JP3432321B2 - 積層セラミックス圧電体素子 - Google Patents
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- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、例えばランジュバン型
超音波モータに好適な積層セラミックス圧電体素子に関
し、更に詳しくは、位相の異なる２相以上の高周波信号
を用いて駆動するときに、その各相の共振周波数の差が
小さく、しかもエネルギー損失の少ない積層セラミック
ス圧電体素子に関するものである。
超音波モータに好適な積層セラミックス圧電体素子に関
し、更に詳しくは、位相の異なる２相以上の高周波信号
を用いて駆動するときに、その各相の共振周波数の差が
小さく、しかもエネルギー損失の少ない積層セラミック
ス圧電体素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、例えばランジュバン型の超音波モ
ータに使用される振動素子としては、特開平３−４０７
６７号公報や、特開平３−１１７３８４号公報等に記載
されているように、厚み方向の分極方向が左右或いは前
後で逆の単板の圧電素子板を、電極板を挟んで複数枚重
ね合わせた構造のものが用いられている（図８参照）。
しかし近年では、この構造を一体化した、いわゆる積層
セラミックス圧電体素子を用いることにより、駆動電圧
の低減、及び素子の小型化を図る試みがなされている。
ータに使用される振動素子としては、特開平３−４０７
６７号公報や、特開平３−１１７３８４号公報等に記載
されているように、厚み方向の分極方向が左右或いは前
後で逆の単板の圧電素子板を、電極板を挟んで複数枚重
ね合わせた構造のものが用いられている（図８参照）。
しかし近年では、この構造を一体化した、いわゆる積層
セラミックス圧電体素子を用いることにより、駆動電圧
の低減、及び素子の小型化を図る試みがなされている。
【０００３】ここで、積層セラミックス圧電体素子１０
１は、図７のように例えば円環が４分割されているよう
な電極パターンが形成された内部電極１０２が各層間ご
とに存在し、それらが積層方向に１層おきに層間配線１
０３により接続され、表面には表面電極１０４が前記層
間配線１０３と接続された構造を成している。そしてこ
の素子１０１は、例えば正の電圧を印加した時に第１象
限及び第２象限は厚みが増加し、第３象限及び第４象限
は厚みが減少する（勿論、負の電圧を印加した際には、
各々の象限は逆の挙動を取る）ように分極が成されてい
る。そして、この素子１０１を駆動させる際には、第１
象限及び第３象限（以下、“Ａ相”）に対しては同じ位
相の共振周波数信号を入力し、第２象限及び第４象限
（以下、“Ｂ相”）には前記信号に対して位相を９０度
ずらした共振周波数信号を入力することにより、首ふり
振動を行なわせる構造のものとなっている。
１は、図７のように例えば円環が４分割されているよう
な電極パターンが形成された内部電極１０２が各層間ご
とに存在し、それらが積層方向に１層おきに層間配線１
０３により接続され、表面には表面電極１０４が前記層
間配線１０３と接続された構造を成している。そしてこ
の素子１０１は、例えば正の電圧を印加した時に第１象
限及び第２象限は厚みが増加し、第３象限及び第４象限
は厚みが減少する（勿論、負の電圧を印加した際には、
各々の象限は逆の挙動を取る）ように分極が成されてい
る。そして、この素子１０１を駆動させる際には、第１
象限及び第３象限（以下、“Ａ相”）に対しては同じ位
相の共振周波数信号を入力し、第２象限及び第４象限
（以下、“Ｂ相”）には前記信号に対して位相を９０度
ずらした共振周波数信号を入力することにより、首ふり
振動を行なわせる構造のものとなっている。
【０００４】上記した積層セラミックス圧電体素子は、
素子を構成する各々の層の厚みを単板素子の厚みに比べ
て充分薄く、そして多層化出来るため、駆動に必要とさ
れる電圧を大幅に低減でき、素子の小型化及び低電圧駆
動化を図ることが可能となるなど、多くの優れた特性を
有する素子である。
素子を構成する各々の層の厚みを単板素子の厚みに比べ
て充分薄く、そして多層化出来るため、駆動に必要とさ
れる電圧を大幅に低減でき、素子の小型化及び低電圧駆
動化を図ることが可能となるなど、多くの優れた特性を
有する素子である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながらここで、
上述した積層セラミックス圧電体素子を使って、実際に
ランジュバン型の超音波モータ又はアクチュエータを作
ってみると、その振動子のＡ相とＢ相との共振周波数の
差（ΔＦ）が大きく、また機械的品質係数（Ｑｍ）も単
板素子を使った場合よりも劣り、実用化に充分なモータ
又はアクチュエータは得られなかった。
上述した積層セラミックス圧電体素子を使って、実際に
ランジュバン型の超音波モータ又はアクチュエータを作
ってみると、その振動子のＡ相とＢ相との共振周波数の
差（ΔＦ）が大きく、また機械的品質係数（Ｑｍ）も単
板素子を使った場合よりも劣り、実用化に充分なモータ
又はアクチュエータは得られなかった。
【０００６】本発明は、上述した積層セラミックス圧電
体素子をランジュバン型の超音波モータ又はアクチュエ
ータに使用した場合の不具合に鑑み成されたものであっ
て、その目的は、ランジュバン型の超音波モータ又はア
クチュエータに使用した場合においても、各相の共振周
波数の差が小さく、しかもエネルギー損失の少ない積層
