WO2004043617A1 - 圧電振動体、その製造方法、およびその圧電振動体を備えた機器 - Google Patents

圧電振動体、その製造方法、およびその圧電振動体を備えた機器 Download PDF

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piezoelectric vibrator
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Akihiro Sawada
Hidehiro Akahane
Reiko Nagahama
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Seiko Epson Corporation
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Definitions

  • Piezoelectric vibrator method for manufacturing the same, and device equipped with the piezoelectric vibrator
  • the present invention provides a piezoelectric vibrator that includes a base material and a piezoelectric element attached to the base, vibrates the piezoelectric element near resonance points of a plurality of vibration modes, a method of manufacturing the same, and a method using the piezoelectric vibrator.
  • Equipment
  • piezoelectric vibrator As a so-called piezoelectric vibrator that vibrates due to the displacement of a piezoelectric element, there is a so-called piezoelectric vibrator in which a piezoelectric element is attached to both sides of a flat base material (a reinforcing plate) to constitute a piezoelectric vibrator, and operates as a piezoelectric actuator (for example, Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2000-330340. In this piezoelectric actuator, when an alternating current is applied to the piezoelectric element, the entire piezoelectric actuator vibrates together with the base material to drive the driven body.
  • the piezoelectric actuator can drive the driven body with high efficiency.
  • the base material is vibrated by the vibration of the piezoelectric element. Therefore, the adhesion state between the piezoelectric element and the base material is very important to obtain good vibration.
  • the vibration of the piezoelectric element is not transmitted well to the base material, and the vibration of the piezoelectric actuator is attenuated. Also, if there is a variation in the thickness of the adhesive layer or the material of the adhesive, the vibration damping characteristics will be different, so that the vibration characteristics will vary among a plurality of piezoelectric actuators. Thus, it is difficult to manufacture a stable and high quality piezoelectric actuator due to the variation in the quality of the adhesive layer.
  • a piezoelectric actuator configured so that the resonance points of a plurality of vibration modes are close to each other by appropriately setting the shape and dimensions, these vibration modes are combined. Accordingly, various vibration orbits such as a circular orbit and an elliptical orbit are set.
  • Such a piezoelectric actuator can drive the driven body most efficiently by vibrating the piezoelectric actuator near the resonance frequencies of a plurality of vibration modes.
  • the quality of the adhesive layer varies as described above, the resonance frequencies of a plurality of vibration modes vary, and the amplitude ratio of each vibration mode of the piezoelectric actuator at the driving frequency differs. The characteristics change.
  • a first object of the present invention is to provide a piezoelectric vibrator capable of reducing vibration loss, a method of manufacturing the same, and ⁇ using the piezoelectric vibrator.
  • a second object of the present invention is to provide a piezoelectric vibrator capable of reducing variation in vibration characteristics, a method for manufacturing the same, and ⁇ using the piezoelectric vibrator. Disclosure of the invention
  • the piezoelectric vibrating body of the present invention includes a base material, a piezoelectric element attached to a plane of the base material, and a piezoelectric vibrating body in which resonance points of a plurality of vibration modes are close to each other.
  • An adhesive layer is interposed between the piezoelectric elements, and the adhesive layer is to have a Shore D hardness after curing of 80 HS or more at room temperature.
  • An adhesive layer is provided between the piezoelectric element and the piezoelectric element.
  • the piezoelectric element When is applied to the piezoelectric element at a frequency near the resonance point of a plurality of vibration modes, the piezoelectric element is repeatedly displaced and vibrates. Along with this, the base material also vibrates via the adhesive layer, and the entire piezoelectric vibrator vibrates along a vibration trajectory combining a plurality of vibration modes. For example, when this piezoelectric vibrator is used as a piezoelectric actuator, the driven body is driven by the vibration of the piezoelectric vibrator.
  • the vibration of the piezoelectric element is prevented from being absorbed by the adhesive layer, and Vibration is transmitted well, so that the entire piezoelectric vibrator vibrates well. Thereby, the vibration loss of the piezoelectric vibrator is reduced, and the first object of the present invention is achieved. If the Shore D hardness after curing of the adhesive layer is smaller than 80 HS, the vibration of the piezoelectric element is easily absorbed by the adhesive layer, and the vibration is attenuated. For this reason, the vibration loss of the piezoelectric vibrator cannot be reduced.
  • the adhesive layer is desirably made of a one-component non-solvent type epoxy resin.
  • the adhesive layer is a one-pack aggressive agent type, a uniform adhesive layer can be formed without mixing.
  • mixing for mixing is not required, air mixing is prevented.
  • the adhesive strength is not sufficiently obtained due to the incorporation of air, the stress generated when the piezoelectric vibrator vibrates may concentrate on the holes where air is mixed, and the adhesive layer may be peeled off. Life is shortened.
  • the quality of the adhesive layer does not easily vary between lots. Therefore, since the intuition and the bonding performance of the piezoelectric element become uniform, even when the piezoelectric vibrator is vibrated near the resonance point of a plurality of vibration modes, the variation in the amplitude ratio of the plurality of vibration modes is reduced. As a result, variations in vibration characteristics between the piezoelectric vibrators are reduced, and a desired vibration trajectory can be obtained. This achieves the second object of the present invention. Also, since the mixing operation is omitted, it is manufactured relatively inexpensively.
  • a method of manufacturing a piezoelectric vibrating body includes a piezoelectric element that includes a piezoelectric element and a piezoelectric element that is attached to a plane of the base material, and a method of manufacturing a pressure ⁇ dynamic body in which resonance points of a plurality of vibration modes are close to each other.
  • the adhesive layer having a uniform thickness of the adhesive is formed by the adhesive layer forming step.
  • This adhesive layer is transferred to a piezoelectric element, and this piezoelectric element is stuck to another piezoelectric element, so that a piezoelectric vibrator having an adhesive layer with a uniform thickness is manufactured. Therefore, variation in the vibration characteristics of the piezoelectric vibrator is reduced.
  • the adhesive layer forming step preferably includes an adhesive layer thickness adjusting step of transferring the adhesive layer to a thickness adjusting transfer member and adjusting the thickness of the adhesive layer according to the number of transfers.
  • the thickness of the adhesive layer becomes about half that before the transfer.
  • the adhesive layer is adjusted to a desired thickness. This is particularly useful when forming a thinner adhesive layer whose thickness is difficult to control in the adhesive layer forming process. Therefore, a thinner adhesive layer can be formed.
  • the method further includes, after the piezoelectric element attaching step, an adhesive layer hardening step of curing the adhesive layer under a heated state and a pressurized state.
  • the adhesive layer is hardened in a heated state, the adhesive layer is hardened in a shorter time, and the manufacturing time of the piezoelectric vibrator is reduced.
  • the adhesive layer is hardened under a pressurized state, the adhesiveness between the substrate and the piezoelectric element is improved.
  • the base material and the piezoelectric element are pressed against each other by S.
  • these bonding surfaces have microscopic irregularities corresponding to their surface roughness, it is necessary to apply pressure.
  • these irregularities invert and adhere to each other.
  • the adhesive layer is interposed between these irregularities, and the thickness of the adhesive layer depends on the thickness and the surface roughness of the bonding surface of the piezoelectric element. Therefore, it is possible to easily control the thickness of the adhesive layer and the roughness of the bonding surface of the piezoelectric element, thereby reducing the variation in the thickness of the adhesive layer and further stabilizing the vibration characteristics of the piezoelectric element.
  • the electrode is made of a material having conductivity, since the electrode and the electrode layer formed on the piezoelectric element are satisfactorily insulated, electrical conduction between the two is ensured. This makes it possible to obtain one of the terminals when applying 3 ⁇ 4E in the thickness direction of the piezoelectric element, especially when the piezoelectric element is attached to both sides of the base material. And the structure of the piezoelectric vibrator is simplified.
  • a step of adjusting the surface roughness of the surface on which the piezoelectric element is to be attached is provided before the step of attaching the piezoelectric element.
  • the surface roughness of the shell occupying surface on the piezoelectric element of the base material is adjusted by the surface roughness adjusting step. Therefore, burrs and the like generated during the production of the base material are removed, and the burrs are prevented from deteriorating the vibration characteristics of the piezoelectric vibrating body.
  • the surface roughness of the surface of the base material to be attached to the piezoelectric element is appropriately adjusted in advance, the adhesion to the adhesive layer is improved, and the peel strength is improved.
  • the thickness of the adhesive layer depends on the surface roughness of the piezoelectric element and the intuition, the thickness of the adhesive layer can be reliably controlled by adjusting the surface roughness of the base material. As a result, variations in the thickness of the bonding layer are reduced, and the vibration characteristics of the piezoelectric vibrator are further stabilized.
  • the relative positions of the base material and the piezoelectric element are defined by the positioning step, so that if the adhesive layer is hardened in this state, the adhesive positions of the two will not be shifted.
  • the adhesive layer cures. Therefore, this step reduces variations in the vibration characteristics of the piezoelectric vibrating body due to the displacement of the positions where the base material and the piezoelectric element are attached.
  • the thermal expansion coefficients of the piezoelectric elements are close to each other.
  • the thermal expansion coefficients of the base material and the piezoelectric element are close to each other, generation of distortion and residual stress due to heat is prevented. This is particularly useful, for example, when heating the adhesive layer to harden it: tj ⁇ .
  • the characteristic degradation due to self-heating is suppressed.
  • the piezoelectric vibrator manufactured using the above-described piezoelectric vibrator or the above-described method for manufacturing a piezoelectric vibrator is used.
  • ⁇ is constituted by using the piezoelectric vibrator of the present invention or the piezoelectric vibrator manufactured by using the method of manufacturing the piezoelectric vibrator of the present invention. Vibration loss is reduced, and variation in vibration performance between piezoelectric vibrators is reduced.
  • FIG. 1 is a perspective view showing the entire piezoelectric vibrating body of the present invention.
  • FIG. 2 is an enlarged view showing a part of the piezoelectric vibrator of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic view showing a step of forming an adhesive layer of the piezoelectric vibrator of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic view showing a step of transferring an adhesive layer of the piezoelectric vibrator of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic view showing a step of attaching a piezoelectric element to the piezoelectric vibrating body of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing a bonding layer hardening step of the piezoelectric vibrator of the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic view showing a step of positioning the piezoelectric vibrator of the present invention.
  • FIG. 8 is a schematic view showing an application example of the piezoelectric vibrator of the present invention.
  • FIG. 9 is a schematic view showing the operation of the piezoelectric vibrator of the present invention.
  • FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the Shore D hardness of the adhesive layer of the present invention and the Q value of the piezoelectric vibrator.
  • FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the Q value of the piezoelectric vibrator of the present invention and the amplitude near the resonance point.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating the vibration characteristics of the piezoelectric vibrator depending on the Q value.
  • FIG. 13 is a diagram showing the vibration behavior of the piezoelectric vibrator depending on the difference in the Q value.
  • FIG. 14 is a schematic view showing a modification of the step of forming the adhesive layer of the piezoelectric vibrator of the present invention.
  • FIG. 1 shows an overall perspective view of a piezoelectric actuator 1 as a piezoelectric vibrator of the present embodiment.
  • the piezoelectric actuator includes a flat plate 2, a piezoelectric element 3 attached to both sides of the base 2, and an adhesive layer 4 for bonding the piezoelectric element 3 and the piezoelectric element 3.
  • the substrate 2 is a thin plate-like member having a thickness of about 0.1 mm and formed in a substantially rectangular shape.
  • the material of the second item stainless steel, phosphor bronze, or any other material can be adopted, and in the present embodiment, it is constituted of SUS301.
