JPH08308268A - 積層型圧電素子及びその分極処理方法、振動波モータ、および駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 従来の積層型圧電素子に比して圧電素子の無
効部分を削減し、駆動回路の出力部のトランジスタを削
減し、また積層型圧電素子の各層内の分極極性を一様と
することで、不要な歪が発生しないようにする。 【構成】 片面側に有する複数分割された電極膜が１層
置きに交互に位相をずらして同一方向に向けて積層した
複数の圧電素子板を備え、該各圧電素子板の分割電極は
同極性で且つ層毎に逆極性に分極処理し、夫々の圧電素
子板の同位相にある同極性の電極膜同士を電気的に接続
した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、積層型圧電素子及びそ
の分極処理方法、振動波モータ、および駆動装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】電気−機械エネルギー変換素子である圧
電素子を利用したものとして、振動波モータの駆動源が
知られており、特に圧電素子を積層化して低電圧で高出
力を得ることができるようにした積層型圧電素子が提案
されている。

【０００３】図１２は圧電体に４分割電極パターンを形
成した６枚の圧電素子板（５−１，５−２，５−３，５
−４，５−５，５−２３）を積層化した積層型圧電素子
の分解斜視図で、実際に駆動に供する圧電素子板は、最
上層の圧電素子板５−１と最下層の圧電素子板５−２３
を除いた４枚の圧電素子板（５−２，５−３，５−４，
５−５）で、最上層の圧電素子板の電極膜は分極処理の
ために用いられ、最下層の圧電素子板はその分割電極膜
のみが駆動のために用いられる。

【０００４】これらの圧電素子板は、電極膜のパターン
が４分割の形状であり、圧電素子板５−３，５−４，５
−５にあっては、対向する電極膜の分極方向が異なって
いる。また圧電素子板５−３と５−５の同位相にある電
極膜（１８Ａ１と２０Ａ１、１８Ａ２と２０Ａ２、１８
Ｂ１と２０Ｂ１、１８Ｂ２と２０Ｂ２）はスルーホール
１４を通る導電線１５Ａ１，１５Ａ２，１５Ｂ１，１５
Ｂ２を介して、最上層の圧電素子板５−１の電極膜１３
Ａ１，１３Ａ２，１３Ｂ１，１３Ｂ２と、最下層の圧電
素子板５−２３の電極膜２０’Ａ１，２０’Ａ２，２
０’Ｂ１，２０’Ｂ２に夫々接続されている。

【０００５】また圧電素子板５−２と５−４の同位相に
ある電極膜１６Ａ，１６Ｂ，１９Ａ１，１９Ｂ１，１９
Ａ２，１９Ｂ１，１９Ｂ２は、スルーホール１４を通る
導電線１５ＧＡ，１５ＧＢを介して接続され、最上層の
圧電素子板５−１の電極膜１３ＧＡ，１３ＧＢに接続さ
れている。なお１６Ａ２は振動検出用電極である。

【０００６】このように構成された積層型圧電素子にお
いて、位相が９０°ずれた２層の交流電圧、または４相
の交流電圧で駆動すると、厚み方向の軸に直交する２軸
に対して屈曲振動が励起され、その合成として、この積
層型圧電素子を挟持するランジュバン型振動子の駆動面
に楕円運動が励起され、該駆動面に加圧接触する部材を
摩擦駆動する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た積層型圧電素子においては、分割数が多いため、各圧
電素子板の電極間の圧電セラミックスの無効部分（電極
膜非形成部分）がその分増える。特に、直径の小さいコ
ンパクトな棒状の振動波モータにおいては、無効部分の
割合が大きくなり、小型化、コンパクト化の妨げとなっ
ていた。