セラミックス圧電体素子を提供することと、さらに、そ
の素子に給電する方法を提供することにある。
体素子をランジュバン型の超音波モータ又はアクチュエ
ータに使用した場合の不具合に鑑み成されたものであっ
て、その目的は、ランジュバン型の超音波モータ又はア
クチュエータに使用した場合においても、各相の共振周
波数の差が小さく、しかもエネルギー損失の少ない積層
セラミックス圧電体素子を提供することと、さらに、そ
の素子に給電する方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記した
目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、積層セラミッ
クス圧電体素子をランジュバン型の超音波モータ又はア
クチュエータに使用した場合における、各相の共振周波
数の差（ΔＦ）、及び機械的品質係数（Ｑｍ）に影響を
与えるのは、素子の上下面の平滑性にあるとの知見を
得、本発明を完成するに至った。
目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、積層セラミッ
クス圧電体素子をランジュバン型の超音波モータ又はア
クチュエータに使用した場合における、各相の共振周波
数の差（ΔＦ）、及び機械的品質係数（Ｑｍ）に影響を
与えるのは、素子の上下面の平滑性にあるとの知見を
得、本発明を完成するに至った。
【０００８】即ち、本発明は、ランジュバン型の超音波
モータ又はアクチュエータ等に使用する積層セラミック
ス圧電体素子において、該素子の表面電極を除く部分の
上下面を、その面内の凹凸の差が２０μｍ以下の平面に
形成すると共に、前記表面電極の各々を、前記平面より
１μｍ以上２０μｍ以下突出して形成した積層セラミッ
クス圧電体素子とした。また、本発明は、積層セラミッ
クス圧電体素子の表面電極を除く部分の上下面を、その
面内の凹凸の差が２０μｍ以下の平面に形成すると共
に、前記表面電極の各々の面積を、０．００２ｍｍ２以
上０．２ｍｍ２以下に形成した積層セラミックス圧電体
素子とした。さらに、本発明は、積層セラミックス圧電
体素子の表面電極を除く部分の上下面を、その面内の凹
凸の差が２０μｍ以下の平面に形成すると共に、前記表
面電極の各々の面積を、０．００２ｍｍ ２ 以上０．２ｍ
ｍ ２ 以下に形成し、且つ、前記表面電極の各々を、前記
平面より１μｍ以上２０μｍ以下突出して形成した積層
セラミックス圧電体素子とした。さらに、本発明は、上
記積層セラミックス圧電体素子の内部に存在する電極間
を、該素子の内部に形成した層間配線により接続した積
層セラミックス圧電体素子とした。さらにまた、本発明
は、上記積層セラミックス圧電体素子に給電する方法と
して、配線基板を用いることとした。以下、上記した本
発明の各々を、更に詳細に説明する。
モータ又はアクチュエータ等に使用する積層セラミック
ス圧電体素子において、該素子の表面電極を除く部分の
上下面を、その面内の凹凸の差が２０μｍ以下の平面に
形成すると共に、前記表面電極の各々を、前記平面より
１μｍ以上２０μｍ以下突出して形成した積層セラミッ
クス圧電体素子とした。また、本発明は、積層セラミッ
クス圧電体素子の表面電極を除く部分の上下面を、その
面内の凹凸の差が２０μｍ以下の平面に形成すると共
に、前記表面電極の各々の面積を、０．００２ｍｍ２以
上０．２ｍｍ２以下に形成した積層セラミックス圧電体
素子とした。さらに、本発明は、積層セラミックス圧電
体素子の表面電極を除く部分の上下面を、その面内の凹
凸の差が２０μｍ以下の平面に形成すると共に、前記表
面電極の各々の面積を、０．００２ｍｍ ２ 以上０．２ｍ
ｍ ２ 以下に形成し、且つ、前記表面電極の各々を、前記
平面より１μｍ以上２０μｍ以下突出して形成した積層
セラミックス圧電体素子とした。さらに、本発明は、上
記積層セラミックス圧電体素子の内部に存在する電極間
を、該素子の内部に形成した層間配線により接続した積
層セラミックス圧電体素子とした。さらにまた、本発明
は、上記積層セラミックス圧電体素子に給電する方法と
して、配線基板を用いることとした。以下、上記した本
発明の各々を、更に詳細に説明する。
【０００９】先ず、本発明では、素子の上下面の平滑性
について、その面内の凹凸の差が２０μｍ以下の平面に
形成することを規定している。これは、素子の上下面内
各々の凹凸の差が２０μｍより大きいと、ランジュバン
型の超音波モータ又はアクチュエータに使用した際に、
全体としての機械的品質係数（Ｑｍ）が低下し、さらに
相ごとの共振周波数の差（ΔＦ）も大きくなることが試
験により判明したためである。
について、その面内の凹凸の差が２０μｍ以下の平面に
形成することを規定している。これは、素子の上下面内
各々の凹凸の差が２０μｍより大きいと、ランジュバン
型の超音波モータ又はアクチュエータに使用した際に、
全体としての機械的品質係数（Ｑｍ）が低下し、さらに
相ごとの共振周波数の差（ΔＦ）も大きくなることが試
験により判明したためである。
【００１０】このような平滑な上下面を有する積層セラ
ミックス圧電体素子の作り方としては、大きく分けると
２通りの方法がある。１つは、焼成後に反り修正（再焼
成）、或いは加工（ラップ）を施すことによって、平面
度の高い素子を製造する方法であり、この場合において
は、表面電極等はその後に形成すれば良い。もう一つ
は、変形或いは反りが生じないように、成形、焼成等の
工程を慎重に制御しながら製造する方法である。本発明
においては、上記したいずれの方法でも良く、その作り
