专利名称：压电/电致伸缩器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用压电/电致伸缩膜的器件，特别涉及一种用于改善将电能转化成如机械位移、机械力或振动等的机械能或反过来将机械能转化成电能的元件工作特性的压电/电致伸缩器件结构。具体说，本发明涉及将应用于换能器、各种致动器、频率区功能元件(滤波器)、变压器、用于通信和原动力的振动器和谐振器、振荡器、鉴别器和包括超声波传感器、加速度传感器、角速度传感器、冲击传感器和质量传感器等的各种传感器，用于Kenji Uchino等人写的“Fromfoundation up to application of piezoelectric/electrostrictive actuator”(发表于Japan Industrial TechnicalCenter，由MORIKITA SHUPPAN出版(翻译))中介绍的伺服位移元件的单压电晶体和双压电晶体型元件，以及较好是适用于用于光学仪器和精密仪器等的各种精密元件等的移位和定位调节及角调节机构的各种致动器的压电/电致伸缩器件。
近年来，光学和磁记录领域及精密机械领域需要用于调节亚微米级的光程或位置的移位控制元件。为满足这种需求，对压电/电致伸缩致动器等的开发取得了进展，这是一种利用基于在例如铁电材料等压电/电致伸缩材料上施加电场引起的反向或反压电效应或电致伸缩效应的位移的元件。
在上述领域中的以硬盘驱动为代表的磁记录领域中，存储容量在近些年来显著提高。这是由于人们所作的除改善如写/读外的记录方法外，通过增大记录磁道数来增大记录密度，由此更有效地利用记录介质的努力的结果。
到前为止，这种努力主要针对改善音圈电动机。另外，关于新技术领域，在“关于TRANSDUCER’97的固态传感器和致动器方面的1997国际会议”的原稿集的第1081-1084页，介绍了将根据Si或Ni的微量切削加工处理制造的静电型微致动器应用于硬盘驱动的磁头寻轨系统的尝试。
另外，日本专利申请公开10-136665公开了一种压电致动器，如图24所示，其中通过至少在由压电电致材料构成的平面主体上形成一个孔，整体形成固定部分103、可动部分104和用于连接部分103和104的一个梁部分102，通过在至少一个梁部分102的至少一部分上形成电极层105，形成应变发生部分，以便在连接固定部分103与可动部分104的方向产生膨胀或收缩运动，由于应变发生部分的膨胀或收缩产生的可动部分104到固定部分103的位移模式是在平面主体的平面内的弧形或旋转的模式。
然而，主要利用音圈电动机定位记录头的常规技术情况下，在磁道数增大以适应容量的进一步增大时，很难精确定位记录磁头，来精确寻找磁道。
利用静电型微致动器的上述技术在通过微量切削加工形成的多个平面电极之间加电压，得到一个位移。然而，由于这种结构的缘故，很难到达谐振频率。因而，该技术存在如下问题，在进行高速工作时，振动不容易衰减。而且，具有该的线性技术电压位移特性的理论位移很差的特征。因此，从精确对准的角度出发，存在许多待解决的问题。另外，从制造成本方面来看微量切削加工工艺自身也存在问题。
另外，日本专利申请特许公开10-136665中公开的压电致动器的情况下，压电操作部分具有单晶结构。因此，压电材料的主应变轴变得与压电操作部分的主位轴共轴或平行。因而，存在着压电操作部分自身只产生小位移，并且可动部分也只有小位移。另外，压电致动器自身较重，并且如日本专利申请特许公开10-1366665所述，在高速工作条件下，易遭受如剩余振动和振动噪声等操作的有害振动，因此，必须通过在孔中注入填料抑制有害振动。然而，利用这种填料会对可动部分的位移产生不良影响。另外，由于不可避免由机械强度差的压电/电致伸缩材料构成压电致动器，因此，存在着致动器在形状方面受涉及材料强度的限制和用途的限制。
本发明致力于解决上述压电/电致伸缩器件的这些问题。根据本发明，提供以下第一至第六压电/电致伸缩器件，这些器件能够精确地进行平面运动和高速工作。
即，提供一种压电/电致伸缩器件作为第一压电/电致伸缩器件，其中压电元件形成于膜片的至少一个平面的至少一部分上，该膜片的一侧面与基片连接，一薄壁固定板的至少一侧面与该膜片的一侧面结合，以便该固定板的平面和膜片的平面彼此垂直交叉。
最好是第一压电/电致伸缩器件至少根据θ模式位移和φ模式位移工作。θ模式位移中，通过利用固定板和膜片间的结合面作固定平面，固定板象钟摆一样在垂直于固定板的一侧面并垂直于垂直轴的方向上，绕垂直穿过固定平面中心的垂直轴位移。在φ模式位移中，垂直于固定板的一侧面并垂直于垂直轴方向的摆动象钟摆一样位移，然后是平行于固定板一侧面方向上的摆动，即，第一压电/电致伸缩器件利用压电元件驱动固定板，或探测固定板的位移量。
另外，提供一种压电/电致伸缩器件作为第二压电/电致伸缩器件，其中固定板和连接板以它们的侧面彼此结合，其中压电元件设置于至少一个平面的至少一部分上的膜片，在垂直于固定板与连接板间的结合方向的方向上，以它们的侧面结合到连接板，连接板和膜片的侧面的至少几部分结合到基片。
这种情况下，将结合到基片的连接板一侧面的一部分表示与连接板和膜片的连接面相反的一侧面。因此，固定板和基片彼此通过连接板连接。将与基片结合的膜片一侧面的一部分表示与膜片和连接板的连接面相反的一侧面，或在膜片直接与固定板结合时，代表与膜片和固定板的连接面相反的一侧面。另外，连接板或膜片与基片间的结合结构为以后将介绍的本发明压电/电致伸缩器件所共有。
另外，提供一种压电/电致伸缩器件作为第三压电/电致伸缩器件，其中固定板和连接板彼此以它们的侧面结合，两个膜片以它们的侧面结合，以便在垂直于固定板和连接板的结合方向的方向上支持连接板，压电元件设置于至少一个膜片的至少一个平面的至少一部分上，连接板和每个膜片的侧面的至少某些部分与基片结合。
在第三压电/电致伸缩器件的情况下，优选将压电元件设置于一个膜片的至少一个平面上，另一膜片上具有一个或最好是多个狭缝。另外，在第二和第三压电/电致伸缩器件的情况下，优选结合其中压电元件以它们的侧面设置在固定板的一端的其它膜片板，或者，以它们的侧面结合必要数量的其它连接板和/或固定板及其它膜片与上述其它膜，以增大位移量。
然后，提供一种压电/电致伸缩器件作为第四压电/电致伸缩器件，其中连接板和其中压电元件设置于至少一个平面的至少一部分上的膜片彼此不结合，但以它们的侧面平行地与固定板连接，连接板和膜片的侧面的至少某些部分与基片结合。
另外，提供一种压电/电致伸缩器件作为第五压电/电致伸缩器件，其中以侧面结合于两个连接板并靠它们支持的固定板设置于形成于基片上的凹部的两横向侧面间，以便设置在两横向侧面间，两个膜片在垂直于连接板的方向的方向上分别设置于每个连接板与凹部的底面间，以支持固定板，压电元件设置到至少一个膜片的至少一个平面的至少一部分上。这种情况下，凹部表示包括面对的各侧面和连接这些侧面的底面的部分。在本发明的情况下，底面不必要总是一个平面。可以通过在底面上形成凹槽或突起，改变底面，以改变形状，只要不影响固定板的位移或位移量的测量便可。
另外，提供一种压电/电致伸缩器件作为第六压电/电致伸缩器件，以侧面结合于两个连接板并靠它们支持的固定板设置于形成于基片中的通孔上，至少多个膜片桥接于每个连接板和通孔之间，或固定板和通孔之间，以便将它们缚于垂直于连接板支持固定板的方向的方向，压电元件设置在至少一个膜片的至少一个平面的至少一部分上。
