JPH06120580A - 積層圧電素子及びその製造方法並びに分極処理方法、及び超音波モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 円板状の圧電素子を個々に形成し、分極処理
を施す場合は、分極処理等に時間を要したり、圧電セラ
ミックスにある程度の厚みを必要としていたが、このよ
うな問題を解決した積層圧電素子を提供する。 【構成】 圧電セラミックス材料からなるシート２〜６
の積層により構成され、シート２にのみ上面と下面に夫
々第１分割電極膜８−１と、第２分割電極膜８−２を設
け、シート４と６には分割電極膜のみ上面に設け、シー
ト３、５は全面電極膜７’のみ上面に設け、上下のシー
トに設けた電極膜を共用するようにしている。また、第
１分割電極膜８−１は導電穴９ｂに臨み、第２分割電極
膜８−２は導電穴９ａ、全面電極膜７，７’は導電穴９
ｃ，９ｄに臨み、これらシートを所定の位相を有して上
下方向に積層すると、電極膜を共通とする導電穴が夫々
繋がり、貫通孔１０−１〜１０−３が形成され、そこに
導電ペーストを充填することで各電極膜の導電部が形成
される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は積層圧電素子及びその製
造方法並びにその分極処理方法、及び超音波モータに関
する。

【０００２】

【従来の技術】すでにたとえば、特開平３−４０７６７
号や特開平３−２８９３７５号等に棒状超音波モータは
記載されている。図１０は棒状超音波モータの振動子の
分解斜視図であり、図１１は棒状超音波モータの縦断面
図である。

【０００３】図１０に示す振動子は、２枚の圧電素子Ｐ
ＺＴ１，２を１群とする駆動用のＡ相圧電素子ａ１、同
様に２枚の圧電素子ＰＺＴ３，４を１群とする駆動用の
Ｂ相圧電素子ａ２、又１枚の圧電素子板からなるセンサ
用圧電素子ｓ１を図示のように積層するとともに、これ
らの圧電素子間に電気を供給するための電極板Ａ１，Ａ
２及びセンサ信号取り出し用の電極板Ｓがある。またそ
れらと共にＧＮＤ用電極板Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３もＧＮＤ電
位を与えるためにある。そしてこれらの圧電素子および
電極板を挟持するように前後に黄銅、ステンレスなどの
振動減衰の比較的小さい金属製ブロックｂ１，ｂ２を設
け、締め付けボルトｃにより金属ブロックｂ１，ｂ２を
締め付けることにより一体化し圧電素子に圧縮応力を付
与している。またこのときセンサ用圧電素子ｓ１を一枚
で済ませるためボルトｃと金属ブロックｂ２の間に絶縁
シートｄが入っている。

【０００４】このときＡ相圧電素子ａ１とＢ相圧電素子
ａ２は位置的に９０度ずれて配置されており各々が該振
動子の軸を含む直行する２つの面内方向の屈曲振動を励
振させ、かつ適当な時間的位相差を持たせることによ
り、振動子の表面粒子に円あるいは楕円運動を生ぜしめ
振動子上部に押圧された移動体を摩擦駆動する。

【０００５】このような振動子を棒状超音波モータに用
いた例を図１１に示す。この例では、振動子の締結ボル
トｃは、先端部に細径の支柱部ｃ２を有し、この支柱部
ｃ２の先端部に固定された固定部材ｇによりモータ自体
の固定を行えるようにし、又ロータｒなどの回転支持の
作用も兼用している。

【０００６】ロータｒは前金属ブロックｂ１の先端面に
接触し、加圧は固定部材ｇからベアリング部材ｅとギヤ
ｆを介してロータｒに内装されたバネケースｉのコイル
バネｈを押圧することであたえられる。この棒状超音波
モータに使用する圧電素子についてさらに詳しく説明す
ると、１枚の圧電素子ＰＺＴ１〜４は図１２のように粉
末から焼成して作った圧電セラミックス２０を円盤形状
に機械加工し、厚さ０．５ｍｍとし、表面にはスリット
２１を介して２つのほぼ半円形状の電極膜２２−１，２
２−２を形成し、裏面には全面に電極膜２３を形成さ
せ、その後半円形状の電極膜２２−１，２２−２の極性
を右左で異なる方向（＋），（−）で分極処理を行い圧
電特性を与えている。

