(57)【要約】【課題】少なくとも２次元空間において、長期間にわたり安定して、低駆動電圧にて相対的に大変位を高速に発生することができるとともに、少なくとも２次元空間において、外部からの応力を高感度にセンシングすることができる圧電／電歪デバイスを提供する。【解決手段】貫通孔１１が軸方向と垂直な方向に貫通することによってその一部が薄肉化された一対の対向する薄板部１２を有するセラミック基体１と、セラミック基体１の薄板部１２の外表面上に配設された圧電／電歪素子２とを有するとともに、セラミック基体１の薄板部１２と圧電／電歪素子２とが連動して駆動部３として機能する圧電／電歪駆動ユニット５の少なくとも２つを備えた構成とし、圧電／電歪駆動ユニット５を、貫通孔１１の貫通方向が互いに直交又は交差する位置関係に保持された状態で、またセラミック基体１が軸方向に直列に一体化された状態で、構成し、かつ、一体化されたセラミック基体１の貫通孔１１相互間に、応力緩和手段４を形成する。【選択図】図１
2006093424.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに平行な１対の外表面間を貫通孔が軸方向と垂直な方向に貫通することによってその一部が薄肉化された一対の対向する薄板部を有するセラミック基体と、前記セラミック基体の薄板部の外表面上に配設された圧電／電歪素子とを有するとともに、前記セラミック基体の薄板部と前記圧電／電歪素子とが連動して駆動部として機能する圧電／電歪駆動ユニットを少なくとも２つ備えた圧電／電歪デバイスであって、
少なくとも２つの前記圧電／電歪駆動ユニットが、前記貫通孔の貫通方向が互いに直交又は交差する位置関係に保持された状態で、また前記セラミック基体が軸方向に直列に一体化された状態で、構成されてなり、かつ、
一体化された前記セラミック基体の前記貫通孔相互間に、応力緩和手段が形成されてなることを特徴とする圧電／電歪デバイス。
【請求項２】
前記圧電／電歪素子が、膜形成手法にて形成されたものであるとともに、熱処理を経て前記薄板部と一体化されたものである請求項１に記載の圧電／電歪デバイス。
【請求項３】
前記応力緩和手段が、一体化された前記セラミック基体の前記貫通孔相互間における、軸方向に形成された空隙を有する部分から構成されてなる請求項１又は２に記載の圧電／電歪デバイス。
【請求項４】
前記応力緩和手段が、一体化された前記セラミック基体の前記貫通孔相互間における、前記圧電／電歪素子の圧電／電歪材料の成分が含有された部分から構成されてなる請求項１〜３のいずれかに記載の圧電／電歪デバイス。
【請求項５】
一体化された前記セラミックス基体の、前記駆動部の駆動に対応して作動する部分が可動部として機能する請求項１〜４のいずれかに記載の圧電／電歪デバイス。
【請求項６】
一体化された前記セラミックス基体の前記貫通孔相互間が、固定部として機能する請求項１〜５のいずれかに記載の圧電／電歪デバイス。
【請求項７】
最端に位置する２つの前記圧電／電歪駆動ユニットのうちの、少なくとも一方の端部が、固定部として機能する請求項１〜６のいずれかに記載の圧電／電歪デバイス。
【請求項８】
最端に位置する２つの前記圧電／電歪駆動ユニットのうちの、少なくとも一方における前記薄板部の端部が外部に開放されて、それぞれ自由端を構成してなる請求項１〜７のいずれかに記載の圧電／電歪デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電／電歪デバイスに関する。さらに詳しくは、少なくとも２次元空間において、長期間にわたり安定して、低駆動電圧にて相対的に大変位を高速に発生することができるとともに、少なくとも２次元空間において、外部からの応力を高感度にセンシングすることができる圧電／電歪デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光学記録、磁気記録、精密加工等の分野において、サブミクロンオーダーで光路長や位置を調整可能な変位素子が必要とされており、圧電／電歪材料（例えば、強誘電体等）に電圧を印加したときに惹起される逆圧電効果や電歪効果による変位を利用した変位素子（アクチュエーター）の開発が進められている。
【０００３】
例えば、２次元空間における変位を利用することができるアクチュエーターが開示されている（特許文献１参照）。しかしながら、特許文献１に開示されたアクチュエーターは、固定部材又は中継部材に対してバイモルフを貼り付けたものであることに加え、バイモルフ自身２枚の圧電子を貼り合わせてなる構造のものであることから、それらの貼り付け、貼り合わせ時の加熱処理や接着剤の硬化収縮等に起因した応力が残留しやすく、その内部残留応力によって、変位動作が妨げられ、設計通りの変位、共振周波数を実現できないおそれがある。また、貼り合わせ構造のために、その接合箇所の剛性は低下せざるを得ず、動作時にねじれが生じやすく、加えて応答性に課題を残すものであった。
【０００４】
また、ステンレス基体に対し切削又はエッチングによって互いに直交する貫通孔を形成することにより、２組の平行平板部を有する構造（２組の平行平板部外表面に薄膜圧電素子を設け、片側の平行平板部を駆動用、残りの片方を検出用に利用する振動ジャイロとする構造）が開示されている（特許文献２参照）。特許文献２に開示された発明はアクチュエーターではないものの、基本構造として、圧電素子が形成された基体が一体物であり、特許文献１におけるような各接合部位の接着等に起因する問題は少なくとも抑制されていると考えられる。
