JPH0677550A - 積層圧電素子及びその製造方法並びに分極処理方法、及び超音波モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 円板状の圧電素子を個々に形成し、分極処理
を施す場合は、分極処理等に時間を要したり、圧電セラ
ミックスにある程度の厚みを必要としていたが、このよ
うな問題を解決した積層圧電素子を提供する。 【構成】 圧電セラミックス５の片面側にスリット６を
隔てて電極膜８−１、８−２を形成すると共に、他面側
に全面電極膜１０を形成した複数の圧電素子４を、片面
側と他面側とを互い違いにすると共に、スリット６を同
じ向きにして対向する電極膜同士が接触するように重ね
合わせて積層し、各電極膜８−１と８−２同士を夫々導
電させ、且つ互いに非導電状態としている導電部２−
１、２−２と、該各全面電極膜１０同士を導電させた導
電部３に夫々給電できるようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は積層圧電素子及びその製
造方法並びにその分極処理方法、及び超音波モータに関
する。

【０００２】

【従来の技術】すでにたとえば、特公平３−４０７６７
号や特公平３−２８９３７５号等に棒状超音波モータは
記載されている。図１０は棒状超音波モータの振動子の
分解斜視図であり、図１１は棒状超音波モータの縦断面
図である。

【０００３】図１０に示す振動子は、２枚の圧電素子Ｐ
ＺＴ１，２を１群とする駆動用のＡ相圧電素子ａ１、同
様に２枚の圧電素子ＰＺＴ３，４を１群とする駆動用の
Ｂ相圧電素子ａ２、又１枚の圧電素子板からなるセンサ
用圧電素子ｓ１を図示のように積層するとともに、これ
らの圧電素子間に電気を供給するための電極板Ａ１，Ａ
２及びセンサ信号取り出し用の電極板Ｓがある。またそ
れらと共にＧＮＤ用電極板Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３もＧＮＤ電
位を与えるためにある。そしてこれらの圧電素子および
電極板を挟持するように前後に黄銅、ステンレスなどの
振動減衰の比較的小さい金属製ブロックｂ１，ｂ２を設
け、締め付けボルトｃにより金属ブロックｂ１，ｂ２を
締め付けることにより一体化し圧電素子に圧縮応力を付
与している。またこのときセンサ用圧電素子ｓ１を一枚
で済ませるためボルトｃと金属ブロックｂ２の間に絶縁
シートｄが入っている。

【０００４】このときＡ相圧電素子ａ１とＢ相圧電素子
ａ２は位置的に９０度ずれて配置されており各々が該振
動子の軸を含む直行する２つの面内方向の屈曲振動を励
振させ、かつ適当な時間的位相差を持たせることによ
り、振動子の表面粒子に円あるいは楕円運動を生ぜしめ
振動子上部に押圧された移動体を摩擦駆動する。

【０００５】このような振動子を棒状超音波モータに用
いた例を図１１に示す。この例では、振動子の締結ボル
トｃは、先端部に細径の支柱部ｃ２を有し、この支柱部
ｃ２の先端部に固定された固定部材ｇによりモータ自体
の固定を行えるようにし、又ロータｒなどの回転支持の
作用も兼用している。ロータｒは前金属ブロックｂ１の
先端面に接触し、加圧は固定部材ｇからベアリング部材
ｅとギヤｆを介してロータｒに内装されたバネケースｉ
のコイルバネｈを押圧することであたえられる。この棒
状超音波モータに使用する圧電素子についてさらに詳し
く説明すると、１枚の圧電素子ＰＺＴ１〜４は図１２の
ように粉末から焼成して作った圧電セラミックス５を円
盤形状に機械加工し、厚さ０．５ｍｍとし、表面にはス
リットを介して２つのほぼ半円形状の電極膜８−１，８
−２を形成し、裏面には全面に電極膜１０を形成させ、
その後半円形状の電極膜８−１，８−２の極性を右左で
異なる方向（＋），（−）で分極処理を行い圧電特性を
与えている。このような１枚の圧電素子を図１０のよう
に、例えば、Ａ相においてはＰＺＴ１，ＰＺＴ２が電極
板Ａ１をはさんで分極の同極性が向かい合うようにし同
時にスリットも重なるように重ね合わせている。同様に
Ｂ相についても重ね合せている。すなわち、図１３のよ
うにＡ相の圧電素子ａ１の分極の方向は矢印１４のよう
に表わされ、電極板Ａ１に駆動用の交流電圧が作用する
と、圧電素子ＰＺＴ１，ＰＺＴ２の右側と左側で一方が
伸びると一方が収縮しこれを交互にくり返し振動子に屈
曲振動を起こさせることになる。Ｂ相についてもＡ相と
スリットの向きが９０°異なる点を除き同様の状態で屈
曲振動を起こさせる。

