专利名称：振动波致动器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种振动波致动器和一种将振动波致动器用作驱动源的系统。
棒状超声波发动机已经在，例如日本专利公报3-40767、3-289375号等中公开过。
图13为一棒状超声波振动件的分解透视图，图14则为一棒状超声波发动机的纵向剖面图。
在图13所示的振动件中，具有一组两个压电元件PZT1和PZT2的驱动A相压电元件、具有一组两个压电元件PZT3和PZT4的驱动B相压电元件、以及只有单个压电元件的传感压电元件S1堆积(层叠)在一起，如图13所示，而施加电压的电极板A1和A2及输出传感信号的电极板S则安插在这些压电元件中。除了这些电极以外，还安插有GND(接地)电极板G1、G2和G3以便施加GND电位。此外还有由黄铜、不锈钢等构成因而对振动较少衰减的金属块安排在这些压电元件和电极板的前面和后面以便将它们夹紧。用一紧固螺栓C将金属块b1和b2固紧，这些压电元件和电极板便可连结成为一体，并有一压应力施加在压电元件上。这时，为了使用惟一的传感压电元件S1，在紧固螺栓C和金属块b2之间设有绝缘片d。
请注意电线等类是用钎焊连结到电极板的突出部上的，并连接到驱动线路(未画出)上。
这时，A相和B相压电元件a1和a2之间被安排成具有π/2弧度的角位移。当这些压电元件在包括振动件轴线在内的同一平面内的两个互相垂直的方向上激发出弯曲振动时使它们之间有一适当的时间相位差，振动件的表面质点便会引起圆形的或椭圆形的运动，从而可通过摩擦力驱动一个抵压在振动件上部的可动件。
图14所示为将这种振动件用在棒状超声波发动机上的一个实例。在该实例中，振动件的紧固螺栓C在其末稍端部有一小直径的支承柱部C2，因此固定到支承柱部C2的末稍端部上的固定件g能将发动机本身予以固定。紧固螺栓C并用来可转动地支承一个转子r及其类似物。转子r与金属块b1的末稍端部接触，并由于将一螺旋弹簧h从固定件g通过支承件e和齿轮f压入到弹簧套i内而被加压。
下面将对这种棒状超声波发动机所用的压电元件作较详细的说明。压电元件PZT1至PZT4中的每一件都是独立件并都以下列方式制造。那就是如图15所示，先将粉末材料压紧并烧结，制备一个压电陶瓷200，然后机加工成一直径为10mm的圆盘，圆盘的两个表面经过研磨使圆盘具有0.5mm的厚度。在圆盘的上表面上形成两个几乎成半圆形而在中间被一狭槽201分隔开的电极膜202-1和202-2，而在整个下表面上则形成一个电极膜203。此后，半圆形电极膜202-1和202-2被极化以致分别获得方向不同的极化极性(+)和(-)，这样来提供压电特性。当这种压电元件被装配成如图13所示的A相压电元件a1时，压电元件PZT1和PZT2连同夹在其间的电极板A1被堆积在一起，使具有同一极化极性的部分互相面对(箭头205表示极化方向)，同时使狭槽互相重合，如图16A和16B所示。
并且，GND电极板G1和G2也在垂直方向上堆积。在这种情况下，当将驱动AC电压施加到电极板A1上时，由于图16A和16B中压电元件PZT1和PZT2的左、右部分具有不同的极化特性，如果一部分膨胀，另一部分就会收缩，并且这种动作还会交替重复进行，这样就在振动件上产生弯曲振动。在此应注意B相压电元件所产生的弯曲振动基本上与A相压电元件的情况相同，惟一不同的是B相压电元件的狭槽方向比A相压电元件的情况相同，惟一不同的是B相压电元件的狭槽方向比A相压电元件相差一个π/2的弧度。
但是，在上面提到的现有技术中，由于每一个压电元件都要用粉末材料压紧并烧结，完成机加工，然后在形成电极后完成极化过程，因此每一压电元件的制造都需要化费很多的时间和费用。
考虑到压电元件在匹配和极化的过程中以及振动件在装配时都需要不断运送，由于机械强度关系压电陶瓷的厚度就不能做得太薄。结果，当需要进一步增加压电元件的层数时，多层压电元件部分便会有一个不希望要的过大的尺寸，这样就打乱了制造小巧的超声波发动机使其直径等于或小于一支铅笔的计划。除此以外，上述制造过程使只有多层结构才能实现的超声波发动机的增加输出和降低驱动电压难于实现。
从上述关于现有技术的说明中可以理解，在装配振动件时，要将大量的压电元件和大量的电极板交替堆积起来，并在其后，用钎焊将电线连结到电极板的端部上。结果，装配过程就需要化费很多时间，并且装配的可靠性不能令人满意。
在另一方面，如同日本专利公报1-17354号等所公开的，是在一个传统惯用的环形或盘形超声波发动机的振动件中将电致伸缩元件或压电元件固定在一个弹性件，例如具有低振动衰减特性的金属上。使一个可动件(接触件)与弹性件的表面保持压力接触。并将相互间具有时间相位差的高频电压分别施加在并列的电致伸缩元件或压电元件的电极上，从而(相对地)便可驱动可动件(接触件)。
在这种振动件所用的每一个压电元件上，一个表面上形成许多分隔开的电极，而另一个连结到弹性件上的表面则形成一个全表面的电极。在一个表面上的许多电极构成与相位数相对应的电极组，在本例中相位数为2，即接受驱动的A相和B相。这些与两个相位对应的电极组被按照相当于1/4波长或1/4波长奇数倍的间隔排列。每一组的许多在不同方向上经受过极化过程的压电元件相互间具有1/2波长的间隔。当将高频电压施加在每一组的具有不同极化方向的压电元件上时，便可激发出一个波长的振动。当设有许多压电元件组时便可形成波数与组数相当的驻波，并且结果能够激发出具有一个或多个波的行波。
但是，由于传统的电致伸缩元件或压电元件为单层结构，必须施加数十伏的高频电压才能驱动采用压电元件的超声波发动机以便得到实际可用的输出，便携设备如照相机上作为电源使用的蓄电池的电压是不够用的，必须设有增压线路。
这里须注意采用压电元件而由压电元件板堆积而成的堆积式陶瓷致动器是早已为人所知的东西［见KenjiUchino所著，“压电的/电致伸缩的致动器”，Kyoritsu出版社出版］。在该致动器中，只是把具有简单极化方向的压电元件堆积起来。但当要把其上形成许多极化极性交替变化的分隔电极而结构复杂的压电元件板堆积起来时，极化过程和驱动用的接线就会变得非常复杂以致不可能实现这种致动器。
