JP2000308372A

JP2000308372A - 積層型圧電素子およびこれを用いた圧電アクチュエータ、圧電センサ、超音波モータ

Info

Publication number: JP2000308372A
Application number: JP11108001A
Authority: JP
Inventors: Masao Kasuga; 政雄春日; Akihiro Iino; 朗弘飯野
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1999-04-15
Filing date: 1999-04-15
Publication date: 2000-11-02
Anticipated expiration: 2019-04-15
Also published as: JP4245096B2

Abstract

(57)【要約】【課題】簡単な制御回路で変位制御が可能なこと。【解決手段】この積層型圧電素子１００は、第１の積
層型圧電素子１１０と第２の積層型圧電素子１２０とを
厚み方向に重ねた一体構造であり、第１の積層型圧電素
子１１０は、第２の積層型圧電素子１２０を構成する圧
電素子１２１よりも薄い圧電素子１１１を積層したもの
である。第１の積層形圧電素子１１０では、各圧電素子
１１１の間に電極１１２が設けられており、一層おきに
外部で電気的に並列接続されている。この圧電素子１１
１、１１２は、厚み方向に分極処理されている。また、
第２の積層形圧電素子１２０においても、各圧電素子１
２１の間に電極１２２が設けられており、一層おきに外
部で電気的に並列接続されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、簡単な制御回路
で変位制御が可能な積層型圧電素子およびこれを用いた
圧電アクチュエータ、圧電センサ、超音波モータに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】図１２は、従来の積層型圧電素子の一例
を示す構造図である。この積層型圧電素子１０００は、
複数枚の圧電素子１００１と、各圧電素子１００１との
間に設けた電極１００２とから構成されている。一般に
圧電縦効果は、横効果と比較して同一電界下で約２倍の
変位を発生するためエネルギー変換効率が高いものとな
る。このため、積層した各圧電素子１００１はそれぞれ
厚み方向に分極処理されている。また、電極１００２は
一層おきにずらして形成し、外部で電気的に並列接続し
てある。圧電素子１００１の積層は接着により行っても
よいが、グリーンシート法により一体化するほうが、信
頼性、量産性の点で有利であり、圧電素子１００１を薄
型化することができる。この積層型圧電素子１０００に
駆動電圧を印加すると、各圧電素子１００１の伸縮によ
り積層方向の変位を得ることができる。

【０００３】図１３は、積層型圧電素子を用いたアクチ
ュエータを示す構成図である。このアクチュエータ１１
００は、前記積層型圧電素子１０００と、積層型圧電素
子１０００を駆動する駆動回路１１０１と、駆動回路１
１０１を制御する制御回路１１０２と、制御回路１１０
２に積層型圧電素子１０００の動作状態をフィードバッ
クする動作状態検出回路１１０３と、制御回路１１０２
に動作指示の信号を与える指示部１１０４とから構成さ
れている。制御回路１１０２は、指示部１１０４からの
指示に従い、駆動回路１１０１に制御信号を送出する。
駆動回路１１０１では、制御信号に基づき所定の直流電
圧を積層型圧電素子１０００に印加する。積層型圧電素
子１０００の変位量は動作状態検出回路１１０３により
検出され、制御回路１１０２にフィードバックされる。
制御回路１１０２は、目標値になるまで制御信号を駆動
回路１１０１に送出する。

【０００４】図１４は、積層型圧電素子の他の従来例を
示す断面図であり、特開平８−２１３６６４号公報に開
示のものである。この積層型圧電素子１０００はランジ
ュバン型の超音波モータに応用するものであって、かか
る超音波モータ１２００は、積層型圧電素子１０００を
弾性体１２０１、１２０２で挟み、中心をボルト１２０
３で固定した構造となる。弾性体１２０１の端面には回
転体１２０４が加圧接触しており、この接触圧力はボル
ト１２０３の締め力とバネ１２０５の弾性力によって規
制されている。積層型圧電素子１０００に周波電圧を印
加するとその振動が弾性体１２０１に伝わり、この弾性
体１２０１と回転体１２０４との間の摩擦力によって回
転体１２０４が回転する。