【０００６】

【発明が解決しようとしている課題】しかしながら、上
記従来例では１枚１枚の圧電素子をあらかじめ分極処理
を行ってから、電極板と交互に重ね積層を行っているた
め、分極処理に多大な時間を要しており、また、振動子
の組立てにも時間を要していた。さらに、圧電素子の分
極処理工程時や組立工程時のハンドリングを考慮すると
強度上、圧電セラミックスの厚さもある程度厚くする必
要があり、その結果さらに多層化しようにも、素子全体
の寸法が大きくなり、例えば鉛筆と略同径あるいはそれ
以下の超小型化を実現できる超音波モータの小型化の障
害ともなっており、しいては、多層化により可能な超音
波モータの大出力化や低電圧駆動化も難しくしていた。

【０００７】本発明は、このような従来の問題を解決し
た積層圧電素子、及びその製造方法、分極処理方法、及
び該積層型圧電素子を用いた超音波モータを提供するこ
とを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の目的を実現する
積層圧電素子、その製造方法並びにその分極処理方法及
び超音波モータは特許請求の範囲に記載した通りであ
り、具体的には、あらかじめ薄い圧電セラミックスを、
表面に設けた電極膜を介して多数枚重ね合せ、各圧電素
子の各々の電極膜間を導電体で結ないで一体化した積層
圧電素子を作ることで、多数枚の圧電素子の分極処理を
１回の分極工程で行うことが可能となり、さらに、素子
全体の寸法を増やすことなく、積層枚数を増やすことが
できるようにしたものである。

【０００９】

【実施例】第１の実施例 図１及び図２は本発明による圧電素子の第１の実施例を
示し、図３はその分極処理方法を示す。図１の（３）は
（１）のＡ−Ａ断面、（２）は（３）のＢ−Ｂ断面を示
す。

【００１０】１は圧電素子４を８枚積層した積層圧電素
子で、圧電素子４は図２に示すように、予め仮焼後粉砕
した粉末から成形し焼成し、機械加工を行って円盤状に
した圧電セラミックス５に対し、図２の（１）に示す表
の面及び図２の（２）に示す裏の面に夫々銀ペーストを
スクリーン印刷して焼付け、表の面には直径部分のスリ
ット６を挟んで外周側へは全面に広がった２つの半円形
状の電極膜８−１と８−２を形成すると共に、内径部の
周囲に電極膜の非形成部分である内径側電極膜非形成部
７を形成し、一方、裏の面には外周部に沿って電極膜の
非形成部分である外径側電極膜非形成部９を形成すると
共に、内径側へは全面に広がった電極膜１０を形成した
ものを用いている。

【００１１】なお、本実施例では、圧電セラミックス５
の直径は１０ｍｍ、厚みは０．１２５ｍｍ、電極膜の厚
さは３〜５μｍとし、またスリット６の幅は０．８ｍ
ｍ、内径側電極膜非形成部７と外径側電極膜非形成部は
共に幅０．８ｍｍの一定間隔としている。

【００１２】積層圧電素子１は、圧電素子４の表の面同
士、及び裏面同士を対向させて夫々のスリット６を揃え
ながら重ね合わせて積層し、すなわち本実施例では一番
下の圧電素子４は表の面を上にし、下から２番目は裏の
面を上にし、下から３番目は表の面を上にし、というよ
うに交互に８枚の圧電素子を重ね合わせている。

