JP2006014534A - 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小型化を図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、縦振動モードと屈曲振動モードを同時に同一平面内にて励起して超音波楕円振動を発生させるもので、前記超音波振動子１に前記超音波楕円振動が発生してしている部位において前記縦振動モードと前記屈曲振動モードの振動面に対して直交する方向に突出する摩擦接触部４を設けている。
【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、積層された圧電板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。
前記圧電板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技術では、前記摩擦接触部１６は、前記超音波振動子８０の１次縦振動モードもしくは２次屈曲振動モードの振動面内であって楕円振動が発生している底面あるいは上面に設けられているために、前記被駆動体はその摩擦接触部１６に対し接触するように前記超音波振動子８０と並んで配置されることになり、結果としてこれが超音波モータを小型化する際の問題点となっていた。

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小型化を図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、縦振動モードと屈曲振動モードを同時に同一平面内にて励起して超音波楕円振動を発生させる超音波振動子において、前記超音波振動子に前記超音波楕円振動が発生してしている部位において前記縦振動モード及び前記屈曲振動モードの振動面に対して直交する方向に突出する摩擦接触部を設けて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、請求項１に記載の超音波振動子において、前記摩擦接触部は、前記超音波振動子の前記超音波楕円振動の回転の向きが互いに逆向きとなる位置に２個設けられ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２に記載の超音波振動子において、前記超音波振動子は、縦振動と屈曲振動の共通の節部に穴部を有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、前記摩擦接触部の断面形状が円形状、もしくは矩形状、もしくは切り欠きのある円形状であることを特徴とするものである。

請求項５の発明の超音波振動子は、請求項１に記載の超音波振動子において、前記摩擦接触部は、前記超音波振動子の前記超音波楕円振動の回転の向きが互いに同じ向きなる位置に４個設けられたことを特徴とするものである。

請求項６の発明の超音波振動子は、請求項５に記載の超音波振動子において、前記超音波振動子は、縦振動と屈曲振動の共通の節部に穴部を有することを特徴とするものである。

請求項７の発明の超音波振動子は、請求項１、請求項５及び請求項６のいずれか１つに記載の超音波振動子において、前記摩擦接触部の断面積が徐々に小さくなるように構成された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、縦振動モードと屈曲振動モードを同時に同一平面内にて励起して超音波楕円振動を発生させる超音波振動子の前記超音波楕円振動が発生してしている部位において前記縦振動モード及び前記屈曲振動モードの振動面に対して直交する方向に突出する摩擦接触部を設けてなる超音波振動子と、前記超音波振動子の前記摩擦接触部に接触して相対的に移動する被駆動体と、前記摩擦接触部を前記被駆動体に対し押圧する押圧手段と、を具備したことを特徴とするものである。

請求項９の発明の超音波モータは、縦振動モードと屈曲振動モードを同時に同一平面内にて励起して超音波楕円振動を発生させる超音波振動子の前記超音波楕円振動が発生してしている部位において前記縦振動モード及び前記屈曲振動モードの振動面に対して直交する方向に突出する摩擦接触部を設けてなる超音波振動子であって、前記摩擦接触部は前記超音波振動子の前記超音波楕円振動の回転の向きが互いに逆向きとなる位置に２個設けられ、縦振動と屈曲振動の共通の節部に穴部を有して対向配置された第１、第２の超音波振動子と、前記第１、第２の超音波振動子の前記穴部に挿通されたシャフトと、前記第１の超音波振動子の前記２個の摩擦接触部間と、前記第２の超音波振動子の前記２個の摩擦接触部間に配され、これらの摩擦接触部と接触しながら移動自在な被駆動体と、前記被駆動体と前記第１の超音波振動子の前記摩擦接触部の間に押圧力が生じるように前記シャフトと前記第１の超音波振動子の間に設けられた第１のバネと、前記被駆動体と前記第２の超音波振動子の前記摩擦接触部の間に押圧力が生じるように前記シャフトと前記第２の超音波振動子の間に設けられた第２のバネと、を少なくとも具備し、前記超音波振動子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生じさせて前記被駆動体を相対的に移動させることを特徴とするものである。

