超音波振動子及びそれを用いた超音波モータ
【課題】簡単な構成で超音波モータの小型化を図ることのできる超音波振動子及びそれを用いた超音波モータを提供する。
【解決手段】本発明の超音波振動子１は、第１の振動モードと第２の振動モードを同時に励起して超音波楕円振動を発生させるもので、超音波振動子１の超音波楕円振動が発生している振動面に沿った方向に穿設された穴部２Ａを有し、この穴部２Ａ内の前記超音波楕円振動が発生している部位に摩擦接触部６を配設している。
【解決手段】本発明の超音波振動子１は、第１の振動モードと第２の振動モードを同時に励起して超音波楕円振動を発生させるもので、超音波振動子１の超音波楕円振動が発生している振動面に沿った方向に穿設された穴部２Ａを有し、この穴部２Ａ内の前記超音波楕円振動が発生している部位に摩擦接触部６を配設している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波振動子及びそれを用いた超音波モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の超音波モータとしては、例えば本件出願人の提案による特開平７−１６３１６２号公報に開示された超音波モータが知られている。
【０００３】
前記特開平７−１６３１６２号公報の提案による超音波モータは、超音波振動子を有し、この超音波振動子は、前記特開平７−１６３１６２号公報明細書中の図２１に示されるように、薄い矩形状の第１及び第２の圧電板１１が複数枚積層されたもので、第１の圧電板１１には一対の内部電極１７ａが印刷され、第２の圧電板１１には一対の内部電極１７ｂが印刷され、これら第１の圧電板１１及び第２の圧電板１１が交互に積層された構造を有している。
【０００４】
また、前記超音波振動子は、積層された圧電板１１の積層の最初と最後には絶縁体としての内部電極を施してない圧電板１２、１４が積層されている。
前記内部電極１７ａは、超音波振動子の側面にまで延びて形成され、また、前記内部電極１７ｂは、超音波振動子の上面にまで延びて形成されている。
前記圧電板１１は、チタン酸ジルコン酸鉛（以下、ＰＺＴと称す）のグリーンシートに内部電極１７ａ，１７ｂを印刷した上で位置決めされ、積層された後、焼成されることにより、圧電体積層部として形成している。
【０００５】
前記圧電体積層部は、前記特開平７−１６３１６２号公報明細書中の図１８に示されるように、その後、外部電極１４が、圧電体積層部における超音波振動子の内部電極１７ａ，１７ｂが露出した位置（正極として超音波振動子上面２ヶ所及び負極として超音波振動子側面２ヶ所）に設けられている。その後、前記圧電体積層部は、上面左の外部電極と左側面の外部電極がＡ相を構成している。また、前記圧電体積層部は、上面右の外部電極と右側面の外部電極がＢ相を構成している。
【０００６】
そして、前記圧電体積層部は、外部電極Ａ相、Ｂ相に各々ＤＣ電圧を印加し分極処理される。その後、前記圧電体積層部は、超音波振動子下面の屈曲振動の振幅が略極大値をとる位置に駆動子（以下、摩擦接触部と称す）１６を接着することにより、超音波振動子８０として形成している。
【０００７】
前記超音波振動子８０において、Ａ相と前記Ｂ相に位相がπ／２異なる交番電圧（周波数はその超音波振動子８０の共振周波数）を印加すると、前記摩擦接触部１６の位置において、１次縦振動と２次屈曲振動を励起させることにより、時計回り又は反時計回りの大きな楕円振動が励起できる。なお、この超音波振動子８０の中央部には貫通穴が設けられ、この貫通穴には超音波振動子８０を保持押圧するためのピン１９が挿入接着されている。
【０００８】
前記構成の超音波振動子８０を用いて超音波モータとして構成し且つ動作させるためには、ピン１９と係合して摩擦接触部１６を図１８中の下方向に押圧する押圧手段と、超音波振動子８０の摩擦接触部１６に接触しこの摩擦接触部１６に対し相対的に移動する被駆動体とを設けることで、超音波モータが構成される。なお、前記被駆動体はリニアガイドにより保持されており、摩擦接触部１６と接触し且つ前記リニアガイドによりガイドされながら摺動が可能である。
【０００９】
前記構成の超音波モータにおいて、実際超音波振動子８０のＡ相とＢ相に位相がπ／２異なる交番電圧（周波数はその超音波振動子８０の共振周波数）を印加すると、前記特開平７−１６３１６２号公報明細書中の図６に示されるような１次縦振動と２次屈曲振動を同時に励起させ、前記摩擦接触部１６の位置において、時計回り又は反時計回りの大きな楕円振動を発生させることで、前記被駆動体を左右に動作させることができる。
【特許文献１】特開平７−１６３１６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、前記特開平７−１６３１６２号公報に記載の従来技術では、前記摩擦接触部１６は、前記超音波振動子８０の１次縦振動モードもしくは２次屈曲振動モードの振動面内であって楕円振動が発生している底面あるいは上面に設けられているために、前記被駆動体はその摩擦接触部１６に対し接触するように前記超音波振動子８０と並んで配置されることになり、さらに、前記摩擦接触部１６と前記超音波振動子６０とを押圧、保持するための部材も必要となるため、結果として超音波モータを小型化する際の問題点となっていた。
【００１１】
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、簡単な構成で超音波モータの小型化を図ることのできる超音波振動子及びそれを用いた超音波モータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
請求項１の発明の超音波振動子は、第１の振動モードと第２の振動モードを同時に励起して超音波楕円振動を発生させる超音波振動子において、前記超音波振動子の前記超音波楕円振動が発生している振動面に沿った方向に穿設された穴部を有し、この穴部内の前記超音波楕円振動が発生している部位に摩擦接触部を配設したことを特徴とするものである。
【００１３】
請求項２の発明の超音波振動子は、第１の振動モードと第２の振動モードを同時に励起して超音波楕円振動を発生させる超音波振動子において、前記超音波振動子の前記超音波楕円振動が発生している振動面と直交する開口を備えた凹部を有し、この凹部内の前記超音波楕円振動が発生している部位に摩擦接触部を配設したことを特徴とするものである。
【００１４】
請求項３の発明の超音波振動子は、請求項１又は請求項２に記載の超音波振動子において、前記第１の振動モードは縦振動であり、前記第２の振動モードは屈曲振動であることを特徴とするものである。
【００１５】
請求項４の発明の超音波振動子は、請求項１又は請求項２に記載の超音波振動子において、前記穴部もしくは前記凹部の断面形状が、矩形状、もしくは円形状であることを特徴とするものである。
【００１６】
請求項５の発明の超音波モータは、請求項１乃至請求項４のいずれか１つに記載の超音波振動子と、前記超音波振動子の前記穴部内、もしくは前記凹部内に配され、前記摩擦接触部に接して押圧されながら前記超音波振動子に対して相対的に駆動する被駆動部材と、を具備したことを特徴とするものである。
【００１７】
請求項６の発明の超音波モータは、請求項５に記載の超音波モータにおいて、前記被駆動部材は、前記超音波振動子の前記摩擦接触部と接して押圧がかかる方向に少なくとも弾性を有する弾性部材からなることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の超音波振動子及びそれを用いた超音波モータは、簡単な構成で超音波モータの小型化を図ることができるといった利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００２０】
図１乃至図６は本発明の超音波振動子の第１実施例の構成を示し、図１は第１実施例の超音波振動子を正面から見た斜視図、図２は図１の超音波振動子の背面図である。また、図３は図１の超音波振動子の穴部に配設される摩擦接触部保持板の構成を示す斜視図で、図３（Ａ）は穴部の上部に配される第１摩擦接触部保持板を示し、図３（Ｂ）は穴部の下部に配される第２摩擦接触部保持板を示している。図４は組み立てられた本実施例の超音波振動子の断面図で、図４（Ａ）は摩擦接触部近傍に超音波楕円振動が生じた状態を示し、図４（Ｂ）は摩擦接触部近傍に図４（Ａ）に示す超音波振動とは逆向きの超音波楕円振動が生じた状態を示している。さらに、図５は圧電体積層部の要部分解斜視図、図６は本実施例の超音波振動子の動作状態を示す斜視図である。
