JP2005333749A - 超音波振動子及びそれを用いた超音波モータ - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で超音波モータの駆動時における騒音の発生を防止することのできる超音波振動子及びそれを用いた超音波モータを提供する。
【解決手段】本発明の超音波振動子１は、圧電体積層部２と、被駆動体である移動台１１と接触し駆動点として働く摩擦接触部４と、発生する振動の節位置に設けられた突起部であるピン５とを少なくとも有し、前記圧電体積層部２の外部電極３に交番電圧を印加することにより前記摩擦接触部４に超音波楕円振動を発生するものであって、前記ピン４は樹脂部材、例えばポリエーテルエーテルケトンで形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波振動子及びそれを用いた超音波モータに関する。

従来の超音波モータとしては、例えば本件出願人の提案による特開平７−１６３１６２号公報に開示された超音波モータが知られている。

前記特開平７−１６３１６２号公報の提案による超音波モータは、超音波振動子を有し、この超音波振動子は、前記特開平７−１６３１６２号公報明細書中の図２１に示されるように、薄い矩形状の第１及び第２の圧電板１１が複数枚積層されたもので、第１の圧電板１１には一対の内部電極１７ａが印刷され、第２の圧電板１１には一対の内部電極１７ｂが印刷され、これら第１の圧電板１１及び第２の圧電板１１が交互に積層された構造を有している。

また、前記超音波振動子は、積層された圧電体１１の積層の最初と最後には絶縁体としての内部電極を施してない圧電板１２、１４が積層されている。
前記内部電極１７ａは、超音波振動子の側面にまで延びて形成され、また、前記内部電極１７ｂは、超音波振動子の上面にまで延びて形成されている。
前記圧電体１１は、チタン酸ジルコン酸鉛（以下、ＰＺＴと称す）のグリーンシートに内部電極１７ａ，１７ｂを印刷した上で位置決めされ、積層された後、焼成されることにより、圧電体積層部として形成している。

前記圧電体積層部は、前記特開平７−１６３１６２号公報明細書中の図１８に示されるように、その後、外部電極１４が、圧電体積層部における超音波振動子の内部電極１７ａ，１７ｂが露出した位置（正極として超音波振動子上面２ヶ所及び負極として超音波振動子側面２ヶ所）に設けられている。その後、前記圧電体積層部は、上面左の外部電極と左側面の外部電極がＡ相を構成している。また、前記圧電体積層部は、上面右の外部電極と右側面の外部電極がＢ相を構成している。

そして、前記圧電体積層部は、外部電極Ａ相、Ｂ相に各々ＤＣ電圧を印加し分極処理される。その後、前記圧電体積層部は、超音波振動子下面の屈曲振動の振幅が略極大値をとる位置に駆動子（以下、摩擦接触部と称す）１６を接着することにより、超音波振動子８０として形成している。

前記超音波振動子８０において、Ａ相と前記Ｂ相に位相がπ／２異なる交番電圧（周波数はその超音波振動子８０の共振周波数）を印加すると、前記摩擦接触部１６の位置において、１次縦振動と２次屈曲振動を励起させることにより、時計回り又は反時計回りの大きな楕円振動が励起できる。なお、この超音波振動子８０の中央部には貫通穴が設けられ、この貫通穴には超音波振動子８０を保持押圧するためのピン１９が挿入接着されている。

前記構成の超音波振動子８０を用いて超音波モータとして構成し且つ動作させるためには、ピン１９と係合して摩擦接触部１６を図１８中の下方向に押圧する押圧手段と、超音波振動子８０の摩擦接触部１６に接触しこの摩擦接触部１６に対し相対的に移動する被駆動体とを設けることで、超音波モータが構成される。なお、前記被駆動体はリニアガイドにより保持されており、摩擦接触部１６と接触し且つ前記リニアガイドによりガイドされながら摺動が可能である。

前記構成の超音波モータにおいて、実際超音波振動子８０のＡ相とＢ相に位相がπ／２異なる交番電圧（周波数はその超音波振動子８０の共振周波数）を印加すると、前記特開平７−１６３１６２号公報明細書中の図６に示されるような１次縦振動と２次屈曲振動を同時に励起させ、前記摩擦接触部１６の位置において、時計回り又は反時計回りの大きな楕円振動を発生させることで、前記被駆動体を左右に動作させることができる。
特開平７−１６３１６２号公報

しかしながら、前記特開平７−１６３１６２号公報に記載の従来の超音波モータでは、この公報明細書中の図７に示すように、前記超音波振動子８０の中央部（節位置）に挿入接着されたピン１９が押圧手段である保持板２１と係合し、また、押圧手段であるバネ２９によってピン１９を保持板２１、保持固定部材２２を介して被駆動体である摺動部材３４に押圧した構成であることから、前記超音波振動子８０の摩擦接触部１６近傍に超音波楕円振動を発生させて摺動部材３４を駆動させると、超音波振動子８０の振動がわずかにピン１９を介して保持板２１、保持固定部材２２及びバネ２９に伝達してしまい、その結果、超音波モータ５０全体にその振動が伝播することにより騒音が発生してしまう虞れがあった。

本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、簡単な構成で超音波モータの駆動時における騒音の発生を防止することのできる超音波振動子及びそれを用いた超音波モータを提供することを目的とする。

請求項１の発明の超音波振動子は、圧電体部と、被駆動体と接触し駆動点として働く摩擦接触部と、発生する振動の節位置に設けられた突起部とを少なくとも有し、前記圧電体部に交番電圧を印加することにより前記摩擦接触部に超音波楕円振動を発生する超音波振動子において、前記突起部は、樹脂部材からなることを特徴とするものである。

