JPH08509576A

JPH08509576A - 一体的になされ応力があらかじめ与えられたセラミック装置およびその製造方法

Info

Publication number: JPH08509576A
Application number: JP6519081A
Authority: JP
Inventors: ハートリング，ジーン，ヘンリー
Original assignee: リサーチ・コーポレーション・テクノロジーズ・インク
Priority date: 1993-02-23
Filing date: 1994-02-17
Publication date: 1996-10-08
Also published as: CN1120874A; KR960701483A; US5589725A; WO1994019834A1; US5471721A; EP0686309A1; CA2155523A1

Abstract

(57)【要約】一体的になされ内部に非対称に応力が偏向的にあらかじめ与えられた電気的に作動するセラミック装置の製造方法およびこれにより製造された装置を提供する。第１の過程では、第１および第２の逆向きの面を有するセラミックウエハーを形成する。次に、収縮用雰囲気中で熱処理することにより第１の面を化学的に収縮させる。これにより、湾曲し、内部に非対称な応力が偏向的に与えられたセラミックウエハー２６が得られる。第１の面の化学的収縮層２８は、導電性を有し、装置の電極として使用され得る。そして他の金属製電極３０を第２の面に蒸着等で設けることにより、装置が完成する。

Description

【発明の詳細な説明】一体的になされ応力があらかじめ与えられたセラミック装置およびその製造方法本発明は、電気的に作動するセラミック装置に係り、さらに詳しくは、一体的になされ内部に非対称に応力が偏向的にあらかじめ与えられ、一部に電極を有する圧電装置つまり電歪装置の製造方法、およびこれにより製造される装置に関する。圧電および電歪材料は、応力または歪みが与えられた状態で、分極した電界を発生する。逆に、これらの材料は、電界が与えられた下では、寸法変化を引き起こす。このような圧電すなわち電歪材料の寸法変化（たとえば膨張・収縮）は、与えられた電界の作用である。圧電すなわち電歪材料は、多数の有用な特性およびそれらの特性の組み合わせによる特性を有する。このような特性としては、たとえば圧電効果（電界に応じて歪みを発生させる効果）、電歪効果、誘電効果、パイロ電気効果（温度に応じて分極する効果）、強誘電効果（電界に応じて分極する効果）および電気光学効果（電界に応じて光学的に複屈折する効果）が挙げられる。近年、電歪素子は、高電圧を要求しないことだけでなく、かなりの大きさの荷重の下で、大きな歪みを発生させる点により、注目されている。さらに、圧電素子が達成し得る歪み量を大きくするために、その形状を修正することについても関心が寄せられている。これらの素子は、アクチュエータ、伸縮器、スピーカ、センサ、スイッチ、水中聴音器、水中スピーカ、適応光学、焦点可変の集束鏡や集束レンズ、発振器、曲がり器、加速度メータ、歪みゲージ、サドルインチワーム（saddle lnchworm）等に広く使用されている。ある電界状態の下では、圧電素子の結晶体は、全ての軸線方向に沿って変位し得る。すなわち、それは、いくつかの方向に膨張すると共に、他のいくつかの方向に収縮する。この変位を表わす圧電または歪み係数は、通常テンソルｄ_ijで表される。ｄ_ij＝ｘ_j／Ｅ_i（定数Ｘ）＝Ｐ_i／Ｘ_j（定数Ｅ）ここで、ｘは歪み（単位長さ当たりの伸び）、Ｘは応力（単位面積当たりの力）、Ｅは電界（単位長さ当たりの電圧）、Ｐは分極の強さ（クーロン／ｍ²）である。添え字ｉ，ｊは、結晶体の軸（セラミックの場合はセラミックの分極方向）を示す。たとえば、ｄ₃₁は横方向の歪み係数を示し、ｄ₃₃は長手方向の歪み係数を示す。たとえば直接作動式アクチュエータ（direct mode actuator）のような通常のセラミック装置は、電界作用時の材料の寸法変化を、実際の変位量を増幅することなく直接利用する。この直接作動式アクチュエータは、圧電すなわち電歪性のセラミック板を有しており、そのセラミック板は、セラミック板の両方の主面側に形成された一対の電極の間に挟まれている。この素子は、セラミック板が所望の歪みを形成するように、十分に大きな圧電および／または電歪係数を有する材料から形成されている。そして、適当な大きさの電圧を与えることにより、また素子のある方向において分極させることにより、圧電（すなわち電歪）材料はその方向に収縮または膨張する。また、素子が一方向（厚さ方向または長さ方向）に膨張または収縮する時には、その方向に対して垂直な平面内（平面方向または横断方向）に収縮または膨張する。直接作動式アクチュエータは、長手方向の膨張モードまたは横方向の膨張モードのいずれかを利用し、高い圧縮負荷に耐えることが可能である。たとえば、電界２５Ｖ／ミルの下で、３／４インチの長さの棒が１０００ポンドを越える荷重に耐えることができる。しかし、直接作動式アクチュエータは、最大でも数１０パーセントの小さい変位（歪み）しか発生しないという不利な点がある。間接作動式アクチュエータ（indirect mode actuator）は、外的構造によって、歪みの増幅を引き起こす。間接作動式アクチュエータの一例としては、フレックステンショナルトランスデューサ（flextensional transducer）が挙げられる。フレックステンショナルトランスデューサは、圧電セラミック素子に、金属シェル、またはあらかじめ応力を与えた樹脂またはガラス繊維構造を組み合わせた構造である。従来のフレックステンショナル素子は、通常、圧電素子の収縮により起こる横断方向にある他の素子の膨張を、圧電素子の収縮に機械的に組み合わせた作用の結果として、変位を増幅させた動作を起こすようになっている。実用的には、フレックステンショナル素子は、２５Ｖ／ミルの電界の下で、約０．５％までの歪みが発生し、数１００ポンドの荷重に耐え得る。近年、「ムーニー（moonie）」と呼ばれる新しいタイプのフレックステンショナルトランスデューサが開発された。たとえば、米国特許第４，９９９，８１９号には、電極を有する圧電素子を、二枚の凹状空胴を有する金属板の間に挟んで接着したトランスデューサが開示されている。「ムーニー」は、従来のフレックステンショナルトランスデューサよりも良好な挙動を示し、大きな変位を発生する。たとえば、２５Ｖ／ミルの電界の下では、全厚さが約１４８ミルの二層の「ムーニー」では、１．５ミルの変位（１．０２％の歪み）が発生する。しかし、従来のトランスデューサよりも大きな歪みに耐える性能の結果、ムーニーは１００ポンド未満の荷重にしか耐えられない。間接式モードアクチュエータの他の例には、ユニモルフアクチュエータ（unim orph actuator）、バイモルフアクチュエータ（bimorph actuator）、マルチモルフアクチュエータ（multlmorph actuator）、モノモルフアクチュエータ（mon omorph actuator）がある。通常のユニモルフアクチュエータは、可撓性のある金属製のフォイルに、単一の圧電素子を外的に接着することにより構成される。そして、圧電素子を可変電圧により作動させる時に、金属製フォイルが刺激されることによって、圧電素子の運動とは逆向きに、金属製フォイルが軸線方向に沿って座屈すなわち変位をおこす。ユニモルフアクチュエータの運動は、収縮または膨張により行われる。ユニモルフアクチュエータは、１０％程度までの歪みを示すが、１ポンド未満の荷重にしか耐えられない。