  • substantially semicircular convex portions 21 are formed so as to protrude in the longitudinal direction.
  • the piezoelectric element 3 is occupied in a substantially rectangular portion of the base material 2 excluding the protrusion 21.
  • the material of the piezoelectric element 3 is not particularly limited, and various materials such as zircon titanate (PZT (registered trademark)), quartz, and lithium diobate can be used. . 15 mm lead zirconate titanate (PZT) is used. Further, on both surfaces of the piezoelectric element 3, electrode layers 31 (31A, 31B) formed by a nickel-phosphorous plating layer and a gold plating layer are formed.
  • the adhesive layer 4 is made of a one-component non-solvent type epoxy resin, and has a Shore D hardness after curing of about 92 HS.
  • the adhesive layer 4 is desirably free of additives such as colorants, glass beads, and conductive substances.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view in which a part of the bonding surface of the base material 2 and the piezoelectric element 3 is enlarged.
  • each of the bonding surfaces of the base material 2 and the piezoelectric element 3 is microscopically roughened. It has fine irregularities according to the size. The irregularities randomly insult the electrodes 2 and the electrode layers 3 1 B of the piezoelectric elements 3 without the insulation by the adhesive layer 4, thereby conducting.
  • a lead wire is connected to the electrode layer 31A on the surface of the piezoelectric element 3 and the substrate 2, and this is connected to a laser application device shown in FIG. 3 ⁇ 4ff can be applied between A and X2, that is, on both sides of the piezoelectric element 3.
  • Such a piezoelectric actuator 1 is manufactured as follows.
  • FIG. 3 to FIG. 7 are schematic diagrams showing the manufacturing steps of the piezoelectric actuator 1.
  • the manufacturing process of the piezoelectric actuator 1 includes an adhesive layer forming step of forming an adhesive 41 (see FIG. 3) into an adhesive layer 4 having a predetermined thickness, and an adhesive layer forming step.
  • the method includes a piezoelectric element attaching step of attaching the transferred piezoelectric element 3 to the base material 2 and an adhesive layer hardening step of hardening the adhesive layer 4.
  • FIG. 3 (A) shows the first stage of the adhesive layer forming step
  • FIG. 3 (B) shows the second stage.
  • the silicon wafer and the surface are wiped with a cotton cloth impregnated with ethanol, and the transfer sheet 5 is placed on the silicon wafer before the ethanol volatilizes.
  • the transfer sheet 5 satisfactorily adheres to the surface of the silicon wafer, and is adsorbed together with the volatilization of the ethanol, whereby the transfer sheet 5 is well fixed on the silicon wafer. Since the silicon wafer has an extremely smooth flat surface, distortion of the transfer sheet 5 is corrected, and the thickness of the adhesive layer 4 formed on the transfer sheet 5 becomes uniform.
  • the transfer sheet 5 is preferably made of a flexible material, for example, polyimide / polyester.
  • the thickness of the spacer 51 is about twice as large as the thickness of the adhesive layer 4 interposed in the piezoelectric actuator 1.
  • the material of the spacer 51 is preferably a resin material that is not easily deformed in the thickness direction. For example, an aluminum foil having a thickness of about 1 ⁇ can be used.
  • the dimensions of the transfer sheet 5 and the spacer 51, the spacing between the spacers 51, and the like are determined according to the piezoelectric actuator to be manufactured. It may be set appropriately in consideration of the dimensions of the eta 1. In other words, these dimensions must be set larger than the dimensions of the piezoelectric actuator 1, and if the piezoelectric actuator 1 is to be manufactured at one time, it must be set to be larger than the overall size when a plurality of piezoelectric actuators 1 are arranged. Good. As shown in Fig.
  • a flat plate 52 made of stainless steel, glass, and other materials containing Oka I 5 make contact while straddling 1. Then, the adhesive 41 spreads along the blade 52 in the width direction between the spacers 51. Next, the blade 52 is moved on the two spacers 51 along its length direction.
  • FIG. 4C shows the adhesive layer 4 formed on the transfer sheet 5.
  • the adhesive 41 is spread between the spacers 51 by the blade 52, and is adjusted to the thickness of the spacer 51. Thereafter, the spacer 51 is removed from the transfer sheet 5. By this step, the adhesive layer 4 is formed on the transfer sheet 5 with the thickness of the spacer 51.
  • the adhesive layer 4 formed in the adhesive layer forming step is transferred to the piezoelectric element 3.
  • FIGS. 4 (D) and 4 (E) are schematic diagrams of the adhesive layer transfer step.
  • the surface of the transfer sheet 5 on which the adhesive layer 4 is formed is opposed to the piezoelectric element 3.
  • the electrode layer 31 is formed on both front and back surfaces of the piezoelectric element 3 in advance.
  • the surface of the electrode layer 31 is adjusted to a surface roughness (R a) of about 0.2 to 0.3 ⁇ on both surfaces of the piezoelectric element 3 with a No. 2000 abrasive grain, and then nickel-plated ( It is formed by electroless plating with N i ⁇ ⁇ ) as the base.
  • R a surface roughness
  • N i ⁇ ⁇ nickel-plated
  • the abrasive of No. 2000 When the surface roughness of the piezoelectric element 3 is adjusted, not only the abrasive of No. 2000 but also the optimal one such as, for example, the abrasive of No. 400 may be selected as appropriate.
  • the method of forming the electrode layer 31 is not limited to such a method using electroless gold plating.
  • a Ni, Cr, or Au alloy is formed on the surface of the piezoelectric element 3 by a method such as sputtering or vapor deposition. You can.
  • the piezoelectric element 3 having the electrode layer 31 formed on the surface is subjected to a cleaning step for removing fine dust in advance.
  • a cleaning step for removing fine dust in advance.
  • ultrasonic cleaning with alcohol is performed on the piezoelectric element 3 for about 10 minutes, and then the piezoelectric element 3 is washed with running pure water for about 10 minutes. Then, the piezoelectric element 3 is dried by being left in an about 80-port thermostat for about 10 minutes. After this washing process The piezoelectric element 3 is placed and fixed on the suction table. Then, the surface of the transfer sheet 5 on which the adhesive layer 4 is formed is brought into close contact with the surface of the fixed piezoelectric element 3.
  • the transfer sheet 5 is loosely peeled off from the piezoelectric element 3 as shown in FIG. Then, about half of the thickness of the adhesive layer 4 is transferred to the piezoelectric element 3, and the remaining half of the thickness of the adhesive layer 4 remains on the transfer sheet 5.
  • the adhesive layer 4 is formed on the piezoelectric element 3, and its thickness is about 5 ⁇ , which is about half the thickness of the adhesive layer 4 in the adhesive layer forming step.
  • the piezoelectric element 3 to which the adhesive layer 4 has been transferred is attached to the handle 2.
  • Fig. 5 (F) shows the step of occupying the piezoelectric element 3 on one surface of 2
  • Fig. 5 (G) shows the step of attaching the piezoelectric element 3 on the other surface of 2 Being done.
  • the surface of the piezoelectric element 3 on which the adhesive layer 4 has been transferred is attached to the substantially rectangular portion of the film 2. At this time, visually confirm that the relative positions of the piezoelectric elements 3 and 2 are not shifted.
  • the surface roughness of both surfaces of the base material 2 has been adjusted in advance by the surface roughness adjusting step. In this surface roughness adjusting step, the surface is adjusted to a predetermined surface roughness by using, for example, a No. 150 sandpaper. Further, the base material 2 has been cleaned in advance by a process similar to the above-described cleaning process of the piezoelectric element 3.
  • the piezoelectric element 3 is similarly attached to the surface of the substrate 2 opposite to the surface on which the piezoelectric element 3 force S is attached.
  • FIG. 5H shows a piezoelectric actuator 1 in which piezoelectric elements 3 are attached to both surfaces of a base material 2. As shown in FIG. 5 (H), in the piezoelectric element attaching step, the piezoelectric element 3 is attached to both surfaces of the base material 2 via the adhesive layer 4.
  • the bonding layer 4 is cured.
  • FIG. 6 shows a schematic view of a curing device 6 for hardening the adhesive layer 4 under a heated state and a pressurized state.
  • the curing device 6 includes a heating tank 61 for heating the inside to a desired degree, and a pressing jig 7 for pressing the substrate 2 and the piezoelectric element 3 of the piezoelectric actuator 1.
  • the caro pressure jig 7 includes a lower plate 71 and an upper plate 72 between which the piezoelectric actuator 1 is sandwiched. Around the lower plate 7 1, four-point pins 7 1 1 protrude toward the upper plate 7 2. You. Guide holes 7 21 are formed at positions corresponding to the pins 7 1 1 on the upper plate 7 2, and the pins 7 1 1 The position with respect to plate 71 is specified.
  • FIG. 7 shows a plan view of the lower plate 71.
  • three piezoelectric actuators 1 can be arranged on the lower plate 71 at positions not aligned on a straight line, and a columnar shape defining the relative positions of the 3 ⁇ 43 ⁇ 4 ′′ 2 and the piezoelectric element 3 is provided.
  • a positioning pin 73 is provided.A plurality of these positioning pins 73 (73A, 73B, 73C) are provided for each piezoelectric actuator 1 (three in this embodiment). These positioning pins 73 are arranged at a predetermined interval from each other, and the positioning pin 73 A located at the end connects the other positioning pins 73 B and 73 C.
  • the three positioning pins 73 A, 73 B, and 73 C are stably positioned by supporting the piezoelectric actuator 1 on two sides. to. these locating pins 7 3 surfaces, positive in order to prevent adhesion of the adhesive layer 4 It is coated with a low friction synthetic resin such as tetrafluoroethylene, and the height of the positioning pins 73 is higher than the total thickness of one piezoelectric element 3 and the base material 2.
  • the thickness of the positioning pin 73 is smaller than the total thickness of the two piezoelectric elements 3 and the pair 2.
  • the shape of the positioning pin 73 is designed to minimize the contact area with the adhesive layer 4. In the form, it is formed in a cylindrical shape, but may be a polygonal shape such as a triangular shape.
  • a relative position between the base material 2 and the piezoelectric element 3 is defined in a positioning step.
  • three piezoelectric actuators 1 each having the piezoelectric element 3 attached on both sides in the piezoelectric element attaching step are arranged on the lower plate 71 of the pressing jig 7.
  • it is checked with a magnifying glass or the like whether or not the positions of the ends of the piezoelectric element 3 and the base material 2 are aligned. If it is even, adjust the position by holding the piezoelectric element 3 with tweezers or the like.
  • the upper plate 72 is placed on the piezoelectric actuator 1 whose position is defined. Since the upper plate 72 is guided by the pins 71 and is kept substantially parallel to the lower plate 71, the upper plate 72 is piezoelectrically moved while the relative positions of the piezoelectric element 3 and the base 2 are not shifted. Contact the actuator 1 and place it. At this time, the position of the positioning pin 73 is greater than the thickness of the piezoelectric actuator 1. Therefore, the upper plate 72 comes into contact with the surface of the piezoelectric actuator 1 without interfering with the positioning pins 73.
  • the pressing jig 7 holding the piezoelectric actuator 1 in this manner is placed in the heating tank 61. Then, a weight 74 for pressing the piezoelectric actuator 1 is put on the upper plate 72. At this time, the three piezoelectric actuators 1 are arranged between the upper plate 72 and the lower plate 71, and these are arranged so as not to be aligned on 1S. Are uniformly brought into contact with the piezoelectric actuators 1, and the surface pressures acting on these piezoelectric actuators 1 are almost the same.
