JP2014018057A - 振動体とその製造方法及び振動型駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安価な構成で小型化に伴う振動の減衰を抑制して振動効率を向上させることができ、安定した振動エネルギーの出力が可能となる振動体等を提供する。
【解決手段】基板に、圧電層と電極層を有する圧電素子が固定され、前記圧電素子の振動エネルギーによって前記基板を振動させ、前記基板の振動エネルギーを出力する振動体であって、
前記セラミックス層を、前記セラミックス層の厚さ方向に対して垂直な方向に、全ての辺の長さが該セラミックス層の膜厚と同じである四角柱に分割した場合に、前記四角柱からなる第１の領域の空隙率と、前記第１の領域と前記セラミックス層の厚さ方向に対して垂直な方向で隣接する前記四角柱からなる第２の領域の空隙率との差が、１５％以内である振動体。
【選択図】 図１

Description

本発明は、振動体とその製造方法及び振動型駆動装置に関し、特に基板上に圧電素子を固定した振動体とその製造方法及びその振動体を用いた振動型駆動装置に関するものである。

従来、振動型駆動装置（振動型アクチュエータ）では、一般に、振動体（振動子ともいう）の振動源として圧電素子が用いられている。
この圧電素子としては、単一の板状の圧電素子や最近は多数の圧電層を積層した積層圧電素子が使われている（特許文献１参照）。
図８は、特許文献１に係るリニア型振動波（超音波）駆動装置２０の外観斜視図である。このリニア型振動型駆動装置２０は、振動体２１及び加圧接触された駆動体であるリニアスライダ２６を有している。
振動体２１は積層圧電素子２３と振動板２２を有し、積層圧電素子２３は圧電層と電極層が交互に複数積層化され、振動板２２は金属からなり積層圧電素子２３と樹脂からなる接着剤により接着されている。
金属からなる振動板２２は矩形状に形成された板部と、この板部の上面に対して凸状に形成された２つの突起部２４を有している。突起部２４の先端面には接触部２５が形成されている。接触（摩擦）部２５は被駆動体としてのリニアスライダ２６と直接接触する部材であるため、耐磨耗性を有している。

このリニア型振動型駆動装置２０の振動体２１は、長軸方向の２次の曲げ振動モードと短軸方向の１次の曲げ振動モードの２つの曲げ振動モードの共振周波数が略一致するような形状に選択されている。そして、位相がπ／２ほど異なる所望の高周波電圧を入力することで、振動体２１は励起し突起部２４に円運動または楕円運動を励起させる。
この円運動または楕円運動は、振動体２１に対して加圧状態で接触されているリニアスライダ２６に対して、振動体２１との間に摩擦力により相対的な移動力を発生させる。この相対的な移動力により、リニアスライダ２６は矢印のような直線の往復駆動が可能となる。

この積層圧電素子２３の製造は、初めに圧電材料粉末と有機バインダからドクターブレード法などの方法により圧電層となるグリーンシートを作り、このグリーンシート上の所定位置に電極材料ペーストを印刷して電極層とする。
そして、このグリーンシートを所定の枚数平面状に重ね、加圧して積層化する。この後、圧電層と電極層を同時焼成により一体化し、その後に分極処理を施し、最終的に機械加工を行い所定の寸法に仕上げる。
また、特許文献２では、基板の少なくとも一方の面上に、電極材料と圧電材料を順次層状に積層し、熱処理によって一体化した一体積層構造を有する圧電電歪膜型アクチュエータが提案されている。
さらに、特許文献３では、圧電層と電極層とからなる圧電素子とこの圧電素子と基板を同時焼成一体化するために、ガラス粉末が溶融したガラス成分を含んだセラミックス層を振動板と圧電素子の間に介して、圧電素子を固定した振動体が提案されている。

特開２００４−３０４８８７号公報 特許第２８４２４４８号公報 特開２０１１−４５８６９号公報

上記した図８に示す従来例の振動型駆動装置の振動体２１では、積層圧電素子２３と金属からなる振動板（以後、基板と呼ぶ）２２は、樹脂からなる接着剤で接着されている。しかし、樹脂からなる接着剤は圧電素子や金属に比べて柔軟であるため、接着剤の影響による振動体の振動減衰は大きく、接着剤は振動型駆動装置の効率を低下させる主因となっていた。
とりわけ、樹脂の温度が高くなると、振動体の振動減衰はより一層大きくなり、振動型駆動装置の効率をさらに低下させていた。
また、小型化した場合に、接着層の厚さのばらつきや接着による位置精度が小型の振動型駆動装置の性能に与える影響も大きくなり、小型の振動型駆動装置の性能のばらつきも大きくなっていた。
さらに、従来の積層圧電素子の製造方法では、圧電材料粉末から作るグリーンシート成形や積層プレス、機械加工など製造装置の設備投資額も大きく、製造コストを高くする一因となっていた。

そこで、上記した従来例の特許文献２のように、積層圧電素子の製造と同時に、接着層を設けずに基板に積層圧電素子を直接固定（接合）することが考えられた。
しかしながら、基板を金属で構成すると、圧電層と電極層からなる圧電素子と同時焼成し一体化する焼成温度では、金属を構成する元素が圧電素子の圧電層や電極層に拡散してしまう。
その結果、拡散した金属元素のため圧電層は本来の圧電活性を持ち得ない化学組成になってしまっていた。

また、金属より耐熱性の高いセラミックスの基板では、金属のような元素の拡散は起らないものの、貴金属である電極層と直接に接する基板とは化学反応が少なく接合強度がかなり低くなる。
そのため、圧電素子は焼成時にセラミックスの基板から剥離を起こしたり、振動により剥離が起こることがあり、振動体は安定した振動エネルギーを出力できなかった。
さらに、上記した従来例の特許文献３のように、振動板をセラミックス基板で構成して、ガラス粉末が溶融したガラス成分を含んだセラミックス層を介して、圧電素子とセラミックス基板とを同時焼成しても後述するように安定して接合ができなかった。

