JP5026796B2

JP5026796B2 - ダイヤフラム構造体

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Publication number: JP5026796B2
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Inventors: 七瀧　　努; 邦彦吉岡
Original assignee: NGK Insulators Ltd
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Filing date: 2005-12-22
Publication date: 2012-09-19
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Description

本発明はダイヤフラム構造体に関し、更に詳しくは、反りや歪み等を矯正するために加熱及び荷重した場合や、そのダイヤフラム部に荷重が負荷される状況下で使用するような場合であっても、薄肉部分に微細割れ等の欠陥が生じ難く、圧電／電歪素子を構成するための基材として好適なダイヤフラム構造体に関する。

近年、光学や精密加工等の分野において、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素子や、微小変位を電気的変化として検知する検出素子が所望されるようになってきている。これに応えるものとして、強誘電体等の圧電材料に電界を加えたときに起こる逆圧電効果に基づく変位の発現現象、又はその逆の現象を利用した素子である、アクチュエ−タやセンサに用いられる圧電／電歪素子（圧電／電歪デバイス）の開発が進められている。

このような圧電／電歪デバイスとしては、例えば、流体の密度、濃度、粘度等の特性の測定に利用されるものが開示されている（例えば、特許文献１参照）。このような圧電／電歪デバイスは、圧電／電歪デバイスの振動子としての振幅と、圧電／電歪デバイス（振動子）に接触する流体の粘性抵抗とに相関があることを利用してセンサとして用いられるものである。

関連する従来技術として、少なくとも一つの窓部を有するとともに、この窓部を覆蓋するように、薄肉のダイヤフラム部を一体に設けることによって、少なくとも一つの薄肉の壁部が形成されたセラミック基体、並びにこのセラミック基体のダイヤフラム部の外面上に、下部電極、圧電／電歪層、及び上部電極を組み合わせた圧電／電歪作動部が一体的に積層形成された圧電／電歪膜型素子（アクチュエータ）が開示されている（例えば、特許文献２，３参照）。

また、ダイヤフラム部の剛性を高めて応答速度を向上させるとともに、圧電／電歪作動部に発生する歪みや応力を効率よく変位に変換させるべく、図３及び図４に示すような、開口部２が形成されたセラミック基体３と、開口部２の反対側に突出する凸形状であり、開口部２を覆蓋するようにセラミック基体３と焼成一体化して配設されたセラミックからなる薄肉のダイヤフラム部４とを備えたダイヤフラム構造体１０が開示されている（例えば、特許文献４参照）。

ここで、ダイヤフラム構造体はセラミックからなるものであるため、焼成することにより製造されるものである。このため、焼成して得られたダイヤフラム構造体には、若干の反りや歪み等が生じているのが一般的である。従って、図５に示すように、焼成後のダイヤフラム構造体２０を上部挟持部材９ａと下部挟持部材９ｂとからなる挟持部材９で上下方向から挟持し、適当な条件下で加熱及び荷重することによって、焼成により生じた反りや歪み等の矯正がなされる。

しかしながら、反りや歪み等を矯正するためにダイヤフラム構造体２０を加熱及び荷重した場合においては、ダイヤフラム部４（薄肉部分）に微細な割れ等の欠陥が生じ易いという問題がある。一方、ダイヤフラム部４に欠陥が発生しない程度の加熱及び荷重条件下では、反りや歪み等を十分に矯正できない場合がある。更に、複数の開口部２を有する場合において、反りや歪み等を十分に矯正できないような場合には、ダイヤフラム部４の突出高さが不均等となることがある。このようなダイヤフラム部４の突出高さが不均等なダイヤフラム構造体２０は、高精度な変位の調整が要求される圧電／電歪素子を構成するための基材としては適当ではない場合があるという問題がある。また、素子毎の変位のバラツキの少ない素子集合体を得るためには、ダイヤフラム部４の突出高さを均一に揃えることが重要である。
特開平８−２０１２６５号公報特開平３−１２８６８１号公報特開平５−４９２７０号公報特許第３３１３５３１号公報

本発明は、このような従来技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、反りや歪み等を矯正するために加熱及び荷重した場合であっても、薄肉部分に微細割れ等の欠陥が生じ難く、圧電／電歪素子を構成するための基材として好適なダイヤフラム構造体を提供することにある。

