(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板形状の固定板と平板形状の連結板とが互いの側面において接合され、
少なくとも一方の平板面上の少なくとも一部に圧電素子を配した振動板が、当該固定板と当該連結板との接合方向と直交する方向において、当該連結板と互いの側面において接合され、
当該連結板と当該振動板の少なくとも一部の側面が、基板に接合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】
平板形状の固定板と平板形状の連結板とが互いの側面において接合され、
２枚の振動板が、当該固定板と当該連結板との接合方向と直交する方向において、当該連結板を挟持するように互いの側面において接合され、
少なくとも一方の当該振動板の少なくとも一方の平板面上の少なくとも一部に圧電素子が配設され、
当該連結板と当該各振動板の少なくとも一部の側面が、基板に接合されてなることを特徴とする圧電／電歪デバイス。
【請求項３】
当該一方の振動板の少なくとも一方の平板面に当該圧電素子が配設され、当該他方の振動板に１以上のスリットが形成されていることを特徴とする請求の範囲第２項記載の圧電／電歪デバイス。
【請求項４】
当該固定板の一端に、少なくとも一方の平板面の少なくとも一部に圧電素子が配設された別の振動板を、互いの側面において接合し、当該別の振動板に、別の連結板および／または別の固定板とさらに別の振動板とを交互に必要数ほど互いの側面において接合させてなることを特徴とする請求の範囲第１〜３項のいずれか一項に記載の圧電／電歪デバイス。
【請求項５】
平板形状の連結板と、少なくとも一方の平板面上の少なくとも一部に圧電素子を配設した振動板とが、互いに接合されることなく平行に、平板形状の固定板とそれぞれの側面において接合され、
当該連結板と当該振動板の少なくとも一部の側面が、基板に接合されてなることを特徴とする圧電／電歪デバイス。
【請求項６】
２枚の平板形状の連結板によって平板形状の固定板を側面で接合して挟持したものが、基板に設けられた凹部の側部側面の間に跨設され、
２枚の振動板が、当該各連結板が当該固定板を挟持する方向と直交する方向において、それぞれ当該各連結板と当該凹部の底部側面との間に跨設され、
少なくとも一方の当該振動板の少なくとも一方の平板面上の少なくとも一部に圧電素子が配設されてなることを特徴とする圧電／電歪デバイス。
【請求項７】
２枚の平板形状の連結板によって平板形状の固定板を側面で接合して挟持したものが、基板に設けられた貫通孔に跨設され、
少なくとも複数の振動板が、当該各連結板が当該固定板を挟持する方向と直交する方向において、当該各連結板と当該貫通孔との間もしくは当該固定板と当該貫通孔との間に跨設され、
少なくとも１枚の当該振動板の少なくとも一方の平板面上の少なくとも一部に圧電素子が配設されてなることを特徴とする圧電／電歪デバイス。
【請求項８】
当該各連結板もしくは当該固定板を介して対向する各対の当該各振動板において、
当該一方の振動板の少なくとも一方の平板面に当該圧電素子が配設され、当該他方の振動板に１以上のスリットが形成されていることを特徴とする請求の範囲第６項または第７項記載の圧電／電歪デバイス。
【請求項９】
当該連結板にスリットもしくはくびれ部を設けたことを特徴とする請求の範囲第１〜８項のいずれか一項に記載の圧電／電歪デバイス。
【請求項１０】
当該振動板が、当該連結板および当該基板により形成される凹部に嵌合され、接合されていることを特徴とする請求の範囲第１〜９項のいずれか一項に記載の圧電／電歪デバイス。
【請求項１１】
当該固定板と当該各連結板および当該各振動板が、１枚の振動プレートから一体的に形成され、当該基板が当該振動プレートとベースプレートを積層して一体的に形成されてなることを特徴とする請求の範囲第１〜１０項のいずれか一項に記載の圧電／電歪デバイス。
【請求項１２】
当該連結板における少なくとも一方の平板面にバネ板が貼合され、当該バネ板が当該基板もしくはバネ板補強部に接合されてなることを特徴とする請求の範囲第１〜１１項のいずれか一項に記載の圧電／電歪デバイス。
【請求項１３】
当該バネ板が当該振動プレートと当該ベースプレートとの間に嵌挿されて一体化される中間プレートと一体的に形成され、もしくは当該振動プレートと一体的に形成されるバネ板補強部と一体的に形成され、かつ、当該各連結板と一体的に形成されてなることを特徴とする請求の範囲第１２項記載の圧電／電歪デバイス。
【請求項１４】
当該バネ板に貼合され、かつ、当該基板の側面に接合された補強板を有することを特徴とする請求の範囲第１１項または第１２項記載の圧電／電歪デバイス。
【請求項１５】
当該補強板が、当該バネ板および当該基板と一体的に形成されてなることを特徴とする請求の範囲第１４項記載の圧電／電歪デバイス。
【請求項１６】
当該連結板と当該基板との接合面を固定面とし、当該固定面の中心を垂直に貫通する垂直軸を中心として、
当該固定板が、当該固定板の側面に垂直、かつ、当該垂直軸に垂直な方向に振り子状に変位するθモード変位、もしくは、当該垂直軸を中心として、当該振動板の側面に垂直かつ当該垂直軸に垂直な方向への揺れが当該固定板の側面に平行な方向の揺れを伴いながら振り子状に変位するφモード変位、の少なくともいずれかの変位で動作することを特徴とする請求の範囲第１〜１５項のいずれか一項に記載の圧電／電歪デバイス。
【請求項１７】
当該基板内部に形成された任意形状の貫通孔の側面に、当該振動板および／または当該連結板を接合してなることを特徴とする請求の範囲第１〜１６項のいずれか一項に記載の圧電／電歪デバイス。
【請求項１８】
１つの当該圧電素子を２分割し、一方を駆動用素子として用い、他方を故障診断用素子、変位確認／判定用素子、又は駆動補助用素子として用いることを特徴とする請求の範囲第１〜１７項のいずれか一項に記載の圧電／電歪デバイス。
【請求項１９】
当該圧電素子を少なくとも２箇所以上に配設し、少なくとも１箇所の当該圧電素子を駆動用素子として用い、少なくとも１箇所の当該圧電素子を故障診断用素子、変位確認／判定用素子、又は駆動補助用素子として用いることを特徴とする請求の範囲第１〜１８項のいずれか一項に記載の圧電／電歪デバイス。
【請求項２０】
当該圧電素子および当該圧電素子の電極に導通する電極リードが、樹脂もしくはガラスからなる絶縁コーティング層により被覆されてなることを特徴とする請求の範囲第１〜１９項のいずれか一項に記載の圧電／電歪デバイス。
【請求項２１】
当該樹脂がフッ素樹脂もしくはシリコーン樹脂であることを特徴とする請求の範囲第２０項記載の圧電／電歪デバイス。
【請求項２２】
当該絶縁コーティング層の表面上に、さらに導電性部材からなるシールド層が形成されてなることを特徴とする請求の範囲第２０項または第２１項記載の圧電／電歪デバイス。
【請求項２３】
当該基板、当該固定板、当該連結板、当該振動板、当該バネ板、当該バネ板補強部および当該補強板が、安定化ジルコニアあるいは部分安定化ジルコニアからなることを特徴とする請求の範囲第１〜２２項のいずれか一項に記載の圧電／電歪デバイス。
【請求項２４】
当該圧電素子における圧電膜が、ジルコン酸鉛、チタン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛からなる成分を主成分とする材料からなることを特徴とする請求の範囲第１〜２３項のいずれか一項に記載の圧電／電歪デバイス。
【請求項２５】
当該固定板、当該連結板、当該振動板もしくは当該バネ板の少なくともいずれかの形状が、レーザ加工もしくは機械加工によりトリミングして寸法調整されたものであることを特徴とする請求の範囲第１〜２４項のいずれか一項に記載の圧電／電歪デバイス。
【請求項２６】
当該圧電素子における電極がレーザ加工もしくは機械加工され、当該圧電素予の有効電極面積の調整されたものであることを特徴とする請求の範囲第１〜２５項のいずれか一項に記載の圧電／電歪デバイス。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、圧電／電歪膜を用いたデバイスに係り、特に、電気エネルギーを機械的な変位や力あるいは振動等の機械エネルギーに変換したり、その逆の変換を行う素子において、その作動特性を向上せしめる圧電／電歪デバイスの構造に関するものである。具体的には、各トランスデューサ、各種アクチュエータ、周波数領域機能部品（フィルタ）、トランス、通信用や動力用の振動子や共振子、発信子、ディスクリミネータ、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のセンサ、さらには、内野研二著「圧電／電歪アクチュエータ  基礎から応用まで」（日本工業技術センター編、森北出版）に記載のサーボ変位素子等に用いられるユニモルフ型素子ならびにバイモルフ型素子に適用されるものであり、好ましくは光学機器、精密機器等の各種精密部品等の変位や位置決め調整、角度調整の機構に用いられる各種アクチュエータに好適に採用される圧電／電歪デバイスに関する。
背景技術
近年、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の光路長や位置を調整する変位制御素子が所望されるようになってきている。これに応えるものとして、強誘電体等の圧電／電歪材料に電界を加えたときに惹起される逆圧電効果や電歪効果に基づくところの変位を利用した素子である圧電／電歪アクチュエータ等の開発が進められている。
