ｙ＝０．０２０）の評価結果を示す図。 Ｐｂ１－ｙ／２＋ｘ（Ｎ１－ｙＮｂｙ）Ｏ３＋ｘ（ｘ＝０．０００、ｙ＝０．０００）の評価結果を示す図。
　図２は、本発明の一実施形態に係る製造方法を示している。この製造方法では、厚みが３０μｍ以下の圧電体基板を製造することができる。製造する圧電体基板の厚みＴ（μｍ）と圧電体基板の面積Ｓ（μｍ２）の比Ｓ／Ｔは、１×１０７（μｍ）以上とすることができる。なお、圧電体基板の面積Ｓは、圧電体基板の厚み方向に沿って圧電体基板を平面視したときの圧電体基板の面積である。図２に示す製造方法では、このようなＰＺＴの圧電体基板を好適に製造することができる。
　ステップＳ２では、圧電体粉末（すなわち、焼結させると圧電体となる組成を有する粉末）を合成する。例えば、種々の材料粉末を混合し、その混合した材料粉末を加熱することで圧電体粉末を合成することができる。具体的な実施形態としては、例えば、最初に、ＰｂＯ、ＳｒＣＯ３、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｎｂ２Ｏ５により構成される材料粉末のそれぞれをボールミル、ビーズミル等によってより細かく湿式粉砕し、各材料粉末の粒径を均一化、分散させる。次に、各材料粉末を乾燥させ、その後、アトマイザ等の乾式解砕機を用いて各材料粉末を混合する。次に、混合した材料粉末を約９５０℃で仮焼（合成）する。このような手順によって、圧電体粉末を合成することができる。ステップＳ２は、合成した圧電体粉末が、Ｍ１－ｙ／２＋ｘ（Ｎ１－ｙＮｂｙ）Ｏ３＋ｘの組成となるように、各材料粉末の配合比を調整して行う。なお、ＭはＰｂ１－ｐＳｒｐを表し、ＮはＴｉ１－ｑＺｒｑを表す。変数ｐは、０≦ｐ≦０．０３の範囲内の値に調節する。変数ｐを０≦ｐ≦０．０３の範囲内に調整するのは、変数ｐが０．０３を超えると圧電体中の酸素欠陥が増加し、粒径の粗大化及び特性の低下を引き起こすためである。また、変数ｑは、０．４５≦ｑ≦０．６０の範囲内の値に調節する。変数ｑを０．４５以上の値にに調整するのは、圧電体の粒径が粗大化することを防ぐためである。また、変数ｑを０．６０以下の値に調整するのは、焼成時におけるＰｂＯの分解を防いで、ペロブスカイト構造の圧電体を形成するためである。なお、変数ｑは、０．５１≦ｑ≦０．５５であることが好ましい。このような構成によれば、焼成後の圧電体がＭＰＢ（モルフォロトピック相）近傍の組成となるので、高い圧電定数を有する圧電体基板を製造することができる。より好ましくは、０．５１≦ｑ≦０．５３であることが好ましい。このような構成によれば、焼成後の圧電体が正方晶となり、高電界印加時に圧電体基板の電界誘起歪量がより大きくなる。３０μｍ以下の薄い圧電体基板では高電界を容易に印加することができるので、このように高電界印加時に電界誘起歪量が大きいことが望ましい。但し、これらの変数ｑの値は、高電界を印加した際の電界誘起歪量に着目したときに好適な値である。製造時におけるセッターへの固着、及び、セッターと圧電体基板との間の原子の拡散に着目した場合には、変数ｑについては、少なくとも０．４５≦ｑ≦０．６０の条件が満たされていればよい。
　ここで、変数ｘ、ｙについて説明する。Ｍ１－ｙ／２＋ｘ（Ｎ１－ｙＮｂｙ）Ｏ３＋ｘ（但し、ＭはＰｂ１－ｐＳｒｐを表し、ＮはＴｉ１－ｑＺｒｑを表す。）の組成を有する圧電体は、ペロブスカイト構造を有する。この組成は、一般的なＰＺＴの組成であるＰｂ（Ｔｉ１－ｑＺｒｑ）Ｏ３に対して、Ｓｒと、Ｎｂと、ＰｂＯを添加したものである。変数ｘはＰｂＯの添加量を表し、変数ｙはＮｂの添加量を表している。なお、Ｍに－ｙ／２の添え字が付いているのは、Ｎｂが５価であるために、２価であるＭのサイトに－ｙ／２の欠陥が形成されるためである。欠陥をαで表すと、上記組成式中のＭは、（Ｐｂ１－ｐＳｒｐ）１－ｙ／２＋ｘαｙ／２と表すこともできる。変数ｘ、ｙは、後述するように、図１に示す斜線領域Ｒ内及び斜線領域Ｒの境界線上の値となるように調整される。
