JP2008061344A - 超音波モータ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】生産性が高く、大きなパワーを低電圧駆動により得ることができ、一側面に給電用端子電極を集約形成できる超音波モータ素子を提供する。
【解決手段】超音波モータ素子１０は、圧電板１２と内部電極とが交互に積層された積層体を備え、内部電極は駆動電極とグランド電極１８を有する。駆動電極は、２行２列の第１電極部１４ａ〜１４ｄおよび対角に位置する第１電極部１４ｂ・１４ｃを接続する第１電極連通部１４ｅからなる第１駆動電極１４と、２行２列の第２電極部１６ａ〜１６ｄおよび対角に位置する第２電極部１６ａ・１６ｄを接続する第２電極連通部１６ｅからなる第２駆動電極１６を有する。積層体の側面に、グランド電極１８どうしを接続する第１外部電極２４と、導通した第１電極部１４ｂ・１４ｃと孤立した第２電極部１６ｂ・１６ｃとを接続する第２外部電極２６ａ・２６ｂと、孤立した第１電極部１４ａ・１４ｃと導通した第２電極部１６ａ・１６ｄとを接続する第３外部電極２８ａ・２８ｂを設ける。
【選択図】図２

Description

本発明は、リニアモータやＸ−Ｙステージ等に好適な、圧電素子を利用した超音波モータ素子に関する。

圧電素子をＬ１Ｂ２共振モードで駆動する超音波モータ素子が知られており、近時、Ｘ−Ｙステージやリニアモータ、回転ステージ、カメラのオートフォーカス機構等の駆動機構へ応用されている（例えば、特許文献１、２参照）。

図３に圧電素子９０でのＬ１Ｂ２共振モードの説明図を示す。Ｌ１Ｂ２共振モードは、図３上側に示す長手方向での伸縮一次共振（Ｌ１）モードと、図３下側に示す幅方向での曲げ二次共振（Ｂ２）モードの重ね合わせ（縮退）によって、振動の腹の部分が楕円運動を行う共振をいう。

このＬ１Ｂ２共振モードで駆動する超音波モータ素子は、圧電板の一方の主面に２行２列の電極部を形成して対角に位置する２個の電極部どうしをリード線で接続し、他方の主面にグランド（アース）電極を設け、圧電板の側面に駆動対象物に当接する摺動部材を設けた構造となっており、２組の電極部に位相を９０度ずらした電圧を印加して駆動する。

図４Ａに示すように、圧電素子９０の長辺の両端側にそれぞれ被駆動体９４Ａに当接する摺動部材９２を設けた場合には、それぞれの摺動部材９２に位相が１８０度ずれた楕円運動が生じ、交互に被駆動体９４Ａに摩擦力が作用して、被駆動体９４Ａを動かす。図４Ｂに示す圧電素子９０の動きは図４Ａに示す圧電素子９０の動きと同じであるが、この図４Ｂに示されるように、圧電素子９０の短辺の中央部に摺動部材９２を設けた場合にも、摺動部材９２に楕円運動を生じさせることができる。図４Ｂに示した被駆動体９４Ｂは回転円板であり、図４Ｂでは反時計回りに回転する形態が示されている。

特許文献１に開示された超音波モータ素子では、圧電板に単板を用いており、そのために圧電板の側面に摺動部を設けるために、この圧電板には一定の厚みが必要となるため、駆動電圧が高くなる。また、圧電板の主面に取り付けられるリード線のために集積時の小型化が困難であるという問題がある。

特許文献２には、特許文献１に開示された超音波モータ素子を積層構造化した超音波モータ素子として、スルーホール電極を備えた積層構造の超音波モータ素子が開示されており、積層化により小型化と駆動電圧の低電圧化を可能としている。しかしながら、多くの電極パターンの異なる圧電板（グリーンシート）を作製しなければならず、また積層方向におけるスルーホール電極の導通確保のためには、スルーホール内面への電極塗布を確実に行う必要がある等、作製に手間がかかるというデメリットがある。また、圧電板の中央部に広い圧電不活性な非駆動領域が形成されてしまい、この部分が変位を抑制すると考えられる。さらに、スルーホール電極を形成するため、構造上、積層方向端面からの電極の取り出しを余儀なくされる。

