JP4492349B2

JP4492349B2 - 圧電振動体

Info

Publication number: JP4492349B2
Application number: JP2004551203A
Authority: JP
Inventors: 明宏澤田; 秀弘赤羽; 玲子長濱
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2002-11-12
Filing date: 2003-11-07
Publication date: 2010-06-30
Anticipated expiration: 2023-11-07
Also published as: JPWO2004043617A1; EP1561518A4; CN1684776A; CN100417458C; EP1561518B1; EP1561518A1; US20040155557A1; WO2004043617A1

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、基材と、この基材に貼設される圧電素子とを備え、複数の振動モードの共振点付近で圧電素子を振動させる圧電振動体に関する。
【０００２】
圧電素子の変位によって振動する、いわゆる圧電振動体としては、平板状の基材（補強板）両面に圧電素子を貼設して圧電振動体を構成し、圧電アクチュエータとして動作するものがある（例えば特開２０００−３３３４８０号公報）。この圧電アクチュエータでは、圧電素子に交流電圧を印加すると、基材とともに圧電アクチュエータ全体が振動して被駆動体を駆動する。この時予め形状および寸法比を設定しておくことによって、圧電素子の長手方向に沿った縦振動と、縦振動に直交する方向に屈曲する屈曲振動との複数の振動モードを組み合わせた振動が得られる。これにより、圧電アクチュエータは被駆動体を高効率で駆動することができる。このような構成の圧電アクチュエータでは、圧電素子の振動によって基材を振動するので、良好な振動を得るためには圧電素子と基材との接着状態が非常に重要となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
圧電素子と基材との間の接着層を、例えばむやみに厚くすると、圧電素子の振動が基材に良好に伝達されず、圧電アクチュエータの振動が減衰してしまう。また、接着層の厚みや接着剤の材質のばらつきがあると、振動減衰特性が異なってしまうため、複数の圧電アクチュエータ間で振動特性にばらつきが生じてしまう。このように、接着層の品質のばらつきによって安定した品質の圧電アクチュエータを製造することが難しくなる。
特に、形状や寸法を適宜設定することによって複数の振動モードの共振点が互いに近接するように構成された圧電アクチュエータでは、これらの振動モードが組み合わされることによって例えば円軌道や楕円軌道などのさまざまな振動軌道が設定される。このような圧電アクチュエータは、複数の振動モードの共振周波数付近で圧電アクチュエータを振動させることで最も高効率に被駆動体を駆動できる。しかしながら、前述のように接着層の品質にばらつきがあると、複数の振動モードの共振周波数がばらついて、駆動周波数における圧電アクチュエータの各振動モードの振幅比が異なってしまい、振動特性が変化してしまう。
【０００４】
本発明の目的は、振動損失を低減でき、振動特性のばらつきを低減できる圧電振動体を提供することにある。
【０００５】
本発明の圧電振動体は、長手方向に沿って伸縮する縦振動の共振点に対応する縦共振周波数と縦振動に直交する幅方向に屈曲する屈曲振動の共振点に対応する屈曲共振周波数とが近接する縦横寸法比とされた矩形状の圧電素子と、長手方向端面に長手方向に突出する凸部を備えた矩形状の平板からなり、前記圧電素子の一面に貼設される基材とを備える圧電振動体であって、前記圧電素子および前記基材の間には、表面同士が多点接触して電気導通された前記圧電素子および基材間において圧電素子と基材が接触しない空隙部に設けられ、一液無溶剤型の接着剤からなり、硬化後のショアＤ硬度が常温で８０ＨＳ以上である接着層が介装され、前記縦共振周波数と前記屈曲共振周波数との間の周波数の交流電圧が印加されることにより縦振動と屈曲振動とが組み合わせられた状態で励振することを特徴とする。
【０００６】
基材と圧電素子との間には接着層が設けられており、圧電素子に複数の振動モードの共振点付近の周波数で電圧を印加すると、圧電素子が繰り返し変位して振動する。これに伴い接着層を介して基材も振動して、圧電振動体全体が複数の振動モードを組み合わせた振動軌道を描いて振動することとなる。例えばこの圧電振動体を圧電アクチュエータとして利用する場合では、圧電振動体の振動によって被駆動体が駆動されることとなる。この発明によれば、基材と圧電素子との間の接着層の硬度が適切に設定されているので、圧電素子の振動が接着層に吸収されるのを良好に防止して、基材に振動が良好に伝達され、よって圧電振動体全体が良好に振動する。これにより、圧電振動体の振動損失が低減される。なお、接着層の硬化後のショアＤ硬度が８０ＨＳより小さいと、圧電素子の振動が接着層で吸収されやすく、振動が減衰してしまう。このため、圧電振動体の振動損失を小さくすることができない。
【０００７】
