(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の弾性体と第２の弾性体の間に積層電気−機械エネルギー変換素子を配置すると共に、前記第１の弾性体と前記第２の弾性体を締結手段で締結することにより、前記第１の弾性体と前記第２の弾性体の間に前記積層電気−機械エネルギー変換素子を固定した振動体を備えた振動波駆動装置において、
前記積層電気−機械エネルギー変換素子の一方の端面と前記第１の弾性体との間に設けられた第１の回路基板と、
前記積層電気−機械エネルギー変換素子の他方の端面と前記第２の弾性体との間に設けられた第２の回路基板と、を有し、
前記積層電気−機械エネルギー変換素子は、電気−機械エネルギー変換機能を有する材料の層と電極材料の層が交互に複数重ねて積層化されたものであって、
前記複数の電極材料の層の間の導通をはかる複数のスルーホールと、
前記複数のスルーホール及び前記第１の回路基板と導通し、前記第１の回路基板に対向する面に形成された複数の第１の電極と、
前記第２の回路基板に対向する面に形成された複数の第２の電極と、を有し
前記複数の第２の電極は、グランドとして用いられる電極と、前記積層電気−機械エネルギー変換素子内部に設けられ機械エネルギーを電気エネルギーに変換して得られる電気的な信号を発生する電極層と導通する電極と、を含み、
前記グランドとして用いられる電極は、前記電気的な信号を発生する電極層と対向する電極層と導通しており、
前記電気的な信号を発生する電極層と対向する電極層は、前記第１の電極のうちグランドとして用いられる電極と導通する電極層とは、絶縁されていることを特徴とする振動波駆動装置。
【請求項２】
前記複数の第１の電極は、高周波電圧が印加されるための電極を含むことを特徴とする請求項１に記載の振動波駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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交互に複数の層を重ねて形成された積層電気−機械エネルギー変換素子および振動波駆動装置に係り、特に積層素子のスルーホールと繋がる表面電極に関し、振動波モータ等の振動波駆動装置に適したものである。
【０００２】
【従来の技術】
振動波モータ等の振動波駆動装置を構成する振動体の、振動発生源としての素子の例としては以下のように、円柱状の金属やセラミックスからなるブロック間に素子を挟持しそのブロックに曲げ振動を起させ、この曲げ振動により生ずるブロック表面の任意の一点の円または楕円運動によりこのブロックに接する接触部材に回転運動を与える棒状の振動波モータの振動体の振動発生源としての素子、またリング状の弾性体の片面に例えば接着剤により素子を固定し２つの定在波の合成により回転運動を与えるリング状の振動体の振動発生源としての素子がある。
【０００３】
さらに、具体的には棒状の振動波モータに使用される素子の例として、特開平３−４０７６７号公報、特開平３−１１７３８４号公報等に記載されている圧電素子にあっては、図１１に示す一板の板状の単板の圧電素子ａのように、円形で表（おもて）面は分極方向が左右で逆向きの（＋）、（−）である領域と一致する領域に電極材料の層（以下、電極層）ｌ1 ，ｌ2 をスリットＳを介して圧電材ａ′の上に設けてあり、裏面は全面が電極層ｌ3 を設けてある。この単板の圧電素子ａを複数枚用いて図１２に示す棒状の振動波モータの振動体ｅのように、複数のそして位置的に９０度の位相差も一部の圧電素子には与えつつ圧電素子ａ1 〜ａ5 を外部電気回路と結ながっている金属製の電極板ｂ1 〜ｂ6 を挟んで積層化し金属やセラミックスからなるブロックｄ1 とｄ2 とボルトｃによって組み付けて固定してある。
【０００４】
