JP4538856B2

JP4538856B2 - Electromechanical conversion effect applied element and manufacturing method thereof

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Publication number: JP4538856B2
Application number: JP30854497A
Authority: JP
Inventors: 研一村松
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1997-11-11
Filing date: 1997-11-11
Publication date: 2010-09-08
Anticipated expiration: 2017-11-11
Also published as: JPH11145526A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気エネルギーを機械的変位に変換する電気機械変換素子と、この電気機械変換素子を装着されて振動を発生する弾性部材を備える電気機械変換効果応用素子と、この電気機械変換効果応用素子の製造法とに関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、例えば、圧電アクチュエータは、圧電体や電歪素子等の電気機械変換素子により弾性体からなる振動発生体（アクチュエータ母材）を変形させ、振動発生体に加圧接触する相対運動部材との間で相対運動を発生する。一方、圧電センサは、振動発生体の変形により発生する応力を機械電気変換素子により電気信号に変換することにより変形量を検出する。
【０００３】
これらの圧電アクチュエータや圧電センサといった電気機械変換効果応用素子は、セラミックス等の圧電効果を有する圧電素子を必要な形状（例えば薄板状）に加工し、加工した圧電素子を、振動発生体等に適宜手段（例えば接着）により接合することにより、電気機械変換効果応用素子として基本性能を得ていた。
【０００４】
ところで、電気機械変換効果応用素子に対してはよりいっそうの小型化が要求されており、このような要請に対応するため、圧電素子に対しても小型化及び薄型化が要求される。
【０００５】
例えば、圧電アクチュエータの一つである超音波アクチュエータの場合には、振動発生体である弾性体の表面に相対運動部材を駆動するのに十分な振幅を有する振動波を発生させる必要がある。そのため、電気機械変換素子である圧電素子自体の振動が十分に大きくなくてはならない。
【０００６】
圧電素子の振幅は、印加電界に比例するものであるため、入力電圧に比例するとともに圧電素子の厚さに反比例する。そのため、電源を含めた圧電素子の小型化のために入力電圧値が決定されてしまうと、十分な駆動力を得るためには圧電素子の厚さを小さくすることにより、出力を増大するという方法を取らざるを得ない。例えば、一眼レフカメラの自動焦点合わせの駆動源である超音波アクチュエータでは、円環型の振動発生体に、厚さが０．５ｍｍ程度の圧電素子であるＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）を貼付している。
【０００７】
このように、圧電素子を薄くすることにより入力電圧を低下することが可能となり、電源を含めた素子全体を小型化することが可能となる。しかし、このように厚さの薄い圧電素子を弾性体に例えばエポキシ樹脂系接着剤で接着しようとすると、接着のために行う加圧により圧電素子が容易に破損してしまう。このような破損に留意すると、接着作業性が著しく損なわれてしまう。
【０００８】
一方、圧電素子をさらに薄くしていくと、これに伴って、接着層（樹脂層）が振動吸収層として作用して圧電振動エネルギーの吸収率が増加し、エネルギー変換効率が著しく低下してしまう。
【０００９】
そして、このような問題を解決するために、蒸着，スパッタリング，ＣＶＤさらにはゾルゲル法等の薄膜形成技術により、ＰＺＴ等の圧電材料を薄膜として、振動発生体の表面に直接的に形成する技術が提案されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような従来の技術には、以下に列記するような課題がある。
（１）この薄膜形成技術によって形成された数μｍ程度の圧電体薄膜は、弾性体との界面に接着剤の層のような振動吸収層は持たないため、圧電層と弾性体層との間で振動の伝搬を非常に効率良く行うことが可能である。
【００１１】
しかし、この薄膜形成技術では、数μｍ以上の薄膜を形成するには大変時間や手間を要する。また、形成した薄膜にひびが発生し易くなるため、圧電アクチュエータの場合には弾性体の厚さが大きいときには、相対運動部材の駆動に十分な変位の振動を弾性体に発生することが難しい。一方、圧電センサの場合には、ある大きさの変位を検出しようとすると、圧電素子が薄過ぎるために圧電素子により発生する電界が小さくなり、検出が難しい。
【００１２】
これらの問題を解決するためには、数１０μｍ〜数ｍｍ程度の厚さを有し、さらに弾性体上に直接的に形成された圧電素子を得る必要がある。
一方、適用範囲が拡大されるのに伴って、圧電アクチュエータや圧電センサ等の構造も多様化してきており、それに伴って振動発生体としての弾性体の形状は複雑化している。したがって、従来のように、振動発生体の所定の位置に単体の圧電素子を接着するのでは、今後さらに、振動発生体の圧電素子装着面が平面ではない複雑な形状になった場合には全く対応できなくなってしまう。これを解消するためには、曲面等の複雑な形状の圧電素子装着面にも、容易に圧電素子を形成できる圧電素子の形成技術の開発が極めて重要である。
【００１３】
（２）電気機械変換素子である圧電体は、特にセラミックスの場合、圧電的性質を取り出すために、材料に対して分極処理（ポーリング）を行うことが必要である。ポーリングとは、ポーリング処理前の圧電体中ではランダムな方向を指向している電気双極子の分極方向を、外部からの力により強制的に一方向を指向させることにより、圧電体に電界誘起歪み，応力誘起電荷等の圧電的性質を持たせることを初めて可能とする処理である。セラミックスのポーリングは、一般に高温に加熱したシリコーンオイル等の絶縁溶媒中で、セラミックスに１ｍｍ²当たり数ｋＶの高電圧を印加することで行うものである。しかし、一度施したポーリング処理も、圧電体（ＰＺＴの場合）を２００℃から３００℃程度に近づけると劣化していき、Ｔｃ付近では完全に無効になってしまう。
【００１４】
ところが、現在これらのアクチュエータ，センサ等の圧電応用素子を製造する場合に、圧電体上の電極への配線のため、はんだ付け，接着等の圧電体の加熱の過程は避けることが困難である。したがって、この時、ポーリングの破壊を避けるためには、圧電体にかけられる温度は使用している圧電体のＴｃに応じて極めて制限されたものとなり、素子の形状や強度，耐久性，生産性等の諸条件を優先させた任意の配線方法を選択する自由はない。
【００１５】
また、圧電体と弾性体の接合は弾性体を変形させることとなり、精度向上のためには圧電体を接合した後の加工は避けられない。ところが、この加工に伴う加工歪みが発生するため、加工歪みを取るための熱処理が必要になってしまう。例えばＳＵＳ３０４では６００℃程度の熱処理が必要であり、殆ど全ての圧電体がこの温度では完全にポーリングが壊れてしまう。
【００１６】
さらに、ポーリングは圧電体の使用時間や使用環境に応じて劣化していくものであり、それに伴い圧電素子の圧電的性質も劣化していく。しかし、従来のものでは、一度劣化した圧電性能を、再ポーリングによって再び元に戻すことは、前述のポーリングの過程を考えると、極めて困難である。
【００１７】
（３）圧電素子がアクチュエータ母材又はセンサ母材等の表面に薄膜成形技術によって形成されたアクチュエータ及びセンサ等の電気機械変換効果応用素子においては、形成された圧電素子が圧電特性を有する結晶構造である必要がある。ところが、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）に代表されるように、実用的な圧電材料は、ペロブスカイト型の結晶構造を有するものが圧倒的に多く、しかもこれらのペロブスカイト型の圧電材料は、高温相で圧電性を有するペロブスカイト型の結晶構造の他に、低温相で圧電性を全く示さないパイロクロア相が生成してしまう。そのため、溶射によって形成された圧電体層が圧電性を有するためには、圧電体層の形成を十分に高温で行うか、低温で形成された層に熱処理を施すことが必要である。また、使われている圧電体の殆どのものがＰＺＴに代表されるように鉛系の酸化物材料である。鉛イオンは、陽イオンの半分近くが換言され易いため、高温で相の形成がなされる場合にも、熱処理を行う場合にも、雰囲気は十分に酸素のある状態でなくてはならない。
【００１８】
ところが、母材にＳＵＳ等の鉄系の合金を使用する場合には、高温での成膜や熱処理を行うことは、圧電体層と母材との間で酸素原子の拡散等の物質移動に代表される化学反応が起こる可能性が高い。その場合、母材の表面に酸化層が形成れたり、母材や圧電体層の化学組成が変化して、圧電特性や圧電体層とアクチュエータとの付着強度が著しく低下する。
【００１９】
このような問題を解決するために、母材表面にニッケル，クロム，コバルト等の高融点で酸化し難い金属，又は白金，レニウム，ロジウム，パラジウム等の融点の高い貴金属、さらにそれらの合金からなる緩衝層を、薄膜形成技術やメッキ等により形成することも考えられる。しかし、このような緩衝層の上に圧電体層を形成する場合、緩衝層の厚さは、溶射条件によっては不十分なことがある。また、溶射を行う前に、緩衝層形成工程を行う必要もあり、生産性の低下は免れない。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、圧電体の原料粉末を溶射ガン先端に発生する炎中に投入することにより、圧電体粉末を溶融しながら弾性体の表面に衝突させ、急冷することにより被膜を形成する溶射技術によって、圧電体を振動発生体及び振動発生体母材の表面に直接形成すること、さらに、溶射により形成する圧電体層と弾性体との間に、溶射による緩衝層を形成することによって、前述した課題の解決を図るものである。
【００２１】
請求項１の発明は、電気エネルギー及び機械的変位間の相互変換を行う電気機械変換素子と、弾性部材とを備える電気機械変換効果応用素子において、前記弾性部材の所定の位置に、前記電気機械変換素子と前記弾性部材との間での物質拡散を防止する緩衝層が設けられ、前記電気機械変換素子は、前記緩衝層の上に、原料粉末が溶解されながら前記緩衝層の表面に衝突させて急冷することにより形成されていることを特徴とする電気機械変換効果応用素子である。
請求項２の発明は、請求項１に記載された電気機械変換素子において、前記電気機械変換素子の前記緩衝層が形成されている側と反対側の面に、電気エネルギーの入力又は出力のための電極が形成されていることを特徴とする電気機械変換応用素子である。
請求項３の発明は、請求項２に記載された電気機械変換応用素子において、前記緩衝層は、電気エネルギーの入力又は出力のための電極として機能することを特徴とする電気機械変換効果応用素子である。
請求項４の発明は、請求項２又は請求項３に記載された電気変換効果応用素子において、前記電極及び前記緩衝層は、いずれも、高融点であって酸化し難い金属、高融点の貴金属又はこれらの合金からなることを特徴とする電気機械変換効果応用素子である。
請求項５の発明は、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載された電気機械変換効果応用素子において、前記緩衝層は、前記弾性部材の前記所定の位置に溶射により成膜されることを特徴とする電気機械変換効果応用素子である。
請求項６の発明は、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載された電気機械変換効果応用素子において、前記所定の位置は、移動子が加圧接触する面と反対側の面であることを特徴とする電気機械変換効果応用素子である。
請求項７の発明は、請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載された電気機械変換応用素子において、前記電気機械変換素子は、圧電素子又は電歪素子であることを特徴とする電気機械変換効果応用素子である。
請求項８の発明は、請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載された電気機械変換応用素子は、アクチュエータ又はセンサであることを特徴とする電気機械変換効果応用素子である。
請求項９の発明は、請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載された電気機械変換効果応用素子において、前記電気機械変換素子は、鉛系強誘電体からなることを特徴とする電気機械変換効果応用素子である。
【００２２】
請求項２の発明は、請求項１に記載された電気機械変換素子は、圧電素子又は電歪素子であることを特徴とする電気機械変換素子である。
請求項３の発明は、弾性部材と，前記弾性部材の所定の位置に溶射により成膜されるとともに、電気エネルギー及び機械的変位間の相互変換を行う電気機械変換素子とを備えることを特徴とする電気機械変換効果応用素子である。
【００２８】
請求項１０の発明は、弾性部材に、電気エネルギー及び機械的変位間の相互変換を行う電気機械変換素子を形成する電気機械変換効果応用素子の製造方法において、前記弾性部材の所定の位置に前記弾性部材と前記電気機械変換素子との間での物質拡散を防止する緩衝層を形成し、前記緩衝層の上に前記電気機械変換素子を、原料粉末を溶解しながら前記緩衝層の表面に衝突させて急冷することにより形成することを特徴とする電気機械変換効果応用素子の製造方法である。
請求項１１の発明は、請求項１０に記載された電気機械変換効果応用素子の製造方法において、前記電気機械変換素子の前記緩衝層が形成されている側と反対側の面に、電気エネルギーの入力又は出力のための電極を形成することを特徴とする電気機械変換効果応用素子の製造方法である。
請求項１２の発明は、請求項１１に記載された電気機械変換効果応用素子の製造方法において、前記溶射により前記電気機械変換素子を形成した後であって前記電極を形成する前に、熱処理を行って前記弾性部材の加工歪みを除去することを特徴とする電気機械変換効果応用素子の製造方法である。
請求項１３の発明は、請求項１１又は請求項１２に記載された電気機械変換効果応用素子の製造方法において、前記緩衝層と前記電極とを用いて、前記電気機械変換素子の分極処理を行うことを特徴とする電気機械変換効果応用素子の製造方法である。
請求項１４の発明は、請求項１０から請求項１３までのいずれか１項に記載された電気機械変換効果応用素子の製造方法において、前記緩衝層は、高融点であって酸化し難い金属、高融点の貴金属又はこれらの合金からなることを特徴とする電気機械変換効果応用素子の製造方法である。
請求項１５の発明は、請求項１０から請求項１４までのいずれか１項に記載された電気機械変換効果応用素子の製造方法において、前記緩衝層を前記弾性部材の前記所定の位置に溶射により成膜することを特徴とする電気機械変換効果応用素子の製造方法である。
請求項１６の発明は、請求項１０から請求項１５までのいずれか１項に記載された電気機械変換効果応用素子の製浩方法において、前記所定の位置は、移動子が加圧接触する面と反対側の面であることを特徴とする電気機械変換効果応用素子の製造方法である。
請求項１７の発明は、請求項１０から請求項１６までのいずれか１項に記載された電気機械変換効果応用素子の製造方法において、前記電気機械変換素子は、鉛系強誘電体からなる圧電又は電歪材料であることを特徴とする電気機械変換効果応用素子の製造方法である。
請求項１８の発明は、請求項１０から請求項１７までのいずれか１項に記載された電気機械変換効果応用素子の製造方法において、前記電気機械変換素子を前記溶射により形成する際には、前記弾性部材を所定の処理温度に設定しておくことを特徴とする電気機械変換効果応用素子の製造方法である。
【００３４】
本発明において、「電気機械変換効果応用素子」とは、電気機械変換効果を利用した素子全般を意味しており、例えばアクチュエータやセンサ等を例示することができる。
【００３５】
本発明における「電気機械変換素子」とは、電気エネルギーを機械的変位に変換することができる素子を意味し、圧電素子，磁歪素子さらには電歪素子等を包含する。
【００３６】
また、本発明における「高融点で酸化し難い金属」とはニッケル，クロム，コバルト等をいい、「高融点の貴金属」とは白金，レニウム，ロジウム，パラジウム等をいう。
【００３７】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以降の各実施形態の説明では、振動アクチュエータとして超音波の振動を利用した超音波アクチュエータを用いる。
【００３８】
図１は、本発明にかかる圧電応用素子を、振動アクチュエータの一例である超音波アクチュエータ７に適用した第１実施形態を示す分解斜視図であり、図２は、図１に示す超音波アクチュエータ７の構成要素である、白金上部電極６が形成された弾性体３を示す平面図である。なお、圧電応用素子とは、前記電気機械変換応用素子のうち圧電効果を利用するものをいう。
【００３９】
図１に示すように、第１実施形態の超音波アクチュエータは、円環状の弾性体３と、この弾性体３の一方の端面に加圧接触する円環状の移動子１とにより構成される。
【００４０】
弾性体３の一方の平面には、その円周方向に多数の溝部３ｂが連続して設置されており、この溝部３ｂによって区切られることにより、多数の突起部３ａが連続して形成される。これらの突起部３ａは弾性体３の端面に発生する進行波の振幅を増幅させるとともに、移動子１との接触により発生した摩耗粉を溝部３ｂ内に落下させることにより接触部に残存させないために設けられる。
【００４１】
本実施形態では、この弾性体３は、ニッケル合金を用いて、鋳造を行ってさらに必要に応じて機械加工を施すことにより、構成される。弾性体３の他方の平面には、図２に示すように、弾性体３に圧電体層５を形成するためのニッケル合金からなる緩衝層４が溶射により構成される。この緩衝層４は下部電極としても機能する。
【００４２】
緩衝層４の表面には、圧電体層５が形成される。この圧電体層５は、後述するように、緩衝層４の表面に溶射により形成される。
一方、移動子１の弾性体３との接触面側の平面には、環状の摺動材２が貼付されて装着される。この摺動材２を介して、移動子１は図示しない加圧機構により弾性体３に加圧接触される。
【００４３】
本実施形態の超音波アクチュエータ７では、前述したように、弾性体３の裏面に溶射により緩衝層４が形成される。また、緩衝層４の上には溶射によりチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）の圧電体層５が形成されており、さらにその表面には分割された白金上部電極６が形成される。以下、緩衝層４，緩衝層４の表面への圧電体層５の溶射による形成法について説明する。
【００４４】
（緩衝層４）
粒径を５〜４０μｍに調整したニッケル粉体を原料とした。この原料を用いてプラズマ溶射装置で室温で、ＳＵＳ３０４からなる弾性体３の表面に、５０μｍの厚さで溶射被膜を形成した。プラズマジェットの作動ガスとしては、アルゴンと水素の混合ガスを用いた。
【００４５】
（圧電体層５）
仮焼，粉砕及び造粒により、粒径を５〜４０μｍに調整した、Ｐｂ，Ｚｒ，Ｔｉのモル比が１：０．５２：０．４８のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）に、溶射の際の鉛の揮発分を考慮して過剰のＰｂを酸化物（ＰｂＯ）の形で添加した混合物を原料粉末とした。
【００４６】
この原料粉末を用いてプラズマ溶射装置により、緩衝層４の表面に、１００μｍの厚さでＰＺＴからなる圧電体層５を成膜した。プラズマジェットの作動ガスとしては、アルゴン，（アルゴンと水素の混合ガス），又は（アルゴンとヘリウムの混合ガス）を用いた。
【００４７】
このようなプラズマ溶射により、原料粉末は、溶射ガン先端に発生する炎中に投入され、溶融されながら弾性体３の表面に形成された緩衝層４の表面に衝突し、急冷されながら接着される。このため、原料粉末は、緩衝層４の表面で急冷されることにより十分な結晶化が発生しないことがあり、このような場合には、薄膜の電気機械変換効率が希望する値に達しない。このような事態の発生を防止するために、プラズマ溶射後に適当な温度で熱処理を行うことにより、圧電体層５中に所望の結晶を発生させ、薄膜状の圧電体層５の性能を向上させることができる。
【００４８】
溶射過程において、溶融された原料粉末の温度と弾性体３の表面温度との差が大き過ぎると、弾性体３の表面に衝突した原料粉末が十分に付着しないことがある。このため、溶射を行う際に、弾性体３に抵抗体加熱等を行うことにより加熱しておくことにより原料粉末と弾性体３との温度差を小さくして、付着効率を上げることが可能である。
【００４９】
本実施形態では、溶射時に、抵抗体ヒータを用いて弾性体３の表面温度を３００℃以上６５０℃以下の範囲にコントロールした。
なお、このように溶射時に弾性体３の表面温度を上げる方法では、基板温度が所望の結晶相を発生させるのに十分な温度まで達している場合には、上記の熱処理と同等の効果を発揮し、成膜後の熱処理を施さなくても薄膜の性能を十分に引き出すことが可能になる。
【００５０】
また、溶射中の溶射ガンと弾性体との距離を近づけて、弾性体の温度を薄膜の結晶化温度まで上昇させ、溶射と同時に結晶化させ、その後の熱処理を不要にすることも可能である。
【００５１】
圧電アクチュエータの場合、弾性体を効率的に励振させるための圧電体薄膜としては、印加電界当たりの変位量が大きいため、鉛系強誘電体からなる圧電材料又は電歪材料を用いることが望ましい。
【００５２】
同様に、圧電センサの場合にも、弾性体からの応力を効率的に受けることが可能な圧電体薄膜として、印加応力当たりの発生電荷量が大きいため、鉛系強誘電体からなる圧電材料又は電歪材料を用いることが望ましい。
【００５３】
そして、溶射後に、圧電体層５の溶射による形成に伴う弾性体３の変形を修正するため、弾性体３に対して研削加工及び研摩加工を施した。
さらに、この後、溶射により形成した圧電体層５を完全なペロブスカイト層にするため、及び弾性体３の変形（加工歪み）を取り去るため、６５０℃に５時間保持する熱処理を行った。
【００５４】
このようにして、緩衝層４の表面に圧電体層５を形成し、この圧電体層５の表面に白金上部電極６を成膜した。本実施形態では、白金上部電極６はスパッタリングにより成膜した。
【００５５】
この白金上部電極６は、スパッタリング時にマスキングを行うことによって、図２に示すように、弾性体３の円周方向について約２０°ピッチで多数連設される。
【００５６】
このようにして形成された白金上部電極６に対し、リード線を接続する配線用銅箔を接合するために、白金上部電極６と銅箔（図示しない。）との間にはんだ箔を挟み、加圧した状態で高周波炉中で４００℃に加熱することにより、白金上部電極６と銅箔とを接合した。
【００５７】
その後に、白金上部電極６に、図２に示すように隣接する電極同士で符号が逆向きになるように電圧を印加することにより、圧電体層５の分極処理を行った。分極処理の条件は、１５０℃，３００Ｖで大気中で１時間行った。
【００５８】
このようにして、第１実施形態の超音波アクチュエータ７は構成される。ここで、形成された圧電体層５のキューリー温度Ｔｃは約２４０℃であった。
この超音波アクチュエータ７の圧電体層５に、入力Ａ相と入力Ｂ相とで（π／２）の位相差を付けて実効電圧で±５Ｖの交流電界を印加したところ、弾性体３の表面に形成された突起部３ａの先端に進行波が発生し、弾性体３に加圧接触されている移動子１が回転することが確認された。
このことから、本実施形態によれば、溶射により形成された圧電体層５が十分な圧電性を有することがわかる。
【００５９】
このように、本実施形態の超音波アクチュエータ７では、圧電体層５を溶射により数１０μｍ〜数ｍｍの厚さに形成するため、圧電体層５に発生する変位や振動を非常に効率的に弾性体３へ伝達することができる。一方、圧電センサに適用することにより、弾性体３の変位から発生する応力を効率的に受けることができる。
【００６０】
溶射時間も、数１０秒間から１０数分間程度であり、他の方法と比較して成膜速度が非常に速く、量産に適する。
【００６１】
溶射以外の方法、例えば水熱合成法を利用することによっても、数１０μｍまでの膜厚は形成することはできる。しかし、この膜厚の圧電体層５の形成には、数時間〜数日間を必要とし、量産性の点で重大な問題がある。しかし、本発明で用いる溶射に要する処理時間は、数１０秒間〜１０数分間程度であって、極めて量産性に優れる。
【００６２】
このようにして形成された圧電体層５の膜厚は、数１０μｍ〜数ｍｍ程度であり、従来の別部品として形成された圧電体層５の厚さと同等程度から１００分の１程度の厚さまでの範囲とすることができる。そのため、従来の圧電アクチュエータに比較して顕著に低い電圧で駆動することができる。
【００６３】
また、圧電体層５がどれほど小型になっても、極めて容易に弾性体３の表面に圧電体層５を形成することが可能になるとともに、従来のように振動吸収層としての接着層が存在しないために弾性体３に対する振動伝搬効率が小型化によって著しく損なわれる可能性も解消され、圧電体層５の小型化に対して十分に対応することができる。
【００６４】
また、溶射により形成した圧電体層５は、電極を付けて配線を行った後にポーリング処理を行うことが極めて容易である。溶射という方法は、従来の方法に比較すると、ポーリング処理が容易な十分に薄い圧電体層５を簡単かつ確実に形成することが可能だからである。したがって、圧電体層５の形成及び配線後に、大気中で低い電圧でポーリング処理を行うことができる。このことにより、圧電体層５への配線に伴う熱処理のため、ポーリングが破壊されることを恐れて配線方法を制限する必要がなくなり、素子の形状や強度，耐久性，生産性等の諸条件を優先させた任意の配線方法を選択した上で、配線の熱処理の後にポーリング処理を行えば良くなった。例えば、配線処理を通常のはんだを用いて十分に高温の状態で行うことが可能になった。
【００６５】
また、溶射により圧電体層５を薄膜状に形成するため、加工歪みを取るための熱処理が可能となり、圧電体層５と弾性体３との接合によって生じた変形を、加工により修正できるようになるため、精度向上の可能性が広がった。
【００６６】
また、ポーリングが劣化し、圧電性能の低下した素子に対して容易に再ポーリングを施すことが可能となり、素子の寿命が極めて長くなるとともに、過酷な条件下での使用等、使用条件の可能性も広がった。
【００６７】
また、蒸着，スパッタリング，ＣＶＤ，ゾルゲル等の薄膜形成技術では、溶射と同様に配線後にポーリング処理を行うことが可能なものの、膜厚が小さ過ぎるためにアクチュエータやセンサ等の電気機械変換効果応用素子への応用が制限されるが、溶射による膜厚は適正値であって、容易に電気機械変換効果応用素子へ適用することができる。
【００６８】
さらに、本発明の実施に際しては、弾性体３の溶射面に対する溶射動作を教示したロボットのアーム先端等に溶射ガンを保持させて、このロボットにより溶射を行わせることにより、曲面のような複雑な形状の溶射面を有する弾性体３に対しても極めて容易かつ確実に圧電体層５を形成することが可能となり、圧電体層５の形状の複雑化に対しても十分に対応することができる。
【００６９】
また、本実施形態では、弾性体３の表面に緩衝層を形成してある。この緩衝層は、ニッケル，クロム，コバルト等の高融点で酸化し難い金属，または白金，レニウム，ロジウム，パラジウム等の融点の高い金属，あるいはそれらの合金により構成される。そのため、高温下で圧電体層５を成膜する場合でも、成膜する面に酸化層が形成され難くなり、圧電体層５が形成され易くなる。また、成膜後の熱処理時において、弾性体３と圧電体層５との間での物質拡散が起こり難くなり、この物質拡散により圧電効果の阻害を防止することができる。
【００７０】
このように緩衝層４を溶射により形成した場合、数１０μｍ以上の厚さを有する層が極めて容易に得られるため、この溶射層４の表面にさらに、高エネルギー条件で圧電体層５を溶射により形成しても、緩衝層４が侵されるおそれが極めて少ない。
【００７１】
また、一つの溶射ガンに対して粉体の供給経路を２系統設け、一方を緩衝層４形成用の金属原料供給路とし、他方を圧電体層５形成用の圧電体原料供給路とすることにより、両供給路を切り換えることにより、緩衝層４及び圧電体層５の形成を同一の溶射装置により行うことができる。これにより、緩衝層４の形成のために、スパッタリング工程やメッキ工程といった余分な工程を設ける必要がなくなり、製造コストの上昇及び生産性の低下をともに防止することができる。
【００７２】
（第２実施形態）
図３は、本発明の第２実施形態の超音波アクチュエータ１０５を示す斜視図である。
【００７３】
本実施形態にかかる超音波アクチュエータ１０５は、ＳＵＳ３０４からなる矩形平板状の弾性体１０１と、この弾性体１０１の一平面上に形成されたＰＺＴからなる圧電体層１０３とを有する。そして、圧電体層１０３に交流電圧を印加することで、弾性体１０３に１次の縦振動と４次の屈曲振動を調和的に発生させることで、弾性体１０３とこの弾性体１０３に加圧接触する移動子（図示せず）との間に相対運動を発生させるものである。
【００７４】
弾性体１０１の一方の平面には、弾性体１０１に圧電体層１０３を形成するためのニッケル合金からなる緩衝層１０２が溶射により成膜される。この緩衝層１０２は下部電極としても機能する。
【００７５】
緩衝層１０２の表面には、ＰＺＴからなる圧電体層１０３がプラズマ溶射により形成される。ニッケル合金からなる緩衝層１０２，ＰＺＴからなる圧電体層１０３それぞれの形成条件は、第１実施形態と同一である。
【００７６】
本実施例では、ＰＺＴからなる圧電体層１０３の溶射による形成に伴って、弾性体１０１に発生する１次の縦振動と４次の屈曲振動との共振周波数の関係にずれが生じる。そこで、両振動モードの周波数を一致させるため、圧電体層１０３の溶射による形成後に弾性体１０１の加工を行った。
【００７７】
さらに、この加工による加工歪みを除去するとともに、圧電体層１０３の完全なペロブスカイト化を図るため、第１実施形態と同様に、６５０℃に５時間保持する熱処理を行った。なお、圧電体層１０３の分極処理は、第１実施形態と同様に、１５０℃，３００Ｖで大気中で１時間行った。
【００７８】
さらに、このようにして溶射により成膜した圧電体層１０３の表面に、白金上部電極１０４ａ，１０４ｂがスパッタリングにより形成される。白金上部電極１０４ａ，１０４ｂは、スパッタリングの際のマスキングにより２分割されて、成膜される。
【００７９】
このようにして形成された白金上部電極１０４ａ，１０４ｂに対して、配線用の銅箔を接合するために、白金上部電極１０４ａ，１０４ｂと銅箔との間にはんだ箔を挟み、加圧した状態でリフロー式はんだ付け炉中で４００℃に加熱保持した。
【００８０】
なお、弾性体１０１の他方の平面であって発生する４次の屈曲振動の腹位置の２カ所には、弾性体１０１の幅方向に突起状に形成された駆動力取出部１０１ａ，１０１ｂが形成されており、図示しない移動子はこの駆動力取出部１０１ａ，１０１ｂの先端面を介して弾性体１０１に加圧接触する。
【００８１】