  • the weight 74 preferably has a surface pressure acting on the piezoelectric actuator 1 in the range of 15 to 25 g / mm 2 (147 to 245 kPa).
  • the surface pressure is less than 15 g / mm 2 (147 kPa), the adhesion between the piezoelectric element 3 and the substrate 2 will be poor.
  • the thickness of the adhesive layer 4 increases and the vibration characteristics of the piezoelectric actuator 1 deteriorate, and the conductivity between the electrode layer 31B of the piezoelectric element 3 and the base material 2 deteriorates. In some lasers, the vibration characteristics of the piezoelectric actuator 1 vary due to variations in the thickness of the adhesive layer 4. If the surface pressure is higher than 25 g / mm 2 (245 kPa), the piezoelectric element 3 may be damaged. In this embodiment, a 1 kg weight 74 is used to pressurize the three piezoelectric actuators 1.
  • the temperature inside the heating tank 61 is set to about 80 ° C., and the piezoelectric actuator 1 is heated for about 2 hours while being pressurized by the pressurizing jig 7 inside the heating tank 61, so that the adhesive layer 4 is hardened.
  • the adhesiveness between the piezoelectric element 3 and the base material 2 is improved by curing under a calo-pressure state.
  • the contact surfaces of the electrode layer 31 and the base material 2 formed on the piezoelectric element 3 microscopically form irregularities corresponding to the surface roughness, and these are pressed by pressure.
  • the irregularities contact each other, and the conductivity between them is ensured.
  • the piezoelectric element 3 and the base material 2 are in a state in which the unevenness of each other is microscopically in contact with the entire surface of the bonding surface, whereby the thickness of the bonding layer 4 becomes smaller than that of the piezoelectric element 3 and the # 2. It depends on the surface roughness.
  • the adhesive layer 4 stiffens in a short time, and the cycle time of the adhesive layer curing step is shortened.
  • FIGS. 8 and 9 are schematic diagrams showing application examples of the piezoelectric actuator 1.
  • FIG. FIG. 8 is a diagram showing the arrangement of the piezoelectric actuator 1 with respect to the driven body 100
  • FIG. 9 (A) is a diagram showing one of the vibration modes of the piezoelectric actuator 1
  • FIG. 9 is a diagram showing another vibration mode of the piezoelectric actuator 1
  • FIG. 9 (C) is a diagram showing a locus drawn by the protrusion 21.
  • FIG. 9 (C) is a diagram showing a locus drawn by the protrusion 21.
  • the piezoelectric actuator 1 drives a disk-shaped driven body 100, and the driven body 100 is rotatably supported by a fixed body (not shown).
  • the convex portion 21 of the piezoelectric actuator 1 is in contact with the outer peripheral side surface of the driven body 100, and the piezoelectric actuator 1 has an arm portion 2 2 that protrudes at a substantially right angle from substantially the center in the longitudinal direction.
  • the arms 22 are formed integrally with the base material 2.
  • the holes formed at the ends are screwed to a fixed body (not shown), so that the piezoelectric actuator 1 is fixed and the arms are convex.
  • the portion 21 is brought into contact with the driven body 100 in a state where an appropriate urging force is applied by an urging force generating means (not shown). At this time, the convex portion 21 is in contact with the piezoelectric actuator 1 such that the longitudinal direction of the piezoelectric actuator 1 has a certain angle (for example, 30 °) from the center direction of the driven body 100.
  • Lead wires are connected to the electrode layer 31A and the base material 2 of the piezoelectric element 3, and these lead wires are connected to an application device that applies an alternating current of a predetermined frequency.
  • the piezoelectric actuator 1 expands and contracts in the longitudinal direction as shown in FIG. 9 (A), that is, so-called longitudinal vibration, and bends in a direction substantially orthogonal to the longitudinal vibration as shown in FIG. 9 (B). It has two vibration modes, so-called bending vibration. By combining these two vibration modes, the convex portion 21 oscillates along an elliptical orbit in the in-plane direction as shown in FIG. 9 (C).
  • each of these two vibration modes has a resonance point, and the difference between the resonance frequencies of these resonance points is about several kHz in advance by appropriately setting the size and shape of the piezoelectric actuator 1. They are set to be close to each other. Thus, when the piezoelectric actuator 1 is driven between these resonance frequencies, the piezoelectric actuator 1 can be driven near the resonance point of the mutual vibration mode, so that a large vibration amplitude can be obtained.
  • the convex portion 21 rotates the driven body 100 in a part of the elliptical orbit in the direction of arrow R in FIG. By performing this operation at a predetermined frequency, the piezoelectric actuator 1 rotates the driven body 100 at a desired speed.
  • FIG. 10 shows the relationship between the Shore D hardness of the adhesive layer 4 after the bonding and the Q value of the piezoelectric actuator 1. As shown in FIG. 10, when the Shore D hardness of the adhesive layer 4 increases, the Q value of the piezoelectric actuator 1 sharply increases, and is stable at a Shore D hardness of 80 HS or more. It can be seen that the above high Q value can be obtained.
  • FIG. 11 shows the relationship between the Q value of the piezoelectric actuator 1 and the amplitude near the resonance point of the vibration of the piezoelectric actuator 1.
  • FIG. 12 shows a diagram of the relationship between the frequency of ffi applied to the piezoelectric actuator 1 and the impedance, and a diagram of the relationship between the frequency and the amplitude of the piezoelectric actuator 1.
  • f r1 is the resonance frequency of the longitudinal vibration
  • f r2 is the resonance frequency of the bending vibration.
  • the amplitude near the resonance point of the piezoelectric actuator 1 is proportional to the Q value, and that as the Q value increases, the amplitude of the piezoelectric actuator 1 also increases.
  • the vibration characteristics of the piezoelectric actuator 1 when the Q value is relatively high are better when the Q value is relatively low (Fig. 1).
  • the impedances at the resonance points of the two vibration modes, longitudinal vibration and bending vibration are smaller and the amplitudes of these vibration modes are larger, respectively, compared to the two-dot chain line in Fig. 2).
  • a high Q value can be obtained by using the high hardness adhesive layer 4 having a Shore D hardness of 80 HS or more. It can be seen that, by obtaining a high Q value, the vibration loss of the piezoelectric actuator 1 is reduced, and a large vibration amplitude is obtained in the piezoelectric actuator 1.
  • FIG. 13 shows the trajectories of the vibration of the protrusion 21 of the piezoelectric actuator 1 when the Q value of the piezoelectric actuator 1 is relatively small;
  • the vibration $ WR s in the convex portion 21 when the Q value is small is an elliptical vibration in which the component of the longitudinal vibration is larger than the component of the bending vibration, and although the force for pressing the driven body 100 in the radial direction acts, However, the force for rotating the driven body 100 by pressing the driven body 100 in the tangential direction is reduced.
  • the Shore D hardness of the adhesive layer 4 is as high as 80 HS or more, the Q value increases, and the amplitude of the movement increases.
  • the amplitude of the bending vibration increases due to the large Q value, but at the same time, since the effect of exciting the bending vibration by the longitudinal vibration is large, the amplitude increases according to the amplitude of the longitudinal vibration. Therefore, when the Q value is large, the vibration trajectory Rb of the convex portion 21 has good vibration amplitude of vertical vibration and good vibration amplitude of bending vibration, and presses the driven body 100 in the tangential direction. And the force required for rotational drive can be secured.
  • the piezoelectric actuator 1 that drives the driven body 100 by combining a plurality of vibration modes, it is possible to secure the Q value of the piezoelectric actuator 1 by using the adhesive layer 4 having a high Shore D hardness. It is understood that it is important for obtaining the driving efficiency improving effect.
  • the hardness of the adhesive layer 4 after hardening is as high as 80 HS or more! Therefore, the vibration of the piezoelectric element 3 is hardly absorbed, and the vibration of the piezoelectric element 3 can be transmitted to the base material 2 satisfactorily. Therefore, the vibration loss of the piezoelectric actuator 1 can be reduced.
  • the adhesive 41 is a one-liquid non-solvent type, it does not need to be mixed unlike a two-part adhesive. Therefore, the stirring operation is not required, and the manufacturing process can be simplified, and the possibility that air is mixed into the adhesive 41 by the stirring can be eliminated. This prevents breakage of the piezoelectric element 3 due to air expansion and short life of the piezoelectric actuator 1 due to stress concentration when the piezoelectric actuator 1 vibrates even when heated in the adhesive layer curing step. Further, since the adhesive layer 4 can be formed uniformly, it is possible to reduce the variation of each resonance point of longitudinal vibration and bending vibration, and 'The vibration characteristics of eta 1 can be stabilized. Further, since there is little variation in the composition between the mouthpieces, variation in the vibration characteristics among the plurality of piezoelectric actuators 1 can be reduced.
  • the adhesive layer 4 Since the adhesive layer 4 is heated by heat in the adhesive layer hardening step, the adhesive layer 4 can be dried in a shorter time. Therefore, the manufacturing time of the piezoelectric actuator 1 can be reduced. In addition, since the adhesive layer 4 is pressurized in this step, expansion of the adhesive layer 4 in the thickness direction due to caloric heat can be suppressed. Also, in this step, by pressing the adhesive layer 4, the electrode layer 31 of the piezoelectric element 3 (that is, the piezoelectric element 3) and the base material 2 have fine irregularities corresponding to the respective surface roughness. You will come into contact with each other!
  • the adhesive layer 4 is interposed between these irregularities, that is, the thickness of the adhesive layer 4 does not depend on the applied amount of the adhesive 41 and depends on the surface roughness of each bonding surface. Become like For this reason, the thickness of the adhesive layer 4 can be easily controlled, and the variation in the vibration characteristics of the piezoelectric actuator 1 can be reduced.
  • the burrs generated in the process of (1) can be removed. Also, by unifying the surface roughness of the base material 2, the thickness (intervening amount) of the adhesive layer 4 between the piezoelectric element 3 and the piezoelectric element 3 can be controlled, so that variations in the thickness of the adhesive layer 4 can be reduced. The vibration characteristics of the piezoelectric actuator 1 can be further reduced.
  • the adhesive layer 4 was pressurized by the calo-pressure jig 7 and heated in the force heating tank 61, but is not limited thereto. Curing may be performed using only calo heat. Alternatively, the adhesive layer 4 may be dried and hardened by being left in a calo-pressure state without heating. Furthermore, the adhesive layer 4 may be dried by leaving the piezoelectric actuator 1 for a predetermined time without performing calorific heat or caloric pressure. At this time, for example, the positioning of the piezoelectric element 3 and the base material 2 may be performed using only the lower plate 71 of the pressing jig 7. In the present embodiment, the material of the substrate 2 is made of SUS301, but is not limited to this.
  • the thermal expansion coefficient of the piezoelectric element 3 is reduced in order to reduce residual stress caused by a difference in expansion due to heating. It is desirable to select a material having a near-low thermal expansion coefficient. According to this, the vibration of the piezoelectric element 3 can be transmitted to the substrate 2 satisfactorily, and the vibration loss can be further reduced.
  • the base material 2 has various functions, such as a vibrating body having appropriate elasticity so that it can be displaced by the vibration of the piezoelectric element 3, and supports the piezoelectric actuator 1 and fixes it at a predetermined position.
  • Various functions such as a role as a fixed part that drives, a role as a drive part that contacts the driven body and drives the driven body, and a role as a conductor that can electrically conduct with the piezoelectric element 3 Have. Therefore, the base material 2 is required to have strength as a reinforcing material, strength for supporting and fixing, elasticity as a vibrating body, and hardness / abrasion resistance when contacting a driven body. Therefore, it is desirable that the material of the base material 2 is appropriately determined so that these roles can be satisfied in a good balance.
