DE69624753T2

DE69624753T2 - Elektromechanische Energieumwandlungseinrichtung und ein diese elektromechanische Energieumwandlungseinrichtung benutzender Vibrationswellenantrieb

Info

Publication number: DE69624753T2
Application number: DE69624753T
Authority: DE
Inventors: Ichiro Okumura
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1995-04-28
Filing date: 1996-04-26
Publication date: 2003-09-18
Anticipated expiration: 2016-04-27
Also published as: EP0740354A1; EP0740354B1; KR960040082A; DE69624753D1; US5814919A; KR100233636B1

Description

Die Erfindung betrifft ein elektromechanisches Energieumwandlungselement (Energieumwandlungseinrichtung) und ein Vibrationswellenbetätigungsglied zur Erzeugung einer Vibrationswelle unter Verwendung des elektromechanischen Energieumwandlungselements.
Als eine Vorrichtung, die ein als elektromechanisches Energieumwandlungselement dienendes piezoelektrisches Element verwendet, ist eine Antriebsquelle für einen Vibrationswellenmotorbekannt. Als ein derartiges Element wurde ein piezoelektrisches Element der Stapel- (Schichtungs-) Bauart vorgeschlagen. Dieses Element weist eine Stapelstruktur auf und ist in der Lage, bei einer niedrigen Spannung einen hohen Ausgang zu erhalten.
Fig. 12 zeigt eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung eines piezoelektrischen Element der Stapelbauart, das durch Stapeln von sechs piezoelektrischen Elementplatten 5-1, 5-2, 5-3, 5-4, 5-5 und 5-23 erhalten wird, die jeweils durch Formen eines piezoelektrischen Teils in ein in vier Teile unterteiltes Elektrodenmuster erhalten wird. Lediglich die vier piezoelektrischen Elementplatten 5-2, 5-3, 5-4 und 5-5 mit Ausnahme der piezoelektrischen Elementplatte 5-1 als die oberste Schicht und der piezoelektrischen Elementplatte 5-23 als die unterste Schicht werden tatsächlich für einen Antriebsvorgang verwendet. Die Elektrodenfilme (Elektrodenschichten) der piezoelektrischen Elementplatte als die oberste Schicht werden für einen Polarisationsprozess verwendet, und lediglich die unterteilten Elektrodenfilme der piezoelektrischen Elementplatte als die unterste Schicht werden für einen Antriebsvorgang verwendet.
Jede dieser piezoelektrischen Elementplatten weist ein in vier Teile unterteiltes Elektrodefilmmuster auf. Die Elektrodenfilme der piezoelektrischen Elementplatten 5-3, 5-4 und 5-5, die aneinander gegenüberliegend sind, weisen unterschiedliche Polarisationsrichtungen auf. Paare von sich in Phase befindlichen Elektrodenfilme 18A1 und 20A1, 18A2 und 20A2, 18B1 und 20B1 sowie 18B2 und 20B2 der piezoelektrischen Elementplatten 5-3 und 5-5 sind jeweils mit Elektrodenfilmen 13A1, 13A2, 1381 und 1382 der piezoelektrischen Elementplatte 5-1 als die oberste Schicht und Elektrodenfilme 20'A1, 20'A2, 20'B1 und 20'B2 der piezoelektrischen Elementplatte als die unterste Schicht über Leitungen 15A1, 15A2, 15B1 und 15B2 verbunden, die sich durch Durchgangsöffnungen 14 erstrecken.
Sich in Phase befindliche Elektrodenfilme (die nachstehend als In Phase-Elektrodenfilme bezeichnet sind) 16A, 16B, 19A1, 19B1, 19A2, 19B1 und 19B2 der piezoelektrischen Elementplatten 5-2 und 5-4 sind miteinander über Leiter 15GA und 15GB verbunden, die sich durch die Durchgangsöffnungen 14 erstrecken, und sind mit Elektrodenfilmen 13GA und 13GB der piezoelektrischen Elementplatte als die oberste Schicht verbunden. Dieses Element weist ebenfalls eine Vibrationserfassungselektrode 16A2 auf.
Wenn das piezoelektrische Element der Stapelbauart mit dieser Struktur durch eine Zweiphasen-Wechselspannung mit einer Phasendifferenz von 90ºC oder einer Vierphasen- Wechselspannung angetrieben wird, werden Verbiegungsvibrationen im Bezug auf zwei Achsen erregt, die senkrecht zu der Achse in Richtung der Dicke verlaufen, und werden zur Erregung elliptischer Bewegungen auf der Antriebsoberfläche einer Langevin- Vibrationsvorrichtung, die dieses piezoelektrisches Element der Stapelbauart einklemmt, wodurch ein Reibantrieb eines Teils durchgeführt wird, das gegen die Antriebsoberfläche gedrückt wird.
In dem vorstehend beschriebenen piezoelektrischen Element der Stapelbauart ist jedoch die Unterteilungszahl groß, weshalb die Anzahl ineffektiver piezoelektrischer Keramikabschnitte (die keine darauf ausgebildeten Elektrodenfilme aufweisen) zwischen den Elektroden jedes piezoelektrischen Elements ansteigt. In einem stabförmigen Vibrationswellenmotor mit einem geringen Durchmesser stört insbesondere ein Anstieg in dem Verhältnis der ineffektiven Abschnitte die Verringerung der Größe der Vorrichtung.
Das vorstehend beschriebene piezoelektrische Element der Stapelbauart kann in einer Zwei- oder Vier-Phasen- Betriebsart angetrieben werden. In der Vierphasenantriebsbetriebsart kann dieselbe Amplitude mit einer Spannung erhalten werden, die die Hälfte von der in der Zweiphasenantriebsbetriebsart beträgt. Das heißt, dass die Vierphasenantriebsbetriebsart für einen Antriebsbetrieb mit geringer Spannung geeignet ist. Fig. 13 zeigt eine Antriebsschaltung für diese Vierphasenantriebsbetriebsart.
Gemäß Fig. 13 weist diese Schaltung einen Mikrocomputer (u-com) 48 zur Steuerung der Gesamtschaltung, einen Oszillator 42, einen Phasenschieber 43 und Schalt- Schaltungen 44A und 44A' zur Ausgabe von Impulsantriebssignalen auf der Grundlage eines Antriebssignals aus dem. Oszillator 42 auf. Diese Schalt- Schaltungen treiben die A- und A'-Phasen des piezoelektrischen Elements 2 an. Die Schaltung weist ebenfalls Schalt-Schaltungen 45B und 45B' zur Ausgabe von Impulsantriebssignalen auf der Grundlage eines Antriebssignals aus dem Phasenschieber 43 auf. Diese Schalt-Schaltungen treiben die B- und B'-Phasen des piezoelektrischen Elements 2 an. Spulen 46 und 47 werden zur Verstärkung von Antriebsimpulssignalen verwendet.
In dieser Betriebsart erfordern jedoch die (verstärkenden) Ausgabeabschnitte der Antriebsschaltungstransistoren in einer doppelten Anzahl wie in der Zwei-Phasen-Antriebsbetriebsart.
Zusätzlich gibt es in den vorstehend beschriebenem piezoelektrischen Element der Stapelbauartabschnitte mit unterschiedlichen Polarisationspolaritäten in einer Schicht. Aus diesem Grund ist irgendein Abschnitt in ebener (planarer) Richtung polarisiert.
Die Druckschrift EP-A-0 661 764, die nach dem Prioritätsdatum der vorliegenden Anmeldung veröffentlicht worden ist, offenbart ein Vibrationsbetätigungsglied mit einem Vibrationsteil und einer Vielzahl elektromechanischer Energieumwandlungselemente zur Vibration des Vibrationsteils. Die elektromechanischen Energieumwandlungselemente weisen eine Vielzahl erster Energieumwandlungselemente auf, die zumindest in vier Teile unterteilte Elektroden aufweisen. Die ersten Energieumwandlungselemente sind gestapelt, und Elektroden, die sich miteinander in Phase befinden, jedes Energieumwandlungselementes sind in dem Bereich des Energieumwandlungselements angeschlossen, um elektrische Verbindungen zu erzielen.
Erfindungsgemäß wird ein Energieumwandlungselement der Stapelbauart wie im Patentanspruch 1 dargelegt und ein Energieumwandlungselement der Stapelbauart wie im Patentanspruch 8 dargelegt geschaffen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

