JPH09223824A

JPH09223824A - 圧電応用素子

Info

Publication number: JPH09223824A
Application number: JP3037296A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Muramatsu; 研一村松
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-02-19
Filing date: 1996-02-19
Publication date: 1997-08-26

Abstract

(57)【要約】【課題】薄膜形成技術により弾性体表面に圧電素子を
形成した従来の圧電応用素子では、弾性体表面に酸化層
が形成されたり圧電素子等の化学組成が変化して、圧電
特性の低下や、圧電素子と弾性体との密着強度の低下が
発生する。【解決手段】駆動信号により励振される圧電素子が表
面に形成されて圧電素子の励振によって表面に振動を発
生する弾性体を備える圧電応用素子において、弾性体が
シリコン加工プロセスで作製されたシリコン製であり、
圧電素子がシリコン加工プロセスと整合する薄膜形成技
術により形成されるとともに、弾性体と圧電素子との間
に白金からなる電極が配置される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電気機械変換素子
が表面に形成された弾性体を備える圧電応用素子に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より、圧電効果を利用した圧電応用
素子として、振動アクチュエータ，ユニモルフアクチュ
エータ，メカニカルフィルターさらにはジャイロ等が知
られている。

【０００３】これらの圧電応用素子を構成する弾性体の
表面に、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（例えば圧電素子，磁歪素子さらには電歪素
子等であり、本明細書においては圧電素子を例にとって
以降の説明を行う。）を形成するには、圧電素子を、例
えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる別部品に
より薄板状（通常は０．５ｍｍ程度）に形成しておき、
この圧電素子を弾性体の表面に例えば接着により装着し
ていた。

【０００４】すなわち、前述したような圧電応用素子で
は、弾性体の表面に充分な振幅を有する複数の振動波を
励振させる必要がある。このためには、圧電素子自体の
振幅が充分に大きくなくてはならない。ここで、圧電素
子が発生する振幅は、印加電界に比例するものであるた
め、入力電圧に比例し、一方、圧電素子の厚さに反比例
する。

【０００５】通常の場合、圧電素子への入力電圧は、電
圧発生装置を含めた圧電素子全体の寸法等の要因によっ
て決定される。そのため、圧電素子の出力を充分に確保
するには、圧電素子の厚さをできるだけ小さくしなけれ
ばならない。換言すれば、圧電素子の厚さを小さくする
ことにより、入力電圧を小さくすることが可能となって
圧電素子全体の小型化を図ることができる。

【０００６】しかし、このように厚さが極端に小さい圧
電素子を、弾性体の表面に例えばエポキシ等の接着剤で
接着しようとすると、接着に伴って行う加圧によって、
圧電素子が破損してしまうことがあった。そのため、圧
電素子の厚さは、ある所定値よりも小さくできなかっ
た。したがって、圧電応用素子の出力を充分に確保する
には、高い駆動電圧を印加する必要があり、このために
装置全体の小型化の障害となっていた。

【０００７】さらに、圧電素子の厚さを薄くしていく
と、これにともなって、圧電素子を弾性体に貼付するた
めの接着層による圧電振動エネルギーの吸収率が増加す
る。そのため、圧電応用素子のエネルギー効率が低下す
るという問題もあった。

【０００８】そこで、例えば特開昭６３−２８２７９号
公報には、チタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電素子を、
蒸着，スパッタリング等の薄膜形成技術により弾性体表
面に薄膜状に成膜して構成した振動アクチュエータが提
案されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、弾性体の表
面に薄膜形成技術により薄膜状に成膜された圧電素子が
圧電特性を有するためには、チタン酸ジルコン酸鉛を用
いて圧電素子を構成する場合には、チタン酸ジルコン酸
鉛の結晶構造をペロブスカイト型とする必要がある。

【００１０】すなわち、薄膜形成技術により弾性体表面
に圧電素子を形成するには、通常は、高温域で薄膜を成
膜するか、又は低温域で非晶質の薄膜を成膜した後に熱
処理を行う。このような成膜時の成膜温度や熱処理温度
の高低により得られる結晶構造が著しく異なる。