また、本発明によれば、接着層が一液無溶溶剤型なので、混ぜ合わせることなく均一な接着層が形成される。また、混ぜ合わせのための撹拌も不要となるので、空気の混入が防止される。従来撹拌の必要な二液型の接着剤を用いた場合では、接着層に空気が混入していると、例えば接着層を硬化させるために加熱する際に空気が膨張して圧電振動体の破損が生じる場合がある。また、空気の混入により接着強度が十分に得られないと、圧電振動体が振動する際の応力が空気混入の穴部分に集中して接着層が剥離することがあり、圧電振動体の寿命が短くなる。本発明によれば、このような不都合が無く、ロット間での接着層の品質のばらつきが生じにくい。よって基材および圧電素子の接着性能が均一となるので、圧電振動体を複数の振動モードの共振点付近で振動させる場合にも、複数の振動モードの振幅比のばらつきが低減される。これにより、圧電振動体間の振動特性のばらつきが小さくなり、所望の振動軌道が得られる。また混合作業が省略されるので、比較的安価に製造される。
【０００８】
本発明の圧電振動体の製造方法は、縦振動の共振点に対応する縦共振周波数と屈曲振動の共振点に対応する屈曲共振周波数とが近接する縦横寸法比とされた矩形状の圧電素子と、この圧電素子の一面に貼設される略矩形状の基材とを備える圧電振動体の製造方法であって、前記圧電素子および前記基材の間に介装される接着剤を所定の厚みでかつ前記基材と前記圧電素子との貼設面全体に亘る領域とされた接着層に成形する接着層成形工程と、接着層成形工程で成形された前記接着層を前記圧電素子に転写する接着層転写工程と、前記接着層が転写された前記圧電素子を前記基材または別の圧電素子に貼設する圧電素子貼設工程とを備えていることを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、接着層成形工程によって接着剤の厚みが均一な接着層が形成される。この接着層を圧電素子に転写し、この圧電素子を基材あるいは別の圧電素子に貼設するので、均一な厚みの接着層を有する圧電振動体が製造される。よって、圧電振動体の振動特性のばらつきが低減される。
【００１０】
本発明では、接着層成形工程は、接着層を厚み調整用転写部材に転写し、その転写回数によって接着層の厚みを調整する接着層厚み調整工程を備えていることが望ましい。
この発明によれば、接着層厚み調整工程によって接着層を厚み調整用転写部材に転写すれば、接着層の厚みは転写前の約半分となる。この転写を所定回数繰り返すことにより接着層が所望の厚みに調整される。これは、接着層成形工程において厚み管理の困難なより薄い接着層を成形する場合に特に有用であり、これによれば、接着層の厚み管理が容易となり、より薄い接着層が成形可能となる。
【００１１】
本発明では、圧電素子貼設工程の後に、加熱状態かつ加圧状態下で接着層を硬化させる接着層硬化工程を備えていることが望ましい。
この発明によれば、接着層を加熱状態下で硬化させるので、接着層がより短時間で硬化し、圧電振動体の製造時間が短縮される。
また、接着層を加圧状態下で硬化させるので、基材および圧電素子の接着性が向上する。
さらに、加圧状態下では、基材および圧電素子が圧接されるが、この時これらの接着面は微視的にはそれぞれの面粗さに応じた凹凸を有するので、加圧することによってこれらの凹凸が互いに接触して接着される。これにより、接着層はこれらの凹凸の間に介装されることとなり、接着層の厚みが基材および圧電素子の接着面の面粗さに依存する。したがって、接着層の厚みを基材および圧電素子の接着面粗さで簡単に管理することが可能となり、接着層の厚みのばらつきが軽減されて圧電振動体の振動特性がより一層安定する。また、基材を導通性を有する材料で構成する場合には、圧電素子に形成された電極層と良好に接触するので、両者の電気的な導通が確実となる。これにより、圧電素子の厚み方向に電圧を印加する際には、一方の端子を基材から得ることが可能となり、特に基材の両面に圧電素子が貼設されている場合などでは端子の共通化が図られ、圧電振動体の構造が簡単となる。
【００１２】
本発明では、圧電素子貼設工程の前に、基材の圧電素子が貼設される面の面粗さを調整する面粗さ調整工程を備えていることが望ましい。
この発明によれば、面粗さ調整工程によって基材の圧電素子への貼設面の面粗さが調整される。したがって、基材の製造過程で生じたかえりなどが除去され、このかえりによる圧電振動体の振動特性の悪化が防止される。
また、基材の圧電素子への貼設面の面粗さが予め適切に調整されているので、接着層との接着性が向上し、剥離強度が向上する。
また、前述のように接着層の厚みは圧電素子および基材の表面粗さに依存するので、基材の面粗さを調整することにより、接着層の厚みの管理が確実となる。これにより接着層の厚みのばらつきが低減され、圧電振動体の振動特性がより一層安定する。
【００１３】
本発明では、圧電素子貼設工程と同時または圧電素子貼設工程の後に、基材および圧電素子の相対的な位置決めを行う位置決め工程を備えていることことが望ましい。
この発明によれば、位置決め工程によって基材および圧電素子の相対的な位置が規定されるので、この状態で接着層を硬化させれば、両者の接着位置がずれることなく接着層が硬化する。したがって、この工程により基材および圧電素子の貼設位置のずれによる圧電振動体の振動特性のばらつきが低減される。
【００１４】
前述の圧電振動体、または前述の圧電振動体の製造方法で製造した圧電振動体において、前記基材および前記圧電振動体は、熱膨張係数が互いに近接する材料によりそれぞれ形成されていることが望ましい。
