JP3192023B2 - 超音波振動子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波振動子、より詳
しくは、電気−機械エネルギー変換素子に交流信号を印
加することにより振動させる超音波振動子に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、電磁型モータに代わる新しいモー
タとして超音波モータが注目されている。この超音波モ
ータは、従来の電磁型モータに比べて以下のような利点
を有している。 （１） ギヤーを用いることなく低速高推力が得られ
る。 （２） 保持力が大きい。 （３） ストロークが長く、高分解能である。 （４） 静粛性に富んでいる。 （５） 磁気的ノイズを発生せず、また該ノイズの影響
を受けることもない。

【０００３】このような種々の利点を有する超音波モー
タは、その駆動方法により回転型とリニア型に大別する
ことができる。これらの内のリニア型の超音波モータの
一例として、昭和６３年電子情報通信学会春期全国大会
において発表された、「縦−屈曲多重モード振動子利用
平板状モータによる紙送りデバイス」（Ｎｏ．Ａ−２２
３（昭和６３．３））が上げられる。

【０００４】このリニア型超音波モータにおける振動子
５０は、図７に示すように、ステンレス鋼板等で形成さ
れている弾性体５１の下端面に、例えば０．５ｍｍ厚の
３枚の圧電セラミック５３，５４，５５が接着されて構
成されている。そして、この振動子５０は、その下部に
配設されたシリコンラバー５２により支持されている。

【０００５】上記３枚の圧電セラミック５３，５４，５
５のうち、圧電セラミック５４はＬモード（縦振動モー
ド）用、圧電セラミック５３，５５の２枚はＢモード
（屈曲振動モード）用である。

【０００６】これらの両モードの共振周波数が一致する
ような形状として、その共振周波数に対応する交番電圧
をＬモードの圧電セラミック５４およびＢモードセラミ
ック５３，５５にそれぞれ印加する。これらの交番電圧
の位相差を適当に調整することにより、弾性体５１に超
音波楕円振動を発生させることができる。

【０００７】そして、押圧機構としてのプレッシャロー
ル５６を介して、例えば紙の被駆動部材５７を配置して
いて、これにより、超音波楕円振動を発生させると、被
駆動部材５７を直線的に駆動させることができる。

【０００８】このような超音波リニアモータは、圧電セ
ラミックの圧電横効果を利用して振動を励起したもので
あるが、一般に、圧電セラミックの該圧電横効果におけ
る電気−機械結合係数はほぼ３０〜４０％程度であり、
圧電縦効果における電気−機械結合係数がほぼ６０〜７
０％であるのに比べてかなり低い値である。すなわち、
この電気−機械結合係数が低いということは、電気−機
械エネルギー変換効率が低いモータということである。
また、上記従来の超音波リニアモータは、入力電圧も数
十Ｖrmsから１００Ｖrms程度の比較的高い電圧が必要で
あり、さらに、超音波振動子は、ラバーの上に置かれて
保持されているだけなので位置がずれてしまうという問
題点もあった。

【０００９】このような問題点を解決する超音波モータ
の一例として、本出願人は、先に特願平４−３２１０９
６号において、電気−機械エネルギー変換素子を駆動源
とする、並進運動を発生できる超音波リニアモータを提
案している。

【００１０】しかしながら、該願書に記載の超音波リニ
アモータでは、付勢手段と、この付勢手段を支持する枠
体が設けられているが、これらは小型化された超音波振
動子に比較して巨大なものであり、しかも該枠体を被駆
動体に対して摺動自在にするためのリニアガイドまで必
要になってしまい、超音波モータ全体の寸法の下限を制
約する要因となっている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来の
超音波振動子においては、該振動子を保持する部材が小
型化されていないため、超音波振動子の小型化を阻害し
ていた。

【００１２】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであり、簡単で確実な保持手段を有する小型な超音波
振動子を提供することを目的としている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明による第１の超音波振動子は、互いに対向す
る第１及び第２の面を有し、該第２の面側に孔が穿設さ
れた弾性体と、前記弾性体の第１の面に固定され、交流
信号が印加されることにより該弾性体を振動させる電気
−機械エネルギー変換素子と、前記弾性体の第２の面の
孔内部に固定保持されたばね部材と、前記ばね部材によ
って前記弾性体の第２の面に押圧接触される被駆動部材
と、を具備することを特徴とする。 また、本発明による
第２の超音波振動子は、上記第１の超音波振動子におい
て、前記弾性体は、前記電気−機械エネルギー変換素子
により超音波楕円振動が励起される直方体形状の弾性体
であって、前記第２の面側の孔は、前記第２の面の略中
心に穿設されていることを特徴とする。

