JP3880740B2

JP3880740B2 - 変位制御デバイス及びアクチュエータ

Info

Publication number: JP3880740B2
Application number: JP05950599A
Authority: JP
Inventors: 幸久武内; 浩二木村
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1999-03-05
Filing date: 1999-03-05
Publication date: 2007-02-14
Anticipated expiration: 2019-03-05
Also published as: US6411011B1; JP2000261057A; EP1035594A2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、デバイスの一部がヒステリシス様の変位軌跡を描くように圧電／電歪素子を用いて駆動する変位制御デバイスと、光学機器や精密機器等の各種精密部品等の変位や位置決め調整、角度調整の機構や回転モータ、リニア搬送装置等として好適に用いられる前記デバイスを用いたアクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、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の光路長や位置を調整する変位制御素子やアクチュエータが所望されるようになってきている。また、微細加工技術を応用して、近年、研究開発が盛んに行われているマイクロマシンの中で、モータ等の動力部品は、医療分野において、極部的な手術等に用いることができる装置部品として注目を集めている。
【０００３】
更に、小型・軽量化が急速に進んだ種々の電子機器においては、当然に使用される部品が小型化されており、このような部品の搬送、選別に使用される搬送機械やパーツフィーダ等についても、部品の形状に適し、かつ高い精度での駆動が可能な装置が求められるようになってきている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来から、上述したアクチュエータ等としては電磁モータが広く用いられている。しかしながら、電磁モータによる制御精度はあまり高いものではない。従って、例えば、変位制御用装置に用いる場合には、大きな移動を電磁モータによって行い、より小さい最終的な移動（位置決め）を別の変位機構を有する素子を用いて行うといった構成が取られる場合が多い。また、電磁モータには消費電力が大きいという問題点がある。
【０００５】
電磁モータに換わる新たな技術として、例えば、「ＴＲＡＮＳＤＵＣＥＲ’９７」の「１９９７ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅＳｅｎｓｏｒｓａｎｄＡｃｔｕａｔｏｒｓ」の予稿集１０８１〜１０８４頁には、ＳｉもしくはＮｉのマイクロマシンプロセスで作製した静電方式のマイクロアクチュエータが紹介されており、これはマイクロマシニングにより形成した複数の板状電極間に電圧を印加することにより微小変位が得られるものである。
【０００６】
しかし、このアクチュエータにおいては、構造上、固有振動数を上げることが難しく、その結果、高速動作を行った場合に振動が減衰し難いという問題を内在し、また、マイクロマシニングというプロセス自体に製造コストの面で問題がある。従って、このようなアクチュエータを用いた変位制御装置もまた、駆動精度やコストの面で、更なる改良が望まれる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上述した各種のアクチュエータ等の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、低電力でありながら高速で精密な動作を可能とした変位制御デバイスと、それを複数用いてなるアクチュエータを提供することにある。
【０００８】
即ち、本発明によれば、連結板が２枚の振動板によって挟持され、かつ、当該連結板が基板に形成された凹部の底面に接合されると共に、当該振動板が少なくとも当該凹部の側面と接合されてなり、当該振動板の厚みは当該連結板及び当該基板のそれぞれの厚みより薄く、かつ、当該振動板、当該連結板及び当該基板は、それぞれの一面が連続面となるように接合されると共に、当該基板の厚み方向に非対称に形成されてなる変位制御デバイスであって、少なくとも２個の独立した膜型圧電／電歪素子が、当該振動板の片面又は両面に形成されていると共に、当該振動板の両方に分配して配設され、当該連結板の長手方向をＹ軸、当該連結板を挟持する２枚の当該振動板を結ぶ方向をＸ軸、当該基板の厚み方向をＺ軸としたとき、当該連結板が、そのＸ軸変位位置に対して直交する軸方向変位位置が多値となるヒステリシス様の変位軌跡を描くように駆動されることを特徴とする変位制御デバイス、が提供される。
この変位制御デバイスにおいては、連結板の一端に固定板を接合した構造とすることも好ましい。
【０００９】
また、本発明によれば、長手方向における一端が少なくとも２枚の振動板によって挟持され、かつ、他端が別の少なくとも２枚の振動板によって挟持された連結板が、対向する凹部を有し、互いの凹部の一方の側面を繋げてなる連続面を形成する基板の、対向する当該凹部の底面間に跨ぐように設けられると共に、当該振動板は少なくとも当該凹部の側面とも接合され、固定板が当該固定板の長手方向が当該振動板が当該連結板を挟持する方向と平行になるように当該連結板に接合されてなり、当該振動板の厚みは当該連結板、当該固定板及び当該基板のそれぞれの厚みより薄く、かつ、当該振動板、当該連結板、当該固定板及び当該基板は、それぞれの一面が連続面となるように接合されると共に、当該基板の厚み方向に非対称に形成されてなる変位制御デバイスであって、少なくとも２個の独立した膜型圧電／電歪素子が、当該振動板の片面又は両面に形成されていると共に、少なくとも当該連結板の一方の端部にある当該連結板を挟持する少なくとも２枚の振動板の両方に配設され、当該連結板の長手方向をＹ軸、当該連結板を挟持する２枚の当該振動板を結ぶ方向（当該固定板の長手方向）をＸ軸、当該基板の厚み方向をＺ軸としたとき、当該固定板が、そのＹ軸変位位置に対して直交する軸方向変位位置が多値となるヒステリシス様の変位軌跡を描くように駆動されることを特徴とする変位制御デバイス、が提供される。
【００１０】
このような固定板を必須の構成部品とする変位制御デバイスにおいては、固定板と連結板との接合部に切欠部を形成することも好ましい。また、連結板を固定板の長手方向に少なくとも２分割すると共に分割されて形成された少なくとも２枚の連結板に固定板を接合した構造とすることも好ましい。なお、固定板と連結板との接合部から固定板の長手方向にかけて、固定板にひんじ部を設けることも好ましい。
【００１１】
上述した全ての変位制御デバイスにおいては、少なくとも連結板と振動板とは互いの側面において接合された構造とすることが好ましく、少なくとも連結板と振動板並びに基板は、一体的に形成されていることが好ましい。勿論、固定板を配設する場合には、固定板をも一体的に形成することができる。このような一体形成は、グリーンシート積層法を用いて作製することができる。
【００１２】
さて、本発明の変位制御デバイスにおいては、駆動に用いる圧電／電歪素子以外に、１個以上の補助素子として用いられる圧電／電歪素子を配設することも好ましい。この場合に、駆動用の圧電／電歪素子と、補助素子とは、必ずしも同じ型のものを用いる必要はない。また、圧電／電歪素子及び圧電／電歪素子の電極に導通する電極リードを、樹脂若しくはガラスからなる絶縁層により被覆すると、耐久性の向上が図られ、好ましい。このとき樹脂としては、フッ素樹脂若しくはシリコーン樹脂が好適に用いられる。更に、絶縁層の表面上に導電性部材からなるシールド層を形成することも、駆動特性の向上と安定に寄与し、好ましい。
【００１３】
基板、連結板、振動板の材料としては、完全安定化ジルコニア或いは部分安定化ジルコニアが好適に用いられる。また、固定板、連結板、振動板の少なくともいずれかの形状は、レーザ加工若しくは機械加工によりトリミングして寸法調整することが好ましい。更に、圧電素子における電極をレーザ加工若しくは機械加工することにより、圧電素子の有効電極面積を調整することも好ましい。
【００１４】
