JP3170634B2 - 超音波振動子及び超音波駆動装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はペンシル型もしくは細長
型（スレンダータイプ）の超音波モータの動力発生部と
なる棒状の超音波振動子及び超音波駆動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ペンシル型もしくは細長型もしくはスレ
ンダータイプの超音波モータは本出願人により開発さ
れ、既にカメラ等の光学機器に搭載されて実用化されて
いるものである。以下には、前記超音波モータの棒状超
音波振動子の構成について図２９を参照して説明する。

【０００３】図２９は従来の棒状超音波振動子の分解斜
視図である。

【０００４】棒状超音波振動子は円盤状の圧電素子１、
金属材料で形成される第一振動体２及び第二振動体３、
樹脂材料で形成される絶縁シート２２、電極板１９及び
これらの締結を行う締結ボルト５より構成される。

【０００５】圧電素子１の一端面及び側面には円盤部を
概略４等分する形で電極が備えられ、他の端面には概略
全面に電極が備えられている。圧電素子１は各電極毎に
厚さ方向に分極が施されており、中心軸に対して対向す
る位置にある電極は互いに逆方向に分極されている。各
電極には圧電素子の側面において給電用のリード線２４
が半田付けにより接続されている。対向する一対の電極
をＡ相、もう一対の電極をＢ相とする。

【０００６】圧電素子のＡ相に電圧を与えると片方の電
極は伸張、もう一方は圧縮する。電圧を交流電圧とする
と振動子は屈曲の振動を生じる。Ｂ相について同様に電
圧を与えると中心軸を含みＡ相の振動方向と直交する方
向に屈曲の振動を生じる。Ｂ相への印加電圧をＡ相への
印加電圧に対して適当な時間的位相差を与えると、振動
子の任意の点は楕円運動を生じる。

【０００７】この様な振動を生じている振動子の任意の
点、例えば第一振動体２の先端面に不図示の移動体を加
圧接触させると、移動体は該振動体の表面粒子の楕円運
動により送りの力を与えられる。移動体を円筒状とし、
移動体の中心軸を回転固定することで移動体は回転運動
が与えられ超音波モータが構成される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】前記超音波振動子にお
いては以下に述べるような問題があった。

【０００９】圧電素子と外部の制御回路との接続はリ
ード線により行われており、このリード線は圧電素子に
半田付けにより固定されているが、この構造では半田付
けの不具合によりリード線の脱落が生じやすく、圧電素
子と振動体への熱の伝播により半田溶融温度に達しずら
い等の問題を生じる。半田の付着状態により振動子の
振動特性のばらつきを生じる。半田付け時の圧電素子の
温度上昇により圧電素子の分極解除が生じる可能性もあ
る。従って、これらの理由により、従来の技術では常に
安定した性能の超音波振動子を製造することが困難であ
り、リード線の半田付け工程における作業能率の低さや
品質管理の困難さに起因する製造コストの高さ、圧電素
子と外部制御回路との接続にリード線を使用しているこ
とに基づく超音波振動子の信頼性の低さや耐久性に対す
る不安、などの問題があった。また、超音波振動子は
圧電素子の変位により振動を得るものであることから、
振動減衰を小さくすることも必要である。

【００１０】本発明の目的は、前述した従来構造の超音
波振動子よりも信頼性及び耐久性にすぐれ且つ従来の超
音波振動子よりも低コストで製造することができ、振動
減衰の少ない改善された超音波振動子及び超音波駆動装
置を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、複数の電
極を少なくとも一方の端面に有した少なくとも一枚の圧
電素子と、該圧電素子の二つの端面に対向して配置され
るとともに該圧電素子を挟圧保持する少なくとも２個の
弾性体と、該圧電素子と該弾性体とを互いに締結固定す
る締結部材と、を有して成る棒状の超音波振動子におい
て、該圧電素子と該弾性体との間に配置されて該締結部
材により該圧電素子と該弾性体との間に挟圧保持される
ものであって、絶縁面と電極部とを接着剤層を用いずに
接合したプリント基板が設けられ、該プリント基板には
該圧電素子の該電極に接続する該電極部が該弾性体によ
る挟持領域に設けられるとともに外部制御回路との接続
端子が突出位置に設けられていることを特徴とする。 第
２の発明は、複数の駆動用電極とセンサー用電極とを少
なくとも一方の端面に有した少なくとも一枚の圧電素子
と、該圧電素子の二つの端面に対向して配置されるとと
もに該圧電素子を挟圧保持する少なくとも２個の弾性体
と、該圧電素子と該弾性体とを互いに締結固定する締結
部材と、を有して成る棒状の超音波振動子において、該
圧電素子と該弾性体との間に配置されて該締結部材によ
り該圧電素子と該弾性体との間に挟圧保持されるもので
あって、絶縁面と電極部とを接着剤層を用いずに接合し
たプリント基板が設けられ、該プリント基板には該圧電
素子の各々の電極に接続する該電極部が該弾性体による
挟持領域に設けられるとともに外部制御回路との接続端
子が突出位置に設けられていることを特徴とする。 第３
の発明は、上記いずれかの発明の超音波振動子を用いて
被駆動体を駆動することを特徴とする超音波駆動装置と
するものである。

