JP2001352111A - 膜型圧電セラミック素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】膜部と基盤を一体成形でき、膜型素子の形状を
自在に制御することが可能である膜型圧電セラミック素
子およびその製造方法を提供する。 【解決手段】少なくとも２つの電極５を有する膜型圧電
セラミック素子１の膜部４を、シート状の圧電前駆材を
基盤に接合・焼結させて一体形成する。また膜部と基盤
の焼結時の収縮率を変えること、膜部に収縮率の分布を
持たせることで任意の形状の膜部を高精度に形成でき
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は圧力センサや、圧電
アクチュエータなどの機械的エネルギーと電気的エネル
ギーの変換を行う、膜型圧電セラミック素子およびその
製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】膜型圧電セラミック素子は、周囲の一部
もしくは全部を比較的強固な構造体で固定された、少な
くとも２つの電極を含んだ薄膜構造を持つものである。
このような膜型圧電セラミック素子は、外部から受けた
力（圧力、加速度など）によって生じた変形を電気信号
に変換して感知できるため、このようにして各種のセン
サを構成したり、逆に膜型圧電セラミック素子に設け
た、少なくとも２つの電極の間に電圧を印加することに
よって変形や力を利用した圧電アクチュエータとして用
いることができるものである。

【０００３】従来の膜型圧電セラミック素子は、例えば
特開平８−５１２３８号公報に記載のようなものが提案
されている。これは図１１（ａ）に示すように、安定化
ジルコニアなどの材料を用いたグリーンシート工法によ
り、セラミック基体とダイヤフラム板を接合させて膜型
構造体を構築し、これを一体で焼結させる。図１１
（ａ）において、１０１はダイヤフラム構造体、１０２
はダイヤフラム板、１０３はセラミック基体、１０４は
ダイヤフラム部位、１０５は窓部である。このように形
成した膜型構造体の上部に、図１１（ｂ）のように電気
機械変換素子となる圧電セラミックおよび電極を印刷な
どにより設けて、再び焼結させることによって、膜型圧
電セラミック素子を形成するものである。図１１（ａ）
〜（ｂ）において、１０６は圧電部、１０７は上面電
極、１０８は下面電極である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
膜型圧電セラミック素子および、その製造方法において
は圧電特性を有しないセラミックで膜型構造体を構築・
焼結させて製造する工程と、圧電性を有する圧電セラミ
ック膜を膜型構造体に形成・焼結させる工程という、少
なくとも２つの工程を経る必要があった。また、製造の
途中に膜型素子が自らの重さや外力によってに変形した
まま焼結したり、焼結の過程で割れや亀裂が発生すると
いう問題があった。また圧電センサや圧電アクチュエー
タの特性に大きく影響を与える膜部の形状を凸型にした
り、凹型にしたり、更には平坦にさせたりというよう
に、自在に形状をコントロールすることができなかっ
た。

【０００５】本発明は、前記従来の問題を解決するた
め、圧電特性を有する膜部と基盤を一体成形でき、膜型
素子の形状を自在に制御することが可能である膜型圧電
セラミック素子およびその製造方法を提供することを目
的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明の膜型圧電セラミック素子は、基盤部と、基
盤部に固定された膜部と、前記膜部に形成された少なく
とも二つの電極を有し、前記基盤部と膜部及び電極は焼
結により一体成形したことを特徴とする。

【０００７】前記圧電セラミック素子においては、膜部
が実質的に平坦、または任意の曲率を有する凸形状、ま
たは任意の曲率を有する凹形状であることが好ましい。
前記において、実質的に平坦とは、本発明の作用・効果
を奏する範囲において多少の厚みむらは許容されること
をいう。

