JP2014155350A - 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、振動減衰による振動エネルギーの損失が少なく、効率良く振動エネルギーを出力することが可能となる振動体を提供する。
【解決手段】基板上に、圧電層を挟んで前記基板側に配置された一方の電極層と該一方の電極層と対向配置された他方の電極層を有する圧電素子を備え、
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、振動エネルギーを出力する振動体であって、
前記基板と、前記基板側に配置された一方の電極層との間に、ガラス溶融物を含んでいるセラミックス層が設けられ、該セラミックス層を介して前記圧電素子が前記基板に固定され、
前記基板側に配置された一方の電極層の厚さが、前記他方の電極層の厚さよりも厚くした構成を有する。
【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（振動波アクチュエータ）では、振動体（振動子ともいう）の振動源として一般に圧電素子が用いられている。
この圧電素子としては、例えば特許文献１に開示されているように、単一の板状の圧電素子や最近は多数の圧電層と電極層を交互に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１２は、特許文献１に係るリニア型の振動型（超音波）駆動装置２０の外観斜視図である。
このリニア型の振動型駆動装置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、耐磨耗性を有したセラミックスであるアルミナ（酸化アルミニウム）からできている。

このリニア型の振動型駆動装置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ほど異なる所定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。

このような積層圧電素子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は、基板に圧電層と電極層を有する圧電素子が固定され、その圧電素子の振動エネルギーによって基板を振動させる振動体が提案されている。
ここでは、圧電素子と基板の間にはガラス粉末を含むセラミックス層からなる接合層を介し、焼成により圧電素子を基板に固定するようにされている。

特開２００４−３０４８８７号公報 特許第２８４２４４８号公報 特開２０１１−２５４５６９号公報

上記した図１２に示す従来例の特許文献１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、樹脂の接着剤は圧電素子や金属に比べ柔軟であるため、振動体の振動減衰は大きくなり、とくに樹脂の温度が高くなると、振動型駆動装置は効率の低下を起こしていた。また、小型化した場合に、接着剤の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は、圧電材料粉末から作るグリーンシート成形機や積層用プレス、機械加工機など製造装置の設備投資額が大きく、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、接着剤による接着層を設けずに基板に積層圧電素子を直接に固定（接合）することが考えられた。
しかし、セラミックス基板と貴金属である電極層とは化学反応が少なく接合強度が低い。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易く、またアクチュエータの振動により剥離が生じる、等の課題を有していた。
そのため、上記した従来例の特許文献３のように、圧電素子と基板の間に設けられたガラス粉末を含む接合層を介し圧電素子とセラミックス基板の同時焼成を行い、ガラス粉末を溶融させて圧電素子と基板を接合した振動体が提案されている。
しなしながら、このような構成によっても、本来予想される圧電特性が得られないという課題を有しており、これらに対処して振動体の性能向上を図ることが望まれていた。

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、振動減衰による振動エネルギーの損失が少なく、効率良く振動エネルギーを出力すること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、基板上に、圧電層を挟んで前記基板側に配置された一方の電極層と該一方の電極層と対向配置された他方の電極層を有する圧電素子を備え、
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、振動エネルギーを出力する振動体であって、
前記基板と、前記基板側に配置された一方の電極層との間に、ガラス溶融物を含んでいるセラミックス層が設けられ、該セラミックス層を介して前記圧電素子が前記基板に固定され、
前記基板側に配置された一方の電極層の厚さが、前記他方の電極層の厚さよりも厚いことを特徴とする。
また、本発明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、基板上に、圧電層を挟んで前記基板側に配置された一方の電極層と該一方の電極層と対向配置された他方の電極層を有する圧電素子を備え、
該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、振動エネルギーを出力する振動体の製造方法であって、
前記基板上に、ガラス溶融物を含んでいるセラミックス層を形成し、該セラミックス層上に前記一方の電極層、前記圧電層、前記他方の電極層を、この順に該一方の電極層の厚さを、該他方の電極層の厚さよりも厚くして積層する工程と、
前記セラミックス層、前記一方の電極層、前記圧電層、前記他方の電極層を同時に焼成し、これらを基板上に一体化して接合する工程と、
を有することを特徴とする。