特許文献２には、さらに外部電極の引き回しに特徴のある積層型の超音波モータ素子が開示されているが、外部端子数が多くなり、その接続に手間がかかったり、超音波モータ素子回りが煩雑になったりするという問題がある。
特開平７−１８４３８２号公報（図１、段落［００２９］〜［００３１］等） 特開２００６−９４Ａ５９７号公報（図１、図３、図７等）

本発明は、圧電素子を用いた超音波モータ素子であって、生産性が高く、大きなパワーを低電圧駆動により得ることができ、一側面に給電用端子電極を集約して形成することができる超音波モータ素子を提供することを目的とする。

本発明に係る超音波モータ素子は、圧電板と内部電極とが交互に積層されてなる積層体を備えており、内部電極は一層おきに設けられた駆動電極とグランド電極とを備えている。この駆動電極は、２行２列に配置された４つの第１電極部を有する第１駆動電極と、これら４つの第１電極部と対応するように２行２列に配置された４つの第２電極部を有する第２駆動電極とを有しており、第１駆動電極と第２駆動電極は積層方向で交互に配置する。第１駆動電極は、４つの第１電極部のうち一方の対角に位置する２つの第１電極部を電極面内において導通させる第１電極連通部をさらに有しており、第２駆動電極は、４つの第２電極部のうち、第１駆動電極において電極面内で導通している２つの第１電極部の対角と反対の対角に位置する２つの第２電極部を電極面内において導通させる第２電極連通部をさらに有している。グランド電極は４つの第１電極部に対応する領域を含むように形成される。そして、積層体の側面には、グランド電極どうしを接続する第１外部電極と、第１電極連通部により接続された２つの第１電極部と第２電極連通部により接続されていない孤立した２つの第２電極部とを接続する第２外部電極と、第１電極連通部により接続されていない孤立した２つの第１電極部と第２電極連通部により接続された２つの第２電極部とを接続する第３外部電極を設ける。好ましくは、第１電極連通部と第２電極連通部を、積層方向からみたときに互いに重なり合う領域に形成する。

本発明の超音波モータ素子は、駆動電圧を内部電極に印加するための給電端子電極を、第１〜第３外部電極の３本で構成することができる。第２，第３外部電極は超音波モータ素子の二側面にそれぞれ形成されるが、そのうち一方の側面に形成されたものを給電端子電極として用いればよいので、一側面からの給電が可能になる。

また、第１電極連通部と第２電極連通部を積層方向からみたときに互いに重なり合う領域に形成することで、超音波モータ素子の中央部においてＬ１共振を増幅することができ、大きな変位を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。超音波モータ素子１０の概略平面図を図１Ａに、概略側面図を図１Ｂ，図１Ｃにそれぞれ示す。図１Ａ〜１Ｃに示すように、超音波モータ素子１０の長さ方向をＹ方向、幅方向をＸ方向、厚さ方向をＺ方向とする。

超音波モータ素子１０は、圧電板１２と内部電極（後述する第１駆動電極１４，第２駆動電極１６，グランド電極１８を包括する）とが交互に積層されてなる積層体２０を備えている。この内部電極は一層おきに設けられた駆動電極（第１駆動電極１４と第２駆動電極１６を包括する）とグランド電極１８とを備えている。なお、図１Ｂ，１Ｃには、内部電極は側面に露出した部分のみが記されており、内部電極の形状については後に図２を参照して詳細に説明する。

積層体２０の長辺側側面の両端部には摺動部材２２が取り付けられており、この摺動部材２２を被駆動体５０に当接させる。被駆動体５０はガイドレール５２の長さ方向にスライド自在に保持されている。

なお、摺動部材２２としては耐摩耗性材料（例えば、ステンレス等の合金材料、炭化珪素等のセラミックス材料）が好適に用いられ、エポキシ樹脂等により積層体２０に取り付けられる。

