JP4015909B2 - 圧電／電歪デバイス - Google Patents
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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、前記一対の薄板部の先端部分に可動部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】
【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、相対向する一対の矩形体状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／電歪素子が形成された圧電／電歪デバイスであって、前記可動部は、前記固定部に対向する端面からそれに対向する先端面にかけて階段状に高さが変化するように段差が形成されていることを特徴とする。
【０００７】
これにより、薄板部と可動部との境界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。
【０００８】
前記段差の高さは、薄板部の厚みをｄとしたとき、該厚みｄ以下がよく、好ましくはｄ／２以下である。具体的には２〜１００μｍの範囲がよく、好ましくは５〜７０μｍの範囲である。
【０００９】
前記段差の前記可動部の前記端面から前記先端面に向かう長さは、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。
【００１０】
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、相対向する一対の矩形体状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／電歪素子が形成された圧電／電歪デバイスであって、前記可動部と前記薄板部との境界部分が湾曲形成されていることを特徴とする。
【００１１】
これにより、薄板部と可動部との境界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。
【００１２】
前記湾曲形成された境界部分の曲率半径が５μｍ以上であるとよく、好ましくは１０μｍ以上、更に好ましくは２０μｍ以上である。
【００１３】
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、相対向する一対の矩形体状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／電歪素子が形成された圧電／電歪デバイスであって、前記可動部と薄板部との境界部分の角度が鈍角に形成されていることを特徴とする。
【００１４】
これにより、薄板部と可動部との境界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。
【００１７】
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、相対向する一対の矩形体状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／電歪素子が形成された圧電／電歪デバイスであって、前記薄板部の外側面のうち、前記可動部と前記薄板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。
【００１８】
これにより、薄板部と可動部との境界部分での強度が大きくなり、耐衝撃性を高めることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る圧電／電歪デバイスの実施の形態例を図１〜図５を参照しながら説明する。
【００２１】
この実施の形態に係る圧電／電歪デバイス１０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。
【００２２】
そして、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。
【００２３】
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にて機能部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。
【００２４】
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２０ａ及び２０ｂとして機能することになる。以下、一対の薄板部１２ａ及び１２ｂの先端部分において互いに内方に突出する前記肉厚部分（突起部としての形状を含む）を可動部２０ａ及び２０ｂと記す。
【００２５】
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。従って、端面３４ａ及び３４ｂを取付面３４ａ及び３４ｂとも記す。
【００２６】
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。
【００２７】
このようなセラミックスの一体化物は、各部の接合部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。
【００２８】
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。
【００２９】
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２４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。
【００３０】
本実施の形態では、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ている。即ち、一方の電極２４と他方の電極２６とを櫛歯状の断面となるようにそれぞれ互い違いに積層し、これら一方の電極２４と他方の電極２６が圧電／電歪層２２を間に挟んで重なりあった結果、多段構成とされた圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂとした多層構造となっている。しかし、このような多層構造に限らず単層構造であってもよい。
【００３１】
次に、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。
【００３２】
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。
【００３３】
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を駆動するための接続端子２８及び３０その他の部材が配置される場合もある。
【００３４】
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、剛性を有する限りにおいて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。