Fig. 1 zeigt eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung eines piezoelektrischen Elements der Stapelbauart gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 2 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Polarisationsprozesses für das piezoelektrische Element der Stapelbauart gemäß Fig. 1,
Fig. 3 zeigt eine perspektivische Darstellung des äußeren Erscheinungsbild des piezoelektrischen Elements der Stapelbauart in einem fertigen Zustand nach dem Polarisationsprozess,
Fig. 4A und 4B zeigen Draufsichten des Positionsverhältnisses zwischen den leitenden Abschnitten einer flexiblen Schaltungsplatine, die mit dem piezoelektrischen Element der Stapelbauart gemäß Fig. 3 zu verbinden ist, und Durchgangslöchern darstellt,
Fig. 5 zeigt eine Schnittansicht eines stabförmigen Vibrationswellenmotors, bei dem das piezoelektrische Element der Stapelbauart gemäß Fig. 3 in einer Vibrationsvorrichtung eingebaut ist,
Fig. 6 zeigt Zeitverläufe, die Änderungen in den Antriebsspannungen für den Vibrationswellenmotor gemäß Fig. 5 im Verlaufe der Zeit veranschaulichen,
Fig. 7 zeigt ein Schaltbild einer Antriebsschaltung für den Vibrationswellenmotor gemäß Fig. 5,
Fig. 8 zeigt eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung eines piezoelektrischen Elements der Stapelbauart gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 9 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Polarisationsverfahrens für das piezoelektrische Element gemäß Fig. 8,
Fig. 10 zeigt eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung eines piezoelektrischen Elements der Stapelbauart gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 11A und 11B Draufsichten, die das Positionsverhältnis zwischen den Durchgangsöffnungen in dem piezoelektrischen Element der Stapelbauart gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel und den Leitungsabschnitten einer flexiblen Schaltungsplatine veranschaulichen,
Fig. 12 eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung eines herkömmlichen piezoelektrischen Elements der Stapelbauart,
Fig. 13 ein Schaltbild einer herkömmlichen Antriebsschaltung,
Fig. 14A bis 14F Darstellungen, die die Elektrodenmuster auf den Schichten eines piezoelektrischen Elements der Stapelbauart gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellen,
Fig. 15 eine perspektivische Darstellung eines piezoelektrischen Elements der Stapelbauart nach Press- und Sintervorgängen, und des Anlegens einer Spannung in einem Polarisationsprozess,
Fig. 16 eine Darstellung des Elektrodenmusters der ersten Schicht, in der Durchgangsöffnungen in der Nähe der inneren und äußeren Umrandungen jeweils ausgebildet sind,
Fig. 17 zeigt eine entwickelte Schnittansicht, die Polarisationspolaritäten in den jeweiligen Schichten darstellt,
Fig. 18 bis 18D zeigen Darstellungen zur Beschreibung des Positionsverhältnisses zwischen Elektroden und Durchgangsöffnungen,
Fig. 19 zeigt eine Draufsicht des piezoelektrischen Teils als die oberste Schicht, von der Elektrodenfilme entfernt worden sind,
Fig. 20A und 20B zeigen Darstellungen der Teile der Vibrationsvorrichtung eines ringförmigen Ultraschallmotors,
Fig. 21 zeigt eine Darstellung der Leitungsmuster auf einer flexiblen Schaltungsplatine zur Zufuhr von Leistung zu einem piezoelektrischen Element der Stapelbauart,
Fig. 22A bis 22C zeigen Zeitverläufe von Wechselspannungen zum Antrieb eines Ultraschallmotors,
Fig. 23 zeigt ein Schaltbild einer Schaltung zum Antrieb des Ultraschallmotors,
Fig. 24A bis 24F zeigen Darstellungen der Elektrodenmuster der Schichten eines piezoelektrischen Elements der Stapelbauart gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 25A bis 25D Zeitverläufe von Wechselspannungen zum Antrieb eines Ultraschallmotors gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel,
Fig. 26 zeigt eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung der Elektrodenmuster der Schichten eines piezoelektrischen Elements der Stapelbauart gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 27 eine perspektivische Darstellung des Zustands des piezoelektrischen Elements der Stapelbauart gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel nach Press- und Sintervorgängen sowie eine während des Polarisationsprozesses anzulegende Spannung,
Fig. 28 eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung der Elektrodenmuster der Schichten eines piezoelektrischen Elements der Stapelbauart gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 29 eine Schnittansicht eines stabförmigen Vibrationswellenmotors unter Verwendung des piezoelektrischen Elements der Stapelbauart gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel,
Fig. 30A bis 30F Darstellungen der Elektrodenmuster der Schichten eines piezoelektrischen Elements der Stapelbauart, auf die die vorliegende Erfindung beruht,
Fig. 31 eine perspektivische Darstellung, wie Spannungen zur Durchführung eines Polarisationsprozesses für das piezoelektrische Element der Stapelbauart, auf das die vorliegende Erfindung beruht, angelegt werden,
Fig. 32 eine entwickelte Schnittansicht der Polarisationspolaritäten des piezoelektrischen Elements der Stapelbauart, auf das die vorliegende Erfindung beruht, und
Fig. 33A bis 33D Darstellungen zur Beschreibung des Verhältnisses zwischen Durchgangsöffnungen und den Elektroden des piezoelektrischen Elements der Stapelbauart, auf das die Erfindung beruht.

