专利名称：多层压电元件和振动波驱动设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种多层压电元件，其通过层叠多个具有电-机能量转换功能的材料层而形成。本发明还涉及振动波驱动设备。
背景技术：
压电材料具有用于将电能转换为机械能的电-机能量转换功能，一般可以用于多种目的，作为构成压电元件的材料。尤其是，近来，已经使用了通过层叠、集成和烧结多层压电元件而形成的多层压电元件。这是因为，与由单个板形压电体构成的压电元件相比，层叠的压电元件可以用较低的外加电压获得大的形变和大的力，并且层叠起来的层的厚度可以较大，从而容易制造较小的、高性能的多层压电元件。
例如，对于作为振动波驱动设备的振动波马达的制造，尤其是用作形成为杆形的振动波马达的振动体的一部分的电-机能量转换元件的多层压电元件，已经提出了各种各样的技术，例如在美国专利6,046,526和5,770,916中。至于振动波马达之外的用途，也已提出了许多关于多层压电元件的技术。
多层压电元件由压电层构成，压电层是由多个压电陶瓷和电极层(以后称为内部电极)形成的压电材料层，所述电极层设置在相应压电层的表面上，由电极材料形成。所述压电层和内部电极多层层叠起来，在烧结之后，对它们进行极化，以使整个多层压电元件具有压电特性。
也就是，对于多层压电元件，一般的情况是，多个内部电极设置在所述多层压电元件上，所述压电层是具有压电特性的有源压电部分。
图9图示了在美国专利5,770,916中公开的用于杆形振动波马达的振动体的多层压电元件的分解透视图和立体图。
在图9中，内部电极43设置在构成多层压电元件40的多个压电层42的表面上，在压电层42的表面上形成连接到各内部电极43、延伸到压电层42的外周部分的连接电极43a(图中的黑色部分)。所述内部电极43的设置使得其外周缘在压电层42的外周缘之内，所述压电层被分为四个部分(AG，AG，BG，BG，A+，A-，B+，B+)，形成在同一层上的各内部电极43相互不导通。
所述连接电极43a形成为对于与内部电极43相关的每两个压电层42，在轴向上在多层压电元件40的相同相位位置。在相同相位位置的连接电极43a由外部电极44连接，所述外部电极44设置在所述多层压电元件40的外周缘，作为用于层之间的延续的电极。
绕着构成多层压电元件40的顶层的压电表面的外周缘，沿着周缘设置多个表面电极45，并连接到外部电极44，外部电极44的设置与连接电极43a的相位位置匹配。直流电通过表面电极45施加于各内部电极43，表面电极被极化以提供极化的极性，以驱动下面的振动波马达。
图10的剖面示了要组合到杆形振动波马达50的振动体中的图9所示的多层压电元件40的一个例子。
在图10中，在中央具有一个通孔的多层压电元件40具有与柔性电路板52接触的表面电极45，并设置在构成振动体51的中空金属件53和54之间。通过从金属件53一侧向金属件54中插入和旋上螺栓55，将多层压电元件40和柔性电路板52设置和固定到金属件53和54之间。所述柔性电路板52连接到所述表面电极45和图中未图示的驱动电路，所述表面电极连接到所述多层压电元件40的外部电极44。用于驱动的高频电压作用于所述多层压电元件40。
在轴向上，在所述振动体51的一侧设置一个转子58，该转子58借由弹簧56和弹簧支承体57而压接触金属件54的端部，振动波马达50的悬置输出可以由与马达58一体旋转的齿轮(传动机构)59取出。
杆形振动波马达50的驱动原理是两个在轴向上跨越安装了多层压电元件40的振动体51的弯曲振动的产生具有时间相位差，因此金属件54的运动为旋转式的，构成振动体51的金属件54的端部作为驱动部分，从而，作为压接触金属件54的接触部件的转子58由于摩擦接触而旋转。
对于线性驱动的振动波马达，日本专利3279020和美国专利5,698,930提出使用平板形振动体。
