JP2000183413A

JP2000183413A - 変位素子及びその作製方法

Info

Publication number: JP2000183413A
Application number: JP36174498A
Authority: JP
Inventors: Zenichi Akiyama; 善一秋山; Kenichi Ogata; 賢一尾方
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1998-12-21
Filing date: 1998-12-21
Publication date: 2000-06-30

Abstract

(57)【要約】【課題】低重量，高速応答，サブミクロンオーダの変
位を可能にさせる変位素子を提供する。【解決手段】１は基体、２は該基体１中に設けられた
空孔（空位）、３は基体１上に積層された電気−機械変
換素子で、該基体１と電気−機械変換素子３とで構造体
を構成している。軽量化の要請から、この構造体を微小
に作製する。このような変位素子によれば、圧電横効果
による撓み振動は、その構造体の小型、高い強度により
応答速度が速く、かつ、０.５ミクロン程度の変位が得
られる。共振点による振動では、低電圧駆動が可能であ
り、また、強制振動での仕様に際しては電気−機械変換
素子を積層型に変更することで、動作電圧の増加を防ぐ
ことが可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、変位素子及びその
作製方法、より詳細には、微小位置決め装置、微小変位
検知装置等に用いて好適な変位素子及びその作製方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】光学や精密光学等の分野において、サブ
ハーフミクロンのオーダで光路長や位置を調整する変位
素子が要求されている。従来はボイスコイルのような電
磁式の変位素子が使われてきたものの、精度，速度の仕
様値の限界，ならびに、システム全体から要求される低
重量化等の面から、その見直しが検討されている。具体
的には、特開平５−１３５５１８号公報，特開平６−２
５９９０５号公報などでは圧電素子の利用により、記録
・再生用装置に用いられるものが挙げられる。圧電素子
とは圧電材料（または電歪材料）に電界を印加した時に
誘起される逆圧電効果や電歪効果に基づく変位を利用し
た素子であり、一般には、圧電／電歪アクチュエータと
呼ばれるものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記圧電／
電歪アクチュエータの構造としては、従来からユニモル
フ型，バイモフル型，積層型等が知られているが、その
中で、ユニモルフ型，バイモフル型は圧電横効果を利用
して屈曲変位を得るもので、比較的大きな変化が得られ
るものの、発生力が小さい、応答速度が遅い、等の問題
を有している。一方、積層型は発生力，応答速度が前述
の屈曲変位構造のものと比較して、飛躍的な向上がなさ
れるものの発生変位が少ないという欠点を有していた。
すなわち、要求される仕様に合わせてアクチュエータ機
構を選定する必要がある。

【０００４】しかも、従来のユニモルフ型，バイモフル
型のアクチュエータにおいては、いずれも、圧電／電歪
板等の部品を接着剤を用いて接合しており、アクチュエ
ータとしての動作の信頼性にも問題があった。

【０００５】上述のごとき接合の問題を解決するため
に、ＪＪＡＰvol.２４（１９８５）ｓｕｐｐ.１.２４−
２，ｐ.４１６ではセラミックス基板上にスクリーン印
刷の手法により圧電層を形成し、圧電ブザーを形成して
いる。また、特開平３−１２８６８１号公報，特開平５
−４９２７０号公報，特開平６−４００３０号公報では
同様な技術によりプリンタ用の圧電／電歪アクチュエー
タを作製している。これらインクジェットヘッド用のア
クチュエータは、その変位量が１００ｎｍと微小であ
り、本発明の狙いとするサブハーフミクロンでのアクチ
ュエータ素子には使用できない。

【０００６】本発明の狙いは、例えば、次世代の記録媒
体の記録・読み出し装置において、特に、近接場効果を
用いた装置などに適応でき、その仕様は変位量０.５ミ
クロン，応答周波数５０ｋＨｚ，重量５０ｍｇ以下の値
が列挙される。前述のボイスコイル等のアクチュエー
タ，積層圧電アクチュエータでは重量の制約により実現
が困難である。上述のように、従来のアクチュエータに
は一長一短があり、また解決されるべきいくつかの問題
を内在するものであった。

