JP5526786B2 - 振動型駆動装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、振動型駆動装置の製造方法に関する。

例えば、特許文献１には、圧電素子を駆動源とし、圧電素子の伸縮により移動体をすべり変位させる振動型駆動装置が記載されている。このような振動型駆動装置では、圧電素子の伸縮特性によって、その駆動量（速度）が定められる。

圧電素子は、例えば特許文献２に記載されているように、圧電材料の層を積層して製造され得る。圧電材料の組成やその層の厚みを厳密に均一にすることは困難であり、製造される圧電素子の伸縮特性には、ある程度のバラツキが存在する。

特に、圧電素子を駆動源とする振動型駆動装置では、高精度化の要求が大きく、圧電素子のバラツキによる性能の誤差が問題視される。振動型駆動装置を高精度化するために、製造時に装置毎の駆動量を確認し、駆動電圧等を変更して駆動量が一定になるように調整する場合がある。しかしながら、このような調整を可能とするためには、駆動回路の構成が複雑になったり、調整値を記憶するメモリが必要になったりするという問題がある。
特開２００１−１０３７７２号公報 特開２００３−１０３７７２号公報

前記問題点に鑑みて、本発明は、性能のバラツキが小さい振動型駆動装置の製造方法を提供することを課題とする。

前記問題点に鑑みて、本発明による振動型駆動装置の製造方法は、
錘と、
伸縮方向の一端が前記錘に固定された圧電素子と、
該圧電素子の他端に一端が固定された軸状の振動部材と、
該振動部材にすべり移動可能に摩擦係合する移動体と、を備え、
前記圧電素子を駆動源として駆動電圧を印加することで前記振動部材を伸縮させることにより前記移動体をすべり変位させて駆動する振動型駆動装置の製造方法であって、
前記圧電素子は、完全に分極できる電圧が異なる複数の圧電材料の層を積層してなり、
前記複数の圧電材料の層のそれぞれの前記完全に分極できる電圧をＶ１，Ｖ２，…，ＶＮ（Ｎは２以上の整数）とし、Ｖ１＜Ｖ２＜…＜ＶＮの関係があるとした場合、前記振動型駆動装置が所望の伸縮特性を得られるまで、前記完全に分極できる電圧Ｖ１，Ｖ２，…，ＶＮをこの順で前記圧電素子に段階的に印加する工程を有するものとする。

この構成によれば、分極処理電圧の選択により分極されていない層を残すことができ、それにより圧電素子の伸縮特性を低くできる。伸縮率の低い圧電素子は、より高い分極処理電圧によって分極していない層をさらに分極することで伸縮率を高めることができる。これにより、圧電素子の伸縮特性を調整して、駆動性能にバラツキのない振動型駆動装置を提供できる。また、圧電素子の性能を調整することで、振動型駆動装置の駆動速度を調節することができ、速度調節のための回路や制御プログラムが必要ない。尚、圧電素子の両端に設けられるダミー層のような伸縮に寄与し得ない層は、本発明の「完全に分極できる電圧が異なる複数の圧電材料の層」には含まれない。
また、振動型駆動装置が所望の伸縮特性を得られるまで、電圧の小さい順に圧電素子に段階的に印加するので、性能にバラツキのない圧電素子を提供できる。

また、本発明の振動型駆動装置の製造方法において、前記複数の圧電材料の層は、異なる厚みを有する層を含んでもよく、異なる抗電界を有する圧電材料の層を含んでもよい。

圧電材料の層が厚くなると電界強度が低くなるので分極に要する電圧が高くなり、圧電材料の層の厚みが同じでも抗電界が高い程、分極に要する電圧が高くなる。これらの性質を利用することによって、分極処理電圧に対して分極の度合いが段階的に進むようにすることができ、圧電素子の伸縮特性の調整によって振動型駆動装置の駆動性能を容易に調整できる。

また、本発明の調整方法において、前記圧電素子は予め分極されており、前記完全に分極できる電圧は、前記圧電素子を逆方向に分極する電圧であってもよい。

この方法によれば、市販の圧電素子の性能を調節できる。また、圧電素子が完全に分極できる電圧が異なる複数の圧電材料の層を積層したものである場合、分極できる電圧が異なる層の数より多くの安定な分極状態ができるため、細かな調整が可能になる。

