JPS63220782A - 圧電素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、超音波モータに使用される圧電素子に関し、
特に分極部の構成に関するものである。

〔従来の技術〕

最近、電磁型モータに代わる新しいモータとして超音波
モータが脚光を浴びている。この超音波モータは原理的
に新しいというだけでなく、従来の電磁型モータに比べ
て次のような利点を有している。

■中心軸を必要としない。

■薄型、軽量である。

■磁気的影響の授受がない。

■部品構成が単純で、信頼性が高い。

■ギヤなしで低速、高トルクが得られる。

［相］バックラッシュがなく位置決め精度が高い。

■起動、停止が速やかである。

■ステータに対してロータが、回転、チャック。

浮遊、の三態をとり得る。

かくして、これらの利点を生かすべく、カメラやその他
の機器に関して種々の応用技術の研究が進められている
。

第５図は「応用物理、第５４巻、第６号（１９８５）　
、Ｐ。５８９〜５９０」に開示されている従来の代表的
な回転型超音波モータの概略図である。図中１は取付は
ベース、２はフェルト、３は圧電素子、４は弾性金属材
からなる振動板、５はスライダー、６は回転体、７は回
転シャフト、である。なお圧電素子３と振動板４とでス
テータを構成しており、回転体６と回転シャフト７とで
ロータを構成している。この超音波モータの原理は、円
環状圧電索子３と一体化した金属製ドーナツ形振動板４
に逆圧電効果によって板波進行波を励起し、これによっ
て発生する表面質点の後方楕円運動軌跡の頂点に接する
ようにロータを抑圧配置することにより、同ロータを回
転させるというものである。

第６図は圧電素子３の分極状態を示す図である。

各分極部は、分極方向が十−＋−・・・のように交互に
逆向きになるように、リング状圧電体を分極するか、ま
たは分割した複数の圧電素子を分極方向が互いに逆向き
になる様に配置することによって得られる。この様な分
極配置において、分極方向が互いに逆向きになった隣り
合わせの１組を１波長λに対応させる。そして、１８０
°異なる位置に各々、３／４λ、１／４λ長の未分極部
（斜線部）を配し、これらを結んだ中心線に対して対称
に分極部をｎλ個分づつ配置している。ただし分極の向
きは、円周方向に分極方向が交互に逆向きになる様に連
続的に配置される。

この様な分極配置のうち、３／４λ、１／４λ長の未分
極部を間に挟んだ左半分の振動板に接していない面を一
つの電極でおおい、これを一方の片側共ａ電極とし、右
半分の振動板に接触していない面を別の電極でおおい、
これを他方の片側共通電極とする。そして、振動板４側
の電極を振動板４と導通させ、すべての圧電素子のアー
ス側電極として共通化している。

以上の様な構成体における電気信号入力端子は、三端子
Ｖｌ、Ｖ２．Ｅとなる。この様な分極配置。

電極配置を有した構成体を駆動する場合には、端子Ｖｌ
−Ｅ、端子Ｖ２−Ｅとの間に、互いにπ／２の位相差を
有し、λ２円環の内・外径、厚み。

圧電セラミクスと振動板の平均的弾性定数、密度。

等で決定される固有振動数ωを存する電気信号を入力す
ればよい。

第７図はステータの一部を切欠して示す側面図である。

今、振動板４と二つの圧電素子３の電極との間に前記交
流電圧を印加すると、振動板４には屈曲振動波が励起さ
れるが、第７図に示すように中心間距離がａである隣合
った分極部の一方には次式で示される屈曲振動波が発生
する。

ｙｌ　−Ａｓ　ｉｎ　（ωｔ−２ｙｒｐ／λ）＋Ａｓ　
ｉｎ　（ωｔ＋２πｐ／λ）・　（１）また、他方の分
極部には（１）式とは位相差角がψだけずれた次式で示
される屈曲振動波が発生する。