本発明者らは上記課題を達成すべく鋭意検討した結果、ダイヤフラム構造体について加熱及び荷重をした場合に、薄肉部分に微細割れ等の欠陥が生ずるのは、開口部の長手方向の先端部における球形の箇所に集中していること、並びにこの箇所の剛性が高く、加熱及び荷重時の応力がこの箇所に集中し易いことを見出した。従って、本発明者らは、開口部の開口形状をいわゆるテーパ部を有する形状にするとともに、このテーパ部に対応するダイヤフラム部の形状を、先端部に向かって突出高さが徐々に低くなる形状とすることによって、上記課題を達成することが可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明によれば、以下に示すダイヤフラム構造体が提供される。

［１］少なくとも一の開口部が形成されたセラミック基体と、前記開口部の反対側に突出する凸形状であり、前記開口部を覆蓋するように前記セラミック基体と焼成一体化して配設されたセラミックからなる薄肉のダイヤフラム部とを備え、前記ダイヤフラム部の外面上に圧電素子を有するダイヤフラム構造体であって、前記開口部の開口形状が、その長手方向の少なくとも一の先端部が曲線形状であるとともに前記先端部に向かって開口幅が徐々に狭くなる、曲線又は直線で構成されたテーパ部を有する形状であるとともに、前記ダイヤフラム部の、前記テーパ部に対応する部分の形状が、前記先端部に向かって突出高さが徐々に低くなる形状であるダイヤフラム構造体。

［２］前記テーパ部の長さが最大開口幅の１５％以上であるとともに、前記先端部の曲線形状が、円弧形状、半円弧形状、楕円弧形状、及び前記テーパ部と繋がる箇所以外の箇所に直線部を有する曲線形状のいずれかであり、前記先端部の曲線形状が円弧形状である場合における、前記先端部の直径（先端開口幅）が、最大開口幅の４０〜９０％である前記［１］に記載のダイヤフラム構造体。

［３］前記テーパ部の長さが最大開口幅の５０％以上であるとともに、前記先端部の曲線形状が、円弧形状、半円弧形状、楕円弧形状、及び前記テーパ部と繋がる箇所以外の箇所に直線部を有する曲線形状のいずれかであり、前記先端部の曲線形状が円弧形状である場合における、前記先端部の直径（先端開口幅）が、最大開口幅の４０〜９０％である前記［１］に記載のダイヤフラム構造体。

本発明のダイヤフラム構造体は、反りや歪み等を矯正するために加熱及び荷重した場合であっても、薄肉部分に微細割れ等の欠陥が生じ難く、圧電／電歪素子を構成するための基材として好適であるといった効果を奏するものである。

本発明のダイヤフラム構造体の一実施形態を模式的に示す上面図である。本発明のダイヤフラム構造体の一実施形態を模式的に示す一部拡大断面図である。従来のダイヤフラム構造体の一実施形態を模式的に示す上面図である。従来のダイヤフラム構造体の一実施形態を模式的に示す一部拡大断面図である。ダイヤフラム構造体の構造を矯正する状態の一例を模式的に示す断面図である。開口部の開口パターンを説明する模式図である。本発明のダイヤフラム構造体の製造方法の、一実施形態の工程の一部を模式的に示す斜視図である。本発明のダイヤフラム構造体の他の実施形態を模式的に示す上面図である。図８（ａ）のＡ−Ａ’断面図である。本発明のダイヤフラム構造体を用いた圧電／電歪素子集合体における、圧電／電歪素子の配列例を示す上面図である。図９の圧電／電歪素子集合体を構成する一の圧電／電歪素子の構成を示す上面図である。図９の圧電／電歪素子集合体を構成する一の圧電／電歪素子の構成を示す断面図である。実施例８，９のダイヤフラム構造体の先端部を示す模式図である。

