(57)【要約】  圧電素子は金属基板と、アルミナ層と、下部電極と、圧電体層と、上部電極とを有する。金属基板は鉄を主成分とし、少なくともアルミニウムとクロムとを含む。アルミナ層は金属基板上に形成され、下部電極はアルミナ層上に形成されている。圧電体層は下部電極上に形成され、上部電極は圧電体層上に形成されている。アルミナ層は主としてγ−アルミナ相の粒子で形成されている。
2012111279.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄を主成分とし、少なくともアルミニウムとクロムとを含む金属基板と、
前記金属基板上に形成されたアルミナ層と、
前記アルミナ層上に形成された下部電極と、
前記下部電極上に形成された圧電体層と、
前記圧電体層上に形成された上部電極と、を備え、
前記アルミナ層は主としてγ−アルミナ相の粒子で形成されている、
圧電素子。
【請求項２】
前記γ−アルミナ相の粒子と前記圧電体層とが接している、
請求項１記載の圧電素子。
【請求項３】
前記γ−アルミナ相の粒子は鱗片状である、
請求項２記載の圧電素子。
【請求項４】
前記鱗片状の前記γ−アルミナ相の粒子の少なくとも一部は、前記下部電極と前記圧電体層に埋設されている、
請求項３記載の圧電素子。
【請求項５】
前記γ−アルミナ相の粒子は鱗片状である、
請求項１記載の圧電素子。
【請求項６】
前記鱗片状の前記γ−アルミナ相の粒子の少なくとも一部は、前記下部電極に埋設されている、
請求項５記載の圧電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属基板に圧電セラミックス層を形成してなる圧電素子に関し、特に圧電アクチュエータや圧電センサ等の圧電デバイスに適した圧電素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電材料は機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換、あるいは電気的エネルギーを機械的エネルギーに変換する材料である。この圧電材料の代表的なものとしては、ペロブスカイト型結晶構造のチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３：以下、ＰＺＴと称す）がよく知られている。ＰＺＴは非常に優れた圧電特性を有しており、従来から多くの電子部品に利用され、現在でも主要な圧電材料の一つとして用いられている。【０００３】
このようなＰＺＴ等の圧電材料を用いた圧電デバイスとしては、圧電アクチュエータ、圧電センサ、プリンタ用のインクジェットヘッド等が上げられ、近年、これらを微細加工するために、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）を用いた技術開発が活発に行われている。【０００４】
ＰＺＴを用いた圧電デバイスをＭＥＭＳに適用するには振動板となる基板上にＰＺＴを成膜する必要がある。成膜方法としては、スパッタリング法、ゾルゲル法、ＭＯＣＶＤ法等が挙げられる。これらの方法を用いることで高品質な圧電膜が得られ高性能な圧電特性が期待できる。一方、これらの方法では成膜速度が遅く、１μｍ以上の膜厚を要する圧電素子には生産上効率的ではない。また、振動板となる基板としては、安価でかつ加工しやすいという観点から、ステンレス基板を採用した研究が活発に行われている。【０００５】
そこで近年ではこのような基板上に圧電体膜を形成する方法として、エアロゾルデポジション法（以下、ＡＤ法と略記）が検討されている。ＡＤ法とは亜音速で微粒子を基板上に衝突させることで発生する熱エネルギーにより粒子が一体化するという原理に基づいている。この方法によれば圧電体膜を高速で成膜することができる上に、基板の上面層とアンカーを形成するため密着性が良く、さらには緻密に成膜することができる。【０００６】
特許文献１にはエアロゾルデポジション法（ＡＤ法）を用いてステンレス基板上に１０μｍ以上の膜厚のＰＺＴを形成した圧電膜積層構造体が開示されている。この圧電膜積層構造体は、金属基板に含まれる添加元素を金属基板上に熱処理により拡散させて拡散層を形成することにより形成される。そのため、この圧電膜積層構造体では従来よりも密着強度が高く、剥離やクラックが発生しない。【０００７】