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、振動減衰による振動エネルギーの損失が少なく、効率良く振動エネルギーを出力すること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）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は平面図である。 本発明の実施例１における振動体を組込んだ振動型駆動装置を示す図である。 本発明の実施例１における振動体の性能評価方法について説明する図で、振動体に電圧を印加する際の支持方法を示す図である。 本発明の実施例１における振動体の性能評価結果である印加電圧と振動速度の関係を示す図である。 従来例における電極層を通過して圧電層の圧電活性部に侵入したガラス溶融物を説明する模式図である。 従来例における電極層の端の近傍で、圧電層の圧電活性部に侵入したガラス溶融物を説明する模式図である。 本発明の実施例１における、電極層の端の近傍で、電極層を拡大しガラス溶融物が圧電層の圧電活性部に侵入しない構成例を示す模式図である。 本発明の実施例１における、より改善した振動体の構成例を示す図である。（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は平面図である。 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）は正面図、（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）は正面図、（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の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の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。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は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）に示した中心線（一点鎖線）の断面が示されている。
本実施例の振動体１ａは、基板２ａに、圧電層と電極層を有する圧電素子３ａが接合され、圧電素子３ａの振動エネルギーによって基板２ａを振動させ、振動体１ａの振動エネルギーを出力するように構成されている。
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、焼成時にガラス粉末が溶融したガラス溶融物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、一方の電極層５ａと他方の電極層７ａとが圧電層６ａを挟んで対向配置されている。
この振動体１ａは後述するように、基板２ａ上のセラミックス層４ａと、圧電素子３ａを構成する基板側の電極層５ａ、圧電層６ａ、電極層７ａとが一緒に同時焼成されて、圧電素子３ａが接合層であるセラミックス層４ａを介して基板２ａに接合され一体化される。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により振動する振動板として機能する基板２ａとが、接合のためのセラミックス層４ａを介して接合され、振動体１ａとして一体化されている。
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を導電ペーストやハンダ等で接合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の圧電活性部（圧電層のうち分極処理が施され圧電性を呈する部分）が伸縮（歪み）し、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、後述の分極処理を施してあるので、ある一定の周波数の電圧を電極層５ａ、７ａに印加することで縦方向の振動を起こすことができる。
そして、この縦方向の振動を利用して、図２のようにアクチュエータの振動体として利用することができる。

図２は、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１０を有する円盤１１を回転させる例である。
図２において、振動体１ａを矢印Ｔ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１１は矢印Ｒの方向に回転させることが可能となる。
図３は、振動体１ａの中心部を２本のコンタクトピン１２で挟み保持し、振動体１ａの縦方向の振動（矢印Ｔの方向）の振動速度をレーザードプラー計のレーザー光１３により測定する振動体の評価方法を示している。
振動体１ａにおいて、電極層５ａ、７ａに導通した導電線８を介して高周波電圧Ｖを印加し、その高周波電圧Ｖの周波数を縦方向の振動の共振周波数（約１９０ＫＨｚ）よりも大きな周波数から小さな周波数へ掃引する。
そして、振動体１ａの共振時の縦振動の最大となる振動速度ｖを測定して、振動体１ａの振動特性（振動性能）の評価とした。
図１に示すように、圧電素子３ａは基板２ａの中央部にある。基板２ａは長さ２５ｍｍ、幅１０ｍｍで、厚さは０．２５ｍｍである。セラミックス層４ａは縦１１ｍｍ横８．５ｍｍで、その厚さは１０μｍである。圧電層６ａは縦９ｍｍ横８．５ｍｍで、その厚さは１０μｍである。
電極層７ａは縦横８ｍｍで、その厚さは通常の積層圧電素子の電極層の厚さである２〜３μｍである。これは、電極材として高価な貴金属であるＰｄを使用しているので、電極層は、できるだけ薄くして安価にしたいためである。
そして、電極層５ａは縦１０ｍｍ横８ｍｍで、その平均的な厚さは３μｍ、５μｍ、１０μｍとして電極層５ａの厚さを変えて振動速度の測定を行った。
但し、電極層の厚さの公差は出来るだけ少なくしたが、±２μｍ程度を有する。

