專利名稱：多層壓電元件和振動(dòng)波驅(qū)動(dòng)設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多層壓電元件，其通過層疊多個(gè)具有電-機(jī)能量轉(zhuǎn)換功能的材料層而形成。本發(fā)明還涉及振動(dòng)波驅(qū)動(dòng)設(shè)備。
背景技術(shù)：
壓電材料具有用于將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的電-機(jī)能量轉(zhuǎn)換功能，一般可以用于多種目的，作為構(gòu)成壓電元件的材料。尤其是，近來，已經(jīng)使用了通過層疊、集成和燒結(jié)多層壓電元件而形成的多層壓電元件。這是因?yàn)椋c由單個(gè)板形壓電體構(gòu)成的壓電元件相比，層疊的壓電元件可以用較低的外加電壓獲得大的形變和大的力，并且層疊起來的層的厚度可以較大，從而容易制造較小的、高性能的多層壓電元件。
例如，對(duì)于作為振動(dòng)波驅(qū)動(dòng)設(shè)備的振動(dòng)波馬達(dá)的制造，尤其是用作形成為桿形的振動(dòng)波馬達(dá)的振動(dòng)體的一部分的電-機(jī)能量轉(zhuǎn)換元件的多層壓電元件，已經(jīng)提出了各種各樣的技術(shù)，例如在美國(guó)專利6,046,526和5,770,916中。至于振動(dòng)波馬達(dá)之外的用途，也已提出了許多關(guān)于多層壓電元件的技術(shù)。
多層壓電元件由壓電層構(gòu)成，壓電層是由多個(gè)壓電陶瓷和電極層(以后稱為內(nèi)部電極)形成的壓電材料層，所述電極層設(shè)置在相應(yīng)壓電層的表面上，由電極材料形成。所述壓電層和內(nèi)部電極多層層疊起來，在燒結(jié)之后，對(duì)它們進(jìn)行極化，以使整個(gè)多層壓電元件具有壓電特性。
也就是，對(duì)于多層壓電元件，一般的情況是，多個(gè)內(nèi)部電極設(shè)置在所述多層壓電元件上，所述壓電層是具有壓電特性的有源壓電部分。
圖9圖示了在美國(guó)專利5,770,916中公開的用于桿形振動(dòng)波馬達(dá)的振動(dòng)體的多層壓電元件的分解透視圖和立體圖。
在圖9中，內(nèi)部電極43設(shè)置在構(gòu)成多層壓電元件40的多個(gè)壓電層42的表面上，在壓電層42的表面上形成連接到各內(nèi)部電極43、延伸到壓電層42的外周部分的連接電極43a(圖中的黑色部分)。所述內(nèi)部電極43的設(shè)置使得其外周緣在壓電層42的外周緣之內(nèi)，所述壓電層被分為四個(gè)部分(AG，AG，BG，BG，A+，A-，B+，B+)，形成在同一層上的各內(nèi)部電極43相互不導(dǎo)通。
所述連接電極43a形成為對(duì)于與內(nèi)部電極43相關(guān)的每?jī)蓚€(gè)壓電層42，在軸向上在多層壓電元件40的相同相位位置。在相同相位位置的連接電極43a由外部電極44連接，所述外部電極44設(shè)置在所述多層壓電元件40的外周緣，作為用于層之間的延續(xù)的電極。
繞著構(gòu)成多層壓電元件40的頂層的壓電表面的外周緣，沿著周緣設(shè)置多個(gè)表面電極45，并連接到外部電極44，外部電極44的設(shè)置與連接電極43a的相位位置匹配。直流電通過表面電極45施加于各內(nèi)部電極43，表面電極被極化以提供極化的極性，以驅(qū)動(dòng)下面的振動(dòng)波馬達(dá)。
圖10的剖面示了要組合到桿形振動(dòng)波馬達(dá)50的振動(dòng)體中的圖9所示的多層壓電元件40的一個(gè)例子。
在圖10中，在中央具有一個(gè)通孔的多層壓電元件40具有與柔性電路板52接觸的表面電極45，并設(shè)置在構(gòu)成振動(dòng)體51的中空金屬件53和54之間。通過從金屬件53一側(cè)向金屬件54中插入和旋上螺栓55，將多層壓電元件40和柔性電路板52設(shè)置和固定到金屬件53和54之間。所述柔性電路板52連接到所述表面電極45和圖中未圖示的驅(qū)動(dòng)電路，所述表面電極連接到所述多層壓電元件40的外部電極44。用于驅(qū)動(dòng)的高頻電壓作用于所述多層壓電元件40。
在軸向上，在所述振動(dòng)體51的一側(cè)設(shè)置一個(gè)轉(zhuǎn)子58，該轉(zhuǎn)子58借由彈簧56和彈簧支承體57而壓接觸金屬件54的端部，振動(dòng)波馬達(dá)50的懸置輸出可以由與馬達(dá)58一體旋轉(zhuǎn)的齒輪(傳動(dòng)機(jī)構(gòu))59取出。
桿形振動(dòng)波馬達(dá)50的驅(qū)動(dòng)原理是兩個(gè)在軸向上跨越安裝了多層壓電元件40的振動(dòng)體51的彎曲振動(dòng)的產(chǎn)生具有時(shí)間相位差，因此金屬件54的運(yùn)動(dòng)為旋轉(zhuǎn)式的，構(gòu)成振動(dòng)體51的金屬件54的端部作為驅(qū)動(dòng)部分，從而，作為壓接觸金屬件54的接觸部件的轉(zhuǎn)子58由于摩擦接觸而旋轉(zhuǎn)。
對(duì)于線性驅(qū)動(dòng)的振動(dòng)波馬達(dá)，日本專利3279020和美國(guó)專利5,698,930提出使用平板形振動(dòng)體。
圖11圖示了線性驅(qū)動(dòng)振動(dòng)波馬達(dá)的結(jié)構(gòu)，其中A圖是正視圖，B圖是右側(cè)視圖，C圖是俯視圖。