ｙ２冒Ｂｓ１ｎ （ωｔ−２π／λ　（ｐ＋ａ）＋ψ） ＋Ｂｓ１ｎ （ωｔ＋２π／λ（ｐ＋ａ）十ψ）・・・（２）ここで 一２π　ａ／λ　＋ψ−ψ１　。

＋２π　ａ／λ＋ψ廟ψ２ とおくと、（２）式は ｙ２−Ｂｓｌｎ （ωｔ−２πｐ／λ＋ψ１） ＋Ｂｓ１ｎ （ωｔ＋２πｐ／λ＋ψ２）・・・（３）となる。上記
二つの分極部で励起される屈曲振動波は、（１）式と（
３）式との和すなわちｙ″ｙ１＋ｙ２ なる合成屈曲振動波であると考えられる。この合成屈曲
振動波のうち進行波だけが存在するための条件は、 ψ１−ｍπ　　（ｍ−０，±２．±４・・・）。

ψ２−ｎπ　　（ｎ−±１．±３．±５・・・）である
。

ψ１−−２πａ／λ＋ψ−ｍπ２ ψ２−＋２πａ／λ＋ψ−ｎπ であるから、 ａ−λ（ｎ−ｍ）／４（ｎ≠ｍ）・・・（４）。

ψ−π（ｎ＋ｍ）／２　　　　　　　・・・（５）とな
る。（４）式および（５）式の条件が成立すると、合成
屈曲振動波は ｙ−Ａｓ　ｉｎ　（ωｔ−２πｐ／λ）＋Ａｓ　ｉｎ　
（ωｔ＋２ｙｒｐ／λ）＋Ｂｓ１ｎ １ωｔ−２πｐ／λ＋ｍπ） ＋Ｂｓ１ｎ （ωｔ＋２πｐ／λ＋ｎπ） ＝　（Ａ十Ｂ）　ｓ　ｉ　ｎ　（ωｔ−２πｐ／λ）＋
　（Ａ−Ｂ）ｓ　ｉｎ　（ωｔ＋２πｐ／λ）・・・（
６） となる。したがって進行波だけが存在するためには Ａ−Ｂ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　・・・　（７）であることがもう一つの条件と
なる。

上記した進行波だけが存在するための各条件のうち、（
４）、（５）式については圧電索子３の電極形状と電圧
印加手段を整えることによりほぼ実現できる。しかしく
７）式の条件を完全に満たすのはかなり困難である。す
なわち、圧電索子３に第６図に示すような分極部が生じ
るように分極処理を施しても、分極状態には不均一さが
生じる。

この理由は、圧電索子３の全面積が大きいため、セラミ
クス焼成むら等により分極前の材質が不均一であること
、分極が交互分極であり分極処理を二度行なうことから
、（十）方向と（−）方向の分極状態に差が出ること、
等である。

一方、第７図に示すように、圧電索子３は振動板４に対
して接着剤８により接着されるが、上記接着を全領域に
亙って均一に行なうことは容易ではない。しかも圧電素
子３および振動板４には元々寸法上のバラツキがある。

このようなことから、（７）式の条件を完全に満たすこ
とは極めて困難である。

したがって屈曲振動波にはバラツキがあり、ロータに対
して大きな振動波が生じている箇所は接触するが、振幅
の小さい振動波が生じている箇所は接触しないことにな
る。その結果、各振動波の周波数成分に差が生じ、内部
摩擦が増大し、超音波モータの効率を低下させていた。

上記欠点を解決する手段として、従来次の三つの手段が
考えられていた。

（１）圧電索子３の一側面に設けられている電極を、各
分極部に対応する分ｍ電極とし、各分離電極部の下に位
置している各分極部の分極状態を、交互に逆方向の分極
状態とし、この分極状態および電気容量のバラツキを小
さくする。

（２）全分極部の分極方向を同一方向にし、印加電界を
隣接する分極同士では逆向きとする。

（３）個別に分極した複数の圧電片を、分極方向が隣り
同士では逆向きになるように配列する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明者らは、上記第１〜第３の各手段による改善効果
を確認すべく、圧電素子およびリード線の取付は方法以
外は、全く同一の寸法、構造のものを作成し、実験を行
なってみた。その結果、第１〜第３の手段によれば、そ
れぞれある程度の改善効果は認められたが、同時にそれ
ぞれ以下説明するような問題があることが分った。