図４は、印加電圧Ｖ（実効電圧Ｖｒｍｓ）と最大の振動速度ｖ（ｍ／ｓ）の関係を示したグラフである。図４において、Ａ、Ｂ、Ｃは電極層５ａの平均厚さをそれぞれ３μｍ、５μｍ、１０μｍとした場合である。
振動速度ｖは電圧Ｖを上げると大きくなり、ＢとＣで電圧Ｖを４Ｖ近くに上げると、振動速度ｖは２ｍ／ｓ以上に達するものの、Ａは２ｍ／ｓ以下である。
すなわち、Ａの電極層の厚さが３μｍであると振動速度が低く、Ｂの電極層の厚さが５μｍ、Ｃの電極層の厚さが１０μｍとは大きく異なる特性結果となった。なお、図４には示していないが、Ａの電極層の厚さが３μｍでも印加電圧をさらに上げ、入力エネルギーを増やすことで振動速度ｖは２ｍ／ｓ以上にすることは可能である。
また、ＢとＣも印加電圧を４Ｖ以上に上げて、入力エネルギーをさらに増やせば、振動速度ｖは増加はする。
しかしながら、入力エネルギーをさらに増やしても、振動体１の発熱（温度の上昇）に変わるため、３ｍ／ｓ以上にはならなかった。
このＡとＢ，Ｃとの振動速度ｖの差異の原因を探るため、振動体１ａを切断しその断面を研磨して、電子顕微鏡で基板、セラミックス層、電極層、圧電層の結晶組織の観察と元素分析を行った。
本来、振動体１ａは、基板２ａの上には基板２ａ側から、セラミックス層４ａと電極層５ａ、圧電層６ａ、電極層７ａとが、後述のスクリーン印刷法により積層化され、そして、同時焼成されて、これら各層のセラミックス層と電極層、圧電層は焼成収縮を起こす。
ここで、金属からなる電極層の方がセラミックス層や圧電層よりも低温で早く収縮を起こし、緻密な金属層を焼成時の初期（約２００〜５００℃）に形成すると思われる。
そして、この収縮による緻密な電極層の形成は、セラミックス層に含まれるガラスの溶融温度（約７００℃）よりも低い温度で起こるため、緻密な金属からなる電極層がバリヤーとなり圧電層にはガラス溶融物は侵入しないと予想していた。電極層の平均厚さ３μｍと５μｍ、１０μｍでの圧電層における圧電活性部の結晶組織の観察と元素分析では、電極層の厚さ５μｍ、１０μｍでは圧電層ほぼ均一の１〜２μｍの大きさの圧電セラミックスの結晶粒子であった。
しかし、電極層の厚さが３μｍの場合は、圧電層の一部に０．５〜１μｍの大きさの小さな結晶粒子の一群が多数形成されており、その小さな結晶粒の周囲にはＳｉ（ケイ素）元素が検出された。
さらに、この小さな結晶粒子の一群に近い一部の電極層は厚さが１μｍ程度の薄い層になっている箇所が観察された。
このような薄い電極層でも電気的にはほとんど問題はないものの、焼成中にセラミックス層４ａの中のＳｉ元素を含有するガラス溶融物は電極層を通過して圧電層の方に侵入してくるものと思われる。多分、この薄い電極層は完全に緻密でないものと思われる。
また、ごく一部には、電極層が欠損している微小な箇所もあるかもしれない。