その中で、ハードディスクに代表される磁気記録分野においては、近年特に記憶容量の大容量化が著しいが、これは書込／読出という記録方式の改善に加え、記録トラック数を増して記録媒体をより効率よく使用し、記録密度自体を増大させるという試みがなされていることによる。
この試みはこれまで、ボイスコイルモータの改良を主に行われてきたが、新たな技術として、例えば、「ＴＲＡＮＳＤＵＣＥＲ’９７」の「１９９７  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  ｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ  Ｓｅｎｓｏｒｓ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ」の予稿集１０８１〜１０８４頁には、ＳｉもしくはＮｉのマイクロマシンプロセスで作製した静電方式のマイクロアクチュエータをハードディスク用磁気ヘッドのトラッキングシステムに適用する試みが紹介されている。
また、特開平１０−１３６６６５号公報には、図２４に示されるような、圧電／電歪材料から構成される板状体に少なくとも１つの孔部を設けることにより固定部１０３と可動部１０４とこれらを接続する少なくとも１つの梁部１０２とを一体的に形成し、少なくとも１つの梁部１０２の少なくとも一部に固定部１０３と可動部１０４とを結ぶ方向に伸縮が生じるように、電極層１０５を設けて変位発生部を構成し、変位発生部の伸縮に伴って発生する固定部１０３に対する可動部１０４の変位が、板状体の面内における弧状変位または回転変位となるような圧電アクチュエータが開示されている。
しかしながら、従来の主としてボイスコイルモータを用いた記録ヘツドの位置決め技術では、さらなる大容量化に応えるべく、トラック数を増して正確にそのトラックをトレースするように、正確に位置決めすることは困難である。
また、前述した静電方式マイクロアクチュエータを用いた技術は、マイクロマシニングにより形成した複数の板状電極間に電圧を印加することにより変位を得るものであるが、構造上、共振周波数を上げることが難しく、その結果、高速動作を行った場合に振動が減衰し難いという問題を内在する。また、変位原理的に、電圧−変位特性の直線性に劣るという特徴があり、精密な位置合わせの観点からみると、解決課題は多い。さらに、マイクロマシニングというプロセス自体、製造コストの面で問題がある。
さらに、特開平１０−１３６６６５号公報開示の圧電アクチュエータは、圧電作動部がモノモルフ構造をとっていることから、おのずと圧電体の主歪みの軸と圧動作動部の主変位の軸とは同軸もしくは平行となり、このため圧電作動部自体の発生変位は小さく、可動部の変位も小さいという問題がある。また圧電アクチュエータ自体が重く、しかも特開平１０−１３６６６５号公報中にも記されているように、動作上有害な振動、例えば高速作動時の残留振動や振動ノイズに対しても影響を受けやすく、孔部に充填材を充填して有害振動を抑制しなければならない必要がある。ところが、このような充填材の使用は、可動部の変位に対して悪影響を与えるおそれがある。さらに、圧電アクチュエータそのものが、機械的強度に劣る圧電／電歪材料そのもので構成せざろうを得ないことから、材料強度からくる形状の制約、使用用途の制約等を受け易いという問題もある。
発明の開示
本発明は上述した圧電／電歪デバイスの問題点に鑑みてなされたものであり、本発明によれば、高速かつ精密に、そして平面内運動ないしは動作が可能な以下に記す第１から第６の圧電／電歪デバイスが提供される。
即ち、先ず第１の圧電／電歪デバイスとして、一側面が基板に接合された振動板の少なくとも一方の平板面上の少なくとも一部に圧電素子が設けられ、少なくとも１枚の薄板状の固定板の一側面が、当該固定板の平板面と当該振動板の平板面とが互いに直交するように当該振動板の一側面に接合されてなることを特徴とする圧電／電歪デバイス、が提供される。
この第１の圧電／電歪デバイスにおいては、固定板と振動板との接合面を固定面とし、この固定面の中心を垂直に貫通する垂直軸を中心として、固定板が、固定板の側面に垂直かつ垂直軸に垂直な方向に振り子状に変位するθモード変位、もしくは、この垂直軸を中心として、固定板の側面に垂直かつ垂直軸に垂直な方向への揺れが固定板の側面に平行な方向の揺れをともないながら振り子状に変位するφモード変位、の少なくともいずれかの変位で動作する、つまり、圧電素子によって固定板を駆動し、あるいは固定板の変位量を検出等することが好ましい。
また、第２の圧電／電歪デバイスとして、平板形状の固定板と平板形状の連結板とが互いの側面において接合され、少なくとも一方の平板面上の少なくとも一部に圧電素子を配した振動板が、当該固定板と当該連結板との接合方向と直交する方向において、当該連結板と互いの側面において接合され、当該連結板と当該振動板の少なくとも一部の側面が、基板に接合されてなることを特徴とする圧電／電歪デバイス、が提供される。
ここで、基板と接合される連結板の一部の側面とは、より具体的には、連結板における振動板との接合面に対向する側面をいう。したがって、固定板と基板は連結板を介して接合される。また、基板と接合される振動板の一部の側面とは、少なくとも振動板における連結板との接合面に対向する側面、もしくは、振動板が直接に固定板と接合される場合には、振動板における固定板との接合面に対向する側面をいう。そして、このような連結板もしくは振動板と基板との接合の形態は、後述する本発明の圧電／電歪デバイスに共通するものである。
さらに、第３の圧電／電歪デバイスとして、平板形状の固定板と平板形状の連結板とが互いの側面において接合され、２枚の振動板が、当該固定板と当該連結板との接合方向と直交する方向において、当該連結板を挟持するように互いの側面において接合され、少なくとも一方の当該振動板の少なくとも一方の平板面上の少なくとも一部に圧電素子が配設され、当該連結板と当該各振動板の少なくとも一部の側面が、基板に接合されてなることを特徴とする圧電／電歪デバイス、が提供される。
ここで、第３の圧電／電歪テバイスにおいては、一方の振動板の少なくとも一方の平板面に圧電素子が配設され、他方の振動板には１以上、好ましくは複数のスリットが形成されていると、好ましい。また、第２および第３の圧電／電歪デバイスにおいては、固定板の一端に圧電素子が配設された別の振動板を互いの側面において接合し、この別の振動板に、別の連結板および／または別の固定板とさらに別の振動板とを交互に必要数ほど互いの側面において接合させて、変位量を拡大することも好ましい。
次に、第４の圧電／電歪デバイスとして、平板形状の連結板と、少なくとも一方の平板面上の少なくとも一部に圧電素子を配設した振動板とが、互いに接合されることなく平行に、平板形状の固定板とそれぞれの側面において接合され、当該連結板と当該振動板の少なくとも一部の側面が、基板に接合されてなることを特徴とする圧電／電歪デバイス、が提供される。
また、第５の圧電／電歪デバイスとして、２枚の平板形状の連結板によって平板形状の固定板を側面で接合して挟持したものが、基板に設けられた凹部の側部側面の間に跨設され、
２枚の振動板が、当該各連結板が当該固定板を挟持する方向と直交する方向において、それぞれ当該各連結板と当該凹部の底部側面との間に跨設され、少なくとも一方の当該振動板の少なくとも一方の平板面上の少なくとも一部に圧電素子が配設されてなることを特徴とする圧電／電歪デバイス、が提供される。
ここで凹部とは、対向する側面とそれら側面を接続する底部側面とからなるものをいうが、本発明においては、必ずしも底部側面は一平面である必要はなく、底部側面に窪みを設けたり、あるいは逆に突起部を設ける等、固定板の変位や変位量の測定に測定に影響を及ぼさない限りにおいて、種々に形状を変更することができるものをいう。
さらに、第６の圧電／電歪デバイスとして、２枚の平板形状の連結板によって平板形状の固定板を側面で接合して挟持したものが、基板に設けられた貫通孔に跨設され、少なくとも複数の振動板が、当該各連結板が当該固定板を挟持する方向と直交する方向において、当該各連結板と当該貫通孔との間もしくは当該固定板と当該貫通孔との間に跨設され、少なくとも１枚の当該振動板の少なくとも一方の平板面上の少なくとも一部に圧電素子が配設されてなることを特徴とする圧電／電歪デバイス、が提供される。
ここで、第６の圧電／電歪デバイスにおいては、各連結板もしくは固定板を介して対向する各対の振動板において、一方の振動板の少なくとも一方の平板面に圧電素子が配設され、他方の振動板には１以上、好ましくは複数のスリットが形成されていることが好ましい。
さて、これら第２〜第６の圧電／電歪デバイスにおいては、連結板にスリットもしくはくびれ部を設けると、変位量を拡大することができ、好ましい。また、振動板が連結板および基板により形成される凹部に嵌合され、接合されている構造とすることも好ましい。このような構造を得るため、固定板と連結板および振動板は１枚の振動プレートから一体的に形成されることが好ましく、基板は振動プレートとベースプレートを積層して一体的に形成されていることが好ましい。なお、凹部とは、基板そのものを凹型とした場合の凹部、基板外周の一部に切欠部を設けられた凹部、あるいは基板内に設けられた貫通孔の一部を凹部とみなした場合の凹部等を指す。
