JPH07256207A - 超音波振動子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 破損しにくく、低電圧駆動が可能な超音波モ
ータ用の超音波振動子を提供する。 【構成】 面内振動モードを得る基本弾性体２を、表裏
に正方形状の２面を有する直方形体とする。基本弾性体
２の等価な４側面のうち直交する２面に積層型圧電素子
４ａ，４ｂを設ける。積層型圧電素子４ａ，４ｂの両端
面を挟持部材５で挟持し、積層型圧電素子４ａ，４ｂに
圧縮力を負荷する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波モータに用いら
れ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以下のような利点を
有している。 （１）ギヤなしで大推力が得られる。 （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）静粛性にとんでいる。 （５）磁気的ノイズを発生せず、ノイズの影響もうけな
い。

【０００３】従来の超音波振動子とそれを用いた超音波
モータとして、第２２回ＥＭシンポジウム「屈曲二重モ
ード圧電セラミックス正方形板を用いた薄型リニア・モ
ータ」（１９９３年５月２０日）に開示されたものがあ
る。以下、そこに開示された従来の超音波振動子とそれ
を用いた超音波モータについて図８、図９、図１０、図
１１を用いて説明する。図８に正方形板の面内屈曲振動
モード（４種）を示す。図８（ａ）は正方形板の１次面
内拡がり振動モード、図８（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は正
方形板の面内屈曲振動モードである。図９に中央に角状
の穴部が設けられた正方形板の面内屈曲振動モード（４
種）を示す。図９（ａ）は一次の面内拡がり振動モー
ド、図９（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は面内屈曲振動モード
である。以上の振動モードを用いたリニアモータの例と
して、図１０に中央に角状の穴部が設けられた正方形板
状の圧電セラミックス（振動子）４０を示し、図１１に
上記振動子４０を用いたリニアモータを示す。図１０に
おいて、圧電セラミックス４０は中央部に角状の穴４１
部が設けられ、４つに分割された表面電極４２ａ〜４２
ｄを有する圧電セラミックスである。分極の向きは全面
に渡り同一である。それぞれの表面電極４２ａ〜４２ｄ
に図１０の図中に示した±ＳＩＮ、または±ＣＯＳの交
番電圧を印加し、図９の縮退した２つのモード（ｄ）励
起する。すると、圧電セラミックス４０の端部におい
て、時計廻り又は反時計廻りの超音波楕円振動が励起さ
れる。さて、図１１のように超音波リニアモータ４５を
構成する。圧電セラミックス４０の一端面４０ａをガイ
ドレール４６に押し当て、それと逆の端面４０ｂはベア
リング４７を介してスプリング４８により一定の押圧力
が負荷されている。この状態で圧電セラミックス４０に
超音波楕円振動を励起すると圧電セラミックス４０自体
が右方向、または左方向に自走する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記超
音波振動子（圧電セラミックス）には以下のような問題
点が存在する。超音波振動子がセラミックス単体で構成
されているため、 （１）共振駆動時に内部応力が部分的に負になり、その
部分でセラミックスが破損しやすい。 （２）セラミックスの厚みが数ｍｍ程度であるので、駆
動電圧が数十Ｖｐ−ｐから数百Ｖｐ−ｐと高いものにな
ってしまう。

【０００５】本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなさ
れたもので、請求項１、３は、破損しにくい、低電圧駆
動が可能な超音波モータ用の超音波振動子を提供するこ
とを目的とする。請求項２、３は、共振共幅が大きく、
中央部に光等を透過することが出来る超音波モータ用の
超音波振動子を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１は正方形状の２面を有する直方体形状の弾
性体と、上記弾性体の等価な４外側面が直交する少なく
とも２面に、該面と積層方向が平行になるように配設し
た積層型圧電素子と、上記積層型圧電素子を挟持する挟
持部材とから構成した。また、請求項２のように正方形
状の面の中央に穴部を設けてもよい。さらに、請求項３
のように正方形状の面内に振動方向の直交する同形の共
振振動モードを励起する。