【０００８】また、上述の積層型圧電素子を２相または
４相で駆動することができるが、４相駆動では２相駆動
に比較して１／２の電圧で同じ振幅が得られ低電圧駆動
に適していた。この４相駆動の場合の駆動回路を図１３
に示す。図１３において、４８は全体の制御を行うマイ
クロコンピュータ、４２は発振器、４３は移相器、４４
Ａと４４Ａ’は発振器４２からの駆動信号に基づいてパ
ルス駆動信号を出力するためのスイッチング回路で、圧
電素子２のＡ相とＡ’相を駆動する。また４５Ｂと４５
Ｂ’は移相器４３からの駆動信号に基づいてパルス駆動
信号を出力するためのスイッチング回路で、圧電素子２
のＢ相とＢ’相を駆動する。４６，４７は駆動パルス信
号の増幅用のコイルである。

【０００９】しかし、この場合は駆動回路の出力部（増
幅器）に要するトランジスタは２相駆動に比べて２倍必
要としていた。

【００１０】さらに、上記した積層型圧電素子において
は、一層内に分極極性が異なった部分が存在するため、
面内方向に分極される部分があった。これは、振動の発
生を妨げる作用をし、モータの効率を下げる原因の一つ
となっていた。

【００１１】本出願に係る第１の発明の目的は、構成の
簡単な積層型圧電素子を提供することにある。

【００１２】本出願に係る第２の発明の目的は、第１の
発明の目的を実現した積層型圧電素子の簡単な分極処理
方法を提供することにある。

【００１３】本出願に係る第３の発明の目的は、駆動効
率の向上した振動波モータを提供することにある。

【００１４】本出願に係る第４の発明の目的は、振動波
モータを有効に利用できる駆動装置を提供することにあ
る。

【００１５】

【課題を解決するための手段および作用】本出願に係る
第１の発明の目的を実現する構成は、請求項１に記載の
ように、３分割された電極膜を圧電体の片面側に形成し
た複数の圧電素子部を所定の位相をずらして積層した積
層型圧電素子であって、各層の圧電素子部の各分割電極
膜は同極性で、且つ隣接する他の圧電素子部の分割電極
膜とは逆極性とし、積層される各圧電素子部の夫々同位
相にある同極性の電極膜同士を電気的に接続したことを
特徴とする積層型圧電素子にある。

【００１６】この構成によれば、各層の圧電素子部は同
極性なので、構成が簡単であり、圧電体の無効部分が削
減でき、駆動回路の出力部のトランジスタが少なくて済
み、また積層型圧電素子の各層内の分極極性が一様にな
るので、不要な歪が発生しないようにすることができ
る。

【００１７】本出願に変わる第１の発明の目的を実現す
る第２の構成は、請求項２に記載のように、請求項１に
おいて、各層の圧電素子部の電極膜を接続する導体は、
隣接する他の圧電素子部の分割電極膜間を通ることを特
徴とする積層型圧電素子にある。

【００１８】この構成によれば、積層される圧電素子板
の電極膜同士を接続する導体を通すために電極の一部を
切り欠く必要がなくなり、電極膜の有効面積の減少を防
ぐことができる。

【００１９】本出願に係る第１の発明の目的を実現する
第３の構成は、請求項３に記載のように、請求項１また
は２において、２以上の分割電極膜が形成される最上層
の電極膜形成面を除く他の層の電極膜形成面が概略３分
割の電極膜にて形成されていることを特徴とする積層型
圧電素子にある。

【００２０】この構成によれば、電極膜を３分割とする
ことで、電極膜の無い部分の面積が減り、有効部分が増
す。さらに、各圧電素子部は３分割で、１層おきに１２
０度の位相がずれているので、３分割によって生じた電
極膜の無い絶縁部分に接続導体を通すことができ、従来
のように接続導体を通すために電極を切り欠く必要がな
い。

【００２１】本出願に係る第２の発明の目的を実現する
構成は、請求項４の記載のように、請求項１、２または
３に記載の積層型圧電素子の分極処理方法であって、任
意の層の電極膜形成面を構成する圧電素子部は、分極時
に同電位となる分割電極膜部分同士を最上層の電極膜を
用いて接続し、該接続された電極膜を利用して分極処理
を施した後、該使用部分以外の箇所を切除することを特
徴とする積層型圧電素子の分極処理方法にある。

