JPH06254494A - 超音波振動子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】電気−機械エネルギー変換効率が高く、しかも
低電圧で駆動できる超音波振動子を提供することを目的
とする。 【構成】基体弾性体１１と、この基本弾性体１１の上面
に固定し、交流信号が印加されることにより該基本弾性
体１１を振動させる積層型圧電素子１２と、上記基本弾
性体１１下面に配設する摺動部材１５と、上記基本弾性
体１１両側面にそれぞれ配設し、該基本弾性体１１を他
の部材に支持させる突起部１６とを具備するものであ
る。

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、詳しく
は、積層型圧電素子等の電気−機械エネルギー変換素子
を具備した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以下のような利点を
有している。

【０００３】（１）ギヤーなしで低速高推力か得られ
る。

【０００４】（２）保持力が大きい。

【０００５】（３）ストロークか長く、高分解能であ
る。

【０００６】（４）静粛性に富んでいる。

【０００７】（５）磁気的ノイズを発生せず、また、ノ
イズの影響も受けない。

【０００８】一般に、超音波モータは、回転型とリニア
型に分けられる。このリニア型の超音波モータとして、
昭和６３年電子情報通信学会春期全国大会（２．１２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）において発表されたものがある（Ｎｏ．Ａ‐
２２３（昭和６３．３））。

【０００９】このリニア型超音波モータにおける振動子
は、図１６に示すように、たとえばステンレス鋼板で形
成されている弾性体１０１に３枚の圧電セラミック１０
３，１０４，１０５が接着されて構成されている。この
振動子はシリコンラバー１０２により支持されている。
上記３枚の圧電セラミック１０３，１０４，１０５のう
ち圧電セラミック１０４は図１７に示すようなＬモード
（縦振動モード）の振動に、また、圧電セラミック１０
３，１０５は図１８に示すようなＢモード（屈曲振動モ
ード）の振動に寄与している。

【００１０】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
を上記Ｌモード用の圧電セラミック１０４およびＢモー
ド用のセラミック１０３，１０５に印加する。これらの
交番電圧の位相差を適当に設けることにより、図１７，
図１８の斜線で示された部分に超音波楕円振動を発生さ
せることができる。

【００１１】そして、たとえば紙の被駆動体１０７を駆
動させるためには、押圧機構としてのプレッシャロール
１０６を介して該被駆動体１０７を配置して超音波楕円
振動を発生させると、同被駆動体１０７を直線的に駆動
させることができる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしなから、上記従
来の超音波リニアモータは以下に示す問題点を有してい
た。

【００１３】上述したように、上記弾性体１０１には複
数枚、上記例では３枚の圧電セラミック１０３〜１０５
（０．５ｍｍ厚）が接着されている。そして、この圧電
セラミック１０３〜１０５の圧電横効果を利用して振動
が励起される。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６
０〜７０％であるのに比ベかなり低い値である。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り、また入
力電圧も数十Ｖｒｍｓから１００Ｖｒｍｓ程度の比較的
高い電圧が必要となる問題点が生じる。

【００１４】また、超音波振動子はシリコンラバー１０
２上に載置されているだけなので、相対的に配置位置が
ずれてしまうという問題点があった。

【００１５】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであり、電気−機械エネルギー変換効率が高く、しか
も低電圧で駆動できる超音波振動子を提供することを目
的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段および作用】上記の目的を
達成するために本発明による超音波振動子は、基体とな
る弾性体と、この弾性体の第１の面に固定し、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、上記弾性体の第１の面に対向
して配置する第２の面に接合する摺動部材と、上記弾性
体の、上記第１および第２の面の間を連結する第３およ
び第４の面にそれぞれ配設し、該弾性体を他の部材に支
持させる支持部材とを具備するものである。