第六压电/电致伸缩器件的情况下，优选将压电元件通过每个连接板或固定板，设置于彼此面对的成对膜片中的一个膜片的至少一个平面上，并在另一膜片上形成一个或最好是多个狭缝。
在第二至第六压电/电致伸缩器件的情况下，由于位移量可以增大，所以优选在连接板上形成狭缝或缩小部分(窄部分)。另外，优选利用其中膜片安装到并结合于利用连接板和基片形成的凹部的结构。为得到上述结构，优选由一个膜片板整体地形成固定板、连接板和膜片，并通过把膜片板叠置于基板上，与膜片板和基板整体形成基片。凹部表示其中基片自身形成为凹面形的凹部，其中切掉部分形成于基片负部地的部分上的凹部，或在把形成于基片上的通孔的一部分当作凹部时的凹部。
另外，优选弹性板与连接板的至少一个平面键合，并且弹性板与基片或弹性板加强部分结合。这种情况下，优选利用粘合剂等键合弹性板，但弹性板与安装于膜片板和基板间且与它们整体形成的中间板整体形成，或与与膜片板整体形成的弹性板加强部件整体形成，还可以与连接板整体形成。弹性板的情况下，在存在两块或更多块连接板时，优选通过键合连接板与弹性板形成的形状变得相同。另外，尽管对弹性板的形状没有限制，但优选采用如柱形或板形等简单形状，或采用容易形成的形状例如U形、H形或正方形框，其原因是可以简化制造工艺。另外，优选采用将与弹性板键合并与基片的一侧面结合的加强板。这种情况下，优选加强板与弹性板和基片整体形成。
第二至第六压电/电致伸缩器件分别具有一种优选采用θ模式位移和φ模式位移中任一个的结构。θ模式位移中，通过利用连接板和基片间的结合面作固定面，固定板象钟摆一样在垂直于固定板的一侧面并垂直于垂直穿过固定面中心的垂直轴的方向上，绕垂直轴位移。在φ模式位移中，垂直于膜片的一侧面并垂直于垂直轴的摆动象钟摆一样位移，然后是平行于固定板一侧面方向上的摆动。
另外，在上述任何压电/电致伸缩器件的情况下，优选通过结合膜片和/或连接板与形成于基片中的任意形状的通孔的一侧面，形成膜片和/或连接板，其原因是可以容易操作压电/电致伸缩器件，并且可以避免其受损伤。另外，优选将一个压电元件分成两部分，并利用其中一部分作驱动元件，另一部分作辅助元件，这样做的理由是可以提高定位的精确性。这种情况下，辅助元件代表一个检修故障元件，位移证明/判断元件，或辅助驱动元件。另外，优选将压电元件设置于至少两个位置，并用至少一个位置上的压电元件作驱动元件，至少另一位置上的压电元件作辅助元件，其原因是提高驱动精确性和定位精确性。因此，还可以再将设置于两个或多个位置上的每个压电元件分成两部分。
另外，优选用树脂或玻璃制造的绝缘涂层覆盖每个压电元件、压电元件的电极和将与该电极连接的电极引线。这样，即使压电元件部分浸泡在液体中，电极也不短路，并可以应用压电/电致伸缩器件。这种情况下，为提高压电/电致伸缩器件的性能，优选采用树脂代替玻璃作绝缘涂敷材料，最优选采用化学稳定性优异的碳氟化合物树脂，尽管硅树脂的化学稳定性差于碳氟化合物树脂，但也可以优选采用硅树脂。在形成上述绝缘涂层时，优选在绝缘涂层的表面上再形成一由导电材料构成的屏蔽层，为的是不容易受如电磁波等外部噪声的影响。
优选利用稳定或部分稳定的氧化锆整体形成构成本发明压电/电致伸缩器件的基片、固定板、连接板、膜片、弹性板、弹性板加强部件和加强板。优选用主要含由锆酸铅、钛酸铅和铌酸镁铅构成的组分的材料作压电元件的压电膜。另外，利用激光束处理或切割，修整并调整固定板、弹性板或连接板的形状，根据将应用的致动器的类型，每次都可以得到优选形状。另外，可以容易地调整固定板的位移量。另外，优选通过利用激光束处理或切割压电元件的电极，调整压电元件的有效电极面积，以容易得到适于应用或需要规格的压电特性。
比较本发明的压电/电致伸缩器件与日本专利申请公开10-136665所公开的压电致动器，结果是，由于本发明的压电/电致伸缩器件为具有一个膜片的单压电晶片或双压电晶片型结构，因而，压电材料的主应变轴的方向与压电工作部分(压电材料的应变引起位移的部分)的主位移轴的方向不同，发现，本发明的压电/电致伸缩器件具有以下优点，通过有效地利用上述特征，压电材料的应变可以扩大到弯曲模式，因此，可以实现固定板大位移。另外，本发明的压电/电致伸缩器件允许功能差异，除其压电材料外其基片等可以由主要含机械强度和刚度优异的氧化锆的材料构成。因此，其优点是，可以得到具有要求强度的小型、薄且轻的器件。另外，本发明的压电/电致伸缩器件具有以下特征，位移特性不容易受外界的影响，因而，不必采用填料等。
用于本发明的压电元件、压电膜和压电陶瓷等中的“压电”的含义既包括“压电”，又包括“电致伸缩”。
图1(a)-1(d)是本发明压电/电致伸缩器件的一个实施例的透视图，其中固定板的设置和数量是变化的；图2是用于本发明压电/电致伸缩器件的压电元件的一个实施例的透视图；图3是用于本发明压电/电致伸缩器件的压电元件的另一个实施例的透视图；图4是用于本发明压电/电致伸缩器件的压电元件的再一个实施例的透视图；图5(a)-5(c)展示了本发明压电/电致伸缩器件的另一实施例，其中图5(a)是该实施例的俯视图，图5(b)展示了θ模式，图5(c)展示了φ模式；图6是展示本发明压电/电致伸缩器件的再一实施例的俯视图7(a)-7(e)展示了本发明压电/电致伸缩器件的再一实施例，其中图7(a)是俯视图，图7(b)-7(e)是该实施例的剖面图；图8涉及到本发明压电/电致伸缩器件的驱动；图9(a)-9(c)展示了本发明压电/电致伸缩器件的又一实施例，其中图9(a)和9(b)是该实施例的俯视图，图9(c)是该实施例剖面图；图10是本发明压电/电致伸缩器件的再一实施例的俯视图；图11是本发明压电/电致伸缩器件的还一实施例的俯视图；图12是本发明的压电/电致伸缩器件应用于其上的致动器的实施例的透视图；图13是本发明压电/电致伸缩器件的又一实施例的俯视图；图14是本发明压电/电致伸缩器件的又一实施例的俯视图；图15是本发明压电/电致伸缩器件的又一实施例的俯视图；图16(a)和16(b)展示了本发明压电/电致伸缩器件的再一实施例，其中图16(a)是该实施例的俯视图，图16(b)是该实施例的剖面图；图17是本发明压电/电致伸缩器件的又一实施例的俯视图；图18(a)-18(d)展示了本发明压电/电致伸缩器件的再一实施例，其中图18(a)是该实施例的俯视图，图18(b)-18(d)是该实施例的剖面图；图19是本发明压电/电致伸缩器件的又一实施例的俯视图；图20是本发明压电/电致伸缩器件的又一实施例的俯视图；图21(a)-21(f)展示了本发明压电/电致伸缩器件的再一实施例，其中图21(a)-21(d)和21(f)是通过结合膜片与连接板分别构成的不同结构的俯视图，图21(e)是通过结合膜片与固定板构成的结构的俯视图；图22展示了用于制造本发明压电/电致伸缩器件的基片用的加工过的生坯片(green sheet)的俯视图；图23展示了加工本发明的压电/电致伸缩器件的压电元件的方法；图24是展示常规压电/电致伸缩器件(压电致动器)的结构的透视图；及图25是本发明压电/电致伸缩器件的再一实施例的俯视图。
图1(a)是本发明一个实施例的压电/电致伸缩器件50A的透视图。压电/电致伸缩器件50A的形状是，为其一侧面与基片49结合的膜片51，提供包括第一电极52、压电膜53、和第二电极54的压电元件55，固定板56的一侧面与膜片51的一侧面结合，以便固定板56的平面与膜片51的平面彼此垂直。这种情况下，还可以为膜片51的两个平面提供压电元件55，这样，用于与驱动电源等连接的引线部分(未示出)与第一电极52和第二电极54连接。另外，膜片51的一侧面代表垂直于设置压电元件55的膜片51的平面的平面，即厚度方向平面，一个侧面代表两侧面中的一个。
