JP4007767B2

JP4007767B2 - 圧電／電歪デバイスおよびその製造方法

Info

Publication number: JP4007767B2
Application number: JP2001076314A
Authority: JP
Inventors: 幸司池田; 和義柴田
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2001-01-18
Filing date: 2001-03-16
Publication date: 2007-11-14
Anticipated expiration: 2021-03-16
Also published as: US20040216289A1; US6798119B2; EP1225644A2; DE60225362T2; US20020093271A1; JP2002289936A; US7024739B2; EP1225644A3; EP1225644B1; DE60225362D1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電／電歪デバイス、および、当該圧電／電歪デバイスの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電／電歪デバイスの一形式として、ヨーロッパ特許（ＥＰ１０１７１１６Ａ２）明細書に開示されているように、左右一対の可動部およびこれら両可動部を一端側にて互いに連結する固定部を有する基体と、同基体の前記両可動部の少なくとも一方の側面に配設してなる圧電／電歪素子を具備する形式の圧電／電歪デバイスや、左右一対の可動部、これら両可動部を一端部側にて互いに連結する固定部、および、これら両可動部を他端部側にて互いに連結する取付部を有する基体と、同基体の前記両可動部の少なくとも一方の側面に配設してなる圧電／電歪素子を具備する形式の圧電／電歪デバイスがある。
【０００３】
当該形式の圧電／電歪デバイスは、圧電／電歪素子の変位動作に起因する可動部の作動機能、または、被検出側から入力される可動部の変位を圧電／電歪素子により検出する検出機能を有するもので、これらの機能を有効に利用して、下記のごとき広い用途に使用されている。
【０００４】
すなわち、当該形式の圧電／電歪デバイスは、各種トランスデューサ、各種アクチュエータ、周波数領域機能品（フィルタ）、トランス、通信用、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、超音波センサ、加速度センサ、角速度センサ、衝撃センサ、質量センサ等の各種センサ素子、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等に使用される。
【０００５】
ところで、当該形式の圧電／電歪デバイスは、一般には、デバイス原盤を適宜の大きさに切断して形成されるもので、デバイス原盤は、基体原盤の表裏両面に圧電／電歪素子を接着剤を介して接着して構成され、または、これらを一体に形成して構成されている。なお、基体原盤は、複数枚のシートを積層し焼成して構成されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このように、当該形式の圧電／電歪デバイスは、その構成部品の部品点数が多くて、コストが高いとともに組立作業が面倒であり、かつ、各構成部品同士を接着剤を介して接着していることから、各構成部品同士の接着にバラツキが生じて、デバイス特性に影響を及ぼすおそれがある。
【０００７】
また、当該形式の圧電／電歪デバイスを形成するには、デバイス原盤を適宜に切断して多数取りする手段が採られることから、切断して形成された圧電／電歪デバイスは、切断時に発生する塵埃や切削液、さらには、切断時にデバイス原盤を保持するために使われる接着剤やワックス等の有機成分により汚染されていて、圧電／電歪デバイスの洗浄が容易ではない。
【０００８】
また、基体をセラミックスで構成する場合は、セラミックスが割れ易いため、ジルコニア等の硬い材質のセラミックスを採用する必要があり、硬い材料のセラミックスを採用した場合でも、欠損やクラックが発生しないように適切な切断条件を選定する必要がある。また、基体が硬い材料のセラミックスであることから加工し難く、加工処理数を増やすためには、異なる機能の多くの加工装置を使用する等の配慮をする必要がある。
【０００９】
基体を金属材料で構成することも可能であるが、金属材料は切削加工中に摩擦熱で端面が酸化したり、加工端面にバリが残留するため、これらを除去する別工程を追加しなければならない。また、圧電／電歪素子の検査は、デバイス原盤を切断した後でなければできない。
【００１０】
また、デバイス原盤から切り出したデバイスの洗浄には、汚れが容易に除去し得る超音波洗浄を採用することが好ましいが、超音波洗浄において洗浄効果を挙げるべく強い超音波を使用すると、デバイスにダメージを与えることがあり、圧電／電歪素子が基体から剥離したり破損することもある。このため、超音波洗浄を採用する場合には、デバイスにダメージを与えない弱い超音波を選定する必要があるが、このような洗浄条件を採用する場合には、切断時に付着する汚れを除去するには長時間を要することになる。
【００１１】
圧電／電歪デバイスからの発塵は、例えば、ハードディスクドライブの磁気ヘッドのアクチュエータに圧電／電歪デバイスを使用する場合にドライブの中で発塵すると、その塵が浮上スライダーとメディアのクラッシュの原因となり、データを破壊するおそれがある。また、圧電／電歪デバイス自身に対しても、その塵が圧電／電歪素子の電極に付着してショートを引起こすおそれがある。このため、ハードディスクドライブに対しては勿論のこと、デバイス自身にも高い清浄化度が要求される。