請求項２の発明の超音波振動子は、圧電体部と、被駆動体と接触し駆動点として働く摩擦接触部と、発生する振動の節位置に設けられた突起部とを少なくとも有し、前記圧電体部に交番電圧を印加することにより前記摩擦接触部に超音波楕円振動を発生する超音波振動子において、前記突起部の周囲に樹脂部材を配設したことを特徴とするものである。

請求項３の発明の超音波振動子は、請求項１又は請求項２に記載の超音波振動子において、前記超音波楕円振動は、第１の振動モードである縦振動と第２の振動モードである屈曲振動とを合成することにより発生することを特徴とするものである。

請求項４の発明の超音波振動子は、請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載の超音波振動子において、前記樹脂部材は、ポリエーテルエーテルケトンからなることを特徴とするものである。

請求項５の発明の超音波モータは、圧電体部と、被駆動体と接触し駆動点として働く摩擦接触部と、発生する振動の節位置に設けられた突起部とを少なくとも有し、前記圧電体部に交番電圧を印加することにより前記摩擦接触部に超音波楕円振動を発生する超音波振動子と、前記突起部に係合することで前記超音波振動子を保持する突起部保持部材と、前記超音波振動子の前記摩擦接触部に接触し相対的に移動する被駆動体と、前記突起部保持部材を介し前記摩擦接触部と前記被駆動体間に押圧力を発生させる押圧部材と、を具備した超音波モータであって、前記突起部と前記突起部保持部材の少なくとも一方が、樹脂部材からなることを特徴とするものである。

請求項６の発明の超音波モータは、圧電体部と、被駆動体と接触し駆動点として働く摩擦接触部と、発生する振動の節位置に設けられた突起部とを少なくとも有し、前記圧電体部に交番電圧を印加することにより前記摩擦接触部に超音波楕円振動を発生する超音波振動子と、前記突起部に係合することで前記超音波振動子を保持する突起部保持部材と、前記超音波振動子の前記摩擦接触部に接触し相対的に移動する被駆動体と、前記突起部保持部材を介し前記摩擦接触部と前記被駆動体間に押圧力を発生させる押圧部材と、を具備した超音波モータであって、前記突起部と前記突起部保持部材の少なくとも一方に樹脂部材を配設し、前記突起部と前記突起部保持部材との間に前記樹脂部材を介在させたことを特徴とするものである。

請求項７の発明の超音波モータは、請求項５又は請求項６に記載の超音波モータにおいて、前記超音波楕円振動は、第１の振動モードである縦振動と第２の振動モードである屈曲振動とを合成することにより発生することを特徴とするものである。

請求項８の発明の超音波モータは、請求項５乃至請求項７のいずれか１つに記載の超音波モータにおいて、前記樹脂部材は、ポリエーテルエーテルケトンからなることを特徴とするものである。

請求項９の発明の超音波振動子は、圧電体部と、被駆動体と接触し駆動点として働く摩擦接触部とを少なくとも有し、前記圧電体部に交番電圧を印加することにより前記摩擦接触部に超音波楕円振動を発生する超音波振動子において、前記超音波振動子は、その表面に前記超音波振動子を保持するための保持部材が一体的に形成されていることを特徴とするものである。

請求項１０の発明の超音波振動子は、圧電体部と、被駆動体と接触し駆動点として働く摩擦接触部とを少なくとも有し、前記圧電体部に交番電圧を印加することにより前記摩擦接触部に超音波楕円振動を発生する超音波振動子において、前記超音波振動子は、その表面に前記超音波振動子を保持するための保持部材が一体的に形成されており、且つ前記保持部材の表面には前記保持部材を覆うための保持ケースが一体的に形成されていることを特徴とするものである。

請求項１１の発明の超音波振動子は、請求項９又は請求項１０に記載の超音波振動子において、前記超音波楕円振動は、第１の振動モードである縦振動と第２の振動モードである屈曲振動とを合成することにより発生することを特徴とするものである。

請求項１２の発明の超音波振動子は、請求項９乃至請求項１１のいずれか１つに記載の超音波振動子において、前記保持部材は、樹脂部材からなることを特徴とするものである。

請求項１３の発明の超音波振動子は、請求項１２に記載の超音波振動子において、前記樹脂部材は、シリコーンゴムからなることを特徴とするものである。

請求項１４の発明の超音波モータは、請求項９及び請求項１１乃至請求項１３のいずれか１つに記載の超音波振動子と、前記超音波振動子の前記保持部が挿入された保持ケースと、前記超音波振動子の前記摩擦接触部に接触し相対的に移動する被駆動体と、前記保持ケースを介し前記摩擦接触部と前記被駆動体間に押圧力を発生させる押圧部材と、を具備したことを特徴とするものである。

請求項１５の発明の超音波モータは、請求項１０に記載の超音波振動子と、前記超音波振動子の前記摩擦接触部に接触し相対的に移動する被駆動体と、前記保持ケースを介し前記摩擦接触部と前記被駆動体間に押圧力を発生させる押圧部材と、を具備したことを特徴とするものである。

本発明の超音波振動子及びそれを用いた超音波モータは、簡単な構成で超音波モータの駆動時における騒音の発生を防止することができるといった利点がある。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

図１は本発明の超音波振動子の第１実施例の構成を示す斜視図である。
図１に示すように、本実施例の超音波振動子１は、圧電素子により形成されたものであり、略角柱形状の圧電体積層部２と、この圧電体積層部２の左右両側面の４箇所、及び正面の４箇所に帯状に設けられた外部電極３と、前記圧電体積層部２の底面２箇所に設けられた摩擦接触部４と、前記圧電体積層部２の略中央部に設けられた穴２ａに挿入接着された突起部であるピン５と、を有して構成されている。