通过利用压电/电致伸缩器件50A表示的结构，可以使固定板56主要在固定板56的平面方向位移。具体说，以下是典型的位移模式一种位移模式，其中在假定图1(a)中固定板56和膜片51间的连接面作为固定平面时，固定板56象钟摆一样在垂直于固定板56并垂直于Y轴的方向即在X轴方向中心绕垂直穿过因固定平面的中心的垂直轴(Y轴)位移(这种位移模式此后称为“θ模式”)；一种位移模式，其中固定板56象钟摆一样，在X轴方向中心绕Y轴位移，以便在离开Y轴时摆动在与固定板56的侧面平行的Z轴方向上的分量增大，(这种位移模式称为“φ模式”)，及在Y轴方向的伸缩位移模式。
这些位移模式代表固定板56的位移方向以上述为主，但不完全排除除所述方向外的一个方向的分量。对于以下将介绍的不同实施例的位移模式来说同样是这样。
在考虑磁头应用时，优选磁头不作三维位移，以便保持磁头和记录介质间的空间(间隙)。以θ模式或以伸缩模式位移的压电/电致伸缩器件50A是适于上述应用的器件。在利用压电/电致伸缩器件50A作加速度传感器而不是磁头时，自然除上述模式外可利用φ模式。每种位移模式的维数与用途间的关系对于本发明的每种压电/电致伸缩器件结构来说都是相同的。
图1(b)-1(d)展示了利用压电/电致伸缩器件50A的工作原理的其它实施例。这里，图1(b)所示的压电/电致伸缩器件50B通过平行地在膜片51的一个侧面上设置图1(a)的两固定板56构成。因此，可以利用多个固定板56，因而，可以根据用途采用要求数量的固定板。
多个固定板56和膜片51间的结合位置可以设定为除基片49与膜片51结合侧面的任何侧面。另外，至少设置一个固定板56便足以。因此，在图1(c)所示的压电/电致伸缩器件50C的情况下，还可以将固定板56结合到膜片51的侧面中垂直于膜片51与基片49间结合侧面的侧面。另外，在图1(d)所示的压电/电致伸缩器件50D的情况下，可以将两个固定板56设置到一对彼此面对的侧面，每个侧面上设置一板。
通过将第一电极52、压电膜53、第二电极54形成为图2所示的一层构成的层叠型是用于上述压电/电致伸缩器件50A-50D的压电元件55的典型结构。而且，如图3所示，可经采用具有梳状电极的压电元件62A，其中压电膜58形成于膜片57上，第一电极59和第二电极60在压电膜58上形成具有一定宽度的间隙部分61。图3中第一电极59和第二电极60还可形成在膜57和压电膜58之间。而且，如图4所示，优选采用压电元件62B，该元件是通过在梳状第一电极59和第二电极60间嵌入压电膜58构成的。
这种情况下，在采用图3和4所示的梳状电极时，可以通过减小间距63增大位移。图2-4所示的压电元件可应用于以后所述的本发明的每种压电/电致伸缩器件。
上述的压电/电致伸缩器件50A-50D不利于减小尺寸和重量并且容易引起翘曲或弯曲发生于固定板56上的问题，并且难以调节位移模式。因此，由于在将它们的结构变为图5(a)所示的结构后解决了这些问题，因而，优选采用结构变化后器件50A-50D。
图5(a)是本发明压电/电致伸缩器件另一实施例的俯视图。压电/电致伸缩器件30具有以下结构，固定板31和连接板33彼此以它们的侧面结合，膜片32与连接板33在垂直于用作固定板31和连接板33间结合方向的Y轴的方向上，即X轴方向以它们的侧面结合，压电元件35设置于膜片32的一个平面上，连接板33和膜片32的各侧面的某些部分与基片34的一侧面结构。这种情况下，还可以在膜片32的两个平面上形成压电元件35，并采用图2-4所示上述不同压电元件之一作压电元件35。
不总是需要固定板31、连接板33和膜片32具有相同厚度。这是因为可以选择不同形状中的任一种形状作为以后将描述的固定板31的形状。然而，优选整体形成固定板31、连接板33和膜片32，而且，优选与基片34整体形成连接板33和膜片32的一侧面。通过利用以后将介绍的陶瓷生坯片的层叠法可以容易得到这种整体结构。
可以使压电/电致伸缩器件30以弯曲模式、轴旋转模式、θ模式和φ模式中至少一种模式工作，弯曲模式中固定板31位移，以便在垂直于X轴和Y轴的Z轴方向弯曲，在轴转模式中固定板31位移，以便利用Y轴作基轴旋转，θ模式中固定板31象钟摆一样在X轴方向位移，以便固定板31在板31的平面中中心绕Y轴与Y轴形成一定角度θ，在φ模式中固定板31象钟摆一样在X轴方向中心绕Y轴位移，以便在离开Y轴平行于固定板31一侧面的Z轴方向的摆动分量增大。
以下将更具体地介绍上述θ模式和φ模式。图5(b)是解释θ模式的俯视图，其中展示了在从图5(a)中的箭头AA方向即从X轴上的Y轴看图5(a)的压电/电致伸缩器件30时，固定板31的移动。这种情况下θ模式，在固定板31不位移时，其上端面31F在位置P1。如上所述，然而，在θ模式中，固定板31象钟摆一样在固定板31的平面即X-Y平面中在X轴方向中心绕Y轴位移，以便与Y轴形成一定角度θ。这种情况下，从箭头AA方向看，可以示出固定板31的上端面31F的移动，作为X轴上位置P2和P3间的往复位移，这种位移方式定义为θ模式。
图5(c)是解释φ模式的俯视图，与图5(b)的情况一样，展示从图5(a)的箭头AA方向看图5(a)的压电/电致伸缩器件30时，固定板31的移动。图5(c)中，在固定板31不振动时，其上端面31F在位置P1。如上所述，在φ模式中，固定板31象钟摆一样在X轴方向中心绕Y轴位移，以便在离开Y轴时在平行于固定板31一侧面的Z轴方向的摆动分量增大。即，示出了在箭头AA方向看时，假定Z轴上的一点为中心O，固定板板31上端面31F的移动为穿过位置P1的圆弧轨道S上位置P4和P5间的往复位移。这种情况下，连接固定板31和中心O间的直线与Z轴形成的夹角为φ，上述位移方式定义为φ模式。
在压电/电致伸缩器件30的情况下，还可以将一个压电元件35等分，以便在Y轴方向形成两个压电元件35A和35B。而且，可以在膜片的相对两平面上设置两个压电元件，每一平面一个。这种情况下，由于可以提供驱动的精确性、位置精确性和探测精确性，优选采用一个压电元件35A作为驱动元件，使固定板31引起预定的位移，另一压电元件35B作辅助元件，例如用于证实是否得到了预定的位移量，即辅助元件优选用作位移证明/判断元件、检修故障元件、或辅助驱动元件，用于探测驱动压电元件35A的位移，并在用于驱动压电元件35A的驱动信号上施加反馈，以便在加于驱动压电元件35A的电压由于任何原因没达到预定电压量时，可以得到预定的位移。
为将一个压电元件35等分，可以采用任何一种设置元件35然后通过激光束处理将元件35等分的方法，和等分压电元件35然后设置它的方法。多个压电元件的排列及每个压电元件35的等分和用途可应用于本发明的每个压电/电致伸缩器件。
上述压电/电致伸缩器件30的固定板31的平面形状不限于图5(a)所示的矩形。如图6(a)-6(c)中的压电/电致伸缩器件30A-30C所示，可有采用不同的任意形状，例如圆形、三角形、反转的凹面形、多边形、椭圆形和长圆形。而且，不必结合固定板31，以便如图6(d)中的压电/电致伸缩器件30D所示，相对于Y轴与连接板32对称。即，可以根据不同的传感器、记录头或与压电/电致伸缩器件结合使用的其它结构任选固定板31的形状。
