JP2006004980A - 積層電気−機械エネルギー変換素子及び振動波駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型化且つ高出力化できると共にモ−タ効率を向上させることができる積層電気−機械エネルギー変換素子及び振動波駆動装置を提供する。
【解決手段】 振動波モータ５０は、振動子５２及び回転部５３を備え、振動子５２は、金属の弾性体５４と、円形状圧電層１〜１１から成る積層圧電素子５５と、金属の弾性体５７と、弾性体５４と協働して積層圧電素子５５及び弾性体５７を挟持する金属の弾性体５８とから成る。圧電層２〜１１のうち偶数番目の層の圧電層の第１層側の面には、内部電極A＋，B＋，A−，B−が設けられ、一方、圧電層２〜１１のうち奇数番目の層の圧電層の第１層側の面には、内部電AG＋，BG＋，AG−，BG−が設けられている。これらの内部電極は、積層圧電素子５５の内部の発生すべき歪に応じて、圧電層７〜１１までの内部電極に比べて、圧電層５，６の内部電極の外径は小さく、圧電層２〜４の内部電極は外径がさらに小さくなっている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、積層電気−機械エネルギー変換素子及び振動波駆動装置に関する。

図６に示すような従来の振動波モータ９０は、例えばカメラ用レンズのオートフォーカス用モータとして使用される。

図６において、振動波モータ９０は、ボルト状部材９１と、ボルト状部材９１の軸部に外嵌された振動子９２及び回転部９３と、振動子９２と協働して回転部９３を締め付けるべくボルト状部材９１にねじ止めされたナット状部材９４とから成る。

振動子９２は、ボルト状部材９１の頭部９１ａ側から順に、金属の弾性体９５と、図示しない外部電源と接続する配線基板９６と、積層圧電素子９７と、弾性体９５と協働して配線基板９６及び積層圧電素子９７を挟持すべくボルト状部材９１にねじ止めされた金属の弾性体９８とから成る。

回転部９３は、後述するナット状部材９４側から順に、ナット状部材９４にボールベアリングで支持されているギヤ９９と、ギヤ９９と一体的に回転すると共に弾性体９８に接触するロータ１００（移動体）と、ギア９９に対してロータ１００をボルト状部材９１の頭部９１ａ側に付勢するバネ１０１及びバネ支持体１０２とから成る。

バネ１０１は、その付勢力によりロータ１００を弾性体９８に加圧接触させる。

積層圧電素子９７は、電極材料で形成された電極層（以下「内部電極」という）が一方の面に形成された電気―機械エネルギー変換機能セラミックス層（以下「圧電層」という）を複数層重ねた積層構造である（例えば、特許文献１〜３参照）。この積層構造により、低い電圧で大きな変形歪や大きな力を得ることができる。

図７は、図６における積層圧電素子９７を説明するのに用いられる図であり、（ａ）斜視図であり、（ｂ）は分解斜視図である。

図７は、具体的には、特許文献３（特許第３４３２３２１号公報）に記載の積層圧電素子を示している。

積層圧電素子９７は、図７（ａ）に示すように、外径１０ｍｍ、内径２．８ｍｍ、厚さ約２．３ｍｍの内径部を有する円盤状であり、図７（ｂ）に示すように、第１層の圧電層１１０と、その下の第２層〜第２５層において交互に配された圧電層１１１及び圧電層１１２とから成る。圧電層１１０，１１１，１１２は厚さが約９０μｍである。

第１層側における圧電層１１１の面には、４分割された内部電極A＋，B＋，A−，B−が設けられ、一方、第１層側における圧電層１１２の面には、４分割された内部電極AG＋，BG＋，AG−，BG−が設けられている。圧電層１１１の内部電極A＋，B＋，A−，B−と、圧電層１１２の内部電極AG＋，BG＋，AG−，BG−とは、外径及び内径の寸法が等しく、その厚さは２〜３μｍである。

