JPH0833371A - 超音波振動子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 超音波振動子全体として効率のよい振動を励
起させる。 【構成】 基本弾性体２の上面に積層型圧電素子５を設
ける。積層型圧電素子５は、基本弾性体２と接する全て
の面において、接着剤により基本弾性体２に固定する。
これにより、積層型圧電素子５と基本弾性体は一体化す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波モータの駆動源
としての超音波振動子に関する。

【０００２】

【従来の技術】以下、請求項１，２に対応する従来技術
の説明をする。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）静粛性にとんでいる。 （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。

【０００３】従来、上記超音波モータとしては、本出願
人の提案により特開平６−１０５５７１号公報に開示さ
れた超音波リニアモータがある。以下、この超音波リニ
アモータについて説明する。まず、図４を用いて上記超
音波モータの超音波振動子５０の構成について説明す
る。基本弾性体５１の上部には、２次の共振屈曲振動の
ほぼ腹に対応する部分に二個の積層型圧電素子５２が配
置されている。２個の積層型圧電素子５２は、３個の保
持用弾性体５３により基本弾性体５１上に固定されてい
る。

【０００４】保持用弾性体５３は、基本弾性体５１上に
設けた３ヶ所のネジタップ（図示省略）にビス５４を螺
合して基本弾性体５１に固定され、この時積層型圧電素
子５２は保持用弾性体５３により突き当て保持される。
また、積層型圧電素子５２の保持用弾性体５３と接触す
る部分はエポキシ系の接着剤で固定され、保持用弾性体
５３と基本弾性体５１の接触する部分もエポキシ系の接
着剤により接合されている。但し、積層型圧電素子５２
は基本弾性体５１と接触しないようにする。

【０００５】基本弾性体５１の積層型圧電素子５２が配
置されている面に対して反対側の面（被駆動体と接触す
る側の面）の両端部には、摺動部材５７がエポキシ系の
接着剤を用いて接合されている。摺動部材５７は、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
入したもので、その混合重量比はカーボンファイバー２
０重量％、マイカ３０重量％である。

【０００６】次に、超音波振動子５０の動作について説
明する。超音波振動子５０の寸法を適当にとることで１
次の共振縦振動及び２次の共振屈曲振動がほぼ同一周波
数で励起できる。図４において、左側の積層型圧電素子
５２から取り出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５２から取り出されて
いる電気端子Ｂ，Ｇ（Ｂ相と呼ぶ）とする。

【０００７】まず、Ａ相およびＢ相に３０Ｖの直流電圧
を印加する。こうすることで、積層型圧電素子５２に圧
縮力（予圧）をかけることができる。そこで、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、同振幅で同位相の交番電圧を印加すると
１次の共振縦振動が励起できる。次に、Ａ相に周波数Ｆ
ｒで振幅１０Ｖｐ−ｐの交番電圧を印加し、Ｂ相に同一
周波数、同振幅で逆位相の交番電圧を印加すると２次の
共振屈曲振動が励起できる。さらに、Ａ相及びＢ相に周
波数Ｆｒで振幅１０Ｖｐ−ｐの交番電圧を印加し、その
位相差を９０度又は−９０度にすると摺動部材５７の位
置において、時計廻り又は反時計廻りの超音波楕円振動
が励起できる。

【０００８】次に、超音波リニアモータの構成について
説明する。図５において、超音波振動子５０は図示しな
いシリコンゴム（厚み１ｍｍ）を介してアルミニウム材
からなる振動子保持部材６０により保持されている。振
動子保持部材６０はコの字形状であり、連結棒６１とは
図示しない薄肉のフランジ部（厚み０．２ｍｍ，長さ２
ｍｍ）を介して連結されている。さらに、連結棒６１は
バネ受け部６２に連結されている。一方、レール６３
は、焼入れ処理されたステンレス材４４０ｃからなり、
表面硬度はビッカース硬度で９００、表面は４０００番
の研磨紙で研磨されていて、リニアガイド固定部６４と
は図示しないビスにより連結されている。リニアガイド
移動部６５には枠６６が固定されており上枠６７とも一
体的に連結されている。上枠６７には中央部にタップが
きってありボルト６８が取り付けられ、ボルト６８には
図に示すようにバネ押え６９が取付けられている。バネ
７０の長さを調整することにより超音波振動子５０とレ
ール６３間の接触圧を調整することが出来るようになっ
ている。

【０００９】次に超音波リニアモータの動作について説
明する。先に示したように超音波振動子５０のＡ相とＢ
相に周波数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５０の摺動部材５７には、超音波楕円振動が形成さ
れるので、レール６３に対して超音波振動子５０は右方
向又は左方向に駆動される。モータ特性としては、無負
荷速度１５０ｍｍ／ｓｅｃ、起動推力２Ｎが得られた。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記特
開平６−１０５５７１号公報に記載された超音波リニア
モータは以下のような問題点が明からになった。上記超
音波振動子５０においては、積層型圧電素子５２と基本
弾性対５１とは接触しないように構成されていた。その
ために、超音波振動子５０の振動状態を精密に解析した
結果、基本弾性対５１と積層型圧電素子５２とが独立な
振動をしてしまい、積層型圧電素子５２の発生力が十分
基本弾性対５１に伝わらず、超音波振動子５０全体とし
ては効率のよい振動が励起できないということが明らか
になった。そのために、モータの推力や速さが十分得ら
れなかった。