また、連結板における少なくとも一方の平板面にバネ板が貼合され、そのバネ板が基板もしくはバネ板補強部に接合されていることが好ましい。このとき、このバネ板が接着剤等を用いて貼合した構造ではなく、振動プレートとべースプレートとの間に嵌挿されて一体化される中間プレートと一体的に形成され、もしくは振動プレートと一体的に形成されるバネ板補強部と一体的に形成され、かつ、連結板とも一体的に形成されていることが好ましい。なお、このようなバネ板は、連結板が複数枚あるときは、連結板とバネ板が接合された形状が同じになるようにすることが好ましい。また、バネ板の形状には特に制限はないが、柱状、板状等の単純な形状のものや、コの字型、Ｈ型、四角枠等の加工が容易な形状のものを用いることが、作製工程の簡便さ等の理由から好ましい。さらに、バネ板に貼合され、かつ、基板の側面に接合される補強板を設けることも好ましく、ここで、補強板はバネ板および基板と一体的に形成されていることが好ましい。
これら第２〜第６の圧電／電歪デバイスは、連結板と基板との接合面を固定面とし、この固定面の中心を垂直に貫通する垂直軸を中心として、固定板が、固定板の側面に垂直かつ垂直軸に垂直な方向に振り子状に変位するθモード変位、もしくは、この垂直軸を中心として振動板の側面に垂直かつ垂直軸に垂直な方向への揺れが固定板の側面に平行な方向の揺れを伴いながら振り子状に変位するφモード変位、の少なくともいずれかの変位を利用する上で好ましい構造である。
さて、上述した全ての圧電／電歪デバイスにあっては、基板内部に形成された任意形状の貫通孔の側面に、振動板および／または連結板を接合して形成すると、取り扱い易く、破損等も避けられ、好ましい。また、１つの圧電素子を２分割し、一方を駆動用素子として用い、他方を補助素子として用いると、位置精度を高めることができ好ましい。ここでの補助素子とは、故障診断用素子、変位確認／判定用素子、駆動補助用素子等をいう。さらに、圧電素子を少なくとも２箇所以上に配設し、少なくとも１箇所の圧電素子を騒動用素子として用い、少なくとも１箇所の他の圧電素子を補助素子として用いると、駆動精度、位置精度等が高められ、好ましい。したがって、２箇所以上配設された圧電素子のそれぞれをさらに２分割して用いてもよい。
さらに、この圧電素子および圧電素子の電極と電極に接続する電極リードを樹脂あるいはガラスからなる絶縁コーティング層で被覆することも好ましい。こうして、圧電素子部分を液体等に浸漬した状態においても電極が短絡することなく、圧電／電歪デバイスを使用することが可能となる。ここで、圧電／電歪デバイスの性能を上げるためには、絶縁コーティング材としてガラスよりも樹脂を用いることが好ましく、化学的安定性に優れたフッ素樹脂が最も好適に用いられ、フッ素樹脂よりは化学的安定性に劣るが、シリコーン樹脂もまた、好適に用いることができる。このような絶縁コーティング層を形成した場合、その表面上に、さらに導電性部材からなるシールド層を形成すると、外部からの電磁波等のノイズの影響を受け難くなり、好ましい。
上述した本発明の圧電／電歪デバイスを構成する基板、固定板、連結板、振動板、バネ板、バネ板補強部、補強板は、安定化ジルコニアあるいは部分安定化ジルコニアを用いて一体的に形成されていることが好ましく、圧電素子の圧電膜としては、ジルコン酸鉛、チタン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛からなる成分を主成分とする材料が好適に使用される。また、固定板、バネ板、連結板の形状をレーザ加工や機械加工によりトリミングして形状を調整すると、適用するアクチュエータ等の種類によって、都度、好適な形状を得ることができる。また、固定板の変位量の調整も簡単に行うことができる。また、圧電素子における電極をレーザ加工もしくは機械加工して、圧電素子の有効電極面積を調整することによっても、用途、必要スペック等に適した圧電特性を容易に得ることができ、好ましい。
なお、本発明の圧電／電歪デバイスを前述した特開平１０−１３６６６５号公報記載の圧電アクチュエータと比較すると、本発明の圧電／電歪デバイスは、振動板を有するユニモルフもしくはバイモルフ型構造であるため、圧電体の主歪みの軸と圧電作動部（圧電体の歪みにより変位を起こす部分）の主変位の軸とは方向が異なるものであり、この特徴を活かして圧電体の歪みを屈曲モードへ拡大でき、したがって、大きな固定板の変位が得られるという特徴を有する。また、本発明の圧電／電歪デバイスは、機能分化が可能であり、圧電体以外の基板等を機械的強度、靱性に優れるジルコニアを主成分とする材料で構成し得ることから、所望の強度を有し、しかも小型、薄型、軽量のデバイスを得ることができる利点がある。さらに、変位特性に対する外部からの影響を受け難く、したがって充填材等を用いる必要がないという特徴をも有する。なお、本発明において使用する圧電素子、圧電膜そして圧電セラミックスの「圧電」には、「圧電」および「電歪」の双方の意味が含まれる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の圧電／電歪デバイスの一実施形態を示し、（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ固定板の配置と数を変えた実施形態の斜視図である。
図２は、本発明の圧電／電歪デバイスに配設される圧電素子の一実施形態を示す斜視図である。
図３は、本発明の圧電／電歪デバイスに配設される圧電素子の別の実施形態を示す斜視図である。
図４は、本発明の圧電／電歪デバイスに配設される圧電素子のさらに別の実施形態を示す斜視図である。
図５は、本発明の圧電／電歪デバイスの別の実施形態を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）はθモードの説明図であり、（ｃ）はφモードの説明図である。
図６は、本発明の圧電／電歪デバイスのさらに別の実施形態を示す平面図である。
図７は、本発明の圧電／電歪デバイスのさらに別の実施形態を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）〜（ｅ）は断面図である。
図８は、本発明の圧電／電歪デバイスの駆動に関する説明図である。
図９は、本発明の圧電／電歪デバイスのさらに別の実施形態を示し、（ａ）、（ｂ）は平面図であり、（ｃ）は断面図である。
図１０は、本発明の圧電／電歪デバイスのさらに別の実施形態を示す平面図である。
図１１は、本発明の圧電／電歪デバイスのさらに別の実施形態を示す平面図である。
図１２は、本発明の圧電／電歪デバイスを応用したアクチュエータの一実施形態を示す斜視図である。
図１３は、本発明の圧電／電歪デバイスのさらに別の実施形態を示す平面図である。
図１４は、本発明の圧電／電歪デバイスのさらに別の実施形態を示す平面図である。
図１５は、本発明の圧電／電歪デバイスのさらに別の実施形態を示す平面図である。
図１６は、本発明の圧電／電歪デバイスのさらに別の実施形態を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は断面図である。
図１７は、本発明の圧電／電歪デバイスのさらに別の実施形態を示す平面図である。
図１８は、本発明の圧電／電歪デバイスのさらに別の実施形態を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）〜（ｄ）は断面図である。
図１９は、本発明の圧電／電歪デバイスのさらに別の実施形態を示す平面図である。
図２０は、本発明の圧電／電歪デバイスのさらに別の実施形態を示す平面図である。
図２１は、本発明の圧電／電歪デバイスのさらに別の実施形態を示し、（ａ）〜（ｄ）および（ｆ）は振動板を連結板に接合した種々の構造を示した平面図であり、（ｅ）は振動板を固定板に接続した構造を示す平面図である。
図２２は、本発明の圧電／電歪デバイスの作製に用いられる基板用のグリーンシートの加工例を示す平面図である。
図２３は、本発明の圧電／電歪デバイスの圧電素子の加工方法の一例を示す説明図である。
図２４は、従来の圧電／電歪デバイス（圧電アクチュエータ）の構造の一例を示す斜視図である。
図２５は、本発明の圧電／電歪デバイスのさらに別の実施形態を示す平面図である。
発明を実施するための最良の形態
図１（ａ）は本発明の圧電／電歪デバイス５０Ａの一実施形態を表す斜視図であり、圧電／電歪デバイス５０Ａは、一側面が基板４９に接合された振動板５１の一方の平板面上に、第一電極５２、圧電膜５３、第二電極５４からなる圧電素子５５が設けられ、薄板状の固定板５６の一側面が、固定板５６の平板面と振動板５１の平板面とが互いに直交するように振動板５１の一側面に接合された形状を有している。
ここで、圧電素子５５は振動板５１の両平面に設けてもよく、第一電極５２および第二電極５４には、駆動電源等に接続するために使用されるリード部（図示せず）が接続される。なお、振動板５１の側面とは、圧電素子５５が配設される振動板５１の平板面と垂直な平面、すなわち、厚み方向の平面をいい、一側面とはその側面のいずれかをいう。
圧電／電歪デバイス５０Ａに示される構造とすることにより、固定板５６の変位モードを、固定板５６の主として平板面内における変位モードとすることができ、具体的には、図１（ａ）中の固定板５６と振動板５１との接合面を固定面として、固定板５６が、この固定面の中心を垂直に貫通する垂直軸（Ｙ軸）を中心として、固定板５６の側面に垂直かつＹ軸に垂直な方向、すなわちＸ軸方向に振り子状に変位する変位モード（以下、このような変位モードを「θモード」と定義する。）、Ｙ軸を中心としたＸ軸方向への振り子状の変位であり、かつ、Ｙ軸から離れるにしたがって固定板５６の側面に平行なＺ軸方向の揺れの成分が大きくなるように振り子状に変位する変位モード（以下、このような変位モードを「φモード」と定義する）、Ｙ軸方向への伸縮変位モード、が代表的な変位モードとなる。
