(57)【要約】    【課題】  基本的に圧電素子で振動体を形成することで、振動波駆動装置の性能の向上を図ると共に、小型化を容易にし製造コストの低減を可能とした積層圧電素子及び振動波駆動装置を提供する。    【解決手段】  積層圧電素子１は、電気量を機械量に変換する変換機能を有する材料の層と複数に分割された電極材料の層とを複数層重ねた圧電活性部３と、変換機能を有する材料の層を少なくとも一層又は複数層重ねた圧電不活性部４とを積層して一体化した構成とする。積層圧電素子１の圧電活性部３の端面１−ａの表面に、周方向に沿って複数の表面電極７−２を形成する。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の層から構成される積層圧電素子において、
電気量を機械量に変換する変換機能を有する材料の層と複数に分割された電極材料の層とを複数層重ねた圧電活性部と、前記変換機能を有する材料の層を少なくとも一層又は複数層重ねた圧電不活性部とを積層して一体化し、
前記圧電活性部の端面の材料の層の表面に電極材料の層を設けたことを特徴とする積層圧電素子。
【請求項２】
前記圧電不活性部の厚さを前記積層圧電素子に複数の振動を発生可能な厚さとすることを特徴とする請求項１記載の積層圧電素子。
【請求項３】
前記圧電不活性部のみが前記振動の変位を拡大するための凹部または凸部を有することを特徴とする請求項１記載の積層圧電素子。
【請求項４】
前記電極材料の層に接続される回路基板を介して電力の供給を受けることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の積層圧電素子。
【請求項５】
前記積層圧電素子を円筒形状とし、前記圧電活性部の積層方向に前記圧電不活性部を積層して一体化したことを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の積層圧電素子。
【請求項６】
前記複数の振動は、前記積層圧電素子の積層方向に交差する少なくとも２つの曲げ振動であることを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の積層圧電素子。
【請求項７】
前記積層圧電素子を平板形状とし、前記圧電活性部の積層方向の一方の側に前記圧電不活性部を積層して一体化したことを特徴とする請求項１又は２記載の積層圧電素子。
【請求項８】
前記圧電活性部の端面の材料の層の一部が、その表面に設けられた電極材料の層により分極処理されていることを特徴とする請求項７記載の積層圧電素子。
【請求項９】
前記圧電不活性部の一部に凸部を形成したことを特徴とする請求項７記載の積層圧電素子。
【請求項１０】
前記複数の振動は、面外の２つの曲げ振動であることを特徴とする請求項１、２、７の何れかに記載の積層圧電素子。
【請求項１１】
前記請求項１乃至６の何れかに記載の積層圧電素子を備え、前記積層圧電素子を振動体とし、前記振動体に加圧接触する接触体を回転させることを特徴とする振動波駆動装置。
【請求項１２】
前記請求項１、２、７乃至１０の何れかに記載の積層圧電素子を備え、前記積層圧電素子を振動体とし、前記振動体と前記振動体に加圧接触する接触体とを相対的に移動させることを特徴とする振動波駆動装置。
【請求項１３】
振動体に振動を発生させ、前記振動体に加圧接触する接触体を回転させる振動波駆動装置において、
前記振動体が電気量を機械量に変換する変換機能を有する材料の層と複数に分割された電極材料の層とを複数層重ねた圧電活性部と、前記変換機能を有する材料の層を複数層重ねた圧電不活性部とを積層して一体化した積層圧電素子で構成され、前記積層圧電素子の端面の表面に電極材料の層が設けられ、前記接触体が前記圧電不活性部に加圧接触することを特徴とする振動波駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気−機械エネルギ変換機能を有する複数の材料の層を積層した積層圧電素子及び振動波駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電気的エネルギを機械的エネルギに変換する電気−機械エネルギ変換機能を有する代表的な材料である圧電材料は、様々な圧電素子を構成する材料として多種多様に用いられている。特に、最近では、多数層の圧電素子を積層して一体化し焼結した積層圧電素子が使われている。これは、積層化によって、単一の板状の圧電体のみから構成される圧電素子と比較し、低い印加電圧で大きな変形歪や大きな力が得られるためである。
【０００３】
例えば、振動波駆動装置としての振動波モータ、特に棒状に形成された振動波モータの振動体の一部を構成する積層電気−機械エネルギ変換素子としての積層圧電素子に関しては、各種の技術が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。また、振動波モータ以外の用途についても、積層圧電素子に関する技術が数多く提案されている。
【０００４】
上記のような積層圧電素子は、複数の圧電セラミックスからなる材料の層（以下圧電層と称する）と、各圧電層の表面に設けられ、電極材料で形成された電極材料の層（以下内部電極と称する）とから構成されており、圧電層と内部電極とを複数層重ねて積層化し、焼結後、分極処理を行い積層圧電素子全体が圧電性を有するようにしていた。即ち、積層圧電素子全体に複数の内部電極が配置され、圧電層は圧電性を有する圧電活性部となった積層圧電素子が一般的であった。
【０００５】
図１０は、特許文献３に開示された棒状の振動波モータの振動体に用いられる積層圧電素子を示す分解斜視図及び斜視図である。
【０００６】
