JPH10127069A - Vibration actuator - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、弾性体と、この弾
性体に接合されて縦振動及び屈曲振動を調和的に発生さ
せる電気機械変換素子とを備える振動アクチュエータに
関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a vibration actuator having an elastic body and an electromechanical transducer which is joined to the elastic body and generates longitudinal vibration and bending vibration in a harmonic manner.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来より、弾性体と、この弾性体に接合
されて縦振動及び屈曲振動を調和的に発生させる電気機
械変換素子とを備える振動アクチュエータが知られてい
る。2. Description of the Related Art Conventionally, there has been known a vibration actuator including an elastic body and an electromechanical transducer that is joined to the elastic body to generate longitudinal vibration and bending vibration harmoniously.
【0003】この種の振動アクチュエータとしては、例
えば、矩形平板状に形成された弾性体の一方の平面に、
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
子である圧電体を装着する。そして、この圧電体に2相
の交流電圧を印加することにより弾性体を振動させ、弾
性体に1次の縦振動と4次の屈曲振動とを調和的に発生
させ、弾性体表面に楕円運動を発生させる。As a vibration actuator of this type, for example, an elastic body formed in a rectangular plate shape is provided on one plane.
A piezoelectric body, which is an electromechanical conversion element that converts electric energy into mechanical displacement, is mounted. An elastic body is vibrated by applying a two-phase AC voltage to the piezoelectric body, and a first-order longitudinal vibration and a fourth-order bending vibration are generated harmoniously in the elastic body. Generate.
【0004】楕円運動が発生した弾性体の他方の平面で
あって、4次の屈曲振動の腹位置となる2ヵ所に、突起
状に駆動力取出部が形成されており、これらの駆動力取
出部の先端が楕円状に周期的に変位する。[0004] Driving force extracting portions are formed at two positions on the other plane of the elastic body where the elliptical motion has occurred, which are antinodes of the fourth bending vibration, and these driving force extracting portions are formed. The tip of the part is periodically displaced in an elliptical shape.
【0005】駆動力取出部の先端は、相対運動部材(移
動子)に加圧接触しており、発生した楕円状の変位は相
対運動部材に伝達され、弾性体と相対運動部材との間で
相対運動が発生する。[0005] The tip of the driving force take-out unit is in pressure contact with a relative motion member (moving element), and the generated elliptical displacement is transmitted to the relative motion member, and the displacement between the elastic body and the relative motion member. Relative motion occurs.
【0006】このような振動アクチュエータとしては、
「光ピックアップ移動を目的とした圧電リニア・モー
タ」(富川義朗氏他:第5回電磁力関連のダイナミック
シンポジウム講演論文集,第393頁〜第398頁)に
おいて、振動アクチュエータの構成と負荷特性とが詳細
に説明されている。[0006] As such a vibration actuator,
In "Piezoelectric Linear Motor for Moving Optical Pickup" (Mr. Yoshiaki Tomikawa et al .: Proceedings of the 5th Dynamic Symposium on Electromagnetic Force, pp. 393-398), the configuration and load characteristics of vibration actuators Is described in detail.
【0007】この振動アクチュエータの弾性体に発生す
る1次の縦振動と4次の屈曲振動との固有振動数が非常
に接近した値となるように、弾性体が設計される。その
ため、圧電体に、前述した縦振動,屈曲振動それぞれの
固有振動数に近い周波数の交流電圧を2相印加すること
により、弾性体に2つの振動が調和した振動が発生す
る。The elastic body is designed such that the natural frequencies of the first-order longitudinal vibration and the fourth-order bending vibration generated in the elastic body of the vibration actuator are very close to each other. Therefore, by applying two phases of an AC voltage having a frequency close to the natural frequency of each of the above-described longitudinal vibration and bending vibration to the piezoelectric body, vibration in which the two vibrations are harmonized with the elastic body is generated.
【0008】この従来の振動アクチュエータでは、圧電
体は、所定の形状に製作された弾性体の一方の平面に、
例えばエポキシ樹脂系等の接着剤により接着されて、装
着されていた。In this conventional vibration actuator, the piezoelectric body is formed on one plane of an elastic body manufactured in a predetermined shape.
For example, it is attached by being attached with an adhesive such as an epoxy resin.
【0009】[0009]
【発明が解決しようとする課題】前述したように、この
振動アクチュエータでは、弾性体に1次の縦振動,4次
の屈曲振動という2種の振動を調和的に生じさせて弾性
体の表面に楕円運動を発生させることにより駆動力を得
る。したがって、弾性体に発生する縦振動及び屈曲振動
それぞれの固有振動数を非常に接近した値に設計する。As described above, in this vibration actuator, two kinds of vibrations, that is, a first-order longitudinal vibration and a fourth-order bending vibration, are generated harmoniously in the elastic body so that the surface of the elastic body is generated. A driving force is obtained by generating an elliptical motion. Therefore, the natural frequencies of the longitudinal vibration and the bending vibration generated in the elastic body are designed to be very close values.
【0010】このように縦振動,屈曲振動それぞれの固
有振動数を一致させることは、弾性体及び圧電体を含め
た振動アクチュエータ全体の弾性率や密度,さらには形
状等を計算する設計段階においては、比較的容易に行う
ことができる。As described above, matching the natural frequencies of the longitudinal vibration and the bending vibration is required in the design stage of calculating the elastic modulus and density of the entire vibration actuator including the elastic body and the piezoelectric body, as well as the shape and the like. Can be performed relatively easily.
