(57)【要約】【課題】安価な構成で小型化に伴う振動の減衰を抑制して振動効率を向上させることができ、安定した振動エネルギーの出力が可能となる振動体及び振動波アクチュエータを提供する。【解決手段】圧電層と電極層を有する圧電素子が、セラミックス基板に固定されてなる振動体であって、  前記圧電素子と前記セラミックス基板との間に、前記セラミックス基板と主成分が同じセラミックス層が設けられ、  前記セラミックス層を介して、前記圧電素子が前記セラミックス基板に固定されている構成とする。【選択図】            図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電層と電極層を有する圧電素子が、セラミックス基板に固定されてなる振動体であって、
前記圧電素子と前記セラミックス基板との間に、前記セラミックス基板と主成分が同じセラミックス層が設けられ、
前記セラミックス層を介して、前記圧電素子が前記セラミックス基板に固定されていることを特徴とする振動体。
【請求項２】
前記セラミックス層は、ガラス粉末が溶融したガラス成分を含んで形成されていることを特徴とする請求項１に記載の振動体。
【請求項３】
前記セラミックス層に混合される前記ガラス粉末は、酸化ケイ素、酸化ボロンが含まれるほか添加物が少なくともセラミックスの重量に対して０．５重量％以上、１０重量％以下で、添加されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の振動体。
【請求項４】
前記セラミックス基板と前記セラミックス層は、アルミナを主成分として構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の振動体。
【請求項５】
前記圧電層は、少なくとも圧電活性部を構成する圧電層を備え、該圧電層はジルコン酸鉛とチタン酸鉛を主成分として構成され、
前記電極層は、銀とパラジウムを主成分として構成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の振動体。
【請求項６】
前記圧電素子は、前記圧電活性部を構成する圧電層と前記セラミックス層との間に、圧電非活性部を構成する圧電層を備え、
前記圧電非活性部を構成する圧電層が、前記圧電活性部を構成する圧電層と同一成分または主成分が同じ化合物層で形成されていることを特徴とする請求項５に記載の振動体。
【請求項７】
前記圧電素子は、前記圧電活性部を構成する圧電層における前記セラミックス層と反対側に、圧電非活性部を構成する圧電層を備え、
前記圧電非活性部を構成する圧電層が、前記圧電活性部を構成する圧電層と同一成分または主成分が同じ化合物層で形成されていることを特徴とする請求項５に記載の振動体。
【請求項８】
前記電極層には、前記圧電活性部を構成する圧電層と同一成分または主成分が同じ化合物の粉末が添加されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の振動体。
【請求項９】
前記セラミックス基板は、９９．６重量％以上、９９．９９重量％以下の純度のアルミナ、
または、９９．６重量％以上、９９．９９重量％以下の純度のアルミナを主成分としジルコニアを添加したセラミックスで構成されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の振動体。
【請求項１０】
前記セラミックス層は、アルミナと少なくとも０．５重量％以上、８．０重量％以下の酸化ケイ素を含むガラス質成分を添加して構成されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の振動体。
【請求項１１】
前記圧電素子は、圧電材料からなる前記圧電層と、電極を形成する前記電極層が交互に積層して構成されていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の振動体。
【請求項１２】
前記電極層は、前記圧電層に形成された孔を介して、または前記孔に充填された導電材を介して、前記圧電素子の外部との電気的な導通が可能に構成されていることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の振動体。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の振動体を駆動動力源として構成されていることを特徴とする振動波アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動体（振動子ともいう）及び振動波アクチュエータに関し、特にセラミックス基板上に圧電素子を固定した振動体及びその振動体を用いた振動波アクチュエータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、振動波アクチュエータでは、一般に、振動体の振動源として圧電素子が用いられている。
この圧電素子としては、多数の圧電層を積層し成形一体化した後に焼成された積層圧電素子が使われている（特許文献１参照）。
この積層圧電素子は、単一の板状の圧電素子に比べて、多層化により低い印加電圧で大きな変形歪や大きな力が得られるという利点がある。