【００１１】図９には、成膜温度又は熱処理温度の違い
に基づく結晶構造の違いをグラフで示す。同図に示すよ
うに、熱処理温度が（室温〜３００℃）程度又は熱処理
しないままでは殆どが非晶質となる。熱処理温度が４０
０℃程度になると主にパイロクロア型となる。熱処理温
度が５００℃程度になるとパイロクロア型とペロブスカ
イト型の混在となる。さらに、熱処理温度が６００℃以
上になると主にペロブスカイト型となる。

【００１２】このように、成膜又は熱処理が高温域で行
われ結晶相が６００℃以上の高温で形成された場合に
は、圧電性を有するペロブスカイト相だけが生成するも
のの、熱処理が低温域で行われ結晶相の形成が充分に高
い温度でなされなかった場合には、ペロブスカイト相と
ともに、圧電性を全く有さないパイロクロア相も生成し
てしまう。

【００１３】そのため、薄膜形成技術によって形成され
た圧電素子が圧電性を有するためには、圧電素子の形成
を、例えば６００℃以上の高温域で行うか、低温で成膜
された薄膜層に、例えば６００℃以上の高温域で熱処理
を行う必要がある。

【００１４】また、使われている圧電素子の殆どのもの
は、印加電界当たりの変位量が大きいことから、チタン
酸ジルコン酸鉛に代表される鉛系の酸化物材料であっ
て、陽イオンの半分近くが還元され易い鉛イオンであ
る。そのため、例えば６００℃以上の高温域で相の形成
がなされた後に熱処理を行う場合にも、雰囲気は酸素に
富んだ状態である。

【００１５】そのため、弾性体にステンレス鋼等の鉄系
合金を用いる場合には、例えば６００℃以上の高温域で
成膜や熱処理を行うことは、圧電素子と弾性体との間で
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。

【００１６】このような化学反応によって、弾性体の表
面に酸化層が形成されたり、弾性体や圧電素子の化学組
成が変化する。そのため、圧電特性が低下したり、圧電
素子と弾性体との密着強度が著しく低下してしまうおそ
れがあった。

【００１７】また、弾性体に生じる２つの固有振動数を
一致させるために、圧電素子の弾性率や密度，さらには
形状を正確に把握して、弾性体の寸法等を算出しなけれ
ばならない。

【００１８】しかし、圧電素子を別部品として貼付する
ことによる従来の技術では、弾性体と圧電素子との間に
不可避的に存在する接着層の厚さの影響を著しく受け
る。そのため、前述した算出値に誤差を発生してしま
い、正確に固有振動数を一致させることができなかっ
た。

【００１９】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、駆動
信号により励振される電気機械変換素子が表面に形成さ
れるとともに前記電気機械変換素子の励振によって表面
に振動を発生する弾性体を備える圧電応用素子であっ
て、前記弾性体は、シリコン加工プロセスで作製された
シリコン製であり、前記電気機械変換素子は、前記シリ
コン加工プロセスと整合する薄膜形成技術により形成さ
れるとともに、前記弾性体と前記電気機械変換素子との
間に、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電極が配置されることを特徴
とする。

【００２０】請求項１の本発明における「シリコン加工
プロセス」とは、フォトリソグラフィー及び異方性ケミ
カルエッチングに代表され、基本的に２次元の加工プロ
セスである。

【００２１】本発明における「薄膜形成技術」とは、蒸
着，スパッタリング，ＣＶＤさらにはゾルゲル法等の機
能性薄膜の形成技術をいう。形成される薄膜の厚さは１
μｍ程度であり、従来の圧電素子の厚さに比較すると約
１／１００以下である。

【００２２】本発明における「電気機械変換素子」は、
圧電素子，磁歪素子さらには電歪素子等を包含する。本
発明における「高融点で酸化し難い金属」は、ニッケ
ル，クロム，コバルト等を包含し、一方、「高融点の貴
金属」は、白金，レニウム，ロジウム，パラジウム等を
包含する。

【００２３】請求項２の本発明は、請求項１に記載され
た圧電応用素子において、前記電気機械変換素子からな
る薄膜がシリコンウェハー面に平行又は略平行に形成さ
れてなるとともに、二次元の任意の形状に加工されてな
ることを特徴とする。