また、各圧電層１１１，１１２には、スルーホール１１３が合計８つ形成されて、スルーホール１１３の中には電極材料が充填されており、各内部電極の導通を図ることが可能である。このうちの４つのスルーホール１１３は、１枚おきに重ねられた各圧電層１１１における４分割の内部電極A＋，B＋，A−，B−を夫々独立して導通させ、他の４つは、もう一方の１枚おきに重ねられた各圧電層１１２における４分割された内部電極AG＋、BG＋、AG−、BG−を夫々独立して導通させている。第２５層の圧電層１１２は最下層なのでスル−ホ−ルを有していない。

圧電層１１０の表面にはスルーホール１１３内の電極材料の一端１１３ａが達しており、これらの電極材料の一端１１３ａは配線基板９６と直接接触し、配線基板９６の各電極配線（不図示）に電気的に接続されている。

積層圧電素子９７は、各圧電層１１１の４分割の内部電極A＋、B＋、A−、B−のうち互いに１８０°の位置関係にあるA＋、A−とB＋、B−との各２つが分極極性が互いに＋（プラス）と−（マイナス）とに異なるように、AG＋，BG＋，AG−，BG−をグランドとしてA＋とB＋に＋の電圧を印加し、A−，B−に−の電圧を印加して分極処理を行う。そして、振動波モータ９０は、A＋とA−のＡ相、Ａ相と空間位相位置が９０°異なるB＋とB−のＢ相に、夫々対向するＡＧ相、ＢＧ相をグランドとして、Ａ相に振動子９７の固有振動数とほぼ一致した高周波電圧を印加すると共に、Ｂ相にＡ相とは電気的に９０°位相の異なる同一振動数の高周波電圧を印加することにより、互いに直交する２つの曲げ振動を振動子９２に発生させ、発生した２つの曲げ振動の合成により得られる駆動振動により、バネ１０１を介して弾性体９８の一方の面に加圧接触したロ−タ１００を摩擦力により駆動する。

上記従来の振動波モータ９０の積層圧電素子９７は、上述のように圧電層の内部電極の大きさ（外径と内径の寸法）が一様である。これは積層圧電素子９７が発生する歪分布が、図８に示すように、歪みの大きさの違い（（a）〜（c））は多少あるものの比較的単純な分布であるためである。

このような振動波モータは、最近特に、各種の機器に対応できるように小型化、高効率化、高出力化が強く望まれている（例えば、特許文献４〜６参照）。
特許第３３１１０３４号公報 特許第３３１３７８２号公報 特許第３４３２３２１号公報 特開２００３−１３４８５８号公報 特開２００３−１９９３７６号公報 特開２００３−２０９９８３号公報

しかしながら、上記小型化、高効率化、高出力した振動波モ−タは、依然として効率や出力が低く積層圧電素子に新たな課題があること、具体的には、積層圧電素子の構造解析から、小型の振動波モータの小型振動子においては、振動子を効率良く振動させるため積層圧電素子内部で発生させるべき歪が、厚さ方向や半径方向において大きな分布を有していることが分かった。

即ち、小型の振動子に使う積層圧電素子の内部電極を従来のように、積層圧電素子の内部全体に一様に形成すると、振動子を振動させるために本来歪を必要としない領域や逆の歪であるべき領域においても、歪の発生が起こることになり、これは供給する電力の損失を引き起こす原因になり、この結果、振動波モータの効率が低下し、出力も充分に出ないことが予想される。

本発明の目的は、小型化且つ高出力化できると共にモ−タ効率を向上させることができる積層電気−機械エネルギー変換素子及び振動波駆動装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１記載の積層電気−機械エネルギー変換素子は、複数の電極層が夫々各一方の面に形成されると共に互いに積層された複数の電気−機械エネルギー変換機能材料層を備え、前記複数の電極層が夫々電気的に接続された積層電気−機械エネルギー変換素子において、前記複数の電極層は、形状が積層電気−機械エネルギー変換素子の内部に発生する歪分布に応じて異なることを特徴とする。

請求項２記載の積層電気−機械エネルギー変換素子は、請求項１記載の積層電気−機械エネルギー変換素子において、前記複数の電極層は、形状が夫々実質的に円形であることを特徴とする。

請求項３記載の積層電気−機械エネルギー変換素子は、請求項１記載の積層電気−機械エネルギー変換素子において、前記複数の電極層は、形状が夫々実質的に多角形であることを特徴とする。

