JPH09321364A

JPH09321364A - 圧電応用素子

Info

Publication number: JPH09321364A
Application number: JP13686196A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Muramatsu; 研一村松
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-05-30
Filing date: 1996-05-30
Publication date: 1997-12-12

Abstract

(57)【要約】【課題】従来の薄膜形成技術により薄膜状に圧電体層
を弾性体上に形成しようとすると、圧電体層が圧電性を
有する温度に加熱するために、弾性体が酸化し、所望の
圧電性が得られない。【解決手段】溶射により圧電体層５が表面に形成され
た弾性体３を備える超音波アクチュエータ（圧電応用素
子）であって、弾性体３が、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により構成され
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、振動アクチュエータ等のアクチュ
エータ，メカニカルフィルターさらにはジャイロといっ
た圧電効果を利用した圧電応用素子を構成する弾性体の
表面に、例えば圧電素子，磁歪素子さらには電歪素子と
いった電気機械変換素子を形成するには、電気機械変換
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に形成しておき、形成した電気機
械変換素子を弾性体の表面に例えば接着により貼付して
いた。

【０００３】しかし、このように電気機械変換素子を弾
性体の表面に貼付する場合、製造技術上の制約から、電
気機械変換素子の厚さをある所定値以下に小さくするこ
とができない。そのため、前述の圧電応用素子の出力を
所望の値に確保するためには、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を計ることが
難しかった。

【０００４】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た振動アクチュエータが提案されて
いる。

【０００５】

【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電気機械変
換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。

【０００６】すなわち、薄膜形成技術により電気機械変
換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
を行うが、この際の成膜温度や熱処理温度の高低によっ
て、得られる結晶構造が著しく異なる。

【０００７】図１４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り、熱処理温度が４
００℃程度になると主にパイロクロア型となり、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り、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。

【０００８】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。

【０００９】そのため、薄膜形成技術によって形成され
た電気機械変換素子が圧電性を有するためには、圧電体
層の形成を、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
で熱処理を施すことが必要となる。

【００１０】また、使われている電気機械変換素子の殆
どのものが、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ように鉛系の酸
化物材料であり、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。

【００１１】そのため、弾性体にステンレス鋼等の鉄系
の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、弾性体表面が酸化された
り、電気機械変換素子と弾性体との間で酸素原子や鉛原
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。このような化学反応により、弾性体の表面
に酸化層が形成されたり、弾性体や電気機械変換素子の
界面付近での化学組成が変化することにより、圧電特性
が低下したり、電気機械変換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。

【００１２】さらに、弾性体に生じる２つの固有振動数
を一致させるために、電気機械変換素子の弾性率や密
度，さらには形状を正確に把握して計算を行う必要があ
る。しかし、電気機械変換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、弾性体と電気機械変換素子
との間に不可避的に存在してしまう接着層の影響を受け
るため、前述の計算値に誤差を生じてしまい、正確に周
波数を一致させることが難しかった。

【００１３】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、溶射
により電気機械変換素子が表面に形成された弾性体を備
える圧電応用素子であって、この弾性体は、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
からなることを特徴とする。

【００１４】請求項２の発明は、請求項１に記載された
圧電応用素子において、前記の弾性体は、電気機械変換
素子の溶射時に、加熱処理されてなることを特徴とす
る。

【００１５】請求項３の発明は、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、溶射により形成さ
れた前記の電気機械変換素子は、溶射後に熱処理されて
なることを特徴とする。

【００１６】請求項４の発明は、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、さらに、前記の電気機械変換素子への駆動信号の入
力、又は前記の電気機械変換素子からの検出信号の出力
のための電極が形成されることを特徴とする。

【００１７】請求項５の発明は、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、前記の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。

【００１８】本発明において、「圧電応用素子」とは、
圧電効果を利用した素子全般を意味しており、例えばア
クチュエータやセンサー等を例示することができる。

【００１９】本発明における「電気機械変換素子」と
は、電気エネルギーを機械的変位に変換することができ
る素子を意味し、圧電素子，磁歪素子さらには電歪素子
等を包含する。

【００２０】また、本発明における「高融点で酸化し難
い金属」とはニッケル，クロム，コバルト等をいい、
「高融点の貴金属」とは白金，レニウム，ロジウム，パ
ラジウム等をいう。

【００２１】すなわち、鉄，アルミニウムさらには銅等
の低融点の金属原子は、高温環境下では、極めて酸素原
子と結合して酸化し易い。しかも、これらの原子は低融
点であるためにペロブスカイト相が安定的に生成するよ
うな高温域では、極めて容易に原子の拡散が起こり易
い。

【００２２】したがって、これらの金属、又はこれらの
金属を多く含有する合金により弾性体を構成し、その表
面にペロブスカイト型のように高温で安定な電気機械変
換素子を形成することは、特にそれがチタン酸ジルコン
酸鉛のような鉛系酸化物である場合には、還元環境下で
の処理が不可能であり、しかも電気機械変換素子自体も
酸化物であるために弾性体の酸化を避けることができな
いため、極めて難しい。

【００２３】さらに、熱処理時には、弾性体の原子は極
めて拡散し易い状態にあり、しかも電気機械変換素子中
の鉛原子も極めて低融点であるため、電気機械変換素子
から弾性体への鉛原子の拡散も避けることができない。

【００２４】弾性体表面，又は弾性体と電気機械変換素
子との界面における酸化膜の生成は、電気機械変換素子
と弾性体との付着強度を低下させ、電気機械変換素子を
剥離させ易くするものであり、特に高温域での生成で
は、酸化した弾性体表面上には電気機械変換素子は殆ど
付着しない。

