(57)【要約】    【課題】  性能の向上と小型化を図ったすべり変形用或いはねじり変形用の積層圧電素子を提供すると共に、製造工程を簡易化することで製造コストの低減も図り、更に積層圧電素子を組み込む振動体の振動減衰を極力少なくすることで振動波モータの性能向上を図ることを可能とする。    【解決手段】  積層圧電素子１を、直方体形状とし、圧電層４を複数重ねて積層化する。積層圧電素子１において、第２層から最下層の各圧電層４の表面に帯状の内部電極６−１、６−２を配設すると共に、内部電極６−１、６−２の表面に導通を図るための外部電極７−１、７−２を配設し、各圧電層４の積層方向に分極極性を付与し、内部電極６−１、６−２に対し外部電極７−１、７−２を介して、圧電層４と平行する方向に電界が発生するように電圧を印加することで、すべり変形を起こす。【選択図】      図１
2005150351.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気量を機械量に変換する機能を有し複数重ねて積層化されると共に電極が形成された圧電層を備え、前記圧電層の積層方向に分極極性が付与され、前記各電極に対し、前記圧電層と平行する方向に電界が発生するように電圧が印加されることを特徴とする積層圧電素子。
【請求項２】
前記積層圧電素子を直方体形状とし、前記各圧電層に、帯状或いは棒状の前記電極を前記積層圧電素子の長手方向に間隔を置いて複数配置した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】
前記積層圧電素子をリング形状とし、前記各圧電層に、線状或いは棒状の前記電極を前記積層圧電素子の周方向に間隔を置いて放射状に複数配置した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】
前記積層圧電素子を円盤形状とし、前記各圧電層に、線状或いは棒状の前記電極を前記積層圧電素子の周方向に間隔を置いて放射状に複数配置したことを特徴とする請求項１記載の積層圧電素子。
【請求項５】
電気量を機械量に変換する変換機能を有する圧電層を複数重ねて積層化する工程と、前記各圧電層に電極を形成する工程と、前記圧電層の積層方向に電圧を印加し分極極性を付与する工程と、前記各電極の端面に導体を付設する工程と、前記各電極に付設した導体に対し、前記圧電層と平行する方向に電界が発生するように電圧を印加する工程とを有することを特徴とする積層圧電素子の製造方法。
【請求項６】
前記請求項１乃至４の何れかに記載の積層圧電素子を加振源とすることを特徴とする振動体。
【請求項７】
前記請求項１乃至４の何れかに記載の積層圧電素子と縦振動用の積層圧電素子を加振源とすることを特徴とする振動体。
【請求項８】
前記請求項６又は７記載の振動体と、前記振動体に加圧接触する接触体とを備え、前記振動体の振動により前記接触体を駆動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層を複数積層化した積層圧電素子に関し、特に、すべり変形やねじり変形を起こす場合に好適な積層圧電素子、該積層圧電素子の製造方法、該積層圧電素子を用いた振動体、及び該振動体を備える振動波駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、圧電素子を振動体として組み込んだ振動波モータについては、種々の検討及び開発が行われている。各種の振動波モータの中で、ねじり振動で駆動する振動波モータに関する従来技術としては、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２参照）。
【０００３】
図９は、従来例に係るねじり振動用の圧電素子の製造方法及びすべり振動の様子を示す図であり、（ａ）は圧電素子を小片に分割した状態を示す斜視図、（ｂ）は小片に分極極性を付与した状態を示す斜視図、（ｃ）は圧電素子の周方向にすべり振動を発生させた状態を示す斜視図である。
【０００４】
図９において、通常、ねじり振動用の圧電素子を製造する場合、最初に、図９（ａ）に示すように、リング状の圧電素子３０を複数の扇状の小片３１に機械的に分割する。次に、図９（ｂ）に示すように、その分割した各小片３１の２つの面にそれぞれ電極３２を形成して周方向に分極極性Ｐを付与した後、これら電極３２を除去する。更に、図９（ｃ）に示すように、各小片３１の表面と裏面にそれぞれ電極３３を形成した後、各小片３１をリング状に再び組み直し、厚み方向に駆動電圧を印加して周方向にすべり振動Ｓを発生させ、ねじり振動用の圧電素子３４としている。
【０００５】
上記のようなねじり振動用の圧電素子と縦振動を起こす圧電素子を円柱形状または円筒形状の金属部材で挟み込むことで、ねじり縦超音波振動子を構成すると共に、一方の金属部材の端面にロータを加圧接触させ、該金属部材の端面に、ねじり振動と縦振動を合成した振動を発生させることでロータを回転させる構造とした振動波モータも知られている。