Erstes Ausführungsbeispiel

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Ein piezoelektrisches Element der Stapelbauart gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird durch Stapeln von N piezoelektrischen Elementplatten erhalten. Jede piezoelektrische Elementplatte mit Ausnahme der piezoelektrischen Elementplatte als die oberste Schicht (erste Schicht) weist drei Teilelektrodenfilme (in drei Teile unterteilte Elektrodenfilme) auf, die auf einem piezoelektrischen Teil ausgebildet sind. Diese Filme sind mit einer Phasendifferenz von 120ºC gestapelt. Die piezoelektrische Elementplatte als die oberste Schicht ist in sechs Abschnitten unterteilt.
Obwohl die Polarisationsrichtung jeder piezoelektrischen Elementplatte im weiteren Verlauf beschrieben ist, wird jede piezoelektrische Elementplatte insgesamt in derselben Polarität (in der selben Richtung) polarisiert.
Gemäß Fig. 1 weist jede piezoelektrische Elementplatte mit Ausnahme der piezoelektrischen Elementplatte der obersten Schicht sechs Durchgangsöffnungen 2A1, 2A2, 2B1, 2B2, 2C1 und 2C2 als Durchgangsöffnungen auf, die mit gleichen Intervallen in der umlaufenden Richtung derart ausgebildet sind, dass sie in Richtung der Dicke hindurch laufen. Sechs Teilelektroden 1A(+), 1A(-), 1B(+), 1B(-), 1C(+) und 1C(-), die auf der oberen Oberfläche der piezoelektrischen Elementplatte als die oberste Schicht bei annähernd gleichen Intervallen ausgebildet sind, sind mit den jeweiligen, vorstehend beschriebenen Durchgangsöffnungen verbunden.
Drei Teilelektroden 2A(+), 2B(+) und 2C(+) sind auf dem piezoelektrischen Element als die zweite Schicht aufgedruckt, und die drei Durchgangsöffnungen 2A1, 2B1 und 2C1 sind mit diesen Elektroden verbunden. Die drei verbleibenden Durchgangsöffnungen 2A2, 2B2 und 2C2 sind von den gedruckten Elektroden isoliert.
Jede gradzahlige Schicht, beispielsweise die vierte, sechste oder achte Schicht weist dieselbe Struktur wie die der zweiten Schicht oder (N - 2)ten Schicht auf. Die Durchgangsöffnung 2A1 verbindet gradzahlige Schichtelektroden 2A(+), 4A(+), 6(+), ..., (N - 2)A(+) miteinander. Die Durchgangsöffnungen 2B1 verbindet gradzahlige Schichtelektroden 2B(+), 4B(+), ..., (N - 2)B(+) und NB(+) miteinander. Die Durchgangsöffnung 2C1 verbindet gradzahlige Schichtelektroden 2C(+), 4C(+), ..., (N - 2)C(+) miteinander.
Jede ungradzahlige Schicht beispielsweise die dritte, fünfte oder siebte Schicht, wie die (N - 3)te Schicht oder die (N - 1)te Schicht gemäß Fig. 1, weist ein Elektrodenmuster auf, das um 180ºC gegenüber der Position des Elektrodenmusters jeder gradzahligen Schicht verdreht ist. Die Durchgangsöffnung 2A2 verbindet ungradzahlige Schichtelektroden 3A(-), ..., (N - 3)A(-) und (N - 1)A(-) miteinander. Die Durchgangsöffnung 2B2 verbindet ungradzahlige Schichtelektroden 3B(-), ..., (N - 3)B(-) und (N - 1)B(-) miteinander. Die Durchgangsöffnung 2C2 verbindet ungradzahlige Schichtelektroden 3C(-), ..., (N - 3)C(-) und (N - 1)C(-) miteinander. Diese piezoelektrischen Elementplatten, die jeweils aus Grünblech (green sheet) hergestellt sind, werden druckgeschweißt und einstückig gesintert.
Fig. 2 veranschaulicht ein Polarisationsverfahren für das piezoelektrische Element der Stapelbauart gemäß Fig. 1. Gemäß Fig. 2 sind die Polaritäten von angelegten Spannungen und die Polarisationsrichtungen in dem piezoelektrischen Element durch die Pfeile angegeben. An die erste Schichtelektrode 1A(+), 1B(+) und 1C(+) wird ein positives Potential über einen positiven Kontaktstift 13 angelegt, und an den Elektroden 1A(-), 1B(-) und 1C(-) wird ein negatives Potential über einen negativen Kontaktstift 14 angelegt, wodurch ein Polarisationsprozess durchgeführt wird. Die piezoelektrischen Elementplatten mit der Ausnahme für die piezoelektrischen Elemente als die erste Schicht (oberste Schicht) und die N-te Schicht (unterste Schicht) werden abwechselnd und gleichförmig zu derselben Polarität polarisiert.
Fig. 3 zeigt ein piezoelektrisches Element der Stapelbauart 3, das durch Entfernen der Elektrode als die erste Schicht nach einem Polarisationsprozess erhalten wird, so dass Durchgangsöffnungen 2A1, 2A2, 2B1, 2B2, 2C1 und 2C2 freigelegt werden. Wie deutlich wird, wird das piezoelektrische Element 3 der Stapelbauart ein piezoelektrisches Element nach der Polarisation, ist jedoch vor der Polarisation lediglich ein keramisches Material.
Dieses piezoelektrische Element 3 der Stapelbauart wird zwischen elastischen Vibrationsteilen A1 und A2 als die Antriebsabschnitte einer Vibrationsvorrichtung A eines stabförmigen Ultraschallmodus gemäß Fig. 5 geklemmt, und wird durch Befestigung der elastischen Vibrationsteile A1 und A2 mit einem Bolzen A3 geklemmt bzw. fixiert. In diesem Fall werden Leitungsmuster 12A, 12B und 12C (Fig. 4A) einer flexiblen Schaltungsplatine 12 in engen Kontakt mit der Durchgangsöffnungsseite gemäß Fig. 3 gebracht.
In diesen stabförmigen Ultraschallmotoren werden, wenn Wechselspannungen aus der Antriebsschaltung gemäß Fig. 7 an das piezoelektrische Element 3 der Vibrationsvorrichtung A angelegt werden, elliptische Bewegungen an den Endflächen des elastischen Vibrationsteils a1 erregt. Die flanschförmige Feder eines Rotors R als ein sich bewegendes Objekt wird gegen die Endfläche des elastischen Vibrationsteils über eine Schraubenfeder gepresst. Die Druckkraft ist durch die Federkraft einer Kompressionsfeder b2 über ein Federlagerteil b1 gegeben,
Der Rotor R wird durch Reibung durch elliptische Bewegungen angetrieben, die an dem elastischen Vibrationsteil a1 der Vibrationsvorrichtung A erzeugt werden. Die resultierende Rotationskraft wird auf ein Ausgabeteil c1 übertragen, das einen Zahnabschnitt aufweist, der an dessen äußerer Oberfläche ausgebildet ist und zusammen mit dem Rotor R in Drehung versetzt wird. Es sei bemerkt, dass die Rotationskraft des Ausgabeteils c1 auf Zahnräder g1 und g2 übertragen wird, die ein Antriebssystem bilden.
Fig. 4A und 4B zeigen das Positionsverhältnis zwischen dem Leitungsmuster der flexiblen Schaltungsplatine 12 und der Durchgangsöffnung 2A1, 2A2, 2B1, 2B2, 2C1 und 2C2 des piezoelektrischen Elements 3 der Stapelbauart.
Das Leitungsmuster 12A der flexiblen Schaltungsplatine 12 befindet sich in Kontakt mit den Durchgangsöffnungen 2A1 und 2A2 des piezoelektrischen Elements 3 der Stapelbauart. Das Leitungsmuster 12B befindet sich in Kontakt mit den Durchgangsöffnungen 2B1 und 2B2. Das Leitungsmuster 12C befindet sich in Kontakt mit den Durchgangsöffnungen 2C1 und 2C2.
Fig. 6 zeigt drei Phasen- Wechselspannungen, die an die Leitungsmuster 12A, 12B und 12C der flexiblen Schaltungsplatine 12 anzulegen sind, wenn dieser stabförmige Ultraschallmotor angetrieben wird. Genauer sind diese Spannungen Dreiphasen- Wechselspannungen mit einer Phasendifferenz von 120º zueinander. Wie bekannt ist, ist die Frequenz die Biege-Eigenfrequenz des Ultraschallmotorvibrators. Elektrische Felder VA-VB, VB- VC und VC- VA werden zwischen den Elektroden des piezoelektrischen Elements der Stapelbauart angelegt. Es sei bemerkt, dass, wenn diese Phasen geändert werden, die Rotation des Motors umgedreht wird.
Die Antriebsschaltung ist im wesentlichen die selbe wie die gemäß Fig. 13 mit der Ausnahme, dass ein Phasenschieber 43 ein 120º/-120º-Phasenschieber ist und dass lediglich drei Schalt- Schaltungen 44A, 44B und 44C auf grund der Dreiphasen- Antriebsbetriebsart erforderlich sind. Impulsspannungen aus den jeweiligen Schalt-Schaltungen werden durch Spulen 46A, 46B und 46C verstärkt und an die Leitungsmuster 12A, 12B und 12C angelegt.

Zweites Ausführungsbeispiel

Fig. 8 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei Durchgangsöffnungen 2A1, 2B1 und 2C1 in der Nähe des inneren Umlaufs eines piezoelektrischen Elements 3 der Stapelbauart ausgebildet sind, und Durchgangsöffnungen 2A2, 2B2 und 2C2 in der Nähe des äußeren Umlaufs ausgebildet sind. Als das Elektrodenmuster der obersten Schicht sind zwei konzentrische ringförmige Elektroden 1ABC(+) und 1ABC(-) ausgebildet.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel, wie es in Fig. 9 dargestellt ist, kann die Schaltung für einen Polarisationsprozess vereinfacht werden, da der Polarisationsprozess durchgeführt werden kann, indem lediglich zwei Kontaktstifte in Kontakt mit den jeweiligen Stiftelektroden gebracht werden. Zusätzlich kann die Anzahl der gemäß diesem Ausführungsbeispiel verwendeten Kontaktstifte im Vergleich zu dem in Fig. 2 gezeigten Fall verringert werden, das heißt von sechs auf zwei. Weiterhin müssen die Kontaktstifte nicht in Rotationsrichtung positioniert sein.

