JPH1042580A - 圧電応用素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 溶射により圧電素子を形成した超音波アクチ
ュエータでは、圧電素子のペロブスカイト化のために熱
処理を行うと、圧電素子と弾性体との間に酸化物層が生
成し、圧電効果が低下する。 【解決手段】 駆動信号により励振される圧電素子５が
溶射によって表面に形成された弾性体３を備える圧電応
用素子７であって、弾性体３と圧電素子５との間に、高
い電気伝導性を有する酸化ルテニウム層４が形成され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電気機械変換素子
が表面に形成された弾性体を備える圧電応用素子に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、振動アクチュエータ等のアクチュ
エータ，メカニカルフィルタさらにはジャイロ等の圧電
効果を利用した圧電応用素子を構成する弾性体の表面
に、例えば圧電素子や電歪素子といった圧電特性を有す
る電気機械変換素子を形成するには、電気機械変換素子
を、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる別
部品により薄板状に形成しておき、形成した電気機械変
換素子を弾性体の表面に例えば接着により装着してい
た。

【０００３】しかし、このように電気機械変換素子を弾
性体の表面に装着する場合、接着時のハンドリングによ
り割れてしまうために、電気機械変換素子の厚さをある
所定値以下に小さくすることができない。そのため、前
述の圧電応用素子の出力を所望の値に確保するために
は、高い駆動電圧を印加する必要があった。このため、
周辺機器を含めた装置全体の小型化を図ることが極めて
難しかった。

【０００４】そこで、例えば特開昭６３−２８２７９号
公報には、チタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電素子を、
蒸着，スパッタリング等の薄膜形成技術により弾性体表
面に薄膜状に成膜した振動アクチュエータが提案されて
いる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、弾性体の表
面に薄膜形成技術により成膜された電気機械変換素子が
圧電特性を有するためには、圧電素子をチタン酸ジルコ
ン酸鉛により構成する場合には、チタン酸ジルコン酸鉛
の結晶構造をペロブスカイト型とする必要がある。

【０００６】すなわち、薄膜形成技術により電気機械変
換素子を形成するには、通常は、高温域で薄膜を成膜す
るか、又は低温域で非晶質の薄膜を成膜した後に熱処理
を行う。この際、電気機械変換素子の成膜温度や熱処理
温度の高低によって、得られる結晶構造が著しく異な
る。

【０００７】図１４には、成膜温度又は熱処理温度の違
いに基づく結晶構造の違いをグラフで示す。同図に示す
ように、熱処理温度が（室温〜３００℃）程度又は熱処
理しないままでは殆どが非晶質となり、成膜温度又は熱
処理温度が４００℃程度になると主にパイロクロア型と
なり、成膜温度又は熱処理温度が５００℃程度になると
パイロクロア型とペロブスカイト型の混在となり、さら
に、成膜温度又は熱処理温度が６００℃以上になると主
にペロブスカイト型となる。

【０００８】このように、成膜又は熱処理が高温域で行
われ結晶相が６００℃以上の高温で形成された場合に
は、圧電特性を有するペロブスカイト相だけが生成す
る。しかし、熱処理が低温域で行われ結晶相の形成が６
００℃以上の高温でなされなかった場合には、ペロブス
カイト相とともに、圧電特性を全く有さないパイロクロ
ア相も生成してしまう。

【０００９】そのため、薄膜形成技術によって形成され
た電気機械変換素子が圧電性を有するためには、圧電体
層の形成を、例えば６００℃以上の高温域で行うか、又
は、低温で成膜された薄膜層に６００℃以上の高温域で
熱処理を行うことが必要となる。

【００１０】また、現在実用化されている圧電体の殆ど
のものが、印加電界当たりの変位量が大きいために、Ｐ
ＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）に代表されるような鉛系
の酸化物材料である。このチタン酸ジルコン酸鉛は、陽
イオンの半分近くが還元され易い鉛イオンである。その
ため、高温で成膜する場合にも熱処理をする場合にも、
充分に酸素のある雰囲気で行わなくてはならない。

【００１１】ところで、圧電体を圧電応用素子に利用す
るためには、圧電体の両面、すなわち圧電体の弾性体側
及び反対側の表面に電極を配置する必要がある。圧電体
の弾性体側の表面に配置される電極（以下、この電極を
「下部電極」といい、他方の電極を「上部電極」とい
う。）を形成するには、一般的には、 弾性体が導電性を有する場合には、弾性体を下部電極
とすること 弾性体と圧電体層との間に電極層を形成し、下部電極
とすること が行われる。

【００１２】しかし、下部電極である弾性体や電極に、
鉄，アルミニウム合金，ステンレス鋼等の金属材料を用
いると、圧電特性を有するペロブスカイト型結晶を形成
するために行われる高温域での圧電体層形成や熱処理に
より、下部電極の表面に、圧電体層よりも低誘電率であ
る酸化物層（絶縁層）が形成されてしまう。

【００１３】このような圧電体層は、見かけ上、上部電
極及び下部電極の間に、高誘電率の圧電体層と低誘電率
の酸化物層とが直列に配列された形となる。そのため、
実質上、圧電体層には上部電極及び下部電極の間にかけ
られる電圧の一部しか印加されない。すなわち、圧電体
層に実質的に印加される電圧は、下記式により算出さ
れる。

【００１４】 Ｖ₁ ＝ε₂ ・Ｖｄ₁ ／（ε₁ ・ｄ₂ ＋ε₂ ・ｄ₁ ） ・・・・・・・ ただし、Ｖ₁ ：圧電体層に実質的に印加される電圧 Ｖ ：外部から上部電極及び下部電極間に印加される全
電圧 ε₁ ：圧電体層の比誘電率 ε₂ ：酸化物層の比誘電率 ｄ₁ ：圧電体層の厚さ ｄ₂ ：酸化物層の厚さ である。