前記圧電体積層部２は、詳細な構成は後述するが内部電極処理が施された薄い矩形状の圧電セラミックスシートとしての第１、第２の圧電シート６、７（図２参照）が交互に複数枚積層された構造となっている。

図１中右側側面の外部電極３は、後述するが圧電体積層部２の同図中右側面部の内部電極露出部８ａ、９ａ（図２参照）にそれぞれ焼き付け銀により取付けることによって形成される２つの電気端子（Ａ＋、Ａ−の両端子）をＡ（Ａ相）として構成している。また、図１中左側側面の外部電極３は、後述するが圧電体積層部２の同図中左側面部の内部電極露出部８ａ、９ａ（図２参照）にそれぞれ焼き付け銀により取付けることによって形成される２つの電気端子（Ｂ＋，Ｂ−の両端子）をＢ（Ｂ相）として構成している。

また、図１中正面の外部電極３は、前記Ａ（Ａ相）の２つの電気端子（Ａ＋、Ａ−の両端子）と前記Ｂ（Ｂ相）の２つの電気端子（Ｂ＋，Ｂ−の両端子）にそれぞれ接続される外部電極３が帯状に延設されて形成している。この延設された外部電極３についても、前記同様に焼き付け銀によって形成されるようになっている。

前記圧電体積層部２のさらに詳細な構成を図２を参照しながら説明する。
図２は前記圧電体積層部の要部分解斜視図である。
図２に示すように、前記圧電体積層部２は、第１の内部電極８を有する第１の圧電シート６と、第２の内部電極９を有する第２の圧電シート７とを交互に複数枚に積層されることにより構成されている。

前記第１の圧電シート６は、圧電素子である圧電体層６Ａを有し、この圧電体層６Ａの表面には、後述するが前記第１の内部電極８が印刷されている。
前記第２の圧電シート７は、圧電素子である圧電体層７Ａを有し、この圧電体層７Ａの表面には、後述するが前記第２の内部電極９が印刷されている。

前記第１の圧電シート６及び前記第２の圧電シート７は、例えば厚さ８０μｍの形状を有しており、これら第１及び第２の圧電シート６、７を構成する材質として本実施例ではＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）材を用いて形成されている。また、前記ＰＺＴ材は、機械的品質係数(Ｑ値）の大きいハード系材料のものを用いており、本実施例では、例えば機械的品質係数(Ｑ値）が２５００であるものを用いている。

なお、前記圧電体積層部２は、図２に示すように、複数枚積層された第１及び第２の圧電シート６，７の積層の最初（最上層であり、図２中の第１の圧電シート６の手前側１枚目に該当）に、同じＰＺＴ材を用いて形成され且つ内部電極が施されていない圧電シート６Ｂが積層されている。

また、前記第１の内部電極８及び前記第２の内部電極９は、その電極材料としては銀パラジウム合金（Ａｇ−Ｐｄ）もしくは銀（Ａｇ）を用いて構成されている。

本実施例の超音波振動子１は、第１の圧電シート６、第２の圧電シート７の積層に伴い、第１の内部電極８と第２の内部電極９とが交互に積層されることになる。

つまり、本実施例の圧電体積層部２を構成する各種部材の積層順序においては、圧電シート６Ｂ，第１の内部電極８，圧電体層６Ａ，第２の内部電極９，圧電体層７Ａ，………，圧電体層７Ａ，第１の内部電極８，圧電体層６Ａ，第２の内部電極９，圧電体層７Ａの順序で積層されることになる。

次に、前記第１及び第２の圧電シート６、７の内部電極形状について説明する。

第１の圧電シート６に設けられた第１の内部電極８は、例えば厚さ５〜１０μｍの形状を有している。
前記第１の内部電極８は、圧電体積層部２の断面形状に対し、詳しくは図２に示すように、圧電体層６Ａの片側面全領域の上部に配置され、且つ左右に２分割されるように設けられている。また、第１の内部電極８の一部は、圧電体層６Ａの両側面基端部にまで延設されており、内部電極露出部８ａをそれぞれ形成している。

また、第２の圧電シートに設けられた第２の内部電極９は、例えば厚さ５〜１０μｍの形状を有している。
前記第２の内部電極９は、圧電体積層部２の断面形状に対し、詳しくは図２に示すように、圧電体層７Ａの略全領域に配置され、且つ左右に２分割されるように設けられている。また、第２の内部電極９の一部は、圧電体層７Ａの両側面基端部にまで延設されており、内部電極露出部９ａをそれぞれ形成している。

なお、第１の圧電シート６及び第２の圧電シート７のそれぞれの略中央部には、例えばΦ０．３ｍｍの貫通した穴２ａが設けられている。本実施例では、貫通した穴２ａを設けた場合について説明したが、必ずしも貫通穴である必要はなく、圧電体積層部２内に所定の寸法を有して形成された穴であっても良い。この場合、ピン５は穴２ａに対応する箇所に接着固定されることになる。

図１に示すように、このような構成の圧電体積層部２を有して構成される超音波振動子１は、前記圧電体積層部２の第１の内部電極８及び第２の内部電極９の一部がそれぞれ超音波振動子１の両側側面基端部に延設させることにより形成された各内部電極露出部８ａ、９ａに、焼き付け銀より形成される外部電極３がそれぞれ設けられている。

つまり、圧電体積層部２の側面の外部電極３は、図１に示すように、それぞれ内部電極８ａ、９ａ（図２参照）に電気的に接続して帯状に設けられ、また、これらの外部電極３は、圧電体積層部２のエッジ部を介して、前記圧電体積層部２の正面に帯状に設けられた他の外部電極３に導通している。なお、前記圧電体積層部２の逆側の側面の外部電極についても、同様の形状に設けられている。

