JP2000308377A - 圧電振動子およびこの圧電振動子を用いた超音波モータ、並びに圧電振動子の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 製造に手間がかからないこと、性能劣化を防
止できること、分極に高電圧を必要としないこと。 【解決手段】 この超音波モータのステータは、積層し
た２枚の板状圧電素子の両面に半円柱形状の弾性体を設
けた構成である。第１の圧電素子２１の表面には、電極
４１が田の字形状に分割形成されており、分極状態が交
互になっている。同様に、第２の圧電素子２２の裏面に
は、電極４２が田の字形状に分割形成されているが、対
向する第１の圧電素子２１の分極方向とは反対になって
いる。第１の圧電素子２１の裏面および第２の圧電素子
２２の表面に設けた電極４３、４４はＧＮＤとなる。ま
た、第１の圧電素子２１と第２の圧電素子２２との間に
は金属板５が介在し、電極４３、４４を外部に引き出し
ている。この圧電素子２に周波電圧を印加すると、長さ
方向端縁が互いに逆方向に屈曲振動し、これが弾性体に
伝わってステータにねじり振動が発生する。

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、製造に手間がか
からず、性能劣化を防止でき、効率の良い圧電振動子お
よび超音波モータおよびそれを用いた電子機器、並びに
圧電振動子の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、圧電素子を用いた超音波モータの
研究が活発に行われ、既に多くの種類の超音波モータが
市場に提供されている。この超音波モータに用いる圧電
素子は、電気エネルギーと機械エネルギーの相互変換に
用いられるもので、超音波モータでは、この圧電素子の
逆圧電効果（電圧を加えることにより変形させる現象）
を利用して回転を得ている。現在、圧電素子には、圧電
定数が高いチタン酸バリウムやＰＺＴ（Ｐｂ，Ｚｒ，Ｔ
ｉ）が主に用いられている。また、これらの圧電素子
は、分極処理することにより初めてピエゾ特性を示し、
通常の焼成状態では単なる多結晶にすぎない。

【０００３】チタン酸バリウムを例に挙げると、図１５
の（ａ）に示すように、焼成したままの状態では、多結
晶構造の各分域内におけるダイポールの向き（プラスと
マイナスの軸）がばらばらになっているため、このまま
電圧を印加しても各分域同士でキャンセルされてしま
い、ピエゾ特性は現れない。そこで、図１５の（ｂ）に
示すように、直流電流の高電圧を加えることで各分域の
軸を揃え、分極させる。この軸は、電圧を取り除いた後
でもそのまま残り、全体として軸方向を持つようにな
る。分極処理は、通常、焼成したチタン酸バリウムに銀
ペイントの電極を付けて、１ｍｍの厚さに対し約３ｋＶ
の高電圧を加えることにより行う。電圧印加時間は、温
度が高くなるほど短くなり、例えば１００度の場合は１
時間程度必要になる。

【０００４】分極した電極をそのまま回路接続用の電極
に用いるとは限らない。分極方向に対して垂直方向に電
圧を印加する場合には、一旦、分極用の電極を取り去っ
て新たに電極を形成する。分極した圧電素子は、正の電
界に対しては伸び、負の電界に対しては縮むといった特
性を示す。また、電圧を印加する縦方向に伸びた場合、
その横方向では縮みが生じる。さらに、分極方向に対す
る垂直方向の電界に対してはすべり変形を起こす。

【０００５】つぎに、このような圧電素子を用いた超音
波モータの構成例を図１６に示す。この超音波モータ７
００は、縦振動と捩じり振動との組み合わせによりロー
タを回転させる構成である。このステータ７０１は、縦
振動を発生させる圧電素子７０２と、ねじり振動を発生
させる圧電素子７０３とを重ねあわせ、この両側にステ
ンレスやチタンなどの金属製円柱の弾性体７０４を取り
付け、ボルト（図示省略）で締め付けた構造である（同
図（ａ））。また、縦振動に用いる圧電素子７０２は、
同図（ｂ）に示すように、厚み方向に分極処理が施され
ている。

【０００６】捩じり振動に用いる圧電素子７０３は、同
図（ｃ）に示すように周方向に例えば４分割されてお
り、分割した各圧電素子７０３ａ〜７０３ｄの周方向両
端面には電極７０５が形成されている。この電極７０５
に高電圧を印加すると、電圧の印加方向に向かって分域
内の軸が傾き、周方向に分極処理が施される。分極処理
の後、分極用の電極７０５を取り去って各圧電素子を接
合し、円形状に戻す。また、縦振動用の圧電素子７０２
および円筒形状に戻した捩じり振動用の圧電素子７０３
の両面には、周波電圧を印加するための電極７０６、７
０７を形成する。ロータ７０８は、ステータ７０１と同
径の円柱形状であり、ステンレスなどの金属製であり、
場合によって耐摩耗材が接合される。

