JP2015088623A - 圧電素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光走査型内視鏡のスキャナで使用され、光ファイバを駆動するための圧電素子において、外面電極を周方向に分離して設けることが容易な圧電素子およびその製造方法を提供する。【解決手段】粉体の圧電材料を含む材料が中空の正１２角柱形状に成形、焼成された圧電部材５３はその横断面において角を形成する稜線部と側面をそれぞれ１２だけ備える。圧電部材５３には長手方向に延びる貫通孔５５が形成される。圧電素子の中間品は焼成された後めっき処理されて、表面全体に導電層が形成される。その後全ての稜線部が面取り加工され、面取り部５９が形成される。これにより隣接する２つの側面に形成された導電層は絶縁され、各側面の導電層が外面電極５１となり、圧電素子５０の形状が完成する。【選択図】図３

Description

本発明は、例えば光走査型内視鏡のスキャナで使用され、光ファイバを駆動するための圧電素子およびその製造方法に関する。

光ファイバを駆動するための圧電素子は、内部に光ファイバが挿通されるように管状に成形される。この管状の圧電素子について特許文献１に記載されている技術では、まず成形工程において円筒形状の外面に長手方向に延在する凸部が形成される。次に外面全体に導電層が形成され、最後に凸部が除去される。これにより外面電極が周方向に分離して設けられる。

特開２００９−２１２５１９号公報

しかし光走査型内視鏡において光ファイバを駆動するための圧電素子は非常に小さいため、特許文献１に記載された圧電素子のような凸部を安定して形成することが困難である。具体的には、成形時や焼結時に凸部が崩れ、場合によっては焼成完了時に凸部が消失していることがある。もし凸部がない状態で導電層が形成されると、導電層の除去作業が困難になる。

本発明は、光走査型内視鏡のスキャナで使用され、光ファイバを駆動するための圧電素子であって、外面電極を周方向に分離して設けることが容易な圧電素子およびその製造方法を提供することを目的としている。

本発明に係る圧電素子は、内部に光ファイバが挿通され、光ファイバの先端を変位させるための管状の圧電素子であって、圧電材料を含む材料が多角柱形状に成形され、多角柱形状の横断面における角を形成する稜線部のうち少なくとも２つを面取り加工することにより面取り部が形成された圧電部材と、面取り部を除く圧電部材の側面に形成された電極と、を備えることを特徴としている。

好ましくは、電極が、面取り部を除く圧電部材の全ての側面に形成される。また、好ましくは、圧電素子が、角の数が３乃至１２の多角柱形状である。また、好ましくは、面取り部が、角の全てに形成される。

本発明に係る圧電素子の製造方法は、内部に光ファイバが挿通され、光ファイバの先端を変位させるための管状の圧電素子の製造方法であって、圧電材料を含む材料を多角柱形状に成形する成形工程と、多角柱形状の側面に導電層を形成する導電層形成工程と、多角柱形状の横断面における角を形成する稜線部のうち少なくとも２つを面取り加工することにより稜線部の近傍に形成された導電層を除去する導電層除去工程と、を含むことを特徴としている。

本発明によれば、光走査型内視鏡のスキャナで使用され、光ファイバを駆動するための圧電素子であって、外面電極を周方向に分離して設けることが容易な圧電素子およびその製造方法を提供することができる。

第１の実施形態における光ファイバスキャナの構成を示す図である。 圧電素子の中間品の斜視図である。 圧電素子の完成品の斜視図である。 圧電素子の中間品の端面を示す図である。 圧電素子の完成品の端面を示す図である。 電圧が印加されていない状態における圧電素子の断面図である。 電圧が印加された状態における圧電素子の断面図である。 第２の実施形態における圧電素子の中間品の斜視図である。 圧電素子の完成品の斜視図である。 第３の実施形態における圧電素子の中間品の斜視図である。 圧電素子の完成品の斜視図である。

以下、図面を参照して本発明の第１の実施形態である圧電素子の構成を説明する。まず光走査型内視鏡の先端部に搭載される光ファイバスキャナの概要について説明する。図１に示されるように、光ファイバスキャナ１０は、各部材を内部に収納する円筒状のハウジング２０を備える。ハウジング２０の内部には円板状の保持部材３０が固定され、またハウジング２０にはレンズユニット４０が設けられる。保持部材３０の内部には筒状の圧電素子５０が接着剤により固定される。圧電素子５０の内部には光ファイバ６０が挿通される。光ファイバ６０の先端側、つまり突出部は圧電素子５０によって片持ち梁状態で保持される。光ファイバ６０の突出部は接着剤７０により固定される。