次に、本発明においては、上述した変位制御デバイスを用いたアクチュエータが提供される。即ち、独立した２個以上の圧電／電歪素子の駆動によって、連結板若しくは固定板が、そのＸ軸変位位置又はＹ軸変位位置に対して直交する軸方向変位位置が多値となるヒステリシス様の変位軌跡を描くように駆動される上述した変位制御デバイスを複数用いてなるアクチュエータであって、当該固定板どうしが当該固定板の中心線が略平行となるように配設され、及び／又は当該連結板どうしが当該連結板の中心線が略平行となるように配設されてなることを特徴とするアクチュエータ、が提供される。
【００１５】
また、本発明によれば、独立した２個以上の圧電／電歪素子の駆動によって、連結板若しくは固定板が、そのＸ軸変位位置又はＹ軸変位位置に対して直交する軸方向変位位置が多値となるヒステリシス様の変位軌跡を描くように駆動される上述した変位制御デバイスを複数用いてなるアクチュエータであって、当該変位制御デバイスを周設してなることを特徴とするアクチュエータ、もまた提供される。
ここで、複数の変位制御デバイスは、固定板の中心線が互いに交差するように、又は連結板の中心線が互いに交差するように、固定板若しくは連結板の先端を、その中心線の交差する点に向けて配設する構造とすることが好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の変位制御デバイス（以下、単に「デバイス」という。）と、デバイスを用いたアクチュエータの実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明に係るデバイスは、以下の説明から明らかとなるように、構成要素である連結板若しくは固定板が圧電／電歪素子の駆動により、ヒステリシス様の変位軌跡を描くように運動するものであるが、この「ヒステリシス様」という意味については、追って説明することとする。また、本発明に係るアクチュエータとは、複数の変位制御デバイスを構成要素として含むデバイス群を指し、必ずしもアクチュエータが他の物体を運動させる場合に限定されず、アクチュエータ自体が自走、回転等の運動を行うものをも含む。
【００１７】
図１（ａ）はデバイス３６の平面図を示し、図１（ｂ）は、平面図中のＸ軸を含み、平面図（紙面）に垂直な断面における断面図（以下、このような断面図を「Ｘ軸における断面図」のように表記する。）を示している。
【００１８】
デバイス３６は、連結板２が２枚の振動板３Ａ・３Ｂによって挟持され（この挟持方向、即ち連結板２と振動板３Ａ・３Ｂとの接合の方向を「Ｘ軸方向」とし、以下同様とする。）、かつ、連結板２が基板５に形成された凹部６の底面に接合されると共に、振動板３Ａ・３Ｂが凹部６の側面及び底面と接合された構造を有している。ここで、連結板２と基板５との接合方向は好ましくはＸ軸に直交する方向であり、以後この方向を「Ｙ軸方向」と定義する。そして、独立した圧電／電歪素子（以下、「圧電素子」という。）４Ａ・４Ｂが、それぞれ振動板３Ａ・３Ｂの一方の主平面に配設されている。
【００１９】
デバイス３６において、振動板３Ａ・３Ｂは少なくとも凹部６の側面と接合されている必要があるが、凹部６の底面とは必ずしも接合される必要はない。即ち、振動板３Ａ・３Ｂは、連結板２と凹部６の側面との間に跨設される形で形成されていても構わない。
【００２０】
なお、圧電素子４Ａ・４Ｂには、圧電素子４Ａ・４Ｂを形成する電極から電極リードが基板５へ向けて配設されるが、図１の各図では省略されている。また、「独立した圧電素子」とは、圧電素子そのものが別体であることのみならず、各圧電素子を別々に独立して駆動させることができる意味で用いるものとする。
【００２１】
これら連結板２、振動板３、基板５の各部材の接合は、各部材の側面において好適に行われ、一体的に形成されていることが好ましい。後述するグリーンシート積層法を用いれば、容易に一体成形されたデバイス３６を得ることができる。連結板２は振動板３よりも厚く形成されているが、振動板３と同様程度に薄く形成しても構わない。
【００２２】
ここで、連結板とは、圧電素子の駆動によって生ずる振動板の変位或いは振動を伝達すると共に、振動板の変位を拡大する要素をいう。連結板の先端にはその先端の形状を任意のものとすべく、固定板を接合することが可能である。つまり、連結板は、固定板等と基板を連結し、固定板等を変位或いは振動させる役割をも果たすものであり、デバイス３６においては、連結板２自体が固定板の役割をも果たしていると考えることができる。
【００２３】
振動板とは、主平面（表面）に配設した圧電素子の歪みを屈曲モードの変位或いは振動に変換し、この変位或いは振動を連結板に伝達する要素をいう。なお、振動板は、逆に連結板や連結板に接合された固定板等が変位或いは振動したときに生ずる歪みを圧電素子に伝達する役割をも果たす。基板とは、可動部（連結板、振動板、圧電素子、並びに固定板等が配設されている場合には固定板等を含む。）を保持すると共に、駆動装置や測定装置へ取り付けるための種々の電極端子を配設し、実際の使用においてハンドリングに供される要素をいう。
【００２４】
前述したように、基板５には、連結板２及び振動板３Ａ・３Ｂを図１記載の所定の形態に保持するための凹部６が形成されているが、この凹部６における側面（Ｘ軸に垂直な面）と底面（Ｙ軸に垂直な面）は、必ずしも直交している必要はなく、また、側面と底面の交差部は曲率を有していてもよい。このような凹部６は、基板５の外周側面の一部を切り欠いて形成してもよく、また、基板５内部に四角形状の孔部を形成したときの４側面中の３側面を用いるものであってもよい。
【００２５】
従って、凹部６は必ずしも連結板２が突出するＹ軸方向の一方に開口している必要はないが、この場合には、後述するように、デバイス３６において利用される連結板２の変位軌跡に悪影響を及ぼさないような形状の設定が必要とされる。
【００２６】
さて、圧電素子４Ａ・４Ｂの形態としては、図２に示されるように、振動板８９上に、圧電膜８６を第１電極８５と第２電極８７とで挟んで層状に形成した圧電素子８８が代表的であるが、図３に示すような振動板８９上に圧電膜９０を配し、圧電膜９０上部に第１電極９１と第２電極９２とが、一定幅の隙間部９３を形成した櫛型構造を有する圧電素子９４Ａを用いることもできる。なお、図３における第１電極９１と第２電極９２は、振動板８９と圧電膜９０の接続面の間に形成されてもかまわない。更に、図４に示すように、櫛型の第１電極９１と第２電極９２との間に圧電膜９０を埋設するようにした圧電素子９４Ｂも好適に用いられる。圧電素子８８では電界誘起歪みの横効果（ｄ₃₁）を、圧電素子９４Ａ・９４Ｂでは電界誘起歪みの縦効果（ｄ₃₃）が好適に用いられる。
【００２７】
図３及び図４に示した櫛型電極を有する圧電素子９４Ａ・９４Ｂを用いる場合には、櫛形電極におけるピッチＷを小さくすることで、その歪み量を大きくすることが可能となる。このような図２〜図４記載の圧電素子は、後述する本発明のデバイス全てに適用することができる。こうして圧電素子８８等の種々の形態を有する圧電素子４Ａ・４Ｂに電圧を印加すると、圧電膜には印加電圧に応じた歪みが発生し、この歪みが振動板３に伝達され、次に連結板２へと伝達されることにより、連結板２に所定の変位が発生する。
【００２８】
ここで、デバイス３６の圧電素子４Ａ・４Ｂとして、共にｄ₃₁を利用する型の圧電素子を配設したと仮定して、圧電素子４Ａ・４Ｂに生じた歪みによって連結板２が変位する過程を考察することとする。圧電素子４Ａ・４Ｂに印加する電圧をそれぞれＶＡ・ＶＢとし、また、Ｘ軸とＹ軸の両軸に直交する軸をＺ軸とする。
【００２９】
図５（ａ）〜（ｃ）は、図１（ｂ）に相当するＺ−Ｘ平面における断面図であり、連結板２の変位の推移を示す説明図である。また、図５（ｄ）は同じくＺ−Ｘ平面上での連結板２の先端面２Ｆの位置の変化を示す説明図である。先ず、圧電素子４Ｂを駆動せずに、圧電素子４Ａのみに電圧を印加すると、圧電膜に電界誘起歪みが生じて、圧電素子４ＡはＸ軸方向に縮む。こうして、図５（ａ）に示されるように、振動板３Ａには、矢印Ｃで表される振動板３Ａの主平面に垂直なＺ軸方向への屈曲モードの変位が生じる。このとき、振動板３Ａと連結板２との接合部Ｂ１には、矢印Ｄで示される矢印Ｃとは反対向きの力が作用する。この矢印Ｄの方向はＺ軸方向であり、Ｘ軸方向とは直交するために、連結板２をＸ軸方向へ変位させる成分を含んでおらず、そのため、電圧印加の瞬間には、連結板２はＸ軸方向には変位しない。
【００３０】