【０００５】
さらに、本発明者等によって、セラミックス一体型の圧電／電歪デバイスが開示されている（特許文献３参照）。すなわち、対向する一対の薄板部及びその薄板部上に形成された圧電／電歪素子で構成された駆動部、その駆動部を介して結合された固定部及び可動部から構成されるアクチュエーターであって、それら駆動部、可動部及び固定部の内壁で孔部を形成したアクチュエーターが開示されている。このアクチュエーターは、薄板部と固定部、薄板部と駆動部との接合部には第三の物質が介在しない、境界のないものであることから、高剛性であり高速動作が可能な特徴を有するとともに、煽りのない一軸方向に支配的な動作が可能である特徴を有している。
【０００６】
そこで、本発明者等は、特許文献３に開示された技術をベースに、特許文献２に開示された発明を少なくとも２次元空間への変位が可能なアクチュエーターに応用することを試みた。試作したアクチュエーターは、ジルコニアを主成分とするセラミックスを基体として、その各平行平板部である薄板部上に圧電／電歪膜型素子の前駆体を形成し、焼成によりセラミック基体と圧電／電歪素子とを一体化したものである。
【特許文献１】特開昭６３−６４６４０号公報
【特許文献２】特開平１１−３４４３４１号公報
【特許文献３】特開２００１−２１０８８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、試作したアクチュエーターの特性を評価したところ、所定の変位特性を得ることができず、加えて、コンデンサとしてみた場合の圧電素子の静電容量も小さな値しか得られなかった。このことは、試作したアクチュエーターは、外観的には特許文献３に開示されたアクチュエーターの２つを互いに９０°ずらして結合した構造にすぎないものであるにもかかわらず、個々のアクチュエーターの特性は低下してしまったことを示している。従って、２次元で優位に動作するアクチュエーターは、特許文献３で開示された技術を用いただけでは得られないことが判明した。ところで、焼成一体化によって製作される膜型アクチュエーターは、焼成時の応力が残留しやすく、その残留応力によって、特性低下が惹起されることが知られている。このような観点から上記結果を考察すると、セラミック基体の形状が異なる、つまり互いに直交する貫通孔があることによって、圧電／電歪膜に応力が残留しやすくなったものと考えられる。
【０００８】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、少なくとも２次元空間において、長期間にわたり安定して、低駆動電圧にて相対的に大変位を高速に発生することができるとともに、少なくとも２次元空間において、外部からの応力を高感度にセンシングすることができる圧電／電歪デバイスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明によれば、以下の圧電／電歪デバイスが提供される。
【００１０】
［１］互いに平行な１対の外表面間を貫通孔が軸方向と垂直な方向に貫通することによってその一部が薄肉化された一対の対向する薄板部を有するセラミック基体と、前記セラミック基体の薄板部の外表面上に配設された圧電／電歪素子とを有するとともに、前記セラミック基体の薄板部と前記圧電／電歪素子とが連動して駆動部として機能する圧電／電歪駆動ユニットを少なくとも２つ備えた圧電／電歪デバイスであって、少なくとも２つの前記圧電／電歪駆動ユニットが、前記貫通孔の貫通方向が互いに直交又は交差する位置関係に保持された状態で、また前記セラミック基体が軸方向に直列に一体化された状態で、構成されてなり、かつ、一体化された前記セラミック基体の前記貫通孔相互間に、応力緩和手段が形成されてなることを特徴とする圧電／電歪デバイス。
【００１１】
［２］前記圧電／電歪素子が、膜形成手法にて形成されたものであるとともに、熱処理を経て前記薄板部と一体化されたものである前記［１］に記載の圧電／電歪デバイス。
【００１２】
［３］前記応力緩和手段が、一体化された前記セラミック基体の前記貫通孔相互間における、軸方向に形成された空隙を有する部分から構成されてなる前記［１］又は［２］に記載の圧電／電歪デバイス。
【００１３】
［４］前記応力緩和手段が、一体化された前記セラミック基体の前記貫通孔相互間における、前記圧電／電歪素子の圧電／電歪材料の成分が含有された部分から構成されてなる前記［１］〜［３］のいずれかに記載の圧電／電歪デバイス。
【００１４】
［５］一体化された前記セラミックス基体の、前記駆動部の駆動に対応して作動する部分が、可動部として機能する前記［１］〜［４］のいずれかに記載の圧電／電歪デバイス。
【００１５】
［６］一体化された前記セラミックス基体の前記貫通孔相互間が、固定部として機能する前記［１］〜［５］のいずれかに記載の圧電／電歪デバイス。
【００１６】
［７］最端に位置する２つの前記圧電／電歪駆動ユニットのうちの、少なくとも一方の端部が、固定部として機能する前記［１］〜［６］のいずれかに記載の圧電／電歪デバイス。
【００１７】
［８］最端に位置する２つの前記圧電／電歪駆動ユニットのうちの、少なくとも一方における前記薄板部の端部が外部に開放されて、それぞれ自由端を構成してなる前記［１］〜［７］のいずれかに記載の圧電／電歪デバイス。
【００１８】
