JP5780910B2 - 円筒型圧電素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、円筒型圧電素子の製造方法に関する。

従来より、円筒型圧電素子の小型化が望まれている。円筒型圧電素子の小型化には、製造上の困難さが伴う。特許文献１には、小型の円筒型圧電素子を製造する方法が開示されている。すなわち、特許文献１に開示されている製造方法によれば、まず、円筒形状を呈する圧電素子であって、径方向に凸で軸方向を長手方向とする凸部が外周面に設けられた形態の圧電素子を押出成形する。続いて、前記凸部を含む外周面に駆動電極を形成し、内周面には基準電極を形成する。そして、それら電極を利用して当該圧電素子に分極処理を施した後、前記凸部を機械加工で除去する。これら一連の工程により、複数個に分割された駆動電極を備える円筒型圧電素子を得ることができる。

特開２００９−２１２５１９号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている製造方法によれば、上述した外周面の凸部を除去する工程において高精度な機械加工を要する。この機械加工の精度が良好でない場合には、例えば当該円筒型圧電素子の割れや駆動電極の短絡等の様々な不具合が生じる虞がある。具体的には、例えば前記凸部の除去が不完全であれば、駆動電極に電圧を印加しても十分な変位を得られないことがある。また、前記凸部の除去加工が深すぎて溝を形成してしまった場合には、駆動電極に電圧を印加した際の変形で、当該円筒型圧電素子に割れが発生する虞がある。

本発明は、前記の事情に鑑みて為されたものであり、加工難易度を上げずに小型化を実現した円筒型圧電素子の製造方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明の第１の態様による円筒型圧電素子の製造方法は、
円筒型圧電素子の製造方法であって、
圧電材料を円筒型に成型して焼成した円筒型圧電材料を作成し、
前記円筒型圧電材料の内周面に基準電極を設け、
前記円筒型圧電材料の外周面に、周方向に所定の幅を持ち且つ軸方向には一方端から他方端へ亘る複数の駆動用電極を設け、
前記円筒型圧電材料の外周面のうち、前記円筒型圧電材料の軸方向における一方端近傍部位に、前記軸方向について前記複数の駆動用電極に対して直列に且つ電気的に導通する態様で分極用電極を設け、
前記分極用電極と前記基準電極との間に所定の電圧を印加し、当該円筒型圧電材料のうち前記複数の駆動用電極に対応する領域を分極し、
前記円筒型圧電材料のうち前記分極用電極を除去する
ことを特徴とする。

本発明によれば、加工難易度を上げずに小型化を実現した円筒型圧電素子の製造方法を提供することができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る円筒型圧電素子の製造方法における“成型・焼成ステップ”を示す図である。 図２は、本発明の第１実施形態に係る円筒型圧電素子の製造方法における“外部電極形成ステップ”を示す図である。 図３は、本発明の第１実施形態に係る円筒型圧電素子の製造方法における“分極ステップ”を示す図である。 図４は、本発明の第１実施形態に係る円筒型圧電素子の製造方法における“切断・研磨除去ステップ”を示す図である。 図５は、本発明の第１実施形態に係る円筒型圧電素子の製造方法により製造された円筒型圧電素子の斜視図を示す図である。 図６は、本発明の第１実施形態に係る円筒型圧電素子を、細径ＳＰＭプローブに適用した一例を示す斜視図である。 図７は、本発明の第１実施形態に係る円筒型圧電素子を微小ステージに適用した一例を示す斜視図である。 図８は、本発明の第１実施形態に係る円筒型圧電素子を、細径ＳＰＭプローブに適用した一例を示す斜視図である。 図９は、本発明の第１実施形態に係る円筒型圧電素子を微小ステージに適用した一例を示す斜視図である。 図１０は、本発明の第２実施形態に係る円筒型圧電素子の製造方法における“成型・焼成ステップ”を示す図である。 図１１は、同製造方法における“外部電極形成ステップ”を示す図である。 図１２は、同製造方法における“分極ステップ”を示す図である。 図１３は、同製造方法における“切断・研磨除去ステップ”を示す図である。 図１４は、同製造方法により製造された円筒型圧電素子の斜視図を示す図である。 図１５は、複数本の円筒型圧電材料を同時に分極処理する為の装置構成を示す図である。 図１６は、円筒型圧電素子を端面側から観た図である。 図１７は、図１６に示すＡ−Ａ´線における円筒型圧電素子の断面矢視図である。 図１８は、図１６に示すＡ−Ａ´線における円筒型圧電素子の断面矢視図である。

