JP4026885B2 - 圧電素子および振動型駆動装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波モータ等の振動波駆動装置における振動体を構成する振動発生源である積層型の圧電素子に係り、特に画像処理や作業者の目視により、圧電素子の向きを認識して、振動子に組み付けを行うのに適した位置を判断するための指標を有する積層型の圧電素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
圧電素子は種々の用途に用いられているが、近年、振動波モータ等の振動波駆動装置における振動体を構成する振動発生源として用いられている。このような圧電素子としては、円柱状の金属ブロック間に挟持されており、該金属ブロックを曲げ振動させ、この曲げ振動により生じる該金属ブロックの表面粒子の円又はだ円運動により、この金属ブロックに接する接触部材を相対移動させるペンシル型振動波モータの振動体の振動発生源として、また、リング状の金属製弾性体の片面に例えば接着剤により接着固定され、例えば２つの定在波の合成により進行波を該金属製弾性体に形成し、この弾性体に接触している接触部材を相対移動させるリング状振動波モータの振動体の振動発生源として用いられている。
【０００３】
例えば、ペンシル型の振動波モータに使用される圧電素子は特開平３−４０７６７号公報、特開平３−１１７３８４号公報等に記載されているように、円形で、厚み方向における分極方向が左右或いは前後で逆向きで、一枚の板状の単板の圧電セラミックスの両面に電極膜を設けた複数の圧電素子を位置的に９０度の位相差を設け、電極板で挟んで複数枚重ね合せた構造で用いられている。
【０００４】
図８はペンシル型振動波モータの振動子に用いられる円板形状の圧電素子の表（おもて）面を示している。この圧電素子は、圧電性を有するセラミックス粉末をプレス法や押し出し法により成形し、その後焼成してできる圧電セラミックスを、円形状で一定厚みに加工し、その後蒸着法や印刷法で電極膜を形成して作られる。表面の電極膜Ａ１及びＢ１は直径方向に一定幅の隙間Ｓ（以下、スリット）で分割されており、裏面（不図示）は全面に電極膜が形成されている。
【０００５】
そして、これらの電極膜Ａ１，Ｂ１に対応する領域の圧電セラミックスの部分は互いに異なる分極方向（＋），（−）に分極処理されている。
【０００６】
ところで、このようなペンシル型振動波モータの振動体を組み立てる際には、上記の圧電素子の分極方向に関連した素子の向きを認識して組み付ける必要があり、その認識のための種々の目印が提案されている。
【０００７】
例えば図９に示すように、圧電素子の外周部に機械加工等により切欠き部Ｃを複数設けて目印にするとか、特開平４−３０６８８８号公報に記載されているように、図１０のように表面の電極膜Ａ１，Ｂ１を分割するスリットＳ₁ ，Ｓ₂ の幅ａ１，ａ２を例えばａ１＜ａ２に変えておくことで、圧電素子の分極方向に関連した素子の向きを正しく認識することができるようにしている。
【０００８】
また、最近、複数枚の圧電素子を一体化して焼成した積層圧電素子が作られ、振動波モータの駆動電圧の低減や小型化が試みられている。
【０００９】
このような積層圧電素子１は図６に示したように複数の素子１の斜線で示す内部電極６を、素子内部に形成した層間配線４により接続して作られている。
【００１０】
このような素子内部の層間配線４は、いわゆるバイヤホール（スルーホール）と呼ばれ、低温焼成のセラミックス回路基板の製造技術により作ることができる。
【００１１】
一般的には、圧電セラミックスのグリーンシートに穴を開け、その穴の中に導体ペーストを充填し、また、グリーンシートの表面に内部電極として電極パターンを導体ペーストを用いて印刷し、その後このようなグリーンシートを複数枚重ね積層化し、焼成して積層圧電素子１を作ることができる。このようにして作った結果内部電極６とバイヤホール電極（層間配線）４が一体となり、素子の層間を接続する配線を形成することができる。
【００１２】
このようにして作った積層圧電素子はペンシル型振動波モータに用いる場合、図７に示すように、金属ブロックＤ１，Ｄ２とにより挟持され、同時に配線基板Ｅを積層圧電素子１の表面のバイヤーホール電極３を有する面に圧接させ、導通が可能にし、ボルトＣにより締付固定する。
【００１３】
そして、配線基板Ｅ上の導電体層は、積層圧電素子１の表面のバイヤホール電極３に各々導通し、給電ができる導電パターンが形成されている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
以上のような振動体Ｆの構成では、積層圧電素子１の表面の平滑性や、素子１の平行度が求められ、素子１は焼成後、変形や歪を生じているので、上下面の表面加工を行い平滑にする必要がある。
【００１５】
このため、積層圧電素子１を用いた振動波モータ等の振動型駆動装置の振動体を組み立てる際、積層圧電素子１の向きを認識するためには前述の単板の圧電素子と同じく、素子の外周部に切欠きを設けるとか表面加工後改めて電極膜等を付けて目印にするとかが考えられた。