請求項１０の発明の超音波モータは、請求項９に記載の超音波モータにおいて、前記第１、第２のバネは、トーションバネであることを特徴とするものである。

請求項１１の発明の超音波モータは、請求項７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の表面が当接するように円錐形状に構成して配された被駆動体と、前記超音波振動子と前記被駆動体との間に押圧力を与えるためのバネと、を少なくとも具備し、前記超音波振動子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生じさせて前記被駆動体を相対的に回転させる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小型化を図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及び図２は本発明の超音波振動子の第１実施例の構成を示し、図１は第１実施例の超音波振動子を正面から見た斜視図、図２は図１の超音波振動子を背面から見た斜視図である。また、図３は摩擦接触部の変形例を示し、図４は圧電体積層部の要部分解斜視図、図５は本実施例の超音波振動子の動作状態を示す斜視図、図６乃至図８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６は超音波モータの分解組み立て図、図７は超音波モータの上面図、図８は図７のバネの構成を示す構成図である。
図１及び図２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の超音波楕円振動が発生してしている部位において１次縦振動モードと２次前記屈曲振動モードの両モードの振動面に対して直交する方向に突出するように設けられた２つの摩擦接触部４と、前記圧電体積層部２の略中央部に設けられ、超音波モータを構成する際にシャフト１２を挿通するための穴部２ａと、を有して構成されている。

前記圧電体積層部２は、詳細な構成について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４参照）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４参照）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４参照）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４を参照しながら説明する。
図４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４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４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４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４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、貫通した穴部２ａが設けられている。この穴部２ａは、前記圧電体積層部２の１次縦振動と２次屈曲振動の共通の節部に配されるようになっている。

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４参照）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、後述するが１次縦振動と２次屈曲振動とを合成して超音波楕円振動を発生する。
そこで、本実施例の超音波振動子１は、図２に示すように、前記圧電体積層部２の超音波楕円振動が発生してしている部位において１次縦振動モードと２次屈曲振動モードの両モードの振動面に対して直交する方向に突出するように２個の摩擦接触部４を設けている。

これらの摩擦接触部４は、前記超音波振動子１の超音波楕円振動の回転の向きが互いに逆向きとなる位置に設けられている。
前記摩擦接触部４は、円柱形状に構成されたものでその断面形状が円形状になっている。なお、本実施例では、前記摩擦接触部４は、その断面形状が円形状に限定されるものではなく、例えば第１変形例の図３（Ａ）に示すように断面形状が角形状（矩形状）であるものや、あるいは図３（Ｂ）に示すように断面形状が切り欠きのある円形状であるものを用いても良い。
また、前記摩擦接触部４の材質としては、鋼材の表面にダイヤモンドライクカーボンを化学気相成長法処理（Chemical Vapor Deposition：ＣＶＤ処理）したものを用いている。

本実施例では、２個の摩擦接触部４を設けた構成について説明したが、これに限定されるものではなく１個、あるいは２個以上設けて構成しても良い。

図５には本実施例の超音波振動子１の振動モードが示されている。
図５（Ａ）、図５（Ｂ）に示すように、本実施例の超音波振動子１は、１次縦振動モードと２次屈曲振動モードとを励起させる。なお、本実施例の超音波振動子１は、これら２種類の振動モードがほぼ同一の周波数で励起されるように、その寸法形状が決められている。そして、前記超音波振動子１では、それらの振動モードを重ね合わせて所定の位置に超音波楕円振動を発生させる。したがって、本実施例の超音波振動子１では、前記摩擦接触部４が、このように超音波楕円振動が発生している部位に設けられるようになっている。

次に、本実施例の超音波振動子の製造方法について図１乃至図４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４参照）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４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４参照）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４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４参照）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部２ａをそれぞれ設ける。なお、この穴部２ａ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。なお、この摩擦接触部４は予め前記圧電素子の所定の位置に穴をあけおき、そこに挿入接着しても良い。この場合、前記穴部２ａは超音波楕円振動に影響しない寸法で形成することが望ましい。