図４は、特許文献１に係るリニア型振動波（超音波）アクチュエータ３０の外観斜視図である。
このリニア型振動波アクチュエータ３０は、振動体３１、及び加圧接触されたリニアスライダ３６を有している。
振動体３１は、積層圧電素子３５と駆動板３２を有し、積層圧電素子３５は圧電層と電極層が交互に複数積層化され、駆動板３２は金属からなり、接着剤により積層圧電素子３５と接着されている。
駆動板３２は、矩形状に形成された板部と、この板部の上面に対して凸状に形成された２つの突起部３３ａ、３３ｂを有している。
突起部３３の先端面には、接触部３４ａ、３４ｂが形成されている。接触部３４ａ、３４ｂは、被駆動体としてのリニアスライダ３６と直接接触する部材であるため、耐磨耗性を有している。
【０００３】
このリニア型振動波アクチュエータ３０は、２つの曲げ振動モードを励起し、突起部３３ａ、３３ｂに楕円運動を生起させる。
この楕円運動は、振動体３１に対して加圧状態で接触されているリニアスライダ３６に対して、振動体３１との間に相対的な移動運動力を発生させる。
この相対的な移動運動力により、リニアスライダ３６は、リニア（直線）駆動されることとなる。
この積層圧電素子３５を製造する場合は、初めに、圧電材料粉末と有機バインダから、ドクターブレード法などの方法により圧電層となるグリーンシートを作り、このグリーンシート上の所定位置に電極材料ペーストを印刷して電極層とする。
そして、このグリーンシートを所定の枚数平面状に重ね、加圧して積層化する。この後、圧電層と電極層を同時焼成により一体化し、分極処理を行い、最終的に機械加工を行い所定の寸法に仕上げる。
【０００４】
また、特許文献２では、セラミックス基板の少なくとも一方の面上に、電極材料と圧電材料を順次層状に積層し、熱処理によって一体化した一体積層構造を有する圧電電歪膜型アクチュエータが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−３０４８８７号公報
【特許文献２】特許第２８４２４４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記した図４に示す従来例の振動波アクチュエータでは、積層圧電素子３５と金属からなる振動板（駆動板３２）は、樹脂からなる接着剤で接着されている。しかし、樹脂からなる接着剤は比較的柔らかいため、接着剤による振動体としての振動減衰は大きく、特に小型化するほど振動体の振動減衰の影響が大きくなり、小型の振動波アクチュエータの効率を低下させる主因となっていた。
また、小型化した場合に、接着層の厚さのばらつきや接着による位置精度が小型の振動波アクチュエータの性能に与える影響が大きくなり、小型の振動波アクチュエータの性能のばらつきも大きくなっていた。
さらに、従来の積層圧電素子の製造方法では、圧電材料粉末から作るグリーンシート成形や積層プレス、機械加工など製造装置の設備投資額も大きく、製造コストを高くする一因となっていた。
【０００７】
そこで、上記した従来例の特許文献２のように、積層圧電素子の製造と同時に、接着層を設けずに振動板に積層圧電素子を直接固定（接合）することも考えられる。
しかしながら、振動板は金属で構成されるため、圧電素子の圧電層と電極層を同時焼成一体化を行なう温度では、金属を構成する元素が圧電層や電極層に拡散する。
その結果、圧電層は拡散した元素のため本来の圧電活性を持ち得ない化学組成になってしまっていた。
また、金属より耐熱性の高いセラミックス基板では、金属のように元素の拡散は起らないが、貴金属である電極層と直接に接するセラミックス基板とは化学反応が少なく接合強度がかなり低くなる。
そのため、セラミックス基板から電極層が初めから剥離していたり、振動による剥離が起こり易くなったりして、安定した振動エネルギーを出力できない場合が生じる。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑み、安価な構成で小型化に伴う振動の減衰を抑制して振動効率を向上させることができ、安定した振動エネルギーの出力が可能となる振動体及び振動波アクチュエータの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、以下のように構成した振動体及び振動波アクチュエータを提供するものである。
本発明の振動体は、圧電層と電極層を有する圧電素子が、圧電層を形成するセラミックスとは主成分が異なるセラミックスからなるセラミックス基板に固定されてなる振動体であって、
前記圧電素子と前記セラミックス基板との間に、前記セラミックス基板と主成分が同じセラミックス層が設けられ、
前記セラミックス層を介して、前記圧電素子が前記セラミックス基板に固定されていることを特徴とする。
