JP5328109B2 - 積層圧電素子及び振動波駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧電材料の層と電極材料の層とを交互に積層した積層圧電素子及び振動波駆動装置に関する。

近年、複数の圧電素子を積層化した小型で高性能な積層圧電素子の開発が進展している。第１の従来例に係る積層圧電素子として、振動波モータ（特に棒状構造の振動波モータ）の振動体の加振源である図５に示す構成を有する積層圧電素子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図５は、第１の従来例に係る積層圧電素子の構成を示す分解斜視図である。

図５において、積層圧電素子４０は、圧電材料（圧電セラミックス）の層である複数の圧電層４１と、各圧電層４１の表面に設けられた電極材料の層である電極層（以下内部電極）４２から構成されている。また、各圧電層間の内部電極４２を接続するための層間配線として、圧電層４１の層内に軸方向に沿って設けた貫通孔に導電材料を充填したいわゆるスルーホール（バイヤホール）４３を用いている。

各内部電極４２は、圧電層４１の周方向に４分割されて形成されると共に、互いに非導通に構成されている。また、各内部電極４２は、スルーホール４３により接続されている。スルーホール４３は、その端部を積層圧電素子４０の最上層の圧電層４１の表面に露出している。これにより、表面電極４４を形成している。

図６は、図５の積層圧電素子を振動体に組み込んだ振動波モータの構成を示す断面図である。

図６において、振動波モータ５０は、棒状に形成されており、積層圧電素子４０を振動体５１に組み込んだ構成を有する。積層圧電素子４０は、上記表面電極４４に可撓性を有する柔らかい樹脂からなる配線基板５２が接触させられると共に、中空の部材５３と部材５４との間に配置される。ボルト５５を部材５４側から挿入して部材５３にねじ込むことにより、部材５３と部材５４との間に積層圧電素子４０と配線基板５２が挟持された状態で固定される。これにより、振動体５１が構成される。

更に、配線基板５２を外部電源の駆動回路（不図示）に接続する。これにより、駆動用の交流電圧が積層圧電素子４０に印加され、振動体５１の振動によりロータ５６が回転駆動される。

第２の従来例に係る積層圧電素子として、図７に示す構成を有する積層圧電素子が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

図７は、第２の従来例に係る積層圧電素子と配線基板を示す図である。

図７において、積層圧電素子６０は、棒状の振動波モータの振動体に組み込まれるものであり、外周部に外部電極６５が形成されると共に可撓性を有する配線基板６１が設けられている。配線基板６１は、配線６６と外部端子６７を有する。

図８は、図７の積層圧電素子の構成を示す分解斜視図である。

図８において、積層圧電素子６０は、複数の圧電層６２と、各圧電層６２の表面に４分割して設けられた内部電極６３から構成されている。内部電極６３の外周端は、圧電層６２の外周端よりも内側に位置している。更に、圧電層６２の表面には、各内部電極６３と接続されて圧電層６２の外周端まで延びる接続電極６４が形成されている。接続電極６４は、例えば同一位相位置の内部電極６３に対して一層おきに且つ同一位相位置に形成されている。

更に、同一位相位置同士の接続電極６４は、積層圧電素子６０の外周部に設けられている層間電極である外部電極６５により接続されている。外部電極６５は、積層圧電素子６０の軸方向の同一位相位置に位置する接続電極６４毎に周方向に合計８箇所に形成されている。なお、積層圧電素子６０の上下の両端面は圧電層６２で形成されており、内部電極６３と外部を絶縁している。

更に、積層圧電素子６０は、図７に示したように、その外周部の所定位置に可撓性を有する配線基板６１が巻き付けられ接着により固定されている。配線基板６１の表面側の各配線６６は、配線基板６１の裏面側の積層圧電素子６０の各外部電極６５にそれぞれ導通すると共に、配線基板６１の外周表面の外部端子６７に集められている。