しかし、振動板３Ａに屈曲が生ずると、接合部Ｂ１に作用する力は、矢印Ｄの向きではなく、図５（ｂ）に示される矢印Ｅの向きとなって、Ｘ軸方向の成分（矢印Ｅ_A）が生じるようになる。こうして、矢印Ｅ_Aの変位成分によって、連結板２がＸ軸方向（図面右向き）に変位するようになると考えられる。一方、振動板３Ａは、その３辺が基板５並びに連結板２と接合されており、１辺が自由端となっている。このため、振動板３Ａの屈曲変位が大きくなるに従い、振動板３Ａの自由端は、矢印Ｄの方向、即ちＺ軸方向（図面上向き）に変位し、この振動板３ＡのＺ軸方向の変位によって、連結板２はＺ軸方向へも変位することとなる。
【００３１】
つまり、圧電素子４Ａ・４Ｂに駆動電圧を全く印加しない状態における連結板２の先端面２Ｆの位置を図５（ｄ）におけるＰ点とすると、圧電素子４Ａのみの駆動により、連結板２の先端面２Ｆは、Ｐ点からＱ点へ移動するように変位する。従って、Ｑ点では、圧電素子４Ａに印加されている電圧がＶＡであり、圧電素子４Ｂに印加されている電圧が０（ゼロ）の状態にある。このような電圧印加の状態を、以下、（ＶＡ・０）と記すこととする。
【００３２】
上述した場合とは逆に、圧電素子４Ａには電圧を印加せず、圧電素子４Ｂにのみ電圧を印加する場合を考えると、圧電素子４Ｂの駆動によって連結板２と振動板３Ｂとの接合部Ｂ２に作用する矢印Ｆで表される力は、図５（ｃ）に示されるように、先に図５（ｂ）に示した圧電素子４Ａのみを駆動した場合の矢印Ｅで表される力とは、Ｚ軸について対称な方向となる。つまり、圧電素子４Ｂのみの駆動によって、連結板２の先端面Ｆは、図５（ｄ）においては、Ｐ点からＳ点へ移動するように変位することとなる。このＳ点での電圧印加状態は、（０・ＶＢ）で表される。
【００３３】
従って、連結板２の先端面２ＦがＱ点にある状態から、圧電素子４Ａへの電圧印加を維持した状態において、圧電素子４Ｂに電圧を印加すると、Ｘ軸方向の変位成分は相殺されて小さくなるものの、Ｚ軸方向の変位成分は加算されるため、所定電圧（ＶＡ・ＶＢ）の状態で、Ｘ軸方向への変位量が０で、Ｚ軸方向に最も大きく変位するＲ点へ移動させることができる。
【００３４】
こうして、２個の独立した圧電素子４Ａ・４Ｂの電圧印加状態を変化させることによって、連結板２を、その先端面２ＦがＰ点→Ｑ点→Ｒ点→Ｓ点→Ｐ点へと、ヒステリシス様の変位軌跡を描くように駆動させることが可能となり、勿論、このような経路を逆行させて駆動することもできる。更に、圧電素子４Ａ・４Ｂにかける電圧を（ＶＡ／２・ＶＢ／２）とすると、Ｔ点へ連結板２を変位させることもできる。従って、Ｐ点→Ｑ点→Ｔ点→Ｓ点→Ｐ点に至る経路で、連結板２を駆動させることもでき、この場合には、Ｑ点とＳ点との間では、Ｚ軸方向の変位量が相対的に変化しない駆動形態となる。
【００３５】
つまりは、連結板が２枚の振動板３Ａ・３Ｂによって挟持されている構造において、少なくとも独立した２個の圧電素子４Ａ・４Ｂを駆動することによって、Ｐ・Ｑ・Ｒ・Ｓ点によって囲まれる範囲において、連結板２を任意の経路でヒステリシス様の変位軌跡を描くように駆動させることができる。なお、図５（ｄ）においては、Ｐ点〜Ｔ点の各点間の変位軌跡は直線状で示されているが、前述の通り、圧電素子４Ａ・４Ｂのそれぞれに印加する電圧を調整することによって、曲線状或いは略円周状となるように、軌跡を描くことも、勿論可能である。
【００３６】
こうして、例えば図６に示すように、連結板２のＸ−Ｙ平面上に物体１０１を置いて、連結板２の先端面２Ｆを反時計回りに回転するように駆動させると、少なくとも連結板２と物体１０１との摩擦によって、物体１０１をＸ軸の負の向き（矢印ＦＦの向き）へ移動させることができる。なお、連結板２において、連結板２が物体１０１と接触する部分は、図６に示されるような断面が矩形のものに代えて、断面が円形のものを用いることもできる。つまり、連結板２の形状は、矩形状に限定されるものではない。以上は、圧電素子としてｄ₃₁を利用する型の素子を用いた場合で説明したが、ｄ₃₃を利用する型の素子とした場合にも同様にヒステリシス様の変位軌跡を描くように駆動することができる。
【００３７】
なお本発明では、連結板２の変位形態としてヒステリシス様の変位軌跡という語句を用いているが、これは次のような意味として使用する。一般にヒステリシスとは、ある量Ａの変化に伴って他の量Ｂが変化する場合、Ａの変化の経路によって同じＡに対するＢの値が異なる現象を言うが、前記Ａを連結板２のＸ軸変位位置、Ｂを連結板２のＺ軸変位位置と置き換えると、通常、圧電素子４Ａに電圧を印加した場合、例えば、０〜ＶＡで電圧を変化させた場合、連結板２のＸ軸変位位置の変化とＺ軸変位位置の変化との関係は、図５（ｄ）のＰ点からＱ点へ向かう経路で示される。この場合、連結板２のＸ軸変位位置に対するＺ軸変位位置は一義的に決まる。
【００３８】
しかし、本発明においては、圧電素子４Ｂへの電圧印加によって、連結板２がＱ点からＲ点へ向かう経路を採るように駆動することができる。従って、同じ連結板２のＸ軸変位位置でありながら、Ｚ軸変位位置は異なる状態となり、Ｘ軸変位位置に対してＺ軸変位位置は一義的には定まらない。Ｑ点→Ｒ点→Ｓ点→Ｐ点へと変位する経路は、本デバイスの変位経路（軌跡）の一例であるが、このような変位形態に対して、本発明ではヒステリシス様の変位軌跡という語句を使用するものである。従って、Ｐ点とＲ点との間の往復変位（Ｚ軸方向振動）は、連結板２のＸ軸変位位置に対して、Ｚ軸変位位置が多値の例であり、これもまたヒステリシス様の変位軌跡と表現することができる。
【００３９】
なお、本発明のデバイスを、上述のようにヒステリシス様の変位軌跡を描くように駆動させるための圧電素子に実際に印加する電圧は、圧電素子の構造や圧電膜の圧電特性、１個のデバイス内における各圧電素子の寸法バラツキ等によって、適宜、好適なヒステリシス様の変位軌跡が描かれるように調整する必要がある。
【００４０】
さて、上述したデバイス３６においては、連結板２が複数の振動板で挟持されているため、Ｙ軸周りのねじれ変位が抑制される。また、この場合、Ｚ軸方向の変位も抑制されるが、Ｘ軸方向の変位量は大きくなる。また、振動板３Ａ・３Ｂを凹部６の底面とは接合しない形態とした場合には、Ｙ軸周りのねじれ変位が生じ易くなるが、Ｚ軸方向の変位量を大きく取ることができる。更に、後述するように、連結板２の形状によっても、ヒステリシス様の変位軌跡の形状を制御することが可能である。このように、ヒステリシス様の変位軌跡の形状は、圧電素子に印加する電圧の制御方法によって変化させることができるが、デバイス自体の構造設計によっても、変化させることができる。
【００４１】
さて、続いて、デバイス３６と同様に、上述したヒステリシス様の変位軌跡を描くように駆動することができるデバイスの実施形態を列記しながら説明する。図７（ａ）の平面図と、平面図中のＸ軸における断面図（ｂ）に示したデバイス３７は、デバイス３６における振動板３Ａ・３Ｂの両主平面にそれぞれ独立した圧電素子（４Ａ・４Ｃ）・（４Ｂ・４Ｄ）を配設した形態を有している。ここで、圧電素子４Ａ〜４Ｄとして、ｄ₃₁を用いる型のもの、ｄ₃₃を用いる型のものを適宜選択して配置し、先に図５に示した駆動原理に従って、圧電素子４Ａ〜４Ｄを駆動をすることにより、圧電素子４Ａ〜４Ｄの全てを用いた駆動が可能である。例えば、ｄ₃₁を利用する圧電素子４Ａの駆動によって生じた振動板３Ａの歪みを更に大きくするように、ｄ₃₃を利用する圧電素子４Ｃを駆動する形態が挙げられる。
【００４２】
一方、デバイス３７においては、デバイス３６と同様に、圧電素子４Ａ・４Ｂを駆動素子として用い、圧電素子４Ｃ・４Ｄを補助素子として用いることもできる。ここでの補助素子とは、故障診断用素子、変位確認／判定用素子、駆動補助用素子等をいい、補助素子の使用により高精度な連結板の駆動が可能となる。なお、複数の異なる用途の補助素子を配設することも好ましい。
【００４３】
図８の平面図は、デバイス３６の連結板２の先端に固定板１を接合してなるデバイス３８を示している。ここで、固定板とは、連結板の変位を更に拡大して所定量ほど変位する要素であり、図示された連結板２のような棒状部材との接触が困難である物体を移動させる場合等に、その物体の形状等に合わせて設計される。
【００４４】
なお、デバイス３８においては、１枚の振動板３Ａの一方の主平面にＹ軸方向に分割された２個の独立した圧電素子４Ａ・４Ｃが形成され、他方の振動板３Ｂにも同様の形態を有する圧電素子４Ｂ・４Ｄが形成されている。この場合、固定板１に近い側の圧電素子４Ａ・４Ｂを駆動素子として用い、凹部６の底面側の圧電素子４Ｃ・４Ｄを補助素子として用いることが好ましい。圧電素子の分割は、圧電素子４Ａ・４Ｂを配設した後に、後述するレーザ加工等により分割加工する方法、或いは圧電素子４Ａ〜４Ｄを配設する際に最初から２素子１組として配設する方法のいずれを用いてもよい。このような圧電素子の分割形成と使用方法は、本発明の全てのデバイスに適用することができる。
