JP3699071B2

JP3699071B2 - 超音波振動子の製造方法

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Publication number: JP3699071B2
Application number: JP2002256985A
Authority: JP
Inventors: 之彦沢田; 日出夫安達; 毅直藤村; 勝裕若林
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2002-09-02
Filing date: 2002-09-02
Publication date: 2005-09-28
Anticipated expiration: 2020-09-28
Also published as: JP2003092797A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波振動子の製造方法に関し、詳細には超音波アクチュエータ等の駆動源として使用される、圧電素子による電気−機械エネルギー変換素子を用いた超音波振動子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電磁型モータに代わる新しいモータとして超音波モータが注目されており、今までに幾つかの超音波アクチュエータが提案されている。例えば、図１８に示した様なキツツキ型の超音波モータは、ランジュバン型の超音波振動子９１の端面に取り付けられた振動片９２の先端に、ロータ９３等の被駆動体をその接触面が該振動片９２に対して少し傾斜して（傾斜角θ）接触させ、超音波振動子９１を振動させて振動片９２を長さ方向に振動させる事によりロータ９３を駆動する。
【０００３】
ここで使用されるランジュバン型の超音波振動子９１は、図１９に示した様に、形状はφ数ｍｍ〜数十ｍｍ程度で長さが数ｍｍ〜百ｍｍ程度の円柱状が一般的であり、圧電素子９４を金属性のブロックからなる共振体９５で挟持した構成を取る。これらの構成部材は、一般的にはボルト９６の締結により結合されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来技術のような構造・製法では以下に記載するいくつかの欠点があった。すなわち、マイクロマシンに代表されるような微小構造の駆動源として、前記従来技術の超音波モータを実現しようとする場合、その大きさは例えば１ｍｍ程度となるため、上述したようなボルト締結構造では締結部の機械的強度が不足する事によりこれを実現することができない。
【０００５】
また、ボルト締結に代わる結合法として接着を使用した場合は、超音波振動子の各部材間に接着層が介在することとなり、このため層内における超音波の減衰・界面における超音波の反射・超音波振動により印加される応力による接合の剥離等が発生し、超音波振動子の性能・信頼性が低下することとなる。
【０００６】
この不具合は、大型の超音波振動子を作製した後にこれを裁断する事によって、小型の超音波振動子を得ようとした場合に、裁断時に加わる応力による接合層の剥離があるため、特に顕著となる。
【０００７】
本発明は前記従来技術における問題に鑑みて開発されたものであり、接着を用いず、また裁断工程を必要とすることなく、小型で高性能かつ信頼性に優れ、水分の侵入や傷付きを防止でき、配線処理も容易な超音波振動子を製造することができる超音波振動子の製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、圧電素子と、圧電素子を両側から挟む共振体とを構成部材として有する超音波振動子の製造方法であって、圧電素子を挟む共振体上にホーン形状の振動片を形成すべく前記共振体に対し超微粒子を噴射堆積することを特徴とするものである。
【０００９】
請求項２記載の発明は、請求項１に記載の超音波振動子の製造方法において、前記圧電素子および圧電素子を両側から挟む共振体を形成した後、これらの側面に被覆層を形成すべく該側面に対し絶縁材または金属の超微粒子を噴射堆積することを特徴とするものである。