【０００７】本発明は、上述のごとき事情を背景にして
なされたものであり、その課題とするところは低重量，
高速応答，そして、サブミクロンオーダの変位を可能に
させるものであり（請求項１に相当）、さらに、この変
位素子に発光，受光（センサ）の素子を接合してなる微
小位置制御用の変位素子を提供するものである（請求項
２に相当）。請求項３はこれら変位素子の効率を高める
為に圧電セラミックスの膜厚などを適正化させたもので
あり、さらに設計ルールを最適の範囲にせしめたもの
（請求項４）、そして、請求項５においては変位量の均
一化を実現させるものである。

【０００８】また、この構造体を共振振動にて使う場合
と、強制振動下にて使う場合とに想定したとき、積層圧
電素子を用い強制振動下にも対応させる（請求項６）。
なお、共振とは、その構造体の有する固有振動数にて圧
電素子を振動させ、変位部に比較的低エネルギーにて大
振幅を与えるものであり、一方、強制振動とは、前述の
共振周波数より低周波での仕様を意味する。請求項７，
８は基体材質に関するものであり、圧電素子のヤング率
に対応させ、材質を最適化させたものであり、特に、後
者のセラミックス基体を用いた場合には、作製工程にお
いて従来の接合による不備を克服させるものである。具
体的には、請求項９，１０において圧電厚膜を基体上に
堆積させる（ビルドアップ）方式にて形成し、また、特
に、スクリーン印刷法にて作製する場合には容易に積層
型圧電素子を形成するものである（請求項１１）。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、部分
的に空の部位を有する基体と該基体上に積層された電気
−機械変換素子とにより構造体を構成し、該構造体の有
する共振振動、もしくは／または、強制振動にて該構造
体の一部を変形させることを特徴としたものである。

【００１０】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、前記構造体の変位部位に変位センサを有することを
特徴としたものである。

【００１１】請求項３の発明は、請求項１又は２の発明
において、前記電気−機械変換素子は、圧電セラミック
ス層の上部，下部に電極を配置させた構造体からなり、
電気−機械変換層の厚さＴｐが、その層のヤング率Ｙｐ
と、振動板膜厚Ｔｖと、振動板ヤング層Ｙｖとが、０.５（Ｔｖ×Ｙｖ）＜Ｔｐ×Ｙｐ＜２（Ｔｖ×Ｙｖ）の範囲から適正化されていることを特徴としたものであ
る。

【００１２】請求項４の発明は、請求項１乃至３のいず
れかの発明において、前記電気−機械変換素子層の幅Ｗ
ｐと、振動板幅Ｗｖとの比が、０.６５＜Ｗｐ／Ｗｖ＜０.８５の範囲から適正化されていることを特徴としたものであ
る。

【００１３】請求項５の発明は、請求項１乃至４のいず
れかの発明において、前記基板の振動板形状と、前記電
気−機械変換素子の層形状は、一方を４角形に取った場
合、他方が４角形でない多角形、もしくは／または、曲
線を含む形状からなることを特徴としたものである。

【００１４】請求項６の発明は、請求項１乃至５のいず
れかの発明において、前記電気−機械変換素子が積層圧
電素子からなることを特徴としたものである。

【００１５】請求項７の発明は、請求項１乃至６のいず
れかの発明において、前記振動板の材質が金属物質から
なることを特徴としたものである。

【００１６】請求項８の発明は、請求項１乃至６のいず
れかの発明において、前記基体の材質がセラミックスか
らなることを特徴としたものである。

【００１７】請求項９の発明は、部分的に空の部位を有
する基体と該基体上に積層された電気−機械変換素子と
により構造体を構成し、該構造体の有する共振振動、も
しくは／または、強制振動にて該構造体の一部を変形さ
せる変位素子の作製方法において、前記基体にセラミッ
クスを用い、圧電体微粒子を亜音速噴射させて所望する
形状に厚膜を形成する所謂エアロゾル化ジェットプリン
ティングにより形成することを特徴としたものである。

【００１８】請求項１０の発明は、部分的に空の部位を
有する基体と該基体上に積層された電気−機械変換素子
とにより構造体を構成し、該構造体の有する共振振動、
もしくは／または、強制振動にて該構造体の一部を変形
させる変位素子の作製方法において、前記基体にスクリ
ーン印刷，焼成により厚膜を形成することを特徴とした
ものである。