　ステップＳ４では、ステップＳ２で合成した圧電体粉末を用いてグリーンシートを成形する。例えば、次の手順でグリーンシートを成形することができる。すなわち、合成した圧電体粉末に、溶剤、分散材、バインダー、及び、可塑剤を加え、ボールミル、ビーズミル等を用いて湿式混合する。次に、混合した材料をドクターブレード法によってＰＥＴフィルム上に塗布することで、グリーンシートを成形する。このとき、グリーンシートの厚みを３８μｍ以下とする。このように、グリーンシートの厚みを３８μｍ以下とすると、焼成後に得られる圧電体基板の厚みが３０μｍ以下となる。
　ステップＳ６では、ステップＳ４で成形したグリーンシートをカットする。例えば、一辺が約４０ｍｍの正方形にグリーンシートをカットすることができる。グリーンシートのカットには、公知の方法を用いることができる。なお、グリーンシート成形時に、上記のようにＰＥＴフィルム上に混合した材料を塗布していた場合は、ＰＥＴフィルムと共にグリーンシートをカットすればよい。そして、カット後に、グリーンシートをＰＥＴフィルムから剥離すればよい。
　ステップＳ８では、グリーンシートを脱脂する。グリーンシートの脱脂は、例えば、次の手順で行うことができる。すなわち、最初に、９９．９％以上の純度の安定化ジルコニアにより構成されたセッター上にグリーンシートを載せる。次に、グリーンシート上に多孔質のセッターを載せる。すなわち、グリーンシートを２つのセッターで挟み込む。この状態で、大気通風雰囲気中で、グリーンシートを５００℃に加熱する。これによって、グリーンシートを脱脂することができる。このように、多孔質セッターを載せた状態でグリーンシートを脱脂すると、脱脂時にグリーンシートに反りが発生することを防止することができる。また、グリーンシートに載せるセッターが多孔質であるので、脱脂時にグリーンシートから生じるガスは、多孔質セッターの内部の空孔を通って外部に放出される。したがって、好適に脱脂することができる。なお、多孔質セッターが重すぎるとグリーンシートが割れることがあるので、適切な重さの多孔質セッターを用いることが好ましい。なお、多孔質セッターを載せた状態で脱脂した場合は、脱脂後にグリーンシートに載せた多孔質セッターを取り外せばよい。以上に説明したステップＳ２～Ｓ８の工程は、Ｍ１－ｙ／２＋ｘ（Ｎ１－ｙＮｂｙ）Ｏ３＋ｘの組成を有する材料をシート形状に成形する工程に相当する。
　ステップＳ１０では、脱脂したグリーンシートを加熱することで、圧電体基板を焼成する。すなわち、グリーンシート中の圧電体粉末を焼結させてセラミックス化することで、板状の圧電体基板を得る。圧電体基板の焼成は、例えば、次の手順で行うことができる。すなわち、まず、図３に示すように、ＭｇＯ製の鞘４０の内部に、脱脂工程を終えた複数の安定化ジルコニアのセッター２０を、グリーンシート１０を載せたままの状態で鞘４０内に積層する。なお、セッター２０上には図４に示すように４つのスペーサ３０を配置して、図３に示すようにグリーンシート１０とその上方のセッター２０の間に空間を確保する。また、図４に示すように、セッター２０上には、グリーンシート１０に加えて、グリーンシート１０と同様の工程により作成されたダミーシート２２をグリーンシート１０の周囲に配置することができる。ダミーシート２２は、グリーンシート１０と同じ組成を有することが好ましい。次に、鞘の内部に、雰囲気粉（焼成時における鞘の内部の雰囲気を調節するための粉）をＭｇＯ製の皿に入れた状態で配置する（図示省略）。この状態で、鞘を密閉し、鞘の内部を加熱する。これによって、グリーンシート中の圧電体粉末が焼結し、板状の圧電体基板が完成する。なお、焼成時にグリーンシートの厚みが減少する。