JP2004304193A - 機能素子、機能素子を用いた装置、および機能素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高精細化、高密度化、高集積化の要求に対応した圧電性または焦電性機能素子およびそれを利用したアクチュエータ、センサなどの装置を提供する。
【解決手段】圧電性または焦電性を有する材料の薄膜１を１軸上に巻いて内径１００μｍ以下のコイル状に形成する。また、圧電性または焦電性を有する材料を質量が１０ｍｇ以下の素子に形成する。
これにより高精細化、高密度化、高集積化が可能な各種の機能素子、アクチュエータ、センサおよびそれらを利用した装置を実現することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧電性または焦電性を有する材料を使用した機能素子およびその製造方法、ならびにその機能素子を利用した各種のセンサやアクチュエータなどの装置に関する。

有機材料または無機材料からなる圧電体や焦電体は従来から種々の機能素子に用いられてきた。圧電体は、その厚み方向の圧電性（ｄ_３３）を利用して超音波を発振させるトラ
ンスデューサ（特許文献１など）や、医療用分野の超音波診断装置、工業用途の探査装置などに広く適用されている。また、圧電体の伸びの圧電性（ｄ_３１など）を利用してマイ
クロフォンやスピーカなども開発されている。また、細管（チューブ）の外側に圧電体を密着させて振動させることにより、チューブ内を流れる液体の流れを制御することも行われており、インクジェットプリンターのヘッド（特許文献２など）に応用されている。さらに、圧電体の応用分野は、光ディスクのヘッドや走査型プローブ顕微鏡のスキャナーチューブなどの微動装置にも適用されている。
一方、焦電体は主に温度センサ（特許文献３など）として利用されている。
これらの従来技術においては、圧電体や焦電体はいずれもそのサイズがミリメートル（ｍｍ）サイズ以上の大きさを持つ素子として加工されている。その加工方法としては、平面形状の素子ではフィルム状に成型した後周囲を切削加工する方法、鋳型を用いて成型する方法、またチューブ状の素子では棒状に成型した後、周囲および内部を切削加工する方法などが行われている。
特開２００１−２５８０９８号公報（第２頁特許請求の範囲、図１など） 特開平０９−２７７５２４号公報（第２頁特許請求の範囲、図１など） 特開平０７−３５６１７号公報（第２頁特許請求の範囲、図１など）

近年、コンピュータおよびその周辺機器を中心とするエレクトロニクス分野、光通信関連装置を中心とするオプトエレクトロニクス分野、プリンター、分析装置などをはじめ、精密機械装置に広く用いられているメカトロニクス分野、さらには、インテグレーティッドケミストリーや体内計測などの新しい分野においては、高精細化、高密度化、高集積化が必須条件となってきており、その結果、これらの装置に用いられる機能素子に対しては微細化が強く要求されている。
しかし、上記の従来技術における圧電性素子や焦電性素子は、圧電体や焦電体のサイズがミリメートルサイズ以上の大きさを持つ素子であるので、これらの新分野に適用することが困難である。

本発明は上記のような課題に鑑みなされたもので、圧電性または焦電性を有する材料をミリメートルサイズ以下に微小化し、エレクトロニクス分野、オプトエレクトロニクス分野、メカトロニクス分野、インテグレーティッドケミストリーや体内計測などの新しい分野における高精細化、高密度化、高集積化の要求に対応することが可能な機能素子を提供することを目的とする。
また、この微小化された機能素子の製造方法を提供することを目的とする。
さらに、微小化された機能素子を利用した機能性素子、アクチュエータ、センサなどの種々の装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の本発明の機能素子は、圧電性または焦電性を有する材料をコイル状に形成したことを特徴とする。
請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の機能素子において、前記材料が有機薄膜からなることを特徴とする。
請求項３に記載の本発明は、請求項１または請求項２に記載の機能素子において、コイルの内径が１００μｍ以下であることを特徴とする。
請求項４に記載の本発明のアクチュエータは、請求項１から請求項３のいずれかに記載の機能素子を用いたことを特徴とする。
請求項５に記載の本発明の圧電または焦電センサは、請求項１から請求項３のいずれかに記載の機能素子を用いたことを特徴とする。
請求項６に記載の本発明の装置は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の機能素子を液体の流速計測用センサおよびまたは超音波診断用センサおよびまたは温度計測用センサとして用いたことを特徴とする。
請求項７に記載の本発明の装置は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の機能素子を液体輸送管内に挿入し、前記液体輸送管内で動作させることで管内の清浄化を行うことを特徴とする。
請求項８に記載の本発明の装置は、請求項６または請求項７に記載の装置を人体内組織の治療または計測に用いたことを特徴とする。
請求項９に記載の本発明の機能素子の製造方法は、圧電性または焦電性を有する薄膜の上面または下面の一方の面に対して他方の面よりも拡がろうとする力、または縮まろうとする力を加えることにより前記薄膜を１軸上に巻くことでコイル状に形成したことを特徴とする。
請求項１０に記載の本発明は、請求項９に記載の機能素子の製造方法において、前記薄膜の一方の面に対してエネルギー線を照射することにより、他方の面よりも縮まろうとする力を加えることを特徴とする。
請求項１１に記載の本発明は、請求項９に記載の機能素子の製造方法において、前記薄膜を材質の異なる少なくとも２枚の薄膜で形成することを特徴とする。
請求項１２に記載の本発明は、請求項１１に記載の機能素子の製造方法において、結晶の格子定数が互いに異なる薄膜を用いることを特徴とする。
請求項１３に記載の本発明は、請求項１１に記載の機能素子の製造方法において、光重合性または熱重合性が互いに異なる薄膜を用いることを特徴とする。

本発明によれば、圧電性または焦電性を有する材料をミリメートルサイズ以下に微小化することができるので、エレクトロニクス分野、オプトエレクトロニクス分野、メカトロニクス分野、インテグレーティッドケミストリーや体内計測などの新しい分野における機能性素子、アクチュエータ、センサなどの高精細化、高密度化、高集積化を図ることができる。
特に、アクチュエータにおいては素子のサイズを十分小さくすることによって素子の動きをより顕著にすることが可能になる。例えば、圧電性のチューブでは、その内径を小さくすることにより内径に対する圧電変位量の割合が大きくなる。その結果、チューブ内を流れる液体を輸送する効率、吐出する効率を向上することができる。
また、ワイヤ形状の素子においては、ワイヤ径を細くすることにより変位量を増大でき、アクチュエータとしての性能を大幅に向上することが可能となる。
さらに、素子の重量を十分小さくすることができるので、外部磁界や外部電界を用いて素子自体を外部から自由に制御することが可能になる。