  • the spacer 51 is disposed on the transfer sheet 5 and the adhesive layer 4 having a predetermined thickness is formed directly on the transfer sheet 5, but the present invention is not limited to this.
  • an adhesive layer thickness adjusting step of adjusting the thickness of the adhesive layer 4 may be provided in the adhesive layer forming step.
  • the adhesive layer thickness adjusting step for example, the adhesive layer 4 formed in the adhesive layer forming step is transferred to a plate-shaped transfer member for thickness adjustment. Then, the thickness of the adhesive layer 4 remaining on the transfer sheet 5 becomes about half the thickness before transfer.
  • the thickness of the adhesive layer 4 can be reduced.
  • the adhesive layer 4 is formed thinner, so that the vibration loss of the piezoelectric actuator 1 can be further reduced, and the vibration attenuation can be prevented.
  • an adhesive layer forming jig 8 as shown in FIG. 14 may be used.
  • FIG. 14 (A) is a perspective view of the adhesive layer forming jig 8 used in the step of forming the adhesive layer of the piezoelectric actuator
  • FIG. 14 (B) is a diagram of the adhesive layer forming jig 8.
  • the molded adhesive layer 4 is shown.
  • the adhesive layer forming jig 8 is made of a highly rigid material such as stainless steel and is formed in a plate shape.
  • the surface of the adhesive layer forming jig 8 Two grooves 83 are formed in the TO along the hand direction. The surface of the adhesive layer forming jig 8 is divided into three by these grooves 83.
  • the center of these divided portions is an adhesive layer forming portion 82 on which the adhesive layer 4 is formed, and both sides are provided with guides 81 for uniformly adjusting the thickness of the adhesive layer 4.
  • the surface height of the adhesive layer forming portion 82 is formed lower than the surface height of the guide 81, and the difference t in the height is the same as the thickness of the adhesive layer 4 formed in the adhesive layer forming step. .
  • the height difference t is about four times the predetermined thickness of the adhesive layer 4 interposed in the piezoelectric actuator 1, for example, 1 ⁇ .
  • the adhesive 41 is discharged to the adhesive layer forming section 82.
  • an edge of a plate-shaped plate made of a material of Takaoka I ⁇ such as stainless steel is abutted so as to straddle the guide 81.
  • the blade is moved while being pressed against the guide 81 with a force of about 1.5 kg (1.5 kgf) along the longitudinal direction of the guide 81 to spread the adhesive 41 to a uniform thickness.
  • the adhesive layer 4 is formed in the adhesive layer forming section 82 with a thickness t of the height difference t between the adhesive layer forming section 82 and the guide 81 as shown in FIG. 14 (B). .
  • the excess of the adhesive 41 accumulates in the groove 83, so that the adhesive layer 4 having a uniform thickness can be formed over the entire adhesive layer forming portion 82.
  • a replaceable sheet such as polyimide or polyester is adhered to the upper surface of the adhesive layer 4 formed on the adhesive layer forming section 82.
  • the thickness is reduced to about half (that is, The adhesive layer 4 of about 5 ⁇ ) is transferred to the sheet.
  • the surface of the sheet on which the adhesive layer 4 has been transferred is brought into close contact with the piezoelectric element 3 and the adhesive layer 4 is transferred, so that the surface of the piezoelectric element 3
  • the adhesive layer 4 having a thickness of about 2.5 ⁇ is transferred.
  • the thickness of the adhesive layer 4 is set with a jig having a high Oka I ⁇ without directly forming the adhesive layer 4 on the transfer sheet 5, so that the thickness can be adjusted with high precision. It can be set, and the variation in the thickness of the adhesive layer 4 after molding can be reduced. Further, since the adhesive layer 4 formed on the adhesive layer forming jig 8 is transferred to a sheet and then transferred to the piezoelectric element 3, the adhesive layer 4 between the piezoelectric element 3 and the base material 2 can be made thinner.
  • the material of the adhesive 41 is an epoxy resin in the present embodiment.
  • the material is not limited to the epoxy resin, and the Shore D hardness after curing may be any temperature even if it is any thermosetting resin or other synthetic resin. Any material having a hardness of 80 HS or more is optional. Vibration loss can be further reduced as compared with the case of less than Hs. As a result, stable driving can be achieved constantly even at a low ME, so that the battery life can be improved and the commercial value can be improved, for example, in a small ⁇ without external Kasumihara.
  • the material of each member such as the base material 2, the piezoelectric element 3, and the transfer sheet 5 is not limited to those described in the present embodiment, and may be arbitrarily selected in consideration of use conditions and the like. .
  • the piezoelectric elements 3 are attached one by one on both sides of the pair 2.
  • the present invention is not limited to this, and a plurality of piezoelectric elements 3 may be stacked.
  • the piezoelectric element 3 to which the adhesive layer 4 has been transferred can be attached to another piezoelectric element.
  • the piezoelectric element 3 may be attached to only one surface of the base material 2.
  • the surface roughness of the base material 2 is adjusted by a sandpaper, but is not limited thereto, and may be adjusted by, for example, grinding or forging. Alternatively, it is not always necessary to adjust the surface roughness.
  • a sandpaper stainless steel plate with a hairline formed in advance or ordinary stainless steel plate material is used as the material of the material
