JP3999132B2

JP3999132B2 - 圧電／電歪デバイス

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Publication number: JP3999132B2
Application number: JP2003005005A
Authority: JP
Inventors: 幸司池田; 史武高橋; 和義柴田
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2002-01-11
Filing date: 2003-01-10
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2023-01-10
Also published as: JP2003273418A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、相対向する一対の薄板部と、これら薄板部を支持する固定部とを有するセラミック基体を具備した圧電／電歪デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電／電歪層を用いたアクチュエータ素子やセンサ素子等の圧電／電歪デバイスでは、セラミック基体上に一方の電極層からなる配線パターンを、例えば印刷にて形成し、更にその上に、圧電／電歪層を印刷によって形成した後、焼成にて固着させ、その後、他方の電極層からなる配線パターンを形成するようにしている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
そして、配線パターンに対する電気信号の供給により、圧電／電歪層に電界が印加され、その結果、当該圧電／電歪層を変位させるというアクチュエータ素子として使用される他、前記圧電／電歪層に加えられた圧力に応じて発生した電気信号を配線パターンより取り出すセンサ素子として使用することができる。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−３２０１０３号公報（図１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような圧電／電歪デバイスにおいて、耐衝撃性を高めることができる圧電／電歪デバイスを提供することを目的とする。
【０００６】
また、本発明の他の目的は、薄板部の先端部分に物品を例えば接着剤にて固定する場合に、該接着剤の流れ落ちを防止することができ、物品を確実に薄板部の先端部分に取り付けることができる圧電／電歪デバイスを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る圧電／電歪デバイスは、矩形体である固定部と、前記固定部の一面の相対向する端部に設けられた相対向する一対の矩形板状の薄板部と、前記薄板部の前記固定部が設けられるのと対向する端に、相対向する一対の可動部とを有するセラミック基体を具備し、前記一対の薄板部のうち、少なくとも１つの薄板部に圧電／電歪素子が配置された圧電／電歪デバイスであって、前記薄板部と前記可動部との接合部分から前記薄板部と前記固定部との接合部にかけて付加部材が連続して配置され、前記付加部材のうち、前記薄板部と前記可動部との境界部分に対応する部分と、前記薄板部と前記固定部との境界部分に対応する部分にそれぞれ湾曲部が形成されていることを特徴とする。
【０００８】
湾曲部の存在により、薄板部と可動部との接合部分での応力集中点をなくすことができ、耐衝撃性を高めることができる。湾曲部の曲率半径は、５μｍ以上であり、好ましくは１０μｍ以上、更に好ましくは２０μｍ以上である。
【０００９】
また、本発明に係る圧電／電歪デバイスは、矩形体である固定部と、前記固定部の一面の相対向する端部に設けられた相対向する一対の矩形板状の薄板部と、前記薄板部の前記固定部が設けられるのと対向する端に、相対向する一対の可動部とを有するセラミック基体を具備し、前記一対の薄板部のうち、少なくとも１つの薄板部に圧電／電歪素子が配置された圧電／電歪デバイスであって、前記薄板部と前記可動部との接合部分から前記薄板部と前記固定部との接合部にかけて付加部材が連続して配置され、前記薄板部の外側面のうち、前記薄板部と前記可動部との境界部分に対応する箇所に補強材が形成されていることを特徴とする。
【００１０】
補強材の存在により、薄板部と可動部との接合部分での剛性を高めることができ、耐衝撃性を高めることができる。前記補強材の構成材料は、前記付加部材の構成材料と同じにしてもよい。
【００１１】
また、本発明に係る圧電／電歪デバイスは、矩形体である固定部と、前記固定部の一面の相対向する端部に設けられた相対向する一対の矩形板状の薄板部と、前記薄板部の前記固定部が設けられるのと対向する端に、相対向する一対の可動部とを有するセラミック基体を具備し、前記一対の薄板部のうち、少なくとも１つの薄板部に圧電／電歪素子が配置された圧電／電歪デバイスであって、前記薄板部と前記可動部との接合部分から前記薄板部と前記固定部との接合部にかけて付加部材が連続して配置され、前記可動部の互いに対向する端面に、それぞれ少なくとも１つの段差が形成されていることを特徴とする。