第８図および第９図（ａ）（ｂ）は第１の手段について
の実験例を示す図である。ＰＺＴ　（ジルコン・チタン
酸鉛）圧電セラミクスをリング状に成形し、規定の寸法
に切削および研磨してリング状圧電体１０とし、これに
規定の振動波数が得られるような分離電極１１を片面に
設け、裏面にはアース側共通電極１２を設けた。そして
第９図（ａ）のように、隣同士の分離電極１１ａ。

１１ｂ下の分極状態が互いに逆向きになるように分極処
理を施し、第９図（ｂ）に示すように電圧を印加して駆
動実験を行なった。

上記第１の手段では、分＃［極１１の隣り同士の境界部
に大きな分極歪みが発生する。このため、飽和分極状態
にしようとすると、境界部にクラックが生じる場合があ
り、歩留りが低下する。また未飽和分極状態にすると、
電気−機械変換係数におよび品質係数Ｑｍがいずれも悪
化する上、これらの定数や分極部間の容量のバラツキが
大きくなり、前記Ａ−Ｂの条件を満たしにくくなる。

第１０図および第１１図（ａ）（ｂ）は、第２の手段に
ついての実験例を示す図である。第１の手段と同様にリ
ング状圧電体１０および分離電極１１およびアース側共
通電極１２を設けた。そして第１１図（ａ）のように分
離電極１１ａ。

１１ｂ下の全ての分極部の分極方向が同一方向となるよ
うに分極処理したのち、第１０図のような結線１３を施
し、第１１図（ｂ）に示すように印／Ｊｌｌ電界が隣り
同士で逆向きとなるように電圧を印加して駆動実験を行
なった。

上記第２の手段では、分極状態のバラツキは第１の手段
に比べて少ないが、分極時に面に沿った方向の分極が生
じてしまい、屈曲変位が発生する。

このため圧電素子の横効果変位を効率よく発生できなく
なる。また端子構造からも分るように、２倍の印加電圧
が必要であり、たとえトランスを用いたとしても、二次
側出力電圧の大きい大型なトランスが必要となる。した
がってコンパクトな機器、例えばカメラ等には搭載でき
ないことになる。

また上記端子構造から分るように、圧電セラミクスから
なるリング状圧電体１０の裏面電極１２と電気的に導通
する金属板（振動板）が零電位とならない。このためス
トレーキャパシティの影響や漏れＴｔｉ流を配慮した構
造にする必要があり、構成が１（雑なものとなる。さら
に裏面電極１２と金属板（振動板）とを絶縁しても、こ
の絶縁状態を均一に形成することは加工組立て上極めて
困難である上、交流的には絶縁層を通して電流が流れて
しまう。

第１２図は前記第３の手段についての実験例を示す図で
ある。第１の手段と同様の圧電セラミクスからなる複数
の分割圧電片１４について個別に分極し、これらを分極
方向が隣り同士では逆向きになるように配列してリング
状金属板１５に接着し、第１の手段と同様に電圧印加を
行なって駆動実験を行なつた。

上記第３の手段では、各圧電片】、４が個別に分極処理
されるので、各分極部を支障なく飽和分極状態にするこ
とができる。しかし、これらの各圧電片１４を分極方向
が隣り同士では逆向きになるように配列して、リング状
金属板１５に接着する作業が著しく煩雑であり、しかも
全ての圧電片１４を均一な接着状態にすることが極めて
困難である。また位置決めが精度よく行なわれない場合
には勿論であるが、たとえ位置決めが精度よく行なわれ
たとしても、第２の手段等のようなきれいな振動モード
を得ることは無理であることが確認された。さらに各圧
電片１４を個々に接着するものであるので、各圧電片１
４のエレメント長を周期とした熱膨張係数差を起因とし
た反りが発生し、第１．第２の手段では現われない新た
な欠点が認められた。

前記三つの手段における各欠点は実用上問題となる欠点
であり、これらを解決しない以上実用化は難しい。とこ
ろで前記第１〜第３の手段のうち第１の手段は、分極状
態さえ飽和分極状態が実現でき、かつ分極状態のバラツ
キさえなくなれば、理想的な構造の圧電素子を得ること
が可能な手段であると考えられる。しかも第２．第３の
手段に比べて、その欠点解決の見込みの可能性が比較的
高いと言える。

