JP2011151066A - 圧電アクチュエータ - Google Patents

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Abstract

【課題】圧電素子のサイズを制限することなく、駆動状態がばらつくのを抑制することが可能な圧電アクチュエータを提供すること。
【解決手段】積層型圧電アクチュエータ1は、印加される電圧により第1の振動モードと第2の振動モードとを同時に発生させる圧電素子2と、圧電素子2の外表面に配置されると共に、被駆動体と接触して該被駆動体との間に摩擦力を生じさせる摩擦部4A,4Bと、を備えている。摩擦部4A,4Bは、圧電素子2の外表面から突出するように形成された焼成体部分4A,4Bを有している。
【選択図】図2

Description

本発明は、圧電アクチュエータに関する。
圧電アクチュエータとして、印加される電源により第1の振動モードと第2の振動モードを同時に発生させる圧電体と、圧電体の一側に陥没し形成された凹部に一部分が固定された摩擦部材と、を備えているものが知られている(例えば、特許文献1参照)。
特開2008−99549号公報
特許文献1に記載されている圧電アクチュエータは、以下のような問題点を有している。
圧電素子(圧電体)は、電圧が印加された際に変位する活性部と、変位しない不活性部と、を有している。凹部は、活性部に影響を与えないように、不活性部に形成する必要があるが、凹部が活性部に達しないように、不活性部の幅(厚み)といった設計寸法に制約を与える。すなわち、不活性部の幅(厚み)は、凹部の深さよりも大きな値に設定せざるを得ず、圧電素子の小型化が制限されてしまう。
凹部に摩擦部材を固定する場合、一般には、凹部の内側形状を摩擦部材の外側形状よりも大きくした上で、凹部の内側表面に摩擦部材を接着剤等により固定する。凹部の内側形状が摩擦部材の外側形状よりも大きいことに起因して、凹部に対する摩擦部材の固定位置にばらつきが生じる懼れがある。
圧電素子(圧電体)は、第1及び第2の振動モードの2つの共振モードを有している。このため、圧電アクチュエータ毎で摩擦部材の位置がばらついていると、共振モードにおける共振周波数もばらつくこととなり、圧電素子の振動の大きさ(振幅)に影響が生じて、圧電アクチュエータ毎での駆動状態が異なってしまう。本願発明者らの調査研究の結果、共振モードとして圧電素子(圧電体)の厚み方向への曲げ振動モードを含んでいる場合、この曲げ振動モードにおける共振周波数に与える摩擦部材の位置の影響が極めて大きいことが判明した。
本発明の目的は、圧電素子のサイズを制限することなく、駆動状態がばらつくのを抑制することが可能な圧電アクチュエータを提供することである。
本発明に係る圧電アクチュエータは、印加される電圧により第1の振動モードと第2の振動モードとを同時に発生させる圧電素子と、圧電素子の外表面に配置されると共に、被駆動体に接触して該被駆動体との間に摩擦力を生じさせる摩擦部と、を備え、摩擦部は、圧電素子の外表面から突出するように形成された焼成体部分を有していることを特徴とする。
本発明に係る圧電アクチュエータでは、焼成体部分が圧電素子の外表面上に該外表面から突出するように形成されているので、焼成体部分の形成が不活性部の設計寸法に影響を及ぼすことはない。このため、摩擦部(焼成体部分)によって圧電素子のサイズが制限されるのを防ぐことができる。
また、本発明では、特許文献1に記載された圧電アクチュエータのように、圧電素子に凹部を形成する必要がない。したがって、凹部の形成に起因する摩擦部の位置のばらつきが排除され、共振モード(第1及び第2の振動モード)における共振周波数がばらつくのを抑制されることとなる。この結果、圧電アクチュエータの駆動状態にばらつきが生じるのを抑制することができる。
好ましくは、焼成体部分は、圧電素子を構成する圧電材料に固溶する成分を含んでいる。より好ましくは、圧電材料はPZTを主成分とする圧電セラミック材料であり、焼成体部分はPZTを主成分とする圧電セラミック材料を含んでいる。この場合、圧電素子と焼成体部分との接続強度が向上し、摩擦部の剥がれ等を防ぐことができる。また、焼成体部分の成分が圧電素子中の圧電材料の粒界に析出され難くなり、所望の圧電特性を確保することができる。
好ましくは、摩擦部は、焼成体部分より硬質の材料からなると共に焼成体部分の外表面を覆う保護膜を更に有している。より好ましくは、保護膜は、DLC、TiN、SiC、又はBPを含んでいる。この場合、焼成体部分を損傷等から保護すると共に焼成体部分の剥がれを防ぎ、圧電素子の変位を被駆動体へ適切に伝えることができる。