【００１４】

【作用】基体となる弾性体の第１の面に固定された電気
−機械エネルギー変換素子が、交流信号が印加されるこ
とにより該弾性体を振動させる。

【００１５】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。図１ないし図４は本発明の第１実施例を示したも
のである。この第１実施例の超音波振動子２は、図１に
示すように、基本弾性体３の上部に、補助弾性体６によ
り積層型圧電素子４を固定して、その主要部が構成され
ている。

【００１６】上記基本弾性体３は、図１（Ａ）に示すよ
うに、黄銅材により略直方体形状に形成されていて、そ
の上端面の中央部から上方に向かって矩形の凸部３ａを
突設している。この基本弾性体３の寸法は、上記凸部３
ａを除いて、例えば幅３０ｍｍ，高さ８．５ｍｍ，奥行
４ｍｍである。また、上記凸部３ａの寸法は、例えば幅
４ｍｍ，高さ２．５ｍｍ，奥行４ｍｍである。さらに、
該基本弾性体３には、図１（Ｂ）に示すように、その下
端面から上方に向かって例えば直径２ｍｍ，深さ５ｍｍ
の穴３ｂが穿設されている。

【００１７】このような基本弾性体３に対して、上記凸
部３ａを両側から挟み込むように積層型圧電素子４を取
り付け、そのさらに両側から上記補助弾性体６（幅４ｍ
ｍ、高さ２．５ｍｍ、奥行４ｍｍ）で挟み込んでビス１
２により固定するようになっている。この積層型圧電素
子４は、電極処理された薄板形状の圧電素子を数十枚か
ら数百枚程度積層したものである。なお、この第１実施
例においては、株式会社トーキンの積層型圧電素子ＮＬ
Ａ−２×３×９を用いており、その寸法は、２ｍｍ×
３．１ｍｍ×９ｍｍである。また、上記積層型圧電素子
は、最初は未分極の状態にしておく。

【００１８】次に、上述のような超音波振動子２の組立
方法について説明する。まず、図１に示すように、基本
弾性体３の凸部３ａの両側に積層型圧電素子４を載置す
る。そして上記保持用弾性部材６により、両側から挟み
込むようにして基本弾性体３上に保持し固定する。な
お、該基本弾性体３には、図示はしないが２カ所にネジ
のタップがきってあり、図示のように保持用弾性体６
は、２本のビス１２を締結して基本弾性体３に固定され
るとともに、エポキシ系の接着剤により接着される。こ
のとき積層型圧電素子４は、保持用弾性体６により付き
当てで保持される。

【００１９】また、積層型圧電素子４は、保持用弾性体
６と接触する部分にエポキシ系の接着剤を塗布して固定
されているが、その他の部分は図示はしないが樹脂によ
り被覆されていて、上記基本弾性体３とは固着されな
い。

【００２０】基本弾性体３の積層型圧電素子４が配置さ
れている面に対して反対側の面（すなわち、被駆動部材
と接触する側の面）の両端部から９ｍｍの位置（共振屈
曲振動の振動振幅が極大値を示す位置）には、ステンレ
ス材、例えばＳＵＳ４４０Ｃをビッカース硬度で８００
程度に焼入れ処理して形成した板状の摺動部材５が、エ
ポキシ系の接着剤を用いて接着されている。

【００２１】そして最後に、２個の積層型圧電素子４
を、ＤＣ１００Ｖを１分間印加して分極する。このよう
にすることで、積層型圧電素子４を圧電的に活性化する
とともに、積層型圧電素子４に圧縮予圧をかけることが
できる。

【００２２】次に、上記超音波振動子２の動作について
説明する。なお、図１（Ｂ）において、左側の積層型圧
電素子４に接続されている電気端子をＡ，Ｇ（Ａ相と呼
ぶ）とし、右側の積層型圧電素子４に接続されている電
気端子をＢ，Ｇ（Ｂ相と呼ぶ）とする。超音波振動子２
を上述した寸法形状に形成すれば、１次の共振縦振動お
よび２次の共振屈曲振動が、ほぼ同一周波数Ｆｒ（５２
ｋＨｚ〜５４ｋＨｚ程度）で励起できる。これらの振動
を有限要素法を用いてコンピュータ解析した結果、図２
（Ａ）に示すような共振縦振動状態と、図２（Ｂ）に示
すような共振屈曲振動状態をとっていることが明らかに
なった。