【００１９】請求項１１の発明は、部分的に空の部位を
有する基体と該基体上に積層された電気−機械変換素子
とにより構造体を構成し、該構造体の有する共振振動、
もしくは／または、強制振動にて該構造体の一部を変形
させる変位素子の作製方法において、前記基体に内部電
極，圧電層を印刷などの膜形成法にて作製し、積層型の
電気−機械変換層を形成することを特徴としたものであ
る。

【００２０】

【発明の実施の形態】図１は、本発明による変位素子の
基本的な構成を示す図で、図中、１は基体、２は該基体
１中に設けられた空孔（空位）、３は基体１上に積層さ
れた電気−機械変換素子で、該基体１と電気−機械変換
素子３とで構造体を構成している。本発明では、軽量化
の要請から、この構造体を微小に作製する。このような
本発明に従う変位素子によれば、圧電横効果による撓み
振動は、その構造体の小型、高い強度により応答速度が
速く、かつ、０.５ミクロン程度の変位が得られるもの
である。共振点による振動では、低電圧駆動が可能であ
り、また、強制振動での仕様に際しては電気−機械変換
素子を積層型に変更することで、動作電圧の増加を防ぐ
ことが可能になる。

【００２１】いま、電気−機械変換素子層３の変形が作
用する第１の基体面を振動板５と名称させた時、撓み振
動では効率の良い材料設計がなされ、その結果は、電機
−機械変換層の厚さをＴｐ、その層のヤング率をＹｐ、
振動板膜厚をＴｖ、振動板のヤング率をＹｖとすると
き、０.５（Ｔｖ×Ｙｖ）＜Ｔｐ×Ｙｐ＜２（Ｔｖ×Ｙｖ）の範囲から適正化される。同様にして、振動板５の幅Ｗ
ｖと電気−機械変換素子層３の幅Ｗｐも、０.６５＜Ｗ
ｐ／Ｗｖ＜０.８５より最適化がなされる。

【００２２】この場合の撓み振動は、電界により変形す
る電気−機械変換素子３と変化を示さない振動板５の張
り合わせからなり、詳細な実験と計算の結果、変形形状
は電気−機械変換素子３の形状（この場合、四角形）に
おける端部が拘束されたような変形を示し、かつ、最大
変位部は振動板と対称に配置させた時、中心部になる。
従って、この変位面にセンサ等を配置させた場合、変位
量が位置により異なってくる為、不具合を生じることも
ある。従って、端部拘束の影響を低減させる為、絶対量
の変位は減少するものの、変位の均一化を図るために、
振動板５の部位、並びに、電気−機械変換素子３の部位
の形状を最適化することが得策である。

【００２３】電気−機械変換素子３の具体的な材料とし
てＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）形圧電セラミックス
が好適であり、バルク焼結体を所望の形状に加工し、両
面に電極を形成させ、基体１に接合させてもよい。接合
にはアクリル系嫌気性熱硬化型接着剤を用い、この場
合、特に、還元反応を促進しやすい銅等を含む材質が良
く、材料強度の点からリン青銅等が好適である。

【００２４】ＰＺＴ形圧電セラミックスは、分極処理を
施した後共振振動させるには、電界強度が５００Ｖ／ｃ
ｍ以下のエネルギーで十分である一方、強制振動下には
１０ｋＶ／ｃｍ程の電界強度を必要とする。いま、ＰＺ
Ｔの厚さを２００ミクロンとした場合に、その駆動電力
は２００Ｖになり好ましくない。そこで、圧電セラミッ
クスの電気−機械変換層には積層圧電素子を用いること
が望ましい。積層圧電素子とは、内部電極を交差指に配
置させ、一層あたりの圧電体膜厚を３０μｍ程にし、駆
動電圧の低減を図ったものである。

【００２５】熱膨張係数による材料の分類において、低
熱膨張材料（４ｐｐｍ以下）にはＳｉ，ガラスがあり、
中熱膨張材料（４〜１０ｐｐｍ）は大抵のセラミックス
が属する。さらに高膨張材料（１０ｐｐｍ以上）には金
属材料があり、基体にセラミックス材料を用いることは
温度に対する信頼性を向上させることになる。これは熱
応力に起因する各種ストレスであり、素子の製造上、ま
た、素子の特性において環境温度変動に対する特性の不
安定性の克服に有効である。