本発明によれば、圧電素子のサイズを制限することなく、駆動状態がばらつくのを抑制することが可能な圧電アクチュエータを提供することができる。
本実施形態に係る積層型圧電アクチュエータの斜視図である。 図1に示すII−II線に沿った断面図である。 図1に示す積層型圧電アクチュエータ1の分解斜視図である。 本実施形態に係る積層型圧電アクチュエータの各振動モードを示した図である。 本実施形態に係る積層型圧電アクチュエータがローターを駆動させる様子を示した図である。 本実施形態に係る積層型圧電アクチュエータの製造方法を示すフローチャートである。 積層・プレス工程で得られる積層体を示す斜視図である。 圧電材料パターン形成工程で得られる積層体及び圧電材料パターン(焼成体部分)を示す斜視図である。 本実施形態に係る積層型圧電アクチュエータと従来の積層型圧電アクチュエータの駆動時の変位の大きさを示す図である。
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
図1〜図3を参照して、本実施形態に係る積層型圧電アクチュエータの構成を説明する。図1は、本実施形態に係る積層型圧電アクチュエータ1の斜視図である。図2は、図1に示すII−II線に沿った断面図である。図3は、図1に示す積層型圧電アクチュエータ1の分解斜視図である。図2及び図3では、積層型圧電アクチュエータの長手方向の中央に一点鎖線CLが付されている。図3においては、スルーホールは微小であるため省略し、図中において上下方向に延びる一点鎖線が通過する位置にスルーホール導体が形成されるものとする。
図1に示されるように、積層型圧電アクチュエータ1は、交流電圧が印加されて変位することによって、被駆動体3(例えば、ローター等)を移動させる機能を有している。積層型圧電アクチュエータ1は、複数の圧電体層を積層して一体化することによって形成された略直方体状の圧電素子2と、被駆動体3と接触して被駆動体3との間に摩擦力を生じさせる摩擦部4A,4Bと、を備えている。被駆動体3は、上記摩擦力により移動することとなる。
積層型圧電アクチュエータ1の圧電素子2は、長方形状の第一主面(図1において上面)2a及び長方形状の第二主面(図1において下面)2bを備えている。以下の説明においては、第一及び第二主面2a,2bの長辺方向を圧電素子2の「長手方向」、短辺方向を圧電素子2の「幅方向」、第一及び第二主面2a,2bが対向する方向、すなわち圧電体層を積層する積層方向を圧電素子2の「厚み方向」と称する。圧電素子2は、長手方向の大きさが1〜20mm程度、幅方向の大きさが1〜10mm程度、及び、厚み方向の大きさが0.2〜5mm程度に設定されている。
圧電素子2の第一主面2aの長手方向の中央位置には、他の外部装置を実装する際の端子電極となる外部電極層11が配置されている。外部電極層11は、第一主面2aの長手方向の中央位置において幅方向に配列されている。外部電極層11は、第一主面2a上において互いに電気的に絶縁された、第一外部電極12、グランド外部電極13、及び第二外部電極14を含んでいる。
第一外部電極12は、幅方向の一端側で矩形形状に形成されると共に、外部装置の電圧の出力端子に接続される。グランド外部電極13は、幅方向の中央位置で矩形形状に形成されると共に、外部装置のグランド端子に接続される。第二外部電極14は、幅方向の他端側で矩形形状に形成されると共に、外部装置の電圧の出力端子に接続される。第一外部電極12、グランド外部電極13、及び第二外部電極14は、圧電素子2の第一主面2aに導電性ペーストを付与した後に所定温度(例えば、700℃程度)にて焼き付けることにより、形成される。導電性ペーストの焼き付けにより得られた焼付電極層に、電気めっきを施してめっき層を更に形成してもよい。導電性ペーストとしては、Agを主成分とした導電材料を含む導電性ペーストを用いることができる。めっき層としては、Ni/Auめっき層等が挙げられる。
各外部電極12,13,14は、各外部電極12,13,14に対応する部分に開口が形成されたメタルマスクを用い、スパッタリング法や蒸着法等により形成されてもよい。この場合、各外部電極12,13,14を構成する膜構造は、Cr/Ni、NiCu/Ag、SnAg、又はAu等が挙げられる。
圧電素子2の第二主面2bには、被駆動体3との間に摩擦力を生じさせる摩擦部4A,4Bが配置されている。摩擦部4A,4Bは、焼成体部分4A,4Bと、保護膜5と、を有している。焼成体部分4A,4Bは、後述する圧電体層10,20,30,40,50,70に固溶する材料を含有している。本実施形態では、圧電体層10,20,30,40,50,70に固溶する材料として、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)を主成分とする圧電セラミック材料を用いている。圧電体層10,20,30,40,50,70に固溶する材料としては、上述した圧電セラミック材料の他に、Ag、Cu等の金属材料、ZrO、Al等のセラミック材料、又はZnO、MgO等の金属酸化物材料等が挙げられる。