これらの外部電極３には、図示はしないがそれぞれリード線が半田等で接続されるか、もしくは電極が設けられたフレシキブル基板が電気的に接合されており、このリード線又はフレキシブル基板を介して図示しない駆動回路からの駆動信号が供給されるようになっている。
本実施例の超音波振動子１は、圧電体積層部２の底面の屈曲共振振動の略腹部に対応する位置に、前記摩擦接触部４が設けられている。この摩擦接触部４は、砥石材料からなり、角形に切断して形成後、前記圧電体積層部２の所定位置に接着される。

また、この超音波振動子１の略中央部の設けられた前記穴２ａには、突起部であり円柱形状の樹脂材料からなるピン５が挿入接着されている。

本実施例では、前記ピン５は、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ材：ＰＥＥＲ Ｒポリマー）等の高機能樹脂から形成されている。すなわち、前記ピン５は、後述するように突起部保持部材１５（図４参照）により強く押圧されるので、前記ＰＥＥＫ材材のような剛性の高い材料で構成することが望ましい。
なお、その他の樹脂材料としては、ナイロン、ポリエチレン、ポリアセタール、ＡＢＳ樹脂、ポリカーボネイト、ポリアセタール、ポリサルフォン、ポリイミド、ポリスチレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリプロピレン、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ＦＲＰ樹脂等を用いて前記ピン５を形成しても良い。

次に、本実施例の超音波振動子の製造方法について図１及び図２を参照しながら説明する。

本実施例の超音波振動子の製造方法では、ＰＺＴの仮焼結粉末とバインダーとを混合して泥しょうを作成し、ドクターブレード法を用いて所定の厚さでフィルム状にキャスティングしてグリーンシート（圧電体層６Ａ、７Ａに相当）を形成する。そして、グリーシートを乾燥した後、フィルムから剥離する。こうして、形成したグリーンシートを複数用意する。

次に、第１のグリーシートに、第１の内部電極８のパターン（図２参照）を有するマスクを用いて電極材料を印刷することにより、図２に示す第１の圧電シート６を形成する。この場合、第１の内部電極８は、銀パラジウム合金（Ａｇ−Ｐｄ）を用いて形成される。

また、第２のグリーシートに、第２の内部電極９のパターン（図２参照）を有するマスクを用いて電極材料を印刷することにより、図２に示す第２の圧電シート７を形成する。この場合も同様に、第２の内部電極９は、銀パラジウム合金（Ａｇ−Ｐｄ）を用いて形成される。

そして、これら第１の圧電シート６と第２の圧電シート７とを、第１及び第２の内部電極８、９同士がちょうど重なるように位置決めを正確に行い、交互に複数枚積層する。その後、積層の最上面には内部電極を印刷してない第３のグリーンシート（図示せず）を積層する。

その後、この第３のグリーンシートを含む第１，第２の圧電シート６、７の積層体をプレスして、この積層体における各グリーンシート間を密着させ、その後、熱圧着する。 そして、熱圧着した前記積層体は、１２００℃程度の温度で焼成され、その後、所定の形状に裁断されることにより、圧電体積層部２に相当する圧電素子が生成される。

前記内部電極露出部８ａ、９ａ（図２参照）には、銀を焼き付け法にて実施することにより、図１に示すような帯形状の外部電極３を形成し、また、圧電体積層部２の表面についても同様に銀を焼き付け法にて実施することにより、図１に示すような帯状の外部電極３を形成する。そして、これら外部電極３のＡ相（Ａ＋、Ａ−間），Ｂ相（Ｂ＋、Ｂ−間）に直流高電圧を印加することにより、分極を行い、圧電特性を持たせるようにする。

そして、図２に示すように、ドリル等の加工機により、前記積層体の圧電体積層部２に対応する中央部分に穴２ａをそれぞれ設ける。なお、この穴に関しては前記工程中で、熱圧着後、焼成前に加工機により空けても良い。

その後、前記摩擦接触部４を、前記圧電素子の所定の位置にエポキシ接着剤を用いて接着する。

次に、圧電素子の中央の穴２ａに、前記した樹脂材料からなる突起部としてのピン５を挿入し接着固定する。なお、この工程で圧電素子の中央に穴２ａを設け、突起部であるピン５を挿入接着したが、圧電体積層部２に相当する圧電素子の中央に前記穴２ａは設けないで、樹脂材料からなる突起部としてのピン５を圧電素子中央に接着により設けても良い。

こうして、超音波振動子１が形成される。

なお、本実施例の超音波振動子１の製造方法は、変形例として、例えば摩擦接触部４が圧電体積層部２と一体的に形成可能な外形形状のパンチ（雄型）と、ダイス（雌型）とを有するプレス用型を用いて前記裁断処理を行うことにより、底面に２個の摩擦接触部４を有する圧電体積層部２が得られるようにしても良い。

以上、説明してきた超音波振動子１の動作について図３を参照しながら詳細に説明する。

いま、図１の超音波振動子１の前記Ａ相，Ｂ相に、同位相で所定の周波数の交番電圧を印加するものとする。すると、この超音波振動子１は、１次の縦振動が励起された。また、前記Ａ相，Ｂ相に逆位相で所定の周波数の交番電圧を印加すると、この超音波振動子１は、２次の屈曲振動が励起された。

これらの振動を有限要素法を用いてコンピュータ解析すると、図３（ａ）に示すような共振縦振動姿勢，及び図３（ｂ）に示すような共振屈曲振動姿勢が予想され、且つ超音波振動測定の結果、それが実証された。なお、この図３では、摩擦接触部４は省略している。