本発明は、上記課題に鑑み、安価な構成で小型化に伴う振動の減衰を抑制して振動効率を向上させることができ、安定した振動エネルギーの出力が可能となる振動体とその製造方法及び振動型駆動装置の提供を目的とする。

本発明の振動体は、基板に、圧電層と電極層を有する圧電素子が固定され、前記圧電素子の振動エネルギーによって前記基板を振動させ、前記基板の振動エネルギーを出力する振動体であって、前記基板と圧電素子との間に空隙を有する多孔質によるセラミックス層が設けられ、前記セラミックス層を、前記セラミックス層の厚さ方向に対して垂直な方向に、全ての辺の長さが該セラミックス層の膜厚と同じである四角柱に分割した場合に、前記四角柱からなる第１の領域の空隙率と、前記第１の領域と前記セラミックス層の厚さ方向に対して垂直な方向で隣接する前記四角柱からなる第２の領域の空隙率との差が、１５％以内である。
また、本発明の振動体の振動型駆動装置は、上記した振動体を駆動動力源として構成されていることを特徴とする。
また、本発明の振動体の製造方法は、圧電層と電極層を有する圧電素子を、セラミックス層を介して基板に固定した振動体を製造する振動体の製造方法であって、前記基板の上に、前記セラミックス層として溶融したガラス成分を含んだガラス粉末が混合されているセラミックス層を形成するに際し、前記ガラス粉末として、必須成分として酸化ケイ素、酸化ホウ素と、さらに少なくとも１種類以上のアルカリ土類金属酸化物が含まれたガラス粉末を用い、前記ガラス粉末を前記セラミックス層のセラミックス粉末の重量に対して０．５重量％以上、１０重量％以下、添加したセラミックス層を、前記基板の上に形成する工程と、前記基板の上に形成されたセラミックス層上に、前記圧電素子を形成する工程と、前記基板と前記セラミックス層と前記圧電素子とを、同時に焼成してこれらを一体化する工程と、を有することを特徴とする。
本明細書における多孔質とは、物質中で孔（空隙）が一部のみに偏在せず、少なくとも一方向において、ある程度均等に分布していることを示す。例えば、セラミックス層が多孔質であるとは、セラミックス層において、孔（空隙）がセラミックス層の厚さ方向に対して垂直な方向で均等に分布していることを示す。
ここで、孔がセラミックス層の厚さ方向に対して垂直な方向で実質的に均等に分布しているとは、セラミックス層を、セラミックス層の厚さ方向に対して垂直な方向に、全ての辺の長さがセラミックス層の膜厚と同じである四角柱（例えば、立方体、底面が菱形の四角柱）に分割した場合に、１つの四角柱の空隙率と、前記１つの四角柱に厚さ方向に対して垂直な方向で隣接している四角柱の空隙率との差が、１５％以内となることを示す。前記セラミックス層における前記１つの四角柱の空隙率と前記もう一方の空隙率との差は、１０％以内であるとより好ましい。

本発明によれば、安価な構成で小型化に伴う振動の減衰を抑制して振動効率を向上させることができ、安定した振動エネルギーの出力を可能とする振動体とその製造方法及び振動型駆動装置を実現することができる。

本発明の実施例１における振動体の構成例を説明する図である。（ａ）及び（ｂ）は側面図、（ｃ）は平面図である。 本発明の実施例１における振動体の評価試験について説明する図である。（ａ）は振動体に電圧を印加する際の支持方法を示す図、（ｂ）電圧と振動速度の関係を示す図である。 本発明の実施例１における振動体を組込んだ振動型駆動装置を示す図である。 （ａ）は、従来の振動体の、基板と圧電素子に挟まれたセラミックス層がクラックを有することを示す図、（ｂ）は、本発明の実施例１における振動体の、基板と圧電素子に挟まれたセラミックス層が空隙を有する多孔質であることを示す図である。 本発明の実施例２における振動体の構成例を説明する図である。（ａ）及び（ｂ）は側面図、（ｃ）は平面図である。 本発明の実施例３における振動体の構成例を説明する図である。（ａ）及び（ｂ）は側面図、（ｃ）は平面図である。 本発明の実施例２、３における振動体を組込んだリニア型振動型駆動装置を示す図である。 従来例におけるリニア型振動型駆動装置を説明する図である。

本発明を実施するための形態を、以下の実施例により説明する。

［実施例１］
実施例１として、本発明を適用した振動体の構成例について、図１を用いて説明する。本実施例の振動体は、基板に、圧電層と電極層を有する圧電素子が固定され、前記圧電素子の振動エネルギーによって前記基板を振動させ、前記基板の振動エネルギーを出力するように構成されている。
具体的には、本実施例の振動体は、図１に示すように、振動体１ａが、振動型駆動装置に適用することを想定した縦振動を起こす振動体として構成されている。図１（ｂ）は、図１（ｃ）に示した一点鎖線部の断面が示されている。
この振動体１ａは板状の基板２ａと圧電素子３ａとを有し、両者の間にはガラス粉末が溶融したガラス成分を含んだセラミックス層４ａを設けている。
圧電素子３ａは、電極層５ａ、圧電層６ａ、電極層７ａが順次積層され、電極層５ａと７ａは圧電層６ａを挟んで対向している。
この振動体１ａは後述するように、電極層５ａ、圧電層６ａ、電極層７ａが基板２ａと一緒に同時焼成されて、圧電素子３ａの焼成と圧電素子３ａがセラミックス層４ａを介して基板２ａに固定され一体化される。
すなわち、振動エネルギーの発生源として機能する圧電素子３ａと、その振動エネルギーより振動する振動板として機能する基板２ａとがセラミックス層４ａを介して固定され一体化されている。
また、外部電源との電気的な導通は電極層５ａ、７ａの上に、２本の導電線８をハンダ等に固定することにより図られている。

