WO2008023686A1 - Piezoelectric actuator element for ultrasonic motor - Google Patents

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piezoelectric
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piezoelectric actuator
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Masahiko Namerikawa
Masayuki Uetani
Hideki Shimizu
Tomohiro Yamada
Nobuo Takahashi
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NGK Insulators Ltd
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    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a piezoelectric actuator element for an ultrasonic motor.
  • Patent Document 2 discloses an ultrasonic motor element using a primary longitudinal and secondary bending mode, and is formed so as to divide a rectangular piezoelectric layer and the piezoelectric layer into two substantially. There is a description regarding a piezoelectric actuator element formed by alternately laminating electrode layers.
  • FIGS. 13 (a) and 13 (b) are schematic views of this piezoelectric actuator element, showing a structure in which piezoelectric layers 10 and electrode layers 12 are alternately stacked.
  • This piezoelectric actuator element also operates in the same manner as the piezoelectric element having the structure described in Patent Document 1 above, and excites longitudinal vibration and bending vibration on a vibration body made of the piezoelectric element and drives a member in contact with the vibration.
  • Patent Document 1 Japanese Patent No. 2980541
  • Patent Document 2 ACTUATOR2006 Preliminary Lecture ⁇ 1 1 (Piezoelectric Ultrasonic Motors for Lens Positioning of Cellular Phone Camera Modules)
  • the ultrasonic motor element described in Patent Document 2 contributes to downsizing of the drive circuit compared to the structure described in Patent Document 1, but the piezoelectric sinterability at the center of the element is poor.
  • the piezoelectric sinterability at the center of the element is poor.
  • the electrode location is the same on the element projection surface (the distance between the electrodes is the same), and it is difficult to apply the lamination pressure to the piezoelectric portion in the vicinity of the electrode edge. There was a problem that was likely to occur.
  • An object of the present invention is to provide a piezoelectric actuator element capable of improving the migration resistance in the vicinity of the center in the thickness direction of a multilayered piezoelectric element in which such migration is likely to occur.
  • Another object of the present invention is to provide a piezoelectric actuator element that can prevent local heat generation during AC polarization processing and prevent generation of cracks during polarization.
  • the piezoelectric layer and the electrode layer formed to divide the piezoelectric layer into approximately two layers are alternately laminated, and the primary longitudinal and secondary bending modes are provided.
  • a piezoelectric actuator element for an ultrasonic motor to be used in which a piezoelectric inactive region is formed in a central portion in the thickness direction from the surface portion of the laminated piezoelectric element. .
  • a piezoelectric inactive region having a layer thickness of 10% or more of the thickness in the stacking direction is formed in the central portion in the thickness direction from the surface portion of the stacked piezoelectric element.
  • the heat generating portion that generates heat when the laminated piezoelectric element is polarized is dispersed.
  • the electrode layer is formed so that the formation density of the electrode layer is smaller in the central part in the thickness direction than the surface part of the laminated piezoelectric element. It is preferable that the distance between the electrodes is increased in the central portion in the thickness direction than the surface portion of the multilayer piezoelectric element!
  • the electrode layer area is formed to be smaller in the central portion in the thickness direction than the surface portion of the laminated piezoelectric element. It is preferable that no electrode layer is formed at the center in the thickness direction.
  • FIG. 1 Figs. 1 (a) and 1 (b) show an embodiment of a piezoelectric actuator element for an ultrasonic motor of the present invention.
  • Fig. 1 (a) is a front view
  • Fig. 1 (b) Is a side view.
  • FIGS. 2 (a) and 2 (b) show other embodiments of the piezoelectric actuator element for an ultrasonic motor of the present invention.
  • FIG. 2 (a) is a front view
  • FIG. 2 (b) is a front view. It is a side view.
  • FIG. 3 is a graph showing a change in the distance between electrodes (interlayer distance) from the upper and lower surfaces of the element to the center of the element.
  • FIGS. 4 (a) and 4 (b) show other embodiments of the piezoelectric actuator element for an ultrasonic motor of the present invention.
  • FIG. 4 (a) is a front view
  • FIG. 4 (b) is a front view. It is a side view.
  • FIGS. 5 (a) and 5 (b) show other embodiments of the piezoelectric actuator element for an ultrasonic motor of the present invention.
  • FIG. 5 (a) is a front view
  • FIG. 5 (b) is a front view. It is a side view.
  • FIGS. 6 (a) and 6 (b) show other embodiments of the piezoelectric actuator element for an ultrasonic motor of the present invention.
  • FIG. 6 (a) is a front view
  • FIG. 6 (b) is a front view. It is a side view.