【０００７】

【作用】請求項１、３の構成にあっては、上記超音波振
動子の一つの積層型圧電素子に交番電圧を印加して正方
形状の二面を有する板状振動子のその面内に、縮退した
第一の固有振動モードを励起する。同時にもう一つの積
層型圧電素子に位相が±９０度異なる交番電圧を印加し
て正方形状の二面を有する板状振動子のその面内に、縮
退した第二の固有振動モードを励起する。そのようにす
ることで超音波振動子の一部に時計廻り、または反時計
廻りの超音波楕円振動が励起される。超音波楕円振動が
励起された部分に被駆動体を押圧すると超音波楕円振動
の振動に向きにしたがって被駆動体は一定方向又はそれ
とは逆方向に駆動される。請求項２、３の構成にあって
は、上記超音波振動子の一つの積層型圧電素子に交番電
圧を印加して正方形状の二面を有し、その面の中央部に
穴部の設けられた板状振動子のその面内に、縮退した第
一の固有振動モードを励起する。同時にもう一つの積層
型圧電素子に位相が±９０度異なる交番電圧を印加して
正方形状の二面を有し、その面の中央部に穴部の設けら
れた板状振動子のその面内に、縮退した第二の固有振動
モードを励起する。そのようにすることで超音波振動子
の一部に時計廻り、または反時計廻りの超音波楕円振動
が励起される。超音波楕円振動が励起された部分に被駆
動体を押圧すると超音波楕円振動の振動の向きにしたが
って被駆動体は一定方向又はそれとは逆方向に駆動され
る。

【０００８】

【実施例１】図１から図３は本発明の実施例１の超音波
振動子を示すもので、図１は正面図、図２は上面図、図
３は右側面図である。以下、図１から図３に基づいて本
実施例の超音波振動子１の構成を説明する。

【０００９】図において、２は面内振動モードを得るた
めの基本弾性体で、この基本弾性体２はステンレス材か
らなり、表裏に正方形状の２面を有する直方体形状に形
成されている。基本弾性体２の外形寸法は、一辺１３ｍ
ｍ、厚み４ｍｍである。正方形状面の中心部には、ステ
ンレス材よりなる直径２ｍｍのピン３が設けられてい
る。ピン３は基本弾性体２の両側に突出して設けられ、
その突出量は正方形状面からそれぞれ２ｍｍとなってい
る。

【００１０】直方体形状の基本弾性体２の等価な４側面
のうち、直交する２面（図においては上側面と右側面）
には積層型圧電素子４ａ，４ｂが設けられている。積層
型圧電素子４ａ，４ｂは電極処理された圧電素子を数十
枚から数百枚積層したものであって、本実施例において
はトーキン（株）の積層型圧電素子ＮＬＡ−２×３×９
を用いた。その寸法は、２ｍｍ×３．１ｍｍ×９ｍｍで
ある。積層型圧電素子４ａ，４ｂの両端部以外の部分
は、図１〜３には示さないがエポキシ系樹脂により被覆
されている（被覆厚：２０〜５０μｍ）。上側面の積層
型圧電素子４ａには電気端子Ａ，ＧＮＤ（以下、Ａ相と
いう）が設けられ、右側面の積層型圧電素子４ｂには電
気端子Ｂ，ＧＮＤ（以下、Ｂ相という）が設けられてい
る。積層型圧電素子４ａ，４ｂは、その両端部がステン
レス材からなる挟持部材５（寸法：幅２ｍｍ、奥行４ｍ
ｍ、高さ２．５ｍｍ）により挟持されて上記側面にそれ
ぞれ配置されており、このとき積層型圧電素子４ａ，４
ｂは３〜５ｋｇｆの圧縮力がかかるように挟持される。
挟持部材５は、ビス６により基本弾性体２の上側面と右
側に固定されている。この固定の際に、基本弾性体２と
挟持部材５と積層型圧電素子４ａ，４ｂとビス６は、エ
ポキシ系の接着剤を用いて接着される。

【００１１】基本弾性体２の下側面の両端部には、矩形
状（寸法：幅２ｍｍ、奥行４ｍｍ、厚み１ｍｍ）の駆動
子７（砥石：樹脂にアルミナセラミックスを分散させた
もの）がエポキシ系の接着剤を用いて接合されている。

【００１２】次に、上記構成からなる超音波振動子１の
作用について説明する。上記に示した寸法形状によれ
ば、縮退した１次の共振屈曲振動（図８（ｂ）に示すよ
うなモード）が周波数Ｆｒ（約８３ＫＨｚ）で励起する
ことができた。Ａ相に周波数Ｆｒで振幅１０Ｖｐ−ｐの
交番電圧を印加し、同時にＢ相に同一周波数、同振幅で
±９０度位相の異なる交番電圧を印加すると駆動子７の
部分において右廻り、または左廻りの楕円振動が励起す
ることができた。

