JP2007335485A - 積層型圧電アクチュエータおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造が容易で、複数の圧電アクチュエータを独立して駆動することができる積層型圧電アクチュエータを提供する。
【解決手段】直方体のバルクからなる圧電素子１の側面に第１、第２の切り込み溝が垂直方向に交互に形成されており、各溝は４隅で部分的にオーバーラップしている。これらの溝に第１の内部電極３ａ、３ｃと第２の内部電極３ｂ、３ｄをそれぞれ形成し、各溝の両端部に露出した内部電極を絶縁膜４で被覆した後、第１の内部電極３ａ、３ｃに電圧を印加する外部電極５１と、第２の内部電極３ｂ、３ｄに電圧を印加する外部電極５２を取り付ける。そして、各電極を介して圧電素子１に高電圧を印加することで分極処理を行い、最後に、圧電素子１の上面からクロス状にハーフカットを行い、直方体の４隅部分に独立して駆動可能な４つの圧電アクチュエータブロック７１〜７４を形成する。
【選択図】図１０

Description

本発明は、圧電素子および電極が交互に積層され、各電極に所定の電圧を印加することにより各圧電素子を機械的に変位させる積層型圧電アクチュエータおよびその製造方法に関するものである。

積層型圧電アクチュエータに関しては、例えば下記の特許文献１ないし特許文献３に記載されている。特許文献１では、１枚の圧電シートの面内に２分割された２つの内部電極を形成して、各内部電極をその端部で外部電極と接続し、圧電シートを一層毎に９０度づつ回転させて積層した構造とすることにより、各電極に加える電圧を組合せて３次元的な微小移動が得られるようにしている。特許文献２では、圧電素子と共通電極と個別電極とを積層して圧電素子ブロックを形成し、この圧電素子ブロックを個別電極の中心線に沿って切断して２分することで、１個の圧電素子ブロックから２個の圧電アクチュエータが得られるようになっている。特許文献３では、内部電極が形成された圧電素子を所定枚数積層した後、所定の大きさに切断し、外部電極を一層おきに内部電極に接続した構造が示されている。また、下記の特許文献４には、内部電極と圧電磁器層を交互に積層して高インピーダンス部と低インピーダンス部を一体に形成し、低インピーダンス部あるいは高インピーダンス部にスリットを設けた圧電磁器トランスの構造が記載されている。

特公平７−７０７６０号公報 特開平７−１８３５８９号公報 特開平５−２５９５２４号公報 特開平５−２５１７８３号公報

従来、複数個の圧電アクチュエータを用いて負荷を駆動する場合は、単品の圧電アクチュエータを複数個用意し、それぞれのアクチュエータを基板等に取り付けていた。しかしながら、このような方法では、それぞれの圧電アクチュエータを相互に位置決めする必要があり、位置決めの精度を確保するためには多大の作業時間を要する。また、圧電アクチュエータを接着により取り付ける場合、個々のアクチュエータを接着しなければならないため、接着工程が煩雑であるとともに、接着面積が大きくとれないため、接着力が十分でないという問題がある。また、圧電アクチュエータの高さにばらつきがあると、各アクチュエータの上面位置が揃わず、高精度の制御を行うことが困難となる。

これに対し、前掲の特許文献１に記載された圧電アクチュエータは、１個の素子で複数方向への変位が可能であることから、上述した課題に対して一定の解決策を与えている。しかしながら、この圧電アクチュエータは圧電シートを多層に積層した構造であるため製造工程が複雑となり、また、隣接するアクチュエータ領域間で内部電極が電気的に分断されていないので、各アクチュエータ領域を完全に独立して駆動することは難しい。特許文献２に記載された圧電アクチュエータは、１個の圧電素子ブロックを切断して得られるものであるから、上述した従来の課題と同じ課題を有している。特許文献３の圧電アクチュエータも単体の素子であるから、上記と同様の課題を有している。なお、特許文献４は、圧電磁器トランスに関するものであって、上記課題に対する解決策の示唆を与えるものではない。