符号の説明

１，１０，２０：ダイヤフラム構造体、２：開口部、３：セラミック基体、４：ダイヤフラム部、５：先端部、６：テーパ部、７：直線部、８：キャビティ、９ａ：上部挟持部材、９ｂ：下部挟持部材、９：挟持部材、１５：セラミックグリーン基体、１７：先端部に含まれる直線、１８：テーパ部と繋がる箇所、２５，３５：ベース基体、２６，３１：セラミックグリーンシート、２７：積層体、３０：孔部、４５：段差部、５０：圧電／電歪素子集合体、５５ａ：下部電極層、５５ｂ：上部電極層、６０：圧電／電歪層、６５：圧電／電歪作動部、Ｗ：最大開口幅、Ｈ：突出高さ、Ｈ₁：テーパ先端部突出高さ、Ｈ₂：最大突出高さ、Ｌ₁：テーパ部長さ、Ｌ₂：直線部長さ、Ｄ：先端部直径、Ｄ₁：先端開口幅

以下、本発明の実施の最良の形態について説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、以下の実施の形態に対し適宜変更、改良等が加えられたものも本発明の範囲に入ることが理解されるべきである。

図１は、本発明のダイヤフラム構造体の一実施形態を模式的に示す上面図である。また、図２は、本発明のダイヤフラム構造体の一実施形態を模式的に示す一部拡大断面図である。図１及び図２に示すように、本実施形態のダイヤフラム構造体１は、開口部２が形成されたセラミック基体３と、開口部２の反対側に突出する凸形状であり、この開口部２を覆蓋するようにセラミック基体３と焼成一体化して配設されたセラミックからなる薄肉のダイヤフラム部４とを備えている。なお、図１においては、一の開口部２が形成された状態を示しているが、開口部の数は特に限定されず、複数の開口部が形成されていてもよい。

本実施形態のダイヤフラム構造体１の開口部２の開口形状は、その長手方向の先端部５が円弧形状であるとともに、この先端部５に向かって開口幅が徐々に狭くなる、曲線又は直線で構成されたいわゆるテーパ部６を有する形状である。また、ダイヤフラム部４の、テーパ部６に対応する部分の形状は、先端部５に向かって突出高さが徐々に低くなる形状である。

このような構造的な特徴を有する本実施形態のダイヤフラム構造体１を、挟持部材で上下方向から挟持し、適当な条件下で加熱及び荷重することによって、焼成により生じた反りや歪み等を矯正する場合を想定する。本実施形態のダイヤフラム構造体１は、ダイヤフラム部４の、テーパ部６に対応する部分の形状が、先端部５に向かって突出高さが徐々に低くなる形状である。このため、前述のような矯正を行う場合であっても、加熱及び荷重時の応力が直接負荷されるのはダイヤフラム部４の直線部７、及びテーパ部６の突出高さの高い部分であり、最も応力集中し易い開口部２の長手方向の先端部５に応力が集中することがない。従って、本実施形態のダイヤフラム構造体１は、挟持部材で上下方向から挟持し、適当な条件下で加熱及び荷重する場合であっても、薄肉部分（ダイヤフラム部４）に微細割れ等の欠陥が生じ難いものである。

また、開口部２が複数形成されている場合を想定すると、本実施形態のダイヤフラム構造体１には、ダイヤフラム部４に割れ等の欠陥が発生し難いことから、焼成時に生じた反りや歪み等を矯正し得るだけの十分な加熱及び荷重を負荷することが可能である。従って、本実施形態のダイヤフラム構造体は、複数のダイヤフラム部４によって形成されるキャビティ毎の、ダイヤフラム部の突出高さを均等とすることができ、高精度な変位の調整が要求される圧電／電歪素子を構成するための基材、或いはセンサ用の部材として好適である。

ダイヤフラム構造体１のテーパ部長さＬ₁は、最大開口幅Ｗの１５％以上であることが好ましい。これによって、加熱及び荷重時に上部挟持部材９ａの接触により生ずる応力が、先端部５に直接負荷されることがない。なお、テーパ部長さＬ₁が最大開口幅Ｗの１５％未満であると、加熱及び荷重時の応力が先端部５に負荷され易くなる傾向にある。