【００１３】次に、図４に基づいて、本実施例の超音波
振動子１を用いた超音波リニアモータ１０の構成を説明
する。図４に示すように、超音波振動子１は基本弾性体
２の正方形状面中心部に設けたピン３の部分で２枚の保
持板１１により正方形状の両面から保持されている。保
持板１１の下部にはピン３の直径とほぼ同径の穴１１ａ
が明けられており、この穴１１ａと上記ピン３が係合す
るようになっている。すなわち、超音波振動子１はピン
３まわりの回転に対してのみ自由度を持った状態で２枚
の保持板１１に保持されている。保持板１１は、その上
部においてビス１３により保持板固定部材１２に固定さ
れており、この保持板固定部材１２はリニアブッシュ１
４により保持されている。リニアブッシュ１４は保持板
固定部材１２の上面に設けられており、軸１５に沿って
リニアに移動するようになっている。軸１５は、保持板
固定部材１２の上方に配置した軸固定部材１６の下面に
固定されており、この軸固定部材１６はビス１７により
ベース１８に固定されている。軸固定部材１６のほぼ中
央部には上面から下面に貫通したタップが切られてい
る。タップには押圧ビス１９が上方からねじ込まれ、押
圧ビス１９の下端面が保持板固定部材１２の上面と対向
するようになっている。押圧ビス１９と保持板固定部材
１２の間にはバネ２０が挿入配設されている。

【００１４】上記超音波振動子１の下方にはクロスロー
ラーガイド２１が設けられている。クロースローラガイ
ド２１の固定部２２はビス２３によりベース１８に固定
されている。固定部２２上には図において左右方向に移
動自在な移動部２４が設けられ、移動部２４には摺動部
材保持部（被駆動部）２５が図示しないビスにより固定
されている。摺動部材保持部２５には、上記超音波振動
子１の駆動子７下面と当接し駆動子７との間で摺動する
摺動部材２６が接着固定されており、この摺動部材２６
はジルコニアセラミックスで形成されている。摺動部材
２４と駆動子７間の当接圧、すなわち、超音波振動子１
の摺動部材２６への押圧力は上記押圧ビス１９を回動す
ることで調整する。

【００１５】次に、本実施例の超音波振動子１を用いた
上記超音波リニアモータ１０の作用（動作）について説
明する。前述したように、超音波振動子１０のＡ相とＢ
相（図１参照）に周波数Ｆｒ（８３ＫＨｚの周波数）、
振幅１０Ｖｐ−ｐ、位相差＋９０度又は−９０度の交番
電圧を印加する。この印加に伴い、積層型圧電素子４
ａ，４ｂの伸縮に応じて基本弾性体２に共振屈曲振動が
励起され、駆動子７の部分において右廻り又は左廻りの
楕円振動が生じ、この楕円振動によってクロスローラー
ガイド２１の被駆動部２５は右方向又は左方向に駆動さ
れる。モータ特性として、無負荷速度３００ｍｍ／ｓｅ
ｃ、起動推力５００ｇｆが得られた。

【００１６】本実施例の超音波振動子１の効果として
は、正方形状の２面を直方体形状の基本弾性体２の直交
する２側面に積層型圧電素子４ａ，４ｂを設けた単純な
構成でありながら、積層型圧電素子４ａ，４ｂに圧縮力
を負荷させた状態で基本弾性体２に取り付けているので
交番電圧の印加時に積層型圧電素子４ａ，４ｂの破損が
防止されるとともに、小さい印加電圧で大きな出力を得
ることができる。

【００１７】図５は実施例１の変形例を示す正面図であ
る。変形例の超音波振動子１ａは、基本弾性体２の４側
面に積層型圧電素子４を設けて構成されている。積層型
圧電素子４の取り付け方法は上記実施例１と同様であ
る。また、その他の構成も同様である。変形例の超音波
振動子１ａによれば、実施例１の超音波振動子１に比
べ、更に出力を増大させることができる。さらに、実施
例１においては縮退した同形の共振振動モードを組み合
わせた例について述べたが、変形例として縮退した異形
モードを組み合わせてもよい。

【００１８】

【実施例２】図６は本発明の実施例２の超音波振動子を
示す正面図である。本実施例の超音波振動子３０の特徴
は、基本弾性体３１の正方形状面の中央部に正方形状の
穴３２（寸法：７ｍｍ×７ｍｍ）を設けた点である。そ
の他の構成は上記実施例１と同様であるので、同一部分
には同一符号を付してその説明を省略する。

【００１９】上記構成からなる超音波振動子３０の作用
について説明する。上記に示した寸法形状によれば、実
施例１と同様な縮退した１次の共振屈曲振動モード（図
９（ｂ）に示したものと同様なモード）を励起すること
ができる。Ａ相固有振動数と同一の周波数を有する振幅
１０Ｖｐ−ｐの交番電圧を印加し、Ｂ相に同一周波数、
同振幅で±９０度位相の異なる交番電圧を印加すると駆
動子７の部分において右廻り、または左廻りの楕円振動
が励起することができた。