【００１７】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。

【００１８】図１は、本発明の第１実施例の超音波振動
子を示した外観斜視図であり、図２は、上記超音波振動
子の正面図である。

【００１９】この第１実施例の超音波振動子１０は、た
とえば黄銅材からなる基本弾性体１１と、電極処理され
た圧電素子を数十枚から数百枚積層して形成された積層
型圧電素子１２とを具備する。

【００２０】上記基本弾性体１１は、図１に示すように
上面中央部に突部が形成されていて、その寸法は、本第
１実施例においては、上記突部を除き、幅３０ｍｍ、高
さ８．５ｍｍ、奥行４ｍｍとなっている。また、該突部
の寸法は、幅４ｍｍ、高さ２．５ｍｍ、奥行４ｍｍとな
っている。

【００２１】上記積層型圧電素子１２は、本第１実施例
においては、トーキン株式会社製の積層型圧電素子ＮＬ
Ａ‐２×３×９を採用しており、その寸法は、２ｍｍ×
３．１ｍｍ×９ｍｍである。なお、本実施例において
は、該積層型圧電素子１２は最初に未分極の状態にして
おく。

【００２２】次に、本第１実施例の超音波振動子の組立
方法について説明する。

【００２３】図１に示すように、上記基本弾性体１１突
部における幅方向両端面にそれぞれ上記積層型圧電素子
１２を当接して配置する。さらに、該２つの積層型圧電
素子１２の両側には保持用弾性部材１３（本実施例では
幅４ｍｍ，高さ２．５ｍｍ，奥行４ｍｍ）を配置して該
積層型圧電素子１２を上記基本弾性体１１突部に向けて
圧接固定している。なお、上記基本弾性体１１上面にお
ける上記保持用弾性部材１３が配設される位置にはねじ
状のタップ（図示しない）が配設されており、図１に示
すように該保持用弾性部材１３は、それぞれビス１４に
より基本弾性体１１に固定される。このとき、積層型圧
電素子１２は保持用弾性部材１３により上記基本弾性体
１１突部両端面に当接されて保持される。また、該積層
型圧電素子１２と上記保持用弾性部材１３とが接触する
端面には、たとえばエポキシ系の接着剤が塗布されて固
定される。なお、積層型圧電素子１２における上記端面
以外はの面は図示しない樹脂等により被覆されており、
基本弾性体１１とは接着固定されない。さらに、保持用
弾性部材１３と基本弾性体１１との接触面にもエポキシ
系の接着剤等が塗布され接合される。

【００２４】一方、上記基本弾性体１１両側面における
屈曲振動と縦振動との共通の節の位置には円錐形の突起
部１６が突出形成されている。なお、本実施例では該突
起部１６はステンレス材ＳＵＳ４４０Ｃを焼入れ処理し
たものを使用している。上記基本弾性体１１下面（上記
積層型圧電素子１２が配置されている面に対して反対側
の面）、すなわち被駆動体と接触する側の面における共
振屈曲振動の振動振幅が極大値を示す位置（本実施例の
場合、基本弾性体１１両端部からそれぞれ９ｍｍの位
置）には、半球状の摺動部材１５（ステンレス材ＳＵＳ
４４０Ｃをビッカース硬度で８００程度に焼入れ処理し
たもの）がエポキシ系の接着剤を用いて接合されてい
る。

【００２５】このように組み立てられた超音波振動子１
０は、最後に上記積層型圧電素子１２に直流ＤＣ１００
Ｖを約５分間印加して分極される。これにより、積層型
圧電素子１２を圧電的に活性化するとともに、該積層型
圧電素子１２に圧縮予圧をかけることができる。

【００２６】なお、本実施例においては上記突起部１６
を円錐形としたが、これに限ることなく球状であっても
構わない。また、上記摺動部材１５についても半球状と
したがこれに限るものではない。

【００２７】次に、本第１実施例の超音波振動子の動作
について説明する。

【００２８】上記に示した寸法形状によれば、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（５２ｋＨｚ〜５４ｋＨｚ）で励起できる。これら
の振動を有限要素法を用いて解析した結果、図３（ａ）
に示すような共振縦振動姿態および図３（ｂ）に示すよ
うな共振屈曲振動姿態をしていることが明らかになっ
た。