【００１０】
請求項３記載の発明は、請求項１に記載の超音波振動子の製造方法において、前記共振体に接続端子を形成し、該接続端子と圧電素子の上部電極および下部電極とを接続する導体層を形成すべく超微粒子を噴射堆積することを特徴とするものである。
【００１１】
本発明では、基本的にノズルから加熱した基板に超微粒子の状態で噴射堆積することにより電極および圧電体層等を積層形成するという手法を用いている。この手法について、以下に解説する。ノズルから基板に超微粒子の状態で電極および圧電体層等を噴射堆積する製造方法の原理を図１乃至図３に示す。この製造方法は公知の手法であり、特開平４−１８８５０３号公報や、賀集：「超微粒子のガス・デポジション」、真空ｖｏｌ．３５，Ｎｏ．７，１９９２，ｐｐ６４９−ｐｐ６５３等で開示されている。
【００１２】
上記手法は、超微粒子生成室２で生成または準備した超微粒子１を搬送管３を通じて搬送ガス４により成膜室に導き、ノズル５から高速で基板６上に噴射させることにより、ノズル出射端形状に対応したパターンを有した厚さ数μｍ〜数十μｍの膜７を、直接的に高精度で成膜できるという手法である。
【００１３】
この手法の特徴としては、多元素の混合均一膜が得られる・マスクを使用せずにパターン形成が可能である・膜形成速度が大きい・膜密度制御が可能である・低温膜形成が可能であるということが挙げられている。また、形成された膜７の強度および基板６への付着強度は高く、緻密な形成体を得られる事が報告されてる。
【００１４】
金属電極成膜時は、抵抗加熱法・誘導加熱法・アーク加熱法・誘導プラズマ加熱法・レーザ加熱法等で金属を加熱して蒸発させ、これと不活性ガス原子との衝突で超微粒子１を生成し、搬送管３に不活性ガスである搬送ガス４とともに導入し、ノズル５から基板６に向けて噴射する。一方、圧電膜形成は超微粒子生成室にアルコキシド法で準備した例えばＰＺＴ超微粒子粉を置き、搬送ガス４でこの超微粉を舞上がらせ、舞上がった超微粉を搬送ガス４で搬送管３に導入し、ノズル５から基板６に向けて噴射する。
【００１５】
この手法においては、超微粉は金属・ガラス・セラミックス・プラスチックのいずれでもよく、また基板６についても同様の材質が利用できる。さらに、この手法はノズル５を複数準備すれば異種の材料の薄膜または厚膜積層を一挙に実施できるという特徴も有している。
【００１６】
請求項１記載の発明では、上述した手法を採用し圧電素子を挟む共振体上に超微粒子を噴射堆積してホーン形状の振動片を形成することによって、切削等の機械加工を使用することなく共振体上に振動片を一体形成することができる。
【００１７】
請求項２記載の発明では、上述した手法を採用し圧電素子および圧電素子を両側から挟む共振体を形成した後、これらの側面に絶縁材または金属の超微粒子を噴射堆積することにより被覆層を形成することにより、超音波振動子に対する水分の侵入や傷付きを防止できる。
【００１８】
請求項３記載の発明では、上述した手法を採用し共振体に接続端子を形成し、該接続端子と圧電素子に形成する上部電極および下部電極とを、超微粒子の噴射堆積により形成した導体層により接続するものであり、超音波振動子の駆動に必要な配線は前記接続端子に行えばよく、超音波振動子を構成する圧電素子に対して配線時の熱等によるダメージを与えることがなくなる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
図４乃至図１０は本発明の実施の形態１を示し、図４乃至図７は各々加工プロセスを示す側面図、図８は形成された超音波振動子（振動片３８形成前）の側面図、また、図９は振動片３８を有する超音波振動子の加工プロセスを示す側面図であり、図１０は本実施の形態１の変形例を示す側面図である。
【００２０】