在圖11中，兩個(gè)壓電元件62、63被設(shè)置在構(gòu)成振動(dòng)體的一部分的金屬件61的一側(cè)，這兩個(gè)壓電元件同時(shí)產(chǎn)生縱向振動(dòng)和彎曲振動(dòng)。兩個(gè)突出部分64和65形成在所述金屬件61的另一側(cè)上。所述兩個(gè)壓電元件62、63通過粘合劑粘到一個(gè)彈性體上。
高頻電壓A和高頻電壓B分別作用于所述兩個(gè)壓電元件62、63，所述彎曲振動(dòng)和縱向振動(dòng)合成復(fù)合運(yùn)動(dòng)，從而，所述突出部分64、65的端部產(chǎn)生橢圓運(yùn)動(dòng)或者圓周運(yùn)動(dòng)。所述兩個(gè)壓電元件62、63被極化為分別具有在同一方向的極性，所述高頻電壓A和高頻電壓B之間的時(shí)間相位差為90度。
結(jié)果，當(dāng)所述突出部分64、65的端部被壓向和接觸一個(gè)固定件66時(shí)，構(gòu)成所述振動(dòng)體的一部分的金屬件61相對(duì)于該固定件66運(yùn)動(dòng)。從而，通過將其它部件壓向并接觸所述振動(dòng)體，就在其間產(chǎn)生相對(duì)位移運(yùn)動(dòng)，從而能夠線性驅(qū)動(dòng)所述振動(dòng)波馬達(dá)。但是，在這種情況下，所述壓電元件62、63分別是單個(gè)板形元件，不是多層壓電元件。
由于振動(dòng)波馬達(dá)的體積緊湊，如圖10所示的振動(dòng)波馬達(dá)中多層壓電元件40和金屬件53、54之間的匹配誤差，以及如圖11所示的振動(dòng)波馬達(dá)中金屬件61和壓電元件62、63之間的匹配誤差，與振動(dòng)波馬達(dá)的整體尺寸相比比較大，因此，由于這些誤差的累積，難以大量生產(chǎn)具有穩(wěn)定輸出的振動(dòng)波馬達(dá)。
同時(shí)還難以將壓電元件與金屬件的界面或者粘合面充分粘結(jié)，從而，在所述界面或者粘合面處，形成振動(dòng)阻尼，從而降低了振動(dòng)波馬達(dá)的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是要提供一種多層壓電元件和一種振動(dòng)波馬達(dá)設(shè)備，用于提高振動(dòng)波馬達(dá)的性能、減少部件數(shù)量，并且組裝簡(jiǎn)單，降低振動(dòng)波馬達(dá)的制造成本。
在本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種多層壓電元件，其包括一個(gè)有源壓電部分，該有源壓電部分由多個(gè)層疊的材料層形成，所述材料具有將電學(xué)量轉(zhuǎn)換為機(jī)械量的轉(zhuǎn)換功能。該有源部分還包括一個(gè)形成在所述層疊的層上的電極。該元件還包括一個(gè)與所述有源部分層疊和集成的無(wú)源壓電部分。該無(wú)源部分包括至少一個(gè)具有電-機(jī)轉(zhuǎn)換特性的材料層。
在本發(fā)明的另一方面，一種振動(dòng)波馬達(dá)包括一個(gè)振動(dòng)體，該振動(dòng)體包括上述無(wú)源部分和有源部分。該馬達(dá)還包括一個(gè)與所述無(wú)源部分壓接觸的接觸體。
從下面結(jié)合附圖對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的說明可以更加清楚本發(fā)明的其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)。


圖1是一個(gè)部分切除的剖面圖，圖示了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的多層壓電元件的結(jié)構(gòu)；圖2的立體示了所述多層壓電元件的中間制造階段，以及其層疊結(jié)構(gòu)；圖3的剖面示了安裝了所述多層壓電元件的桿形振動(dòng)波馬達(dá)的結(jié)構(gòu)；圖4的立體圖針對(duì)本發(fā)明的第二實(shí)施例圖示了多層壓電元件的結(jié)構(gòu)；圖5的立體示了所述多層壓電元件的中間制造階段，以及其層疊結(jié)構(gòu)；圖6針對(duì)本發(fā)明的第二實(shí)施例圖示了由振動(dòng)體建立的兩個(gè)彎曲振動(dòng)；圖7的立體圖針對(duì)本發(fā)明的第二實(shí)施例的振動(dòng)圖示了使用所述多層壓電元件的振動(dòng)波馬達(dá)的結(jié)構(gòu)；圖8針對(duì)本發(fā)明的第二實(shí)施例圖示了由振動(dòng)體建立的兩個(gè)彎曲振動(dòng)；圖9的立體示了傳統(tǒng)的多層壓電元件；圖10的剖面示了安裝了壓電元件的多層結(jié)構(gòu)的桿形振動(dòng)波馬達(dá)。
圖11圖示了安裝了多層壓電元件的線性驅(qū)動(dòng)振動(dòng)波馬達(dá)的結(jié)構(gòu)，其中，A圖為正視圖，B圖為右側(cè)視圖，C圖為俯視圖。
具體實(shí)施例方式
第一實(shí)施例圖1圖示了對(duì)于本發(fā)明的第一實(shí)施例，作為層疊電-機(jī)能量轉(zhuǎn)換元件的多層壓電元件的結(jié)構(gòu)，其中軸線L的右半部表示剖面，軸線L的左半部表示輪廓圖。圖2的立體示了制造多層壓電元件的中間階段及其層疊結(jié)構(gòu)。在下面的說明中，為了方便，用相同的附圖標(biāo)記表示制造中間階段的多層壓電元件以及制造完成后的多層壓電元件。