【０００７】図１７は、この超音波モータの動作を示す
説明図である。縦振動用の圧電素子７０２と捩じり振動
用の圧電素子７０３とに対し、例えば時間的に90度ずら
して周波電圧を印加する。これにより、縦振動用の圧電
素子７０２が伸縮すると共に、ねじれ振動用の圧電素子
７０３がすべり振動を起こす。これにより、ステータ７
０１の端面が楕円運動し、当該端面との摩擦力によって
ロータ７０８が回転する。ロータ７０８は、ステータ７
０１が伸長しながら捩じれ、この捩じれた方向に回転す
る（図中（ａ）〜（ｅ））。また、位相を−90度ずらす
と反対方向にロータが回転する。この超音波モータ７０
０によれば、低速で高トルクを発生させることができ
る。

【０００８】図１８は、従来の超音波モータの他の一例
を示す構成図である。この超音波モータ８００は、半円
柱状の弾性体８０１により圧電素子８０２を挟んだ構成
である。圧電素子８０２は、厚み方向に分極した板状の
圧電素子８２１が２枚と、長さ方向に分極した板状の圧
電素子８２２が２枚との計４枚が積層して１組となり、
さらに、同構成となるもう１組の積層した圧電素子８０
２が、ステータ８０３軸を中心として分極方向が対称に
なるように並設されている。弾性体８０１には、ステン
レスなチタンなどの金属を用いる。厚み方向に分極する
際は、上記したように、圧電素子８２１の両面に電極
（図示省略）を設けて所定時間、高電圧を印加する。ま
た、長さ方向に分極する際は、圧電素子８２２の長さ方
向両端に電極（図示省略）を設け所定時間、高電圧を印
加する。

【０００９】圧電素子８２１，８２２の両面の電極、す
なわち厚み方向に交流電圧を印加することにより、厚み
方向に分極処理した圧電素子８２１はステータ８０３の
縦振動を発生させ、長さ方向に分極処理した圧電素子８
２２はすべり振動を起こし、ステータ８０３の捩じり振
動を発生させる。この振動の位相を例えば90度ずらすこ
とにより、ロータ８０４を一方向に回転させることがで
きる。また、−１／４波長ずらすことによりロータ８０
４を逆転させることができる。動作原理については図１
７に示した通りである。

【００１０】図１９は、従来の超音波モータの他の一例
を示す構成図である。この超音波モータ９００は、上記
図１８に示した超音波モータに類似した構成であるが、
圧電素子の積層形態が異なる。すなわち、長さ方向に分
極した板状の圧電素子９０１を２枚重ねあわせてロータ
（図示省略）の接触面側に設け、厚さ方向に分極した板
状の圧電素子９０２を２枚重ねあわせて残りの部分に設
けた構成である。この超音波モータ９００では、上記同
様、先に圧電素子９０１に電極を設けて、矢印の方向に
分極処理し、それを積層し、続いて半円筒形状の弾性体
９０３で、図示しないボルトとナット等で挟み込んだ構
成である。この超音波モータ９００において、長さ方向
に分極した圧電素子９０１では、周波電圧を印加するこ
とにより電圧方向に応じたせん断変形が生じ、これによ
り捩じり振動が発生する。また、厚み方向に分極した圧
電素子９０２に周波電圧を印加すると、電圧の方向に応
じた伸縮変形が生じ、これにより縦振動が発生する。動
作原理については、図１７に示す通りである。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上記したように、圧電
素子には分極処理を施す必要があり、この分極処理を行
うには圧電素子に電極を設けて高い電圧を連続的に印加
する必要がある。しかしながら、上記図１６に示す超音
波モータ７００では、捩じり振動に用いる圧電素子７０
３が４分割構造になっているので、電極形成から接合組
立までの製造過程に手間がかかると共に、接合面による
振動ロスその他の性能劣化、並びに製品間のばらつきが
問題になっていた。更に構造的に厚みが厚くなるので駆
動電圧が高かった。また、図１８および図１９に示す超
音波モータ８００、９００では、圧電素子８２２、９０
１の長さ方向に分極処理を行っているので、分極時に高
電圧を印加しなければならないという問題点があった。
さらに、超音波モータ700と同様に複数の圧電素子を厚
み方向、あるいは長手方向に重ねあわせる為に、製造工
程に手間がかかるとともに、接合面による振動ロス、そ
の他性能劣化並びに製品間にばらつきが生じるという問
題点があった。