図９は、図７の積層圧電素子を振動体に組み込んだ振動波モータの構成を示す断面図である。

図９において、振動波モータ７０は、棒状に形成されており、積層圧電素子６０を振動体７１に組み込んだ構成を有する。積層圧電素子６０は、中空の部材５３と部材５４との間に配置される。ボルト５５を部材５４側から挿入して部材５３にねじ込むことにより、部材５３と部材５４との間に積層圧電素子６０が直接挟持され固定される。これにより、振動体７１が構成される。

更に、積層圧電素子６０の外周部に固着された配線基板６１の外部端子６７に、フレキシブルな配線基板７２（或いはフラットケーブル）をはんだ付けする。更に、配線基板７２を外部電源の駆動回路（不図示）に接続する。これにより、駆動用の交流電圧が積層圧電素子６０に印加され、振動体７１の振動によりロータ５６が回転駆動される。
特開平８−２１３６６４号公報 特開２００３−９５５５号公報

上記第１の従来例では、積層圧電素子と可撓性を有する柔らかい樹脂からなる配線基板とを２つの部材間に挟持することで、振動波モータの振動体を構成している。そのため、振動体の振動の減衰（エネルギー損失）が大きくなり、振動波モータの効率を悪化させ、振動波モータの性能を低下させるという問題があった。

また、上記第２の従来例では、外部電極を設けた積層圧電素子の外周面に可撓性を有する配線基板を積層圧電素子に巻き付けることで、振動波モータの振動体を構成している。そのため、積層圧電素子に外部電極を設けるための新たな工程が増加する。更に、積層圧電素子の外周面の略全周に配線基板を巻き付ける構造のため、振動体の振動の減衰の原因となり、上記第１の従来例と同様に振動波モータの性能を低下させるという問題があった。

本発明の目的は、信頼性を保ちつつ、新たな製造設備を設置することなく且つ製造コストを上げることなく、振動波駆動装置の性能の向上を図ることができる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、圧電材料から構成される圧電層と、電極材料から構成される電極層とが交互に複数重ねて積層化され、複数の前記電極層と電気的に導通する複数のスルーホールが設けられ、複数の前記圧電層のうちの１つの圧電層に前記複数のスルーホールとそれぞれ電気的に導通する配線用導電膜が設けられている積層圧電素子であって、前記配線用導電膜が設けられた前記圧電層はリング形状を有し、前記配線用導電膜は、前記積層圧電素子の外径部より外側まで形成されることで分極用電極と導通し、前記圧電層の分極に用いられた後に前記積層圧電素子の外径部より外側の部分が除去されることにより、前記配線用導電膜の端部は、前記リング形状の圧電層の外周面の４分の１以下の部分に集合した状態で露出され、前記配線用導電膜の端部と接続される配線基板が、前記積層圧電素子の外周面の一部に設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、積層圧電素子の外周面に配線用導電膜の端部を露出させるため、積層圧電素子を振動波駆動装置の振動体の部材間に直接挟持することができる。その結果、積層圧電素子と共に配線基板を振動体の部材間に挟持する場合と比較し、振動体の振動減衰を少なくできる。また、前記配線用導電膜の端部を、リング形状の圧電層の外周面の１／４以下の部分に集合させ、露出させることにより、配線基板の面積を小さくすることができると共に、積層圧電素子の厚さ方向の長さも短くすることができる。これにより、振動波モータ２０の振動体２１の振動減衰を更に少なくすることが可能となる。よって、信頼性を保ちつつ、新たな製造設備を設置することなく且つ製造コストを上げることなく、振動体の振動減衰が少なく振動波駆動装置の性能の向上を図ることができる積層圧電素子を提供することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る積層圧電素子の構成を示す分解斜視図である。