【００４５】
次に、図９（ａ）にはデバイス３９の平面図を、図９（ｂ）には、平面図中のＸ１軸における断面図を示す。デバイス３９は、長手方向（Ｙ軸方向）における一端が振動板３Ａ・３Ｂによって挟持され、かつ、他端が別の２枚の振動板３Ｃ・３Ｄによって挟持された連結板２が、基板５に形成された対向する凹部６Ａ・６Ｂの底面間に跨設されると共に、振動板３Ａ〜３Ｄが凹部６Ａ・６Ｂの底面及び側面と接合され、固定板１が、固定板１の長手方向が振動板（３Ａ・３Ｂ）・（３Ｃ・３Ｄ）が連結板２を挟持する方向（Ｘ軸方向）と平行になるように連結板２に接合された構造を有している。
【００４６】
そして、振動板３Ａ〜３Ｄそれぞれについて、主平面に独立した圧電素子４Ａ〜４Ｄが配設されているが、前述したデバイス３７のように、圧電素子は振動板３Ａ〜３Ｄの両主平面に配設することもできる。また、後述するデバイス３９の駆動形態から明らかなように、連結板２の一端において連結板２を挟持する振動板３Ａ・３Ｂのみにそれぞれ圧電素子４Ａ・４Ｂを配設することもできる。但し、このように２個の独立した圧電素子により駆動した場合には、振動板３Ａ〜３Ｄのそれぞれに独立した４個の圧電素子４Ａ〜４Ｄを配設して駆動させた場合と比較すると、変位の拡大効率という点では劣るものとなる。
【００４７】
なお、振動板３Ａの代わりに、平板面を平行に対向させた２枚１組の振動板を用い、同様に、振動板３Ｂについても、２枚１組の振動板を用いて、計４枚の振動板で連結板を挟持してもよい。振動板３Ｃ・３Ｄについても同様である。
【００４８】
さて、デバイス３９における圧電素子４Ａ・４Ｂ及び圧電素子４Ｃ・４Ｄの配置形態は、前述したデバイス３６における圧電素子４Ａ・４Ｂと同様であるから、デバイス３９においては、圧電素子４Ａ〜４Ｄの全てをｄ₃₁を利用する型の圧電素子で構成するか、或いはｄ₃₃を利用する型の圧電素子で構成することが好ましい。
【００４９】
例えば、圧電素子４Ａ〜４Ｄとして、ｄ₃₁を利用する型の圧電素子を用いた場合に、先ず、圧電素子４Ａ・４Ｃのみに電圧を印加すると、圧電素子４Ａが連結板２をＸ軸方向に変位させようとする力と、圧電素子４Ｃが連結板２をＸ軸方向に変位させようとする力は、互いに逆の向きになるため、固定板１と連結板２の接合部においては、Ｘ軸とＹ軸の交点近傍を中心として、連結板２を主にＸ−Ｙ平面内において回転させる力が生ずる。この力によって、固定板１は、Ｘ軸とＹ軸の交点近傍を中心として、固定板１の先端がＹ軸方向に駆動するように変位する。
【００５０】
つまり、デバイス３９は、圧電素子４Ａ・４Ｃの撓み変位が、連結板２のＸ軸方向の撓み変位を生じさせ、更に連結板２の撓み変位が固定板１のＹ軸方向の回転変位に変換されるという２段階の変位拡大機構を有するものであり、このとき、固定板１のＸ軸方向長さ等の設計によって、変位量の拡大が図られる。そして連結板２に生じたＺ軸方向の変位は、固定板１にも伝達される。
【００５１】
同様に、圧電素子４Ｂ・４Ｄのみに電圧を印加した場合には、圧電素子４Ａ・４Ｃを駆動させた場合と比較して、Ｙ軸方向であっても反対の向きに変位することとなる。
【００５２】
こうして、デバイス３９における圧電素子４Ａ・４Ｂを、前述したデバイス３６における圧電素子４Ａ・４Ｂと同様に、連結板２がヒステリシス様の変位軌跡を描くように駆動し、かつ、電圧印加の状態を一組の圧電素子４Ａ・４Ｃで合わせ、同時に他組の圧電素子４Ｂ・４Ｄで合わせることによって、固定板１の先端面の動きをＹ−Ｚ平面上に表したときに、図５（ｄ）と同様のヒステリシス様の変位軌跡を描くように駆動させることができるようになる。
【００５３】
なお、デバイス３９の連結板２と固定板１との接合部に形成された切欠部９は、上述した連結板２のＸ軸方向変位の固定板１のＹ軸方向変位への拡大変換を有効に発現させる役割を果たしており、切欠部９は、連結板２の幅方向の距離、即ちＸ軸方向の距離を、固定板１内に至るまでに長く形成することが好ましく、一方、切欠部１１の幅、即ち切欠部９のＹ軸方向の距離は短い方が好ましい。
【００５４】
次に、図１０に示したデバイス４０は、連結板２を固定板１の長手方向（Ｘ軸方向）に２分割し、更に、分割された連結板２のそれぞれを連結板２の跨設方向（Ｙ軸方向）に２分割した形態を有している。従って、固定板１は、結果的に４枚の連結板２に横架するように、連結板２の片側主平面に接合されている。ここで、連結板２と固定板１とが一体的に形成されていてもよいことは言うまでもなく、連結板２の分割は３分割以上であっても構わない。本発明におけるこのような固定板の長手方向（Ｘ軸方向）における連結板の分割とは、連結板が分割されて間隙が形成された結果、新たに形成された連結板のＸ軸方向の幅が小さくなる場合に加えて、連結板のＸ軸方向幅を変化させずに、Ｘ軸方向に間隙を介して複数並列に配設された形状となる場合をも含む。
【００５５】
デバイス４０においては、圧電素子４Ａ〜４Ｄは、それぞれ１枚ずつの連結板２を、対応する振動板３Ａ〜３Ｄを介して駆動する形態となっているために、圧電素子４Ａ〜４Ｄの歪みを固定板１に作用させるポイント（接合部）を複数取ることができ、デバイス３９と同様に駆動することにより、効率的に固定板１を駆動することが可能となる。
【００５６】
なお、間隙部１０において、連結板２よりも厚みの薄い板状部材を、連結板２間にＸ軸方向に跨設しても構わない。この場合には、板状部材を跨設しない場合と比較すると、固定板１の相対的な変位量は低下するものの、剛性を高めて、より早い応答速度で固定板１を動作させることが可能となる。また、間隙部１０は必ずしも連結板２の全長（Ｙ軸方向長さ）にわたって形成する必要はなく、一部の範囲であってもその効果は得られる。
【００５７】
図１１には、固定板１の長手方向に分割されて形成された２枚の連結板２に、固定板１が一体的に接合され、また、固定板１と連結板２との接合部から固定板１の長手方向にかけて、固定板１にひんじ部１１が設けられ、更に固定板１と連結板２との接合部に切欠部９が形成されたデバイス４１の平面図を示した。ひんじ部１１は固定板１先端のＹ軸方向への変位駆動を補助するため、切欠部９と併せて形成することによって、より効果的に大きな変位量を得ることができるようになる。このようなひんじ部１１は、前述したデバイス３９・４０にも形成することができる。
【００５８】
次に、前述したデバイス３６を例に、圧電素子からの電極リードの形成の形態について説明する。図１２（ａ）は、デバイス３６に配設した圧電素子４Ａ・４Ｂに、電極リード２１Ａ〜２１Ｄを設けると共に、圧電素子４Ａ・４Ｂと電極リード２１Ａ〜２１Ｄに絶縁層２２を設け、更に絶縁層２２を被覆するようにシールド層２３を形成した一実施形態を示す平面図であり、図１２（ｂ）〜（ｄ）は、それぞれが図１２（ａ）中のＸ１軸における断面図であって、異なる形態を示している。
【００５９】
絶縁層２２は、圧電素子４Ａ・４Ｂの耐環境特性の向上に有効に機能する。シールド層２３は、デバイスを高周波数で駆動する場合等に、外部からの電磁波を遮断して変位精度を良好に確保する他、誤作動やノイズの混入を防止する機能を有する。
【００６０】
シールド層２３の配設の形態としては、図１２（ｂ）に示されるように、基板５を挟み込むように形成する形態の他、図１２（ｃ）に示されるように、基板５上の配線部分のみを囲う形態や、図１２（ｄ）に示すように、配線部分を上部片側のみでシールドする形態が挙げられるが、中でも、図１２（ｂ）、（ｃ）に示すような配線部分全体をシールドする形態が好ましい。なお、図１２（ａ）においては、基板５に設けられたスルーホール２４を用いて基板５の各面に形成されたシールド層２３の導通を確保しているが、基板５の側面を利用してこの導通を図ってもよい。これら、絶縁層２２及びシールド層２３の形成に好適に用いられる材料の詳細については、デバイスの構成材料について後述する際に併せて説明する。
【００６１】
次に、本発明のデバイスに用いられる材料について説明する。基板、固定板、連結板、振動板は、接着剤を使用せずに、圧電素子と一体的に形成しうる絶縁体、誘電体であればよく、セラミックスが好適に用いられ、例えば、酸化物であれば完全安定化ジルコニア、部分安定化ジルコニア、アルミナ、マグネシア等が、非酸化物であれば窒化珪素等を挙げることができる。このうち、完全安定ジルコニアと部分安定化ジルコニアは、薄板においても機械的強度が大きいこと、靭性が高いこと、圧電膜や電極材との反応性が小さいことから最も好適に採用される。なお、これら基板等の材料として、完全安定化ジルコニア若しくは部分安定化ジルコニアを使用する場合には、少なくとも振動板には、アルミナあるいはチタニア等の添加物を含有させて構成すると好ましい。
