JP2014170926A - 振動体、その製造方法、及び振動型駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安価な構成で小型化に伴う振動の減衰を抑制し、振動減衰による振動エネルギーの損失が少なく、効率良く振動エネルギーを出力することが可能となる振動体を提供する。
【解決手段】振動体１ａは、基板２ａと、基板上設けられ、ガラスを含んでいるセラミックス層４ａと、セラミックス層４ａを介して基板２ａに固定された電極層５ａと圧電層６ａとを有する圧電素子３ａと、を有し、圧電素子３ａが基板２ａに固定された構造が、圧電層６ａ、電極層５ａ、基板２ａ、及びセラミックス層４ａとが、８００℃以上９４０℃以下の焼成温度により同時に焼成され、基板上に一体化して構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、振動体とその製造方法及び振動型駆動装置に関し、特に基板上に圧電素子を固定した振動体とその製造方法及びその振動体を用いた振動型駆動装置に関するものである。

従来、振動型駆動装置（例えば振動波アクチュエータ）では、振動体（振動子ともいう）の振動源として一般に圧電素子が用いられている。この圧電素子としては、単一の板状の圧電素子や最近は多数の圧電層と電極層を交互に積層した積層圧電素子が使われている（特許文献１参照）。

図７は、特許文献１に係るリニア型の振動型駆動装置２０（超音波アクチュエータ）の外観斜視図である。

このリニア型の振動型駆動装置２０は、振動体２１及び加圧接触された駆動体であるリニアスライダ２６を有している。

振動体２１は積層圧電素子２３と振動板２２を有し、積層圧電素子２３は圧電層と電極層が交互に複着剤により接着されている。

金属からなる振動板２２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２４を有している。突起部２４の先端面には接触部２５が形成されている。接触（摩擦）部２５は被駆動体としてのリニアスライダ２６と直接接触する部材であるため、耐磨耗性を有したセラミックスであるアルミナ（酸化アルミニウム）からできている。

このリニア型の振動型駆動装置２０の振動体２１は、長軸方向の２次の曲げ振動モードと短軸方向の１次の曲げ振動モードの２つの曲げ振動モードの共振周波数が略一致するような形状に選択されている。そして、位相がπ／２ほど異なる所定の高周波電圧を入力することで、振動体２１は励起し突起部２４に円運動または楕円運動を励起させる。

この円運動や楕円運動は、振動体２１に対して加圧状態で接触されているリニアスライダ２６に対して、振動体２１との間に摩擦力により相対的な移動力を発生させる。この相対的な移動力により、リニアスライダ２６は矢印の方向のような直線の往復駆動が可能となる。

このような積層圧電素子２３の製造は、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、その後に分極処理を施し、最終的に機械加工を行い所定の寸法に仕上げる。

また、特許文献２では、基板の少なくとも一方の面上に、電極材料と圧電材料を順次層状に積層し、熱処理によって一体化した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。

さらに、特許文献３は、基板に圧電層と電極層を有する圧電素子が固定され、その圧電素子の振動エネルギーによって基板を振動させる振動体が提案されている。
ここでは、圧電素子と基板の間にはガラス粉末を含むセラミックス層からなる接合層を介し、焼成により圧電素子を基板に固定するようにされている。

特開２００４−３０４８８７号公報 特許第２８４２４４８号公報 特開２０１１−２５４５６９号公報

上記した図７に示す従来例の振動型駆動装置の振動体２１では、積層圧電素子２３と金属からなる振動板（以後、基板と呼ぶ）２２は、樹脂からなる接着剤で接着されている。しかし、樹脂の接着剤は圧電素子や金属に比べ柔軟であるため、振動体の振動減衰は大きくなり、特に樹脂の温度が高くなると、振動型駆動装置は効率の低下を起こしていた。

また、小型化した場合に、接着剤の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型駆動装置の性能に与える影響も大きくなり、小型の振動型駆動装置の性能のばらつきも大きくなっていた。

さらに、従来の積層圧電素子の製造方法は、圧電材料粉末から作るグリーンシート成形機や積層用プレス、機械加工機など製造装置の設備投資額が大きく、製造コストを高くする一因となっていた。

そこで、上記した従来例の特許文献２のように、積層圧電素子の製造と同時に、接着剤による接着層を設けずに基板に積層圧電素子を直接に固定（接合）することが考えられた。

しかし、セラミックス基板と貴金属である電極層とは化学反応が少なく接合強度が低い。そのため、圧電素子は焼成時にセラミックスの基板から剥離を起こし易く、またアクチュエータの振動により剥離が生じる、等の課題を有していた。

そこで、上記した従来例の特許文献３のように、圧電素子と基板の間にガラス粉末を含む接合層を設け、圧電素子とセラミックス基板の同時焼成を行い、ガラス粉末を溶融させて圧電素子と基板を接合した振動体が提案されている。しなしながら、これらによっても接合層と圧電素子の界面付近で剥離やクラックが発生し、本来の振動体の性能が得られないという課題を有している。また、焼成温度が高いことから、電極材料として銀１００重量％の材料を用いることが難しい。