図１において、積層圧電素子１は、圧電材料の層である複数の圧電層４−１、４−２、４−３、４−４、４−３、・・・、４−３、４−４と、圧電層４−３、４−４の表面に設けられた電極材料の層である内部電極５から構成されている。即ち、積層圧電素子１は、圧電材料の層と電極材料の層とを交互に複数重ねて積層化されたものであり、両端面が圧電層４−１と圧電層４−４から構成されている。さらに、圧電層４−２以下は、圧電層４−３と４−４が交互に重ねられている。図中１１は配線基板であり、図４の説明箇所で詳述する。

内部電極５の外周端は、圧電層４−３、４−４の外周端よりも内周側に設けられている。圧電層４−３は、表面が周方向に４分割されることで内部電極Ａ＋、Ａ−、Ｂ＋、Ｂ−が形成されている。内部電極Ａ＋、Ａ−、Ｂ＋、Ｂ−は、互いに非導通に構成されている。圧電層４−４は、表面が周方向に４分割されることで内部電極ＡG＋、ＡG−、ＢG＋、ＢG−が形成されている。内部電極ＡG＋、ＡG−、ＢG＋、ＢG−は、互いに非導通に構成されている。圧電層４−３と圧電層４−４とは交互に積層されている。

圧電層４−３に形成された内部電極Ａ＋、Ａ−、Ｂ＋、Ｂ−、圧電層４−４に形成されたＡG＋、ＡG−、ＢG＋、ＢG−は、８個のスルーホール６により接続されている。即ち、内部電極Ａ＋、Ａ−、Ｂ＋、Ｂ−、ＡG＋、ＡG−、ＢG＋、ＢG−と、８個のスルーホール６とは電気的に導通している。８個のスルーホール６は、圧電層４−２の表面に達している。

圧電層４−２には、８個のスルーホール６にそれぞれ電気的に導通した８本の配線用導電膜２が設けられている。８本の配線用導電膜２のそれぞれの端部３は、圧電層４−２の外周面に一列に集合した状態で露出している。８本の配線用導電膜２のそれぞれの端部３は、配線基板１１が接触状態で固定されるものであり、電気的な端子として利用することができる。

図２は、図１の積層圧電素子の製造方法を示す図である。

図２において、最初に、圧電層４となる圧電セラミックス粉末と有機バインダからなる一定寸法の角形状に切り出したグリーンシート１０に、スルーホール６となる小さな孔を形成する。更に、グリーンシート１０に形成した孔の中に、導電粉末材料（銀・パラジウム粉末）からなるペーストをスクリーン印刷法で充填する。更に、グリーンシート１０の表面に、内部電極５と配線用導電膜２を形成する導電粉末材料（銀・パラジウム粉末）からなるペーストをスクリーン印刷法で印刷する。

図示の破線が最終的な積層圧電素子１の内径部と外径部を示している。最上層の下側の圧電層４−２において、配線用導電膜２は、電気的に導通するスルーホール６から積層圧電素子１の破線で示す外径部の外側まで形成されている。また、最上層の圧電層４−１において、表面の露出したスルーホール７とその周囲の分極用表面電極膜８は、積層圧電素子１の外径部の外側に形成されている。圧電層４−１のスルーホール７と分極用表面電極膜８は、その下の圧電層４−２の配線用導電膜２の端部と電気的に導通している。

積層圧電素子１の製造においては、図示のように複数枚のグリーンシート１０を下から順に重ねて、加熱・加圧装置（不図示）により加熱しながら加圧し、積層化する。更に、複数枚のグリーンシート１０を積層化した直方体に対して、積層圧電素子の内径部となる部分の内側をドリル（不図示）により穿孔する。その後、積層化した直方体を１１００℃〜１２００℃の鉛雰囲気下で焼成を行う。焼成を行った後、配線用導電膜２を使用して分極処理を行う。

図３は、図１の積層圧電素子を構成する複数枚のグリーンシートを積層化した直方体を示す斜視図である。

図３において、積層化した直方体を後述する条件で分極処理を行う。最終的に、直方体の両端面を加工装置（不図示）によりわずかに削り平坦化すると共に、積層圧電素子の外径部となる部分の外側を除去する機械加工を行い、内径部を有するリング形状の積層圧電素子１として仕上げる。この機械加工によりスルーホール７と分極用表面電極膜８は除去され、積層圧電素子１の外周面には図１に示したように配線用導電膜２の端部３が現れる。