【０００７】このような１枚の圧電素子を図１０のよう
に、例えば、Ａ相においてはＰＺＴ１，ＰＺＴ２が電極
板Ａ１をはさんで分極の同極性が向かい合うようにし同
時にスリットも重なるように重ね合わせている。同様に
Ｂ相についても重ね合せている。

【０００８】すなわち、図１３のようにＡ相の圧電素子
ａ１の分極の方向は矢印１５のように表わされ、電極板
Ａ１に駆動用の交流電圧が作用すると、圧電素子ＰＺＴ
１，ＰＺＴ２の右側と左側で一方が伸びると一方が収縮
しこれを交互にくり返し振動子に屈曲振動を起こさせる
ことになる。Ｂ相についてもＡ相とスリットの向きが９
０°異なる点を除き同様の状態で屈曲振動を起こさせ
る。

【０００９】

【発明が解決しようとしている課題】しかしながら、上
記従来例では１枚１枚の圧電素子をあらかじめ分極処理
を行ってから、電極板と交互に重ね積層を行っているた
め、分極処理に多大な時間を要しており、また、振動子
の組立てにも時間を要していた。さらに、圧電素子の分
極処理工程時や組立工程時のハンドリングを考慮すると
強度上、圧電セラミックスの厚さもある程度厚くする必
要があり、その結果さらに多層化しようにも、素子全体
の寸法が大きくなり、例えば鉛筆と略同径あるいはそれ
以下の超小型化を実現できる超音波モータの小型化の障
害ともなっており、しいては、多層化により可能な超音
波モータの大出力化や低電圧駆動化も難しくしていた。

【００１０】本発明は、このような従来の問題を解決し
た積層圧電素子、及びその製造方法、分極処理方法、及
び該積層型圧電素子を用いた超音波モータを提供するこ
とを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の目的を実現する
積層圧電素子、その製造方法並びにその分極処理方法及
び超音波モータは特許請求の範囲に記載した通りであ
り、具体的には、あらかじめ薄い圧電セラミックス材料
からなるシートの表面にのみ分割電極膜を設けた圧電素
子部と、全面電極のみ設けた圧電素子部とを交互に複数
枚重ね合せ、最下層の圧電素子部にのみ分割電極膜と全
面電極膜とを形成したものを配し隣接する圧電素子部間
の電極膜を共用するようにし、さらに各圧電素子部の位
相の合った分割電極膜同士、及び共通電極膜同士を、圧
電素子部の厚み方向に形成した導電穴に充填した導電体
で結ないで一体化し、これを焼成して積層圧電素子が形
成される。そして、本発明の積層圧電素子は、多数枚の
圧電素子部の分極処理を空気雰囲気中で１回の分極工程
で行うことが可能となり、さらに、素子全体の寸法を増
やすことなく、積層枚数を増やすことができるようにし
たものである。

【００１２】

【実施例】実施例１ 図１及び図２は本発明による圧電素子の第１の実施例を
示し、図３はその分極処理方法を示し、また図１のＡ−
Ａ線断面図を示す。

【００１３】１は５枚の圧電素子部１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、
１Ｄ、１Ｅを積層した積層圧電素子で、圧電素子部１Ｂ
と１Ｄ、１Ｃと１Ｅは夫々同一構造に形成され、圧電素
子部１Ａとは別構造であるが、外径及び内径は夫々同径
に形成されている。

【００１４】これら圧電素子部１Ａ〜１Ｅは、予め仮焼
後粉砕した粉末に有機バインダーを混ぜ、シート状に成
形した圧電セラミックス材料からなるシートをリング状
に打ち抜き、このリング状シート２、３、４、５、６を
ベースにし、これらリング状シート３〜６についてはそ
の片面にのみ金属電極ペーストをスクリーン印刷にてス
リットにて絶縁された分割電極膜、又は全面電極膜を形
成し、またシート２については同様にして図２に示すよ
うに両面に２分割した分割電極膜と、全面電極膜を形成
している。

