JP3444504B2 - 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
加することにより弾性体を振動させる超音波振動子に関
する。

【０００２】

【従来の技術】弾性体に固定した積層型圧電素子を駆動
力源とし、該弾性体に縦振動および屈曲振動を発生させ
て、これらの振動を合成し超音波楕円振動を起こす超音
波振動子は、従来より種々提案されていて、このような
ものの一例として、先に本出願人が提案した特願平４−
３２１０９６号に記載の「超音波リニアモータおよびそ
の製造方法」が上げられる。

【０００３】該出願の明細書に記載された超音波振動子
５２は、図５に示すように、直方体形状の弾性体５３上
に、保持部材５４，５５，５６により挟み込んだ２つの
積層型圧電素子４を固定して構成されていて、上記弾性
体５３の下端面の両側部には摺動部材５を接着してい
る。上記積層型圧電素子４には、後述する駆動電圧を印
加するための端子Ａ，Ｂ，Ｇが、それぞれ図示のように
接続されている。

【０００４】このような振動子５２を、図６に示すよう
にリニアガイド６１，ガイドレール６２，保持枠６３，
ビス６４，押圧力調整ネジ６５，バネ６６，振動子保持
部材６７により、左右方向に直線移動可能なように保持
しながら、かつ被駆動部材たる摺動板６８に上記摺動部
材５を介して摩擦接触するように押圧して、超音波リニ
アモータが構成されている。

【０００５】上述のような振動子５２の寸法を適当に調
節して、２つの積層型圧電素子４に交番電圧を印加する
と、図７（Ａ）に示す共振縦振動と図７（Ｂ）に示す共
振屈曲振動とが同時に発生する。そして、これら印加電
圧の位相差を適当に調整すると、縦振動と屈曲振動が合
成されて、屈曲振動の腹位置に楕円振動が発生する。こ
の屈曲振動の腹位置に固定した摺動部材５により、摺動
板６８を駆動して移動させるようになっている。

【０００６】ところで、一般に積層型圧電素子に過剰な
引張り応力を与えると、積層部が剥離して破壊されてし
まうことが知られている。従って、積層型圧電素子が伸
縮する際に、引張り応力が加わらないように、あらかじ
め何らかの方法で予圧を印加しておく必要がある。ま
た、積層型圧電素子の振動を損失することなく完全に弾
性体に伝えるためには、保持部材との間隙をなくす等の
工夫が必要になる。

【０００７】このため上記リニアモータでは、積層型圧
電素子に数１０Ｖの直流電圧を印加して伸張させること
により力学的な予圧を与えておき、これに振動を発生さ
せるための交流電圧を重畳して駆動するようにしてい
た。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、積層型
圧電素子に印加する交番電圧に数１０Ｖのオフセット電
圧を重畳する場合には、オフセット電圧以上の直流電圧
源が必要となる。一般の論理回路は数Ｖ〜１２Ｖ程度で
動作するために、論理回路用の電圧も他に必要になり、
電源部が複雑になるという問題点がある。さらに電池を
電源とした場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ等の昇圧手
段が必要となり、電力損失が発生して電池寿命が短くな
るという問題点も有している。

【０００９】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであり、積層型圧電素子にオフセット電圧を印加する
ことなく該積層型圧電素子に予圧を与えることができる
超音波振動子を提供することを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明による第１の超音波振動子は、基体となる
弾性体と、この弾性体の端面に固定され、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積層型の電気
−機械エネルギー変換素子と、上記弾性体の端面にて該
弾性体と一体化されるとともに、上記電気−機械エネル
ギー変換素子を挟持する弾性凸部と、上記弾性凸部の近
傍に位置する上記弾性体の端面に形成された凹部と、上
記凹部をその幅方向に貫通して上記弾性体に螺入される
螺子と、を備え、上記螺子を締め付けて上記弾性凸部を
上記弾性体に対して弾性変形させることにより、上記電
気−機械エネルギー変換素子を微小長さ圧縮した状態で
保持するようにしたことを特徴とする。