然后，在本发明的情况下，可以优选采用弹性板与连接板的一个平面或两个平面键合，并且弹性板与传感器基片或弹性板加强部件结合的结构。图7(a)是压电/电致伸缩器件40A的俯视图，这是一个通过将棱形弹性板38和弹性板加强部件39设置于上述压电/电致伸缩器件30之上构成的实施例。另外，图7(b)-7(e)是从Y轴上的X轴方向看，展示弹性板38和弹性板加强部件39的设置的剖面图。
弹性板38结合到连接板33的至少一个平面上，其宽度可以窄于或等于连接板33的宽度，如图7(a)所示。另外，为在连接板33的彼此相地的两平面上设置由相同材料构成的弹性板38，优选使弹性板38的形状相同。然而，为将由彼此不同材料构成的弹性板38施加到连接板33的彼此相对平面上，不必使弹性板38的形状彼此相同。通过考虑每个弹性板38的杨氏模量，可将每个弹性板38形成为合适的形状。
原则上弹性板38还可以结合到基片34上。这种情况下，根据连接板33与基片34的结合位置，判断是否有必要设置弹性板加强部件39。即，如图7(b)和7(c)所示，在连接板33结合到弹性板38可以直接与基片34结合的位置时，由于基片34也可以起弹性板加强部件39的作用，所以不必单独设置弹性加强部分39。另外，这种情况下，可以只在连接板33的一个平面上设置弹性板38。
然而，如图7(d)所示，在连接板33结合到基片34的端部时，尽管基片34也可以起弹性板38A情况下的弹性板加强部件39的作用，但优选将弹性板加强部件39设置于弹性板38B上，作为支撑弹性板38B的部分。另外，如图7(e)所示，即使连接板33结合到基片12的一端部，在只有弹性板38A结合到基片12并且不采用弹性板38B时，也不必形成弹性板加强部件39。
通过设置弹性板38，可以提高连接板33的机械强度。而且，在将弹性板38设置于连接板33的两平面上的情况下，在利用压电/电致伸缩器件35使固定板31位移时，由连接板33和弹性板38构成的部分的重心可以移动。因此，固定板31容易移到θ模式，优选用于磁头等用途。另外，可以得到压电/电致伸缩器件的刚度和高速响应特性提高的优点。
即，图8(a)和8(b)示出了图7(c)和7(d)中X轴上从Y轴方向看的剖面图时，由于压电元件35能够使弹性板38A和38B及连接板33的中心O在X轴方向上移动，固定板31容易在X轴方向位移，即，以图8(a)中的θ模式。然而，图8(b)中，由于弹性板38A和38B及连接板33的中心O不存在于连接板33上，因而X轴方向上(箭头S1)压电元件35的驱动力附加到中心O上，作为扭力(箭头S2)，尽管旋转模式因弹性板38A的刚率而受限制，但仍容易发生轴旋转模式的位移。
这样，在设置弹性板38时，象图9所示的压电/电致伸缩器件40B的情况一样，优选还设置将与弹性板38键合并结合到基片34的一侧面结合的加强板41。这里，图9(a)和9(b)是从其正面和背面看的压电/电致伸缩器件40B的俯视图，图9(c)是从图9(b)中的X轴上的Y轴方向看器件40B的剖面图。这种情况下，加强板41键合到键合于连接板33上的弹性板38A上，并与基片34的方形切掉的侧面结合。另外，优选加强板41与弹性板38及基片34整体形成。
无需说，上述弹性板可以应用于本发明的每种压电/电致伸缩器件，其中连接板用作连接部件。另外，关于在制造本发明的压电/电致伸缩器件的方法中的以后将介绍的内容，优选弹性板与插在膜片板和基板之间并与它们整体形成的中间板整体形成，或与与膜片板整体形成的弹笥板加强部件整体形，还与每个连接板整体形成。
图10(a)-10(d)展示了本发明压电/电致伸缩器件的另一实施例。图10(a)是压电/电致伸缩器件11A的剖面图，是沿俯视图中的虚线A-A取的剖面图。在压电/电致伸缩器件11A的情况下，弹性板38键合到连接板33上，固定板31具有使连接板33和弹性板38在Y轴方向延伸形成的形状。因此，固定板31和连接板33或弹性板38间的界面不清晰。集成固定板31、连接板33和弹性板38得到的结构与图10(b)-10(d)中所示的压电/电致伸缩器件11B-11D相同，此后称为连接固定板36。通过将连接固定板36形成为厚且细长的形状，可以防止发生例如弯曲模式和轴旋转模式等位移模式。
在图10(b)所示的压电/电致伸缩器件11B的情况下，为连接固定板36提供收缩部分37。另外，在图10(c)的压电/电致伸缩器件11C的情况下，为连接固定板36形成狭缝48。通过形成收缩部分37和/或狭缝48，连接固定板36的刚度降低，可以进一步增大连接固定板36的前端的位移量。另外，在图10(d)所示的压电/电致伸缩器件11D的情况下，由于压电/电致伸缩器件11D的自身重量会减小，而不会显著改变压电/电致伸缩器件的特性，所以优选在连接固定板36的前端侧，最好是膜片32和连接固定板36间结合部的前端侧面形成狭缝48。
图11(a)是压电/电致伸缩器件12A的俯视图，其中上述连接固定板36的形状改变，和沿俯视图的虚线A-A取的剖面图。形成压电/电致伸缩器件12A的连接固定板36，以便连接固定板周围部分比连接固定板中心部分厚。连接固定板36的形状可以作为通过减薄压电/电致伸缩器件11A的连接固定板36的中心部分构成的结构，可以通过将预定的U形状弹性板38键合到薄连接固定板的平面上获得固定板。尽管压电/电致伸缩器件12A的重量减小，但其抗扭性强，因此，可以提高定位速度(提高位移量可控性)及位移(移动)路径精确性。另外，关于俯视图11(b)中所示的压电/电致伸缩器件12B，可以在压电/电致伸缩器件12A的连接固定板36的没有弹性板38的部分处(U弹性板38的空腔部分内)形成狭缝48，从而可以增大位移量。
图25是利用上述连接固定板36的再一压电/电致伸缩器件12C的俯视图，展示了通过以它们的侧面结合其上形成有压电元件的其它膜片与固定板的一端，以及交替地以它们的侧面结合了必要数量的其它连接板和/或其它固定板及另外一些膜片与上述其它膜片，从而构成的实施例。
即，压电/电致伸缩器件12C具有如此结构，其中第一膜片32A和第一连接固定板36A结合到基片34的一侧面，第二膜片32B结合到第一连接固定板36A的开口侧(一般为固定板设置侧)的侧面，第二连接固定板36B、第三膜片32C和第三连接固定板36C以它们的侧面依次结合到第二膜片32B上。这样，通过驱动设置于第一到第三膜片上的压电元件35A-35C，可以在图25中的X轴方向上增大第三连接固定板36C的位移量。
上述结构也可以认为是通过依次结合包括例如第二膜片32B和第二连接固定板36B的一组膜片和连接固定板的单元得到的结构。因此，为得到预定的位移量，只需适当地将单元的数量设定为优选数量。
图12是利用上述压电/电致伸缩器件11A的致动器26的透视图。压电/电致伸缩器件11A通过固定夹具29等牢固地固定于如滑块27等部件上。磁头13设置在压电/电致伸缩器件11A的连接固定板36的前端，并可以通过驱动压电元件35移动磁头13大约预定位移量。另外，可以通过处理以后将介绍的生坯片，而不采用固定夹具29，把一将被固定的部件例如滑块27与压电/电致伸缩器件11A结合成一体。
图13是通过在基片34的两处设置压电/电致伸缩器件11A得到的实施例。可以采用设置到两处的压电/电致伸缩器件11A同时用于相同或不同用途，并在另一压电/电致伸缩器件11A破碎时，用于将一压电/电致伸缩器件11A设置作为备件。因此，可以在一个基片上设置多个本发明的压电/电致伸缩器件11A，并且它们的设置位置不限于图13所示的横向平行位置。
