(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚み方向の一定方向に分極された圧電素子からなる電気−機械変換素子であって、前記電気−機械変換素子の一方の面には前記電気−機械変換素子が励振する振動波の１/２波長の間隔で設けられた複数の電極を有し、この複数の電極のうち隣り合う電極間に駆動信号が印加されることで屈曲変位を得ることを特徴とする電気−機械変換素子。
【請求項２】
前記電気−機械変換素子の他方の面には、前記一方の面に設けられた複数の電極とは１/４波長分位置がずれた複数の電極を有することを特徴とする請求項１記載の電気−機械変換素子。
【請求項３】
厚み方向の一定方向に分極された圧電素子からなる電気−機械変換素子であって、前記電気−機械変換素子の一方の面には、前記電気−機械変換素子が励振する振動波の１/４波長の間隔で設けられた複数の電極を有し、隣り合う二つの電極を一組とする複数の電極群を構成し、隣り合う前記電極群間に駆動信号が印加されることで屈曲変位を得ることを特徴とする電気−機械変換素子。
【請求項４】
厚み方向に分極された圧電素子からなる電気−機械変換素子であって、前記電気−機械変換素子は前記電気−機械変換素子が励振する振動波の１/２波長の間隔で分極方向が反転し、また前記電気−機械変換素子の一方の面には前記振動波の１/４波長の間隔で複数の電極が設けられ、隣り合う前記電極間に駆動信号が印加されることで屈曲変位を得ることを特徴とする電気−機械変換素子。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電気−機械変換素子を備える超音波モータであって、
前記電気−機械変換素子により駆動される移動体を有することを特徴とする超音波モータ。
【請求項６】
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電気−機械変換素子を備えたことを特徴とする電子機器。
【請求項７】
請求項５に記載の超音波モータを備えたことを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は圧電素子を用いたエネルギー変換素子およびエネルギー変換素子の駆動方法に関するものである。また、エネルギー変換素子を用いた電子機器に関するものである。例えば、圧電デバイス、すなわちアクチュエータ、センサ、トランス、ブザー、スピーカ、フィルタ等及び、この圧電デバイスを用いた電子機器などである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、各種電子機器において各種圧電デバイス（例えばアクチュエータ、センサ、トランス、フィルタ等）が盛んに使用されている。例えばアクチュエータの中では超音波モータが注目され、様々な分野での応用が試みられている。超音波モータの駆動方式としては、板状の振動体に圧電素子を接着し、圧電素子の（圧電横効果による）伸縮運動を曲げ振動に変換させる方式が一般に広く採られている。例えば特公平８−１０７６８６に、このような超音波モータの例が記載されている。またこの例においては圧電素子を二つの領域に分け、移動体の駆動方向に応じどちらか一方の領域を使用して駆動力を得ている。
【０００３】
他のアクチュエータ、センサ、トランス、ブザー、スピーカ等においても曲げ振動(変位)を発生させたり、曲げ振動(変位)によって信号を得ようという場合にはこのように弾性部材に圧電素子を接合することが一般に行われている。
【０００４】
また例えば圧電トランスの場合、圧電素子自体で構成される場合が多いが方向が異なる分極処理（厚み方向及び長手方向）を行って所定の性能を得ていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような方式を採った場合、厚みの薄い圧電素子を振動体に接着しなければならない為作業性が悪く、場合によっては圧電素子の破損（割れ）を生じることさえあった。そして接着剤のむらによる製品間の特性ばらつきが生じ易かった。更に、圧電素子の運動を接着剤を通して振動体に伝えている為、接着剤でエネルギーのロスが生じていた。また、接着剤を使用することから温度や湿度といった使用環境が制限されることもあった。更には接着層の剥離によって高出力駆動が難しいという問題点があった。
