CN101507093B - 用于超声电机的压电致动器元件 - Google Patents
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Abstract
一种用于超声电机的压电致动器元件，由通过交替层叠压电层(10)和将压电层(10)分割为大致相等的两部分而形成的电极层(12)而构成的层叠压电元件(14)构成，并且使用一次纵向、二次弯曲的模式。从层叠压电元件(14)的表面部到厚度方向的中央部形成了压电非活性区域(11)。该压电致动器元件可以抑制位移降低且提高耐迁移性，并防止短路(short)的发生，同时可以使交流极化时的发热部位分散，提高可靠性。此外，可以减少电极的数量，降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及用于超声电机的压电致动器元件。
背景技术
利用弹性体的共振模式的超声电机控制性优异，特别是作为用于精密定位的致动器而受到关注。此外，作为各阶段用的致动器，要求线性超声电机的情况较多，提出并研究了许多的类型。其中，正在研究利用矩形板的纵向(伸缩)振动和弯曲振动的合成振动的各种超声电机(例如，参考专利文献1)。其中，例如专利文献1所示的原理的超声电机也在各种用途中得到了实用。专利文献1公开了以下原理：沿厚度方向对矩形的压电元件单板进行极化处理，并且设置分割为四个的电极，把构成对角的电极作为一组，通过在一组电极上施加驱动信号，激励由压电元件构成的振动体纵向振动和弯曲振动，驱动与其接触的部件。
此外，在专利文献2中，公开了使用一次纵向、二次弯曲模式的超声电机元件，其中有由交替层叠矩形的压电层和将该压电层分割为大致相等的两部分而形成的电极层而构成的压电致动器元件的相关记载。
图13(a)、(b)示出该压电致动器元件的概略图，示出了交替层叠压电层10和电极层12的结构。该压电致动器元件也与在上述专利文献1中记载的结构的压电元件进行相同的动作，激励由压电元件构成的振动体纵向振动和弯曲振动，驱动与其接触的部件。
专利文献1：特许2980541号公报
专利文献2：ACTUATOR2006予講集A1.1(Piezoelectric Ultrasonic Motors for LensPositioning of Cellular Phone Camera Modules)
但是，在专利文献1中记载的结构中，由于振动体的驱动需要极高的电压，需要大型的升压电路，因此导致驱动电路大型化、复杂化，并且驱动电路的价格也很高。在这种情况下，难以应用于小型的机器，特别是由电池驱动的用途。此外，作为振动体的结构，当压电元件的厚度薄时不能得到充分的输出，同时机械强度也降低，存在破损的危险。
此外，在专利文献2中记载的超声电机元件中，与专利文献1中记载的结构相比，存在驱动电路小型化的优点，但是，元件中央部的压电烧结性恶化，容易产生迁移，此外，为了在极化时高效地极化而进行交流极化时，存在元件内部产生的热量变大，在元件中央部容易产生裂缝(crack)的问题。
而且，在该超声电机元件中，电极存在部位在元件投影面上相同(电极间距离相同)，存在难以在电极边缘附近的压电部分施加层叠压力，容易产生层叠不良和层间剥离的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种压电致动器元件，可以提高在容易产生这样的迁移的层叠压电元件的厚度方向的中央附近的耐迁移性。
本发明的另一目的是提供一种压电致动器元件，可以防止在交流极化处理时的局部发热，并且防止极化时产生裂缝。