图11图示了线性驱动振动波马达的结构，其中A图是正视图，B图是右侧视图，C图是俯视图。
在图11中，两个压电元件62、63被设置在构成振动体的一部分的金属件61的一侧，这两个压电元件同时产生纵向振动和弯曲振动。两个突出部分64和65形成在所述金属件61的另一侧上。所述两个压电元件62、63通过粘合剂粘到一个弹性体上。
高频电压A和高频电压B分别作用于所述两个压电元件62、63，所述弯曲振动和纵向振动合成复合运动，从而，所述突出部分64、65的端部产生椭圆运动或者圆周运动。所述两个压电元件62、63被极化为分别具有在同一方向的极性，所述高频电压A和高频电压B之间的时间相位差为90度。
结果，当所述突出部分64、65的端部被压向和接触一个固定件66时，构成所述振动体的一部分的金属件61相对于该固定件66运动。从而，通过将其它部件压向并接触所述振动体，就在其间产生相对位移运动，从而能够线性驱动所述振动波马达。但是，在这种情况下，所述压电元件62、63分别是单个板形元件，不是多层压电元件。
由于振动波马达的体积紧凑，如图10所示的振动波马达中多层压电元件40和金属件53、54之间的匹配误差，以及如图11所示的振动波马达中金属件61和压电元件62、63之间的匹配误差，与振动波马达的整体尺寸相比比较大，因此，由于这些误差的累积，难以大量生产具有稳定输出的振动波马达。
同时还难以将压电元件与金属件的界面或者粘合面充分粘结，从而，在所述界面或者粘合面处，形成振动阻尼，从而降低了振动波马达的性能。
发明内容
本发明的目的是要提供一种多层压电元件和一种振动波马达设备，用于提高振动波马达的性能、减少部件数量，并且组装简单，降低振动波马达的制造成本。
在本发明的一个方面，提供了一种多层压电元件，其包括一个有源压电部分，该有源压电部分由多个层叠的材料层形成，所述材料具有将电学量转换为机械量的转换功能。该有源部分还包括一个形成在所述层叠的层上的电极。该元件还包括一个与所述有源部分层叠和集成的无源压电部分。该无源部分包括至少一个具有电-机转换特性的材料层。
在本发明的另一方面，一种振动波马达包括一个振动体，该振动体包括上述无源部分和有源部分。该马达还包括一个与所述无源部分压接触的接触体。
从下面结合附图对优选实施例的说明可以更加清楚本发明的其它目的、特征和优点。
图1是一个部分切除的剖面图，图示了根据本发明第一实施例的多层压电元件的结构；图2的立体示了所述多层压电元件的中间制造阶段，以及其层叠结构；图3的剖面示了安装了所述多层压电元件的杆形振动波马达的结构；图4的立体图针对本发明的第二实施例图示了多层压电元件的结构；图5的立体示了所述多层压电元件的中间制造阶段，以及其层叠结构；图6针对本发明的第二实施例图示了由振动体建立的两个弯曲振动；图7的立体图针对本发明的第二实施例的振动图示了使用所述多层压电元件的振动波马达的结构；图8针对本发明的第二实施例图示了由振动体建立的两个弯曲振动；图9的立体示了传统的多层压电元件；图10的剖面示了安装了压电元件的多层结构的杆形振动波马达。
图11图示了安装了多层压电元件的线性驱动振动波马达的结构，其中，A图为正视图，B图为右侧视图，C图为俯视图。
具体实施例方式
第一实施例图1图示了对于本发明的第一实施例，作为层叠电-机能量转换元件的多层压电元件的结构，其中轴线L的右半部表示剖面，轴线L的左半部表示轮廓图。图2的立体示了制造多层压电元件的中间阶段及其层叠结构。在下面的说明中，为了方便，用相同的附图标记表示制造中间阶段的多层压电元件以及制造完成后的多层压电元件。