【０００８】また前記素子においては、膜部の平均厚さ
は５〜２００μｍの範囲であることが好ましい。

【０００９】また前記膜型圧電セラミック素子を複数配
列させてもよい。

【００１０】次に、本発明の膜型圧電セラミック素子の
製造方法は、前記のいずれかに記載の膜型圧電セラミッ
ク素子を製造するに際し、膜部を、圧電セラミック粒子
と結合材からなる圧電前駆材を焼結して一体形成したこ
とを特徴とする。

【００１１】前記方法においては、圧電前駆材がシート
状であると、取り扱いが容易で、積層によって所望の形
態を容易に形成できるため好ましい。

【００１２】また前記方法においては、膜部を形成する
圧電前駆材の焼結時の収縮率が、基盤の焼結時の収縮率
より大きいと、膜部を高精度に平滑に形成できるため好
ましい。

【００１３】また前記方法においては、圧電前駆材シー
トを複数、積層し焼結させて形成すると、膜部の内部に
電極を設けて、撓み振動を利用する高性能な膜型圧電素
子を形成することができるため好ましい。

【００１４】また前記方法においては、複数の圧電前駆
材シートの焼結時の収縮率が実質的に等しいと、膜部を
高精度に平滑に形成できるため好ましい。

【００１５】また前記方法においては、複数の圧電前駆
材シートの焼結時の収縮率が異なると、膜部を任意の曲
率を有する凹型または凸型高精度に形成できるため好ま
しい。

【００１６】また前記方法においては、一枚の圧電前駆
材シート中で、圧電セラミックと結合材の含有率に分布
を持たせると、基盤と膜部の接合部に応力が集中するこ
とが無いため好ましい。

【００１７】次に本発明の膜型圧電セラミック素子を用
いたインクジェットヘッドは、前記のいずれかの膜型圧
電セラミック素子を用いたことを特徴とする。

【００１８】以上説明のとおり、本発明は、少なくとも
２つの電極を有する電気・機械エネルギー変換をおこな
う膜型圧電セラミック素子および、その製造方法を提供
するものであって、圧電セラミック粉末と結合材を混合
して形成した圧電前駆材をシート状に形成し、このシー
トに少なくとも２つの電極を設け、これを基盤と接合し
て、一体的に焼結させることにより、一工程で膜型圧電
セラミック素子を形成することができる。また基盤およ
び圧電前駆体のシートの焼結時の収縮率を等しくする
か、または異ならせることによって、膜型素子の形状を
自在に制御することが可能となる。

【００１９】

【発明の実施の形態】（実施の形態１）以下、本発明実
施の形態１について図面を参照しながら説明する。

【００２０】図１は本発明の膜型圧電セラミック素子の
一例を示す図である。図１において１は膜型圧電セラミ
ック素子、２は基盤、３は膜板、４は膜部、５は電極で
ある。図１に示した膜型圧電セラミック素子１は、例え
ば次のように動作する。機械的な力を測定するセンサと
して用いられる場合には、図１に示した膜部が圧力や加
速度などの機械的な力を外部より受けて、膜部が変形す
る。この時、電極５の間に電位差を生じる。この電位差
を電極に接続された図示されていない回路で測定するこ
とによって、圧力や加速度を計測することができる。

【００２１】一方、アクチュエータとして用いられる場
合は、上記の逆の過程を経るもので、電極５の間に電位
差を与えることによって、電極５の間の圧電セラミック
が変形する。この変形を力や変位として利用する。

【００２２】このような膜型圧電セラミック素子１の製
造工程の一例を図２に示す。図２において６は圧電前駆
材であり、７は焼結した圧電セラミックである。膜型圧
電セラミック素子１は、図２に示すように基盤２に焼結
前の膜板３を接合することによって形成され、膜板３に
は少なくとも二つの電極が設けられている。膜板３は圧
電セラミック粒子と結合材、必要ならば可塑材を混合し
た圧電前駆材をシート状に形成した圧電セラミックグリ
ーンシートを焼結させて、形成することが好ましい。基
盤には膜板と高度に接合させることを可能とするため、
膜板と同じ圧電前駆材を用いることが好ましい。しかし
焼結させた後に高度に接合されればよく、同種の圧電セ
ラミックに限らず、他の材料を用いることも出来る。

