JP6901886B2 - 振動子の製造方法、振動波駆動装置の製造方法および光学機器の製造方法 - Google Patents
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Description
分極処理が施された圧電セラミックスと該圧電セラミックスに接して設けられた第一の電極と第二の電極を有する圧電素子と、前記第一の電極に接する第一の接着部を介して設けられた振動板と、前記第二の電極に接する第二の接着部を介して設けられた給電部材とを有する振動子の製造方法であって、分極処理が施されていない圧電セラミックスに、前記第一の電極と前記第二の電極を設けて圧電素子を得る工程と、前記第一の電極と前記振動板との間に、温度T1(単位℃)で前記第一の接着部を形成する工程と、前記第二の電極と前記給電部材との間に温度T2(単位℃)で前記第二の接着部を形成する工程と、前記圧電セラミックスに対し、温度T3(単位℃)で分極処理を施す工程とを順に実施し、前記T1、T2およびT3が、T1>T3かつT2>T3の関係を満たすことを特徴とする。
圧電セラミックス1は、金属元素を有する原料粉末を焼成して得られる、組成が均一のバルク(焼結体)であって、分極処理を施すことにより、20℃において、圧電定数d31の絶対値が10pm/V以上または圧電定数d33が30pC/N以上を示すセラミックスである。圧電特性を潜在的に有しているという意味において、分極処理されていないセラミックスも圧電セラミックスと以下呼称する。
第一の電極2と第二の電極3は厚み5nmから10μm程度の導電性の材料よりなる。その材料は特に限定されず、例えば、Ti、Pt、Au、Ni、Pd、Ag、Cuなどの金属およびこれらの化合物を用いることができる。低コストかつ十分な導電性を有するという観点においては、銀ペーストが好ましい。また、分極処理されていない圧電セラミックスに、電極を設ける工程は特に限定されないが、銀ペーストによる第一の電極2および第二の電極3は、圧電セラミックス上に所望のパターンで前記銀ペーストを塗布し、乾燥または焼き付けることで形成できる。ここで、第一の電極は例えばグラウンド電極として、第二の電極は例えば駆動相電極として使用できる。
振動板6は弾性体よりなる。その材質は性質及び加工性の観点から金属よりなることが好ましい。振動板6に使用可能な金属としては、アルミ、真鍮、ステンレス鋼、Fe−Ni36%合金を例示できる。中でも、第一の接着部4を介した圧電素子101との密着強度を確保するという観点においては、ステンレス鋼が好ましい。ここでステンレス鋼とは鋼を50質量%以上、クロムを10.5質量%以上含有する合金を指す。ステンレス鋼の中でも、マルテンサイト系ステンレス鋼が好ましく、SUS420J2が最も好ましい。
圧電セラミックス1は、鉛の含有量が1000ppm未満、すなわち非鉛系であることが好ましい。従来の圧電セラミックスは、そのほとんどがジルコン酸チタン酸鉛(PZT)を主成分とする。そのため、例えば圧電素子が廃却され酸性雨を浴びたり、過酷な環境に放置されたりした際に、圧電セラミックス中の鉛成分が土壌に溶け出し、生態系に害を及ぼす可能性が指摘されている。しかし、鉛の含有量が1000ppm未満であれば、圧電素子が廃却され酸性雨を浴びたり、過酷な環境に放置されたりしても、圧電セラミックスに含まれる鉛成分が環境に及ぼす影響は無視できるレベルとなる。圧電セラミックスに含まれる鉛の含有量は、例えば蛍光X線分析(XRF)、ICP発光分光分析により定量された圧電セラミックスの総重量に対する鉛の含有量によって評価することができる。
本発明で製造される圧電振動子1011は、圧電セラミックス1が直方体状であり、圧電振動子1011が、節線が略直交する2つの面外振動モードの組み合わせによる合成振動を生じる機能を有することが好ましい。ここで直方体状とは、直方体だけでなく、直方体の各辺が面取りされているような形状も含む。
