JPWO2008023686A1 - 超音波モーター用圧電アクチュエータ素子 - Google Patents
超音波モーター用圧電アクチュエータ素子 Download PDFInfo
- Publication number
- JPWO2008023686A1 JPWO2008023686A1 JP2008530911A JP2008530911A JPWO2008023686A1 JP WO2008023686 A1 JPWO2008023686 A1 JP WO2008023686A1 JP 2008530911 A JP2008530911 A JP 2008530911A JP 2008530911 A JP2008530911 A JP 2008530911A JP WO2008023686 A1 JPWO2008023686 A1 JP WO2008023686A1
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- piezoelectric
- piezoelectric actuator
- ultrasonic motor
- thickness direction
- actuator element
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000005452 bending Methods 0.000 claims abstract description 9
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 5
- 238000010030 laminating Methods 0.000 claims description 5
- 230000010287 polarization Effects 0.000 abstract description 18
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 abstract description 7
- 230000005012 migration Effects 0.000 abstract description 7
- 238000013508 migration Methods 0.000 abstract description 7
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 abstract description 4
- 230000009467 reduction Effects 0.000 abstract description 4
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 57
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 10
- 230000008859 change Effects 0.000 description 8
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 7
- 239000011133 lead Substances 0.000 description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 3
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 2
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 2
- 230000001413 cellular effect Effects 0.000 description 2
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 2
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010304 firing Methods 0.000 description 2
- 238000003475 lamination Methods 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 208000036829 Device dislocation Diseases 0.000 description 1
- PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N Manganese Chemical compound [Mn] PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001252 Pd alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N Ruthenium Chemical compound [Ru] KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VNSWULZVUKFJHK-UHFFFAOYSA-N [Sr].[Bi] Chemical compound [Sr].[Bi] VNSWULZVUKFJHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002113 barium titanate Inorganic materials 0.000 description 1