このように構成された超音波アクチュエータ１０５において、白金上部電極１０４ａに交流電圧Ａ相を、白金上部電極１０４ｂにＡ相と位相が９０°異なる交流電圧Ｂ相を、それぞれ実効電圧±５Ｖで印加した。その結果、弾性体１０１の駆動力取出部１０１ａ，１０１ｂの先端面に楕円運動が発生し、駆動力取出部１０１ａ，１０１ｂの先端面を介して加圧接触する相対運動部材との間で相対運動が発生することが確認された。このことから、本実施形態によれば、溶射により形成された圧電体層１０３が十分な圧電性を有することがわかる。
【００８２】
（第３実施形態）
図４は、本発明の第３実施形態の超音波アクチュエータ２０５の構成を示す斜視図である。
【００８３】
本実施形態は、基本的構成は第２実施形態の超音波アクチュエータ１０５と同一であり、本実施形態では第１実施形態では１００番台を付した図中符号を２００番台に置換することにより、それらの説明は省略する。
【００８４】
第１実施形態の超音波アクチュエータ１０５との相違点は、高温の環境下での使用に対応するため、圧電体層２０３の構成材料として、キューリー温度Ｔｃが４９０℃であって高温環境下においても分極処理の劣化が発生し難いチタン酸鉛（以下ＰＴと略す）を用いた点である。
【００８５】
以下、ＰＴからなる圧電体層２０３の溶射による形成方法について説明する。焼結，粉砕及び造粒によって粒径を５〜４０μｍに調整した、Ｐｂ，Ｔｉのモル比が１：１であるチタン酸鉛（ＰＴ）に、溶射による鉛の揮発分を考慮して過剰のＰｂを酸化物（ＰｂＯ）の形で添加した混合物を原料粉末とした。
【００８６】
弾性体２０１の表面に、第２実施形態と同様にニッケル合金からなる緩衝層２０２を溶射により形成した。この緩衝層２０２の表面に、前述した原料粉末を用いてプラズマ溶射装置により、１００μｍの厚さでＰＴからなる圧電体層２０３を形成した。プラズマジェットガスの作動ガスとしては、アルゴン，（アルゴンと水素の混合ガス）又は（アルゴンとへリウムの混合ガス）を用いた。
【００８７】
また、弾性体２０１に対する原料粉末の付着効率を上げるために、抵抗体ヒータを用いて溶射時の弾性体２０１の表面温度を３００℃以上６５０℃以下にコントロールした。
【００８８】
この後、本実施形態においても、ＰＴからなる圧電体層２０３の形成に伴って、弾性体２０１の１次の縦振動と４次の屈曲振動との共振周波数の関係にずれが生じるため、両振動モードの周波数を一致させるために、ＰＴからなる圧電体層２０３の形成後に弾性体２０１の加工を行った。
【００８９】
さらに、この加工による加工歪みを除去するとともに、ＰＴからなる圧電体層２０３の完全なぺロブスカイト化を図るため、第１実施形態と同様に、６５０℃に５時間加熱保持する熱処理を行った。
【００９０】
なお、圧電体層２０３のポーリング（分極処理）は、２００℃，４５０Ｖで大気中で１時間行った。この超音波アクチュエータ２０５においても、白金上部電極２０４ａに交流電圧Ａ相を印加するとともに、電極２０４ｂに交流電圧Ａ相と位相が９０°異なる交流電圧Ｂ相を実効電圧で±１０Ｖ印加した。その結果、弾性体２０１の駆動力取出部２０１ａ，２０１ｂの先端面に楕円運動が発生し、駆動力取出部２０１ａ，２０１ｂの先端面を介して加圧接触する移動子（図示しない）との間で相対運動を発生することが確認された。このことから、本実施形態の超音波アクチュエータ２０５によれば、溶射により形成された圧電体層２０３が十分な圧電性を有することがわかる。
【００９１】
（第４実施形態）
図５は、第４実施形態の超音波アクチュエータ３０７の説明図であって、図５（ａ）は斜視図，図５（ｂ）は図５（ａ）におけるＡ−Ａ断面図，図５（ｃ）は図５（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図である。
【００９２】
本実施形態の超音波アクチュエータ３０７は、円柱状の弾性体３０１の両端（一端でもよい。）を、弾性体３０１の表面に溶射により形成した圧電素子３０２，３０３により二次元的に加振することにより、振動面が回転しながら進行する進行性振動波を弾性体３０１上に発生させ、これにより弾性体３０１に加圧接触する移動子３０６に直進運動及び回転運動の両方を同時に付与する。
【００９３】
本実施形態における超音波アクチュエータ３０７では、弾性体３０１の両端の周囲に、第１実施形態〜第３実施形態と同様、ニッケル合金からなる緩衝層３０２ａ，３０２ｂが溶射により形成されている。そして、この緩衝層３０２ａ，３０２ｂの表面に、第１実施形態〜第３実施形態と同様にして溶射により圧電体層３０２，３０３が形成されている。
【００９４】
本実施形態の超音波アクチュエータ３０７は、円筒状の弾性体３０１の両端側の外周面に溶射により圧電体層３０２及び３０３が成膜されており、さらにそれらの圧電体層３０２及び３０３は、それぞれ直方体型の固定子３０４及び３０５により保持される。さらに、弾性体３０１には、中空円筒状の移動子３０６の内周面が加圧接触する。
【００９５】
圧電体層３０２及び３０３は、円筒形の弾性体３０１の両端部側３０１ａ，３０１ｂに、溶射によって圧電体層３０２，３０３が形成され、圧電体層３０２，３０３の上には、弾性体３０１の円周方向に４分割された上部銀電極３０２ｃ１，３０２ｃ２，３０２ｃ３，３０２ｃ４及び３０３ｃ１，３０３ｃ２，３０３ｃ３，３０３ｃ４が形成される。
【００９６】
緩衝層３０２ａ，３０３ｂおよび圧電体層３０２，３０３の溶射による形成条件は、第１実施形態と同様である。また、上部銀電極３０２ｃ１〜３０２ｃ４及び３０３ｃ１〜３０３ｃ４の形成は、スクリーン印刷により行った。上部銀電極３０２ｃ１〜３０２ｃ４及び３０３ｃ１〜３０３ｃ４への配線処理は、はんだ付けにより行った。さらに、圧電体層３０２及び３０３の分極処理は、１５０℃，３００Ｖで大気中で１時間行った。
【００９７】
このように構成された超音波アクチュエータ３０７において、一方の圧電素子３０２の上部銀電極３０２ｃ１〜３０２ｃ４に、この順番で隣り合う上部銀電極間の位相差がπ／２になるように実効電圧で±５Ｖの交流電界を印加したところ、圧電素子３０２は首振り運動を行うことが確認された。
【００９８】
このような首振り運動で、しかも圧電素子３０２に発生する首振り運動に対してπ／２の位相差を有する運動を圧電素子３０４に関しても発生させたところ、棒状の弾性体３０１に振動面を回転させながら進行する進行性振動波が発生し、これにより移動子３０６が回転しながら直進することが確認された。
【００９９】
また、本実施形態においても、電極３０２ｃ１，３０２ｃ３及び３０３ｃ１，３０３ｃ３のみに入力電圧を印加した場合、又は上部銀電極３０２ｃ２，３０２ｃ４及び３０３ｃ２，３０３ｃ４にのみ駆動電圧を印加した場合には、弾性体３０１の振動面を回転させないで進行する通常の進行性振動波が発生し、振動子３０６は回転せずに直進運動のみを行うことが確認された。
【０１００】
さらに、圧電素子３０２のみにより弾性体３０１を励振し、圧電素子３０３により進行波を吸収するようにしたところ、同様に、移動子３０６は回転せずに直進運動のみを行うことが確認された。
【０１０１】
なお、本実施形態においては、弾性体３０１上に圧電体層３０２，３０３を形成するための緩衝層であるニッケル合金からなる層は、下部電極として利用されている。
また、緩衝層として、ニッケルからなる層のかわりに白金メッキ層、クロム層またはニクロム層を用いてもよい。
【０１０２】
（第５実施形態）
図６は、第５実施形態の超音波アクチュエータ４０３を示す説明図であって、図６（ａ）及び図６（ｂ）は、いずれも、超音波アクチュエータ４０３の分解斜視図である。
【０１０３】
本実施形態にかかる超音波アクチュエータ４０３は、円環状の弾性体４０１の面内屈曲振動のうちの非軸対称振動を行い、内周にテーパ状に外径が変更される変径部を有する円環型の振動子４０１と、振動子４０１の変径部を介して接触する回転子４０２とを備える。
【０１０４】
ここで、振動子４０１は、円環型の弾性体４０１ａの両面に、前述した第１実施形態〜第４実施形態と同様に形成されたニッケル合金からなる緩衝層４０１ｂ，４０１ｅそれぞれの表面に溶射により形成されたＰＺＴからなる圧電体層４０１ｃ，４０１ｆと、さらにそのそれぞれの表面にスパッタリングにより円周方向に４分割された状態で形成された白金上部電極４０１ｄ１，４０１ｄ２，４０１ｄ３，４０１ｄ４及び４０１ｇ１，４０１ｇ２，４０１ｇ３，４０１ｇ４とから構成される。なお、圧電体層４０１ｃ，４０１ｆの形成条件は、第１実施形態と同様である。
【０１０５】
このようにして形成された白金上部電極４０１ｄ１〜４０１ｄ４及び４０１ｇ１〜４０１ｇ４の分極処理を行った。分極処理の条件は、１５０℃，３００Ｖで大気中で１時間行った。
【０１０６】
ここで、白金上部電極４０１ｄ１〜４０１ｄ４及び４０１ｇ１〜４０１ｇ４の２グループの電極群に、この順番で隣り合う電極間の位相差がπ／２になるように実効電圧で±５Ｖの交流電界を印加した。すると、振動子４０１の内周面及び外周面に面内方向に振動面を有する進行性振動波が発生し、内周面に接触する回転子４０２が回転運動を行うことが確認された。
【０１０７】
なお、本実施形態においては、振動子４０１上に圧電体層４０１ｃ，４０１ｆを形成するための緩衝層であるニッケル合金からなる層は、下部電極として利用されている。
また、緩衝層として、ニッケルからなる層のかわりに白金メッキ層、クロム層またはニクロム層を用いてもよい。
【０１０８】
（第６実施形態）
図７は、第６実施形態のユニモルフ型アクチュエータ５０６を示す斜視図である。
【０１０９】
このユニモルフ型アクチュエータ５０６は、圧電体層５０３の電界印加方向に関する垂直方向の変位を利用する。ユニモルフ型アクチュエータ５０６は、アルミニウムからなる弾性体５０１と、第１実施形態〜第５実施形態と同様に弾性体５０１の表面に形成されたニッケル合金からなる緩衝層５０２と、緩衝層５０２上に溶射により形成されたＰＺＴからなる圧電体層５０３と、圧電体層５０３の表面にスパッタリングにより形成された白金上部電極５０４と、弾性体５０１を支持する支持体５０５とにより構成される。圧電体層５０３の形成条件は、第１実施形態と同様である。
【０１１０】
スパッタリングにより形成された白金上部電極５０４に対して、配線用の銅箔を接合するために、白金上部電極５０４と銅箔との間にはんだ箔を挟み、加圧した状態でリフロー式はんだ付け炉中で４００℃に加熱した。圧電体層５０３のポーリングは、第１実施形態と同様に、１５０℃，３００Ｖで大気中で１時間行った。
【０１１１】
このように構成された本実施形態のユニモルフ型アクチュエータ５０６において、白金上部電極５０４と下部電極である弾性体５０１との間に、駆動電圧を印加したところ、圧電体層５０３の面方向に関する変位により、弾性体５０１の板状の部分が上下に変位することが確認された。
【０１１２】
なお、本実施形態においては、弾性体５０１上に圧電体層５０３を形成するための緩衝層であるニッケル合金からなる層は、下部電極として利用されている。また、緩衝層として、ニッケルからなる層のかわりに白金メッキ層、クロム層またはニクロム層を用いてもよい。
【０１１３】
（第７実施形態）
図８は、第７実施形態のユニモルフ型メカニカルフィルタ用振動子６０６を示す斜視図である。
【０１１４】
本実施形態のユニモルフ型メカニカルフィルタ用振動子６０６は、圧電体層６０３の電界印加方向の垂直方向に関する変位を利用する。ユニモルフ型メカニカルフィルタ用振動子６０６は、弾性体６０１と、第１実施形態〜第６実施形態と同様に弾性体６０１上に形成されたニッケル合金からなる緩衝層６０２と、緩衝層６０２上に溶射により形成されたＰＺＴからなる圧電体層６０３と、圧電体層６０３の表面にスパッタリングにより形成された白金上部電極６０４ａ，６０４ｂとにより構成される。
【０１１５】
圧電体層６０３の形成条件は、第１実施形態と同様である。また、白金上部電極６０４ａ，６０４ｂに対し、配線用の銅箔を接合するため、白金上部電極６０４ａ，６０４ｂと銅箔との間にはんだ箔を挟み、加圧した状態でリフロー式はんだ付け炉中で４００℃に加熱した。圧電体層６０３のポーリングは、第１実施形態と同様に、１５０℃，３００Ｖで大気中で１時間行った。
【０１１６】
ここで、白金上部電極６０４ａ，６０４ｂと下部電極である弾性体６０１との間に交流電界を印加したところ、圧電体層６０３の面方向に関する変位により、弾性体６０１の板状の部分に片持ち梁の共振周波数に等しい周波数の正弦波であった。
【０１１７】
このことから、本実施形態における振動子６０６は、入力信号からある一定の周波数の出力信号のみを取り出すための周波数フィルタとして機能することが確認された。
【０１１８】
なお、本実施形態においては、弾性体６０１上に圧電体層６０３を形成するための緩衝層であるニッケル合金からなる層は、下部電極として利用されている。また、緩衝層として、ニッケルからなる層のかわりに白金メッキ層、クロム層またはニクロム層を用いてもよい。
【０１１９】
（第８実施形態）
図９は、第８実施形態の振動角速度計７０５を示す斜視図である。
図９に示す振動角速度計７０５では、ステンレスからなる直方体振動子７０１の一つの側面に、第１実施形態〜第７実施形態と同様にニッケル合金からなる緩衝層７０２を形成する。この緩衝層７０２の表面に、プラズマ溶射により、ＰＺＴからなる圧電体層７０３を形成する。
【０１２０】
ニッケル−クロム合金からなる振動子７０１自身をグランド電極として用い、ＰＺＴからなる圧電体層７０３上にスパッタリング法により、振動子７０１の軸方向に３分割された電極７０４を形成する。
【０１２１】
中央の電極７０４ｂは駆動用電極であり、両側の電極７０４ａ，７０４ｃは検出用電極である。振動子７０１の軸方向に垂直な断面は、駆動方向とコリオリ力方向との共振周波数を合わせるため、略正方形である。圧電体層７０３の形成条件は、第１実施形態と同様である。また、電極７０４ａ〜７０４ｃに対し、配線用の銅箔を接合するため、電極７０４ａ〜７０４ｃと銅箔との間にはんだ箔を挟み、加圧した状態でリフロー式はんだ付け炉中で４００℃に加熱した。圧電体層７０３のポーリングは、第１実施形態と同様に１５０℃，３００Ｖで大気中で１時間行った。
【０１２２】
図１０（ａ）〜図１０（ｃ）は、いずれも、図９に示した圧電振動角速度計７０６の動作原理を示す説明図である。
図１０（ａ）に示すように、駆動用電極７０４ｂに振動子７０１の共振周波数に近い交流電圧を印加すると、振動子７０１は無拘束条件で振動し、振動の節点７０５を境に、振動子７０１の中央部分と端部とは、反対の向きに速度を有する。
【０１２３】
図１０（ｂ）に示すように、この時、振動子７０１の軸回りに回転が発生すると、速度の方向が反対であるため、振動の接点を境に反対の向きにコリオリ力が発生する。
【０１２４】
図１０（ｃ）に示すように、コリオリ力により、振動子７０１は電極面内方向で屈曲する。外側に配置された二つの検出用電極７０４ａ，７０４ｃには、駆動振動（図１０（ａ）参照）に起因する圧電信号と、コリオリ力による変形（図１０（ｃ）参照）に起因する圧電信号とが同時に発生する。
【０１２５】
このうち、コリオリ力に起因する圧電信号は、二つの電極７０４ａ，７０４ｃ間で略位相が反対となる。これは、例えば図１０（ｃ）に示す変形状態では、電極７０４ａ側には圧縮応力が作用するとともに電極７０４ｃ側には引張応力が作用することにより、二つの電極７０４ａ，７０４ｃ間で常に応力の符号が異なるからである。
【０１２６】
一方、起動に起因する圧電信号は、両電極７０４ａ，７０４ｃ間で略同じであるため、両電極７０４ａ，７０４ｃから差動信号をとれば、略コリオリ力に起因する圧電信号のみを得ることがてきる。
【０１２７】
本実施形態では、振動子７０１の断面を正方形とするとともにコリオリ力方向及び駆動方向それぞれの共振周波数を一致させてあるため、検出用電極７０４ａ，７０４ｃからの出力を帰還すれば、簡単な発振回路で振動子７０１を共振周波数付近で駆動することができ、したがって、コリオリ力に基づく振動も共振状態となり、検出感度が向上する。
【０１２８】
このように二方向の共振周波数を合わせるためには、振動子７０１の形状精度に対する要求は極めて高い。したがって、第２実施形態及び第３実施形態と同様に、本実施形態においても、圧電体層形成後に共振合わせのための加工を行い、さらに、この加工による加工歪みを取るための熱処理を６５０℃で行った。
【０１２９】
なお、本実施形態における振動子７０１では、必ずしも、駆動方向およびコリオリ力方向それぞれの共振周波数が一致している必要はない。例えば、駆動には共振状態てなくとも大きな変位が得られるユニモルフ振動を使い、振動検出だけをコリオリ力方向の共振を用いることも可能である。このためには、コリオリ力方向の共振周波数によって、振動子７０１をユニモルフ駆動させればよい。このような振動子７０１を用いれば、共振合わせ加工の工程を省賂することができる。
【０１３０】
図１１は、図９に示した振動子７０１の無拘束振動条件を実現するための振動子７０１の支持形態例を示したものである。
振動の節点に相当する位置で、シリコーン系接着剤を用いて支持台７０６に固定してある。また、簡便な固定方法として、振動子７０１全体を比較的弾性定数の低い接着剤に埋め込むことも可能である。
【０１３１】
また、本実施形態においては、振動子７０１に圧電体層７０３を形成するための緩衝層であるニッケル合金からなる層７０２は、そのまま下部電極として利用されている。
また、緩衝層として、ニッケルからなる層のかわりに白金メッキ層、クロム層またはニクロム層を用いてもよい。
【０１３２】
（第９実施形態）
図１２は、第９実施形態にかかる超音波アクチュエータ８０５を示す斜視図である。
本実施形態の超音波アクチュエータ８０５は、第２実施形態と同様に、圧電体８０３により弾性体８０１を励振し弾性体８０１の１次の縦振動と４次の屈曲振動とを調和的に発生させることにより、弾性体８０１に加圧接触する移動子（図示しない。）を駆動するものである。
【０１３３】
本実施形態の超音波アクチュエータ８０５では、弾性体８０１の表面には白金メッキ層からなる緩衝層８０２が形成される。緩衝層８０２の表面には、ガスフレーム溶射により、ＰＺＴからなる圧電体層８０３の形成を行った。圧電体層８０３の表面には、白金上部電極８０４ａ，８０４ｂが形成される。
【０１３４】
ガスフレーム溶射法による圧電体層８０３の溶射条件は以下の通りである。
仮焼，粉砕及び造粒により、二次粒子の粒径を５〜４０μｍに調整した、Ｐｂ，Ｚｒ，Ｔｉのモル比が１：０．５２：０．４８のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）に、溶射の際のＰｂ揮発分を考慮して、過剰のＰｂを酸化物（ＰｂＯ）の形で添加したものを原料粉末とした。
【０１３５】
この原料粉末を用いてフレーム溶射装置により、緩衝層８０２の表面に１００μｍの厚さで成膜した。ガスフレーム溶射の燃料ガスとしては、アセチレンガス（プロパンガスでもよい。）を用いた。
【０１３６】
また、弾性体８０１に対する原料粉末の付着効率を上げるため、抵抗体ヒータを用いて弾性体表面の温度を３００℃〜６５０℃の範囲にコントロールした。
本実施形態においても、第２実施形態及び第３実施形態と同様に、圧電体層８０３のガスフレーム溶射による形成に伴って、弾性体８０１の縦振動１次モードと屈曲振動４次モードとの関係にずれが生じるため、両モードの周波数を一致させるため、圧電体層８０３の形成後に弾性体８０１の加工を行った。
【０１３７】
また、この加工による加工歪みを除去するとともに圧電体層８０３の完全なペロブスカイト化を図るため、第１実施形態と同様に、６５０℃で５時間の熱処理を行った。
【０１３８】
さらに、圧電体層８０３の表面における白金上部電極は、スパッタリングにより白金上部電極８０４ａ，８０４ｂに対して配線用の銅箔を接合するために、白金上部電極８０４ａ，８０４ｂと銅箔との間にはんだ箔を挟み、加圧した状態でリフロー式はんだ付け炉中で４００℃の処理を行った。
【０１３９】
このように構成された超音波アクチュエータ８０５において、電極８０４ａに交流電圧Ａ相を、電極８０４ｂにＡ相と位相が９０°異なる交流電圧Ｂ相を実効電圧で±５Ｖそれぞれ印加したところ、弾性体８０１の突起状に形成された駆動力取出部８０１ａ，８０１ｂの先端に楕円運動が発生し、駆動力取出部８０１ａ，８０１ｂを介して加圧接触する相対運動部材である移動子（図示しない。）が駆動されることが確認された。
【０１４０】
なお、本実施形態においては、弾性体８０１上に形成した白金メッキ層からなる緩衝層８０２を下部電極として利用している。また、緩衝層として、白金メッキ層のかわりにニッケルからなる層、クロム層またはニクロム層等を第１実施形態と同様に溶射により形成してもよい。
【０１４１】
（第１０実施形態）
図１３は、第１０実施形態に係る超音波アクチュエータ９０５を示す斜視図である。
【０１４２】
図１３に示す超音波アクチュエータ９０５は、溶射により形成された圧電体層９０３により弾性体９０１を励振し、弾性体９０１の１次の縦振動と４次の屈曲振動とを調和的に発生させて、弾性体９０１に加圧接触する移動子（図示しない。）を駆動するものである。
【０１４３】
本実施形態では、圧電体層９０３としてチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ₃）系の圧電組成を用いた。チタン酸バリウムは、構成元素であるバリウム及びチタンがともに高融点であるとともに蒸気圧も接近している。そのため、ＰＺＴにおけるＰｂ成分のような一成分の揮発による組成ずれの心配が少なく、組成のコントロールが比較的容易であって溶射条件を決定し易いという特徴がある。本実施形態では、室温付近に存在するチタン酸バリウムの第２変態点を低下させるため、パリウムを１０重量％程度カルシウムに置換した組成を用いた。
【０１４４】
弾性体９０１の表面には、第１実施形態〜第９実施形態と同様にニッケル合金からなる緩衝層９０２が形成されており、この緩衝層９０２の表面にはチタン酸バリウム系圧電体層９０３が形成されており、さらにその表面には白金上部電極９０４ａ，９０４ｂがスパッタリングにより２分割されて成膜される。
【０１４５】
本実施形態においても、第１実施形態と同様に、圧電体層９０３はプラズマ溶射により形成される。チタン酸バリウムからなる圧電体層９０３の溶射による形成の方法について述べる。
【０１４６】
焼結，粉砕及び造粒により、二次粒子の粒径を５〜４０μｍに調整した、Ｂａ，Ｃａ，Ｔｉのモル比が０．９：０．１：１のチタン酸バリウム系組成物を原料粉末とした。
【０１４７】
この原料粉末を用いてプラズマ溶射装置により、緩衝層９０２の表面に１００μｍの厚さでチタン酸バリウム系圧電体層９０３を形成した。溶射の際のプラズマジェットの作動ガスとしては、アルゴン，（アルゴン及び水素）の混合ガス，（アルゴン及びへリウム）の混合ガスを用いた。
【０１４８】
また、弾性体９０１に対する粉末の付着効率を上げるため、抵抗体ヒータを用いて弾性体９０１の表面温度を３００℃〜６５０℃の間でコントロールした。本実施形態においても、圧電体層９０３の形成に伴って弾性体９０１の縦振動１次モードと屈曲振動４次モードとの関係にずれが生じるため、両モードの周波数を一致させるように、圧電体層９０３の形成後に弾性体９０１の加工を行った。
【０１４９】
さらに、この加工による加工歪みを除去するとともにペロブスカイト結晶層の結晶化度を上昇させるため、第１実施形態と同様に、６５０℃に５時間加熱保持する熱処理を行った。さらに、ポーリングは、２００℃，４５０Ｖで大気中で１時間行った。
【０１５０】
本実施形態の超音波アクチュエータ９０５においても、電極９０４ａに交流電圧Ａ相を、電極９０４ｂにＡ相とは位相が９０°異なる交流電圧Ｂ相を、それぞれ実効電圧で±１０Ｖ印加したところ、弾性体９０１の突起状の駆動力取出部９０１ａ，９０１ｂの先端に楕円運動が発生し、駆動力取出部９０１ａ，９０１ｂの先端に楕円運動が発生し、駆動力取出部９０１ａ，９０１ｂを介して加圧接触する移動子（図示しない。）との間で相対運動を発生することが確認された。
【０１５１】
なお、本実施形態においては、弾性体９０１上に圧電体層９０３を形成するための緩衝層であるニッケル合金からなる層は、下部電極として利用されている。また、緩衝層として、ニッケルからなる層のかわりに白金メッキ層、クロム層またはニクロム層を用いてもよい。
【０１５２】
（変形形態）
各実施形態の説明では、振動アクチュエータとして超音波アクチュエータを用いたが、他の振動域の振動を利用した振動アクチュエータについても等しく適用することができる。
【０１５３】
また、各実施形態の説明では、電気機械変換素子として圧電素子を用いたが、例えば電歪素子等の他の電気エネルギーを機械的変位に変換することができるものであれば、等しく適用することができる。
【０１５４】
なお、以上の各実施形態の説明では、溶射後に熱処理を行うことにより圧電体薄膜を完全なペロブスカイト相とするものであるが、溶射ガスのパワーと，成膜時の加熱による弾性体の表面温度との組み合わせによっては、成膜後に熱処理を行わなくともペロブスカイト相の生成が十分に行われており、熱処理を行わずに希望の圧電性能を得ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる電気機械変換効果応用素子を、振動アクチュエータの一例である超音波アクチュエータに適用した第１実施形態を示す分解斜視図である。
【図２】第１実施形態の超音波アクチュエータの構成要素である、上部電極が形成された弾性体を示す平面図である。
【図３】第２実施形態の超音波アクチュエータを示す斜視図である。
【図４】第３実施形態の超音波アクチュエータを示す斜視図である。
【図５】第４実施形態の超音波アクチュエータの説明図であって、図５（ａ）は斜視図，図５（ｂ）は図５（ａ）におけるＡ−Ａ断面図，図５（ｃ）は図５（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図である。
【図６】第５実施形態の超音波アクチュエータを示す説明図であって、図６（ａ）及び図６（ｂ）は、いずれも、超音波アクチュエータの分解斜視図である。
【図７】第６実施形態のユニモルフ型アクチュエータを示す斜視図である。
【図８】第７実施形態のユニモルフ型メカニカルフィルタ用振動子を示す斜視図である。
【図９】第８実施形態の振動角速度計を示す斜視図である。
【図１０】図１０（ａ）〜図１０（ｃ）は、いずれも、第８実施形態の圧電振動角速度計の動作原理を示す説明図である。
【図１１】第８実施形態で用いる振動子の無拘束条件を実現するための振動子の支持形態の一例を示す説明図である。
【図１２】第９実施実施形態の超音波アクチュエータを示す斜視図である。
【図１３】第１０実施形態の超音波アクチュエータを示す斜視図である。
【図１４】成膜温度または熱処理温度の違いに基づく、結晶構造の違いを示すグラフである。
【符号の説明】
１移動子
２摺動材
３弾性体
３ａ突起部
３ｂ溝部
５圧電体層
６白金上部電極
７超音波アクチュエータ（電気機械変換効果応用素子）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an electromechanical conversion element that converts electric energy into mechanical displacement, an electromechanical conversion effect application element that includes an elastic member that generates vibration by mounting the electromechanical conversion element, and an application of the electromechanical conversion effect. The present invention relates to an element manufacturing method.
[0002]
[Prior art]
As is well known, for example, a piezoelectric actuator has a relative motion in which a vibration generator (actuator base material) made of an elastic body is deformed by an electromechanical conversion element such as a piezoelectric body or an electrostrictive element, and pressurizes and contacts the vibration generator. Relative motion is generated between the members. On the other hand, the piezoelectric sensor detects the amount of deformation by converting the stress generated by the deformation of the vibration generator into an electric signal by the electromechanical transducer.
[0003]
These electromechanical conversion effect applied elements such as piezoelectric actuators and piezoelectric sensors are obtained by processing a piezoelectric element having a piezoelectric effect, such as ceramics, into a required shape (for example, a thin plate shape), and appropriately applying the processed piezoelectric element to a vibration generator or the like. By joining by means (for example, adhesion), basic performance was obtained as an electromechanical conversion effect application element.
[0004]
By the way, further miniaturization is required for the electromechanical conversion effect application element, and in order to meet such a request, the piezoelectric element is also required to be small and thin.
[0005]
For example, in the case of an ultrasonic actuator which is one of piezoelectric actuators, it is necessary to generate a vibration wave having an amplitude sufficient to drive a relative motion member on the surface of an elastic body which is a vibration generator. Therefore, the vibration of the piezoelectric element itself that is an electromechanical conversion element must be sufficiently large.