図５はこのような、セラミックス層４ａに接した電極層５ａの不完全な層の部分を通過し、圧電層に侵入したガラス溶融物１４（ハッチングで示す）を示した従来例の模式図である。
高温になると、セラミックス層４ａに含まれるガラス溶融物は電極層５ａを通過（矢印で示す）して、圧電層６ａの圧電活性部に侵入し本来の圧電セラミックスの粒子とは異なる圧電性を有しない小さな結晶粒子を形成させると思われる。
この結果、電極層の厚さ３μｍの場合は圧電層の圧電活性部の圧電特性が劣化し、前述のように振動速度も低くなっていると考えることができる。
以上の結果から、電極層５ａの厚さは通常の圧電素子の電極層７ａよりも厚くして、５μｍを超えれば、ガラス溶融物の圧電層への侵入を防ぐことが可能である。
また、ＢとＣの電極層の厚さが５μｍと１０μｍとの差異については、電極層の厚さが厚くなったために振動損失が増えたと思われる。
つまり、電極層の厚さが厚くなると貴金属からなる電極材のコストが上がるばかりでなく、このように振動損失も増え振動速度もやや劣ることになる。
電極層の厚さが１０μｍ以上となると、さらにこれらの悪い影響が増すのでせいぜい厚くても電極層の厚さは１０μｍ未満が好ましい。
また、電極層５ａの端の近傍の圧電層６ａの圧電セラミックスの結晶粒子の観察と元素分
析を行ったところ、通常の圧電セラミックスの結晶粒子の大きさよりも小さい結晶粒子が圧電活性層（後述）に観察され、同時にＳｉ元素も検出された。
これは、ガラスの溶融物が電極層５ａの端を回り、圧電層６ａの圧電活性部の一部に侵入して影響を与えているため、圧電特性を劣化させていることが予想された。

図６は振動体１ａのセラミックス層４ａに接した電極層５ａの端の近傍の、ガラス溶融物１４の圧電層６ａの圧電活性部６ａ’への侵入を示した従来例の模式図である。
焼成時に高温になると、セラミックス層４ａに含まれるガラス溶融物１４（ハッチングで示す）は電極層５ａの端の近傍から、電極層５ａと電極層７ａで挟まれる圧電活性部６ａ’へ侵入し、本来の圧電セラミックスの粒子とは異なる圧電性を有しない結晶粒子を形成させる。
電極層５ａと電極層７ａで挟まれる圧電活性部は実際に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。
図７に、本実施例における電極層の端の近傍で、電極層を拡大しガラス溶融物が圧電層の圧電活性部に侵入しないようにした構成例を示す。
図７に示すように、振動体１ａのセラミックス層４ａに接した電極層５ａを拡大し広い面積とする。
このように電極層５ａを拡大しておけば、電極層５ａの端近傍からガラス溶融物１４（ハッチングで示す）が圧電層６ａへ侵入しても、電極層５ａと電極層７ａで挟まれる圧電活性部６ａ’までは侵入しないので圧電特性の劣化は起こらない。

また、図８に本実施例におけるより改善された振動体の構成例を示す。
図８に示すように、振動体１ａ’の電極層５ａ’の２つの辺となるＬの部分を、図１の振動体１ａの電極層５ａの大きさよりもそれぞれ０．０５ｍｍほど拡大し、すなわち電極層５ａ’を縦１０ｍｍ横８．１ｍｍに拡大して電極層７ａよりも広く大きく拡大した。
なお、ここでは、スクリーン印刷の印刷位置精度やパターン精度は合計して通常±２０〜３０μｍくらいあるので、この精度とガラス溶融物の侵入状態を考慮して、拡大量を０．０５ｍｍとした。
拡大量は、もちろん、０．０５ｍｍ以上でも良いが、あまり大きくても無駄な電極層が広くなるだけなので、印刷位置精度やパターン精度、そのほかの精度を悪化させる不確定因子を考慮してもせいぜい０．５ｍｍ程度で充分である。
つまり、通常、圧電層のうち実際に圧電性の活性を示す圧電活性部は圧電層を挟む実際に対向している２つの電極層の部分である。
そのため通常は２つの対向している電極層は同一の大きさに設け、上記のように電極層５ａを電極層７ａよりも広く大きくしても（ガラス溶融部の影響がなければ）圧電特性には変化はない。
しかし、本例の振動体１ａでは、ガラス溶融物が電極層５ａを迂回して圧電層６ａに侵入し圧電活性部を劣化させるので、振動体１ａ’では図８の（Ｃ）のように上方から見て、電極層５ａ’の２つの辺となるＬ部を電極層７ａよりも寸法的に広く拡大し、健全な圧電活性部を維持することが好ましい。すなわち、一方の電極層５ａ’の面積を、他方の電極層７ａの面積よりも、一辺が０．０５ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下の範囲で拡大されたものとした。なお、本例の振動体１ａ’の例では、電極層５ａ’のＬ部ではない他の２辺ではすでに電極層７ａよりも寸法的に広く拡大してあり、圧電活性部と電極層５ａ’の構成上、ガラス溶融物の侵入は起こらない。
また、とくに将来的に電極層と圧電層の構成が図６のような場合、基板や電極層などの寸法がもっと小さくなるとガラス溶融物の圧電活性部への侵入の影響はもっと大きくなり無視できなくなると考えられる。