この発明によれば、基材および圧電素子の熱膨張係数が互いに近接しているので、熱の影響による歪みおよび残留応力の発生が防止される。これは、例えば接着層を硬化させる時に加熱を行う場合などに特に有用である。また、投入電力が大きく発熱量が放熱量を上回る場合でも、自己発熱による特性の悪化が抑制される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１には、本実施形態の圧電振動体としての圧電アクチュエータ１の全体斜視図が示されている。この図１において、圧電アクチュエータ１は、平板状の基材２と、この基材２の表裏両面に貼設された圧電素子３と、これらの基材２と圧電素子３とを接着する接着層４とを備えている。
【００１６】
基材２は、略矩形状に形成された厚み約０．１ｍｍの薄板状部材である。基材２の材料は、ステンレス鋼、リン青銅、その他の任意の材料を採用でき、本実施形態ではＳＵＳ３０１で構成されている。この基材２の対角線上両端には、長手方向に突出するように略半円形状の凸部２１が一体的に形成されている。
【００１７】
圧電素子３は、基材２の凸部２１を除いた略矩形状部分に貼設されている。圧電素子３の材料は特に限定されず、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ（登録商標））、水晶、ニオブ酸リチウム等の各種のものを用いることができ、本実施形態では厚み約０．１５ｍｍのチタン酸ジルコン酸鉛（以下ＰＺＴと略す）を採用している。また、圧電素子３の両面には、ニッケル・リンめっき層および金めっき層などによって形成される電極層３１（３１Ａ，３１Ｂ）が形成されている。
【００１８】
接着層４は、一液無溶剤型のエポキシ樹脂製であり、硬化後のショアＤ硬度が約９２ＨＳである。なお、接着層４は着色剤やガラスビーズ、導電性物質などの添加剤が添加されていないものが望ましい。
【００１９】
図２には、基材２および圧電素子３の接着面の一部を拡大した断面図が示されている。この図２において、基材２および圧電素子３の各接着面は、微視的にはそれぞれの面粗さに応じた微細な凹凸を備えている。この凹凸がランダムに接触することによって基材２および圧電素子３の電極層３１Ｂが接着層４で絶縁されずに導通している。これにより、圧電素子３の表面の電極層３１Ａおよび基材２にリード線を接続してこれを図示しない印加装置に接続することで、圧電素子３の電極層３１Ａと基材２との間、つまり、圧電素子３の両面に電圧を印加することができる。
【００２０】
このような圧電アクチュエータ１は、次のように製造する。
図３から図７には、圧電アクチュエータ１の製造工程を示す概略図が示されている。これらの図３から図７において、圧電アクチュエータ１の製造工程は、接着剤４１（図３参照）を所定の厚みの接着層４に成形する接着層成形工程と、接着層成形工程で成形された接着層４を圧電素子３に転写する接着層転写工程と、基材２において、圧電素子３が貼設される接着面の面粗さを調整する面粗さ調整工程と、接着層４が転写された圧電素子３を基材２に貼設する圧電素子貼設工程と、接着層４を硬化させる接着層硬化工程とを備えている。なお、接着層硬化工程以外の工程は、全て常温において作業を行う。
【００２１】
図３（Ａ）には、接着層成形工程の第一段階が、また図３（Ｂ）には、その第二段階が示されている。図３（Ａ）において、まず接着層成形工程の第一段階では、図示しないシリコンウェハ上の転写シート５の上に薄板矩形状の二枚のスペーサ５１を互いに間隔をあけて配置する。この時、シリコンウェハ表面をエタノールが含浸された綿布で拭き、エタノールが揮発する前にシリコンウェハ上に転写シート５を載置する。すると転写シート５が良好にシリコンウェハ表面に密着し、エタノールの揮発とともに吸着されることでシリコンウェハ上に良好に固定される。シリコンウェハは非常に平滑な平面を有するので、転写シート５のゆがみなどが補正され、この転写シート５上に形成される接着層４の厚みが均一となる。なお、転写シート５の材料としては、可撓性を有する材料が好ましく、例えばポリイミドやポリエステルなどを採用できる。また、スペーサ５１は、圧電アクチュエータ１に介装される接着層４の厚みの約二倍となっている。スペーサ５１の材料としては、厚み方向に変形しにくい材料が好ましく、例えば厚み約１０μｍのアルミ箔などを採用できる。
【００２２】
次に、二枚のスペーサ５１の間に接着剤４１を適量吐出する。なお、転写シート５およびスペーサ５１の寸法、スペーサ５１の配置の間隔などは、製造される圧電アクチュエータ１の寸法を勘案して適宜設定すればよい。つまり、これらの寸法および間隔は、圧電アクチュエータ１の寸法よりも大きく設定し、また圧電アクチュエータ１を一度に複数製造する場合には、複数個配置した時の全体寸法よりも大きく設定すればよい。
【００２３】
図３（Ｂ）に示されるように接着層成形工程の第二段階では、ステンレス鋼、ガラス、その他の剛性を有する材料で構成された平板状のブレード５２を二枚のスペーサ５１をまたぐように当接する。すると、ブレード５２を伝って接着剤４１がスペーサ５１の間の幅方向に広がる。次いで、ブレード５２を二枚のスペーサ５１上に、その長さ方向に沿って移動させる。
【００２４】
図４（Ｃ）には、転写シート５上に形成された接着層４が示されている。この図４（Ｃ）に示されるように、接着剤４１はブレード５２によってスペーサ５１間に広がりながらスペーサ５１の厚みに整えられる。その後、スペーサ５１を転写シート５から外す。この工程により、接着層４が転写シート５上にスペーサ５１の厚みで形成される。