また、本発明の振動波アクチュエータは、上記した振動体を駆動動力源として構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、安価な構成で小型化に伴う振動の減衰を抑制して振動効率を向上させることができ、安定した振動エネルギーの出力が可能となる振動体及び振動波アクチュエータを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１、第３の実施形態に係る振動体の構成を示す構成図である。（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は平面図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る振動体の構成を示す構成図である。（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は平面図である。
【図３】本発明の第１、第２、第３の実施形態に係る振動体を組込んだリニア型振動波アクチュエータの駆動機構を示す図である。
【図４】従来例におけるリニア型振動波アクチュエータの構成を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
［第１の実施形態］
図１を用いて、本発明の第１の実施形態に係る振動体の構成を説明する。
なお、図１（ｂ）には、図１（ｃ）に矢印で示した破断線の部分の断面が示されている。図１に示す振動体１ａは、リニア駆動する振動波アクチュエータに適用することを想定したものである。
この振動体１ａは、板状のセラミックス基板２と圧電素子１５とを有し、両者の間にセラミックス層２０−１を設けている。
このセラミックス基板２と圧電素子１５はセラミックス層２０−１を介して、後述するように同時焼成により固定され一体化されたものである。
すなわち、振動エネルギー発生源として機能する圧電素子１５と、その振動エネルギーを集積する振動板として機能するセラミックス基板２とは、セラミックス層２０−１を介して固定され一体化されている。
【００１３】
圧電素子１５においては、圧電層３、電極層４、圧電層５、電極層６、圧電層７が順次、交互に積層されている。
電極層４は２つに分割され、分割体は互いに離間状態で配備されている。同様に、電極層６は、２つに分割され、分割体は互いに離間状態で配備されている。
また、圧電層５は、電極層４の全面を覆い、圧電層７は電極層６の全面を覆っている。
電極層４、６と外部（制御部等）との電気的な導通は、圧電層５、７に孔（ホール）８を形成し、その孔８を介して導電線９を電極層４、６の上に導入してハンダ等に固定することにより図られている。
ただし、圧電素子１５は後述するように圧電非活性部である圧電層３または圧電層７はなくても良く、必要に応じ設けることが望ましい。
【００１４】
電極層４、６には、圧電素子１５の振動を制御する制御部等から交番信号が供給され、この交番信号により圧電層５が伸縮し（歪み）、その伸縮が機械的な振動エネルギーとして外部に放出される。
この振動エネルギーによりセラミックス層２０−１を介してセラミックス基板２が振動し、そのセラミックス基板２の振動は、被駆動体（図３のリニアスライダ１４参照）を駆動する駆動力として利用される。
セラミックス基板２は、長さ１２ｍｍ、幅５ｍｍ、厚さ０．３ｍｍである。
また、圧電層３の厚さは約６μｍ、圧電層５の厚さは約１２μｍ、圧電層７の厚さは約６μｍ、電極層４、６の厚さは約５μｍである。
また、セラミックス層２０−１の厚さは約５μｍであり、導通用の孔８は直径１ｍｍである。
【００１５】
つぎに、振動体１ａの製造方法を説明する。
まず、板状の焼成済みのセラミックスを研削加工、切断加工により所定の寸法に仕上げる。
次に、セラミックス粉末と、有機溶剤と有機バインダからなる有機ビヒクルを混合して作った厚膜形成可能なセラミックス粉末ペーストを、セラミックス基板２の片面の表面にスクリーン印刷法で印刷塗布する。
このセラミックス粉末は圧電層を形成する圧電セラミックスとは主成分は異なり、セラミックス基板と主成分は同じで、ガラス質を形成する成分を含んでいる。そして、この塗布されたセラミックス粉末ペーストを約１５０℃で１０分間ほど加熱することにより、有機溶剤を除去して乾燥させて、セラミックス層２０−１を形成する。
さらに、圧電材料粉末と、有機溶剤と有機バインダからなる有機ビヒクルを混合して作った厚膜形成可能な圧電材料粉末ペーストを、セラミックス層２０−１の表面にスクリーン印刷法で印刷塗布する。
そして、この塗布された圧電材料粉末ペーストを約１５０℃で１０分間ほど加熱することにより、有機溶剤を除去して乾燥させて、圧電層３を形成する。
この後、導電材料粉末からなる導電材料粉末ペーストを乾燥済みの圧電層３の上にスクリーン印刷法で塗布、乾燥し電極層４を形成する。
こうして、順次塗布と乾燥を繰り返し圧電層５、電極層６、圧電層７を形成する。
なお、導電材料粉末ペーストは、導電材料粉末と有機溶剤と有機バインダからなる有機ビヒクルを混合して作る。
【００１６】
圧電層３、５、７を形成するための圧電材料としては、次のものを使用した。すなわち、鉛を含んだペロブスカイト型の結晶構造を有するジルコン酸鉛とチタン酸鉛（ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3）を主成分とし、複数の金属元素からなる化合物を少量添加して固溶させた三成分系や多成分系の圧電材料粉末を使用した。すなわち、圧電層３、５、７は、化合物層として形成されている。
圧電層５は、分極処理が施され圧電活性部として変位を発生させる層であり、その成分による圧電特性が直接振動波アクチュエータの性能に影響する。一方、圧電層３と圧電層７は、圧電活性部でなく圧電非活性部となる。
