JPH05284760A - 圧電アクチュエータ用振動体及び製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 振動体を構成する圧電素子の微細加工を実現
することにより、小型化に於いても安定した品質が得ら
れる製造方法を提供し、圧電アクチュエータや圧電モー
タの特性向上を得る。 【構成】 圧電材に複数の圧電素子を構成するための分
極パターンを形成する工程３０２と、前記分極パターン
の各々に分極処理を施す工程３０３と、前記分極処理を
施した圧電材に任意の電極パターンを形成する工程３０
４と、前記電極パターンを形成した圧電材を、所定の形
状に分離する工程３０５と、前記工程で得られた圧電素
子と弾性体とを固着する工程３０６とからなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、圧電アクチュエータ
を構成する振動体および製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より行われている圧電アクチュエー
タ用振動体の製造方法を、図２の工程図を用いて以下に
説明する。圧電材は、圧電材素原料を混合の後、所定の
立方ブロックにプレス成形および焼結し、立方ブロック
圧電材をセンタレスグラインダにより円筒ブロックに形
状加工の後、円筒ブロック圧電材中心位置をドリリング
により、内径加工する。次に、円筒ブロック圧電材をダ
イシングソーにより切断し、切断した圧電材をラッピン
グマシンにより厚み加工する（工程２０１）。以上の工
程により圧電素子の外形および厚み加工が終了する。

【０００３】次に、前記外形および厚み加工を終了させ
た圧電材を、分極パターン形成治具に外形基準にセット
し、メタルマスクを用いた蒸着法（導電薄膜形成法）に
よる分極パターン形成を行う（工程２０２）。分極パタ
ーンを形成した圧電材は分極治具にセットし、直流電圧
を印加し、圧電材に圧電活性をあたえる分極処理を行う
（工程２０３）。

【０００４】前記分極処理を行った圧電材を電極パター
ン形成治具にセットし、前記分極パターンを一部に利用
し駆動用電極パターンとしての配線を、メタルマスクを
用いた蒸着法（導電薄膜形成法）により形成し、圧電素
子を得る（工程２０４）。その後、前記圧電素子と弾性
体部品を接着治具に各々外形基準にセットし、接着材注
入の後、加熱しながら加圧保持し、前記圧電素子と弾性
部品とを固着する（工程２０５）。

【０００５】図７は、従来の振動体の製造方法より得ら
れた圧電素子７１および弾性体７７である。図８（Ａ）
および図８（Ｂ）は、従来の圧電素子製造方法のセンタ
レスグラインダによる円筒ブロック圧電材の平面図およ
び側面図であり、図８（Ｃ）および図８（Ｄ）は、従来
の圧電素子製造方法のラッピングマシンによる厚み加工
仕上り圧電材の平面図および側面図である。これら円筒
ブロックより切断して得られる圧電素子は、その加工上
の制約により、弾性体に対する圧電素子の固着面部の径
およびその対応面部の径は同一の径となる。

【０００６】図９は、従来の圧電素子製造方法の圧電材
厚み加工仕上りから圧電素子形成までの説明図である。
分極の方向が異なる電極間の接続のある圧電素子の場
合、まず、所定の厚さ、形状に加工された圧電材９１
（図９（Ａ）、（Ｂ））の一方の面に圧電活性分極パタ
ーン９２の導電膜を形成し、他方の面にＧＮＤ分極パタ
ーン９３の導電膜を形成する（図９（Ｃ）、（Ｄ）、
（Ｅ））。次に分割されて形成された圧電活性分極パタ
ーンに分極治具９４および９５を接触させる（図９
（Ｆ）、（Ｇ）、（Ｈ））。

【０００７】分極治具９４には１２本のピンがあり、こ
のピンに対し、図示するような二本づつの組み合わせで
正の直流電圧と負の直流電圧を加え、分極を行う。この
時、他方のＧＮＤ電極を正の直流電圧と負の直流電圧の
中間の０ボルトにする。その後、図９（Ｉ）、（Ｊ）に
示すように分極パターン９２ａおよび９２ｂを利用し、
電極パターンを形成する（図１０）。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、弾性体に圧電
素子を固着する工程において、固着する為に用いられる
接着材等の硬化時に発熱が生じ、または前記接着剤の硬
化のために外部から熱を与えた場合、この熱により圧電
セラミックス材料等からなる圧電素子と金属等からなる
弾性体との線膨張率の比が１／１０であることから接着
時の面内での膨張比は１／１０² となる。このため弾性
体と圧電素子とを固着した後、圧電素子内部には歪が生
じ、この歪みによる現象として、理論出力値（発生トル
ク）と実際の出力値とのギャップを生ずる。この原因は
圧電素子が持つ内部歪に起因すると考えられ、また、圧
電素子に高電圧を付加したときの圧電素子の割れも同様
の原因と考えられる。