焼成前のグリーンシートの厚みが３８μｍ以下であるので、焼成後の圧電体基板の厚みは３０μｍ以下となる。また、焼成前のグリーンシートは一辺が約４０ｍｍの正方形であるが、焼成時にこのサイズも縮小する。焼成後の圧電体基板は、一辺が約３２ｍｍの正方形となる。したがって、焼成後の圧電体基板の面積／厚み比は、約３×１０７μｍ（すなわち、１×１０７μｍ以上）となる。なお、焼成温度は、特に限定されないが、圧電体粉末の組成と粒子径や焼成後の圧電体基板に求める緻密性等によって適宜設定することができる。例えば、上記の組成で理論密度の９５％以上である緻密な圧電体基板を製造するのであれば、１１７５℃～１２５０℃の範囲で焼成することができる。１１７５℃を下回ると緻密性が劣り、１２５０℃以上で焼成すると粒子が異常成長したり、Ｐｂの分解を抑えることができず、異相が析出することがある。
　なお、上記のようにグリーンシート１０の周囲にグリーンシート１０と同じ組成のダミーシート２２を配置すると、焼成時にグリーンシート１０の周囲のＰｂＯガスの濃度を高めることができる。これによって、グリーンシート１０からＰｂＯが抜けることが抑制され、グリーンシート１０の反りを抑制することができる。
　また、図３に示すセッター２０の間の間隔Ｈ１が狭すぎると、焼成時にセッター２０に反りが生じたときに、グリーンシート１０が上部のセッター２０に接触し、グリーンシート１０が変形する。また、間隔Ｈ１が広すぎると、グリーンシート１０上の空間が広くなり、グリーンシート１０の周囲のＰｂＯガス濃度が安定しなくなるので、グリーンシート１０に反りが発生する。したがって、２つのセッター２０の間の間隔Ｈ１は、３０μｍ以上であり２００μｍ以下であることが好ましく、５０μｍ以上であり１５０μｍ以下であることがより好ましい。
　また、図３に示すように、最上部のセッター２０ａの厚みＤ１と最下部のセッター２０ｂの厚みＤ２は、これら以外のセッター２０の厚みＤ３の２倍以上であることが好ましい。最上部に厚く重いセッター２０ａを配置しておくと、セッター２０ａの荷重によってその下部のセッター２０を押さえつけることができる。これによって、焼成時における各セッター２０の反りを防止することができる。また、最下部のセッター２０ｂを厚くすることで、セッター２０ｂが変形することなく上部の各セッター２０の荷重を受けることができる。これらのように各セッター２０の反りを抑制することで、グリーンシート１０の反りを抑制することができる。
　また、上記の製造方法においては、セッター２０の上面の表面粗さを示す中心線平均粗さＲａが０．０２μｍ～５μｍであり、最大高さＲｍａｘが１０μｍ以下であることが好ましい。このためには、粒径が０．５μｍ～１．５μｍのＺｒＯ２の材料粉末を用いてシートを形成し、そのシートを焼成することでセッター２０を形成することが好ましい。このようにセッター２０を形成することで、セッター２０の表面粗さを適切な値とすることができる。セッター２０の上面を研磨やブラスト加工で成形する場合には、最大高さＲｍａｘを小さくすることが困難であり、好ましくない。また、セッター２０に含まれる不純物量は、Ｎａが５０ｐｐｍ以下であり、Ｓｉが５０ｐｐｍ以下であることが好ましい。ＮａやＳｉが多すぎると、セッター２０とグリーンシート１０との間で相互拡散が置き易いためである。また、セッター２０に含まれるＳｉは５ｐｐｍ以上であることが好ましい。Ｓｉが少なすぎると、セッター２０の緻密性が低くなり、セッター２０中にＰｂＯが入り込んで雰囲気中のＰｂＯガス濃度が変化し易いためである。