【００１２】
これにより、薄板部と可動部との接合部分での応力集中点を増やし、分散させることで、１箇所に集中する応力を小さくすることができ、耐衝撃性を高めることができる。
【００１５】
そして、上述した各発明において、前記付加部材は、金属であってもよいし、サーメットであってもよい。あるいは前記セラミック基体の構成材料と金属とのサーメットであってもよい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る圧電／電歪デバイスのいくつかの実施の形態例を図１〜図７を参照しながら説明する。
【００１８】
まず、第１の実施の形態に係る圧電／電歪デバイス１０Ａは、圧電／電歪素子により電気的エネルギと機械的エネルギとを相互に変換する素子を包含する概念である。従って、各種アクチュエータや振動子等の能動素子、特に、逆圧電効果や電歪効果による変位を利用した変位素子として最も好適に用いられるほか、加速度センサ素子や衝撃センサ素子等の受動素子としても好適に使用され得る。
【００１９】
そして、この第１の実施の形態に係る圧電／電歪デバイス１０Ａは、図１に示すように、相対する一対の薄板部１２ａ及び１２ｂと、これら薄板部１２ａ及び１２ｂを支持する固定部１４とが一体に形成されたセラミック基体１６を具備し、一対の薄板部１２ａ及び１２ｂの各一部にそれぞれ圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂが形成されて構成されている。
【００２０】
つまり、この圧電／電歪デバイス１０Ａは、前記圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂの駆動によって一対の薄板部１２ａ及び１２ｂが変位し、あるいは薄板部１２ａ及び１２ｂの変位を、圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂにより検出する構成を有する。従って、図１の例では、薄板部１２ａ及び１２ｂと圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂにてアクチュエータ部１９ａ及び１９ｂが構成されることになる。このことから、一対の薄板部１２ａ及び１２ｂは、固定部１４によって振動可能に支持された振動部として機能することになる。
【００２１】
更に、一対の薄板部１２ａ及び１２ｂは、各先端部分が内方に向かって肉厚とされ、該肉厚部分は、薄板部１２ａ及び１２ｂの変位動作に伴って変位する可動部として機能すると共に、物品を例えば挟持して取り付けるための物品取付部としても機能することになる。以下、一対の薄板部１２ａ及び１２ｂの先端部分を可動部２０ａ及び２０ｂと記す。
【００２２】
なお、可動部２０ａ及び２０ｂの互いに対向する端面３４ａ及び３４ｂ間には、空隙（空気）３６を介在させるようにしてもよいし、図示しないが、これら端面３４ａ及び３４ｂの間に可動部２０ａ及び２０ｂの構成部材と同じ材質、あるいは異なる材質からなる複数の部材を介在させるようにしてもよい。この場合、各可動部２０ａ及び２０ｂの互いに対向する端面３４ａ及び３４ｂは、取付面３４ａ及び３４ｂとしても機能することになる。
【００２３】
セラミック基体１６は、例えばセラミックグリーン積層体を焼成により一体化したセラミック積層体で構成されている。これについては後述する。
【００２４】
このようなセラミックスの一体化物は、各部の接合部位に接着剤が介在しないことから、経時的な状態変化がほとんど生じないため、接合部位の信頼性が高く、かつ、剛性確保に有利な構造であることに加え、後述するセラミックグリーンシート積層法により、容易に製造することが可能である。
【００２５】
また、この第１の実施の形態では、薄板部１２ａ及び１２ｂと可動部２０ａ及び２０ｂとの接合部分２０２から薄板部１２ａ及び１２ｂと固定部１４との接合部分２０４にかけて、付加部材２０６が連続して配置されている。付加部材２０６の構成材料としては、金属又は金属を含む材料を用いることができる。
【００２６】
更に、この圧電／電歪デバイス１０Ａにおいては、薄板部１２ａ及び１２ｂと可動部２０ａ及び２０ｂとの接合部分２０２に湾曲部２１０が形成され、薄板部１２ａ及び１２ｂと固定部１４との接合部分２０４に湾曲部２１２が形成されている。湾曲部２１０及び２１２は、前記付加部材２０６と同様の構成材料を使用することができる。
【００２７】
そして、圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂは、後述のとおり別体として圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂを準備して、セラミック基体１６に膜形成法を用いることにより、直接セラミック基体１６に形成されることとなる。
【００２８】
この圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂは、圧電／電歪層２２と前記圧電／電歪層２２の両側に形成された一対の電極２４及び２６とを有して構成され、前記一対の電極２４及び２６のうち、一方の電極２６が少なくとも一対の薄板部１２ａ及び１２ｂの上に形成されている。
【００２９】
