JP4878691B2 - 積層電気−機械エネルギー変換素子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は振動波モータ等の振動波駆動装置に用いられる積層電気―機械エネルギー変換素子に係り、特に、積層化された積層電気―機械エネルギー変換素子の層間の接続を図るスルーホールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電気−機械エネルギー変換機能を有する圧電材料は様々な圧電素子や圧電装置として多種多様に用いられている。とりわけ、最近の傾向として、これらの圧電素子や圧電装置は、単一の板状で使うのではなく、薄いシート状で多数枚重ねて積層化した構造が使われるようになってきた。
【０００３】
これは、単一の板状の圧電素子と比べ、積層化によって、低い印加電圧で大きな変形歪や大きな力が得られることが大きな理由である。さらに、シート成形法や積層化の製造方法が普及し、一層あたりの厚さを薄くし、小型で高性能な積層化された圧電素子や圧電装置が容易に作られるようになってきたためである。
【０００４】
例えば、振動波駆動装置の一つの例である振動波モータ用の積層圧電素子として、特開平６―７７５５０号公報、特開平６―１２０５８０号公報、特開平８―２１３６６４号公報等が提案されている。その他に振動ジャイロ用、圧電トランス用の積層圧電素子なども数多く提案されている。
【０００５】
このような種々の用途に使用される積層化された電気―機械エネルギー変換素子は、電極領域を形成した電気−機械エネルギー変換機能を有する層状の材料を複数重ねた構造であり、つまり、代表的な例としては、電極材料で形成された電極の層（以下、内部電極と呼ぶ）を表面に設けた圧電セラミックスの層（以下、圧電層と呼ぶ）を複数層重ねた構造となっている。
【０００６】
そして、最近は、積層化された複数の内部電極を接続するための層間配線として、圧電層の層内に穴を設け電極材料を埋め込んだスルーホール（またはバイヤホールとも言う）を、例えば、特開平６―１２０５８０号公報、特開平８−２１３６６４号公報等のように用いるのが、より一般的になってきた。（なお、特開平６―７７５５０号公報は外部に層間配線としての外部電極を用いた例である）。
【０００７】
これは、製造装置や製造技術の向上により、スルーホールの位置決めが高精度になったために、電気的な接続に対する信頼性が高くなったこと、さらに、スルーホールを用いることで素子の小型化が図れることなどの利点があるためである。
【０００８】
図４は特開平８−２１３６６４号公報に記載の従来の積層圧電素子を示したもので、積層圧電素子３１は内部電極を接続するために、全て黒丸で示すスルーホール３６を用いており、図５のように振動波モータ４０に組み込まれてカメラ用レンズのオートフォーカスのモータとして既に実用化されている。
【０００９】
図４において、中心部に貫通孔が形成された円板形状の積層圧電素子３１は、内径側にスルーホール（図中小径の黒丸で示す）３６を形成し、積層された圧電層間の導通を得るようにしたものである。積層圧電素子３１を構成する２種の圧電層３２、３３の表面には４分割された内部電極（電極パターン）３４−１、３４−２、３４−３、３４−４と３５−１、３５−２、３５−３、３５−４が設けられている。
【００１０】
そして表面層の第１層以下、第２層から第２５層まで圧電層３２と３３が交互に配置されている。各圧電層の内径側には図中黒丸で示す８個のスルーホール３６が形成され、１層おきに重ねられた各圧電層３２における斜線で示す各内部電極３４の分割された４つの電極部３４−１、３４−２、３４−３、３４−４が重ねられた方向で導通するように４本のスルーホールが電極部にある。
【００１１】
また、もう一方の各圧電層３３においても、同様に各内部電極３５の分割された４つの電極部３５−１、３５−２、３５−３、３５−４が重ねられた方向で導通するように、さらに４本のスルーホールが電極部に設けられている。ただし、第２５層はその下には圧電層がないのでスルーホールは設けられていない。
【００１２】