  • FIGS. 7 (a) and 7 (b) show other embodiments of the piezoelectric actuator element for an ultrasonic motor according to the present invention.
  • FIG. 7 (a) is a front view
  • FIG. It is a side view.
  • FIGS. 8 (a) and 8 (b) show other embodiments of the piezoelectric actuator element for an ultrasonic motor according to the present invention.
  • FIG. 8 (a) is a front view
  • FIG. 8 (b) is a front view. It is a side view.
  • FIGS. 9 (a) and 9 (b) show other embodiments of the piezoelectric actuator element for an ultrasonic motor of the present invention.
  • FIG. 9 (a) is a front view
  • FIG. 9 (b) is a front view. It is a side view.
  • FIGS. 10 (a) and 10 (b) show other piezoelectric actuator elements for an ultrasonic motor according to the present invention.
  • FIG. 10 (a) is a front view
  • FIG. 10 (b) is a side view showing an embodiment.
  • FIGS. 11 (a) and 11 (b) show another embodiment of the piezoelectric actuator element for an ultrasonic motor of the present invention.
  • FIG. 11 (a) is a front view
  • FIG. 11 (b) is a side view.
  • FIG. 11 (a) is a front view
  • FIG. 11 (b) is a side view.
  • FIGS. 12 (a) and 12 (b) show another embodiment of the piezoelectric actuator element for an ultrasonic motor of the present invention.
  • FIG. 12 (a) is a front view and
  • FIG. 12 (b) is a side view.
  • FIG. 12 (a) is a front view
  • FIG. 12 (b) is a side view.
  • FIGS. 13 (a) and 13 (b) show the outline of the configuration of a conventional piezoelectric actuator element for an ultrasonic motor.
  • FIG. 13 (a) is a front view
  • FIG. 13 (b) is a side view. is there.
  • FIG. 14 shows the generation of cracks during the polarization treatment of piezoelectric elements in Example 2 and Comparative Example 2.
  • the piezoelectric actuator element of the present invention is basically composed of a laminated piezoelectric element formed by alternately laminating piezoelectric layers and electrode layers formed so as to divide the piezoelectric layers into two substantially. Yes.
  • This laminated piezoelectric element is bent and deformed in a primary longitudinal and secondary bending mode by applying a voltage.
  • I will include it here.
  • the piezoelectric actuator element of the present invention is characterized in that a piezoelectric inactive region is formed in the inner layer of the laminated piezoelectric element described above.
  • This piezoelectric inactive region has a layer thickness of the piezoelectric inactive region that is preferably formed near the center in the thickness direction of the laminated piezoelectric element so that the layer thickness is 10% or more of the thickness in the laminating direction.
  • the force is preferably 10% to 50% of the thickness in the direction, and more preferably 10% to 40%.
  • the device drive amplitude will be significantly smaller than the input signal when the device is driven, while if it is less than 10%, cracks will occur during polarization. (See Examples 1 and 2 below).
  • the laminated piezoelectric element as described above is capable of preventing the occurrence of cracks during polarization because the heat generating portions that generate heat at this time are dispersed in the element. Power, I like it.
  • Specific means for dispersing the heat generating part includes forming a piezoelectric inactive region in the inner layer of the laminated piezoelectric element.
  • the piezoelectric inactive region is preferably formed in the vicinity of the center in the thickness direction of the multilayer piezoelectric element so that the layer thickness is 10% or more of the thickness in the stack direction.
  • the layer thickness is preferably 10% to 50% of the thickness in the stacking direction, more preferably 10% to 40%.
  • the formation density of the electrode layer is reduced in the central portion in the thickness direction from the surface portion of the multilayer piezoelectric element.
  • the electrode layer area is smaller in the central portion in the thickness direction than the surface of the laminated piezoelectric element. It is preferable that they are formed as follows.
  • the electrode layer so that the formation density is smaller in the center in the thickness direction than the surface portion of the multilayer piezoelectric element, migration resistance is improved while suppressing a decrease in displacement, and a short circuit occurs. (Short circuit) can be prevented, and heat generation points during AC polarization can be dispersed, improving reliability. In addition, the amount of electrodes is small, which can contribute to cost reduction.
  • the piezoelectric layer it is also possible to use a magneto-electrostrictive ceramic, a ferroelectric ceramic, or an antiferroelectric ceramic in which piezoelectric ceramic is preferably used.
  • Specific materials include lead zirconate, lead titanate, lead magnesium niobate, lead nickel niobate, lead zinc niobate, lead manganate niobate, lead antimonate stannate, lead manganese tandate stearate, lead cobalt niobate , Barium titanate, bismuth sodium titanate, tita Examples thereof include ceramics containing bismuth neodymium oxide, potassium sodium niobate, strontium bismuth tantanolate, etc. alone or as a mixture.