【００３５】
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。
【００３６】
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、表面に配設された圧電／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。
【００３７】
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２２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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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、歪み履歴の小さい圧電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。
【００４４】
具体的な圧電材料としては、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の単独、又はこれらの適宜の混合物等を挙げることができる。
【００４５】
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、マグネシウムニオブ酸鉛を主成分とする材料、又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。
【００４６】
更に、前記圧電材料に、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。
【００４７】
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。
【００４８】
なお、シリカ等のガラス化し易い材料の添加は、圧電／電歪体に対して２重量％以下とすることが望ましい。２重量％以上添加すると、シリカ等の焼結助剤となる材料は、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。一方、適量のシリカの添加は、圧電／電歪体の焼結性を改善する効果がある。
【００４９】
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。
【００５０】
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電極は、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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
また、薄板部１２ａ及び１２ｂ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、真空蒸着法、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。
【００５４】
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、配設することができ、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。
【００５５】
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。
【００５６】
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行うことができるため、製造工程の簡略化に有利である。
【００５７】
そして、第１の実施の形態に係る圧電／電歪デバイス１０Ａは、図１及び図２に示すように、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て、各取付面３４ａ及び３４ｂに段差２１０が設けられている。また、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）２１２が形成され、更に、切込み２１２の内壁のうち、薄板部１２ａ及び１２ｂ側の内壁に段差２１４が設けられている。なお、可動部の取付面３４ａ及び３４ｂは、該圧電／電歪デバイス１０Ａの使用目的に応じて部品を取り付ける部分である。
【００５８】
このような構成により、薄板部１２ａ及び１２ｂと可動部２０ａ及び２０ｂとの境界部分並びに薄板部１２ａ及び１２ｂと固定部１４との境界部分での応力を分散させることで、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。
【００５９】
そして、段差２１０及び２１４の数としてはそれぞれ１以上が好ましい。また、図２において、段差２１０及び２１４の高さＨは薄板部１２ａ及び１２ｂの厚みｄ以下がよく、好ましくはｄ／２以下である。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。
【００６０】
また、図２において、段差２１０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。長さＬが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。
【００６１】
上述のような段差２１０及び２１４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積層体を焼成してセラミック基体１６を作製する、あるい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。
【００６２】
次に、第２の実施の形態に係る圧電／電歪デバイス１０Ｂは、図３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と薄板部１２ａ及び１２ｂとの境界部分２１６が湾曲形成されている点と、固定部１４と薄板部１２ａ及び１２ｂ間に設けられた切込み（切欠き）２１２のうち、該切込み２１２の薄板部１２ａ及び１２ｂ側の内壁と切込み２１２の底部との境界部分２１８が湾曲形成されている点で異なる。
【００６３】
この構成により、薄板部１２ａ及び１２ｂと可動部２０ａ及び２０ｂとの境界部分２１６並びに薄板部１２ａ及び１２ｂと固定部１４との境界部分２１８で応力を分散することができ、耐衝撃性を高めることができる。
【００６４】
そして、湾曲部分（境界部分２１６及び２１８）の曲率半径Ｒは５μｍ以上であるとよく、好ましくは１０μｍ以上、更に好ましくは２０μｍ以上である。
【００６５】