本発明の一様態は、安価な構成で小型化に伴う振動の減衰を抑制し、振動減衰による振動エネルギーの損失が少なく、効率良く振動エネルギーを出力することが可能となる振動体、その製造方法、または振動型駆動装置に関する。また、電極材料として１００重量％の銀のような、融点の比較的低い材料を用いることができる振動体、その製造方法または、振動型駆動装置に関する。なお、本明細書において、１００重量％の銀とは、純粋な銀のみでなく、製造上必然的に含まれてしまう量の不純物を含有する銀も含む。

本発明の一様態は、基板と、前記基板上設けられ、ガラスを含んでいるセラミックス層と、前記セラミックス層を介して前記基板に固定された電極層と圧電層とを有する圧電年と、を有し、前記圧電素子が前記基板に固定された構造が、前記圧電層、前記電極層、前記基板、及び前記セラミックス層とが、８００℃以上９４０℃以下の焼成温度により同時に焼成され、基板上に一体化して構成されていることを特徴とする振動体に関する。

また、本発明の一様態は、基板と、前記基板上に設けられ、ガラスを含んでいるセラミックス層と、前記セラミックス層を介して前記基板に固定された電極層と、圧電層とを有する圧電素子と、を有し、前記圧電層が、酸化銅を０．５重量％以下含む圧電材料により構成されていることを特徴とする振動体に関する。

また、本発明の一様態は、基板上に、ガラスを含んでいるセラミックス層を形成する工程と、前記セラミックス層上に電極層と、圧電材料を含む圧電層と、を有する前記圧電素子を積層する工程と、前記圧電層、前記電極層、前記基板、及び前記セラミックス層を、８００℃以上９４０℃以下の焼成温度により同時に焼成し、これらを一体化する工程と、を有する振動体の製造方法に関する。

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、振動減衰による振動エネルギーの損失が少なく、効率良く振動エネルギーを出力することが可能となる振動体とその製造方法及び振動型駆動装置を実現することができる。
また、焼成温度を低くすることができるため、振動体の電極材料に１００重量％の銀のような、融点の比較的低い材料を用いることができる。

本発明の実施例１における振動体の構成例を説明する図である。（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は平面図である。 本発明の実施例１における振動体を組込んだ振動型駆動装置を示す図である。 本発明の実施例１における振動体の性能評価方法について説明する図で、振動体に電圧を印加する際の支持方法を示す図である。 本発明の実施例１における振動体の性能評価結果である印加電圧と振動速度の関係を示す図である。 本発明の実施例２における振動体の構成例を説明する図である。（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は平面図である。 本発明の実施例２における振動体を組込んだリニア型の振動型駆動装置を示す図である。 従来例におけるリニア型の振動型駆動装置を説明する図である。

本発明を実施するための形態を、以下の実施例により説明する。

［実施例１］
実施例１として、振動体の構成例について、図１を用いて説明する。具体的には、本実施例の振動体は図１に示すように、振動体１ａは振動型駆動装置に適用することを想定した縦振動を起こす振動体として構成されている。図１（ｂ）は、図１（ｃ）に示した中心線（一点鎖線）の断面が示されている。

本実施例の振動体１ａは、基板２ａに、圧電層と電極層を有する圧電素子３ａが接合され、圧電素子３ａの振動エネルギーによって基板２ａを振動させ、振動体１ａの振動エネルギーを出力するように構成されている。

この振動体１ａは板状の基板２ａと圧電素子３ａとを有し、両者の間には、焼成時にガラス粉末が溶融したガラス溶融物を含んだセラミックス層４ａを設けている。圧電素子３ａは、電極層５ａ、圧電層６ａ、電極層７ａが順次積層され、電極層５ａと７ａは圧電層６ａを挟んで対向している。

この振動体１ａは後述するように、基板２ａ上のセラミックス層４ａと、圧電素子３ａである電極層５ａ、圧電層６ａ、電極層７ａとが一緒に同時焼成される。よって、圧電素子３ａが焼成されると共に、圧電素子３ａが、接合層であるセラミックス層４ａを介して基板２ａに接合され一体化される。

すなわち、振動エネルギーの発生源である圧電素子３ａと、その振動エネルギーにより振動する振動板である基板２ａとが、接合のためのセラミックス層４ａを介して接合され、振動体１ａとして一体化される。

また、外部電源との電気的な導通は電極層５ａ、７ａに、２本の導電線８を導電ペーストやハンダ等で接合することにより図られる。

図１に示すように、圧電素子３ａは基板２ａの中央部にある。基板２ａは長さ２５ｍｍ、幅１０ｍｍで、厚さは０．２５ｍｍである。セラミックス層４ａは、縦１１ｍｍ、横８．５ｍｍで、その厚さは１０μｍである。圧電層６ａは、縦９ｍｍ、横８．５ｍｍで、その厚さは１０μｍである。