積層体２０の構成について詳細に説明する。図２に超音波モータ素子１０を構成する圧電板と内部電極の構造を示す。超音波モータ素子１０の最下層から最上層へ向けて、図２では圧電板１２に圧電板１２ａ〜１２ｊの符号を設けている。また図２では、各圧電板１２ａ〜１２ｊにその直上の内部電極パターンを示している。例えば、圧電板１２ａ・１２ｂ間には圧電板１２ａに示されるようにグランド電極１８が形成されていることがわかる。

圧電板１２ｂ・１２ｃ間には、圧電板１２ｂに示されているように、第１駆動電極１４が配置されている。この第１駆動電極１４は、２行２列に配置された４つの第１電極部１４ａ〜１４ｄと、これら４つの第１電極部１４ａ〜１４ｄのうち一方の対角に位置する２つの第１電極部１４ｂ・１４ｃを電極面内において導通させる第１電極連通部１４ｅとを有している。

第１電極部１４ａ〜１４ｄはそれぞれ、圧電板１２ｂの側面へと伸びた凸部を有しており、この凸部が積層体２０の側面に露出する。その露出部分が図１Ｂ，図１Ｃに示されている。

圧電板１２ｄ・１２ｅ間には、圧電板１２ｄに示されているように、第２駆動電極１６が配置されている。この第２駆動電極１６は、４つの第１電極部１４ａ〜１４ｄと対応するように２行２列に配置された４つの第２電極部１６ａ〜１６ｄ６と、これら４つの第２電極部１６ａ〜１６ｄのうち、第１駆動電極１４において電極面内で導通している２つの第１電極部１４ｂ・１４ｃの対角と反対の対角に位置する２つの第２電極部１６ａ・１６ｄを電極面内において導通させる第２電極連通部１６ｅを有している。

第２電極部１６ａ〜１６ｄもまたそれぞれ、圧電板１２ｄの側面へと伸びた凸部を有しており、このような凸部は積層体２０の側面に露出する。その露出部分が図１Ｂ，図１Ｃに示されている。

第１電極連通部１４ｅと第２電極連通部１６ｅは、積層方向から見たときに、その殆どの部分が互いに重なり合う領域に形成されている。

圧電板１２ａ・１２ｂ間にはグランド電極１８が設けられている。グランド電極１８は、４つの第１電極部１４ａ〜１４ｄに対応する領域（この領域には、超音波モータ素子１０の側面に露出させるための凸部部分は含まれない）を含んでいる。このグランド電極１８にも、圧電板１２ａの側面へと伸びた凸部が設けられており、このような凸部が積層体２０の側面に露出する。その露出部分が図１Ｂ，図１Ｃに示されている。

超音波モータ素子１０において、圧電板１２ａから圧電板１２ｅにかけての構造部と、圧電板１２ｅから圧電板１２ｉにかけての構造部は、圧電板１２ｅを圧電板１２ａと重複させると明からなように、同じ構造を有している。圧電板１２ｊは圧電板１２ｉと圧電板１２ｊとの間に設けられるグランド電極１８を保護するために設けられている。

図１Ｂに示されるように、積層体２０の側面においてグランド電極１８が露出している部分には、これらを接続するための第１外部電極２４が設けられている。また、積層体２０の同側面において第１電極部１４ｂと第２電極部１６ｂが露出している部分には、これらを接続するための第２外部電極２６ａが設けられている。さらに、積層体２０の同側面において第１電極部１４ｄと第２電極部１６ｄが露出している部分には、これらを接続するための第３外部電極２８ａが設けられている。

図１Ｃに示されるように、第１外部電極２４が設けられている側面と対向する側面において、第１電極部１４ｃと第２電極部１６ｃが露出している部分には、これらを接続するための第２外部電極２６ｂが設けられている。また、積層体２０の同側面において第１電極部１４ａと第２電極部１６ａが露出している部分には、これらを接続するための第３外部電極２８ｂが設けられている。

すなわち、第２外部電極２６ａ・２６ｂは、第１電極連通部１４ｅにより接続された２つの第１電極部１４ｂ・１４ｃと、第２電極連通部１６ｅにより接続されていない孤立した２つの第２電極部１６ｂ・１６ｃとを接続している。第３外部電極２８ａ・２８ｂは、第１電極連通部１４ｅにより接続されていない孤立した２つの第１電極部１４ａ・１４ｄと、第２電極連通部１６ｅにより接続された２つの第２電極部１６ａ・１６ｄとを接続している。