【００２５】また、弾性体と電気機械変換素子との界面
における弾性体酸化層の形成，弾性体中への鉛原子の拡
散による拡散層の形成、さらには前述の拡散層の形成に
よる界面近傍での電気機械変換素子中の鉛欠乏層の形成
等といったように、弾性体と電気機械変換素子との間
に、電極以外の低誘電率の誘電体層が形成されること
は、結果的に圧電効果を著しく阻害することになる。

【００２６】これに対し、弾性体がニッケル，クロム，
コバルト等の高融点で酸化し難い金属，又は白金，レニ
ウム，ロジウム，パラジウム等の融点の高い貴金属、さ
らにそれらの合金からなる場合には、高温での成膜でも
表面に酸化層ができ難いため、弾性体と電気機械変換素
子との間に拡散層等が形成され難く、また熱処理時にも
弾性体と圧電素子との間で物質拡散が起こり難いため、
それにより圧電効果が阻害されるおそれもない。

【００２７】このように、本発明にかかる圧電応用素子
では、表面に溶射により電気機械変換素子を形成される
弾性体が、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により形成されるため、熱処理に
よる弾性体の酸化量が抑制されて弾性体と電気機械変換
素子との間に酸化膜が形成され難くなる。

【００２８】また、熱処理時にも弾性体と圧電体層との
間における物質拡散が起こり難いため、圧電効果が阻害
されるおそれもない。

【００２９】さらに、従来の電気機械変換素子の厚さの
１／１００以下になるとともに接着層を介在しないた
め、接着層による振動吸収層が存在せず、固有振動数の
計算の際の誤差分が低減される。

【００３０】

【発明の実施の形態】

（第１実施形態）以下、本発明にかかる圧電応用素子の
実施形態を、添付図面を参照しながらさらに詳細に説明
する。

【００３１】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
７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、図１に示す超音波アクチュエータ７の構成要素で
ある、白金上部電極６が形成された弾性体３を示す平面
図である。

【００３２】図１に示すように、第１実施形態の超音波
アクチュエータ７は、円環状の弾性体３と、この弾性体
３の一方の端面に加圧接触する円環状の移動子１とによ
り構成される。

【００３３】弾性体３の一方の平面には、その円周方向
に多数の溝部３ｂが連設されており、この溝部３ｂによ
って区切られることにより多数の突起部３ａが連続して
形成される。これらの突起部３ａは弾性体３の端面に発
生する進行波の振幅を増幅するとともに、移動子１との
接触により発生した摩耗粉を溝部３ｂ内に落下させるこ
とにより接触部に残存させないためである。

【００３４】本実施形態では、この弾性体３はニッケル
合金を用いて、鋳造を行ってさらに必要に応じて機械加
工を施すことにより、構成される。弾性体３の他方の平
面には、図２に示すように、弾性体３に圧電体層５を形
成するための白金からなる緩衝層４がスパッタリングに
より成膜される。この緩衝層４は下部電極としても機能
する。緩衝層４の表面には、圧電体層５が形成される。
この圧電体層５は、後述するように、弾性体３の表面に
溶射により形成される。

【００３５】一方、移動子１の弾性体３との接触面側の
平面には、環状の摺動材２が貼付されて装着される。こ
の摺動材２を介して、移動子１は図示しない加圧機構に
より弾性体３に加圧接触される。

【００３６】本実施形態の超音波アクチュエータ７で
は、前述したように、弾性体３の裏面にスパッタリング
により緩衝層４が形成されるとともに、緩衝層４の上に
は溶射によりチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）の圧電体
層５が形成されており、さらにその表面には分割された
白金上部電極６が形成される。以下、緩衝層４の表面へ
の圧電体層４の溶射による形成法について説明する。

【００３７】仮焼，粉砕及び造粒により、粒径を５〜４
０μｍに調整した、Ｐｂ，Ｚｒ，Ｔｉのモル比が１：
０．５２：０．４８のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）
に、溶射の際の鉛の揮発分を考慮して過剰のＰｂを酸化
物（ＰｂＯ）の形で添加した混合物を原料粉末とした。

【００３８】この原料を用いてプラズマ溶射装置によ
り、緩衝層４の表面に、１００μｍの厚さでＰＺＴから
なる圧電体層５を成膜した。プラズマジェットの作動ガ
スとしては、アルゴン，（アルゴン及び水素の混合ガ
ス），又は（アルゴン及びヘリウムの混合ガス）を用い
た。

【００３９】本実施形態では、弾性体３の表面に対する
原料粉末の付着効率を上げるため、溶射時には、抵抗体
ヒータを用いて弾性体３の表面温度を３００〜６５０℃
の範囲にコントロールした。

【００４０】さらに、溶射後に、圧電体層５の溶射によ
る形成に伴う弾性体３の変形を修正するため、弾性体３
に対して研削加工及び研摩加工を施した。さらに、この
後、形成した圧電体層５を完全なペロブスカイト層にす
るため、及び弾性体３の加工歪みを取り去るため、６５
０℃に５時間保持する熱処理を行った。

【００４１】このようにして、弾性体３の表面に圧電体
層５を形成し、この圧電体層５の表面に白金上部電極６
を成膜した。本実施形態では、白金上部電極６はスパッ
タリングにより成膜した。

【００４２】この白金上部電極６は、スパッタリング時
にマスキングを行うことにより、図２に示すように、弾
性体３の円周方向について約２０°ピッチで多数連設さ
れる。このようにして形成された白金上部電極６に対
し、リード線を接続する配線用銅箔を接合するために、
白金上部電極６と銅箔（図示しない。）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℃に加熱
保持することにより、白金上部電極６と銅箔とを接合し
た。