【００２３】膜部にある電極は、膜板が焼結前のグリー
ンシートの状態の時に電極ペーストの印刷などにより設
けて、基盤２および膜板３と一体で焼結させることが好
ましい。また膜型圧電セラミック素子１の焼結後に形成
することも可能である。このような方法により膜型圧電
セラミック素子を単純なプロセスで形成することが可能
となる。

【００２４】この時、膜部を構成する圧電前駆材の焼結
時の収縮率と、基盤を構成する材料（例えば同種の圧電
前駆材）の焼結時の収縮率を異ならせる事により、膜部
を高精度に平滑に形成することが出来るものである。膜
部の形状は膜型圧電セラミック素子の特性に大きく影響
するため、特に形状精度を要求されるものである。

【００２５】具体的には基盤の焼成収縮率を、膜板の焼
成収縮率より小さく（膜板が基盤より大きく縮む）する
ことで、図３（ａ）に示すように基盤と膜板の接合時に
自重の作用や外力などにより変形しても、図３（ｂ）に
示すように焼結後には焼成時の収縮により張力を受けて
平滑に形成される。このとき基盤は例えば、図３（ｃ）
あるいは図３（ｄ）に示すような形状とし、基盤が膜部
の焼成収縮によって移動しないようにすることが必要で
ある。

【００２６】このように膜板と基盤の焼成時の収縮率を
異ならせる事により、形状精度の高い膜部の平滑な膜型
圧電セラミック素子を形成することを可能とし、電気機
械エネルギーの変換効率が高く、複数の膜型圧電セラミ
ック素子を形成した場合には、均一特性とすることが可
能となるものである。

【００２７】具体的に基盤と膜板の焼成時の収縮率を異
ならせるには、次の手段が有効である。ここで基盤およ
び膜板を共に、圧電前駆材で構成する場合について説明
する。圧電前駆材は圧電セラミックの粒子が、樹脂など
の結合材、さらに必要ならば可塑材などと混合されてい
るものである。仮に基盤を構成する圧電前駆材が、模式
的に図４（ａ）で示される構造であるとする。ここでは
圧電前駆材に可塑材は混合されておらず、圧電セラミッ
クと結合材からのみ形成されているものとする。

【００２８】図４において、８は圧電セラミック粒子で
あり、９は結合材である。図４（ａ）の上段には基板を
構成する圧電前駆材を、図４（ｂ）の上段には基盤を構
成する圧電前駆材を模式的に示している。

【００２９】図４に示したような圧電前駆材を焼結させ
ると、その途中過程において結合材が燃焼により除去さ
れて、図４（ａ）、（ｂ）の下段のように圧電セラミッ
ク粒子が最密充填された構造を取ることとなる。このよ
うに圧電前駆材の焼結に伴って収縮が起こるものであ
り、このとき圧電前駆材中の圧電セラミックス粒子と結
合材の混合比により。焼結収縮率が決定される。このよ
うに基盤および膜板を構成する圧電前駆体中の、圧電セ
ラミック粒子と結合材の混合比を変える事によって、焼
結にともなう収縮の割合を制御して平坦な膜部を構成す
ることを可能とするものである。

【００３０】圧電セラミック粒子と結合材を混合して、
圧電前駆材を形成した場合を例にとって説明する。ここ
で基盤に対して膜板の長さに関する焼成収縮率（以下、
収縮率Ｌと略す）を５％小さくした場合に、平滑な膜型
圧電セラミック素子が得られると仮定する。この時、基
盤の焼成収縮率Ｌが８０％であるとすると、膜板の収縮
率Ｌは７６％であることが必要で、これを体積に関する
焼成収縮率（以下、収縮率Ｖと略す）として表示する
と、基盤の収縮率Ｖは約５１％となり、膜板の焼成収縮
率Ｖは約４９％となる。これはすなわち圧電前駆材中の
圧電セラミック粒子と結合材の体積の混合比率である。
このように配合した圧電前駆材を基盤および膜板に適当
に用いる事によって、膜部の平滑な膜型圧電セラミック
素子を製造することが可能となる。

