JP2010067651A - 積層型圧電振動子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】各圧電板について分極処理電極を除去する必要がない積層型圧電振動子及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】積層型圧電振動子は、厚み方向と直交する方向に分極された複数枚の圧電板エレメント２０−１〜２０−Ｎを、分極処理方向を交互に反対方向として積層し、これら複数枚の圧電体エレメントの接触面を内部電極３０−１ａ、３０−１ｂ〜３０−Ｎａ、３０−Ｎｂによって互いに導通させ、圧電板エレメントの積層方向に並ぶこれらの内部電極を１つおきに導通させて駆動電圧を与える積層型圧電振動子１０において、各圧電板エレメントの対向する両側面に、エレメントを分極処理するときの電極であって、エレメントの表裏面の内部電極の一方とは非導通で他方とは導通する、駆動電圧の入力端子となる一対の分極処理電極４０−１ａ、４０−１ｂ〜４０−Ｎａ、４０−Ｎｂを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、積層型圧電振動子及びその製造方法に関する。

アクチュエータや超音波モータ等の装置の駆動源として、積層型圧電振動子が用いられている（特許文献１）。積層型圧電振動子は、厚み方向と直交する方向に分極（ポーリング）された圧電板と内部電極を交互に複数積層し、これら内部電極を積層方向に１つおきに導通させて駆動電圧を得るものである。積層型圧電振動子の中でも、積層された圧電板の分極方向を一層ごとに逆転させたものは厚み滑り素子として知られている（特許文献２）。

図４は、従来の厚み滑り素子としての積層型圧電振動子１の製造方法を示す図である。積層型圧電振動子１は、圧電板２の分極方向両端部に一対の分極処理電極３を形成し（図４（Ａ））、この一対の分極処理電極２に直流電界を印加して圧電板に分極処理を施し（図４（Ｂ））、分極処理後の分極処理電極を除去し（図４（Ｃ））、圧電板の積層方向の両面に内部電極４を形成し（図４（Ｄ））、このように構成した複数枚の圧電板を、分極処理方向を交互に反対方向とし、表裏面の内部電極を導通させて積層することにより製造していた（図４（Ｅ））。
特開２００６−２４５１２４号公報 特開平５−１０５２９１号公報

しかしながら、上記従来の製造方法にあっては、圧電板の両面が分極処理電極を介して導通することにより分極が崩れるのを防止するため、各圧電板について、分極処理電極の除去（図４（Ｃ））が不可欠であった。そのため、積層後に改めて、圧電板間の内部電極を１つおきに導通させる外部電極を形成する必要があり、製造工程の複雑化及び高コスト化を引き起こしていた。

本発明は、以上の問題意識に基づいてなされたものであり、各圧電板について分極処理電極を除去する必要がない積層型圧電振動子及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明者は、圧電板エレメントの分極方向両端部に形成した分極処理電極を除去せず、圧電板エレメントを積層したときの内部電極の導通手段として更に利用するという着眼に基づき、本発明をするに至った。

即ち、本発明の積層型圧電振動子は、厚み方向と直交する方向に分極された複数枚の圧電板エレメントを、分極処理方向を交互に反対方向として積層し、これら複数枚の圧電体エレメントの接触面を内部電極によって互いに導通させ、圧電板エレメントの積層方向に並ぶこれらの内部電極を１つおきに導通させて駆動電圧を与える積層型圧電振動子において、上記各圧電板エレメントの対向する両側面に、該エレメントを分極処理するときの電極であって、該エレメントの表裏面の内部電極の一方とは非導通で他方とは導通する、駆動電圧の入力端子となる一対の分極処理電極を有することを特徴とする。