【００４３】その後に、白金上部電極６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、圧電体層５の分極処理を
行った。分極処理の条件は、１５０℃，３００Ｖで大気
中で１時間行った。

【００４４】このようにして、第１実施形態の超音波ア
クチュエータ７は構成される。ここで、形成された圧電
体層５のキューリ温度Ｔｃは約２４０℃であった。この
超音波アクチュエータ７の圧電体層５に、入力Ａ相と入
力Ｂ相とで（π／２）の位相差をつけて実効電圧で±５
Ｖの交流電界を印加したところ、弾性体３の表面に形成
された突起部３ａの先端に進行波が発生し、弾性体３に
加圧接触されている移動子１が回転することが確認され
た。このことから、本実施形態によれば、溶射により形
成された圧電体層５が充分な圧電性を有することがわか
る。

【００４５】（第２実施形態）図３は、本発明の第２実
施形態の超音波アクチュエータ１０５を示す斜視図であ
る。

【００４６】本実施形態にかかる超音波アクチュエータ
１０５は、ニッケルからなる矩形平板状の弾性体１０１
の平面に、ＰＺＴからなる圧電体層１０３を溶射により
成膜し、圧電体層１０３に駆動電圧を印加することによ
り弾性体１０１を励振し、弾性体１０１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こと
により、弾性体１０１に加圧接触する移動子（図示しな
い）との間で相対運動を発生させるものである。

【００４７】弾性体１０１は、前述したようにニッケル
合金からなり、弾性体１０１の一方の平面には、弾性体
１０１に圧電体層１０３を形成するための白金からなる
緩衝層１０２がスパッタリングにより成膜される。この
緩衝層１０２は下部電極としても機能する。緩衝層１０
２の表面には、ＰＺＴからなる圧電体層１０３が溶射に
より形成される。ＰＺＴからなる圧電体層１０３の形成
条件は、第１実施形態と同一である。

【００４８】本実施形態では、ＰＺＴからなる圧電体層
１０３の溶射による形成に伴って、弾性体１０１に発生
する縦振動１次モードと屈曲振動４次モードとの関係に
ずれが生じる。そこで、両振動モードの周波数を一致さ
せるため、圧電体層１０３の溶射による形成後に弾性体
１０１の加工を行った。

【００４９】さらに、この加工による加工歪みを除去す
るとともに、圧電体層１０３の完全なペロブスカイト化
を図るため、第１実施形態と同様に、６５０℃に５時間
保持する熱処理を行った。なお、圧電体層１０３の分極
処理は、第１実施形態と同様に、１５０℃，３００Ｖの
条件で大気中で１時間行った。

【００５０】さらに、このようにして溶射により成膜し
た圧電体層１０３の表面に、白金上部電極１０４ａ，１
０４ｂがスパッタリングにより形成される。白金上部電
極１０４ａ，１０４ｂは、スパッタリングの際のマスキ
ングにより２分割されて，成膜される。

【００５１】このようにして形成された白金上部電極１
０４ａ，１０４ｂに対し、配線用の銅箔を接合するため
に、白金上部電極１０４ａ，１０４ｂと銅箔との間には
んだ箔を挟み、加圧した状態でリフロー式はんだ付け炉
中で４００℃に加熱保持した。

【００５２】なお、弾性体１０１の他方の平面であって
発生する屈曲振動４次モードの腹位置の２か所には、弾
性体１０１の幅方向に突起状に形成された駆動力取出部
１０１ａ，１０１ｂが形成されており、図示しない移動
子はこの駆動力取出部１０１ａ，１０１ｂの先端面を介
して弾性体１０１に加圧接触する。

【００５３】このように構成された超音波アクチュエー
タ１０５において、白金上部電極１０４ａに交流電圧Ａ
相を、白金上部電極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
ところ、弾性体１の駆動力取出部１０１ａ，１０１ｂの
先端面に楕円運動が発生し、駆動力取出部１０１ａ，１
０１ｂの先端部を介して加圧接触する相対運動部材との
間で相対運動が発生することが確認された。このことか
ら、本実施形態によれば、溶射により形成された圧電体
層１０３が充分な圧電性を有することがわかる。

【００５４】（第３実施形態）図４は、第３実施形態の
超音波アクチュエータ２０５の構成を示す斜視図であ
る。

【００５５】本実施形態は、基本的構成は第２実施形態
の超音波アクチュエータ１０５と同一であり、本実施形
態では第１実施形態では１００番代を付した図中符号を
２００番代に置換することにより、それらの説明は省略
する。

【００５６】第１実施形態の超音波アクチュエータ１０
５との相違点は、高温の環境下での使用に対応するた
め、圧電体層２０３の構成材料として、キューリ温度Ｔ
ｃが４９０℃であって高温環境下においても分極処理の
劣化が発生し難いチタン酸鉛（ＰＴ）を用いた点であ
る。

【００５７】したがって、以下、ＰＴからなる圧電体層
２０３の溶射による形成方法について説明する。焼結，
粉砕及び造粒によって粒径を５〜４０μｍに調整した、
Ｐｂ，Ｔｉのモル比が１：１であるチタン酸鉛（ＰＴ）
に、溶射によるＰｂの揮発分を考慮して過剰のＰｂを酸
化物（ＰｂＯ）の形で添加した混合物を原料粉末とし
た。