つぎに、振動体１ａや振動体１ａ’の製造方法について説明する。
まず図１または図８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。
そして、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。
ここで、セラミックス層４ａを形成するセラミックスの基板２ａの表面は、表面粗さ（ＪＩＳ Ｂ０６０１−２００１）Ｒｚで２μｍ以下とした平滑面が望ましい。
これは、表面粗さＲｚ２μｍ以上であるとセラミックス層４ａの表面の粗さも１μｍ以上
となり、電極層５ａを平坦に形成することを妨げる原因のひとつになるからである。
そして、セラミックス層４ａ上に電極層５ａを次のように形成する。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。なお、電極層５ａをはじめ電極層、圧電層、セラミックス層の各層の厚さは、スクリーン印刷の版のメッシュ厚みや開口率、印刷条件を変えることで可能である。
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。
以上のように、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、該セラミックス層上に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９００℃〜９５０℃で焼成した。
すなわち、電極層５ａ、圧電層６ａ、電極層７ａ及び基板２ａとセラミックス層４ａを同時に焼成して、圧電素子の焼成による製造と圧電素子３ａとセラミックス層４ａ、基板２ａとの接合（一体化）を同時に行った。
その後、電極層５ａ、７ａに導電線８を導電ペーストやハンダ等で固定し導通させ、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１７０〜２００℃の高温にしたホットプレート上で、電極層５ａをグランド（Ｇ）とし、電極層７ａをプラス（＋）として、所定の直流電圧（圧電層６ａの厚さ当たり約１Ｖ／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のうち、実際に分極処理が施され圧電性の活性を示す圧電活性部は、圧電層６ａを挟む対向している２つの電極層５ａ、７ａで挟まれ分極処理時に電圧が印加された部分である。
分極処理が施され部分は圧電活性部として変位を発生させることができる層であり、この圧電層内の圧電活性部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。
但し、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２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の多成分系の圧電材料粉末に酸化銅を添加し、低温での焼結を可能とした圧電材料粉末を使用した。
良好な圧電特性が得られる焼成温度は９００〜９５０℃である。従来の圧電材料粉末より２００℃ほど焼成温度を下げることができた。
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低温で早く焼結し易く、さらに収縮が大きいので、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わずかではあるが抑制して、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。
但し、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。
電極層を形成する導電材料の銀とパラジウムの混合比は焼成温度に関係し、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。焼成温度が高いと、パラジウムの混合比を増やし銀・パラジウム合金の溶融温度を上げる必要がある。
焼成温度が９００〜９５０℃であれば、パラジウムがない銀１００重量％でも焼成は可能となる。しかし、高湿度下の電気的なマイグレーションの発生を考慮すれば、パラジウム１〜５重量％を添加した銀９９〜９５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。ガラス粉末としては、酸化ケイ素、酸化ボロン（酸化ホウ素）を含み、その他に、酸化ビスマス、アルミナ、アルカリ金属酸化物やアルカリ土類金属酸化物を混ぜる。そして、一度溶融させ、溶融したガラスを平均粒径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。
このガラス粉末を、圧電材料粉末の０．２重量％から１０重量％ほど添加しペーストとした。酸化ケイ素、酸化ボロンの配合比率を変えることで、ガラスの軟化点を圧電セラミックスの焼成温度に応じて変えることができる。
また、添加元素を選ぶことで基板の材質に応じて、化学反応を増し接合強度を上げることも可能である。