【００１５】そして、これら圧電素子部１Ａ〜１Ｅの構
造の相違は、厚み方向に形成した導電用穴の位置や個数
の相違と、全面電極膜や分割電極膜に形成した切欠き部
の位置等の相違による。

【００１６】圧電素子部１Ａは、図２に示すように、シ
ート２に１つの導電穴９ｄのみ形成され、この導電穴９
ｄは上記した場合と同様に形成された表面の２つの分割
電極膜８−１、８−２を絶縁する一方のスリット１１−
１Ｂに臨むと共に、裏面の全面電極膜７に臨むようにし
ている。

【００１７】圧電素子部１Ｂ、１Ｄは、シート３、５の
片側に予め導電穴９ａを形成すると共に、他側に２つの
導電穴９ｂと９ｃを対向して形成し、また、上面には全
面電極膜７’が形成されていて、この全面電極膜７’に
は該導電穴９ａと９ｂとを避けるように切欠き部１１−
２Ａと１１−２Ｂを形成している。

【００１８】圧電素子部１Ｃと１Ｅは、シート４、６に
シート３、５と同様に導電穴９ａ，９ｂ，９ｃとを形成
し、上面にはスリット１１−１Ａと１１−１Ｂにより絶
縁された第１分割電極膜８−１と第２分割電極膜８−２
形成され、第１分割電極膜８−１には導電穴９ｂが臨
み、第２分割電極膜８−２には導電穴９ａが臨み、さら
にスリット１１−Ｂには導電穴９ｃが形成されている。

【００１９】以上のようにして電極膜の形成されたシー
ト２〜６は図１のように積層されるが、シート２は分割
電極膜の形成された面を上面にして第１層をなし、第１
層をなすシート２の上面に、第２層をなすシート３の全
面電極膜７’の形成された面を上にし、同じく第３層、
第４層、第５層をなすシート４、５、６の分割電極膜又
は全面電極膜の形成された電極膜形成面を上にして積層
し、このときシート２、４、６の各第１分割電極膜８−
１と第２分割電極膜８−２の位相を合わせるように配置
している。

【００２０】そして、第１層をなすシート２の第２分割
電極膜８−２と対向するシート３の導電穴９ａ、シート
４、５、６の導電穴９ａとが上下方向において繋がり、
第３の貫通孔１０−３を形成している。そして、この第
３の貫通孔１０−３に電極膜を形成した金属電極ペース
トと略同じペーストを充填し、第２分割電極膜用導電部
を形成している。すなわち、シート２、４、６におい
て、導電穴９ａは第２分割電極膜８−２に臨んでいるの
で、この第３の貫通孔１０−３に充填形成された該第２
分割電極膜用導電部は、シート２、４、６の各第２分割
電極膜８−２と導通することになる。

【００２１】また、シート２の第１分割電極膜８−１と
対向するシート３の導電穴９ｂ、同じくシート４、５、
６の導電穴９ｂとが上下方向において繋がり第２の貫通
孔１０−２を形成している。そして、この第２の貫通孔
１０−２に上記の場合と同様に金属電極ペーストと略同
様のペーストを充填し、第１分割電極膜用導電部を形成
している。すなわち、シート２、４、６において、導電
穴９ｂは第１分割電極膜８−１に臨んでいるので、第２
の貫通孔１０−２に充填形成された該第１分割電極膜用
導電部は、シート２、４、６の各第１分割電極膜８−１
と導通することになる。

【００２２】さらに、シート２の下面の全面電極膜７
と、該全面電極膜７に臨んだ導電穴９ｄと、シート３、
４、５、６の各導電穴９ｃが上下方向において繋がり第
１の貫通孔１０−１を形成している。そして、この第１
の貫通孔１０−１に上記と同様にして充填した電極ペー
ストにより全面電極膜用導電部を形成しており、つま
り、シート２の下面、シート３、５において導電穴９
ｄ，９ｃは全面電極膜７，７’に臨んでいるので、該全
面電極膜用導電部と導通することになる。