本実施の形態では、共振周波数に関し、より詳細には屈曲２次振動の共振周波数を縦１次振動の共振周波数より数％程度（望ましくは３％程度）低くなるように設計している。このように構成することで、後で説明する超音波モータとしての出力特性が大幅に向上することになる。

次に、超音波振動子１のＡ相及びＢ相に位相がπ／２異なる所定周波数の交番電圧を印加するものとする、すると、該超音波振動子１の摩擦接触部４の位置で、楕円振動を観測することが出来た。

次に、前記超音波振動子１を用いた超音波モータ１０の構成について図４及び図５を参照しながら説明する。

図４及び図５は超音波振動子を用いて構成された超音波モータの構成を説明するもので、図４は超音波モータの内部構成を示す断面図、図５は図４の超音波モータの主要構成部分を示す側面図である。

図４及び図５に示すように、本実施例の超音波モータ１０は、前記構成の超音波振動子１と、被駆動体である移動台１１と、前記超音波振動子１を保持する突起部保持部材１５を有する基台１２と、前記移動台１１と前記基台１２とを直動自在に結合するリニアガイド１３と、前記移動台１１の内側に配され、前記超音波振動子１の摩擦接触部４が当接する摺動部材１４と、前記基台１２に配され、収容された前記超音波振動子１と前記突起部保持部材１５とをある所定の圧力で押圧するために前記突起部保持部材１５を付勢する押圧手段としての板バネ１６と、を有している。

前記移動台１１はコの字形状に構成され、両側側面部１１Ａの先端部には、前記リニアガイド１３がそれぞれ配されている。また、これらのリニアガイド１３の他方には、前記基台１２の内側に立設された一対のガイド部１２Ａがそれぞれ配されている。

前記リニアガイド１３は、内部にベアリング１３ａを有して移動台１１と基台１２とを互いに移動自在に結合する。なお、本実施例では、移動台１１の進行方向が直線になるように規制している一例を示すが、垂直方向または水平方向またはその両方に緩やかな曲線状のリニアガイド１３とすればその曲線に沿って駆動することが可能である。

前記摺動部材１４は、例えばジルコニアセラミクスを用いて形成されたもので、移動台１１の下面に接着されている。この摺動部材１４には、突起部保持部材１５によって保持された超音波振動子１の摩擦接触部４が当接されるようになっている。

この場合、前記摩擦接触部４は、板バネ１６による所定の圧力で前記摺動部材１４に付勢されることになる。
なお、摺動部材１４の摩擦接触部４が当接する部分は、表面粗さがＲａ値（ＪＩＳ規格Ｂ０６０１算術平均粗さ）で０．０５μｍ以下のジルコニアセラミクスを用いて形成されている。

前記超音波振動子１は、突起部保持部材１５によって保持されるようになっている。 具体的には、図４及び図５に示すように突起部保持部材１５は、上部にＶ字状に形成されたＶ字溝５ａを有し、このＶ字溝５ａに前記超音波振動子１の突起部であるピン５が係合して保持されている。

また、前記突起部保持部材１５と前記超音波振動子１との間には、それぞれスペーサ１６Ａが配されている。これらのスペーサ１６Ａは、超音波振動子１に設けられたピン５に挿通して設けられている。

なお、本実施例では、前記突起部保持部材１５は、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ材：ＰＥＥＲ Ｒポリマー）等の高機能樹脂から形成されている。その他の樹脂材料としては、ナイロン、ポリエチレン、ポリアセタール、ＡＢＳ樹脂、ポリカーボネイト、ポリアセタール、ポリサルフォン、ポリイミド、ポリスチレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリプロピレン、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ＦＲＰ樹脂等を用いて前記突起部保持部材１５を形成しても良い。

前記突起部保持部材１５の底面には、図５に示すように、板バネ１６の中央部が固定されている。板バネ１６の両側端部は、基台１２の所定箇所に対してそれぞれビス１７にて螺合することにより、固定されている。

前記板バネ１６の付勢力により突起部保持部材１５を介して超音波振動子１は、被駆動体である移動台１１の摺動部材１４の面上に押圧されることになる。

次に、前記超音波モータ１０の動作について説明する。

前記Ａ相（Ａ＋，Ａ−）とＢ相（Ｂ＋，Ｂ−）には、位相がπ／２異なる所定の周波数の交番電圧を印加すると、摩擦接触部４の位置において、１次縦振動と２次屈曲振動を励起させることにより、時計廻り又は反時計廻りの超音波楕円振動が励起できた。

このように超音波振動子１の摩擦接触部４の位置に超音波楕円振動を発生させたことにより、移動台１１が右方向または左方向（図５中に示すＡ矢印方向）に駆動することができ、すなわち、前記超音波振動子１が、ピン５、突起部保持部材１５を介して基台１２に固定されているため、移動台１１は騒音の発生を生じることなく、左右に動作した。

したがって、本実施例によれば、前記超音波モータ１０は、突起部であるピン５及び突起部保持部材１５がポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ材：ＰＥＥＲ Ｒポリマー）等の高機能樹脂から形成されているので、超音波振動子１で発生する振動をピン５及び突起部保持部材１５における樹脂材料の特性としての大きな振動減衰特性により、減衰させて吸収することができるため、モータ側には漏れ出さことはない。その結果、騒音がほとんど発生することなく駆動することが可能となる。
また、簡単な構成で実現することができるので、コストの低減化が可能であり、さらに、超音波モータ１０の小型化も図れる。

