JP2001352771A

JP2001352771A - 圧電アクチュエータ

Info

Publication number: JP2001352771A
Application number: JP2001108810A
Authority: JP
Inventors: Hironobu Ito; 浩信伊藤
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2001-04-06
Filing date: 2001-04-06
Publication date: 2001-12-21
Anticipated expiration: 2017-12-09
Also published as: JP3354925B2

Abstract

(57)【要約】【目的】アクチュエータの特性上劣化なく、また、ア
クチュエータの小型化に有利となる任意の電極どうしの
結合を行う、電極構造の製造方法により、圧電アクチュ
エータや圧電モータの特性向上を得ることを目的とす
る。【構成】圧電素子１の表面上に蒸着法による電極パタ
ーン２ａ〜２ｎを形成し、この電極パターンに電圧印加
用プロープを接し、各々の電極パターンにて分極処理を
行う。この後、スパッタリングにより絶縁材３を形状形
成し、次に、電極接続パターン４ａ、４ｂを形状形成す
る。以上のプロセスにより、電極パターン２ａ〜２ｎ、
及び絶縁パターン３、電極接続パターン４ａ、４ｂから
なる圧電素子の立体電極構造を構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、圧電アクチュエータ
を構成する圧電素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、たとえば特開昭５９−９６８８１
号公報記載の技術によれば、圧電体を駆動するための有
効電極面積は、圧電体の面内に電極接続パターンが占拠
するために約６７％しか取れず十分な特性が引き出せな
い。さらにこれを解決するための構造として、図２(d）
に示す構造では圧電素子の一方の面の最外周部と最内周
部には電極を設けることができない。これは、１２個の
電極を動作させるように圧電素子の最外周部と最内周部
を用いて互いに接続する為のパターンを配置するスペー
スとするためである。

【０００３】さらに電極接続パターンに対向する他方の
面にも有害な振動モードや特性劣化を防ぐ為に最外周部
と最内周部は電極は配置されておらず（図２(a)〜
(b））、従って、圧電素子の厚み方向、すなわち表面と
裏面を結ぶ方向に電界がほぼ存在しない部分ができる。
すなわち前記、圧電素子の最内周部と最外周部はアクチ
ュエータとしたときに機能しないこととなる。このこと
は、アクチュエータとしての特性を犠牲にすることとな
る。

【０００４】また、圧電体の面内の限られた面積での電
極パターン及び電極接続パターンは、図３で示すように
電極パターン面積と圧電アクチュエータ性能、及び電極
接続パターンの線幅と配線抵抗の相関により最適値のも
とで設計されるが、特に圧電素子を小型化していく為に
は相対的に電極接続パターンの線幅が細くなり、配線抵
抗が高くなっていく。すなわち、印加電圧も併せて高く
していくこととなり、圧電アクチュエータ周辺部品の大
型化が必要とされ、圧電体における電極パターンと電極
接続パターンの配置を同一面内にとる構造は、小型化に
おける弊害をもあわせ持つことが明白である。

【０００５】これら圧電素子上の電極構造における一般
的な製造方法を図２の工程図を用いて以下に説明する。
まず、圧電素子１の同一面上に複数個に分割した電極パ
ターン１２ａ〜１２ｎを所望の電極形状のメタルマスク
を用いた金属薄膜の蒸着により形状形成する（図２
(a)、(b)）。次に、この電極パターン１２ａ〜１２ｎに
電圧印加用プローブを接し各々の分極処理を行う。この
後、前記の蒸着時に電極を形成していない最外周部の短
絡用電極接続パターン２４ｃ及び最内周部の電極接続パ
ターン２４ａを電極パターン１２ａ〜１２ｎと同一面上
に形成するためのメタルマスクを用いた金属薄膜の蒸着
を行い（図２(c））、次に最外周部の配線用電極接続パ
ターン２４ｂをメタルマスクを用いた金属薄膜の蒸着に
て形成する（図２(d））。この製造方法においては圧電
素子上に金属薄膜を形成する技術のみにより、所望の電
極パターン及び電極接続パターン構造が得られるのが特
徴である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の方法で
は、電極接続パターンを配置するための最外周部および
最内周部には分極処理を施すことができず、この結果、
圧電効果または圧電逆効果によって動作しないことによ
るアクチュエータまたはモータとしての効率低下をきた
す。また、同一の面内に電極パターンと電極接続パター
ンを配置する構造に於いて、配線抵抗等の電気的な問題
によりアクチュエータまたはモータの小型化が困難とさ
れている。この問題を避けようとして、各電極パターン
を特性上可能な全ての範囲に配置し、電極どうしの結線
をワイヤーで行うことはできる。

