TW201436446A - 致動器用彈性體及壓電致動器 - Google Patents

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Abstract

一種彈性體43，其係固定於藉由交流電壓的施加產生振動的壓電元件42，且與移動體45接觸而使用，藉由前述壓電元件42的振動進行屈曲振動，該彈性體43以結晶性樹脂形成，用以使移動體45驅動。此彈性體43亦可在與壓電元件42固定之側的相反側，形成有齒部43b。前述結晶性樹脂亦可為聚芳基酮樹脂或聚苯硫醚樹脂。此壓電致動器的屈曲振動傳遞性優異。又，當以結晶性樹脂形成位移增大型壓電致動器的位移增大元件時，可將因壓電元件的伸縮所致之位移大幅地增大。再者，當以結晶性樹脂形成朗之萬振動器的共振構件時，即便在低電流(或低電壓)下亦可使表面以高速振動。

Description

致動器用彈性體及壓電致動器
本發明係關於利用由壓電元件等機電轉換元件(electromechanical transducer)所產生的超音波振動之致動器用彈性體及具備該彈性體的壓電致動器。
就利用壓電元件的壓電致動器而言，已知有超音波馬達。超音波馬達是利用屬於機電轉換元件的壓電元件作為超音波振動體的馬達。比起電磁馬達，超音波馬達不需要線圈、構造簡單，且在低速高轉矩下響應性及控制性優異，可進行微小且精密的驅動，廣泛被應用於相機、DVD等光學機器裝置等。超音波馬達具有將來自振動體的超音波振動轉換成直線運動或旋轉運動之線性或旋轉式。
圖1為旋轉式超音波馬達的示意側面圖，圖2為構成圖1之旋轉式超音波馬達的彈性體之示意立體圖。此超音波馬達1具有：定子4，係在圓板狀(或環狀)的壓電元件2上固定有環狀彈性體(梳齒狀彈性體)3，該彈性體3具有與此壓電元件2的外徑相同的外徑，且具有沿著外周規則地形成的梳齒狀凸部(梳齒部)3a；及圓板狀(或環狀)轉子(旋轉體或移動體)5，與前述彈性體3加壓接觸而配設，且具有與前述彈性體的外徑相同的外徑。 在超音波馬達1中，包含壓電元件(piezo element)2和梳齒狀彈性體3的定子4是固定的構件，相對地，轉子5係配設成可旋轉，由壓電元件2產生的超音波振動經由梳齒狀彈性體3轉換成轉子5的旋轉運動。詳言之，壓電元件2是由負載電壓時會產生變形的壓電陶瓷所形成，當施加交流電壓(頻率電壓)時，會規律地重覆變形和回復(伸縮運動)，藉此方式來進行超音波振動。相對於此，在固定於壓電元件的梳齒狀彈性體3中，伴隨著來自壓電元件的超音波振動，會產生沿著彈性體表面傳遞的表面行進波(縱波和横波所合成的雷利波)。其結果，在彈性體的表面引起橢圓運動(屈曲振動)，致使加壓接觸於彈性體的轉子5旋轉。利用此種屈曲振動時，彎曲方向的複彈性模數是重要的，可由此觀點來選擇材料。
一般而言，基於可產生表面行進波而不會吸收來自壓電元件的超音波振動之觀點來看，係使用金屬材料來作為彈性體。然而，以金屬形成的彈性體因為比重較重且為硬質，所以會有以下缺點：本身的振動性低、成形性低、難以小型化、在梳齒等複雜的形狀下生產性會降低、因鏽而導致劣化、難以利用摻合添加劑等來改善特性、無法確保絶緣性等。此外，就金屬以外的彈性體而言，已有提出以塑膠形成的彈性體，其與金屬不同，具有黏性，所以或許因為會吸收振動的關係不適合作為振動器，因而沒有被實用化。
日本特開平5-300764號公報(專利文獻1)中有揭示一種驅動機構，其係對機電轉換元件施加頻率電 壓，藉由產生於與前述機電轉換元件接合的彈性體的橢圓運動，來驅動與前述彈性體接觸的移動體，在此驅動機構中，前述彈性體之與前述移動體接觸的那一側是由樹脂形成。此文獻中，在以樹脂形成的彈性體與機電轉換元件之間，進一步設有以金屬形成的彈性體。
然而，此驅動機構中，由於彈性體含有金屬，所以振動性不夠，而且也會產生鏽。再者，此文獻中，並沒有關於樹脂的詳細記載。通常，與金屬材料相比較，樹脂因為會吸收超音波振動，所以振動傳遞性低。再者，由於彈性體是與移動體接觸的摩擦驅動型，所以會產生摩擦熱，需具耐熱性，但是樹脂材料在耐熱性方面也比金屬材料低。
日本特公平7-89746號公報(專利文獻2)中有揭示一種表面波馬達，其包含固定子和移動子，該固定子包含壓電元件及藉由此壓電元件激振的彈性體，該移動子係壓接於該固定子且藉由產生於前述固定子之超音波振動的表面行進波而在前述固定子的面上移動，在該表面波馬達中，前述兩個彈性體中的至少一個彈性體是以合成樹脂材料形成，其中一個彈性體一體成形有：具有供另一個彈性體壓接的面之振動部、和由此振動部延伸的支持部、和進一步設置於此支持部之外周的被保持部。
然而，此文獻中僅記載以合成樹脂材料而言，可列舉工程塑膠，較佳為低彈性模數的材料，對於壓電元件使用1/10左右的彈性模數的環狀彈性體材料， 對於金屬使用1/20左右的彈性模數的環狀彈性體材料，並沒有記載合成樹脂的詳細構成。
日本特開2006-311794號公報(專利文獻3)中揭示一種驅動裝置，其具備：施加電壓時會伸縮的機電轉換元件；以及將移動體支持成可滑動，且結合於前述機電轉換元件而和前述機電轉換元件一起位移之移動體支持構件，藉由前述機電轉換元件的伸縮，使前述移動體沿著前述移動體支持構件移動，在該驅動裝置中，前述移動體支持構件的材質為纖維強化樹脂複合體，構成前述纖維強化樹脂複合體的合成樹脂材料為液晶聚合物或聚苯硫醚。詳言之，相當於彈性體的移動支持構件(驅動軸)為棒狀，其一端與棒狀壓電元件的端部接著固定，藉由壓電元件的伸縮使移動支持構件沿著長度方向位移，藉此方式以既定的摩擦力使支持於移動支持構件的移動體移動。亦即，移動體位移的機構係施加包含急遽上升部分和緩和下降部分之鋸齒狀波形的脈衝電壓，對前述驅動軸的長度方向的往返運動賦予強弱，依慣性定律使移動體移動。
然而，在此文獻中，沒有記載使移動支持構件屈曲振動的壓電致動器。詳言之，專利文獻3的驅動裝置中，壓電元件與驅動軸沒有面接觸，驅動軸係藉由利用鋸齒狀脈衝之長度方向上的往返運動所產生的摩擦，而使移動體移動以進行直線前進驅動，驅動軸本身不會變形。因此，可推測構成驅動軸的材料，主要是需要有用以正確地傳遞壓電元件的振動之剛性，為了保持剛性 而摻合了纖維。也就是說，專利文獻3的驅動機構係與行進波型致動器的驅動原理有很大的不同，亦即與如下所述之致動器的驅動原理有很大的不同，該致動器為：壓電元件與移動體面接觸而固定，利用藉由以面接觸固定之狀態下之壓電元件的振動所產生的表面行進波(正弦波)，使彈性體本身彎曲變形(因彈性體與壓電元件的振動連動而彎曲)而進行橢圓運動。因此，專利文獻3的驅動軸中不需要在屈曲振動中所需要有的柔軟性等，其與利用超音波馬達的屈曲振動的彈性體相比較，所要求的特性大幅相異。
日本特開2001-327919號公報(專利文獻4)中揭示一種聲波振動控制材料，其係於母材中複數根高彈性纖維分別規律地配向配置在同一方向所得的兩片以上的複合材料板，以每片複合材料板之高彈性纖維的配向方向彼此正交的方式積層而成。此文獻中，記載有以聚醯胺樹脂、環氧樹脂作為母材的碳纖維或SiC纖維強化塑膠成型體，作為前述控制材料。
然而，此聲波振動控制材料的目的在控制聲波振動的傳遞方向，並未記載彈性體的屈曲振動。
又，壓電致動器中根據壓電泵或線性馬達等用途的不同，為了將機電轉換元件的振動(或伸縮)應用作為致動器，需要有將振動所產生的位移增大之機構。
就增大壓電元件的振動所產生的位移的機構而言，已知有藉由積層壓電元件而使位移增大的積層型壓電致動器。
專利第4353690號公報(專利文獻5)中揭示有一種積層型壓電致動器，其係壓電陶瓷層和內部電極交替積層，且前述內部電極每隔一層連接而成，在該積層型壓電致動器中，前述內部電極的外周部的位移量從前述外周部的內側朝外側連續地變小，於前述壓電陶瓷層中位於前述內部電極之外周部附近的部分，含有比選自錳、鐵、鉻、鎢之1種以上的成分更多的其它成分。
然而，在積層型壓電致動器中，尺寸變大，不適合於小型化。
又，已知有應用槓桿原理以將壓電元件的運動機械性放大以增大位移的壓電致動器。
日本特開昭60-81568號公報(專利文獻6)中揭示一種機械式放大機構，其係將電致伸縮或壓電元件的運動加以放大且驅動，在該放大機構中，包含作為位移增大手段的兩根槓桿臂和作為位移增大手段的梁，且在該梁設有作為輸出端的作用元件，其中該作為位移增大手段的兩根槓桿臂係將前述電致伸縮或壓電元件之伸縮方向的一端共同連接且將前述電致伸縮或壓電元件的另一端藉由支點分別連接，該作為位移增大手段的梁係以兩根槓桿臂的另一端挾持的方式支持。
然而，此種機械式放大機構中，因機構大，且複雜，所以不適合小型化。
對此，有提出具備設置空隙部以固定於壓電元件的板狀元件之鈸式或慕尼(mooney)式壓電致動器，作為壓電元件的位移增大元件。
圖3為鈸式壓電致動器的示意立體圖，圖4為用以說明形成有突起(爪部)之鈸式壓電致動器的位移機構之示意圖。
此壓電致動器11係在面形狀為長方形板狀的壓電元件12上，固定有具有彎曲而形成之山脊狀凸部13a的板狀位移增大元件13。前述山脊狀凸部13a，係形成於位移增大元件之長度方向的大致中央部，與山脊狀凸部的稜線方向垂直之方向的剖面形狀為梯形或拱形，且在與壓電元件12之間形成有剖面梯形的空隙部14。具有此種空隙部的壓電致動器中，壓電元件12係以施加電壓時會產生變形的壓電陶瓷形成，當施加交流電壓(頻率電壓)時，於面方向會規律地重複變形與回復(伸縮運動)。對此，由於在位移增大元件13與壓電元件12之間形成有空隙部14，所以位移增大元件13的山脊狀凸部比起固定於壓電元件12的部位，具有容易變形的構造。因此，藉由壓電元件12在面方向伸縮，使得位移增大元件13的山脊狀凸部的形狀產生變形，而在與壓電元件的面方向垂直的方向上位移(上下移動)。
例如，如圖4所示，在山脊狀凸部23的側部形成有突起23b的鈸式壓電致動器21中，由於在壓電元件22於面方向伸張的狀態(圖4(a))下，山脊狀凸部23a的高度會變低，側部的傾斜會變小，故突起23b係在與壓電元件面呈大致垂直的方向上立起。相對於此，在壓電元件22於面方向收縮的狀態(圖4(b))下，山脊狀凸部23a的高度變高，側部的傾斜變大，故突起23b係與壓電元件面呈大 致平行地變成橫向狀態。也就是說，突起係藉由壓電元件的振動而反覆進行立起的狀態與變成橫向的狀態之位移運動。因此，具備突起的鈸式壓電致動器，係可被利用作為將藉由突起所接觸之非振動體(移動體)刮擦的驅動機構，也可利用於線性馬達等。
