JP2000201486A

JP2000201486A - 超音波モ―タおよびこの超音波モ―タを用いた電子機器

Info

Publication number: JP2000201486A
Application number: JP11001376A
Authority: JP
Inventors: Masao Kasuga; 政雄春日; Makoto Suzuki; 鈴木　　誠; Akihiro Iino; 朗弘飯野
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1999-01-06
Filing date: 1999-01-06
Publication date: 2000-07-18

Abstract

(57)【要約】【課題】接着による弊害を除去すると共に薄型化する
こと。【解決手段】この超音波モータ１００は、ベース基板
１と、ベース基板１に垂設した軸２とを有する。軸２に
は、振動体３が固定されている。振動体３は、２枚の圧
電素子３１を積層接着した構造である。振動体３の上面
には、圧電素子３１に対して突起３２が直接設けられて
いる。突起３２を圧電素子４３１に直接設けることで、
接着層の影響を除去できる。軸２の上端には、軸受け部
材５１を介して移動体５が回転自在に支持されており、
その下面が突起３２に接触する。移動体５の上面には、
ピポット５２が形成されている。ピポット５２は、加圧
バネ６により加圧され、移動体５を振動体３側に付勢し
ている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、圧電素子の振動
を突起を介して一方向の運動に変換するものであって、
弾性体と圧電素子との接着による弊害を除去すると共に
薄型にできる超音波モータおよびこの超音波モータを用
いた電子機器に関する。

【０００２】

【従来の技術】図７は、従来の超音波モータを示す組立
図である。この超音波モータ５００は、弾性体５０１の
下面に圧電素子５０２を接着した振動体５０３と、振動
体５０３の上面に均等に設けた突起５０４と、この突起
５０４と接触するように配置した移動体５０５と、振動
体５０３を固定し移動体５０５を回転可能に支持する軸
５０６と、移動体５０５を付勢する加圧バネ５０７とか
ら構成されている。圧電素子５０２には分極処理が施さ
れ、圧電素子リードを介して電源５０８に接続されてい
る。図８は、振動体の分極状態を示す平面図である。こ
の振動体５０３では、１２分割するように電極５０９を
形成し、２つの電極５０９毎に正極と負極とを交互に並
べている。突起５０４は、隣接する正極同士の中間位
置、隣接する負極同士の中間位置にそれぞれ設けられて
いる。

【０００３】図９は、振動体５０３の振動状態を示す説
明図である。同図（ａ）に示すように、２枚一組になっ
た電極５０９の一方（図８に斜線で示した電極）にパル
ス電圧を印加すると、振動体５０３に振動が発生する。
このとき、前記突起５０４は、振動の腹と節との丁度中
間に位置するから、突起５０４が振動することによって
当該突起５０４の先端が図中矢印Ａの方向に運動する。
このような運動をする突起５０４先端が移動体５０５に
接触すると、その回転方向の駆動成分が伝搬し、当該移
動体５０５が図中矢印方向Ｒに回転することになる。同
図（ｂ）に示すように、他方の電極５０９（図８に斜線
なしで示した電極）にパルス電圧を印加しても前記振動
体５０３が振動するが、この場合、突起５０４の先端は
同図（ａ）と異なり、図中矢印Ｂの方向に運動する。こ
のような運動をする突起５０４先端が移動体５０５に接
触すると、その回転方向の駆動成分が伝搬し、当該移動
体５０５が図中矢印Ｌ方向（（ａ）とは逆方向）に回転
することになる。

【０００４】また、移動体５０５の移動量を大きくする
ためには、圧電素子５０３の変位量を大きくする必要が
あるが、圧電素子５０３それ自体の変位が非常に小さ
い。このため、大きな変位を得るべく圧電素子５０３を
積層して使用している。これは、超音波モータに限ら
ず、一般の圧電アクチュエータについても同様である。
図１０に、その一例を示す。係る積層型の圧電アクチュ
エータ６００は、板状の圧電板６０１を薄い電極６０２
で挟んで積層した構造をしている。この圧電アクチュエ
ータ６００は、両面に分極処理を施した圧電板６０１を
積層し、各圧電板６０１の間に電極６０２を介在させた
ものである。電極６０２は、一層おきに電気的に並列接
続されている。これにより、高さ方向に大きな変位を得
ることができる。