上記分極処理電極は、上記圧電板エレメントの端面から該エレメントの表裏面のうち内部電極との導通面に跨る略Ｌ字形状を有することが好ましい。

上記圧電板エレメントは、酸化金属材料からなるものであってもよいし、高分子材料からなるものであってもよい。

本発明の積層型圧電振動子は、アクチュエータ及び超音波モータの駆動源とすることができる。

本発明の積層型圧電振動子の製造方法は、複数枚の圧電板エレメントの対向する両側面と、それぞれの側面に隣接し上記圧電板エレメントにおける表裏面の一方と他方の端部をそれぞれ覆い、かつ互いに絶縁された一対の分極処理電極を形成する分極処理電極形成ステップと、分極処理電極を介して各圧電板エレメントの厚み方向と直交する方向に分極処理を施す分極処理ステップと、各圧電板エレメントの表裏面にそれぞれ、分極処理電極のうち、該圧電板エレメントの端面に位置する部分には接触せず表裏面の端部に位置する部分に接触させて内部電極を形成する内部電極形成ステップと、各圧電板エレメントを、分極処理方向を交互に反対方向とし、表裏面の内部電極を導通させて積層する積層ステップとを有することを特徴とする

上記分極処理電極形成ステップは、圧電板エレメントの分極方向両端部に位置する対向する側面及び該側面につながる表裏面の一方と他方のそれぞれ反対側の両端部に一対のマスキングを施すステップと、上記圧電板エレメントの表裏面のうち上記マスキングを施した部分よりも中央部寄りを除き、上記マスキングを施していない部分に分極処理電極を形成するステップと、マスキングを除去して圧電板エレメントの分極処理方向両側面にそれぞれ、各側面と表裏面の一方と他方の端部の一部につながる一対の分極処理電極を露見させるステップとを含むことができる。

本発明によれば、圧電板エレメントの側面に形成した分極処理電極を、該エレメントの表裏面の内部電極の一方とは非導通で他方とは導通する、駆動電圧の入力端子として残存させたので、各圧電板エレメントについて分極処理電極を除去する必要がなく、製造工程の簡単化及び低コスト化を図ることができる。

図１は、本発明の一実施の形態に係る積層型圧電振動子１０の構成を示す図である。

図１において、積層型圧電振動子１０は、厚み方向と直交する方向に分極（ポーリング）されたＮ枚の圧電板エレメント２０−１〜２０−Ｎを、分極処理方向を交互に反対方向として積層してなる。

圧電板エレメント２０−１〜２０−Ｎは、圧電材料からなる略矩形状の板材であり、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ,Ｔｉ）Ｏ₃）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の酸化金属材料、あるいはポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ：ＰｏｌｙＶｉｎｙｌｉｄｉｎｅ ＤｉＦｌｕｏｒｉｄｅ）、三フッ化エチレン（ＴｒＦＥ：ＴｒｉＦｌｕｏｒｏＥｔｈｙｌｅｎｅ）等の高分子材料からなる。

圧電板エレメント２０−１の表裏面には一対の内部電極３０−１ａと３０−１ｂが形成されており、同様に圧電板エレメント２０−２〜２０−Ｎの表裏面にも一対の内部電極３０−２ａと３０−２ｂ〜３０−Ｎａと３０−Ｎｂが形成されている。隣り合う圧電体エレメントの接触面は内部電極によって互いに導通されており、例えば、圧電体エレメント２０−１と圧電体エレメント２０−２の接触面は、圧電体エレメント２０−１の内部電極３０−１ｂと圧電体エレメント２０−２の内部電極３０−２ａによって導通されている。

各圧電体エレメント２０−１〜２０−Ｎの端部には、該エレメントを分極処理するときの電極であって、該エレメントの表裏面の内部電極の一方とは非導通で他方とは導通する分極処理電極が残存している。例えば、圧電体エレメント２０−１の一方の端部（右側端部）には、内部電極３０−１ｂと非導通で内部電極３０−１ａと導通する分極処理電極４０−１ａが残存し、圧電体エレメント２０−１の他方の端部（左側端部）には、内部電極３０−１ａと非導通で内部電極３０−１ｂと導通する分極処理電極４０−１ｂが残存している。