分極処理は、８箇所の分極用表面電極膜８にそれぞれプローブ（不図示）を押し当て、以下のように直流電圧を印加する。スルーホール７、配線用導電膜２、スルーホール６に繋がる各内部電極Ａ＋、Ａ−、Ｂ＋、Ｂ−、ＡG＋、ＡG−、ＢG＋、ＢG−に対して、Ａ＋とＢ＋には＋３００Ｖを印加する。Ａ−とＢ−には−３００Ｖを印加する。ＡG＋、ＡG−、ＢG＋、ＢG−はグランドとする。更に、１２０〜１３０℃のシリコーンオイル中で３０〜６０分間の分極処理を行う。即ち、４分割された内部電極のうち、１８０度の位置関係にある２つの内部電極を互いに分極方向が異なるように分極する。

製造した積層圧電素子１の各部の具体的な数値は以下の通りである。積層圧電素子１は外径１０ｍｍ、内径２．８ｍｍ、厚さ約２．２ｍｍである。圧電層は厚さ８５μｍである。内部電極は外径９．５ｍｍ、厚さ２〜３μｍである。圧電層の層数は２５層、内部電極の層数は２４層である。スルーホールの径はφ０．１ｍｍである。配線用電極膜は幅０．４ｍｍ、厚さ２０μｍである。

図４は、図１の積層圧電素子を振動体に組み込んだ振動波駆動装置としての振動波モータの構成を示す断面図である。

図４において、振動波モータ２０は、部材２２、部材２３、ボルト２４を有すると共に積層圧電素子１が組み込まれた振動体２１と、ロータ２５と、出力部材２６とから構成されている。振動波モータ２０を組み立てる際は、内径部を有するリング形状の積層圧電素子１を、中空で円筒状の部材２２と部材２３との間に配置する。更に、先端細径部がピン形状に形成されたボルト２４を部材２３側から挿入して部材２２にねじ込むことにより、部材２２と部材２３との間に積層圧電素子１を挟持した状態で固定する。

積層圧電素子１の両端面は、上述したように圧電層４−１と圧電層４−４から構成されている。両端面の圧電層４−１と圧電層４−４は、内部電極５に対して電気的に絶縁されると共に、表面が平坦に形成されている。一方、振動波モータ２０の部材２２と部材２３も、積層圧電素子１を挟持する側の表面が平坦に形成されている。これにより、振動波モータ２０の部材２２と部材２３との間に、積層圧電素子１を確実に挟持して固定することが可能となる。

振動波モータ２０の部材２２と部材２３との間に積層圧電素子１を挟持固定した後、積層圧電素子１の外周面の一部分に一列に整列して集合され露出した配線用導電膜２の端部３に、配線基板１１を接触固定させる（図１）。配線用導電膜２の端部３を電気的な端子として利用することで、配線用導電膜２が配線基板１１を介して外部電源の駆動回路（不図示）に接続される。これに伴い、積層圧電素子１には、外部電源から配線用導電膜２、スルーホール６を介して各内部電極５に駆動用の交流電圧が印加され、電力が供給される。これにより、積層圧電素子１は振動波モータ２０の振動体２１の加振源となる。

配線基板１１は、例えば、厚さ３０μｍのポリイミド樹脂からなる基材の表面に、２５μｍ厚の銅箔からなる複数の配線パターンが形成された可撓性を有する基板である。配線基板１１は、積層圧電素子１の外周面の一部に接着固定される（図１）。配線基板１１の複数の配線パターンが、積層圧電素子１の外周面に露出した配線用導電膜２の複数の端部３とそれぞれ電気的に導通する。