【００１２】
従って、本発明の目的は、当該形式の圧電／電歪デバイスを構成する基体を、１枚の平板を原板とする一体構造とすることにより、上記した各問題を解消することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、圧電／電歪デバイス、および、圧電／電歪デバイスの製造方法に関するもので、本発明に係る圧電／電歪デバイスは、下記に示す形式の圧電／電歪デバイスである。
【００１４】
すなわち、本発明に係る圧電／電歪デバイスは、内側面を互いに対向して前後方向に延びる左右一対の可動部および前記両可動部の後端部と連結し前記後端部から前方に延びる平板状の固定部を有する基体と、前記基体の前記両可動部の外側面に配設した一対の圧電／電歪素子を具備し、制御または検査の対象とする部品を前記基体を構成する前記両可動部の前端側の互いに対向する内側面の間に配置する使用形態を採る圧電／電歪デバイスである。
【００１５】
しかして、本発明に係る圧電／電歪デバイスにおいては、前記基体は１枚の平板を打抜いて形成された平板状の打抜構造体の所定の部位を屈曲して形成されていて、前記各可動部は前記固定部の左右の各側縁部から所定高さ起立して互いに対向して、前記固定部の前記各側縁部に沿って前記固定部の前端部を越えて延出していることを特徴とするものである。
【００１６】
本発明に係る圧電／電歪デバイスにおいては、前記基体を構成する前記固定部の左右の側縁部と前記各可動部の根元部間には、前記固定部の前端側から後端側に延びる側方溝部が介在する構成とすることができる。
【００１７】
また、本発明に係る圧電／電歪デバイスにおいて、前記基体は、可撓性で屈曲加工の可能な金属製の平板にて構成するようにすることができる。
【００１８】
また、本発明に係る圧電／電歪デバイスの製造方法は、上記した本発明に係る圧電／電歪デバイスを製造する方法であって、当該圧電／電歪デバイスの製造方法は下記に示すものである。
【００１９】
本発明に係る圧電／電歪デバイスの製造方法は、内側面を互いに対向して前後方向に延びる左右一対の可動部および前記両可動部の後端部と連結し前記後端部から前方に延びる平板状の固定部を有する基体と、前記基体の前記両可動部の外側面に配設した一対の圧電／電歪素子を具備し、制御または検査の対象とする部品を前記基体を構成する前記両可動部の前端側の互いに対向する内側面の間に配置する使用形態を採る圧電／電歪デバイスを製造する方法であり、前記基体の形成材料として可撓性で屈曲加工の可能な平板を採用し、前記平板を、前記基体が平面状に展開された形状に打抜き加工して打抜構造体を形成し、前記打抜構造体の所定の部位を屈曲して、前記固定部と、前記固定部の左右の各側縁部から所定高さ起立する前記各可動部を一体に有する基体を形成することを特徴とするものである。
【００２０】
当該製造方法においては、前記打抜構造体を、方形の平板の左右の側部に側縁部に沿って延びる一対の直線状の側方溝部と前記両溝部間の部位を切欠いた開口部からなる門形形状の開口部を有する形状として、前記平板の各側縁部を前記側方溝部に沿って屈曲加工することにより、前記各側縁部を前記各可動部に形成するとともに、前記各側方溝部間の部位を前記固定部に形成するようにすることができる。
【００２１】
また、当該製造方法においては、前記打抜構造体の開口部を、前記平板の打抜き加工と同時に打抜きして形成し、または、前記平板の打抜き加工後の穴開け加工にて形成するようにすることができる。
【００２２】
【発明の作用・効果】
本発明に係る圧電／電歪デバイスは、作動原理上、固定部が可撓性を有する左右一対の可動部に緊密に連結されていることが必要とされるなかで、これらが一体成形されている構成であって、作動原理上の最も好ましい形態を具現化している。
【００２３】
例えば、上記した２つまたは３つの要部を金属製として溶着した場合においては、溶着の熱による歪み、材質劣化、焼き鈍し等の熱処理工程での問題を考慮しなければならない。これに対して、本発明に係る圧電／電歪デバイスを構成するの基体のごとく一体成形によるものは、これが金属製であっても、これらの懸念は全くなく、また、一体成形時の加工硬化による連結部の強度の向上も期待することができる。
【００２４】
本発明に係る圧電／電歪デバイスにおいては、部品（例えばハードディスクドライブの磁気ヘッド）と組合わせた場合、部品の高さとデバイスの高さの和が組立後の高さにはならずにこれより低くなるため、コンパクトな構成とし得る利点がある。デバイスの高さでは、可動部の板の厚み分と接着剤の厚み分が部品の高さに加わるが、冒頭で記述した公知のデバイスに比較して組立後の高さを低くできて、省スペース化の効果がある。また、部品を固定部上に接着するのみで簡単に組立ができ、かつ、接着面積を広くとることができるため、接着強度をより強固にし得て、衝撃によっても脱落し難い構造とすることができる利点がある。
【００２５】
本発明に係る圧電／電歪デバイスにおいては、その構造上、固定部の被接着部品に対する接着部位に、接着剤が入る窪みをプレスにて形成することが容易であり、これにより、接着強度を増加させたり接着剤のはみ出しを抑制することができる。また、部品組立の際に用いる位置決め用の基準位置（穴等）を形成することも容易である。このため、後工程で固定部をサスペンションのジンバルに取付ける際の組立精度を上げて、歩留まりを一層向上させることができる。デバイスを組立てる前に圧電／電歪素子を予め検査して組立てることで、組立後のデバイスの特性不良を大幅に低減することができる。