本実施の形態１においては、アルミニウム円筒により構成された下部共振体２５を加熱し、その上面に図４に示すようにノズル１２から下部電極用の超微粒子１９として白金の超微粒子を噴射堆積して下部電極１６を形成する。続いて、図５に示すように下部電極１６上にノズル１３から圧電体薄膜用の超微粒子２０としてＰＺＴ超微粒子を噴射堆積し、圧電素子として機能させる圧電体薄膜１７を形成する。これを５００℃〜１０００℃の酸素雰囲気中で熱処理する。
【００２１】
その後、図６に示すようにノズル１４から上部電極用の超微粒子２１として銅超微粒子を噴射堆積して上部電極１８を形成し、更に図７に示すようにノズル２３から上部共振体用の超微粒子２４としてアルミニウム超微粒子を噴射堆積して上部共振体２２の層状化成膜を行う。
【００２２】
これにより、図８に示す超音波振動子（振動片３８形成前）１１を得ることができる。尚、圧電素子の分極および超音波振動子１１の励振は、図８に示すように接続したリード線２８およびリード線２９を介して上部電極１８、下部電極１６へ電圧を印加することにより行う。
【００２３】
さらに、本実施の形態１においては、その断面形状が振動片３８の断面形状に相当する、振動片材料超微粒子用のノズル３９を使用し、図９に示すように上部共振体２２の上面に、ノズル３９から振動片材料用の超微粒子４０を噴射する。この超微粒子４０は、上部共振体材料用の超微粒子２４と同一のものとする。超微粒子４０の堆積が進行するにつれて、上部共振体２２の表面とノズル３９との距離を相対的に離して行き、図９に示すように上部共振体２２の上面側が裾広がりのホーン形状で、所定の長さの振動片３８を堆積する。
【００２４】
本実施の形態１によれば、振動片３８と上部共振体２２とが一体的に形成された、超音波アクチュエータ用の超音波振動子１１Ａが作製される。
【００２５】
本実施の形態１によれば、切削等の機械加工を使用することなく上部共振体２２上に振動片３８を形成できる。これにより、特に超音波振動子１１Ａを小型化した場合に問題となる、機械加工によって印加される応力による変形を生じることがない。また、被加工物の保持は載置のみとなり、同様に小型化した場合の被加工物の保持が極めて容易になる。このため、小型化された超音波アクチュエータ用の超音波振動子１１Ａを低コストで分留まり良く得ることができる。
【００２６】
尚、図１０に示すように、振動片３８の形成にひき続き、振動片３８の端面にノズル３２から摺動部材料用の超微粒子４３を噴射堆積して摺動部材４１を形成することも可能である。摺動部材４１としては、炭化珪素・窒化珪素・蓚酸アルマイト等のセラミックス材料、二硫化モリブデン・フッ素樹脂等の固体潤滑材、ポリイミド等の樹脂材単体と、樹脂とセラミックス・ガラス等のファイバーやウイスカー等の複合材等が可能である。
【００２７】
また、本実施の形態１においては、ノズル３９の断面形状を振動片３８の形状に相当するものとしたが、これに限らず、小径のノズルとして、これを走査することによる形成法も可能である。さらに、この方法を用いて、共振器の形成から振動片３８の形成までを、同一のノズルを用いて１工程で行うことも可能である。
【００２８】
本実施の形態１によれば、形成された超音波振動子１１又は１１Ａを構成する各部材は、接着層を介在せずに強固に接合されている。このため機械的強度に優れると共に、接合部分における超音波の反射・超音波振動による接合層の剥離が生じない。このため、高性能・高信頼性の超音波振動子１１又は１１Ａを得ることができる。
【００２９】
上述の各層の平面形状・厚さ等は、ノズルの形状・噴射条件を制御することにより任意に決定できる。このため、超音波振動子１１又は１１Ａの平面形状は、方形・円形等の単純なものに限定されることはなく、任意の形状とすることができる。また、同一形状であれば、複数の発振周波数の超音波振動子は、同一の装置で圧電材料用超微粒子および共振体材料用超微粒子の堆積量を変化させることにより、容易に製造できる。
【００３０】
さらに、共振体材料用超微粒子には、ガラス・セラミック・金属等の部材内における超音波の減衰が少ない材質であれば、任意の材質が使用可能である。同様に、電極材料についても白金に限定されるものではなく、導体である金属や金属粉体とセラミックス粉体とを同時に堆積すること等も可能である。また、多層膜の電極として、例えば最表面に錫を堆積して半田付け可能とすることも容易である。