この圧電素子ａ1 〜ａ4 が駆動用に、圧電素子ａ5 は制御用の信号を出力するセンサとして使用している。この圧電素子ａは、一般に圧電性を有するセラミックス粉末をプレス法や押し出し法により成形し焼成してできる圧電材（圧電セラミックス）を一定厚さに加工し、円形状に加工後、蒸着法や印刷法により電極層ｌ1 〜ｌ3 を形成し、これらの電極層を利用して分極処理を行い、分極方向（＋）、（−）を与えるようにして作られる。
【０００５】
一方、最近圧電材料の層と電極材料の層を交互に重ね積層化して作った積層電気−機械エネルギー変換素子としての積層圧電素子が注目され、振動発生源の小型化や低電圧化が試みられており、例えば特開平８−２１３６６４号公報に記載されている。図１３は棒状の振動波モータのために開発された積層圧電素子ｆであり、電極材料の層（以下、内部電極層）４と５を、電気機械エネルギ変換機能を有する材料である圧電材料の層の上に設け、交互に重ね、層間の導通を計る８本の層間配線２により接続した素子である。
【０００６】
この層間配線２は、小穴を設けその中に導電金属を充填したいわゆるスルーホールと呼ばれている。また一方の端面である表（おもて）面には８本の層間配線２が露出して８個の表面電極３を形成して、積層圧電素子ｆの電極層４，５の４分割された領域の各々に電圧を印加できるようにしている。図１４はこの積層圧電素子ｆを表面および裏面から見た図で、表面のみ表面電極３が露出している。
【０００７】
図１５は積層圧電素子ｆを組み込んだ振動波モータの断面図を示し、金属やセラミックスの弾性体からなるブロックｄ1 とｄ2 とにより挟持され、同時に配線基板ｇを用いて、積層圧電素子ｆの表面に露出した各々の表面電極３と外部電気回路（不図示）との導通を計りボルトｃにより締めつけ固定して振動体ｈを作っている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前述の２つの従来例において、単板の圧電素子を複数枚用いた振動波モータの例である図１２と、積層圧電素子を１個用いた振動波モータの例である図１５の違いは２つある。
【０００９】
一つは金属ブロックｄ1 ，ｄ2 およびボルトｃが図１２の例では金属板ｂ１〜ｂ６を介して圧電素子の電気的なグランドと導通し同電位になっているのに対し、図１５では積層圧電素子とは導通しておらず、金属ブロックｄ1 ，ｄ2 とボルトｃは電気的に浮いた状態すなわち絶縁された状態になっていた。そのため、図１５の積層圧電素子を用いた振動波モータの場合は浮遊キャパシタンスなどの発生による電気的なノイズの発生が起こったりしていた。
【００１０】
また、もう一つは図１２の例では１枚の圧電素子ａ5 が制御用の信号を出力するセンサとして用いているが、図１５の場合ではとくにセンサは設けておらず、センサを使わず振動波モータの制御を行っていたため、振動体の機械的な振動状態をセンジングしながら行う細かな制御は行えなかった。
【００１１】
そこで、本願発明の目的は、金属ブロックと積層電気−機械エネルギー変換素子のグランドとが簡単に導通がとれ、また積層電気−機械エネルギー変換素子の内部電極層を使ってセンサとして利用できる積層電気−機械エネルギー変換素子およびこの電気−機械エネルギー変換素子を振動源とする振動波駆動装置を提供するものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、第１の弾性体と第２の弾性体の間に積層電気−機械エネルギー変換素子を配置すると共に、前記第１の弾性体と前記第２の弾性体を締結手段で締結することにより、前記第１の弾性体と前記第２の弾性体の間に前記積層電気−機械エネルギー変換素子を固定した振動体を備えた振動波駆動装置において、前記積層電気−機械エネルギー変換素子の一方の端面と前記第１の弾性体との間に設けられた第１の回路基板と、前記積層電気−機械エネルギー変換素子の他方の端面と前記第２の弾性体との間に設けられた第２の回路基板と、を有し、前記積層電気−機械エネルギー変換素子は、電気−機械エネルギー変換機能を有する材