(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
可撓性を有して相対向する一対の薄板部と、これら薄板部の間にあって両薄板部の基端部分を支持する固定部とを具備し、前記一対の薄板部の先端部分に、前記薄板部の変位動作に伴って変位する可動部を有し、前記一対の薄板部のうち、少なくとも一つの薄板部に１以上の圧電／電歪素子が配置された圧電／電歪デバイスであって、
前記薄板部と可動部との連結際、及び／又は前記薄板部と固定部との連結際に、前記薄板部に沿った空隙部を形成し、その空隙部に充填物を配置することを特徴とする圧電／電歪デバイス。
【請求項２】
請求項１記載の充填物が、前記薄板部と前記可動部及び／又は、前記薄板部と前記固定部との面で接着作用を有していることを特徴とする圧電／電歪デバイス。
【請求項３】
請求項１又は２記載の充填物が、粘弾性の性質を有することを特徴とする圧電／電歪デバイス。
【請求項４】
請求項１に記載の圧電／電歪デバイスの製造方法であって、
薄板部となる一対の第１のセラミックグリーンシートと、空隙部となる第１の窓部を有する複数の第２のセラミックグリーンシートと、前記薄板部間の空間となり、前記第１の窓部よりも長さが短い第２の窓部を有する複数の第３のセラミックグリーンシートとを準備する工程と、
両端に夫々配置した前記第１のセラミックグリーンシートの内側に、前記第２のセラミックグリーンシートを、その第２のセラミックグリーンシートの内側に、前記第３のセラミックグリーンシートを夫々配置して、前記一対の第１のセラミックグリーンシートの間に前記第２、第３のセラミックグリーンシートを挟んだ積層体を作製する工程と、
前記積層体を焼成する工程と、
前記積層体の焼成前又は焼成後に前記第１のセラミックグリーンシートの表面に圧電／電歪素子を形成する工程と、
前記焼成後の積層体を、前記第１、第２の窓部の幅方向の両端と、長さ方向の少なくとも一端とを、前記セラミックグリーンシートの積層方向と平行な面で切断して、前記圧電／電歪デバイスを切り出す工程と、
前記圧電／電歪デバイスの前記第１の窓部によって形成される空隙部に充填物を充填する工程と
を含むことを特徴とする圧電／電歪デバイスの製造方法。
【請求項５】
請求項１に記載の圧電／電歪デバイスの製造方法であって、
薄板部となる一対の第１のセラミックグリーンシートと、高融点金属を含むシートと、空隙部となる窓部を有する複数の第２のセラミックグリーンシートとを準備する工程と、
両端に夫々配置した前記第１のセラミックグリーンシートの内側に、高融点金属を含むシートを、その高融点金属を含むシートの内側に、前記第２のセラミックグリーンシートを夫々配置して、前記一対の第１のセラミックグリーンシートの間に前記高融点金属を含むシートと第２のセラミックグリーンシートとを挟んだ積層体を作製する工程と、
前記積層体を焼成する工程と、
前記積層体の焼成前又は焼成後に前記第１のセラミックグリーンシートの表面に圧電／電歪素子を形成する工程と、
前記焼成後の積層体を、前記窓部の幅方向の両端と、長さ方向の少なくとも一端とを、前記セラミックグリーンシートの積層方向と平行な面で切断して、前記圧電／電歪デバイスを切り出す工程と、
を含むことを特徴とする圧電／電歪デバイスの製造方法。
【請求項６】
請求項５記載の高融点金属を含むシートが、印刷成形法で形成されていることを特徴とする圧電／電歪デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電／電歪素子の変位動作に基づいて作動する可動部を備えた圧電／電歪デバイス、もしくは可動部の変位を圧電／電歪素子により検出できる圧電／電歪デバイス及びその製造方法に関し、詳しくは、強度、耐衝撃性、耐湿性に優れ、効率よく可動部を大きく作動させることができる圧電／電歪デバイス及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近時、光学や磁気記録、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の開発が進められている。
【０００３】
従来、このような変位素子としては、例えば特開平１０−１３６６６５号公報のように圧電／電歪材料からなる材料を板状体に孔部を設けることにより、固定部と可動部とこれらを支持する梁部とを一体に形成し、更に、梁部に電極層を設けた圧電アクチュエータが開示されている。この圧電アクチュエータにおいては、電極層に電圧を印加すると、逆圧電効果や電歪効果により、梁部が固定部と可動部とを結ぶ方向に伸縮するため、可動部を板状体の面内において弧状変位又は回転変位させることが可能である。
【０００４】
また、特開昭６３−６４６４０号公報には、バイモルフを用いたアクチュエータに関して、そのバイモルフの電極を分割して設け、分割された電極を選択して駆動することにより、高精度な位置決めを高速に行う技術が開示され、この公報（特に第４図）には、例えば２枚のバイモルフを対向させて使用する構造が示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これら従来のアクチュエータは、すべての部分を脆弱で比較的重い材料によって構成しているため、機械的強度が低く、ハンドリング性、耐衝撃性に劣る問題点があった。
また、これらのアクチュエータの機械的強度を改良する場合、振動しやすい部分の強度を向上させる事が従来から行われる。そして、これを達成するため、振動部の剛性を高める方向の改良を行う事となり、アクチュエータ自体の共振特性・変位等の基本特性に影響を与え、その調整が困難になる問題点があった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、先に本発明者が出願した特願平１１−１１４６６９号、特願平１１−２５９００６号、特願平１１−２５９００７号に記載した、力センサの耐衝撃性を改良する事に基づいて、想到したものである。更に、米国出願０９／５０１１６２号に記載した、圧電体を利用した力センサについて、支台の下面に形成した細溝に粘弾性体を配置することで、作用体に加わる外的衝撃を吸収しやすくなり、もって振動板の耐衝撃性を改善できることを背景に達成したものである。
【０００７】
そこで、デバイス自体の基本特性への影響を小さくしながら耐衝撃性を向上させるために、請求項１に係る発明は、可撓性を有して相対向する一対の薄板部と、これら薄板部の間にあって両薄板部の基端部分を支持する固定部とを具備し、前記一対の薄板部の先端部分に、前記薄板部の変位動作に伴って変位する可動部を有し、前記一対の薄板部のうち、少なくとも一つの薄板部に１以上の圧電／電歪素子が配置された圧電／電歪デバイスであって、前記薄板部と可動部との連結際、及び／又は前記薄板部と固定部との連結際に、前記薄板部に沿った空隙部を形成し、その空隙部に充填物を配置することを特徴とする圧電／電歪デバイスである。これにより、大きな外的衝撃により薄板部が大きな変位を起こしても、薄板部と可動部又は薄板部と固定部の接合した境界線付近に生じた応力が空隙部の充填物に分散され、従来は応力集中により発生した破損が無くなり薄板部の耐衝撃性が向上した。
ここで、圧電／電歪デバイスは、圧電／電歪素子により電気的エネルギと機械的エネルギとを相互に変換する素子を包含する概念である。従って、各種アクチュエータや振動子等の能動素子、特に、逆電圧効果や電歪効果による変位を利用した変位素子として最も好適に用いられるほか、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も好適に使用され得る。
【０００８】
また、充填物の材料は、接着剤等の有機樹脂、ガラス、有機樹脂とセラミックスの混合物、金属、金属とセラミックスの混合物等でよい。また、充填物は多孔質であっても緻密質であっても良く、充填物が固いほど多孔質化していることが好ましく、柔軟度が高いほど緻密化していることが好ましい。また、充填物層は、薄板部と可動部及び固定部と接着していてそれ自体にバネ性又は可撓性を持っていることが好ましい。更に、充填物は、粘弾性体であることが望ましく、粘弾性の性質によって外的衝撃を有効に吸収するからである。
充填物を配置する空隙部の形状は、直方形状の他、薄板部に対向する、可動部又は固定部の内面は、階段状又は傾斜状であっても良い。デバイスをグリーンシートにより積層して製造する場合、空隙部を単層又は多層のどちらで形成しても良い。単層の間隔で構成する場合の大きさは、間隔厚さは０．０１〜０．３ｍｍ、間隔深さは０．０３〜１ｍｍとされ、更に（間隔厚さ）／（間隔深さ）は０．０１以上１０以下が好ましく、更に０．１以上３以下が好適である。一方、多層の場合、薄板部の長手方向に従って間隙の厚みを向上させることが好ましい。
