(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス系圧電材料で構成されたシート状圧電素子と電極体とを積層した積層体を巻上げて柱状体或いは筒状体に構成された圧電変換素子であって、
前記圧電変換素子を他部材へ接着固定する接合面が、圧電素子と電極体とのいずれか一方が突出する凹凸面に形成された面であること
を特徴とする圧電変換素子。
【請求項２】
セラミックス系圧電材料で構成されたシート状圧電素子と電極体とを積層した積層体で、電圧印加方向に対して垂直方向に変位が発生する圧電変換素子であって、
前記圧電変換素子を他部材へ接着固定する接合面が、圧電素子と電極体とのいずれか一方が突出する凹凸面に形成された面であること
を特徴とする圧電変換素子。
【請求項３】
前記接合面は、接合面に共に露出する圧電素子と電極体のいずれかの一方が選択的にエッチング加工されて凹凸面に形成された面であること
を特徴とする請求項１又は２に記載の圧電変換素子。
【請求項４】
前記接合面は、圧電素子がエッチングされ、電極体はエッチングされない選択的エッチング加工が行なわれて、圧電素子が凹、電極体が凸となる凹凸面に形成された面であること
を特徴とする請求項１又は２に記載の圧電変換素子。
【請求項５】
前記接合面は、電極体がエッチングされ、圧電素子はエッチングされない選択的エッチング加工が行なわれて、圧電素子が凸、電極体が凹となる凹凸面に形成された面であること
を特徴とする請求項１又は２に記載の圧電変換素子。
【請求項６】
前記接合面は、接合面に共に露出する圧電素子と電極体とのうち電極体が選択的にスパッタリング加工されて圧電素子が凸、電極体が凹となる凹凸面に形成された面であること
を特徴とする請求項１又は２に記載の圧電変換素子。
【請求項７】
前記凹凸面は、凹み深さに対する電極体の厚み（アスペクト比）が５以下であること
を特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の圧電変換素子。
【請求項８】
セラミックス系圧電材料で構成されたシート状圧電素子と電極体とを積層した積層体から構成された圧電変換素子における圧電変換素子を他部材へ接着固定する接合面の加工方法であって、
接合面に共に露出する圧電素子と電極体のいずれか一方を選択的に腐食して凹凸面に加工すること
を特徴とする圧電変換素子の加工方法。
【請求項９】
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載された圧電変換素子と、前記圧電変換素子を固定する固定部材と、前記圧電変換素子に固定される駆動部材と、前記駆動部材により駆動される被駆動部材とを備えた圧電変換素子を使用したアクチエータにおいて、
前記圧電変換素子と固定部材及び駆動部材との接合は、圧電変換素子に形成された凹凸面である接合面に接着剤を適用して接合されていること
を特徴とする圧電変換素子を使用したアクチエータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は圧電変換素子の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電変換素子を使用したアクチエータは、供給される電気エネルギを駆動力に変換する変換効率が高く、小型軽量でありながら発生する駆動力が大きく、また、駆動力を容易に制御できるため、カメラ、計測機器、その他の精密機械の被駆動部材の駆動や位置決めに利用されるようになってきた。
【０００３】
このようなアクチエータで使用される駆動源である圧電変換素子には、セラミックス系圧電材料で構成されたシート状の薄板圧電素子と正極及び負極となる電極体（以下、単に電極という）を複数枚積層して構成したもの、シート状の薄板圧電素子と電極を積層した積層体を中空筒状に巻いて構成したもの等が提案されている。
【０００４】
図２５及び図２６は、セラミックス系圧電材料で構成されたシート状の薄板圧電素子と正極及び負極の電極を複数枚積層して構成された圧電変換素子を使用したアクチエータの構成を示す斜視図で、図２５は組み立て工程を示す図、図２６は完成したアクチエータを示す斜視図である。
【０００５】
図２５に示すように、アクチエータは、固定部材１０１の上に圧電変換素子１０２の一方の端部を接着剤１０４で接着固定し、圧電変換素子の他方の端部に被駆動部材１０３を同じく接着剤１０４で接着固定して構成されている。
【０００６】
この構成において、図２６に示すように、正極電極１０５及び負極電極１０６の間にパルス状の電圧を印加、或いはパルス状に電流を供給すると、圧電変換素子１０２はその厚み方向（積層方向）に伸縮し、伸び方向と縮み方向で速度の異なる伸縮振動が発生し、圧電変換素子１０２の端部に接着固定された被駆動部材１０３に伸縮振動が伝達される。これにより、例えば、被駆動部材１０３に図示しない移動体を摩擦接触させたときは、移動体を所定方向に移動させることができる。
【０００７】
この他、圧電変換素子に印加する電圧、或いは供給する電流の調整により、被駆動部材に種々の振動モードの運動を発生させることができる。
【０００８】
上記した構成のアクチエータでは、固定部材１０１と圧電変換素子１０２との接合、圧電変換素子１０２と被駆動部材１０３との接合に接着剤、例えばエポキシ系の接着剤を使用しているが、圧電変換素子に発生する振動により接合部が剥がれるという不都合がある。この対策として、圧電変換素子の接合面となるセラミックスの端面をエッチング加工して粗面とし、接着強度を高めることが行われている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、圧電変換素子の接合面となるセラミックスの端面をエッチング処理して粗面としても接着強度を十分に高めることができず、圧電変換素子を高速で長時間駆動するときは接着部が剥がれるという不都合があった。この発明は、上記課題を解決することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明は、上記課題を解決するもので、請求項１の発明は、セラミックス系圧電材料で構成されたシート状圧電素子と電極体とを積層した積層体を巻上げて柱状体或いは筒状体に構成された圧電変換素子であって、前記圧電変換素子を他部材へ接着固定する接合面が、圧電素子と電極体とのいずれか一方が突出する凹凸面に形成された面であることを特徴とする圧電変換素子である。
【００１１】
請求項２の発明は、セラミックス系圧電材料で構成されたシート状圧電素子と電極体とを積層した積層体で、電圧印加方向に対して垂直方向に変位が発生する圧電変換素子であって、前記圧電変換素子を他部材へ接着固定する接合面が、圧電素子と電極体とのいずれか一方が突出する凹凸面に形成された面であることを特徴とする圧電変換素子である。
【００１２】
そして、前記接合面は、接合面に共に露出する圧電素子と電極体のいずれかの一方が選択的にエッチング加工されて凹凸面に形成された面である。
【００１３】
この場合、前記接合面は、圧電素子がエッチングされ、電極体はエッチングされない選択的にエッチング加工が行なわれて、圧電素子が凹、電極体が凸となる凹凸面に形成された面であってもよい。
【００１４】
また、前記接合面は、電極体がエッチングされ、圧電素子はエッチングされない選択的にエッチング加工が行なわれて、圧電素子が凸、電極体が凹となる凹凸面に形成された面であってもよい。
【００１５】
また、前記接合面は、接合面に共に露出する圧電素子と電極体とのうち電極体が選択的にスパッタリング加工されて圧電素子が凸、電極体が凹となる凹凸面に形成された面でああってもよい。
【００１７】
そして、前記凹凸面は、凹み深さに対する電極体の厚み（アスペクト比）が５以下であることが望ましい。
【００１８】
請求項８の発明は、セラミックス系圧電材料で構成されたシート状圧電素子と電極体とを積層した積層体から構成された圧電変換素子における圧電変換素子を他部材へ接着固定する接合面の加工方法であって、接合面に共に露出する圧電素子と電極体のいずれか一方を選択的に腐食して凹凸面に加工することを特徴とする圧電変換素子の加工方法である。
【００１９】
この場合、前記接合面の加工方法は、圧電素子がエッチングされ、電極体はエッチングされない選択的エッチング加工であってもよく、電極体がエッチングされ、圧電素子はエッチングされない選択的エッチング加工であってもよい。さらに前記接合面の加工方法は、電極体が選択的にスパッタリング加工され、圧電素子は加工されない選択的スパッタリング加工であってもよい。
【００２０】
請求項９の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれかに記載された圧電変換素子と、前記圧電変換素子を固定する固定部材と、前記圧電変換素子に固定される駆動部材と、前記駆動部材により駆動される被駆動部材とを備えた圧電変換素子を使用したアクチエータにおいて、前記圧電変換素子と固定部材及び駆動部材との接合は、圧電変換素子に形成された凹凸面である接合面に接着剤を適用して接合されていることを特徴とする圧電変換素子を使用したアクチエータである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を説明する。
【００２２】
［第１の実施の形態］
第１の実施の形態の圧電変換素子は、圧電セラミックス系圧電材料からなる１枚のシート状の圧電素子の表裏両面にそれぞれ電極体（以下、単に電極という）を形成し、これを巻上げて柱状体に形成したものである。
【００２３】
図１は第１の実施の形態の圧電変換素子の素材である圧電素子を示す斜視図、図２は素材である圧電素子を２つ折りした状態の斜視図、図３は巻上げて柱状体に形成された圧電変換素子の外観を示す斜視図である。説明の都合上、圧電素子及び電極体の厚みは、実際よりも著しく拡大して示してある。
【００２４】
この圧電変換素子１０は、まず、圧電セラミックス系の圧電材料を使用してシート状の圧電素子１１を作り、その表面及び裏面に第１電極１２及び第２電極１３を形成する。次に、略中央部で２つ折りし、折曲部１４を中心にして圧電素子相互が積層されるように巻上げて柱状体に形成する。
【００２５】
この後、焼成工程、柱状体の端部を切断する切断加工、及び切断面のエッチング加工を行う。さらに、柱状体の外周面に露出している第１電極１２及び第２電極１３へのリード線の接続加工、及び分極処理を経て、圧電変換素子１０が完成する。
【００２６】
圧電変換素子１０の製造工程を説明する。まず、圧電素子１１の材料としては、ＰＺＴ（ＰｂＺｒＯ3 ・ＰｂＴｉＯ3 ）を主成分とする圧電セラミックスを使用する。このセラミックス粉体を溶剤、分散剤、バインダ、可塑剤等と混合し、ブレード等を使用して均一な平面に作成して一定の厚さ、例えば２０〜１００μｍの厚さに引き伸ばす。溶剤を蒸発させて乾燥すると、グリーンシートと呼ばれる柔軟性のあるシートを得ることができる。
【００２７】
次に、このグリーンシート（圧電素子）の表裏両面に、スクリーン印刷等の手段で白金（Ｐｔ）系電極材料を適当な樹脂バインダでペースト状にした材料を所定の厚さ、例えば７〜１０μｍ程度の厚さに印刷して第１電極１２及び第２電極１３を形成し、所定の大きさに切断する（図１参照）。
【００２８】
次に、その略中央部で２つ折し（図２参照）、折曲部１４を中心にして圧電素子相互が積層されるように巻上げて柱状体に形成する（図３参照）。
【００２９】
このとき、図４に示すように、軸方向にスリット１８が形成された巻取軸１７を準備し、表裏両面にそれぞれ第１電極１２及び第２電極１３が形成されたシート状の圧電素子１１の中央部を巻取軸１７のスリット１８に挟み、圧電素子相互が積層されるように巻上げて筒状体に形成してもよい。
【００３０】
この構成の柱状体（又は筒状体、以下、説明の都合上、両者を含め柱状体という）では、図３から明らかなように、柱状体の外周面に第１電極１２と第２電極１３とが露出し、また、柱状体の軸方向の両端面にも渦巻状に第１電極１２と第２電極１３の端面が露出する。
【００３１】
次に、この巻上げられた柱状体を所定の温度条件で焼成する。焼成する温度条件は、例えば、図５に示すように、５時間程度かけて５００℃まで徐々に温度を高め、５００℃で一定時間焼成した後、最初から９時間後に１２００℃まで徐々に温度を高める。さらに、１２００℃で約０．３時間焼成した後、６時間程度かけて常温まで冷却する。この実施の形態では、焼成後の圧電素子の厚みは約５０μｍ、電極の厚みは約５μｍになる。
【００３２】
前記した焼成済みの柱状体１０を所望の長さ寸法に仕上げるため、また、後述するエッチング加工を行うため、柱状体１０の軸方向の両端部を切断加工する。切断加工は、回転円板の外周面に超硬合金粉末を接着したカッターを高速で回転させる切断装置、一般的にダイサーと呼ばれる切断装置により行う。図６は柱状体１０の軸方向両端部の切断加工を説明する図で、切断加工された柱状体１０の軸方向の端面１０ａ及び１０ｂは鏡面に近い仕上面となっている。
【００３３】
次に、柱状体１０の端面のエッチング加工について説明する。図７はエッチング加工の概念を示す図である。前記したとおり、切断加工された柱状体１０の軸方向の端面１０ａ及び１０ｂには、渦巻状のＰＺＴからなる圧電素子１１と、白金（Ｐｔ）系電極材料からなる第１電極１２及び第２電極１３が露出し、また、柱状体の外周面は白金（Ｐｔ）系電極材料からなる第１電極１２及び第２電極１３で覆われているから、圧電素子の材料であるＰＺＴを溶かし、白金（Ｐｔ）を溶かさない酸、例えば硝酸とフッ酸を混合したエッチング液１９を使用することで、選択的に端面１０ａ及び１０ｂに露出している圧電素子部分であるＰＺＴのみをエッチング加工することができる。
【００３４】
図８はエッチング加工の前後の柱状体１０の端面の状態を説明する拡大した断面図で、図８の（ａ）はエッチング加工前の柱状体１０の端面の状態を示し、図８の（ｂ）はエッチング加工後の端面の状態を示している。
【００３５】
即ち、柱状体１０をエッチング液１９に浸す前は、圧電素子１１の端面（図８では上面）と、第１電極１２及び第２電極１３の端面（図８では上面）とは同一平面上にある。エッチング液１９に浸すと、第１電極１２及び第２電極１３で覆われている柱状体の外周面はエッチングされずにそのまま残る。また、柱状体の端面１０ａ及び１０ｂは、端面に露出している第１電極１２及び第２電極１３の部分はエッチングされずにそのまま残り、端面に露出している圧電素子１１のみがエッチングされて、第１電極１２及び第２電極１３の端面が圧電素子１１の端面から突出した凹凸面が形成される。
【００３６】
以上で柱状体１０のエッチング加工が終了したので、この後、第１電極１２及び第２電極１３にリード線を接続し、分極処理して圧電変換素子が完成する。
【００３７】
次に、上記の工程で製作された圧電変換素子を使用し、アクチエータを製作する際の、圧電変換素子と他の部材との接合加工について説明する。
【００３８】
ここでは、柱状体の圧電変換素子の軸方向の伸縮振動により駆動部材に軸方向の伸び速度と縮み速度が異なる振動を発生させ、駆動部材に摩擦結合した移動体を所定方向に移動させるアクチエータについて説明する。
【００３９】
まず、圧電変換素子を使用したアクチエータの構成を説明する。図９はアクチエータ２０の断面図で、固定部材２１に圧電変換素子１０の一方の端面１０ａを接着剤２４で接着固定し、圧電変換素子の他方の端面１０ｂに駆動部材であるカーボン軸２３を接着剤２４で接着固定する。カーボン軸２３は固定部材２１の上に設けた支持部２１ａ及び２１ｂにより、軸方向に移動自在に支持される。
【００４０】
カーボン軸２３に移動体２７を適当な摩擦力で摩擦結合させ、圧電変換素子１０の第１電極１２及び第２電極１３の間に、駆動パルス発生回路２５から駆動パルスを供給すると、圧電変換素子１０には軸方向の伸び速度と縮み速度が異なる伸縮振動が発生し、カーボン軸２３に伝達される。カーボン軸２３の前記伸縮振動により、カーボン軸２３に摩擦結合した移動体２７は速度の遅い振動方向、例えば矢印ａ方向に移動する。
【００４１】
圧電変換素子１０と、固定部材２１及び駆動部材であるカーボン軸２３との接合加工について説明する。この実施の形態では、接着剤２４としてエポキシ系の接着剤を使用するものとする。圧電変換素子１０の端面１０ａ及び１０ｂには、第１電極１２及び第２電極１３が露出しているから、導電牲のカーボン軸２３を接着剤２４により接着固定すると、電極相互が短絡するおそれがある。
【００４２】
そこで、圧電変換素子の端面１０ａと固定部材２１との間、及び圧電変換素子の端面１０ｂとカーボン軸２３との間に絶縁層を形成するため、直径約２０μｍのガラス粒子を体積比で約１０％混入した接着剤２４を使用する。なお、ガラス粒子の直径が約５〜５０μｍ、混入比が体積比で５〜５０％でもほぼ同様の効果が得られた。また、絶縁層を形成するための材料としては、ガラス粒子の他、合成樹脂の粒子でも同様の効果が得られた。
【００４３】
圧電変換素子１０の接合面となる端面１０ａ及び１０ｂは、上記したエッチング加工により第１電極１２及び第２電極１３が圧電素子１１から突出した凹凸形状に加工されているので、端面を単純に粗面に加工した従来のものよりも凹凸が大きく、従来のものよりも強固に接合することができる。
【００４４】
次に、接合面の接着強度の比較試験について説明する。図１０は、従来の圧電変換素子の軸方向の端面にＰＺＴ（この場合は、端面に電極が露出していない構成のもの）が露出している構成のものにおいて、圧電変換素子の軸方向の端面とカーボン軸とをエポキシ系接着剤で接着した場合の接着強度を示す図であって、図１０の（ａ）は圧電変換素子の軸方向の端面に何等加工を加えていない場合で、接着強度は略１６０ｋｇｆ／ｃｍ2 程度を示し、図１０の（ｂ）は軸方向の端面をエッチング加工した場合で、接着強度は略１８０ｋｇｆ／ｃｍ2 程度を示している。
【００４５】
また、図１１は、圧電変換素子の軸方向の端面にＰＺＴと電極が露出している構成のものにおいて、圧電変換素子の軸方向の端面とカーボン軸とをエポキシ系接着剤で接着した場合の接着強度を示す図で、図１１の（ａ）は圧電変換素子の軸方向の端面（ＰＺＴ及び電極が露出）に何等加工を加えていない場合で、接着強度は略１８０ｋｇｆ／ｃｍ2 程度を示し、図１１の（ｂ）は圧電変換素子の軸方向端面（ＰＺＴ及び電極が露出）に選択的にエッチング加工した場合で、接着強度は略３００ｋｇｆ／ｃｍ2 以上を示している。
【００４６】
図１０及び図１１から明らかなように、圧電変換素子の軸方向の端面（ＰＺＴ及び電極が露出）に選択的にエッチング加工を施すと、接着強度が著しく向上することが分かる。
【００４７】
図１２は、エッチング加工の深さと接着強度の関係を示す図で、横軸にエッチング加工でできた凹みの深さを電極の厚みで割算したアスペクト比を、縦軸に接着強度をとって示した。
【００４８】
図１２から明らかなように、アスペクト比が５以下では接着強度が略１８０ｋｇｆ／ｃｍ2 程度以上あり、アスペクト比が大きくなり過ぎると接着強度が低下することが示されている。
【００４９】
［第２の実施の形態］
第２の実施の形態の圧電変換素子は、圧電セラミックス系圧電材料からなるシート状の圧電素子を、各圧電素子の間に第１電極１２及び第２電極１３を交互に挟んで積層して構成した圧電変換素子である。
【００５０】
第２の実施の形態の圧電変換素子３０も、グリーンシートの製造、第１電極及び第２電極の形成、積層、焼成処理、積層体の端部の切断加工、切断面のエッチング処理、電極へのリード線の接続加工及び分極処理の工程を経る。第１の実施の形態のものの製作工程では、２つ折りした積層体を柱状体に巻上げているのに対し、第２の実施の形態のものでは単に積層した点で相違するが、その他の工程は第１の実施の形態の圧電変換素子と同様であるので、同一部材には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００５１】
図１３は、上記したように、圧電セラミックス系圧電材料からなるシート状の圧電素子と、白金（Ｐｔ）系電極材料からなる第１電極１２及び第２電極１３を交互に挟んで積層して構成した圧電変換素子（積層体）３０の構成を示す斜視図で、以下の説明では積層体３０と言うことがある。この積層体３０を所定温度で焼成後、第１電極１２及び第２電極１３が露出した端部をダイサーと呼ばれる切断装置により切断加工する。
【００５２】
次に、積層体３０の切断面のエッチング加工について説明する。切断加工された積層体の端面３０ａは鏡面に近い仕上面となっており、圧電素子１１の端面と白金（Ｐｔ）系電極材料からなる第１電極１２及び第２電極１３の端面が露出しているから、圧電素子の材料であるＰＺＴを溶かし、白金（Ｐｔ）を溶かさない酸、例えば硝酸とフッ酸を混合したエッチング液で、端面３０ａに露出している圧電素子部分であるＰＺＴのみを選択的にエッチング加工する。
【００５３】
図１４はエッチング加工の前後の積層体３０の端面の状態を説明する拡大した断面図で、図１４の（ａ）はエッチング加工前の端面の状態を示し、図１４の（ｂ）はエッチング加工後の端面の状態を示している。
【００５４】
即ち、積層体３０をエッチング液に浸す前は、圧電素子１１の端面（図１４では上面）と、第１電極１２及び第２電極１３の端面（図１４では上面）とは同一平面上にある。エッチング液に浸すと、第１電極１２及び第２電極１３の部分はエッチングされずにそのまま残り、圧電素子１１の端面のみがエッチングされ、第１電極１２及び第２電極１３の端面が圧電素子１１の端面から突出した凹凸面が形成される。
【００５５】
［第３の実施の形態］
第３の実施の形態の圧電変換素子も、圧電セラミックス系圧電材料からなるシート状の圧電素子を、各圧電素子の間に第１電極及び第２電極を交互に挟んで積層して構成した圧電変換素子である。第２の実施の形態のものと類似した構成を備えているが、電極材料が相違し、また焼成処理の後に積層する点で相違する。
【００５６】
グリーンシートの製作は第１の実施の形態のものと変わらない。以下、第２の実施の形態の圧電変換素子と同一部材には同一符号を付して詳細な説明を省略し、相違点を中心に説明する。
【００５７】
図１５は、第３の実施の形態の圧電変換素子４０の構成を示す斜視図で、以下の説明では積層体４０と言うことがある。まず、圧電セラミックス系圧電材料からなるグリーンシートと呼ばれるシート状の圧電素子１１を所定の大きさに切断して焼成処理を行う。次に、焼成処理した圧電素子１１の表裏両面にアルミニウムを主成分とする電極材料を塗布するなどして、第１電極４２及び第２電極４３を形成し、このシートを複数枚積層して積層体４０を構成する。
【００５８】
この積層体４０の、第１電極４２及び第２電極４３が露出した端部をダイサーと呼ばれる切断装置により切断加工する。
【００５９】
次に、積層体４０の切断面のエッチング加工について説明する。切断加工された積層体の端面４０ａは鏡面に近い仕上面となっており、アルミニウムを主成分とする電極材料からなる第１電極４２及び第２電極４３の端部が露出しているから、圧電素子の材料であるＰＺＴは溶かさず、アルミニウム（Ａｌ）のみを溶かすアルカリ溶液、例えば水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）を含むエッチング液で端面４０ａに露出している第１電極４２及び第２電極４３のみを選択的にエッチング加工する。
【００６０】
図１６はエッチング加工の前後の積層体４０の端面の状態を説明する拡大した断面図で、図１６の（ａ）はエッチング加工前の端面の状態を示し、図１６の（ｂ）はエッチング加工後の端面の状態を示している。
【００６１】
即ち、積層体４０をエッチング液に浸す前は、圧電素子１１の端面（図１６では上面）と、第１電極４２及び第２電極４３の端面（図１６では上面）とは同一平面上にある。エッチング液に浸すと、第１電極４２及び第２電極４３の端面のみがエッチングされ、圧電素子１１はエッチングされずに残り、第１電極４２及び第２電極４３の端面が圧電素子１１の端面より凹んだ凹凸面が形成される。
【００６２】
この実施の形態によれば、焼成後に電極を形成し、電極が焼成時の熱の影響を受けることがないから、電極材料としてアルミニウムを主成分とする材料を使用することができる。
【００６３】
また、エッチング加工によりアルミニウムを主成分とする電極材料がエッチングされ、第１電極４２及び第２電極４３は圧電素子１１の端面から凹むから、第１及び第２の実施の形態の場合のように、圧電変換素子と固定部材及び駆動部材（カーボン軸）との間に絶縁層を設ける必要がない。即ち、接合加工に使用する接着剤にガラス粒子などを混入する必要がなく、より強固に接合することができる。
【００６４】
［第４の実施の形態］
第４の実施の形態の圧電変換素子は、第１の実施の形態の圧電変換素子と同じく、圧電セラミックス系圧電材料からなるシート状の圧電素子の表面及び裏面に第１電極及び第２電極を形成し、これを略中央部で２つ折りして折曲部を中心にして巻上げて柱状体に構成した圧電変換素子である。
【００６５】
第１の実施の形態のものと類似した構成を備えているが、第１の実施の形態における積層体の切断面のエッチング加工に代えて、スパッタリング加工を行う点で相違する。以下、第１の実施の形態の圧電変換素子と同じ部材には同一符号を付して詳細な説明を省略し、相違点を中心に説明する。
【００６６】
図１７は第４の実施の形態の圧電変換素子５０の外観を示す斜視図である。圧電変換素子５０は、圧電セラミックス系圧電材料からなるシート状の圧電素子１１と、白金（Ｐｔ）系電極材料からなる第１電極１２及び第２電極１３を交互に挟んで積層した積層体を、その略中央部で２つ折し、折曲部１４を中心にして圧電素子相互が積層されるように巻上げて柱状体に形成する。さらに、この積層体５０を所定温度で焼成後、第１電極１２及び第２電極１３が露出した端部をダイサーと呼ばれる切断装置により切断加工する。
【００６７】
この構成の柱状体（又は筒状体、以下、説明の都合上、両者を含め柱状体という）では、図１７から明らかなように、柱状体の外周面に第１電極１２と第２電極１３とが露出し、また、柱状体の軸方向の両端面にも渦巻状に第１電極１２と第２電極１３の端面が露出する。
【００６８】
次に、柱状体（圧電変換素子）５０の切断面に露出した電極のスパッタリング加工について説明する。図１８は柱状体５０のスパッタリング加工を説明する概念図で、真空容器５８の内部に第１の加工電極５５及び第２の加工電極５６を配置し、前記柱状体５０の一方の端面に露出した第１電極１２及び第２電極１３を第１の加工電極５５に接続し、柱状体５０の他方の端面に露出した第１電極１２及び第２電極１３を第２の加工電極５６に対向させる。
【００６９】
真空容器５８の内部を真空とし、第１の加工電極５５を電源５７の正極に、第２の加工電極５６を電源５７の負極に接続すると、第１電極１２及び第２電極１３から白金（Ｐｔ）イオンが第２の加工電極５６に向けて飛び出し、柱状体５０の他方の端面に露出した第１電極１２及び第２電極１３は腐食により凹む。
【００７０】
図１９はスパッタリング加工の前後の柱状体１０の端面の状態を説明する拡大した断面図で、図１９の（ａ）はスパッタリング加工前の柱状体１０の端面の状態を、図１９の（ｂ）はスパッタリング加工後の端面の状態を示している。
【００７１】
即ち、柱状体１０の端面をスパッタリング加工する前は、圧電素子１１の端面と、第１電極１２及び第２電極１３の端面（図１９では上面）とは同一平面上にあるが、スパッタリング加工後は、端面に露出している第１電極１２及び第２電極１３の部分が圧電素子１１の部分であるセラミックスが端面から凹んで、端面は凹凸面に形成される。
【００７２】
この実施の形態によれば、スパッタリング加工により第１電極１２及び第２電極１３は圧電素子１１の端面から凹むから、第３の実施の形態の場合と同様に、固定部材及び駆動軸（カーボン軸）との間に絶縁層を設ける必要がない。即ち、接合加工に使用する接着剤にガラス粒子などを混入する必要がなく、より強固に接合することができる。
【００７３】
［第５の実施の形態］
第５の実施の形態の圧電変換素子は、第１の実施の形態の圧電変換素子と同じく、圧電セラミックス系圧電材料からなるシート状の圧電素子の表面及び裏面に第１電極及び第２電極を形成し、略中央部分の折曲部で２つ折りして積層し、この積層体を巻上げて柱状体に構成した圧電変換素子である。
【００７４】
第１の実施の形態の説明では、柱状体１０の外周面は白金（Ｐｔ）系の電極材料からなる第１電極１２及び第２電極１３で覆われているから、柱状体１０の外周面はエッチング加工によってもエッチングされないと説明した。
【００７５】
圧電変換素子（柱状体）１０の外周面が完全に電極材料で覆われているときはエッチングされない。しかしながら、シート状の圧電素子の表面及び裏面にスクリーン印刷その他の方法で電極材料を塗布するとき、図２０に示すように、柱状体１０の外周面に、塗布むらにより圧電素子（ＰＺＴ）がスポット状１１ｄに露出する場合がある。また、柱状体に巻上げたシート状の圧電素子の巻上げ方向の端部１１ｅ及び１１ｆには電極材料が被覆されることはないから（電極材料で被覆すると第１電極１２及び第２電極１３が短絡してしまう）、この部分で圧電素子（セラミックス）が露出することは避けられない。
【００７６】
そこで、第５の実施の形態では、柱状体１０の外周面をさらに被覆し、切断面のみをエッチング加工するようにしている。以下、図２１を参照してこの加工法を説明する。
【００７７】
図２１は、第５の実施の形態の加工法に使用する作業用の固定台を説明する図で、図２１の（ａ）は固定台の上に柱状体を固定した状態を示す平面図、図２１の（ｂ）は固定台のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【００７８】
図２１の（ａ）及び（ｂ）において、６１は合成樹脂、例えばテフロン樹脂（商標名）で形成された作業用の固定台、７０は第１の実施の形態の柱状体と同じく、圧電セラミックス系圧電材料からなるシート状の圧電素子を、各圧電素子の間に第１電極及び第２電極を交互に挟んで２つ折りして積層し、この積層体を巻上げて柱状体に構成した柱状体であり、複数個の柱状体（圧電変換素子）が一体に形成されている。
【００７９】
固定台６１の上には、上記した一体形成された柱状体７０を並べるための断面Ｖ字状の溝６２が複数個設けられているほか、前記Ｖ字状の溝６２と直交する方向に、第１の実施の形態において説明した切断装置（ダイサー）のカッターの逃げ溝６３が複数個設けられている。逃げ溝６３の相互の間隔は、一体形成された柱状体７０から切り出される個々の柱状体（圧電変換素子）の長さ方向の寸法により決定される。
【００８０】
固定台６１の上の複数個のＶ字状の溝６２のそれぞれに一体形成された柱状体７０を並べ、その上から柱状体７０とＶ字状の溝６２との全体を覆うように接着剤６４、例えばゴム系の接着剤を流して柱状体７０を固定台６１に接着固定し、図示しないダイサーのカッターが逃げ溝６３に沿って移動するようにダイサーを操作して柱状体７０を切断する。
【００８１】
第１の実施の形態で説明したものと同じエッチング液を準備し、切断された柱状体７０を、固定台６１ごとエッチング液に浸漬すると、接着剤６４で覆われた柱状体の外周面はエッチング液に接触しないからエッチングされない。また、ダイサーにより切断された柱状体７０の切断面はエッチング液に接触し、端面に露出している圧電素子１１のみがエッチングされて、第１電極１２及び第２電極１３の端面が圧電素子１１の端面から突出した凹凸面が形成される。
【００８２】
エッチング加工の終了後、エッチング液から固定台６１を引上げ、接着剤６４を適当な溶剤、例えばアセトンにより溶剤することにより、エッチング加工された個々の柱状体（圧電変換素子）１０を得ることができる。
【００８３】
この実施の形態によれば、シート状の圧電素子の表面及び裏面にスクリーン印刷その他の方法で電極材料を塗布するときに生じるスポット状の孔や、圧電素子の巻上げ方向の端部の電極材料で被覆されない部分も接着剤で覆われるから、エッチング加工においてもエッチングされることがない。また、一体形成された１つの柱状体から複数個の柱状体（圧電変換素子）を切り出すと共にエッチング加工まで行うことができ、作業効率を高めることができる。
【００８４】
［第６の実施の形態］
第６の実施の形態は、前記した第１、第４、及び第５の実施の形態の圧電変換素子と同じく、圧電セラミックス系の圧電材料からなるシート状の圧電素子の表面及び裏面に第１電極及び第２電極を形成し、略中央部分の折曲部で２つ折りして積層し、折曲部を中心にして圧電素子相互が積層されるように巻上げて柱状体に形成した圧電変換素子に関するものである。
【００８５】
この構成では、図３に示した第１の実施の形態の圧電変換素子で説明すれば、略中央部分の折曲部１４で２つ折りして積層し、巻上げて柱状体に形成したとき、柱状体の外周面に第１電極及び第２電極が露出するが、外周面に露出した第１電極１２、及び第２電極１３は共に白金（Ｐｔ）の金属色を呈しており、第１電極及び第２電極の端部の位置が分かりにくく、電極へのリード線の接続加工が容易に行えない。
【００８６】
そこで、第６の実施の形態では、図２２及び図２３に示すように、シート状の圧電素子１１の表面及び裏面に第１電極８２及び第２電極８３をスクリーン印刷等の手段で形成するとき、その電極には、白金（Ｐｔ）系電極材料からなる電極材料をスクリーン印刷等の手段で塗布するが、第１電極８２の巻上げ方向の端部（柱状体に巻上げるときの巻上げ方向の端部）８２ａ、及び第２電極８３の巻上げ方向の端部（柱状体に巻上げるときの巻上げ方向の端部）８３ａには、白金（Ｐｔ）系電極材料にカドミウム（Ｃｄ）を添加した電極材料を使用する。
【００８７】
この構成によれば、図２４に示すように、略中央部分の折曲部１４で２つ折りして積層し、巻上げて柱状体に形成した後、焼成処理を行うと、第１電極の端部８２ａ及び第２電極の端部８３ａはカドミウム（Ｃｄ）が変色し、白金（Ｐｔ）電極である第１電極８２及び第２電極８３との識別が容易となり、電極へのリード線の接続加工を容易に行うことができる。
【００８８】
【発明の効果】
以上詳細に説明したとおり、請求項１の発明は、セラミックス系圧電材料で構成されたシート状圧電素子と電極体とを積層した積層体から構成された圧電変換素子において、前記圧電変換素子を他部材へ接着固定する接合面が、圧電素子と電極体とのいずれか一方が突出する凹凸面に形成されたものである。
【００８９】
また、請求項９の発明は、セラミックス系圧電材料で構成されたシート状圧電素子と電極体とを積層した積層体から構成された圧電変換素子における圧電変換素子を他部材へ接着固定する接合面の加工方法であって、接合面に露出する圧電素子と電極体とのいずれか一方を選択的に腐食して凹凸面に加工する加工方法である。
【００９０】
さらに、請求項１０の発明は、上記した他部材へ接着固定する接合面が凹凸面に形成された圧電変換素子と、圧電変換素子を固定する固定部材と、圧電変換素子に固定される駆動部材と、駆動部材により駆動される被駆動部材を備えた圧電変換素子を使用したアクチエータにおいて、圧電変換素子と固定部材及び駆動部材との接合が、凹凸面である接合面に接着剤を適用して接合されているアクチエータである。
【００９１】
この発明によれば、圧電変換素子を他部材へ接着固定する接合面が、圧電素子と電極体とのいずれか一方が突出する凹凸面に形成されるから、従来のものに比較して接着強度を十分に高めることができ、圧電変換素子を高速で長時間駆動するときも接合面が剥がれるおそれがなく、長期間にわたり安定して駆動することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態の圧電変換素子の素材である圧電素子を示す斜視図。
【図２】図１に示す圧電素子を２つ折りした状態の斜視図。
【図３】図１に示す圧電素子を柱状体に形成した圧電変換素子の外観を示す斜視図。
【図４】巻取軸を使用して圧電素子を筒状体に形成する工程を説明する図。
【図５】圧電素子を焼成する時の温度条件を説明する図。
【図６】柱状体（圧電変換素子）の軸方向両端部の切断加工を説明する図。
【図７】柱状体（圧電変換素子）のエッチング加工を説明する概念図。
【図８】エッチング加工の前後の柱状体の端面の状態を説明する拡大断面図。
【図９】圧電変換素子を使用したアクチエータの断面図。
【図１０】圧電変換素子の軸方向の端面（電極なし）にエッチング加工した場合としない場合との接着強度の比較説明図。
【図１１】圧電変換素子の軸方向の端面（ＰＺＴ及び電極が露出）にエッチング加工した場合としない場合との接着強度の比較説明図。
【図１２】エッチング加工の深さと接着強度の関係を説明する図。
【図１３】第２の実施の形態の圧電変換素子の構成を示す斜視図。
【図１４】エッチング加工の前後の積層体の端面の状態を説明する拡大断面図。
【図１５】第３の実施の形態の圧電変換素子の構成を示す斜視図。
【図１６】エッチング加工の前後の積層体の端面の状態を説明する拡大断面図。
【図１７】第４の実施の形態の圧電変換素子の外観を示す斜視図。
【図１８】電極のスパッタリング加工を説明する概念図。
【図１９】スパッタリング加工の前後の柱状体の端面の状態を説明する拡大断面図。
【図２０】塗布むらにより生じる柱状体外周面の電極材料で覆われない部分、及び圧電素子の巻上げ方向端部の電極材料で覆われていない部分を説明する図。
【図２１】第５の実施の形態の加工法に使用する作業用の固定台を説明する図。
【図２２】第６の実施の形態における圧電変換素子の素材である圧電素子上に形成する第１電極及び第２電極を説明する図（その１）。
【図２３】第６の実施の形態における圧電変換素子の素材である圧電素子上に形成する第１電極及び第２電極を説明する図（その２）。
【図２４】第６の実施の形態の圧電変換素子の外観を示す斜視図。
【図２５】従来の圧電変換素子を使用したアクチエータの組み立て工程を説明するため分解した斜視図。
【図２６】図２５に示す従来の圧電変換素子を使用したアクチエータの斜視図。
【符号の説明】
１０  圧電変換素子（柱状体）
１０ａ、１０ｂ  端面
１１  圧電素子
１２  第１電極
１３  第２電極
１４  折曲部
１９  エッチング液
２０  アクチエータ
２１  固定部材
２３  カーボン軸（駆動軸）
２４  接着剤
２５  駆動パルス発生回路
２７  移動体（被駆動部材）
３０  圧電変換素子（積層体）
４０  圧電変換素子（積層体）
４２  第１電極
４３  第２電極
５０  圧電変換素子（柱状体）
５５  第１の加工電極
５６  第２の加工電極
５７  電源
５８  真空容器
６１  固定台
６２  断面Ｖ字状の溝
６３  逃げ溝
６４  接着剤
７０  柱状体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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