JP5309626B2 - 振動アクチュエータ、振動子の製造方法及び振動アクチュエータの製造方法 - Google Patents
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Description
このような振動アクチュエータでは、駆動効率の向上等の観点から、様々な改良が行われている。特許文献1では、圧電素子本体に、電極領域毎に仕切るように圧電素子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る例を開示している。
本発明の課題は、駆動効率がよく、容易に製造できる、振動子の製造方法及び振動アクチュエータの製造方法を提供することである。
請求項1に記載の発明は、弾性体上に、溝状の境界部分によって独立した複数の領域に分離して電気機械変換素子を設ける第1の工程と、前記弾性体と前記電気機械変換素子とを焼結させる第2の工程と、前記電気機械変換素子の前記複数の領域の表面に電極を形成する第3の工程と、前記電気機械変換素子を前記複数の領域毎に分極する第4の工程と、を備え、前記第1の工程は、射出成型によって前記電気機械変換素子を設け、該射出成型時に、前記弾性体と圧電素子とを加圧し、前記第4の工程は、前記第3の工程によって形成された電極と、前記弾性体とを電極として、前記電気機械変換素子を分極させることを特徴とする振動子の製造方法である。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の振動子の製造方法において、前記第1の工程は、射出成型によって前記電気機械変換素子を設ける振動子の製造方法である。
請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の振動子の製造方法において、前記第1の工程において、隣接する前記複数の領域の、前記電気機械変換素子の表面における間隔が、0.1mm以下となるように前記電気機械変換素子を設ける振動子の製造方法である。
請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の振動子の製造方法において、前記弾性体の前記電気機械変換素子が設けられた面と反対側の面に加圧接触された移動体を設ける振動アクチュエータの製造方法である。
請求項5に記載の発明は、請求項4に記載の振動アクチュエータの製造方法において、前記弾性体の前記電気機械変換素子が設けられた面側に、前記弾性体と前記移動体を加
圧接触させる加圧力を発生する加圧部を設ける振動アクチュエータの製造方法である。
請求項6に記載の発明は、振動子に設けられた弾性体と、前記弾性体上に、溝状の境界部分によって独立した複数の領域に分離した電気機械変換素子と、前記電気機械変換素子の前記複数の領域のそれぞれの表面に形成された電極と、を備え、前記電気機械変換素子は、前記電極と、前記弾性体とを電極として分極されていることを特徴とする振動アクチュエータである。
なお、上記した構成は、適宜改良してもよく、また、少なくとも一部を他の構成物に代替してもよい。
図1は、本実施形態の超音波モータ10を用いたカメラ1を示す図である。
本実施形態のカメラ1は、撮像素子6を有するカメラボディ2と、レンズ鏡筒3とを備える。レンズ鏡筒3は、カメラボディ2に着脱可能な交換レンズである。なお、本実施形態のカメラ1では、レンズ鏡筒3が交換レンズである例を示したが、これに限らず、例えば、カメラボディと一体型のレンズ鏡筒であってもよい。
本実施形態の超音波モータ10は、振動子11,移動体14,緩衝部材15,支持体16,緩衝部材17,加圧部18,固定部材19等を備えている。
振動子11は、弾性体12,圧電体13等を備えている。
弾性体12は、ステンレス材料やインバー材料等の鉄合金や真鍮等の弾性変形が可能な金属材料を用いて形成された略円環形状の部材であり、一方の端面には、圧電体13が設けられ、他方の面には、複数の溝12aを切って形成された櫛歯部12bが形成されている。この櫛歯部12bの先端面は、圧電体13の励振により、進行波が発生し、移動体14を駆動する駆動面となる。
緩衝部材15は、ゴム等を用いて形成された略円環形状の部材である。この緩衝部材15は、移動体14の振動を支持体16側へ伝えないようにする部材であり、移動体14と支持体16との間に設けられている。
支持体16は、移動体14を支持する部材であり、移動体14と一体となって回転して移動体14の回転運動を不図示の被駆動部材に伝達し、かつ、移動体14の回転中心軸方向の位置を規制する部材である。
緩衝部材17は、不織布やフェルト等を用いて形成された略円環形状の部材である。この緩衝部材17は、振動子11の振動を加圧部18側へ伝えないようにする部材であり、圧電体13と加圧板18aとの間に設けられている。