【００１３】このとき重ね合わせる面には接着剤を均一
に塗布しており、重ね合わせた後、プレスにより加圧し
ながら温度を６０℃に上げ、できるだけ接着剤を薄くし
密着させ接着剤を硬化させた。

【００１４】そして、重ねた圧電素子の内径側面に接着
剤と銀からなるペーストを塗布し導電部３を設け、また
外径側面には圧電素子の２つの半円形状の電極膜に対し
て各々同様のペーストを塗布し、導電部２−１，２−２
を形成した。塗布後温度６０℃の恒温槽の中に２時間入
れ、接着剤を完全に硬化させた。

【００１５】なお、圧電素子間の接着剤は接着剤が硬化
するまえに、一度粘度が低下しその際、プレスにより加
圧しているので圧電素子４の電極膜８−１，８−２，１
０同士が接して導通がとれる。さらに内径、外径の側面
に付けた導電部２−１，２−２，３も恒温槽内で一度粘
度が下がり、各々の圧電素子の電極膜８−１，８−２や
１０と接触し、その後硬化し導通がとれる。

【００１６】つまり内径側面の導電部３は２層おきに、
各々の圧電素子の裏面に施こされた全面電極膜１０と導
通し、外径側面の導電部２−１，２−２は各々の圧電素
子の表面に施こされた２つの半円形状の電極膜８−１，
８−２に各々導通する。

【００１７】なお内径側面の導電部３の位置はとくに場
所を選ばないが、外径側面の導電部２−１，２−２の位
置は積層圧電素子を棒状超音波モータに組み込んだ場合
その振動をなるべく阻害しないようにスリット６の近傍
にした。また、重ね合せた圧電素子を加圧し、接着する
と接着剤が圧電素子の内径、外径の側面にわずかにはみ
だすので、内径、外径側面の導電体部を形成するための
ペーストを塗布する前には前もって塗布部分の接着剤を
削り落しておいた。導電部２−１，２−２，３とも厚さ
１０〜２０μｍ 幅約１ｍｍとした。また電極膜や導電
部の形成方法は本例以外にも蒸着、無電解メッキ等があ
るが、これらを用いてもとくに問題はないので信頼性、
生産性やコストを考慮して決めるべきであろう。

【００１８】次に、このようにして作った積層圧電素子
を図３のように１００ＭΩの高抵抗１２ ２ケを用いて
分圧ができるように結線し、コンタクトピン１１を導電
部２−１，２−２および電極膜１０に接触させた。そし
て、直流電源１３により直流電圧３２０Ｖを６０分間印
加し１２０℃の恒温槽の中で分極処理を行った。図３に
示す結線では導電部２−１に導通する電極膜８−１が０
Ｖで、導電部３に導通する電極膜１０に１６０Ｖ、導電
部８−２に３２０Ｖが各々印加できる。この結果矢印１
４の方向に分極される。このような分極方向であるので
導電部３又は電極膜１０にＧＮＤを結なぎ、導電部２−
１，２−２に棒状超音波モータの駆動電圧である交流電
圧を印加すれば従来例でも説明したように図３のＡ−Ａ
断面の左右が交互に伸縮がくり返えされる。

【００１９】従来、例えば厚さ０．５ｍｍの圧電素子の
分極処理では１．０〜１．５ｋＶの電圧を印加する必要
があり、この程度の電圧になると空気中では絶縁破壊を
起こすため、通常絶縁油のなかで、行なわれている。本
積層素子では１枚の圧電素子の厚さが薄くなり、そのた
め分極のための電圧も３００Ｖ程度と低くでき、空気中
の分極処理が可能となった。

【００２０】これは重ねた枚数の圧電素子が一度に分極
できるという大きな利点にくわえ、絶縁オイル使用後の
洗浄、乾燥などが不要となり分極処理が容易になった。
なお、分極前には内外径側面の各々の導電部間の電気抵
抗を測定電圧２５０Ｖで測定したところ２０００ＭΩ以
上あり、各導電部、電極膜間の絶縁は良好であった。さ
らに分極前後で導電部３−電極膜１０と２つの外径側面
の導電部２−１，２−２の間の静電容量（１ｋＨｚ）を
比較したところ、２０〜３０％以上の増加となっており
分極されていることも確認できた。なお、分極に際して
はコンタクトピン１１以外にも導通がとれるようにすれ
ばハンダ付等を行っておいても良い。分極条件は電圧、
温度、時間に関係し、とくに本例の条件に限定されるも
のではない。