【００１５】ここで、圧電体層の比誘電率ε₁ を１００
０とし、酸化物層の比誘電率ε₂ を１０とするととも
に、酸化物層の厚さｄ₂ が圧電体層の厚さｄ₁ の１％で
あるとすると、圧電体層に実質的に印加される電圧Ｖ₂
は上部電極及び下部電極の間に印加している電圧Ｖの半
分に低下してしまう。したがって、形成された圧電体層
が化学組成的にも結晶構造的にも完全であっても、酸化
物層が存在することにより、圧電体層が本来有する圧電
特性の一部しか取り出すことができない。

【００１６】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、駆動
信号により励振される電気機械変換素子が溶射によって
表面に形成された弾性体を備える圧電応用素子であっ
て、弾性体と電気機械変換素子との間に、高い電気伝導
性を有する酸化物層が形成されることを特徴とする。

【００１７】請求項２の発明は、請求項１に記載された
圧電応用素子において、酸化物層が、酸化ルテニウムか
らなることを特徴とする。

【００１８】請求項３の発明は、請求項１又は請求項２
に記載された圧電応用素子において、電気機械変換素子
が、溶射により形成された後に熱処理されてなることを
特徴とする。

【００１９】請求項４の発明は、請求項１から請求項３
までのいずれか１項に記載された圧電応用素子におい
て、電気機械変換素子の両面又は片面に、電気エネルギ
ーの入力又は出力のための電極が形成されることを特徴
とする。

【００２０】請求項５の発明は、請求項４に記載された
圧電応用素子において、酸化物層が、電気機械変換素子
と弾性体との間に配置される電極をなすことを特徴とす
る。

【００２１】請求項６の発明は、請求項１から請求項５
までのいずれか１項に記載された圧電応用素子におい
て、電気機械変換素子が、鉛系強誘電材料からなる圧電
材料又は電歪材料であることを特徴とする。

【００２２】本発明において、「圧電応用素子」とは、
圧電効果を利用した素子全般を意味しており、例えばア
クチュエータやセンサー等を例示することができる。

【００２３】本発明における「電気機械変換素子」と
は、電気エネルギーを機械的変位に変換することができ
る素子を意味し、圧電素子や電歪素子等を包含する。

【００２４】また、請求項１の本発明における「高い電
気伝導性を有する酸化物層」とは、電気伝導度が１０²
（１／Ωｃｍ）以上、又は抵抗率が１０^-2（Ωｃｍ）以
下の特性を有する酸化物層を意味する。具体的には、Ｔ
ｉＯ，ＶＯ，Ｖ₂ Ｏ₃ ，ＲｅＯ₂ ，ＲｅＯ₃ ，ＳｒＦｅ
Ｏ₃ ，ＣｒＯ₂ ，ＭｏＯ₂ ，ＷＯ₂ ，ＲｕＯ₂ ，ＯｓＯ
₂ ，ＳｎＯ_2-X （ネサ膜），ＩＴＯ等が包含される。

【００２５】

【発明の実施の形態】

（第１実施形態）以下、本発明にかかる圧電応用素子の
実施形態を、添付図面を参照しながらさらに詳細に説明
する。

【００２６】図１は、本発明にかかる圧電応用素子を、
振動アクチュエータの一例である超音波アクチュエータ
７に適用した第１実施形態を示す分解斜視図であり、図
２は、図１に示す超音波アクチュエータ７の構成要素で
ある、白金上部電極６が形成された弾性体３を示す平面
図である。

【００２７】図１に示すように、第１実施形態の超音波
アクチュエータ７は、円環状の弾性体３と、弾性体３の
一方の端面に加圧接触する相対運動部材である円環状の
移動子１とにより構成される。

【００２８】弾性体３の一方の平面には、その円周方向
に多数の溝部３ｂが連設され、この溝部３ｂによって区
切られることにより多数の突起部３ａが連続して形成さ
れる。これらの突起部３ａは、弾性体３の端面に発生す
る進行波の振幅を増幅するとともに、移動子１との接触
により発生した摩耗粉を溝部３ｂ内に落下させることに
より、接触部に残存させないために、形成される。

【００２９】本実施形態では、弾性体３はニッケル合金
を用いて、鋳造を行ってさらに必要に応じて機械加工を
施すことにより、構成される。弾性体３の他方の平面に
は、図２に示すように、弾性体３に圧電体層５を形成す
るための酸化ルテニウム層４がスパッタリングにより成
膜される。本実施形態では、この酸化ルテニウム層４
は、下部電極としても機能する。

【００３０】酸化ルテニウム層４の表面には圧電体層５
が形成される。この圧電体層５は、後述するように、弾
性体３の表面に溶射により形成される。一方、移動子１
の弾性体３との接触面側の平面には、環状の摺動材２が
貼付されて装着される。この摺動材２を介して、移動子
１は図示しない加圧機構により弾性体３に加圧接触され
る。

【００３１】溶射によって形成されたチタン酸ジルコン
酸鉛（ＰＺＴ）の圧電体層５の表面には、円周方向に多
数連続して形成された略矩形の平面形状の白金上部電極
６が配置される。

【００３２】酸化ルテニウム層４のスパッタリング条件
は、基板温度：３００℃，ＲＦパワー：３W/cm² ，スパ
ッタガス：Ar/O₂=90/10 ，１Ｐａである。次に、酸化ル
テニウム層４への圧電体層５の溶射による形成の方法に
ついて説明する。

【００３３】仮焼，粉砕及び造粒により、二次粒子の粒
径を５〜４０μｍに調整した、Ｐｂ，Ｚｒ，Ｔｉのモル
比が１：０．５２：０．４８のチタン酸ジルコン酸鉛
（ＰＺＴ）に、溶射の際の鉛の揮発分を考慮して過剰の
Ｐｂを酸化物（ＰｂＯ）の形で添加した混合物を、原料
粉末として用いた。

【００３４】この原料粉末を用いてプラズマ溶射装置に
より、酸化ルテニウム層４の表面に１００μｍの厚さで
ＰＺＴからなる圧電体層５を成膜した。プラズマジェッ
トの作動ガスとしては、アルゴン，（アルゴン及び水素
の混合ガス）、又は（アルゴン及びヘリウムの混合ガ
ス）を用いた。

