(57)【要約】【課題】  圧電素子の真円度、同軸度を改善し、また、各分割電極の分極のばらつきが小さくなる超音波モータ用圧電素子とその製造方法を供すること。【解決手段】  圧電素子の外径より大きい円板状の圧電セラミックスに、圧電素子の外径より大きい径を持ち中心部分で導通する櫛歯形状電極を備えた中心電極２と、前記圧電素子の内径より小さい径を持ち円板の外周部分で導通する櫛歯形状電極を備えた外周電極３を、互いに接触しないように形成し、中心電極２と外周電極３が反対の極性となるように分極処理を行った後、中心電極２と外周電極３が前記圧電素子の分割電極として配列されるように円環状に切断加工する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円環状の圧電セラミックの一方の平面に複数に分割された分割電極が形成され、他方の平面に全面電極が形成された圧電素子の製造方法において、前記圧電素子の外径より大きい円板状の圧電セラミックを準備し、前記円板状の圧電セラミックの一方の面に、前記圧電素子の外径より大きい径を持ち中心部分で導通する櫛歯形状電極を備えた中心電極と、前記圧電素子の内径より小さい径を持ち外周部分で導通する櫛歯形状電極を備えた外周電極を、互いに接触しないように形成し、前記円板状の圧電セラミックの他方の面には全面電極を形成し、前記中心電極と前記外周電極が反対の極性となるように分極処理を行った後、前記中心電極と前記外周電極が前記圧電素子の分割電極として配列されるように円環状に切断加工することを特徴とする圧電素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子の製造方法に関し、特に超音波モータに用いて好適な圧電素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の超音波モータ用圧電振動子の代表的なものとして円環状の圧電振動子がある。この圧電振動子は、電気−機械変換素子である圧電素子を円環状の弾性体の裏面側に接着し、該弾性体の表面に進行波を起こす圧電体と、該進行波により摩擦駆動される移動体により構成される。図３は、従来の超音波モータ用の圧電素子を示す平面図である。圧電素子には円環の左右両側に２相からなる駆動電極が設けられる。また、左右の相の間には、３／４波長電極７と１／４波長電極８が形成されている。この２相の駆動電極は空間的に９０°の位相差を有して設けられており、各相には極性が正負一対で定在波１波長分となるように分割された複数の分割電極６と隙間５が構成されている。
【０００３】
左右の各相に時間的に位相差が９０°になるように電圧を印加することで、右半分に励起される定在波と、左半分に励起される定在波の合成波として進行波が形成される。
【０００４】
従来構造の超音波モータの例として、特許文献１では、圧電セラミックの表面及び裏面に電極板を設けた圧電素子本体を、特定領域ごとに仕切るように、圧電素子本体の厚み方向に溝状の仕切り境界部を設け、この仕切り境界部により仕切られた各領域に、隣り合った領域同士の分極方向が互いに逆向きとなる複数の分極部を設けるようにした構造が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６３−２２０７８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の超音波モータの圧電素子の製造方法を以下に説明する。まず、円板状の圧電セラミックを準備し、内外径研磨で製品寸法に加工する。この円環状の圧電セラミックの表面に電極を印刷し、表面の電極を分割させるようにカッター等で切削して分割電極を形成する。あるいは分割電極形状にパターニングされたマスク、スクリーン等を用いて予め分割電極を印刷し形成する。これらの方法で形成された分割電極を、電気的端子で接触をとり、絶縁用の高温油中にて高電圧を印加し、隣接する分割電極の極性が正負一対となるように各相を独立して分極せしめる方法が従来より用いられていた。
【０００７】
上記構成は、圧電素子の一定の位置に各相の定在波が励起される構成である。このため、２相の定在波がともに空間的、時間的に位相差がいずれも９０°で、かつ振幅が等しければ理想的な進行波が形成されることになる。
【０００８】
空間的な位相差を９０°にするためには、圧電素子の真円度、同軸度を精度良く製造することが必要である。しかし、従来の圧電素子の製造方法では、圧電素子を円環状の製品形状に加工してから分極を行うため、分極する際に生じる歪みが原因となり、圧電素子の真円度、同軸度が、分極前に比べて悪くなるという課題があった。
【０００９】