Drittes Ausführungsbeispiel

Fig. 10 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind Durchgangsöffnungen 2A1 und 2A2 in der Nähe des inneren Umfangs ausgebildet, sind Durchgangsöffnungen 2B1 und 2B2 in der Nähe des äußeren Umfangs ausgebildet, und sind Durchgangsöffnungen 2C1 und 2C2 dazwischen ausgebildet. In diesem Fall, wie es in Fig. 11A und 11B dargestellt ist, variiert die Biegevibrationseigenfrequenz der Vibrationsvorrichtung nicht ohne weiteres in Abhängigkeit von der Biegerichtung, da eine flexible Schaltplatine 12 ein einfaches konzentrisches Leitungsmuster aufweist. Zusätzlich kann die relative Positionierung der flexiblen Schaltplatine 12 und des piezoelektrischen Elements der Stapelbauart 3 grob in Rotationsrichtung ausgeführt werden.
Gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel kann eine einfache Struktur verwirklicht werden, da die piezoelektrischen Elementabschnitte als die jeweiligen Schichten dieselbe Polarität aufweisen. Daher können ineffektive Abschnitte eines piezoelektrischen Teils verringert werden, wobei die Anzahl der für die Ausgabeabschnitte einer Antriebsschaltung erforderlichen Transistoren verringert werden kann. Zusätzlich kann eine unnötige Störung verhindert werden, da eine gleichförmige Polarisationspolarität in jeder Schicht des piezoelektrischen Elements der Stapelbauart eingestellt ist.
Da die Elektroden nicht genutet werden müssen, damit Leitungen sich dadurch erstrecken können, um die Elektrodenfilme der aufeinandergestapelten piezoelektrischen Elementplatten zu verbinden, kann eine Verringerung der effektiven Fläche jedes Elektrodenfilms verhindert werden.
Da jeder Elektrodenfilm in drei Abschnitte unterteilt ist, können die Flächen der Abschnitte, die keine Elektrodenfilme aufweisen, verringert werden, um die Flächen der effektiven Abschnitte zu vergrößern. Zusätzlich kann, da jeder piezoelektrische Elementabschnitt in drei Abschnitte unterteilt ist und die Phasen der unterteilten Abschnitte der abwechselnden Schichten voneinander um 120º verschoben sind, bewirkt werden, dass Leitungen sich durch einen isolierten Abschnitt erstrecken, der keine Elektrodenfilme aufweist und bei der Unterteilung jedes piezoelektrischen Elementabschnitts ausgebildet wird. Daher müssen die Elektroden nicht genutet werden, um ein Erstrecken der Leitungen dadurch zu ermöglichen, im Gegensatz zum Stand der Technik.
Da die Polarisationspolarität jedes piezoelektrischen Elements des piezoelektrischen Elements der Stapelbauart gleichförmig positiv oder negativ ist, weist die Vibrationsmode keine Knoten auf. Aus diesem Grund kann eine unnötige Störung jeder piezoelektrischen Elementplatte verhindert werden.
Durch anlegen von Dreiphasen-Wechselspannungen mit einer Phasendifferenz von 120º an die drei Teilelektroden kann das Element mit einer Spannung betrieben werden, die etwa die Hälfte bei der herkömmlichen Zweiphasen- Antriebsbetriebsart ist. Das heißt, dass ein Vibrationswellenmotor mit niedriger Leistung bereitgestellt wird, bei dem die Anzahl der für die Antriebsschaltungsausgabeabschnitte erforderlichen Transistoren lediglich das 1,5-fache des Stands der Technik beträgt.
Beispielsweise kann der stabförmige Vibrationswellenmotor durch eine Rückkopplungsregelung angetrieben werden, ohne das eine spezielle Schicht eines piezoelektrischen Elementabschnitts mit einem Elektrodenfilm zur Vibrationserfassung ausgebildet werden muss.
Zusätzlich kann eine Verbindung zu einer Schaltung leicht und zuverlässig verwirklicht werden.
Weiterhin kann der Freiheitsgrad bei der Positionierung des Vibrationswellenmotors und der Antriebsschaltung erhöht werden.
Darüber hinaus kann ein angetriebenes Teil wirksam durch den Vibrationswellenmotor angetrieben werden.