電極層７ａは、縦横８ｍｍで、その厚さは通常の積層圧電素子の電極層の厚さである２〜３μｍである。

そして、電極層５ａは、縦１０ｍｍ、横８ｍｍで、その厚さは５μｍとした。各層の厚さの公差は出来るだけ少なくしたが、±２μｍ程度を有する。

圧電素子３ａがセラミックス層４ａを介して基板２ａと一体となっている振動体１ａには、後述の分極処理が施されている。

電極層５ａ、７ａに、圧電素子３ａの振動を制御する外部電源から高周波電圧が供給されれば、この高周波電圧により圧電層６ａの圧電活性部（後述の圧電層のうち分極処理が施され圧電性を呈する部分）が伸縮（歪み）する。

その結果、その伸縮が基板２ａと一体となり振動体１ａから振動エネルギーとして外部に出力される。

例えば、ある一定の周波数の電圧を電極層５ａ、７ａに印加することで、周波数に応じ縦方向の振動を起こすことができる。そして、この縦方向の振動を利用して、図２のようにアクチュエータの振動体として利用することもできる。

図２は、振動体１ａを用いた振動型駆動装置であり、本発明の振動体１ａを駆動動力源として用いて、回転軸１０を有する円盤１１を回転させる例である。

図２において、振動体１ａを矢印Ｔの方向の縦方向の縦振動を起こさせ、振動体１ａの角部が円盤の表面に接触するように配置すれば、円盤１１は矢印Ｒの方向に回転させることが可能となる。

図３は、振動体１ａの中心部を２本のコンタクトピン１２で挟んで保持し、振動体１ａの縦方向の振動（矢印Ｔの方向）の振動速度をレーザードプラー計のレーザー光１３により測定する振動体の評価方法を示している。

振動体１ａにおいて、電極層５ａ、７ａに導通した導電線８を介して高周波電圧Ｖを印加し、その高周波電圧Ｖの周波数を縦方向の振動の共振周波数（約１９０ＫＨｚ）よりも大きな周波数から小さな周波数へ掃引する。

そして、振動体１ａの共振時の縦振動の最大となる振動速度ｖを測定して、振動体１ａの振動特性（振動性能）の評価とした。

つぎに、振動体１ａの製造方法について説明する。

まず図１において、板状の焼成済みのセラミックスを研削加工や切断加工により所定の寸法に仕上げ基板２ａとする。

そして、セラミックス粉末と後述するガラス粉末と有機溶剤、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セラミックス粉末ペーストを、基板２ａ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、この塗布されたガラス粉末を混ぜたセラミックス粉末ペーストを約１５０℃で１０分間ほど加熱し、有機溶剤を除去し乾燥させて、セラミックス層４ａを形成する。

ここで、セラミックス層４ａを形成するセラミックスの基板２ａの表面粗さ（ＪＩＳ Ｂ０６０１−２００１）は、十点平均粗さ（ＪＩＳ Ｂ０６０１−２００１）Ｒｚで２μｍ以下とした平滑面が望ましい。

これは、基板２ａの表面粗さＲｚが２μｍ以上であると、セラミックス層４ａの表面の粗さも１μｍ以上となり、電極層５ａを平坦に形成することを妨げる原因のひとつになるからである。

そして、このセラミックス層上に電極層５ａを次のように形成する。圧電粉末を予め混ぜた導電材料粉末、有機溶剤、及び有機バインダからなる有機ビヒクルを混合して作った導電材料粉末ペーストをセラミックス層４ａの上にスクリーン印刷法で塗布、約１５０℃で１０分間ほど加熱し乾燥して、電極層５ａを形成する。

さらに、圧電材料粉末、有機溶剤、及び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粉末ペーストを、電極層５ａの表面にスクリーン印刷法で印刷塗布する。なお、電極層５ａをはじめとする電極層、圧電層、及びセラミックス層の各層の厚さは、スクリーン印刷の版のメッシュ厚みや開口率、印刷条件を変えることで可能である。

そして、この塗布された圧電材料粉末ペーストを約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６ａを形成する。そして、電極層５ａと同様に、導電材料粉末ペーストを圧電層６ａの上にスクリーン印刷法で塗布、乾燥し、電極層７ａを形成する。

以上のように順次、塗布と乾燥を繰り返し、基板２ａ上にセラミックス層４ａ、電極層５ａ、圧電層６ａ、電極層７ａを形成する。

このようにして形成された基板２ａ上のセラミック層４ａ、積層化された電極層５ａ、圧電層６ａ、電極層７ａからなる圧電素子３ａは、まだ未焼成状態で、各層とも互いに接合していない。

そこで、電気炉を用いて室温から５００℃まで加熱して有機バインダを除去した後、鉛雰囲気中で一定の焼成温度で（ここで焼成温度とは焼成時の最高温度のことを意味する）２時間かけて焼成した。なお、焼成温度については、後で詳しく説明する。