しかしながらＡＤ法を採用するには多くの問題がある。例えばサブミクロン粉を高圧空気で輸送する必要がありメンテナンスが難しい。さらには成膜時に真空系を必要とする。これらの理由から、なかなかＡＤ法の普及は進まない。【０００８】
また印刷法により圧電体層を成膜することも可能である。印刷法は電子部品を印刷する技術「プリンタブルエレクトロニクス」として、近年脚光を浴びている。また印刷法は、複雑な装置を必要とすることなく、膜の厚みが１０μｍ以上の厚膜でも成膜時間が非常に短く、必要な部分に必要な量を形成するだけで良い。【０００９】
しかしながら圧電体層を簡易な設備で量産性に優れた印刷法で形成した場合、圧電体層は、通常体積当たり４０％〜５０％の空隙を含む。そのため、高温で焼成して高密度化する必要がある。焼成時に圧電体層は基板に拘束されるため、面方向へは収縮せず、圧電体層の厚み方向にのみ収縮する。そのため、圧電体層と基板との間に生じる引張・圧縮応力によって、圧電体層が基板から剥離する虞がある。さらには焼成後の残留応力と、圧電素子として駆動した時の振動が相まって圧電体層が基板から剥離する虞もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００７−１６５３８５号公報
【発明の概要】
【００１１】
本発明は印刷法により金属基板上に圧電体層を形成し、しかも金属基板と圧電体層の界面における密着強度が向上した圧電素子である。
【００１２】
本発明の圧電素子は金属基板と、アルミナ層と、下部電極と、圧電体層と、上部電極とを有する。金属基板は鉄を主成分とし、少なくともアルミニウムとクロムとを含む。アルミナ層は金属基板上に形成され、下部電極はアルミナ層上に形成されている。圧電体層は下部電極上に形成され、上部電極は圧電体層上に形成されている。アルミナ層は主としてγ−アルミナ相の粒子で形成されている。
【００１３】
このように、金属基板上に形成されたアルミナ層を主としてγ−アルミナ相の粒子で形成することにより、圧電体層を１０００℃近い高温で焼成する際に、金属基板とアルミナ層、圧電体層の密着力を向上させることができる。その結果、圧電体駆動時の振動により金属基板と圧電体層との界面の剥離を防止することができる。また、上述した構成により圧電体層を印刷法で形成した場合にもアルミナ層と下部電極との界面における密着力を向上させ焼成時の剥離を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は本発明の実施の形態における圧電素子の平面図である。
【図２】図２は図１に示す圧電素子の２−２線における断面図である。
【図３】図３は圧電特性の測定方法の説明図である。
【図４】図４は本発明の実施の形態における圧電素子のアルミナ層のＸ線回折パターンの変化を示す図である。
【図５Ａ】図５Ａは本発明の実施の形態における圧電素子のアルミナ層の表面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察像を示す図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは図５Ａに示すアルミナ層の表面の走査型電子顕微鏡観察像の拡大図である。
【図６】図６は本発明の実施の形態とは異なる圧電素子のアルミナ層の表面のＳＥＭ観察像を示す図である。
【図７】図７は本発明の実施の形態における圧電素子の、金属基板、アルミナ層、金属基板の界面の断面を観察したＳＥＭ観察像を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は本発明の実施の形態における圧電素子１の平面図、図２は図１の２−２線における断面図である。圧電素子１は金属基板２２と、アルミナ層３と、下部電極４と、圧電体層５と、上部電極６とを有する。
【００１６】
金属基板２２は鉄を主成分とし少なくともアルミニウムとクロムとを含む。アルミナ層３は金属基板２２上に形成されている。なお金属基板２２の主面（表裏面）がアルミナ層３で覆われていればよいが側面にアルミナ層３が形成されていてもよい。下部電極４はアルミナ層３上に形成され、圧電体層５は下部電極４上に形成され、上部電極６は圧電体層５上に形成されている。アルミナ層３を形成するアルミナの主相はγ−アルミナ相である。すなわち、アルミナ層３は主としてγ−アルミナ相の粒子で形成されている。言い換えれば、アルミナ層３を構成する材料の５０重量％を超える部分がγ−アルミナ相の粒子である。