【0011】しかし、実際の製作段階では、圧電体を弾
性体の表面に接着するため、接着層が不可避的に存在し
てしまう。そのため、この接着層の厚さに応じて、設計
段階では一致していた縦振動,屈曲振動それぞれの固有
振動数がずれてしまい、それぞれの固有振動数を正確に
一致させることは極めて難しくなってしまう。そのた
め、実際に組み立てられた振動アクチュエータの駆動効
率は、設計段階で設定した目標駆動効率を下回ってしま
うという課題があった。However, at the actual manufacturing stage, the piezoelectric body is bonded to the surface of the elastic body, so that an adhesive layer is inevitably present. Therefore, according to the thickness of the adhesive layer, the natural frequencies of the longitudinal vibration and the bending vibration, which coincided in the design stage, are shifted, and it is extremely difficult to accurately match the natural frequencies of the respective vibrations. I will. Therefore, there is a problem that the driving efficiency of the actually assembled vibration actuator is lower than the target driving efficiency set at the design stage.
【0012】また、駆動効率の向上という観点からする
と、圧電体の厚さはできるだけ薄いほうが望ましいが、
ある限界値以上に圧電体を薄くしてしまうと、弾性体へ
の接着の際におけるハンドリング時に、圧電体割れが頻
発してしまう。そのため、圧電体はある値以上には薄く
できないのであり、この点からも、実際に組み立てられ
た振動アクチュエータの駆動効率は、設計段階で設定し
た目標駆動効率を下回ってしまう。From the viewpoint of improving driving efficiency, it is desirable that the thickness of the piezoelectric body be as small as possible.
If the piezoelectric body is made thinner than a certain limit value, cracking of the piezoelectric body occurs frequently at the time of handling at the time of bonding to the elastic body. Therefore, the piezoelectric body cannot be made thinner than a certain value, and from this point as well, the drive efficiency of the actually assembled vibration actuator is lower than the target drive efficiency set at the design stage.
【0013】[0013]
【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るため、本発明は、別部品として形成した圧電体を弾性
体に接着により装着するのではなく、弾性体の表面に水
熱合成法を用いて圧電体を成膜するものである。SUMMARY OF THE INVENTION In order to solve the above-mentioned problems, the present invention does not attach a piezoelectric body formed as a separate component to an elastic body by bonding, but uses a hydrothermal synthesis method on the surface of the elastic body. Is used to form a piezoelectric film.
【0014】請求項1の発明は、弾性体と,この弾性体
に接合されて縦振動及び屈曲振動を調和的に発生させる
電気機械変換素子とを備える振動アクチュエータであっ
て、電気機械変換素子は、弾性体に水熱合成法によって
形成されることを特徴とする。According to a first aspect of the present invention, there is provided a vibration actuator including an elastic body and an electromechanical transducer that is joined to the elastic body and generates a longitudinal vibration and a bending vibration harmoniously. , Characterized by being formed on the elastic body by a hydrothermal synthesis method.
【0015】請求項2の発明は、請求項1に記載された
振動アクチュエータにおいて、前記電気機械変換素子に
駆動信号を入力する電極が、前記電気機械変換素子の表
面,又は、前記電気機械変換素子の両面に形成されるこ
とを特徴とする。According to a second aspect of the present invention, in the vibration actuator according to the first aspect, the electrode for inputting a drive signal to the electromechanical transducer is a surface of the electromechanical transducer or the electromechanical transducer. Characterized by being formed on both surfaces.
【0016】請求項3の発明は、請求項1又は請求項2
に記載された振動アクチュエータにおいて、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。[0016] The invention of claim 3 is claim 1 or claim 2.
Wherein the electromechanical transducer is a piezoelectric or electrostrictive material made of a lead-based ferroelectric.
【0017】請求項4の発明は、請求項2又は請求項3
に記載された振動アクチュエータにおいて、弾性体と電
気機械変換素子との間に形成される電極は、チタン層か
らなることを特徴とする。The invention of claim 4 is the invention of claim 2 or claim 3.
In the vibration actuator described in the above, the electrode formed between the elastic body and the electromechanical transducer is made of a titanium layer.
【0018】請求項1の発明における「水熱合成法」と
は、高温(特に、高温高圧)の水の存在下で行われる物
質の合成及び結晶成長法をいう。本発明においては、例
えば、オートクレーブ内に、圧電体構成原料と水と弾性
体とを入れ、100℃〜300℃程度で(圧力は300
℃においては8.5Mpa)で両者間に数K程度の温度
差をつけることにより、対流が発生すると同時に、温度
による溶解度変化によって圧電体構成原料は溶解し、弾
性体の表面にPZTの析出が起こって、成長する。The "hydrothermal synthesis method" in the first aspect of the present invention refers to a method of synthesizing and growing a substance in the presence of high-temperature (particularly, high-temperature, high-pressure) water. In the present invention, for example, a piezoelectric material, water, and an elastic material are placed in an autoclave and are heated at about 100 ° C. to 300 ° C. (pressure is 300 ° C.).
By providing a temperature difference of about several K between the two at 8.5 ° C., convection occurs, and at the same time, the piezoelectric constituent material dissolves due to the change in solubility with temperature, and PZT precipitates on the surface of the elastic body. Happen and grow.
【0019】[0019]
(第1実施形態)以下、添付図面を参照しながら、本発
明にかかる振動アクチュエータの実施形態を詳細に説明
する。なお、以降の各実施形態の説明は、振動アクチュ
エータとして、超音波の振動域を利用する超音波アクチ
ュエータを例にとって、行う。(First Embodiment) Hereinafter, an embodiment of a vibration actuator according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description of each embodiment, an example of an ultrasonic actuator using an ultrasonic vibration region will be described as the vibration actuator.
【0020】図1は、第1実施形態の超音波アクチュエ
ータ1の構成を示す斜視図である。本実施形態の超音波
アクチュエータ1は、弾性体2と、弾性体2の表面に施
されたチタン層3と、チタン層3の上に、水熱合成法に
より成膜されたPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)からな
る圧電体膜4と、圧電体膜4の表面にスパッタリングに
より成膜された白金上部電極5a,5bとを備える。FIG. 1 is a perspective view showing the configuration of the ultrasonic actuator 1 according to the first embodiment. The ultrasonic actuator 1 of this embodiment includes an elastic body 2, a titanium layer 3 provided on the surface of the elastic body 2, and PZT (zircon titanate) formed on the titanium layer 3 by hydrothermal synthesis. A piezoelectric film 4 made of lead oxide) and platinum upper electrodes 5a and 5b formed on the surface of the piezoelectric film 4 by sputtering.