以往的鈸式壓電致動器中，從可位移而不會吸收壓電元件的伸縮(或者不會因伸縮而彎撓)之觀點來看，係使用金屬材料作為位移增大元件。然而，以金屬形成的彈性體因為比重較重且為硬質，所以會有以下缺點：本身的振動性低、成形性低、難以小型化、在具有突起的複雜形狀下生產性會降低，因鏽而導致劣化、難以利用摻合添加劑等來改善特性、無法確保絶緣性。
再者，以壓電致動器而言，朗之萬振動器亦為週知者。朗之萬振動器具有用兩個金屬塊夾住呈現壓電性的水晶之構造，可以低頻率使其共振，可廣泛地使用於超音波的產生及檢測。為了進一步提升此朗之萬振動器的性能，迄今為止已嘗試進行各種改良。
日本特開平5-236598號公報(專利文獻7)中揭示了朗之萬振動器，係附有聲波整合板之鎖緊螺栓的朗之萬振動器，其係具有：以高剛性材料形成的前塊體(front mass)；一端接合於前述高剛性材料的一端且將輸入電氣信號轉換成超音波的壓電陶瓷；一端接合於前述壓電陶瓷的另一端且以高剛性材料形成的後塊體(rear mass)；將前述前塊體和前述壓電陶瓷和前述後塊體彼此鎖緊的螺栓及螺帽；以及與前述前塊體的另一端接合且 用以進行水與前述前塊體的阻抗整合之聲波整合板，在該附有聲波整合板之鎖緊螺栓的朗之萬振動器中，前述聲波整合板為具有比前述壓電陶瓷的居里溫度還高的玻璃轉移溫度之合成樹脂。此文獻中記載了以鋁合金、鈦合金、不銹鋼等的高剛性材料形成前塊體及後塊體。
日本特開2009-77130號公報(專利文獻8)揭示有超音波振動器，其具備：壓電元件；挾持前述壓電元件的一對挾持構件；緩衝構件，固定於前述一對挾持構件中的一挾持構件，且硬度比此挾持構件還低；聲波整合構件，固定於前述一對挾持構件中的另一挾持構件並且於端部具有超音波傳送接收部，且固有聲波阻抗值係呈現前述另一挾持構件與水之間的值。此文獻中記載了作為一挾持構件的內襯板及作為另一挾持構件的前面板是以不銹鋼形成，且藉由前面板變更成比內襯板輕且軟的鋁合金等，可降低Q值(表示共振銳度的量)。
日本特開平5-37999號公報(專利文獻9)中揭示有寬頻帶超音波探針，其具備在一對壓電振動器的兩側將共振塊設成對稱的朗之萬振動器構造，且以塑膠構成前述共振塊。此文獻中記載帶來寬頻帶特性的共振塊是包含環氧化合物材料，此外，並未記載塑膠材料的例子。
日本特開2007-274191號公報(專利文獻10)中揭示有一種超音波振動器，其係前面板、內襯板和配設於前述前面板與前述內襯板之間的壓電陶瓷體藉軸芯螺栓固定成一體，在該超音波振動器中，前述前面板為 樹脂製。此文獻中記載了以前面板的材料而言較佳為切削加工性優異的聚丙烯系樹脂、透明性優異的聚碳酸酯樹脂、兩功能皆優異的丙烯酸系樹脂。
然而，專利文獻7~10的超音波振動器中，表面的振動速度低，輸出特性還不足。
先前技術文獻 專利文獻
專利文獻1 日本特開平5-300764號公報(請求項1、圖1及3)
專利文獻2 日本特公平7-89746號公報(請求項1、第2頁第4欄19~21行)
專利文獻3 日本特開2006-311794號公報(請求項1、段落[0004]~[0006][0021][0022])
專利文獻4 日本特開2001-327919號公報(請求項1、段落[0010][0022][0026])
專利文獻5 專利第4353690號公報(請求項1)
專利文獻6 日本特開昭60-81568號公報(申請專利範圍)
專利文獻7 日本特開平5-236598號公報(申請專利範圍、段落[0003])
專利文獻8 日本特開2009-77130號公報(申請專利範圍、段落[0015][0047])
專利文獻9 日本特開平5-37999號公報(申請專利範圍、段落[0012]、實施例)
專利文獻10 日本特開2007-274191號公報(申請專利範圍、段落[0013]、實施例)
因此，本發明之目的在提供一種儘管以樹脂形成，屈曲振動(橢圓運動)傳遞性仍優異的致動器用彈性體及具備此彈性體的壓電致動器。
本發明之其它目的在提供一種成形性或輕量性優異，且對小型化或複雜形狀的加工性優異的致動器用彈性體及具備此彈性體之壓電致動器。
本發明之另一目的在提供一種電氣絕緣性及耐蝕性優異之致動器用彈性體及具備此彈性體的壓電致動器。
本發明之另一目的在提供一種可將因機電轉換元件的振動(或伸縮)所致之位移大幅增大之位移增大元件及具備此位移增大元件之位移增大型壓電致動器。
本發明之另一目的在提供一種即便在低電流(或低電壓)下亦可使表面高速地振動之朗之萬振動器。
本發明的其它目的在提供一種可降低能量損失，且可高效率地進行超音波的傳送接收之朗之萬振動器。
本發明的另一目的在提供一種即便在以低頻率使用的用途中亦可小型化，且可容易控制共振波長之朗之萬振動器。
本案發明人等為了達成前述課題而致力探討研究的結果發現，藉由將具備壓電元件等機電轉換元件 的致動器用彈性體以結晶性樹脂來形成，儘管是以樹脂形成，在屈曲振動的致動器中還是能提升屈曲振動傳遞性，且在位移增大型致動器中也能將因機電轉換元件的振動(或伸縮)所致之位移大幅增大，再者在朗之萬振動器中即便在低電流(或低電壓)下亦可使表面高速地振動，因而完成本發明。
亦即，本發明的彈性體係固定於藉由交流電壓的施加而伸縮之機電轉換元件，該彈性體使用於以下之(1)~(3)中的任一致動器：(1)與非振動體接觸而使用，藉由前述機電轉換元件的伸縮進行屈曲振動，用以使致動器本身或非振動體驅動之致動器；(2)具備將因前述機電轉換元件的伸縮所致之位移增大的機構之致動器；(3)使用讓因前述機電轉換元件的伸縮所致之振動頻率降低的構件，作為挾持前述機電轉換元件的共振構件當中的至少一共振構件之致動器；其中該彈性體包含結晶性樹脂。
前述機電轉換元件亦可為壓電元件。前述結晶性樹脂亦可為聚芳基酮樹脂或聚苯硫醚樹脂。本發明的彈性體亦可進一步含有充填材(特別是纖維狀充填材)。前述纖維狀充填材的配向方向亦可與機電轉換元件的伸縮方向呈平行。前述纖維狀充填材亦可為選自包含碳纖維、玻璃纖維及醯胺纖維的群組中的至少一種。前述纖維狀充填材亦可為，平均纖維直徑0.1~50μm，平均 纖維長1μm~2mm的碳纖維。前述充填材的比例亦可為，相對於熱可塑性樹脂100重量份，為10~60重量份左右。
本發明的彈性體亦可為，其中致動器為超音波馬達，該彈性體在與壓電元件固定之側的相反側，具有用以與非振動體接觸的複數個凸部。尤其，本發明的彈性體亦可為，其中前述壓電致動器為線性超音波馬達，該彈性體的複數個凸部的剖面形狀為鋸齒狀。又，本發明的彈性體亦可為，其中前述壓電致動器為旋轉式超音波馬達，該彈性體具有梳齒部的形狀。
本發明的彈性體亦可為，致動器係具備將因壓電元件的伸縮所致之位移增大的機構之致動器，該彈性體係具有用以在與固定的壓電元件之間形成空隙部的凸部之板狀。前述凸部亦可為屈曲或彎曲而形成之延伸於一方向的山脊狀凸部。與此山脊狀凸部的稜線方向垂直之方向上的剖面形狀亦可為梯形，且前述山脊狀凸部的側部亦可具有突起。
本發明的彈性體亦可為朗之萬振動器的共振構件。
本發明中，亦包含具備壓電元件及前述彈性體之壓電致動器。
本發明的壓電致動器亦可為與旋轉體接觸而使用，且藉由壓電元件的伸縮進行屈曲振動，用以使致動器本身或旋轉體旋轉的旋轉式超音波馬達。
本發明的壓電致動器亦可為，其中彈性體為位移增大元件，該壓電致動器為鈸式或慕尼式壓電致動器。
本發明的壓電致動器係具有壓電元件、和挾持此壓電元件的一對共振構件的朗之萬振動器，前述一對共振構件中的至少一共振構件亦可為前述彈性體。一般而言，當一共振構件使用樹脂時，相較於金屬，超音波的吸收變大，假定為沒有振動，而當使用前述彈性體時，不會有意外地造成超音波衰減的情況，可以高效率進行振動。較佳為一對共振構件亦可為彼此包含不同系統的樹脂，但亦可含有相同種類的樹脂。壓電元件、和一共振構件及/或另一共振構件，亦可用接合手段(螺絲等)壓接(或壓固)。
此外，本說明書中，「彈性體」意指：以包含熱可塑性樹脂及充填材的組成物形成，被固定於壓電元件等機電轉換元件而使用，且可傳遞機電轉換元件的振動(伸縮)之成形體，並不限定於超音波馬達的彈性體，也包含位移增大型致動器的位移增大元件、朗之萬振動器的共振構件之意。
本發明中，進行屈曲振動之致動器的彈性體由於包含結晶性樹脂，故儘管是以樹脂形成，還是可提升屈曲振動(橢圓運動)傳遞性。尤其，或許因為可抑制與機電轉換元件(尤其是壓電元件)之聲波阻抗差，且提升來自機電轉換元件的能量注入效率的關係，所以可抑制振動的遲滯，將損失極小化。
又，本發明中，由於位移增大型致動器的位移增大元件係以結晶性樹脂形成，故可將因機電轉換元 件的伸縮所致之位移大幅地增大，且因為組合有結晶性樹脂和纖維狀充填材，故相較於以往的金屬材料可使位移增大。尤其，儘管比重比金屬小，還是能呈現與金屬同等以上的位移增大功能(振動速度)，每單位重量的功能高，適用於要求輕量化的用途。例如，在同一共振頻率中，比起金屬材料可小型化。再者，電氣絕緣性及耐蝕性也可提升。
又，本發明中，由於挾持朗之萬振動器的機電轉換元件之一對共振構件中的至少一共振構件，是以特定的結晶性熱可塑性樹脂形成，故即便在低電流(或低電壓)下亦可使表面高速地振動，最高振動速度也大。尤其，在本發明中，由於可將能量損失明顯降低，故可高效率地進行超音波的傳送接收。又，本發明中，小型且輕量性優異，即便在以低頻率使用的情況也容易小型化。再者，本發明中，藉由調整纖維狀充填材的配向或含量等，可容易地控制共振波長(或音速)。
又，由於是以樹脂形成，故成形性或輕量性優異，對小型化或複雜形狀的加工性也可提升。再者，電氣絕緣性及耐蝕性也可提升。
1、41‧‧‧超音波馬達
11、21‧‧‧壓電致動器
2、12、22、42、51‧‧‧壓電元件
3、43‧‧‧彈性體
13、23‧‧‧位移增大元件
13a、23a‧‧‧凸部
14、24‧‧‧空隙部
23b‧‧‧突起
4、44‧‧‧定子
5、545‧‧‧移動體
511‧‧‧壓電層
512‧‧‧電極板
513‧‧‧抓取部
52‧‧‧前構件(前塊體)
53‧‧‧後構件(後塊體)
54‧‧‧軸芯螺栓
55‧‧‧振盪器
56‧‧‧放大器
57‧‧‧雷射都卜勒裝置
58‧‧‧示波器
圖1為旋轉式超音波馬達的示意側面圖。
圖2為構成圖1之旋轉式超音波馬達的彈性體之示意立體圖。
圖3為鈸式壓電致動器的示意立體圖。
圖4為用以說明形成有突起之鈸式壓電致動器的位移機構之示意圖。
圖5為用以說明彈性體的振動速度之測定方法的示意圖。
圖6為顯示本發明之線性超音波馬達的一例之示意側面圖。
圖7為構成圖6的線性超音波馬達之定子的示意立體圖。
圖8為顯示本發明之朗之萬振動器的一例之示意剖面圖。