图14是本发明压电/电致伸缩器件的再一实施例的俯视图。上述压电/电致伸缩器件30具有以下结构，其中膜片32和基片34彼此仅以一侧面结合。然而，在压电/电致伸缩器件42的情况下，膜片21和基片2彼此以两个侧面结合，并且一侧面与连接板20结合。通过应用上述结构，可以控制连接板20和/或弹性板18的弯曲，并容易引起固定板19中的θ模式。
图15(a)-15(c)是展示再一实施例的压电/电致伸缩器件43A-43C的俯视图。首先，图15(a)所示的压电/电致伸缩器件43A具有以下结构，连接板20和固定板19彼此以它们的侧面结合，两个膜片21A和21B以它们的侧面结合到连接板20，以在垂直于固定板19和连接板20之间连接方向的方向上支持连接板20，另外，膜片21A和21B与图14所示的膜片21的情况类似，也结合到基片2，并由三个侧面支撑和固定。利用该结构，限定了固定板19的例如弯曲模式和轴旋转模式等三维位移模式。另外，不总是需要在基片2凹部的底部结合膜片21A和21B与基片2。
在压电/电致伸缩器件43A的情况下，四个压电元件25A-25D形成在21A和21B的两平面上。通过将这些压电元件适当地指定为固定板19的驱动元件和辅助元件，可以实现更精确的位移控制。
图15(b)所示的压电/电致伸缩器件43B具有这样得到的结构，在上述三侧面支撑膜片的基片2侧的一个侧面或两个侧面上，例如至少在压电元件25C和25D中的一个方向上，叠置至少压电/电致伸缩器件43A的压电元件25A-25D中的一个。这种情况下，由于可实现高精确测量，优选采用压电元件25C和25D作辅助元件，用于例如位移量探测或故障检查等测量。即使在移动压电元件25A-25D的设置位置时，压电元件25A-25D也不必伸出在连接板20之外或在采用弹性板时伸出在弹性板之外。
在将弹性板键合到压电/电致伸缩器件43A和43B的连接板20时，可以采用与压电/电致伸缩器件40B情况下类似的弹性加强部分或加强板。这种情况下，必需形成加强板，以在基片2的三个侧面结合，用作膜片21A和21B、连接板20与基片2间的结合侧面。
图15(c)所示的压电/电致伸缩器件43C是这样构成的实施例，在压电/电致伸缩器件43A的连接板20的纵向上，在中心部分形成狭缝48。狭缝48是空心的，并具有增大膜片19的位移量和容易引起ν模式或νz模式位移或振荡的作用。
这里，ν模式表示其中膜片19位移以便在X轴方向摆动的一种模式。比较ν模式与θ模式，θ模式表现为象钟摆一样在X-Y平面内位移，并具有Y轴方向的分量。然而，在ν模式的情况下，在X-Y平面内X轴方向的单轴向位移是主要的，不同于θ模式，几乎没有Y轴分量。另外，νz模式表示在ν模式中膜片19离开该位移模式中的Y轴时，在Z轴方向(垂直于X轴和Y轴的方向)发生极大位移的模式。比较νz模式与φ模式，其与φ模式不同，其中几乎没有Y轴方向分量。
由于上述位移模式，很难采用ν模式和νz模式进行静态位移控制。然而，可以采用如由外部应力引起的振荡和位移等动态位移的模式。
如在压电/电致伸缩器件43A-43C的情况所示，将膜片设置在两处以支持连接板时，可以改变膜片21A和21B的长度N1和N2及它们的宽度M1和M2，并如俯视图16(a)所示，由此通过增大一个膜片的面积增大固定板19的驱动力，通过减小另一膜片的面积，优选采用另一膜片作如位移监控器等辅助元件。另外，改变膜片21A和21B的宽度M1和M2后，通过将由压电元件25A和25B及膜片21A和21B确定的膜片21A和21B的弯曲位移模式(图16(b)中箭头G)的适当振荡数变为f1和f2，并用一个作驱动元件，用另一个作辅助元件，可以提高位移精确性和测量精确性。优选用具有适当振荡数f1和f2中较小一个的压电元件作驱动元件，具有频率f1和f2中较大一个的压电元件作辅助元件。
如图15或16示出的压电/电致伸缩器件43A-43C的情况所示，在将膜片设置于两处以支持连接板时，更优选形成以下结构，其中至少压电元件25C和25D中任一个形成在如膜片21B等一个膜片上，一个狭缝28或最好是多个狭缝28在垂直于膜片21A与连接板20间结合方向的方向形成于另一膜片21A上，如图17所示。利用上述结构，可以限定旋转和振动，并使位移以θ模式为主。
图18(a)是压电/电致伸缩器件43D的俯视图，其中图15(a)的压电/电致伸缩器件43A形成于基片2的通孔14上，图18(b)-18(d)是沿图18(a)的虚线A-A取的剖面图。在压电/电致伸缩器件43D的情况下，设置两压电元件25A和25C，它们具有电极引线9和10。另外，形成绝缘涂层65，以覆盖压电元件25A和25C及电极引线9和10。在液体气氛中或潮湿气氛中应用固定板19和压电元件25A和25C时，绝缘涂层65分别具有有效地防止压电元件25A和25C及电极引线9和10短路的作用。
另外，在压电/电致伸缩器件43D上为了覆盖绝缘层65，在基片2的两侧面上通过通孔67形成由导电材料构成的屏蔽层66。屏蔽层66的作用是使压电/电致伸缩器件在高频下工作时或探测高频振荡时，切断外部电磁波，以确保位移精确性，并且防止错误工作发生或噪声混合。
设置屏蔽层66的结构包括如18(b)所示形成屏蔽层66以支持基片2的结构、如图18(c)所示只密封基片上布线部分的结构及只用上侧面屏蔽布线部分的结构，然而，具体说，优选屏蔽图18(b)和18(c)所示的整个布线部分的结构。在图18(a)中，形成于基片2的各平面上的屏蔽层66利用通孔67电连接。然而，还可以利用基片2的一侧面电连接它们。在以后介绍压电/电致伸缩器件的材料时，介绍用于形成绝缘涂层65和屏蔽层66的具体材料。
图19(a)和19(b)是本发明另外一些压电/电致伸缩器件的各实施例的俯视图。图19(a)所示的压电/电致伸缩器件44A具有以下结构，其中连接板20和具有设置于其上的压电元件25的膜片21以它们的侧面平行地结合到固定板19上，它们间彼此不结合，连接板20和膜片21结合到基片2的一侧面，同时固定板19不结合到基片2。膜片21还起连接板20的作用。然而，图19(b)所示的压电/电致伸缩器件44B具有以下结构，其中两膜片21A和21B设置在连接板20的两侧面上，压电元件25A和25B设置在膜片21A和21B上。
压电/电致伸缩器件44A和44B适于θ模式的位移和测量，由于固定板19的位移容易发生在固定板19的平面内，限制了固定板19的旋转的振动。另外，由于压电元件25产生的应变通过膜片21直接作用在固定板19上，或由于其反作用，存在着定位精确性和探测灵敏率提高的优点。
图20(a)-20(c)是本发明再一些压电/电致伸缩器件的各实施例的俯视图。首先，在图20(a)所示的压电/电致伸缩器件45A的情况下，固定板72以它们的侧面结合到两连接板74A和74B上，以便利用连接板74A和74B支持，连接板74A和74B的侧面设置在基片70的凹部76的侧面间，两膜片73A和73B在用于支持固定板72的连接板74A和74B的方向上，即垂直于Y轴方向的，设置在连接板74A和74B之间及凹部76的底面之间，另外，压电元件75A和75B设置在每一个膜片73A和73B的一个平面上。利用上述结构，可得到控制固定板72的弯曲的优点。
凹部76可采用先前图18所示形成于基片2上的通孔14的侧面，或可以通过切掉基片70外围的一部分形成。另外，固定板72的形状不限于矩形。可以用图6(a)-6(d)所示的任意形状的一种固定板。