在圖1和圖2中，多層壓電元件1為中間有通孔的圓柱形。該多層壓電元件1由設(shè)置在無(wú)源壓電部分4-1、4-2之間的有源壓電部分3構(gòu)成，該壓電部分3包括具有壓電特性的層。該部分3由具有用于將電能(電學(xué)量)轉(zhuǎn)換為機(jī)械能(機(jī)械量)的電-機(jī)能量轉(zhuǎn)換功能的材料的多個(gè)疊層以及電極材料的多個(gè)分割層形成。一個(gè)無(wú)源壓電部分4-1在軸向上設(shè)置在所述有源壓電部分3的一側(cè)，不提供通過僅多層層疊具有轉(zhuǎn)換功能的材料的層而形成的壓電特性，一個(gè)無(wú)源壓電部分4-2在軸向上設(shè)置在所述有源壓電部分3的另一側(cè)，不提供通過僅多層層疊具有電-機(jī)能量轉(zhuǎn)換功能的材料層而形成的壓電特性。
所述有源壓電部分3由多個(gè)壓電層5構(gòu)成。在所述多個(gè)壓電層5的表面上分別形成分為四個(gè)部分A+，A-，B+，B-的內(nèi)部電極6-1和分為四個(gè)部分AG，AG，BG，BG的內(nèi)部電極6-2，并在上面分別形成連接到各內(nèi)部電子6-1、6-2，延伸到所述壓電層5的外周緣部分的連接電極6a(圖中的黑色部分)。在上面形成內(nèi)部電極6-1的各壓電層5中的連接電極6a在軸向上分別形成在所述多層壓電元件1的相同的相位位置，在上面形成內(nèi)部電極6-2的各壓電層5中的連接電極6a在軸向上分別形成在所述多層壓電元件1的相同的相位位置。
在所述多層壓電元件1的外周緣上設(shè)置外部電極7。這些外部電極7連接具有相同相位的連接電極6a，以便在各層5之間存在連續(xù)性。在圖2所示的實(shí)施例中，例如，有八個(gè)外部電極7用于連接八個(gè)不同的連接電極6a相位。
與以前類似，有源壓電部分3的各內(nèi)部電極6-1由分為四個(gè)部分的內(nèi)部電極A+，A-，B+，B-組成，有源壓電部分3的各內(nèi)部電極6-2由分為四個(gè)部分的內(nèi)部電極AG，AG，BG，BG組成。內(nèi)部電極A+，A-，B+，B-和內(nèi)部電極AG，AG，BG，BG在多層壓電元件1的軸向上相對(duì)。所述有源壓電部分3通過交替層疊壓電層5而形成，在所述壓電層5上從第一層到最后一層形成內(nèi)部電極6-2，6-1。
無(wú)源壓電部分4-1和無(wú)源壓電部分4-2分別由至少兩個(gè)沒有內(nèi)部電極的整體壓電層5構(gòu)成。無(wú)源壓電部分4-1，4-2可以具有不同的厚度，如圖1和2所示。
通常，在多層方向的總長(zhǎng)度越長(zhǎng)，多層壓電元件1的諧振頻率越低，同時(shí)，直徑越大，諧振頻率越高。有源壓電部分3越大，振動(dòng)能量越大，成本越高。因此，有源壓電部分1的形狀可以根據(jù)所需的扭矩、尺寸或者希望施加給多層壓電元件1的電壓的頻率來以多種方式設(shè)計(jì)。
本實(shí)施例中的多層壓電元件1展示了這樣一個(gè)例子希望外加約為10mm，長(zhǎng)度約為12mm，內(nèi)徑約為2.8mm，有源壓電部分3的壓電層5的厚度約為90微米，有源壓電部分3的厚度為2.2mm，內(nèi)部電極6-1、6-2的厚度約為2-3微米，內(nèi)部電極層的數(shù)量為25，外部電極7的長(zhǎng)度約為2.4mm，寬度約為1mm，厚度約為0.05mm，無(wú)源壓電部分4-1、4-2的壓電層5的厚度類似地約為90微米。通過層疊較厚的層，還可以減小無(wú)源壓電部分4-1、4-2的數(shù)量。
通過下述方法，使用被切割為具有恒定大小(例如長(zhǎng)寬為13×13的方形)的未燒結(jié)的(濕的，green)片，制造由被形成為壓電層的陶瓷粉末和有機(jī)粘結(jié)劑組成的多層壓電元件1。
首先，如圖2所示，對(duì)于構(gòu)成多層壓電元件1的無(wú)源壓電部分4-1，4-2，單獨(dú)地層疊預(yù)定數(shù)量的未燒結(jié)片。通過使用銀-鈀粉末糊在所述未燒結(jié)片上絲網(wǎng)印刷內(nèi)部電極6-1、6-2以及連接電極6a的圖案，形成構(gòu)成多層壓電元件1的有源壓電部分3。所述預(yù)定數(shù)量的被絲網(wǎng)印刷的未燒結(jié)片被一個(gè)一個(gè)層疊起來，并通過加熱壓實(shí)而結(jié)合起來。
接下來，如圖2所示，對(duì)于層疊的多層壓電元件1，通過在相應(yīng)于多層壓電元件1內(nèi)徑的位置打孔而形成一個(gè)通孔。之后，在預(yù)定溫度下(例如1100到1200攝氏度)，在鉛環(huán)境(lead environment)下煅燒元件1。在煅燒后，將兩側(cè)拋光，使多層壓電元件1的兩個(gè)端面都平滑。
接下來，如圖1和2所示，將多層壓電元件的外徑加工為圓柱形，使連接電極6a暴露于多層壓電元件的外周緣。然后，使用用于在圓柱面上進(jìn)行印刷的絲網(wǎng)印刷機(jī)，在所述多層壓電元件1的外周緣上暴露所述連接電極6a的八個(gè)位置印刷所述外部電極7。在印刷之后，在預(yù)定溫度(例如大約750攝氏度)加熱所述多層壓電元件，從而將所述外部電極烤成到多層壓電元件1的外周緣上。
接下來，如圖1所示，通過加工(切削)而沿著圓周方形切削多層壓電元件1的外周緣(無(wú)源壓電部分4-1)，從而形成一個(gè)環(huán)形凹陷部分×(凹陷部分)，并通過切削形成突出部分9，以從多層壓電元件1的軸向上的一個(gè)端面一側(cè)(無(wú)源壓電部分4-1)將內(nèi)徑部分放大。
