JP2009124791A - Vibrator and vibration wave actuator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、セラミックス基板上に圧電素子を接合した振動体及びその振動体を用いた振動波アクチュエータに関する。 The present invention relates to a vibrating body in which a piezoelectric element is bonded on a ceramic substrate and a vibration wave actuator using the vibrating body.
従来、振動波アクチュエータでは、一般に、振動体の振動源として圧電素子が用いられている。この圧電素子としては、多数の圧電層を積層し成形一体化した後に焼成された積層圧電素子が使われている（特許文献１，２参照）。この積層圧電素子は、単一の板状の圧電素子に比べて、多層化により低い印加電圧で大きな変形歪や大きな力が得られるという利点がある。 Conventionally, in a vibration wave actuator, a piezoelectric element is generally used as a vibration source of a vibrating body. As this piezoelectric element, a laminated piezoelectric element that is fired after laminating and forming a large number of piezoelectric layers is used (see Patent Documents 1 and 2). Compared with a single plate-like piezoelectric element, this multilayer piezoelectric element has an advantage that a large deformation strain and a large force can be obtained at a low applied voltage by multilayering.
図４は、特許文献２に係るリニア型振動波（超音波）アクチュエータ３０の外観斜視図である。このリニア型振動波アクチュエータ３０は、振動体３１、及び加圧接触されたリニアスライダ３６を有している。 FIG. 4 is an external perspective view of the linear vibration wave (ultrasonic wave) actuator 30 according to Patent Document 2. As shown in FIG. The linear vibration wave actuator 30 includes a vibrating body 31 and a linear slider 36 that is in pressure contact.
振動体３１は、積層圧電素子３５と駆動板３２を有し、積層圧電素子３５は圧電層と電極層が交互に複数積層化され、駆動板３２は金属からなり、接着剤により積層圧電素子３５と接着されている。駆動板３２は、矩形状に形成された板部と、この板部の上面に対して凸状に形成された２つの突起部３３ａ，３３ｂを有している。突起部３３の先端面には、接触部３４ａ，３４ｂが形成されている。接触部３４ａ，３４ｂは、被駆動体としてのリニアスライダ３２と直接接触する部材であるため、耐磨耗性を有している。 The vibrating body 31 includes a laminated piezoelectric element 35 and a driving plate 32. The laminated piezoelectric element 35 is formed by alternately laminating a plurality of piezoelectric layers and electrode layers. The driving plate 32 is made of metal, and the laminated piezoelectric element 35 is formed of an adhesive. And is glued. The drive plate 32 has a plate portion formed in a rectangular shape and two protrusions 33a and 33b formed in a convex shape with respect to the upper surface of the plate portion. Contact portions 34 a and 34 b are formed on the tip surface of the protrusion 33. Since the contact portions 34a and 34b are members that are in direct contact with the linear slider 32 as a driven body, they have wear resistance.
このリニア型振動波アクチュエータ３０は、２つの曲げ振動モードを励起し、突起部３３ａ，３３ｂに楕円運動を生起させる。この楕円運動は、振動体３１に対して加圧状態で接触されているリニアスライダ３６に対して、振動体３１との間に相対的な移動運動力を発生させる。この相対的な移動運動力により、リニアスライダ３６は、リニア（直線）駆動されることとなる。 The linear vibration wave actuator 30 excites two bending vibration modes and causes the protrusions 33a and 33b to generate an elliptical motion. The elliptical motion generates a relative moving motion force between the vibrating body 31 and the linear slider 36 that is in contact with the vibrating body 31 in a pressurized state. The linear slider 36 is driven linearly (straight line) by this relative movement motion force.
この積層圧電素子３５を製造する場合は、初めに、圧電材料粉末と有機バインダから、ドクターブレード法などの方法により圧電層となるグリーンシートを作り、このグリーンシート上の所定位置に電極材料ペーストを印刷して電極層とする。そして、このグリーンシートを所定の枚数平面状に重ね、加圧して積層化する。この後、圧電層と電極層を同時焼成により一体化し、分極処理を行い、最終的に機械加工を行い所定の寸法に仕上げる。 When manufacturing the laminated piezoelectric element 35, first, a green sheet to be a piezoelectric layer is made from a piezoelectric material powder and an organic binder by a method such as a doctor blade method, and an electrode material paste is placed at a predetermined position on the green sheet. Print to make an electrode layer. Then, a predetermined number of the green sheets are stacked in a planar shape and pressed to be stacked. Thereafter, the piezoelectric layer and the electrode layer are integrated by simultaneous firing, subjected to polarization treatment, and finally machined to finish to a predetermined size.
また、セラミックス基板の少なくとも一方の面上に、電極材料と圧電材料が順次層状に積層せしめられ、熱処理によって一体化されてなる一体積層構造を有する圧電電歪膜型アクチュエータが提案されている（特許文献３参照）。
上述した図４に示す振動波アクチュエータでは、積層圧電素子と金属からなる振動板（駆動板３２）は、樹脂からなる接着剤で接着している。しかし、樹脂からなる接着剤は比較的柔らかいため、振動体の振動減衰は大きく、特に小型化するほど振動体の振動減衰の影響が大きくなり、小型の振動波アクチュエータの効率を低下させる主因となっていた。 In the vibration wave actuator shown in FIG. 4 described above, the laminated piezoelectric element and the vibration plate (drive plate 32) made of metal are bonded with an adhesive made of resin. However, since the adhesive made of resin is relatively soft, the vibration damping of the vibrating body is large, and the influence of the vibration damping of the vibrating body is particularly large as the size of the vibrating body is reduced, which is a main cause of reducing the efficiency of a small vibration wave actuator. It was.