上述のような湾曲部分２１６及び２１８を有する圧電／電歪デバイス１０Ｂを作製するには、ペーストの塗布を利用する。即ち、グリーンシートを積層した状態で角部（後に湾曲部分２１６及び２１８となる部分）にセラミック材料のペーストを塗布あるいはディップすることで、該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、上述の湾曲部分２１６及び２１８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を作製し、焼成することにより、図３に示すように、湾曲部分２１６及び２１８を有するセラミック基体１６を得ることができる。
【００６６】
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、湾曲部分２１６及び２１８とすべき部分に樹脂やガラスあるいは金属のペースト等を注入して、角部を湾曲形成するようにしてもよい。
【００６７】
次に、第３の実施の形態に係る圧電／電歪デバイス１０Ｃは、図４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と薄板部１２ａ及び１２ｂとの境界部分２１６の角度θが鈍角に形成されている点と、固定部１４と薄板部１２ａ及び１２ｂ間に設けられた切込み（切欠き）２１２のうち、該切込み２１２の薄板部１２ａ及び１２ｂ側の内壁と切込み２１２の底部との境界部分２１８の角度が鈍角に形成されている点で異なる。
【００６８】
そして、前記境界部分２１６及び２１８の角度は９０°よりも大であるとよく、好ましくは１３５°以上である。
【００６９】
この構成により、第１の実施の形態と同様に、薄板部１２ａ及び１２ｂと可動部２０ａ及び２０ｂとの境界部分２１６並びに薄板部１２ａ及び１２ｂと固定部１４との境界部分２１８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。
【００７０】
この第３の実施の形態に係る圧電／電歪デバイス１０Ｃを作製するには、薄板部１２ａ及び１２ｂとなるグリーンシートにペーストをパターン印刷し、該印刷されたペーストによるパターンの端部がテーパ状になることを利用する。
【００７１】
つまり、前記パターンのテーパ部分が前記境界部分２１６及び２１８となるように、グリーンシートを積層してセラミックグリーン積層体とし、焼成してセラミック基体１６を作製する。これにより、セラミック基体１６における前記境界部分２１６及び２１８の角度が鈍角として形成されることとなる。
【００７２】
前記角度の制御は、ペーストの粘性や印刷条件で調整するか、長さの異なる複数のグリーンシートを重ねることで実現させることができる。また、ペーストは、セラミック基体１６の材料と同じ材質のセラミック材料でもよいし、他のセラミック材料や高融点金属あるいはサーメットでもよい。
【００７３】
また、図４に示すように、この第３の実施の形態に係る圧電／電歪デバイス１０Ｃにおいては、可動部２０ａ及び２０ｂの先端面２２２が薄板部１２ａ及び１２ｂの先端面２２４よりも固定部１４寄りに位置している。そのため、部品を取付面３４ａ及び３４ｂ間に挟むように取り付ける際に、前記可動部２０ａ及び２０ｂは、取り付けに使用する接着剤の量（厚み）と位置（接着面積）を規定するための機能を果たすこととなる。また、薄板部１２ａ及び１２ｂと部品との間に介在して該部品を接着する接着剤の部分も可動部として作用することになり、該接着剤と部品との境界面も可動部の取付面として機能することになる。
【００７４】
次に、第４の実施の形態に係る圧電／電歪デバイス１０Ｄ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、薄板部１２ａ及び１２ｂのうち、可動部２０ａ及び２０ｂと薄板部１２ａ及び１２ｂとの境界部分２１６の厚みが厚くなっている点で異なる。
【００７５】
前記境界部分２１６の厚みを厚くする手法としては、薄板部１２ａ及び１２ｂの側面のうち、前記境界部分２１６に対応する箇所に補強材２２０を形成することが好ましく採用される。具体的には、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２２０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の所定位置に補強材２２０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。
【００７６】
補強材２２０は、セラミック基体１６と同じセラミック材料でもよいが、他のセラミック材料、金属やガラスあるいは樹脂でもよい。
【００７７】
上述した圧電／電歪デバイス１０Ａ〜１０Ｄ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。
【００７８】
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。
【００７９】
【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、耐衝撃性を高めることができる。
【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４】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５】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。
【符号の説明】
１０Ａ〜１０Ｄ…圧電／電歪デバイス
１２ａ、１２ｂ…薄板部 １４…固定部
１６…セラミック基体 １８ａ、１８ｂ…圧電／電歪素子
２０ａ、２０ｂ…可動部 ２２…圧電／電歪層
２４…一方の電極 ２６…他方の電極
２１０、２１４…段差 ２１６、２１８…境界部分
２２０…補強材 ２２２、２２４…先端面
【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、前記一対の薄板部の先端部分に可動部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】
【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、相対向する一対の矩形体状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／電歪素子が形成された圧電／電歪デバイスであって、前記可動部は、前記固定部に対向する端面からそれに対向する先端面にかけて階段状に高さが変化するように段差が形成されていることを特徴とする。
【０００７】
これにより、薄板部と可動部との境界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。
【０００８】
前記段差の高さは、薄板部の厚みをｄとしたとき、該厚みｄ以下がよく、好ましくはｄ／２以下である。具体的には２〜１００μｍの範囲がよく、好ましくは５〜７０μｍの範囲である。
【０００９】
前記段差の前記可動部の前記端面から前記先端面に向かう長さは、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。