所述凹陷部分8的形成是為了放大振動(dòng)位移。由于形成凹陷部分8的部分在剛性方面比較弱，在凹陷部分8上方的上部易于振動(dòng)。突出部分9的形成是為了在下述情況下用于定位，也就是，當(dāng)在壓接觸多層壓電元件1的轉(zhuǎn)子18(如圖3所示)的一個(gè)端面上設(shè)置一個(gè)部件(例如具有良好抗磨損性能的金屬或者陶瓷)時(shí)。
只在無(wú)源壓電部分4-1上形成所述凹陷部分8。不同于有源壓電部分3，無(wú)源壓電部分4-1沒有電極，容易沒有約束地對(duì)形狀進(jìn)行細(xì)調(diào)。
最后，如圖2所示，按照特定的極化方形對(duì)內(nèi)部電極6-1、6-2的分出四個(gè)部分的各電極A+，A-，B+，B-，AG，AG，BG，BG進(jìn)行極化。具體地，將一個(gè)金屬觸針壓到八個(gè)外部電極7上。在預(yù)定溫度(例如100到150攝氏度)的油中，將電極AG、BG接地G，使內(nèi)部電極A+，B+為正(+)，并使內(nèi)部電極A-，B-為負(fù)(-)。向各電極施加預(yù)定的電壓(例如300V)大約10到30分鐘以進(jìn)行極化。
結(jié)果，如圖2所示，對(duì)于對(duì)應(yīng)于電接地的內(nèi)部電極AG，BG，AG，BG，對(duì)多層壓電元件1進(jìn)行了極化，使得內(nèi)部電極A+，B+為(+)極，內(nèi)部電極A-，B-為(-)極。
圖3的剖面示了按照了多層壓電元件1的桿形振動(dòng)波馬達(dá)11的結(jié)構(gòu)。
在圖3中，振動(dòng)波馬達(dá)11(振動(dòng)波驅(qū)動(dòng)裝置)使用多層壓電元件1作為振動(dòng)體10。振動(dòng)體10是通過將螺栓12插入所述多層壓電元件1的內(nèi)徑中，并用螺栓12的凸緣部分13和螺帽14固定多層壓電元件1而構(gòu)成的。作為ZM11的上部結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子部分被設(shè)置在螺栓12的凸緣部分13的外部。所述轉(zhuǎn)子部分包括一個(gè)通過彈簧16和彈簧支承體17壓接觸振動(dòng)體10的端面的轉(zhuǎn)子18(接觸體)，以及齒輪(傳動(dòng)裝置)19。轉(zhuǎn)子18與齒輪(傳動(dòng)裝置)19的結(jié)構(gòu)是整體化的，轉(zhuǎn)子18的旋轉(zhuǎn)可由齒輪(傳動(dòng)裝置)19輸出。
同時(shí)，一個(gè)柔性電路板15繞在形成在作為振動(dòng)體10的多層壓電元件1的各外部電極上，各外部電極和驅(qū)動(dòng)電路(未圖示)由所述柔性電路板15電連接。
振動(dòng)波馬達(dá)11的實(shí)際驅(qū)動(dòng)是這樣進(jìn)行的在作為振動(dòng)體10的多層壓電元件1中具有上述極性、在多層壓電元件1中為在軸向相對(duì)的位置關(guān)系(AG和AG，BG和BG，A+和A-，B+和B-)的兩個(gè)內(nèi)部電極中，使AG相和BG相接地，使電極A+，A-為A相，使電極B+，B-為B相，并施加與振動(dòng)體10的本征頻率大致相同的A相高頻電壓，以及與A相的相位差為90度的B相高頻電壓。
通過施加高頻，構(gòu)成多層壓電元件1的有源壓電部分3的電極A+、A-在厚度方向交替膨脹、收縮，類似地，有源壓電部分3的電極B+、B-也在厚度方向交替膨脹、收縮。由層疊和整合在多層有源部分3的后項(xiàng)兩側(cè)上的無(wú)源壓電部分4將有源壓電部分3的膨脹/收縮運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為彎曲振動(dòng)，可以產(chǎn)生在軸向上跨越多層壓電元件1的兩個(gè)彎曲振動(dòng)。
在只是在寬度方向膨脹、收縮的傳統(tǒng)的多層壓電元件40(見圖9)中，兩個(gè)彎曲振動(dòng)是這樣產(chǎn)生的將多層壓電元件40設(shè)置和固定在金屬件53和54之間而構(gòu)成振動(dòng)體51(盡管多層壓電元件40具有兩個(gè)無(wú)源壓電層作為不極化而用于絕緣的頂層和底層，這些層比較薄，只是在厚度方向產(chǎn)生一個(gè)振動(dòng)或者膨脹/收縮)。
但是，在本實(shí)施例的多層壓電元件1中，由于無(wú)源壓電部分4-1、4-2與有源壓電部分3層疊和整合，并且有源壓電部分3被設(shè)置和固定在無(wú)源壓電部分4-1和4-2之間，而不是象過去那樣將多層壓電元件設(shè)置和固定在金屬件之間，所述多層壓電元件1本身被用作振動(dòng)體10，可以產(chǎn)生上述兩個(gè)彎曲振動(dòng)以驅(qū)動(dòng)桿形振動(dòng)波馬達(dá)11。這兩個(gè)彎曲振動(dòng)能夠?qū)е掠米髡駝?dòng)體10的多層壓電元件1的端面旋轉(zhuǎn)而用作驅(qū)動(dòng)部分。壓接觸所述驅(qū)動(dòng)部分的轉(zhuǎn)子18通過摩擦作用而被旋轉(zhuǎn)。
通過該實(shí)施例，通過在壓接觸作為振動(dòng)體10的多層壓電元件1中的轉(zhuǎn)子18的端面上設(shè)置具有好的耐磨性能的金屬或者陶瓷小部件，可以提高耐用性。