Viertes Ausführungsbeispiel

Nachstehend ist ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Vor der Beschreibung des vierten Ausführungsbeispiels ist anhand von Fig. 30A bis 33D eine Technik beschrieben, auf die das vierte Ausführungsbeispiel beruht. Wie es in Fig. 30A bis 30F gezeigt ist, ist ein piezoelektrisches Element der Stapelbauart durch ein piezoelektrisches Teil (Fig. 30A) als die oberste Schicht, auf die sechs Teilelektrodenfilme 114A, 114B, 114AG und 114BG ausgebildet sind, und piezoelektrischen Elementteilen als die zweite und darauf folgende Schichten (Fig. 30B bis 30F) aufgebaut, die jeweils 12 Elektrodenfilme 112A, 112B, 116A, 116B, 113A und 113B aufweisen, die in der umlaufenden Richtung mit Intervallen von einer Viertelwellenlänge ausgebildet sind. Die zweiten und die darauf folgenden piezoelektrischen Elemente sind derart gestapelt, das die Phasen der Elektrodenfilme dieselbe Phase aufweisen.
In dem piezoelektrischen Element der Stapelbauart, das in dieser Weise aufgebildet ist, sind die Elektrodenfilme der zwei Schichten, die aufeinander mit einer dazwischen angeordneten Schicht gestapelt sind, miteinander über Leiter verbunden, die in Durchgangsöffnungen oder der gleichen eingefügt sind, die in der Zwischenschicht ausgebildet sind. In einem Polarisationsprozess, wie es in Fig. 31 gezeigt ist, wird eine externe Elektrode an jedem Elektrodenfilm der obersten Schicht angeschlossen, und eine Gleichspannung wird in positiver oder negativer Richtung daran angelegt. Mit diesem Prozess wird, wie es in Fig. 32 gezeigt ist, das piezoelektrische Teil als jede Schicht entsprechend den Richtungen der elektrischen Felder zwischen den oberen und unteren Elektrodenfilmen polarisiert, die die Schicht sandwichartig umgeben.
Wenn eine periodische Spannung an jedem Elektrodenfilm der obersten Schicht angelegt wird, vibriert das piezoelektrische Element der Stapelbauart zur Erzeugung von Vibrationswanderwellen eines elastischen Teils.
In dem piezoelektrischen Element der Stapelbauart gemäß Fig. 30A bis 30F weisen die Elektrodenfilme der zweiten und der darauf folgenden Schichten dieselbe Phase auf. Aus diesem Grund sind die Elektrodenfilme, die zwischen den Schichten sandwichartig angeordnet sind, teilweise entfernt, damit bewirkt wird, dass Leiter durch die piezoelektrischen Teile als die oberste und die unterste Schicht verlaufen, die eine Schicht sandwichartig umgeben, um die Elektrodenfilme der piezoelektrischen Teile anzuschließen. Wie es in Fig. 33B gezeigt ist, weisen, wenn die periodische Spannung eine kurze Wellenlänge aufweist und die Fläche eines Elektrodenfilms klein ist, die entfernten Abschnitte einen größeren Bereich als im Vergleich zu den Elektrodenfilmen auf, weshalb die effektiven Bereiche der Elektrodenfilme klein werden. Wie es in Fig. 31 gezeigt ist sind, wenn ein piezoelektrisches Element der Stapelbauart zu polarisieren ist, viele externe Elektroden entsprechend der Anzahl der Elektrodenfilme erforderlich, und diese externen Elektroden und Elektrodenfilme müssen mit hoher Genauigkeit positioniert werden.
Zusätzlich ist, da die Richtungen der elektrischen Felder, die an die benachbarten Elektrodenfilme jeder Schicht angelegt werden, zueinander entgegengesetzt sind, (d. h. entgegengesetzte Polarisationspolaritäten), ein Bereich, der nicht polarisiert ist oder in der Ebenenrichtung (planaren Richtung) polarisiert ist, an dem Grenzabschnitt zwischen den zwei Elektrodenfilmen ausgebildet, wie es in Fig. 33D gezeigt ist. Falls ein derartiges piezoelektrisches Element der Stapelbauart für eine Antriebsvorrichtung verwendet wird, tragen diese Bereiche nicht zu dem Antriebsbetrieb eines Kontaktteils bei, oder stören diesen. Das heißt, dass ein derartiger Bereich ein Grund werden kann, der den effektiven Verwendungswirkungsgrad des piezoelektrischen Elements der Stapelbauart oder die Antriebseffizienz der Antriebsvorrichtung verschlechtert.
Fig. 14A bis 14F zeigen die Elektrodenmuster auf den Schichten eines piezoelektrischen Elements der Stapelbauart für einen ringförmigen Ultraschallmotor gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel. Fig. 14A zeigt das Elektrodenmuster auf der ersten Schicht (oberste Schicht). Durchgangsöffnungen 150A, 150B und 150C dienen zur vertikalen Verbindung der Elektroden auf den abwechselnden Schichten miteinander. Eine Elektrode 114(+) ist an der äußeren umlaufenden Seite der ersten Schicht ausgebildet, um alle Elektroden auf geradzahligen Schichten zu verbinden (d. h. Elektroden 112A(+), 112B(+) und 112C(+)). In ähnlicher Weise ist eine Elektrode 114(-) auf der inneren umlaufenden Seite der ersten Schicht zur Verbindung aller Elektroden auf geradzahligen Schichten ausgebildet (d. h. Elektroden 112A(-), 112B(-) und 112C(-)).
Fig. 148 zeigt das Elektrodenmuster auf der zweiten Schicht. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird der ringförmige Ultraschallmotor in der tertiären Mode angetrieben (d. h. die Wellenzahl einer Wanderweile beträgt 3). Jede Elektrode auf der zweiten Schicht weist 1/3 Wellenlänge, d. h. etwa 40º, auf, und neun Elektroden sind mit gleichen Intervallen in der umlaufenden Richtung angeordnet. Die Punkte in dem Zentrum jeder Elektrode und an den Grenzabschnitten zwischen den Elektroden sind in der Darstellung gemäß Fig. 14A die Durchgangsöffnungen 150A, 150B und 150C.
Fig. 14C zeigt das Elektrodenmuster auf der dritten Schicht. Obwohl die Form jeder Elektrode auf der dritten Schicht dieselbe wie die auf der zweiten Schicht ist, unterscheidet sich die Phase jeder Elektrode von derjenigen auf der zweiten Schicht um 20º (d. h. um eine 1/6 Wellenlänge), Fig. 14D zeigt das Elektrodenmuster auf der vierten Schicht. Diese vierte Schicht ist derart ausgebildet, dass sie dasselbe Muster wie auf der zweiten Schicht aufweist. Fig. 14E zeigt das Elektrodenmuster auf der fünften Schicht. Die fünfte Schicht ist derart ausgebildet, dass sie dasselbe Muster wie das auf der zweiten Schicht aufweist. Fig. 14F zeigt die sechste Schicht, d. h., die unterste Schicht. Die weißen Kreise in Fig. 14E und 14F geben die Endabschnitte der Durchgangsöffnungen 150A, 150B und 150C an.
Das piezoelektrische Element der Stapelbauart gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist durch Stapeln/Pressen von sechs piezoelektrischen Teilen ausgebildet, die durch Drucken der in Fig. 14A bis 14F gezeigten Elektrodenmuster auf piezoelektrischen Materialblechen und Sintern der resultierenden Struktur erhalten wird.
Fig. 15 zeigt ein Verfahren zum Anlegen einer Spannung, das angewendet wird, wenn ein piezoelektrisches Element der Stapelbauart, das in dieser Weise ausgebildet ist, zu polarisieren ist. Positive und negative Potentiale werden jeweils an Elektroden 114(+) und 114(-) durch Verwendung externer Elektroden angelegt. Da lediglich diese zwei externen Elektroden verwendet werden, wird die Anordnung einer Elektrodenschaltung zur Polarisation einfacher als die gemäß Fig. 31. Zusätzlich kann ein Polarisationsprozess leicht durchgeführt werden, da beispielsweise die Positionierungsgenauigkeit für die externen Elektroden nicht sehr hoch ist. Falls Durchgangsöffnungen 150A, 150B und 150C abwechselnd in der Nähe der äußeren und der inneren umlaufenden Seite der ersten Schicht in der umlaufenden Richtung ausgebildet werden, wie es in Fig. 16 gezeigt ist, müssen die externen Elektroden in einem Polarisationsprozess nicht in umlaufender Richtung positioniert werden, da die Elektroden 114(+) und 114(-) auf der ersten Schicht ein einfaches konzentrisches ringförmiges Muster bilden. Der Polarisationsprozess kann daher weiter erleichtert werden.
Fig. 17 zeigt eine Entwicklung verbleibender Polarisationspolaritäten nach einem Polarisationsprozess. Ein negatives Potential wird an die Elektrode 114(-) der ersten Schicht angelegt, und ein positives Potential wird an alle Elektroden 112A(+), 112B(+) und 112C(+) der zweiten Schicht angelegt. Das gesamte piezoelektrische Teil als die erste Schicht wird auf dieselbe Polarität polarisiert (die durch die nach oben zeigenden Pfeile angegeben ist). Da ein negatives Potential an alle Elektroden 112A(-), 112B(-) und 112C(-) der zweiten Schicht angelegt wird, wird das gesamte piezoelektrische Teil als die zweite Schicht zu der selben Polarität polarisiert (die durch die nach unten gerichteten Pfeile angegeben ist), die entgegengesetzt zu der Polarität der ersten Schicht ist. Die darauf folgenden Schichten werden in der selben Weise wie vorstehend beschrieben polarisiert. Als Ergebnis sind die zu entgegengesetzten Polaritäten polarisierten piezoelektrischen Teile abwechselnd aufeinander gestapelt. Es sei bemerkt, dass das piezoelektrische Teil als die sechste Schicht nicht polarisiert wird, da keine Elektroden darunter ausgebildet sind.
Fig. 18A bis 18D zeigen eine Elektrodenstruktur. Der Unterschied zwischen dieser Struktur und der Elektrodenstruktur gemäß Fig. 33A bis 33D, auf die die vorliegende Erfindung beruht, ist nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 18A bis 18D und 33A bis 33 D beschrieben.
Fig. 18A zeigt die Positionen von Elektroden dreidimensional, wenn die Elektrodenstruktur des piezoelektrischen Elements der Stapelbauart gemäß diesem Ausführungsbeispiel schräg gesehen wird. Wie aus Fig. 18A hervorgeht, sind Elektroden, die jeweils eine Länge entsprechend einer 1/3 Wellenlänge aufweisen, an Intervallen mit vorbestimmter Breite in der umlaufenden Richtung des piezoelektrischen Teils angeordnet (die seitliche Richtung gemäß 18A). Da die Phasen der Elektroden auf den oberen und unteren Schichten zueinander verschoben sind, kann jede Durchgangsöffnung 150A, 150B und 150C zur Verbindung der Elektroden auf der oberen Schicht mit denjenigen auf der dritten Schicht durch den Abschnitt (der nachstehend als Grenzabschnitt bezeichnet ist) zwischen zwei Elektroden auf der zweiten Schicht (der unteren Schicht gemäß Fig. 18A) hindurch verlaufen. Gemäß Fig. 33A müssen Durchgangsöffnungen in den Elektroden auf der zweiten Schicht ausgebildet werden, damit die Durchgangsöffnungen dadurch laufen können, da die Elektroden auf den oberen und unteren Schichten einander genau überlappen, um einen Verlauf der Durchgangsöffnungen durch die oberen und unteren Schichten zu ermöglichen. Bei der Auslegung eines kompakten Ultraschallmotors, insbesondere mit einer Verringerung bei der Wellenlänge, steigt das Verhältnis der Fläche jeder Öffnung an die ein Erstrecken einer Durchgangsöffnung hindurch ermöglicht, und das Verhältnis der effektiven Fläche jeder Elektrode verringert sich, wie es in Fig. 33B gezeigt ist. Wie es in Fig. 33C gezeigt ist, bei der es sich um eine Projektion der Elektroden gemäß Fig. 33B von oben betrachtet handelt, überlappen sich die Abschnitte, wo sich die oberen und unteren Elektroden befinden, aneinander nicht, da sich die Öffnungen in umlaufender Richtung fortsetzen. Aus diesem Grund kann eine Polarisation in diesen Abschnitten nicht korrekt durchgeführt werden. Wie es in Fig. 18C gezeigt ist, weist das piezoelektrische Element ebenfalls Abschnitte auf, an denen die oberen und unteren Elektroden sich nicht überlappen. Jedoch ist, wie es in Fig. 18D gezeigt ist, ein Elektrodenfilm stets über oder unter einem derartigen Abschnitt jeder Schicht vorhanden, und jede Schicht wird auf die selbe Polarität polarisiert, und wird jeder Grenzabschnitt zwischen den Elektroden auf fast denselben Grad wie den der verbleibenden Abschnitte aufgrund des Rundherum- Eindringens des elektrischen Feldes polarisiert. Falls daher das piezoelektrische Element als Vibrationsvorrichtung verwendet wird, dienen die polarisierten Grenzabschnitte als effektive Abschnitte.
Fig. 33D zeigt einen Abschnitt um den Grenzabschnitt zwischen Elektroden des piezoelektrischen Elements, auf den die vorliegende Erfindung beruht. Wie aus Fig. 33D hervorgeht, gibt es einen Abschnitt, der überhaupt nicht polarisiert ist, oder einen Abschnitt, der in einer Richtung entlang der Oberfläche (Ebenrichtung, planaren Richtung) polarisiert ist, da entgegengesetzte Polarisationspolaritäten der Schicht eingestellt sind.
Fig. 19 zeigt das piezoelektrische Element der Stapelbauart aus Sicht der ersten Schichtseite, von der die Elektroden 114(+) und 114(-) der ersten Schicht nach einem Polarisationsprozess entfernt worden sind. Wie aus Fig. 19 hervorgeht, liegen die Endabschnitte der Durchgangsöffnungen 150A, 150B und 15ºC frei.
Fig. 20A und 20B zeigen die Teile der Vibrationsvorrichtung eines ringförmigen Vibrationsmotors, der dieses piezoelektrische Element der Stapelbauart verwendet. Ein elastisches Metallteil 120 weist viele Vorsprünge auf. Die unterste Schicht (die sechste Schicht gemäß diesem Ausführungsbeispiel) des piezoelektrischen Elements der Stapelbauart ist an der unteren Oberfläche dieses elastischen Teils 120 befestigt. Eine flexible Schaltungsplatine 130 ist an die obere Oberfläche der ersten Schicht des piezoelektrischen Elements der Stapelbauart befestigt (gebondet oder gelötet). Eine (später zu beschreibende) Antriebsschaltung ist mit dieser flexiblen Schaltungsplatine 130 verbunden.
Fig. 21 zeigt die Leitungsmuster auf der flexiblen Schaltungsplatine 130 in diesem Fall. Ein Muster 131A ist mit jeder dritten Durchgangsöffnung 150A der Durchgangsöffnungen des piezoelektrischen Elements der Stapelbauart verbunden und empfängt Energie über einen Anschluss 132A. In ähnlicher Weise ist ein Muster 131B mit allen Durchgangsöffnungen 150B verbunden und empfängt Energie über einen Anschluss 132B. Ein Muster 131C ist mit allen Durchgangsöffnungen 150C verbunden und empfängt Energie über einen Anschluss 132C.
Fig. 22A bis 22C zeigen Wechselspannungen, die an diesen Anschlüssen 132A, 132B und 132C anzulegen sind (wobei die Abszisse die Zeit t darstellt). Die Wechselspannungen (periodische Spannungen) sind Drei- Phasen-Wechselspannungen mit einer Phasendifferenz von 120º. Die angelegten Spannungen gemäß Fig. 22A bis 22C weisen Rechteckwellen auf. Jedoch können diese ebenfalls Sinuswellen aufweisen. Zusätzlich weist, wie es bekannt ist, jede Spannung eine Frequenz in der Nähe der Biegungseigenfrequenz (in diesem Fall die tertiäre Mode) der Vibrationsvorrichtung des Vibrationswellenmotors auf.
Auf diese Weise werden elektrische Felder VA - VB, VB - VC, und VC - VA zwischen den Elektroden des piezoelektrischen Elements angelegt, um Wandervibrationswellen zu erzeugen, die in einer umlaufenden Richtung des piezoelektrischen Elements und des elastischen Teils rotieren. Wenn die Rotation der Vibrationswellen umzudrehen ist, können die Phasen der angelegten Spannungen umgeschaltet werden.
Fig. 23 zeigt eine Antriebsschaltung. Gemäß Fig. 23 weist diese Schaltung einen Mikrocomputer (u-com) 148 für Steuerungsvorgänge, einen 120º/-120º-Phasenschieber 143, Schalt-Schaltungen 144A, 144B und 144C sowie Spulen 146A, 146B und 146C zur Verstärkung von geschalteten Impulssignalen auf.