【0021】以下、この超音波アクチュエータ1の製造
手順について、説明する。 (1)弾性体2の形成 弾性体2は、本実施形態では、金属等の弾性材料により
矩形平板状に形成される。弾性体2の材質,寸法等は、
前述したように、弾性体2に発生する1次の縦振動及び
4次の屈曲振動それぞれの固有振動数が一致するよう
に、設定される。なお、本実施形態では、弾性体の厚さ
は3mmであった。Hereinafter, a procedure for manufacturing the ultrasonic actuator 1 will be described. (1) Formation of Elastic Body 2 In the present embodiment, the elastic body 2 is formed in a rectangular flat plate shape using an elastic material such as metal. The material and dimensions of the elastic body 2
As described above, it is set so that the natural frequencies of the first-order longitudinal vibration and the fourth-order bending vibration generated in the elastic body 2 match each other. In addition, in this embodiment, the thickness of the elastic body was 3 mm.
【0022】また、弾性体2の一方の平面であって、発
生する4次の屈曲振動の腹位置の2ヵ所には、突起状に
駆動力取出部2a,2bが形成される。弾性体2はこれ
らの駆動力取出部2a,2bの端面を介して、図示しな
い相対運動部材に、同じく図示しない加圧機構により加
圧接触される。Driving force take-out portions 2a and 2b are formed on one flat surface of the elastic body 2 at two antinode positions of the generated fourth-order bending vibration. The elastic body 2 is brought into pressure contact with a relative movement member (not shown) by the pressure mechanism (not shown) via the end faces of the driving force extracting portions 2a and 2b.
【0023】なお、本実施形態では、駆動力取出部2
a,2bを突起状に形成したが、弾性体2の平面と同一
平面となるように(換言すれば、高さ零の突起状)形成
してもよい。In the present embodiment, the driving force output unit 2
Although a and 2b are formed in the shape of a protrusion, they may be formed so as to be flush with the plane of the elastic body 2 (in other words, a protrusion having a height of zero).
【0024】(2)チタン層3の成膜 このように形成された弾性体2における2つの平面のう
ちの圧電体形成平面(駆動力取出部2a,2b非形成
面)に、水熱合成による結晶成長のための下地となるチ
タン層3を成膜する。(2) Deposition of Titanium Layer 3 A hydrothermal synthesis is performed on the piezoelectric body forming plane (the surface on which the driving force output portions 2a and 2b are not formed) of the two planes of the elastic body 2 thus formed. A titanium layer 3 serving as a base for crystal growth is formed.
【0025】チタン層3の形成は、通常のメッキ等の形
成法で行えばよく、これにより、1〜20μm程度の厚
さのチタン層3が形成される。本実施形態では、10μ
mであった。なお、チタン層3は、本実施形態では、後
述する圧電体膜4の分極処理の際に、下部電極として利
用する。The formation of the titanium layer 3 may be performed by a usual forming method such as plating, whereby the titanium layer 3 having a thickness of about 1 to 20 μm is formed. In this embodiment, 10 μm
m. In the present embodiment, the titanium layer 3 is used as a lower electrode when a polarization process is performed on the piezoelectric film 4 described later.
【0026】すなわち、チタン酸ジルコン酸鉛(PZ
T)又はチタン酸鉛(PT)等のチタンを含む強誘電体
材料を、弾性体2上に水熱合成法により圧電体膜4とし
て成膜する場合には、これらの強誘電体材料が弾性体2
上に成長していく過程において、結晶成長の核になるも
のとして弾性体2の表面にチタン層又は酸化チタン層3
が存在することが理想的である。チタン層又は酸化チタ
ン層3は、弾性体2に対する鉛原子の拡散を抑制するた
めのバッファ層としても作用する。さらに、チタン層又
は酸化チタン層3を利用する場合には、反応に寄与しな
い部分をそのまま電極として利用することも可能であ
る。That is, lead zirconate titanate (PZ)
When a ferroelectric material containing titanium such as T) or lead titanate (PT) is formed on the elastic body 2 as the piezoelectric film 4 by a hydrothermal synthesis method, these ferroelectric materials are elastic. Body 2
In the process of growing on the surface, the titanium layer or the titanium oxide layer 3
Ideally exists. The titanium layer or the titanium oxide layer 3 also functions as a buffer layer for suppressing the diffusion of lead atoms into the elastic body 2. When the titanium layer or the titanium oxide layer 3 is used, a portion that does not contribute to the reaction can be used as it is as an electrode.
【0027】(3)圧電体膜4の水熱合成法により形成 このようにして形成されたチタン層3の上に、水熱合成
法により、圧電体膜4を形成する。(3) Formation of Piezoelectric Film 4 by Hydrothermal Synthesis The piezoelectric film 4 is formed on the titanium layer 3 thus formed by hydrothermal synthesis.
【0028】すなわち、チタン層3を形成された弾性体
2を、硝酸鉛(Pb(NO3 )2 )及び酸化塩化ジルコ
ン八水和物(ZrOCl2 :8H2 0)を溶かし込んだ
水酸化カリウム水溶液を収容するオートクレーブ内に収
容する。That is, the elastic body 2 on which the titanium layer 3 is formed is made of potassium hydroxide in which lead nitrate (Pb (NO 3 ) 2 ) and zirconium oxychloride octahydrate (ZrOCl 2 : 8H 20 ) are dissolved. Place in an autoclave containing the aqueous solution.
【0029】水熱合成の際には、弾性体2は水酸化カリ
ウム水溶液に浸漬され、例えば、140℃×48時間程
度の処理を施される。この処理の際に、弾性体2の表面
におけるチタンと水酸化カリウム水溶液中の鉛とジルコ
ンとが反応することにより、PZTの粒子が核生成する
ものと考えられる。At the time of hydrothermal synthesis, the elastic body 2 is immersed in an aqueous solution of potassium hydroxide and subjected to, for example, treatment at 140 ° C. for about 48 hours. It is considered that at the time of this treatment, PZT particles are nucleated by the reaction between titanium on the surface of the elastic body 2 and lead and zircon in the aqueous potassium hydroxide solution.