なお、本発明の「圧電／電歪デバイス」とは、圧電／電歪材料によって電気エネルギーと機械的エネルギーとを相互に変換することが可能な素子を包括する概念でを意味する。本発明の「圧電／電歪デバイス」は、各種アクチュエータや振動子等の能動素子、特に、逆圧電効果や電歪効果による変位を利用した変位素子として好適に用いられるが、加速度センサ素子や衝撃センサ素子等の受動素子として用いられてもよい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によって、少なくとも２次元空間において、長期間にわたり安定して、低駆動電圧にて相対的に大変位を高速に発生することができるとともに、少なくとも２次元空間において、外部からの応力を高感度にセンシングすることができる圧電／電歪デバイスが提供される。さらに具体的には、本発明に用いられる応力緩和手段は、圧電／電歪素子をセラミック基体と熱処理一体化する際の焼成応力を軽減することができるものであり、高温時にセラミック基体の貫通孔相互間部位の剛性を、圧電／電歪材料の焼結を抑制しないように、薄板部と同等の剛性程度に低減することができる。この部位の高温剛性の低下によって、圧電／電歪材料の焼結が均一にスムーズに進み、材料特性の劣化のない圧電／電歪層の提供が可能となる。一方、圧電／電歪デバイスを駆動させる常温では、応力緩和手段が形成されているセラミック基体の貫通孔相互間の部位は構造的に十分高い剛性を与えるので、圧電／電歪素子に電気信号を印加した際の電界誘起歪みが薄板部によって効率よく屈曲変位へと変換され、その結果、前述した特許文献３に開示されたアクチュエータ（圧電／電歪駆動ユニット）を単に組み合わせただけでは達成し得なかった大変位を発現することができるとともに、高速に動作するアクチュエーター、また、外部からの応力を高感度にセンシングすることができるセンサ等の圧電／電歪デバイスを実現することができる。さらに、圧電／電歪素子に残留する内部応力が低く抑えられているため、長期間にわたり安定した動作を維持することができる特徴を併せ持つ圧電／電歪デバイスを実現することができる。なお、本発明においては、それぞれの圧電／電歪素子を個別に動作させることによって２次元空間における作用を得ることができるが、３次元空間の場合は、例えば、一つの圧電／電歪駆動ユニットに配設されている圧電／電歪素子双方（一対の薄板部に配設されている双方の圧電／電歪素子）に同電位のバイアス電圧を印加することにより軸方向の変位を得ることができる。つまり、バイアス電圧を印加することで、基準位置を変え、あとは２次元空間における動作と同様に圧電／電歪素子を駆動することによって、３次元空間における作用を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照しつつ具体的に説明する。
【００２１】
図１に示すように、本発明の圧電／電歪デバイスの第１の実施の形態は、互いに平行な１対の外表面間を貫通孔１１が軸方向と垂直な方向に貫通することによってその一部が薄肉化された一対の対向する薄板部１２を有するセラミック基体１と、セラミック基体１の薄板部１２の外表面上に配設された圧電／電歪素子２とを有するとともに、セラミック基体１の薄板部１２と圧電／電歪素子２とが連動して駆動部３として機能する圧電／電歪駆動ユニット５を少なくとも２つ備えた圧電／電歪デバイス１０であって（図１では圧電／電歪駆動ユニットを２つ備えた場合を示す）、圧電／電歪駆動ユニット５が、貫通孔１１の貫通方向が互いに直交又は交差する位置関係に保持された状態で、また、セラミック基体１が軸方向に直列に一体化された状態で、構成されてなり、かつ、一体化されたセラミック基体１の貫通孔１１相互間に、応力緩和手段４が形成されてなることを特徴とする。
【００２２】
本実施の形態においては、一体化されたセラミック基体１０の駆動部３の駆動に対応して作動する部分が可動部６として機能し、また、最端に位置する２つの圧電／電歪駆動ユニット５のうちの、少なくとも一方の端部が、固定部７として機能する（他の実施の形態の場合も同様である）。図１においては、図１の最下端に位置する圧電／電歪駆動ユニット５の端部が固定部７として機能する場合を示す。一体化されたセラミックス基体１０の貫通孔１１相互間が、固定部７として機能するものであってもよい。この場合、下端は可動部６として機能することになる。このように構成することによって、各ユニットを異なる方向に個別に動作させ、移動させることができる。また、図１において、符号８は端子を示す。
【００２３】
本実施の形態において、圧電／電歪素子２は、セラミック基体１の薄板部１２の外表面上に、第１の電極２１、圧電／電歪膜２２、第２の電極２３の順に積層された状態で配設されている。この場合、圧電／電歪素子２の駆動部３として機能する部分の片側の端部を固定部７又は貫通孔１１相互間に配設するとともに、他端は薄板部１２上となるように配設することが、圧電／電歪膜２２の電界誘起歪みに基づく伸縮変位を屈曲変位に高効率で変化させることができ、大きな変位が得られることから好ましい。
【００２４】
ここで、貫通孔１１の形状は、駆動部３、可動部６及び固定部７の容積を低減しつつ、一対の対向する薄板部１２を形成することができるものであれば特に制限はないが、例えば、断面形状が正方形、四角形等のものを挙げることができる。その使用態様等に応じて、任意の断面形状のものを適宜選択してもよい。
【００２５】