請求項４記載の積層電気−機械エネルギー変換素子は、請求項１記載の積層電気−機械エネルギー変換素子において、前記多角形は矩形であることを特徴とする。

請求項５記載の積層電気−機械エネルギー変換素子は、請求項１記載の積層電気−機械エネルギー変換素子において、前記の複数の電極層は、積層方向に向かって外径が段階的に小さくなることを特徴とする。

請求項６記載の積層電気−機械エネルギー変換素子は、請求項１記載の積層電気−機械エネルギー変換素子において、前記複数の電極層は、積層方向に向かって内径が段階的に小さくなることを特徴とする。

上記目的を達成するために、請求項７記載の振動波駆動装置は、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の積層電気−機械エネルギー変換素子、及び当該積層電気−機械エネルギー変換素子を挟持する２つの弾性体から成る振動子を有し、前記積層電気−機械エネルギー変換素子は、前記弾性体駆動用の交流電圧を受容するように構成されていることを特徴とする。

請求項８記載の振動波駆動装置は、請求項７記載の振動波駆動装置において、前記振動子に接触して前記振動子に励起した振動波によって駆動される移動体を有し、前記積層電気-機械エネルギー変換素子の積層方向の前記移動体側に向かって、前記複数の電極層の外径が段階的に小さくなることを特徴とする。

請求項９記載の振動波駆動装置は、請求項７記載の振動波駆動装置において、前記振動子に接触して前記振動子に励起した振動波によって駆動される移動体を有し、前記積層電気-機械エネルギー変換素子の積層方向の前記移動体側に向かって、前記複数の電極層の内径が段階的に小さくなることを特徴とする。

請求項１記載の積層電気−機械エネルギー変換素子及び請求項５記載の振動波駆動装置によれば、複数の電極層は、形状が積層電気−機械エネルギー変換素子の内部に発生する歪分布に応じて異なるので、発生する歪み分布を必要とされるものに合わせることができ、もって振動波駆動装置を小型化且つ高出力化できると共に駆動装置効率を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳述する。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る振動波駆動装置の断面図である。

図１において、振動波モータ５０は、シャフト５１と、シャフト５１に外嵌された振動子５２及び回転部５３と、振動子５２と協働して回転部を締め付けるべくシャフト５１にねじ止めされたナット状部材６２とを備え、図６に示す振動波モータ９０よりも全長が短く小型である。

振動子５２は、シャフト５１の一端にねじ止めされた金属の弾性体５４と、弾性体５４側から順に、積層電気−機械エネルギー変換素子としての積層圧電素子５５（図２）と、外部電源と接続する配線基板５６と、金属の弾性体５７と、弾性体５４と協働して積層圧電素子５５、配線基板５６、及び弾性体５７を挟持する金属の弾性体５８とから成る。

回転体５３は、弾性体５８を収容すると共に、一端に弾性体５７と接触する接触リング５９Ａが嵌められたロータ５９（移動体）と、ロータ５９の他端をシャフト５１の軸方向に移動自在且つ回転不能に収容するギヤ６０と、シャフト５１に外嵌された円盤部材６１と、ロータ５９の内部においてロータ５９とギヤ６０の間に配され、且つ双方を互いに離間するように付勢するバネ６３とから成る。

バネ６３は、その付勢力によりロータ５９の接触リング５９Ａを弾性体５７に加圧接触させる。

配線基板５６は、配線用にパタ−ニングされた電極配線（不図示）を有しており、積層圧電素子５５の各々の電極材料の一端１４（図２）と電気的に導通するように機械的に密着している。

図２は、図１における積層圧電素子５５を説明するのに用いられる図であり、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は分解斜視図である。

積層圧電素子５５は、図２（ａ）に示すように、外径６ｍｍ、内径１．７ｍｍ、厚さ約０．７ｍｍの内径部を有する円盤状であり、図２（ｂ）に示すように、第１層の円形状電気−機械エネルギー変換機能セラミックス層（以下「圧電層」という）１と、その下の第２層〜第１１層の円形状圧電層２〜１１とから成る。圧電層１〜１１の厚さは約６０μｍである。この積層圧電素子５５は、従来のものに比して外径が小さく、厚さも薄い。