【００１１】また、本発明による第２の超音波振動子
は、基体となる弾性体と、この弾性体の端面に固定さ
れ、交流信号が印加されることにより該弾性体を振動さ
せる積層型の電気−機械エネルギー変換素子と、上記弾
性体の端面にて該弾性体と一体化されるとともに、上記
電気−機械エネルギー変換素子を挟持する弾性凸部と、
上記弾性凸部の間に直列に配設された２つの電気−機械
エネルギー変換素子と、上記２つの電気−機械エネルギ
ー変換素子の間に直列に配設された２つの保持部材と、
上記２つの保持部材の間に介在する楔部材と、上記楔部
材をその高さ方向に貫通して上記弾性体に螺入される螺
子と、を備え、上記螺子を締め付けて上記楔部材を上記
２つの保持部材の間に圧入し、上記保持部材を介して上
記電気−機械エネルギー変換素子を上記弾性体に対して
弾性変形させることにより、上記電気−機械エネルギー
変換素子を微小長さ圧縮した状態で保持するようにした
ことを特徴とする。

【００１２】

【００１３】

【００１４】

【００１５】

【００１６】

【００１７】

【００１８】

【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は本発明の第１実施例を示したものである。
図１（Ａ）に示すように、振動子２は、弾性体３と電気
−機械エネルギー変換素子たる積層型圧電素子４とでそ
の主要部を構成されている。

【００１９】上記弾性体３は、黄銅等で略直方体形状に
形成されていて、上端面から下方に向かって２ヶ所の矩
形切欠３ａを設けて、これにより３ヶ所の補助弾性体た
る挟持用凸部３ｂ，３ｃ，３ｄを構成している。これら
の矩形切欠３ａの該弾性体３の長手方向の両側部には、
下方に向かってＵ字状切欠３ｅがそれぞれ形成されてい
る。なお、該弾性体３の寸法は、振動子２の１次の縦振
動と２次の屈曲振動の共振周波数が一致するように決定
されている。

【００２０】上述のような弾性体３の矩形切欠３ａに対
して、２つの積層型圧電素子４が、上記挟持用凸部３
ｂ，３ｄとＵ字状切欠３ｅを貫通して該弾性体３の側面
から取り付けられたビス１２の締め付けによる圧力と、
接着剤６とを併用して固定されている。

【００２１】そして、該弾性体３の下端面の上記屈曲振
動の腹となる位置には摺動部材５が固着されていて、こ
れにより超音波リニアモータを構成する際の被駆動体に
摺動させるようになっている。

【００２２】次に、この第１実施例の作用を説明する。
図１（Ｂ）に示すように、ビス１２を締め付けることに
より、挟持用凸部３ｂ，３ｄが、図の波線で示す位置か
ら実線で示す位置に弾性変形して、積層型圧電素子４に
積層方向の予圧が付加される。

【００２３】この状態で、２つの積層型圧電素子４に、
互いに９０度の位相差を有する交番電圧を印加すると、
該積層型圧電素子４に発生した伸縮振動が伝達されて、
弾性体３に図７（Ａ）に示すような縦振動と、（Ｂ）に
示すような屈曲振動とが同時に発生する。この結果、摺
動部材５には超音波楕円振動が発生する。

【００２４】この際、積層型圧電素子４で発生した振動
により挟持用凸部３ｂ，３ｄのみが振動するのをビス１
２の引張力で防止することができ、弾性体３全体に伝わ
る振動が減衰するのを防いで効率よく振動させることが
できる。また、ビス１２のガタにより挟持用凸部３ｂ，
３ｄが独立に振動してしまうことを防止するために、予
圧調整後に接着や溶接等の手段でビス１２および挟持用
凸部３ｂ，３ｄ全体を固定するとなおよい。

【００２５】このような第１実施例によれば、オフセッ
ト電圧を印加することなく積層型圧電素子に予圧を与え
ることができる。しかもビスの締め付けトルクを調整す
ることで、２つの積層型圧電素子に加わる予圧をそれぞ
れ独立に調整でき、これにより最適な予圧調整が可能に
なる。

【００２６】図２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を説明す
る。図２（Ａ）に示すように、上記弾性体１３は、黄銅
等で略直方体形状に形成されていて、上端面から下方に
向かって該弾性体１３の長手方向の長さよりもやや短い
長さの１ヶ所の矩形切欠１３ａを設けて、これにより両
側部に２ヶ所の補助弾性体たる挟持用凸部１３ｂ，１３
ｄを構成している。なお、該弾性体１３の寸法は、振動
子の１次の縦振動と２次の屈曲振動の共振周波数が一致
するように決定されている。