【００２３】まず、Ａ相に周波数Ｆｒで振動１０Ｖｐ-
ｐの交番電圧を印加し、Ｂ相に同一周波数かつ同振幅で
同位相の交番電圧を印加すると、図２（Ａ）に示すよう
な一次の共振縦振動が励起されることがわかる。

【００２４】次に、Ａ相に周波数Ｆｒで振幅１０Ｖｐ-
ｐの交番電圧を印加し、Ｂ相に同一周波数かつ同振幅で
逆位相の交番電圧を印加すると、図２（Ｂ）に示すよう
な二次の共振屈曲振動が励起されることがわかる。

【００２５】さらに、Ａ相およびＢ相に、周波数Ｆｒで
振幅１０Ｖｐ-ｐの交番電圧を印加し、これらの位相差
を＋９０度または−９０度にすると、例えば図１の摺動
部材５の位置において、時計廻りまたは反時計廻りの超
音波楕円振動が励起されることがわかる。

【００２６】次に、図３を参照して、上記超音波振動子
２を用いて構成した超音波リニアモータ１について説明
する。超音波リニアモータ１は、上記超音波振動子２を
摺動部材５を介して、基台１５とガイド１６により移動
自在に保持された被駆動部材９に押圧接触させて、その
要部を構成されている。

【００２７】上記被駆動部材９は、細長の板状部材より
なり、図４に示すように、その中央部には長手方向に沿
った細長孔９ａが穿設されている。そして、該被駆動部
材９の上記摺動部材５と接触する面であって、上記細長
孔９ａの左右近傍には、ＨＩＰ処理されたジルコニアセ
ラミック材で形成された摺動部材９ｂがそれぞれ接着し
て固定されている。

【００２８】このような被駆動部材９は、図３に示すよ
うに、基台１５に対してガイド１６を介してその長手方
向に沿って移動自在に保持されている。

【００２９】そして、上記超音波振動子２の穴３ｂに
は、図３（Ｂ）に示すように、保持部材たるばね１１が
ばね係止部材１３とともに挿入されて穴３ｂの底部に固
定されていて、該ばね１１の他端側は、上記被駆動部材
９の細長孔９ａを通って上記基台１５に固定されてい
る。

【００３０】このような構成により、超音波振動子２
は、ばね１１の収縮力で被駆動部材９に対して押圧され
ている。

【００３１】次に、この第１実施例の超音波リニアモー
タ１の動作について説明する。先に説明したように、超
音波振動子２のＡ相とＢ相に、周波数Ｆｒ、振幅１０Ｖ
ｐ-ｐ、位相差＋９０度または−９０度の交番電圧をそ
れぞれ印加すると、超音波振動子２の摺動部材５の位置
には、右周りまたは左周りの超音波楕円振動が発生す
る。そして被駆動部材９は、この回転方向に従ってそれ
ぞれ右方向または左方向に駆動される。

【００３２】なお、上記構成におけるモータ１の特性を
測定した結果、無負荷速度２００ｍｍ／ｓｅｃ，起動推
力５Ｎが得られた。また、このモータ１を１００万回往
復動作させても、初期性能を維持するという耐久性を示
した。

【００３３】このような第１実施例によれば、超音波振
動子に穿設した穴にばねを挿入するという簡単な構成に
より保持と押圧を兼ねるようにしことで、超音波リニア
モータの小型化が達成できた。

【００３４】図５，図６は本発明の第２実施例を示した
ものである。この第２実施例は、上述の第１実施例とほ
ぼ同様であるので、主として異なる部分についてのみ説
明する。この第２実施例の超音波振動子２は、図５に示
すように、上記第１実施例の穴３ｂを設ける代わりに、
基本弾性体３の凸部３ａの上面から下方に向かってタッ
プ穴３ｃを穿設している。その他の構成は上記第１実施
例とほぼ同様である。このような超音波振動子２の動作
は、上記第１実施例とほぼ同様である。

