JPH08298348A - 電気/機械変換材料を含むトランスジューサと、そのマイクロアクチュエータへの応用と、その製造方法 - Google Patents

電気/機械変換材料を含むトランスジューサと、そのマイクロアクチュエータへの応用と、その製造方法

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JPH08298348A
JPH08298348A JP4427996A JP4427996A JPH08298348A JP H08298348 A JPH08298348 A JP H08298348A JP 4427996 A JP4427996 A JP 4427996A JP 4427996 A JP4427996 A JP 4427996A JP H08298348 A JPH08298348 A JP H08298348A
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Philippe Gaucher
ゴーシェ フィリップ
Claude Deljurie
ドゥルジュリー クロード
Roland Duffait
ドュフェ ローラン
Francois Bastien
バスティン フランソワ
Jean Francois Manceau
マンショー ジャン−フランソワ
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 導電性材料の支持板1と、圧電効果または電
歪効果を有する電気−機械変換材料の層2と、導電層3
との積層体からなる電気−機械変換用トランスジュー
サ。圧電モータ等のマイクロアクチュエータで使われ
る。 【解決手段】 支持板1が貴金属をベースとする合金ま
たは貴金属で作られているか、貴金属で被覆され且つ電
気−機械変換材料の層2が支持板1に直接接触している
トランスジューサ。電気−機械変換材料の層2はスクリ
ーン印刷法で形成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は電気−機械変換(transfo
rmation electromecanique) 材料を含むトランスジュー
サ(変換器)と、そのマイクロアクチュエーターへの応
用、例えばカンチレバーや圧電モーターへの応用と、こ
れら装置の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】圧電セラミック、例えば PZT、BaTiO3
PMNPT や電歪セラミック、例えばPLZTやPMN は微小変位
を精密かつ迅速に生じさせるのに利用することができ
る。しかし、これらの材料は機械的に非常に硬いため、
その最大変形量は10-4以上にはならない。逆に、極めて
大きな機械的応力を発生するので、金属、珪素等の弾性
の大きな他の材料を変形することができる。
【0003】この効果を利用したものが圧電板を金属板
に接着させて全体の変形量を増幅させたモノモルフなア
クチュエータである。このアクチュエータでは圧電セラ
ミックに電圧を加えると電界に対して平行な方向(係数
33、d33で特徴付けられる横方向モード)と垂直な方
向(係数k31、d31で特徴付けられる縦方向モード)と
の両方で同時に変形する。係数kijはカップリングすな
わち電気位置エネルギーの弾性位置エネルギーへの変換
を特徴付けるものであり、係数dijは変形量Sと電界E
との関係を特徴付けるものである: Si =dij Ej
【0004】このセラミックの形状係数が良い(厚さが
薄く、面積が広い)場合には、縦モードによって支持板
内に大きな応力を生じさせて支持板を大きく変形させる
ことができる。幅bのアクチュエータ板によって局部的
に生じる弾性モーメントはその弾性係数Ya と、その圧
電係数daと、圧電セラミックの厚さtaを介して加え
られる電圧Va との関数である:
【0005】
【数1】 (ここで、tは支持板の厚さであり、Ψは定数である)
【0006】従って、カンチレバーの場合には10-2以上
の変形を得ることができ、変形量はカンチレバーの最大
変位量とカンチレバーの長さとの比になる。特に、圧電
プレートが支持板の固有モードに対応する周波数で励振
された場合には、変形量はモノモルフの平均機械特性係
数に対応する係数Qm だけ増幅される。
【0007】この共振アクチュエータ効果は圧電モータ
や音波モータのステータ部分でも利用されている。この
場合にはステータ表面上を円形状に伝播する弾性ひずみ
波を生じさせてステータに当接したロータを摩擦駆動す
る。このモータは「マイクロテクニック研究−現状と展
望」(collection Livre Vert(フランス)、第 103〜10
9 頁、Institut des Microtechniques・CETEHOR 出版)
に記載されている。
