專利名稱：：用于超聲電機的壓電致動器元件的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉AJU于超聲電機的壓電致動器元件。
背景技術：
：利用J科生體的共l^莫式的超聲電才;i4空制性優(yōu)異，特別是作為用于精密定位的致動器而受到關注。jtut,作為各階段用的致動器，要求幾〖生超聲電機的情況較多，提出并研究了許多的類型。其中，4研究利用矩形板的縱向(伸縮)振動和彎曲振動的合成振動的樹超聲電機(例如，參考專利文獻l)。其中，例如專利文獻l所示的原理的超聲電積^各種用途中得到了實用。專利文獻l公開了以下原理沿厚度方向對矩形的壓電元件單板進4封及化處理，并且設置分割為四個的電極，4&勾成對角的電極作為一組，通錄一組電極Ji^。驅動信號，激勵由壓電元件構成的振動體縱向振動和彎曲振動，驅動與^l妄觸的部件。itW卜，在專利文獻2中，公開了使用一次縱向、二欠彎曲模式的超聲電枳丸件，其中有由交替層疊矩形的壓電層和將該壓電層分割為大致相等的兩部分而形成的電極層而構成的壓電致動器元件的相關記載。圖13U)、(b)示出該壓電致動器元件的概略圖，示出了交替層疊壓電層10和電極層12的結構。該壓電致動器元件也與在上述專利文獻1中記載的結構的壓電元件進^^目同的動作，激勵由壓電元件構成的振動體縱向振動和彎曲振動，驅動與^t妄觸的部件。專利文獻l:特許2980541號公報專利文獻2:ACTUATOR2006予言線AU(PiezoelectricUltrasonicMotorsforLensPositioningofCellularPhoneCameraModules)但是，在專利文獻l中記載的結構中，由于振動體的驅動需要極高的電壓，需要大型的升壓電路，因此導致驅動電路大型化、復刺匕，并且驅動電路的^#~^艮高。在這種情況下，難以應用于小型的機器，特別是由電^k4區(qū)動的用途。此外，作為振動體的結構，當壓電元件的厚度薄時不能得到充分的輸出，同時才M成強度也Pff氐，存在3破損的危險。j)^卜，在專利文獻2中記載的超聲電機元件中，與專利文獻1中記載的結構相比，存在驅動電路小型化的優(yōu)點，但是，元件中央部的壓電燒結性惡化，容易產生遷移，Jtl^卜，為了在極化時高歲&射及化而進行交^^及化時，存在元件內部產生的熱量變大，在元件中央部容易產生裂縫(crack)的問題。而且，在該超聲電才A^L件中，電極存在^f站元件投影面Ji^目同(電極間距離相同)，存在難以在電極邊緣附近的壓電部^。層疊壓力，容易產生層疊不良和層間剝離的問題。
發(fā)明內容本發(fā)明的目的是提^-~種壓電致動器元件，可以提高在容易產生這樣的遷移的層疊壓電元件的厚度方向的中央附近的耐遷移性。本發(fā)明的另一目的是提#-"種壓電致動器元件，可以防jh^交^i及化處理時的局部發(fā)熱，并且防iU及化時產生裂縫。根據本發(fā)明，提4^"種用于超聲電機的壓電致動器元件，其由層疊壓電元件構成，該層疊壓電元件通過交替層疊壓電層和將該壓電層分割為大致相等的兩部分而形成的電極層而構成，并且^jf]一次縱向、二次彎曲4莫式，從該層疊壓電元件的表面部到厚度方向的中央部，形成壓電非活性區(qū)域。在本發(fā)明的壓電致動器元件中，伊^i^也，從該層疊壓電元件的表面部到厚度方向的中央部，形M厚為層疊方向的厚度的10%以上的壓電非活性區(qū)域。此外，伏選l也，^^該層疊壓電元件進^f科及化處理時發(fā)熱的發(fā)熱部^^:。jM^卜，在本發(fā)明的壓電致動器元件中，伊^4^，該層疊壓電元件被形成為，從該層疊壓電元件的表面部到厚度方向的中央部，該電極層的形成密度變小，并且伊CJ^i也,該層疊壓電元件被形成為，從該層疊壓電元件的表面部到厚度方向的中央部，電極之間的距離變大。