本発明の振動波駆動装置の製造方法は、圧電振動子と被駆動体と電圧入力手段とを有する振動波駆動装置の製造方法であって、前述した圧電振動子の製造方法によって圧電振動子を製造する工程と、前記被駆動体を前記振動板に接するように設ける工程とを有する。
次に、振動波駆動装置の駆動特性の測定方法について説明する。
まず、圧電振動子1011に交番電圧V1と交番電圧V2を印加する。ここで周波数は同一、V1とV2の位相差は90°である。このとき、振動板6の突起部61に楕円振動が発生する。そして、固定された被駆動体8(スライダ)に対し、圧電振動子1011は一方向(正進方向)に直線運動を起こす。このときの駆動速度、駆動周波数、消費電力を振動波駆動装置の駆動特性と呼ぶ。
(1)正進方向の最高速度に対する逆進方向の最高速度の割合が80%以上120%以下の範囲にあること
(2)正進方向の最高速度到達時の周波数と逆進方向の最高速度到達時の周波数との差が±1kHz以内の範囲にあること
また、この測定方法と同一の原理で、圧電振動子の振動特性も評価することができる。
(1)Aモードの正進方向の最大消費電力に対するAモードの逆進方向の最大消費電力に対する割合が60%以上140%以下の範囲にあること
(2)Bモードの正進方向の最大消費電力に対するBモードの逆進方向の最大消費電力に対する割合が60%以上140%以下の範囲にあること
(3)Aモードの正進方向の共振周波数とAモードの逆進方向の共振周波数との差が±50Hz以内の範囲にあること
(4)Bモードの正進方向の共振周波数とBモードの逆進方向の共振周波数との差が±50Hz以内の範囲にあること
本発明の光学機器の製造方法は、振動波駆動装置と光学部材とを有する光学機器の製造方法であって、前述した振動波駆動装置の製造方法によって振動波駆動装置を製造する工程と、前記振動波駆動装置と前記光学部材とを力学的に接続する工程とを有する。
(実施例1)
まず、金属酸化物粉末を焼成して分極処理が施されていない圧電セラミックス1を得た。
圧電素子101のグラウンド電極21と振動板6との間に温度T1=140℃で第一の接着部4を形成した点以外は、実施例1と同様の工程で圧電振動子Bを10個得た。
圧電素子101のグラウンド電極21と振動板6との間に温度T1=120℃で第一の接着部4を形成した点以外は、実施例1と同様の工程で圧電振動子Cを10個得た。
圧電セラミックス1に対し温度T3=135℃で分極処理を施した点以外は、実施例2と同様の工程で圧電振動子Dを10個得た。
第一の接着部4にガラス転移温度Tg1=110℃のエポキシ系の接着材を用いた点以外は、実施例1と同様の工程で圧電振動子Eを10個得た。
分極処理が施されていない圧電セラミックス1として、金属酸化物粉末を焼成して100重量部の(Ba0.86Ca0.14)(Ti0.93Zr0.06)O3に対してMnが金属換算で0.14重量部、Biが金属換算で0.20重量部含まれており、鉛の含有量が1000ppm未満である圧電セラミックスを得た点以外は実施例1と同様の工程で圧電振動子Fを10個得た。
圧電素子101のグラウンド電極21と振動板6との間に温度T1=120℃で第一の接着部4を形成した点以外は、実施例6と同様の工程で圧電振動子Gを10個得た。
分極処理が施されていない圧電セラミックス1として、金属酸化物粉末を焼成して100重量部の(Na0.88Ba0.12)(Nb0.88Ti0.12)O3に対してMnが金属換算で0.10重量部含まれており、鉛の含有量が1000ppm未満である圧電セラミックスを得た点、圧電セラミックス1に対し温度T3=135℃で分極処理を施した点以外は実施例1と同様の工程で圧電振動子Hを10個得た。
分極処理が施されていない圧電セラミックス1として、金属酸化物粉末を焼成して100重量部の(Na0.90Ba0.10)(Nb0.88Ti0.12)O3に対してMnが金属換算で0.20重量部含まれており、鉛の含有量が1000ppm未満である圧電セラミックスを得た点、圧電素子101の振動板6がついていない面において、駆動相電極31とグラウンド電極21と給電部材7との間に第二の接着部5を温度T2=135℃で熱圧着して形成した点、圧電セラミックス1に対し温度T3=130℃で分極処理を施した点以外は実施例8と同様の工程で圧電振動子Iを10個得た。