在图1和图2中，多层压电元件1为中间有通孔的圆柱形。该多层压电元件1由设置在无源压电部分4-1、4-2之间的有源压电部分3构成，该压电部分3包括具有压电特性的层。该部分3由具有用于将电能(电学量)转换为机械能(机械量)的电-机能量转换功能的材料的多个叠层以及电极材料的多个分割层形成。一个无源压电部分4-1在轴向上设置在所述有源压电部分3的一侧，不提供通过仅多层层叠具有转换功能的材料的层而形成的压电特性，一个无源压电部分4-2在轴向上设置在所述有源压电部分3的另一侧，不提供通过仅多层层叠具有电-机能量转换功能的材料层而形成的压电特性。
所述有源压电部分3由多个压电层5构成。在所述多个压电层5的表面上分别形成分为四个部分A+，A-，B+，B-的内部电极6-1和分为四个部分AG，AG，BG，BG的内部电极6-2，并在上面分别形成连接到各内部电子6-1、6-2，延伸到所述压电层5的外周缘部分的连接电极6a(图中的黑色部分)。在上面形成内部电极6-1的各压电层5中的连接电极6a在轴向上分别形成在所述多层压电元件1的相同的相位位置，在上面形成内部电极6-2的各压电层5中的连接电极6a在轴向上分别形成在所述多层压电元件1的相同的相位位置。
在所述多层压电元件1的外周缘上设置外部电极7。这些外部电极7连接具有相同相位的连接电极6a，以便在各层5之间存在连续性。在图2所示的实施例中，例如，有八个外部电极7用于连接八个不同的连接电极6a相位。
与以前类似，有源压电部分3的各内部电极6-1由分为四个部分的内部电极A+，A-，B+，B-组成，有源压电部分3的各内部电极6-2由分为四个部分的内部电极AG，AG，BG，BG组成。内部电极A+，A-，B+，B-和内部电极AG，AG，BG，BG在多层压电元件1的轴向上相对。所述有源压电部分3通过交替层叠压电层5而形成，在所述压电层5上从第一层到最后一层形成内部电极6-2，6-1。
无源压电部分4-1和无源压电部分4-2分别由至少两个没有内部电极的整体压电层5构成。无源压电部分4-1，4-2可以具有不同的厚度，如图1和2所示。
通常，在多层方向的总长度越长，多层压电元件1的谐振频率越低，同时，直径越大，谐振频率越高。有源压电部分3越大，振动能量越大，成本越高。因此，有源压电部分1的形状可以根据所需的扭矩、尺寸或者希望施加给多层压电元件1的电压的频率来以多种方式设计。
本实施例中的多层压电元件1展示了这样一个例子希望外加约为10mm，长度约为12mm，内径约为2.8mm，有源压电部分3的压电层5的厚度约为90微米，有源压电部分3的厚度为2.2mm，内部电极6-1、6-2的厚度约为2-3微米，内部电极层的数量为25，外部电极7的长度约为2.4mm，宽度约为1mm，厚度约为0.05mm，无源压电部分4-1、4-2的压电层5的厚度类似地约为90微米。通过层叠较厚的层，还可以减小无源压电部分4-1、4-2的数量。
通过下述方法，使用被切割为具有恒定大小(例如长宽为13×13的方形)的未烧结的(湿的，green)片，制造由被形成为压电层的陶瓷粉末和有机粘结剂组成的多层压电元件1。
首先，如图2所示，对于构成多层压电元件1的无源压电部分4-1，4-2，单独地层叠预定数量的未烧结片。通过使用银-钯粉末糊在所述未烧结片上丝网印刷内部电极6-1、6-2以及连接电极6a的图案，形成构成多层压电元件1的有源压电部分3。所述预定数量的被丝网印刷的未烧结片被一个一个层叠起来，并通过加热压实而结合起来。
接下来，如图2所示，对于层叠的多层压电元件1，通过在相应于多层压电元件1内径的位置打孔而形成一个通孔。之后，在预定温度下(例如1100到1200摄氏度)，在铅环境(lead environment)下煅烧元件1。在煅烧后，将两侧抛光，使多层压电元件1的两个端面都平滑。
接下来，如图1和2所示，将多层压电元件的外径加工为圆柱形，使连接电极6a暴露于多层压电元件的外周缘。然后，使用用于在圆柱面上进行印刷的丝网印刷机，在所述多层压电元件1的外周缘上暴露所述连接电极6a的八个位置印刷所述外部电极7。在印刷之后，在预定温度(例如大约750摄氏度)加热所述多层压电元件，从而将所述外部电极烤成到多层压电元件1的外周缘上。