  • the adhesive layer 4 having an appropriate hardness is formed on the base material 2 and the piezoelectric element 3 by each manufacturing process. Since it is provided in between, the object of the present invention can be achieved. If the plate is used as it is, the manufacturing process of the piezoelectric actuator 1 can be simplified.
  • the shape of the piezoelectric actuator 1 is not limited to that shown in the present embodiment.
  • a plurality of piezoelectric elements 3 are stacked, a plurality of electrodes are formed on the surface of the piezoelectric element 3 by forming grooves in the electrode layer 31 of the piezoelectric element 3, What is necessary is just to set it arbitrarily according to the use condition and use application of the piezoelectric actuator 1, such as what changed the formation position and shape of the part 21.
  • the piezoelectric actuator 1 Since the piezoelectric actuator 1 has the above-described effects, the piezoelectric actuator 1 can be applied to various types of ⁇ , for example, cooling a required portion by driving a fan.
  • the piezoelectric actuator 1 is suitable for analog portable watches such as wristwatches and pocket watches because the piezoelectric actuator 1 has a small energy loss due to vibration, can be driven at a low voltage, and can be configured to be small and thin.
  • the best configuration and method for carrying out the present invention have been disclosed in the above description, the present invention is not limited to this. That is, although the present invention has been particularly shown and described mainly with respect to a specific embodiment, the technical concept and the scope of the object of the present invention are not limited. Without departing from the scope, those skilled in the art can make various modifications to the above-described embodiment in the shape, material, quantity, and other detailed configurations.
  • the piezoelectric vibrating body of the present invention can be used for ⁇ such as a piezoelectric actuator that drives a driven body by vibration of a piezoelectric element, cooling using a piezoelectric actuator, and an analog portable watch such as a wristwatch and a pocket watch. It can also be used for other devices.

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Abstract

　ショアＤ硬度８０ＨＳ以上の接着剤を用いて圧電素子（３）および基材（２）の間に接着層（４）を形成して両者を接着する。接着層（４）は、転写シートに二つのスペーサを配置し、これらのスペーサの間に接着剤を延ばすことで均一の厚みに成形する。そして、接着層（４）で接着された基材（２）および圧電素子（３）を加圧状態下で加熱して接着層（４）を硬化させる。硬化後の接着層（４）が高硬度なので、接着層（４）における振動損失を低減できる。また、接着層（４）の厚みが均一なので、圧電アクチュエータ（１）の振動特性のばらつきを低減できる。

Description

圧電振動体、 その製造方法、 およびその圧電振動体を備えた機器
技術分野
本発明は、 基材と、 この に貼設される圧電素子とを備え、 複数の振動モードの共振 点付近で圧電素子を振動させる圧電振動体、 その製造方法おょぴその圧電振動体を用い た機器に関する。
明 背景技術
書
圧電素子の変位によって振動する、 いわゆる圧電振動体としては、 平板状の基材 （補 強板） 両面に圧電素子を貼設して圧電振動体を構成し、 圧電ァクチユエータとして動作 するものがある （例えば特開 2 0 0 0 - 3 3 3 4 8 0号公報）。 この圧電ァクチユエ一 タでは、 圧電素子に交流 を印加すると、 基材とともに圧電ァクチユエータ全体が振 動して被駆動体を駆動する。この時予め形状および寸法比を設定しておくことによって、 圧電素子の長手方向に沿った縦振動と、 縦振動に直交する方向に屈曲する屈曲振動との 複数の振動モードを組み合わせた振動が得られる。 これにより、 圧電ァクチユエータは 被駆動体を高効率で駆動することができる。このような構成の圧電ァクチユエータでは、 圧電素子の振動によつて基材を振動するので、 良好な振動を得るためには圧電素子と基 材との接着状態が非常に重要となる。
圧電素子と基材との間の接着層を、 例えばむやみに厚くすると、 圧電素子の振動が基 材に良好に伝達されず、 圧電ァクチユエータの振動が減衰してしまう。 また、 接着層の 厚みや接着剤の材質のばらつきがあると、 振動減衰特性が異なってしまうため、 複数の 圧電ァクチユエータ間で振動特性にばらつきが生じてしまう。 このように、 接着層の品 質のばらつきによつて安定し 品質の圧電ァクチユエータを製造することが難しくな る。
特に、 形状や寸法を適宜設定することによつて複数の振動モードの共振点が互いに近 接するように構成された圧電ァクチユエータでは、 これらの振動モードが組み合わされ ることによつて例えば円軌道や楕円軌道などのさまざまな振動軌道が設定される。 この ような圧電ァクチユエータは、 複数の振動モードの共振周波数付近で圧電ァクチユエ一 タを振動させることで最も高効率に被駆動体を駆動できる。 しかしながら、 前述のよう に接着層の品質にばらつきがあると、 複数の振動モードの共振周波数がばらついて、 駆 動周波数における圧電ァクチユエ一タの各振動モードの振幅比が異なってしまレ、、 振動 特性が変ィヒしてしまう。
本発明の第一の目的は、 振動損失を低減できる圧電振動体、 その製造方法おょぴその 圧電振動体を用いた βを提供することにある。
本発明の第二の目的は、 振動特性のばらつきを低減できる圧電振動体、 その製造方法 およびその圧電振動体を用いた βを ^することにある。 発明の開示
本発明の圧電振動体は、 基材と、 この基材平面に貼設される圧電素子とを備えるとと もに、 複数の振動モードの共振点が互いに近接する圧電振動体において、 基材および圧 電素子の間には接着層が介装され、 この接着層は硬化後のショァ D硬度が常温で 8 0 H S以上であることを糊敷とする。
と圧電素子との間には接着層が設けられており、 圧電素子に複数の振動モードの 共振点付近の周波数で を印加すると、 圧電素子が繰り返し変位して振動する。 これ に伴レ、接着層を介して基材も振動して、 圧電振動体全体が複数の振動モードを組み合わ せた振動軌道を描いて振動することとなる。 例えばこの圧電振動体を圧電ァクチユエ一 タとして利用する場合では、 圧電振動体の振動によって被駆動体が駆動されることとな る。 この発明によれば、 基材と圧電素子との間の接着層の硬度が適切に設定されている ので、 圧電素子の振動が接着層に吸収されるのを良好に防止して、 基材に振動が良好に 伝達され、 よって圧電振動体全体が良好に振動する。 これにより、 圧電振動体の振動損 失が低減され、 本発明の第一の目的が達成される。 なお、 接着層の硬化後のショァ D硬 度が 8 0 H Sより小さいと、 圧電素子の振動が接着層で吸収されやすく、 振動が減衰し てしまう。 このため、 圧電振動体の振動損失を小さくすることができない。
本発明では、 接着層は、一液無溶剤型のエポキシ樹脂製であることが望ましい。 この発明によれば、 接着層が一液無激容剤型なので、 混ぜ合わせることなく均一な接 着層が形成される。 また、 混ぜ合わせのための撹拌も不要となるので、 空気の混入が防 止される。 従来撹拌の必要な二液型の接着剤を用いた では、 接着層に空気が混入し ていると、 例えば接着層を硬ィ匕させるために加熱する際に空気が膨張して圧電振動体の 破損が生じる場合がある。 また、 空気の混入により接着強度が十分に得られないと、 圧 電振動体が振動する際の応力が空気混入の穴部分に集中して接着層が剥離することがあ り、 圧電振動体の寿命が短くなる。 本発明によれば、 このような不都合が無く、 ロット 間での接着層の品質のばらつきが生じにくい。 よって勘才および圧電素子の接着性能が 均一となるので、 圧電振動体を複数の振動モードの共振点付近で振動させる にも、 複数の振動モードの振幅比のばらつきが低減される。 これにより、 圧電振動体間の振動 特性のばらつきが小さくなり、 所望の振動軌道が得られる。 これにより、 本発明の第二 の目的が達成される。 また混合作業が省略されるので、 比較的安価に製造される。 本発明の圧電振動体の製造方法は、 ¾|才と、 この基材平面に貼設される圧電素子とを 備えるとともに、 複数の振動モードの共振点が互いに近接する圧 βί辰動体の製造方法で あって、 才および圧電素子の間に介装される接着剤を所定の厚みの接着層に成形する 接着層成形工程と、 接着層成形工程で成形された接着層を圧電素子に転写する接着層転 写工程と、 接着層が転写された圧電素子を凝才または別の圧電素子に貼設する圧電素子 貼設工程とを備えていることを特徴とする。
この発明によれば、 接着層成形工程によつて接着剤の厚みが均一な接着層が形成され る。 この接着層を圧電素子に転写し、 この圧電素子を凝才あるいは別の圧電素子に貼設 するので、 均一な厚みの接着層を有する圧電振動体が製造される。 よって、 圧電振動体 の振動特性のばらつきが低減される。
本発明では、 接着層成形工程は、 接着層を厚み調整用転写部材に転写し、 その転写回 数によって接着層の厚みを調整する接着層厚み調整工程を備えていることが望ましい。 この発明によれば、 接着層厚み調整工程によつて接着層を厚み調整用転写部材に転写 すれば、 接着層の厚みは転写前の約半分となる。 この転写を所定回类燥り返すことによ り接着層が所望の厚みに調整される。 これは、 接着層成形工程において厚み管理の困難 なより薄い接着層を成形する場合に特に有用であり、 これによれば、 接着層の厚み管理 が容易となり、 より薄い接着層が成形可能となる。
本発明では、 圧電素子貼設工程の後に、 カロ熱状態かつ加圧状態下で接着層を硬化させ る接着層硬ィ匕工程を備えていることが望ましい。
この発明によれば、 接着層を加熱状態下で硬ィ匕させるので、 接着層がより短時間で硬 化し、 圧電振動体の製造時間が短縮される。
また、 接着層を加圧状態下で硬ィ匕させるので、 基材およぴ圧電素子の接着性が向上す る。
さらに、 カロ圧状態下では、 基材およぴ圧電素子力 S圧接されるが、 この時これらの接着 面は微視的にはそれぞれの面粗さに応じた凹凸を有するので、 加圧することによってこ れらの凹凸が互いに翻虫して接着される。 これにより、 接着層はこれらの凹凸の間に介 装されることとなり、接着層の厚みが凝才ぉよび圧電素子の接着面の面粗さに依存する。 したがって、 接着層の厚みを およぴ圧電素子の接着面粗さで簡単に管理することが 可能となり、 接着層の厚みのばらつきが軽減されて圧 ¾ί辰動体の振動特性がより一層安 定する。 また、 謝を導通性を有する材料で構成する には、 圧電素子に形成された 電極層と良好に翻虫するので、 両者の電気的な導通が確実となる。 これにより、 圧電素 子の厚み方向に ¾Eを印加する際には、 一方の端子を凝才から得ることが可能となり、 特に基材の両面に圧電素子力 s貼設されている場合などでは端子の共通ィ匕が図られ、 圧電 振動体の構造が簡単となる。