従来のバイモルフ装置は、二枚の圧電素子の間に挟んで接着された可撓性を有する中間金属フォイルを備える。また、各セラミック素子の各主面には、電極が接着され、内側の二つの電極に前記金属フォイルが接着されている。マルチモルフアクチュエータとして知られる多層装置は、セラミック素子と金属フォイルとを交互に積層することにより形成されている。電極に電圧を与えると、バイモルフ装置またはマルチモルフ装置は、曲がるかまたは振動する。バイモルフ装置またはマルチモルフ装置は、電圧が与えられた下では、一つのセラミック素子が収縮し、他のセラミック素子が膨張するために、ユニモルフ装置よりも大きく変位する。バイモルフ装置およびマルチモルフ装置は、２５Ｖ／ミルの電圧で２０％までの歪みを発生させるが、ユニモルフ装置と同様、１ポンドより大きい荷重には耐えられない。通常のモノモルフ曲がり器は、導電性電極を両面に配置した圧電素子を備え、バイモルフ装置と同様の曲がり性を有する。しかし、モノモルフ装置は、圧電素子内の電界強度が均一でない場合にも、曲がることができる。モノモルフ装置は、１ＫＶ／ｍｍの電圧の下、１５％までの歪みを発生させるが、約１ポンドより大きい荷重には耐えられない。以上の間接曲がり作動式アクチュエータは、直接作動式アクチュエータよりも大きな歪みを発生させるが、極めて小さい耐荷重性しか有していない。さらに、一般に、間接作動式アクチュエータは、その発生可能な歪みを大きくすると、耐荷重性減少する。そのため、大きな歪みを発生することができ、なおかつ適度な荷重に耐え得る圧電すなわち電歪装置の開発が要望されている。前記の装置で使用される圧電すなわち電歪シートすなわち素子は、様々な方法により形成することが可能である。その方法のうち、最も広く使用されているのは、雰囲気中の焼結および熱間プレスである。通常、前記の各装置で使用される金属製の電極は、セラミック素子上に蒸着等により設けられている。しかし、収縮処理を行うようにすれば、電極は、セラミック素子を化学的収縮することにより形成することができる。この化学的収縮では、セラミック素子中の一酸化炭素を減少させる雰囲気中で加熱処理を行うことにより、平面的なセラミック素子全体を収縮させ、主面にその一部として電極を形成した平面的なセラミック素子を形成する。たとえば、本発明者Haert1ingの1990年刊行の「4th int'l SAMPE Ele ctronics Conference」の第699頁ないし第711頁には、６００℃ないし１０００ ℃の下で、チタン酸ジルコン酸鉛ランタン（ＰＬＺＴ）ウエハーの二つの主面の一酸化炭素を除去する化学的収縮方法が開示されている。この方法では、各主面に導電性電極が一体的に形成される。そして、この素子の中央部は誘電体であるが、製造されたＰＬＺＴウエハーは、どこにも内部に非対称な圧縮応力を有するものではなく、平面外の変位を発生するものでもない。米国特許第５，０９１，８２０号および第４，９８７，５１５号は、円柱状のたとえばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）（ＰＺＴはVernitron，Inc.の登録商標である）からなるセラミックコアの両端に一体的に電極を形成したものを開示する。ここで電極は、コア全体を６５０ないし１０００℃の水素または窒素の雰囲気中で収縮することにより形成される。この方法は、まず、収縮した金属の層をコア全体にわたって形成し、次にコア端面の二つの電極を残しながら、コアの周面の収縮層を除去する。しかし、セラミックコア全体が収縮するために、この方法は内部に応力を偏向的に与えるものではなく、コアの元々の形状を変更するものでもない米国特許第３，６７６，３２２号は、波形に形成された導電性中央板を一対の湾曲したセラミックウエハーの間に挟んだバイモルフ曲がり器を開示する。各ウエハーは、その両面に固定された導電性電極を有する。中央板は、その最も大きな剛性がバイモルフ体の中央部にあって周縁部で最小になるように、徐々に剛性が減少してゆくように形成されている。その結果、このバイモルフ体の剛性分布は、機械的ヒステリシスに打ち克つことができるような傾向を呈する。というのも、中央板が材料の固有の弾性に打ち克つ傾向の復元力を与え、駆動信号（振動させようとする電圧）がゼロレベルを通過するときにバイモルフ装置自身をその初期状態に復帰させるからである。これを製造する方法は、平面状の円形セラミックウエハーを形成し、このウエハーに機械的な応力を与えて湾曲させ、中央板を包み込ませる。次に、セラミック素子（ウエハー）の各主面に電極を蒸着等により設ける。したがって、セラミックウエハーは、一体的な電極を有するのではなく、非対称な内部応力を有するのでもない。また、この製造処理は複雑であり、波形に形成した導電性中央板は、従来の一様な厚さの中央板を有する平面的なウエハーよりも小さい機械的ヒステリシスを有するものでなければならない。米国特許第３，４４７，２１７号には、圧電発振器の形成のための収縮／再酸化方法がいくつか開示されている。ここに開示された一つの方法は、まずＰＺＴシートを８００℃の水素ガスの流れに１５分間さらして、シート全体を収縮させ、次にシートを６５０℃の酸素ガスの流れに２時間おいて酸化させる。この方法では、一対の酸化層の間に挟まれた収縮層を有する一体的な平面状の圧電発振器が得られる。また、他の実施形態として、二つの平面状の素子を収縮し、各素子の一面を再度酸化しないように覆って、各素子の他の面だけ酸化させる方法も開示されている。この方法では、一面が収縮し、他の面が酸化された平面状の素子が得られる。したがって、これらの方法は、内部に非対称な応力が偏向的に与えられた湾曲した圧電素子を形成するのではない。したがって、大きな歪みを発生することができ、なおかつ適度な荷重に耐え得る圧電すなわち電歪装置の開発が要望されている。また、内部に非対称に応力を偏向的に与えて、平面より上方に向かう変位を引き起こし、かつ機械的強度を増大したこのような装置の開発も要望されている。さらに、このような電気的に作動するセラミック装置を製造する容易な方法も要望されている。本発明は、一体的になされ内部に非対称に応力が偏向的にあらかじめ与えられた電気的に作動するセラミック装置の製造方法、およびこれにより製造された装置を提供する。内部に非対称に応力を偏向的に与える結果、本発明のセラミック装置は、平面より上方に向かう変位を引き起こし、かつ機械的強度を増大することが可能である。また、本発明のセラミック装置は、大きな変位（歪み）を起こし、適度な荷重に耐えることができる。本方法の最初の過程は、第１の面とこれに反対な第２の面とを有するセラミック素子（ウエハー）を、熱間プレスや雰囲気中の焼結などの周知の方法で形成することである。そのセラミックウエハーは、たとえばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ジルコン酸鉛ランタン（ＰＬＺＴ）、チタン酸ジルコン酸スズ酸鉛（ＰＳＺＴ）、チタン酸ジルコン酸鉛バリウム（ＰＢＺＴ）およびニオブ酸鉛マグネシウム（ＰＭＮ）が圧電または電歪材料から形成することができる。また、この最初のウエハーは、円形、矩形、正方形等の様々な形状であってよい。本発明の方法の次の過程は、収縮用媒体を含む収縮用雰囲気中で熱処理を行うことにより、ウエハーの一面だけを化学的に収縮させることである。この収縮用媒体としては、ウエハー中の鉛酸化物を部分的に減少させ、それを鉛の金属状態にするようなものが使用可能である。このような収縮用媒体の例としては、グラファイト（炭素）、一酸化炭素、水素またはその他適当な収縮用媒体などの鉛酸化物を収縮させて、それを鉛の金属状態にするものがある。