(57)【要約】【課題】  振動体の弾性体と電気−機械エネルギー変換素子との間に樹脂からなる回路基板を挟むため、振動体での振動時のエネルギー損失が大きかった。【解決手段】  電気機械エネルギー変換素子と、弾性体からなり、電気機械エネルギー変換素子に電力を供給することにより振動を励起する振動体において、弾性体がセラミックスからなり、電気機械エネルギー変換素子に接する弾性体の表面に配線パターンを形成して電気機械エネルギー変換素子に電力を供給する。【選択図】  図１
2005176479.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気機械エネルギー変換素子と、ひとつまたは複数の弾性体からなり、電気機械エネルギー変換素子に電力を供給することにより振動を励起する振動体において、ひとつまたは複数の前記弾性体がセラミックスからなり、前記電気機械エネルギー変換素子に接する前記弾性体の表面に配線パターンを形成し、前記電気機械エネルギー変換素子に電力を供給することを特徴とする振動体。
【請求項２】
電気機械エネルギー変換素子と、ひとつまたは複数の弾性体からなり、電気機械エネルギー変換素子に電力を供給することにより振動を励起する振動体において、ひとつまたは複数の前記弾性体がセラミックスからなり、前記弾性体と相対的に移動し、前記弾性体の表面に加圧された接触体が接することを特徴とする振動体。
【請求項３】
電気機械エネルギー変換素子と、ひとつまたは複数の弾性体からなり、電気機械エネルギー変換素子に電力を供給することにより振動を励起する振動体において、ひとつまたは複数の前記弾性体がセラミックスからなり、前記電気機械エネルギー変換素子に接する一方の表面に配線パターンを形成し、もう一方の表面には、前記弾性体と相対的に移動し、加圧接触する接触体が接することを特徴とする振動体。
【請求項４】
請求項１の振動体を有し、前記弾性体の表面に加圧接触する接触体が前記弾性体と相対的に移動することを特徴とする振動波アクチュエータ。
【請求項５】
請求項２の振動体を有し、前記弾性体の表面に加圧接触する接触体が前記弾性体と相対的に移動することを特徴とする振動波アクチュエータ。
【請求項６】
請求項３の振動体を有し、前記弾性体の表面に加圧接触する接触体が前記弾性体と相対的に移動することを特徴とする振動波アクチュエータ。
【請求項７】
請求項1から3において、前記電気機械エネルギー変換素子は複数の電極領域を形成した電気機械エネルギー変換素子機能を有する材料を複数層重ねた電気機械エネルギー変換素子であることを特徴とする振動体。
【請求項８】
請求項1から６において、前記弾性体は、アルミナ、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ジルコニアか、または、これらを主成分とするセラミックスからなることを特徴とする振動体または振動波アクチュエータ。
【請求項９】
請求項1、３、４、６において、前記弾性体の表面に形成する前記配線パターンは導電性を有する金属を付着させたことを特徴とする振動体または振動波アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動体およびこの振動体を用いた振動波モータなどの振動波アクチュエータに係り、特に、配線パターンを介して電力が供給される振動体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、特許第3170634号、特開平7-193291などのように、振動体の圧電素子に電力を供給するために、回路基板を用いた振動体が考案されている。
【０００３】
図６は従来の振動波アクチュエータのひとつである棒状振動波モータを構成する振動体４１の断面図である。棒状の振動体は、金属製の第１の弾性体４２および第２の弾性体４３、およびこれらに挟まれ配置される積層圧電素子４５、回路基板４６の挟持部４６ｄを図に示すように重ね、中央部のシャフト４４とナット４７により両弾性体４２、４３間を締め付け、一体構造としている。
【０００４】