如上所述，在該實(shí)施例中，所述多層壓電元件1由有源壓電部分3和無(wú)源壓電部分4-1、4-2構(gòu)成，所述有源壓電部分3是通過層疊多個(gè)具有電-機(jī)能量轉(zhuǎn)換功能的材料層和電極材料層形成的，具有壓電特性，所述無(wú)源壓電部分是通過只層疊多個(gè)具有電-機(jī)能量轉(zhuǎn)換功能、不具有壓電特性的材料層形成的，所述無(wú)源壓電部分4-1、4-2的厚度被設(shè)置為足夠大，以產(chǎn)生在軸向上跨越多層壓電元件1的兩個(gè)彎曲振動(dòng)，從而所述多層壓電元件本身可以具有多種振動(dòng)模式(兩個(gè)彎曲振動(dòng)模式)。
因而，不要求按照用于將多層壓電元件設(shè)置和固定到振動(dòng)波馬達(dá)上的金屬件。并且，由于可以消除在金屬件之間的界面上的、削弱振動(dòng)波馬達(dá)的性能的振蕩阻尼的產(chǎn)生原因，可以大大減小振蕩阻尼，從而改善振動(dòng)波馬達(dá)的性能。
另外，由于不需要向振動(dòng)波馬達(dá)上安裝金屬件，振動(dòng)波馬達(dá)可以緊湊，振動(dòng)波馬達(dá)的性能得到改善，可以縮短振動(dòng)波馬達(dá)的制造加工時(shí)間，減少部件數(shù)量和成本。
另外，由于通過加工構(gòu)成多層壓電元件1的無(wú)源壓電部分4-1的外周緣而形成凹陷部分8，可以適當(dāng)?shù)貞?yīng)付或者改變?cè)O(shè)計(jì)規(guī)格比如放大振動(dòng)位移，與金屬相比，壓電材料具有好的可加工性，因而便于顯微加工。
如上所述，對(duì)于要達(dá)到進(jìn)一步的緊湊性和高輸出功率的振動(dòng)波馬達(dá)來說，對(duì)于其性能和制造來說可以預(yù)期有很好的效果。
在本實(shí)施例中，盡管形成在多層壓電元件1的無(wú)源壓電部分4-1的外周緣上的用于放大振動(dòng)位移的凹陷部分8是環(huán)形的，但是該凹陷部分8的形狀在允許放大振動(dòng)位移的范圍之內(nèi)是可選的。
第二實(shí)施例圖4的立體示了本發(fā)明第二實(shí)施例的多層壓電元件的結(jié)構(gòu)。圖5的立體示了制造該多層壓電元件的中間階段及其層疊結(jié)構(gòu)。在下面的說明中，為了方便，用相同的附圖標(biāo)記表示制造中間階段的多層壓電元件以及制造完成后的多層壓電元件。
在圖4和圖5中，振動(dòng)體2在如下所述的切割之前是平板形的，由有源壓電部分26和無(wú)源壓電部分27構(gòu)成。無(wú)源壓電部分27由壓電層22構(gòu)成，壓電層中，從頂部的第一層到預(yù)定層(例如第20層)沒有內(nèi)部電極。在從預(yù)定層(例如第21層)到底層(例如第30層)的層中，通過交替層層壓電層22而形成有源壓電部分26，所述壓電層22中，在整個(gè)表面上形成被分為兩部分的內(nèi)部層23-1、23-1以及在上面形成內(nèi)部電極233的壓電層22。
所述有源壓電部分26和無(wú)源壓電部分27例如是同時(shí)層疊、結(jié)合和煅燒的，構(gòu)成多層壓電元件20。有源壓電部分26為單一形態(tài)，無(wú)源壓電部分27的厚度被設(shè)置得足夠大，足以在多層壓電元件20中產(chǎn)生彎曲振動(dòng)。具體地，該厚度設(shè)置得足夠大，使得無(wú)源壓電部分27不會(huì)達(dá)到在多層壓電元件20上產(chǎn)生的彎曲振動(dòng)的中性面。當(dāng)如圖6所示在多層壓電元件20上發(fā)生面外彎曲振動(dòng)(out-of-surface bendingvibrations)時(shí)，多層壓電元件20的上側(cè)膨脹而下層收縮的狀態(tài)以及上側(cè)收縮下側(cè)膨脹的狀態(tài)交替重復(fù)。此時(shí)，在膨脹部分和收縮部分之間存在沒有膨脹或者收縮的中性面。由于相反的膨脹和收縮力作用于中性面的兩側(cè)，例如，當(dāng)單一形態(tài)的有源壓電部分26到達(dá)中性面時(shí)，有源壓電部分26施加的抵消振動(dòng)的力作用于中性面的上側(cè)。換句話說，需要設(shè)置一種形式，用于將無(wú)源壓電部分27設(shè)置在多層壓電元件20的中性面上。
各壓電層22中的被分為兩個(gè)部分的內(nèi)部電極23-1、23-2和整個(gè)表面上的內(nèi)部電極23-3通過通孔24-1、24-2和24-3獨(dú)立地相互電連接，它們與設(shè)置在底部的壓電層的后表面上、被分為三個(gè)部分的表面電極相連續(xù)。然后，如下所述，使它們極化，向各壓電層22提供預(yù)定極化的極性。
如圖4所示，通過切削無(wú)源壓電部分27的上表面形成兩個(gè)突起21(突出部分)。也就是，振動(dòng)體20僅由包括有源壓電部分26和無(wú)源壓電部分27的多層壓電元件20構(gòu)成。形成無(wú)源壓電部分27的兩個(gè)突起21用于放大振動(dòng)位移。
所述突起21只是在無(wú)源壓電部分27上形成。所述有源壓電部分26不被切割，因?yàn)樵谄渲行纬闪藘?nèi)部電極，而在無(wú)源壓電部分27上很容易進(jìn)行形狀的顯微加工，因?yàn)榕c有源壓電部分26不同，其中沒有形成電極。
