JPH06291388A

JPH06291388A - 超音波振動子とその製造方法

Info

Publication number: JPH06291388A
Application number: JP9874493A
Authority: JP
Inventors: Yukihiko Sawada; 之彦沢田; Hideo Adachi; 日出夫安達; Takenao Fujimura; 毅直藤村; Katsuhiro Wakabayashi; 勝裕若林
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1993-03-31
Filing date: 1993-03-31
Publication date: 1994-10-18

Abstract

(57)【要約】【目的】超音波振動子における各部材の形成に超微粉
の噴射堆積という製法を用い、性能を向上させ、高分留
まりによる大幅なコスト低減を図る。【構成】下部共振体２５上に超微粒子の噴射堆積によ
り下部電極１６を形成する。同様にして、下部電極１６
上に圧電体薄膜１７，上部電極１８および上部共振体２
２を順に形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は超音波振動子に関し、詳
細には超音波アクチュエータ等の駆動源として使用され
る、圧電素子による電気−機械エネルギー変換素子を用
いた超音波振動子に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、電磁型モータに代わる新しいモー
タとして超音波モータが注目されており、今までに幾つ
かの超音波アクチュエータが提案されている。例えば、
図２０に示した様なキツツキ型の超音波モータは、ラン
ジュバン型の超音波振動子９１の端面に取り付けられた
振動片９２の先端に、ロータ９３等の被駆動体をその接
触面が該振動片９２に対して少し傾斜して接触させ、振
動子９１を振動させて振動片９２を長さ方向に振動させ
る事により被駆動体を駆動する。

【０００３】ここで使用されるランジュバン型の超音波
振動子９１は、図２１に示した様に、形状はφ数ｍｍ〜
数十ｍｍ程度で長さが数ｍｍ〜百ｍｍ程度の円柱状が一
般的であり、圧電素子９４を金属性のブロックからなる
共振体９５で挟持した構成を取る。これらの構成部材
は、一般的にはボルト９６締結により結合されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来技術のような構造・製方では以下に記載するいくつか
の欠点があった。すなわち、マイクロマシンに代表され
るような微小構造の駆動源として、前記従来技術の超音
波モータを実現しようとする場合、その大きさは例えば
１ｍｍ程度となるため、上述したようなボルト締結構造
では締結部の機械的強度が不足する事によりこれを実現
することができない。

【０００５】また、ボルト締結に代わる結合法として接
着を使用した場合は、超音波振動子の各部材間に接着層
が介在することとなり、このため層内における超音波の
減衰・界面における超音波の反射・超音波振動により印
加される応力による接合の剥離等が発生し、超音波振動
子の性能・信頼性が低下することとなる。この不具合
は、大型の超音波振動子を作製した後にこれを裁断する
事によって、小型の超音波振動子を得ようとした場合
に、裁断時に加わる応力による接合層の剥離があるた
め、特に顕著となる。

【０００６】因って、本発明は前記従来技術における欠
点に鑑みて開発されたもので、接着を用いず、また裁断
工程を必要とすることなく、小型で高性能な超音波振動
子を高分留まりで生産できる超音波振動子とその製造方
法の提供を目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段および作用】本発明は、圧
電素子を共振体により挟持した構造を基本構成要素とす
る超音波振動子において、その構造を、最下層を下部共
振体とし、該下部共振体と、該下部共振体の上に下部電
極材料と圧電体材料と上部電極材料とを全て超微粉の状
態で噴射堆積することによって形成された圧電素子と、
画圧電素子上に上部共振体材料を超微粉の状態で噴射堆
積することによって形成された上部共振体とした。

【０００８】本発明では、基本的にノズルから加熱した
基板に超微粒子の状態で噴射堆積することにより電極お
よび圧電体層等を積層形成するという手法を用いてい
る。この手法について、以下に解説する。ノズルから基
板に超微粒子の状態で電極および圧電体層等を噴射堆積
する製造方法の原理を図１〜図３に示す。この製造方法
は公知の手法であり、特開平４−１８８５０３号公報
や、賀集：「超微粒子のガス・デポジション」、真空
ｖｏｌ．３５，Ｎｏ．７，１９９２，ｐｐ６４９−ｐｐ
６５３等で開示されている。