【０００６】
そして、上記の超音波モータの場合には実際に駆動に使用している圧電素子の実働部分が少なく、出力も小さいという問題点があった。
【０００７】
また、従来の圧電トランスでは分極方向が異なることから分極時に残留歪みが生じ、高出力で使用すると破壊が生じる場合が有るとともに圧電素子の表裏の面と側面（端面）に電極を設けなければ成らず製造工程が複雑になっていた。
【０００８】
そこで本発明は、圧電素子のみを用いて所定の振動を励振するとともに圧電素子の実使用部分を多くしアクチュエータ、センサ、トランス等の高出力化ならびに製造の簡素化を図ることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、厚み方向に分極された圧電素子から成り、前記圧電素子の一方の面内に設けられた複数の電極間に電界を印加させることで前記厚み方向に屈曲変位を得ることを特徴とする電気−機械変換素子である。
【００１０】
一方の面に電極を設けることにより、一方の面で圧電素子の電界をかけることができる。
【００１３】
本発明は、前記分極の方向がすべて同一方向である電気−機械変換素子あるいは機械−電気変換素子である。
【００１４】
分極方向を同一方向にすることにより、分極を容易に行うことができる。
【００１５】
本発明は、電気−機械変換素子の一方の面には周方向に対し、前記電気−機械変換素子が励振する振動波の１/２波長の間隔で設けられた複数の電極を有し、隣り合う電極間に駆動信号が印加されることを特徴とする電気−機械変換素子である。
【００１６】
本発明は、前記電気−機械変換素子の他方の面には、前記一方の面に設けられた複数の電極とは周方向に対し１/４波長分位置がずれた複数の電極を有する電気−機械変換素子である。
【００１７】
本発明は、電気−機械変換素子の一方の面には、前記電気−機械変換素子が励振する振動波の１/４波長の間隔で設けられた複数の電極を有し、隣り合う二つの電極を一組とする複数の電極群を構成し、隣り合う前記電極群間に駆動信号が印加されることを特徴とする電気−機械変換素子である。
【００１８】
本発明は、電気−機械変換素子は前記電気−機械変換素子が励振する振動波の１/２波長の間隔で分極方向が反転し、また前記電気−機械変換素子の一方の面には前記振動波の１/４波長の間隔で複数の電極が設けられ、隣り合う前記電極間に駆動信号が印加されることを特徴とする電気−機械変換素子である。
【００２１】
本発明は、電気−機械変換素子を備えたことを特徴とする電子機器である。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係るエネルギー変換素子、この駆動方法およびこれを用いた電子機器の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。
｛実施の形態１｝
先ず初めに、本発明に適用可能な超音波モータの構造例について図１を用いて説明する。超音波モータの振動体は、円板状の圧電素子１からなり、圧電素子１の中心に貫通穴をあける。その貫通穴は、中心を支持板４に固定された中心軸３によって支持されている。圧電素子の上面には、複数の突起部材２を設ける。突起部材２は圧電素子１のみからなる振動体の振動変位を拡大し、移動体５に回転力を与える。複数の突起２ａは、その一方の端部で結合されるベース部２ｂとベース部２ｂの一部から突出し、圧電素子１の内径部にある案内面１ａに収まっている突出部２ｃからなる。これら突起部材２は、例えば耐摩耗性を有するエンジニアリングプラスチックによって、一体的に成形され圧電素子１と接着等によって接合される。ここで、突起２ａは個々に直接圧電素子１に接合しても構わない。振動体となる圧電素子１は、突出部２ｃを介して中心軸３によって固定されている。ここで、突起部材２は圧電素子１に接着されているが、従来例における圧電素子と振動体の接着の場合と異なり、ここでの接着力はある程度の機械的強度が得られれば良く、予め所定の振動が得られる構造をした圧電素子１の上に突起部材２が接着されるものであり、振動体の振動にアンバランスを生じさせ、製品間のバラツキを生じさせるものではない。