【0008】実際には、モノモルフなアクチュエータは
カンチレバー型にせよ円板型にせよ圧延金属板上にセラ
ミックを接着して作らる。すなわち、セラミック粉末を
高温焼結し、スクリーン印刷または真空蒸着でメタライ
ジングする従来法で作ることができる。
【0009】この場合、機械強度が十分な構造を必要と
するため、支持板としてのセラミックの厚さ数mm〜数百
ミクロン程度に薄くする必要がある。すなわち、セラミ
ックは変形可能な金属支持板に比較して著しく硬いた
め、デバイス全体の剛性が大きくなってしまう。セラミ
ックを薄くする加工は切削または研磨で行うことができ
るが、これらの加工はコストがかかり、精密さを必要と
し、また、セラミックが脆くなり、取り扱いが難しくな
る。
【0010】精密加工(miniaturisation) の分野では、
良好な励振モードに必要な位置決め精度がセラミックで
は得られないため、円形ステータの直径を1cm以下にす
ることは不可能である。しかも、バルクなセラミックの
接着には機械的強度が極めて高い導電性接着剤を用いた
難しい操作が必要である。また、
【0011】圧電セラミックに印加する電圧を相対的に
低くし、しかも、パシベーション絶縁層内での電位下降
を無くすために、電気結合を良くする必要がある。ま
た、圧電セラミックと支持板との間の弾性エネルギーを
良くするためにも機械的結合を良くして不適当な結合に
よってエネルギーが放散・反射しないようにする必要が
ある。従来法のものは、上記の種々の原因で結合係数値
kはモノモルフなカンチレバー型では20%以下、円形ス
テータでは10%以下であり、その機械特性係数Qm は10
0 〜1000であった。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
欠点を解決した電気−機械変換用トランスジューサを提
供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明は、導電性材料で
作られた支持板と、電気−機械変換材料の層と、導電層
との積層体からなる電気−機械変換用トランスジューサ
において、支持板が貴金属をベースとする合金または貴
金属で作られているか、貴金属で被覆され且つ電気−機
械変換材料の層が支持板に直接接触していることを特徴
とするトランスジューサを提供する。
【0014】本発明は少なくとも一端が固定されたマイ
クロアクチュエータに適用することができる。本発明は
円形のマイクロアクチュエータ、例えばモータのステー
タ用に上部導電層を扇状にしたマイクロモータにも適用
することができる。この場合、モータのロータは支持板
の電気−機械変換材料層を支持していない方の面側に位
置し、支持板のこの面との摩擦作用で回転する。
【0015】本発明は、さらに、下記段階を含むことを
特徴とする電気−機械変換用トランスジューサの製造方
法を提供する: 1) 貴金属で作られたまたは貴金属で被覆された支持板
を用意し、 2) この支持板上に電気−機械変換材料の層を形成し、 3) 全体を焼成して電気−機械変換材料層に電気−機械
変換性質を付与し、 4) 電気−機械変換材料層上に導電層を形成する。 本発明の上記目的および特徴は、添付図面を参照した下
記実施例の説明から明瞭になるであろう。
【0016】
【発明の実施の形態】図1は本発明電気−機械変換トラ
ンスジューサの一つの実施例を単純化した図である。こ
のトランスジューサは高温(例えば 1,000℃)の酸化雰
囲気で不活性な材料、例えば貴金属や貴金属をベースと
した通常金属との合金等で作られた支持板1を有してい
る。この貴金属としては例えば白金、パラジウム、ロジ
ウムまたはイリジウムが挙げられる。支持板1を貴金属
または貴金属をベースとする合金で被覆された通常金属
の板にすることもできる。この板は高温下での熱処理時
に酸化しないものにする。
【0017】支持板1の片面には電気−機械変換材料か
ら成る層2がある。この層2の材料は圧電材料または電
歪材料である。この層2は接着材料の中間層を用いずに
支持板1に直接接着されている。層2の上には電極の役
目をする導電層3が形成されている。
【0018】層2は比較的薄い(5〜200 μm)ので弱
い電圧で制御することができる。電歪材料の場合には、
弱い電圧(例えば、10〜数十ボルト)を用いて層2を分
極させることができる。
【0019】支持板1の厚さe1に対する圧電層2の厚
さe2の比は、圧電効果を支持板1に十分に作用させる
のに必要な厚さe2が得られるように選択することが重
要である。また、構造を硬くしないために、圧電層2の
厚さe2はあまり厚過ぎてもよくない。従って、下記の
比e2/e1を選択する: 1/3 ≦ e2/e1 ≦ 1/10 適当な比は約1/4である。本発明の好ましい実施例で
は、支持板は白金含有材料または白金ロジウムで作る
か、白金または白金ロジウムで被覆した通常金属で作ら