図１に示すように、応力緩和手段４の具体的な構成は、一体化されたセラミック基体１の貫通孔１１相互間における、軸方向に形成された空隙４１を有する部分からなるものが好ましい。すなわち、本実施の形態においては、一体化されたセラミック基体１の貫通孔１１相互間に、軸方向に空隙４１を形成して、貫通孔１１相互間を中空構造としている。この中空構造は、貫通孔１１の場合と同様に、所定の断面形状の軸方向の貫通孔を適宜選択して形成することができる。この場合、断面積の比較的小さな貫通孔の複数を用いて空隙４１を形成してもよい。このように、セラミック基体１の貫通孔１１相互間における、空隙４１を有する中空構造からなる応力緩和手段４は、圧電／電歪膜２２焼成時のような高温環境では、構造的に柔軟な状態を保持し得ることから、圧電／電歪膜２２の焼結を阻害することが少なく、一方、デバイスの使用時の常温程度の低温環境では、セラミックス基体１０の四面で囲まれた高剛性な構造であることから、応答性、ハンドリング性を低下させることもない。なお、１つの空隙４１で構成する場合の肉厚としては、薄板部と同じ（等倍）〜薄板部の５倍が好ましい。このように構成することによって、圧電／電歪膜２２の焼成応力を効果的に緩和することができる。
【００２６】
本実施の形態の圧電／電歪デバイス１０は、圧電／電歪素子２が、後述する膜形成手法にて形成されたものであるとともに、熱処理を経て薄板部１２と一体化されたものである場合に最も有効である（他の実施の形態の場合も同様である）。すなわち、本発明の圧電／電歪デバイス１０は、圧電／電歪膜を焼成する高温状態において、応力緩和手段４によってセラミック基体１が構造的又は組成的に柔軟な状態を保持することが可能であるため、圧電／電歪素子２（圧電／電歪膜２２）の焼結を大きく阻害することがない。すなわち、圧電／電歪素子２の機能発現に必要な、緻密な膜が得られるとともに、残存内部応力が極めて小さく、圧電特性の高い膜をが得ることができる。一方で、デバイスとして使用する常温程度の低温環境下においては、セラミック基体１は高い剛性を有するため、応答性、ハンドリング性を犠牲にすることもない。
【００２７】
図２に示すように、本発明の圧電／電歪デバイスの第２の実施の形態は、圧電／電歪素子２の構成を、圧電／電歪膜２２を四層とし、各層間に第１の電極２１及び第２の電極２２を配設した、所謂、多層圧電素子構造としたこと以外は、図１に示す第１の実施の形態と同様である。このように、多層圧電素子構造としたことによって、駆動力及び剛性が大きく、高速応答性と大変位発生能力とに優れたものとすることができる。図２に示す第２の実施の形態においては、第１の電極２１及び第２の電極２２は一層おきに同電位となるように束ねられており、その結果、端子８は各圧電／電歪素子２に２つずつ形成されている。なお、第１の電極２１及び第２の電極２２を全て独立させ、それぞれ異なる電位となるように、すべて個別に構成してもよい。
【００２８】
図３に示すように、本発明の圧電／電歪デバイスの第３の実施の形態は、応力緩和手段４として、一体化されたセラミック基体１の貫通孔１１相互間を中空構造にしただけではなく、可動部６及び固定部７をも中空構造とした（セラミックス基体１０の全体を中空構造とした）こと以外は、図１に示す第１の実施の形態と同様である。なお、図３においては、中空構造を符号１４で示す。このように、セラミックス基体１０の全体を中空構造としたことによって、高温時のセラミックス基体１０の剛性をさらに低減させることができる。加えて、圧電／電歪デバイスの全体の質量が低減するので、高速応答性をさらに向上させることができる。
【００２９】
図４に示すように、本発明の圧電／電歪デバイスの第４の実施の形態は、応力緩和手段４が、一体化されたセラミック基体１の貫通孔１１相互間における、圧電／電歪素子２の圧電／電歪材料の成分が含有された部分から構成されていること以外は、図１に示す第１の実施の形態と同様である。なお、本実施の形態における応力緩和手段４は、セラミック基体１の構造にその機能を求めたものではなく、セラミック基体１の材料組成に機能を求めたものである。従って、圧電／電歪デバイスの構造は、利用対象となる、例えば、変位デバイス、センサデバイスとしての機能を最大限発揮し得る設計を採りつつ、駆動源たる圧電／電歪材料本来の材料特性を引き出し、活用することができる点に特徴がある。このように構成することによって、一体化されたセラミック基体１の貫通孔１１相互間の材料を高温時に柔軟とすることができる。本実施の形態では、圧電／電歪膜２２を、一体化されたセラミック基体１の貫通孔１１相互間の４つの表面上に集約して配設し、圧電／電歪膜２２の焼成時に圧電／電歪膜２２からセラミック基体１の貫通孔１１相互間に圧電／電歪材料を拡散させることにより応力緩和手段４を効果的に形成することができる。このように、本実施の形態の場合、圧電／電歪膜２２の焼成と同時に応力緩和手段４を形成することができるという利点がある。また、端子８を圧電／電歪デバイスの中央部分（セラミック基体１の貫通孔１１相互間）に集約することができるため、可動部３及び固定部７は、その機能を最大限に発揮することができる。圧電／電歪膜２２の焼成とは別に、予め少なくともこの部位の材料組成を所望の組成としておいてもよいし、空隙を併設してもよい。
【００３０】
図５に示すように、本発明の圧電／電歪デバイスの第５の実施の形態は、第１の電極２１と圧電／電歪膜２２とを固定部７から応力緩和手段４（セラミック基体１の貫通孔１１相互間）及びそこから可動部６にわたって配設したこと以外は、図４に示す第４の実施の形態と同様である。このように構成することによって、図４に示す第４の実施の形態と同様の効果を発揮することができるが、薄板部１２が第１の電極２１及びに圧電／電歪膜２２で全面覆われることから、発生変位的には若干劣ることになる。駆動部３は、片方の端部が固定部７又は応力緩和手段４（セラミック基体１の貫通孔１１相互間）上に、もう一方の端部が薄板部１２上となるように配設されている。