【００２３】
移動体５は圧電素子１の上方に配置する。移動体５の中心に貫通穴をあけ、その貫通穴に軸受け６をはめ込みや接着等により固定する。、軸受け６の中心を中心軸３で案内している。したがって、移動体５は中心軸３を回転中心として回転することができる。また、移動体５の下面には、圧電素子１の突起部材２と接触するは摩擦部材５ａを設ける。
【００２４】
ばね部材７は、軸受け６の上方に、中心軸３を案内するように設け、上部を中心軸３の中央部に受けたねじ溝に合致するねじで固定する。こうすることで、軸受け６の内輪を加圧することができ、圧電素子１の突起２ａと移動体５の摩擦部材５ａの間に適度な接触圧を与えることができる。したがって、圧電素子１に加えられた電気エネルギーは、圧電素子１の圧電効果によって振動体に励振された振動波となる。この振動波は、突起２ａと移動体５の摩擦部材５ａの間に発生する摩擦力を介して、移動体５の回転力となり、機械エネルギーに変換される。
【００２５】
次に、図２および図３を用いて、実施の形態１に係る超音波モータの動作原理を説明する。図２は、本実施例における圧電素子の電極構成を示したものである。図２Ａは圧電素子１の第１の面を、図２Ｂは第２の面を示す。ここで、第１の面と第２の面は表裏の関係を有している。
【００２６】
圧電素子１の第１の面には、電極８ａ、８ｂを配置する。電極８ａ、８ｂは、圧電素子１の周方向に対して、圧電素子１が励振する振動波の１/２波長間隔で均等に分割する。各電極８ａ、８ｂ間は互いに接触しないように一定の間隔をあけておく。
【００２７】
圧電素子１の第２の面にも、第１の面と同様に電極９ａ、９ｂを設ける。
【００２８】
このとき、第１の面に設けた電極８ａ、８ｂと第２の面に設けた電極９ａ、９ｂは、第１の面あるいは第２の面からみて、周方向に対して半ピッチ（１/４波長）ずれるようにしておく。
【００２９】
図３は、本実施例における駆動原理を示したものである。
圧電素子１は厚み方向に対して、矢印Ｐに示す向きに一方向に分極処理を施す。
突起２ａは、電極８ａ、８ｂ、９ａおよび９ｂが励振する定在波の節から１／８波長ずれた位置で、第２の面側に等間隔で接合する。第１の面の電極８ａ、８ｂ間に駆動信号を印加すると、ある瞬間に、矢印１００に示すように電極８ｂから電極８ａに向かって電界が加わる。この電界により、圧電素子１の厚み方向に対して電極８ａおよび８ｂの付近、すなわち表面付近では電界の方向は厚み方向に働き、電界の方向と分極方向の関係に応じて圧電素子１は伸縮する。また、電極８ａと電極８ｂの境界付近、特に表面から中に入り込んだ部分では、電界は分極方向Ｐに対して垂直方向に働くため、滑り振動も生じる。但し、電界の強さは圧電素子１の第１の面（電極８ａ、８ｂ）側でのみ強くなるため、これに伴う変位も第１の面側でのみ生じる。従って、図３Ｂの様な静止位置から上方に屈曲する部分と、静止位置から下方に屈曲する部分とがあらわれる、屈曲定在波が発生する。この時、屈曲定在波の頂点に対して、突起２ａが右側に位置しているため、上昇した突起２ａは右に傾くことにる。一方、下降した突起２ａは、左側に傾くこととなる。突起２ａは図１により移動体５と接しているので、上昇した突起２ａが移動体を図示しない移動体５は図中左から右に移動または回転する。
【００３０】
一方、第２の面に設けた電極９ａ、９ｂ間に駆動信号を印加した場合を図３Ｃに示す。電極９ｂから電極９ａに向かって電界を加えると、静止位置から上方に屈曲する部分と、静止位置から下方に屈曲する部分とがあらわれる、屈曲定在波が発生する。この時、屈曲定在波の頂点に対して、突起２ａが左側に位置しているため、上昇した突起２ａは左に傾き、一方、下降した突起２ａは右に傾く。したがって、移動体５は図中右から左に移動または回転する。