［第１実施形態］
以下、図面を参照して本発明の第１実施形態に係る円筒型圧電素子の製造方法について説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る円筒型圧電素子の製造方法における“成型・焼成ステップ”を示す図である。図２は、同製造方法における“外部電極形成ステップ”を示す図である。図３は、同製造方法における“分極ステップ”を示す図である。図４は、同製造方法における“切断・研磨除去ステップ”を示す図である。図５は、同製造方法により製造された円筒型圧電素子の斜視図を示す図である。

まず、例えばジルコン酸チタン酸鉛(ＰＺＴ)等に代表される圧電材料を、成型や切削等の方法によって円筒形状に成型して焼成し（成型・焼成ステップ）、中空部位（貫通孔）３Ｈを備える円筒型圧電材料３を作成する。
続いて、円筒型圧電材料３の外周面及び内周面に、次のように電極を形成する（外部電極形成ステップ）。すなわち、円筒型圧電材料３の外周面には、周方向に所定の幅を持ち且つ軸方向（円筒型圧電材料３の長さ方向）には一方端から他方端へ亘って、複数の駆動用電極５−１，５−２（図２では不可視の部位のものを含めて、周方向に等間隔に計４個の駆動用電極）を形成する。

さらに、これら４個の駆動用電極全てと導通し且つ当該円筒型圧電材料３の軸方向における一方端近傍に位置するように（前記軸方向について前記複数の駆動用電極に対して直列に）分極用電極５−１１を形成する。
他方、円筒型圧電材料３の内周面には、その略全面に基準電極５−２１を形成する。
ここで、図２に示す例では、２つの駆動用電極５−１，５−２のみしか図示されていないが、実際には当該図面の視点では不可視の部位に更に２つの駆動用電極が設けられている。詳細には、当該円筒型圧電材料３を周方向に４等分する位置に一つずつ計４個の駆動用電極が設けられている。

なお、円筒型圧電素子の軸方向と直交する４方向に駆動する円筒型圧電素子を製造する場合には、上述の態様で４つの駆動用電極を設ける方法が一般的ではある。しかしながら、少なくとも２つ以上の駆動用電極を設けた態様の円筒型圧電素子を製造するのであれば、本第１実施形態を適用することによる格別な効果（後述）を得ることができる。
上述した円筒型圧電材料３の内周面及び外周面に形成する各電極の材料としては、銀、銀パラジウム、金、またはニッケル等、任意の導電性材料を挙げることができる。また、各電極を形成する方法は任意であり、例えばスクリーン印刷、スパッタ、またはメッキ等を挙げることができる。

なお、上述の外部電極形成ステップにおいて各外部電極を形成する順序は任意である。
上述の外部電極形成ステップを完了した後、分極用電極５−１１と、基準電極５−２１との間に所定の電圧Ｖを印加し、当該円筒型圧電材料３に分極処理を施す（分極ステップ）。具体的には、例えば基準電極５−２１にマイナスの電位を与え、且つ、分極用電極５−１１にプラスの電位を与えることで、分極用電極５−１１と基準電極５−２１との間に所定の電圧を印加して当該円筒型圧電材料３を分極させればよい。

この分極ステップにより、円筒型圧電材料３のうち各駆動用電極より内径側の圧電材料（各駆動用電極の配設部位に対応する部位の圧電材料）が圧電活性領域となる。これは、分極用電極５−１１が全ての駆動用電極と導通しているからであり、それぞれの駆動用電極を用いて複数回の分極処理を行う必要がない。つまり、分極用電極５−１１と基準電極５−２１との間で分極処理を一回施すだけで、全ての駆動用電極に対応する部位についての分極処理が完了する。

上述の分極ステップを完了した後、円筒型圧電材料３のうち分極用電極５−１１が形成されている部位を例えばダイシングやレーザ加工等によって切断し、或いは、分極用電極５−１１を研磨によって除去する（切断・研磨除去ステップ）。この切断・研磨除去ステップにより、全ての駆動用電極間が非導通となり、互いに独立した複数の圧電活性領域及び駆動用電極が形成され、図５に示す円筒型圧電素子１０が完成する。

以上説明したように、本第１実施形態によれば、加工難易度を上げずに小型化を実現した円筒型圧電素子の製造方法及び円筒型圧電素子を提供することができる。すなわち、本第１実施形態に係る円筒型圧電素子の製造方法によれば、複数の圧電活性領域を有する円筒型圧電素子の製造において、複雑な形状の円筒型圧電素子の焼成や精密な後加工等が必要なく、さらに複数の微細な電極への導通確保も必要ない。従って、簡略な製造工程且つ高い信頼性で、小型の円筒型圧電素子を製造することができる。