本发明的一个目的是要提供一种振动波致动器，其中堆积着多个电-机械能转换元件，每一元件在其一个表面上都具有至少四个分隔的电极，并且在这些元件的范围内在同一相位的电极都连接在一起。
下面对附图作简要说明图1为按照本发明的第一实施例示出其堆积压电元件安排的分解平面图2为按照本发明的第二实施例示出其堆积压电元件安排的分解平面图；图3A和3B分别为示出图1中堆积压电元件的板化处理方法的透视图和剖面图；图4A和4B为示出压电元件上电极膜安排的平面图；图5为采用图1所示堆积压电元件的棒状超声波发动机的分解透视图；图6为图5中棒状超声波振动件内所用柔性印刷板的平面图；图7A和7B分别为示出图2中堆积压电元件的极化处理方法的透视图和剖面图；图8为示出图2中堆积压电元件另一种安排的视图；图9为采用图2中堆积压电元件的棒状超声波振动件的分解透视图；图10为示出图9中棒状超声波振动件内所用柔性印刷板的平面图；图11为示出第二实施例内超声波发动机所用驱动线路安排的线路图；图12为一其内装有透镜驱动机构的镜头筒的剖面图，该机构采用具有图1或2所示堆积压电元件的超声波发动机作为驱动力源；图13为一传统的棒状超声波振动件的分解透视图14为一传统的棒状超声波发动机的剖面图；图15为示出传统压电陶瓷结构的平面图；图16A和16B分别为示出传统压电陶瓷动作的平面图和剖面图；图17为示出第一实施例内超声波发动机所用驱动线路安排的线路图；图18为按照本发明的第三实施例的堆积压电元件的分解透视图；图19A至19F为示出构成图18中堆积压电元件的压电元件板的电极的平面图；图20为示出图18中堆积压电元件的极化处理方法的透视图；图21为示出图18中堆积压电元件的极化方向的展开图；图22为按照图18中实施例的一个变型的最上面压电元件板的电极的平面图；图23为采用图18中堆积压电元件的超声波发动机的振动件的分解透视图；图24A至24F为按照图19A至19F中实施例的一个变型示出压电元件板的电极的平面图；图25为图24A至24F中堆积压电元件内用于连接的柔性印刷板的平面图；图26A至26F为按照本发明的第四实施例示出构成堆积压电元件的压电元件板的电极的平面图；图27A至27F为按照本发明的第五实施例示出构成堆积压电元件的压电元件板的电极的平面图；图28为示出图27A至27F中堆积压电元件的极化方向的展开图；图29为图27A至27F中堆积压电元件内用于连接的柔性印刷板的平面图；图30为一采用超声波发动机作为驱动力源的镜头筒的剖面图，该发动机采用第三至第五实施例中的一种堆积压电元件。
下面对本发明的较优实施例作详细说明。
第一实施例图1示出按照本发明的第一实施例的压电元件，图3示出压电元件的极化处理方法，图5示出采用本实施例的堆积压电元件组的棒状超声波振动件的内部安排，而图6则示出本实施例所用的线路板。
参阅图1，作为电-机械转换元件的堆积压电元件组1是由总数为23个平面压电元件4-1、4-2及4-3至4-23堆积而成的压电陶瓷，如图1所示。
每一个压电元件都沿厚度方向穿透有5个连接孔9A1、9A2、9B1、9B2和9G。参阅图1，总数为5个分隔电极膜8A2、8B1、8B2、8A1和8S形成在5个区域上，这些区域是这样获得的，在最上面的即第一层的压电元件4-1的上表面上，将整个周边沿圆周方向基本上等分为四个区域，然后将其中一个区域分成内、外两个周边区域。而且还在两个分隔电极膜8A1和8B1之间形成一个比上述5个分隔电极膜都要小的分隔电极膜8G。
另外，5个沿厚度方向穿透的连接孔9A1、9A2、9B1、9B2和9G都分别位在5个分隔电极膜8A1、8A2、8B1、8B2和8G的区域内。
在第二层的压电元件4-2的几乎整个上表面上形成一个电极膜7。压电元件4-2在连接孔9A1、9A2、9B1和9B2的周围设有并不形成电极膜的无电极膜部分11E。而连接孔9G则穿过电极膜7。
在第三层的压电元件4-3的上表面的4个基本上等分的区域上形成4个分隔电极膜12A1、12A2、12B1和12B2。而且，压电元件4-3在分隔电极膜12A1和12B1之间也有一个并不形成电极膜的无电极膜部分11G。连接孔9A1、9A2、9B1和9B2分别穿透地设在分隔电极膜12A1、12A2、12B1和12B2的区域内，而连接孔9G位在无电极膜部分11G的区域内。
与此类似，在第四层的压电元件4-4上形成与压电元件4-2相同的电极膜和连接孔，在第五层的压电元件4-5上形成与压电元件4-3相同的电极膜和连接孔。在第六层及其后的偶数层上都形成与压电元件4-4相同的电极膜和连接孔，而在第七层及其后的奇数层上都形成与压电元件4-5相同的电极膜和连接孔。在最下面的即第23层的压电元件4-23上形成4个分隔电极膜12′A1、12′A2、12′B1和12′B2如同压电元件4-3那样，并且也形成一个无电极膜部分11′G。但是在电极膜部分及无电极膜部分上都设有形成连接孔。请注意上述电极膜都只是形成在每一个压电元件的一个表面上，而没有在另一表面上形成。
上述压电元件4就是将这些第一层到第23层的压电元件以其设有电极膜的一面向上堆积起来，如图1所示，使当电极膜和连接孔的位置上下对齐时电极膜部都在相对于中心轴线的同一相位上，这样来构成一个堆积结构。当如上所述将压电元件堆积起来时，5个连接孔9A1、9A2、9B1、9B2和9G便在堆积压电元件组1内形成5个贯穿孔10A1、10A2、10B1、10B2和10G。在形成分隔电极膜时先将与分隔电极膜基本相同的金属电极膏灌注到连接孔9内，这样不仅能够完成贯通孔内的电连接，而且能够完成与那些接触到连接孔的分隔电极膜和全表面电极膜的电连接。其结果，各有关层上的分隔电极膜，例如，第一层压电元件4-1上的分隔电极膜9A1，第三层压电元件4-3上的分隔电极膜12A1，第五层上的分隔电极膜12A1，…，以及最下面的压电元件4-23上的分隔电极膜12′A1便可通过贯穿孔10A1电连接在一起。与此相似，第一层压电元件4-1上的电极膜9G，第二层压电元件4-2上的全表面电极膜7，第四层压电元件4-4上的全表面电极膜7，以及在最下面的压电元件4-23的紧上面的一个压电元件(图1中未示出)上的全表面电极膜7便可通过贯穿孔10G电连接在一起。与此相似，奇数层的压电元件上的分隔电极膜可以通过其余的贯穿孔电连接在一起。