図１及び図２に示すように、本実施例の超音波振動子１は、圧電素子により形成されたものであり、略角柱形状で且つ内部に穴部２Ａを有する圧電体積層部２と、この圧電体積層部２の左右両側面の４箇所に帯状に設けられた外部電極３と、これらの外部電極３を前記圧電体積層部２の側面を介して電気的に接続するための連結導電性膜４と、前記穴部２Ａ内に後述する摩擦接触部６を配設するための第１、第２の摩擦接触部保持板５Ａ、５Ｂと、前記第１、第２の摩擦接触部保持板５Ａ、５Ｂによって前記穴部２Ａ内の所定位置に配設される摩擦接触部６と、を有して構成されている。
【００２１】
前記圧電体積層部２は、詳細な構成については後述するが内部電極処理が施された薄い矩形状の圧電セラミックスシートとしての第１、第２の圧電シート７、８（図５参照）が交互に複数枚積層された構造となっている。
【００２２】
図１中右側側面上部の外部電極３は、後述するが圧電体積層部２の同図中右側面上部の内部電極露出部９ａ、１０ａ（図５参照）にそれぞれ焼き付け銀により取付けることによって形成される２つの電気端子（Ａ１＋、Ａ１−の両端子）をＡ（Ａ相）として構成している。
【００２３】
また、図１中右側側面下部の外部電極３は、圧電体積層部２の同じ側面下部の内部電極露出部９ａ、１０ａ（図５参照）にそれぞれ焼き付け銀により取付けることによって形成される２つの電気端子（Ｂ２＋、Ｂ２−の両端子）をＢ（Ｂ相）として構成している。
【００２４】
一方、図１中左側側面上部の外部電極３は、圧電体積層部２の同図中左側面上部の内部電極露出部９ａ、１０ａ（図５参照）にそれぞれ焼き付け銀により取付けることによって形成される２つの電気端子（Ｂ１＋，Ｂ１−の両端子）をＢ（Ｂ相）として構成している。
【００２５】
また、図１中左側側面下部の外部電極３は、圧電体積層部２の同じ側面下部の内部電極露出部９ａ、１０ａ（図５参照）にそれぞれ焼き付け銀により取付けることによって形成される２つの電気端子（Ａ２＋、Ａ２−の両端子）をＡ（Ａ相）として構成している。
【００２６】
前記外部電極３のＡ１＋端子とＡ２＋端子と、Ａ１＋端子とＡ２−端子とは、図１に示すように、それぞれ焼き付き銀により形成される連結導電性膜４Ａ、４Ｂにより電気的に導通されるようになっている。この場合、連結導電性膜４Ａ、４Ｂは、前記Ａ（Ａ相）を構成する電気端子の配置から、図１に示すように圧電体積層部２の該当する対角上に配されることになる。
【００２７】
また、前記圧電体積層部２の背面側では、図２に示すように、前記外部電極３のＢ１＋端子とＢ２＋端子と、Ｂ１＋端子とＢ２−端子とは、それぞれ焼き付き銀により形成される連結導電性膜４Ｃ、４Ｄにより電気的に導通されるようになっている。この場合、連結導電性膜４Ｃ、４Ｄは、前記Ｂ（Ｂ相）を構成する電気端子の配置から、図２に示すように圧電体積層部２の該当する対角上に配されることになる。
【００２８】
前記圧電体積層部２には、前述したようにその中央部に角形状の貫通穴である穴部２Ａが穿設されている。なお、この穴部２Ａは、貫通穴に限定されるものではない。
【００２９】
前記穴部２Ａ内の上部及び下部には、詳細な構成については後述するが複数の摩擦接触部６を設けた第１、第２の摩擦接触部保持板５Ａ、５Ｂ（図５（Ａ）及び図５（Ｂ）参照）が接着されるようになっている。なお、前記第１、第２の摩擦接触部保持板５Ａ、５Ｂによる前記摩擦接触部６の設置位置についても、後述する。
【００３０】
前記圧電体積層部２のさらに詳細な構成を図５を参照しながら説明する。
図５に示すように、前記圧電体積層部２は、第１の内部電極９を有する第１の圧電シート７と、第２の内部電極１０を有する第２の圧電シート８とを交互に複数枚に積層されることにより構成されている。
【００３１】
前記第１の圧電シート７は、圧電素子である圧電体層７Ａを有し、この圧電体層７Ａの表面には、前記穴部２Ａ等を形成するのに必要な領域を確保するように前記第１の内部電極９が印刷されている。
前記第２の圧電シート８は、圧電素子である圧電体層８Ａを有し、この圧電体層７Ａの表面には、前記同様に穴部２Ａ等を形成するのに必要な領域を確保するように前記第２の内部電極１０が印刷されている。
【００３２】
前記第１の圧電シート７及び前記第２の圧電シート８は、例えば厚さ８０μｍの形状を有しており、これら第１及び第２の圧電シート７、８を構成する材質として本実施例ではＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）材を用いて形成されている。また、前記ＰＺＴ材は、機械的品質係数(Ｑ値）の大きいハード系材料のものを用いており、本実施例では、例えば機械的品質係数(Ｑ値）が２５００であるものを用いている。
【００３３】
なお、前記圧電体積層部２は、図５に示すように、複数枚積層された第１及び第２の圧電シート７，８の積層の最初（最上層であり、図５中の第１の圧電シート７の手前側１枚目に該当）に、同じＰＺＴ材を用いて形成され且つ内部電極が施されていない圧電シート７Ｂが積層されている。
【００３４】
また、前記第１の内部電極９及び前記第２の内部電極１０は、その電極材料としては銀パラジウム合金（Ａｇ−Ｐｄ）もしくは銀（Ａｇ）を用いて構成されている。
【００３５】
本実施例の超音波振動子１は、第１の圧電シート７、第２の圧電シート８の積層に伴い、第１の内部電極９と第２の内部電極１０とが交互に積層されることになる。
【００３６】
つまり、本実施例の圧電体積層部２を構成する各種部材の積層順序においては、圧電シート７Ｂ，第１の内部電極９，圧電体層７Ａ，第２の内部電極１０，圧電体層８Ａ，………，圧電体層８Ａ，第１の内部電極９，圧電体層７Ａ，第２の内部電極１０，圧電体層８Ａの順序で積層されることになる。
【００３７】
次に、前記第１及び第２の圧電シート７、８の内部電極形状について説明する。
【００３８】
第１の圧電シート７に設けられた第１の内部電極９は、例えば厚さ５〜１０μｍの形状を有している。
前記第１の内部電極９は、圧電体積層部２の断面形状に対し、詳しくは図５に示すように、圧電体層７Ａの全領域の上部と下部に配置され、且つそれぞれ左右に２分割されるように設けられている。
【００３９】
この場合、圧電体層７Ａの上部と下部に設けられた第１の内部電極９は、前記穴部２Ａ等を形成するのに必要な領域を確保するために一定の間隔を有している。また、これらの第１の内部電極９の一部は、圧電体層７Ａの両側面基端部にまで延設されており、内部電極露出部９ａをそれぞれ形成している。
【００４０】
また、第２の圧電シート８に設けられた第２の内部電極１０は、例えば厚さ５〜１０μｍの形状を有している。
前記第２の内部電極１０は、圧電体積層部２の断面形状に対し、詳しくは図５に示すように、圧電体層８Ａの全領域の上部と下部に配置され、且つそれぞれ左右に２分割されるように設けられている。
【００４１】
この場合、圧電体積層８Ａの上部と下部に設けられた第２の内部電極１０は、前記穴部２Ａ等を形成するのに必要な領域を確保するために一定の間隔を有している。また、これらの第２の内部電極１０の一部は、圧電体層８Ａの両側面基端部にまで延設されており、内部電極露出部１０ａをそれぞれ形成している。
【００４２】
図１に示すように、このような構成の圧電体積層部２を有して構成される超音波振動子１は、前記圧電体積層部２の第１の内部電極９及び第２の内部電極１０の一部がそれぞれ超音波振動子１の両側側面基端部に延設させることにより形成された各内部電極露出部９ａ、１０ａに、焼き付け銀より形成される外部電極３がそれぞれ設けられている。
【００４３】
つまり、圧電体積層部２の側面の外部電極３は、図１に示すように、それぞれ内部電極９ａ、１０ａ（図５参照）に電気的に接続して帯状に設けられ、また、これらの外部電極３は、圧電体積層部２のエッジ部を介して、前記圧電体積層部２の正面、及び裏面に帯状にそれぞれ設けられた連結導電性膜４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄに導通している。なお、前記圧電体積層部２の逆側の側面の外部電極についても、同様の形状に設けられている。
【００４４】
これらの外部電極３には、図示はしないがそれぞれリード線が半田等で接続されるか、もしくは電極が設けられたフレシキブル基板が電気的に接合されており、このリード線又はフレキシブル基板を介して図示しない駆動回路からの駆動信号が供給されるようになっている。
本実施例の超音波振動子１は、後述するが第１の振動モードである１次縦振動と第２の振動モードである２次屈曲振動とを同時に励起して超音波楕円振動を発生する。
そこで、本実施例の超音波振動子１は、図１及び図４に示すように、超音波振動子１の超音波楕円振動が発生している振動面に沿った方向に穴部２Ａを穿設し、この穴部２Ａ内の超音波楕円振動が発生している部位に摩擦接触部６を配設している。
【００４５】
具体的には、前記摩擦接触部６は、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示すように、これら摩擦接触部６を前記穴部２Ａ内の上部及び下部の所定箇所に配設するために、矩形状の金属材料からなる第１、第２の摩擦接触部保持板５Ａ、５Ｂに設けられている。