【００１２】

【実施例】以下に図１乃至図２８を参照して本発明によ
る改良された超音波振動子の実施例について説明する。

【００１３】＜実施例１＞図１は本発明の第１の実施例
を示す棒状超音波振動子の分解斜視図である。図２は本
実施例で用いる圧電素子板の電極配置を示す正面図であ
る。

【００１４】棒状超音波振動子は、円盤状の圧電素子板
１、金属材料で形成される第一振動体２、第二振動体
３、圧電素子板の各電極へ給電を行なうプリント基板
４、圧電素子板の共通電極８をＧＮＤ電位とするための
電極板１９、及びこれらの締結を行なう締結ボルト５、
より構成される。

【００１５】図２に示すように、圧電素子板１の片面に
は圧電素子板全周を概略４等分する形で電極６が配置さ
れており、圧電素子板の別の面には共通電極８が概略全
面に配置されている。圧電素子板は各電極ごとに厚さ方
向に分極が施されており、図２に示したように６Ａ１，
６Ｂ１と６Ａ２，６Ｂ２は逆方向に分極が施されてい
る。電極６Ａ１及び６Ａ２をＡ相、電極６Ｂ１及び６Ｂ
２をＢ相とする。

【００１６】プリント基板４の円盤部には、円盤部の円
周を概略４等分する形で基板電極７が配置される。基板
電極７は圧電素子板１の電極と７Ａ１−６Ａ１，７Ａ２
−６Ａ２，７Ｂ１−６Ｂ１，７Ｂ２−６Ｂ２間で接する
位置に配置される。又、プリント基板４には不図示の制
御回路との接続端子９が設けられており、プリント基板
上でリード電極により７Ａ１−９Ａ１，７Ａ２−９Ａ
２，７Ｂ１−９Ｂ１，７Ｂ２−９Ｂ２が接続されてい
る。

【００１７】圧電素子板１の電極６とプリント基板４の
電極７、及び共通電極８と電極板１９が接触し、プリン
ト基板とＧＮＤ電極１９ＧＮＤを持つ電極板１９の間に
電界を与えることで圧電素子板１への給電が行なわれ
る。

【００１８】接続端子９Ａ１及び９Ａ２とＧＮＤ電極１
９に電位を与えることで、圧電素子のＡ相に電位が与え
られる。同様に接続端子９Ｂ１，９Ｂ２とＧＮＤ電極１
９間に電位を与えることでＢ相に電位が与えられる。接
続端子及びＧＮＤ電極１９にはリード線又はフレキシブ
ル基板等が半田付けコネクター等により接続され、外部
制御回路と接続される。

【００１９】Ａ相に対して電界を印加すると、電極６Ａ
１と６Ａ２は逆方向に分極されているので振動子は図２
に示したＸ方向に屈曲する力が発生する。同様にＢ相に
対して電界を印加するとＸ方向と概略直交するＹ方向に
屈曲する力が発生する。

【００２０】印加する電圧を交流電圧とし、例えば振動
子の屈曲振動の固有振動数付近の交流周波数を選び圧電
素子に印加すると、周期的かつ安定した振動子の屈曲振
動が得られる。また、Ｂ相への印加電圧を、Ａ相への印
加電圧に対して適当な時間的位相差を与えると、振動子
の任意の点は軌跡が楕円を描くように振動を行なう。こ
のような振動をしている振動子の任意の点、例えば第一
振動体２の上端面に不図示の移動体を加圧接触させる
と、移動体は振動子の表面粒子の楕円運動により送りの
力を与えられる。

【００２１】圧電素子板１は振動子の歪み最大位置近傍
に配置される。プリント基板４は圧電素子板１に隣接す
る位置に配置されるため、プリント基板４においても振
動子の変形による歪みは大きなものとなる。振動子の振
動減衰によるエネルギーの消費量を小さなものとするに
は、プリント基板には材料特性として振動減衰の小さい
ものが得られる材料を選択することが望ましい。本実施
例ではプリント基板のベースをセラミック材料とするこ
とで減衰量の小さい振動子としている。又、プリント基
板のベースとして、Ａｌ等の金属材料を選択することも
可能である。

【００２２】振動子の全長の増加を抑えると同時に上記
のように振動子の振動減衰量の増加を抑えるためにプリ
ント基板のベースとしてセラミック板を用いる場合、セ
ラミック板の板厚は０．８ｍｍ以下とすることが望まし
い。金属材料を用いる場合はＡｌ，Ｆｅ等、振動減衰の
小さい材料を用いることが望ましい。金属材料をベース
基板とする場合、ベース基板−電極間に絶縁層が必要と
なるが、この絶縁層は通常樹脂材料が用いられるため振
動減衰が大きくなってしまう。プリント基板による振動
エネルギーの消費を小さなものとするために、絶縁層は
８０μｍ以下であることが望ましい。