また、この圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂは、圧電／電歪層２２並びに一対の電極２４及び２６をそれぞれ多層構造とし、一方の電極２４と他方の電極２６が櫛歯状の断面となるようにそれぞれ互い違いに積層して構成されている。つまり、圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂは、一方の電極２４と他方の電極２６とがそれぞれ圧電／電歪層２２を間に挟んだ多段構成とされている。もちろん、多層構造に限らず、単層構造であってもよい。
【００３０】
圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂは、圧電／電歪層２２が４層構造とされ、特に、セラミック基体１６の薄板部１２ａ及び１２ｂ、可動部２０ａ及び２０ｂ、並びに固定部１４の各側面にかけてほぼ連続して第１の配線パターン５０が形成されている。この第１の配線パターン５０は、固定部１４の側面において空隙４０によって一方の部分２４Ａ（一方の電極２４を構成する部分）と他方の部分２６Ａ（他方の電極２６を構成する部分）とに分離されている。
【００３１】
また、前記空隙４０には絶縁層４２が充填されており、第１の配線パターン５０における絶縁部４４として機能することとなる。なお、一方の電極２４には端子２８が形成され、他方の電極には端子３０が形成されている。
【００３２】
次に、この第１の実施の形態に係る圧電／電歪デバイス１０Ａの各構成要素について説明する。
【００３３】
可動部２０ａ及び２０ｂは、上述したように、薄板部１２ａ及び１２ｂの駆動量に基づいて作動する部分であり、圧電／電歪デバイス１０Ａの使用目的に応じて種々の部材が取り付けられる。例えば、圧電／電歪デバイス１０Ａを変位素子として使用する場合であれば、光シャッタの遮蔽板等が取り付けられ、特に、ハードディスクドライブの磁気ヘッドの位置決めや、リンギング抑制機構に使用するのであれば、磁気ヘッド、磁気ヘッドを有するスライダ、スライダを有するサスペンション等の位置決めを必要とする部材が取り付けられる。
【００３４】
固定部１４は、上述したように、薄板部１２ａ及び１２ｂ並びに可動部２０ａ及び２０ｂを支持する部分であり、例えば前記ハードディスクドライブの磁気ヘッドの位置決めに利用する場合には、ＶＣＭ（ボイスコイルモータ）に取り付けられたキャリッジアーム、前記キャリッジアームに取り付けられた固定プレート又はサスペンション等に固定部１４を支持固定することにより、圧電／電歪デバイス１０Ａの全体が固定される。また、この固定部１４には、図１に示すように、圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂを駆動するための端子２８及び３０、その他の部材が配置される場合もある。
【００３５】
可動部２０ａ及び２０ｂ並びに固定部１４を構成する材料としては、剛性を有するものであれば特に限定されないが、上述したように、セラミックグリーンシート積層法を適用できるセラミックスを好適に用いることができる。
【００３６】
具体的には、安定化ジルコニア、部分安定化ジルコニアをはじめとするジルコニア、アルミナ、マグネシア、窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化チタンを主成分とする材料等が挙げられる他、これらの混合物を主成分とした材料が挙げられるが、機械的強度や靱性が高い点において、ジルコニア、特に安定化ジルコニアを主成分とする材料と部分安定化ジルコニアを主成分とする材料が好ましい。
【００３７】
薄板部１２ａ及び１２ｂは、上述したように、圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂの変位により駆動する部分である。薄板部１２ａ及び１２ｂは、可撓性を有する薄板状の部材であって、表面に配置された圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂの伸縮変位を屈曲変位として増幅して、可動部２０ａ及び２０ｂに伝達する機能を有する。従って、薄板部１２ａ及び１２ｂの形状や材質は、可撓性を有し、屈曲変形によって破損しない程度の機械的強度を有するものであれば足り、可動部２０ａ及び２０ｂの応答性、操作性を考慮して適宜選択することができる。
【００３８】
薄板部１２ａ及び１２ｂを構成する材料としては、可動部２０ａ及び２０ｂや固定部１４と同様のセラミックスを好適に用いることができ、ジルコニア、中でも安定化ジルコニアを主成分とする材料と部分安定化ジルコニアを主成分とする材料は、薄肉であっても機械的強度が大きいこと、靱性が高いこと、圧電／電歪層や電極材との反応性が小さいことから最も好適に用いられる。
【００３９】
前記安定化ジルコニア並びに部分安定化ジルコニアにおいては、次のように安定化並びに部分安定化されたものが好ましい。即ち、ジルコニアを安定化並びに部分安定化させる化合物としては、酸化イットリウム、酸化イッテルビウム、酸化セリウム、酸化カルシウム、及び酸化マグネシウムがあり、少なくともそのうちの１つの化合物を添加、含有させることにより、あるいは１種類の化合物の添加のみならず、それら化合物を組み合わせて添加することによっても、目的とするジルコニアの安定化は可能である。