この積層型圧電振動子１０をその両端面から見ると、各圧電板エレメントに残存する分極処理電極は、圧電板エレメントの積層方向に並ぶ内部電極を１つおきに導通させて駆動電圧を与える入力端子となっている。即ち、積層型圧電振動子１０の両端面を積層方向の上部から見ていくと、まず分極処理電極４０−１ｂと４０−２ａが、内部電極３０−１ｂと３０−２ａの導通部を振動子１０の一方の端面（左側端面）にまで延長し、次いで分極処理電極４０−２ｂと４０−３ａが、内部電極３０−２ｂと３０−３ａの導通部を振動子１０の他方の端面（右側端面）にまで延長し、以下この構成が繰り返される。従って、これら分極処理電極を入力端子として振動子１０の両端面にリード線Ｌａ、Ｌｂを接続して電圧を印加することにより、圧電素子エレメントの積層方向に並ぶ内部電極に対して１つおきに駆動電圧が与えられ、積層型圧電振動子１０は厚み滑り素子として動作することができる（図２参照）。

上述のように、分極処理電極は従来、圧電体エレメントの短絡（これに伴う分極の崩れ）を防止するために、各圧電板エレメントの製造段階で除去されていた。これに対し、本実施の形態の分極処理電極は、圧電板エレメントの表裏面の内部電極の一方とのみ導通しているので、このような短絡の問題は解消され、分極処理電極を残存させることができる。しかも、残存させた分極処理電極により内部電極を１つおきに導通させて駆動電圧の入力端子としているので、従来のように積層後に改めて外部電極を形成する必要もない。従って、製造工程の簡単化及び低コスト化を図ることができる。

また、分極処理電極は、圧電板エレメントの端面から、該エレメントの表裏面のうち内部電極との導通面に跨る略Ｌ字形状を有する。従って、内部電極に駆動電圧を与えるためには、積層型圧電振動子の端面まで延長された分極処理電極にリード線を接続するだけでよく、構造を簡単にすることができ、圧電振動子としての動作安定性を高めることができる。

このように構成された積層型圧電振動子１０は、低い駆動電圧で大きな変位量を得ることができるので、駆動電圧を下げることができ、ドライバ回路のコストを低減し、装置の安全性を向上することができる。積層型圧電振動子１０の実装例としては、アクチュエータや超音波モータ等の装置の駆動源として用いることができる。具体的には、積層型圧電振動子１０を弾性板の両方の面に接合すればバイモルフ型圧電アクチュエータとすることができ、積層型圧電振動子１０を弾性板の一方の面に接合すればユニモルフ型圧電アクチュエータとすることができる。また、超音波モータの軸状ロータの駆動源となる振動ステータを積層型圧電振動子１０で構成することができる。

次に、上述のように構成された積層型圧電振動子を製造する方法について、図３を参照して説明する。図３は、積層型圧電振動子１０の製造方法を示す図である。

１.圧電板エレメント形成ステップ
事前準備として、積層する複数の圧電板エレメント（圧電セラミック）を形成する。上述のように、圧電板エレメントは、酸化金属材料からなるもの、高分子材料からなるものとすることができる。圧電板エレメントは、例えば、混合した原料粉末を仮焼成して粉砕し、これにバインダ（結合剤）を配合して造粒し、この造粒品を成形して本焼成し、最後に仕上げ加工（研磨、切断）を行うことにより製造することができる。