なお、これらの各種の変位モードは、固定板５６の変位方向がそれぞれ前述した方向に支配的であることを意味しているものであって、記された方向以外の方向成分を完全に排除しているものではない。このことは、以下、種々の実施の形態について説明する際に、変位モードについて言及する場合にも同様に言えることである。
磁気ヘッドへの適用を考えると、ヘッドと記録媒体との間隔（ギャップ）を一定に保つように、三次元的に変位しないものが好ましいが、θモードもしくは伸縮変位モードで変位する圧電／電歪デバイス５０Ａは、このような用途に好適なデバイスである。なお、磁気ヘッド以外の例えば加速度センサ等に用いる場合には、前記モードに加え、φモードも勿論利用することができる。このような各変位モードの次元と用途との関係は、後述する本発明の圧電／電歪デバイスの全ての形態に共通するものである。
図１（ｂ）〜（ｄ）は、この圧電／電歪デバイス５０Ａの作動原理を用いた他の実施形態を示している。ここで、図１（ｂ）に示した圧電／電歪デバイス５０Ｂは、図１（ａ）における１枚の固定板５６を２枚ほど平行に振動板５１の一側面に取り付けたものであり、このように固定板５６を複数枚配設することも可能であり、用途に応じて必要数を配設すればよい。
なお、複数の固定板５６と振動板５１との接合位置は、振動板５１における基板４９と振動板５１との接合側面以外の側面であれば特に限定されない。また、少なくとも１枚の固定板５６が配設されていればよいので、例えば、図１（ｃ）に示す圧電／電歪デバイス５０Ｃのように、固定板５６を、振動板５１の側面のうち振動板５１と基板４９との接合側面に垂直な側面において接合してもよく、また、図１（ｄ）に示す圧電／電歪デバイス５０Ｄのように対向する一対の側面に各１計２枚の固定板５６を設けてもよい。
上述した圧電／電歪デバイス５０Ａ〜５０Ｄに配設される圧電素子５５の形態としては、図２に示す第一電極５２、圧電膜５３、第二電極５４が層状に形成された積層型が代表的であるが、図３に示すような振動板５７上に圧電膜５８を配し、圧電膜５８上部に第一電極５９と第二電極６０とが、一定幅の隙間部６１を形成した櫛型構造を有する圧電素子６２Ａを用いることもできる。なお、図３における第一電極５９と第二電極６０は、振動板５７と圧電膜５８との接続面の間に形成されてもかまわない。さらに、図４に示すように、櫛型の第一電極５９と第二電極６０との間に圧電膜５８を埋設するようにした圧電素子６２Ｂも好適に用いられる。
ここで、図３および図４に示した櫛型電極を用いる場合には、ピッチ６３を小さくすることで、変位を大きくすることが可能となる。このような図２〜図４記載の圧電素子は、後述する本発明の圧電／電歪デバイス全てに適用することができる。
さて、上述した各種の圧電／電歪デバイス５０Ａ〜５０Ｄにあっては、小型化、軽量化にあたって不利であるばかりでなく、固定板５６に反りや湾曲が生じ、変位モードの調整が困難となるという不具合が内在し易い。そこで、図５（ａ）に示す構造に変形して用いると、これらの問題が解決され、好ましい。
図５（ａ）は本発明の圧電／電歪デバイスの別の実施形態を示す平面図である。圧電／電歪デバイス３０は、固定板３１と連結板３３とが互いの側面において接合され、振動板３２が、固定板３１と連結板３３との接合方向であるＹ軸方向と直交する方向、すなわちＸ軸方向において連結板３３と互いの側面において接合されており、振動板３２の一方の平板面上に圧電素子３５が配設され、連結板３３と振動板３２の一部の側面が基板３４側面に接合された構造を有している。ここで、圧電素子３５は振動板３２の両平面に形成してもよく、圧電素子３５としては、前述した図２〜図４記載の各種圧電素子を用いることができる。
ここで、固定板３１と連結板３３および振動板３２は、必ずしも同一の厚みを有することを必要としない。これは後述するように、固定板３１の形状として、種々選択できることによる。しかし、固定板３１と連結板３３および振動板３２は、一体的に形成することが好ましく、さらに、連結板３３および振動板３２の側面は基板３４と一体的に形成されることが好ましい。このような一体構造は、後述するセラミックグリーンシートを用いた積層成形により、容易に得ることができる。
圧電／電歪デバイス３０においては、固定板３１がＸ軸とＹ軸の両方に垂直なＺ軸方向（図示せず）に曲がるように変位する曲げモード、あるいはＹ軸を基軸として回転するように変位する軸回転モード、もしくは固定板３１が固定板３１の平板面内においてＹ軸を中心としてＹ軸と一定角度θをなすようにＸ軸方向に振り子状に変位するθモード、さらにはＹ軸を中心としたＸ軸方向への振り子状の変位であり、かつ、Ｙ軸から離れるにしたがって固定板３１の側面に平行なＺ軸方向（図示せず）の揺れの成分が大きくなるように振り子状に変位するφモードの少なくともいずれかの変位モードで動作させることができる。
ここで、上記θモードおよびφモードについてさらに詳細に説明する。図５（ｂ）は、θモードを説明するための平面図であり、図５（ａ）の圧電／電歪デバイス３０を図５（ａ）中の矢視ＡＡ、すなわち、Ｘ軸上Ｙ軸方向からみたときの固定板３１の動きを示している。ここで、固定板３１の上部端面３１Ｆは、変位していない状態では位置Ｐ１にあるが、前述の通り、θモードにおいては、固定板３１は、固定板３１の平板面内、すなわち、Ｘ−Ｙ平面内においてＹ軸を中心としてＹ軸と一定角度θをなすようにＸ軸方向に振り子状に変位する。このとき、矢視ＡＡにおいては、固定板３１の上部端面３１Ｆの動きは、Ｘ軸上の位置Ｐ２と位置Ｐ３との間を往復移動する変位として表すことができ、この変位運動をθモードと定義する。
次に、図５（ｃ）はφモードを説明するための平面図であり、図５（ｂ）同様に、図５（ａ）中の矢視ＡＡから見たときの固定板３１の動きを示している。ここでも固定板３１の上部端面３１Ｆは、振動していない状態では位置Ｐ１にある。前述の通り、φモードにおいては、固定板３１は、Ｙ軸を中心としたＸ軸方向への振り子状の変位であり、かつ、Ｙ軸から離れるにしたがって固定板３１の側面に平行なＺ軸方向の揺れの成分が大きくなるように変位する。すなわち、矢視ＡＡにおける固定板３１の上部端面３１Ｆの動きは、Ｚ軸上の一点を中心Ｏとし、位置Ｐ１を通る円弧軌道Ｓ上の位置Ｐ４と位置Ｐ５間を往復する変位として表される。このときの、固定板３１と中心Ｏとを結ぶ直線とＺ軸とのなす角がφであり、上記変位運動をφモードと定義する。
さて、圧電／電歪デバイス３０において、配設された１つの圧電素子３５は、Ｙ軸方向に２つの圧電素子３５Ａ・３５Ｂが形成するように分割して配設してもよい。また、振動板３２の両平板面にそれぞれ１つ計２つの圧電素子を配設しても良い。この場合、一方の圧電素子３５Ａを駆動用素子として使用し、固定板３１に所定の変位を起こさせる目的に使用し、他方の圧電素子３５Ｂを補助素子、例えば、所定の変位量が得られたか否かを確認する、すなわち駆動用圧電素子３５Ａに印加される電圧が何らかの原因で所定の電圧値とならなかった場合に、補助素子でその変位を検出して、所定の変位となるように駆動用素子３５Ａの駆動信号にフィードバックをかけるための変位確認／判定用素子や故障診断用素子、あるいは駆動補助用素子として用いると、駆動精度、位置精度、検出精度等を向上させることができ、好ましい。
なお、１つの圧電素子３５の分割形成は、圧電素子３５を配設した後にレーザ加工等により分割加工する方法、あるいは圧電素子３５を配設する際に最初から分割して配設する方法のいずれを用いてもよい。このような複数の圧電素子の配設とそれぞれの圧電素子３５の分割および使用方法は、本発明に係る圧電／電歪デバイスの全てに適用することができる。
さて、上述した圧電／電歪デバイス３０における固定板３１の平板面の形状は図５（ａ）に示すような長方形に限定されるものではなく、図６（ａ）〜（ｃ）の圧電／電歪デバイス３０Ａ〜３０Ｃに示されるように、円形、三角形、逆凹型をはじめ、多角形や楕円形、長円形等の種々の任意の形状のものを用いることが可能であり、また、固定板３１は、図６（ｄ）の圧電／電歪デバイス３０Ｄに示されるように、連結板３３とＹ軸について対称となるように接合されなくともよい。つまり、固定板３１の形状は、本圧電／電歪デバイスと組み合わせて用いられる各種センサ、記録ヘッド、その他構成物に合わせて、適宜、任意に選択することができる。
次に、本発明においては、連結板の一方もしくは両方の平板面にバネ板を貼合し、このバネ板がセンサ基板もしくはバネ板補強部に接合された構造も好適に採用できる。図７（ａ）は、前述した圧電／電歪デバイス３０に角柱状のバネ板３８ならびにバネ板補強部３９を配設した実施形態たる圧電／電歪デバイス４０Ａの平面図である。また、図７（ｂ）〜（ｅ）は、バネ板３８およびバネ板補強部３９の配設例を示すＹ軸におけるＸ軸方向から見た種々の断面図を示している。
バネ板３８は連結板３３の少なくとも一方の平板面に接合され、その幅は図７（ａ）に示されるように連結板３３よりも狭くともよく、連結板３３の幅と同じとしてもよい。また、連結板３３の両平板面に同じ材質からなるバネ板３８を配設するときにはそれらの形状を同じくすることが好ましいが、バネ板３８の材質を連結板３３の各平板面で異ならしめるときには、各バネ板３８を同形状とする必要はなく、各バネ板３８のヤング率等を考慮して、適宜好適な形状に設定すればよい。
このようなバネ板３８は原則的に基板３４とも接合されるが、このとき連結板３３の基板３４との接合位置により、バネ板補強部３９の配設の必要性の有無が判断される。すなわち、図７（ｂ）・（ｃ）に示すように、バネ板３８が直接に基板３４に接合できるような位置に連結板３３が接合されている場合には、基板３４がバネ板補強部３９の機能を兼ねるためにバネ板補強部３９を別途設ける必要はない。また、このときバネ板３８は連結板３３の一方の平板面にのみ配設してもよい。