また、ダイヤフラム構造体１のテーパ部長さＬ₁は、最大開口幅Ｗの５０％以上であることが更に好ましく、１００％以上であることが特に好ましい。テーパ部長さＬ₁が最大開口幅Ｗの５０％以上であると、加熱及び加重時の応力による欠陥がより発生し難くなる。これは、先端部５が直線部７から十分に遠い位置に存在することになるため、直線部７、及びテーパ部６の突出高さの高い部分に荷重することで発生した応力が、テーパ部６の変形によって緩衝され、先端部５に到達し難くなるためであると想定される。１００％以上であると、荷重の大きい場合でも先端部５への負荷の緩和効果が十分である。なお、テーパ部長さＬ₁の割合の上限については特に限定されないが、開口部半長（（２Ｌ₁＋Ｌ₂）／２）の５０％以下（即ち、「Ｌ₁／｛（２Ｌ₁＋Ｌ₂）／２｝×１００≦５０」）であることが好ましい。５０％超であると、アクチュエータ、又はセンサとして駆動する際の変位が小さくなり過ぎてしまい、出力、又は出力信号が小さくなり、素子としての性能が低下する傾向にある。

ここで、本明細書にいう「開口幅」とは、開口部の短手方向の開口寸法のことをいい、「最大開口幅」とは、開口部の各箇所における開口幅のうち、最大のものをいう。また、「突出高さ」とは、開口部が形成されている表面への垂線と開口幅方向を含む平面内において、ダイヤフラム両端部を結ぶ線分とダイヤフラム中央の点の距離のことをいう。また、一のダイヤフラム部においては、対応する開口幅が広い部分ほど、突出高さが高くなる。従って、開口部に直線部がある場合には、直線部に対応するダイヤフラム部の突出高さがそのダイヤフラム構造体の「最大突出高さ」となる。また、「開口部の直線部」とは、開口幅が実質的に同一である部分のことをいう。

なお、本明細書にいう「テーパ部」とは、最大開口幅Ｗから徐々に開口幅が減少することにより、ダイヤフラム部４の突出高さが徐々に減少する部分のことをいう（図１参照）。また、「先端部」とは、開口部２の左右のエッジを結びつけるために急激に開口幅を減少させることにより、ダイヤフラム部４の突出高さを急激に減少させる部分のことをいう（図１参照）。従って、例えば、「テーパ部６が直線（但し、直線部７と接続する箇所は曲線であり、直線部と滑らかに接続している）であり、先端部５が円弧形状である場合」や、「テーパ部６と先端部５がともに円弧形状であり、テーパ部６の曲率が先端部５の曲率よりも小さい場合」等がある。

従来のダイヤフラム構造体を用いて圧電／電歪素子を形成した場合、ダイヤフラム部の先端部が、剛性の高い球状を保ったままになる。このため、球状の先端部は、ほとんど変位しない。しかしながら、本実施形態のダイヤフラム構造体１を用いて圧電／電歪素子を形成した場合には、球状の先端部が、従来のものに比べて小さくなる。従って、圧電／電歪素子の全長が同一であれば、本実施形態のダイヤフラム構造体の変位しない部分の割合が、従来よりも小さくなる。即ち、本実施形態のダイヤフラム構造体を用いれば、割れ等の不具合を生じさせずに、長さ方向における可動部分の割合を増加させた圧電／電歪素子を作製することができる。このように可動部分の割合が増加した圧電／電歪素子をセンサとして用いる場合には、発生する信号が大きくなるという利点がある。また、テーパ部６のダイヤフラム部４の可動量は、直線部７のダイヤフラム部４の可動量よりも小さくなるが、それよりも前述の可動部分の割合が増えることの効果が優勢である場合には、このような圧電／電歪素子を、キャビティ内に導入した液体等を吐出する用途に採用すれば、排除体積を大きくできるという利点がある。

また、図１において、開口部２の先端部５の形状が円弧形状である場合を示しているが、本発明においてはこのような形状に限定されるものではない。先端部５の形状は、図１に示すような円弧形状以外にも、例えば、半円弧形状、楕円弧形状、テーパ部と繋がる箇所以外の箇所に直線部を有する曲線形状等であることも好ましい。ダイヤフラム構造体１の先端部５の形状が円弧形状である場合には、その直径Ｄは、最大開口幅Ｗの４０〜９０％であることが好ましく、５０〜８０％であることが更に好ましい。先端部５の直径Ｄが最大開口幅Ｗの４０％未満であると、焼成収縮時に先端部５に応力が集中して割れを生じ易くなる傾向にある。一方、９０％超であると、テーパ先端部突出高さＨ₁があまり低くならないため、薄肉部分に微細割れ等の欠陥が生じ難いという効果が発揮され難くなる傾向にある。５０〜８０％であれば、荷重の大きい場合でも先端部５への負荷の緩和効果が十分である。