【００１２】そこで、この発明は、上記に鑑みてなされ
たものであって、製造に手間がかからないこと、性能劣
化を防止できること、分極に高電圧を必要としないこと
のいずれかの条件を満たす圧電振動子およびこの圧電振
動子を用いた超音波モータ、並びに圧電振動子の製造方
法を提供することを目的とする。

【００１３】

【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にかかる圧電振動子は、厚み方向に分極
処理を施した板状の圧電素子であって、その両面に電極
を形成すると共にこの圧電素子を半円柱形状をした弾性
体の軸方向に沿って並設し、互いに逆方向に屈曲するよ
うにしたものである。

【００１４】圧電素子に周波電圧を印加すると、並設し
た圧電素子が互いに逆方向に屈曲振動する。この圧電素
子の屈曲振動が弾性体に伝わり、弾性体にねじり振動が
発生する。また、ねじり振動を発生する振動子である
が、圧電素子の分極方向は厚み方向であり、このため、
分極に高電圧を必要とせず、一旦分解して再度接合する
作業も不要である。この圧電振動子は、超音波モータ、
ジャイロセンサ、超音波加工機または超音波溶接などに
用いることができる。具体的には、超音波加工の場合、
圧電振動子に取り付けた工具と工作物との間に砥粒を混
合した液体を介在させ、工具を工作物に押しつける。こ
れにより、砥粒が工作物に衝突して微細に破壊し加工す
ることができる。また、超音波溶接の場合、二つの面を
加圧しつつこの圧電振動子により振動を与えることで、
摩擦融解による合金化と原子の拡散により接合を行うこ
とができる。

【００１５】また、請求項２にかかる圧電振動子は、板
状の圧電素子表面の少なくとも幅方向に複数分割した電
極を形成し、圧電素子の厚み方向であって分割した電極
に対して交互に方向を変えることで分極処理を施した圧
電振動子である。更に請求項3ではこの圧電素子の両側
に半円柱形状の弾性体を接合したものである。

【００１６】分極処理した電極に周波電圧を印加するこ
とにより圧電素子がねじれ振動（端縁では屈曲振動とな
る）を起こす。ねじれ振動は田の字形状に分割した電極
により実現できるが、その詳細な動作については実施の
形態において説明する。また、圧電素子の厚み方向に分
極処理を施すため、高電圧が不要である。圧電素子のね
じれ振動は弾性体に伝わり、さらに、この弾性体に縦振
動を励振させる圧電素子を作用させれば、弾性体端面に
楕円運動を発生させることができ、移動体を与圧状態で
接触させれば超音波モータとなる。なお、超音波モータ
として使用する時は、前記縦振動とねじれ振動の位相を
ずらす必要がある。

【００１７】また、請求項４にかかる圧電振動子は、長
板状の圧電素子に電極を形成すると共にその厚み方向に
分極処理を施し、圧電素子の両側を半円柱形状である弾
性体の長さ方向に沿った偏心位置にて挟持接合したもの
である。

【００１８】この圧電素子に周波電圧を印加すると、圧
電素子が屈曲振動する。圧電素子は弾性体の偏心位置に
設けられているので、圧電素子の屈曲振動が弾性体に伝
わって弾性体がねじり振動を起こす。この振動形態につ
いては実施の形態において詳細に説明する。かかる圧電
振動子についても、縦振動を発生させる圧電素子と併用
することにより、実施の形態において例示したような超
音波モータとして機能する。

【００１９】また、請求項５にかかる圧電振動子は、圧
電素子表裏面に複数の電極をずらして形成すると共に、
圧電素子表裏に形成した電極間にて斜めの分極処理を施
し、この圧電素子に弾性体を接合したものである。

【００２０】圧電素子の表裏面に電極を形成すると共
に、この表裏一対の電極をそれぞれずらし、この状態で
分極処理を施す。これにより圧電素子の分極方向が厚み
方向に対して斜めになり、この斜めに分極処理を施した
圧電素子に周波電圧を印加すると、圧電素子がすべり振
動を起こす。圧電素子には弾性体が接合されており、圧
電素子のすべり振動により弾性体がねじり振動を起こ
す。更に請求項6では弾性体の形態は、圧電素子が円柱
形状であってその上下面に電極を形成している場合、円
柱形状でよく圧電素子に対して軸方向に重ねあわせ接合
すればよい。また、圧電素子が板状の場合は、半円柱状
の弾性体を圧電素子の両面に接合するようにすればよ
い。詳細には、実施の形態において説明する。