  • the electrode layer is preferably made of a metal that is solid at room temperature and has excellent conductivity.
  • a metal that is solid at room temperature and has excellent conductivity.
  • aluminum, titanium, chromium, iron, cobalt, nickel, copper, zinc, niobium, molybdenum , Ruthenium, palladium, rhodium, silver, tin, tantalum, tungsten, iridium, platinum, gold, lead, etc., or their alloys were used, and the same material as the piezoelectric layer was dispersed in them. Cermet material may be used.
  • FIGS. 1 (a) and 1 (b) show an embodiment of a piezoelectric actuator element for an ultrasonic motor of the present invention, which is formed so as to divide the piezoelectric layer 10 and the piezoelectric layer 10 into two substantially.
  • the electrode layer 12 is alternately laminated, and the piezoelectric inactive region (the electrode layer is formed) from the surface of the laminated piezoelectric element 14 to the central portion in the thickness direction. (! /, Na! /, Region) 11 is formed.
  • Reference numeral 15 denotes a friction member.
  • FIGS. 2 (a) and 2 (b) show another embodiment of the piezoelectric actuator element according to the present invention.
  • the laminated piezoelectric element 14 is formed by alternately laminating the layers 12, and is formed such that the distance between the electrodes is larger at the central portion in the thickness direction than the surface portion of the laminated piezoelectric element 14. That is, the vicinity of the upper and lower surface portions in the thickness direction of the laminated piezoelectric element 14 is the same inter-electrode distance as in the conventional example shown in FIGS.
  • the change in the distance between the electrodes from the upper and lower surface portions to the center portion may be linear or exponential, but is preferably exponential. Further, the change in the distance between electrodes (distance between electrode layers) may be made for every plurality of layers (stepped).
  • FIG. 4 (a) (13) to FIG. 6 (&) (b) show other embodiments of the piezoelectric actuator element according to the present invention, respectively, in the thickness direction from the surface portion of the laminated piezoelectric element 14.
  • the electrode layer 12 is formed so that the area is small. That is, the vicinity of the upper and lower surface portions in the thickness direction of the laminated piezoelectric element 14 has the same electrode length as the conventional example shown in FIGS. 13 (a) and 13 (b), and the center portion in the thickness direction is formed so that the electrode length is shortened. (Centering around the B2 mode inflection point As electrodes are arranged). Here, the rate of change of the electrode length is linear (see Figs.
  • FIGS. 6 (a) and 6 (b) are preferable, in which the rate of change is smaller at the center in the thickness direction and the rate of change is greater near the upper and lower surface portions. This is because heat generation in the central portion of the multilayer piezoelectric element 14 that is difficult to dissipate heat is suppressed.
  • FIGS. 7 (a), (b) to FIG. 9 (a), (b) also show other embodiments of the piezoelectric actuator element according to the present invention.
  • the vicinity of the surface portion has the same electrode width as that of the conventional example shown in FIGS. 13 (a) and 13 (b), and the central portion in the thickness direction is formed so that the electrode width becomes narrow.
  • the rate of change of the electrode width is linear (see Figs. 7 (a) and (b)), but is also high-order and exponential (Figs. 8 (a) (b) and 9 (a)
  • the embodiment shown in FIGS. 9 (a) and 9 (b) is preferred, with the rate of change being smaller at the center in the thickness direction and the rate of change being greater near the upper and lower surface portions. This is because heat generation at the center of the multilayer piezoelectric element 14 that is difficult to dissipate heat is suppressed.
  • FIGS. 10 (a) and 10 (b) show still another embodiment of the piezoelectric actuator element according to the present invention.
  • FIGS. 4 (a), (13) to 6 (& ) It can be said that the embodiment of (b) and the embodiments of FIGS. 7 (a), (b) to 9 (a), (b) are added together.
  • FIGS. 11 (a) and 11 (b) show still another embodiment of the piezoelectric actuator element according to the present invention.
  • the electrode layer is The ceramic plate-like member 16 that is not formed and that is stronger than the material constituting the piezoelectric layer 10 is integrally formed.
  • a high-strength ceramic plate-like member 16 such as zirconia is fired in the center in the thickness direction of the multilayer piezoelectric element 14 to form an element, and one of the ceramic plate-like members 16 is formed. End or both ends are laminated piezoelectric A friction member is formed by protruding from the piezoelectric portion of the element 14.
