JP2006179578A - 圧電素子及び振動波駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型化、大出力化、低コスト化、及び低電圧駆動化を達成することができる圧電素子及び振動波駆動装置を提供することにある。
【解決手段】 圧電素子２００は、厚み方向に直交する横断面が１辺が長さａの正方形である。この圧電素子２００は、非電極膜形成部、即ち、電極膜境界部２０３により４分割された分割電極膜２０１−１，２０１−２，２０２−１，２０２−２を表面に有する。この分割電極膜２０１−１，２０１−２，２０２−１，２０２−２は、正方形の頂点Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４を含む領域に設けられている。分割電極膜２０１−１，２０２−１には、プラス電圧が印加され、分割電極膜２０１−２，２０２−２には、マイナス電圧が印加されている。電極膜境界部２０３は正方形の各辺の中点Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４からの垂線上に設けられている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、圧電素子及び振動波駆動装置に関する。

一般に、棒状超音波モータ（振動波モータ）等の振動波駆動装置は、駆動振動を発生する振動子を基本構成として有する。振動子は、振動子に加圧接触される接触体を駆動振動により相対的に移動する。また、振動波駆動装置は、カメラレンズ駆動等の用途に用いられており、円環型のものと棒状型のものが存在する。

例えば、図９に示すように、上記振動波駆動装置の基本構成である振動子９００は、下端がネジ構造となっているシャフトｅと、シャフトｅに嵌着され、金属製で小径円板状の第１の弾性体ａと、シャフトｅに外嵌され、第１の弾性体ａに接する円板状弾性体ｄと、シャフトｅに外嵌され、円板状弾性体ｄに接する電気−機械エネルギ変換素子ｃと、電気−機械エネルギ変換素子ｃに給電すべく、シャフトｅに外嵌されると共に電気−機械エネルギ変換素子ｃに接するフレキシブル基板ｌと、シャフトｅの下端にネジ結合され、円板状弾性体ｄ、電気−機械エネルギ変換素子ｃ、及びフレキシブル基板ｌを挟持固定する金属製で大径円板状の第２の弾性体ｂとを備える（例えば、特許文献１参照）。

電気−機械エネルギ変換素子は、図９に示す形状に限られるものではなく、例えば、図１０に示すような、円板形状の圧電素子１０００が積層された積層圧電素子でも良い。この積層圧電素子は、まず、表面に電極が形成された圧電材料からなるシートを複数枚積層して多層構造の板状のボードを形成し、このボードを複数の四角い塊に分割し、それから、外形加工して円板形状にすることで作られている。また、この圧電素子１０００の表面には、非電極膜形成部（電極膜境界部）１００３により４分割された４分円状の分割電極膜１００１−１，１００１−２，１００２−１，１００２−２が形成され（図１０（ａ））、裏面には全面電極膜１００４が形成されている（図１０（ｂ））。分割電極膜１００１−１，１００２−１には、プラス電圧が印加され、分割電極膜１００１−２，１００２−２には、マイナス電圧が印加されている（例えば、特許文献２参照）。

上記円板形状の圧電素子１０００が積層された積層圧電素子を用いた振動波駆動装置の小型化要求を達成するために、圧電素子１０００を円板形状のまま単純に小さくすると、圧電素子１０００の電極膜面積が小さくなり、出力が低くなる。

基本原理上、振動波駆動装置の高出力化は、圧電素子の厚み方向に関する変位から振動子の屈曲振動の変位への変換率に依存する。多角形の圧電素子は円板形状の圧電素子１０００（図１０）よりも上記変換率が高いので、多角形の圧電素子を用いた振動波駆動装置は、円板形状の圧電素子１０００（図１０）を用いたものよりも出力が高くなる。

そこで、圧電素子１０００を円板形状から正方形等の多角形状とすることにより、振動波駆動装置の高出力化を図る試みが行われている。互いに９０°ずれた位相の駆動相を有する電気−機械エネルギ変換素子ｃに対して、互いに９０°の位相差を持つ２相の交流信号を印加することによって、円板状弾性体ｄ上に進行波を発生させ、耐摩耗性を有する円板状弾性体ｄに圧接されることによって生じる摩擦力から駆動力を得ている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−４７２６６号公報 特許第３４１６２３３号公報

しかしながら、上述した多角形状の圧電素子を用いた小型の振動波駆動装置は、依然として効率や出力が低いという問題があった。

本発明の目的は、小型化、大出力化、低コスト化、及び低電圧駆動化を達成することができる圧電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、本発明の特徴は、横断面が多角形であり、前記多角形の表面に電極膜境界部によって分割された電極膜が形成された圧電素子において、前記電極膜境界部は前記多角形の頂点を含まない領域に設けられている圧電素子を提供することにある。