また、小型化した場合に、接着層の厚さのばらつきや接着による位置精度が小型の振動波アクチュエータの性能に与える影響が大きくなり、小型の振動波アクチュエータの性能のばらつきも大きくなっていた。 In addition, when the size is reduced, the influence of the variation in the thickness of the adhesive layer and the positional accuracy due to the adhesion on the performance of the small vibration wave actuator increases, and the variation in the performance of the small vibration wave actuator also increases.
さらに、従来の積層圧電素子の製造方法では、圧電材料粉末から作るグリーンシート成形や積層プレス、機械加工など製造装置の設備投資額も大きく、製造コストを高くする一因となっていた。 Furthermore, in the conventional method for manufacturing a laminated piezoelectric element, the capital investment of a manufacturing apparatus such as green sheet molding, laminating press and machining made from a piezoelectric material powder is large, which is a factor in increasing the manufacturing cost.
そこで、積層圧電素子の製造と同時に、接着層を設けずに振動板に積層圧電素子を直接固定することも考えられる。しかしながら、振動板は金属で構成されるため、圧電素子の圧電層と電極層を同時焼成一体化を行なう温度では、金属を構成する元素が圧電層や電極層に拡散する。その結果、圧電層は拡散した元素のため本来の圧電活性を持ち得ない化学組成になってしまっていた。 Therefore, it is also conceivable to fix the laminated piezoelectric element directly to the diaphragm without providing an adhesive layer simultaneously with the production of the laminated piezoelectric element. However, since the diaphragm is made of metal, the elements constituting the metal diffuse into the piezoelectric layer and the electrode layer at a temperature at which the piezoelectric layer and the electrode layer of the piezoelectric element are simultaneously fired and integrated. As a result, the piezoelectric layer has a chemical composition that cannot have the original piezoelectric activity due to the diffused elements.
また、金属より耐熱性の高いセラミックス基板では、金属のように元素の拡散は起らないが、貴金属である電極層とセラミックス基板との化学反応が少なく、接合強度がかなり低くなる。そのため、初めから振動板がセラミックス基板から剥離していたり、振動による剥離が起こり易くなったりして、安定した振動エネルギーを出力できなかった。 Further, in a ceramic substrate having higher heat resistance than metal, element diffusion does not occur unlike metal, but there is little chemical reaction between the electrode layer, which is a noble metal, and the ceramic substrate, and the bonding strength becomes considerably low. For this reason, the vibration plate is peeled off from the ceramic substrate from the beginning, or peeling due to vibration is likely to occur, and stable vibration energy could not be output.
本発明は、上記の技術的な背景の下になされたもので、その目的は、安価な構成で小型化に伴う振動の減衰を抑制して振動効率を向上させ、安定した振動エネルギーを出力できるようにすることにある。 The present invention has been made under the above technical background, and its object is to reduce vibration attenuation accompanying downsizing with an inexpensive configuration to improve vibration efficiency and to output stable vibration energy. There is in doing so.
上記目的を達成するため、本発明は、圧電層と電極層を有する圧電素子をセラミックス基板に固定してなる振動体において、前記圧電層は、前記電極層から交番信号の供給を受けて歪み前記振動体を変形させるエネルギーを発生する活性部と、発生しない非活性部を備え、前記活性部と前記セラミックス基板の間に位置する前記非活性部が前記活性部の全面にわたり設けられ、前記セラミックス基板に固定されていることを特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention provides a vibrating body in which a piezoelectric element having a piezoelectric layer and an electrode layer is fixed to a ceramic substrate, wherein the piezoelectric layer is distorted by receiving an alternating signal from the electrode layer. The ceramic substrate includes an active portion that generates energy for deforming the vibrator and an inactive portion that does not generate, and the inactive portion positioned between the active portion and the ceramic substrate is provided over the entire surface of the active portion. It is characterized by being fixed to.
本発明によれば、安価な構成で小型化に伴う振動の減衰を抑制して振動効率を向上させ、安定した振動エネルギーを出力することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to improve vibration efficiency by suppressing vibration attenuation accompanying downsizing with an inexpensive configuration, and to output stable vibration energy.
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る振動体の構成を示す構成図である。図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ振動体の正面図、側面図、平面図である。なお、図１（ｂ）は、図１（ｃ）の矢印で示した破線位置での断面を示している。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a configuration diagram showing a configuration of a vibrating body according to the first embodiment of the present invention. 1A, 1B, and 1C are a front view, a side view, and a plan view of a vibrating body, respectively. FIG. 1B shows a cross section at the position of the broken line indicated by the arrow in FIG.
図１に示す振動体１ａは、リニア駆動する振動波アクチュエータに適用することを想定したものである。）である。この振動体１ａは、板状のセラミックス基板２と圧電素子１５とを有している。 The vibrator 1a shown in FIG. 1 is assumed to be applied to a vibration wave actuator that is linearly driven. ). The vibrating body 1 a includes a plate-shaped ceramic substrate 2 and a piezoelectric element 15.