焼成体部分4A,4Bは、圧電素子2の第二主面2b上に第二主面2bから突出するように形成されている。すなわち、焼成体部分4A,4Bは、圧電体層10,20,30,40,50,70の積層方向に平行な方向に第二主面2bから突出するように形成されている。焼成体部分4Aは、圧電素子2の長手方向の大きさをLとした場合、圧電素子2の長手方向の一端2cから1/3L離れた位置において圧電素子2の幅方向へ向かって延びるように配置されている。焼成体部分4Bは、圧電素子2の長手方向の他端2dから1/3L離れた位置において圧電素子2の幅方向へ向かって延びるように配置されている(図2参照)。本実施形態では、4A,4Bの長さは、圧電素子2の幅と同じである。
保護膜5は、焼成体部分4A,4Bよりも硬質な材料、例えば、DLC(Diamond Like Carbon)、TiN、SiC、又はBP(Boron Phosphor)からなる。保護膜5は、第二主面2b及び焼成体部分4A,4Bを覆っている。保護膜5は、必ずしも第二主面2bを覆っている必要はなく、少なくとも焼成体部分4A,4Bを覆うように形成されていればよい。保護膜5の厚みは、例えば0.1〜20μm程度である。
圧電素子2は、図2及び図3に示されるように、圧電特性(すなわち、通電されることによって変形する)を有する長方形板状の圧電体層10,20,30,40,50,70と、中継電極層21、第一内部電極層31、第一グランド電極層(グランド電極層)41、及び第二内部電極層51とが積層された積層体として構成されている。中継電極層21、第一内部電極層31、第一グランド電極層(グランド電極層)41、及び、第二内部電極層51は、圧電素子2内において圧電体層10,20,30,40,50,70の積層方向(すなわち圧電素子2の厚み方向)に沿ってそれぞれ一層ずつ配置されている。
外部電極層11は、後述するように、圧電素子2の第一主面2aとなる圧電体層10上に形成されている。同様に、中継電極層21は、圧電体層20上に形成され、第一内部電極層31は圧電体層30上に形成され、第一グランド電極層41は圧電体層40上に形成され、第二内部電極層51は圧電体層50上に形成されている。
圧電体層10,20,30,40,50,70は、例えば、PZTを主成分とする圧電セラミック材料からなる。また、圧電体層10,20,30,40,50,70の厚みは、例えば10〜100μm程度である。実際の積層型圧電アクチュエータ1では、複数の圧電体層10,20,30,40,50,70は、互いの間の境界が視認できない程度に一体化されている。
中継電極層21は、圧電体層20の長手方向の中央位置において幅方向に配列されている。中継電極層21は、圧電体層20上において互いに電気的に絶縁された、第一中継電極22、グランド中継電極23、及び第二中継電極24を含んでいる。第一中継電極22は、幅方向の一端側に位置しており、矩形形状を呈している。グランド中継電極23は、幅方向の中央に位置しており、幅方向を長手方向とする長方形状を呈している。第二中継電極24は、幅方向の他端側に位置しており、矩形形状を呈している。
第一内部電極層31は、圧電体層30上において互いに電気的に絶縁された第一電極32、グランド中継電極33、及び第二電極34を含んでいる。グランド中継電極33は、長手方向の中央位置において厚み方向から見てグランド中継電極23と重なるように位置しており、長方形状を呈している。
第一電極32は、電極部32aと中継電極部32bとを有している。電極部32aは、圧電素子2の長手方向の中央位置よりも一端2c側(すなわち、圧電体層30の一端30c側)に配置されている。中継電極部32bは、長手方向中央に配置されている。電極部32aは、グランド中継電極33よりも一端30c側の圧電体層30上面の略全領域を覆うように位置しており、矩形形状を呈している。中継電極部32bは、電極部32aから長手方向の中央位置に突出すると共に厚み方向から見て第一中継電極22と重なるように位置しており、矩形形状を呈している。