【００５８】弾性体２０１の表面に、第２実施形態と同
様に緩衝層２０２を形成した。この緩衝層２０２の表面
に、前述した原料粉末を用いてプラズマ溶射装置で、１
００μｍの厚さでＰＴからなる圧電体層２０３を形成し
た。プラズマジェットガスの作動ガスとしては、アルゴ
ン，（アルゴン及び水素の混合ガス）又は（アルゴン及
びヘリウムの混合ガス）を用いた。

【００５９】また、弾性体２０１に対する原料粉末の付
着効率を上げるために、抵抗体ヒータを用いて溶射時の
弾性体２０１の表面温度を３００〜６５０℃の範囲にコ
ントロールした。

【００６０】この後、本実施形態においても、ＰＴから
なる圧電体層２０３の形成に伴って弾性体２０１の縦振
動１次モードと屈曲振動４次モードとの関係にずれが生
じるため、両振動モードの周波数を一致させるために、
ＰＴからなる圧電体層２０３の形成後に弾性体２０１の
加工を行った。

【００６１】さらに、この加工による加工歪みを除去す
るとともに、ＰＴからなる圧電体層２０３の完全なペロ
ブスカイト化を図るため、第１実施形態と同様に、６５
０℃に５時間加熱保持する熱処理を行った。

【００６２】このようにして形成した圧電体層２０３に
対して、配線用の銅箔を接合するために、白金上部電極
２０４ａ，２０４ｂと銅箔との間にはんだ箔を挟み、加
圧した状態でリフロー式はんだ付け炉中で４００℃に加
熱保持する熱処理を行った。

【００６３】なお、圧電体層２０３のポーリング（分極
処理）は、２００℃，４５０Ｖで大気中で１時間行っ
た。この超音波アクチュエータ２０５においても、白金
上部電極２０４ａに交流電圧Ａ相を印加するとともに電
極２０４ｂに交流電圧Ａ相と位相が９０°異なる交流電
圧Ｂ相を実効電圧で±１０Ｖ印加したところ、弾性体２
０１の駆動力取出部２０１ａ，２０１ｂの先端面に楕円
運動が発生し、駆動力取出部２０１ａ，２０１ｂの先端
面を介して加圧接触する移動子（図示しない。）との間
で相対運動を発生することが確認された。このことか
ら、本実施形態によれば、溶射により形成された圧電体
層２０３が充分な圧電性を有することがわかる。

【００６４】（第４実施形態）図５は、第４実施形態の
超音波アクチュエータ３０７の説明図であって、図５
（ａ）は斜視図，図５（ｂ）は図５（ａ）におけるＡ−
Ａ断面図，図５（ｃ）は図５（ａ）におけるＢ−Ｂ断面
図である。

【００６５】本実施形態の超音波アクチュエータ３０７
は、円柱状のニッケルからなる弾性体３０１の両端（一
端でもよい。）を、弾性体３０１の表面に溶射により形
成した圧電素子３０２，３０３により二次元的に加振す
ることにより、振動面が回転しながら進行する進行性振
動波を弾性体３０１上に発生させ、これにより弾性体３
０１に加圧接触する移動子３０６に直進運動及び回転運
動の両方を同時に付与する。

【００６６】本実施形態における超音波アクチュエータ
３０７では、弾性体３０１の両端において、第１実施形
態〜第３実施形態と同様に緩衝層３０２ａ，３０３ａを
形成し、形成した緩衝層３０２ａ，３０３ａの表面に、
溶射により圧電体層３０２，３０３を円筒状に形成し、
励振を行うように構成した。

【００６７】本実施形態の超音波アクチュエータ３０７
は、円筒状の弾性体３０１の両端側の外周面に溶射によ
り圧電体層３０２及び３０３が成膜されており、さらに
それらの圧電体層３０２及び３０３は、それぞれ直方体
型の固定子３０４及び３０５により保持される。さら
に、弾性体３０１には、中空円筒状の移動子３０６の内
周面が加圧接触する。

【００６８】本実施形態では、円筒状の弾性体３０１は
ニッケル合金からなる。圧電体層３０２及び３０３は、
円筒形のニッケル弾性体３０１の両端部側３０１ａ，３
０１ｂに、溶射によって圧電体層３０２，３０３が形成
され、圧電体層３０２，３０３の上には、弾性体３０１
の円周方向に４分割された上部銀電極３０２ｃ１，３０
２ｃ２，３０２ｃ３，３０２ｃ４及び３０３ｃ１，３０
３ｃ２，３０３ｃ３，３０３ｃ４が形成される。

【００６９】圧電体層３０２及び３０３の溶射による形
成条件は、第１実施形態と同様である。また、上部銀電
極３０２ｃ１〜３０２ｃ４及び３０３ｃ１〜３０３ｃ４
の形成は、スクリーン印刷により行った。上部銀電極３
０２ｃ１〜３０２ｃ４及び３０３ｃ１〜３０３ｃ４への
配線処理は、はんだ付けにより行った。さらに、圧電体
層３０２及び３０３の分極処理は、１５０℃，３００Ｖ
で大気中で１時間行った。

【００７０】このように構成された超音波アクチュエー
タ３０７において、一方の圧電素子３０２の上部銀電極
３０２ｃ１〜３０２ｃ４に、この順番で隣合う上部銀電
極間の位相差がπ／２になるように実効電圧で±５Ｖの
交流電界を印加したところ、圧電素子３０２は首振り運
動を行うことが確認された。このような首振り運動で、
しかも圧電素子３０２に発生する首振り運動に対してπ
／２の位相差を有する運動を圧電素子３０４に関しても
発生させたところ、棒状の弾性体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。