れている。
【0020】図2は本発明の変形実施例例を示してい
る。この実施例のトランスジューサは支持板1上に形成
された電気−機械変換材料で作られた層 2、2'・・・
と、貴金属で作られた導電層 3、3'・・・との積層体を
有し、この積層体の上に形成される電極4は貴金属でも
通常金属でもよい。この構造では弱い制御電圧で大きな
機械的効果を得ることができる。
【0021】本発明では、貴金属(白金または白金ベー
スの合金)から成る金属板上に圧電層または電歪層をス
クリーン印刷法で形成し、その上に電極を同じくスクリ
ーン印刷法で形成することができる。この方法を用いる
ことよって厚さの薄い(5〜200 μ、さらには5〜100
μm)圧電積層体を形成することができる。この積層体
は緻密で、品質に優れ、金属支持板との密着性に優れた
振動構造体兼下側電極の役目をする。従って、圧電材料
と金属板1とを結合させるための別の材料の層は不用で
あり、接着はスクリーン印刷層を高温の酸化雰囲気下で
焼結する際に自然に達成される。なお、スクリーン印刷
以外の方法を用いることもできる。
【0022】このスクリーン印刷用インキの製造で用い
られるセラミック組成物は焼結温度の低い組成物、例え
ばフランス国特許出願第94 01268号に記載の約 1,000℃
で焼結可能な組成物であるのが好ましい。
【0023】鋼や通常合金は酸化雰囲気(大気または純
粋酸素)下での焼結処理による急速な酸化に耐えること
ができないので、支持板としては貴金属を用いる必要が
あるが、通常金属の両面を白金のパシベーション層で被
覆(例えば陰極スバッタリングや電子ビーム蒸着で被
覆)してセラミック焼結時に酸素から遮断することもで
きる。
【0024】上記方法を用いることによって多数のセラ
ミックモデルと上部電極とを同時にスクリーン印刷で
き、スクリーン印刷の優れた分解能を用いることによっ
て従来得られなかったような極めて薄い圧電素子を得る
ことができるのでデバイスの小型化をさらに推進するこ
とができる。
【0025】本発明は、同じスクリーン印刷法で支持板
上にセラミック層と電極層とを交互に形成して積層体を
形成する場合にも適用することができる。この場合の中
間電極もセラミック層の焼結時の酸化処理に耐えるよう
にするために支持体と同じ種類の材料(貴金属)で作る
必要がある。本発明はモノモルフなカンチレバーの製造
に適用することができる。
【0026】
【実施例】厚さ20μm〜2mm(例えば、数百μm)の20
%のロジウムを含む白金ロジウム層の上にシルクスクリ
ーンを介してPMN-PZN-PT組成(30/40/30)のインキを塗
布する。このインキはフランス国特許出願第94 01268号
に記載の方法で作るか、例えば硼素と珪素とをベースと
した融剤を添加した焼結温度が 1,200℃以下の通常の粉
末から作る。後者の場合には2次的な非強誘電相が存在
するため圧電性能は劣ってくる。
【0027】この粉末を約2μmの平均粒度まで粉砕し
たものをスクリーン印刷の当業者に公知の溶剤・可塑剤
混合物に80重量%の割合で添加してブルックフィールド
粘度が数千cpのペーストを得る。このペーストを 125
メッシュのスクリーンを介して塗布して厚さ10〜100 μ
mの層(スクリーンの形式に依存)を得る。この層を 1
20℃で乾燥した後、通常のセラミック炉で 1,080℃で焼
結する。次にスクリーン印刷で厚さ5μmの銀の上部電
極(その形状はセラミック層の形状と違っていてもよ
い)を形成する。この電極は板を振動させる圧電変換器
の役目をする平面コンデンサを規定する。
【0028】この上記圧電組成物を有するコンデンサ
を、圧電セラミックの通常の分極法で室温で図3のヒス
テリシスサイクルを用いて分極させるか、高温で 200V
/mm程度の材料内電場に対応する連続電圧下で分極させ
る。ヒステリシスサイクルで示された残留分極は 0.15
C/m2 以上であり、これは圧電材料として十分な値であ
る。PMN/PT (90/10)のような電歪組成物の場合に少なく
とも等価な電気−機械効果を得るためには、運転中に約
300 V/mmの連続電界を加えれば十分である。
【0029】図4は面積が数mm2 の圧電層に1ボルトの
有効電圧を加えたときに得られる各モードの振動の振幅
を表している。370 Hzでのカンチレバーの基本モードは
共振外の強制振動より 15dB 高く励振させる(図5)。
高次のモードも同様に励振されている。
【0030】図6は上記モノモルフの電気機械共振を視
覚化したもので、電気インピーダンスと平面コンデンサ
の位相とを周波数の関数で測定したものである。共振か
ら離れた材料の相対誘電率は 3,000以上であり、誘電損
失は5%以下である。電気機械共振データ(マンソー
(J. F. Manceau), バスチャン(F. Bastien), デュファ