なお、図１においては、先端部５の形状が円弧形状であり、その先端部５の直径を「先端部直径Ｄ」と表記している。但し、先端部５の形状が、円弧形状以外の形状である場合には、この「先端部直径Ｄ」に相当するものとして、「先端開口幅Ｄ₁」という概念を挙げることができる。この「先端開口幅Ｄ₁」とは、先端部５の、テーパ部６と接続する箇所の幅をいう（図１参照）。

なお、本実施形態のダイヤフラム構造体１を、圧電／電歪素子（アクチュエータ）を構成するための基材として用いる場合を想定すると、好適な変位を得るためには、ダイヤフラム部４の厚みは１．５〜２０μｍであることが好ましく、２〜１２μｍであることが更に好ましい。また、同様の観点から、開口部２の最大開口幅Ｗは１００〜４００μｍであることが好ましく、１１０〜３００μｍであることが更に好ましい。同様に、直線部長さＬ₂は２００〜５０００であることが好ましく、５００〜２０００であることが更に好ましい。また、ダイヤフラム部４を構成するセラミックは、機械的強度の点から、その平均結晶粒子径が１μｍ以下であることが好ましく、０．６μｍ以下であることが更に好ましい。

次に、本発明の実施形態であるダイヤフラム構造体の製造方法について説明する。図７に示すように、本実施形態のダイヤフラム構造体を製造するには、先ず、セラミックグリーン基体１５に、その開口形状が、その長手方向の少なくとも一の先端部５が円弧形であるとともに先端部５に向かって開口幅が徐々に狭くなるテーパ部６を有する形状である少なくとも一の開口部２を、打ち抜き（パンチング）等の一般的な加工方法により形成してベース基体２５を得る。

次いで、得られたベース基体２５の一表面上に、その特性を下記式（１）〜（３）を満たすように調製したセラミックグリーンシート２６を積層して積層体２７を得る。
Ｓ（基体）−Ｓ（シート）≧−０．０８｛Ｔ₇₀（基体）−Ｔ₇₀（シート）｝−１ …（１）
０≦Ｔ₇₀（基体）−Ｔ₇₀（シート）≦３００ …（２）
Ｓ（基体）−Ｓ（シート）≦２０ …（３）

但し、上記式（１）〜（３）中、Ｓ（基体）及びＳ（シート）は、それぞれ、セラミックグリーン基体及びセラミックグリーンシートを、それぞれ単独で、積層体の焼成温度と同一の温度で焼成した際の、面方向の長さの収縮率（％）を表し、Ｔ₇₀（基体）及びＴ₇₀（シート）は、それぞれ、セラミックグリーン基体の収縮率（Ｓ（基体））、及びセラミックグリーンシートの収縮率（Ｓ（シート））の７０％に達する時の温度（℃）を表す。

セラミックグリーン基体１５やセラミックグリーンシート２６を構成するセラミックは、それぞれ複数枚のセラミックグリーンシートを重ね合わせることによって形成してもよい。例えば、図７に示すように、適当な孔部３０が形成されたセラミックグリーンシート３１と、開口部２が形成されたセラミックグリーン基体１５とを積層してベース基体３５を形成することができる。なお、この孔部３０から流体を吐出するように構成した場合には、先端部５に向かって流路断面積が徐々に小さくなる。従って、孔部３０から吐出される流体の流速を効率的に上げることができ、従来のものに比して、より高速で、より微量の流体の吐出が可能となる。

また、セラミックグリーン基体１５やセラミックグリーンシート２６を構成するセラミックの種類については特に限定されないが、例えば、安定化ジルコニア材料、部分安定化ジルコニア材料、アルミナ材料、又はこれらの混合材料等を好適に用いることができる。なかでも、部分安定化ジルコニア材料が好ましく使用される。そのような材料から形成されるダイヤフラム構造体１は、薄肉な部分を有しながらも高い機械的強度や高靱性を示し、また、圧電／電歪材料との化学的な反応性が低い等の特性を発揮する。