【００１７】
次に、圧電素子１の製造方法について説明する。まず、金属基板２２を大気中で加熱処理することにより、金属基板２２の表面にγ−アルミナ相を主相とするアルミナで構成されたアルミナ層３を形成する。加熱処理の条件は特に限定しないが、金属基板２２の表面全体を主相がγ−アルミナ相からなるアルミナ層３で覆われるような条件とする必要がある。本実施の形態では、大気中において８５０℃〜９５０℃の範囲で２時間保持する加熱処理条件で実験を実施している。
【００１８】
次にアルミナ層３の上へ、Ａｇ−Ｐｄ合金ペーストをスクリーン印刷することで下部電極４を形成する。そして、下部電極４の上へ圧電体層５を印刷形成するためのペーストをメタルマスク印刷することで圧電体層５を形成する。さらにその上へＡｇ−Ｐｄ合金ペーストをスクリーン印刷することで上部電極６を形成する。この積層体を大気中８７５℃で２時間保持することで焼成して圧電素子１を作製することができる。焼成後の圧電体層５の厚みは例えば１１μｍ、下部電極４、上部電極６の厚みは例えば３μｍである。
【００１９】
なお圧電体層５は図１、図２に示すように、アルミナ層３と接触するように形成することが好ましい。具体的には、γ−アルミナ相の粒子と圧電体層５とが接していることが好ましい。この構成より、γ−アルミナ相の粒子と、上部電極６と圧電体層５とからなる上部層との接触面積を拡大することができ、さらに密着力を向上させることができる。
【００２０】
図３は圧電素子１の圧電特性の評価方法について示している。圧電素子１の一端を固定し、下部電極４と上部電極６の間に交流電源１１により周波数５００Ｈｚ、電圧０〜２０Ｖの交流正弦波信号を印加し、圧電素子１を振動させる。そして、圧電素子１の変位量δをレーザードップラー振動計１２で測定する。測定された変位量δから（１）式を用いて圧電体層５の圧電定数ｄ３１を求める。
【００２１】
【数１】
2012111279.tif 000003
【００２２】
なお（１）式においてｔ１、ｔ２は金属基板２２および圧電体層５の厚み、ｓ１、ｓ２はそれぞれの弾性コンプライアンス、Ｖは印加電圧、ｌは圧電素子１の固定点から変位量δの測定点までの長さである。
【００２３】
圧電体層５に用いる圧電材料は、低温で緻密に焼結され、かつ圧電特性に優れた組成であることが望ましい。本実施の形態では、（２）式で示される組成の圧電材料を圧電体層５に用いている。
【００２４】
【化１】
2012111279.tif 000004
【００２５】
この組成は、本出願人が提案した特許第４４０３９６７号公報に開示されている組成範囲で、優れた圧電特性を示すことで知られており、ＰＺＴのＢサイトをＰｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３で１０モル％置換し、またＰｂサイト比を１．０１５とストイキオメトリーよりも過剰にしていることを特徴としている。
【００２６】
ここで、（２）式に示す圧電材料粉の調製方法を説明する。純度９９．９％以上の酸化鉛（ＰｂＯ）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）粉末を原料とし、これらを（２）式に示したモル比で秤量し、純水および粉砕メディアとして直径２ｍｍの部分安定化ジルコニアボールとともにポットミルに投入し、ポットミルを２０時間回転させ湿式混合する。
【００２７】
次に、湿式混合して調製されたこのスラリーをステンレスバット等に移し、２００℃の乾燥機中で一昼夜乾燥する。この乾燥した粉を乳鉢等で粗粉砕した後、アルミナ材質のるつぼに入れ、最高温度８５０℃で２時間（昇降温速度は２００℃／時間）熱処理し、仮焼粉を調製する。
【００２８】
次に、この仮焼粉をロータミルやディスクミル等の粗砕機を用いて粗粉砕する。その後、混合時と同様にポットミルを用いて、この粗粉砕粉を５０時間湿式粉砕する。その後、粉砕されたスラリーをステンレスバットなどに移し、２００℃の乾燥機中で一昼夜乾燥し、粉砕粉を調製する。なお得られた粉砕粉の平均粒子径（Ｄ５０）は例えば０．１５μｍである。以上のようにして（２）式に示す圧電材料粉が調製できる。
【００２９】
得られた粉砕粉を円板状に成形し焼成すると、８７５℃で９８％以上の相対密度に達し、緻密に焼結する。まずこの焼結円板（直径１５ｍｍ、厚み１ｍｍ）を用いて圧電特性を確認する。