【００４６】
第１の摩擦接触部保持板５Ａは、図３（Ａ）に示すように、前記穴部２Ａ内の上部に接着されるもので、底面には超音波振動が発生する箇所に２個の摩擦接触部６が固定接着されている。
第２の摩擦接触部保持板５Ｂは、図３（Ｂ）に示すように、前記穴部２Ａ内の下部に接着されるもので、上面には超音波振動が発生する箇所（例えば両側基端部）に２個の摩擦接触部６が固定接着されている。
【００４７】
そして、前記第１の摩擦接触部保持板５Ａは、図４（Ａ）に示すように圧電体積層部２の穴部２Ａの上部に接着され、前記第２の摩擦接触部保持板５Ｂは、図４（Ａ）に示すように圧電体積層部２の穴部２Ａの下部に接着される。
【００４８】
なお、本実施例では、前記摩擦接触部６を前記第１、第２の摩擦接触部保持板５Ａ、５Ｂに設けた場合について説明したが、前記摩擦接触部６を前記穴部２Ａ内の所定箇所に設けて前記圧電体積層部２を形成することが可能であれば、必ずしも前記第１、第２の摩擦接触部保持板５Ａ、５Ｂを用いなくても良い。
【００４９】
また、前記摩擦接触部６の材質としては、鋼材の表面にダイヤモンドライクカーボンを化学気相成長法処理（Chemical Vapor Deposition：ＣＶＤ処理）したものを用いている。
【００５０】
本実施例では、穴部２Ａの上部に２個、下部に２個の合わせて４個の摩擦接触部６を設けた構成について説明したが、これに限定されるものではない。
【００５１】
次に、前記第１、第２の摩擦接触部保持板５Ａ、５Ｂによる前記摩擦接触部６の設置位置について説明する。
図６には本実施例の超音波振動子１の振動モードが示されている。
図６（Ａ）、図６（Ｂ）に示すように、本実施例の超音波振動子１は、１次縦振動モードと２次屈曲振動モードとを励起させる。なお、本実施例の超音波振動子１は、これら２種類の振動モードがほぼ同一の周波数で励起されるように、その寸法形状が決められている。そして、前記超音波振動子１では、それらの振動モードを重ね合わせて所定の位置に超音波楕円振動を発生させる。したがって、本実施例の超音波振動子１では、前記摩擦接触部６が、このように超音波楕円振動が発生している部位に設けられるようになっている。
【００５２】
また、これらの摩擦接触部６は、図４（Ａ）に示すように、穴部２Ａの上部に配された摩擦接触部６の超音波楕円振動の回転の向きと、穴部２Ａの下部に配された摩擦接触部６の超音波楕円振動の向きとが互いに逆向きとなる位置に設けられている。なお、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に示す駆動方向とは逆方向の駆動時における超音波楕円振動の向きを示している。
【００５３】
次に、本実施例の超音波振動子の製造方法について図１乃至図５を参照しながら説明する。
【００５４】
本実施例の超音波振動子の製造方法では、ＰＺＴの仮焼結粉末とバインダーとを混合して泥しょうを作成し、ドクターブレード法を用いて所定の厚さでフィルム状にキャスティングしてグリーンシート（圧電体層７Ａ、８Ａに相当）を形成する。そして、グリーシートを乾燥した後、フィルムから剥離する。こうして、形成したグリーンシートを複数用意する。
【００５５】
次に、第１のグリーシートに、第１の内部電極９のパターン（図５参照）を有するマスクを用いて電極材料を印刷することにより、図５に示す第１の圧電シート７を形成する。この場合、第１の内部電極９は、銀パラジウム合金（Ａｇ−Ｐｄ）を用いて形成される。
【００５６】
また、第２のグリーシートに、第２の内部電極１０のパターン（図５参照）を有するマスクを用いて電極材料を印刷することにより、図５に示す第２の圧電シート８を形成する。この場合も同様に、第２の内部電極１０は、銀パラジウム合金（Ａｇ−Ｐｄ）を用いて形成される。
【００５７】
そして、これら第１の圧電シート７と第２の圧電シート８とを、第１及び第２の内部電極９、１０同士がちょうど重なるように位置決めを正確に行い、交互に複数枚積層する。その後、積層の最上面には内部電極を印刷してない第３のグリーンシート（圧電シート７Ｂに相当）を積層する。
【００５８】
その後、この第３のグリーンシートを含む第１，第２の圧電シート７、８の積層体をプレスして、この積層体における各グリーンシート間を密着させ、その後、熱圧着する。 そして、熱圧着した前記積層体は、１２００℃程度の温度で焼成され、その後、所定の形状に裁断されることにより、圧電体積層部２に相当する圧電素子が生成される。
【００５９】
前記内部電極露出部９ａ、１０ａ（図５参照）には、銀を焼き付け法にて実施することにより、図１及び図２に示すような帯形状の外部電極３を形成し、また、圧電体積層部２の表面についても同様に銀を焼き付け法にて実施することにより、図１及び図２に示すような帯状の連結導電性膜４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄを形成して、前記外部電極３間をそれぞれ電気的に接続する。そして、これら外部電極３のＡ相（Ａ１＋、Ａ１−間、Ａ２＋、Ａ２−間），Ｂ相（Ｂ１＋、Ｂ１−間、Ｂ２＋、Ｂ２−間）に直流高電圧を印加することにより、分極を行い、圧電特性を持たせるようにする。
【００６０】
そして、図１に示すように、ドリル等の加工機により、前記積層体の圧電体積層部２に対応する中央部分に角状の穴部２Ａを穿設する。なお、この穴部２Ａに関しては前記工程中で、熱圧着後、焼成前に加工機により空けても良い。
【００６１】
その後、前記摩擦接触部６を第１，第２の摩擦接触部保持板５Ａ、５Ｂ（図３（Ａ）、図３（Ｂ）参照）の所定位置にエポキシ接着剤を用いて接着する。そして、この第１，第２の摩擦接触部保持板５Ａ、５Ｂ（図３（Ａ）、図３（Ｂ）参照）を、前記圧電素子の前記穴部２Ａの上部及び下部にエポキシ接着剤を用いて接着する。
【００６２】
こうして、超音波振動子１が形成される。
【００６３】
以上、説明してきた超音波振動子１の動作について図６を参照しながら詳細に説明する。
【００６４】
いま、図１の超音波振動子１の前記Ａ相，Ｂ相に、同位相で所定の周波数の交番電圧を印加するものとする。すると、この超音波振動子１は、１次の縦振動が励起された。また、前記Ａ相，Ｂ相に逆位相で所定の周波数の交番電圧を印加すると、この超音波振動子１は、２次の屈曲振動が励起された。
【００６５】
これらの振動を有限要素法を用いてコンピュータ解析すると、図６（Ａ）に示すような共振縦振動姿勢，及び図６（Ｂ）に示すような共振屈曲振動姿勢が予想され、且つ超音波振動測定の結果、それが実証された。なお、この図６では、摩擦接触部６は省略している。
【００６６】
本実施の形態では、共振周波数に関し、より詳細には屈曲２次振動の共振周波数を１次縦振動の共振周波数より数％程度（望ましくは３％程度）低くなるように設計している。このように構成することで、後で説明する超音波モータとしての出力特性が大幅に向上することになる。
【００６７】
次に、超音波振動子１のＡ相及びＢ相に位相がπ／２異なる所定周波数の交番電圧を印加するものとする、すると、該超音波振動子１の摩擦接触部６の位置で、楕円振動を観測することが出来た。
【００６８】
次に、前記超音波振動子１を用いた超音波モータ２０の構成について図７乃至図９を参照しながら説明する。
【００６９】
図７乃至図９は超音波振動子を用いて構成された超音波モータの構成を説明するもので、図７は超音波モータの構成を示す斜視図、図８は図７の超音波モータに用いられるシャフトを説明するもので、図８（Ａ）はシャフトの構成を示す断面図、図８（Ｂ）はシャフトの超音波振動子への装着方法を説明するためのシャフトの断面図である。また、図９は超音波モータの変形例を示し超音波振動子の構成を示す斜視図である。
【００７０】
図７に示すように、本実施例の超音波モータ２０は、前記構成の超音波振動子１と、この超音波振動子１の穴部２Ａ内に配され、摩擦接触部６に接して押圧されながら前記超音波振動子１に対して相対的に駆動する被駆動部材であるシャフト２１と、を有して構成されている。
【００７１】
被駆動部材であるシャフト２１は、図７に示すように前記穴部２Ａに挿通されるようになっている。このシャフト２１は、図８（Ａ）に示すように、上下に例えばコの字状の切り欠き２１ａを有し、少なくとも上下方向に弾性を有する中空のパイプである。この弾性力は、前記シャフト２１を形成する際の外周の肉厚を調整することにより得られるようになっている。
【００７２】
なお、前記シャフト２１は、例えばステンレス等の材質を用いて構成することが考えられるが、これに限定されることはなく、弾性力を生じる部材、例えば合成樹脂、あるいはそれ以外の部材を用いて構成しても良い。
【００７３】
また、前記切り欠き２１ａには、対摩耗性のある例えばジルコニアセラミクスで構成された摺動部材２２が接着固定されている。