【００２６】
本発明に係る圧電／電歪デバイスにおいては、当該圧電／電歪デバイスを構成する基体は平板を原板とする一体構造のもので、原則的に１個の構成部品で構成されていることから、構成部品は基体と圧電／電歪素子の２種類となり、圧電／電歪デバイスの構成部品を大幅に低減できるとともに、構成部品の組付工数を低減できて、コストを大幅に軽減することができる。
【００２７】
また、本発明に係る圧電／電歪デバイスにおいては、構成部品の部品点数が極めて少なくて、各構成部品同士の接着部位も極めて少ないことから、各構成部品同士の接着のバラツキが皆無またはほとんどなくて、設定された精度の高いデバイス特性を有するものである。
【００２８】
また、本発明に係る圧電／電歪デバイスにおいては、その形成にあっては、デバイス原盤を多数の部位にて切断する手段を採ることがなく、デバイス原盤の切断時に発生する塵埃やその他の汚染物による汚染がない。このため、圧電／電歪デバイスを組立てる際に、予め、基体および圧電／電歪素子を洗浄しておけば、形成された圧電／電歪デバイスでは汚染が皆無またはほとんど無くて、圧電／電歪デバイスの洗浄を省略することができ、または、簡単に済ますことができる利点がある。
【００２９】
本発明に係る圧電／電歪デバイスにおいては、本発明に係る製造方法を実施することにより、容易かつ廉価に製造することができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
本発明に係る圧電／電歪デバイスは、内側面を互いに対向して前後方向に延びる左右一対の可動部および前記両可動部の後端部と連結し前記後端部から前方に延びる平板状の固定部を有する基体と、前記基体の前記両可動部の外側面に配設した一対の圧電／電歪素子を具備し、制御または検査の対象とする部品を前記基体を構成する前記両可動部の前端側の互いに対向する内側面の間に配置する使用形態を採る圧電／電歪デバイスである。図１に示す圧電／電歪デバイスは、本発明に係る第１圧電／電歪デバイス１０ａであり、図４に示す圧電／電歪デバイスは、本発明に係る第２圧電／電歪デバイス１０ｂであり、図５に示す圧電／電歪デバイスは、本発明に係る第３圧電／電歪デバイス１０ｃである。
【００３１】
図１に示す第１圧電／電歪デバイス１０ａは、基体１１と一対の圧電／電歪素子１２ａ，１２ｂからなる。図１に示す矢印ａ線および矢印ｂ線は、当該圧電／電歪デバイス１０ａの方向性を定義するもので、矢印ａ線は前後方向を示し、矢印ｂ線は左右方向を示す。第１圧電／電歪デバイス１０ａを構成する基体１１は、細幅で長尺の板状の左右一対の可動部１１ａ，１１ｂと、両可動部１１ａ，１１ｂを後端部側にて互いに連結する平板状の固定部１１ｃにて構成されている。当該圧電／電歪デバイス１０ａは、図２および図３に示す方法で形成される。
【００３２】
基体１１においては、各可動部１１ａ，１１ｂは内側面を互いに対向して前後方向に延びていて、固定部１１ｃの前端部を越えて延出している。固定部１１ｃの前端側には、両可動部１１ａ，１１ｂにて左右を包囲された開口部１１ｄとなっている。各可動部１１ａ，１１ｂは、固定部１１ｃの左右の各側縁部から所定高さ起立していて、固定部１１ｃの左右の側縁部と各可動部１１ａ，１１ｂの根元部間には、固定部１１ｃの前端側から後端側に延びるスリット状の側方溝部１１ｄ 1 ，１１ｄ 2 が介在している。
【００３３】
かかる構成の基体１１には、各可動部１１ａ，１１ｂの外側面に、各圧電／電歪素子１２ａ，１２ｂがエポキシ樹脂等からなる接着剤を介して接着されている。各圧電／電歪素子１２ａ，１２ｂは、圧電／電歪層と電極膜からなる多層体であって、各可動部１１ａ，１１ｂとは同一形状で、所定長さ短く形成されていて、各可動部１１ａ，１１ｂの後端部に略一致して接着されている。
【００３４】
当該基体１１においては、その固定部１１ｃの前端側の開口部１１ｄに、例えば、被制御部品であるハードディスク用の磁気ヘッドＨ（スライダー）が配置されて、左右の可動部１１ａ，１１ｂの内側面に適宜の接着剤を介して接着されて固定される。
【００３５】
しかして、当該圧電／電歪デバイス１０ａを構成する基体１１は、図２（ａ）に示す原板１１Ａを成形材料とするもので、原板１１Ａを同図（ｂ）に示すように屈曲して形成されているものである。原板１１Ａは、可撓性で屈曲加工が可能な平板を打抜き加工してなる打抜構造体であって、基体１１を平面状に展開した形状に形成されている。原板１１Ａを構成する平板は、強度的には金属製であることが好ましい。
【００３６】
平板は、ヤング率が１００ＧＰａ以上の金属製であることが好ましく、鉄系材料としては、ＳＵＳ３０１、ＳＵＳ３０４、ＡＩＳＩ６５３、ＳＵＨ６６０等のオーステナイト系ステンレス鋼、ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ４３４等のフェライト系ステンレス鋼、ＳＵＳ４１０、ＳＵＳ６３０等のマルテンサイト系ステンレス鋼、ＳＵＳ６３１２、ＡＩＳＩ６３２等のセミオーステナイト系ステンレス鋼、エルマージングステンレス鋼、各種ばね鋼鋼材等を挙げることができる。また、非鉄系材料としては、チタン−ニッケル合金等の超弾性チタン合金、黄銅、白銅、アルミニウム、タングステン、モリブデン、ベリリウム銅、リン青銅、ニッケル、ニッケル鉄合金、チタン等を挙げることができる。
【００３７】