接下来，如图1所示，通过加工(切削)而沿着圆周方形切削多层压电元件1的外周缘(无源压电部分4-1)，从而形成一个环形凹陷部分×(凹陷部分)，并通过切削形成突出部分9，以从多层压电元件1的轴向上的一个端面一侧(无源压电部分4-1)将内径部分放大。
所述凹陷部分8的形成是为了放大振动位移。由于形成凹陷部分8的部分在刚性方面比较弱，在凹陷部分8上方的上部易于振动。突出部分9的形成是为了在下述情况下用于定位，也就是，当在压接触多层压电元件1的转子18(如图3所示)的一个端面上设置一个部件(例如具有良好抗磨损性能的金属或者陶瓷)时。
只在无源压电部分4-1上形成所述凹陷部分8。不同于有源压电部分3，无源压电部分4-1没有电极，容易没有约束地对形状进行细调。
最后，如图2所示，按照特定的极化方形对内部电极6-1、6-2的分出四个部分的各电极A+，A-，B+，B-，AG，AG，BG，BG进行极化。具体地，将一个金属触针压到八个外部电极7上。在预定温度(例如100到150摄氏度)的油中，将电极AG、BG接地G，使内部电极A+，B+为正(+)，并使内部电极A-，B-为负(-)。向各电极施加预定的电压(例如300V)大约10到30分钟以进行极化。
结果，如图2所示，对于对应于电接地的内部电极AG，BG，AG，BG，对多层压电元件1进行了极化，使得内部电极A+，B+为(+)极，内部电极A-，B-为(-)极。
图3的剖面示了按照了多层压电元件1的杆形振动波马达11的结构。
在图3中，振动波马达11(振动波驱动装置)使用多层压电元件1作为振动体10。振动体10是通过将螺栓12插入所述多层压电元件1的内径中，并用螺栓12的凸缘部分13和螺帽14固定多层压电元件1而构成的。作为ZM11的上部结构的转子部分被设置在螺栓12的凸缘部分13的外部。所述转子部分包括一个通过弹簧16和弹簧支承体17压接触振动体10的端面的转子18(接触体)，以及齿轮(传动装置)19。转子18与齿轮(传动装置)19的结构是整体化的，转子18的旋转可由齿轮(传动装置)19输出。
同时，一个柔性电路板15绕在形成在作为振动体10的多层压电元件1的各外部电极上，各外部电极和驱动电路(未图示)由所述柔性电路板15电连接。
振动波马达11的实际驱动是这样进行的在作为振动体10的多层压电元件1中具有上述极性、在多层压电元件1中为在轴向相对的位置关系(AG和AG，BG和BG，A+和A-，B+和B-)的两个内部电极中，使AG相和BG相接地，使电极A+，A-为A相，使电极B+，B-为B相，并施加与振动体10的本征频率大致相同的A相高频电压，以及与A相的相位差为90度的B相高频电压。
通过施加高频，构成多层压电元件1的有源压电部分3的电极A+、A-在厚度方向交替膨胀、收缩，类似地，有源压电部分3的电极B+、B-也在厚度方向交替膨胀、收缩。由层叠和整合在多层有源部分3的后项两侧上的无源压电部分4将有源压电部分3的膨胀/收缩运动转换为弯曲振动，可以产生在轴向上跨越多层压电元件1的两个弯曲振动。
在只是在宽度方向膨胀、收缩的传统的多层压电元件40(见图9)中，两个弯曲振动是这样产生的将多层压电元件40设置和固定在金属件53和54之间而构成振动体51(尽管多层压电元件40具有两个无源压电层作为不极化而用于绝缘的顶层和底层，这些层比较薄，只是在厚度方向产生一个振动或者膨胀/收缩)。
但是，在本实施例的多层压电元件1中，由于无源压电部分4-1、4-2与有源压电部分3层叠和整合，并且有源压电部分3被设置和固定在无源压电部分4-1和4-2之间，而不是象过去那样将多层压电元件设置和固定在金属件之间，所述多层压电元件1本身被用作振动体10，可以产生上述两个弯曲振动以驱动杆形振动波马达11。这两个弯曲振动能够导致用作振动体10的多层压电元件1的端面旋转而用作驱动部分。压接触所述驱动部分的转子18通过摩擦作用而被旋转。