【００２１】また、圧電振動子に、板状の表面に電極を
形成すると共にその厚み方向に分極処理を施した圧電素
子を設け、弾性体の端面に移動体を加圧接触させること
で、超音波モータを構成することができる（請求項７）
また、上記圧電振動子は複数の前記圧電素子を一体的に
積層して焼結形成して用いるようにしてもよい（請求項
８）。また更に、上記超音波モータを用いた電子機器を
構成することができる（請求項9）

【００２２】また、請求項１０にかかる圧電振動子の製
造方法は、圧電素子表裏面に複数の電極をずらして形成
し、表裏を組とした電極一組ごとに二回に分けて分極処
理を行い、この圧電素子に弾性体を接合するものであ
る。

【００２３】表裏面に複数の電極を設けた場合、組とな
る電極間に電圧を加えると、隣の電極との間で分極がな
されることがある。このため、電極一組ごとに二回に分
けて分極処理をするようにした。このようにすれば、所
定方向に分極処理を施すことができる。

【００２４】

【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。

【００２５】実施の形態１．図１は、この発明の実施の
形態１にかかる超音波モータを示す斜視図である。この
超音波モータ１００のステータ１は、積層した２枚の板
状圧電素子２の両面に半円柱形状の弾性体３を設けた構
成である。図２は、図１に示した圧電素子の構造を示す
説明図である。同図（ａ）に示すように、第１の圧電素
子２１の表面には、電極４１が田の字形状に分割形成さ
れており、分極状態が交互になっている。同様に、第２
の圧電素子２２の裏面には、電極４２が田の字形状に分
割形成されているが、対向する第１の圧電素子２１の分
極方向とは反対になっている。

【００２６】第１の圧電素子２１の裏面および第２の圧
電素子２２の表面に設けた電極４１，４２、４３、４４
はＧＮＤとなる。これら電極４３、４４は、導電ペイン
トを室温で塗ったり、蒸着などで金属膜を付着させるこ
とで形成する。同図（ｂ）に示すように、また、第１の
圧電素子２１と第２の圧電素子２２との間には金属板５
が介在し、電極４３、４４を外部に引き出している。分
割した電極４１、４２は、それぞれリードが外部に引き
出されているが（図示省略）、弾性体３から電力を供給
するようにしてもよいし、電極４３，４４同様、金属板
等で外部に引き出しても良い。

【００２７】圧電素子２には、上記のように厚み方向の
分極処理が施されている。分極は、一般的に、８０℃〜
１２０℃のシリコンオイル中で２〜５ｋＶ／ｍｍの電界
を加えて行う。また、分極には電界冷却法を用いる。電
界冷却法は、圧電素子を一旦キューリ点以上に加熱した
後、電界を印加したままゆっくりと冷却する方法であ
る。分極に要する時間は３０分〜１時間程度である。

【００２８】また、このねじり振動用の圧電素子２に対
して、さらに縦振動用の圧電素子６を重ねあわせる。図
３は、縦振動用の圧電素子の構造を示す説明図である。
この圧電素子６は、板状でありその両面に電極７１、７
２を形成した構造である。この圧電素子６は、ねじり振
動用の圧電素子２と同様、厚み方向に分極処理が施され
ている。なお、ねじり振動用の圧電素子２と縦振動用の
圧電素子６との間には、絶縁体、例えばダミーの圧電素
子６ａが介挿してある。弾性体３には、ステンレスやチ
タンなどの金属を用いる。また、圧電素子２には、圧電
定数の高いチタン酸ジルコン酸鉛を用いる。さらに、チ
タン酸バリウム、ニオブ酸リチウムやジルコンチタン酸
鉛などを用いてもよい。

【００２９】つぎに、弾性体３および圧電素子２、６、
圧電素子２、６同士は接着剤により接合する。かかる接
着に要求される条件は、非常に薄い接着層であること、
接着層が非常に硬く且つ強靱であること、接着後は共振
周波数付近の抵抗値が小さいことである。弾性体３と圧
電素子２、６との間には、直接接合または接着剤による
接合であっても接合界面が存在する。この接合界面は、
弾性体３と圧電素子２、６との間の伝搬特性を決める重
要な因子となるため、接着剤の特性およびその膜厚管理
が重要となる。例えば前記接着剤には、ホットメルトお
よびエポキシ樹脂に代表される高分子接着材を用いる。
本例では、エポキシ系の接着剤を用いて最適膜厚になる
ようにしている。また、接着剤を用いず、ボルトにより
固定するようにしてもよい（図示省略）。