【００２３】圧電素子への給電にプリント基板を用い、
振動子の締結構造を利用することで接着等煩雑な作業を
必要とせず、簡便かつ安定した給電が行なえる。

【００２４】＜実施例２＞図３は本発明の振動子の第２
の実施例である。本実施例では、圧電素子板１には両面
に電極を付け、厚さ方向に分極（４領域に分けず、全面
同極性に分極）を施した後に片面の電極を研摩等により
除去してある。この電極を除去した面とプリント基板の
電極面が接触するように配置される。

【００２５】プリント基板４の電極７Ａ１及び７Ａ２に
よりＡ相への給電が行なわれるが、基板電極７Ａ２には
基板電極７Ａ１と逆の電圧が印加される。交流電圧であ
れば振動子に屈曲振動が与えられる。同様にしてＢ相に
対して電圧が与えられ、屈曲振動が与えられる。

【００２６】＜実施例３＞図４は本発明の第３の実施例
を示す棒状超音波振動子の分解斜視図である。

【００２７】振動子の構成は図１に示した第１の実施例
と同じであるが、プリント基板４にはフレキシブルプリ
ント基板２０が用いられ、図１で示した電極板１９を兼
ねる円盤部を持ち、円盤状の電極７ＧＮＤが備えられ
る。プリント基板２０は不図示の外部制御回路との接続
端子９を併せ持つ。

【００２８】基板電極７Ａ１と７Ａ２はプリント基板上
の内径部でプリントパターンにより導通され、７Ａ１は
接続端子９Ａと導通される。基板電極７Ｂ１と７Ｂ２は
プリント基板円盤部の振動子外径より外側で導通され、
７Ｂ１は接続端子９Ｂと導通される。プリント基板２０
は基板電極と圧電素子電極は７Ａ１−６Ａ１，７Ａ２−
６Ａ２，７Ｂ１−６Ｂ１，７Ｂ２−６Ｂ２、及び７ＧＮ
Ｄと電極８が接触する位置に配置される。

【００２９】このように圧電素子板１及びプリント基板
２０を配置し、接続端子９Ａに電圧を印加することでＡ
相が駆動され、接続端子９に電圧を印加することでＢ相
が駆動される。

【００３０】図５は屈曲変形を生じている時の棒状振動
子の変形の状態を表したものである。圧電素子の単位面
積ｄＡが振動子のＸ方向への屈曲に作用する力は、振動
子の中心軸から領域ｄＡのＸ方向への距離ｘに比例して
大きくなる。つまり、ｄＡ×ｘで与えられる。振動子に
屈曲変形を発生させる時は圧電素子の外径側を用いる方
が、発生する力を効果的に用いることができる。基板電
極７の導通の為のプリントパターンを内径側及び振動子
外径より外側に配置することで圧電素子の外径部を有効
に用いることができ、効率良い振動子を形成できる。

【００３１】一般にフレキシブルプリント基板は、基材
となる樹脂シートに銅箔を接着剤により接着することで
形成される。樹脂シート及び接着剤は振動減衰が大きい
為、振動子全体の振動減衰が大きくなり振動子の効率低
下を生じてしまう。

【００３２】プリント基板による振動子の振動減衰量の
変化を調べる為に、試検用振動子を作成して比較を行な
った。振動子の外形は、径８ｍｍ、全長１３．５ｍｍで
ある。第一及び第二振動体はＢＳ材料、締結ボルトは快
削鋼にＫＮメッキを施した材料、である。圧電素子はＰ
ＺＴであり、厚さ０．４ｍｍである。振動子は屈曲１次
振動で用いられ共振周波数は６４ｋＨｚである。

【００３３】フレキシブルプリント基板は、ベースシー
トがポリイミド樹脂で厚さ２５μｍ、電極は銅箔シート
で厚さ３５μｍであり、接着剤の厚さの異なる２種のプ
リント基板材料を用意した。このプリント基板材料は振
動子の減衰量変化を調べる為のものであり、圧電素子へ
の給電は電極板により行なわれる。

【００３４】図６に各プリント基板材料を用いた時の共
振周波数での振動子のＱ値（減衰量を表し、値が大きい
ほど減衰は小さい）の比較を示す。接着剤層の無いプリ
ント基板を用いることで減衰の増加量の少ない効率の良
い振動子を形成することができる。

【００３５】＜実施例４＞図７は本発明の第４実施例の
超音波振動子の分解斜視図である。図８に本実施例で用
いるフレキシブルプリント基板の一部分の詳細を示す。

【００３６】本実施例で用いる圧電素子板１、第一振動
体２及び第二振動体３、締結ボルト５は前記実施例と同
じ形状及び材質である。各部材の配置、締結による組立
状態も同じであるが、第一振動体とフレキシブルプリン
ト基板２０の間に電気絶縁材料で形成された絶縁シート
２２が配置されている。

【００３７】フレキシブルプリント基板２０の円盤部の
オモテ面には前記実施例と同様に円盤部を概略４等分し
た基板電極７が備えられ、図８に示すように各基板電極
７にはスルーホール１０１Ａ１，１０１Ｂ１，１０１Ｂ
２が配されており、裏面と導通がとられている。裏面に
は導通電極１０２が配され、スルーホール１０１Ａ１と
１０１Ａ２及び１０１Ｂ１と１０１Ｂ２で導通されてい
る。この様な構成とすることで、基板電極７Ａ１と７Ａ
２、７Ｂ１と７Ｂ２が導通され、圧電素子のＡ相及びＢ
相に各々電気信号が与えられる。