次に、接着層転写工程において、接着層成形工程で成形された接着層４を圧電素子３に転写する。
【００２５】
図４（Ｄ）および図４（Ｅ）には、接着層転写工程の概略図が示されている。図４（Ｄ）において、転写シート５の接着層４が形成された面を圧電素子３に対向させる。ここで、圧電素子３の表裏両面には予め電極層３１が形成されている。この電極層３１は、圧電素子３両面を２０００番の砥粒で表面粗さ（Ｒａ）約０．２〜０．３μｍに整えた後、ニッケル・リンめっき（Ｎｉ・Ｐ）を下地とする無電解の金めっきによって形成されている。これにより、圧電素子３の表裏両面には、厚さ約１μｍの電極層３１が形成される。なお、圧電素子３の表面粗さを整える場合には２０００番の砥粒に限らず例えば４０００番の砥粒など、適宜最適なものを選択すればよい。また電極層３１の形成方法も、このような無電解の金めっきによる方法に限らず、例えばＮｉ・Ｃｒ・Ａｕ合金をスパッタ、蒸着などの方法で圧電素子３表面に形成してもよい。
【００２６】
表面に電極層３１が形成された圧電素子３は、予め微細なゴミを除去するための洗浄工程が行われる。洗浄工程では、圧電素子３にアルコールによる超音波洗浄を約１０分間行い、その後その圧電素子３を純水の流水で約１０分間洗浄する。そして約８０□恒温槽内に約１０分間放置することによって圧電素子３を乾燥させる。この洗浄工程を経た圧電素子３を吸着テーブル上に配置して固定する。そして固定された圧電素子３の表面に、転写シート５の接着層４が形成された面を密着させる。
【００２７】
次いで図４（Ｅ）に示されるように転写シート５を圧電素子３からゆっくり剥がす。すると、接着層４の厚みの約半分は圧電素子３に転写され、残りの約半分の厚みの接着層４は転写シート５に残る。
この接着層転写工程により、圧電素子３に接着層４が形成され、その厚みは接着層成形工程での接着層４の厚みの約半分である約５μｍとなる。
その後、圧電素子貼設工程によって、接着層４が転写された圧電素子３を基材２に貼設する。
【００２８】
図５（Ｆ）には、基材２の一方の面に圧電素子３を貼設する工程が、また図５（Ｇ）には、基材２の他方の面に圧電素子３を貼設する工程が示されている。
図５（Ｆ）に示されるように、圧電素子３において接着層４が転写された面を基材２の略矩形状部分に貼設する。この時圧電素子３と基材２との相対位置がずれないように目視で確認する。なお、基材２の両面は、面粗さ調整工程によって表面の面粗さが予め調整されている。この面粗さ調整工程では、例えば１５００番のサンドペーパなどで表面を所定の面粗さに整える。また、基材２は前述の圧電素子３の洗浄工程と同様の工程によって予め洗浄が施されている。
【００２９】
次に、図５（Ｇ）に示されるように、基材２の圧電素子３が貼設された面と反対側の面にも同様に圧電素子３を貼設する。
図５（Ｈ）には基材２の両面に圧電素子３が貼設された圧電アクチュエータ１が示されている。この図５（Ｈ）に示されるように、圧電素子貼設工程では基材２の両面に接着層４を介して圧電素子３が貼設される。
そして、接着層硬化工程において、接着層４を硬化させる。
【００３０】
図６には、接着層４を加熱状態かつ加圧状態下で硬化させる硬化装置６の概略図が示されている。この図６において硬化装置６は、内部を所望の温度に加熱する加熱槽６１と、圧電アクチュエータ１の基材２と圧電素子３とを加圧する加圧治具７とを備えている。加圧治具７は、圧電アクチュエータ１が間に挟持される下板７１および上板７２を備えている。下板７１の周囲には四カ所のピン７１１が上板７２に向かって突出している。上板７２においてピン７１１に対応する位置には案内孔７２１が形成されており、ピン７１１がこれらの案内孔７２１に挿通されることで上板７２の下板７１に対する位置が規定されている。
【００３１】
図７には下板７１の平面図が示されている。この図７において、下板７１には三つの圧電アクチュエータ１が一直線上に並ばない位置に配置可能となっており、基材２および圧電素子３の相対位置を規定する円柱状の位置決めピン７３が設けられている。これらの位置決めピン７３（７３Ａ，７３Ｂ，７３Ｃ）は、それぞれの圧電アクチュエータ１に対して複数個（本実施形態では三個）設けられている。これらの位置決めピン７３は、互いに所定間隔を有して配置され、端部に位置する位置決めピン７３Ａは、他の位置決めピン７３Ｂ，７３Ｃを結ぶ線の延長線上からはずれた位置に配置されている。これにより、三つの位置決めピン７３Ａ，７３Ｂ，７３Ｃは圧電アクチュエータ１を二辺で支持することで安定して位置決めする。これらの位置決めピン７３の表面には、接着層４との接着を防止するためにポリテトラフルオロエチレンなどの低摩擦性の合成樹脂がコーティングされている。また、位置決めピン７３の高さは、一枚の圧電素子３および基材２の厚みの合計よりも高く、かつ二枚の圧電素子３および基材２の厚みの合計よりも低くなっている。なお、位置決めピン７３の形状は、接着層４との接触面積を最小限にするために本実施形態では円柱状に形成されているが、この他例えば三角柱状などの多角柱形状でもよい。
【００３２】
まず、接着層硬化工程の前工程として、位置決め工程で基材２と圧電素子３との相対的な位置を規定する。この位置決め工程では、圧電素子貼設工程で基材２の両面に圧電素子３が貼設された圧電アクチュエータ１を加圧治具７の下板７１に三つ配置する。この時、圧電アクチュエータ１の二辺を位置決めピン７３に当接させることで圧電素子３および基材２の端部の位置がそろっているかどうかを拡大鏡などで確認する。そろっていない場合には、ピンセットなどで圧電素子３を挟持して位置を補正する。