- JRPBQTZRNDNNOP-UHFFFAOYSA-N barium titanate Chemical compound [Ba+2].[Ba+2].[O-][Ti]([O-])([O-])[O-] JRPBQTZRNDNNOP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VNARRZRNLSEBPY-UHFFFAOYSA-N bismuth neodymium Chemical compound [Nd].[Bi] VNARRZRNLSEBPY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- FSAJRXGMUISOIW-UHFFFAOYSA-N bismuth sodium Chemical compound [Na].[Bi] FSAJRXGMUISOIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910002115 bismuth titanate Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011195 cermet Substances 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 1
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000032798 delamination Effects 0.000 description 1
- CRLHSBRULQUYOK-UHFFFAOYSA-N dioxido(dioxo)tungsten;manganese(2+) Chemical compound [Mn+2].[O-][W]([O-])(=O)=O CRLHSBRULQUYOK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NKZSPGSOXYXWQA-UHFFFAOYSA-N dioxido(oxo)titanium;lead(2+) Chemical compound [Pb+2].[O-][Ti]([O-])=O NKZSPGSOXYXWQA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 1
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 description 1
- GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N iridium atom Chemical compound [Ir] GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- HEPLMSKRHVKCAQ-UHFFFAOYSA-N lead nickel Chemical compound [Ni].[Pb] HEPLMSKRHVKCAQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- JQJCSZOEVBFDKO-UHFFFAOYSA-N lead zinc Chemical compound [Zn].[Pb] JQJCSZOEVBFDKO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000012886 linear function Methods 0.000 description 1
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011572 manganese Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010955 niobium Substances 0.000 description 1
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- ZBSCCQXBYNSKPV-UHFFFAOYSA-N oxolead;oxomagnesium;2,4,5-trioxa-1$l^{5},3$l^{5}-diniobabicyclo[1.1.1]pentane 1,3-dioxide Chemical compound [Mg]=O.[Pb]=O.[Pb]=O.[Pb]=O.O1[Nb]2(=O)O[Nb]1(=O)O2 ZBSCCQXBYNSKPV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- BITYAPCSNKJESK-UHFFFAOYSA-N potassiosodium Chemical compound [Na].[K] BITYAPCSNKJESK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 1
- 238000009420 retrofitting Methods 0.000 description 1
- 229910052703 rhodium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010948 rhodium Substances 0.000 description 1
- MHOVAHRLVXNVSD-UHFFFAOYSA-N rhodium atom Chemical compound [Rh] MHOVAHRLVXNVSD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 1
- 229940071182 stannate Drugs 0.000 description 1
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 1
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 239000011135 tin Substances 0.000 description 1