図１０において、積層圧電素子４０を構成する最上層の圧電層を除く複数の圧電層４２の表面に、分割された内部電極４３が設けられており、更に圧電層４２の表面には、各内部電極４３と接続されて圧電層４２の外縁部まで延びる接続電極４３ａ（図中黒色に塗りつぶしている部分）がそれぞれ形成されている。内部電極４３は、外周が圧電層４２の外周よりも内周側となるように配置されると共に、４分割（ＡＧ、ＡＧ、ＢＧ、ＢＧ、または、Ａ＋、Ａ−、Ｂ＋、Ｂ−）に形成されており、各内部電極４３は互いに非導通となっている。
【０００７】
接続電極４３ａは、内部電極４３に対して、圧電層４２の一層おきに積層圧電素子４０の軸方向で同一位相位置となるように形成されている。同一位相位置同士の接続電極４３ａは、積層圧電素子４０の外周部に設けられた層間の導通を図る電極である外部電極４４により接続されている。
【０００８】
積層圧電素子４０を構成する最上層の圧電層表面の外周部周辺には、周方向に沿って複数の表面電極４５が設けられており、接続電極４３ａの位相位置に合わせて設けられた外部電極４４と接続されている。そして、この表面電極４５を介して各内部電極４３に直流電圧を印加し、後述の振動波モータの駆動が可能な分極極性になるように分極処理を行う。
【０００９】
更に、図１１は、上記図１０に示した積層圧電素子４０を棒状の振動波モータ５０の振動体５１に組み込んだ例を示す断面図である。
【００１０】
図１１において、中央部に貫通孔を有する積層圧電素子４０は、表面電極４５が回路基板５２と接触すると共に、振動体５１を構成する中空の金属部材５３と金属部材５４の間に配置されている。ボルト５５を金属部材５３側から挿入して金属部材５４にねじ込むことにより、金属部材５３と金属部材５４の間に積層圧電素子４０と回路基板５２が挟持固定される。回路基板５２は、積層圧電素子４０の外部電極４４に接続された表面電極４５と不図示の駆動回路に接続され、駆動用の高周波電圧が積層圧電素子４０に印加される。
【００１１】
振動体５１の軸方向一方の側には、ばね５６とばね支持体５７を介して、金属部材５４の先端部と加圧接触するロータ５８が配置されており、ロータ５８と一体となり回転するギヤ５９により振動波モータ５０の回転出力を取り出すことができる。
【００１２】
棒状の振動波モータ５０の駆動原理は、積層圧電素子４０を組み込んだ振動体５１の軸方向に対して直交する２つの曲げ振動を、時間的位相差を有して発生させ、振動体５１を構成する金属部材５４の先端部を駆動部として、金属部材５４が首振りのような運動を行い、この金属部材５４に加圧接触する接触部材であるロータ５８が摩擦接触により回転することにある。
【００１３】
また、直線（リニア）駆動する振動波モータとして、従来、平板状の振動体を用いるものが提案されている（例えば、特許文献４、特許文献５参照）。
【００１４】
図１２は、リニア駆動する振動波モータの構成を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は右側面図、（ｃ）は平面図である。
【００１５】
図１２において、振動体の一部を構成する金属製の弾性体６１の一方の面には、縦振動と曲げ振動を同時に発生させる２つの圧電素子６２、６３が配置されている。また、弾性体６１の他方の面には、２つの突起部６４、６５が形成されている。２つの圧電素子６２、６３は、接着剤により弾性体６１に接着されている。
【００１６】
２つの圧電素子６２、圧電素子６３にそれぞれ高周波電圧Ａ、高周波電圧Ｂを印加して、２つの複合振動を合成することで、突起部６４、６５の先端に楕円または円運動を発生させることができる。また、２つの圧電素子６２、６３は、互いに極性は同一方向になるように分極され、上記の高周波電圧Ａ、高周波電圧Ｂは、90度の時間的な位相差を有している。
【００１７】
この結果、突起部６４、６５の先端を固定部６６に対し加圧接触させると、振動体の一部を構成する弾性体６１は固定部６６に対し自走する。即ち、振動体に対して他の部材を加圧接触することで振動体との間に相対移動運動が形成され、リニア駆動が可能な振動波モータになる。ただし、この例では、圧電素子６２、６３は単一の板状の素子であり、積層圧電素子ではない。
【特許文献１】特開平６−７７５５０号公報
【特許文献２】特開平６−１２０５８０号公報
【特許文献３】特開平８−２１３６６４号公報
【特許文献４】特許第３２７９０２０号
【特許文献５】特許第３２７９０２１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
上述した振動波モータは、今後、小型化や高効率化による高出力化と製造コストの低減が要求されている。
【００１９】
しかしながら、上記図１１に示した棒状の振動波モータのように積層圧電素子４０を金属部材間に挟持する方式や、上記図１２に示したリニア駆動の振動波モータのように金属部品に圧電素子を接着した方式でも、部品点数が複数あり部品の形状も複雑である。そのため、組み立てた振動体は各部品の加工誤差が積み重なり、組み立て後の寸法と設計時の寸法との誤差が大きくなる。また、組み立てた振動体の各部品の界面や接着面での振動減衰も生じる。これらの結果、従来の振動波モータは設計時の予想よりもモータ性能の低下が起りやすいという問題があった。
【００２０】
更に、複雑な形状の部品点数が多いことや、それらの部品の組み立てにも時間がかかるため、振動波モータの製造コストが高いことの本質的な原因となっていた。
【００２１】
本発明の目的は、基本的に圧電素子で振動体を形成することで、振動波駆動装置の性能の向上を図ると共に、小型化を容易にし製造コストの低減を可能とした積層圧電素子及び振動波駆動装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
上述の目的を達成するために、本発明の積層圧電素子は、複数の層から構成される積層圧電素子であり、電気量を機械量に変換する変換機能を有する材料の層と複数に分割された電極材料の層とを複数層重ねた圧電活性部と、前記変換機能を有する材料の層を複数層重ねた圧電不活性部とを積層して一体化し、前記圧電活性部の端面の材料の層の表面に、電極材料の層を設けたことを特徴とする。