而且，在本發(fā)明的壓電致動器元件中，伊Ci4i也，該層疊壓電元件被形成為，從該層疊壓電元件的表面部到厚度方向的中央部，電極層的面積變小，并且優(yōu)選地，在該層疊壓電元件的厚度方向的中央部，不形成電才il罷。圖1(a)、(b)示出本發(fā)明的超聲電機用壓電致動器元件的一種實施方式，圖1(a)是正面圖，圖1(b)3—側面圖。圖2(a)、(b)示出本發(fā)明的超聲電機用壓電致動器元件的另一實施方式，圖2(a)另L正面圖，圖2(b)是側面圖。圖3是示出/A^件上下表面到元件中央部的電極間距離(各層間距離)的變化的曲線圖。圖4(a)、(b)示出本發(fā)明的超聲電機用壓電致動器元件的另一實施方式，圖4(a)另—正面圖，圖4(b)是側面圖。圖5(a)、(b)示出本發(fā)明的超聲電機用壓電致動器元件的另一實施方式，圖5(a)^匸正面圖，圖5(b)是側面圖。圖6(a)、(b)示出本發(fā)明的超聲電機用壓電致動器元件的另一實施方式，圖6(a);l正面圖，圖6(b)是側面圖。圖7(a)、(b)示出本發(fā)明的超聲電機用壓電致動器元件的另一實施方式，圖7(a)另L正面圖，圖7(b)是側面圖。圖8(a)、(b)示出本發(fā)明的超聲電機用壓電致動器元件的另一實施方式，圖8(a);l正面圖，圖8(b)另—側面圖。圖9(a)、(b)示出本發(fā)明的超聲電機用壓電致動器元件的另一實施方式，圖9(a)是正面圖，圖9(b)另_側面圖。圖10(a)、(b)示出本發(fā)明的超聲電機用壓電致動器元件的另一實施方式，圖10(a)是正面圖，圖10(b)是側面圖。圖11(a)、(b)示出本發(fā)明的超聲電機用壓電致動器元件的另一實施方式，圖11(a)是正面圖，圖11(b);1側面圖。圖12U)、(b)示出本發(fā)明的超聲電機用壓電致動器元件的另一實施方式，圖12(a)是正面圖，圖12(b)^L側面圖。圖13(a)、(b)示出觀有的超聲電機用壓電致動器元件的簡要結構，圖13(a)是正面圖，圖13(b)^L側面圖。圖14是示出實施例2、比較例2中的壓電元件在極化處理時的裂縫產生的頻率的曲線圖。具體實施例方式下面，針對本發(fā)明，詳細地說明其實施方式，但是本發(fā)明不限于這些實施方錄進4憤釋，只要不脫離本發(fā)明的范圍，基于本領域技^A員的知識，可以進行各種變化、修改和M。本發(fā)明的壓電致動器元件J4Ui由層疊壓電元件構成，該層疊壓電元件通過交替層疊壓電層和將該壓電層分割為大致相等的兩部分而形成的電極層而構成。該層疊壓電元件通ii^o電壓，以一次纟從向、二次彎曲的才莫式進4亍彎曲變形。關于該層疊壓電元件的基本結構及其一次縱向、二次彎曲的模式，參考ACTUATOR2006予，,A1.1(PiezoelectricUltrasonicMotorsforLensPositioningofCellularPhoneCameraModules)的記載，將其內容并Ajt匕處。本發(fā)明的壓電致動器元件具有在上述層疊壓電元件的內部層中形成壓電非活性區(qū)域的特征。優(yōu)選地，該壓電非活性區(qū)域，在層疊壓電元件的厚度方向的中央附近，以層厚為疊方向厚度的10%以上的方式形成，更伊逸地，壓電非活性區(qū)域的層;^是層疊方向厚度的10%~50%,特別優(yōu)^1也是10%~40%。當壓電非活性區(qū)域的層厚大于層疊方向厚度的50%時，》十于it/f牛驅動時的llr7v信號，元件驅動振幅顯著減小，另一方面，在不到10%的情況下，極化時容易產生裂縫(參考下述的實施例l、2)。通過^il樣在層疊壓電元件的內部層中形成壓電非活性區(qū)域，可以提高耐遷移性，并且防止勝鄉(xiāng)(short)。