【００１６】
しかしながら、切欠きは加工の手間がかかり、後工程がひとつ増えコスト増になるとともに、切欠き部が振動子の振動に悪影響が少なからずあることがわかった。
【００１７】
また、表面加工後は、向きが精度良くわからなくなり、目印が付けられないという問題があった。
【００１８】
本出願に係る第１の発明の目的は、コスト増を招くことなく、素子の方向を認識できる指標を簡単に設けることができ、かつ高精度に素子の方向の認識を可能とする圧電素子を提供することにある。
【００１９】
本出願に係る第２の発明の目的は、圧電素子の組付性が良好な振動型駆動装置を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本出願に係る第１の発明の目的を実現する第１の構成は、表面に導通用の点状電極部を有する圧電素子において、前記表面に、前記点状電極部と同材料で点状の位置決め指標が複数設けられており、前記位置決め指標は、該圧電素子に形成された穴部に埋設状態で設けられている。
【００２２】
本出願に係る第１の発明の目的を実現する第２の構成は、素子は複数の内部電極を積層状態に配置した積層型としたものである。
【００２４】
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、圧電素子は円板形状に形成されたものである。
【００２５】
本出願に係る第１の発明の目的を実現する第４の構成は、前記複数の位置決め指標は半径方向に一列に配置されているものである。
【００２８】
本出願に係る第２の発明の目的を実現する構成は、上記した構成のいずれか一つに記載の圧電素子を弾性体と共に振動体の構成部材とし、前記弾性体に駆動波を形成したものである。
【００２９】
上述の圧電素子は表面のバイヤホール電極等で形成された位置決め指標をカメラ等で読みとり画像処理することにより、また作業者の目視により素子の向きを判断し、例えば振動波モータ等の振動型駆動装置における振動体の弾性体に対して正しい位置で組み付けることができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
図１、図２は本発明の第１の実施の形態を示す。図１は積層圧電素子の表面バイヤホール電極３を示し、図２は図１の表面のバイヤホール電極３、電極膜５、積層圧電素子の内部の各層のバイヤホール電極４並びに内部電極６を示す。
【００３１】
図１において、３は最上層の表面のバイヤホール電極を示し、３−２〜３−９は実際に振動波モータを駆動するために給電されるバイヤホール電極である。図２に示すように、最上層の表面のバイヤホール電極３−２〜３−９は、第２層のバイヤホール電極４−２−２〜４−２−９、第３層の４−３−２〜４−３−９、以下第４層…へと各層の各内部電極６に導通している。なお、最上層の電極３−１、第２層の電極４−２−１はセンサー用の出力を取り出すバイヤホール電極である。
【００３２】
ここで、バイヤホール電極３−１０〜３−１２は、最上層の第１層にしかなく、導通がとくになされる必要がなく、積層圧電素子の円周方向の向きを規定するために、素子の中心から半径方向へバイヤホール電極３−９→３−１０→３−１１→３−１２の順に、４ケのバイヤホール電極が直線状に配列されており、目視ではもちろんのこと、カメラ等による画像処理により、この４ケのバイヤホール電極を結ぶ直線と素子の中心とから素子の円周方向の向きを高精度に読みとり判断することが可能である。
【００３３】
ここで４ケのバイヤホール電極を配列したのは、最低２ケでも向きは判断できるが、ゴミ等の付着による誤判断や紛らわしい状態になる恐れがあるためであり、３ケでも良いがさらに１ケ追加し、合計４ケで認識の信頼性を高めた結果である。
【００３４】
なお、本素子の寸法は外径φ１０ｍｍ、内径φ２．８ｍｍ、厚さ約２．１ｍｍ、両面ラップ加工により、図２の最上層の３分割された電極膜５−１，５−２，５−３は除去され、図１のように表面のバイヤホール電極３（直径約φ１．２ｍｍ）のみが表面に露出している。各層の厚さは約９０μｍであり、表面の電極膜５および内部電極６の厚さは２〜３μｍである。バイヤホール電極３，４は通常銀−パラジウムからなる金属からなり、金属光沢を有し、また表面加工によりバイヤホール電極の表面は平滑化されており、目視やカメラ等で観察し、光源からの光を反射するような装置を置けば見易い状態になり、素子１の向きを判断するのに申し分ない。
【００３５】
図２において最上層第１層の厚さ２〜３μｍの電極膜５−１〜５−３は素子の分極処理時にのみ使用し、図の（＋），（−）に各々＋３００Ｖ，−３００ＶをグランドＧＮＤに対して印加し、振動波モータとして使用する際は前述のように表面加工（削り代は多くても数１０μｍ）により除去されるが、１層分の厚さ約９０μｍの深さのある表面のバイヤホール電極３は残る。
【００３６】