したがって、前記構成のシャフト２１を前記穴部２Ａに挿通した際に、前記超音波振動子１の摩擦接触部６は、前記シャフト２１の上下の切り欠き２１ａに係合すると同時に、このシャフト２１の有する弾性により互いに一定の押圧力を受けながら前記摺動部材２２に接触するようになっている。
【００７４】
なお、本実施例の前記シャフト２１の前記超音波振動子１への装着方法としては、例えば図８（Ｂ）に示すように、予めシャフト２１の各切り欠き２１ａの外周面に接着剤２３を塗布して接着しておく。この接着剤２３としては、例えば熱を加えることによって剥離し易いものが用いられている。
【００７５】
したがって、図８（Ｂ）に示す状態のシャフト２１を前記超音波振動子１の穴部２Ａに挿入し、その後、全体に掛けて熱を加えることにより、前記接着剤２３が剥がれることで、前記シャフト２１は、穴部２Ａ内で図８（Ａ）に示すように弾性力を得た状態となって装着することができるようになっている。
【００７６】
なお、本実施例では、前記シャフト２１の材質として、例えば所定温度にすることによってもとの状態に戻る形状記憶合金を用いれば、前記接着剤２３を用いずとも、弾性力を得た状態にて前記シャフト２１を穴部２Ａ内に装着することも可能である。これにより、装着方法の簡易化を図れる。
【００７７】
次に、前記超音波モータ２０の動作について説明する。
【００７８】
前記Ａ相（Ａ１＋、Ａ１−間、Ａ２＋、Ａ２−間）と、Ｂ相（Ｂ１＋、Ｂ１−間、Ｂ２＋、Ｂ２−間）には、位相がπ／２異なる所定の周波数の交番電圧を印加すると、摩擦接触部６の位置において、１次縦振動と２次屈曲振動を励起させることにより、時計廻り又は反時計廻りの超音波楕円振動が励起できた。
【００７９】
このように超音波振動子１の各摩擦接触部６の位置に超音波楕円振動を発生させたことにより、前記被駆動部材であるシャフト２１が右方向または左方向に駆動することができた。
【００８０】
したがって、本実施例によれば、前記超音波モータ２０は、前記超音波振動子１の超音波楕円振動が発生している振動面に沿った方向に穿設された穴部２Ａ内部に摩擦接触部６を設けたことにより、被駆動部材としてのシャフト２１をその穴部２Ａ内に配設することができた。これにより、超音波モータ２０の小型化を実現できた。
【００８１】
なお、本実施例では、前記超音波振動子１は、積層構造の超音波振動子を用いたが、積層構造でない板状の超音波振動子を用いた場合でも、同様の構成の超音波振動子の作製が可能である。
【００８２】
また、本実施例では、超音波モータ２０を保持する構造に関し、例えば、超音波振動子１全体を振動絶縁性を有するシリコン材で保持しても良く、１次縦振動と２次屈曲振動の共通の節位置に突起部を接合し、それを保持するように構成しても良い。
【００８３】
さらに、本実施例では、前記超音波振動子１は、角形状に構成した穴部２Ａを設けた場合について説明したが、例えば図９の変形例に示すように、円形状に構成した穴部２Ｂを設けて構成しても良い。この場合、前記第１、第２の摩擦接触部保持板５Ａ、５Ｂもこれに合わせて接着面を円形状に構成する必要がある。
【実施例２】
【００８４】
図１０は本発明の超音波振動子の第２実施例の構成を示し、超音波振動子の構成を示す斜視図である。なお、図１０は、前記第１実施例の超音波振動子１と同様に構成要素については同一の符号を付して説明を省略し、異なる部分のみを説明する。
【００８５】
図１０に示すように、本実施例の超音波振動子１Ｂは、圧電体積層部２の構成については第１実施例と同様であるが、前記穴部２Ａではなく、前記超音波振動子１Ｂの超音波楕円振動が発生している振動面と直交する開口を備えた凹部２Ｄを設け、この凹部２Ｄ内の上下面の超音波楕円振動が発生している箇所にそれぞれ２個の摩擦接触部６を接着固定している。
【００８６】
前記凹部２Ｄは、前記第１実施例と同様、積層、プレス後に加工機で形成しても良く、あるいは、焼成後に加工機で形成しても良い。
また、本実施例の超音波振動子１Ｂにおいて、前記摩擦接触部６を設ける位置は前記第１実施例と同様な位置である。
【００８７】
本実施例の超音波振動子を用いて構成される超音波モータは、前記第１実施例と同様に被駆動部材であるシャフト２１を設けることにより、構成することが可能となる。その他の構成、及び作用については、前記第１実施例と同様である。
【００８８】
したがって、本実施例によれば、第１実施例にて用いた第１、第２の摩擦接触部保持板５Ａ、５Ｂを用いずに、直接超音波振動子１Ｂの凹部２Ｄ内部の上下面に接着固定しているので、より小型化の超音波モータを得ることが可能となる。また、被駆動部材であるシャフト２１を凹部２Ｄの開口のある横方向から挿入できるので、超音波モータの組立が容易となる。
【００８９】
本発明は、上述した第１及び第２実施例、変形例に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能である。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
本発明の超音波振動子は、簡単な構成で超音波モータの小型化を図ることができるので、この超音波振動子を用いて超音波モータを構成することにより、コストの低減、超音波モータの小型化及び駆動効率の安定化が望まれる各種電子機器等の駆動源として有効である。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】図１乃至図６は本発明の超音波振動子の第１実施例の構成を示し、図１は第１実施例の超音波振動子を正面から見た斜視図。
【図２】図１の超音波振動子の背面図。
【図３】図１の超音波振動子の穴部に配設される摩擦接触部保持板の構成を示す斜視図。
【図４】組み立てられた本実施例の超音波振動子の断面図。
【図５】圧電体積層部の要部分解斜視図。
【図６】本実施例の超音波振動子の動作状態を示す斜視図。
【図７】図７乃至図９は超音波振動子を用いて構成された超音波モータの構成を説明するもので、図７は超音波モータの構成を示す斜視図。
【図８】図７の超音波モータに用いられるシャフトを説明するための断面図。
【図９】超音波モータの変形例を示し超音波振動子の構成を示す斜視図。
【図１０】本発明の超音波振動子の第２実施例の構成を示し、超音波振動子の構成を示す斜視図。
【符号の説明】
【００９２】
１…超音波振動子、
２…圧電体積層部、
２Ａ、２Ｂ…穴部、
２Ｄ…凹部、
３…外部電極、
４、４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ…連結導電性膜、
５Ａ…第１の摩擦接触部保持板、
５Ｂ…第２の摩擦接触部保持板、
６…摩擦接触部、
７…第１の圧電シート、
７Ａ、８Ａ…圧電体層、
７Ｂ…圧電シート、
８…第２の圧電シート、
９…第１の内部電極、
１０…第２の内部電極、
９ａ、１０ａ…内部電極露出部、
２０…超音波モータ、
２１…シャフト、
２１ａ…切り欠き、
２２…摺動部材、
２３…接着剤。
代理人 弁理士 伊 藤 進
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波振動子及びそれを用いた超音波モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の超音波モータとしては、例えば本件出願人の提案による特開平７−１６３１６２号公報に開示された超音波モータが知られている。
【０００３】
前記特開平７−１６３１６２号公報の提案による超音波モータは、超音波振動子を有し、この超音波振動子は、前記特開平７−１６３１６２号公報明細書中の図２１に示されるように、薄い矩形状の第１及び第２の圧電板１１が複数枚積層されたもので、第１の圧電板１１には一対の内部電極１７ａが印刷され、第２の圧電板１１には一対の内部電極１７ｂが印刷され、これら第１の圧電板１１及び第２の圧電板１１が交互に積層された構造を有している。
【０００４】
また、前記超音波振動子は、積層された圧電板１１の積層の最初と最後には絶縁体としての内部電極を施してない圧電板１２、１４が積層されている。
前記内部電極１７ａは、超音波振動子の側面にまで延びて形成され、また、前記内部電極１７ｂは、超音波振動子の上面にまで延びて形成されている。
前記圧電板１１は、チタン酸ジルコン酸鉛（以下、ＰＺＴと称す）のグリーンシートに内部電極１７ａ，１７ｂを印刷した上で位置決めされ、積層された後、焼成されることにより、圧電体積層部として形成している。
【０００５】
前記圧電体積層部は、前記特開平７−１６３１６２号公報明細書中の図１８に示されるように、その後、外部電極１４が、圧電体積層部における超音波振動子の内部電極１７ａ，１７ｂが露出した位置（正極として超音波振動子上面２ヶ所及び負極として超音波振動子側面２ヶ所）に設けられている。その後、前記圧電体積層部は、上面左の外部電極と左側面の外部電極がＡ相を構成している。また、前記圧電体積層部は、上面右の外部電極と右側面の外部電極がＢ相を構成している。