そして、これら８本のスルーホール３６は互いに独立し非導通となっており、積層圧電素子３１の表面でスルーホール３６の端部を露出し表面電極３７を形成している。また、各内部電極３４、３５は圧電体の外形、内径の縁までは形成されておらず、外形、内径の縁には未電極領域がある。
【００１３】
このように構成された図４の積層圧電素子３１は、以下のような分極処理が施され、振動波駆動装置としての振動波モータに適した振動を起こすようになっている。
【００１４】
積層圧電素子３１において、素子内部の各圧電層３３の内部電極３５は４分割された電極部３５−１、３５−２、３５−３、３５−４からなり、１８０度の位置関係にある電極部３５−１、３５−３の領域と電極部３５−２、３５−４の領域の２つが互いに分極方向が異なるように、＋（プラス）と−（マイナス）に分極している。
【００１５】
すなわち、図示したように、電極部３５−１、３５−３がＡ＋，Ａ−、電極部３５−２、３５−４がＢ＋，Ｂ−として、各々Ａ相、Ｂ相とし、これらに対向する圧電層３２の内部電極３４の４分割された電極部３４−１、３４−２、３４３、３４−４も同じく１８０度の位置にある電極部３４−１、３４−３と電極部３４−２、３４−４の２つを１組としてＡＧ相、ＢＧ相とし、電気的にグランドとしている。
【００１６】
図５は、積層圧電素子３１を振動体４２に組み込んだ振動波駆動装置としての棒状の振動波モータ４０の断面図である。積層圧電素子３１は、振動体４１の弾性体である金属部品４２と４３の間に、外部電源と接続する配線基板３８と直接接触し、ボルト４４により挟持されている。
【００１７】
そして、積層圧電素子３１の８個の表面電極３７と配線基板３８の電極パターンは電気的に接続される。
【００１８】
棒状振動波モータ４０の駆動原理は、積層圧電素子３１を組み込んだ振動体４１に、直交する２つの曲げ振動を発生させ、これと加圧接触するロータ４７を摩擦力により駆動するものである。
【００１９】
すなわち、Ａ相、Ｂ相に対向するＡＧ相、BＧ相をグランドとし、Ａ相に振動体の固有振動数とほぼ一致した高周波電圧を印加し、さらに、Ａ相と空間位相位置の９０度異なるＢ相に、Ａ相とは電気的に９０度位相の異なる同じ振動数の高周波電圧を印加し、振動体４１に発生する２つの曲げ振動の合成により駆動振動を得る。
【００２０】
そして、振動体４１に発生する駆動振動により、金属部品４２の一方の面に、バネ４５、バネ支持体４６を介して加圧接触するロータ４７を摩擦駆動し、ロータ４７と一体に回転する出力部材としてのギア４８により駆動力が出力される。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、さらなる小型の振動波モータを開発するために、従来の振動波モータを検討したところ、積層圧電素子には次の課題があることがわかってきた。
【００２２】
スルーホールを用いた積層圧電素子は、スルーホールと他の別の内部電極の電極部と非導通にするため、スルーホールの周囲の絶縁部（図４において未電極形成部３９の領域）は必要不可欠である。
【００２３】
積層圧電素子を、図４の従来の電極の構成のように、内径側にスルーホール３６を形成したまま、積層圧電素子の外形を小さくすると、スルーホールの周囲には円形状の絶縁部（図４中の上記した未電極形成部３９）があるため、振動波モータを駆動するために必要な圧電活性部（内部電極３４、３５の各電極部に挟まれた部分）の領域を十分に取ることができない。これでは、小型の振動波モータの性能はほとんど期待できないことがわかった。
【００２４】
本出願に係る発明は、今後開発するさらなる小型の振動波モータ等の振動波駆動装置の性能向上に対して有効な積層電気−機械エネルギー変換素子を提供しようとするものである。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、複数の電極領域を形成した電気−機械エネルギー変換機能を有する材料からなる圧電層を複数層重ね、前記複数層の圧電層に形成された電極領域間をスルーホールを用いて接続した積層電気−機械エネルギー変換素子において、