第二電極34は、電極部34aと中継電極部34bとを有している。電極部34aは、圧電素子2の長手方向の中央位置よりも他端2d側(すなわち、圧電体層30の他端30d側)に配置されている。中継電極部34bは、長手方向中央に配置されている。電極部34aは、グランド中継電極33よりも他端30d側の圧電体層30上面の略全領域を覆うように位置しており、矩形形状を呈している。中継電極部34bは、電極部34aから長手方向の中央位置に突出すると共に厚み方向から見て第二中継電極24と重なるように位置しており、矩形形状を呈している。
第一グランド電極層41は、圧電体層40上において互いに電気的に絶縁された、第一中継電極42、グランド電極43、及び第二中継電極44を含んでいる。グランド電極43は、圧電体層40上面の略全面を覆うように位置しており、略矩形形状を呈している。グランド電極43は、厚み方向から見て電極部32a、電極部34a及びグランド中継電極23,33の全てと重なるように位置している。グランド電極43には、その長手方向の中央位置において、圧電体層40の幅方向の両端側に矩形形状の凹部が形成されている。当該凹部には、それぞれ第一中継電極42及び第二中継電極44が配置されている。第一中継電極42は、厚み方向から見て、中継電極部32b及び第一中継電極22と重なるように位置している。第二中継電極44は、厚み方向から見て、中継電極部34b及び第二中継電極24と重なるように位置している。
第二内部電極層51は、圧電体層50上において互いに電気的に絶縁された、第三電極54、グランド中継電極53、及び第四電極52を含んでいる。グランド中継電極53は、長手方向の中央位置において厚み方向から見て、グランド中継電極23,33と重なるように位置しており、長方形状を呈している。
第三電極54は、電極部54aと中継電極部54bとを有している。電極部54aは、圧電素子2の長手方向の中央位置よりも一端2c側(すなわち、圧電体層50の一端50c側)に配置されている。中継電極部54bは、長手方向中央に配置されている。電極部54aは、グランド中継電極53よりも一端50c側の圧電体層50上面の略全領域を覆うように位置しており、矩形形状を呈している。これにより、電極部54aは、厚み方向から見て、電極部32a及びグランド電極43の一部と重なることとなる。中継電極部54bは、電極部54aから長手方向の中央位置に突出すると共に厚み方向から見て第二中継電極24,44及び中継電極部34bと重なるように矩形形状を呈している。
第四電極52は、電極部52aと中継電極部52bとを含んでいる。電極部52aは、圧電素子2の長手方向の中央位置よりも他端2d側(すなわち、圧電体層50の他端50d側)に配置されている。中継電極部52bは、長手方向中央に配置されている。電極部52aは、グランド中継電極53よりも他端50d側の圧電体層50上面の略全領域を覆うように位置しており、矩形形状を呈している。これにより、電極部52aは、厚み方向から見て、電極部34a及びグランド電極43の一部と重なることとなる。中継電極部52bは、電極部52aから長手方向の中央位置に突出すると共に厚み方向からみて上方の第一中継電極22,42及び中継電極部32bと重なるように位置しており、矩形形状を呈している。
圧電体層10,20,30,40には、第一中継電極22,42、中継電極部32b,52bに対応する位置に、厚み方向へ貫通するスルーホールが形成されている。これらのスルーホールには、第一スルーホール導体6が配置されている。これにより、第一外部電極12、第一中継電極22、第一電極32、第一中継電極42、及び第四電極52が互いに電気的に接続される。
圧電体層10,20,30,40には、グランド中継電極23,33,53、及び、グランド電極43の長手方向中央領域に対応する位置には、厚み方向へ貫通するスルーホールが形成されている。これらのスルーホールには、グランドスルーホール導体7が配置されている。これにより、グランド外部電極13、グランド中継電極23、グランド中継電極33、グランド電極43、及びグランド中継電極53が互いに電気的に接続される。
圧電体層10,20,30,40には、第二中継電極24,44及び中継電極部34b,54bに対応する位置に、厚み方向へ貫通するスルーホールが形成される。これらのスルーホールには、第二スルーホール導体8が配置されている。これにより、第二外部電極14、第二中継電極24、第二電極34、第二中継電極44、及び第三電極54が互いに電気的に接続される。
第一スルーホール導体6とグランドスルーホール導体7と第二スルーホール導体8とは、圧電素子2の長手方向の中央位置に位置すると共に、それぞれ圧電素子2の幅方向に配列されることとなる。これらのスルーホール導体6,7,8は、導電性材料を含んでいる。各スルーホール導体に含まれる導電性材料としては、Pd、Ag、Cu、W、Mo、Sn及びNiからなる群より選ばれる1種以上の金属、又は上記金属を1種以上含む合金からなることが好ましい。各スルーホール導体6,7,8の直径は、例えば20〜100μm程度である。各電極層11,21,31,41,51及び圧電体層10,20,30,40,50,70からなる圧電素子2は、厚み調整層LY1,LY2及び圧電素子2を振動させる駆動層LY3を含むこととなる。駆動層LY3は活性部を含み、厚み調整層LY1,LY2は不活性部を含むこととなる。