【０００５】図１５は、従来の積層型圧電素子を用いた
センサの一例を示す構成図である。このセンサ１３００
は、具体的には加速度センサや圧電ジャイロなどであ
る。この加速度センサ１３００は、Ｕ字形状をした複数
枚の板状圧電体１３０１を積層焼成した構造である。加
速度センサ１３００は、圧電素子の圧電効果（変形する
ことで電圧を得る）を利用したものであり、２本の梁部
分１３０２、１３０３が水平方向または垂直方向にたわ
むことで微弱な電流を発生させている。この電流を増幅
すれば、センサ信号として用いることができる。また、
梁部分１３０２、１３０３は２本に限らず、３本にして
もよい。このように、積層型圧電素子１０００を用いた
超音波モータ、アクチュエータおよびセンサによれば、
全体を小型化することができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の積層型圧電素子１０００では、アクチュエータとし
て用いる場合、各圧電素子１００１に印加する電圧が一
定のとき一定の変位をするから、変位量を制御するため
には異なる駆動電圧を用いる制御回路を用いなければな
らないため、回路構成が複雑になってしまうという問題
点があった。

【０００７】つぎに、上記超音波モータ１２００では、
縦振動を強くするとトルクを大きくでき、ねじり振動を
強くすると回転数を高くすることができるが、例えば縦
振動に強弱をつけてトルクを調節しようとする場合、圧
電素子１００１の厚さが同一であるため２つの異なる周
波電圧発生手段が必要になり、同じく制御回路が複雑化
するという問題点があった。さらに、上記センサ１３０
０では、積層型圧電素子を構成する板状圧電体１３０１
の厚みが同一であるため、検出できる変位の大きさや周
波数が制約されるという問題点があった。

【０００８】そこで、この発明は、上記に鑑みてなされ
たものであって、簡単な制御回路で変位制御が可能な積
層型圧電素子およびこれを用いた圧電アクチュエータ、
圧電センサ、超音波モータを提供することを目的とす
る。また、検出範囲を広くできる圧電センサを提供する
ことを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、請求項１に係る積層型圧電素子は、同一厚さの圧
電素子を積層して積層型圧電素子を構成すると共に、こ
の圧電素子とは異なる厚さの圧電素子を積層して別の積
層型圧電素子を構成し、これら積層型圧電素子を一体化
したものである。

【００１０】圧電素子は、薄い方が低電圧で大きな変位
を得ることができる。このため、各積層型圧電素子を構
成する圧電素子の厚みを変えることで、異なる変位量を
得ることができる。この積層型圧電素子は２組の積層型
圧電素子を一体化する場合に限らず、３組以上の積層型
圧電素子を一体化するようにしてもよい。また、３組以
上の積層型圧電素子を一体化するにあたり、構成する圧
電素子の厚さを２種類にしても又はそれ以上にしても構
わない。このように、圧電素子の厚みが異なる積層型圧
電素子を一体化することにより、各積層型圧電素子を選
択するだけで変位量の制御が可能になる。また、各積層
型圧電素子の選択により、複雑な変位制御が可能にな
る。

【００１１】また、請求項２に係る積層型圧電素子は、
第１の積層型圧電素子を構成する圧電素子の厚さを、第
２の積層型圧電素子を構成する圧電素子よりも薄くし、
当該第１および第２の積層型圧電素子を厚み方向に一体
化したものである。

【００１２】第１の積層型圧電素子は、第２の積層型圧
電素子を構成している圧電素子よりも薄い圧電素子を積
層して構成したものであるから、第２の積層型圧電素子
よりも第１の積層型圧電素子ほうが大きな変位量を得る
ことができる。第１と第２の積層型圧電素子を厚み方向
に積み重ねると、厚み方向に異なる変位量を得ることが
できる。変位量を制御する場合は、第１の積層型圧電素
子または第２の積層型圧電素子に対し選択的に電圧を印
加すればよい。また、第１および第２の積層型圧電素子
の両方に電圧を印加することにより、最大の変位量が得
られる。

【００１３】また、請求項３に係る積層型圧電素子は、
第１の積層型圧電素子を構成する圧電素子の厚さを、第
２の積層型圧電素子を構成する圧電素子よりも薄くし、
当該第１および第２の積層型圧電素子を並設し一体化し
たものである。

【００１４】第１の積層型圧電素子と第２の積層型圧電
素子の変位に関しては上で述べた通りである。また、こ
の第１と第２の積層型圧電素子を並設することにより、
複雑な変位を行うことができる。例えば第１の積層型圧
電素子と第２の積層型圧電素子との変位量の差を利用し
て、被制御対象を揺動させることができる。その具体例
には実施の形態において説明する。