固定部材19は、本実施形態の超音波モータ10をレンズ鏡筒3に固定する部材である。
図3は、本実施形態の振動子11を示す図である。図3(a)は、振動子11を加圧部18側から見た図であり、斜線が設けられた部分は電極131が形成されていること示している。図3(b)は、理解を容易にするために、圧電体13と弾性体12とを分離して示した斜視図である。
図3に示すように、本実施形態の圧電体13は、弾性体12の駆動面とは反対側の面上に複数独立して形成されている。この圧電体13及び振動子11の製造方法に関しては後述する。
また、弾性体12の周方向において、隣接する電極131間には、圧電体13は形成されておらず、振動子11を加圧部18側から見ると、弾性体12が見える形態となっている。なお、本実施形態では、弾性体及び圧電体の外径は約12mm、内径は約8mmである。この場合、隣接する電極131(圧電体13)間の間隔Wは約0.1mm以下となるように形成されることが、駆動効率向上の観点から好ましい。本実施形態ではW=0.05mmである。
図4は、本実施形態の振動子11の製造方法を示す工程図である。
振動子11の製造工程は、圧電体準備工程S100と、弾性体準備工程S200と、射出成形工程S300と、焼結工程S400と、電極形成工程S500と、分極工程S600とを備える。
図4に示すように、圧電体準備工程S100は、材料確認工程S101と、材料秤量工程S102と、材料混合工程S103と、仮焼結工程S104と、粉砕工程S105と、造粒工程S106と、バインダ混合工程S107と、ペレット化工程S108とを備えている。
材料秤量工程S102は、PZTの原料の重量を測定する工程であり、例えば、精密天秤を用いて、PZTの原料の重量が所定の目標値から誤差0.1g以下であるかを確認する。
材料混合工程S103は、PZTの原料と焼結に必要な所定の材料とを混合する工程であり、例えば、ボールミルを用いて所定の時間(本実施形態では、2時間)混合する。そして、粒度分布計を用いて、混合物の粒径が1〜2μmであるかを確認する。
粉砕工程S105は、仮焼結物を粉砕する工程であり、例えば、ボールミルを用いて所定の時間で粉砕する。そして、粒度分布計を用いて、粉砕物の粒径が1〜2μmとなっているかを確認する。また、X線回折装置を用いて、PZTの結晶相から粉砕物中のPZTの割合を確認したり、比表面積測定機を用いて、粉砕物の比表面積が所定の値(本実施形態では、3cm2/g)であるかを確認したりする。
造粒工程S106は、粉砕物の粉末を固めて粒状にする工程である。ここでは、例えば、スプレードライヤーを用いて所定の温度(本実施形態では、200℃)で粉砕物を乾燥させ、次に、PVA(ポリビニルアルコール)を所定量加えて造粒を行う。このとき、SEM(電子顕微鏡)を用いて、造粒された造粒子径が所定の値(本実施形態では、30〜100μm)であるか、また、PVAが所定の割合となっているかを確認する。
ペレット化工程S108は、混合物をペレット化(粒状に固めること)する工程であり、例えば、ペレット生成機を用いて行う。
分極工程S600は、圧電体13を分極する工程であり、例えば、所定の電源を用いて、25kV/cm2の電圧を印加する。また、温度計を用いて、分極時の圧電体13の温度が100℃となるようにし、タイマーを用いて、30分間電圧をかける。なお、分極は、+の電極と−の電極とで圧電体13を挟み込んで行う必要があるが、本実施形態では、一方の電極には、印刷によって形成された電極131を用い、他方の電極には、弾性体12を用いる。
分極工程S600の後、必要であれば弾性体12の駆動面の平面性を確保するための研磨加工等を行い、本実施形態の振動子11が完成する。その後に、超音波モータ10を組み立てる組み立て工程等を経て、本実施形態の超音波モータ10が完成する。
そのため、超音波モータを駆動する駆動信号を各電極に与えた際には、電極が形成されている領域の圧電体は駆動信号により伸縮するが、圧電体の素地部分は、伸縮しないので弾性体の励振には寄与せず、また、電極間に存在するため電極が形成されている領域の圧電体の伸縮を阻害して弾性体の励振を妨げ、超音波モータの駆動効率を下げる要因となるという問題があった。
これに対して、本実施形態によれば、圧電体13を、各電極131に対応した領域毎に複数形成したので、電極131間に未分極のまま存在する圧電体の領域が無くなり、電極131が形成されている領域の圧電体13の伸縮を阻害しないので、超音波モータ10の駆動効率の向上が期待できる。