このセラミックス基板２と圧電素子１５は、後述するように同時焼成により接合（固定）され一体化されたものである。すなわち、振動エネルギー発生源として機能する圧電素子１５と、その振動エネルギーを集積する振動板として機能するセラミックス基板２とは、接着層を介することなく固定されて一体化されている。 As will be described later, the ceramic substrate 2 and the piezoelectric element 15 are joined (fixed) and integrated by simultaneous firing. That is, the piezoelectric element 15 that functions as a vibration energy generation source and the ceramic substrate 2 that functions as a vibration plate that accumulates the vibration energy are fixed and integrated without an adhesive layer.
圧電素子１５においては、圧電層３、電極層４、圧電層５、電極層６、圧電層７が順次積層されている。電極層４は、２つに分割され、分割体は互いに離間状態で配備されている。同様に、電極層６は、２つに分割され、分割体は互いに離間状態で配備されている。 In the piezoelectric element 15, the piezoelectric layer 3, the electrode layer 4, the piezoelectric layer 5, the electrode layer 6, and the piezoelectric layer 7 are sequentially stacked. The electrode layer 4 is divided into two, and the divided bodies are arranged in a state of being separated from each other. Similarly, the electrode layer 6 is divided into two, and the divided bodies are arranged in a separated state.
また、圧電層５は、電極層４の全面を覆い、圧電層７は電極層６の全面を覆っている。電極層４，６と外部（制御部等）との電気的な導通は、圧電層５，７に孔（ホール）８を形成し、その孔８を介して導電線９を電極層４，６の上に導入してハンダ等に固定することにより、図られている。 The piezoelectric layer 5 covers the entire surface of the electrode layer 4, and the piezoelectric layer 7 covers the entire surface of the electrode layer 6. For electrical continuity between the electrode layers 4 and 6 and the outside (control unit or the like), holes 8 are formed in the piezoelectric layers 5 and 7, and the conductive wires 9 are connected to the electrode layers 4 and 6 through the holes 8. This is achieved by introducing it onto the solder and fixing it to solder or the like.
電極層４，６には、圧電素子１５の振動を制御する制御部等から交番信号が供給され、
この交番信号により圧電層５が伸縮し（歪み）、その伸縮が機械的な振動エネルギーとして外部に放出される。この振動エネルギーによりセラミックス基板２が振動し、そのセラミックス基板２の振動は、被駆動体（図３のリニアスライダ１４参照）を駆動する駆動力として利用される。
An alternating signal is supplied to the electrode layers 4 and 6 from a control unit or the like that controls the vibration of the piezoelectric element 15.
The alternating signal causes the piezoelectric layer 5 to expand and contract (distort), and the expansion and contraction is released to the outside as mechanical vibration energy. This vibration energy causes the ceramic substrate 2 to vibrate, and the vibration of the ceramic substrate 2 is used as a driving force for driving a driven body (see the linear slider 14 in FIG. 3).
セラミックス基板２は、長さ１２ｍｍ、幅５ｍｍ、厚さ０．３ｍｍであり、圧電層３の厚さは約６μｍ、圧電層５の厚さは約１２μｍ、圧電層７の厚さは約６μｍ、電極層４、６の厚さは約５μｍである。導通用の孔８は直径１ｍｍである。 The ceramic substrate 2 has a length of 12 mm, a width of 5 mm, and a thickness of 0.3 mm. The piezoelectric layer 3 has a thickness of about 6 μm, the piezoelectric layer 5 has a thickness of about 12 μm, and the piezoelectric layer 7 has a thickness of about 6 μm. The thickness of the electrode layers 4 and 6 is about 5 μm. The hole 8 for conduction has a diameter of 1 mm.
次に、振動体１ａの製造方法を説明する。まず、板状の焼成済みのセラミックスを研削加工、切断加工により所定の寸法に仕上げる。次に、圧電材料粉末と、有機溶剤と有機バインダからなる有機ビヒクルを混合して作った厚膜形成可能な圧電材料ペーストを、セラミックス板の片面の表面にスクリーン印刷法で印刷塗布する。そして、この塗布された圧電材料ペーストを約１５０℃で１０分間ほど加熱することにより、有機溶剤を除去して乾燥させて、圧電層３を形成する。 Next, a method for manufacturing the vibrating body 1a will be described. First, a plate-like fired ceramic is finished to a predetermined size by grinding and cutting. Next, a piezoelectric material paste capable of forming a thick film formed by mixing a piezoelectric material powder and an organic vehicle made of an organic solvent and an organic binder is printed and applied to one surface of the ceramic plate by a screen printing method. Then, the applied piezoelectric material paste is heated at about 150 ° C. for about 10 minutes to remove the organic solvent and dry, thereby forming the piezoelectric layer 3.
この後、銀とパラジウムを主成分とする導電材料粉末等からなる導電材料ペーストを乾燥済みの圧電層３の上にスクリーン印刷法で塗布、乾燥し電極層４を形成する。こうして、順次塗布と乾燥を繰り返し圧電層５、電極層６、圧電層７を形成する。なお、導電材料ペーストは、導電材料粉末と、有機溶剤と有機バインダからなる有機ビヒクルを混合して作る。 Thereafter, a conductive material paste made of a conductive material powder or the like mainly composed of silver and palladium is applied onto the dried piezoelectric layer 3 by a screen printing method and dried to form the electrode layer 4. In this way, the piezoelectric layer 5, the electrode layer 6, and the piezoelectric layer 7 are formed by sequentially repeating coating and drying. The conductive material paste is made by mixing a conductive material powder and an organic vehicle made of an organic solvent and an organic binder.