【００２４】請求項３の本発明は、請求項１又は請求項
２に記載された圧電応用素子において、前記電気機械変
換素子の前記弾性体との非接触面に電極が装着されるこ
とを特徴とする。

【００２５】請求項４の本発明は、請求項１から請求項
３までのいずれか１項に記載された圧電応用素子におい
て、前記電気機械変換素子は、鉛系強誘電体からなる圧
電材料又は電歪材料であることを特徴とする。

【００２６】請求項５の本発明は、請求項１から請求項
４までのいずれか１項に記載された圧電応用素子におい
て、前記圧電応用素子は、振動アクチュエータ，ユニモ
ルフアクチュエータ，メカニカルフィルタ，又はジャイ
ロであることを特徴とするものである。なお、請求項５
の本発明において、「振動アクチュエータ」とは、振動
子に発生する複数の振動の合成振動を駆動源とするもの
であるが、この振動は超音波領域の振動だけでなく、超
音波領域以外の振動も包含する。

【００２７】

【発明の実施の形態】

（第１実施形態）以下、本発明を添付図面を参照しなが
ら、さらに詳細に説明する。なお、以降の本実施形態の
説明では、振動アクチュエータとして超音波アクチュエ
ータを例にとって、行う。

【００２８】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、上部電極が形成された弾性体を示す平面図である。

【００２９】図１に示すように、本実施形態の超音波ア
クチュエータは、表面に進行波を発生するシリコンから
なる弾性体であるステータ３と，図示しない支持機構に
より回転自在に支持された円環状のロータ部材１がステ
ータ３に摺動材２を介して加圧接触しながら前述した進
行波により駆動される相対運動部材であるロータ１とを
備える。

【００３０】ステータ３は、厚肉円環状の本体部分３ａ
の一方の平面に、突起状の駆動力取出部分３ｂが円周方
向に多数連続して配置される。ステータ３は、公知のシ
リコン加工プロセス、すなわちフォトリソグラフィ及び
異方性ケミカルエッチングにより製作される。異方性ケ
ミカルエッチングによれば、所望の特定方向にエッチン
グを行うことができるため、図１に示す形状の駆動力取
出部分３ｂを本体部分３ａに形成することができる。

【００３１】このステータ３の本体部分３ａのうちの駆
動力取出部分３ｂの非成形面３ｃには、適当なスパッタ
リング条件により、ＭｇＯ層４がスパッタリングにより
形成される。このＭｇＯ層４は、後述する圧電素子７の
絶縁を行うために薄膜状に形成される。

【００３２】このＭｇＯ層４の上に、Ｔｉ膜５をスパッ
タリングにより成膜する。このＴｉ膜５は、ＭｇＯ層４
と、後述する下部電極６との密着性を確保するために形
成される。

【００３３】なお、本実施形態では、ＭｇＯ層４の上に
Ｔｉ膜５を形成したが、本発明はこのような態様のみに
限定されるものではなく、Ｔａ膜５であってもよい。Ｔ
ｉ膜５の上に、白金からなる分割下部電極６をスパッタ
リングにより薄膜状に成膜する。本実施形態では、高融
点であって酸化し難い金属、又は高融点の貴金属とし
て、白金を用いる。

【００３４】このようにして、ＭｇＯ層４，Ｔｉ膜５及
び分割下部電極６が順次成膜されて、全体として下部電
極が構成される。次に、このようにして成膜された下部
電極の上に、チタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電素子層
７を、スパッタリングにより成膜する。

【００３５】スパッタリングの条件は、酸化鉛−酸化チ
タン−酸化ジルコニウムを混合した焼結体（組成比１．
１：０．５：０．５）をターゲットとし、Ａｒ：Ｏ₂＝
９：１の雰囲気中で真空度１Ｐａ中で４００℃で成膜し
た後、空気中において６５０℃×１時間焼鈍した。分割
下部電極６の膜厚は、約１０μｍ程度である。