【００２６】また、セラミックス基体を用いることでビ
ルドアップによる素子作製も可能になる。圧電セラミッ
クスの膜形成方法には一般の真空成膜法や、ｓｏｌ−ｇ
ｅｌ等の塗付・熱分解による膜形成が知られている。し
かし、これらの膜形成法ではアクチュエータ機能を出現
させる厚膜の作製は困難である。また、メッキ法による
堆積・その後の焼成により圧電体を形成することは原理
的に可能と思われるが、現時点では良好な特性が得られ
ない。液相法の一種である水熱合成法による膜堆積も考
えられるが、組成制御性及び下地基板への制約などの面
から同様に好ましくない。このビルドアップによる圧電
膜形成には、良好な圧電特性が得られる厚膜形成法であ
ると同時に、後加工無しにパターン状に形成されること
が望ましい。従って、圧電体微粒子を用いエアロゾル化
し、微細ノズルより吹き出すことにより堆積させる方法
が選ばれる。これは亜音速にまで加速された微粒子が、
予め加熱されている基板に衝突し、運動エネルギーを熱
エネルギーに変換し、その相乗効果にてセラミックスの
焼結が進行する原理に基づくものである。ただし、これ
だけの焼結では圧電性が低いので、堆積後に熱処理を施
す必要がある。ノズルよりセラミックス粉を吹き出させ
ること、また、中間にスリットを配置させることで所望
する形状に厚膜を形成できる。

【００２７】また、スクリーン印刷の手法により、同様
に、所望する形状に厚膜を形成できる。スクリーン印刷
による圧電厚膜の作製は以下のように行われる。ＰＺＴ
系圧電セラミックスの仮焼粉に所望の有機ビヒクルを添
加させペースト加工を施す。次に、スクリーン印刷板を
介して所望するパターンに転写し、乾燥，焼成を行う。
圧電セラミックスの焼結温度は１１００℃程であり、基
板としては耐熱性，反応性を考慮して選定される。一般
に、Ｓｉを有するセラミックス基板では、焼成工程中に
鉛−ＳｉＯ₂ガラスの反応性生物を形成し、圧電性は消
失してしまう。従って、Ｓｉを含まない／もしくはあっ
たとしても、その寄与の少ない０.４％以下のＳｉＯ₂含
有アルミナセラミックス基板などが望ましい。下部電極
はＰｔやＡｇ−Ｐｄ等の耐熱性を持つ金属材料の同様の
印刷形成で行う。このような手法での作製においては、
内部電極・各圧電層の交互の形成により容易に積層構造
が得られる点に有る。また、これら２つのビルドアップ
方式による形成法では、接着剤を用いる必要がなく好ま
しい。以下、実施例に基づき説明する。

【００２８】（実施例１）図２に、第１の実施例として
作製した構造体の寸法を、また、図３に、変位形状を表
す計算結果を示す。図３は、１次の共振周波数における
変位形状を示し、計算では９２.８ｋＨｚであり、十分
な高速応答であることが分かる。また、試作試料の電気
的なインピーダンス共振測定の結果、同じ周波数とみな
せる９７.５ｋＨｚで観測された。

【００２９】（実施例２）図４は、第２の実施例の形態
を説明するための図で、図４（Ａ）は回路構成図、図４
（Ｂ）は信号波形図で、図中、１０は前述のごとき基体
１と電気−機械変換素子よりなる構造体、１１は該構造
体１０の支持体、１２は駆動信号発生器、１３は光ファ
イバ、１４は光ファイバ１３の変位を検出する検出回
路、１５はロックインアンプ、１６は試料駆動信号発生
器、１７はアンプ、１８は試料駆動用積層圧電型アクチ
ュエータ、１９は試料で、変位素子（構造体）１０の先
端に光ファイバ１３を接合し、該光ファイバ１３の端部
にフォトダイオードを接続し、試料１９の評価を行っ
た。測定した試料１９はガラス基板上にＡｌ薄膜からな
る０.３５μｍのＬ＆Ｓ（ライン＆スペース）パターン
である。この試料１９を積層圧電アクチュエータ１８に
配置させ、基本速度で矢印方向に振動させ、その時の光
強度変化を光ファイバ１３及び検出回路１４で検出す
る。強度変化の周期的な増減に対し、光強度の変化率が
一定になるように微小変位素子１０のアクチュエータを
信号発生器１２よりの駆動信号により駆動させる。テス
トパターン１９に接続した基準積層圧電素子１８は市販
品を用い、その応答性は１００ｋＨｚまでは補償されて
いる。その結果、非強制振動領域の周波数でも追従し、
４０ｋＨｚまでの性能を確認した。この実施例では、測
定体（試料）１９を基準器にて駆動させたが、例えば、
０.３５μｍ相当のトラッキング信号の検知と、制御用
のシステムも、先述の周波数の範囲にて実現可能である
ことが言える。