【００１５】また、請求項４に係る積層型圧電素子は、
上記積層型圧電素子において、さらに、構成する圧電素
子の厚さが異なる他の積層型圧電素子を一体化したもの
である。

【００１６】さらに異なる厚さの圧電素子を積層した他
の積層型圧電素子を一体化することにより、より複雑で
緻密な変位制御が可能になる。

【００１７】また、請求項５に係る積層型圧電素子は、
上記積層型圧電素子において、前記各積層型圧電素子を
構成する圧電素子の厚さの比を整数値としたものであ
る。

【００１８】通常、所望厚さの圧電素子を作成するに
は、最も薄肉の圧電素子を作成しておき、この圧電素子
を必要枚数だけ積層焼結するようにしている。このた
め、基本となる圧電素子の整数倍にすることで、積層型
圧電素子を製造しやすくなる。

【００１９】また、請求項６に係る積層型圧電素子は、
上記積層型圧電素子において、前記各積層型圧電素子の
面積を異なるものとしたものである。

【００２０】面積を変えることにより、圧電素子により
得られる発生力が異なってくる。例えば第１の積層型圧
電素子の面積より第２の積層型圧電素子の面積の方が大
きい場合、その発生力は第２の積層型圧電素子のほうが
大きくなる。このため、第１または第２の積層型圧電素
子を選択することにより、発生力の制御が可能になる。

【００２１】また、請求項７に係る圧電アクチュエータ
は、構成する圧電素子の厚さを異なるものとした複数の
積層型圧電素子を一体化し、各積層型圧電素子に対して
電圧を印加する駆動手段を設けると共にこの駆動手段を
制御して電圧を印加する積層型圧電素子を選択する制御
手段を設けたものである。

【００２２】構成する圧電素子の厚さが異なる場合、駆
動手段により同電圧を印加してもその変位量は異なるも
のになる。このため、いずれの積層型圧電素子に印加す
るかを制御手段により選択することで、圧電アクチュエ
ータの変位量を制御することができる。例えば２種類の
積層型圧電素子に対し、構成する圧電素子が薄い方に電
圧を印加すると大きな変位が得られ、厚い方に電圧を印
加すると小さな変位が得られる。また、両方の積層型圧
電素子に電圧を印加するようにすれば、最大の変位が得
られる。

【００２３】また、請求項８に係る圧電センサは、構成
する圧電素子の厚さを異なるものとした複数の積層型圧
電素子と、各積層型圧電素子の圧電効果により発生する
電気信号を検出する検出手段を設けたものである。

【００２４】構成する圧電素子が薄いものはその圧電効
果が高いため、低周波数で大きな変位を検出するのに適
する。一方、構成する圧電素子が厚いものはその圧電効
果が低いため、高周波数で小さな変位を検出するのに適
する。従って、圧電素子の厚さを異なるものとした複数
の積層型圧電素子を用いることにより、検出範囲を広く
することが可能になる。この場合、各積層型圧電素子を
一体化する必要はない。

【００２５】また、請求項９に係る超音波モータは、構
成する圧電素子の厚さを異なるものとした複数の積層型
圧電素子を一体化すると共にこの積層型圧電素子に振動
変換部材を設け、さらに、各積層型圧電素子に対して電
圧を印加する駆動手段と、この駆動手段を制御して電圧
を印加する積層型圧電素子を選択する制御手段とを設
け、前記振動変換部材を振動接触させることで移動体を
駆動するものである。

【００２６】各積層型圧電素子は、構成する圧電素子の
厚さがそれぞれ異なるから、電圧を印加する積層型圧電
素子を選択することにより、積層型圧電素子に設けた振
動変換部材の変位量が異なるものとなる。また、この振
動変換部材が移動体に接触することにより当該移動体が
移動するのであるから、結局、積層型圧電素子を選択す
ることにより、移動体の移動量を制御することができ
る。なお、移動体は回転運動のみならず直線運動であっ
てもよい。

【００２７】また、請求項１０に係る超音波モータは、
第１の積層型圧電素子を構成する圧電素子の厚さを、第
２の積層型圧電素子を構成する圧電素子よりも薄くし、
当該第１および第２の積層型圧電素子を積み重ねて一体
化すると共に当該一体化した積層型圧電素子の側面に振
動変換部材を取り付け、さらに、各積層型圧電素子に対
して周波電圧を印加する駆動手段を設け、前記第１の積
層型圧電素子により縦振動を励振し、前記第２の積層型
圧電素子により屈曲振動を励振し、前記振動変換部材を
移動体に振動接触させることで当該移動体を駆動するも
のである。