そこで本発明は、第１の手段に改良を加えることにより
、各分極部の分極状態を容易かつ適確に飽和分極状態と
することができ、しかも各分極部の分極状態のバラツキ
が極めて小さく、Ａ−Ｂの条件を満たし得、高効率な超
音波モータを実現させ得る圧電素子を提供することを目
的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は前記間屈点を解決し目的を達成するために次の
ような手段を講じた。すなわち、圧電セラミクスの表面
および裏面に電極板を設けた圧電素子本体を、特定領域
ごとに仕切るように、上記圧電素子本体の厚み方向の少
なくとも一部（つまり厚み方向の一部であってもよいし
、全部であってもよい）に溝状の切欠部を有する仕切り
境界部を設け、この仕切り境界部により仕切られた前記
各領域に、隣り合った領域同士の分極方向が互いに逆向
きとなる複数の分極部を設置−するようにした。

なお仕切り境界部とし、では、溝状の切欠部内にエポキ
シ樹脂、ガラス等の絶縁性材料を充填したものであって
もよい。

〔作用〕

このような手段を諧したことにより次のような作用を呈
する。すなわち隣り合わせの電極間に、溝状の切欠部を
有する仕切り境界部が形成されるので、分極時に分極電
界が漏れないものとなる。

その結果、各分極部を容易かつ適確に飽和分極状態とな
し、え、しかも分極歪みによる割れの発生を抑制するこ
とが可能となる。

〔実施例〕

第１図は本発明の第１実施例の外観を示す斜視図である
。第１図中２０は電気−機械変換定数に３１と機械的品
質係数Ｑｍの大きなＰＺＴ　（ジルコン・チタン酸鉛）
圧電セラミクスをリング状に成形し、規定の寸法に切削
および研磨したリング状圧電体である。このリング状圧
電体２０の表面および裏面には、銀などの金属を焼付け
あるいは蒸管、スパッタリングなどの手段を用いて被着
することにより、電極２１および２２が設けられている
。上記リング状圧電体２０および電極２１゜２２は圧電
素子本体を゛構成している。この圧電素子本体の表面に
は、この圧電素子本体を特定領域（本実施例では１／４
λ部Ｍと３／４λ部Ｎとを挟んで、ａ、ｂ、ｃ、ｄおよ
びｅ、ｆ、ｇ、ｈなる８領域）ごとに仕切るように、圧
電素子本体の厚み方向のほぼ１／２程度の深さまで切込
んだ溝状の切欠部３１，３２〜４０を有する仕切り境界
部が設けられている。上記溝状の切欠部３１゜３２〜４
０は、例えばダイシングソー等の装置を用い、刃厚０．
５■ｍ〜１ｍｌの切刃にて施すものとする。上記仕切り
境界部により仕切られた前記各領域ａ、ｂ、ｃ、ｄおよ
びｅ、ｆ、ｇ、ｈについて、例えばａ−ｄおよびｅ　−
ｈの順に正逆交互に分極処理をすることにより、隣り合
った領域同士の分極方向が、矢印で示すように交互に逆
向きとなる８個の分極部４１．４２〜４８が設けられて
いる。この分極処理は、例えば「１２０℃。

５ＫＶ／鰭、６０分間」の条件で、シリコーンオイル中
で行ない、その後「１５０℃、１時間」だけ枯化処理を
行なうものとする。

第２図（ａ）（ｂ）は上記構成の本実施例の作用効果を
説明するための図で、同図（ａ）は本実施例の圧電素子
を示す断面図であり、同図（ｂ）は比較のために示した
従来例の断面図である。

第２図（ａ）に示すように、隣り合わせの電極２１ａ、
２１ｂ〜間に、溝状の切欠部３１，３２〜を存する仕切
り境界部を設けたので、分極時に分極電界が漏れないも
のとなる。その結果、各分極部４１．４２〜を容易かつ
適確に飽和分極状態となしえ、しかも分極歪みによる割
れの発生を抑制することができる。