方は特には限定されない。
ミックス圧電体素子の作り方としては、大きく分けると
２通りの方法がある。１つは、焼成後に反り修正（再焼
成）、或いは加工（ラップ）を施すことによって、平面
度の高い素子を製造する方法であり、この場合において
は、表面電極等はその後に形成すれば良い。もう一つ
は、変形或いは反りが生じないように、成形、焼成等の
工程を慎重に制御しながら製造する方法である。本発明
においては、上記したいずれの方法でも良く、その作り
方は特には限定されない。
【００１１】なお、上記した本発明においては、表面電
極の高さは考慮されていないので、この発明の素子を使
用する場合においては、表面電極の高さをキャンセルで
きるような端子の取り方をする必要がある。具体的に
は、この表面電極に接続する電極板の端子部分を、電極
の高さ分だけへこませておく等の対策が必要となる。
極の高さは考慮されていないので、この発明の素子を使
用する場合においては、表面電極の高さをキャンセルで
きるような端子の取り方をする必要がある。具体的に
は、この表面電極に接続する電極板の端子部分を、電極
の高さ分だけへこませておく等の対策が必要となる。
【００１２】また、上記素子の上下面内における凹凸の
差（表面電極部分を除く）を測定する際には、素子を平
面上に置いて非接触式の形状測定装置などで３次元的に
測定することが、その値を正確に測定できることから好
ましい。これは、接触式の形状測定装置、例えば表面粗
さ計でも測定することは可能であるが、例えば素子の裏
面が凸となっている場合には、針圧などにより容易に素
子が動き、正確な測定が困難となるためである。
差（表面電極部分を除く）を測定する際には、素子を平
面上に置いて非接触式の形状測定装置などで３次元的に
測定することが、その値を正確に測定できることから好
ましい。これは、接触式の形状測定装置、例えば表面粗
さ計でも測定することは可能であるが、例えば素子の裏
面が凸となっている場合には、針圧などにより容易に素
子が動き、正確な測定が困難となるためである。
【００１３】次に、本発明では、上記要件に加えて、個
々の表面電極を0.002mm2以上0.2mm2以下の面積とすると
共に、該表面電極の各々を素子面上より突出して形成す
ることを規定している。これは、このような表面電極を
持つ素子とすれば、電極板を用いて表面電極との接続が
可能となり、共振周波数の差（ΔＦ）がより小さい素子
と成ると共に、機械的品質係数（Ｑｍ）も高くなるため
である。即ち、表面電極の面積が0.002mm2より小さい
と、接続部分の抵抗値が大きくなって機械的品質係数
（Ｑｍ）が低下し、また面積が0.2mm2より大きいと、フ
レキシブル基板などを用いても電極厚み、又はその突出
量の影響を排除することができず、相間の共振周波数の
差（ΔＦ）が大きくなることが試験により判明したため
である。また、この表面電極は、電極板との接続を確実
にするために、素子面上より突出していることが望まし
い。
々の表面電極を0.002mm2以上0.2mm2以下の面積とすると
共に、該表面電極の各々を素子面上より突出して形成す
ることを規定している。これは、このような表面電極を
持つ素子とすれば、電極板を用いて表面電極との接続が
可能となり、共振周波数の差（ΔＦ）がより小さい素子
と成ると共に、機械的品質係数（Ｑｍ）も高くなるため
である。即ち、表面電極の面積が0.002mm2より小さい
と、接続部分の抵抗値が大きくなって機械的品質係数
（Ｑｍ）が低下し、また面積が0.2mm2より大きいと、フ
レキシブル基板などを用いても電極厚み、又はその突出
量の影響を排除することができず、相間の共振周波数の
差（ΔＦ）が大きくなることが試験により判明したため
である。また、この表面電極は、電極板との接続を確実
にするために、素子面上より突出していることが望まし
い。
【００１４】上記のような表面電極を形成する方法とし
ては、印刷法によるのが最も簡単で良いが、この形成方
法に限定されず、例えばＣＶＤ法やスパッタ法などを用
いても良く、また素子の全面に導体層を形成しておい
て、後にエッチングなどにより周囲を掘り下げて表面電
極を形成しても良い。
ては、印刷法によるのが最も簡単で良いが、この形成方
法に限定されず、例えばＣＶＤ法やスパッタ法などを用
いても良く、また素子の全面に導体層を形成しておい
て、後にエッチングなどにより周囲を掘り下げて表面電
極を形成しても良い。
【００１５】なお、上記表面電極の面積を規定する数値
を円形の直径に換算すると、約５０μｍ以上５００μｍ
以下の直径を有する表面電極となるが、表面電極は円形
である必要はないため、本発明においては面積で規定し
た。また、本発明で規定している表面電極の面積とは、
上面から見た時の投影面積であり、突出による高さ成分
は考慮されていない。
を円形の直径に換算すると、約５０μｍ以上５００μｍ
以下の直径を有する表面電極となるが、表面電極は円形
である必要はないため、本発明においては面積で規定し
た。また、本発明で規定している表面電極の面積とは、
上面から見た時の投影面積であり、突出による高さ成分
は考慮されていない。
【００１６】次に、本発明では、上記要件である表面電
極の突出量について、それぞれの表面電極の突出量を１
μｍ以上２０μｍ以下とすることを規定している。これ
は、上記した要件だけでも実用上充分な積層セラミック
ス圧電体素子となるが、表面電極の素子面上からの突出
量が上記範囲内の素子としたならば、更に各相間の共振
周波数の差（ΔＦ）が小さく、しかも機械的品質係数
（Ｑｍ）が高い素子となると共に、導通が確実に行わ