【００２８】第１の積層型圧電素子による縦振動と第２
の積層型圧電素子の屈曲振動により振動変換部材が楕円
運動を起こす。この振動変換部材が移動体に接触する
と、摩擦力により移動体が移動する。なお、移動体は回
転運動のみならず直線運動であってもよい。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、この発明につき図面を参照
しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこ
の発明が限定されるものではない。実施の形態１．図１は、この発明の実施の形態１にかか
る積層型圧電素子を示す構造図である。この積層型圧電
素子１００は、第１の積層型圧電素子１１０と第２の積
層型圧電素子１２０とを厚み方向に重ねた一体構造であ
り、第１の積層型圧電素子１１０は、第２の積層型圧電
素子１２０を構成する圧電素子１２１よりも薄い圧電素
子１１１を積層したものである。第１の積層形圧電素子
１１０では、各圧電素子１１１の間に電極１１２が設け
られており、一層おきに外部で電気的に並列接続されて
いる。圧電素子１１１、１２１には、例えばＰＺＴ（チ
タン酸ジルコン酸鉛）、チタン酸バリウム、酸化チタン
などを用いることができ、この他に電圧を加えると変形
する材料であれば適宜使用することができる。この圧電
素子１１１、１２１は、厚み方向に分極処理されてい
る。また、第２の積層形圧電素子１２０においても、各
圧電素子１２１の間に電極１２２が設けられており、一
層おきに外部で電気的に並列接続されている。

【００３０】第１の積層形圧電素子１１０と第２の積層
形圧電素子１２０には、別々に周波電圧が印加される。
具体的な回路構成については、下記の実施の形態にて例
示する。圧電素子１１１、１２１の変位は、その縦効果
を利用するものとし、厚さが薄いほど低い電圧で大きな
変位を得ることができる。このため、同じ厚み（積層数
は異なる）では、第１の積層形圧電素子１１０のほうが
第２の積層形圧電素子１２０よりも得られる変位量が大
きくなる。

【００３１】つぎに、この積層形圧電素子１００の製造
方法について説明する。まず、仮焼粉末に有機溶剤、バ
インダ、可塑剤および分散剤を添加すると共にこれらを
混合してスラリーを作成する。なお、仮焼粉末を用いる
のは、焼成による寸法変化などを防止するためである。
続いて、前記スラリーをポリエステル製キャリヤフィル
ム上に厚さ１００μｍ程度でキャスティングする。スラ
リーが乾燥したら、キャスティングフィルムから剥離し
てグリーンシートを得る（テープキャスティング法）。
このグリーンシートを第１の積層形圧電素子１１０に用
いるとすれば、第２の積層形圧電素子１２０に用いるグ
リーンシートを得るには、スラリーを厚めにキャスティ
ングする必要がある。グリーンシートの厚みを変えるに
は、テープキャスティング装置のドクターブレードとキ
ャリアシートとの間隔を広くすればよい。そして、この
グリーンシートを所定寸法の矩形状に打ち抜き、その片
面に内部電極用導体ペーストを形成する。この導体ペー
ストは厚さが数μｍ程度であって、スクリーン印刷によ
り形成することができる。また、電極１１２、１２２
は、各圧電素子１１１、１２１の表裏でずらして形成す
る。

【００３２】まず、厚い方のグリーンシートを金型内に
４枚積層して第２の積層型圧電素子１２０とすると共に
更にその上に薄い方のグリーンシート６枚積層し、高圧
でプレス成形する。これにより厚さの異なる圧電素子１
１１、１２１が積層一体化する。プレス時の温度は約１
００℃程度であるが、この温度は、用いる有機バインダ
の軟化温度により決定される。脱脂工程に入ると、５０
０℃〜６００℃まで温度を上げてゆっくりと加熱するこ
とで、含まれている有機バインダを熱分解し、除去する
ようにする。その後、耐火煉瓦を用いた電気炉内にて１
０００〜１２００℃で焼成する。焼成中は、誤差が２℃
程度になるように精密に温度制御を行う。最後に積層し
た圧電素子１１１、１２１の両面に電極１１２、１２２
を塗布して焼き付ける。上記したように電極１１２、１
２２は圧電素子１１１、１２１の表裏でずらして成形さ
れているから、短絡電極１１３、１２３に対して当該電
極１１２、１２２が一つおきに短絡し、並列接続され
る。