圧電層２〜１１のうち偶数番目の層の圧電層の第１層側の面には、十字形に形成されたスリット（未電極形成部）を介して４分割された電極材料層である電極層（以下「内部電極」という）A＋，B＋，A−，B−が設けられ、一方、圧電層２〜１１のうち奇数番目の層の圧電層の第１層側の面には、同じく４分割された内部電極AG＋，BG＋，AG−，BG−が設けられている。内部電極は厚さが２〜３μｍである。図７の従来の積層圧電素子９７における内部電極の大きさ（外径と内径の寸法）が同一であるのに対して、図２の積層圧電素子５５における内部電極は、それらの外径が圧電層５，６については圧電層７〜１１のものより小さく、圧電層２〜４についてはさらに小さくなっている。この理由は後述する。

また、各圧電層１〜１１には、スルーホール１３が合計８つ形成されて中に電極材料が充填されていて、分割された各内部電極の導通を図ることが可能である。このうちの４つのスルーホール１３は、偶数番目の層の各圧電層２，４，６，８，１０における４分割の内部電極A＋，B＋，A−，B−を夫々独立して導通させ、他の４つは、もう一方の奇数番目の層の各圧電層３，５，７，９，１１における４分割された内部電極AG＋、BG＋、AG−、BG−を夫々独立して導通させている。第１１層の圧電層１１は最下層なのでスル−ホ−ルを有していない。

圧電層１のスルーホール１３には、電極材料の一端１４が達しており、これらの電極の一端１４は配線基板５６の各電極配線に電気的に接続されている。

積層圧電素子５５は、各圧電層２，４，６，８，１０の４分割の内部電極A＋、B＋、A−、B−のうち互いに１８０°の位置関係にあるA＋、A−とB＋、B−との各２つが分極極性が互いに＋（プラス）と−（マイナス）とに異なるように、AG＋，BG＋，AG−，BG−をグランドとしてA＋とB＋に＋の電圧を印加し、A−，B−に−の電圧を印加して分極処理を行う。そして。振動波モ−タ５０は、A＋とA−のＡ相、Ａ相と空間位相位置が９０°異なるB＋とB−のＢ相に対向するＡＧ相、ＢＧ相をグランドとして、Ａ相に振動子５２の固有振動数とほぼ一致した高周波電圧を印加すると共に、Ｂ相にＡ相とは電気的に９０°位相の異なる同一振動数の高周波電圧を印加することにより、互いに直交する２つの曲げ振動を発生させ、発生した２つの曲げ振動の合成により得られる駆動振動により、バネ６３を介して弾性体５７の一方の面に加圧接触した接触リング５９Ａと一体的になったロータ５９を摩擦力により駆動する。

以下、積層圧電素子５５における内部電極の外径が圧電層５，６について圧電層７〜１１ものより小さく、圧電層２〜４についてはさらに小さくなっている理由を説明する。

図３は、図２における積層圧電素子の内部で発生すべき歪の分布を説明するのに用いられる部分断面図である。

図３の「歪」は、積層圧電素子５５の、例えばA＋又はAG＋の振動時における厚さ方向の伸縮のうち伸びに関する歪であり、歪分布はロータ５９側の積層圧電素子の上部では、内径側が最も大きく（領域（a））、積層圧電素子の外径側、且つ下部ほど小さい（領域（b）、（c）、（d））。領域（e）では歪はほとんど0（ゼロ）であり、また、上部外径側の領域（f）では、発生する歪は領域（a）〜（d）とは逆の圧縮である。このような歪分布は、積層圧電素子５５や弾性体５４，５７，５８、シャフト５１の寸法、形状や、材質によるヤング率等が主要因で決まるものであり、小型化、特に図１に示すような全長の短いより扁平な振動子では発生し易くなる。

図３によれば、領域（e）では歪を発生させる必要はなく、さらに、上部外径側の領域（f）では、積層圧電素子が本来発生すべき歪とは逆の圧縮でなければならないことを示している。特に、この領域では、素子が発生する伸びの歪は役に立たないばかりか、逆に、損失を引き起こすことが分かる。したがって、上部外径側の領域を避けるために、上部に位置するほどその外径が段階的に小さくなるように電極層を構成している。