【００３１】ところで、膜板を構成する焼結前の圧電前
駆材のシートは、図４（ａ）のように全面に均一に圧電
セラミック粒子が、基盤を構成するシートより密度が低
くなるように配列しても良いが、好ましくは図５のよう
に膜板シートの一部の圧電セラミック粒子の密度が低く
なるように構成するものである。特に図１に示した膜部
に相当する部分に、圧電前駆材のセラミック粒子の密度
が低い部分が含まれるようすることが好ましい。図５に
おいて点線で示された範囲が膜部に相当するものであ
る。このようにすることで、基盤と膜板との接合部に発
生する焼成収縮率の違いに起因する歪を減少させること
ができ、高精度に膜型圧電セラミック素子を形成するこ
とができる。本実施形態の膜型圧電セラミック素子は、
外形が約２ｍｍ角であり、膜部の厚さが60μｍであっ
た。

【００３２】圧電前駆材は圧電セラミック粒子と結合材
の配合比を変化させる他に、圧電前駆体中に微小な空間
を多数形成し、その割合によって焼成収縮率をコントロ
ールすることも可能である。

【００３３】（実施の形態２）以下、本発明実施の形態
２について図面を参照しながら説明する。

【００３４】図６は本発明の膜型圧電セラミック素子の
一例を示す図である。図６の膜型圧電セラミック素子は
膜板を２層の圧電前駆材シートを積層して形成した他は
実施の形態１と同様にして構成した。

【００３５】膜板を２層で構成したことにより、膜板の
中央に電極を配置することができるため、図６（ａ）の
ように、膜部の撓み振動を電圧として利用することがで
き、効率的な膜型素子となるものである。図６（ａ）で
は、膜部の内部と下部の２つの電極のみを有する構造と
したが、さらに膜部の上部に電極を設けてバイモルフ型
素子としてもよい。このように電極を配置することで圧
力や加速度などを測定するセンサとして用いる場合には
感度が高くなり、アクチュエータとして使用する場合に
は、低い電圧に対しても大きな変形を得ることのでき
る、高性能な膜型圧電セラミック素子とすることができ
る。

【００３６】また実施の形態１の場合と同様に、膜部を
平坦とした構造を形成する際には、膜板を構成する２層
の圧電前駆材を、ともに基盤を構成する圧電前駆材より
も、焼結時に大きく縮むようにすることで平滑な膜部を
構成することができる。

【００３７】また図６のように膜板を２層の圧電前駆材
で構成する場合には、膜部を構成する２層の圧電前駆材
の焼成収縮率を変えると、膜部の形状を自在の曲率の凸
型あるいき凹型とすることができる。例えば図７（ａ）
のように圧電前駆材シートを2層積層して形成した膜板
の下側のシートの焼成収縮率を、上側のシートより大き
くした（下側のシートがより縮む）とすると、図７
（ｂ）に示すように焼成収縮率の違いにより膜部は上側
へ撓み、凸型の膜部を有する膜型圧電セラミック素子を
形成することが出来る。逆に上側のシートの焼成収縮率
を下側のシートより大きく（上側のシートがより縮む）
すると、凹型の膜部を形成することが出来る。このよう
に必要に応じて膜部の形状を自在にコントロールするこ
とが可能となる。

【００３８】ところで、このように凸型あるいは凹型の
膜部を形成する際には、膜部に用いる圧電前駆材の焼成
収縮率は、上層、下層ともに基盤より小さくなる（基盤
の圧電前駆材が膜部の前駆材より縮む）ようにすること
が必要である。これは膜部が凸型あるいは凹型である場
合、膜部を構成する部分は、幾何学的に基盤の開口部の
幅よりも長くなるためである。