【００６２】
また、セラミックスを用いた場合には、後述するグリーンシート積層法を用いて、デバイスを一体的に成形することができるため、各部の接合部の信頼性の確保や製造工程の簡略化等の見地から好ましい。
【００６３】
なお、本発明のデバイスにおける固定板の厚みや形状には制限がなく、使用用途に応じて適宜設計されることは既に述べたが、基板の厚みも操作性を考慮して適宜決められ、必ずしも板状である必要もない。これに対し、振動板の厚みは３〜２０μｍ程度とすることが好ましく、振動板と圧電素子を合わせた厚みは１５〜６０μｍとすることが好ましい。また、連結板の厚みは２０〜６００μｍ、幅３０〜５００μｍが好適であり、連結板のアスペクト比（幅（Ｘ軸方向長さ）／厚み方向（Ｚ軸方向）長さ））は、０．１〜１５の範囲とすることが好ましいが、特にＸ−Ｙ平面内の変位をより支配的なものとする為には、０．１〜７の範囲とすることが好ましい。
【００６４】
圧電素子における圧電膜としては、膜状に形成された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、或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。また、分極処理が必要な材料、必要でない材料のいずれであってもよい。但し、磁気記録ヘッド等に用いる場合には、固定板の変位量と駆動電圧若しく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、従って、坑電界としては、１０ｋＶ／ｍｍ以下の材料を用いることが好ましい。
【００６５】
具体的な圧電セラミックスとしては、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、マグネシウムタンタル酸鉛、チタン酸バリウム等や、これらのいずれかを組み合わせた成分を含有するセラミックスが挙げられる。このうち、本発明においては、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からなる成分を主成分とする材料が好適に用いられるが、これは、このような材料が高い電気機械結合係数と圧電定数を有すること、圧電膜の焼結時における基板（セラミック基板）との反応性が小さく、所定の組成のものを安定に形成することができること等の理由による。
【００６６】
更に、上記圧電セラミックスに、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、若しくはこれらいずれかの組み合わせ又は他の化合物を、適宜添加したセラミックスを用いてもよい。例えば、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を主成分とし、これにランタンやストロンチウムを含有させ、坑電界や圧電特性を調整して用いることもまた好ましい。
【００６７】
一方、圧電素子の電極は、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、鉛等の金属単体あるいはこれらのいずれかを組み合わせた合金が用いられ、更に、これらに圧電膜あるいは振動板と同じ材料を分散させたサーメット材料を用いてもよい。
【００６８】
圧電素子における電極の材料選定は、圧電膜の形成方法に依存して決定される。例えば、振動板上に第１電極を形成した後、第１電極上に圧電膜を焼成により形成する場合には、第１電極には圧電膜の焼成温度においても変化しない白金等の高融点金属を使用する必要があるが、圧電膜を形成した後に圧電膜上に形成される第２電極は、低温で電極形成を行うことができるので、アルミニウム等の低融点金属を使用することができる。
【００６９】
また、圧電素子を一体焼成して形成することもできるが、この場合には、第１電極及び第２電極の両方を圧電膜の焼成温度に耐える高融点金属としなければならない。一方、図３に示した圧電素子９４Ａのように、圧電膜９０上に第１・第２電極９１・９２を形成する場合には、双方を同じ低融点金属を用いて形成することができる。このように、第１電極及び第２電極は、圧電膜の焼成温度に代表される圧電膜の形成温度、圧電素子の構造に依存して、適宜好適なものを選択すればよい。なお、電極リードは、圧電素子における電極と同時に形成することが可能であり、また、振動板上の電極リードは圧電素子と同時に形成しておき、その後に基板上の電極リードを、スパッタ法、スクリーン印刷法等、種々の方法を用いて形成してもよい。
【００７０】
続いて、圧電素子並びに電極リード上に形成する絶縁層の材料としては、絶縁性のガラス若しくは樹脂が用いられるが、変位を阻害しないようにしてデバイスの性能を上げるためには、ガラスよりも樹脂を用いることが好ましく、化学的安定性に優れたフッ素樹脂、例えば、四フッ化エチレン樹脂系テフロン（デュポン（株）製のテフロンＰＴＦＥ）、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体樹脂系テフロン（テフロンＦＥＰ）、四フッ化エチレン・パーフロロアルキルビニルエーテル共重合体樹脂系テフロン（テフロンＰＦＡ）、ＰＴＦＥ／ＰＦＡ複合テフロン等が好適に用いられる。
【００７１】
また、これらのフッ素樹脂よりも耐食性、耐候性等に劣るが、シリコーン樹脂（中でも熱硬化型のシリコーン樹脂）も好適に用いられる他、エポキシ樹脂、アクリル樹脂等も目的に応じて使用することができる。なお、圧電素子並びにその近傍と、電極リード並びにその近傍とで異なる材料を用いて、絶縁層を形成することも好ましい。更に、絶縁性樹脂に無機・有機充填材を添加し、振動板等の剛性を調整することも好ましい。
【００７２】
絶縁層を形成した場合に、絶縁層上に形成されるシールド層の材料としては、金、銀、銅、ニッケル、アルミニウム等の種々の金属が好適に用いられるが、他にも上述した圧電素子における電極等に用いられる全ての金属材料を用いることができる。また、金属粉末を樹脂と混合してなる導電性ペーストを用いることもできる。
【００７３】
続いて、本発明のデバイスの作製方法について、前述したデバイス３９を例に説明する。本発明のデバイスは、連結板や固定板等の複数の部材から構成されているため、別体で準備された種々の材料からなる部品をそれぞれ接合して作製することが可能である。しかし、この場合、生産性が高いものではなく、接合部における破損等が生じやすいことから、信頼性の面で問題がある。そこで、本発明においてはセラミックス粉末を原料としたグリーンシート積層法が好適に採用される。
【００７４】
グリーンシート積層法においては、先ず、材料であるジルコニア等のセラミックス粉末にバインダ、溶剤、分散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グリーンシート若しくはグリーンテープを作製する。次に、グリーンシートを金型を用いた打ち抜き（パンチング）等の方法により、図１３に示すような種々のグリーンシート部材（以下、「シート部材」という。）を作製する。
【００７５】
シート部材５１は、焼成後に、基板５、連結板２、固定板１並びに振動板３Ａ〜３Ｄとなる部材であり、この時点ではそれらの形状が不明確な一枚板の状態となっている。これは、前述したように、振動板３Ａ〜３Ｄは、３〜２０μｍと薄く形成することが好ましいことから、グリーンシートの状態でこれら各部材の形状を形成するよりも、焼成後に、レーザ加工等により、不要な部分を切り落とす方が、形状精度が良好に保たれ、好ましいことによる。
【００７６】
シート部材５２は、基板５となる他、固定板１と連結板２の厚みを振動板３Ａ〜３Ｄよりも厚く形成するための部材であって、基準孔５４、窓部５５、固定板１、連結板２が形成されている。固定板１と連結板２の接合部には、切欠部１１を形成しておくことができる。このシート部材５２を１枚以上の所定数ほど積層して、所望する固定板１並びに連結板２の厚みを得る。なお、固定板１を連結板２よりも薄く形成する場合には、シート部材５２から固定板１となる部分のみを削除したシート部材を作製し、これを積層すればよい。基準孔５４と窓部５５を形成したシート部材５３は、基板５となる部材である。１枚以上の所定枚数ほど積層することで、所望する厚みを得ることができる。
【００７７】