【０００５】このような積層型の圧電体を用いた超音波
モータとしては、特開平４−９１６６６号公報に記載の
ものが知られている。図１１は、当該公報に開示された
超音波モータ７００を示す断面図である。この超音波モ
ータ７００は、振動体７０１と押さえ板７０２との間に
板状の圧電素子７０３を積層配置した構成である。振動
体７０３の中心軸にはボルト７０４が螺合しており、そ
の先端にはバネ７０５が取り付けられている。このバネ
７０５はバネポスト７０６に固定され、バネポスト７０
６はベアリング７０７を介して移動体７０８に固定され
ている。移動体７０８はバネ７０５によって付勢され、
振動体７０３に押し付けられている。また、積層した各
圧電素子７０３は、バネ７０５の加圧力により積層維持
される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の超音波モー
タ５００では、弾性体５０１と圧電素子５０２とを接着
剤を用いて接着するようにしている。このため、この超
音波モータ５００には、次のような問題点があった。（１）接着層の影響で振動特性が低下する。（２）性能のバラツキが大きくなる。（３）高温高湿条件下で接着層が剥離する。（４）単板の薄い圧電素子を用いているため、割れが発
生する。また、上記超音波モータ７００のように、ボルト止めす
ることにより圧電素子７０３を積層する場合、振動体７
０１および押さえ体７０２が円柱形状にならざるを得
ず、それだけモータの厚みが大きくなるという問題点が
あった。通常、超音波モータ７００は小形の電子機器に
用いることが多く、超音波モータ７００の厚み増大は製
品設計に大きな制約を与える。

【０００７】そこで、この発明は、上記に鑑みてなされ
たものであって、上記接着による弊害を除去すると共に
薄型の超音波モータおよびこの超音波モータを用いた電
子機器を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、請求項１に係る超音波モータは、分極処理を施し
た圧電素子を積層して焼結すると共に最上層の圧電素子
表面に突起を直接設けることで振動体を形成し、この振
動体上に移動体を載置し移動体の裏面が突起と接触する
ようにしたものである。

【０００９】圧電素子同士は焼結により積層されるか
ら、圧電素子間には接着剤による層が存在しない。ま
た、従来のような弾性体を用いず、圧電素子に直接突起
を設けている。圧電素子と弾性体とは、接着剤により接
合されることが殆どであったが、この発明では係る弾性
体を設けないため、接着剤による層が存在しない。従っ
て、弾性体との間に介在する接着層の悪影響を除去でき
る。また、最上層の圧電素子に突起を設けているが、こ
の両者の接合は接着剤による接着であっても構わない。
突起の面積は圧電素子の面積に比べて非常に小さいか
ら、接着剤により接着しても接着層の悪影響を問題がな
い程度に抑えることができるからである。

【００１０】前記圧電素子には分極処理が施されてお
り、電極に所定周波数の電圧を印加すると、定在波振動
が発生する。突起は、波の腹と節とに設けられていない
限りその先端が楕円運動をするから、この突起先端と移
動体とが接触することにより移動体を移動させることが
できる。また、この発明では、圧電素子を積層した構造
とし、従来のような弾性体を用いないから、積層した圧
電素子の全てに圧電効果を与えた場合には、それだけ大
きな変位を得ることができるし、弾性体を用いない分、
超音波モータを薄型化することができる。

【００１１】また、請求項２に係る超音波モータは、上
記超音波モータにおいて、最上層の圧電素子と前記突起
とを一体成形したものである。圧電素子と突起とを一体
成形すれば、この両者間に接合界面が存在しなくなるか
ら、接着剤による悪影響を除去できる。一体成形する手
段としては、例えばエッチング、印刷法、射出成形法な
どが挙げられる。

【００１２】また、請求項３に係る超音波モータは、上
記超音波モータにおいて、前記積層焼結した圧電素子を
モールド成形することで前記突起を形成したものであ
る。突起をモールド成形するようにしても接着剤による
層の影響を除去できる。積層した圧電素子を金型内に入
れて、ペーストを注入することで突起を成形する。材料
は、樹脂、金属のいずれでもよい。なお、金属の場合
は、バインダを飛ばす過程が必要である。

【００１３】また、上記超音波モータにおいて、積層し
た各圧電素子による波が互いに同位相になるように電極
を形成すれば、大きな変位を得ることができる（請求項
４）。更に、波の位相がずれるように電極を形成する場
合、移動体の進行方向を切り替えることができる（請求
項５）。

【００１４】また、請求項６に係る電子機器は、上記超
音波モータを内蔵し、圧電素子が機器内部に設けた電源
から電極供給を受けると共に制御部により圧電素子の駆
動制御を行うようにしたものである。