【００４０】
なお、それぞれの化合物の添加量としては、酸化イットリウムや酸化イッテルビウムの場合にあっては、１〜３０モル％、好ましくは１．５〜１０モル％、酸化セリウムの場合にあっては、６〜５０モル％、好ましくは８〜２０モル％、酸化カルシウムや酸化マグネシウムの場合にあっては、５〜４０モル％、好ましくは５〜２０モル％とすることが望ましいが、その中でも特に酸化イットリウムを安定化剤として用いることが好ましく、その場合においては、１．５〜１０モル％、更に好ましくは２〜４モル％とすることが望ましい。また、焼結助剤等の添加物としてアルミナ、シリカ、遷移金属酸化物等を０．０５〜２０ｗｔ％の範囲で添加することが可能であるが、圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂの形成手法として、膜形成法による焼成一体化を採用する場合は、アルミナ、マグネシア、遷移金属酸化物等を添加物として添加することも好ましい。
【００４１】
なお、機械的強度と安定した結晶相が得られるように、ジルコニアの平均結晶粒子径を０．０５〜３μｍ、好ましくは０．０５〜１μｍとすることが望ましい。また、上述のように、薄板部１２ａ及び１２ｂについては、可動部２０ａ及び２０ｂ並びに固定部１４と同様のセラミックスを用いることができるが、好ましくは、実質的に同一の材料を用いて構成することが、接合部分の信頼性、圧電／電歪デバイス１０Ａの強度、製造の煩雑さの低減を図る上で有利である。
【００４２】
圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂは、少なくとも圧電／電歪層２２と、該圧電／電歪層２２に電界をかけるための一対の電極２４及び２６を有するものであり、ユニモルフ型、バイモルフ型等の圧電／電歪素子を用いることができるが、薄板部１２ａ及び１２ｂと組み合わせたユニモルフ型の方が、発生する変位量の安定性に優れ、軽量化に有利であるため、このような圧電／電歪デバイス１０Ａに適している。
【００４３】
前記圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂは、図１に示すように、薄板部１２ａ及び１２ｂの側面に形成する方が薄板部１２ａ及び１２ｂをより大きく駆動させることができる点で好ましい。
【００４４】
圧電／電歪層２２には、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、ある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。但し、この圧電／電歪デバイス１０Ａをハードディスクドライブの磁気ヘッドの位置決め等に用いる場合は、可動部２０ａ及び２０ｂの変位量と駆動電圧、又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、抗電界が１０ｋＶ／ｍｍ以下の材料を用いることが好ましい。
【００４５】
具体的な材料としては、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、チタン酸バリウム、チタン酸ナトリウムビスマス、ニオブ酸カリウムナトリウム、タンタル酸ストロンチウムビスマス等を単独で、あるいは混合物として含有するセラミックスが挙げられる。
【００４６】
特に、高い電気機械結合係数と圧電定数を有し、圧電／電歪層２２の焼結時における薄板部（セラミックス）１２ａ及び１２ｂとの反応性が小さく、安定した組成のものが得られる点において、ジルコン酸鉛、チタン酸鉛、及びマグネシウムニオブ酸鉛を主成分とする材料、もしくはチタン酸ナトリウムビスマスを主成分とする材料が好適に用いられる。
【００４７】
更に、前記材料に、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、スズ等の酸化物等を単独で、もしくは混合したセラミックスを用いてもよい。
【００４８】
例えば、主成分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に、ランタンやストロンチウムを含有させることにより、抗電界や圧電特性を調整可能となる等の利点を得られる場合がある。
【００４９】
なお、シリカ等のガラス化し易い材料の添加は避けることが望ましい。なぜならば、シリカ等の材料は、圧電／電歪層２２の熱処理時に、圧電／電歪材料と反応し易く、その組成を変動させ、圧電特性を劣化させるからである。
【００５０】
一方、圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂの一対の電極２４及び２６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、もしくはこれらの合金が用いられ、更に、これらに圧電／電歪層２２あるいは薄板部１２ａ及び１２ｂ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。
【００５１】
圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂにおける電極２４及び２６の材料選定は、圧電／電歪層２２の形成方法に依存して決定される。例えば薄板部１２ａ及び１２ｂ上に一方の電極２４を形成した後、前記電極２４上に圧電／電歪層２２を焼成により形成する場合は、一方の電極２４には、圧電／電歪層２２の焼成温度においても変化しない白金、パラジウム、白金−パラジウム合金、銀−パラジウム合金等の高融点金属を使用する必要があるが、圧電／電歪層２２を形成した後に、前記圧電／電歪層２２上に形成される最外層の他方の電極２６は、低温で電極形成を行うことができるため、アルミニウム、金、銀等の低融点金属を主成分として使用することができる。
【００５２】
また、電極２４及び２６の厚みは、少なからず圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂの変位を低下させる要因ともなるため、特に圧電／電歪層２２の焼成後に形成される電極には、焼成後に緻密でより薄い膜が得られる有機金属ペースト、例えば金レジネートペースト、白金レジネートペースト、銀レジネートペースト等の材料を用いることが好ましい。
【００５３】
そして、この第１の実施の形態に係る圧電／電歪デバイス１０Ａは、超音波センサや加速度センサ、角速度センサや衝撃センサ、質量センサ等の各種センサに好適に利用でき、端面３４ａ及び３４ｂないし薄板部１２ａ及び１２ｂ間に取り付けられる物体のサイズを適宜調整することにより、センサの感度調整が容易に行えるという更なる利点がある。
【００５４】
また、圧電／電歪デバイス１０Ａの製造方法においては、セラミック積層体の表面に圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂを形成する方法として、上述したスクリーン印刷法のほかに、ディッピング法、塗布法、電気泳動法等の厚膜形成法や、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、化学気相成長法（ＣＶＤ）、めっき等の薄膜形成法を用いることができる。
【００５５】
このような膜形成法を用いて圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂを形成することにより、接着剤を用いることなく、圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂと薄板部１２ａ及び１２ｂとを一体的に接合、配置することができ、信頼性、再現性を確保できると共に、集積化を容易にすることができる。
【００５６】
この場合、厚膜形成法により圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂを形成することが好ましい。特に、圧電／電歪層２２の形成において厚膜形成法を用いれば、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、粉末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ジョン、ゾル等を用いて膜化することができ、それを焼成することによって良好な圧電／電歪特性を得ることができるからである。
【００５７】
なお、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という利点がある。また、スクリーン印刷法は、膜形成とパターン形成とを同時にできるため、製造工程の簡略化に有利である。
【００５８】
また、セラミック積層体を切除する方法としては、ダイシング加工、ワイヤソー加工等の機械加工のほか、ＹＡＧレーザ、エキシマレーザ等のレーザ加工や電子ビーム加工を適用することが可能である。
【００５９】
このように、第１の実施の形態に係る圧電／電歪デバイスにおいては、薄板部１２ａ及び１２ｂと可動部２０ａ及び２０ｂとの接合部分２０２から薄板部１２ａ及び１２ｂと固定部１４との接合部分２０４にかけて、金属又は金属を含む材料で構成された付加部材２０６を連続して配置するようにしている。
【００６０】
通常、セラミックスは圧縮応力には高い破壊強度を持っているが、引張応力に対しては低い。一方、金属は逆に引張応力に対しては高い破壊強度を持っているが、圧縮応力に対しては屈曲する等、変形しやすく形状を維持する強度が低い。但し、セラミックスのように割れてしまうようなことはない。つまり、金属は弾性変形しやすく破壊に至るまでの弾性変形の許容量がセラミックスに比べて大きいという性質を有する。従って、２つの材料（セラミックスと金属）を合わせることで両方の欠点を互いに補うことができ、高い強度を確保することができる。
【００６１】
更に、表面に金属を配置することで、引張応力に対して金属が弾性変形し、応力を吸収することから、破壊限界が高くなり、セラミックスが表面に露出している場合と比べて破壊強度が高くなり、特に、耐衝撃性を高めることができる。
【００６２】
この第１の実施の形態では、薄板部１２ａ及び１２ｂと可動部２０ａ及び２０ｂとの接合部分２０２から薄板部１２ａ及び１２ｂと固定部１４との接合部分２０４にかけて付加部材２０６を連続して配置していることから、この付加部材２０６を金属にて構成することにより、上述の作用効果を得ることができる。即ち、通常、接合部分２０２及び２０４で応力集中が発生するが、セラミックスよりも柔らかい付加部材２０６が伸縮することで前記応力集中による衝撃を吸収し、耐衝撃性を高めることができる。