こうして、超音波振動子１が形成される。

以上、説明してきた超音波振動子１の動作について図５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５（Ａ）に示すような共振縦振動姿勢，及び図５（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５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１次縦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６乃至図８を参照しながら説明する。

図６及び図７に示すように、本実施例の超音波モータ１０は、前記構成の２つの第１、第２の超音波振動子２Ａ、２Ｂと、前記第１、第２の超音波振動子２Ａ、２Ｂの穴部２ａに挿通されるシャフト１２と、前記第１の超音波振動子２Ａの２個の摩擦接触部４間と、前記第２の超音波振動子２Ｂの２個の摩擦接触部４間に配され、これらの摩擦接触部４と接触しながら移動自在な被駆動体１１と、前記被駆動体１１と前記第１の超音波振動子２Ａの前記摩擦接触部４の間に押圧力が生じるように前記シャフト１２と前記第１の超音波振動子２Ａの間に設けられた押圧手段である第１のバネ１３Ａと、前記被駆動体１１と前記第２の超音波振動子２Ｂの前記摩擦接触部４ａの間に押圧力が生じるように前記シャフト１２と前記第２の超音波振動子２Ａの間に設けられた押圧手段である第２のバネ１３Ｂと、を有している。

前記第２の超音波振動子２Ｂは、図６に示すように、摩擦接触部４ａ及びＡ相及びＢ相の配置位置が前記第１の超音波振動子２Ａの配置位置と相対するようになっている。
つまり、第２の超音波振動子２Ｂの裏面には、前記第１の超音波振動子２Ａと略同様に前記圧電体積層部２の超音波楕円振動が発生してしている部位の１次縦振動モードと２次屈曲振動モードの両モードの振動面に対して直交する方向に突出するように２個の摩擦接触部４ａが設けられている。

この場合、Ｂ相側の摩擦接触部４ａは、前記第１の超音波振動子２Ａの摩擦接触部４に対向配置するように圧電体積層部２の上部に配されている。また、Ａ相側の摩擦接触部４ａは、前記第１の超音波振動子２Ａの摩擦接触部４に対向配置するように圧電体積層部２の穴部２ａ近傍の下部に配されている。なお、これらの摩擦接触部４ａは、前記第１の超音波振動子２Ａと同様に超音波楕円振動の回転の向きが互いに逆向きとなる位置に設けられている。
そして、図６に示すように、前記第１の超音波振動子２Ａは摩擦接触部４側を図中向かって手前方向となるように奥に配置するとともに、前記第２の超音波振動子２Ｂは摩擦接触部４ａ側を図中奥行き方向となるように手前側に配置する。

また、前記第１の超音波振動子２Ａと前記第２の超音波振動子２Ｂとの間には、前記被駆動体１１が配置される。
前記被駆動体１１は、例えばジルコニアセラミクスを用いて角柱形状に構成されており、図６に示すように、その中央部が矩形状にくりぬかれて形成されたガイド溝１１ａを有している。このガイド溝１１ａには、シャフト１２が挿通されるようになっている。
なお、前記被駆動体１１の前記摩擦接触部４、４ａと接触する面は、Ｒａ値（ＪＩＳ規格Ｂ０６０１算術平均粗さ）で０．０５μｍ以下となるように形成されている。

前記シャフト１２は、前記第１、第２の超音波振動子２Ａ、２Ｂの各穴部２ａに挿通可能な径で円柱形状に形成された連結部材である。このシャフト１２は、図６に示すように、前記第１の超音波振動子２Ａの穴部２ａ、前記被駆動体１１のガイド溝１１ａ、前記第２の超音波振動子２Ｂの穴部２ａを挿通して配置される。