なお、本実施例では、突起部であるピン５及び突起部保持部材１５は、共にポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ材：ＰＥＥＲ Ｒポリマー）等の樹脂材料にて形成した場合について説明したが、これに限定されることはなく、例えばピン５と突起部保持部材１５とのいずれか一方を樹脂材料を用いて形成すれば良い。
すなわち、ピン５がステンレス等の金属部材（樹脂材料以外の部材も含む）で形成されたものである場合には、突起部保持部材１５は樹脂材料で形成される。また、逆に、ピン５が樹脂材料で形成されたものである場合には、突起部保持部材１５はステンレス等の金属部材（樹脂材料以外の材料を含む）で形成される。

また、本実施例では、図６の変形例に示すように、前記突起部保持部材１５は、ピン５が係合するＶ字溝５ａに、同形状で且つ、吸収材、例えば減衰ゴム等のダンパー材を用いて構成されたダンパー部材１８を接着固定しても良い。これにより、ダンパー部材１８を設けたことにより、さらに、ピン５と係合による振動の吸収性を高め、騒音防止に大きく寄与する。また、図示しないが、ピン１５の周りにシリコーン樹脂等のダンパー部材を設けても良い。

また、本実施例では、内部電極構成については、負極側（Ａ−、Ｂ−）に関しては二分割しないで全面電極としても良い。その場合には、負極側（Ａ−、Ｂ−）は共通の負極となる。

また、本実施例では、圧電素子として積層型圧電素子を用いたが積層型でない板状の圧電素子を用いた場合でも、同様の構成の超音波振動子の作製が可能である。

さらに、本実施例では、超音波振動子１を固定して被駆動体（移動台１１）を直線動作させるタイプの超音波モータの一例を示したが、超音波振動子１が自走するタイプの超音波モータを構成することも可能である。

さらに、また、本実施例では、押圧力を生むために板バネ１６を用いたが通常のコイルバネを用いても良い。

図７乃至図９は本発明の超音波振動子の第２実施例の構成を示し、図７は第２実施例の超音波振動子の構成を示す斜視図、図８は図７に示す超音波振動子の断面図、図９は図７に示す超音波振動子に保持ケースを設けた場合の超音波振動子の断面図である。また、図１０は前記第２実施例の超音波振動子の第１変形例を示す斜視図、図１１は前記第２実施例の超音波振動子の第２変形例を示す斜視図、図１２は前記第２実施例の超音波振動子の第３変形例を示す斜視図である。なお、前記図７乃至図９は、前記第１実施例の超音波振動子１と同様に構成要素については同一の符号を付して説明を省略し、異なる部分のみを説明する。

図７に示すように、本実施例の超音波振動子１Ａは、圧電体積層部２の構成については第１実施例と同様であるが、超音波振動子１Ａの保持を突起部であるピン５で行うのではなく、圧電体積層部２を覆うようにして樹脂部材により形成された保持部材１９及びこの保持部材１９を収容する保持ケース２０によって、超音波振動子１Ａを保持するように構成している。

すなわち、本実施例の超音波振動子１Ａは、図９に示すように前記第１実施例と同様の圧電体積層部２と、この圧電体積層部２を覆う保持部材１９と、この保持部材１９を収容する保持ケース２０とを有している。

前記保持部材１９は、図７及び図８に示すように、圧電体積層部２本体の底部を除く外周全体を、樹脂、例えばシリコーンゴムによって覆うように形成されている。この場合、前記保持部材１９を形成する前記シリコーンゴムの厚さは、例えば０．５〜３ｍｍの範囲内に形成されている。

そして、超音波振動子１Ａは、図９に示すように、保持部材１９を囲むように保持ケース２０が設けられている。この保持ケース２０は、図中に示すように樹脂で形成しても良く、あるいはステンレスを用いて形成しても良い。

このように、本実施例の超音波振動子１Ａは、シリコーンゴムである保持部材１９によって覆われ、さらにこの保持部材１９が保持ケース２０によって覆われた構造となっている。なお、本実施例では、保持ケース２０を設けた構成例を示しているが、これに限定されることはなく、図８に示すように保持部材１９のみを設けて超音波振動子１Ａを構成しても良い。

前記保持部材１９を形成するシリコーンゴムは、非常に弾力性に優れているために、超音波振動子１Ａの振動を減衰させないで超音波振動子１Ａを保持するのに適した材料である。
また、超音波振動子１Ａによりで発生した振動は、その機械的インピーダンスの違いから前記シリコーンゴムで断絶されるため、振動の漏れも抑制できる特性を有している。さらに、保持ケース２０を設けたことで、振動の漏れの抑制効果を高めている。

なお、本実施例では、保持部材１９を形成するシリコーンゴム以外の材質としては、ウレタンゴム、エチレンプロピレンゴム、ニトリルゴム、ブチルゴム、クロロプレンゴム、ブタジエンゴム、スチレンゴム、天然ゴム等があり、いずれかの材質を用いて前記保持部材１９を形成しても良い。

本実施例の超音波振動子１Ａの製造方法を説明する。
本実施例で用いた前記シリコーンゴムは、周知のように主剤と硬化剤からなる硬化型の樹脂である。

まず、圧電体積層部２を図示しない型にセットし、このセットと収容された圧電体積層部２との隙間に、前記主剤と硬化剤を混合したシリコーンゴムを流し込む。
その後、このシリコーンゴムが硬化剤によって固まったら、前記型を剥離する。
これにより、図７及び図８示すような超音波振動子１Ａが形成される。なお、本実施例では、図７及び図８に示すように、超音波振動子１Ａの摩擦接触部４のある面は、シリコーンゴムを設けずに構成している。