【００１０】
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、相対向する一対の矩形体状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／電歪素子が形成された圧電／電歪デバイスであって、前記可動部と前記薄板部との境界部分が湾曲形成されていることを特徴とする。
【００１１】
これにより、薄板部と可動部との境界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。
【００１２】
前記湾曲形成された境界部分の曲率半径が５μｍ以上であるとよく、好ましくは１０μｍ以上、更に好ましくは２０μｍ以上である。
【００１３】
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、相対向する一対の矩形体状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／電歪素子が形成された圧電／電歪デバイスであって、前記可動部と薄板部との境界部分の角度が鈍角に形成されていることを特徴とする。
【００１４】
これにより、薄板部と可動部との境界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。
【００１７】
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、相対向する一対の矩形体状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／電歪素子が形成された圧電／電歪デバイスであって、前記薄板部の外側面のうち、前記可動部と前記薄板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。
【００１８】
これにより、薄板部と可動部との境界部分での強度が大きくなり、耐衝撃性を高めることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る圧電／電歪デバイスの実施の形態例を図１〜図５を参照しながら説明する。
【００２１】
この実施の形態に係る圧電／電歪デバイス１０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。
【００２２】
そして、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。
【００２３】
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にて機能部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。
【００２４】
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２０ａ及び２０ｂとして機能することになる。以下、一対の薄板部１２ａ及び１２ｂの先端部分において互いに内方に突出する前記肉厚部分（突起部としての形状を含む）を可動部２０ａ及び２０ｂと記す。
【００２５】
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。従って、端面３４ａ及び３４ｂを取付面３４ａ及び３４ｂとも記す。
【００２６】
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。
【００２７】
このようなセラミックスの一体化物は、各部の接合部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。
【００２８】
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。
【００２９】
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２４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。
【００３０】
本実施の形態では、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ている。即ち、一方の電極２４と他方の電極２６とを櫛歯状の断面となるようにそれぞれ互い違いに積層し、これら一方の電極２４と他方の電極２６が圧電／電歪層２２を間に挟んで重なりあった結果、多段構成とされた圧電／電歪素子１８ａ及び１８ｂとした多層構造となっている。しかし、このような多層構造に限らず単層構造であってもよい。
【００３１】
次に、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。
【００３２】
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。
【００３３】
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を駆動するための接続端子２８及び３０その他の部材が配置される場合もある。
【００３４】
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、剛性を有する限りにおいて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。
【００３５】
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。
【００３６】
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、表面に配設された圧電／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。
【００３７】
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２２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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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、歪み履歴の小さい圧電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。
【００４４】
具体的な圧電材料としては、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の単独、又はこれらの適宜の混合物等を挙げることができる。
【００４５】
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、マグネシウムニオブ酸鉛を主成分とする材料、又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。