積層圧電素子４５は、電気機械エネルギー変換素子機能を有する圧電セラミックス層（以下、圧電層）と電極層とをそれぞれ複数層交互に重ね合わせ、積層化した素子である。表面に露出する複数の電極に対して、図７に示す回路基板４６の挟持部４６aの配線パターン４６eを弾性体で挟持し、直接、接触させることにより、電気的接続を可能とする。そして、この回路基板４６を介して外部電源から、振動体１に電力を供給することができる。
【０００５】
この回路基板４６は、基板のベースである基材部４６ｄ上に、導通を図る配線パターン４６e、およびこれと繋がる直線状の配線パターン４６ｆと端子部の配線パターン４６ｇが設けれている。従来、回路基板４６の基材部４６ｄは絶縁性を有し、フレキシブル性もあるポリイミド樹脂を、配線パターン４６e、４６ｆ、４６ｇは銅箔が用いられていた。
【０００６】
そして、回路基板４６の配線パターン部４６e、４６ｆ、４６ｇは基材部４６ｄ上に、エポキシ系の接着剤により接着されたり、または、直接、接合されているものもあった。
【０００７】
回路基板４６を介して、積層圧電素子４５に駆動用の交流電圧を印加すると、積層圧電素子４５の内部の電極層の、特別な電極パターン構成により、２箇所の領域が厚み方向の伸縮変位を繰り返し、振動体には２方向の曲げ振動が励起される。
【０００８】
そして、この２方向の曲げ振動により、振動体の、接触面４２ａに楕円運動を発生させ、この接触面４２ａに加圧接触する接触体が、振動体の楕円運動による摩擦力で、振動体に対し相対的に移動するようになる。なお、弾性体４２の接触面４２aには摩擦材として、硬い耐摩耗性を有する金属（無電解ニッケル）がメッキにより付けられている。
【特許文献１】特許第3170634号公報
【特許文献２】特開平7-193291号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、従来、前述のように、振動体は樹脂からなる回路基板４６eを挟むため、電力を供給する手段としては簡単で信頼性も高かったが、振動時の振動減衰が大きく、エネルギー損失が大きかった。そのため、このような振動体を用いた、振動波アクチュエータのひとつである振動波モータは、モータ効率やモータ性能の低下を招いていた。
【００１０】
さらに、最近のデジタル機器に搭載する振動波モータは、より小型で高性能が要求されてきており、小型の振動体になればなるほど、従来のような回路基板を挟むことが、振動体に悪影響を与え易く、振動波モータの性能を悪くすることが予想された。
【００１１】
また、振動体の弾性体に加圧接触する接触体は、弾性体の接触面を摩耗させるが、従来のメッキによる硬質金属では、硬質とはいえ金属であるので、耐磨耗性が不十分であった。
【００１２】
本出願に係る発明の目的は、振動体に、回路基板を挟むために起こる振動減衰による振動体や振動波モータの効率や性能の低下を防ぎ、振動波モータの高効率化や高性能化が可能で、振動波モータの高寿命化になる信頼性の高い振動体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本出願に係る発明の目的を実現する第１の構成は、電気機械エネルギー変換素子と、ひとつまたは複数の弾性体からなり、電気機械エネルギー変換素子に電力を供給することにより振動を励起する振動体において、ひとつまたは複数の前記弾性体がセラミックスからなり、前記電気機械エネルギー変換素子に接する前記弾性体の表面に配線パターンを形成し、前記電気機械エネルギー変換素子に電力を供給することとしたを振動体である。
【００１４】
本出願に係る発明の目的を実現する第２の構成は、電気機械エネルギー変換素子と、ひとつまたは複数の弾性体からなり、電気機械エネルギー変換素子に電力を供給することにより振動を励起する振動体において、ひとつまたは複数の前記弾性体がセラミックスからなり、前記弾性体と相対的に移動し、前記弾性体の表面に加圧された接触体が接することとした振動体である。
【００１５】
本出願に係る発明の目的を実現する第３の構成は、上記第１と第２の構成を合わせ、電気機械エネルギー変換素子と、ひとつまたは複数の弾性体からなり、電気機械エネルギー変換素子に電力を供給することにより振動を励起する振動体において、ひとつまたは複数の前記弾性体がセラミックスからなり、前記電気機械エネルギー変換素子に接する一方の表面に配線パターンを形成し、もう一方の表面には、前記弾性体と相対的に移動し、加圧接触する接触体が接することとした振動体である。
【００１６】