【００２３】
また、本発明の積層圧電素子は、前記圧電不活性部の厚さを前記積層圧電素子に複数の振動を発生可能な厚さとすることを特徴とする。
【００２４】
また、本発明の積層圧電素子は、前記圧電不活性部のみが前記振動の変位を拡大するための凹部または凸部を有することを特徴とする。
【００２５】
また、本発明の積層圧電素子は、前記電極材料の層に接続される回路基板を介して電力の供給を受けることを特徴とする。
【００２６】
また、本発明の積層圧電素子は、前記積層圧電素子を円筒形状とし、前記圧電活性部の積層方向に前記圧電不活性部を積層して一体化したことを特徴とする。
【００２７】
また、本発明の積層圧電素子は、前記複数の振動は、前記積層圧電素子の積層方向に交差する少なくとも２つの曲げ振動であることを特徴とする。
【００２８】
また、本発明の積層圧電素子は、前記積層圧電素子を平板形状とし、前記圧電活性部の積層方向の一方の側に前記圧電不活性部を積層して一体化したことを特徴とする。
【００２９】
また、前記圧電活性部の端面の材料の層の一部が、その表面に設けられた電極材料の層により分極処理されていることを特徴とする。
【００３０】
また、本発明の積層圧電素子は、前記圧電不活性部の一部に凸部を形成したことを特徴とする。
【００３１】
また、本発明の積層圧電素子は、前記複数の振動は、２つの曲げ振動であることを特徴とする。
【００３２】
上述の目的を達成するために、本発明の振動波駆動装置は、前記請求項１乃至６の何れかに記載の積層圧電素子を備え、前記積層圧電素子を振動体とし、前記振動体に加圧接触する接触体を回転させることを特徴とする。
【００３３】
また、本発明の振動波駆動装置は、前記請求項１、２、７乃至１０の何れかに記載の積層圧電素子を備え、前記積層圧電素子を振動体とし、前記振動体と前記振動体に加圧接触する接触体とを相対的に移動させることを特徴とする。
【００３４】
更に、本発明の積層圧電素子は、円筒形状の前記積層圧電素子を構成する前記圧電不活性部の外周部を周方向に沿って研削することで凹部を形成する構成としてもよい。
【００３５】
更に、本発明の積層圧電素子は、平板形状の前記積層圧電素子を構成する前記圧電不活性部における前記圧電活性部との積層面とは反対側の面を研削することで複数の凸部を形成する構成としてもよい。
【００３６】
更に、本発明の振動波駆動装置は、前記振動体と前記接触体との間に耐磨耗性を有する材料からなる部材を配設する構成としてもよい。
【００３７】
また、上述の目的を達成するために、本発明の振動型駆動装置は、振動体に振動を発生させ、前記振動体に加圧接触する接触体を回転させる振動波駆動装置において、前記振動体が電気量を機械量に変換する変換機能を有する材料の層と複数に分割された電極材料の層とを複数層重ねた圧電活性部と、前記変換機能を有する材料の層を少なくとも一層または複数層重ねた圧電不活性部とを積層して一体化した積層圧電素子で構成され、前記積層圧電素子の端面の表面に電極材料の層が設けられ、前記接触体が前記圧電不活性部に加圧接触することを特徴とする。
【発明の効果】
【００３８】
本発明によれば、圧電活性部と圧電不活性部とを積層して一体化しているため、積層圧電素子自体で振動体を構成し複数の振動モードを発生させることが可能となる。
【００３９】
この結果、従来のような積層圧電素子を挟持固定するための金属部材を減らすことができ、また、圧電素子に複雑な形状の金属部材を接着剤で接着することも不要となる。
【００４０】
これにより、振動波駆動装置の性能の向上が可能であり、更に、部品点数は少なく、組立ても単純で済み、振動波駆動装置の製造コストの低減も可能となる。即ち、振動波駆動装置の性能の向上のみならず、振動波駆動装置の製造工程の短縮を図ることができると共に、部品点数及び製造コストの低減も可能となる。また、振動波駆動装置の小型化が可能となる。
【００４１】
また、積層圧電素子の圧電活性部の端面の材料の層の表面に電極材料の層を設けているため、積層圧電素子に電極材料の層を介して電力を供給するための回路基板との導通が容易になると共に、複数の振動を積層圧電素子それ自体で効率的に起こすことが可能となる。
【００４２】
また、圧電材料は金属に比べ機械加工性が良く、微細加工も容易に行うことができるため、圧電不活性部の一部に凸部や凹部を加工することで、小寸法でも高精度な振動体を形成することができる。
【００４３】
また、積層圧電素子の圧電活性部の端面の材料の層の一部が、その表面に設けられた電極材料の層により分極処理されているため、積層圧電素子において曲げ振動を低電圧で大きな振幅で効率的に発生させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００４５】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る積層電気−機械エネルギ変換素子である積層圧電素子の構成を示す図であり、軸線Ｌから右半分は断面図、軸線Ｌから左半分は外観図である。図２は、積層圧電素子の製造の途中段階を示すと共にその積層構造を示す斜視図である。尚、以下では製造途中段階の積層圧電素子と製造後の積層圧電素子には便宜上同じ符号を付すものとする。
【００４６】
図１及び図２において、積層圧電素子１は、中央部に貫通孔が形成された円筒状の形状を有するものであり、電気的エネルギ（電気量）を機械的エネルギ（機械量）に変換する電気−機械エネルギ変換機能を有する材料の層と複数に分割された電極材料の層とを複数層重ねた圧電性を有する圧電活性部３と、圧電活性部３の軸方向に配設され、電気−機械エネルギ変換機能を有する材料の層だけを複数層重ねた圧電性を有しない圧電不活性部４とから構成されている。
【００４７】