この場合、前記被駆動体１１は、図７に示すように、前記第１、第２の超音波振動子２Ａ、２Ｂの各２個ずつの摩擦接触部４、４ａの間に配置されることになり、この被駆動体１１に対し前記第１、第２の超音波振動子２Ａ、２Ｂの各摩擦接触部４、４ａが押圧されるように第１、第２のバネ１３Ａ、１３Ｂを用いている。

前記第１、第２のバネ１３Ａ、１３Ｂは、例えばトーションバネである。詳しくは、図８に示すように、前記第１のバネ１３Ａは、中央部に形成されたバネ部１３ｂと、一端側設けられた前記シャフト１２と係止するためのフック部１３ａと、他端側に設けられた前記第１の超音波振動子２Ａと係止するためのフック部１３ｂとを有している。なお、前記第２のバネ１３Ｂの構成についても、前記第１のバネ１３Ａと同様である。

したがって、図７に示すように前記第１、第２の超音波振動子２Ａ、２Ｂ、被駆動体１１及びシャフト１２を組み合わせた状態にて、前記第１のバネ１３Ａのシャフト側のフック部１３ａを図示はしないがシャフト１２の係止穴に差し込み、そして、前記第１のバネ１３Ａの超音波振動子２Ａ側のフック部１３ｂを図７に示すように前記超音波振動子２Ａの上面に係止する。
そして、前記第２のバネ１３Ｂについても前記第１のバネ１３Ａと同様にシャフト１２及び第２の超音波振動子２Ｂに対して装着する。

このようにトーションバネである第１、第２のバネ１３Ａ、１３Ｂを用いることにより、図７に示す第２の超音波振動子２Ｂは、摩擦接触部４ａ近傍で反時計廻り回転方向に力が働き、この摩擦接触部４ａを介して前記被駆動体１１に押圧力を与える。また、前記第１の超音波振動子２Ａは、摩擦接触部４近傍で時計廻り回転方向に力が働き、この摩擦接触部４を介して前記被駆動体１１に押圧力を与えるようになっている。

なお、本実施例では、前記第１、第２のバネ１３Ａ、１３Ｂとしてトーションバネを用いたが、これに限定されるものではなく、他のバネ部材を用いても良い。

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、４ａ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。

このように第１、第２の超音波振動子２Ａ、２Ｂの各摩擦接触部４、４ａの位置に超音波楕円振動を発生させたことにより、前記被駆動体１１が右方向または左方向（図５中に示す矢印方向）に駆動することができ、すなわち、前記被駆動体１１は、シャフト１２が前記被駆動体１１のガイド溝１１ａを介して前記第１、第２の超音波振動子２Ａ、２Ｂの各穴部２ａに固定されているため、この被駆動体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、前記第１、第２の超音波振動子２Ａ、２Ｂの各圧電体積層部２の超音波楕円振動が発生してしている部位において、１次縦振動モードと２次屈曲振動モードの両モードの振動面に対して直交する方向に突出するように２個の摩擦接触部４、４ａを設けたので、第１、第２の超音波振動子２Ａ、２Ｂ、被駆動体１１等を含む超音波モータ１０全体の大きさを小型にすることが可能となる。

なお、本実施例では、前記第１、第２の超音波振動子２Ａ、２Ｂは、積層構造の超音波振動子を用いたが、積層構造でない板状の超音波振動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。

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。

図９及び図１０は本発明の超音波振動子の第２実施例の構成を示し、図９は第２実施例の超音波振動子を用いた超音波モータの構成を示す分解斜視図、図１０は組み立て後の超音波モータの構成を示す側面図である。なお、図９及び図１０は、前記第１実施例の超音波振動子１及び超音波モータ１０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９に示すように、本実施例の超音波振動子は２Ｃ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、この圧電体積層部２の超音波楕円振動が発生してしている部位において縦振動モードと屈曲振動モードの両モードの振動面に対して直交する方向に突出する４個の摩擦接触部４Ｃを設けている。