また、上記圧電素子を複数積層して多数構造とした圧電素子、あるいは、上記圧電素子を備えた振動波駆動装置を提供することにある。

本発明によれば、電極膜境界部は多角形の頂点を含まない領域に設けられているので、高価な圧電素子を有効に活用することができ、もって振動波駆動装置の小型化、大出力化、低コスト化、及び低電圧駆動化を達成することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る振動波駆動装置の構成を概略的に示す図である。

図１において、振動波駆動装置としての超音波モータ１００は、下端にネジｆ１が、上端に結合用ネジｆ２が設けられたシャフトｅと、シャフトｅに外嵌された振動子１０１及び回転体１０２と、後述する第２の弾性体ｂと協働して回転体１０２を締め付けるシャフトｅの上端にネジ止めされたナット状部材１０３とを備える。

振動子１０１は、シャフトｅに嵌着され、金属製で小径円板状の第１の弾性体ａ（挟持固定手段）と、シャフトｅに外嵌され、第１の弾性体ａに接する円板状弾性体ｄと、シャフトｅに外嵌され、円板状弾性体ｄに接する矩形板状の電気−機械エネルギ変換素子ｃと、電気−機械エネルギ変換素子ｃに給電すべく、シャフトｅに外嵌されると共に電気−機械エネルギ変換素子ｃに接するフレキシブル基板ｌ（印加手段）と、シャフトｅの下端にネジ結合され、円板状弾性体ｄ、電気−機械エネルギ変換素子ｃ、及びフレキシブル基板ｌを挟持固定する金属製で大径円板状の第２の弾性体ｂ（挟持固定手段）とを備える。

回転体１０２は、付勢用のコイルバネｊを収容すると共に、一端に円板状弾性体ｄと接触する接触用バネｈ１が嵌められたロータｈと、バネケースｈ２に対してラジアル方向に相対移動しないように嵌合結合された出力用ギアｉと、シャフトｅに外嵌されたモータ固定体ｇとを備える。モータ固定体ｇと出力用ギアｉとの結合部ｋは滑り軸受けを構成している。

電気−機械エネルギ変換素子ｃに、電源（不図示）から、π／２の時間的位相差を有する交流電界を印加すると、振動子１０１に振動方向が互いに直交する２つの曲げ振動を励起する。この２つの曲げ振動の振動方向はいずれもシャフトｅの長さ方向（軸方向）と直交するものであって、一方の曲げ振動は紙面と平行な方向に変位し、他方の曲げ振動は紙面と垂直な方向に変位する。

この２つの曲げ振動を合成することで、ロータｈに嵌められた接触用バネｈ１と接触する円板状弾性体ｄは、静止時のシャフトｅの周囲を傾きながら円を描くように変位し、これによって円板状弾性体ｄの上端面には円運動が発生し、耐摩耗性を有する円板状弾性体ｄに押圧されたロータｈは摩擦駆動される。

なお、この超音波モータ１００は、昇圧回路等が不要であるので、コストダウンを図ることができる。

図２は、図１の電気−機械エネルギ変換素子における圧電素子の電極パターンを示す図であり、（ａ）は表面を示し、（ｂ）は裏面を示す。

図２（ａ）において、圧電素子２００は、圧電素子の厚み方向に直交する横断面が１辺が長さａの正方形である。この圧電素子２００は、非電極膜形成部、即ち、電極膜境界部２０３により４分割された分割電極膜２０１−１，２０１−２，２０２−１，２０２−２を表面に有する。この分割電極膜２０１−１，２０１−２，２０２−１，２０２−２は、正方形の頂点Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４を含む領域に設けられている。分割電極膜２０１−１，２０２−１には、プラス電圧が印加され、分割電極膜２０１−２，２０２−２には、マイナス電圧が印加されている。

また、電極膜境界部２０３は正方形の各辺の中点Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４からの垂線上に設けられている。

また、圧電素子２００の中央部には、ホール２０４が設けられている。

図２（ｂ）において、圧電素子２００は、裏面に全面に亘って全面電極膜２０５が形成されている。

正方形の圧電素子２００における分割電極膜２０２−１の領域Ｒ１において発生する曲げ力αは、下記式（１）のように表される。

α∝∫_sｄ・Ｅ・ｄｓ・ｈ ・・・（１）
ここで、ｄは圧電常数を、Ｅは印加電圧を、ｄｓは領域Ｒ１の面積を、ｈは領域Ｒ１のＹ軸からの距離を示す。

一方、図１０に示す従来の円板形状の圧電素子１０００における分割電極膜１００２−１の領域Ｒ２において発生する曲げ力βは、下記式（２）のように表される。

β∝∫_s ｄ・Ｅ・ｄｓ・ｈ ・・・（２）
ここで、ｄは圧電常数を、Ｅは印加電圧を、ｄｓは領域Ｒ２の面積を、ｈは領域Ｒ２のＹ軸からの距離を示す。なお、図１０に示す圧電素子１０００の直径は、圧電素子２００の横断面１辺の長さと同じａである。