【００２２】この構成によれば、積層型圧電素子の各圧
電素子板の分極極性が一様に正極または負極であるため
振動モードの節目が存在しなくなるので各圧電素子板に
不要な歪が発生しないようにすることができる。

【００２３】本出願に係る第３の発明の目的を実現する
構成は、請求項５に記載のように、請求項１、２または
３に記載した積層型圧電素子を振動弾性体間に挟持した
振動子を有し、位相の異なる３相の交流電圧で駆動する
ことを特徴とする振動波モータにある。

【００２４】この構成によれば、３分割された電極に１
２０度位相のずれた３相の交流電圧を印加することによ
り、従来の２相の約半分の低い電圧で駆動することがで
き、駆動回路出力部のトランジスタは約１．５倍で済む
ような低電力の振動波モータを提供することができる。

【００２５】本出願に係る第３の発明の目的を実現する
第２の構成は、請求項６に記載のように、請求項５にお
いて、積層された圧電素子部の一部に分割された電極膜
を振動検出用とすることを特徴とする振動波モータにあ
る。

【００２６】この構成によれば、例えば棒状型振動波モ
ータをフィードバック制御により駆動する場合に、振動
検出用の電極膜有する圧電素子部の層を特別に設ける必
要がない。

【００２７】本出願に係る第３の発明の目的を実現する
第３の構成は、請求項７に記載のように、請求項５また
は６において、積層型圧電素子と振動弾性体との間に、
該積層型圧電素子と振動回路とを接続するプリント基板
を介装したことを特徴とする振動波モータにある。

【００２８】この構成では、回路との接続が簡単で確実
に実現できる。

【００２９】本出願に係る第３の発明の目的を実現する
第４の構成は、請求項８に記載のように、請求項７にお
いて、プリント基板は、フレキシブルプリント基板であ
ることを特徴とする振動波モータにある。

【００３０】この構成では、振動波モータと駆動回路と
の配置の自由度が増す。

【００３１】本出願に係る第４の発明の目的を実現する
構成は、請求項９に記載のように、請求項５、６、７ま
たは８に記載した超音波モータ駆動源として被駆動体を
駆動することを特徴とする駆動装置にある。

【００３２】この構成では、被駆動体を効率よく振動波
モータにより駆動することができる。

【００３３】

【実施例】

（第１の実施例）図１は本発明の第１の実施例を示す。

【００３４】本実施例の積層型圧電素子は、Ｎ枚の圧電
素子板を積層したものである。そして、圧電素子板は、
最上層（第１層）を除く他の層の圧電素子板が圧電体の
片面側に３分割に電極膜を形成していて、これを１２０
°の移相をずらして積層している。また、最上層の圧電
素子板は、電極膜が６分割に形成されている。

【００３５】一方、各圧電素子板の分極方向似ついては
後述するが、各圧電素子は全体的に同一方向に分極処理
されている。

【００３６】図１において、最下層の圧電素子を除く各
圧電素子板には、厚み方向に貫通するスルーホールであ
る導通孔（２Ａ１，２Ａ２，２Ｂ１，２Ｂ２，２Ｃ１，
２Ｃ２）が周方向に６ケ所等間隔に形成されている。最
上層の圧電素子板の表面側に印刷法により略等間隔で６
分割形成された電極１Ａ（＋），１Ａ（−）、１Ｂ
（＋），１Ｂ（−）、１Ｃ（＋），１Ｃ（−）は上記し
た導通孔に夫々電気的に接触している。

【００３７】第２層目の圧電素子は３分割した電極、２
Ａ（＋）、２Ｂ（＋）、２Ｃ（＋）、が印刷され、３つ
の導通穴２Ａ１、２Ｂ１、２Ｃ１が継がっている。他の
３っの導通穴２Ａ２、２Ｂ２、２Ｃ２、は印刷された電
極とは絶縁されている。