【００６３】
付加部材２０６を弾性率の高い金属にて構成した場合は、上述の耐衝撃性を高める上で有利であるが、セラミック基体１６から剥離するおそれがある。そこで、付加部材２０６の構成材料としては、上述した金属のほかに、金属を含むサーメットによって構成するようにしてもよい。この場合、セラミックスとの接合強度が高いため、剥離の心配はない。
【００６４】
つまり、付加部材２０６を構成する材料は、▲１▼：金属のようにセラミックスより弾性率が高いこと、▲２▼：セラミック基体１６の主材料であるセラミックスと熱膨張率が近似していること、▲３▼：セラミックスとの付着強度（接合強度）が高いこと、が求められ、このような特性を有する材料としては、セラミック基体１６の構成材料（セラミックス）と金属とのサーメットが挙げられる。
【００６５】
金属は、高温でセラミックスと同時焼成できるＰｔなどの貴金属系が好ましいが、チタン、クロム、ニッケル等であってもよい。セラミックスはジルコニアが好ましい。
【００６６】
ここで、サーメット中の金属の比率が低いとセラミックスとの接合強度は高くなるが、金属としての性質が乏しくなるため、強度の向上があまり望めなくなる。このことから、金属の比率が高く、セラミックスとの接合強度が確保できる条件が好ましい。従って、サーメットの配合比は、体積比でセラミックスを１としたとき、金属は０．５〜１が好ましく、更に好ましくは０．７〜０．９である。
【００６７】
上述のような付加部材２０６を有する圧電／電歪デバイス１０Ａを作製するには、セラミックグリーンシートを積層して得られるセラミックグリーン積層体を作製する過程において、後に付加部材２０６となるサーメットペーストをパターン印刷する工程を追加するだけで済む。
【００６８】
即ち、薄板部１２ａ及び１２ｂにあたるグリーンシートを、金型を用いた打抜き加工やレーザ加工等の方法で所定の形状に加工した後、薄板部１２ａ及び１２ｂの裏面となる面（一対の薄板部１２ａ及び１２ｂが互いに対向する面）のうち、所定位置（この場合、薄板部１２ａ及び１２ｂと可動部２０ａ及び２０ｂとの接合部分２０２と、薄板部１２ａ及び１２ｂと固定部１４との接合部分２０４に相当する位置）に、所定厚みのサーメットペーストによるパターンをスクリーン印刷を用いて形成する。
【００６９】
印刷以外の方法としては、マスキングを用いてスプレーによりパターン形成したり、あるいはサーメットのグリーンシートを作製し、打抜き加工して付加部材として積層して形成するようにしてもよい。
【００７０】
ここで、サーメットペーストの厚さは０．００３〜０．０７ｍｍが好ましく、より好ましくは０．００５〜０．０１ｍｍである。０．０３ｍｍよりも薄いと破壊強度を向上させる効果が乏しくなり、０．０７ｍｍよりも厚いと薄板部１２ａ及び１２ｂ全体が厚くなりすぎて、変位量が小さくなるという弊害が起こるからである。従って、サーメットペーストを形成する部分におけるセラミック部分の厚みと、形成するサーメットペーストの厚みを適宜調整して、破壊強度とのバランスを考慮しつつ圧電／電歪デバイス１０Ａとしての特性を最適化することが好ましい。
【００７１】
付加部材２０６のうち、接合部分２０２及び２０４に進入させる長さ（進入長さ）は、薄板部１２ａ及び１２ｂの厚さ（セラミック部分の厚さ）以上が好ましい。前記進入長さが短すぎると、パターン印刷や積層時における位置合わせ精度が厳しくなり、歩留まりが低下するおそれがあるからである。
【００７２】
また、この第１の実施の形態に係る圧電／電歪デバイスにおいては、前記湾曲部２１０及び２１２の存在により、薄板部１２ａ及び１２ｂと可動部２０ａ及び２０ｂとの接合部分２０２並びに薄板部１２ａ及び１２ｂと固定部１４との接合部分２０４での応力集中点をなくすことができ、耐衝撃性を高めることができる。湾曲部２１０及び２１２の曲率半径Ｒは５μｍ以上であり、好ましくは１０μｍ以上、更に好ましくは２０μｍ以上である。
【００７３】
上述のような湾曲部２１０及び２１２を有する圧電／電歪デバイス１０Ａを作製するには、サーメットペーストの塗布方法を利用する。即ち、グリーンシートを積層した状態で角部（前記接合部分２０２及び２０４）にサーメットペーストを塗布あるいはディップすることで、該サーメットペーストが表面張力によって湾曲形状になることを利用して、上述の湾曲部２１０及び２１２を形成する。その後、グリーンシートを積層してセラミックグリーン積層体５８を作製し、焼成することにより、図１及び図２に示すように、湾曲部２１０及び２１２を有するセラミック基体１６を得ることができる。
【００７４】
他の方法としては、まず、セラミック基体１６を作製した後、あるいはその途中工程で、湾曲部２１０及び２１２とすべき部分にサーメットペースト等を注入して、前記接合部分２０２及び２０４に湾曲部２１０及び２１２を形成するようにしてもよい。
【００７５】