【００３０】
焼結円板の表裏面に銀ペーストを塗布し焼き付けることにより電極を形成した後、シリコーンオイル中にて３ｋＶの電圧を印加することにより分極処理を施す。この後、分極処理した焼結円板の共振、反共振周波数をインピーダンスアナライザーで測定し機械結合係数ｋｐを求める。またｄ３３メーター（中国科学院声楽研究所製ＺＪ−３Ｂ）で圧電定数ｄ３３＊を測定する。例えば、上述の粉砕粉から成形した焼結円板の機械結合係数ｋｐは０．６０、圧電定数ｄ３３＊は２７０ｐＣ／Ｎである。
【００３１】
次に、圧電体層印刷用ペーストの作製方法について説明する。まず有機バインダと溶剤との配合比率を、例えば２：８として有機ビヒクルを調製する。有機バインダには例えばエチルセルロース樹脂、アクリル樹脂、ブチラール樹脂などを使用することができ、溶剤には例えばα−テルピネオール、ブチルカルビトールなどを使用することができる。この有機ビヒクルと上記圧電材料粉砕粉を例えば２０：８０の重量比率で秤量し、適量の分散剤とともに混合する。その後、この混合物を三本ボールミルで混練することにより圧電体層印刷用ペーストを作製する。
【００３２】
下部電極４、上部電極６の形成には、例えば市販の銀パラジウム合金（銀：パラジウム重量比＝９０：１０、平均粒子径０．９μｍ）のペーストを用いる。また金属基板２２には例えば市販のアルミニウム含有フェライト系ステンレス鋼板（日新製鋼（株）製、商品名：ＮＣＡ−１、厚み０．１ｍｍ）を使用する。このステンレス鋼板はクロム約１８％、アルミニウム約３％を含み、耐熱性の高いステンレス鋼板として古くから知られている。なお金属基板２２におけるクロムおよびアルミニウムの含有量、および他の添加物組成については、ステンレス鋼板の特性が大きく変化しない限り特に限定されない。
【００３３】
アルミナ層３を構成する材料（粒子）の結晶相は、焼成後の圧電素子１の、圧電体層５が形成されていない面をＸ線回折装置で評価することで同定できる。金属基板２２と下部電極４の密着強度、金属基板２２と圧電体層５の密着強度は、圧電素子１を中央部分で二つ折りし、折れ曲がった部分の断面を光学顕微鏡またはＳＥＭで観察することにより定性評価する。また金属基板２２の表面の腐食の有無は光学顕微鏡で観察することにより判断する。
【００３４】
（表１）に、金属基板２２の熱処理温度と、圧電特性、金属基板２２と下部電極４との接着強度、金属基板２２と圧電体層５との接着強度の定性評価、金属基板２２の表面の腐食の有無、およびアルミナ層３を構成する材料の結晶相との関係を示す。
【００３５】
【表１】
2012111279.tif 000005
【００３６】
図４は、金属基板２２の熱処理温度に対する、アルミナ層３のＸ線回折パターンの変化を示した図である。アルミナ層３を構成する材料の結晶相は、熱処理温度８７５℃まではほぼγ−アルミナ相単相であるのに対し、９００℃でα−アルミナ相が少量見られ、９２５℃以上でα−アルミナ相が急激に増加しα−アルミナ相が主相となる。なお、（表１）におけるアルミナ層３を構成する材料の結晶相の比率は、図４に示す各相に固有なピークの面積を比較することで特定できる。
【００３７】
図５Ａは、熱処理温度が８７５℃の場合のアルミナ層３を上面から観察したＳＥＭ観察像を示す図であり、図５Ｂは図５Ａの拡大図である。また図６は熱処理温度９５０℃の場合のアルミナ層を上面から観察したＳＥＭ観察像を示す図である。ここでγ−アルミナ相の粒子が主体である熱処理温度８７５℃の図５Ａを見ると、アルミナ層３の表面は鱗片状の粒子で覆われている。
【００３８】
図５Ｂに示すように、アルミナ層３の表面には鱗片状の粒子３１が表出している。鱗片状の粒子３１の平板面の最大径は大きいもので、おおよそ１μｍ、厚みはおおよそ１０ｎｍ〜５０ｎｍである。すなわちこの例において、鱗片状の粒子３１は少なくとも１０以上、５０以下のアスペクト比を満たす。
【００３９】
これに対し図６に示すアルミナ層の表面には鱗片状の粒子３１はほとんど見られない。代わって粒状の粒子３２が見られる。粒状の粒子３２の最大粒子径はおおよそ１μｍである。図４のＸ線回折解析の結果とあわせて考えると、鱗片状の粒子３１はγ−アルミナ粒子、粒状の粒子３２はα−アルミナ粒子と推定される。
【００４０】