【００３０】弾性体３の寸法は、縦振動とねじり振動と
の共振周波数が等しくなるように、調整する。各圧電素
子２、６の電極４、７には、当該圧電素子２、６に周波
電圧を印加する駆動装置８が接続されている。駆動装置
８は、ドライブパルスを発生する信号発生回路８１と、
信号を増幅するドライバ８２とから構成されている。ロ
ータ９は、ステータ１と同径の円柱形状であり、ステン
レスなどの金属製である。ロータ９は、外力によりステ
ータ１の接触面１１に対して付勢されている。

【００３１】つぎに、この超音波モータ１００の動作に
ついて説明する。図４は、圧電素子の変形形態を示す説
明図である。まず、ねじり振動用の圧電素子２に電圧を
印加した場合、正極部分で縮みが生じ、負極部分で伸び
が生じる。同図（ａ）は、圧電素子を平面的に観察した
状態を示し、同図（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面を示す。
このように、圧電素子２は、圧電素子２のエッジ部分が
最も大きく変形し、全体として波形状（屈曲形状）とな
る。この超音波モータ１００では、圧電素子２を２枚重
ねあわせているため、かかる変形が増幅されることにな
る。この変形が弾性体３に伝わり、図５に示すように、
ステータ１がねじり変形を起こす。一方、縦振動用の圧
電素子６には、ねじり振動の位相に対して例えば90度ず
らした周波の電圧を印加する。この圧電素子６の横効果
によりステータ１の縦振動が得られる。ロータ９を回転
させる原理は、上記従来例と同様であるから説明を省略
する。

【００３２】以上、この発明の超音波モータ１００で
は、圧電素子２の分極方向が厚み方向のみであるから、
かかる分極処理に高電圧を用いる必要がない。また、分
極に用いた電極をそのまま使え当該圧電素子２を分割す
る必要がないから、製造に手間がかからない。なお、こ
の実施の形態１では、縦振動用の圧電素子６として板状
の圧電素子を用いたが、従来のような円筒形状の圧電素
子と組み合わせるようにしてもよい。また、ねじり振動
用の圧電素子２のみでステータ１を構成し、ねじり振動
を行う圧電振動子とすることもできる。かかる振動子
は、上記したように、ジャイロセンサ、超音波加工機、
超音波溶接などに用いることができる。

【００３３】実施の形態２．図６は、この発明の実施の
形態２にかかる超音波モータを示す構成図である。この
超音波モータ２００のステータ２０１は、重ねあわせた
２枚の板状圧電素子２０２の両面に半円筒形状の弾性体
２０３を設けた構成である。図７は、図６に示した圧電
素子の構造を示す説明図である。第１層の圧電素子２２
１は２分割となっており、圧電素子２２１ａには表面に
電極２４１ａと裏面に電極２４３とが、圧電素子２２１
ｂには表面に電極２４１ｂと裏面に電極２４３が形成さ
れている。圧電素子２２１ａと圧電素子２２１ｂとは反
対方向に分極処理が施され、裏面が共にＧＮＤとなる。
圧電素子２２１ａと圧電素子２２１ｂとの間には、金属
板２０６ａが介挿されている。

【００３４】また、第２層の圧電素子２２２も２分割と
なっており、圧電素子２２２ａには裏面に電極２４２ａ
と表面に電極２４３とが、圧電素子２２２ｂには裏面に
電極２４２ｂと表面に電極２４３が形成されている。圧
電素子２２２ａと圧電素子２２２ｂとは反対方向に分極
処理が施され、裏面が共にＧＮＤとなる。また、圧電素
子２２２ａと圧電素子２２２ｂとの間には、金属板２０
６ａが介挿されている。また、かかる分極は、圧電素子
２２１、２２２の厚み方向に行われている。この圧電素
子２２１、２２２の電極形成形態以外は、実施の形態１
と同様の構成となるのでその説明を省略する。なお、縦
振動の圧電素子については図示を省略するが、実施の形
態１と同様、圧電素子２２１、２２２に重ねあわせるよ
うにしてもよいし、従来の円筒形状の圧電素子を軸方向
に重ねあわせてもよい。