更に、この第１の実施の形態では、セラミック基体１６を構成する場合に、例えば図１に示すように、固定部１４の内壁のうち、薄板部１２ａ及び１２ｂ近傍にそれぞれ切込み（切欠き）２００を形成するようにしている。これにより、一対の薄板部１２ａ及び１２ｂの長さが実質的に長くなり、変位量を大きくとることができると共に、薄板部１２ａ及び１２ｂが撓みやすくなるため、消費電力の低減化も図ることができる。
【００７６】
また、圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂにおける第１の配線パターン５０をそれぞれ薄板部１２ａ及び１２ｂの上端まで延在させて形成するようにしたので、薄板部１２ａ及び１２ｂの裏面からのセラミックスの破壊（亀裂の発生や破損等）を回避できることに加えて、薄板部１２ａ及び１２ｂの表面（側面）からのセラミックスの破壊を回避することができる。
【００７７】
なお、図３の変形例に係る圧電／電歪デバイス１０Ａａのように、固定部１４に切欠き２００を設けないようにしてもよい。特に、図３の例での固定部１４は、第１の実施の形態に係る圧電／電歪デバイス１０Ａの固定部１４の一部を切欠き２００の底部を基準に切断したような形状を有する。この場合、圧電／電歪デバイス１０Ａａの小型、軽量化に有利になると共に、固定部１４の載置面積が狭い場合に有利となる。
【００７８】
次に、第２の実施の形態に係る圧電／電歪デバイス１０Ｂは、図４に示すように、上述した図２に示す第１の実施の形態に係る圧電／電歪デバイス１０Ａとほぼ同様の構成を有するが、薄板部１２ａ及び１２ｂの側面のうち、薄板部１２ａ及び１２ｂと可動部２０ａ及び２０ｂとの接合部分２０２と対応する箇所に補強材２１６が配置されている点で異なる。補強材２１６の存在により、薄板部１２ａ及び１２ｂと可動部２０ａ及び２０ｂとの接合部分２０２での剛性を高めることができ、耐衝撃性を高めることができる。補強材２１６は、付加部材２０６と同様の構成材料を使用することができる。
【００７９】
補強材２１６を配置する方法としては、セラミック基体１６とした後に、例えばスクリーン印刷で補強材２１６のペーストを印刷し、焼成するか、あるいは、積層したセラミックグリーン積層体５８の所定位置に補強材２１６のペーストを印刷し、その後、焼成してセラミック基体１６としてもよい。
【００８０】
次に、第３の実施の形態に係る圧電／電歪デバイス１０Ｃは、図５に示すように、上述した第１の実施の形態に係る圧電／電歪デバイス１０Ａとほぼ同様の構成を有するが、可動部２０ａ及び２０ｂのうち、固定部１４に対向する部分が階段状に形成され、各取付面３４ａ及び３４ｂに段差２１８を有する点と、固定部１４の内壁のうち、薄板部１２ａ及び１２ｂ近傍にそれぞれ切込み（切欠き）２２０が形成されている点で異なる。
【００８１】
このように構成することにより、薄板部１２ａ及び１２ｂと可動部２０ａ及び２０ｂとの接合部分２０２並びに薄板部１２ａ及び１２ｂと固定部１４との接合部分２０４での応力集中点を増やし、分散させることで、１箇所に集中する応力を小さくすることができ、耐衝撃性を高めることができる。
【００８２】
そして、段差２１８の数としては２以上が好ましい。また、図５において、段差２１８の高さＨは薄板部１２ａ及び１２ｂの厚さｄ以下がよく、好ましくはｄ／２以下であるとよい。具体的には２μｍ〜１００μｍの範囲がよく、好ましくは５μｍ〜７０μｍの範囲であるとよい。
【００８３】
また、図５において、段差２１８の長さＬは、ｄ／２以上がよく、具体的には、２μｍ以上、好ましくは１０μｍ以上、更に好ましくは５０μｍ以上であるとよい。長すぎると変位の低下が引き起こされるが、逆に共振周波数が高くなる傾向にある。
【００８４】
上述のような段差２１８を有する圧電／電歪デバイス１０Ｃを作製するには、グリーンシートに部分印刷でパターンを形成し、その後、グリーンシートを積層してセラミックグリーン積層体を作製し、該セラミックグリーン積層体を焼成することによってセラミック基体１６を作製するという方法が好ましく採用される。
【００８５】
次に、第４の実施の形態に係る圧電／電歪デバイス１０Ｄは、図６に示すように、上述した第１の実施の形態に係る圧電／電歪デバイス１０Ａとほぼ同様の構成を有するが、薄板部１２ａ及び１２ｂの先端部分が肉厚になっておらず、該先端部分の厚みと薄板部１２ａ及び１２ｂの中間部分の厚みがほぼ同じになっている点と、付加部材２０６が薄板部１２ａ及び１２ｂと固定部１４との接合部分２０４のみに形成されている点と、付加部材２０６が、薄板部１２ａ及び１２ｂの先端から薄板部１２ａ及び１２ｂと固定部１４との接合部分２０４にかけて薄板部１２ａ及び１２ｂの裏面に沿って連続して形成されている点と、付加部材２０６の先端部分に１以上の突起部２２４が形成されている点で異なる。
【００８６】
突起部２２４は破壊強度の向上には直接関係しないが、薄板部１２ａ及び１２ｂの先端部分に物品を例えば接着剤にて固定する場合に、該接着剤の流れ落ちを防止することができ、物品を確実に薄板部１２ａ及び１２ｂの先端部分に取り付けることができる。
【００８７】
図６では、突起部２２４を１つの薄板部１２ａ又は１２ｂに対して２つ設けた場合を示したが、その他、３つ以上設けてもよいし、図７の第５の実施の形態に係る圧電／電歪デバイス１０Ｅに示すように、１つだけ設けるようにしてもよい。
【００８８】