れ、信頼性がより高い素子となることが試験により判明
したためである。
極の突出量について、それぞれの表面電極の突出量を１
μｍ以上２０μｍ以下とすることを規定している。これ
は、上記した要件だけでも実用上充分な積層セラミック
ス圧電体素子となるが、表面電極の素子面上からの突出
量が上記範囲内の素子としたならば、更に各相間の共振
周波数の差（ΔＦ）が小さく、しかも機械的品質係数
（Ｑｍ）が高い素子となると共に、導通が確実に行わ
れ、信頼性がより高い素子となることが試験により判明
したためである。
【００１７】ここで、上記した突出量を有する表面電極
の形成方法も、特に限定する方法はないが、形成する表
面電極の突出量（厚み）から考えると、印刷法が最も適
している。また、後記する図５に示した積層セラミック
ス圧電体素子１１、即ち素子の内部に存在する電極１２
間を、素子の内部に形成した層間配線１３により接続し
た素子においては、該素子１１を表面ラップ加工する
と、層間配線１３（通常Ａｇ−Ｐｄ、又はＰｔにより形
成されている）よりも圧電体素地（通常ＰＺＴ系セラミ
ックスにより形成されている）の方が良く削られ、結果
として層間配線１３が素子面上から突出するので、この
ラップ加工条件を制御することにより、上記した突出量
を有する表面電極１４を形成することも可能である。
の形成方法も、特に限定する方法はないが、形成する表
面電極の突出量（厚み）から考えると、印刷法が最も適
している。また、後記する図５に示した積層セラミック
ス圧電体素子１１、即ち素子の内部に存在する電極１２
間を、素子の内部に形成した層間配線１３により接続し
た素子においては、該素子１１を表面ラップ加工する
と、層間配線１３（通常Ａｇ−Ｐｄ、又はＰｔにより形
成されている）よりも圧電体素地（通常ＰＺＴ系セラミ
ックスにより形成されている）の方が良く削られ、結果
として層間配線１３が素子面上から突出するので、この
ラップ加工条件を制御することにより、上記した突出量
を有する表面電極１４を形成することも可能である。
【００１８】次に、本発明では、素子に形成する表面電
極の位置関係について、表面電極を素子の面内において
バランス良く配置することを規定している。これは、例
えフレキシブル基板を用いて表面電極厚み、又はその突
出量の影響を排除することができたとしても、表面電極
自体は振動しないことから共振に対するノイズとなり、
このような表面電極が素子の１ヵ所に集中して形成され
ていると、その表面電極が集中した素子部分と、他の素
子部分との間で当然共振周波数に差が生じ、延いては機
械的品質係数（Ｑｍ）も低下するためである。
極の位置関係について、表面電極を素子の面内において
バランス良く配置することを規定している。これは、例
えフレキシブル基板を用いて表面電極厚み、又はその突
出量の影響を排除することができたとしても、表面電極
自体は振動しないことから共振に対するノイズとなり、
このような表面電極が素子の１ヵ所に集中して形成され
ていると、その表面電極が集中した素子部分と、他の素
子部分との間で当然共振周波数に差が生じ、延いては機
械的品質係数（Ｑｍ）も低下するためである。
【００１９】なお、ここで言う“表面電極を素子の面内
においてバランス良く配置する”とは、例えば８個の表
面電極を同一円周上において等間隔で配置する場合のみ
ならず、２個づづ接近させた表面電極を、同一円周上に
おいて４ヵ所に等間隔で配置する場合等も含まれる。
においてバランス良く配置する”とは、例えば８個の表
面電極を同一円周上において等間隔で配置する場合のみ
ならず、２個づづ接近させた表面電極を、同一円周上に
おいて４ヵ所に等間隔で配置する場合等も含まれる。
【００２０】次に、本発明では、図５に示したように素
子１１の内部電極１２間を、素子の内部に形成した層間
配線１３により接続することについて規定している。こ
れは、層間配線１３を素子の内部に形成することによ
り、素子の外周壁面に余計な突起を賦与するような層間
配線（例えば図７に示した層間配線１０３）を無くすこ
とができ、素子の共振に対するノイズを除去できるた
め、更に振動子の共振周波数差が小さくなり、また共振
曲線がシャープになってより機械的品質係数（Ｑｍ）が
高くなるためである。
子１１の内部電極１２間を、素子の内部に形成した層間
配線１３により接続することについて規定している。こ
れは、層間配線１３を素子の内部に形成することによ
り、素子の外周壁面に余計な突起を賦与するような層間
配線（例えば図７に示した層間配線１０３）を無くすこ
とができ、素子の共振に対するノイズを除去できるた
め、更に振動子の共振周波数差が小さくなり、また共振
曲線がシャープになってより機械的品質係数（Ｑｍ）が
高くなるためである。
【００２１】このような素子内部の層間配線１３は、所
謂バイアホール、又はスルーホールと呼ばれるもので、
低温焼成タイプのセラミックス基板の製造技術を用いる
ことにより形成することができる。一般的なバイアホー
ルの作り方は、積層前の圧電体のグリーンシートに穴を
明け、その穴に導体ペーストを充填しておき、その上に
内部の電極パターンを印刷し、その後積層・焼成するも
のである。このようにすれば、内部電極とバイアホール
電極とが一体となって焼成され、素子の層間を接続する
配線を形成することができる。むろん、素子の内部に層
間配線を作ることができれば、上記の方法以外でも良
い。
謂バイアホール、又はスルーホールと呼ばれるもので、
低温焼成タイプのセラミックス基板の製造技術を用いる
ことにより形成することができる。一般的なバイアホー