【0030】次に、この弾性体2を、硝酸鉛と酸化塩化
ジルコン八水和物と四塩化チタン(TiCl4 )を溶か
した水酸化カリウム水溶液中に浸漬して、オートクレー
ブ内で150℃×48時間程度の処理を行って結晶成長
を促進することにより、圧電体膜4を形成する。この圧
電体膜4の膜厚は、5〜50μm程度であり、本実施形
態では10μmであった。Next, the elastic body 2 is immersed in an aqueous potassium hydroxide solution in which lead nitrate, zirconium oxychloride octahydrate and titanium tetrachloride (TiCl 4 ) are dissolved, and is placed in an autoclave at 150 ° C. × 48. The piezoelectric film 4 is formed by promoting the crystal growth by performing the process for about a time. The thickness of the piezoelectric film 4 was about 5 to 50 μm, and was 10 μm in the present embodiment.
【0031】ここで、弾性体2を効率的に励振させる圧
電体膜4としては、印加電界当たりの変位量が大きいこ
とから、鉛系強誘電体からなる圧電材料又は磁歪材料を
用いることが最も望ましい。Here, as the piezoelectric film 4 for efficiently exciting the elastic body 2, it is most preferable to use a piezoelectric material or a magnetostrictive material made of a lead-based ferroelectric material because the displacement amount per applied electric field is large. desirable.
【0032】本実施形態において、形成された圧電体膜
4の膜厚は10μm程度であって、従来の単品の圧電体
に比較すると、1/50程度の厚さに低減される。した
がって、超音波アクチュエータ1全体では、殆ど無視で
きる量である。しかも、従来のように、圧電体と弾性体
との間に接着層が存在しないため、接着層により弾性体
に発生する振動が吸収されることがない。したがって、
固有振動数の計算の際に不明瞭な量を除外して計算する
ことが可能となり、よりいっそう厳密な超音波アクチュ
エータの設計が可能となる。In the present embodiment, the thickness of the formed piezoelectric film 4 is about 10 μm, which is reduced to about 1/50 as compared with a conventional single-piece piezoelectric body. Accordingly, the amount is almost negligible in the entire ultrasonic actuator 1. Further, unlike the related art, since the adhesive layer does not exist between the piezoelectric body and the elastic body, vibration generated in the elastic body is not absorbed by the adhesive layer. Therefore,
In the calculation of the natural frequency, the calculation can be performed excluding the unclear amount, so that the ultrasonic actuator can be designed more strictly.
【0033】また、本実施形態では、弾性体の平面上に
圧電体膜4を形成したが、平面以外に例えば曲面のよう
な複雑な形状の処理面に対しても、水熱処理を行うこと
が可能である限り、極めて容易に圧電体膜4を形成する
ことが可能である。そのため、本実施形態の圧電体膜4
の形成は、将来にわたる超音波アクチュエータ形状の複
雑化にも充分に対応することが可能である。In this embodiment, the piezoelectric film 4 is formed on the plane of the elastic body. However, it is also possible to perform hydrothermal treatment on a processing surface having a complicated shape such as a curved surface other than the plane. As far as possible, the piezoelectric film 4 can be formed very easily. Therefore, the piezoelectric film 4 of the present embodiment
Can sufficiently cope with the future complexity of the ultrasonic actuator shape.
【0034】さらに、本実施形態において水熱合成法を
利用する効果として、水熱膜(圧電体膜4)がチタン層
3上の全ての場所に同時に形成できることがある。例え
ぱ、板状の弾性体2の場合には、必要に応じて、極めて
容易に弾性体2の両面に厚電体膜4を形成することが可
能であり、励振のために発生する力を容易に2倍にする
ことが可能である。Further, as an effect of utilizing the hydrothermal synthesis method in this embodiment, a hydrothermal film (piezoelectric film 4) can be formed at all places on the titanium layer 3 at the same time. For example, in the case of a plate-like elastic body 2, it is possible to very easily form the thick electric film 4 on both sides of the elastic body 2 as necessary, and to reduce the force generated for excitation. It can be easily doubled.
【0035】(4)白金上部電極5a,5bの形成 さらに、圧電体膜4の表面に上部電極である白金層をス
パッタリングにより成膜し、白金上部電極5a,5bの
形成する。これらの白金上部電極5a,5bは、スパッ
タリングの際に、圧電体膜4をマスキングすることによ
り、図1に示すように、2分割されて形成される。本実
施形態では、白金上部電極5a,5bの厚さは0.1μ
mであった。(4) Formation of Platinum Upper Electrodes 5a and 5b Further, a platinum layer as an upper electrode is formed on the surface of the piezoelectric film 4 by sputtering to form platinum upper electrodes 5a and 5b. These platinum upper electrodes 5a and 5b are formed into two parts by masking the piezoelectric film 4 during sputtering, as shown in FIG. In the present embodiment, the thickness of the platinum upper electrodes 5a and 5b is 0.1 μm.
m.
【0036】さらに、このようにして形成された白金上
部電極5a,5bに、白金上部電極5a,5b同士で符
号が逆向きになるようにして電圧を印加することによ
り、圧電体膜4の分極処理を行った。分極処理の条件
は、150℃×100V,大気中1時間の条件で行っ
た。Further, by applying a voltage to the platinum upper electrodes 5a and 5b thus formed so that the signs of the platinum upper electrodes 5a and 5b are opposite to each other, the polarization of the piezoelectric film 4 is increased. Processing was performed. The polarization treatment was performed at 150 ° C. × 100 V for 1 hour in the air.