【００１１】その際の振動子の振動状態を、図６に示
す。但し、ビス、摺動部材については省略した。図６
（ａ）は縦１次振動を示し、図６（ｂ）は屈曲２次振動
を示す。これは有限要素法を用いたシュミレーションに
より解析したものであるが、実際にも確認された。変形
状態と静止状態を比較すると、縦１次振動、屈曲２次振
動共に基本弾性体と積層型圧電素子が独立している。こ
れから言えることは、積層圧電素子の持つ大きな発生力
が保持用弾性体を介して、基本弾性体に伝達されない。

【００１２】本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて
なされたもので、請求項１，２の発明は超音波振動子全
体として効率のよい振動を励起させ、超音波モータの推
力や速さが十分に得られるような超音波振動子を提供す
ることを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１の発明は、弾性体の一部に挟持された少な
くとも二個の積層型圧電素子により超音波楕円振動を励
起する超音波振動子において、積層型圧電素子と弾性体
とが接する全ての面で積層型圧電素子と弾性体とを接合
して構成した。また、請求項２の発明は、積層型圧電素
子と弾性体とを接着剤により接合して構成した。

【００１４】

【作用】上記請求項１，２の構成にあっては、積層型圧
電素子と弾性体とが一体となって振動する。よって、振
動子全体が効率よく励起されるとともに、ほぼ純粋な縦
１次共振動、屈曲２次共振振動が励起される。そして、
推力、速度共に大きな超音波モータが実現できる。

【００１５】

【実施例１】図１は本発明の超音波振動子の一実施例を
示す斜視図であり、図１に基づいて本発明の一実施例を
以下に説明する。超音波振動子１の基本弾性体２は黄銅
材からなり、直方体形状の上面中央に凸部分３を一体に
設けた凸の字型に形成されている。基本弾性体２の寸法
は凸部分３を除き、幅３０ｍｍ、奥行４ｍｍ、高さ７．
５ｍｍで、凸部分３の寸法は、幅４ｍｍ、奥行４ｍｍ、
高さ２．５ｍｍである。また、基本弾性体２の幅方向の
中心部でかつ底面から６ｍｍの位置には、圧入によって
φ２ｍｍのステンレス材からなるピン４が打ち込まれて
いる。

【００１６】基本弾性体２の上面には左右一対の積層型
圧電素子５が２個配置されており、積層型圧電素子５は
それぞれ一方の端部を凸部分３の側面に突き当てた状態
で設けられている。この積層型圧電素子５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５の両端部
以外の部分は、図１には示さないがエポキシ系樹脂によ
り約２０μｍの被覆厚で被覆されている。ここで、図１
における左側の積層型圧電素子５から取り出されている
電気端子をＡ，ＧＮＤ（Ａ相と呼ぶ）とし、右側の積層
型圧電素子５から取り出されている電気端子をＢ，ＧＮ
Ｄ（Ｂ相と呼ぶ）とする。

【００１７】積層型圧電素子５を配置した基本弾性体２
の上面に対して反対側の底面（被駆動体と接触する側の
面）には、その面の両端部から９ｍｍの位置（共振屈曲
振動の振動振幅が極大値を示す位置）の２ヶ所に矩形状
（寸法：幅３ｍｍ、奥行４ｍｍ、厚み１ｍｍ）の駆動子
６（砥石材料：樹脂にアルミナの砥粒を分散させたも
の）がエポキシ系の接着剤を用いてそれぞれ接合されて
いる。

【００１８】次に、超音波振動子１の組立方法について
説明する。図１に示すように基本弾性体２の凸部分３の
両側に積層型圧電素子５をそれぞれ配置する。そして、
保持用弾性部材７（寸法：幅４ｍｍ、奥行４ｍｍ、高さ
２．５ｍｍ）を基本弾性体２上に固定する。図示しない
が基本弾性体２には２ヶ所にネジのタップがきってあっ
て、図１に示すように保持用弾性部材７は、それぞれビ
ス８により基本弾性体２上に固定される。この時、積層
型圧電素子５は、基本弾性体２の凸部分３と保持用弾性
部材７間で圧縮力（約５Ｋｇｆ）をかけた状態で保持固
定される。また、積層型圧電素子５は、基本弾性体２の
凸部分３および保持用弾性部材７とエポキシ系の接着剤
により固定される。さらに、基本弾性体２と接する積層
型圧電素子５の側面部分と基本弾性体２とはエポキシ系
樹脂を用いて接着され、保持用弾性部材７と基本弾性体
２の接触する部分もエポキシ系の接着剤により接合され
る。