【００３１】
図６に示すように、本発明の圧電／電歪デバイスの第６の実施の形態は、各薄板部１２に対し２つずつ圧電／電歪素子２を配設したこと以外は、図４に示す第４の実施の形態と同様である。それぞれの圧電／電歪素子２の駆動部３として機能する部分は、片側の端部が可動部６、応力緩和手段４（セラミック基体１の貫通孔１１相互間）、又は固定部７上に、一方の端部が薄板部１２上となるように配設されている。このように構成することによって、圧電／電歪素子２にそれぞれ相異なる命令、例えば、電気信号を送ることにより、より複雑な変位をさせることも可能となる。また、変位の支点が４箇所とれるために、圧電／電歪素子２を同時に駆動させることにより、駆動力を倍増させることができるので、変位量を格段に増大させることに加え、駆動力を変位に効率的に変換することが可能となる。この場合、歪み方向が互いに異なる（伸張と収縮）圧電／電歪素子２を同一駆動部３（薄板部１２）上に形成する、又は同一駆動部３に形成した圧電／電歪素子を歪み方向が互いに異なるように駆動することになる。また、このような素子配置ないしは駆動方法を採ることにより、例えば、上側の駆動ユニットにおいては可動部６を横方向、すなわち、Ｘ方向に支配的に作動（動作）させることができる。なお、支配的な動作については、４素子を同時に作動させずとも、少なくとも対角に位置する素子を対で駆動することでも実現することができる。加えて、この態様においては、固定部７及び可動部６と薄板部１２とが連続する部分上に圧電／電歪素子２が形成されているために、その部位での強度が確保されるという利点がある。
【００３２】
図７に示すように、本発明の圧電／電歪デバイスの第７の実施の形態は、最端に位置する２つの圧電／電歪駆動ユニット５のうちの、少なくとも一方における薄板部１２の端部が外部に開放されて、それぞれ自由端１３を構成するようにしたこと以外は、図４に示す第４の実施の形態と同様である。このように構成することによって、圧電／電歪膜２２に残存する焼成残留応力を大幅に低減することができる。また、可動部６及び固定部７として、セラミック基体と比較して比重の小さい材料を選択して間隙に挿入して軽量化を図ることができるため、その変位量を低下させることなく、共振周波数を高めることが可能となる。さらに、後述するように、可動部や固定部には、何らかの対象部材を取り付けるか、又は何らかの対象部材に取り付けられることになるが、その際、これらの対象部材自身を圧電／電歪デバイスの内部に収容することができる（突出することがない）ため、より小型化を図ることができる。
【００３３】
以下、本発明の圧電／電歪デバイスに用いられる各構成要素及び本発明の圧電／電歪デバイスの製造方法について具体的に説明する。
【００３４】
本発明に用いられるセラミック基体は、上述のように、軸方向に直列に一体化された状態で構成されてなるものであり、具体的な材料としては、完全安定化ジルコニア、部分安定化ジルコニア、窒化珪素、窒化アルミニウム、アルミナ、マグネシア、酸化チタン等の材料を挙げることができるが、中でも、完全安定化又は部分安定化ジルコニアを主成分とする材料からなるものが好ましい。完全安定化又は部分安定化ジルコニアを主成分とする材料は、薄肉としても機械的強度が大きいこと、靭性が高いこと、圧電／電歪膜や電極材との反応性が小さいことから好ましい。ジルコニアを安定化せしめる化合物としては、酸化イットリウム、酸化イッテルビウム、酸化セリウム、酸化カルシウム、及び酸化マグネシウムがあり、少なくともそのうちの一つの化合物を添加、含有せしめることにより、ジルコニアは部分的に又は完全に安定化されることとなる。その安定化は、一種類の化合物の添加のみならず、それら化合物を組み合わせて添加してもよい。また、少なくとも薄板部、可動部及び固定部は、セラミックグリーン積層体を焼成したものが好ましい。このように構成することによって、焼成一体化による境界のない構造とすることができ、経時的な長期信頼性が向上させることができ、また、変位の経時変化としてもドリフト等の現象を極めて小さく抑え、高い変位を再現性よく発現することができる。
【００３５】
セラミック基体は、その形状面から、特に、駆動部として、圧電／電歪素子と連動して駆動するための肉薄の部分を薄板部として区別され、また、その機能面から、駆動部、可動部及び固定部に大別される。
【００３６】
薄板部は、肉薄のため可撓性を有し、表面に配設された圧電／電歪素子と連動して駆動部を構成し、駆動部として、圧電／電歪素子の伸縮変位を撓み変位として増幅し、可動部に伝達する機能を有する。通常、薄板部の肉厚は２μｍ 〜１００μｍ程度とすることが好ましく、薄板部と圧電／電歪素子を合わせた厚さは７μｍ 〜５００μｍとすることが好ましい。また、薄板部の幅としては５０μｍ 〜２０００μｍが好ましい。
【００３７】
可動部は、駆動部の駆動に対応して作動する部分であり、可動部には圧電／電歪デバイスの使用目的に応じて種々の部材が取り付けられる。例えば、圧電／電歪デバイスを変位素子として使用する場合であれば、光シャッターの遮蔽版、ハードディスク用の位置決めやリンギング抑制機構として使用する場合であれば、磁気ヘッド、磁気ヘッドを搭載したスライダ、スライダを搭載したサスペンション等の位置決めを必要とする部材、さらに、オートフォーカス機能を有した光ピックアップ、電子顕微鏡用の触針等が取り付けられる。