なお、圧電素子１５は、セラミックス基板２に固定される側はセラミックス層２０−１の上に非活性部である圧電層３が図１のように形成されても良いし、電極層４が直接にセラミックス層２０−１上に形成されても良い。セラミックス層２０−１には後述のようにセラミックスの粒界にガラス質を形成する成分を含んでいるので圧電層３や電極層４と化学的に結合しやすくなる。
また、セラミックス基板２に固定される側とその反対側の面が非活性部である圧電層７を形成していても良い。
さらに、圧電層５と圧電層３、７とは、その目的に合わせて、ジルコン酸鉛とチタン酸鉛（ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3）の主成分以外の成分を変更することも可能である。また、その厚さも圧電層５と圧電層３、７とで異なるようにしても良い。
【００１７】
上記の圧電活性部とは、圧電層と対向する電極を有し、電極間に電圧を印加して分極処理を施した後に、交流電圧を電極間に供給した時に振動体を変形させる振動エネルギーを発生する圧電層の部位をいう。
一方、圧電非活性部は、圧電層と対向する電極を有さず、電極間に電圧を印加出来ず（つまり、分極処理不能）、かつ、交流電圧も電極間に供給出来ない（つまり、振動体を変形させる振動エネルギーを発生しない）圧電層の部位をいう。
なお、圧電非活性部は、圧電層と対向する電極を有し、電極間に電圧を印加して分極処理を施しても、分極処理後に一方の電極を除去したため交流電圧を電極間に供給できない（つまり、振動体を変形させず振動エネルギーを発生しない）圧電層の部位もいう。
【００１８】
ここで、電極層４、６を形成するための導電材料粉末ペーストとしては、銀とパラジウムを主成分とする導電材料の他に予め圧電材料粉末を５〜１０重量％添加したものを使用した。
ただし、添加する圧電材料粉末は、圧電層５と同一成分か、または主成分が同じジルコン酸鉛とチタン酸鉛（ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3）であっても同様の効果が得られる。また、圧電層５、７には、スクリーン印刷の版に予め細工を施して孔８（未印刷部）を形成できるようにし、電極層４、６は、スクリーン印刷の版の非印刷部を介して２分割し、離間して配置できるようにしてある。
【００１９】
このようにして形成した（焼結したセラミックス基板２上の）セラミック層２０−１、複数の積層化された圧電層３、５、７と電極層４、６は未焼成状態である。そこで、電気炉を用いて２００℃〜５００℃で加熱して有機バインダを除去した後、鉛雰囲気中で１１００℃〜１２００℃で焼成した。
すなわち、圧電層３、５、７、電極層４、６、セラミックス層２０−１及びセラミックス基板２を同時に焼成して一体化した。換言すれば、圧電素子の製造と、圧電素子とセラミックス基板との固定を同時に行なった。
振動体としてのセラッミクス基板２の材質としては、圧電層３や電極層４と近接した領域で安定した化学的な結合が起る材質であるセラミックスが好ましい。
とりわけ例えば、入手し易く安価である酸化アルミニウム（アルミナ）は金属よりも振動の減衰が少ない材料（振動体としてエネルギーの損失が少ない）でより好ましい。
しかしながら、酸化ケイ素などのガラス質成分を含む純度９９．５重量％以下の酸化アルミニウム（アルミナ）では９９．６重量％以上、９９．９９重量％以下のアルミナに比べ、純度が落ちるに従い機械的強度は下がる。同様に、振動の減衰も大きくなってくる傾向がある。
そのため、高純度の９９．６重量％以上、９９．９９重量％以下のアルミナの方が振動体としてはより好ましい。
【００２０】
ただし、酸化ケイ素などのガラス質成分のより少ない９９．６重量％以上、９９．９９重量％以下の高純度のアルミナを使用する際、つぎのような場合に剥離してしまうこともわかってきた。
すなわち、セラミックス基板２と圧電層３や電極層４での直接（セラミックス層２０−１を介しない）の固定では、振動を与えると剥離してしまうことがわかってきた。
これは、高純度のアルミナでは、圧電層３や電極層４との化学的な反応が少なくて結合力が弱いものと推測される。
そこで、９９．６重量％以上、９９．９９重量％以下の高純度のアルミナを使用する場合には、セラミックス層２０−１をセラミックス基板２と圧電層３または電極層４を結合するために設けた。
すなわち、このセラミックス粉末はセラミックス基板と同じ主成分であるアルミナの他に、酸化ケイ素を主成分に酸化カルシウム、酸化マグネシウムなど（これらの物質は焼結助剤と呼ばれている）からなる、低融点のガラス質を焼成後にアルミナの結晶粒界に形成する成分を０．５重量％以上添加している。
電極層４を形成する導電材料である銀とパラジウムはすでに焼成されたセラミックス基板とは接合力がかなり弱い。
そのため、セラミックス層２０−１が無い場合には、焼成時の粉末の焼結による収縮と焼成後の熱膨張によりセラミックス基板２から最初から電極層４が剥離したり、圧電素子１５の振動により剥離してしまう。
そこで、未焼成の粉末であるアルミナ層を介することで、同様に未焼成の粉末である電極層の銀やパラジウムの拡散が起こり反応し接合力を増やすことが可能となる。
【００２１】
