JPH027875A - 超音波振動子およびこの振動子を有する駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、圧電素子等の電気・機械変換素子を振動源と
して用いた超音波振動子およびこの振動子を有する駆動
装置に関する。

［従来の技術］ 最近、電磁型モータに代わる新しいモータとして超音波
モータが脚光を浴びている。この超音波モータは原理的
に新しいというだけでなく、従来の電磁型モータに比べ
て次のような利点を有している。

■　薄型、軽量、コンパクトである。

■　ギヤなしで低速・高トルクが得られる。

■　部品構成が単純で信頼性が高い。

■　磁気的影響の授受がない。

■　バックラッシュがなく位置決めが容易である。

かくしてこれらの利点を生かすべく、種々の応用技術の
研究が進められている。

超音波モータは大きくは円環型とリニア型に分けられる
。第１４図〜第１７図はリニア型の超音波モータの従来
例を示す図である。

第１４図は第１の従来例を示す図である。図中左側のラ
ンジュバン型圧電振動子１を振動させて、ホーン２の先
端を弾性体からなる伝播棒３につきあてると、伝播棒３
には屈曲進行波が発生する。

この屈曲進行波は実線矢印りで示すように伝播棒３を右
方向に伝播して行く。そしてこの進行波は伝播棒３の右
端につきあてられている同様なホーン４を介してランジ
ュバン型圧電振動子５を励振させる。この時、図のＬと
Ｒとを適当に選択してインピーダンスマツチングさせ、
上記進行波のエネルギーをすべて吸収させる。こうする
と上記進行波は常に定常的に左方から右方に進むことに
なる。

さてこのような屈曲進行波の生じている伝播棒３の表面
にスライダー６をある一定の押圧力で圧接保持させると
、スライダー６は実線矢印Ｈで示すように図中左方向へ
と移動していく。

第１５図は上記伝播棒３の屈曲進行波とスライダー６と
の関係を模式的に示す斜視図である。なお同図中３Ａは
伝播棒３に相当する弾性体、６Ａはスライダー６に相当
する移動体である。第１５図に示すように弾性体３Ａの
質点Ｐは楕円軌跡を描いている。したがってこの図中左
回りの楕円軌跡を描いている弾性体３Ａの上に移動体６
Ａを所定圧力で圧接させると、移動体６Ａはその進行波
の進行方向りとは逆方向すなわち図中左方向に駆動され
る。なお進行波の伝搬方向を逆にすれば、移動体６Ａは
図中右方向へ駆動される。

第１６図は他の従来例の構成を示す図である。

ランジュバン型振動子７の先端には振動片８が取付けら
れている。そして上記振動体８の先端がスライダ６Ｂに
対し、このスライダ６Ｂの面の法線に対して所定の角度
θだけ傾斜した状態で、一定の押圧力で接触している。

このランバジュ型振動子７に対して交流電源９からラン
バジュ型振動子の固有振動数と同一の周波数の交流電圧
を印加すると、ランジュバン型振動子７は縦振動を行な
う。

このとき振動片８の先端がスライダ６Ｂに所定角度θで
当接していることから、横振動をも行なう。

これらの振動の合成により振動片８の先端は楕円軌跡を
描く。かくしてスライダ６Ｂは図中矢印で示すように左
の方向に移動する。

第１７図はさらに別の従来例を示す図で、特開昭６２−
１３５２７８号により開示された振動子の構成を示して
いる。矩形状をなす導電性の振動子１０の両面には圧電
素子１１．．１２が接着されている。この圧電素子１１
．１２からは電圧印加用のリード端子Ａ、Ｂが引出され
ており、振動子１０からは、接地端子Ｅか引き出されて
いる。振動子１０の形状は、この振動子１０の縦振動の
共振周波数とたわみ振動の共振周波数とが一致するよう
な形状となっている。かくして上記リード端子Ａ、Ｂに
上記共振周波数を有する交流電圧を一定の位相差をもっ
て印加すると、振動子１０の端面Ｓの質点が楕円運動を
行なう。そこでスライダ６Ｃを上記端面Ｓに対して一定
の力で押圧すると、このスライダ６Ｃは図中矢印ＨＨの
方向に移動する。この移動方向は端子Ａと端子Ｂとに印
加する電圧の位相差により決定される。

［発明が解決しようとする課題］ 第１４図〜第１７図に示した超音波モータは、振動子の
質点における楕円軌跡運動のエネルギを移動体（スライ
ダー）へ摩擦により伝達することを基本原理としている
。

第１４図に示した第１の従来例では、伝搬環３の全体に
進行波を発生させなければならない為、効率が悪い上、
装置全体が大型化してしまうという問題があった。また
第１６図に示した第２の従来例ではスライダ６Ｂの進行
方向が一方向に限定される上、第１の従来例と同様に装
置全体が大型化してしまうという問題があった。さらに
第１７図に示す第３の従来例では振動子１０の両面に接
着した圧電素子１１と１２とで振動出力を得るものであ
るため、スライダ６Ｃを移動するための大きな力を確保
することが困難である。より大きな振動出力を得るべく
上記振動子１０の側面に接着する圧電素子１１．１２の
枚数を増やすと、その分だけ装置が大型化してしまうと
いう欠点があった。また上記第１７図に示した従来例は
振動子１０の縦振動とたわみ振動とを合成して楕円振動
を発生させようとするものであるが、両振動がいずれも
共振状態でないと大きな出力が得られない。

よって縦振動の共振周波数とたわみ振動の共振周波数を
一致させる必要がある。この為に、トライアンドエラー
で振動子１０の形状を決めていかねばならず、大きな労
力を要し、製作が容易でないという問題があった。