すなわち、未焼成状態における電極層５ａ、圧電層６ａ、電極層７ａ及び基板２ａとセラミックス層４ａを、同時に焼成することにより圧電素子の焼成による製造と圧電素子３ａとセラミックス層４ａ、基板２ａとの接合（一体化）も同時に行った。

その後、電極層５ａ、７ａに導電線８を導電ペーストやハンダ等で固定し導通させ、導電線８を介して電極層５ａ、７ａの間に電圧を印加し、圧電層６ａに分極処理を施した。

分極処理の条件は、温度１７０〜２００℃の高温にしたホットプレート上で、電極層５ａをグランド（Ｇ）とし、電極層７ａをプラス（＋）として、所定の直流電圧（圧電層６ａの厚さ当たり約１Ｖ／μｍ相当）を印加して、約３０分間かけて分極処理を行った。

ここで、圧電層６ａのうち、実際に分極処理が施され、圧電性の活性を示す圧電活性部は、圧電層６ａを挟む対向している２つの電極層５ａ、７ａで挟まれ、分極処理時に電圧が印加された部分である。

分極処理が施された部分は、圧電活性部として変位を発生させることができる層であり、この圧電層内の圧電活性部の圧電特性が、振動板の振動特性や振動型駆動装置の性能に直接関係する。

基板２ａの材質としては、入手し易く安価である、焼成済みのセラミックスであるアルミナ（酸化アルミニウム）が、金属よりも振動の減衰が少ない材料（振動体としてエネルギー損失が少ない材料）であり、好ましい。

アルミナは純度が低くなると機械的な強度が劣り、振動体としての振動の減衰も大きくなるので、基板２ａはアルミナの純度が９９．５重量％以上、９９．９９重量％以下の高純度のアルミナにより構成するのがより好ましい。また、アルミナは硬質で耐摩耗性に優れているので、振動型駆動装置における振動体１ａの接触（摩擦）部としても適している。また、基板２ａは、ガラス粉末をあらかじめ混ぜてあるセラミック層４ａと安定な結合が起こる材質であれば良い。

アルミナのほかにも基板としては、ジルコニア、炭化ケイ素、窒化アルミ、窒化ケイ素など汎用のセラミックスであっても、セラミック層４ａにはガラス粉末をあらかじめ混ぜてあるため、焼成により溶融したガラス成分は、基板２や電極層５ａとの密着強度を高め、接合が可能となる。

本実施例では、接合のための接合層であるセラミックス層４ａは、圧電層６ａと同じ圧電材料粉末にガラス粉末が添加されたセラミックス粉末から作成されたセラミックス粉末ペーストを用いて形成できる。

但し、セラミックス層４ａのセラミックス粉末としては、圧電素子の焼成温度でセラミックスの焼結が起こり、かつ、基板と圧電素子との結合に対して有効な機械的な強度を有しているセラミックスなら、使用は可能である。例えば、基板の材質と同じ材質のセラミックス粉末（本例であればアルミナを主成分とした粉末）でも、基板との相性が良いので好ましい。ガラス粉末は、酸化ケイ素、酸化ボロン（酸化ホウ素）を含み、その他に、酸化ビスマス、アルミナ、アルカリ金属酸化物やアルカリ土類金属酸化物が混ざっていてもよい。そして、一度溶融させ、溶融したガラスを平均粒径１〜２μｍに微粉砕したガラス粉末（ガラスフリットとも呼ぶ）を使用することができる。

このガラス粉末を、圧電材料粉末の０．２重量％から１０重量％ほど添加し、セラミックス粉末ペーストとした。酸化ケイ素、酸化ボロンの配合比率を変えることで、ガラスの軟化点を圧電セラミックスの焼成温度に応じて変えることができる。

また、添加元素を選ぶことで、基板の材質に応じて、化学反応を増し接合強度を上げることも可能である。

セラミックス層４ａに含まれたガラス粉末は焼結時に軟化し溶融し流動化する。そして、ガラス粉末の溶融したガラス溶融物は、基板２ａとの界面に比較的多く集まり、化学的に反応を起こして強固に結合する。

ガラス粉末は、セラミックス粉末の重量に対して０．５重量％未満では基板２ａとの接合の効果が少ない。ただし、１０重量％を越えると、ガラス粉末の欠点として、基板２ａへの溶融したガラス成分の拡散が大きくなり、基板２ａの機械的な特性を劣化させ、セラミックス層４ａ自体の機械的な性質も劣化させる。

このようなことから、このガラス粉末は、セラミックス層４ａのセラミックス粉末の重量に対して０．５重量％以上、１０重量％以下とすることが好ましい。

接合用のセラミックス層にガラス粉末を利用する利点は、焼成温度や機械強度に合わせて、ガラス粉末の化学組成分が容易に調整可能であることであり、多種の材質の基板に適用が可能である。