なお上記分極状態が、飽和分極状態になっていることを
実験的に確認すべく、ａ、ｂ・・・各領域と同一形状を
したセラミクス片に同一条件で分極および枯した場合に
ついて、共振および共振法でに３１　’　、Ｑｍ、Ｃｘ
の圧電諸定数を比較してみた。その結果、有異差がなか
った。またａ、Ｃ。

３／４λ部Ｎ、ｆ、ｈを同時に正方向に分極し、次にす
、ｄ、ｅ、ｇ、１／４λ部Ｍを同時に逆方向に分極する
という方法でも同様の効果が得られた。さらにａ、Ｃ，
３／４λ部Ｎ、ｆ、ｈを結合した端子と、ｂ、ｄ、ｅ、
ｇ、１／４λ部Ｍを結合した端子との間に、前二つの分
極方法の分極電圧の２倍の電圧を印加して分極、枯化し
た場合も同様の結果が得られた。

一方、実施例のような構造であると、切欠部３１．３２
〜を施した面に金属板を接着するような場合の接着力を
増すことができる。したがって安定で信頼性の高い板波
振動子を提供可能となる。

かくして、このような振動子をステータ要素として超音
波モータを構成した場合、従来に比べて極めて効率の良
い超音波モータが得られる。

また切欠部３１，３２〜の深さは、圧電セラミクスから
なるリング状圧電体２０の厚みＨ（約０．５ｍｍ）の約
半分、すなわち１／２Ｈ（約０．２５ｍ＋ｓ）程度に設
定されているので、前記改善効果が良好に発揮される。

すなわち切欠部３１゜３２〜の深さが、深すぎると前述
した第３の手段のように接着時の反りが発生してしまい
、浅すぎると前述した第１の手段のように問題点が改善
されないことになる。

なお仕切り境界部としては、第２図（ａ）に破線部で示
すように、溝状の切欠部内にエポキシ樹脂、ガラス等の
絶縁性部材Ｓを充填するようにしてもよい。このような
絶縁性部材Ｓを充填した場合においても、前記同様の作
用効果を奏し得る上、たとえ切欠部３１，３２〜の深さ
が深すぎたとしても、前述したような反りの発生を防止
できる利点がある。

これに対して従来例のものでは、第２図（ｂ）に示すよ
うに一つ置きに配列されている分極部Ｖを先ず分極し、
次に隣接する分極部Ｗ部を逆方向に分極しているため、
電極が存在していないＸ部では分極状態の漏れが生じる
。しかもこの漏れ分極は隣り同士で逆向きである。この
ため電極が存在しないＸ部の幅が十分広ければ、隣り合
った分極部分からの漏れ分極はＸ部の中心近くで零とな
り、中心部で圧電素子厚み方向にシェア応力が発生する
ことはない。しかしながら、現実にはＸ部の幅はそれほ
ど広くない場合が多い。このため漏れ分極同士による内
部応力が大きく、場合によってはこの内部応力によって
Ｘ部で圧電セラミクスの破壊が生じることがある。また
破壊寸前の状態で止どまったとしても、駆動電力が大き
い場合には、その駆動電力による発生歪みが重畳され、
圧電セラミクスの破壊が生じるおそれがある。したがっ
てこのような状態を回避すべく、通常は未飽和分極状態
に止どめているが、未飽和分極状態であると、分極状態
のバラツキが大きくなるのをまぬがれ得ず、また電気信
号を機械的振動に変換する能力が小さくなる。

上記Ｘ部で大きなシェア応力が発生する理由は、Ｘ部も
電極形成部と同じセラミクスで形成されており、弾性定
数がほぼ等しい材質からなっていることから、内部応力
のしみ出しく漏れ）を起こすためであると考えられる。

しかるに本実施例では、前述したように切欠部３１．３
２〜を設けて上記内部応力のしみ出しが起り得ない構造
としたので、上述した従来例の欠点がない。

第３図（ａ）（ｂ）は本発明の第２実施例を示す図であ
る。本実施例が前記第１実施例と異なる点は、その製作
の仕方である。すなわち本実施例においては、第１実施
例と同様な特性を有する圧電セラミクス５０を、グリー
ンシート状態で焼結時の収縮率を見込んだ寸法に打抜い
た後、チョコレートブレーク状のセラミクス製造時と同
様に、刃型を用いて溝状の切欠部６１．６２〜を形成し
たのち焼結し、その後、同図（ｂ）に示すように各領域
の表面側には一定の隙間５３をもって電極５１を、また
裏側には電極５２を、それぞれ印刷しかつ焼付けし、分
極部８１．８２〜を設けたものである。本実施例におい
ても、前記第１実施例と同様な作用効果を奏し得るのは
勿論、製作が容易である利点がある。