【００３５】本実施形態では、弾性体３の表面に対する
原料粉末の付着効率を上げるため、溶射時には、抵抗体
ヒータを用いて弾性体３の表面温度を３００〜６５０℃
の範囲にコントロールした。

【００３６】さらに、溶射後に、圧電体層５の溶射によ
る形成に伴う弾性体３の変形を修正するため、弾性体３
に対して研削加工及び研磨加工を施した。さらに、この
後、形成した圧電体層５を完全なペロブスカイト層にす
るとともに弾性体３の加工歪みを取り去るため、６５０
℃に５時間加熱保持する熱処理を行った。

【００３７】このようにして、弾性体３の表面に圧電体
層５を形成し、この圧電体層５の表面に白金上部電極６
を成膜した。本実施形態では、白金上部電極６はスパッ
タリングにより成膜した。

【００３８】この白金上部電極６は、スパッタリング時
にマスキングを行うことにより、図２に示すように、弾
性体３の円周方向について約２０°ピッチで多数連設さ
れて形成される。

【００３９】このようにして形成された白金上部電極６
に対し、リード線を接続する配線用銅箔を接合するため
に、白金上部電極６と銅箔（図示しない。）との間には
んだ箔を挟み、加圧した状態で高周波炉中で４００℃に
加熱保持することにより、白金上部電極６と銅箔とを接
合した。

【００４０】その後に、白金上部電極６に、図２に示す
ように隣接する電極同士で符号が逆向きになるように駆
動電圧を印加することにより、圧電体層５の分極処理を
行った。分極処理の条件は、１５０℃，３００Ｖで大気
中において１時間行った。

【００４１】このようにして、第１実施形態の超音波ア
クチュエータ７は、構成される。ここで、形成された圧
電体層５のキューリ温度Ｔｃは約２４０℃であった。こ
の超音波アクチュエータ７の圧電体層５に、入力Ａ相と
入力Ｂ相との間で（π／２）の位相差を設けて実効電圧
で±５Ｖの交流電界を印加したところ、弾性体３の表面
に形成された突起部３ａの先端に進行波が発生し、弾性
体３に加圧接触されている移動子１が回転駆動されるこ
とが確認された。

【００４２】したがって、本実施形態によれば、溶射に
より形成された圧電体層５が充分な圧電特性を発揮して
いることがわかる。このように、本実施形態では、弾性
体３と圧電体層５との間に、高い電気伝導性を有する酸
化ルテニウム層４を形成するため、高温での層形成や熱
処理を行っても下部電極である酸化ルテニウム層４の表
面に低誘電率の絶縁層が生成せず、圧電体層５の能力を
十分に確保することが可能である。

【００４３】なお、溶射法によれば、ステンレス鋼等の
金属材料の表面にセラミックスを直接形成することが可
能である。そのため、Ａｌ₂ Ｏ₃ ，ＺｒＯ₂ といった高
温用材料等への応用例がある。しかし、圧電性セラミッ
クスを金属表面に直接形成することによる圧電応用素子
への適用例はこれまで存在しない。

【００４４】（第２実施形態）図３は、本発明の第２実
施形態の超音波アクチュエータ１０５を示す斜視図であ
る。

【００４５】本実施形態にかかる超音波アクチュエータ
１０５は、ニッケルからなる矩形平板状の弾性体１０１
の平面に、スパッタリングにより成膜した酸化ルテニウ
ム層１０２を挟んで、ＰＺＴからなる圧電体層１０３を
溶射により成膜し、圧電体層１０３に駆動電圧を印加す
ることにより弾性体１０１を励振し、弾性体１０１に縦
振動１次モードと屈曲振動４次モードとを調和的に発生
させることにより、弾性体１０１に加圧接触する移動子
（図示しない）との間で相対運動を発生させるものであ
る。

【００４６】酸化ルテニウム層１０２の形成のためのス
パッタリング条件，及び圧電体層１０３形成のための溶
射条件は、第１実施形態と同じである。本実施形態の超
音波アクチュエータ１０５では、圧電体層１０３の形成
に伴って弾性体１０１に発生する縦振動１次モードと屈
曲振動４次モードとの関係にずれが生じる。そこで、本
実施形態では、縦振動及び屈曲振動それぞれの周波数を
一致させるために、圧電体層１０３を形成した後に、弾
性体１０１に加工を行った。

【００４７】さらに、この加工による加工歪みを除去す
るとともに圧電体層１０３の完全なペロブスカイト化を
図るため、第１実施形態と同様に、６５０℃に５時間加
熱保持する熱処理を行った。

【００４８】また、このようにして溶射により成膜した
圧電体層１０３の表面には、白金上部電極１０４ａ，１
０４ｂがスパッタリングにより成膜される。白金上部電
極１０４ａ，１０４ｂは、スパッタリングの際のマスキ
ングにより２分割されて、成膜される。

【００４９】このようにして成膜された白金上部電極１
０４ａ，１０４ｂに対し、配線用の銅箔を接合するため
に、白金上部電極１０４ａ，１０４ｂと銅箔との間には
んだ箔を挟み、加圧した状態でリフロー式はんだ付け炉
中において４００℃に加熱保持した。

【００５０】なお、弾性体１０１の他方の平面であって
発生する屈曲振動４次モードの腹位置の２ヵ所には、弾
性体１０１の幅方向に突起状に駆動力取出部１０１ａ，
１０１ｂが形成されており、図示しない移動子はこの駆
動力取出部１０１ａ，１０１ｂの先端面を介して弾性体
１０１に加圧接触する。

【００５１】このように構成された本実施形態の超音波
アクチュエータ１０５に対し、白金上部電極１０４ａに
交流電圧Ａ相を、白金上部電極１０４ｂにＡ相と位相が
９０°異なる交流電圧Ｂ相を、それぞれ実効電圧で±５
Ｖ印加したところ、弾性体１０１の駆動力取出部１０１
ａ，１０１ｂの先端面に楕円運動が発生し、駆動力取出
部１０１ａ，１０１ｂの先端部を介して加圧接触する移
動子との間で相対運動が発生することが確認された。