通过该实施例，通过在压接触作为振动体10的多层压电元件1中的转子18的端面上设置具有好的耐磨性能的金属或者陶瓷小部件，可以提高耐用性。
如上所述，在该实施例中，所述多层压电元件1由有源压电部分3和无源压电部分4-1、4-2构成，所述有源压电部分3是通过层叠多个具有电-机能量转换功能的材料层和电极材料层形成的，具有压电特性，所述无源压电部分是通过只层叠多个具有电-机能量转换功能、不具有压电特性的材料层形成的，所述无源压电部分4-1、4-2的厚度被设置为足够大，以产生在轴向上跨越多层压电元件1的两个弯曲振动，从而所述多层压电元件本身可以具有多种振动模式(两个弯曲振动模式)。
因而，不要求按照用于将多层压电元件设置和固定到振动波马达上的金属件。并且，由于可以消除在金属件之间的界面上的、削弱振动波马达的性能的振荡阻尼的产生原因，可以大大减小振荡阻尼，从而改善振动波马达的性能。
另外，由于不需要向振动波马达上安装金属件，振动波马达可以紧凑，振动波马达的性能得到改善，可以缩短振动波马达的制造加工时间，减少部件数量和成本。
另外，由于通过加工构成多层压电元件1的无源压电部分4-1的外周缘而形成凹陷部分8，可以适当地应付或者改变设计规格比如放大振动位移，与金属相比，压电材料具有好的可加工性，因而便于显微加工。
如上所述，对于要达到进一步的紧凑性和高输出功率的振动波马达来说，对于其性能和制造来说可以预期有很好的效果。
在本实施例中，尽管形成在多层压电元件1的无源压电部分4-1的外周缘上的用于放大振动位移的凹陷部分8是环形的，但是该凹陷部分8的形状在允许放大振动位移的范围之内是可选的。
第二实施例图4的立体示了本发明第二实施例的多层压电元件的结构。图5的立体示了制造该多层压电元件的中间阶段及其层叠结构。在下面的说明中，为了方便，用相同的附图标记表示制造中间阶段的多层压电元件以及制造完成后的多层压电元件。
在图4和图5中，振动体2在如下所述的切割之前是平板形的，由有源压电部分26和无源压电部分27构成。无源压电部分27由压电层22构成，压电层中，从顶部的第一层到预定层(例如第20层)没有内部电极。在从预定层(例如第21层)到底层(例如第30层)的层中，通过交替层层压电层22而形成有源压电部分26，所述压电层22中，在整个表面上形成被分为两部分的内部层23-1、23-1以及在上面形成内部电极233的压电层22。
所述有源压电部分26和无源压电部分27例如是同时层叠、结合和煅烧的，构成多层压电元件20。有源压电部分26为单一形态，无源压电部分27的厚度被设置得足够大，足以在多层压电元件20中产生弯曲振动。具体地，该厚度设置得足够大，使得无源压电部分27不会达到在多层压电元件20上产生的弯曲振动的中性面。当如图6所示在多层压电元件20上发生面外弯曲振动(out-of-surface bendingvibrations)时，多层压电元件20的上侧膨胀而下层收缩的状态以及上侧收缩下侧膨胀的状态交替重复。此时，在膨胀部分和收缩部分之间存在没有膨胀或者收缩的中性面。由于相反的膨胀和收缩力作用于中性面的两侧，例如，当单一形态的有源压电部分26到达中性面时，有源压电部分26施加的抵消振动的力作用于中性面的上侧。换句话说，需要设置一种形式，用于将无源压电部分27设置在多层压电元件20的中性面上。
各压电层22中的被分为两个部分的内部电极23-1、23-2和整个表面上的内部电极23-3通过通孔24-1、24-2和24-3独立地相互电连接，它们与设置在底部的压电层的后表面上、被分为三个部分的表面电极相连续。然后，如下所述，使它们极化，向各压电层22提供预定极化的极性。