圖9為顯示在實施例1及比較例1中得到的彈性體的振動速度之圖表。
圖10為顯示在實施例2及3中得到的彈性體的振動速度之圖表。
圖11為在實施例中製得的鈸式壓電致動器的示意立體圖。
圖12為顯示用以評估實施例的朗之萬振動器之實驗系統的模式圖。
圖13為顯示實施例的朗之萬振動器的電流與振動速度的關係之圖表。
[用以實施發明的形態] [致動器用彈性體]
本發明的致動器用彈性體，係固定於藉由交流電壓的施加而朝面方向伸縮的板狀機電轉換元件(尤 其是藉由施加交流電壓用以產生振動的壓電元件)，作為各種致動器(超音波馬達、位移增大型致動器、朗之萬振動器)使用。前述彈性體由於包含熱可塑性樹脂及充填材(尤其是纖維狀充填材)，故可提升各種致動器的特性。
(結晶性樹脂)
結晶性樹脂必需要有優異的振動傳遞性，具體而言，用板狀壓電元件夾持固定成形為板狀的彈性體的兩面，對壓電元件施加頻率電壓以共振頻率使其振動，當提升電壓時，最大的振動速度為300mm/秒以上，較佳為500mm/秒以上(例如500~1500mm/秒左右)，更佳為700mm/秒以上(例如700~1000mm/秒左右)左右。當前述振動速度小於300mm/秒時，由於對移動體的振動傳遞性(或彈性體本身的驅動性)低，故難以進行移動體(或彈性體本身)的驅動。
本發明中，結晶性樹脂的振動速度可用圖5所示的方法測定。亦即，將結晶性樹脂射出成形為10cm方形且厚度3mm的平板，藉由將所得到的成形體進行切削加工，切成1cm×3cm，而獲得樹脂彈性體31。將所獲得的樹脂彈性體31，如圖5所示，用兩片板狀壓電元件32(富士陶瓷公司製「C-123」，1cm×2cm×1mm)挟持，並以接著劑(HUNTSMAN JAPAN(股)製「Araldite Standard」)貼合，熟化24小時以使其硬化。再將銅線33焊接於壓電元件32的電極，在共振頻率中進行振動。振動是利用雷射都卜勒儀，來測定振動的最大速度。當電壓上昇時，觀察到振動速度増大，然而當大於樹脂彈性 體的力學性質對應的特定電壓時，可看到振動速度的停滯或減少，將其最大速度設為振動速度。
結晶性樹脂的玻璃轉移溫度(Tg)為30℃以上，由成形性等方面來看，亦可為例如50~450℃，較佳為70~350℃，更佳為75~300℃(尤其是80~200℃)左右。此外，亦可為70℃以上，例如75~450℃，較佳為80~430℃(例如100~400℃)，更佳為80~300℃(尤其是80~160℃)左右。玻璃轉移溫度較佳為比壓電元件的居里溫度還要高的溫度。當超音波馬達、位移增大型致動器等的壓電致動器作動時，因振動所產生的發熱、環境氣體溫度的上昇、摩擦產生的蓄熱等的關係，彈性體的溫度會上昇，而振動性會降低。此外，彈性體的摩擦係數量也會降低，振動朝移動體的傳遞性也會降低，而當玻璃轉移溫度過低時，此種振動傳遞性的降低會變顯著。再者，若玻璃轉移溫度過低，高溫下的耐磨耗性也會降低，在摩擦熱所產生的高溫狀態下容易產生摩耗或破損。另一方面，當玻璃轉移溫度過高時，由於成形溫度會變高，接近分解溫度，故難以加工。本發明中使用的結晶性樹脂，由於具有適當的彈性模數，所以彈性體的振動性也佳，尤其在超音波馬達中的梳齒狀彈性體的情況下，由於與非振動體(特別是移動體)接觸之前端部的振動性變大，故可提升驅動力。又，在位移增大型致動器中，位移增大功能優異，例如，在利用於線性馬達等的情況，由於與非振動體(尤其是移動體)接觸之前端部的振動性變大，故可提升驅動力。
此外，本說明書中，玻璃轉移溫度可依據ASTM 3418的DSC法來測定。
結晶性樹脂的密度(比重)亦可為例如3g/cm3以下，較佳為0.8~2.5g/cm3，更佳為0.9~2g/cm3(尤其是1~1.5g/cm3)左右。當密度過大時，振動性會降低，所以移動體的驅動傳遞性會降低。以密度的測定方法而言，可利用依據ISO 1183的方法來測定。本發明中，即便是以低比重的結晶性樹脂形成位移增大型致動器的位移增大元件，也能具有與以高比重的金屬形成的元件同等以上的位移增大功能，比重換算的位移增大功能高。
作為結晶性樹脂，只要是結晶性的熱可塑性樹脂(合成樹脂)即可，無特別限制，可列舉：烯烴系樹脂(乙烯-降莰烯共聚物等的環狀烯烴系樹脂等)、苯乙烯系樹脂(對排聚苯乙烯等)、聚縮醛系樹脂(聚甲醛等)，聚酯系樹脂(聚對苯二甲酸乙二酯、聚對苯二甲酸丁二酯、聚萘二甲酸乙二酯等的聚伸烷基芳酯、聚乙醇酸系樹脂、液晶聚酯等)、聚苯并咪唑系樹脂、聚醯胺系樹脂(脂肪族聚醯胺、芳香族聚醯胺等)、聚醯胺亞醯胺樹脂、聚苯硫醚系樹脂、聚芳基酮系樹脂、氟樹脂(聚四氟乙烯等)等。此等結晶性樹脂可單獨使用或組合二種以上來使用。
此等結晶性樹脂中，可抑制振動能的衰減及損失，由位移增大功能變大且耐熱性或耐磨耗性優異的觀點來看，較佳可利用工程塑膠，可廣泛應用例如：對排聚苯乙烯樹脂、尼龍MXD6等的芳香族聚醯胺系樹脂、聚芳基酮樹脂、聚苯硫醚樹脂、聚乙醇酸系樹脂、液晶聚酯等。
此外，在此等結晶性樹脂中，由振動傳遞性或位移增大功能高的觀點來看，較佳為聚芳基酮樹脂、聚苯硫醚系樹脂、聚苯并咪唑系樹脂、聚醯胺亞醯胺樹脂、芳香族聚醯胺樹脂。尤其，此等結晶性樹脂與金屬相比較，可輕量化且與壓電元件的密合性佳，與熱硬化性樹脂不同，不含未反應的硬化性單體且可降低能量損失，與非結晶樹脂相比較，分子構造不易變形，機械性損失(tanδ)小且可降低能量損失。因此，在朗之萬振動器中，即便施加相同的電流(或電壓)，與以往的材料相比較，也可高效率地進行超音波的傳送接收。
(1)聚芳基酮樹脂
聚芳基酮樹脂是由芳基骨架以醚鍵及酮鍵所鍵結而成的芳香族聚醚酮，可分類為聚醚酮系樹脂、聚醚醚酮系樹脂、聚醚酮酮系樹脂。芳基骨架，通常為伸苯基，但是亦可為以其它的伸芳基、例如經取代的伸苯基(例如，具有C1-5烷基等的取代基之烷基伸苯基、具有苯基等的取代基之芳基伸苯基)、式-Ar-X-Ar-(式中，Ar表示伸苯基，X表示S、SO2或直接鍵結)表示的基等。在聚芳基酮樹脂的芳基骨架中，其它伸芳基的比例亦可為例如50莫耳%以下(尤其是30莫耳%以下)。此等聚芳基酮樹脂可單獨使用或組合兩種以上來使用。此等聚芳基酮樹脂中，從耐衝撃性等機械特性佳的觀點來看，較佳為醚鍵的比例多的聚醚醚酮系樹脂。
聚醚醚酮系樹脂為，藉由二鹵化二苯甲酮與氫醌的聚縮合所獲得的聚醚醚酮，市面上販售為 VICTREX公司製的商品名「PEEK」系列，EVONIK公司製「VESTAKEEP」系列，惟亦可為伸苯基具有取代基(例如，C1-3烷基等)的聚醚醚酮、或伸苯基為伸萘基等其它的芳基骨架之聚醚醚酮等。
聚芳基酮樹脂(尤其是聚醚醚酮系樹脂)的重量平均分子量在GPC(以聚苯乙烯換算)中為例如5000~30000，較佳為6000~25000，更佳為8000~20000左右。
聚芳基酮樹脂(尤其是聚醚醚酮系樹脂)的體積流動率(MVR)，依據ISO 1133(380℃/5kg)，亦可為例如10~200cm3/10分鐘，較佳為30~150cm3/10分鐘，更佳為50~100cm3/10分鐘左右。
聚芳基酮樹脂(尤其是聚醚醚酮系樹脂)(不含充填材的樹脂單體)，係在依據ISO 527-1/-2的拉伸試驗(50mm/分)中，由可提升振動傳遞性的點來看，拉伸強度、斷裂強度、降伏延伸度、斷裂延伸度、拉伸彈性模數亦可為以下的範圍。
亦即，拉伸強度亦可為例如10~300MPa，較佳為50~200MPa，更佳為80~150MPa左右。
降伏延伸度亦可為例如1~10%，較佳為2~8%，更佳為3~6%左右。
斷裂延伸度亦可為例如10%以上，亦可為例如10~100%，較佳為15~50%，更佳為20~40%左右。
拉伸彈性模數亦可為例如1000~10000MPa，較佳為2000~5000MPa，更佳為3000~4000MPa左右。
(2)聚苯硫醚(polyphenylene sulfide)系樹脂
以聚苯硫醚(polyphenylene sulfide)(polyphenylene thioether)系樹脂而言，可包含具有聚苯硫醚骨架-(Ar-S)-[式中，Ar表示伸苯基]的均聚物及共聚物。共聚物除了含有伸苯基(-Ar-)外，亦可含有例如經取代之伸苯基(例如，具有C1-5烷基等取代基的烷基伸苯基、或具有苯基等取代基的芳基苯基)、或以式-Ar-X-Ar-(式中，Ar表示伸苯基，X表示O、SO2、CO或直接鍵結)表示的基等。聚苯硫醚系樹脂係在包含此種伸苯基的苯硫醚基(phenylene sulfide)中，使用相同的重複單元的均聚物，由組成物的加工性之觀點來看，亦可為包含不同的重複單元的共聚物。
以均聚物而言，較佳為使用將對苯硫醚基(p-phenylene sulfide)設為重複單元之實質上線狀的構成。共聚物係可在前述苯硫醚基中，組合相異的2種以上來使用。此等構成中，以共聚物而言，較佳為將對苯硫醚基設為主要重複單元，且包含間苯硫醚基的組合，從耐熱性、成形性、機械特性等物性上的觀點來看，更佳為包含60莫耳%(較佳為70莫耳%)以上之對苯硫醚基之實質上線狀共聚物。
聚苯硫醚樹脂亦可為將較低分子量的線狀聚合物藉由氧化交聯或熱交聯使熔融黏度上昇，且將成形加工性改良而成的聚合物，亦可為從以2官能性單體為主體的單體藉由聚縮合所得到之實質上線狀構造的高分子量聚合物。從得到的成形物的物性的觀點來看，較佳為 藉由聚縮合所得到之實質上線狀構造聚合物。又，以聚苯硫醚樹脂而言，除了前述聚合物以外，亦可使用將具有3個以上的官能基之單體組合而聚合所得的支鏈或交聯聚苯硫醚樹脂、或將此樹脂摻合於前述線狀聚合物而成的樹脂組成物。
以聚苯硫醚樹脂而言，除了聚苯硫醚(聚-1,4-苯硫醚等)或聚聯伸苯硫醚(PBPS：polybiphenylene sulfide)之外，亦可使用聚苯硫醚酮(PPSK)、聚聯苯硫碸(PPSS)等。聚苯硫醚樹脂可單獨使用或組合二種以上來使用。
聚苯硫醚樹脂的數量平均分子量，在GPC(以聚苯乙烯換算)中為例如500~100000，較佳為700~50000，更佳為1000~30000左右。
聚苯硫醚樹脂(不含充填材的樹脂單體)的熔體流動速率(MFR)，依據JIS K7315-1(315℃，荷重5kg)，亦可為例如1~10000g/10分鐘，較佳為5~5000g/10分鐘，更佳為10~3000g/10分鐘(尤其是20~2000g/10分鐘)左右。
聚苯硫醚樹脂(不含充填材的樹脂單體)，再依據ISO 527-1/-2的拉伸試驗(50mm/分)中，由可提升振動傳遞性的觀點來看，拉伸強度、斷裂延伸度、拉伸彈性模數亦可為以下的範圍。
亦即，拉伸強度亦可為例如10~300MPa，較佳為50~250MPa，更佳為60~200MPa左右。