【００３８】導通電極１０２は円盤部に同心円状に、円
盤部の全面を略覆うように配されている。これは振動子
中に接触の不均一な部分を持つことによる共振周波数の
ズレや振動方向の偏りを防ぎ、かつ振動波の伝搬を良好
なものとする為である。

【００３９】このように基板電極の導通をプリント基板
の裏面で行なうことで基板電極の面積を可能な限り大き
くすることができ、圧電素子の電極面積も大きくなる。
これより、出力の大きく効率良い振動子をもたらすこと
ができる。

【００４０】本実施例ではフレキシブルプリント基板と
樹脂シート２２を別体として示したが、プリント基板２
０にカバーコートを施し、導通電極１０２の絶縁を確保
することで同様の効果が得られる。

【００４１】＜実施例５＞図９は本発明の第５実施例を
示す棒状超音波振動子の分解斜視図である。図１０は本
実施例で用いるフレキシブルプリント基板２０の一部分
の詳細図である。

【００４２】図９及び図１０に示すようにフレキシブル
プリント基板２０の円盤部には円周を概略４等分する基
板電極７が円盤部両面に配されている。図１０に示すよ
うに基板電極７Ａ１と７Ａ２はプリント基板オモテ面の
導通パターン１０３ａにより接続され、基板電極７Ｂ３
と７Ｂ４はプリント基板裏面の導通パターン１０３ｂに
より接続されている。各基板電極７は逆の面の基板電極
とスルーホール１０１により導通されている。基板電極
７Ａ１と接続端子９Ａ、及び基板電極７Ｂ１と接続端子
９Ｂはプリント基板上の導通パターンにより接続されて
いる。

【００４３】基板電極７ＧＮＤは圧電素子１にＧＮＤ電
位を与える為に備えられる。基板電極７ＧＮＤはプリン
ト基板の両面に備えられ、スルーホール１０４により両
面の間で導通をとられている。

【００４４】振動子を構成する各部品は図９に示すよう
に配置される。本実施例においては圧電素子は２枚用い
られており、プリント基板を圧電素子で挟み込むように
配することで各圧電素子に給電が行なわれる。

【００４５】このような構成とすることで圧電素子への
給電の構成を複雑なものとすることなく、圧電素子の枚
数を増やすことが可能となり、大出力を得られる振動子
を形成できる。

【００４６】＜実施例６＞図１１は本発明の第６実施例
の構成を示す、棒状超音波振動子の縦断面図である。

【００４７】この例では圧電素子板１を６枚用いている
が、４枚、８枚等偶数枚を用いた振動子の構成は同様の
構成とすることで容易に形成される。

【００４８】図１２に示すようにフレキシブルプリント
基板２０は４ケ所の円盤部２０Ｒ１〜２０Ｒ４を持ち、
円盤部２０Ｒ１，２０Ｒ２，２０Ｒ３は図１０と同様の
基板電極構成を成している。円盤部２０Ｒ４にはＧＮＤ
電位の為の電極７ＧＮＤが両面に配されスルーホールに
より両面の導通が得られている。接続端子と基板電極は
９Ａ−７Ａ，９Ｂ−７Ｂ，９Ｇ−７ＧＮＤで接続されて
いる。

【００４９】プリント基板２０の円盤部２０Ｒ１，２０
Ｒ２，２０Ｒ３を挟み込む形で圧電素子板１が配され
る。圧電素子板１は電極６を持つ面がプリント基板２０
と接触し、圧電素子の逆の面には金属製の電極板２１が
配される電極板２１は締結ボルト５に加圧接触し、電気
的に導通されている。第一振動体２、第二振動体３、締
結ボルト５は金属材料で形成されており、第二振動体３
はプリント基板円盤部２０Ｒ４と接触しているのでこれ
らは全てＧＮＤ電位となる。このように配することで各
圧電素子全てに電圧が印加される。

【００５０】本実施例のような構成とすることで圧電素
子枚数の複数化が容易に行なえ、大出力を発生する振動
子を容易に作成できる。

【００５１】なお、以上の実施例では圧電素子板を４分
割しＡ，Ｂ相の２相による駆動を示してきたが、本発明
はこれに限らず、圧電素子板及び圧電素子各電極への給
電の為のプリント基板を任意の数に分割して２相以上の
電圧印加による駆動構成としてもよい。

【００５２】図１３はフレキシブルプリント基板２０及
び圧電素子板１を６分割し、３相による駆動とした例で
ある。

【００５３】図１４はフレキシブルプリント基板２０及
び圧電素子板１を８分割し、４相による駆動とした例で
ある。

【００５４】これら２相以上の電圧印加による振動子の
駆動構成は本実施例に限らず、他の実施例においても容
易に実施できる。

【００５５】＜実施例７＞図１５は本発明の第７実施例
を示す棒状超音波振動子の分解斜視図である。図１６は
本実施例で用いる圧電素子板１の電極配置を示す平面図
である。