さらに、予め、電極層４に圧電粉末を混ぜることで、導電材料粉末の焼成による収縮を抑制して剥離力を小さくし剥離し難くなるようにした。
さらに同時に、混ぜた圧電粉末とセラミックス層との反応も期待（後述のように）できる。
また、セラミックス層２０−１の上に圧電層３、そして圧電層３の上に電極層４を設けても良い。
この場合は、セラミックス層２０−１の酸化ケイ素を主成分とするガラス質と圧電粉末の主に鉛が直接に反応して、鉛とのガラス質を形成しより大きな結合力の発生が可能となる。
さらに、圧電層３と電極層４は、未焼成である粉末同士の拡散と反応が起こり、同時に電極層４に混合されたほぼ同一成分の圧電粉末も反応して、圧電層３と電極層４が接合力が発生する。
一方、セラミックス基板２とセラミックス層２０−１の主成分は同じ物質であるので、セラミックス層２０−１を形成する未焼成の微細な粉末粒子が、焼成によりより大きな結晶粒子に成長しつつセラミックス基板を構成する既に焼成された結晶粒子と容易に結合できる。
セラミックス層２０−１に添加した酸化ケイ素を主成分とするガラス質も溶融し、セラミックス基板２との結合の効果も持つ。
ただし、酸化ケイ素を主成分とするガラス質を形成する焼結助剤は０．５重量％未満では固定の効果が少なく、８．０重量％を越えると酸化ケイ素が圧電層や電極層にも過剰に拡散して圧電層の圧電特性を劣化させる。またアルミナからなるセラミックス層の機械的な性質を劣化させる。
このようなことから、酸化ケイ素を主成分とするガラス質を形成する焼結助剤は０．５重量％以上、８．０重量％以下とすることが望ましいこともわかった。
また、アルミナセラミックスは、機械部品としてはやや脆い性質もあり、ガラス成分以外の他の成分を多少添加しても良い。
例えば、酸化ジルコニアは機械的な強度と電気的な絶縁性を向上させることができ、添加物として好ましい。
この場合、特開２００６−７４８５０号公報のように、酸化ジルコニアを５〜４０重量％添加するのが望ましい。
【００２２】
さらに、圧電層５は電極層４を覆い、圧電層７は電極層６を覆い、特に電極層４、６の端部まで完全に覆うようにし、絶縁性の保護層として電極層４、６が表面に露出しないようにしている。
このように圧電層５、７による電極層４、６の保護層を設けることで、外部からの機械的な力による電極層４、６の剥離を防止することもできた。
また、例えば異物が接触した際のショートや高湿度下での電流リーク、電極層４、６と圧電層５、７の隙間への水分の侵入を防ぎ、電極層４、６の剥離を防止することもできた。なお、第１の実施形態では、対向する電極層４、６とで挟まれた圧電層５が圧電活性部となる。
【００２３】
前述のように、圧電層３、５、７、電極層４、６、及びセラミックス基板２、セラミック層２０−１を同時に焼成して一体化した。
その後、圧電層３、５、７の孔８を介して電極層４、６に導電線９をハンダ等で固定し、電極層４、６の間に電圧を印加、圧電層４に分極処理を施した。
分極処理の条件は、温度１２０〜１５０℃のオイル中で、電極層４をグランド（Ｇ）とし、電極層６をプラス（＋）として、所定の電圧約３５Ｖ（３ＫＶ／ｍｍ相当）を印加して、約３０分かけて分極処理を行った。
また、圧電層３、５、７、及び電極層４、６を形成する圧電材料粉末ペーストは、圧電材料粉末に多少の添加物を加え、エチルセルロースのような有機バインダとテルピネオールのような有機溶剤を用いた有機ビヒクルを３本ロールで混練して作った。
スクリーン印刷法では本例では圧電層の厚さは１２μｍとしたが、厚さ約２、３μｍから約３０μｍまでの厚膜である圧電層や電極層を高精度に作ることができる。
版には分割した電極や圧電層に孔（未印刷部）を設けることも可能である。同様に、セラミックス層の厚さも変更は可能である。
また、スクリーン印刷法は、上述のグリーンシートによる積層に比べて、より薄くて高精度な厚さの層の形成が容易であるばかりでなく、塗布位置を高精度に制御可能であり、焼結後の機械加工も必要としない。
そして、製造設備もより安価である。これらの結果、製造コストも安価となる。
【００２４】
［第２の実施形態］
図２を用いて、本発明の第２の実施形態に係る振動体の構成を説明する。
なお、図２（ｂ）には、図２（ｃ）に矢印で示した破断線の部分の断面の一部が示されている。
上記した第１の実施形態では、電極層で挟まれた圧電層は１つであったが、第２の実施形態では、電極層で挟まれた圧電層は２つとなっている。
すなわち、第２の実施形態では、第１の実施形態に対して圧電層と電極層を１層ずつ加えた積層型圧電素子１６となっている。
換言すれば、第２の実施形態では、圧電活性部である圧電層を２層とすることにより、圧電層が１層である第１の実施形態よりも、低電圧化を図っている。
なお、圧電活性部である圧電層を３層以上にし、更なる低電圧化を図ることも可能である。
本実施形態の振動体１ｂは、具体的には、板状の焼成したセラミックス基板２の上に、セラミックス層２０−１を介して積層型圧電素子１６として圧電層３、電極層４、圧電層５ａ、電極層６ａ、圧電層５ｂ、電極層６ｂ、圧電層７が順次重ねられている。
圧電層５ａは電極層４を全体的に覆い、圧電層５ｂは電極層６ａを全体的に覆い、圧電層７は電極層６ｂを全体的に覆っている。