本発明の第１の実施の形態による機能素子は、圧電性または焦電性を有する材料をコイル状に形成することにより、ミリメートルサイズ以下のコイル状機能素子を得ることができる。したがって、高精細化、高密度化、高集積化が要求されるエレクトロニクス分野、オプトエレクトロニクス分野、メカトロニクス分野、インテグレーティッドケミストリーや体内計測などの新しい分野における各種の機能素子やアクチュエータを実現することができる。
本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態による機能素子において、材料を有機薄膜とすることにより薄膜の上面または下面に架橋反応を誘起させることができ、薄膜に縮まろうとする力を誘起させることができる。したがって、薄膜を微小な内径でコイル状に巻くことが容易になる。また、内径の調整は架橋点の数の多少によって行うことができる。
本発明の第３の実施の形態は、第１または第２の実施の形態による機能素子において、コイルの内径を１００μｍ以下とすることにより、伸縮運動や振動運動の駆動効率が高くなり、高精細化、高密度化、高集積化が要求されるエレクトロニクス分野、オプトエレクトロニクス分野、メカトロニクス分野、体内計測などの新しい分野における各種の機能素子やアクチュエータを実現することができる。
本発明の第４の実施の形態のアクチュエータは、第１から第３の実施の形態のいずれかに記載の機能素子を用いたことにより、高精細化、高密度化、高集積化が要求されるエレクトロニクス分野、オプトエレクトロニクス分野、メカトロニクス分野、インテグレーティッドケミストリーや体内計測などの新しい分野における各種のアクチュエータを実現することができる。
本発明の第５の実施の形態の圧電または焦電センサは、第１から第３の実施の形態のいずれかに記載の機能素子を用いたことにより、高精細化、高密度化、高集積化が要求されるエレクトロニクス分野、オプトエレクトロニクス分野、メカトロニクス分野、インテグレーティッドケミストリーや体内計測などの新しい分野における各種のセンサを実現することができる。
本発明の第６の実施の形態の装置は、第１から第３の実施の形態のいずれかに記載の機能素子を液体の流速計測用センサおよびまたは超音波診断用センサおよびまたは温度計測用センサとして用いたことにより、細い管内の液体の流速や温度変化、さらには流体中に混入した固形物の状況や管の内壁の付着物の状況を測定することができる。したがって、人体内の血管中の血液の流速や血管の内部状況を知ることができる。
本発明の第７の実施の形態の液体輸送管内の清浄化装置は、第１から第３の実施の形態のいずれかに記載の機能素子を液体輸送管内に挿入し、前記液体輸送管内で動作させることで管内の清浄化を行うことにより、人体内の血管などの細い管の内壁に付着した固形物を剥離し清掃することができる。
本発明の第８の実施の形態の装置は、第６または第７の実施の形態に記載の装置を人体内組織の治療または計測に用いたことにより、人体内の血管中の血液の流速や血管の内部状況を知ることができる。また、人体内の血管などの細い管の内壁に付着した固形物を剥離し清掃することができる。
本発明の第９の実施の形態の機能素子の製造方法は、圧電性または焦電性を有する薄膜の上面または下面の一方の面に対して他方の面よりも拡がろうとする力、または縮まろうとする力を加えることにより前記薄膜を１軸上に巻くようにコイル状に形成したので、微小な内径のチューブ状機能素子を容易に製造することができる。
本発明の第１０の実施の形態は、第９の実施の形態による機能素子の製造方法において、薄膜の一方の面に対してエネルギー線を照射することにより、薄膜の一面に架橋反応を誘起させて他方の面よりも縮まろうとする力を加えるようにしたので、微小な内径のチューブ状機能素子を容易に製造することができる。
本発明の第１１の実施の形態は、第９の実施の形態による機能素子の製造方法において、薄膜を材質の異なる少なくとも２枚の薄膜で形成することにより、微小な内径のチューブ状機能素子を容易に製造することができる。
本発明の第１２の実施の形態は、第１１の実施の形態による機能素子の製造方法において、結晶の格子定数が互いに異なる薄膜を用いることにより、圧電性薄膜または焦電性薄膜の一方の面に対して他方面よりも拡がろうとする力、または縮まろうとする力が加わって、微小な内径のチューブ状機能素子を容易に製造することができる。
本発明の第１３の実施の形態は、第１１の実施の形態による機能素子の製造方法において、光重合性または熱重合性が互いに異なる薄膜を用いることにより、圧電性薄膜または焦電性薄膜の一方の面に対して他方面よりも拡がろうとする力、または縮まろうとする力が加わって、微小な内径のチューブ状機能素子を容易に製造することができる。

以下、本発明の一実施例による機能素子を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施例である圧電性または焦電性材料をチューブ状に巻いた圧電性または焦電性チューブの構成を示す。圧電性または焦電性を有する薄膜１をＸ−Ｘ’軸上に巻くことにより圧電性または焦電性チューブが形成される。
図２は、圧電性または焦電性材料をコイル状に形成した圧電性または焦電性コイルの構成を示す。圧電性または焦電性を有する幅ｄの帯状の薄膜２を１軸Ｙ−Ｙ’軸上に巻くことによりコイル形状を有する圧電性素子または焦電性素子を実現することができる。
図２に示すコイル形状を有する圧電性または焦電性素子を作製する場合には、コイルの旋回ピッチｐは薄膜２が巻かれる軸方向と帯状の薄膜の長手方向との成す角度Θによって決まる。この関係を図３に示す。一般的に、膜がその面内で弾性率に異方性を有する場合、弾性率が最大となる方向を軸としてその軸の回りに薄膜が巻かれる。したがって、予め膜の弾性率に異方性を持たせた後に、図３に示すか角度Θを適宜調節して帯状の薄膜２を切り出すことによりコイルの旋回ピッチｐを任意に設計することができる。
圧電性または焦電性チューブまたはコイルの大きさは特に限定されるものではなく、ミリメ−トルオ−ダ−の大きさのものは、圧電性または焦電性材料を棒状に成型した後、周囲および内部を切削加工する方法で加工することができる。一方、圧電性または焦電性チューブまたはコイルをエレクトロニクス分野、オプトエレクトロニクス分野、メカトロニクス分野、インテグレーティッドケミストリーや体内計測などの新しい分野で使用するには、以下に説明するように、ミリメートルサイズ以下、具体的には内径が１００μｍ以下の圧電性または焦電性のチューブまたはコイルとすることが好ましい。

以下、圧電性または焦電性チューブを例に説明するが、圧電性または焦電性コイルの場合も同様である。いま、薄膜１の表裏両面に電極を設け、両電極間に電界Ｅ_３を印加すると、膜厚方向の圧電歪Ｓ_３はチューブの内側面および外側面が自由端であることを考慮すると（数１）で表される。
Ｓ_３＝ｄ_３３×Ｅ_３ （数１）
ここでｄ_３３は厚み方向の圧電ｄ定数である。圧電性材料として後述の高分子強誘電体
であるフッ化ビニリデン−三フッ化エチレン共重合体（Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ））を用いると、そのｄ_３３は−４０ｐＣ／Ｎであることが知られている。チューブ厚（チューブの
外径と内径の差）が１０μｍ、電界Ｅ_３が１０ＭＶ／ｍの場合を例にとると、厚み圧電性による内径の変化量は（数１）から求められ、８ｎｍとなる。この内径の変化は内径１０ｍｍのチューブにとってはわずかに内径の８×１０^−５％に過ぎないが、内径１００μｍ
のチューブでは０．００８％、内径１００ｎｍのチューブでは８％に相当する極めて大きな変化である。従来のインクジェット技術で知られるように、内径が１ｍｍのチューブにおいてもその外壁に圧電体を貼り付けて振動させることによりチューブ内を流れる液体を液滴として吐出することが可能である。ただし、従来技術では圧電体の振動周波数を高周波にしてもそれに追従して液滴の径を小さくすることは難しい。それに対して、上記のようにチューブ径を小さくすることにより、内径の変化の割合を増大させることができるため、より高効率でしかも高精細な液滴サイズの制御および液体の輸送が可能になる。