【００３５】つぎに、この超音波モータ２００の動作を
説明する。この圧電素子２２１、２２２に周波電圧を印
加すると、第１層の圧電素子２２１と第２層の圧電素子
２２２とが同じように屈曲する。これにより変位が増幅
され、図８に示すように、ステータ２０１は全体として
２カ所の節を有するねじり振動を起こす。かかる構成で
あっても実施の形態１の超音波モータ１００と同様の効
果を得ることができる。なお、上記同様、ねじり振動用
の圧電素子２２１、２２２のみでステータ２０１を構成
し、ねじり振動用の圧電振動子とすることもできる。

【００３６】実施の形態３．図９は、この発明の実施の
形態３にかかる超音波モータの圧電素子を示す説明図で
ある。実施の形態３にかかる超音波モータでは、上記実
施の形態１の超音波モータ１００とは圧電素子の積層形
態が異なる。この圧電素子３０１は、ねじり振動と縦振
動を発生させるように５枚の板状圧電素子を積層してい
る。実施の形態１のような金属板は用いない。各層の重
ね合わせ部は共通電極となる。第１層の圧電素子３１１
の表面（図（ａ））、第１層の圧電素子３１１と第２層
の圧電素子３１２との間（図（ｂ））、第３層の圧電素
子３１３と第４層の圧電素子３１４との間（図（ｄ））
の電極３２１、３２２、３２３は、圧電素子の全面に形
成されている。また、第２層の圧電素子３１２と第３層
の圧電素子３１３との間（図（ｃ））、第４層の圧電素
子３１４と第５層の圧電素子３１５との間（図（ｅ））
の電極３２４、３２５は、田の字形状に分割形成されて
いる。

【００３７】この圧電素子３０１は、シート状の圧電素
子３１１〜３１５の上面に電極３２１〜３２５を設けた
後に積層し、一体的に焼結する。各電極３２１〜３２５
は、圧電素子３１１〜３１５の側面に電極部３２６〜３
３６を露出することになり、積層した後、これらの電極
部３２６〜３３６を選択的に短絡し、さらに、各圧電素
子は、同図に示すように、厚み方向に分極処理が施され
る。図（ｆ）は圧電素子３０１のＡ視図、図（ｇ）は圧
電素子３０１のＢ視図を示す。この圧電素子３０１の両
側には、半円柱形状の弾性体を取り付ける（図１参
照）。この超音波モータでは、電極３２１および電極３
２２との間に周波電圧を印加することにより第１層の圧
電素子３１１が縦振動を発生する。また、電極３２３か
ら電極３２５までに周波電圧を印加することにより、第
３層および第４層の圧電素子３１３、３１４がねじり振
動を起こす。なお、第２層と第５層の圧電素子３１２、
３１５は駆動に寄与しないため、薄型化するのが好まし
い。以上、この超音波モータでは、圧電素子３０１の縦
振動とねじり振動の位相をずらすことでロータを回転さ
せることができる。なお、ロータの回転原理について
は、上記実施の形態１と同様である。この様に、一体的
に積層、焼結されている為にモータの組立てが簡単にな
るとともに、各製品間のばらつきも小さく、接合面での
ロスも極めて小さい。更には電極についても金属板等を
使用する必要がなく、信号の印加も簡単になる。そして
低電圧で高出力が得られる。尚、積層の枚数、電極の形
状等は本実施例に限るものではなく以下の例も含め、ね
じり振動、あるいはねじり振動と縦振動を同時に発生で
きる構成であれば良い。

【００３８】実施の形態４．図１０は、この発明の実施
の形態４にかかる超音波モータのステータ構造を示す説
明図である。このステータ４０１は、圧電素子４０２の
表面に複数の電極４０３を形成すると共に（同図
（ａ））、裏面に複数の電極４０４を電極４０３と半ピ
ッチずらして形成した構造である（同図（ｂ））。図
（ｃ）は、ステータ４０１の側面図である。この電極４
０３、４０４を用いて、圧電素子４０２の厚み方向に分
極処理を施す。この処理によって圧電素子４０２は、図
中矢印に示す斜め方向に分極される。なお、この分極
は、電極（電極４０３ａおよび４０４ａ、電極４０３ｂ
および４０４ｂ、電極４０３ｃおよび４０４ｃ・・・を
組として）一つおきに二回に分けて行う。分極時に隣の
電極と干渉しないようにするためである。