【００３９】特に膜部を凸型にした場合には、膜部の撓
み振動に関する共振周波数が、膜部を平坦に形成した場
合と比べて高くなり、更には外部からの力に対しても強
度が向上するため、クラックなどの亀裂が発生しにくく
なり、特に好適である。このようにすることで特性が高
く、安定した膜型圧電セラミック素子を提供することが
可能となる。本実施形態の膜型圧電セラミック素子は、
外形が約２ｍｍ角であり、膜部の厚さが60μｍであっ
た。

【００４０】以上では、膜板を２層で構成する場合につ
いて説明したが、図８のように３層以上で構成してもよ
い。この場合にも膜板を構成する圧電前駆材の焼成収縮
率をコントロールすることによって所望の形状で、精度
の高い膜型圧電セラミック素子を形成することを可能と
するものである。

【００４１】（実施の形態３）以下、本発明実施の形態
３について図面を参照しながら説明する。

【００４２】図９は本発明の膜型圧電セラミック素子を
複数配列させた膜型圧電セラミック素子を示す図であ
る。図９には一例として図７（ｂ）に示したような膜板
が基盤に２辺で固定されている膜型圧電セラミック素子
を、厚さ方向および幅方向に２次元に配列させた形態の
膜型圧電セラミック素子を示している。

【００４３】このように多数の膜型圧電セラミック素子
を配列させたデバイスにおいては、本発明の膜型圧電セ
ラミック素子を用いることにより、多数の膜型圧電セラ
ミック素子を高い特性で均一に形成することができる。
特にインクジェットヘッドとして用いた場合には、吐出
繰返し周波数が高く、均一吐出可能な、すなわち描画速
度が速く、高画質なインクジェットヘッドを提供するこ
とが可能となる。

【００４４】また図１０に本発明の膜型圧電セラミック
素子を、図９と異なる形態に並べた構造のインクジェッ
トヘッドを示した。図１０において１０はインクジェッ
トヘッド、１１はインクが充填されるインク室、１２は
一つの膜型圧電セラミック素子で発生した圧力を他のイ
ンク室に伝播させない圧力緩衝室である。この構造のイ
ンクジェットヘッドでは図９の場合のインクジェットヘ
ッドと異なり、１つのインク室に１つの膜型圧電セラミ
ック素子のみが対応しており、１つの膜型圧電セラミッ
ク素子の変形を他のインク室に影響を及ぼすことがない
ため、個別インク室からの吐出を制御することが可能な
構造となっている。このような構造のインクジェットヘ
ッドに、本発明の膜型圧電セラミック素子および製造方
法を適用することで、高速、高画質、オンデマンド型の
インクジェットヘッドを提供することが可能となる。本
実施形態の膜型圧電セラミック素子は、外形が約１０ｍ
ｍ角であり、膜部の厚さが６０μｍであった。

【００４５】

【発明の効果】以上のように、本発明の膜型圧電セラミ
ック素子、およびその製造方法によれば、膜部と基盤を
一体成形でき、膜型素子の形状を自在に制御することが
可能である膜型圧電セラミック素子およびその製造方法
を提供できる。また高性能な膜型圧電セラミック素子を
均一な特性で多数提供できる。

【００４６】さらに、インクジェットヘッドに、本発明
の膜型圧電セラミック素子を適用することにより、高
速、高画質、オンデマンド型のインクジェットヘッドを
提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施の形態１における膜型圧電セラミッ
ク素子の構造の一例を示す断面図

