JP2001320099A - 圧電／電歪デバイス及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】デバイスの耐衝撃性を向上させる。 【解決手段】相対向する一対の薄板部１２ａ及び１２ｂ
と、これら薄板部１２ａ及び１２ｂを支持する固定部１
４を具備し、一対の薄板部１２ａ及び１２ｂにそれぞれ
圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂが配設された圧電／電
歪デバイス１０において、可動部２０ａ及び２０ｂは、
互いに対向する端面３４ａ及び３４ｂを有し、薄板部１
２ａ及び１２ｂと、固定部１４、可動部２０ａ及び２０
ｂとの接合した境界線に充填物を有した空隙部２０ｃ及
び２０ｄを形成する。

Description

【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、相対向する一対の薄板部とこれら薄板
部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、少なくとも前記薄板
部と可動部あるいは、前記薄板部と固定部との間の空隙
部に充填物を配置する事を特徴とする圧電／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、相対向
する一対の薄板部と、これら薄板部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
スの製造方法であって、前記薄板部となる第１のセラミ
ックグリーンシートと第１の窓部を有する第２のセラミ
ックグリーンシートと前記第１の窓部よりも小さな窓部
を有する第３のセラミックグリーンシートとを準備する
成形工程と、少なくとも第２のセラミックグリーンシー
トを第１及び第３のセラミックグリーンシートの間に挟
んで、複数のセラミックグリーンシートの積層体を作製
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、相対向する一対の薄板部
と、これら薄板部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／電歪デバイスの製造方法であっ
て、前記薄板部となる第１のセラミックグリーンシート
と窓部を有する第２のセラミックグリーンシートとを準
備する成形工程と、第１のセラミックグリーンシートと
第２のセラミックグリーンシートの間に、高融点金属を
含むシートを挟んで積層する工程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１２
ｂ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１２
ａ及び１２ｂの長手方向に沿って空隙部２０ｃ及び２０
ｄ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２
４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１
４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１８
ａ及び１８ｂを用いることにより、アクチュエータ部１
９ａ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１８
ａ及びは１８ｂが自然状態、即ち、圧電／電歪素子１８
ａ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１８
ａ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１８
ｂ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２
０ａ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２０
ａ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１２
ｂ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１２
ｂ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４
０）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１
２ｂ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２０
ａ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２
０ｂ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１２
ｂ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３４
ａ及び３４ｂの形成に伴う軽量化や可動部２０ａ及び２
０ｂ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１
４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１２
ｂ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〜１００
μｍ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、２
００μｍ〜３０００μｍが好ましく、更に好ましくは３
００μｍ〜２０００μｍである。可動部２０ａ及び２０
ｂ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２０
ａ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１
２ａ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１
８ｂ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、２
μｍ〜１００μｍ程度とすることが好ましく、薄板部１
２ａ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２
６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３４
ａ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２０
ａ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、：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１
４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、：一方の端子２８の端部で短絡が生じに
くくすること、：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１
２ａ及び１２ｂ、固定部１４並びに可動部２０ａ及び２
０ｂ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１８
ａ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５
８（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１０
２Ａ〜１０２Ｇと、空隙部１４ａ、１４ｂとなる窓部１
００ａ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１
２ａ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５１
Ａ〜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〜５０
Ｄ、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５
８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１８
ｂ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１２
ｂ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（Ｐ
ｔ）、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２
２、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１
２ｂ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℃〜１４
００℃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２
２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２
２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１２
ｂ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３
４ｂ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Ｗ
１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１２
ａ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、少なくとも前記薄板部と可動部あるいは、
前記薄板部と固定部との間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・・、１１
ｂ・・、１２、１２ａ、１２ｂ・・薄板部、１４・・固
定部、１４ａ，１４ｂ・・空隙部、１６・・基体、１８
ａ，１８ｂ・・圧電／電歪素子、１９ａ，１９ｂ・・圧
電／電歪層、２０ａ，２０ｂ・・可動部、２０ｃ，２０
ｄ・・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、５４，１０
０，１００ａ・・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。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 41/22 Ｚ (31)優先権主張番号 特願平11−371967 (32)優先日 平成11年12月27日(1999．12．27) (33)優先権主張国 日本（ＪＰ） (31)優先権主張番号 特願2000−13576(P2000−13576) (32)優先日 平成12年１月21日(2000．1．21) (33)優先権主張国 日本（ＪＰ） (31)優先権主張番号 特願2000−15123(P2000−15123) (32)優先日 平成12年１月24日(2000．1．24) (33)優先権主張国 日本（ＪＰ） (31)優先権主張番号 特願2000−56434(P2000−56434) (32)優先日 平成12年３月１日(2000．3．1) (33)優先権主張国 日本（ＪＰ） (72)発明者 池田 幸司 愛知県名古屋市瑞穂区須田町２番56号 日 本碍子株式会社内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 相対向する一対の薄板部とこれら薄板部
   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、 少なくとも前記薄板部と可動部あるいは、前記薄板部と
   固定部との間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。
2. 【請求項２】 請求項１記載の充填物が、前記薄板部と
   前記可動部あるいは、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。
3. 【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。
4. 【請求項４】 相対向する一対の薄板部と、これら薄板
   部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／電歪デバイスの製造方法であって、 前記薄板部となる第１のセラミックグリーンシートと第
   １の窓部を有する第２のセラミックグリーンシートと前
   記第１の窓部よりも小さな窓部を有する第３のセラミッ
   クグリーンシートとを準備する成形工程と、 少なくとも第２のセラミックグリーンシートを第１及び
   第３のセラミックグリーンシートの間に挟んで、複数の
   セラミックグリーンシートの積層体を作製する工程とを
   含むことを特徴とする圧電／電歪デバイスの製造方法。
5. 【請求項５】 相対向する一対の薄板部と、これら薄板
   部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／電歪デバイスの製造方法であって、 前記薄板部となる第１のセラミックグリーンシートと窓
   部を有する第２のセラミックグリーンシートとを準備す
   る成形工程と、 第１のセラミックグリーンシートと第２のセラミックグ
   リーンシートの間に、高融点金属を含むシートを挟んで
   積層する工程を含むことを特徴とする圧電／電歪デバイ
   スの製造方法。
6. 【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。