圧電活性部３は、複数の圧電層５から構成されている。複数の圧電層５の表面には、４分割（Ａ＋、Ａ−、Ｂ＋、Ｂ−）された内部電極６−１、４分割（ＡＧ、ＡＧ、ＢＧ、ＢＧ）された内部電極６−２がそれぞれ形成されると共に、各内部電極６−１、６−２と接続されて圧電層５の外縁部まで延びる接続電極６ａ（図中黒色に塗りつぶしている部分）がそれぞれ形成されている。各内部電極６−１における接続電極６ａは、それぞれ積層圧電素子１の軸方向で同一位相位置に形成され、各内部電極６−２における接続電極６ａは、それぞれ積層圧電素子１の軸方向で同一位相位置に形成されている。
【００４８】
更に、積層圧電素子１の軸方向で同一位相位置に位置する接続電極６ａは、積層圧電素子１の外周部に配設された層間の導通を図る外部電極７−１により接続されている。外部電極７−１は、積層圧電素子１の軸方向で同位相位置に位置する接続電極６ａ毎に、積層圧電素子１の周方向に沿った状態で例えば８本形成されている。
【００４９】
圧電活性部３の各内部電極６−１は、従来例と同様に、４分割された内部電極Ａ＋、Ａ−、Ｂ＋、Ｂ−から構成されており、圧電活性部３の各内部電極６−２は、４分割された内部電極ＡＧ、ＡＧ、ＢＧ、ＢＧから構成されている。内部電極Ａ＋、Ａ−、Ｂ＋、Ｂ−と、内部電極ＡＧ、ＡＧ、ＢＧ、ＢＧは、積層圧電素子１の軸方向で対向している。そして、圧電活性部３は、第１層から最終層まで、内部電極６−２、６−１を形成した圧電層５を交互に積層している。
【００５０】
他方、圧電不活性部４は、内部電極の無い少なくとも１層以上の一体化された圧電層５から構成されている。圧電不活性部４の厚さは、積層圧電素子１の軸方向に直交する２つの曲げ振動を発生させることが可能な厚さに設定されている。この場合、圧電不活性部４の厚さが薄いと、曲げ振動を発生させることができない。
【００５１】
更に、積層圧電素子１の端面１−ａの表面には、周方向に沿って複数の表面電極７−２が形成されており、それぞれの外部電極７−１と導通している。
【００５２】
ここで、本実施の形態の積層圧電素子１は、例えば、外径が約１０ｍｍ、内径が約２．８ｍｍ、長さが約８ｍｍであり、圧電活性部３の圧電層５の厚さは約９０μｍ、内部電極６−１、６−２の厚さは約２〜３μｍで、内部電極の層数は２５層とした。また、外部電極７−１の長さは約２ｍｍ、幅は約１ｍｍ、厚さは約０．０５ｍｍとし、圧電不活性部４の圧電層５の厚さは同様に約９０μｍとした。ただし、圧電不活性部４は、寸法のより厚い層を重ねることで層数を少なくするようにしても良い。また、本実施の形態では、積層圧電素子１の軸方向に直交する２つの曲げ振動を発生させることが可能な厚さであれば、端面１−ａの最終層の厚さも厚い層を用いても良いし、複数の層を重ねても良い。
【００５３】
積層圧電素子１は、圧電層５となる圧電セラミックス粉末と有機バインダからなり、一定寸法の形状（例えば縦横約１３ｍｍの四角形）に切り出したグリーンシートを使用することで、以下の製造方法で製造される。
【００５４】
最初に、図２に示すように、積層圧電素子１を構成する圧電不活性部４は、グリーンシートだけを所定枚数重ね、積層圧電素子１を構成する圧電活性部３は、内部電極６−１、６−２のパターンを銀・パラジウム粉末ペーストを用いてグリーンシート上にスクリーン印刷で形成し、該スクリーン印刷したグリーンシートの所定の枚数を順に重ね、これらを加熱しながら加圧して積層化し一体化する。
【００５５】
次に、図２に示すように、上記積層化した積層圧電素子１に対し、ドリル加工により、積層圧電素子１の内径に相当する位置に貫通孔を開け、その後、所定温度（例えば１１００〜１２００度Ｃ）の鉛雰囲気で焼成する。焼成後、両面のラップ加工を行い、積層圧電素子１の両端面を平滑化する。
【００５６】
次に、図１及び図２に示すように、積層圧電素子１の外径を、研削加工により円筒状に研削し、積層圧電素子１の外周部に接続電極６ａを露出させる。その後、円筒形表面印刷用のスクリーン印刷機を使用し、積層圧電素子１の外周部の接続電極６ａが露出した８個所に外部電極７−１を印刷し乾燥させる。更に、表面電極７−２を外部電極７−１と導通する位置に印刷し乾燥させる。印刷後は、所定温度（例えば約７５０度Ｃ）で加熱し、積層圧電素子１の外周部の外部電極７−１と表面電極７−２を焼き付ける。
【００５７】
次に、図１に示すように、圧電不活性部４の外周部に対し、機械（研削）加工により外周方向に沿って削ることで、環状の凹み部８（凹部）を形成し、また、積層圧電素子１の軸方向一方の端面１−ｂ側の圧電不活性部４から内径を一部拡大するように削ることで、凸部９を形成する。
【００５８】
ここで、凹み部８は、振動変位の拡大を目的として形成される。凹み部８を形成した部分は剛性的に弱い部分となるため、凹み部８より上の部分が振動しやすくなる。また、凸部９は、積層圧電素子１におけるロータ１８（図３参照）と加圧接触する端面に部材（例えば耐摩耗性の良好な金属やセラミックス）を配設する際の位置決め用として形成される。なお、本実施の形態では振動子の振動変位の拡大を目的として凹み部８を形成したが、振動子の端部に凸部を形成し、端部の質量を増加させることによって、凸部を形成した部分が振動しやすくなるように構成してもよい。
【００５９】
最後に、図２に示すように、内部電極６−１、６−２における４分割した各電極（Ａ＋、Ａ−、Ｂ＋、Ｂ−、ＡＧ、ＡＧ、ＢＧ、ＢＧ）に対し、特定の分極方向に分極処理を行う。具体的には、８本の外部電極７−１に金属コンタクトピンを押し当て、所定温度（例えば１００〜１５０度Ｃ）のオイル中で、ＡＧ、ＢＧをグランド（G）とし、内部電極Ａ＋、Ｂ＋をプラス（+）とし、内部電極Ａ−、Ｂ−をマイナス（-）として、それぞれ所定電圧（例えば３００Ｖ）を印加して、約１０分〜３０分かけて分極処理を行う。
【００６０】