その後、得られた積層体２７を焼成する。焼成温度は、１２００〜１７００℃、焼成時間は１〜６時間であればよい。この焼成により、ベース基体３５とセラミックグリーンシート２６を焼成一体化することができる。この結果、図１及び図２に示すような、開口部２が形成されたセラミック基体３と、開口部２の反対側に突出する凸形状であり、開口部２を覆蓋するようにセラミック基体３と焼成一体化して配設されたセラミックからなる薄肉のダイヤフラム部４とを備え、ダイヤフラム部４の、テーパ部６に対応する部分の形状が、先端部５に向かって突出高さが徐々に低くなる形状であるダイヤフラム構造体１を得ることができる。

上述したダイヤフラム構造体の製造方法によれば、反りや歪み等を矯正するために加熱及び荷重した場合であっても、薄肉部分に微細割れ等の欠陥が生じ難く、圧電／電歪素子を構成するための基材として好適なダイヤフラム構造体を製造することができる。また、複数のダイヤフラム構造体を並べてダイヤフラム集合体を形成する場合、ダイヤフラム構造体間にある桟部分の端部が太くなるため、桟の剛性が向上する。従って、複数のダイヤフラム構造体がより密に配置されたダイヤフラム集合体を容易に製造することができる。

図９は、本発明のダイヤフラム構造体を用いた圧電／電歪素子集合体における、圧電／電歪素子の配置例を示す上面図である。また、図１０及び図１１は、図９の圧電／電歪素子集合体を構成する一の圧電／電歪素子の構成を示す上面図及び断面図である。圧電／電歪素子集合体５０（アクチュエータ）を構成するダイヤフラム構造体２０は、例えば、図７に示すような、複数のセラミックグリーンシート（セラミックグリーンシート２６，３１、セラミックグリーン基体１５）を積層及び焼成することによって作製することができる。このダイヤフラム構造体２０の、隣接する開口部２の先端部５どうしは、交互に入れ込んだ状態で配置されている。従って、この圧電／電歪素子集合体５０は、限られた面積範囲内により多くのダイヤフラム部４を有するものである。なお、ダイヤフラム部４の上面には、下部電極層５５ａ、圧電／電歪層６０、及び上部電極層５５ｂがこの順で積層された圧電／電歪作動部６５が配設されている。また、図示していないが、圧電／電歪作動部６５は、圧電／電歪層６０への電界強度を大きくするために、圧電／電歪層６０として、圧電／電歪材料と電極材料が交互に複数重なる構造であってもよい。ここで、ダイヤフラム部４の先端部５に対応する位置には、孔部３０が形成されている。このため、孔部３０は略一直線上に高密度に配置されることになる。従って、この圧電／電歪素子集合体５０を、例えば、流体吐出用のアクチュエータとして用いた場合には、より高密度の流体吐出が可能となる。

なお、上述してきたダイヤフラム構造体の製造方法における、セラミックグリーン基体やセラミックグリーンシートの調製方法、及び積層体を焼成する方法等の詳細については、例えば、特開平８−５１２３８号公報、特開２０００−９１６６２号公報、及び特開２００３−１５２２３６号公報等に記載されている。

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
図６に示すような、外形１００×８０ｍｍ、厚さ１００μｍのセラミックグリーン基体１５（ジルコニアグリーンシート）に、開口パターンの開口部２（３０個×４行）を金型プレス加工により形成した。なお、開口部２の寸法・形状は、最大開口幅Ｗ＝３００μｍ、直線部長さＬ₂＝３０００μｍ、テーパ部長さＬ₁＝６００μｍ、先端部直径Ｄ＝１６０μｍであった（図１参照）。開口部２を形成したセラミックグリーン基体１５を２枚と、その上に厚さ８μｍの薄肉のジルコニアグリーンシートを積層して積層体を得た。更に、この積層体のダイヤフラム部突出側のダイヤフラム構造体間の表面上に、焼結後の高さが８．３μｍになるような段差部をスクリーン印刷によって形成した。なお、ジルコニアグリーンシートは前記式（１）〜（３）を満たすように調整した。この積層体を１５００℃で焼成することにより、ダイヤフラム部４の形状が図２に示すような形状のダイヤフラム構造体１（図８（ａ）、図８（ｂ）参照）を得た。なお、図８（ａ）、図８（ｂ）中、符号４５は段差部を示す。