斷裂延伸度亦可為例如1~30%，較佳為1~20%，更佳為1~15%左右。
拉伸彈性模數亦可為例如1000~10000MPa，較佳為2000~5000MPa，更佳為3000~4000MPa左右。
(3)聚苯并咪唑系樹脂
聚苯并咪唑系樹脂，除了聚苯并咪唑外，亦可為苯骨架的一部分或全部以其它的芳香族環(例如，聯苯環、萘環等)取代，除了苯并咪唑骨架以外，亦可含有伸苯基等伸芳基等的共聚合單元。此等聚苯并咪唑系樹脂可單獨使用或組合二種以上來使用。此等聚苯并咪唑系樹脂中，廣泛應用聚苯并咪唑。
(4)聚醯胺亞醯胺樹脂
聚醯胺亞醯胺樹脂係在主鏈具有醯亞胺鍵及醯胺鍵的聚合物，亦可為使三羧酸酐和多元異氰酸酯反應而得的聚醯胺亞醯胺、或使三羧酸酐和多元胺反應而形成醯亞胺鍵之後使多元異氰酸酯反應而醯胺化的聚醯胺亞醯胺等。以三羧酸酐而言，通常可使用偏苯三甲酸酐。以多元胺或多元異氰酸酯而言，較佳為包含芳香族胺(苯二胺、1,8-萘二胺(naphthalenediamine)、2,2-雙(胺苯基)丙烷、4,4’-二胺二苯基醚等)的多元胺、包含芳香族異氰酸酯(伸苯基二異氰酸酯、伸茬基二異氰酸酯，甲伸苯基二異氰酸酯等)的多元異氰酸酯。以聚醯胺亞醯胺而言，亦可為例如記載於日本特開昭59-135126號公報的聚醯胺亞醯胺等。
(5)芳香族聚醯胺樹脂
以芳香族聚醯胺樹脂而言，只要含芳香環的聚醯胺樹脂即可，可列舉：聚合有脂肪族二胺和芳香族 二羧酸的聚醯胺、聚合有芳香族二胺和脂肪族二羧酸的聚醯胺等。以脂肪族二胺而言，可列舉：乙二胺、己二胺、伸壬基二胺等的伸烷基二胺(alkylene diamine)等。以芳香族二胺而言，可列舉：苯二胺、間二甲苯二胺(meta-xylylenediamine)、1,8-萘二胺等。以脂肪族二羧酸而言，可列舉：丁二酸、己二酸、癸二酸等。以芳香族二羧酸而言，可列舉：對苯二甲酸、間苯二甲酸、酞酐等。此等芳香族聚醯胺樹脂中，較佳為將己二胺或伸壬基二胺等的C6-12伸烷基二胺、和對苯二甲酸等的芳香族二羧酸聚合而成的聚醯胺。
其中，尤其從耐熱性、耐磨耗性、電氣絕緣性優異的觀點來看，較佳為聚芳基酮樹脂、聚苯硫醚樹脂，從屈曲振動傳遞性或位移增大功能優異的觀點來看，特佳為聚苯硫醚樹脂。
本發明的致動器用彈性體係含有結晶性樹脂作為主成分，結晶性樹脂的比例相對於彈性體全體，通常為50重量%以上(例如，50~100重量%)，較佳為60重量%以上(例如，60~99重量%)，更佳為70重量%以上(例如，70~95重量%)。
(充填材)
本發明的彈性體亦可根據用途的不同，在除了前述結晶性樹脂之外還包含充填材。當組合結晶性樹脂和充填材時，不但可提升耐衝撃性、尺寸穩定性、剛性等的機械特性，還可提升屈曲振動的傳遞性、或位移增大功能。另一方面，充填材雖可提升前述特性，但另 一方面，若長期間使用，會有使接觸的非振動體摩耗而降低驅動力的情況。因此，在車輪的馬達等要求耐久性的用途中，較佳為實質上不含充填材。
充填材可為有機系充填材，亦可為無機系充填材。
充填材的形狀也沒有特別限定，可為纖維狀充填材，亦可為粒狀或板狀充填材。
纖維狀充填材中可包含無機系纖維狀充填材、有機系纖維狀充填材。以無機系纖維狀充填材而言，可列舉：陶瓷纖維(例如，玻璃纖維、碳纖維、石棉纖維、二氧化矽纖維、二氧化矽‧氧化鋁纖維、氧化鋯纖維、氮化硼纖維、氮化矽纖維、鈦酸鉀纖維等)、金屬纖維(例如，不銹鋼纖維，鋁纖維，鈦纖維，銅纖維，黄銅纖維等)等。以有機系纖維狀充填材而言，可列舉：醯胺纖維、氟樹脂纖維、丙烯酸纖維等的高融點有機纖維等。此等纖維狀充填材可單獨使用或組合二種以上來使用。
以粒狀或板狀充填材而言，可列舉：碳黑、石墨、碳化矽、二氧化矽、氮化矽、氮化硼、石英粉末、水滑石、玻璃類(玻璃碎片、玻璃珠、玻璃粉、石磨玻璃纖維等)、碳酸鹽(碳酸鈣、碳酸鎂等)、矽酸鹽(矽酸鈣、矽酸鋁、滑石、雲母、高嶺土、黏土、矽藻土、矽灰石等)、金屬氧化物(氧化鐵、氧化鈦、氧化鋅、氧化鋁等)、硫酸鹽(硫酸鈣、硫酸鋇等)、各種金屬粉或金屬箔等。此等粒狀或板狀充填材係可單獨使用或組合二種以上來使用。
此等充填材(尤其是無機系纖維)亦可依需要，利用上漿劑(sizing agent)或表面處理劑(例如，環氧系化合物、異氰酸酯系化合物、矽烷系化合物、鈦酸鹽系化合物等的官能性化合物)來進行表面處理。充填材的處理可與充填材的添加同時進行，亦可在添加前預先進行。上漿劑或表面處理劑的使用量相較於充填材，係為5重量%以下，較佳為0.05~2重量%左右。
此等充填材中，由可調整配向狀態以提升屈曲振動的傳遞性或位移增大功能的觀點來看，較佳為纖維狀充填材，其中，尤其廣泛使用玻璃纖維、碳纖維等的無機系纖維、醯胺纖維等的有機系纖維，由耐熱性高、且可提升振動傳遞性或位移增大功能及機械特性之觀點來看，較佳為無機系纖維，由輕量性及柔軟性皆優良的觀點來看，特佳為碳纖維。纖維狀充填材只要在彈性體中配向至少一部分即可，不僅是長纖維，亦可包含晶鬚等的短纖維。
纖維狀充填材的平均纖維直徑係為例如0.1~50μm，較佳為1~30μm，更佳為2~20μm左右。當纖維直徑過小時，難以提升振動傳遞性或位移增大功能及機械特性。另一方面，纖維直徑過大時，也難以提升振動傳遞性或位移增大功能及機械特性。
纖維狀充填材的平均纖維長為例如1μm~2mm，較佳為10μm~1.5mm，更佳為100μm~1mm左右。當纖維長過小時，難以提升振動傳遞性或位移增大功能及機械特性。另一方面，當纖維長過大時，難以使纖維狀充填材配向，振動傳遞性或位移增大功能會降低。
纖維狀充填材的平均長寬比係為例如3~500，較佳為5~100，更佳為10~50左右。當長寬比過小時，難以提升振動傳遞性或位移增大功能及機械特性。另一方面，當長寬比過大時，難以使纖維狀充填材配向，振動傳遞性或位移增大功能會降低。
本說明書中，纖維狀充填材的平均纖維直徑，係可利用目視或光學顯微鏡、掃描型電子顯微鏡(SEM)等各種觀察裝置來量測，其中較佳為使用光學顯微鏡以任意10處以上的平均值求得。
平均纖維長係以如下方式求得：從彈性體的任意位置隨機切出約5g的試料，在650℃下進行灰化取出纖維並用前述觀察裝置觀察纖維的一部分(約500根)。
本發明中，從可提升屈曲振動傳遞性或位移增大功能之觀點來看，纖維狀充填材較佳為在彈性體中配向於固定方向，特佳為配向成相對於機電轉換元件(尤其是壓電元件)與彈性體之接觸面的面方向呈平行(與壓電元件的振動方向平行)。本發明的彈性體亦可積層有複數個層，較佳為各層的纖維狀充填材的配向方向為同一方向，通常在單層的彈性體中纖維狀充填材配向於固定方向。
機電轉換元件(尤其是壓電元件)的伸縮方向(振動方向)係可適當選擇，亦可為例如與機電轉換元件和彈性體的接觸面垂直的方向(在板狀壓電元件的情況為厚度方向)，從容易在彈性體產生屈曲振動之觀點來看，較佳為機電轉換元件與彈性體之接觸面的面方向(在 板狀壓電元件的情況，通常為面方向)，再者，在板狀機電轉換元件的面形狀為長方形的情況，以長度方向較佳，在環狀彈性體(旋轉式超音波馬達)的情況，以圓周方向較佳。只要纖維狀充填材係與機電轉換元件的伸縮方向平行，雖然屈曲振動的傳遞性或位移增大功能提升的理由不顯著，但在纖維狀充填材配向成相對於伸縮方向呈平行的情況，會對纖維狀充填材作用彎曲方向的應力。因此，藉由纖維狀充填材的效果，可使tanδ(損失係數量)會變小，特性得以提升。尤其是，在位移增大元件中山脊狀凸部容易變形。對此，在纖維狀充填材的配向方向相對於振動方向不是呈平行的情況，因伸縮振動(驅動子的屈曲振動)驅動子的屈曲振動所致之纖維狀充填材的變形比例會變小，變形的比例會隨著纖維狀充填材間之距離的變動而增加。因此，可推斷因纖維狀充填材所致之tanδ減少的效果會變少。
此外，機電轉換元件(尤其是壓電元件)的振動方向，在環狀彈性體的情況下，由生產性佳的觀點來看，亦可為相對於機電轉換元件與彈性體的接觸面呈垂直的方向。
本發明中，較佳為施加於機電轉換元件(尤其是壓電元件)的交流頻率、和固定有機電轉換元件之彈性體的纖維狀充填材在配向方向上的共振頻率是相同的，且tanδ是小的。一旦偏離共振頻率，則投入彈性體的能量，轉換成熱能的比例變大，傳遞至非振動體的振動能機電轉換元件明顯減少。
充填材(尤其是纖維狀充填材)的比例，相對於結晶性樹脂100重量份，為例如5~100重量份，較佳為10~60重量份，更佳為15~50重量份(尤其是20~40重量份)左右。若充填材的比例過多，耐衝撃性或耐久性會降低。
此外，本發明的致動器用彈性體，實質上是僅單由結晶性樹脂所形成，或結晶性樹脂與充填材的組合形成，結晶性樹脂及充填材的總量，相對於彈性體全體，通常為80重量%以上(例如80~100重量%)，較佳為90重量%以上(例如，90~99重量%)，更佳為95重量%以上(尤其是99重量%以上)，亦可僅以結晶性樹脂及充填材形成。
(其它的添加劑)
本發明的彈性體，由於係以結晶性樹脂形成，所以摻合慣用的樹脂用添加劑，可容易地改良機械特性或設計性等。以樹脂用添加劑而言，可列舉：著色劑(染料顏料)、潤滑劑、安定劑(氧化防止劑、紫外線吸收劑、熱安定劑、耐光安定劑等)、抗靜電劑、滯焰劑、滯焰輔助劑、抗結塊劑、塑化劑、防腐劑等。此等添加劑可單獨使用或組合二種以上來使用。
[彈性體的特性及製造方法]
本發明的彈性體係在依據ISO 527-1/-2的拉伸試驗(50mm/分)中，可從拉伸彈性模數為1~300GPa左右的範圍選擇，但從提升振動傳遞性或位移增大功能的觀點來看，亦可為例如1.5~100GPa，較佳為2~50GPa，更佳為3~10GPa左右。當拉伸彈性模數過小時，振動傳遞性或位移增大功能會降低，當拉伸彈性模數過大時，難以進行成形加工。
(超音波馬達用彈性體)
本發明的彈性體形狀，亦可依據致動器(尤其是壓電致動器)的種類選擇，例如，在超音波馬達的情況，可為板狀(方形的平板狀、圓板狀等)、棒狀等的二維形狀、圓筒狀或環狀，圓柱狀等的三維形狀；在線性超音波馬達的情況，亦可為板狀或棒狀(尤其是棒狀)；在旋轉式超音波馬達的情況，亦可為環狀或圓柱狀(尤其是環狀)。
再者，超音波馬達，從可藉由從機電轉換元件(尤其是壓電元件)傳遞而至的屈曲振動而以良好效率驅動非振動體(尤其是移動體)之觀點來看，較佳為在與機電轉換元件(尤其是壓電元件)固定之側的相反側，形成有凸部(齒部)，特佳為形成有複數個凸部(齒部)。