【００２１】以上は焼成後の圧電セラミックスを使用し
て製作した例であるが、次にグリーンシートから作った
例を説明する。

【００２２】先ず、圧電セラミックスを作るための仮焼
後の粉砕した粉末と有機バインダーおよび水とを充分に
混合し、押し出し成形機によりシート状に成形した。成
形したシートを打ち抜きプレスを用いて打抜き、そし
て、打抜いたシートに図２と同様の電極パターン８−
１，８−２と１０を白金の導電ペーストをスクリーン印
刷して電極膜を形成した。そして、前述の様に重ね合
せ、加熱しながらプレスにより圧力を加え一体化させ
た。さらに図１と同じく、白金の導電ペーストで外周側
と内周側に導電部２−１，２−２と３を形成した。この
状態で約１２００〜１３００℃の鉛雰囲気中で焼成する
と図１と同様の焼成された積層圧電素子が作ることがで
きた。

【００２３】分極処理は前述と同条件で行った。なお、
積層後焼成により収縮を起こすのであらかじめ寸法は収
縮分を見込んでシートの厚さは０．１５０ｍｍとし電極
膜の厚さは５〜６μｍとした。以上のように製造方法に
は焼結して作った圧電セラミックスを重ね積層する方法
と焼結前のグリーンシートを重ね積層する方法とがある
が、最終的は生産時の信頼性やコストとにより方法を決
めるべきである。

【００２４】次に、以上のようにして作った積層圧電素
子の棒状超音波モータに組み込んだ例について説明す
る。

【００２５】本例の図３の８枚重ねの積層圧電素子１で
は上、下面の両端には導電部３で導通した圧電素子４の
裏面の電極膜１０が出ており、ＧＮＤ面（Ｇ）を形成し
ている。そこで、棒状超音波モータに組み込んで使用す
る場合、外径側面の導電部２−１，２−２は等電位で、
駆動電圧を印加して使用するので使用前にあらかじめ前
述の接着剤と銀粉の混ざったペーストで導電部２−１と
２−２は導通させておいた。

【００２６】図５の（１）は実際に本発明による積層圧
電素子１を２ケ、振動子のＡ相とＢ相にスリットの向き
が９０°で交差するようにして振動子に組込んだ図であ
り、積層圧電素子１の両端はＧＮＤ面（Ｇ）であるので
図１０の従来例での電極板Ｇ２とＧ３は不要となった。
また駆動電圧を供給するため積層圧電素子１の外径側面
の導電部２−１にリード線１５，１６を直接ハンダ付け
した。このため電極板Ａ１，Ａ２も不要となった。

【００２７】また、予め、図５の（１）ａ１、ａ２に相
当する２個の積層圧電素子をスリットの向きが９０°で
交差する構成で重ねて撮像素子を作っておいても良い。
この場合、ａ１、ａ２に相当する導電部３は導通させ、
導電部２−１同士、２−２同士を導通させてから既に述
べたように分極処理を行うことができる。そして、モー
タ駆動時には導電部２−１同士、２−２同士を導電状態
から絶縁状態にし、今度はａ１、ａ２に相当する各々の
導電部２−１と２−２を導通させ、導電部２−１にリー
ド線をつなぎ、駆動電圧を印加すれば良い。

【００２８】以上の例は８枚重ねの例であり、実際に偶
数枚重ねた積層圧電素子の場合は同様であるが、例えば
図４のように７枚重ねのような奇数枚重ねた積層圧電素
子を棒状超音波モータに組み込んで使用する場合、図４
の積層圧電素子１’の上下両端面には導電部３’で導通
した電極膜１０があるＧＮＤ面（Ｇ）と、導電部２’−
１，２’−２で導通した電極膜８−１，８−２のある駆
動電圧を供給する駆動電位面（Ａ）を形成している。