【００５２】このことから、本実施形態によれば、溶射
により形成された圧電体層１０３が充分に圧電特性を奏
することがわかる。

【００５３】（第３実施形態）図４は、第３実施形態の
超音波アクチュエータ２０５の構成を示す斜視図であ
る。

【００５４】本実施形態は、基本的な構成は、第２実施
形態の超音波アクチュエータ１０５と同一であり、本実
施形態では第１実施形態において１００番代を付した図
中符号を２００番代に置換することにより、それらに関
する説明は省略する。

【００５５】第２実施形態の超音波アクチュエータ１０
５との相違点は、高温の環境下での使用に対応するた
め、圧電体層２０３の構成材料として、キューリ温度Ｔ
ｃが４９０℃であって高温環境下においても分極処理の
劣化が起こり難いチタン酸鉛（ＰＴ）を用いた点であ
る。

【００５６】したがって、以下、ＰＴからなる圧電体層
２０３の溶射による形成方法について説明する。仮焼，
粉砕及び造粒によって二次粒子の粒径を５〜４０μｍに
調整した、Ｐｂ，Ｔｉのモル比が１：１のチタン酸鉛
（ＰＴ）に、溶射によるＰｂの揮発を考慮して過剰のＰ
ｂを酸化物（ＰｂＯ）の形で添加した混合物を原料粉末
とした。

【００５７】弾性体２０１の表面に、第２実施形態と同
様に、酸化ルテニウム層２０２を下部電極として形成し
た。この酸化ルテニウム層２０２の表面に、前述した原
料粉末を用いてプラズマ溶射装置により、１００μｍの
厚さでＰＴからなる圧電体層２０３を形成した。プラズ
マジェットガスの作動ガスとしては、アルゴン，（アル
ゴン及び水素の混合ガス）又は（アルゴン及びヘリウム
の混合ガス）を用いた。

【００５８】また、弾性体２０１に対する原料粉末の付
着効率を上げるため、抵抗体ヒータを用いて溶射時の弾
性体２０１の表面温度を３００〜６５０℃の範囲にコン
トロールした。

【００５９】この後、本実施形態においても、ＰＴから
なる圧電体層２０３の形成に伴って弾性体２０１の縦振
動１次モードと屈曲振動４次モードとの関係にずれが生
じるため、縦振動及び屈曲振動それぞれの周波数を一致
させるために、ＰＴからなる圧電体層２０３の形成後に
弾性体２０１の加工を行った。

【００６０】さらに、この加工による加工歪みを除去す
るとともに、ＰＴからなる圧電体層２０３の完全なペロ
ブスカイト化を図るため、第１実施形態と同様に、６５
０℃に５時間加熱保持する熱処理を行った。

【００６１】このようにして形成した圧電体層２０３に
対して、配線用の銅箔を接合するために、白金上部電極
２０４ａ，２０４ｂと銅箔との間にはんだ箔を挟み、加
圧した状態でリフロー式はんだ付け炉中で、４００℃に
加熱保持する熱処理を行った。

【００６２】なお、圧電体層２０３のポーリング（分極
処理）は、２００℃，４５０Ｖで大気中で１時間行っ
た。この超音波アクチュエータ２０５においても、白金
上部電極２０４ａに交流電圧Ａ相を印加するとともに、
白金上部電極２０４ｂに交流電圧Ａ相と位相が９０°異
なる交流電圧Ｂ相を、実効電圧で±１０Ｖそれぞれ印加
したところ、弾性体２０１の駆動力取出部２０１ａ，２
０１ｂの先端面を介して加圧接触する移動子との間で相
対運動が発生することが確認された。

【００６３】このことから、本実施形態の超音波アクチ
ュエータ２０５は、充分な圧電特性を有することがわか
る。

【００６４】（第４実施形態）図５は、第４実施形態の
超音波アクチュエータ３０７の説明図であって、図５
（ａ）は斜視図，図５（ｂ）は図５（ａ）におけるＡ−
Ａ断面図，図５（ｃ）は図５（ａ）におけるＢ−Ｂ断面
図である。

【００６５】本実施形態の超音波アクチュエータ３０７
は、円柱状の弾性体３０１の両端（一端でもよい。）
を、弾性体３０１の表面に溶射により形成した圧電素子
３０２，３０３により二次元的に加振することにより、
振動面が回転しながら進行する進行性振動波を弾性体３
０１上に発生させ、これにより弾性体３０１に加圧接触
する移動子３０６に直進運動及び回転運動の両方を同時
に発生させる。

【００６６】本実施形態の超音波アクチュエータ３０７
では、弾性体３０１の両端において、第１実施形態〜第
３実施形態と同様に、酸化ルテニウム層３０２ａ，３０
３ａを形成し、形成した酸化ルテニウム層３０２ａ，３
０３ａの表面に、溶射により圧電体層３０２，３０３を
円筒状に形成し、励振を行う。

【００６７】本実施形態の超音波アクチュエータ３０７
は、円筒状の弾性体３０１の両端側の外周面に溶射によ
り圧電体層３０２及び３０３が成膜される。さらに、こ
れらの圧電体層３０２及び３０３は、それぞれ直方体型
の固定子３０４及び３０５によって保持される。さら
に、弾性体３０１には、中空円柱状の移動子３０６の内
周面が加圧された状態で接触する。

【００６８】本実施形態では、円筒状の弾性体３０１は
ニッケル合金からなる。圧電体層３０２及び３０３は、
円筒形のニッケル弾性体３０１の両端部側３０１ａ，３
０１ｂに、溶射によって形成される。

【００６９】圧電体層３０２，３０３の表面には、弾性
体３０１の円周方向に４分割された上部銀電極３０２ｃ
１，３０２ｃ２，３０２ｃ３，３０２ｃ４及び３０３ｃ
１，３０３ｃ２，３０３ｃ３，３０３ｃ４が形成され
る。

【００７０】圧電体層３０２及び３０３の溶射による形
成条件は、第１実施形態と同様である。また、上部銀電
極３０２ｃ１〜３０２ｃ４及び３０３ｃ１〜３０３ｃ４
の形成は、スクリーン印刷により行った。上部銀電極３
０２ｃ１〜３０２ｃ４及び３０３ｃ１〜３０３ｃ４への
配線処理は、はんだ付けにより行った。さらに、圧電体
層３０２及び３０３の分極処理は、１５０℃，３００Ｖ
の条件で大気中で１時間行った。