この振動体１ａは、前述のように、基板２ａ上のセラミックス層４ａと、圧電素子３ａである電極層５ａ、圧電層６ａ、電極層７ａとが一緒に同時焼成される。これによって、圧電素子３ａが焼成されると共に、圧電素子３ａが接合層であるセラミックス層４ａを介して基板２ａに接合され、一体化される。つまり、圧電素子３ａの焼成温度で、圧電素子３ａと基板２ａの接合が行われる。圧電材料としては、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（ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３）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。

ここで、電極層５ａ、圧電層６ａ、電極層７ａ及び基板２ａとセラミックス層４ａを、同時に焼成する際における焼成温度を変えて、振動体１ａを作り、図４に示す振動速度による振動特性の評価を行った。

ここでは、つぎのように焼成温度の低温化を行った。

従来における焼成温度は１１５０℃（±２０℃）であるが、圧電層の圧電材料である圧電粉末に酸化銅を適量添加することで、焼成温度を下げることが可能である。

ここでは、酸化銅を添加していない従来例の圧電材料のものと、酸化銅を０．２５重量％添加した比較例の圧電材料のものと、酸化銅を０．５重量％添加した本実施例を適用した圧電材料のものとを、つぎのように比較した。

すなわち、これらの圧電材料により振動子１ａを製作し、図４に示した測定方法で振動速度を測定して、つぎのように比較して評価した。

図４は、印加電圧Ｖ（実効電圧Ｖｒｍｓ）と最大の振動速度ｖ（ｍ／ｓ）の関係を示したグラフである。

図４において、Ａは酸化銅を添加していない圧電材料を用い、焼成温度を１１５０℃（±２０℃）とした従来例の振動子である。

また、Ｂは酸化銅を０．２５重量％添加した圧電材料を用い焼成温度１０４０℃（±２０℃）とした比較例の振動子である。

また、Ｃは酸化銅を０．５重量％添加した圧電材料を用い焼成温度を９２０℃（±２０℃）とした本実施例を適用した振動子である。

Ａ、Ｂ、Ｃとも電極層を形成する導電材料の銀とパラジウムの混合比は銀７０％パラジウム３０％である銀・パラジウム合金粉末を用いた。

振動速度ｖは、印加電圧Ｖを上げると大きくなり、Ｃでは電圧Ｖを４Ｖ近くに上げると振動速度ｖは２ｍ／ｓ以上に達するものの、ＡとＢは２ｍ／ｓの半分以下の振動速度である。

すなわち、焼成温度９２０℃（±２０℃）の振動子Ｃは振動速度ｖは大きく、焼成温度１１５０℃である振動子Ａと、焼成温度１０４０℃である振動子Ｂは、振動速度ｖが低い結果となった。

ここで、多数測定すると振動子Ａと振動子Ｂは、バラツキが大きいので、図４では、振動子Ａと振動子Ｂは平均的な代表例を示した。

なお、図４には示していないが、振動子Ｃでは、印加電圧Ｖをさらに上げ、入力エネルギーを増やすことで、振動速度ｖは３ｍ／ｓ近くまで達する。

また、振動子ＡとＢにおいても、印加電圧を４Ｖ以上に上げて入力エネルギーをさらに増やせば、振動速度ｖは増加する。しかし、振動子ＡとＢとも、印加電圧Ｖに対する振動速度ｖの傾きは、振動子Ｃと比べ小さく、振動子Ｃと比べ振動体１ａの発熱（温度の上昇）が大きい。

この振動子ＡとＢ、Ｃとの振動速度ｖの差異の原因を探るため、振動体１ａを切断し、その断面を研磨して、電子顕微鏡で基板、セラミックス層、電極層、圧電層の観察を行った。

以上では、酸化銅を０．５重量％添加した本実施例を挙げたが、酸化銅をさらに増やすことで、焼成温度のさらなる低温化が可能である。一方、酸化銅をさらに増やすことで圧電特性の低下が起こるため、現状の焼成温度１１５０℃とほぼ同じ圧電特性が得られる酸化銅の添加量は、最大で約０．５重量％であった。つまり、酸化銅が０．５重量％以下で添加された圧電粉末を用いて圧電層を形成することができる。

その観察の結果、振動子ＡとＢとは、共に圧電層６ａと電極層５ａの間やセラミックス層４ａと電極層５ａとの間に剥離（隙間）が起こっていた。

さらに、その剥離が延長して圧電層６ａの層内やセラミックス層４ａの層内へもクラックが進展している場合もあった。多数観察してみると、振動子Ｂの方が振動子Ａよりも比較的、剥離の発生箇所が少なく、その長さも短かった。

図４の振動子ＡやＢのように振動速度が大きくならない原因としては、このような剥離やクラックが存在するため、エネルギーの損失が大きくなるためと考えられる。なお、剥離やクラックは不規則に発生するため、多数個の振動体を測定すると振動子ＡとＢはバラツキが大きくなると思われる。