jtl^卜，上迷的層疊壓電元件，在使用時進4科及化處理，此時發(fā)熱的發(fā)熱部^yt元件中，可以防jhfei匕時產生裂縫，因此是理想的。作為佳發(fā)熱部^a的M方法，舉例為在層疊壓電元件的內部層中形成壓電非活性區(qū)域。該壓電非活性區(qū)域也與上述相同，優(yōu)^層疊壓電元件的厚度方向的中央附近，以層厚為層疊方向厚度的10°/。以上的方式形成，更優(yōu)選l也，壓電非活性區(qū)域的層厚是層疊方向厚度的10%~50%,特別優(yōu)i^也是10%~40%。進一步地，在本發(fā)明中，l;ti^也，M疊壓電元件的表面部到厚翁向的中央部，電極層的形成密度變小地形g疊壓電元件。在此，為了以電極層的形成密度變小的方式形^疊壓電元件，伊^i也，例如圖2(a)、(b)所示，乂A^疊壓電元件的表面部到厚於向的中央部，電極之間的距離變大地形^ir疊壓電元件，或者如圖4(a)、(b)-圖10(a)、(b)所示，從層疊壓電元件的表面部到厚度方向的中央部，電招i的面積變小地形成層疊壓電元件。通iiit樣M疊壓電元件的表面部到厚^向的中央部，電才^的形成密度變'J、地形M疊壓電元件，可以抑制位移降^JL提高耐遷移性，并防止4ii咯(short)的發(fā)生，同時可以使交^i及化時的發(fā)熱部啦分散，提高可靠性。jH^卜，電極的數量較少即可，可以期^f^ftt^。接下來，說明本發(fā)明的壓電致動器元件中^^J的材料。作為壓電層，適宜橫月壓電陶乾,但是也可以使用電致伸縮陶資和強電介質陶瓷，或者反強電介質陶瓷。作為M的材料，舉例為含有鋯酸鉛，鈥酸鉛，頷鈮酸鉛，鎳微銀鋅繊銀錳鈮酸銀4賴酸銀錳鴒酸銀鈷鈮酸銀鈥酸鋇，鈥酸鉍瓶鈥酸鉍4女，鈮酸鉀鈉，鉭酸鍶敘奇^^或者;^^4勿的陶瓷。^i也，電才itg"在室溫下是固體，由導電性優(yōu)良的金屬構成，例如^JD鋁，鈦，鉻，鐵，鈷，鎳，銅，鋅，鈮；鉬，釕，釔，銠，銀，錫，鉭，鴒，銥；銀金，鉛等金屬#^或它們的*，而且，也可以使用將與壓電層相同的材料M在它們中而得到的金屬陶資材料。下面，基于本發(fā)明的壓電致動器元件的糾實施方式.圖1(a)、(b)示出本發(fā)明的超聲電機用壓電致動器元件的一種實施方式，其由層疊壓電元件14構成，該層疊壓電元件14通過交替層疊壓電層10和將該壓電層10分割為大致相等的兩部分而形成的電極層12而形成，從層疊壓電元件14的表面部到厚度方向的中央部，形成了壓電非活性區(qū)域(未形成電極層的區(qū)域)11。此外，15細察部件。圖2(a)、(b)示出本發(fā)明的壓電致動器元件的另一實施方式，其由層疊壓電元件14構成，該層疊壓電元件14通過交^Jr疊壓電層10和將該壓電層10分割為;Ut相等的兩部分而形成的電極層12而形成，從層疊壓電元件14的表面部到厚度方向的中央部，電極之間的距離變大地形成該層疊壓電元件14。即，層疊壓電元件14的厚度方向的上下表面部附近，電極間距與圖13(a)、(b)中示出的雙沐例相同，厚^向的中央部的電極間距大。在此，如圖3所示，/AJi下表面部到中央部的電極之間的距離變化可以是線性的，也可以是指數函數，伊Citi也是指數函數。)tb^卜，電極之間的距離(電扨i之間的距離)的變化可以在多層中Ur老降在(階梯狀)。圖4(a)、(b)~圖6(a)、(b)分別示出本發(fā)明的壓電致動器元件的另一實施方式，M疊壓電元件14的表面部到厚y^T向的中央部，電才ibgr12的面積變小地形錄疊壓電元件14。即，層疊壓電元件14的厚度方向的上下表面部附近，電極長度與圖13(a)、(b)中示出的M^f例相同，厚度方向中央部的電極長度變^fe形^疊壓電元件14(以B2模式彎曲點附近為中心來配置電極)。扭匕，電極長度的變化率可以是一次函數(參考圖4(a)、(b))，也可以是高次函數或指數函數(參考圖5(a)、(b)和圖6(a)、(b))，伏選地，越到厚度方向的中央部變化率越小，越到上下表面部附近變化率越大，如在圖6(a)、(b)中示出的實施方式。