【０００９】また、さらなる課題は振動体の駆動源であ
る圧電素子の製造方法において、高精度かつ高品位での
圧電材料の加工が困難であること等があげられる。一般
的に圧電セラミックス材料を加工する際には、砥石を用
いたグラインディングまたは遊離砥粒を用いたラッピン
グおよびこれらを組み合わせた加工法によって高精度加
工を実現している。しかし、圧電素子の微細形状が特性
上の問題とされる圧電アクチュエータにおいては、前記
加工工程の設計、および新たな加工工程が必要とされて
いる。

【００１０】この発明の目的は、従来のこのような問題
を解決するための圧電アクチュエータ用振動体の構造お
よび製造法につき、振動体を構成する圧電素子の微細加
工を実現することにより、小型化においても安定した品
質が得られる製造方法を提供し、圧電アクチュエータや
圧電モータの特性向上を得ることにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この発明は圧電素子を弾性体に固着させて、該圧電
素子に設けられた複数の電極パターンに電圧を印加する
ことで圧電素子を振動させ、この結果、前記弾性体を変
位させ、この弾性体に接触する物体を移動または回転せ
しめる圧電アクチュエータ用振動体において、前記圧電
素子の表裏面の径の大きさが異なり、この結果、側面が
傾斜した圧電素子を形成し、この圧電素子の径の大きい
面と弾性体とを固着して振動体を構成した。

【００１２】また、前記圧電素子の高精度微細加工を実
現するために、厚み仕上げを施した圧電材上に複数の圧
電素子を構成するための分極パターンを形成する工程
と、その後、前記分極パターンに分極処理を施す工程を
経て、任意の電極パターンを形成し、次に、前記電極パ
ターンを形成した圧電材を、所定の形状に分離する工程
において、レーザー加工法またはブラスティング加工
法、エッチング加工法等を用い、圧電素子の微細形状加
工を実現した。

【００１３】そして前記工程で得られた圧電素子と弾性
体とを固着する工程により圧電アクチュエータ用振動体
を得るようにしたものである。また、前記分極パターン
を形成する工程と分極接続パターンを形成する工程とを
同一の工程とすることにより、小型化を困難としていた
微細パターンの分極処理および分極治具の管理を軽減す
ることが可能となり、分極処理工程においても安定した
品質での製造方法を実現するようにしたものである。

【００１４】

【作用】上記のように構成された圧電アクチュエータに
おいては、弾性体に圧電素子を固着する工程における圧
電素子の内部歪を圧電素子構造により回避し、例えば圧
電アクチュエータの特性のひとつである発生トルクを向
上し、また、圧電素子に高電圧を付加したときの圧電素
子の割れを減少させた。

【００１５】さらに、本発明では前記圧電素子構造を実
現する製造方法と小型化に有利となる振動体の製造方法
を提示し、圧電アクチュエータの小型化および特性向上
を達成した。

【００１６】

【実施例】以下に、この発明の実施例を、図面に基づい
て詳細に説明する。図１は、本発明の圧電アクチュエー
タ用振動体の圧電素子および弾性体と圧電素子とを固着
した状態を示す説明図である。圧電素子の平面図（図１
（Ａ））および振動体の側面図（図１（Ｂ））で示すよ
うに、弾性体１９に相対して固着する圧電材１１の一方
の面はこれに反する他方の面より大きく、従って、前記
圧電材１１の側面には台形状の勾配を有し、この圧電素
子の径大の一方の面を弾性体に接着または固着すること
によって振動体を構成する。

【００１７】図３は、本発明の圧電アクチュエータ用振
動体の製造方法の実施例の工程図である。圧電材は、圧
電材素原料を混合の後、所定の立方ブロックにプレス成
形および焼結する。また、この後ラッピングを用いて厚
み仕上げを行う（工程３０１）。その後、立方ブロック
圧電材の厚み方向および平面方向に、少なくとも２個以
上の圧電素子を得るための分極パターンを形成する（工
程３０２）。

【００１８】次に、立方ブロックを分極治具にセット
し、各々の分極パターンに分極用ピンを接触させ直流電
圧を加え圧電活性を与える分極処理を行う（工程３０
３）。さらに、前記分極処理を行った圧電材を電極パタ
ーン形成治具にセットし、この分極パターンを利用して
駆動用電極パターンとしての配線を、メタルマスクを用
いた蒸着法（導電薄膜形成法）等により形成する（工程
３０４）。