圧電層３，５，７を形成するための圧電材料としては、次のものを使用した。すなわち、鉛を含んだペロブスカイト型の結晶構造を有するジルコン酸鉛とチタン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３）を主成分とし、複数の金属元素からなる化合物を少量添加して固溶させた三成分系や多成分系の圧電材料粉末を使用した。すなわち、圧電層３，５，７は、化合物層として形成されている。 As a piezoelectric material for forming the piezoelectric layers 3, 5, and 7, the following were used. That is, a ternary system in which lead zirconate having a perovskite type crystal structure containing lead and lead titanate (PbZrO3-PbTiO3) as main components and a small amount of a compound composed of a plurality of metal elements are added and dissolved. A multi-component piezoelectric material powder was used. That is, the piezoelectric layers 3, 5, and 7 are formed as compound layers.
圧電層５は、分極処理が施され圧電活性部として変位を発生させる層であり、その化学組成が直接振動波アクチュエータの性能に影響する。一方、圧電層３と圧電層７は、圧電活性部でなく圧電非活性部となる。なお、後述のように、少なくとも圧電素子１５は、セラミックス基板２に固定される面とその反対側の面が、非活性部で形成されている。また、圧電層５と圧電層３，７とは、その目的に合わせて、ジルコン酸鉛とチタン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３）の主成分以外の成分を変更することも可能である、また、その厚さも圧電層５と圧電層３，７とで異なるようにしても良い。 The piezoelectric layer 5 is a layer that is subjected to polarization treatment and generates displacement as a piezoelectric active portion, and its chemical composition directly affects the performance of the vibration wave actuator. On the other hand, the piezoelectric layer 3 and the piezoelectric layer 7 are not piezoelectric active portions but piezoelectric inactive portions. As will be described later, at least the piezoelectric element 15 has a surface fixed to the ceramic substrate 2 and a surface on the opposite side as an inactive portion. Moreover, the piezoelectric layer 5 and the piezoelectric layers 3 and 7 can change components other than the main components of lead zirconate and lead titanate (PbZrO3-PbTiO3) according to the purpose, The thickness may be different between the piezoelectric layer 5 and the piezoelectric layers 3 and 7.
上記の圧電活性部とは、圧電層と対向する電極を有し、電極間に電圧を印加して分極処理を施した後に、交流電圧を電極間に供給した時に振動子を変形させる振動エネルギーを発生する圧電層の部位をいう。一方、圧電非活性部は、圧電層と対向する電極を有さず、電極間に電圧を印加出来ず（つまり、分極処理不能）、かつ、交流電圧も電極間に供給出来ない（つまり、振動子を変形させる振動エネルギーを発生しない）圧電層の部位をいう。 The above-mentioned piezoelectric active part has an electrode facing the piezoelectric layer, and after applying a polarization treatment between the electrodes and applying a polarization treatment, vibration energy that deforms the vibrator when an alternating voltage is supplied between the electrodes. This refers to the portion of the piezoelectric layer that is generated. On the other hand, the piezoelectric inactive part does not have an electrode opposite to the piezoelectric layer, cannot apply a voltage between the electrodes (that is, polarization treatment is impossible), and cannot supply an alternating voltage between the electrodes (that is, vibration). A portion of the piezoelectric layer that does not generate vibration energy that deforms the child.
なお、圧電非活性部は、圧電層と対向する電極を有し、電極間に電圧を印加して分極処理を施しても、分極処理後に一方の電極を除去したため交流電圧を電極間に供給できない（つまり、振動子を変形させず振動エネルギーを発生しない）圧電層の部位もいう。 Note that the piezoelectric inactive part has an electrode facing the piezoelectric layer, and even if a voltage is applied between the electrodes and the polarization process is performed, an AC voltage cannot be supplied between the electrodes because one electrode is removed after the polarization process. It also refers to a portion of the piezoelectric layer (that is, it does not deform the vibrator and generate vibration energy).
ここで、電極層４，６を形成するための導電材料ペーストとしては、導電材料の他に予め圧電材料粉末を１０重量％添加したものを使用した。ただし、添加する圧電材料粉末は、圧電層５と同一成分か、または主成分が同じジルコン酸鉛とチタン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３）であっても同様の効果が得られる。また、圧電層５，７には、スクリーン印刷の版に予め細工を施して孔８（未印刷部）を形成できるようにし、電極層４，６は、非印刷部を介して２分割し、離間して配置できるようにしてある。 Here, as the conductive material paste for forming the electrode layers 4 and 6, a paste in which 10% by weight of piezoelectric material powder was previously added in addition to the conductive material was used. However, the same effect can be obtained even if the piezoelectric material powder to be added is the same component as the piezoelectric layer 5 or the same main component of lead zirconate and lead titanate (PbZrO3-PbTiO3). In addition, the piezoelectric layers 5 and 7 are pre-worked on the screen printing plate so that the holes 8 (unprinted portions) can be formed, and the electrode layers 4 and 6 are divided into two via the non-printed portions, It can be arranged apart.
このようにして形成したセラミックス基板２上の複数の積層化された圧電層３，５，７と電極層４，６は、未焼成状態である。そこで、電気炉を用いて２００℃〜５００℃で加熱して有機バインダを除去した後、鉛雰囲気中で１１００℃〜１２００℃で焼成した。すなわち、圧電層３，５，７、電極層４，６、及びセラミックス基板２を同時に焼成して一体化した。換言すれば、圧電素子の製造と、圧電素子とセラミックス基板との接合（固定）を同時に行なった。 The plurality of laminated piezoelectric layers 3, 5, 7 and electrode layers 4, 6 on the ceramic substrate 2 thus formed are in an unfired state. Then, after heating at 200 degreeC-500 degreeC using an electric furnace and removing an organic binder, it baked at 1100 degreeC-1200 degreeC in lead atmosphere. That is, the piezoelectric layers 3, 5, 7, the electrode layers 4, 6 and the ceramic substrate 2 were simultaneously fired and integrated. In other words, the piezoelectric element was manufactured and the piezoelectric element and the ceramic substrate were joined (fixed) at the same time.