料の層と電極材料の層が交互に複数重ねて積層化されたものであって、前記複数の電極材料の層の間の導通をはかる複数のスルーホールと、前記複数のスルーホール及び前記第１の回路基板と導通し、前記第１の回路基板に対向する面に形成された複数の第１の電極と、前記第２の回路基板に対向する面に形成された複数の第２の電極と、を有し、前記複数の第２の電極は、グランドとして用いられる電極と、前記積層電気−機械エネルギー変換素子内部に設けられ機械エネルギーを電気エネルギーに変換して得られる電気的な信号を発生する電極層と導通する電極と、を含み、前記グランドとして用いられる電極は、前記電気的な信号を発生する電極層と対向する電極層と導通しており、前記電気的な信号を発生する電極層と対向する電極層は、前記第１の電極のうちグランドとして用いられる電極と導通する電極層とは、絶縁されていることを特徴とする。
【００１８】
第２の発明は、上記第１の発明で、前記複数の第１の電極は、高周波電圧が印加されるための電極含むことを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態を示す。
【００２１】
図１は積層電気−機械エネルギー変換素子としての積層圧電素子の分解斜視図および外観斜視図を示しており、本積層圧電素子１は、圧電層になる圧電セラミックスのグリーンシートにスルーホールになる直径０．１ｍｍの穴を開け、その中に導電ペーストを充填しさらにグリーンシートの表面に内部電極層になる電極パターンを導電ペーストを印刷して設け、その後これらのグリーンシートを複数枚重ね加圧し積層化し、焼成してから分極処理を行い最終的に機械加工して得た。
【００２２】
図中、積層圧電素子１は、図１３の従来例の積層圧電素子ｆと同様に、８本のスルーホールによる層間配線２と、素子の一方の端面である表（おもて）面にスルーホールの露出した８個の表面電極３が形成されている。
【００２３】
また、内部電極層４は従来例と同じ４分割された内部電極層Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２を形成しているが、内部電極層５も４分割された内部電極層ＧＡ１，ＧＡ２，ＧＢ１，ＧＢ２を形成している。具体的に積層圧電素子１は、外径１０ｍｍ、内径２．８ｍｍ、厚さ約２．２ｍｍ、圧電材層の厚さ８５μｍ、内部電極層の厚さ２〜３μｍ、内部電極層４と５の外径９．５ｍｍ、内部電極層の層数は２４層である。振動波駆動装置としての振動波モータの駆動のために、電気的なグランドに相当する内部電極層ＧＡ１，ＧＡ２，ＧＢ１，ＧＢ２に対し各々内部電極層Ａ１，Ａ２に振動体の固有振動数にほぼ一致した高周波電圧が、内部電極層Ｂ１，Ｂ２にＡ１，Ａ２と９０゜の位相差を有する高周波電圧が印加される。
【００２４】
また本実施の形態では、図２に示すように、振動波モータを駆動させるために回路基板ｇを介して電圧が供給される表面電極３のある端面（表面）とは異なるもう一方の端面（裏面）に、電気的なグランドである内部電極層ＧＡ１，ＧＡ２，ＧＢ１，ＧＢ２の各層と導通を計る４本のスルーホールが端面（裏面）上に露出し表面電極６が形成されている。この結果、図３に示すように、振動波モータの振動体ｈに組み込んだ場合には、弾性体である金属ブロックｄ1 と表面電極６とが接触し導通しており、さらに金属ブロックｄ1 を介してボルトｃ、金属ブロックｄ2 へも導通され、積層圧電素子と同電位となる。
【００２５】
なお、本実施の形態では表面電極６は４ヶとしているが、これら４箇の表面電極は全てグランドで同等でもあるので、表面電極６は１ヶでも良い。
【００２６】
具体的には内部電極層Ａ１，Ａ２とこれと９０゜の位相差を有して内部電極層Ｂ１，Ｂ２に各々例えば高周波電圧Ｖp ＝７Ｖを印加すると、振動波モータの回転数６００ｒｐｍ、トルク２５ｇ・ｃｍの性能が得られ、さらに金属ブロックボルトｃも同電位になっているため、性能の安定性も増し前述の欠点であったノイズの問題は解消できた。また、積層圧電素子の製造にも、非常に簡単に表面電極は作れるのでコストの増加もほとんどなく製造可能であった。