本出願に係る発明の目的を実現する第４の構成は上記第１の構成の振動体を有し、前記弾性体の表面に加圧接触する接触体が前記弾性体と相対的に移動することを特徴とする振動波アクチュエータである。
【００１７】
本出願に係る発明の目的を実現する第５の構成は上記第２の構成の振動体を有し、前記弾性体の表面に加圧接触する接触体が前記弾性体と相対的に移動することを特徴とする振動波アクチュエータ。
本出願に係る発明の目的を実現する第６の構成は、上記第３の構成の振動体を有し、前記弾性体の表面に加圧接触する接触体が前記弾性体と相対的に移動することを特徴とする振動波アクチュエータ。
【００１８】
本出願に係る発明の目的を実現する第７の構成は、上記第１から３において、前記電気機械エネルギー変換素子は複数の電極領域を形成した電気機械エネルギー変換素子機能を有する材料を複数層重ねた電気機械エネルギー変換素子であることである。
【００１９】
本出願に係る発明の目的を実現する第８の構成は、上記第1から６において、前記弾性体は、アルミナ、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ジルコニアか、または、これらを主成分とするセラミックスからなることを特徴とする振動体または振動波アクチュエータである。
【００２０】
本出願に係る発明の目的を実現する第９の構成は、上記第1、３、４、６において、前記弾性体の表面に形成する前記配線パターンは導電性を有する金属を付着させたことを特徴とする振動体または振動波アクチュエータである。
【００２１】
上記した構成によれば、振動体ならびに振動波アクチュエータのエネルギー損失を少なくでき、高効率化や高性能化が可能となる。さらに、セラミックスからなる前記弾性体の表面に加圧接触する接触体が、前記弾性体と相対的に移動するようにした振動波アクチュエータは、摩擦材料の耐磨耗性も向上し、振動波モータの寿命の向上も図れるものである。とりわけ、小型の振動体や振動波モータにとって好適である。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、セラミックスからなる弾性体の表面に配線パターンを形成したので、従来の回路基板を廃止でき、振動子のエネルギー損失を低減できる。さらに、セラミックス自体が減衰の少ない材料でもあり、振動子のエネルギー損失を低減できる。これらの結果、振動波モータの効率、性能を向上させることが可能である。同時に、弾性体はセラミックスからなるため、接触部の耐磨耗性も向上し、従来、振動波モータの耐久時間を向上させることが可能となる。
【００２３】
また、本発明は小型の振動波モータに適用することで、セラミックスの加工を極力廃止でき、コストの低減につながる。以上の結果、信頼性の高い振動体等を容易に、かつ安価に提供することができ、振動波モータとってその効果は大きい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
（実施の形態）
図１は本発明に係る第１実施の形態を示す。図１は棒状の新しい振動波アクチュエータのひとつである振動波モータの断面図であり、その振動体1はセラミックス（アルミナ）からなる弾性体２と金属である黄銅からなる弾性体３からなり、その間に、積層圧電素子５を挟み、鋼からなるシャフト４とナット７により締め付けている。
【００２５】
図２にセラミックスからなる弾性体２の積層圧電素子５に接する片面に形成した配線パターン２ｂを示す。配線パターン２ｂはセラミックスの表面にスクリーン印刷法にて、厚さ数μmの銀からなる導体を印刷し、その後、焼き付けて形成している。そして、配線パターン２ｂにはフラットケーブル６がはんだ付けで取り付けられている。配線パターン２ｂは次に示す積層圧電素子５の表面の電極と直接接触して導通し、外部電源から電力を供給することが可能となっている。
【００２６】
図３の電気機械エネルギー変換素子は、複数の電極領域を形成した電気機械エネルギー変換素子機能を有する材料を複数層重ねた電気機械エネルギー変換素子であり、従来例より小径化した積層圧電素子５を示す。各層の圧電層の片面側に電極Ａ、Ａ´、Ｂ、Ｂ´を形成され、圧電層の上下に対向する電極ＡとＡＧ、Ａ´とＡ´Ｇ、ＢとＢＧ、Ｂ´とＢ´Ｇの間に交流電圧を印可することにより、振動体の振動源となる発生力が得られる。