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し流動化する。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溶融物は比較的多く集まり化学的に結合し易くなるものと考えられる。
前述のように、流動化したガラス溶融物は、電極層５ａが完全に緻密な金属からなるひとつの層を形成していれば、圧電層６ａには侵入することはない。一方、ガラス溶融部はセラミックスである基板２ａとセラミックス層４ａに反応して強い接合力を保持する。
また、振動体１ａの振動時には圧電層６ａの圧電活性部は伸縮し振動を起こすが、セラミックス層４ａは基板２ａの緩衝材となり、圧電素子３ａの破壊を防ぐことになる。
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２ａとの接合の効果が少ない。
但し、１０重量％を越えるとガラス粉末の欠点として基板２ａへの溶融したガラス成分の拡散が大きく、基板２ａの機械的な特性を劣化させ、セラミックス層４ａ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、セラミックス層４ａ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％以下とした。
また、セラミックス層４ａ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を主成分とした粉末）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。
接合用のセラミックス層にガラス粉末を利用する利点として、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、多種の材質の基板に適用が可能である。

［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９を用いて説明する。なお、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は平面図である。
図９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。
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。
電極層５ｂ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、電極層７ｂ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を導電ペーストや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部分に分極処理を施した。分極処理の条件は、温度１７０〜２００℃の高温にしたホットプレート上で、グランド（Ｇ）とプラス（＋）間に所定の直流電圧（圧電層６ｂの厚さ当たり約１Ｖ／μｍ相当）を印加して、約３０分間かけて分極処理を行った。

基板２ｂは、長さ９ｍｍ、幅６ｍｍ、厚さ０．２５ｍｍであり、圧電素子３ｂを設けた面と反対側には高さ０．２５ｍｍの２個の突起部１５をブラスト加工により突起部１５以外部分を削り取ることにより形成した。
圧電素子３ｂは電極層５ｂ−１と５ｂ−２、圧電層６ｂ、電極層７ｂ−１と７ｂ−２からなっている。
セラミックス層４ｂは縦８．５ｍｍ横５．５ｍｍで厚さは１０μｍ、電極層５ｂ−１と５ｂ−２は縦３．３ｍｍ横５ｍｍで厚さはそれぞれ６μｍで、中央部に縦方向に幅０．４ｍｍの電極非形成部がある。
圧電層６ｂは縦６ｍｍ横５．５ｍｍで厚さは１０μｍで、電極層７ｂ−１と７ｂ−２は縦２．２ｍｍ横４．８ｍｍで厚さはそれぞれ３μｍで、中央部に幅０．６ｍｍの電極非形成部がある。
実施例１の結果を踏まえて、図９（ｃ）平面図から見て、電極層５ｂ−１と５ｂ−２は、
電極層７ｂ−１と７ｂ−２よりも縦方向で０．２ｍｍほど大きくなっている。
２つに分割された電極層５ｂ−１と７ｂ−１、５ｂ−２と７ｂ−２の間にはあらかじめ分極処理が施され後に、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の圧電活性部がそれぞれ伸縮し、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１１は実施例２の振動板１ｂを組込んだリニア型の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の振動で振動板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が矢印の方向に往復駆動する。突起部１５も振動板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１０を用いて説明する。なお、図１０（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は平面図である。本実施例の振動体１ｃは、図１０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。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にある。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６ｃ１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１ｂ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、圧電素子３ｃは電極層５ｃ−１と５ｃ−２、圧電層６ｃ−１、電極層７ｃ−１と７ｃ−２、圧電層６ｃ−２、電極層７ｃ−３と７ｃ−４からなっている。
圧電素子３ｃを設けた面と反対側には２個の突起部１５をブラスト加工により突起部１５以外部分を削り取ることにより形成した。
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（＋）とする。
そして、温度１７０〜２００℃の高温にしたホットプレート上で、グランド（Ｇ）とプラス（＋）間に所定の直流電圧（圧電層６ｂの厚さ当たり約１Ｖ／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５ｃ−１と７ｃ−１と電極層５ｃ−２と７ｃ−２で挟まれた部分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。
本実施例の振動体１ｃは、基板は長さ１２ｍｍ、幅９ｍｍ、厚さ０．２５ｍｍである。また、突起部１５の高さ０．２５ｍｍである。
セラミックス層４ｃは縦１１．５ｍｍ横８．５ｍｍで厚さは８μｍ、電極層５ｃ−１と５ｃ−２は縦５．３ｍｍ横８ｍｍで厚さはそれぞれ６μｍであり、中央に縦方向に幅０．４ｍｍの電極非形成部がある。
圧電層６ｃ−１は縦１０ｍｍ横８．５ｍｍで厚さは８μｍ、電極層７ｃ−１と７ｃ−２は縦４．２ｍｍ横７．８ｍｍで厚さはそれぞれ３μｍで、中央に幅０．６ｍｍの電極非形成部を持つ。
圧電層６ｃ−２は縦８ｍｍ横８．５ｍｍで厚さは８μｍ、電極層７ｃ−３と７ｃ−４は縦３．２ｍｍ横７．８ｍｍで厚さはそれぞれ３μｍで中央部に幅０．６ｍｍの電極非形成部を持つ。