[0006]
Since the amplitude of the piezoelectric element is proportional to the applied electric field, it is proportional to the input voltage and inversely proportional to the thickness of the piezoelectric element. Therefore, if the input voltage value is determined for miniaturization of the piezoelectric element including the power supply, the output is increased by reducing the thickness of the piezoelectric element in order to obtain sufficient driving force. I have to take it. For example, in an ultrasonic actuator that is a driving source for automatic focusing of a single-lens reflex camera, PZT (lead zirconate titanate), which is a piezoelectric element having a thickness of about 0.5 mm, is attached to an annular vibration generator. is doing.
[0007]
Thus, by making the piezoelectric element thin, the input voltage can be lowered, and the entire element including the power source can be reduced in size. However, if an attempt is made to bond such a thin piezoelectric element to an elastic body with, for example, an epoxy resin adhesive, the piezoelectric element is easily damaged by pressure applied for bonding. When attention is paid to such breakage, the bonding workability is significantly impaired.
[0008]
On the other hand, when the piezoelectric element is made thinner, the adhesive layer (resin layer) acts as a vibration absorbing layer and the absorption rate of the piezoelectric vibration energy increases, and the energy conversion efficiency decreases remarkably. .
[0009]
In order to solve such a problem, a technique for directly forming a piezoelectric material such as PZT as a thin film on the surface of the vibration generator by a thin film forming technique such as vapor deposition, sputtering, CVD or sol-gel method is available. Proposed.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, such conventional techniques have the problems listed below.
(1) Since the piezoelectric thin film of about several μm formed by this thin film forming technique does not have a vibration absorbing layer such as an adhesive layer at the interface with the elastic body, it is not between the piezoelectric layer and the elastic body layer. Therefore, vibration can be propagated very efficiently.
[0011]
However, in this thin film formation technique, it takes a lot of time and labor to form a thin film of several μm or more. In addition, since the formed thin film is easily cracked, in the case of the piezoelectric actuator, when the elastic body is thick, it is difficult to generate vibration of displacement sufficient for driving the relative motion member in the elastic body. On the other hand, in the case of a piezoelectric sensor, if a displacement of a certain size is to be detected, the electric field generated by the piezoelectric element becomes small because the piezoelectric element is too thin, and detection is difficult.
[0012]
In order to solve these problems, it is necessary to obtain a piezoelectric element having a thickness of about several tens of μm to several mm and directly formed on an elastic body.
On the other hand, as the application range is expanded, the structures of piezoelectric actuators, piezoelectric sensors, and the like are diversified, and the shape of the elastic body as a vibration generator is complicated accordingly. Therefore, when a single piezoelectric element is bonded to a predetermined position of the vibration generating body as in the prior art, if the piezoelectric element mounting surface of the vibration generating body has a complicated shape that is not a plane, it will be completely different in the future. It becomes impossible to cope. In order to solve this problem, it is extremely important to develop a technology for forming a piezoelectric element that can easily form a piezoelectric element even on a piezoelectric element mounting surface having a complicated shape such as a curved surface.
[0013]
(2) In the case of a piezoelectric body that is an electromechanical conversion element, in particular, in the case of ceramics, it is necessary to perform polarization treatment (polling) on the material in order to extract the piezoelectric properties. Poling is an electric field-induced strain applied to a piezoelectric material by forcibly directing the polarization direction of an electric dipole that is oriented in a random direction in the piezoelectric material before the poling process by an external force. This is the first processing that makes it possible to provide piezoelectric properties such as stress-induced charges. Ceramic poling is generally 1 mm in ceramics in an insulating solvent such as silicone oil heated to a high temperature. ² This is done by applying a high voltage of several kV per hit. However, the polling process once performed also deteriorates when the piezoelectric body (in the case of PZT) approaches 200 ° C. to 300 ° C., and becomes completely invalid near Tc.
[0014]
However, when manufacturing piezoelectric application elements such as these actuators and sensors at present, it is difficult to avoid the process of heating the piezoelectric body such as soldering and bonding because of wiring to the electrodes on the piezoelectric body. Therefore, at this time, in order to avoid the destruction of polling, the temperature applied to the piezoelectric body is extremely limited according to the Tc of the piezoelectric body used, and the shape, strength, durability, productivity, etc. of the element There is no freedom to select any wiring method that prioritizes these conditions.
[0015]
In addition, joining of the piezoelectric body and the elastic body deforms the elastic body, and in order to improve accuracy, processing after joining the piezoelectric body is inevitable. However, since the processing distortion accompanying this processing occurs, a heat treatment for removing the processing distortion is required. For example, in SUS304, a heat treatment of about 600 ° C. is required, and poling is completely broken at almost all piezoelectric bodies at this temperature.
[0016]
Furthermore, poling deteriorates according to the usage time and usage environment of the piezoelectric body, and the piezoelectric properties of the piezoelectric element also deteriorate accordingly. However, in the conventional apparatus, it is extremely difficult to restore the once deteriorated piezoelectric performance again by re-polling in view of the above-described polling process.
[0017]
(3) In an electromechanical conversion effect application element such as an actuator and a sensor in which a piezoelectric element is formed on the surface of an actuator base material or a sensor base material by a thin film forming technique, the formed piezoelectric element has a crystal structure having piezoelectric characteristics Need to be. However, as represented by lead zirconate titanate (PZT), most of the practical piezoelectric materials have a perovskite type crystal structure, and these perovskite type piezoelectric materials have a high temperature phase. In addition to the perovskite crystal structure having piezoelectricity, a pyrochlore phase that does not exhibit piezoelectricity at all in the low temperature phase is generated. Therefore, in order for the piezoelectric layer formed by thermal spraying to have piezoelectricity, it is necessary to form the piezoelectric layer at a sufficiently high temperature, or to perform a heat treatment on the layer formed at a low temperature. Also, most of the piezoelectric bodies used are lead-based oxide materials as represented by PZT. Since almost half of the cation is easily exchanged for lead ions, the atmosphere must be sufficiently oxygen whether the phase is formed at a high temperature or heat treatment is performed.
[0018]
However, when an iron-based alloy such as SUS is used as the base material, performing film formation or heat treatment at a high temperature can cause mass transfer such as diffusion of oxygen atoms between the piezoelectric layer and the base material. There is a high possibility that the chemical reaction represented will occur. In that case, an oxide layer is formed on the surface of the base material, or the chemical composition of the base material or the piezoelectric layer is changed, so that the piezoelectric characteristics and the adhesion strength between the piezoelectric layer and the actuator are significantly reduced.
[0019]
In order to solve such problems, the surface of the base material is made of a metal having a high melting point such as nickel, chromium or cobalt, or a noble metal having a high melting point such as platinum, rhenium, rhodium or palladium, or an alloy thereof. It is also conceivable to form the buffer layer by a thin film formation technique, plating, or the like. However, when a piezoelectric layer is formed on such a buffer layer, the thickness of the buffer layer may be insufficient depending on the spraying conditions. In addition, it is necessary to perform a buffer layer forming step before thermal spraying, and a reduction in productivity is inevitable.
[0020]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is based on a thermal spraying technique in which a raw material powder of a piezoelectric body is put into a flame generated at the tip of a thermal spray gun so that the piezoelectric powder collides with the surface of an elastic body while melting and is rapidly cooled to form a coating. The piezoelectric body is directly formed on the surface of the vibration generating body and the vibration generating body base material, and further, a buffer layer is formed by thermal spraying between the piezoelectric body layer formed by thermal spraying and the elastic body. It is intended to solve the problem.
[0021]
The invention according to claim 1 is an electromechanical conversion effect application element comprising an electromechanical conversion element that performs mutual conversion between electric energy and mechanical displacement, and an elastic member, wherein the electric machine is disposed at a predetermined position of the elastic member. A buffer layer for preventing material diffusion between the conversion element and the elastic member is provided, and the electromechanical conversion element is disposed on the buffer layer. The material powder is melted and collided with the surface of the buffer layer for rapid cooling. It is an electromechanical conversion effect application element characterized by being formed by.
According to a second aspect of the present invention, in the electromechanical transducer according to the first aspect, the surface of the electromechanical transducer that is opposite to the side on which the buffer layer is formed is used to input or output electrical energy. This is an electromechanical conversion application element characterized in that the electrode is formed.
The invention according to claim 3 is the electromechanical conversion application element according to claim 2, wherein the buffer layer functions as an electrode for inputting or outputting electric energy. It is.
According to a fourth aspect of the present invention, in the electrical conversion effect application element according to the second or third aspect, the electrode and the buffer layer are both a metal having a high melting point and not easily oxidized, and a high melting point noble metal. Or it is an electromechanical conversion effect application element characterized by consisting of these alloys.
According to a fifth aspect of the present invention, in the electromechanical conversion effect application element according to any one of the first to fourth aspects, the buffer layer is formed by thermal spraying at the predetermined position of the elastic member. This is an electromechanical conversion effect application element.
According to a sixth aspect of the present invention, in the electromechanical conversion effect applying element according to any one of the first to fifth aspects, the predetermined position is opposite to a surface on which the movable element is in pressure contact. It is an electromechanical conversion effect application element characterized by being a surface.
The invention of claim 7 is an electromechanical transducer application element according to any one of claims 1 to 6, wherein the electromechanical transducer element is a piezoelectric element or an electrostrictive element. This is an electromechanical conversion effect application element.
The invention according to claim 8 is the electromechanical conversion effect application element, wherein the electromechanical conversion application element according to any one of claims 1 to 7 is an actuator or a sensor.
The invention according to claim 9 is the electromechanical conversion effect application element according to any one of claims 1 to 8, wherein the electromechanical conversion element is made of a lead-based ferroelectric. This is an electromechanical conversion effect application element.
[0022]
According to a second aspect of the present invention, the electromechanical transducer according to the first aspect is a piezoelectric device or an electrostrictive device.
The invention of claim 3 includes an elastic member, and an electromechanical conversion element which is formed by thermal spraying at a predetermined position of the elastic member and performs mutual conversion between electric energy and mechanical displacement. This is an electromechanical conversion effect application element.
[0028]