そこで、本発明は、製造が容易で、複数の圧電アクチュエータを独立して駆動することができる積層型圧電アクチュエータを提供することを目的とする。

本発明では、圧電素子および電極が交互に積層され、各電極に所定の電圧を印加することにより各圧電素子を機械的に変位させる積層型圧電アクチュエータにおいて、角柱のバルクからなる圧電素子の側面に、第１および第２の切り込み溝が垂直方向に所定間隔で交互に形成されていて、これらの溝は複数箇所で部分的にオーバーラップしている。第１の切り込み溝には導電材料からなる第１の内部電極が形成され、第２の切り込み溝には導電材料からなる第２の内部電極が形成されている。また、第１の内部電極のそれぞれに対して一方の極性の電圧を共通に印加する第１の外部電極と、第２の内部電極のそれぞれに対して他方の極性の電圧を共通に印加する第２の外部電極とが設けられる。そして、角柱は第１および第２の切り込み溝がオーバーラップする上記複数箇所以外の部分で上面からハーフカットされており、上記複数箇所に、独立して駆動可能な複数の圧電アクチュエータブロックが形成されている。

このような構造にすることで、きわめて簡単な製造プロセスにより、単一のバルク素子から複数の独立した積層型圧電アクチュエータを容易に形成することができる。また、ハーフカット処理によって複数の圧電アクチュエータブロックが電気的に分離されるので、各アクチュエータを完全に独立して駆動することが可能となる。しかも、各アクチュエータは電気的には独立しているものの、機械的には完全に分離しておらず下部で一体化されているので、相互間の位置決めが不要となるとともに、基板等へ接着する場合も１回の接着作業で済み、かつ、接着面積が大きくなって接着力が増大する。さらに、各アクチュエータの高さにばらつきがなくなって、高精度の制御を行うことが可能となる。

本発明の典型的な実施形態においては、直方体のバルクからなる圧電素子の側面に、当該側面の全幅にわたって開口するとともに両端が隣接する側面に開口する切り込み溝が複数形成されており、これらの切り込み溝は、上記直方体における一対の平行な側面の対称位置に形成された第１の切り込み溝と、他の一対の平行な側面の対称位置に形成された第２の切り込み溝とからなる。第１および第２の切り込み溝は、垂直方向に所定間隔で交互に配列されていて、これらの溝は直方体の４隅において部分的にオーバーラップしている。第１の切り込み溝には導電材料からなる第１の内部電極が形成され、第２の切り込み溝には導電材料からなる第２の内部電極が形成されていて、第１および第２の切り込み溝の両端部に露出した内部電極が絶縁膜で被覆されている。また、第１の内部電極のそれぞれに対して一方の極性の電圧を共通に印加する第１の外部電極と、第２の内部電極のそれぞれに対して他方の極性の電圧を共通に印加する第２の外部電極とが前記絶縁膜の上から取り付けられて、各外部電極が対応する内部電極に電気的に接続されている。そして、上記直方体は、４隅以外の部分で上面からクロス状にハーフカットされており、４隅部分に、独立して駆動可能な４つの圧電アクチュエータブロックが形成されている。

また、本発明の製造方法は、圧電素子および電極が交互に積層され、各電極に所定の電圧を印加することにより各圧電素子を機械的に変位させる積層型圧電アクチュエータの製造方法であって、以下のプロセスを備える。
（１）直方体のバルクからなる圧電素子の側面に、当該側面の全幅にわたって開口するとともに両端が隣接する側面に開口する第１および第２の切り込み溝を、これらの溝が直方体の４隅において部分的にオーバーラップするように、垂直方向に所定間隔で交互に形成する。
（２）第１の切り込み溝に第１の内部電極を形成するとともに、第２の切り込み溝に第２の内部電極を形成する。
（３）第１および第２の切り込み溝の両端部に露出した内部電極を絶縁膜で被覆する。
（４）第１の内部電極のそれぞれに対して一方の極性の電圧を共通に印加する第１の外部電極と、第２の内部電極のそれぞれに対して他方の極性の電圧を共通に印加する第２の外部電極とを前記絶縁膜の上から取り付けて、各外部電極を対応する内部電極に電気的に接続する。
（５）第１および第２の外部電極と第１および第２の内部電極とを介して圧電素子に高電圧を印加することで分極処理を行う。
（６）前記直方体を４隅以外の部分で上面からクロス状にハーフカットし、当該４隅部分に、独立して駆動可能な４つの圧電アクチュエータブロックを形成する。