以前述凸部的平面形狀而言，可列舉：四角形(正方形、長方形等)、三角形、圓形、橢圓形等。此等形狀中，較佳為長方形等的四角形。以前述凸部的剖面形狀(彈性體之厚度方向的剖面形狀)而言，可列舉：四角形(正方形、長方形等)、三角形、波形等。此等形狀中，較佳為長方形的四角形或三角形等。尤其，在線性超音波馬達的情況，較佳為三角形、尤其是在凸部的突出方向(與壓電元件和彈性體的接觸面呈垂直的方向)上呈左右非對稱的三角形(非等腰三角形)，亦可為此三角形保持著間隔相連有複數個的鋸齒狀。又，在旋轉式超音波馬達的情況下，較佳為四角形，尤其是在凸部的突出方向呈左右對稱的四角形(長方形或正方形等)。
為了以彈性體的屈曲振動驅動移動體，凸部的數量只要為複數個即可，在線性超音波馬達中為例如2以上(例如2~10個)左右，在旋轉式超音波馬達中，亦可規律地形成例如10以上(例如10~20個)左右的凸部。
圖6為顯示本發明之線性超音波馬達的一例之示意側面圖，圖7為構成圖6之線性超音波馬達的定子之示意立體圖。此馬達41具有：板狀彈性體43，具有面形狀呈長方形的板狀基部43a、及形成於此板狀基部的下部且在寬度方向上保持間隔而延伸之剖面三角形的兩個凸部(鋸齒部)43b；板狀壓電元件42，積層於此板狀彈性體43之長度方向上的一部分；及板狀移動體45，與前述板狀彈性體之凸部43b的前端接觸而配設，且與前述板狀彈性體為相同寬度。此外，在壓電元件42的表面，形成有用以對壓電元件施加電壓的一對電極42a、42b，使壓電元件的振動部分(一對電極在壓電元件的厚度方向上對向的部分)與彈性體43的中心軸一致。即便是在超音波馬達41中，壓電元件42和板狀彈性體43被固定而形成有定子44，相對地，移動體45配設成可移動，由壓電元件42產生的超音波振動可經由板狀彈性體43轉換成移動體45的直線前進運動。詳言之，當藉由對壓電元件42施加交流電壓而使之在長度方向振動時，彈性體係在與壓電元件接觸之接觸部側，伴隨著壓電元件的振動而在長度方向伸縮，另一方面，在與前述接觸部相反的那側，藉由抑制伸縮，而引起屈曲振動，成為使形成於相反側的凸部朝一方向刮擦的運動，使移動體朝一方向進行直線 前進運動。尤其是，藉由將壓電元件42的積層位置、彈性體的凸部43b的形成位置、凸部的剖面三角形形成為非對稱(相對於板狀彈性體之長度方向的中心軸呈非對稱)，而將前述運動推進。
彈性體的形狀或大小，係可依據頻率或種類的不同來選擇，並沒有特別限定，例如，亦可在以下所示範圍調製彈性體。
在圖6所示之線性超音波馬達的情況，彈性體亦可形成2個以上在寬度方向上保持間隔地延伸的剖面三角形凸部(例如，2~5個，較佳為2~3個，更佳為2個左右)，凸部的剖面三角形亦可為鋸齒狀。鋸齒狀等凸部的高度，為0.5~10mm，較佳為1~8mm，更佳為2~5mm左右。凸部的高度可依頻率選擇，相對於彈性體的厚度為0.1~1.5倍，較佳為0.2~1.0倍，更佳為0.3~0.8倍左右。
彈性體的厚度，例如為1~40mm，較佳為2~30mm，更佳為3~20mm左右。彈性體的厚度相對於壓電元件的厚度，例如為1~10倍，較佳為1.5~8倍，更佳為2~5倍左右。
機電轉換元件(尤其是壓電元件)係以固定於板狀彈性體的至少一部分較佳。例如，彈性體之長度方向的長度，亦可相對於機電轉換元件的長度(振動部分的長度)為例如1.5~2.5倍(尤其是1.8~2.2倍)左右。彈性體之長度方向的長度亦可為例如9~200mm(尤其是15~100mm)左右。機電轉換元件之振動部分的長度亦可為例如5~100mm(尤其是10~50mm)左右。
彈性體的厚度相對於長度方向的長度，亦可為例如0.05~0.4倍(尤其是0.1~0.3倍)左右。彈性體的厚度亦可為例如1~40mm(尤其為3~20mm)左右。
再者，從屈曲振動的傳遞性等觀點來看，較佳為使彈性體與機電轉換元件的振動部分之中心軸大致一致。
另一方面，在彈性體為環狀旋轉式超音波馬達的情況，彈性體亦可為在與非振動體接觸的部分，不具有用以將彈性體的屈曲振動傳遞至非振動體的凸部，雖然不具有前述凸部的彈性體具有振動傳遞性，但是藉由形成凸部，可提升振動傳遞性。在旋轉式超音波馬達的情況，具有凸部的彈性體亦可為微小凸部規律地形成於環狀圓周方向之形狀(具有梳齒部的形狀)。在具有梳齒部的形狀中，凸部(梳齒部)為長方形等的四角形，在凸部間形成有狹縫部的情況，凸部的寬度亦可為例如0.1~30mm，較佳為0.2~15mm，更佳為0.5~10mm(尤其是0.5~5mm)左右，凸部的高度亦可為例如0.1~30mm，較佳為0.2~15mm(例如0.5~10mm)，更佳為0.5~5mm(尤其是0.5~3mm)左右。又，狹縫的深度亦可為例如0.1~30mm，較佳為0.2~15mm(例如0.5~10mm)，更佳為0.5~5mm(尤其是0.5~3mm)左右。再者，凸部的寬度與狹縫部的寬度之比(凸部的寬度/狹縫部的寬度)為例如0.01~100，較佳為0.1~10，更佳為0.3~30左右。
本發明的彈性體亦可依據超音波馬達的種類及形狀，利用慣用的成形方法，例如擠壓成形、射出成 形、壓縮成形等來製造。在此等成形方法中，可廣泛使用擠壓成形或射出成形等，在鋸齒形狀或梳齒形狀等三維形狀的情況，一般可利用射出成形或切削加工來成形。本發明中，由於彈性體係以樹脂形成，故成形加工性佳。
此外，在彈性體(尤其是線性超音波馬達的彈性體)包含充填材的情況，彈性體的凸部亦可未包含充填材。例如，在線性超音波馬達之彈性體的情況，亦可為沒有將凸部一體成形，而是將不含充填材的凸部另外藉由擠壓成形或射出成形等來進行成形，且與彈性體的板狀基部接合。
尤其，以將纖維狀充填材配向於固定方向(尤其是與壓電元件的振動方向平行的方向)的方法而言，由簡便性的觀點來看，較佳為利用擠壓成形或射出成形。在擠壓成形或射出成形中，纖維狀充填材可容易朝樹脂的流動方向配向。使纖維狀充填材配向於固定方向的方法，係可依據樹脂的種類適當地選擇，並無特別限定，然而，例如在擠壓成形中，亦可將供熔融混練的樹脂組成物在80~180℃下(尤其是100~160℃)以既定時間(例如2~5小時左右)進行預備乾燥，在220~420℃下(尤其是320~400℃)進行熔融混練。在射出成形中，缸體(cylinder)溫度亦可為220~420℃(尤其是320~400℃)左右，模具溫度亦可為40~250℃(尤其是100~220℃)左右。因此，較佳為在線性超音波馬達的彈性體中，藉由擠壓成形或射出成形製作使纖維狀充填材朝樹脂的流動方向配向的基部之後，將另外製作的凸部接合之方法。
(位移增大元件)
在本發明的彈性體為位移增大型致動器之位移增大元件的情況，位移增大元件的形狀係具有用以在與固定的電機械壓電元件之間形成空隙部(可形成)的凸部之板狀。位移增大元件由於具有此種凸部，故可在與固定的電機械壓電元件之間形成空隙部，可使因機電轉換元件的伸縮所致之凸部的位移增大。
凸部的大小係可依據位移增大型致動器的種類作選擇。
凸部的高度最好是如下之高度，即：空隙部的高度(最大高度)可成為例如0.1~10mm，較佳為0.2~5mm，更佳為0.3~3mm(尤其是0.5~2mm)左右之高度。
前述凸部只要可在與電機械壓電元件之間形成空隙部即可，形狀並無特別限定，亦可為用以在與電機械壓電元件之間形成密閉的空隙部(內部包含)之凸部，如圖3所示的凸部所示，亦可為用以在與電機械壓電元件之間形成沒有密閉的空隙部之凸部。
以用以在與電機械壓電元件之間形成密閉的空隙部之凸部的形狀而言，可列舉；板面的一部分突出成半球狀、圓錐狀、截頭圓錐狀、多角錐狀(三角錐狀或四角錐狀等)、截頭多角錐狀、圓柱狀、多角柱狀等的形狀(或屈曲或彎曲成此等形狀的中空形狀)。具體而言，凸部形狀亦可為例如日本特開2012-34019號公報所記載的形狀等。
在此等凸部中，位移增大功能大，可在射出成形中簡單地製造與機電轉換元件一體化的致動器，由加工性及生產性優異的觀點來看，較佳為兩側部敞開的山脊狀凸部(或山脈狀凸部)，即屈曲或彎曲而形成之朝一方向延伸的山脊狀凸部。
與山脊狀凸部之山脊方向(稜線方向)垂直的剖面形狀，係為屈曲形狀或彎曲形狀。以屈曲形狀而言，可列舉：三角形、正方形、長方形、梯形等。以彎曲形狀而言，可列舉：大致半圓形、波形等。此等形狀中，由位移增大功能大的觀點來看，較佳為梯形(尤其是從與機電轉換元件接觸的一側朝非接觸側寬度變窄的梯形)。凸部的形狀為梯形的致動器，已知有鈸式致動器。
山脊狀凸部的高度較佳為如下之高度，即：空隙部的高度(最大高度)成為例如0.1~5mm，較佳為0.3~3mm(例如0.4~2mm)，更佳為0.5~1.5mm(尤其是0.8~1.2mm)左右之高度。又，以山脊狀凸部的寬度(與稜線方向垂直之方向的寬度)而言，例如空隙部的寬度(最大寬度)為例如1~30mm，較佳為2~20mm，更佳為3~15mm(尤其是5~10mm)左右。空隙部的寬度相對於機電轉換元件(尤其是壓電元件)的長度(與稜線方向垂直之方向的長度)，為例如0.1~0.9倍，較佳為0.2~0.8倍，更佳為0.3~0.7倍左右。山脊狀凸部之稜線方向的長度為例如1~100mm，較佳為2~30mm，更佳為3~20mm(尤其是5~15mm)左右。
當山脊狀凸部的前述剖面形狀為梯形時，側部的傾斜角為例如50~80°，較佳為10~70°，更佳為20~60°(尤其是30~50°)左右。當傾斜角過大時，凸部的上下移動的寬度變小，位移增大功能降低，當傾斜角過小時，難以使凸部變形，位移增大功能降低。
形成有凸部(尤其是山脊狀凸部)的部位並無特別限定，一般係形成於大致中央部(在山脊狀凸部的情況，為與稜線方向垂直之方向的大致中央部)。
位移增大元件的平面形狀可列舉：四角形(正方形、長方形等)、三角形、圓形、橢圓形等。此等形狀中，較佳為長方形等的四角形。
位移增大元件的厚度為例如0.3~5mm，較佳為0.5~3mm，更佳為0.6~2mm(尤其是0.8~1.5mm)左右。位移增大元件的厚度相對於機電轉換元件的厚度，為例如0.1~10倍，較佳為0.3~5倍，更佳為0.3~3倍(尤其是0.5~2倍)左右。
位移增大元件，在利用作為將接觸之非振動體(移動體)刮擦的驅動機構的情況等，亦可具有突起。突起係形成於位移增大元件的凸部，例如在前述剖面形狀為梯形的突起中，亦可如圖4所示般形成於側部。
突起的形狀亦可為三角柱狀或四角柱狀等的多角柱狀、大致半圓柱狀、三角錐狀或四角錐狀等的多角錐狀等。此等形狀中，較佳為三角柱狀等的多角柱狀。
突起的剖面形狀(在山脊狀凸部的情況，為與稜線方向垂直的剖面形狀)，可列舉：四角形(正方形， 長方形等)、三角形、波形等。此等形狀中，較佳為三角形等的多角形狀。
突起的數量亦可依據致動器的種類來選擇，可為單數，也可為複數。