上述した圧電／電歪デバイス１０Ａ、１０Ａａ、１０Ｂ〜１０Ｅによれば、各種トランスデューサ、各種アクチュエータ、周波数領域機能部品（フィルタ）、トランス、通信用や動力用の振動子や共振子、発振子、ディスクリミネータ等の能動素子のほか、超音波センサや加速度センサ、角速度センサや衝撃センサ、質量センサ等の各種センサ用のセンサ素子として利用することができ、特に、光学機器、精密機器等の各種精密部品等の変位や位置決め調整、角度調整の機構に用いられる各種アクチュエータに好適に利用することができる。
【００８９】
なお、この発明に係る圧電／電歪デバイスは、上述の実施の形態に限らず、この発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【００９０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る圧電／電歪デバイスによれば、以下の効果を奏する。
【００９１】
（１）耐衝撃性を高めることができる。
（２）薄板部の先端部分に物品を例えば接着剤にて固定する場合に、該接着剤の流れ落ちを防止することができ、物品を確実に薄板部の先端部分に取り付けることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係る圧電／電歪デバイスの構成を示す斜視図である。
【図２】第１の実施の形態に係る圧電／電歪デバイスを示す正面図である。
【図３】第１の実施の形態に係る圧電／電歪デバイスの変形例を示す正面図である。
【図４】第２の実施の形態に係る圧電／電歪デバイスを示す正面図である。
【図５】第３の実施の形態に係る圧電／電歪デバイスを示す正面図である。
【図６】第４の実施の形態に係る圧電／電歪デバイスを示す正面図である。
【図７】第５の実施の形態に係る圧電／電歪デバイスを示す正面図である。
【符号の説明】
１０Ａ、１０Ａａ、１０Ｂ〜１０Ｅ…圧電／電歪デバイス
１２ａ、１２ｂ…一対の薄板部１４…固定部
１６…セラミック基体１８ａ、１８ｂ…圧電／電歪素子
２２…圧電／電歪層２４…一方の電極
２６…他方の電極５０…第１の配線パターン
２００、２２０…切欠き２０２、２０４…接合部分
２０６…付加部材２１０、２１２…湾曲部
２１６…補強材２１８…段差
２２４…突起部

Claims

矩形体である固定部と、前記固定部の一面の相対向する端部に設けられた相対向する一対の矩形板状の薄板部と、前記薄板部の前記固定部が設けられるのと対向する端に、相対向する一対の可動部とを有するセラミック基体を具備し、
前記一対の薄板部のうち、少なくとも１つの薄板部に圧電／電歪素子が配置された圧電／電歪デバイスであって、
前記薄板部と前記可動部との接合部分から前記薄板部と前記固定部との接合部にかけて付加部材が連続して配置され、
前記付加部材のうち、前記薄板部と前記可動部との境界部分に対応する部分と、前記薄板部と前記固定部との境界部分に対応する部分にそれぞれ湾曲部が形成されていることを特徴とする圧電／電歪デバイス。
請求項１記載の圧電／電歪デバイスにおいて、
湾曲部の曲率半径は、５μｍ以上であることを特徴とする圧電／電歪デバイス。
矩形体である固定部と、前記固定部の一面の相対向する端部に設けられた相対向する一対の矩形板状の薄板部と、前記薄板部の前記固定部が設けられるのと対向する端に、相対向する一対の可動部とを有するセラミック基体を具備し、
前記一対の薄板部のうち、少なくとも１つの薄板部に圧電／電歪素子が配置された圧電／電歪デバイスであって、
前記薄板部と前記可動部との接合部分から前記薄板部と前記固定部との接合部にかけて付加部材が連続して配置され、
前記薄板部の外側面のうち、前記薄板部と前記可動部との境界部分に対応する箇所に補強材が形成されていることを特徴とする圧電／電歪デバイス。
請求項３記載の圧電／電歪デバイスにおいて、
前記補強材の構成材料は、前記付加部材の構成材料と同じであることを特徴とする圧電／電歪デバイス。
矩形体である固定部と、前記固定部の一面の相対向する端部に設けられた相対向する一対の矩形板状の薄板部と、前記薄板部の前記固定部が設けられるのと対向する端に、相対向する一対の可動部とを有するセラミック基体を具備し、
前記一対の薄板部のうち、少なくとも１つの薄板部に圧電／電歪素子が配置された圧電／電歪デバイスであって、
前記薄板部と前記可動部との接合部分から前記薄板部と前記固定部との接合部にかけて付加部材が連続して配置され、
前記可動部の互いに対向する端面に、それぞれ少なくとも１つの段差が形成されていることを特徴とする圧電／電歪デバイス。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の圧電／電歪デバイスにおいて、
前記付加部材が金属であることを特徴とする圧電／電歪デバイス。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の圧電／電歪デバイスにおいて、
前記付加部材がサーメットであることを特徴とする圧電／電歪デバイス。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の圧電／電歪デバイスにおいて、
前記付加部材が前記セラミック基体の構成材料と金属とのサーメットであることを特徴とする圧電／電歪デバイス。