【００３６】このようにして、完全なペロブスカイト相
からなる圧電素子層７が下部電極上に形成された。その
後、圧電素子層７の上に、銅製の上部電極８をスパッタ
リングにより成膜した。銅製の上部電極８は、図２に示
すように、リソグラフィによりステータ３の本体部分３
ａの外周面に８分割された形状で成膜した。

【００３７】このようにして形成された分割下部電極６
と銅製の上部電極８とに、配線用の銅箔をそれぞれ接合
し、図示しない駆動電圧発生装置に接続した。その後、
大気中１５０℃の条件で１時間加熱処理する条件下で、
隣接する電極同士で符号が逆向きになるように電圧を１
０Ｖ印加することにより、分極処理を行った。

【００３８】このようにして、図１及び図２に示す本実
施形態の振動アクチュエータが構成される。この振動ア
クチュエータについて、分極処理を施した圧電素子層７
に対して、入力Ａ相と入力Ｂ相との間でπ／２の位相差
を設けて、実効電圧で±５Ｖの交流電界を印加した。す
ると、ステータ３の表面に進行波が発生し、ステータ３
に加圧接触されたローター１が回転することが確認され
た。

【００３９】このようなローター１の回転の際、圧電素
子層７を貼付することにより形成される従来の超音波ア
クチュエータに比較しても、圧電特性が低下したり圧電
素子層７とステータ３との密着強度が低下することはな
かった。

【００４０】さらに、従来の超音波アクチュエータに比
較すると、同一の駆動トルクを発生するには、圧電素子
層７が約１／５００に薄膜化されたために、９０％程度
駆動電圧を低下することができ、駆動電圧発生装置を小
型化することができた。

【００４１】（第２実施形態）図３は、本発明にかかる
圧電応用素子の第２実施形態を示す斜視図である。

【００４２】本実施形態は、矩形平板状の弾性体（板
厚：３ｍｍ）の表面に薄膜状に形成された圧電素子に駆
動電圧を印加することにより、弾性体の表面に縦振動１
次モードと屈曲振動４次モードとを調和的に発生させる
（励振）ことにより、弾性体を自走させるか、又は弾性
体に接触する移動体を相対的に移動させる超音波アクチ
ュエータに適用するものである。

【００４３】矩形平板状の弾性体１０１は、圧電素子反
形成面側に二つの駆動力取出部１０１ａ，１０１ｂが突
起状に形成される。これらの弾性体１０１は、シリコン
製であって、第１実施形態と同様に、フォトリソグラフ
ィ及び異方性ケミカルエッチングからなるシリコン加工
プロセスにより作製される。

【００４４】この弾性体１０１の駆動力取出部非形成面
には、下部電極が薄膜状（膜厚：１０μｍ）に形成され
る。この下部電極は、第１実施形態と同様に、弾性体１
０１の表面に、スパッタリングにより形成された窒化シ
リコン層（絶縁層）１０２，Ｔｉ層（密着層）１０３，
及び白金下部電極１０４が順次積層された状態で形成さ
れる。

【００４５】さらに、白金下部電極１０４の上には、圧
電素子層１０５がスパッタリングにより薄膜状に形成さ
れる。スパッタリング条件，形成される膜厚等は、第１
実施形態と全く同様である。

【００４６】さらに、銅上部電極１０６が圧電素子層１
０５の表面に形成される。本実施形態においても、第１
実施形態と同様に白金下部電極１０４，圧電素子層１０
５はスパッタリングにより形成される。

【００４７】本実施形態では、圧電素子層１０５の形成
に伴って、弾性体１０１の縦振動１次モードと屈曲振動
４次モードとの関係（共振周波数及び反共振周波数）に
偏差が発生するため、二つの振動モードの共振周波数及
び反共振周波数を一致させるように、圧電素子層１０５
の形成後に、弾性体１０１の長手方向の両端面に研削加
工を行って、前述した偏差の調整を行った。

【００４８】さらに、この研削加工による加工歪を除去
するとともに、圧電素子層１０５の完全なペロブスカイ
ト化を図るため、第１実施形態と全く同様の条件で焼鈍
処理を行った。