ここで、空隙部の間隔厚さとは、間隔の最小部の長さを指すものであり、必ずしも全面にわたり均一な間隔である必要はなく、入口部あるいは底部の間隔が大きくても構わない。
【０００９】
また、上記デバイスの製造方法は、薄板部となる一対の第１のセラミックグリーンシートと、空隙部となる第１の窓部を有する複数の第２のセラミックグリーンシートと、前記薄板部間の空間となり、前記第１の窓部よりも長さが短い第２の窓部を有する複数の第３のセラミックグリーンシートとを準備する工程と、両端に夫々配置した前記第１のセラミックグリーンシートの内側に、前記第２のセラミックグリーンシートを、その第２のセラミックグリーンシートの内側に、前記第３のセラミックグリーンシートを夫々配置して、前記一対の第１のセラミックグリーンシートの間に前記第２、第３のセラミックグリーンシートを挟んだ積層体を作製する工程と、前記積層体を焼成する工程と、前記積層体の焼成前又は焼成後に前記第１のセラミックグリーンシートの表面に圧電／電歪素子を形成する工程と、前記焼成後の積層体を、前記第１、第２の窓部の幅方向の両端と、長さ方向の少なくとも一端とを、前記セラミックグリーンシートの積層方向と平行な面で切断して、前記圧電／電歪デバイスを切り出す工程と、前記圧電／電歪デバイスの前記第１の窓部によって形成される空隙部に充填物を充填する工程とを含むことを特徴とする圧電／電歪デバイスの製造方法が好ましい。
また、薄板部となる一対の第１のセラミックグリーンシートと、高融点金属を含むシートと、空隙部となる窓部を有する複数の第２のセラミックグリーンシートとを準備する工程と、両端に夫々配置した前記第１のセラミックグリーンシートの内側に、高融点金属を含むシートを、その高融点金属を含むシートの内側に、前記第２のセラミックグリーンシートを夫々配置して、前記一対の第１のセラミックグリーンシートの間に前記高融点金属を含むシートと第２のセラミックグリーンシートとを挟んだ積層体を作製する工程と、前記積層体を焼成する工程と、前記積層体の焼成前又は焼成後に前記第１のセラミックグリーンシートの表面に圧電／電歪素子を形成する工程と、前記焼成後の積層体を、前記窓部の幅方向の両端と、長さ方向の少なくとも一端とを、前記セラミックグリーンシートの積層方向と平行な面で切断して、前記圧電／電歪デバイスを切り出す工程と、を含むことを特徴とする圧電／電歪デバイスの製造方法も好ましい。
更に、前記高融点金属を含むシートが、印刷成形法で形成されていることが好ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る圧電／電歪デバイスを実施する形態を詳細に説明する。
図１は、圧電／電歪デバイス１０の斜視図である。圧電／電歪デバイス１０は、相対向する一対の薄板部１２ａ及び１２ｂを支持する固定部１４とが一体に形成された基体１６を具備し、一対の薄板部１２ａ及び１２ｂの各一部にそれぞれ圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂが形成されて構成されている。
そして、この圧電／電歪デバイス１０は、前記圧電／電歪素子１８ａ及び／又は１８ｂの駆動によって一対の薄板部１２ａ及び１２ｂが変位し、あるいは薄板部１２ａ及び１２ｂの変位を圧電／電歪素子１８ａ及び／又は１８ｂにより検出する構成を有する。
また、一対の薄板部１２ａ及び１２ｂは、各先端部分が内方に向かって肉厚とされ、該肉厚部は、薄板部１２ａ及び１２ｂの変位動作に伴って変位する可動部２０ａ及び２０ｂとして機能することになる。以下、一対の薄板部１２ａ及び１２ｂの先端部分を可動部２０ａ及び２０ｂと記す。
【００１１】
薄板部１２ａ及び１２ｂの先端部分と可動部２０ａ及び２０ｂを接合した境界部には、薄板部１２ａ及び１２ｂの長手方向に沿って空隙部２０ｃ及び２０ｄが形成され、その空隙部には充填物が設けられている。同様に、薄板部１２ａ及び１２ｂの基端部分と固定部１４を接合した境界部には、薄板部１２ａ及び１２ｂの長手方向に沿って空隙部１４ａ及び１４ｂが形成され、これらの空隙部には充填物が設けられている。
【００１２】
なお、前記基体１６については、全体をセラミックスを用いて構成されたもののほか、セラミックスと金属の材料で製造されたものを組み合わせたハイブリッド構造としてもよい。
【００１３】
また、基体１６は、各部を有機樹脂、ガラス等の接着剤で接着してなる構造、セラミックグリーン積層体を焼成により一体化してなるセラミック一体構造、ロウ付け、半田付け、共晶接合もしくは溶接等で一体化した金属一体構造等の構成を採用することができ、好ましくはセラミックグリーン積層体を焼成により一体化したセラミック積層体で基体１６を構成することが望ましい。
【００１４】
このうちセラミックスの一体化物は、各部の接合部に接着剤が介在しないことから、経時的な状態変化がほとんど生じないため、接合部位の信頼性が高く、かつ、剛性確保に有利な構造であることに加え、後述するセラミックグリーンシート積層法により、容易に製造することが可能である。
【００１５】
そして、圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂは、後述のとおり別体として圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂを準備して、基体１６に有機樹脂、ガラス等の接着剤や、ロウ付け、半田付け、共晶接合等で貼り付けられるほか、膜形成法を用いることにより、前記貼り付けではなく直接基体１６に形成されることとなる。
【００１６】
圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂは、圧電／電歪層２２と、該圧電／電歪層２２の両側に形成された一対の電極２４及び２６とを有して構成され、該一対の電極２４及び２６のうち、一方の電極２４が少なくとも一対の薄板部１２ａ及び１２ｂに形成されている。
【００１７】
本実施の形態では、圧電／電歪層２２並びに一対の電極２４及び２６をそれぞれ多層構造とし、一方の電極２４と他方の電極２６を断面ほぼ櫛歯状となるようにそれぞれ互い違いに積層し、これら一方の電極２４と他方の電極２６が圧電／電歪層２２を間に挟んで重なる部分が多段構成とされた圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂとした場合を主体に説明するが、多層構造に限らず単層構造であってもよい。この場合、多層の数は特に限定しないが、１０層以下が好ましく、更に好ましくは５層以下である。更に、圧電／電歪素子１８ａあるいは１８ｂのどちらか一方のみとすることも可能であり、多数の数を異ならせてもよい。
【００１８】
図１では、圧電／電歪層２２を３層構造とし、一方の電極２４が１層目の下面（薄板部１２ａ及び１２ｂの側面）と２層目の上面に位置するように櫛歯状に形成し、他方の電極２６が１層目の上面と３層目の上面に位置するように櫛歯状に形成した例を示している。この構成の場合、一方の電極２４同士並びに他方の電極２６同士をそれぞれつなぎ共通化することで、端子２８及び３０の数を減らすことができるため、圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂの多層化に伴うサイズの大型化を抑えることができる。
【００１９】
なお、一対の電極２４及び２６への電圧の印加は、各電極２４及び２６のうち、それぞれ固定部１４の両側面（素子形成面）上に形成された端子（パッド）２８及び３０を通じて行われるようになっている。各端子２８及び３０の位置は、一方の電極２４に対応する端子２８が固定部１４の後端寄りに形成され、外部空間側の他方の電極２６に対応する端子３０が固定部１４の内壁寄りに形成されている。
【００２０】
この場合、圧電／電歪デバイス１０の固定を、端子２８及び３０が配置された面とは別の面を利用してそれぞれ別個に行うことができ、結果として、圧電／電歪デバイス１０の固定と、回路と端子２８及び３０間の電気的接続の双方に高い信頼性を得ることができる。この構成においては、フレキシブルプリント回路（ＦＰＣとも称される）、フレキシブルフラットケーブル（ＦＦＣとも称される）、ワイヤボンディング等によって端子２８及び３０と回路との電気的接続が行われる。
【００２１】
このように多層構造の圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂを用いることにより、アクチュエータ部１９ａ及び１９ｂの駆動力が増大し、もって大変位が図られると共に、圧電／電歪デバイス１０自体の剛性が増すことで、高共振周波数化が図られ、変位動作の高速化が容易に達成できる。
【００２２】