原板１１Ａは、平板を打抜き加工に付されて形成されているもので、開口部１１ｄと左右の側方溝部１１ｄ1，１１ｄ2を具備している。開口部１１ｄと左右の側方溝部１１ｄ 1 ，１１ｄ 2 は、平板の打抜き加工時に同時に形成されている。基体１１は、原板１１Ａの左右の各側縁部を、各側方溝部１１ｄ 1 ，１１ｄ 2 にて、同溝部１１ｄ 1 ，１１ｄ 2の幅の中心をその長手方向に延びる中心線Ｌ1，Ｌ2に沿って直角に屈曲することにより形成されている。原板１１Ａの左右の各側部をこのように屈曲加工することにより、各側方溝部１１ｄ1，１１ｄ2の側縁部位が各可動部１１ａ，１１ｂに形成されるとともに、両可動部１１ａ，１１ｂの後端側を互いに連結する固定部１１ｃが形成される。
【００３８】
このように、原板１１Ａによって一体に構成された基体１１には、図３（ａ）に示すように、その各可動部１１ａ，１１ｂの外側面に圧電／電歪素子１２ａ，１２ｂを接着剤にて接着されて、同図（ｂ）に示す圧電／電歪デバイス１０ａが形成される。形成された圧電／電歪デバイス１０ａは、従来のこの種形式の圧電／電歪デバイスと同様に機能するとともに、基体１１が原板１１Ａにて一体的に構成されていることから、下記のごとき作用効果を奏するものである。
【００３９】
すなわち、第１圧電／電歪デバイス１０ａにおいては、基体１１が１枚の原板１１Ａのみからなる一体構造のもので１個の構成部品で構成されていることから、構成部品は基体１１と圧電／電歪素子１２ａ，１２ｂの２種類となり、圧電／電歪デバイス１０ａの構成部品を大幅に低減できるとともに、構成部品の組付工数を大幅に低減できて、コストを大幅に軽減することができる。
【００４０】
また、第１圧電／電歪デバイス１０ａにおいては、構成部品の部品点数が極めて少なくて、各構成部品同士の接着部位も極めて少ないことから、各構成部品同士の接着のバラツキが皆無またはほとんどなくて、設定された精度の高いデバイス特性を有するものとなる。
【００４１】
また、第１圧電／電歪デバイス１０ａにおいては、その形成にあっては、従来のごとくデバイス原盤を多数の部位にて切断する手段を採ることがなく、デバイス原盤の切断時に発生する塵埃、その他の汚染物の付着に起因する汚染がない。このため、第１圧電／電歪デバイス１０ａの組立てに際して、予め、基体１１および圧電／電歪素子１２ａ，１２ｂを洗浄しておけば、組立てられた圧電／電歪デバイス１０ａは汚染が皆無またはほとんど無くて、圧電／電歪デバイス１０ａの洗浄を省略することができ、または、簡単に済ますことができるという大きな利点がある。
【００４２】
図４に示す第２圧電／電歪デバイス１０ｂは、第１圧電／電歪デバイス１０ａとは基体の構成をわずかに異にするにすぎないもので、基体１３と一対の圧電／電歪素子１２ａ，１２ｂからなり、基体１３は、細幅で長尺の板状の左右一対の可動部１３ａ，１３ｂと、両可動部１３ａ，１３ｂを後端部側にて互いに連結する平板状の固定部１３ｃにて構成されている。
【００４３】
第２圧電／電歪デバイス１０ｂを構成する基体１３においては、各可動部１３ａ，１３ｂ、固定部１３ｃ、開口部１３ｄ、左右の各側方溝部１３ｄ 1 ，１３ｄ 2 を備えていて、かかる構成に関するかぎり、第１圧電／電歪デバイス１０ａの基体１１と同一構成である。
【００４４】
図４に示す第２圧電／電歪デバイス１０ｂは、第１圧電／電歪デバイス１０ａとは基本構成を同じくするもので、可動部１３ａ，１３ｂの先端部が内側に折曲げられている点でのみ、第１圧電／電歪デバイス１０ａとは構成を異にしている。すなわち、各可動部１３ａ，１３ｂは、先端部に折曲部１３ａ 1 ，１３ｂ 1を有するものである。各折曲部１３ａ 1 ，１３ｂ 1は、可動部１３ａ，１３ｂの先端部を内側へほぼ３６０度折曲げられて形成されているもので、折曲部１３ａ1，１３ｂ1の内側面は互いに対向していて、これら両内側面が被制御部品Ｈの取付部位となっている。被制御部品Ｈは、適宜の接着剤を介して折曲部１３ａ 1 ，１３ｂ 1の内側面に接着して取付けられる。
【００４５】
しかして、当該圧電／電歪デバイス１０ｂにおいては、被制御部品Ｈに対する接着長さおよび接着面積を、両折曲部１３ａ 1 ，１３ｂ 1により規定することができて、個々のデバイス間での被制御部品Ｈの接着長さおよび接着面積のばらつきを効果的に解消することができる。これにより、被制御部品Ｈの接着長さおよび接着面積のばらつきに起因する、デバイス個々の変位共振の値のばらつきを解消することができる。
【００４６】
なお、当該圧電／電歪デバイス１０ｂにおいては、デバイス１０ｂの高さＨ1が被制御部品の高さＨ2より低いため、デバイス１０ｂに被制御部品Ｈを取付けた状態での高さＨ3は、被制御部品の高さＨ2と同じ（Ｈ3＝Ｈ2）になってデバイス１０ｂの高さＨ1を無視することができ、省スペース化をすることができる利点がある。
【００４７】
図５には、本発明に係る第３圧電／電歪デバイス１０ｃを示している。当該圧電／電歪デバイス１０ｃは、第１圧電／電歪デバイス１０ａとは基本構成を同じくするもので、基体１４を構成する可動部１４ａ，１４ｂが段付きの細帯状板に形成されており、可動部１４ａ，１４ｂの先端部が主体部よりわずかに内側に偏倚した屈折部１４ａ 1 ，１４ｂ 1となっている。可動部１４ａ，１４ｂの屈折部１４ａ 1 ，１４ｂ 1は互いに対向して位置していて、第２圧電／電歪デバイス１０ｂにおける両折曲部１３ａ 1 ，１３ｂ 1と同様に、これらの屈折部１４ａ 1 ，１４ｂ 1の両内側面が被制御部品Ｈの取付部位となっている。被制御部品Ｈは、適宜の接着剤を介して屈折部１４ａ 1 ，１４ｂ 1の内側面に接着して取付けられている。従って、当該圧電／電歪デバイス１０ｃは、第２圧電／電歪デバイス１０ｂと同様に機能して、同様の作用効果を奏するものである。
【００４８】