なお、本実施例では、超音波振動子１Ａは図９に示す構成例に限定されるものではなく、例えば図１０の第１変形例に示すように、圧電体積層部２の略上半分を、シリコーンゴムで形成された保持部材１９Ａによって覆うようにして超音波振動子１Ｂを構成しても良い。

また、超音波振動子１Ａは、図１１の第２変形例に示すように、圧電体積層部２の略中央部を、シリコーンゴムでコの字状に形成された保持部材１９Ｂによって覆うようにして超音波振動子１Ｃを構成しても良い。

さらに、また、超音波振動子１Ａは、図１２の第３変形例に示すように、圧電体積層部２の上部及び下部を除く外周部を、シリコーンゴムで帯状に形成された保持部材１９Ｃによって覆うようにして超音波振動子１Ｄを構成しても良い。この場合、超音波振動子１Ｄは、圧電体積層部２の上部両側端部にさらに摩擦接触部４を設けることができる。このため、上部及び下部の摩擦接触部４に楕円振動を発生させれば、超音波振動子１Ｄ自体は左右に駆動するので、自走式の超音波モータとして構成することが可能となる。

次に、前記超音波振動子１Ａを用いた超音波モータ１０の構成について図１３及び図１４を参照しながら説明する。

図１３及び図１４は超音波振動子を用いて構成された超音波モータの構成を説明するもので、図１３は超音波モータの内部構成を示す断面図、図１４は図１３の超音波モータの主要構成部分を示す側面図である。なお、図１３及び図１４は、前記第１実施例の超音波モータと同様の構成要素については同一の符号を付して説明を省略し、異なる部分のみを説明する。

図１３及び図１４に示すように、前記超音波モータ１０は、図９に示す超音波振動子１Ａを用いて構成される。
前記超音波振動子１Ａの保持ケース２０の底面には、固定部２１を介して板バネ１６の中央部が固定されている。板バネ１６の両側端部は、第１実施例と同様に前記基台１２の所定箇所に対してそれぞれビス１７にて螺合することにより、固定されている。

前記板バネ１６の付勢力により固定部２１及び保持ケース２０を介して超音波振動子１は、被駆動体である移動台１１の摺動部材１４の面上に押圧されることになる。
その他の構成は、前記第１実施例と同様である。

なお、前記超音波モータ１０は、保持ケース２０を設けてない超音波振動子１Ａ（１Ｂ〜１Ｄ）を用いて構成した場合には、保持部材１９（１９Ａ〜１９Ｃ）が板バネ１６を介して被駆動体（移動台１１）に接続固定されるようになっている。

次に、前記超音波モータ１０の動作について説明する。
前記Ａ相（Ａ＋，Ａ−）とＢ相（Ｂ＋，Ｂ−）には、位相がπ／２異なる所定の周波数の交番電圧を印加すると、摩擦接触部４の位置において、１次縦振動と２次屈曲振動を励起させることにより、時計廻り又は反時計廻りの超音波楕円振動が励起できた。

このように超音波振動子１Ａの摩擦接触部４の位置に超音波楕円振動を発生させたことにより、移動台１１が右方向または左方向（図１４中に示すＢ矢印方向）に駆動することができ、すなわち、前記超音波振動子１Ａが前記保持部材１９及び保持ケース２０、固定部２１介して基台１２に固定されているため、移動台１１は騒音の発生を生じることなく、左右に動作した。

したがって、本実施例によれば、超音波振動子１Ａは、圧電体積層部２を覆うようにしてシリコーンゴムにより形成された保持部材１９及び保持ケース２０を有しているので、前記超音波振動子１Ａの振動を妨げることなくこの超音波振動子１Ａを保持することができる。また、シリコーンゴムと超音波振動子１Ａでは、機械的なインピーダンスに差があるので、超音波振動子１Ａの振動はこの超音波振動子１Ａの外側にはほとんど漏れ出さない。さらに、前記保持部材１９を収容してさらに振動を減衰させる保持ケース２０も設けられている。よってその結果、超音波モータ１０の内部機構に振動が伝わらず、結果として騒音のない超音波モータ１０が実現できた。その他の効果は前記第１実施例と同様である。

本発明は、上述した第１及び第２実施例、変形例に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能である。

本発明の超音波振動子は、簡単な構成で超音波モータの駆動時における騒音の発生を防止することのできるので、この超音波振動子を用いて超音波モータを構成することにより、騒音が生じない駆動性の向上化、コストの低減、超音波モータの小型化及び駆動効率の安定化が望まれる各種電子機器等の駆動源として有効である。

本発明の超音波振動子の第１実施例の構成を示す斜視図。 図１に示す圧電体積層部の要部分解斜視図。 本実施例の超音波振動子の動作状態を示す斜視図。 図４及び図５は超音波振動子を用いて構成された超音波モータの構成を説明するもので、図４は超音波モータの内部構成を示す断面図。 図４の超音波モータの主要構成部分を示す側面図。 突起部保持部材の変形例を示す断面図。 本発明の超音波振動子の第２実施例の構成を示す斜視図。本実施例の超音波振動子の動作状態を示す斜視図。 図７に示す超音波振動子の断面図。 図７に示す超音波振動子に保持ケースを設けた場合の超音波振動子の断面図。 超音波振動子の第１変形例を示す斜視図。 超音波振動子の第２変形例を示す斜視図。 超音波振動子の第３変形例を示す斜視図。 図１３及び図１４は第２実施例の超音波振動子を用いて構成された超音波モータの構成を説明するもので、図１３は超音波モータの内部構成を示す断面図。 図１３の超音波モータの主要構成部分を示す側面図。