图29(b)所示的压电/电致伸缩器件45B这样构成，结合固定板72与连接板74A和74B，以使固定板72远离膜片73A和73B，这样可有效地增大位移量。因此，可以任意选择固定板72的设置位置。另外，图20(c)所示压电/电致伸缩器件45C示出一个实施例，其中与图14所示膜片21的情况类似，膜片73A和73B靠连接板74A和74B及基片70在它们的三个侧面支撑和固定。
这些压电/电致伸缩器件45A-45C分别具有在如θ模式、φ模式、κ模式或在固定板72的平面内的旋转模式等位移模式中至少任一模式下进行位移控制或位移量的优选结构，θ模式中固定板72象钟摆一样，利用固定板72与连接板74A或74B间的结合面，在垂直于固定板72的一侧面和垂直于Y轴的X轴方向上中心绕Y轴位移，在φ模式中固定板72象钟摆一样中心绕Y轴位移，同时X轴方向的摆动后是Z轴方向(未示出)的摆动，Z轴方向平行于固定板72的一侧面，κ模式中固定板72在X轴方向中心绕由图29(a)中的双向箭头K所示的Y轴位移(此后称此模式为κ模式)。具体说，可以得到κ模式的稳定位移。
由俯视图21(a)-21(f)所示的本发明又一些实施例的压电/电致伸缩器件46A-46F分别具有以下结构，其中固定板72以它们的侧面结合到两连接板74A和74B，以便由连接板74A和74B支持，连接板74A和74B的侧面设置在具有通孔的基片70的通孔71的侧面之间，这种情况下，至少多个膜片即膜片73A-73D在垂直于固定板72由连接板74A和74B支持方向的方向，设置在连接板74A和74B和通孔71的各侧面之间，或固定板72和通孔71的各侧面之间。压电元件75A和75B任意设置在膜片73A-73D中至少一个的至少一个平面上的至少一部分上。
在每个压电/电致伸缩器件46A-46F的情况下，比较压电/电致伸缩器件46A与图20(a)-20(c)所示的压电/电致伸缩器件45A-45C，以Y轴为中心的固定板72的旋转由膜片73A和73B限制。另外，通过与图17所示情况类似在膜片73A和73B上形成狭缝28，固定板72可容易在箭头K方向位移，即可以容易得到κ模式位移。
压电/电致伸缩器件46B这样构成，在所有膜片73A-73D的相同方向平面上设置压电元件75A-75D。利用这些压电元件作驱动元件，可以增大K方向固定板72的位移量。另外，压电元件75A-75D提供到膜片73A-73D的两平面上，还优选利用设置于同一方向上的压电元件作辅助元件。
压电/电致伸缩器件46C示出了形成为图21(a)和21(b)中面对基片70的膜片73A-73D的一侧面与基片70结合的实施例。利用上述结构，可以附加从图14-图21(a)和21(b)所示结构得到的各优点。
压电/电致伸缩器件46D这样构成，在存在于与X轴和Y轴的交叉点即固定板72的中心对称的各位置的膜片73B和73C上设置压电元件75B和75C。这种情况下，固定板72的位移模式，可以采用其中位移在绕X轴和Y轴间的交叉点取中心的η方向(图21)D(中的双向箭头的方向)的位移模式。由于这种位移模式是刚性体模式，所以不总是需要形成膜片73A和73D。另外，在形成膜片73A和73D时，可以在膜片73A和73D上形成狭缝28或压电元件73A和73D。
压电/电致伸缩器件46E这样构成，结合膜片73A-73D与固定板72，其中压电元件75A-75D的设置状态与图21(b)的情况相同。利用上述结构，可以产生或测量κ模式的固定板72的位移。另外，压电/电致伸缩器件46F具有一种通过增大连接板74A和74B的一个宽度，并减小它们中另一个的宽度，容易在θ和φ模式位移的结构。
如上所述，本发明压电/电致伸缩器件，可以选择不同的形状，但用于压电/电致伸缩器件的材料对于每种压电/电致伸缩器件来说不同。那么，下面介绍构成本发明的压电/电致伸缩器件的材料和压电/电致伸缩器件的形状。优选基片、固定板、连接板(连接固定板)、膜片、弹性板、弹性板加强部件和加强板由陶瓷构成。例如，可以采用稳定或部分稳定的氧化锆、氧化铝、氧化镁和氮化硅。这些物质中，由于氧化锆具有高机械强度、高韧性和与压电膜及电极材料的反应性小，所以最优选采用稳定或部分稳定的氧化锆。
然而，在采用上述稳定或部分稳定的氧化锆作为基片等的材料时，优选通过至少在膜片中加入如氧化铝或氧化钛等添加剂来构成膜片。
不总是需要构成作为膜片板的基片、中间板、基板、固定板、连接板(连接固定板)、弹性板、膜片、弹性板加强部件和加强板的这些组件由相同材料构成。可以通过结根据设计结合组合上述陶瓷，采用上述不同的陶瓷用于上述组件。然而，优选利用相同材料整体地构成各组件，以保证各部分间的可靠结合，及简化制造工艺。
为在连接板的两平面上形成弹性板，还可以采用具有与用于将形成于压电元件设置于其上的平面上的弹性板的压电元件相同的结构的弹性板。由于弹性板可与压电元件同时形成，所以从制造工艺的角度看，优选上述情况。然而，形成为弹性板的压电元件的电极不用作电极。
已介绍过本发明的压电/电致伸缩器件的固定板的厚度和形状不受限制，因此，可以根据用途适当设计。因此，基片的厚度可在考虑可操作性后确定。然而，优选将膜片的厚度设置在3-20微米，膜片和压电元件的总厚度为15-60微米。另外，在采用弹性板时，优选将连接板和弹性板的总厚度设置在20-300微米的范围，它们的宽度设置在30-500微米，在将弹性板键合到连接板的两平面之一或两个平面上的任一情况下，弹性板的宽高比(宽度/厚度)为0.4-50。另外，在必需弹性板加强部件时，优选使该部分的厚度与将键合于其上弹性板厚度相同。
尽管优选用象膜一样形成的压电陶瓷作压电元件的压电膜，但还可以用电致伸缩陶瓷或铁电陶瓷。另外，也可以用需要极化的材料或不需要极化的材料。然而，在用本发明的压电/电致伸缩器件作记录头时，由于固定板的位移量和驱动或输出电压间的线性是重要的，所以优选采用具有小应变磁滞线的材料。因此，优选采用具有10kV/mm或以下矫顽电场的材料。
具体说，下面列出用于压电膜的陶瓷锆酸铅、钛酸铅、铌酸镁铅、铌酸镍铅、铌酸锌铅、铌酸锰铅、锡酸锑铅、钨酸锰铅、铌酸钴铅和钛酸钡，或含某些上述材料的组合得到的成分的陶瓷。这些材料中，优选主要含由锆酸铅、钛酸铅和铌酸镁铅构成的成分的材料用于本发明，因为这种材料具有高电机耦合因子和高压电常数，并在烧结压电膜时具有与基片的小反应性。因此，可以稳定形成由预定组分构成的材料。
另外，可以用在上述压电陶瓷中适当添加镧、钙、锶、钼、钨、钡、铌、锌、镍、锰、铈、镉、铬、钴、锑、铁、钇、钽、锂、铋、或锡的氧化物，或这些材料中的某些的组合，或其它化合物。另外，优选控制主要由锆酸铅、钛酸铅和铌酸锰铅及如镧和锶等添加剂构成的材料的矫顽电场和压电特性。
另外，优选压电元件的电极由在室温下为固态并且导电性优异的金属构成。例如，可以用单金属铝、钛、铬、铁、钴、镍、铜、锌、铌、钼、钌、钯、铷、银、锡、钽、钨、镱、铂、金、或铅，或组合上述金属中的某些得到的合金作电极。另外，可以采用将与压电膜或膜片相同的材料分散到上述金属化材料中得到的陶金。
实际电极材料选择根据形成压电膜的方法确定。例如，为在膜片上形成第一电极，然后在第一电极上通过焙烧形成压电膜，必需采用如铂等甚至在压电膜焙烧温度下也不变化的高熔点金属作第一电极。然后，由于压电膜形成后形成于压电膜上的第二电极可以在低温下形成，所以第二电极可以采用如铝等低熔点金属。