ここで、圧電層３は、セラミックス基板２と電極層４を結合するために設けている。電極層４を形成する導電材料としての銀とパラジウムはセラミックスとは、接合力が弱い。そのため、圧電層３が無い場合には、導電材料粉末の焼成時の粉末の焼結による収縮と焼成後の熱膨張により最初からセラミックス基板２から電極層４が剥離していたり、圧電素子１５の振動により剥離してしまう。 Here, the piezoelectric layer 3 is provided for bonding the ceramic substrate 2 and the electrode layer 4. Silver and palladium as a conductive material for forming the electrode layer 4 have a weak bonding force with ceramics. Therefore, when the piezoelectric layer 3 is not present, the electrode layer 4 is peeled off from the ceramic substrate 2 from the beginning due to shrinkage caused by sintering of the powder during firing of the conductive material powder and thermal expansion after firing, It peels off due to vibration.
また、予め、電極層４に圧電粉末を混ぜることで、導電材料粉末の焼成による収縮を抑制して剥離力を小さくした。さらに、圧電層３と電極層４とにそれぞれ混合されたほぼ同一成分の圧電粉末の接触部が反応して、圧電層３と電極層４が固く結合するようにした。 In addition, by previously mixing the piezoelectric powder with the electrode layer 4, shrinkage due to firing of the conductive material powder was suppressed, and the peeling force was reduced. Further, the contact portions of the piezoelectric powders of substantially the same component mixed in the piezoelectric layer 3 and the electrode layer 4 reacted to cause the piezoelectric layer 3 and the electrode layer 4 to be firmly bonded.
一方、振動体としてのセラッミクス基板２の材質としては、圧電層３と近接した領域で安定した化学的な結合が起こるような材質のものを選定した。さらに、圧電層３，５，７は比較的軟質なので、セラミックス基板２と電極層４，６の熱膨張の違いにより発生する応力の緩衝材としても機能する。これらの結果、セラミックス基板２と電極層４との剥離を防止することが可能となる。 On the other hand, as the material of the ceramic substrate 2 as the vibrating body, a material that causes stable chemical bonding in a region close to the piezoelectric layer 3 was selected. Further, since the piezoelectric layers 3, 5 and 7 are relatively soft, they also function as a buffer material for stress generated due to the difference in thermal expansion between the ceramic substrate 2 and the electrode layers 4 and 6. As a result, it is possible to prevent the ceramic substrate 2 and the electrode layer 4 from being separated.
なお、セラミックス基板２の材質は、圧電層３が剥離しないように圧電層３と接触させて焼成しても異常な化学反応が起ったり、脆い化合物が生成されたりしない材質であることが好ましい。この点からは、セラミックス基板２の材質は、圧電層（特に圧電層３）と主成分がほぼ同一のセラミックスであることが好ましい。これは、以下の理由で、セラミックス基板２の材質が圧電層３と主成分がほぼ同一の圧電セラミックスであれば、セラミックス基板２と圧電層３との結合に必要な結合力が容易に得られるからである。 The material of the ceramic substrate 2 is preferably a material that does not cause an abnormal chemical reaction or generate a brittle compound even if it is fired in contact with the piezoelectric layer 3 so that the piezoelectric layer 3 does not peel off. . From this point, the material of the ceramic substrate 2 is preferably a ceramic whose main component is substantially the same as that of the piezoelectric layer (particularly the piezoelectric layer 3). This is because, for the following reason, if the material of the ceramic substrate 2 is a piezoelectric ceramic whose principal component is substantially the same as that of the piezoelectric layer 3, the bonding force necessary for the bonding between the ceramic substrate 2 and the piezoelectric layer 3 can be easily obtained. Because.
すなわち、焼結したセラミックスを形成する個々の結晶粒子と、圧電層を形成する個々の未焼成の更に細かい結晶粒子がほぼ同一成分であれば、未焼成の圧電層は、焼成により結晶粒子が成長しつつセラミックスを構成する結晶粒子と容易に結合できるからである。 In other words, if the individual crystal particles forming the sintered ceramic and the individual unfired finer crystal particles forming the piezoelectric layer are substantially the same component, the unfired piezoelectric layer grows by firing. This is because it can be easily combined with the crystal particles constituting the ceramic.
ただし、圧電セラミックスは、振動板としての振動減衰は少なく実用性はあるものの、やや脆い材料であり機械的な強度もやや弱い。また、圧電セラミックスは、特殊な材料でもありコストもやや高い。 However, although piezoelectric ceramics have little vibration attenuation as a vibration plate and have practicality, they are somewhat brittle materials and slightly weak in mechanical strength. Piezoelectric ceramics are also a special material and cost a little.
そこで、基板（振動板）の更に好ましい材料として、酸化アルミニウムセラミックス（アルミナ）を選定した。アルミナは、他のセラミックスと比べて入手し易く安価である。そして、振動体としての振動の減衰もかなり少ない。 Therefore, aluminum oxide ceramics (alumina) was selected as a more preferable material for the substrate (vibrating plate). Alumina is easier to obtain and cheaper than other ceramics. And the vibration attenuation as a vibrating body is also considerably small.