この過程中では、ウエハーの片面だけを収縮用雰囲気の対象物として、他の面を雰囲気にはさらさないか、マスクにより収縮用雰囲気から保護する。たとえば、一酸化炭素により収縮を行う場合にあっては、ウエハーは炭素製のブロック上に載置するか、炭素製のブロックとマスキングブロック（たとえば、ジルコニア製）の間に配置する。このようにすると、熱処理の間、炭素製ブロックに接触する面だけが一酸化炭素の収縮用雰囲気にさらされることになる。本発明の方法によれば、第１の面が、セラミック材料から収縮した金属／導電体部分になる。また、この方法では、（1）材料の非収縮部分に対して収縮部分の体積収縮のため、および（2）収縮側と誘電体側（非収縮側）の熱膨張率の違いのために、湾曲したウエハー（素子）が得られる。このような湾曲形状のため、電界ゼロの下で、収縮側には内的な引張り力が生じ、誘電体側には圧縮力が生ずる。本発明の方法の結果、セラミック素子の電気的作動面（誘電体面）は圧縮状態になる。このように圧縮することにより、信頼性、つまり耐荷重性および長寿命の観点から最も望ましい状態になる。このセラミック素子のように内部に非対称に応力があらかじめ与えられることにより、セラミック素子の機械的強度および平面外の変位量を増大することができる。このことは、本発明のセラミック素子の機械的な耐過荷重性が上昇することにつながり、これにより過荷重があってもセラミックウエハーは、破壊されずに、単に載置された平面に密着するように変形するだけである。しかも、電極まで一部として備える完全に一体のセラミック素子が製造される。このセラミック素子の収縮側は、機械的な基板として、かつ電気的な導電性ベース電極として機能する。したがって、金属製の別個の電極は、ただウエハーの誘電体側にだけ設ければよい。あるいは、金属製の電極を収縮層またはその周縁部に設け、高速処理の下で良好な電気的接触を確実にするようにしてもよい。なお、二つの電極へ導電線を取付ければ、この装置は作動準備状態となる。本発明の圧電つまり電歪セラミック装置は、圧電特性すなわち電歪特性に加えて、たとえばパイロ電気特性、強誘電特性および電気光学特性を含めた種々の実用的特性を有する。その結果、本発明の電気的に作動するセラミック装置は、広く様々な用途に使用され得る。たとえば、円形のウエハーを使用する場合にあっては、本発明の方法では、ドーム状のセラミックウエハー（素子）が得られる。これらのドーム状の素子を二つ一緒に組み合わせて二枚貝の殻状構造体に仕上げることも可能である。そして、各シェルの内面の周縁部に接着剤を使用することも可能であるが、これは必ず必要というわけではない。これらの二つの素子は、連ねて作動させることにより、一つの素子の二倍の変位を引き起こすことが可能である。また、他の実施の形態として、各ドーム状のウエハーに、反対の温度特性を持たせて、組み合わせて二枚貝の殻状構造体としたときに、装置全体として不感熱性装置とすることも可能である。この実施形態は、温度的に安定な装置をもたらすものである。また、さらに他の実施の形態として、不感熱性であるか否かに拘らず、その二枚貝の殻状構造体を互いに積層し、小さい体積で大きな直線的変位を起こす伸縮器や原動器を形成することもできる。さらに本発明の他の実施の形態として、本発明によるドーム状のウエハーを互いに積層し、この積層の際に各ウエハーを同方向に向ける（たとえば、各ウエハーの収縮面をすべて下方に向ける）ようにようにし、それらの間に剛的なシートを挟み込んでもよい。さらにドーム状のウエハーを追加して、追加した各ウエハーの間に、剛的なシートを挟んで、アコーディオン状の構造体を形成するようにしてもよい。二枚貝の殻状の構造体において、対になった二つのウエハーに、反対の温度／歪特性を持たせ、これにより不感熱性装置を形成するようにしてもよい。この実施の形態は、小さい体積でありながら、大きな直線的変位を起こす伸縮器や原動器として使用することができる。本発明の電気的に作動するセラミック装置は、一体的であらかじめ応力が与えられた湾曲形状構造をしており、大きな歪みを引き起こし、適度な荷重に耐えることが可能である。また、このセラミック装置は、数１００パーセントまでの歪みを起こすことができ（これは最も良好なバイモルフ装置の起こす歪みより大きい）、少なくとも１０ポンドの荷重に耐えることができる（これは最も良好なバイモルフ装置の耐える荷重より大きい）。さらに、本発明は、このような電気的に作動するセラミック装置を製造する簡易でコスト的にも有利な方法を提供する。さらに、本発明の装置は、表面に他の電気部品を取付可能であり、部品個数を削減し、接着不要で、非常に適応性に富み、多機能であり、様々な機器に使用され得る。図１は、本発明により素子に製造する前のセラミックウエハーを上方から見た斜視図である。図２ないし図４は、本発明により素子に製造する前のセラミックウエハーの他の例を上方から見た斜視図である。図５は、本発明の電気的に作動するセラミック素子を一酸化炭素による収縮を利用して製造するための構造を示す断面図である。図６は、本発明の方法により製造した後の図５の構造を示す断面図である。図７は、本発明に係る二枚のＰＬＺＴ製の電気的に作動するセラミック素子の収縮層の抵抗特性を示すグラフである。図８は、誘電体側の面に電極を配置した本発明の電気的に作動するセラミック素子を上方から見た斜視図である。図９は、さらに収縮層の周囲に電極を配置した図８の電気的に作動するセラミック素子を下方から見た斜視図である。図１１は、本発明の電気的に作動するセラミック素子をアクチュエータとして用いる状態を示す断面図である。図１２は、本発明により製造した複数の電気的に作動するセラミック素子の圧力特性および歪み特性を示すグラフである。図１３および図１４は、本発明による電気的に作動するセラミック素子の他の実施形態を上方から見た斜視図である。図１５は、従来のアクチュエータと本発明の電気的に作動するセラミック素子の発生し得る歪みおよび耐え得る圧力を比較して示す図である。図１６は、一対の本発明の電気的に作動する素子を単一の二枚貝の殻状構造体として使用する状態を示す断面図である。図１７は、組み合わせて単一の不感熱性素子として使用される二つのセラミック素子の温度／歪み特性を示すグラフである。図１８は、多数対の本発明のセラミック素子を単一のユニットとして使用する実施形態を示す断面図である。図１９および図２０は、多数対の本発明のセラミック素子を単一のユニットとして使用する実施形態を示す断面図である。図１には、本発明により素子に製造する前のセラミックウエハー１０が示されている。セラミックウエハー１０は、圧電すなわち電歪材料から形成された平面的な円形のウエハーであり、それぞれ第１の主面１２および第２の主面１４を有する。同図に示すセラミックウエハー１０は、円形であるが、図２ないし図４に示す矩形のセラミックウエハー１６、正方形のセラミックウエハー１８、不規則つまり妙な形状のセラミックウエハー１９のようなその他のあらゆる形状にすることも可能である。本発明に係る方法の第１の過程は、圧電すなわち電歪性のあるセラミックウエハー１０を熱間プレスや雰囲気中の焼結のような周知の方法により形成することである。これらの方法は、本発明の属する技術分野において周知であり、その詳細は、本発明者Haertlingの「Piezoelectric and Electrooptic Ceramics，Cera mic Materials for Electron Process Prop．and Appl.」（1986年）の第169頁ないし第174頁に記載されている。たとえば、化学的共沈および熱間プレスによりセラミックウエハー１０を形成するには、まず高純度の液状有機金属（テトラブチルジルコン酸塩およびテトラブチルチタン酸塩）を高速混合器であらかじめＰｂＯと混合し、その後ランタン酢酸塩の水溶性溶解物を混合中に加えることにより沈降させる。