また、分割電極を個々に分極する従来の製造方法では、分割電極と電気的に接触する各電気端子との接触抵抗のばらつきや、各分割電極部が有する静電容量のばらつきのため、分極電流に差を生じ、結果として分極のばらつきが大きくなる問題がある。分極のばらつきが大きいと、分極によって生じる歪みにもばらつきが生じるため、各相の定在波の振幅を一定にすることは困難である。
【００１０】
圧電素子を接着する円環状の弾性体は、移動体を摩擦により駆動するため、圧電素子の分極のばらつきが大きいと、超音波モータに使用した場合に、トルクむらあるいは推力むらが発生し高トルク回転時に異音を発生する原因となる。更には、定在波の振幅の大きなところで磨耗が進むため、モータとしてのトルクの経時変化が大きく寿命が短くなるという課題があった。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、圧電素子の真円度、同軸度を改善して空間的な位相差を９０°に近づけ、また各分割電極の分極のばらつきが小さい圧電素子の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を解決するために、本発明は円板状の圧電セラミックに分割電極を形成し、分極処理を行った後に、円環状に切断加工を行うことを特徴とする圧電素子の製造方法である。
【００１３】
本発明によれば、円環状の圧電セラミックの一方の平面、即ち、圧電セラミックの厚み方向における上下面の一方に、複数に分割された分割電極が形成され、他方の平面に全面電極が形成された圧電素子の製造方法において、前記圧電素子の外径より大きい円板状の圧電セラミックを準備し、前記円板状の圧電セラミックの一方の面に、前記圧電素子の外径より大きい径を持ち中心部分で導通する櫛歯形状電極を備えた中心電極と、前記圧電素子の内径より小さい径を持ち外周部分で導通する櫛歯形状電極を備えた外周電極を、互いに接触しないように形成し、前記円板状の圧電セラミックの他方の面には全面電極を形成し、前記中心電極と前記外周電極が反対の極性となるように分極処理を行った後、前記中心電極と前記外周電極が前記圧電素子の分割電極として配列されるように円環状に切断加工することを特徴とする圧電素子の製造方法が得られる。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように本発明によれば、円環状の圧電素子の真円度、同軸度を改善して空間的な位相差を９０°に近づけ、また分割電極の分極のばらつき小さい超音波モータ用の圧電素子を製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の圧電素子の製造方法を説明する図。図１（ａ）は、圧電セラミックに電極を形成した状態の平面図、図１（ｂ）は、圧電セラミックに電極を形成した状態の底面図。
【図２】本発明の圧電素子を示す図。図２（ａ）は、平面図、図２（ｂ）は、底面図。
【図３】従来の超音波モータ用の圧電素子を示す平面図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。図１は、本発明の圧電素子の製造方法を説明する図である。図１（ａ）は、圧電セラミックに電極を形成した状態の平面図で、図１（ｂ）は、圧電セラミックに電極を形成した状態の底面図である。
【００１７】
本発明では、まず、円板状の圧電セラミックの表面に図１に示すような中心電極２と外周電極３を印刷する。図１において、破線で示す円環部１が本発明による圧電素子の形状となる。円環部１の内径寸法はＣ、外形寸法はＤとする。圧電セラミックの中央部分には、円環部１の同心円を描く円板状電極が設けられている。この円板状電極の直径はＡとし、円環部１の内径Ｃより小さいものとする。更に、この円板状電極から外周方向には円環部１と同心円を描くように放射状に櫛歯形状電極が設けられ、これらの電極は一体形成され、電気的に導通している。櫛歯形状電極の外径寸法をＥとし、円環部１の外径より大きいものとする。この円板状電極と櫛歯形状電極を中心電極２とする。
【００１８】
一方、圧電セラミックの外周部分には、寸法Ｆを内径、寸法Ｇを外径とする円環状電極が設けられている。この円環状電極の内径Ｆは、円環部１の外径より大きいものとする。更に、この円環状電極からは円環部１と同心円を描くように中央部分に集中するように内側方向に櫛歯形状電極が設けられ、これらの電極は一体形成され、電気的に導通している。櫛歯形状電極の内径寸法をＢとし、円環部１の内径より小さいものとする。この円環状電極と櫛歯形状電極を外周電極３とする。中心電極２および外周電極３は、後工程で極性が反対となるように分極される為、隙間５を設けて接触することのないように形成される。
【００１９】
圧電セラミックの裏面には、全面電極４が形成される。先に述べた圧電セラミックの表面の中心電極２、外周電極３、全面電極４は、予めパターニングされたマスク、スクリーンを使用し、金属ペーストを印刷、蒸着の後、焼付けして形成される。