前記電極領域は、前記スルーホールと絶縁部とを除き、前記圧電層の外径の縁及び内径の縁まで形成され、
前記スルーホールは、前記積層電気−機械エネルギー変換素子の外径から内側であって、前記積層電気−機械エネルギー変換素子の直径の略１割以下の距離の位置に複数形成され、
前記スルーホールは、その周囲に絶縁部を含み、該絶縁部は少なくとも最上層、最下層を除く層において、前記積層電気−機械エネルギー変換素子の外径の縁を含むように形成され、
前記電極領域に挟まれた部分である圧電活性部の領域を、広く取ることが可能に構成されていることを特徴とする。
【００２７】
第２の発明は、上記発明で、前記複数層の各複数の前記電極領域は、直径部分に形成された絶縁部で区画された複数の領域に形成されたことを特徴とする。
【００２８】
上記発明で、積層圧電素子の直径の略１割以下の距離とは、例えば、およそ積層圧電素子の直径の１割以下で、直径が５から６ｍｍであれば、外形または内径から０．５ｍｍから０．６ｍｍより近いところである。
【００２９】
第３の発明は、上記第２の発明において、前記スルーホールの形状は、略半円形状であることを特徴とする。
【００３０】
【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。本実施の形態の積層電気？機械エネルギー変換素子としての積層圧電素子１は、中心部に貫通孔が形成された内径を有し、スルーホールを用いて積層された圧電層間の導通を得るようにしたものである。そして、積層圧電素子１の直径は後述するように、従来例より小型化した。
【００３１】
図１に示すように、積層圧電素子１を構成する２種の圧電層２と３の表面には、直径部分を直交するようにして十字形に形成されたスリット（未電極形成部）を介して、内部電極４と５が電極部４−１，４−２，４−３，４−４と、電極部５−１,５−２,５−３,５−４に４分割され、表面層（最上層）である第１層以下で、１層おきに第２層から第２５層まで交互に圧電層２と３が配置されている。そして、各内部電極は、各層を構成する円板形状の圧電体の外径および内径の縁まで達している。
【００３２】
圧電層２を構成する各圧電層には、外径端にできる限り接近して図中黒丸で示す８個のスルーホール６が形成されている。すなわち、１枚おきの各圧電層２の各内部電極４の４つに分割された各電極部４−１,４−２,４−３,４−４が重ねられた状態で導通するように４本のスルーホール６を設けた。
【００３３】
また、各圧電層２の間に配置されたもう一方の各圧電層３の各内部電極５の４つに分割された電極部５−１,５−２,５−３,５−４が重ねられた状態で導通するように、さらに４本のスルーホール６を設けた。これら８本のスルーホール６は互いに独立し非導通とした。ただし、第２５層は最下層であり、その下には層がないのでスルーホールは設けていない。
【００３４】
また、これら８本の各スルーホール６は積層圧電素子１の表面にスルーホール６の端部を露出しスルーホール径と同じ大きさの８個の表面電極７を形成している。
【００３５】
上記のような構成にした後、以下のような従来例と同じように分極処理を行い、振動波モータに適した分極極性を与えた。
【００３６】
すなわち、積層圧電素子１において、内部の圧電層３の内部電極５の４分割された電極部５−１,５−２,５−３,５−４を、１８０度の位置関係にある電極部５−１,５−３の領域と、５−２,５−４の領域の各２つの電極部の領域が互いに分極極性が＋（プラス）と−（マイナス）とに異なるように分極した。
【００３７】
すなわち、図示したように、電極部５−１と５−３をＡ＋、Ａ−とし、電極部５−２と５−４をＢ＋、Ｂ−として各々Ａ相、Ｂ相とした。そして、これらに対向する圧電層２の内部電極４の４分割された電極部４−１,４−２,４−３,４−４も同じく１８０度の位置にある電極部４−１と４−３をＡＧ相、電極部４−２と４−４をＢＧ相とし、夫々電気的にグランドとした。
【００３８】
図３は積層圧電素子１を、従来例と構造的にはほぼ同じであるが、直径の小さい棒状の小型振動波モータ２０を構成する振動体２１に組み込んだ図である。
【００３９】