次に、内径が１００μｍ以下の圧電性または焦電性チューブを製造する方法を説明する。薄膜１を１軸（図１ではＸ−Ｘ’軸に相当する）上に巻くためには、少なくとも薄膜１の上面または下面の何れかに他方より縮まろうとする力または拡がろうとする力を付与する必要がある。この力の原動力を与える方法としてはどのような方法を用いてもよく、特に限定されない。例えば、圧電性または焦電性を有する薄膜１の上面または下面どちらか一方の内側で膜表面の極近傍のみを架橋することによって「縮まろうとする力」を誘起させることができる。また、架橋点の数の多少によって１軸上に巻いたチューブの内径を調整することができる。即ち、単位表面積当たりの架橋点の数が多いほど内径の小さいチューブを作成することができる。架橋反応を誘起させる方法としては、例えば、圧電性または焦電性を有する薄膜１の上面または下面の一方に紫外線、電子線、Ｘ線、イオンビームなどに代表されるエネルギー線を照射することによって行うことができる。ただし、架橋反応を誘起する方法は上記に限定されるものではない。架橋反応による効果は有機薄膜において特に顕著である。

薄膜１の上面または下面の何れかに他方より「縮まろうとする力」または「拡がろうとする力」を付与する方法としては、架橋反応を誘起する方法以外にも種々の方法が適用できる。たとえば、圧電性または焦電性を有する薄膜１の上面および下面の少なくとも一方に接して材質の異なる薄膜を形成することにより、薄膜１の一方の面に対して他方面よりも「拡がろうとする力」または「縮まろうとする力」を加えることができる。例えば、Ｏ．Ｇ．Ｓｃｈｍｉｄｔ， Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．ｌｅｔｔ．， ｖｏｌ．７８， ｐ３３１０， ２００１記載の技術を用いることができる。この技術は、２層の異なる結晶性材料からなる薄膜を積層すると、両者の格子定数の差から２層の界面にずりの力が働いて積層膜をチューブ状に巻くことができる方法である。この方法が適用された例としては、従来はＧａＡｓ／ＩｎＡｓの積層膜およびＳｉ／ＧｅＳｉの積層膜に限られているが、本発明においては、圧電性材料および焦電性材料に対しても格子定数の違いにより積層膜の界面に働く収縮力または伸張力による効果を適用することを可能にする。具体的には圧電性または焦電性の薄膜１を形成している材料よりも格子定数の大きな材料または小さな材料から成る薄膜を圧電性または焦電性の薄膜１の上面または下面に積層させる。これにより、格子定数の小さな膜が内側になるように積層膜を１軸上に巻くことができる。この方法では、両者の格子定数の差によって形成されるチューブが決められる。
薄膜１の一方の面に対して加える「縮まろうとする力」の原動力としては、さらに、熱架橋性または光架橋性の材料を積層付加することによっても可能である。

薄膜１上に積層する膜の材料は有機物に限られない。具体的には不飽和結合を多数有する有機または無機のポリマーやオリゴマー、モノマーと光重合開始剤または熱重合開始剤を組み合わせた膜、もしくは熱により脱水縮合反応が誘起される膜を圧電性または焦電性を有する薄膜１の上面または下面に積層形成することが有効である。積層膜を加熱するか、積層膜に紫外線を照射することにより積層付加膜の架橋反応が進行し、付加膜が収縮する。この力を利用して薄膜１を１軸上に巻くことができる。
上記の特性を有する無機材料としてはゾルゲル反応性の材料が特に適している。また、上記の特性を有する有機材料は分子内に２重結合、３重結合などの不飽和基を有する材料であれば何れも本発明に用いることができ、特に限定されない。この場合、架橋可能な不飽和結合を含む鎖の長さおよび不飽和結合基の数によって収縮力の大きさを制御することができる。

図１に示す圧電性または焦電性チューブおよび図２に示す圧電性または焦電性コイルの場合には、通常、薄膜１を巻く軸方向を選ばない。したがって、圧電性または焦電性を有する薄膜１およびそれに積層された付加膜はその薄膜面内において弾性率が等方的な膜であってもよい。
圧電性チューブは液体輸送用のチューブまたは液体吐出用のチューブに適用できる。輸送および吐出性能はチューブの内径が１００μｍ以下、より好ましくは１０μｍ以下の場合に特に優れている。この液体輸送用チューブまたは液体吐出用のチューブは、いわゆるインテグレーティッドケミストリー素子の形成に適用することができる。インテグレーティッドケミストリー素子に適用することにより従来の素子に比べてより少量の液体を用いて高効率な反応および高感度な分析が可能になる。
また、本実施例の液体吐出用のチューブをインクジェットプリンターのヘッドに適用することができる。インクジェット用ヘッドに適用することにより、従来のヘッドに比べてより高精度、高分解能な印刷が可能で、かつノズル詰まりの無いインクジェットヘッドを実現することができる。
液体輸送用のチューブまたは液体吐出用のチューブに適用した場合、圧電性チューブにおいてその内径を小さくすることにより内径に対する圧電変位量の割合を大きくし、チューブ内を流れる液体を輸送する効率、チューブ外に吐出する効率を向上することができる
。

次に、圧電性または焦電性材料をワイヤ状に形成する例について説明する。
圧電性または焦電性を有する材料をワイヤ状に成型することで圧電性ワイヤ、焦電性ワイヤを実現することができる。
焦電性ワイヤは温度変化によりその表面に電荷が誘起されるため微小な隙間に設置することが可能な温度センサとして利用することが可能である。焦電センサとしての性能はワイヤ径を小さくすることにより熱容量が減少し、焦電センサの応答速度が向上する。
また、圧電性ワイヤは自発分極の方向に直流電界を加えることによりワイヤを伸縮させることができる。また、その自発分極の方向に交流電界を加えることにより、駆動電界と同一周波数で振動させることもできる。これらの伸縮運動や振動運動はアクチュエータとして利用することができる。ワイヤ径を小さくすることにより上記のアクチュエータとしての効率が著しく向上する。