【００３８】第４層、第６層、第８層、・・・など偶数
番目の層は、第２層、あるいは図１中、第（Ｎ−２）層
と同様の構造をしており、導通穴、２Ａ１が各偶数層電
極２Ａ（＋）、４Ａ（＋）、４Ａ（＋）、・・・、（Ｎ
ー２）Ａ（＋）を継ぎ、導通穴２Ｂ１が各偶数層電極２
Ｂ（＋）、４Ｂ（＋）、・・・（Ｎー２）Ｂ（＋）、Ｎ
Ｂ（＋）を継ぎ、導通穴２Ｃ１が各偶数層電極２Ｃ
（＋）、４Ｃ（＋）、・・・（Ｎー２）Ｃ（＋）を継い
でいる。

【００３９】第３層、第５層、第７層・・・などの奇数
番目は、図１中、第（Ｎー３）層あるいは第（Ｎー１）
層のように、偶数層の電極パターンを１８０度回転した
パターンが形成されている。このため、導通穴２Ａ２が
各奇数層電極３Ａ（−）、・・・（Ｎ−３）Ａ（−）、
（Ｎ−１）Ａ（−）を継ぎ、導通穴２Ｂ２が各奇数層電
極３ＢＣ−）、・・・（Ｎ−３）Ｂ（−）、（Ｎ−１）
Ｂ（−）を継ぎ、導通穴２Ｃ２が各奇数層電極３Ｃ
（−）、・・・（Ｎー３）Ｃ（−）、（Ｎー１）Ｃ
（ー）を継いでいる。これらの圧電素子板はプレス圧接
され一体に焼結される。図２は図１に示す積層型圧電素
子の分極処理法を示す図で、印加電圧の極性、および圧
電素子内部の分極性を矢印で、示している。第１層電極
１Ａ（＋）、１Ｂ（＋）、１Ｃ（＋）には正極のコンタ
クトピン１３により正電位を電極１Ａ（−）、１Ｂ
（−）、１Ｃ（−）には負極のコンタクトピン１４によ
り負電位をかけて分極処理をする。第１層（最上層）と
第Ｎ層（最下層）の圧電素子板を除き、１層ごとに圧電
素子板は交互に同極性に一様に分極される。

【００４０】図３は、分極処理後、第１層の電極を除去
し導通穴２Ａ１、２Ａ２、２Ｂ１、２Ｂ２、２Ｃ１、２
Ｃ２、を露出させた積層型圧電素子３を示す。

【００４１】この積層型圧電素子３は、図５に示す棒状
超音波モータの振動子Ａの駆動部として振動弾性体ａ
１，ａ２の間に挟持され、これらの振動弾性体ａ１とａ
２をボルトａ３により締結することにより挟持固定され
る。その際、図３に示す導通穴側にフレキシブルプリン
ト基板１２の導体パターン（図４に示す）を密着するよ
うに介装する。

【００４２】この棒状超音波モータは、図７に示す駆動
回路により振動子Ａの圧電素子３に交流電圧を印加する
と、振動弾性体ａ１の端面に楕円運動が励起される。一
方この振動弾性体ａ１の端面には移動体であるロータＲ
のつば付きバネ片部が加圧接触しており、この加圧力は
バネ受け部材ｂ１を介して加圧バネｂ２のバネ力で与え
られている。

【００４３】したがって、ロータＲは振動子Ａの振動弾
性体ａ１に形成される楕円運動により摩擦駆動され、ロ
ータＲと一体的に回転する外周に歯車部が形成された出
力部材ｃ１に回転力が伝達される。

【００４４】図４はフレキシブルプリント基板１２の導
体パターンと、積層圧電素子３の導通穴２Ａ１，２Ａ
２，２Ｂ１，２Ｂ２，２Ｃ１，２Ｃ２との位置関係を示
す図である。

【００４５】フレキシブルプリント基板１２の導体パタ
ーン１２Ａは積層圧電素子３の導通穴３の２Ａ１と２Ａ
２に接触し、導体パターン１２Ｂは導通穴２Ｂ１と２Ｂ
２に接触し、導体パターン１２Ｃは導通穴２Ｃ１と２Ｃ
２に接触するように配置組み立てられる。

