JP3308492B2 - 圧電アクチュエータ - Google Patents
圧電アクチュエータInfo
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Landscapes
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】時計、カメラ、玩具、自動組
み立て装置、精密Ｘ−Ｙステージ等で動力としてに用い
られる小型圧電アクチュエータに関する発明である。
み立て装置、精密Ｘ−Ｙステージ等で動力としてに用い
られる小型圧電アクチュエータに関する発明である。
【０００２】
【従来の技術】見城尚志・指田年生著「超音波モータ入
門」（総合電子出版社刊）２０９ページなどに記述があ
るように、従来の技術においては、超音波モータなどの
圧電アクチュエータの金属振動体とセラミックス圧電体
を嫌気性接着剤、２液式硬化型エポキシ樹脂あるいは熱
硬化型エポキシ樹脂などの硬化性樹脂を用いて接着、一
体化を行っていた。
門」（総合電子出版社刊）２０９ページなどに記述があ
るように、従来の技術においては、超音波モータなどの
圧電アクチュエータの金属振動体とセラミックス圧電体
を嫌気性接着剤、２液式硬化型エポキシ樹脂あるいは熱
硬化型エポキシ樹脂などの硬化性樹脂を用いて接着、一
体化を行っていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】接着剤（樹脂層）は硬
化後であっても、金属に比べ硬度が低く、圧電体が発生
する振動エネルギーを吸収してしまうため、入力電圧に
対しアクチュエータの発生する振幅が小さいという課題
があった。図２に従来の技術の圧電アクチュエータの構
造の概略を示す。また、図３に圧電アクチュエータの動
作原理の概略を示す。圧電アクチュエータは弾性体であ
る金属振動体とＰＺＴセラミックスの圧電体から構成さ
れる。従来の技術においては、エポキシ樹脂などの硬化
性樹脂を用いて、金属振動体と圧電体（ＰＺＴ）を接着
し、一体化する。金属振動体は一端を基板または軸受な
どに固定し、一端を固定しない自由に振動する片持ち
（カンチレバー）構造となっている。圧電体表面には金
薄膜などの電極が形成されており、電極と金属振動体間
において外部より電圧を印加できる構造となっている。
圧電体は電圧が印加されると伸縮する特性を有してい
る。図３に示すように、交流電圧を印加することによ
り、圧電体は長手方向に伸縮するが、接着・一体化した
金属振動体は伸縮しない。そのため、圧電体の振動に応
じて金属振動体にはたわみ（変形）が生じ、金属振動体
の長手方向に対し垂直方向の振動が生じる。このとき、
振動体上に適当な圧力をもって回転体（回転式モータに
おけるロータ）を設置すれば、圧電体が伸び、振動体が
情報に振動するときに回転体は振動体の力を受けて移動
する動作を行う。
化後であっても、金属に比べ硬度が低く、圧電体が発生
する振動エネルギーを吸収してしまうため、入力電圧に
対しアクチュエータの発生する振幅が小さいという課題
があった。図２に従来の技術の圧電アクチュエータの構
造の概略を示す。また、図３に圧電アクチュエータの動
作原理の概略を示す。圧電アクチュエータは弾性体であ
る金属振動体とＰＺＴセラミックスの圧電体から構成さ
れる。従来の技術においては、エポキシ樹脂などの硬化
性樹脂を用いて、金属振動体と圧電体（ＰＺＴ）を接着
し、一体化する。金属振動体は一端を基板または軸受な
どに固定し、一端を固定しない自由に振動する片持ち
（カンチレバー）構造となっている。圧電体表面には金
薄膜などの電極が形成されており、電極と金属振動体間
において外部より電圧を印加できる構造となっている。
圧電体は電圧が印加されると伸縮する特性を有してい
る。図３に示すように、交流電圧を印加することによ
り、圧電体は長手方向に伸縮するが、接着・一体化した
金属振動体は伸縮しない。そのため、圧電体の振動に応
じて金属振動体にはたわみ（変形）が生じ、金属振動体
の長手方向に対し垂直方向の振動が生じる。このとき、
振動体上に適当な圧力をもって回転体（回転式モータに
おけるロータ）を設置すれば、圧電体が伸び、振動体が
情報に振動するときに回転体は振動体の力を受けて移動
する動作を行う。
【０００４】圧電アクチュエータは圧電体の伸縮が金属
振動体の振動へと変換される原理であるため、従来の技
術においては、硬度が低い樹脂（接着剤）層が存在する
ため、振動のエネルギーが吸収され、入力した電圧に対
し、振動体を大きな振幅をもって動作させることができ
なかった。