在本实施例中，各压电元件4的外径为10mm，内径为4.3mm，厚度为0.1mm，而堆积压电元件组1的总厚度为2.3mm。
如图3A所示，如上述那样形成的堆积压电元件组1被连接到一个线路上，以便能够用两个100MΩ的高电阻来完成电压划分的工作，并使接触销103与堆积压电元件组上端面上的分隔电极膜8接触。从一DC电源101将500V的DC电压施加在堆积压电元件组上，在140℃的恒温室内空气的氛围中历时30分钟，这样来完成极化过程。
结果，500V的电压施加在分隔电极膜8A1、8B1和8S上，250V的电压施加在分隔电极膜8G上，而0V的电压施加在分隔电极膜8A2和8B2上。这样，如同示出图3A的X-X剖面的图3B所示，第一层的压电元件4-1上有一夹在分隔电极膜8A1和8S及全表面电极膜7之间的区域与一夹在分隔电极膜8A2及全表面电极膜7之间的区域被极化成不同的方向(如图中箭头所示的极化方向)。
与此相似，有一夹在分隔电极膜12A1及全表面电极膜7之间的区域与一夹在分隔电极膜12A2及全表面电极膜7之间的区域被极化，如图3B所示。另外，虽然没有画出，有一从图3A中X-X剖面旋转90°而在分隔电极膜8B1和8B2上切开的剖面与上类似地被极化。
在堆积压电元件组1中，从第一层上的分隔电极膜8A1和8A2延伸到最下层的部分被定义为作为驱动相的A相A，从第一层上的分隔电极膜8B1和8B2延伸到最下层的部分被定义为作为驱动相的B相B，而夹在分隔电极膜8S和全表面电极膜7之间的部分被定义为作为传感相的S相S。堆积压电元件组1被装配起来并用在棒状超声波发动机内。
在现有技术中说明过的压电元件内，在振动件内之所以产生弯曲振动是由于将整个周边基本上等分成为两个区域并使这两个区域极化成不同方向，而A相和B相是由不同的压电元件板构成的。在本实施例中，作为单一堆积压电元件组中一层的压电元件基本上被等分成至少四个区域，而A相和B相是由四个分隔区域中两对对向的电极形成的。由于压电元件被分成四个区域，因此能够从单一堆积压电元件组中产生一个比划分成两个区域的压电元件所能产生的更大的弯曲振动。更具体一点，就基本原理而言，棒状超声波发动机出力的增加取决于如何有效地将压电元件在厚度方向上产生的位移转变为振动件的弯曲振动的位移，而一个具有四个分隔电极膜的压电元件在这方面比具有两个分隔电极膜的更为优越。
图4A示出一个例子可作为应用上述原理的根据。在单一的压电元件200上，上表面(1)被划分成两个区域并在其上形成分隔电极膜202-1和202-2。而在下表面(2)上形成一个全表面电极膜203。在另一方面，如图4B，在本实施例的单一的压电元件的上表面(1)上形成四个分隔电极膜204-1、204-2、205-1和205-2，而在下表面(2)上形成一个全表面电极膜203。图4A所示压电元件200的一个分隔电极膜的一部分上产生的弯曲力α可用下式表示，在该式中用到压电元件200的区域ds的面积与该区域ds离开Y轴线的距h两者的乘积α∝∫sd·E·ds·h在另一方面，图4B所示压电元件的一个分隔电极膜的一部分上产生的弯曲力β可以表示为β∝∫sd·E·ds·h式中d为压电常数，E为所施加的电压，h为区域ds离开Y轴线的距离，窄槽部分忽略不计因为它的面积很小。结果可以算出，图4B和4A中所示两个压电元件的在振动件中产生弯曲振动的位移之比γ=4β/2α=2]]>即具有四个分隔电极膜的压电元件所产生的弯曲力为具有两分隔电极膜的压电元件所产生的弯曲力的2]]>倍。
这一结果说明棒状超声波发动机的振动件的弯曲量得到增加，因此棒状超声波发动机的出力能够增加。反之，如果出力保持不变，那么施加的电压可以降低到1/2]]>，并且能够实现低电压驱动作业。由于上述理由，堆积压电元件的几乎所有各层都基本具有四个分隔电极。
在现有技术内，S相是由单一压电元件来实现的。但如图3B所示，分隔电极膜8S是在第一层上的分隔电极膜8A1的外周边上形成的，并且是将分隔电极膜8S与第一层及第二层表面间的全表面电极膜7之间构成的部分用作S相。S相参与在单一堆积压电元件组1中。
在本实施例中，S相是在第一层的上表面上利用一个A相分隔电极的一半在外周边侧形成的，由于在驱动棒状超声波发动机时，在堆积压电元件组的外周边侧受到的扭曲较大，因此传感器能够容易地得到较大的输出。但是只要S相的输出足够用于控制，S相的位置和尺寸可不必具体加以限制。例如，S相可安排在A相的内周边侧或在两个A相的分隔电极上，或者可以安排在B相内或在A相和B相内。另外，只要S相的输出能够输出到压电元件外面的线路中去，S相的位置不一定非在堆积压电元件组的最上层不可。如果在控制方面没有提出什么问题S相甚至可以省略。
在本实施例中，堆积压电元件组的层数为23。但是层数是不能具体地加以限制的，必须根据各种条件如同棒状超声波发动机的规格、振动件所需的性能、驱动线路部分的规格等等来决定。
下面将说明将本实施例的堆积压电元件组1装入到振动件内的一个实施例。
图5为采用本实施例的堆积压电元件组1的棒状超声波振动件的分解透视图。由图可见振动件是由下列部件构成的；堆积压电元件组1，由金属材料制成的上、下振动件，一块与堆积压电元件组1电连接并要与外部控制线路连接的印刷线路板j，以及一个将这些部件结合起来的紧固螺栓C。