【００１５】上記超音波モータは、その構造上から薄型
化できるので、特に携帯電子機器などに用いても厚さ方
向のスペースをとらない。このため、電子機器自体を薄
型化できる。また、接着層の悪影響を除去するようにし
たので、電子機器の信頼性を向上させることができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、この発明につき図面を参照
しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこ
の発明が限定されるものではない。

【００１７】実施の形態１．図１は、この発明の実施の
形態１に係る超音波モータの断面図である。この超音波
モータ１００は、超音波モータユニットを構成するベー
ス基板１と、ベース基板１に垂設した軸２とを有する。
この軸２には、振動体３が固定されている。振動体３
は、２枚の圧電素子３１を積層した構造である。圧電素
子３１の分極形態は、後述する。振動体３の上面には、
圧電素子３１に対して突起３２が直接設けられている。
軸２の上端には、軸受け部材５１を介して移動体５が回
転自在に支持されており、その下面が突起３２に接触す
る。移動体５の上面には、ピボット５２が形成されてい
る。ピボット５２は、加圧バネ６により加圧され、移動
体５を振動体３側に付勢している。加圧バネ６は、超音
波モータユニット（図示省略）に固定される。符号７
は、圧電素子３１に形成した電極に接続したワイヤであ
る。

【００１８】図２は、振動体を構成する圧電素子の分極
状態と突起の配置を示す平面図および断面図である。振
動体３は、２枚の圧電素子３１ａ、３１ｂから構成さ
れ、第１層の圧電素子３１ａには、その表面に突起３２
が接着されており（同図（ａ））、その裏全面に電極
（ＧＮＤ）４１が形成されている（同図（ｂ））。突起
３２には、金属材料を用いる。また、第２層の圧電素子
３１ｂの裏面には、１２分割した電極４２が分極形成さ
れている（同図（ｃ））。電極４２は、正極と負極とを
２つごと交互に並べている。電極４１、４２は、金属ペ
ーストをスクリーン印刷し、焼き付けることで形成す
る。第１層の圧電素子３１ａと第２層の圧電素子３１ｂ
とは、焼結により一体化する。焼結は、５０℃〜１００
℃の温度で加熱加圧した後、１０００℃〜１３００℃の
範囲で加熱することにより行う。この焼結工程にて、金
属ペーストのバインダを飛ばし、圧電素子３１ａと圧電
素子３１ｂとを一体化する（同図（ｄ））。また、前記
突起３２は、同図に示すように、隣接する正極同士の中
間、隣接する負極同士の中間にそれぞれ位置する。な
お、前記突起３２は、フォトエッチング工程によって前
記第１層の圧電素子３１ａと一体に形成するようにして
もよい。

【００１９】この超音波モータ１００の駆動方法は、上
記従来と同様であるので説明を省略する。この振動体３
の構成では第１層の圧電素子３１ａに圧電効果を与えて
いないが、圧電素子３１ａを積層することにより振動体
３の強度を高めることができる。また、弾性体を用いな
いことによって当該弾性体と圧電素子との接着層に起因
した弊害を防止できる。更に、突起３２を圧電素子３１
ａに直接設けたので、超音波モータ１００を薄型化でき
る。

【００２０】実施の形態２．この実施の形態２に係る超
音波モータは、実施の形態１に係る超音波モータと略同
一の構成であるが、超音波モータを構成する振動体の分
極処理形態が異なる。以下、この異なる点を中心に説明
し、略同一の構成については図示および説明を省略す
る。図３は、この発明の実施の形態２に係る超音波モー
タの振動体を示す平面図および断面図である。第１層の
圧電素子３１ａの表面には、６分割した電極４３が分極
形成されている（同図（ａ））。また、突起３２は、隣
接する電極同士の間に６個設けられている。第１層の圧
電素子３１ａの裏面には、その全面に電極（ＧＮＤ）４
４が形成されている（同図（ｂ））。

【００２１】第２層の圧電素子３１ｂの裏面にも、６分
割した電極４５が分極形成されている。第２層の圧電素
子３１ｂの表面には、電極は形成されていない。この第
２層の圧電素子３１ｂに係る電極４５と、第１層の圧電
素子３１ａに係る電極４３とは、円周方向にずれて配置
されている。この位相ずれは、振動体３に発生する振動
波の１／４波長分となる。このような電極配置により第
１層の圧電素子３１ａと第２層の圧電素子３１ｂとを焼
結する（同図（ｄ））。