イ(R. Duffait)の IEEE 超音波シンポジウム、1994年、
カンヌ、フランス)を用いて得られる結合係数は 33 %
で、機械特性係数は 140である。
【0031】本発明は音波モータ、特に音波モータのス
テータの製造にも適用することができる。この場合に
は、寸法が1〜5mmのリング状セラミックを上記実施例
と同様な方法で白金ロジウム支持板上にスクリーン印刷
する。セラミックを焼結した後、銀の扇形電極をスクリ
ーン印刷する。すなわち、λ/4だけ位相がズレた2つ
の円板振動モードを励振可能な扇形電極をスクリーン印
刷で形成する(ここで、λは各モードでの音響波長であ
る)。図7は切断前の状態を示している。
【0032】次いで、各ステータ(円板状に)へ切断
し、ロータの回転軸を通すための中心孔を明ける。この
操作はセラミックを接着させて圧電モータを作る従来法
と同じである。次に、圧電材料のリングを有する面とは
反対側の各ステータの表面に、回転軸に対して放射方向
に対称な歯を機械加工する。これによってステータとロ
ータとの間の変換効率を高くすることができる。
【0033】図7では支持板1上に圧電材料から成るリ
ング2が形成され、各リング2上には電極3が形成され
ている。左側のリングの直径は 4.8 mm 、中央のリング
の直径は 2.8 mm 、右側のリングの直径は 1.5 mm であ
る。各扇状部分の分極は上記実施例と同様に起こる。さ
らに小型のステータの場合にはマイクロエレクトロニク
ス技術で用いられるものと類似の精密マイクロマニプレ
ータ(micromanipulateur sous points) を用いることが
できる。
【0034】図8a、図8bは探針付式局所干渉計を用
いて視覚化した圧電層で励振した時のステータ振動の振
幅および位相を図示したものである。図示した実施例は
100kHz 前後の周波数で励振された3次モードである。
この実施例で使用したステータの直径は5mmで、白金ロ
ジウムの支持板の厚さは60μmである。
【0035】図9にステータの電気−機械共振を示して
いる。推定される結合係数は約25%で、機械的特性係数
は 1,000である。連続分極用に35Vの電圧を追加して印
加すると、残留分極効果に誘導分極効果が追加されて共
振振幅を大幅に増加させることができ、結合係数を66%
まで高くすることができる(図9)。
【0036】モータ等の用途では白金や白金合金のステ
ータが耐磨耗性上有利である。図7のリング状の電気−
機械変換材料層(2) 上に扇状の導電層(3) を形成するこ
とによってクロアクチュエータが得られる。リングを導
電層(3) の扇形に対応して扇状に分割することもでき
る。電気−機械変換材料層(2) を支持していない側の支
持板(1) の面上にロータ方向に対して直角な方向を向い
た駆動歯を形成することができる。
【0037】本発明方法では電気−機械変換材料層(2)
をリング状にして、その上に扇状電極が形成することが
できる。さらに、電気−機械変換材料層(2) 自体を扇形
電極に対応した扇形にすることもできる。本発明の方法
では、焼成後得られる電気−機械変換材料層(2) が圧電
特性を有し、高電圧下で分極される点に注目されたい。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明装置の実施例の単純化した図。
【図2】 本発明装置の他の実施例の単純化した図。
【図3】 本発明の圧電材料で作られた装置の作動曲線
図。
【図4】 本発明の圧電材料で作られた装置の別の作動
曲線図。
【図5】 本発明の圧電材料で作られた装置のさらに別
の作動曲線図。
【図6】 本発明の圧電材料で作られた装置のさらに別
の作動曲線図。
【図7】 圧電モータのステータを複数個のまとめて作
る時の実施例の図。
【図8】 aおよびbは本発明圧電モータのステータの
振動例を示す図。
【図9】 上記本発明装置の作動曲線図。
【符号の説明】
1 支持板 2 電気−機
械変換材料層 3 導電層 4 電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ローラン ドュフェ フランス国 92400 クールブヴォワ リ ュ ジー.ペー.タンボー 50 (72)発明者 フランソワ バスティン フランス国 92400 クールブヴォワ リ ュ ジー.ペー.タンボー 50 (72)発明者 ジャン−フランソワ マンショー フランス国 92400 クールブヴォワ リ ュ ジー.ペー.タンボー 50

Claims (24)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 導電性材料で作られた支持板(1) と、電
    気−機械変換材料の層(2) と、導電層(3) との積層体か
    らなる電気−機械変換用トランスジューサにおいて、 支持板(1) が貴金属をベースとする合金または貴金属で