【０００９】上記手法は、超微粒子生成室２で生成また
は準備した１を搬送管３を通じて搬送ガス４により成膜
室に導き、ノズル５から高速で基板６上に噴射させるこ
とにより、ノズル出射端形状に対応したパターンを有し
た厚さ数μｍ〜数十μｍの膜７を、直接的に高精度で成
膜できるという手法である。この手法の特徴としては、
多元素の混合均一膜が得られる・マスクを使用せずにパ
ターン形成が可能である・膜形成速度が大きい・膜密度
制御が可能である・低温膜形成が可能であるということ
が挙げられている。また、形成された膜の強度および基
板への付着強度は高く、緻密な形成体を得られる事が報
告されてる。

【００１０】金属電極成膜時は、抵抗加熱法・誘導加熱
法・アーク加熱法・誘導プラズマ加熱法・レーザ加熱法
等で金属を加熱して蒸発させ、これと不活性ガス原子と
の衝突で超微粒子を生成し、搬送管に不活性ガスである
搬送ガスとともに導入し、ノズルから基板に向けて噴射
する。一方、圧電膜形成は超微粒子生成室にアルコキシ
ド法で準備した例えばＰＺＴ超微粒子粉を置き、搬送ガ
スでこの超微粉を舞いあがらせ、舞上がった超微粉を搬
送ガスで搬送管に導入し、ノズルから基板に向けて噴射
する。

【００１１】この手法においては、超微粉は金属・ガラ
ス・セラミックス・プラスチックのいずれでもよく、ま
た基板についても同様の材質が利用できる。さらに、こ
の手法はノズルを複数準備すれば異種の材料の薄膜また
は厚膜積層を一挙に実施できるという特徴も有してい
る。

【００１２】従って、複数のノズル（例えば３本）を一
定の間隔で並び配置させ、配置した方向に基板を移動す
ることにより、３層の積層薄膜が得られる。また、２本
のノズルで基板を往復移動させても３層の積層薄膜を得
ることができる。この場合、形成される膜のパターン・
厚さ等の形状は、微粒子の搬送条件と各々のノズルの形
状と移動速度とにより決定される。このため、任意の形
状を噴射堆積のみで加工することができる。

【００１３】

【実施例１】図４〜図８は本実施例を示し、図４〜図７
は加工プロセスを示す側面図、図８は形成された超音波
振動子の側面図である。アルミニウム円筒により構成さ
れた下部共振体２５を加熱し、その上面にノズル１２か
ら下部電極用超微粒子１９として白金の超微粒子を噴射
堆積して下部電極１６を形成する。続いて、下部電極１
６上にノズル１３から圧電体薄膜用超微粒子２０として
ＰＺＴ超微粒子を噴射堆積し、圧電体薄膜１７を形成す
る。

【００１４】これを５００℃〜１０００℃の酸素雰囲気
中で熱処理する。その後、ノズル１４から上部電極用超
微粒子２１として銅超微粒子を噴射堆積して上部電極１
８を形成し、更にノズル２３から上部共振体用超微粒子
２４としてアルミニウム超微粒子を噴射堆積して上部共
振体２２の層状化成膜を行う。この後、接続したリード
線２８および２９を介して上下部電極１８，１６へ電圧
を印加することにより、圧電素子の分極および超音波振
動子の励振を行う。

【００１５】本実施例によれば、形成された超音波振動
子１１を構成する各部材は、接着層を介在せずに強固に
接合されている。このため機械的強度に優れると共に、
接合部分における超音波の反射・超音波振動による接合
層の剥離が生じない。このため、高性能・高信頼性の超
音波振動子を得ることができる。

【００１６】上述の各層の平面形状・厚さ等は、ノズル
の形状・噴射条件を制御することにより任意に決定でき
る。このため、超音波振動子の平面形状は、方形・円形
等の単純なものに限定されることはなく、任意の形状と
することができる。また、同一形状であれば、複数の発
振周波数の超音波振動子は、同一の装置で圧電材料超微
粒子および上部共振体材料超微粒子の堆積量を変化させ
ることにより、容易に製造できる。