なお、当該圧電／電歪デバイス１０ｃのその他の構成は、第２圧電／電歪デバイス１０ｂと同じ構成であるため、第２圧電／電歪デバイス１０ｂと同一の構部材および同一の構成部位には１４番台の類似する符号を付して、その詳細な説明を省略する。
【００４９】
上記した各実施形態に係る圧電／電歪デバイス１０ａ〜１０ｃにおいては、各基体１１，１３，１４を形成する原板として採用している打抜構造体では、開口部１１ｄ，１３ｄ，１４ｄを、打抜き加工時に同時に打抜いて形成しているが、これらの原板の各開口部１１ｄ，１３ｄ，１４ｄについては、所定形状に打抜かれた原板を打抜き手段以外の手段、例えば、レーザー加工、放電加工、ドリル加工、超音波加工、エッチング等の穴開け加工手段にて形成するようにすることができる。これらの穴開け加工手段においては、エッチング以外の手段では、穴加工端面にバリが発生する場合があるが、バリはエッチング処理やブラスト処理にて簡単に除去することができる。
【００５０】
また、各圧電／電歪デバイス１０ａ〜１０ｃの基体１１、１３，１４を構成する各可動部の折曲げ角度は、固定部に対してほぼ垂直とすることが好ましく、交差角度は９０±１０度、好ましくは９０±５度、より好ましくは９０±１度とする。各可動部の折曲げ角度が９０度からずれると、煽り方向の変位が大きくなる。
【００５１】
屈曲加工されて形成された基体１１，１３，１４については、洗剤、有機溶剤等を使用する超音波洗浄に付すことが好ましい。超音波洗浄においては、パワーを強くしても基体が破壊するようなことがないため、パワーの強い超音波洗浄により汚れを簡単に除去することができる。
【００５２】
また、各圧電／電歪デバイス１０ａ〜１０ｃでは、基体と圧電／電歪素子をそれぞれ別体に形成して、各圧電／電歪素子を基体の可動部に接着することにより構成しているが、本発明に係る圧電／電歪デバイスにおいては、基体に形成する前の原板の可動部となる部位、または、基体の可動部に、圧電／電歪層および電極をスパッタ、ＣＶＤ、ＭＢＥ等の手段で成膜したり、ゾルゲル法にて成膜することにより、圧電／電歪素子を基体に直接形成するようにすることができる。
【００５３】
上記した各実施形態に係る圧電／電歪デバイス１０ａ〜１０ｃを構成する圧電／電歪素子１２ａ，１２ｂは、圧電／電歪層とこれに電界を印加するための一対の電極を備えるもので、ユニモルフ型、バイモルフ型等の圧電／電歪素子である。なかでも、ユニモルフ型の圧電／電歪素子は、派生する変位の安定性に優れ、かつ、軽量化にとって有利であることから、圧電／電歪デバイスの構成部品として適している。
【００５４】
図６および図７には、圧電／電歪デバイス１０ａ〜１０ｃを構成する圧電／電歪素子１２ａ，１２ｂに好適に採用される数例の圧電／電歪素子３１〜３４を示している。
【００５５】
図６（ａ）に示す圧電／電歪素子３１は、圧電／電歪層が１層である１層構造のもので、圧電／電歪層３１ａ、上下一対の第１，第２電極３１ｂ，３１ｃ、および、一対の端子３１ｄ，３１ｅにて構成されている。同図（ｂ）に示す圧電／電歪素子３２は、圧電／電歪層が２層である２層構造のもので、圧電／電歪層３２ａ，３２ｂ、両圧電／電歪層３２ａ，３２ｂ間に介在する第１電極３２ｃ、両圧電／電歪層３２ａ，３２ｂの外側面を包囲する第２電極３２ｄ、および、一対の端子３２ｅ，３２ｆにて構成されている。
【００５６】
また、図７に示す圧電／電歪素子３３，３４は、圧電／電歪層が４層である４層構造のものである。同図（ａ）に示す圧電／電歪素子３３は、圧電／電歪層３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ、これらの両圧電／電歪層間に介在し包囲する第１，第２電極３３ｅ，３３ｆ、および、一対の端子３３ｇ，３３ｈにて構成されている。また、同図（ｂ）に示す圧電／電歪素子３４は、圧電／電歪素子３３とは端子の配設部位を異にするもので、圧電／電歪層３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄ、これらの両圧電／電歪層間に介在し包囲する第１，第２電極３４ｅ，３４ｆ、および、一対の端子３４ｇ，３４ｈにて構成されている。
【００５７】
これらの各圧電／電歪素子３１〜３４は、各圧電／電歪デバイスの圧電／電歪素子１２ａ，１２ｂとして、圧電／電歪デバイスの用途に応じて適宜採用されるものである。
【００５８】
各圧電／電歪素子３１〜３４を構成する圧電／電歪層には圧電セラミックスが用いられるが、電歪セラミックス、強誘電セラミックス、反強誘電セラミックス等を用いることも可能である。但し、圧電／電歪デバイスをハードディスクドライブの磁気ヘッド位置決め等に使用する場合には、取付部の変位量と駆動電圧または出力電圧とのリニアリティが重要であることから、歪み履歴の小さい材料を用いることが好ましい。抗電界が１０ｋＶ／ｍｍ以下の材料を用いることが好ましい。
【００５９】
圧電／電歪層を形成するための材料としては、具体的には、ジルコン酸鉛、チタン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛、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、または、これらの適宜の混合物等を挙げることができる。特に、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、または、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である。
【００６０】