そして、これによって得られたスラリーを約８０℃で乾燥させることによって仕上げる。続いて必要な過程としては、（1）粉体のか焼、（2）均質性を高めるための粉体の湿式粉砕、（3）バインダーなしでの乾燥、（4）粉体の冷間プレス、（5）酸素中での熱間プレス、（6）形状仕上げおよび切削がある。ＰＬＺＴウエハーを形成するための通常の雰囲気加熱（酸化物混合）による焼結としては、（1）酸化物（Ｌａ₂Ｏ₃，ＺｒＯ₂，ＴｉＯ₂，ＰｂＯ）の正確な計量、（2）液体媒体への混合、（3）仕上げのための乾燥、（4）粉体のか焼、（5 ）液体媒体中での粉砕、（6）バインダーと共に乾燥、（7）特定形状への冷間プレス、（8）高温焼結、（9）形状仕上げがある。セラミックウエハー１０の適当な材料としては、鉛含有量の大きい圧電すなわち電歪材料、たとえばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ジルコン酸鉛ランタン（ＰＬＺＴ）、チタン酸ジルコン酸スズ酸鉛（ＰＳＺＴ）、チタン酸ジルコン酸鉛バリウム（ＰＢＺＴ）およびニオブ酸鉛マグネシウム（ＰＭＮ）がある。この方法の次の過程としては、セラミックウエハー１０中の鉛酸化物を減少させる収縮用媒体を含む収縮用雰囲気中で、セラミックウエハー１０の一つの面だけを化学的に収縮させ、（鉛の）導電／金属体にする過程がある。適当な収縮用媒体としては、収縮すべき面から酸素原子を除去するグラファイト（炭素）、一酸化炭素、水素またはその他適当な収縮用媒体がある。この過程では、セラミックウエハー１０の一面だけを収縮用雰囲気中におき、反対の面は収縮用雰囲気にさらさない。図示例として、図５は一酸化炭素による収縮を利用して、本発明の電気的に作動するセラミック素子を形成する構造体２０を示す。同図において、セラミックウエハー１０は、炭素製のブロック２２とマスキングブロック２４との間に配置されている。マスキングブロック２４としては、ジルコニアまたはマグネシア製のブロックが使用され得る。セラミックウエハー１０の第１の主面１２および第２の主面１４の一方または両方は、前記ブロック２２，２４の間に配置される前に、磨いておいてもよい。炭素製のブロック２２は、第１の主面１２を収縮するのに用いられ、マスキングブロック２４は、その間第２の主面１４が収縮するのを防止するのに用いられる。なお、もし第１の主面１２だけを収縮用雰囲気中にさらすのであれば、マスキングブロック２４は必ずしも必要ではない。次に、この構造体２０は、炉内に載置されて加熱される。構造体２０は、５分から２４時間、６００℃ないし１２００℃の温度の下に加熱される。一般的にいって、この温度が低いほど、長い収縮時間が必要とされる。図示例において、５．５／５６／４４のＰＬＺＴウエハーは、この構造体２０を９７５℃で６０分加熱することにより形成される（符号５．５／５６／４４は、本発明が属する技術分野でよく知られた表示法であり、ＰＬＺＴウエハー形成後の重量に対する形成前の材料の比率に相当する。すなわち、ランタン／ジルコン酸鉛／チタン酸鉛をパーセントで表している）。なお、当業者には、この方法が、形成前の材料の比率が異なる場合にも適用することができ、その直径や厚さが異なっていてもよいことが理解できるだろう。この方法は、０．５から５００ミルの厚さ、約０．０５から１０，０００ミルの直径のウエハーに対して適用することが可能である。次に図６には、本発明の方法により形成され、冷却過程を経て、湾曲したほぼ鞍状、またはほぼドーム状のウエハー２６が示されている。このウエハー２６は、誘電体層２７と化学的収縮層２８とを有する（ここで、誘電体層２７は収縮せずに、セラミックウエハー１０の圧電つまり電歪材料がそのまま残留した層である）。なお、この方法では湾曲した形状が得られるが、鞍状かドーム状かは、平面状態の時のセラミックウエハー１０の厚さと直径の比率により異なる。収縮過程の間に、化学的収縮層２８から酸素原子が除去されることにより、化学的収縮層２８は、内部に均一に分散した金属鉛から構成されるようになり、これによりウエハー２６に一体の化学的収縮層２８が形成される。温度一定の下では、セラミックウエハー１０が熱処理される時間が長ければ長いほど、化学的収縮層２８の厚さは大きくなる。たとえば、９７５℃の収縮温度においては、６０分で化学的収縮層２８は約６ミルの厚さになり、１２５分で１２ミルの厚さになる。なお、収縮過程の結果、化学的収縮層２８上に薄い酸化物層が形成されるが、この薄い層は、サンドペーパー等で軽くこするだけで、容易に除去される前記のドーム状に形成されるのは、（1）化学的収縮層２８が非収縮層（誘電体層２７）に比較して体積的に収縮すること、（2）化学的収縮層２８（高い熱膨張率を有する）と、誘電体層２７（低い熱膨張率を有する）の熱膨張率の違いに起因するものである。本発明の方法による結果として、ウエハー２６の誘電体層２７（圧電作動側）が圧縮状態になり、信頼性、つまり耐荷重性および長寿命の観点から最も望ましい状態になる。一方、化学的収縮層２８は引張り状態にある。この結果、この方法では、内部に非対称に応力があらかじめ与えられたウエハー２６が得られ、ウエハー２６の機械的強度および平面より上方に向かう軸線方向における変位量を増大することができる。つまり、本発明による方法では、収縮し内部が偏向した酸化物ウエハー（Reduced And Internally Biased Oxide ：ＲＡＩＮＢＯＷ）が得られる。ＲＡＩＮＢＯＷ素子は、一体的になされ内部に非対称に応力が偏向的にあらかじめ与えられ、一部に電極（化学的収縮層２８）を有する電気的に作動するセラミック素子である。さらに、ＲＡＩＮＢＯＷ素子は、バイポーラ素子である。前述の構造体２０においては、炭素製のブロック２２によって、下記の化学反応式に従い、ガスが減少しながら、一酸化炭素が発生する。２Ｃ＋Ｏ₂ → ２ＣＯ２ＣＯ＋Ｏ₂ → ２ＣＯ₂ また、第１の主面１２の鉛酸化物は、次の化学反応式に従い減少する。ＣＯ＋ＰｂＯ → Ｐｂ＋ＣＯ₂ この収縮過程では、圧電つまり電歪材料からなるセラミックウエハー１０の結晶格子から酸素原子を除去しながら、超過電子を発生させ、これにより、化学的収縮層２８が導電性を高められると共に、沈降していた金属鉛が均一に化学的収縮層２８全体にわたって分散する。次に、図７には、二枚のＰＺＬＴ製のウエハーの抵抗特性が示されている。この二枚のＰＬＺＴウエハーは、共に本発明により収縮されたウエハーである。ＰＬＺＴの５／５６／４４サンプルにあっては、９７５℃で６０分間熱処理を行い、その結果、得られた抵抗は７５．３Ω、抵抗率は３．８３×１０^-4Ω・ｃｍであった。また、ＰＬＺＴの９／６５／３５サンプルにあっては、１０００℃で１８０分間熱処理を行い、その結果、得られた抵抗は３Ω、抵抗率は３．７５×１０^-4Ω・ｃｍであった。通常、本発明によれば、収縮した金属層（化学的収縮層）２８の抵抗を１Ω・ｃｍないし１×１０^-3Ω・ｃｍの範囲にすることができる。このような低い抵抗は、化学的収縮層２８が良好な電気的導電性を有し、電極として使用し得ることを示す。化学的収縮層２８は、機械的な基板として、かつ導電性を有するベース電極として使用し得る。そのため、図８に示すように、金属製電極３０は、ウエハー２６の誘電体層２７の側にのみ蒸着または取付けすればよい。金属製電極３０を設けるのは、スクリーン印刷、スプレー、塗布または真空蒸着などの適当な方法による。あるいは、図９に示すように、金属製電極３２を化学的収縮層２８の周縁部にのみ設けることも可能である。