另外，可以通过整体焙烧压电元件形成电极。然而，这种情况下，必需采用耐压电膜焙烧温度的高熔点金属作第一和第二电极。另外，如图3所示，为在压电膜58上形成第一和第二电极50和60，可以利用相同的低熔点金属形成电极59和60。于是可以根据由压电膜焙烧温度代表的压电膜形成温度及压电元件结构，适当选择优选的第一和第二电极。
用绝缘玻璃或树脂作将形成在压电元件和电极引线上的绝缘涂层。这里，为提高压电/电致伸缩器件的性能以不妨碍位移，优选采用树脂代替玻璃作绝缘涂层材料。因此，采用以下化学稳定性优异的碳氟化合物中的一种四氟乙烯树脂Teflon(Teflon PTF，Du PointInc制造)、四氟乙烯-六氟环氧丙烷共聚物树脂Teflon(TeflonFEP)、四氟乙烯-全氟烃基乙烯醚共聚物树脂Teflon(Teflon PFA)和PTFE/PFA复合Teflon。另外，尽管硅酮树脂在抗蚀性和耐气候性上不如上述碳氟化合物树脂好，但仍优选采用硅酮树脂(具体说，热固性硅酮树脂)，另外，根据其用途可以采用环氧树脂或丙烯酸树脂。另外，优选对压电元件和其四周或电极引线和其四周采用彼此不同材料形成绝缘涂层。另外，还优选在绝缘树脂中添加无机和有机添加剂(填料)，以调节膜片等的刚度。
在形成绝缘涂层时，用如金、银、镍和铝等不同金属作形成于绝缘涂层上的屏蔽材料。另外，可以采用用于上述压电元件的电极等的每种金属材料。另外，可以采用通过混合金属化粉末与树脂得到的导电膏。
下面介绍本发明的压电/电致伸缩器件制造方法。通过在氧化锆等陶瓷粉末中添加和混合粘合剂、溶剂和分散剂制造浆料，作为基片、固定板、连接板、连接固定板、膜片和弹性板的材料。然后，将浆料除去毒气，通过反转滚压涂敷法或刮浆刀法制造用于分别具有预定厚度的膜片板、中间板和基板的生坯片或生坯带。除非采用弹性板18，否则不必制造中间板。然而，这种情况下，为保持基片的机械强度，必需通过中间板的厚度增大基板的厚度。即，尽管不制造用于中间板的生坯片，但优选增大用于基板的生坯片的厚度等于用于中间板的生坯片的厚度。
然后，通过模具或激光束，在图22所示的用于中间板17的生坯片上形成通孔14和弹性板18，并将基板15的生坯片冲压成预定形状，以形成通孔14。通过至少一个接一个地依次叠置所制造的膜片板3的生坯片、中间板17的生坯片和基板15的生坯片，并焙烧它们，将这些生坯片结合成一体，制造基片。这种情况下，为叠置生坯片3、15和17，预先形成孔部分8，以确定叠置的位置。
还可以在用于膜片板3的生坯片上在生坯状态下形成通孔14和膜片21。然而，由于膜片板3的生坯片一般厚度很小为3-20微米，所以优选在形成基片后获得预定形状，并通过以后将介绍的激光处理设置压电元件，以保证烧结将按照用于膜片板3的生坯片形成的膜片等后表面平坦和尺寸精确性。
为了在膜片板3的生坯片最终形成膜片21的部分上设置压电元件，有一种通过根据利用模具的模压法或利用浆料的带形成法制造压电膜，并从而在膜片板3生坯片的其上将在加热和加压的条件下形成膜片的位置，叠置生压电膜，然后共同焙烧压电膜和基片，从而同时制造基片的压电膜的方法。然而，这种情况下，必需通过利用以后将介绍的膜形成法，预先在基片或压电膜上形成电极。
尽管焙烧压电膜的温度根据构成压电膜的材料适当地确定，但一般设定在800℃-1400℃，最好设定在1000℃-1400℃。这种情况下，优选在存在压电膜材料的蒸发源的条件下烧结压电膜，以控制压电膜的组分。另外，为了同时烧结压电膜和基片，当然必需使两者的焙烧条件相匹配。
在利用该膜形成方法时，可以在膜片形成在烧结基片上的位置通过一厚膜形成方法，如丝网印刷法、滴涂法和涂敷法，和不同薄膜形成法，例如离子束法、溅射法、真空淀积法、离子镀敷法、化学汽相淀积法(CVD)和镀敷法，设置压电元件。在这些方法中，在本发明的情况下，优选根据丝网印刷法、滴涂法和涂敷法之一的厚膜形成法形成压电膜。这些方法允许利用主要含平均颗径为0.01-5微米最好为0.05-3微米的压电陶瓷颗粒的膏或浆料形成压电膜，所以可以得到优选的压电工作特性。
例如，在预定条件下烧结所制造的基片后，在膜片板的表面上预定位置处印刷第一电极，并烧结，然后印刷并烧结压电膜，另外，印刷并焙结第二电极，以设置压电元件。然后，印刷并烧结用于将每个所形成的电极连接到测量仪器上的电极引线。这种情况下，在利用铂(Pt)作第一电极、用锆钛酸铅(PZT)作压电膜、用金(Au)作第二电极、用银(Ag)作电极引线时，在某一烧结阶段，由于该烧结工艺的烧结温度设置成连续降低，所以该烧线阶段前烧结的材料不会再烧结。所以，可以防止如电极材料等发生分离或侵蚀等问题。
通过选择合适的材料，可以通过连续印刷，同时整体地烧结压电元件的每个部件和电极引线，也可以在形成压电膜后，在低温下形成每个电极。另外，可以通过例如溅射法或真空淀积法等薄膜法，形成压电元件的每个部件和电极引线。这种情况下，不总是需要热处理。
所以，通过一种膜形成方法形成压电元件，可以整体地键合并设置压电元件和膜片，而不用任何粘合剂，以确保可靠性和再生产性及简单集成。另外，这种情况下，可以将压电膜形成合适的图形。关于形成方法，可以采用丝网印刷法、光刻法、激光束处理法或如片切等机加工法或超声处理法。
然后，在所制造的基片上预定位置处形成膜片和固定板。这种情况下，优选通过利用YAG激光器的第四次谐波机加工切掉和去除膜片板3的生坯。于是，可以形成通孔14，同时留下整体结合到基片上的部分，如图18(a)-18(d)所示的固定板和膜片。这种情况下，可以通过调节固定板和膜片的形状，调节位移量。
另外，如图23所示，可以利用第一电极22作上电极，用第二电极24作下电极，并由此设置其上压电23形成于上下电极间的压电元件25，此后通过YAG激光器的四次谐波或机加工去掉上电极，并调节压电元件的有效电极面积，另外调节包括压电/电致伸缩器件的阻抗的电特性，从而得到预定位移特性。在压电元件25的结构为图3或4所示的梳状结构时，必需去掉两电极之一的一部分，或两电极的一部分。
关于上述机加工，除利用YAG激光器的第四谐波的上述机加工法外，可以采用适用于谐振部分的尺寸和形状的不同机加工法，例如，利用YAG激光器、YAG激光器的二次或三次谐波、准分子激光器或CO2激光器的激光束处理，电子束处理、片切(机加工)。
另外，除利用上述生坯片的制造方法外，可以利用采用成形模具的模压法或滑移浇涛法、或注模法制造本发明的压电/电致伸缩器件。另外，这些情况下，通过在烧结前和后的如切割或研磨等机加工、通过激光整处理的穿孔或冲压，或超声处理，加工本发明的压电/电致伸缩器件，并成形为预定形状。
通过丝网印刷法、涂敷法或喷涂法，利用玻璃或树脂，可以形成将形成于这样制造的压电/电致伸缩器件的压电元件和电极引线上的绝缘涂层。这种情况下，在利用玻璃作材料时，必需升高压电/电致伸缩器件的温度到高达约玻璃软化的温度。另外，由于玻璃具有大硬度，所以会妨碍位移或振荡。然而，由于树脂软，且只需要如干燥等处理，所以优选采用树脂。已介绍了优选碳氟化合物树脂或硅酮树脂作形成绝缘涂层的树脂。然而，在采用这些树脂中的一种时，优选形成对应于所用树脂和陶瓷类似的底剂层，并在底剂层上形成绝缘涂层，以提高树脂和底层陶瓷的粘附性。
然后，在绝缘涂层上形成屏蔽层的情况下，在绝缘层由树脂构成时，很难进行焙烧。因此，在利用不同金属化材料时，利用不需要加热的方法如溅射法形成屏蔽层。然而，在利用由金属化粉末和树脂构成的导电膏时，可以适当地采用丝网印刷法和涂敷法。在用玻璃形成绝缘涂层时，也可以丝网印刷和在玻璃不会流动的温度或更低温度下焙烧金属膏。
