JP2011171754A - 圧電デバイス及びそれを用いた電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電素子を複数積層して構成された積層圧電素子を用いた圧電デバイスにおいて、積層された圧電素子の各層間の接合強度が強く、かけやクラックが生じにくく信頼性が高く、また積層圧電素子の形状精度に優れた圧電デバイス、および電子機器を提供する。
【解決手段】第一の電極１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄを有する第一の圧電素子１ｂと、第一の電極とは異なる第二の電極１０ｆを有する第二の圧電素子１ｃを積層した積層圧電素子を備えた圧電デバイスにおいて、第一の圧電素子１ｂは第一の電極１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄとは別に第一の補強電極１０ｅを有し、第二の圧電素子１ｃは第二の電極１０ｆとは別に第二の補強電極１０ｇを有し、第一の補強電極１０ｅと第二の補強電極１０ｇを、第一の電極１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄと第二の電極１０ｆとが重なっていない場所に設ける。
【選択図】図２

Description

本発明は積層圧電素子を用いたアクチュエータ、センサ、トランス等の圧電デバイス、並びにこれを用いた電子機器に関し、特に積層圧電素子の電極構造に関する。

圧電素子の圧電効果を利用したアクチュエータ、センサ、トランス等の圧電デバイスは様々な分野に応用されている。そして最近では圧電素子には積層圧電素子が使用され低電圧駆動化、小型・高出力化、高感度化、高変圧比化がなされている。

特開平１１−３４６４８６号公報

しかしながら従来の圧電デバイスの構造では積層圧電素子の製造工程である焼結時に電極のある部分とない部分とでは収縮率が異なるため、互いに異なる電極を有する複数の圧電素子を積層して構成した積層圧電素子にそりやうねりを生じさせ、形状精度を悪化させる恐れがあった。また、特に振動の節は大きな応力が生じる場合が多く、使用時にクラックが入り破壊に至る恐れがあった。

そこで、上記課題を解決する為に本発明の圧電デバイスでは、第一の電極を有する第一の圧電素子と、前記第一の電極とは異なる第二の電極を有する第二の圧電素子を積層した積層圧電素子を備えた圧電デバイスにおいて、前記第一の圧電素子は前記第一の電極とは別に第一の補強電極を有し、前記第二の圧電素子は前記第二の電極とは別に第二の補強電極を有し、前記第一の補強電極と前記第二の補強電極は前記第一の電極と前記第二の電極とが重なっていない場所に設けられたことを特徴とする圧電デバイスとした。

本発明によれば互いに異なる電極を有する複数の圧電素子を積層して構成した積層圧電素子の製造工程（焼成）でそりやうねりを生じさせ形状精度が悪化してしまうことを防止することが出来る。

本発明の積層圧電素子の断面を示す図である。 本発明の積層圧電素子の構成を示す図である。 本発明の積層圧電素子の外部電極の構成を示す図である。 本発明の積層圧電素子の振動モードを示す図である。 本発明の積層圧電素子を用いた超音波モータの構成例を示す図である。 本発明の積層圧電素子を用いた超音波モータの駆動方法を示す図である。 本発明の積層圧電素子を用いた超音波モータを応用した電子機器のブロック図である。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態について図面を基に説明する。そしてここでは本発明の積層圧電素子１を用いたリニヤ型超音波モータについて示す。

図１は本発明の積層圧電素子1の断面の電極構成を示す。ここで断面は、本発明の積層
圧電素子を用いた超音波モータの構成例である図５中に示す積層圧電素子１を図中に点線で示すａ−ａ’面で切断された面である。図２は内部電極となる電極の構成を、図３は外部電極を示したものである。積層圧電素子1は圧電素子１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄが積層さ
れて構成されている。圧電素子１ａは電極を有しないが圧電素子１ｂは電極１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅを、圧電素子１ｃは電極１０ｆ、１０ｇを、圧電素子１ｄは電極１０ｈ、１０ｉを一方の面に有する。図１において点線は内部の電極を、実線は積層圧電素子１の内部の電極から側面に引き出された電極部を示す。