【００１７】さらに、共振体材料用超微粒子には、ガラ
ス・セラミック・金属等の部材内における超音波の減衰
が少ない材質であれば、任意の材質が使用可能である。
同様に、電極材料についても白金に限定されるものでは
なく、導体である金属や金属粉体とセラミックス粉体と
を同時に堆積すること等も可能である。また、多層膜の
電極として、例えば最表面に錫を堆積して半田付け可能
とすることも容易である。

【００１８】また、本実施例においては、下部共振体の
みを従来法により形成する場合について述べたが、圧電
素子および上下の共振体の各部材の内、１つの部材のみ
を噴射堆積法によって形成し、超音波振動子を形成して
も良い。さらに、圧電素子の上下面の電極を両方とも噴
射堆積法により形成したが、蒸着・メッキ・スパッタ・
焼き付け等の旧来の手法により形成することも可能であ
ることは言うまでもない。

【００１９】

【実施例２】図９は本実施例を示す側面図である。本実
施例は、基本的には前記実施例１と同様であり、相違点
について述べる。本実施例においては、超音波振動子を
構成する各部材の材料超微粒子について、それぞれ専用
のノズルを使用する。各ノズルは、その断面形状が形成
する超音波振動子よりも十分小さいものとし、これを図
示したように積層の順に従って、下層から順に走査方向
に向けて配置する。圧電素子に関する加工工程を以下に
示す。

【００２０】下部共振体２５の上方に、下部電極材料用
ノズル１２・圧電体薄膜用ノズル１３・上部電極用ノズ
ル１４・上部共振体材料用ノズル２３を順に配置する。
上記の各ノズルから、下部電極材料超微粒子１９・圧電
体薄膜材料超微粒子２０・下部電極材料超微粒子２１・
上部共振体材料超微粒子２４を吹き付けながら、下部共
振体２５とノズル群とを図中矢印方向へ相対移動させる
ことにより、圧電素子および上部共振体２２を形成す
る。

【００２１】本実施例では、超音波振動子を構成する各
部材が、ほぼ同時に加工される。各部材の平面形状・厚
さ等の形状は、微粒子の搬送条件と各々のノズルの形状
と移動速度とにより決定される。

【００２２】本実施例によれば、相対移動の速度・移動
パターン等の条件と、各ノズルの噴射条件とを制御する
ことにより、任意の形状の超音波振動子を、同一の装置
で加工することができる。このため、複雑な形状の超音
波振動子の製造や多種少量生産への適用に優れている。
また、層形成中に走査速度を変化させることにより、各
層の厚さを段階的・連続的に変化させることも可能であ
ることも明らかであろう。

【００２３】

【実施例３】図１０および図１１は本実施例を示し、図
１０は側面図、図１１は変形例を示す側面図である。本
実施例は、基本的には前記実施例１と同様であり、相違
点について述べる。本実施例においては、その断面形状
が振動片３８の断面形状に相当する、振動片材料超微粒
子用のノズル３９を使用する。前記各実施例で示した手
法によって形成した超音波振動子１１の上部共振体２２
の上面に、ノズル３９から振動片材料超微粒子４０を噴
射する。この超微粒子は、上部共振体材料用超微粒子と
同一のものとする。振動片用超微粒子の堆積が進行する
につれて、上部共振体２２表面とノズル３９との距離を
相対的に離して行き、所定の長さの振動片を堆積する。

【００２４】本実施例では、振動片３８と上部共振体２
２とが一体的に形成された、超音波アクチュエータ用超
音波振動子が作製される。

【００２５】本実施例によれば、切削等の機械加工を使
用することなく振動片を形成できる。これにより、特に
超音波振動子を小型化した場合に問題となる、機械加工
によって印加される応力による変形を生じることがな
い。また、被加工物の保持は載置のみとなり、同様に小
型化した場合の被加工物の保持が極めて容易になる。こ
のため、小型化された超音波アクチュエータ用超音波振
動子を低コストで分留まり良く得ることができる。

【００２６】尚、図１１に示す様に、振動片３８の形成
にひき続き、振動片３８の端面にノズル３２から摺動部
材料超微粒子４３を噴射堆積して摺動部材４１を形成す
ることも可能である。摺動部材としては、炭化珪素・窒
化珪素・蓚酸アルマイト等のセラミックス材料、二硫化
モリブデン・フッ素樹脂等の固体潤滑材、ポリイミド等
の樹脂材単体と、樹脂とセラミックス・ガラス等のファ
イバーやウイスカー等の複合材等が可能である・