在通過拋光設(shè)置在多層壓電元件20的底面上的表面電極而進(jìn)行切割之后，通過將柔性電路板粘結(jié)到表面上的預(yù)定位置，可以將多層壓電元件20連接到驅(qū)動(dòng)電路(圖中未示出)。例如，類似于傳統(tǒng)技術(shù)，將多層壓電元件20的內(nèi)部電極23-3分組，向內(nèi)部電極23-1，23-2，23-3施加時(shí)間相位差例如為0到180度的高頻電壓，從而，如圖6所示，可以同時(shí)產(chǎn)生時(shí)間相位差為90度的兩個(gè)不同的彎曲振動(dòng)。
圖6(a)和圖6(b)所示的彎曲振動(dòng)為外表面二次彎曲振動(dòng)和外表面一次彎曲振動(dòng)，振動(dòng)體2的形狀設(shè)計(jì)為使得這兩個(gè)彎曲振動(dòng)的諧振頻率大致相同。在所述外表面二次彎曲振動(dòng)的節(jié)點(diǎn)(波節(jié)點(diǎn))附近設(shè)置兩個(gè)突起21，借由這些振動(dòng)，這兩個(gè)突起21的端部在X方向位移。在外表面一次彎曲振動(dòng)的波腹附近設(shè)置兩個(gè)突起21，借由這些振動(dòng)，這兩個(gè)突起21的端部在Z方向位移。通過產(chǎn)生由這兩個(gè)不同的彎曲振動(dòng)構(gòu)成的復(fù)合振動(dòng)，可以在構(gòu)成振動(dòng)體2的多層壓電元件20的無(wú)源壓電部分27的所述兩個(gè)突起21的端部產(chǎn)生橢圓運(yùn)動(dòng)或者圓周運(yùn)動(dòng)。
結(jié)果，振動(dòng)體2的突起21的端部被壓向和接觸一個(gè)固定部分(未圖示)，振動(dòng)體2本身通過在所述端部上產(chǎn)生的橢圓運(yùn)動(dòng)或者圓周運(yùn)動(dòng)移動(dòng)所述固定部分。從而，通過將其它部件壓向和接觸所述振動(dòng)體2，就在其間產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)位移運(yùn)動(dòng)，從而構(gòu)成一個(gè)線性驅(qū)動(dòng)振動(dòng)波馬達(dá)。
通過該實(shí)施例，通過在壓接觸作為振動(dòng)體2的多層壓電元件20的無(wú)源壓電部分27的所述兩個(gè)突起21處的端面上設(shè)置具有好的耐磨性能的薄金屬或者陶瓷，也可以提高耐用性。
本實(shí)施例的多層壓電元件20例如具有約20mm的長(zhǎng)度、約5mm的寬度和約1.8mm的厚度，所述壓電層22的厚度約為60微米，所述內(nèi)部電極的厚度為1-2微米，所述通孔的之間為0.1mm。對(duì)于所述無(wú)源壓電部分27的壓電層22還可以使用較厚的層。類似于多層壓電元件1，有源壓電部分20的形狀可以根據(jù)所需的扭矩、尺寸或者希望施加給多層壓電元件1的電壓的頻率來以多種方式設(shè)計(jì)。
下面描述多層壓電元件20的制造方法，其基本上與第一實(shí)施例相同。
首先，層疊和結(jié)合上面沒有形成內(nèi)部電極的未燒結(jié)片，之后，在預(yù)定溫度下(例如1100到1200攝氏度)，在鉛環(huán)境(lead environment)下對(duì)它們進(jìn)行煅燒。
接下來，如圖5所示，將金屬針分別壓到連接到三個(gè)通孔的表面電極25上，將內(nèi)部電極23-3接地G，使內(nèi)部電極23-1，23-2為正(+)，并在油中在預(yù)定的溫度(例如100到150攝氏度)向其施加預(yù)定的電壓(例如200V)，進(jìn)行極化處理大約10到30分鐘。
最后，在上述極化處理之后，通過將所述多層壓電元件20的兩側(cè)拋光，使多層壓電元件20的上下兩冊(cè)被平坦化，并切除表面電極25。然后如圖4所示，通過切削多層壓電元件20的無(wú)源壓電部分27的表面形成作為兩個(gè)突起的突出部分21。也可以在煅燒之后首先進(jìn)行切割再進(jìn)行極化處理。
在本實(shí)施例中，只有多層壓電元件20可以用作振動(dòng)波馬達(dá)的振動(dòng)體2，由于通過層疊和整合無(wú)源壓電部分27與有源壓電部分26而形成多層壓電元件20，并且通過切削無(wú)源壓電部分27的表面形成用于壓接觸其它部件的突出部分21，能夠同時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)不同的彎曲振動(dòng)。這與傳統(tǒng)方式不同，在傳統(tǒng)方式中，通過粘合作為金屬件的彈性體和壓電元件來產(chǎn)生兩個(gè)不同的彎曲振動(dòng)。
與過去一樣，由于不需要粘合壓電元件和厚的金屬件，從而可以消除削弱振動(dòng)波馬達(dá)的性能的振蕩阻尼的產(chǎn)生原因，可以大大減小振蕩阻尼，從而改善振動(dòng)波馬達(dá)的性能。
另外，由于不需要使用金屬件，振動(dòng)波馬達(dá)可以緊湊，振動(dòng)波馬達(dá)的性能得到改善，可以縮短振動(dòng)波馬達(dá)的制造加工時(shí)間，減少部件數(shù)量和成本。
另外，由于通過切削構(gòu)成多層壓電元件20的無(wú)源壓電部分27而形成凹陷部分8，可以適當(dāng)?shù)貞?yīng)付或者改變?cè)O(shè)計(jì)規(guī)格比如放大振動(dòng)位移，與金屬相比，壓電材料具有好的可加工性，因而便于顯微加工。
在本實(shí)施例中，盡管所圖示的情況是形成在多層壓電元件1的無(wú)源壓電部分27的上表面上的用于放大振動(dòng)位移的突起21的形狀是長(zhǎng)方體的，并且設(shè)置的數(shù)量是兩個(gè)。但是所述突起21形狀和設(shè)置的數(shù)量在允許放大振動(dòng)位移的范圍之內(nèi)是可選的。