印刷线路板j是由高聚合物片制成的柔性印刷线路板。如图6所示，印刷线路板j是由一个嵌在振动件内的盘状部和一个与外部连接的连接部构成的。在盘状部上，板电极21被安排在能与堆积压电元件组1的上表面上形成的分隔电极膜8接触的位置上，并安排图样21A3与板电极21A1和21A2电连接及安排图样21B3与板电极21B1和21B2电连接。在印刷线路板j的连接部上安排着要与外部控制线路连接的连接终端22，电极21A1、21B1、21G和21S分别通过印刷线路图样与终端22A、22B、22G和22S连接。当将振动件装配起来如图5所示时，板电极21A1与分隔电极8A1及板电极21A2与分隔电极8A2分别互相接触成为电连接，同时其余的板电极与分隔电极亦类似地互相接触成为电连接。
总之，当堆积压电元件组的最上层的分隔电极膜8与印刷线路板j的端部上的终端22S、22A、22G和22B电连接，同时这些终端又与棒状超声波发动机的驱动线路部连接时，振动件便能作为棒状振动波发动机产生合适的弯曲振动，并且传感相能够反馈出控制驱动线路所需的输出。
图6所示的印刷线路板j采用25μm厚的聚酰亚胺膜作为底板和35μm厚的铜箔作为电极材料，并且在底板和电极材料之间采用的印刷板材料是不带胶粘剂的。这是为了防止由于在振动件内存在着树脂材料等而导致振动衰减增加。
在本实施例中说明的堆积压电元件组1是在一个端面上完成与外部线路的电连接的。采用这种结构，如同印刷线路板那样安排在超声波振动件中的连接件的数目能够做到只有一个，这样振动件就可做到安排简单、可靠性高。
正如本实施例所说明的那样，堆积压电元件组能使电压降低、部件数降低。这种效果能够导致工艺过程数降低和费用降低。同时在各部件中的相互接触面的数目也可降低，因此能够提供振动衰减小的优良的振动件。
第二实施例图2示出第二实施例。
图2所示的堆积压电元件组2如同第一实施例那样由23个压电元件5堆积而成的。
堆积压电元件组2是由六种不同型式的压电元件5构成的。压电元件5-1、5-2、5-3、5-4、5-5和5-23具有不同的分隔膜安排和不同的连接孔安排。另外对于第六层至第22层，偶数层具有与第四层(5-4)相同的安排，奇数层具有与第五层(5-5)相同的安排。
在最上层(第一层5-1)上形成七个分隔电极膜13A1、13A2、13B1、13B2、13S、13GA和13GB。
在第四层至第22层中的偶数层上形成四个基本上相等的分隔电极膜19A1、19A2、19B1和19B2，并且通过连接孔14和贯穿孔15将各个用同一标号标出的电极膜连接起来。第二层上的电极膜16A和16B及第三层上的电极膜分别与电极膜19A1和19A2及电极膜19B1和19B2连接，并将它们连接到在它们上面的第一层的电极膜13GA和13GB上。
并且，在第五层至第23层(最下层)中的奇数层上形成四个基本相等的分隔电极膜20A1(20′A1)、20A2(20′A2)、20B1(20′B1)和20B2(20′B2)，并通过连接孔将标有相同标号的电极膜连接起来。这些电极膜还通过第三层上的电极膜18A1、18A2、18B1和18B2与第一层的电极膜13A1、13A2、13B1和13B2连接。
如图7A所示，如上形成的堆积压电元件组被连接到一个线路上，以便能够用两个100MΩ的高电阻完成电压的划分工作，并使接触销103与堆积压电元件组2的上端面上的分隔电极膜13接触。
从-DC电源101将500V的DC电压施加在堆积压电元件组上，在140℃的恒温室内在空气的氛围中历时30分钟，这样来完成极化过程。结果，由于0V的电压施加在分隔电极膜13A2和13B2上，250V的电压施加在分隔电极膜13GA和13GB上，而500V的电压施加在分隔电极膜13A1、13B1和13S上，压电元件与被极化成图7B中箭头所示方向。
为了使本实施例的堆积压电元件组极化，必须使七个接触销与堆积压电元件组接触，如图7A所示。但压电元件组2的外径约为10mm，很难在这么大小的面积内安排这些接触销。图8示出一个能够解决这个问题的例子。作为最上层的压电元件，采用一个具有图8所示形状的电极的压电元件5-1′。图8中虚线圆所示为完工后的外径尺寸，每一个压电元件5都被制成一个大于该尺寸的盘形。在压电元件5-1′上，形成四个分隔电极膜部，即分隔电极膜13S、13A1和13B1是通过一个伸展到上述虚线圆外面的外周边部上的电极膜13C1连接在一起的，分隔电极膜13GA和13GB是通过一个类似的电极膜13C2连接的，分隔电极膜13B2是通过一个类似的电极膜13C3连接的，而位在内周边侧的分隔电极膜13A2保持原状不变。
因此，极化接触销的数目能够减为四个。在极化后将外径减小到虚线圆的位置便可得到与图2所示相同的压电元件。
图9所示为应用本实施例的堆积压电元件组的棒状超声波振动件，其部件具有与第一实施例中的振动件相同的安排。图10示出在本实施例的棒状超声波振动件内所用印刷线路板上电极的安排。
在本实施例中采用一块柔性的印刷板j′作为印刷线路板。板电极24被安排在印刷线路板j′的盘状部上能与堆积压电元件组2的上表面上形成的分隔电极膜13接触的位置上。板电极24A与分隔电极膜13A1和13A2电连接。与此类似，板电极24B与分隔电极膜13B1和13B2电连接。与此类似，板电极24GA和24GB分别与分隔电极膜13GA和13GB电连接。
在印刷线路板j′的连接部上安排着要与外部控制线路连接的连接终端2S，并且终端25S、25A、25GA和25GB通过印刷图样分别与电极24S、24A、24B、24GA和24GB连接。
印刷线路板j′被安排在振动件内，使板电极与堆积压电元件组的分隔电极膜的表面接触，如图9所示。采用这种安排，印刷线路板j′的连接终端25A电连接到堆积压电元件组2的分隔电极膜13A1和13A2上并在其上施加一个A相电位。与此类似，连接终端25GA连接到压电元件组2的分隔电极膜13GA上并在其上施加一个作为A相的GND相的A′相电位。与此类似，连接终端25B施加一个B相电位，还有连接终端25GB施加一个作为B相的GND相的B′相电位。而连接终端25S则输出一个S相电位。