なお、段数を多くすれば、アクチュエータ部１９ａ及び１９ｂの駆動力の増大は図られるが、それに伴い消費電力も増えるため、実施する場合には、用途、使用状態に応じて適宜段数等を決めればよい。また、この実施の形態に係る圧電／電歪デバイス１０では、圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂを用いることによって、アクチュエータ部１９ａ及び１９ｂの駆動力を上げても、基本的に薄板部１２ａ及び１２ｂの幅（Ｙ軸方向の距離）は不変であるため、例えば非常に狭い間隙において使用されるハードディスク用磁気ヘッドの位置決め、リンギング制御等のアクチュエータに適用する上で非常に好ましいデバイスとなる。
【００２３】
次に、圧電／電歪デバイス１０の動作について図２で説明する。
まず、２つの圧電／電歪素子１８ａ及びは１８ｂが自然状態、即ち、圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂが共に変位動作を行っていない場合は、圧電／電歪デバイス１０の長軸ｍと固定部１４の中心軸とがほぼ一致している。
【００２４】
この状態から、一方の圧電／電歪素子１８ａにおける一対の電極２４及び２６に所定のバイアス電位Ｖｂを有するサイン波Ｗａをかけ、他方の圧電／電歪素子１８ｂにおける一対の電極２４及び２６に前記サイン波Ｗａとはほぼ１８０°位相の異なるサイン波Ｗｂをかける。
【００２５】
そして、一方の圧電／電歪素子１８ａにおける一対の電極２４及び２６に対して例えば最大値の電圧が印加された段階においては、一方の圧電／電歪素子１８ａにおける圧電／電歪層２２はその主面方向に収縮変位する。これにより、例えば図２に示すように、一方の薄板部１２ａに対し、矢印Ａに示すように、該薄板部１２ａを例えば右方向に撓ませる方向の応力が発生することから、該一方の薄板部１２ａは、右方向に撓み、このとき、他方の圧電／電歪素子１８ｂにおける一対の電極２４及び２６には、電圧は印加されていない状態となるため、他方の薄板部１２ｂは一方の薄板部１２ａの撓みに追従して右方向に撓む。その結果、可動部２０ａ及び２０ｂ並びにスペーサ部材３７は、圧電／電歪デバイス１０ｂの長軸ｍに対して例えば右方向に変位する。なお、変位量は、各圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂに印加される電圧の最大値に応じて変化し、例えば最大値が大きくなるほど変位量も大きくなる。
【００２６】
特に、圧電／電歪層２２の構成材料として、高い抗電界を有する圧電／電歪材料を適用した場合には、前述のサイン波Ｗａ・Ｗｂの最小値のレベルが僅かに負のレベルとなるように、前記バイアス電位を調整するようにしてもよい。この場合、該負のレベルが印加されている圧電／電歪素子（例えば他方の圧電／電歪素子１８ｂ）の駆動によって、例えば他方の薄板部１２ｂに一方の薄板部１２ａの撓み方向と同じ方向の応力が発生し、可動部２０ａ及び２０ｂ並びにスペーサ部材３７の変位量をより大きくすることが可能となる。つまり、前述したような波形を使用することで、負のレベルが印加されている圧電／電歪素子１８ｂ又は１８ａが、変位動作の主体となっている圧電／電歪素子１８ａ又は１８ｂをサポートとするという機能を持たせることができる。
【００２７】
このように、本実施の形態に係る圧電／電歪デバイス１０においては、圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂの微小な変位が薄板部１２ａ及び１２ｂの撓みを利用して大きな変位動作に増幅されて、可動部２０ａ及び２０ｂに伝達することになるため、可動部２０ａ及び２０ｂを、圧電／電歪デバイス１０ｂの長軸ｍに対して大きく変位させることが可能となる。
【００２８】
特に、この実施の形態では、可動部２０ａ及び２０ｂに互いに対向する取付面３４ａ及び３４ｂを設け、取付面３４ａ及び３４ｂ間の距離Ｌｃを可動部２０ａ及び２０ｂの長さＤｆの約１．５倍に設定し、かつ、１つの大きなスペーサ部材３７を接着剤３８を介して取付面３４ａ及び３４ｂ間に接着させるようにしている。この場合、互いに対向する取付面３４ａ及び３４ｂの間を空隙にしたり、前記互いに対向する取付面３４ａ及び３４ｂの間に可動部２０ａ及び２０ｂの構成部材よりも軽いスペーサ部材３７を介在させることで、可動部２０ａ及び２０ｂの軽量化を有効に図ることができ、可動部２０ａ及び２０ｂ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。
【００２９】
ここで、周波数とは、一対の電極２４及び２６に印加する電圧を交番的に切り換えて、可動部２０ａ及び２０ｂを左右に変位させたときの電圧波形の周波数を示し、共振周波数とは、可動部２０ａ及び２０ｂの変位動作が所定の振動モードで追従できる最大の周波数を示す。
【００３０】
また、この実施の形態に係る圧電／電歪デバイス１０においては、可動部２０ａ及び２０ｂ、薄板部１２ａ及び１２ｂ並びに固定部１４が一体化されており、すべての部分を脆弱で比較的重い材料である圧電／電歪材料によって構成する必要がないため、機械的強度が高く、ハンドリング性、耐衝撃性、耐湿性に優れ、動作上、有害な振動（例えば、高速作動時の残留振動やノイズ振動）の影響を受け難いという利点を有する。
【００３１】
更に、この実施の形態においては、互いに対向する取付面３４ａ及び３４ｂの間を空隙とした場合、一方の取付面３４ａを含む可動部２０ａと、他方の取付面３４ｂを含む可動部２０ｂとが撓みやすくなり、変形に強くなる。そのため、圧電／電歪デバイス１０のハンドリング性に優れることとなる。
【００３２】
また、前記互いに対向する取付面３４ａ及び３４ｂの存在により、可動部２０ａ及び２０ｂの表面積が大きくなる。従って、可動部２０ａ及び２０ｂに他の部品を取り付ける場合に、その取付面積を大きくとることができ、部品の取付性を向上させることができる。ここで、部品を例えば接着剤等によって固着する場合を考えると、物品は、可動部２０ａ及び２０ｂの主面（前面及び／又は背面）だけでなく、互いに対向する取付面３４ａ及び３４ｂを通じて接着されることになり、部品を確実に固着することができる。
【００３３】
また、この実施の形態においては、圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂを、圧電／電歪層２２と、該圧電／電歪層２２の両側に形成された一対の電極２４及び２６とを有して構成し、一対の電極２４及び２６のうち、一方の電極２４を少なくとも薄板部１２ａ及び１２ｂの側面に直接形成するようにしたので、圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂによる振動を薄板部１２ａ及び１２ｂを通じて効率よく可動部２０ａ及び２０ｂに伝達することができ、応答性の向上を図ることができる。
【００３４】
また、この実施の形態においては、例えば図１に示すように、一対の電極２４及び２６が圧電／電歪層２２を間に挟んで重なる部分（実質的駆動部分４０）を固定部１４の一部から薄板部１２ａ及び１２ｂの一部にかけて連続的に形成するようにしている。実質的駆動部分４０を更に可動部２０ａ及び２０ｂの一部にかけて形成した場合、可動部２０ａ及び２０ｂの変位動作が前記実質的駆動部分４０の変形と薄板部１２ａ及び１２ｂの変形とが相反し、大きな変位を得ることができなくなるおそれがあるが、この実施の形態では、前記実質的駆動部分４０を可動部２０ａ及び２０ｂと固定部１４の両方にかけないように形成しているため、可動部２０ａ及び２０ｂの変位動作が制限されるという不都合が回避され、可動部２０ａ及び２０ｂの変位量を大きくすることができる。
【００３５】
逆に、可動部２０ａ及び２０ｂの一部に圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂを形成する場合は、前記実質的駆動部分４０が可動部２０ａ及び２０ｂの一部から薄板部１２ａ及び１２ｂの一部にかけて位置させるように形成することが好ましい。これは、実質的駆動部分４０が固定部１４の一部にまでわたって形成されると、上述したように、可動部２０ａ及び２０ｂの変位動作が制限されるからである。
【００３６】
上述の例では、可動部２０ａ及び２０ｂに取付面３４ａ及び３４ｂを設け、その間にスペーサ部材３７を接着した例を示したが、その他、固定部１４に端面３４ａ及び３４ｂを設けるようにしてもよい。この場合、例えば一対の薄板部１２ａ及び１２ｂの先端部分に設けられる可動部２０ａ及び２０ｂは一体に連結された形状を有し、固定部１４に互いに対向する端面３４ａ及び３４ｂが設けられることとなる。
【００３７】
これにより、前述した可動部２０ａ及び２０ｂに互いに対向する取付面３４ａ及び３４ｂを有する場合の効果に加え、圧電／電歪デバイス１０ｃを所定の固定部分に強固に固定することが可能となり、信頼性の向上を図ることができる。実質的駆動部分４０の長さは、薄板部１２ａ及び１２ｂの長さの２０％〜９５％とすることが好ましく、４０％〜８０％とすることが更に好ましい。