【００７１】また、本実施形態において、電極３０２ｃ
１，３０２ｃ３及び３０３ｃ１，３０３ｃ３のみに入力
電圧を印加した場合、又は上部銀電極３０２ｃ２，３０
２ｃ４及び３０３ｃ２，３０３ｃ４にのみ駆動電圧を印
加した場合には、弾性体３０１上に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３０
６は回転せずに直進運動のみを行うことが確認された。

【００７２】さらに、圧電素子３０２のみにより弾性体
３０１を励振し、圧電素子３０３により進行波を吸収す
るようにしたところ、同様に、移動子３０６は回転せず
に直進運動のみを行うことが確認された。

【００７３】（第５実施形態）図６は、第５実施形態の
超音波アクチュエータ４０３を示す説明図であって、図
６（ａ）及び図６（ｂ）は、いずれもは、超音波アクチ
ュエータ４０３の分解斜視図である。

【００７４】本実施形態にかかる超音波アクチュエータ
４０３は、円環状の弾性体４０１の面内屈曲振動のうち
の非軸対称屈曲振動を行い、内周にテーパ状の変径部を
有する円環型の振動子４０１と、振動子４０１の変形部
を介して接触する回転子４０２とを備える。

【００７５】ここで、振動子４０１は、円環型のニッケ
ル合金からなる弾性体４０１ａの両面に、前述した第１
実施形態〜第４実施形態と同様に形成された緩衝層４０
１ｂ，４０１ｅと、緩衝層４０１ｂ，４０１ｅそれぞれ
の表面に溶射により形成されたＰＺＴからなる圧電体層
４０１ｃ，４０１ｆ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分割された状態で形成
された白金上部電極４０１ｄ１，４０１ｄ２，４０１ｄ
３，４０１ｄ４及び４０１ｇ１，４０１ｇ２，４０１ｇ
３，４０１ｇ４とから構成される。なお、圧電体層４０
１ｃ，４０１ｆの形成条件は、第１実施形態と同様であ
る。

【００７６】このようにして形成された白金上部電極４
０１ｄ１〜４０１ｄ４及び４０１ｆ１〜４０１ｆ４に対
し、配線用の銅箔（図示しない。）を接合するため、白
金上部電極４０１ｄ１〜４０１ｄ４及び４０１ｆ１〜４
０１ｆ４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℃に加熱した。

【００７７】その後に、白金上部電極４０１ｄ１〜４０
１ｄ４及び４０１ｆ１〜４０１ｆ４に、図２に示すよう
に隣接するもの同士で符号が逆向きになるように電圧を
印加することにより、白金上部電極４０１ｄ１〜４０１
ｄ４及び４０１ｆ１〜４０１ｆ４の分極処理を行った。
分極処理の条件は１５０℃で３００Ｖで大気中において
１時間行った。

【００７８】ここで、白金上部電極４０１ｄ１〜４０１
ｄ４及び４０１ｆ１〜４０１ｆ４の２グループの電極群
に、この順番で隣り合う電極間の位相差がπ／２になる
ように実効電圧で±５Ｖの交流電界を印加した。する
と、振動子４０１の内周面及び外周面に面内方向に振動
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４０２が回転運動を行うことが確認された。

【００７９】（第６実施形態）図７は、第６実施形態の
ユニモルフ型アクチュエータ５０６を示す斜視図であ
る。

【００８０】このユニモルフ型アクチュエータ５０６
は、圧電体層５０３の電界印加方向に関する垂直方向の
変位を利用する。ユニモルフ型アクチュエータ５０６
は、白金からなる弾性体５０１と、第１実施形態〜第５
実施形態と同様に弾性体５０１の表面に形成された緩衝
層５０２と、緩衝層５０２上に溶射により形成されたＰ
ＺＴからなる圧電体層５０３と、圧電体層５０３の表面
にスパッタリングにより形成された白金上部電極５０４
と、弾性体５０１を支持する支持体５０５とにより構成
される。圧電体層５０３の形成条件は、第１実施形態と
同様である。

【００８１】スパッタリングにより形成された白金上部
電極５０４に対し、配線用の銅箔を接合するため、白金
上部電極５０４と銅箔との間にはんだ箔を挟み、加圧し
た状態でリフロー式はんだ付け炉中で４００℃に加熱し
た。圧電体層５０３のポーリングは、第１実施形態と同
様に、１５０℃，３００Ｖで大気中で１時間行った。

【００８２】このように構成された本実施形態のユニモ
ルフ型アクチュエータ５０６において、白金上部電極５
０４と下部電極である弾性体５０１との間に、駆動電圧
を印加したところ、圧電体層５０３の面方向に関する変
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】（第７実施形態）図８は、第７実施形態の
ユニモルフ型メカニカルフィルタ用振動子６０６を示す
斜視図である。

【００８４】本実施形態のユニモルフ型メカニカルフィ
ルタ用振動子６０６は、圧電体層６０３の電界印加方向
の垂直方向に関する変位を利用する。ユニモルフ型メカ
ニカルフィルタ用振動子６０６は、クロム合金からなる
弾性体６０１と、第１実施形態〜第６実施形態と同様に
弾性体６０１上に形成された緩衝層６０２と、緩衝層６
０２上に溶射により形成されたＰＺＴからなる圧電体層
６０３と、圧電体層６０３の表面にスパッタリングによ
り形成された白金上部電極６０４ａ，６０４ｂとにより
構成される。

