(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気エネルギー及び機械的変位間の相互変換を行う電気機械変換素子と、弾性部材とを備える電気機械変換効果応用素子において、
前記弾性部材の所定の位置に、前記電気機械変換素子と前記弾性部材との間での物質拡散を防止する緩衝層が設けられ、
前記電気機械変換素子は、前記緩衝層の上に、原料粉末が溶解されながら前記緩衝層の表面に衝突し急冷されることにより形成されていること
を特徴とする電気機械変換効果応用素子。
【請求項２】
請求項１に記載された電気機械変換素子において、
前記電気機械変換素子の前記緩衝層が形成されている側と反対側の面に、電気エネルギーの入力又は出力のための電極が形成されていること
を特徴とする電気機械変換応用素子。
【請求項３】
請求項２に記載された電気機械変換応用素子において、
前記緩衝層は、電気エネルギーの入力又は出力のための電極として機能すること
を特徴とする電気機械変換効果応用素子。
【請求項４】
請求項２又は請求項３に記載された電気変換効果応用素子において、
前記電極及び前記緩衝層は、いずれも、高融点であって酸化し難い金属、高融点の貴金属又はこれらの合金からなること
を特徴とする電気機械変換効果応用素子。
【請求項５】
請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載された電気機械変換効果応用素子において、
前記緩衝層は、前記弾性部材の前記所定の位置に溶射により成膜されること
を特徴とする電気機械変換効果応用素子。
【請求項６】
請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載された電気機械変換効果応用素子において、
前記所定の位置は、移動子が加圧接触する面と反対側の面であること
を特徴とする電気機械変換効果応用素子。
【請求項７】
請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載された電気機械変換応用素子において、
前記電気機械変換素子は、圧電素子又は電歪素子であること
を特徴とする電気機械変換効果応用素子。
【請求項８】
請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載された電気機械変換応用素子は、アクチュエータ又はセンサであること
を特徴とする電気機械変換効果応用素子。
【請求項９】
請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載された電気機械変換効果応用素子において、
前記電気機械変換素子は、鉛系強誘電体からなること
を特徴とする電気機械変換効果応用素子。
【請求項１０】
弾性部材に、電気エネルギー及び機械的変位間の相互変換を行う電気機械変換素子を形成する電気機械変換効果応用素子の製造方法において、
前記弾性部材の所定の位置に前記弾性部材と前記電気機械変換素子との間での物質拡散を防止する緩衝層を形成し、
前記緩衝層の上に前記電気機械変換素子を、原料粉末を溶解しながら前記緩衝層の表面に衝突させて急冷することにより形成すること
を特徴とする電気機械変換効果応用素子の製造方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載された電気機械変換効果応用素子の製造方法において、
前記電気機械変換素子の前記緩衝層が形成されている側と反対側の面に、電気エネルギーの入力又は出力のための電極を形成すること
を特徴とする電気機械変換効果応用素子の製造方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載された電気機械変換効果応用素子の製造方法において、
前記溶射により前記電気機械変換素子を形成した後であって前記電極を形成する前に、熱処理を行って前記弾性部材の加工歪みを除去すること
を特徴とする電気機械変換効果応用素子の製造方法。
【請求項１３】
請求項１１又は請求項１２に記載された電気機械変換効果応用素子の製造方法において、
前記緩衝層と前記電極とを用いて、前記電気機械変換素子の分極処理を行うこと
を特徴とする電気機械変換効果応用素子の製造方法。
【請求項１４】
請求項１０から請求項１３までのいずれか１項に記載された電気機械変換効果応用素子の製造方法において、
前記緩衝層は、高融点であって酸化し難い金属、高融点の貴金属又はこれらの合金からなること
を特徴とする電気機械変換効果応用素子の製造方法。
【請求項１５】
請求項１０から請求項１４までのいずれか１項に記載された電気機械変換効果応用素子の製造方法において、
前記緩衝層を前記弾性部材の前記所定の位置に溶射により成膜すること
を特徴とする電気機械変換効果応用素子の製造方法。
【請求項１６】
請求項１０から請求項１５までのいずれか１項に記載された電気機械変換効果応用素子の製造方法において、
前記所定の位置は、移動子が加圧接触する面と反対側の面であること
を特徴とする電気機械変換効果応用素子の製造方法。
【請求項１７】
請求項１０から請求項１６までのいずれか１項に記載された電気機械変換効果応用素子の製造方法において、
前記電気機械変換素子は、鉛系強誘電体からなる圧電又は電歪材料である
ことを特徴とする電気機械変換効果応用素子の製造方法。
【請求項１８】
請求項１０から請求項１７までのいずれか１項に記載された電気機械変換効果応用素子の製造方法において、
前記電気機械変換素子を前記溶射により形成する際には、前記弾性部材を所定の処理温度に設定しておくこと
を特徴とする電気機械変換効果応用素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気エネルギーを機械的変位に変換する電気機械変換素子と、この電気機械変換素子を装着されて振動を発生する弾性部材を備える電気機械変換効果応用素子と、この電気機械変換効果応用素子の製造法とに関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、例えば、圧電アクチュエータは、圧電体や電歪素子等の電気機械変換素子により弾性体からなる振動発生体（アクチュエータ母材）を変形させ、振動発生体に加圧接触する相対運動部材との間で相対運動を発生する。一方、圧電センサは、振動発生体の変形により発生する応力を機械電気変換素子により電気信号に変換することにより変形量を検出する。
【０００３】
これらの圧電アクチュエータや圧電センサといった電気機械変換効果応用素子は、セラミックス等の圧電効果を有する圧電素子を必要な形状（例えば薄板状）に加工し、加工した圧電素子を、振動発生体等に適宜手段（例えば接着）により接合することにより、電気機械変換効果応用素子として基本性能を得ていた。
【０００４】
ところで、電気機械変換効果応用素子に対してはよりいっそうの小型化が要求されており、このような要請に対応するため、圧電素子に対しても小型化及び薄型化が要求される。
【０００５】
例えば、圧電アクチュエータの一つである超音波アクチュエータの場合には、振動発生体である弾性体の表面に相対運動部材を駆動するのに十分な振幅を有する振動波を発生させる必要がある。そのため、電気機械変換素子である圧電素子自体の振動が十分に大きくなくてはならない。
【０００６】
圧電素子の振幅は、印加電界に比例するものであるため、入力電圧に比例するとともに圧電素子の厚さに反比例する。そのため、電源を含めた圧電素子の小型化のために入力電圧値が決定されてしまうと、十分な駆動力を得るためには圧電素子の厚さを小さくすることにより、出力を増大するという方法を取らざるを得ない。例えば、一眼レフカメラの自動焦点合わせの駆動源である超音波アクチュエータでは、円環型の振動発生体に、厚さが０．５ｍｍ程度の圧電素子であるＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）を貼付している。
