(57)【要約】 【課題】  振動変位が大きく、共振周波数のばらつきが少なく、安価に構成できる振動子による超音波モータおよびその製造方法を提供すること。【解決手段】  金属チューブまたは金属棒表面にエアロゾルデポジション法でＰＺＴによる平均結晶粒径が２００ｎｍ以下の圧電厚膜を形成することにより、もしくはＰＺＴを主成分としてＭｎ酸化物を含む組成の圧電膜を形成することにより振動ロスを低減し機械的品質係数Ｑｍの大きい振動子を作製し、超音波モータの駆動部とする。【選択図】  図１
2006325361.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属チューブまたは金属棒の表面に圧電膜を形成し、前記圧電膜の表面に設けられた少なくとも２つの電極に、位相をずらした交流電圧を印加することで駆動力を発生する振動子を備える超音波モータにおいて、前記圧電膜はジルコン酸チタン酸鉛の多結晶セラミクスからなり、前記多結晶セラミクスの平均結晶粒径が２００ｎｍ以下であることを特徴とする超音波モータ。
【請求項２】
金属チューブまたは金属棒の表面に圧電膜を形成し、前記圧電膜の表面に設けられた少なくとも２つの電極に、位相をずらした交流電圧を印加することで駆動力を発生する振動子を備える超音波モータにおいて、前記圧電膜は多結晶セラミクスからなり、ジルコン酸チタン酸鉛を主成分とし、Ｍｎ酸化物、Ｐｂ（Ｍｎ１／３Ｓｂ２／３）Ｏ３、Ｐｂ（Ｍｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３のうちの１つを含むことを特徴とする超音波モータ。
【請求項３】
前記多結晶セラミクスの平均結晶粒径が２００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項２記載の超音波モータ。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の超音波モータを作製するための超音波モータの製造方法において、前記圧電膜をエアロゾルデポジション法を用いて形成することを特徴とする超音波モータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧電厚膜を利用した微小駆動用超音波アクチュエータに属する超音波モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波モータは超音波振動子で発生させた振動を摩擦力を介して外部に駆動力として取り出すアクチュエータであり、電磁ノイズを発生しない、静音であるなどの優れた特徴を持つことからカメラのオートフォーカスやズーム機構などに応用されている。
【０００３】
近年、デジタルカメラ、カメラ付携帯電話などの撮像機器の小型・高性能化が進みそれらに使用されるアクチュエータにも小型化が要求されている。小型な超音波モータとして、金属チューブの曲げ振動を利用したモータが提案されている（非特許文献１）。図３にその超音波モータ（従来例１）を斜視図で示す。これは外周部に平面加工を施した金属チューブ３１にバルクの圧電セラミック板３２を接着剤で貼り付けた構造になっている。
【０００４】
このように、圧電素子を接着剤により接着した場合、接着層が存在するので圧電素子で発生した振動が減衰し振動変位が低下するという問題がある。また、接着層の厚さが、ばらつくことにより共振周波数が設計値から大きくずれてしまうという問題もある。
【０００５】
また、接着剤を使用せず基板に直接圧電膜を形成する方法としては薄膜法としてＰＶＤ法（スパッタ、レーザーアブレーションなど）、ＣＶＤ法、化学溶液法（ＣＳＤ）、水熱合成法、厚膜法としてスクリーン印刷、界面重合法などがある。
【０００６】
しかし、超音波モータとして駆動させるには一定の発生力が必要なため最低５μｍ以上の厚膜が必要になると考えられるが、たとえば、ＰＶＤ、ＣＶＤ、ＣＳＤ法では薄膜を堆積するには適するが、厚膜化は困難である。
【０００７】
また、スクリーン印刷法、界面重合法では５μｍ以上の厚膜は得られるが８５０℃以上の高温での熱処理が必要であり安価な金属基板を使用できないなどの問題がある。
【０００８】
一方、水熱合成法により、金属チューブ表面に圧電膜としてジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）を形成した超音波モータが提案されている（特許文献１、非特許文献２）。図４に、特許文献１に開示された超音波モータ（従来例２）を斜視図で示す。４１は金属の円筒殻、４２はＰＺＴ膜、４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄは電極である。
【０００９】
しかしながら、このＰＺＴ膜では圧電定数ｄ３１＝−３０ｐｍ／Ｖ、機械的品質係数Ｑm＝３００程度であり超音波モータとして使用するには特性が不十分であるという問題がある。
【００１０】
【特許文献１】特開平７−２３１６８４号公報
【非特許文献１】IEEE TRANSACTIONS ON ULTRASONICS, FERROELECTRICS AND FREQUENCY CONTROL,VOL.49,No.4, APRIL,2002,p495-500．