２.分極処理電極形成ステップ
複数枚（Ｎ枚）の圧電板エレメント（１枚の圧電板エレメント２０−１のみを図示）の分極方向に対向する両側面と、それぞれの側面とその側面につながる表裏面の一方と他方の端部の一部までをそれぞれ覆い、互いに絶縁された一対の分極処理電極４０−１ａと４０−１ｂを形成する（図３（Ａ）〜（Ｃ））。なお、一対の分極処理電極４０−１ａと４０−１ｂのうち、圧電板エレメント２０−１の表裏面に形成された部分は互いに反対側の端部となっている（図３（Ａ））。具体的には、
（１）まず、圧電板エレメント２０−１の分極方向両端部に位置する対向する側面及び該側面につながる表裏面の一方と他方のそれぞれ反対側の両端部に、マスキングテープ等により一対のマスキング５０−１ａと５０−１ｂを施す（図３（Ａ））。
（２）次いで、例えばメッキ浸漬により、一対のマスキング５０−１ａと５０−１ｂの上から圧電板エレメント２０−１分極方向両端部に分極処理電極４０−１ａと４０−１ｂを形成する（図３（Ｂ））。マスキング部分よりも圧電板エレメント２０−１の中央部にメッキ液が付着しないように、マスキング部分より中央部寄りを除き（端部寄りの部分のみを）メッキ浸漬する。マスキングを施した部分にはメッキが付着しないので、分極処理電極の形状は略Ｌ字状の断面形状となる。尚、メッキ浸漬のみならず、金属ペーストをスクリーン印刷する等の他の方法によっても分極処理電極を形成可能である。
（３）最後に、マスキング５０−１ａと５０−１ｂを除去して、圧電板エレメント２０−１の両端をダイシングにより切り落とす。これにより、圧電板エレメント２０−１の分極処理方向両端部の側面とこれら各側面と表裏面のそれぞれ反対側の一方と他方につながる一対の分極処理電極４０−１ａと４０−１ｂが露見する（図３（Ｃ））。

３.分極処理ステップ
圧電体エレメント２０−１に圧電性を持たせるため、電極処理電極４０−１ａと４０−１ｂを介して固有の抗電界値以上の直流電界を印加して、自発分極の向きを揃える分極処理を行う（図３（Ｄ））。この分極処理は、例えば、１００℃前後の絶縁油に所定時間浸漬しながら行う。

４.内部電極形成ステップ
圧電板エレメント２０−１の表裏面にそれぞれ、分極処理電極４０−１ａ、４０−１ｂのうち、圧電板エレメント２０−１の端面に位置する部分には接触せず表裏面の端部に位置する部分に接触させて（表裏面に形成された部分には接続し、表裏面に形成されていない部分とは絶縁するように）所定の間隔αをおいて内部電極３０−１ａと３０−１ｂを形成する（図３（Ｅ））。この内部電極形成処理は、例えば、エアドライ等の脱分極温度より低い温度で形成できる金属材料をスクリーン印刷で塗布することにより行う。また、内部電極３０−１ａは、分極処理電極４０−１ａを被覆し、かつ分極処理電極４０−１ｂとは所定の間隔αをおいて形成されているので、分極処理電極４０−１ａとのみ導通し、分極処理電極４０−１ｂとは非導通である。一方、内部電極３０−１ｂは、分極処理電極４０−１ｂを被覆し、かつ分極処理電極４０−１ａとは所定の間隔αをおいて形成されているので、分極処理電極４０−１ｂとのみ導通し、分極処理電極４０−１ａとは非導通である。従って、内部電極３０−１ａ及び分極処理電極４０−１ａと、内部電極３０−１ｂ及び分極処理電極４０−１ｂとが電気的に接続されることはなく、上述した短絡の問題は生じ得ない。

５.積層ステップ
以上のように形成したＮ枚の各圧電体エレメントを、分極処理方向を交互に反対方向とし、表裏面の内部電極を導通させて積層した後加圧圧着することにより、図１に示した積層型圧電振動子１０が完成する。完成した積層型圧電振動子１０は、ダイシング等により、用途に応じた所望の幅に切断して使用される。