【０００７】
このように、圧電素子を薄くすることにより入力電圧を低下することが可能となり、電源を含めた素子全体を小型化することが可能となる。しかし、このように厚さの薄い圧電素子を弾性体に例えばエポキシ樹脂系接着剤で接着しようとすると、接着のために行う加圧により圧電素子が容易に破損してしまう。このような破損に留意すると、接着作業性が著しく損なわれてしまう。
【０００８】
一方、圧電素子をさらに薄くしていくと、これに伴って、接着層（樹脂層）が振動吸収層として作用して圧電振動エネルギーの吸収率が増加し、エネルギー変換効率が著しく低下してしまう。
【０００９】
そして、このような問題を解決するために、蒸着，スパッタリング，ＣＶＤさらにはゾルゲル法等の薄膜形成技術により、ＰＺＴ等の圧電材料を薄膜として、振動発生体の表面に直接的に形成する技術が提案されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような従来の技術には、以下に列記するような課題がある。
（１）この薄膜形成技術によって形成された数μｍ程度の圧電体薄膜は、弾性体との界面に接着剤の層のような振動吸収層は持たないため、圧電層と弾性体層との間で振動の伝搬を非常に効率良く行うことが可能である。
【００１１】
しかし、この薄膜形成技術では、数μｍ以上の薄膜を形成するには大変時間や手間を要する。また、形成した薄膜にひびが発生し易くなるため、圧電アクチュエータの場合には弾性体の厚さが大きいときには、相対運動部材の駆動に十分な変位の振動を弾性体に発生することが難しい。一方、圧電センサの場合には、ある大きさの変位を検出しようとすると、圧電素子が薄過ぎるために圧電素子により発生する電界が小さくなり、検出が難しい。
【００１２】
これらの問題を解決するためには、数１０μｍ〜数ｍｍ程度の厚さを有し、さらに弾性体上に直接的に形成された圧電素子を得る必要がある。
一方、適用範囲が拡大されるのに伴って、圧電アクチュエータや圧電センサ等の構造も多様化してきており、それに伴って振動発生体としての弾性体の形状は複雑化している。したがって、従来のように、振動発生体の所定の位置に単体の圧電素子を接着するのでは、今後さらに、振動発生体の圧電素子装着面が平面ではない複雑な形状になった場合には全く対応できなくなってしまう。これを解消するためには、曲面等の複雑な形状の圧電素子装着面にも、容易に圧電素子を形成できる圧電素子の形成技術の開発が極めて重要である。
【００１３】
（２）電気機械変換素子である圧電体は、特にセラミックスの場合、圧電的性質を取り出すために、材料に対して分極処理（ポーリング）を行うことが必要である。ポーリングとは、ポーリング処理前の圧電体中ではランダムな方向を指向している電気双極子の分極方向を、外部からの力により強制的に一方向を指向させることにより、圧電体に電界誘起歪み，応力誘起電荷等の圧電的性質を持たせることを初めて可能とする処理である。セラミックスのポーリングは、一般に高温に加熱したシリコーンオイル等の絶縁溶媒中で、セラミックスに１ｍｍ2 当たり数ｋＶの高電圧を印加することで行うものである。しかし、一度施したポーリング処理も、圧電体（ＰＺＴの場合）を２００℃から３００℃程度に近づけると劣化していき、Ｔｃ付近では完全に無効になってしまう。
【００１４】
ところが、現在これらのアクチュエータ，センサ等の圧電応用素子を製造する場合に、圧電体上の電極への配線のため、はんだ付け，接着等の圧電体の加熱の過程は避けることが困難である。したがって、この時、ポーリングの破壊を避けるためには、圧電体にかけられる温度は使用している圧電体のＴｃに応じて極めて制限されたものとなり、素子の形状や強度，耐久性，生産性等の諸条件を優先させた任意の配線方法を選択する自由はない。
【００１５】
また、圧電体と弾性体の接合は弾性体を変形させることとなり、精度向上のためには圧電体を接合した後の加工は避けられない。ところが、この加工に伴う加工歪みが発生するため、加工歪みを取るための熱処理が必要になってしまう。例えばＳＵＳ３０４では６００℃程度の熱処理が必要であり、殆ど全ての圧電体がこの温度では完全にポーリングが壊れてしまう。
【００１６】
さらに、ポーリングは圧電体の使用時間や使用環境に応じて劣化していくものであり、それに伴い圧電素子の圧電的性質も劣化していく。しかし、従来のものでは、一度劣化した圧電性能を、再ポーリングによって再び元に戻すことは、前述のポーリングの過程を考えると、極めて困難である。
【００１７】
（３）圧電素子がアクチュエータ母材又はセンサ母材等の表面に薄膜成形技術によって形成されたアクチュエータ及びセンサ等の電気機械変換効果応用素子においては、形成された圧電素子が圧電特性を有する結晶構造である必要がある。ところが、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）に代表されるように、実用的な圧電材料は、ペロブスカイト型の結晶構造を有するものが圧倒的に多く、しかもこれらのペロブスカイト型の圧電材料は、高温相で圧電性を有するペロブスカイト型の結晶構造の他に、低温相で圧電性を全く示さないパイロクロア相が生成してしまう。そのため、溶射によって形成された圧電体層が圧電性を有するためには、圧電体層の形成を十分に高温で行うか、低温で形成された層に熱処理を施すことが必要である。また、使われている圧電体の殆どのものがＰＺＴに代表されるように鉛系の酸化物材料である。鉛イオンは、陽イオンの半分近くが換言され易いため、高温で相の形成がなされる場合にも、熱処理を行う場合にも、雰囲気は十分に酸素のある状態でなくてはならない。
【００１８】
ところが、母材にＳＵＳ等の鉄系の合金を使用する場合には、高温での成膜や熱処理を行うことは、圧電体層と母材との間で酸素原子の拡散等の物質移動に代表される化学反応が起こる可能性が高い。その場合、母材の表面に酸化層が形成れたり、母材や圧電体層の化学組成が変化して、圧電特性や圧電体層とアクチュエータとの付着強度が著しく低下する。
【００１９】
このような問題を解決するために、母材表面にニッケル，クロム，コバルト等の高融点で酸化し難い金属，又は白金，レニウム，ロジウム，パラジウム等の融点の高い貴金属、さらにそれらの合金からなる緩衝層を、薄膜形成技術やメッキ等により形成することも考えられる。しかし、このような緩衝層の上に圧電体層を形成する場合、緩衝層の厚さは、溶射条件によっては不十分なことがある。また、溶射を行う前に、緩衝層形成工程を行う必要もあり、生産性の低下は免れない。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、圧電体の原料粉末を溶射ガン先端に発生する炎中に投入することにより、圧電体粉末を溶融しながら弾性体の表面に衝突させ、急冷することにより被膜を形成する溶射技術によって、圧電体を振動発生体及び振動発生体母材の表面に直接形成すること、さらに、溶射により形成する圧電体層と弾性体との間に、溶射による緩衝層を形成することによって、前述した課題の解決を図るものである。
【００２１】
請求項１の発明は、電気エネルギー及び機械的変位間の相互変換を行う電気機械変換素子と、弾性部材とを備える電気機械変換効果応用素子において、前記弾性部材の所定の位置に、前記電気機械変換素子と前記弾性部材との間での物質拡散を防止する緩衝層が設けられ、前記電気機械変換素子は、前記緩衝層の上に、原料粉末が溶解されながら前記緩衝層の表面に衝突させて急冷することにより形成されていることを特徴とする電気機械変換効果応用素子である。
請求項２の発明は、請求項１に記載された電気機械変換素子において、前記電気機械変換素子の前記緩衝層が形成されている側と反対側の面に、電気エネルギーの入力又は出力のための電極が形成されていることを特徴とする電気機械変換応用素子である。
請求項３の発明は、請求項２に記載された電気機械変換応用素子において、前記緩衝層は、電気エネルギーの入力又は出力のための電極として機能することを特徴とする電気機械変換効果応用素子である。