また、本発明の製造方法において、前記所望の伸縮特性は、前記移動体の変位量によって確認する。

この方法によれば、移動体の変位量を基準に圧電素子を調整するので、振動型駆動装置の駆動速度が一定になるように調整できる。

本発明によれば、分極処理電圧を変化させることで圧電素子の伸縮特性を調整できるので、圧電素子の性能にバラツキが小さく、圧電素子を用いた振動型駆動装置の性能を一定にすることもできる。

本発明の第１実施形態の振動型駆動装置の調整の様子を示す概略図。 図１の圧電素子の分極処理電圧に対する基準変位量を示すグラフ。 本発明の第２実施形態の圧電素子の構造を示す概略図。 図３の圧電素子の分極処理電圧に対する基準変位量を示すグラフ。 図４の分極処理電圧Ｖａでの分極後の製品のバラツキを示す分布図。 図４の分極処理電圧Ｖｂでの分極後の製品のバラツキを示す分布図。 図４の分極処理電圧Ｖｃでの分極後の製品のバラツキを示す分布図。 図３の圧電素子の最終的調整後の製品のバラツキを示す分布図。 本発明の第２実施形態の圧電素子の構造を示す概略図。 図９の圧電素子の分極処理電圧に対する基準変位量を示すグラフ。

符号の説明

１…振動型駆動装置
２…錘
３…圧電素子
３ａ，３ｂ，３ｃ…ブロック
４…振動部材
５…移動体
６…分極処理用電源
７ａ，７ｂ…電極
８…圧電材料
ｔａ，ｔｂ，ｔｃ…層厚

これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１に、本発明の第１実施形態の振動型駆動装置１の駆動速度の調整の様子を示す。振動型駆動装置１は、錘２と、錘２に伸縮方向の一端が固定された圧電素子３と、圧電素子３の他端に一端が固定された軸状の振動部材４と、振動部材４にすべり移動可能に摩擦係合する移動体５とからなる。圧電素子３は、例えばＰＺＴからなる圧電材料と電極とを積層してなる積層型圧電素子であって、電極に分極処理用電源６を接続し、例えば３０（Ｖ）程度の分極処理電圧を印加して、圧電材料を分極することで、圧電特性を付与するものである。

振動型駆動装置１は、圧電素子３を駆動源とし、圧電素子３に駆動電圧を印加することで圧電素子３を伸長方向と収縮方向とで非対称に伸縮させ、振動部材４を非対称に振動させることにより、振動部材４が緩慢に移動する方向では移動体５を振動部材４に摩擦係合させたまま共に移動させ、振動部材４が急峻に移動する方向では移動体５を慣性力によりその場に留まらせるように振動部材４に対してすべり変位させることで、移動体５および移動体５に固定した被駆動物を駆動する。

図２に、分極処理電圧と、分極後の圧電素子３の伸縮特性を示す値として、定格電圧（例えば３Ｖ）における伸縮量（基準変位量）との関係を示す。図示するように、分極処理電圧がある程度低い場合、圧電素子３は全く分極されず、基準変位量はゼロであるが、分極処理電圧がある電圧を超えると、基準変位量が電圧と共に上昇する。さらに、分極処理電圧を高くすると、圧電素子３の基準変位量は飽和し、それ以上は増大しなくなる。

振動型駆動装置１の駆動速度と圧電素子３の基準変位量とは略比例する。よって、分極処理電圧を変えることで、圧電素子３の基準変位量および振動型駆動装置１の駆動速度（一定の駆動電圧に対する移動体５の変位量）を所望の値に設定できる。

しかしながら、圧電素子３の圧電材料の組成や層の厚みや電極の状態などを厳密に管理することは困難であり、分極処理電圧を一定にしても、製品毎に圧電素子３の基準変位量および振動型駆動装置１の駆動速度にバラツキが生じる。そこで、先ず、圧電素子３が完全に分極する（分極が飽和する）電圧よりも十分に低い分極処理電圧によって圧電素子３を分極し、圧電素子３に定格電圧を印加して圧電素子３の基準変位量（または振動部材４の移動量）を計測し、所定の伸縮量に達していない場合にのみ、さらに高い分極処理電圧を印加することで分極を進め、所定の基準変位量に達するまで、分極処理電圧を段階的に上昇させることで、圧電素子３の伸縮量および振動型駆動装置１の駆動速度を、略所望の値にすることができる。

図３に、本発明の第２実施形態の、基準変位量の調整を容易にした圧電素子３の構造を示す。本実施形態の圧電素子３は、電極７ａと７ｂとの間に挟まれた複数の圧電材料８の層を有しているが、圧電材料８の層の厚みがｔａの第１ブロック３ａと、圧電材料８の層の厚みがｔｂの第２ブロック３ｂと、圧電材料８の層の厚みがｔｃの第３ブロック３ｃとからなっている。