この結果、積層圧電素子１は、図２に示すように、電気的なグランドに相当する内部電極ＡＧ、ＢＧ、ＡＧ、ＢＧに対し、内部電極Ａ＋、Ｂ＋が（+）の極性に、内部電極Ａ−、Ｂ−が（-）の極性に、異なるように分極される。    
【００６１】
図３は、積層圧電素子１を組み込んだ棒状の振動波モータ１１の構成を示す断面図である。
【００６２】
図３において、振動波モータ１１（振動波駆動装置）は、積層圧電素子１を振動体１０として用いている。振動体１０は、ボルト１２を積層圧電素子１の内径部に挿入し、ボルト１２のフランジ部１３とナット１４−１と金属のリング状の部品１４−２により積層圧電素子１を挟持し固定することで構成されている。ボルト１２のフランジ部１３の上側には、振動波モータ１１の上部構造であるロータ部が配設されている。ロータ部は、ばね１６とばね支持体１７を介して振動体１０の端面に加圧接触したロータ１８（接触体）と、ギヤ１９を備えている。ロータ１８は、ギヤ１９と一体に構成されており、ロータ１８の回転をギヤ１９から取り出すことができる。
【００６３】
他方、振動体１０としての積層圧電素子１の端面１−ａに形成された表面電極７−２（図２参照）には、回路基板１５が接続され、回路基板１５により表面電極７−２と駆動回路（不図示）とを電気的に接続している。端面１−ａに形成された表面電極７−２により回路基板１５との導通が容易で、上記のようにボルト１２のフランジ部１３とナット１４−１と金属のリング状の部品１４−２により積層圧電素子１を挟持し固定することで、信頼性も向上させることができる。尚、回路基板１５は、フレキシブル基板とする構造、板状の硬い回路基板とする構造のどちらでも良い。
【００６４】
振動波モータ１１の実際の駆動は、振動体１０としての積層圧電素子１における上述の極性を有すると共に、積層圧電素子１の径方向で対向する位置関係（ＡＧとＡＧ、ＢＧとＢＧ、Ａ＋とＡ−、Ｂ＋とＢ−）にある２つの内部電極において、ＡＧ相、ＢＧ相はグランドとし、Ａ＋、Ａ−をＡ相とし、Ｂ＋、Ｂ−をＢ相として、Ａ相に振動体１０の固有振動数とほぼ一致した高周波電圧を印加し、Ｂ相にはＡ相と位相が９０度異なる高周波電圧を印加することにより行う。
【００６５】
上記の高周波電圧の印加により、積層圧電素子１を構成する圧電活性部３のＡ＋、Ａ−が交互に厚み方向で伸縮し、同様に、圧電活性部３のＢ＋、Ｂ−も厚み方向で伸縮する。圧電活性部３の伸縮動作を、該圧電活性部３の軸方向両側に積層され一体化された圧電不活性部４で曲げ振動に変えることにより、積層圧電素子１に対し、軸方向に直交する２つの曲げ振動を発生させることが可能となる。
【００６６】
ここで、従来例の積層圧電素子４０（図１０参照）は、厚み方向での伸縮しかできないが、金属部材５３と金属部材５４により積層圧電素子４０を挟持固定することで振動体５１を構成することにより、２つの曲げ振動を発生させていた（尚、積層圧電素子４０は、絶縁のために最上層と最下層の１層分は分極されていない圧電不活性層を有しているが、この層は薄いので厚み方向での１つの振動（伸縮）しかできない）。
【００６７】
これに対し、本実施の形態の積層圧電素子１は、従来例のように金属部材５４で積層圧電素子を挟持固定する代わりに、圧電不活性部４を圧電活性部３に積層し一体化しているので、棒状の振動波モータ１１を駆動するための上記２つの曲げ振動を発生させることが可能となる。この２つの曲げ振動は、振動体１０としての積層圧電素子１の端面１−ｂを駆動部として首振り運動を行わせることができ、この駆動部に加圧接触するロータ１８は摩擦により回転する。
【００６８】
尚、本実施の形態では、振動体１０としての積層圧電素子１におけるロータ１８と加圧接触する端面１−ｂには、耐摩耗性の良好な金属やセラミックスの小部品を配設することで、耐久性を向上させることも可能である。
【００６９】
また、本実施の形態では、積層圧電素子１の圧電不活性部４の外周部に形成した振動変位拡大用の凹み部８の形状を環状とした場合を例に挙げたが、凹み部８の形状は、振動変位の拡大が可能な範囲で任意の形状とすることができる。
【００７０】
また、本実施の形態では、内部電極間の導通を外部電極により取る構成としているが、後述する第２の実施の形態のようにスルーホールで導通を取った表面電極を用いても良い。
【００７１】
以上説明したように、本実施の形態によれば、積層圧電素子１を、電気−機械エネルギ変換機能を有する材料の層と電極材料の層とを複数層重ねた圧電性を有する圧電活性部３と、電気−機械エネルギ変換機能を有する材料の層だけを複数層重ねた圧電性を有しない圧電不活性部４とから構成し、圧電不活性部４の厚さを、積層圧電素子１の軸方向に直交する２つの曲げ振動を発生可能な厚さに設定しているため、複数の振動モード（２つの曲げ振動のモード）を有することが可能となる。
【００７２】
また、積層圧電素子１の圧電活性部３の端面１−ａに表面電極７−２を形成しているため、表面電極７−２により回路基板１５との導通が容易となると共に、複数の振動を積層圧電素子それ自体で効率的に起こすことが可能となる。
【００７３】
また、振動波モータの性能を悪くしていた金属部材間の界面の振動減衰の原因を少なくすることができる結果、振動波モータの性能を向上させることが可能となる。
【００７４】
また、振動波モータの小型化も容易になり、振動波モータの性能の向上のみならず、振動波モータの製造工程の短縮を図ることができると共に、部品点数及びコストの低減も可能となる。
【００７５】
また、積層圧電素子１を構成する圧電不活性部４の外周部を機械加工することで凹み部８を配設しているため、振動変位の拡大など設計仕様への対応や変更を的確に行うことができるばかりでなく、圧電材料は金属に比べ加工性が良く、微細加工も容易に行うことができる。また、積層圧電素子１の端面の表面電極と基板との導通は挟持し固定するので確実に行える。
【００７６】
上記のように、今後の新たな小型化及び高出力化を実現しようとする振動波モータにとって、性能面及び製造面における効果は大きい。