突起的高度係相對於例如凸部的高度，一般為1倍以上，例如1.2~10倍，較佳為1.5~8倍，更佳為2~5倍左右。
本發明的位移增大元件，係可依據位移增大型壓電致動器的種類及形狀，以慣用的成形方法例如擠壓成形、射出成形、壓縮成形等來製造。此等成形方法中，可廣泛使用擠壓成形或射出成形等，在鋸齒形狀或梳齒形狀等三維形狀的情況，通常可以射出成形或切削加工來成形。本發明中，由於彈性體係以樹脂形成，故成形加工性優異。
此外，在位移增大元件包含充填材且具有突起的情況，突起亦可不含充填材。例如在具有前述剖面形狀為梯形之山脊狀凸部的元件的情況，亦可不將突起一體成形，而是另外藉由擠壓成形或射出成形等來成形不含充填材的突起，並接合於山脊狀凸部的側部。
在含有纖維狀充填材的情況，將纖維狀充填材配向於固定方向的方法，係可利用與在超音波馬達用彈性體的項目中所例示的方法同樣的方法。在具有突起的位移增大元件中，較佳為在藉由擠壓成形或射出成形製作將纖維狀充填材配向於樹脂的流動方向的基部之後，接合另外製得的突起之方法。
(朗之萬振動器用彈性體)
在本發明的彈性體為朗之萬振動器用彈性體的情況，此彈性體形成共振構件，共振構件的形狀亦可為在屬於慣用的朗之萬振動器的共振構件之前構件(或前塊體)或後構件(或後塊體)中使用的形狀。
圖8所示的朗之萬振動器(超音波振動器)，是所謂的鎖緊螺栓的朗之萬振動器，作為在水或空氣等介質中產生及檢測超音波的裝置乃為有用。此朗之萬振動器具備：壓電(piezo)元件51；和挾持(sandwich)此壓電元件的一對共振構件52、53。詳細而言，朗之萬振動器具備：壓電元件51；第1共振構件(前構件或前塊體)52，固定於此壓電元件的一面，且具有超音波傳送接收部；第2共振構件(後構件或後塊體)53，固定於前述壓電元件的另一面且用以將前述第1共振構件52壓接(或壓固)於前述壓電元件。又，為了防止界面之超音波的衰減、提升對振動的耐久性，故可藉由接合手段(螺絲或軸芯螺栓等)54將壓電元件51和一對共振構件52、53加以一體化。
此種朗之萬振動器中，藉由使前構件52含有熱可塑性樹脂及充填材，使得即便在低電流(或低電壓)下也能使前構件52的表面以高速振動。
壓電元件51為了施加由振盪器所振盪的交流電壓，大多數的情況是除了設有壓電層外還具有電極板，通常是壓電層和電極板交替重複積層而成的積層體。壓電層的積層數量及電極板的積層數量並無特別限制，可彼此相同或不同，例如為1~10個，較佳為1~8個，更佳為1~6個(例如，1~4個)左右。
圖8所示的例子中，將分別在徑向的中心部具有貫通孔的圓形薄片狀極板512及圓板狀壓電層511依序插通螺絲(螺桿)54，在三個電極板512之間設有兩個壓電層511而形成有積層體。三個電極板512分別具有抓取部513，藉由將導線安裝於此等抓取部而與振盪器(以及依需要為放大器)連接，可對壓電層511施加交流電壓。
前構件(或前面板)52，其與壓電元件51的密合性高，可在不會造成壓電元件51的振動衰減的情況下傳遞至前端部，可朝媒體放射強力的超音波。此例中，前構件52為圓柱狀，其在與壓電元件51接合的接合面，形成有具有與接合手段54的陽螺紋部對應的母螺紋部之孔部，藉由將貫通壓電元件51的螺絲54螺合(或螺固)於此孔部，可提升與壓電元件51的密合性，也可達成壓電元件51的耐久性。
此外，前構件52的形狀並無特別限制，可為例如圓柱狀、截圓錐狀、角柱狀、截角錐狀、半球狀，也可為組合有此等形狀的形狀(頂部為截圓錐狀的圓柱體等)。
在與壓電元件51接合的接合面，不一定要設置孔部，但是在用螺絲等的接合手段接合的情況，亦可形成孔部(螺絲孔)。孔部係形成可收容螺絲等接合構件的大小。當前構件52的徑向長度設為100時，孔部的孔徑為例如1~60，較佳為5~50，更佳為10~40左右。又，當前構件52的厚度設為100時，孔部的深度為例如1~70，較佳為5~60，更佳為10~50左右。
本發明中，也可用本發明的彈性體形成後構件53，然而從可將前構件52的表面以低電流高速地振動的觀點來看，較佳為用本發明的彈性體(含熱可塑性樹脂及充填材的彈性體)來形成前構件52。
前構件52的厚度(軸向的長度)可依共振波長適當地選擇，例如為100mm以下，較佳為10~70mm，更佳為20~60mm(例如30~50mm)左右。本發明中，由於可將共振波長縮短，故可使前構件52的厚度變小而小型化。又，前構件52之徑向的長度為例如1~50mm，較佳為5~40mm，更佳為10~30mm左右。
前構件52的聲波阻抗，係可在室溫(溫度15~25℃左右)下依據JIS A1405，由1~10N‧s/m3左右的範圍選擇，例如為3~9N‧s/m3，較佳為4~8N‧s/m3，更佳為5~7N‧s/m3左右。本發明中，由於與水或生物體等介質之聲波阻抗的差較小，所以不會有超音波在界面反射的情形，可高效率地進行超音波的傳送接收。且不需要聲波整合層，可將裝置小型化。
後構件(或內襯板)53係藉由與前構件52一起挾持(sandwich)壓電元件51，而使前構件52壓接於壓電元件51。在此例中，後構件53係與前構件52為相同形狀，且同一尺寸。此外，後構件53不限於圖8所示形狀及尺寸，可與前構件52同樣地設計變更成各種形狀及尺寸。
前構件52與後構件53的厚度比並無特別限制，可由前者/後者=1/3~3/1左右的範圍選擇，由將超音波放射到前方之觀點來看，為例如1/1~3/1，較佳為1.2/1~2.8/1，更佳為1.5/1~2.5/1左右。
以後構件53的主要成分而言，可列舉：樹脂、金屬(鋁、鎂、鈹、鈦等的輕金屬、不銹鋼等的重金屬等)、陶瓷等。此等主要成分中，較佳為樹脂。以樹脂而言，亦可為熱硬化性樹脂，惟，通常是熱可塑性樹脂。以熱可塑性樹脂而言，例如，除了與前構件12同樣的樹脂外，還可列舉：(甲基)丙烯系樹脂、聚烯烴系樹脂(聚乙烯系樹脂、聚丙烯系樹脂等)、聚酯系樹脂(聚對苯二甲酸乙二酯、聚萘二甲酸乙二酯等的聚C2-4伸烷基C6-10芳香酯等)、聚碳酸酯樹脂、聚醯胺系樹脂、聚胺基甲酸酯系樹脂等。
後構件53的主要成分也與前構件52同樣，為聚苯硫醚系樹脂、聚芳基酮樹脂，特佳為聚苯硫醚系樹脂。後構件53的樹脂亦可為與前構件52的樹脂同種類或不同系統的樹脂，特佳為同種類的樹脂。
後構件53的樹脂亦可與前構件52同樣，與充填材及/或其它添加劑組合來使用。以充填材及其它添加劑而言，可分別列舉：在致動器用彈性體的項目例示的成分，較佳的成分亦相同。
後構件53亦可在與壓電元件51相反的面，依需要積層任意的層(緩衝層、保護層等)。
[致動器]
本發明的致動器只要具備：藉由交流電壓的施加而在面方向伸縮的板狀機電轉換元件、和固定於此機電轉換元件的前述彈性體即可。
機電轉換元件亦可為電致伸縮元件(或磁致伸縮元件)，從振動傳遞性或位移增大功能優異的觀點來看，較佳為壓電元件。以壓電元件而言，為了使位移增大功能進一步提升，亦可為積層型壓電元件。
壓電(piezo)元件只要可產生超音波振動即可，並無特別限定，亦可為壓電高分子膜(聚偏二氟乙烯、偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物等的氟樹脂等)、壓電金屬薄膜(氧化鋅的蒸鍍膜等)，其中，通常為壓電陶瓷層。壓電陶瓷層係含有呈現壓電性的陶瓷，例如：鈦酸鋯酸鉛(PZT)、鈦酸鋯酸鑭鉛、鈦酸鉛、鈦酸鋇等的ABO3型鈣鈦礦(perovskite)氧化物等。此等陶瓷可單獨使用亦可組合二種以上來使用。
壓電層511亦可為壓電高分子膜(聚偏二氟乙烯、偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物等的氟樹脂等)、壓電金屬薄膜(氧化鋅的蒸鍍膜等)，惟通常為壓電陶瓷層。
本發明的致動器通常為壓電致動器，例如，亦可為超音波馬達、位移增大型壓電致動器、朗之萬振動器等。
(超音波馬達)
本發明的超音波馬達係與非振動體接觸而使用，彈性體係藉由前述機電轉換元件(尤其是壓電元件)的振動而屈曲振動(橢圓運動)，以使前述彈性體(致動器)本身或前述非振動體驅動。以彈性體屈曲振動的壓電致動器而言，可列舉：旋轉式超音波馬達或線性超音波馬達等的超音波馬達等。此等當中，可廣泛使用非振動體 為移動體，且使移動體驅動的壓電致動器(尤其是旋轉式超音波馬達或線性超音波馬達等的超音波馬達)。
在超音波馬達中，以非振動體(移動體)而言，也同樣可依超音波馬達的種類，利用慣用的非振動體、板狀或棒狀移動體(滑動件)、轉子(旋轉體)，但是較佳為可利用於線性超音波馬達的板狀移動體、利用於旋轉式超音波馬達的旋轉體。非振動體(移動體)的材質並無特別限定，可利用慣用的金屬材料或樹脂等形成，通常可用不銹鋼、鋁、黄銅等的金屬形成。在非振動體(移動體)的表面，為了提升與彈性體的滑動性，亦可形成有包含矽或氟樹脂等的被膜。
以將彈性體和機電轉換元件(尤其是壓電元件)固定的方法而言，可列舉：用接著劑將經切削加工的彈性體和機電轉換元件固定的方法；將經切削加工的彈性體的樹脂表面融解且使其與機電轉換元件融接的方法；以及將機電轉換元件放置於模具內之後，使融解的樹脂流到模具內，而將機電轉換元件密封的方法(嵌入成形法)等。
(位移增大型致動器)
本發明的位移增大型壓電致動器，係具備使藉由交流電壓的施加而在面方向伸縮之板狀機電轉換元件的伸縮所致之位移增大的機構之致動器，只要具備前述機電轉換元件和固定於此機電轉換元件的前述位移增大元件即可。位移增大元件通常與非振動體接觸而使用，將因前述機電轉換元件的伸縮所致之位移增大，而使前述位移增大元件本身或前述非振動體驅動。
位移增大元件只要以至少塞住凸部背側的凹部之方式，固定位移增大元件的板面和板狀機電轉換元件(尤其是壓電元件)，且在位移增大元件和機電轉換元件之間形成有因前述凸部產生的空隙部即可。以將位移增大元件和機電轉換元件固定的方法而言，可列舉：用接著劑將經切削加工的位移增大元件和機電轉換元件固定的方法；將經切削加工的位移增大元件的樹脂表面融解且使其與機電轉換元件融接的方法；以及將機電轉換元件放置於模具內之後，使融解的樹脂流到模具內，而將機電轉換元件密封的方法(嵌入成形法)。
又，位移增大元件可固定於板狀機電轉換元件的單面，也可固定於板狀機電轉換元件的兩面。