如果在控制方面并不需要，S相可不必设置，此时，连接终端13S、24S和25S都可省掉。
如上所述，在本实施例的堆积压电元件组中，与第一实施例不同，相当于第一实施例中GND相的全表面电极膜被分隔成四个区域如同其背面的四个分隔电极膜一样，并且面向A相和B相的GND相都是独立安排的。
图17示出在第一个实施例中应用的驱动线路。而图11示出在第二个实施例中应用的驱动线路。
图17所示的驱动线路具有驱动电极A和B，以便将交变电压施加到堆积压电元件组上；一个驱动电极GND，以便将GND电位施加在堆积压电元件组上；振荡器42上用来产生交变电压；90°相位转换器43；转换线路44A和45B，以便用供电电压转换来自振荡器和相位转换器的交变电压；以及增压线圈46和47，用来放大转换线路44A和45B所转换的脉冲电压。
现在以A相为例作一说明。将来自转换线路44A的电压输出施加到位在构成A相的堆积压电元件组1端面上的驱动电极A上。由于位在堆积压电元件组1另一端面上的驱动电极GND处在GND电位上，因此施加在堆积压电元件组1上的电压就是来自转换线路44A的电压输出。这对B相同样适用。
图11所示的驱动线路具有驱动电极A、A′、B和B′，以便将交变电压施加到堆积压电元件组2上；一个振荡器42用来产生交变电压；一个π/2弧度相位转换器43；转换线路44A、44A′、45B和45B′，以便用供电电压转换来自振荡器和相位转换器的交变电压；增压线圈46和47，用来放大转换线路44A、44A′、45B和45B′所转换的脉冲电压；以及一台控制用微型计算机48。
控制用微型计算机发出指令到振荡器使它产生一个具有某一频率的交变电压，超声波发动机就是在该频率上被驱动的。其时，将相位转换π弧度的信号输入到转换线路44A、44A′、45B和45B′内，这些转换线路就在这些时刻上进行转换。
现在以A相为例作一说明。将来自转换线路44A的电压输出施加到位在构成A相的堆积压电元件组2端面上的驱动电极A上，并将来自转换线路44A′的电压输出施加到驱动电极A′上。这些电压的电压差即为施加到堆积压电元件组2上的驱动电压。来自转换线路44A和44A′的电压输出被转换π弧度，于是施加到堆积压电元件组2上的驱动电压比起将驱动电极A′用作GND电位的线路安排(例如图17)能够大到两倍。这对B相同样适用。因为这个理由，第二实施例的供电电压能够做到仅为第一实施例的一半。
线圈46和47如果在控制上并不需要，可以省略。
图12所示的驱动机构(系统)采用一台在其内装有按照本发明的堆积压电元件组1的棒状超声波发动机。
这台棒状超声波发动机的基本结构基本上与图14所示现有技术的发动机相同，不同的是具有堆积压电元件组和嵌入到振动件内用来完成与外部线路连接的线路板。有一与超声波发动机的转子装成一体的齿轮f与齿轮传动机构G上的输入齿轮GI啮合，而机构G的输出齿轮GO则与夹持透镜L1用的透镜夹持件H上制成的齿轮HI啮合。透镜夹持件H用螺纹偶合到固定的筒体K上，并通过齿轮传动机构G被来自超声波发动机的驱动力驱动旋转，这样便可完成对焦操作。
如上所述，在上述实施例中，由于形成四个分隔电极膜，所以即使电压较低也能保证足够的驱动操作。当上述实施例之一被应用在棒状超声波件中时，便可提供一台精巧而又出力大的发动机。
由于采用柔性的印刷板或类似物嵌入来完成棒状超声波发动机和驱动线路之间的连接，所以能够保证振动件容易装配并具有高度的可靠性。
另外，四个以上的分隔电极膜的极化过程能够采用与四个分隔电极膜同样的极化操作来完成，只要在极化过程完成后把不需要的部分切除即可。
第三实施例图18为按照本发明的堆积压电元件组示出其第三实施例的分解透视图，而图19A至19F为构成图18所示的堆积压电元件组的压电陶瓷板在一个表面侧上形成的电极的平面图。
本实施例的堆积压电元件组是由如图19A至19F所示具有环状压电陶瓷的六个平面压电元件堆积而成，并且这些压电元件根据压电陶瓷板一侧表面上所形成的电极图样可以区分成三种不同型式。
在具有第一种电极图样的最上面的压电元件104上，有一在圆周方向上的长度为1/4波长(λ)、用来接地(GND)的GND电极114G，并且在该GND电极114G的两侧形成A相供电电极114A(114A(+)和114A(-))和S相供电电极114B(114B(+)和114B(-))。至于为什么设在内周边侧的供电电极114A(-)和114B(-)要比设在外周边侧的供电电极114A(+)和114B(-)短些是因为要将A相和B相在(+)方向上极化的部分(将在后面说明)安排在比在(-)方向上极化的部分离开GND电极114G更远的位置上。由于这些供电电极都有一端安排在GND电极114G的附近，因此能用紧凑的结构连接到一个要与驱动线路(未示出)连接的柔性印刷板130上，如图23所示。
具有第二种电极图样的压电元件为从上面数下来的第二压电元件102、第四压电元件102和第六(最下面的)压电元件103(图19B、19D和19F)。这些压电元件中的每一个元件在与最上面的压电元件104上的GND电极114G有关的位置上都有一个第一无电极部分115-1，该部分具有3/4波长(λ)的长度并有与GND电极114G相同的圆弧中心而且在该部分上没有形成电极，另外在与第一无电极部分115-1对称的位置上还都有一个长度为1/4波长(λ)并且其上没有形成电极的无电极部分115-2。在这两无电极部分之间在两边分别形成各有1/2波长的长度的A相正、负电极112A(+)(113A(+))和112A(-)(113A(-))及B相正、负电极112B(+)(113B(+))和112B(-)(113B(-))。
第二和第四压电元件102及第六(最下面的)压电元件103之间的差别在于连接线在接触电极时所要延伸通过的连接孔150被设置在位在第一(最上面的)压电元件104和最下面的压电元件103之间的第二和第四压电元件上，并且在这两元件的第一无电极部分上还设有用于电连接的连接线141所要延伸通过的连接孔150a。这些压电元件在其他方面的安排都相同。