根据本发明，提供一种用于超声电机的压电致动器元件，其由层叠压电元件构成，该层叠压电元件通过交替层叠压电层和将该压电层分割为大致相等的两部分而形成的电极层而构成，并且使用一次纵向、二次弯曲模式，从该层叠压电元件的表面部到厚度方向的中央部，形成压电非活性区域。
在本发明的压电致动器元件中，优选地，从该层叠压电元件的表面部到厚度方向的中央部，形成层厚为层叠方向的厚度的10％以上的压电非活性区域。此外，优选地，在对该层叠压电元件进行极化处理时发热的发热部被分散。
此外，在本发明的压电致动器元件中，优选地，该层叠压电元件被形成为，从该层叠压电元件的表面部到厚度方向的中央部，该电极层的形成密度变小，并且优选地，该层叠压电元件被形成为，从该层叠压电元件的表面部到厚度方向的中央部，电极之间的距离变大。
而且，在本发明的压电致动器元件中，优选地，该层叠压电元件被形成为，从该层叠压电元件的表面部到厚度方向的中央部，电极层的面积变小，并且优选地，在该层叠压电元件的厚度方向的中央部，不形成电极层。
附图说明
图1(a)、(b)示出本发明的超声电机用压电致动器元件的一种实施方式，图1(a)是正面图，图1(b)是侧面图。
图2(a)、(b)示出本发明的超声电机用压电致动器元件的另一实施方式，图2(a)是正面图，图2(b)是侧面图。
图3是示出从元件上下表面到元件中央部的电极间距离(各层间距离)的变化的曲线图。
图4(a)、(b)示出本发明的超声电机用压电致动器元件的另一实施方式，图4(a)是正面图，图4(b)是侧面图。
图5(a)、(b)示出本发明的超声电机用压电致动器元件的另一实施方式，图5(a)是正面图，图5(b)是侧面图。
图6(a)、(b)示出本发明的超声电机用压电致动器元件的另一实施方式，图6(a)是正面图，图6(b)是侧面图。
图7(a)、(b)示出本发明的超声电机用压电致动器元件的另一实施方式，图7(a)是正面图，图7(b)是侧面图。
图8(a)、(b)示出本发明的超声电机用压电致动器元件的另一实施方式，图8(a)是正面图，图8(b)是侧面图。
图9(a)、(b)示出本发明的超声电机用压电致动器元件的另一实施方式，图9(a)是正面图，图9(b)是侧面图。
图10(a)、(b)示出本发明的超声电机用压电致动器元件的另一实施方式，图10(a)是正面图，图10(b)是侧面图。
图11(a)、(b)示出本发明的超声电机用压电致动器元件的另一实施方式，图11(a)是正面图，图11(b)是侧面图。
图12(a)、(b)示出本发明的超声电机用压电致动器元件的另一实施方式，图12(a)是正面图，图12(b)是侧面图。
图13(a)、(b)示出现有的超声电机用压电致动器元件的简要结构，图13(a)是正面图，图13(b)是侧面图。
图14是示出实施例2、比较例2中的压电元件在极化处理时的裂缝产生的频率的曲线图。
具体实施方式
下面，针对本发明，详细地说明其实施方式，但是本发明不限于这些实施方式来进行解释，只要不脱离本发明的范围，基于本领域技术人员的知识，可以进行各种变化、修改和改进。
本发明的压电致动器元件基本上由层叠压电元件构成，该层叠压电元件通过交替层叠压电层和将该压电层分割为大致相等的两部分而形成的电极层而构成。该层叠压电元件通过施加电压，以一次纵向、二次弯曲的模式进行弯曲变形。关于该层叠压电元件的基本结构及其一次纵向、二次弯曲的模式，参考ACTUATOR2006予講集A 1.1(Piezoelectric Ultrasonic Motors for Lens Positioning of Cellular Phone CameraModules)的记载，将其内容并入此处。