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 1
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/50—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/0005—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing non-specific motion; Details common to machines covered by H02N2/02 - H02N2/16
- H02N2/001—Driving devices, e.g. vibrators
- H02N2/003—Driving devices, e.g. vibrators using longitudinal or radial modes combined with bending modes
- H02N2/004—Rectangular vibrators
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
- H10N30/202—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using longitudinal or thickness displacement combined with bending, shear or torsion displacement
- H10N30/2023—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using longitudinal or thickness displacement combined with bending, shear or torsion displacement having polygonal or rectangular shape
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/80—Constructional details
- H10N30/87—Electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals
- H10N30/871—Single-layered electrodes of multilayer piezoelectric or electrostrictive devices, e.g. internal electrodes
Abstract
圧電層１０と、圧電層１０を略２分割するように形成された電極層１２とを交互に積層してなる積層圧電素子１４からなり、一次縦、二次屈曲モードを使用する超音波モーター用圧電アクチュエータ素子である。積層圧電素子１４の表面部より厚み方向中央部において、圧電不活性領域１１が形成されている。この圧電アクチュエータ素子は、変位の低下を抑えつつ、耐マイグレーション性が向上し、短絡（ショート）発生を防止することができるとともに、交流分極時の発熱個所を分散させることができ、信頼性が向上する。また、電極量が少なくて済み、コスト低減に寄与することができる。
Description
本発明は、超音波モーター用圧電アクチュエータ素子に関する。
弾性体の共振モードを利用した超音波モーターは制御性に優れ、特に精密位置決め用アクチュエータとしても注目されている。また、各種ステージ用のアクチュエータとしてはリニヤ型の超音波モーターが要求される場合が多く、多くのタイプが提案され研究されている。その中でも、矩形板の縦（伸縮）振動と屈曲振動の合成振動を利用した超音波モーターは様々なものが研究されている（例えば、特許文献１参照）。これらのうち、例えば特許文献１に示すように、矩形状の圧電素子単板を厚み方向に分極処理すると共に４分割された電極を設け、対角と成る電極を組とし、一組の電極に駆動信号を印加することで圧電素子からなる振動体に縦振動と屈曲振動を励振し、これと接する移動体を駆動する原理のものは様々な用途に実用化も進められている。
また、特許文献２においても、一次縦、二次屈曲モードを使用した超音波モーター素子が開示されており、矩形の圧電層と、該圧電層を略２分割するように形成された電極層と、を交互に積層してなる圧電アクチュエータ素子に関する記載がある。
図１３（ａ）（ｂ）は、この圧電アクチュエータ素子の概略図を示すもので、圧電層１０と電極層１２が交互に積層された構造を示している。この圧電アクチュエータ素子も、上記特許文献１に記載された構造の圧電素子と同様の動きをしており、圧電素子からなる振動体に縦振動と屈曲振動を励振し、これと接する部材を駆動するものである。
しかしながら、特許文献１に記載の構造では、振動体の駆動に極めて高い電圧を必要とし、大きな昇圧回路を必要とするため、駆動回路の大型化、複雑化を招き駆動回路の価格も高価なものになる。そしてこの場合、小型な機器、特にバッテリーで駆動される用途への適用は難しかった。また、振動体の構造としては圧電素子の厚みが薄いと十分な出力が得られないと共に、機械的強度も低く破損につながる恐れもあった。
また、特許文献２に記載の超音波モーター素子においては、特許文献１に記載の構造に比べて駆動回路の小型化には資するものの、素子中央部の圧電焼結性が悪く、マイグレーションが発生しやすく、また、分極時に高効率で分極することを目的として交流分極を行うと、素子内部での発熱が大きくなり、素子中央部でクラックが発生しやすいという問題がある。
さらに、この超音波モーター素子では、電極存在箇所が素子投影面で同一であり（電極間距離が同じ）、電極エッジ近傍の圧電部分に積層圧力が加わり難く、積層不良や層間剥離が発生しやすいという問題があった。