また、図１０に示すように、金属製電極３３を化学的収縮層２８の面全体にわたって設け、高速処理での良好な電気的接続を確実にすることも可能である。圧電トランスデューサとして応用する場合、化学的収縮層２８は、応力を偏向的に与える基板となる機能があるだけでなく、電極の一方として機能し、これにより従来のトランスデューサの使用時に頻繁に生じる接触不良という問題を解決できる。次に、図１１は、本発明による圧電素子４０の最も通常と考えられる使用態様を示す。圧電素子４０は、誘電体層２７および化学的収縮層２８の各外面にそれぞれ蒸着等により設けた金属製電極３０，３２を有する。各金属製電極３０，３２は、ワイヤ導電線により、端子４２，４４に接続されており、これにより圧電素子４０には電気的な接続手段が与えられている。そして、電圧源４６が圧電素子４０に電圧を与えるために使用される。ある直流電圧が、端子４２，４４に与えられた時には、ウエハー２６はほぼ平面状になる。逆に、その直流電圧が取り除かれた時には、ウエハー２６は図１１に示す湾曲形状に戻ることになる。したがって、本発明によるセラミック素子では、面４５で示す平面外の軸線方向の変位が発生する。この機能により、圧電素子４０をたとえばアクチュエータ、伸縮器、センサ、スピーカ、マイクロフォン等に使用することができる。また、図示例において、電圧源４６が、端子４２，４４を通じて交流電圧またはパルス状の直流電圧を供給する場合にあっては、ラジオやマイクロフォンのように、圧電素子４０は、その周波数に等しい周波数で振動する。したがって、もし誘電体層２７にラウドスピーカのコアのような荷重が与えられたときは、交互に伝達される電気的信号（交流電圧またはパルス状電圧）が、機械的な振動に変換され、この振動がラウドスピーカのコアを動かし、音を発生させる。本発明の電気的に作動するセラミック素子は、大きな歪みを発生し、かつ適度な荷重に耐えることができる。また、通常の場合、電圧を上昇させれば、歪みの増大が起きる。本発明のセラミック素子は、±１Ｖ／ミルから±２００Ｖ／ミルの電界範囲で、約０．１ないし１００ミルの変位を引き起こす。たとえば、図１１の素子を９／６５／３５のＰＬＺＴによって、厚さ１０ミルに製造した場合においては、±５Ｖ／ミルの電界により、１０％の歪み（１ミルの変位）をもたらし、±２５Ｖ／ミルの電界により、５００％の歪み（５０ミルの変位）をもたらす。さらに図１２は、本発明により形成したウエハーの厚さに対する、発生し得る歪み（％）および最大使用圧力（ポンド／スクエアインチ：ｐｓｉ）の関係を示す。ウエハーは、５．５／５６／４４のＰＬＺＴで直径１．２５インチに形成した。ウエハーは、９７５℃で６０分間熱処理し、前記のＲＡＩＮＢＯＷ素子にした。図１２に示すように、１０ミルの厚さのウエハーは、５００％の歪み（１０ミルの厚さに対し５０ミルの変位）まで引き起こすことが可能である。この歪みを引き起こすときの電界は、±４５Ｖ／ミルである。また、図１２に示すように、このセラミック素子は、ウエハー２６の厚さと直径との比率により、ドームモード（好適）、鞍状モード、またはその混合モードで動作する。パルス状電圧を与える間、ドームモードにおいては、ウエハー２６はウエハー２６の全ての半径方向において等しく収縮・膨張を起こす。このドームモードが好ましいが、このセラミック素子は、鞍状モードまたは混合モードでも良好な動作を行う。鞍状モード（一軸に沿ってのみ膨張するモード）においては、電圧を与えると、ウエハー２６は、その一つの主軸方向にのみ沿って膨張・収縮を起こし、全ての半径方向に変位するのではない。混合モード領域は、ドームモードと鞍状モードの中間のいずれかの状態である。ここまでは、円形のセラミックウエハー１０のみについて説明してきたが、本発明の方法は、他のあらゆる形状、たとえば図２ないし図４に示す矩形、正方形および妙な形状の矩形のセラミックウエハー１６，１８，１９に適用することが可能である。最初のウエハーが矩形または正方形の場合には、本発明の方法では、図１３または図１４に示すような湾曲した矩形または正方形のセラミック素子４８，５０が得られる。セラミック素子４８，５０の断面は、図６に示すようなウエハー２６の断面と同一である。少なくとも一つの電極を誘電体（非収縮）層２７に設けることにより、セラミック素子４８，５０は曲がり器として使用される。なお、前記のウエハー２６の化学的収縮層、電極を設けること、歪み／荷重特性等に関する説明は、図１３および図１４に示すセラミック素子４８，５０にもそのまま当てはまる。本発明の電気的に作動するセラミック素子は、一体的であらかじめ応力が与えられた構造をなし、これにより大きな変位を発生すると共に、適度な荷重に耐えることができる。本発明の素子における内部の非対称な圧縮歪みは、平面より上方に向かう軸線方向の変位をもたらし、機械的な強度を増大させる。平面より上方に向けて変位することにより、本発明の素子は、従来の平面内で運動する素子に比較して、より便利で適応性に富んだものとなる（たとえば、素子を音響発生板や伸縮器に接着することにより、スピーカを容易に形成しうる）。もし、本発明の湾曲したドーム状または鞍状の素子の上にそれが耐え得る荷重よりも大きな荷重が与えられたときは、この素子は水平になって、作動不能になる。しかし、この過荷重が取り除かれれば、素子は、その湾曲したドーム状または鞍状に戻って、それから再度所望のように作動する。これにより、機械的な過荷重に対して本来備った安全性を発揮する。これに対して、従来のバイモルフ装置は、過荷重により潰れて壊れてしまい、交換しなければならなくなる。次に、図１５は、セラミックアクチュエータ素子の性質を比較して示す。同図に示すように、直接作動式エクステンショナル装置および直接作動式フレックステンショナル装置は、大きな荷重に耐えることができるが、これらは大きな歪みを発生させない。逆に、バイモルフ装置は、大きな歪みを発生するが、かなり小さい荷重にしか耐えられない。しかし、本発明によるＲＡＩＮＢＯＷ素子は、バイモルフの場合よりも大きな数１００パーセントまでの歪みを発生し、最良のバイモルフ装置の場合よりも大きい少なくとも１０ポンドの荷重に耐えることができる。したがって、本発明は、極めて大きな軸方向歪みに耐えることができ、適度な荷重にも耐えて作動し、機械的な過荷重に対する防御もすることができ、製造が容易で、コスト的に有利である、一体的なあらかじめ応力が与えられた電気的に作動するセラミック素子を提供する。本発明の電気的に作動する圧電すなわち電歪素子は、多くの便利な特性、たとえば圧電特性、電歪特性、パイロ電気特性、強誘電特性、電気光学特性を発揮する。さらに、本発明の装置は、他の部品を表面に接続することが可能であり、かつ部品数の削減が可能であり、接着の必要性がなく、非常に適応性に富み、多機能である。したがって、このセラミック装置は、アクチュエータ、リレー、伸縮器、揺動器、スピーカ、加速度メータ、センサ（応力／圧力センサ、パイロ電気作用センサ、光学センサ）、パイロ電気検出器、スイッチ、超音波クリーナ、超音波ドリル、フィルタ、ファン、薄膜装置、音響器、マイクロフォン、水中スピーカ、水中聴音器、適応光学、焦点可変の集束鏡や集束レンズ、移動装置、発振器、パルス／エコー装置、ロボット工学操縦器、歪みゲージ、サドルインチワーム、プリンタハンマーなどに広く応用され得る。セラミックウエハー１０が使用される場合には、この方法では、前記の通り、ほぼドーム状のウエハー２６が形成される。個々のウエハー２６は、二枚貝の殻状構造体のほぼ半分となり、ウエハー２６を二枚組み合わせると、図１６に示す二枚貝の殻状装置５２ができ上がる。この二枚貝の殻状装置５２は、第１のセラミック素子５４および第２のセラミック素子５６を備え、これらの素子５４，５６はそれぞれ第１の金属製電極３０および第２の金属製電極３２を有する。