JP2005168281A - 積層圧電素子及び振動波駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 安定した出力を有する振動波駆動装置を量産可能とすると共に振動波駆動装置の性能を向上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】 リニア型振動波モータを、振動体３２とスライダ３３から構成する。振動体３２を構成する積層圧電素子３０を、圧電不活性部３６と圧電活性部３７から構成すると共に、圧電不活性部３７の上面に摩擦材３１を接合する。摩擦材３１を、スライダ３３の摩擦材３３−２に接触する接触部３１−１、該接触部３１−１と同じ厚さの部位３１−２、薄板部３１−３、３１−４から構成する。振動体３２に異なる２つの曲げ振動からなる複合振動を生成することで、振動体３２を構成する積層圧電素子３０の圧電不活性部３７上面の２つの接触部３１−１の表面に、楕円運動または円運動を発生させる。
【選択図】 図７

Description

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。

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り、更に、積層する一層の厚さを薄くすることができ、小型で高性能な積層圧電素子を容易に製造できるようになったためである。

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。

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圧電材料の層である圧電層と、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。

図９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。

図９において、積層圧電素子４０を構成する複数の圧電層４２の表面に、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分割に形成されており（ＡＧ、ＡＧ、ＢＧ、ＢＧ、Ａ＋、Ａ−、Ｂ＋、Ｂ−）、同一の層に形成された各内部電極４３は互いに非導通となっている。

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。

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。

更に、図１０は、図９の積層圧電素子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。

図１０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がフレキシブル回路基板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とフレキシブル回路基板５２が挟み込まれた状態で固定される。フレキシブル回路基板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。

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の先端部と加圧されて接触するロータ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。

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に加圧されて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。

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）。

図１１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。

図１１において、振動体の一部を構成する金属部材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、金属部材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、接着剤により金属部材６１に接着されている。

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、曲げ振動と縦振動と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。

この結果、突起部６４、６５の先端を固定部材６６に対し加圧して接触させると、振動体の一部を構成する金属部材６１は固定部材６６に対して移動する。即ち、振動体に対して他の部材を加圧して接触させ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。
特開平６−７７５５０号公報 特開平６−１２０５８０号公報 特開平８−２１３６６４号公報 特許第３２７９０２０号 特許第３２７９０２１号

上述した振動波モータを小型化するほど、図１０に示す振動波モータでは積層圧電素子４０と金属部材５３、５４の加工誤差が、図１１に示す振動波モータでは金属部材６１と圧電素子６２、６３の加工誤差が、振動波モータ全体の大きさに比較して大きくなり易い。そのため、これらの加工誤差の積み重ねにより、安定した出力を有する振動波モータを量産することが困難であった。

また、圧電素子と金属部材の界面や接着面を完全に密着させることは難しい。そのため、圧電素子と金属部材の界面や接着面での振動減衰が生じ、振動波モータの性能を低下させていた。

本発明の目的は、安定した出力を有する振動波駆動装置を量産可能とすると共に振動波駆動装置の性能を向上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。

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すると共に、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したことを特徴とする。

同様に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すると共に、前記圧電不活性部に、前記積層圧電素子に発生可能な複数の振動の変位を拡大する変位拡大部を形成したことを特徴とする。

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の両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。

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凹部を形成したことを特徴とする。

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軸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。

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。

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。

また、本発明の積層圧電素子は、前記複数の振動は、複数の曲げ振動であることを特徴とする。

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、前記振動体に加圧されて接触する接触体を回転させることを特徴とする。

また、本発明の振動波駆動装置は、前記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されて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。

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。

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。

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。

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、前記振動体に加圧されて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、前記接触体が前記圧電不活性部に加圧されて接触することを特徴とする。

本発明によれば、積層圧電素子の圧電活性部と圧電不活性部とを積層して一体化すると共に、圧電不活性部の厚さを、積層圧電素子に複数の振動が発生可能な厚さとしているため、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。この結果、従来のような積層圧電素子を挟み込んで固定するための金属部材を使用せず、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。これにより、従来のような圧電素子と金属部材の加工誤差の問題が生じることがなくなるため、安定した出力を有する振動波駆動装置を量産することが可能となる。

また、積層圧電素子の圧電活性部と圧電不活性部とを積層して一体化すると共に、圧電不活性部に、複数の振動の変位拡大部を形成するため、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ので、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に形成することができる。これらの結果、振動波駆動装置の性能の向上が可能であり、更に、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。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

［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。

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の軸方向一方の側に配設され、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４−１と、圧電活性部３の軸方向他方の側に配設され、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４−２とから構成されている。