このような方法を採用することにより、きわめて簡単な製造プロセスにより、精度が高く、独立して駆動可能な複数の圧電アクチュエータを容易に形成することができる。

本発明によれば、簡単な製造プロセスにより、精度が高く、複数の圧電アクチュエータを独立して駆動することが可能な積層型圧電アクチュエータを得ることができる。

以下、本発明の実施形態につき、図面を参照しながら説明する。図１〜図１０は、積層型圧電アクチュエータの製造方法を説明する図である。図１は、第１工程において、圧電素子に切り込み溝を形成した状態を示している。図１において、１は直方体のバルクからなる圧電素子であって、具体的にはＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などの多結晶体を焼結した圧電セラミックからなる。圧電素子１の側面１ａには、複数の切り込み溝２ａが形成されている。この切り込み溝２ａは、側面１ａの全幅にわたって開口しているとともに、その両端は隣接する側面１ｂ、１ｄに開口している。側面１ｂにも、複数の切り込み溝２ｂが形成されており、この切り込み溝２ｂは、側面１ｂの全幅にわたって開口しているとともに、その両端は隣接する側面１ａ、１ｃに開口している。また、側面１ｃにも、複数の切り込み溝２ｃが形成されており、図１では表れていないが、この切り込み溝２ｃは、側面１ｃの全幅にわたって開口しているとともに、その両端は隣接する側面１ｂ、１ｄに開口している。同様に、側面１ｄにも、複数の切り込み溝２ｄが形成されており、図１では表れていないが、この切り込み溝２ｄは、側面１ｄの全幅にわたって開口しているとともに、その両端は隣接する側面１ａ、１ｃに開口している。

切り込み溝２ａ，２ｃは、直方体における一対の平行な側面１ａ，１ｃの対称位置に形成されていて、第１の切り込み溝を構成している。また、切り込み溝２ｂ，２ｄは、他の一対の平行な側面１ｂ，１ｄの対称位置に形成されていて、第２の切り込み溝を構成している。第１の切り込み溝２ａ，２ｃと、第２の切り込み溝２ｂ，２ｄとは、垂直方向に所定間隔で交互に配列されていて、これらの溝は直方体の４隅において部分的にオーバーラップしている。図２は、図１のＸ−Ｘ断面の上面図、図３は、図１のＹ−Ｙ断面の上面図である。

このように、第１工程においては、直方体のバルクからなる圧電素子１の側面１ａ〜１ｄに、当該側面の全幅にわたって開口するとともに両端が隣接する側面に開口する第１の切り込み溝２ａ，２ｃおよび第２の切り込み溝２ｂ，２ｄを、これらの溝が直方体の４隅において部分的にオーバーラップするように、垂直方向に所定間隔で交互に形成する。なお、切り込み溝２ａ〜２ｄは、例えば回転歯を有するダイシングソーを用いて切削加工により形成する。

図４は、第２工程において、圧電素子１の各切り込み溝２ａ〜２ｄに導電材料からなる内部電極を形成した状態を示している。３ａは切り込み溝２ａに形成された内部電極、３ｂは切り込み溝２ｂに形成された内部電極、３ｃは切り込み溝２ｃに形成された内部電極、３ｄは切り込み溝２ｄに形成された内部電極である。これらの各内部電極３ａ〜３ｄは、例えば電気めっきにより切り込み溝２ａ〜２ｄをメタルで埋めることにより形成される。第１の切り込み溝２ａ，２ｃに形成された内部電極３ａ，３ｃは第１の内部電極を構成し、第２の切り込み溝２ｂ，２ｄに形成された内部電極３ｂ，３ｄは第２の内部電極を構成する。

図５は、第３工程において、各切り込み溝の両端部に露出した内部電極を絶縁膜で被覆した状態を示している。４は絶縁膜であって、切り込み溝２ａ〜２ｄの両端部に露出した内部電極（破線で示す）を覆うように圧電素子１の各側面１ａ〜１ｄに被着されている。