【００２７】また、本実施例においては、ノズルの断面
形状を振動片の形状に相当するものとしたが、れこに限
らず、前記実施例２に示した様な小径のノズルとして、
これを走査することによる形成法も可能である。さら
に、この方法を用いて、共振器の形成から振動片の形成
までを、同一のノズルを用いて１工程で行う事も可能で
ある。

【００２８】

【実施例４】図１２は本実施例を示す側面図である。本
実施例は、基本的には前記実施例１と同様であり、相違
点について述べる。本実施例においては、圧電素子を、
下部電極１６・下部圧電体薄膜３１・中間電極３３・上
部圧電体薄膜３２・上部電極１８の各層を下部共振体２
５上へ順に噴射堆積し、積層圧電素子３０を形成した。
駆動時および分極時には、上部電極１８と下部電極１６
とをリード線４４で接続して同電位し、これと中間電極
３３とへ各リード線２８，２９より電圧を印加する。

【００２９】積層方法は、前記各実施例において触れら
れているいずれかの方法も使用できる。例えば、各層に
おいてそれぞれ相当する断面形状を持つノズルを使用す
ること、前記実施例２に示した様に、細径のノズルを走
査することも可能である。

【００３０】本実施例によれば、積層型圧電素子を、接
着層を介さずに容易かつ高精度に作製することができ
る。この積層型圧電素子は、同一形状を持つ単層型圧電
素子と比較して、同一の電圧を印加した場合の変形量を
大きくすることができる。このため、小型化に関して問
題となる、超音波振動子の出力低下を防ぐ事ができ、小
型・高出力の超音波振動子を得る事ができる。

【００３１】

【実施例５】図１３は本実施例を示す斜視図である。本
実施例は、前記実施例１における超音波振動子１１の圧
電素子および電極が露出する側面に、絶縁性を有する樹
脂，セラミックス，ガラスおよび金属等の被覆層材料超
微粒子４９を噴射堆積することにより、被覆層３４を形
成した。

【００３２】形成は、超音波振動子１１上の被覆層形成
面とノズル５０とが垂直に交差するように配置し、両者
の位置を相対的に移動しつつ行う。例えば、円柱状の超
音波振動子の場合、図示した様にノズルを固定して超音
波振動子を回転させればよい。

【００３３】本実施例によれば、超音波振動子を水分の
侵入や傷等に対して保護することができる。ここで、噴
射堆積法を用いることにより、保護すべき面を厳密に選
択できるため、共振器に不要な質量を加えて振動モード
を変えることがなく、実装において必要な電極端子を全
く汚すことなく、被覆を行うことができる。因って、対
環境性に優れ、信頼性の高い超音波振動子を得ることが
できる。

【００３４】

【実施例６】図１４〜図１６は本実施例の加工プロセス
を示す斜視図である。本実施例で形成する超音波振動子
は、前記実施例１で形成した超音波振動子と同様であ
る。

【００３５】下部共振体２５を絶縁部材で形成し、下部
共振体２５上に下部電極用電気端子３５を設ける。図１
４に示した様に下部電極１６を噴射堆積した後に、該電
極を延長する形で図１５に示した様に下部電極用電気端
子３５と下部電極１６とを結ぶ導体の配線パターン３７
を、ノズル１２を走査して形成する。形成は、超音波振
動子上の配線パターン形成面とノズル１２とが垂直に交
差するように、両者の位置を相対的に移動４７しつつ行
う。

【００３６】続いて圧電体薄膜を形成した後に、図１７
に示した様にノズル４６から絶縁体粒子を噴射堆積して
下部電極絶縁帯４５を形成し、上部電極１８と下部電極
１６との間を電気的に絶縁する。その後、図１８に示し
た様に上部電極１８を導体粒子を噴射堆積することによ
って形成し、この延長として上述の下部電極１６と同様
に、上部電極用電気端子３６と上部電極１８とを電気的
に接続する。