【図２】本発明実施の形態１における膜型圧電セラミッ
ク素子の製造方法を示す図

【図３】本発明実施の形態１における膜型圧電セラミッ
ク素子の構造の一例を示す断面図と斜視図

【図４】本発明実施の形態１における圧電前駆材の構造
の一例を示す模式図

【図５】本発明実施の形態１における圧電前駆材の構造
の一例を示す模式図

【図６】本発明実施の形態２における膜型圧電セラミッ
ク素子の構造の一例を示す断面図

【図７】本発明実施の形態２における膜型圧電セラミッ
ク素子の構造の一例を示す断面図

【図８】本発明実施の形態２における膜型圧電セラミッ
ク素子の構造の一例を示す断面図

【図９】本発明実施の形態３における複数の膜型圧電セ
ラミック素子を配列した構造の一例を示す断面図

【図１０】本発明実施の形態３におけるインクジェット
ヘッドの構造の一例を示す断面図

【図１１】従来の膜型圧電セラミック素子を示す図

【符号の説明】

１ 膜型圧電セラミック素子 ２ 基盤 ３ 膜板 ４ 膜部 ５ 電極 ６ 圧電前駆材 ７ 焼結圧電セラミック ８ 圧電セラミック粒子 ９ 結合材 １０ インクジェットヘッド １１ インク室 １２ 圧力緩衝室 １０１ ダイヤフラム構造体 １０２ ダイヤフラム板 １０３ セラミック基体 １０４ ダイヤフラム部位 １０５ 窓部 １０６ 圧電部 １０７ 上面電極 １０８ 下面電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０２Ｎ 2/00 Ｈ０１Ｌ 41/08 Ｊ Ｕ 41/22 Ｚ (72)発明者 塩屋 和秀 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 井垣 恵美子 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 棚橋 正和 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 5D107 AA12 AA13 BB20 CC02 CC03 CC12

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基盤部と、基盤部に固定された膜部と、前
   記膜部に形成された少なくとも二つの電極を有し、前記
   基盤部と膜部及び電極は焼結により一体成形したことを
   特徴とする膜型圧電セラミック素子。
2. 【請求項２】膜部が実質的に平坦、または任意の曲率を
   有する凸形状、または任意の曲率を有する凹形状である
   請求項1に記載の膜型圧電セラミック素子。
3. 【請求項３】膜部の平均厚さが５〜２００μｍの範囲で
   ある請求項１または２に記載の膜型圧電セラミック素
   子。
4. 【請求項４】前記膜型圧電セラミック素子を複数配列さ
   せた請求項１〜３のいずれかに記載の膜型圧電セラミッ
   ク素子。
5. 【請求項５】請求項１〜４のいずれかに記載の膜型圧電
   セラミック素子を製造するに際し、膜部を、圧電セラミ
   ック粒子と結合材からなる圧電前駆材を焼結して一体形
   成したことを特徴とする膜型圧電セラミック素子の製造
   方法。
6. 【請求項６】圧電前駆材がシート状である請求項５に記
   載の膜型圧電セラミック素子の製造方法。
7. 【請求項７】膜部を形成する圧電前駆材の焼結時の収縮
   率が、基盤の焼結時の収縮率より大きい請求項５または
   ６に記載の膜型圧電セラミック素子の製造方法。
8. 【請求項８】圧電前駆材シートを複数、積層し焼結させ
   て形成した請求項５〜７のいずれかに記載の膜型圧電セ
   ラミック素子の製造方法。
9. 【請求項９】複数の圧電前駆材シートの焼結時の収縮率
   が実質的に等しい請求項８に記載の膜型圧電セラミック
   素子の製造方法。
10. 【請求項１０】複数の圧電前駆材シートの焼結時の収縮
    率が異なる請求項８に記載の膜型圧電セラミック素子の
    製造方法。
11. 【請求項１１】一枚の圧電前駆材シート中で、圧電セラ
    ミックと結合材の含有率に分布を持たせた請求項５〜１
    ０のいずれかに記載の膜型圧電セラミック素子の製造方
    法。
12. 【請求項１２】請求項１〜４に記載の膜型圧電セラミッ
    ク素子を用いたインクジェットヘッド。