図６は、第４工程において、各内部電極に対して所定の電圧を印加するための外部電極を取り付けた状態を示している。５１は第１の内部電極３ａ，３ｃに対して負極性（−）の電圧を共通に印加する第１の外部電極、５２は第２の内部電極３ｂ，３ｄに対して正極性（＋）の電圧を共通に印加する第２の外部電極である。これらの第１および第２の外部電極５１，５２は、図７の上面図に示すように、圧電素子１の４隅部の側面にそれぞれ取り付けられる。

図８は図７のＡ−Ａ断面の側面図、図９は図７のＢ−Ｂ断面の側面図である。図６、図８および図９からわかるように、切り込み溝２ａ〜２ｄの両端部に露出した内部電極は、絶縁膜４で覆われているため、外部電極５１，５２とは電気的に接続されない。したがって、第１の内部電極３ａ，３ｃは、第１の外部電極５１にのみ電気接続され、当該電極５１を介して負電圧が印加される。また、第２の内部電極３ｂ，３ｄは、第２の外部電極５２にのみ電気接続され、当該電極５２を介して正電圧が印加される。この結果、圧電素子１の内部にはプラス電極とマイナス電極とが垂直方向に交互に形成されることになる。

このようにして外部電極５１，５２を取り付けた後、第５工程において、圧電素子１に分極処理を施す。この分極処理は、外部電極５１，５２および内部電極３ａ〜３ｄを介して圧電素子１に直流の高電圧を印加することにより行う。この分極処理により、圧電素子１は印加電圧に応じて高さ方向に変位可能な状態となる。

図１０は、第６工程（最終工程）において、圧電素子１をハーフカットして４つの独立した圧電アクチュエータブロックが形成された状態を示している。ハーフカットは、直方体の４隅以外の部分で、圧電素子１の上面からクロス状に４本のスリット６を形成することにより行う。スリット６はダイシング加工により形成され、その深さは、最下層の内部電極（内部電極３ａ，３ｃ）と圧電素子１の下面（底面）との間に設定される。このハーフカット処理により、内部電極３ａ〜３ｄはスリット６の箇所で切断され、圧電素子１の直方体の４隅に独立した圧電アクチュエータブロック７１〜７４が形成され、最終製品としての積層型圧電アクチュエータ１００が得られる。それぞれの圧電アクチュエータブロック７１〜７４は、電気的に分離されているため、独立して駆動することができる。すなわち、圧電アクチュエータブロックごとに設けられた１対の外部電極５１，５２に個別に電圧を印加することで、各圧電アクチュエータブロック７１〜７４は印加電圧に応じた量だけ高さ方向に変位する。

図１１は、４つの圧電アクチュエータブロック７１〜７４のうちの７１を取り出して模式的に示した図である。上述したハーフカット処理により、圧電アクチュエータ７１の内部には、プラス電極（内部電極３ｂ）とマイナス電極（内部電極３ａ）とが交互に形成されている。図の斜線部分は、前述の絶縁膜４で被覆された部分を表している。プラス電極に正電圧を印加し、マイナス電極に負電圧を印加することにより、両電極に挟まれた圧電素子が厚み方向（垂直方向）に変位して、アクチュエータとしての機能を果たす。

図１２は、以上のようにして製造された積層型圧電アクチュエータ１００を用いた焦点可変ミラーの例を示している。図１２（ａ）は上面図、図１２（ｂ）は正面図である。１１はガラスなどからなる基板、１２は基板１１に取り付けられた支柱、１３は支柱１２に支持されたシリコンミラーである。基板１１の上には、積層型圧電アクチュエータ１００が接着により取り付けられており、この積層型圧電アクチュエータ１００の変位を利用してシリコンミラー１３を図１２（ｂ）の破線のように変形させ、ミラー１３の曲率を変化させて焦点を可変する。この場合、４つの独立した圧電アクチュエータ７１〜７４を個別に駆動することにより、シリコンミラー１３の形状を自在に変化させることができ、高精度の焦点制御が可能となる。このような焦点可変ミラーは、カメラ、顕微鏡、光ピックアップなどの光学機器に用いられる。