【００４６】図６はこの棒状超音波モータを駆動する場
合にフレキシブルプリント基板１２の導体パターン１２
Ａ、１２Ｂ、１２Ｃのそれぞれに印加される３相の交流
電圧を示している。即ち相互に１２０°位相のずれた３
相の交流電圧である。周波数は周知のように超音波モー
タ振動子の曲げ固有振動数である。圧電素子３の電極間
にはＶＡーＶＢ、ＶＢ−ＶＣ、ＶＣ−ＶＡの電界がかけ
られる。なお、これらの位相を変えればモータは逆転す
る。

【００４７】図７に示す駆動回路は、基本的には図１３
に示す駆動回路と同様で、異なるところは、移相器４３
が１２０度／−１２０度の移相器であること、３相駆動
であるから、スイッチング回路が４４Ａ，４４Ｂおよび
４４Ｃの３つで済むことで、各スイッチング回路からの
パルス電圧は夫々コイル４６Ａ，４６Ｂ，４６Ｃで増幅
されて夫々上記の導体パターン１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ
に給電される。

【００４８】（第２の実施例）図８は第２の実施例を示
し、積層型圧電素子３の導通穴２Ａ１、２Ｂ１、２Ｃ１
を内径よりに、導通穴２Ａ２、２Ｂ２、２Ｃ２を外径よ
りに配置し、最上層の電極パターンを同心円状の２つの
リング状電極１ＡＢＣ（＋）と１ＡＢＣ（−）としたも
のである。

【００４９】本実施例においては、図９に示すように分
極処理は２つのコンタクトピンを各リング状電極に接触
させるだけで行えるので、分極処理の回路も簡単とな
り、また図２の場合に比べて６本から２本で済む。ま
た、コンタクトピンの位置も回転方向の位置合わせが不
要となる。

【００５０】（第３の実施例）図１０は第３の実施例を
示す。本実施例は、導通穴２Ａ１、２Ａ２を内径寄り
に、導通穴２Ｂ１、２Ｂ２を外径寄りに、導通穴２Ｃ
１、２Ｃ２をその中間に配置したものである。この場合
は図１１に示す如くフレキシブルプリント基板１２の導
体パターンが単純な同心円状にできるため、振動子の曲
げ振動の固有振動数が曲げ方向により差異を生じ難いと
いうメリットがある。さらに、フレキシブルプリント基
板１２と積層圧電素子３の相対的位置決めが、回転方向
に対してラフにできる。

【００５１】

【発明の効果】請求項１に記載の発明によれば、各層の
圧電素子部は同極性なので、構成が簡単であり、圧電体
の無効部分が削減でき、駆動回路の出力部のトランジス
タが少なくて済み、また積層型圧電素子の各層内の分極
極性が一様になるので、不要な歪が発生しないようにす
ることができる。

【００５２】請求項２に記載の発明によれば、積層され
る圧電素子板の電極膜同士を接続する導体を通すために
電極の一部を切り欠く必要がなくなり、電極膜の有効面
積の減少を防ぐことができる。

【００５３】請求項３に記載の発明によれば、電極膜を
３分割とすることで、電極膜の無い部分の面積が減り、
有効部分が増す。さらに、各圧電素子部は３分割で、１
層おきに１２０度の位相がずれているので、３分割によ
って生じた電極膜の無い絶縁部分に接続導体を通すこと
ができ、従来のように接続導体を通すために電極を切り
欠く必要が無い。

【００５４】請求項４に記載の発明によれば、積層型圧
電素子の各圧電素子板の分極極性が一様に正極または負
極であるため振動モードの節目が存在しなくなるので各
圧電素子板に不要な歪が発生しないようにすることがで
きる。

【００５５】請求項５に記載の発明によれば、３分割さ
れた電極に１２０度位相のずれた３相の交流電圧を印加
することにより、従来の２相の約半分の低い電圧で駆動
することができ、駆動回路出力部のトランジスタは約
１．５倍で済むような低電力の振動波モータを提供する
ことができる。

【００５６】請求項６に記載の発明によれば、例えば棒
状型振動波モータをフィードバック制御により駆動する
場合に、振動検出用の電極膜有する圧電素子部の層を特
別に設ける必要がない。