ルの作り方は、積層前の圧電体のグリーンシートに穴を
明け、その穴に導体ペーストを充填しておき、その上に
内部の電極パターンを印刷し、その後積層・焼成するも
のである。このようにすれば、内部電極とバイアホール
電極とが一体となって焼成され、素子の層間を接続する
配線を形成することができる。むろん、素子の内部に層
間配線を作ることができれば、上記の方法以外でも良
い。
【００２２】更に、本発明では、図６に示したように上
記本発明にかかる素子Ａに給電する方法として、配線基
板Ｂを表面電極を有する素子Ａの面に圧接することを規
定している。これは、配線基板Ｂには導電体層が形成さ
れており、例えば図６に示したようにランジュバン型の
超音波モータに上記本発明にかかる素子Ａを用いた場
合、ボルトＣとステータＤ1,Ｄ2 とによる締め付け力に
より配線基板Ｂの導電体層に素子Ａの面上から突出した
表面電極が食い込み、導通が確実に行われると共に、表
面電極と導電体層が塑性変形を生じ、接触の均一化が図
れるためである。
記本発明にかかる素子Ａに給電する方法として、配線基
板Ｂを表面電極を有する素子Ａの面に圧接することを規
定している。これは、配線基板Ｂには導電体層が形成さ
れており、例えば図６に示したようにランジュバン型の
超音波モータに上記本発明にかかる素子Ａを用いた場
合、ボルトＣとステータＤ1,Ｄ2 とによる締め付け力に
より配線基板Ｂの導電体層に素子Ａの面上から突出した
表面電極が食い込み、導通が確実に行われると共に、表
面電極と導電体層が塑性変形を生じ、接触の均一化が図
れるためである。
【００２３】ここで、上記配線基板Ｂとしては、高分子
材料などの弾性又は塑性、若しくはその両方の性能に富
んだ絶縁体材料で作られた基板の表面に、銅やハンダな
どの導体を導電体層として形成した、所謂フレキシブル
基板が好ましい。これは、このような性質を有する配線
基板Ｂは、上記ボルトＣとステータＤ1,Ｄ2 とによる締
め付け力により容易に変形し、素子Ａの面上から突出し
た表面電極の影響をより軽減し、素子Ａに均一に接触す
るためである。
材料などの弾性又は塑性、若しくはその両方の性能に富
んだ絶縁体材料で作られた基板の表面に、銅やハンダな
どの導体を導電体層として形成した、所謂フレキシブル
基板が好ましい。これは、このような性質を有する配線
基板Ｂは、上記ボルトＣとステータＤ1,Ｄ2 とによる締
め付け力により容易に変形し、素子Ａの面上から突出し
た表面電極の影響をより軽減し、素子Ａに均一に接触す
るためである。
【００２４】なお、上記配線基板Ｂ上の導電体層は、積
層セラミックス圧電体素子Ａの各表面電極に別個に給
電，導通をはかるために、ほぼ全面に導体からなる配線
が施されている。
層セラミックス圧電体素子Ａの各表面電極に別個に給
電，導通をはかるために、ほぼ全面に導体からなる配線
が施されている。
【００２５】
【作用】従来の単板の圧電素子板を複数枚重ねて使用す
るタイプのランジュバン型の超音波モータにおいては、
例えば図８に示したように５枚のセラミックス圧電素子
板ａ 1〜ａ 5の間に、電極として６枚の金属板ｂ 1〜ｂ
6を挟んで振動子を構成し、該振動子に金属板ｂ 1〜ｂ
6を介して駆動信号を入力しており、これらの６枚の金
属板ｂ 1〜ｂ 6が各セラミックス圧電素子板ａ 1〜ａ 5
の上下面の凹凸を吸収し、ボルトｃとステータｄ1 ，ｄ
2 とによる締め込み力が各セラミックス圧電素子板ａ 1
〜ａ 5の板面に均一に働き、各相の共振周波数の差（Δ
Ｆ）が小さく、しかも機械的品質係数（Ｑｍ）が高い超
音波モータと成っていたものと考えられる。むろん、こ
れらのセラミックス圧電素子板の間に挟む多数の金属板
ｂ 1〜ｂ 6の振動吸収作用によって、モータとしての効
率は良くなかった。
るタイプのランジュバン型の超音波モータにおいては、
例えば図８に示したように５枚のセラミックス圧電素子
板ａ 1〜ａ 5の間に、電極として６枚の金属板ｂ 1〜ｂ
6を挟んで振動子を構成し、該振動子に金属板ｂ 1〜ｂ
6を介して駆動信号を入力しており、これらの６枚の金
属板ｂ 1〜ｂ 6が各セラミックス圧電素子板ａ 1〜ａ 5
の上下面の凹凸を吸収し、ボルトｃとステータｄ1 ，ｄ
2 とによる締め込み力が各セラミックス圧電素子板ａ 1
〜ａ 5の板面に均一に働き、各相の共振周波数の差（Δ
Ｆ）が小さく、しかも機械的品質係数（Ｑｍ）が高い超
音波モータと成っていたものと考えられる。むろん、こ
れらのセラミックス圧電素子板の間に挟む多数の金属板
ｂ 1〜ｂ 6の振動吸収作用によって、モータとしての効
率は良くなかった。
【００２６】しかし、積層セラミックス圧電体素子の場
合においては、その素子の内部に既に電極が形成されて
いるため、例えば前述の図６に示したように電極板とし
ては該素子Ａの表面電極と導通をとるための一枚の電極
板Ｂで済み、理論上は効率が向上するはずであるが、該
素子をボルトとステータとによって締め込んだ場合、従
来の単板の圧電素子板においては吸収されていた素子の
上下面に存在する凹凸の影響が顕著に現れてしまい、ボ
ルトとステータとによる締め込み力が素子の板面内にお
いて不均一となり、却ってモータとしての効率低下や各
相の共振周波数差の増大を招くと考えられる。
合においては、その素子の内部に既に電極が形成されて
いるため、例えば前述の図６に示したように電極板とし
ては該素子Ａの表面電極と導通をとるための一枚の電極
板Ｂで済み、理論上は効率が向上するはずであるが、該
素子をボルトとステータとによって締め込んだ場合、従
来の単板の圧電素子板においては吸収されていた素子の