これらのシート部材５１〜５３を、この順番で基準孔５４を利用して位置決めを行いながら積層して、熱圧着等の方法により一体化し、積層体を作製する。そしてその後、１２００℃〜１６００℃の温度で焼成を行うが、ここで、シート部材５１の最終的に振動板３Ａ〜３Ｄが形成される位置に、予め圧電素子４Ａ〜４Ｄを形成しておき、積層体と一体焼成することも好ましい。
【００７８】
このような積層体と圧電素子の同時焼成による圧電素子４Ａ〜４Ｄの配設方法としては、金型を用いたプレス成形法又はスラリー原料を用いたテープ成形法等によって圧電膜を成形し、この焼成前の圧電膜をシート部材５１に熱圧着で積層し、同時に焼結して基板と圧電膜とを同時に作製する方法が挙げられる。但し、この場合には、後述する膜形成法を用いて、基板あるいは圧電膜に予め電極を形成しておく必要がある。
【００７９】
圧電膜の焼成温度は、これを構成する材料によって適宜定められるが、一般には、８００℃〜１４００℃であり、好ましくは１０００℃〜１４００℃である。この場合、圧電膜の組成を制御するために、圧電膜の材料の蒸発源の存在下に雰囲気調整して焼結することが好ましい。そして、特に後述する焼成後の基板を用いる場合に圧電膜の焼成応力を緩和し、より高い材料特性を引き出すための前記雰囲気調整は、焼成後の圧電膜を電子顕微鏡等で観察し、成分の分布をモニタすることで制御することが好ましい。
【００８０】
例えば、本発明で好適に採用される圧電セラミックス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からなる成分を主成分とする材料のように、ジルコン酸鉛を含有する材料を使用する場合には、焼成した圧電膜においてジルコニウム成分が偏析するように雰囲気を調整し、焼成することが好ましい。更に好ましくは、圧電膜表面にはジルコニウム成分の偏析が認められ、圧電膜内部ではその偏析がほとんど認められないような雰囲気とすることが望ましい。このような成分分布を有する圧電膜は、偏析のない圧電膜と比較すると、振動特性に優れ、即ち振動振幅が大きく、また、ジルコニウム成分の偏析によって焼成応力が緩和されているので、圧電粉末の本来有する材料特性が大きく低下することなく、維持される特徴を有する。
【００８１】
従って、本発明のデバイスでは、このような圧電膜となるように圧電素子を形成することが最も好ましい。また、前記圧電膜組成にするとともに、圧電膜焼成後、デバイスの各部材、例えば連結板、基板等に、圧電材料の成分、特に前記酸化チタンを含む圧電材料の場合には酸化チタンが含有されるように雰囲気焼成することも好ましい。そして、圧電膜の焼成と基板との焼成を同時に行う場合には、両者の焼成条件をマッチングすることが必要である。
【００８２】
また、焼結後の積層体における振動板形成位置に、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、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、化学気相蒸着法（ＣＶＤ）、メッキ等の各種薄膜形成法により、圧電素子を配設することができる。このうち、本発明においては、圧電膜を形成するにあたり、スクリーン印刷法やディッピング法、塗布法、電気泳動法等による厚膜形成法が好適に採用される。これは、これらの手法は、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ション、ゾル等を用いて圧電膜を形成することができ、良好な圧電作動特性が得られるからである。また、特に電気泳動法は、膜を高い密度で、かつ、高い形状精度で形成できることをはじめ、技術文献「「ＤＥＮＫＩＫＡＧＡＫＵ」、５３，Ｎｏ．１（１９８５）ｐ６３〜６８、安斎和夫著」に記載されているような特徴を有する。従って、要求精度や信頼性等を考慮して、適宜、手法を選択して用いるとよい。
【００８３】
例えば、作製した積層体を所定条件にて焼成した後、焼成後のシート部材５１の表面の所定位置に第１電極を印刷、焼成し、次いで圧電膜を印刷、焼成し、更に第２電極を印刷、焼成して圧電素子を配設することができ、続いて形成された圧電素子における電極を測定装置に接続するための電極リードを印刷、焼成する。ここで、例えば、第１電極として白金（Ｐｔ）を、圧電膜としてはジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）を、第２電極としては金（Ａｕ）を、更に電極リードとして銀（Ａｇ）等の材料を使用すると、焼成工程における焼成温度が逐次低くなるように設定されるので、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可能となる。
【００８４】
なお、適当な材料を選択することにより、圧電素子の各部材と電極リードを逐次印刷して、一回で一体焼成することも可能であり、一方、圧電膜を形成した後に低温で各電極等を設けることもできる。また、圧電素子の各部材と電極リードはスパッタ法や蒸着法等の薄膜法によって形成してもかまわず、この場合には、必ずしも熱処理を必要としない。
【００８５】
こうして圧電素子を膜形成法によって形成することにより、接着剤を用いることなく圧電素子と振動板とを一体的に接合、配設することができ、信頼性、再現性を確保し、集積化を容易とすることができる。ここで、更に圧電膜を適当なパターンに形成してもよく、その形成方法としては、例えば、スクリーン印刷法やフォトリソグラフィー法、あるいはレーザ加工法、又はスライシング、超音波加工等の機械加工法を用いることができる。
【００８６】
このようにして、圧電素子や電極リードが形成された焼成後の積層体の所定位置に振動板や固定板、連結板、また必要に応じて切欠部を形成する。ここで、ＹＡＧレーザの第４次高調波を用いた加工により、焼結後のシート部材５１の不要な部分を切り出し加工して除去することが好ましい。こうして、図９に示した形状の振動板３Ａ〜３Ｄ、固定板１、連結板２を有するデバイス３９が得られる。なお、基板５に相当する部分であって、不要な部分を前記レーザ加工やダイシングによって除去しても構わない。
【００８７】
また、主にシート部材５２により形成された固定板１、連結板２の形状や、シート部材５１により形成された振動板３Ａ〜３Ｄ等の形状を、このような加工時に調整することで、形状のばらつきを小さくすると共に、変位量や駆動特性の調整を行うことも好ましい。
【００８８】
更に、図２に示した圧電素子８８を、図１４に示すように、第２電極８７を上部電極、第１電極８５を下部電極として、その中間に圧電膜８６を形成した圧電素子８８を一度配設した後、上部電極をＹＡＧ第４次高調波レーザ、機械加工等によりトリミングして圧電素子の有効電極面積を調整し、デバイスのインピーダンス等の電気特性を調整し、所定の変位特性を得ることも好ましい。なお、圧電素子８８の構造が、図３或いは図４に示されるような櫛型構造である場合には、一方のあるいは両方の電極の一部をトリミングすればよい。
【００８９】
このような加工においては、上記のＹＡＧ第４次高調波レーザを用いた加工以外にも、ＹＡＧレーザ及びＹＡＧレーザの第２次又は第３次高調波、エキシマレーザ、ＣＯ₂レーザ等によるレーザ加工、電子ビーム加工、ダイシング（機械加工）など、デバイスの大きさと形状に適した種々の加工方法を適用することができる。
【００９０】
なお、本発明のデバイスは、上述したグリーンシートを用いた作製方法の他に、成形型を用いた加圧成形法や鋳込成形法、射出成形法等を用いて作製することもできる。これらの場合においても、焼成前後において、切削や研削加工、レーザ加工、パンチングによる打ち抜き、あるいは超音波加工等の機械加工により加工が施され、所定形状とされる。
【００９１】
こうして作製されたデバイス３９における圧電素子４Ａ〜４Ｄ並びに並びに電極リード上に形成する絶縁層は、ガラス若しくは樹脂を用いて、スクリーン印刷法、塗布法、スプレー法等によって形成することができる。ここで、材料としてガラスを用いた場合には、デバイス自体をガラスの軟化温度程度まで昇温する必要があり、また硬度が大きいので変位若しくは振動を阻害するおそれがあるが、樹脂は柔らかく、しかも乾燥程度の処理で済むことから、樹脂を用いることが好ましい。
【００９２】
なお、絶縁層として用いられる樹脂として、フッ素樹脂あるいはシリコーン樹脂が好適に用いられる旨は既に述べたが、これらの樹脂を用いる場合には、下地のセラミックスとの密着性を改善する目的で、使用する樹脂とセラミックスとの種類に応じたプライマー層を形成し、その上に絶縁層を形成することが好ましい。
【００９３】