  • the electrode layer 18 has a full length. It is formed over. According to this embodiment, by appropriately selecting the number of electrode layers 18 over the entire length, the balance of the X-direction displacement and the y-direction displacement of the friction member 20 due to Ll and B2 vibrations can be optimized, and the driving efficiency can be improved. It can be improved.
  • the outer shape is the same as that of Comparative Example 1 described above, and an ultrasonic motor in which a piezoelectric inactive layer is formed at the central portion in the stacking direction so as to be 2 to 40% of the total thickness of the piezoelectric element for an ultrasonic motor.
  • a piezoelectric element was produced in the same manner as in Comparative Example 1 (Examples 1 to 10).
  • Table 1 shows the results of a 2.8V drive endurance test performed on these devices in an environment of 85 ° C and 85% RH.
  • Comparative Example 1 pieoelectric inactive layer 0%
  • a short circuit appeared in about 200 hours.
  • SEM-EDS SEM-EDS
  • the ultrasonic motor using the piezoelectric actuator element of the present invention is capable of positioning a very small distance at high speed and with high accuracy, and has high reliability. Therefore, the autofocus mechanism, zoom mechanism, It can be used as a camera shake correction mechanism, and it is required to have high reliability for stage driving in optical microscopes, electron microscopes, atomic force microscopes, etc. It is also preferably used in the field.

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Description

明 細 書
超音波モーター用圧電ァクチユエータ素子
技術分野
[0001] 本発明は、超音波モーター用圧電ァクチユエータ素子に関する。
背景技術
[0002] 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 決め用ァクチユエータとしても注目されている。また、各種ステージ用のァクチユエ一 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ぐ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
[0003] 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ァクチユエータ素子に関する記載がある。
[0004] 図 13 (a) (b)は、この圧電ァクチユ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。この圧電ァクチユエータ素子も、 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
〇
[0005] 特許文献 1 :特許 2980541号公報
特許文献 2 : ACTUATOR2006予講集 Α1 · 1 (Piezoelectric Ultrasonic Moto rs for Lens Positioning of Cellular Phone Camera Modules)
[0006] 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。
[0007] 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ぐまた、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 しゃすいという問題がある。
[0008] 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ぐ積層不 良や層間剥離が発生しやすいという問題があった。
発明の開示
[0009] 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ァクチユエータ素子 を提供することを目的とする。
[0010] 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ァクチユエータ素子を提供することである。
[0011] 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ァクチユ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 電ァクチユエータ素子が提供される。
[0012] 本発明の圧電ァクチユ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 発熱部が分散してレ、ることが好ましレ、。 [0013] また、本発明の圧電ァクチユ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 とが好ましぐ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レ、ることが好まし!/、。
[0014] さらに本発明の圧電ァクチユ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 ましぐ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。
図面の簡単な説明
[0015] [図 1]図 1 (a) (b)は、本発明の超音波モーター用圧電ァクチユエータ素子の一実施 形態を示すもので、図 1 (a)は正面図、図 1 (b)は側面図である。
[図 2]図 2 (a) (b)は、本発明の超音波モーター用圧電ァクチユエータ素子の他の実 施形態を示すもので、図 2 (a)は正面図、図 2 (b)は側面図である。
[図 3]図 3は、素子上下表面から素子中央部にかけての電極間距離 (各層間距離)の 変化を示すグラフである。
[図 4]図 4 (a) (b)は、本発明の超音波モーター用圧電ァクチユエータ素子の他の実 施形態を示すもので、図 4 (a)は正面図、図 4 (b)は側面図である。
[図 5]図 5 (a) (b)は、本発明の超音波モーター用圧電ァクチユエータ素子の他の実 施形態を示すもので、図 5 (a)は正面図、図 5 (b)は側面図である。
[図 6]図 6 (a) (b)は、本発明の超音波モーター用圧電ァクチユエータ素子の他の実 施形態を示すもので、図 6 (a)は正面図、図 6 (b)は側面図である。
[図 7]図 7 (a) (b)は、本発明の超音波モーター用圧電ァクチユエータ素子の他の実 施形態を示すもので、図 7 (a)は正面図、図 7 (b)は側面図である。
[図 8]図 8 (a) (b)は、本発明の超音波モーター用圧電ァクチユエータ素子の他の実 施形態を示すもので、図 8 (a)は正面図、図 8 (b)は側面図である。
[図 9]図 9 (a) (b)は、本発明の超音波モーター用圧電ァクチユエータ素子の他の実 施形態を示すもので、図 9 (a)は正面図、図 9 (b)は側面図である。
[図 10]図 10 (a) (b)は、本発明の超音波モーター用圧電ァクチユエータ素子の他の 実施形態を示すもので、図 10 (a)は正面図、図 10 (b)は側面図である。
[図 11]図 11 (a) (b)は、本発明の超音波モーター用圧電ァクチユエータ素子の他の 実施形態を示すもので、図 11 (a)は正面図、図 11 (b)は側面図である。
[図 12]図 12 (a) (b)は、本発明の超音波モーター用圧電ァクチユエータ素子の他の 実施形態を示すもので、図 12 (a)は正面図、図 12 (b)は側面図である。
[図 13]図 13 (a) (b)は、従来の超音波モーター用圧電ァクチユエータ素子の構成の 概要を示すもので、図 13 (a)は正面図、図 13 (b)は側面図である。
[図 14]図 14は、実施例 2、比較例 2における圧電素子の分極処理時のクラック発生 発明を実施するための最良の形態