まず、金属酸化物粉末を焼成して分極処理が施されていない圧電セラミックス1を得た。
圧電素子101のグラウンド電極21と振動板6との間に温度T1=120℃で第一の接着部4を形成した点、圧電セラミックス1に対し温度T3=135℃で分極処理した点以外は、実施例1と同様の工程で圧電振動子Kを10個得た。
圧電素子101のグラウンド電極21と振動板6との間に温度T1=120℃で第一の接着部4を形成した点、圧電素子101の駆動相電極31とグラウンド電極21に、熱硬化性樹脂を有する給電部材7をT2=100℃で熱圧着した点、圧電素子101をT3=100℃で分極処理した点、ガラス転移温度Tg=110℃のエポキシ系の接着材を用いた点以外は、実施例1と同様の工程で圧電振動子Lを10個得た。
圧電セラミックス1に100重量部の(Pb0.98Sr0.02)(Zr0.55Ti0.45)O3に対してMnが金属換算で0.10重量部含まれている圧電セラミックスを用いた点、圧電素子101をT3=170℃で分極処理を施した点以外は実施例1と同様の工程で圧電振動子Mを10個得た。
圧電素子101の振動板6がついていない面において、駆動相電極31とグラウンド電極21と給電部材7との間に第二の接着部5を温度T2=180℃で熱圧着して形成した点、圧電セラミックス1に対し温度T3=160℃で分極処理を施した点以外は、比較例4と同様の工程で圧電振動子Nを10個得た。
以上の実施例、比較例の製造条件を表1に示す。
続いて、得られた圧電振動子の消費電力の周波数依存性を評価した。具体的には、2つの駆動相電極31(説明の便宜上、以降A相とB相と呼ぶ)それぞれに10.0Vppの交番電圧を、周波数掃引しながら印加した。そのときA相とB相の電圧の位相差は−90°と90°とした。以降、−90°のときを正進方向、90°のときを逆進方向と呼ぶ。このときの正進方向および逆進方向の消費電力をオシロスコープ(横河メータ&インスツルメンツ社製、商品名:DL850E)を用いて評価した。
(観点)
(1)Aモードの正進方向の最大消費電力に対するAモードの逆進方向の最大消費電力に対する割合が60%以上140%以下の範囲にあること
(2)Aモードの正進方向の共振周波数とAモードの逆進方向の共振周波数との差が±50Hz以内の範囲にあること
(3)Bモードの正進方向の最大消費電力に対するBモードの逆進方向の最大消費電力に対する割合が60%以上140%以下の範囲にあること
(4)Bモードの正進方向の共振周波数とBモードの逆進方向の共振周波数との差が±50Hz以内の範囲にあること
(実施例10から実施例18)
実施例1から9で作製した圧電振動子Aから圧電振動子Iの振動板6を被駆動体(スライダ)8に接するように設け、図7および図8のような振動波駆動装置を作製した(実施例10から18)。作製した振動波駆動装置のA相とB相には、振幅100Vpp交番電圧を周波数掃引しながら印加した。そのときA相とB相の電圧の位相差は−90°と90°とした。このときの圧電振動子1011の最高速度とそのときの周波数をセンサ18で測定した。
表3はこれらの結果を以下の観点(5)、(6)において、作製した各振動波駆動装置10個のうち、いくつがこの条件を満たしているかを示したものである。
(観点)
(5)正進方向の最高速度に対する逆進方向の最高速度の割合が80%以上120%以下の範囲にあること
(6)正進方向の最高速度到達時の周波数と逆進方向の最高速度到達時の周波数との差の±1kHz以内の範囲にあること
(実施例19および比較例11)
実施例10で作製した振動波駆動装置と光学部材とを力学的に接続し、図10のような光学機器を作製した(実施例19)。また、比較例6で作製した振動波駆動装置を光学部材とを力学的に接続し、図10のような光学機器を作製した(比較例11)。どちらの光学機器も交番電圧の印加に応じたオートフォーカス動作を確認できたが、実施例19のフォーカス動作は比較例11のフォーカス動作に比べて、正進方向と逆進方向のフォーカス時間の差が小さかった。