【００７１】このように構成された超音波アクチュエー
タ３０７において、一方の圧電素子３０２の上部銀電極
３０２ｃ１〜３０２ｃ４に、この順番で隣り合う上部銀
電極間の位相差が（π／２）になるように、それぞれ実
効電圧で±５Ｖの交流電界を印加したところ、圧電素子
３０２は首振り運動を行うことが確認された。

【００７２】このような首振り運動であって、かつ圧電
素子３０２に発生する首振り運動に対して（π／２）の
位相差を有する首振り運動を、圧電素子３０４に発生さ
せたところ、棒状の弾性体３０１に振動面を回転させな
がら進行する進行性振動波が発生し、これにより移動子
３０６が回転しながら弾性体３０１の軸方向に直進する
ことが確認された。

【００７３】さらに、圧電素子３０２のみにより弾性体
３０１を励振し、圧電素子３０３により進行波を吸収す
るようにしたところ、前述した場合と同様に、移動子３
０６は回転せずに弾性体軸方向への直進運動のみを行う
ことが確認された。

【００７４】（第５実施形態）図６は、第５実施形態の
超音波アクチュエータ４０３を示す説明図であって、図
６（ａ）及び図６（ｂ）は、いずれも、超音波アクチュ
エータ４０３の分解斜視図である。

【００７５】本実施形態にかかる超音波アクチュエータ
４０３は、円環状の弾性体４０１の面内屈曲振動のうち
の非軸対称屈曲振動を行い、内周にテーパ状の変径部を
有する円環型の振動子４０１と，振動子４０１の変径部
を介して加圧接触する回転子４０２とを備える。

【００７６】ここで、振動子４０１は、ニッケル合金か
らなる円環型の弾性体４０１ａの両面に、前述した第１
実施形態〜第４実施形態と同様に形成された酸化ルテニ
ウム層４０１ｂ，４０１ｅと、酸化ルテニウム層４０１
ｂ，４０１ｅそれぞれの表面に溶射により形成されたＰ
ＺＴからなる圧電体層４０１ｃ，４０１ｆと、さらにそ
のそれぞれの表面にスパッタリングにより円周方向に４
分割された状態で形成された白金上部電極４０１ｄ１，
４０１ｄ２，４０１ｄ３，４０１ｄ４及び４０１ｇ１，
４０１ｇ２，４０１ｇ３，４０１ｇ４とから構成され
る。なお、圧電体層４０１ｃ，４０１ｆの形成条件は、
第１実施形態と同様である。

【００７７】このようにして形成された白金上部電極４
０１ｄ１〜４０１ｄ４，４０１ｆ１〜４０１ｆ４に対
し、配線用の銅箔（図示しない。）を接合するため、白
金上部電極４０１ｄ１〜４０１ｄ４，４０１ｆ１〜４０
１ｆ４と銅箔との間にはんだ箔を挟み、加圧した状態で
高周波炉中で４００℃に加熱保持した。

【００７８】その後に、白金上部電極４０１ｄ１〜４０
１ｄ４，４０１ｆ１〜４０１ｆ４に、図２に示す白金上
部電極と同様に、隣接するもの同士で符号が逆向きにな
るように電圧を印加することにより、白金上部電極４０
１ｄ１〜４０１ｄ４，４０１ｆ１〜４０１ｆ４の分極処
理を行った。分極処理の条件は、１５０℃で３００Ｖで
大気中において１時間行った。

【００７９】ここで、白金上部電極４０１ｄ１〜４０１
ｄ４，４０１ｇ１〜４０１ｇ４の２グループの電極群
に、この順番で隣り合う電極間の位相差が（π／２）に
なるように実効電圧で±５Ｖの交流電界を印加した。す
ると、振動子４０１の内周面及び外周面に面内方向に振
動面を有する進行性振動波が発生し、内周面に接触する
回転子４０２が回転運動を行うことが確認された。

【００８０】（第６実施形態）図７は、第６実施形態の
ユニモルフ型アクチュエータ５０６を示す斜視図であ
る。

【００８１】このユニモルフ型アクチュエータ５０６
は、圧電体層５０３の電界印加方向に関する垂直方向の
変位を利用する。ユニモルフ型アクチュエータ５０６
は、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）からなる弾性体５０
１と、第１実施形態〜第５実施形態と同様に弾性体５０
１の表面に形成された酸化ルテニウム層５０２と、酸化
ルテニウム層５０２の表面に溶射により形成されたＰＺ
Ｔからなる圧電体層５０３と、圧電体層５０３の表面に
スパッタリングにより形成された白金上部電極５０４
と、弾性体５０１を支持する支持体５０５とにより構成
される。圧電体層５０３の形成条件は、第１実施形態と
同様である。

【００８２】スパッタリングにより形成された白金上部
電極５０４に対し、配線用の銅箔を接合するため、白金
上部電極５０４と銅箔との間にはんだ箔を挟み、加圧し
た状態でリフロー式はんだ付け炉中で４００℃に加熱し
た。圧電体層５０３のポーリングは、第１実施形態と同
様に、１５０℃，３００Ｖの条件で大気中で１時間行っ
た。

【００８３】このように構成された本実施形態のユニモ
ルフ型アクチュエータ５０６において、白金上部電極５
０４と下部電極である酸化ルテニウム層５０２との間
に、駆動電圧を印加したところ、圧電体層５０３の面方
向に関して発生する変位により、弾性体５０１の板状の
部分が上下方向に変位することが確認された。

【００８４】（第７実施形態）図８は、第７実施形態の
ユニモルフ型メカニカルフィルタ用振動子６０６を示す
斜視図である。

【００８５】本実施形態のユニモルフ型メカニカルフィ
ルタ用振動子６０６は、圧電体層６０３の電界印加方向
に垂直な方向に関する変位を利用する。ユニモルフ型メ
カニカルフィルタ用振動子６０６は、クロム合金からな
る弾性体６０１と、第１実施形態〜第６実施形態と同様
に、弾性体６０１の表面に形成された酸化ルテニウム層
６０２と、酸化ルテニウム層６０２の表面に溶射により
形成されたＰＺＴからなる圧電体層６０３と、圧電体層
６０３の表面にスパッタリングにより形成された白金上
部電極６０４ａ，６０４ｂとにより構成される。