【００８５】圧電体層６０３の形成条件は、第１実施形
態と同様である。また、白金上部電極６０４ａ，６０４
ｂに対し、配線用の銅箔を接合するため、白金上部電極
６０４ａ，６０４ｂと銅箔との間にはんだ箔を挟み、加
圧した状態でリフロー式はんだ付け炉中で４００℃に加
熱した。圧電体層６０３のポーリングは、第１実施形態
と同様に、１５０℃、３００Ｖで大気中で１時間行っ
た。

【００８６】ここで、白金上部電極６０４ａ，６０４ｂ
と下部電極である弾性体６０１との間に交流電界を印加
したところ、圧電体層６０３の面方向に関する変位によ
り、弾性体６０１の板状の部分に片持ち梁の共振が励振
された。

【００８７】さらに、この片持ち梁の共振振動により圧
電体層６０３の表面に誘起電荷が発生することを利用し
て、白金上部電極６０４ｂと弾性体６０１とから発生信
号を検出したところ、信号は片持ち梁の共振周波数に等
しい周波数の正弦波であった。

【００８８】このことから、本実施形態における振動子
６０６は、入力信号からある一定の周波数の出力信号の
みを取り出すための周波数フィルターとして機能するこ
とが確認された。

【００８９】（第８実施形態）図９は、第８実施形態の
振動角速度計７０５を示す斜視図である。図９に示す振
動角速度計７０５では、ニッケル−クロム合金からなる
直方体振動子７０１の一つの側面に、第１実施形態〜第
７実施形態と同様に緩衝層７０２を形成する。この緩衝
層７０２の表面に、プラズマ溶射により、ＰＺＴからな
る圧電体層７０３を形成する。

【００９０】ニッケル−クロム合金からなる振動子７０
１自身をグランド電極として用い、ＰＺＴからなる圧電
体層７０３上に、スパッタリング法により、振動子７０
１の軸方向に３分割された電極７０４を形成する。

【００９１】中央の電極７０４ｂは駆動用電極であり、
両側の電極７０４ａ，７０４ｃは検出用電極である。振
動子７０１の軸方向に垂直な断面は、駆動方向とコリオ
リ力方向との共振周波数を一致させるため、略正方形で
ある。圧電体層７０３の形成条件は、第１実施形態と同
様である。また、電極７０４ａ〜７０４ｃに対し、配線
用の銅箔を接合するため、電極７０４ａ〜７０４ｃと銅
箔との間にはんだ箔を挟み、加圧した状態でリフロー式
はんだ付け炉中で４００℃に加熱した。圧電体層７０３
のポーリングは、第１実施形態と同様に１５０℃，３０
０Ｖで大気中で１時間行った。

【００９２】図１０（ａ）〜図１０（ｃ）は、いずれ
も、図９に示した圧電振動角速度計７０６の動作原理を
示す説明図である。図１０（ａ）に示すように、駆動用
電極７０４ｂに振動子７０１の共振周波数に近い交流電
圧を印加すると、振動子７０１は無拘束条件で振動し、
振動の節点７０５を境に振動子７０１の中央部分と端部
とは、反対の向きに速度を有する。

【００９３】図１０（ｂ）に示すように、この時、振動
子７０１の軸回りに回転が発生すると、速度の方向が反
対であるため、振動の接点を境に反対の向きにコリオリ
力が発生する。

【００９４】図１０（ｃ）に示すように、このコリオリ
力により、振動子７０１は電極面内方向で屈曲する。外
側に配置された二つの検出用電極７０４ａ，７０４ｃに
は、駆動振動（図１０（ａ）参照）に起因する圧電信号
と、コリオリ力による変形（図１０（ｃ）参照）に起因
する圧電信号とが同時に発生する。

【００９５】このうち、コリオリ力に起因する圧電信号
は、二つの電極７０４ａ，７０４ｃ間で略位相が反対と
なる。これは、例えば図１０（ｃ）に示す変形状態で
は、電極７０４ａ側には圧縮応力が作用するとともに電
極７０４ｃ側には引張応力が作用することになり、二つ
の電極７０４ａ，７０４ｃの間で常に応力の符号が異な
る。

【００９６】一方、起動に起因した圧電信号は、両電極
７０４ａ，７０４ｃ間で略同じであるため、両電極７０
４ａ，７０４ｃから差動信号をとれば、略コリオリ力に
起因する圧電信号だけを取り出すことができる。

【００９７】本実施形態では、振動子７０１の断面を正
方形とするとともにコリオリ力方向及び駆動方向それぞ
れの共振周波数を一致させてあるため、検出用電極７０
４ａ，７０４ｃからの出力を帰還すれば、簡単な発振回
路で振動子７０１を共振周波数付近で駆動することがで
き、したがってコリオリ力に基づく振動も共振状態とな
り、検出感度が向上する。

【００９８】このように二方向の共振周波数を合わせる
ためには、振動子７０１の形状精度に対する要求は極め
て高い。したがって、第２実施形態及び第３実施形態と
同様に、本実施形態においても、圧電体層形成後に共振
合わせのための加工を行い、さらに、この加工による加
工歪みを取るための熱処理を６５０℃で行った。

【００９９】なお、本実施形態における振動子７０１で
は、必ずしも、駆動方向及びコリオリ力方向それぞれの
共振周波数が一致している必要はない。例えば、駆動に
は共振状態でなくても大きな変位が得られるユニモルフ
振動を用い、振動検出だけをコリオリ力方向の共振を用
いることも可能である。このためには、コリオリ力方向
の共振周波数によって、振動子７０１をユニモルフ駆動
させればよい。このような振動子７０１を用いれば、共
振合わせ加工の工程を省略することができる。