【００３１】
これにより、第１の面の電極８ａ、８ｂと第２の面の電極９ａ、９ｂのどちらに信号を印加するかによって、移動体５の移動方向を可変できる。なお、以上定在波を使用した例を示したが、振動体となる圧電素子１に進行波を発生させても構わない。この時には、電極８ａ、８ｂ間に加える信号と電極９ａ、９ｂ間に加える信号の位相を、例えば９０度変えて与えればよい。また、本実施例では圧電素子１のみで振動体を構成したが、勿論他の弾性部材と接合して振動体を構成しても構わない。
【００３２】
以上のように、本実施例においては弾性部材との接着を行わず圧電素子１のみで曲げ振動を発生させるようする共に、分極方向を同一方向とすることで、生産性を向上することができる。また、同一方向に分極することにより、分極方向が反転する境界部分がなくなり、破壊強度も高くなる。また、圧電素子１の一方の面に設けられた電極全体に駆動信号を印加して駆動することにより、圧電素子１の圧電横効果による伸縮振動と、加えて電気―機械結合係数が高い厚み滑り振動を利用しているので、高出力で信頼性に優れた超音波モータを得ることができる。さらに、一つの面に設けられた電極全体に駆動信号を印加すればよいから、圧電素子に信号を加える導通構造、すなわちリード取り出し構造が簡単となる。
【００３３】
以上のように本実施の形態の圧電素子１は電気的なエネルギを機械的なエネルギに変換する電気−機械変換素子として働く。
｛実施の形態２｝
本発明の実施の形態２について、図４を用いて説明する。以下、駆動力の発生メカニズム及びその効果は、ほぼ実施の形態１に示したものと同じあるので、構成等の実施の形態１と異なる部分についてのみ説明する。
【００３４】
圧電素子１は厚み方向に対して、矢印Ｐの向きに一方向に分極処理を施す。圧電素子１の下面には圧電素子１の周方向に対して、圧電素子１が励振する振動波の１/４波長間隔で等分割された電極８ｃ、８ｄ、８ｅ、８ｆを設ける。なお、電極８ｃ、８ｄ、８ｅ、８ｆは圧電素子１の上面に設けてもよい。
突起２ａは電極８ｄ、８ｆの夫々中央に当たる部分に接合する。電極８ｃ、８ｄと電極８ｅ、８ｆの間に駆動信号を印加すると、図４Ｂに示すな定在波が発生する。この時、屈曲定在波の頂点に対して、突起２ａが右側に位置しているため、上昇した突起２ａは右に傾き、移動体５は図中左から右に移動または回転する。
【００３５】
また、電極８ｄ、８ｅと電極８ｃ、８ｆの間に駆動信号を印加すると、図４Ｃの様な定在波が発生する。この時、屈曲定在波の頂点に対して、突起２ａが左側に位置しているため、上昇した突起２ａは左に傾き、移動体５は図中右から左に移動または回転する。
【００３６】
これにより、駆動信号に対する電極の組み合わせを選択することによって、移動体５の移動方向を可変することができる。
【００３７】
以上のように本実施の形態の圧電素子１は電気的なエネルギを機械的なエネルギに変換する電気−機械変換素子として働く。
｛実施の形態３｝
本発明の実施の形態３について、図５を用いて説明する。圧電素子１は厚み方向に対して、矢印Ｐの方向に分極処理を施す。このとき、圧電素子１が励振する振動波の１/２波長おきに、その方向が対称となるようにする。たとえば、ある部分が下面から上面方向に分極すると、その部分から振動波の１/２波長離れた部分は、上面から下面方向に分極される。圧電素子１の下面には、圧電素子１の周方向に対して、圧電素子１が励振する振動波の１/４波長間隔で分割された電極８ｇ、８ｈを設ける。したがって、分極方向は電極８ｈ、８ｇ間の境界で１／２波長間隔で反転する。
【００３８】
例えば突起２ａは電極８ｈの中央に接合されている。電極８ｇと電極８ｈの間に駆動信号を印加すると、図５Ｂの様な定在波が発生する。この時、屈曲定在波の頂点に対して、突起２ａが左側に位置しているため、上昇した突起２ａは左に傾き、移動体５は図中右から左に移動または回転する。
【００３９】
ここで、電極８ｇおよび８ｈの長さは１／４波長分であり短く、駆動信号が圧電素子１に及ぼす電界は大きく、低電圧で高出力な駆動が可能となる。