本発明では、 圧電素子貼設工程の前に、 才の圧電素子力 s貼設される面の面粗さを調 整する面粗さ調整工程を備えていることが望ましい。
この発明によれば、 面粗さ調整工程によって基材の圧電素子への貝占設面の面粗さが調 整される。 したがって、 基材の製^ 1程で生じたかえりなどが除去され、 このかえりに よる圧電振動体の振動特性の悪ィ匕が防止される。
また、 基材の圧電素子への貼設面の面粗さが予め適切に調整されているので、 接着層 との接着十生が向上し、 剥離強度が向上する。
また、 前述のように接着層の厚みは圧電素子および勘才の表面粗さに依存するので、 基材の面粗さを調整することにより、 接着層の厚みの管理が確実となる。 これにより接 着層の厚みのばらつきが低減され、 圧電振動体の振動特性がより一層安定する。 本発明では、 圧電素子貼設工程と同時または圧電素子貼設工程の後に、 謝および圧 電素子の相対的な位置決めを行う位置決め工程を備えていることことが望ましい。 この発明によれば、 位置決め工程によつて基材ぉよぴ圧電素子の相対的な位置が規定 されるので、 この状態で接着層を硬ィ匕させれば、 両者の接着位置がずれることなく接着 層が硬化する。 したがって、 この工程により基材およぴ圧電素子の貼設位置のずれによ る圧電振動体の振動特性のばらつきが低減される。
前述の圧電振動体の製造方法で製造した圧電振動体は、 謝およぴ圧電素子の熱膨張 係数が互レ、に近接することが望ましレ、。
この発明によれば、 基材およぴ圧電素子の熱膨張係数が互いに近接しているので、 熱 の影響による歪みおよび残留応力の発生が防止される。 これは、 例えば接着層を硬ィ匕さ せる時に加熱を行う: tj^などに特に有用である。 また、 投入電力が大きく発熱量が放熱 量を上回る場合でも、 自己発熱による特性の 匕が抑制される。
本発明の涯は、 前述の圧電振動体または前述の圧電振動体の製造方法を用いて製造 した圧電振動体を用いたことを特徴とする。
この発明によれば、 本発明の圧電振動体または本発明の圧電振動体の製造方法を用い て製造した圧電振動体を用いて βを構成しているので、 前述のような効果が得られ、 振動損失が低減され、 圧電振動体間の振動性能のばらつきが低減される。 図面の簡単な説明
図 1は、 本発明の圧電振動体の全体を示す斜視図である。
図 2は、 本発明の圧電振動体の一部を示す拡大図である。
図 3は、 本発明の圧電振動体の接着層成形工程を示す概略図である。
図 4は、 本発明の圧電振動体の接着層転写工程を示す概略図である。
図 5は、 本発明の圧電振動体の圧電素子貼設工程を示す概略図である。
図 6は、 本発明の圧電振動体の接着層硬ィ匕工程を示す概略図である。
図 7は、 本発明の圧電振動体の位置決め工程を示す概略図である。
図 8は、 本発明の圧電振動体の適用例を示す概略図である。
図 9は、 本発明の圧電振動体の動作を示す概略図である。 図 1 0は、 本発明の接着層のショァ D硬度と圧電振動体の Q値との関係を示す図であ る。
図 1 1は、 本発明の圧電振動体の Q値と共振点付近の振幅との関係を示す図である。 図 1 2は、 Q値の違いによる圧電振動体の振動特性を示す図である。
図 1 3は、 Q値の違いによる圧電振動体の振動挙動を示す図である。
図 1 4は、 本発明の圧電振動体の接着層成形工程の変形例を示 ¾略図である。 発明を実施するための最良の形態
以下、 本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図 1には、 本実施形態の圧電振動体としての圧電ァクチユエータ 1の全体斜視図が示 されている。 この図 1において、 圧電ァクチユエータ は、 平板状の ®Τ才 2と、 この基 材 2の表裏両面に貼設された圧電素子 3と、 これらの謝 2と圧電素子 3とを接着する 接着層 4とを備えている。
基材 2は、 略矩形状に形成された厚み約 0 . 1 mmの薄板状部材である。 謝 2の材 料は、 ステンレス鋼、 リン青銅、 その他の任意の材料を採用でき、 本実施形態では S U S 3 0 1で構成されている。 この基材 2の対角線上両端には、 長手方向に突出するよう に略半円形状の凸部 2 1がー体的に形成されている。
圧電素子 3は、 基材 2の凸部 2 1を除いた略矩形状部分に貝占設されている。 圧 ½素子 3の材料は特に限定されず、 チタン酸ジルコン廳 ' (P Z T (登録商標） ) 、 水晶、 二 ォブ酸リチウム等の各種のものを用いることができ、 本実施形態では厚み約 0 . 1 5 m mのチタン酸ジルコン酸鉛 （以下 P Z Tと略す） を採用している。 また、 圧電素子 3の 両面には、 ニッケル'リンめつき層および金めつき層などによって形成される電極層 3 1 ( 3 1 A, 3 1 B) が形成されている。
接着層 4は、 一液無溶剤型のエポキシ樹脂製であり、 硬化後のショァ D硬度が約 9 2 H Sである。 なお、 接着層 4は着色剤やガラスビーズ、 導電性物質などの添加剤が添加 されていないものが望ましレ、。
図 2には、基材 2およぴ圧電素子 3の接着面の一部を拡大した断面図が示されている。 この図 2において、 基材 2および圧電素子 3の各接着面は、 微視的にはそれぞれの面粗 さに応じた微細な凹凸を備えている。 この凹凸がランダムに^虫することによって 才 2および圧電素子 3の電極層 3 1 Bが接着層 4で絶縁されずに導通している。 これによ り、 圧電素子 3の表面の電極層 3 1 Aおよび基材 2にリード線を接続してこれを図示し 'なレヽ印加装置に接続することで、 圧電素子 3の電極層 3 1 Aと謝 2との間、 つまり、 圧電素子 3の両面に ¾ffを印加することができる。
このような圧電ァクチユエータ 1は、 次のように製造する。
図 3から図 7には、 圧電ァクチユエータ 1の製造工程を示す概略図が示されている。 これらの図 3から図 7において、圧電ァクチユエータ 1の製造工程は、接着剤 4 1 (図 3 参照)を所定の厚みの接着層 4に成形する接着層成形工程と、接着層成形工程で成形され た接着層 4を圧電素子 3に転写する接着層転写工程と、 基材 2において、 圧電素子 3が 貼設される接着面の面粗さを調整する面粗さ調整工程と、 接着層 4が転写された圧電素 子 3を基材 2に貼設する圧電素子貼設工程と、 接着層 4を硬ィ匕させる接着層硬ィ匕工程と を備えている。 なお、 接着層硬ィ匕工程以外の工程は、 全て常温において作業を行う。 図 3 (A)には、接着層成形工程の第一段階が、 また図 3 (B)には、 その第二段階が示さ れている。 図 3 (A)において、 まず接着層成形工程の第一段階では、 図示しないシリコ ンウェハ上の転写シート 5の上に薄板矩形状の二枚のスぺーサ 5 1を互いに間隔をあけ て配置する。 この時、 シリコンウエノ、表面をエタノールが含浸された綿布で拭き、 エタ ノールが揮発する前にシリコンウェハ上に転写シート 5を載置する。 すると転写シート 5が良好にシリコンゥェハ表面に密着し、 ェタノールの揮発とともに吸着されることで シリコンウェハ上に良好に固定される。 シリコンウェハは非常に平滑な平面を有するの で、 転写シート 5のゆがみなどが補正され、 この転写シート 5上に形成される接着層 4 の厚みが均一となる。 なお、 転写シート 5の材料としては、 可撓性を有する材料が好ま しく、 例えばポリイミドゃポリエステルなどを採用できる。 また、 スぺーサ 5 1は、 圧 電ァクチユエータ 1に介装される接着層 4の厚みの約二倍となっている。 スぺーサ 5 1 の材料としては、 厚み方向に変形しにくレヽ材料が好ましく、 例えば厚み約 1 Ο μπιのァ ルミ箔などを採用できる。
次に、 二枚のスぺーサ 5 1の間に接着剤 4 1を適量吐出する。 なお、 転写シート 5お よびスぺーサ 5 1の寸法、 スぺーサ 5 1の配置の間隔などは、 製造される圧電ァクチュ エータ 1の寸法を勘案して適宜設定すればよい。 つまり、 これらの寸法おょぴ間隔は、 圧電ァクチユエータ 1の寸法よりも大きく設定し、 また圧電ァクチユエータ 1を一度に 複 造する場合には、 複数個配置した時の全体寸法よりも大きく設定すればよい。 図 3 (B)に示されるように接着層成形工程の第二段階では、 ステンレス鋼、 ガラス、 その他の岡 I胜を有する材料で構成された平板状のプレード 5 2を二枚のスぺーサ 5 1を またぐように当接する。 すると、 プレード 5 2を伝って接着剤 4 1がスぺーサ 5 1の間 の幅方向に広がる。 次いで、 プレード 5 2を二枚のスぺーサ 5 1上に、 その長さ方向に 沿って移動させる。
図 4 (C)には、 転写シート 5上に形成された接着層 4が示されている。 この図 4 (C) に示されるように、 接着剤 4 1はブレード 5 2によってスぺーサ 5 1間に広がりながら スぺーサ 5 1の厚みに整えられる。 その後、 スぺーサ 5 1を転写シート 5から外す。 こ の工程により、 接着層 4が転写シート 5上にスぺーサ 5 1の厚みで形成される。
次に、 接着層転写工程において、 接着層成形工程で成形された接着層 4を圧電素子 3 に転写する。
図 4 (D)およぴ図 4 (E)には、 接着層転写工程の概略図が示されている。 図 4 (D)にお いて、 転写シート 5の接着層 4が形成された面を圧電素子 3に対向させる。 ここで、 圧 電素子 3の表裏両面には予め電極層 3 1が形成されている。 この電極層 3 1は、 圧電素 子 3両面を 2 0 0 0番の砥粒で表面粗さ （R a )約 0 . 2〜0 . 3 μηιに整えた後、 ニッ ケル ·リンめつき （N i · Ρ) を下地とする無電解の金めつきによって形成されている。 これにより、 圧電素子 3の表裏両面には、 厚さ約 1 μηιの電極層 3 1が形成される。 な お、 圧電素子 3の表面粗さを整える場合には 2 0 0 0番の砥粒に限らず例えば 4 0 0 0 番の砥粒など、 適宜最適なものを選択すればよい。 また電極層 3 1の形成方法も、 この ような無電解の金めつきによる方法に限らず、例えば N i · C r · A u合金をスパッタ、 蒸着などの方法で圧電素子 3表面に形成してもよレ、。
表面に電極層 3 1が形成された圧電素子 3は、 予め微細なゴミを除去するための洗浄ェ 程が行われる。 洗浄工程では、 圧電素子 3にアルコールによる超音波洗浄を約 1 0分間 行レヽ、 その後その圧電素子 3を純水の流水で約 1 0分間洗浄する。 そして約 8 0口恒温 槽内に約 1 0分間放置することによって圧電素子 3を乾燥させる。 この洗浄工程を経た 圧電素子 3を吸着テーブル上に配置して固定する。 そして固定された圧電素子 3の表面 に、 転写シート 5の接着層 4が形成された面を密着させる。
次いで図 4 (E)に示されるように転写シート 5を圧電素子 3からゆつくり剥がす。 す ると、 接着層 4の厚みの約半分は圧電素子 3に転写され、 残りの約半分の厚みの接着層 4は転写シート 5に残る。
この接着層転写工程により、 圧電素子 3に接着層 4が形成され、 その厚みは接着層成 形工程での接着層 4の厚みの約半分である約 5 μπιとなる。
その後、 圧電素子貼設工程によって、 接着層 4が転写された圧電素子 3を勘才 2に貼 設する。
図 5 (F)には、 2の一方の面に圧電素子 3を貝占設する工程が、 また図 5 (G)には、 2の他方の面に圧電素子 3を貼設する工程が示されてレ、る。
図 5 (F)に示されるように、 圧電素子 3におレヽて接着層 4が転写された面を ¾f才 2の 略矩形状部分に貼設する。 この時圧電素子 3と 2との相対位置がずれなレ、ように目 視で確認する。 なお、 基材 2の両面は、 面粗さ調整工程によって表面の面粗さが予め調 整されている。 この面粗さ調整工程では、 例えば 1 5 0 0番のサンドぺーパなどで表面 を所定の面粗さに整える。 また、 基材 2は前述の圧電素子 3の洗浄工程と同様の工程に よって予め洗浄が施されている。
次に、 図 5 (G)に示されるように、 基材 2の圧電素子 3力 S貼設された面と反対側の面 にも同様に圧電素子 3を貼設する。
図 5 (H)には基材 2の両面に圧電素子 3が貼設された圧電ァクチユエータ 1が示され ている。 この図 5 (H)に示されるように、 圧電素子貼設工程では基材 2の両面に接着層 4を介して圧電素子 3が貼設される。
そして、 接着層硬ィ匕工程において、 接着層 4を硬化させる。
図 6には、 接着層 4を加熱状態力つ加圧状態下で硬ィ匕させる硬化装置 6の概略図が示 されている。 この図 6において硬化装置 6は、 内部を所望の に加熱する加熱槽 6 1 と、 圧電ァクチユエータ 1の基材 2と圧電素子 3とを加圧する加圧治具 7とを備えてい る。 カロ圧治具 7は、 圧電ァクチユエータ 1が間に挟持される下板 7 1および上板 7 2を 備えている。 下板 7 1の周囲には四力所のピン 7 1 1が上板 7 2に向かって突出してい る。 上板 7 2においてピン 7 1 1に対応する位置には案内孔 7 2 1が形成されており、 ピン 7 1 1がこれらの案内孔 7 2 1に挿通されることで上板 7 2の下板 7 1に対する位 置が規定されている。