圧電／電歪層を形成するための材料には、適宜の材料を添加して、圧電／電歪層の特性を調整することができる。添加材としては、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、セシウム、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、または、最終的に酸化物となる材料の単独、もしくは、これらの適宜の混合物等を挙げることができる。
【００６１】
例えば、主成分であるジルコン酸鉛、チタン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛等に、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し得る利点がある。なお、シリカ等のガラス化し易い材料の添加は避けるべきである。何故ならば、シリカ等のガラス化し易い材料は、圧電／電歪層の熱処理時に圧電／電歪層と反応し易く、その組成を変化させて圧電特性を劣化させるからである。
【００６２】
各圧電／電歪素子３１〜３４を構成する電極は、室温で固体であって、導電性に優れた金属材料で形成されることが好ましい。金属材料としては、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、鉛等の金属の単体、または、これら金属の合金等を挙げることができる。また、これらの金属材料に圧電／電歪層と同じ材料または異なる材料のセラミックスを分散させてなるサーメット材料を用いることもできる。
【００６３】
各圧電／電歪素子３１〜３４は、圧電／電歪層と各電極を互いに積層した状態で、一体的に焼成することにより形成することが好ましい。この場合には、電極としては、白金、パラジウム、またはこれらの合金等の高融点金属材料からなるもの、高融点金属材料と圧電／電歪層の形成材料や他のセラミックス材料との混合物であるサーメット材料からなる電極を採用することが好ましい。電極の厚みは、圧電／電歪素子の変位に影響を及ぼす要因になることから、極力薄い薄膜状であることが好ましい。このため、圧電／電歪層と一体に焼成されて形成される電極が極力薄い薄膜状となるためには、電極を形成する材料は金属ペースト、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形態で使用することが好ましい。
【００６４】
各圧電／電歪素子３１〜３４の厚みは、各実施形態の圧電／電歪デバイスの圧電／電歪素子１２ａ，１２ｂとして使用する場合には、４０μｍ〜１８０μｍの範囲が好ましい。厚みが４０μｍ未満である場合には、取扱い中に破損し易く、また、厚みが１８０μｍを越える場合には、デバイスの小型化が困難となる。また、圧電／電歪素子は、圧電／電歪素子３３，３４のごとく多層構造とすることによりその出力を増加させて、デバイスの変位の拡大を図ることができる。また、圧電／電歪素子を多層構造とすることにより、デバイスの剛性が向上することから、デバイスの共振周波数が高くなって、デバイスの変位動作を高速化できる利点がある。
【００６５】
各圧電／電歪素子３１〜３４は、圧電／電歪層と電極を印刷またはテープ成形により積層して焼成してなる大面積の原板を、ダイサー、スライサー、ワイヤーソウ等により所定寸法に多数個切出す手段で作成される。圧電／電歪素子３１〜３４は、公知のセラミックス基体に比較して薄くて硬度が低いため、原板の切削速度を速く設定できて高速で大量に加工処理できる。
【００６６】
各圧電／電歪素子３１〜３４は、単純な板状構造であって取扱いが容易であり、また、表面積が小さいため汚れの付着量が少なくて汚れを除去し易い。但し、圧電／電歪素子は、セラミックス材料を主体とすることから、超音波洗浄では、適切な洗浄条件を設定する必要がある。原板から切出された圧電／電歪素子においては、ＵＳ洗浄で精密洗浄した後、大気中、１００℃〜１０００℃で熱処理することにより、セラミックス材料の微細な気孔に入り込んでいる水分と有機物を完全に除去するようにすることが好ましい。
【００６７】
各実施形態に係る圧電／電歪デバイス１０ａ〜１０ｃを構成する圧電／電歪素子１２ａ，１２ｂとして、各圧電／電歪素子３１〜３４を採用する場合、各圧電／電歪素子３１〜３４の基体に対する接着手段としては、エポキシ樹脂、ＵＶ樹脂、ホットメルト接着剤等の樹脂系接着剤や、ガラス、セメント、半田、ロウ材等の無機系の接着剤を使用することが好ましく、また、樹脂系接着剤に金属粉末やセラミックス粉末を混合したものを使用することもできる。接着剤の硬度はショアＤで８０以上が好ましい。
【００６８】
なお、基体における圧電／電歪素子が接着される表面の部位には、予め、ブラスト、エッチング、めっき等の粗面加工を施しておくことが好ましい。接着部位の表面粗さをＲａ＝０．１μｍ〜５μｍ程度にすることにより、接着面積を広げて接着強度を向上させることができる。この場合、圧電／電歪素子側の接着部位の表面も粗い方が好ましい。電極を基体とは導通させたくない場合には、最下層の圧電／電歪層の表面に電極を配置しないようにする。
【００６９】
接着剤として、半田、ロウ材を用いる場合には、濡れ性をよくするために、圧電／電歪素子の表面に金属材料の電極層を配置することが好ましい。接着剤の厚みは、１μｍ〜５０μｍの範囲であることが好ましい。接着剤の厚みは、薄い方がデバイスの変位および共振特性のばらつきを減らす点、および省スペース化の点で好ましいが、接着強度、変位、共振等の特性を確保するためには、採用する接着剤毎に最適の厚みを設定するようにする。
【００７０】