【０００６】
また、最近、圧電素子は多数層を積層し一体化したものが使用されてきている。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３、特許文献４、特許文献５参照）。
【０００７】
上記のような多数層を積層した圧電素子が使用される理由としては、積層化によって、低い印加電圧で大きな変形歪や大きな力が得られると共に、積層化する一層の厚さを薄くすることができ、小型で高性能な圧電素子が容易に得られるためである。
【０００８】
また、ねじり振動を起こすために積層化された圧電素子についても、従来から提案されている（例えば、特許文献６参照）。
【０００９】
更に、圧電体と、複数本の導体を略平行に所定間隔で並べた電極とを、圧電体の厚み方向に積層し、圧電体を圧電体の厚み方向に略直交する方向に分極し、圧電体を積層方向に挟んで対向する電極間に駆動電圧を印加することにより、圧電体がずり剪断変形を起こすようにした圧電アクチュエータが提案されている（例えば、特許文献７参照）。
【特許文献１】特公平５−３４９０９号公報
【特許文献２】特許第２８２６６７４号
【特許文献３】特開平６−７７５５０号公報
【特許文献４】特開平６−１２０５８０号公報
【特許文献５】特開平８−２１３６６４号公報
【特許文献６】特許第３３４２１８０号
【特許文献７】特許第３４０６８９９号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述した圧電素子を使用した振動波モータは、今後、小型化、高効率化、高出力化の実現と、更にコストの低減が要望されている。また、ねじり振動で駆動する振動波モータにおいても、該振動波モータに組み込まれる圧電素子の性能の向上と共に、特にコストの低減という大きな課題がある。
【００１１】
しかしながら、従来技術では、上述したように、ねじり振動用の圧電素子を製造する場合、該圧電素子を複数の小片に分割してから分極し再び組み直すなど製造工程が複雑であり、かなり手間のかかる製造方法であった。更に、分割した複数の小片を再び組み直す際に、分割した面が残るとか小片を均一に並べることも難しいなどの欠点があり、圧電素子を実際に使用する上においても問題点があった。従って、従来のねじり振動用の圧電素子においては、小型化や高出力化は難しい面があった。また、上記の特許第3342180号に開示されている積層圧電素子においても、製造工程がやや複雑であった。
【００１２】
本発明の目的は、性能の向上と小型化を図ったすべり変形用或いはねじり変形用の積層圧電素子を提供すると共に、製造工程を簡易化することで製造コストの低減も図り、更に積層圧電素子を組み込む振動体の振動減衰を極力少なくすることで振動波モータの性能向上を図ることを可能とした積層圧電素子、その製造方法、振動体、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】
【００１３】
上述の目的を達成するために、本発明の積層圧電素子は、電気量を機械量に変換する機能を有し複数重ねて積層化されると共に電極が形成された圧電層を備え、前記圧電層の積層方向に分極極性が付与され、前記各電極に対し、前記圧電層と平行する方向に電界が発生するように電圧が印加されることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の積層圧電素子は、前記積層圧電素子を直方体形状とし、前記各圧電層に、帯状或いは棒状の前記電極を前記積層圧電素子の長手方向に間隔を置いて複数配置したことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の積層圧電素子は、前記積層圧電素子をリング形状とし、前記各圧電層に、線状或いは棒状の前記電極を前記積層圧電素子の周方向に間隔を置いて放射状に複数配置したことを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の積層圧電素子は、前記積層圧電素子を円盤形状とし、前記各圧電層に、線状或いは棒状の前記電極を前記積層圧電素子の周方向に間隔を置いて放射状に複数配置したことを特徴とする。
【００１７】
上述の目的を達成するため、本発明の積層圧電素子の製造方法は、電気量を機械量に変換する変換機能を有する圧電層を複数重ねて積層化する工程と、前記各圧電層に電極を形成する工程と、前記圧電層の積層方向に電圧を印加し分極極性を付与する工程と、前記各電極の端面に導体を付設する工程と、前記各電極に付設した導体に対し、前記圧電層と平行する方向に電界が発生するように電圧を印加する工程とを有することを特徴とする。
【００１８】
上述の目的を達成するため、本発明の振動体は、前記何れかに記載の積層圧電素子を加振源とすることを特徴とする。
【００１９】
上述の目的を達成するため、本発明の振動体は、前記何れかに記載の積層圧電素子と縦振動用の積層圧電素子を加振源とすることを特徴とする振動体。