図 7には下板 7 1の平面図が示されている。 この図 7において、 下板 7 1には三つの 圧電ァクチユエータ 1がー直線上に並ばない位置に配置可能となっており、 ¾¾" 2およ ぴ圧電素子 3の相対位置を規定する円柱状の位置決めピン 7 3が設けられている。 これ らの位置決めピン 7 3 ( 7 3 A, 7 3 B , 7 3 C)は、 それぞれの圧電ァクチユエータ 1 に対して複数個（本実施形態では三個）設けられている。 これらの位置決めピン 7 3は、 互いに所定間隔を有して配置され、 端部に位置する位置決めピン 7 3 Aは、 他の位置決 めピン 7 3 B， 7 3 Cを結ぶ線の延長線上からはずれた位置に配置されている。 これに より、 三つの位置決めピン 7 3 A, 7 3 B , 7 3 Cは圧電ァクチユエータ 1を二辺で支 持することで安定して位置決めする。 これらの位置決めピン7 3の表面には、 接着層 4 との接着を防止するためにポリテトラフルォロエチレンなどの低摩擦性の合成樹脂が コーティングされている。 また、 位置決めピン 7 3の高さは、 一枚の圧電素子 3および 基材 2の厚みの合計よりも高く、 力つ二枚の圧電素子 3およぴ對才 2の厚みの合計より も低くなつている。 なお、 位置決めピン 7 3の形状は、 接着層 4との接触面積を最小限 にするために本実施形態では円柱状に形成されているが、 この他例えば三角柱状などの 多角柱形状でもよい。
まず、 接着層硬化工程の前工程として、 位置決め工程で基材 2と圧電素子 3との相対 的な位置を規定する。 この位置決め工程では、 圧電素子貼設工程で謝 2の両面に圧電 素子 3が貼設された圧電ァクチユエータ 1を加圧治具 7の下板 7 1に三つ配置する。 こ の時、 圧電ァクチユエータ 1の二辺を位置決めピン 7 3に当接させることで圧電素子 3 およぴ基材 2の端部の位置がそろつているかどうかを拡大鏡などで確認する。 そろって レヽなレ、場合には、 ピンセットなどで圧電素子 3を挟持して位置を補正する。
次いで、 位置が規定された圧電ァクチユエータ 1の上に上板 7 2を載置する。 上板 7 2はピン 7 1 1に案内されて下板 7 1に対して略平行を保つので、 圧電素子 3および基 材 2の相対位置がずれないように逐次 しながら上板 7 2を圧電ァクチユエータ 1に 当接させて、 載置する。 この時、 位置決めピン 7 3は圧電ァクチユエータ 1の厚みより も低レ、ので、 上板 7 2が位置決めピン 7 3に干渉することなく圧電ァクチユエータ 1の 表面に当接される。
このようにして圧電ァクチユエータ 1が挟持された加圧治具 7を加熱槽 6 1内へ載置 する。そして、上板 7 2の上から圧電ァクチユエータ 1を加圧するおもり 7 4を乗せる。 この時、 上板 7 2およぴ下板 7 1の間には三つの圧電ァクチユエータ 1が配置されてお り、 これらが一 S 上に並ばないように配置されているため、 上板 7 2が均一に圧電ァ クチユエータ 1に当接され、 これら圧電ァクチユエータ 1に力かる面圧 湘対圧） がほ ぼ同じとなる。 なお、 おもり 7 4は、 圧電ァクチユエータ 1に力かる面圧が 1 5から 2 5 g /mm2 ( 1 4 7から 2 4 5 k P a ) の範囲内であることが望ましい。 面圧が 1 5 g /mm 2 ( 1 4 7 k P a ) より小さレヽ には、 圧電素子 3と基材 2との密着性が悪 くなる。また接着層 4の厚みが増カ卩して圧電ァクチユエータ 1の振動特性が劣化したり、 圧電素子 3の電極層 3 1 Bと基材 2との導通性が悪くなる。 あるレヽは接着層 4の厚みの ばらつきによって圧電ァクチユエータ 1の振動特性がばらつく。 また面圧が 2 5 g /m m2 ( 2 4 5 k P a ) より大きい には、 圧電素子 3が損傷する可能性がある。 本実 施形態では三つの圧電ァクチユエータ 1を加圧するために 1 k gのおもり 7 4を採用し ている。
加熱槽 6 1内部の温度を約 8 0 °Cに設定し、 この内部で圧電ァクチユエータ 1を加圧 治具 7で加圧しながら約 2時間加熱することにより、 接着層 4を硬ィ匕させる。
この接着層硬ィ匕工程では、 カロ圧状態下で硬化させることにより、 圧電素子 3および基 材 2の密着性が良好となる。 この時、 これら圧電素子 3に形成された電極層 3 1および 基材 2の接触面は、微視的にはそれぞれ面粗さに応じた凹凸を形成しており、加圧によつ てこれらの凹凸が互いに接触して両者の導通性が確保される。 つまり圧電素子 3および 基材 2は、 接着面の全面にわたって微視的に互!/、の凹凸が接触した状態となり、 これに より接着層 4の厚みは圧電素子 3およひ¾# 2の面粗さに依存することとなる。
また、 接着層 4を加熱状態下で硬ィ匕させることにより、 接着層 4が短時間で硬ィ匕し、 この接着層硬化工程のサイクルタイムが短縮される。
このようにして製造された圧電ァクチユエータ 1は、 凸部 2 1を被駆動体に当接させ て圧電素子 3を振動させることで被駆動体を駆動することができる。 図 8およぴ図 9には、 圧電ァクチユエータ 1の適用例を示す概略図が示されている。 図 8は圧電ァクチユエータ 1の被駆動体 1 0 0に対する配置を示す図であり、 また、 図 9 (A)は、圧電ァクチユエータ 1の振動モードの一つを示す図、図 9 (B)は、圧電ァクチュ エータ 1のもう一つの振動モードを示す図であり、 そして図 9 (C)は、 凸部 2 1の描く 軌跡を示す図である。
まず図 8において、 圧電ァクチユエータ 1は円盤状の被駆動体 1 0 0を駆動するもの であり、 被駆動体 1 0 0は、 図示しない固定体に回転可能に支持されている。 圧電ァク チユエータ 1の凸部 2 1は、 被駆動体 1 0 0の外周側面に当接されており、 また圧電ァ クチユエータ 1には、 長手方向略中央から略直角に突出した腕部 2 2が両側に設けられ ている。 これらの腕部 2 2は基材 2に一体的に形成されており、 端部に形成された孔が 図示しない固定体にねじ止めされることにより、 圧電ァクチユエータ 1が固定されると ともに、 凸部 2 1が図示しない付勢力発生手段によって適度な付勢力を与えられた状態 で被駆動体 1 0 0に当接される。 この時凸部 2 1は、 圧電ァクチユエータ 1の長手方向 が被駆動体 1 0 0の中心方向からある角度 (例えば 3 0 °)を持つように当接されている。 圧電素子 3の電極層 3 1 Aおよぴ基材 2には、 リ一ド線が接続され、 これらのリード線 は、 所定周波数の交流 を印加する印加装置に接続されている。
印加装置により、 電極層 3 1 Aと基材 2との間に交流 ®i£Vを印加すると、 これらの 間の圧電素子 3が繰り返し変位して振動する。この時、圧電ァクチユエータ 1は図 9 (A) に示されるように長手方向に沿って伸縮する、 いわゆる縦振動と、 図 9 (B)に示される ように縦振動に略直交する方向に屈曲する、 いわゆる屈曲振動との二つの振動モードを 有する。 これらの二つの振動モードを組み合わせることにより、 凸部 2 1は図 9 (C)に 示されるように面内方向で楕円軌道を描いて振動する。 ここで、 これら二つの振動モー ドは、 それぞれに共振点を有し、 これら共振点の共振周波数の差は圧電ァクチユエータ 1の寸法や形状を適宜設定することにより予め約数 k H z程度と、 互レヽに近接するよう に設定されている。 これにより、 圧電ァクチユエータ 1をこれらの共振周波数の間で駆 動すると、 互レヽの振動モードの共振点近傍で駆動することができるので、 それぞれ大き な振動振幅を得ることができる。
凸部 2 1は、楕円軌道の一部で被駆動体 1 0 0を図 9 ( )の矢印 R方向に回転させる。 この動作を所定の周波数で行うことにより、 圧電ァクチユエータ 1は被駆動体 1 0 0を 所望の速度で回転させる。
ここで、 本実施形態の圧電ァクチユエータ 1において、 接着層 4のショァ D硬度と、 圧電ァクチユエータ 1の振動挙動との関係について説明する。
図 1 0には、 接着層 4の硬ィ匕後のショァ D硬度と、 圧電ァクチユエータ 1の Q値との 関係が示されている。 この図 1 0に示されるように、 接着層 4のショァ D硬度が大きく なると、 圧電ァクチユエータ 1の Q値が急激に増カ卩し、 ショァ D硬度 8 0 H S以上では 安定して 1 0 0 0以上の高い Q値を得られることがわかる。
次に、 図 1 1には、 圧電ァクチユエータ 1の Q値と圧電ァクチユエータ 1の振動の共 振点付近での振幅との関係が示されている。 また、 図 1 2には、 圧電ァクチユエータ 1 に印加する ffiの周波数とインピーダンスとの関係の図、 および周波数と圧電ァクチュ エータ 1の振幅との関係の図が示されている。 なお、 図 1 2において、 f r lは縦振動 の共振周波数、 f r 2は屈曲振動の共振周波数である。
まず、 図 1 1に示されるように、 圧電ァクチユエータ 1の共振点付近での振幅は Q値 に比例し、 Q値が大きくなるにしたがって圧電ァクチユエータ 1の振幅も大きくなるこ とがわかる。 また、 図 1 2に示されるように、 圧電ァクチユエータ 1の Q値が比較的高 い場合の振動特性 （図 1 2中点線） の方が、 Q値が比較的低い場合の振動特性 （図 1 2 中一点鎖線） に比べて、 縦振動および屈曲振動の二つの振動モードの共振点におけるィ ンピーダンスがそれぞれ小さくなるとともに、 これらの振動モードの振幅はそれぞれ大 きくなることがわかる。
これらのことより、 ショァ D硬度が 8 0 H S以上の高硬度な接着層 4を使用すること により、 高い Q値を得られることがわかる。 そして、 高い Q値を得られることにより、 圧電ァクチユエータ 1の振動損失が少なくなり、 圧電ァクチユエータ 1において大きな 振動振幅が得られることがわかる。
ここで、 圧電ァクチユエータ 1の縦振動の振幅は、 Q値が大きくなるにしたがって大 きくなる。 一方、 圧電ァクチユエータ 1の屈曲振動の振幅は、 縦振動の場合と同様に Q 値にも依存するが、 縦振動によって屈曲振動が励振される要素もある。 したがって、 屈 曲振動の振幅を確保するには、 雜娠動の振幅もある程度確保する必要がある。 図 1 3には、 圧電ァクチユエータ 1の Q値が比較的小さい；^と比較的大きい場合と における圧電ァクチユエータ 1の凸部 2 1の振動の軌道が示されている。 この図 1 3に おいて、 Q値が小さい場合、 つまり接着層 4のショァ D硬度が低い場合には、 振動損失 が大きくなり、 «動の振幅が小さくなる。 このため、 屈曲振動の振幅は Q値が小さい ため小さくなるが、 これと同時に »辰動による屈曲振動の励振効果が小さくなるため、 屈曲振動の振幅も小さくなる。 したがって、 Q値が小さい場合の凸部 2 1における振動 $WR sは、 縦振動の成分が屈曲振動の成分より大きい楕円振動となり、 被駆動体 1 0 0を径方向に押圧する力は働くものの、 被駆動体 1 0 0を接線方向に押圧して回転駆動 する力が小さくなつてしまう。
一方、 接着層 4のショァ D硬度が 8 0 H S以上と高い^には、 Q値も大きくなり、 «動の振幅が大きくなる。 屈曲振動の振幅は、 Q値が大きいため大きくなるが、 これ と同時に縦振動による屈曲振動の励振効果が大きいので、 縦振動の振幅にしたがって大 きくなる。 したがって、 Q値が大きい場合の凸部 2 1の振動軌跡 R bは、 縦振動の良好 な振動振幅と同時に屈曲振動の良好な振動振幅も得られ、 被駆動体 1 0 0を接線方向に 押圧して回転駆動するのに必要な力を確保できる。
このように、 複数の振動モードを組み合わせて被駆動体 1 0 0を駆動する圧電ァク チユエータ 1においては、 ショァ D硬度の高い接着層 4を用いで圧電ァクチユエータ 1 の Q値を確保することが駆動効率向上効果を得る上で重要であることがわかる。
本実施形態によれば、 次のような効果が得られる。
( 1 )接着層 4の硬ィ匕後の硬度が 8 0 H S以上と高！/、ため、圧電素子 3の振動を吸収しに くく、 圧電素子 3の振動を基材 2に良好に伝達できる。 したがって、 圧電ァクチユエ一 タ 1の振動損失を低減できる。
また、 接着剤 4 1がー液無溶剤型なので、 二液型の接着剤とは異なり混合する必要が ない。 よって撹拌作業が不要となり製造工程を簡略ィヒでき、 また撹拌による接着剤 4 1 への空気の混入の可能性を除去できる。 これにより、 接着層硬化工程で加熱される際に も、 空気膨張による圧電素子 3の破損や圧電ァクチユエータ 1の振動時の応力集中によ る圧電ァクチユエータ 1の短寿命ィ匕を防止できる。 そして接着層 4を均一に成形するこ とができるので、縦振動および屈曲振動の各共振点のばらつきを低減でき、圧電ァクチュ 'エータ 1の振動特性を安定させることができる。 さらに、 口ット間の配合のばらつきも 生じにくいので、 複数の圧電ァクチユエータ 1間の振動特性のばらつきも低減できる。