【００２３】このようにして重ね合わせて積層化した積
層圧電素子１をプレスにより温度５０〜１００℃に加熱
しながら、加圧力８０ＭＰａ〜１５０ＭＰａで２〜３分
間加圧し、各シートを密着化させた。そして、焼成炉を
用いて鉛雰囲気中で温度１２００〜１３００℃で焼成し
た。この際、昇温過程でシートや電極ペーストに含まれ
た有機バインダーは焼失し、焼成後一体化した積層圧電
素子１を得た。

【００２４】次に、このようにして作った積層圧電素子
を図３のように、２つの１００ＭΩの高抵抗１２を用い
て分圧ができるように結線し、積層圧電素子１の上端面
の第１分割電極膜８−１及び第２分割電極膜８−２と、
最下層の圧電素子部１Ａの電極膜７’にコンタクトピン
１３を各々接触させた。

【００２５】そして、直流電源１４により直流電圧５０
０Ｖを３０分間、１４０℃の恒温槽の空気雰囲気中で印
加し分極処理を行った。第１分割電極膜８−１は０Ｖ、
全面電極膜７、７’には２５０Ｖ、第２分割電極膜８−
２には５００Ｖが印加されるので、対向する第１分割電
極膜８−１、第２分割電極膜８−２と、全面電極膜７の
間の圧電セラミックスは矢印１５の方向に分極される。

【００２６】なお、図３に示す積層圧電素子１の断面図
は、図１のＡ−Ａ線断面を示し、本断面図では厳密には
電極膜７、７’がない部分は分極はされないが、電極膜
７、７’の存在する部分は矢印１５の方向に分極され
る。

【００２７】このようにして分極処理された本実施例の
積層圧電素子を棒状超音波モータに組み込み、駆動電圧
である交流電圧を印加すれば、従来例でも説明したよう
に、左右の分割電極膜８−１と８−２で交互に伸縮が繰
り返される。

【００２８】本実施例では、積層圧電素子の直径は８ｍ
ｍ、シートの厚みは焼成後０．１ｍｍとなるように予め
収縮分を見込んで約０．１２ｍｍで積層し、本素子の厚
みは０．５ｍｍとしている。また電極膜の厚さは、５〜
６μｍとし、貫通孔の孔径は直径０．２〜０．４ｍｍと
した。なお、電極膜の材料は、白金、パラジウム、また
は銀とパラジウムとを混ぜたものを使用した。穴の位置
は棒状超音波モータの動作原理上なるべく内径側に近い
ところで移動体の振幅の大きい外径部から離れた所に設
けるのが望ましい。

【００２９】実施例２ 上記した実施例１では、焼成後の寸法、形状精度は外径
（直径）８±０．２ｍｍ、厚み精度はシート毎のバラツ
キもあり、厚さ０．５±０．０４ｍｍ、上下端面は凸又
は凹状の反りを生じた。このため、焼成したままで、本
素子を棒状超音波モータに組み込んで使用すると、モー
タ性能のバラツキの一因となり易い。

【００３０】そこで、図４に示すように、図２に示す実
施例１の場合と異なり、本実施例では、積層圧電素子
１’の上下端面に当たるシート２’とシート６’の厚さ
を他のシート３、４、５よりも予め厚くし、また上下面
の電極膜を設けないで形成している。なお、他のシート
３、４、５については実施例１と同じとしている。

【００３１】そして、焼成後、研削加工又はラップ加工
を行い、シート２’とシート６’の端面を削り、表面を
平削にした。

【００３２】その結果素子１の上下端面の反りはなくな
り、平面度３μｍ以下とすることができた。

【００３３】また、外径及び内径部も研削加工により±
０．０３以下に仕上げた。そして、加工後、積層圧電素
子の上下端面には、図１及び図２に示したのと同様に、
電極膜をスクリーン印刷により形成し、８００℃に加熱
し焼付けた。また、分極処理は図２に示す方法と同様し
て行った。

【００３４】なお、加工代として、シート２’とシート
６’の厚みは予め０．１〜０．２ｍｍ程度他のシートよ
り厚く形成した。

【００３５】このように、本実施例では加工コストは実
施例１よりも高くなるものの、棒状超音波モータに組み
込む際、電極板との接触が均一密着化でき、外径精度、
厚み精度も良くなるので、モータの性能向上化、並びに
バラツキの減少が図れる。