【００２０】
上述の目的を達成するため、本発明の振動波駆動装置は、前記何れかに記載の振動体と、前記振動体に加圧接触する接触体とを備え、前記振動体の振動により前記接触体を駆動することを特徴とする。
【００２１】
更に、本発明は、複数の前記圧電層のうち最上層と最下層に仮設電極を配設し、前記仮設電極を介して前記圧電層の積層方向に分極極性を付与した後、前記仮設電極を除去するようにしてもよい。
【００２２】
更に、本発明は、前記各電極に対し、前記圧電層と平行する方向に直流電界又は交流電界が発生するように電圧を印加するようにしてもよい。
【００２３】
更に、本発明は、前記各圧電層に、棒状の前記電極を、直方体形状の前記積層圧電素子の長手方向に狭い間隔を置いて多数配置するようにしてもよい。
【００２４】
更に、本発明は、前記各圧電層に、帯状或いは棒状の前記電極を、直方体形状の前記積層圧電素子の長手方向に間隔を置いて且つ前記積層圧電素子の長辺と直交する方向に複数配置するようにしてもよい。
【００２５】
更に、本発明は、前記各圧電層に、帯状或いは棒状の前記電極を、直方体形状の前記積層圧電素子の長手方向に間隔を置いて且つ前記積層圧電素子の長辺と直交する方向から所定角度傾けた方向に複数配置するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の積層圧電素子によれば、複数重ねて積層化されると共に電極が形成された圧電層の積層方向に分極極性を付与し、各電極に対し、圧電層と平行する方向に電界が発生するように電圧を印加する構造であるため、積層圧電素子にすべり変形を起こすことができ、性能の向上と小型化を図ったすべり変形用の積層圧電素子を提供することができる。
【００２７】
また、本発明の積層圧電素子によれば、直方体形状の積層圧電素子の各圧電層に、帯状或いは棒状の電極を積層圧電素子の長手方向に間隔を置いて複数配置したので、積層圧電素子の長軸に平行にすべり変形を起こすことが可能な積層圧電素子を提供することができる。また、積層圧電素子を直方体形状とすることで積層方向の両端面が平坦となるため、振動波モータを構成する振動体の金属部材間に積層圧電素子を直接挟持して組み込むことが容易となる。
【００２８】
また、本発明の積層圧電素子によれば、リング形状の積層圧電素子の各圧電層に、線状或いは棒状の電極を積層圧電素子の周方向に間隔を置いて放射状に複数配置したので、積層圧電素子内部の周方向にすべり変形を生じさせ、全体としてねじり変形を起こすことが可能な積層圧電素子を提供することができる。また、積層圧電素子をリング形状とすることで積層方向の両端面が平坦となるため、振動波モータを構成する振動体の金属部材間に積層圧電素子を直接挟持して組み込むことが容易となる。
【００２９】
また、本発明の積層圧電素子によれば、円盤形状の積層圧電素子の各圧電層に、線状或いは棒状の電極を積層圧電素子の周方向に間隔を置いて放射状に複数配置したので、積層圧電素子内部の周方向にすべり変形を生じさせ、全体としてねじり変形を起こすことが可能な積層圧電素子を提供することができる。また、積層圧電素子を円盤形状とすることで積層方向の両端面が平坦となるため、振動波モータを構成する振動体の金属部材間に積層圧電素子を直接挟持して組み込むことが容易となる。
【００３０】
また、本発明の積層圧電素子の製造方法によれば、圧電層を複数重ねて積層化し、各圧電層に電極を形成し、圧電層の積層方向に電圧を印加し分極極性を付与し、各電極の端面に導体を付設し、各電極に付設した導体に対し、圧電層と平行する方向に電界が発生するように電圧を印加するので、積層圧電素子にすべり変形を起こすことができ、性能の向上と小型化を図ったすべり変形用の積層圧電素子を提供することができる。また、従来のように、圧電素子を複数の小片に分割し各小片に分極処理を施した後、各小片を再び組み直す手間が不要となるため、積層圧電素子の製造工程を簡易化することができると共に、製造コストの低減も図ることができる。
【００３１】
また、本発明の振動体によれば、前記積層圧電素子を加振源とするので、振動波モータを構成する振動体の金属部材間に、端面が平坦な直方体形状又はリング形状又は円盤形状の積層圧電素子を直接挟持して組み込んだ際の、積層圧電素子と金属部材の接触面の密着化により、振動体の振動減衰を極力少なくすることができる。
【００３２】
また、本発明の振動体によれば、前記積層圧電素子と縦振動用の積層圧電素子を加振源とするので、振動波モータを構成する振動体の金属部材間に、端面が平坦な直方体形状又はリング形状又は円盤形状の積層圧電素子及び縦振動用の積層圧電素子を直接挟持して組みんだ際の、積層圧電素子と金属部材の接触面の密着化により、振動体の振動減衰を極力少なくすることができる。
【００３３】