上下面に存在する凹凸の影響が顕著に現れてしまい、ボ
ルトとステータとによる締め込み力が素子の板面内にお
いて不均一となり、却ってモータとしての効率低下や各
相の共振周波数差の増大を招くと考えられる。
【００２７】そこで、本発明においては、積層セラミッ
クス圧電体素子の上下面の平滑性、及び表面電極の面
積、或いはその突出量等について詳細に規定することに
より、積層セラミックス圧電体素子をランジュバン型の
超音波モータ又はアクチュエータに使用した場合に、ボ
ルトとステータとによる締め込み力が該素子の板面に均
一に働くようにし、積層セラミックス圧電体素子本来の
特性を備えた、実用上充分な性能を有する超音波モータ
又はアクチュエータを提供することが出来た。
クス圧電体素子の上下面の平滑性、及び表面電極の面
積、或いはその突出量等について詳細に規定することに
より、積層セラミックス圧電体素子をランジュバン型の
超音波モータ又はアクチュエータに使用した場合に、ボ
ルトとステータとによる締め込み力が該素子の板面に均
一に働くようにし、積層セラミックス圧電体素子本来の
特性を備えた、実用上充分な性能を有する超音波モータ
又はアクチュエータを提供することが出来た。
【００２８】
【試験例】以下、上記した本発明にかかる積層セラミッ
クス圧電体素子の効果を裏付ける試験例について記載す
る。
クス圧電体素子の効果を裏付ける試験例について記載す
る。
【００２９】−試験１−
ＰＺＴ系の圧電体シートを用い、印刷法により内部電極
２を形成し、図１に示したような構造の積層セラミック
ス圧電体素子１を作った。この素子１は、１層あたりの
厚みが約１００μｍであり、全１５層が積層され、直径
１０ｍｍ、内径５ｍｍの素子と成っている。層間配線３
は、その製造途中において各圧電体シートの側面に１層
おきに絶縁体を塗布したのち導体ペーストを用いて接続
し、その後焼成することにより形成されている。素子の
上下面は、焼成後にラップを施すことによりその上下面
の各々の面内における凹凸の差（以下、“平面度”）が
１〜２０μｍの平滑な平面に形成され、この平滑な素子
の上面に、側面の層間配線３と接続する表面電極４がス
パッタ法にて厚さ１μｍで形成されている。この表面電
極４の数は、Ａ相とＢ相についてそれぞれ＋、−の４カ
所、及びそれぞれのグランド４ヵ所の合計８個で、その
形成位置は、図１に示したように素子の上面の前部及び
後部にそれぞれ４個づつ集中して形成されている。上記
した積層セラミックス圧電体素子数個を、分極した後に
ランジュバン型の超音波モータに図６に示したように組
み込み、その機械的品質係数（Ｑｍ）を測定したところ
５００〜７００であった。またＡ相とＢ相との共振周波
数の差（ΔＦ）は７０〜１００Ｈｚであった。
２を形成し、図１に示したような構造の積層セラミック
ス圧電体素子１を作った。この素子１は、１層あたりの
厚みが約１００μｍであり、全１５層が積層され、直径
１０ｍｍ、内径５ｍｍの素子と成っている。層間配線３
は、その製造途中において各圧電体シートの側面に１層
おきに絶縁体を塗布したのち導体ペーストを用いて接続
し、その後焼成することにより形成されている。素子の
上下面は、焼成後にラップを施すことによりその上下面
の各々の面内における凹凸の差（以下、“平面度”）が
１〜２０μｍの平滑な平面に形成され、この平滑な素子
の上面に、側面の層間配線３と接続する表面電極４がス
パッタ法にて厚さ１μｍで形成されている。この表面電
極４の数は、Ａ相とＢ相についてそれぞれ＋、−の４カ
所、及びそれぞれのグランド４ヵ所の合計８個で、その
形成位置は、図１に示したように素子の上面の前部及び
後部にそれぞれ４個づつ集中して形成されている。上記
した積層セラミックス圧電体素子数個を、分極した後に
ランジュバン型の超音波モータに図６に示したように組
み込み、その機械的品質係数（Ｑｍ）を測定したところ
５００〜７００であった。またＡ相とＢ相との共振周波
数の差（ΔＦ）は７０〜１００Ｈｚであった。
【００３０】−試験２−
上記した試験１の焼成後における素子の上下面のラップ
を行なわず、平面度が２４〜４０μｍある積層セラミッ
クス圧電体素子数個について、他は試験１と同様の構
造、及び条件でランジュバン型の超音波モータに該素子
を組み込んだ際の機械的品質係数（Ｑｍ）、及びＡ相と
Ｂ相との共振周波数の差（ΔＦ）を測定したところ、Ｑ
ｍ値は２００〜４５０、ΔＦ値は１１０〜２３０Ｈｚで
あった。なお、良否の判定は、モータ性能からみてＱｍ
値は５００以上、ΔＦ値は１１０Ｈｚ以下であるため、
試験２の結果は好ましいものではない。
を行なわず、平面度が２４〜４０μｍある積層セラミッ
クス圧電体素子数個について、他は試験１と同様の構
造、及び条件でランジュバン型の超音波モータに該素子
を組み込んだ際の機械的品質係数（Ｑｍ）、及びＡ相と
Ｂ相との共振周波数の差（ΔＦ）を測定したところ、Ｑ
ｍ値は２００〜４５０、ΔＦ値は１１０〜２３０Ｈｚで
あった。なお、良否の判定は、モータ性能からみてＱｍ
値は５００以上、ΔＦ値は１１０Ｈｚ以下であるため、
試験２の結果は好ましいものではない。
【００３１】−試験３−
試験１と同様に作製した素子（平面度１５μｍ）につい
て、印刷法により個々の表面電極４の面積が図２の横軸
に示す値になるように表面電極を形成し、他は試験１と
同様の構造、及び条件でランジュバン型の超音波モータ
に組み込んだ際の機械的品質係数（Ｑｍ）、及びＡ相と
Ｂ相との共振周波数の差（ΔＦ）を各々測定した。図２
に、測定したＱｍ、ΔＦと表面電極の面積との関係を示
す。