以上により、本実施の形態によれば、積層圧電素子５５の内部電極は、それらの大きさが積層圧電素子５５の内部の発生すべき歪に応じて異なっており、これにより、振動子を有効に振動させることができ、もって振動波モータ５０を小型化且つ高出力化できると共にモ−タ効率を向上させることができる。

本実施の形態では、内部電極の大きさは３種類であるが、全ての層で適切となるように互いに異なった大きさとなっていてもよい。ただし、実際の振動波モータにおいては、例えば、圧電層５，６の内部電極を圧電層２〜４の内部電極と同一とし、また、圧電層５，６の内部電極を圧電層７〜１１の内部電極と同一としても効果があり、２種類ですめば積層圧電素子の製造コストを低減でき実用的である。

上記積層圧電素子は、まず、圧電層となる圧電セラミックス粉末と有機バインダ−からなるグリ−ンシ−ト上にスルーホール用の孔を開け、その孔に銀・パラジウム粉末ペ−ストを充填し、次に、内部電極となる銀・パラジウム粉末ペ−ストをスクリ−ン印刷で形成した上で各グリーンシートを重ね、さらに、加熱しながら加圧して積層化し、そして、焼成前に内径部を機械加工で開けた後、鉛雰囲気中で約１１００℃で焼成し、焼成後分極した後、両面ラップ加工を行い、最後に外径部を機械（研削）加工で加工することにより製造する。

このように、本実施の形態の積層圧電素子５５は積層圧電素子内部に発生すべき歪分布に応じて、積層方向に関して内部電極の大きさを適切に変えることで、従来例のように積層圧電素子内部の内部電極を全層を同一にした積層圧電素子に比べて、振動子を効率良くに振動させることが可能となり、もって振動波モ−タの出力（回転数×トルク）や効率を向上させることができる。

図４は、本発明の第２の実施の形態に係る振動波駆動装置の断面図である。

本第２の実施の形態は、その構成が上記第１の実施の形態と基本的に同じであり、同じ構成要素については同一の符号を付して重複した説明を省略し、以下に異なる構成要素についてのみ説明する。

図４において、超音波モータ５０’は、後述する図５の断面四角形の積層圧電素子５５’を有し、配線基板５６を有していない。積層圧電素子５５’には、その外周面の４つの角隅部に２本ずつ計８本の外部電極４２が形成され、その周りを巻回するように、外部電極４２と接続すると共に、図示しない外部電源が接続されている配線基板５７が取り付けられている。

図５は、図４における積層圧電素子５５’を説明するのに用いられる図であり、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は分解斜視図である。

図５において、図５（ａ）に示すように、縦横５ｍｍ、内径１．７ｍｍ、厚さ約０．７ｍｍの四角柱であり、図５（ｂ）に示すように、第１層の四角形状圧電層２１と、その下の第２層〜第１９層の四角形状圧電層２２〜３９とから成る。各圧電層２１〜３９の厚さは約３５μｍである。

圧電層２２〜３９のうち偶数番目の層の圧電層の第１層側の面には、十字形に形成されたスリット（未電極形成部）を介して４分割された内部電極A＋，B＋，A−，B−が設けられ、一方、圧電層２２〜３９のうち奇数番目の層の圧電層の第１層側の面には、同じく４分割された内部電AG＋，BG＋，AG−，BG−が設けられている。

図４の積層圧電素子５５’における内部電極は、積層圧電素子５５’の内部に発生すべき歪分布に適合すべく、圧電層２４〜３６についてはそのほぼ全体に亘っているのに対して、圧電層２２〜２３についてはその内側部のみであり、圧電層３７〜３９についてはその外側部のみである。即ち、本実施の形態では、上部外側部の領域、及び、下部内側部の領域を避けるために、上部に位置するほどその外側部の領域、及び内側部の領域が段階的に小さくなるように電極層を構成している。内部電極の厚さは約２〜３μｍであり、これは第１の実施の形態のように形成したものである。