【０００６】
そして、前記圧電体積層部は、外部電極Ａ相、Ｂ相に各々ＤＣ電圧を印加し分極処理される。その後、前記圧電体積層部は、超音波振動子下面の屈曲振動の振幅が略極大値をとる位置に駆動子（以下、摩擦接触部と称す）１６を接着することにより、超音波振動子８０として形成している。
【０００７】
前記超音波振動子８０において、Ａ相と前記Ｂ相に位相がπ／２異なる交番電圧（周波数はその超音波振動子８０の共振周波数）を印加すると、前記摩擦接触部１６の位置において、１次縦振動と２次屈曲振動を励起させることにより、時計回り又は反時計回りの大きな楕円振動が励起できる。なお、この超音波振動子８０の中央部には貫通穴が設けられ、この貫通穴には超音波振動子８０を保持押圧するためのピン１９が挿入接着されている。
【０００８】
前記構成の超音波振動子８０を用いて超音波モータとして構成し且つ動作させるためには、ピン１９と係合して摩擦接触部１６を図１８中の下方向に押圧する押圧手段と、超音波振動子８０の摩擦接触部１６に接触しこの摩擦接触部１６に対し相対的に移動する被駆動体とを設けることで、超音波モータが構成される。なお、前記被駆動体はリニアガイドにより保持されており、摩擦接触部１６と接触し且つ前記リニアガイドによりガイドされながら摺動が可能である。
【０００９】
前記構成の超音波モータにおいて、実際超音波振動子８０のＡ相とＢ相に位相がπ／２異なる交番電圧（周波数はその超音波振動子８０の共振周波数）を印加すると、前記特開平７−１６３１６２号公報明細書中の図６に示されるような１次縦振動と２次屈曲振動を同時に励起させ、前記摩擦接触部１６の位置において、時計回り又は反時計回りの大きな楕円振動を発生させることで、前記被駆動体を左右に動作させることができる。
【特許文献１】特開平７−１６３１６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、前記特開平７−１６３１６２号公報に記載の従来技術では、前記摩擦接触部１６は、前記超音波振動子８０の１次縦振動モードもしくは２次屈曲振動モードの振動面内であって楕円振動が発生している底面あるいは上面に設けられているために、前記被駆動体はその摩擦接触部１６に対し接触するように前記超音波振動子８０と並んで配置されることになり、さらに、前記摩擦接触部１６と前記超音波振動子６０とを押圧、保持するための部材も必要となるため、結果として超音波モータを小型化する際の問題点となっていた。
【００１１】
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、簡単な構成で超音波モータの小型化を図ることのできる超音波振動子及びそれを用いた超音波モータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
請求項１の発明の超音波振動子は、第１の振動モードと第２の振動モードを同時に励起して超音波楕円振動を発生させる超音波振動子において、前記超音波振動子の前記超音波楕円振動が発生している振動面に沿った方向に穿設された穴部を有し、この穴部内の前記超音波楕円振動が発生している部位に摩擦接触部を配設したことを特徴とするものである。
【００１３】
請求項２の発明の超音波振動子は、第１の振動モードと第２の振動モードを同時に励起して超音波楕円振動を発生させる超音波振動子において、前記超音波振動子の前記超音波楕円振動が発生している振動面と直交する開口を備えた凹部を有し、この凹部内の前記超音波楕円振動が発生している部位に摩擦接触部を配設したことを特徴とするものである。
【００１４】
請求項３の発明の超音波振動子は、請求項１又は請求項２に記載の超音波振動子において、前記第１の振動モードは縦振動であり、前記第２の振動モードは屈曲振動であることを特徴とするものである。
【００１５】
請求項４の発明の超音波振動子は、請求項１又は請求項２に記載の超音波振動子において、前記穴部もしくは前記凹部の断面形状が、矩形状、もしくは円形状であることを特徴とするものである。
【００１６】
請求項５の発明の超音波モータは、請求項１乃至請求項４のいずれか１つに記載の超音波振動子と、前記超音波振動子の前記穴部内、もしくは前記凹部内に配され、前記摩擦接触部に接して押圧されながら前記超音波振動子に対して相対的に駆動する被駆動部材と、を具備したことを特徴とするものである。
【００１７】
請求項６の発明の超音波モータは、請求項５に記載の超音波モータにおいて、前記被駆動部材は、前記超音波振動子の前記摩擦接触部と接して押圧がかかる方向に少なくとも弾性を有する弾性部材からなることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の超音波振動子及びそれを用いた超音波モータは、簡単な構成で超音波モータの小型化を図ることができるといった利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００２０】
図１乃至図６は本発明の超音波振動子の第１実施例の構成を示し、図１は第１実施例の超音波振動子を正面から見た斜視図、図２は図１の超音波振動子の背面図である。また、図３は図１の超音波振動子の穴部に配設される摩擦接触部保持板の構成を示す斜視図で、図３（Ａ）は穴部の上部に配される第１摩擦接触部保持板を示し、図３（Ｂ）は穴部の下部に配される第２摩擦接触部保持板を示している。図４は組み立てられた本実施例の超音波振動子の断面図で、図４（Ａ）は摩擦接触部近傍に超音波楕円振動が生じた状態を示し、図４（Ｂ）は摩擦接触部近傍に図４（Ａ）に示す超音波振動とは逆向きの超音波楕円振動が生じた状態を示している。さらに、図５は圧電体積層部の要部分解斜視図、図６は本実施例の超音波振動子の動作状態を示す斜視図である。
図１及び図２に示すように、本実施例の超音波振動子１は、圧電素子により形成されたものであり、略角柱形状で且つ内部に穴部２Ａを有する圧電体積層部２と、この圧電体積層部２の左右両側面の４箇所に帯状に設けられた外部電極３と、これらの外部電極３を前記圧電体積層部２の側面を介して電気的に接続するための連結導電性膜４と、前記穴部２Ａ内に後述する摩擦接触部６を配設するための第１、第２の摩擦接触部保持板５Ａ、５Ｂと、前記第１、第２の摩擦接触部保持板５Ａ、５Ｂによって前記穴部２Ａ内の所定位置に配設される摩擦接触部６と、を有して構成されている。
【００２１】
前記圧電体積層部２は、詳細な構成については後述するが内部電極処理が施された薄い矩形状の圧電セラミックスシートとしての第１、第２の圧電シート７、８（図５参照）が交互に複数枚積層された構造となっている。
【００２２】
図１中右側側面上部の外部電極３は、後述するが圧電体積層部２の同図中右側面上部の内部電極露出部９ａ、１０ａ（図５参照）にそれぞれ焼き付け銀により取付けることによって形成される２つの電気端子（Ａ１＋、Ａ１−の両端子）をＡ（Ａ相）として構成している。
【００２３】
また、図１中右側側面下部の外部電極３は、圧電体積層部２の同じ側面下部の内部電極露出部９ａ、１０ａ（図５参照）にそれぞれ焼き付け銀により取付けることによって形成される２つの電気端子（Ｂ２＋、Ｂ２−の両端子）をＢ（Ｂ相）として構成している。
【００２４】
一方、図１中左側側面上部の外部電極３は、圧電体積層部２の同図中左側面上部の内部電極露出部９ａ、１０ａ（図５参照）にそれぞれ焼き付け銀により取付けることによって形成される２つの電気端子（Ｂ１＋，Ｂ１−の両端子）をＢ（Ｂ相）として構成している。
【００２５】
また、図１中左側側面下部の外部電極３は、圧電体積層部２の同じ側面下部の内部電極露出部９ａ、１０ａ（図５参照）にそれぞれ焼き付け銀により取付けることによって形成される２つの電気端子（Ａ２＋、Ａ２−の両端子）をＡ（Ａ相）として構成している。
【００２６】
前記外部電極３のＡ１＋端子とＡ２＋端子と、Ａ１＋端子とＡ２−端子とは、図１に示すように、それぞれ焼き付き銀により形成される連結導電性膜４Ａ、４Ｂにより電気的に導通されるようになっている。この場合、連結導電性膜４Ａ、４Ｂは、前記Ａ（Ａ相）を構成する電気端子の配置から、図１に示すように圧電体積層部２の該当する対角上に配されることになる。
【００２７】
また、前記圧電体積層部２の背面側では、図２に示すように、前記外部電極３のＢ１＋端子とＢ２＋端子と、Ｂ１＋端子とＢ２−端子とは、それぞれ焼き付き銀により形成される連結導電性膜４Ｃ、４Ｄにより電気的に導通されるようになっている。この場合、連結導電性膜４Ｃ、４Ｄは、前記Ｂ（Ｂ相）を構成する電気端子の配置から、図２に示すように圧電体積層部２の該当する対角上に配されることになる。
【００２８】
前記圧電体積層部２には、前述したようにその中央部に角形状の貫通穴である穴部２Ａが穿設されている。なお、この穴部２Ａは、貫通穴に限定されるものではない。