【００２９】このような積層圧電素子１’を実際に振動
子のＡ，Ｂ相に組み込んで使用すると、Ａ相とＢ相のス
リットの向きを９０°交差するようにして図５の（２）
のように絶縁シートｄ２を積層圧電素子１’の間に入
れ、２つの積層圧電素子１’のＧＮＤ面（Ｇ）は電極板
Ｇ１，Ｇ３と接触通電するようにした。一方、駆動電圧
は直接外径側面の導電部２−１にリード線１５，１６を
直接ハンダ付けし印加した。また、積層圧電素子１’の
側面にリード線で直接結ながない方法とすれば、図５
（３）のように電極板Ａ１，Ａ２を使い、さらに積層圧
電素子１’をＡ，Ｂ相に各々２ケ、合計４ケを使用して
棒状超音波モータに組み込んで使用できる。この場合は
積層圧電素子の外径側面の導電部２−１と２−２を短絡
させておく必要はない。以上のように本積層圧電素子を
用いれば従来交互に重ねていた電極板の数を減らすこと
ができ、組み立ても容易となった。

【００３０】以上説明した実施例では、圧電素子間の電
極膜を結なぐ導電部を、圧電素子の表面の２つの半円形
状の電極膜については外径側面に、裏面の電極膜につい
ては内径側面に設けたが、各々の導電部は内外径側面に
限定されることはない。例えば、図６のように、圧電セ
ラミックス５に形成する電極膜を、表面には外径側で一
定の間隔の電極膜の付いていない部分７’を有し、裏面
には内径側に一定の間隔の電極膜の付いていない部分
９’を有するようにすれば、重ね合せ一体化したあと
で、表面の２つの半円形の電極膜間を各々結なぐ導電部
２’−１，２’−２は内径側面に設け、裏面の電極膜間
を結なぐ導電部３’は外径側面に設けても良い。

【００３１】また、別の例として、図７，図８のように
圧電素子４の裏面に各々、外径、内径側の電極膜に付い
ていない部分に表面のスリット６の裏側でスリット６よ
り幅の狭い電極膜１０’をはみ出させ、スリットの向き
を揃えて圧電素子を重ね合せ積層化し、図７の例では導
電部２−１，２−２，３’は外径側定にのみ設け、図８
では導電部２’−１，２’−２，３は内径側面にのみ設
けている。いずれにしても各電極膜間を結なぐ導電部
は、各々の導電部間の絶縁がとれていれば、各々の導電
部の形成場所にかぎることはない。またこれらの積層圧
電素子を超音波モータに組み込んで使用する際にもすで
に説明した素子の外径側面にリード線を結なぐ方法や両
端面に接触させた電極板を使用する方法が考えられ、圧
電素子の裏面である電極膜が接地され、他方の表面の２
つの電極膜に駆動電圧が印加できるなら問題はない。

【００３２】以上の説明はＡ相、Ｂ相の２槽の駆動電圧
を使用してなる棒状超音波モータの場合であった。さら
に別に１２０°の位相差を持つ３相の駆動電圧で棒状超
音波モータを駆動する場合も考えられる。例えばすでに
説明した図５の（１）において、３この積層圧電素子を
各々スリットの向きが１２０°ずれているように配置
し、各々の素子をリード線にて結線し、３相駆動電圧を
印加することで２相の場合と同様に振動子の表面粒子に
円又は楕円運動を生じせしめることができる。

【００３３】３相を使用すると、２相よりも圧電素子に
印加する電圧を実質的に大きくでき、それだけ振動子の
運動を大きくでき、モータの性能も向上する。

【００３４】図９は本発明による積層圧電素子１を組み
込んだ棒状超音波モータを用いた駆動装置を示す。

【００３５】この棒状超音波モータの基本的構造は図１
０に示すものと同じであり、積層圧電素子１を用いる点
が従来例と異なっており、超音波モータと一体的に組付
けられているギアｆはギア伝達機構Ｇの入力ギアＧＩに
噛合し、その出力ギアＧＯはレンズＬ１を保持するレン
ズ保持部材Ｈに形成されたギアＨＩに噛合している。こ
のレンズ保持部材Ｈは固定筒Ｋにヘリコイド結合し、超
音波モータの駆動力によりギア伝達機構Ｇを介して回転
駆動されて合焦動作が行なわれる。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、積層した状態で分
極処理のできる薄い圧電素子を多数枚重ねた積層圧電素
子を用いることにより、棒状超音波モータの小型化や大
出力化、さらには低電圧駆動化も可能となるばかりでな
く、圧電素子の分極処理工程を容易にし、また超音波モ
ータの組立ての際も圧電素子を短時間で精度良く組み込
めるなどの効果がある。