本発明は、このようなマイグレーションが発生し易い積層圧電素子の厚み方向中央付近における耐マイグレーション性を向上させることができる圧電アクチュエータ素子を提供することを目的とする。
本発明の他の目的は、交流分極処理する際の局部的な発熱を防止し、分極時のクラック発生を防止できる圧電アクチュエータ素子を提供することである。
本発明によれば、圧電層と、該圧電層を略２分割するように形成された電極層とを交互に積層してなる積層圧電素子からなり、一次縦、二次屈曲モードを使用する超音波モーター用圧電アクチュエータ素子であって、該積層圧電素子の表面部より厚み方向中央部において、圧電不活性領域が形成されている、超音波モーター用圧電アクチュエータ素子が提供される。
本発明の圧電アクチュエータ素子においては、該積層圧電素子の表面部より厚み方向中央部において、層厚が積層方向厚みの１０％以上である圧電不活性領域が形成されていることが好ましい。また、該積層圧電素子を分極処理する際に発熱する発熱部が分散していることが好ましい。
また、本発明の圧電アクチュエータ素子においては、該積層圧電素子の表面部より厚み方向中央部において、該電極層の形成密度が小さくなるように形成されていることが好ましく、該積層圧電素子の表面部より厚み方向中央部において、電極間距離が大きくなるように形成されていることが好ましい。
さらに本発明の圧電アクチュエータ素子においては、該積層圧電素子の表面部より厚み方向中央部において、電極層面積が小さくなるように形成されていることが好ましく、該積層圧電素子の厚み方向中央部において、電極層が形成されていないことが好ましい。
以下、本発明について、その実施形態を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施形態に限定されて解釈されるものではなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加え得るものである。
本発明の圧電アクチュエータ素子は、基本的に、圧電層と、該圧電層を略２分割するように形成された電極層とを交互に積層してなる積層圧電素子から構成されている。この積層圧電素子は、電圧を付加することにより、一次縦、二次屈曲モードのように屈曲変形する。この積層圧電素子の基本構成とその一次縦、二次屈曲モードについては、ＡＣＴＵＡＴＯＲ２００６予講集Ａ１．１（Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｍｏｔｏｒｓ ｆｏｒ Ｌｅｎｓ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｏｆ Ｃｅｌｌｕｌａｒ Ｐｈｏｎｅ Ｃａｍｅｒａ Ｍｏｄｕｌｅｓ）の記載を参照のためここに組み入れることにする。
本発明の圧電アクチュエータ素子においては、上記した積層圧電素子の内部層に圧電不活性領域を形成したことにその特徴を有する。この圧電不活性領域は、積層圧電素子の厚み方向中央付近に、層厚が積層方向厚みの１０％以上となるように形成されていることが好ましく、圧電不活性領域の層厚が積層方向厚みの１０％〜５０％であることがより好ましく、１０％〜４０％であることが特に好ましい。圧電不活性領域の層厚が積層方向厚みの５０％より大きくなると、素子駆動時の入力信号に対し、素子駆動振幅が著しく小さくなり、一方、１０％未満の場合には分極時にクラックが発生しやすくなる（後述の実施例１、２参照）。
このように積層圧電素子の内部層に圧電不活性領域を形成することにより、耐マイグレーション性が向上し、短絡（ショート）発生を防止することができる。
また、上記のような積層圧電素子は、使用にあたって分極処理が行われるが、このときに発熱する発熱部が素子中に分散していることが、分極時にクラックが発生することを防止できることから好ましい。
発熱部を分散させる具体的手段としては、積層圧電素子の内部層に圧電不活性領域を形成することが挙げられる。この圧電不活性領域についても、上記と同様に、積層圧電素子の厚み方向中央付近に、層厚が積層方向厚みの１０％以上となるように形成されていることが好ましく、圧電不活性領域の層厚が積層方向厚みの１０％〜５０％であることがより好ましく、１０％〜４０％であることが特に好ましい。
さらに、本発明においては、積層圧電素子の表面部より厚み方向中央部において、電極層の形成密度が小さくなるように形成されていることが好ましい。ここで、電極層の形成密度が小さくなるように形成するには、例えば、図２（ａ）（ｂ）に示すように、積層圧電素子の表面部より厚み方向中央部において、電極間距離が大きくなるように形成するか、また、図４（ａ）（ｂ）〜図１０（ａ）（ｂ）に示すように、積層圧電素子の表面部より厚み方向中央部において、電極層面積が小さくなるように形成されていることが好ましい。
このように積層圧電素子の表面部より厚み方向中央部において、電極層の形成密度が小さくなるように形成することにより、変位の低下を抑えつつ、耐マイグレーション性が向上し、短絡（ショート）発生を防止することができるとともに、交流分極時の発熱個所を分散させることができ、信頼性が向上する。また、電極量が少なくて済み、コスト低減に寄与することができる。
次に、本発明の圧電アクチュエータ素子に用いる材料について説明する。
圧電層としては、圧電セラミックスが好適に用いられるが、電歪セラミックスや強誘電体セラミックス、あるいは反強誘電体セラミックスを用いることも可能である。具体的な材料としては、ジルコン酸鉛、チタン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛、ニッケルニオブ酸鉛、亜鉛ニオブ酸鉛、マンガンニオブ酸鉛、アンチモンスズ酸鉛、マンガンタングステン酸鉛、コバルトニオブ酸鉛、チタン酸バリウム、チタン酸ナトリウムビスマス、チタン酸ビスマスネオジウム、ニオブ酸カリウムナトリウム、タンタル酸ストロンチウムビスマス、等を単独であるいは混合物として含有するセラミックスが挙げられる。