これらの摩擦接触部４Ｃは、全て同じ向きの超音波楕円振動するように前記圧電体積層部２の穴部２ａ近傍に配設されている。
また、前記摩擦接触部４Ｃは、この摩擦接触部４Ｃの断面積が徐々に小さくなるような形状、例えば図９に示すように円錐形状となるように構成されている。

前記超音波振動子２Ｃを用いて超音波モータ１０Ａを構成する場合、前記４個の摩擦接触部４Ｃには、図９に示すように被駆動体１４が配置されるようになっている。この場合、前記被駆動体１４Ａは、前記４個の摩擦接触部４Ｃの表面が当接するように外側表面１４Ａが円錐形状に構成されている。

また、前記被駆動体１４は、その中心部に複数のベアリングを備えたベアリング部１５を設けて構成されている。このベアリング部１５は、シャフト１２を挿通して回転可能に保持するための挿通口１４ａを有している。

次に、前記構成の超音波振動子２ｃを用いた超音波モータ１０Ａの構成について図９及び図１０を参照しながら説明する。

図９及び１０に示すように、前記超音波モータ１０Ａは、図９に示す超音波振動子２Ｃと、前記被駆動体１４と、シャフト１２と、バネ１３Ｃとを有している。
そして、前記超音波モータ１０Ａを組み立てる場合には、前記シャフト１２を、前記超音波振動子２Ｃの中央部に設けられた穴部２ａと前記被駆動体１４のベアリング部１５の挿通口１４ａを挿通する。

そして、前記シャフト１２は、前記ベアリング部１５の挿通口１４ａの内周面に接着固定する。この場合、前記したように前記被駆動体１４の外側表面１４Ａと前記４個の摩擦接触部４Ｃの外側表面とが当接するように配設されている。

また、図１０に示すように、前記被駆動体１４と前記摩擦接触部４Ｃとの間には、押圧力が生じるようにバネ１３Ｃが設けられている。

このバネ１３Ｃは、図１０に示すように前記超音波振動子２Ｃ、被駆動体１１及びシャフト１２を組み合わせた状態にて、前記バネ１３Ａのシャフト側のフック部１３ａを図示はしないがシャフト１２の係止穴に差し込み、そして、前記バネ１３Ｃの超音波振動子２Ｃ側のフック部１３ｂを図示はしないが前記超音波振動子２Ｃの面に設けられた係止穴に差し込み固定する。
こうして本実施例の超音波モータ１０Ａとなる。
その他の構成は、前記第１実施例と同様である。

次に、前記超音波モータ１０Ａ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、前記４個の摩擦接触部４Ｃ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２Ｃ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、前記被駆動体１４が右方向または左方向（図１０中に示す矢印方向）に回転することができた。

したがって、本実施例によれば、前記超音波振動子２Ｃは、その振動面の同じ超音波楕円振動（超音波楕円回転）を行っている位置に摩擦接触部４Ｃを４個有しているので、被駆動体１４Ａが回転する小型の超音波モータ１０Ａ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小型化を図ることができるので、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、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。

図１及び図２は本発明の超音波振動子の第１実施例の構成を示し、図１は第１実施例の超音波振動子を正面から見た斜視図。 図１の超音波振動子を背面から見た斜視図。 摩擦接触部の変形例を示す斜視図。 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６乃至図８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６は超音波モータの分解組み立て図。 超音波モータの上面図。 図７のバネの構成を示す構成図。 図９及び図１０は本発明の超音波振動子の第２実施例の構成を示し、図９は第２実施例の超音波振動子を用いた超音波モータの構成を示す分解斜視図。 組み立て後の超音波モータの構成を示す側面図。

符号の説明

１…超音波振動子、
２…圧電体積層部、
２Ａ…第１の超音波振動子、
２Ｂ…第２の超音波振動子、
２ａ…穴部、
２ｃ…超音波振動子、
３…外部電極、
４、４ａ…摩擦接触部、
６、７…圧電シート、
８、９…内部電極、
８ａ、９ａ…内部電極露出部、
１０、１０Ａ…超音波モータ、
１１…被駆動体、
１１ａ…ガイド溝、
１２…シャフト、
１３Ａ…第１のバネ、
１３Ｂ…第２のバネ、
１３ａ、１３ｃ…フック部、
１３ｂ…バネ部、
１４…被駆動体、
１４ａ…挿通口、
１５…ベアリング部。
代理人 弁理士 伊 藤 進