當位移增大元件具有用以在與電機械壓電元件之間形成密閉的空隙部之凸部時，機電轉換元件的大小只要可形成密閉的空隙部即可，並無特別限定。尤其，當在板狀機電轉換元件的單面固定有位移增大元件時，機電轉換元件的大小係以小於位移增大元件較佳，例如，機電轉換元件的直徑相對於位移增大元件的直徑，亦可為0.3~0.7倍(尤其是0.4~0.6倍)左右。另一方面，當在板狀機電轉換元件的兩面固定有位移增大元件時，機電轉換元件的大小較佳為與位移增大元件大致相同以上的大小，例如，機電轉換元件直徑相對於位移增大元件直徑，亦可為0.9~1.5倍(尤其是1~1.2倍)左右。
當位移增大元件具有山脊狀凸部時，機電轉換元件的大小只要可從凹部側跨過山脊狀凸部形成空隙 部即可，稜線方向上之機電轉換元件的長度相對於位移增大元件的長度為0.5~1.5倍(尤其是0.8~1.2倍)左右，通常與位移增大元件的長度大致相同。關於在與稜線方向垂直之方向上的長度，當在板狀機電轉換元件的單面固定有位移增大元件時，機電轉換元件的長度較佳為比位移增大元件短，例如，機電轉換元件的長度亦可為相對於位移增大元件的長度，是0.3~0.7倍(尤其是0.4~0.6倍)左右。另一方面，關於與稜線方向垂直之方向的長度，當在板狀機電轉換元件的兩面固定有位移增大元件時，機電轉換元件的長度較佳為與位移增大元件大致相同以上的長度，例如，機電轉換元件的長度亦可相對於位移增大元件的長度，是0.9~1.5倍(尤其是1~1.2倍)左右。
在具有山脊狀凸部的位移增大元件中，與稜線方向垂直之方向上的位移增大元件的長度，為例如5~300mm，較佳為10~100mm，更佳為20~50mm(尤其是25~40mm)左右。與稜線方向垂直之方向上的機電轉換元件的長度，亦可為例如5~100mm，較佳為10~50mm，更佳為10~30mm左右。
以非振動體(移動體)而言，係可依致動器的種類，利用慣用的非振動體例如線性馬達等的板狀或棒狀移動體(滑動件(slider))、轉子(旋轉體)等。非振動體(移動體)的材質並無特別限定，可用慣用的金屬材料或樹脂等形成，通常可用不銹鋼、鋁、黄銅等的金屬形成。
又，從振動的傳遞性等觀點來看，較佳為使位移增大元件和機電轉換元件之振動部分的中心軸大約一致。
(朗之萬振動器)
本發明的朗之萬振動器，係藉由挾持機電轉換元件的共振構件，使用有令前述機電轉換元件的伸縮所致之振動頻率降低的構件之致動器，亦可為慣用的朗之萬振動器。
圖8所示朗之萬振動器中，由壓電元件所形成之壓電層511的形狀並無特別限制，可為例如圓柱狀、截圓錐狀、角柱狀、截角錐狀等，也可為組合有此等形狀的形狀(將圓柱和截圓錐直列地連接而成的形狀等)。
壓電層511的厚度係可依振盪頻率適當選擇，例如為500μm~10mm，較佳為1~7mm，更佳為2~5mm左右。
電極板512的形狀只要為薄片狀即可，並無特別限制，亦可為矩形等的多角形、圓形、橢圓形等。電極板512未必要具有抓取部，為了容易地安裝導線，亦可在電極板112的端部(或周緣部)具有抓取部(延伸片、返折片等)。電極板512的厚度為例如10~500μm，較佳為30~300μm，更佳為50~150μm左右。
電極板512只要是以導電材形成即可，以導電材而言，可列舉：金屬，例如金、銀、銅、白金、鋁等。此等導電材可單獨使用或組合二種以上來使用。
在用接著劑接著共振構件的情況等，亦可在壓電元件51(壓電層511及/或電極板512)形成孔部，但在用螺絲(或軸芯螺栓)等的壓接手段壓接共振構件的情況，亦可在壓電元件51(壓電層511及/或電極板512)形成 孔部。孔部亦可分別形成於前構件52及後構件53的接合面，各個孔部亦可為連通而貫通壓電元件51全體的貫通孔。此外，孔部只要是可插通螺絲等接合構件的大小即可。
本發明的朗之萬振動器的共振頻率，亦可依用途而適當選擇，例如為10~1000kHz，較佳為15~900kHz，更佳為20~800kHz左右。又，超音波振動器亦可用選擇自26、38、78、100、130、160、200、430、750、950kHz的至少一種頻率來使用。本發明中，即便是在適用於以低頻率使用的用途之情況，也可將朗之萬振動器小型化。
施加於朗之萬振動器的電流，係為例如30~250mA，較佳為50~220mA，更佳為70~210mA(例如80~200mA)左右。本發明中，即便是低電流，也可使表面以高速振動，可高效率地進行超音波的傳送接收。
實施例
以下，依據實施例更詳細地說明本發明，本發明並未受限於此等實施例。實施例及比較例中使用的材料的各成分的縮寫係如下所述。
[材料的縮寫]
PEEK：聚醚醚酮，日本Extron(股)製「Natural Color(無充填)」，剖面圓形的棒狀成形體，比重1.45，Tg143℃
PC1：雙酚A型聚碳酸酯，SHIBAKESOZAI(股)製「PC(圓棒)」，剖面圓形的棒狀成形體，比重1.2，Tg160℃
PC2：聚碳酸酯，白石工業(股)製「聚碳酸酯圓棒」
PPS：聚苯硫醚，日本Extron(股)製「圓棒PPS N」，比重1.34，玻璃轉移溫度(Tg)90℃
PMMA：聚甲基丙烯酸甲酯，白石工業(股)製「丙烯酸鑄模圓棒(透明)」
含CF的PPS：含有30重量%之平均纖維直徑約7μm的碳纖維之聚苯硫醚，日本Extron(股)製「PPS/CF：黒」，藉由擠壓成形使碳纖維配向於長度方向所得的剖面圓形的棒狀成形體，比重1.45，Tg90℃
含CF的PEEK：含有30重量%之平均纖維直徑約7μm的碳纖維之聚醚醚酮，日本Extron(股)製「PEEK/CF：黒」，藉由擠壓成形使碳纖維配向於長度方向所得的剖面圓形的棒狀成形體，玻璃轉移溫度(Tg)143℃
含GF的PA：含有50重量%之玻璃纖維的尼龍MXD6，日本Extron(股)製「MXD-6：黒[Reny(登録商標)]」，藉由擠壓成形使玻璃纖維配向於長度方向所得的剖面圓形的棒狀成形體，比重1.65，Tg75℃
含GF的PC：含有20重量%之玻璃纖維的雙酚A型聚碳酸酯，白石工業(股)製「PC圓棒GF-20(黒)」，藉由擠壓成形使玻璃纖維配向於長度方向所得的剖面圓形的棒狀成形體，比重1.41，Tg160℃
含GF的PES：含有30重量%之玻璃纖維的聚醚醇(polyether polyol)，白石工業(股)製「聚醚碸圓棒 GF-30」，藉由擠壓成形使玻璃纖維配向於長度方向所得的剖面圓形的棒狀成形體，比重1.6，Tg217℃
ABS：ABS樹脂，白石工業(股)製「ABS圓棒Natural」，剖面圓形的棒狀成形體，比重1.05，Tg100℃
PE：聚乙烯，SHIBAKESOZAI(股)製「PE圓棒」，剖面圓形的棒狀成形體，比重0.91，Tg-125℃
玻璃環氧：含有約40重量%之平均纖維直徑10μm的玻璃纖維之環氧樹脂，村上電業(股)製「環氧玻璃(GLA-EPO)圓棒」
鋁：合金規格號碼A5052
PZT：(股)富士陶瓷製「C-216」。
使用此等材料，製得超音波馬達、位移增大型致動器、朗之萬振動器，進行以下的實驗。
(A)關於超音波馬達的實驗 [最大振動速度]
製作與圖6所示彈性體43為相同形狀的彈性體，使用接著劑(HUNTSMAN JAPAN(股)製「ARALDITE® Standard」)與以PZT形成的壓電元件(壓電振動器)貼合來製作定子，使用雷射都卜勒評價裝置(GRAPHTEC公司製「AT500-05」)，來評價振動速度。詳言之，將共振條件的交流電壓施加至壓電振動器，使其在長度方向上振動。此時，以樹脂形成之彈性體的上部會伸縮，另一方面，形成有腳(凸部)的下部不會伸縮，故可實現定子的屈曲振動。藉由此屈曲振動傳遞到腳，腳會刮擦地面(非振動體)而使線性馬達前進。此時的振動速度，以使用雷 射都卜勒效果的前述評價裝置進行評價，求得共振條件下之樹脂的端部(鋸齒部43b中，位於壓電元件的下部之鋸齒部前端的中央部)的最大振動速度(振動速度：mm/秒)與電壓的關係。
此外，利用放大器(NF Corporation製「HSA4101T」)，將以函數產生器(NF Corporation製「WAVE FACTORY 1946」)產生的交流電壓升壓，使其在共振頻率中驅動。施加電壓及頻率係依各自的材質‧形狀，最能配合振動的值。
[旋轉試驗]
使用圖1及2記載的旋轉式超音波馬達、或圖1及2中未形成有梳齒部的旋轉式超音波馬達，評價旋轉特性。在轉子的一部分附上標記並使其旋轉，將該標記在單位時間內的旋轉數量設為旋轉特性。彈性體和壓電元件，係使用接著劑(HUNTSMAN JAPAN(股)製「ARALDITE® Standard」)貼合。
對分割成8區段之電極的相鄰的電極依序施加相位延遲90°的交流電壓。詳言之，利用放大器(NF Corporation製「HSA4101T」)將以函數產生器(NF Corporation製「WAVE FACTORY 1946」)產生的交流電壓升壓，藉由以變壓器使相位分離180°，而施加各偏移90°的四個頻率電壓。
此外，2種旋轉式超音波馬達的尺寸係如下所述。
(無梳齒的旋轉式彈性體)
壓電振動器：PZT製、內徑6mm、外徑10mm、厚度0.5mm
彈性體：內徑4mm、外徑10mm、厚度2mm
轉子：鋁製、內徑4mm、外徑10mm、厚度5mm
電源：頻率係依各個材質最能配合振動的值。
(附加梳齒的旋轉式彈性體)
壓電振動器：PZT製、內徑6mm、外徑10mm、厚度0.5mm
彈性體：內徑4mm、外徑10mm、厚度2mm
梳齒形狀：將寬度0.5mm、深度1mm的狹縫以等間隔形成於16個部位
轉子：鋁製、內徑4mm、外徑10mm、厚度5mm
電源：頻率為依各個材質最適合振動的值。
實施例1
將PEEK進行切削加工，而製得與圖6所示之彈性體43為相同形狀的彈性體。
比較例1
將PC進行切削加工，而製得與圖6所示之彈性體43為相同形狀的彈性體。
使用在實施例1及比較例1中獲得的彈性體，製得線性超音波馬達，將評價最大振動速度的結果顯示於圖9。由圖9的結果清楚得知，關於施加相同電壓時的 最大振動速度，相較於比較例1的彈性體，實施例1的彈性體更為提升。
實施例2
使用含CF的PPS，以碳纖維的配向方向是與壓電元件和彈性體的接觸面平行，且與彈性體的長度方向平行之方式進行切削加工，而製得與圖6所示之彈性體43相同形狀的彈性體。
實施例3
使用含CF的PPS，以碳纖維的配向方向是與壓電元件和彈性體的接觸面垂直的方式進行切削加工，而製得與圖6所示之彈性體13相同形狀的彈性體。
使用在實施例2及3得到的彈性體，製作線性超音波馬達，將評價最大振動速度的結果顯示於圖10。由圖10的結果清楚得知，比起實施例3的彈性體，實施例2的彈性體在高電壓下的最大振動速度更為提升。
實施例4
使用含CF的PEEK，以碳纖維的配向方向是與壓電元件和彈性體的接觸面垂直的方式進行切削加工，而製得圖1及2所示附梳齒的旋轉式彈性體。使用所得到的彈性體，製作旋轉式超音波馬達，進行旋轉試驗的結果，以1.7rpm進行旋轉。