【0037】本実施形態では、圧電体膜4の両面に、チ
タンメッキ層3及び白金上部電極5a,5bを形成して
いる。圧電体膜4の圧電効果を取り出すための電極の最
も単純で作製し易い構成は、本実施形態のように、圧電
体膜4の両面に電極を形成する構成である。なお、弾性
体2を一方の電極として用いる場合には、白金上部電極
5a,5bだけでもよい。In this embodiment, the titanium plating layer 3 and the platinum upper electrodes 5a and 5b are formed on both surfaces of the piezoelectric film 4. The simplest and easy-to-manufacture configuration of an electrode for extracting the piezoelectric effect of the piezoelectric film 4 is a configuration in which electrodes are formed on both surfaces of the piezoelectric film 4 as in the present embodiment. When the elastic body 2 is used as one electrode, only the platinum upper electrodes 5a and 5b may be used.
【0038】このようにして形成された超音波アクチュ
エータ1について、白金上部電極5aに交流電圧A相
を、白金上部電極4bに交流電圧A相と位相が90度異
なる交流電圧B相をそれぞれ印加すると、弾性体2の突
起部2a,2bの端面に楕円運動が発生し、駆動力を得
ることができた。With respect to the ultrasonic actuator 1 thus formed, an AC voltage A phase is applied to the platinum upper electrode 5a, and an AC voltage B phase which is 90 degrees out of phase with the AC voltage A phase is applied to the platinum upper electrode 4b. Then, an elliptical motion occurred on the end faces of the protrusions 2a and 2b of the elastic body 2, and a driving force could be obtained.
【0039】このように、本実施形態の超音波アクチュ
エータ1では、弾性体の厚さ:3mm,チタンメッキ層
3の厚さ:10μm,圧電体膜4の厚さ:10μm,白
金上部電極5a,5bの厚さ:0.1μmであった。そ
のため、従来のように実際の組み立てに際しても、接着
層の悪影響が生じなくなり、弾性率,密度,寸法等から
計算により求めた弾性体の固有振動数の目標値にずれを
生じることがなくなった。As described above, in the ultrasonic actuator 1 of the present embodiment, the thickness of the elastic body: 3 mm, the thickness of the titanium plating layer 3: 10 μm, the thickness of the piezoelectric film 4: 10 μm, the platinum upper electrode 5a, 5b thickness: 0.1 μm. For this reason, the adverse effect of the adhesive layer does not occur even in the actual assembling as in the related art, and the target value of the natural frequency of the elastic body obtained by calculation from the elastic modulus, density, dimensions, and the like does not occur.
【0040】なお、蒸着,スパッタリング,CVDさら
にはゾルゲル等の薄膜成形技術によって圧電体膜4を形
成することも提案されている。これらの技術によって
も、圧電体膜4と弾性体2との界面に接着層のような振
動吸収層は存在しないため、圧電体膜4に発生する振動
を極めて効率的に弾性体2に伝搬することができる。し
かし、これらの薄膜成形技術によっては数μm以上の成
膜を行うには、大変なコスト及び工数を要するととも
に、形成した圧電体膜4にひびが発生し易くなる。その
ため、充分な性能を有する圧電体膜4を形成すること
が、特に弾性体2の厚さが大きい場合には、難しい。こ
れに対し、本発明における水熱合成法による成膜では、
発生する振動を非常に効率良く弾性体に伝えることが可
能な圧電体膜4を容易に数十μm程度形成することが可
能であり、超音波アクチュエータ1における圧電体膜4
の形成に適した方法である。It has been proposed to form the piezoelectric film 4 by a thin film forming technique such as vapor deposition, sputtering, CVD, and sol-gel. Even with these techniques, since a vibration absorbing layer such as an adhesive layer does not exist at the interface between the piezoelectric film 4 and the elastic body 2, the vibration generated in the piezoelectric film 4 is transmitted to the elastic body 2 very efficiently. be able to. However, in order to form a film having a thickness of several μm or more by these thin film forming techniques, a great cost and man-hour are required, and cracks are easily generated in the formed piezoelectric film 4. Therefore, it is difficult to form the piezoelectric film 4 having sufficient performance, especially when the thickness of the elastic body 2 is large. In contrast, in the film formation by the hydrothermal synthesis method in the present invention,
The piezoelectric film 4 capable of transmitting the generated vibration to the elastic body very efficiently can be easily formed on the order of several tens of μm.
This is a method suitable for the formation of
【0041】また、本発明における水熱合成法を利用す
れば、従来は弾性体と圧電体とを一つ一つ接着していた
が、バッチ処理によって一度に大量に処理することが可
能になって、作業効率及び量産性がともに一気に向上す
る。例えば、大型平板状の弾性体母材の所定の表面に、
チタン層3を形成してから水熱合成法により圧電体膜4
を形成し、その後に、所定の寸法に弾性体母材から弾性
体2を切り出せばよい。In addition, if the hydrothermal synthesis method of the present invention is used, the elastic body and the piezoelectric body are conventionally bonded one by one, but a large amount can be processed at once by batch processing. Therefore, both work efficiency and mass productivity are improved at a stretch. For example, on a predetermined surface of a large flat elastic base material,
After the titanium layer 3 is formed, the piezoelectric film 4 is formed by hydrothermal synthesis.
After that, the elastic body 2 may be cut out from the elastic body base material to a predetermined size.
【0042】さらに、今後、超音波アクチュエータ1の
小型化が推進されても、弾性体2の所定の平面に圧電体
4を形成することが可能となるばかりか、従来のよう
に、弾性体2に対する振動伝搬効率が小型化によって著
しく損なわれる恐れもなく小型化に対しても充分に対応
することができる。Further, even if the miniaturization of the ultrasonic actuator 1 is promoted in the future, it is possible not only to form the piezoelectric body 4 on a predetermined plane of the elastic body 2 but also to form the elastic body 2 as in the prior art. Therefore, it is possible to sufficiently cope with the miniaturization without fear that the vibration propagation efficiency with respect to is significantly impaired by the miniaturization.