【００８６】圧電体層６０３の形成条件は、第１実施形
態と同様である。また、白金上部電極６０４ａ，６０４
ｂに対して、配線用の銅箔を接合するため、白金上部電
極６０４ａ，６０４ｂと銅箔との間にはんだ箔を挟み、
加圧した状態でリフロー式はんだ付け炉中で４００℃に
加熱した。圧電体層６０３のポーリングは、第１実施形
態と同様に、１５０℃，３００Ｖで大気中で１時間行っ
た。

【００８７】ここで、白金上部電極６０４ａ，６０４ｂ
と下部電極である酸化ルテニウム層６０２との間に交流
電界を印加したところ、圧電体層６０３の面方向に関す
る変位により、弾性体６０１の板状の部分に片持ち梁の
共振が励振された。

【００８８】さらに、この片持ち梁の共振振動により圧
電体層６０３の表面に誘起電荷が発生することを利用し
て、白金上部電極６０４ｂと酸化ルテニウム層６０２と
から発生信号を検出したところ、信号は片持ち梁の共振
周波数に等しい周波数の正弦波であった。

【００８９】このことから、本実施形態における振動子
６０６は、入力信号からある一定の周波数の出力信号の
みを取り出すための周波数フィルタとして機能すること
が確認された。

【００９０】（第８実施形態）図９は、第８実施形態の
振動角速度計７０５を示す斜視図である。図９に示す振
動角速度計７０５では、ニッケル−クロム合金からなる
直方体振動子７０１の一つの側面に、第１実施形態〜第
７実施形態と同様に酸化ルテニウム層７０２を形成す
る。この酸化ルテニウム層７０２の表面に、プラズマ溶
射により、ＰＺＴからなる圧電体層７０３を形成する。

【００９１】酸化ルテニウム層７０２をグランド電極と
して用い、ＰＺＴからなる圧電体層７０３上に、スパッ
タリング法により、振動子７０１の軸方向に３分割され
た電極７０４を形成する。

【００９２】中央の電極７０４ｂは駆動用電極であり、
両側の電極７０４ａ，７０４ｂは検出用電極である。振
動子７０１の軸方向に垂直な断面は、駆動方向とコリオ
リ力方向との共振周波数を一致させるため、略正方形と
してある。圧電体層７０３の形成条件は、第１実施形態
と同様である。また、電極７０４ａ〜７０４ｃに対し、
配線用の銅箔を接合するため、電極７０４ａ〜７０４ｃ
と銅箔との間にはんだ箔を挟み、加圧した状態でリフロ
ー式はんだ付け炉中で４００℃に加熱した。圧電体層７
０３のポーリングは、第１実施形態と同様に１５０℃，
３００Ｖで大気中で１時間行った。

【００９３】図１０（ａ）〜図１０（ｃ）は、いずれ
も、図９に示した圧電振動角速度計７０６の動作原理を
示す説明図である。図１０（ａ）に示すように、駆動用
電極７０４ｂに振動子７０１の共振周波数に近い交流電
圧を印加すると、振動子７０１は無拘束条件で振動し、
振動の節点７０５を境に振動子７０１の中央部と端部と
は、反対の向きに速度を有する。

【００９４】図１０（ｂ）に示すように、この時、振動
子７０１の軸回りに回転が発生すると、発生する速度の
方向が反対であるため、振動の節点を境に反対の向きに
コリオリ力が発生する。

【００９５】図１０（ｃ）に示すように、発生するコリ
オリ力により、振動子７０１は電極面内方向において屈
曲する。外側に配置された二つの検出用電極７０４ａ，
７０４ｃには、駆動振動（図１０（ａ）参照）に起因す
る圧電信号と、コリオリ力による変形（図１０（ｃ）参
照）に起因する圧電信号とが同時に発生する。

【００９６】このうち、コリオリ力に起因する圧電信号
は、二つの電極７０４ａ，７０４ｃ間で略位相が反対と
なる。これは、例えば図１０（ｃ）に示す変形状態で
は、電極７０４ａ側には圧縮応力が作用するとともに電
極７０４ｃ側には引張応力が作用することになり、二つ
の電極７０４ａ，７０４ｃの間では反対向きの応力が作
用する。

【００９７】一方、起動に起因した圧電信号は、両電極
７０４ａ，７０４ｃ間で略同じであるため、両電極７０
４ａ，７０４ｃから差動信号をとれば、略コリオリ力に
起因する圧電信号だけを取り出すことができる。

【００９８】本実施形態では、振動子７０１の断面を正
方形とするとともにコリオリ力方向及び駆動方向それぞ
れの共振周波数を一致させてあるため、検出用電極７０
４ａ，７０４ｃからの出力を帰還することにより、簡単
な発振回路で振動子７０１を共振周波数付近で駆動する
ことができ、したがってコリオリ力に基づく振動も共振
状態となり、検出感度が向上する。

【００９９】このように、二方向の共振周波数を合わせ
るためには、振動子７０１の形状精度に対する要求は極
めて高い。したがって、第２実施形態及び第３実施形態
と同様に、本実施形態においても、圧電体層形成後に共
振合わせのための加工を行い、さらに、この加工による
加工歪みを取るための熱処理を６５０℃で行った。

【０１００】なお、本実施形態における振動子７０１で
は、必ずしも、駆動方向及びコリオリ力方向それぞれの
共振周波数が一致している必要はない。例えば、駆動に
は共振状態でなくとも大きな変位が得られるユニモルフ
振動を用い、振動検出だけにコリオリ力方向の共振を用
いることも可能である。

【０１０１】このためには、コリオリ力方向の共振周波
数によって、振動子７０１をユニモルフ駆動させればよ
い。このような振動子７０１を用いれば、共振合わせ加
工の工程を省略することが可能となる。