駆動層LY3は、第一内部電極層31、圧電体層30、第一グランド電極層41、圧電体層40、及び第二内部電極層51から構成されている。厚み調整層LY1は、圧電体層10、中継電極層21、及び圧電体層20から構成されている。厚み調整層LY2は、圧電体層50及び圧電体層70から構成されている。厚み調整層LY1,LY2は、圧電素子2の製造時において、研磨されてその厚みが調整されることにより、圧電素子2における振動の周波数が調整される。厚み調整層LY1,LY2の厚みが略同一に設定されることにより、圧電素子2は厚み方向に対称な構成となる。
駆動層LY3において、第一内部電極層31と第一グランド電極層41とに挟まれた圧電体層30と、第一グランド電極層41と第二内部電極層51とに挟まれた圧電体層40とは、それぞれ分極処理が施されている。分極処理においては、第一内部電極層31から第一グランド電極層41に向かって分極され、第二内部電極層51から第一グランド電極層41に向かって分極される。
次に、積層型圧電アクチュエータ1の動作について、図4及び図5を参照して説明する。図4は、積層型圧電アクチュエータ1の各振動モードを示した図である。図5は、積層型圧電アクチュエータ1が被駆動体3を駆動させる様子を示した図である。
積層型圧電アクチュエータ1は、駆動時においては2つの共振モードを有している。具体的には、積層型圧電アクチュエータ1は、図4(a)に示されるような圧電素子2の長手方向に振動する縦振動モードと、図4(b)に示されるような圧電素子2の厚み方向への曲げ振動モードと、の重ね合わせによって振動する。縦振動モードの共振周波数と曲げ振動モードの共振周波数は、圧電素子2の厚み調整層LY1及びLY2(図2参照)の研磨によって合わせ込みがなされている。
図5では、縦振動モードと曲げ振動モードが重ね合わされた様子が示されている。第一電極32とグランド電極43と圧電体層30とから構成される活性部A1、及び、第四電極52とグランド電極43と圧電体層40とから構成される活性部A4を駆動させると、図5(a)に示されるように、摩擦部4Bが被駆動体3と接触して、摩擦部4Bと被駆動体3との間に摩擦力が生じる。摩擦部4Bと被駆動体3との間に生じた摩擦力により、被駆動体3が図5(a)中の矢印方向に移動することとなる。
一方、第二電極34とグランド電極43と圧電体層30とから構成される活性部A2、及び第三電極54とグランド電極43と圧電体層40とから構成される活性部A3を駆動させると、図5(b)に示されるように、摩擦部4Aが被駆動体3と接触して、摩擦部4Aと被駆動体3との間に摩擦力が生じる。摩擦部4Aと被駆動体3との間に生じた摩擦力により、被駆動体3が図5(b)中の矢印方向に移動することとなる。
第一外部電極12と第二外部電極14とに位相を90度ずらした電圧をそれぞれ印加して圧電素子2を駆動させると、摩擦部4A,4Bにそれぞれ位相が180度ずれた楕円運動が生じ、交互に被駆動体3との間に摩擦力が作用して、被駆動体3が移動することとなる。
上述の振動は、図2及び図5を参照して、圧電素子2の長手方向の中央位置と、一端2cから1/6Lの位置と、他端2dから1/6Lの位置とを節(振動において振幅を生じない位置)とすると共に、一端2cと、他端2dと、一端2cから1/3Lの位置(すなわち摩擦部4Aが設けられる位置)と、他端2dから1/3Lの位置(すなわち摩擦部4Bが設けられる位置)とを最大振幅を生じる位置とする。
次に、本実施形態に係る積層型圧電アクチュエータ1の製造方法について、図6を参照して説明する。図6は、本実施形態に係る積層型圧電アクチュエータ1の製造方法を示すフローチャートである。
図6に示されるように、積層型圧電アクチュエータ1の製造工程は、塗料化工程S1から工程を開始する。塗料化工程S1では、圧電体層10〜70の材料となる圧電材料と有機溶剤と有機バインダとを混合して、これらを塗料化する。次に、シート化工程S2が行われる。シート化工程S2では、PETフィルム上に、塗料化工程S1で得られた塗料を付与し、圧電体層1枚あたりの厚みに対応する厚みを有する圧電体シートを形成する。