第２層以下は素子１の内部電極６とバイヤホール電極４を示し、内部電極の外径は素子外径φ１０ｍｍより小さいφ９．２ｍｍである。バイヤホール電極３，４の直径がφ０．１２ｍｍである。第２層以下で、Ｓはセンサー相、Ａ＋−，Ｂ＋−はＡ相、Ｂ相の＋と−を各々示す。ＧＮＤはＡ，Ｂ相のグランドである。本素子の電極パターンの総数は２３層であり、図２に示すように、第１〜３層、第２２、２３層は各々異なるが、第４、５層からは第４、５の層が互いちがいに重ねられた構成となっている。
【００３７】
（第２の実施の形態）
第１の実施の形態と同じ積層圧電素子において、図３のように最上層第１層の表面のバイヤホール電極３−１０〜３−１４を丁度第２層以下のスリット部（電極間のすき間の部分）の上に設けたもので、直線状に配列させ素子中心との相対位置関係により素子の向きを判断できるようにしている。
【００３８】
（第３の実施の形態）
第１の実施の形態と同じ積層圧電素子において、図４のように最上層第１層のバイヤホール電極３−１０〜３−１２を、素子１の外周の近傍に素子中心から各々丁度９０°離れて夫々設けたもので、各々１ケで、合計３ケではあるが素子中心と各バイヤホールの電極位置関係により素子の向きを判断できる。
【００３９】
（第４の実施の形態）
第１の実施の形態と同様に、図５のように最上層第１層のバイヤホール電極３−１０，３−１１，３−１２をほぼ１ケ所で三角形の角の位置に設け目印としたものである。
【００４０】
ただし、上述のように目印とするバイヤホール電極３−１０〜３−１２は、積層圧電素子の本来の分極方向や振動波モータの駆動のための給電に対して影響を与えるような位置には設けることがないように、その位置は配線基板Ｅの配線パターンも考慮して決める必要がある。また、基本的にはバイヤホール電極は点状であるから、上記の実施の形態のように直線に配列したり、多角形の角に分布（配置）させたりすることで認識時に素子の向きが一方向に限定されればどんな配列、配置であってもかまわない。また本例ではバイヤホール電極の大きさはφ０．１２ｍｍとしたが、大きくても小さくてもカメラや目視および拡大装置等を用いて素子表面上でバイヤホール電極を見つけることができれば大きさは問題としない。
【００４１】
また、表面加工により表面のバイヤホール電極の見やすさを種々検討した結果加工方法はとくにこだわらないが、前述のように電極表面の平滑化が望まれ、例えば研削加工や両面ラップ加工後、電極表面が平滑化、鏡面化して光が反射し易いように非常に細かい研磨粒子の付いたラッピングシートの様なもので表面を擦すると本来金属であるので反射面が簡単に得られ、識別し易くなることもわかった。
【００４２】
さらに上記の各実施の形態はペンシル型の振動波モータ用の積層素子について説明したが、リング状の振動波モータ用の積層素子においても同様な向きを認識するのに適している。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、表面のバイヤホール電極を導通のためでなく位置認識の目印とすることにより、積層圧電素子の機能、性能に影響を与えることがなく、また通常の製造工程のうち、バイヤホール電極を作る数を多少増やすことだけで、新たな指標を付与する工程を増やす必要もなく指標としての位置精度も高く、コスト増もほとんどない効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による圧電素子の第１の実施の形態を示す平面図。
【図２】図１の積層圧電素子の各層の構成を示す図。
【図３】第２の実施の形態を示す平面図。
【図４】第３の実施の形態を示す平面図。
【図５】第４の実施の形態を示す平面図。
【図６】積層圧電素子の従来の構成を示す分解斜視図。
【図７】積層圧電素子を組み込んだ振動波モータの断面図。
【図８】従来の単板の圧電素子の平面図。
【図９】従来の単板の圧電素子の平面図。
【図１０】従来の単板の圧電素子の平面図。
【符号の説明】
１…積層圧電素子 ２…内部電極パターン
３…バイヤホール電極（層間配線）
４…素子表面のバイヤホール電極

Claims (5)

1. 表面に導通用の点状電極部を有する圧電素子において、
   前記表面に、前記点状電極部と同材料で点状の位置決め指標が複数設けられており、
   前記位置決め指標は、該圧電素子に形成された穴部に埋設状態で設けられていることを特徴とする圧電素子。
2. 請求項１において、該圧電素子は複数の内部電極を積層状態に配置した積層型であることを特徴とする圧電素子。
3. 請求項１又は２において、該圧電素子は円板形状に形成されていることを特徴とする圧電素子。
4. 請求項３において、前記複数の位置決め指標は、該圧電素子の半径方向に一列に配置されていることを特徴とする圧電素子。
5. 請求項１から４のいずれか一つに記載の圧電素子を弾性体と共に振動体の構成部材とし、前記弾性体に駆動波を形成することを特徴とする振動型駆動装置。

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