【００３０】（実施例３）撓み振動において圧電セラミ
ックス層３の膜厚をＴｐ、ヤング率をＹｐとし、また振
動板５（この場合、基体１の空の部位２にて分離される
圧電層側の部分）の膜厚をＴｖ、ヤング率をＹｖとし各
々の関係を計算により求めた。第１の例として、それぞ
れのヤング率，ポアソン比を同一の値として、すなわ
ち、同質材料にて計算したところ、Ｔｐ＝Ｔｖの点で最
大変位が得られた。第２の例として典型的な圧電体であ
るＰＺＴの値を用い、また、振動板に真鍮の値を用いて
算出した。その結果を図５に示す。この場合、等しい厚
さでは、最大値を示さず、ちょうどヤング率と厚さの積
が等しくなる所に最大値が存在する。相対変位量にて２
０％減少までを適正値と見なした場合、その範囲は、０.５（Ｔｖ×Ｙｖ）＜Ｔｐ×Ｙｐ＜２（Ｔｖ×Ｙｖ）となる。

【００３１】（実施例４）振動板５の底部の固定端距離
をＷｖ、また、ＰＺＴの幅をＷｐとし、両者を中心に対
称に配置させ、Ｗｐ／Ｗｖを変化させた時の相対変位量
を図６に示す。また、この図６にはＴｐ／Ｔｖをパラメ
ータとしてプロットしてある。ちょうど７割のところを
最大とした関係が得られた。同様の基準で適正化する
と、０.６５＜Ｗｐ／Ｗｖ＜０.８５となる。

【００３２】（実施例５）図７に、今まで適正化した条
件にて、圧電体層に１０ｋＶ／ｃｍの電界を印加した時
の撓み形状を示す。このように変位は中心部で最大とな
り、圧電体の陵に向かうに従い転移は減少する。中心に
センサなどの素子を取り付ける場合、このような限られ
た範囲での接続は工程の安定性の面から好ましくない。
従って、絶対的な変位量は減少するものの、最大変位範
囲を広げる為、圧電体層の形状を四角形（上方から観た
時）から中心部がウエストを持つ鼓形状に変更した。即
ち、ウエスト部の幅を最長幅の６割にし、各辺は６０°
の角度にてウエスト部に接続している。この時の変位は
３５％減少したものの、今までの微小な最大変位面の面
積が８倍に増加した。また、鼓形状でなく曲線を有する
形状にしてもよい。

【００３３】（実施例６）図８に、２００μｍ厚の圧電
体層に２００Ｖ印加した時の撓み形状を示す。最大変位
量は−０.５４μｍである。このようにシステムとして
２００Ｖの電源が容易に許される場合は問題ないが、一
般には、低電圧駆動が望まれる。そのために積層圧電素
子を用いる。以下の仕様の圧電素子を用いた。圧電素子
層の厚さ２５μｍ、積層数８層、不活性層２５μｍが上
部、下部に各１層の厚さ２５０μｍ、寸法２ｍｍ×３.
２ｍｍ（交差指電極面積１.８×３ｍｍ）。