it^L由于抑制了難以散熱的層疊壓電元件14的中央部的發(fā)熱。根據圖4(a)、(b)~圖6(a)、(b)的實施方式，實現了抑制^#下降，并且降^ftt本(電極數量減少)，同時在交力^及化時的發(fā)熱部位M，電才及邊纟彖不重疊，所以起到了平il^疊壓力的面內分布，P^[氐層疊不良，同時緩和在極化時產生的邊緣端部的應力的作用效果。圖7(a)、(b)~圖9(a)、(b)也分別示出本發(fā)明的壓電致動器元件的另一實施方式，層疊壓電元件14的厚度方向的上下表面部附近，電極M與圖13(a)、(b)中示出的現有例相同，厚度方向中央部的電極寬度變窄地形^J:疊壓電元件14。在此，電極寬度的變化率可以是一次函數(參考圖7(a)、(b))，也可以是高次函數或指數函數(參考圖8(a)、(b)和圖9(a)、(b)),優(yōu)i4i也，越到厚度方向中央部變化率越小，越到上下表面部附近變化率越大，如在圖9(a)、(b))中示出的實施方式。這是由于抑制了難以散熱的層疊壓電元件14的中夾部的發(fā)熱。彭卜,圖7(a)、(b)-圖9(a)、(b)的實施方式的作用效果與圖4(a)、(b)~圖6(a)、(b)的實施方式大致相同。ithjf，圖10(a)、(b)示出本發(fā)明的壓電致動器元件的又一實施方式，其結合了上述圖4(a)、(b)~圖6(a)、(b)的實施方式和圖7(a)、(b)~圖9(a)、(b)的實施方式。接下來，圖11(a)、(b)示出本發(fā)明的壓電致動器元件的又一實施方式，在層疊壓電元件14的厚度方向的中央部不形成電極層，而是一體形成了比構成壓電層10的材料的強度大的陶乾板狀部件16。在該實施方式中，在層疊壓電元件14的厚度方向的中央部，^^M以氧^4告為^4的高強度陶t^反狀部件16而構成元件，使陶瓷板狀部件16的一端或兩端A^疊壓電元件14的壓電部位突出，作為磨擦部件。沖艮據該實施方式，如圖1(a)、(b)等實施方式，不需要另夕卜增加的磨擦部件，從而降^線本，同時不需要用于a^磨擦部件的粘著劑，并且由于不需要粘著劑而起到使溫;l特性良好的作用效果。圖12(a)、(b)示出本發(fā)明的壓電致動器元件的又一實施方式，在層疊壓電元件14的厚度方向的中央部附近，跨越整個長度形成了電才謠18。根據該實施方式，通iiit當34^擇跨越整個長度的電才A^18的層凄欠，可以將由Ll、B2振動導致的磨擦部件20的x方向^t^多、y方向^L^多的平衡最優(yōu)化，可以提高驅動效率。實施例下面，通過實施例更"IW^地說明本發(fā)明。(實施例1~10,比4交例1)制作長度5.0mmxt變1.5mmx厚度i.5mm的超聲電機用壓電元件，其中，將燒成后為lgm的Ag-Pd^r電極材料軟膏印刷在燒成后為10nm的壓電印刷電路J^反上，并層疊150層而得到印刷電路J^J:疊體，將其;tM^^JLi^f^勾成上必卜形的才財勒口工^，形^/f則面電才及(比較例1)。另一方面，與上述比較例l相同地，制作夕卜形與上述比較例l相同、在層疊方向的中央部分形成占超聲電機用壓電元件的總厚度的2~40%的壓電非活性層的超聲電機用壓電元件(實施例1~10)。關于這些元件，#1中示出在85°C、85%RH的環(huán)嫂下實施2.8V驅動耐久試驗的結果。比較例l(壓電非活'1^^為0%)中，表現為在200hr左右變成M^。通過金屬顯微4沐SEM—EDS》膽、分析該元件的夕卜觀時，確i人了Ag遷移。另一方面，如表1所示，在實施例1-10的元件中，,壓電非洽l"生層厚度的增力口，直到處4錄為止的時間變長，當壓電非活性層厚度在10%以上時，不會產生短路。SEM觀察的結果，在比較例l中厚度方向的中央附近的壓電層中發(fā)現大量氣孔，燒結不充分，但是在實施例1-10中，tt壓電非活性層厚度增力口，上述WL的數量減少。