【００３８】
ここで、空隙部の形状が直方形状である場合の充填物の形状は、図３のような実施形態がある。図１では直方体形状の空隙部の開口部まで充填できるのに対し、図３（ａ）は充填物が空隙部の中程まで充填され、開口部付近は開放されているもので、空隙部に所定量の充填物が充填される。充填物の端面形状を一定に揃える効果がある。なお、空隙部の底部に、充填物が充填されない空洞部が形成されても応力分散力には影響は少ない。
逆に、図３（ｂ）は、充填物が空隙部の開口部より外側まで配置されたものであり、充填物の付着力が弱い場合に、付着面積を大きくし全体の付着力を大きくすることができる。特に、充填物の外面はＲ形状とする事により定着性を高め端部からの剥離を防止できる。
また、図３（ｃ）のように成形された形状で充填物を配置しても良い。この場合、充填物の物性に加え、薄板部と固定部又は可動部との間の角部の形状が、段付き形状、換言すれば、角部のコーナ取り構造に類するものとなり形状効果が加わって、薄板部の根元部での応力集中がより低減できる効果がある。
【００３９】
次に、本実施の形態に係る圧電／電歪デバイス１０の好ましい構成例について説明する。
【００４０】
まず、可動部２０ａ及び２０ｂの変位動作を確実なものとするために、圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂの実質的駆動部分４０が固定部１４もしくは可動部２０ａ及び２０ｂにかかる距離Ｄｇを薄板部１２ａ及び１２ｂの厚みＤｄの１／２以上とすることが好ましい。
【００４１】
そして、薄板部１２ａ及び１２ｂの内壁間の距離（Ｘ軸方向の距離）Ｄａと薄板部１２ａ及び１２ｂの幅（Ｙ軸方向の距離）Ｄｂとの比Ｄａ／Ｄｂが０．５〜２０となるように構成する。前記比Ｄａ／Ｄｂは、好ましくは１〜１５とされ、更に好ましくは１〜１０とされる。この比Ｄａ／Ｄｂの規定値は、可動部２０ａ及び２０ｂの変位量を大きくし、Ｘ−Ｚ平面内での変位を支配的に得られることの発見に基づく規定である。
【００４２】
一方、薄板部１２ａ及び１２ｂの長さ（Ｚ軸方向の距離）Ｄｅと薄板部１２ａ及び１２ｂの内壁間の距離Ｄａとの比Ｄｅ／Ｄａにおいては、好ましくは０．５〜１０とされ、更に好ましくは０．５〜５とすることが望ましい。この比Ｄｅ／Ｄａの規定値は、スペーサ部材３７が介在された可動部２０ａ及び２０ｂの変位量を大きくでき、かつ、高い共振周波数で変位動作を行うことができる（高い応答速度を達成できる）という発見に基づく規定である。
【００４３】
従って、この実施の形態に係る圧電／電歪デバイス１０をＹ軸方向への煽り変位、あるいは振動を抑制し、かつ、高速応答性に優れ、相対的に低電圧で大きな変位を併せ持つ構造とするには、比Ｄａ／Ｄｂを０．５〜２０とし、かつ、比Ｄｅ／Ｄａを０．５〜１０にすることが好ましく、更に好ましくは比Ｄａ／Ｄｂを１〜１０とし、かつ、比Ｄｅ／Ｄａを０．５〜５にすることである。
【００４４】
更に、例えば圧電／電歪デバイス１０においては、一対の薄板部１２ａ及び１２ｂの両内壁と可動部２０ａ及び２０ｂの内壁とスペーサ部材３７の内壁（及び接着剤３８の内壁）と固定部１４の内壁とにより孔部４２が形成されることになるが、この孔部４２にゲル状の材料、例えばシリコンゲルを充填することが好ましい。通常は、充填材の存在によって、可動部２０ａ及び２０ｂの変位動作が制限を受けることになるが、この実施の形態では、可動部２０ａ及び２０ｂへの端面３４ａ及び３４ｂの形成に伴う軽量化や可動部２０ａ及び２０ｂの変位量の増大化を図るようにしているため、前記充填材による可動部２０ａ及び２０ｂの変位動作の制限が打ち消され、充填材の存在による効果、即ち、高共振周波数化や剛性の確保を実現させることができる。
【００４５】
また、可動部２０ａ及び２０ｂの長さ（Ｚ軸方向の距離）Ｄｆは、短いことが好ましい。短くすることで軽量化と共振周波数の増大が図られるからである。更に、物品を挟持する際、変位を向上させることができる。しかしながら、可動部２０ａ及び２０ｂのＸ軸方向の剛性を確保し、その変位を確実なものとするためには、薄板部１２ａ及び１２ｂの厚みＤｄとの比Ｄｆ／Ｄｄを２以上、好ましくは５以上とすることが望ましい。
【００４６】
なお、各部の実寸法は、可動部２０ａ及び２０ｂへの部品の取り付けのための接合面積、固定部１４を他の部材に取り付けるための接合面積、電極用端子などの取り付けのための接合面積、圧電／電歪デバイス１０全体の強度、耐久度、必要な変位量並びに共振周波数、そして、駆動電圧等を考慮して定められることになる。
【００４７】
具体的には、例えば薄板部１２ａ及び１２ｂの内壁間の距離Ｄａは、１００μｍ〜２０００μｍが好ましく、更に好ましくは２００μｍ〜１６００μｍである。薄板部１２ａ及び１２ｂの幅Ｄｂは、５０μｍ〜２０００μｍが好ましく、更に好ましくは１００μｍ〜５００μｍである。薄板部１２ａ及び１２ｂの厚みＤｄは、Ｙ軸方向への変位成分である煽り変位が効果的に抑制できるように、薄板部１２ａ及び１２ｂの幅Ｄｂとの関係においてＤｂ＞Ｄｄとされ、かつ、２μｍ〜１００μｍが好ましく、更に好ましくは１０μｍ〜８０μｍである。
【００４８】
薄板部１２ａ及び１２ｂの長さＤｅは、２００μｍ〜３０００μｍが好ましく、更に好ましくは３００μｍ〜２０００μｍである。可動部２０ａ及び２０ｂの長さＤｆは、５０μｍ〜２０００μｍが好ましく、更に好ましくは１００μｍ〜１０００μｍであり、より好ましくは２００μｍ〜６００μｍである。
【００４９】
このような構成にすることにより、Ｘ軸方向の変位に対してＹ軸方向の変位が１０％を超えないが、上述の寸法比率と実寸法の範囲で適宜調整を行うことで低電圧駆動が可能で、Ｙ軸方向への変位成分を５％以下に抑制できるというきわめて優れた効果を示す。つまり、可動部２０ａ及び２０ｂは、実質的にＸ軸方向という１軸方向に変位することになり、しかも、高速応答性に優れ、相対的に低電圧で大きな変位を得ることができる。
【００５０】
また、この圧電／電歪デバイス１０においては、デバイスの形状が従来のような板状（変位方向に直交する方向の厚みが小さい）ではなく、可動部２０ａ及び２０ｂと固定部１４が直方体の形状（変位方向に直交する方向の厚みが大きい）を呈しており、可動部２０ａ及び２０ｂと固定部１４の側面が連続するように一対の薄板部１２ａ及び１２ｂが設けられているため、圧電／電歪デバイス１０のＹ軸方向の剛性を選択的に高くすることができる。
【００５１】
即ち、この寸法構成を採用する圧電／電歪デバイス１０では、平面内（ＸＺ平面内）における可動部２０ａ及び２０ｂの動作のみを選択的に発生させることができ、可動部２０ａ及び２０ｂのＹＺ面内の動作（いわゆる煽り方向の動作）を抑制することができる。
【００５２】
次に、この実施の形態に係る圧電／電歪デバイス１０の各構成要素について説明する。
【００５３】
可動部２０ａ及び２０ｂは、上述したように、薄板部１２ａ及び１２ｂの駆動量に基づいて作動する部分であり、圧電／電歪デバイス１０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１０を変位素子として使用する場合であれば、光シャッタの遮蔽板等が取り付けられ、特に、ハードディスクドライブの磁気ヘッドの位置決めやリンギング抑制機構に使用するのであれば、磁気ヘッド、磁気ヘッドを有するスライダ、スライダを有するサスペンション等の位置決めを必要とする部材が取り付けられる。
【００５４】
固定部１４は、上述したように、薄板部１２ａ及び１２ｂ並びに可動部２０ａ及び２０ｂを支持する部分であり、例えば前記ハードディスクドライブの磁気ヘッドの位置決めに利用する場合には、ＶＣＭ（ボイスコイルモータ）に取り付けられたキャリッジアーム、該キャリッジアームに取り付けられた固定プレート又はサスペンション等に固定部１４を支持固定することにより、圧電／電歪デバイス１０の全体が固定される。また、この固定部１４には、圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂを駆動するための端子２８及び３０その他の部材が配置される場合もある。
【００５５】
可動部２０ａ及び２０ｂ並びに固定部１４を構成する材料としては、剛性を有する限りにおいて特に限定されないが、後述するセラミックグリーンシート積層法を適用できるセラミックスを好適に用いることができる。具体的には、安定化ジルコニア、部分安定化ジルコニアをはじめとするジルコニア、アルミナ、マグネシア、窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化チタンを主成分とする材料等が挙げられるほか、これらの混合物を主成分とした材料が挙げられるが、機械的強度や靱性が高い点において、ジルコニア、特に安定化ジルコニアを主成分とする材料と部分安定化ジルコニアを主成分とする材料が好ましい。