    作られているか、貴金属で被覆され且つ電気−機械変換
    材料の層(2) が支持板(1) に直接接触していることを特
    徴とするトランスジューサ。
  2. 【請求項2】 電気−機械変換材料の層(2) が圧電材料
    で作られている請求項1に記載のトランスジューサ。
  3. 【請求項3】 電気−機械変換材料の層(2) が電歪材料
    で作られている請求項1に記載のトランスジューサ。
  4. 【請求項4】 電気−機械変換材料の層(2) の厚さが 5
    〜200 μmである請求項1に記載のトランスジューサ。
  5. 【請求項5】 支持板(1) の厚さが20μm〜2mmである
    請求項1に記載のトランスジューサ。
  6. 【請求項6】 貴金属が白金または白金ロジウムの合金
    である請求項1に記載のトランスジューサ。
  7. 【請求項7】 支持板(1) が白金または白金ロジウム合
    金で被覆された銅をベースとした板である請求項1に記
    載のトランスジューサ。
  8. 【請求項8】 導電層(3) が貴金属で作られ、圧電材料
    で作られた層(2, 2'・・・)と貴金属で作られた層(3,
    3'・・・) との積層体を有する請求項1に記載のトラン
    スジューサ。
  9. 【請求項9】 電気−機械変換材料層(2) の厚さ(e
    2)と支持板の厚さ(e1)の比が 1/3〜1/10である請
    求項1に記載のトランスジューサ。
  10. 【請求項10】 請求項1〜9のいずれか一項に記載の
    トランスジューサを用いた少なくとも一つの固定端を有
    するマイクロアクチュエータ。
  11. 【請求項11】 少なくとも導電層(3) がモータのステ
    ータとなる扇形をしており、モータのロータが電気−機
    械変換材料層(2) を支持していない側の支持板(1) の面
    上に位置し且つ支持板(1) のこの面との摩擦作用で回転
    する請求項1〜10のいずれか一項に記載の変換器を適用
    したマイクロアクチュエータ。
  12. 【請求項12】 電気−機械変換材料層(2) がリング状
    で、このリング上に導電層(3) が扇状に形成される請求
    項11に記載のマイクロアクチュエータ。
  13. 【請求項13】 導電層(3) の扇形に対応してリング状
    の電気−機械変換材料層(2) が扇状に分割されている請
    求項12に記載のマイクロアクチュエータ。
  14. 【請求項14】 電気−機械変換材料層(2) を支持して
    いない側の支持板(1)の面がロータの回転方向に対して
    直角な方向を向いた駆動歯を有する請求項11に記載のマ
    イクロアクチュエータ。
  15. 【請求項15】 下記段階を含むことを特徴とする電気
    −機械変換用トランスジューサの製造方法: 1) 貴金属で作られたまたは貴金属で被覆された支持板
    (1) を用意し、 2) この支持板(1) 上に電気−機械変換材料の層(2) を
    形成し、 3) 全体を焼成して電気−機械変換材料層(2) に電気−
    機械変換性質を付与し、 4) 電気−機械変換材料層(2) 上に導電層(3) を形成す
    る。
  16. 【請求項16】 電気−機械変換材料層(2) をスクリー
    ン印刷で形成し、この層を焼成前に乾燥する請求項15に
    記載の方法。
  17. 【請求項17】 焼成後に得られる電気−機械変換材料
    層(2) が電歪性質を有する材料である請求項15に記載の
    方法。
  18. 【請求項18】 焼成後に得られた電気−機械変換材料
    層(2) が圧電性質を有し、高電圧下で分極する請求項15
    に記載の方法。
  19. 【請求項19】 電気−機械変換材料層(2) の厚さが 5
    〜200 μmで、支持板(1) の厚さが20μm〜2mmである
    請求項15に記載の方法。
  20. 【請求項20】 貴金属が白金または白金ロジウムであ
    る請求項15に記載の方法。
  21. 【請求項21】 導電層(3) がモータのステータの励振
    電極を形成する扇状の電極を形成している請求項15に記
    載の方法。
  22. 【請求項22】 電気−機械変換材料層(2) がリング形
    成で、この層上に扇状電極を形成する請求項21に記載の
    方法。
  23. 【請求項23】 電気−機械変換材料層(2) が扇状電極
    にほぼ対応した扇状をしている請求項22に記載の方法。
  24. 【請求項24】 電気−機械変換材料層(2) を作る材料
    がPMN-PZN-PTである請求項15に記載の方法。
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