【００３７】また、このようにして作った積層圧電素子
は多層化のほか１枚の圧電セラミックスも薄くでき、そ
の結果静電容量も大きくなり、モータとして使用する際
入力インピーダンスが小さくなり、それだけ入力電力も
投入できるので、低電圧駆動や大出力化に適した特性を
有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の積層圧電素子の一実施例を示す図。

【図２】図１の積層圧電素子を構成する１枚の圧電素子
を示す図。

【図３】図１の積層圧電素子の分極処理方法を示す図。

【図４】本発明の積層圧電素子の他の実施例を示す図。

【図５】積層圧電素子を棒状超音波モータに組み込んだ
状態を示す図。

【図６】本発明の積層圧電素子の他の実施例を示す図。

【図７】本発明の積層圧電素子の他の実施例を示す図。

【図８】本発明の積層圧電素子の他の実施例を示す図。

【図９】図１の積層圧電素子を有する超音波モータを駆
動源とするレンズ駆動機構を組み込んだレンズ鏡筒の断
面図。

【図１０】従来の棒状超音波モータの振動子の分解斜視
図。

【図１１】従来の棒状超音波モータの断面図。

【図１２】従来の超音波モータ用の圧電素子を示す図。

【図１３】圧電素子の分極方向と伸縮方向との関係を示
す図。

【符号の説明】

１，１’…積層圧電素子 ２−１，２−２，３，２’−１，２’−２，３’…導電
部 ４…圧電素子 ５…圧電セラミ
ックス ６…スリット ７，９…電極膜
未形成部 ８−１，８−２，１０…電極膜

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 片面側に複数の分割電極膜を形成すると
   共に、他面側に全面電極膜を形成した複数の圧電素子
   を、片面側と他面側とを互い違いにすると共に、各分割
   電極膜の位相を一致させるようにして対向する電極膜同
   士が接触するように重ね合わせて積層され、積層方向に
   おいて同位相の分割電極膜同士を導電させ、且つ互いに
   非導電状態としている複数の導電部と、該各全面電極膜
   同士を導電させた導電部に夫々給電するようにしたこと
   を特徴とする積層圧電素子。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の積層型圧電素子におけ
   る複数の圧電素子は、焼成された圧電セラミックに分割
   電極膜と全面電極膜とを予め形成し、これら複数の圧電
   素子を接着剤により積層し加圧した状態で加熱し、接着
   剤を硬化させたことを特徴とする積層圧電素子の製造方
   法。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の積層圧電素子における
   複数の圧電素子は、シート状の練り状態にある焼成前の
   圧電セラミック材料を所定の形状に打ち抜いたものの表
   裏両面に夫々電極膜を形成し、これを積層して加圧しな
   がら加熱して形成したことを特徴とする積層圧電素子の
   製造方法。
4. 【請求項４】 請求項１に記載の積層圧電素子における
   各導電部に直流電圧を加えると共に、空気中において加
   熱しながら分極処理を行うことを特徴とする積層圧電素
   子の分極処理方法。
5. 【請求項５】 金属ブロック間に請求項１に記載の積層
   圧電素子を所定の位相を有して複数挟持固定し、これら
   積層型圧電素子に所定の位相を有する交流電圧を印加す
   ることにより、該金属ブロックの表面粒子に楕円又は円
   運動を形成する棒状の振動子と、該振動子に加圧接触し
   て該楕円又は円運動により摩擦駆動される移動体とを有
   することを特徴とする超音波モータ。 【請求項５】 請求項５に記載の超音波モータを駆動源
   とすることを特徴とする機器。