【００３４】（実施例７）振動板に金属材料を用いるこ
とで電極リードの接続を容易にすることができる。図９
は、その工程を示す図で、図中、２１はリン青銅板で厚
さ１００μｍ、２２は圧電体であり厚さは１５０μｍ
で、両面に焼き付け法による銀電極２２ａ，２２ｂを施
しており、分極処理を施している。これらの接合は嫌気
性熱硬化型アクリル樹脂をスクリーン印刷により均一に
塗布した後、８０℃，押し圧５００ｇ／ｃｍ²の条件に
て接合した。これらを凹部２３ａを有する下部母材２３
と接合することで空位を有する構造体ができる。下部電
極２２ｂとリン青銅２１は部分的に一部が導通し、特別
なコンタクトを施さなくても電気的なコンタクトが得ら
れる。また、上部電極２２ａには通常の電極リードを施
すことで機能することができる。一方、接合の容易性か
らリン青銅を示したが、その他ＰＺＴと同様の熱膨張係
数を有するＮｉ系の４２アロイを用いてもよい。また本
発明のアクチュエータ厚さから好ましい金属母材に要求
されるヤング率は、概ね８×１０¹⁰Ｎ／ｍ ²以上が該当
する。

【００３５】（実施例８）基体材料をセラミックス材料
にすることで、今までに無い量産性の優れた素子ができ
る。それは、前述の実施例で示した金属材料では、各素
子１つ１つを接合したのに対し、母材を含む主たる構造
材が全てセラミックスからなることで、先ず一次元的に
各部位を形成し、接合した後、所望する寸法にて（奥行
き長さに相当）同時切断・加工が出来る。これによりス
ループットの向上がなされる。

【００３６】（実施例９）更に基体材料をセラミックス
にすることで、製造工程の最高熱プロセスの飛躍的な高
温化がなされる。今までの実施例では圧電材料と基体部
位を接着剤などの接合媒体を介して接合していたが、こ
の接合媒体の省略は素子の信頼性を高めることに寄与す
る。

【００３７】ジェットプリンティングによる膜形成は、
以下の手順により実施した。高純度アルミナ基板に白金
電極をスクリーン印刷法で印刷、１３００℃で焼成し得
る。この基板を７００℃に加熱し、ジェットプリンティ
ングを行う。用いたＰＺＴは水熱合成法により作製した
ＰＺＴ（５２／４８）Ｎｂ２０５：０.５ｗｔ％添加品
で仮焼粉の比表面積は４０ｍ²／ｇである。堆積膜の厚
さは１００μｍで、ジェットプリンティング後１０５０
℃の焼成を鉛雰囲気中にて行い、圧電膜を得た。この膜
は１２５℃、２０ｋＶ／ｃｍの分極処理を行い、圧電性
を評価したところ、厚み縦共振が２２ＭＨｚにて観測さ
れ、良好な圧電体層が得られていることを確認した。こ
のジェットプリンティングでは試料を配置したステージ
を２次元的に操作させることにより、また、中間に開孔
を有するスリットを配置させることで容易にパターン形
成できる。

【００３８】（実施例１０）同様にセラミックス基板を
用いスクリーン印刷法による圧電膜形成を行う。スクリ
ーン印刷による圧電膜の形成は、まず、圧電セラミック
ス粉を用いて印刷用のペースト加工を施すことから始ま
る。用いた圧電セラミックス粉はＰｂ（Ｎｉ _1/3Ｎ
ｂ_2/3）Ｏ₃−Ｐｂ（Ｚｒ_0.7Ｔｉ_0.3）Ｏ₃で比表面積４
ｍ²／ｇと８ｍ²／ｇの異なる比表面積を有する等量の粉
を用いた。ここではソフトＰＺＴと呼ばれる圧電セラミ
ックスを用いたが、これらは本実施例に限定されるもの
ではなく、主としてＰＺＴ系セラミックスであればよ
い。また、ＰＺＴ材料に対して好ましい焼結助剤を１ｗ
ｔ％以下の割合で添加する。例えば、ＰＺＴ（５２／４
８）であればＰｂ₅Ｇｅ_３Ｏ_１１を、また、ＰＮＮ−Ｐ
ＺＴ，Ｐｂ（Ｍｇ_1/3Ｎｂ_2/3）Ｏ₃−Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔ
ｉ）Ｏ₃であればＬｉ−Ｂｉ−Ｏｘｉｄｅを、また、そ
の他ホウ素を適宜用いる。

【００３９】これら仮焼粉に対し、エチルセルロースを
バインダーとし、α−テルピネオールとセロソルブ系の
溶媒、さらに、界面活性剤を加え、３本ロールミルにて
混練し、所望するセラミックスのペーストを作製する。