本发明的压电致动器元件具有在上述层叠压电元件的内部层中形成压电非活性区域的特征。优选地，该压电非活性区域，在层叠压电元件的厚度方向的中央附近，以层厚为层叠方向厚度的10％以上的方式形成，更优选地，压电非活性区域的层厚是层叠方向厚度的10％～50％，特别优选地是10％～40％。当压电非活性区域的层厚大于层叠方向厚度的50％时，对于元件驱动时的输入信号，元件驱动振幅显著减小，另一方面，在不到10％的情况下，极化时容易产生裂缝(参考下述的实施例1、2)。
通过像这样在层叠压电元件的内部层中形成压电非活性区域，可以提高耐迁移性，并且防止发生短路(short)。
此外，上述的层叠压电元件，在使用时进行极化处理，此时发热的发热部分散在元件中，可以防止极化时产生裂缝，因此是理想的。
作为使发热部分散的具体方法，举例为在层叠压电元件的内部层中形成压电非活性区域。该压电非活性区域也与上述相同，优选在层叠压电元件的厚渡方向的中央附近，以层厚为层叠方向厚度的10％以上的方式形成，更优选地，压电非活性区域的层厚是层叠方向厚度的10％～50％，特别优选地是10％～40％。
进一步地，在本发明中，优选地，从层叠压电元件的表面部到厚度方向的中央部，电极层的形成密度变小地形成层叠压电元件。在此，为了以电极层的形成密度变小的方式形成层叠压电元件，优选地，例如图2(a)、(b)所示，从层叠压电元件的表面部到厚度方向的中央部，电极之间的距离变大地形成层叠压电元件，或者如图4(a)、(b)～图10(a)、(b)所示，从层叠压电元件的表面部到厚度方向的中央部，电极层的面积变小地形成层叠压电元件。
通过这样从层叠压电元件的表面部到厚度方向的中央部，电极层的形成密度变小地形成层叠压电元件，可以抑制位移降低且提高耐迁移性，并防止短路(short)的发生，同时可以使交流极化时的发热部位分散，提高可靠性。此外，电极的数量较少即可，可以期待降低成本。
接下来，说明本发明的压电致动器元件中使用的材料。
作为压电层，适宜使用压电陶瓷，但是也可以使用电致伸缩陶瓷和强电介质陶瓷，或者反强电介质陶瓷。作为具体的材料，举例为含有锆酸铅，钛酸铅，镁铌酸铅，镍铌酸铅，锌铌酸铅，锰铌酸铅，锑锡酸铅，锰钨酸铅，钴铌酸铅，钛酸钡，钛酸铋钠，钛酸铋钕，铌酸钾钠，钽酸锶铋等单体或者混合物的陶瓷。
优选地，电极层在室温下是固体，由导电性优良的金属构成，例如使用铝，钛，铬，铁，钴，镍，铜，锌，铌，钼，钌，钯，铑，银，锡，钽，钨，铱，铂，金，铅等金属单体或它们的合金，而且，也可以使用将与压电层相同的材料分散在它们中而得到的金属陶瓷材料。
下面，基于附图说明本发明的压电致动器元件的各种实施方式.
图1(a)、(b)示出本发明的超声电机用压电致动器元件的一种实施方式，其由层叠压电元件14构成，该层叠压电元件14通过交替层叠压电层10和将该压电层10分割为大致相等的两部分而形成的电极层12而形成，从层叠压电元件14的表面部到厚度方向的中央部，形成了压电非活性区域(未形成电极层的区域)11。此外，15是磨擦部件。
图2(a)、(b)示出本发明的压电致动器元件的另一实施方式，其由层叠压电元件14构成，该层叠压电元件14通过交替层叠压电层10和将该压电层10分割为大致相等的两部分而形成的电极层12而形成，从层叠压电元件14的表面部到厚度方向的中央部，电极之间的距离变大地形成该层叠压电元件14。即，层叠压电元件14的厚度方向的上下表面部附近，电极间距与图13(a)、(b)中示出的现有例相同，厚度方向的中央部的电极间距大。在此，如图3所示，从上下表面部到中央部的电极之间的距离变化可以是线性的，也可以是指数函数，优选地是指数函数。此外，电极之间的距离(电极层之间的距离)的变化可以在多层中每一层都存在(阶梯状)。