According to a tenth aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing an electromechanical conversion effect application element in which an electromechanical conversion element that performs mutual conversion between electrical energy and mechanical displacement is formed on an elastic member. A buffer layer for preventing material diffusion between the elastic member and the electromechanical transducer is formed, and the electromechanical transducer is disposed on the buffer layer. , Rapidly melt by dissolving the raw material powder and collide with the surface of the buffer layer It is a manufacturing method of the electromechanical conversion effect application element characterized by forming by these.
An eleventh aspect of the invention is the method of manufacturing an electromechanical conversion effect applying element according to the tenth aspect, in which electric energy is applied to a surface of the electromechanical conversion element opposite to the side on which the buffer layer is formed. An electrode for input or output is formed. A method for manufacturing an electromechanical conversion effect applied element.
According to a twelfth aspect of the present invention, in the method for manufacturing an electromechanical conversion effect applying element according to the eleventh aspect, after the electromechanical conversion element is formed by the thermal spraying and before the electrode is formed, a heat treatment is performed. And a process for producing an electromechanical conversion effect applying element, wherein the processing distortion of the elastic member is removed.
A thirteenth aspect of the invention is the method for manufacturing an electromechanical conversion effect applying element according to the eleventh or twelfth aspect, wherein the electromechanical conversion element is polarized using the buffer layer and the electrode. This is a method for manufacturing an electromechanical conversion effect applied element.
The invention of claim 14 is the method of manufacturing an electromechanical conversion effect application element according to any one of claims 10 to 13, wherein the buffer layer has a high melting point and is not easily oxidized. It is a manufacturing method of an electromechanical conversion effect application element characterized by comprising a high melting point noble metal or an alloy thereof.
According to a fifteenth aspect of the present invention, in the method for manufacturing an electromechanical conversion effect applying element according to any one of the tenth to fourteenth aspects, the buffer layer is sprayed to the predetermined position of the elastic member. It is a manufacturing method of an electromechanical conversion effect application element characterized by forming a film.
According to a sixteenth aspect of the present invention, in the method for manufacturing an electromechanical conversion effect applying element according to any one of the tenth to fifteenth aspects, the predetermined position is a surface on which the movable element is in pressure contact. It is a manufacturing method of the electromechanical conversion effect application element characterized by being a surface on the opposite side.
According to a seventeenth aspect of the present invention, in the method for manufacturing an electromechanical conversion effect applying element according to any one of the tenth to sixteenth aspects, the electromechanical conversion element is a piezoelectric made of a lead-based ferroelectric. Or it is an electrostrictive material, The manufacturing method of the electromechanical conversion effect application element characterized by the above-mentioned.
The invention of claim 18 is the method of manufacturing an electromechanical conversion effect application element according to any one of claims 10 to 17, wherein the electromechanical conversion element is formed by the thermal spraying. A method for manufacturing an electromechanical conversion effect application element, wherein the elastic member is set to a predetermined processing temperature.
[0034]
In the present invention, the “electromechanical conversion effect applied element” means all elements utilizing the electromechanical conversion effect, and examples thereof include an actuator and a sensor.
[0035]
The “electromechanical conversion element” in the present invention means an element capable of converting electric energy into mechanical displacement, and includes a piezoelectric element, a magnetostrictive element, an electrostrictive element, and the like.
[0036]
In the present invention, the “metal having a high melting point and hardly oxidizes” refers to nickel, chromium, cobalt and the like, and the “noble metal having a high melting point” refers to platinum, rhenium, rhodium, palladium and the like.
[0037]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description of each embodiment, an ultrasonic actuator using ultrasonic vibration is used as the vibration actuator.
[0038]
FIG. 1 is an exploded perspective view showing a first embodiment in which a piezoelectric application element according to the present invention is applied to an ultrasonic actuator 7 which is an example of a vibration actuator, and FIG. 2 is an ultrasonic actuator 7 shown in FIG. It is a top view which shows the elastic body 3 in which the platinum upper electrode 6 was formed which is a component of these. In addition, a piezoelectric application element means what utilizes the piezoelectric effect among the said electromechanical conversion application elements.
[0039]
As shown in FIG. 1, the ultrasonic actuator of the first embodiment includes an annular elastic body 3 and an annular moving element 1 that is in pressure contact with one end surface of the elastic body 3.
[0040]
On one plane of the elastic body 3, a large number of groove portions 3b are continuously provided in the circumferential direction thereof, and a large number of protrusion portions 3a are continuously formed by being partitioned by the groove portions 3b. These protrusions 3a amplify the amplitude of the traveling wave generated on the end face of the elastic body 3 and prevent the wear powder generated by the contact with the moving element 1 from dropping into the groove 3b so as not to remain in the contact portion. Provided.
[0041]
In this embodiment, the elastic body 3 is configured by casting using a nickel alloy and further machining as necessary. As shown in FIG. 2, a buffer layer 4 made of a nickel alloy for forming a piezoelectric layer 5 on the elastic body 3 is formed on the other plane of the elastic body 3 by thermal spraying. This buffer layer 4 also functions as a lower electrode.
[0042]
A piezoelectric layer 5 is formed on the surface of the buffer layer 4. As will be described later, the piezoelectric layer 5 is formed on the surface of the buffer layer 4 by thermal spraying.
On the other hand, an annular sliding member 2 is attached to and attached to a plane on the contact surface side of the moving element 1 with the elastic body 3. Through this sliding member 2, the moving element 1 is brought into pressure contact with the elastic body 3 by a pressure mechanism (not shown).
[0043]
In the ultrasonic actuator 7 of this embodiment, as described above, the buffer layer 4 is formed on the back surface of the elastic body 3 by thermal spraying. A piezoelectric layer 5 of lead zirconate titanate (PZT) is formed on the buffer layer 4 by thermal spraying, and a divided platinum upper electrode 6 is formed on the surface thereof. Hereinafter, a method of forming the piezoelectric layer 5 on the surfaces of the buffer layer 4 and the buffer layer 4 by thermal spraying will be described.
[0044]
(Buffer layer 4)
A nickel powder having a particle size adjusted to 5 to 40 μm was used as a raw material. Using this raw material, a sprayed coating was formed to a thickness of 50 μm on the surface of the elastic body 3 made of SUS304 at room temperature with a plasma spraying apparatus. As a working gas for the plasma jet, a mixed gas of argon and hydrogen was used.
[0045]
(Piezoelectric layer 5)
Thermal spraying was performed on lead zirconate titanate (PZT) with a molar ratio of Pb, Zr, Ti of 1: 0.52: 0.48 adjusted to 5 to 40 μm by calcination, grinding and granulation. In consideration of the volatile content of lead, a mixture in which excess Pb was added in the form of an oxide (PbO) was used as a raw material powder.
[0046]
Using this raw material powder, a piezoelectric layer 5 made of PZT with a thickness of 100 μm was formed on the surface of the buffer layer 4 by a plasma spraying apparatus. As the working gas of the plasma jet, argon, (a mixed gas of argon and hydrogen), or (a mixed gas of argon and helium) was used.
[0047]
By such plasma spraying, the raw material powder is put into a flame generated at the tip of the spray gun, collides with the surface of the buffer layer 4 formed on the surface of the elastic body 3 while being melted, and is bonded while being rapidly cooled. . For this reason, the raw material powder may not be sufficiently crystallized by being rapidly cooled on the surface of the buffer layer 4, and in such a case, the electromechanical conversion efficiency of the thin film does not reach a desired value. In order to prevent the occurrence of such a situation, a desired crystal is generated in the piezoelectric layer 5 by performing heat treatment at an appropriate temperature after plasma spraying, thereby improving the performance of the thin-film piezoelectric layer 5. be able to.
[0048]
In the thermal spraying process, if the difference between the temperature of the melted raw material powder and the surface temperature of the elastic body 3 is too large, the raw material powder colliding with the surface of the elastic body 3 may not adhere sufficiently. For this reason, when performing thermal spraying, it is possible to reduce the temperature difference between the raw material powder and the elastic body 3 by heating the elastic body 3 by performing resistance heating or the like, thereby increasing the adhesion efficiency. is there.
[0049]
In this embodiment, the surface temperature of the elastic body 3 was controlled in the range of 300 ° C. or more and 650 ° C. or less using a resistor heater during spraying.
In this way, in the method of increasing the surface temperature of the elastic body 3 during spraying, when the substrate temperature reaches a temperature sufficient to generate a desired crystal phase, the same effect as the above heat treatment is exhibited. In addition, the performance of the thin film can be sufficiently extracted without performing the heat treatment after the film formation.
[0050]
It is also possible to reduce the distance between the spray gun during spraying and the elastic body, raise the temperature of the elastic body to the crystallization temperature of the thin film, crystallize simultaneously with the spraying, and eliminate the need for subsequent heat treatment. .
[0051]
In the case of a piezoelectric actuator, it is desirable to use a piezoelectric material or an electrostrictive material made of a lead-based ferroelectric as the piezoelectric thin film for efficiently exciting the elastic body because the displacement per applied electric field is large.
[0052]
Similarly, in the case of a piezoelectric sensor, as a piezoelectric thin film that can efficiently receive stress from an elastic body, the generated charge amount per applied stress is large. It is desirable to use an electrostrictive material.
[0053]
Then, after the thermal spraying, the elastic body 3 was subjected to grinding and polishing in order to correct the deformation of the elastic body 3 due to the formation of the piezoelectric layer 5 by thermal spraying.
Further, after that, in order to make the piezoelectric layer 5 formed by thermal spraying into a complete perovskite layer and to remove deformation (working strain) of the elastic body 3, heat treatment was performed at 650 ° C. for 5 hours.
[0054]
In this manner, the piezoelectric layer 5 was formed on the surface of the buffer layer 4, and the platinum upper electrode 6 was formed on the surface of the piezoelectric layer 5. In the present embodiment, the platinum upper electrode 6 is formed by sputtering.
[0055]
A large number of platinum upper electrodes 6 are continuously provided at a pitch of about 20 ° in the circumferential direction of the elastic body 3 as shown in FIG. 2 by performing masking during sputtering.
[0056]
In order to join the copper foil for wiring connecting the lead wire to the platinum upper electrode 6 formed in this way, a solder foil is sandwiched between the platinum upper electrode 6 and the copper foil (not shown), The platinum upper electrode 6 and the copper foil were joined by heating to 400 ° C. in a high-frequency furnace in a pressurized state.
[0057]
After that, the piezoelectric body layer 5 was polarized by applying a voltage to the platinum upper electrode 6 so that the signs of the adjacent electrodes are reversed as shown in FIG. The polarization treatment was performed at 150 ° C. and 300 V in the air for 1 hour.
[0058]
Thus, the ultrasonic actuator 7 of 1st Embodiment is comprised. Here, the Curie temperature Tc of the formed piezoelectric layer 5 was about 240 ° C.
When an AC electric field having an effective voltage of ± 5 V is applied to the piezoelectric layer 5 of this ultrasonic actuator 7 with a phase difference of (π / 2) between the input A phase and the input B phase, the surface of the elastic body 3 It was confirmed that a traveling wave was generated at the tip of the protruding portion 3a formed on the movable body 1 and the movable element 1 in pressure contact with the elastic body 3 was rotated.
From this, it can be seen that according to the present embodiment, the piezoelectric layer 5 formed by thermal spraying has sufficient piezoelectricity.
[0059]