電極層４、６ｂは、導電材料粉末ペースト（導電材）を充填した孔１０で電気的に導通し、孔１１に固定した導電線９で外部電源と導通可能に構成されている。電極層６ａは、導電材料粉末ペーストを充填した孔１２に固定した導電線９で外部（制御部等）と導通可能となっている。
【００２５】
本実施形態の振動体１ｂは、例えば、セラミックス基板は長さ１２ｍｍ幅５ｍｍ、厚さ０．３ｍｍである。
また、圧電層３の厚さは約６μｍ、圧電層５ａ、５ｂの厚さは約１２μｍ、圧電層７の厚さは約６μｍである。
また、電極層４、６ａ、６ｂの厚さは約５μｍであり、セラミックス層２０−１の厚さは５μｍである。また、孔１０、１１の径は、配線を考慮して直径３ｍｍとなっている。
なお、本実施形態では、圧電層５ａ、５ｂが圧電活性部となる。
【００２６】
本実施形態では、第１の実施形態と異なり、孔１０、１１、１２には、電極層４、６ａ、６ｂを形成した導電材料粉末ペーストとほぼ同じ成分の導電材料粉末ペーストが充填されている。
この場合、孔１０、１１、１２を形成した後、電極層４、６ａ、６ｂを形成する前後で、スクリーン印刷法などで孔１０、１１、１２に導電材料粉末ペーストを充填し、積層圧電素子１６と同時にセラミックス基板２とセラミックス層２０−１を焼成して一体化する。
また、別の製造方法として、積層圧電素子１６を焼成した後に、熱硬化する接着剤と導電粉末を混ぜた導電材料粉末ペーストを孔１０、１１、１２に充填しても良い。
ここで、第１の実施形態と同様に圧電層３や圧電層７は場合によりなくても良い。
【００２７】
図３は、第１、第２の実施形態に係る振動板１ａ、又は振動板１ｂを組込んだリニア型振動波アクチュエータの構成を示す図である。
リニア駆動の原理は従来例と同じである。振動板１ａ又は振動板１ｂには、突起部１３が設けられている。
リニアスライダ１４は加圧された状態で突起部１３に接触し、圧電素子１５又は１６の振動で突起部１３に励起された楕円運動により、リニアスライダ１４が移動する。
すなわち、本リニア型振動波アクチュエータは、圧電素子１５又は１６を駆動動力源としてリニアスライダ１４を往復駆動している。
なお、本発明は、上記した第１、第２の実施形態で説明した構成に限定されるものではない。
例えば、上記実施形態では電極層と外部電源との導通は導電線を用いて行ったが、導電線の代わりにフレキシブル回路基板や導電材料粉末ペーストで電極層と外部電源との導通を図るようにしても良い。
【００２８】
［第３の実施形態］
図１を用いて、本発明の第３の実施形態に係る振動体の構成を説明する。第３の実施形態は第１の実施形態でるセラミックス層２０−１をガラス粉末を含んだセラミックス層２０−２に置き換えていることだけが異なる。
図１（ｂ）には、図１（ｃ）に矢印で示した破断線の部分の断面が示されている。図１に示す振動体１ｃは、リニア駆動する振動波アクチュエータに適用することを想定したものである。
この振動体１ｃは、板状のセラミックス基板２と圧電素子１５とを有し、両者の間にセラミックス層２０−２を設けている。
このセラミックス基板２と圧電素子１５はセラミックス層２０−２を介して、後述するように同時焼成により固定（接合）され一体化されたものである。
すなわち、振動エネルギー発生源として機能する圧電素子１５と、その振動エネルギーを集積する振動板として機能するセラミックス基板２とは、セラミックス層２０−２を介して固定され一体化されている。
【００２９】
圧電素子１５においては、圧電層３、電極層４、圧電層５、電極層６、圧電層７が順次、交互に積層されている。
電極層４は２つに分割され、分割体は互いに離間状態で配備されている。同様に、電極層６は、２つに分割され、分割体は互いに離間状態で配備されている。
また、圧電層５は、電極層４の全面を覆い、圧電層７は電極層６の全面を覆っている。
電極層４、６と外部（制御部等）との電気的な導通は、圧電層５、７に孔（ホール）８を形成し、その孔８を介して導電線９を電極層４、６の上に導入してハンダ等に固定することにより図られている。
なお、圧電素子１５は後述するように圧電非活性部である圧電層３または圧電層７はなくても良く、必要に応じ設けることが望ましい。すなわち、圧電素子１５は、セラミックス基板２に固定される側はセラミックス層２０−２の上に非活性部である圧電層３が図１のように形成されても良いし、非活性部である圧電層３を省いて電極層４がセラミックス層２０−２上に直接に形成されても良い。
【００３０】
電極層４、６には、圧電素子１５の振動を制御する制御部等から交番信号が供給され、この交番信号により圧電層５が伸縮し（歪み）、その伸縮が機械的な振動エネルギーとして外部に放出される。
この振動エネルギーによりセラミックス層２０−２を介してセラミックス基板２が振動し、そのセラミックス基板２の振動は、被駆動体（図３のリニアスライダ１４参照）を駆動する駆動力として利用される。
セラミックス基板２は、長さ１２ｍｍ、幅５ｍｍ、厚さ０．３ｍｍである。
また、圧電層３の厚さは約６μｍ、圧電層５の厚さは約１２μｍ、圧電層７の厚さは約６μｍ、電極層４、６の厚さは約５μｍである。
また、セラミックス層２０−２の厚さは約５μｍであり、導通用の孔８は直径１ｍｍである。
【００３１】
つぎに、振動体１ａの製造方法を説明する。
まず、板状の焼成済みのセラミックスを研削加工、切断加工により所定の寸法に仕上げる。