請求項４の発明は、請求項２又は請求項３に記載された電気変換効果応用素子において、前記電極及び前記緩衝層は、いずれも、高融点であって酸化し難い金属、高融点の貴金属又はこれらの合金からなることを特徴とする電気機械変換効果応用素子である。
請求項５の発明は、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載された電気機械変換効果応用素子において、前記緩衝層は、前記弾性部材の前記所定の位置に溶射により成膜されることを特徴とする電気機械変換効果応用素子である。
請求項６の発明は、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載された電気機械変換効果応用素子において、前記所定の位置は、移動子が加圧接触する面と反対側の面であることを特徴とする電気機械変換効果応用素子である。
請求項７の発明は、請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載された電気機械変換応用素子において、前記電気機械変換素子は、圧電素子又は電歪素子であることを特徴とする電気機械変換効果応用素子である。
請求項８の発明は、請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載された電気機械変換応用素子は、アクチュエータ又はセンサであることを特徴とする電気機械変換効果応用素子である。
請求項９の発明は、請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載された電気機械変換効果応用素子において、前記電気機械変換素子は、鉛系強誘電体からなることを特徴とする電気機械変換効果応用素子である。
【００２２】
請求項２の発明は、請求項１に記載された電気機械変換素子は、圧電素子又は電歪素子であることを特徴とする電気機械変換素子である。
請求項３の発明は、弾性部材と，前記弾性部材の所定の位置に溶射により成膜されるとともに、電気エネルギー及び機械的変位間の相互変換を行う電気機械変換素子とを備えることを特徴とする電気機械変換効果応用素子である。
【００２８】
請求項１０の発明は、弾性部材に、電気エネルギー及び機械的変位間の相互変換を行う電気機械変換素子を形成する電気機械変換効果応用素子の製造方法において、前記弾性部材の所定の位置に前記弾性部材と前記電気機械変換素子との間での物質拡散を防止する緩衝層を形成し、前記緩衝層の上に前記電気機械変換素子を、原料粉末を溶解しながら前記緩衝層の表面に衝突させて急冷することにより形成することを特徴とする電気機械変換効果応用素子の製造方法である。
請求項１１の発明は、請求項１０に記載された電気機械変換効果応用素子の製造方法において、前記電気機械変換素子の前記緩衝層が形成されている側と反対側の面に、電気エネルギーの入力又は出力のための電極を形成することを特徴とする電気機械変換効果応用素子の製造方法である。
請求項１２の発明は、請求項１１に記載された電気機械変換効果応用素子の製造方法において、前記溶射により前記電気機械変換素子を形成した後であって前記電極を形成する前に、熱処理を行って前記弾性部材の加工歪みを除去することを特徴とする電気機械変換効果応用素子の製造方法である。
請求項１３の発明は、請求項１１又は請求項１２に記載された電気機械変換効果応用素子の製造方法において、前記緩衝層と前記電極とを用いて、前記電気機械変換素子の分極処理を行うことを特徴とする電気機械変換効果応用素子の製造方法である。
請求項１４の発明は、請求項１０から請求項１３までのいずれか１項に記載された電気機械変換効果応用素子の製造方法において、前記緩衝層は、高融点であって酸化し難い金属、高融点の貴金属又はこれらの合金からなることを特徴とする電気機械変換効果応用素子の製造方法である。
請求項１５の発明は、請求項１０から請求項１４までのいずれか１項に記載された電気機械変換効果応用素子の製造方法において、前記緩衝層を前記弾性部材の前記所定の位置に溶射により成膜することを特徴とする電気機械変換効果応用素子の製造方法である。
請求項１６の発明は、請求項１０から請求項１５までのいずれか１項に記載された電気機械変換効果応用素子の製浩方法において、前記所定の位置は、移動子が加圧接触する面と反対側の面であることを特徴とする電気機械変換効果応用素子の製造方法である。
請求項１７の発明は、請求項１０から請求項１６までのいずれか１項に記載された電気機械変換効果応用素子の製造方法において、前記電気機械変換素子は、鉛系強誘電体からなる圧電又は電歪材料であることを特徴とする電気機械変換効果応用素子の製造方法である。
請求項１８の発明は、請求項１０から請求項１７までのいずれか１項に記載された電気機械変換効果応用素子の製造方法において、前記電気機械変換素子を前記溶射により形成する際には、前記弾性部材を所定の処理温度に設定しておくことを特徴とする電気機械変換効果応用素子の製造方法である。
【００３４】
本発明において、「電気機械変換効果応用素子」とは、電気機械変換効果を利用した素子全般を意味しており、例えばアクチュエータやセンサ等を例示することができる。
【００３５】
本発明における「電気機械変換素子」とは、電気エネルギーを機械的変位に変換することができる素子を意味し、圧電素子，磁歪素子さらには電歪素子等を包含する。
【００３６】
また、本発明における「高融点で酸化し難い金属」とはニッケル，クロム，コバルト等をいい、「高融点の貴金属」とは白金，レニウム，ロジウム，パラジウム等をいう。
【００３７】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以降の各実施形態の説明では、振動アクチュエータとして超音波の振動を利用した超音波アクチュエータを用いる。
【００３８】
図１は、本発明にかかる圧電応用素子を、振動アクチュエータの一例である超音波アクチュエータ７に適用した第１実施形態を示す分解斜視図であり、図２は、図１に示す超音波アクチュエータ７の構成要素である、白金上部電極６が形成された弾性体３を示す平面図である。なお、圧電応用素子とは、前記電気機械変換応用素子のうち圧電効果を利用するものをいう。
【００３９】
図１に示すように、第１実施形態の超音波アクチュエータは、円環状の弾性体３と、この弾性体３の一方の端面に加圧接触する円環状の移動子１とにより構成される。
【００４０】
弾性体３の一方の平面には、その円周方向に多数の溝部３ｂが連続して設置されており、この溝部３ｂによって区切られることにより、多数の突起部３ａが連続して形成される。これらの突起部３ａは弾性体３の端面に発生する進行波の振幅を増幅させるとともに、移動子１との接触により発生した摩耗粉を溝部３ｂ内に落下させることにより接触部に残存させないために設けられる。
【００４１】
本実施形態では、この弾性体３は、ニッケル合金を用いて、鋳造を行ってさらに必要に応じて機械加工を施すことにより、構成される。弾性体３の他方の平面には、図２に示すように、弾性体３に圧電体層５を形成するためのニッケル合金からなる緩衝層４が溶射により構成される。この緩衝層４は下部電極としても機能する。
【００４２】
緩衝層４の表面には、圧電体層５が形成される。この圧電体層５は、後述するように、緩衝層４の表面に溶射により形成される。
一方、移動子１の弾性体３との接触面側の平面には、環状の摺動材２が貼付されて装着される。この摺動材２を介して、移動子１は図示しない加圧機構により弾性体３に加圧接触される。
【００４３】
本実施形態の超音波アクチュエータ７では、前述したように、弾性体３の裏面に溶射により緩衝層４が形成される。また、緩衝層４の上には溶射によりチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）の圧電体層５が形成されており、さらにその表面には分割された白金上部電極６が形成される。以下、緩衝層４，緩衝層４の表面への圧電体層５の溶射による形成法について説明する。