【0043】ここで、得られる最大出力を入力電力量に
より除することにより算出される駆動効率を、設計目標
値,従来の超音波アクチュエータの実測値及び本実施形
態の超音波アクチュエータ1について計算・測定する
と、以下のようになる。なお、設計目標値の駆動効率を
100として換算してある。Here, the driving efficiency calculated by dividing the obtained maximum output by the input electric energy is calculated and calculated for the design target value, the actually measured value of the conventional ultrasonic actuator, and the ultrasonic actuator 1 of the present embodiment. The measurement is as follows. The drive efficiency of the design target value is converted as 100.
【0044】 設計目標値 :100 従来の超音波アクチュエータ : 85 本実施形態の超音波アクチュエータ1: 92Design target value: 100 Conventional ultrasonic actuator: 85 Ultrasonic actuator of the present embodiment 1: 92
【0045】このようにして、本実施形態によれば、実
際に組み立てた超音波アクチュエータ1の駆動効率を、
設計段階で設定した目標駆動効率に近づけることがで
き、従来の超音波アクチュエータよりも駆動効率の向上
を図ることが可能となった。As described above, according to the present embodiment, the driving efficiency of the ultrasonic actuator 1 actually assembled is
The target drive efficiency set at the design stage can be approached, and the drive efficiency can be improved as compared with the conventional ultrasonic actuator.
【0046】(第2実施形態)図2は、第2実施形態の
超音波アクチュエータ11を示す斜視図である。本実施
形態の超音波アクチュエータ11は、弾性体12と、弾
性体12の表面にメッキにより形成されたチタン層13
と、チタン層13上に水熱合成法により成膜されたPZ
Tからなる圧電体膜14と、圧電体膜14上にスパッタ
リングにより成膜された白金上部電極15a,15b
と、弾性体12の裏面に突起状に形成された駆動力取出
部12a,12bの間にメッキにより形成されたチタン
層16と、チタン層16上に水熱合成法により成膜され
たPZTからなる圧電体膜17と、圧電体膜17上にス
パッタリングにより成膜された白金上部電極18a,1
8bとから構成される。(Second Embodiment) FIG. 2 is a perspective view showing an ultrasonic actuator 11 according to a second embodiment. The ultrasonic actuator 11 of the present embodiment includes an elastic body 12 and a titanium layer 13 formed on the surface of the elastic body 12 by plating.
And a PZ film formed on the titanium layer 13 by a hydrothermal synthesis method.
And a platinum upper electrode 15a, 15b formed on the piezoelectric film 14 by sputtering.
And a titanium layer 16 formed by plating between the driving force extracting portions 12a and 12b formed in a protruding shape on the back surface of the elastic body 12, and a PZT film formed on the titanium layer 16 by hydrothermal synthesis. And a platinum upper electrode 18a, 1 formed on the piezoelectric film 17 by sputtering.
8b.
【0047】圧電体膜14は、弾性体12の駆動面と反
対の面に成膜され、圧電体膜17は弾性体12の駆動面
側に形成された駆動力取出部12a,12bの間に成膜
される。弾性体12、チタン層13,16、圧電体膜1
4,17、白金上部電極15a,15b,18a,18
bの形成法は、第1実施形態と同一である。また、圧電
体膜14,17のポーリングは、第1実施形態と同様に
150℃、100Vで大気中で1時間行った。The piezoelectric film 14 is formed on the surface opposite to the driving surface of the elastic body 12, and the piezoelectric film 17 is provided between the driving force output portions 12 a and 12 b formed on the driving surface side of the elastic body 12. A film is formed. Elastic body 12, titanium layers 13 and 16, piezoelectric film 1
4, 17, platinum upper electrodes 15a, 15b, 18a, 18
The method of forming b is the same as in the first embodiment. The poling of the piezoelectric films 14 and 17 was performed in the air at 150 ° C. and 100 V for one hour in the same manner as in the first embodiment.
【0048】このように構成された超音波アクチュエー
タ11では、電極15a,18bに交流電圧A相を、電
極15b,18aにA相と位相が90度異なる交流電圧
B相を印加することにより、弾性体12の駆動力取出部
12a,12bの先端に楕円運動を発生させ、駆動カを
得ることができた。In the ultrasonic actuator 11 configured as described above, the AC voltage A phase is applied to the electrodes 15a and 18b, and the AC voltage B phase which is 90 degrees different from the A phase is applied to the electrodes 15b and 18a. An elliptical motion was generated at the tips of the driving force take-out portions 12a and 12b of the body 12, and a driving force could be obtained.
【0049】本実施形態に超音波アクチュエータ11
も、第1実施形態の超音波アクチュエータ1と全く同様
の効果を得ることができた。また、本実施形態の超音波
アクチュエータ11では、弾性体12の2つの平面に圧
電体膜14,17を形成したことにより、第1実施形態
の片面に圧電体膜4を形成した振動アクチュエータ1に
比較すると、同じ駆動電圧を印加したときに生じる屈曲
振動の変形を大きくして、駆動力を向上させることが可
能である。In this embodiment, the ultrasonic actuator 11
Also, the same effect as the ultrasonic actuator 1 of the first embodiment could be obtained. Also, in the ultrasonic actuator 11 of the present embodiment, the piezoelectric films 14 and 17 are formed on the two planes of the elastic body 12, so that the vibration actuator 1 in which the piezoelectric film 4 is formed on one surface of the first embodiment. By comparison, it is possible to increase the deformation of the bending vibration generated when the same driving voltage is applied, thereby improving the driving force.
【0050】ここで、得られる最大出力を入力電力量に
より除することにより算出される駆動効率を、設計目標
値,従来の超音波アクチュエータの実測値及び本実施形
態の超音波アクチュエータ11について計算・測定する
と、以下のようになる。なお、設計目標値の駆動効率を
100として換算してある。Here, the drive efficiency calculated by dividing the obtained maximum output by the input electric energy is calculated and calculated for the design target value, the actually measured value of the conventional ultrasonic actuator, and the ultrasonic actuator 11 of the present embodiment. The measurement is as follows. The drive efficiency of the design target value is converted as 100.