シート化工程S2が終了すると、スルーホール形成工程S3が行われる。スルーホール形成工程S3では、圧電体シートに、スルーホール導体6,7,8の配置位置に対応する所定の位置にスルーホールを形成する。圧電体シートにスルーホールを形成した後、内部電極印刷工程S4が行われる。
内部電極印刷工程S4では、導電性ペーストを用い、切断前の各圧電体層10〜70の上面に、対応する電極パターン及びスルーホール導体パターンをスクリーン印刷等により形成する。このとき、各圧電体層10〜70に対して、外部電極層11、中継電極層21、第一内部電極層31、第一グランド電極層41、第二内部電極層51、及びスルーホール導体6,7,8に対応するパターンが形成される。電極パターンが形成されると、積層・プレス工程S5が行われる。
積層・プレス工程S5では、切断前の圧電体層10,20,30,40,50,70を、上からこの順番で積層し、プレスを行う。これにより、図7に示されるような積層体80が得られることとなる。プレス後、圧電材料パターン形成工程S6が行なわれる。
圧電材料パターン形成工程S6では、上述した圧電材料と有機溶剤と有機バインダとを含む塗料(圧電材料ペースト)を用意し、この圧電材料ペーストを、図8に示されるように、積層体80における圧電体層70により構成される外表面の所望の位置に付与する。これにより、積層体80の上記外表面上に、圧電材料パターン82が形成されることとなる。圧電材料パターン82は、積層体80の外表面上を圧電素子2の幅方向に相当する方向に伸びて形成されている。圧電材料パターン82の高さは、例えば10〜200μm程度である。圧電材料パターン82の幅は、例えば50〜700μm程度である。圧電材料ペーストの付与は、ディスペンサにより塗布やスクリーン印刷等により行なうことができる。圧電材料パターン82の高さは、ディスペンサにより塗布やスクリーン印刷等の工程の繰り返し回数によって、調節することができる。この場合、圧電材料パターン82は、複数の圧電材料層にて構成されることとなる。
ディスペンサにより塗布やスクリーン印刷による圧電材料ペーストの付与は、積層体80に凹部を形成する機械加工精度に比して、圧電材料ペーストの付与位置の精度が極めて高い。したがって、焼成体部分4A,4Bを形成するための位置精度が向上し、焼成体部分4A,4Bの位置ばらつきが生じるのを防ぐことができる。また、圧電材料ペーストの付与をディスペンサにより塗布やスクリーン印刷に行なうことにより、圧電材料パターン82の高さを上述したように低く抑えることができ、積層型圧電アクチュエータ1の低背化を図ることができる。更に、ディスペンサにより塗布やスクリーン印刷は既存の工程であり、焼成体部分4A,4Bを極めて安価で且つ簡易に形成することができる。
次に、脱バインダ・焼成工程S7が行われる。ここでは、所定の熱処理条件にて、積層体80及び圧電材料パターン82の脱バインダ処理が行われると共に、焼成処理が行われる。これにより、焼成された積層体80に焼成体部分4A,4Bが形成されることとなる。このとき、圧電材料ペーストに含まれる圧電材料の一部は、積層体80(圧電素子2)に拡散し、焼成体部分4A,4Bと積層体80(圧電素子2)との接続強度が向上する。焼成体部分4A,4Bの高さは、例えば10〜200μm程度であり、その幅は、例えば200〜1000μm程度である。
積層体80の焼成後、研磨工程S8が行われる。研磨工程S7では、厚み調整層LY1,LY2の研磨を行うことによって、縦振動モードの共振周波数と曲げ振動モードの共振周波数との合わせ込みがなされる。具体的には、圧電体層10あるいは圧電体層70の研磨が行われる。
続いて、表面電極形成工程S9が行なわれる。ここでは、導電性ペーストを用い、圧電体層10の上面に露出しているスルーホール導体6,7,8と外部回路とを電気的に接続するための第一外部電極12、グランド外部電極13、及び第二外部電極14に対応する電極パターンを圧電体層10の上面にスクリーン印刷等により形成する。その後、所定の熱処理条件にて、電極パターンを焼成(焼付け)する。これにより、第一外部電極12、グランド外部電極13、及び第二外部電極14が形成されることとなる。各外部電極12,13,14は、上述したように、メタルマスクを用い、スパッタリング法や蒸着法等により形成してもよい。
次に、保護膜形成工程S10が行なわれる。保護膜形成工程S10では、積層体80における焼成体部分4A,4Bが形成された外表面及び焼成体部分4A,4Bを覆うように、保護膜5を形成する。保護膜5の形成は、プラズマCVD法等を用いることができる。