【００３３】以上、この積層型圧電素子１００では、第
２の積層型圧電素子１２０と第１の積層型圧電素子１１
０との組み合わせにより、２つ以上の駆動力、変位量の
発生ならびに検出が容易になる。また、複雑な駆動回路
を有することなく、微動（第２の積層型圧電素子１２
０）と粗動（第１の積層型圧電素子１１０）が可能にな
る。また、高周波数で且つ微小変位の検出（第１の積層
型圧電素子１１０）と低周波数で且つ大きな変位の検出
（第２の積層型圧電素子１２０）が可能になる。

【００３４】実施の形態２．図２は、この発明の実施の
形態２にかかる積層型圧電素子を示す構造図である。こ
の積層型圧電素子２００は、第１の積層型圧電素子２１
０と第２の積層型圧電素子２２０とを並列に一体化した
構造であり、第１の積層型圧電素子２１０は、第２の積
層型圧電素子２２０を構成する圧電素子２２１よりも薄
い圧電素子２１１を積層したものである。各圧電素子２
１１、２２１は、その両面に電極２１２、２２２が形成
されており、それぞれ厚み方向に分極処理されている。
この積層型圧電素子２００では、例えば同位相の電圧を
印加した場合、第１の積層型圧電素子２１０と第２の積
層型圧電素子２２０とで変位が異なるから、図３に示す
ように、それぞれの上面にブリッジ２５０を形成してそ
の中心にミラー２５１を取り付ければ、ミラー角度を変
更することができる。同位相の電圧を印加すると第２の
積層型圧電素子２２０よりも第１の積層型圧電素子２１
０の変位の方が大きいので、ミラー２５１が時計回りに
傾いて光線Ｌの反射方向を変えることができる。例えば
レーザ光の走査ミラーなどに応用できる。

【００３５】この積層型圧電素子２００は、上記実施の
形態１と略同様の方法によって製造することができ、各
第１および第２の積層型圧電素子２１０、２２０の構成
は実施の形態１と同様であるから、詳細な説明は省略す
る。なお、第１の積層型圧電素子２１０と第２の積層型
圧電素子２２０とに介在する短絡電極２１３は共通電極
となり、焼成前に予め塗布しておく。かかる構成であっ
ても、上記同様の効果を奏することができると共に変位
量の差を利用して各種の装置（図３参照）に応用するこ
とができる。

【００３６】実施の形態３．図４は、この発明の実施の
形態４にかかる積層型圧電素子を示す構造図である。こ
の積層型圧電素子３００は、実施の形態１にかかる積層
型圧電素子１００と略同一の構造であるが、第２の積層
型圧電素子３２０を構成する圧電素子３２１の厚みが、
第１の積層型圧電素子３１０を構成する圧電素子３１１
の厚み（ｔ）の整数倍（ｎｔ：ｎは整数）になっている
点が異なる。これ以外は、実施の形態１と同様であるか
ら説明を省略する。通常、所望厚さの圧電素子を作成す
るには、最も薄肉の圧電素子を作成しておき、この圧電
素子を必要枚数だけ積層焼結するようにしている。この
ため、基本となる圧電素子の整数倍にすることで、積層
型圧電素子３００を製造しやすくなる。

【００３７】実施の形態４．図５は、この発明の実施の
形態５にかかる積層型圧電素子を示す構造図である。こ
の積層型圧電素子４００は、構成する圧電素子の厚さが
異なる３種類の積層型圧電素子４１０、４２０、４３０
を組み合わせて一体化したものである。第１の積層型圧
電素子４１０を構成する圧電素子４１１は、第２の積層
型圧電素子４２０を構成する圧電素子４２１の半分の厚
さであり、第３の積層型圧電素子４３０を構成する圧電
素子４３１の厚さは、第１の積層型圧電素子４１０を構
成する圧電素子４１１の厚さの半分である。さらに、第
１の積層型圧電素子４１０の面積は、第２の積層型圧電
素子４２０の面積の半分であり、第３の積層型圧電素子
４３０の面積は、第１の積層型圧電素子４１０と第２の
積層型圧電素子４２０とを加えた面積と同じである。圧
電素子の面積が大きいほど発生力が大きくなる。