圖7的立體示了使用在第二實(shí)施例中描述的用于振動(dòng)的多層壓電元件的振動(dòng)波馬達(dá)的結(jié)構(gòu)。在示于圖7的多層壓電元件30中，一個(gè)平板形的磨損材料31通過粘合劑被粘合到上表面上，而不是象圖4和圖6所示的多層壓電元件20那樣在上表面上形成突起21。
在圖7中，多層壓電元件30是平板形狀的，由無(wú)源壓電部分36和有源壓電部分37構(gòu)成，所述無(wú)源壓電部分36由沒有內(nèi)部電極的從頂部的第一層到預(yù)定層(例如第20層)的壓電層形成，所述有源壓電部分37由從預(yù)定層(例如第21層)到底層(例如第30層)的具有類似于圖5形成的內(nèi)部電極的壓電層形成。類似于圖4或者圖6所示的多層壓電元件20，例如通過層疊、整合和煅燒而形成有源壓電部分36和無(wú)源壓電部分37，并且將無(wú)源壓電部分37的厚度設(shè)置為足夠大，足以在多層壓電元件30中產(chǎn)生彎曲振動(dòng)。當(dāng)無(wú)源壓電部分37的厚度不夠大時(shí)，單一形態(tài)的有源壓電部分36產(chǎn)生的能量不能作為彎曲振動(dòng)被輸出。
板形磨損材料31被連接到無(wú)源壓電部分37的上表面。磨損材料31由具有高摩擦系數(shù)和高耐磨性的材料制成，例如，對(duì)其可以使用通過對(duì)SUS420J2材料的表面滲氮而形成的材料。
所述磨損材料31由具有均勻厚度的部分31-1、31-2以及構(gòu)成為比部分31-1、31-2薄的部分31-3和31-4構(gòu)成。通過蝕刻作為磨損材料的板形SUS420J2材料的表面，減小厚度，形成薄板部分31-3、31-4，其它部分則作為31-1、31-2。在直線對(duì)齊和安排的部分31-3和31-4之間形成部分31-1。一個(gè)滑塊33由滑塊基部33-1和連接到該滑塊基部33-1的磨損材料33-2構(gòu)成，所述磨損材料33-2壓接觸一個(gè)接觸部分31-1。
由于薄板部分31-3和31-4被構(gòu)成為比接觸部分31-1凹陷地更多，即使在振動(dòng)體32被振動(dòng)激勵(lì)時(shí)，薄板部分32-c、32-d也不接觸所述滑塊。
所通過將一個(gè)投向電路板粘結(jié)到所述多層壓電元件30的預(yù)定位置上，所述多層壓電元件30能夠被連接到驅(qū)動(dòng)電路(未圖示)，如圖8所示，通過在多層壓電元件30的內(nèi)部電極中施加具有時(shí)間相位差的高頻電壓，可以同時(shí)產(chǎn)生時(shí)間相位差為90度的兩個(gè)不同的彎曲振動(dòng)。
圖8(a)所示的彎曲振動(dòng)是類似于圖6(a)彎曲振動(dòng)的外表面二次彎曲振動(dòng)，圖8(b)所示的彎曲振動(dòng)為類似于圖6(b)所示的彎曲振動(dòng)的外表面一次彎曲振動(dòng)，振動(dòng)體32的形狀被設(shè)計(jì)為使得所述兩個(gè)彎曲振動(dòng)的諧振頻率大致相同。兩個(gè)接觸部分31-1被設(shè)置在與圖4所示兩個(gè)突起21類似的位置，并且，通過產(chǎn)生由所述兩個(gè)不同的彎曲振動(dòng)構(gòu)成的復(fù)合振動(dòng)，可以在構(gòu)成振動(dòng)體32的多層壓電元件30的無(wú)源壓電部分37的兩個(gè)接觸部分31-1的表面上產(chǎn)生橢圓運(yùn)動(dòng)或者圓周運(yùn)動(dòng)。
結(jié)果，當(dāng)振動(dòng)體32的接觸部分31的表面被壓向和接觸滑動(dòng)塊33時(shí)，滑動(dòng)塊通過表面上的橢圓運(yùn)動(dòng)或者圓周運(yùn)動(dòng)線性移動(dòng)所述振動(dòng)體32。從而，通過將所述滑動(dòng)塊33壓向和接觸振動(dòng)體32，在其間產(chǎn)生相對(duì)位移運(yùn)動(dòng)，從而構(gòu)成一個(gè)線性驅(qū)動(dòng)振動(dòng)波馬達(dá)。
構(gòu)成如圖7所示的振動(dòng)體32的多層壓電元件30和磨損材料31在長(zhǎng)度(X方向)和寬度(Y方向)方面大致是相同的。多層壓電元件30的長(zhǎng)度為5.5mm，寬度為3.1mm，厚度為0.6mm。磨損材料31的接觸部分31-1的厚度以及部分31-2的厚度是0.1mm，所述薄板部分31-3、31-4的厚度為0.05mm。類似于多層壓電元件1，有源壓電部分30的形狀可以根據(jù)所需的扭矩、尺寸或者希望施加給多層壓電元件1的電壓的頻率來以多種方式設(shè)計(jì)。
在上述實(shí)施例中，作為振動(dòng)波馬達(dá)的多層壓電元件30，只有多層壓電元件30能夠同時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)不同的彎曲振動(dòng)。
另外，由于不需要使用金屬件，振動(dòng)波馬達(dá)可以緊湊，振動(dòng)波馬達(dá)的性能得到改善，可以縮短振動(dòng)波馬達(dá)的制造加工時(shí)間，減少部件數(shù)量和成本。
盡管前面對(duì)本發(fā)明的描述參照了目前認(rèn)為最為優(yōu)選的實(shí)施例，但是應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不限于所公開的實(shí)施例。相反，本發(fā)明應(yīng)當(dāng)覆蓋包括在所附權(quán)利要求的實(shí)質(zhì)范圍內(nèi)的各種修改和等效方案。因此，對(duì)所附權(quán)利要求應(yīng)作最為寬廣的解釋，以包括所有這與的修改和等效結(jié)構(gòu)與功能。