【００３８】
固定部は、駆動部及び可動部を支持する部分であり、固定部を何らかの基体、例えば、ハードディスクの位置決めに利用する場合にはＶＣＭ（ボイスコイルモータ）に付けられたキャリッジアーム、又はキャリッジアームにつけられた固定プレート等に支持固定することにより圧電／電歪デバイスの全体が固定される。また、圧電／電歪素子を制御するための電極リード、その他の部材が配置される場合もある。
【００３９】
圧電／電歪素子は、少なくとも圧電／電歪膜と、圧電／電歪膜に電圧を印加させるための一対の電極とからなるものであり、ユニモルフ型、バイモルフ型等の従来公知の圧電／電歪素子を使用することができるが、ユニモルフ型が、発生する変位量の安定性に優れ、軽量化に有利であるため好ましい。例えば、第１の電極（下部電極）、圧電／電歪膜、及び第２の電極（上部電極）が層状に積層された積層型圧電素子等を好適に用いることができる。圧電／電歪膜を上下一対の電極ではさみ込んだ構造に加え、さらに上部電極上に、圧電／電歪膜を形成し、さらにその圧電／電歪膜上に電極を形成した多段構造の圧電／電歪素子としてもよい。また、櫛型構造の第１の電極及び第２の電極とからなり、第１の電極と第２の電極とが、互いの櫛の歯部間に一定幅の間隙をもって相互に対向する構造を有するものであってもよい。なお、圧電／電歪素子は、図１に示す圧電／電歪デバイスのように、その外面側に形成する方が駆動部をより大きく駆動させることができる点において好ましいが、使用態様等に応じて、その内面側（貫通孔内）に形成してもよく、その内面側及び外面側の双方に形成してもよい。
【００４０】
圧電／電歪膜の材料としては、高い圧電定数、高い電気機械結合係数を有する材料が好ましく、具体的には、ジルコン酸鉛、マンガンタングステン酸鉛、チタン酸ナトリウムビスマス、鉄酸ビスマス、ニオブ酸カリウムナトリウム、タンタル酸ストロンチウムビスマス、マグネシウムニオブ酸鉛、ニッケルニオブ酸鉛、亜鉛ニオブ酸鉛、マンガンニオブ酸鉛、マグネシウムタンタル酸鉛、ニッケルタンタル酸鉛、アンチモンスズ酸鉛、チタン酸鉛、チタン酸バリウム、銅タングステン酸バリウム、マグネシウムタングステン酸鉛、コバルトニオブ酸鉛、あるいはこれらのうちの２種以上からなる複合酸化物を挙げることができる。また、これらの圧電材料には、ランタン、カルシウム、ストロンチウム、モリブデン、タングステン、バリウム、ニオブ、亜鉛、ニッケル、マンガン、セリウム、カドミウム、クロム、コバルト、アンチモン、鉄、イットリウム、タンタル、リチウム、ビスマス、スズ、銅等の酸化物が固溶されていてもよい。また、上述の材料等に、ビスマス酸リチウム、ゲルマン酸鉛等を添加した材料、例えば、ジルコン酸鉛、チタン酸鉛及びマグネシウムニオブ酸鉛の複合酸化物に、ビスマス酸リチウム及び／又はゲルマン酸鉛を添加した材料は、その圧電層の低温焼成を実現しつつ高い材料特性を発現することができるので好ましい。
【００４１】
これらの圧電／電歪材料の中でも、マグネシウムニオブ酸鉛とジルコン酸鉛とチタン酸鉛とからなる成分を主成分とする材料、ニッケルニオブ酸鉛とジルコン酸鉛とチタン酸鉛とからなる成分を主成分とする材料、又はニッケルニオブ酸鉛とマグネシウムニオブ酸鉛とジルコン酸鉛とチタン酸鉛とからなる成分を主成分とする材料が好ましく、さらにその中でも特に、マグネシウムニオブ酸鉛とジルコン酸鉛とチタン酸鉛とからなる成分を主成分とする材料が、その熱処理中におけるセラミック基体材料との反応が少ないことから、この熱処理時に圧電／電歪材料成分のセラミック基体への導入が過剰ではなく、コントローラブルであるため、好適に、応力緩和手段を熱処理と同時に形成することができるとともに、この低反応性故、焼成後に圧電／電歪材料の目的とする組成及び結晶構造が得られ易い等、高い圧電定数、電気機械結合係数を有することと併せて有利に用いられ、後述のスクリーン印刷、スプレー、ディッピング、塗布等の厚膜形成手法で圧電／電歪膜を形成する場合の材料として好ましい。
【００４２】
電極としては、室温で固体であり、導電性に優れた金属で構成されることが好ましく、例えば、アルミニウム、チタン、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、パラジウム、ロジウム、銀、スズ、タンタル、タングステン、イリジウム、白金、金、鉛等の金属単体又はこれらの合金を挙げることができる。これらに圧電／電歪膜又は薄板部と同じ材料を分散させたサーメット材料を用いてもよい。圧電／電歪素子における電極の材料選定は、圧電／電歪膜の形成方法に依存して決定される。例えば、薄板部上に第１の電極を形成した後、第１の電極上に圧電／電歪膜を焼成により形成する場合には、第１の電極には圧電／電歪膜の焼成温度においても変化しない白金等の高融点金属を使用することが好ましいが、圧電／電歪膜を形成した後に圧電／電歪膜上に形成される第２の電極は、低温で電極形成を行うことができるので、アルミニウム、金、銀等の低融点金属を使用することができる。また、電極の厚さは、少なからず圧電／電歪素子の変位を低下させる要因ともなるので、特に、圧電／電歪膜焼成後に形成される上部電極や櫛形の電極等については、焼成後に緻密でより薄い膜が得られる有機金属ペースト、例えば、金レジネートペースト、白金レジネートペースト、銀レジネートペースト等の材料を用いることが好ましい。