【００２２】第１層の圧電素子３１ａと第２層の圧電素
子３１ｂとに同位相の電圧を印加すると、第１層の圧電
素子３１ａによる定在波と第２層の圧電素３１ｂ子の定
在波とが重なった波を発生させる。突起３２は、この波
の腹と節との丁度中間に位置するから、１つおきに３つ
の突起先端が楕円運動しつつ移動体５に接触する。これ
により、移動体５が一方向に移動する。つぎに、第１層
の圧電素子３１ａと第２層の圧電素子３１ｂとに逆位相
の電圧を印加すると、第１層の圧電素子３１ａによる定
在波と第２層の圧電素子３１ｂによる定在波とが重なっ
た波を発生する。この波は、前記同位相のときの波に対
して位相が１／４波長ずれたものとなる。このため、突
起３２が逆方向の楕円運動をしつつ移動体５に接触す
る。これにより、移動体５が前記方向とは逆方向に移動
する。

【００２３】従って、この超音波モータは、実施の形態
１に係る超音波モータと実質的に同一の機能を有するこ
とになるが、２枚の圧電素子３１ａ、３１ｂの圧電効果
を利用している分、大きな変位が得られる。このため、
移動体５の移動量が大きくなる。

【００２４】実施の形態３．この実施の形態３に係る超
音波モータは、圧電素子を３層に重ねた構造であり、そ
の第１層の圧電素子と第３層の圧電素子に電極を形成し
た構成である。以下、この異なる点を中心に説明し、略
同一の構成については図示および説明を省略する。図４
は、実施の形態３に係る超音波モータの振動体を示す平
面図および断面図である。第１層の圧電素子３１ａの表
面には、その全体に電極（ＧＮＤ）４６が形成されてい
る。また、当該表面には、６個の突起３２が接合されて
いる（同図（ａ））。一方、第１層の圧電素子３１ａの
裏面には、１２分割した電極４７が分極形成されている
（同図（ｂ））。電極４７は、正極と負極とを２つごと
交互に並んでいる。前記突起３２は、隣接する正極同士
の中間、隣接する負極同士の中間にそれぞれ位置する。

【００２５】つぎに、第２層の圧電素子３１ｂの表面に
は、電極が形成されておらず、裏面の全部に電極（ＧＮ
Ｄ）４８が形成されている（同図（ｃ））。また、第３
層の圧電素子３１ｃの表面にも電極が形成されておら
ず、その裏面に１２分割した電極４９が分極形成されて
いる（同図（ｄ））。電極４９は、上記同様、正極と負
極とを２つごと交互に並んでいる。第１層〜第３層まで
の圧電素子３１ａ〜３１ｃを積層焼結し、振動体３を一
体化する（同図（ｅ））。

【００２６】この超音波モータの動作は、実施の形態１
の場合と同様であるが、電極数が２倍になるため、大き
な変位を得ることができる。このため、移動体５の移動
量およびトルクを大きくできる。この実施の形態３では
圧電素子３１を３層構造とし、第１層および第３層の圧
電素子３１ａ、３１ｃの裏面に分極処理を施したが、積
層数はこれに限られない。例えば圧電素子３１を５層構
造にして第１層、第３層および第５層の裏面に分極処理
を施してもよい。

【００２７】実施の形態４．図５は、この発明の実施の
形態４に係る超音波モータの振動体を示す平面図および
断面図である。この実施の形態４に係る超音波モータで
は、突起３２を圧電素子３１に接着するのではなく、エ
ンジニアリングプラスチックにより圧電素子３１に固着
した構造である。突起３２は、３枚の圧電素子３１を積
層焼結した後、この圧電素子３１を金型（図示省略）内
にセットし、アウトサート成形することによって設け
る。同図に示すように、振動体３の軸受け穴内面３３を
エンジニアリングプラスチックにより被覆すると共に第
１層の圧電素子３１ａの上面まで展開し、その周縁に突
起３２を形成する。

【００２８】また、ＭＩＭなどの成形法により金属材料
の突起を形成してもよい。圧電素子３１の分極構造につ
いては、実施の形態３と同様であるから説明を省略す
る。この構成であれば、突起３２を接着する必要がない
ので、更に接着層の影響を受けることがなくなる。