図１０（ｃ）に示す平面図から見て、電極層５ｃ−１と５ｃ−２は、電極層７ｃ−１と７ｃ−２よりも縦方向で０．２ｍｍ大きくなっている。
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部が伸縮し（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１１は、実施例３に係る振動体１ｃを組込んだリニア型の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の振動で振動板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が矢印の方向に往復駆動する。
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で電極層と外部電源との導通を図るようにしても良い。
基板上に層を形成するスクリーン印刷法は、前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は従来の圧電素子と比べたいへんに安価となる。

１ａ、１ａ’、１ｂ、１ｃ：振動体
２ａ、２ｂ、２ｃ：基板
３ａ、３ａ’、３ｂ、３ｃ：圧電素子
４ａ、４ｂ、４ｃ：セラミックス層
５ａ、５ａ’、５ｂ、５ｃ：電極層
６ａ、６ｂ、６ｃ：圧電層
６ａ’：圧電活性部
７ａ、７ｂ、７ｃ：電極層
８：導電線
１４：ガラス溶融物

Claims (12)

1. 基板上に、圧電層を挟んで前記基板側に配置された一方の電極層と該一方の電極層と対向配置された他方の電極層を有する圧電素子を備え、
   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、振動エネルギーを出力する振動体であって、
   前記基板と、前記基板側に配置された一方の電極層との間に、ガラス溶融物を含んでいるセラミックス層が設けられ、該セラミックス層を介して前記圧電素子が前記基板に固定され、
   前記基板側に配置された一方の電極層の厚さが、前記他方の電極層の厚さよりも厚いことを特徴とする振動体。
2. 前記一方の電極層の厚さが、５μｍを超え、１０μｍ未満であることを特徴とする請求項１に記載の振動体。
3. 前記一方の電極層は、前記他方の電極層よりも広い面積を有することを特徴とする請求項１に記載の振動体。
4. 前記一方の電極層は、前記他方の電極層よりも、一辺が０．０５ｍｍ以上拡大された面積を有することを特徴とする請求項３に記載の振動体。
5. 前記一方の電極層は、前記他方の電極層よりも、一辺が０．０５ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下の範囲で拡大された面積を有することを特徴とする請求項３に記載の振動体。
6. 前記セラミックス層の前記ガラス溶融物におけるガラス成分は、主成分が酸化ケイ素および酸化ホウ素からなり、
   前記ガラス成分が、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１乃至５のいずれか１項に記載の振動体。
7. 前記セラミックス層は、主成分が前記圧電層と同じ成分により構成されている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. 前記圧電層は、ジルコン酸鉛とチタン酸鉛を主成分として構成されていることを特徴とする請求項７項に記載の振動体。
9. 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７のいずれか１項に記載の振動体。
10. 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焼成により固定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. 請求項１乃至１０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。
12. 基板上に、圧電層を挟んで前記基板側に配置された一方の電極層と該一方の電極層と対向配置された他方の電極層を有する圧電素子を備え、該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、振動エネルギーを出力する振動体の製造方法であって、
    前記基板上に、ガラス溶融物を含んでいるセラミックス層を形成し、該セラミックス層上に前記一方の電極層、前記圧電層、前記他方の電極層を、この順に該一方の電極層の厚さを、該他方の電極層の厚さよりも厚くして積層する工程と、
    前記セラミックス層、前記一方の電極層、前記圧電層、前記他方の電極層を同時に焼成し、これらを基板上に一体化して接合する工程と、
    を有することを特徴とする振動体の製造方法。

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