【００４６】
更に、前記圧電材料に、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。
【００４７】
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。
【００４８】
なお、シリカ等のガラス化し易い材料の添加は、圧電／電歪体に対して２重量％以下とすることが望ましい。２重量％以上添加すると、シリカ等の焼結助剤となる材料は、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。一方、適量のシリカの添加は、圧電／電歪体の焼結性を改善する効果がある。
【００４９】
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。
【００５０】
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電極は、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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
また、薄板部１２ａ及び１２ｂ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、真空蒸着法、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。
【００５４】
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、配設することができ、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。
【００５５】
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。
【００５６】
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行うことができるため、製造工程の簡略化に有利である。
【００５７】
そして、第１の実施の形態に係る圧電／電歪デバイス１０Ａは、図１及び図２に示すように、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て、各取付面３４ａ及び３４ｂに段差２１０が設けられている。また、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）２１２が形成され、更に、切込み２１２の内壁のうち、薄板部１２ａ及び１２ｂ側の内壁に段差２１４が設けられている。なお、可動部の取付面３４ａ及び３４ｂは、該圧電／電歪デバイス１０Ａの使用目的に応じて部品を取り付ける部分である。
【００５８】
このような構成により、薄板部１２ａ及び１２ｂと可動部２０ａ及び２０ｂとの境界部分並びに薄板部１２ａ及び１２ｂと固定部１４との境界部分での応力を分散させることで、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。
【００５９】
そして、段差２１０及び２１４の数としてはそれぞれ１以上が好ましい。また、図２において、段差２１０及び２１４の高さＨは薄板部１２ａ及び１２ｂの厚みｄ以下がよく、好ましくはｄ／２以下である。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。
【００６０】
また、図２において、段差２１０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。長さＬが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。
【００６１】
上述のような段差２１０及び２１４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積層体を焼成してセラミック基体１６を作製する、あるい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。
【００６２】
次に、第２の実施の形態に係る圧電／電歪デバイス１０Ｂは、図３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と薄板部１２ａ及び１２ｂとの境界部分２１６が湾曲形成されている点と、固定部１４と薄板部１２ａ及び１２ｂ間に設けられた切込み（切欠き）２１２のうち、該切込み２１２の薄板部１２ａ及び１２ｂ側の内壁と切込み２１２の底部との境界部分２１８が湾曲形成されている点で異なる。
【００６３】
この構成により、薄板部１２ａ及び１２ｂと可動部２０ａ及び２０ｂとの境界部分２１６並びに薄板部１２ａ及び１２ｂと固定部１４との境界部分２１８で応力を分散することができ、耐衝撃性を高めることができる。
【００６４】
そして、湾曲部分（境界部分２１６及び２１８）の曲率半径Ｒは５μｍ以上であるとよく、好ましくは１０μｍ以上、更に好ましくは２０μｍ以上である。
【００６５】
上述のような湾曲部分２１６及び２１８を有する圧電／電歪デバイス１０Ｂを作製するには、ペーストの塗布を利用する。即ち、グリーンシートを積層した状態で角部（後に湾曲部分２１６及び２１８となる部分）にセラミック材料のペーストを塗布あるいはディップすることで、該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、上述の湾曲部分２１６及び２１８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を作製し、焼成することにより、図３に示すように、湾曲部分２１６及び２１８を有するセラミック基体１６を得ることができる。
【００６６】
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、湾曲部分２１６及び２１８とすべき部分に樹脂やガラスあるいは金属のペースト等を注入して、角部を湾曲形成するようにしてもよい。
【００６７】
次に、第３の実施の形態に係る圧電／電歪デバイス１０Ｃは、図４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と薄板部１２ａ及び１２ｂとの境界部分２１６の角度θが鈍角に形成されている点と、固定部１４と薄板部１２ａ及び１２ｂ間に設けられた切込み（切欠き）２１２のうち、該切込み２１２の薄板部１２ａ及び１２ｂ側の内壁と切込み２１２の底部との境界部分２１８の角度が鈍角に形成されている点で異なる。
【００６８】
そして、前記境界部分２１６及び２１８の角度は９０°よりも大であるとよく、好ましくは１３５°以上である。
【００６９】
この構成により、第１の実施の形態と同様に、薄板部１２ａ及び１２ｂと可動部２０ａ及び２０ｂとの境界部分２１６並びに薄板部１２ａ及び１２ｂと固定部１４との境界部分２１８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。