【００２７】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態は、積層圧電素子の機械的な振動を電気的な信号に変換して出力するため、すなわち、センサとしての制御用の出力を取り出すためのスルーホールの表面電極を設けたものである。
【００２８】
振動波モータ駆動時に圧電素子に加わる圧力により発生する電圧を振動波モータの制御に用いることは従来より行なっており、従来例で言えば、図１２において、圧電素子ａ5 が制御用のセンサとして用いられており、その出力は電極板としての金属板ｂ6 を介して取り出すことができる。ただし、詳しくは、電極板ｂ6 と金属ブロックｄ2 の間には絶縁シートを挟み絶縁を計ったり、高価ではあるが導通しないセラミックス製のブロックを使用している。
【００２９】
本実施の形態の積層圧電素子１′は、図４に示すように、表面電極３を有する端面（表面）とは異なるもう一方の端面（裏面）側の一層の１／４の面積の部分にセンサ用の電極層７を設けている。センサ用の電極層７は、スルーホール８により図５に示す素子端面（裏面）に露出した表面電極１０と導通している。ここで内部電極層の数はセンサ用の電極層を１層追加して合計２５層であり、第１の実施の形態の積層圧電素子に電極層を１層追加した層数である。
【００３０】
図６は本実施の形態の積層圧電素子１′を振動波モータの振動体に組み込んだ状態を示す。回路基板ｇ′を使い表面電極１０から振動波モータの機械的振動により内部電極層７に発生する電気的信号を外部の回路に取り出すことができる。
この際、センサ用の電極層である内部電極層７の対向する電極層（GA2）は積層圧電素子のグランドと同一であるから、外部回路において信号として電気的に処理されるときには積層圧電素子のグランドを使う。
【００３１】
以上の結果、センサ用の電極層を、製造コストをほとんど上げることなく、簡単に追加することが可能で、また駆動用表面電極とは位置的にも離れているので電気的なノイズの影響を受けにくいメリットもあり、振動波モータの周波数制御も容易に可能となった。
【００３２】
さらに上記した第１の実施の形態と第２の実施の形態とを併用した実施の形態を図７に示す。
【００３３】
図７において、センサ用の電極層７の対向するグランド層GA2をスルーホール９により導通させており、このスルーホール９は、図８に示す表面電極１１に導通させ、表面電極１１は図６の回路基板ｇ′に例えば導通の可能なスルーホールの穴をあけておき、直接金属ブロックｄ１と接着させ、一方、スルーホール８に繋がる表面電極１０は同様に回路基板ｇ′を使い外部回路と導通させることも可能である。
【００３４】
以上の例はスルーホールを積層圧電素子の両端面である表面・裏面に露出させ表面電極としたが、露出した表面電極の周囲の表面に電極膜を設けより広い面積をもった電極としても良い。
【００３５】
また、図５、図７ではセンサ用の電極層は内部電極層ＧＡ２に対向する１／４の面積の部分としたが、内部電極層ＧＡ１，ＧＡ２またはＧＢ１，ＧＢ２に対向して一層の１／２の面積の部分に設けても良い。
【００３６】
図９は図７の実施の形態の変形例を示し、この実施の形態の積層圧電素子１′−２が図７の積層圧電素子と異なるのは、電極層７´にスルーホール９” が形成され、該電極層７´を有するグランド層５の直ぐ上の圧電材層には、スルーホール９”に対応してスルーホールが形成されていない点にある。
【００３７】
すなわち、センサ用の電極層７と対向するセンサ用のグランドである電極層７′を駆動用のグランド層５の電極層ＧＡ１、ＧB１、ＧB２とは独立（絶縁）させており、スルーホール９´を用いて図１０に示す表面電極１１′と導通させることで、表面電極１０と１１′間でセンサ用の信号電圧を取り出すことができる。