【００４０】
以上のように本実施の形態の圧電素子１は電気的なエネルギを機械的なエネルギに変換する電気−機械変換素子として働く。
｛実施の形態４｝
本発明の実施の形態４について図６、図７を用いて説明する。
実施の形態４は本発明の圧電素子１から成る電気−機械変換素子並びに機械−電気変換素子を用いた圧電トランス並びに圧電トランスを用いた電子機器に関する。
【００４１】
図６Ａにおいて、矩形板形状の圧電素子１には、その表裏の両方の面の中央から一端までの半面に電極８ｉ、８ｊが設けられている。また、圧電素子１の一方の面の電極８ｉが設けられていない中央から他端までの場所には電極８ｋ、８ｌが設けられている。図中矢印Ｐは分極方向を示し、点線を挟んで分極方向は反転する。駆動回路１０により電極８ｉ、８ｊに駆動信号を印加すると、図６Ｂの曲線２１に示す変位分布となる。圧電素子１は長手方向中央を節として、長手方向に伸縮振動する。この時、電極８ｋ、８ｌからは入力電圧に比べて大きな電圧が出力され駆動対象物１１を駆動する。駆動対象物１１は、例えば液晶ディスプレイのバックライトおよびこれを駆動する回路等が該当し、例えば図示しないパーソナルコンピュータの内部に実装される。
【００４２】
ここで、分極処理は全て厚み方向に対して行われるため、分極に必要な電圧が低くてすみ、生産設備等の制限を受け難くなり、製造が容易になる。尚、電極８ｍ、８ｎは分極の際に使用した電極であり、電極８ｊと一体的に構成しても良い。また、場合によっては分極後電圧８ｍ、８ｎを取り除いても良い。更に、応力が最大となる中央部付近においても分極方向は一定となっているため、高出力で使用しても破壊に対して強くなる。更には電極８ｋ、８ｌの大きさ、位置並びに両者の隙間を自由に設定できるため、負荷となる駆動対象物１１のインピーダンスに合わせた出力インピーダンスの調整が可能であるとともに、任意の昇圧比の設定が可能である。また、分極方向が厚み方向のみであることから、電極も圧電素子１の表裏の面のみに設ければよく、圧電素子１の積層化は容易に実現できる。そうすることで、入力インピーダンス、出力インピーダンス、昇圧比等の各種特性パラメータを自由に設定でき、設計の自由度を広げることができる。
｛実施の形態５｝
図７に別の実施の形態の例を示す。この実施の形態５においては、実施の形態４で説明した内容と共通する部分は説明を省略し、相違点のみ説明する。図７Ａの曲線２２に示すように矩形板形状の圧電素子１には、その表裏の両方の面の中央から一端までの半面に電極８ｉ、８ｊが設けられている。また、圧電素子１の一方の面の電極８ｉが設けられていない中央から他端までの場所には、電極８ｋ、８ｌが設けられている。図中の矢印Ｐは分極方向を示し、圧電素子１全体に渡って厚み方向一方向に分極処理されている。駆動回路１０により電極８ｉ、８ｊに駆動信号を印加すると、図７Ｂに示す変位分布のように圧電素子１は長手方向の二個所を節として長手方向に伸縮振動する。この時、電極８ｋ、８からは入力電圧に比べて大きな電圧が出力され、駆動対象物１１を駆動する。駆動対象物１１は、例えば液晶ディスプレイのバックライト及びそれを駆動する回路等が該当し、例えば図示しないパーソナルコンピュータの内部に実装される。
【００４３】
ここで、分極処理は全て厚み方向に対して行われるため、分極に必要な電圧が低くてすみ、生産設備等の制限を受け難くなり製造が容易になる。更に、分極方向は一様で境界が無いため、破壊に対して強くなり高出力化駆動が可能である。
【００４４】
また、駆動回路１０と駆動対象物１１のＧＮＤが共通となるように圧電素子１に共通電極を設けても良い。さらに、本実施の形態の変形は任意であり、例えば駆動用電極８i、８ｊと検出用電極８ｋ、８ｌは圧電素子１の中央を境として左右に設けられているが、駆動用電極８i、８ｊを圧電素子１の中央部を含む位置に設け、それ以外の部分に検出用電極８ｋ、８ｌを設けても良い。
【００４５】