【００２０】本実施例の超音波振動子３０を用いた超音
波リニアモータの構成と作用（動作）については実施例
１と同様なので説明を省略する。但し、基本弾性体３１
にピン３（図１参照）を設けないので、超音波振動子３
０の保持はゴム等を緩衝部材として中間に設け超音波振
動子３０の一部分を保持するようにする。

【００２１】本実施例の超音波振動子３０の効果として
は、実施例１の効果に加えて、基本弾性体３１の中央部
に穴３２が設けられているため、実質的な剛性が低下
し、超音波振動子３０の振動振幅を増大させることがで
き、モータスピードを増大させることができる。

【００２２】変形例の超音波振動子３０ａは、基本弾性
体３１ａの中央部の穴３２ａを円形状に形成して構成さ
れている。その他の構成は実施例２の超音波振動子３０
と同様である。変形例の超音波振動子３０ａの特有の効
果としては、円形状をしたレンズ等を穴３２ａの部分に
嵌め込むことができる。

【００２３】以上、本発明の実施例においてはリニア型
の超音波モータについてのみ応用を述べたが、本発明の
超音波振動子を用いて移動体を回転体とすれば回転型の
超音波モータに応用も可能である。

【００２４】本発明は、破損しにくく、低電圧駆動が可
能で、駆動振幅が大きく、中央部に光等を透過すること
ができる超音波モータ用の超音波振動子を提供を目的と
して、特許請求の範囲に記載した請求項３における同形
の共振振動モード１次振動モードとすることができる。
上記構成の超音波振動子にあっては、請求項１，２，３
と同様な作用が得られる。また、本発明としては、弾性
体の正方形状の面の中央に設けた穴部を正方形状または
円形にしてもよい。これにより、弾性体の実質的な剛性
が低下し、振動子の振動振幅を増大させることができ、
モータスピードが増大する。そして、特に円形状の穴部
を設けた場合には、円形状をしたレンズ等を穴部に嵌め
こむことができる。

【００２５】

【発明の効果】請求項１の効果は、積層型圧電素子に圧
縮力を印加した状態で組み立てられている超音波振動子
なので、積層型圧電素子の内部応力が負にならず、その
ため、圧電セラミックス（積層型圧電素子）が破損しに
くい。また、積層型圧電素子を用いたため駆動電圧が１
０Ｖｐ−ｐ程度に低くすることができる。請求項２の効
果は、振動子の中央部に穴部が設けられているため、弾
性体の実質的な剛性が低下し、振動子の振動振幅を増大
させることができ、モータスピードを増大させることが
できる。また、中央部に光等を通すことができる。請求
項３の効果は、振動子の振動振幅を大きくすることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１を示す正面図である。

【図２】本発明の実施例１を示す上面図である。

【図３】本発明の実施例１を示す右側面図である。

【図４】本発明の実施例１の超音波振動子を用いた超音
波リニアモータを示す正面図である。

【図５】本発明の実施例１の変形例を示す正面図であ
る。

【図６】本発明の実施例２を示す正面図である。

【図７】本発明の実施例２の変形例を示す正面図であ
る。

【図８】正方形板の面内屈曲振動モードを示し、（ａ）
は１次の面内拡がり振動モード、（ｂ），（ｃ），
（ｄ）は面内屈曲振動モードである。

【図９】中央に角状の穴部を設けた正方形板の面内屈曲
振動モードを示し、（ａ）は１次の面内拡がり振動モー
ド、（ｂ），（ｃ），（ｄ）は面内屈曲振動モードであ
る。

【図１０】従来の圧電セラミックス（振動子）を示す正
面図である。

【図１１】従来の圧電セラミックスを用いた超音波リニ
アモータ示す正面図である。

【符号の説明】

１，１ａ，３０，３０ａ 超音波振動子 ２，３１，３１ａ 基本弾性体 ４ａ，４ｂ 積層型圧電素子 ５ 挟持部材 ３２，３２ａ 穴

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 正方形状の２面を有する直方体形状の弾
   性体と、上記弾性体の等価な４外側面が直交する少なく
   とも２面に、該面と積層方向が平行になるように配設し
   た積層型圧電素子と、上記積層型圧電素子を挟持する挟
   持部材とからなることを特徴とする超音波振動子。
2. 【請求項２】 正方形状の面の中央に穴部が設けられた
   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】 正方形状の面内に振動方向の直交する同
   形の共振振動モードを励起することを特徴とする請求項
   １又は２記載の超音波振動子。