【００３９】この電極４０３、４０４に通電すると、図
１１に示すように、すべり振動を発生する。従って、滑
り振動を利用してねじり振動を発生した従来の例をその
まま構造的には置き換え可能となる。この圧電素子４０
２を用いて超音波モータを構成した例を図１２に示す。
この超音波モータ４００は、上記従来の超音波モータの
長さ方向に分極した圧電素子の代わりに、上記斜め方向
に分極した圧電素子４０２を用いた構成である。弾性体
４０３その他の構成は、上記従来の超音波モータと同様
である。この超音波モータ４００では、積層した圧電素
子４０２ａ、４０２ｂの分極方向が互いに反対方向を向
いているため、接合部を共通（ＧＮＤ）として互いの両
面に信号を印加すれば良い。これと、縦振動を発生させ
る圧電素子４０４との組み合わせにより、ロータ（図示
省略）を回転させることができる。なお、縦振動とねじ
れ振動との位相は例えば90度ずらす必要がある。また、
−90度ずらすことにより逆方向に回転させることができ
る。基本的なロータの回転原理は上記同様であるから説
明を省略する。この超音波モータ４００では、長さ方向
に分極処理する必要がないので、従来のように高電圧を
印加する必要がない。また、厚み方向に分極処理をして
縦振動を発生させる圧電素子との一体的な積層化が容易
となり、実施の形態３に示す様な積層素子も実現でき
る。

【００４０】実施の形態５．図１３は、上記実施の形態
４の変形例を示す斜視図である。このように、直線形状
でなく円形状の圧電素子５０１の表面に例えば４分割し
た電極５０２を形成し（同図（ａ））、この表面の電極
５０２に対して半分ずらして裏面に電極５０３を形成す
るようにしてもよい（同図（ｂ））。上記同様、この電
極５０２、５０３を用いて分極処理を施すが、この際も
電極一つおきに二回に分けて行う。この圧電素子５０１
に弾性体５０４を接合してステータ５０５を構成する。
このステータ５０５に対して電圧を印加すると、上記同
様、ステータ５０５にすべり振動を発生させることがで
きる。従って、この圧電素子５０１に縦振動用の圧電素
子を連結すると（従来の超音波モータと略同様の構成と
なる）、超音波モータのステータ５０５として機能する
ことになる。この構成によれば、従来のように円筒形状
の圧電素子を一旦分割してから分極処理する必要がない
から、その分、製造が簡単になる。尚、本実施例の圧電
素子５０１のみでねじり振動を発生可能であるから、そ
のままでの利用も可能であり、また超音波モータ以外の
用途、例えばフィルターや超音波加工、ジャイロセンサ
への応用が可能である。

【００４１】実施の形態６．図１４は、本発明に係わる
超音波モータを電子機器に適用した実施の形態６のブロ
ック図を示す。本電子機器は、前述の振動体１３と振動
体１３により駆動される移動体９と、移動体９と振動体
１３に接触圧を与える加圧手段１６と、移動体９と連動
して可動する伝達機構１４と、伝達機構１４の動作に基
づいて運動する出力機構１５を備えることを特徴とす
る。ここで、伝達機構１４には、例えば、歯車、摩擦車
等の伝達車を用いる。伝達機構１４を省略し、直接出力
機構を設けても構わない。出力機構１５には、例えば、
指示装置や電子時計においては指針あるいは指針駆動機
構やカレンダ等の表示板、あるいは表示板駆動機構を、
コピー機やプリンタにおいてはレーザーの方向を変える
ミラーを、カメラやビデオカメラにおいてはシャッタ駆
動機構、絞り駆動機構、レンズ駆動機構、フィルム巻き
上げ機構等を、レーザーや光を利用した計測器や製造装
置、センサーにおいては光の遮断・透過や特定波長の光
のみを透過するスリット板やフィルターを、音響機器の
ボリュウム等には抵抗値や容量値を可変する接点機構や
ギャップ板を、ハードディスクや光ディスクにおいては
ピックアップ駆動機構を用いる。また、移動体９に出力
軸を取り付け、出力軸からトルクを伝達する動力伝達機
構を有する構成とすれば、超音波モータ自身で駆動機構
が実現できる。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、この発明の圧電振
動子および超音波モータ、並びに圧電振動子の製造方法
によれば、形成した電極を用いて分極処理すると共にそ
の分極処理に高電圧を必要としないから、製造に手間が
かからない。また、圧電素子を分解して再度接合する必
要がないから、性能劣化を防止できる。更には圧電素子
を積層して一体的に焼結形成が可能であるから、接合部
のロスがなく、製品間のばらつきが小さく低電圧で高出
力な圧電振動子が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態１にかかわる超音波モー
タを示す斜視図である。