【００２９】
前記穴部２Ａ内の上部及び下部には、詳細な構成については後述するが複数の摩擦接触部６を設けた第１、第２の摩擦接触部保持板５Ａ、５Ｂ（図５（Ａ）及び図５（Ｂ）参照）が接着されるようになっている。なお、前記第１、第２の摩擦接触部保持板５Ａ、５Ｂによる前記摩擦接触部６の設置位置についても、後述する。
【００３０】
前記圧電体積層部２のさらに詳細な構成を図５を参照しながら説明する。
図５に示すように、前記圧電体積層部２は、第１の内部電極９を有する第１の圧電シート７と、第２の内部電極１０を有する第２の圧電シート８とを交互に複数枚に積層されることにより構成されている。
【００３１】
前記第１の圧電シート７は、圧電素子である圧電体層７Ａを有し、この圧電体層７Ａの表面には、前記穴部２Ａ等を形成するのに必要な領域を確保するように前記第１の内部電極９が印刷されている。
前記第２の圧電シート８は、圧電素子である圧電体層８Ａを有し、この圧電体層７Ａの表面には、前記同様に穴部２Ａ等を形成するのに必要な領域を確保するように前記第２の内部電極１０が印刷されている。
【００３２】
前記第１の圧電シート７及び前記第２の圧電シート８は、例えば厚さ８０μｍの形状を有しており、これら第１及び第２の圧電シート７、８を構成する材質として本実施例ではＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）材を用いて形成されている。また、前記ＰＺＴ材は、機械的品質係数(Ｑ値）の大きいハード系材料のものを用いており、本実施例では、例えば機械的品質係数(Ｑ値）が２５００であるものを用いている。
【００３３】
なお、前記圧電体積層部２は、図５に示すように、複数枚積層された第１及び第２の圧電シート７，８の積層の最初（最上層であり、図５中の第１の圧電シート７の手前側１枚目に該当）に、同じＰＺＴ材を用いて形成され且つ内部電極が施されていない圧電シート７Ｂが積層されている。
【００３４】
また、前記第１の内部電極９及び前記第２の内部電極１０は、その電極材料としては銀パラジウム合金（Ａｇ−Ｐｄ）もしくは銀（Ａｇ）を用いて構成されている。
【００３５】
本実施例の超音波振動子１は、第１の圧電シート７、第２の圧電シート８の積層に伴い、第１の内部電極９と第２の内部電極１０とが交互に積層されることになる。
【００３６】
つまり、本実施例の圧電体積層部２を構成する各種部材の積層順序においては、圧電シート７Ｂ，第１の内部電極９，圧電体層７Ａ，第２の内部電極１０，圧電体層８Ａ，………，圧電体層８Ａ，第１の内部電極９，圧電体層７Ａ，第２の内部電極１０，圧電体層８Ａの順序で積層されることになる。
【００３７】
次に、前記第１及び第２の圧電シート７、８の内部電極形状について説明する。
【００３８】
第１の圧電シート７に設けられた第１の内部電極９は、例えば厚さ５〜１０μｍの形状を有している。
前記第１の内部電極９は、圧電体積層部２の断面形状に対し、詳しくは図５に示すように、圧電体層７Ａの全領域の上部と下部に配置され、且つそれぞれ左右に２分割されるように設けられている。
【００３９】
この場合、圧電体層７Ａの上部と下部に設けられた第１の内部電極９は、前記穴部２Ａ等を形成するのに必要な領域を確保するために一定の間隔を有している。また、これらの第１の内部電極９の一部は、圧電体層７Ａの両側面基端部にまで延設されており、内部電極露出部９ａをそれぞれ形成している。
【００４０】
また、第２の圧電シート８に設けられた第２の内部電極１０は、例えば厚さ５〜１０μｍの形状を有している。
前記第２の内部電極１０は、圧電体積層部２の断面形状に対し、詳しくは図５に示すように、圧電体層８Ａの全領域の上部と下部に配置され、且つそれぞれ左右に２分割されるように設けられている。
【００４１】
この場合、圧電体積層８Ａの上部と下部に設けられた第２の内部電極１０は、前記穴部２Ａ等を形成するのに必要な領域を確保するために一定の間隔を有している。また、これらの第２の内部電極１０の一部は、圧電体層８Ａの両側面基端部にまで延設されており、内部電極露出部１０ａをそれぞれ形成している。
【００４２】
図１に示すように、このような構成の圧電体積層部２を有して構成される超音波振動子１は、前記圧電体積層部２の第１の内部電極９及び第２の内部電極１０の一部がそれぞれ超音波振動子１の両側側面基端部に延設させることにより形成された各内部電極露出部９ａ、１０ａに、焼き付け銀より形成される外部電極３がそれぞれ設けられている。
【００４３】
つまり、圧電体積層部２の側面の外部電極３は、図１に示すように、それぞれ内部電極９ａ、１０ａ（図５参照）に電気的に接続して帯状に設けられ、また、これらの外部電極３は、圧電体積層部２のエッジ部を介して、前記圧電体積層部２の正面、及び裏面に帯状にそれぞれ設けられた連結導電性膜４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄに導通している。なお、前記圧電体積層部２の逆側の側面の外部電極についても、同様の形状に設けられている。
【００４４】
これらの外部電極３には、図示はしないがそれぞれリード線が半田等で接続されるか、もしくは電極が設けられたフレシキブル基板が電気的に接合されており、このリード線又はフレキシブル基板を介して図示しない駆動回路からの駆動信号が供給されるようになっている。
本実施例の超音波振動子１は、後述するが第１の振動モードである１次縦振動と第２の振動モードである２次屈曲振動とを同時に励起して超音波楕円振動を発生する。
そこで、本実施例の超音波振動子１は、図１及び図４に示すように、超音波振動子１の超音波楕円振動が発生している振動面に沿った方向に穴部２Ａを穿設し、この穴部２Ａ内の超音波楕円振動が発生している部位に摩擦接触部６を配設している。
【００４５】
具体的には、前記摩擦接触部６は、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示すように、これら摩擦接触部６を前記穴部２Ａ内の上部及び下部の所定箇所に配設するために、矩形状の金属材料からなる第１、第２の摩擦接触部保持板５Ａ、５Ｂに設けられている。
【００４６】
第１の摩擦接触部保持板５Ａは、図３（Ａ）に示すように、前記穴部２Ａ内の上部に接着されるもので、底面には超音波振動が発生する箇所に２個の摩擦接触部６が固定接着されている。
第２の摩擦接触部保持板５Ｂは、図３（Ｂ）に示すように、前記穴部２Ａ内の下部に接着されるもので、上面には超音波振動が発生する箇所（例えば両側基端部）に２個の摩擦接触部６が固定接着されている。
【００４７】
そして、前記第１の摩擦接触部保持板５Ａは、図４（Ａ）に示すように圧電体積層部２の穴部２Ａの上部に接着され、前記第２の摩擦接触部保持板５Ｂは、図４（Ａ）に示すように圧電体積層部２の穴部２Ａの下部に接着される。
【００４８】
なお、本実施例では、前記摩擦接触部６を前記第１、第２の摩擦接触部保持板５Ａ、５Ｂに設けた場合について説明したが、前記摩擦接触部６を前記穴部２Ａ内の所定箇所に設けて前記圧電体積層部２を形成することが可能であれば、必ずしも前記第１、第２の摩擦接触部保持板５Ａ、５Ｂを用いなくても良い。
【００４９】
また、前記摩擦接触部６の材質としては、鋼材の表面にダイヤモンドライクカーボンを化学気相成長法処理（Chemical Vapor Deposition：ＣＶＤ処理）したものを用いている。
【００５０】
本実施例では、穴部２Ａの上部に２個、下部に２個の合わせて４個の摩擦接触部６を設けた構成について説明したが、これに限定されるものではない。
【００５１】
次に、前記第１、第２の摩擦接触部保持板５Ａ、５Ｂによる前記摩擦接触部６の設置位置について説明する。
図６には本実施例の超音波振動子１の振動モードが示されている。
図６（Ａ）、図６（Ｂ）に示すように、本実施例の超音波振動子１は、１次縦振動モードと２次屈曲振動モードとを励起させる。なお、本実施例の超音波振動子１は、これら２種類の振動モードがほぼ同一の周波数で励起されるように、その寸法形状が決められている。そして、前記超音波振動子１では、それらの振動モードを重ね合わせて所定の位置に超音波楕円振動を発生させる。したがって、本実施例の超音波振動子１では、前記摩擦接触部６が、このように超音波楕円振動が発生している部位に設けられるようになっている。
【００５２】
また、これらの摩擦接触部６は、図４（Ａ）に示すように、穴部２Ａの上部に配された摩擦接触部６の超音波楕円振動の回転の向きと、穴部２Ａの下部に配された摩擦接触部６の超音波楕円振動の向きとが互いに逆向きとなる位置に設けられている。なお、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に示す駆動方向とは逆方向の駆動時における超音波楕円振動の向きを示している。