如图4所示，通过切削无源压电部分27的上表面形成两个突起21(突出部分)。也就是，振动体20仅由包括有源压电部分26和无源压电部分27的多层压电元件20构成。形成无源压电部分27的两个突起21用于放大振动位移。
所述突起21只是在无源压电部分27上形成。所述有源压电部分26不被切割，因为在其中形成了内部电极，而在无源压电部分27上很容易进行形状的显微加工，因为与有源压电部分26不同，其中没有形成电极。
在通过抛光设置在多层压电元件20的底面上的表面电极而进行切割之后，通过将柔性电路板粘结到表面上的预定位置，可以将多层压电元件20连接到驱动电路(图中未示出)。例如，类似于传统技术，将多层压电元件20的内部电极23-3分组，向内部电极23-1，23-2，23-3施加时间相位差例如为0到180度的高频电压，从而，如图6所示，可以同时产生时间相位差为90度的两个不同的弯曲振动。
图6(a)和图6(b)所示的弯曲振动为外表面二次弯曲振动和外表面一次弯曲振动，振动体2的形状设计为使得这两个弯曲振动的谐振频率大致相同。在所述外表面二次弯曲振动的节点(波节点)附近设置两个突起21，借由这些振动，这两个突起21的端部在X方向位移。在外表面一次弯曲振动的波腹附近设置两个突起21，借由这些振动，这两个突起21的端部在Z方向位移。通过产生由这两个不同的弯曲振动构成的复合振动，可以在构成振动体2的多层压电元件20的无源压电部分27的所述两个突起21的端部产生椭圆运动或者圆周运动。
结果，振动体2的突起21的端部被压向和接触一个固定部分(未图示)，振动体2本身通过在所述端部上产生的椭圆运动或者圆周运动移动所述固定部分。从而，通过将其它部件压向和接触所述振动体2，就在其间产生一个相对位移运动，从而构成一个线性驱动振动波马达。
通过该实施例，通过在压接触作为振动体2的多层压电元件20的无源压电部分27的所述两个突起21处的端面上设置具有好的耐磨性能的薄金属或者陶瓷，也可以提高耐用性。
本实施例的多层压电元件20例如具有约20mm的长度、约5mm的宽度和约1.8mm的厚度，所述压电层22的厚度约为60微米，所述内部电极的厚度为1-2微米，所述通孔的之间为0.1mm。对于所述无源压电部分27的压电层22还可以使用较厚的层。类似于多层压电元件1，有源压电部分20的形状可以根据所需的扭矩、尺寸或者希望施加给多层压电元件1的电压的频率来以多种方式设计。
下面描述多层压电元件20的制造方法，其基本上与第一实施例相同。
首先，层叠和结合上面没有形成内部电极的未烧结片，之后，在预定温度下(例如1100到1200摄氏度)，在铅环境(lead environment)下对它们进行煅烧。
接下来，如图5所示，将金属针分别压到连接到三个通孔的表面电极25上，将内部电极23-3接地G，使内部电极23-1，23-2为正(+)，并在油中在预定的温度(例如100到150摄氏度)向其施加预定的电压(例如200V)，进行极化处理大约10到30分钟。
最后，在上述极化处理之后，通过将所述多层压电元件20的两侧抛光，使多层压电元件20的上下两册被平坦化，并切除表面电极25。然后如图4所示，通过切削多层压电元件20的无源压电部分27的表面形成作为两个突起的突出部分21。也可以在煅烧之后首先进行切割再进行极化处理。
在本实施例中，只有多层压电元件20可以用作振动波马达的振动体2，由于通过层叠和整合无源压电部分27与有源压电部分26而形成多层压电元件20，并且通过切削无源压电部分27的表面形成用于压接触其它部件的突出部分21，能够同时产生两个不同的弯曲振动。这与传统方式不同，在传统方式中，通过粘合作为金属件的弹性体和压电元件来产生两个不同的弯曲振动。
与过去一样，由于不需要粘合压电元件和厚的金属件，从而可以消除削弱振动波马达的性能的振荡阻尼的产生原因，可以大大减小振荡阻尼，从而改善振动波马达的性能。