圧電素子５０の外面には、長手方向の全体に渡って周方向に分離された複数の外面電極５１が形成される。分離された各外面電極５１の、図１のＺ方向の負の向きの端部にはそれぞれワイヤ８０がはんだ付けされる。なお各図において、Ｚ方向とはレンズユニット４０の光軸に沿う方向であり、光ファイバ６０の先端側に向かう向きを正とする。また、Ｘ、Ｙの各方向は、Ｚ方向に直交しかつ互いに直交する方向である。各ワイヤ８０は図示しない電力供給部に接続される。光ファイバ６０は図示しない光源に接続される。

光源から伝達された照明光Ｌは、光ファイバ６０とレンズユニット４０を介して被写体に対して出射される。圧電素子５０は、図１のＸ方向、Ｙ方向に湾曲させられる。この湾曲の周波数は光ファイバ６０の先端部のたわみ振動の共振周波数に一致するように制御される。これにより、光ファイバ６０の先端部は、Ｘ、Ｙ方向に、圧電素子５０近傍の光ファイバ６０の変位に比べて大きく変位する。この変位の軌跡はＺ方向から見ると渦巻き状をなす。例えば接着剤７０近傍の光ファイバ６０の変位量が数μｍでも、光ファイバ６０の先端の変位量は約０．５ｍｍである。なお、圧電素子５０の長さは例えば１〜１０ｍｍである。外面電極５１の極数は例えば１２極である。

図２に示されるように、圧電素子の製造工程の途中である中間品１００において、圧電部材５３は中空の正１２角柱形状に成形、焼成される。圧電部材５３は圧電材料とバインダの粉体から成形される。成形方法は例えば押出成形である。圧電材料は例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）である。

圧電部材５３はその横断面において角を形成する稜線部１０７と側面１０３をそれぞれ１２個だけ備える。なお、横断面は、圧電部材５３を長手方向に垂直な平面で切断した際の切断面を表す。圧電部材５３には長手方向に延びる貫通孔５５が形成される。圧電素子の中間品１００は焼成された後めっき処理されて、圧電素子の中間品１００の表面全体に導電層１０４が形成される。導電層の形成方法はめっき処理以外に銀粉を含有する導電性接着剤の硬化によるものでもよい。その後、圧電素子の中間品１００の長手方向の両端面に形成された導電層１０４が除去される。これにより、貫通孔５５の表面に形成された導電層１０４が外面の導電層１０４と分離され内面電極５７になる。

続いて、全ての稜線部１０７が面取り加工される。すなわち稜線部１０７に形成された導電層１０４が除去される。面取り加工された面取り部５９は図３の斜線部に示される。図３に示されるように長手方向の全長に渡り面取り加工が行われる。これにより隣接する２つの側面１０３、１０３に形成された導電層１０４、１０４は絶縁され、各側面１０３の導電層１０４が外面電極５１となり、圧電素子５０の形状が完成する。なお、面取り部５９の大きさは必要な空間距離が確保でき、圧電部材５３を適切に分極できるように設定される。面取り加工の方法は例えば切削加工である。

圧電素子の中間品１００の端面は図４に示されるように、正１２角形であるが、完成品の圧電素子５０の端面は図５に示されるように、外周の角すなわち稜線部１０７が除去される。圧電素子５０の内面電極５７は外面電極５１と異なり、複数の極に分離されない。なお正１２角形の外接円の直径は例えば０．１〜１ｍｍである。

面取り加工の後、各外面電極５１と内面電極５７の間に高電圧が印加されて圧電部材５３が分極され、圧電素子５０が完成する。全ての外面電極５１に対応する部分の圧電部材５３全てがそれぞれ適切に駆動されるように分極される。

次に、圧電素子５０の完成品が走査型内視鏡の光ファイバスキャナに使用される際の駆動制御について説明する。図６、７に示される圧電素子５０は図５のＡ−Ａ断面を示す。従来技術においては４極の外面電極が使用されて、圧電素子が９０°（＝３６０°／４）ずつ向きを変えて湾曲するように制御される。これに対し、本実施形態では１２極の外面電極５１が使用されて、圧電素子５０が３０°（＝３６０°／１２）ずつ向きを変えて湾曲するように制御される。これにより、４極の場合よりも高精度の駆動制御が可能となる。

より詳細には、例えばＸ方向に圧電素子５０が湾曲するときには、横断面において互いに対辺に当たる２つの外面電極５１、５１に互いに逆の極性の交流電圧が印加される。図７に示されるように、圧電逆効果により圧電部材５３の左の断面部分が長手方向に伸長し、右の断面部分が長手方向に縮む。これにより圧電素子５０は図７に示される矢印Ｂの向き、すなわちＸ方向の方へ湾曲する。なお、駆動電圧は例えば＋１０Ｖと−１０Ｖである。また、上記左右の断面部分はそれぞれ、例えば隣接する３つの外面電極に対応する圧電部材５３の部分から構成され、これら３つの外面電極に対応する圧電部材５３の部分が同時に駆動させられる。