101 圧電素子
1011 圧電振動子
2 第一の電極
21 グラウンド電極
3 第二の電極
31 駆動相電極
4 第一の接着部
5 第二の接着部
6 振動板
61 突起部
7 給電部材
7a 電気配線
8 被駆動体(スライダ)
9 電圧入力手段
11 保持部材
12 移動筐体
13 ビス
14 ガイド部材
15 レンズ保持部材
16 レンズ
17 連結部材
18 センサ
19 スケール
21 グラウンド電極
31 駆動相電極
Claims (16)
- 振動子の製造方法であって、
分極処理されていない圧電セラミックスに、電極を設けて圧電素子を得る工程と、
前記圧電素子と振動板を温度T1で接着する工程と、
前記圧電素子と給電部材を温度T2で接着する工程と、
前記圧電セラミックスに対し、温度T3で分極処理を施す工程と、
を順に実施し、
前記T1、T2およびT3が、T1>T3かつT2>T3の関係を満たし、
前記圧電素子と前記振動板の間の第一の接着部のガラス転移温度Tg1と、
前記圧電素子と前記給電部材の間の第二の接着部のガラス転移温度Tg2と、
前記T3が、Tg1>T3かつTg2>T3の関係を満たすことを特徴とする、振動子の製造方法。 - 前記T1、T2およびT3がT1>T2>T3の関係を満たす、請求項1に記載の振動子の製造方法。
- 前記T1が20℃以上、600℃未満である、請求項1又は2に記載の振動子の製造方法。
- 前記T3が20℃以上である、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の振動子の製造方法。
- 前記圧電セラミックスの脱分極温度Tdと前記T2がT2≧Tdの関係を満たす、請求項1乃至4のいずれか一項に記載の振動子の製造方法。
- 前記Tdが120℃以下である、請求項5に記載の振動子の製造方法。
- 前記振動板の20℃の線膨張係数αsが9.0×10−6/℃以上20.0×10−6/℃以下である、請求項1乃至6のいずれか一項に記載の振動子の製造方法。
- 前記振動板が鋼を50質量%以上、クロムを10.5質量%以上含有する合金よりなる、請求項1乃至7のいずれか一項に記載の振動子の製造方法。
- 前記圧電セラミックスの鉛の含有量が1000ppm未満である、請求項1乃至8のいずれか一項に記載の振動子の製造方法。
- 前記αsと前記圧電セラミックスの20℃の線膨張係数αpとが、0.5≦αs/αp≦1.5の関係を満たす、請求項7乃至9のいずれか一項に記載の振動子の製造方法。
- 前記振動板の20℃のヤング率Ysと前記圧電セラミックスの20℃のヤング率Ypとが、0.5≦Ys/Yp≦2の関係を満たす、請求項1乃至10のいずれか一項に記載の振動子の製造方法。
- 前記圧電セラミックスがチタン酸バリウム系材料よりなる、請求項1乃至11のいずれか一項に記載の振動子の製造方法。
- 前記圧電セラミックスが直方体状であり、前記振動子が、節線が略直交する2つの面外振動モードの組み合わせによる合成振動を生じる機能を有する、請求項1乃至12のいずれか一項に記載の振動子の製造方法。
- 前記圧電素子は、前記給電部材が接する部分に2つの電極を有し、該2つの電極に接する部分の圧電セラミックスの極性が同じである、請求項1乃至13のいずれか一項に記載の振動子の製造方法。
- 振動子と被駆動体と電圧入力手段とを有する振動波駆動装置の製造方法であって、
請求項1乃至14のいずれか一項に記載の振動子の製造方法によって振動子を製造する工程と、
被駆動体を前記振動板に接するように設ける工程と、
を有することを特徴とする、振動波駆動装置の製造方法。 - 振動波駆動装置と光学部材とを有する光学機器の製造方法であって、
請求項15に記載の振動波駆動装置の製造方法によって振動波駆動装置を製造する工程と、
前記振動波駆動装置と光学部材とを力学的に接続する工程と、
を有することを特徴とする、光学機器の製造方法。
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