レーザー顕微鏡を使用して得られたダイヤフラム構造体の三次元形状を測定したところ、最大突出高さＨ₂（図２参照）は１０．２〜１２．１μｍ、テーパ先端部突出高さＨ₁は７．５〜９．０μｍであった。

次に、表面が平滑な２つのアルミナブロックでダイヤフラム構造体１を上下間から挟持し、１４００℃で１０時間荷重熱処理した。なおダイヤフラム構造体１の上部に載置したアルミナブロックの質量は５００ｇであった。

荷重熱処理後の各ダイヤフラム部の直線部突出高さＨ₂（図２参照）を、接触式の形状測定装置により測定したところ、８．７〜９．２μｍであった。また、各開口部にレッドチェック浸透液を注入し、ダイヤフラム部の表面への染み出しの確認によるダイヤフラム部の割れ検査を行った。検査の結果、ゴミ等の他の要因による若干の割れは発生していたが、荷重熱処理のみに起因する割れは発生していなかった。

荷重加熱処理後のダイヤフラム構造体のダイヤフラム部の表面上に、スクリーン印刷法によって下部電極、圧電／電歪部、及び上部電極を適宜形成して焼成した後に分極処理することによって、圧電／電歪素子（アクチュエータ）を作製した。この圧電／電歪素子に５０Ｖの電圧を印加した場合におけるダイヤフラム部の変位量を、変位計によって測定した。測定の結果、変位量は０．３１〜０．３４μｍであった。

（比較例１）
開口部２の寸法・形状を、最大開口幅Ｗ＝３００μｍ、直線部長さＬ₂＝４２００μｍの直線と半円形から成る形状（図３参照）としたこと以外は、前述の実施例１の場合と同様にしてダイヤフラム構造体を得た。

レーザー顕微鏡を使用して得られたダイヤフラム構造体の三次元形状を測定したところ、突出高さＨ（図４参照）は１０．３〜１２．１μｍであった。

前述の実施例１と同様の方法で荷重熱処理を行った。荷重熱処理後の各ダイヤフラム部の突出高さＨ（図４参照）を、接触式の形状測定装置により測定したところ、８．９〜９．９μｍであった。また、各開口部にレッドチェック浸透液を注入し、ダイヤフラム部の表面への染み出しの確認によるダイヤフラム部の割れ検査を行った。検査の結果、荷重熱処理のみに起因する割れが、１２０個のダイヤフラム部のうち８１個で発生していた。

荷重加熱処理後のダイヤフラム構造体のダイヤフラム部の表面上に、スクリーン印刷法によって下部電極、圧電／電歪部、及び上部電極を適宜形成して焼成した後に分極処理することによって、圧電／電歪素子（アクチュエータ）を作製した。この圧電／電歪素子に５０Ｖの電圧を印加した場合におけるダイヤフラム部の変位量を、変位計によって測定した。測定の結果、割れの発生していなかったダイヤフラム部の変位量は０．２６〜０．３４μｍであり、実施例１の場合に比してバラツキが大きかった。

（実施例２〜７）
開口部２、及びダイヤフラム部の焼成後の寸法を表１に示す値とし、焼成温度を１４７０℃としたこと以外は、前述の実施例１の場合と同様にしてダイヤフラム構造体を得た。得られたダイヤフラム構造体について、使用したアルミナブロックの質量を２４０ｇとしたこと以外は、前述の実施例１と同様の方法で荷重熱処理を行った。実施例２〜７のそれぞれにおいて、荷重熱処理後の各ダイヤフラム部の最大突出高さＨ₂の平均値は９．０〜９．１μｍ、バラツキは８％以内であった。