積層圧電素子１はほぼ前面に電極１０ｆを有する矩形形状の圧電素子１ｃとほぼ４分割された電極１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄを有する圧電素子１ｂを交互に重ねた後、更に圧電素子１ｃとほぼ前面に電極１０ｈを有する矩形形状の圧電素子１ｄを交互に重ね、その上に電極を有さない圧電素子１ａが重ねられた後で焼結され１つの圧電素子を構成する。積層圧電素子１の側面には外部電極１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ、１１ｆが設けられ、夫々１０ａ、１０ｈ、１０ｃ、１０ｂ、１０ｆ、１０ｄの引き出し電極部１０ａ´、１０ｈ´、１０ｃ´、１０ｂ´、１０ｆ´、１０ｄ´と短絡される。そして外部電極１０ｅをGNDとし、外部電極１１ａ、１１ｆ、１１ｂに正方向の高電圧を、外部電
極１１ｃ、１１ｄには負方向の高電圧を印加することで積層された各圧電素子１ｂ、１ｃ、１ｄは厚み方向に分極処理がなされる。そして電極１０ｆと電極１０ａ、１０ｄの間と電極１０ｆと電極１０ｃ、１０ｂの間の分極方向は逆になる。

ところで、積層圧電素子の中央部、即ち図１における電極１０ｅ、１０ｇ、１０ｉ部には電極１０ｅ、１０ｇ、１０ｉよりも径の小さな穴が設けられるがその際に穴の内径部には電極１０ｅ、１０ｇ、１０ｉが断面として現れる。これにより積層圧電素子にドリルやレーザー等で穴部を設ける際にも、補強電極となる電極１０ｅ、１０ｇ、１０ｉにおいて積層された圧電素子の各層間の接合強度が強くできるため、かけやクラックが生じにくく加工精度もよく仕上げ面がきれいになる。また使用時においても穴部を通じてクラックが生じることもなく信頼性の高い積層圧電素子が実現できる。特に本実施例の場合、振動の応力が集中する振動の節部に穴部を儲けているためその効果は絶大である。そして更には積層圧電素子１の製造過程（焼結）で生じる収縮による形状精度の悪化やそりやうねりの影響を受けにくくなる。また、本実施例では予め設けられた電極に穴を開ける場合を示したが、予め設けた穴部に後から電極を設けてもよい。そして、本実施例においては電極10ｇ、１０ｉの周囲に電極を有さない絶縁部９ａ、９ｂを設けることにより電極１０ｆ、１０ｈと穴部に通した部材を通じて短絡することもない。

外部電極１１ｅと外部電極１１ｂの間に所定の周波数の交流電圧を印加すると積層圧電素子１は縦震動を、外部電極１１ｅと外部電極１１ａ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｆの間に所定の周波数の交流電圧を印加すると積層圧電素子１は屈曲震動を発生する。図４はこの際の積層圧電素子１に発生する振動の振幅分布を示したものである。図５中に座標ｘで示される積層圧電素子１の長手方向に対する長手方向変位Ｕｌを図４（ａ）に、幅（座標ｙ）方向変位Ｕｗを図４（ｂ）に示す。ここで積層圧電素子の長手方向の長さをｌとし、長手方向の中央を座標０として示してある。

図５は本発明の積層圧電素子１を振動体として用いたリニヤ型超音波モータの構成例を示したものである。矩形状の積層圧電素子１には突起２ａ，２ｂ並びに軸部３が設けられている。軸部３は積層圧電素子１に励振される縦振動と屈曲震動の節となる中央部に電極１０ｅ、１０ｇ、１０ｉよりも小さい径の穴部１ｈが設けられ、軸部３が接合される。また突起２は屈曲振動の腹の位置に設けられている。加圧部材４の軸４ａは図示しない段部を有し、案内板５の案内穴５ａで、軸方向にのみ移動可能に案内されている。突起２の下には案内部材８ａ，８ｂに案内された移動体７が設けられ、軸部３と溝部４ｂで係合する加圧部材４を加圧手段６で加圧することにより軸部３を支持、即ち積層圧電素子１を支持するとともに突起２と移動体７は接する。

この縦振動と屈曲振動を同時に励振することにより突起２は積層振動子１の長手方向の変位と、これと直交する幅方向の変位からなる楕円運動を行い、移動体７を駆動する。ところで、二つの振動モードはその次数に制限を与えられるものではなく、他のモードを用いても構わない。また、移動体７を固定し、振動体自体を駆動させても構わない。