各装置における内側の二つの金属製電極３２は、剛的な導電性シート（たとえば金属製シート）５８に接触させられている。この剛的な導電製シート５８は、負の端子６０に接続することができる。（なお、金属製電極３２を設けるのは任意であり、化学的収縮層２８自体を電極として用いることもできる。）導電製シート５８は、第１のセラミック素子５４と第２のセラミック素子５６との間に、緩く挟まれるようにしてもよいし、第１のセラミック素子５４および第２のセラミック素子５６に接着してもよい。二つの外側の金属製電極３０は、互いにワイヤ６２で接続され、ベース６４を通じて接地端子６６にも接続される。第１のセラミック素子５４、第２のセラミック素子５６および導電製シート５８の間には、特別な接続手段や接着剤は必要なく、これらは互いに積層されているだけである。この装置の動作においては、上方にある第１のセラミック素子５４は軸線方向に平面より上方に向かう変位を起こす一方、下方にある第２のセラミック素子５６は平面より下方に向かう変位を起こす。この場合において、二枚のＲＡＩＮＢＯＷ素子５４，５６は、連なって作動させられ、全体として二倍の変位を引き起こす。他の実施形態として、剛的なつまり可撓性の乏しい導電製シート５８を設けるのを省略し、第１のセラミック素子５４および第２のセラミック素子５６を単に積層することも可能である。この実施形態では、二つの内部の金属製電極３２が互いに直接接触し、金属製電極３２の一方（または化学的収縮層２８の一方）に、負の端子６０が接続される。前記の実施形態のいずれかにおいて（つまり、導電製シート５８の有無のいずれかの場合において）、第１のセラミック素子５４および第２のセラミック素子５６を、エポキシにより互いに接着することも可能であり、あるいはエポキシによりセラミック素子５４，５６をその周縁部同士の間に挟んだ導電製シート５８に接着することも可能である。これにより、電気的な接触状態の維持が確実になる。他の実施形態として、図１６に示す各セラミック素子５４，５６に互いに反対の温度特性を持たせることも可能であり、これにより二枚貝の殻状装置５２は不感熱性装置となる。図１７には、本発明の二枚のセラミック装置の温度／歪み特性を示す。具体例では、第１のセラミック素子５４を８．６／６５／３５のＰＬＺＴで形成し、図１７に曲線Ａで示すように温度が上昇するとともに、歪みが減少するようにした。また、第２のセラミック素子５６を７／６５／３５のＰＬＺＴで形成し、それとは逆の温度／歪み特性に、すなわち図１７に曲線Ｂで示すように温度が上昇すると、歪みも増大するようにした。二枚のセラミック素子５４，５６を結合して一つの二枚貝の殻状装置５２とした結果、装置５２全体の温度／歪み特性としては、図１７に曲線Ｃで示すような不感熱性になる。すなわち、二枚貝の殻状装置５２の歪み特性は、温度にほとんど影響されない。したがって、本発明のこの実施形態は、前記の全ての効果に加えて、温度的に安定するという効果がある。さらに他の実施形態として、図１８に示すように、二枚貝の殻状装置５２を配列することもできる。図１８の図示例では、三つの二枚貝の殻状装置５２を互いに積層し、小さい体積で大きな直線的変位を起こす伸縮器すなわち原動器６８を形成する。なお、原動器６８は、二つ以上の二枚貝の殻状装置５２を備えればよい。各二枚貝の殻状装置５２の外側の金属製電極３０は、ワイヤ７０，７２，７４により互いに接続されている。また、金属製電極３０は、ベース７６および正の端子７８に接続されている。また三つの二枚貝の殻状装置５２の内側の金属製電極３２は、ワイヤ８０，８２，８４により互いに接続されている。これらのワイヤ８０，８２，８４は、全て負の端子８６に接続されている。さらに、他の実施形態として、二枚貝の殻状装置５２同士の間を、剛的な導電姓シート８７により区切ってもよい。そして、この場合、二枚貝の殻状装置５２の外側の金属製電極３０は、剛的な導電性シート８７およびワイヤ８８，９０，９２によって互いに電気的に接続されている。なお、この実施形態では、ワイヤ７０，７２，７４は必要ない。図１６に示す二枚貝の殻状構造体における任意の金属製電極３２、任意の剛的導電性シート５８および接着に関する前記の説明は、図１８に示す各二枚貝の殻状装置５２にも同様に当てはめることができる。さらに、図１８に示す二枚貝の殻状装置５２も、前記と同様に不感熱性装置にして、不感熱性な伸縮器または電動機を設けることもできる。さらに本発明の他の実施形態としては、二つ以上のウエハー（素子）２６を互いに積層し、図１９に示すアコーディオン状の装置９４を形成することもできる。この装置９４は、たとえば伸縮器、電動機、またはアクチュエータとして使用できる。図示例として、装置９４は、第１の素子９６、第２の素子９８、第３の素子１００）第４の素子１０２を有しており、これらはそれぞれ第１の金属製電極３０および金属製電極３２を有する。（なお、金属製電極３２を設けるのは任意であり、化学的収縮層２８を第１の素子９６、第２の素子９８、第３の素子１００、第４の素子１０２の第２の電極として使用することもできる。図１９に示すように、セラミック素子９６，９８，１００，１０２は、各素子の第１の主面１２が、隣接する素子の第２の主面１４に対向するようにして、互いに積層されている。四つのセラミック素子同士の間は、剛的な導電性シート１０４により区切られている。本発明のセラミック素子は、バイポーラ素子であり、装置９４を作動させる電気的接続構成は、図１９に示されている。素子９８，１０２の第１の金属製電極３０と、素子９６，１００の第２の金属製電極３２は、全てワイヤ１０８，１１０および二枚の導電性シート１０４により端子１０６に接続されている。端子１０６は、負の端子である。素子９８，１０２の金属製電極３２と、素子９６，１００の金属製電極３０は、ワイヤ１１４，１１６，１１８、金属ベース１２０、および導電性シート１０４のうちの二枚により端子１１２に接続されている。端子１１２は、正の端子である。図２０は、本発明のアコーディオン状の装置の他の実施形態を示す。この装置もまた、伸縮器、電動機、またはアクチュエータとして使用できる。装置１２２においては、四つのセラミック素子９６，９８，１００，１０２が剛的なシート１２４により区切られている。剛的なシート１２４は、導電性部１２６と絶縁性部１２８とを有する。各素子の外側の金属製電極３０は、ワイヤ１３０，１３２，１３４により互いに接続されている。そして、金属製電極３０は、正の端子１３６に接続されている。四つの素子９６，９８，１００，１０２の内側の金属製電極３２は、ワイヤ１３８，１４０，１４２，１４４、剛的なシート１２４の導電性部１２６および金属ベース１４６により互いに接続されている。これらのワイヤ１３８，１４０，１４２，１４４、剛的なシート１２４の導電性部１２６および金属ベース１４６は、全て負の端子１４８に接続されている。前記の各アコーディオン状の装置９４，１２２においては、剛的なシート１０４，１２４は各素子９６，９８，１００，１０２の間に緩く挟むようにしてもよい。あるいは、剛的なシート１０４，１２４の各面に接着手段（たとえばエポキシ）を設けることにより、これらを接着するようにしてもよい。各装置９４，１２２の図示例としては、素子の各対（９６，９８）と（１００，１０２）を前記のように不感熱性装置にし、不感熱性な装置９４，１２２を形成してもよい。なお、不感熱性装置にするためには、装置９４，１２２はｎ個の対の装置で構成されているとよいことが理解できるであろう。ここで、ｎは自然数１，２．．．である。以上、本発明を具体的に図示して、その好適な実施形態を示して説明したが、添付した請求の範囲に記載の限定による本発明の範囲において、形状上または細部において、前記のような変更だけでなく、他の変更が可能であることが、当業者には理解できるであろう。