【００７０】
この第３の実施の形態に係る圧電／電歪デバイス１０Ｃを作製するには、薄板部１２ａ及び１２ｂとなるグリーンシートにペーストをパターン印刷し、該印刷されたペーストによるパターンの端部がテーパ状になることを利用する。
【００７１】
つまり、前記パターンのテーパ部分が前記境界部分２１６及び２１８となるように、グリーンシートを積層してセラミックグリーン積層体とし、焼成してセラミック基体１６を作製する。これにより、セラミック基体１６における前記境界部分２１６及び２１８の角度が鈍角として形成されることとなる。
【００７２】
前記角度の制御は、ペーストの粘性や印刷条件で調整するか、長さの異なる複数のグリーンシートを重ねることで実現させることができる。また、ペーストは、セラミック基体１６の材料と同じ材質のセラミック材料でもよいし、他のセラミック材料や高融点金属あるいはサーメットでもよい。
【００７３】
また、図４に示すように、この第３の実施の形態に係る圧電／電歪デバイス１０Ｃにおいては、可動部２０ａ及び２０ｂの先端面２２２が薄板部１２ａ及び１２ｂの先端面２２４よりも固定部１４寄りに位置している。そのため、部品を取付面３４ａ及び３４ｂ間に挟むように取り付ける際に、前記可動部２０ａ及び２０ｂは、取り付けに使用する接着剤の量（厚み）と位置（接着面積）を規定するための機能を果たすこととなる。また、薄板部１２ａ及び１２ｂと部品との間に介在して該部品を接着する接着剤の部分も可動部として作用することになり、該接着剤と部品との境界面も可動部の取付面として機能することになる。
【００７４】
次に、第４の実施の形態に係る圧電／電歪デバイス１０Ｄ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、薄板部１２ａ及び１２ｂのうち、可動部２０ａ及び２０ｂと薄板部１２ａ及び１２ｂとの境界部分２１６の厚みが厚くなっている点で異なる。
【００７５】
前記境界部分２１６の厚みを厚くする手法としては、薄板部１２ａ及び１２ｂの側面のうち、前記境界部分２１６に対応する箇所に補強材２２０を形成することが好ましく採用される。具体的には、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２２０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の所定位置に補強材２２０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。
【００７６】
補強材２２０は、セラミック基体１６と同じセラミック材料でもよいが、他のセラミック材料、金属やガラスあるいは樹脂でもよい。
【００７７】
上述した圧電／電歪デバイス１０Ａ〜１０Ｄ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。
【００７８】
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。
【００７９】
【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、耐衝撃性を高めることができる。
【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４】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５】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。
【符号の説明】
１０Ａ〜１０Ｄ…圧電／電歪デバイス
１２ａ、１２ｂ…薄板部 １４…固定部
１６…セラミック基体 １８ａ、１８ｂ…圧電／電歪素子
２０ａ、２０ｂ…可動部 ２２…圧電／電歪層
２４…一方の電極 ２６…他方の電極
２１０、２１４…段差 ２１６、２１８…境界部分
２２０…補強材 ２２２、２２４…先端面
Claims (10)
- 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、相対向する一対の矩形体状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／電歪素子が形成された圧電／電歪デバイスであって、
前記可動部は、前記固定部に対向する端面からそれに対向する先端面にかけて階段状に高さが変化するように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記載の圧電／電歪デバイスにおいて、
前記段差の高さは、薄板部の厚み以下であることを特徴とする圧電／電歪デバイス。 - 請求項２記載の圧電／電歪デバイスにおいて、
前記段差の高さは、薄板部の厚みをｄとしたとき、ｄ／２以下であることを特徴とする圧電／電歪デバイス。 - 請求項２記載の圧電／電歪デバイスにおいて、
前記段差の高さは、２〜１００μｍであることを特徴とする圧電／電歪デバイス。 - 請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧電／電歪デバイスにおいて、
前記段差の前記可動部の前記端面から前記先端面に向かう長さは、薄板部の厚みをｄとしたとき、ｄ／２以上であることを特徴とする圧電／電歪デバイス。 - 請求項５記載の圧電／電歪デバイスにおいて、
前記段差の前記長さは、２μｍ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、相対向する一対の矩形体状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／電歪素子が形成された圧電／電歪デバイスであって、
前記可動部と前記薄板部との境界部分が湾曲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７記載の圧電／電歪デバイスにおいて、
前記湾曲形成された境界部分の曲率半径が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、相対向する一対の矩形体状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／電歪素子が形成された圧電／電歪デバイスであって、
前記可動部と薄板部との境界部分の角度が鈍角に形成されてい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、相対向する一対の矩形体状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／電歪素子が形成された圧電／電歪デバイスであって、
前記薄板部の外側面のうち、前記可動部と前記薄板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。
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