具有第三种电极图样的压电元件为从上面数下来的第三和第五压电元件101(图19C和19E)。在其中每一个元件的全部上表面上都形成一个GND电极111G，并设有连接线142至145不与GND电极111G接触但要延伸通过的贯穿孔151，还设有连接线在与电极111G接触时所要延伸通过的一个贯穿孔152。
采用以上安排的六个压电元件101、102、103和104按照图19A至19F所示的相位安排被堆积在一起。连接线141与第一层的GND电极114G及第三和第五压电元件101的GND电极111G实行电连接，连接线142与第二、第四和第六压电元件102和103上的电极114B(-)、112B(-)和113B(-)实行电连接，连接线143与电极114B(+)、112B(+)和113B(+)电连接，连接线144与电极114A(-)、112A(-)和113A(-)电连接，以及连接线145与电极114B(-)、112B(+)和113B(+)电连接。
为了容易理解起见，在上面的说明中是通过连接线141至145来使堆积压电元件的电极实行电连接的。但在实际上，这些电连接是用贯穿孔来达到的。采用这种结构，并不需要将导线连接到每一其他层上，就是用导电漆涂敷在外边部分上形成突起物也可不要。
图20为一概略图用来表明图18所示的堆积压电陶瓷板的极化处理方法。
使所有极化处理用的接触销与最上面的压电元件104上的电极接触，并将对GND电极114G来说为正和为负的电压分别施加在A相和B相的正电极114A(+)和114B(+)上及A相和B相的负电极114A(-)和114B(-)上。在第三和第五压电元件101上的全表面电极111G是通过一个电连接到最上面的压电元件104上的GND电极114G上的贯穿孔(由图18中的连接线141代表)来施加极化电压的。并且，将第三和第五个压电元件夹在其间的第二、第四和第六压电元件上的正电极112A(+)、(113A(+))和112B(+)(113B(+))是通过电连接到最上面的压电元件104上的电极114A(+)和114B(+)上的贯穿孔(由图18中的连接线143和145代表)来施加极化处理电压的，而这些压电元件上的负电极112A(-)(113A(-))和112B(-)(113B(-))是通过电连接到最上面的压电元件104上的电极114A(-)和114B(-)上的贯穿孔(由图18中的连接线142和144代表)来施加极化处理电压的。
图21为一展开图(从电极114G的中央展开)用来表明堆积压电元件组110在接受图20所示的极化处理时的极化状态。图21中的箭头表示极化方向。
应注意到接受极化处理的压电元件(陶瓷板)为第二、第三、第四和第五压电元件(陶瓷板)。极化过程是从施加电位较GND电极111G高的电压的正电极112A(+)(113A(+))和112B(+)(113B(+))向着GND电极111G进行的，并且是从GND电极111G向着负电极112A(-)(113A(-))和112B(-)(113B(-))进行的。
因此，在一接受上述极化处理的堆积压电元件组110的最上面的压电元件104上，当将正电压施加在正供电电极114A(+)和114B(+)及GND电极114G之间时，与中间的压电元件(陶瓷板)的正电极112A(+)(113A(+))和112B(+)(113B(+))相应的部分便会在厚度方向上收缩。在另一方面，当将负电压施加在负供电电极114A(-)和114B(-)及GND电极114G之间时，与中间的压电元件(陶瓷板)的负电极112A(-)(113A(-))和112B(-)(113B(-))相应的部分便会在厚度方向上膨胀。因此，当将交变电压施加在这些供电电极上时，膨胀/收缩便会重复进行，由此激发振动。
在图23中，堆积压电元件组110用胶粘剂固定在环状振动弹性件120的下表面上，并有一个连接用的柔性板130粘结在第一压电元件104的供电电极上。柔性板130被连接到一个驱动线路(未示出)上，A相供电图样131A被连接到A相供电电极114A(+)和114A(-)上，B相供电图样131B被连接到B相供电电极114B(+)和114B(-)上，以及GND供电图样131G被连接到GND电极114G上。
当将具有相位差的交变电压从一驱动线路(未示出)输入到在A相供电图样另一端侧的终端部132A及在B相供电图样另一端侧的终端部132B时，由于A相和B相在其间存在着1/4的位置相位差，于是在振动弹性件120的驱动面上的表面质点便形成椭圆运动。因此，当用堆积压电元件组110构成一个振动件，并用振动弹性件作为定子，使一个转子(未画出)与振动弹性件的驱动面加压接触，该振动件就能用在一台能使转子转动的超声波发动机内。在另一方面，当一片状物如纸片与振动弹性件120的驱动面加压接触时，振动件就能用作纸张输送器。另外，当堆积压电元件组和振动弹性件被制成细长的椭圆形并且该椭圆形的一个直线部分与一轨道状定子(未画出)加压接触时，该振动件能被用在一个线性驱动机构内。在这种方式下，振动件能够用在各种振动波驱动机构内。
采用图20所示的极化处理方法时，须使不同的接触销与A相和B相的正、负电极接触并将具有相同电位的电压施加在其上。作为替代方式，如图22所示，可将最上面的压电元件104上的正供电电极114A(+)和114B(+)预先连接在一起，并将负供电电极114A(-)和114B(-)预先连接在一起，这样就可减少要连接的接触销的数目。在极化工艺完成后，切去连接的连接部114C和114D，就能得到与图18所示相同的堆积压电元件组。
图18所示的堆积压电元件组110内没有设置检测振动状态用的传感相。如图24B所示，可将一个具有1/4波长宽度的传感电极112S安排在第一无电极部分115-1上使它不与连接孔150a接触，并在最上面的压电元件104上形成一个通过贯穿孔电连接到传感电极112S上的电极114S。