實施例5
使用含CF的PPS，以碳纖維的配向方向是與壓電元件和彈性體的接觸面垂直的方式進行切削加工，而製得圖1及2所示附梳齒的旋轉式彈性體。使用所得到 的彈性體，製作旋轉式超音波馬達，進行旋轉試驗的結果，以1.8rpm進行旋轉。
實施例6
使用含CF的PEEK，以碳纖維的配向方向是與壓電元件和彈性體的接觸面垂直的方式進行切削加工，而製得在圖1及2中沒有形成梳齒部之無梳齒的旋轉式彈性體。使用所得到的彈性體，製作旋轉式超音波馬達，進行旋轉試驗的結果，以0.7rpm進行旋轉。
實施例7
使用含CF的PPS，以碳纖維的配向方向是與壓電元件和彈性體的接觸面垂直的方式進行切削加工，而製得在圖1及2中沒有形成梳齒部之無梳齒的旋轉式彈性體。使用所得到的彈性體，製作旋轉式超音波馬達，進行旋轉試驗的結果，以0.8rpm進行旋轉。
實施例8
使用含GF的PA，以玻璃纖維的配向方向是與壓電元件和彈性體的接觸面垂直的方式進行切削加工，而製得在圖1及2中沒有形成梳齒部之無梳齒的旋轉式彈性體。使用所得到的彈性體，製作旋轉式超音波馬達，進行旋轉試驗的結果，以0.5rpm進行旋轉。
比較例2
將ABS進行切削加工，而製得在圖1及2中沒有形成梳齒部之無梳齒的旋轉式彈性體。使用所得到的彈性體，製得旋轉式超音波馬達，進行旋轉試驗，但未旋轉。
(B)關於位移增大型致動器的實驗 [最大振動速度]
製作厚度1mm且為圖11所示之形狀的位移增大元件63，使用接著劑(HUNTSMAN JAPAN(股)製「ARALDITE® Standard」)，與以PZT所形成之厚度0.5mm的壓電元件(壓電振動器)62貼合，而製作鈸式壓電致動器61。在此致動器中，當對前述壓電元件62施加交流電壓時，壓電元件會在長度方向伸縮，該伸縮(振動)會被轉換成與位移增大元件63之凸部63a的壓電元件面垂直方向的振動(位移)。使用雷射都卜勒評價裝置(GRAPHTEC公司製「AT500-05」)，評價前述垂直方向的振動速度。又，由顯示於示波器(Tektoronix公司製「TDS2014」)之振動速度的振幅讀取最大振動速度，求得最大振動速度和電流的關係。
此外，利用放大器(NF Corporation製「HSA4101T」)將以函數產生器(NF Corporation製「WAVE FACTORY 1946」)產生的交流電壓升壓，使其在共振頻率中驅動。施加電壓及頻率係依各材質‧形狀，最能配合振動的值。
實施例9
將PPS進行切削加工，而製作與圖11所示之位移增大元件63相同形狀的位移增大元件。
實施例10
使用含CF的PPS，以碳纖維的配向方向與位移增大元件的長度方向成為平行之方式進行切削加工， 而製作與圖11所示之位移增大元件63相同形狀的位移增大元件。
實施例11
將PEEK進行切削加工，而製作與圖11所示之位移增大元件63相同形狀的位移增大元件。
實施例12
使用含GF的PA，以玻璃纖維的配向方向與位移增大元件的長度方向成為平行之方式進行切削加工，而製作與圖11所示之位移增大元件63相同形狀的位移增大元件。
比較例3
將鋁進行切削加工，而製作與圖11所示之位移增大元件63相同形狀的位移增大元件。
比較例4
將PC1進行切削加工，而製作與圖11所示之位移增大元件63相同形狀的位移增大元件。
比較例5
使用含GF的PC，以玻璃纖維的配向方向與位移增大元件的長度方向成為平行之方式進行切削加工，而製作與圖11所示之位移增大元件63相同形狀的位移增大元件。
比較例6
將ABS進行切削加工，而製作與圖11所示之位移增大元件63相同形狀的位移增大元件。
比較例7
將PE進行切削加工，而製作與圖11所示之位移增大元件63相同形狀的位移增大元件。
使用在實施例及比較例得到的位移增大元件，製作位移增大型壓電致動器，測定最大振動速度。在測定值中，將顯示最高值之電流的最大振動速度設為最高速度。再者，針對此最大振動速度(最高速度)，將換算成每單位比重之最大振動速度(比重換算速度)顯示於表1。
由表1的結果清楚得知，相較於任一個比較例的致動器，實施例的位移增大型致動器的比重換算速度都比較優異。
(C)關於朗之萬振動器的實驗 [壓電元件]
PZT製壓電層(富士陶瓷公司製、C-216、厚度4mm)
銅製電極板(精煉銅箔，厚度100μm)
[前塊體及後塊體]
使用表2所示的材料，分別使用外徑20mm×長度40mm的圓柱狀成形體，作為前塊體及後塊體。
[螺絲]
ISO M8、長度40mm
[超音波振動器]
製作與圖8所示朗之萬振動器為相同形狀的振動器。亦即，將電極板512及壓電層511交替插通螺絲54，而得到壓電元件51(電極板512/壓電層511/電極板512/壓電層511/電極板512)。此外，前方的壓電層與後方的壓電層之極化方向係設成逆向(衝突方向)。將自壓電元件51的一表面突出的螺絲54螺合於前塊體52的孔部，將從另一表面突出的螺絲54螺合於後塊體53的孔部，將壓電元件51用前塊體52及後塊體53夾住並使其密接，而得到朗之萬振動器。
實施例13~15及比較例8~11(振動速度的測定)
將使用下表2所示之材料製得前塊體及後塊體之實施例及比較例的朗之萬振動器的振動速度，藉由圖12所示的實驗系進行評價。亦即，將以共振頻率振動的交流電壓由振盪器55進行振盪並用放大器56加以放大，而施加於超音波振動器的電極間，使壓電元件51在厚度方向振動。使該振動傳遞至前塊體52，使超音波放出到外部，使用雷射都卜勒裝置57(GRAPHTEC公司製「AT500-05」)，評價前塊體52的振動速度。此外，以示 波器58確認電流極大化的頻率，將該頻率設為共振頻率。將以圖12所示之實驗系評價的前塊體表面的振動速度的施加電流依存性顯示於圖13，將最高振動速度顯示於表2。
由圖12及表2明顯得知，相較於比較例，實施例即便在低電流下也能使振動器表面高速地振動，且最高振動速度也大。例如，關於實施例13，為熱可塑性樹脂，其最高振動速度比非晶性樹脂的比較例9還大。此外，關於實施例14，其含有纖維，其最高振動速度較熱硬化性樹脂的比較例11大，由其相較於不含碳纖維的實施例13，實施例14的最高振動速度也比較大。
[產業上利用之可能性]
本發明的彈性體，係可利用於各種電氣機器、量測器、光學機器等的致動器，尤其是壓電致動器，例如超音波馬達、位移增大型壓電致動器、朗之萬振動器等。
詳言之，本發明的彈性體，在超音波馬達方面，係可利用於例如線性或旋轉式的超音波馬達等。
又，本發明的彈性體，在位移增大型壓電致動器方面，係可利用作為非振動體為移動體且使移動體 驅動之壓電致動器(尤其是線性超音波馬達等的超音波馬達)的位移增大元件。又，在長距離移動用途等方面，也可利用作為位移增大元件本身為移動體之壓電致動器的位移增大元件。再者，在位移增大型壓電致動器中，適用於鈸式壓電致動器、慕尼(mooney)式壓電致動器，特別適合於鈸式壓電致動器。
再者，本發明的彈性體，在朗之萬振動器方面，可適當地利用於量測器(流量計、水深計、雪量器等)、魚群探測器、探針、洗淨機、加工機(切割機、熔接機)的朗之萬振動器的共振構件等。
11‧‧‧壓電致動器
12‧‧‧壓電元件
13‧‧‧位移增大元件
13a‧‧‧凸部
14‧‧‧空隙部

Claims (19)

  1. 一種彈性體，其係固定於藉由交流電壓的施加而伸縮的機電轉換元件，該彈性體使用於以下之(1)~(3)中的任一致動器：(1)與非振動體接觸而使用，藉由前述機電轉換元件的伸縮進行屈曲振動，用以使致動器本身或非振動體驅動之致動器；(2)具備將因前述機電轉換元件的伸縮所致之位移增大的機構之致動器；(3)使用讓因前述機電轉換元件的伸縮所致之振動頻率降低的構件，作為挾持前述機電轉換元件的共振構件當中的至少一共振構件之致動器；其中該彈性體包含結晶性樹脂。
  2. 如請求項1之彈性體，其中機電轉換元件為壓電元件。
  3. 如請求項1或2之彈性體，其中結晶性樹脂為聚芳基酮樹脂或聚苯硫醚樹脂。
  4. 如請求項1至3項中任一項之彈性體，其進一步包含充填材。
  5. 如請求項4之彈性體，其中充填材為纖維狀充填材。
  6. 如請求項5之彈性體，其中纖維狀充填材的配向方向係與機電轉換元件的伸縮方向平行。
  7. 如請求項5或6之彈性體，其中纖維狀充填材係選自包含碳纖維、玻璃纖維及醯胺纖維的群組中的至少一種，且具有0.1~50μm的平均纖維直徑及1μm~2mm的平均纖維長。
  8. 如請求項4~7中任一項之彈性體，其中相對於熱可塑性樹脂100重量份，充填材的比例為10~60重量份。
  9. 如請求項2~8中任一項之彈性體，其中致動器為超音波馬達，該彈性體在與壓電元件固定之側的相反側，具有用以與非振動體接觸的複數個凸部。
  10. 如請求項9之彈性體，其中致動器為線性超音波馬達，該彈性體的複數個凸部的剖面形狀為鋸齒狀。
  11. 如請求項9之彈性體，其中致動器為旋轉式超音波馬達，該彈性體具有梳齒部的形狀。
  12. 如請求項2~8中任一項之彈性體，其中致動器係具備將因壓電元件的伸縮所致之位移增大的機構之致動器，該彈性體係具有用以在與固定的壓電元件之間形成空隙部的凸部之板狀。
  13. 如請求項12之彈性體，其中凸部係屈曲或彎曲而形成之延伸於一方向的山脊狀凸部，與此山脊狀凸部的稜線方向垂直之方向上的剖面形狀為梯形，且前述山脊狀凸部的側部具有突起。
  14. 如請求項1~8中任一項之彈性體，其係朗之萬振動器的共振構件。
  15. 一種壓電致動器，其係具備壓電元件及請求項2~14中任一項的彈性體。
  16. 如請求項15之壓電致動器，其係與旋轉體接觸而使用，且藉由壓電元件的伸縮進行屈曲振動，用以使致動器本身或旋轉體旋轉的旋轉式超音波馬達。
  17. 如請求項15之壓電致動器，其中彈性體為位移增大元件，該壓電致動器為鈸式或慕尼式壓電致動器。
  18. 如請求項15之壓電致動器，其係具有壓電元件、和挾持此壓電元件的一對共振構件的朗之萬振動器，前述一對共振構件中的至少一共振構件為請求項14的彈性體。
  19. 如請求項18之壓電致動器，其中一對共振構件彼此含有相同種類的樹脂，且壓電元件和一共振構件及/或另一共振構件係藉由接合手段壓接。
TW102143378A 2012-11-29 2013-11-28 致動器用彈性體及壓電致動器 TW201436446A (zh)

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