また、上記式（１）及び（２）の計算の際、電極膜を分割する電極膜境界部２０３，１００３の面積は十分小さいとして無視した。これにより、圧電素子２００，１０００の屈曲振動を起こさせる変位の比γはγ＝α／β＝１．５と計算される。

即ち、圧電素子２００が正方形であり、４分割された分割電極膜２０１−１，２０１−２，２０２−１，２０２−２を正方形の頂点Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４を含む領域に配置し、電極膜を分割する電極膜境界部２０３を各辺の中点Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４からの垂線上に設けると、正方形の圧電素子２００は、その１辺の長さと同じ直径ａを有する円板形状の圧電素子１０００の１．５倍の曲げ力を生じさせることができる。このことは、圧電素子２００が積層された積層圧電素子を用いた振動子１０１の屈曲量を、円板形状の圧電素子１０００が積層された積層圧電素子を用いた振動子の屈曲量よりも大きくすることができ、超音波モータ１００の出力を増加させることができることを示している。また、圧電素子２００を用いた超音波モータ１００と圧電素子１０００を用いた従来の超音波モータとの出力が同じであれば、超音波モータ１００に印加する電圧を従来の超音波モータに印加する電圧の２／３倍とすることができることを示している。即ち、圧電素子２００を用いた超音波モータ１００は低電圧で駆動することができるという利点がある。

図３は、本発明の特徴を容易に理解するために、図２の圧電素子の比較例を説明するのに用いられる図である。

図３において、圧電素子３００は、表面に４分割された分割電極膜３０１−１，３０１−２，３０２−１，３０２−２が形成されている。この分割電極膜３０１−１，３０１−２，３０２−１，３０２−２を分割する電極膜境界部３０３は、正方形の２つの対角線上に設けられている。限られた面積の中で電極パターンを大きくするためには、振動の発生に寄与しない電極膜境界部を直線形状として、電極膜境界部が占める面積をできるだけ小さくすることが好ましい。しかしながら、この電極パターンを有する圧電素子３００は、直線形状の電極膜境界部にて４分割された分割電極膜を有する正方形の圧電素子の中で最も分割電極膜が占める面積が小さく最も曲げ力が小さい。

図４は、図３の圧電素子の電極パターンの変形例を示す図である。

図４において、圧電素子４００は、電極パターンの外周部に電極膜境界部４０３が形成されている点のみが圧電素子３００（図３）と異なる。しかし、電極膜境界部４０３の面積を十分小さくすれば、圧電素子４００を圧電素子３００と同等とみなすことができる。

これに対し、本実施の形態によれば、圧電素子２００の表面に形成された分割電極膜２０１−１，２０１−２，２０２−１，２０２−２は正方形の頂点Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４を含む領域に設けられているので、高価な圧電素子２００を有効に活用することができ、もって超音波モータ１００の小型化、大出力化、低コスト化、及び低電圧駆動化を達成することができる。

本実施の形態によれば、圧電素子２００の表面に形成された分割電極膜２０１−１，２０１−２，２０２−１，２０２−２を分割する電極膜境界部２０３は、正方形の各辺の中点Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４からの垂線上、即ち正方形の頂点Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４を含まない領域に設けられているので、電極膜境界部２０３の占める領域が小さくなり、高価な圧電素子２００を有効に活用することができ、もって超音波モータ１００の小型化、大出力化、低コスト化、及び低電圧駆動化を達成することができる。

本実施の形態によれば、正方形の圧電素子２００を積層して正方形の積層圧電素子を形成するので、従来、加工で廃棄していた材料を有効に活用できると共に、加工工程の省略によりコストダウンを図ることができる。

本実施の形態によれば、正方形の圧電素子２００を積層した積層圧電素子は、圧電素子の厚み方向に関する変位から振動子の屈曲振動の変位への変換率が円板形状の圧電素子１０００を積層した圧電素子より高いため、円板形状の圧電素子１０００を積層した積層圧電素子よりも積層数を少なくしても、円板形状の圧電素子１０００を積層した積層圧電素子を有する振動子９００と同等の振動を得ることができ、もって小型化及びコストダウンを図ることができる。