Thus, in the ultrasonic actuator 7 of this embodiment, since the piezoelectric layer 5 is formed to a thickness of several tens of μm to several mm by thermal spraying, displacement and vibration generated in the piezoelectric layer 5 are very efficiently performed. It can be transmitted to the elastic body 3. On the other hand, by applying to the piezoelectric sensor, the stress generated from the displacement of the elastic body 3 can be efficiently received.
[0060]
The thermal spraying time is also about several tens of seconds to several tens of minutes, and the deposition rate is very fast compared to other methods, making it suitable for mass production.
[0061]
A film thickness of up to several tens of μm can also be formed by using a method other than thermal spraying, for example, a hydrothermal synthesis method. However, the formation of the piezoelectric layer 5 having this thickness requires several hours to several days, which is a serious problem in terms of mass productivity. However, the processing time required for thermal spraying used in the present invention is about several tens of seconds to several tens of minutes, and is extremely excellent in mass productivity.
[0062]
The film thickness of the piezoelectric layer 5 formed in this way is about several tens of μm to several mm, and is approximately the same as the thickness of the piezoelectric layer 5 formed as a separate part of the related art to about one hundredth of the thickness. It can be in the range up to. Therefore, it can be driven at a significantly lower voltage than conventional piezoelectric actuators.
[0063]
In addition, it is possible to form the piezoelectric layer 5 on the surface of the elastic body 3 very easily regardless of how small the piezoelectric layer 5 is, and there is an adhesive layer as a vibration absorbing layer as in the past. Therefore, the possibility that the vibration propagation efficiency with respect to the elastic body 3 is significantly impaired by the downsizing is also eliminated, and the piezoelectric body layer 5 can be sufficiently reduced in size.
[0064]
In addition, the piezoelectric layer 5 formed by thermal spraying is extremely easy to perform a poling process after wiring with electrodes. This is because the method of thermal spraying can easily and reliably form a sufficiently thin piezoelectric layer 5 that can be easily subjected to a poling process as compared with the conventional method. Therefore, after the formation of the piezoelectric layer 5 and the wiring, the polling process can be performed at a low voltage in the atmosphere. This eliminates the need for restricting the wiring method because of the fear of the destruction of poling because of the heat treatment associated with wiring to the piezoelectric layer 5, and various conditions such as element shape, strength, durability, and productivity. It is only necessary to select an arbitrary wiring method that prioritizes and to perform a polling process after the heat treatment of the wiring. For example, it has become possible to perform wiring processing at a sufficiently high temperature using ordinary solder.
[0065]
Further, since the piezoelectric layer 5 is formed into a thin film by thermal spraying, heat treatment for removing processing strain is possible, and deformation caused by joining the piezoelectric layer 5 and the elastic body 3 can be corrected by processing. As a result, the possibility of accuracy improvement has expanded.
[0066]
In addition, it is possible to easily perform re-polling for elements whose polling performance has deteriorated and whose piezoelectric performance has deteriorated, and the life of the element becomes extremely long, and the use conditions such as use under severe conditions are possible. Also spread.
[0067]
In addition, thin film formation technologies such as vapor deposition, sputtering, CVD, sol-gel, etc. can perform poling after wiring as well as thermal spraying, but because the film thickness is too small, electromechanical conversion effect applied elements such as actuators and sensors However, the film thickness by thermal spraying is an appropriate value, and can be easily applied to an electromechanical conversion effect application element.
[0068]
Furthermore, in carrying out the present invention, a thermal spray gun is held at the tip of the arm of a robot that teaches the thermal spraying operation on the thermal spray surface of the elastic body 3, and the thermal spray is performed by the robot. It is possible to form the piezoelectric layer 5 very easily and reliably even on the elastic body 3 having the shape sprayed surface, and can sufficiently cope with the complicated shape of the piezoelectric layer 5. .
[0069]
In the present embodiment, a buffer layer is formed on the surface of the elastic body 3. This buffer layer is made of a metal having a high melting point such as nickel, chromium, cobalt, or the like, a metal having a high melting point such as platinum, rhenium, rhodium, palladium, or an alloy thereof. Therefore, even when the piezoelectric layer 5 is formed at a high temperature, it is difficult to form an oxide layer on the surface to be formed, and the piezoelectric layer 5 is easily formed. Further, during the heat treatment after film formation, material diffusion between the elastic body 3 and the piezoelectric layer 5 hardly occurs, and this material diffusion can prevent the piezoelectric effect from being inhibited.
[0070]
When the buffer layer 4 is formed by spraying in this way, a layer having a thickness of several tens of μm or more can be obtained very easily. Therefore, the piezoelectric layer 5 is further sprayed on the surface of the sprayed layer 4 under high energy conditions. Even if formed, there is very little possibility that the buffer layer 4 will be attacked.
[0071]
Further, two systems of powder supply paths are provided for one thermal spray gun, one is a metal raw material supply path for forming the buffer layer 4 and the other is a piezoelectric raw material supply path for forming the piezoelectric layer 5. Thus, the buffer layer 4 and the piezoelectric layer 5 can be formed by the same thermal spraying device by switching both supply paths. Thereby, it is not necessary to provide an extra process such as a sputtering process or a plating process for forming the buffer layer 4, and both an increase in manufacturing cost and a decrease in productivity can be prevented.
[0072]
(Second Embodiment)
FIG. 3 is a perspective view showing the ultrasonic actuator 105 according to the second embodiment of the present invention.
[0073]
The ultrasonic actuator 105 according to the present embodiment includes a rectangular flat plate-shaped elastic body 101 made of SUS304 and a piezoelectric layer 103 made of PZT formed on one plane of the elastic body 101. Then, by applying an AC voltage to the piezoelectric layer 103, the elastic body 103 is caused to generate primary longitudinal vibration and quaternary bending vibration in a harmonic manner, thereby applying pressure to the elastic body 103 and the elastic body 103. Relative motion is generated between the moving element (not shown) in contact therewith.
[0074]
A buffer layer 102 made of a nickel alloy for forming the piezoelectric layer 103 on the elastic body 101 is formed on one plane of the elastic body 101 by thermal spraying. This buffer layer 102 also functions as a lower electrode.
[0075]
A piezoelectric layer 103 made of PZT is formed on the surface of the buffer layer 102 by plasma spraying. The formation conditions of the buffer layer 102 made of nickel alloy and the piezoelectric layer 103 made of PZT are the same as those in the first embodiment.
[0076]
In this embodiment, as the piezoelectric layer 103 made of PZT is formed by thermal spraying, a deviation occurs in the relationship between the resonance frequencies of the primary longitudinal vibration and the fourth bending vibration generated in the elastic body 101. Therefore, in order to match the frequencies of both vibration modes, the elastic body 101 was processed after the piezoelectric layer 103 was formed by thermal spraying.
[0077]
Furthermore, in order to remove the processing distortion due to this processing and to make the piezoelectric layer 103 completely perovskite, a heat treatment was performed at 650 ° C. for 5 hours in the same manner as in the first embodiment. The polarization treatment of the piezoelectric layer 103 was performed in the atmosphere at 150 ° C. and 300 V for 1 hour, as in the first embodiment.
[0078]
Further, platinum upper electrodes 104a and 104b are formed by sputtering on the surface of the piezoelectric layer 103 thus formed by thermal spraying. The platinum upper electrodes 104a and 104b are divided into two by masking during sputtering and are formed.
[0079]
In order to join the copper foil for wiring to the platinum upper electrodes 104a and 104b thus formed, a solder foil is sandwiched and pressed between the platinum upper electrodes 104a and 104b and the copper foil. And heated to 400 ° C. in a reflow soldering furnace.
[0080]
Drive force extraction portions 101a and 101b formed in a protruding shape in the width direction of the elastic body 101 are formed at two positions on the other plane of the elastic body 101, which are antinodes of the fourth-order bending vibration. The movable element (not shown) is in pressure contact with the elastic body 101 through the tip surfaces of the driving force extraction portions 101a and 101b.
[0081]
In the ultrasonic actuator 105 configured as described above, an AC voltage A phase is applied to the platinum upper electrode 104a, and an AC voltage B phase that is 90 ° out of phase with the A phase is applied to the platinum upper electrode 104b at an effective voltage of ± 5V. . As a result, an elliptical motion is generated on the distal end surfaces of the driving force extraction portions 101a and 101b of the elastic body 101, and relative motion is performed between the elastic member 101 and the relative motion member that is in pressure contact with the distal end surfaces of the driving force extraction portions 101a and 101b. Was confirmed to occur. From this, it can be seen that according to the present embodiment, the piezoelectric layer 103 formed by thermal spraying has sufficient piezoelectricity.
[0082]
(Third embodiment)
FIG. 4 is a perspective view showing the configuration of the ultrasonic actuator 205 according to the third embodiment of the present invention.
[0083]
In this embodiment, the basic configuration is the same as that of the ultrasonic actuator 105 of the second embodiment. In this embodiment, the reference numerals in the first embodiment assigned the 100th series are replaced with the 200th series. Description of is omitted.
[0084]
The difference from the ultrasonic actuator 105 of the first embodiment corresponds to the use in a high-temperature environment. Therefore, as a constituent material of the piezoelectric layer 203, the Curie temperature Tc is 490 ° C. and even in a high-temperature environment. This is the point of using lead titanate (hereinafter abbreviated as PT), which hardly causes deterioration of the polarization treatment.
[0085]
A method for forming the piezoelectric layer 203 made of PT by thermal spraying will be described below. Lead titanate (PT) with a molar ratio of Pb and Ti adjusted to a particle size of 5 to 40 μm by sintering, pulverization and granulation, taking into account the volatile content of lead due to thermal spraying, is excessive. A mixture obtained by adding Pb in the form of an oxide (PbO) was used as a raw material powder.
[0086]
A buffer layer 202 made of a nickel alloy was formed on the surface of the elastic body 201 by thermal spraying as in the second embodiment. A piezoelectric layer 203 made of PT with a thickness of 100 μm was formed on the surface of the buffer layer 202 by a plasma spraying apparatus using the raw material powder described above. As the working gas of the plasma jet gas, argon, (a mixed gas of argon and hydrogen) or (a mixed gas of argon and helium) was used.
[0087]
Further, in order to increase the adhesion efficiency of the raw material powder to the elastic body 201, the surface temperature of the elastic body 201 at the time of thermal spraying was controlled to 300 ° C. or higher and 650 ° C. or lower using a resistor heater.
[0088]
Thereafter, also in this embodiment, with the formation of the piezoelectric layer 203 made of PT, there is a shift in the relationship between the resonance frequencies of the primary longitudinal vibration and the fourth-order bending vibration of the elastic body 201. In order to match the frequency of the vibration mode, the elastic body 201 was processed after the piezoelectric layer 203 made of PT was formed.
[0089]
Further, in order to remove the processing distortion due to this processing and to achieve complete perovskite formation of the piezoelectric layer 203 made of PT, a heat treatment was performed by heating and holding at 650 ° C. for 5 hours as in the first embodiment.
[0090]
The poling (polarization treatment) of the piezoelectric layer 203 was performed in the atmosphere at 200 ° C. and 450 V for 1 hour. In this ultrasonic actuator 205 as well, an AC voltage A phase was applied to the platinum upper electrode 204a, and an AC voltage B phase that is 90 ° out of phase with the AC voltage A phase was applied to the electrode 204b with an effective voltage of ± 10V. As a result, an elliptical motion is generated on the front end surfaces of the driving force extraction portions 201a and 201b of the elastic body 201, and between the movers (not shown) that are in pressure contact via the front end surfaces of the driving force extraction portions 201a and 201b. It was confirmed that relative motion occurred. From this, according to the ultrasonic actuator 205 of the present embodiment, it can be seen that the piezoelectric layer 203 formed by thermal spraying has sufficient piezoelectricity.
[0091]
(Fourth embodiment)