なお焼成温度、焼成雰囲気および焼成温度等の焼成条件によっては鱗片状の粒子３１および粒状の粒子３２の形状や粒子径は上述した内容とは異なることが推定される。本実施の形態において効果を奏するアルミナ層３は、主相がγ−アルミナ相で構成されていることである。すなわち、アルミナ層３は主としてγ−アルミナ相の粒子で形成されている。より好ましくは、アルミナ層３の表面が鱗片状の粒子３１で覆われた構成である。このようにγ−アルミナ相の粒子が鱗片状であることが好ましい。これによりアルミナ層３と下部電極４との接触面積を拡大することができ、より密着強度を向上させることが可能となる。
【００４１】
（表１）に示すように、圧電素子１の圧電特性ｄ３１は、熱処理温度８５０℃以上、９２５℃以下で−１１５〜−１２５ｐｍ／Ｖと、測定誤差を考慮するとほぼ一定であるのに対し、９５０℃では−９５ｐｍ／Ｖと明らかに低下している。
【００４２】
また、金属基板２２と下部電極４、圧電体層５の密着強度の評価によると、熱処理温度８５０℃以上、９００℃以下では、層間剥離を顕微鏡レベルでも確認できない。これに対し、熱処理温度９２５℃では一部で、９５０℃では全面で剥離が観察されている。詳細な観察によると、剥離はアルミナ層３と下部電極４との間で生じている。したがって、本実施の形態における条件では、熱処理温度は８５０℃以上、９００℃以下とする必要がある。また上記の圧電特性の低下は、アルミナ層３と下部電極４との密着強度の低下により、圧電体層５で発生した振動を金属基板２２に十分伝えることができなくなったためと考えられる。
【００４３】
アルミナ層３の主相がγ−アルミナ相となる熱処理温度８７５℃では、図５Ａに示したようにアルミナ層３の表面が鱗片状の粒子３１で覆われている。そのため、アルミナ層３と下部電極４との接触面積が大きくなり、密着強度が高くなると考えられる。一方、アルミナ層３の主相がα−アルミナ相となる熱処理温度９５０℃では、図６のように粒状の粒子３２が形成され、鱗片状の粒子３１が姿を消す。そのためにアルミナ層３と下部電極４との接触面積が小さくなり、密着強度が低下すると考えられる。またγ−アルミナ相の結晶性はα−アルミナ相に比べて低く、下部電極４との密着強度が材料特性的に高くなると考えられる。
【００４４】
以上のように、優れた圧電特性を発現し、かつ、金属基板２２、アルミナ層３、下部電極４が互いに高い密着強度を有するためには、アルミナ層３の結晶相がγ−アルミナ相であることが好ましい。すなわち、アルミナ層３が主としてγ−アルミナ相の粒子で形成されていればよい。さらにアルミナ層３の表面に多数の鱗片形状の突出部が形成されていることがより好ましい。
【００４５】
なお（表１）に示すように、金属基板２２の表面の腐食は、熱処理温度８５０℃の場合にのみ確認されている。この腐食は、圧電体層５の焼成時に蒸発した酸化鉛成分と、金属基板２２の鉄成分が接触し、イオン化傾向の差による局部電池反応により酸化鉛が金属鉛に、鉄が酸化鉄に変化することによる生じている。熱処理温度８５０℃の条件では、熱処理によるアルミナ層３の形成が不十分で、金属基板２２の鉄成分が一部露出していたと推定される。一方、熱処理温度８７５℃以上の場合、アルミナ層３が金属基板２２の表面全体を覆うことにより、この腐食現象は抑えられている。このようにアルミナ層３は金属基板２２の主面全面を覆っていることが好ましい。ただアルミナ層３の厚みは特に規定されない。
【００４６】
図７は熱処理温度８７５℃の場合の金属基板２２、アルミナ層３、圧電体層５の界面における断面を観察したＳＥＭ観察像を示す図である。アルミナ層３の表面はγ−アルミナ相の粒子で構成された鱗片形状の突出部を有しており、この突出部は圧電体層５に埋設されている構成となる。そのため、より密着強度が向上する。また圧電体層５の埋設部分は埋設していない部分と比較して緻密化されており、さらに密着強度が向上する。
【００４７】
なお図７に示した観察結果によれば熱処理温度８７５℃の場合、アルミナ層３の厚みは０．５μｍ前後である。
【００４８】
また図示していないが、アルミナ層３と下部電極４との界面においても鱗片形状の突出部が下部電極４に埋設されている。このようにγ−アルミナ相の鱗片状の粒子３１の少なくとも一部が下部電極４に埋設されていることが好ましい。またγ−アルミナ相の鱗片状の粒子３１と圧電体層５とが接している場合には、粒子３１の少なくとも一部がさらに圧電体層５にも埋設されていることが好ましい。このような構成により、強固なアンカーを形成し、より密着強度を向上させることが可能となる。