圧電層としては、圧電セラミックスが好適に用いられるが、電歪セラミックスや強誘電体セラミックス、あるいは反強誘電体セラミックスを用いることも可能である。具体的な材料としては、ジルコン酸鉛、チタン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛、ニッケルニオブ酸鉛、亜鉛ニオブ酸鉛、マンガンニオブ酸鉛、アンチモンスズ酸鉛、マンガンタングステン酸鉛、コバルトニオブ酸鉛、チタン酸バリウム、チタン酸ナトリウムビスマス、チタン酸ビスマスネオジウム、ニオブ酸カリウムナトリウム、タンタル酸ストロンチウムビスマス、等を単独であるいは混合物として含有するセラミックスが挙げられる。
電極層は、室温で固体であり、導電性に優れた金属で構成されていることが好ましく、例えばアルミニウム、チタン、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、パラジウム、ロジウム、銀、スズ、タンタル、タングステン、イリジウム、白金、金、鉛等の金属単体、若しくはこれらの合金が用いられ、更に、これらに圧電層と同じ材料を分散させたサーメット材料を用いてもよい。
以下、本発明に係る圧電アクチュエータ素子の各種実施形態を図面に基づいて説明する。
図１（ａ）（ｂ）は、本発明の超音波モーター用圧電アクチュエータ素子の一実施形態を示すもので、圧電層１０と、該圧電層１０を略２分割するように形成された電極層１２とを交互に積層してなる積層圧電素子１４から構成されており、積層圧電素子１４の表面部より厚み方向中央部において、圧電不活性領域（電極層が形成されていない領域）１１が形成されている。なお、１５は摩擦部材である。
図２（ａ）（ｂ）は、本発明に係る圧電アクチュエータ素子の他の実施形態を示すもので、圧電層１０と、該圧電層１０を略２分割するように形成された電極層１２とを交互に積層してなる積層圧電素子１４から構成されており、積層圧電素子１４の表面部より厚み方向中央部において、電極間距離が大きくなるように形成されている。すなわち、積層圧電素子１４の厚み方向の上下表面部近傍は、図１３（ａ）（ｂ）に示す従来例と同じ電極間距離で、厚み方向中央部は電極間距離が広い。ここで、図３に示すように、上下表面部から中央部にかけての電極間距離の変化は直線的でも、指数関数的でもよいが、指数関数的であることが好ましい。また、電極間距離（電極層間距離）の変化は複数層毎(ステップ状)でもよい。
図４（ａ）（ｂ）〜図６（ａ）（ｂ）は、それぞれ本発明に係る圧電アクチュエータ素子の他の実施形態を示すもので、積層圧電素子１４の表面部より厚み方向中央部において、電極層１２の面積が小さくなるように形成されている。すなわち、積層圧電素子１４の厚み方向の上下表面部近傍は、図１３（ａ）（ｂ）に示す従来例と同じ電極長で、厚み方向中央部は電極長が短くなるように形成されている（Ｂ２モード屈曲点近傍を中心として電極が配置される）。ここで、電極長の変化率は一次関数的（図４（ａ）（ｂ）を参照）でも、高次関数的や指数関数的（図５（ａ）（ｂ）及び図６（ａ）（ｂ）を参照）でもよいが、厚み方向中央部ほど変化率が小さく、上下表面部近傍ほど変化率が大きい図６（ａ）（ｂ）に示す実施形態が好ましい。これは、熱放散し難い積層圧電素子１４の中央部の発熱が抑制されるためである。
図４（ａ）（ｂ）〜図６（ａ）（ｂ）の実施形態によれば、変位低下を抑えつつ、コスト低減（電極量低減）が図れるとともに、交流分極時の発熱箇所が分散され、電極エッジが重ならないため、積層圧力の面内分布が緩やかとなり、積層不良が低減すると共に、分極時に発生するエッジ端部の応力が緩和されるという作用効果を奏する。
図７（ａ）（ｂ）〜図９（ａ）（ｂ）も、それぞれ本発明に係る圧電アクチュエータ素子の他の実施形態を示すものであり、積層圧電素子１４の厚み方向の上下表面部近傍は、図１３（ａ）（ｂ）に示す従来例と同じ電極幅で、厚み方向中央部は電極幅が狭くなるように形成されているものである。ここで、電極幅の変化率は一次関数的（図７（ａ）（ｂ）を参照）でも、高次関数的や指数関数的（図８（ａ）（ｂ）及び図９（ａ）（ｂ）を参照）でもよいが、厚み方向中央部ほど変化率が小さく、上下表面部近傍ほど変化率が大きい図９（ａ）（ｂ）に示す実施形態が好ましい。これは、熱放散し難い積層圧電素子１４の中央部の発熱が抑制されるためである。
なお、図７（ａ）（ｂ）〜図９（ａ）（ｂ）の実施形態による作用効果は、図４（ａ）（ｂ）〜図６（ａ）（ｂ）の実施形態とほぼ同様である。
また、図１０（ａ）（ｂ）は、本発明に係る圧電アクチュエータ素子のさらに他の実施形態を示すものであり、上記した図４（ａ）（ｂ）〜図６（ａ）（ｂ）の実施形態と図７（ａ）（ｂ）〜図９（ａ）（ｂ）の実施形態を足し合わせたものといえる。
次に、図１１（ａ）（ｂ）は、本発明に係る圧電アクチュエータ素子のさらに他の実施形態を示すものであり、積層圧電素子１４の厚み方向中央部において、電極層が形成されておらず、圧電層１０を構成する材料より強度の大きなセラミック板状部材１６が一体形成されているものである。この実施形態では、積層圧電素子１４の厚み方向中央部において、ジルコニアをはじめとする高強度セラミック板状部材１６が一体焼成されて素子が構成されており、セラミック板状部材１６の一方端もしくは両端が積層圧電素子１４の圧電部位から突出させて、摩擦部材としている。
この実施形態によれば、図１（ａ）（ｂ）等の実施形態のように、後付の摩擦部材が不要であってコストが低減するとともに、摩擦部材を接合するための接着剤が不要で、しかも接着剤が不要故温度特性が良好であるという作用効果を奏する。
図１２（ａ）（ｂ）は、本発明に係る圧電アクチュエータ素子のさらに他の実施形態を示すものであり、積層圧電素子１４の厚み方向中央部近傍において、電極層１８が全長に渡って形成されているものである。この実施形態によれば、全長に渡る電極層１８の層数を適切に選択することにより、Ｌ１、Ｂ２振動による摩擦部材２０のｘ方向変位、ｙ方向変位のバランスを最適化でき、駆動効率を向上できる。
以下、本発明を実施例により更に具体的に説明する。