以下、本第１実施形態に係る円筒型圧電素子を適用した微小駆動機構について説明する。図６は、本第１実施形態に係る円筒型圧電素子を、細径ＳＰＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）プローブに適用した一例を示す斜視図である。図７は、本第１実施形態に係る円筒型圧電素子を微小ステージに適用した一例を示す斜視図である。
すなわち、図６に示す例では、本第１実施形態に係る円筒型圧電素子１０の一方端側の中空部位（開口部位）に探針部材１００１を配設し、且つ、他方端を支持部１０００に対して固定している。このように構成することで、探針部材１００１を被駆動体とする微小駆動機構（細径ＳＰＭ(Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ)プローブ）が実現する。

また、図７に示す例では、本第１実施形態に係る円筒型圧電素子１０の一方端面に平板１００３を設け、且つ、他方端を支持部１０００に対して固定している。このように構成することで微小ステージが実現し、例えばスキャナミラー等に用いることができる。

以下、図８及び図９を参照して、共振現象を利用した駆動を行う場合の適用例を説明する。
図８に示す例では、本第１実施形態に係る円筒型圧電素子１０の一方端側の中空部位（開口部位）に探針部材１００１を配設し、且つ、他方端側の所定位置を支持部１０００に対して固定している。このように構成することで、探針部材１００１を被駆動体とする微小駆動機構（細径ＳＰＭ(Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ)プローブ）が実現する。

また、図９に示す例では、本第１実施形態に係る円筒型圧電素子１０の一方端面に平板１００３を設け、且つ、他方端側の所定位置を支持部１０００に対して固定している。このように構成することで微小ステージが実現し、例えばスキャナミラー等に用いることができる。

ここで、図８及び図９に示す例において、支持部１０００で固定している位置は、円筒型圧電素子１０と被駆動体（探針部材１００１或いは平板１００３）とから成る系の共振モードにおける節位置である。このように構成し、円筒型圧電素子１０と被駆動体（探針部材１００１或いは平板１００３）とから成る系の共振周波数の駆動信号を各圧電活性化領域に印加することで、共振現象を利用してより大きな振幅を得ることができる。
［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態に係る円筒型圧電素子の製造方法について説明する。なお、説明の重複を避ける為、第１実施形態に係る円筒型圧電素子の製造方法との相違点を説明する。この相違点の一つは、外部電極形成ステップ及び分極ステップにおける処理である。

図１０は、本発明の第２実施形態に係る円筒型圧電素子の製造方法における“成型・焼成ステップ”を示す図である。図１１は、同製造方法における“外部電極形成ステップ”を示す図である。図１２は、同製造方法における“分極ステップ”を示す図である。図１３は、同製造方法における“切断・研磨除去ステップ”を示す図である。図１４は、同製造方法により製造された円筒型圧電素子の斜視図を示す図である。

まず、第１実施形態と同様、“成型・焼成ステップ”において中空部位（貫通孔）３Ｈを備える円筒型圧電材料３を作成し（図１０参照）、続いて“外部電極形成ステップ”において当該円筒型圧電材料３の外周面及び内周面に外部電極を設ける（図１１参照）。この“外部電極形成ステップ”においては、円筒型圧電材料３の内周面に基準電極５−２１を形成し、且つ、外周面に複数の駆動用電極と、分極用電極５−１１と、本第２実施形態に特有の“折り返し電極５−３１”と、を設ける。

前記折り返し電極５−３１は、当該円筒型圧電材料３のうち分極用電極５−１１が設けられた側の端部とは逆側の端部において、当該円筒型圧電材料３の内周面の基準電極５−２１と一体的に（電気的に導通して）形成されている。換言すれば、円筒型圧電材料３の内周面の基準電極５−２１を外周面に導出して形成した電極が、折り返し電極５−３１である。

そして、分極ステップにおいては、折り返し電極５−３１と分極用電極５−１１との間に所定の電圧Ｖを印加する（図１２参照）。従って、本第２実施形態に係る円筒型圧電素子の製造方法によれば、分極処理を、円筒型圧電材料３の外周面の外部電極のみを利用して行うことができる。つまり、分極処理のための電気的接続が容易となる（電気的接続構成が簡略となる）。

上述の分極ステップを完了した後は、第１実施形態と同様に“切断・研磨除去ステップ”によって、円筒型圧電材料３のうち分極用電極５−１１が形成されている部位を例えばダイシングやレーザ加工等によって切断し、或いは、分極用電極５−１１を研磨によって除去する。これにより、図１４に示す円筒型圧電素子１０が完成する。

ところで、図１５に示すように、折り返し電極５−３１を利用することで、複数本の円筒型圧電材料３を同時に分極処理することができる。図１５は、複数本の円筒型圧電材料３を同時に分極処理する為の装置構成を示す図である。同図に示すように、互いに平行に２本の棒状電極１１０，１２０を配設し、それら棒状電極１１０，１２０間を橋渡しするように、棒状電極１１０，１２０上に複数本の円筒型圧電材料３を載置する。