【００３３】
次いで、位置が規定された圧電アクチュエータ１の上に上板７２を載置する。上板７２はピン７１１に案内されて下板７１に対して略平行を保つので、圧電素子３および基材２の相対位置がずれないように逐次確認しながら上板７２を圧電アクチュエータ１に当接させて、載置する。この時、位置決めピン７３は圧電アクチュエータ１の厚みよりも低いので、上板７２が位置決めピン７３に干渉することなく圧電アクチュエータ１の表面に当接される。
【００３４】
このようにして圧電アクチュエータ１が挟持された加圧治具７を加熱槽６１内へ載置する。そして、上板７２の上から圧電アクチュエータ１を加圧するおもり７４を乗せる。この時、上板７２および下板７１の間には三つの圧電アクチュエータ１が配置されており、これらが一直線上に並ばないように配置されているため、上板７２が均一に圧電アクチュエータ１に当接され、これら圧電アクチュエータ１にかかる面圧（相対圧）がほぼ同じとなる。なお、おもり７４は、圧電アクチュエータ１にかかる面圧が１５から２５ｇ／ｍｍ^２（１４７から２４５ｋＰａ）の範囲内であることが望ましい。面圧が１５ｇ／ｍｍ^２（１４７ｋＰａ）より小さい場合には、圧電素子３と基材２との密着性が悪くなる。また接着層４の厚みが増加して圧電アクチュエータ１の振動特性が劣化したり、圧電素子３の電極層３１Ｂと基材２との導通性が悪くなる。あるいは接着層４の厚みのばらつきによって圧電アクチュエータ１の振動特性がばらつく。また面圧が２５ｇ／ｍｍ^２（２４５ｋＰａ）より大きい場合には、圧電素子３が損傷する可能性がある。本実施形態では三つの圧電アクチュエータ１を加圧するために１ｋｇのおもり７４を採用している。
【００３５】
加熱槽６１内部の温度を約８０℃に設定し、この内部で圧電アクチュエータ１を加圧治具７で加圧しながら約２時間加熱することにより、接着層４を硬化させる。
この接着層硬化工程では、加圧状態下で硬化させることにより、圧電素子３および基材２の密着性が良好となる。この時、これら圧電素子３に形成された電極層３１および基材２の接触面は、微視的にはそれぞれ面粗さに応じた凹凸を形成しており、加圧によってこれらの凹凸が互いに接触して両者の導通性が確保される。つまり圧電素子３および基材２は、接着面の全面にわたって微視的に互いの凹凸が接触した状態となり、これにより接着層４の厚みは圧電素子３および基材２の面粗さに依存することとなる。
また、接着層４を加熱状態下で硬化させることにより、接着層４が短時間で硬化し、この接着層硬化工程のサイクルタイムが短縮される。
【００３６】
このようにして製造された圧電アクチュエータ１は、凸部２１を被駆動体に当接させて圧電素子３を振動させることで被駆動体を駆動することができる。
図８および図９には、圧電アクチュエータ１の適用例を示す概略図が示されている。図８は圧電アクチュエータ１の被駆動体１００に対する配置を示す図であり、また、図９（Ａ）は、圧電アクチュエータ１の振動モードの一つを示す図、図９（Ｂ）は、圧電アクチュエータ１のもう一つの振動モードを示す図であり、そして図９（Ｃ）は、凸部２１の描く軌跡を示す図である。
【００３７】
まず図８において、圧電アクチュエータ１は円盤状の被駆動体１００を駆動するものであり、被駆動体１００は、図示しない固定体に回転可能に支持されている。圧電アクチュエータ１の凸部２１は、被駆動体１００の外周側面に当接されており、また圧電アクチュエータ１には、長手方向略中央から略直角に突出した腕部２２が両側に設けられている。これらの腕部２２は基材２に一体的に形成されており、端部に形成された孔が図示しない固定体にねじ止めされることにより、圧電アクチュエータ１が固定されるとともに、凸部２１が図示しない付勢力発生手段によって適度な付勢力を与えられた状態で被駆動体１００に当接される。この時凸部２１は、圧電アクチュエータ１の長手方向が被駆動体１００の中心方向からある角度（例えば３０°）を持つように当接されている。圧電素子３の電極層３１Ａおよび基材２には、リード線が接続され、これらのリード線は、所定周波数の交流電圧を印加する印加装置に接続されている。
【００３８】
印加装置により、電極層３１Ａと基材２との間に交流電圧Ｖを印加すると、これらの間の圧電素子３が繰り返し変位して振動する。この時、圧電アクチュエータ１は図９（Ａ）に示されるように長手方向に沿って伸縮する、いわゆる縦振動と、図９（Ｂ）に示されるように縦振動に略直交する方向に屈曲する、いわゆる屈曲振動との二つの振動モードを有する。これらの二つの振動モードを組み合わせることにより、凸部２１は図９（Ｃ）に示されるように面内方向で楕円軌道を描いて振動する。ここで、これら二つの振動モードは、それぞれに共振点を有し、これら共振点の共振周波数の差は圧電アクチュエータ１の寸法や形状を適宜設定することにより予め約数ｋＨｚ程度と、互いに近接するように設定されている。これにより、圧電アクチュエータ１をこれらの共振周波数の間で駆動すると、互いの振動モードの共振点近傍で駆動することができるので、それぞれ大きな振動振幅を得ることができる。
【００３９】
凸部２１は、楕円軌道の一部で被駆動体１００を図９（Ｃ）の矢印Ｒ方向に回転させる。この動作を所定の周波数で行うことにより、圧電アクチュエータ１は被駆動体１００を所望の速度で回転させる。
【００４０】
ここで、本実施形態の圧電アクチュエータ１において、接着層４のショアＤ硬度と、圧電アクチュエータ１の振動挙動との関係について説明する。