【００４９】
なお、金属基板２２を熱処理することにより形成したアルミナ層３は熱的に安定であり、機械強度にも優れている。そのため上述の通り、アルミナ層３は上下層との密着強度を向上させる効果に加えて、焼成時の熱拡散による圧電特性の低下を防止する拡散防止効果を有する。
【００５０】
なお本実施の形態では、８７５℃で圧電体層５を焼成し、それに先立ち金属基板２２を８５０℃以上、９００℃以下で熱処理してアルミナ層３を形成することで主としてγ−アルミナ相の粒子で形成されたアルミナ層３を形成している。さらに腐食の観点からは金属基板２２を８７５℃以上、９００℃以下で熱処理することが好ましい。このように焼成温度を熱処理温度と同等以下にすることで、熱処理によって形成されたγ−アルミナ相の粒子が焼成時に相転移してα−アルミナ相になるのを防ぐことができる。そのため、上述の効果が焼成時に損なわれることを防ぐことができる。すなわち、γ−アルミナ相を維持できる温度で焼成することにより、γ−アルミナ相と圧電体層５とを同時焼成可能となる。したがって、焼成温度を熱処理温度と同等以下にするように材料を選定したり、温度以外の条件を整えたりすることが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明は圧電アクチュエータ、圧電センサ、プリンタ用のインクジェットヘッド等に用いる微小なデバイスとして利用することが有用である。
【符号の説明】
【００５２】
１    圧電素子
３    アルミナ層
４    下部電極
５    圧電体層
６    上部電極
１１    交流電源
１２    レーザードップラー振動計
２２    金属基板
３１    鱗片状の粒子
３２    粒状の粒子
【図１】
2012111279.tif 000006
【図２】
2012111279.tif 000007
【図３】
2012111279.tif 000008
【図４】
2012111279.tif 000009
【図５Ａ】
2012111279.tif 000010
【図５Ｂ】
2012111279.tif 000011
【図６】
2012111279.tif 000012
【図７】
2012111279.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成25年6月21日(2013.6.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
【図１】図１は本発明の実施の形態における圧電素子の平面図である。
【図２】図２は図１に示す圧電素子の２−２線における断面図である。
【図３】図３は圧電特性の測定方法の説明図である。
【図４】図４は本発明の実施の形態における圧電素子のアルミナ層のＸ線回折パターンの変化を示す図である。
【図５Ａ】図５Ａは本発明の実施の形態における圧電素子のアルミナ層の表面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察像を示す図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは図５Ａに示すアルミナ層の表面の走査型電子顕微鏡観察像の拡大図である。
【図６】図６は本発明の実施の形態とは異なる圧電素子のアルミナ層の表面のＳＥＭ観察像を示す図である。
【図７】図７は本発明の実施の形態における圧電素子の、金属基板、アルミナ層、圧電体層の界面の断面を観察したＳＥＭ観察像を示す図である。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
次に、圧電体層印刷用ペーストの作製方法について説明する。まず有機バインダと溶剤との配合比率を、例えば２：８として有機ビヒクルを調製する。有機バインダには例えばエチルセルロース樹脂、アクリル樹脂、ブチラール樹脂などを使用することができ、溶剤には例えばα−テルピネオール、ブチルカルビトールなどを使用することができる。この有機ビヒクルと上記圧電材料粉砕粉を例えば２０：８０の重量比率で秤量し、適量の分散剤とともに混合する。その後、この混合物を三本ロールミルで混練することにより圧電体層印刷用ペーストを作製する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３８】