【００３８】各第１〜第３の積層型圧電素子４１０〜４
３０は、上記実施の形態１にて説明した工程により作成
するが、第３の積層型圧電素子４３０については分割構
造とし、その分割面が第１と第２の積層型圧電素子４１
０、４２０の接合面と同位置になるようにする。焼成す
る際にこの分割面に短絡電極４３２となる導電ペースト
を塗布し、第１と第２の積層型圧電素子４１０、４２０
の共通電極４１２、第３の積層型圧電素子４３０の左側
と右側との共通電極４３２とする。第３の積層型圧電素
子４３０については２分割構造し、独立に通電可能な構
造にしているので、左側と右側とを独立に駆動すること
ができる。さらに、第１と第２の積層型圧電素子４１
０、４２０を独立に駆動可能であるから、この積層型圧
電素子４００によれば、より複雑な変形を行うことがで
きる。

【００３９】実施の形態６．図６は、上記積層型圧電素
子１００を圧電アクチュエータに応用する場合の回路構
成を示すブロック図である。この圧電アクチュエータ１
００は、上記第１の積層型圧電素子１１０および第２の
積層型圧電素子１２０と、第１の積層型圧電素子１１０
を駆動する第１駆動回路６０１と、第２の積層型圧電素
子１２０を駆動する第２駆動回路６０２と、第１駆動回
路６０１および第２駆動回路６０２を制御する制御回路
６０３と、制御回路６０３に動作指示の信号を与える指
示部６０４と、積層型圧電素子１００に設けた出力取出
部６０５と、積層型圧電素子１００を固定支持する固定
支持台６０６とから構成されている。

【００４０】制御回路６０３は、指示部６０４からの指
示に従い各駆動回路６０１、６０２に制御信号を送出す
る。駆動回路６０１、６０２では、制御信号に基づき所
定の直流電圧を積層型圧電素子１００に印加する。ま
た、指示部６０４からの信号により第１の積層型圧電素
子１１０と第２の積層型圧電素子１２０との選択が行わ
れ、例えば第１の積層型圧電素子１１０を駆動する場合
は、第１駆動回路６０１に制御信号を送出する。これに
より第１の積層型圧電素子１１０が粗動変位する。ま
た、第２の積層型圧電素子１２０を駆動する場合は、第
２駆動回路６０２に制御信号を送出することで、第２の
積層型圧電素子１２０が微動変位する。

【００４１】図７は、この圧電アクチュエータを応用し
た超音波モータの構成例を示す説明図である。この積層
型圧電素子１００に突起６５１を持った振動体６５２を
接合し、突起先端を斜めに形成する。そして、この突起
６５１に対向して移動体６５３を配置する。なお、積層
型圧電素子１００の他面は、固定支持台６０６に固定さ
れている。この状態で積層型圧電素子１００を振動させ
ると、突起６５１先端が移動体６５３に連続的に接触
し、移動体６５３を一方向に移動させる。制御回路６０
３により第１の積層型圧電素子１１０を選択駆動する
と、第１の積層型圧電素子１１０が微動変位するため、
移動体６５３の移動量は小さくなる。一方、第２の積層
型圧電素子１２０を選択駆動すると、第２の積層型圧電
素子１２０が粗動変位するので、移動体６５３の移動量
は大きくなる。

【００４２】実施の形態７．図８は、上記積層型圧電素
子を圧電センサに応用する場合の回路構成を示すブロッ
ク図である。図９は、この圧電アクチュエータの具体的
構成例を示す説明図である。この圧電センサ７００は、
固定支持部７０１の一方側に第１の積層型圧電素子１１
０を、他方側に第２の積層型圧電素子１２０を接合した
構成である。また、第１および第２の積層型圧電素子１
１０、１２０は検出回路７０２に接続されており、この
検出回路７０２から送出した信号は信号増幅・整形回路
７０３により増幅・整形される。第１の積層型圧電素子
１１０は、各圧電素子が薄いため低周波数で大きな変位
の検出が可能である。第２の積層型圧電素子１２０は、
各圧電素子が厚いため高周波数で小さな変位の検出が可
能である。