図１０には、接着層４の硬化後のショアＤ硬度と、圧電アクチュエータ１のＱ値との関係が示されている。この図１０に示されるように、接着層４のショアＤ硬度が大きくなると、圧電アクチュエータ１のＱ値が急激に増加し、ショアＤ硬度８０ＨＳ以上では安定して１０００以上の高いＱ値を得られることがわかる。
【００４１】
次に、図１１には、圧電アクチュエータ１のＱ値と圧電アクチュエータ１の振動の共振点付近での振幅との関係が示されている。また、図１２には、圧電アクチュエータ１に印加する電圧の周波数とインピーダンスとの関係の図、および周波数と圧電アクチュエータ１の振幅との関係の図が示されている。なお、図１２において、ｆｒ１は縦振動の共振周波数、ｆｒ２は屈曲振動の共振周波数である。
【００４２】
まず、図１１に示されるように、圧電アクチュエータ１の共振点付近での振幅はＱ値に比例し、Ｑ値が大きくなるにしたがって圧電アクチュエータ１の振幅も大きくなることがわかる。また、図１２に示されるように、圧電アクチュエータ１のＱ値が比較的高い場合の振動特性（図１２中点線）の方が、Ｑ値が比較的低い場合の振動特性（図１２中一点鎖線）に比べて、縦振動および屈曲振動の二つの振動モードの共振点におけるインピーダンスがそれぞれ小さくなるとともに、これらの振動モードの振幅はそれぞれ大きくなることがわかる。
【００４３】
これらのことより、ショアＤ硬度が８０ＨＳ以上の高硬度な接着層４を使用することにより、高いＱ値を得られることがわかる。そして、高いＱ値を得られることにより、圧電アクチュエータ１の振動損失が少なくなり、圧電アクチュエータ１において大きな振動振幅が得られることがわかる。
【００４４】
ここで、圧電アクチュエータ１の縦振動の振幅は、Ｑ値が大きくなるにしたがって大きくなる。一方、圧電アクチュエータ１の屈曲振動の振幅は、縦振動の場合と同様にＱ値にも依存するが、縦振動によって屈曲振動が励振される要素もある。したがって、屈曲振動の振幅を確保するには、縦振動の振幅もある程度確保する必要がある。
【００４５】
図１３には、圧電アクチュエータ１のＱ値が比較的小さい場合と比較的大きい場合とにおける圧電アクチュエータ１の凸部２１の振動の軌道が示されている。この図１３において、Ｑ値が小さい場合、つまり接着層４のショアＤ硬度が低い場合には、振動損失が大きくなり、縦振動の振幅が小さくなる。このため、屈曲振動の振幅はＱ値が小さいため小さくなるが、これと同時に縦振動による屈曲振動の励振効果が小さくなるため、屈曲振動の振幅も小さくなる。したがって、Ｑ値が小さい場合の凸部２１における振動軌跡Ｒｓは、縦振動の成分が屈曲振動の成分より大きい楕円振動となり、被駆動体１００を径方向に押圧する力は働くものの、被駆動体１００を接線方向に押圧して回転駆動する力が小さくなってしまう。
【００４６】
一方、接着層４のショアＤ硬度が８０ＨＳ以上と高い場合には、Ｑ値も大きくなり、縦振動の振幅が大きくなる。屈曲振動の振幅は、Ｑ値が大きいため大きくなるが、これと同時に縦振動による屈曲振動の励振効果が大きいので、縦振動の振幅にしたがって大きくなる。したがって、Ｑ値が大きい場合の凸部２１の振動軌跡Ｒｂは、縦振動の良好な振動振幅と同時に屈曲振動の良好な振動振幅も得られ、被駆動体１００を接線方向に押圧して回転駆動するのに必要な力を確保できる。
【００４７】
このように、複数の振動モードを組み合わせて被駆動体１００を駆動する圧電アクチュエータ１においては、ショアＤ硬度の高い接着層４を用いて圧電アクチュエータ１のＱ値を確保することが駆動効率向上効果を得る上で重要であることがわかる。
【００４８】
本実施形態によれば、次のような効果が得られる。
（１）接着層４の硬化後の硬度が８０ＨＳ以上と高いため、圧電素子３の振動を吸収しにくく、圧電素子３の振動を基材２に良好に伝達できる。したがって、圧電アクチュエータ１の振動損失を低減できる。
また、接着剤４１が一液無溶剤型なので、二液型の接着剤とは異なり混合する必要がない。よって撹拌作業が不要となり製造工程を簡略化でき、また撹拌による接着剤４１への空気の混入の可能性を除去できる。これにより、接着層硬化工程で加熱される際にも、空気膨張による圧電素子３の破損や圧電アクチュエータ１の振動時の応力集中による圧電アクチュエータ１の短寿命化を防止できる。そして接着層４を均一に成形することができるので、縦振動および屈曲振動の各共振点のばらつきを低減でき、圧電アクチュエータ１の振動特性を安定させることができる。さらに、ロット間の配合のばらつきも生じにくいので、複数の圧電アクチュエータ１間の振動特性のばらつきも低減できる。
【００４９】
（２）接着層硬化工程において接着層４を加熱するので、接着層４をより短時間で乾燥できる。よって圧電アクチュエータ１の製造時間を短縮できる。また、この工程において接着層４を加圧しているので、加熱による接着層４の厚み方向への膨張を抑制できる。また、この工程において接着層４を加圧することにより、圧電素子３の電極層３１（つまり圧電素子３）および基材２は、それぞれの面粗さに応じた微細な凹凸において互いに接触することとなる。これにより、接着層４はこれらの凹凸の間に介装されるようになり、つまり接着層４の厚みが接着剤４１の塗布量に依存せず、各接着面の面粗さに依存するようになる。このため、接着層４の厚みを容易に管理でき、圧電アクチュエータ１の振動特性のばらつきを低減できる。
【００５０】