以上のように、本実施の形態の圧電素子１は電気的なエネルギを機械的なエネルギに変換する電気−機械変換素子と、機械的なエネルギを電気的なエネルギに変換する機械−電気変換素子の両方を有している。従って、本実施の形態における機械−電気変換素子を用いれば加速度や圧力を計測するセンサが容易に実現できる。
｛実施の形態６｝
図８に、本発明に係わる電気−機械変換素子を利用した超音波モータを電子機器に適用した実施の形態５のブロック図を示す。
【００４６】
本電子機器は、前述の圧電素子１から成る振動体と振動体により駆動される移動体５と、移動体５と振動体に接触圧を与える加圧手段７と、移動体５と連動して可動する伝達機構１２と、伝達機構１２の動作に基づいて運動する出力機構１３を備えることを特徴とする。
【００４７】
ここで、伝達機構１２には、例えば、歯車、摩擦車等の伝達車を用い、これを直接移動体５に形成する。伝達機構１２を省略し、直接出力機構１３を設けても構わない。出力機構１２には、例えば、指示装置や電子時計においては、図１に示す様に指針あるいは指針駆動機構やカレンダ等の表示板、あるいは表示板駆動機構を、コピー機やプリンタにおいてはレーザーの方向を変えるミラーを、カメラやビデオカメラにおいてはシャッタ駆動機構、絞り駆動機構、レンズ駆動機構、フィルム巻き上げ機構等を、レーザーや光を利用した計測器や製造装置、センサーにおいては光の遮断・透過や特定波長の光のみを透過するスリット板やフィルターを、音響機器のボリュウム等には抵抗値や容量値を可変する接点機構やギャップ板を、ハードディスクや光ディスクにおいてはピックアップ駆動機構を用いる。
【００４８】
また、移動体５に出力軸を取り付け、出力軸からトルクを伝達する動力伝達機構を有する構成とすれば、超音波モータ自身で駆動機構が実現できる。
【００４９】
本発明の超音波モータを電子機器に適用することにより、電子機器の低電圧化、低消費電力化、小型化、低コスト化が実現できる。超音波モータを利用することから当然、磁気の影響を受けずまた、有害な磁気ノイズも発生しない特徴を有する。
【００５０】
【発明の効果】
以上のように、本発明は厚み方向に分極された圧電素子の、少なくとも一方の面に設けられた複数の電極間に電界を印加させることで駆動力を得るようにアクチュエータを構成する。これによれば、圧電素子単体で曲げ振動を発生できる為、他の弾性部材との接着が不要となり信頼性に優れるとともに製品間のばらつきが少なく安価な製品が可能となる。更には接着剤を使用しないため、機械的強度が高くなる点と合わせ圧電素子の一方の面に設けられた電極全体に駆動信号を印加する為出力も大きくなる。
【００５１】
センサやトランスの場合も同様の構成であり、この場合は電極間から信号を検出（トランスの場合は入力の場合もある）するようにすることで、小型で大きな（トランスの場合昇圧比の高い）信号が得られる。
【００５２】
更に、本発明によれば、前記の電気−機械変換素子あるいは機械−電気変換素子を備えた電子機器が実現でき、電子機器の小型化、省電力化等が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超音波モータの構造の例を示したものである。
【図２】本発明の超音波モータの圧電素子の電極パターンを示したものである。
【図３】本発明の超音波モータの駆動原理の第一の例を示したものである。
【図４】本発明の超音波モータの駆動原理の第二の例を示したものである。
【図５】本発明の超音波モータの駆動原理の第三の例を示したものである。
【図６】本発明の圧電トランスの構造及び動作原理の例を示したものである。
【図７】本発明の圧電トランスの構造及び動作原理の別の例を示したものである。
【図８】本発明の超音波モータ超音波モータを用いた電子機器のブロック図を示したものである。
【符号の説明】
１  圧電素子
２  突起部材
３  中心軸
４  支持板
５  移動体
６  軸受け
７  加圧機構
８、９  電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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