て、印刷法により個々の表面電極４の面積が図２の横軸
に示す値になるように表面電極を形成し、他は試験１と
同様の構造、及び条件でランジュバン型の超音波モータ
に組み込んだ際の機械的品質係数（Ｑｍ）、及びＡ相と
Ｂ相との共振周波数の差（ΔＦ）を各々測定した。図２
に、測定したＱｍ、ΔＦと表面電極の面積との関係を示
す。
【００３２】−試験４−
試験１と同様に作製した素子（平面度１５μｍ）につい
て、印刷法により個々の表面電極４の面積が 0.02mm2で
あって、かつ個々の表面電極４の突出量が図３の横軸に
示す値になるように表面電極を形成し、他は試験１と同
様の構造、及び条件でランジュバン型の超音波モータに
組み込んだ際の機械的品質係数（Ｑｍ）、及びＡ相とＢ
相との共振周波数の差（ΔＦ）を各々測定した。図３
に、測定したＱｍ、ΔＦと表面電極の突出量との関係を
示す。
て、印刷法により個々の表面電極４の面積が 0.02mm2で
あって、かつ個々の表面電極４の突出量が図３の横軸に
示す値になるように表面電極を形成し、他は試験１と同
様の構造、及び条件でランジュバン型の超音波モータに
組み込んだ際の機械的品質係数（Ｑｍ）、及びＡ相とＢ
相との共振周波数の差（ΔＦ）を各々測定した。図３
に、測定したＱｍ、ΔＦと表面電極の突出量との関係を
示す。
【００３３】−試験５−
試験１と同様に作製した素子（平面度１５μｍ）につい
て、表面電極４（面積0.02mm2、突出量５〜10μｍ）の
形成位置を、図４に示すように素子の上面に等間隔で配
置した以外は、上記試験１と同様の構造、及び条件でラ
ンジュバン型の超音波モータに該素子を組み込んだ際の
機械的品質係数（Ｑｍ）、及びＡ相とＢ相との共振周波
数の差（ΔＦ）を測定したところ、Ｑｍ値は８３０であ
り、ΔＦ値は５７Ｈｚであった。この結果は、表面電極
の形成位置が、Ｑｍ値やΔＦ値の向上に効果をもたらす
ことを示している。
て、表面電極４（面積0.02mm2、突出量５〜10μｍ）の
形成位置を、図４に示すように素子の上面に等間隔で配
置した以外は、上記試験１と同様の構造、及び条件でラ
ンジュバン型の超音波モータに該素子を組み込んだ際の
機械的品質係数（Ｑｍ）、及びＡ相とＢ相との共振周波
数の差（ΔＦ）を測定したところ、Ｑｍ値は８３０であ
り、ΔＦ値は５７Ｈｚであった。この結果は、表面電極
の形成位置が、Ｑｍ値やΔＦ値の向上に効果をもたらす
ことを示している。
【００３４】−試験６−
試験１で使用した圧電体シートと同様の材料により成形
した圧電体シートにパンチングマシンを用いて直径１５
０μｍの穴（バイアホール）を明け、該穴にＡｇ−Ｐｄ
の導電ペーストを充填した後、内部電極のパターンを印
刷し、その後図５に示すようにシートを積層して焼成
し、内部電極１２及び層間配線１３を有する素子を作製
した。次に、上記素子の上下面を表１に示す平面度とな
るようにラップした後に、印刷法にて表１に示す面積及
び突出量の表面電極１４をあらためて形成したＡタイプ
の素子と、またラップによって素子の面上より突出した
バイア電極をそのまま表１に示す面積及び突出量の表面
電極１４として用いたＢタイプの素子とを製作し、これ
ら各々の積層セラミックス圧電体素子１１を、分極した
後にランジュバン型の超音波モータに組み込み、その機
械的品質係数（Ｑｍ）、及びＡ相とＢ相との共振周波数
の差（ΔＦ）を各々測定した。その測定結果を、表１に
示す。
した圧電体シートにパンチングマシンを用いて直径１５
０μｍの穴（バイアホール）を明け、該穴にＡｇ−Ｐｄ
の導電ペーストを充填した後、内部電極のパターンを印
刷し、その後図５に示すようにシートを積層して焼成
し、内部電極１２及び層間配線１３を有する素子を作製
した。次に、上記素子の上下面を表１に示す平面度とな
るようにラップした後に、印刷法にて表１に示す面積及
び突出量の表面電極１４をあらためて形成したＡタイプ
の素子と、またラップによって素子の面上より突出した
バイア電極をそのまま表１に示す面積及び突出量の表面
電極１４として用いたＢタイプの素子とを製作し、これ
ら各々の積層セラミックス圧電体素子１１を、分極した
後にランジュバン型の超音波モータに組み込み、その機
械的品質係数（Ｑｍ）、及びＡ相とＢ相との共振周波数
の差（ΔＦ）を各々測定した。その測定結果を、表１に
示す。
【００３５】
【表１】
【００３６】表１より、素子平面度は２０μｍ以下、表
面電極の面積は0.2mm2以下、そして表面電極の突出量は
２０μｍ以下の素子であれば、いずれも振動子として良
好な性能を示すことが判明する。
面電極の面積は0.2mm2以下、そして表面電極の突出量は
２０μｍ以下の素子であれば、いずれも振動子として良
好な性能を示すことが判明する。
【００３７】上記した各試験例により、本発明にかかる
積層セラミックス圧電体素子は、ランジュバン型の超音
波モータの振動子に組み込んだ際に、その各相の共振周
波数の差（ΔＦ）が小さく、しかも機械的品質係数（Ｑ
ｍ）が高い素子と成ることが判明する。さらに、本発明
にかかる積層セラミックス圧電体素子は、円環型の超音
波モーター用の積層セラミックス圧電体素子として充分
適用できるものであることが判明する。
積層セラミックス圧電体素子は、ランジュバン型の超音
波モータの振動子に組み込んだ際に、その各相の共振周
波数の差（ΔＦ）が小さく、しかも機械的品質係数（Ｑ
ｍ）が高い素子と成ることが判明する。さらに、本発明
にかかる積層セラミックス圧電体素子は、円環型の超音
波モーター用の積層セラミックス圧電体素子として充分
適用できるものであることが判明する。
【００３８】