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。内部電極６−１が形成された各圧電層５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、内部電極６−２が形成された各圧電層５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。

更に、積層圧電素子１の軸方向で同一となる位相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により接続されている。外部電極７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。

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。

他方、圧電不活性部４−１と圧電不活性部４−２は、それぞれ、内部電極の無い少なくとも２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４−１と圧電不活性部４−２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４−１、４−２の厚さが薄いと、曲げ振動を発生させることができない。圧電不活性部４−１と圧電不活性部４−２は、例えば、図１及び図２に示すように不均等な厚さとなっている。

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１２ｍｍ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の長さは約２ｍｍ、幅は約１ｍｍ、厚さは約０．０５ｍｍ、圧電不活性部４−１、４−２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４−１、４−２は、更に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。

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して、以下の製造方法で製造される。

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４−１、４−２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及び接続電極６ａ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。

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。

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を印刷する。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の外周部に外部電極７を焼き付ける。

次に、図１に示すように、積層圧電素子１の外周部（圧電不活性部４−１）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側（圧電不活性部４−１）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。

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と加圧されて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。

凹み部８は圧電不活性部４−１のみに形成される。圧電不活性部４−１は圧電活性部３と異なり電極が形成されていないため、制約を受けることなく形状の微調整を容易に行うことができる。

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。

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。

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。

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により積層圧電素子１を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の外側には、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の端面に加圧されて接触したロータ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。

他方、振動体１０としての積層圧電素子１に形成された各外部電極７（図２参照）の周囲には、フレキシブル回路基板１５が巻き付けられており、フレキシブル回路基板１５により各外部電極７と駆動回路（不図示）とを電気的に接続している。

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。

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。

ここで、従来例の積層圧電素子４０（図９参照）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を挟み込んで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ひとつの振動（伸縮）しかできない）。

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で積層圧電素子を挟み込んで固定する代わりに、圧電不活性部４−１、４−２を圧電活性部３に積層し一体化することで圧電不活性部４−１、４−２で圧電活性部３を挟み込んで固定しているので、積層圧電素子１自体を振動体１０として、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、この駆動部に加圧されて接触するロータ１８は摩擦により回転する。

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と加圧されて接触する端面には、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。

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４−１、４−２とから構成し、圧電不活性部４−１、４−２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、積層圧電素子自体で複数の振動モード（２つの曲げ振動のモード）を有することが可能となる。

これにより、振動波モータに積層圧電素子を挟み込んで固定するための金属部材を組み込むことが不要となる。また、ため、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。

また、振動波モータに金属部材を組み込む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可能となる。

また、積層圧電素子１を構成する圧電不活性部４−１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。

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とって効果は大きい。

なお、本実施の形態では、積層圧電素子１の圧電不活性部４−１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。

［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。

図４及び図５において、振動体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とから構成されている。圧電不活性部２７は、一番上の第１層から所定層（例えば第２０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、所定層（例えば第２１層）から最終層（例えば第３０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。

圧電活性部２６と圧電不活性部２７は、例えば同時に積層して一体化され焼成されるものであり、積層圧電素子２０を構成している。圧電活性部２６はユニモルフであり、圧電不活性部２７の厚さは、積層圧電素子２０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。圧電不活性部２７の厚さが薄いと、ユニモルフである圧電活性部２６によって発生したエネルギを曲げ振動として取り出すことができない。

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る。

図４に示すように、圧電不活性部２７の上面には、２つの突起部２１（凸部）が研削加工により削り出されることで形成されている。つまり、振動体２は、圧電活性部２６及び圧電不活性部２７を備えた積層圧電素子２０だけから構成されている。ここで、圧電不活性部２７の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。

突起部２１は圧電不活性部２７のみに形成される。圧電活性部２６は内部電極が形成されているので削る等の加工を行うことはできないが、圧電不活性部２７は圧電活性部２６と異なり電極が形成されていないため、形状の微調整を容易に行うことができる。

積層圧電素子２０は、積層圧電素子２０の最下面に配設される表面電極２５をラップ加工で削り落とした後の面の所定の位置にフレキシブル回路基板を貼り付けることで、駆動回路（不図示）と接続を行うことができるようになっている。

例えば、積層圧電素子２０の内部電極２３−３をグランドとし、内部電極２３−１、２３−２に０度と１８０度の間の時間的な位相差を有する高周波電圧を印加すると、図６に示すような異なる２つの曲げ振動を時間的な位相を９０度ずらして同時に発生させることができる。