【００４３】実施の形態８．図１０は、上記積層型圧電
素子を超音波モータに応用する場合の回路構成を示すブ
ロック図である。図１１は、超音波モータの具体的構成
例を示す説明図である。積層型圧電素子１００は、振動
体支持部材８０１により支持台８０２上に固定されてい
る。積層型圧電素子１００の側面には振動変換部材８０
３が設けられており、この振動変換部材８０３は移動体
８０４と接触している。移動体８０４はその中心軸８０
５により軸支されている。中心軸８０５は、支持台８０
２に固定されている。

【００４４】第１の積層型圧電素子１１０は、駆動回路
８０６により周波電圧を印加することで縦振動を励振す
る。この場合、第１の積層型圧電素子１１０を構成する
各圧電素子１１１の横効果を利用して伸縮運動をおこさ
せることになる。第２の積層型圧電素子１２０は、バイ
モルフ変位素子として用い、周波電圧を印加することに
より一方の圧電素子１２１に縮み変位を、もう一方の圧
電素子１２１に伸び変位を起こさせて屈曲振動を励振さ
せる。この縦振動と屈曲振動との組み合わせにより、振
動変換部材８０３が移動体８０４の表面に対して楕円運
動を行う。この振動変換部材８０３と移動体８０４との
間の摩擦力により移動体８０４が回転する。なお、本実
施の形態では、第１の積層型圧電素子で伸縮運動、第２
の積層型圧電素子で屈曲運動を起こすことにより、トル
クの大きな超音波モータを実現する場合を示したが、反
対に第１の積層型圧電素子で屈曲振動、第２の積層型圧
電素子で伸縮運動を起こすようにして、回転数を速くす
ることも容易に実施でき、本願に該当するものである。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、この発明の積層型
圧電素子（請求項１）によれば、一体化した各積層型圧
電素子を構成する圧電素子の厚みを変えることにより、
簡単な制御回路で変位量の制御が可能になる。

【００４６】つぎに、この発明の積層型圧電素子（請求
項２）によれば、第１の積層型圧電素子を構成する圧電
素子の厚みを、第２の積層型圧電素子を構成する圧電素
子よりも薄くした。このため、第１および第２の積層型
圧電素子を選択することで簡単に変位ならびに駆動力を
制御することができる。

【００４７】つぎに、この発明の積層型圧電素子（請求
項３）では、第１の積層型圧電素子と第２の積層型圧電
素子とを並設したので、複雑な変位を行うことができ
る。

【００４８】つぎに、この発明の積層型圧電素子（請求
項４）では、構成する圧電素子の厚さが異なる他の積層
型圧電素子を一体化したので、より複雑で緻密な変位制
御が可能になる。

【００４９】つぎに、この発明の積層型圧電素子（請求
項５）では、各積層型圧電素子を構成する圧電素子の厚
さの比を整数値としたので、製造しやすい。

【００５０】つぎに、この発明の積層型圧電素子（請求
項６）では、各積層型圧電素子の面積を異なるものとし
たため、変位量の制御に加えて発生力の制御を行うこと
ができる。

【００５１】つぎに、この発明の圧電アクチュエータ
（請求項７）では、電圧を印加する積層型圧電素子を選
択して変位量を制御するようにしたので、簡単な回路で
変位制御が可能になる。

【００５２】つぎに、この発明の圧電センサ（請求項
８）では、圧電素子の厚さを異なるものとした複数の積
層型圧電素子を用いることで、検出できる範囲を広くす
ることできる。

【００５３】つぎに、この発明の超音波モータ（請求項
９）では、積層型圧電素子を選択することにより移動体
の移動量を制御できるから、簡単な回路で移動量を制御
可能になる。

【００５４】つぎに、この発明の超音波モータ（請求項
１０）では、一体化した積層型圧電素子の第１の積層型
圧電素子により縦振動を励振し、前記第２の積層型圧電
素子により屈曲振動を励振し、前記振動変換部材を移動
体に振動接触させることで当該移動体を駆動するように
したので、簡易な構造により超音波モータを構成でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態１にかかる積層型圧電素
子を示す構造図である。