【００２７】上述のような弾性体１３の矩形切欠１３ａ
に対して、２つの積層型圧電素子４が、補助弾性体たる
保持部材１６，１７とその間に配設された楔部材１５を
挟みこんで配設されている。該積層型圧電素子４は、接
着剤により弾性体１３に接着されるとともに、上記楔部
材１５を貫通して弾性体１３に締結されているビス１２
により、楔圧を調整して固定されている。

【００２８】そして、該弾性体１３の下端面の上記屈曲
振動の腹となる位置には、摺動部材５が固着されてい
て、これにより超音波リニアモータを構成する際の被駆
動体に摺動させるようになっている。

【００２９】次に、この第２実施例の作用を説明する。
ビス１２を締め付けることで楔部材１５に加わった下向
きの力が、図２（Ｂ）に示すように、左右方向の力に変
換されて保持部材１６，１７に印加される。これにより
積層型圧電素子４に積層方向の予圧が加わる。

【００３０】この状態で、２つの積層型圧電素子４に交
番電圧をそれぞれ印加すると、摺動部材１４には超音波
楕円振動が発生する。

【００３１】なお、圧電素子４の振動により、保持部材
１６，１７と楔部材１５の間にすべりが発生して振動エ
ネルギーの損失が発生するのを防ぐために、予圧調整後
に保持部材１６，１７、楔部材１５、ビス１２および弾
性体７を、相互に接着や溶接等の手段で固定するとなお
よい。また、この第２実施例では、保持部材１６，１７
が接着固定された後は、楔部材１５およびビス１２は除
去してもかまわない。

【００３２】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、第１実施
例と比較して弾性体にＵ字状切欠のような複雑な構造が
ないために、超音波リニアモータの駆動源となる楕円運
動を構成する縦振動と屈曲振動以外の余計な振動が発生
し難く、振動子の設計がより簡単になるという特徴があ
る。

【００３３】図３は本発明の第３実施例を示したもので
ある。この第３実施例は上述の第１，第２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を説
明する。図３に示すように、黄銅等で形成されたやや縦
長の直方体形状の弾性体２３を、２つの黄銅等で形成さ
れた略Ｌ字形状の弾性体２１，２２で挟み込み、これら
を２本のビス２４で貫通して両端にナット２５を締結す
ることにより、３つの弾性体２１，２２，２３は一体的
に接合されている。

【００３４】この接合の際に、該接合により構成される
２つの矩形状凹部２１ａ，２２ａに、２つの積層型圧電
素子４を挟みこんで接着剤で固定する。

【００３５】なお、弾性体２１，２２，２３の図の横方
向の寸法は、３つの弾性体相互の隙間がビス２４を締め
付けることによりなくなり、かつ積層型圧電素子４に適
当な予圧が加わるように決定される。

【００３６】そして、該弾性体２１，２２の下端面の屈
曲振動の腹となる位置には、摺動部材５が固着されてい
て、これにより超音波リニアモータを構成する際の被駆
動体に摺動させるようになっている。

【００３７】次に、この第３実施例の作用を説明する。
ビス２４とナット２５で弾性体２１，２２，２３を一体
に接合する際に、積層型圧電素子４に予圧が加わる。こ
のときに、ビス２４の締め付けトルクを調整することに
より、付加する予圧の大きさをコントロールすることが
できる。

【００３８】この状態で、２つの積層型圧電素子４に交
番電圧を印加すると、摺動部材５には超音波楕円振動が
発生する。

【００３９】なお、３つの弾性体２１，２２，２３は、
ナット２５を締め付けた後に接着や溶接等の手段で互い
に接合した方が、境界面での振動の反射が減少し、振動
エネルギーの損失が少なくなってなおよい。

【００４０】このような第３実施例によれば、上述の第
１，第２実施例とほぼ同様の効果を有するとともに、第
１，第２実施例と比較して構成部材の形状が単純になる
ために、各部材の加工がしやすく、振動子の製造コスト
を下げることができる。

【００４１】図４は本発明の第４実施例を示したもので
ある。この第４実施例は上述の第１ないし第３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
を説明する。図４（Ａ）に示すように、２つの中空構造
の電気−機械エネルギー変換素子たる積層型圧電素子３
４を、３つの補助弾性体たる保持部材３１，３２，３３
により挟み込み、長手方向の両側面よりビス３６を締め
付けることにより一体的に固定している。

【００４２】このような積層型圧電素子３４および保持
部材３１，３２，３３を、図４（Ｂ）に示すように、細
長の直方体形状の弾性体３５の上端面に、溶接や接着等
の手段で固定して、振動子を構成している。