【非特許文献２】IEEE TRANSACTIONS ON ULTRASONICS, FERROELECTRICS AND FREQUENCY CONTROL,VOL.45,No.5,SEPTEMBER,1998,p1178-1187.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
すでに従来技術の問題点を説明したが、この状況にあって、本発明の課題は、振動変位が大きく、共振周波数のばらつきが少なく、安価に構成できる超音波モータおよびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は上記課題を解決するために行われたもので、膜厚が５μｍ以上の圧電厚膜において、平均結晶粒径が２００ｎｍ以下であること、主成分であるＰＺＴにＭｎ酸化物、もしくはＰｂ（Ｍｎ１／３Ｓｂ２／３）Ｏ３、Ｐｂ（Ｍｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３を添加した材料組成の圧電膜を形成すること、上記圧電膜をエアロゾルデポジション法（ＡＤ法）により形成することにより、機械的品質係数Ｑｍが５００以上の超音波モータ素子が得られることが確認された。そのＡＤ法とはＨｅ、Ｎ２、Ｏ２などのガス中に浮遊させたセラミック粒子を加速し、基板に衝突させることにより緻密な固化膜を得る成膜方法である。
【００１３】
共振駆動の超音波モータでは、振動変位は機械的品質係数Ｑｍ倍に増幅されるため駆動効率のよいモータを実現するためにＱｍの大きい圧電材料を使用することが望ましい。しかし、圧電セラミック板を接着剤で固定した従来技術の場合、振動変位が接着剤により減衰してしまい大きなＱｍを得られない。また従来技術である水熱合成法では基板上に均一な組成のＰＺＴ膜を得るのが困難であるのに加え、得られてもＱｍは３００程度である。
【００１４】
圧電セラミック材料でＱｍを大きくするためには、結晶粒内に形成されている強誘電体ドメインウォールが電界を印加した際に移動することに伴う内部摩擦によるエネルギーロスを低減させる必要がある。その方法として、（１）結晶粒にドメインウォールが存在しない単分域構造にすること、（２）ドメインウォールが存在してもウォールの移動をピンニングする方法が考えられる。
【００１５】
今回、上記条件を実現させ、Ｑmの大きい圧電厚膜を形成する方法を検討した結果、膜厚が５μｍ以上の圧電厚膜において、（１）平均結晶粒径を２００ｎｍ以下にすること、（２）主成分であるＰＺＴにＭｎ酸化物、もしくはＰｂ（Ｍｎ１／３Ｓｂ２／３）Ｏ３、Ｐｂ（Ｍｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３を添加した材料組成の圧電膜を形成すること、（３）上記圧電膜をエアロゾルデポジション（ＡＤ）法により形成することにより機械的品質係数Ｑmが５００以上の圧電膜が得られ、従来技術に比べ優れた性能を示す超音波モータを提供することが可能になった。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように、本発明によれば、金属チューブまたは金属棒表面に圧電膜を形成してなり振動変位が大きく、共振周波数のばらつきが少なく、安価に作製できる超音波モータおよびその製造方法を提供することが可能になり、その工業的価値は大である。  
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
圧電膜はエアロゾルデポジション（ＡＤ）法により形成することとし、ＡＤ法で使用する原材料粉末としてＰｂ（Ｚｒ０．５２Ｔｉ０．４８）Ｏ３（以下ＰＺＴ）、ＰＺＴに１．０ｗｔ％ＭｎＯを添加した粉末（以下ＰＺＴ−Ｍ）、ＰＺＴに５ｍｏｌ％Ｐｂ（Ｍｎ１／３Ｓｂ２／３）Ｏ３を添加した粉末（以下ＰＺＴ−ＭＳ）、ＰＺＴに５ｍｏｌ％Ｐｂ（Ｍｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３を添加した粉末（以下ＰＺＴ−ＭＮ）の４種類の粉末を用意する。
【００１８】
各粉末に対し、一例として、外径２．４ｍｍ、長さ１０ｍｍ、板厚０．２ｍｍのＳＵＳ３０４(ＪＩＳ規格によるステンレス鋼）チューブ表面に、先に用意した４種類の材料をＡＤ法で１０μｍ成膜する。６００℃で３０分程度、大気中で熱処理し、表面を４分割するようにＡｕ電極をスパッタで形成しＳＵＳチューブを下部電極として２５０℃、４０Ｖ、１０分程度の電圧を印加し分極処理を施し、本実施の形態の超音波振動子を得る。次に、４分割して形成した電極毎にアドミッタンスの周波数特性を測定し共振周波数と機械的品質係数を算出する。さらに膜の結晶粒径をＴＥＭにより観察し求める。このように、本実施の形態の超音波モータを作製し評価する。
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２０】
圧電膜はエアロゾルデポジション（ＡＤ）法により形成することとし、ＡＤ法で使用する原材料粉末としてＰｂ（Ｚｒ０．５２Ｔｉ０．４８）Ｏ３（以下ＰＺＴ）、ＰＺＴに１．０ｗｔ％ＭｎＯを添加した粉末（以下ＰＺＴ−Ｍ）、ＰＺＴに５ｍｏｌ％Ｐｂ（Ｍｎ１／３Ｓｂ２／３）Ｏ３を添加した粉末（以下ＰＺＴ−ＭＳ）、ＰＺＴに５ｍｏｌ％Ｐｂ（Ｍｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３を添加した粉末（以下ＰＺＴ−ＭＮ）の４種類の粉末を用意した。
【００２１】
まず圧電膜の機械的品質係数を測定することを目的として、表面にＰｔをスパッタした外形２０×１．３×０．０５ｍｍの形状のＺｒＯ２基板上にエアロゾルデポジション（ＡＤ）法により厚さ１０μｍの圧電膜を形成した。その膜を６００、７００、７５０、８００、８５０℃でポストアニールを行った。その後、圧電膜表面にＡｕをスパッタし上部電極とし、２５０℃、４０Ｖ、１０分電圧を印加し分極処理を施し圧電ユニモルフのカンチレバーを作製した。
【００２２】
カンチレバーの長さが１０ｍｍになるように片側を固定し、ファンクションジェネレータにより圧電膜にベンディングモードの共振周波数近傍で周波数を変化させ０．５Ｖｐｐの交流電圧を印加し先端変位をレーザー変位計により測定した。その結果を図１に示す。その変位の増幅率から機械的品質係数を算出した。測定後、圧電膜の結晶粒をＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）により観察し、１００個以上の粒子の粒径の平均値を結晶粒径とした。図２にそのＴＥＭ写真を示し、結晶粒径の測定結果を表１に示す。
【００２３】
【表１】
2006325361.tif 000003
【００２４】
このようにＱｍが５００を越えるのはＰＺＴの場合、結晶粒が２００ｎｍ以下であり、それ以上ではＱｍが小さくなっていることがわかる。ＰＺＴ−Ｍ、ＰＺＴ−ＭＳ、ＰＺＴ−ＭＮでは結晶粒の大きさに関わらずＱｍが５００を越えていることがわかる。
【００２５】
次に、外径２．４ｍｍ、長さ１０ｍｍ、板厚０．２ｍｍのＳＵＳ３０４(ＪＩＳ規格によるステンレス鋼）チューブ表面に用意した４種類の材料をＡＤ法で１０μｍ成膜した。６００℃で３０分大気中で熱処理し、表面を４分割するようにＡｕ電極をスパッタで形成しＳＵＳチューブを下部電極として２５０℃、４０Ｖ、１０分電圧を印加し分極処理を施した。４分割して形成した電極毎にアドミッタンスの周波数特性を測定し共振周波数と機械的品質係数を算出した。さらに膜の結晶粒径をＴＥＭにより観察し求めた。その結果を表２に示す。また比較のために非特許文献２に記載されている水熱合成法によるチューブモーターの特性（従来例２）を付記した。
【００２６】
【表２】
2006325361.tif 000004
【００２７】
従来例２に比べて実施例のいずれの水準でもＱｍが５００を越える結果を得ていることがわかる。また、共振周波数も設計どおりの値が得られた。
【００２８】
上記実施例は以下に示すような各種変更を行うことができる。実施例の金属チューブは金属棒に置き換えることができる。実施例では表面電極を４個形成したが超音波モータは２つのベンディングモードの振動を利用できればよいので、２個にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に係る圧電膜カンチレバーでの先端変位の周波数特性を示す図。
【図２】本発明の実施例での圧電膜の結晶粒径を示すＴＥＭ写真。
【図３】従来例１の超音波モータの斜視図。
【図４】従来例２の超音波モータの斜視図。
【符号の説明】
【００３０】
３１    金属チューブ
３２    圧電セラミック板
４１    円筒殻
４２    ＰＺＴ膜
４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄ    電極
【図１】
2006325361.tif 000005
【図３】
2006325361.tif 000006
【図４】
2006325361.tif 000007
【図２】
2006325361.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成18年1月27日(2006.1.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属チューブまたは金属棒の表面に圧電膜を形成し、前記圧電膜の表面に設けられた少なくとも２つの電極に、位相をずらした交流電圧を印加することで駆動力を発生する振動子を備える超音波モータにおいて、前記圧電膜はジルコン酸チタン酸鉛またはそれを主成分とする多結晶セラミクスからなり、厚さが５μｍ以上であり、機械的品質係数が５００以上であると共に、前記金属チューブまたは金属棒と前記圧電膜とが直接接合していることを特徴とする超音波モータ。
【請求項２】
前記多結晶セラミクスからなる圧電膜が、ジルコン酸チタン酸鉛を主成分とし、Ｍｎ酸化物、Ｐｂ（Ｍｎ1/3Ｓｂ2/3）Ｏ3  、Ｐｂ（Ｍｎ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3の少なくとも１種を含む組成からなることを特徴とする請求項１記載の超音波モータ。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
すでに従来技術の問題点を説明したが、この状況にあって、本発明の課題は、振動変位が大きく、共振周波数のばらつきが少なく、安価に構成できる超音波モータを提供することにある。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
以上説明したように、本発明によれば、金属チューブまたは金属棒表面に圧電膜を形成してなり、振動変位が大きく、共振周波数のばらつきが少なく、安価に作製できる超音波モータを提供することが可能になり、その工業的価値は大である。