種々の分野において微細化、高集積化が望まれる中、直径が１００μｍ以下の微小径を有する圧電性ワイヤ、焦電性ワイヤは特に有用である。以下に圧電性ワイヤを例にとり、ワイヤ径を微細化することにより駆動の効率を向上できる作用を説明する。
図４に示すように直径Ｄ、長さＬの圧電性ワイヤ１１の側面に、対向する１対の電極１２、１３を形成する。ここで、一方の電極１３を接地し、他方の電極に電界Ｅ_３を印加すると、ワイヤ１１は伸びの圧電性により電界が印加された側（図４では電極１２側）のチューブ側面が伸張する。ワイヤ長さに対するその伸び歪Ｓ_１と電界Ｅ_３の関係は（数２）
で表される。
Ｓ_１＝ｄ_３１×Ｅ_３ （数２）
前述のフッ化ビニリデンー三フッ化エチレン共重合体（Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ））を用いる場合、そのｄ_３１は１２×１０^−１２Ｃ／Ｎである。したがって、ワイヤおよび電極
の長さＬを１０ｍｍ、両電極１２、１３間に印加する電圧を１００Ｖに設定した場合、ワイヤ径Ｄが１ｍｍの圧電ワイヤでは伸びの長さＬＳ_１は１２ｎｍ、伸びによるワイヤの傾き角Θ〜ｔａｎΘ＝ＬＳ_１／Ｄは１．２×１０^−５ｒａｄ＝７．２×１０^−４度となる。それに対して、ワイヤ径Ｄが１００μｍの圧電ワイヤでは伸びの長さＬＳは１２０ｎｍ、傾き角Θ〜ｔａｎΘ＝ＬＳ／Ｄは１．２×１０^−３ｒａｄ＝７．２×１０^−２度と傾き角が１００倍向上する。さらに、ワイヤ径Ｄが１０μｍの極微細圧電ワイヤでは伸びの長さＬＳ_１は１．２μｍ、傾き角Θ〜ｔａｎΘ＝ＬＳ_１／Ｄは１．２×１０^−１ｒａｄ＝７．２度とワイヤ径１ｍｍのワイヤに比べてその傾き角が１００００倍にも向上する。以上の結果より、ワイヤ径１００μｍ以下、より好ましくはワイヤ径１０μｍ以下の圧電性ワイヤはアクチュエータとして非常に高い性能を有することが明らかである。

直径が１００μｍ以下の微小径を有する圧電性ワイヤ、焦電性ワイヤを作製する方法として以下の方法を用いることができる。即ち、作製したいワイヤの直径と等しいかそれ以上の内径を有する円柱状の空孔を有する有機膜または無機膜をテンプレートとして用い、その空孔内に永久双極子を有する材料を導入することにより圧電性ワイヤ、焦電性ワイヤを作製することができる。図５にテンプレート１５の構造を示す。テンプレート１５の例としては、多孔性のアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）などセラミック膜や多孔性のポリカーボネー
ト膜などが挙げられる。これらの多孔性膜は孔径数１０μｍから数１０ｎｍのものまで安定に供給できるためテンプレート１５として適している。ただし、テンプレート１５に用いる素材は上記のものに限られることはなく、目的とする孔径の円柱状の空孔が多数存在する膜であれば他のものでもよい。

テンプレート１５の空孔１６内に永久双極子を有する材料を導入する方法としては、電界重合法を用いることができる。また、真空中で分子を蒸発させ空孔１６内に堆積させる蒸着法やスパッタ法を用いることもできる。これらの方法は有機オリゴマーやモノマーなどの低分子化合物や無機材料を用いて圧電性ワイヤ、焦電性ワイヤを作製する場合に適している。また、テンプレート１５の空孔１６内に永久双極子を有する材料を液体状態で導入して圧電性ワイヤ、焦電性ワイヤを作製することもできる。具体的には液体状態の材料をシリンジなどに注入してテンプレート膜中に注入するか、膜を溶液中に浸漬した状態で後方からシリンジなどで吸引することが有効である（以下この方法を溶液注入法と呼ぶ）。この方法は有機のポリマー、オリゴマー、モノマー材料、または無機材料をゾルゲル法で形成する場合に適している。
永久双極子を有する材料を溶媒に溶かした状態で空孔１６内に導入する場合には、溶媒を蒸発させることにより体積が減少するため、必要に応じて空孔１６内に溶液を導入する操作を複数回繰り返してもよい。その場合、一度固体化された材料が、再度空孔内に溶液を導入することにより溶解してしまうことを防ぐために、結晶性の材料においては空孔１６内に溶液を導入し溶媒を蒸発させた後、加熱処理を行い結晶化させることが有効である。結晶化させることにより空孔１６内に再度溶液が導入された時に溶媒に溶け難くすることができる。また、予めテンプレートの空孔表面に金属薄膜を形成しておき、電界を印加しながら溶液中に浸漬することにより、いわゆる電着法または電界重合法により永久双極子を有する材料を空孔１６内に堆積させることも可能である。

ワイヤのポーリングはテンプレート１５を除去した後に行うことも可能であるが、テンプレート１５を除去する前に行うこともできる。後者の場合、具体的には、図５に示すように、圧電性ワイヤ、焦電性ワイヤに対するポーリングの方向（ワイヤの長手方向または太さ方向にポ−リングを行う）によって、テンプレート１５の異なる対向する面に電極を形成し、電圧を印加してポーリングを行うことができる。
テンプレート１５は不用であれば溶剤に溶解させることによって除去することができる。例えば、アルミナ製のテンプレートでは水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）水溶液に浸漬することで除去可能である。また、ポリカーボネート製のテンプレートでは溶媒であるメチレンクロライドに浸漬することで除去できる。上記以外の材料からなるテンプレートについてもそれぞれの材料に適した溶媒に浸漬することにより除去することができる。

直径が１００μｍ以下の微小径を有する圧電性ワイヤ、焦電性ワイヤを作製する方法として下記の方法も用いることができる。即ち、鋭利な先端形状を有する針を永久双極子を有する微結晶からなる膜の結晶表面に接触させ、その針を１軸方向に移動させ、結晶を１軸方向に延伸することにより圧電性ワイヤ、焦電性ワイヤを作製することができる。鋭利な先端形状を有する針の例としては走査型原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）や走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）などの操作型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）を用いることができる。
上記の方法は、結晶性材料以外の材料にも適用できる。膜を形成する材料は、結晶性であっても非晶性であってもよい。予め鋭利な先端形状を有する針を用いて周囲を切断し、孤立した微小な面積部分を作製した後に、同様の針をその微小面積部分に接触させた状態で１軸方向に延伸することにより微結晶の場合と同様のワイヤを形成することができる。この方法は延伸が容易である点で有機材料が適し、特に有機高分子材料が適している。

本製造方法を用いた圧電性ワイヤ、焦電性ワイヤの具体的な作製方法を以下に説明する。まず、導電性の基板上に永久双極子を有する薄膜を形成する。膜の形成方法としては、後述の溶液塗布法、真空蒸着法、電着法、電界重合法などを用いることができる。製膜後、結晶性材料の場合は熱処理を施すことが結晶化のためには有効である。明確な微結晶が存在しない膜においては後述のように鋭利な先端を有する針を用いて周囲を切断することにより膜中の微小面積部分を周囲の膜部分から切り離し孤立させる。続いて鋭利な先端を有する針を上記の孤立した微小面積部分または微結晶部分に接触させた状態で１軸方向に移動させて微結晶または微小面積部分の膜を延伸し、ワイヤを作製する。この場合、より効率的に延伸操作を行うために、膜の温度を室温以上に加熱することは有効である。
続いて、ワイヤ部分を後述の方法を用いてポーリングすることにより圧電性、焦電性を付与することができる。上記の方法で作製された圧電性ワイヤ、焦電性ワイヤは必要に応じて基板から剥離し、また表面に電極を形成することも可能である。