【００５６】
薄板部１２ａ及び１２ｂは、上述したように、圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂの変位により駆動する部分である。薄板部１２ａ及び１２ｂは、可撓性を有する薄板状の部材であって、表面に配設された圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂの伸縮変位を屈曲変位として増幅して、可動部２０ａ及び２０ｂに伝達する機能を有する。従って、薄板部１２ａ及び１２ｂの形状や材質は、可撓性を有し、屈曲変形によって破損しない程度の機械的強度を有するものであれば足り、可動部２０ａ及び２０ｂの応答性、操作性を考慮して適宜選択することができる。
【００５７】
薄板部１２ａ及び１２ｂの厚みＤｄは、２μｍ〜１００μｍ程度とすることが好ましく、薄板部１２ａ及び１２ｂと圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂとを合わせた厚みは７μｍ〜５００μｍとすることが好ましい。電極２４及び２６の厚みは０．１μｍ〜５０μｍ、圧電／電歪層２２の厚みは３μｍ〜３００μｍとすることが好ましい。
【００５８】
薄板部１２ａ及び１２ｂを構成する材料としては、可動部２０ａ及び２０ｂや固定部１４と同様のセラミックスを好適に用いることができ、ジルコニア、中でも安定化ジルコニアを主成分とする材料と部分安定化ジルコニアを主成分とする材料は、薄肉であっても機械的強度が大きいこと、靱性が高いこと、圧電／電歪層や電極材との反応性が小さいことから最も好適に用いられる。
【００５９】
前記安定化ジルコニア並びに部分安定化ジルコニアにおいては、次のように安定化並びに部分安定化されたものが好ましい。即ち、ジルコニアを安定化並びに部分安定化させる化合物としては、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１つの化合物を添加、含有させることにより、あるいは１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することによっても、目的とするジルコニアの安定化は可能である。
【００６０】
なお、それぞれの化合物の添加量としては、酸化イットリウムや酸化イッテルビウムの場合にあっては、１〜３０モル％、好ましくは１．５〜１０モル％、酸化セリウムの場合にあっては、６〜５０モル％、好ましくは８〜２０モル％、酸化カルシウムや酸化マグネシウムの場合にあっては、５〜４０モル％、好ましくは５〜２０モル％とすることが望ましいが、その中でも特に酸化イットリウムを安定化剤として用いることが好ましく、その場合においては、１．５〜１０モル％、更に好ましくは２〜４モル％とすることが望ましい。また、焼結助剤等の添加物としてアルミナ、シリカ、遷移金属酸化物等を０．０５〜２０ｗｔ％の範囲で添加することが可能であるが、圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂの形成手法として、膜形成法による焼成一体化を採用する場合は、アルミナ、マグネシア、遷移金属酸化物等を添加物として添加することも好ましい。
【００６１】
なお、機械的強度と安定した結晶相が得られるように、ジルコニアの平均結晶粒子径を０．０５〜３μｍ、好ましくは０．０５〜１μｍとすることが望ましい。また、上述のように、薄板部１２ａ及び１２ｂについては、可動部２０ａ及び２０ｂ並びに固定部１４と同様のセラミックスを用いることができるが、好ましくは、実質的に同一の材料を用いて構成することが、接合部分の信頼性、圧電／電歪デバイス１０の強度、製造の煩雑さの低減を図る上で有利である。
【００６２】
圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂは、少なくとも圧電／電歪層２２と、該圧電／電歪層２２に電界をかけるための一対の電極２４及び２６を有するものであり、ユニモルフ型、バイモルフ型等の圧電／電歪素子を用いることができるが、薄板部１２ａ及び１２ｂと組み合わせたユニモルフ型の方が、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、このような圧電／電歪デバイス１０に適している。
【００６３】
前記圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂは、図１に示すように、薄板部１２ａ及び１２ｂの側面に形成する方が薄板部１２ａ及び１２ｂをより大きく駆動させることができる点で好ましい。
【００６４】
圧電／電歪層２２には、圧電セラミックスが好適に用いられるが、電歪セラミックスや強誘電体セラミックス、あるいは反強誘電体セラミックスを用いることも可能である。但し、この圧電／電歪デバイス１０をハードディスクドライブの磁気ヘッドの位置決め等に用いる場合は、可動部２０ａ及び２０ｂの変位量と駆動電圧又は出力電圧とのリニアリティが重要とされるため、歪み履歴の小さい材料を用いることが好ましく、抗電界が１０ｋＶ／ｍｍ以下の材料を用いることが好ましい。
【００６５】
具体的な材料としては、ジルコン酸鉛、チタン酸鉛、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、アンチモンスズ酸鉛、マンガンタングステン酸鉛、コバルトニオブ酸鉛、チタン酸バリウム、チタン酸ナトリウムビスマス、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等を単独であるいは混合物として含有するセラミックスが挙げられる。
【００６６】
特に、高い電気機械結合係数と圧電定数を有し、圧電／電歪層２２の焼結時における薄板部（セラミックス）１２ａ及び１２ｂとの反応性が小さく、安定した組成のものが得られる点において、ジルコン酸鉛、チタン酸鉛、及びマグネシウムニオブ酸鉛を主成分とする材料、もしくはチタン酸ナトリウムビスマスを主成分とする材料が好適に用いられる。
【００６７】
更に、前記材料に、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、スズ等の酸化物等を単独で、もしくは混合したセラミックスを用いてもよい。
【００６８】
例えば、主成分であるジルコン酸鉛とチタン酸鉛及びマグネシウムニオブ酸鉛に、ランタンやストロンチウムを含有させることにより、抗電界や圧電特性を調整可能となる等の利点を得られる場合がある。
【００６９】
なお、シリカ等のガラス化し易い材料の添加は避けることが望ましい。なぜならば、シリカ等の材料は、圧電／電歪層２２の熱処理時に、圧電／電歪材料と反応し易く、その組成を変動させ、圧電特性を劣化させるからである。
【００７０】
一方、圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂの一対の電極２４及び２６は、室温で固体であり、導電性に優れた金属で構成されていることが好ましく、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、もしくはこれらの合金が用いられ、更に、これらに圧電／電歪層２２あるいは薄板部１２ａ及び１２ｂと同じあるいは異なる材料を分散させたサーメット材料を用いてもよい。
【００７１】
圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂにおける電極２４及び２６の材料選定は、圧電／電歪層２２の形成方法に依存して決定される。例えば薄板部１２ａ及び１２ｂ上に一方の電極２４を形成した後、該一方の電極２４上に圧電／電歪層２２を焼成により形成する場合は、一方の電極２４には、圧電／電歪層２２の焼成温度においても変化しない白金、パラジウム、白金−パラジウム合金、銀−パラジウム合金等の高融点金属を使用する必要があるが、圧電／電歪層２２を形成した後に、該圧電／電歪層２２上に形成される最外層の他方の電極２６は、低温で電極形成を行うことができるため、アルミニウム、金、銀等の低融点金属を主成分として使用することができる。
【００７２】
また、電極２４及び２６の厚みは、少なからず圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂの変位を低下させる要因ともなるため、特に圧電／電歪層２２の焼成後に形成される電極には、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。
【００７３】