（３）位置決め工程において、位置決めピン７３によって基材２および圧電素子３の相対的な位置を規定するので、接着層硬化工程においてこれらの相対的な位置がずれるのを防止できる。したがって、位置ずれによる圧電アクチュエータ１の振動特性のばらつきを低減できる。
【００５１】
（４）基材２において圧電素子３の貼設面の面粗さが予め調整されているので、基材２の製造過程に生じたかえりを除去できる。また、基材２の面粗さを統一することで、基材２および圧電素子３の間の接着層４の厚み（介装量）を管理できるので、接着層４の厚みのばらつきをより一層低減でき、圧電アクチュエータ１の振動特性のばらつきを低減できる。
【００５２】
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、接着層硬化工程では、接着層４を加圧治具７で加圧してかつ加熱槽６１で加熱していたが、これに限らず例えば加圧治具７を使用せず、加熱のみを行って硬化させてもよい。あるいは、加熱を行わず、加圧状態で放置することによって接着層４を乾燥硬化させてもよい。さらには、加熱も加圧も行わず、圧電アクチュエータ１を所定時間放置することによって接着層４を乾燥硬化させてもよい。この時、例えば加圧治具７の下板７１のみを使用して圧電素子３および基材２の位置決めを行ってもよい。
【００５３】
基材２の材料は、本実施形態ではＳＵＳ３０１で構成されていたが、これに限らない。例えば、接着層硬化工程において加熱状態下で接着層４を硬化させる場合には、加熱による膨張の違いによって生じる残留応力を軽減するために、圧電素子３の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する材料を選択することが望ましい。これによれば、圧電素子３の振動を良好に基材２に伝達でき、振動損失をより一層低減できる。
ただし、基材２には様々な役割があり、圧電素子３の振動に伴って変位できるように適度な弾性を有する振動体としての役割や、圧電アクチュエータ１を支持して所定の位置に固定する固定部としての役割、被駆動体に当接されて被駆動体を駆動する駆動部分としての役割、圧電素子３との電気的な導通が可能な導電体としての役割など、様々な役割を有する。したがって、基材２は補強材としての強度や支持・固定のための強度、振動体としての弾性、および被駆動体に当接される際の硬度や耐摩耗性などが要求される。そこで基材２の材料は、これらの役割を良好なバランスで満たすことができるように適宜決定されることが望ましい。
【００５４】
接着層成形工程では、スペーサ５１を転写シート５に配置して、転写シート５上に直接所定厚みの接着層４を成形していたが、これに限らない。例えばアルミ箔よりもさらに薄い接着層４を成形する場合には、所望厚みのスペーサ５１を用意することが困難である。この場合には、接着層成形工程において、接着層４の厚みを調整する接着層厚み調整工程を設ければよい。この接着層厚み調整工程では、例えば、接着層成形工程で成形された接着層４を板状の厚み調整用転写部材に転写する。すると、転写シート５に残る接着層４の厚みは転写前の約半分となる。厚み調整用転写部材への転写回数を適宜設定することによって、接着層４の厚みをより薄く成形することができる。これにより、接着層４がより薄く成形されるので、圧電アクチュエータ１の振動損失をより一層低減して振動減衰を防止できる。
【００５５】
あるいは、例えば図１４に示されるような接着層成形治具８を用いてもよい。
図１４（Ａ）には、圧電アクチュエータの接着層成形工程に使用される接着層成形治具８の斜視図が、また図１４（Ｂ）には、この接着層成形治具８によって成形された接着層４が示されている。図１４（Ａ）において、接着層成形治具８は、ステンレス鋼等の剛性の高い材料で構成され、板状に形成されている。接着層成形治具８の表面には、その長手方向に沿って平行に二本の溝８３が形成されている。これらの溝８３によって接着層成形治具８の表面は三つに分割されている。これらの分割された部分のうちの中央は、接着層４が形成される接着層成形部８２となっており、また、その両側は接着層４の厚みを均一に調整するガイド８１となっている。接着層成形部８２の面高さは、ガイド８１の面高さよりも低く形成され、その高さの差ｔは接着層成形工程で成形される接着層４の厚みと同じとなっている。この高さの差ｔは、圧電アクチュエータ１に介装される接着層４の所定厚みの約４倍となっており、例えば１０μｍとなっている。
【００５６】
接着層４を成形する場合には、接着層成形部８２に接着剤４１を吐出する。次いで、例えばステンレス鋼などの高剛性の材料で構成された板状のブレードの端辺をガイド８１をまたぐように当接する。ブレードをガイド８１の長手方向に沿って約１．５ｋｇ（１．５ｋｇｆ）の力でガイド８１に押し付けながら移動させ、接着剤４１を均一の厚みに延ばす。この工程により、接着層成形部８２には図１４（Ｂ）に示されるように接着層成形部８２とガイド８１との高さの差ｔの厚みで接着層４が成形される。この時、接着剤４１の余剰分は溝８３に溜まるので、接着層成形部８２全体にわたって厚みの均一な接着層４が形成できる。
【００５７】
その後、接着層成形部８２に成形された接着層４上面に、ポリイミドやポリエステルなどの可撓性を有するシートを密着させる。このシートをゆっくり剥がすことにより、約半分の厚み（つまり約５μｍ）の接着層４がシートに転写される。このシートの接着層４が転写された面を圧電素子３に密着させて接着層４を転写することにより、圧電素子３表面には約２．５μｍの厚みの接着層４が転写される。
【００５８】