【００４４】
（緩衝層４）
粒径を５〜４０μｍに調整したニッケル粉体を原料とした。この原料を用いてプラズマ溶射装置で室温で、ＳＵＳ３０４からなる弾性体３の表面に、５０μｍの厚さで溶射被膜を形成した。プラズマジェットの作動ガスとしては、アルゴンと水素の混合ガスを用いた。
【００４５】
（圧電体層５）
仮焼，粉砕及び造粒により、粒径を５〜４０μｍに調整した、Ｐｂ，Ｚｒ，Ｔｉのモル比が１：０．５２：０．４８のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）に、溶射の際の鉛の揮発分を考慮して過剰のＰｂを酸化物（ＰｂＯ）の形で添加した混合物を原料粉末とした。
【００４６】
この原料粉末を用いてプラズマ溶射装置により、緩衝層４の表面に、１００μｍの厚さでＰＺＴからなる圧電体層５を成膜した。プラズマジェットの作動ガスとしては、アルゴン，（アルゴンと水素の混合ガス），又は（アルゴンとヘリウムの混合ガス）を用いた。
【００４７】
このようなプラズマ溶射により、原料粉末は、溶射ガン先端に発生する炎中に投入され、溶融されながら弾性体３の表面に形成された緩衝層４の表面に衝突し、急冷されながら接着される。このため、原料粉末は、緩衝層４の表面で急冷されることにより十分な結晶化が発生しないことがあり、このような場合には、薄膜の電気機械変換効率が希望する値に達しない。このような事態の発生を防止するために、プラズマ溶射後に適当な温度で熱処理を行うことにより、圧電体層５中に所望の結晶を発生させ、薄膜状の圧電体層５の性能を向上させることができる。
【００４８】
溶射過程において、溶融された原料粉末の温度と弾性体３の表面温度との差が大き過ぎると、弾性体３の表面に衝突した原料粉末が十分に付着しないことがある。このため、溶射を行う際に、弾性体３に抵抗体加熱等を行うことにより加熱しておくことにより原料粉末と弾性体３との温度差を小さくして、付着効率を上げることが可能である。
【００４９】
本実施形態では、溶射時に、抵抗体ヒータを用いて弾性体３の表面温度を３００℃以上６５０℃以下の範囲にコントロールした。
なお、このように溶射時に弾性体３の表面温度を上げる方法では、基板温度が所望の結晶相を発生させるのに十分な温度まで達している場合には、上記の熱処理と同等の効果を発揮し、成膜後の熱処理を施さなくても薄膜の性能を十分に引き出すことが可能になる。
【００５０】
また、溶射中の溶射ガンと弾性体との距離を近づけて、弾性体の温度を薄膜の結晶化温度まで上昇させ、溶射と同時に結晶化させ、その後の熱処理を不要にすることも可能である。
【００５１】
圧電アクチュエータの場合、弾性体を効率的に励振させるための圧電体薄膜としては、印加電界当たりの変位量が大きいため、鉛系強誘電体からなる圧電材料又は電歪材料を用いることが望ましい。
【００５２】
同様に、圧電センサの場合にも、弾性体からの応力を効率的に受けることが可能な圧電体薄膜として、印加応力当たりの発生電荷量が大きいため、鉛系強誘電体からなる圧電材料又は電歪材料を用いることが望ましい。
【００５３】
そして、溶射後に、圧電体層５の溶射による形成に伴う弾性体３の変形を修正するため、弾性体３に対して研削加工及び研摩加工を施した。
さらに、この後、溶射により形成した圧電体層５を完全なペロブスカイト層にするため、及び弾性体３の変形（加工歪み）を取り去るため、６５０℃に５時間保持する熱処理を行った。
【００５４】
このようにして、緩衝層４の表面に圧電体層５を形成し、この圧電体層５の表面に白金上部電極６を成膜した。本実施形態では、白金上部電極６はスパッタリングにより成膜した。
【００５５】
この白金上部電極６は、スパッタリング時にマスキングを行うことによって、図２に示すように、弾性体３の円周方向について約２０°ピッチで多数連設される。
【００５６】
このようにして形成された白金上部電極６に対し、リード線を接続する配線用銅箔を接合するために、白金上部電極６と銅箔（図示しない。）との間にはんだ箔を挟み、加圧した状態で高周波炉中で４００℃に加熱することにより、白金上部電極６と銅箔とを接合した。
【００５７】
その後に、白金上部電極６に、図２に示すように隣接する電極同士で符号が逆向きになるように電圧を印加することにより、圧電体層５の分極処理を行った。分極処理の条件は、１５０℃，３００Ｖで大気中で１時間行った。
【００５８】
このようにして、第１実施形態の超音波アクチュエータ７は構成される。ここで、形成された圧電体層５のキューリー温度Ｔｃは約２４０℃であった。
この超音波アクチュエータ７の圧電体層５に、入力Ａ相と入力Ｂ相とで（π／２）の位相差を付けて実効電圧で±５Ｖの交流電界を印加したところ、弾性体３の表面に形成された突起部３ａの先端に進行波が発生し、弾性体３に加圧接触されている移動子１が回転することが確認された。
このことから、本実施形態によれば、溶射により形成された圧電体層５が十分な圧電性を有することがわかる。
【００５９】
このように、本実施形態の超音波アクチュエータ７では、圧電体層５を溶射により数１０μｍ〜数ｍｍの厚さに形成するため、圧電体層５に発生する変位や振動を非常に効率的に弾性体３へ伝達することができる。一方、圧電センサに適用することにより、弾性体３の変位から発生する応力を効率的に受けることができる。
【００６０】
溶射時間も、数１０秒間から１０数分間程度であり、他の方法と比較して成膜速度が非常に速く、量産に適する。
【００６１】
溶射以外の方法、例えば水熱合成法を利用することによっても、数１０μｍまでの膜厚は形成することはできる。しかし、この膜厚の圧電体層５の形成には、数時間〜数日間を必要とし、量産性の点で重大な問題がある。しかし、本発明で用いる溶射に要する処理時間は、数１０秒間〜１０数分間程度であって、極めて量産性に優れる。
【００６２】
このようにして形成された圧電体層５の膜厚は、数１０μｍ〜数ｍｍ程度であり、従来の別部品として形成された圧電体層５の厚さと同等程度から１００分の１程度の厚さまでの範囲とすることができる。そのため、従来の圧電アクチュエータに比較して顕著に低い電圧で駆動することができる。
【００６３】
また、圧電体層５がどれほど小型になっても、極めて容易に弾性体３の表面に圧電体層５を形成することが可能になるとともに、従来のように振動吸収層としての接着層が存在しないために弾性体３に対する振動伝搬効率が小型化によって著しく損なわれる可能性も解消され、圧電体層５の小型化に対して十分に対応することができる。
【００６４】
また、溶射により形成した圧電体層５は、電極を付けて配線を行った後にポーリング処理を行うことが極めて容易である。溶射という方法は、従来の方法に比較すると、ポーリング処理が容易な十分に薄い圧電体層５を簡単かつ確実に形成することが可能だからである。したがって、圧電体層５の形成及び配線後に、大気中で低い電圧でポーリング処理を行うことができる。このことにより、圧電体層５への配線に伴う熱処理のため、ポーリングが破壊されることを恐れて配線方法を制限する必要がなくなり、素子の形状や強度，耐久性，生産性等の諸条件を優先させた任意の配線方法を選択した上で、配線の熱処理の後にポーリング処理を行えば良くなった。例えば、配線処理を通常のはんだを用いて十分に高温の状態で行うことが可能になった。
【００６５】
また、溶射により圧電体層５を薄膜状に形成するため、加工歪みを取るための熱処理が可能となり、圧電体層５と弾性体３との接合によって生じた変形を、加工により修正できるようになるため、精度向上の可能性が広がった。
【００６６】
また、ポーリングが劣化し、圧電性能の低下した素子に対して容易に再ポーリングを施すことが可能となり、素子の寿命が極めて長くなるとともに、過酷な条件下での使用等、使用条件の可能性も広がった。
【００６７】