【０１００】図１１は、図９に示す振動子７０１の無拘
束条件を実現するための振動子７０１の支持形態の一例
を示したものである。振動の節点に相当する位置で、シ
リコーン系接着剤を使用して支持台７０６に固定してあ
る。また、簡便な方法として、振動子７０１全体を比較
的弾性定数の低い接着剤に埋め込んで固定することも可
能である。

【０１０１】また、本実施形態においては、振動子７０
１に圧電体層７０３を形成するための緩衝層である白金
層７０２は、そのまま下部電極として利用される。

【０１０２】（第９実施形態）図１２は、第９実施形態
の超音波アクチュエータ８０５を示す斜視図である。

【０１０３】本実施形態の超音波アクチュエータ８０５
は、第２実施形態と同様に、圧電体８０３により弾性体
８０１を励振し弾性体８０１の縦振動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ことにより、弾
性体８０１に加圧接触する移動子（図示しない）を駆動
するものである。

【０１０４】本実施形態の超音波アクチュエータ８０５
では、弾性体８０１はニッケル合金からなるとともに、
第１実施形態〜第８実施形態と同様に緩衝層８０２が形
成される。緩衝層８０２の表面には、ガスフレーム溶射
法により、ＰＺＴからなる圧電体層８０３の形成を行っ
た。圧電体層８０３の表面には、白金上部電極８０４
ａ，８０４ｂが形成される。

【０１０５】ガスフレーム溶射法による圧電体層８０３
の溶射条件は以下の通りである。仮焼，粉砕及び造粒に
より、二次粒子の粒径を５〜４０μｍに調整した、Ｐ
ｂ，Ｚｒ，Ｔｉのモル比が１：０．５２：０．４８のチ
タン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）に、溶射の際のＰｂ揮発
分を考慮して、過剰のＰｂを酸化物（ＰｂＯ）の形で添
加したものを原料粉末とした。

【０１０６】この原料粉末を用いてフレーム溶射装置に
より、弾性体８０１の表面に１００μｍの厚さで成膜し
た。ガスフレーム溶射の燃料ガスとしては、アセチレン
ガス（プロパンガスでもよい。）を用いた。

【０１０７】また、弾性体８０１に対する原料粉末の付
着効率を上げるため、抵抗体ヒータを用いて弾性体８０
１の表面温度を３００〜６５０℃の範囲にコントロール
した。

【０１０８】本実施形態においても、第２実施形態及び
第３実施形態と同様に、圧電体層８０３のガスフレーム
溶射による形成に伴って、弾性体８０１の縦振動１次モ
ードと屈曲振動４次モードとの関係にずれが生じるた
め、両モードの周波数を一致させるため、圧電体層８０
３の形成後に弾性体８０１の加工を行った。

【０１０９】また、この加工による加工歪みを除去する
とともに圧電体層８０３の完全なペロブスカイト化を図
るため、第１実施形態と同様に、６５０℃で５時間の熱
処理を行った。

【０１１０】さらに、圧電体層８０３の表面における白
金上部電極は、スパッタリングにより白金上部電極８０
４ａ，８０４ｂに２分割されて成膜される。このように
して形成された白金上部電極８０４ａ，８０４ｂに対し
て配線用の銅箔を接合するために、白金上部電極８０４
ａ，８０４ｂと銅箔との間にはんだ箔を挟み、加圧した
状態でリフロー式はんだ付け炉中で４００℃の処理を行
った。

【０１１１】このように構成された超音波アクチュエー
タ８０５において、電極８０４ａに交流電圧Ａ相を、電
極８０４ｂにＡ相と位相が９０°異なる交流電圧Ｂ相を
実効電圧で±５Ｖ印加したところ、弾性体８０１の突起
状に形成された駆動力取出部８０１ａ，８０１ｂの先端
に楕円運動が発生し、駆動力取出部８０１ａ，８０１ｂ
を介して加圧接触する相対運動部材である移動子（図示
しない。）が駆動されることが確認された。

【０１１２】（第１０実施形態）図１３は、第１０実施
形態の超音波アクチュエータ９０５を示す斜視図であ
る。

【０１１３】図１３に示す超音波アクチュエータ９０５
は、溶射により形成された圧電体層９０３によりニッケ
ル合金からなる弾性体９０１を励振し、弾性体９０１の
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
生させて、弾性体９０１に加圧接触する移動子（図示し
ない。）を駆動するものである。

【０１１４】本実施形態では、圧電体層９０３としてチ
タン酸バリウム（ＢａＴｉＯ₃）系の圧電組成を用い
た。チタン酸バリウムは、構成元素であるバリウム及び
チタンがともに高融点であるとともに蒸気圧も接近して
いる。そのため、ＰＺＴにおけるＰｂ成分のような一成
分の揮発による組成ずれの心配が少なく、組成のコント
ロールが比較的容易であって溶射条件を決定し易いとい
う特徴がある。本実施形態では、室温付近に存在するチ
タン酸バリウムの第２変態点を低下させるため、バリウ
ムを１０重量％程度カルシウムに置換した組成を用い
た。

【０１１５】弾性体９０１の表面には、第１実施形態〜
第９実施形態と同様に緩衝層９０２が形成されており、
この緩衝層９０２の表面にはチタン酸バリウム系圧電体
層９０３が形成されており、さらにその表面には白金上
部電極９０４ａ，９０４ｂがスパッタリングにより２分
割されて成膜される。

【０１１６】本実施形態においても、第１実施形態と同
様に、圧電体層９０３はプラズマ溶射により形成され
る。チタン酸バリウムからなる圧電体層９０３の溶射に
よる形成の方法について述べる。