（実施例１〜１０、比較例１）
長さ５．０ｍｍ×幅１．５ｍｍ×厚み１．５ｍｍの超音波モーター用圧電素子を、焼成後に１μｍとなるようにしたＡｇ−Ｐｄ合金電極材料ペーストを、焼成後に１０μｍとなるようにした圧電グリーンシート上に印刷したものを１５０層積層したグリーンシート積層体を焼成後、前記外形となるよう機械加工した後、側面電極を形成した超音波モーター用圧電素子を作製した（比較例１）。
長さ５．０ｍｍ×幅１．５ｍｍ×厚み１．５ｍｍの超音波モーター用圧電素子を、焼成後に１μｍとなるようにしたＡｇ−Ｐｄ合金電極材料ペーストを、焼成後に１０μｍとなるようにした圧電グリーンシート上に印刷したものを１５０層積層したグリーンシート積層体を焼成後、前記外形となるよう機械加工した後、側面電極を形成した超音波モーター用圧電素子を作製した（比較例１）。
一方、外形は上記比較例１と同様で、積層方向の中央部分に圧電不活性層を、超音波モーター用圧電素子の総厚の２〜４０％となるように形成した超音波モーター用圧電素子を上記比較例１と同様に作製した（実施例１〜１０）。
これらの素子について、８５℃、８５％ＲＨの環境下で２．８Ｖ駆動耐久試験を実施した結果を表１に示す。比較例１（圧電不活性層０％）では２００ｈｒ程度でショートとなるものが現れた。この素子の外観を金属顕微鏡及びＳＥＭ−ＥＤＳにて観察、分析したところ、Ａｇマイグレーションが確認できた。
一方、実施例１〜１０の素子では、表１に示すように、圧電不活性層厚みの増加に伴い、ショートが発生するまでの時間が長期化され、圧電不活性層厚みが１０％以上では、ショートの発生が認められなかった。
ＳＥＭ観察の結果、比較例１では厚み方向中央付近の圧電層で気孔が多数見られ、焼結が不十分であったが、実施例１〜１０では圧電不活性層厚みが増すにしたがって、前記気孔の数が減少していた。理由は不明であるが、圧電不活性層が存在することにより、素子の中央付近の焼結性が向上し、水分の吸着サイトとなり得る微細気孔が減少することにより、素子の耐マイグレーション性が向上したものと推察できる。
（実施例１１〜２０、比較例２）
上記の実施例１〜１０、比較例１と同様にして、超音波モーター用圧電素子を作製した。
これらの素子について、以下の条件で分極処理を行った。
上記の実施例１〜１０、比較例１と同様にして、超音波モーター用圧電素子を作製した。
これらの素子について、以下の条件で分極処理を行った。
（分極条件）
・温度：室温
・入力信号：１０ｋＨｚ ０−２５０Ｖパルス波
・時間：６０秒
その結果を表２及び図１４のグラフに示す。
・温度：室温
・入力信号：１０ｋＨｚ ０−２５０Ｖパルス波
・時間：６０秒
その結果を表２及び図１４のグラフに示す。
表２及び図１４に示す結果からわかるように、比較例２のように、厚み方向中央付近に圧電不活性層がない場合には、分極処理によりクラックの発生頻度が高かった。これに対して、厚み方向中央付近に圧電不活性層を総厚の２〜４０％となるように形成した実施例１１〜２０では、分極処理によってもクラックの発生頻度が低下した。
本発明の圧電アクチュエータ素子を用いた超音波モーターは、微小距離を高速かつ高精度に位置決めすることが可能な上、信頼性が高いため、カメラのオートフォーカス機構、ズーム機構、手振れ補正機構に利用可能であり、また、光学顕微鏡、電子顕微鏡、原子間力顕微鏡などのステージ駆動用といった高い信頼性が要求される分野においても好適に用いられる。
Claims (7)
- 圧電層と、該圧電層を略２分割するように形成された電極層とを交互に積層してなる積層圧電素子からなり、一次縦、二次屈曲モードを使用する超音波モーター用圧電アクチュエータ素子であって、
該積層圧電素子の表面部より厚み方向中央部において、圧電不活性領域が形成されている、超音波モーター用圧電アクチュエータ素子。 - 該積層圧電素子の表面部より厚み方向中央部において、層厚が積層方向厚みの１０％以上である圧電不活性領域が形成されている、請求項１記載の超音波モーター用圧電アクチュエータ素子。
- 該積層圧電素子を分極処理する際に発熱する発熱部が分散している、請求項１記載の超音波モーター用圧電アクチュエータ素子。
- 該積層圧電素子の表面部より厚み方向中央部において、該電極層の形成密度が小さくなるように形成されている、請求項１記載の超音波モーター用圧電アクチュエータ素子。
- 該積層圧電素子の表面部より厚み方向中央部において、電極間距離が大きくなるように形成されている、請求項１記載の超音波モーター用圧電アクチュエータ素子。
- 該積層圧電素子の表面部より厚み方向中央部において、電極層面積が小さくなるように形成されている、請求項１記載の超音波モーター用圧電アクチュエータ素子。
- 該積層圧電素子の厚み方向中央部において、電極層が形成されていない、請求項１記載の超音波モーター用圧電アクチュエータ素子。
Applications Claiming Priority (7)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US83947506P | 2006-08-23 | 2006-08-23 | |
| US60/839,475 | 2006-08-23 | ||
| US86443406P | 2006-11-06 | 2006-11-06 | |
| US60/864,434 | 2006-11-06 | ||
| US86741806P | 2006-11-28 | 2006-11-28 | |
| US60/867,418 | 2006-11-28 | ||
| PCT/JP2007/066161 WO2008023686A1 (fr) | 2006-08-23 | 2007-08-21 | Élément actionneur piézoélectrique pour moteur à ultrasons |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPWO2008023686A1 true JPWO2008023686A1 (ja) | 2010-01-14 |