符号の説明

１、１Ａ〜１Ｄ…超音波振動子、
２…圧電体積層部、
３…外部電極、
４…摩擦接触部、
５…ピン、
５ａ…Ｖ字溝、
６…第１の圧電シート、
６Ａ、７Ａ…圧電体層、
６Ｂ…圧電シート、
７…第２の圧電シート、
８、９…内部電極、
８ａ、９ａ…内部電極露出部、
１０…超音波モータ、
１１…移動台、
１１Ａ…側面部、
１２…基台、
１２Ａ…ガイド部、
１３…リニアガイド、
１３ａ…ベアリング、
１４…摺動部材、
１５…突起部保持部材、
１６Ａ…スペーサ、
１６…板バネ、
１７…ビス、
１８…ダンパー部材、
１９、１９Ａ〜１９Ｃ…保持部材
２０…保持ケース。
代理人 弁理士 伊 藤 進

Claims (15)

1. 圧電体部と、被駆動体と接触し駆動点として働く摩擦接触部と、発生する振動の節位置に設けられた突起部とを少なくとも有し、前記圧電体部に交番電圧を印加することにより前記摩擦接触部に超音波楕円振動を発生する超音波振動子において、
   前記突起部は、樹脂部材からなることを特徴とする超音波振動子。
2. 圧電体部と、被駆動体と接触し駆動点として働く摩擦接触部と、発生する振動の節位置に設けられた突起部とを少なくとも有し、前記圧電体部に交番電圧を印加することにより前記摩擦接触部に超音波楕円振動を発生する超音波振動子において、
   前記突起部の周囲に樹脂部材を配設したことを特徴とする超音波振動子。
3. 前記超音波楕円振動は、第１の振動モードである縦振動と第２の振動モードである屈曲振動とを合成することにより発生することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超音波振動子。
4. 前記樹脂部材は、ポリエーテルエーテルケトンからなることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載の超音波振動子。
5. 圧電体部と、被駆動体と接触し駆動点として働く摩擦接触部と、発生する振動の節位置に設けられた突起部とを少なくとも有し、前記圧電体部に交番電圧を印加することにより前記摩擦接触部に超音波楕円振動を発生する超音波振動子と、
   前記突起部に係合することで前記超音波振動子を保持する突起部保持部材と、
   前記超音波振動子の前記摩擦接触部に接触し相対的に移動する被駆動体と、
   前記突起部保持部材を介し前記摩擦接触部と前記被駆動体間に押圧力を発生させる押圧部材と、を具備した超音波モータであって、
   前記突起部と前記突起部保持部材の少なくとも一方が、樹脂部材からなることを特徴とする超音波モータ。
6. 圧電体部と、被駆動体と接触し駆動点として働く摩擦接触部と、発生する振動の節位置に設けられた突起部とを少なくとも有し、前記圧電体部に交番電圧を印加することにより前記摩擦接触部に超音波楕円振動を発生する超音波振動子と、
   前記突起部に係合することで前記超音波振動子を保持する突起部保持部材と、
   前記超音波振動子の前記摩擦接触部に接触し相対的に移動する被駆動体と、
   前記突起部保持部材を介し前記摩擦接触部と前記被駆動体間に押圧力を発生させる押圧部材と、を具備した超音波モータであって、
   前記突起部と前記突起部保持部材の少なくとも一方に樹脂部材を配設し、前記突起部と前記突起部保持部材との間に前記樹脂部材を介在させたことを特徴とする超音波モータ。
7. 前記超音波楕円振動は、第１の振動モードである縦振動と第２の振動モードである屈曲振動とを合成することにより発生することを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の超音波モータ。
8. 前記樹脂部材は、ポリエーテルエーテルケトンからなることを特徴とする請求項５乃至請求項７のいずれか１つに記載の超音波モータ。
9. 圧電体部と、被駆動体と接触し駆動点として働く摩擦接触部とを少なくとも有し、前記圧電体部に交番電圧を印加することにより前記摩擦接触部に超音波楕円振動を発生する超音波振動子において、
   前記超音波振動子は、その表面に前記超音波振動子を保持するための保持部材が一体的に形成されていることを特徴とする超音波振動子。
10. 圧電体部と、被駆動体と接触し駆動点として働く摩擦接触部とを少なくとも有し、前記圧電体部に交番電圧を印加することにより前記摩擦接触部に超音波楕円振動を発生する超音波振動子において、
    前記超音波振動子は、その表面に前記超音波振動子を保持するための保持部材が一体的に形成されており、且つ前記保持部材の表面には前記保持部材を覆うための保持ケースが一体的に形成されていることを特徴とする超音波振動子。
11. 前記超音波楕円振動は、第１の振動モードである縦振動と第２の振動モードである屈曲振動とを合成することにより発生することを特徴とする請求項９又は請求項１０に記載の超音波振動子。
12. 前記保持部材は、樹脂部材からなることを特徴とする請求項９乃至請求項１１のいずれか１つに記載の超音波振動子。
13. 前記樹脂部材は、シリコーンゴムからなることを特徴とする請求項１２に記載の超音波振動子。
14. 請求項９及び請求項１１乃至請求項１３のいずれか１つに記載の超音波振動子と、
    前記超音波振動子の前記保持部が挿入された保持ケースと、
    前記超音波振動子の前記摩擦接触部に接触し相対的に移動する被駆動体と、
    前記保持ケースを介し前記摩擦接触部と前記被駆動体間に押圧力を発生させる押圧部材と、
    を具備したことを特徴とする超音波モータ。
15. 請求項１０に記載の超音波振動子と、
    前記超音波振動子の前記摩擦接触部に接触し相対的に移動する被駆動体と、
    前記保持ケースを介し前記摩擦接触部と前記被駆動体間に押圧力を発生させる押圧部材と、
    を具備したことを特徴とする超音波モータ。
    

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