Fünftes Ausführungsbeispiel

Fig. 24A bis 24D zeigen die Elektrodenmuster auf den Schichten eines piezoelektrischen Elements der Stapelbauart gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das fünfte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem vierten Ausführungsbeispiel dahingehend, dass die zweite und die darauffolgenden Schichten eine Länge entsprechend einer halben Wellenlänge aufweist. In diesem Fall sind die anzulegenden Wechselspannungen Vier- Phasen-Wechselspannungen, dessen Phasen voneinander um 90º verschoben sind, wie es in den Fig. 25A bis 25D gezeigt ist.
Das heißt, dass elektrische Felder VA - VB, VB - VC, VC - VD und VD - VA zwischen den Elektroden des piezoelektrischen Elements angelegt werden.

Sechstes Ausführungsbeispiel

Fig. 26 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Ein piezoelektrisches Element der Stapelbauart gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist durch Stapeln von N piezoelektrischen Teilen ausgebildet. Drei Elektrodenfilme, die in umlaufender Richtung unterteilt sind, sind auf der oberen Oberfläche jeder Schicht mit Ausnahme der untersten Schicht (ersten Schicht) ausgebildet, und die piezoelektrischen Teile als die ungeradzahligen und geradzahligen Schichten sind aufeinander derart gestapelt, dass die Phasen der Elektrodenfilme voneinander um 120º verschoben sind. Zwei konzentrische, ringförmige Elektrodenfilme 101ABC(+) und 101ABC(-) sind auf der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Teils als die oberste Schicht ausgebildet. Jedes piezoelektrische Teil ist zu derselben Polarität polarisiert, und die ungeradzahligen und geradzahligen Schichten sind zu entgegengesetzten Polaritäten polarisiert.
Sechs Durchgangsöffnungen 102A1, 102A2, 102B1, 102B2, 102C1 und 102C2 sind in jedem piezoelektrischen Teil mit Ausnahme des piezoelektrischen Teils als die unterste Schicht zu gleichen Intervallen in der umlaufenden Richtung ausgebildet. Die Durchgangsöffnungen 102A1, 102B1 und 102C1, die zu dem Elektrodenfilm 101ABC(+) hin verlaufen, sind in der Nähe des inneren Umfangs ausgebildet, und die Durchgangsöffnungen 102A2, 102B2 und 102C2, die zu dem Elektrodenfilm 101ABC(-) hin verlaufen, sind in der Nähe des äußeren Umfangs ausgebildet.
Drei Elektrodenfilme 102A(+), 102B(+) und 102C(+), die in der vorstehenden Weise unterteilt sind, sind auf dem piezoelektrischen Element als die zweite Schicht ausgebildet, und die Durchgangsöffnungen 102A1, 102B1 und 102C1 verlaufen zu diesen Elektrodenfilmen. Die verbleibenden Durchgangsöffnungen 102A2, 102B2 und 102C2 verlaufen durch die Grenzabschnitte zwischen den Elektrodenfilmen 102A(+), 102B(+) und 102C(+) und sind davon isoliert.
Drei Elektrodenfilme 103A(-), 103B(-) und 103C(-), die in der vorstehenden Weise unterteilt sind, sind auf dem piezoelektrischen Element als die dritte Schicht ausgebildet, und die Phasen jedes dieser Elektrodenfilme sind gegenüber einen entsprechenden Elektrodenfilm von denjenigen auf der zweiten Schicht um 180º verschoben. Die Durchgangsöffnungen 102A2, 102B2 und 102C2 verlaufen zu den Elektrodenfilmen 103A(-), 103B(-) und 103C(-) hin. Es sei bemerkt, dass die verbleibenden Durchgangsöffnungen 102A1, 102B1 und 102C1 durch die Grenzabschnitte zwischen den Elektrodenfilmen 103A(-), 103B(-) und 103C(-) verlaufen und davon isoliert sind.
Jede der gradzahligen Schichten, beispielsweise die vierte, sechste und achte Schicht, weist die selbe Struktur wie die der zweiten Schicht auf, und die Durchgangsöffnungen 102A1, 102B1 und 102C1 verlaufen zwischen den Elektrodenfilmen auf diesen geradzahligen Schichten.
Jede der ungeradzahligen Schichten, beispielsweise die fünfte und die siebte Schicht, weist die selbe Struktur wie die der dritten Schicht auf, und die Durchgangsöffnungen 102A2, 102B2 und 102C2 verlaufen zu den Elektrodenfilmen auf diesen ungeradzahligen Schichten.
Wie es in Fig. 27 gezeigt ist, kann in dem piezoelektrischen Element der Stapelbauart, das in dieser Weise ausgebildet worden ist, ebenfalls jede Schicht leicht polarisiert werden, indem lediglich zwei externe Elektroden auf der obersten Schicht angeschlossen werden. Nach dem Polarisationsprozess werden die Elektroden 101ABC(+) und 101ABC(-) von der ersten Schicht entfernt, und die resultierende Struktur wird zwischen elastischen Teilen zusammen mit einer (nicht gezeigten) flexiblen Schaltungsplatine sandwichartig dazwischen eingefügt, wodurch eine stabförmige Vibrationsvorrichtung erhalten wird.