しかしながら、図７（ｄ）に示されるように、連結板３３が基板３４の端部に接合されている場合には、バネ板３８Ａについては基板３４がバネ板補強部３９の機能を兼ねるが、バネ板３８Ｂについてはバネ板３８Ｂを支持する部位としてバネ板補強部３９を設けることが好ましい。なお、図７（ｅ）に示すように、連結板３３が基板１２端部に接合されている場合であっても、基板１２に接合することができるバネ板３８Ａのみを設け、バネ板３８Ｂを設けない場合には、バネ板補強部３９は必要ではない。
このようなバネ板３８を設けることにより、連結板３３の機械的強度が高められる。また、連結板３３の両平板面にバネ板３８を設けた場合には、圧電素子３５により固定板３１を変位させるときに、連結板３３とバネ板３８から構成される部分の重心点を変位させることができるため、固定板３１がθモードに変位しやすくなり、磁気ヘッド用等の用途として好ましいものとなる。また、圧電／電歪デバイスの剛性を上げ、高速応答性を向上させる効果もある。
つまり、図７（ｃ）、（ｄ）中のＸ軸上Ｙ軸方向から見た断面図をそれぞれ図８（ａ）、（ｂ）に示すが、図８（ａ）においては、圧電素子３５は、バネ板３８Ａとバネ板３８Ｂおよび連結板３３の中心ＯをＸ軸方向に変位させることができるために、固定板３１がＸ軸方向、つまりθモードにおいて変位し易くなる。これに対し、図８（ｂ）においては、バネ板３８Ａとバネ板３８Ｂおよび連結板３３の中心Ｏが連結板３３上にないために、バネ板３８Ａ自体の有する剛性に起因して、回転モードが抑制されているにもかかわらず、圧電素子３５によるＸ軸方向の駆動力（矢印Ｓ1）は、中心Ｏに対して回転力（矢印Ｓ2）として加わり、軸回転モードの変位が生じ易くなる。
このようにバネ板３８を設けた場合には、さらに図９に示す圧電／電歪デバイス４０Ｂのように、バネ板３８に貼合され、かつ、基板３４の側面に接合されるような補強板４１を設けることも好ましい。なお、図９（ａ）、（ｂ）は、圧電／電歪デバイス４０Ｂを表裏それぞれの面からみた平面図を示し、図９（ｃ）は、図９（ｂ）中のＸ軸におけるＹ軸方向から見た断面図を示したものである。ここで、補強板４１は連結板３３に取り付けられたバネ板３８Ａに貼合され、かつ、基板３４の直角に切り欠かれた側面に接合されている。さらに、補強板４１はバネ板３８および基板３４と一体的に形成されていることが好ましい。
なお、上述したバネ板は、連結板が構成部材として使用されている本発明に係る全ての圧電／電歪テバイスに適用されるものであることはいうまでもない。また、このバネ板は、後述する本発明の圧電／電歪テバイスの作製方法に記されるように、振動プレートとベースプレートとの間に嵌挿されて一体化される中間プレートと一体的に形成され、もしくは、振動プレートと一体的に形成されるバネ板補強部と一体的に形成され、さらに、各連結板とも一体的に形成されていることが好ましい。
次に、図１０（ａ）〜（ｄ）に本発明の圧電／電歪デバイスのさらに別の実施形態を示す。図１０（ａ）は、圧電／電歪デバイス１１Ａの平面図および平面図の破線ＡＡにおける断面図である。圧電／電歪デバイス１１Ａにおいては、連結板３３にバネ板３８が貼合され、固定板３１は、この連結板３３とバネ板３８とをＹ軸方向に延長した形状を有している。したがって、固定板３１と連結板３３およびバネ板３８との境界は明確ではない。このような固定板３１と連結板３３およびバネ板３８とを一体化した構造は、図１０（ｂ）〜（ｄ）に示した圧電／電歪デバイス１１Ｂ〜１１Ｄについても同様であり、以下、連結固定板３６と称することとする。連結固定板３６の形状をこのような厚みが厚く、細長い形状とすることにより、曲げモードや軸回転モードといった変位モードの発生を抑制できるようになる。
図１０（ｂ）に示した圧電／電歪デバイス１１Ｂにおいては連結固定板３６にくびれ部３７が設けられており、また、図１０（ｃ）に示した圧電／電歪デバイス１１Ｃにおいては、連結固定板３６にスリット４８が設けられている。これらくびれ部３７および／またはスリット４８の形成により、連結固定板３６の剛性が低下し、連結固定板３６先端部での変位量をより拡大することができる。さらに、図１０（ｄ）に示した圧電／電歪デバイス１１Ｄのように、連結固定板３６の先端側、好ましくは、振動板３２と連結固定板３６との接続部分より先端側にスリット４８を設けると、圧電／電歪デバイスの諸特性を大きく変化させることなく、圧電／電歪デバイス１１Ｄ自体の軽量化が図れ、好ましい。
図１１（ａ）は、上述した連結固定板３６の形状を異ならしめた圧電／電歪デバイス１２Ａを示す平面図および平面図中の破線ＡＡにおける断面図である。圧電／電歪デバイス１２Ａにおける連結固定板３６は、その平板面における外周部を中心部よりも厚肉に形成している。このような連結固定板３６の形状は、圧電／電歪デバイス１１Ａにおける連結固定板３６の中央部分を薄くした構造とみなすことができるが、肉厚の薄い連結固定板の平板面に、所定のコの字形状のバネ板３８を貼合することにより得ることができる。圧電／電歪デバイス１２Ａは、デバイス自体を軽量化しつつも、ねじれに対して強固であり、位置決め速度の向上（変位量制御性の向上）、変位（移動）経路の精度の向上等が図られる。なお、図１１（ｂ）の平面図に示す圧電／電歪デバイス１２Ｂのように、圧電／電歪デバイス１２Ａの連結固定板３６のバネ板３８のない部分（コの字形状のバネ板３８の内側中空部分）にスリット４８を設けた形態とすることも可能であり、変位量の拡大が図られる。
図２５は、上述した連結固定板３６を用いたさらに別の圧電／電歪デバイス１２Ｃを示す平面図であり、固定板の一端に圧電素子が配設された別の振動板を互いの側面において接合し、この別の振動板に、別の連結板および／または別の固定板とさらに別の振動板とを交互に必要数ほど互いの側面において接合させた実施形態を示している。
すなわち、圧電／電歪デバイス１２Ｃは、基板３４の側面に第一の振動板３２Ａと第一の連結固定板３６Ａが接合され、第一の連結固定板３６Ａの解放側（通常の固定板の配設側）の側面に第二の振動板３２Ｂが接合され、この第二の振動板３２Ｂに、順次第二の連結固定板３６Ｂ、第三の振動板３２Ｃ、第三の連結固定板３６Ｃが側面において接合された構造を有している。こうして、第一から第三の振動板に配設された圧電素子３５Ａ〜３５Ｃを駆動させることにより、第三の連結板３６Ｃの図２５中Ｘ軸方向への変位量を大きくすることが可能となる。
このような構造は、一対の振動板と連結固定板、例えば、第二の振動板３２Ｂと第二の連結固定板３６Ｂからなるユニットを逐次連結した構造とも言うことができる。したがって、所定の変位量を得るためには、このユニット数を適宜好適な数に決めればよい。
次に、図１２に上述した圧電／電歪デバイス１１Ａを用いたアクチュエータ２６の一例を示す斜視図を示す。圧電／電歪デバイス１１Ａは、スライダ２７等の部材に固定治具２９等を用いて強固に固定される。圧電／電歪デバイス１１Ａの連結固定板３６の先端には、磁気ヘッド１３が取り付けられており、圧電素子３５を駆動させることにより、所定の変位量ほど磁気ヘッドを移動させることができる。なお、スライダ２７等の被固定部材と圧電／電歪デバイス１１Ａとを、固定治具２９を用いず、後述のグリーンシートを加工して、各部材一体化した形態とすることも可能である。
また、図１３は、圧電／電歪デバイスｌｌＡを基板３４内に２箇所配設した実施形態を示しており、２箇所に配設された圧電／電歪デバイス１１Ａを同じ用途或いは異なる用途に同時に使用することも可能であるし、一方を他方の故障時の予備のデバイスとして配設しておくといった用途にも用いることができる。なお、このように本発明の圧電／電歪デバイスは、１枚の基板の中に複数ほど設けることが可能であり、その配設位置は図１３に示す横並列位置に限定されるものではない。
次に、図１４に本発明の圧電／電歪デバイスのさらに別の実施形態を示す平面図を示す。前述した圧電／電歪デバイス３０等は、振動板３２と基板３４とが１辺でのみ接合された構造を有していたが、圧電／電歪デバイス４２においては、振動板２１と基板２とが２辺で接合されており、１辺が連結板２０と接合されている。このような構造とすることで、連結板２０および／またはバネ板１８の屈曲を抑制でき、固定板１９にθモードの変位を起こし易くすることができる。
図１５は、本発明のさらに別の実施形態を示す圧電／電歪デバイス４３Ａ〜４３Ｃの平面図である。先ず、図１５（ａ）に示す圧電／電歪デバイス４３Ａは、連結板２０と固定板１９とが互いの側面において接合され、２枚の振動板２１Ａ・２１Ｂが、固定板１９と連結板２０との接合方向と直交する方向において、連結板２０を挟持するようにして連結板２０と互いの側面において接合され、さらに各振動板２１Ａ・２１Ｂが、図１４に示した振動板２１と同様に基板２とも接合されて３辺で支持・固定された構造を有しており、固定板１９の曲げモードや軸回転モードといった三次元的な変位モードが抑えられている。なお、各振動板２１Ａ・２１Ｂは、必ずしも基板２の凹部の底部において基板２と接合されなければならないものではない。
圧電／電歪デバイス４３Ａにおいては、振動板２１Ａ・２１Ｂの両平板面に４つの圧電素子２５Ａ〜２５Ｄが配設されている。これらを固定板１９の駆動用素子や補助素子にそれぞれ適宜割り当てることにより、より高精度な変位制御が可能となる。