電極層５ａ、７ａには圧電素子３ａの振動を制御する外部電源から高周波電圧が供給され、この高周波電圧により圧電層６ａが伸縮し（歪み）、その伸縮が基板２ａと一体となり振動体１ａから振動エネルギーとして外部に出力される。
圧電素子３ａは基板２ａの中央部にある。基板２ａは長さ２５ｍｍ、幅９ｍｍ、厚さ０．３ｍｍである。圧電層６ａの厚さは約１５μｍ、電極層５ａ、７ａの厚さは約５μｍである。
また、セラミックス層４ａの厚さは約１５μｍである。セラミックス層４ａは縦１１ｍｍ横８．５ｍｍ、電極層５ａは縦１０ｍｍ横８ｍｍ、圧電層６ａは縦９ｍｍ横８．５ｍｍ、電極層７ａは縦横８ｍｍである。

図３は、本実施例の振動体１ａを用いた振動型駆動装置であり、本発明の振動体１ａを駆動動力源として用いて、回転軸１３を有する円盤１２を回転させた例である。
図３において、振動体１ａを矢印Ａの方向の縦方向の縦振動を起こさせ、振動体１ａの角部が円盤の表面に接触するように配置すれば、円盤１２は矢印Ｂの方向に回転させることが可能となる。

圧電素子３ａがセラミックス層４ａを介して基板２ａと一体となっている振動体１ａは、一定の高い周波数の電圧で縦方向に振動を起こすことができる。
図２（ａ）は振動体１ａの振動速度をレーザードプラー計のレーザー光１１により測定する方法を示している。
図２（ａ）のように、振動体１ａの中心部を２本のコンタクトピン１０で挟み保持する。そして、導電線８を介して一定の電圧Ｖを印加して、電圧の周波数を共振周波数より大きな周波数から小さな周波数にスイープしたとき、振動体１ａの矢印Ａの方向である縦振動の共振（約１９０ＫＨｚ）での最大の振動速度ｖをレーザードプラー計で測定する。

図２（ｂ）は電圧Ｖと最大の振動速度ｖの関係を示したグラフである。
振動速度ｖは電圧Ｖを０．５から６．５Ｖに徐々に上げると大きくなり、振動速度ｖは最高値約２．１ｍ／ｓに達する。
しかしながら、これ以上の電圧を上げても入力電力は温度の上昇を伴い発熱に変わり、ほ
とんど振動速度は大きくならない。
また場合によっては逆に、振動により発生する応力により疲労破壊（クラックの発生）を起こし振動の減衰が大きくなり、振動速度は減少する。
この疲労破壊によるクラックは振動により発生する歪が原因であり、セラミックス層４ａと電極層５ａや電極層５ａと圧電層６ａの境界に発生し易い。
振動速度ｖが約２．１ｍ／ｓより以下の範囲、例えば使用する最大の振動速度が約１．５ｍ／ｓに対しては疲労破壊もなく、振動体１ａは健全であり振動減衰の変化も起こらない。
以上の検討から、製造時に基板と圧電素子の接合に欠陥などの問題があると振動速度は大きくならない。
このように、振動速度を測定することで振動体の評価試験が可能で製造検査にも有効である。
また、振動体１ａは高周波で振動をするので疲労破壊の検討は必須であり、一定の振動速度で一定時間振動させる耐久試験での信頼性評価を行う必要がある。

つぎに、振動体１ａの製造方法について説明する。
まず図１において、板状の焼成済みのセラミックスを研削加工や切断加工により所定の寸法に仕上げ基板２ａとする。
次に、セラミックス粉末と後述するガラス粉末と有機溶剤、有機バインダからなる有機ビヒクルを混合して作った厚膜形成可能なセラミックス粉末ペーストを、基板２ａの片面の表面にスクリーン印刷法で印刷塗布する。
そして、この塗布されたガラス粉末を混ぜたセラミックス粉末ペーストを約１５０℃で１０分間ほど加熱し、有機溶剤を除去し乾燥させて、セラミックス層４ａを形成する。
この後、セラミックス層上に電極層を次のように形成する。
すなわち、圧電粉末を予め混ぜた導電材料粉末と有機溶剤、有機バインダからなる有機ビヒクルを混合して作った導電材料粉末ペーストをセラミックス層４ａの上にスクリーン印刷法で塗布、約１５０℃で１０分間ほど加熱し乾燥して電極層５ａを形成する。
さらに、圧電材料粉末と有機溶剤と有機バインダからなる有機ビヒクルを混合して作った厚膜形成可能な圧電材料粉末ペーストを、電極層５ａの表面にスクリーン印刷法で印刷塗布する。
そして、この塗布された圧電材料粉末ペーストを約１５０℃で１０分間ほど加熱することにより、有機溶剤を除去して乾燥させて、圧電層６ａを形成する。
そして、電極層５ａと同様に、導電材料粉末ペーストを圧電層６ａの上にスクリーン印刷法で塗布、乾燥し、電極層７ａを形成する。
こうして、順次塗布と乾燥を繰り返し、基板２ａの上にセラミックス層４ａ、電極層５ａ、圧電層６ａ、電極層７ａを形成する。

