(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部電極膜、圧電／電歪膜及び上部電極膜をジルコニアを主成分とする基板上に順に形成してなり、該圧電／電歪膜が下部電極膜より広く形成され、基板に接触している圧電／電歪素子の焼成工程において、
前記基板の焼成前の組成を２．５〜３．５ｍｏｌ％Ｙ２Ｏ３−ＺｒＯ２とすると共に、温度を下降する際に強制冷却し、少なくとも３００℃から１５０℃までの降温速度を０．５３℃／分以上とすることを特徴とする圧電／電歪素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種トランスデューサ、各種アクチュエータ、フィルタ等の周波数領域機能部品、またディスプレイ等の各種表示デバイス、スピーカ等の発音体、更にマイクロフォン及び超音波センサ等の広範囲な分野において使用することができる圧電／電歪素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電／電歪素子は上記のように様々な分野で使用することが可能であるが、その開示例としては、振動板として作用するセラミック基板と、その基板上に設けられた第１の電極膜、圧電／電歪膜及び第２の電極膜からなる膜型の圧電／電歪作動部から構成されるもの（特開平３−１２８６８１号公報）の他、セラミック基板がキャビティを有し、そのキャビティの底部が薄肉厚部とされた構造で、圧電／電歪作動部をその薄肉外表面上に一体化したものが開示されている（特開平５−４９２７０号公報）。
【０００３】
そのような圧電／電歪素子を構成するセラミック基板としては、一般に酸化イットリウムにて部分安定化した酸化ジルコニウムを用いたものが知られ（特開平５−２９６７５号公報、特開平５−９７４３７号公報、特開平５−２７０９１２号公報）ており、圧電／電歪素子は、基板を例えば上記の酸化ジルコニウムと酸化イットリウムとの混合物からなる焼結体で形成すると共に、圧電／電歪膜を例えばジルコン酸チタン酸鉛を主成分とする材料で形成し、基板の所定位置に下部電極膜、圧電／電歪膜、上部電極膜の順に各々印刷、焼成して形成される。そして、圧電／電歪膜を形成する材料としては、前記ジルコン酸チタン酸鉛を主成分とする材料以外に、マグネシウムニオブ酸鉛を主成分とする材料、ニッケルニオブ酸鉛を主成分とする材料等がある。
また、セラミック基板としては、酸化イットリウム以外に酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化セリウム等の添加物により部分安定化させた酸化ジルコニウム基板も使用される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このように、印刷により形成された圧電／電歪素子は図２の横断面図に示すように、圧電／電歪パターンをその下部に設けた電極膜パターンより広く形成すると素子の作成が容易であるため行われているが、このように形成することで、図２（ｂ）に示すように周囲が下部電極膜からはみ出して基板との接触部７を形成し、焼成工程において双方の組成物が互いに反応して、基板１の接触部７の強度に影響を及ぼし強度低下を生じせしめ、歩留まり向上を妨げる要因となる。
【０００５】
そこで、本発明はそのような問題点に鑑み、基板とその上部に印刷形成した圧電／電歪膜とが接触した状態で焼成しても、基板に影響の出ない圧電／電歪素子の製造方法を提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、歩留まり向上阻害要因が焼成工程におて圧電／電歪材料に含有される鉛やニオブやチタンが基板に入り込むと共に、基板外（主に圧電／電歪膜内）に部分安定化に用いられる添加材料が流出する事により、例えば、添加材料がＹ２０３の場合には、基板当接部の組成が当初の組成よりＹ２Ｏ３が減少し、Ｙ２Ｏ３の組成が２．５ｍｏｌ％以下となっており、焼成後の冷却過程で正方晶から単斜晶に変化するＴ／Ｍ変態を起こすことが原因であること、及びＹ２Ｏ３組成が２．５ｍｏｌ％以下のときの単斜相率と基板強度低下の関係を突き止め、この相変態を焼成温度特性を操作することで無くすことが可能であること、及びＹ２Ｏ３組成が２．５ｍｏｌ％以下のときのクラック等が発生しない単斜相率の範囲を見いだしたもので、上記課題を解決するために、請求項１の発明に係る圧電／電歪素子の製造方法は、下部電極膜、圧電／電歪膜及び上部電極膜をジルコニアを主成分とする基板上に順に形成してなり、該圧電／電歪膜が下部電極膜より広く形成され、基板に接触している圧電／電歪素子の焼成工程において、前記基板の焼成前の組成を２．５〜３．５ｍｏｌ％Ｙ２Ｏ３−ＺｒＯ２とすると共に、温度を下降する際に強制冷却し、少なくとも３００℃から１５０℃までの降温速度を０．５３℃／分以上とすることを特徴とする。尚、この降温速度の制御は、添加材料が酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化セリウム等の場合でも同様に有効である。