【００１９】次に、上記構成からなる超音波振動子１の
動作について説明する。上記に示した寸法形状によれ
ば、最大長さ方向の１次の共振縦振動および最大面積を
有する面内の２次の共振屈曲振動がほぼ同一周波数Ｆｒ
（５３ｋＨｚ〜５６ｋＨｚ）で励起できた。この時の振
動子の振動状態を図２に示す。図２ａは１次の共振縦振
動の場合を示し、図２ｂは２次の共振屈曲振動の場合を
示す。図２は有限要素法を用いたシュミレーションによ
り解析したものであるが、実際にもこのように振動して
いることが確認された。すなわち、Ａ相とＢ相に周波数
Ｆｒ、振幅１０Ｖｐ−ｐ、位相差±９０°の交番電圧を
印加すると駆動子６の位置で右回り、または左回りの超
音波楕円振動が励起できた。

【００２０】次に、図３に基づいて、上記超音波振動子
１を用いた超音波リニアモータ１０について説明する。
図３に示すように、超音波振動子１はそのピン４の部分
で２枚の保持板１１により両面から保持されている。保
持板１１の下端部近傍にはピン４の直径と同径の穴１２
があけられており、その穴１２と超音波振動子１のピン
４が係合するようになっている。このように保持するこ
とで、超音波振動子１はピン４まわりの回転に対しての
み自由度をもつ。

【００２１】保持板１１の上端部にはビス１３により保
持板固定部材１４が固定され、この保持板固定部材１４
は積層型圧電素子５の上方においてリニアブッシュ１５
により保持されている。このリニアブッシュ１５は軸１
６に沿ってリニアに移動する。軸１６には軸固定部材１
７が固定され、この軸固定部材１７のほぼ中央部には超
音波振動子１の方向に向けてタップが貫設されており、
このタップに押圧ビス２０がねじ込まれている。押圧ビ
ス２０と保持板固定部材１４の間にはバネ２１が挿入さ
れている。

【００２２】超音波振動子１の駆動子６側のベース１８
上にはクロスローラーガイドの固定部２２が基台にビス
２３により固定されている。クロスローラーガイドの移
動部２４には保持部２５が図示しないビスにより固定さ
れ、この摺動部材保持部２５には超音波振動子１の駆動
子６と当接する摺動部材２６が接着されている。この摺
動部材２６にはジルコニアセラミックスが用いられてい
る。このような構成にして、押圧ビス２０を調整するこ
とで摺動部材２６（被駆動部材）に対する超音波振動子
１の押圧力を調整することができるようになっている。

【００２３】次に、本実施例の超音波リニアモータ１０
の動作について説明する。先に示したように図１の超音
波振動子１のＡ相とＢ相に周波数Ｆｒ（５３ｋＨｚ〜５
６ｋＨｚの間の周波数）、振幅１０Ｖｐ−ｐ、位相差＋
９０度又は−９０度の交番電圧を印加する。すると図３
の被駆動部材２６は右方向又は左方向に駆動する。この
時、超音波リニアモータ１０の起動推力として５Ｎ、無
負荷速度として３００ｍｍ／ｓｅｃが得られた。

【００２４】本実施例によれば、超音波振動子全体とし
て効率のよい振動を励起させることができ、すなわち超
音波振動子としての電気機械変換効率を大きくすること
ができ、その結果、超音波リニアモータとしての特性を
向上させることができた。

【００２５】なお、以上本発明の一実施例においてはリ
ニア型の超音波リニアモータについてのみ述べたが、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
転型の超音波リニアモータに応用も可能である。

【００２６】

【発明の効果】以上のように、本願の請求項１，２の発
明によれば、積層型圧電素子と弾性体とはその接する全
ての面において接合したので、積層型圧電素子と弾性体
とを一体にして振動させることができる。そのため、振
動子全体として効率のよい振動を励起でき、超音波リニ
アモータの推力や速さを大きくすることができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の超音波振動子を示す斜視図
である。

【図２】本発明の一実施例の超音波振動子の作用を説明
する図である。

【図３】本発明の一実施例の超音波振動子を備えた超音
波リニアモータを示す正面図である。

【図４】従来技術の超音波振動子を示す斜視図である。

【図５】従来技術の超音波振動子を備えた超音波リニア
モータを示す正面図である。

【図６】従来技術の超音波振動子の問題点を示す説明図
である。

【符号の説明】

１ 超音波振動子 ２ 基本弾性体 ５ 積層型圧電素子

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 弾性体の一部に挟持された少なくとも二
   個の積層型圧電素子により超音波楕円振動を励起する超
   音波振動子において、積層型圧電素子と弾性体とが接す
   る全ての面で積層型圧電素子と弾性体とを接合したこと
   を特徴とする超音波振動子。
2. 【請求項２】 積層型圧電素子と弾性体とは接着剤によ
   り接合したことを特徴とする請求項１記載の超音波振動
   子。