權(quán)利要求
1.一種多層壓電元件，包括一個(gè)有源壓電部分，其包括多個(gè)層疊的具有電-機(jī)轉(zhuǎn)換特性的材料層，以及形成在所述材料層上的電極；以及一個(gè)與所述有源壓電部分層疊和結(jié)合的無(wú)源壓電部分，該無(wú)源部分包括至少一個(gè)具有電-機(jī)轉(zhuǎn)換特性的材料層。
2.如權(quán)利要求1所述的多層壓電元件，其中，所述無(wú)源壓電部分包括至少一個(gè)凹陷部分和一個(gè)突起部分，以利于放大振動(dòng)的位移。
3.如權(quán)利要求1所述的多層壓電元件，其中，所述無(wú)源壓電部分的厚度利于產(chǎn)生多個(gè)振動(dòng)模式。
4.如權(quán)利要求1所述的多層壓電元件，其中，所述無(wú)源壓電部分位于在所述多層壓電元件中產(chǎn)生的振動(dòng)的中性面上。
5.如權(quán)利要求1所述的多層壓電元件，其中，所述多層壓電元件具有基本上為圓柱形的形狀。
6.如權(quán)利要求5所述的多層壓電元件，其中，所述無(wú)源壓電部分具有一個(gè)凹陷部分。
7.如權(quán)利要求1所述的多層壓電元件，其中，所述多個(gè)振動(dòng)模式包括至少兩個(gè)在軸向上跨越所述多層壓電元件的彎曲振動(dòng)模式。
8.如權(quán)利要求1所述的多層壓電元件，其中，所述多層壓電元件具有基本上為平板形的形狀。
9.如權(quán)利要求8所述的多層壓電元件，其中，所述無(wú)源壓電部分具有一個(gè)突起部分。
10.一種振動(dòng)波驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，包括一個(gè)振動(dòng)體，其包括一個(gè)有源壓電部分，其包括多個(gè)層疊的具有電-機(jī)轉(zhuǎn)換特性的材料層，以及形成在所述材料層上的電極；一個(gè)與所述有源壓電部分層疊和結(jié)合的無(wú)源壓電部分，該無(wú)源部分包括至少一個(gè)具有電-機(jī)轉(zhuǎn)換特性的材料層；以及壓接觸所述無(wú)源壓電部分的一個(gè)接觸體。
11.如權(quán)利要求10所述的振動(dòng)波驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，其中，所述無(wú)源壓電部分的厚度利于產(chǎn)生多個(gè)振動(dòng)模式。
12.如權(quán)利要求10所述的振動(dòng)波驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，其中，所述無(wú)源壓電部分包括至少一個(gè)凹陷部分和一個(gè)突起部分，以利于放大振動(dòng)的位移。
13.如權(quán)利要求11所述的振動(dòng)波驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，其中，所述振動(dòng)體具有基本上為圓柱形的形狀，所述振動(dòng)模式包括至少兩個(gè)在軸向上跨越所述振動(dòng)體的彎曲振動(dòng)模式。
14.如權(quán)利要求12所述的振動(dòng)波驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，其中，所述振動(dòng)體具有基本上為圓柱形的形狀，所述振動(dòng)模式包括至少兩個(gè)在軸向上跨越所述振動(dòng)體的彎曲振動(dòng)模式。
15.如權(quán)利要求11所述的振動(dòng)波驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，其中，所述振動(dòng)體具有基本上為平板形的形狀，所述振動(dòng)模式包括多個(gè)彎曲振動(dòng)模式。
16.如權(quán)利要求12所述的振動(dòng)波驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，其中，所述振動(dòng)體具有基本上為平板形的形狀，所述振動(dòng)模式包括多個(gè)彎曲振動(dòng)模式。
全文摘要
本發(fā)明涉及多層壓電元件和振動(dòng)波驅(qū)動(dòng)設(shè)備。本發(fā)明的目的是通過消除產(chǎn)生振動(dòng)阻尼的原因從而改善振動(dòng)波驅(qū)動(dòng)設(shè)備的性能，并通過小型化降低制造成本。本發(fā)明的多層壓電元件包括由多個(gè)具有內(nèi)部電極的壓電層形成的有源壓電部分和由沒有內(nèi)部電極的集成壓電層形成的無(wú)源壓電部分。本發(fā)明的振動(dòng)波驅(qū)動(dòng)馬達(dá)由包括所述多層壓電元件的振動(dòng)體以及與該振動(dòng)體壓接觸的轉(zhuǎn)子構(gòu)成。
文檔編號(hào)H01L41/22GK1617366SQ20041009298
公開日2005年5月18日 申請(qǐng)日期2004年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月13日
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