　上記の製造方法によれば、Ｍ１－ｙ／２＋ｘ（Ｎ１－ｙＮｂｙ）Ｏ３＋ｘ（但し、ＭはＰｂ１－ｐＳｒｐを表し、ＮはＴｉ１－ｑＺｒｑを表す。）の組成を有する圧電体基板を好適に製造することができる。すなわち、この製造方法によれば、圧電体基板とセッターとの固着を防止しつつ、かつ、焼成時に圧電体基板（すなわち、グリーンシート）からセッターに原子が拡散することを防止することができる。これによって、圧電体基板中における組成の均一性を確保することができる。また、このように原子の拡散を防止できるので、表側面と裏側面との間で粒子径に差がない圧電体基板を製造することができる。なお、圧電体基板の表面は、焼成時にセッターと接触していなかった面（すなわち、上面）を意味し、圧電体基板の裏面は、焼成時にセッターと接触していた面（すなわち、下面）を意味する。より具体的には、この製造方法によれば、表側面と裏側面との間における粒子径の平均値の差が表側面の平均値の１０％以内であり、表側面と裏側面との間における粒子径の標準偏差の差が表側面の標準偏差の１０％以内である圧電体基板）を製造することができる。本方法を用いて製造された圧電体基板は、その後、両面に電極を形成し、所定の形状に切断することで、圧電素子として用いることができる。さらに、両面に形成した電極間に電圧を印加できるよう、回路基板と接合することで、圧電素子を圧電アクチュエータ、センサ、超音波モータ等として用いることができる。特に、このように薄い圧電体基板には高電界を印加可能であることから、この圧電体基板から製造される圧電素子は、小型化、及び、大きな変位量が要求される分野で好適に用いることができる。また、この製造方法によれば大きな圧電体基板を製造することが可能であるので、圧電素子の多数個取りが可能であり、圧電素子を低コストで製造することが可能となる。
　また、上記の方法によれば、焼成により厚みが３０μｍ以下の圧電体基板を製造することができる。すなわち、焼成後に、圧電体基板の表面研磨等（すなわち、薄型化）を行うことなく、薄い圧電体基板を得ることができる。したがって、この製造方法は、優れた生産効率で薄い圧電体基板を製造することができる。また、このように製造された圧電体基板においては、その表側面と裏側面の両方が焼成面（焼成時に圧電体基板の表面に露出している面）である。焼成面には、圧電体基板を構成している圧電体の粒子径に起因する微小な凹凸が存在している。このため、圧電体基板の表面に電極を形成する際に、圧電体基板に対する電極の密着性が高い。
　以下、本発明を具現化した実施例について説明する。なお、以下の実施例は、本発明を説明するための具体例であって、本発明を限定するものではない。
　変数ｘ、ｙとして種々の値を採用して圧電体粉末を合成し、その合成した圧電体粉末を１２００℃で３時間焼成して圧電体基板を製造した。製造方法には、上述した製造方法を用いた。製造された圧電体基板は、約４０ｍｍの正方形状を有し、その厚みは約１５μｍであった。製造した全ての圧電体基板において、ｑ＝０．５２５とし、ｐ＝０．０２とした。なお、ｑ＝０．５２５である場合には、圧電体の結晶格子は正方晶となる。
　製造した圧電体基板のそれぞれについて、固着とｃ／ａ表裏差を評価した。図５は、各圧電体基板について固着とｃ／ａ表裏差を評価した結果を示している。図５における固着とは、ステップＳ１０の焼成時に圧電体基板がセッターに固着することを意味している。固着の有無は、ステップＳ１０の焼成後に、圧電体基板を押して動くかどうかを確認することで判断した。固着の評価結果のＯは試験数１０シートに対し、全てにおいて固着が生じなかったことを表し、Ｘは１シートでも固着が生じたことを表す。