【００４９】圧電素子層１０５のスパッタリング及び焼
鈍条件は、前述した第１実施形態と同様である。また、
圧電素子層１０５の表面における銅上部電極１０６は、
銅上部電極１０６ａ，１０６ｂに２分割されてスパッタ
リングされた後、マスク蒸着により成膜される。銅上部
電極１０６の厚さは０．１μｍ程度である。

【００５０】このようにして形成された白金下部電極１
０４及び銅上部電極１０６に対して、配線用の銅箔を接
合するため、各電極１０４，１０６にはんだ箔を接合し
た。ポーリングは第１実施形態と同様に、１５０℃，１
００Ｖの条件で大気中で行った。

【００５１】以上のようにして、本実施形態の超音波ア
クチュエータは構成される。このように構成された超音
波アクチュエータにおいて、電極１０４ａに交流電圧Ａ
相を、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で±５Ｖ印加した。すると、
弾性体１の突起部１０１ａ，１０１ｂの先端には楕円運
動が発生し、本実施形態の超音波アクチュエータは駆動
されることが確認された。

【００５２】（第３実施形態）図４は、本発明にかかる
圧電応用素子の第３実施形態を示す斜視図である。

【００５３】本実施形態の超音波アクチュエータは、図
４に示すように、図３に示す第２実施形態の超音波アク
チュエータと全く同様に構成される。そこで、図４にお
いては、図３で用いた１００番台の図中符号を２００番
台へ変更することにより、同一部分を示すこととし、図
４の説明は省略する。

【００５４】本実施形態の超音波アクチュエータが第２
実施形態の超音波アクチュエータと相違するのは、高温
の環境下における使用を考慮して、圧電素子層２０５の
材質を変更した点である。

【００５５】すなわち、圧電素子層２０５を、キューリ
ー温度が４９０℃であって高温環境下においても分極処
理の劣化が起こり難いチタン酸鉛（ＰＴ）により、薄膜
状に形成した。

【００５６】以上のようにして、本実施形態の超音波ア
クチュエータは構成される。そして、電極２０４ａに交
流電圧Ａ相を、電極２０４ｂ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で±５Ｖ印加した。
すると、弾性体１の突起部２０１ａ，２０１ｂの先端に
楕円運動が発生し、本実施形態の超音波アクチュエータ
は駆動されることが確認された。

【００５７】この駆動の際に、バルクの圧電素子を貼付
することにより形成される従来の超音波アクチュエータ
に比較すると、圧電特性が低下したり、圧電素子と弾性
体との密着強度が低下することはなかった。

【００５８】さらに、従来の超音波アクチュエータに比
較すると、同一の駆動トルクを発生するには、圧電素子
層２０５が約１／５００に薄膜化されたために、９０％
駆動電圧を低下することができた。

【００５９】（第４実施形態）図５は、本発明の第４実
施形態の構成を示す説明図であり、図５（Ａ）は斜視
図，図５（Ｂ）は図５（Ａ）のａ−ａ断面図，図５
（Ｃ）は図５（Ａ）のｂ−ｂ断面図である。

【００６０】本実施形態は、円柱状の弾性体の両端もし
くは一端を、圧電素子によって二次元的に加振すること
により、弾性体上に駆動面が回転しながら進行する進行
性振動波を発生させ、それによって弾性体に加圧接触し
ている移動子に直進運動と回転運動との両方を同時に与
える超音波アクチュエータに適用したものである。

【００６１】本実施形態の超音波アクチュエータにおい
ても、弾性体は、シリコン製であって、第１実施形態と
同様に、フォトリソグラフィ及び異方性ケミカルエッチ
ングからなるシリコン加工プロセスにより作製される。

【００６２】この弾性体に、図５に示すように、弾性体
３０１の両端で励振を行う円筒状の圧電素子において、
以下に示す手順により、スパッタリングにより圧電素子
の形成を行った。

【００６３】この超音波アクチュエータは、弾性体３０
１の両端に圧電素子３０２，３０３が形成される。さら
に、これらの圧電素子３０２，３０３はそれぞれ固定子
３０４，３０５に固定される。弾性体３０１の外周面に
は、円筒状の移動子３０６が図示しない支持機構により
支持されて、加圧接触する。