【００７７】
［第２の実施の形態］
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る積層圧電素子の構成を示す斜視図である。図５は、積層圧電素子の製造途中の段階を示すと共にその積層構造を示す斜視図である。尚、以下では製造途中段階の積層圧電素子と製造後の積層圧電素子には便宜上同じ符号を付すものとする。
【００７８】
図５において、積層圧電素子２は、後述の研削加工前は平板状の形状を有するものであり、圧電活性部２６と、圧電不活性部２７−２から構成されている。圧電不活性部２７−２は、一番上の第１層から第７層までが内部電極の無い圧電層２２から構成されている。圧電活性部２６は、第８層から最終層（最下層である第１１層）までが、２分割された内部電極２３−１、２３−２が形成された圧電層２２と、全面に内部電極２３−３が形成された圧電層２２とが交互に重なり積層化されることで構成されている。
【００７９】
図５において、圧電活性部２６と圧電不活性部２７−２は、例えば同時に積層して一体化され焼成される。
【００８０】
各圧電層２２における、２分割された内部電極２３−１、２３−２と、全面の内部電極２３−３は、それぞれ、スルーホール２４−１、２４−２、２４−３を介し独立して電気的に繋がれており、最下層の圧電層裏面に配設される３つに分割された表面電極２５−１、２５−２、２５−３と導通している。そして、後述の分極処理を行い、各圧電層２２には所定の分極極性を与えられる。
【００８１】
図４に示すように、図５の圧電不活性部２７−２を研削加工により削り出すことで、圧電不活性部２７−１の上面には、２つの突起部２１（凸部）が形成されている。加工後の圧電不活性部２７−１の厚さは、積層圧電素子２において曲げ振動を発生させることが可能な厚さに設定されている。この場合、圧電不活性部２７−１の厚さが薄いと、曲げ振動を発生させることができない。つまり、最終的に、振動体２０は、圧電活性部２６と圧電不活性部２７−１、そして、２つの突起部２１を備えた積層圧電素子２により構成されている。
【００８２】
ここで、２つの突起部２１は、振動変位の拡大を目的として形成される。ただし、２つの突起部２１は積層圧電素子２と必ずしも同一の幅で角形状でなくても良い。これらは振動体の振動への影響や加工の容易さから決められる。
【００８３】
図６（ａ）は、図５に示した積層圧電素子２の長手方向の断面図であり、積層圧電素子に表面電極がある場合である。
【００８４】
図６（ａ）において、積層圧電素子２は、最上層の第１層（１）、第２層（２）、・・・最下層の第１１層（１１）の順に積層されており、内部電極２３―１、２３―２、２３―３と、端面となる最下層の第１１層（１１）の表面電極２５―１、２５―２、２５―３、そして、スルーホール２４−1、２４−２、２４−３を備えている。斜線で示す内部電極２３−１と内部電極２３−３、内部電極２３−２と内部電極２３−３、内部電極２３−３と表面電極２５−１、内部電極２３−３と表面電極２５−２で挟まれた第８層（８）から第１１層（１１）までの領域は、分極処理され圧電活性化されている。
【００８５】
ここで、表面電極２５−１、２５−２は、内部電極２３−１、２３−２とほぼ同じ外形寸法である。つまり、表面電極２５−１、２５−２の形成された圧電層、即ち、積層圧電素子２の端面の最下層の第１１層（１１）（最終層）も、分極処理され圧電活性化されている。
【００８６】
このように、積層圧電素子２の最下層の第１１層（１１）が分極処理され圧電活性化されることで、伸縮できる層は斜線で示す第８層（８）から第１１層（１１）の４層となり、板状の積層圧電素子２においては、曲げ振動を低電圧で大きな振幅で効率的に発生させることが可能となった。
【００８７】
図６（ｂ）は、図５に示した積層圧電素子２の長手方向の断面図であり、積層圧電素子に表面電極が無い場合である。
【００８８】
図６（ｂ）において、圧電活性部２６´の分極活性化領域は、斜線で示す第８層（８）から第１０層（１０）の３層だけである。最終層（１１´）は分極活性化されていないので、伸縮することはできず、また、逆に、この最終層（１１´）は第８層（８）から第１０層（１０）の伸縮を拘束してしまう結果となっている。尚、従来は、表面電極は面積が小さく分極処理にだけ用いられ、その後、両面ラップ加工によって削り落とされていたので、最終層は活性領域としては用いることはなかった。
【００８９】
また、本実施の形態では、図４及び図５に示すように、この表面電極を用いて、表面電極層２５−１、２５−２、２５−３のそれぞれの端部の所定の位置に回路基板２８を貼り付け導通を図ることで、駆動回路（不図示）との接続を容易に行うことができる。尚、回路基板２８は、フレキシブル基板とする構造、板状の硬い回路基板とする構造のどちらでも良い。
【００９０】
従来例と同様に、積層圧電素子２の内部電極２３−１、２３−２、２３−３に例えば９０度の時間的な位相差を有する高周波電圧を印加し、２つの曲げ振動を同時に発生させる。２つの曲げ振動からなる複合振動を合成することで、振動体２０を構成する積層圧電素子２の圧電不活性部２７−１の上の２つの突起部２１の先端には、楕円運動または円運動を発生させることができる。
【００９１】
この結果、振動体２０の突起部２１の先端を固定部（不図示）に加圧接触させると、該先端に発生した楕円運動または円運動により、振動体２０は固定部に対し自走する。従って、振動体２０に対して他の部材（接触体）を加圧接触させることで、振動体２０との間に相対移動運動が形成されるため、直線（リニア）駆動する振動波モータを構成することができる。
【００９２】
尚、本実施の形態では、振動体２０としての積層圧電素子２の圧電不活性部２７−１の上の２つの突起部２１における他の部材と加圧接触する端面には、極く薄い耐摩耗性の良好な金属やセラミックスを配設することで、耐久性を向上させることも可能である。