次に、分極工程S11が行われる。分極工程S11では、圧電材料の極性を揃えるために、既知の手法により、分極処理が行われる。その後、積層体80を、圧電素子2ごとに切断する個品切断工程S12が行われる。積層体80は、図7及び図8に示された一点鎖線に沿って切断される。個別に切断された圧電素子2はバレル研磨機に入れられ、バレル研磨工程S13が行われる。最後に、電気特性を検査する電気特性検査工程S14と外観検査工程S15が行われて、図6に示された製造工程が終了する。
次に、上述のように構成された積層型圧電アクチュエータ1の作用・効果について説明する。
積層型圧電アクチュエータ1は、上述したように、複数の圧電体層を積層することによって形成され、第一及び第二主面を有する直方体状の素体と、第一及び第二主面に対向するように素体内に配置され、素体の長手方向の中央位置よりも一端側に配置される電極部を含む第一電極、及び中央位置よりも他端側に配置される電極部を含むと共に第一電極と電気的に絶縁された第二電極を有する第一内部電極層と、第二主面側で圧電体層を挟んで第一内部電極層の第一電極の電極部及び第二電極の電極部と対向するように素体内に配置されるグランド電極を有するグランド電極層と、第二主面側で圧電体層を挟んでグランド電極層と対向するように素体内に配置され、中央位置よりも一端側に配置される電極部を含む第三電極、及び中央位置よりも他端側に配置される電極部を含むと共に第三電極部と電気的に絶縁された第四電極を有する第二内部電極層と、第一主面に形成され、それぞれが電気的に絶縁された第一外部電極、第二外部電極、及びグランド外部電極を有する外部電極層と、素体内を圧電体層が積層される方向である厚み方向に延びて第一外部電極、第一電極及び第四電極同士を電気的に接続する第一スルーホール導体と、素体内を厚み方向に延びて第二外部電極、第二電極及び第三電極同士を電気的に接続する第二スルーホール導体と、素体内を厚み方向に延びてグランド外部電極及びグランド電極同士を電気的に接続するグランドスルーホール導体と、を備え、第一スルーホール導体、第二スルーホール導体及びグランドスルーホール導体は、中央位置に配置されると共に、それぞれ素体の幅方向に配列されており、長手方向に縦振動を生じると共に厚み方向に曲げ振動を生じる。
すなわち、本実施形態に係る積層型圧電アクチュエータ1では、第一外部電極12、第一電極32及び第四電極52同士を電気的に接続する圧電素子2内の第一スルーホール導体6と、第二外部電極14、第二電極34及び第三電極54同士を電気的に接続する圧電素子2内の第二スルーホール導体8と、グランド外部電極13及びグランド電極43を電気的に接続する圧電素子2内のグランドスルーホール導体7とが、圧電素子2の長手方向の中央位置に配置されると共に、それぞれ圧電素子2の幅方向に配列されている。このように、電極同士の電気的な接続が圧電素子2内に形成された各スルーホール導体6,7,8によってなされているため、他部品との接触を考慮することなく設計することが可能となると共に、従来の積層型圧電アクチュエータのように側面電極を設けた場合に比して部品の小型化を図ることが可能となる。
電極同士を接続するスルーホール導体6,7,8は圧電素子2内部に設けられているため、周囲の環境の影響を受けることを防止することができるため、信頼性を向上させることができる。また、外部に側面電極があった場合は、製造時において、積層体80を形成して、圧電素子ごとに切断した後、各々の圧電素子について側面電極を形成する工程が追加されるが、圧電素子2内にスルーホール導体6,7,8を設けることによって、積層体80切断後の側面電極形成工程を省略することが可能となる。
ここで、上述のように、グランド電極43を挟んで圧電素子2の長手方向の中央位置を基準として対角の位置関係をなす第一電極32と第四電極52が電気的に接続されると共に同様の位置関係をなす第二電極34と第三電極54が電気的に接続されている。このため、積層型圧電アクチュエータ1は圧電素子2の中央位置(中央線CLの位置)を節として長手方向に縦振動と厚み方向の曲げ振動を発生させるが、本実施形態に係る積層型圧電アクチュエータ1では節となる中央位置に各スルーホール導体6,7,8が形成されているため、各スルーホール導体6,7,8に作用する応力を緩和することができ、信頼性を向上させることができる。
スルーホール導体を設けた圧電素子部分周辺の構造は柔らかくなるが、圧電素子2の長手方向の中央位置に複数のスルーホール導体6,7,8を設けることによって圧電素子2中央位置付近の構造が柔らかくなることによって変形し易くなる。具体的には、図9に示すように、スルーホール導体が長手方向の中央位置に形成されていない従来の積層型圧電アクチュエータPの変位(図中で変位DP2で示される)に比して、本実施形態の積層型圧電アクチュエータ1の変位(図9中で変位DP1で示される)が大きくなる。これによって、圧電素子2に作用する内部応力を増加させることなく、駆動時の変位を大きくすることが可能となり、性能を向上させることができる。以上によって、積層型圧電アクチュエータ1の小型化を図ると共に信頼性及び性能を向上させることができる。