振動波モータ２０の駆動時には、以下のように積層圧電素子１の各内部電極に高周波電圧が印加される。電気的なグランドに相当する内部電極ＡG＋、ＡG−、ＢG＋、ＢG−に対し、内部電極Ａ＋、Ａ−に振動体の固有振動数に略一致した高周波電圧が、内部電極Ｂ＋、Ｂ−に内部電極Ａ＋、Ａ−と９０°の位相差を有する高周波電圧が各々印加される。先の分極処理とこの高周波電圧の印加により、振動体２１には軸方向に対して直交する２つの曲げ振動を発生させることが可能となる。

即ち、棒状の振動波モータ２０の駆動原理は、以下のようになる。積層圧電素子１を組み込んだ振動体２１に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る。これに伴い、振動体２１を構成する部材２２の先端部を駆動部として部材２２が首振りのような運動を行い、部材２２にバネ力により加圧状態で接触される接触体としてのロータ２５が摩擦接触により回転する（相対的に移動する）。ロータ２５の回転は、ロータ上方に配置されているギヤから構成される出力部材２６に伝達され、出力部材２６を介して振動波モータ外部に出力される。

積層圧電素子１の外周面に露出した配線用導電膜２の複数の端部３は、積層圧電素子内部に広く散在するスルーホール６の位置に関わらず、スクリーン印刷により任意にその位置を選定することができる。

本実施の形態では、配線用導電膜２の複数の端部３を積層圧電素子１の外周面の約４分の１の部分に集合させる構成としているが（図１）、これに限定されるものではない。配線用導電膜２の複数の端部３を積層圧電素子１の外周面の更に狭い範囲に集合させる構成としてもよい。

また、本実施の形態では、配線用導電膜２の複数の端部３を積層圧電素子１の最上層である圧電層４−１の下の圧電層４−２に設ける構成としているが、これに限定されるものではない。配線用導電膜２の複数の端部３は積層圧電素子１の各圧電層のうちの任意の圧電層に設ける構成としてもよいし、１つの圧電層ではなく複数の圧電層に設ける構成としてもよい。

このように、本実施の形態では、積層圧電素子１と外部電源の駆動回路との接続を、積層圧電素子１の外周面に露出させた配線用導電膜２の端部３を介して行う構成としている。本構成により、上記第１の従来例と異なり、振動波モータ２０の振動体２１を構成する２つの部材２２と部材２３との間に積層圧電素子１を直接挟持することができる。これにより、配線基板１１による振動波モータ２０の振動体２１の振動減衰を少なくすることが可能となる。

また、上記第２の従来例では、積層圧電素子の外周の略全周に配線基板を巻き付ける構成としている。これに対し、本実施の形態では、配線用導電膜２の複数の端部３を積層圧電素子１の外周面の約４分の１の部分に集合させ、端部３に配線基板１１を固定している。本構成により、配線基板１１の面積を小さくすることができると共に、積層圧電素子１の厚さ方向の長さも短くすることができる。これにより、振動波モータ２０の振動体２１の振動減衰を更に少なくすることが可能となる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、積層圧電素子の外周面に配線用導電膜の端部を露出させる構成としているため、積層圧電素子を振動波モータの振動体の両部材間に直接挟持することができる。そのため、積層圧電素子と共に配線基板を振動体の部材間に挟持する場合と比較し、振動体の振動減衰を少なくできる。また、圧電層の内部電極を接続するスルーホールはスクリーン印刷法で製造するため、専用の製造設備を設置する必要はない。これにより、信頼性を保ちつつ、特別に新たな製造設備を設置することなく且つ製造コストを特別に上げることなく、振動体の振動減衰が少なく振動波モータの性能の向上を図ることができる積層圧電素子を提供することが可能となる。