另外，由于不需要使用金属件，振动波马达可以紧凑，振动波马达的性能得到改善，可以缩短振动波马达的制造加工时间，减少部件数量和成本。
另外，由于通过切削构成多层压电元件20的无源压电部分27而形成凹陷部分8，可以适当地应付或者改变设计规格比如放大振动位移，与金属相比，压电材料具有好的可加工性，因而便于显微加工。
在本实施例中，尽管所图示的情况是形成在多层压电元件1的无源压电部分27的上表面上的用于放大振动位移的突起21的形状是长方体的，并且设置的数量是两个。但是所述突起21形状和设置的数量在允许放大振动位移的范围之内是可选的。
图7的立体示了使用在第二实施例中描述的用于振动的多层压电元件的振动波马达的结构。在示于图7的多层压电元件30中，一个平板形的磨损材料31通过粘合剂被粘合到上表面上，而不是象图4和图6所示的多层压电元件20那样在上表面上形成突起21。
在图7中，多层压电元件30是平板形状的，由无源压电部分36和有源压电部分37构成，所述无源压电部分36由没有内部电极的从顶部的第一层到预定层(例如第20层)的压电层形成，所述有源压电部分37由从预定层(例如第21层)到底层(例如第30层)的具有类似于图5形成的内部电极的压电层形成。类似于图4或者图6所示的多层压电元件20，例如通过层叠、整合和煅烧而形成有源压电部分36和无源压电部分37，并且将无源压电部分37的厚度设置为足够大，足以在多层压电元件30中产生弯曲振动。当无源压电部分37的厚度不够大时，单一形态的有源压电部分36产生的能量不能作为弯曲振动被输出。
板形磨损材料31被连接到无源压电部分37的上表面。磨损材料31由具有高摩擦系数和高耐磨性的材料制成，例如，对其可以使用通过对SUS420J2材料的表面渗氮而形成的材料。
所述磨损材料31由具有均匀厚度的部分31-1、31-2以及构成为比部分31-1、31-2薄的部分31-3和31-4构成。通过蚀刻作为磨损材料的板形SUS420J2材料的表面，减小厚度，形成薄板部分31-3、31-4，其它部分则作为31-1、31-2。在直线对齐和安排的部分31-3和31-4之间形成部分31-1。一个滑块33由滑块基部33-1和连接到该滑块基部33-1的磨损材料33-2构成，所述磨损材料33-2压接触一个接触部分31-1。
由于薄板部分31-3和31-4被构成为比接触部分31-1凹陷地更多，即使在振动体32被振动激励时，薄板部分32-c、32-d也不接触所述滑块。
所通过将一个投向电路板粘结到所述多层压电元件30的预定位置上，所述多层压电元件30能够被连接到驱动电路(未图示)，如图8所示，通过在多层压电元件30的内部电极中施加具有时间相位差的高频电压，可以同时产生时间相位差为90度的两个不同的弯曲振动。
图8(a)所示的弯曲振动是类似于图6(a)弯曲振动的外表面二次弯曲振动，图8(b)所示的弯曲振动为类似于图6(b)所示的弯曲振动的外表面一次弯曲振动，振动体32的形状被设计为使得所述两个弯曲振动的谐振频率大致相同。两个接触部分31-1被设置在与图4所示两个突起21类似的位置，并且，通过产生由所述两个不同的弯曲振动构成的复合振动，可以在构成振动体32的多层压电元件30的无源压电部分37的两个接触部分31-1的表面上产生椭圆运动或者圆周运动。
结果，当振动体32的接触部分31的表面被压向和接触滑动块33时，滑动块通过表面上的椭圆运动或者圆周运动线性移动所述振动体32。从而，通过将所述滑动块33压向和接触振动体32，在其间产生相对位移运动，从而构成一个线性驱动振动波马达。
构成如图7所示的振动体32的多层压电元件30和磨损材料31在长度(X方向)和宽度(Y方向)方面大致是相同的。多层压电元件30的长度为5.5mm，宽度为3.1mm，厚度为0.6mm。磨损材料31的接触部分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的厚度为0.05mm。类似于多层压电元件1，有源压电部分30的形状可以根据所需的扭矩、尺寸或者希望施加给多层压电元件1的电压的频率来以多种方式设计。