ただし、純度が低くガラス質成分（酸化ケイ素）を含むと、鉛との反応が起き易くアルミナの材質を劣化させる。ガラス質成分は通常、低融点で結晶粒界に存在し、結晶粒界で鉛と容易に反応し、アルミナの基板としての機械的な強度を劣化させる。 However, when the purity is low and a glassy component (silicon oxide) is contained, the reaction with lead easily occurs and the material of alumina is deteriorated. The glassy component is usually present at the crystal grain boundary with a low melting point, easily reacts with lead at the crystal grain boundary, and degrades the mechanical strength of the alumina substrate.
そこで、ガラス成分の少ない９９．５％以上の高純度のアルミナを使用したところ、セラミックス基板２と圧電層３とが良好に結合された。これは、高純度のアルミナセラミックスを選んだ結果、圧電層３とごく近接した領域のみで、圧電層を構成する元素がアルミナに拡散し安定な化学的な結合が起こったものと推測される。 Therefore, when 99.5% or more high-purity alumina having a small glass component was used, the ceramic substrate 2 and the piezoelectric layer 3 were well bonded. This is presumed that, as a result of selecting high-purity alumina ceramics, the elements constituting the piezoelectric layer diffused into the alumina only in a region very close to the piezoelectric layer 3 and stable chemical bonding occurred.
ただし、アルミナセラミックスは、機械部品としてはやや脆い性質もあり、ガラス成分以外の他の成分を多少添加しても良い。例えば酸化ジルコニアは機械的な強度と電気的な絶縁性を向上させることができ、添加物として好ましい。この場合、特開２００６−７４８５０号公報のように、酸化ジルコニアを５〜４０重量％添加するのが望ましい。 However, alumina ceramics are also somewhat brittle as mechanical parts, and some other components other than glass components may be added. For example, zirconia oxide can improve mechanical strength and electrical insulation, and is preferable as an additive. In this case, it is desirable to add 5 to 40% by weight of zirconia oxide as disclosed in JP-A-2006-74850.
また、圧電層５は電極層４を覆い、圧電層７は電極層６を覆い、特に電極層４，６の端部まで完全に覆うようにし、絶縁性の保護層として電極層４，６が表面に露出しないようにしている。このように圧電層５，７による電極層４，６の保護層を設けることで、外部からの機械的な力による電極層４，６の剥離を防止することができた。また、例えば異物が接触した際のショートや高湿度下での電流リーク、電極層４，６と圧電層５，７の隙間への水分の侵入を防ぎ、電極層４，６の剥離を防止することができた。なお、第１の実施の形態では、対向する電極層４，６とで挟まれた圧電層５が圧電活性部となる。 Further, the piezoelectric layer 5 covers the electrode layer 4, the piezoelectric layer 7 covers the electrode layer 6, and in particular, completely covers the end portions of the electrode layers 4 and 6, and the electrode layers 4 and 6 serve as insulating protective layers. It is not exposed on the surface. Thus, by providing the protective layers of the electrode layers 4 and 6 by the piezoelectric layers 5 and 7, peeling of the electrode layers 4 and 6 due to an external mechanical force could be prevented. Further, for example, a short circuit when a foreign object comes into contact, a current leak under high humidity, a water intrusion into a gap between the electrode layers 4 and 6 and the piezoelectric layers 5 and 7 is prevented, and peeling of the electrode layers 4 and 6 is prevented. I was able to. In the first embodiment, the piezoelectric layer 5 sandwiched between the opposing electrode layers 4 and 6 serves as a piezoelectric active portion.
前述のように、圧電層３，５，７、電極層４，６、及びセラミックス基板２を同時に焼成して一体化した後、圧電層５，７の孔８を介して電極層４，６に導電線９をハンダ等で接合し、電極層４，６の間に電圧を印加、圧電層４に分極処理を施した。分極処理の条件は、温度１２０〜１５０℃のオイル中で、電極層４をグランド（Ｇ）とし、電極層６をプラス（＋）として、所定の電圧約３５Ｖ（３ＫＶ／ｍｍ相当）を印加して、約３０分かけて分極処理を行った。 As described above, the piezoelectric layers 3, 5, 7, the electrode layers 4, 6 and the ceramic substrate 2 are simultaneously fired and integrated, and then the electrode layers 4, 6 are formed through the holes 8 of the piezoelectric layers 5, 7. The conductive wires 9 were joined with solder or the like, a voltage was applied between the electrode layers 4 and 6, and the piezoelectric layer 4 was subjected to polarization treatment. The condition for the polarization treatment is that a predetermined voltage of about 35 V (corresponding to 3 KV / mm) is applied in oil at a temperature of 120 to 150 ° C. with the electrode layer 4 as ground (G) and the electrode layer 6 as plus (+). Then, the polarization treatment was performed for about 30 minutes.
また、圧電層３，５，７、及び電極層４，６を形成する圧電材料ペーストは、圧電材料粉末に多少の添加物を加え、エチルセルロースのような有機バインダとテルピネオールのような有機溶剤を用いた有機ビヒクルを３本ロールで混練して作った。 The piezoelectric material paste for forming the piezoelectric layers 3, 5, 7 and the electrode layers 4, 6 is obtained by adding some additives to the piezoelectric material powder and using an organic binder such as ethyl cellulose and an organic solvent such as terpineol. The organic vehicle was kneaded with three rolls.