また、本発明の振動波駆動装置によれば、前記積層圧電素子を加振源とした振動体と、振動体に加圧接触する接触体とを備え、振動体の振動により接触体を駆動するので、振動体の前記振動減衰の低減に伴い、振動波モータの性能向上に繋げることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００３５】
［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圧電素子１を示す図であり、（ａ）は積層圧電素子１の外観を示す斜視図、（ｂ）は積層圧電素子１の内部構造を示す図である。図２は、積層圧電素子１の積層構造と製造方法を示す図であり、（ａ）は積層圧電素子１の外観を示す斜視図、（ｂ）は積層圧電素子１の積層構造及び製造方法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。
【００３６】
図１において、積層圧電素子１は、例えば直方体形状を有し、電気−機械エネルギ変換機能を有する圧電層４（第１層）と、複数の帯状の内部電極を配設した電気−機械エネルギ変換機能を有する圧電層４（第２層〜最下層）を重ねて積層化したものであり、各圧電層４を重ねた方向に分極極性を付与し、各内部電極に設けた各外部電極（導体）に対し、圧電層４と平行する方向に電界が発生するように電圧を印加することで、すべり変形を発生させる構造としたものである。
【００３７】
図２において、積層圧電素子１の製造方法を説明する。最初に、積層圧電素子１の圧電層４になる、圧電セラミックス粉末と有機バインダからなるグリーンシートを用意し、例えば印刷により電極を以下のように設ける。図２（ｂ）に示すように、複数の圧電層４のうち、第１層には、全面（非分割）の表面電極５−１を設け、最下層の裏面には、同じく全面（非分割）の表面電極５−２を設ける。
【００３８】
また、第２層から最下層までの各表面には、それぞれ、帯状の電極層である内部電極６−１、６−２を各層の長手方向に所定間隔を置いて設ける。尚、帯状とは、内部電極が所定の幅を有する状態である。この後、上記各層のグリーンシートを重ね加熱しながら加圧して積層化し、積層化したものを一体で焼成することで、製造途中段階としての（分極処理前の）積層圧電素子１を形成する。
【００３９】
次に、図２（ａ）に示すように、第１層の表面電極５−１と最下層の表面電極５−２に、それぞれコンタクトピン８を接触させ、各表面電極５−１、５−２に直流電圧を印加することで分極処理を行う。次に、図１（ｂ）に示すように、圧電層４に対し直交する方向（積層方向）に分極極性Ｐを付与する。
【００４０】
次に、第１層の表面電極５−１と最下層の表面電極５−２を削り落とすことで除去する。次に、積層圧電素子１の直方体形状の側面に露出した内部電極６−１と内部電極６−２の各表面（端面）に、図１（ａ）に示すように、それぞれ、導通を図るための外部電極７−１と外部電極７−２を設ける。尚、内部電極６−１、６−２は外部電極７−１、７−２の裏側に隠れているが、便宜上、図１（ａ）、（ｂ）では内部電極６−２を実線で図示している。
【００４１】
上記のような工程で製造した直方体形状の積層圧電素子１において、図１（ｂ）に示すように、外部電極７−１と外部電極７−２に対し、それぞれ、例えば（＋）電圧と（−）電圧を印加すると、圧電層４と平行する方向に電界Ｅが発生し、電界Ｅと分極極性Ｐとにより、矢印で示すように、積層圧電素子１の長手方向の軸と平行にすべり変形Ｌが生じる。また、積層圧電素子１において交流電界を与えれば、すべり変形Ｌの方向を反転させることも可能になる。
【００４２】
具体的には、積層圧電素子１の大きさは、例えば、縦20ｍｍ、幅8ｍｍ、厚さ0.3ｍｍである。圧電層４の全層数は５層で、圧電層４の厚さは60μｍである。内部電極６−１、６−２は幅1ｍｍ、長さ18ｍｍ、厚さは数μｍであり、銀とパラジウムから構成されている。分極処理は、所定温度（例えば100〜150度Ｃ）のオイル中で、印加電圧を200Ｖとし、約10分から30分間行った。その後、内部電極６−１、６−２に対する外部電極７−１、７−２として、接着剤入りの銀電極を付けた。積層圧電素子１にすべり変形を起こすための印加電圧は、例えば、分極時の印加電圧の約30％である数十ボルト程度であり、分極極性を変化させない電圧まで印加することが可能である。
【００４３】
以上説明したように、本実施の形態によれば、直方体形状の積層圧電素子１において、第２層から最下層の各圧電層４の表面に帯状の内部電極６−１、６−２を配設すると共に、内部電極６−１、６−２の表面に導通を図るための外部電極７−１、７−２を配設し、圧電層４の積層方向に分極極性を付与し、圧電層４と平行する方向に電界が発生するように電圧を印加するため、積層圧電素子１の長軸と平行にすべり変形を起こすことが可能となり、これにより、性能の向上と小型化を図ったすべり変形用の積層圧電素子を提供することができる。
【００４４】
また、従来のように、圧電素子を複数の小片に分割し各小片に分極処理を施した後、各小片を再び組み直す手間が不要となるため、積層圧電素子１の製造工程を簡易化することができると共に、製造コストの低減も図ることができる。