【００２０】
全面電極４をアースとし、外周電極３と中心電極２の極性がそれぞれ＋、−となるように、高温絶縁油中で電圧を印加し分極処理を行う。しかる後に、目標寸法である円環部１の寸法付近まで超音波加工機で円環状に加工する。更にその内径、外径を研磨で円環部１の寸法まで微調整し、本発明の圧電素子を得る。
【００２１】
上述したとおり、本発明では切断加工前に分極処理を行うことで、分極時に生じる歪みによる真円度、同軸度の悪化を改善することが可能となる。更に、分割電極を個々に分極する必要がなくなり、確実かつ安定した分極処理が行えるため、分極のばらつきも低減することが可能となる。また、切断加工後に電極を印刷する従来の方法では、円環部１の切断面（側面）にも電極が付着した場合、表面と裏面がショートする可能性があるため、高精度な位置決め、若しくは後処理の工程が必要であった。本発明によると、切断面に電極が付着することは無いので、この問題も解決することが可能となる。
【実施例】
【００２２】
以下、本発明の実施例について、詳細に説明する。まず、外径８０ｍｍ（寸法Ｇ）、厚さ０．５ｍｍの円板状の圧電セラミックを準備する。圧電素子の目標寸法は、外径６４ｍｍ（寸法Ｄ）、内径５０ｍｍ（寸法Ｃ）とした。図１（ａ）の寸法Ａを３０ｍｍ、寸法Ｅを７０ｍｍとする中心電極２と、寸法Ｇを８０ｍｍ、寸法Ｆを７４ｍｍ、寸法Ｂを４０ｍｍとする外周電極３をスクリーン印刷、焼付けを行い、それぞれ形成した。中心電極２と外周電極３の櫛歯部分の隙間は１ｍｍとなるように設計した。また、図１（ｂ）に示す圧電セラミックの裏面には直径８０ｍｍの全面電極４を、同じくスクリーン印刷、焼付けによって形成した。これらの電極には、銀とガラス成分の混合体を使用した。
【００２３】
次に、中心電極２の中心部Ｘ点を＋の極性、外周電極３の外周部Ｙ点を−の極性とし、裏面の全面電極４がアースとなるように電源を配線し、１８０℃の絶縁油中にて１ｋＶの電圧を印加して分極処理を行った。図２は、本発明の圧電素子を示す図であり、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は底面図である。図２に示すように分極処理した円板状の圧電セラミックを外径６５ｍｍ、内径４９ｍｍの形状に超音波加工機にて打ち抜いた。更に、内径、外径をダイヤモンド砥石で研磨して外径６４ｍｍ、内径５０ｍｍに仕上げ、本発明の圧電素子を作成した。
【００２４】
従来例として、外径８０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの円板状圧電セラミックを準備し、外形６４ｍｍ、内径５０ｍｍにダイヤモンド砥石で研磨し、円環状の圧電セラミックを得た。この円環状の圧電セラミックの表面に、図２（ａ）に示すような分割電極のパターンをスクリーン印刷、焼付けを施した。分極電極の配置と面積は本発明の圧電素子と同じになるように形成した。これらの電極には、銀とガラス成分の混合体を使用した。その後、図２（ａ）に示すような極性になるように、分割電極一箇所ずつ分極処理を行った。分極処理の条件は、本発明と同様に１８０℃の絶縁油中にて１ｋＶの電圧を印加した。
【００２５】
このようにして製造した本発明の圧電素子と、従来の方法により製造した圧電素子の真円度、同軸度、右半分と左半分の最大位相角を測定し、比較を行った。真円度は、円環状の圧電素子の円環部の幅を４点測定し、その最大値と最小値の差を計測した。同軸度は、円環状の圧電素子の外径の中心と、内径の中心のずれの最大値を計測した。位相差は、右半分の分割電極を導通した端子と裏面の２端子をインピーダンスアナライザに接続し、進行波の共振周波数における電圧と電流の位相を測定した。本発明と従来の圧電素子を２０個ずつ作成し、その平均値を算出し比較を行った。表１は、本発明と従来方法で製造した圧電素子の比較結果である。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
表１に示すように、従来方法で製造した圧電素子の真円度は、７０μｍであったのに対し、本発明の製造方法によると２０μｍと大幅に改善できた。同軸度に関しても、従来では５０μｍであったのに対し、本発明では２０μｍと大幅に改善できた。それによって位相差は、従来では最大６５°であったのに対し、本発明の製造方法では７５°であり、より９０°に近づけることが可能となった。
【符号の説明】
【００２８】
１  円環部
２  中心電極
３  外周電極
４  全面電極
５  隙間
６  分割電極
７  ３／４波長電極
８  １／４波長電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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