【０００７】しかし、変位するアクチュエータ上で多数
のワイヤーが存在することは、特性上劣化の原因とな
り、かつワイヤー自体の重さによる特性低下も生じる。
さらに、ワイヤーどうしの接触によりショート等の障害
の原因となりうる。すなわち、ここで圧電アクチュエー
タの電極形成の製造方法から生じる圧電素子が、本来持
つ性能を十分機能しえない問題点が顕在化され、圧電ア
クチュエータおよび圧電モータの特性向上及び小型化と
いう課題が提示された。

【０００８】そこで本発明の目的は、従来のこのような
課題を解決するために、アクチュエータとしての特性上
劣化なく、また、アクチュエータの小型化に有利となる
任意の電極どうしの結合を行う新しい圧電アクチュエー
タの電極の製造方法を提示し、圧電アクチュエータや圧
電モータの特性向上を得ることである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この発明は金属等の弾性体に圧電素子を接着または
固着させ、該圧電素子上に設けられた複数の電極間に電
圧を印加することで該弾性体を変位させ、この弾性体に
接触する物体を移動または回転せしめるアクチュエータ
において、電極が同一平面上に複数個に分割され、各々
の分割電極を選択的に接続する為の電極接続パターン
が、電気的に接続を行わない電極パターン上で絶縁材を
隔て絶縁されながら、接続を要する電極パターンと電気
的導通配線を行うようにしたもので、これら絶縁材及び
電極接続パターンを立体的に配置している。また、他の
例として該電極パターンと絶縁材、電極接続パターンの
立体的な配線構造を設けることなしに、図４に示すよう
な圧電素子の電極パターンを配置した面と異なる内周、
外周の側面に電極接続パターンを配置する構造も考えら
れる。

【００１０】これら製造方法においては、各種の圧電ア
クチュエータが持つ任意の圧電素子形状に対応するため
の圧電材及び導電材、絶縁材の成形、または析出成形、
塗布成形、弾性体への圧電材及び導電材、絶縁材の析出
成形、または塗布成形それぞれのプロセスを組み合わせ
ることで該電極パターンと絶縁パターン、電極接続パタ
ーンの立体的な配置及び電極パターンと電極接続パター
ンを異なる面、側面への配置が図れる。

【００１１】

【作用】上記のように構成された圧電アクチュエータに
おいては、圧電材平面の１００％のスペースを電極パタ
ーンとして配置することができ、目的とする圧電効果を
生じせしめる電極を付加することができる。また、電極
接続パターンの線幅における制約を無くし、配線抵抗を
減少することにより圧電アクチュエータの特性向上、及
び小型化が達成できる。

【００１２】

【実施例】以下に、本発明の圧電アクチュエータにおけ
る製造方法の第一の実施例を図１に基づいて説明する。
この実施例は、圧電モータの圧電素子上表面に１２分割
した電極パターンを設け、それぞれの電極配線パターン
は、電極パターン２ａ，２ｃ，２ｅ，２ｇ，２ｉ，２ｍ
にて短絡配線を行い、電極パターン２ｂ，２ｄ，２ｆ，
２ｈ，２ｋ，２ｎにて短絡配線を行う交互配線を行い、
圧電素子裏面には全面導通電極２ｐ構造の例である（図
１(j)）。

【００１３】１は圧電素子（Ｐｂ［Ｚｒ，Ｔｉ］Ｏ3
）、この圧電素子の表面上にメタルマスクを用いた蒸
着法による金属膜（Ｃｒ，Ｎｉ，Ａｕ）を基板温度１４
０℃にて、２ａ〜２ｎの電極パターン、及び圧電素子裏
面の２ｐの電極パターンを同時蒸着し、この時の金属膜
厚みを０．２μｍに制御した（図１(a) 〜(c) ）。次
に、この電極パターン２ａ〜２ｎに電圧印加用プローブ
を接し、圧電素子裏面の電極パターン２ｐをグランド電
極とし、電極パターン２ａ〜２ｎに電圧印加による各々
の分極処理を行う。この後、スパッタリングによりＳｉ
Ｏ2 を基板温度１２０℃の条件にて、厚み１μｍにて全
面コーティングし、絶縁材１３を全面被覆する（図１
(b)〜(e) ）。