【００５３】
次に、本実施例の超音波振動子の製造方法について図１乃至図５を参照しながら説明する。
【００５４】
本実施例の超音波振動子の製造方法では、ＰＺＴの仮焼結粉末とバインダーとを混合して泥しょうを作成し、ドクターブレード法を用いて所定の厚さでフィルム状にキャスティングしてグリーンシート（圧電体層７Ａ、８Ａに相当）を形成する。そして、グリーシートを乾燥した後、フィルムから剥離する。こうして、形成したグリーンシートを複数用意する。
【００５５】
次に、第１のグリーシートに、第１の内部電極９のパターン（図５参照）を有するマスクを用いて電極材料を印刷することにより、図５に示す第１の圧電シート７を形成する。この場合、第１の内部電極９は、銀パラジウム合金（Ａｇ−Ｐｄ）を用いて形成される。
【００５６】
また、第２のグリーシートに、第２の内部電極１０のパターン（図５参照）を有するマスクを用いて電極材料を印刷することにより、図５に示す第２の圧電シート８を形成する。この場合も同様に、第２の内部電極１０は、銀パラジウム合金（Ａｇ−Ｐｄ）を用いて形成される。
【００５７】
そして、これら第１の圧電シート７と第２の圧電シート８とを、第１及び第２の内部電極９、１０同士がちょうど重なるように位置決めを正確に行い、交互に複数枚積層する。その後、積層の最上面には内部電極を印刷してない第３のグリーンシート（圧電シート７Ｂに相当）を積層する。
【００５８】
その後、この第３のグリーンシートを含む第１，第２の圧電シート７、８の積層体をプレスして、この積層体における各グリーンシート間を密着させ、その後、熱圧着する。 そして、熱圧着した前記積層体は、１２００℃程度の温度で焼成され、その後、所定の形状に裁断されることにより、圧電体積層部２に相当する圧電素子が生成される。
【００５９】
前記内部電極露出部９ａ、１０ａ（図５参照）には、銀を焼き付け法にて実施することにより、図１及び図２に示すような帯形状の外部電極３を形成し、また、圧電体積層部２の表面についても同様に銀を焼き付け法にて実施することにより、図１及び図２に示すような帯状の連結導電性膜４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄを形成して、前記外部電極３間をそれぞれ電気的に接続する。そして、これら外部電極３のＡ相（Ａ１＋、Ａ１−間、Ａ２＋、Ａ２−間），Ｂ相（Ｂ１＋、Ｂ１−間、Ｂ２＋、Ｂ２−間）に直流高電圧を印加することにより、分極を行い、圧電特性を持たせるようにする。
【００６０】
そして、図１に示すように、ドリル等の加工機により、前記積層体の圧電体積層部２に対応する中央部分に角状の穴部２Ａを穿設する。なお、この穴部２Ａに関しては前記工程中で、熱圧着後、焼成前に加工機により空けても良い。
【００６１】
その後、前記摩擦接触部６を第１，第２の摩擦接触部保持板５Ａ、５Ｂ（図３（Ａ）、図３（Ｂ）参照）の所定位置にエポキシ接着剤を用いて接着する。そして、この第１，第２の摩擦接触部保持板５Ａ、５Ｂ（図３（Ａ）、図３（Ｂ）参照）を、前記圧電素子の前記穴部２Ａの上部及び下部にエポキシ接着剤を用いて接着する。
【００６２】
こうして、超音波振動子１が形成される。
【００６３】
以上、説明してきた超音波振動子１の動作について図６を参照しながら詳細に説明する。
【００６４】
いま、図１の超音波振動子１の前記Ａ相，Ｂ相に、同位相で所定の周波数の交番電圧を印加するものとする。すると、この超音波振動子１は、１次の縦振動が励起された。また、前記Ａ相，Ｂ相に逆位相で所定の周波数の交番電圧を印加すると、この超音波振動子１は、２次の屈曲振動が励起された。
【００６５】
これらの振動を有限要素法を用いてコンピュータ解析すると、図６（Ａ）に示すような共振縦振動姿勢，及び図６（Ｂ）に示すような共振屈曲振動姿勢が予想され、且つ超音波振動測定の結果、それが実証された。なお、この図６では、摩擦接触部６は省略している。
【００６６】
本実施の形態では、共振周波数に関し、より詳細には屈曲２次振動の共振周波数を１次縦振動の共振周波数より数％程度（望ましくは３％程度）低くなるように設計している。このように構成することで、後で説明する超音波モータとしての出力特性が大幅に向上することになる。
【００６７】
次に、超音波振動子１のＡ相及びＢ相に位相がπ／２異なる所定周波数の交番電圧を印加するものとする、すると、該超音波振動子１の摩擦接触部６の位置で、楕円振動を観測することが出来た。
【００６８】
次に、前記超音波振動子１を用いた超音波モータ２０の構成について図７乃至図９を参照しながら説明する。
【００６９】
図７乃至図９は超音波振動子を用いて構成された超音波モータの構成を説明するもので、図７は超音波モータの構成を示す斜視図、図８は図７の超音波モータに用いられるシャフトを説明するもので、図８（Ａ）はシャフトの構成を示す断面図、図８（Ｂ）はシャフトの超音波振動子への装着方法を説明するためのシャフトの断面図である。また、図９は超音波モータの変形例を示し超音波振動子の構成を示す斜視図である。
【００７０】
図７に示すように、本実施例の超音波モータ２０は、前記構成の超音波振動子１と、この超音波振動子１の穴部２Ａ内に配され、摩擦接触部６に接して押圧されながら前記超音波振動子１に対して相対的に駆動する被駆動部材であるシャフト２１と、を有して構成されている。
【００７１】
被駆動部材であるシャフト２１は、図７に示すように前記穴部２Ａに挿通されるようになっている。このシャフト２１は、図８（Ａ）に示すように、上下に例えばコの字状の切り欠き２１ａを有し、少なくとも上下方向に弾性を有する中空のパイプである。この弾性力は、前記シャフト２１を形成する際の外周の肉厚を調整することにより得られるようになっている。
【００７２】
なお、前記シャフト２１は、例えばステンレス等の材質を用いて構成することが考えられるが、これに限定されることはなく、弾性力を生じる部材、例えば合成樹脂、あるいはそれ以外の部材を用いて構成しても良い。
【００７３】
また、前記切り欠き２１ａには、対摩耗性のある例えばジルコニアセラミクスで構成された摺動部材２２が接着固定されている。
したがって、前記構成のシャフト２１を前記穴部２Ａに挿通した際に、前記超音波振動子１の摩擦接触部６は、前記シャフト２１の上下の切り欠き２１ａに係合すると同時に、このシャフト２１の有する弾性により互いに一定の押圧力を受けながら前記摺動部材２２に接触するようになっている。
【００７４】
なお、本実施例の前記シャフト２１の前記超音波振動子１への装着方法としては、例えば図８（Ｂ）に示すように、予めシャフト２１の各切り欠き２１ａの外周面に接着剤２３を塗布して接着しておく。この接着剤２３としては、例えば熱を加えることによって剥離し易いものが用いられている。
【００７５】
したがって、図８（Ｂ）に示す状態のシャフト２１を前記超音波振動子１の穴部２Ａに挿入し、その後、全体に掛けて熱を加えることにより、前記接着剤２３が剥がれることで、前記シャフト２１は、穴部２Ａ内で図８（Ａ）に示すように弾性力を得た状態となって装着することができるようになっている。
【００７６】
なお、本実施例では、前記シャフト２１の材質として、例えば所定温度にすることによってもとの状態に戻る形状記憶合金を用いれば、前記接着剤２３を用いずとも、弾性力を得た状態にて前記シャフト２１を穴部２Ａ内に装着することも可能である。これにより、装着方法の簡易化を図れる。
【００７７】
次に、前記超音波モータ２０の動作について説明する。
【００７８】
前記Ａ相（Ａ１＋、Ａ１−間、Ａ２＋、Ａ２−間）と、Ｂ相（Ｂ１＋、Ｂ１−間、Ｂ２＋、Ｂ２−間）には、位相がπ／２異なる所定の周波数の交番電圧を印加すると、摩擦接触部６の位置において、１次縦振動と２次屈曲振動を励起させることにより、時計廻り又は反時計廻りの超音波楕円振動が励起できた。
【００７９】
このように超音波振動子１の各摩擦接触部６の位置に超音波楕円振動を発生させたことにより、前記被駆動部材であるシャフト２１が右方向または左方向に駆動することができた。
【００８０】
したがって、本実施例によれば、前記超音波モータ２０は、前記超音波振動子１の超音波楕円振動が発生している振動面に沿った方向に穿設された穴部２Ａ内部に摩擦接触部６を設けたことにより、被駆動部材としてのシャフト２１をその穴部２Ａ内に配設することができた。これにより、超音波モータ２０の小型化を実現できた。
【００８１】
なお、本実施例では、前記超音波振動子１は、積層構造の超音波振動子を用いたが、積層構造でない板状の超音波振動子を用いた場合でも、同様の構成の超音波振動子の作製が可能である。
【００８２】
また、本実施例では、超音波モータ２０を保持する構造に関し、例えば、超音波振動子１全体を振動絶縁性を有するシリコン材で保持しても良く、１次縦振動と２次屈曲振動の共通の節位置に突起部を接合し、それを保持するように構成しても良い。