【００５６】振動子は円盤状の圧電素子板１、金属材料
で形成される第一振動体２及び第二振動体３、圧電素子
板の各電極と外部制御回路との接続を行うプリント基板
４、圧電素子板の共通電極８をＧＮＤ電位とするための
電極板１９、およびこれらを一体とするための締結ボル
ト５より構成される。

【００５７】図１５に示すように、圧電素子板１の片面
には圧電素子円周を概略４等分する形で電極６が配置さ
れており、圧電素子の逆の面には共通電極８が概略全面
に配置されている。圧電素子板１は各電極ごとに厚さ方
向に分極が施されており、図１６に示したように電極６
Ｂ１と６Ｂ２は逆方向に分極されている。電極６ＡをＡ
相、電極６Ｂ１及び６Ｂ２をＢ相、電極６Ｓをセンサー
相とする。

【００５８】プリント基板４の円盤部には、円盤部の円
周を概略４等分する形で基板電極７が配置される。基板
電極７は圧電素子１の電極６と７Ａ−６Ａ，７Ｂ１−６
Ｂ１，７Ｂ２−６Ｂ２，７Ｓ−６Ｓ間で接する位置に配
置される。又、プリント基板には接続端子９が設けられ
ており、プリント基板４上でプリントパターンにより７
Ａ−９Ａ，７Ｂ１−９Ｂ１，７Ｂ２−９Ｂ２，７Ｓ−９
Ｓで接続されている。

【００５９】プリント基板の接続端子９と電極板１９の
間に電圧を印加することで圧電素子板１への給電が行わ
れる。接続端子９Ａに電圧を印加することで圧電素子の
Ａ相に電圧が駆動される。同様に接続端子９Ｂ１，９Ｂ
２に電圧を印加することでＢ相が駆動される。接続端子
９及び電極１９にはリード線又はフレキシブルプリント
基板等が半田付け、コネクター等により固定され、外部
制御回路と接続される。

【００６０】Ａ相に対して電圧を印加すると、電極６Ａ
は歪みを発生し、振動子は図１６に示すＸ方向に屈曲す
る。同様にＢ相に対して電圧を印加するとＸ方向と概略
直行するＹ方向に屈曲される。印加する電圧を交流電圧
とし、例えば振動子の屈曲振動の固有振動数付近の交流
周波数を選ぶと、周期的、かつ安定した振動子の屈曲振
動が得られる。又、Ｂ相への印加電圧をＡ相への印加電
圧に対して適当な時間的位相差を与えると、振動子の任
意の点は軌跡が楕円を描くように振動を行う。このよう
な振動をしている振動子の任意の点、例えば第一振動体
２の上端面に不図示の移動体を加圧接触させると、移動
体は振動子の表面粒子の楕円運動により、送りの力を与
えられる。

【００６１】圧電素子の電極６Ｓは振動子の屈曲変形に
より歪みを生じ、圧電効果により電荷を発生する。この
電荷を接続端子９Ｓより検出することで振動子の振動状
態のモニターが行われる。電極６ＳはＡ相圧電素子に対
して０ｒａｄずれた位置に配置される。この時の、周波
数に対するＡ相圧電素子の印加電圧とセンサー相の出力
信号の位相差の関係（以後θＡ−Ｓと称する）、及びセ
ンサー相の出力信号の大きさ（Ｖｓ）の関係を図１７に
示す。屈曲１次振動モードで振動子を駆動すると、共振
周波数Ｆｒにおいて位相差θＡ−Ｓは、ＣＷ（時計周り
方向）、ＣＣＷ（反時計周り方向）共に（９０π／１８
０）ｒａｄになり、共振周波数より高い側の周波数では
徐々にずれていく。出力信号の大きさ（Ｖｓ）は共振周
波数付近で最大値をとり、共振周波数より高い側の周波
数では徐々に小さくなる。よって、振動を与えている時
にこの位相差θＡ−Ｓや出力信号の大きさを見ることで
入力の周波数と振動子の共振周波数との関係のモニター
が行え、振動子の安定した駆動が行える。

【００６２】圧電素子板１は振動子の歪み最大位置近傍
に配置される。プリント基板４は圧電素子板１に隣接し
て配置されるため、プリント基板４においても振動子の
変形による歪みは大きなものとなる。振動子の減衰によ
る振動エネルギーの消費量を抑えるためにはプリント基
板４は減衰の小さい材料を選択することが望ましい。本
実施例ではプリント基板４のベース材としてセラミック
材料を用いることで減衰量の小さい振動子としている。
又、プリント基板のベースとしてアルミ等の金属材料を
選択することも可能である。

【００６３】振動子の全長の増加を抑えると共に、上記
のように振動子の減衰量の増加を抑えるため、プリント
基板のベースとしてセラミック板を用いる場合、板厚は
０．８ｍｍ以下であることが望ましい。金属材料を用い
る場合はアルミニウム等の振動減衰の小さい材料を用い
ることが望ましい。金属材料をベース基板とする場合、
ベース基板−電極板間に絶縁層が必要となるが、この絶
縁層には通常樹脂材料が用いられるために振動減衰が大
きなものとなってしまう。このため、プリント基板に設
けられる絶縁層は８０μｍ以下であることが望ましい。