そのため、圧電体上に形成された複数の電極を同時に分極する必要があり、複数の電極を同時に分極する際には、放電を防止するために、隣接する電極間に所定の間隔を設ける必要があった。この放電防止のために設けられる隣接する電極間の間隔(図3(a)におけるWに相当)は、0.4〜0.5mmであった。
本実施形態によれば、隣接する電極131(圧電体13)の間隔W=0.05mmとしたので、これにより、電極131の総面積が約6%増加し、弾性体12の励振に寄与する圧電体13の面積が増加する。
このことから、弾性体12を励振する効果が高まり、超音波モータの駆動効率向上が期待できる。
なお、本実施形態では、分極時の放電を防止する観点から、隣接しており、かつ、異なる極性(分極方向)に分極する圧電体13同士は、極性毎に分けて分極処理を行っている。
しかし、本実施形態によれば、圧電体13の製造工程の1つである射出成形工程S300によって弾性体12に対して圧電体13を一体とし、焼結工程によって接着剤等を用いることなく完全に接合できるので、工程数を少なくし、上述のような各種管理項目をなくすことができ、振動子11の製造、ひいては超音波モータ10の製造が容易に行える。
しかし、本実施形態によれば、圧電体13と弾性体12とは直接接合されており、圧電体13と弾性体12との間には振動伝達を阻害するものがないので、弾性体12を効率よく励振できる。また、本実施形態によれば、圧電体13を焼結させて弾性体12と接合するので、簡単に十分な接合強度で圧電体13と弾性体12とを一体に接合できる。
しかし、本実施形態によれば、容易に圧電体13を作製することができる。
しかし、圧電体は以下のように形成してもよい。例えば、仕切りの高さを低くし、弾性体に圧電体用金型を接触させたときに、弾性体の表面と仕切りとの間に隙間が形成されるようにしてもよい。このように形成された圧電体は、隣接する圧電体同士が完全に分離されず、弾性体側において連続し、溝によって複数の領域に実質的に区切られた1つの圧電体となる。このようにすると、混合物を射出する際に、その隙間から他の領域に混合物が流入することができる。このため、例えば射出口が一箇所であっても凹部全体に混合物を注入させることができ、射出が容易で且つ均一に行うことができる。
また、これらの方法で製造する圧電体は、円環状であってもよく、また円環が複数個に分割された形を有していてもよい。
円環状の圧電体の場合、その圧電体を弾性体に接着し、その後、圧電体の一部を放射線状に削ることにより圧電体を複数の領域に分割してもよい。この場合、圧電体を弾性体に接着する際の位置決めが容易である。
また、円環が複数個に分割された圧電体の場合、圧電体を全体として略円環状となるようにして弾性体に接着する。この場合、圧電体を削って分割する手間が省ける。
なお、本実施形態及び各変形形態は、適宜組み合わせて用いることもできるが、詳細な説明は省略する。
Claims (6)
- 弾性体上に、溝状の境界部分によって独立した複数の領域に分離して電気機械変換素子を設ける第1の工程と、
前記弾性体と前記電気機械変換素子とを焼結させる第2の工程と、
前記電気機械変換素子の前記複数の領域の表面に電極を形成する第3の工程と、
前記電気機械変換素子を前記複数の領域毎に分極する第4の工程と、を備え、
前記第1の工程は、射出成型によって前記電気機械変換素子を設け、該射出成型時に、前記弾性体と圧電素子とを加圧し、
前記第4の工程は、前記第3の工程によって形成された電極と、前記弾性体とを電極として、前記電気機械変換素子を分極させることを特徴とする振動子の製造方法。 - 請求項1に記載の振動子の製造方法において、
前記第1の工程は、射出成型によって前記電気機械変換素子を設ける振動子の製造方法。 - 請求項1または2に記載の振動子の製造方法において、
前記第1の工程において、隣接する前記複数の領域の、前記電気機械変換素子の表面における間隔が、0.1mm以下となるように前記電気機械変換素子を設ける振動子の製造
方法。 - 請求項3に記載の振動子の製造方法において、
前記弾性体の前記電気機械変換素子が設けられた面と反対側の面に加圧接触された移動体を設ける振動アクチュエータの製造方法。 - 請求項4に記載の振動アクチュエータの製造方法において、
前記弾性体の前記電気機械変換素子が設けられた面側に、前記弾性体と前記移動体を加
圧接触させる加圧力を発生する加圧部を設ける振動アクチュエータの製造方法。 - 振動子に設けられた弾性体と、
前記弾性体上に、溝状の境界部分によって独立した複数の領域に分離した電気機械変換素子と、
前記電気機械変換素子の前記複数の領域のそれぞれの表面に形成された電極と、を備え、
前記電気機械変換素子は、前記電極と、前記弾性体とを電極として分極されていることを特徴とする振動アクチュエータ。
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