図６は、振動体２に励起される２つの曲げ振動を示す図である。

図６において、図６（ａ）に示す曲げ振動は面外２次曲げ振動であり、図６（ｂ）に示す振動は面外２次曲げ振動であり、これら２つの曲げ振動の共振周波数は略一致するように振動体２の形状が設計されている。２つの突起部２１は面外２次曲げ振動の節近傍に配置されており、この振動により２つの突起部２１の先端はＸ方向に変位する。また、２つの突起部２１は面外１次曲げ振動の腹近傍に配置されており、この振動により２つの突起部２１の先端はＺ方向に変位する。これら異なる２つの曲げ振動からなる複合振動を生成することで、振動体２を構成する積層圧電素子２０の圧電不活性部２７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。

この結果、振動体２の突起部２１の先端を固定部（不図示）に加圧して接触させると、該先端に発生した楕円運動または円運動により、振動体２は固定部に対し自走する。従って、振動体２に対して他の部材（接触体）を加圧して接触させることで、振動体２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。

尚、本実施の形態では、振動体２としての積層圧電素子２０の圧電不活性部２７の２つの突起部２１における他の部材と加圧されて接触する端面には、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。

ここで、本実施の形態の積層圧電素子２０は、例えば、縦が２０ｍｍ、幅が５ｍｍ、厚さが１．８ｍｍであり、圧電層２２の厚さは６０μｍ、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の圧電層２２は、より厚いシートを用いても良い。

積層圧電素子２０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。

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。

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にそれぞれ金属ピンを押し当て、内部電極２３−３をグランド（Ｇ）とし、内部電極２３−１、２３−２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。

最後に、上記の分極処理後、積層圧電素子２０の両面ラップ加工を行うことで積層圧電素子２０の上面及び下面を平滑化すると共に表面電極２５を削り落とし、図４に示すように、積層圧電素子２０の圧電不活性部２７の面に研削加工により２つの凸部である突起部２１を削り出す。尚、焼成後の工程は、研削加工を先に行ってから分極処理を行っても良い。

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つの異なる曲げ振動を起こしていたが、積層圧電素子２０として圧電活性部２６に圧電不活性部２７を積層し一体化すると共に、他の部材に加圧して接触させるための突起部２１を圧電不活性部２７の面を削り出すことで形成しているため、積層圧電素子２０だけで振動波モータの振動体２として使用することができ、２つの異なる曲げ振動を同時に起こすことが可能となる。

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。

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。

また、積層圧電素子２０を構成する圧電不活性部２７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。

なお、本実施の形態では、積層圧電素子１の圧電不活性部２７の上面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。

次に、上記第２の実施の形態の変形例について説明する。

図７は、第２の実施の形態で説明した積層圧電素子の変形例である積層圧電素子を用いたリニア型振動波モータの構成を示す斜視図である。図７に示す積層圧電素子３０は、図４、図６に示す積層圧電素子２０と比較して、上面に突起部２１が形成される代わりに、上面に平板上の摩擦材３１が接着等で結合されている点が異なる。

図７において、リニア型振動波モータは、振動体３２と、スライダ３３から構成されている。振動体３２を構成する積層圧電素子３０は、平板状の形状を有するものであり、一番上の第１層から所定層（例えば第２０層）までの内部電極の無い圧電層からなる圧電不活性部３６と、所定層（例えば第２１層）から最終層（例えば第３０層）までが図５と同様な内部電極が形成された圧電層からなる圧電活性部３７とから構成されている。

図４乃至図６に示す積層圧電素子２０の圧電活性部２６と圧電不活性部２７と同様に、圧電活性部３６と圧電不活性部３７は、例えば同時に積層して一体化され焼成されるものであり、圧電不活性部３７の厚さは、積層圧電素子３０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。圧電不活性部３７の厚さが薄いと、ユニモルフである圧電活性部３６によって発生したエネルギを曲げ振動として取り出すことができない。

圧電不活性部３７の上面には、板状の摩擦材３１が接合されている。摩擦材３１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、例えばＳＵＳ４２０Ｊ２の表面を窒化処理したものが用いられる。

摩擦材３１は、均一の厚さである部位３１−１、３１−２と、これらの部位よりも薄く構成された薄板部３１−３、３１−４とから構成されている。摩擦材３１の材料である板状のＳＵＳ４２０Ｊ２の表面にエッチング処理を施して厚みを減らすことで、薄板部３１−３、３１−４を形成し、その他の部位が３１−１、３１−２となる。３１−１は、直列状に並んで配置された薄板部３１−３と薄板部３１−４の間に形成されて下記のスライダ３３に対する接触部として作用する。

一方、スライダ３３は、スライダ基部３３−１と、これに接合された摩擦材３３−２とから構成されている。スライダ３３の摩擦材３３−２が、摩擦材３１の接触部３１−１に加圧されて接触する。