Claims

【特許請求の範囲】１．内部に非対称に応力が偏向的にあらかじめ与えられたセラミック素子の製造方法であって、（ａ）互いに反対方向を向く第１の面と第２の面とを有するセラミックウエハーを形成する過程と、（ｂ）前記第１の面だけを収縮用媒体にさらして、前記第１の面だけを化学的に収縮させる過程と、を備えたことを特徴とする方法。２．前記化学的収縮過程は、前記セラミックウエハーを導電体になるように化学的に収縮させて湾曲させ、前記第１の面をセラミック材料から導電体になるようにすると共に引張り力を受けた状態にし、前記第２の面が圧縮力を受けた状態にすることを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。３．前記化学的収縮過程は、前記セラミックウエハーを加熱することを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。４．前記化学的収縮過程は、前記セラミックウエハーを５分から２４時間、６００℃ないし１２００℃の温度の下にさらすことを含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。５．前記収縮用雰囲気は、炭素、一酸化炭素および水素のいずれかから選択した収縮用媒体を含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。６．前記化学的収縮過程は、前記第１の面が炭素製のブロックに接触するように、前記セラミックウエハーをそのブロック上に載置する過程と、この構造を加熱する過程を備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。７．前記第２の面が非収縮雰囲気中にさらされることを特徴とする請求項６に記載の方法。８．前記第２の面上にマスキングブロックを接触させながら、前記セラミックウエハーを前記炭素製のブロックと前記マスキングブロックとの間に挟む過程と、この挟んだ構造を加熱する過程とを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。９．前記マスキングブロックは、ジルコニアおよびマグネシアから選択した材料により構成されることを特徴とする請求項８に記載の方法。１０．前記セラミックウエハーの前記第２の面に第１の電極を形成する過程を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。１１．前記セラミックウエハーの前記第１の面の周縁部に第２の電極を形成する過程を有することを特徴とする請求項１０に記載の方法。１２．前記セラミックウエハーの前記第１の面全体にわたって第２の電極を形成する過程を有することを特徴とする請求項１０に記載の方法。１３．前記第１および第２の電極に直流、パルス、または一定周波数の交流電圧を与え、与えたパルスの周波数に応じて前記セラミックウエハーを変位させる過程を有することを特徴とする請求項１１に記載の方法。１４．前記セラミック素子をアクチュエータ、伸縮器、センサおよびスピーカから選択した装置として使用する過程を有することを特徴とする請求項１３に記載の方法。１５．前記セラミックウエハーが、０．５から５００ミルの厚さ、０．０５から１０，０００ミルの直径を有することを特徴とする請求項１３に記載の方法。１６．前記電圧は、±１Ｖ／ミルから±２００Ｖ／ミルの電界を形成し、前記変位が０．１ミルから１００ミルであることを特徴とする請求項１５に記載の方法。１７．前記セラミックウエハーは、熱間プレスまたは雰囲気中の焼結で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の方法。１８．前記セラミックウエハーは、円形、矩形、正方形、または妙な形状から選択した形状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の方法。１９．前記セラミックウエハーは、円形ウエハーであり、前記化学的収縮過程により、前記セラミックウエハーをほぼドーム状のセラミック素子にすることを特徴とする請求項１に記載の方法。２０．前記セラミックウエハーは、円形ウエハーであり、前記化学的収縮過程により、前記セラミックウエハーをほぼ鞍状のセラミック素子にすることを特徴とする請求項１に記載の方法。２１．前記セラミックウエハーは、ＰＺＴ、ＰＬＺＴ、ＰＳＺＴ、ＰＭＮおよびＰＢＺＴから選択した材料からなることを特徴とする請求項１に記載の方法。２２．内部に非対称に応力が偏向的にあらかじめ与えられたセラミック素子であって、湾曲したセラミックウエハーを備え、このセラミックウエハーが互いに反対方向を向く第１の面と第２の面とを有しており、前記第１の面がそのセラミック材料から導電体になるように収縮した層とされると共に、引張り力を受けた状態にあり、前記第２の面が圧縮力を受けた状態にあることを特徴とするセラミック素子。２３．前記セラミックウエハーの前記第２の面に形成された第１の電極を備えたことを特徴とする請求項２２に記載のセラミック素子。２４．前記セラミックウエハーの前記第１の面の周縁部に形成された第２の電極を備えたことを特徴とする請求項２３に記載のセラミック素子。２５．前記セラミックウエハーの前記第１の面の全体に配置された第２の電極を備えたことを特徴とする請求項２３に記載のセラミック素子。２６．前記第１および第２の電極に直流、パルス、または一定周波数の交流電圧を与え、前記セラミックウエハーを変位させる手段を備えたことを特徴とする請求項２４に記載のセラミック素子。２７．前記セラミック素子を伸縮器、アクチュエータ、センサ、スピーカおよびマイクロフォンから選択した装置として使用する過程を有することを特徴とする請求項２６に記載のセラミック素子。２８．前記セラミックウエハーが、０．５から５００ミルの厚さ、０．０５から１０，０００ミルの直径を有することを特徴とする請求項２６に記載のセラミック素子。２９．前記電圧は、±１Ｖ／ミルから±２００Ｖ／ミルの電界を形成し、前記電界を与えられている間に、０．１ミルから１００ミル変位することを特徴とする請求項２８に記載のセラミック素子。３０．前記セラミックウエハーは円形であり、ほぼドーム形状を有することを特徴とする請求項２２に記載のセラミック素子。３１．前記セラミックウエハーは、円形であり、ほぼ鞍状であることを特徴とする請求項２２に記載のセラミック素子。３２．前記セラミックウエハーは、円形、矩形、正方形および妙な形状から選択した形状に形成されていることを特徴とする請求項２２に記載のセラミック素子。３３．前記セラミックウエハーは、ＰＺＴ、ＰＬＺＴ、ＰＳＺＴ、ＰＭＮおよびＰＢＺＴから選択した材料からなることを特徴とする請求項２２に記載のセラミック素子。３４．内部に非対称に応力が偏向的にあらかじめ与えられたセラミック素子であって、湾曲したセラミックウエハーを備え、このセラミックウエハーが互いに反対方向を向く第１の面と第２の面とを有しており、前記第１の面がそのセラミック材料から導電体になるように収縮した層とされると共に、引張り力を受けた状態にあり、前記第２の面が圧縮力を受けた状態にあるセラミック素子の使用方法であって、前記セラミック素子に直流、パルス、または一定周波数の交流電圧を与え、与えたパルスの周波数に応じて前記セラミック素子を変位させる過程を有することを特徴とする方法。３５．前記前記セラミック素子に直流、パルス、または一定周波数の交流電圧を与える過程が、前記第１の面に形成された第１の電極、および前記第２の面に形成された第２の電極に電圧を与えることを有することを特徴とする請求項３４に記載の方法。