【００９３】
ここで、本実施の形態の積層圧電素子２は、例えば、縦が２０ｍｍ、幅が５ｍｍ、厚さが約０．４４ｍｍであり、圧電層２２の厚さは４０μｍ、内部電極の厚さは１〜２μｍであり、また、スルーホールの径は０．１ｍｍである。また、圧電不活性部２７−２の圧電層２２は、より厚いシートを用いて層数を少なくしても良い。
【００９４】
積層圧電素子２の製造方法は、上記第１の実施の形態と基本的に同じであり、以下のような工程となる。
【００９５】
最初に、内部電極を形成していないグリーンシートと内部電極を形成したグリーンシートとを積層して一体化し、その後、所定温度（例えば１１００〜１２００度Ｃ）の鉛雰囲気で焼成する。
【００９６】
次に、図５に示すように、３本のスルーホールに繋がる表面電極２５−１、２５−２、２５−３にそれぞれ金属コンタクトピンを押し当て、内部電極２３−３と導通した表面電極２５−３をグランド（G）とし、内部電極２３−１、２３−２にそれぞれ導通した表面電極２５−１、２５−２をプラス（+）として、所定温度（例えば１００〜１５０度Ｃ）のオイル中で、所定電圧（例えば２００Ｖ）を印加して、約１０分〜３０分かけて分極処理を行う。
【００９７】
最後に、上記の分極処理後、積層圧電素子２の圧電不活性部２７−２側の片面だけラップ加工を行うことで積層圧電素子２の片面を平滑化し、図５に示す積層圧電素子２の圧電活性部２７−２を研削加工し、図４に示すように圧電不活性部２７−１の上に２つの凸部である突起部２１を削り出す。
【００９８】
尚、本実施の形態では、積層圧電素子１の圧電不活性部２７−１の上に形成した振動変位拡大用の突起部２１の形状を直方体状とし配設数を２つとした場合を例に挙げたが、突起部２１の形状及び配設数は、振動変位の拡大が可能な範囲で任意の形状及び任意の配設数とすることができる。
【００９９】
また、本実施の形態では、内部電極間の導通をスルーホールにより取っているが、第１の実施の形態のように外部電極で導通を取った表面電極を用いても良い。
【０１００】
以上説明したように、本実施の形態によれば、従来は金属部材である弾性体と圧電素子の貼り合わせにより２つの曲げ振動を起こしていたが、積層圧電素子２として圧電活性部２６に圧電不活性部２７−２を積層し一体化すると共に、他の部材に加圧接触させるための突起部２１を圧電不活性部２７−２から削り出すことで形成しているため、積層圧電素子２だけで振動波モータの振動体２０として使用することができ、２つの曲げ振動を同時に起こすことが可能となる。
【０１０１】
また、積層圧電素子２の最下層の第１１層（１１）に表面電極２５−１、２５−２を形成すると共に分極処理し圧電活性化することで、伸縮できる層は第８層（８）から第１１層（１１）の４層となり、板状の積層圧電素子２において曲げ振動を低電圧で大きな振幅で効率的に発生させることが可能となる。
【０１０２】
また、積層圧電素子２の最下層の第１１層（１１）に表面電極２５−１、２５−２を配設することで、最下層の圧電層の分極のために、また、内部電極間の分極処理のための金属コンタクトピンの当たる導通部として、更に、モータ駆動時の電力供給のための回路基板との接続用の端子としての役割を果たすことができる。
【０１０３】
また、従来のように、圧電素子と厚い金属部材との接着を行うことが不要となるため、振動波モータの性能を悪くしていた振動減衰の原因を取り除くことができる結果、振動減衰を非常に少なくすることが可能となり、振動波モータの性能を向上させることが可能となる。
【０１０４】
また、金属部材を使用することが不要となるため、振動波モータの小型化も容易になり、振動波モータの性能の向上のみならず、振動波モータの製造工程の短縮を図ることができると共に、部品点数及びコストの低減も図ることが可能となる。
【０１０５】
また、積層圧電素子２を構成する圧電不活性部２７−２を研削加工することで突起部２１を形成しているため、振動変位の拡大など設計仕様への対応や変更を的確に行うことができるばかりでなく、圧電材料は金属に比べ加工性が良く、微細加工も容易に行うことができる。
【０１０６】
［第３の実施の形態］
図７は、本発明の第３の実施の形態に係る積層圧電素子を使用した振動波モータの構成を示す斜視図である。
【０１０７】
図７において、振動波モータ３１は、上述した第２の実施の形態の図５に示した平板形状の積層圧電素子２を使用したリニア型の振動波モータである。振動波モータ３１は、振動体３２と、振動体３２の接触部に加圧接触状態で保持されるスライダ３３を備えている。超音波モータ３１は、振動体３２及びスライダ３３の他に、振動体３２と外部との電気的な接続を行う回路基板、振動体３２の支持を行う支持部材、スライダ３３のガイド部材、振動体３２とスライダ３３の間の加圧力を与える加圧機構等から構成される。
【０１０８】
振動体３２は、摩擦板３２―１と積層圧電素子３２―２から構成されている。振動体３２は、スライダ３３に対して図７に示すＸ方向への送り力を伝達する。スライダ３３は、角棒状のスライダ基部３３―１と板状の摩擦材３３-２を接合して形成される。スライダ３３は、振動体３２から伝達される送り力により振動体３２に対してＸ方向に相対運動を行う。
【０１０９】
一方、振動体３２の摩擦板３２―１は、高摩擦係数と摩擦耐久性を兼ね備える材料から形成されており、本実施の形態ではＳＵＳ４２０Ｊ２の表面を窒化処理して所望の特性を得ることができた。加圧力を与える加圧機構等により振動体３２とスライダ３３とを加圧接触させることで、摩擦力を得ることができる。
【０１１０】
図８は、積層圧電素子からなる振動体３２の構成を示す斜視図である。
【０１１１】