また、蒸着，スパッタリング，ＣＶＤ，ゾルゲル等の薄膜形成技術では、溶射と同様に配線後にポーリング処理を行うことが可能なものの、膜厚が小さ過ぎるためにアクチュエータやセンサ等の電気機械変換効果応用素子への応用が制限されるが、溶射による膜厚は適正値であって、容易に電気機械変換効果応用素子へ適用することができる。
【００６８】
さらに、本発明の実施に際しては、弾性体３の溶射面に対する溶射動作を教示したロボットのアーム先端等に溶射ガンを保持させて、このロボットにより溶射を行わせることにより、曲面のような複雑な形状の溶射面を有する弾性体３に対しても極めて容易かつ確実に圧電体層５を形成することが可能となり、圧電体層５の形状の複雑化に対しても十分に対応することができる。
【００６９】
また、本実施形態では、弾性体３の表面に緩衝層を形成してある。この緩衝層は、ニッケル，クロム，コバルト等の高融点で酸化し難い金属，または白金，レニウム，ロジウム，パラジウム等の融点の高い金属，あるいはそれらの合金により構成される。そのため、高温下で圧電体層５を成膜する場合でも、成膜する面に酸化層が形成され難くなり、圧電体層５が形成され易くなる。また、成膜後の熱処理時において、弾性体３と圧電体層５との間での物質拡散が起こり難くなり、この物質拡散により圧電効果の阻害を防止することができる。
【００７０】
このように緩衝層４を溶射により形成した場合、数１０μｍ以上の厚さを有する層が極めて容易に得られるため、この溶射層４の表面にさらに、高エネルギー条件で圧電体層５を溶射により形成しても、緩衝層４が侵されるおそれが極めて少ない。
【００７１】
また、一つの溶射ガンに対して粉体の供給経路を２系統設け、一方を緩衝層４形成用の金属原料供給路とし、他方を圧電体層５形成用の圧電体原料供給路とすることにより、両供給路を切り換えることにより、緩衝層４及び圧電体層５の形成を同一の溶射装置により行うことができる。これにより、緩衝層４の形成のために、スパッタリング工程やメッキ工程といった余分な工程を設ける必要がなくなり、製造コストの上昇及び生産性の低下をともに防止することができる。
【００７２】
（第２実施形態）
図３は、本発明の第２実施形態の超音波アクチュエータ１０５を示す斜視図である。
【００７３】
本実施形態にかかる超音波アクチュエータ１０５は、ＳＵＳ３０４からなる矩形平板状の弾性体１０１と、この弾性体１０１の一平面上に形成されたＰＺＴからなる圧電体層１０３とを有する。そして、圧電体層１０３に交流電圧を印加することで、弾性体１０３に１次の縦振動と４次の屈曲振動を調和的に発生させることで、弾性体１０３とこの弾性体１０３に加圧接触する移動子（図示せず）との間に相対運動を発生させるものである。
【００７４】
弾性体１０１の一方の平面には、弾性体１０１に圧電体層１０３を形成するためのニッケル合金からなる緩衝層１０２が溶射により成膜される。この緩衝層１０２は下部電極としても機能する。
【００７５】
緩衝層１０２の表面には、ＰＺＴからなる圧電体層１０３がプラズマ溶射により形成される。ニッケル合金からなる緩衝層１０２，ＰＺＴからなる圧電体層１０３それぞれの形成条件は、第１実施形態と同一である。
【００７６】
本実施例では、ＰＺＴからなる圧電体層１０３の溶射による形成に伴って、弾性体１０１に発生する１次の縦振動と４次の屈曲振動との共振周波数の関係にずれが生じる。そこで、両振動モードの周波数を一致させるため、圧電体層１０３の溶射による形成後に弾性体１０１の加工を行った。
【００７７】
さらに、この加工による加工歪みを除去するとともに、圧電体層１０３の完全なペロブスカイト化を図るため、第１実施形態と同様に、６５０℃に５時間保持する熱処理を行った。なお、圧電体層１０３の分極処理は、第１実施形態と同様に、１５０℃，３００Ｖで大気中で１時間行った。
【００７８】
さらに、このようにして溶射により成膜した圧電体層１０３の表面に、白金上部電極１０４ａ，１０４ｂがスパッタリングにより形成される。白金上部電極１０４ａ，１０４ｂは、スパッタリングの際のマスキングにより２分割されて、成膜される。
【００７９】
このようにして形成された白金上部電極１０４ａ，１０４ｂに対して、配線用の銅箔を接合するために、白金上部電極１０４ａ，１０４ｂと銅箔との間にはんだ箔を挟み、加圧した状態でリフロー式はんだ付け炉中で４００℃に加熱保持した。
【００８０】
なお、弾性体１０１の他方の平面であって発生する４次の屈曲振動の腹位置の２カ所には、弾性体１０１の幅方向に突起状に形成された駆動力取出部１０１ａ，１０１ｂが形成されており、図示しない移動子はこの駆動力取出部１０１ａ，１０１ｂの先端面を介して弾性体１０１に加圧接触する。
【００８１】
このように構成された超音波アクチュエータ１０５において、白金上部電極１０４ａに交流電圧Ａ相を、白金上部電極１０４ｂにＡ相と位相が９０°異なる交流電圧Ｂ相を、それぞれ実効電圧±５Ｖで印加した。その結果、弾性体１０１の駆動力取出部１０１ａ，１０１ｂの先端面に楕円運動が発生し、駆動力取出部１０１ａ，１０１ｂの先端面を介して加圧接触する相対運動部材との間で相対運動が発生することが確認された。このことから、本実施形態によれば、溶射により形成された圧電体層１０３が十分な圧電性を有することがわかる。
【００８２】
（第３実施形態）
図４は、本発明の第３実施形態の超音波アクチュエータ２０５の構成を示す斜視図である。
【００８３】
本実施形態は、基本的構成は第２実施形態の超音波アクチュエータ１０５と同一であり、本実施形態では第１実施形態では１００番台を付した図中符号を２００番台に置換することにより、それらの説明は省略する。
【００８４】
第１実施形態の超音波アクチュエータ１０５との相違点は、高温の環境下での使用に対応するため、圧電体層２０３の構成材料として、キューリー温度Ｔｃが４９０℃であって高温環境下においても分極処理の劣化が発生し難いチタン酸鉛（以下ＰＴと略す）を用いた点である。
【００８５】
以下、ＰＴからなる圧電体層２０３の溶射による形成方法について説明する。焼結，粉砕及び造粒によって粒径を５〜４０μｍに調整した、Ｐｂ，Ｔｉのモル比が１：１であるチタン酸鉛（ＰＴ）に、溶射による鉛の揮発分を考慮して過剰のＰｂを酸化物（ＰｂＯ）の形で添加した混合物を原料粉末とした。
【００８６】
弾性体２０１の表面に、第２実施形態と同様にニッケル合金からなる緩衝層２０２を溶射により形成した。この緩衝層２０２の表面に、前述した原料粉末を用いてプラズマ溶射装置により、１００μｍの厚さでＰＴからなる圧電体層２０３を形成した。プラズマジェットガスの作動ガスとしては、アルゴン，（アルゴンと水素の混合ガス）又は（アルゴンとへリウムの混合ガス）を用いた。
【００８７】
また、弾性体２０１に対する原料粉末の付着効率を上げるために、抵抗体ヒータを用いて溶射時の弾性体２０１の表面温度を３００℃以上６５０℃以下にコントロールした。
【００８８】
この後、本実施形態においても、ＰＴからなる圧電体層２０３の形成に伴って、弾性体２０１の１次の縦振動と４次の屈曲振動との共振周波数の関係にずれが生じるため、両振動モードの周波数を一致させるために、ＰＴからなる圧電体層２０３の形成後に弾性体２０１の加工を行った。
【００８９】
さらに、この加工による加工歪みを除去するとともに、ＰＴからなる圧電体層２０３の完全なぺロブスカイト化を図るため、第１実施形態と同様に、６５０℃に５時間加熱保持する熱処理を行った。
【００９０】
なお、圧電体層２０３のポーリング（分極処理）は、２００℃，４５０Ｖで大気中で１時間行った。この超音波アクチュエータ２０５においても、白金上部電極２０４ａに交流電圧Ａ相を印加するとともに、電極２０４ｂに交流電圧Ａ相と位相が９０°異なる交流電圧Ｂ相を実効電圧で±１０Ｖ印加した。その結果、弾性体２０１の駆動力取出部２０１ａ，２０１ｂの先端面に楕円運動が発生し、駆動力取出部２０１ａ，２０１ｂの先端面を介して加圧接触する移動子（図示しない）との間で相対運動を発生することが確認された。このことから、本実施形態の超音波アクチュエータ２０５によれば、溶射により形成された圧電体層２０３が十分な圧電性を有することがわかる。
【００９１】
（第４実施形態）