【００６４】＜実施例８＞図１８は本発明の第８実施例
を示す分解斜視図であり、図３の第２実施例の変形実施
例である。

【００６５】圧電素子板１は両面に電極を付け、厚さ方
向に分極（４領域に分けずに全面同極性に分極）を施し
た後に片面の電極を研摩等により除去してある。この電
極を除去した面と、プリント基板４の電極面が接触する
ように配置される。

【００６６】プリント基板４の基板電極７ＡによりＡ相
への給電が行われる。基板電極７Ｂ１，７Ｂ２によりＢ
相への給電が行われるが基板電極７Ｂ２には７Ｂ１と逆
の電圧が印加される。交流電圧であれば振動子に屈曲振
動が与えられる。又、基板電極７Ｓにより振動子の振動
状態のモニターが行われる。

【００６７】＜実施例９＞図１９は本発明の第９実施例
を示す棒状超音波振動子の分解斜視図である。図２０は
本実施例で用いるフレキシブルプリント基板２０の一部
分の詳細図である。

【００６８】振動子の構成は図９に示した第５実施例の
ものとほぼ同じである。プリント基板４にはフレキシブ
ルプリント基板２０が用いられ、プリント基板２０は図
１５に示した電極板１９を兼ねる円盤部を持ち、円盤状
の電極７ＧＮＤが備えられる。プリント基板２０は不図
示の外部制御回路との接続端子９を合わせ持つ。

【００６９】図２０に示すようにフレキシブルプリント
基板の円盤部には円周を概略４等分する基板電極７が円
盤部両面に配されている。基板電極７Ａ２と７Ａ３はプ
リント基板の裏面で、内径部の導通パターン１０３ａに
より接続される。基板電極７Ｂ１と７Ｂ２はプリント基
板のオモテ面で、振動子の外径より外側の導通パターン
１０３ｂにより接続される。両面の基板電極７はプリン
ト基板に設けられたスルーホール１０１により導通され
る。基板電極と接続端子は７Ａ１−９Ａ，７Ｂ１−９
Ｂ，７Ｓ−９Ｓでプリント基板上の導通パターンにより
接続される。

【００７０】基板電極７ＧＮＤは圧電素子１にＧＮＤ電
位を与えるために設けられる。基板電極７ＧＮＤはプリ
ント基板の両面に設けられ、スルーホール１０４により
両面の間で導通されている。又、基板電極７ＧＮＤと接
続端子９ＧＮＤはプリント基板上の導通パターンにより
導通される。

【００７１】＜実施例１０＞図２１は本発明の第１０実
施例を示す棒状超音波振動子の分解斜視図である。図２
２は本実施例で用いられるフレキシブルプリント基板の
部分詳細図と圧電素子の電極構成を示す平面図である。

【００７２】振動子の構成は図９に示した第５実施例の
ものとほぼ同じであり、２枚の圧電素子板の一方の圧電
素子１ｂには図２２に示すように４つの駆動用電極と１
つのセンサー用電極７Ｓが備えられる。電極７ＳはＸ軸
に対称となる形状をなしている。プリント基板２０の両
面には圧電素子の各電極に対応する位置に基板電極７が
備えられる。

【００７３】第７乃至第９実施例においては圧電素子１
の概略４分の１を用いてセンサー相を設けており、この
ため駆動に用いられる圧電素子の面積が大きく減少して
いたが、本実施例ではセンサー用の圧電素子とセンサー
用電極を小さくして駆動力減少の防止を図っている。

【００７４】図２３は屈曲変形を生じている時の棒状振
動子の変形の状態を表したものである。圧電素子の単位
面積ｄＡが振動子のＸ方向への屈曲に作用する力は振動
子の中心軸から領域ｄＡのＸ方向への長さｘの積で与え
られる。つまり、振動子に屈曲変形を発生させる時は圧
電素子の外径側を用いる方が圧電素子が発生する力を有
効に用いることができる。センサー相を圧電素子の内径
側に設けることで駆動に用いられる圧電素子の領域を力
の発生量の大きな位置に配することができ、変形量の大
きく効率の高い振動子を作成できる。

【００７５】＜実施例１１＞図２４は本発明の第１１実
施例の棒状超音波振動子の縦断面図であり、圧電素子板
１を６枚用いた例を示しているが、４枚、８枚等偶数枚
を用いた振動子の構成は本実施例と同様にして容易に形
成できる。

【００７６】図２５に示すようにフレキシブルプリント
基板２０は４ケ所の円盤部２０Ｒを持ち、円盤部２０Ｒ
１は図９と同様の基板電極構成をなしており、駆動用の
電極７Ａ，７Ｂ及びセンサー相用電極７Ｓが備えられて
いる。円盤部２０Ｒ２，２０Ｒ３はＡ，Ｂ相のための電
極７Ａ，７Ｂを備える。