【００３７】本実施例では、図１９に示した様に、配線
パターンにより電極と端子が電気的に結合される。

【００３８】本実施例によれば、超音波振動子への配線
は基板上の電気端子に対して行えばよい。このため、配
線時に超音波振動子へ熱等によるダメージを与えること
がなくなる。また、端子の形状は超音波振動子の特性に
全く影響を与えることがないため、任意に設定できる。
このため、装置への実装を前提とした端子形状の設定が
可能となり、実装工程も含んだ全体としての効率向上が
計れる。

【００３９】尚、本実施例においては、超音波振動子の
加工以前に電気端子を形成する場合について述べたが、
配線パターン形成時に、これを更に延長して端子のパタ
ーンを形成することも可能である。

【００４０】

【発明の効果】以上説明した様に、本発明に係る超音波
振動子とその製造方法によれば、圧電素子を共振体によ
り挟持した構造を基本構成要素とする超音波振動子にお
いて、各部材の形成に超微粉の噴射堆積という製法を用
いることによって、接着層を一切用いず、また裁断工程
を必要とすることなく製造できるようになり、性能が向
上し且つ高分留まりによる大幅なコスト低減が実現でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の概念図である。

【図２】本発明の概念図である。

【図３】本発明の概念図である。

【図４】実施例１を示す側面図である。

【図５】実施例１を示す側面図である。

【図６】実施例１を示す側面図である。

【図７】実施例１を示す側面図である。

【図８】実施例１を示す側面図である。

【図９】実施例２を示す側面図である。

【図１０】実施例３を示す側面図である。

【図１１】実施例３を示す側面図である。

【図１２】実施例４を示す側面図である。

【図１３】実施例５を示す斜視図である。

【図１４】実施例６を示す斜視図である。

【図１５】実施例６を示す斜視図である。

【図１６】実施例６を示す斜視図である。

【図１７】実施例６を示す斜視図である。

【図１８】実施例６を示す斜視図である。

【図１９】実施例６を示す斜視図である。

【図２０】従来例を示す側面図である。

【図２１】従来例を示す側面図である。

【符号の説明】

１１超音波振動子１２，１３，１４，２３ノズル１６下部電極１７圧電体薄膜１８上部電極１９，２０，２１，２４超微粒子２２上部共振体２５下部共振体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者若林勝裕東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号オリンパス光学工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電素子と、圧電素子を両側から挟む共
振体とを構成部材として有する超音波振動子において、
前記構成部材の内の少なくとも１つの部材が超微粒子の
噴射堆積により形成されていることを特徴とする超音波
振動子。
【請求項２】圧電素子と、圧電素子を両側から挟む共
振体とを構成部材として有する超音波振動子において、
前記圧電素子が圧電体と電極との積層体からなり、これ
ら圧電素子および電極が超微粒子の噴射堆積により形成
されていることを特徴とする超音波振動子。
【請求項３】一方の共振体上に下部電極用の超微粒
子，圧電体用の超微粒子，上部電極用の超微粒子および
他方の共振体用の超微粒子の順で噴射堆積することを特
徴とする超音波振動子の製造方法。
【請求項４】圧電素子と、圧電素子を両側から挟む共
振体とを構成部材として有する超音波振動子を製造する
に際し、前記各構成部材に対応するノズルを構成部材の
積層順に配設するとともに、各ノズルを構成部材に対し
て相対的に走査しながら超微粒子を噴射して堆積するこ
とを特徴とする超音波振動子の製造方法。
【請求項５】圧電体と電極との積層体から圧電素子を
製造するに際し、圧電体用の超微粒子および電極用の超
微粒子を噴射堆積させて積層体とすることを特徴とする
超音波振動子の製造方法。
【請求項６】圧電素子を挟む共振体上に超微粒子を噴
射堆積して振動片を形成したことを特徴とする超音波振
動子の製造方法。
【請求項７】圧電素子および圧電素子を両側から挟む
共振体を形成した後、これらの側面に絶縁材または金属
の超微粒子を噴射堆積することにより被覆層を形成する
ことを特徴とする超音波振動子の製造方法。
【請求項８】絶縁材からなる共振体に接続端子を形成
し、該接続端子と圧電素子の上部電極および下部電極と
を超微粒子の噴射堆積により形成した導体層により接続
することを特徴とする超音波振動子の製造方法。