【０１０２】図１１は、図９に示す振動子７０１の無拘
束条件を実現するための振動子７０１の支持形態の一例
を示すものである。振動の節点に相当する位置で、シリ
コーン系接着剤を使用して支持台７０６に固定してあ
る。また、簡便な方法として、振動子７０１全体を比較
的弾性定数の低い接着剤に埋め込んで固定することも可
能である。

【０１０３】（第９実施形態）図１２は、第９実施形態
の超音波アクチュエータ８０５を示す斜視図である。

【０１０４】本実施形態の超音波アクチュエータ８０５
は、第２実施形態と同様に、圧電体８０３により弾性体
８０１を励振し弾性体８０１の縦振動１次モードと屈曲
振動４次モードとを調和的に発生させることにより、弾
性体８０１に加圧接触する移動子（図示しない。）を駆
動する。

【０１０５】本実施形態の超音波アクチュエータ８０５
では、第２実施形態と同様に、圧電体８０３により弾性
体８０１を励振し弾性体８０１の縦振動１次モードと屈
曲振動４次モードとを調和的に発生させることにより、
弾性体８０１に加圧接触する移動子（図示しない。）を
駆動するものである。

【０１０６】本実施形態の超音波アクチュエータ８０５
では、弾性体８０１はステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）か
らなるとともに、第１実施形態〜第８実施形態と同様に
酸化ルテニウムからなる下部電極８０２が形成される。
下部電極８０２の表面には、ガスフレーム溶射法によ
り、ＰＺＴからなる圧電体層８０３の形成を行った。圧
電体層８０３の表面には、白金上部電極８０４ａ，８０
４ｂが形成される。

【０１０７】ガスフレーム溶射法による圧電体層８０３
の溶射条件は以下の通りである。仮焼，粉砕及び造粒に
より、二次粒子の粒径を５〜４０μｍに調整した、Ｐｂ
とＺｒとＴｉのモル比が１：０．５２：０．４８のチタ
ン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）に、溶射の際のＰｂ揮発分
を考慮して、過剰のＰｂを酸化物（ＰｂＯ）の形で添加
したものを原料粉末とした。

【０１０８】この原料粉末を用いてガスフレーム溶射装
置により、酸化ルテニウム層８０２を形成した弾性体８
０１の表面に、１００μｍの厚さで成膜した。ガスフレ
ーム溶射の燃料ガスとしては、本実施形態では、アセチ
レンガス（プロパンガスでもよい。）を用いた。

【０１０９】また、弾性体８０１に対する原料粉末の付
着効率を上げるため、抵抗体ヒータを用いて弾性体８０
１の表面温度を３００〜６５０℃の範囲にコントロール
した。

【０１１０】本実施形態においても、第２実施形態及び
第３実施形態と同様に、圧電体層８０３のガスフレーム
溶射による形成に伴って、弾性体８０１の縦振動１次モ
ードと屈曲振動４次モードとの関係にずれが生じるた
め、両モードの周波数を一致させるため、圧電体層８０
３の形成後に弾性体８０１の加工を行った。

【０１１１】また、この加工による加工歪みを除去する
とともに圧電体層８０３の完全なペロブスカイト化を図
るため、第１実施形態と同様に、６５０℃で５時間の熱
処理を行った。

【０１１２】さらに、圧電体層８０３の表面における白
金上部電極は、スパッタリングにより白金上部電極８０
４ａ，８０４ｂに２分割されて成膜される。このように
して形成された白金上部電極８０４ａ，８０４ｂに対し
て配線用の銅箔を接合するために、白金上部電極８０４
ａ，８０４ｂと銅箔との間にはんだ箔を挟み、加圧した
状態でリフロー式はんだ付け炉中で４００℃の処理を行
った。

【０１１３】このように構成された超音波アクチュエー
タ８０５において、電極８０４ａに交流電圧Ａ相を、電
極８０４ｂにＡ相と位相が９０°異なる交流電圧Ｂ相
を、それぞれ実効電圧で±５Ｖ印加したところ、弾性体
８０１に突起状に形成された駆動力取出部８０１ａ，８
０１ｂの先端に楕円運動が発生し、駆動力取出部８０１
ａ，８０１ｂを介して加圧接触する相対運動部材である
移動子（図示しない。）が駆動されることが確認され
た。

【０１１４】（第１０実施形態）図１３は、第１０実施
形態の超音波アクチュエータ９０５を示す斜視図であ
る。

【０１１５】図１３に示す超音波アクチュエータ９０５
は、溶射により形成された圧電体層９０３によりステン
レス鋼（ＳＵＳ３０４）からなる弾性体９０１を励振
し、弾性体９０１の縦振動１次モードと屈曲振動４次モ
ードとを調和的に発生させて、弾性体９０１に加圧接触
する移動子（図示しない。）を駆動するものである。

【０１１６】本実施形態では、圧電体層９０３としてチ
タン酸バリウム（ＢａＴｉＯ₃ ）系の圧電組成を用い
た。チタン酸バリウムは、構成元素であるバリウム及び
チタンがともに高融点であるとともに蒸気圧も接近して
いる。そのため、ＰＺＴにおけるＰｂ成分のような一成
分の揮発による組成ずれの心配が少なく、組成のコント
ロールが比較的容易であって溶射条件を決定し易いとい
う特徴がある。本実施形態では、室温付近に存在するチ
タン酸バリウムの第２変態点を下げるため、バリウムを
１０重量％程度カルシウムに置換した組成を用いた。

【０１１７】弾性体９０１の表面には、第１実施形態〜
第９実施形態と同様に、下部電極として酸化ルテニウム
層９０２が形成されており、この酸化ルテニウム層９０
２の表面にはチタン酸バリウム系圧電体層９０３が形成
されており、さらにその表面には白金上部電極９０４
ａ，９０４ｂがスパッタリングにより２分割されて成膜
される。

【０１１８】本実施形態においても、第１実施形態と同
様に、圧電体層９０３はプラズマ溶射により形成され
る。チタン酸バリウムからなる圧電体層９０３の溶射に
よる形成の方法について述べる。