【００２９】実施の形態５．図６は、超音波モータの応
用例を示す説明図である。腕時計の音によるアラームは
便利であるが、アラームが気になったり、周囲が迷惑し
たりすることがある。そこで、この超音波モータ１００
を振動アラームとしてムーブメント２００に組み込むこ
とで、音を気にせず、時刻を知らせるようにする。電源
は、クオーツ発振器に電力を供給する酸化銀電池２０１
から得る。また、振動アラームとして用いるにあたり、
移動体には偏心重錘を設ける必要がある。移動体が回転
すると、この偏心重錘によって振動が発生する。

【００３０】また、携帯電子機器では、近年、携帯電話
やＰＨＳの呼出音による公害が顕著になってきた（図示
省略）。そこで、この超音波モータを振動アラームとし
て用いれば、携帯電話のサイズ増大を招くことなく、ユ
ーザを呼び出すことができる。また、振動アラームのみ
ならず、電子時計の指針駆動用途として電磁型のステッ
ピングモータに代えて上記超音波モータを用いることも
できる。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、この発明の超音波
モータ（請求項１）によれば、焼結積層した圧電素子の
最上層面に突起を直接設けるから、接着剤による層の悪
影響を除去できる。また、弾性体を用いない分、超音波
モータを薄型化できる。

【００３２】つぎに、この発明の超音波モータ（請求項
２）では、圧電素子と突起とを一体成形するので、接着
層の悪影響を除去できる。

【００３３】つぎに、この発明の超音波モータ（請求項
３）では、積層焼結した圧電素子をモールド成形するこ
とで前記突起を形成するので、接着剤を使用せず突起を
設けることができる。このため、接着剤による層の悪影
響を除去できる。

【００３４】つぎに、この発明の超音波モータ（請求項
４）では、積層した各圧電素子による波が互いに同位相
になるように電極を形成することで、大きな変位を得る
ことができる。更に、この発明の超音波モータ（請求項
５）では、波の位相がずれるように電極を形成すること
で、移動体の進行方向を容易に切り替えることができ
る。

【００３５】つぎに、この発明の電子機器（請求項６）
では、上記超音波モータを用いるから電子機器自体を薄
型化することができ、且つ電子機器の信頼性を向上させ
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態１に係る超音波モータの
断面図である。

【図２】振動体を構成する圧電素子の分極状態と突起の
配置を示す平面図および断面図である。

【図３】この発明の実施の形態２に係る超音波モータの
振動体を示す平面図および断面図である。

【図４】この発明の実施の形態３に係る超音波モータの
振動体を示す平面図および断面図である。

【図５】この発明の実施の形態４に係る超音波モータの
振動体を示す平面図および断面図である。

【図６】超音波モータの応用例を示す説明図である。

【図７】従来の超音波モータを示す組立図である。

【図８】図７に示した振動体の分極状態を示す平面図で
ある。

【図９】図７に示した振動体の振動状態を示す説明図で
ある。

【図１０】積層型の圧電アクチュエータを示す構成図で
ある。

【図１１】特開平４−９１６６６号公報に記載の超音波
モータを示す断面図である。

【符号の説明】

１００超音波モータ１ベース基板２軸３振動体３１圧電素子３２突起４１〜４９電極５移動体５１軸受け部材５２ピポット６加圧バネ７ワイヤ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者飯野朗弘千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地セイコーインスツルメンツ株式会社内Ｆターム(参考） 5H680 AA19 BB16 BC02 CC02 CC06 DD02 DD22 DD23 DD27 DD73 DD92 DD95 DD98 EE01 FF08 FF20 FF27

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】分極処理を施した圧電素子を積層して焼
結すると共に最上層の圧電素子表面に突起を直接設ける
ことで振動体を形成し、この振動体上に移動体を載置し
移動体の裏面が突起と接触するようにしたことを特徴と
する超音波モータ。
【請求項２】最上層の圧電素子と前記突起とを一体成
形したことを特徴とする請求項１に記載の超音波モー
タ。
【請求項３】前記積層焼結した圧電素子をモールド成
形することで前記突起を形成したことを特徴とする請求
項１に記載の超音波モータ。
【請求項４】前記積層した各圧電素子による振動波が
互いに同位相になるように前記電極を形成したことを特
徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の超音波モ
ータ。
【請求項５】前記積層した各圧電素子による振動波の
位相がずれるように前記電極を形成したことを特徴とす
る請求項１〜３のいずれか一つに記載の超音波モータ。
【請求項６】上記請求項１〜５に記載の超音波モータ
を内蔵し、圧電素子が機器内部に設けた電源から電極供
給を受けると共に制御部により圧電素子の駆動制御を行
うようにしたことを特徴とする電子機器。