図５は、第４実施形態の超音波アクチュエータ３０７の説明図であって、図５（ａ）は斜視図，図５（ｂ）は図５（ａ）におけるＡ−Ａ断面図，図５（ｃ）は図５（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図である。
【００９２】
本実施形態の超音波アクチュエータ３０７は、円柱状の弾性体３０１の両端（一端でもよい。）を、弾性体３０１の表面に溶射により形成した圧電素子３０２，３０３により二次元的に加振することにより、振動面が回転しながら進行する進行性振動波を弾性体３０１上に発生させ、これにより弾性体３０１に加圧接触する移動子３０６に直進運動及び回転運動の両方を同時に付与する。
【００９３】
本実施形態における超音波アクチュエータ３０７では、弾性体３０１の両端の周囲に、第１実施形態〜第３実施形態と同様、ニッケル合金からなる緩衝層３０２ａ，３０２ｂが溶射により形成されている。そして、この緩衝層３０２ａ，３０２ｂの表面に、第１実施形態〜第３実施形態と同様にして溶射により圧電体層３０２，３０３が形成されている。
【００９４】
本実施形態の超音波アクチュエータ３０７は、円筒状の弾性体３０１の両端側の外周面に溶射により圧電体層３０２及び３０３が成膜されており、さらにそれらの圧電体層３０２及び３０３は、それぞれ直方体型の固定子３０４及び３０５により保持される。さらに、弾性体３０１には、中空円筒状の移動子３０６の内周面が加圧接触する。
【００９５】
圧電体層３０２及び３０３は、円筒形の弾性体３０１の両端部側３０１ａ，３０１ｂに、溶射によって圧電体層３０２，３０３が形成され、圧電体層３０２，３０３の上には、弾性体３０１の円周方向に４分割された上部銀電極３０２ｃ１，３０２ｃ２，３０２ｃ３，３０２ｃ４及び３０３ｃ１，３０３ｃ２，３０３ｃ３，３０３ｃ４が形成される。
【００９６】
緩衝層３０２ａ，３０３ｂおよび圧電体層３０２，３０３の溶射による形成条件は、第１実施形態と同様である。また、上部銀電極３０２ｃ１〜３０２ｃ４及び３０３ｃ１〜３０３ｃ４の形成は、スクリーン印刷により行った。上部銀電極３０２ｃ１〜３０２ｃ４及び３０３ｃ１〜３０３ｃ４への配線処理は、はんだ付けにより行った。さらに、圧電体層３０２及び３０３の分極処理は、１５０℃，３００Ｖで大気中で１時間行った。
【００９７】
このように構成された超音波アクチュエータ３０７において、一方の圧電素子３０２の上部銀電極３０２ｃ１〜３０２ｃ４に、この順番で隣り合う上部銀電極間の位相差がπ／２になるように実効電圧で±５Ｖの交流電界を印加したところ、圧電素子３０２は首振り運動を行うことが確認された。
【００９８】
このような首振り運動で、しかも圧電素子３０２に発生する首振り運動に対してπ／２の位相差を有する運動を圧電素子３０４に関しても発生させたところ、棒状の弾性体３０１に振動面を回転させながら進行する進行性振動波が発生し、これにより移動子３０６が回転しながら直進することが確認された。
【００９９】
また、本実施形態においても、電極３０２ｃ１，３０２ｃ３及び３０３ｃ１，３０３ｃ３のみに入力電圧を印加した場合、又は上部銀電極３０２ｃ２，３０２ｃ４及び３０３ｃ２，３０３ｃ４にのみ駆動電圧を印加した場合には、弾性体３０１の振動面を回転させないで進行する通常の進行性振動波が発生し、振動子３０６は回転せずに直進運動のみを行うことが確認された。
【０１００】
さらに、圧電素子３０２のみにより弾性体３０１を励振し、圧電素子３０３により進行波を吸収するようにしたところ、同様に、移動子３０６は回転せずに直進運動のみを行うことが確認された。
【０１０１】
なお、本実施形態においては、弾性体３０１上に圧電体層３０２，３０３を形成するための緩衝層であるニッケル合金からなる層は、下部電極として利用されている。
また、緩衝層として、ニッケルからなる層のかわりに白金メッキ層、クロム層またはニクロム層を用いてもよい。
【０１０２】
（第５実施形態）
図６は、第５実施形態の超音波アクチュエータ４０３を示す説明図であって、図６（ａ）及び図６（ｂ）は、いずれも、超音波アクチュエータ４０３の分解斜視図である。
【０１０３】
本実施形態にかかる超音波アクチュエータ４０３は、円環状の弾性体４０１の面内屈曲振動のうちの非軸対称振動を行い、内周にテーパ状に外径が変更される変径部を有する円環型の振動子４０１と、振動子４０１の変径部を介して接触する回転子４０２とを備える。
【０１０４】
ここで、振動子４０１は、円環型の弾性体４０１ａの両面に、前述した第１実施形態〜第４実施形態と同様に形成されたニッケル合金からなる緩衝層４０１ｂ，４０１ｅそれぞれの表面に溶射により形成されたＰＺＴからなる圧電体層４０１ｃ，４０１ｆと、さらにそのそれぞれの表面にスパッタリングにより円周方向に４分割された状態で形成された白金上部電極４０１ｄ１，４０１ｄ２，４０１ｄ３，４０１ｄ４及び４０１ｇ１，４０１ｇ２，４０１ｇ３，４０１ｇ４とから構成される。なお、圧電体層４０１ｃ，４０１ｆの形成条件は、第１実施形態と同様である。
【０１０５】
このようにして形成された白金上部電極４０１ｄ１〜４０１ｄ４及び４０１ｇ１〜４０１ｇ４の分極処理を行った。分極処理の条件は、１５０℃，３００Ｖで大気中で１時間行った。
【０１０６】
ここで、白金上部電極４０１ｄ１〜４０１ｄ４及び４０１ｇ１〜４０１ｇ４の２グループの電極群に、この順番で隣り合う電極間の位相差がπ／２になるように実効電圧で±５Ｖの交流電界を印加した。すると、振動子４０１の内周面及び外周面に面内方向に振動面を有する進行性振動波が発生し、内周面に接触する回転子４０２が回転運動を行うことが確認された。
【０１０７】
なお、本実施形態においては、振動子４０１上に圧電体層４０１ｃ，４０１ｆを形成するための緩衝層であるニッケル合金からなる層は、下部電極として利用されている。
また、緩衝層として、ニッケルからなる層のかわりに白金メッキ層、クロム層またはニクロム層を用いてもよい。
【０１０８】
（第６実施形態）
図７は、第６実施形態のユニモルフ型アクチュエータ５０６を示す斜視図である。
【０１０９】
このユニモルフ型アクチュエータ５０６は、圧電体層５０３の電界印加方向に関する垂直方向の変位を利用する。ユニモルフ型アクチュエータ５０６は、アルミニウムからなる弾性体５０１と、第１実施形態〜第５実施形態と同様に弾性体５０１の表面に形成されたニッケル合金からなる緩衝層５０２と、緩衝層５０２上に溶射により形成されたＰＺＴからなる圧電体層５０３と、圧電体層５０３の表面にスパッタリングにより形成された白金上部電極５０４と、弾性体５０１を支持する支持体５０５とにより構成される。圧電体層５０３の形成条件は、第１実施形態と同様である。
【０１１０】
スパッタリングにより形成された白金上部電極５０４に対して、配線用の銅箔を接合するために、白金上部電極５０４と銅箔との間にはんだ箔を挟み、加圧した状態でリフロー式はんだ付け炉中で４００℃に加熱した。圧電体層５０３のポーリングは、第１実施形態と同様に、１５０℃，３００Ｖで大気中で１時間行った。
【０１１１】
このように構成された本実施形態のユニモルフ型アクチュエータ５０６において、白金上部電極５０４と下部電極である弾性体５０１との間に、駆動電圧を印加したところ、圧電体層５０３の面方向に関する変位により、弾性体５０１の板状の部分が上下に変位することが確認された。
【０１１２】
なお、本実施形態においては、弾性体５０１上に圧電体層５０３を形成するための緩衝層であるニッケル合金からなる層は、下部電極として利用されている。また、緩衝層として、ニッケルからなる層のかわりに白金メッキ層、クロム層またはニクロム層を用いてもよい。
【０１１３】
（第７実施形態）
図８は、第７実施形態のユニモルフ型メカニカルフィルタ用振動子６０６を示す斜視図である。
【０１１４】