このように降温速度を急峻にすることで、基板と圧電／電歪膜とが接触した状態で焼成しても、基板にＴ／Ｍ変態が発生することが無く、基板の強度低下を防ぐことができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した実施の形態を説明する。本発明に係る圧電／電歪素子の構成の概略を図２（ａ）に示す。これは、従来の圧電／電歪素子の構造と同様である。
【００１１】
基板１は３ｍｏｌ％Ｙ２Ｏ３ーＺｒＯ２から成るグリーンシートを複数枚重ね合わせ焼成して形成される。圧電／電歪膜５はＰｂＯ、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２を主成分とするジルコン酸チタン酸鉛で形成し、図２に示すように基板１に面する下部及びその対向面である上部にそれぞれ下部電極膜６ａ，上部電極膜６ｂが設けられ、圧電／電歪膜５は基板上に形成した下部電極膜６ａ上に印刷形成され、１２００℃〜１３００℃で焼成して形成される。
【００１２】
焼成工程を図１の焼成温度プロファイルを基に説明すると、図１に示すように最高温度に達するまでのプロファイルは従来の設定と変わらないが、最高温度で所定時間焼成後、降温プロファイルを大きく変更し、強制冷却により温度を下降させている。この強制冷却は特に３００℃から１５０℃までの平均降温時間を図３に示すように０．５３℃／分以上とすると良い。尚、強制冷却を行う温度領域を特に２７５℃〜１７５℃にすることにより顕著な効果がある。
【００１３】
次に圧電／電歪素子の具体的製造過程と特性を示す。
まず、基板１をＺｒＯ２−３ｍｏｌ％Ｙ２Ｏ３から成るグリーンシートを複数重ね合わせ、１４００〜１５００℃で焼成してジルコニア基板を得る。
次に圧電／電歪素子を形成する。下部電極膜６ａとして、Ｐｔペーストをジルコニア基板上にスクリーン印刷で形成し、焼成する。そして、ＰｂＯ、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、Ｎｂ２０５を主成分とする圧電粉末を含むペーストを下部電極膜６ａ上にスクリーン印刷し、１２００〜１３００℃で焼成することで圧電／電歪素子５の下部電極膜６ａと圧電／電歪膜５を形成する。
そして、この焼成工程の冷却過程でエアーを炉内温度５００℃付近から炉内へ送り込むことで、３００℃から１５０℃までの通過時間を１９２分（０．７８℃／分）とした。
【００１４】
冷却工程をこのように強制冷却することで、接触部７のジルコニア基板１のＹ２Ｏ３は３ｍｏｌから２．０ｍｏｌ％となっていたが、単斜相率（正方晶に対する比率）は１．３％であり、クラックの発生はなかった。
因みに、実施例１の製造工程において、強制冷却を実施しなかった場合、３００℃から１５０℃までの通過時間が５５６分（０．２７℃／分）であり、単斜相率が３．４％となり、クラックの発生が認められた。
【００１５】
図３は、このように降温速度を変えた場合の単斜相率変化結果を示し、３００℃から１５０℃の通過時間が短いほど単斜相率が小さいことがわかる。尚、単斜相率の測定は、ジルコニア基板１の接触部７の反応部分を含む基板をＸ線解析により、単斜相（１１１）面ピーク高さ／正方晶（１０１）面ピーク高さ（％）で求めた。
上記の様に、接触部７のジルコニア基板１のＹ２Ｏ３は当初の組成から略１．０ｍｏｌ％減少するが、減少後の組成において、単斜相率が２．０％以下、より好ましくは１．５％以下にするとクラック等の基板への影響は発生しない。
【００１６】
このように強制冷却することで、印刷した圧電／電歪膜の縁部が基板に接触した状態で焼成しても、基板当接部がＴ／Ｍ変態を起こしてクラック等が発生するようなことが無く、良好な特性を維持することができる。
尚、強制冷却の方法としては炉内に直接空気を送り込む空冷としても良いが、炉体の断熱体内部に水の配管を施して水冷とすると温度制御を容易に行うことができる。また、焼成炉の大きさや構造により自然冷却させた場合の降温特性が異なるが、何れの炉であっても強制冷却する事で基板特性を改善させることができる。
【００１７】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項１の発明によれば、焼成前に圧電／電歪膜縁部が基板に接触していても、圧電素子が基板に悪影響を及ぼすことが無く、双方を良好に焼成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の１例を示す圧電／電歪素子の製造方法の要部である焼成工程の温度プロファイルである。
【図２】本発明に係る圧電／電歪素子部の横断面説明図を示し、（ａ）は焼成後の状態、（ｂ）は圧電／電歪膜の印刷後の状態である。
【図３】焼成工程における降温速度を変えた場合の単斜相率とクラックの発生状況を示し、（ａ）は測定結果データ表、（ｂ）はそのグラフ化したデータである。
【符号の説明】
１・・基板、２・・流路、５・・圧電／電歪膜、６ａ・・下部電極膜，６ｂ・・上部電極膜。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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