Siebtes Ausführungsbeispiel

Fig. 28 zeigt die Elektrodenmuster auf den Schichten eines piezoelektrischen Elements der Stapelbauart gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem Fall, bei dem das piezoelektrische Element bei einem stabförmigen Vibrationswellenmotor angewandt wird. In ähnlicher Weise wie gemäß dem vierten bis dem sechsten Ausführungsbeispiel wird bei diesem piezoelektrischen der Stapelbauart nach Stapeln/Pressen und Sintern einer Vielzahl von piezoelektrischen Teilen ein Polarisationsprozess durchgeführt, in dem eine Spannung zwischen Elektroden 114(+) und 114(-) angelegt wird. Nach dem Polarisationsprozess werden die Elektroden 114(+) und 114(-) von der ersten Schicht entfernt, und die resultierende Struktur wird sandwichartig zwischen elastischen Teilen zusammen mit einer flexiblen Schaltungsplatine eingefügt, wodurch ein stabförmiges Vibrationsteil erhalten wird.
Gemäß diese Ausführungsbeispiel weisen die in einem Antriebsbetrieb anzulegenden Spannungen eine Phasenbeziehung ähnlich wie diejenige gemäß Fig. 25A bis 25D auf. Genauer wird, wenn Vier-Phasen- Wechselspannungen VA, VB, VC und VD mit einer Phasendifferenz von 90º an die Durchgangsöffnungen 150A, 150B, 150C und 150D über die flexible Schaltungsplatine angelegt werden, ein elektrisches Feld VA - VB zwischen Elektroden 112A(+) und 112B(-) angelegt, wird ein elektrisches Feld VB - VC zwischen Elektroden 112B(-) und 112C(+) angelegt, wird ein elektrisches Feld VC - VD zwischen Elektroden 112C(+) und 112D(-) angelegt, und wird ein elektrisches VD - VA zwischen Elektroden 112D(-) und 112A(+) angelegt.
Ein piezoelektrisches Element der Stapelbauart 103 wird als den Antriebsabschnitt einer Vibrationsvorrichtung A des stabförmigen Vibrationswellenmotors gemäß Fig. 29 zwischen elastischen Vibrationsteilen a1 und a2 geklemmt, und wird dazwischen durch Befestigen der elastischen Vibrationsteile a1 und a2 mit einem Bolzen befestigt. In diesem Fall wird das Leitungsauster auf einer flexiblen Schaltungsplatine 112 in engen Kontakt mit der Oberfläche der obersten Schicht gemäß Fig. 28 gebracht, von der die Elektroden 114(+) und 114(-) entfernt werden.
Bei diesem stabförmigen Ultraschallmotor werden, wenn Wechselspannungen aus einer (nicht gezeigten) Antriebsschaltung an das piezoelektrische Element 103 angelegt werden, elliptische Bewegungen auf der Endfläche des elastischen Vibrationsteils a1 erregt. Die flanschförmige Feder eines Rotors R als ein Bewegungsobjekt (Kontaktteil) wird gegen die Endfläche des elastischen Vibrationsteils a1 gedrückt. Diese Druck- bzw. Presskraft ist durch eine Kompressionsfeder b2 über ein Federlagerteil b1 gegeben. Der Rotor R wird durch Reibung mittels elliptischer Bewegungen angetrieben, die durch das elastische Vibrationsteil a1 der Vibrationsvorrichtung A erzeugt werden. Die resultierende Rotationskraft wird auf ein Ausgangsteil c1 übertragen, das in den Rotor R eingreift.
Die vierten bis siebten Ausführungsbeispiele, die vorstehend beschrieben worden sind, stellen die Drei- Phasen-Antriebsbetriebsart (viertes und sechstes Ausführungsbeispiel) und die Vier-Phasen- Antriebsbetriebsart (fünftes und siebtes Ausführungsbeispiel) als Beispiel dar. Jedoch ist die Erfindung nicht auf diese Betriebsarten beschränkt. Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung auf Betriebsarten angewandt werden, die eine größere Anzahl von Phasen aufweisen, beispielsweise eine Fünf-Phasen- Antriebsbetriebsart oder eine Sechs-Phasen- Antriebsbetriebsart. Falls jedoch die Anzahl der Phasen ansteigt, sind kleinere Elektrodenmuster erforderlich, oder größere Ausgangsabschnitte der Antriebsschaltung sind erforderlich, was zu Nachteilen im Hinblick auf Kosten und Größe führt. Das heißt, dass die Drei- und Vier-Phasen-Antriebsbetriebsarten am besten für kompakte Strukturen mit niedrigen Kosten geeignet sind.
Die vorstehenden Ausführungsbeispiele, Modifikationen und deren technische Faktoren der vorliegenden Erfindung können wie erforderlich kombiniert werden.
Wie es vorstehend beschrieben worden ist, kann gemäß dem ersten bis zu dem siebten Ausführungsbeispiel verhindert werden, dass eine Polarisation in dem Grenzabschnitt zwischen benachbarten Elektrodenfilmen auf jeder Schicht in der Ebenenrichtung auftritt, da jede Schicht auf die selbe Polarität polarisiert wird. Zusätzlich können die Elektrodenfilme auf jeder Schicht an der Rückoberflächenseite der Grenzabschnitte zwischen den Elektrodenfilmen auf der entsprechenden benachbarten Schicht angeordnet werden, da die Phasen der Elektrodenfilme auf den jeweiligen Schichten in der Ebenenrichtung verschoben sind. Daher kann bewirkt werden, dass elektrische Felder für die Polarisation zu den Grenzabschnitten umgelenkt werden, und dass jeder Grenzabschnitt zu der selben Polarität wie die der Schicht polarisiert werden kann, in der der Grenzabschnitt enthalten ist.
Zusätzlich sind die Elektrodenfilme auf den aufeinander gestapelten zwei Schichten über ein piezoelektrisches Teil miteinander über Leiter verbunden, die sich durch die Grenzabschnitte zwischen den Elektrodenfilmen auf diesem piezoelektrischen Teil erstrecken. Aus diesem Grund müssen die Elektrodenfilme nicht geschnitten werden, um ein Erstrecken der Leiter dadurch zu ermöglichen. Daher kann eine Verringerung der effektiven Fläche jedes Elektrodenfilms vermieden werden.
Weiterhin wird jedes piezoelektrische Teil zuerst durch die Elektrodenfilme polarisiert, die auf dem piezoelektrischen Teil als die äußerste Schicht ausgebildet sind, und die Elektrodenfilme werden dann von dem piezoelektrischen Teil als die äußerste Schicht entfernt, wodurch ein piezoelektrisches Element der Stapelbauart ausgebildet wird. Mit dieser Struktur kann ein Polarisationsprozess leicht durchgeführt werden, indem lediglich zwei Elektrodenfilme ausgebildet werden, die als positive und negative Pole auf dem piezoelektrischen Teil als die äußerste Schicht dienen, und zwei externe Elektroden mit diesen Elektrodenfilmen verbunden werden. Wenn die vorstehend beschriebenen zwei Elektrodenfilme von dem piezoelektrischen Teil als die äußerste Schicht entfernt werden und eine gedruckte Schaltungsplatine oder dergleichen an die resultierende Struktur befestigt wird, können periodische Spannungen zum Antrieb des piezoelektrischen Elements der Stapelbauart über die gedruckte Schaltungsplatine angelegt werden.
Falls eine Vibrationsvorrichtung ausgebildet wird, die das vorstehend beschriebene piezoelektrische Element der Stapelbauart verwendet, und diese Vorrichtung für ein Antriebssystem als Antriebsquelle verwendet wird, kann der Antriebswirkungsgrad des Antriebssystems verbessert werden, da die Grenzabschnitte zwischen den Elektrodenfilmen korrekt polarisiert werden können und zur Erzeugung von Vibrationen dienen, die für einen Antriebsvorgang effektiv sind.