【００２９】ここで、図２において左側の積層型圧電素
子１２から延出する電気端子をＡ，Ｇ（以下、Ａ相と呼
ぶ）とし、右側の積層型圧電素子１２から延出する電気
端子をＢ、Ｇ（以下、Ｂ相と呼ぶ）とする。まず、上記
Ａ相の電気端子に周波数Ｆｒで振幅１０Ｖｐ‐ｐの交番
電圧を印加し、Ｂ相の電気端子に同一周波数、同一振幅
で同位相の交番電圧を印加すると図３（ａ）に示すよう
な一次の共振縦振動が励起できた。つぎに、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、同一振幅で逆位相の交番電圧を印加すると
図３（ｂ）に示すような二次の共振屈曲振動が励起でき
た。さらに、Ａ相およびＢ相に周波数Ｆｒで振幅１０Ｖ
ｐ‐ｐの交番電圧を印加し、その位相差を９０度または
−９０度にするとたとえば図２の摺動部材１５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
励起できた。

【００３０】次に、上記第１実施例の超音波振動子を適
用した超音波リニアモータについて説明する。

【００３１】図４（ａ）は、この超音波リニアモータを
示した正面図であり、同図４（ｂ）は、同側面図であ
る。

【００３２】この図４（ａ），（ｂ）に示すように、超
音波振動子１０は側面に配設された上記突起部１６で保
持板２１により保持されている。図示しないが該保持板
２１における上記突起部１６との当接部分には窪みが形
成されている。なお、この実施例では該窪み部分表面は
テフロン処理されている。このように保持することで、
超音波振動子１０は上記突起部１６のまわりの回転に対
して自由度をもつ。

【００３３】上記保持板２１は基台２６に図示しないビ
スにより固定されている。また、該保持板２１の幅方向
両端面下部にはリニアガイド２４（図４（ｂ）の上下方
向のガイド）が取り付けられている。このリニアガイド
２４は図示しないカムフォロワを用いて構成されてい
る。図中、移動子２３と固定子２５は図４（ｃ）に示す
ように該移動子２３側に２列のＶ溝が刻設されており、
該固定子２５側にベアリング球２８を保持する円錐溝が
設けられ、上記リニアガイド２４（図４（ｂ）の紙面と
垂直方向のガイド）が構成されている。なお、本実施例
では、上記円錐溝中に潤滑油か注入され低摩擦状態とな
っている。

【００３４】上記リニアガイド２４と固定子２５は一体
的に構成される。また、該固定子２５と上記基台２６と
の間には押圧部材としてのバネ２７が設けられている。
このバネ圧により上記移動子２３が超音波振動子１０に
おける上記摺動部材１５に一定の力で押圧されるように
なっている。なお、上記移動子２３と上記摺動部材１５
との接触部分には摺動板２２が挟設されている。この摺
動板２２の材質はＣＩＰ処理、またはＨＩＰ処理された
ジルコニアセラミックスが用いられる。

【００３５】次に、上記超音波振動子１０を適用した超
音波リニアモータの動作について説明する。

【００３６】先に示したように、超音波振動子１０のＡ
相とＢ相の電気端子に周波数Ｆｒ，振幅１０Ｖｐ‐ｐ，
位相差＋９０度または−９０度の交番電圧を印加する。
すると、超音波振動子１０における摺動部材１５には、
右まわりまたは左まわりの超音波楕円振動が生じる。そ
して、該超音波振動子１０は右方向または左方向に駆動
される。なお、本出願人による実験において、超音波モ
ータ特性として、無負荷速度２００ｍｍ／ｓｅｃ，起動
推力５Ｎ，最大効率２０％が得られた。また、１００万
回の往復動作の後も初期性能を維持した。