【００１９】次に、電極パターンを形成した圧電材にレ
ーザー加工法等を用いて所定の形状に分離加工を行う
（工程３０５）。この時、駆動用電極パターンが形成さ
れていない圧電材は追加工として電極パターン形成治具
にセットし、駆動用電極パターンを形成する。その後、
前記分離加工工程によって得られた圧電素子と弾性体部
品を接着治具に各々外形基準にセットし、接着材により
これらを固着する（工程３０６）。

【００２０】図４は他の圧電アクチュエータ用振動体の
製造方法の実施例の工程図である。この実施例において
は、立方ブロック圧電材を切断およびラッピングによる
厚み加工を行い、圧電素子完成形状の厚み寸法の板状圧
電材を形成する（工程４０１）。次に前記板状圧電材に
２個以上の分極パターンを導電材で形成する（工程４０
２）。前記分極パターンに所定の分極処理を施すための
分極接続パターンを、図１１（Ａ）、（Ｂ）または図１
２、図１３、図１４、図１５の平面図に示す分極パター
ン配置となるよう蒸着により形成する（工程４０３）。
これら分極パターンおよび分極接続パターンは、導電
材形成法で同時に形成しても良い。また、圧電材に導電
薄膜を形成の後、フォトリソグラフィーを用いて導電材
をパターニングしても良い。

【００２１】板状圧電材を分極治具にセットし、前工程
で形成した分極パターンおよび分極接続パターンを用い
て、例えば図１１（Ａ）においては分極接続パターン上
に分極用ピンを２本接触し、図１１（Ｂ）においてはＧ
ＮＤとして分極用ピンを１本接触させ、これら分極用ピ
ンに直流電圧を印加し、分極処理を行う（工程４０
４）。

【００２２】また、図１２の例では、一つの圧電素子を
構成する分極パターン上に分極用ピンを６本、本圧電素
子および他の圧電素子を構成する分極パターンとも接続
した共通分極接続パターン上に分極用ピンを１本接触
し、さらに裏面よりＧＮＤとして分極用ピンを１本接触
し、直流電圧を印加することで分極処理を行う（同工程
４０４）。また、図１３および図１４、図１５の分極パ
ターンおよび分極接続パターンでは、圧電素子を構成す
る分極パターンを複数分極接続パターンによって配線
し、板状圧電材表面に２本の分極用ピンおよび裏面ＧＮ
Ｄに１本の分極用ピンで分極処理を行う。

【００２３】次に図１１においては、駆動用電極パター
ンに利用できない部分の分極パターンおよび分極接続パ
ターンを剥離する。但し、図１２〜図１５に示す構成に
おいては、圧電材に形成した分極パターンおよび分極接
続パターンは剥離しない。分極処理を施した板状圧電材
に分極パターンを利用し、導電薄膜形成法により駆動用
電極パターンを形成する（工程４０５）。

【００２４】電極パターンを形成した圧電材にエッチン
グ法を用いて所定の形状に分離加工を行い、圧電素子を
得た（工程４０６）。また、図１１においても分極パタ
ーンおよび分極接続パターンを剥離することなく、分極
パターン上に絶縁薄膜を形成し、任意の分極パターンを
接続する配線を導電薄膜形成法を用いて行う方法でも良
い。

【００２５】次に、分離加工工程によって得られた圧電
素子と弾性体を接着治具にセットし、接着剤により固着
する（工程４０７）。前記実施例においては、工程４０
６、工程４０７を入れ替え、圧電材と弾性体を固着した
後、圧電素子を所定の形状に形状加工した。図５は図４
に示す４０６仕上り時の形状を説明した平面図である。
ここにおける電極パターンが構成する圧電素子およびそ
の他の圧電素子の寸法間隔は、板状圧電材の厚みより大
きく配置してある。

【００２６】図６は他の実施例であり、図４に示す工程
４０１仕上り後、追加工としてサンドブラスト法により
窓加工を施したブリッジを構成し、該ブリッジ部を用い
分極接続パターンを形成した平面図である。これら何れ
の実施例においても同様の結果が得られた。以上の工程
によって得られた振動体に電圧を印加し、圧電アクチュ
エータの特性のひとつである駆動時トルクを評価したと
ころ、従来の工程で得られた振動体と比較すると各実施
例とも８〜１０％の駆動時トルクの向上が得られた。特
に図６の実施例である窓加工工程を設けた振動体の製造
方法では、他の実施例よりも駆動トルクが高くなる結果
が得られた。これは、他の実施例の場合は分極処理の
際、連続する圧電材が制約となり、分極活性が充分得ら
れないことが原因と思われる。