( 2)接着層硬ィ匕工程において接着層 4をカロ熱するので、接着層 4をより短時間で乾燥で きる。 よって圧電ァクチユエータ 1の製造時間を短縮できる。 また、 この工程において 接着層 4を加圧しているので、 カロ熱による接着層 4の厚み方向への膨張を抑制できる。 また、 この工程にぉレ、て接着層 4を加圧することにより、 圧電素子 3の電極層 3 1 (つ まり圧電素子 3 ) および基材 2は、 それぞれの面粗さに応じた微細な凹凸にぉレヽて互!/ヽ に接触することとなる。 これにより、 接着層 4はこれらの凹凸の間に介装されるように なり、 つまり接着層 4の厚みが接着剤 4 1の塗布量に依存せず、 各接着面の面粗さに依 存するようになる。 このため、 接着層 4の厚みを容易に管理でき、 圧電ァクチユエータ 1の振動特性のばらつきを低減できる。
( 3 )位置決め工程において、位置決めピン 7 3によって基材 2およぴ圧電素子 3の相対 的な位置を規定するので、 接着層硬ィ匕工程にぉレ、てこれらの相対的な位置がずれるのを 防止できる。 したがって、 位置ずれによる圧電ァクチユエータ 1の振動特性のばらつき を低減できる。
(4) において圧電素子 3の貼設面の面粗さが予め調整されているので、 の 製 程に生じたかえりを除去できる。 また、 基材 2の面粗さを統一することで、 才 2およぴ圧電素子 3の間の接着層 4の厚み （介装量） を管理できるので、 接着層 4の厚 みのばらつきをより一層低減でき、 圧電ァクチユエータ 1の振動特'|"生のばらつきを低減 できる。
なお、 本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、 本発明の目的を達成でき る範囲での変形、 改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、 接着層硬ィ匕工程では、 接着層 4をカロ圧治具 7で加圧して力 加熱槽 6 1で加 熱していたが、 これに限らず例えば加圧治具 7を使用せず、 カロ熱のみを行って硬化させ てもよい。 あるいは、 加熱を行わず、 カロ圧状態で放置することによって接着層 4を乾燥 硬ィ匕させてもよい。 さらには、 カロ熱もカロ圧も行わず、 圧電ァクチユエータ 1を所定時間 放置することによって接着層 4を乾 «ィ匕させてもよレ、。 この時、 例えば加圧治具 7の 下板 7 1のみを使用して圧電素子 3およぴ基材 2の位置決めを行ってもよい。 基材 2の材料は、本実施形態では S U S 3 0 1で構成されていたが、これに限らない。 例えば、 接着層硬ィ匕工程において加熱状態下で接着層 4を硬ィ匕させる場合には、 加熱に よる膨張の違いによって生じる残留応力を軽減するために、 圧電素子 3の熱膨衝系数に 近レヽ熱膨 系数を有する材料を選択することが望ましい。 これによれば、 圧電素子 3の 振動を良好に基材 2に伝達でき、 振動損失をより一層低減できる。
ただし、 基材 2には様々な役割があり、 圧電素子 3の振動に伴つて変位できるように 適度な弾性を有する振動体としての役割や、 圧電ァクチユエータ 1を支持して所定の位 置に固定する固定部としての役割、 被駆動体に当接されて被駆動体を駆動する駆動部分 としての役割、 圧電素子 3との電気的な導通が可能な導電体としての役割など、 様々な 役割を有する。 したがって、 基材 2は補強材としての強度や支持'固定のための強度、 振動体としての弾性、 および被駆動体に当接される際の硬度ゃ耐摩耗性などが要求され る。 そこで基材 2の材料は、 これらの役割を良好なバランスで満たすことができるよう に適宜決定されることが望ましレ、。
接着層成形工程では、 スぺーサ 5 1を転写シート 5に配置して、 転写シート 5上に直 接所定厚みの接着層 4を成形してレ、たが、 これに限らなレ、。 例えばアルミ箔よりもさら に薄い 着層 4を成形する 合には、 所望厚みのスぺーサ 5 1を用意することが困難で ある。 この場合には、 接着層成形工程において、 接着層 4の厚みを調整する接着層厚み 調整工程を設ければよい。 この接着層厚み調整工程では、 例えば、 接着層成形工程で成 形された接着層 4を板状の厚み調整用転写部材に転写する。 すると、 転写シート 5に残 る接着層 4の厚みは転写前の約半分となる。 厚み調整用転写部材への転写回数を適宜設 定することによって、 接着層 4の厚みをより薄く成形することができる。 これにより、 接着層 4がより薄く成形されるので、 圧電ァクチユエータ 1の振動損失をより一層低減 して振動減衰を防止できる。
あるいは、 例えば図 1 4に示されるような接着層成形治具 8を用いてもよい。
図 1 4 (A)には、 圧電ァクチユエータの接着層成形工程に使用される接着層成形治具 8の斜視図が、 また図 1 4 (B)には、 この接着層成形治具 8によつて成形された接着層 4が示されている。 図 1 4 (A)において、 接着層成形治具 8は、 ステンレス鋼等の剛性 の高い材料で構成され、 板状に形成されている。 接着層成形治具 8の表面には、 その長 手方向に沿って TOに二本の溝 8 3が形成されている。 これらの溝 8 3によって接着層 成形治具 8の表面は三つに分割されている。 これらの分割された部分のうちの中央は、 接着層 4が形成される接着層成形部 8 2となっており、 また、 その両側は接着層 4の厚 みを均一に調整するガイド 8 1となっている。 接着層成形部 8 2の面高さは、 ガイド 8 1の面高さよりも低く形成され、 その高さの差 tは接着層成形工程で成形される接着層 4の厚みと同じとなっている。 この高さの差 tは、 圧電ァクチユエータ 1に介装される 接着層 4の所定厚みの約 4倍となっており、 例えば 1 Ο μπιとなっている。
接着層 4を成形する場合には、 接着層成形部 8 2に接着剤 4 1を吐出する。 次いで、 例えばステンレス鋼などの高岡 I胜の材料で構成された板状のプレードの端辺をガイド 8 1をまたぐように当接する。ブレードをガイド 8 1の長手方向に沿つて約 1 . 5 k g ( 1 . 5 k g f ) の力でガイド 8 1に押し付けながら移動させ、 接着剤 4 1を均一の厚みに延 ばす。 この工程により、 接着層成形部 8 2には図 1 4 (B)に示されるように接着層成形 部 8 2とガイド 8 1との高さの差 tの厚みで接着層 4が成形される。 この時、 接着剤 4 1の余剰分は溝 8 3に溜まるので、 接着層成形部 8 2全体にわたって厚みの均一な接着 層 4が形成できる。
その後、 接着層成形部 8 2に成形された接着層 4上面に、 ポリイミドゃポリエステル などの可換! "生を有するシートを密着させる。 このシートをゆつくり剥がすことにより、 約半分の厚み （つまり約 5 μπι) の接着層 4がシートに転写される。 このシートの接着 層 4が転写された面を圧電素子 3に密着させて接着層 4を転写することにより、 圧電素 子 3表面には約 2 . 5 μπιの厚みの接着層 4が転写される。
このような接着層成形治具 8を用いれば、転写シート 5上に直接接着層 4を成形せず、 岡 I胜の高い治具で接着層 4の厚みを設定するので、 厚みを高精度に設定でき、 成形後の 接着層 4の厚みのばらつきを低減できる。 また、 接着層成形治具 8に成形された接着層 4をシートに転写し、 その後圧電素子 3に転写するので、 圧電素子 3と基材 2との間の 接着層 4をより薄くできる。
接着剤 4 1の材料は、 本実施形態ではエポキシ樹脂であつたが、 これに限らず、 任意 の熱硬化性樹脂や、 その他の合成樹脂などであっても、 硬化後のショァ D硬度が常温で 8 0 H S以上の材料であれば任意であり、 そのような材料であればショァ D硬度が 8 0 H s未満のものと比べて振動損失をより一層低減できる。 これにより低 MEでも定常的 に安定駆動が実現できるので、 例えば外部霞原を備えていない小型 βにおいて電池寿 命が向上でき、商品性を高めることができる。また、基材 2およぴ圧電素子 3、転写シー ト 5など各部材の材料は、 本実施形態に記載されたものに限らず、 使用条件などを勘案 して任意に選択してよレ、。
圧電素子貼設工程にぉ 、て、 圧電素子 3は對才 2両側に一枚ずっ貼設されて 、たが、 これに限らず例えば圧電素子 3を複数積層してもよい。 この ^には、 接着層 4が転写 された圧電素子 3を別の圧電素子に貼設すればょレ、。 あるいは、 圧電素子 3が基材 2の 片面のみに貼設されているものであってもよい。
基材 2の面粗さは、 本実施形態ではサンドぺーパによって調整していたが、 これに限 らず例えば研削やホーエングによって調整してもよい。 あるいは、 面粗さの調整は必ず しも行わなくてもよい。 例えば、 の材料として、 予めヘアラインが形成されたス テンレス鋼や、 通常のステンレス鋼の板材そのままを使用しても、 各製造工程によって 適当な硬度の接着層 4が基材 2および圧電素子 3の間に設けられるので、 本発明の目的 を達成できる。 このように板材をそのまま使用すれば、 圧電ァクチユエータ 1の製造ェ 程を簡単にできる。
圧電ァクチユエータ 1の形状は本実施形態に示されたものに限らなレ、。 例えば前述の ように圧電素子 3を複数積層したものや、 圧電素子 3の電極層 3 1に溝を設けることに より、 圧電素子 3の表面に複数の電極を形成したもの、 基材 2の凸部 2 1の形成位置お よび形状を変更したものなど、 圧電ァクチユエータ 1の使用条件や使用用途に応じて任 意に設定すればよい。
圧電ァクチユエータ 1は、 前述のような効果を奏するので、 例えばファンを駆動して .必要部位を冷却する冷却 βなどの様々な βに適用できる。 特に、 圧電ァクチュエー タ 1は振動に伴うエネルギ損失が小さく、 低電圧駆動が可能であるばかりでなく、 小型 力ゝっ薄型に構成できるので、 腕時計や懐中時計などのアナログ携帯時計に好適である。 本 明を実施するための最良の構成、 方法などは、 以上の記載で開示されているが、 本発明は、 これに限定されるものではない。 すなわち、 本発明は、 主に特定の実施形態 に関して特に図示され、 かつ、 説明されているが、 本発明の技術的思想および目的の範 囲から逸脱することなく、 以上述べた実施形態に対し、 形状、 材質、 数量、 その他の詳 細な構成において、 当業者が様々な変形を加えることができるものである。
したがって、 上記に開示した形状、 材質などを限定した記載は、 本発明の理解を容易 にするために例示的に記載したものであり、 本発明を限定するものではないから、 それ らの形状、 材質などの限定の一部もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、 本発明に含まれるものである。 産業上の利用可能性
本発明の圧電振動体は、圧電素子の振動で被駆動体を駆動する圧電ァクチユエータや、 圧電ァクチユエータを用いた冷却 «などの βに利用できる他、 腕時計、 懐中時計な どのアナ口グ携帯時計などの機器にも利用できる。

Claims

請求 の範囲
1 . 凝才と、この基材平面に貝 £設される圧電素子とを備えるとともに、複数の振動モー ドの共振点が互レ、に近接する圧電振動体にぉレ、て、 前記基材ぉよぴ前曾己圧電素子の間に は接着層が介装され、 この接着層は硬化後のショァ D硬度が常温で 8 0 H S以上である ことを特徴とする圧電振動体。
2 . 請求項 1に記載の圧電振動体において、 前記接着層は、 一液無溶剤型のエポキシ 樹脂製であることを特徴とする圧電振動体。
3 . 基材と、この基材平面に貝占設される圧電素子とを備えるとともに、複数の振動モー ドの共振点が互いに近接する圧電振動体の製造方法であって、 前記基材および前記圧電 素子の間に介装される接着剤を所定の厚みの接着層に成形する接着層成形工程と、 接着 層成形工程で成形された前記接着層を ΙίίΙΒ圧電素子に転写する接着層転写工程と、 前記 接着層が転写された前記圧電素子を前記凝才または別の圧電素子に貼設する圧電素子貼 設工程とを備えていることを特徴とする圧電振動体の製造方法。
4 . 請求項 3に記載の圧電振動体の製造方法において、 前記接着層成形工程は、 前記 接着層を厚み調整用転写部材に転写し、 その転写回数によつて前記接着層の厚みを調整 する接着層厚み調整工程を備えていることを特徴とする圧電振動体の製造方法。
5 . 請求項 3または請求項 4に記載の圧電振動体の製造方法にぉレ、て、 前記圧電素子 貝占設工程の後に、 加熱状態かつ加圧状態下で前記接着層を硬化させる接着層硬化工程を 備えていることを特徴とする圧電振動体の製造方法。
6 . 請求項 3から請求項 5の！/、ずれかに記載の圧電振動体の製造方法にお!/、て、 前記 圧電素子貼設工程の前に、 前記 ¾*才の前記圧電素子力 S貼設される面の面粗さを調整する 面粗さ調整工程を備えていることを特徴とする圧電振動体の製造方法。
7. 請求項 3から請求項 6の！/、ずれかに記載の圧電振動体の製造方法にぉレ、て、 前記 圧電素子貼設工程と同時または前記圧電素子貼設工程の後に、 前記基材および前記圧電 素子の相対的な位置決めを行う位置決め工程を備えていることを特徴とする圧電振動体 の製造方法。
8 . 請求項 3から請求項 7のレヽずれかに記載の圧電振動体の製造方法で製造した圧電 振動体であつて、 前記基材およひ 記圧電素子の熱膨 数が互レ、に近接することを特 ί敷とする圧電振動体。
9 . 請求項 1、 請求項 2および請求項 8のいずれかに記載の圧電振動体、 または請求 項 3から請求項 7の 、ずれかに記載の圧電振動体の製造方法を用いて製造した圧電振動 体を用いたことを特徴とする «。
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