【００７７】フレキシブルプリント基板２０の円盤部２
０Ｒ１，２０Ｒ２，２０Ｒ３をはさみ込む形で圧電素子
板１が配される。ただしプリント基板２０の円盤部２０
Ｒ１の図に示した面には圧電素子１の電極６を持つ面
が、円盤部のその他の面には圧電素子１の電極６を持つ
面が、配される。圧電素子１の共通電極８と接するよう
に金属製の電極板２１が配される。電極板２１は締結ボ
ルト５に加圧接触し電気的に導通される。第一振動体２
と第二振動体３、締結ボルト５は金属材料で形成されて
おり、更に第二振動体３はプリント基板円盤部２０Ｒ４
と接触しているのでこれらはすべてＧＮＤ電位となり、
圧電素子１すべてにＧＮＤ電位が与えられる。

【００７８】本実施例では圧電素子１の総体積に比較し
てセンサー層として用いる圧電素子は微小であり、圧電
素子を駆動用として有効に用いられる。

【００７９】なお、前記各実施例では圧電素子を４分割
し、Ａ，Ｂ相の２相による駆動を示してきたが本発明は
これに限らず圧電素子及び圧電素子各電極への給電のた
めのプリント基板電極を任意の数に分割し、２相以上の
電圧負荷による駆動構成としても良い。

【００８０】図２６はフレキシブルプリント基板２０及
び圧電素子１を６分割し、３相による駆動とした例であ
る。

【００８１】図２７はフレキシブルプリント基板２０及
び圧電素子１を８分割し、４相による駆動とした例であ
る。

【００８２】これら２組以上の電圧負荷による振動子の
駆動構成は本発明の他の実施例においても容易に実施で
きる。

【００８３】図２８は以上に示した振動子を用いた棒状
超音波モータの縦断面図である。振動子の締結ボルト５
は先端部に細径の支柱部５ｐを有し、この支柱部５ｐの
先端部に固定された固定部材１５によりモータ自体の固
定を行えるようにし、更に移動体等の回転支持の作用を
兼用している。移動体１８は第一弾性体２の先端面に接
触し、加圧は固定部材１５からベアリング部材１３とギ
ア１４を介して移動体１８に内装されたバネケース１７
のコイルバネ１６を押圧することで与えられる。

【００８４】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明の超音波
振動子では、圧電素子と外部制御回路とを電気的に接続
するための接続手段としてリード線の使用をやめてプリ
ント基板を使用するとともに該プリント基板を該振動子
の締結用ボルトの締め付け力を利用して圧電素子と振動
子本体との間に挟み込むようにしたので、従来のような
リード線のハンダ付け作業が不要となり、従って、ハン
ダ付け作業に起因する様々な問題すなわち、品質の不安
定、信頼性の低さ、作業能率の悪さ、製造コストの高
さ、耐久性に対する不安、等の問題、が解決され、品質
の安定した信頼性の高い、且つ、低コストで製造できる
超音波振動子が提供される。また、プリント基板は、絶
縁面と電極部とを接着剤層を用いずに接合した構成とし
ているので、振動減衰が少なく、効率のよい振動子を提
供することができる。さらに、本発明の構造によれば、
従来品よりも高出力の超音波振動子を低コストで容易に
製作することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の超音波振動子の分解斜視
図。