【００２７】また、分極処理工程の歩留りにおいて、従
来工程では８４％であったが、本発明の方法によると９
１〜９５％の歩留りの向上が得られた。

【００２８】

【発明の効果】この発明は、以上説明したように、圧電
素子と弾性体とを固着する際の課題を解決し、圧電アク
チュエータの特性向上を果たし、さらに、高精度、微細
加工プロセスを実現し、圧電アクチュエータの製造を簡
単且つ容易にするとともに製造コストを安くできるとい
う効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧電アクチュエータ用振動体の平面図
および側面図である。

【図２】従来の圧電アクチュエータ用振動体の製造方法
を示す工程図である。

【図３】本発明の圧電アクチュエータ用振動体の製造方
法を示す工程図である。

【図４】本発明の他の実施例による圧電アクチュエータ
用振動体の製造方法を示す工程図である。

【図５】本発明の圧電素子の平面図である。

【図６】本発明の圧電素子の平面図である。

【図７】従来の製造方法により得られた圧電素子および
弾性体を示す図である。

【図８】従来の製造方法により得られた圧電材の平面図
および側面図である。

【図９】従来の圧電素子製造方法の工程図である。

【図10】従来の圧電素子の分極パターンを示す平面図で
ある。

【図11】本発明の分極接続パターンを示す平面図であ
る。

【図12】本発明の分極接続パターンを示す平面図であ
る。

【図13】本発明の分極接続パターンを示す平面図であ
る。

【図14】本発明の分極接続パターンを示す平面図であ
る。

【図15】本発明の分極接続パターンを示す平面図であ
る。

【符号の説明】

１１ 圧電材 １２ 分極パターン １６ 電極パターン １７ 弾性体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 隆 東京都江東区亀戸６丁目31番１号 セイコ ー電子工業株式会社内 (72)発明者 山崎 皇 東京都江東区亀戸６丁目31番１号 セイコ ー電子工業株式会社内 (72)発明者 関 重雄 東京都江東区亀戸６丁目31番１号 セイコ ー電子工業株式会社内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 弾性体と一体的に固着した圧電素子の一
   方の面に設けられた複数の電極パターンに電圧を印加
   し、前記圧電素子を振動させて弾性体を変位させ、この
   弾性体に接触する物体を移動または回転せしめる圧電ア
   クチュエータ用振動体において、前記圧電素子の弾性体
   との固着面を電極パターン形成面よりも大きく形成する
   ことにより、前記圧電素子の側面形状が台形形状になる
   ように形成したことを特徴とする圧電アクチュエータ用
   振動体。
2. 【請求項２】 圧電材に複数の圧電素子を構成するため
   の分極パターンを形成する工程と、 前記分極パターンの各々に分極処理を施す工程と、 前記分極処理を施した圧電材に任意の電極パターンを形
   成する工程と、 前記電極パターンを形成した圧電材を、所定の形状に分
   離する工程と、 前記工程で得られた圧電素子と弾性体とを固着する工程
   とからなる圧電アクチュエータ用振動体の製造方法。
3. 【請求項３】 圧電材に複数の圧電素子を構成するため
   の分極パターンを形成する工程と、 任意の分極パターンを各々接続する分極接続パターンを
   形成する工程または該分極パターンおよび該分極接続パ
   ターンを同時形成する工程と、 該分極パターンおよび該分極接続パターンを用いて所定
   の分極処理を行う工程と、 前記分極処理を施した圧電材に、電極パターンを形成す
   る工程と、 前記電極パターンを形成した圧電材を任意の形状に分離
   する工程と、 前記工程にて得られた圧電素子と弾性体とを固着する工
   程または前記電極パターンを形成した圧電材と弾性体を
   固定した後、圧電材を任意の形状に分離する工程とから
   なる請求項２記載の圧電アクチュエータ用振動体の製造
   方法。
4. 【請求項４】 圧電材に形成される複数個の圧電素子の
   隣接する最小間隔を、前記圧電材の厚みより大きくした
   ことを特徴とする請求項２記載の圧電アクチュエータ用
   振動体の製造方法。
5. 【請求項５】 圧電材を所定形状の圧電素子に分離する
   ための窓加工工程と、 分極パターンおよび分極接続パターンを形成する工程
   と、 前記分極パターンおよび分極接続パターンを用いて所定
   の分極処理を行う工程と、 前記圧電材に電極パターンを形成する工程と、 前記電極パターンを形成した圧電素子を圧電材から分離
   する工程と、 前記工程で得られた圧電素子と弾性体とを固定する工程
   または電極パターンを形成した圧電材と弾性体を固着し
   た後、前記圧電材を分離する工程とからなる請求項２記
   載の圧電アクチュエータ用振動体の製造方法。