【００４０】スクリーン印刷は、ステンレスメッシュ
（＃３２５）を用い、パターン転写し、乾燥，脱脂，焼
成にて厚膜セラミックス焼結体を得る。この時、焼成時
の高温に際して、セラミックス中の鉛成分が揮発してし
まうため、マグネシアの気密性の良いるつぼ、また、セ
ッターを活用して、鉛雰囲気での焼成を行う。焼成温度
はＰＺＴ組成やセラミックス粉の粒径にも依存するが、
１１００℃程度、２時間で行った。印刷条件の最適化に
より、出来上がるパターン化された圧電体厚膜は、概ね
１００μｍＬ＆Ｓの寸法に仕上がった。

【００４１】（実施例１１）前述の実施例と同様にセラ
ミックス気体上に印刷法にて積層圧電体厚膜を形成す
る。ここで積層の意味するところは交差指型の内部電極
を有する低電圧駆動可能な圧電素子のことである。

【００４２】セラミックス基体は以下の手順に従って形
成した。部分安定化ジルコニアのセラミクス粉、比表面
積１４ｍ²／ｇを用い、ドクターブレード法により焼成
後１００μｍの厚さに成るようにグリーンシートを形成
する。

【００４３】処方は、ポリビニルブチラール樹脂にエチ
ルセルソルブ，トルエンの溶媒を加え、また、可塑剤に
フタル酸ジブチルを用いた。基体は振動板部位，柱部
位，ベース板部位の３層から構成され、少なくとも先の
振動板，柱部位に相当する、グリーンシートを熱圧着
後、焼成することで基体部を作製してもよい。

【００４４】ここでは、ベース板部位としてグリーンシ
ート３層を、柱部位としてパンチングなどの加工手段に
より打ち抜きを施したグリーンシートを、さらに振動板
用のグリーンシートを積層し、１５０℃，３０分，押し
圧４０ｋｇ／ｃｍ²にて熱圧着した。次に、６００℃以
下で脱脂を行い１５００℃にて焼成を行うことで、部分
的に空位を有するセラミックス気体構造体を得た。

【００４５】積層アクチュエータをこの上に作製するに
あたり、第１の電極層、Ｐｔペーストの印刷による形
成、次に、ＰＺＴペーストによる形成、第２の電極層の
形成と順次，交差指構造を転写し、同時焼成にて作製し
た。また、各層の印刷を行い、その都度焼成を行っても
構わない。

【００４６】本実施例では、長手方向に長い積層体を作
製し、その後ダイシングによる切り出しを行うことで、
工程の簡便化を図っている。図２に示す寸法、更に奥行
きに３.２ｍｍの長さを有する素子に仕上げた。この時
の質量は約３８ｍｇになり、従来のアクチュエータ素子
の１／８０の軽量化がなされた。

【００４７】

【発明の効果】請求項１に対する効果：構造的共振周波
数を変位素子の小型化により高め、圧電体と振動板によ
る撓み振動において、基体に空位を設けることにより振
動変位を拡大させる変位素子を作製した。

【００４８】請求項２に対する効果：変位素子にセンサ
などの機能を有する部品を接合することで、特に近接場
光学系における位置制御素子の作製に至った。

【００４９】請求項３に対する効果：撓み振動を構造的
共振周波数の低減を招くことなく、各膜厚の最適化を行
い、変位量の増加を行った。

【００５０】請求項４に対する効果：撓み振動を構造的
共振周波数の低減を招くことなく、各膜厚の最適化を行
い、変位量の増加を行った。

【００５１】請求項５に対する効果：最大変位領域の均
一化を行い、変位素子の安定化を図った。

【００５２】請求項６に対する効果：積層素子を用いる
ことで低電圧駆動を可能にした。

【００５３】請求項７に対する効果：金属材料を用いる
ことで、実装上の工程簡便化を図った。

【００５４】請求項８に対する効果：セラミックス基板
を用いることで変位素子作製のスループットを向上させ
た。

【００５５】請求項９に対する効果：ジェットプリンテ
ィングの手法により圧電体層を作製し、変位素子の信頼
性を高めるに至った。

【００５６】請求項１０に対する効果：スクリーン印刷
の手法により圧電体層を作製し、変位素子の信頼性を高
めるに至った。

【００５７】請求項１１に対する効果：スクリーン印刷
の手法により圧電体層の積層構造を作製し、変位素子の
信頼性を高めるに至った。また、これらの変位素子の重
量は、従来のアクチュエータと比較し１／８０の軽量化
がなされた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明により変位素子の基本的な構成を示す
図である。