次に、図１５（ｂ）に示す圧電／電歪デバイス４３Ｂにおいては、圧電／電歪デバイス４３Ａにおける圧電素子２５Ａ〜２５Ｄの少なくとも一つ、例えば、圧電素子２５Ｃ・２５Ｄの少なくとも一方向を前記３辺支持の基板２側の１辺もしくは２辺に重ねる構造としている。この場合の圧電素子２５Ｃ、２５Ｄは、特に変位量の検出や故障診断といった測定用の補助素子として使用すると、高精度な測定が可能となり、好ましい。なお、このように圧電素子２５Ａ〜２５Ｄの配設位置をずらした場合であっても、圧電素子２５Ａ〜２５Ｄは、連結板２０およびバネ板を設けた場合のそのバネ板には重ならないようにすることが必要である。
ここで、圧電／電歪デバイス４３Ａ・４３Ｂの連結板２０にバネ板を貼合した場合においては、圧電／電歪デバイス４０Ｂのようにバネ板補強部あるいは補強板を設けることが可能である。この場合、例えば、補強板は振動板２１Ａ・２１Ｂおよび連結板２０と基板２との接合辺たる基板２の３辺において接合されるように形成すればよい。
次に、図１５（ｃ）に示した圧電／電歪デバイス４３Ｃは、圧電／電歪デバイス４３Ａにおける連結板２０の長手方向中央部にスリット４８を設けた実施形態を示したものである。スリット４８は空洞であり、振動板１９の変位量を拡大し、またνモード、νｚモードでの変位ないしは振動を起こり易くする機能を有する。
ここで、νモードとは振動板１９が、Ｘ軸方向に揺れるように変位するモードをいうが、θモードと比較すると、θモードはＸ−Ｙ平面内での振り子状変位であってＹ軸方向成分を有するが、νモードはＸ−Ｙ平面内でのＸ軸方向での一軸方向変位が支配的であって、Ｙ軸方向成分をほとんど持たない点で相違する。また、νｚモードはνモードでの変位態様において、振動板１９がＹ軸から離れるにしたがってＺ軸方向（Ｘ軸とＹ軸の双方に垂直な方向）に大きく変位するモードをいい、φモードと比較すると、やはりＹ軸方向成分をほとんど有しない点でφモードと区別される。
このような変位形態から、νモード、νｚモードは静的な変位制御には用いることは困難であるが、振動等の動的な変位や外的応力によって生ずる変位に対しては用いることができる。
さて、圧電／電歪デバイス４３Ａ〜４３Ｃのように、連結板を挟持するようにして振動板を２箇所に設ける場合には、図１６（ａ）の平面図に示されるように、各振動板２１Ａ・２１Ｂの長さＮ1とＮ2ならびに幅Ｍ1とＭ2とを変えて、一方の面積を広く取ることで固定板１９の駆動力を上げ、一方を狭く取ることで変位モニタ等の補助素子として好適に用いることができるようになる。また、各振動板２１Ａ・２１Ｂの幅Ｍ1とＭ2を変えることにより、図１６（ａ）のＸ軸におけるＹ軸方向から見た断面図である図１６（ｂ）に示されるように、圧電素子２５Ａ・２５Ｂと振動板２１Ａ・２１Ｂとで決定される振動板２１Ａ・２１Ｂの屈曲変位振動（図１６（ｂ）中の矢印Ｇ）の固有振動数をそれぞれｆ1、ｆ2と変え、例えば、一方を駆動用素子、他方を補助素子とすることにより、変位精度、測定精度を上げることができる。なお、固有振動数ｆ1とｆ2のいずれか小さい方の圧電素子を駆動用素子して用い、大きい方の圧電素子を故障診断用等の補助素子として用いることが好ましい。
図１５あるいは図１６に示した圧電／電歪デバイス４３Ａ〜４３Ｃ等のように、連結板を挟持するようにして振動板を２箇所に設けた場合には、さらに、図１７に示すように、一方の振動板、例えば、振動板２１Ｂに圧電素子２５Ｃ・２５Ｄの少なくとも１つを設け、他方の振動板２１Ａにおいて、振動板２１Ａと連結板２０との接合方向に垂直な方向に１以上、好ましくは複数のスリット２８が形成されている構造とすることもまた、好ましい。このような構造とすることで、回転や振動を抑えることができ、θモードでの変位を優位とすることができるようになる。
次に、図１８（ａ）は、図１５（ａ）記載の圧電／電歪デバイス４３Ａの形態を、センサ基板２の貫通孔１４に形成した実施形態である圧電／電歪デバイス４３Ｄの平面図を示しており、図１８（ｂ）〜（ｄ）は、図１８（ａ）中の破線ＡＡにおける断面図を示している。圧導／電歪デバイス４３Ｄにおいては、２個の圧電素子２５Ａ・２５Ｃが配設されており、圧電素子２５Ａ・２５Ｃにはそれぞれ電極リード９・１０が設けられている。そして圧電素子２５Ａ・２５Ｃおよび電極リード９・１０を覆うように絶縁コーティング層６５が形成されている。この絶縁コーティング層６５は、固定板１９や圧電素子２５Ａ・２５Ｃを液体雰囲気や加湿雰囲気等で使用する場合の圧電素子２５Ａ・２５Ｃや電極リード９・１０の短絡を有効に防止する機能を有する。
また、圧電／電歪デバイス４３Ｄには、絶縁コーティング層６５を覆うように、導電性部材からなるシールド層６６が形成されており、シールド層６６はスルーホール６７を通じて基板２の両面に形成されている。シールド層６６は、圧電／電歪デバイスを高周波数で動作させる場合や高周波の振動を検出する場合等に、外部からの電磁波を遮断して変位精度を良好に確保する他、誤作動やノイズの混入を防止する機能を有する。
このシールド層６６の配設の形態としては、図１８（ｂ）に示されるように、基板２を挟み込むように形成する形態の他、図１８（ｃ）に示されるように、基板２上の配線部分のみを囲う形態や、図１８（ｄ）に示すように、配線部分を上部片側のみでシールドする形態が挙げられるが、中でも、図１８（ｂ）、（ｃ）に示すような配線部分全体をシールドする形態が好ましい。なお、図１８（ａ）においては、スルーホール６７を用いて基板２の各面に形成されたシールド層６６が導通しているが、基板２の側面を利用してこの導通を図ってもよい。これら、絶縁コーティング層６５およびシールド層６６の形成に好適に用いられる材料の詳細については、圧電／電歪デバイスの構成材料について後述する際、併せて説明することとする。
図１９は、本発明のさらに別の圧電／電歪デバイスの実施形態を示す平面図であり、図１９（ａ）に示す圧電／電歪デバイス４４Ａは、連結板２０と圧電素子２５を配設した振動板２１とが、互いに接合されることなく平行に、固定板１９とそれぞれ側面において接合され、固定板１９が基板２に接合されることなく、連結板２０および振動板２１が基板２の側面に接合された構造を有している。振動板２１は連結板２０としての機能をも有する。これに対し、図１９（ｂ）に示した圧電／電歪デバイス４４Ｂは、２枚の振動板２１Ａ・２１Ｂを連結板２０の両側に配し、各振動板２１Ａ・２１Ｂのそれぞれに圧電素子２５Ａ・２５Ｂを配設した構造を有している。
このような圧電／電歪デバイス４４Ａ・４４Ｂにおいては、固定板１９の変位は、固定板１９の平板面内で起こりやすくなるため、θモードでの変位、測定に適し、固定板１９の回転や振動が抑えられる。また、圧電素子２５が発生する歪みが振動板２１を介して直接固定板１９に作用するため、もしくはその逆の作用により、位置精度やセンシング感度が高くなる利点がある。
続いて、図２０（ａ）〜（ｃ）は、本発明のさらに別の圧電／電歪デバイスの実施形態を示す平面図である。先ず、図２０（ａ）に示す圧電／電歪デバイス４５Ａは、固定板７２が２枚の連結板７４Ａ・７４Ｂにより挟持されるようにして互いの側面において接合され、各連結板７４Ａ・７４Ｂの側面が基板７０の凹部７６の側面に跨設され、２枚の振動板７３Ａ・７３Ｂが各連結板７４Ａ・７４Ｂが固定板７２を挟持する方向、すなわちＹ軸方向と直交する方向においてそれぞれ各連結板７４Ａ・７４Ｂと凹部７６の底部側面に跨設され、さらに各振動板７３Ａ・７３Ｂの一平板面上に圧電素子７５Ａ・７５Ｂがそれぞれ配設された構造を有している。このような構造とすることで、固定板７２の曲げが抑制される利点がある。
なお、凹部７６は、先に図１８に示した基板２に設けられた貫通孔１４の側面であっても良いし、基板７０の外周側面の一部を切り欠いて形成されてもよい。
また、固定板７２の形状は長方形に限定されず、図６に示した任意形状の固定板を採用することができる。
図２０（ｂ）に示される圧電／電歪デバイス４５Ｂは、固定板７２を、振動板７３Ａ・７３Ｂから遠ざけるようにして各連結板７４Ａ・７４Ｂとの接合したものであり、変位量の拡大に効果がある。このように、固定板７２の配設位置は任意に選択できる。また、図２０（ｃ）に示される圧電／電歪デバイス４５Ｃは、各振動板７３Ａ・７３Ｂは、図１４に示した振動板２１と同様に、各連結板７４Ａ・７５Ｂと基板７０によって３辺で支持・固定された実施形態を示している。
これらの圧電／電歪デバイス４５Ａ〜４５Ｃは、各連結板７４Ａ・７４Ｂと基板７０との接合面を固定面として、固定板７２が、その固定面の中心を垂直に貫通する垂直軸であるＹ軸を中心として、固定板７２の側面に垂直かつＹ軸に垂直な方向であるＸ軸方向に振り子状に変位するθモード、もしくは、固定板７２が、Ｙ軸を中心としてＸ軸方向への揺れが固定板７２の側面に平行な方向であるＺ軸方向（図示せず）の揺れをともないながら振り子状に変位するφモード、もしくは、図２０（ａ）中の矢印Ｋで示されるようなＹ軸を中心としてＸ軸方向に変位するモード（以下、このような変位のモードを「κモード」と定義する。）、あるいは、固定板７２の平板面内における回転モード、の少なくともいずれかの変位モードで、変位制御や変位量測定を行う上で好ましい構造であり、特に、κモードで安定した変位を得ることができる。
次に、図２１（ａ）〜（ｆ）の平面図に示す本発明のさらに別の実施形態である圧電／電歪デバイス４６Ａ〜４６Ｆにおいては、固定板７２が２枚の連結板７４Ａ・７４Ｂにより挟持されるようにして互いの側面において接合され、各連結板７４Ａ・７４Ｂの側面が、貫通孔を有する基板７０の貫通孔７１の側面に跨設され、少なくとも複数の振動板、ここでは振動板７３Ａ〜７３Ｄが各連結板７４Ａ・７４Ｂが固定板７２を挟持する方向と直交する方向において、各連結板７４Ａ・７４Ｂと貫通孔７１との側面もしくは固定板７２と貫通孔７１との側面に跨設された構造を有している。なお、圧電素子７５Ａ〜７５Ｄは、振動板７３Ａ〜７３Ｄの少なくとも１枚の少なくとも一方の平板面上の少なくとも一部に、任意に配設されている。