【０１１７】焼結，粉砕及び造粒により、二次粒子の粒
径を５〜４０μｍに調整した、Ｂａ，Ｃａ，Ｔｉのモル
比が０．９：０．１：１のチタン酸バリウム系組成を原
料粉末とした。

【０１１８】この原料粉末を用いてプラズマ溶射装置に
より、弾性体９０１の表面に１００μｍの厚さでチタン
酸バリウム系圧電体層９０３を形成した。溶射の際のプ
ラズマジェットガスの作動ガスとしては、アルゴン，
（アルゴン＋水素）の混合ガス，（アルゴン＋ヘリウ
ム）の混合ガスを用いた。

【０１１９】また、弾性体９０１に対する粉末の付着効
率を上げるため、抵抗体ヒータを用いて弾性体９０１の
表面温度を３００〜６５０℃の範囲にコントロールし
た。本実施形態においても、圧電体層９０３の形成に伴
って弾性体９０１の縦振動１次モードと屈曲振動４次モ
ードとの関係にずれが生じるため、両モードの周波数を
一致させるように、圧電体層９０３の形成後に弾性体９
０１の加工を行った。

【０１２０】さらに、この加工による加工歪みを除去す
るとともにペロブスカイト結晶層の結晶化度を上昇させ
るため、第１実施形態と同様に、６５０℃に５時間加熱
保持する熱処理を行った。

【０１２１】また、白金上部電極９０４ａ，９０４ｂに
対し、配線用の銅箔を接合するために、白金上部電極９
０４ａ，９０４ｂと銅箔との間にはんだ箔を挟み、加圧
した状態でリフロー式はんだ付け炉中で４００℃に加熱
する処理を行った。さらに、圧電体層９０３に対するポ
ーリングは、２００℃，４５０Ｖで大気中で１時間行っ
た。

【０１２２】本実施形態の超音波アクチュエータ９０５
においても、電極９０４ａに交流電圧Ａ相を、また電極
９０４ｂにＡ相とは位相が９０°異なる交流電圧Ｂ相
を、それぞれ実効電圧で±１０Ｖ印加したところ、弾性
体９０１の突起状の駆動力取出部９０１ａ，９０１ｂの
先端に楕円運動が発生し、駆動力取出部９０１ａ，９０
１ｂを介して加圧接触する移動子（図示しない。）との
間で相対運動を発生することが確認された。

【０１２３】このように、第１実施形態〜第１０実施形
態によれば、溶射による圧電体層形成母材の表面におけ
る酸化層の生成を恐れることなく、圧電体層の溶射によ
る成膜時に母材を溶射に最適な温度に加熱できるように
なった。

【０１２４】これにより、圧電体層の溶射による成膜の
際に母材温度の設定幅が拡大され、圧電体層の緻密化や
母材に対する付着強度を最大限に引き出すことができる
最適な溶射条件を選択できるようになった。

【０１２５】また、熱処理時においても、母材と圧電体
層との間における物質拡散を抑制するため、圧電効果の
低下を恐れることなく、充分な熱処理を行うことが可能
となった。このため、圧電効果を奏するに必要な結晶層
の生成を確実かつ充分に行うことが可能となり、圧電効
果が最大限に奏されるようになった。

【０１２６】さらに、母材表面に直接的に圧電体を形成
するため、母材表面に対して高融点で酸化し難い金属や
貴金属を、例えばスパッタリングやメッキ等の方法によ
り形成するような手間を要さないため、極めて生産性が
優れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】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る。

【図２】第１実施形態の超音波アクチュエータの構成要
素である、上部電極が形成された弾性体を示す平面図で
ある。

【図３】本発明の第２実施形態の超音波アクチュエータ
を示す斜視図である。

【図４】本発明の第３実施形態の超音波アクチュエータ
の構成を示す斜視図である。

【図５】本発明の第４実施形態の超音波アクチュエータ
の説明図であって、図５（ａ）は斜視図，図５（ｂ）は
図５（ａ）におけるＡ−Ａ断面図，図５（ｃ）は図５
（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図である。

【図６】本発明の第５実施形態の超音波アクチュエータ
を示す説明図であって、図６（ａ）及び図６（ｂ）は、
いずれもは、超音波アクチュエータの分解斜視図であ
る。

【図７】本発明の第６実施形態のユニモルフ型アクチュ
エータを示す斜視図である。

【図８】本発明の第７実施形態のユニモルフ型メカニカ
ルフィルタ用振動子を示す斜視図である。

【図９】本発明の第８実施形態の振動角速度計を示す斜
視図である。

【図１０】図１０（ａ）〜図１０（ｃ）は、いずれも、
第８実施形態の圧電振動角速度計の動作原理を示す説明
図である。

【図１１】第８実施形態で用いる振動子の無拘束条件を
実現するための振動子の支持形態の一例を示す説明図で
ある。

【図１２】本発明の第９実施形態の超音波アクチュエー
タを示す斜視図である。

【図１３】本発明の第１０実施形態の超音波アクチュエ
ータを示す斜視図である。

【図１４】成膜温度又は熱処理温度の違いに基づく結晶
構造の違いを示すグラフである。

【符号の説明】

１移動子２摺動材３弾性体３ａ突起部３ｂ溝部４圧電体層５白金上部電極６圧電素子７超音波アクチュエータ（圧電応用素子）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】溶射により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であって、前記弾性体は、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、前記弾性体は、前記電気機械変換素子の溶射時に、加熱
処理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、溶射により形成された前記電気機械変換素子は、溶射後
に熱処理されてな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、さらに、前記電気機械変換素子への駆動信号の入力、又
は前記電気機械変換素子からの検出信号の出力のための
電極が形成され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。