振動体３２の圧電不活性部３７の上面に接合された摩擦材３１の薄板部３１−３、３１−４は、接触部３１−１よりも凹むように形成されているので、振動体３２に振動を励起しても、薄板部３１−３、３１−４はスライダ３３に接触しない。

振動体３２を構成する積層圧電素子３０の所定の位置にフレキシブル回路基板を貼り付けることで、駆動回路（不図示）と接続を行うことができるようになっている。積層圧電素子３０の内部電極に位相差を有する高周波電圧を印加することで、図８に示すような異なる２つの曲げ振動を時間的な位相を９０度ずらして同時に発生させることができる。

図８は、リニア型振動波モータの振動体３２に励起される２つの曲げ振動を示す図である。

図８において、図８（ａ）に示す曲げ振動は図６（ａ）に示す曲げ振動と同様の面外２次曲げ振動であり、図８（ｂ）に示す振動は図６（ｂ）に示す曲げ振動と同様の面外１次曲げ振動であり、これら２つの曲げ振動の共振周波数が略一致するように振動体３２の形状が設計されている。

振動体３２を構成する積層圧電素子３０の圧電不活性部３７上面の摩擦材３１の薄板部３１−３、３１−４間に形成された２つの接触部３１−１は、図４の２つの突起部２１と同様の位置に配置されている。従って、振動体３２に上述した異なる２つの曲げ振動からなる複合振動を生成することで、振動体３２を構成する積層圧電素子３０の圧電不活性部３７上面の２つの接触部３１−１の表面には、楕円運動または円運動を発生させることができる。

この結果、振動体３２の接触部３１−１の表面をスライダ３３に加圧して接触させると、該表面に発生した楕円運動または円運動により、スライダ３３は振動体３２に対して直線移動をする。従って、振動体３２に対してスライダ３３を加圧して接触させることで、振動体３２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。

ここで、図７に示す振動体３２を構成する積層圧電素子３０と摩擦材３１は、縦（Ｘ方向）及び幅（Ｙ方向）の寸法が略一致している。積層圧電素子３０は、縦が５．５ｍｍ、幅が３．１ｍｍ、厚さが０．６ｍｍである。また、摩擦材３１の接触部３１−１と部位３１−２の厚さは０．１ｍｍであり、薄板部３１−３、３１−４の厚さは０．０５ｍｍである。

上記変形例によっても、積層圧電素子３０だけで振動波モータの積層圧電素子３０として２つの異なる曲げ振動を同時に起こすことが可能となる。

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。

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一部を切り欠いた断面図である。 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。 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。 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。 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。 本発明の第２の実施の形態に係る振動体に励起される２つの曲げ振動を示す図であり、（ａ）は面外２次曲げ振動を示す図、（ｂ）は面外２次曲げ振動を示す図である。 本発明の第２の実施の形態の変形例に係る積層圧電素子を用いたリニア型振動波モータの構成を示す斜視図である。 リニア型振動波モータの振動体に励起される２つの曲げ振動を示す図であり、（ａ）は面外２次曲げ振動を示す図、（ｂ）は面外１次曲げ振動を示す図である。 従来例に係る積層圧電素子を示す斜視図である。 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。 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

１、２、３０ 積層圧電素子
３、２６、３６ 圧電活性部
４、２７、３７ 圧電不活性部
５、２２ 圧電層
６、２３ 内部電極
７ 外部電極
８ 凹部
１０、２０、３２ 振動体
１１ 振動波モータ
１８ ロータ
２１ 突起部
３１ 摩擦材
３１−１ 接触部
３３ スライダ

Claims (11)

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すると共に、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したことを特徴とする積層圧電素子。
2. 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すると共に、前記圧電不活性部に、前記積層圧電素子に発生可能な複数の振動の変位を拡大する変位拡大部を形成したことを特徴とする積層圧電素子。
3. 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の両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。
4. 前記圧電不活性部の一部に凹部を形成したことを特徴とする請求項３記載の積層圧電素子。
5. 前記複数の振動は、前記積層圧電素子の軸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３又は４記載の積層圧電素子。
6. 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。
7. 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６記載の積層圧電素子。
8. 前記複数の振動は、複数の曲げ振動であることを特徴とする請求項６又は７記載の積層圧電素子。
9. 前記請求項１乃至５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、前記振動体に加圧されて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。
10. 前記請求項１、２、６乃至８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されて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。
11. 振動体に振動を発生させ、前記振動体に加圧されて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、前記接触体が前記圧電不活性部に加圧されて接触することを特徴とする振動波駆動装置。

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