スクリーン印刷法では本例では圧電層の厚さは１２μｍとしたが、厚さ約２、３μｍから約３０μｍまでの厚膜である圧電層や電極層を高精度に作ることができる。版には分割した電極や圧電層に孔（未印刷部）を設けることも可能である。 In the screen printing method, the thickness of the piezoelectric layer is 12 μm in this example, but a piezoelectric layer or electrode layer having a thickness of about 2 to 3 μm to about 30 μm can be formed with high accuracy. It is also possible to provide holes (unprinted portions) in divided electrodes and piezoelectric layers in the plate.
また、スクリーン印刷法は、上述のグリーンシートによる積層に比べて、より薄くて高精度な厚さの層の形成が容易であるばかりでなく、塗布位置を高精度に制御可能であり、焼結後の機械加工も必要としない。さらに、製造設備もより安価である。これらの結果、製造コストも安価となる。 In addition, the screen printing method not only facilitates the formation of a thinner and more accurate layer than the above-described lamination with a green sheet, but also allows the application position to be controlled with high accuracy, and allows sintering. No subsequent machining is required. Furthermore, the manufacturing equipment is also cheaper. As a result, the manufacturing cost is also low.
［第２の実施の形態］
図２は、本発明の第２の実施の形態に係る振動体の構成を示す構成図である。図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ振動体の正面図、側面図、平面図である。なお、図２（ｂ）は、図２（ｃ）の矢印で示した破線位置での断面図を示している。
[Second Embodiment]
FIG. 2 is a configuration diagram showing a configuration of a vibrating body according to the second embodiment of the present invention. 2A, 2B, and 2C are a front view, a side view, and a plan view of the vibrating body, respectively. Note that FIG. 2B is a cross-sectional view taken along the broken line indicated by the arrow in FIG.
第１の実施の形態では、電極層で挟まれた圧電層は１つであったが、第２の実施の形態では、電極層で挟まれた圧電層は２つとなっている。 In the first embodiment, there is one piezoelectric layer sandwiched between the electrode layers, but in the second embodiment, there are two piezoelectric layers sandwiched between the electrode layers.
すなわち、第２の実施の形態では、第１の実施の形態に対して圧電層と電極層を１層ずつ加えた積層型圧電素子１６となっている。換言すれば、第２の実施の形態では、圧電活性部である圧電層を２層とすることにより、圧電層が１層である第１の実施の形態よりも、低電圧化を図っている。なお、圧電活性部である圧電層を３層以上にし、更なる低電圧化を図ることも可能である。 That is, in the second embodiment, the laminated piezoelectric element 16 is obtained by adding one piezoelectric layer and one electrode layer to the first embodiment. In other words, in the second embodiment, by using two piezoelectric layers as the piezoelectric active portion, a lower voltage is achieved than in the first embodiment in which the piezoelectric layer is one layer. . It is possible to further reduce the voltage by increasing the number of piezoelectric layers that are the piezoelectric active portions to three or more.
第２の実施の形態に係る振動体１ｂは、具体的には、板状の焼成したセラミックス基板２の上に、積層型圧電素子１６として圧電層３、電極層４、圧電層５ａ、電極層６ａ、圧電層５ｂ、電極層６ｂ、圧電層７が順次重ねられている。 Specifically, the vibrating body 1b according to the second embodiment includes a piezoelectric layer 3, an electrode layer 4, a piezoelectric layer 5a, and an electrode layer as a laminated piezoelectric element 16 on a plate-like fired ceramic substrate 2. 6a, the piezoelectric layer 5b, the electrode layer 6b, and the piezoelectric layer 7 are sequentially stacked.
圧電層５ａは電極層４を全体的に覆い、圧電層５ｂは電極層６ａを全体的に覆い、圧電層７は電極層６ｂを全体的に覆っている。電極層４，６ｂは、導電ペースト（導電材）を充填した孔１０で電気的に導通し、孔１１に接合した導電線９で外部電源と導通可能となっている。電極層６ａは，導電ペーストを充填した孔１２に接合した導電線９で外部（制御部等）と導通可能となっている。 The piezoelectric layer 5a entirely covers the electrode layer 4, the piezoelectric layer 5b entirely covers the electrode layer 6a, and the piezoelectric layer 7 entirely covers the electrode layer 6b. The electrode layers 4 and 6 b are electrically connected through the hole 10 filled with the conductive paste (conductive material), and can be connected to the external power source through the conductive wire 9 bonded to the hole 11. The electrode layer 6a can be electrically connected to the outside (control unit or the like) through a conductive wire 9 bonded to the hole 12 filled with the conductive paste.
振動体１ｂは、例えば、セラミックス基板は長さ１２ｍｍ幅５ｍｍ、厚さ０．３ｍｍであり、圧電層３の厚さは約６μｍ、圧電層５ａ，５ｂの厚さは約１２μｍ、圧電層７の厚さは約６μｍ、電極層４，６ａ，６ｂの厚さは約５μｍである。孔１０，１１の径は、配線を考慮して直径１ｍｍとなっている。なお、本実施の形態では、圧電層５ａ，５ｂが圧電活性部となる。 In the vibrating body 1b, for example, a ceramic substrate has a length of 12 mm, a width of 5 mm, and a thickness of 0.3 mm, the piezoelectric layer 3 has a thickness of about 6 μm, the piezoelectric layers 5 a and 5 b have a thickness of about 12 μm, and the piezoelectric layer 7 has The thickness is about 6 μm, and the thicknesses of the electrode layers 4, 6a, 6b are about 5 μm. The diameters of the holes 10 and 11 are 1 mm in diameter in consideration of wiring. In the present embodiment, the piezoelectric layers 5a and 5b are piezoelectric active portions.