図８において、振動体３２は、極く薄い矩形平板状の摩擦板３２−１を、上記図５に示した積層圧電素子２に相当する積層圧電素子３２―２に接着等で貼り付けることにより構成されている。摩擦板３２−１と積層圧電素子３２―２は、Ｘ方向及びＹ方向の縁が略一致するように形状と位置が規定されている。振動体の長辺は２０ｍｍ、短辺は５ｍｍ、厚さは０．６ｍｍである。摩擦板３２−１はＳＵＳ４２０Ｊ２の板材から加工され、厚さは最大０．１６ｍｍである。
【０１１２】
摩擦板３２−１の厚い個所は、２つの接触部３２―１−ａと２つの縁部３２−１−ｂを構成している。これら接触部３２−１−ａと縁部３２−１−ｂは同じ厚さ０．１６ｍｍであり表面は連続している。摩擦板３２−１の他の部位は表面側から板厚が更に薄くなるように加工されており、摩擦板中央付近の薄板部３２−１−ｃ、単部付近の２つの薄板部３２−１−ｄを構成している。
【０１１３】
これらの薄板部３２−１−ｃ、３２−１−ｄは、板状の素材の表面側からエッチング処理により素材を除去することで形成される。薄板部３２−１−ｃ、３２−１―ｄの厚さは０．０５ｍｍである。これらの薄板部３２−１−ｃ、３２−１−ｄは、接触部３２−１−ａより凹むように構成されているので、薄板部３２−１−ｃ、３２−１−ｄがスライダ３３と干渉せずに、接触部３２−１−ａのみがスライダ３３に当接することで、所望の送り力をスライダ３３に伝達することができる。
【０１１４】
積層圧電素子３２−２は、上記図５に示した積層圧電素子２と同じであり、圧電活性部と圧電不活性部とから構成され、振動体３２には第１及び第２の振動モードが互いの位相が略９０度ずれて励起される。
【０１１５】
図９は、積層圧電素子からなる振動体３２に励起される２つの振動モードを示す斜視図であり、（ａ）は第１の振動モードを示す図、（ｂ）は第２の振動モードを示す図である。
【０１１６】
図９において、これら２つの振動モードは板状の振動体３２の面外曲げモードである。図９（ａ）に示す第１の振動モードは、図中Ｘ方向に節が生じる面外１次曲げモードであり、図９（ｂ）に示す第２の振動モードは、図中Ｙ方向に節が生じる面外２次曲げモードである。これら２つの振動モードは、共振周波数が略一致するように振動体の形状が設計されている。
【０１１７】
第１の振動モードが励起されているとき、２つの接触部３２−１−ａはＺ方向の繰り返し上下運動を生じている。第２の振動モードが励起されているとき、２つの接触部３２−１−ａはＸ方向の繰り返し上下運動を生じている。第１の振動モードと第２の振動モードの時間的な位相を例えば９０度ずれるように各々の振動モードの励起を行うと、接触部３２−１−ａはＸＺ面内で略楕円運動を生じる。この略楕円運動により、接触部３２−１−ａと加圧接触しているスライダ３３はＸ方向への送り力を受けて、振動体３２との間で相対移動運動を行うことができる。
【０１１８】
以上説明したように、本実施の形態によれば、振動体３２は積層圧電素子３２−２を主体とし、その表面に薄い耐磨耗性を有する金属である摩擦板３２−１を貼り付けた構成としているため、基本的に積層圧電素子３２−２だけで上記の第１の振動モードと第２の振動モードを励起することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０１１９】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る積層圧電素子の構成を示す外観図と断面図である。
【図２】積層圧電素子の製造の途中段階を示すと共にその積層構造を示す斜視図である。
【図３】積層圧電素子を組み込んだ棒状の振動波モータの構成を示す断面図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る積層圧電素子の構成を示す斜視図である。
【図５】積層圧電素子の製造途中の段階を示すと共にその積層構造を示す斜視図である。
【図６】積層圧電素子の長手方向の断面図であり、（ａ）は表面電極がある場合、（ｂ）は表面電極が無い場合である。
【図７】本発明の第３の実施の形態に係る積層圧電素子を使用した振動波モータの構成を示す斜視図である。
【図８】積層圧電素子からなる振動体の構成を示す斜視図である。
【図９】積層圧電素子からなる振動体に励起される２つの振動モードを示す斜視図であり、（ａ）は第１の振動モードを示す図、（ｂ）は第２の振動モードを示す図である。
【図１０】従来例に係る積層圧電素子を示す斜視図である。
【図１１】積層圧電素子を組み込んだ棒状の振動波モータの構成を示す断面図である。
【図１２】積層圧電素子を配置したリニア駆動する振動波モータの構成を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は右側面図、（ｃ）は平面図である。
【符号の説明】
【０１２０】
１、２、３２−２  積層圧電素子
１−ａ  端面
３、２６  圧電活性部
４、２７−１、２７−２  圧電不活性部
５、２２  圧電層
６−１、６−２、２３−１、２３−２、２３−３  内部電極
７−１  外部電極
７−２、２５−１、２５−２、２５−３  表面電極
８  凹み部
９  凸部
１０、２０、３２  振動体
１１、３１  振動波モータ
１５  回路基板
１８  ロータ
２１  突起部
２４−１、２４−２、２４−３  スルーホール
３３  スライダ
【図１】
2006186099.tif 000003
【図２】
2006186099.tif 000004
【図３】
2006186099.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2006186099.tif 000009
【図８】
2006186099.tif 000010
【図９】
2006186099.tif 000011
【図１０】
2006186099.tif 000012
【図１１】
2006186099.tif 000013
【図１２】
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