このような接着層成形治具８を用いれば、転写シート５上に直接接着層４を成形せず、剛性の高い治具で接着層４の厚みを設定するので、厚みを高精度に設定でき、成形後の接着層４の厚みのばらつきを低減できる。また、接着層成形治具８に成形された接着層４をシートに転写し、その後圧電素子３に転写するので、圧電素子３と基材２との間の接着層４をより薄くできる。
【００５９】
接着剤４１の材料は、本実施形態ではエポキシ樹脂であったが、これに限らず、任意の熱硬化性樹脂や、その他の合成樹脂などであっても、硬化後のショアＤ硬度が常温で８０ＨＳ以上の材料であれば任意であり、そのような材料であればショアＤ硬度が８０ＨＳ未満のものと比べて振動損失をより一層低減できる。これにより低電圧でも定常的に安定駆動が実現できるので、例えば外部電源を備えていない小型機器において電池寿命が向上でき、商品性を高めることができる。また、基材２および圧電素子３、転写シート５など各部材の材料は、本実施形態に記載されたものに限らず、使用条件などを勘案して任意に選択してよい。
【００６０】
圧電素子貼設工程において、圧電素子３は基材２両側に一枚ずつ貼設されていたが、これに限らず例えば圧電素子３を複数積層してもよい。この場合には、接着層４が転写された圧電素子３を別の圧電素子に貼設すればよい。あるいは、圧電素子３が基材２の片面のみに貼設されているものであってもよい。
【００６１】
基材２の面粗さは、本実施形態ではサンドペーパによって調整していたが、これに限らず例えば研削やホーニングによって調整してもよい。あるいは、面粗さの調整は必ずしも行わなくてもよい。例えば、基材２の材料として、予めヘアラインが形成されたステンレス鋼や、通常のステンレス鋼の板材そのままを使用しても、各製造工程によって適当な硬度の接着層４が基材２および圧電素子３の間に設けられるので、本発明の目的を達成できる。このように板材をそのまま使用すれば、圧電アクチュエータ１の製造工程を簡単にできる。
【００６２】
圧電アクチュエータ１の形状は本実施形態に示されたものに限らない。例えば前述のように圧電素子３を複数積層したものや、圧電素子３の電極層３１に溝を設けることにより、圧電素子３の表面に複数の電極を形成したもの、基材２の凸部２１の形成位置および形状を変更したものなど、圧電アクチュエータ１の使用条件や使用用途に応じて任意に設定すればよい。
【００６３】
圧電アクチュエータ１は、前述のような効果を奏するので、例えばファンを駆動して必要部位を冷却する冷却機器などの様々な機器に適用できる。特に、圧電アクチュエータ１は振動に伴うエネルギ損失が小さく、低電圧駆動が可能であるばかりでなく、小型かつ薄型に構成できるので、腕時計や懐中時計などのアナログ携帯時計に好適である。
【００６４】
本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ、説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。
したがって、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明の圧電振動体は、圧電素子の振動で被駆動体を駆動する圧電アクチュエータや、圧電アクチュエータを用いた冷却機器などの機器に利用できる他、腕時計、懐中時計などのアナログ携帯時計などの機器にも利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の圧電振動体の全体を示す斜視図である。
【図２】本発明の圧電振動体の一部を示す拡大図である。
【図３】本発明の圧電振動体の接着層成形工程を示す概略図である。
【図４】本発明の圧電振動体の接着層転写工程を示す概略図である。
【図５】本発明の圧電振動体の圧電素子貼設工程を示す概略図である。
【図６】本発明の圧電振動体の接着層硬化工程を示す概略図である。
【図７】本発明の圧電振動体の位置決め工程を示す概略図である。
【図８】本発明の圧電振動体の適用例を示す概略図である。
【図９】本発明の圧電振動体の動作を示す概略図である。
【図１０】本発明の接着層のショアＤ硬度と圧電振動体のＱ値との関係を示す図である。
【図１１】本発明の圧電振動体のＱ値と共振点付近の振幅との関係を示す図である。
【図１２】Ｑ値の違いによる圧電振動体の振動特性を示す図である。
【図１３】Ｑ値の違いによる圧電振動体の振動挙動を示す図である。
【図１４】本発明の圧電振動体の接着層成形工程の変形例を示す概略図である。

Claims

長手方向に沿って伸縮する縦振動の共振点に対応する縦共振周波数と縦振動に直交する幅方向に屈曲する屈曲振動の共振点に対応する屈曲共振周波数とが近接する縦横寸法比とされた矩形状の圧電素子と、
長手方向端面に長手方向に突出する凸部を備えた矩形状の平板からなり、前記圧電素子の一面に貼設される基材とを備える圧電振動体であって、
前記圧電素子および前記基材の間には、表面同士が多点接触して電気導通された前記圧電素子および基材間において圧電素子と基材が接触しない空隙部に設けられ、一液無溶剤型の接着剤からなり、硬化後のショアＤ硬度が常温で８０ＨＳ以上である接着層が介装され、
前記縦共振周波数と前記屈曲共振周波数との間の周波数の交流電圧が印加されることにより縦振動と屈曲振動とが組み合わせられた状態で励振することを特徴とする圧電振動体。
請求項１に記載された圧電振動体であって、
前記基材および前記圧電振動体は、熱膨張係数が互いに近接する材料によりそれぞれ形成されていることを特徴とする圧電振動体。