在上述实施例中，作为振动波马达的多层压电元件30，只有多层压电元件30能够同时产生两个不同的弯曲振动。
另外，由于不需要使用金属件，振动波马达可以紧凑，振动波马达的性能得到改善，可以缩短振动波马达的制造加工时间，减少部件数量和成本。
尽管前面对本发明的描述参照了目前认为最为优选的实施例，但是应当理解，本发明不限于所公开的实施例。相反，本发明应当覆盖包括在所附权利要求的实质范围内的各种修改和等效方案。因此，对所附权利要求应作最为宽广的解释，以包括所有这与的修改和等效结构与功能。
权利要求
1.一种多层压电元件，包括一个有源压电部分，其包括多个层叠的具有电-机转换特性的材料层，以及形成在所述材料层上的电极；以及一个与所述有源压电部分层叠和结合的无源压电部分，该无源部分包括至少一个具有电-机转换特性的材料层。
2.如权利要求1所述的多层压电元件，其中，所述无源压电部分包括至少一个凹陷部分和一个突起部分，以利于放大振动的位移。
3.如权利要求1所述的多层压电元件，其中，所述无源压电部分的厚度利于产生多个振动模式。
4.如权利要求1所述的多层压电元件，其中，所述无源压电部分位于在所述多层压电元件中产生的振动的中性面上。
5.如权利要求1所述的多层压电元件，其中，所述多层压电元件具有基本上为圆柱形的形状。
6.如权利要求5所述的多层压电元件，其中，所述无源压电部分具有一个凹陷部分。
7.如权利要求1所述的多层压电元件，其中，所述多个振动模式包括至少两个在轴向上跨越所述多层压电元件的弯曲振动模式。
8.如权利要求1所述的多层压电元件，其中，所述多层压电元件具有基本上为平板形的形状。
9.如权利要求8所述的多层压电元件，其中，所述无源压电部分具有一个突起部分。
10.一种振动波驱动马达，包括一个振动体，其包括一个有源压电部分，其包括多个层叠的具有电-机转换特性的材料层，以及形成在所述材料层上的电极；一个与所述有源压电部分层叠和结合的无源压电部分，该无源部分包括至少一个具有电-机转换特性的材料层；以及压接触所述无源压电部分的一个接触体。
11.如权利要求10所述的振动波驱动马达，其中，所述无源压电部分的厚度利于产生多个振动模式。
12.如权利要求10所述的振动波驱动马达，其中，所述无源压电部分包括至少一个凹陷部分和一个突起部分，以利于放大振动的位移。
13.如权利要求11所述的振动波驱动马达，其中，所述振动体具有基本上为圆柱形的形状，所述振动模式包括至少两个在轴向上跨越所述振动体的弯曲振动模式。
14.如权利要求12所述的振动波驱动马达，其中，所述振动体具有基本上为圆柱形的形状，所述振动模式包括至少两个在轴向上跨越所述振动体的弯曲振动模式。
15.如权利要求11所述的振动波驱动马达，其中，所述振动体具有基本上为平板形的形状，所述振动模式包括多个弯曲振动模式。
16.如权利要求12所述的振动波驱动马达，其中，所述振动体具有基本上为平板形的形状，所述振动模式包括多个弯曲振动模式。
全文摘要
本发明涉及多层压电元件和振动波驱动设备。本发明的目的是通过消除产生振动阻尼的原因从而改善振动波驱动设备的性能，并通过小型化降低制造成本。本发明的多层压电元件包括由多个具有内部电极的压电层形成的有源压电部分和由没有内部电极的集成压电层形成的无源压电部分。本发明的振动波驱动马达由包括所述多层压电元件的振动体以及与该振动体压接触的转子构成。
文档编号H01L41/22GK1617366SQ20041009298
公开日2005年5月18日 申请日期2004年11月12日 优先权日2003年11月13日
发明者丸山裕, 小岛信行 申请人:佳能株式会社