圧電／電歪デバイス４６Ａ〜４６Ｆのそれぞれについてみてみると、まず、圧電／電歪デバイス４６Ａにおいては、図２０に示した圧電／電歪デバイス４５Ａ〜４５Ｃの構造と比較して、固定板７２のＹ軸回りの回転が、振動板７３Ａ・７３Ｂにより抑制される。また、振動板７３Ａ・７３Ｂに図１７と同様のスリット２８を設けると、固定板７２は矢印Ｋ方向へ変位しやすくなり、つまりκモードの変位が得やすくなる。
圧電／電歪デバイス４６Ｂは、図２１（ａ）における各振動板７３Ａ〜７３Ｄ全てにおいて、同一方向の面に、圧電素子７５Ａ〜７５Ｄを配設したものである。これらを駆動用素子として用いることにより、固定板７２のＫ方向への変位量を増大させることができる。なお、圧電素子７５Ａ〜７５Ｄは、各振動板７３Ａ〜７３Ｄの両面に設けてもよく、同方向に配設された圧電素子を補助素子として用いることも好ましい。
圧電／電歪デバイス４６Ｃは、図２１（ａ）、（ｂ）における振動板７３Ａ〜７３Ｄの基板７０と対向する１辺が基板７０と接合されるように形成されている実施形態を示している。このような構造とすると、図１４に示した構造で得られる効果を図２１（ａ）、（ｂ）の効果に付与することができるようになる。
圧制／電歪デバイス４６Ｄは、固定板７２の中心であるＸ軸とＹ軸の交点について点対称な位置にある振動板７３Ｂ・７３Ｃにそれぞれ圧電素子７５Ｂ・７５Ｃを配設したものである。ここでの固定板７２の変位モードとしては、Ｘ軸とＹ軸の交点を中心としたη方向（図２１（ｄ）中の矢印の方向）への変位が支配的である変位モードを利用することができる。この変位モードは剛体モードであるため、振動板７３Ａ・７３Ｄは必ずしも形成しなくともよく、また、振動板７３Ａ・７３Ｄを形成した場合には、振動板７３Ａ・７３Ｄにスリット２８あるいは圧電素子７３Ａ・７３Ｄを設けても良い。
圧電／電歪デバイス４６Ｅは、固定板７２に振動板７３Ａ〜７３Ｄを接合させたものであり、圧電素子７５Ａ〜７５Ｄの配置状態は、図２１（ｂ）の場合と同様である。このような構造としても、κモードでの固定板７２の変位を起こし、あるいは測定することが可能である。さらに、圧電／電歪デバイス４６Ｆは、各連結板７４Ａ・７４Ｂの一方の幅を広くし、他方の幅を狭くすることで、θモードとφモードで変位しやすい構造を有している。
このように、本発明の圧電／電歪デバイスにおいては、種々の形状を選択することができるが、圧電／電歪デバイスの作製に使用される材料については、個々において異なるところはない。そこで、次に、本発明の圧電／電歪デバイスを構成する材料やその形状について説明する。基板、固定板、連結板（連結固定板）、振動板、バネ板、バネ板補強部、補強板は、好適にはセラミックからなることが好ましく、例えば、安定化もしくは部分安定化されたジルコニア、アルミナ、マグネシア、窒化珪素等を用いることができる。このうち、安定化もしくは部分安定化ジルコニアは、薄板においても機械的強度が大きいこと、靭性が高いこと、圧電膜や電極材との反応性が小さいことから最も好適に採用される。
なお、これら基板等の材料として、前記安定化もしくは部分安定化ジルコニアを使用する場合には、少なくとも、振動板にアルミナあるいはチタニア等の添加物を含有させて構成すると好ましい。
基板を構成する振動プレート、中間プレート、ベースプレート、および固定板、連結板（連結固定板）、バネ板、振動板、バネ板補強部、補強板の各要素については、必ずしも同一の材料から構成される必要はなく、設計に応じて前述した各種セラミック材料を組み合わせて用いることが可能であるが、好ましくは、同一の材料系のものを用いて一体的に構成することが、各部の接合部の信頼性の確保や製造工程の簡略化等の見地から好ましい。
但し、バネ板を連結板の両平板面に形成する場合には、圧電素子が配設される面側に形成されるバネ板については、圧電素子と同じ構造を有するものをバネ板として形成して用いることもできる。この場合には、バネ板を圧電素子と同時に形成することができるので、製造工程上、好ましい。しかし、バネ板として形成された圧電素子については、圧電素子の電極は、電極としては用いない。
本発明の圧電／電歪デバイスにおける固定板の厚みや形状には制限がなく、使用用途に応じて適宜設計されることは既に述べたが、基板の厚みもまた、操作性を考慮して適宜決められる。これに対し、振動板の厚みは３〜２０μｍ程度とすることが好ましく、振動板と圧電素子を合わせた厚みは１５〜６０μｍとすることが好ましい。また、バネ板を設ける場合には、連結板の片面あるいは両面に貼合するいずれの場合であっても、連結板とバネ板との合計の厚みが２０〜３００μｍ、幅３０〜５００μｍが好適であり、バネ板のアスペクト比（幅／厚み）は、０．４〜５０の範囲とすることが好ましい。なお、バネ板補強部を必要とする場合のバネ板補強部の厚みは、そのバネ板補強部に接合されるバネ板の厚みと同じとすることが好ましい。
次に、圧電素子における圧電膜としては、膜状に形成された圧電セラミックスが好適に用いられるが、電歪セラミックスあるいは強誘電体セラミックスであってもよい。また、分極処理が必要な材料でも、必要でない材料であってもよい。但し、記録ヘッド等に用いる場合には、固定板の変位量と駆動電圧もしく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、したがって、坑電界としては、１０ｋＶ／ｍｍ以下の材料を用いることが好ましい。
具体的には、圧電膜に用いるセラミックスとしては、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、チタン酸バリウム等や、これらのいずれかを組み合わせた成分を含有するセラミックスが挙げられる。このうち、本発明においては、ジルコン酸鉛とチタン酸鉛およびマグネシウムニオブ酸鉛からなる成分を主成分とする材料が好適に用いられるが、これは、このような材料が、高い電気機械結合係数と圧電定数を有すること、圧電膜の焼結時における基板部材との反応性が小さく、所定の組成のものを安定に形成することができること等の理由による。
さらに、上記圧電セラミックスに、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、もしくはこれらいずれかの組み合わせ、または他の化合物を適宜、添加したセラミックスを用いてもよい。例えば、ジルコン酸鉛とチタン酸鉛およびマグネシウムニオブ酸鉛を主成分とし、これにランタンやストロンチウムを含有させ、坑電界や圧電特性を調整して用いることもまた好ましい。
一方、圧電素子の電極は、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、鉛等の金属単体あるいはこれらのいずれかを組み合わせた合金が用いられ、さらに、これらに圧電膜あるいは振動板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。
なお、実際の電極の材料選定は、圧電膜の形成方法に依存して決定される。例えば、振動板上に第一電極を形成した後、第一電極上に圧電膜を焼成により形成する場合には、第一電極には圧電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必要があるが、圧電膜を形成した後に圧電膜上に形成される第二電極は、低温で電極形成を行うことができるので、アルミニウム等の低融点金属を使用することができる。
また、圧電素子を一体焼成して形成することもできるが、この場合には、第一電極および第二電極の両方を圧電膜の焼成温度に耐える高融点金属としなければならない。一方、図３に示したように、圧電膜５８上に第一および第二電極５９・６０を形成する場合には、双方を同じ低融点金属を用いて形成することができる。このように、第一電極および第二電極は、圧電膜の焼成温度に代表される圧電膜の形成温度、圧電素子の構造に依存して、適宜好適なものを選択すればよい。
続いて、圧電素子ならびに電極リード上に形成する絶縁コーティング層の材料としては、絶縁性のガラスもしくは樹脂が用いられるが、変位を阻害しないようにして、圧電／電歪デバイスの性能を上げるためには、絶縁コーティング材としてガラスよりも樹脂を用いることが好ましく、化学的安定性に優れたフッ素樹脂、例えば、四フッ化エチレン樹脂系テフロン（デュポン（株）製のテフロンＰＴＦＥ）、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体樹脂系テフロン（テフロンＦＥＰ）、四フッ化エチレン・パーフロロアルキルビニルエーテル共重合体樹脂系テフロン（テフロンＰＦＡ）、ＰＴＦＥ／ＰＦＡ複合テフロン等が好適に用いられる。また、これらのフッ素樹脂よりも耐食性、耐候性等に劣るが、シリコーン樹脂（中でも熱硬化型のシリコーン樹脂）も好適に用いられる他、エポキシ樹脂、アクリル樹脂等も目的に応じて使用することができる。なお、圧電素子ならびにその近傍と、電極リードならびにその近傍とで、それぞれ異なる材料を用いて、絶縁コーティング層を形成することも好ましい。さらに、絶縁性樹脂に無機・有機充填材を添加し、振動板等の剛性を調整することも好ましい。
絶縁コーティング層を形成した場合に、絶縁コーティング層上に形成されるシールド層の材料しては、金、銀、銅、ニッケル、アルミニウム等の種々の金属が好適に用いられるが、他にも上述した圧電素子における電極等に用いられる全ての金属材料を用いることができる。また、金属粉末を樹脂と混合してなる導電性ペーストを用いることもできる。