【００４３】
端子８は、駆動信号の印加、発生電荷の検出等に用いられる。このような、端子８としては、上述の電極材料と同等の材料からなるものを挙げることができる。端子８は、圧電／電歪素子２の形成面と同じ面に配置することができる。このように構成することによって、圧電／電歪デバイスの固定を端子が配置された面とは独立させて行うことができ、結果として、圧電／電歪デバイスの固定と、回路及び端子間の接合とに高い信頼性を得ることができる。なお、この形態においては、フレキシブルプリント回路（ＦＰＣ）、フレキシブルフラットケーブル（ＦＦＣ）、ワイヤボンディング等により端子と回路との接合がなされる。また、圧電／電歪素子２の形成面と直交する面に配置してもよい。
【００４４】
以下、本発明の圧電／電歪デバイスの製造方法について説明する。なお、本発明の圧電／電歪デバイスを製造するに際しては、全てを焼成一体化したものが好ましい。構造体として不連続な接合部を有することがないため、駆動部の作動によって圧電／電歪デバイスに応力が印加されても安定性、信頼性の点で優れたものとなるため、前述した全てを焼成一体化して（接着剤等を用いないで）形成することが好ましい。
【００４５】
本発明の圧電／電歪デバイスの製造方法においては、圧電／電歪素子を除いたセラミック基体、すなわち、薄板部、固定部及び可動部をセラミックグリーンシート積層法を用いて製造することが好ましく、一方、圧電／電歪素子、電極、端子は、薄膜、厚膜等の膜形成手法を用いて製造することが好ましい。圧電／電歪デバイスのセラミック基体を一体的に成形することが可能なセラミックグリーンシート積層法によれば、接合部がなく、その経時的な状態変化が生じないため、信頼性が高く、かつ剛性を容易に確保することができる。セラミックグリーンシート積層法は生産性や成形性に優れるため、所定形状の圧電／電歪デバイスを短時間に、再現性良く得ることもできる。
【００４６】
図８を用いて、セラミックグリーンシート積層法を用いた本発明の圧電／電歪デバイスの製造方法について具体的に説明する。
【００４７】
図８（ａ）に示すように、先ず、ジルコニア等のセラミック粉末にバインダ、溶剤、分散剤、可塑剤等を添加混合してスラリーを作製し、これを脱泡処理後、リバースロールコーター法、ドクターブレード法等によって所定の厚さを有するセラミックグリーンシート（打ち抜き前）（図示せず）を作製し、次に、金型を用いた打ち抜き（パンチング）、レーザー加工等の方法により、貫通孔が形成されたセラミックグリーンシート９（貫通孔１１ａが形成されたセラミックグリーンシート９１及び貫通孔１１ａに加えて貫通孔１１ｂが形成されたセラミックグリーンシート９２）を得る。貫通孔１１ａ、１１ｂは、本発明の圧電／電歪デバイスにおける、貫通方向が互いに直交又は交差する位置関係に保持された貫通孔１１を形成するためのものである。セラミックグリーンシート９１は、焼成後に主として薄板部（駆動部）となる部材であり、貫通孔１１ｂを閉塞する。また、セラミックグリーンシート９２は、焼成後に主として可動部６及び固定部７となる部材である。
【００４８】
次いで、図８（ａ）に示す順でセラミックグリーンシート９１、９２を積層、圧着し、セラミックグリーン積層体（図示せず）を得、セラミックグリーン積層体を焼成して、図８（ｂ）に示すセラミック焼成体９３を得る。
【００４９】
次いで、図８（ｃ）に示すように、セラミック焼成体９３の薄板部となる部分に第１の圧電／電歪素子２ａをセラミック焼成体９３の両面に形成して、圧電／電歪素子形成セラミック焼成体９４を得る。圧電／電歪素子２ａの形成は、セラミック焼成体９３の薄板部となる部分の表面にスクリーン印刷法、ディッピング法、塗布法、粉末吹き付け法、電気泳動法等の厚膜形成法又はイオンビーム法、スパッタリング法、真空蒸着、イオンプレーティング法、化学気相蒸着法（ＣＶＤ）、メッキ等の薄膜形成法を用いて行うことができる。中でも、厚膜形成法が好ましい。厚膜形成法によれば、平均粒径０．０１〜５μｍ、好ましくは０．０５〜３μｍの圧電セラミックスの粒子を主成分とするペーストやスラリー、又はサスペンションやエマルション、ゾル、エアロゾル等を用いて圧電／電歪膜２ａを形成することができ、良好な圧電作動特性を得ることができる。特に、電気泳動法は、圧電／電歪膜を高い密度で、かつ、高い形状精度で形成することができる。また、スクリーン印刷法は、圧電／電歪素子２ａの形成とパターン形成とを同時に行うことができるため好ましい。なお、圧電／電歪素子２ａの圧電作動部位（歪み発現部）の少なくとも一方の端部が固定部及び／又は可動部上に存在することとなるように形成することが好ましい。
【００５０】
圧電／電歪膜２ａの焼成温度は、これを構成する材料によって適宜定められるが、一般には、８００℃〜１４００℃であり、好ましくは１０００℃〜１４００℃である。この場合、圧電／電歪膜２ａの組成を制御するために、圧電／電歪膜２ａの材料の蒸発源の存在下に焼結することが好ましい。なお、圧電／電歪膜２ａとセラミック焼成体９３とを同時に焼成する場合には、両者の焼成条件を統一することが必要である。
【００５１】
次いで、図８（ｄ）に示すように、図８（ｃ）において、圧電／電歪素子形成セラミック焼成体９４の破線で示された部位を積層方向に切断し、第１の圧電／電歪素子２ａが形成された圧電／電歪構造体９５を得る。切断の方法としては、ダイサーによるダイシング加工、スライサーによるスライシング加工、ワイヤーソーによるワイヤーソー加工等（機械加工）の他、ＹＡＧレーザ、エキシマレーザ等によるレーザ加工、電子ビーム加工等を好適例として挙げることができる。