【００１４】次に、所望の形状にフォトリソグラフィー
によるレジストパターンを形成し、この絶縁材１３をＢ
ＨＦのエッチング液を用いてエッチングにより形状形成
し、絶縁材３を形成する（図１(f)、(g)）。この後、該
電極パターンを選択的に接続するためのＡｌの電極接続
材１４を基板温度１２０℃の条件でのスパッタリングに
より、厚み０．５μｍとなるコーティングを全面に施す
（図２(h)、(i)）。次に、所望の形状にフォトリソグラ
フィーによるレジストパターンを形成し、この電極接続
材１４をりん酸のエッチング液を用いてエッチングによ
り電極接続パターン４ａ〜４ｂを同時に形状形成する。

【００１５】以上のプロセスにより、電極パターン２ａ
〜２ｎ、及び絶縁材３、電極接続パターン４ａ、４ｂか
らなる圧電素子の立体電極構造を得た（図１(j)）。図
５は、本発明の第二の実施例で、圧電アクチュエータの
圧電素子１１と電極パターン３２ａ〜３２ｆの形状形成
を、圧電素子素原料はＰｂＯ，ＴｉＯ，ＺｒＯに添加剤
として樹脂を混合し、また、電極素原料としてＡｇ，Ｃ
と樹脂を混合し、一定のタイムラグにて射出成形を行っ
た（図５(a) ）。その後、各々の電極パターンに分極処
理を行い、次に図１(d) 〜図１(j) と同様のプロセスを
経て図５(b) の圧電素子の立体電極構造を構成した。

【００１６】図６は、本発明の第三の実施例で、ＰＺＴ
粉末と樹脂を混合した圧電素子素原料とＡｇ、Ｃと樹脂
を混合した電極素原料に、絶縁材素原料のＡｌＮ粉末と
樹脂を混合し、射出成形を行ない、圧電素子２１と電極
パターン４２ａ〜４２ｆ、任意の電極パターンとこの後
形成する電極接続パターンを短絡させるための導通窓１
５をもつ絶縁パターン３３を同時形成した（図６(a)
）。その後、各々の電極パターン４２ａ〜４２ｆに分
極処理を行い、図１(h) 〜図１(j) と同様のプロセスを
経て図５(b) の圧電素子の立体電極構造を構成した。

【００１７】図７は、本発明の第四の実施例で、圧電モ
ータの圧電素子１上に電極パターン２ａ〜２ｎをスパッ
タリングにより形状形成した後（図７(a)）、該圧電素
子１及び電極パターン２ａ〜２ｎ上に絶縁材素原料のワ
ニスをスピンコータで塗布し、炉中にて８０℃、１２０
分の条件でプリベークを行い、次に、フォトリソグラフ
ィー用マスクパターンを用いて露光し、続けて現像を行
い、炉中にて１２０℃から４００℃まで昇温しながらキ
ュアを行う工程を経て、導通窓２５をもつ絶縁パターン
４３（ポリイミド）を形状形成した（図７(b) ）。この
後、この圧電素子を２００℃炉中にて、電極パターン２
ａ〜２ｎのそれぞれに電圧を印加し分極処理を施した。
さらに、図１(h) 〜図１(j) と同様のプロセスより図７
(c) の圧電素子の立体電極構造を構成した。

【００１８】図８は、本発明の第五の実施例で、圧電素
子３１の表面及び裏面にＡｌをターゲットに用いて該圧
電素子温度を１２０℃の条件にてスパッタリングを施
し、Ａｌ薄膜をコーティングする。次に、フォトリソグ
ラフィーにより電極パターン５１ａ〜５１ｎの形状にレ
ジストを形成し、りん酸をエッチング液としてＡｌ薄膜
の形状形成を行う（図８(a)、(b) ）。その後、該電極
パターンを用いて各々の分極処理を施す。さらに、図８
(a) と同条件のスパッタリングにより、Ａｌ薄膜を表面
及び裏面、外周側面、内周側面にコーティングし、次
に、ディッピング法によりレジストを塗布し、プリベー
ク（１２０℃炉中）の後、外周及び内周形状に合わせた
フォトリソグラフィー用マスクを圧電素子３１に接触固
定し、露光を行った。