【００３６】次に、本実施例の積層圧電素子を棒状超音
波モータに組み込んだ実施例を図５に示す。

【００３７】図５の（ａ）は、従来例の圧電セラミック
スと同様に、Ａ、Ｂ両相の各々に２この積層圧電素子を
用いた例であり、電極板Ａ１とＡ２の両側に、各々２
個、合計４個の本実施例による積層圧電素子１を、図２
に示す分割電極膜８−１と８−２がある駆動電位面
（Ａ）を電極板Ａ１、Ａ２に向かい合わせてスリットの
向きが一致するようにして組み込んでいる。

【００３８】一方、図５の（ｂ）は、電極板Ａ１とＡ２
に各々１個の圧電素子を絶縁板１６を介して重ねた電極
板Ａ１、Ａ２に駆動電位面（Ａ）が接するように組み込
んだ例を示す。

【００３９】なお、本実施例ではシートの積層枚数は５
枚としているが、奇数枚であればさらに枚数を増加して
も差異はない。また、偶数枚の場合には、積層圧電素子
の上下端面に電極膜７と７’が位置し、両方ともＧＮＤ
面（Ｇ）となるので異なることになる。

【００４０】実施例３ 図６は実施例３を示し、本実施例は偶数枚のシートを積
層した積層圧電素子を示す。

【００４１】本実施例の積層圧電素子１’’は４枚のシ
ート２、３、４’、５を重ね、実施例１と同様に電極
膜、貫通孔を設けているが、シート５の上面の電極膜は
全面電極膜７となっているため、上下端面はＧＮＤ面
（Ｇ）となっている。

【００４２】このため、シート４’の分割電極膜８−１
と８−２に各々切欠き部１７を電極膜形成後に設け、積
層し一体焼結後に、図７に示すように、これら切欠き部
１７に電極材を充填し、リード線１９−１、１９−２を
取り付けた。この電極材は、銀粉末とエポキシ樹脂を混
ぜたペーストを温度１６０℃で焼付けた。分極処理は電
極膜８−１と８−２に導通のとれたリード線１９−１、
１９−２に図２に示す電極膜８−１、８−２に接するコ
ンタクトピンのリード線を結び、実施例１と同条件にて
行った。

【００４３】このようにして形成した本実施例の積層圧
電素子を棒状超音波モータに組み込む例として、例えば
Ａ、Ｂ両相について積層圧電素子１’’各１個用いる場
合には、図８に示すように、リード線１９−１と１９−
２を予め導通させておき、どちらか一方のリード線に駆
動電圧を印加すればよい。

【００４４】図９は本発明による積層圧電素子１を組み
込んだ棒状超音波モータを用いた駆動装置を示す。

【００４５】この棒状超音波モータの基本的構造は図１
０に示すものと同じであり、積層圧電素子１を用いる点
が従来例と異なっており、超音波モータと一体的に組付
けられているギアｆはギア伝達機構Ｇの入力ギアＧＩに
噛合し、その出力ギアＧＯはレンズＬ１を保持するレン
ズ保持部材Ｈに形成されたギアＨＩに噛合している。こ
のレンズ保持部材Ｈは固定筒Ｋにヘリコイド結合し、超
音波モータの駆動力によりギア伝達機構Ｇを介して回転
駆動されて合焦動作が行なわれる。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように、積層した状態で分
極処理のできる薄い圧電素子を多数枚重ねた積層圧電素
子を用いることにより、棒状超音波モータの小型化や大
出力化、さらには低電圧駆動化も可能となるばかりでな
く、圧電素子の分極処理工程を容易にし、また超音波モ
ータの組立ての際も圧電素子を短時間で精度良く組み込
めるなどの効果があり、特に積層される複数の圧電素子
部間の導通を別部材で外付けする必要がないので、面倒
な外付け作業が不要となるばかりでなく、振動への影響
も少なくすることができる。。