【００３１】
また、本実施の形態１においては、下部共振体２５のみを従来法により形成する場合について述べたが、圧電素子および上下の共振体の各部材の内、１つの部材のみを噴射堆積法によって形成し、超音波振動子１１又は１１Ａを形成しても良い。
【００３２】
さらに、圧電素子の上下面の電極を両方とも噴射堆積法により形成したが、蒸着・メッキ・スパッタ・焼き付け等の旧来の手法により形成することも可能であることは言うまでもない。
【００３３】
（実施の形態２）
図１１は本実施の形態２を示す斜視図である。本実施の形態２は、前記実施の形態１における振動片３８形成前の超音波振動子１１の圧電素子および電極が露出する側面に、絶縁性を有する樹脂，セラミックス，ガラスおよび金属等の被覆層材料用の超微粒子４９をノズル５０から噴射堆積することにより、被覆層３４を形成した。
【００３４】
被覆層３４の形成は、超音波振動子１１上の被覆層形成面とノズル５０とが垂直に交差するように配置し、両者の位置を相対的に移動しつつ行う。例えば、円柱状の超音波振動子１１の場合、図示した様にノズルを固定して超音波振動子を回転させればよい。
【００３５】
本実施の形態２によれば、超音波振動子１１を水分の侵入や傷等に対して保護することができる。ここで、噴射堆積法を用いることにより、保護すべき面を厳密に選択できるため、圧電素子に不要な質量を加えて振動モードを変えることがなく、実装において必要な電極端子を全く汚すことなく、被覆層３４の被覆を行うことができる。因って、対環境性に優れ、信頼性の高い超音波振動子１１を得ることができる。
【００３６】
（実施の形態３）
図１２乃至図１７は本実施の形態３の加工プロセスを示す斜視図である。本実施の形態３で形成する超音波振動子１１は、前記実施の形態１で形成した超音波振動子１１と同様である。
【００３７】
本実施の形態３においては、下部共振体２５を絶縁部材で形成し、下部共振体２５上に図１２に示すように下部電極用の電気端子３５を設ける。
【００３８】
さらに、図１２、図１３に示すように下部電極１６を噴射堆積した後に、該下部電極１６を延長する形で図１４、図１５に示す下部電極用の電気端子３５と下部電極１６とを結ぶ導体の配線パターン３７を、ノズル１２を走査して形成する。前記配線パターン３７の形成は、超音波振動子１１上の配線パターン形成面とノズル１２とが垂直に交差するように、両者の位置を相対的に移動（図１３；矢印４７の方向）しつつ行う。
【００３９】
続いて図１５に示すように圧電体薄膜１７を形成し、さらにノズル４６から絶縁体粒子を噴射堆積して、図１６に示す上部電極１８と下部電極１６との間を電気的に絶縁するための下部電極絶縁帯４５を形成する。
【００４０】
その後、図１６に示すように、上部電極１８を導体粒子の噴射堆積により形成し、この延長として前記下部電極１６と同様に形成した上部電極用電気端子３６と上部電極１８とを図１７に示す配線パターン４８により電気的に接続する。
【００４１】
本実施の形態３では、図１７に示すように、配線パターン３７、４８により下部電極用電気端子３５と下部電極１６、上部電極用電気端子３６と上部電極１８が電気的に接続される。
【００４２】
本実施の形態３によれば、超音波振動子１１への配線は、下部電極用電気端子３５、上部電極用電気端子３６に対して行えばよい。このため、配線時に超音波振動子１１へ熱等によるダメージを与えることがなくなる。また、下部電極用電気端子３５、上部電極用電気端子３６の形状は、超音波振動子１１の特性に全く影響を与えることがないため、任意に設定できる。このため、装置への実装を前提とした端子形状の設定が可能となり、実装工程も含んだ全体としての製造効率向上が図れる。
【００４３】