超音波モータ素子１０では、給電のために、第１外部電極２４にリード線３２を、第２外部電極２６ａにリード線３４を、第３外部電極２８ａにリード線３６をそれぞれ取り付けた構造としている。このように超音波モータ素子１０では、このように積層体２０の一側面から給電を行うことができる。この場合、第２外部電極２６ｂと第３外部電極２８ｂにはリード線を取り付ける必要はない。つまり、第２外部電極２６ａ・２６ｂのいずれか一方にリード線を、第３外部電極２８ａ・２８ｂのいずれか一方にリード線を取り付ければよい。

なお、超音波モータ素子１０を固定保持等するための治具または容器に、これらの外部電極と接触する給電端子を設けておけば、各外部電極にリード線を取り付ける必要はない。

上述した構造を有する超音波モータ素子１０は、好適には、以下のプロセスにより製造することができる。チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系圧電セラミックス等の圧電セラミックス粉末を、ドクターブレード法や押出成形法等のシート成形技術を用いてシート状に成形し、得られたグリーンシートを、焼成収縮を考慮して、圧電板の矩形形状に打ち抜く。

圧電セラミックスの焼成温度に適合する内部電極材のペースト（例えば、Ａｇ／Ｐｄペースト、Ｐｄペースト、Ｐｔペースト等）を用いて、矩形グリーンシートにグランド電極の電極パターンをスクリーン印刷法等により印刷したもの（以下「シートＡ」という）を所定枚数作製する。同様に、矩形グリーンシートに第１駆動電極の電極パターンを印刷したもの（以下「シートＢ」という）を所定枚数作製し、矩形グリーンシートに第２駆動電極の電極パターンを印刷したもの（以下「シートＣ」という）を所定枚数作製する。作製したシートＡ・Ｂ・Ｃを、下から順番に、シートＡ，Ｂ，Ａ，Ｃ，Ａ，Ｂ，Ａ，Ｃ，Ａの順番で積み重ね、その上に電極ペーストが印刷されていない矩形グリーンシートをさらに積み重ね、熱プレス等を用いて一体化（熱圧着）する。

この圧着体を所定温度で焼成することにより、矩形グリーンシート部分は圧電板へ、印刷された電極ペーストはそれぞれの内部電極へと変化する。得られた焼成体の側面や端面を必要に応じて研磨加工し、形状を整えることで、積層体が得られる。第１〜第３外部電極を形成するために、積層体の側面の所定位置にＡｇペースト等を塗布し、これを焼成して焼き付ける。

次いで第１〜第３外部電極にリード線をハンダ付け等により取り付ける。第１外部電極と第２・第３外部電極との間に所定の直流電圧を印加することによって、圧電板を分極処理する。こうして、超音波モータ素子を得ることができる。

超音波モータ素子１０の駆動方法は、リード線３２・３４間に印加する交流電圧Ｖ１とリード線３２・３６間に印加する交流電圧Ｖ２の位相を９０度ずらすことにより行われる。交流電圧Ｖ１・Ｖ２としては正弦波または三角波が好適である。

これにより先に図４Ａを参照して説明したように、超音波モータ素子１０にＬ１Ｂ２共振モードの振動を生じさせると、摺動部材２２に内部電極面と平行な面内（図１ＡのＸ−Ｙ面内）において楕円運動が生じるので、被駆動体５０をガイドレール５２の長さ方向であるＸ方向に移動させることができる。被駆動体５０の進行方向の制御は、交流電圧Ｖ１・Ｖ２のうちのどちらの位相を９０度進めるかで決定することができる。