次に、絶縁層上に形成されるシールド層の形成は、絶縁層が樹脂からなる場合には、焼成処理を行うことが困難なため、種々の金属材料を用いる場合には、スパッタ法等の加熱を要しない方法を用いて行われ、一方、金属粉末と樹脂からなる導電性ペーストを用いる場合には、スクリーン印刷法、塗布法等を好適に用いることができる。なお、絶縁層をガラスで形成した場合には、ガラスが流動しない温度以下で、導体ペーストをスクリーン印刷等し、焼成することも可能である。
【００９４】
以上、本発明の変位制御デバイスの実施の形態、構成材料、作製方法について説明してきたが、本発明によれば、更に上述した種々のデバイスを用いたアクチュエータもまた提供される。図１５の平面図に示したアクチュエータ６１は、複数（図１５の場合には、合計８個）のデバイス３９を、それぞれの固定板１の中心線（Ｙ軸）が略平行となるように、また、各固定板１のＸ−Ｙ平面が、静止状態において同一平面を形成するように配設された構造を有している。そして、各固定板１の先端部分と接触するように、搬送物６９が載置されている。
【００９５】
アクチュエータ６１において、Ｚ−Ｘ平面について対称な位置にあるデバイス３９どうし、例えば、デバイス３９Ａ・３９Ｅを、固定板１の先端部が、Ｚ−Ｘ平面について対称なヒステリシス様の変位軌跡を描くように駆動すると、先に図６に示した原理に基づき、搬送物６９にはＸ軸方向へ移動する力が作用する。Ｘ軸方向のどちらの向きに搬送物６９を移動させるかによって、ヒステリシス様の変位軌跡が描かれる向きを設定すればよい。デバイス３９Ｂ〜３９Ｄはデバイス３９Ａと同等のヒステリシス様の変位軌跡を描くように、また、デバイス３９Ｆ〜３９Ｈはデバイス３９Ｅと同等のヒステリシス様の変位軌跡を描くように駆動することで、アクチュエータ６１は、リニアなモータ、搬送機等として使用することができる。
【００９６】
なお、デバイス３９Ａ〜３９Ｄは基板５Ａに、デバイス３９Ｅ〜３９Ｈは基板５Ｂに、それぞれ一体的に形成されている。このような構造を有するアクチュエータは、上述したグリーンシート積層法を用いることにより、容易に作製することができるが、勿論、各デバイス３９Ａ〜３９Ｈを別体で作製し、所定の位置に配設してアクチュエータ６１を構成しても構わない。アクチュエータ６１を構成するデバイスは、デバイス３９に限定されるものではないことはいうまでもない。
【００９７】
次に、図１６には、８個のデバイス３９Ａ〜３９Ｈを、１個の基板５を共有して、固定板１の先端が基板５の外側に向かうように、かつ、各固定板１の中心線（Ｙ軸）が平行となるように配設したアクチュエータ６２の斜視図（ａ）及び斜視図中の線ＡＡを通るＺ−Ｘ平面における断面図（ｂ）を示す。
【００９８】
前述したアクチュエータ６１と同様に各デバイス３９Ａ〜３９Ｈを駆動する場合には、アクチュエータ６２は、リニアに自走する部品として使用することができる。なお、図１６（ｂ）に示されるように、アクチュエータ６２は、静止状態において基板５が接地し、各固定板１が接地面から離れた状態に状態にある。この高低差ｈを固定板１のＺ軸方向の変位量未満とすることで、高低差ｈがクラッチとして働く。つまり、固定板１のＺ軸方向の変位量が高低差ｈを越えたときに、アクチュエータ６２はそれ自体が移動するように動作することが可能となるが、固定板１のＺ軸方向の変位量が高低差ｈ以下であるときには、自走することができない。
【００９９】
次に、図１７（ａ）には、図１記載のデバイス３６を２個（デバイス３６Ａ・３６Ｂ）使用したアクチュエータ６４の平面図を示す。また、図１７（ｂ）は、図１７（ａ）中のＹ軸における断面図であるが、図１７（ｂ）においては、デバイス３６Ａ・３６Ｂにおける振動板３Ａ・３Ｂ及び圧電素子４Ａ・４Ｂの位置を明確とするため、Ｙ軸上にはないこれらの部材の位置をも付記している。
【０１００】
図１７（ａ）、（ｂ）においては、デバイス３６Ａ・３６Ｂ毎にはＸ軸、Ｙ軸を設けず、図示されるようなＸ−Ｙ−Ｚ直交座標系を設定し、各軸の交点を原点Ｏとする。このとき、アクチュエータ６４は、デバイス３６Ａ・３６Ｂを、原点Ｏについて点対称となる位置に配設した構造となっており、デバイス３６Ａ・３６Ｂの各固定板１に接するように、アクチュェータ６４の中央部には、軸芯６７によって回転中心が定められた回転体６８が配置されている。ここでは、軸針６７の回転中心とアクチュエータの点対称中心（原点Ｏ）が一致するように配設されている。
【０１０１】
デバイス３６Ａ・３６Ｂの連結板２が、前記図５（ｄ）に記載されるＰ点、Ｒ点の往復運動、即ちＺ軸方向変位を生ずるように、所定の信号（電圧）を各デバイス３６Ａ・３６Ｂに加えることによって、回転体６８を一定方向に回転させるモータとするができる。このとき、一定方向の回転となるように、連結板２と回転体６８との接触は、所定角度を有して行われる。また図１７（ａ）、（ｂ）では、点対称の位置にある１組のデバイスで構成されているが、更に点対称の位置にある別の１組のデバイスを配設して、各組ごとに回転体６８と各連結板２との接触角を正負反対とすれば、一定方向の回転のみではなく、双方向への回転運動が得られるようになり好ましい。
【０１０２】
一方、連結板２の変位形態を前述のＺ軸方向の変位から、図５（ｄ）においてＰ点→Ｑ点→Ｒ点→Ｓ点→Ｐ点のような回転軌跡となるように駆動することにより、回転体６８に回転運動を惹起させることができる。この場合には、連結板２の直接的な回転運動を回転体６８に伝達できる方式となるので、前記したＺ軸方向変位を用いて回転させる場合と比較して、高トルクで高速回転が可能であるほか、駆動信号の変更により１組のデバイスのみで、回転方向を両方向にとることができる特徴があり、好ましい。
【０１０３】
続いて、図１８（ａ）は、デバイス３９を周設してなるアクチュエータ６３の平面図であり、図１８（ｂ）は平面図中のＸ軸における断面図を示している。ここで、アクチュエータ６３においては、各デバイス３９Ａ〜３９Ｆについては、Ｘ軸及びＹ軸を設定しないこととし、アクチュエータ６３自体に、図１８（ａ）に示されるＸ−Ｙ−Ｚ軸を定義する。
【０１０４】
アクチュエータ６３においては、各固定板１の中心線（固定板の長さ方向を示す線）が互いに交差するように、かつ、各固定板１の先端が中心線の交差する点（Ｘ軸とＹ軸の交点）へ向かうように、各デバイス３９Ａ〜３９Ｅが配設されている。そして、各固定板１に接するように、アクチュエータ６２の中央部には、軸芯６７によって回転中心が定められた回転体６８が配置されている。
【０１０５】
デバイス３９Ａ〜３９Ｅの全てを、各固定板１から回転体６８を一方向に回転させる向きへ力が伝達されるようなヒステリシスを描くように駆動することにより、回転体６８に回転運動を惹起させることが可能である。また、固定板１がヒステリシスを描く向きを反転させることによって、回転方向の反転も容易に、しかも高速に行うことができる。このように、アクチュエータ６３は、モータとして好適に使用することができる。
【０１０６】
なお、アクチュエータ６３では、前述したアクチュエータ６４と比較して、駆動部位を多く取れるために、更に高トルク化が図れる利点がある。また、アクチュエータ６４と同様に、Ｚ軸方向変位を用いる方式での回転体６８の駆動も、勿論可能である。
【０１０７】
ところで、アクチュエータ６２のように、自走させることができたように、円板状の基板を用いて、その円板状基板から、固定板の中心線どうしが交差するように、かつ固定板の先端が、例えば、外側へ放射状に突出するように、デバイス３９を円板状基板へ配設することによって、自らが回転するアクチュエータとして用いることもできる。この場合、円板状基板には、回転中心を定めるための軸芯を設けることが好ましい。このような自走回転アクチュエータは、圧電素子への電圧印加方法を考えると、回転モータとしては用いることは難いが、微小な角度変位を制御するアクチュエータとしては、十分に用いることができる。
【０１０８】
上述した本発明に係るアクチュエータの動作速度は、圧電素子への印加する電圧の周波数や電圧値を制御することによって、容易に行うことができ、静止や反転の動作性能にも優れた特性を有する。
【０１０９】
以上、本発明の変位制御デバイス及びこれを用いたアクチュエータの実施の形態について詳述してきたが、本発明がこれらの実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の通常の知識に基づき、種々の変更、修正、改良が加え得るものであることが理解されるべきである。
【０１１０】
【発明の効果】