【００４３】そして、該弾性体３０の下端面の屈曲振動
の腹となる位置には、摺動部材５が固着されていて、こ
れにより超音波リニアモータを構成する際の被駆動体に
摺動させるようになっている。

【００４４】次に、この第４実施例の作用を説明する。
上記積層型圧電素子３４には、ビス３６を締め付けるこ
とにより予圧が付加され、かつビス３６の締め付けトル
クを変えることにより、予圧の強さをコントロールする
ことができる。

【００４５】この状態で、２つの積層型圧電素子３４に
交番電圧をそれぞれ印加すると、摺動部材５には超音波
楕円振動が発生する。

【００４６】このような第４実施例によれば、上述の第
１ないし第３実施例とほぼ同様の効果を有するととも
に、第１ないし第３実施例と比較して、積層型圧電素子
に予圧を印加する際に、振動子を構成する弾性体に歪を
生じさせないという利点を有する。このため、圧電素子
に交番電圧を印加して振動を発生させたときに、振動子
の振動をより安定化することができる。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、積
層型圧電素子にオフセット電圧を印加することなく該積
層型圧電素子に予圧を与えることができる超音波振動子
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）側面図，（Ｂ）積層型圧電素子を挟持する構成を
説明する部分拡大側面図。

【図２】本発明の第２実施例を示す超音波振動子の、
（Ａ）側面図，（Ｂ）積層型圧電素子を挟持する構成を
説明する部分拡大側面図。

【図３】本発明の第３実施例を示す超音波振動子の側面
図。

【図４】本発明の第４実施例を示す超音波振動子の、
（Ａ）積層型圧電素子を挟持する構成を説明する部分拡
大斜視図，（Ｂ）側面図。

【図５】従来の超音波振動子を示す斜視図。

【図６】上記図５に示した従来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側面図。

【図７】上記図５に示した超音波振動子の、（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。

【符号の説明】

２…超音波振動子 ３…弾性体 ３ｂ，３ｃ，３ｄ…挟持用凸部（補助弾性体） ４…積層型圧電素子（電気−機械エネルギー変換素子） ５…摺動部材 １２…ビス １３…弾性体 １３ｂ，１３ｄ…挟持用凸部（補助弾性体） １５…楔部材 １６，１７…保持部材（補助弾性体） ２１，２２，２３…弾性体 ２４…ビス ３１，３２，３３…保持部材（補助弾性体） ３４…積層型圧電素子（電気−機械エネルギー変換素
子） ３５…弾性体 ３６…ビス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大内 孝司 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３−261385（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−347587（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−246232（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−254494（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−25077（ＪＰ，Ｕ) (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】 基体となる弾性体と、 この弾性体の端面に固定され、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積層型の電気−機械エネ
   ルギー変換素子と、 上記弾性体の端面にて該弾性体と一体化されるととも
   に、上記電気−機械エネルギー変換素子を挟持する弾性
   凸部と、 上記弾性凸部の近傍に位置する上記弾性体の端面に形成
   された凹部と、 上記凹部をその幅方向に貫通して上記弾性体に螺入され
   る螺子と、 を備え、 上記螺子を締め付けて上記弾性凸部を上記弾性体に対し
   て弾性変形させることにより、上記電気−機械エネルギ
   ー変換素子を微小長さ圧縮した状態で保持するようにし
   た ことを特徴とする超音波振動子。
2. 【請求項２】 基体となる弾性体と、 この弾性体の端面に固定され、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積層型の電気−機械エネ
   ルギー変換素子と、 上記弾性体の端面にて該弾性体と一体化されるととも
   に、上記電気−機械エネルギー変換素子を挟持する弾性
   凸部と、 上記弾性凸部の間に直列に配設された２つの電気−機械
   エネルギー変換素子と、 上記２つの電気−機械エネルギー変換素子の間に直列に
   配設された２つの保持部材と、 上記２つの保持部材の間に介在する楔部材と、 上記楔部材をその高さ方向に貫通して上記弾性体に螺入
   される螺子と、 を備え、 上記螺子を締め付けて上記楔部材を上記２つの保持部材
   の間に圧入し、上記保持部材を介して上記電気−機械エ
   ネルギー変換素子を上記弾性体に対して弾性変形させる
   ことにより、上記電気−機械エネルギー変換素子を微小
   長さ圧縮した状態で保持するようにした ことを特徴とす
   る超音波振動子。