【0051】 設計目標値 :100 従来の超音波アクチュエータ : 85 本実施形態の超音波アクチュエータ11: 92Design target value: 100 Conventional ultrasonic actuator: 85 Ultrasonic actuator 11 of the present embodiment: 92
【0052】このようにして、本実施形態によれば、実
際に組み立てた超音波アクチュエータ11の駆動効率
を、設計段階で設定した目標駆動効率に近づけることが
でき、従来の超音波アクチュエータよりも駆動効率の向
上を図ることが可能となった。As described above, according to the present embodiment, the drive efficiency of the actually assembled ultrasonic actuator 11 can be made closer to the target drive efficiency set in the design stage, and the drive efficiency is higher than that of the conventional ultrasonic actuator. It has become possible to improve the efficiency.
【0053】(第3実施形態)図3は、第3実施形態の
超音波アクチュエータ21を示す斜視図である。本実施
形態の超音波アクチュエータ21は、高温環境下で作動
するタイプに対する応用例であって、弾性体22の形態
は、第1実施形態の弾性体2と同一である。(Third Embodiment) FIG. 3 is a perspective view showing an ultrasonic actuator 21 according to a third embodiment. The ultrasonic actuator 21 of the present embodiment is an application example of a type that operates in a high-temperature environment, and the form of the elastic body 22 is the same as the elastic body 2 of the first embodiment.
【0054】そのため、弾性体励振用の圧電体層として
キューリ温度が490℃であって高温環境下においても
分極処埋の劣化が起こり難いチタン酸鉛(PT)を選沢
した。弾性体22の表面には、メッキにより形成された
チタン層23を挟んで、チタン酸鉛(PT)からなる圧
電体層24が水熱合成法により形成されており、さらに
その表面に白金上部電25a,25bがスパッタリング
により形成される。For this reason, lead titanate (PT), which has a Curie temperature of 490 ° C. and hardly deteriorates in polarization treatment even in a high temperature environment, was selected as the piezoelectric layer for exciting the elastic body. A piezoelectric layer 24 made of lead titanate (PT) is formed on the surface of the elastic body 22 by a hydrothermal synthesis method with a titanium layer 23 formed by plating interposed therebetween. 25a and 25b are formed by sputtering.
【0055】このように、本実施形態においても、第1
実施形態と同様に、チタン層23はメッキにより、圧電
体層24は水熱合成法により、それぞれ形成される。圧
電体層24の水熱合成法による形成手法を、以下に示
す。As described above, also in the present embodiment, the first
As in the embodiment, the titanium layer 23 is formed by plating, and the piezoelectric layer 24 is formed by hydrothermal synthesis. A method for forming the piezoelectric layer 24 by the hydrothermal synthesis method will be described below.
【0056】弾性体22の表面のうち圧電体層24を形
成する部分に、水熱合成法による結晶成長のための下地
となるチタン層23をメッキにより形成する。チタンメ
ッキ処理を施された弾性体22は、硝酸鉛(Pb(NO
3 )2 )及び酸化チタン(Ti02 )を溶解した水酸化
カリウム水溶液に浸漬された状態で、オートクレーブ内
で420℃×60時間の処理を施される。On the surface of the elastic body 22 where the piezoelectric layer 24 is to be formed, a titanium layer 23 serving as a base for crystal growth by hydrothermal synthesis is formed by plating. The elastic body 22 that has been subjected to the titanium plating is made of lead nitrate (Pb (NO
3) 2), and in a state of being immersed in an aqueous solution of potassium hydroxide were dissolved titanium oxide (Ti0 2), are subjected to processing 420 ° C. × 60 hours in an autoclave.
【0057】この処理の際に、弾性体22の表面に形成
されたチタン層23と、水酸化カリウム水溶液中の鉛と
が反応し、弾性体22の表面においてPT粒子の核が生
成する。さらに、このようにして生成したPT粒子の核
の周囲に、水溶液中の鉛とチタンとが濃集することによ
り結晶成長が促進し、PTからなる圧電体層24が形成
される。At the time of this treatment, the titanium layer 23 formed on the surface of the elastic body 22 reacts with lead in the aqueous potassium hydroxide solution, and nuclei of PT particles are generated on the surface of the elastic body 22. Further, the lead and titanium in the aqueous solution concentrate around the nuclei of the PT particles thus generated, thereby promoting crystal growth and forming the piezoelectric layer 24 made of PT.
【0058】この超音波アクチュエータ21において、
電極25aに交流電圧A相を、電極25bにA相と位相
が90度異なる交流電圧B相を、それぞれ実効電圧で±
5V印加したところ、弾性体22の駆動力取出部22
a,22bの端面に楕円運動が発生し、駆動することが
確認された。In this ultrasonic actuator 21,
The AC voltage A-phase is applied to the electrode 25a, and the AC voltage B-phase 90 ° out of phase with the A-phase is applied to the electrode 25b.
When 5 V is applied, the driving force extracting portion 22 of the elastic body 22
It was confirmed that an elliptical motion occurred on the end faces of a and 22b, and the end faces were driven.
【0059】ここで、得られる最大出力を入力電力量に
より除することにより算出される駆動効率を、設計目標
値,従来の超音波アクチュエータの実測値及び本実施形
態の超音波アクチュエータ21について計算・測定する
と、以下のようになる。なお、設計目標値の駆動効率を
100として換算してある。Here, the drive efficiency calculated by dividing the obtained maximum output by the input electric energy is calculated and calculated for the design target value, the actually measured value of the conventional ultrasonic actuator, and the ultrasonic actuator 21 of the present embodiment. The measurement is as follows. The drive efficiency of the design target value is converted as 100.