例えば、第１ブロック３ａは各層の厚みが１０μｍ、積層数が８０層であり、第２ブロック３ｂは各層の厚みが２０μｍ、積層数が２０層であり、第３ブロック３ｃは各層の厚みが３０μｍ、積層数が２０層である。

一般に、圧電材料８が均質であれば、その分極は、分極処理電圧によって印加される電界の強度に応じて進行する。よって、各ブロック３ａ，３ｂ，３ｃが分極する分極処理電圧は、各層の厚みｔａ，ｔｂ，ｔｃに比例し、本実施形態の圧電素子３全体の基準変位量は、分極処理電圧に応じて、図４に示すように変化する。

具体的には、最も層の厚みの小さい第１ブロック３ａは最も低い電圧で分極を開始し、第２ブロック３ｂおよび第３ブロック３ｃが分極を開始するよりも低い電圧で完全に分極して変位量が飽和する。さらに分極処理電圧を上げてゆくと、続いて、第２ブロック３ｂが分極してゆき、変位量が第２の飽和状態となる。そして、さらに分極処理電圧を上げると、第３ブロック３ｃが分極し、さらに基準変位量を上積みする。

本実施形態では、先ず圧電素子３を振動型駆動装置１に組み込んだ状態で分極処理用電源６を接続して、第１ブロック３ａのみが完全に分極される分極処理電圧Ｖａ（Ｖ）を印加して分極を行い、圧電素子３に定格電圧の駆動電圧を印加して振動型駆動装置１の駆動速度を測定する。図５に、多数の振動型駆動装置１の圧電素子３を分極処理電圧Ｖａ（Ｖ）で分極したときの、個々の製品（振動型駆動装置１）の駆動速度の分布を示す。振動型駆動装置１の駆動速度は、主として圧電素子３の伸縮特性に依存し、圧電素子３の伸縮特性のバラツキのために、図示するような正規分布様の分布を示す。

ここで、振動型駆動装置１の駆動速度の許容範囲の下限を、７．０ｍｍ／ｓｅｃとした場合、この値以上の駆動速度を有する図中に斜線で示した範囲の製品群を合格品とし、それ以外の振動型駆動装置１の圧電素子３を、第２ブロック３ｂまでを完全に分極できる分極電圧Ｖｂ（Ｖ）によってさらに分極する。そして、再度、定格電圧の駆動電圧による振動型駆動装置１の駆動速度を測定する。すると、振動型駆動装置１の駆動速度分布は、図６に示すように、第２ブロック３ｂの分極による振動の増加分だけ上積みされた分布となる。

ここでも、下限値（７．０ｍｍ／ｓｅｃ）以上の駆動速度を有する斜線で示した範囲の製品群を合格品とし、残りの製品の圧電素子３を、第３ブロック３ｃまで完全に分極できる分極電圧Ｖｃ（Ｖ）によってさらに分極する。すると、これらの振動型駆動装置１の駆動速度は、さらに上昇して図７に示すような分布を示す。

これらの振動型駆動装置１と先の２回の分極後に合格品とした振動型駆動装置１との全体の駆動速度は、図８に示すような分布となり、駆動速度のバラツキが小さい。図示した実施例では、元々の圧電素子３の伸縮特性のバラツキが比較的大きいものを示したが、圧電素子３の加工精度にあわせて、各ブロック３ａ，３ｂ，３ｃの層の厚みｔａ，ｔｂ，ｔｃやそれぞれの積層数を選択することが望ましい。

また、本実施形態では、層の厚みｔａ，ｔｂ，ｔｃによって各ブロック３ａ，３ｂ，３ｃが分極される電圧を設定しているが、ブロック３ａ，３ｂ，３ｃの層の厚みｔａ，ｔｂ，ｔｃを一定とし、圧電材料８の組成を変えることでも、各ブロック３ａ，３ｂ，３ｃが分極される電圧を異ならせることができる。

一般に、圧電材料の中でも、キュリー温度が低いソフト材と呼ばれるものは抗電界（分極を開始する電界強度）が低く、キュリー温度が高いハード材と呼ばれるものは抗電界が高いことが知られている。よって、例えば、第１ブロック３ａにソフト材、第３ブロック３ｃにハード材、第２ブロック３ｂにその中間の圧電材料を使用すれば、図４と同様の分極処理電圧と基準変位量との関係が得られる。もちろん、ブロック３ａ，３ｂ，３ｃの層の厚みｔａ，ｔｂ，ｔｃを変えた上で、さらに、圧電材料８の組成を異ならせてもよい。