第４図は本発明の第３実施例を示す図である。

本実施例が前記第１実施例と異なる点は、その製作の仕
方および切欠部の構成である。すなわち本実施例におい
ては、内径および外径が最終の内外径寸法に比べて若干
余裕をもった中空ロッド状の圧電セラミクス筒９０に、
その長さ方向に分極部数に相当するだけ切込み溝９１，
９．２〜を設け、これを絶縁性材料の流し込み治具（不
図示）にセットした後、上記切込み溝９１．９２〜にエ
ポキシ樹脂や低融点ガラスを流し込み、硬化後、最終的
な厚みより研磨処理分だけ厚くなるように刃１０１によ
り輪切りにし、しかるのち両面を研磨する。そしてこの
リング状セラミクスの片面の所定部位に、マスクを用い
て真空蒸管等の手段により電極（不図示）を付与し、他
面には全面に電極を付与したあと、隣同士逆方向に分極
処理する。

本実施例は、切込み溝９１．９２〜によって得られる切
欠部が、圧電セラミクスの厚み方向の全部に亙る形とな
るため、第１．第２実施例に比べて隣同士の分極部が完
全に分離されたものとなる。

しかも充填される樹脂もガラスも非圧電性なので、その
部分に分極分布が生じることはない。したがって完全飽
和分極状態を実現できる利点がある。

なお本発明は前記実施例に限定されるものではなく、本
発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能である
のは勿論である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、圧電セラミクスの表面および裏面に電
極板を設けた圧電素子本体を、特定領域ごとに仕切るよ
うに、に記圧電素子本体の厚み方向の少なくとも一部（
つまり厚み方向の一部であってもよいし、全部であって
もよい）に溝状の切欠部ををする仕切り境界部を設け、
この仕切り境界部により仕切られた前記各領域に、隣り
合った領域同士の分極方向が互いに逆向きとなる複数の
分極部を設けるようにしたので、各分極部の分極状態を
容易かつ適確に飽和分極状態とすることができ、しかも
各分極部の分極状態のバラツキが極めて小さく、Ａ−Ｂ
の条件を満たし得、高効率な超音波モータを実現させ得
る圧電素子をｔｚａｔ−できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の外観を示す斜視図、第２
図（ａ）（ｂ）は同実施例の作用を説明するための断面
図、第３図（ａ）（ｂ）は本発明の第２実施例の構成を
示す全体斜視図および部分斜視図、第４図は本発明の第
３実施例の構成を示す斜視図である。第５図〜第１２図
は従来技術を示す図である。 ２０・・・ＰＺＴ　（ジルコン・チタン酸鉛）圧電セラ
ミクスからなるリング状圧電体、２１．２２・・・電極
、Ｍ−１／　４λ部、Ｎ−３／　４λ部、ａ、ｂ。 ｃ、ｄおよびｅ、ｆ、ｇ、ｈ・・・分割された各領域、
３１．３２〜・・・溝状の切欠部、４１．４２〜・・・
分極部、Ｓ・・・絶縁性部材。 出願人代理人　弁理士　坪井　　４ 第１図 第２図 第５図 第６図 第７図 第８図 第１０図 第９図 第１１図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）圧電セラミクスの表面および裏面に電極板を設け
   た圧電素子本体を、特定領域ごとに仕切るように、上記
   圧電素子本体の厚み方向の少なくとも一部に溝状の切欠
   部を有する仕切り境界部を設け、この仕切り境界部によ
   り仕切られた前記各領域に、隣り合った領域同士の分極
   方向が互いに逆向きとなる複数の分極部を設けるように
   したことを特徴とする圧電素子。
2. （２）仕切り境界部は、溝状の切欠部内にエポキシ樹脂
   、ガラス等の絶縁性材料が充填されたものであることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の圧電素子。