上述の例では、薄板部１２ａ及び１２ｂの先端部分に一体に形成される可動部２０ａ及び２０ｂの厚みを薄板部１２ａ及び１２ｂの厚みＤｄよりも厚くした場合を示したが、その他、可動部２０ａ及び２０ｂの厚みを薄板部１２ａ及び１２ｂの厚みＤｄとほぼ同じにしてもよい。これにより、可動部２０ａ及び２０ｂに物品を取り付ける場合に、可動部２０ａ及び２０ｂ間に薄板部１２ａ及び１２ｂ間の距離に相当する大きさの物品を挟み込むように取り付けることが可能となる。この場合、物品を取り付けるための接着剤領域（例えば接着剤３８）が可動部２０ａ及び２０ｂに対応することになる。
【００７４】
そして、圧電／電歪デバイス１０は、超音波センサや加速度センサ、角速度センサや衝撃センサ、質量センサ等の各種センサに好適に利用でき、端面３４ａ及び３４ｂないし薄板部１２ａ及び１２ｂ間に取り付けられる物体のサイズを適宜調整することにより、センサの感度調整が容易に行えるという更なる利点がある。
【００７５】
次に、本発明の好ましい実施の形態として第２〜第４の変形例に係る圧電／電歪デバイス１０について好ましい態様として端面３４ａ及び３４ｂを含む場合について図４以下を参照しながら説明する。従って、端面３４ａ及び３４ｂを含まない実施形態であっても本発明は構わない。
【００７６】
まず、第２の変形例に係る圧電／電歪デバイス１０ａは、図４に示すように、これまでに説明した圧電／電歪デバイス１０とほぼ同様な構成を有するが、空隙部及び充填物の構成等が以下の点で異なる。
空隙部１４ａ及び１４ｂは段付き構造になっており、薄板部に近いほど溝深さが深くなっている。これにより、薄板部と可動部及び固定部との境界線で発生する集中応力をより効果的に分散させることができ、幅の大きい空隙箇所の方が衝撃吸収に大きく寄与し効率的に応力集中を分散させることができる。
特に、１層目の下面に位置する他方の電極２６は、薄板部１２ａ及び１２ｂ、可動部２０ａ及び２０ｂ、固定部１４の各側面にかけてほぼ連続して形成され、更に、固定部１４の側面において一部分離されてスリット７０を構成している。このスリット７０を設けた趣旨は、▲１▼：圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂの後端部７２（スリット７０の後端側端部から固定部１４の後端までの部分）におけるアクチュエータを駆動させないこと、▲２▼：一方の端子２８の端部で短絡が生じにくくすること、▲３▼：圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂの後端部における圧電／電歪層２２の下面に電極材料を配置することである。なお、スリット７０を設けることが反対に好ましくない場合は、スリット７０は必ずしも設ける必要はなく、省略してもかまわない。
また、図５は空隙部に充填する充填物の形状を示しており、図５（ａ）は充填物が空隙部の中程まで充填され、開口部付近は開放されている。なお、空隙部の底部に、充填物が充填されない空洞部が形成されても応力分散力には影響は少ない。逆に、図５（ｂ）は、充填物が空隙部の開口部より外側まで配置されたものであり、充填物の付着力が弱い場合に、付着面積を大きくし全体の付着力を大きくすることができる。特に、充填物の外面はＲ形状とする事により定着性を高め端部からの剥離を防止できる。図５（ｃ）は、空隙部を形成する各層毎に充填物の材質を異ならせたものである。弾性率・気孔率等の物性、更に構成材に対する付着力等を適宜選択し、応力分散の効果を発現する組み合わせとすることが好ましい。
【００７７】
次に、第３の変形例に係る圧電／電歪デバイス１０ｂは、図４では空隙部の深さが２段階となっているのに対し、図６の空隙部は無限の多段階になって斜め形状の構造である。これにより、薄板部と可動部及び固定部との境界線で発生する集中応力をより効果的に分散させることができ、幅の大きい空隙箇所の方が衝撃吸収に大きく寄与し効率的に応力集中を分散させることができる。
また、図７は空隙部に充填する充填物の形状を示しており、図７（ａ）は充填物が空隙部の中程まで充填され、開口部付近は開放されている。なお、空隙部の底部に、充填物が充填されない空洞部が形成されても応力分散力には影響は少ない。逆に、図７（ｂ）は、充填物が空隙部の開口部より外側まで配置されたものであり、充填物の付着力が弱い場合に、付着面積を大きくし全体の付着力を大きくすることができる。特に、充填物の外面はＲ形状とする事により定着性を高め端部からの剥離を防止できる。
【００７８】
更に、第４の変形例に係る圧電／電歪デバイス１０ｃは、図８に示すように薄板部と可動部及び固定部との間の空隙部に充填物がほぼ均一な厚みで配置されている。このような充填物は、薄板部と可動部及び固定部とをセラミックで一体形成するのと同時に形成することが好ましく、高融点金属あるいは高融点金属とセラミックの混合物であることが好ましい。
【００７９】
次に、圧電／電歪デバイス１０の製造方法を図９〜図１２を参照しながら説明する。
圧電／電歪デバイス１０は、各部材の構成材料をセラミックスとし、圧電／電歪デバイス１０の構成要素として、圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂを除く基体１６、即ち、薄板部１２ａ及び１２ｂ、固定部１４並びに可動部２０ａ及び２０ｂについては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１８ａ及び１８ｂをはじめとして、各端子２８及び３０については、薄膜や厚膜等の膜形成手法を用いて製造することが好ましい。
【００８０】
圧電／電歪デバイス１０の基体１６における各部材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、各部材の接合部の経時的な状態変化がほとんど生じないため、接合部位の信頼性が高く、かつ、剛性確保に有利な方法である。
【００８１】
また、以下に示す製造方法は、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１０を短時間に、かつ、再現性よく得ることができる。
【００８２】
具体的に本実施の形態に係る圧電／電歪デバイス１０の第１の製造方法について説明する。ここで、定義付けをしておく。セラミックグリーンシートを積層して得られた積層体をセラミックグリーン積層体５８（例えば図１０参照）と定義し、このセラミックグリーン積層体５８を焼成して一体化したものをセラミック積層体６０（例えば図１１参照）と定義し、このセラミック積層体６０から不要な部分を切除して可動部２０ａ及び２０ｂ、薄板部１２ａ及び１２ｂ並びに固定部１４が一体化されたものをセラミック基体１６（図１２参照）と定義する。
【００８３】
また、この製造方法においては、圧電／電歪デバイス１０を同一基板内に縦方向及び横方向にそれぞれ複数個配置した形態で、最終的にセラミック積層体６０をチップ単位に切断して、圧電／電歪デバイス１０を同一工程で多数個取りするものであるが、説明を簡単にするために、圧電／電歪デバイス１０の１個取りを主体にして説明する。
【００８４】
まず、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の方法により、所定の厚みを有するセラミックグリーンシートを作製する。
【００８５】
次に、金型を用いた打抜加工やレーザ加工等の方法により、セラミックグリーンシートを図９のような種々の形状や厚さに加工して、複数枚の基体形成用のセラミックグリーンシートを得る。
【００８６】
これらセラミックグリーンシート５０Ａ〜５０Ｄ、５１Ａ及び５１Ｂ、５２Ａ及び５２Ｂは、少なくとも薄板部１２ａ及び１２ｂ間に空間を形成するための窓部５４が形成された複数枚（例えば４枚）のセラミックグリーンシート５０Ａ〜５０Ｄと、薄板部１２ａ及び１２ｂ間に空間を形成するための窓部５４と互いに対向する端面３４ａ及び３４ｂを有する可動部２０ａ及び２０ｂを形成するための窓部１００とが連続形成された複数枚（例えば７枚）のセラミックグリーンシート１０２Ａ〜１０２Ｇと、空隙部１４ａ、１４ｂとなる窓部１００ａが連続形成された複数枚（例えば２枚）のセラミックグリーンシート５１Ａ及び５１Ｂと、後に薄板部１２ａ及び１２ｂとなる複数枚（例えば２枚）のセラミックグリーンシート５２Ａ及び５２Ｂとを用意する。
【００８７】
その後、図１０に示すように、セラミックグリーンシート５２Ａ及び５２Ｂでセラミックグリーンシート５０Ａ〜５０Ｄ、セラミックグリーンシート５１Ａ〜５１Ｂ並びに１０２Ａ〜１０２Ｇを挟み込むようにして、これらセラミックグリーンシート５０Ａ〜５０Ｄ、５１Ａ、５１Ｂ、５２Ａ及び５２Ｂ並びに１０２Ａ〜１０２Ｇを積層・圧着して、セラミックグリーン積層体５８とする。この積層にあたってはセラミックグリーンシート１０２Ａ〜１０２Ｇを中央に位置させて積層する。このとき、窓部１００、１００ａの存在により、圧着時に圧力がかからない部位が発生するため、積層、圧着の順番等を変更し、そのような部位が生じないようにする必要がある。その後、セラミックグリーン積層体５８を焼成してセラミック積層体６０（図１１参照）を得る。