さらに、図９に、本発明の第３実施形態の圧電素子３の構成を示す。本実施形態の圧電素子３は、厚みｔａの小さい層を積層してなる第１ブロック３ａと、厚みｔｂの大きい層を積層してなる第２ブロック３ｂとの２つのブロックからなり、２つのブロック３ａ，３ｂの圧電材料８の組成は同じである。

本実施形態では、両ブロック３ａ，３ｂを完全に分極したとき、圧電素子３全体の基準変位量において、高い電圧で分極される第２ブロック３ｂの寄与分が、低い電圧で分極される第３ブロック３ａの寄与分より大きくなるように設計されている。

本実施形態では、両ブロック３ａ，３ｂを完全に分極した後、逆極性の分極処理電圧を段階的に印加することで、図１０に示すように、圧電素子３の基準変位量に３つの安定状態が得られる。具体的には、両ブロック３ａ，３ｂを完全に分極した圧電素子３の基準変位量が第１の安定状態であり、この基準変位量が大きすぎる場合、第１ブロック３ａの分極が消滅するだけの、予め分極したときと逆方向の分極処理電圧Ｖａｎ（Ｖ）を印加することで、第２ブロック３ｂの伸縮量だけに依存する基準変位量の第２の安定状態を得ることができる。さらに、この基準変位量でも大きすぎる場合、第１ブロック３ａを逆極性に分極でき、且つ、第２ブロック３ｂの分極が消滅しない電圧の分極処理電圧Ａａｐ（Ｖ）を印加することで、第１ブロック３ｃを第２ブロック３ｂと逆方向に伸縮するように分極させることができる。これにより、圧電素子３全体の基準変位量は、第２ブロック３ｂの伸縮量から第１ブロック３ａの伸縮量を差し引いた値となる。

第２ブロック３ｂの分極を消滅させるさらに高い分極処理電圧Ｖｂｎ（Ｖ）を印加すると圧電素子３の変位方向が逆転する。基準変位量の絶対値だけを見ればこの状態を第４の安定状態として使用することもできるが、振動型駆動装置１に組み込んだ状態では、圧電素子３の伸縮方向の逆転は、駆動方向の反転を意味するので、駆動回路の極性を反転する必要が生じるので注意が必要である。

Claims (7)

1. 錘と、
   伸縮方向の一端が前記錘に固定された圧電素子と、
   該圧電素子の他端に一端が固定された軸状の振動部材と、
   該振動部材にすべり移動可能に摩擦係合する移動体と、を備え、
   前記圧電素子を駆動源として駆動電圧を印加することで前記振動部材を伸縮させることにより前記移動体をすべり変位させて駆動する振動型駆動装置の製造方法であって、
   前記圧電素子は、完全に分極できる電圧が異なる複数の圧電材料の層を積層してなり、
   前記複数の圧電材料の層のそれぞれの前記完全に分極できる電圧をＶ１，Ｖ２，…，ＶＮ（Ｎは２以上の整数）とし、Ｖ１＜Ｖ２＜…＜ＶＮの関係があるとした場合、前記振動型駆動装置が所望の伸縮特性を得られるまで、前記完全に分極できる電圧Ｖ１，Ｖ２，…，ＶＮをこの順で前記圧電素子に段階的に印加する工程を有することを特徴とする振動型駆動装置の製造方法。
2. 前記複数の圧電材料の層は、異なる厚みを有する層を含むことを特徴とする請求項１に記載の振動型駆動装置の製造方法。
3. 前記複数の圧電材料の層は、異なる抗電界を有する圧電材料の層を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の振動型駆動装置の製造方法。
4. 前記圧電素子は予め分極されており、前記完全に分極できる電圧は、前記圧電素子を逆方向に分極する電圧であることを特徴とする請求項３に記載の振動型駆動装置の製造方法。
5. 前記圧電素子は、複数の異なる厚みを有する層を積層してなることを特徴とする請求項３または４に記載の振動型駆動装置の製造方法。
6. 前記圧電素子は、複数の異なる抗電界を有する圧電材料の層を積層してなることを特徴とする請求項３から５のいずれかに記載の振動型駆動装置の製造方法。
7. 前記所望の伸縮特性は、前記移動体の変位量によって確認することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の振動型駆動装置の製造方法。

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