【００１９】この後、現像、ポストベーク処理し、圧電
素子表面の電極パターン５１ａ〜５１ｎ、及び裏面の電
極パターン５１ｐ全面をレジストで保護し、電極接続パ
ターン３４ａ、３４ｂの形状のレジストを形成し、りん
酸をエッチング液としてＡｌ薄膜の形状形成を行い、圧
電素子の電極構造を構成した（図８(c) 〜(e) ）。この
ようにして得られた構造の斜視図を図４に示す。

【００２０】図１及び図５〜図７で示した本発明の実施
例においては、全て絶縁パターン及び電極接続パターン
を圧電素子面内の振動節部に配置する構造とし、また、
図４及び図８の実施例においては、内周側面と外周側面
の電極接続パターンの線幅を変化させ、圧電素子の振動
をいずれの線幅においても抑制しないことを確認した。

【００２１】以上の製造方法で構成した本発明の圧電素
子すべてにおいて、圧電アクチュエータの特性の一つで
あるトルクを測定したところ、従来の圧電素子の製造方
法（図２）で得られた圧電アクチュエータと比較して、
２６％〜３１％のトルク向上の結果となった。また、圧
電素子に形成した電極接続パターンに於ける配線抵抗を
測定したところ、各実施例とも従来設計した電極接続パ
ターン幅を２倍〜１０倍とすることができたため、従来
圧電素子の配線抵抗と比べ１／２〜１／１０の結果とな
った。また、製造における歩留りは、従来、電極パター
ンと電極接続パターンとの重なりから成るショートによ
る不良発生が多く、電極接続工程の歩留りが６８％であ
ったのに対し、本発明においては、電極パターンと電極
接続パターンの重なりから成るショートが原因となる不
良の発生は無くなった。このため、図１及び図４、図
５、図８の実施例では、電極接続工程の歩留りが９２％
〜９４％と向上した。また、図６及び図７の実施例にお
いては、分極処理工程で電極パターン上に形成済みの絶
縁パターンが電荷チャージングを発生し、他の実施例と
比較し５％の不良率となるが、他の実施例で不良発生の
原因となった絶縁パターンの絶縁不良が低減し、電極接
続工程の歩留りが９９％〜９９．５％であった。

【００２２】

【発明の効果】この発明は、以上説明したように圧電素
子の電極パターンとの同一面内より電極接続パターンを
排除し、接続すべき電極パターンの面積を減らすことな
く、所望の電極パターンを互いに接続する構成としたの
で、圧電振動子の特性を最大限に活かすことができ、圧
電アクチュエータの特性向上を果たす。また、接続電極
パターンの線幅を自由に選択できることから配線抵抗の
低抵抗化が達成され、圧電振動子の電気的な効率が向上
し、圧電アクチュエータの小型化が達成できる効果があ
る。さらに、圧電アクチュエータの製造プロセスにおい
て、歩留り低下の原因となる電極接続工程の歩留りを向
上し、安価な圧電アクチュエータを製造できる効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例の圧電素子電極構造の製
造工程を示した工程図である。

【図２】従来の圧電素子電極構造の製造工程を示す平面
図である。

【図３】従来の圧電素子電極パターン及び電極接続パタ
ーン構造の特性を示す説明図である。

【図４】本発明の他の実施例により得られた圧電素子電
極構造の斜視図である。

【図５】本発明の第二の実施例の工程図である。

【図６】本発明の第三の実施例の工程図である。

【図７】本発明の第四の実施例の工程図である。

【図８】本発明の第五の実施例の工程図である。

【符号の説明】

１、11、21、31、41 圧電材２ａ〜２ｎ、12ａ〜12ｎ、22ａ〜22ｎ、32ａ〜32ｆ、42
ａ〜42ｆ電極パターン３、13、23、33、43 絶縁材４ａ、４ｂ、24ａ、24ｂ、24ｃ、34ａ、34ｂ電極接
続パターン

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電素子に形成された、複数の電極パタ
ーン間に電圧を印加することで振動する圧電アクチュエ
ータにおいて、前記圧電素子は、電極パターン上に設けられた、導通窓
を有する絶縁パターンと、該絶縁パターン上に設けられた電極接続パターンによ
り、前記複数の電極パターンを選択的に接続することを
特徴とする圧電アクチュエータ。