【００６４】ここで、円筒形の弾性体３０１の両端部３
０１ａ，３０１ｂの表面には、下部電極３０２ａ，３０
２ｂがスパッタリングにより薄膜状に形成される。下部
電極３０２ａ，３０２ｂの表面には、チタン酸ジルコン
酸鉛からなる圧電素子相３０３ａ，３０３ｂが形成さ
れ、さらに圧電素子層３０３ａ，３０３ｂの表面には円
周方向に４分割された上部銀電極３０４ａ１，３０４ａ
２，３０４ａ３，３０４ａ４及び３０４ｂ１，３０４ｂ
２，３０４ｂ３，３０４ｂ４が形成される。

【００６５】チタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電素子層
３０３ａ，３０３ｂの形成条件は、第１実施形態と同様
である。また、上部銀電極３０４ａ１〜３０４ａ４，３
０４ｂ１〜３０４ｂ４の形成は、スクリーン印刷により
行った。

【００６６】上部銀電極３０４ａ１〜３０４ａ４，３０
４ｂ１〜３０４ｂ４と、下部電極３０２ａ，３０２ｂと
への配線処理は、はんだ付けにより行った。さらに、分
極処理は第１実施形態と同様の条件で大気中で行った。

【００６７】このような構成を有する超音波アクチュエ
ータにおいて、一方の圧電素子３０３ａの電極３０４ａ
１，３０４ａ２，３０４ａ３，３０４ａ４に、左記の順
番で隣合う電極間の位相差がπ／２になるように実効電
圧で±５Ｖの交流電界を駆動電圧として印加した。する
と、圧電素子３０３ａには、首振り運動が発生すること
が確認された。

【００６８】このような首振り運動により、しかも圧電
素子３０３ａのそれに対してπ／２の位相差を有する運
動を圧電素子３０３ｂにおいても行った。すると、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。

【００６９】また、本実施形態において、電極３０４ａ
１，３０４ａ３及び３０４ｂ１，３０４ｂ３のみに駆動
電圧を印加するか、もしくは電極３０４ａ２，３０４ａ
４及び３０４ｂ２，３０４ｂ４にのみに駆動電圧を印加
すると、弾性体３０１上には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、移動子３０６は直
進運動のみを行うことが確認された。

【００７０】さらに、圧電素子３０２ａのみで弾性体を
励振し、圧電素子３０２ｂで進行波を吸収するようにし
た。すると、全く同様の運動が発生した。この回転の際
に、圧電素子を貼付することにより形成される従来の超
音波アクチュエータに比較して、圧電特性が低下した
り、圧電素子と弾性体との密着強度が著しく低下するこ
とはなかった。

【００７１】さらに、従来の超音波アクチュエータに比
較すると、同一の駆動トルクを発生するには、圧電体層
３０２ａ，３０２ｂが約１／５００に薄膜化されたため
に、９０％駆動電圧を低下することができた。

【００７２】（第５実施形態）図６は、本発明の第５実
施形態を示す分解斜視図である。本実施形態は、円環状
の弾性体の面内屈曲振動のうちの非軸対称屈曲振動を発
生し、内周縁部にテーパを有する振動子４０１と，この
振動子４０１の内周縁部のテーパを介して接触する回転
子４０２とを備える超音波アクチュエータである。

【００７３】振動子４０１は、第１実施形態と同様に、
シリコン加工プロセスにより作製される。ここで、振動
子４０１は、円環型の弾性体４０１ａの両面にスパッタ
リングにより形成された白金からなる下部電極４０１ｂ
と，この下部電極４０１ｂの表面にスパッタリングによ
り形成されたチタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電素子層
４０１ｃ，４０１ｄ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分割されて形成された
白金からなる上部電極４０１ｅ１，４０１ｅ２，４０１
ｅ３，４０１ｅ４及び４０１ｆ１，４０１ｆ２，４０１
ｆ３，４０１ｆ４という構成からなる。