【００３５】次に、この超音波振動子２を用いて構成し
た超音波リニアモータ１について説明する。図６に示す
ように、超音波振動子２は、上記タップ穴３ｃにビス保
持部２３を連接するビス２３ａが締結されている。この
ビス保持部２３は、ベアリング球を介して、固定部２２
を接合されたガイド部２５に対して移動自在に保持され
ている。上記固定部２２は、シャーシ２９に対してビス
２２ａで固定されている。

【００３６】また、上記固定部２２には、貫通するよう
にビス２１が螺合されていて、該ビス２１がばね２４の
一端と接触して、該ばね２４の他端に接触している上記
ビス保持部２３を押圧するようになっている。このよう
に構成された押圧機構により、ビス２１のねじ込み量を
調整することで、超音波振動子２の後述する被駆動部材
２７に対する押圧力がコントロールされる。

【００３７】一方、被駆動部材２７は、上記超音波振動
子２に対向する側の表面に摺動材２６が接着されてい
る。この摺動材２６は、ポリイミドに充填材としてカー
ボンファイバとマイカを混入した材料で形成されてい
て、その重量比率は、例えばポリイミド：５０重量％，
カーボンファイバ：２０重量％，マイカ：３０重量％で
ある。また、該摺動材２６の厚さは、０．１〜０．２ｍ
ｍとしている。

【００３８】上記被駆動部材２７は、ベース２８に対し
てベアリングを介してその長手方向に移動自在に取り付
けられている。また、このベース２８は、上記シャーシ
２９に対して、ビス２８ａにより固定されている。

【００３９】このような構成の超音波リニアモータの作
用は、上記第１実施例とほぼ同様である。

【００４０】このような第２実施例によれば、上述の第
１実施例とほぼ同様の効果を有するとともに、超音波振
動子の保持が簡単で確実となるという利点を有する。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、簡
単で確実な保持手段を有する小型な超音波振動子を提供
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す超音波振動子の、
（Ａ）斜視図，（Ｂ）正面図。

【図２】上記第１実施例の超音波振動子の、（Ａ）共振
縦振動状態，（Ｂ）共振屈曲振動状態をそれぞれ示す線
図。

【図３】上記第１実施例の超音波振動子を用いて構成し
た超音波リニアモータの、（Ａ）正面図，（Ｂ）中央部
縦断面図。

【図４】上記第１実施例の超音波リニアモータを構成す
る被駆動部材の平面図。

【図５】本発明の第２実施例を示す超音波振動子の正面
図。

【図６】上記第２実施例の超音波振動子を用いて構成し
た超音波リニアモータを示す正面図。

【図７】従来の超音波リニアモータを示す図。

【符号の説明】

１…超音波リニアモータ ２…超音波振動子 ３…基本弾性体 ３ｂ…穴 ３ｃ…タップ穴 ４…積層型圧電素子 ５…摺動部材 ６…補助弾性体 ９…被駆動部材 １１，２４…ばね １３…係止部材 １５…基台 １６…ガイド ２２…固定部 ２３ａ…ビス ２５…ガイド部 ２７…被駆動部材 ２８…ベース ２９…シャーシ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 津幡 敏晴 東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号 オ リンパス光学工業株式会社内 (72)発明者 今井 裕五 東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号 オ リンパス光学工業株式会社内 (72)発明者 谷口 芳久 東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号 オ リンパス光学工業株式会社内 (56)参考文献 特開 平４−236173（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−241377（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02N 2/00 B06B 1/06 H01L 41/083

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 互いに対向する第１及び第２の面を有
   し、該第２の面側に孔が穿設された弾性体と、前記 弾性体の第１の面に固定され、交流信号が印加され
   ることにより該弾性体を振動させる電気−機械エネルギ
   ー変換素子と、前記弾性体の第２の面の孔内部に固定保持されたばね部
   材と、 前記ばね部材によって前記弾性体の第２の面に押圧接触
   される被駆動部材と、 を具備することを特徴とする超音波振動子。
2. 【請求項２】 前記弾性体は、前記電気−機械エネルギ
   ー変換素子により超音波楕円振動が励起される直方体形
   状の弾性体であって、前記第２の面側の孔は、前記第２
   の面の略中心に穿設されていることを特徴とする請求項
   １に記載の超音波振動子。