图4(a)、(b)～图6(a)、(b)分别示出本发明的压电致动器元件的另一实施方式，从层叠压电元件14的表面部到厚度方向的中央部，电极层12的面积变小地形成层叠压电元件14。即，层叠压电元件14的厚度方向的上下表面部附近，电极长度与图13(a)、(b)中示出的现有例相同，厚度方向中央部的电极长度变短地形成层叠压电元件14(以B2模式弯曲点附近为中心来配置电极)。在此，电极长度的变化率可以是一次函数(参考图4(a)、(b))，也可以是高次函数或指数函数(参考图5(a)、(b)和图6(a)、(b))，优选地，越到厚度方向的中央部变化率越小，越到上下表面部附近变化率越大，如在图6(a)、(b)中示出的实施方式。这是由于抑制了难以散热的层叠压电元件14的中央部的发热。
根据图4(a)、(b)～图6(a)、(b)的实施方式，实现了抑制位移下降，并且降低成本(电极数量减少)，同时在交流极化时的发热部位分散，电极边缘不重叠，所以起到了平缓层叠压力的面内分布，降低层叠不良，同时缓和在极化时产生的边缘端部的应力的作用效果。
图7(a)、(b)～图9(a)、(b)也分别示出本发明的压电致动器元件的另一实施方式，层叠压电元件14的厚度方向的上下表面部附近，电极宽度与图13(a)、(b)中示出的现有例相同，厚度方向中央部的电极宽度变窄地形成层叠压电元件14。在此，电极宽度的变化率可以是一次函数(参考图7(a)、(b))，也可以是高次函数或指数函数(参考图8(a)、(b)和图9(a)、(b))，优选地，越到厚度方向中央部变化率越小，越到上下表面部附近变化率越大，如在图9(a)、(b))中示出的实施方式。这是由于抑制了难以散热的层叠压电元件14的中央部的发热。
此外，图7(a)、(b)～图9(a)、(b)的实施方式的作用效果与图4(a)、(b)～图6(a)、(b)的实施方式大致相同。
此外，图10(a)、(b)示出本发明的压电致动器元件的又一实施方式，其结合了上述图4(a)、(b)～图6(a)、(b)的实施方式和图7(a)、(b)～图9(a)、(b)的实施方式。
接下来，图11(a)、(b)示出本发明的压电致动器元件的又一实施方式，在层叠压电元件14的厚度方向的中央部不形成电极层，而是一体形成了比构成压电层10的材料的强度大的陶瓷板状部件16。在该实施方式中，在层叠压电元件14的厚度方向的中央部，一体烧成以氧化锆为代表的高强度陶瓷板状部件16而构成元件，使陶瓷板状部件16的一端或两端从层叠压电元件14的压电部位突出，作为磨擦部件。
根据该实施方式，如图1(a)、(b)等实施方式，不需要另外增加的磨擦部件，从而降低成本，同时不需要用于接合磨擦部件的粘着剂，并且由于不需要粘着剂而起到使温度特性良好的作用效果。
图12(a)、(b)示出本发明的压电致动器元件的又一实施方式，在层叠压电元件14的厚度方向的中央部附近，跨越整个长度形成了电极层18。根据该实施方式，通过适当地选择跨越整个长度的电极层18的层数，可以将由L1、B2振动导致的磨擦部件20的x方向位移、y方向位移的平衡最优化，可以提高驱动效率。
实施例
下面，通过实施例更具体地说明本发明。
(实施例1～10，比较例1)
制作长度5.0mm×宽度1.5mm×厚度1.5mm的超声电机用压电元件，其中，将烧成后为1μm的Ag-Pd合金电极材料软膏印刷在烧成后为10μm的压电印刷电路基板上，并层叠150层而得到印刷电路基板层叠体，将其烧成之后且进行构成上述外形的机械加工之后，形成侧面电极(比较例1)。
另一方面，与上述比较例1相同地，制作外形与上述比较例1相同、在层叠方向的中央部分形成占超声电机用压电元件的总厚度的2～40％的压电非活性层的超声电机用压电元件(实施例1～10)。
关于这些元件，在表1中示出在85℃、85％RH的环境下实施2.8V驱动耐久试验的结果。比较例1(压电非活性层为0％)中，表现为在200hr左右变成短路。通过金属显微镜和SEM-EDS观察、分析该元件的外观时，确认了Ag迁移。