【００３７】次に、上記第１実施例の変形例について述
べる。

【００３８】図５は、この変形例の超音波振動子を示し
た外観斜視図である。

【００３９】この変形例の超音波振動子３０が上記第１
実施例と異なる点は、側面の突起部を円柱状の突起部３
１とした点、および摺動部材１５を基本弾性体１１下面
の幅方向両端部に設けた点にある。その他の構成・作用
は上記第１実施例と同様であるので、ここでの説明は省
略する。

【００４０】図６は、上記超音波振動子３０を適用した
超音波リニアモータを示した正面図である。

【００４１】この超音波リニアモータが、上記第１実施
例の超音波振動子１０が適用された超音波リニアモータ
と異なる点は、円柱状の突起部３１をベアリング３２で
受けている点である。このように構成すると図５におい
て、突起部３１周りにおける超音波振動子３０の回転自
由度が充分確保できる。

【００４２】このような構成を成す上記第１実施例、お
よびその変形例によれば、積層型圧電素子による圧電縦
効果を利用するため電気−機械エネルギー変換効率が向
上する。また、積層型圧電素子を、予圧がかかった状態
で使用できるため、超音波振動子の耐久性が向上する。
さらに、超音波振動子の保持が確実でかつ容易に行うこ
とができる。

【００４３】次に、本発明の第２実施例について説明す
る。

【００４４】図７（ａ）は、本発明の第２実施例を示す
超音波振動子４０の正面図である。

【００４５】この第２実施例が上記第１実施例と異なる
点は、縦振動と屈曲振動の共通の節位置に半球状の凹部
４１を両側面に設けた点である。

【００４６】図７（ｂ）は、上記凹部４１の中心におけ
る該超音波振動子４０の横断面図である。

【００４７】この第２実施例は、上述した相違点以外の
構成・作用は上記第１実施例と同様であるので、ここで
の説明は省略する。

【００４８】さらに、上記凹部４１にベアリング球を挿
入することで、上記第１実施例の超音波振動子１０が適
用される超音波リニアモータ（図４参照）と同様な構成
をなす超音波リニアモータを構成することができる。な
お、上記ベアリング球の摺動当接部分には潤滑油を注入
しておく。このように構成によると、上記凹部４１周り
の超音波振動子４０の回転自由度が充分確保できる。

【００４９】また、超音波振動子の側面に突起部を設け
ずに該超音波振動子を保持できるので、より簡易に構成
できると共に、コストを低減することが可能である。

【００５０】次に、本発明の第３実施例の超音波振動子
について説明する。

【００５１】図８は、本第３実施例の超音波振動子を示
した正面図である。

【００５２】この第３実施例の超音波振動子５０は、上
記第１実施例と比べて超音波振動子の摺動部材を薄板状
の摺動部材５２にした点である。

【００５３】この第３実施例は、基本弾性体１１の両側
面に円柱状の突起部５１を設けてある。また、上記摺動
部材５２は、たとえばポリイミドに充填材としてカーボ
ンファイバーとマイカを混入して形成されている。該充
填材は、カーボンファイバー：２０重量％，マイカ：３
０重量％となっていて、その厚さは０．１〜０．２ｍｍ
として、エポキシ系接着剤等を用いて接着してある。

【００５４】次に、この第３実施例の超音波振動子５０
を適用した超音波リニアモータについて説明する。

【００５５】図９は、この第３実施例の超音波振動子を
適用した超音波リニアモータの側面図である。

【００５６】この超音波リニアモータは、移動子５６と
してステンレス材（ＳＵＳ４４０Ｃ焼入れ品、ビッカー
ス硬度８００）の丸棒を適用している。また、ガイド部
材としてはカムフォロア５４を２つ用いている。さら
に、カムフォロア軸５７は結合子５５により図示の如く
結合される。一方、上記カムフォロア軸５７の他端と超
音波振動子５０側面の突起部５１はバネ５３により結合
されるようになっている。