| JP5189983B2 JP5189983B2 (ja) | 2013-04-24 |
Family
ID=39106770
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2008530911A Expired - Fee Related JP5189983B2 (ja) | 2006-08-23 | 2007-08-21 | 超音波モーター用圧電アクチュエータ素子 |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US7564173B2 (ja) |
| EP (1) | EP2056442B1 (ja) |
| JP (1) | JP5189983B2 (ja) |
| KR (1) | KR20090047523A (ja) |
| CN (1) | CN101507093B (ja) |
| WO (1) | WO2008023686A1 (ja) |
Families Citing this family (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5013269B2 (ja) * | 2006-01-17 | 2012-08-29 | 株式会社村田製作所 | 共振アクチュエータ |
| JP4911066B2 (ja) * | 2007-02-26 | 2012-04-04 | 株式会社デンソー | 積層型圧電素子 |
| WO2010110291A1 (ja) * | 2009-03-25 | 2010-09-30 | 京セラ株式会社 | 積層型圧電素子およびそれを用いた噴射装置ならびに燃料噴射システム |
| JP2010233339A (ja) * | 2009-03-26 | 2010-10-14 | Seiko Epson Corp | 圧電モーター、液体噴射装置及び時計 |
| JP5382320B2 (ja) * | 2009-03-26 | 2014-01-08 | セイコーエプソン株式会社 | 圧電モーター、液体噴射装置及び時計 |
| WO2012065989A1 (de) * | 2010-11-15 | 2012-05-24 | Epcos Ag | Piezoelektrisches bauelement |
| JP5926063B2 (ja) * | 2012-02-06 | 2016-05-25 | 日本碍子株式会社 | 圧電素子の製造方法 |
| JP6592993B2 (ja) * | 2015-07-07 | 2019-10-23 | セイコーエプソン株式会社 | 圧電駆動装置及びロボット |
| EP3276817A1 (en) | 2016-07-29 | 2018-01-31 | Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. Kg | Actuator |
Family Cites Families (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS61268085A (ja) * | 1985-05-23 | 1986-11-27 | Sumitomo Metal Mining Co Ltd | 圧電体の分極方法 |
| JPH0732273B2 (ja) * | 1986-05-22 | 1995-04-10 | 日本電気株式会社 | 電歪効果素子 |
| JP2891510B2 (ja) * | 1990-05-09 | 1999-05-17 | 日本電子株式会社 | 圧電素子駆動体 |
| US5345137A (en) * | 1991-04-08 | 1994-09-06 | Olympus Optical Co., Ltd. | Two-dimensionally driving ultrasonic motor |
| IL106296A0 (en) * | 1993-07-09 | 1993-12-28 | Nanomotion Ltd | Ceramic motor |
| US5616980A (en) * | 1993-07-09 | 1997-04-01 | Nanomotion Ltd. | Ceramic motor |
| JPH07337044A (ja) * | 1994-06-07 | 1995-12-22 | Olympus Optical Co Ltd | 超音波アクチュエータ |
| JP2980541B2 (ja) | 1994-06-28 | 1999-11-22 | ナノモーション・リミテッド | マイクロモータ |
| JP2666758B2 (ja) * | 1995-02-21 | 1997-10-22 | 日本電気株式会社 | 積層圧電素子 |
| JP2842394B2 (ja) * | 1996-07-30 | 1999-01-06 | 日本電気株式会社 | 圧電素子の製造方法 |
| JP3577170B2 (ja) * | 1996-08-05 | 2004-10-13 | 株式会社村田製作所 | 圧電共振子とその製造方法およびそれを用いた電子部品 |
| DE19646511C1 (de) * | 1996-11-12 | 1998-05-14 | Marco Systemanalyse Entw | Piezoaktuatorisches Antriebs- oder Verstellelement |
| JP2004297951A (ja) * | 2003-03-27 | 2004-10-21 | Olympus Corp | 超音波振動子及び超音波モータ |
-
2007
- 2007-08-21 US US11/842,233 patent/US7564173B2/en not_active Expired - Fee Related