第２の実施の形態は、第１の実施の形態と異なり、孔１０，１１，１２には、電極層４，６ａ，６ｂを形成した導電ペーストとほぼ同じ成分の導電ペーストが充填されている。この場合、孔１０，１１，１２を形成した後、電極層４，６ａ，６ｂを形成する前後で、スクリーン印刷法などで孔１０，１１，１２に導電ペーストを充填し、積層圧電素子１６と同時にセラミックス基板２を焼成して一体化する。また、別の製造方法として、積層圧電素子１６を焼成した後に、熱硬化する接着剤と導電粉末混ぜた導電ペーストを孔１０，１１，１２に充填しても良い。 In the second embodiment, unlike the first embodiment, the holes 10, 11, and 12 are filled with a conductive paste having substantially the same components as the conductive paste in which the electrode layers 4, 6a, and 6b are formed. . In this case, after forming the holes 10, 11, and 12, before and after forming the electrode layers 4, 6 a, and 6 b, the holes 10, 11, and 12 are filled with a conductive paste by screen printing or the like. At the same time, the ceramic substrate 2 is fired and integrated. As another manufacturing method, after the laminated piezoelectric element 16 is fired, the holes 10, 11, and 12 may be filled with a conductive paste mixed with a thermosetting adhesive and conductive powder.
図３は、第１、第２の実施の形態に係る振動板１ａ、又は振動板１ｂを組込んだリニア型振動波アクチュエータの構成を示す図である。リニア駆動の原理は従来例と同じである。振動板１ａ又は振動板１ｂには、突起部１３が設けられている。リニアスライダ１４は加圧された状態で突起部１３に接触し、圧電素子１５又は１６の振動で突起部１３に励起された楕円運動により、リニアスライダ１４が移動する。すなわち、本リニア型振動波アクチュエータは、圧電素子１５又は１６を駆動動力源としてリニアスライダ１４を往復駆動している。 FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a linear vibration wave actuator incorporating the diaphragm 1a or the diaphragm 1b according to the first and second embodiments. The principle of linear drive is the same as in the conventional example. Projections 13 are provided on the diaphragm 1a or the diaphragm 1b. The linear slider 14 comes into contact with the protrusion 13 in a pressurized state, and the linear slider 14 moves due to the elliptical motion excited by the protrusion 13 by the vibration of the piezoelectric element 15 or 16. That is, this linear vibration wave actuator reciprocates the linear slider 14 using the piezoelectric element 15 or 16 as a driving power source.
なお、本発明は、第１，第２の実施の形態に限定されることなく、例えば、電極層と外部電源との導通は導電線を用いて行ったが、導電線の代わりにフレキシブル回路基板や導電ペーストで電極層と外部電源との導通を図っても良い。 The present invention is not limited to the first and second embodiments. For example, conduction between the electrode layer and the external power source is performed using a conductive line, but a flexible circuit board is used instead of the conductive line. Alternatively, conduction between the electrode layer and the external power source may be achieved with a conductive paste.
１ａ，１ｂ…振動体
２…セラミックス基板
３，５，５ａ，５ｂ，７…圧電層
４，６，６ａ，６ｂ…電極層
８，１０，１１，１２…孔
１５…圧電素子
１６…積層型圧電素子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1a, 1b ... Vibrating body 2 ... Ceramic substrate 3, 5, 5a, 5b, 7 ... Piezoelectric layer 4, 6, 6a, 6b ... Electrode layer 8, 10, 11, 12 ... Hole 15 ... Piezoelectric element 16 ... Multilayer piezoelectric element
Claims (14)
前記圧電層は、前記電極層から交番信号の供給を受けて歪み前記振動体を変形させるエネルギーを発生する活性部と、発生しない非活性部を備え、
前記活性部と前記セラミックス基板の間に位置する前記非活性部が前記活性部の全面にわたり設けられ、前記セラミックス基板に固定されていることを特徴とする振動体。 In a vibrating body formed by fixing a piezoelectric element having a piezoelectric layer and an electrode layer to a ceramic substrate,
The piezoelectric layer includes an active part that generates energy to deform the vibrating body by receiving an alternating signal supplied from the electrode layer, and an inactive part that does not generate,
The vibrating body, wherein the inactive portion located between the active portion and the ceramic substrate is provided over the entire surface of the active portion and is fixed to the ceramic substrate.
前記圧電素子は、前記電極層に交番信号が供給されることによって前記振動子を変形させるエネルギーを発生する活性部と、発生しない非活性部を備え、
前記活性部と前記セラミックス基板の間に位置する前記非活性部が前記セラミックス基板に固定され、該固定された非活性部を有する圧電層には前記活性部が含まれていないことを特徴とする振動体。 In a vibrator comprising a piezoelectric element having a piezoelectric layer and an electrode layer, and a ceramic substrate to which the piezoelectric element is fixed,
The piezoelectric element includes an active part that generates energy for deforming the vibrator when an alternating signal is supplied to the electrode layer, and an inactive part that does not generate,
The inactive portion located between the active portion and the ceramic substrate is fixed to the ceramic substrate, and the piezoelectric portion having the fixed inactive portion does not include the active portion. Vibrating body.
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