積層圧電素子１は、振動体２１の弾性体である金属部品２２，２３とボルト２４により、配線基板８が積層圧電素子１と機械的に密着するようにして締め付けた。
【００４０】
配線基板８は配線用に電極パターンが設けられており、積層圧電素子１の各々の表面電極７と電気的に導通し外部電源と接続が図られている。配線基板８は通常使用されている厚さ２５μｍのポリイミドからなるシートに厚さ３５μｍの銅箔を配線用のパターニングしたものである。
【００４１】
そして、従来例と同じように、Ａ相、Ｂ相に対向するＡＧ相、ＢＧ相をグランドとして、Ａ相に振動体の固有振動数とほぼ一致した高周波電圧を印加、さらに、Ａ相と空間位相位置の９０度異なるＢ相に、Ａ相とは電気的に９０度位相の異なる同一振動数の高周波電圧を印加した。こうして、振動体２１の２つの曲げ振動の合成により得られる駆動振動により、バネ２５、バネ支持体２６を介して、弾性体である金属部品２２の一方の面に加圧接触したロータ２７を摩擦力により駆動し、ロータ２７と一体に回転する出力部材としてのギア２８により駆動力が出力される。
【００４２】
本実施の形態の積層圧電素子は、外径が６ｍｍ、内径が１．７ｍｍ、厚さが約１．６ｍｍ、圧電層の厚さが約６０μｍ、内部電極の厚さが２から３μｍとし、圧電層の全層数は２５層、内部電極は２４層とした。また、スルーホールの直径は０．１ｍｍである。弾性体である金属部品２２，２３の外径も同じ６ｍｍである。
【００４３】
前述の従来例の積層圧電素子は、外形が１０ｍｍ、内径が２．８ｍｍ、厚さが２．３ｍｍ、圧電層の厚さが約９０μｍ、内部電極の厚さが２から３μｍで、圧電層の全層数は２５層であった。
【００４４】
本実施の積層圧電素子は従来例より外形を小さくし、さらに、一層あたりの厚さも薄くしている。
【００４５】
本実施の形態の積層圧電素子の製造法は、圧電層となる、圧電セラミックス粉末と有機バインダーからなるグリーシート上に、内部電極となる銀・パラジウム粉末ペーストをスクリーン印刷で形成し、次に、スルーホール部には同じく銀・パラジウム粉末を充填、各々を重ね、加熱しながら加圧し積層化した。そして、焼成前に内径部を機械加工で開けた。その後、鉛雰囲気中で、約１１００℃で焼成し、焼成後、分極した後、両面ラップ加工を行い、最後に外径部を機械加工を行い製作した。
【００４６】
現状、製造上のスルーホールの外径に対する位置精度は、最終的に、機械加工後で±０．１ｍｍであり、本実施例では外形から内側に０．２５ｍｍのところをねらってスルーホールを形成した。この条件であれば、スルーホールは最小０．１ｍｍの余裕をもって、外径外周部に露出することはない。
【００４７】
このように、このスルーホールの周囲の絶縁部はできるだけ面積を少なくするために、スルーホールを外径の縁にできるだけ接近させ、スルーホールの周囲の絶縁部（非電極部）は外径の縁を含み、ほぼ半円形状にしている。スルーホールの中心からの半径は約０．５ｍｍとした。ちなみに、複数の電極層を分けるスリットも約４ミリである。
【００４８】
これらの値は使用時に確実に絶縁が取れる寸法であり、積層圧電素子の製造上の各電極部やスルーホールの位置ずれや使用条件などを考慮して決める値である。将来には、製造技術の改良などにより、さらに小さくしたい。
【００４９】
このように、本実施の形態の積層圧電素子１は、スルーホール６と表面電極７を素子の外径側のごく近傍に寄せ、スルーホールの周囲の絶縁部の面積を減少させている。さらに、内部電極は外径部と内径部までの領域（図１のハッチングした領域）まで広げている。
【００５０】
この結果、振動波モータの性能（回転数とトルク）や効率を予想通り向上させることができた。
【００５１】
（第２の実施の形態）
図２は本発明の第２の実施の形態を示す。本実施の形態の積層圧電素子１１は、スルーホールを内径部と外径部にそれぞれ形成したものである。その他の形態や製造法、駆動法などはすべて第１の実施の形態と同じである。
【００５２】
図２に示すように、積層圧電素子１１を構成する２種の圧電層１２と１３の表面にはスリット（未電極形成部）を介して、内部電極部１４と１５が４分割され、第１層以下、１層おきに交互に圧電層１２と１３が配置されている。そして、内部電極は外径部、内径部まで達している。