【００７４】各圧電素子層の形成条件は、第１実施形態
と同様である。このようにして形成された電極４０１ｅ
１〜４０１ｅ４及び４０１ｆ１〜４０１ｆ４に対し、配
線用の銅箔を接合するために、電極と銅箔との間にはん
だ箔を挟み、加圧した状態で高周波炉中で４００℃の熱
処理を行った。

【００７５】その後、上部電極４０１ｅ１〜４０１ｅ
４，４０１ｆ１〜４０１ｆ４及び下部電極４０１ｂ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
るように駆動電圧を印加することにより、圧電素子の分
極処理を大気中で行った。

【００７６】ここで、上部電極４０１ｅ１〜４０１ｅ４
及び４０１ｆ１〜４０１ｆ４の２グループの電極群に、
左記の順番で隣合う電極間の位相差がπ／２になるよう
に実効電圧で±５Ｖの交流電界を駆動電圧として印加し
た。

【００７７】すると、振動子４０１の内周面及び外周面
に面内方向に駆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が回転運動を行った。この回転の
際、圧電素子を貼付することにより形成される従来の超
音波アクチュエータに比較して、圧電特性が低下した
り、圧電素子と弾性体との密着強度が著しく低下するこ
とはなかった。

【００７８】さらに、従来の超音波アクチュエータに比
較すると、同一の駆動トルクを発生するには、圧電素子
層４０１ｃ，４０１ｄが約１／５００に薄膜化されたた
めに、９０％程度駆動電圧を低下することができた。

【００７９】（第６実施形態）図７は、本発明の第６実
施形態を示す斜視図である。本実施形態は、本発明を、
圧電素子の電界印加方向の垂直方向の変位を利用したユ
ニモルフ型アクチュエータに適用した例である。

【００８０】このユニモルフ型アクチュエータは、弾性
体５０１と，弾性体５０１の表面にスパッタリングによ
り形成された白金からなる下部電極５０２と，下部電極
５０２上にスパッタリングにより形成されたチタン酸ジ
ルコン酸鉛からなる圧電素子５０３，及びその表面にス
パッタリングにより形成された白金からなる上部電極５
０４という構成からなる。

【００８１】チタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電素子層
の形成条件は、第１実施形態と同様である。なお、図中
符号５０５は圧電素子５０３を保持する固定体である。
また、下部電極５０２及び上部電極５０４に対して配線
用の銅箔を接合するために、はんだ箔を接合し、加圧し
た状態でリフロー式はんだ付け炉中で４００℃の熱処理
を行った。ポーリングは、第１実施形態と同様に大気中
で行った。

【００８２】ここで、上部電極５０４に電界を駆動電圧
として印加したところ、圧電素子層５０３の両方向の変
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。

【００８３】この変位発生の際、圧電素子を貼付するこ
とにより形成される従来の超音波アクチュエータに比較
して、圧電特性が低下したり、圧電素子と弾性体との密
着強度が低下することはなかった。

【００８４】さらに、従来の超音波アクチュエータに比
較すると、同一の駆動トルクを発生するには、圧電素子
５０３が約１／５００に薄膜化されたために、９０％程
度駆動電圧を低下することができた。

【００８５】（第７実施形態）図８は、本発明の第７実
施形態を示す斜視図である。本実施形態は、圧電体の電
界印加方向の垂直方向の変位を利用したユニモルフ型メ
カニカルフィルタ用振動子である。

【００８６】本振動子は、シリコン加工プロセスにより
作製された弾性体６０１と，弾性体６０１の表面にスパ
ッタリングにより形成された白金からなる下部電極６０
２と，下部電極６０２上にスパッタリングにより形成さ
れたチタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電素子層６０３及
びその表面にスパッタリングにより形成された白金から
なる上部電極６０４ａ，６０４ｂという構成からなる。
なお、図中符号６０５は、圧電素子６０３を保持する固
定体である。

【００８７】チタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電素子層
の形成条件は、第１実施形態と同様である。また、上部
電極６０４ａ，上部電極６０４ｂ，下部電極６０４に、
配線用の銅箔を接合し、加圧した状態でリフロー式はん
だ付け炉中で４００℃の熱処理を行った。ポーリング
は、第１実施形態と同様に大気中で行った。