こうすることでセンサ信号は駆動用の電圧からの影響を受けることなく、純粋なセンサ信号のみを取り出すことが可能となる。
【００３８】
以上の例では、裏面側のスローホールはグランド用やセンサ用であるが、
単に、駆動用の電圧を供給する際にも、表面ともう一方の面の両面を使ってスルーホールに繋がる表面電極を形成しても良い。将来、とくに小型の振動波モータにおいて、積層圧電素子も小径化しスルーホールを全て片面に設け基板との間で導通を図る際に配線パターンの面積が不足することも考えられ、このような時にも本発明は有効である。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば非常に簡単に積層圧電素子等の積層電気−機械エネルギー変換素子のグランドを弾性体に電気的に落したり、センサの出力を取り出したりすることが可能であり、製造上もコストアップもほとんどないなどの利点も有する。
【００４０】
特にセンサの出力端子として使う表面電極の場合は駆動電圧のノイズの影響が少なく、また必要に応じ従来の積層圧電素子の端面に追加するようなことが可能で振動波モータ等の振動波駆動装置用の積層圧電素子の設計も容易になった。
【００４１】
将来、とくに小型の振動波モータにおいて、積層圧電素子も小径化しスルーホールを全て片面に設けると、基板との間で導通を図る配線パターンの面積が不足することも考えられ、このような小型の振動波モータで駆動用の電圧を供給する際にも、表面ともう一方の面の両面を使ってスルーホールに繋がる表面電極を形成した本発明の積層圧電素子は有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における積層圧電素子の分解斜視図と外観斜視図
【図２】図１の積層圧電素子の両端面に露出した表面電極を示す図
【図３】図１の積層圧電素子を組み込んだ振動波モータの断面図
【図４】本発明の第２の実施の形態における積層圧電素子の分解斜視図と外観斜視図
【図５】図４の積層圧電素子の両端面に露出した表面電極を示す図
【図６】図４の積層圧電素子を組み込んだ振動波モータの断面図
【図７】本発明の第３の実施の形態における積層圧電素子の分解斜視図と外観斜視図
【図８】図７の積層圧電素子の両端面に露出した表面電極を示す図
【図９】本発明の第４の実施の形態における積層圧電素子の分解斜視図と外観斜視図
【図１０】図９の積層圧電素子の両端面に露出した表面電極を示す図
【図１１】（i）〜（iii）は従来の単板の圧電素子を示す図
【図１２】図１１の圧電素子を組み込んだ振動波モータの断面図
【図１３】従来の積層圧電素子の分解斜視図と外観斜視図
【図１４】図１３の積層圧電素子の表面と裏面を示す図
【図１５】図１４の積層圧電素子を組み込んだ振動波モータの断面図
【符号の説明】
１，１′，１″  本発明の積層圧電素子
３  表面電極
６，１０，１１  もう一方の端面の表面電極
ｃ  ボルト
ｄ１、ｄ２  ブロック
ｇ  回路基板
ｈ  振動体
【図１】
0005031153.tif 000002
【図２】
0005031153.tif 000003
【図３】
0005031153.tif 000004
【図４】
0005031153.tif 000005
【図５】
0005031153.tif 000006
【図６】
0005031153.tif 000007
【図７】
0005031153.tif 000008
【図８】
0005031153.tif 000009
【図９】
0005031153.tif 000010
【図１０】
0005031153.tif 000011
【図１１】
0005031153.tif 000012
【図１２】
0005031153.tif 000013
【図１３】
0005031153.tif 000014
【図１４】
0005031153.tif 000015
【図１５】
0005031153.tif 000016