逆に言えば、このように振動速度を測定すれば、振動体のセラミックス層４ａや圧電素子３ａの剥離やクラックの評価や検査に利用することができる。

本来、振動体１ａは、基板２ａの上には基板２ａ側から、セラミックス層４ａと電極層５ａ、圧電層６ａ、電極層７ａとが、後述のスクリーン印刷法により積層化され、そして、同時焼成されて、これら各層のセラミックス層と電極層、圧電層は焼成収縮を起こす。

そして、金属からなる電極層５ａの方がセラミックス層４ａや圧電層６ａよりも低温で早く収縮を起こし、緻密な金属層を焼成時の初期（約２００〜５００℃）に形成する。

その後、セラミックス層４ａと圧電層６ａの焼結が開始し、そして、ほぼ同時にセラミックス層に含まれるガラスも溶融して、セラミックス層４ａと圧電層６ａも収縮を起こすものと思われる。このとき、ガラス中の酸化ケイ素及び酸化ボロンの配合比率を変えることで、軟化点を７００±５０℃（６００℃乃至７５０℃）に調節したガラスを用いることができる。これにより、低い焼成温度（９４０℃以下）でも、ガラスが溶融することになる。流動化したガラス溶融物は、電極層５ａが完全に緻密な金属からなる層を形成すれば、圧電層６ａには侵入しない。

焼成時には、圧電層６ａは長さあたり約２０％ほど収縮を起こす。一方、基板２ａは基本的に収縮しないものの、その中間にあるセラミックス層４ａが圧電素子３ａの収縮と基板との緩和を図ることで接合が可能となる。

そして、電極層５ａの単独での収縮は圧電層６ａに比べ大きいものの、圧電層６ａやセラミックス層４ａと隣接した電極層５ａは、金属なのである程度塑性変形を起こし、圧電層６ａやセラミックス層４ａの収縮とほぼ同じ収縮率になり、剥離は起こらない。

焼成の最高温度である焼成温度が違っても、圧電材料の収縮率はほぼ同じであり、圧電特性もほぼ同じである。

しかし、電極層５ａは焼成温度が高いほど収縮が大きくなる傾向がある。このため、焼成温度が高いほど電極層５ａは収縮し、圧電層６ａと電極層５ａとの間やセラミックス層４ａと電極層５ａとの間に発生する歪や応力は大きくなり、剥離が起き易くなり接合には不利と考えられる。

実際のところ、焼成温度が高いと、表面の電極層７ａが圧電層６ａから剥離する傾向が見られ、電極面積が少なくなり圧電特性の低下も起こる。

以上のように本実施例では、焼成温度が９２０℃（±２０℃）、すなわち焼成温度が９００℃以上、９４０℃以下であれば、セラミックス層４ａと電極層５ａとの間に剥離が起こらず、振動速度も大きく健全な振動子振動体１ａを作ることができる。

また、焼成温度が下げられれば別の効果として、ガラス溶融物の基板への拡散や、圧電層の侵入による材料特性の劣化も少なくなる。さらには、低温での焼成は、製造においても電気炉の電力使用量が少なくなり、電気炉の炉壁や焼成用の工具の寿命なども長くなり、製造コストの低減に繋がる。

電極層を形成する貴金属は高価であるので一般に、導電材料の銀とパラジウムの混合比は圧電材料の焼成温度に応じて、パラジウムの混合比を調整する。

焼成温度が高いと、パラジウムの混合比を増やして、銀・パラジウム合金の溶融温度を上げる必要があった。

しかし、本実施例での焼成温度は以上のように９００℃以上、９４０℃以下が用いられるので、パラジウムがない銀１００重量％でも、銀の溶融温度が約９６０℃であるので焼成は可能となる。

銀だけでパラジウムを添加しない電極材料を用いて振動子を作り振動速度を測定し評価した結果は、図４における銀７０％パラジウム３０％を使用した振動子Ｃとほぼ同じ結果となった。

銀１００重量％でも通常の環境下で問題なく使用可能であるが、使用環境下で高湿度の影響を受けるような特殊な条件では、電気的なマイグレーションの発生を考慮し、パラジウムを多少添加しても良い。実用上は効果とコストを考慮して、パラジウムの添加量を最大とした場合、パラジウム５重量％、銀９５重量％の材料が適切である。したがって、本発明の一様態における振動子の電極材料としては、銀１００重量％のほか、パラジウム５重量％以下銀９５％以上や、パラジウム１〜５重量％かつ銀９９〜９５重量％の組成を用いることができる。なお、銀１００重量％とは、製造上必然的に含まれる量の不純物を含有した銀も含む。焼成温度を９４０℃以下とすることができるため、電極材料として１００重量％の銀を用いることができる。