本積層圧電素子１の駆動方法の例を図６に示す。発振回路１２で作り出された所定の周波数の信号を移送回路１３を通した信号と通さない信号に分けるとともにこれらを増幅回路１４ａ、１４ｂを通じて所定の出力に増幅した後で積層圧電素子１に印加する。即ち外部電極１１ｅをGNDとして外部電極１１ａ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｆと外部電極１１ｂと
の間に位相の異なる駆動信号、例えば９０度もしくは−９０度異なる信号を印加することで積層圧電素子９に縦振動と屈曲振動が励振される。移送回路１３により位相を逆転させることで縦振動と屈曲信号の位相が逆転し、移動体７の移動方向も変化する。

ところで、本実施例においては圧電デバイスとして超音波モータに適用可能な積層圧電素子を例に示したが、特に超音波モータに限ることなく他の圧電デバイス、例えばセンサやトランス等のトランスデューサに使用可能な積層圧電素子であっても構わない。即ち穴部もしくは凹部を有する積層圧電素子であればすべての場合に適用可能である。
（実施の形態２）
本発明の超音波モータを用いて電子機器を構成した例を図７に基づいて説明する。図７は本発明の駆動回路により駆動される超音波モータ1００を電子機器の駆動源に適用した
ブロック図を示したものであり、積層圧電素子１と積層圧電素子１に接合された摩擦部材２により摩擦駆動される移動体７と移動体７と一体に動作する伝達機構３２と、伝達機構３２の動作に基づいて動作する出力機構３３からなる。ここでは移動体７を回転体とし、移動体７を回転動作させる例について説明する。

ここで、伝達機構３２は例えば歯車列、摩擦車等の伝達車を用いる。稼動部となる出力機構３３としては、プリンタにおいては紙送り機構、カメラにおいてはシャッタ駆動機構やレンズ駆動機構、フィルム巻き上げ機構等を、また電子機器や計測器においては指針等を、ロボットにおいてはアーム機構、工作機械においては歯具送り機構や加工部材送り機構等を用いる。

尚、本実施の形態における電子機器としては電子時計、計測器、カメラ、プリンタ、印刷機、ロボット、工作機、ゲーム機、光情報機器、医療機器、移動装置等を実現できる。さらに移動体７に出力軸を設け、出力軸からのトルクを伝達するための動力伝達機構を有する構成とすれば、超音波モータ駆動装置を実現できる。

本発明の積層圧電素子を利用することにより超音波モータを始めとするアクチュエータ、センサ、トランス等の各種圧電デバイスへ応用できると共にこれら圧電デバイスを各種電子機器の駆動源、センサ、電源として適用可能である。

１ 積層圧電素子
２ 摩擦部材
３ 軸部
４ 加圧部材
６ 加圧手段
７ 移動体
９ａ，９ｂ 絶縁部
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆ，１０ｇ 電極
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ，１１ｆ 外部電極

Claims (6)

1. 第一の電極を有する第一の圧電素子と、前記第一の電極とは異なる第二の電極を有する第二の圧電素子を積層した積層圧電素子を備えた圧電デバイスにおいて、
   前記第一の圧電素子は前記第一の電極とは別に第一の補強電極を有し、前記第二の圧電素子は前記第二の電極とは別に第二の補強電極を有し、前記第一の補強電極と前記第二の補強電極は前記第一の電極と前記第二の電極とが重なっていない場所に設けられたことを特徴とする圧電デバイス。
2. 前記第一の補強電極と前記第二の補強電極は前記第一の電極と絶縁されると共に前記第二の電極と絶縁されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電デバイス。
3. 前記補強電極は前記積層圧電素子の振動の節に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電デバイス。
4. 前記第一の圧電素子に設けられた補強電極と前記第二の圧電素子に設けられた補強電極は同じ大きさで同じ位置に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電デバイス。
5. 前記圧電デバイスは前記積層圧電素子の振動により、前記積層圧電素子と接する移動体を駆動する超音波モータであることを特徴とする請求項1乃至４の何れか一つに記載の圧電デバイス。
6. 請求項５記載の圧電デバイスにより駆動される稼動部を有することを特徴とする電子機器。

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