【００２７】
図３において、圧電層１９−１〜１９−ｎはスルーホール２０により各層の８種の各電極Ａ、Ａ´、Ｂ、Ｂ´ＡＧ、ＡＧ´、ＢＧ、Ｂ´Ｇの導通を独立におこなっている。
【００２８】
また、表面にある、圧電層１９−１に形成されたスルーホール２０により外部との導通が得られ、各スルーホールに対応する配線パターン２ｂを形成した弾性体２と接触することで導通が行われる。
【００２９】
圧電層１９−３は、電極Ａ、Ａ´、Ｂ、Ｂ´、が形成されて駆動用として用いられると共に、圧電層１９−１、圧電層１９−２に形成されたスルーホールと圧電層１９−３以下の電極との接続のための配線部としての機能も併せ持つ。
【００３０】
圧電層１９−４には電極Ａ、Ａ´、Ｂ、Ｂ´、が形成され、さらに振動検出用の電極Ｓが形成され、この電極Ｓと上下に形成される電極ＡＧ間に、振動に伴い発生する電圧によりセンサ（S相）としての出力を発生する。
【００３１】
圧電層１９−５〜１９−（ｎ−１）においても同様にほぼ十字形状の絶縁部で隔てられた４つに分割された電極Ａ、Ａ´、Ｂ、Ｂ´または，ＡＧ、ＡＧ´、ＢＧ、Ｂ´Ｇが形成されている。そして、同一の圧電層において、中心軸に対して対向する電極ＡとＡＧ、Ａ´とＡ´Ｇ間は互いに逆方向に、事前に分極されている。さらに、電極ＢとＢＧ、Ｂ´とＢ´Ｇ間も互いに逆方向に、事前に分極されている。
【００３２】
圧電層１９−３以下の、これら４つの電極Ａ、Ａ´、Ｂ、Ｂ´は電極Ａ、Ａ´がＡ相駆動用、同様に、電極Ｂ、Ｂ´がＢ相駆動用にそれぞれ用いられる。
【００３３】
また、積層圧電素子５において、電極が４つの領域に分割されているのは、振動波モータの駆動力を有効に使うためである。
【００３４】
これらの圧電層１９は積層化され一体化された後、焼成されて積層圧電素子５が作られる。
【００３５】
圧電層１９−ｎは、絶縁層としての役目を有するとともに、本積層圧電素子が焼成一体化されたのちに、圧電層１９−１、１９−２と共に、両面ラップ加工され平滑にする際の加工代の役目も持つ。
【００３６】
そして、積層圧電素子５の表面にある圧電層１９−１に形成された各スルーホール２０と、各スルーホール２０に対応する図２の弾性体２の片面に形成した配線パターン２ｂが直接接触することで導通が行われる。
【００３７】
なお、振動体１の長さ（シャフト４の長さ）は9.5mmで、弾性体２と３の外径は９mm、厚さはそれぞれ1.0mm、0.8mm、配線パターン２ｂの直径は７mmである。積層圧電素子５の外径は６mm、厚さ約1.3mm、層数は２２層（図において、ｎは22）である。層数はモータの仕様に合わせ任意に変えることが出きる。
【００３８】
図１において、アルマイト処理が施されたアルミのロータ８には、鉄系金属製のばねケース９が接着剤等により接合されている。ばねケース９には、ばねをガイドするシリンダー部とその下部にばねを受けるフランジ部とが設けられており、このフランジとギア１１の下部とで加圧ばね１４を挟み込んで圧縮し、ロータ８の先端を弾性体２の接触面２aに押し付けている。
【００３９】
ギア１１は、シャフト４に設けられた位置決め用段部により位置決めされたモータ取り付け用フランジ１２と、これを固定するためのナット１３によりスラスト方向に位置決めされ、フランジ１２との接触個所で回転摺動部が形成されて回転自在に支持されている。
【００４０】
上記構成の振動波モータの駆動は、不図示の外部電源から位相の異なる２相の交流信号を積層圧電素子５に印可すると、シャフト４の長手方向に対する２方向の曲げ振動が前記弾性体に励振され、該弾性体は曲げ振動を発生する。このとき、弾性体２の片面の摩擦面である接触面２aとロータ８との接触部には楕円振動が起こり、これによりロータ８、ばねケース９、ギア１１は一体となって回転する。なお、ばねケース９には半径方向に２本の溝９ａが設けられており、この溝９ａとギア１１に設けられた２本の突起１１ａが嵌合しているので、ロータ８の回転力がギア１１に伝達されるよう構成されている。
【００４１】
そして、振動波モータはフランジ１２を介して取り付け台１６に、ネジ１５で締め付けられて機器に組み込まれる。
【００４２】
つまり、振動体１の弾性体２は絶縁性を有するセラミックスであるアルミナからなり、接触面２aはロータと接触し、摩擦力を与える摩擦材として、もう一方の片面は積層圧電素子５に電力を供給するための配線パターンの基板としての役割を有している。