【００４５】
また、積層圧電素子１を直方体形状とすることで積層方向の両端面が平坦となるため、振動波モータを構成する振動体の金属部材間に積層圧電素子１を直接挟持して組み込むことが容易であり、積層圧電素子１と金属部材の接触面の密着化により積層圧電素子１を組み組み込んだ振動体の振動減衰を極力少なくすることができる結果、振動波モータの性能向上に繋げることができる。
【００４６】
［第２の実施の形態］
図３は、本発明の第２の実施の形態に係る積層圧電素子２を示す図であり、（ａ）は積層圧電素子２の外観を示す斜視図、（ｂ）は積層圧電素子２の内部構造を示す図である。図４は、積層圧電素子２の積層構造と製造方法を示す図であり、（ａ）は積層圧電素子２の外観を示す斜視図、（ｂ）は積層圧電素子２の積層構造及び製造方法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。
【００４７】
図３において、積層圧電素子２は、例えば直方体形状を有し、電気−機械エネルギ変換機能を有する圧電層１４（第１層）と、複数の棒状の内部電極を配設した電気−機械エネルギ変換機能を有する圧電層１４（第２層〜最下層）を重ねて積層化したものであり、各圧電層１４を重ねた方向に分極極性を付与し、各内部電極に設けた各外部電極に対し、圧電層１４と平行する方向に電界が発生するように電圧を印加することで、すべり変形を発生させる構造としたものである。
【００４８】
図４において、積層圧電素子２の製造方法を説明する。最初に、積層圧電素子２の圧電層１４になる、圧電セラミックス粉末と有機バインダからなるグリーンシートを用意し、例えば印刷により電極を以下のように設ける。図４（ｂ）に示すように、複数の圧電層１４のうち、第１層には、４分割された表面電極１５−１〜表面電極１５−４を設け、最下層の裏面には、全面（非分割）の表面電極１５−５を設ける。
【００４９】
また、第２層から最下層までの各表面には、それぞれ、棒状の電極層である内部電極１６−１〜１６−５を各層の長手方向に狭い間隔で設ける。内部電極を印刷により形成する印刷法では、内部電極を高精度に狭い間隔で設けることは容易である。尚、棒状とは、線状より太い状態である。この後、上記各層のグリーンシートを重ね加熱しながら加圧して積層化し、積層化したものを一体で焼成することで、製造途中段階としての（分極処理前の）積層圧電素子２を形成する。
【００５０】
次に、図４（ａ）に示すように、第１層の表面電極１５−１〜１５−４と最下層の表面電極１５−５に、それぞれコンタクトピン１８を接触させ、表面電極１５−５をグランドとし、表面電極１５−１〜１５−４に交互に（＋）と（−）の直流電圧を印加することで分極処理を行う。次に、図３（ｂ）に示すように、圧電層１４に対し直交する方向（積層方向）に分極極性Ｐを付与する。この結果、表面電極１５−１〜１５−４の下部の領域では、図３（ｂ）に示すように、分極極性Ｐの向きが交互に異なる。
【００５１】
次に、第１層の表面電極１５−１〜１５−４と最下層の表面電極１５−５を削り落とすことで除去する。次に、積層圧電素子２の直方体形状の側面に露出した内部電極１６−１〜１６−５の各表面（端面）に、図３（ａ）に示すように、それぞれ、導通を図るための外部電極１７−１〜１７−５を設ける。尚、内部電極１６−１〜１６−５は外部電極１７−１〜１７−５の裏側に隠れているが、便宜上、図３（ａ）、（ｂ）では内部電極１６−１〜１６−５を実線（黒丸）で図示している。
【００５２】
上記のような工程で製造した直方体形状の積層圧電素子２において、図３（ｂ）に示すように、外部電極１７−１〜１７−５に対し、それぞれ、交互に（＋）電圧と（−）電圧を印加すると、圧電層１４と平行する方向に電界Ｅが発生し、電界Ｅと分極極性Ｐとにより、矢印で示すように、積層圧電素子２の長手方向の軸に平行で一方向に揃ったすべり変形Ｌが生じ、各すべり変形Ｌが合成されることで全体として大きなすべり変形を起こすことができる。また、積層圧電素子２において交流電界を与えれば、すべり変形Ｌの方向を反転させることも可能になる。
【００５３】
具体的には、積層圧電素子２の大きさは、上記第１の実施の形態と同様に、例えば、縦20ｍｍ、幅8ｍｍ、厚さ0.3ｍｍであり、他の条件（圧電層１４の層数、厚さ、内部電極１６−１〜１６−５の大きさ、分極処理の条件等）も上記第１の実施の形態と同じである。
【００５４】
以上説明したように、本実施の形態によれば、直方体形状の積層圧電素子２において、第２層から最下層の各圧電層１４の表面に棒状の内部電極１６−１〜１６−５を各層の長手方向に狭い間隔で配設すると共に、内部電極１６−１〜１６−５の表面に導通を図るための外部電極１７−１〜１７−５を配設し、圧電層１４の積層方向に分極極性を付与し、圧電層１４と平行する方向に電界が発生するように電圧を印加するため、積層圧電素子２の長軸に平行で一方向に揃ったすべり変形が生じ、全体として大きなすべり変形を起こすことが可能となり、これにより、性能の向上と小型化を図ったすべり変形用の積層圧電素子を提供することができる。