Claims (11)

1. 縦振動モードと屈曲振動モードを同時に同一平面内にて励起して超音波楕円振動を発生させる超音波振動子において、
   前記超音波振動子に前記超音波楕円振動が発生してしている部位において前記縦振動モード及び前記屈曲振動モードの振動面に対して直交する方向に突出する摩擦接触部を設けてなることを特徴とする超音波振動子。
2. 前記摩擦接触部は、前記超音波振動子の前記超音波楕円振動の回転の向きが互いに逆向きとなる位置に２個設けられたことを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子。
3. 前記超音波振動子は、縦振動と屈曲振動の共通の節部に穴部を有することを特徴とする請求項２に記載の超音波振動子。
4. 前記摩擦接触部の断面形状が円形状、もしくは矩形状、もしくは切り欠きのある円形状であ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. 前記摩擦接触部は、前記超音波振動子の前記超音波楕円振動の回転の向きが互いに同じ向きなる位置に４個設けられたことを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子。
6. 前記超音波振動子は、縦振動と屈曲振動の共通の節部に穴部を有することを特徴とする請求項５に記載の超音波振動子。
7. 前記摩擦接触部の断面積が徐々に小さくなるように構成されたことを特徴とする請求項１、請求項５及び請求項６のいずれか１つに記載の超音波振動子。
8. 縦振動モードと屈曲振動モードを同時に同一平面内にて励起して超音波楕円振動を発生させる超音波振動子の前記超音波楕円振動が発生してしている部位において前記縦振動モード及び前記屈曲振動モードの振動面に対して直交する方向に突出する摩擦接触部を設けてなる超音波振動子と、
   前記超音波振動子の前記摩擦接触部に接触して相対的に移動する被駆動体と、
   前記摩擦接触部を前記被駆動体に対し押圧する押圧手段と、
   を具備したことを特徴とする超音波モータ。
9. 縦振動モードと屈曲振動モードを同時に同一平面内にて励起して超音波楕円振動を発生させる超音波振動子の前記超音波楕円振動が発生してしている部位において前記縦振動モード及び前記屈曲振動モードの振動面に対して直交する方向に突出する摩擦接触部を設けてなる超音波振動子であって、前記摩擦接触部は前記超音波振動子の前記超音波楕円振動の回転の向きが互いに逆向きとなる位置に２個設けられ、縦振動と屈曲振動の共通の節部に穴部を有して対向配置された第１、第２の超音波振動子と、
   前記第１、第２の超音波振動子の前記穴部に挿通されたシャフトと、
   前記第１の超音波振動子の前記２個の摩擦接触部間と、前記第２の超音波振動子の前記２個の摩擦接触部間に配され、これらの摩擦接触部と接触しながら移動自在な被駆動体と、
   前記被駆動体と前記第１の超音波振動子の前記摩擦接触部の間に押圧力が生じるように前記シャフトと前記第１の超音波振動子の間に設けられた第１のバネと、
   前記被駆動体と前記第２の超音波振動子の前記摩擦接触部の間に押圧力が生じるように前記シャフトと前記第２の超音波振動子の間に設けられた第２のバネと、
   を少なくとも具備し、
   前記超音波振動子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生じさせて前記被駆動体を相対的に移動させることを特徴とする超音波モータ。
10. 前記第１、第２のバネは、トーションバネであることを特徴とする請求項９に記載の超音波モータ。
11. 請求項７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の表面が当接するように円錐形状に構成して配された被駆動体と、
    前記超音波振動子と前記被駆動体との間に押圧力を与えるためのバネと、
    を少なくとも具備し、
    前記超音波振動子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生じさせて前記被駆動体を相対的に回転させることを特徴とする超音波モータ。
    

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