本実施形態のユニモルフ型メカニカルフィルタ用振動子６０６は、圧電体層６０３の電界印加方向の垂直方向に関する変位を利用する。ユニモルフ型メカニカルフィルタ用振動子６０６は、弾性体６０１と、第１実施形態〜第６実施形態と同様に弾性体６０１上に形成されたニッケル合金からなる緩衝層６０２と、緩衝層６０２上に溶射により形成されたＰＺＴからなる圧電体層６０３と、圧電体層６０３の表面にスパッタリングにより形成された白金上部電極６０４ａ，６０４ｂとにより構成される。
【０１１５】
圧電体層６０３の形成条件は、第１実施形態と同様である。また、白金上部電極６０４ａ，６０４ｂに対し、配線用の銅箔を接合するため、白金上部電極６０４ａ，６０４ｂと銅箔との間にはんだ箔を挟み、加圧した状態でリフロー式はんだ付け炉中で４００℃に加熱した。圧電体層６０３のポーリングは、第１実施形態と同様に、１５０℃，３００Ｖで大気中で１時間行った。
【０１１６】
ここで、白金上部電極６０４ａ，６０４ｂと下部電極である弾性体６０１との間に交流電界を印加したところ、圧電体層６０３の面方向に関する変位により、弾性体６０１の板状の部分に片持ち梁の共振周波数に等しい周波数の正弦波であった。
【０１１７】
このことから、本実施形態における振動子６０６は、入力信号からある一定の周波数の出力信号のみを取り出すための周波数フィルタとして機能することが確認された。
【０１１８】
なお、本実施形態においては、弾性体６０１上に圧電体層６０３を形成するための緩衝層であるニッケル合金からなる層は、下部電極として利用されている。また、緩衝層として、ニッケルからなる層のかわりに白金メッキ層、クロム層またはニクロム層を用いてもよい。
【０１１９】
（第８実施形態）
図９は、第８実施形態の振動角速度計７０５を示す斜視図である。
図９に示す振動角速度計７０５では、ステンレスからなる直方体振動子７０１の一つの側面に、第１実施形態〜第７実施形態と同様にニッケル合金からなる緩衝層７０２を形成する。この緩衝層７０２の表面に、プラズマ溶射により、ＰＺＴからなる圧電体層７０３を形成する。
【０１２０】
ニッケル−クロム合金からなる振動子７０１自身をグランド電極として用い、ＰＺＴからなる圧電体層７０３上にスパッタリング法により、振動子７０１の軸方向に３分割された電極７０４を形成する。
【０１２１】
中央の電極７０４ｂは駆動用電極であり、両側の電極７０４ａ，７０４ｃは検出用電極である。振動子７０１の軸方向に垂直な断面は、駆動方向とコリオリ力方向との共振周波数を合わせるため、略正方形である。圧電体層７０３の形成条件は、第１実施形態と同様である。また、電極７０４ａ〜７０４ｃに対し、配線用の銅箔を接合するため、電極７０４ａ〜７０４ｃと銅箔との間にはんだ箔を挟み、加圧した状態でリフロー式はんだ付け炉中で４００℃に加熱した。圧電体層７０３のポーリングは、第１実施形態と同様に１５０℃，３００Ｖで大気中で１時間行った。
【０１２２】
図１０（ａ）〜図１０（ｃ）は、いずれも、図９に示した圧電振動角速度計７０６の動作原理を示す説明図である。
図１０（ａ）に示すように、駆動用電極７０４ｂに振動子７０１の共振周波数に近い交流電圧を印加すると、振動子７０１は無拘束条件で振動し、振動の節点７０５を境に、振動子７０１の中央部分と端部とは、反対の向きに速度を有する。
【０１２３】
図１０（ｂ）に示すように、この時、振動子７０１の軸回りに回転が発生すると、速度の方向が反対であるため、振動の接点を境に反対の向きにコリオリ力が発生する。
【０１２４】
図１０（ｃ）に示すように、コリオリ力により、振動子７０１は電極面内方向で屈曲する。外側に配置された二つの検出用電極７０４ａ，７０４ｃには、駆動振動（図１０（ａ）参照）に起因する圧電信号と、コリオリ力による変形（図１０（ｃ）参照）に起因する圧電信号とが同時に発生する。
【０１２５】
このうち、コリオリ力に起因する圧電信号は、二つの電極７０４ａ，７０４ｃ間で略位相が反対となる。これは、例えば図１０（ｃ）に示す変形状態では、電極７０４ａ側には圧縮応力が作用するとともに電極７０４ｃ側には引張応力が作用することにより、二つの電極７０４ａ，７０４ｃ間で常に応力の符号が異なるからである。
【０１２６】
一方、起動に起因する圧電信号は、両電極７０４ａ，７０４ｃ間で略同じであるため、両電極７０４ａ，７０４ｃから差動信号をとれば、略コリオリ力に起因する圧電信号のみを得ることがてきる。
【０１２７】
本実施形態では、振動子７０１の断面を正方形とするとともにコリオリ力方向及び駆動方向それぞれの共振周波数を一致させてあるため、検出用電極７０４ａ，７０４ｃからの出力を帰還すれば、簡単な発振回路で振動子７０１を共振周波数付近で駆動することができ、したがって、コリオリ力に基づく振動も共振状態となり、検出感度が向上する。
【０１２８】
このように二方向の共振周波数を合わせるためには、振動子７０１の形状精度に対する要求は極めて高い。したがって、第２実施形態及び第３実施形態と同様に、本実施形態においても、圧電体層形成後に共振合わせのための加工を行い、さらに、この加工による加工歪みを取るための熱処理を６５０℃で行った。
【０１２９】
なお、本実施形態における振動子７０１では、必ずしも、駆動方向およびコリオリ力方向それぞれの共振周波数が一致している必要はない。例えば、駆動には共振状態てなくとも大きな変位が得られるユニモルフ振動を使い、振動検出だけをコリオリ力方向の共振を用いることも可能である。このためには、コリオリ力方向の共振周波数によって、振動子７０１をユニモルフ駆動させればよい。このような振動子７０１を用いれば、共振合わせ加工の工程を省賂することができる。
【０１３０】
図１１は、図９に示した振動子７０１の無拘束振動条件を実現するための振動子７０１の支持形態例を示したものである。
振動の節点に相当する位置で、シリコーン系接着剤を用いて支持台７０６に固定してある。また、簡便な固定方法として、振動子７０１全体を比較的弾性定数の低い接着剤に埋め込むことも可能である。
【０１３１】
また、本実施形態においては、振動子７０１に圧電体層７０３を形成するための緩衝層であるニッケル合金からなる層７０２は、そのまま下部電極として利用されている。
また、緩衝層として、ニッケルからなる層のかわりに白金メッキ層、クロム層またはニクロム層を用いてもよい。
【０１３２】
（第９実施形態）
図１２は、第９実施形態にかかる超音波アクチュエータ８０５を示す斜視図である。
本実施形態の超音波アクチュエータ８０５は、第２実施形態と同様に、圧電体８０３により弾性体８０１を励振し弾性体８０１の１次の縦振動と４次の屈曲振動とを調和的に発生させることにより、弾性体８０１に加圧接触する移動子（図示しない。）を駆動するものである。
【０１３３】
本実施形態の超音波アクチュエータ８０５では、弾性体８０１の表面には白金メッキ層からなる緩衝層８０２が形成される。緩衝層８０２の表面には、ガスフレーム溶射により、ＰＺＴからなる圧電体層８０３の形成を行った。圧電体層８０３の表面には、白金上部電極８０４ａ，８０４ｂが形成される。
【０１３４】
ガスフレーム溶射法による圧電体層８０３の溶射条件は以下の通りである。
仮焼，粉砕及び造粒により、二次粒子の粒径を５〜４０μｍに調整した、Ｐｂ，Ｚｒ，Ｔｉのモル比が１：０．５２：０．４８のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）に、溶射の際のＰｂ揮発分を考慮して、過剰のＰｂを酸化物（ＰｂＯ）の形で添加したものを原料粉末とした。
【０１３５】
この原料粉末を用いてフレーム溶射装置により、緩衝層８０２の表面に１００μｍの厚さで成膜した。ガスフレーム溶射の燃料ガスとしては、アセチレンガス（プロパンガスでもよい。）を用いた。
【０１３６】
また、弾性体８０１に対する原料粉末の付着効率を上げるため、抵抗体ヒータを用いて弾性体表面の温度を３００℃〜６５０℃の範囲にコントロールした。
本実施形態においても、第２実施形態及び第３実施形態と同様に、圧電体層８０３のガスフレーム溶射による形成に伴って、弾性体８０１の縦振動１次モードと屈曲振動４次モードとの関係にずれが生じるため、両モードの周波数を一致させるため、圧電体層８０３の形成後に弾性体８０１の加工を行った。