【図２】第１の実施例として作製した構造体の寸法を
示す図である。

【図３】１次の共振周波数における変位形状を示す図
である。

【図４】第２の実施例の形態を説明するための図であ
る。

【図５】振動板に真鍮の値を用いて算出した結果を示
す図である。

【図６】Ｗｐ／Ｗｖを変化させた時の相対変位量を示
す図である。

【図７】圧電体層に電界を印加した時の撓み形状を示
す図である。

【図８】圧電体層に電圧を印加した時の撓み形状を示
す図である。

【図９】振動板に金属材料を用いることで電極リード
の接続を容易にする工程を示す図である。

【符号の説明】

１…基体、２…空孔（位）、３…電気−機械変換素子、
５…振動板、６…変位素子構造体、１１…支持体、１２
…駆動信号発生器、１３…光ファイバ、１４…検出回
路、１５…ロックインアンプ、１６…試料駆動信号発生
器、１７…アンプ、１８…試料駆動用圧電体、１９…試
料、２１…振動板、２２…圧電体、２２ａ，２２ｂ…電
極、２３…下部母材。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】部分的に空の部位を有する基体と該基体
上に積層された電気−機械変換素子とにより構造体を構
成し、該構造体の有する共振振動、もしくは／または、
強制振動にて該構造体の一部を変形させることを特徴と
する変位素子。
【請求項２】前記構造体の変位部位に変位センサを有
することを特徴とする請求項１に記載の変位素子。
【請求項３】前記電気−機械変換素子は、圧電セラミ
ックス層の上部，下部に電極を配置させた構造体からな
り、電気−機械変換層の厚さＴｐとが、その層のヤング
率Ｙｐと、振動板膜厚Ｔｖと、振動板ヤング率Ｙｖと
が、０.５（Ｔｖ×Ｙｖ）＜Ｔｐ×Ｙｐ＜２（Ｔｖ×Ｙｖ）の範囲から適正化されていることを特徴とする請求項１
又は２記載の変位素子。
【請求項４】前記電気−機械変換素子層の幅Ｗｐと、
振動板幅Ｗｖとの比が、０.６５＜Ｗｐ／Ｗｖ＜０.８５の範囲から適正化されていることを特徴とする請求項１
乃至３のいずれかに記載の変位素子。
【請求項５】前記基板の振動板形状と、前記電気−機
械変換素子の層形状は、一方を４角形に取った場合、他
方が４角形でない多角形、もしくは／または、曲線を含
む形状からなることを特徴とする請求項１乃至４のいず
れかに記載の変位素子。
【請求項６】前記電気−機械変換素子が積層圧電素子
からなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに
記載の変位素子。
【請求項７】前記振動板の材質が金属物質からなるこ
とを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の変位
素子。
【請求項８】前記基体の材質がセラミックスからなる
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の変
位素子。
【請求項９】部分的に空の部位を有する基体と該基体
上に積層された電気−機械変換素子とにより構造体を構
成し、該構造体の有する共振振動、もしくは／または、
強制振動にて該構造体の一部を変形させる変位素子の作
製方法において、前記基体にセラミックスを用い、圧電
体微粒子を亜音速噴射させて所望の形状に厚膜を形成す
る所謂エアロゾル化ジェットプリンティングにより形成
することを特徴とする変位素子の作製方法。
【請求項１０】部分的に空の部位を有する基体と該基
体上に積層された電気−機械変換素子とにより構造体を
構成し、該構造体の有する共振振動、もしくは／また
は、強制振動にて該構造体の一部を変形させる変位素子
の作製方法において、前記基体にスクリーン印刷，焼成
により厚膜を形成することを特徴とする変位素子の作製
方法。
【請求項１１】部分的に空の部位を有する基体と該基
体上に積層された電気−機械変換素子とにより構造体を
構成し、該構造体の有する共振振動、もしくは／また
は、強制振動にて該構造体の一部を変形させる変位素子
の作製方法において、前記基体に内部電極，圧電層を印
刷などの膜形成法にて作製し、積層型の電気−機械変換
層を形成することを特徴とする変位素子の作製方法。