【００８８】ここで、上部電極６０４ａ，６０４ｂに交
流電界を駆動電圧として印加したところ、圧電素子層６
０３の面方向の変位により弾性体６０１の板状の部分に
片持ち梁の共振運動が励振された。

【００８９】さらに、この片持ち梁の共振振動により圧
電素子層６０３の表面に誘起電荷が発生することを利用
して、上部電極６０４ａ，６０４ｂと弾性体６０１から
発生信号を検出したところ、信号は片持ち梁の共振周波
数に等しい周波数のサイン波であった。

【００９０】このことから、本実施形態の振動子が、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
周波数フィルタ（ユニモルフ型メカニカルフィルタ用振
動子）として機能することが確認された。

【００９１】この振動の際、圧電素子を貼付することに
より形成される従来のユニモルフ型メカニカルフィルタ
用振動子に比較して、圧電特性が低下したり、圧電素子
と弾性体との密着強度が低下することはなかった。

【００９２】さらに、従来のユニモルフ型メカニカルフ
ィルタ用振動子に比較すると、同一の駆動トルクを発生
するには、圧電素子層６０３が約１／５００に薄膜化さ
れたために、９０％程度駆動電圧を低下することができ
た。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる圧電応用素子を超音波アクチュ
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実施形態において、上部電極が形成された
弾性体を示す平面図である。

【図３】本発明にかかる圧電応用素子を適用した超音波
アクチュエータの第２実施形態を示す斜視図である。

【図４】本発明にかかる圧電応用素子を適用した振動ア
クチュエータの第３実施形態を示す斜視図である。

【図５】本発明の第４実施形態の構成を示す説明図であ
り、図５（Ａ）は斜視図，図５（Ｂ）は図５（Ａ）のａ
−ａ断面図，図５（Ｃ）は図５（Ａ）のｂ−ｂ断面図で
ある。

【図６】本発明の第５実施形態を示す分解斜視図であ
る。

【図７】本発明の第６実施形態を示す斜視図である。

【図８】本発明の第７実施形態を示す斜視図である。

【図９】成膜温度又は熱処理温度の違いに基づく結晶構
造を示すグラフである。

【符号の説明】

１ロータ部材２摺動材３ステータ３ａ本体部分３ｂ駆動力取出部分３ｃ非形成面４ＭｇＯ層５Ｔｉ膜６下部電極７圧電素子層８上部電極

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所 // Ｈ０１Ｌ 21/203 7259−5ＪＨ０３Ｈ 9/25 ＣＨ０３Ｈ 9/25 Ｈ０１Ｌ 41/22 Ｚ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】駆動信号により励振される電気機械変換
素子が表面に形成されるとともに前記電気機械変換素子
の励振によって表面に振動を発生する弾性体を備える圧
電応用素子であって、前記弾性体は、シリコン加工プロセスで作製されたシリ
コン製であり、前記電気機械変換素子は、前記シリコン加工プロセスと
整合する薄膜形成技術により形成されるとともに、前記弾性体と前記電気機械変換素子との間に、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
金からなる電極が配置されることを特徴とする圧電応用
素子。
【請求項２】請求項１に記載された圧電応用素子にお
いて、前記電気機械変換素子からなる薄膜がシリコンウェハー
面に平行又は略平行に形成されてなるとともに、二次元
の任意の形状に加工されてなることを特徴とする圧電応
用素子。
【請求項３】請求項１又は請求項２に記載された圧電
応用素子において、前記電気機械変換素子の前記弾性体との非接触面に電極
が装着されることを特徴とする圧電応用素子。
【請求項４】請求項１から請求項３までのいずれか１
項に記載された圧電応用素子において、前記電気機械変換素子は、鉛系強誘電体からなる圧電材
料又は電歪材料であることを特徴とする圧電応用素子。
【請求項５】請求項１から請求項４までのいずれか１
項に記載された圧電応用素子において、前記圧電応用素子は、振動アクチュエータ，ユニモルフ
アクチュエータ，メカニカルフィルタ，又はジャイロで
あることを特徴とする圧電応用素子。