因此，在极化过程中当将正或负的电压施加在电极114S上，传感器的极化过程便可在电极114S与在第三压电元件101上的电极111G之间进行。如果使电极114S通过外周边部与另一个供电电极例如供电电极114A(+)连接，可以不必为传感器另外接线就可进行极化过程。
在连接到驱动用的驱动线路上的柔性印刷板130上安排着一个不与GND供电图样131G接触的S相供电图样131S，如图25所示。
第四实施例图26A至26F示出第四实施例。
本实施例的堆积压电元件组和图19A至19F所示的实施例一样是由六个压电元件(陶瓷板)构成的。与第三实施例的安排不同之点是在图26B、26D和26F所示的第二、第四和第六压电元件中的每一个元件的一个表面的整个周边上按照1/4波长的间隔形成多个电极。由于A相的正电极112A(+)(113A(+))和负电极112A(-)(113A(-))及B相的正电极112B(+)(113B(+))和负电极112B(-)(113B(-))交替安排，因此就整体言A相和B相的间隔为1/4波长。
因此，由于每一压电元件(陶瓷板)都能利用其整个周边，可用比第三实施例低的电压来得到相同的输出。
在本实施例中，如上所述，由于A相和B相电极被交替安排在第二、第四和第六压电元件中每一个的整个周边上，安排在最上层以便极化和供电的第一压电元件上形成的供电电极被安排成四个内、外周边的同心部分，并且能够象第三实施例那样连接到第二及随后的压电元件的贯穿孔上。
这些供电电极114A(+)、114A(-)、114B(+)和114B(-)中每一个电极的一端都被安排在GND电极114G的附近，如同第三实施例一样，这种结构可使同时与一柔性印刷板连接变得容易进行。
请注意检测振动状态用的电极可以安排在第二压电元件的一个部分上，如图24A至24F所示。
第五实施例图27A至27F示出第五实施例。
在本实施例中，如图27B、27D和27F所示，在第二、第四和第六压电元件102和103的整个周边上也是象图26A至26F所示的第四实施例那样按1/4波长的间隔形成多个电极。但在图27C和27E所示的第三和第五压电元件106上同样按1/4波长的间隔交替形成GND电极116A和116B以便在位置上分别与在第三和第五压电元件上面和下面的压电元件102和103上的A相和B相同相位。在另一个方面，在最上面的(第一)压电元件上共形成六个同心部分的极化和供电电极，并且两个在内周边侧的供电电极114AG和114BG通过贯穿孔被连接到第三和第五压电元件上的电极上如同上面两个实施例那样。更具体地说，供电电极114AG通过贯穿孔与A相的GND电极连接，而供电电极114BG通过贯穿孔与B相的GND电极连接。另外供电电极114A(+)、114A(-)、114B(+)和114B(-)分别通过贯穿孔与第二、第四和第六压电元件102和103上具有相同相位和相同极性的电极112B(+)(113B(+))和112B(-)(113B(-))连接。
具有上述结构的堆积压电元件组的极化处理方法基本上与上述第三实施例相同，惟一不同的是安排了两个GND供电电极114AG和114BG。当将中间电位供应到这两个GND供电电极上时，中间电位便被施加到第三和第五压电元件106上的电极116A和116B上。
当将来自驱动线路(未示出)的正电压施加到供电电极(114A(+)和114B(+)上并将来自驱动线路的负电压施加到供电电极114A(-)和114B(-)上时，正、负电压就分别施加到第二、第四和第六压电元件102和103上的正、负电极上。图28示出这种堆积压电元件组的极化状态。
连接到这种压电元件组的供电电极上的柔性板被设计成如图29所示那样，使供电图样131A′连接到GND电极141AG上，并使供电图样131B′连接到GND电极114BG上。这两供电图样131A′和131B′通过终端部分132A′和132B′接受来自驱动线路(未示出)的驱动电压，情况如下。
更具体地说，施加在与供电电极114A(+)和114A(-)电连接的终端部分132A上及与供电电极114B(+)和114B(-)电连接的终端部分132B上的两个驱动交变电压之间的相位差为+90度或-90度，但跨越终端部分132A和132A′及跨越终端部分132B和132B′的两个驱动交变电压之间的相位差就变为180度。由于这个原故，一个两倍于上述第三和第四实施例的电压就被施加到夹在GND电极116A和116B及电极112A(+)(113A(+))、112A(-)(113A(-)、112B(+)(113B(+))和112B(-)(113B(-))之间的第二、第三、第四和第五压电元件(陶瓷板)上。因此能够实现用一还要低的电压来进行驱动工作。
为了减少在进行极化处理时的接线数，电极114A(+)和114B(+)、114A(-)和114B(-)及114AG和114BG可以通过不用的部分连接起来，然后如同第三和第四实施例那样，这些连接部分可在极化工艺完成后加以切除。或者另一种办法，如同第四实施例那样，用来检测振动状态的电极可以分开安排在第一和第二层上。
图30示出一个采用超声波发动机作为驱动力源的镜头筒，该发动机可应用上述各实施例中任一种的堆积压电元件组。
振动件1100是由一个堆积压电元件组110连接到一个例如图23所示的弹性件上构成的。振动件1100通过一个压缩弹簧1101与一停止件1102接触。成为环状转子的输出件1103通过一个摩擦件1104与振动件1100的驱动面加压接触。有一滚轮1105与一对焦链1106偶合并可环绕光学轴线转动使对焦透镜L在光学轴线方向上移动。滚轮1105通过摩擦力与超声波发动机上的输出件1103和一个手动输出环1108接触，该手动输出环在与一个手动对焦环1107偶合后可环绕光学轴线转动，而该手动对焦环可在光学轴线上移动以便在手动对焦环1107不再与手动输出环1108偶合，在输出件1103转动时滚轮1105可有差别地转动使对焦链1106转动，从而可通过超声波发动机驱动对焦透镜来完成对焦操作。当手动对焦环1107与手动输出环1108偶合时，如果转动手动对焦环1107，那么对焦透镜L也可在滚轮1105有差别的转动下被对焦链1106相似地移动，这样便可完成手动对焦操作。