尚、本実施の形態３においては、超音波振動子１１の成形加工完了以前に下部電極用電気端子３５、上部電極用電気端子３６を形成する場合について述べたが、配線パターン形成時に、これを更に延長して各電気端子のパターンを形成することも可能である。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の発明によれば、超微粒子の噴射堆積という製法を採用し、切削等の機械加工を使用することなく共振体上にホーン形状の振動片を一体形成することができる超音波振動子の製造方法を提供できる。
【００４５】
請求項２記載の発明によれば、超微粒子の噴射堆積という製法を採用し、圧電素子および圧電素子を両側から挟む共振体に対する水分の侵入や傷付きを防止できる被覆層を備えた超音波振動子を得ることができる超音波振動子の製造方法を提供できる。
【００４６】
請求項３記載の発明によれば、超微粒子の噴射堆積という製法を採用し、超音波振動子の駆動に必要な配線のための接続端子を形成することで、超音波振動子を構成する圧電素子に対して配線時の熱等によるダメージを与えることがない超音波振動子の製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の概念図である。
【図２】本発明の概念図である。
【図３】本発明の概念図である。
【図４】本発明の実施の形態１の加工プロセスを示す側面図である。
【図５】実施の形態１の加工プロセスを示す側面図である。
【図６】実施の形態１の加工プロセスを示す側面図である。
【図７】実施の形態１の加工プロセスを示す側面図である。
【図８】実施の形態１における超音波振動子（振動片形成前）の側面図である。
【図９】実施の形態１の振動片を有する超音波振動子の加工プロセスを示す側面図である。
【図１０】実施の形態１の変形例を示す側面図である。
【図１１】本発明の実施の形態２の被覆層の形成プロセスを示す斜視図である。
【図１２】本発明の実施の形態３の超音波振動子の加工プロセスを示す斜視図である。
【図１３】実施の形態３の超音波振動子の加工プロセスを示す斜視図である。
【図１４】実施の形態３の超音波振動子の加工プロセスを示す斜視図である。
【図１５】実施の形態３の超音波振動子の加工プロセスを示す斜視図である。
【図１６】実施の形態３の超音波振動子の加工プロセスを示す斜視図である。
【図１７】実施の形態３の超音波振動子を示す斜視図である。
【図１８】従来例を示す側面図である。
【図１９】従来例を示す側面図である。
【符号の説明】
１超微粒子
２超微粒子生成室
３搬送管
４搬送ガス
５ノズル
６基板
７膜
１１超音波振動子
１１Ａ超音波振動子
１２ノズル
１３ノズル
１４ノズル
１６下部電極
１７圧電体薄膜
１８上部電極
１９超微粒子
２０超微粒子
２１超微粒子
２２上部共振体
２３ノズル
２４超微粒子
２５下部共振体
２８リード線
２９リード線
３２ノズル
３４被覆層
３５下部電極用電気端子
３６上部電極用電気端子
３７配線パターン
３８振動片
３９ノズル
４０超微粒子
４１摺動部材
４３超微粒子
４５下部電極絶縁帯
４６ノズル
４７矢印
４８配線パターン
４９超微粒子
５０ノズル

Claims

圧電素子と、圧電素子を両側から挟む共振体とを構成部材として有する超音波振動子の製造方法であって、
圧電素子を挟む共振体に対し、断面形状が振動片の断面形状に相当し振動片材料の超微粒子を噴射するノズルをこの共振体の表面から相対的に離しながら前記振動片材料の超微粒子を噴射堆積させることにより振動片を形成することを特徴とする超音波振動子の製造方法。
前記圧電素子および圧電素子を両側から挟む共振体を形成した後、これらの側面に被覆層を形成すべく該側面に対して絶縁材または金属の超微粒子を噴射堆積することを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子の製造方法。
前記共振体に接続端子を形成し、該接続端子と圧電素子の上部電極および下部電極とを接続する導体層を形成すべく超微粒子の噴射堆積することを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子の製造方法。