基体に圧電／電歪素子を接着する際には、圧電／電歪素子の電極が基体の固定部側となるようにして、圧電／電歪素子が固定部の屈曲位置に完全にかかるように接着する。圧電／電歪素子は、基体の固定部側の端部と一致させて接着することが好ましいが、圧電／電歪素子の端子と外部端子との接続を容易にするために、圧電／電歪素子を基体の端部から外方へ突出させて接着してもよい。但し、圧電／電歪素子は、金属製である基体に比較して破損し易いので、取扱いに注意が必要である。
【００７１】
図１は、本発明に係る第１圧電／電歪デバイス１０ａにおいて、各圧電／電歪素子１２ａ，１２ｂとして圧電／電歪素子３４を採用した例を示している。また、図８には、当該圧電／電歪デバイス１０ａの動作状態を示している。以下では、第１圧電／電歪デバイス１０ａを本発明に係る圧電／電歪デバイスの基本構成を有する代表例として、本発明に係る圧電／電歪デバイスの構成、動作、作用効果等を、当該圧電／電歪デバイス１０ａに基づいて詳細に説明する。
【００７２】
当該圧電／電歪デバイス１０ａにおいて、圧電／電歪素子３４の一部が基体１１の固定部１１ｃに位置する場合、図１に示すように、両可動部１１ａ，１１ｂにおける被制御部品Ｈの取付部位の後端と、可動部１１ａ，１１ｂにおける固定部１１ｃの境界部間の距離をＬａとし、被制御部品Ｈと可動部１２ａ，１２ｂとの境界部分から圧電／電歪素子３４の各電極３４ｅ，３４ｆのいずれかの端部までの短い方の距離をＬｂとするとき、（１−Ｌｂ／Ｌａ）が０．４以上であることが好ましく、一層好ましくは０．５〜０．８である。この値が０．４未満である場合には、デバイスの変位を大きくとれない。この値が０．５〜０．８である場合には、デバイスの変位と共振の両立を達成し易い。この場合、可動部１２ａ，１２ｂの一方にのみ、圧電／電歪素子３４を接着する構成を採ることもでき、より好ましい実施形態ということができる。なお、圧電／電歪素子３４の一部が取付部１１ｄの一部に位置する場合も同様である。
【００７３】
当該圧電／電歪デバイス１０ａにおいて、両圧電／電歪素子３４の各電極３４ｅ，３４ｆへの電圧の印加は、各端子３４ｇ，３４ｈを通して行われる。各端子３４ｇ，３４ｈの位置は、一方の電極３４ｅに対する端子３４ｇが固定部１１ｃの後ろよりに形成され、他方の電極３４ｈに対する端子３４ｈは固定部１１ｃの内壁よりに形成されている。いずれかの端子３４ｇ，３４ｈは、基体１１と導通させることで、基体１１のアースと共有させて省略することができる。接着する圧電／電歪素子３４の幅は、基体１１の接着部（可動部１１ａ，１１ｂの接着部位）の幅と同一である必要はなく、異なっていてもデバイスの機能上何等問題はない。
【００７４】
当該圧電／電歪デバイス１０ａは、例えば、基体１１を板厚４０μｍのＳＵＳ３０４で形成されて、全長１．９ｍｍ、全幅１．５ｍｍの大きさに形成される。圧電／電歪素子１２ａ，１２ｂとして採用している圧電／電歪素子３４は、ＰＺＴを使用した４層構造体であって、圧電／電歪層３４ａ〜３４ｄの１層の厚みが１５μｍ、各電極３４ｅ，３４ｆは３μｍの白金、各端子３４ｇ，３４ｈは金ペーストからなる薄膜である。各圧電／電歪素子３４は、１液の熱硬化エポキシ樹脂接着剤で各可動部１１ａ，１１ｂの外側面に接着される。
【００７５】
このような大きさに構成した当該圧電／電歪デバイス１０ａにおいては、圧電／電歪素子３４を駆動電圧２０±２０Ｖの１ｋＨｚの正弦波で駆動させた場合の取付部１１ｄの変位を測定したところ、±１．５μｍであった。また、正弦波電圧±０．５Ｖとして周波数を掃引して変位の最大値を示す共振周波数を測定したところ、４５ｋＨｚであった。
【００７６】
次に、本発明に係る圧電／電歪デバイスの動作を、上記した第１圧電／電歪デバイス１０ａに基づいて説明する。
【００７７】
当該圧電／電歪デバイス１０ａにおいて、各圧電／電歪素子１２ａ，１２ｂ（３４）に電圧が印加されていない非作動時には図１に示す状態にあり、圧電／電歪デバイス１０ａの長軸ｍ（固定部１１ｃの長軸）と被制御部品Ｈの中心軸ｎとはほぼ一致している。この状態で、例えば、図９（ａ）の波形図に示すように、一方の圧電／電歪素子１２ｂにおける一対の電極３４ｅ，３４ｆに所定のバイアス電位Ｖｂを有するサイン波Ｗｂをかけ、同図（ｂ）に示すように、他方の圧電／電歪素子１２ａにおける一対の電極３４ｅ，３４ｆに、前記サイン波Ｗｂとはほぼ１８０度位相の異なるサイン波Ｗａをかける。
【００７８】
しかして、一方の圧電／電歪素子１２ｂにおける一対の電極３４ｅ，３４ｆに対して、例えば、最大値の電圧が印加された段階では、一方の圧電／電歪素子１２ｂにおける圧電／電歪層３４ａ〜３４ｄは、その主面方向に収縮変位する。
【００７９】
これにより、当該圧電／電歪デバイス１０ａにおいては、例えば図８に示すように、一方の可動部１１ｂに対して図示右方向（矢印Ａ方向）に撓ませる応力が発生することから、可動部１１ｂは同方向に撓む。この場合、他方の圧電／電歪素子１２ａにおける一対の電極３４ｅ，３４ｆは、電圧が印加されない状態になるため、他方の可動部１１ａは一方の可動部１１ｂの撓みに追従して、可動部１１ｂと同方向へ撓む。この結果、両可動部１１ａ，１１ｂは、圧電／電歪デバイス１０ａの長軸ｍに対して、図示右方向へ変位する。この変位の変位量は、各圧電／電歪素子１２ａ，１２ｂに対する印加電圧の最大値に応じて変化する。電圧の最大値が大きくなるほど、変位量は大きくなる。
【００８０】