【００５３】
各圧電層の外径および内径のごく近傍には図中黒丸で示すスルーホール16が形成されている。本実施例では、スルーホールは外形の内側０．２５ｍｍ、内径の外側０．２５ｍｍのところをねらって形成した。これであれば外周にスルーホールは露出しない。そして、絶縁部（非電極部）はスルーホールを中心にし、
外径または内径の縁にできるだけ接近させ、ほぼ半円形状とし、絶縁部の面積を極力少なくしている。
【００５４】
図３は、積層圧電素子１１を棒状振動波モータ２０を構成する振動体２１に組み込んだ図である。積層圧電素子１１は配線基板１８を挟み、振動体２１の金属部品２２、２３と全面で接触し、ボルト２３により締め付けられている。
【００５５】
図２は図１と違い、内径部にもスルーホールを有している。これは、複数のスルーホールを外径側と内径側に分散させることで、配線基板１８上の、配線用の電極パターンのスペースに余裕ができ、設計が簡単になる利点がある。小型振動波モータを開発する上で、これらの実用上の効果は大きい。
【００５６】
以上の結果、小型の振動波モータの性能（回転数とトルク）、さらに、モータ効率も向上した。
【００５７】
以上の例以外に、全スルーホールを内径のごく近傍に設けても良い。しかし、前述したように、更なる小型化でも内径近傍はかなり面積が小さくなり、配線基盤の配線用の電極パターンの設計はやや難しくなる。よって、好ましくは、スルーホールは外径のごく近傍、または、外径と内径のごく近傍に分散させた方が良い。
【００５８】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明によれば、積層圧電素子の小型化に際し、従来のスルーホールの信頼性を確保したまま、積層圧電素子の、有効な圧電活性部の面積を広く取ることが可能であり、小型の振動波モータの性能や効率の向上に寄与するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による積層圧電素子の第１の実施例を示す図
【図２】本発明による積層圧電素子の第２の実施例を示す図
【図３】第１と第２の実施の形態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】従来の他の積層圧電素子を示す図
【図５】従来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、１１ 積層圧電素子
２、３、１２、１３ 圧電層
４、５、１４、１５ 内部電極
６、１６ スルーホール
７、１７ 表面電極
８、１８ 配線基板
２０ 振動波モータ
２１ 振動子

Claims (3)

1. 複数の電極領域を形成した電気−機械エネルギー変換機能を有する材料からなる圧電層を複数層重ね、前記複数層の圧電層に形成された電極領域間をスルーホールを用いて接続した積層電気−機械エネルギー変換素子において、
   前記電極領域は、前記スルーホールと絶縁部とを除き、前記圧電層の外径の縁及び内径の縁まで形成され、
   前記スルーホールは、前記積層電気−機械エネルギー変換素子の外径から内側であって、前記積層電気−機械エネルギー変換素子の直径の略１割以下の距離の位置に複数形成され、
   前記スルーホールは、その周囲に絶縁部を含み、該絶縁部は少なくとも最上層、最下層を除く層において、前記積層電気−機械エネルギー変換素子の外径の縁を含むように形成され、
   前記電極領域に挟まれた部分である圧電活性部の領域を、広く取ることが可能に構成されていることを特徴とする積層電気−機械エネルギー変換素子。
2. 請求項１において、前記電極領域は、直径部分に形成された絶縁部で区画された複数の領域に形成されたことを特徴とする積層電気−機械エネルギー変換素子。
3. 請求項２において、前記スルーホールの形状は、略半円形状であることを特徴とする積層電気−機械エネルギー変換素子。

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