【００４３】
この結果、従来のように、振動子を減衰させる回路基板を挟む必要がなくなり、モータ効率が高く、性能のよい振動波モータとなった。さらに、弾性体は摩擦材として、セラミックスを用いているので耐磨耗性が向上し、振動波モータの耐久性、すなわち、寿命も長くなった。
【００４４】
さらに詳しく説明すると、弾性体にセラミックスを用いた理由は３つある。ひとつは、機械的な性質が振動体に有利であること。すなわち、従来、振動体は黄銅やアルミ、鋼などの金属であったが、セラミックは金属と同様に振動の減衰の少ない材料であるとともに、比重が金属よりも小さく、ヤング率が大きいなど軽量化、小型化に有利である。
【００４５】
２つめは、セラミックスは金属よりも硬い材料であり、摺動部の摩擦材料として最適である。３つめは、金属と異なり、導電性をもたない材料であるため、回路パターンの基板として使い易い。
【００４６】
ただし、従来、セラミックスが弾性体として、使用されなかった理由は、加工性が悪く機械加工費がかなり高くなるためであった。今回、弾性体の形状は極力単純化し、円盤状にしたこと。さらに、小型の振動波モータの開発のため、振動体の寸法が小型化したため、セラミックス焼成後の外径や内径の加工を省いても、比較的精度の良い部品になり、コストがあまり上がらなかった。以上のような理由で今回、セラミックスを採用した。
【００４７】
弾性体２は99.5％のアルミナ粉末を、有機バインダーと混ぜ顆粒状に造粒し、粉末プレスの金型に入れ、加圧成形し、約1650℃で焼成し製作した。もちろん、セラミックスは、一般に市販され入手しやすく安価なものほど良いが、一般的には、アルミナ（Al2O3）、炭化ケイ素(SiC)、窒化ケイ素(Si3N4)、ジルコニア(ZrO2)などがある。また、これらは各メーカにより微量な添加成分が異なり、それぞれの用途に供されている。本発明では、これらを主成分とするセラミックスなどであっても良い。各セラミックスはコスト、耐磨耗性などを考慮して、モータの仕様にあわせて選択すれば良い。ちなみに、本例ではコストを重視し、耐磨耗性も比較的良好なアルミナを使った。
【００４８】
弾性体２の片面の配線パターンは、本例の様にスクリーン印刷法で、金属ペーストを印刷し焼き付けても良く、また、焼き付け温度が低く安価な接着剤入りの金属粉末を印刷する方法でも良い。また、大量生産には、真空蒸着法やスパッタ法などで金属を付着させても良い、使用する金属は、導電性の良いものが望ましい。例えば、銀、金、白金、パラジウムなどの貴金属、また、ニッケル、クロム、銅などでも良い。また、付着させる金属層の厚さはセラミックスの表面の粗さを考慮し、0.1から10μｍもあれば問題はない。
【００４９】
なお、本例では、弾性体２のセラミックスは、成形焼成後、両面ラップ加工を行い、両面の表面粗さを約数μｍにした後、片面の接触面はさらにポリッシュ加工し粗さ0.5μｍ以上に良く仕上げ耐磨耗性を向上させている。そして、もう一方のラップ面に銀ペーストを印刷し配線パターンを形成した。
【００５０】
また、配線パターンとの導通は、本例以外に、ワイヤや他の回路基板であっても良いし、はんだ付け以外に導電性接着剤を用いても良い。本例では、積層圧電素子を用いたが、もちろん、単板の圧電素子であっても、従来通常は銅板を用いていたが、本例は適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明による実施例の振動体を組み込んだ振動波モータを示す。
【図２】本発明の振動体に形成した配線パターンを示す。
【図３】本発明による実施例の振動体を組み込んだ振動波モータに用いた積層圧電素子を示す。
【図４】従来の回路基板を用いた振動体を示す。
【図５】従来の回路基板を示す。
【符号の説明】
【００５２】
１  振動体
２  セラミックスからなる弾性体
２ａ  接触面
２ｂ  配線パターン
３  金属弾性体
５  積層圧電素子
６  ケーブル
【図１】
2005176479.tif 000003
【図２】
2005176479.tif 000004
【図３】
2005176479.tif 000005
【図４】
2005176479.tif 000006
【図５】
2005176479.tif 000007