【０１３７】
また、この加工による加工歪みを除去するとともに圧電体層８０３の完全なペロブスカイト化を図るため、第１実施形態と同様に、６５０℃で５時間の熱処理を行った。
【０１３８】
さらに、圧電体層８０３の表面における白金上部電極は、スパッタリングにより白金上部電極８０４ａ，８０４ｂに対して配線用の銅箔を接合するために、白金上部電極８０４ａ，８０４ｂと銅箔との間にはんだ箔を挟み、加圧した状態でリフロー式はんだ付け炉中で４００℃の処理を行った。
【０１３９】
このように構成された超音波アクチュエータ８０５において、電極８０４ａに交流電圧Ａ相を、電極８０４ｂにＡ相と位相が９０°異なる交流電圧Ｂ相を実効電圧で±５Ｖそれぞれ印加したところ、弾性体８０１の突起状に形成された駆動力取出部８０１ａ，８０１ｂの先端に楕円運動が発生し、駆動力取出部８０１ａ，８０１ｂを介して加圧接触する相対運動部材である移動子（図示しない。）が駆動されることが確認された。
【０１４０】
なお、本実施形態においては、弾性体８０１上に形成した白金メッキ層からなる緩衝層８０２を下部電極として利用している。また、緩衝層として、白金メッキ層のかわりにニッケルからなる層、クロム層またはニクロム層等を第１実施形態と同様に溶射により形成してもよい。
【０１４１】
（第１０実施形態）
図１３は、第１０実施形態に係る超音波アクチュエータ９０５を示す斜視図である。
【０１４２】
図１３に示す超音波アクチュエータ９０５は、溶射により形成された圧電体層９０３により弾性体９０１を励振し、弾性体９０１の１次の縦振動と４次の屈曲振動とを調和的に発生させて、弾性体９０１に加圧接触する移動子（図示しない。）を駆動するものである。
【０１４３】
本実施形態では、圧電体層９０３としてチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ3 ）系の圧電組成を用いた。チタン酸バリウムは、構成元素であるバリウム及びチタンがともに高融点であるとともに蒸気圧も接近している。そのため、ＰＺＴにおけるＰｂ成分のような一成分の揮発による組成ずれの心配が少なく、組成のコントロールが比較的容易であって溶射条件を決定し易いという特徴がある。本実施形態では、室温付近に存在するチタン酸バリウムの第２変態点を低下させるため、パリウムを１０重量％程度カルシウムに置換した組成を用いた。
【０１４４】
弾性体９０１の表面には、第１実施形態〜第９実施形態と同様にニッケル合金からなる緩衝層９０２が形成されており、この緩衝層９０２の表面にはチタン酸バリウム系圧電体層９０３が形成されており、さらにその表面には白金上部電極９０４ａ，９０４ｂがスパッタリングにより２分割されて成膜される。
【０１４５】
本実施形態においても、第１実施形態と同様に、圧電体層９０３はプラズマ溶射により形成される。チタン酸バリウムからなる圧電体層９０３の溶射による形成の方法について述べる。
【０１４６】
焼結，粉砕及び造粒により、二次粒子の粒径を５〜４０μｍに調整した、Ｂａ，Ｃａ，Ｔｉのモル比が０．９：０．１：１のチタン酸バリウム系組成物を原料粉末とした。
【０１４７】
この原料粉末を用いてプラズマ溶射装置により、緩衝層９０２の表面に１００μｍの厚さでチタン酸バリウム系圧電体層９０３を形成した。溶射の際のプラズマジェットの作動ガスとしては、アルゴン，（アルゴン及び水素）の混合ガス，（アルゴン及びへリウム）の混合ガスを用いた。
【０１４８】
また、弾性体９０１に対する粉末の付着効率を上げるため、抵抗体ヒータを用いて弾性体９０１の表面温度を３００℃〜６５０℃の間でコントロールした。本実施形態においても、圧電体層９０３の形成に伴って弾性体９０１の縦振動１次モードと屈曲振動４次モードとの関係にずれが生じるため、両モードの周波数を一致させるように、圧電体層９０３の形成後に弾性体９０１の加工を行った。
【０１４９】
さらに、この加工による加工歪みを除去するとともにペロブスカイト結晶層の結晶化度を上昇させるため、第１実施形態と同様に、６５０℃に５時間加熱保持する熱処理を行った。さらに、ポーリングは、２００℃，４５０Ｖで大気中で１時間行った。
【０１５０】
本実施形態の超音波アクチュエータ９０５においても、電極９０４ａに交流電圧Ａ相を、電極９０４ｂにＡ相とは位相が９０°異なる交流電圧Ｂ相を、それぞれ実効電圧で±１０Ｖ印加したところ、弾性体９０１の突起状の駆動力取出部９０１ａ，９０１ｂの先端に楕円運動が発生し、駆動力取出部９０１ａ，９０１ｂの先端に楕円運動が発生し、駆動力取出部９０１ａ，９０１ｂを介して加圧接触する移動子（図示しない。）との間で相対運動を発生することが確認された。
【０１５１】
なお、本実施形態においては、弾性体９０１上に圧電体層９０３を形成するための緩衝層であるニッケル合金からなる層は、下部電極として利用されている。また、緩衝層として、ニッケルからなる層のかわりに白金メッキ層、クロム層またはニクロム層を用いてもよい。
【０１５２】
（変形形態）
各実施形態の説明では、振動アクチュエータとして超音波アクチュエータを用いたが、他の振動域の振動を利用した振動アクチュエータについても等しく適用することができる。
【０１５３】
また、各実施形態の説明では、電気機械変換素子として圧電素子を用いたが、例えば電歪素子等の他の電気エネルギーを機械的変位に変換することができるものであれば、等しく適用することができる。
【０１５４】
なお、以上の各実施形態の説明では、溶射後に熱処理を行うことにより圧電体薄膜を完全なペロブスカイト相とするものであるが、溶射ガスのパワーと，成膜時の加熱による弾性体の表面温度との組み合わせによっては、成膜後に熱処理を行わなくともペロブスカイト相の生成が十分に行われており、熱処理を行わずに希望の圧電性能を得ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる電気機械変換効果応用素子を、振動アクチュエータの一例である超音波アクチュエータに適用した第１実施形態を示す分解斜視図である。
【図２】第１実施形態の超音波アクチュエータの構成要素である、上部電極が形成された弾性体を示す平面図である。
【図３】第２実施形態の超音波アクチュエータを示す斜視図である。
【図４】第３実施形態の超音波アクチュエータを示す斜視図である。
【図５】第４実施形態の超音波アクチュエータの説明図であって、図５（ａ）は斜視図，図５（ｂ）は図５（ａ）におけるＡ−Ａ断面図，図５（ｃ）は図５（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図である。
【図６】第５実施形態の超音波アクチュエータを示す説明図であって、図６（ａ）及び図６（ｂ）は、いずれも、超音波アクチュエータの分解斜視図である。
【図７】第６実施形態のユニモルフ型アクチュエータを示す斜視図である。
【図８】第７実施形態のユニモルフ型メカニカルフィルタ用振動子を示す斜視図である。
【図９】第８実施形態の振動角速度計を示す斜視図である。
【図１０】図１０（ａ）〜図１０（ｃ）は、いずれも、第８実施形態の圧電振動角速度計の動作原理を示す説明図である。
【図１１】第８実施形態で用いる振動子の無拘束条件を実現するための振動子の支持形態の一例を示す説明図である。
【図１２】第９実施実施形態の超音波アクチュエータを示す斜視図である。
【図１３】第１０実施形態の超音波アクチュエータを示す斜視図である。
【図１４】成膜温度または熱処理温度の違いに基づく、結晶構造の違いを示すグラフである。
【符号の説明】
１  移動子
２  摺動材
３  弾性体
３ａ  突起部
３ｂ  溝部
５  圧電体層
６  白金上部電極
７  超音波アクチュエータ（電気機械変換効果応用素子）
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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