圧電層２２〜３９のうち偶数番目の層の圧電層には、これらを対向する一対の角隅部における４カ所で外部電極４２に接続する接続電極４１ａが形成されており、圧電層２２〜３９のうち奇数番目の層の圧電層には、これらを対向する他の一対の角隅部における４カ所で外部電極４２に接続する接続電極４１ｂが形成されている。

本実施の形態に係る超音波モータ５０’の作動及び製造方法は、第１の実施の形態のものと同じである。

本実施の形態に係る超音波モータ５０’によれば、内部電極の形状が一様な積層圧電素子を備える超音波モータに比して、小型化できると共にモ−タ効率を向上させることができる。

上記実施の形態では、積層圧電素子は内径部を有した例で説明したが、積層圧電素子は内径部を有していなくてもよい。

上記実施の形態では、積層圧電素子は円形、四角形以外に、他の多角形であってもよく、さらに、内部電極の形状も円形、四角形以外に、他の多角形であってもよい。そして、内部電極の形状は円形であれば外径または内径の寸法の異なる形状の電極層からなり、また、四角形や多角形では外形や内形の寸法のことなる形状の電極層で構成された積層圧電素子となる。

本発明の第１の実施の形態に係る振動波駆動装置の断面図である。 図１における積層圧電素子を説明するのに用いられる図であり、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は分解斜視図である。 図２における積層圧電素子の内部で発生すべき歪の分布を説明するのに用いられる部分断面図であり、内部電極がA＋とAG＋の場合を示す。 本発明の第２の実施の形態に係る振動波駆動装置の断面図である。 図４における積層圧電素子を説明するのに用いられる図であり、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は分解斜視図である。 従来の超音波モータの断面図である。 図７は、図６における積層圧電素子９７を説明するのに用いられる図であり、（ａ）斜視図であり、（ｂ）は分解斜視図である。 従来の積層圧電素子の内部で発生する歪の分布を説明するのに用いられる部分断面図であり、内部電極がA＋とAG＋の場合を示す。

符号の説明

５５、５５’ 積層圧電素子
１〜１１、２１〜３９ 圧電層
１３ スル−ホ−ル
１４ 表面電極
４１ 接続用電極
４２ 外部電極
５０、５０’ 振動波モータ
５２ 振動子

Claims (9)

1. 複数の電極層が夫々各一方の面に形成されると共に互いに積層された複数の電気−機械エネルギー変換機能材料層を備え、前記複数の電極層が夫々電気的に接続された積層電気−機械エネルギー変換素子において、前記複数の電極層は、形状が積層電気−機械エネルギー変換素子の内部に発生する歪分布に応じて異なることを特徴とする積層電気−機械エネルギー変換素子。
2. 前記複数の電極層は、形状が夫々実質的に円形であることを特徴とする請求項１記載の積層電気−機械エネルギー変換素子。
3. 前記複数の電極層は、形状が夫々実質的に多角形であることを特徴とする請求項１記載の積層電気−機械エネルギー変換素子。
4. 前記多角形は矩形であることを特徴とする請求項３記載の積層電気−機械エネルギー変換素子。
5. 前記の複数の電極層は、積層方向に向かって外径が段階的に小さくなることを特徴とする請求項１記載の積層電気-機械エネルギー変換素子。
6. 前記複数の電極層は、積層方向に向かって内径が段階的に小さくなることを特徴とする請求項１記載の積層電気-機械エネルギー変換素子。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の積層電気−機械エネルギー変換素子、及び当該積層電気−機械エネルギー変換素子を挟持する２つの弾性体から成る振動子を有し、前記積層電気−機械エネルギー変換素子は、前記弾性体駆動用の交流電圧を受容するように構成されていることを特徴とする振動波駆動装置。
8. 前記振動子に接触して前記振動子に励起した振動波によって駆動される移動体を有し、前記積層電気-機械エネルギー変換素子の積層方向の前記移動体側に向かって、前記複数の電極層の外径が段階的に小さくなることを特徴とする請求項７記載の振動波駆動装置。
9. 前記振動子に接触して前記振動子に励起した振動波によって駆動される移動体を有し、前記積層電気-機械エネルギー変換素子の積層方向の前記移動体側に向かって、前記複数の電極層の内径が段階的に小さくなることを特徴とする請求項７記載の振動波駆動装置。

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