【００５７】請求項７に記載の発明によれば、回路との
接続が簡単で確実に実現できる。

【００５８】請求項８に記載の発明によれば、振動波モ
ータと駆動回路との配置の自由度が増す。

【００５９】請求項９に記載の発明によれば、被駆動体
を効率よく振動波モータにより駆動することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本出願に係る発明の第１の実施例を示す積層型
圧電素子の分解斜視図

【図２】図１に示す積層型圧電素子の分極処理を示す斜
視図。

【図３】図１の積層型圧電素子の分極処理が済んだ完成
状態の外観斜視図。

【図４】図３の積層型圧電素子に接続されるフレキシブ
ルプリント基板の導体部と、導通穴の位置関係を示す平
面図。

【図５】図３の積層型圧電素子を振動子に組み込んだ棒
状型振動波モータの断面図。

【図６】図５の振動波モータの駆動電圧の時間変化を示
す波形図。

【図７】図５の振動波モータの駆動回路を示す回路図。

【図８】第２の実施例を示す積層型圧電素子の分解斜視
図。

【図９】図８の圧電素子の分極処理方法を示す斜視図。

【図１０】第３の実施例を示す積層型圧電素子の分解斜
視図。

【図１１】第３の実施例を示す積層型圧電素子の導通穴
とフレキシブルプリント基板の導体部との位置関係を示
す平面図。

【図１２】従来の積層型圧電素子の分解斜視図

【図１３】従来の駆動回路図

【符号の説明】

１Ａ（＋），２Ａ（＋）…積層圧電素子の電極 ２Ａ１，２Ａ２，３Ａ１…積層圧電素子の導通穴 ３…積層圧電素子 １２…フレキシ
ブルプリント基板 １２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ…導体 ４８…制御用マ
イコン ４４…スイッチング回路 ４２…発振器 ４６…コイル ４３…移相器

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ３分割された電極膜を圧電体の片面側に
   形成した複数の圧電素子部を所定の位相をずらして積層
   した積層型圧電素子であって、各層の圧電素子部の各分
   割電極膜は同極性で、且つ隣接する他の圧電素子部の分
   割電極膜とは逆極性とし、積層される各圧電素子部の夫
   々同位相にある同極性の電極膜同士を電気的に接続した
   ことを特徴とする積層型圧電素子。
2. 【請求項２】 請求項１において、各層の圧電素子部の
   電極膜を接続する導体は、隣接する他の圧電素子部の分
   割電極膜間を通ることを特徴とする積層型圧電素子。
3. 【請求項３】 請求項１または２において、２以上の分
   割電極膜が形成される最上層の電極膜形成面を除く他の
   層の電極膜形成面が概略３分割の電極膜にて形成されて
   いることを特徴とする積層型圧電素子。
4. 【請求項４】 請求項１、２または３に記載の積層型圧
   電素子の分極処理方法であって、任意の層の電極膜形成
   面を構成する圧電素子部は、分極時に同電位となる分割
   電極膜部分同士を最上層の電極膜を用いて接続し、該接
   続された電極膜を利用して分極処理を施した後、該使用
   部分以外の箇所を切除することを特徴とする積層型圧電
   素子の分極処理方法。
5. 【請求項５】 請求項１、２または３に記載した積層型
   圧電素子を振動弾性体間に挟持した振動子を有し、位相
   の異なる３相の交流電圧で駆動することを特徴とする振
   動波モータ。
6. 【請求項６】 請求項５において、積層された圧電素子
   部の一部に分割された電極膜を振動検出用とすることを
   特徴とする振動波モータ。
7. 【請求項７】 請求項５または６において、積層型圧電
   素子と振動弾性体との間に、該積層型圧電素子と振動回
   路とを接続するプリント基板を介装したことを特徴とす
   る振動波モータ。
8. 【請求項８】 請求項７において、プリント基板は、フ
   レキシブルプリント基板であることを特徴とする振動波
   モータ。
9. 【請求項９】 請求項５、６、７または８に記載した振
   動波モータを駆動源として被駆動体を駆動することを特
   徴とする駆動装置。