【００８８】
なお、積層一体化のための圧着回数や順序は限定されない。構造に応じて、例えば窓部５４の形状、セラミックグリーンシートの枚数等により所望の構造を得るように適宜決めることができる。
【００８９】
窓部５４の形状は、すべて同一である必要はなく、所望の機能に応じて決定することができる。また、セラミックグリーンシートの枚数、各セラミックグリーンシートの厚みも特に限定されない。
【００９０】
圧着は、熱を加えることで、より積層性を向上させることができる。また、セラミック粉末（セラミックグリーンシートに使用されたセラミックスと同一又は類似した組成であると、信頼性確保の点で好ましい）、バインダを主体としたペースト、スラリー等をセラミックグリーンシート上に塗布、印刷して、接合補助層とすることで、セラミックグリーンシート界面の積層性を向上させることができる。なお、セラミックグリーンシート５２Ａ及び５２Ｂが薄い場合には、プラスチックフィルム、中でも表面にシリコーン系の離型剤をコーティングしたポリエチレンテレフタレートフィルムを用いて取り扱うことが好ましい。
【００９１】
次に、図１１に示すように、前記セラミック積層体６０の両表面、即ち、セラミックグリーンシート５２Ａ及び５２Ｂが積層された表面に相当する表面にそれぞれ圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂを形成する。圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂの形成法としては、スクリーン印刷法、ディッピング法、塗布法、電気泳動法等の厚膜形成法や、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、化学気相成長法（ＣＶＤ）、めっき等の薄膜形成法を用いることができる。
【００９２】
このような膜形成法を用いて圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂを形成することにより、接着剤を用いることなく、圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂと薄板部１２ａ及び１２ｂとを一体的に接合、配設することができ、信頼性、再現性を確保できると共に、集積化を容易にすることができる。
【００９３】
この場合、厚膜形成法により圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂを形成することが好ましい。特に、圧電／電歪層２２の形成において厚膜形成法を用いれば、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、粉末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ジョン、ゾル等を用いて膜化することができ、それを焼成することによって良好な圧電／電歪特性を得ることができるからである。
【００９４】
なお、電気泳動法は、膜を高い密度で、かつ、高い形状精度で形成できるという利点がある。また、スクリーン印刷法は、膜形成とパターン形成とを同時にできるため、製造工程の簡略化に有利である。
【００９５】
具体的に、圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂの形成について説明する。まず、セラミックグリーン積層体５８を１２００℃〜１６００℃の温度で焼成、一体化してセラミック積層体６０を得た後、該セラミック積層体６０の両表面の所定位置に薄板部１２ａ及び１２ｂの第１の一方の電極２４を印刷、焼成し、次いで、圧電／電歪層２２を印刷、焼成し、更に、前記第１の一方の電極２４と対をなす他方の電極２６を印刷、焼成し、これらを所定回数繰り返して（圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂが多層の圧電／電歪層２２から構成される場合）、圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂを形成する。その後、各電極２４及び２６を駆動回路に電気的に接続するための端子２８及び３０を印刷、焼成する。
【００９６】
また、最下層の第１の一方の電極２４を印刷、焼成し、圧電／電歪層２２と第１の一方の電極２４と対をなす第１の他方の電極２６を印刷、焼成し、この単位で所定回数だけ印刷、焼成を繰り返して、圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂを形成してもよい。
【００９７】
ここで、一方の電極２４として白金（Ｐｔ）、圧電／電歪層２２としてジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）、他方の電極２６として金（Ａｕ）、更に、端子２８及び３０として銀（Ａｇ）というように、各部材の焼成温度が積層順に従って低くなるように材料を選定すると、ある焼成段階において、それより以前に焼成された材料の再焼結が起こらず、電極材等の剥離や凝集といった不具合の発生を回避することができる。
【００９８】
なお、適当な材料を選択することにより、圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂの各部材と端子２８及び３０を逐次印刷して、１回で一体焼成することも可能であり、最外層の圧電／電歪層２２を形成した後に低温で最外層の電極２６等を設けることもできる。
【００９９】
また、圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂの各部材と端子２８及び３０は、スパッタ法や蒸着法等の薄膜形成法によって形成してもよく、この場合には、必ずしも熱処理を必要としない。
【０１００】
圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂの形成においては、セラミックグリーン積層体５８の両表面、即ち、セラミックグリーンシート５２Ａ及び５２Ｂの各表面に予め圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂを形成しておき、該セラミックグリーン積層体５８と圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂとを同時に焼成することも好ましく行われる。同時焼成にあたっては、セラミックグリーン積層体５８と圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂのすべての構成膜に対して焼成を行うようにしてもよく、一方の電極２４とセラミックグリーン積層体５８とを同時焼成したり、他方の電極２６を除く他の構成膜とセラミックグリーン積層体５８とを同時焼成する方法等が挙げられる。
【０１０１】
圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂとセラミックグリーン積層体５８とを同時焼成する方法としては、スラリー原料を用いたテープ成形法等によって圧電／電歪層２２の前駆体を成形し、この焼成前の圧電／電歪層２２の前駆体をセラミックグリーン積層体５８の表面上に熱圧着等で積層し、同時に焼成して可動部２０ａ及び２０ｂ、薄板部１２ａ及び１２ｂ、圧電／電歪層２２、固定部１４とを同時に作製する方法が挙げられる。但し、この方法では、上述した膜形成法を用いて、セラミックグリーン積層体５８の表面及び／又は圧電／電歪層２２に予め電極２４を形成しておく必要がある。
【０１０２】
その他の方法としては、セラミックグリーン積層体５８の少なくとも最終的に薄板部１２ａ及び１２ｂとなる部分にスクリーン印刷により圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂの各構成層である電極２４及び２６、圧電／電歪層２２を形成し、同時に焼成することが挙げられる。
【０１０３】
圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂの構成膜の焼成温度は、これを構成する材料によって適宜決定されるが、一般には、５００℃〜１５００℃であり、圧電／電歪層２２に対しては、好ましくは１０００℃〜１４００℃である。この場合、圧電／電歪層２２の組成を制御するためには、圧電／電歪層２２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／電歪層２２とセラミックグリーン積層体５８を同時焼成する場合には、両者の焼成条件を合わせることが必要である。圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂは、必ずしもセラミック積層体６０もしくはセラミックグリーン積層体５８の両面に形成されるものではなく、片面のみでももちろんよい。