【発明の効果】以上、説明した本発明にかかる積層セラ
ミックス圧電体素子によれば、積層セラミックス圧電体
素子本来の特性を有した、実用上充分な性能を有する超
音波モータ又はアクチュエータを提供することが可能と
なる。
ミックス圧電体素子によれば、積層セラミックス圧電体
素子本来の特性を有した、実用上充分な性能を有する超
音波モータ又はアクチュエータを提供することが可能と
なる。
【図１】本発明にかかる積層セラミックス圧電体素子の
概念的な構造図、及び外観図である。
概念的な構造図、及び外観図である。
【図２】試験３における、Ｑｍ、ΔＦと表面電極の面積
との関係を示した図である。
との関係を示した図である。
【図３】試験４における、Ｑｍ、ΔＦと表面電極の突出
量との関係を示した図である。
量との関係を示した図である。
【図４】本発明にかかる積層セラミックス圧電体素子の
概念的な構造図、及び外観図である。
概念的な構造図、及び外観図である。
【図５】本発明にかかる積層セラミックス圧電体素子の
概念的な構造図、及び外観図である。
概念的な構造図、及び外観図である。
【図６】本発明にかかる積層セラミックス圧電体素子を
組み込んだ超音波モータの概念的な断面図である。
組み込んだ超音波モータの概念的な断面図である。
【図７】積層セラミックス圧電体素子の概念的な構造
図、及び外観図である。
図、及び外観図である。
【図８】従来の複数のセラミックス圧電素子板を組み込
んだ超音波モータの概念的な断面図である。
んだ超音波モータの概念的な断面図である。
１，１１ 積層セラミックス圧電体素子
２，１２ 内部電極
３，１３ 層間配線
４，１４ 表面電極
Ｂ 配線基板
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 小島 信行
東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ
ヤノン株式会社内
(56)参考文献 特開 平６−153542（ＪＰ，Ａ)
特開 昭61−78179（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01L 41/09
Claims (8)
- 【請求項１】 電極が形成されたセラミックス圧電体素
子を複数枚積層した積層セラミックス圧電体素子におい
て、該積層セラミックス圧電体素子の上下の面では、表
面電極を除く部分の面内での凹凸の差が２０μｍ以下で
ある平面に形成されていると共に、前記表面電極の各々
が前記平面より１μｍ以上２０μｍ以下突出して形成さ
れていることを特徴とする、積層セラミックス圧電体素
子。 - 【請求項２】 電極が形成されたセラミックス圧電体素
子を複数枚積層した積層セラミックス圧電体素子におい
て、該積層セラミックス圧電体素子の上下の面では、表
面電極を除く部分の面内での凹凸の差が２０μｍ以下で
ある平面に形成されていると共に、前記表面電極の各々
の面積が０．００２ｍｍ２以上０．２ｍｍ２以下に形成
されていることを特徴とする、積層セラミックス圧電体
素子。 - 【請求項３】 電極が形成されたセラミックス圧電体素
子を複数枚積層した積層セラミックス圧電体素子におい
て、該積層セラミックス圧電体素子の上下の面では、表
面電極を除く部分の面内での凹凸の差が２０μｍ以下で
ある平面に形成されていると共に、前記表面電極の各々
の面積が０．００２ｍｍ ２ 以上０．２ｍｍ ２ 以下に形成
され、且つ該表面電極の各々が前記平面より１μｍ以上
２０μｍ以下突出して形成されていることを特徴とす
る、積層セラミックス圧電体素子。 - 【請求項４】 ランジュバン型超音波モータに用いられ
る積層セラミックス圧電体素子において、該積層セラミ
ックス圧電体素子の上下の面では、表面電極を除く部分
の面内での凹凸の差が２０μｍ以下である平面に形成さ
れていると共に、前記表面電極の各々が前記平面より１
μｍ以上２０μｍ以下突出して形成されていることを特
徴とする、積層セラミックス圧電体素子。 - 【請求項５】 ランジュバン型超音波モータに用いられ
る積層セラミックス圧電体素子において、該積層セラミ
ックス圧電体素子の上下の面では、表面電極を除く部分
の面内での凹凸の差が２０μｍ以下である平面に形成さ
れていると共に、前記表面電極の各々の面積が０．００
２ｍｍ ２ 以上０．２ｍｍ ２ 以下に形成されていることを
特徴とする、積層セラミックス圧電体素子。 - 【請求項６】 ランジュバン型超音波モータに用いられ
る積層セラミックス 圧電体素子において、該積層セラミ
ックス圧電体素子の上下の面では、表面電極を除く部分
の面内での凹凸の差が２０μｍ以下である平面に形成さ
れていると共に、前記表面電極の各々の面積が０．００
２ｍｍ ２ 以上０．２ｍｍ ２ 以下に形成され、且つ該表面
電極の各々が前記平面より１μｍ以上２０μｍ以下突出
して形成されていることを特徴とする、積層セラミック
ス圧電体素子。 - 【請求項７】 上記積層セラミックス圧電体素子の内部
に存在する電極同士が、該積層セラミックス圧電体素子
の内部に形成された層間配線により接続されていること
を特徴とする、請求項１、２、３、４、５又は６記載の
積層セラミックス圧電体素子。 - 【請求項８】 上記表面電極を有する積層セラミックス
圧電体素子の面に、配線基板を圧接し、該配線基板を介
して前記積層セラミックス圧電体素子に給電することを
特徴とする、請求項１、２、３、４、５、６又は７記載
の積層セラミックス圧電体素子。
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