[0016] 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ぐ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。
[0017] 本発明の圧電ァクチユエータ素子は、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 Α1 · 1 (Piezoelectric Ultrasonic Motors f or Lens Positioning of Cellular Phone Camera Modules)の! id載を参 照のためここに組み入れることにする。
[0018] 本発明の圧電ァクチユ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ぐ圧電不活性領域の層厚が積層方向厚みの 10%〜50 %であること力 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）。 [0019] 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 グレーシヨン性が向上し、短絡 (ショート)発生を防止することができる。
[0020] 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力 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力、ら好ましレ、。
[0021] 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ぐ圧電不活性領域の層厚が積層方向厚みの 10%〜 50%であること力 り好ましく、 10%〜40%であることが特に好ましい。
[0022] 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) 03)〜図10 (&) (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。
[0023] 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。
[0024] 次に、本発明の圧電ァクチユ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力 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、マンガンタンダ 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ゥム、ニオブ酸カリウムナトリウム、タンタノレ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。
[0025] 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 ぐ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 ゥム、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。
[0026] 以下、本発明に係る圧電ァクチユエータ素子の各種実施形態を図面に基づいて説 明する。
[0027] 図 1 (a) (b)は、本発明の超音波モーター用圧電ァクチユ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!/、て、圧電不活性領域 (電極層が形成されて!/、な!/、 領域） 11が形成されている。なお、 15は摩擦部材である。
[0028] 図 2 (a) (b)は、本発明に係る圧電ァクチユ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。
[0029] 図 4 (a) (13)〜図6 (&) (b)は、それぞれ本発明に係る圧電ァクチユエータ素子の他 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ぐ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。
[0030] 図 4 (a) (13)〜図6 (&) (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力、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。
[0031] 図 7 (a) (b)〜図 9 (a) (b)も、それぞれ本発明に係る圧電ァクチユエータ素子の他 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ぐ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。
[0032] なお、図 7 (a) (13)〜図9 (&) (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。
[0033] また、図 10 (a) (b)は、本発明に係る圧電ァクチユ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) (13)〜図6 (&) (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。
[0034] 次に、図 11 (a) (b)は、本発明に係る圧電ァクチユ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、ジルコユアをはじめとする高強度セラミック板状部材 16がー体焼成さ 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。
[0035] 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、 し力、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。
[0036] 図 12 (a) (b)は、本発明に係る圧電ァクチユ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、 Ll、 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。
実施例
[0037] 以下、本発明を実施例により更に具体的に説明する。
[0038] (実施例;!〜 10、比較例 1)
長さ 5. Omm X幅 1. 5mm X厚み 1. 5mmの超音波モーター用圧電素子を、焼成 後に 1 μ m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 10 m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 一用圧電素子を作製した（比較例 1)。
[0039] 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)。
[0040] これらの素子について、 85°C、 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。
[0041] 一方、実施例;!〜 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力 た。
[0042] 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力 実施例 1〜； 10では圧電不活性層厚みが増すにしたが つて、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。
[表 1]
Figure imgf000012_0001
施例;！;!〜 20、比較例 2)
上記の実施例;!〜 10、比較例 1と同様 ίこして、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。
[0045] (分極条件）
'温度：室温
'入力信号： 10kHz 0— 250Vパノレス波
•時間： 60秒
その結果を表 2及び図 14のグラフに示す。
[0046] [表 2]
Figure imgf000013_0001
[0047] 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。
産業上の利用可能性
[0048] 本発明の圧電ァクチユ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

請求の範囲
[1] 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 電ァクチユ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ァクチユエータ素子。
[2] 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 一用圧電ァクチユエータ素子。
[3] 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ァクチユエータ素子。
[4] 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ァクチユエ ータ素子。
[5] 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ァクチユエータ素子。
[6] 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ァクチユエータ素子。
[7] 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ァクチユエータ素子。
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