次に、セラミックス粉末と後述するガラス粉末、有機溶剤、有機バインダからなる有機ビヒクルを混合して作った厚膜形成可能なセラミックス粉末ペーストを、セラミックス基板２の片面の表面にスクリーン印刷法で印刷塗布する。
このセラミックス粉末は圧電層を形成する圧電セラミックスとは主成分は異なり、セラミックス基板２とは主成分は同一であって、主成分とは異なる成分を多少含んでいても良い。
【００３２】
ガラス粉末としては、酸化ケイ素、酸化ボロンを含み、その他に、酸化ビスマス、アルミナ、アルカリ金属酸化物やアルカリ土類金属酸化物、その他の金属酸化物などの添加物を混ぜ、焼成温度に適したガラス軟化点になるように配合する。そして、一度溶融させ、溶融したガラスを平均粒径１〜２μｍに微粉砕したガラス粉末（ガラスフリットとも呼ぶ）を使用した。
このガラス粉末を、セラミックス粉末の重量に対して０．５重量％以上、１０重量％以下添加し、セラミックス粉末ペーストとした。酸化ケイ素、酸化ボロンの配合比率を変えることでガラスの軟化点を変えることができる。また、添加元素を選ぶことで基板２との反応を増すことも可能である。
ガラス粉末はセラミックス粉末の重量に対して０．５重量％未満では固定の効果が少なく、１０重量％を越えるとセラミックス基板への溶融したガラス成分の拡散が大きく、基板の機械的な特性を劣化させる。また、セラミックス層自体の機械的な性質も劣化させる。
このようなことから、このガラス粉末は、セラミックス粉末の重量に対して５重量％以上、１０重量％以下とした。
焼成時には、セラミックス層２０−２のガラス粉末は溶融し軟化流動化してセラミックス粉末を焼結させ、また、基板２と圧電層３または電極層４との界面にガラス粉末の溶融したガラス成分は多く集まり、基板２と圧電層３または電極層４と強く結合することができる。
【００３３】
第３と第１の実施形態の違いは以下のとおりである。第１の実施形態のセラミックスはセラミックス基板と同じ主成分であるアルミナ粉末に、酸化ケイ素を主成分に酸化カルシウム、酸化マグネシウム（焼結助剤）などの低融点のガラス質を形成する微粉末を均一に混合した粉末を使ってペーストを作って使用している。一方、第３の実施形態ではアルミナ粉末にガラス粉末（酸化ケイ素、酸化ボロンを含み、その他に、酸化ビスマス、アルミナ、アルカリ金属酸化物やアルカリ土類金属酸化物、その他の金属酸化物などの添加物を混ぜ配合し溶融したガラスを平均粒径１〜２μｍに微粉砕した粉末）を添加し均一に混合して粉末ぺーストを作っている。
もちろん、第１と第３の実施形態である焼結助剤とガラス粉を併用することは可能で、焼結助剤はガラス粉末の添加量を減らすことができ、基板の劣化を防ぐと共に接合に対しての効果は大きくなる。
【００３４】
ガラス粉末の利点としては、ガラス粉末はセラミックスとは別に作ることができ、焼成温度や機械強度の適したガラス成分の調整が容易であり、前述のジルコン酸鉛とチタン酸鉛（ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3）を主成分とし、複数の金属元素からなる化合物を少量添加して固溶させた三成分系や多成分系の圧電材料粉末以外の多種の圧電材料、たとえば、チタン酸バリウム、チタン酸ビスマスナトリウムなどの非鉛系の圧電材料などや、後述するアルミナ以外の種類の異なるセラミックス基板に対しても有効であり応用範囲が拡大する。
ガラス粉末の欠点としては、前述のように添加量が多いと基板の劣化や圧電層の圧電特性に劣化、さらにセラミックス層の機械的な性質の劣化などを招く恐れがある。
【００３５】
そして、この塗布されたガラス粉末を混ぜたセラミックス粉末ペーストを約１５０℃で１０分間ほど加熱することにより、有機溶剤を除去して乾燥させて、セラミックス層２０−２を形成する。
さらに、圧電材料粉末と、有機溶剤と有機バインダからなる有機ビヒクルを混合して作った厚膜形成可能な圧電材料粉末ペーストを、セラミックス層２０−２の表面にスクリーン印刷法で印刷塗布する。
そして、この塗布された圧電材料粉末ペーストを約１５０℃で１０分間ほど加熱することにより、有機溶剤を除去して乾燥させて、圧電層３を形成する。ただし、圧電層３はなくても良く、必要に応じ設けることが望ましい。
この後、導電材料粉末からなる導電材料粉末ペーストを乾燥済みの圧電層３またはセラミックス層２０−２の上にスクリーン印刷法で塗布、乾燥し電極層４を形成する。こうして、順次塗布と乾燥を繰り返し圧電層５、電極層６、圧電層７を形成する。
なお、導電材料粉末ペーストは、導電材料粉末と有機溶剤と有機バインダからなる有機ビヒクルを混合して作る。
【００３６】
圧電層３、５、７を形成するための圧電材料としては、鉛を含んだペロブスカイト型の結晶構造を有するジルコン酸鉛とチタン酸鉛（ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3）を主成分とし、複数の金属元素からなる化合物を少量添加して固溶させた三成分系や多成分系の圧電材料粉末を使用した。すなわち、圧電層３、５、７は、化合物層として形成されている。
圧電層５は、分極処理が施され圧電活性部として変位を発生させる層であり、その成分による圧電特性が直接振動波アクチュエータの性能に影響する。一方、圧電層３と圧電層７は、圧電活性部でなく圧電非活性部となる。