Claims

1. Energieumwandlungselement der Stapelbauart mit

einem ersten elektromechanischen Energieumwandlungselement, das eine Veilzahl von Treiberelektroden (2A(+), 2B(+), 2C(+)) als eine erste Gruppe aufweist, die auf einer in einer ersten Richtung polarisierten piezoelektrischen Schicht angeordnet ist, und

einem zweiten elektromechanischen Energieumwandlungselement, das eine Vielzahl von Treiberelektroden als eine zweite Gruppe ((N - 1)A(-), (N - 1)C(-)) aufweist, die auf einer piezoelektrischen Schicht angeordnet ist, die in einer zweiten Richtung polarisiert ist, in der eine umgekehrte Charakteristik zu derjenigen in der ersten Richtung erhalten wird,

wobei das erste Energieumwandlungselement und das zweite Energieumwandlungselement derart aufeinander gestapelt sind, dass die Phasen von Mustern der Elektroden der ersten Gruppe von denjenigen von Mustern der Elektroden der zweiten Gruppe verschoben sind.

2. Element nach Anspruch 1, wobei die Anzahl und der Abstand der Elektroden der ersten Gruppe gleich zu denjenigen der Elektroden der zweiten Gruppe sind.

3. Element nach Anspruch 1, weiterhin mit einem dritten elektromechanischen Energieumwandlungselement, das eine Vielzahl von Treiberelektroden ((N - 2)A(+), (N - 2)B(+), (N - 2)C(+)) als eine dritte Gruppe aufweist, die auf einer in der ersten Richtung polarisierten piezoelektrischen Schicht angeordnet ist, wobei das dritte Energieumwandlungselement zwischen dem ersten und dem zweiten elektromagnetischen Umwandlungselement derart gestapelt ist, dass Phasen von Mustern der Elektroden der dritten Gruppe mit denjenigen der Elektroden der ersten Gruppe zusammenfallen.

4. Element nach Anspruch 3, wobei die Anzahl und die Unterteilung der Elektroden der ersten Gruppe gleich zu denjenigen der dritten Gruppe sind.

5. Element nach Anspruch 3, wobei spezifische Treiberelektroden der Elektroden der ersten und dritten Gruppe, die in Phase sind, elektrisch miteinander über einen Leiter in einer ausgebildeten Durchgangsöffnung (2A1, 2B1, 2C1) verbunden sind, und der Leiter mit den Elektroden der zweiten Gruppe nicht elektrisch verbunden ist.

6. Element nach Anspruch 5, wobei die Durchgangsöffnung zwischen den Elektroden der zweiten Gruppe angeordnet ist.

7. Element nach Anspruch 5, weiterhin mit einem Signalzufuhrelement, das auf den ersten, zweiten und dritten Energieumwandlungselementen gestapelt ist, wobei das Signalzufuhrelement derart an einer Oberflächenposition angeordnet ist, dass es frei liegt, sowie eine Vielzahl von Signalzufuhrelektroden (1ABC(+)), 1ABC(-)) aufweist, und eine spezifische Elektrode der Signalzufuhrelektroden elektrisch mit dem Leiter verbunden ist.

8. Energieumwandlungselement der Stapelbauart mit

einem ersten elektromechanischen Energieumwandlungselement, das drei Teil- Treiberelektroden (102A(+), 102B(+), 102C(+)) als eine erste Gruppe aufweist, die auf einer in einer ersten Richtung polarisierten piezoelektrischen Schicht angeordnet ist,

einem zweiten elektromechanischen Energieumwandlungselement, das drei Teil- Treiberelektroden (103A(-), 103B(-), 102C(-)) als eine zweite Gruppe aufweist, die auf einer piezoelektrischen Schicht angeordnet ist, die in einer zweiten Richtung polarisiert ist, in der eine umgekehrte Charakteristik zu derjenigen in der ersten Richtung erhalten wird, und

einem dritten elektromechanischen Energieumwandlungselement, das drei unterteilte Treiberelektroden (NA(+), NB(+), NC(+)) als eine dritte Gruppe aufweist, die auf einer in der ersten Richtung polarisierten Schicht angeordnet ist,

wobei das erste, zweite und dritte elektromechanische Energieumwandlungselement derart gestapelt sind, dass das zweite elektromechanische Energieumwandlungselement zwischen dem ersten und dem dritten Energieumwandlungselement sandwichartig angeordnet ist, Phasen von Mustern der Elektroden der ersten Gruppe von denjenigen der Elektroden der zweiten Gruppe verschoben sind, und die Phasen von Mustern der Elektroden der zweiten Gruppe von denjenigen der Elektroden der dritten Gruppe verschoben sind.

9. Element nach Anspruch 8, wobei eine Unterteilung der Elektroden der ersten Gruppe gleich zu der der Elektroden jeweils der zweiten und der dritten Gruppe ist.

10. Element nach Anspruch 8, wobei die Muster der Elektroden der ersten und dritten Gruppe in Phase sind.

11. Element nach Anspruch 10, wobei spezifische Treiberelektroden der Elektroden der ersten und der dritten Gruppe, die in Phase sind, elektrisch miteinander über einen Leiter in einer ausgebildeten Durchgangsöffnung (102A1, 102B1, 102C1) verbunden sind, und der Leiter mit den Elektroden der zweiten Gruppe nicht elektrisch verbunden ist.

12. Element nach Anspruch 11, wobei die Durchgangsöffnung (102A1, 102B1, 102C1) zwischen den Elektroden der zweiten Gruppe angeordnet ist.

13. Element nach Anspruch 11, weiterhin mit einem Signalzufuhrelement, das auf den ersten, zweiten und dritten Energieumwandlungselementen gestapelt ist, wobei das Signalzufuhrelement an einer Oberflächenposition derart angeordnet ist, dass es frei liegt, sowie eine Vielzahl von Signalzufuhrelektroden aufweist, und eine spezifische Elektrode der Signalzufuhrelektroden elektrisch mit dem Leiter verbunden ist.

14. Vibrationswellenbetätigungsglied mit

(a) einem Energieumwandlungselement der Stapelbauart (3) nach einem der vorangehenden Ansprüche,

(b) einem Vibrationsteil (A), an das das Energieumwandlungselement funktional angebracht ist, und

(c) einem Kontaktteil (R), das mit dem Vibrationsteil (A) in Kontakt steht, wobei das Vibrationsteil und das Kontaktteil durch erzeugte Vibrationswellen relativ bewegt werden.

15. Vibrationswellenbetätigungsglied mit

(a) einem Energieumwandlungselement der Stapelbauart (3) nach einem der Ansprüche 8 bis 13,

(b) einer Signalzufuhrvorrichtung (42, 43, 38) zur Zufuhr eines Dreiphasen-Wechselstromsignals (VA, VB, VC) zu den Elektroden der ersten, zweiten und dritten Gruppe, und

(c) einem Vibrationsteil (A), an dem das Energieumwandlungselement der Stapelbauart funktional angebracht ist, wobei ein Kontaktteil (R), das in Kontakt mit dem Vibrationsteil steht, und das Vibrationsteil durch Vibrationen des Vibrationsteils relativ bewegt werden.

16. Antriebssystem, wobei das Betätigungsglied nach Anspruch 14 oder 15 als Antriebsquelle verwendet wird.