さらに、正方形の圧電素子２００の表面の電極パターンの形成の仕方を工夫すること、例えば、圧電素子２００の表面に形成された分割電極膜２０１−１，２０１−２，２０２−１，２０２−２を正方形の頂点Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４を含む領域に設けることにより、超音波モータ１００の振動子１０１をより有効に振動させることができる。

本実施の形態では、分割電極膜２０１−１，２０１−２，２０２−１，２０２−２は正方形の頂点Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４を含む領域に設けられているが、これに限定されるものではなく、図５に示すように、圧電素子５００の電極パターンの外周部に電極膜境界部５０３が形成されていてもよい。ここで、圧電素子５００は、電極膜境界部５０３の面積を十分小さくすれば、図２の圧電素子２００と同等とみなすことができる。

本実施の形態では、電極膜境界部２０３は、正方形の各辺の中点Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４からの垂線を含むように設けられているが、これに限定されるものではなく、図６に示すように、分割電極膜６０１−１，６０１−２，６０２−１，６０２−２を分割する電極膜境界部６０３が各辺の任意の位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４上に設けてられていてもよい。

本実施の形態では、圧電素子２００は正方形であり、電極膜境界部２０３は、正方形の各辺の中点Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４からの垂線を含むように設けられているが、これに限定されるものではなく、図７に示すように、圧電素子７００が長方形であり、分割電極膜７０１−１，７０１−２，７０２−１，７０２−２を分割する電極膜境界部７０３が長方形の頂点Ｖ１，Ｖ２上及び各辺の任意の位置Ｐ１，Ｐ２上に設けられていてもよい。このように配置することで、振動子１０１に発生する振動方向が直交する２つの曲げ振動の動剛性に差を設けることができる。

また、図８に示すように、圧電素子８００の貫通孔の内部に導電部材を充填したスルーホール（導電部）８０４を設け、このスルーホール８０４を曲げ損失の小さくなる位置に配置するようにしてもよい。このスルーホール８０４は、圧電素子８００が積層された積層圧電素子の異なる層の電極膜同士を繋ぐために用いられる。ここで、スルーホール８０４は、正方形の中心Ｃからの距離が正方形の頂点Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４からの距離よりも短い領域に形成されている。これにより、圧電素子８００の分割電極膜８０１−１，８０１−２，８０２−１，８０２−２の部分において発生する曲げ力の損失を小さくすることができる。

なお、上述の実施の形態では、複数の圧電素子を積層した積層圧電素子を例にあげて説明を行ったが、本発明は単板からなる圧電素子についても適用できる。

本発明の実施の形態に係る振動波駆動装置の構成を概略的に示す図である。 図１の電気−機械エネルギ変換素子における圧電素子の電極パターンを示す図であり、（ａ）は表面を示し、（ｂ）は裏面を示す。 図２の圧電素子の比較例を説明するのに用いられる図である。 図３の圧電素子の電極パターンの変形例を示す図である。 図１の圧電素子の電極パターンの第１変形例を示す図である。 図１の圧電素子の電極パターンの第２変形例を示す図である。 図１の圧電素子の電極パターンの第３変形例を示す図である。 図１の圧電素子の電極パターンの第４変形例を示す図である。 従来の振動波駆動装置における振動子の分解斜視図である。 従来の圧電素子の電極パターンを示す図であり、（ａ）は表面を示し、（ｂ）は裏面を示す。

符号の説明

２００ 圧電素子
２０１−１，２ 分割電極膜
２０２−１，２ 分割電極膜
２０３ 電極膜境界部

Claims (6)

1. 横断面が多角形であり、前記多角形の表面に電極膜境界部によって分割された電極膜が形成された圧電素子において、前記電極膜境界部は前記多角形の頂点を含まない領域に設けられていることを特徴とする圧電素子。
2. 前記分割された電極膜は前記多角形の頂点を含む領域に形成されていることを特徴とする請求項１記載の圧電素子。
3. 請求項１又は２に記載の圧電素子を複数積層して多層構造とすることを特徴とする圧電素子。
4. 前記多角形の中心からの距離が前記多角形の頂点からの距離よりも短い領域に、前記多層構造における異なる層の電極膜を導通させるための導電部が形成されることを特徴とする請求項３に記載の圧電素子。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の圧電素子を挟持固定する挟持固定手段と、前記挟持固定手段に複数の曲げ振動を励起すべく、前記積層圧電素子に交流電圧を印加する印加手段とを備えることを特徴とする振動波駆動装置。
6. 前記複数の曲げ振動は、振動方向が互いに直交する２つの曲げ振動を含むことを特徴とする請求項５記載の振動波駆動装置。

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