このようにして形成された基板２ａの上のセラミック層４ａ、積層化された電極層５ａ、圧電層６ａ、電極層７ａからなる圧電素子３ａはまだ未焼成状態である。
そこで、電気炉を用いて室温から５００℃まで加熱して有機バインダを除去した後、鉛雰囲気中で１１００℃〜１２００℃で焼成した。
すなわち、セラミックス層４ａ、電極層５ａ、圧電層６ａ、電極層７ａ及び基板２ａを同時に焼成して、圧電素子の製造と圧電素子３ａとセラミックス層４ａ、基板２ａとの接合（一体化）を同時に行なった。
その後、電極層５ａ、７ａに導電線８をハンダ等で固定し、導電線８を介して電極層５ａ、７ａの間に電圧を印加し、圧電層６ａに分極処理を施した。
分極処理の条件は、温度１２０〜１５０℃のオイル中で、電極層５ａをグランド（Ｇ）とし、電極層７ａをプラス（＋）として、所定の電圧約４５Ｖ（３Ｖ／μｍ相当）を印加して、約３０分間かけて分極処理を行った。
ここで、圧電層６ａは分極処理が施され圧電活性部として変位を発生させる層であり、こ
の層の圧電特性が振動板の振動特性や振動型駆動装置の性能に直接関係する。

基板２ａの材質としては、入手し易く安価である、焼成済みのセラミックスであるアルミナ（酸化アルミニウム）が金属よりも振動の減衰が少ない材料（振動体としてエネルギー損失が少ない材料）であり好ましい。
アルミナは純度が低くなると機械的な強度が劣り、振動体としての振動の減衰も大きくなるので、アルミナの純度が９９．５重量％以上、９９．９９重量％以下の高純度のアルミナがより好ましい。また、アルミナは硬質で耐摩耗性に優れているので、振動型駆動装置の振動体の接触（摩擦）部としても好適である。
基板２ａは、ガラス粉末をあらかじめ混ぜてあるセラミック層４ａと安定な結合が起こる材質であれば良い。アルミナのほかにも基板としては、ジルコニア、炭化ケイ素、窒化アルミ、窒化ケイ素など通常のセラミックスであってもセラミック層４ａにはガラス粉末をあらかじめ混ぜてあるため、焼成により溶融したガラス成分は基板２ａや電極層５ａとの密着強度を高め、接合が可能となる。

圧電層６ａを形成するための圧電材料としては、鉛を含んだペロブスカイト型の結晶構造を有するジルコン酸鉛とチタン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３）を主成分とし、複数の金属元素からなる化合物を少量添加して固溶させた三成分系や多成分系の圧電材料粉末を使用した。なお、本明細書において、「主成分」とは、例えば、５０質量％以上、または、５０モル％以上であることを示す。
良好な圧電特性が得られる焼成温度は９００〜１２００℃である。
電極層５ａ、７ａを形成するための導電材料粉末ペーストとしては、銀もしくは銀とパラジウム、もしくはパラジウム単独を主成分とする導電材料の他に予め圧電材料粉末を１５重量％添加したものを使用した。
導電材料粉末ペーストは基本的に金属であるので焼結し易く収縮が大きく早いので、電極層５ａに圧電粉末を混ぜることで導電材料粉末の焼成による収縮を抑制して、セラミックス層４ａや圧電層６ａと剥離し難くなるようにしている。
さらに、同時に、混ぜた圧電粉末とセラミックス層との反応も期待できる。
ただし、添加する圧電材料粉末は、圧電層６ａと同一成分か、または主成分が同じジルコン酸鉛とチタン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３）であっても同様の効果が得られる。銀とパラジウムの混合比は焼成温度に依存し、圧電材料の焼成温度に応じて、パラジウムの混合比を０〜１００％の範囲で調整する。焼成温度が１１００〜１２００℃であれば、ほぼ銀７０重量％、パラジウム３０重量％が望ましい。

本実施例ではセラミックス層４ａはセラミックス粉末として、圧電層６ａと同じ圧電材料粉末にガラス粉末を添加してセラミックス粉末ペーストを作っている。
ガラス粉末の化学組成としては、その必須成分として酸化ケイ素の含有量が２０〜８０ｍｏｌ％の範囲で最適においては３０〜７０ｍｏｌ％が望ましい。酸化ホウ素の含有量が１〜４０ｍｏｌ％の範囲で最適においては１０〜３０ｍｏｌ％が望ましい。１種類以上のアルカリ土類金属酸化物の含有量が１〜４０ｍｏｌ％の範囲で最適においては１０〜３０ｍｏｌ％が望ましい。酸化ケイ素が２０ｍｏｌ％未満では焼成において安定したガラス構造体を得ることが難しく、８０ｍｏｌ％超では軟化温度が高すぎて焼結助剤としての十分な熔融効果を得ることが難しい。酸化ホウ素が１ｍｏｌ％未満では熔融性において十分なガラス構造体を得ることが難しく、４０ｍｏｌ％超では本発明においてガラスが流れすぎて目標とする多孔質体を得ることが難しい。１種類以上の２価のアルカリ土類金属酸化物が１ｍｏｌ％未満では当該目的を達成するための十分な熔融性を得ることが難しく、４０ｍｏｌ％超では熱的安定を有したガラス構造体を得ることが難しい。さらに複合成分として酸化ビスマス、酸化アルミニウム、アルカリ金属酸化物、その他の金属酸化物など含有させることが可能であり、予め焼成温度に適したガラス軟化点になるように調合したガラス原料粉末を混合する。
そして、混合したガラス原料粉末を一度溶融させてその後に空気中に取出し凝固させてから、平均粒径１〜２μｍに微粉砕したガラス粉末（ガラスフリットとも呼ぶ）を使用した。