また、積層圧電素子の内部に配線用導電膜を設ける構成としている。これにより、積層圧電素子に今後予想される複雑に分割（４分割以上の多分割）した内部電極やセンサ用の内部電極を設ける構成でも、換言すればスルーホールの個数が増加する構成でも、配線用導電膜と端部を容易に製造することが可能となる。更に、本構成の積層圧電素子の実現により、将来予想される高機能な振動波モータを開発する際においても有益となる。

［他の実施の形態］
上記実施の形態では、積層圧電素子に８個のスルーホールと８本の配線用導電膜を形成した場合を例に挙げたが、これに限定されるものではない。積層圧電素子に形成するスルーホールと配線用導電膜の個数は本発明の主旨を逸脱しない範囲で任意とすることが可能である。

上記実施の形態では、積層圧電素子の圧電層を４分割して内部電極を形成した場合を例に挙げたが、これに限定されるものではない。本発明は、積層圧電素子の圧電層を４分割以上の多分割を行って内部電極を形成する場合にも適用可能である。

本発明の実施の形態に係る積層圧電素子の構成を示す分解斜視図である。 図１の積層圧電素子の製造方法を示す図である。 図１の積層圧電素子を構成する複数枚のグリーンシートを積層化した直方体を示す斜視図である。 図１の積層圧電素子を振動体に組み込んだ振動波駆動装置としての振動波モータの構成を示す断面図である。 第１の従来例に係る積層圧電素子の構成を示す分解斜視図である。 図５の積層圧電素子を振動体に組み込んだ振動波モータの構成を示す断面図である。 第２の従来例に係る積層圧電素子と配線基板を示す図である。 図７の積層圧電素子の構成を示す分解斜視図である。 図７の積層圧電素子を振動体に組み込んだ振動波モータの構成を示す断面図である。

符号の説明

１ 積層圧電素子
２ 配線用導電膜
３ 配線用導電膜の端部
４ 圧電層
５ 内部電極（電極層）
６、７ スルーホール
８ 分極用表面電極膜
１１ 配線基板
２０ 振動波モータ（振動波駆動装置）
２１ 振動体
２２ 部材（駆動部）
２３ 部材
２５ ロータ（接触体）
２６ 出力部材

Claims (5)

1. 圧電材料から構成される圧電層と、電極材料から構成される電極層とが交互に複数重ねて積層化され、
   複数の前記電極層と電気的に導通する複数のスルーホールが設けられ、複数の前記圧電層のうちの１つの圧電層に前記複数のスルーホールとそれぞれ電気的に導通する配線用導電膜が設けられている積層圧電素子であって、
   前記配線用導電膜が設けられた前記圧電層はリング形状を有し、
   前記配線用導電膜は、前記積層圧電素子の外径部より外側まで形成されることで分極用電極と導通し、前記圧電層の分極に用いられた後に前記積層圧電素子の外径部より外側の部分が除去されることにより、前記配線用導電膜の端部は、前記リング形状の圧電層の外周面の４分の１以下の部分に集合した状態で露出され、
   前記配線用導電膜の端部と接続される配線基板が、前記積層圧電素子の外周面の一部に設けられていることを特徴とする積層圧電素子。
2. 前記積層圧電素子の両端面は前記圧電層から構成されると共に、前記両端面の前記圧電層は前記電極層とは電気的に絶縁されていることを特徴とする請求項１に記載の積層圧電素子。
3. 前記配線用導電膜の端部に接続される前記配線基板を介して前記積層圧電素子の外部から前記電極層に電圧が印加されることで電力の供給を受けることを特徴とする請求項１または２に記載の積層圧電素子。
4. 前記配線用導電膜を介して前記電極層に規定の電圧を印加することで前記電極層の分極処理が行われていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の積層圧電素子。
5. 前記積層圧電素子を加振源とする振動波駆動装置であって、
   前記積層圧電素子が組み込まれると共に駆動部を有し前記駆動部に振動を形成する振動体と、前記振動体の前記駆動部に加圧状態で接触される接触体とを備え、前記振動体と前記接触体とを相対的に移動させることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の振動波駆動装置。

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