振動体の振動へと変換される原理であるため、従来の技
術においては、硬度が低い樹脂（接着剤）層が存在する
ため、振動のエネルギーが吸収され、入力した電圧に対
し、振動体を大きな振幅をもって動作させることができ
なかった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】圧電体と金属振動体を樹
脂により接着するのではなく、ガスデポジション法を用
いて金属振動体表面にＰＺＴ圧電体を形成する。図４に
ガスデポジション法の原理の概略を示す。エアロゾル化
室内の微粒子粉体状のＰＺＴにアルゴン、窒素または酸
素などのキャリアガスを吹き込むことにより、ガスに巻
き上げられたＰＺＴの微粒子はキャリアガスとともにス
プレーノズルより噴出し、金属基板に到達する。このと
き、粒径１μｍ未満の超微粒子は活性な状態にあり、基
板上に堆積し、ＰＺＴ膜が形成される。その際、基板と
なる金属がアルミニウム、アルミニウム合金、ステンレ
ス鋼などチタン以外の金属では密着性が悪く、圧電アク
チュエータとして長時間動作させると剥離が生じること
がある。そこで、圧電体と金属振動体の密着性の向上お
よびＰＺＴの結晶性を向上させるため、中間層としてチ
タン（Ｔｉ）膜または酸化チタン膜を設ける。チタンま
たは酸化チタン膜の形成方法としてホロー陰極放電（Ｈ
ＣＤ）方式イオンプレーティングを用いることにより、
より高い密着性が得られる。
脂により接着するのではなく、ガスデポジション法を用
いて金属振動体表面にＰＺＴ圧電体を形成する。図４に
ガスデポジション法の原理の概略を示す。エアロゾル化
室内の微粒子粉体状のＰＺＴにアルゴン、窒素または酸
素などのキャリアガスを吹き込むことにより、ガスに巻
き上げられたＰＺＴの微粒子はキャリアガスとともにス
プレーノズルより噴出し、金属基板に到達する。このと
き、粒径１μｍ未満の超微粒子は活性な状態にあり、基
板上に堆積し、ＰＺＴ膜が形成される。その際、基板と
なる金属がアルミニウム、アルミニウム合金、ステンレ
ス鋼などチタン以外の金属では密着性が悪く、圧電アク
チュエータとして長時間動作させると剥離が生じること
がある。そこで、圧電体と金属振動体の密着性の向上お
よびＰＺＴの結晶性を向上させるため、中間層としてチ
タン（Ｔｉ）膜または酸化チタン膜を設ける。チタンま
たは酸化チタン膜の形成方法としてホロー陰極放電（Ｈ
ＣＤ）方式イオンプレーティングを用いることにより、
より高い密着性が得られる。
【０００６】なお、ガスデポジション法については「応
用物理学会誌第５４巻第７号」６８７ページからの文献
により詳しい解説が述べられている。ガスデポジション
法により直接圧電体を形成することにより、振動のエネ
ルギーを吸収する樹脂（接着剤）層が存在しないため、
印加した電圧が効率良く振動体の動作に変換される。
用物理学会誌第５４巻第７号」６８７ページからの文献
により詳しい解説が述べられている。ガスデポジション
法により直接圧電体を形成することにより、振動のエネ
ルギーを吸収する樹脂（接着剤）層が存在しないため、
印加した電圧が効率良く振動体の動作に変換される。
【０００７】
【発明の実施の形態】以下、この発明につき図面を参照
しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこ
の発明が限定されるものではない。図１に本発明の圧電
アクチュエータの構造の概略を示す。また、図３に圧電
アクチュエータの動作原理の概略を示す。圧電アクチュ
エータは金属振動体１と圧電体２から構成される。金属
振動体１と圧電体２の密着性および、圧電体材料である
ＰＺＴの結晶性向上のため、チタン、窒化チタン、また
は、酸化チタンからなるチタン中間層３を設けてある。
実施例においては、金属振動体１は厚さ５０μｍのステ
ンレス鋼（ＳＵＳ３０４材）をエッチング法によりカン
チレバー形状に加工した。カンチレバーの長さは１．５
ｍｍ、幅は０．４ｍｍである。さらに、その金属振動体
１の表面にチタン中間層３として、チタン膜０．１μ
ｍ、さらに窒化チタン膜または酸化チタン膜を０．２μ
ｍの厚さに形成し、厚さ合計０．３μｍの膜とした。チ
タン中間層３の形成には、図４に概略を示すＨＣＤ方式
イオンプレーティング装置を用いた。この装置は、電子
ビーム加熱によりチタンを蒸発させ、基板上にチタン薄
膜を形成する装置であるが、チタンを蒸発させると同時
に、窒素ガスを導入することにより窒化チタン、酸素ガ
スを導入することにより酸化チタン膜を形成することが
できる。
しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこ
の発明が限定されるものではない。図１に本発明の圧電
アクチュエータの構造の概略を示す。また、図３に圧電
アクチュエータの動作原理の概略を示す。圧電アクチュ
エータは金属振動体１と圧電体２から構成される。金属
振動体１と圧電体２の密着性および、圧電体材料である
ＰＺＴの結晶性向上のため、チタン、窒化チタン、また
は、酸化チタンからなるチタン中間層３を設けてある。
実施例においては、金属振動体１は厚さ５０μｍのステ
ンレス鋼（ＳＵＳ３０４材）をエッチング法によりカン
チレバー形状に加工した。カンチレバーの長さは１．５
ｍｍ、幅は０．４ｍｍである。さらに、その金属振動体
１の表面にチタン中間層３として、チタン膜０．１μ
ｍ、さらに窒化チタン膜または酸化チタン膜を０．２μ
ｍの厚さに形成し、厚さ合計０．３μｍの膜とした。チ
タン中間層３の形成には、図４に概略を示すＨＣＤ方式
イオンプレーティング装置を用いた。この装置は、電子
ビーム加熱によりチタンを蒸発させ、基板上にチタン薄
膜を形成する装置であるが、チタンを蒸発させると同時
に、窒素ガスを導入することにより窒化チタン、酸素ガ
スを導入することにより酸化チタン膜を形成することが
できる。
【０００８】チタン中間層３を形成した金属振動体１に
ガスデポジション法を用いて圧電体層を５０μｍの厚さ
形成した。このとき、粉体材料としては、平均粒径１μ
ｍのＰＺＴ粉体、キャリアガスとしては、窒素ガスを用
いた。圧電体層の形成後、５００゜Ｃにて熱処理を行っ
た。このサンプルの結晶性をＸ線回折法により調べた。
図６から図８に実施例のＸ線回折の結果を示す。図６は
チタン中間層３を設けず直接ＳＵＳ３０４材表面に圧電
体を形成したもの、図７は窒化チタン層を設けたもの、
図８は酸化チタン層を設けたものである。チタン中間層
３を設けたことによりＰＺＴの結晶性が向上している。
以上のように形成した圧電体２にスパッタリング法また
は蒸着法により金電極４を形成し、４００Ｖの直流電圧
を印加して分極処理を行った。
ガスデポジション法を用いて圧電体層を５０μｍの厚さ
形成した。このとき、粉体材料としては、平均粒径１μ
ｍのＰＺＴ粉体、キャリアガスとしては、窒素ガスを用
いた。圧電体層の形成後、５００゜Ｃにて熱処理を行っ
た。このサンプルの結晶性をＸ線回折法により調べた。
図６から図８に実施例のＸ線回折の結果を示す。図６は
チタン中間層３を設けず直接ＳＵＳ３０４材表面に圧電
体を形成したもの、図７は窒化チタン層を設けたもの、
図８は酸化チタン層を設けたものである。チタン中間層
３を設けたことによりＰＺＴの結晶性が向上している。
以上のように形成した圧電体２にスパッタリング法また
は蒸着法により金電極４を形成し、４００Ｖの直流電圧
を印加して分極処理を行った。
【０００９】以上のように作製した実施例の圧電アクチ
ュエータに交流電圧を印加し、その振動の振幅をレーザ
ードップラー振動計により計測した。図に実施例の圧電
アクチュエータと従来の技術であるエポキシ接着材を用
いた圧電アクチュエータの振動振幅を示す。実施例の圧
電アクチュエータは従来のアクチュエータに比較してよ
り大きな振幅をもって動作しており、振動動作の効率が
向上していることがわかる。
ュエータに交流電圧を印加し、その振動の振幅をレーザ
ードップラー振動計により計測した。図に実施例の圧電
アクチュエータと従来の技術であるエポキシ接着材を用
いた圧電アクチュエータの振動振幅を示す。実施例の圧
電アクチュエータは従来のアクチュエータに比較してよ
り大きな振幅をもって動作しており、振動動作の効率が
向上していることがわかる。
【図１】本発明の圧電アクチュエータを示す図である。
【図２】従来の技術による圧電アクチュエータを示す図
である。
である。
【図３】圧電アクチュエータの動作原理の概略図であ
る。
る。
【図４】ＨＣＤ方式イオンプレーティング装置の構成図
である。
である。
【図５】ガスデポジション法の概要を示す図である。
【図６】実施例のＸ線回折分析を示す図である。
【図７】実施例のＸ線回折分析を示す図である。
【図８】実施例のＸ線回折分析を示す図である。
【図９】振動体の振動振幅を示す図である。
１ 金属振動体 ２ 圧電体 ３ チタン中間層 ４ 電極 ５ 樹脂層 ６ 回転体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 陽子 千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地 セイコーインスツルメンツ株式会社内 (56)参考文献 特開 平６−291387（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−223825（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 41/09 H02N 2/00