本実施例による圧電性ワイヤまたはコイル形状を有する圧電性素子を用いて液体の流速を測定することができる。ワイヤまたはコイルは液体の流れの中に挿入されることにより張力を受けて伸張される。これにより伸びの圧電性に起因する電圧が発生する。流速が速いほど電圧が高くなることから、これを用いて流速を測定することができる。また、圧電性ワイヤを超音波プローブとして用い、液体中または壁面の付着物の状況を超音波診断することも可能である。さらに、焦電性素子として温度変化を測定することもできる。
圧電性のワイヤまたはコイルは細い管内の液体の流速や温度変化および管内壁の付着物の状況や液体中に混入した固形物の状況を知りたい場合に特に有効である。その一つの適用例として人体内の血管中の血液の流速の測定および血液中に混入した固形物の状況や血管内壁のコレステロールの付着状況などの測定に適している。上記のワイヤまたはコイルを用いて血流および血管内壁の付着物を計測することにより血管の内部状況を知ることが可能である。
液体を輸送するための細管の内壁には液体に含まれる内容物が固化し付着しやすい。圧電性ワイヤまたはコイル形状を有する圧電性アクチュエータを用いて管の内壁に付着したこれらの固形物を剥離し清掃することができる。具体的には圧電性コイルまたは圧電性ワイヤを管内に挿入し、交流電圧を加えることにより圧電振動させて管の内壁に付着した固形物を剥離することができる。この効果を用いて人体血管の内壁に付着したコレステロールなどの固形物を除去することが可能である。

次に、質量が１０ｍｇ以下である圧電性素子について詳細に説明する。一般にアクチュエータは基板等に固定された状態で用いられる。アクチュエータ自身が自由に移動でき、しかもその位置を外部から制御することが可能であればその用途は大きく拡がる。例えば、後述の流速測定装置、管内清浄化装置、人体内治療装置、または人体内計測装置においてはアクチュエータが管内や人体内で自由に移動でき、しかも、その位置を外部から制御できることは非常に重要である。この場合、アクチュエータの質量が小さいことは非常に重要である。質量が大きいことにより、その重力に打ち勝って動かすだけの外力が必要となるため、大掛かりな装置が必要となる。しかし、特に人体に関与する治療装置、計測装置の場合は大きな外力を加えることは人体に対する悪影響や危険を伴うことにつながる。

以下、アクチュエータ内に極微細な磁石を埋め込み、その磁石に外部から磁場を加えてアクチュエータを移動させる場合を例に挙げて、アクチュエータを軽量化することによる効果を説明する。一例として、アクチュエータ内部に一辺が１μｍの立方体形状を有するフェライト磁石を埋め込み、外部から円柱状の大きなフェライト磁石を用いて重力に逆らう方向に磁場を加えてアクチュエータを浮上させる場合について説明する。フェライトの磁極の大きさをｍ、微細磁石の上下面の面積をＳ、厚さをｔ、外部磁石の半径をＤ、厚さをＬ、アクチュエータと外部磁石との距離をｘ、外部磁石の磁気モーメント密度をｐ、真空の透磁率をμ_０とすると、アクチュエータに加わる鉛直方向の力Ｆは（数３）で表される。
Ｆ＝（３ｍｔＳｐＤ^２ｘ）／（２μ_０（Ｄ^２＋ｘ^２）^３／２） （数３）
ここでｍはフェライト磁石の残留磁束密度０．４Ｗｂ／ｍ^２と同じ値とする。また、ｐはフェライト磁石の残留磁束密度に磁石の厚さＬを乗じた値とする。一例として、半径１ｍ、厚み１００ｍｍのフェライト製外部磁石を用いると、アクチュエータに加わる鉛直方向の力Ｆは約６×１０^−３Ｎである。これは質量６００ｍｇの重力に相当する。この力に
対して質量１０ｍｇ以下のアクチュエータの重力は無視し得る。上記説明から、質量１０ｍｇ以下のアクチュエータは外部磁場を用いて自由に動かすことが可能であり、その位置を外部から制御することが可能となる。

アクチュエータを軽量化する目的では無機の圧電体材料に比べて比重の小さい有機の圧電体材料がより適している。
本実施例における圧電性または焦電性材料としては、有機または無機の圧電性材料または焦電性材料を用いることができる。有機の圧電性材料、焦電性材料としてはフッ化ビニリデンポリマー（ＰＶＤＦ）およびオリゴマー、フッ化ビニリデンと三フッ化エチレンのランダム共重合体（Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ））、ナイロン７、ナイロン９、ナイロン１１、ナイロン１３などの奇数ナイロン、シアン化ビニリデンと酢酸ビニルの交互共重合体などを用いることができる。また、カイラルＣ^*を有するコレステリック液晶に代表される
強誘電性液晶を用いることもできる。無機の圧電性材料、焦電性材料としては規則不規則型の圧電性材料、焦電性材料であるリン酸水素カリウム、ロッシェル塩、硫酸グリシン、硝酸ナトリウム、チオ尿素、チタン酸バリウム結晶やチタン酸ジルコニウムやチタン酸鉛などで構成されるセラミック強誘電体を用いることができる。ただし、上記に限られるものではなく、永久双極子を有する材料であり、双極子の方向をそろえることができる材料であれば全て適用することができる。

圧電性または焦電性を有する薄膜およびその上面または下面の少なくとも一方に積層される付加膜の形成には、例えば以下の方法を用いることができる。ポリマー、オリゴマーなど室温で固体であるか粘性の高い液体である場合には、これらの材料を溶剤に溶解させ基板上にスピナー、バーコーター、スリットダイなどの塗布装置を用いて薄く塗布した後、溶媒を蒸発させる塗布製膜法により製膜することができる。また、オリゴマーやモノマーなど室温で液体である場合には溶剤に溶かすことなく、そのまま上記の方法を用いて製膜することもできる。セラミック材料の場合はゾルゲル法による湿式製膜も圧電性薄膜の製膜法として非常に適している。また、材料を基板上に直接蒸着またはスパッタリングする乾式製膜法を用いて製膜することもできる。この乾式製膜法は無機材料やオリゴマーやモノマーからなる有機の低分子材料の製膜に特に適している。さらに、導電性の基板を用いて電界を印加しながら溶液中に浸漬することにより、電着法または電界重合法により製膜することも可能である。

薄膜に圧電性を付与するためには電界を印加して自発分極を形成する、所謂ポーリングと呼ばれる処理を施す必要がある。具体的には、薄膜の膜厚方向または薄膜の面内方向に電界を印加して薄膜が有する永久双極子を電界方向に揃えることにより、目的とする方向に自発分極を形成させる。このポーリング処理は薄膜を１軸上に巻く前に行っても、また巻いた後に行ってもよい。さらに、電界を印加するためには一般的には＋電極と−電極を必要とするが、電極の形成は薄膜を１軸上に巻き上げる前に行っても、また巻き上げた後に行ってもよい。さらに、＋電極または−電極のどちらか一方のみを形成し、コロナ電界によりポーリングすることも可能である。さらには、薄膜に電極を形成せず、外部から面状またはワイヤ状、針状の電極を接触させた後に電界を印加してポーリング処理を施すことも可能である。また、上記のポーリング処理は、素子を製造する工程のいずれの段階で行ってもよい。即ち、基板上に膜を形成した直後にポーリング処理を行ってもよく、また、膜を基板から剥離し、種々の加工を行った後にポーリング処理を行ってもよい。