【００５５】
また、従来のように、圧電素子を複数の小片に分割し各小片に分極処理を施した後、各小片を再び組み直す手間が不要となるため、積層圧電素子２の製造工程を簡易化することができると共に、製造コストの低減も図ることができる。
【００５６】
また、積層圧電素子２を直方体形状とすることで積層方向の両端面が平坦となるため、振動波モータを構成する振動体の金属部材間に積層圧電素子２を直接挟持して組み込むことが容易であり、積層圧電素子２と金属部材の接触面の密着化により積層圧電素子２を組み組み込んだ振動体の振動減衰を極力少なくすることができる結果、振動波モータの性能向上に繋げることができる。
【００５７】
また、上記第１の実施の形態と比較し、積層圧電素子２の内部電極の配設数を多くすると共に（１６−１〜１６−５）、多数の内部電極を各層の長手方向に狭い間隔で設けているため、大きな電界Ｅを発生させることができる。その結果、第１の実施の形態と比較し、大きなすべり変形を起こすことが可能となる。本実施の形態では、圧電層１４を長手方向に４分割しているので、同一電極で約４倍のすべり変形量（変位）となる。
【００５８】
［第３の実施の形態］
図５は、本発明の第３の実施の形態に係る積層圧電素子３を示す図であり、（ａ）は積層圧電素子３の正面図、（ｂ）は積層圧電素子３の内部の分極極性Ｐ及び印加電界Ｅとすべり変形Ｌの関係を示す図である。図６は、積層圧電素子３の製造途中段階を示す図であり、（ａ）は積層圧電素子３の正面図、（ｂ）は積層圧電素子３の側面図である。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。
【００５９】
図５において、積層圧電素子３は、例えばリング形状を有し、電気−機械エネルギ変換機能を有する圧電層４（第１層）と、複数の線状の内部電極を配設した電気−機械エネルギ変換機能を有する圧電層２４（第２層〜最下層）を重ねて積層化したものであり、各圧電層２４を重ねた方向に分極極性を付与し、各内部電極に設けた各外部電極に対し、圧電層２４と平行する方向に電界が発生するように電圧を印加することで、すべり変形を発生させ、全体としてねじり変形を発生させる構造としたものである。
【００６０】
図６において、積層圧電素子３の製造方法を説明する。最初に、圧電層２４になる、圧電セラミックス粉末と有機バインダからなるリング状のグリーンシートを用意し、例えば印刷により電極を以下のように設ける。図６（ｂ）に示すように、複数の圧電層２４のうち、第１層の表面に、表面電極２５−１〜２５−４を周方向に４分割した状態で設け、最下層の裏面には、表面電極２５−５〜２５−８を上記表面電極２５−１〜２５−４に対向させて周方向に４分割した状態で設ける。
【００６１】
次に、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、第１層から最下層までの各圧電層２４には、それぞれ、線状の例えば４つの内部電極２６−１〜２６−４を放射状に設ける。尚、内部電極２６−１〜２６−４は線状に限定されず、例えば棒状としてもよい。内部電極２６−１〜２６−４は、積層圧電素子内部に配設されているため、図５（ａ）、図６（ａ）では破線で示している。この後、上記各層のグリーンシートを重ね加熱しながら加圧して積層化し、積層化したものを一体で焼成することで、製造途中段階としての（分極処理前の）積層圧電素子３を形成する。
【００６２】
次に、図６（ｂ）に示すように、第１層表面の表面電極２５−１〜２５−４と最下層裏面の表面電極２５−５〜２５−８に、それぞれコンタクトピン２８を接触させ、表面電極２５−１と表面電極２５−５、表面電極２５−２と表面電極２５−６、表面電極２５−３と表面電極２５−７、表面電極２５−４と表面電極２５−８に、交互に（＋）と（−）とが逆の直流電圧を印加することで分極処理を行う。次に、図５（ｂ）に示すように、圧電層２４に対し直交する方向（積層方向）に分極極性Ｐを付与する。表面電極２５−１〜２５−４の下部の領域では、隣り合う領域で分極極性Ｐの方向が互いに異なる。図５（ｂ）は、表面電極２５−１の下部の領域の分極極性Ｐの方向を示している。
【００６３】
次に、第１層表面の表面電極２５−１〜２５−４と最下層裏面の表面電極２５−５〜２５−８を削り落とすことで除去する。次に、図５（ａ）に示すように、積層圧電素子３のリング形状の外周面に露出した内部電極２６−１〜２６−４の各表面（端面）に、それぞれ、導通を図るための外部電極２７−１〜２７−４を設ける。尚、内部電極２６−１〜２６−４は外部電極２７−１〜２７−４の裏側に隠れているが、便宜上、図５（ｂ）では内部電極２６−１、２６−４を実線（黒丸）で図示している。
【００６４】