【図２】この発明の実施の形態２にかかる積層型圧電素
子を示す構造図である。

【図３】図２の積層型圧電素子の具体的応用例を示す説
明図である。

【図４】この発明の実施の形態４にかかる積層型圧電素
子を示す構造図である。

【図５】この発明の実施の形態５にかかる積層型圧電素
子を示す構造図である。

【図６】積層型圧電素子を圧電アクチュエータに応用す
る場合の回路構成を示すブロック図である。

【図７】図６に示した圧電アクチュエータを応用した超
音波モータの構成例を示す説明図である。

【図８】積層型圧電素子を圧電センサに応用する場合の
回路構成を示すブロック図である。

【図９】図８に示した圧電アクチュエータの具体的構成
例を示す説明図である。

【図１０】積層型圧電素子を超音波モータに応用する場
合の回路構成を示すブロック図である。

【図１１】図１０に示した超音波モータの具体的構成例
を示す説明図である。

【図１２】従来の積層型圧電素子の一例を示す構造図で
ある。

【図１３】積層型圧電素子を用いたアクチュエータを示
す構成図である。

【図１４】積層型圧電素子の他の従来例を示す断面図で
あり、特開平８−２１３６６４号公報に開示のものであ
る。

【図１５】従来の積層型圧電素子を用いたセンサの一例
を示す構成図である。

【符号の説明】

１００積層型圧電素子１１０第１の積層型圧電素子１１１圧電素子１１２電極１２０第２の積層型圧電素子１２１圧電素子１２２電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 5H680 AA00 BB01 BB13 BB15 CC02 DD01 DD15 DD23 DD27 DD28 DD37 DD46 DD53 DD67 DD92 DD95 FF23 GG02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】同一厚さの圧電素子を積層して積層型圧
電素子を構成すると共に、この圧電素子とは異なる厚さ
の圧電素子を積層して別の積層型圧電素子を構成し、こ
れら積層型圧電素子を一体化したことを特徴とする積層
型圧電素子。
【請求項２】第１の積層型圧電素子を構成する圧電素
子の厚さを、第２の積層型圧電素子を構成する圧電素子
よりも薄くし、当該第１および第２の積層型圧電素子を
厚み方向に一体化したことを特徴とする積層型圧電素
子。
【請求項３】第１の積層型圧電素子を構成する圧電素
子の厚さを、第２の積層型圧電素子を構成する圧電素子
よりも薄くし、当該第１および第２の積層型圧電素子を
並設し一体化したことを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項４】さらに、構成する圧電素子の厚さが異な
る他の積層型圧電素子を一体化したことを特徴とする請
求項２または３に記載の積層型圧電素子。
【請求項５】前記各積層型圧電素子を構成する圧電素
子の厚さの比を整数値としたことを特徴とする請求項２
〜４のいずれか一つに記載の積層型圧電素子。
【請求項６】前記各積層型圧電素子の面積を異なるも
のとしたことを特徴とする請求項２〜５のいずれか一つ
に記載の積層型圧電素子。
【請求項７】構成する圧電素子の厚さを異なるものと
した複数の積層型圧電素子を一体化し、各積層型圧電素
子に対して電圧を印加する駆動手段を設けると共にこの
駆動手段を制御して電圧を印加する積層型圧電素子を選
択する制御手段を設けたことを特徴とする圧電アクチュ
エータ。
【請求項８】構成する圧電素子の厚さを異なるものと
した複数の積層型圧電素子と、各積層型圧電素子の圧電
効果により発生する電気信号を検出する検出手段を設け
たことを特徴とする圧電センサ。
【請求項９】構成する圧電素子の厚さを異なるものと
した複数の積層型圧電素子を一体化すると共にこの積層
型圧電素子に振動変換部材を設け、さらに、各積層型圧
電素子に対して電圧を印加する駆動手段と、この駆動手
段を制御して電圧を印加する積層型圧電素子を選択する
制御手段とを設け、前記振動変換部材を振動接触させる
ことで移動体を駆動することを特徴とする超音波モー
タ。
【請求項１０】第１の積層型圧電素子を構成する圧電
素子の厚さを、第２の積層型圧電素子を構成する圧電素
子よりも薄くし、当該第１および第２の積層型圧電素子
を積み重ねて一体化すると共に当該一体化した積層型圧
電素子の側面に振動変換部材を取り付け、さらに、各積
層型圧電素子に対して周波電圧を印加する駆動手段を設
け、前記第１の積層型圧電素子により縦振動を励振し、前記
第２の積層型圧電素子により屈曲振動を励振し、前記振
動変換部材を移動体に振動接触させることで当該移動体
を駆動することを特徴とする超音波モータ。