更に、積層型圧電アクチュエータ1では、焼成体部分4A,4B(摩擦部4A,4B)が圧電素子2の外表面上に該外表面から突出するように形成されているので、焼成体部分4A,4B(摩擦部4A,4B)の形成が不活性部の設計寸法に影響を及ぼすことはない。このため、焼成体部分4A,4B(摩擦部4A,4B)によって圧電素子2のサイズが制限されるのを防ぐことができる。
積層型圧電アクチュエータ1にあっては、従来の積層型圧電アクチュエータのように、圧電素子に凹部を形成する必要がない。したがって、凹部の形成に起因する摩擦部の位置のばらつきが排除され、共振モード(第1及び第2の振動モード)における共振周波数がばらつくのを抑制されることとなる。この結果、積層型圧電アクチュエータ1の駆動状態にばらつきが生じるのを抑制することができる。
焼成体部分4A,4Bは、圧電素子2を構成する圧電材料に固溶する成分を含んでいる。そして、圧電材料はPZTを主成分とする圧電セラミック材料であり、焼成体部分4A,4BもPZTを主成分とする圧電セラミック材料を含んでいる。これにより、圧電素子2と焼成体部分4A,4Bとの接続強度が向上し、焼成体部分4A,4B(摩擦部4A,4B)の剥がれ等を防ぐことができる。また、焼成体部分4A,4Bの成分が圧電素子2中の圧電材料の粒界に析出され難くなり、所望の圧電特性を確保することができる。
摩擦部4A,4Bは、焼成体部分4A,4Bより硬質の材料からなると共に焼成体部分4A,4Bを覆う保護膜5を有している。そして、保護膜5は、DLC、TiN、SiC、又はBPを含んでいる。これにより、焼成体部分4A,4Bを損傷等から保護すると共に焼成体部分4A,4Bの剥がれを防ぎ、圧電素子2の変位を被駆動体3へ適切に伝えることができる。
以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、摩擦部4A,4B(焼成体部分4A,4B)の形状及びサイズは、上述した実施形態に示されたものに限られない。
本実施形態では、圧電素子2の外表面に位置する電極層(外部電極層11)と、圧電素子2内に位置する電極層(中継電極層21、第一内部電極層31、第一グランド電極層41、及び第二内部電極層51)と、が圧電素子2内に位置するスルーホール導体6,7,8により電気的に接続されているが、これに限られない。例えば、圧電素子2内に位置する電極層に含まれる電極を圧電素子2の外表面に露出するように引き出し、圧電素子2の外表面に露出するように引き出された電極部分と圧電素子2の外表面に位置する電極層とを、圧電素子2の外表面に配置された導体により電気的に接続してもよい。ところで、本実施形態では、圧電素子2の外表面に保護膜5を形成している。保護膜5が導電性を有する材料を含んでいる場合には、ショートの発生を防止するためにも、スルーホール導体6,7,8により電気的な接続を実現した構成を採用することが好ましい。
1…積層型圧電アクチュエータ、2…圧電素子、2a…第一主面、2b…第二主面、3…被駆動体、4A,4B…摩擦部、4A,4B…焼成体部分、5…保護膜。

Claims (5)

  1. 印加される電圧により第1の振動モードと第2の振動モードとを同時に発生させる圧電素子と、
    前記圧電素子の外表面に配置されると共に、被駆動体に接触して該被駆動体との間に摩擦力を生じさせる摩擦部と、を備え、
    前記摩擦部は、前記圧電素子の外表面から突出するように形成された焼成体部分を有していることを特徴とする圧電アクチュエータ。
  2. 前記焼成体部分は、前記圧電素子を構成する圧電材料に固溶する成分を含んでいることを特徴とする請求項1に記載の圧電アクチュエータ。
  3. 前記圧電材料はPZTを主成分とする圧電セラミック材料であり、前記焼成体部分はPZTを主成分とする圧電セラミック材料を含んでいることを特徴とする請求項2に記載の圧電アクチュエータ。
  4. 前記摩擦部は、前記焼成体部分より硬質の材料からなると共に前記焼成体部分の外表面を覆う保護膜を更に有していることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータ。
  5. 前記保護膜は、DLC、TiN、SiC、又はBPを含んでいることを特徴とする請求項4に記載の圧電アクチュエータ。
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