特に、圧電／電歪素子３４を構成する圧電／電歪層３４ａ〜３４ｄの構成材料として、高い抗電界を有する圧電／電歪材料を採用した場合には、図９（ａ），（ｂ）の２点鎖線の波形に示すように、最小値のレベルがわずかに負のレベルとなるように、前記バイアス電位を調整するようにしてもよい。この場合、負のレベルのバイアス電位が印加されている圧電／電歪素子、例えば、他方の圧電／電歪素子１２ａの駆動によって、例えば、他方の可動部１１ａに一方の可動部１１ｂの撓み方向と同方向の応力が発生し、被制御部品Ｈの変位量をより大きくすることが可能となる。換言すれば、図９（ａ），（ｂ）における２点鎖線で示す波形を使用することにより、負のレベルのバイアス電位が印加されている圧電／電歪素子１２ａ，１２ｂは、変位動作の主体となっている圧電／電歪素子１２ｂ，１２ａをサポートするという機能を持たせることができる。
【００８１】
このように、当該圧電／電歪デバイス１０ａにおいては、圧電／電歪素子１２ａ，１２ｂの微小な変位が、両可動部１１ａ，１１ｂの撓みを利用して大きな変位動作に増幅されて両可動部１１ａ，１１ｂに伝達されることになるため、取付部１１ｄは、圧電／電歪デバイス１０ａの長軸ｍに対して大きく変位させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る圧電／電歪デバイスの一実施形態である第１圧電／電歪デバイスの非作動状態の平面図である。
【図２】本発明に係る第１圧電／電歪デバイスを構成する基体の打抜構造体の斜視図（ａ）、および、同打抜構造体を屈曲加工して形成された基体の斜視図である。
【図３】第１圧電／電歪デバイスを組立てる状態を示す斜視図（ａ）、および、組立てられた圧電／電歪デバイスの斜視図（ｂ）である。
【図４】本発明に係る圧電／電歪デバイスの他の実施形態である第２圧電／電歪デバイスの被制御部品を搭載した状態の斜視図である。
【図５】本発明に係る圧電／電歪デバイスの他の実施形態である第３圧電／電歪デバイスの斜視図である。
【図６】本発明に係る圧電／電歪デバイスを構成する圧電／電歪素子に採用される２例の圧電／電歪素子の斜視図（ａ），（ｂ）である。
【図７】本発明に係る圧電／電歪デバイスを構成する圧電／電歪素子に採用される他の２例の各圧電／電歪素子の斜視図（ａ），（ｂ）である。
【図８】本発明に係る第１圧電／電歪デバイスの作動状態を示す平面図である。
【図９】本発明に係る第１圧電／電歪デバイス各圧電／電歪素子に印加される電圧の波形図である（ａ），（ｂ）である。
【符号の説明】
１０ａ〜１０ｃ…圧電／電歪デバイス、Ｈ…被制御部品、１１…基体、１１Ａ…原板、１１ａ，１１ｂ…可動部、１１ｃ…固定部、１１ｄ…開口部、１１ｄ1，１１ｄ2…側方溝部、１２ａ，２１ｂ…圧電／電歪素子、１３…基体、１３ａ，１３ｂ…可動部、１３ａ1，１３ｂ1…折曲部、１３ｃ…固定部、１３ｄ…開口部、１３ｄ1，１３ｄ2…側方溝部、１４…基体、１４ａ，１４ｂ…可動部、１４ａ1，１４ｂ1…屈折部、１４ｃ…固定部、１４ｄ…開口部、１４ｄ1，１４ｄ2…側方溝部、３１，３２，３３，３４…圧電／電歪素子、３１ａ、３２ａ，３２ｂ、３３ａ〜３３ｄ、３４ａ〜３４ｄ…圧電／電歪層、３１ｂ，３１ｃ、３２ｃ，３２ｄ、３３ｅ，３３ｆ、３４ｅ，３４ｆ…電極、３１ｄ，３１ｄ、３２ｅ、３２ｆ、３３ｇ，３３ｈ、３４ｇ，３４ｈ…端子。

Claims

内側面を互いに対向して前後方向に延びる左右一対の可動部および前記両可動部の後端部と連結し前記後端部から前方に延びる平板状の固定部を有する基体と、前記基体の前記両可動部の外側面に配設した一対の圧電／電歪素子を具備し、制御または検査の対象とする部品を前記基体を構成する前記両可動部の前端側の互いに対向する内側面の間に配置する使用形態を採る圧電／電歪デバイスであり、前記基体は１枚の平板を打抜いて形成された平板状の打抜構造体の所定の部位を屈曲して形成されていて、前記各可動部は前記固定部の左右の各側縁部から所定高さ起立して互いに対向して、前記固定部の前記各側縁部に沿って前記固定部の前端部を越えて延出していることを特徴とする圧電／電歪デバイス。
請求項１に記載の圧電／電歪デバイスにおいて、前記基体を構成する前記固定部の左右の側縁部と前記各可動部の根元部間には、前記固定部の前端側から後端側に延びる側方溝部が介在していることを特徴とする圧電／電歪デバイス。
請求項１または２に記載の圧電／電歪デバイスにおいて、前記基体は、可撓性で屈曲加工の可能な金属製の平板にて構成されていることを特徴とする圧電／電歪デバイス。
内側面を互いに対向して前後方向に延びる左右一対の可動部および前記両可動部の後端部と連結し前記後端部から前方に延びる平板状の固定部を有する基体と、前記基体の前記両可動部の外側面に配設した一対の圧電／電歪素子を具備し、制御または検査の対象とする部品を前記基体を構成する前記両可動部の前端側の互いに対向する内側面の間に配置する使用形態を採る圧電／電歪デバイスを製造する方法であり、前記基体の形成材料として可撓性で屈曲加工の可能な平板を採用し、前記平板を、前記基体が平面状に展開された形状に打抜き加工して打抜構造体を形成し、前記打抜構造体の所定の部位を屈曲して、前記固定部と、前記固定部の左右の各側縁部から所定高さ起立する前記各可動部を一体に有する基体を形成することを特徴とする圧電／電歪デバイスの製造方法。
請求項４に記載の圧電／電歪デバイスの製造方法において、前記打抜構造体は、方形の平板の左右の側部に側縁部に沿って延びる一対の直線状側方溝部と前記両側方溝部間の部位を切欠いた開口部からなる門形形状の開口部を有していて、前記平板の各側縁部を前記側方溝部に沿って屈曲加工することにより、前記各側縁部を前記各可動部に形成するとともに、前記各側方溝部間の部位を前記固定部に形成することを特徴とする圧電／電歪デバイスの製造方法。
請求項５に記載の圧電／電歪デバイスの製造方法において、前記打抜構造体の開口部は、前記平板の打抜き加工と同時に打抜きして形成され、または、前記平板の打抜き加工後の穴開け加工にて形成されていることを特徴とする圧電／電歪デバイスの製造方法。