【図２】図１に示した圧電素子の構造を示す説明図であ
る。

【図３】縦振動用の圧電素子の構造を示す説明図であ
る。

【図４】圧電素子の変形形態を示す説明図である。

【図５】ステータのねじり変形を示す説明図である。

【図６】この発明の実施の形態２にかかわる超音波モー
タを示す構成図である。

【図７】図６に示した圧電素子の構造を示す説明図であ
る。

【図８】ステータのねじり変形を示す説明図である。

【図９】この発明の実施の形態３にかかわる超音波モー
タの圧電素子を示す説明図である。

【図１０】この発明の実施の形態４にかかわる超音波モ
ータのステータ構造を示す説明図である。

【図１１】圧電素子の変形形態を示す説明図である。

【図１２】圧電素子を用いて超音波モータを構成した例
を示す斜視図である。

【図１３】上記実施の形態４の変形例を示す斜視図であ
る。

【図１４】この発明の実施の形態６にかかわる超音波モ
−タを電子機器に適用した例を示すブロック図である。

【図１５】一般的分極処理を示す説明図である。

【図１６】従来の超音波モータの一例を示す斜視図であ
る。

【図１７】この超音波モータの動作を示す説明図であ
る。

【図１８】従来の超音波モータの他の一例を示す構成図
である。

【図１９】従来の超音波モータの他の一例を示す構成図
である。

【符号の説明】

１００ 超音波モータ １ ステータ ２ 圧電素子 ３ 弾性体 ４１〜４４ 電極 ５ 金属板 ６ 圧電素子 ７１、７２ 電極 ８ 駆動装置 ９ ロータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H680 AA00 AA01 AA08 AA12 BB01 BB16 BC01 BC05 BC09 CC02 CC03 DD01 DD13 DD15 DD23 DD26 DD27 DD28 DD37 DD53 DD66 DD82 DD88 DD95 DD97 EE11 EE12 FF04 FF08 FF33 GG02 GG20 GG27 5J108 BB04 CC02 CC04 CC13 DD06 DD09 FF01 JJ01 KK01 KK02 MM12 MM14

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 厚み方向に分極処理を施した板状の圧電
   素子であって、その両面に電極を形成すると共にこの圧
   電素子を半円柱形状をした弾性体の軸方向に沿って並設
   し、互いに逆方向に屈曲するようにしたことを特徴とす
   る圧電振動子。
2. 【請求項２】 板状の圧電素子表面少なくとも幅方向に
   複数分割した電極を形成し、圧電素子の厚み方向であっ
   て分割した電極に対して交互に方向を変えることで分極
   処理を施し、長手方向の両端面の厚み方向変位が逆とな
   るねじり振動を発生することを特徴とする圧電振動子。
3. 【請求項３】 請求項２記載の圧電振動子の両側に半円
   柱形状の弾性体を接合したことを特徴とする圧電振動
   子。
4. 【請求項４】 長板状の圧電素子に電極を形成すると共
   にその厚み方向に分極処理を施し、圧電素子の両側を半
   円柱形状である弾性体の長さ方向に沿った偏心位置にて
   挟持接合したことを特徴とする圧電振動子。
5. 【請求項５】 圧電素子表裏面に複数の電極をずらして
   形成すると共に、圧電素子表裏に形成した電極間にて斜
   めの分極処理を施すことにより滑り振動を発生する圧電
   振動子。
6. 【請求項６】 請求項５記載の圧電振動子に弾性体を接
   合したことを特徴とする圧電振動子。
7. 【請求項７】 板状の表面に電極を形成すると共にその
   厚み方向に分極処理を施した圧電素子を、請求項１〜６
   のいずれか一つに記載の圧電振動子に設け、前記弾性体
   もしくは前記圧電振動子の端面に移動体を加圧接触させ
   たことを特徴とする超音波モータ。
8. 【請求項８】 前記圧電振動子は複数の圧電素子を積層
   して一体的に焼結形成したことを特徴とする請求項１〜
   ７のいずれか一つに記載の圧電振動子もしくは超音波モ
   ータ。
9. 【請求項９】 請求項８記載の超音波モータを有するこ
   とを特徴とする超音波モータ付き電子機器。
10. 【請求項１０】 圧電素子表裏面に複数の電極をずらし
    て形成し、表裏を組とした電極一組ごとに二回に分けて
    分極処理を行い、この圧電素子に弾性体を接合すること
    を特徴とする圧電振動子の製造方法。