ところで、本実施例におけるチューブ形状の機能素子、コイル形状の機能素子および重量が１０ｍｇ以下の機能素子を作製する工程において、基板上に形成された圧電性膜、焦電性膜および付加膜を目的とする形状に切り出した後、基板からこれらの膜を剥離する必要がある。膜を目的とする形状に切り出す手段としては、例えば、鋭利な先端形状を有する針を用いることが有効である。一例としては走査型原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）や走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）などの走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）を用いることができる。ＳＰＭのプローブとして先鋭で硬い探針を用い、膜表面に探針が接した状態で、切断したい輪郭上を走査することで膜を切り出すことができる。ＳＰＭはナノメートル（ｎｍ）スケールの加工から数百ミクロン（μｍ）スケールの加工まで可能である点で本発明の加工手段として適している。膜を切り出す手段としてはＳＰＭ以外にもミクロンスケールの微細加工が可能な収束イオンビーム加工機（ＦＩＢ）も適している。さらに、本発明における加工手段は上記に限定されるものではなく、素子のサイズに合わせて種々の装置および加工手段を用いることができる。

膜を目的とする形状に切り出した後、基板から剥離する手段としては、例えば、下記の方法を用いることができる。切り出し加工後の基板およびその上面に付着した膜を、基板材料を溶解するが膜材料に対しては侵食しない溶媒中に浸漬することで膜を基板から剥離することができる。また、基板材料および膜材料の両方に対して侵食しない液体中に浸漬しても膜を基板から剥離することができる。この場合は、液体が基板材料と膜材料の少なくともどちらか一方と親和性を有する必要がある。この親和性により膜と基板の間に形成された極小さな隙間から入り込み、隙間の存在する面積を拡大することにより膜を基板から剥離することができる。この場合、液体と基板材料または膜材料との親和性が不足している場合には液体中に界面活性剤を添加することは非常に有効である。さらに、より確実な剥離方法として、図６に示すように基板２１と素子に必要な積層膜２３および圧電性または焦電性薄膜２４の間に剥離溶媒に非常に良く溶解する極薄層（犠牲層と呼ぶ）２２を形成しておくことは非常に有効である。犠牲層２２に用いる材料としては素子に必要な膜の材料および基板材料２１を全く侵食しない液体に対して容易に溶解する材料を選ぶことが重要である。一例を挙げると、水によって侵食されない膜材料と基板材料の場合は水溶性の材料が適している。また、非極性の有機溶媒に可溶な膜材料と基板材料の場合には極性溶媒に良く溶ける材料が適している。逆に、極性の有機溶媒に可溶な膜材料と基板材料の場合には非極性溶媒に良く溶ける材料が適している。
（実施例１）

ガラス基板上にＡｌ薄膜を蒸着した導電性基板上にＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）（共重合モル比７５／２５）のメチルエチルケトン溶液（１ｗｔ％）をスピンコートした後、１４０℃で１時間熱処理して膜厚１００ｎｍのＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）薄膜を作成する。この
膜を導電性のＡＦＭ探針（バネ定数２N／m）を用いてＤＣ１０Ｖの電圧を印加しながら走査することによりポーリング処理を行う。続いて同じＡＦＭ探針を用いて１２０℃に加熱しながら探針を膜表面に１μＮの力で接触させ面積約２０μｍｘ２０μｍ の領域の輪郭をなぞることにより上記領域の膜を切断し、走査型電子顕微鏡チャンバー内にセットして電子線走査することにより膜表面を架橋させる。この膜に、チューブ形成後にチューブ内径に接する部分である端部に幅６μｍ、長さ２０μｍ程度のＡｕ電極を形成し、ＮａＯＨ水溶液に浸漬するとＡｌ薄膜が溶解してＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）薄膜が水面上に浮き上がる。水面に水平に清浄なガラス基板を接し、顕微鏡下で観察することにより直径約２μｍ、長さ約２０μｍのＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）チューブを得ることができる。
圧電性については、ＡＦＭ装置を用い、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．， ｖｏｌ．３７， ｐ．３８８４ （１９９９）およびＴｈｉｎ Ｓｏｌｉｄ Ｆｉｌｍｓ， ｖｏｌ．３５３， ｐ．２５９ （１９９９）に記載された方法により確認することができる。
焦電性については、温度可変のＡＦＭ用ステージに上記の試料を設置し、試料温度を変化させながらＡＦＭ探針を用いて焦電電流測定することによりその特性を確認することができる。
上記実施例による方法で製膜、ポーリング、および電子線照射を行うことで得られるＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）チューブは圧電性および焦電性を有する。
（実施例２）

ガラス基板上に懸化度９０のポリビニルアルコール（ＰＶＡ）の０．５ｗｔ％水溶液をスピンコートして膜厚０．１μｍの薄膜を得、続いてＰＶＡ膜上にＡｕ電極を蒸着する。次にその基板上にＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）（共重合モル比７５／２５）のメチルエチルケトン溶液（２ｗｔ％）をスピンコートした後、１４０℃で１時間熱処理して膜厚１００ｎｍのＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）薄膜を得ることができる。次にＡＦＭ装置を用いてＤＣ１０Ｖの電圧を印加しながら約５０μｍ×５０μｍの領域を走査することによりポーリングを行う。その後上記試料の表面にスピンコート法によりネガ型のフォトポリマー膜（膜厚１００ｎｍ）を形成し、紫外線照射によりフォトポリマー膜を十分架橋させる。さらに実施例１と同様の要領で上記領域の端部に幅約９μｍ、長さ２０μｍ程度のＡｕ電極を形成する。その後、実施例１と同様の方法を用いて面積約２０μｍ×２０μｍの領域を切り出し、基板を水中に浸漬して膜を基板から剥離させることで、実施例１と同様の方法で直径約３μｍ、長さ約２０μｍの圧電性および焦電性を有するＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）のチューブを得ることができる。これらの特性の確認は実施例１と同様の方法で行うことができる。
（実施例３）

実施例１と同様の方法で形成し、１４０℃で１時間熱処理を行ったＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）薄膜（膜厚１００ｎｍ）の分子鎖を一方向に配列することにより弾性率に異方性を生じさせる。具体的にはＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）薄膜を１３５℃に加熱した状態で面積約５
０μｍ×５０μｍ の領域についてＡＦＭ探針（バネ定数：０．２Ｎ／ｍ）を用いてその
面を一方向に走査する。その結果、ＡＦＭの走査方向に平行に分子鎖が配列されて、上記の領域の結晶の長軸は全て走査方向に垂直に並ぶ。この結晶の弾性率は分子鎖方向（膜面内で結晶の短軸方向）が他の方向に比べて高くなるため、上記の処理により弾性率に異方性を発現できる。上記の膜を実施例１と同様の方法を用いて表面にＡｕ電極を付けた後、膜の切り出しおよび電子線照射、剥離を行い長さ約３μｍ、直径約１μｍの圧電性および焦電性を有するコイル形状の素子が得られる。この例では分子鎖が配列された領域の中で幅約０．５μｍ、長さ約５０μｍの帯状の部分を切り出し、切り出した部分が結晶の長軸方向（弾性率が最小の方向）となす角度Θ（図３参照）は３０度程度とする。圧電性および焦電性の確認は実施例１と同様の方法で行うことができる。
（実施例４）

Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）（共重合モル比７５／２５）のジメチルフォルムアミド溶液（２０ｗｔ％）を注射器にとり、直径２００ｎｍの円柱状の空孔を有する膜厚６０μｍのアルミナフィルター内に注入する。続いて上記フィルターを１００℃に加熱して溶媒を除去する。溶媒除去に伴い発生する空孔内の空隙を埋めるために、上記の走査を５回繰り返すことが好ましい。次に、１４０℃で１時間熱処理して結晶化させる。この段階でも空孔内に若干の空隙が存在するため、上記の注入操作（５回の注入および１００℃乾燥の後１４０℃の熱処理）をさらに一度繰り返す。上記の処理を行ったアルミナフィルターをその面内で２つに切断し、その１片の表面と裏面にＡｌ電極を形成し、両者の間に４ｋｖのＤＣ電圧を印加することにより、アルミナフィルター内に注入されたＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）をフィルター空孔の長手方向に対してポーリングする。次に、先に切断したフィルターの他の１片をＦＩＢ装置のチャンバー内に設置して、フィルター面内で約６０μｍ×１０００μｍの棒状の部分を切り出し、この棒状片の対向するフィルター断面部分にＡｌ電極を形成して、両電極間に４ｋＶのＤＣ電圧を印加することにより今度はフィルター空孔の短手方向に対してポーリングを行う。これら２つのポーリング方向が異なるアルミナフィルター片を別々にＮａＯＨ水溶液に浸漬し、アルミナフィルターを溶解する。その後、実施例１と同様の方法を用いてガラス基板上に直径約２００ｎｍ、長さ約６０μｍの、その直径方向にポーリングされたＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）ワイヤおよび長手方向にポーリングされたＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）ワイヤを得ることができる。圧電性および焦電性の確認は実施例１と同様の方法で行うことができる。
（実施例５）

グラファイト基板上に実施例１と同様の方法でＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）溶液をスピンコートした後熱処理結晶化を行って膜厚１００ｎｍのＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）薄膜を得る。この膜を１００℃に加熱した状態で、その結晶の表面に導電性を有するＡＦＭ探針（バネ定数；４０Ｎ／ｍ）を３μＮの力で接触させながら一方向に探針を移動させる。この処理により、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）の微結晶は探針の移動方向に延伸され、図７に示す長さ約１０００ｎｍ、幅約１００ｎｍのＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）ワイヤが得られる。続いて、上記のＡＦＭ探針を用いて５ＶのＤＣ電圧を印加しながらワイヤ表面を走査することによりポーリング処理を行い、ポーリング後、ＡＦＭ装置を用いて圧電測定を行うことにより、このＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）ワイヤが圧電性を有することを確認することができる。ワイヤの焦電性についても実施例１と同様の方法で測定することができる。
（実施例６）

実施例１の方法を用いて内径が１００μｍのＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）チューブと内径が０．５ｍｍのＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）チューブの、内径の異なる２種類のチューブを作製する。内径の大きさは照射する電子線の量によって調節し、チューブの長さは何れも約１００μｍとした。膜の切り出しはＦＩＢ装置を用いて行う。
続いて、上記のチューブの外側にＡｌ電極を蒸着する。このとき、チューブ内およびチューブ外の電極が接触することが無いように、電極はチューブの長さ方向中央部４０μｍの長さ部分のみに形成する。続いて、これらのチューブを少量の染料を溶解した蒸留水中に浸し、チューブ内に染料を含んだ蒸留水を満たす。その後、顕微鏡下で上記の含染料水の液滴に各チューブの一端の外部電極の形成されていない部分を接触させ、チューブの他端には吸水性に優れた濾紙をその表面チューブの端部に接触するように設置する。この状態でチューブ内外に形成された電極間に５Ｖｐｐの交流電圧を３分間印加すると、濾紙の表面にはチューブを介して輸送された含染料水が吸収され、顕微鏡下で観察するとほぼ円形の着色された部分が形成される。この面積を測定し、チューブ内断面の面積で正規化して評価を行うと、内径１００μｍのチューブは内径５００μｍのチューブに比べて著しく輸送効率が向上していることが分かる。したがって、本発明の圧電性チューブにおいて特に内径１００μｍ以下のチューブが液体の輸送および吐出の性能に優れていることが分かる。
（実施例７）

実施例６と同様の方法を用いて直径５００μｍおよび１００μｍの径を有するＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）ワイヤ（これらは全て長さ１００μｍとした）を作製し、図８に示すように、その一端を導電性基板２５上に固定した。この場合、ワイヤ１１を固定すると共に一方の電極１３のみが導電性基板１１と導通が取れるように注意して顕微鏡下で固定する。次にＡＦＭ装置に設置された導電性カンチレバー２６（バネ定数０．２Ｎ／ｍ）をワイヤ１１の固定端近傍で、しかも基板２１に設置されていない方の電極１２上に固定する。この状態で両電極１２、１３間に電界を印加するとワイヤ１１はその圧電性により伸縮する。両電極１２、１３間にそれぞれ１００ＶのＤＣ電圧を印加し、圧電性による各ワイヤの傾きを測定した。ワイヤの傾き測定はワイヤ先端付近に微細径のレーザ光を照射し、その反射光の位置から測定する。
上記において、ワイヤ１１の圧電応答時にワイヤ先端の移動距離（ワイヤ１１の傾き角）を比較すると、直径１００μｍのワイヤでは直径５００μｍのワイヤに比較してこれらの値が著しく向上する。したがって、直径１００μｍ以下の圧電性Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）ワイヤはアクチュエータとしての高い性能を有することが分かる。
（実施例８）

図９に示すように、内径５０μｍの円柱状の孔３２を加工したポリメタクリレート（ＰＭＭＡ）板３１を作製する。また、実施例３の方法を用いて作製された内径１０μｍの圧電性を有するＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）コイル形状素子と実施例４の方法を用いて作製された直径１０μｍの圧電性Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）ワイヤ（何れも長さ１００μｍ）３４を用意する。次に、ポリメタクリレート（ＰＭＭＡ）板３１の孔３２内にカーボン粉を蒸着し、顕微鏡観察により孔３２内に一様に煤が付着していることを確認した後、顕微鏡下でＰＭＭＡ板３１の孔３２内にＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）コイル形状素子３３およびＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）ワイヤ３４を挿入する。以上の準備を行った後、実施例９と同様にコイル形状素子３３およびワイヤ３４に設置された２枚の電極間に５Ｖｐｐ、６０ＨｚのＡＣ電圧を１分間加え、各ＰＭＭＡ板３１の孔３２内のカーボン煤の付着状態を顕微鏡下で観察すると、いずれの試料においてもＰＭＭＡ板３１表面から１００μｍ以内の距離において、煤がきれいに除去されていることが分かる。この結果から、本発明によるアクチュエータは微細な管内の洗浄装置に適用できることが分かる。
（実施例９）