【０１０４】
次に、圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂが形成されたセラミック積層体６０のうち、切断線Ｃ１、Ｃ２、Ｃ５に沿って切断することにより、セラミック積層体６０の側部と先端部を切除する。この切除によって、図１２に示すように、セラミック基体１６に圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂが形成され、かつ、互いに対向する端面３４ａ及び３４ｂを有する可動部２０ａ及び２０ｂが形成された圧電／電歪デバイス１０を得る。切断のタイミングは、切断線Ｃ１及びＣ２に沿って切断した後に切断線Ｃ５に沿って切断してもよく、切断線Ｃ５に沿って切断した後に切断線Ｃ１及びＣ２に沿って切断してもよい。もちろん、これらの切断を同時に行うようにしてもよい。また、切断線Ｃ５と対向する固定部１４の端面も、例えば圧電／電歪デバイスの全長を精密に制御する等の際に適宜切断するようにしてもよい。
【０１０５】
この製造方法においては、セラミック積層体６０から不要な部分を切除したと同時に、セラミック基体１６に圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂが形成され、かつ、互いに対向する端面３４ａ及び３４ｂを有する可動部２０ａ及び２０ｂが形成された圧電／電歪デバイス１０を得ることができるため、製造工程の簡略化を図ることができると共に、圧電／電歪デバイス１０の歩留まりを向上させることができる。この場合、同一基板内に圧電／電歪デバイス１０を縦方向及び横方向にそれぞれ複数個配置して、同一工程で多数個取りする際に特に好ましい。
切除の方法としては、ダイシング加工、ワイヤソー加工等の機械加工のほか、ＹＡＧレーザ、エキシマレーザ等のレーザ加工や電子ビーム加工を適用することが可能である。
【０１０６】
また、セラミック基体１６の切り出しには、これらの加工方法を組み合わせて加工することになる。例えば切断線Ｃ１及びＣ２（図１１参照）は、ワイヤソー加工とし、切断線Ｃ１及びＣ２に直交する固定部１４、可動部２０ａ及び２０ｂの端面をダイシング加工とすることが好ましい。
【０１０７】
ところで、上述の圧電／電歪デバイス１０の製造方法においては、一体焼成によって薄板部１２ａ及び１２ｂ上に圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂを形成するようにしているため、焼成時に生じる圧電／電歪層２２の収縮や一対の電極２４及び２６と圧電／電歪層２２並びに薄板部１２ａ及び１２ｂとの熱膨張率の違い等によって、例えば、薄板部１２ａ及び１２ｂ並びに圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂは、孔部４２に向かって凸となるようにわずかに変位し、形状的に歪みが生じた状態となり、圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂ（特に圧電／電歪層２２）や薄板部１２ａ及び１２ｂに内部残留応力が発生しやすくなる。
【０１０８】
この薄板部１２ａ及び１２ｂや圧電／電歪層２２での内部残留応力の発生は、上述した一体焼成のほか、薄板部１２ａ及び１２ｂに別体の圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂを例えば接着剤で貼り合わせる場合にも生じる。即ち、接着剤を固定化もしくは硬化する際に、接着剤等の硬化収縮によって薄板部１２ａ及び１２ｂや圧電／電歪層２２に内部残留応力が発生することとなる。更に、その固定化もしくは硬化に加熱が必要な場合には、内部残留応力が大きなものとなる。
【０１０９】
この状態で圧電／電歪デバイス１０を使用すると、圧電／電歪層２２に所定電界を与えても、可動部２０ａ及び２０ｂにおいて所望の変位を示さない場合がある。これは、圧電／電歪層２２の材料特性及び可動部２０ａ及び２０ｂの変位動作が、前記薄板部１２ａ及び１２ｂや圧電／電歪層２２に発生している内部残留応力によって阻害されているからである。
【０１１０】
そこで、この製造方法では圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂ形成後、可動部２０ａ及び２０ｂの周辺を切除するようにしている。この切除によって、可動部２０ａ及び２０ｂに互いに対向する端面３４ａ及び３４ｂが形成されるが、薄板部１２ａ及び１２ｂや圧電／電歪層２２に発生していた内部残留応力によって、これら端面３４ａ及び３４ｂが互いに近づく方向に移動し、移動後の各端面３４ａ及び３４ｂの幅は、前記所定幅Ｗ１よりも短い例えば第２の所定幅Ｗ２となる。より詳述すると、第２の所定幅Ｗ２は、厳密に平行では無く先端の方がより短くなる。
【０１１１】
これら端面３４ａ及び３４ｂの移動は、薄板部１２ａ及び１２ｂや圧電／電歪層２２に発生していた内部残留応力の解放に伴うものである。内部残留応力を解放した状態で圧電／電歪デバイス１０を使用すると、可動部２０ａ及び２０ｂは、ほぼ設計通りの変位動作を示し、良好なデバイス特性を示すこととなる。この効果は、固定部１４となる部分の一部を切除して、固定部１４に互いに対向する端面３４ａ及び３４ｂを形成した場合においても同様であり、この場合は、薄板部１２ａ及び１２ｂや圧電／電歪層２２に発生していた内部残留応力が、固定部１４に形成された互いに対向する端面３４ａ及び３４ｂの移動によって解放されることとなる。なお、対向する端面３４ａ及び３４ｂについては、必ずしも可動部２０ａ及び２０ｂもしくは固定部１４の中心部分のみならず、中心からそれた部分を形成することによっても同様の効果が得られる。
【０１１２】
図１１に示す切除に当たっては、切除後に３００℃〜８００℃で加熱処理することが好ましい。これは、加工により圧電／電歪デバイス１０内にマイクロクラック等の欠陥が生じやすいが、前記熱処理によって前記欠陥を取り除くことができ、信頼性が向上するからである。更に、前記熱処理後に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が好ましい。このエージング処理で、製造過程の中で受けた種々の応力等を更に緩和でき、特性の向上に寄与するからである。
【０１１３】
【発明の効果】
以上説明した通り、請求項１に係る本発明によれば、前記薄板部と可動部との連結際、及び／又は前記薄板部と固定部との連結際に、充填物を配置した空隙部が存在することにより、大きな外的衝撃により薄板部が大きな変位を起こしても、薄板部と可動部又は薄板部と固定部の接合した境界線付近に生じた応力が空隙部に分散され、従来は応力集中により発生した破損が無くなり、圧電／電歪デバイスの基本特性への影響を小さくして薄板部の耐衝撃性を向上させることができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】圧電／電歪デバイスの斜視図である。
【図２】圧電／電歪デバイスの作動を示す説明図である。
【図３】空隙部に充填される充填物の他の形状を示す説明図である。
【図４】他の空隙部を有する圧電／電歪デバイスの斜視図である。
【図５】図４に示す充填物の他の形状を示す説明図である。
【図６】他の空隙部を有する圧電／電歪デバイスの斜視図である。
【図７】図６に示す充填物の他の形状を示す説明図である。
【図８】他の空隙部を有する圧電／電歪デバイスの斜視図である。
【図９】積層する各グリーンシートの説明図である。
【図１０】図９のグリーンシートを積層した説明図である。
【図１１】圧電層を形成し切除前の状体を示す説明図である。
【図１２】切除後の圧電／電歪デバイスの説明図である。
【符号の説明】
１０・・圧電／電歪デバイス、１１、１１ａ・・、１１ｂ・・、１２、１２ａ、１２ｂ・・薄板部、１４・・固定部、１４ａ，１４ｂ・・空隙部、１６・・基体、１８ａ，１８ｂ・・圧電／電歪素子、１９ａ，１９ｂ・・圧電／電歪層、２０ａ，２０ｂ・・可動部、２０ｃ，２０ｄ・・空隙部、２２・・圧電／電歪層、２４，２６・・電極、２８，３０・・端子、３４ａ，３４ｂ・・取付面、３６・・空隙、３７・・スペーサ部材、３８／・接着剤、４０・・実質的駆動部分、４２・・孔部、５０Ａ〜５０Ｇ，５１Ａ，５１Ｂ，５２Ａ，５２Ｂ，１０２Ａ〜１０２Ｇ・・セラミックグリーンシート、５４，１００，１００ａ・・窓部、５８・・セラミックグリーン積層体、６０・・セラミック積層体、Ｃ１，Ｃ２，Ｃ５・・切断線。
【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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