本発明の積層型圧電アクチュエータ１００によると、前述したようなきわめて簡単な製造プロセスにより、単一のバルク素子から複数の独立した積層型の圧電アクチュエータブロック７１〜７４を容易に形成することができる。また、ハーフカット処理によって複数の圧電アクチュエータブロック７１〜７４が電気的に分離されるので、各アクチュエータを完全に独立して駆動することが可能となる。しかも、圧電アクチュエータブロック７１〜７４は電気的には独立しているものの、機械的には完全に分離しておらず、図１０で示したように下部で一体的に繋がっているので、相互間の位置決めが不要となる。また、図１２のように基板１１へ接着する場合も、１回の接着作業で４個の圧電アクチュエータブロック７１〜７４を同時に取り付けることができ、しかも接着面積が大きくなって接着力が増大する。さらに、圧電アクチュエータブロック７１〜７４は単一のバルク素子から形成されたものであるので、高さにばらつきがなく、図１２のような焦点可変ミラーに用いた場合に高精度の制御を行うことが可能となる。

本発明の積層型圧電アクチュエータ１００では、切り込み溝２ａ〜２ｄの垂直方向の配列間隔を短くするほど、圧電素子１に印加する電圧は小さくて済む。また、切り込み溝２ａ〜２ｄの切り込み量を大きくすれば、内部電極３ａ〜３ｄのオーバーラップ面積が大きくなって、圧電アクチュエータとして利用できる面積が増大し、大きな駆動力を発生させることができる。これらの配列間隔や切り込み量などのパラメータは、積層型圧電アクチュエータ１００の設計仕様に応じて適宜選定すればよい。

本発明は、上述した実施形態以外にも、種々の実施形態を採用することができる。例えば、上記実施形態では、ダイシングソーにより切り込み溝２ａ〜２ｄを形成する例を挙げたが、これに代えて、エッチングにより切り込み溝２ａ〜２ｄを形成してもよく、あるいは圧電素子１の成形時に金型により切り込み溝２ａ〜２ｄを同時に形成するようにしてもよい。

上記実施形態においては、内部電極３ａ〜３ｄを電気めっきにより形成する例を挙げたが、これに代えて、薄い導電性の金属板を切り込み溝２ａ〜２ｄに装填して内部電極３ａ〜３ｄを形成してもよい。

上記実施形態においては、各切り込み溝２ａ〜２ｄの両端が隣接する側面に開口している例を挙げたが、切り込み溝２ａ〜２ｄは両端が開口していない溝であってもよい。この場合は、内部電極の両端が側面に露出しないので、絶縁膜４の形成を省略することができる。

さらに、上記実施形態においては、直方体の圧電素子１を用いる例を挙げたが、直方体の特殊形態である立方体の圧電素子を用いてもよいことは言うまでもない。また、本発明は、直方体（四角柱）に限らず、六角柱などの多角柱の圧電素子を用いる場合にも適用することができる。

圧電素子に切り込み溝を形成した状態を示す図である。 図１のＸ−Ｘ断面の上面図である。 図１のＹ−Ｙ断面の上面図である。 切り込み溝に導電材料からなる内部電極を形成した状態を示す図である。 切り込み溝の両端部に露出した内部電極を絶縁膜で被覆した状態を示す図である。 外部電極を取り付けた状態を示す図である。 外部電極を取り付けた状態での圧電素子の上面図である。 図７のＡ−Ａ断面の側面図である。 図７のＢ−Ｂ断面の側面図である。 圧電素子をハーフカットして４つの独立した圧電アクチュエータブロックが形成された状態を示す図である。 圧電アクチュエータブロックの１つを取り出して模式的に示した図である。 本発明の積層型圧電アクチュエータを用いた焦点可変ミラーの例を示す図である。

符号の説明

１ 圧電素子
１ａ〜１ｄ 側面
２ａ〜２ｄ 切り込み溝
３ａ〜３ｄ 内部電極
４ 絶縁膜
５１，５２ 外部電極
６ スリット
７１〜７４ 圧電アクチュエータブロック
１００ 積層型圧電アクチュエータ