【００５７】次に、上記第３実施例の第１変形例につい
て述べる。

【００５８】図１０は、該第３実施例の第１変形例の超
音波振動子６０を示した側面図である。

【００５９】この図に示すように、超音波振動子６０の
摺動部材６１先端部は、上記図９に示す移動子５６の丸
棒と曲率がほぼ同一の凹部を形成している。このような
先端形状をなすことで、移動子５６に対する超音波振動
子の安定性が向上する。さらに別の変形例としては、こ
の凹部の形状をＶ字型の溝としてもよい。

【００６０】次に、上記第３実施例の第２変形例につい
て述べる。

【００６１】図１１は、該第３実施例の第２変形例の超
音波振動子７０を示した正面図である。

【００６２】図に示すように、この超音波振動子７０
は、両側面における屈曲振動の端部に近い２つの節の位
置に突起部７１を設けている。そして、該突起部７１か
ら上記バネ５３を架設し、上記図９に示すような機構で
超音波リニアモータを構成することができる。

【００６３】このような第３実施例およびその変形例に
よると、超音波振動子の振動に影響をおよぼすことなく
該超音波振動子を簡単に保持することができ、また、構
成も簡単になる。加えて、構造が簡単な小型の超音波リ
ニアモータを実現することができる。その他の作用につ
いては上記第１実施例と同様なのでここでの説明は省略
する。

【００６４】次に、本発明の第４実施例の超音波振動子
について説明する。

【００６５】図１２は、この第４実施例を示した超音波
振動子８０の正面図である。

【００６６】この第４実施例の超音波振動子８０の特徴
は、上記第１実施例と比べて、基本弾性体１１のほぼ中
央部の屈曲振動と縦振動の共通の節位置に一定深さのタ
ップ穴８１を設けた点である。その他の構成・作用は上
記第１実施例と同様であるのでここでの説明は省略す
る。

【００６７】次に、本第４実施例の超音波振動子８０を
適用した超音波リニアモータについて説明する。

【００６８】図１３は、上記超音波振動子８０を基台８
２に取り付けた様子を示した平面図である。

【００６９】図に示すように、上記ビス８３を基台８２
における貫通孔に挿通してナット８４にて仮固定し、さ
らに、該ビス８３先端部を超音波振動子８０一側面の上
記タップ穴８１に螺合して固定する。そして超音波振動
子８０の位置を調整した後、上記ナット８４を締めこん
で固定する。

【００７０】図１４は、本第４実施例の超音波振動子８
０を適用した超音波リニアモータの正面図である。

【００７１】上記基台８２に固定された超音波振動子８
０の摺動部に移動子８３が圧接されて配設される。この
移動子８３は、たとえばアルミニウム材からなり、図１
５にその断面図を示す。この図１５に示すように、摺動
面８９とガイド部９２は、たとえば０．２ｍｍ厚の薄肉
フランジ部９０，９１を介して連結されている。また上
記移動子８３はシュウ酸アルマイト処理が施され硬質化
している。ガイド８４と移動子８３のガイド部９２は上
記第１実施例（図４（ｃ）参照）と同様の構造を有す
る。バネ固定台８６は基台８２にビス８８により固定さ
れている。そして押圧用板バネ８５はビス８７により上
記バネ固定台８６とガイド８４にビス８７により固定さ
れる。

【００７２】なお、本第４実施例では、超音波振動子８
０側面からバネ固定台８６までの長さを、屈曲振動に影
響しない程度に長くしており、超音波振動子の屈曲振動
が固定ビス８３により規制されないようになっている。

【００７３】このような構成を成す第４実施例による
と、超音波振動子が確実に固定されるため高分解能の位
置が必要とされる超音波モータとして利用できる。ま
た、ビスにより簡単に固定できるので、量産性に優れ
る。