【００４７】また、このようにして作った積層圧電素子
は多層化のほか１枚の圧電セラミックスも薄くでき、そ
の結果静電容量も大きくなり、モータとして使用する際
入力インピーダンスが小さくなり、それだけ入力電力も
投入できるので、低電圧駆動や大出力化に適した特性を
有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の積層圧電素子の実施例１を示す図。

【図２】図１の積層圧電素子を構成する最下層の圧電素
子部を示す図。

【図３】図１の積層圧電素子の分極処理方法を示す図。

【図４】本発明の積層圧電素子の実施例２を示す図。

【図５】実施例２の積層圧電素子を棒状超音波モータに
組み込んだ状態を示す図。

【図６】本発明の積層圧電素子の実施例３を示す分解斜
視図。

【図７】本発明の積層圧電素子の実施例３を示す図。

【図８】実施例３の積層圧電素子を棒状超音波モータに
組み込んだ状態を示す図。

【図９】図１の積層圧電素子を有する超音波モータを駆
動源とするレンズ駆動機構を組み込んだレンズ鏡筒の断
面図。

【図１０】従来の棒状超音波モータの振動子の分解斜視
図。

【図１１】従来の棒状超音波モータの断面図。

【図１２】従来の超音波モータ用の圧電素子を示す図。

【図１３】圧電素子の分極方向と伸縮方向との関係を示
す図。

【符号の説明】

１，１’，１’’…積層圧電素子 ２，３，４，５，６…シート ７，７’…全面電極膜 ８−１，８−２…分割電極膜 ９ａ〜９ｄ…導電穴 １０−１，１０−２，１０−３…貫通孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 9274−4Ｍ Ｈ０１Ｌ 41/22 Ｚ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 片面側にのみ複数の分割電極膜を形成し
   た第１の圧電素子部と、片面側にのみ全面電極膜を形成
   した第２の圧電素子部とをその電極膜形成面を上向きに
   して互い違いに重ね合わせると共に、最下層には下面に
   全面電極膜が形成され、上面に複数の分割電極膜の形成
   された圧電素子部を配置し、各層の上面の電極膜はその
   上の層の下面の電極膜と共用し、これら圧電素子部はそ
   の各分割電極膜の位相を一致させるようにして重ね合わ
   せて積層され、積層方向において同位相の分割電極膜同
   士を導電させ、且つ互いに非導電状態としている複数の
   分極膜用導電部と、該各全面電極膜同士を導電させた全
   面電極膜用導電部を有し、該複数の分極膜用導電部およ
   び該全面電極膜用導電部は、複数の圧電素子部の厚み方
   向に形成された導電用の穴部に形成されていることを特
   徴とする積層圧電素子。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の積層圧電素子における
   複数の圧電素子部は、導電用の穴部を有する圧電セラミ
   ック材料からなる所定形状のシートの表裏両面に電極膜
   を形成し、これを積層して加圧しながら加熱して密着化
   し、焼成したことを特徴とする積層圧電素子の製造方
   法。
3. 【請求項３】 請求項３において、積層圧電素子の両端
   面に配されるシートを予めその間に配されるシートより
   厚くすると共に外面側には電極膜を形成していないもの
   を用い、焼成後これら両端面に配されるシートの端面を
   平滑に加工し、その後該平滑加工面に電極膜を形成した
   ことを特徴とする積層圧電素子の製造方法。
4. 【請求項４】 請求項１に記載の積層圧電素子における
   互いに絶縁した電極膜間に直流電圧を印加すると共に、
   空気中において加熱しながら分極処理を行うことを特徴
   とする積層圧電素子の分極処理方法。
5. 【請求項５】 金属ブロック間に請求項１に記載の積層
   圧電素子を所定の位相を有して複数挟持固定し、これら
   積層型圧電素子に所定の位相を有する交流電圧を印加す
   ることにより、該金属ブロックの表面粒子に楕円又は円
   運動を形成する棒状の振動子と、該振動子に加圧接触し
   て該楕円又は円運動により摩擦駆動される移動体とを有
   することを特徴とする超音波モータ。
6. 【請求項６】 請求項５に記載の超音波モータを駆動源
   とすることを特徴とする機器。