このように、各圧電板エレメントの製造段階で形成した分極処理電極を残存させ、この分極処理電極を、圧電板エレメントを積層した積層型圧電振動子の駆動電圧の入力端子として利用するので、分極処理電極を除去する手間が省け、内部電極を導通する外部電極を更に形成する必要もない。従って、本実施の形態で説明した積層型圧電振動子の製造方法は、従来の積層型圧電振動子の製造に比して製造工程が簡単であり、低コストなものである。

本発明の一実施の形態に係る積層型圧電振動子の構成を示す図 図１の積層型圧電振動子に駆動電圧を与えた図 本発明の一実施の形態に係る積層型圧電振動子の製造方法を示す図 従来の積層型圧電振動子の製造方法を示す図

符号の説明

１０ 積層型圧電振動子
２０−１〜２０−Ｎ 圧電板エレメント
３０−１ａ、３０−１ｂ〜３０−Ｎａ、３０−Ｎｂ 内部電極
４０−１ａ、４０−１ｂ〜４０−Ｎａ、４０−Ｎｂ 分極処理電極
５０−１ａ、５０−１ｂ マスキング

Claims (8)

1. 厚み方向と直交する方向に分極された複数枚の圧電板エレメントを、分極処理方向を交互に反対方向として積層し、
   これら複数枚の圧電体エレメントの接触面を内部電極によって互いに導通させ、圧電板エレメントの積層方向に並ぶこれらの内部電極を１つおきに導通させて駆動電圧を与える積層型圧電振動子において、
   上記各圧電板エレメントの対向する両側面に、該エレメントを分極処理するときの電極であって、該エレメントの表裏面の内部電極の一方とは非導通で他方とは導通する、駆動電圧の入力端子となる一対の分極処理電極を有することを特徴とする積層型圧電振動子。
2. 請求項１記載の積層型圧電振動子であって、
   上記分極処理電極は、上記圧電板エレメントの端面から該エレメントの表裏面のうち内部電極との導通面に跨る略Ｌ字形状を有する積層型圧電振動子。
3. 請求項１記載の積層型圧電振動子であって、
   上記圧電板エレメントは酸化金属材料からなる積層型圧電振動子。
4. 請求項１記載の積層型圧電振動子であって、
   上記圧電板エレメントは高分子材料からなる積層型圧電振動子。
5. 請求項１乃至４記載の積層型圧電振動子を駆動源とするアクチュエータ。
6. 請求項１乃至４記載の積層型圧電振動子を駆動源とする超音波モータ。
7. 複数枚の圧電板エレメントの対向する両側面と、それぞれの該側面に隣接し上記圧電板エレメントにおける表裏面の一方と他方の端部をそれぞれ覆い、かつ互いに絶縁された一対の分極処理電極を形成する分極処理電極形成ステップと、
   分極処理電極を介して各圧電板エレメントの厚み方向と直交する方向に分極処理を施す分極処理ステップと、
   各圧電板エレメントの表裏面にそれぞれ、分極処理電極のうち、該圧電板エレメントの端面に位置する部分には接触せず表裏面の端部に位置する部分に接触させて内部電極を形成する内部電極形成ステップと、
   各圧電板エレメントを、分極処理方向を交互に反対方向とし、表裏面の内部電極を導通させて積層する積層ステップと
   を有することを特徴とする積層型圧電振動子の製造方法。
8. 請求項７記載の積層型圧電振動子の製造方法であって、
   上記分極処理電極形成ステップは、
   圧電板エレメントの分極方向両端部に位置する対向する側面及び該側面につながる表裏面の一方と他方のそれぞれ反対側の両端部に一対のマスキングを施すステップと、
   上記圧電板エレメントの表裏面のうち上記マスキングを施した部分よりも中央部寄りを除き、上記マスキングを施していない上記圧電板エレメントの両端部分に分極処理電極を形成するステップと、
   マスキングを除去して圧電板エレメントの分極処理方向両側面にそれぞれ、各側面と表裏面の一方と他方の端部の一部につながる一対の分極処理電極を露見させるステップとを含むことを特徴とする積層型圧電振動子の製造方法。

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