【0060】 設計目標値 :100 従来の超音波アクチュエータ : 85 本実施形態の超音波アクチュエータ21: 92Design target value: 100 Conventional ultrasonic actuator: 85 Ultrasonic actuator 21 of the present embodiment: 92
【0061】このようにして、本実施形態によれば、実
際に組み立てた超音波アクチュエータ21の駆動効率
を、設計段階で設定した目標駆動効率に近づけることが
でき、従来の超音波アクチュエータよりも駆動効率の向
上を図ることが可能となった。As described above, according to the present embodiment, the drive efficiency of the actually assembled ultrasonic actuator 21 can be made closer to the target drive efficiency set in the design stage, and the drive efficiency is higher than that of the conventional ultrasonic actuator. It has become possible to improve the efficiency.
【0062】(変形形態)各実施形態では、振動アクチ
ュエータとして超音波アクチュエータを用いたが、本発
明にかかる振動アクチュエータはこのような態様に限定
されるものではなく、他の振動域を利用する振動アクチ
ュエータに対しても等しく適用することができる。(Modification) In each of the embodiments, the ultrasonic actuator is used as the vibration actuator. However, the vibration actuator according to the present invention is not limited to such an embodiment, and the vibration actuator using another vibration region is used. The same applies to actuators.
【0063】各実施形態では、電気機械変換素子として
圧電素子を用いたが、電気エネルギーを機械的変位に変
換することが可能な素子であれば、他の素子であっても
等しく適用することができる。例えば、圧電素子以外に
電歪素子を例示することができる。In each of the embodiments, the piezoelectric element is used as the electromechanical conversion element. However, as long as the element can convert electric energy into mechanical displacement, other elements can be equally applied. it can. For example, an electrostrictive element other than the piezoelectric element can be exemplified.
【0064】さらに、各実施形態では、弾性体に発生す
る縦振動,屈曲振動それぞれの次数は、1次,4次であ
ったが、本発明にかかる振動アクチュエータは各振動の
次数に限定されるものではない。例えば、縦振動1次,
屈曲振動6次の振動アクチュエータについても等しく適
用される。Further, in each of the embodiments, the order of the longitudinal vibration and the bending vibration generated in the elastic body is the first and fourth order. However, the vibration actuator according to the present invention is limited to the order of each vibration. Not something. For example, longitudinal vibration primary,
The same applies to a sixth-order vibration actuator.
【図1】第1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。FIG. 1 is a perspective view illustrating a configuration of an ultrasonic actuator according to a first embodiment.
【図2】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。FIG. 2 is a perspective view illustrating an ultrasonic actuator according to a second embodiment.
【図3】第3実施形態の超音波アクチュエータを示す斜
視図である。FIG. 3 is a perspective view showing an ultrasonic actuator according to a third embodiment.
1,11,21 超音波アクチュエータ 2,12,22 弾性体 2a,2b,12a,12b,22a,22b 駆動力
取出部 3,13,16,23 チタン層 4,14,17,24 圧電体膜 5a,5b,15a,15b,18a,18b,25
a,25b 上部電極1,11,21 Ultrasonic actuator 2,12,22 Elastic body 2a, 2b, 12a, 12b, 22a, 22b Driving force output part 3,13,16,23 Titanium layer 4,14,17,24 Piezoelectric film 5a , 5b, 15a, 15b, 18a, 18b, 25
a, 25b Upper electrode
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI H01L 41/24 H01L 41/22 A ──────────────────────────────────────────────────の Continued on front page (51) Int.Cl. 6 Identification code FI H01L 41/24 H01L 41/22 A
Claims (4)
動及び屈曲振動を調和的に発生させる電気機械変換素子
とを備える振動アクチュエータであって、 前記電気機械変換素子は、前記弾性体に水熱合成法によ
って形成されることを特徴とする振動アクチュエータ。1. A vibration actuator comprising: an elastic body; and an electromechanical transducer that is joined to the elastic body and generates a longitudinal vibration and a bending vibration harmoniously, wherein the electromechanical transducer includes the elastic body. A vibration actuator formed by a hydrothermal synthesis method.
タにおいて、 前記電気機械変換素子の表面,又は、前記電気機械変換
素子の両面に駆動信号を入力する電極を形成することを
特徴とする振動アクチュエータ。2. The vibration actuator according to claim 1, wherein an electrode for inputting a drive signal is formed on a surface of the electromechanical transducer or on both surfaces of the electromechanical transducer. .
アクチュエータにおいて、 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振動アクチュエ
ータ。3. The vibration actuator according to claim 1, wherein the electromechanical transducer is a piezoelectric material made of a lead-based ferroelectric material or an electrostrictive material.
アクチュエータにおいて、 前記弾性体と前記電気機械変換素子との間に形成される
電極は、チタン層からなることを特徴とする振動アクチ
ュエータ。4. The vibration actuator according to claim 2, wherein an electrode formed between the elastic body and the electromechanical transducer is made of a titanium layer. .
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP27226396A JPH10127069A (en) | 1996-10-15 | 1996-10-15 | Vibration actuator |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP27226396A JPH10127069A (en) | 1996-10-15 | 1996-10-15 | Vibration actuator |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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JPH10127069A true JPH10127069A (en) | 1998-05-15 |
Family
ID=17511417
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP27226396A Pending JPH10127069A (en) | 1996-10-15 | 1996-10-15 | Vibration actuator |
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Country | Link |
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JP (1) | JPH10127069A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006311746A (en) * | 2005-04-28 | 2006-11-09 | Taiyo Yuden Co Ltd | Drive device and its drive method |
JP2012135072A (en) * | 2010-12-20 | 2012-07-12 | Canon Inc | Vibrator of vibration type drive device and vibration type drive device |
-
1996
- 1996-10-15 JP JP27226396A patent/JPH10127069A/en active Pending
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006311746A (en) * | 2005-04-28 | 2006-11-09 | Taiyo Yuden Co Ltd | Drive device and its drive method |
JP4616693B2 (en) * | 2005-04-28 | 2011-01-19 | 太陽誘電株式会社 | Driving device and driving method thereof |
JP2012135072A (en) * | 2010-12-20 | 2012-07-12 | Canon Inc | Vibrator of vibration type drive device and vibration type drive device |
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