電極層５ａ、７ａを形成するための導電材料粉末ペーストとしては、銀もしくは銀とパラジウムを主成分とする導電材料の他に予め圧電材料粉末を１５重量％添加したものを使用した。

これは、導電材料粉末ペーストは金属であるので低温で早く焼結し易く、さらに収縮が大きいのためである。したがって、電極層５ａ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わずかではあるが抑制し、セラミックス層４ａや圧電層６ａと剥離し難くなるようにしている。

添加する圧電材料粉末は、圧電層６ａ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（ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３）であっても同様の効果が得られる。上記の方法により圧電材料の低温化は８００℃代でも可能である。そして、今後、省エネルギーのニーズとコストの要求から、圧電材料の低温化はさらに進むと思われる。しかしながら、焼成温度を低温化すると圧電特性の低下が起こり、現在、例えば焼成温度１１５０℃で焼成した圧電材料と同じ圧電特性にすることはかなり難しい。従って、圧電材料の焼成は、９４０℃以下で行うことが可能であり、８００℃以上９４０℃以下とすることがより好ましい。更に、９００℃以上９４０℃以下とすることが好ましい。ただし、低温化が８００℃代やこれ以下であっても、圧電特性の低下が実用上（使用上）の問題にならないならば、圧電材料として使用可能である。よって、そのような場合には、本実施例と同様に焼成温度を９４０℃以下として、銀１００％の導電材料の使用を可能とすることができる。

［実施例２］
実施例２として、実施例１と異なる形態の振動体の構成例を図５を用いて説明する。なお、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は平面図である。

図５に示す振動体１ｂは、従来例で示したリニア駆動する振動型駆動装置に適用することを想定したものである。

なお、製造方法や用いた基板、圧電層、電極層、セラミックス層は実施例１と基本的に同じで圧電層を多層化している。

この振動体１ｂは、板状の基板２ｂと圧電素子３ｂとを有し、両者の間にはガラス粉末を含んだセラミックスからなるセラミックス層４ｂを設けている。

この基板２ｂと圧電素子３ｂはセラミックス層４ｂを介して、後述するように同時焼成により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３ｂは、その振動エネルギーにより振動する基板２ｂと、セラミックス層４ｂを介して固定され一体化され、振動体１ｂとして機能する圧電素子３ｂにおいては、電極層５ｂ−１、５ｂ−２、圧電層６ｂ、電極層７ｂ−１、７ｂ−２が順次積層されている。

電極層５ｂは２つの電極層５ｂ−１、５ｂ−２に分割され絶縁状態にある。同様に、電極層７ｂも同様に２つの電極層７ｂ−１、７ｂ−２に分割されて絶縁状態にある。２つに分割されたそれぞれの電極層５ｂ−１、５ｂ−２と電極層７ｂ−１、７ｂ−２は圧電層６ｂを挟んで対向している。

また、外部電源との電気的な導通と分極処理は、２つに分割された電極層５ｂ−１、５ｂ−２と７ｂ−１、７ｂ−２のそれぞれの表面上に導電線８を導電ペーストやハンダ等に固定することにより行われる。

その後、実施例１と基本的に同じように、電極層５ｂ−１と７ｂ−１、５ｂ−２と７ｂ−２に、導電線８を介してそれぞれグランド（Ｇ）とプラス（＋）となるよう電圧を印加し、圧電層６ｂのこれらの電極層が対向する部分（圧電活性部）に分極処理を施した。

分極処理の条件は、温度１７０〜２００℃の高温にしたホットプレート上で、グランド（Ｇ）とプラス（＋）間に所定の直流電圧（圧電層６ｂの厚さ当たり約１Ｖ／μｍ相当）を印加して、約３０分間かけて分極処理を行った。

分極処理の施された圧電層で挟まれた部分は、圧電活性部として変位を発生させる層であり、この層の圧電特性が振動板の振動特性や振動型駆動装置の性能に直接関係する。

基板２ｂは、長さ９ｍｍ、幅６ｍｍ、厚さ０．２５ｍｍであり、圧電素子３ｂを設けた面と反対側には高さ０．２５ｍｍの２個の突起部１５をブラスト加工により突起部１５以外部分を削り取ることにより形成した。

圧電素子３ｂは電極層５ｂ−１と５ｂ−２、圧電層６ｂ、電極層７ｂ−１と７ｂ−２からなっている。

セラミックス層４ｂは、縦８．５ｍｍ、横５．５ｍｍで厚さは１０μｍ、電極層５ｂ−１と５ｂ−２は、縦３．３ｍｍ、横５ｍｍで厚さはそれぞれ６μｍで、中央部に縦方向に幅０．４ｍｍの電極非形成部がある。

圧電層６ｂは、縦６ｍｍ、横５．５ｍｍで厚さは１０μｍで、電極層７ｂ−１と７ｂ−２は、縦２．２ｍｍ、横４．８ｍｍで厚さはそれぞれ３μｍで、中央部に幅０．６ｍｍの電極非形成部がある。