また、セラミックス基板２に固定される側とその反対側の面が非活性部である圧電層７を形成していても良い。
さらに、圧電層５と圧電層３、７とは、その目的に合わせて、ジルコン酸鉛とチタン酸鉛（ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3）の主成分以外の成分を変更することも可能である。また、その厚さも圧電層５と圧電層３、７とで異なるようにしても良い。
【００３７】
ここで、電極層４、６を形成するための導電材料粉末ペーストとしては、銀とパラジウムを主成分とする導電材料の他に予め圧電材料粉末を５〜１０重量％添加したものを使用した。
ただし、添加する圧電材料粉末は、圧電層５と同一成分か、または主成分が同じジルコン酸鉛とチタン酸鉛（ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3）であっても同様の効果が得られる。また、圧電層５、７には、スクリーン印刷の版に予め細工を施して孔８（未印刷部）を形成できるようにし、電極層４、６は、スクリーン印刷の版の非印刷部を介して２分割し、離間して配置できるようにしてある。
このようにして形成した（焼結したセラミックス基板２上の）セラミック層２０−２、複数の積層化された圧電層３、５、７と電極層４、６は未焼成状態である。そこで、電気炉を用いて２００℃〜５００℃で加熱して有機バインダを除去した後、鉛雰囲気中で１１００℃〜１２００℃で焼成した。
すなわち、圧電層３、５、７、電極層４、６、セラミックス層２０−２及びセラミックス基板２を同時に焼成して一体化した。換言すれば、圧電素子の製造と、圧電素子とセラミックス基板との固定を同時に行なった。
【００３８】
一方、セラミックス基板２の材質としては、振動板としての基板の好ましい材料として、第１の実施形態と同じく板状の焼成済みのセラミックスであるアルミナを選定した。
但し、純度が低くなると機械的な強度が劣るのと、振動体としての振動の減衰も大きくなるので、９９．６重量％以上、９９．９９重量％以下の高純度のアルミナがより望ましい。
なお、アルミナは、機械部品としてはやや脆い性質もあり、他の成分を多少添加しても良い。例えば、酸化ジルコニアは機械的な強度と電気的な絶縁性を向上させることができ、添加物として好ましい。
この場合、特開２００６−７４８５０号公報のように、酸化ジルコニアを５〜４０重量％添加するのが望ましい。
【００３９】
また、基板２は、ガラス粉末をあらかじめ混ぜてあるセラミック層２０−２と安定な結合が起こる材質であれば良い。
アルミナのほかにも基板としては、ジルコニア、炭化ケイ素、窒化アルミ、窒化ケイ素など通常のセラミックスであってもセラミック層２０−２にガラス粉末をあらかじめ混ぜてあるため、焼成により溶融したガラス成分は基板２と電極層４または圧電層３との密着強度を高め、接合力の強化が可能となる。
また、各種のセラミックスにあわせて、ガラス粉末の成分は酸化ケイ素や酸化ボロンの他に添加元素を考慮することが望ましい。
さらに、セラミック層２０−２は主成分が同じ基板２と、電極層４、６や圧電層３、５、７の焼成時の収縮や焼成後の温度降下時の熱膨張係数の違いにより発生する応力の緩衝材としても機能し、基板２と電極層４や圧電層３との剥離を防止する効果を持つ。また、振動体の振動時には圧電活性層である圧電層５の変位に伴い発生する応力の、基板２への緩衝材ともなる。これはセラミックス層２０−１も同様である。
さらに、予め、電極層４に圧電粉末を混ぜることで、導電材料粉末の焼成による収縮を抑制して剥離力を小さくし剥離し難くなるようにした。
【００４０】
前述のように、圧電層３、５、７、電極層４、６、及びセラミックス基板２、セラミック層２０−２を同時に焼成して一体化した。その後、圧電層３、５、７の孔８を介して電極層４、６に導電線９をハンダ等で固定し、電極層４、６の間に電圧を印加、圧電層４に分極処理を施した。
分極処理の条件は、温度１２０〜１５０℃のオイル中で、電極層４をグランド（Ｇ）とし、電極層６をプラス（＋）として、所定の電圧約３５Ｖ（３ＫＶ／ｍｍ相当）を印加して、約３０分かけて分極処理を行った。
ガラス粉末を含んだセラミック層２０−２であっても第１の実施形態と同じようにペーストのスクリーン印刷法での印刷塗布や焼成条件、分極条件などは同じである。また、第２の実施形態である電極層で挟まれた圧電層は２つ、さらに２つ以上となってもガラス粉末を含んだセラミック層２０−２の適用は可能である。そして、製造上の特徴も第１の実施形態と同じである。
図３に第１、第２の実施形態と同様な、第３の実施形態に係る振動板１ｃを組込んだリニア型振動波アクチュエータの構成を示す。
【符号の説明】
【００４１】
１ａ、１ｂ、１ｃ：振動体
２：セラミックス基板
３、５、５ａ、５ｂ、７：圧電層
４、６、６ａ、６ｂ：電極層
８、１０、１１、１２：孔
１５：圧電素子
１６：積層型圧電素子
２０−１、２０−２：セラミックス層
【図１】
2011045869.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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