セラミックス層４ａに含まれたガラス粉末は焼結時に溶融し軟化流動化する。そして、基板２ａや電極層５ａとの界面にガラス粉末の溶融したガラス成分は多く集まり化学的に結合し易くなるものと考えられる。
しかしながら、過去、ガラス成分を含んだセラミックス層４ａを介しても、充分な接合が図られず一体焼結時や振動時にクラックが発生してしまった。
この原因について調べたところ、ガラスフリットとセラミックス層４ａのセラミックス粉末との混合分散が不充分であることが予想された。
すなわち、ガラス粉末とセラミックス粉末が充分に均一な分散になっていないと、焼成時にガラス成分が偏析して部分的に不均一な大きな空隙が発生し、セラミックス層４ａは基板から剥離してしまっていた。
ガラスフリットとセラミックス粉末との均一な混合の方法は、通常の印刷ペーストを作成した後に、さらに、アセトン等の溶剤で希釈し、ボールミルにて解砕、分散させた。
この分散状態を保ったまま希釈溶剤を蒸発させるためロータリーエバポレータを用いて揺動させながら濃縮した。この結果により充分に均一な分散が可能となった。

図４（ａ）及び図４（ｂ）は、基板２ａの上のセラミックス層４ａ、電極層５ａ、圧電層６ａ、電極層７ａを、厚さ方向に切断し研磨した断面の空隙９の状態を示している。
図４（ａ）及び図４（ｂ）において、電極層５ａや７ａは金属粉末であるので焼結性が良く空隙は少ない。圧電層６ａは結晶粒の三重点や結晶の粒界の一部に空隙ができているが比較的少ない。
図４（ａ）は、セラミックス層が、ガラス成分を含んでも一体焼結時や振動時にクラックが発生してしまった、過去のセラミックス層の場合を、図４（ｂ）は、セラミックス層が本実施例のセラミックス層の場合を示す。図４（ａ）においては、ガラス粉末とセラミックス粉末が均一な分散ではないためか、一体焼結時や振動時にクラックが発生してしまっている。一方、図４（ｂ）に示すように、ガラス粉末をセラミックス粉末内で充分に均一な分散を図ったセラミックス粉末ペーストを用いたセラミックス層４ａには多数の細かな空隙９を有し多孔質を呈している。焼成時には基板２ａは収縮しないが、圧電素子３ａ（圧電層６ａや電極層５ａ、７ａ）は収縮するため、圧電素子３ａを基板の上に直接に形成しても簡単に剥離してしまう。
しかしながら、基板２ａと圧電素子３ａとの間に、ガラス粉末とセラミックス粉末が均一に分散されたセラミックス層４ａを予め設けておくことで、基板２ａと圧電素子３ａとセラミックス層４ａは一体化する。
すなわち、焼成時にはガラス粉末の溶融が起き、セラミックス層４ａのセラミックス粒子と基板２ａと電極層５ａとは接合が起こし易い。
次に、電極層５ａ、圧電層６ａ、電極層７ａからなる圧電素子３ａは収縮が進むものの、セラミックス層４ａは接合している基板２ａの拘束により収縮が抑制される。
この結果、収縮しない基板２ａと収縮する圧電素子３ａとの間で歪のバランスを図るため、セラミックス層４ａは本来の収縮が抑制され層内に多数の細かな空隙９を生じ多孔質となるものと考えられる。

上述のように、本発明において、セラミックス層は多孔質であり、セラミックス層において、孔がセラミックス層の厚さ方向に対して垂直な方向で実質的に均等に分布している。ここで、孔がセラミックス層の厚さ方向に対して垂直な方向で均等に分布しているとは、セラミックス層を、セラミックス層の厚さ方向に対して垂直な方向に、全ての辺の長さがセラミックス層の膜厚と同じである四角柱（例えば、立方体、底面が菱形の四角柱）に分割した場合に、１つの四角柱の空隙率と、前記１つの四角柱に厚さ方向に対して垂直な方
向で隣接している四角柱の空隙率との差が、１５％以内となることを示す。具体的には、セラミックス層を、セラミックス層の厚さ方向に対して垂直な方向に、全ての辺の長さが該セラミックス層の膜厚と同じである四角柱に分割し、この四角柱の一つを第１の領域とし、この第１の領域とセラミックス層の厚さ方向に対して垂直な方向で隣接する四角柱を第２の領域とした場合に、第１の領域の空隙率と第２の領域の空隙率との差が、１５％以内である。

「全ての辺の長さがセラミックス層の膜厚と同じである四角柱」とは、セラミック層の厚さ方向と、セラミックス層の厚さ方向に対して垂直な２方向との計３方向において、セラミックス層の厚さと同じ長さの辺を有する四角柱を意味する。したがって、「全ての辺の長さがセラミックス層の膜厚と同じである四角柱」は、立方体、または、底面が菱形の四角柱である。

空隙率（空孔率）は、振動体の断面写真または断面図から孔の面積を測定することから求めることができる。

なお、特徴としてセラミックス層において、ひとつの孔の寸法はセラミックス層の膜厚よりも小さく、孔は互いに独立しており、全体的にセラミックス層の厚さ方向に対して垂直な方向で均等に分布している。そして、大きい孔の断面は楕円形状を示すことが多く、大きくてもせいぜい楕円形状の長軸方向で数μｍ以下の長さである。