【０１１９】仮焼，粉砕及び造粒により、二次粒子の粒
径を５〜４０μｍに調整した、ＢａとＣａとＴｉのモル
比が０．９：０．１：１のチタン酸バリウム系組成を原
料粉末とした。

【０１２０】この原料粉末を用いてプラズマ溶射装置に
より、弾性体９０１の表面に１００μｍの厚さでチタン
酸バリウム系圧電体層９０３を形成した。溶射の際のプ
ラズマジェットガスの作動ガスとしては、アルゴン，
（アルゴン＋水素）の混合ガス、又は（アルゴン＋ヘリ
ウム）の混合ガスを用いた。

【０１２１】また、弾性体９０１に対する粉末の付着効
率を上げるため、抵抗体ヒータを用いて弾性体９０１の
表面温度を、３００〜６５０℃の範囲にコントロールし
た。本実施形態においても、圧電体層９０３の形成に伴
って弾性体９０１の縦振動１次モードと屈曲振動４次モ
ードとの関係にずれが生じるため、両モードの周波数を
一致させるように、圧電体９０３の形成後に弾性体９０
１の加工を行った。

【０１２２】さらに、この加工による加工歪みを除去す
るとともに圧電体層９０３の結晶化度を増加させるた
め、第１実施形態と同様に、６５０℃に５時間加熱保持
する熱処理を行った。

【０１２３】また、白金上部電極９０４ａ，９０４ｂに
対して、配線用の銅箔を接合するために、白金上部電極
９０４ａ，９０４ｂと銅箔との間にはんだ箔を挟み、加
圧した状態でリフロー式はんだ付け炉中で４００℃に加
熱する処理を行った。さらに、圧電体層９０３に対する
ポーリングは、２００℃，４５０Ｖで大気中で１時間行
った。

【０１２４】本実施形態の超音波アクチュエータ９０５
においても、電極９０４ａに交流電圧Ａ相を、また電極
９０４ｂにＡ相と位相が９０°異なる交流電圧Ｂ相を、
それぞれ実効電圧で±１０Ｖ印加したところ、弾性体９
０１に突起状に形成された駆動力取出部９０１ａ，９０
１ｂの先端に楕円運動が発生し、駆動力取出部９０１
ａ，９０１ｂを介して加圧接触する移動子（図示しな
い。）との間で相対運動を発生することが確認された。

【０１２５】なお、溶射ガスパワーと成膜時の加熱によ
る弾性体表面温度との組み合わせのうちの幾つかのもの
は、成膜後の熱処理を行う前に、ペロブスカイト相の生
成が十分に行われ、熱処理を行わなくとも所望の圧電性
能を確保することが可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる圧電応用素子を、振動アクチュ
エータの一例である超音波アクチュエータに適用した第
１実施形態を示す分解斜視図である。

【図２】第１実施形態の超音波アクチュエータの構成要
素である、上部電極が形成された弾性体を示す平面図で
ある。

【図３】第２実施形態の超音波アクチュエータの構成を
示す斜視図である。

【図４】第３実施形態の超音波アクチュエータの構成を
示す斜視図である。

【図５】第４実施形態の超音波アクチュエータの説明図
であって、図５（ａ）は斜視図，図５（ｂ）は図５
（ａ）におけるＡ−Ａ断面図，図５（ｃ）は図５（ａ）
におけるＢ−Ｂ断面図である。

【図６】第５実施形態の超音波アクチュエータの構成を
示す説明図であって、図６（ａ）及び図６（ｂ）は、い
ずれも、超音波アクチュエータの分解斜視図である。

【図７】第６実施形態のユニモルフ型アクチュエータの
構成を示す斜視図である。

【図８】第７実施形態のユニモルフ型アクチュエータ用
振動子の構成を示す斜視図である。

【図９】第８実施形態の振動角速度計の構成を示す斜視
図である。

【図１０】図１０（ａ）〜図１０（ｃ）は、いずれも、
第８実施形態の圧電振動角速度計の動作原理を示す説明
図である。

【図１１】第８実施形態で用いる振動子の無拘束条件を
実現するための振動子の支持形態の一例を示す説明図で
ある。

【図１２】第９実施形態の超音波アクチュエータの構成
を示す斜視図である。

【図１３】第１０実施形態の超音波アクチュエータの構
成を示す分解斜視図である。

【図１４】成膜温度又は熱処理温度の違いに基づく結晶
構造の違いを示すグラフである。

【符号の説明】

１ 移動子 ２ 摺動材 ３ 弾性体 ３ａ 突起部 ３ｂ 溝部 ４ 圧電体層 ５ 白金上部電極 ６ 圧電素子 ７ 超音波アクチュエータ（圧電応用素子）

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 駆動信号により励振される電気機械変換
   素子が溶射によって表面に形成された弾性体を備える圧
   電応用素子であって、 前記弾性体と前記電気機械変換素子との間に、高い電気
   伝導性を有する酸化物層が形成されることを特徴とする
   圧電応用素子。
2. 【請求項２】 請求項１に記載された圧電応用素子にお
   いて、 前記酸化物層は、酸化ルテニウムからなることを特徴と
   する圧電応用素子。
3. 【請求項３】 請求項１又は請求項２に記載された圧電
   応用素子において、 前記電気機械変換素子は、前記溶射により形成された後
   に熱処理されてなることを特徴とする圧電応用素子。
4. 【請求項４】 請求項１から請求項３までのいずれか１
   項に記載された圧電応用素子において、 前記電気機械変換素子の両面又は片面に、電気エネルギ
   ーの入力又は出力のための電極が形成されることを特徴
   とする圧電応用素子。
5. 【請求項５】 請求項４に記載された圧電応用素子にお
   いて、 前記酸化物層は、前記電気機械変換素子と前記弾性体と
   の間に配置される前記電極をなすことを特徴とする圧電
   応用素子。
6. 【請求項６】 請求項１から請求項５までのいずれか１
   項に記載された圧電応用素子において、 前記電気機械変換素子は、鉛系強誘電材料からなる圧電
   材料又は電歪材料であることを特徴とする圧電応用素
   子。