【００７４】以上説明した各実施例によると、次のよう
な効果を奏する。

【００７５】（１）積層型圧電素子による圧電縦効果を
利用したので、電気−機械エネルギー変換効率が向上
し、低電圧駆動が可能となる。

【００７６】（２）本実施例を超音波リニアモータに適
用することで、非常に単純な構造で、かつコンパクトで
ありながら出力の大きい超音波リニアモータが構成でき
る。

【００７７】（３）積層型圧電素子に簡単に予圧がかけ
られる。

【００７８】（４）積層型圧電素子に予圧をかけながら
使用する構造としたので、耐久性が向上する。

【００７９】（５）超音波振動子の保持が確実かつ容易
にでき、量産性に優れる超音波リニアモータが実現でき
る。

【００８０】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、駆
動源としての電気−機械エネルギー変換素子の圧電縦効
果に着目することで、電気−機械エネルギー変換効率が
高く、しかも低電圧で駆動できる超音波振動子を提供で
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外観
斜視図である。

【図２】上記第１実施例の超音波振動子の正面図であ
る。

【図３】上記第１実施例の超音波振動子における、
（ａ）共振縦振動姿態、（ｂ）共振屈曲振動姿態を示し
た正面図である。

【図４】（ａ）は、上記第１実施例の超音波振動子を適
用した超音波リニアモータを示した正面図、（ｂ）は、
同側面図、（ｃ）は、上記超音波リニアモータにおける
移動子と固定子との接合部分を示した要部拡大図であ
る。

【図５】上記第１実施例の変形例の超音波振動子を示し
た外観斜視図である。

【図６】上記第１実施例の変形例の超音波振動子が適用
された超音波リニアモータを示した正面図である。

【図７】（ａ）は、本発明の第２実施例を示す超音波振
動子の正面図であり、（ｂ）は、上記第２実施例を凹部
の中心から見た横断面図である。

【図８】本発明の第３実施例を示す超音波振動子の正面
図である。

【図９】上記第３実施例の超音波振動子を適用した超音
波リニアモータの側面図である。

【図１０】上記第３実施例の第１変形例の超音波振動子
を示した側面図である。

【図１１】上記第３実施例の第２変形例の超音波振動子
を示した正面図である。

【図１２】本発明の第４実施例を示した超音波振動子の
正面図である。

【図１３】上記第４実施例の超音波振動子を基台に取り
付けた様子を示した平面図である。

【図１４】上記第４実施例の超音波振動子を適用した超
音波リニアモータの正面図である。

【図１５】上記図１４に示す超音波リニアモータにおけ
る移動子を示した側面図である。

【図１６】従来の超音波リニアモータにおける超音波振
動子の一例を示した説明図である。

【図１７】上記図１６に示す超音波リニアモータにおけ
るＬモード（縦振動モード）の振動を示した説明図であ
る。

【図１８】上記図１６に示す超音波リニアモータにおけ
るＢモード（屈曲振動モード）の振動を示した説明図で
ある。

【符号の説明】

１０…超音波振動子 １１…基本弾性体 １２…積層型圧電素子 １３…保持用弾性部材 １５…摺動部材 １６…突起部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 (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 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

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基体となる弾性体と、 この弾性体の第１の面に固定し、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、 上記弾性体の第１の面に対向して配置する第２の面に配
   設する摺動部材と、 上記弾性体の、上記第１および第２の面の間を連結する
   第３および第４の面にそれぞれ配設し、該弾性体を他の
   部材に支持させる支持部材と、 を具備したことを特徴とする超音波振動子。
2. 【請求項２】上記支持部材は、上記弾性体より突出形成
   した突起であることを特徴とする、請求項１記載の超音
   波振動子。
3. 【請求項３】上記支持部材は、上記弾性体に形成した凹
   部であること特徴とする、請求項１記載の超音波振動
   子。
4. 【請求項４】上記摺動部材に被駆動体が圧接することを
   特徴とする、請求項１記載の超音波振動子。