本発明の変位制御デバイスは、構造が簡単であり小型化、軽量化が容易であるとともに、省電力で変位効率が高く、しかも外部からの有害振動等の影響を受け難い特徴を有する。これにより、変位制御デバイス自体をセンサやアクチュエータ自体として用いることが可能であるとともに、複数の変位制御デバイスからなるアクチュエータは、制動性に優れたリニアモータや回転モータ、位置制御アクチュエータ等として用いることができる。また、グリーンシート積層法といった簡便で、設計の許容範囲の広い製造方法を用いることにより、一体構造として信頼性を高めつつ、安価に作製することができる効果を有する。更に、構成材料の選択の許容範囲が広く、目的に応じて都度好適な材料を使用することができる利点もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の変位制御デバイスの一実施形態を示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。
【図２】本発明の変位制御デバイスに配設される圧電素子の一実施の形態を示す斜視図である。
【図３】本発明の変位制御デバイスに配設される圧電素子の別の実施の形態を示す斜視図である。
【図４】本発明の変位制御デバイスに配設される圧電素子の更に別の実施形態を示す斜視図である。
【図５】本発明の変位制御デバイスの駆動形態の説明図である。
【図６】本発明の変位制御デバイスの駆動による他物体への力の伝達を示す模式図である。
【図７】本発明の変位制御デバイスの別の実施形態を示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。
【図８】本発明の変位制御デバイスの更に別の実施形態を示す平面図である。
【図９】本発明の変位制御デバイスの更に別の実施形態を示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。
【図１０】本発明の変位制御デバイスの更に別の実施形態を示す平面図である。
【図１１】本発明の変位制御デバイスの更に別の実施形態を示す平面図である。
【図１２】本発明の変位制御デバイスの電極等の保護形態を示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）〜（ｄ）である。
【図１３】本発明の変位制御デバイスの作製に用いられるシート部材の形状例を示す平面図である。
【図１４】本発明の変位制御デバイスにおける圧電素子の加工方法の一例を示す説明図である。
【図１５】本発明の変位制御デバイスを用いたアクチュエータの一実施形態を示す平面図である。
【図１６】本発明の変位制御デバイスを用いたアクチュエータの別の実施形態を示す斜視図（ａ）及び断面図（ｂ）である。
【図１７】本発明の変位制御デバイスを用いたアクチュエータの更に別の実施形態を示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。
【図１８】本発明の変位制御デバイスを用いたアクチュエータの更に別の実施形態を示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。
【符号の説明】
１…固定板、２…連結板、２Ｆ…連結板の先端面、３Ａ〜３Ｄ…振動板、４Ａ〜４Ｄ…圧電素子、５・５Ａ・５Ｂ…基板、６・６Ａ・６Ｂ…凹部、９…切欠部、１０…間隙部、１１…ひんじ部、２１Ａ〜２１Ｄ…電極リード、２２…絶縁層、２３…シールド層、３６〜４１…変位制御デバイス、３６Ａ・３６Ｂ、３９Ａ〜３９Ｈ…変位制御デバイス、５１〜５３…シート部材、５４…基準孔、５５…窓部、６１〜６４…アクチュエータ、６７…軸芯、６８…回転体、６９…搬送物、８５…第１電極、８６…圧電膜、８７…第２電極、８８…圧電素子、８９…振動板、９０…圧電膜、９１…第１電極、９２…第２電極、９３…隙間部、９４Ａ・９４Ｂ…圧電素子、１０１…物体。

Claims

連結板が２枚の振動板によって挟持され、かつ、当該連結板が基板に形成された凹部の底面に接合されると共に、当該振動板が少なくとも当該凹部の側面と接合されてなり、
当該振動板の厚みは当該連結板及び当該基板のそれぞれの厚みより薄く、かつ、当該振動板、当該連結板及び当該基板は、それぞれの一面が連続面となるように接合されると共に、当該基板の厚み方向に非対称に形成されてなる変位制御デバイスであって、
少なくとも２個の独立した膜型圧電／電歪素子が、当該振動板の片面又は両面に形成されていると共に、当該振動板の両方に分配して配設され、
当該連結板の長手方向をＹ軸、当該連結板を挟持する２枚の当該振動板を結ぶ方向をＸ軸、当該基板の厚み方向をＺ軸としたとき、当該連結板が、そのＸ軸変位位置に対して直交する軸方向変位位置が多値となるヒステリシス様の変位軌跡を描くように駆動されることを特徴とする変位制御デバイス。
当該連結板の一端に固定板が接合されてなることを特徴とする請求項１記載の変位制御デバイス。
長手方向における一端が少なくとも２枚の振動板によって挟持され、かつ、他端が別の少なくとも２枚の振動板によって挟持された連結板が、対向する凹部を有し、互いの凹部の一方の側面を繋げてなる連続面を形成する基板の、対向する当該凹部の底面間に跨ぐように設けられると共に、当該振動板は少なくとも当該凹部の側面とも接合され、固定板が当該固定板の長手方向が当該振動板が当該連結板を挟持する方向と平行になるように当該連結板に接合されてなり、
当該振動板の厚みは当該連結板、当該固定板及び当該基板のそれぞれの厚みより薄く、かつ、当該振動板、当該連結板、当該固定板及び当該基板は、それぞれの一面が連続面となるように接合されると共に、当該基板の厚み方向に非対称に形成されてなる変位制御デバイスであって、
少なくとも２個の独立した膜型圧電／電歪素子が、当該振動板の片面又は両面に形成されていると共に、少なくとも当該連結板の一方の端部にある当該連結板を挟持する少なくとも２枚の振動板の両方に配設され、
当該連結板の長手方向をＹ軸、当該連結板を挟持する２枚の当該振動板を結ぶ方向（当該固定板の長手方向）をＸ軸、当該基板の厚み方向をＺ軸としたとき、当該固定板が、そのＹ軸変位位置に対して直交する軸方向変位位置が多値となるヒステリシス様の変位軌跡を描くように駆動されることを特徴とする変位制御デバイス。
当該固定板と当該連結板との接合部に、当該連結板の幅方向の距離を、当該固定板内に至るまで長く形成した切欠部が形成されていることを特徴とする請求項３記載の変位制御デバイス。
当該連結板が当該固定板の長手方向に２分割されると共に分割されて形成された少なくとも２枚の連結板に当該固定板が接合されてなることを特徴とする請求項３又は４記載の変位制御デバイス。
当該圧電／電歪素子及び当該圧電／電歪素子の電極に導通する電極リードが、樹脂若しくはガラスからなる絶縁層により被覆されてなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の変位制御デバイス。
当該樹脂がフッ素樹脂若しくはシリコーン樹脂であることを特徴とする請求項６記載の変位制御デバイス。
当該絶縁層の表面上に、更に導電性部材からなるシールド層が形成されてなることを特徴とする請求項６又は７記載の変位制御デバイス。
少なくとも当該基板、当該連結板、当該振動板が、完全安定化ジルコニア或いは部分安定化ジルコニアからなることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の変位制御デバイス。
独立した２個以上の圧電／電歪素子の駆動によって、連結板若しくは固定板が、そのＸ軸変位位置又はＹ軸変位位置に対して直交する軸方向変位位置が多値となるヒステリシス様の変位軌跡を描くように駆動される請求項１〜９のいずれか一項に記載の変位制御デバイスを複数用いてなるアクチュエータであって、
当該固定板どうしが当該固定板の中心線が略平行となるように配設され、及び／又は当該連結板どうしが当該連結板の中心線が略平行となるように配設されてなることを特徴とするアクチュエータ。
独立した２個以上の圧電／電歪素子の駆動によって、連結板若しくは固定板が、そのＸ軸変位位置又はＹ軸変位位置に対して直交する軸方向変位位置が多値となるヒステリシス様の変位軌跡を描くように駆動される請求項１〜９のいずれか一項に記載の変位制御デバイスを複数用いてなるアクチュエータであって、
当該変位制御デバイスを周設してなることを特徴とするアクチュエータ。
複数の当該変位制御デバイスが、当該固定板の中心線が互いに交差するように、又は当該連結板の中心線が互いに交差するように、当該固定板若しくは当該連結板の先端が当該中心線の交差する点に向けて配設されてなることを特徴とする請求項１１記載のアクチュエータ。