実施例１の結果を踏まえて、図５（ｃ）平面図から見て、電極層５ｂ−１と５ｂ−２は、電極層７ｂ−１と７ｂ−２よりも縦方向で０．２ｍｍほど大きくなっている。これは圧電層の圧電活性部へのガラスの溶融物の侵入があっても圧電特性の劣化を防ぐためである。２つに分割された電極層５ｂ−１と７ｂ−１、５ｂ−２と７ｂ−２の間にはあらかじめ分極処理が施され後に、圧電素子３ｂの振動を制御する外部電源から位相の異なる２つの高周波電圧が供給される。

これらの高周波電圧により２つに分割された電極層５ｂ−１と７ｂ−１、５ｂ−２と７ｂ−２の対向する圧電層６ｂの圧電活性部がそれぞれ伸縮し、その伸縮がセラミックス層４ｂを介して基板２ｂに伝わり、全体として振動体１ｂが振動する。

図６は実施例２の振動板１ｂを組込んだリニア型振動型駆動装置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。

リニアスライダ１６は加圧された状態で突起部１５に接触する。そして、圧電素子３ｂの振動で振動板１ｂが振動し突起部１５に励起された楕円運動により、被駆動体であるリニアスライダ１６が矢印の方向に往復駆動する。突起部１５も振動板１ｂと同じアルミナからなり、耐摩耗性を有している。

上記実施例では電極層と外部電源との導通は導電線８を用いて行ったが、導電線８の代わりに例えば、フレキシブル回路基板で電極層と外部電源との導通を図るようにしても良い。

基板上に層を形成するスクリーン印刷法は、前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。

そして、製造設備も安価であり、これらの結果として製造コストは従来の圧電素子と比べたいへんに安価となる。

１ａ、１ｂ 振動体
２ａ、２ｂ 基板
３ａ、３ｂ 圧電素子
４ａ、４ｂ セラミックス層
５ａ、５ｂ 電極層
６ａ、６ｂ 圧電層
７ａ、７ｂ 電極層
８ 導電線

Claims (14)

1. 基板と、
   前記基板上設けられ、ガラスを含んでいるセラミックス層と、
   前記セラミックス層を介して前記基板に固定された電極層と圧電層とを有する圧電年と、を有し、
   前記圧電素子が前記基板に固定された構造が、前記圧電層、前記電極層、前記基板、及び前記セラミックス層とが、８００℃以上９４０℃以下の焼成温度により同時に焼成され、基板上に一体化して構成されていることを特徴とする振動体。
2. 前記ガラスが、溶融温度６００℃乃至７５０℃のガラスであることを特徴とする請求項１に記載の振動体。
3. 前記圧電層は、酸化銅を０．５重量％以下含む圧電材料により構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の振動体。
4. 基板と、
   前記基板上に設けられ、ガラスを含んでいるセラミックス層と、
   前記セラミックス層を介して前記基板に固定された電極層と、圧電層とを有する圧電素子と、を有し、
   前記圧電層が、酸化銅を０．５重量％以下含む圧電材料により構成されていることを特徴とする振動体。
5. 前記セラミックス層に接する前記圧電素子を構成する電極層の電極材料の主成分が銀であり、パラジウムが５重量％以下で添加されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の振動体。
6. 前記セラミックス層の前記ガラス溶融物におけるガラス成分は、主成分が酸化ケイ素および酸化ホウ素からなり、
   前記ガラス成分が、前記セラミックス層のセラミックス粉末の重量に対して０．５重量％以上、１０重量％以下、添加されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の振動体。
7. 前記セラミックス層は、主成分が前記圧電層と同じ成分により構成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の振動体。
8. 前記圧電層は、ジルコン酸鉛とチタン酸鉛を主成分として構成されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の振動体。
9. 前記基板は、９９．５重量％以上、９９．９９重量％以下の純度のアルミナで構成されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の振動体。
10. 前記圧電素子の振動エネルギーによって前記基板を振動させ、振動エネルギーを出力する請求項１乃至９のいずれか１項に記載の振動体。
11. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の振動体を駆動動力源として構成されていることを特徴とする振動型駆動装置。
12. 基板上に、ガラスを含んでいるセラミックス層を形成する工程と、
    前記セラミックス層上に電極層及び、圧電材料を含む圧電層を有する前記圧電素子を積層する工程と、
    前記電極層、前記圧電層、前記基板、及び前記セラミックス層を、８００℃以上９４０℃以下の焼成温度により同時に焼成し、これらを一体化する工程と、
    を有する振動体の製造方法。
13. 前記電極層、前記圧電層、前記基板、及び前記セラミックス層の焼成温度が９００℃以上９４０℃以下であることを特徴とする請求項１２に記載の振動体の製造方法。
14. 前記圧電層を形成する工程は、酸化銅を０．５重量％以下含む圧電材料を用いて行われることを特徴とする請求項１２または１３に記載の振動体の製造方法。

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