内径１０ｍｍ、深さ１００ｍｍの円柱状のプラスチック容器および内径１ｍｍ、深さ１０ｍｍの円柱状のプラスチック容器を半径１００ｍｍ、厚み１０ｍｍの円盤状のフェライト磁石の上方に１００ｍｍ離して設置した。一方、半径３ｍｍ、長さ４０ｍｍのＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）ワイヤおよび半径０．３ｍｍ、長さ４ｍｍのＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）ワイ
ヤを作製し、それらの中に何れも１辺が１０μｍの立方体形状を有する微小フェライト磁石を各１個埋め込んだ。これらのワイヤの質量はそれぞれ約２ｇおよび２ｍｇであった。Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）ワイヤをそれぞれ上記の内径１０ｍｍおよび１ｍｍの円柱容器内に入れると、半径０．３ｍｍのＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）ワイヤは磁力により空中に浮き上がるが、半径３ｍｍのＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）ワイヤは浮き上がらない。したがって、質量２ｍｇのＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）ワイヤによるアクチュエータは外部磁場により容易に移動できることが分かる。この質量は１０ｍｇ以下であれば外部磁場により制御することができる。
（実施例１０）

図１０に示すように、実施例６で用いた内径２０μｍの圧電性を有するＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）チューブ４１を使ってインクジェットプリンター用のプリンターヘッド４０を作製し、このプリンターヘッド４０を赤、青、緑の各染料を溶解した水系インキが充填されたインクタンク４２につなぎ、ポンプで加圧してプリンターヘッド４０内にインキを注入する。この状態でプリンターヘッド４０に形成された電極間に、５Ｖｐｐの矩形波電圧を間欠的に３０ｍ秒間印加することにより、インキ滴４３を噴射することができる。この構成のプリンターヘッド４０によれば、従来のヘッドに比べて非常に高精細な点描画を行うことができる。
（実施例１１）

実施例６で用いた内径５０μｍの圧電性を有するＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）チューブを使ってインテグレーティッドケミストリー素子を作製することができる。本実施例にインテグレーティッドケミストリー素子の構成を図１１に示す。素子５０の一端側のＡ端子５１および他端側のＢ端子５２を、それぞれポリビニルアルコール水溶液（Ａ液）を満たしたタンク５３および青色染料水溶液（Ｂ液）を満たしたタンク５４に接続する。そして、表面張力を利用してタンク５３、５４内の液をそれぞれチューブ５５、５６内に導入する。次に、チューブ５５、５６に形成された電極に５Ｖｐｐ、１ＨｚのＡＣ電圧を印加すると、圧電伸縮によりチューブ５５、５６の内径は伸縮し、中に満たされているＡ液およびＢ液はエリア５７に押し出され、エリア５７内でＡ液とＢ液とを混合することができる。
なお、エリア５７での混合動作を行った液体を赤外分光測定することで、ポリビニルアルコールと青色染料のピークを確認することができる。また、エリア５７にさらにチューブ５８を接続して３種以上の液を混合させることもできる。
（実施例１２）

面積１０ｍｍ×１０ｍｍで異なる質量（１ｇと１０ｍｇ）を有するポーリングされたＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）薄膜の片方の電極上に膜厚２ｎｍのカーボン膜を蒸着して黒く着色し、カーボン膜上に出力２ｍＷのＨｅ−Ｎｅレーザ光をＯＮ、ＯＦＦしながら照射して、ＯＮ、ＯＦＦ時に電極間に発生する焦電電圧の応答時間を測定すると、膜質量が１０ｍｇのものは１ｇのものに比べて応答速度が著しく向上していることが分かる。この現象が起こる理由としては、面積を一定にして膜厚を薄くして軽量化すると、膜の熱容量が著しく小さくなり応答速度が向上すると考えられる。

本発明による機能素子は、エレクトロニクス分野、オプトエレクトロニクス分野、メカトロニクス分野、インテグレーティッドケミストリーや体内計測などの分野における、アクチュエータやセンサなど、高精細化、高密度化、高集積化が求められる装置に利用することができる。

本発明におけるチューブ状機能素子の構成を示す斜視図 本発明におけるコイル状機能素子の構成を示す斜視図 本発明におけるコイル状機能素子の作製過程における薄膜を切り出す方向を説明する概念図 本発明におけるワイヤ状機能素子の構成を示す斜視図 本発明におけるワイヤ状機能素子の製造に用いられるテンプレートの斜視図 本発明におけるチューブ状機能素子の他の製造方法を説明する側面図 本発明におけるワイヤ状機能素子のＡＦＭ像を示す写真 本発明の実施例におけるワイヤ状機能素子の圧電性による伸縮動作の確認方法を説明する概念図 本発明によるアクチュエータを管内の洗浄装置に適用した際の動作の確認方法を説明する斜視図 本発明によるアクチュエータをインクジェットプリンターヘッドに適用した際の動作を説明する概念図 本発明によるアクチュエータをインテグレーティッドケミストリー素子に適用した際の動作を説明する概念図

符号の説明

１、２ 薄膜
１１ ワイヤ
１２、１３ 電極
１５ テンプレート
１６ 空孔
２１ 基板材料
２２ 犠牲層
２３ 積層膜
２４ 圧電性または焦電性薄膜
２５ 導電性基板
２６ カンチレバー
３１ ＰＭＭＡ板
３２ 孔
３３ コイル形状素子
３４ ワイヤ
４０ プリンターヘッド
４１ チューブ
４２ インクタンク
４３ インキ滴
５０ 素子
５１ Ａ端子
５２ Ｂ端子
５３、５４ タンク
５５、５６、５８ チューブ
５７ エリア

Claims (13)

1. 圧電性または焦電性を有する材料をコイル状に形成したことを特徴とする機能素子。
2. 前記材料が有機薄膜からなることを特徴とする請求項１に記載の機能素子。
3. コイルの内径が１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の機能素子。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の機能素子を用いたことを特徴とするアクチュエータ。
5. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の機能素子を用いたことを特徴とする圧電または焦電センサ。
6. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の機能素子を液体の流速計測用センサおよびまたは超音波診断用センサおよびまたは温度計測用センサとして用いたことを特徴とする装置。
7. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の機能素子を液体輸送管内に挿入し、前記液体輸送管内で動作させることで管内の清浄化を行うことを特徴とする装置。
8. 請求項６または請求項７に記載の装置を人体内組織の治療または計測に用いたことを特徴とする装置。
9. 圧電性または焦電性を有する薄膜の上面または下面の一方の面に対して他方の面よりも拡がろうとする力、または縮まろうとする力を加えることにより前記薄膜を１軸上に巻くことでコイル状に形成したことを特徴とする機能素子の製造方法。
10. 前記薄膜の一方の面に対してエネルギー線を照射することにより、他方の面よりも縮まろうとする力を加えることを特徴とする請求項９に記載の機能素子の製造方法。
11. 前記薄膜を材質の異なる少なくとも２枚の薄膜で形成することを特徴とする請求項９に記載の機能素子の製造方法。
12. 結晶の格子定数が互いに異なる薄膜を用いることを特徴とする請求項１１に記載の機能素子の製造方法。
13. 光重合性または熱重合性が互いに異なる薄膜を用いることを特徴とする請求項１１に記載の機能素子の製造方法。
    

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