次に、本発明の圧電／電歪デバイスの作製方法について説明する。基板、固定板、連結板、連結固定板、振動板、バネ板の材料としての、ジルコニア等のセラミックス粉末にバインダ、溶剤、分散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振動プレート用、中間プレート用およびベースプレート用のそれぞれのグリーンシートあるいはグリーンテープを作製する。なお、バネ板１８を設けない場合には、中間プレートを設けなくともよいが、この場合には、基板の機械的強度を保つために、中間プレートの厚み分ほどベースプレートを厚くする、つまり、中間プレート用グリーンシートは作製しないが、その分、べースプレート用グリーンシートの厚みを厚くするとよい。
次に、それぞれのグリーンシート等を金型あるいはレーザ等を用いて、例えば、図２２に示すように、中間プレート用グリーンシート１７には貫通孔１４とバネ板１８を形成し、ベースプレート用グリーンシート１５には貫通孔１４が形成されるように、所定形状に打ち抜き加工し、作製した振動プレート用グリーンシート３、中間プレート用グリーンシート１７およびベースプレート用グリーンシート１５をこれらの順序で少なくとも各１枚ずつ積層、焼成により一体化して基板を作製する。ここで、これらのグリーンシート３・１５・１７等の積層を行うに際して、積層位置決めのために各グリーンシート３・１５・１７には予め孔部８が形成される。
なお、振動プレート用グリーンシート３についても、貫通孔１４や振動板２１等をグリーンの状態で形成することは可能であるが、一般に、振動プレート用グリーンシート３は３〜２０μｍと薄いために、振動プレート用グリーンシート３内に形成する振動板等の焼結後の平坦性、寸法精度等を確保するためには、後述するレーザ加工等で基板の形成および圧電素子の配設後に所定形状とすることが好ましい。
振動プレート用グリーンシート３上の振動板２１が形成される部分に圧電素子を配設する方法としては、金型を用いたプレス成形法またはスラリー原料を用いたテープ成形法等によって圧電膜を成形し、この焼成前の圧電膜を振動プレート用グリーンシート３上の振動板が形成される部分に熱圧着で積層し、同時に焼結して基板と圧電膜とを同時に作製する方法がある。但し、この場合には、電極は後述する膜形成法を用いて、基板あるいは圧電膜に予め形成しておく必要がある。
圧電膜の焼成温度は、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、圧電膜の組成を制御するために、圧電膜の材料の蒸発源の存在化に焼結することが好ましい。なお、圧電膜の焼成と基板との焼成を同時に行う場合には、両者の焼成条件をマッチングすることが当然に必要となる。
一方、膜形成法を用いた場合には、焼結した基板における振動板形成位置に、スクリーン印刷法、ディッピング法、塗布法等の厚膜形成法、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）、メッキ等の各種薄膜形成法により、圧電素子を配設することができる。このうち、本発明においては、圧電膜を形成するにあたり、スクリーン印刷法やディッピング法、塗布法等による厚膜形成法が好適に採用される。これは、これらの手法は、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を用いて圧電膜を形成することができ、良好な圧電作動特性が得られる。
例えば、作製した基板を所定条件にて焼成した後、振動プレートの表面の所定位置に第一電極を印刷、焼成し、次いで圧電膜を印刷、焼成し、さらに第二電極を印刷、焼成して圧電素子を配設する。そして形成された各電極を測定装置に接続するための電極リードを印刷、焼成する。ここで、例えば、第一電極として白金（Ｐｔ）を、圧電膜としてはジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）を、第二電極としては金（Ａｕ）を、さらに電極リードとして銀（Ａｇ）等の材料を使用すると、焼成工程における焼成温度が逐次低くなるよう設定されるので、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可能となる。
なお、適当な材料を選択することにより、圧電素子の各部材と電極リードを逐次印刷して、一回で一体焼成することも可能であり、一方、圧電膜を形成した後に低温で各電極等を設けることもできる。また、圧電素子の各部材と電極リードはスパッタ法や蒸着法等の薄膜法によって形成してもかまわず、この場合には、必ずしも熱処理を必要としない。
こうして圧電素子を膜形成法によって形成することにより、接着剤を用いることなく圧電素子と振動板とを一体的に接合、配設することができ、信頼性、再現性を確保し、集積化を容易とすることができる。ここで、さらに圧電膜を適当なパターンに形成してもよく、その形成方法としては、例えば、スクリーン印刷法やフォトリソグラフィー法、あるいはレーザ加工法、またはスライシング、超音波加工等の機械加工法を用いることができる。
次に、作製された基板の所定位置に振動板や固定板を形成する。ここで、ＹＡＧレーザの第４次高調波を用いた加工により、振動プレート用グリーンシート３を切り出し加工して除去することが好ましい。こうして、例えば、図１８に示されるような固定板や振動板といった基板と一体的に接合される部位を残しながら貫通孔１４を形成することができ、このとき、固定板や振動板等の形状を調整することで、変位量を調整することが可能である。
さらに、図２３に示すように、第一電極２２を上部電極、第二電極２４を下部電極として、その中間に圧電膜２３を形成した圧電素子２５を一度配設した後、上部電極をＹＡＧ第４次高調波レーザ、機械加工等により除去して圧電素子の有効電極面積を調整して、圧電／電歪デバイスのインピーダンス等の電気特性を調整し、所定の変位特性を得ることができるようになる。なお、圧電素子２５の構造が、図３あるいは図４に示されるような櫛型構造である場合には、一方のあるいは両方の電極の一部を除去すればよい。
このような加工においては、上記のＹＡＧ第４次高調波レーザを用いた加工以外にも、ＹＡＧレーザおよびＹＡＧレーザの第２次または第３次高調波、エキシマレーザ、ＣＯ2レーザ等によるレーザ加工、電子ビーム加工、ダイシング加工（機械加工）など、共振部の大きさと形状に適した種々の加工方法を適用することができる。
なお、本発明の圧電／電歪デバイスは、上述したグリーンシートを用いた作製方法の他に、成形型を用いた加圧成形法や鋳込成形法、射出成形法等を用いて作製することもできる。これらの場合においても、焼成前後において、切削や研削加工、レーザ加工、プレス加工による打ち抜き、あるいは超音波加工等の機械加工により加工が施され、所定形状とされる。
こうして作製された圧電／電歪デバイスにおける圧電素子ならびに電極リード上に形成する絶縁コーティング層は、ガラスもしくは樹脂を用いて、スクリーン印刷法、塗布法、スプレー法等によって形成することができる。ここで、材料としてガラスを用いる場合には、圧電／電歪デバイス自体をガラスの軟化温度程度まで昇温する必要があり、また硬度が大きいので変位もしくは振動を阻害するおそれがあるが、樹脂は柔らかく、しかも乾燥程度の処理で済むことから、樹脂を用いることが好ましい。なお、絶縁コーティング層として用いられる樹脂として、フッ素樹脂あるいはシリコーン樹脂が好適に用いられる旨は既に述べたが、これらの樹脂を用いる場合には、下地のセラミックスとの密着性を改善する目的で、使用する樹脂とセラミックスとの種類に応じたプライマー層を形成し、その上に絶縁コーティング層を形成することが好ましい。
次に、絶縁コーティング層上に形成されるシールド層の形成は、絶縁コーティング層が樹脂からなる場合には、焼成処理を行うことが困難なため、種々の金属材料を用いる場合には、スパッタ法等の加熱を要しない方法を用いて行われ、一方、金属粉末と樹脂からなる導電性ペーストを用いる場合には、スクリーン印刷法、塗布法等を好適に用いることができる。なお、絶縁コーティング層をガラスで形成した場合には、ガラスが流動しない温度以下で、金属ペーストをスクリーン印刷等し、焼成することも可能である。
以上、本発明の圧電／電歪デバイスの形態、材料、製法について、詳述してきたが、本発明が上記の実施の形態に限定されるものでないことはいうまでもなく、本発明には上記の実施形態の他にも、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて種々の変更、修正、改良等を加え得るものであることが理解されるべきである。
産業上の利用可能性
本発明の圧電／電歪デバイスは、構造が簡単であり小型化、軽量化が容易であるとともに、外部からの有害振動等の影響を受け難く、さらに、圧電素子を用いることで、静的変位のみならず、動的変位のいずれに対しても高精度な制御が可能であるという特徴を有する。また、簡便な製造方法により、安価に作製することができる利点がある。さらに、構成材料の選択の許容範囲が広く、目的に応じて都度好適な材料を使用することができる利点もある。したがって、各種のアクチュエータやセンサに組み込んだ場合に高精度な制御、測定が可能となり、また、小型化、軽量化にも寄与するという優れた効果を奏する。
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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