（比較例２）
開口部２、及びダイヤフラム部の焼成後の寸法を表１に示す値とし、焼成温度を１４７０℃としたこと以外は、前述の比較例１の場合と同様にしてダイヤフラム構造体を得た。得られたダイヤフラム構造体について、使用したアルミナブロックの質量を２４０ｇとしたこと以外は、前述の実施例１と同様の方法で荷重熱処理を行った。荷重熱処理後のダイヤフラム部の突出高さＨの平均値は９．０μｍ、バラツキは９％であった。なお、比較例２のダイヤフラム構造体は、比較例１のダイヤフラム構造体に比べて、割れの発生数が少なかった。これは、荷重熱処理の際の荷重を軽減し、最大開口幅Ｗを小さくしたためであると推測される。

（割れ数の計数・評価）
実施例２〜７、及び比較例２のダイヤフラム構造体について、荷重熱処理後に実施例１と同様の割れ検査を行い、ダイヤフラム部に生じた割れ数の計数を行った。割れ数の計数結果について、以下に示す基準に従って評価し、表２に記載した。
◎：割れ無し
○：割れ数１〜６個
△：割れ数７〜１２個

（実施例８）
図１２に示すように、先端部５の形状を、長さ＝２５μｍの直線を含む形状、先端開口幅Ｄ₁＝８５μｍ、及びテーパ部と繋がる箇所１８の形状を円弧形状とし、それ以外は実施例２と同様にして、ダイヤフラム構造体を得た。得られたダイヤフラム構造体について、実施例２と同様の方法で荷重熱処理を行った。荷重熱処理後のダイヤフラム部の最大突出高さＨ₂の平均値は９．０μｍ、バラツキは８％であった。これについてダイヤフラム部に生じた割れ数の計数を行ったところ、割れは無かった。なお、図１２中、符号１７は先端部に含まれる直線を示す。

（実施例９）
図１２に示すように、先端部５の形状を、長さ＝１３０μｍの直線を含む形状、先端開口幅Ｄ₁＝１９０μｍ、及びテーパ部と繋がる箇所１８の形状を円弧形状とし、それ以外は実施例３と同様にして、ダイヤフラム構造体を得た。得られたダイヤフラム構造体について、実施例３と同様の方法で荷重熱処理を行った。荷重熱処理後のダイヤフラム部の最大突出高さＨ₂の平均値は８．９μｍ、バラツキは８％であった。これについてダイヤフラム部に生じた割れ数の計数を行ったところ、割れは無かった。

本発明のダイヤフラム構造体は、反りや歪み等を矯正するために加熱及び荷重した場合であっても、薄肉部分に微細割れ等の欠陥が生じ難く、また、複数のキャビティを有する場合には、それぞれのキャビティの容積が均等である。従って、高精度な変位の調整が要求される圧電／電歪素子を構成するための基材として好適である。

Claims

少なくとも一の開口部が形成されたセラミック基体と、
前記開口部の反対側に突出する凸形状であり、前記開口部を覆蓋するように前記セラミック基体と焼成一体化して配設されたセラミックからなる薄肉のダイヤフラム部とを備え、前記ダイヤフラム部の外面上に圧電素子を有するダイヤフラム構造体であって、
前記開口部の開口形状が、その長手方向の少なくとも一の先端部が曲線形状であるとともに前記先端部に向かって開口幅が徐々に狭くなる、曲線又は直線で構成されたテーパ部を有する形状であるとともに、
前記ダイヤフラム部の、前記テーパ部に対応する部分の形状が、前記先端部に向かって突出高さが徐々に低くなる形状であるダイヤフラム構造体。
前記テーパ部の長さが最大開口幅の１５％以上であるとともに、前記先端部の曲線形状が、円弧形状、半円弧形状、楕円弧形状、及び前記テーパ部と繋がる箇所以外の箇所に直線部を有する曲線形状のいずれかであり、
前記先端部の曲線形状が円弧形状である場合における、前記先端部の直径（先端開口幅）が、最大開口幅の４０〜９０％である請求項１に記載のダイヤフラム構造体。
前記テーパ部の長さが最大開口幅の５０％以上であるとともに、前記先端部の曲線形状が、円弧形状、半円弧形状、楕円弧形状、及び前記テーパ部と繋がる箇所以外の箇所に直線部を有する曲線形状のいずれかであり、
前記先端部の曲線形状が円弧形状である場合における、前記先端部の直径（先端開口幅）が、最大開口幅の４０〜９０％である請求項１に記載のダイヤフラム構造体。