【００８３】
さらに、本実施例では、前記超音波振動子１は、角形状に構成した穴部２Ａを設けた場合について説明したが、例えば図９の変形例に示すように、円形状に構成した穴部２Ｂを設けて構成しても良い。この場合、前記第１、第２の摩擦接触部保持板５Ａ、５Ｂもこれに合わせて接着面を円形状に構成する必要がある。
【実施例２】
【００８４】
図１０は本発明の超音波振動子の第２実施例の構成を示し、超音波振動子の構成を示す斜視図である。なお、図１０は、前記第１実施例の超音波振動子１と同様に構成要素については同一の符号を付して説明を省略し、異なる部分のみを説明する。
【００８５】
図１０に示すように、本実施例の超音波振動子１Ｂは、圧電体積層部２の構成については第１実施例と同様であるが、前記穴部２Ａではなく、前記超音波振動子１Ｂの超音波楕円振動が発生している振動面と直交する開口を備えた凹部２Ｄを設け、この凹部２Ｄ内の上下面の超音波楕円振動が発生している箇所にそれぞれ２個の摩擦接触部６を接着固定している。
【００８６】
前記凹部２Ｄは、前記第１実施例と同様、積層、プレス後に加工機で形成しても良く、あるいは、焼成後に加工機で形成しても良い。
また、本実施例の超音波振動子１Ｂにおいて、前記摩擦接触部６を設ける位置は前記第１実施例と同様な位置である。
【００８７】
本実施例の超音波振動子を用いて構成される超音波モータは、前記第１実施例と同様に被駆動部材であるシャフト２１を設けることにより、構成することが可能となる。その他の構成、及び作用については、前記第１実施例と同様である。
【００８８】
したがって、本実施例によれば、第１実施例にて用いた第１、第２の摩擦接触部保持板５Ａ、５Ｂを用いずに、直接超音波振動子１Ｂの凹部２Ｄ内部の上下面に接着固定しているので、より小型化の超音波モータを得ることが可能となる。また、被駆動部材であるシャフト２１を凹部２Ｄの開口のある横方向から挿入できるので、超音波モータの組立が容易となる。
【００８９】
本発明は、上述した第１及び第２実施例、変形例に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能である。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
本発明の超音波振動子は、簡単な構成で超音波モータの小型化を図ることができるので、この超音波振動子を用いて超音波モータを構成することにより、コストの低減、超音波モータの小型化及び駆動効率の安定化が望まれる各種電子機器等の駆動源として有効である。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】図１乃至図６は本発明の超音波振動子の第１実施例の構成を示し、図１は第１実施例の超音波振動子を正面から見た斜視図。
【図２】図１の超音波振動子の背面図。
【図３】図１の超音波振動子の穴部に配設される摩擦接触部保持板の構成を示す斜視図。
【図４】組み立てられた本実施例の超音波振動子の断面図。
【図５】圧電体積層部の要部分解斜視図。
【図６】本実施例の超音波振動子の動作状態を示す斜視図。
【図７】図７乃至図９は超音波振動子を用いて構成された超音波モータの構成を説明するもので、図７は超音波モータの構成を示す斜視図。
【図８】図７の超音波モータに用いられるシャフトを説明するための断面図。
【図９】超音波モータの変形例を示し超音波振動子の構成を示す斜視図。
【図１０】本発明の超音波振動子の第２実施例の構成を示し、超音波振動子の構成を示す斜視図。
【符号の説明】
【００９２】
１…超音波振動子、
２…圧電体積層部、
２Ａ、２Ｂ…穴部、
２Ｄ…凹部、
３…外部電極、
４、４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ…連結導電性膜、
５Ａ…第１の摩擦接触部保持板、
５Ｂ…第２の摩擦接触部保持板、
６…摩擦接触部、
７…第１の圧電シート、
７Ａ、８Ａ…圧電体層、
７Ｂ…圧電シート、
８…第２の圧電シート、
９…第１の内部電極、
１０…第２の内部電極、
９ａ、１０ａ…内部電極露出部、
２０…超音波モータ、
２１…シャフト、
２１ａ…切り欠き、
２２…摺動部材、
２３…接着剤。
代理人 弁理士 伊 藤 進
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の振動モードと第２の振動モードを同時に励起して超音波楕円振動を発生させる超音波振動子において、
前記超音波振動子の前記超音波楕円振動が発生している振動面に沿った方向に穿設された穴部を有し、この穴部内の前記超音波楕円振動が発生している部位に摩擦接触部を配設したことを特徴とする超音波振動子。
【請求項２】
第１の振動モードと第２の振動モードを同時に励起して超音波楕円振動を発生させる超音波振動子において、
前記超音波振動子の前記超音波楕円振動が発生している振動面と直交する開口を備えた凹部を有し、この凹部内の前記超音波楕円振動が発生している部位に摩擦接触部を配設したことを特徴とする超音波振動子。
【請求項３】
前記第１の振動モードは縦振動であり、前記第２の振動モードは屈曲振動であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超音波振動子。
【請求項４】
前記穴部もしくは前記凹部の断面形状が、矩形状、もしくは円形状であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超音波振動子。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか１つに記載の超音波振動子と、
前記超音波振動子の前記穴部内、もしくは前記凹部内に配され、前記摩擦接触部に接して押圧されながら前記超音波振動子に対して相対的に駆動する被駆動部材と、
を具備したことを特徴とする超音波モータ。
【請求項６】
前記被駆動部材は、前記超音波振動子の前記摩擦接触部と接して押圧がかかる方向に少なくとも弾性を有する弾性部材からなることを特徴とする請求項５に記載の超音波モータ。
【請求項１】
第１の振動モードと第２の振動モードを同時に励起して超音波楕円振動を発生させる超音波振動子において、
前記超音波振動子の前記超音波楕円振動が発生している振動面に沿った方向に穿設された穴部を有し、この穴部内の前記超音波楕円振動が発生している部位に摩擦接触部を配設したことを特徴とする超音波振動子。
【請求項２】
第１の振動モードと第２の振動モードを同時に励起して超音波楕円振動を発生させる超音波振動子において、
前記超音波振動子の前記超音波楕円振動が発生している振動面と直交する開口を備えた凹部を有し、この凹部内の前記超音波楕円振動が発生している部位に摩擦接触部を配設したことを特徴とする超音波振動子。
【請求項３】
前記第１の振動モードは縦振動であり、前記第２の振動モードは屈曲振動であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超音波振動子。
【請求項４】
前記穴部もしくは前記凹部の断面形状が、矩形状、もしくは円形状であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超音波振動子。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか１つに記載の超音波振動子と、
前記超音波振動子の前記穴部内、もしくは前記凹部内に配され、前記摩擦接触部に接して押圧されながら前記超音波振動子に対して相対的に駆動する被駆動部材と、
を具備したことを特徴とする超音波モータ。
【請求項６】
前記被駆動部材は、前記超音波振動子の前記摩擦接触部と接して押圧がかかる方向に少なくとも弾性を有する弾性部材からなることを特徴とする請求項５に記載の超音波モータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００６−２１１１５（Ｐ２００６−２１１１５Ａ）
【公開日】平成１８年１月２６日（２００６．１．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２０１０８７（Ｐ２００４−２０１０８７）
【出願日】平成１６年７月７日（２００４．７．７）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１月２６日（２００６．１．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年７月７日（２００４．７．７）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
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