以上介绍了本发明压电/电致伸缩器件的结构、材料和制造方法。然而，无需说，本发明不限于上述实施例。应理解，根据所属领域的技术人员的常识，可以对本发明进行改形、修正、或提高，只要一种改形、修正或提高的实施例不是从本发明的要点推导出来，根据所属领域的技术人员的常识，可以对本发明进行改形、修正、或提高。
本发明的压电/电致伸缩器件的特征在于结构简单，所以，容易减小该器件的尺寸和重量，并且几乎不受外部有害振动的影响，允许利用压电元件精确控制的静态和动态位移。另外，该器件具有可以用简单制造方法廉价制造的优点。另外，由于构件材料可以广泛选择，所以该器件具有每次可以根据用途采用适当材料的优点。因此，在将该器件设置于不同致动器和传感器中时，可以得到因该器件所实现的致动器和传感器尺寸减小、重量减轻的优点。
权利要求
1.一种压电/电致伸缩器件，其中给其一侧面与基片结合的膜片的至少一平面上的至少一部分提供压电元件，及，至少一薄固定板的一侧面与该膜片的一侧面结合，以便该固定板的平面和膜片的平面彼此垂直。
2.根据权利要求1的压电/电致伸缩器件，其中，利用固定板和膜片间的连接面作关于垂直穿过固定板的中心的垂直轴的固定面，该压电/电致伸缩器件至少根据θ模式位移和φ模式位移之一工作；θ模式位移中，固定板象钟摆一样在垂直于固定板的所述侧面并垂直于垂直轴的方向上位移，在φ模式位移中在垂直于固定板的所述侧面并垂直于垂直轴的方向绕垂直轴的摆动象钟摆一样位移，然后是平行于固定板所述侧面方向上的摆动。
3.一种压电/电致伸缩器件，其中固定板和连接板以它们的侧面彼此结合，带有形成于其至少一个平面上的至少一部分上的压电元件的膜片，在垂直于固定板与连接板间的结合方向的方向上，以它们的侧面结合到连接板，及连接板和膜片的至少某些侧面结合到基片。
4.一种压电/电致伸缩器件，其中固定板和连接板彼此以它们的侧面结合，两个膜片在垂直于固定板和连接板的结合方向的方向上，以它们的侧面结合到连接板上，其中连接板靠所说两个膜片支持，压电元件设置于至少一个所述膜片的至少一个平面的至少一部分上，及连接板和每个膜片的至少某些侧面与基片结合。
5.根据权利要求4的压电/电致伸缩器件，其中压电元件设置在一个膜片的至少一个平面上，一个狭缝或多个狭形成于另一个膜片上。
6.根据权利要求3-5中任一个的压电/电致伸缩器件，其中带有设置到其至少一个平面的至少一部分上的压电元件的另一膜片，与固定板的一端以它们的侧面结合，必需数量的另一连接板和/或另一固定板和再一膜片另外与另一膜片以它们的侧面结合。
7.一种压电/电致伸缩器件，其中连接板和带有设置于其至少一个平面的至少一部分上的压电元件的膜片，彼此间不结合，而是平行地与固定板以它们的侧面结合，连接板和膜片的至少某些侧面与基片结合。
8.一种压电/电致伸缩器件，其中与两个连接板以它们的侧面结合并靠它们支持的固定板，设置于提供于基片上的凹部的两横向侧面间，两个膜片在垂直于连接板的方向的方向上设置于每个连接板与凹部的底面间，以支持固定板，及压电元件设置到至少一个所述膜片的至少一个平面的至少一部分上。
9.一种压电/电致伸缩器件，其中结合于两个连接板并靠它们支持的固定板设置于形成于基片上的通孔上，至少多个膜片在垂直于连接板的方向的方向上，设置于每个连接板和通孔之间，或固定板和通孔之间，以支持固定板，及压电元件设置在至少一个膜片的至少一个平面的至少一部分上。
10.根据权利要求8或9的压电/电致伸缩器件，其中，压电元件设置于通过连接板或固定板彼此面对的一对膜片之一的至少一个平面上，一个狭缝或多个狭缝形成于该对膜的另一个上。
11.根据权利要求3-10中任一个的压电/电致伸缩器件，其中一个狭缝或收缩部分形成于连接板上。
12.根据权利要求3-11中任一个的压电/电致伸缩器件，其中膜片安装并结合到形成有连接板和基片的凹部。
13.根据权利要求3-12中任一个的压电/电致伸缩器件，其中固定板、每个连接板和每个膜片与一个膜片板整体地形成，通过叠置该膜片板和一基板整体地形成基片。
14.根据权利要求3-13中任一个的压电/电致伸缩器件，其中一弹性板键合到每个连接板的至少一个平面上，并结合到基片上或弹性板加强部件上。
15.根据权利要求14的压电/电致伸缩器件，其中，弹性板与叠置于膜片板和基板之间并与它们整体形成的中间板整体地形成，或与与膜片板整体形成的弹性板加强部件整体地形成，并与每个连接板整体地形成。
16.根据权利要求13或14的压电/电致伸缩器件，其中包括一键合到弹性板并结合到基片的所述侧面的加强板。
17.根据权利要求16的压电/电致伸缩器件，其中加强板与弹性板和基片整体地形成。
18.根据权利要求3-17中任一个的压电/电致伸缩器件，其中，利用每个连接板和基片间的连续面作关于垂直穿过固定板的中心的垂直轴的固定面，该压电/电致伸缩器件至少根据θ模式位移和φ模式位移之一工作；θ模式位移中，固定板象钟摆一样在垂直于固定板的一侧面并垂直于垂直轴的方向上位移，在φ模式位移中垂直于膜片的所述侧面并垂直于垂直轴方向绕垂直轴的摆动象钟摆一样位移，然后是平行于固定板所述侧面方向上的摆动。
19.根据权利要求1-18中任一个的压电/电致伸缩器件，其中膜片和/或连接板与形成于基片中的任意形状的通孔的侧面结合。
20.根据权利要求1-19中任一个的压电/电致伸缩器件，其中压电元件被分成两个压电元件，其一用作驱动元件，另一用作辅助元件。
21.根据权利要求1-20中任一个的压电/电致伸缩器件，其中，压电元件设置于至少两处，至少一处的压电元件用作驱动元件，至少另一处的压电元件用作辅助元件。
22.根据权利要求1-21中任一个的压电/电致伸缩器件，其中压电元件和与电压元件的元件电连接的电极引线用由树脂或玻璃构成的绝缘涂层覆盖。
23.根据权利要求22的压电/电致伸缩器件，其中树脂采用碳氟化合物树脂或硅酮树脂。
24.根据权利要求22或23的压电/电致伸缩器件，其中还有一由导电材料构成的屏蔽层形成于绝缘涂层的表面上。
25.根据权利要求1-24中任一个的压电/电致伸缩器件，其中基片、固定板、连接板、膜片、弹性板、弹性板加强部件和加强板皆由稳定的氧化锆或部分稳定的氧化锆构成。
26.根据权利要求1-25中任一个的压电/电致伸缩器件，其中压电元件的压电膜由主要含由锆酸铅、钛酸铅和铌酸镁铅构成的组分的材料构成。
27.根据权利要求1-26中任一个的压电/电致伸缩器件，其中固定板、连接板、膜片和弹性板中至少一个的形状通过利用激光束处理或切割进行修整实现尺寸调节。
28.根据权利要求1-27中任一个的压电/电致伸缩器件，其中激光束处理或切割压电元件的电极，从而调节压电元件的有效电极面积。
全文摘要
一种压电/电致伸缩器件,其中固定板(31)与连接板(33)以它们的侧面彼此结合,带有设置于其一个平面上的膜片(32)与连接板(33),在垂直于固定板(31)和连接板(33)的结合面的方向的方向,以它们的侧面结合,膜片(32)与基片(34)结合。电压施加于压电元件(35)上,使固定板(31)位移,或通过根据位移测量压电元件(35)的电动力来测量固定板(31)的位移量。该压电/电致伸缩器件将电能转化成如机械位移、机械力、或振动等机械能,反之亦然,所以优选用作振动器、谐动器、振荡器或用于通信或原动力的鉴别器,或用作超声波传感器或加速度传感器。
文档编号B06B1/06GK1243604SQ9880173
公开日2000年2月2日 申请日期1998年9月4日 优先权日1997年9月8日
发明者武内幸久, 大西孝生, 木村浩二 申请人:日本碍子株式会社