在上述第三至第五实施例的每一实施例中，堆积压电元件组都是由六个压电元件(陶瓷板)堆积而成的。但本发明并不限定这样做。另外，在作为中间层的压电元件上所形成的电极的数目可根据所需行波的波数来决定。
如上所述，按照上述第三至第五实施例的每一实施例的堆积压电元件组都能在综合具有一个或多个波数的驻波时形成一个行波，并能减少进行极化处理和驱动用的供电操作所需接线的数目。
由于各该层上的电极都是通过贯穿孔连接的，因此将导线连接到每一其他层的操作便可省略，即或用导电漆涂敷在外边部分上形成突起物也可不要。
另外，由于极化处理和驱动用的供电操作只需用最上层的压电元件上形成的电极便可完成，因此接线的数目能够降低。
在另一方面，就与驱动线路的连接而言，由于供电电极都集中在一个单层上，因此用于连接的柔性板的连接部分面积便可减少，这样便可减少制造费用并可抑制由于印刷板用树脂而引起的振动衰减。因此，采用这种压电元件组的振动波驱动机构例如振动波发动机的驱动效率便可提高。
当然，由于能够将传感相设在这种堆积压电元件组上，因此振动波驱动机构的驱动控制能够做到高度精确。
由于堆积压电元件组在其最下层的外表面上未设电极，因此当将堆积压电元件组连结到振动弹性件上时最下面的压电元件能用胶粘剂粘结到弹性件上。因此，与现有技术不同，不需将导电漆涂敷在压电元件(陶瓷板)的侧表面上以便使在结合表面侧形成的全表面电极与驱动线路的GND侧的连接容易进行。
权利要求
1.一种振动致动器，该器具有一个振动件；以及用来使所说振动件振动的多个电-机械能量转换元件，所说多个电-机械能量转换元件包括多个各有至少四个分隔电极的第一能量转换元件，所说多个第一能量转换元件被堆积在一起，并且所说各该能量转换元件上的在同一相位上的电极都连接在所说能量转换元件的一个区域内以便获得电连接。
2.按照权利要求1的致动器，其特征在于，电极只是在所说多个第一能量转换元件中的每一个元件的一个表面上形成，并且所说多个第一能量转换元件在堆积时均以其形成电极的一面朝向一个方向。
3.按照权利要求1的致动器，其特征在于，所说多个电-机械能量转换元件在堆积状态下粘结一起并实质上成为一块。
4.按照权利要求1的致动器，其特征在于，所说多个电-机械能量转换元件在堆积状态下粘结在一起并实质上成为一块。
5.按照权利要求1的致动器，其特征在于，该器还具有一个机械-电能量转换元件堆积在所说多个电-机械能量转换元件上。
6.按照权利要求5的致动器，其特征在于，所说多个电-机械能量转换元件及所说机械-电能量转换元件在堆积状态下粘结在一起并实质上成为一块。
7.按照权利要求2的致动器，其特征在于，所说多个电-机械能量转换元件中有一具有未分隔电极的第二能量转换元件，所说第二能量转换元件被堆积在所说多个第一能量转换元件之间，并且所说第二能量转换元件具有一个尺寸可以覆盖所说多个第一能量转换元件中每一个元件的所说至少四个分隔的电极。
8.按照权利要求1的致动器，其特征在于，所说多个第一能量转换元件至少被极化成具有不同电位的两组。
9.按照权利要求8的致动器，其特征在于，用于极化的连接区域在极化后被切除。
10.按照权利要求1的致动器，其特征在于，所说多个电-机械能量转换元件中每一个元件都是空心的环状，并与棒状的所说振动件接触。
11.按照权利要求3的致动器，其特征在于，所说多个电-机械能量转换元件中每一个元件都是空心的环状，并与棒状的所说振动件接触。
12.按照权利要求1的致动器，其特征在于，该器还具有一个安排在所说多个电-机械能量转换元件和所说振动件之间的线路板，所说线路板具有分隔电极的区域用来将电位施加到所说多个第一能量转换元件的电极上。
13.按照权利要求1的致动器，其特征在于，该器还具有一个与所说振动件接触的接触件，振动件和所说接触件由于在所说振动件内产生的振动可以相对移动。
14.按照权利要求1的致动器，其特征在于，所说多个第一能量转换元件上具有相同相位的电极通过贯穿孔连接在一起。
15.按照权利要求1的致动器，其特征在于，有一具有移动机构的设备采用所说振动致动器作为驱动力源。
16.按照权利要求15的致动器，其特征在于，所说借助于所说振动致动器用来移动一个可动透镜的设备为一镜头筒。
17.按照权利要求1的致动器，其特征在于，该器还具有供电设施用来将电位施加到所说多个第一能量转换元件上。
18.按照权利要求7的致动器，其特征在于，所说多个第一能量转换元件至少被极化成具有不同电位的两组。
19.按照权利要求18的致动器，其特征在于，有一具有移动机构的设备采用所说振动致动器作为驱动力源。
20.按照权利要求18的致动器，其特征在于，所说多个第一能量转换元件由于在厚度方向上的收缩和膨胀因而在圆周方向上激发出多个具有一个波长(λ)的驻波，并且所说电极按照相当于1/4波长奇数倍的间隔安排在所说圆周方向上。
21.按照权利要求20的致动器，其特征在于，在所说多个第一能量转换元件中至少一个元件上的几个电极基本上被集中在一个部分上。
22.按照权利要求20的致动器，其特征在于，有一具有移动机构的设备采用所说振动致动器作为驱动力源。
全文摘要
一种振动致动器包括一个振动件以及用来使振动件振动的多个电-机械能量转换元件。电-机械能量转换元件包括多个各有至少四个分隔电极的第一能量转换元件。第一能量转换元件被堆积在一起，并且每个能量转换元件上的在同一相位上的电极都连接在能量转换元件的区域内以便获得电连接。
文档编号H01L41/09GK1108971SQ94119220
公开日1995年9月27日 申请日期1994年12月27日 优先权日1993年12月27日
发明者小岛信行, 奥村一郎, 丸山裕 申请人:佳能株式会社