5A and 5B are explanatory views of the ultrasonic actuator 307 according to the fourth embodiment, in which FIG. 5A is a perspective view, FIG. 5B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. c) is a BB cross-sectional view in FIG.
[0092]
The ultrasonic actuator 307 according to this embodiment two-dimensionally vibrates both ends (one end may be one) of a cylindrical elastic body 301 by piezoelectric elements 302 and 303 formed on the surface of the elastic body 301 by thermal spraying. Thus, a progressive vibration wave that travels while the vibration surface rotates is generated on the elastic body 301, and thereby both the linear motion and the rotational motion are simultaneously applied to the moving element 306 that is in pressure contact with the elastic body 301.
[0093]
In the ultrasonic actuator 307 in the present embodiment, buffer layers 302a and 302b made of a nickel alloy are formed by thermal spraying around both ends of the elastic body 301, as in the first to third embodiments. The piezoelectric layers 302 and 303 are formed on the surfaces of the buffer layers 302a and 302b by thermal spraying in the same manner as in the first to third embodiments.
[0094]
In the ultrasonic actuator 307 of this embodiment, piezoelectric layers 302 and 303 are formed by thermal spraying on the outer peripheral surfaces of both ends of a cylindrical elastic body 301. Further, the piezoelectric layers 302 and 303 are respectively It is held by rectangular parallelepiped stators 304 and 305. Furthermore, the inner peripheral surface of the hollow cylindrical moving element 306 is in pressure contact with the elastic body 301.
[0095]
Piezoelectric layers 302 and 303 are formed by thermal spraying on both end portions 301a and 301b of a cylindrical elastic body 301. On the piezoelectric layers 302 and 303, the piezoelectric body layers 302 and 303 are formed. Upper silver electrodes 302c1, 302c2, 302c3, 302c4 and 303c1, 303c2, 303c3, 303c4 divided into four in the circumferential direction are formed.
[0096]
The formation conditions by thermal spraying of the buffer layers 302a and 303b and the piezoelectric layers 302 and 303 are the same as those in the first embodiment. The upper silver electrodes 302c1 to 302c4 and 303c1 to 303c4 were formed by screen printing. The wiring process to the upper silver electrodes 302c1 to 302c4 and 303c1 to 303c4 was performed by soldering. Further, the polarization treatment of the piezoelectric layers 302 and 303 was performed in the atmosphere at 150 ° C. and 300 V for 1 hour.
[0097]
In the ultrasonic actuator 307 configured as described above, the effective voltage is ±± so that the phase difference between the upper silver electrodes adjacent to the upper silver electrodes 302c1 to 302c4 of one piezoelectric element 302 in this order becomes π / 2. When an AC electric field of 5 V was applied, it was confirmed that the piezoelectric element 302 performs a swing motion.
[0098]
With such a swing motion, a motion having a phase difference of π / 2 with respect to the swing motion generated in the piezoelectric element 302 is also generated with respect to the piezoelectric element 304. As a result, a vibration surface is formed on the rod-shaped elastic body 301. It was confirmed that a progressive vibration wave that travels while rotating was generated, and the moving element 306 traveled straight while rotating.
[0099]
Also in this embodiment, when an input voltage is applied only to the electrodes 302c1, 302c3 and 303c1, 303c3, or when a drive voltage is applied only to the upper silver electrodes 302c2, 302c4, 303c2, and 303c4, the elastic body 301 is used. It has been confirmed that a normal traveling vibration wave is generated that travels without rotating the vibration surface, and the vibrator 306 does not rotate but only moves straight.
[0100]
Furthermore, when the elastic body 301 was excited only by the piezoelectric element 302 and the traveling wave was absorbed by the piezoelectric element 303, it was confirmed that the moving element 306 did not rotate but only moved straight.
[0101]
In the present embodiment, a layer made of a nickel alloy, which is a buffer layer for forming the piezoelectric layers 302 and 303 on the elastic body 301, is used as the lower electrode.
As the buffer layer, a platinum plating layer, a chromium layer, or a nichrome layer may be used instead of the nickel layer.
[0102]
(Fifth embodiment)
FIG. 6 is an explanatory view showing an ultrasonic actuator 403 according to the fifth embodiment, and both FIG. 6A and FIG. 6B are exploded perspective views of the ultrasonic actuator 403.
[0103]
The ultrasonic actuator 403 according to the present embodiment performs non-axisymmetric vibration out of in-plane bending vibration of the annular elastic body 401 and has a circular portion having a diameter-changing portion whose outer diameter is changed in a tapered shape on the inner periphery. An annular vibrator 401 and a rotor 402 that is in contact with each other via a diameter-changed portion of the vibrator 401 are provided.
[0104]
Here, the vibrator 401 is sprayed on the surfaces of the buffer layers 401b and 401e made of nickel alloy formed on both surfaces of the annular elastic body 401a in the same manner as in the first to fourth embodiments. Piezoelectric layers 401c and 401f made of PZT formed by the above, and platinum upper electrodes 401d1, 401d2, 401d3, 401d4 and 401g1, 401g2 formed on the respective surfaces in a state of being divided into four in the circumferential direction by sputtering. , 401g3, 401g4. The formation conditions of the piezoelectric layers 401c and 401f are the same as those in the first embodiment.
[0105]
The platinum upper electrodes 401d1 to 401d4 and 401g1 to 401g4 thus formed were subjected to polarization treatment. The polarization treatment was performed at 150 ° C. and 300 V in the air for 1 hour.
[0106]
Here, an alternating electric field of ± 5 V in terms of effective voltage was applied to two groups of electrodes, platinum upper electrodes 401d1 to 401d4 and 401g1 to 401g4, so that the phase difference between adjacent electrodes in this order was π / 2. . Then, it was confirmed that a progressive vibration wave having a vibration surface in the in-plane direction was generated on the inner peripheral surface and the outer peripheral surface of the vibrator 401, and the rotor 402 in contact with the inner peripheral surface performs a rotational motion.
[0107]
In the present embodiment, a layer made of a nickel alloy, which is a buffer layer for forming the piezoelectric layers 401c and 401f on the vibrator 401, is used as the lower electrode.
As the buffer layer, a platinum plating layer, a chromium layer, or a nichrome layer may be used instead of the nickel layer.
[0108]
(Sixth embodiment)
FIG. 7 is a perspective view showing a unimorph actuator 506 of the sixth embodiment.
[0109]
The unimorph type actuator 506 utilizes the displacement in the vertical direction with respect to the direction of electric field application of the piezoelectric layer 503. The unimorph actuator 506 includes an elastic body 501 made of aluminum, a buffer layer 502 made of a nickel alloy formed on the surface of the elastic body 501 as in the first to fifth embodiments, and sprayed on the buffer layer 502. A piezoelectric layer 503 made of PZT formed by the above, a platinum upper electrode 504 formed by sputtering on the surface of the piezoelectric layer 503, and a support 505 that supports the elastic body 501. The formation conditions of the piezoelectric layer 503 are the same as those in the first embodiment.
[0110]
In order to join a copper foil for wiring to a platinum upper electrode 504 formed by sputtering, a solder foil is sandwiched between the platinum upper electrode 504 and the copper foil, and the reflow soldering furnace is in a pressurized state. Heated to 400 ° C. The poling of the piezoelectric layer 503 was performed in the atmosphere at 150 ° C. and 300 V for 1 hour as in the first embodiment.
[0111]
In the unimorph actuator 506 of the present embodiment configured as described above, when a driving voltage is applied between the platinum upper electrode 504 and the elastic body 501 as the lower electrode, the displacement in the plane direction of the piezoelectric layer 503 is caused. It was confirmed that the plate-like portion of the elastic body 501 was displaced up and down.
[0112]
In the present embodiment, a layer made of a nickel alloy that is a buffer layer for forming the piezoelectric layer 503 on the elastic body 501 is used as the lower electrode. As the buffer layer, a platinum plating layer, a chromium layer, or a nichrome layer may be used instead of the nickel layer.
[0113]
(Seventh embodiment)
FIG. 8 is a perspective view showing a unimorph mechanical filter vibrator 606 of the seventh embodiment.
[0114]
The unimorph mechanical filter vibrator 606 of the present embodiment uses the displacement of the piezoelectric layer 603 in the direction perpendicular to the electric field application direction. The unimorph mechanical filter vibrator 606 includes an elastic body 601, a buffer layer 602 made of a nickel alloy formed on the elastic body 601 as in the first to sixth embodiments, and thermal spraying on the buffer layer 602. The piezoelectric layer 603 made of PZT and formed by the platinum upper electrodes 604a and 604b formed on the surface of the piezoelectric layer 603 by sputtering.
[0115]
The formation conditions of the piezoelectric layer 603 are the same as those in the first embodiment. Further, in order to join the copper foil for wiring to the platinum upper electrodes 604a and 604b, the solder foil is sandwiched between the platinum upper electrodes 604a and 604b and the copper foil, and is pressed in a reflow soldering furnace. At 400 ° C. The poling of the piezoelectric layer 603 was performed in the atmosphere at 150 ° C. and 300 V for 1 hour as in the first embodiment.
[0116]
Here, when an AC electric field is applied between the platinum upper electrodes 604a and 604b and the elastic body 601 as the lower electrode, the plate-like portion of the elastic body 601 is cantilevered by displacement in the plane direction of the piezoelectric layer 603. It was a sine wave with a frequency equal to the resonance frequency of the beam.
[0117]
From this, it was confirmed that the vibrator 606 in the present embodiment functions as a frequency filter for extracting only an output signal having a certain frequency from the input signal.
[0118]
In the present embodiment, a layer made of a nickel alloy that is a buffer layer for forming the piezoelectric layer 603 on the elastic body 601 is used as a lower electrode. As the buffer layer, a platinum plating layer, a chromium layer, or a nichrome layer may be used instead of the nickel layer.
[0119]
(Eighth embodiment)
FIG. 9 is a perspective view showing a vibration angular velocity meter 705 of the eighth embodiment.
In the vibration angular velocity meter 705 shown in FIG. 9, a buffer layer 702 made of a nickel alloy is formed on one side surface of a rectangular parallelepiped vibrator 701 made of stainless steel, as in the first to seventh embodiments. A piezoelectric layer 703 made of PZT is formed on the surface of the buffer layer 702 by plasma spraying.
[0120]
An electrode 704 divided into three in the axial direction of the vibrator 701 is formed on the piezoelectric layer 703 made of PZT by a sputtering method using the vibrator 701 itself made of nickel-chromium alloy as a ground electrode.
[0121]
The center electrode 704b is a drive electrode, and the electrodes 704a and 704c on both sides are detection electrodes. A cross section perpendicular to the axial direction of the vibrator 701 is substantially square in order to match the resonance frequencies of the driving direction and the Coriolis force direction. The formation conditions of the piezoelectric layer 703 are the same as those in the first embodiment. Moreover, in order to join the copper foil for wiring with respect to the electrodes 704a to 704c, the solder foil is sandwiched between the electrodes 704a to 704c and the copper foil and heated to 400 ° C. in a reflow soldering furnace. Heated. The poling of the piezoelectric layer 703 was performed in the atmosphere at 150 ° C. and 300 V for 1 hour as in the first embodiment.
[0122]
10 (a) to 10 (c) are explanatory views showing the operation principle of the piezoelectric vibration angular velocity meter 706 shown in FIG.
As shown in FIG. 10A, when an AC voltage close to the resonance frequency of the vibrator 701 is applied to the driving electrode 704b, the vibrator 701 vibrates under unconstrained conditions, and the vibrator 701 is oscillated with the vibration node 705 as a boundary. The central portion and the end of 701 have velocities in opposite directions.
[0123]
As shown in FIG. 10B, when rotation occurs around the axis of the vibrator 701 at this time, since the speed direction is opposite, a Coriolis force is generated in the opposite direction with the vibration contact as a boundary.
[0124]
As shown in FIG. 10C, the vibrator 701 bends in the in-plane direction of the electrode due to the Coriolis force. The two detection electrodes 704a and 704c arranged on the outside have a piezoelectric signal caused by driving vibration (see FIG. 10A) and a piezoelectric signal caused by deformation due to Coriolis force (see FIG. 10C). Occur at the same time.
[0125]
Among these, the piezoelectric signal due to the Coriolis force has an approximately opposite phase between the two electrodes 704a and 704c. For example, in the deformed state shown in FIG. 10C, the compressive stress acts on the electrode 704a side and the tensile stress acts on the electrode 704c side, so that the stress is always applied between the two electrodes 704a and 704c. This is because the signs are different.
[0126]