【００５２】
切断されて得られた圧電／電歪構造体９５を３００〜８００℃で加熱処理することが好ましい。加工により焼成体内部にマイクロクラック等の欠陥が生じやすいが、熱処理によりその欠陥を取り除くことができ、信頼性が向上する。さらに熱処理後に、８０℃程度の温度で少なくとも１０時間程度放置しエージング処理を施すことも好ましい。この処理によって、製造過程の中で受けた種々の応力等を緩和し、特性向上に寄与することになる。
【００５３】
次いで、図８（ｅ）に示すように、圧電／電歪構造体９５の第１の圧電／電歪素子２ａの形成面に直交する薄板部１２ｖに第２の圧電／電歪素子２ｂを同様に形成し、圧電／電歪素子デバイス１０を得る。なお、図８（ｅ）においては、得られた圧電／電歪素子デバイス１０の、第１の圧電／電歪素子２ａと第２の圧電／電歪素子２ｂとの厚さが異なる場合を示すが、同一の厚さであってもよい。また、第１の圧電／電歪素子２ａ及び第２の圧電／電歪素子２ｂのいずれもが、セラミック基体１（薄板部１２）と同一端面を有している場合を示すが、端面が異なるようにしてもよい。また、必要に応じて、常法に従い、適宜端子の形成をする。
【００５４】
図７に示すような、最端に位置する２つの圧電／電歪駆動ユニットのうちの、少なくとも一方における薄板部の端部が外部に開放されて、それぞれ自由端を構成する実施の形態の場合は、図８（ｅ）に示す圧電／電歪素子デバイス１０に、さらに適宜切断を加えることによって製造することができる。
【００５５】
また、図９に示すように、図１〜３に示すような、応力緩和手段の構成として、軸方向に空隙を形成した（貫通孔相互間を中空構造とした）第１〜第３の実施の形態の場合は、図８に示すセラミックグリーンシート９２における貫通孔１１ａと貫通孔１１ｂとを連通させた形状の貫通孔１１ｃを有するセラミックグリーンシート９２ａとして、セラミックグリーンシート９１（図８に示す場合と同じ）及びセラミックグリーンシート９２ａとを積層、焼成することによってセラミック焼成体９３を得、最終的に、応力緩和手段として空隙４１を有する圧電／電歪素子デバイス１０を得ることができる。この場合、圧電／電歪素子の形成、切断については図８に示す場合と同様にすることができる。
【００５６】
なお、本発明の圧電／電歪デバイスの製造方法は、上述したセラミックグリーンシートを用いた場合の他に、成形型を用いた加圧成形法、鋳込成形法、射出成形法、フォトリソグラフィ等を用いて製造してもよい。さらに、上述の例では、対向する厚板部の双方に圧電／電歪素子が配設された例となっているが、片方の厚板部にだけ圧電／電歪素子を配設してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明の圧電／電歪デバイスは、光学記録、磁気記録、精密加工、表面分析等の種々の分野において、変位素子（アクチュエーター）、振動子、フィルタ、センサ等として有効に利用される。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の圧電／電歪デバイスの第１の実施の形態を模式的に示す斜視図である。
【図２】本発明の圧電／電歪デバイスの第２の実施の形態を模式的に示す斜視図である。
【図３】本発明の圧電／電歪デバイスの第３の実施の形態を模式的に示す斜視図である。
【図４】本発明の圧電／電歪デバイスの第４の実施の形態を模式的に示す斜視図である。
【図５】本発明の圧電／電歪デバイスの第５の実施の形態を模式的に示す斜視図である。
【図６】本発明の圧電／電歪デバイスの第６の実施の形態を模式的に示す斜視図である。
【図７】本発明の圧電／電歪デバイスの第７の実施の形態を模式的に示す斜視図である。
【図８】図８は本発明の圧電／電歪デバイスの一の製造方法を模式的に示す斜視図であり、図８（ａ）はセラミックグリーンシートの積層の状態、図８（ｂ）は得られたセラミック焼成体、図８（ｃ）は得られた圧電／電歪素子形成セラミック焼成体、図８（ｄ）は得られた圧電／電歪構造体、図８（ｅ）は得られた圧電／電歪デバイスをそれぞれ示す。
【図９】図９は本発明の圧電／電歪デバイスの他の製造方法を模式的に示す斜視図であり、図９（ａ）はセラミックグリーンシートの積層の状態、図９（ｂ）は得られたセラミック焼成体、図９（ｃ）は得られた圧電／電歪素子形成セラミック焼成体、図９（ｄ）は得られた圧電／電歪構造体、図９（ｅ）は得られた圧電／電歪デバイスをそれぞれ示す。
【符号の説明】
【００５９】
１…セラミック基体、２（２ａ、２ｂ）…圧電／電歪素子、３…駆動部、４…応力緩和手段、５…圧電／電歪駆動ユニット、６…可動部、７…固定部、８…端子、９…セラミックグリーンシート、１０…圧電／電歪デバイス、１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）…貫通孔、１２（１２ｖ）…薄板部、１３…自由端、１４…中空構造、２１…第１の電極、２２…圧電／電歪膜、２３…第２の電極、４１…空隙、９１、９２、９２（ａ）…セラミックグリーンシート、９３…セラミック焼成体、９４…圧電／電歪素子形成セラミック焼成体、９５…圧電／電歪構造体。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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