【図２】図１の超音波振動子の圧電素子の分極配置図。

【図３】本発明の第２実施例の超音波振動子の分解斜視
図。

【図４】本発明の第３実施例の超音波振動子の分解斜視
図。

【図５】超音波振動子における駆動力発生の状態を説明
するための図。

【図６】図４に示した超音波振動子に用いられたフレキ
シブルプリント基板の構成と力学的性質とを示した図。

【図７】本発明の第４実施例の超音波振動子の分解斜視
図。

【図８】図７の超音波振動子用いられているプリント基
板の構成を示した図。

【図９】本発明の第５実施例の超音波振動子の分解斜視
図。

【図１０】図９の超音波振動子に使用されているプリン
ト基板の構成を示した図。

【図１１】本発明の第６実施例の超音波振動子の概略縦
断面図。

【図１２】図１１に示した超音波振動子に用いられてい
るプリント基板の構成を示した図。

【図１３】図１１の超音波振動子に適用できるプリント
基板の他の実施例を示した図。

【図１４】図１１の形式の超音波振動子に適用できるプ
リント基板及び圧電素子の構成を示した図。

【図１５】本発明の第７実施例の超音波振動子の分解斜
視図。

【図１６】図１５の超音波振動子の圧電素子の分極配置
を示した図。

【図１７】図１５の超音波振動子のセンサー部における
出力を説明するための図。

【図１８】本発明の第８実施例の超音波振動子の分解斜
視図。

【図１９】本発明の第９実施例の超音波振動子の分解斜
視図。

【図２０】図１９の超音波振動子のプリント配線基板の
構成を示した図。

【図２１】本発明の第１０実施例の超音波振動子の分解
斜視図。

【図２２】図２１の超音波振動子に使用されている圧電
素子及びプリント配線基板の構成を示した図。

【図２３】図２１に示した超音波振動子における駆動力
発生状態を説明するための図。

【図２４】本発明の第１１実施例の超音波振動子の概略
縦断面図。

【図２５】図２４の振動子に使用されているプリント配
線基板の構造を示した図。

【図２６】図２４の形式の超音波振動子に使用される圧
電素子とプリント配線基板の構成を示した図。

【図２７】図２４に示した形式の超音波振動子に用いら
れる圧電素子とプリント基板の構成を示した図。

【図２８】本発明の超音波振動子を使用して構成された
超音波モータの縦断面図。

【図２９】従来の超音波振動子の分解斜視図。

【符号の説明】

１…圧電素子 ２…第一振動体 ３…第二振動体 ４…プリント基板 ５…締結ボルト ６…圧電素子電極 ７…基板電極 ８…圧電素子共通
電極 ９…接続端子 １３…ベアリング
部材 １４…ギア １５…固定部材 １６…コイルバネ １７…バネケース １８…ロータ １９…電極板 ２０…フレキシブルプリント基板 ２１…電極板 ２２…絶縁シート １０１…スルーホ
ール １０２…導通電極 １０３…導通パタ
ーン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02N 2/00 B06B 1/06 H01L 41/083

Claims (13)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の電極を少なくとも一方の端面に有
   した少なくとも一枚の圧電素子と、該圧電素子の二つの
   端面に対向して配置されるとともに該圧電素子を挟圧保
   持する少なくとも２個の弾性体と、該圧電素子と該弾性
   体とを互いに締結固定する締結部材と、を有して成る棒
   状の超音波振動子において、 該圧電素子と該弾性体との間に配置されて該締結部材に
   より該圧電素子と該弾性体との間に挟圧保持されるもの
   であって、絶縁面と電極部とを接着剤層を用いずに接合
   したプリント基板が設けられ、該プリント基板には該圧
   電素子の該電極に接続する該電極部が該弾性体による挟
   持領域に設けられるとともに外部制御回路との接続端子
   が突出位置に設けられていることを特徴とする超音波振
   動子。
2. 【請求項２】 複数の駆動用電極とセンサー用電極とを
   少なくとも一方の端面に有した少なくとも一枚の圧電素
   子と、該圧電素子の二つの端面に対向して配置されると
   ともに該圧電素子を挟圧保持する少なくとも２個の弾性
   体と、該圧電素子と該弾性体とを互いに締結固定する締
   結部材と、を有して成る棒状の超音波振動子において、 該圧電素子と該弾性体との間に配置されて該締結部材に
   より該圧電素子と該弾性体との間に挟圧保持されるもの
   であって、絶縁面と電極部とを接着剤層を用いずに接合
   したプリント基板が設けられ、該プリント基板には該圧
   電素子の各々の電極に接続する該電極部が該弾性体によ
   る挟持領域に設けられるとともに外部制御回路との接続
   端子が突出位置に設けられていることを特徴とする超音
   波振動子。
3. 【請求項３】 プリント基板は両面に電極部を有し、該
   両面の電極部を電気的に接続するスルーホールを有して
   いることを特徴とする請求項１又は２の超音波振動子。
4. 【請求項４】 該圧電素子は厚さ方向に分極されるとと
   もに一方の端面にのみ電極を有しているものであること
   を特徴とする請求項１又は２の超音波振動子。
5. 【請求項５】 該圧電素子及び該プリント基板はそれぞ
   れの中心部に孔が貫設されている環状円盤形をなし、該
   弾性体は中心部に孔が貫設されている環状体もしくは肉
   厚円筒体であり、該締結部材は該圧電素子及び該プリン
   ト基板並びに該弾性体の孔に貫挿された軸状部材であ
   り、該プリント基板の電極部を接続する配線が該プリン
   ト基板の該孔の孔縁と該プリント配線基板の外周縁に沿
   って設けられていることを特徴とする請求項１又は２の
   超音波振動子。
6. 【請求項６】 該プリント基板がフレキシブルプリント
   配線基板であることを特徴とする請求項１又は２の超音
   波振動子。
7. 【請求項７】 該プリント基板がフレキシブルプリント
   配線基板であって、ベースシートに対して該電極部を直
   接接合したフレキシブルプリント配線基板であることを
   特徴とする請求項１又は２の超音波振動子。
8. 【請求項８】 該圧電素子の接地電極に接続する接地用
   電極部を該プリント基板が有していることを特徴とする
   請求項１又は２の超音波振動子。
9. 【請求項９】 該センサー用電極の大きさが該駆動用電
   極の大きさより小さく設定されていることを特徴とする
   請求項２の超音波振動子。
10. 【請求項１０】 該センサー用電極が該駆動用電極より
    も内周側に配置されていることを特徴とする請求項２の
    超音波振動子。
11. 【請求項１１】 該プリント基板がフレキシブルプリン
    ト配線基板であって、金属のベースシートに絶縁層を形
    成し、該絶縁層に対して該電極部を接合したフレキシブ
    ルプリント配線基板であることを特徴とする請求項１又
    は２の超音波振動子。
12. 【請求項１２】 該絶縁層を80μm以下にしたことを特
    徴とする請求項１１の超音波振動子。
13. 【請求項１３】 請求項１ないし１２のいずれかに記載
    の超音波振動子を用いて被駆動体を駆動することを特徴
    とする超音波駆動装置。