On the other hand, since the piezoelectric signal resulting from activation is substantially the same between both electrodes 704a and 704c, if a differential signal is taken from both electrodes 704a and 704c, only a piezoelectric signal resulting from substantially Coriolis force can be obtained. The
[0127]
In this embodiment, since the cross section of the vibrator 701 is square and the resonance frequencies in the Coriolis force direction and the driving direction are made to coincide with each other, a simple oscillation circuit can be obtained by feeding back the outputs from the detection electrodes 704a and 704c. Thus, the vibrator 701 can be driven in the vicinity of the resonance frequency. Therefore, vibration based on the Coriolis force is also in a resonance state, and detection sensitivity is improved.
[0128]
In order to match the resonance frequencies in the two directions as described above, the demand for the shape accuracy of the vibrator 701 is extremely high. Therefore, similarly to the second embodiment and the third embodiment, in this embodiment as well, a process for resonance matching is performed after the piezoelectric layer is formed, and a heat treatment for removing a processing strain by this process is performed at 650 ° C. I went there.
[0129]
In the vibrator 701 in the present embodiment, the resonance frequencies in the driving direction and the Coriolis force direction do not necessarily have to coincide with each other. For example, it is also possible to use unimorph vibration that can obtain a large displacement even if it is not in a resonance state, and to use resonance in the direction of Coriolis force only for vibration detection. For this purpose, the vibrator 701 may be unimorph-driven by the resonance frequency in the Coriolis force direction. By using such a vibrator 701, it is possible to save the resonance matching process.
[0130]
FIG. 11 shows an example of a support form of the vibrator 701 for realizing the unconstrained vibration condition of the vibrator 701 shown in FIG.
It is fixed to the support base 706 using a silicone-based adhesive at a position corresponding to the vibration node. As a simple fixing method, the entire vibrator 701 can be embedded in an adhesive having a relatively low elastic constant.
[0131]
In this embodiment, the layer 702 made of nickel alloy, which is a buffer layer for forming the piezoelectric layer 703 on the vibrator 701, is used as it is as the lower electrode.
As the buffer layer, a platinum plating layer, a chromium layer, or a nichrome layer may be used instead of the nickel layer.
[0132]
(Ninth embodiment)
FIG. 12 is a perspective view showing an ultrasonic actuator 805 according to the ninth embodiment.
Similar to the second embodiment, the ultrasonic actuator 805 of the present embodiment excites the elastic body 801 by the piezoelectric body 803 to harmoniously generate the primary longitudinal vibration and the fourth-order bending vibration of the elastic body 801. As a result, a movable element (not shown) that is in pressure contact with the elastic body 801 is driven.
[0133]
In the ultrasonic actuator 805 of this embodiment, a buffer layer 802 made of a platinum plating layer is formed on the surface of the elastic body 801. A piezoelectric layer 803 made of PZT was formed on the surface of the buffer layer 802 by gas flame spraying. Platinum upper electrodes 804 a and 804 b are formed on the surface of the piezoelectric layer 803.
[0134]
The thermal spraying conditions of the piezoelectric layer 803 by the gas flame spraying method are as follows.
Lead zirconate titanate (PZT) having a molar ratio of Pb, Zr, Ti of 1: 0.52: 0.48 adjusted to 5 to 40 μm by calcining, pulverization and granulation In addition, in consideration of the Pb volatile content during thermal spraying, a material powder obtained by adding excess Pb in the form of an oxide (PbO) was used.
[0135]
Using this raw material powder, a film having a thickness of 100 μm was formed on the surface of the buffer layer 802 by a flame spraying apparatus. As a fuel gas for gas flame spraying, acetylene gas (propane gas may be used) was used.
[0136]
Moreover, in order to raise the adhesion efficiency of the raw material powder with respect to the elastic body 801, the temperature of the elastic body surface was controlled in the range of 300 degreeC-650 degreeC using the resistor heater.
Also in the present embodiment, as in the second and third embodiments, the longitudinal vibration primary mode and the bending vibration quaternary mode of the elastic body 801 are accompanied by the formation of the piezoelectric layer 803 by gas flame spraying. Since the relationship is shifted, the elastic body 801 is processed after the piezoelectric layer 803 is formed in order to match the frequencies of both modes.
[0137]
Further, in order to remove the processing distortion due to this processing and to make the piezoelectric layer 803 completely perovskite, a heat treatment was performed at 650 ° C. for 5 hours in the same manner as in the first embodiment.
[0138]
Further, the platinum upper electrode on the surface of the piezoelectric layer 803 is soldered between the platinum upper electrodes 804a and 804b and the copper foil in order to join the wiring copper foil to the platinum upper electrodes 804a and 804b by sputtering. The foil was sandwiched and pressed at 400 ° C. in a reflow soldering furnace.
[0139]
In the ultrasonic actuator 805 configured as described above, when an AC voltage A phase is applied to the electrode 804a and an AC voltage B phase that is 90 ° different in phase from the A phase is applied to the electrode 804b by ± 5 V as an effective voltage, the elastic body 801 A movable element (not shown), which is a relative motion member that generates an elliptical motion at the tips of the driving force extraction portions 801a and 801b formed in the shape of the protrusions and comes into pressure contact via the driving force extraction portions 801a and 801b. It was confirmed that it was driven.
[0140]
In the present embodiment, a buffer layer 802 made of a platinum plating layer formed on the elastic body 801 is used as the lower electrode. Further, as the buffer layer, a layer made of nickel, a chromium layer, a nichrome layer, or the like may be formed by thermal spraying in the same manner as in the first embodiment instead of the platinum plating layer.
[0141]
(10th Embodiment)
FIG. 13 is a perspective view showing an ultrasonic actuator 905 according to the tenth embodiment.
[0142]
The ultrasonic actuator 905 shown in FIG. 13 excites the elastic body 901 by the piezoelectric layer 903 formed by thermal spraying, and generates the first-order longitudinal vibration and the fourth-order bending vibration of the elastic body 901 in a harmonic manner. The movable element (not shown) that is in pressure contact with the elastic body 901 is driven.
[0143]
In this embodiment, barium titanate (BaTiO 3) is used as the piezoelectric layer 903. _Three ) Type piezoelectric composition was used. In barium titanate, barium and titanium, which are constituent elements, both have a high melting point and the vapor pressure is close. For this reason, there is little fear of composition shift due to volatilization of one component such as Pb component in PZT, and there is a feature that the composition control is relatively easy and the spraying conditions are easy to determine. In the present embodiment, in order to lower the second transformation point of barium titanate existing near room temperature, a composition in which parium is substituted with about 10% by weight of calcium is used.
[0144]
A buffer layer 902 made of a nickel alloy is formed on the surface of the elastic body 901 as in the first to ninth embodiments, and a barium titanate-based piezoelectric layer 903 is formed on the surface of the buffer layer 902. Further, platinum upper electrodes 904a and 904b are formed on the surface by being divided into two by sputtering.
[0145]
Also in the present embodiment, the piezoelectric layer 903 is formed by plasma spraying as in the first embodiment. A method of forming the piezoelectric layer 903 made of barium titanate by thermal spraying will be described.
[0146]
A barium titanate-based composition having a Ba, Ca, Ti molar ratio of 0.9: 0.1: 1, adjusted to a secondary particle size of 5 to 40 μm by sintering, pulverization and granulation Powdered.
[0147]
Using this raw material powder, a barium titanate-based piezoelectric layer 903 having a thickness of 100 μm was formed on the surface of the buffer layer 902 by a plasma spraying apparatus. As the working gas of the plasma jet at the time of thermal spraying, argon, a mixed gas of (argon and hydrogen), and a mixed gas of (argon and helium) were used.
[0148]
Moreover, in order to raise the adhesion efficiency of the powder with respect to the elastic body 901, the surface temperature of the elastic body 901 was controlled between 300 degreeC-650 degreeC using the resistor heater. Also in the present embodiment, since the relationship between the longitudinal vibration primary mode and the flexural vibration quaternary mode of the elastic body 901 occurs with the formation of the piezoelectric layer 903, the piezoelectric elements are matched so that the frequencies of both modes match. The elastic body 901 was processed after the body layer 903 was formed.
[0149]
Further, in order to remove the processing distortion due to this processing and increase the crystallinity of the perovskite crystal layer, a heat treatment was performed by heating and holding at 650 ° C. for 5 hours, as in the first embodiment. Further, poling was performed in the atmosphere at 200 ° C. and 450 V for 1 hour.
[0150]
Also in the ultrasonic actuator 905 of the present embodiment, when an AC voltage A phase is applied to the electrode 904a and an AC voltage B phase that is 90 ° different in phase from the A phase is applied to the electrode 904b by ± 10 V in terms of effective voltage, an elastic body Elliptical motion is generated at the tips of the driving force extraction portions 901a and 901b, and elliptical motion is generated at the tips of the driving force extraction portions 901a and 901b. It was confirmed that relative movement was generated with a moving element (not shown).
[0151]
In the present embodiment, a layer made of a nickel alloy, which is a buffer layer for forming the piezoelectric layer 903 on the elastic body 901, is used as the lower electrode. As the buffer layer, a platinum plating layer, a chromium layer, or a nichrome layer may be used instead of the nickel layer.
[0152]
(Deformation)
In the description of each embodiment, an ultrasonic actuator is used as a vibration actuator, but the present invention can be equally applied to a vibration actuator using vibration in other vibration regions.
[0153]
In the description of each embodiment, a piezoelectric element is used as the electromechanical conversion element. However, the present invention is equally applicable if other electric energy such as an electrostrictive element can be converted into mechanical displacement. Can do.
[0154]
In the description of each of the above embodiments, the piezoelectric thin film is converted into a complete perovskite phase by performing a heat treatment after spraying. However, the power of the spray gas and the surface temperature of the elastic body due to heating during film formation are described. Depending on the combination, the perovskite phase is sufficiently generated without heat treatment after film formation, and the desired piezoelectric performance can be obtained without heat treatment.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded perspective view showing a first embodiment in which an electromechanical conversion effect application element according to the present invention is applied to an ultrasonic actuator which is an example of a vibration actuator.
FIG. 2 is a plan view showing an elastic body on which an upper electrode is formed, which is a component of the ultrasonic actuator according to the first embodiment.
FIG. 3 is a perspective view showing an ultrasonic actuator according to a second embodiment.
FIG. 4 is a perspective view showing an ultrasonic actuator according to a third embodiment.
5A and 5B are explanatory diagrams of an ultrasonic actuator according to a fourth embodiment, in which FIG. 5A is a perspective view, FIG. 5B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 5A, and FIG. ) Is a sectional view taken along line BB in FIG.
6A and 6B are explanatory views showing an ultrasonic actuator according to a fifth embodiment. FIGS. 6A and 6B are exploded perspective views of the ultrasonic actuator.
FIG. 7 is a perspective view showing a unimorph actuator according to a sixth embodiment.
FIG. 8 is a perspective view showing a unimorph mechanical filter vibrator of a seventh embodiment.
FIG. 9 is a perspective view showing a vibration angular velocity meter according to an eighth embodiment.
10 (a) to 10 (c) are explanatory views showing the operating principle of the piezoelectric vibration angular velocity meter of the eighth embodiment.
FIG. 11 is an explanatory view showing an example of a support form of a vibrator for realizing an unconstrained condition of the vibrator used in the eighth embodiment.
FIG. 12 is a perspective view showing an ultrasonic actuator according to a ninth embodiment.
FIG. 13 is a perspective view showing an ultrasonic actuator according to a tenth embodiment.
FIG. 14 is a graph showing a difference in crystal structure based on a difference in film formation temperature or heat treatment temperature.
[Explanation of symbols]
1 mover
2 Sliding material
3 Elastic body
3a Protrusion
3b Groove
5 Piezoelectric layer
6 Platinum top electrode
7 Ultrasonic actuator (electromechanical conversion effect applied element)