このように、多数の細かな空隙９が、セラミックス層の厚さ方向に対して垂直な方向に均等に分布しているセラミックス層４ａは、基板２ａと圧電素子３ａとの接合には好適であり、基板２ａと圧電素子３ａとの接合がクラックを生じることなく可能となる。この結果、振動体１ａは振動減衰の少ない振動を起こすことが可能となる。
また、振動体１ａの振動時には圧電活性層である圧電層６ａは伸縮し振動するが、セラミックス層４ａにおける空隙９はセラミックス層４ａのヤング率を低くし、緩衝材となり新たなクラックの発生を防止することにも寄与する。
また、セラミックス層４ａの空隙９は基板側にやや多く、基板側から圧電素子の電極層に向かって減少して形成される傾向も見られる。したがって、セラミックス層４ａにおいて、基板側の第３の領域の空隙率は、第３の領域よりも圧電素子側の第４の領域の空隙率よりも高くなっている。
セラミックス層全体の空隙率は、例えば１０〜６０％程度である。ここで、図４（ｂ）において、セラミックス層４ａを、セラミックス層４ａの厚さを一辺とする正方形に分割し、下記式によって正方形の空隙率を求めた。
空隙率（％）＝正方形中の孔の面積／正方形の面積×１００
この結果、図４（ｂ）においては、正方形の空隙率と、この正方形に隣接する正方形の空隙率との差は、２．０％であった。一方、図４（ａ）においては、正方形の空隙率と、この正方形に隣接する正方形の空隙率との差は、２８％であった。そして、図４（ｂ）においては、セラミックス層４ａ全体の空隙率は２０％であった。

また、ガラス粉末の添加とともに、アクリル樹脂の小さなビーズもしくはマイクロビーズ（気孔形成材とも呼ぶ）を添加してセラミックス粉末ペーストに均一分散させる。そして、このビーズを焼成時には焼失させ除去し、セラミックス層４ａに空隙９を形成させることも接合に効果がある。
ガラス粉末はセラミックス粉末の重量に対して０．５重量％未満では基板との接合の効果が少なく、１０重量％を越えるとガラス粉末の欠点として基板への溶融したガラス成分の拡散が大きく、基板の機械的な特性を劣化させる。
また、セラミックス層自体の機械的な性質も劣化させる。このようなことから、このガラス粉末は、セラミックス粉末の重量に対して０．５重量％以上、１０重量％以下とした。

また、セラミックス層のセラミックス粉末としては、圧電素子の焼成温度でセラミックスの焼結が起こり、かつ、基板と圧電素子との結合に対して有効な機械的な強度を有しているセラミックスなら使用は可能である。
例えば、基板の材質と同じ材質のセラミックス粉末（本例であればアルミナ粉末）でも、基板との相性が良いので好ましい。
前述のジルコン酸鉛とチタン酸鉛からなる圧電材料粉末以外の例えば、同じく圧電性を有するチタン酸バリウム系やチタン酸ビスマスナトリウム系などの非鉛系の圧電材料で作る圧電素子に対しては、同種のチタン酸バリウム系やチタン酸ビスマスナトリウム系の粉末をセラミックス層として用いることも有効である。
ガラス粉末の利点として、焼成温度や機械強度の適したガラス粉末の化学組成分の調整が容易で可能であることであり、多種の基板やセラミックスの材質に応用が可能である。

［実施例２］
実施例２として、実施例１と異なる形態の振動体の構成例を図５を用いて説明する。
なお、（ａ）及び（ｂ）は、（ｃ）に示した一点鎖線部の断面図、（ｃ）は平面図である。
図５に示す振動体１ｂは、従来例で示したリニア駆動する振動型駆動装置に適用することを想定したものである。
なお、製造方法や用いた基板、圧電層、電極層、セラミックス層は実施例１と基本的に同じである。
この振動体１ｂは、板状の基板２ｂと圧電素子３ｂとを有し、両者の間にはガラス粉末を含んだセラミックスからなるセラミックス層４ｂを設けている。
セラミックス層４ｂには多数の細かな空隙９を有し多孔質を呈している。この基板２ｂと圧電素子３ｂはセラミックス層４ｂを介して、後述するように同時焼成により固定され一体化されたものである。
すなわち、振動エネルギー発生源として機能する圧電素子３ｂは、その振動エネルギーにより振動する基板２ｂと、セラミックス層４ｂを介して固定され一体化され、振動体１ｂとして機能する
圧電素子３ｂにおいては、電極層５ｂ−１、５ｂ−２、圧電層６ｂ、電極層７ｂ−１、７ｂ−２が順次積層されている。
セラミックス層４ｂ上に設けられた電極層は２つの電極層５ｂ−１、５ｂ−２に分割され絶縁状態にある。
同様に、圧電層６ｂ上に設けられた電極層も同様に２つの電極層７ｂ−１、７ｂ−２に分割されて絶縁状態にある。
２つに分割されたそれぞれの電極層５ｂ−１、５ｂ−２と電極層７ｂ−１、７ｂ−２は圧電層６ｂを挟んで対向している。
また、外部電源との電気的な導通と分極処理は、２つに分割された電極層５ｂ−１、５ｂ−２と７ｂ−１、７ｂ−２のそれぞれの表面上に導電線８をハンダ等に固定することにより行われる。
その後、実施例１と基本的に同じように、電極層５ｂ−１と７ｂ−１、５ｂ−２と７ｂ−２をそれぞれグランド（Ｇ）とプラス（＋）として導電線８を介して電圧を印加し、圧電層６ｂのこれらの電極層が対向する領域に分極処理を施した。分極処理の条件は、温度１２０〜１５０℃のオイル中で、グランド（Ｇ）とプラス（＋）間に所定の電圧約４５Ｖ（３Ｖ／μｍ相当）を印加して、約３０分間かけて分極処理を行った。ここで、分極処理が施される領域は圧電活性部として変位を発生させる層であり、この層の圧電特性が直接に振動板の振動特性や振動型駆動装置の性能に直接関係する。
基板２ｂは、長さ９ｍｍ、幅６ｍｍ、厚さ０．３ｍｍであり、圧電素子３ｂを設けた面と反対側には高さ０．２ｍｍの２個の突起部１５を設けている。
圧電素子３ｂの圧電層６ｂの厚さは約１５μｍ、電極層５ｂ−１、５ｂ−２、７ｂ−１、
７ｂ−２の厚さは約５μｍである。
また、セラミックス層４ｂの厚さは約１５μｍである。突起部１５はアルミナの基板２ｂの裏面にブラスト加工により突起部１５以外を削り取ることにより形成が可能である。
２つに分割された電極層５ｂ−１と７ｂ−１、５ｂ−２と７ｂ−２の間には、圧電素子３ｂの振動を制御する外部電源から位相の異なる２つの高周波電圧が供給される。
これらの高周波電圧により２つに分割された電極層５ｂ−１と７ｂ−１、５ｂ−２と７ｂ−２の対向する圧電層６ｂの圧電活性領域がそれぞれ伸縮し、その伸縮がセラミックス層４ｂを介して基板２ｂに伝わり、全体として振動体１ｂが振動する。
図７は実施例２の振動体１ｂを組込んだリニア型振動型駆動装置の構成を示す図である。リニア駆動の原理は従来例と同じである。
リニアスライダ１６は加圧された状態で突起部１５に接触する。そして、圧電素子３ｂの振動で振動体１ｂが振動し突起部１５に励起された楕円運動により、被駆動体であるリニアスライダ１６が矢印Ｃの方向に往復駆動する。突起部１５は振動体１ｂと同じアルミナからなり、耐摩耗性を有している。