Claims (3)

1. 圧電素子および電極が交互に積層され、各電極に所定の電圧を印加することにより各圧電素子を機械的に変位させる積層型圧電アクチュエータにおいて、
   直方体のバルクからなる圧電素子の側面に、当該側面の全幅にわたって開口するとともに両端が隣接する側面に開口する切り込み溝が複数形成されており、
   前記切り込み溝は、前記直方体における一対の平行な側面の対称位置に形成された第１の切り込み溝と、他の一対の平行な側面の対称位置に形成された第２の切り込み溝とからなり、
   第１および第２の切り込み溝は、垂直方向に所定間隔で交互に配列されていて、これらの溝は前記直方体の４隅において部分的にオーバーラップしており、
   第１の切り込み溝には導電材料からなる第１の内部電極が形成され、第２の切り込み溝には導電材料からなる第２の内部電極が形成されており、
   第１および第２の切り込み溝の両端部に露出した内部電極が絶縁膜で被覆されており、
   第１の内部電極のそれぞれに対して一方の極性の電圧を共通に印加する第１の外部電極と、第２の内部電極のそれぞれに対して他方の極性の電圧を共通に印加する第２の外部電極とが前記絶縁膜の上から取り付けられて、各外部電極が対応する内部電極に電気的に接続されており、
   前記直方体は、４隅以外の部分で上面からクロス状にハーフカットされており、
   前記４隅部分に、独立して駆動可能な４つの圧電アクチュエータブロックが形成されていることを特徴とする積層型圧電アクチュエータ。
2. 圧電素子および電極が交互に積層され、各電極に所定の電圧を印加することにより各圧電素子を機械的に変位させる積層型圧電アクチュエータにおいて、
   角柱のバルクからなる圧電素子の側面に、第１および第２の切り込み溝が垂直方向に所定間隔で交互に形成されていて、これらの溝は複数箇所で部分的にオーバーラップしており、
   第１の切り込み溝には導電材料からなる第１の内部電極が形成され、第２の切り込み溝には導電材料からなる第２の内部電極が形成されており、
   第１の内部電極のそれぞれに対して一方の極性の電圧を共通に印加する第１の外部電極と、第２の内部電極のそれぞれに対して他方の極性の電圧を共通に印加する第２の外部電極とが設けられ、
   前記角柱は、第１および第２の切り込み溝がオーバーラップする前記複数箇所以外の部分で上面からハーフカットされており、
   前記複数箇所に、独立して駆動可能な複数の圧電アクチュエータブロックが形成されていることを特徴とする積層型圧電アクチュエータ。
3. 圧電素子および電極が交互に積層され、各電極に所定の電圧を印加することにより各圧電素子を機械的に変位させる積層型圧電アクチュエータの製造方法において、
   直方体のバルクからなる圧電素子の側面に、当該側面の全幅にわたって開口するとともに両端が隣接する側面に開口する第１および第２の切り込み溝を、これらの溝が直方体の４隅において部分的にオーバーラップするように、垂直方向に所定間隔で交互に形成し、
   第１の切り込み溝に第１の内部電極を形成するとともに、第２の切り込み溝に第２の内部電極を形成し、
   第１および第２の切り込み溝の両端部に露出した内部電極を絶縁膜で被覆し、
   第１の内部電極のそれぞれに対して一方の極性の電圧を共通に印加する第１の外部電極と、第２の内部電極のそれぞれに対して他方の極性の電圧を共通に印加する第２の外部電極とを前記絶縁膜の上から取り付けて、各外部電極を対応する内部電極に電気的に接続し、
   第１および第２の外部電極と第１および第２の内部電極とを介して圧電素子に高電圧を印加することで分極処理を行い、
   その後、前記直方体を４隅以外の部分で上面からクロス状にハーフカットし、当該４隅部分に、独立して駆動可能な４つの圧電アクチュエータブロックを形成することを特徴とする積層型圧電アクチュエータの製造方法。
   

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