雖然理由不清楚，但是可以推測出由于存扭電非活性層，元件中央附近的燒結性提高，由于可能構成7j^^及附部位的微細氣孑L;咸少，元件的耐遷移性提高。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>轉下頁表l,接上頁<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>(實施例11~20,比較例2)與上述實施例1~10、比較例1相同地制作了超聲電才幾用壓電元件。在以下條f牛下，對這些元件i^frt及化處理。-溫度室溫.輸入信號10kHz0-250V脈沖波-時間60秒#2和圖14的曲線圖中示出其結果。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>根據M2和圖14中示出的結果可知，如比較例2，在厚度方向的中央附i^殳有壓電非活性層的情況下，由于極^^1:理，裂縫的產生頻率高。與jtb4目對，在厚度方向中央附近形成占總厚度2~40%的壓電非活性層的實施例11-20中，通過極化處理而產生裂縫的頻率降低。工業(yè)上的實用性采用本發(fā)明的壓電致動器元件的超聲電機，可以高iiiL高精度;4^微小距離進行定位，并且可靠性高，所以可以應用于月財財幾的自動對焦機構、變焦機構、姿勢^M嘗機構，jtb^卜，也可以適用于光學顯微鏡、電子顯微鏡、原子間力顯微鏡等的分級驅動用的要求高可靠性的領域。權利要求1.一種用于超聲電機的壓電致動器元件，由層疊壓電元件構成，并且使用一次縱向、二次彎曲的模式，所述層疊壓電元件通過交替層疊壓電層和將該壓電層分割為大致相等的兩部分而形成的電極層而構成，所述壓電致動器元件的特征在于，從該層疊壓電元件的表面部到厚度方向的中央部，形成了壓電非活性區(qū)域。2.根據權利要求l所述的用于超聲電機的壓電致動器元件，^#4棘于，從該層疊壓電元件的表面部到厚度方向的中央部，形成了層厚為層疊方向的厚度的10%以上的壓電非活性區(qū)域。3.才財居權利要求l所述的用于超聲電機的壓電致動器元件，其特征在于，^t該層疊壓電元件進4封及化處理時發(fā)熱的發(fā)熱部被^t。4.根據權利要求l所述的用于超聲電機的壓電致動器元件，其特征在于，該層疊壓電元件被形成為，從該層疊壓電元件的表面部到厚度方向的中央部，該電極層的形成密度變小。5.才艮據權利要求l所述的用于超聲電機的壓電致動器元件，^#44于，該層疊壓電元件被形成為，從該層疊壓電元件的表面部到厚度方向的中央部，電才及間的3巨離變大。6.才N居權利要求1所述的用于超聲電機的壓電致動器元件，^4襯4于，該層疊壓電元件被形成為，從該層疊壓電元件的表面部到厚度方向的中央部，電4Ur面積變小。7.根據權利要求l所述的用于超聲電機的壓電致動器元件，其特征在于，在該層疊壓電元件的厚度方向的中央部不形成電極層。全文摘要一種用于超聲電機的壓電致動器元件，由通過交替層疊壓電層(10)和將壓電層(10)分割為大致相等的兩部分而形成的電極層(12)而構成的層疊壓電元件(14)構成，并且使用一次縱向、二次彎曲的模式。從層疊壓電元件(14)的表面部到厚度方向的中央部形成了壓電非活性區(qū)域(11)。該壓電致動器元件可以抑制位移降低且提高耐遷移性，并防止短路(short)的發(fā)生，同時可以使交流極化時的發(fā)熱部位分散，提高可靠性。此外，可以減少電極的數量，降低成本。文檔編號H02N2/00GK101507093SQ20078003092公開日2009年8月12日申請日期2007年8月21日優(yōu)先權日2006年8月23日發(fā)明者山田智裕,植谷政之,清水秀樹,滑川政彥,高橋伸夫申請人:日本礙子株式會社