上記のような工程で製造したリング形状の積層圧電素子３において、図５（ａ）に示すように、外部電極２７−１〜２７−４に対し、それぞれ、交互に（＋）と（−）を印加すると、圧電層２４と平行する方向に電界Ｅが発生し、電界Ｅと分極極性Ｐとにより、矢印で示すように、積層圧電素子内部の時計回りに一方向に揃ったすべり変形Ｌが生じる。図５（ｂ）は、表面電極２５−１の下部の領域の分極方向Ｐ、電界Ｅ、すべり変形Ｌを示している。この結果、積層圧電素子３はリング形状であるから全体としてねじり変形を起こすことができる。また、積層圧電素子３において交流電界を与えれば、ねじり変形の方向を反転させることも可能になる。
【００６５】
具体的には、積層圧電素子３の大きさは、直径10ｍｍ、内径5ｍｍ、厚さ1.8ｍｍである。圧電層の厚さは60μｍ、層数は30層である。積層圧電素子３をリング形状にすることで、上記第１及び第２の実施の形態と異なり、ねじり変形が可能であり、ねじり変形用の積層圧電素子を提供することができる。
【００６６】
図７は、ねじり変形用の積層圧電素子３及び縦振動用の積層圧電素子１３を組み込んだねじり振動波モータ１０の構成を示す断面図である。
【００６７】
図７において、ねじり振動波モータ１０は、ねじり変形を起こすリング形状の積層圧電素子３、縦振動を起こすリング形状の積層圧電素子１３、ボルト７５、金属部材７６、金属部材７７、ばね７８、ばね支持体７９、ロータ７０（接触体）、ギヤ７１、フレキシブル回路基板７２、フレキシブル電気基板７４を備えている。図中１１は振動体である。
【００６８】
積層圧電素子３と積層圧電素子１３は、金属部材７６と金属部材７７との間に配置され、ボルト７５により締め付けられることで振動体１１を形成している。積層圧電素子３の周囲には、外部電極２７−１〜２７−４と導通がとれるフレキシブル回路基板７２が取り付けてあり、駆動用の外部電源と接続されている。積層圧電素子１３と金属部材７７との間には、フレキシブル電気基板７４が挟持されている。金属部材７６の端面には、ばね７８及びばね支持部材７９により加圧接触するロータ７０が配置されており、ロータ７０が回転すると、ロータ７０と一体に回転するギヤ７１により機械的な出力を取り出すことができる。
【００６９】
図８は、縦振動用の積層圧電素子１３を示す図であり、（ａ）は積層圧電素子１３の分解斜視図、（ｂ）は積層圧電素子１３の外観を示す斜視図である。
【００７０】
図８において、積層圧電素子１３は、複数層の圧電層２４'を備えている。第２層から最下層までの圧電層２４'の表面には、全面に内部電極２２−１と内部電極２２−２を交互に配設しており、２本のスルーホール２３で圧電層一層おきに導通をとり、第１層の端面に２本のスルーホールの端部２１を露出状態としている。また、内部電極２２−１と内部電極２２−２の間に予め電圧を印加することで、分極処理を行っている。そして、２本のスルーホールの端部２１から、上記フレキシブル電気基板７４を介して駆動用の外部電源と導通を取るようにしてある。
【００７１】
ねじり振動波モータ１０の駆動原理は、積層圧電素子３と積層圧電素子１３にそれぞれ高周波電圧を印加することで、振動体１１の軸方向の縦振動と円周方向のねじり振動を同時に起こさせ、金属部材７６の端面に駆動振動を合成させることにある。そして、この金属部材７６に加圧接触するロータ７０を摩擦力により回転させる。本実施の形態のねじり変形の積層圧電素子３を用いることで、従来よりも、ねじり振動波モータ１０の性能の向上を図ることができた。
【００７２】
以上説明したように、本実施の形態によれば、リング形状の積層圧電素子３において、第１層から最下層の各圧電層２４に放射状に線状の内部電極２６−１〜２６−４を配設すると共に、内部電極２６−１〜２６−４の表面に導通を図るための外部電極２７−１〜２７−４を配設し、圧電層２４の積層方向に分極極性を付与し、圧電層２４と平行する方向に電界が発生するように電圧を印加するため、積層圧電素子内部の時計回りに一方向に揃ったすべり変形が生じ、リング形状により全体としてねじり変形を起こすことが可能となり、これにより、性能の向上と小型化を図ったねじり変形用の積層圧電素子を提供することができる。
【００７３】
また、従来のように、圧電素子を複数の小片に分割し各小片に分極処理を施した後、各小片を再び組み直す手間が不要となるため、積層圧電素子３の製造工程を簡易化することができると共に、製造コストの低減も図ることができる。
【００７４】
また、ねじり変形用の積層圧電素子３及び縦振動用の積層圧電素子１３をリング形状とすることで積層方向の両端面が平坦となるため、振動波モータ１０を構成する振動体１１の金属部材７６、７７間に積層圧電素子３及び積層圧電素子１３を直接挟持して組み込むことが容易であり、積層圧電素子３、１３と金属部材７６、７７の接触面の密着化により積層圧電素子３、１３を組み組み込んだ振動体１１の振動減衰を極力少なくすることができる結果、振動波モータ１０の性能向上に繋げることができる。
【００７５】
［他の実施の形態］