さらに、例えば絶縁性の弾性部材１００等の押し付け部材によって、複数本の円筒型圧電材料３を上方から押さえる。なお、この押し付け部材による円筒型圧電材料３の押さえ付けは、単に位置固定の為であり、必ずしも必要ではない。
そして、棒状電極１１０と棒状電極１２０との間に所定の電圧Ｖを印加することで、全ての円筒型圧電材料３を一括して分極処理することができる。図１５に示す態様で分極処理することで、円筒型圧電材料３の内周面の基準電極に電圧を印加する為の治具が不要になり、更に位置決めも容易になる。

ところで、図１６は、円筒型圧電素子１０を端面側から観た図である。図１７及び図１８は、図１６に示すＡ−Ａ´線における円筒型圧電素子１０の断面矢視図である。図１７に示す例では、円筒型圧電材料３の端面に特に何ら加工を施さない状態で、基準電極５−２１と折り返し電極５−３１とを設けている。図１８に示す例では、円筒型圧電材料３の端面を面取り加工して面取り部３ｔを形成した後に、基準電極５−２１と折り返し電極５−３１とを設けている。

図１８に示すように構成することで、円筒型圧電素子１０の端面の縁部位が例えば磨耗等によって削り取られてしまう等によって、基準電極５−２１と折り返し電極５−３１との電気的導通が無くなってしまうことを未然に防ぐことができる。
以上説明したように、本第２実施形態によれば、第１実施形態に係る円筒型圧電素子の製造方法及び円筒型圧電素子と同様の効果を奏する上に、分極処理の為の電気的接続を円筒型圧電材料の外周面のみで行うことができる為、“分極ステップ”を更に簡略化することができる。

なお、図１４に示すように完成後の円筒型圧電素子１０は折り返し電極５−３１を備えているが、折り返し電極５−３１を切断してしまっても勿論よい。しかしながら、折り返し電極５−３１を残存させることで、当該円筒型圧電素子１０の駆動時に内周面の基準電極５−２１にプローブを接触させる必要がない。つまり、折り返し電極５−３１を利用することで、円筒型圧電素子１０の内周面の外部電極（基準電極５−２１）を用いずに当該円筒型圧電素子１０を駆動することが可能となる。

以上、第１実施形態及び第２実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述の例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で、例えば次のような変形及び応用が可能なことは勿論である。
さらに、上述した実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示した複数の構成要件の適当な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示す全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成も発明として抽出され得る。

３Ｈ…中空部位、 ３…円筒型圧電材料、 ３ｔ…面取り部、 ５−１，５−２…駆動用電極、 ５−１１…分極用電極、 ５−２１…基準電極、 ５−３１…折り返し電極、 １０…円筒型圧電素子、 １０００…支持部、 １００…弾性部材、 １００１…探針部材、 １００３…平板、 １１０，１２０…棒状電極。

Claims (3)

1. 円筒型圧電素子の製造方法であって、
   圧電材料を円筒型に成型して焼成した円筒型圧電材料を作成し、
   前記円筒型圧電材料の内周面に基準電極を設け、
   前記円筒型圧電材料の外周面に、周方向に所定の幅を持ち且つ軸方向には一方端から他方端へ亘る複数の駆動用電極を設け、
   前記円筒型圧電材料の外周面のうち、前記円筒型圧電材料の軸方向における一方端近傍部位に、前記軸方向について前記複数の駆動用電極に対して直列に且つ電気的に導通する態様で分極用電極を設け、
   前記分極用電極と前記基準電極との間に所定の電圧を印加し、当該円筒型圧電材料のうち前記複数の駆動用電極に対応する領域を分極し、
   前記円筒型圧電材料のうち前記分極用電極を除去する
   ことを特徴とする円筒型圧電素子の製造方法。
2. 前記基準電極を前記内周面に設ける際には、さらに前記内周面から前記外周面の前記他方端近傍部位まで連続的に延出させて設ける
   ことを特徴とする請求項１に記載の円筒型圧電素子の製造方法。
3. 前記分極は、第１の棒状電極と第２の棒状電極とを互いに略平行に配置し、前記第１の棒状電極上に前記分極用電極を設けた前記一方端近傍部位を載置し、前記第２の棒状電極上に前記基準電極が延出された前記外周面の前記他方端近傍部位を載置し、前記第１の棒状電極と前記第２の棒状電極との間に所定の電圧を印加することで行う
   ことを特徴とする請求項２に記載の円筒型圧電素子の製造方法。

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