［実施例３］
実施例３として、上記実施例１、２と異なる形態の振動体の構成例を図６を用いて説明する。なお、（ａ）及び（ｂ）は、（ｃ）に示した一点鎖線部の断面図、（ｃ）は平面図である。
本実施例の振動体１ｃは、図６のように、板状の基板２ｃの上に、つぎのように各層が順次重ねられている。
すなわち、板状の基板２ｃの上に、セラミックス層４ｃを介して積層型の圧電素子３ｃとしての電極層５ｃ−１、５ｃ−２、圧電層６ｃ−１、電極層７ｃ−１、７ｃ−２、圧電層６ｃ−２、電極層７ｃ−３、７ｃ−４が順次重ねられている。セラミックス層４ｃには多数の細かな空隙９を有し多孔質を呈している。
そして、電極層５ｃ−１、５ｃ−２は２つに分割されそれぞれ絶縁状態ある。同様に、電極層７ｃ−１、７ｃ−２と電極層７ｃ−３、７ｃ−４も２つに分割されそれぞれ絶縁状態にある。
２つに分割された電極層５ｃ−１、５ｃ−２と電極層７ｃ−１、７ｃ−２は圧電層６ｃ−１を挟んで、それぞれは対向している。
同様に、２つに分割された電極層７ｃ−１、７ｃ−２と電極層７ｃ−３、７ｃ−４は圧電層６ｃ−２を挟んで、それぞれは対向している。

実施例２に係る振動体では圧電層６ｂは１層であったが、実施例３に係る振動体では圧電層６ｃ−１、６ｃ−２と２層になっている。
すなわち、本実施例では、実施例２に対して圧電層と電極層を１層ずつさらに加えた積層圧電素子となっており、他は基本的に実施例２と同じである。
圧電層を２層とした本実施例では、圧電層が１層である実施例２よりも、低電圧化や高変位（歪）を図ることができる。圧電層を３層以上にし、さらなる低電圧化を図ることも可能である。

本実施例の振動体１ｃは、例えば、基板は長さ１２ｍｍ、幅５ｍｍ、厚さ０．３ｍｍである。また、圧電層６ｃ−１と６ｃ−２の厚さは約１５μｍ、電極層５ｃ−１、５ｃ−２、７ｃ−１、７ｃ−２、７ｃ−３、７ｃ−４の厚さは約５μｍである。
なお、製造方法や用いた基板、圧電層、電極層、セラミックス層は実施例１と基本的に同じである。
また、外部電源との電気的な導通と分極処理のために、６つの、２つに分割された電極層５ｃ−１、５ｃ−２、７ｃ−１、７ｃ−２、７ｃ−３、７ｃ−４の表面に６本の導電線８がハンダ等に固定されている。
その後、実施例１と基本的に同じように、導電線８を介して電極層５ｃ−１と７ｃ−１、
７ｃ−１と７ｃ−３、電極層５ｃ−２と７ｃ−２、７ｃ−２と７ｃ−４の間に、電極層７ｃ−１、７ｃ−２グランド（Ｇ）とし、
電極層５ｃ−１、７ｃ−３、５ｃ−２と７ｃ−４をプラス（＋）として温度１２０〜１５０℃のオイル中で所定の電圧約４５Ｖ（３Ｖ／μｍ相当）を印加して、約３０分間かけて分極処理を行った。

分極処理の施された圧電層６ｃ−１と圧電層６ｃ−２の電極層で挟まれた領域は圧電活性部として変位を発生させる層であり、この層の圧電特性が振動板の振動特性や振動型駆動装置の性能に直接関係する。
基板２ｃは、長さ９ｍｍ、幅６ｍｍ、厚さ０．３ｍｍである。圧電素子３ｃを設けた面と反対側には高さ０．２ｍｍの２個の突起部１５を設けている。
圧電素子３ｃの圧電層６ｃ−１と６ｃ−２の厚さは約１５μｍ、電極層５ｃ−１、５ｃ−２、７ｃ−１、７ｃ−２、７ｃ−３、７ｃ−４の厚さは約５μｍである。
また、セラミックス層４ｃの厚さは約１５μｍである。基板２ｃには突起部１５が設けられている。突起部１５はアルミナの基板の裏面にブラスト加工により突起部１５以外を削り取ることにより形成が可能である。
電極層５ｃ−１、７ｃ−１、７ｃ−３と電極層５ｃ−２、７ｃ−２、７ｃ−４の間には、圧電素子３ｃの振動を制御する外部電源から位相の異なる高周波電圧がそれぞれに供給される。そして、電極層５ｃ−１、７ｃ−１、７ｃ−３、電極層５ｃ−２、７ｃ−２、７ｃ−４との対向する圧電層６ｃ−１と圧電層６ｃ−２のそれぞれの圧電活性領域が伸縮し（歪み）、その伸縮がセラミックス層４ｃを介して基板２ｃに伝わり、全体として振動体１ｃが振動する。