另一方面，如表1所示，在实施例1～10的元件中，随着压电非活性层厚度的增加，直到发生短路为止的时间变长，当压电非活性层厚度在10％以上时，不会产生短路。
SEM观察的结果，在比较例1中厚度方向的中央附近的压电层中发现大量气孔，烧结不充分，但是在实施例1～10中，随着压电非活性层厚度增加，上述气孔的数量减少。虽然理由不清楚，但是可以推测出由于存在压电非活性层，元件中央附近的烧结性提高，由于可能构成水分吸附部位的微细气孔减少，元件的耐迁移性提高。
表1
表1，
(实施例11～20，比较例2)
与上述实施例1～10、比较例1相同地制作了超声电机用压电元件。
在以下条件下，对这些元件进行极化处理。
(极化条件)
·温度：室温
·输入信号：10kHz 0-250V脉冲波
·时间：60秒
在表2和图14的曲线图中示出其结果。
表2
| 非活性层比例 | 极化样本数 | 裂缝产生频率(％) | |
| 比较例2 | 0％ | 100 | 83 |
| 实施例11 | 2％ | 100 | 57 |
| 实施例12 | 5％ | 100 | 23 |
| 实施例13 | 7％ | 100 | 12 |
| 实施例14 | 10％ | 100 | 0.2 |
| 实施例15 | 15％ | 100 | 0.5 |
| 实施例16 | 20％ | 100 | 0 |
| 实施例17 | 25％ | 100 | 0.1 |
| 实施例18 | 30％ | 100 | 0.4 |
| 实施例19 | 35％ | 100 | 0.2 |
| 实施例20 | 40％ | 100 | 0.1 |
根据在表2和图14中示出的结果可知，如比较例2，在厚度方向的中央附近没有压电非活性层的情况下，由于极化处理，裂缝的产生频率高。与此相对，在厚度方向中央附近形成占总厚度2～40％的压电非活性层的实施例11～20中，通过极化处理而产生裂缝的频率降低。
工业上的实用性
采用本发明的压电致动器元件的超声电机，可以高速且高精度地对微小距离进行定位，并且可靠性高，所以可以应用于照相机的自动对焦机构、变焦机构、姿势补偿机构，此外，也可以适用于光学显微镜、电子显微镜、原子间力显微镜等的分级驱动用的要求高可靠性的领域。
Claims (7)
1.一种用于超声电机的压电致动器元件，由层叠压电元件构成，并且使用一次纵向、二次弯曲的模式，所述层叠压电元件通过交替层叠压电层和将该压电层分割为大致相等的两部分而形成的电极层而构成，所述压电致动器元件的特征在于，
从该层叠压电元件的表面部到厚度方向的中央部，形成了压电非活性区域。
2.根据权利要求1所述的用于超声电机的压电致动器元件，其特征在于，
从该层叠压电元件的表面部到厚度方向的中央部，形成了层厚为层叠方向的厚度的10％以上的压电非活性区域。
3.根据权利要求1所述的用于超声电机的压电致动器元件，其特征在于，
在对该层叠压电元件进行极化处理时发热的发热部位被分散。
4.根据权利要求1所述的用于超声电机的压电致动器元件，其特征在于，
该层叠压电元件被形成为，从该层叠压电元件的表面部到厚度方向的中央部，该电极层的形成密度变小。
5.根据权利要求1所述的用于超声电机的压电致动器元件，其特征在于，
该层叠压电元件被形成为，从该层叠压电元件的表面部到厚度方向的中央部，电极间的距离变大。
6.根据权利要求1所述的用于超声电机的压电致动器元件，其特征在于，
该层叠压电元件被形成为，从该层叠压电元件的表面部到厚度方向的中央部，电极层面积变小。
7.根据权利要求1所述的用于超声电机的压电致动器元件，其特征在于，
在该层叠压电元件的厚度方向的中央部不形成电极层。
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