　また、ｃ／ａ表裏差とは、圧電体基板の表側面と裏側面との間におけるｃ／ａの差を意味している。ｃ／ａは、圧電体の結晶格子である正方晶の軸比（正方形を構成する軸の長さａで正方形を構成しない軸の長さｃを除算した値）である。図５の評価では、ｃ／ａ表裏差が０．００１より大きいか否か（すなわち、圧電体基板の表側面と裏側面の間でｃ／ａに差があるか否か）を判断した。ｃ／ａ表裏差の評価結果のＯはｃ／ａ表裏差が０．００１以下であったことを意味し、Ｘはｃ／ａ表裏差が０．００１より大きかったことを意味する。なお、ｃ／ａの測定誤差は約０．００１であるため、ｃ／ａ表裏差が０．００１以下であることは、測定可能な差が存在しないことを意味する。焼成時に圧電体基板からセッターにＴｉが拡散すると、圧電体基板の裏側部のｃ／ａが変化する。したがって、この場合には、ｃ／ａ表裏差が大きくなる。ｃ／ａ表裏差が大きいと、表側面と裏側面の間で圧電定数が異なってしまい、電圧印加時に圧電体が反るように変形するため好ましくない。なお、ｃ／ａは、Ｘ線回折における（２００）面の検出強度と（００２）面の検出強度の比から算出した。Ｘ線回折装置は、スペクトリス社製Ｘ‘ｐａｒｔ　ＭＰＤ　Ｐｒｏを用い、Ｘ線源はＣｕＫα、加速電圧４５ｋＶ、θ／２θ法で４０°～５０°の範囲を測定し、精度が高くなるように、メインピークが１０００００ｃｏｕｎｔｓ以上となるように測定時間を設定した。
　図１は、図５の評価結果をグラフとして表したものである。図１において、△（上向き三角）は固着が発生したことを示しており、▽（下向き三角）はｃ／ａ表裏差が大きかったことを示し、●（黒ドット）はこれらの問題が生じなかったこと（すなわち、圧電体基板を好適に製造することができたこと）を意味する。図示するように、変数ｘが小さいほど固着が発生し易く、変数ｘが大きいほどｃ／ａ表裏差が大きくなり易い傾向があるが、変数ｘを適切な値とすることで、これらの問題が生じないことが分かる。変数ｘの適切な範囲は、変数ｙの値によって変化する。すなわち、変数ｙを０≦ｙ≦０．０４５の値に調節し、変数ｘを図１の斜線領域Ｒに示す範囲内及びその境界線上の値に調節することで、固着やＴｉの拡散の問題が生じることなく好適に圧電体基板を製造できることが分かった。
　なお、図１は、ｐ＝０．０２とし、ｑ＝０．５２５としたときの結果を表しているが、変数ｐが０≦ｐ≦０．０３の範囲内にあり、変数ｑが０．４５≦ｑ≦０．６０の範囲内にあれば、変数ｐ及びｑが何れの値であっても、変数ｘとｙが斜線領域Ｒの範囲内にあれば好適に厚みが３０μｍ以下の圧電体基板を製造することが可能であること（すなわち、固着の問題が生じず、かつ、結晶格子の軸比の変動が生じないこと）が分かった。
　以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。
　本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

Claims (2)

  1. 　圧電体基板の製造方法であって、
    　Ｍ１－ｙ／２＋ｘ（Ｎ１－ｙＮｂｙ）Ｏ３＋ｘ（但し、０≦ｙ≦０．０４５であり、ＭはＰｂ１－ｐＳｒｐを表し、０≦ｐ≦０．０３であり、ＮはＴｉ１－ｑＺｒｑを表し、０．４５≦ｑ≦０．６０である）の組成を有する材料をシート形状に成形する工程と、
    　シート形状に成形した材料をセッター上に載置した状態で焼成することで、厚みが３０μｍ以下であり、面積／厚み比が１×１０７μｍ以上となる圧電体基板を得る工程を有しており、
    　変数ｘが、以下の図に示す斜線領域Ｒ内及び斜線領域Ｒの境界線上の値である、
    　ことを特徴とする方法。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000001
      
  2. 　セッターが、純度が９９．９ｍｏｌ％以上の安定化ジルコニアにより構成されており、
    　セッター中におけるＮａの重量濃度が５０ｐｐｍ以下であり、セッター中におけるＳｉの重量濃度が５ｐｐｍ以上、かつ、５０ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
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