図７は、実施例３に係る振動体１ｃを組込んだリニア型振動型駆動装置の構成を示す図である。
リニア駆動の原理は従来例と同じである。リニアスライダ１６は加圧された状態で突起部１５に接触し、圧電素子３ｃの振動で振動体１ｃが振動し突起部１５に励起された楕円運動により、被駆動体であるリニアスライダ１６が往復駆動する。
上記実施例では電極層と外部電源との導通は導電線８を用いて行ったが、導電線８の代わりに例えば、フレキシブル回路基板や導電材料粉末ペーストで電極層と外部電源との導通を図るようにしても良い。
スクリーン印刷法は、上述のグリーンシートによる積層に比べて、より薄くて高精度な厚さの層の形成が容易であるばかりでなく、塗布位置を高精度に制御可能であり焼結後の機械加工も必要としない。
そして、製造設備も安価であり、これらの結果として製造コストを従来の圧電素子と比べ大きく削減できる。

１ａ：振動体
２ａ：基板
３ａ：圧電素子
４ａ：セラミックス層
５ａ：電極層
６ａ：圧電層
７ａ：電極層
８：導電線
９：空隙

Claims (16)

1. 基板に、圧電層と電極層を有する圧電素子が固定され、前記圧電素子の振動エネルギーによって前記基板を振動させ、前記基板の振動エネルギーを出力する振動体であって、
   前記基板と前記圧電素子との間にセラミックス層が設けられ、
   前記セラミックス層を、前記セラミックス層の厚さ方向に対して垂直な方向に、全ての辺の長さが該セラミックス層の膜厚と同じである四角柱に分割した場合に、前記四角柱からなる第１の領域の空隙率と、前記第１の領域と前記セラミックス層の厚さ方向に対して垂直な方向で隣接する前記四角柱からなる第２の領域の空隙率との差が、１５％以内であることを特徴とする振動体。
2. 前記セラミック層は、前記基板側にある第１の領域と、前記第１の領域より前記圧電素子側にある第２の領域を有し、
   前記第１の領域は、前記第２の領域よりも空隙率が高いことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の振動体。
3. 前記１つの直方体の空隙率は、３５〜６５％であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の振動体。
4. 前記セラミックス層は、一度溶融したガラス成分を含んだガラス粉末が混合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１項に記載の振動体。
5. 前記セラミックス層に混合されている前記ガラス粉末は、２０〜８０ｍｏｌ％の酸化ケイ素および、１〜４０ｍｏｌ％の酸化ホウ素と、少なくとも１種類以上のアルカリ土類金属酸化物を１〜４０ｍｏｌ％の範囲で含み、
   前記ガラス粉末は、前記セラミックス層のセラミックス粉末の重量に対して０．５重量％以上、１０重量％以下、添加されていることを特徴とする請求項４に記載の振動体。
6. 前記セラミックス層は、主成分として圧電層と同じ成分を含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の振動体。
7. 前記圧電層は、ジルコン酸鉛とチタン酸鉛を主成分として含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の振動体。
8. 前記圧電素子は、銀、もしくは銀とパラジウム、もしくはパラジウムからなる前記電極層を同時焼成して構成することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の振動体。
9. 前記圧電素子を構成する前記電極層は、銀もしくは銀とパラジウム、もしくはパラジウム中に、圧電層の主成分と同じ成分の粉末を含有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の振動体。
10. 前記基板は、９９．５重量％以上、９９．９９重量％以下の純度のアルミナで構成されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の振動体。
11. 前記圧電素子が、前記基板に対し前記セラミックス層を介して固定されていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の振動体。
12. 請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の振動体を駆動動力源として構成されていることを特徴とする振動型駆動装置。
13. 圧電層と電極層を有する圧電素子を、セラミックス層を介して基板に固定した振動体を製造する振動体の製造方法であって、
    前記基板の上に、前記セラミックス層としてガラス成分を含んだガラス粉末が混合されているセラミックス層を形成するに際し、
    前記ガラス粉末として、酸化ケイ素、酸化ホウ素と、少なくとも１種類以上のアルカリ土類金属酸化物が含まれたガラス粉末を用い、
    前記ガラス粉末を前記セラミックス層のセラミックス粉末の重量に対して０．５重量％以上、１０重量％以下、添加したセラミックス層を、前記基板の上に形成する工程と、
    前記基板の上に形成されたセラミックス層上に、前記圧電素子を形成する工程と、
    前記基板と前記セラミックス層と前記圧電素子とを、同時に焼成してこれらを一体化する工程と、
    を有することを特徴とする振動体の製造方法。
14. 前記ガラス粉末と前記セラミックス粉末を含むペーストを作成する工程と、
    前記ペーストを溶剤で希釈する工程と、
    前記ペーストを粉砕、分散させる工程と、を更に有することを特徴とする請求項１３に記載の振動体の製造方法。
15. 前記溶剤中に分散された前記ペーストを、揺動させながら濃縮する工程を更に有することを特徴とする請求項１４に記載の振動体の製造方法。
16. 前記濃縮する工程は、ロータリーエバポレータで行われることを特徴とする請求項１４に記載の振動体の製造方法。