３６．前記セラミックウエハーが、０．５から５００ミルの厚さ、０．０５から１０，０００ミルの直径を有することを特徴とする請求項３４に記載の方法。３７．前記電圧は、±１Ｖ／ミルから±２００Ｖ／ミルの電界を形成し、前記電界を与えられている間に、０．１ミルから１００ミル変位することを特徴とする請求項３６に記載の方法。３８．前記セラミック素子を伸縮器、アクチュエータ、センサ、スピーカおよびマイクロフォンから選択した装置として使用することを特徴とする請求項３４に記載の方法。３９．内部に非対称に応力が偏向的にあらかじめ与えられた第１のセラミック素子と、内部に非対称に応力が偏向的にあらかじめ与えられた第２のセラミック素子とを有する少なくとも一つの二枚貝の殻状構造体を備え、各セラミック素子が、湾曲したセラミックウエハーを備え、このセラミックウエハーが互いに反対方向を向く第１の面と第２の面とを有しており、前記第１の面がそのセラミック材料から導電体になるように収縮した層とされると共に引張り力を受けた状態にあり、前記第２の面が圧縮力を受けた状態にあり、前記第１のセラミック素子の前記収縮した層の少なくとも一部が、前記第２のセラミック素子の前記収縮した層の少なくとも一部と接触するように、前記第１のセラミック素子が前記第２のセラミック素子上に配置されていることを特徴とするセラミック装置。４０．前記各セラミック素子は、圧電素子、電歪素子、パイロ電気素子、および強誘電素子から選択した素子であることを特徴とする請求項３９に記載のセラミック装置。４１．前記各セラミック素子は、前記第１の面の周縁部に配置された第１の電極を備えることを特徴とする請求項３９に記載のセラミック装置。４２．前記各セラミック素子は、前記第１の面の全体に配置された第１の電極を備えることを特徴とする請求項３９に記載のセラミック装置。４３．前記各セラミック素子は、前記第２の面に配置された第２の電極を備えることを特徴とする請求項４１に記載のセラミック装置。４４．前記各セラミック素子は、円形ドーム状であり、前記第１のセラミック素子の前記第１の電極の周縁部が、前記第２のセラミック素子の前記第２の電極の周縁部に接触していることを特徴とする請求項４３に記載のセラミック装置。４５．前記第１のセラミック素子の前記第１の電極の少なくとも一部が、前記第２のセラミック素子の前記第１の電極の少なくとも一部に接触するように、前記第１のセラミック素子と第２のセラミック素子との間に、剛的な導電性シートを挟んだことを特徴とする請求項４３に記載のセラミック装置。４６．前記第１のセラミック素子と第２のセラミック素子の前記第１の電極に接続され、第１の端子となる第１の金属製接接続子と、前記第１のセラミック素子と第２のセラミック素子の前記第２の電極に接続され、第２の端子となる第２の金属製接接続子とを有することを特徴とする請求項４３に記載のセラミック装置。４７．前記セラミック装置を変位させるため、前記第１の端子と第２の端子の間に、パルス電圧を与える手段を有することを特徴とする請求項４６に記載のセラミック装置。４８．積層された二つ以上の前記二枚貝の殻状構造体と、各セラミック素子の前記第１の電極に接続された第１の端子と、各セラミック素子の前記第２の電極に接続された第２の端子とを有することを特徴とする請求項４３に記載のセラミック装置。４９．前記の対になった二枚貝の殻状構造体の間のそれぞれに、剛的な導電性シートを挟むと共に、最も上になった二枚貝の殻状構造体の上方に剛的な導電性シートを配置したことを特徴とする請求項４８に記載のセラミック装置。５０．前記の対になった二枚貝の殻状構造体の間のそれぞれに、各二枚貝の殻状構造体を隣接する他方の二枚貝の殻状構造体に接着する接着手段を設けたことを特徴とする請求項４８に記載のセラミック装置。５１．前記各セラミック素子の第１の表面の周縁部に接着手段を設け、前記第１および第２のセラミック素子を接着したことを特徴とする請求項３９に記載のセラミック装置。５２．前記第１のセラミック素子は、温度の上昇に伴って減少する歪みを有しており、前記第２のセラミック素子は、温度の上昇に伴って増大する歪みを有しており、これにより全体として温度変化による歪みへの影響がほとんどない不感熱性セラミック装置とされたことを特徴とする請求項３９に記載のセラミック装置。５３．内部に非対称に応力が偏向的にあらかじめ与えられ、積層された少なくとも二つのセラミック素子を備え、各セラミック素子が、湾曲したセラミックウエハーを備え、このセラミックウエハーが互いに反対方向を向く第１の面と第２の面とを有しており、前記第１の面が、セラミック材料から導電体になるように収縮した層とされると共に引張り力を受けた状態にあり、前記第２の面が、圧縮力を受けた状態にあり、前記の各セラミック素子の前記第１の面が隣接するセラミック素子の前記第２の面に対向するように、前記セラミック素子が配置されたことを特徴とするセラミック装置。５４．前記各セラミック素子は、圧電素子、電歪素子、パイロ電気素子、および強誘電素子から選択した素子であることを特徴とする請求項５３に記載のセラミック装置。５５．前記各セラミック素子は、前記第１の面の周縁部に配置された第１の電極を備えることを特徴とする請求項５３に記載のセラミック装置。５６．前記各セラミック素子は、前記第１の面の全体に配置された第１の電極を備えることを特徴とする請求項５３に記載のセラミック装置。５７．前記各セラミック素子は、前記第２の面に配置された第２の電極を備えることを特徴とする請求項５５に記載のセラミック装置。５８．前記各セラミック素子は、ほぼドーム状であることを特徴とする請求項５７に記載のセラミック装置。５９．前記各セラミック素子の間に、互いに反対方向を向く第１の面と第２の面とを有する剛的なシートが配置され、選択したセラミック素子の前記第１の電極の少なくとも一部が、前記剛的なシートの前記第１の面に接触し、隣接するセラミック素子の前記第２の電極が前記剛的なシートの前記第２の面に接触していることを特徴とする請求項５７に記載のセラミック装置。６０．前記剛的なシートは、剛的な導電性シートであることを特徴とする請求項５９に記載のセラミック装置。６１．前記第１のセラミック素子の前記第１の電極と、前記第２のセラミック素子の前記第２の電極とが、負の端子に接続されていることを特徴とする請求項６０に記載のセラミック装置。６２．前記第２のセラミック素子の前記第１の電極と、前記第１のセラミック素子の前記第２の電極とが、正の端子に接続されていることを特徴とする請求項６１に記載のセラミック装置。６３．前記剛的なシートの第１の面は導電性を有し、前記第２の面は電気的絶縁性を有することを特徴とする請求項５９に記載のセラミック装置。６４．前記第１および第２のセラミック素子の前記第１の電極が、正の端子に接続されていることを特徴とする請求項６３に記載のセラミック装置。６５．前記第１および第２のセラミック素子の前記第２の電極が、負の端子に接続されていることを特徴とする請求項６４に記載のセラミック装置。６６．前記剛的なシートの前記第１の面および第２の面に接着手段を設け、前記各セラミック素子をこれに接触する前記剛的なシートに接着したことを特徴とする請求項５９に記載のセラミック装置。６７．少なくとも一対の第１および第２のセラミック素子を備え、各対の第１のセラミック素子は、温度の上昇に伴って減少する歪みを有しており、第２のセラミック素子は、温度の上昇に伴って増大する歪みを有しており、これにより全体として温度変化による歪みへの影響がほとんどない不感熱性セラミック装置とされたことを特徴とする請求項５３に記載のセラミック装置。