超音波モータ素子１０では、摺動部材２２を積層体２０の長辺側の側面に取り付けているので、摺動部材２２のＹ方向変位量が大きくなる。そのため被駆動体５０を高速移動させる目的に好適である。また、超音波モータ素子１０は、積層構造により圧電板１２の厚さを薄くすることができるので、低電圧駆動が可能である。また、第１電極連通部１４ｅと第２電極連通部１６ｅの殆どの部分を積層方向からみたときに互いに重なり合う領域に形成しているので、超音波モータ素子１０の中央部においてＬ１共振を増幅することができる。これにより大きな変位を得ることができる（換言すれば、摺動部材２２の楕円軌道の径が長くなり、摺動部材２２の線速が速くなる）ので、被駆動体５０を高速移動させることができる。また、大きな変位が得られるということは被駆動体５０を駆動するトルクが大きくなることでもある。これにより、駆動に大きなトルクを必要とする被駆動体５０を動かすことができるようになる。

上記説明においては、摺動部材２２を積層体２０の長辺側の側面の両端近傍に設けた形態を示したが、先に図４Ｂを参照して説明したように、摺動部材２２は積層体２０の短辺側の側面の中央部に設けてもよい。この場合には、摺動部材２２が被駆動体５０を押圧する方向での変位量が大きくなるので、被駆動体５０を動かすために大きなトルクが必要とされる場合に好適である。また、直線的な動きを行う被駆動体５０を取り上げた形態について説明したが、被駆動体はこれに限られるものではなく、例えば、回転自在に保持された円板の側面に摺動部材２２をその径方向で当接させることにより、この円板を回転させることができる。

超音波モータ素子の概略平面図。 超音波モータ素子の概略側面図。 超音波モータ素子の別の概略側面図。 超音波モータ素子を構成する圧電板と電極の構造を示す平面図。 Ｌ１Ｂ２共振モードの説明図。 超音波モータ素子のＬ１Ｂ２共振モードによる被駆動体の駆動態様を示す図。 超音波モータ素子のＬ１Ｂ２共振モードによる被駆動体の別の駆動態様を示す図。

符号の説明

１０…超音波モータ素子、１２・１２ａ〜１２ｊ…圧電板、１４…第１駆動電極、１４ａ〜１４ｄ…第１電極部、１４ｅ…第１電極連通部、１６…第２駆動電極、１６ａ〜１６ｄ…第２電極部、１６ｅ…第２電極連通部、１８…グランド電極、２０…積層体、２２…摺動部材、２４…第１外部電極、２６ａ・２６ｂ…第２外部電極、２８ａ・２８ｂ…第３外部電極、３２・３４・３６…リード線、５０…被駆動体、５２…ガイドレール、９０…圧電素子、９２…摺動部材、９４Ａ・９４Ｂ…被駆動体。

Claims (3)

1. 圧電板と内部電極とが交互に積層されてなる積層体を備えた超音波モータ素子であって、
   前記内部電極は一層おきに設けられた駆動電極とグランド電極とを備え、
   前記駆動電極は、積層方向に交互に配置された、２行２列に配置された４つの第１電極部を有する第１駆動電極と、前記４つの第１電極部と対応するように２行２列に配置された４つの第２電極部を有する第２駆動電極とを有し、
   前記第１駆動電極は、前記４つの第１電極部のうち一方の対角に位置する２つの第１電極部を電極面内において導通させる第１電極連通部をさらに有し、
   前記第２駆動電極は、前記４つの第２電極部のうち、前記第１駆動電極において電極面内で導通している２つの第１電極部の対角と反対の対角に位置する２つの第２電極部を電極面内において導通させる第２電極連通部をさらに有し、
   前記グランド電極は前記４つの第１電極部に対応する領域を含み、
   前記積層体の側面には、前記グランド電極どうしを接続する第１外部電極と、前記第１電極連通部により接続された２つの第１電極部と前記第２電極連通部により接続されていない孤立した２つの第２電極部とを接続する第２外部電極と、前記第１電極連通部により接続されていない孤立した２つの第１電極部と前記第２電極連通部により接続された２つの第２電極部とを接続する第３外部電極とが設けられていることを特徴とする超音波モータ素子。
2. 前記第１電極連通部と前記第２電極連通部は、積層方向からみたときに互いに重なり合う領域に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ素子。
3. 前記圧電板は矩形形状を有し、前記積層体の側面において前記圧電板の短辺中央部または長辺両端部に対応する部分に、被駆動体に当接する摺動部材が設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波モータ素子。

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