第１及び第２の実施の形態では、図２（ｂ）、図４（ｂ）に示したように、積層圧電素子の内部電極を圧電層の長辺に対し直交する方向に配置した場合を例に挙げたが、例えば、内部電極を圧電層の長辺に対し直交する方向から角度θだけ傾けた方向に配置すれば、すべり変形の方向も角度θだけ向きを変えることができる。
【００７６】
第１及び第２の実施の形態では、積層圧電素子の内部電極を圧電層の表面に沿って配置した場合を例に挙げたが、例えば、内部電極を圧電層の表面に対し角度θだけ圧電層内部に傾けた方向に沿って配置すれば、すべり変形の方向も角度θだけ向きを変えることができる。
【００７７】
第１及び第２の実施の形態では、圧電層を５層とした場合を例に挙げたが、層数を更に増やすことで、変位は変わらないが、大きな力を発生させることが可能である。これは、積層圧電素子の設計仕様に対して、簡単に変更できることを意味する。
【００７８】
第１乃至第３の実施の形態では、積層圧電素子の第２層から最下層の圧電層に内部電極を配設した場合を例に挙げたが、第１層から最下層の圧電層に内部電極を配設する構成とすることも可能である。
【００７９】
第３の実施の形態では、積層圧電素子の圧電層の第１層表面の４つの表面電極と同様に最下層裏面も４つの表面電極に分割し、分極処理を行っているが、第２の実施の形態と同様に、最下層裏面を非分割の全面電極とすると共にグランドとし、第１層表面の４つの表面電極に印加する電圧を（＋）、（−）にした場合でも、同様な分極極性を得ることができる。
【００８０】
第３の実施の形態では、積層圧電素子をリング形状とした場合を例に挙げたが、積層圧電素子を円盤形状とした場合でも、リング形状と同様に、電界と分極極性とによりすべり変形を起こし、全体としてねじり変形を起こすことが可能である。
【００８１】
第３の実施の形態では、積層圧電素子の圧電層を周方向に４分割した放射状の領域に内部電極を配置した場合を例に挙げたが、内部電極の数を更に増やし多分割した構成とすることも可能である。多分割することで、ねじり変形量（変位）もより大きくなる。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る積層圧電素子を示す図であり、（ａ）は積層圧電素子の外観を示す斜視図、（ｂ）は積層圧電素子の内部構造を示す図である。
【図２】積層圧電素子の積層構造と製造方法を示す図であり、（ａ）は積層圧電素子の外観を示す斜視図、（ｂ）は積層圧電素子の積層構造及び製造方法を示す斜視図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る積層圧電素子を示す図であり、（ａ）は積層圧電素子の外観を示す斜視図、（ｂ）は積層圧電素子の内部構造を示す図である。
【図４】積層圧電素子の積層構造と製造方法を示す図であり、（ａ）は積層圧電素子の外観を示す斜視図、（ｂ）は積層圧電素子の積層構造及び製造方法を示す斜視図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態に係る積層圧電素子を示す図であり、（ａ）は積層圧電素子の正面図、（ｂ）は積層圧電素子の内部の分極極性及び印加電界とすべり変形の関係を示す図である。
【図６】積層圧電素子の製造途中段階を示す図であり、（ａ）は積層圧電素子の正面図、（ｂ）は積層圧電素子の側面図である。
【図７】ねじり変形用の積層圧電素子及び縦振動用の積層圧電素子を組み込んだねじり振動波モータの構成を示す断面図である。
【図８】縦振動用の積層圧電素子を示す図であり、（ａ）は積層圧電素子の分解斜視図、（ｂ）は積層圧電素子の外観を示す斜視図である。
【図９】従来例に係るねじり振動用の圧電素子の製造方法及びすべり振動の様子を示す図であり、（ａ）は圧電素子を小片に分割した状態を示す斜視図、（ｂ）は小片に分極極性を付与した状態を示す斜視図、（ｃ）は圧電素子の周方向にすべり振動を発生させた状態を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００８３】
１、２、３  積層圧電素子
４、１４、２４  圧電層
５−１、５−２、１５−１〜１５−５、２５−１〜２５−８  表面電極
６−１、６−２、１６−１〜１６−５、２６−１〜２６−４  内部電極
７−１、７−２、１７−１〜１７−５、２７−１〜２７−４  外部電極
８、１８、２８  コンタクトピン
１０  ねじり振動波モータ
１１  振動体
１３  縦振動用の積層圧電素子
７０  ロータ
Ｐ  分極極性
Ｅ  電界
Ｌ  すべり変形
【図１】
2005150351.tif 000003
【図２】
2005150351.tif 000004
【図３】
2005150351.tif 000005
【図４】
2005150351.tif 000006
【図５】
2005150351.tif 000007
【図６】
2005150351.tif 000008
【図７】
2005150351.tif 000009
【図８】
2005150351.tif 000010
【図９】
2005150351.tif 000011