- 2007-08-21 CN CN200780030923XA patent/CN101507093B/zh not_active Expired - Fee Related
- 2007-08-21 EP EP07792773.9A patent/EP2056442B1/en not_active Expired - Fee Related
- 2007-08-21 JP JP2008530911A patent/JP5189983B2/ja not_active Expired - Fee Related
- 2007-08-21 WO PCT/JP2007/066161 patent/WO2008023686A1/ja active Application Filing
- 2007-08-21 KR KR1020097005194A patent/KR20090047523A/ko not_active Application Discontinuation
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP5189983B2 (ja) | 2013-04-24 |
| US7564173B2 (en) | 2009-07-21 |
| WO2008023686A1 (fr) | 2008-02-28 |
| CN101507093A (zh) | 2009-08-12 |
| EP2056442B1 (en) | 2014-04-30 |
| US20080048526A1 (en) | 2008-02-28 |
| KR20090047523A (ko) | 2009-05-12 |
| EP2056442A1 (en) | 2009-05-06 |
| EP2056442A4 (en) | 2013-06-12 |
| CN101507093B (zh) | 2012-05-23 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5189983B2 (ja) | 超音波モーター用圧電アクチュエータ素子 | |
| JP4936306B2 (ja) | 積層型圧電素子およびその製造方法 | |
| US7808162B2 (en) | Stacked piezoelectric element and vibration wave driving apparatus | |
| WO2003061023A1 (fr) | Dispositif piezo-electrique/electrostrictif et son procede de production | |
| JP2003142746A (ja) | セラミック積層体、セラミック積層体の製造方法、圧電／電歪デバイス、圧電／電歪デバイスの製造方法及びセラミック焼結体 | |
| JP5673752B2 (ja) | 圧電アクチュエータ | |
| WO2004109819A1 (ja) | 圧電／電歪素子及びその製造方法 | |
| JP4015820B2 (ja) | 配線基板及びその製造方法 | |
| JP2010161286A (ja) | 積層型圧電素子及びその製造方法 | |
| JP2004014951A (ja) | 圧電／電歪デバイスとその製造方法 | |
| JP2001320104A (ja) | 圧電／電歪デバイス及びその製造方法 | |
| JP5429141B2 (ja) | 圧電アクチュエータ及び圧電アクチュエータの製造方法 | |
| JP2002009359A (ja) | 耐久性に優れた一体型圧電／電歪膜型素子およびその製造方法 | |
| JP2004274029A (ja) | 圧電アクチュエータ | |
| JP2007188948A (ja) | 圧電素子及び圧電素子の製造方法。 | |
| JP2001068749A (ja) | 積層型圧電アクチュエータ | |
| JP2010171360A (ja) | 積層型圧電素子およびその製法ならびに振動体 | |
| JP3999132B2 (ja) | 圧電／電歪デバイス | |
| JP4914745B2 (ja) | 配線基板及びその製造方法 | |
| WO2016076361A1 (ja) | 圧電デバイス | |
| JP6217688B2 (ja) | 圧電素子 | |
| JP2006019597A (ja) | 配線基板 | |
| JP2011151066A (ja) | 圧電アクチュエータ | |
| JP5105790B2 (ja) | 積層型圧電素子の製造方法 | |
| JP2019134037A (ja) | 積層圧電セラミック部品の製造方法、積層圧電セラミック部品及び圧電デバイス |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20100521 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20120619 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20120815 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20130122 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20130125 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20160201 Year of fee payment: 3 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 5189983 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |