(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、熱処理、熱衝撃に対して劣化が少ない、安価に構成できる超音波モータ素子およびその製造方法を提供することを課題とする。【解決手段】  金属チューブ５１にエアロゾルデポジション法にて形成したＰＺＴ膜５４にスリット５３を形成する。【選択図】  図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の表面に形成された圧電膜に２以上の電極を有する超音波モータ素子であって、前記圧電膜に、１以上のスリットを設けたことを特徴とする超音波モータ素子。
【請求項２】
前記基板が円柱或いは円筒形状であることを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ素子。
【請求項３】
前記スリットを前記円柱または前記円筒の外周面の軸方向に設けたことを特徴とする請求項２に記載の超音波モータ素子。
【請求項４】
前記基板表面の前記スリットを設ける位置に予めマスクを付し、前記圧電膜をエアロゾルデポジション法により前記マスクを付した前記基板表面に１０μｍ以上形成した後、前記マスクを除去して前記スリットを形成することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の超音波モータ素子の製造方法。
【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好適な超音波モータ素子およびその製造方法に関する。
【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、電磁ノイズを発生せず、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、デジタルカメラやカメラ付携帯電話機などの撮像機器の小型化、高性能化が進み、こ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。小型の超音波モータ素子としては、金属チューブの撓み振動を利用した超音波モータ素子が提案されている。図１は、従来の超音波モータ素子の斜視図である。これは、金属チューブ３１の外周部に加工で平面部を２箇所設け、前記平面部各々に圧電セラミックス板３２を接着剤で貼り付けた構造になっている。このような構造の超音波モータ素子は非特許文献１に開示されている。
【０００４】
また、水熱合成法により、金属チューブ表面にジルコン酸チタン酸鉛（以下、ＰＺＴと呼ぶ）の圧電材料で圧電膜を形成した超音波モータ素子が提案されている。図２は、水熱合成法による超音波モータ素子の斜視図である。この超音波モータ素子は、金属の円筒殻４１に水熱合成法によりＰＺＴ膜４２が形成され、ＰＺＴ膜４２表面に４つの電極４３ａ，電極４３ｂ，電極４３ｃ，電極４３ｄが設けられている。このような構造の超音波モータ素子は、特許文献１或いは非特許文献２に開示されている。
【０００５】
【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】
【０００６】
従来の超音波モータ素子は、例えば、前述したような圧電セラミックス板を接着剤で接着した構造となっているが、接着層が存在するので圧電セラミックス板が発生した振動が減衰して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。
【０００７】
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、薄膜法である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法）や前記水熱合成法等がある。また、厚膜法として、スクリーン印刷法、界面重合法等もある。超音波モータ素子を超音波モータとして駆動するには一定の発生力が必要となるため、最低５μｍ以上の厚膜が必要となる。しかしながら、前記ＰＶＤ法、ＣＶＤ法、ＣＳＤ法は圧電材料を堆積させる薄膜の形成には適するが、５μｍ以上の厚膜を形成することは困難である。前記水熱合成法でも膜圧は数十μｍとされているが、数十μｍ圧電膜を成長させるには、かなりの時間を必要とする。
【０００８】
また、スクリーン印刷法や界面重合法では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という問題がある。一方、前記水熱合成法により形成したＰＺＴ膜は圧電定数ｄ３１＝−３０ｐｍ／Ｖ、機械的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。
【０００９】
従って、本発明は、上記従来技術の問題点を解決することを課題とする。具体的には、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素子およびその製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するために、以下の手段を採用した。即ち、膜厚が５μｍ以上の圧電厚膜であること、主成分がＰＺＴ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（以下、ＡＤ法とよぶ）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を得ることをその要旨とする。
【００１１】
本発明によれば、基板の表面に形成された圧電膜に２以上の電極を有する超音波モータ素子であって、前記圧電膜に、１以上のスリットを設けたことを特徴とする超音波モータ素子が得られる。
【００１２】
また、本発明によれば、前記基板が円柱或いは円筒形状であることを特徴とする超音波モータ素子が得られる。
【００１３】
また、本発明によれば、前記スリットを前記円柱または前記円筒の外周面の軸方向に設けたことを特徴とする超音波モータ素子が得られる。
【００１４】
さらに、本発明によれば、前記基板表面の前記スリットを設ける位置に予めマスクを付し、前記圧電膜をＡＤ法により前記マスクを付した前記基板表面に１０μｍ以上形成した後、前記マスクを除去して前記スリットを形成することを特徴とする超音波モータ素子の製造方法が得られる。
【００１５】
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良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、圧電セラミックス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。
【００１６】
圧電セラミックス材料で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。
【００１７】
ＡＤ法とは、Ｈｅ、Ｎ2、Ｏ2などのガス中に浮遊させたセラミックス粒子を加速し、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り、Ｑｍの大きい圧電厚膜を形成する方法として、膜厚が５μｍ以上の圧電厚膜において、
（１）平均結晶粒径を数百ｎｍ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ること、
など従来技術に比べ優れた性能を示す超音波モータ素子の提供が可能となる。
【００１８】
本発明では、膜厚が１０μｍ以上の圧電膜をＡＤ法により形成し、1本以上のスリットを設けることにより、熱処理、熱衝撃による性能劣化を改善できる。また、圧電膜形成時にマスキング材をマスクとして被圧電膜形成体に配し、ＡＤ法により圧電膜を形成することで、スリットを容易に形成できる。
【発明の効果】
【００１９】
上記の如く、本発明によれば、金属チューブまたは金属棒表面にＡＤ法により圧電膜を形成することで、振動変位が大きく、共振周波数のばらつきが少なく、熱処理、熱衝撃に対して劣化が少ない、安価に作製できる超音波モータ素子およびその製造方法を提供することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２１】
図３は、本発明に係る超音波モータ素子の斜視図である。本発明に係る超音波モータ素子は、円筒形状をした金属チューブ５１の側面５３ａに、ＡＤ法によりＰＺＴ膜５４を形成し、さらにＰＺＴ膜５４の表面の長手方向に電極５５を形成してなる。ここで、ＡＤ法によりＰＺＴ膜５４を形成する際に、スリット５３を設けて、ＰＺＴ膜５４を金属チューブ５１の側面５３ａ上で分割してある。
【００２２】
前記ＰＺＴ膜は、圧電性を有する材料で、ＡＤ法にて金属チューブの側面５３ａに膜が形成できる材料であれば、ＰＺＴに限定されるものではない。また、スリット５３の位置、数、形状等はＰＺＴ膜を形成する面に任意に設定できる。さらに電極５５は、金、白金等の材質や、スパッタ法や蒸着法等の形成方法も適宜設定すればよい。
【実施例】
【００２３】
以下、具体的な例を挙げ、本発明の超音波モータ素子についてさらに詳しく説明する。
【００２４】
図４は、本発明の実施例に係る超音波モータ素子の製造方法を説明する斜視図である。本実施例では、まず、金属チューブ５１の側面５３ａに、対向する２本の帯状のマスキングテープ５２を貼り付けた。
【００２５】
金属チューブ５１には、ＳＵＳ４３０材(ＪＩＳ規格によるステンレス鋼)で形状が外径２.4ｍｍ、内径２ｍｍ、長さ１０ｍｍのチューブを使用した。マスキングテープ５２は耐熱性の高い幅０．５ｍｍ、厚さ６０μｍの樹脂テープを使用した。
【００２６】
次に、ＡＤ法により、金属チューブ５１の表面にＰｂ（Ｚｒ0.52Ｔｉ0.48）Ｏ3のＰＺＴ膜を形成した。図５は、本発明の実施例に係る超音波モータ素子の製造方法を説明する断面図である。図５は、前記ＡＤ法により、ＰＺＴ膜５４が形成された金属チューブ５１の長手方向と垂直な面での断面を示している。図５に示すように金属チューブ５１の表面に形成したＰＺＴ膜５４は前記マスキングテープ５２を除去して成るスリット５３によって２つに分割される。
【００２７】
次に、上記のＰＺＴ膜５４が形成された金属チューブ５１を６００℃で３０分、大気中で熱処理した後、ＰＺＴ膜５４の表面にスパッタ工法によりＡｕ電極を形成した。
【００２８】
図６は、本発明の実施例に係る超音波モータ素子を示す断面図である。図６は、前記ＰＺＴ膜５４とＡｕ電極を形成した金属チューブ５１の長手方向と垂直な面での断面を示している。図６に示すように、対向する前記スリット５３を結ぶ線Ａと、金属チューブ５１の内径中心を通り線Ａに垂直な線Ｂそれぞれに対して線対称となる位置でＰＺＴ膜５４の表面に、４つの前記Ａｕ電極５５を形成した。ここで、分極処理として、前記Ａｕ電極５５と金属チューブ５１を電極として４０Ｖの電圧を２５０℃の環境下で１０分間印加して、超音波モータ素子を製作した。
【００２９】
実施例においては、製造方法の良否を判断するために、マスキングテープ５２を貼らず、スリット５３を形成しない試料と、マスキングテープ５２を１本にしてスリット５３を１本にした試料も製作し、それぞれにＰＺＴ膜が１０μｍ、２０μｍ、３０μｍの３種類の試料を製作して、前記６００℃で３０分の熱処理の影響を調べた。その結果を表１に示す。
【００３０】
【表１】
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【００３１】
表１に示したように、スリット５３が無い圧電膜は膜の厚さが厚くなるに従い、熱処理の影響を受け、圧電膜にクラックが発生し、超音波モータ素子の製作ができない。一方、本発明による圧電膜にスリット５３を１本以上形成することで、熱処理の影響を受けずにクラックが入らない信頼性に優れた超音波モータ素子が製作できることがわかる。
【００３２】
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。また、本実施例では、金属チューブとしてＳＵＳ４３０を使用したが、Ｎｉ系合金、Ｃｕ系合金等、他の材質の金属を用いても良い。さらに、実施例では表面電極を４箇所に形成したが、超音波モータ素子は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箇所に限定されるものではない。
【００３３】
本実施例では、原材料粉末にＰＺＴを使用したが、それ以外にも、ＰＺＴにＭｎＯを１．０ｗｔ％添加した粉末、ＰＺＴに５ｍｏｌ％Ｐｂ（Ｍｎ1/3Ｓｂ2/3）Ｏ3を添加した粉末、ＰＺＴにＰｂ（Ｍｎ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3を５ｍｏｌ％添加した粉末等、ＡＤ法による圧電膜が形成できる材料であれば、同様の効果を有する。
【００３４】
本実施例では金属チューブ５１に円筒形状のものを使用したが、円筒形状に限定されるものではなく、断面が多角形の筒形状、もしくは円柱、多角柱などの柱状としても良い。
【００３５】
上記の如く、本発明によれば、金属チューブまたは金属棒の表面にＡＤ法により形成した圧電膜にスリットを設けることにより、熱処理、熱衝撃による特性の劣化を減少でき、Ｑｍが大きく振動変位が大きい超音波モータ素子が得られ、接着層が無いので共振周波数のばらつきが少なく、ＡＤ法の採用により高速で圧電膜が形成できるので安価に作製できる、超音波モータ素子およびその製造方法の提供が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は、超音波モータ素子にとして利用できる他、圧電厚膜を利用したバイモルフ型やユニモルフ型等の微小駆動用超音波アクチュエータデバイス、センサデバイス、音響デバイスとして利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】従来の超音波モータ素子の斜視図。
【図２】水熱合成法による超音波モータ素子の斜視図。
【図３】本発明に係る超音波モータ素子の斜視図。
【図４】実施例に係る超音波モータ素子の製造方法を説明する斜視図。
【図５】実施例に係る超音波モータ素子の製造方法を説明する断面図。
【図６】実施例に係る超音波モータ素子の断面図。
【符号の説明】
【００３８】
３１，５１    金属チューブ
３２    圧電セラミックス板
４１    円筒殻
４２，５４    ＰＺＴ膜
４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄ    電極
５２    マスキングテープ
５３    スリット
５３ａ    側面
５５    電極  
【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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