図５Ｂに示すように、アルミナ層３の表面には鱗片状の粒子３１が表出している。鱗片状の粒子３１の平板面の最大径は大きいもので、おおよそ１μｍ、厚みはおおよそ１０ｎｍ〜５０ｎｍである。すなわちこの例において、鱗片状の粒子３１は１０以上、５０以下のアスペクト比を満たす。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４０】
なお焼成雰囲気および焼成温度等の焼成条件によっては鱗片状の粒子３１および粒状の粒子３２の形状や粒子径は上述した内容とは異なることが推定される。本実施の形態において効果を奏するアルミナ層３は、主相がγ−アルミナ相で構成されていることである。すなわち、アルミナ層３は主としてγ−アルミナ相の粒子で形成されている。より好ましくは、アルミナ層３の表面が鱗片状の粒子３１で覆われた構成である。このようにγ−アルミナ相の粒子が鱗片状であることが好ましい。これによりアルミナ層３と下部電極４との接触面積を拡大することができ、より密着強度を向上させることが可能となる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４５】
なお（表１）に示すように、金属基板２２の表面の腐食は、熱処理温度８５０℃の場合にのみ確認されている。この腐食は、圧電体層５の焼成時に蒸発した酸化鉛成分と金属基板２２の鉄成分とが接触し、イオン化傾向の差による局部電池反応により酸化鉛が金属鉛に、鉄が酸化鉄に変化することにより生じている。熱処理温度８５０℃の条件では、熱処理によるアルミナ層３の形成が不十分で、金属基板２２の鉄成分が一部露出していたと推定される。一方、熱処理温度８７５℃以上の場合、アルミナ層３が金属基板２２の表面全体を覆うことにより、この腐食現象は抑えられている。このようにアルミナ層３は金属基板２２の主面全面を覆っていることが好ましい。ただアルミナ層３の厚みは特に規定されない。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５０】
なお本実施の形態では、８７５℃で圧電体層５を焼成し、それに先立ち金属基板２２を８５０℃以上、９００℃以下で熱処理してアルミナ層３を形成することで主としてγ−アルミナ相の粒子で形成されたアルミナ層３を形成している。さらに腐食の観点からは金属基板２２を８７５℃以上、９００℃以下で熱処理することが好ましい。このように焼成温度を熱処理温度と同等以下にすることで、熱処理によって形成されたγ−アルミナ相の粒子が焼成時に相転移してα−アルミナ相になるのを防ぐことができる。そのため、上述の効果が焼成時に損なわれることを防ぐことができる。すなわち、γ−アルミナ相を維持できる温度で焼成することにより、γ−アルミナ相の粒子と圧電体層５とを同時焼成可能となる。したがって、焼成温度を熱処理温度と同等以下にするように材料を選定したり、温度以外の条件を整えたりすることが好ましい。
【手続補正７】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄を主成分とし、少なくともアルミニウムとクロムとを含む金属基板と、
前記金属基板上に形成されたアルミナ層と、
前記アルミナ層上に形成された下部電極と、
前記下部電極上に形成された圧電体層と、
前記圧電体層上に形成された上部電極と、を備え、
前記アルミナ層は主としてγ−アルミナ相の粒子で形成されている、
圧電素子。
【請求項２】
前記アルミナ層と前記圧電体層とが接している、
請求項１記載の圧電素子。
【請求項３】
前記γ−アルミナ相の粒子は鱗片状である、
請求項２記載の圧電素子。
【請求項４】
前記鱗片状の前記γ−アルミナ相の粒子の少なくとも一部は、前記下部電極と前記圧電体層に埋設されている、
請求項３記載の圧電素子。
【請求項５】
前記γ−アルミナ相の粒子は鱗片状である、
請求項１記載の圧電素子。
【請求項６】
前記鱗片状の前記γ−アルミナ相の粒子の少なくとも一部は、前記下部電極に埋設されている、
請求項５記載の圧電素子。
【国際調査報告】
2012111279.tif 000014
2012111279.tif 000015
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