Claims

In an electromechanical conversion effect application element comprising an electromechanical conversion element that performs mutual conversion between electrical energy and mechanical displacement, and an elastic member,
A buffer layer for preventing material diffusion between the electromechanical conversion element and the elastic member is provided at a predetermined position of the elastic member,
The electromechanical conversion element is formed on the buffer layer by colliding with the surface of the buffer layer while being melted and rapidly cooled while being dissolved .

The electromechanical transducer according to claim 1,
An electromechanical conversion application element, wherein an electrode for inputting or outputting electric energy is formed on a surface of the electromechanical conversion element opposite to the side on which the buffer layer is formed.

In the electromechanical transducer application element according to claim 2,
The electromechanical conversion effect application element, wherein the buffer layer functions as an electrode for inputting or outputting electric energy.

In the electrical conversion effect application element according to claim 2 or claim 3,
Both of the electrode and the buffer layer are made of a metal having a high melting point and hardly oxidized, a noble metal having a high melting point, or an alloy thereof.

In the electromechanical conversion effect application element according to any one of claims 1 to 4,
The electromechanical conversion effect application element, wherein the buffer layer is formed by spraying on the predetermined position of the elastic member.

In the electromechanical conversion effect application element according to any one of claims 1 to 5,
The electromechanical conversion effect application element, wherein the predetermined position is a surface opposite to a surface on which the movable element is in pressure contact.

In the electromechanical transducer application element according to any one of claims 1 to 6,
The electromechanical conversion effect application element, wherein the electromechanical conversion element is a piezoelectric element or an electrostrictive element.

The electromechanical conversion application element according to claim 1, wherein the electromechanical conversion application element is an actuator or a sensor.

In the electromechanical conversion effect application element according to any one of claims 1 to 8,
The electromechanical conversion effect application element, wherein the electromechanical conversion element is made of a lead-based ferroelectric.

In the method of manufacturing an electromechanical conversion effect application element for forming an electromechanical conversion element that performs mutual conversion between electrical energy and mechanical displacement on an elastic member,
Forming a buffer layer for preventing material diffusion between the elastic member and the electromechanical transducer at a predetermined position of the elastic member;
A method for producing an electromechanical conversion effect application element, wherein the electromechanical conversion element is formed on the buffer layer by rapidly colliding with the surface of the buffer layer while dissolving the raw material powder .

In the manufacturing method of the electromechanical conversion effect application element according to claim 10,
A method for producing an electromechanical conversion effect application element, wherein an electrode for inputting or outputting electric energy is formed on a surface of the electromechanical conversion element opposite to the side on which the buffer layer is formed.

In the manufacturing method of the electromechanical conversion effect application element according to claim 11,
A method of manufacturing an electromechanical conversion effect application element, wherein after forming the electromechanical conversion element by the thermal spraying and before forming the electrode, a heat treatment is performed to remove processing strain of the elastic member. .

In the manufacturing method of the electromechanical conversion effect application element according to claim 11 or 12,
A method for manufacturing an electromechanical conversion effect application element, wherein the electromechanical conversion element is polarized using the buffer layer and the electrode.

In the manufacturing method of the electromechanical conversion effect application element according to any one of claims 10 to 13,
The buffer layer is made of a metal having a high melting point and hardly oxidized, a noble metal having a high melting point, or an alloy thereof.

In the manufacturing method of the electromechanical conversion effect application element according to any one of claims 10 to 14,
A method for manufacturing an electromechanical conversion effect application element, wherein the buffer layer is formed by spraying on the predetermined position of the elastic member.

In the manufacturing method of the electromechanical conversion effect application element according to any one of claims 10 to 15,
The method of manufacturing an electromechanical conversion effect application element, wherein the predetermined position is a surface opposite to a surface on which the movable element is in pressure contact.

In the manufacturing method of the electromechanical conversion effect application element according to any one of claims 10 to 16,
The electromechanical conversion element is a piezoelectric or electrostrictive material made of a lead-based ferroelectric material.

In the manufacturing method of the electromechanical conversion effect application element according to any one of claims 10 to 17,
When forming the electromechanical conversion element by the thermal spraying, the method for manufacturing an electromechanical conversion effect applying element, wherein the elastic member is set to a predetermined processing temperature.