以上のように本実施形態では、圧電材料を中空の正１２角柱形状に成形、焼成し、導電層１０４を形成した後、正１２角柱形状の圧電部材５３の全ての稜線部１０７が面取り加工される。これにより、容易に各外面電極５１が周方向に分離した状態で配置され得る。また、従来技術のように成形工程において円筒形状の外面に長手方向に延びる凸部を設ける必要がないため、安定的に各外面電極５１が周方向に分離した状態で配置され得る。また、外面電極５１の極数を４極よりも多い１２極にすることで光ファイバの駆動制御をより高精度に行うことが可能となる。

図８、９は第２の実施形態である一部の稜線部が面取りされない圧電素子の構成を示している。図１の光ファイバスキャナ１０の構成は第１の実施形態と共通である。第１の実施形態では全ての稜線部において面取り加工が行われたが、図９に示すように、第２の実施形態では周方向に９０°ずつ位相がずれた４つの稜線部１０７のみが面取り加工され、４つの面取り部５１が形成される。すなわち１２角柱形状にも関わらず外面電極５１を４極とすることができる。このように第２の実施形態では、図３の場合と異なり、外面電極の極数を多角柱形状の角の数に依存せずに決定することができる。したがって、押出成形の高価な金型の形状に依存せずに、自由な極数の選択が可能となる。

図１０、１１は第３の実施形態である中空の正４角柱形状の圧電素子の構成を示している。図１の光ファイバスキャナ１０の構成は第１の実施形態と共通である。図３の圧電素子５０との違いは、正１２角柱ではなく正４角柱であるということ、すなわち稜線部１０７と面取り部５９の数のみである。圧電素子５０が従来存在する４極であるため、既存の駆動制御を流用できる。

なお、第１乃至第３の実施形態では、圧電素子が正１２角柱形状または正４角柱形状に成形されたが、本発明はこれに限定されず、角の数が３乃至１２の多角柱形状であってもよい。横断面における外接円の直径が０．１〜１ｍｍの多角柱形状の圧電素子では、シミュレーションによれば１２角柱形状までが許容され、角の数がこれ以上の場合は断面が円に近く、外面電極を周方向に分離するための加工が困難なため適切ではない。なお、好ましくは正６角柱形状または正８角柱形状である。また、多角柱形状は、成形、焼成後において稜線部が尖っておらず、丸みを帯びていてもよい。また、本発明は圧電素子の断面が多角形の場合以外にも断面の中心から外周までの距離が一定の規則により変動する管形状を含む。

なお、第１の実施形態において分極処理が１２極全てに対して行われたが、一部の外面電極、例えば周方向に９０°ずつ位相がずれた４極のみ高電圧が印加されてもよい。このような分極処理の方法により第２の実施形態と同様に極数を選択することができる。また、第１の実施形態において隣接する複数の外面電極に同位相の駆動電圧を印加することにより、第２の実施形態と同様に極数を選択することも可能である。例えば、隣接する３つの外面電極に同位相の駆動電圧が印加されることにより、４（＝１２／３）極の圧電素子としての駆動制御が可能である。

なお、第２の実施形態では圧電素子における一部の稜線部が面取りされなかったが、少なくとも２つの稜線部が面取り加工されていればよい。

５０ 圧電素子
５１ 外面電極
５３ 圧電部材
５５ 貫通孔
５７ 内面電極
５９ 面取り部
１００ 圧電素子の中間品
１０３ 側面
１０４ 導電層
１０７ 稜線部

Claims (5)

1. 内部に光ファイバが挿通され、前記光ファイバの先端を変位させるための管状の圧電素子であって、
   圧電材料を含む材料が多角柱形状に成形され、前記多角柱形状の横断面における角を形成する稜線部のうち少なくとも２つを面取り加工することにより面取り部が形成された圧電部材と、
   前記面取り部を除く前記圧電部材の側面に形成された電極と、
   を備えることを特徴とする圧電素子。
2. 前記電極が、前記面取り部を除く前記圧電部材の全ての側面に形成されることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
3. 前記圧電素子が、前記角の数が３乃至１２の多角柱形状であることを特徴とする請求項１または２に記載の圧電素子。
4. 前記面取り部が、前記角の全てに形成されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の圧電素子。
5. 内部に光ファイバが挿通され、前記光ファイバの先端を変位させるための管状の圧電素子の製造方法であって、
   圧電材料を含む材料を多角柱形状に成形する成形工程と、
   前記多角柱形状の側面に導電層を形成する導電層形成工程と、
   前記多角柱形状の横断面における角を形成する稜線部のうち少なくとも２つを面取り加工することにより前記稜線部の近傍に形成された導電層を除去する導電層除去工程と、
   を含むことを特徴とする圧電素子の製造方法。

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