Claims (1)
- 【請求項１】 チタン以外の金属からなる金属振動体
と、前記金属振動体との間に樹脂層を含むことなくガス
デポジション法により形成された圧電体層とを有し、前
記金属振動体と前記圧電体層の間にチタン薄膜、窒化チ
タン薄膜、または酸化チタン薄膜からなる中間層を設け
たことを特徴とする圧電アクチュエータ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13024698A JP3308492B2 (ja) | 1998-05-13 | 1998-05-13 | 圧電アクチュエータ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13024698A JP3308492B2 (ja) | 1998-05-13 | 1998-05-13 | 圧電アクチュエータ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11330577A JPH11330577A (ja) | 1999-11-30 |
| JP3308492B2 true JP3308492B2 (ja) | 2002-07-29 |
Family
ID=15029645
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP13024698A Expired - Fee Related JP3308492B2 (ja) | 1998-05-13 | 1998-05-13 | 圧電アクチュエータ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3308492B2 (ja) |
Families Citing this family (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004200476A (ja) | 2002-12-19 | 2004-07-15 | Canon Inc | 圧電素子の製造方法 |
| JP4729260B2 (ja) * | 2004-02-18 | 2011-07-20 | 富士フイルム株式会社 | 積層構造体及びその製造方法 |
| EP1583163B1 (en) | 2004-03-30 | 2012-02-15 | Brother Kogyo Kabushiki Kaisha | Method for manufacturing film or piezoelectric film |
| JP4849432B2 (ja) | 2004-03-30 | 2012-01-11 | ブラザー工業株式会社 | 圧電膜の製造方法、基板と圧電膜との積層構造、圧電アクチュエータおよびその製造方法 |
| JP2006054442A (ja) * | 2004-07-13 | 2006-02-23 | Brother Ind Ltd | 圧電アクチュエータ及びインクジェットヘッドの製造方法、圧電アクチュエータ及びインクジェットヘッド |
| US7419252B2 (en) | 2004-07-13 | 2008-09-02 | Brother Kogyo Kabushiki Kaisha | Ink jet head, piezo-electric actuator, and method of manufacturing them |
| JP2006114745A (ja) * | 2004-10-15 | 2006-04-27 | Nec Tokin Corp | 積層型圧電セラミックス構造体及びその製造方法 |
| JP2008130767A (ja) * | 2006-11-20 | 2008-06-05 | Canon Inc | 振動体の製造方法、振動体および振動型駆動装置 |
-
1998
- 1998-05-13 JP JP13024698A patent/JP3308492B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH11330577A (ja) | 1999-11-30 |
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