そこで本発明の目的は、コンパクトでエネルギー変換効
率が良く、しかも大きな振動出力を取出すことができ、
リニアモータとして用いた場合に駆動対象物を可逆的に
移動可能である上、設計上の制約が少なく、製作容易な
超音波振動子およびこの振動子を有する駆動装置を提供
することにある。

［課題を解決するための手段］ そこで本発明は上記課題を解決し目的を達成するために
次のような手段を講じた。（１）板状の圧電素子を複数
枚積層してなる圧電積層部材の一方の端面に振動出力を
取出す上台を設け他方の端面に基板としての下台を設け
てなる圧電積層体と、この圧電積層体の側面部に設けら
れた圧電素子と、上記圧電積層体と圧電素子とから発生
する振動の合成を制御して上記上台を任意の方向に振動
させる手段とを備えるようにした。

（２）上記圧電素子を上記上台と下台とを連結するよう
に上記圧電積層体の側面部に設けるようにした。

（３）上記圧電素子を上記下台または上台の側面部にの
み設けるようにした。

（４）前記（１）又は（２）又は（３）の超音波振動子
と、この超音波振動子の上台に接触する可動部材とから
なり、この可動部材を任意の平面方向に移動させるよう
に構成した。

［作用］ 〜上記手段を講じたことにより次のような作用を呈する
。圧電積層体と、この圧電積層体に取付けた圧電素子と
を振動させると、発生した縦方向および横方向の振動が
合成されると共に、その合成状態が制御されるので、振
動子上の質点が任意な大きさおよび態様の楕円振動また
は傾斜往復振動を行なう。そこで振動子の上面に可動部
材を接触させると、可動部材は所定方向へ移動する。こ
の場合、振動源の主体として積層型の圧電アクチエータ
を用いているので、本質的に大きな機械的出力を取出せ
得る上、駆動電源の周波数を従来のように弾性体の固有
振動数に合わせなくても大きな機械的出力が取出せるの
で、非共振で駆動してもよく、そのため設計上の制約が
少なく、製作し易いものとなる。

［第１実施例］ 第１図〜第５図は本発明の第１実施例の構成を示す図で
、第１図（ａ）は超音波楕円振動子の斜視図、第１図（
ｂ）は同振動子の上面図である。

振動子２０は板状の圧電素子２１を多数枚積層してなる
圧電積層部材２５と、圧電素子２２と、上台２３と、下
台２４とにより構成されている。上記圧電素子２１．２
２はＰＺＴ等の圧電セラミックスの両面に、焼付は銀ま
たはＮｉのスパッタリング処理またはＮ１のメツキ処理
などにより電極を付け、この電極に接地用および電圧印
加用のリード線を接続したものとなっている。上記圧電
素子２１は分極方向が交互に逆になるように数枚〜数十
枚重ねられ、エポキシ等の接着剤により接着して積層さ
れ、圧電積層部材２５となっている。

上台２３はステンレス鋼等の金属またはアルミナ等のセ
ラミックス材から成り、所定の厚みを持った四角板であ
る。この上台２３は圧電積層部材２５の上面に接着され
ている。上台２３の上面中央部には半球状の突起部２６
が設けられている。

下台２４は上台２３と同じ材質からなり、上記圧電積層
部材２５の下面に接着されている。またこの下台２４に
は、基台（不図示）に対して容易に取付は得るようにネ
ジ穴（不図示）が形成されている。圧電積層部材２５に
上台２３．下台２４゜により圧電積層体が構成されてい
る。

圧電積層部材２５を構成するそれぞれの圧電素子２１に
接続されている電極は一層おきにコモン接続され、この
コモン接続された一方は、電圧印加用のリード線を介し
て端子Ａに接続され、他方は、接地用のリード線を介し
て接地されている。

圧電素子２２は第１図（ｂ）に示すように一対の圧電素
子２２ａと圧電素子２２ｂとからなり、圧電積層体の両
側に、相対向するような状態でしかも分極方向が同一方
向となる様に絶縁部材（不図示）を介して接着されてい
る。上記圧電素子２２ａ、２２ｂの接着面側の電極は接
地されており、外面側の電極は電圧印加用のリード線を
介して端子Ｂに共通に接続されている。

第２図は振動子２０を振動させるための駆動回路の構成
を示す図である。３０は周波数ｆの交流を出力する交流
電源であり、この電源３０の出力は一方において移相器
３１．電力増幅器３２を介して端子Ｂに与えられ、他方
において電力増幅器３３を介して端子Ａに与えられる。

移相器３１は交流電源３０から出力される交流の位相を
０〜３６０°まで移相可能なものである。電力増幅器３
２．３３は交流電源３０または移相器３１からの交流電
力を増幅するためのものである。

次にこのように構成された本実施例の振動子２０の動作
について第３図〜第５図を適時参照して説明する。交流
電源３０からの周波数ｆの交流が電力増幅器３３で増幅
されて端子Ａに与えられると、振動子２０は第３図（ａ
）に示すような縦振動を行なう。この縦振動の１／４波
長共振の共振周波数ｆｅは電気入力周波数に比べて十分
高い周波数となる。すなわち上記縦振動は非共振による
振動である。他方、交流電源３０からの交流が移相器３
１によりその位相を０〜３６０’の範囲で移相された状
態で、電力増幅器３２により増幅されて端子Ｂに与えら
れると、振動子２０は第３図（ｂ）に示すような横振動
すなわちベンディング振動を行なう。このときベンディ
ング振動における１／４波長共振の共振周波数ｆｂを電
気入力周波数と一致させることにより共振駆動させる。

上記二つの振動を同時に励起させ、かつ移相制御を行な
うと、突起部２６は第４図（ａ）〜（ｉ）に示すような
各種の軌跡を描くことになる。

振動子２０をリニアモータとして用いる場合には（ｃ）
、（ｇ）なる楕円軌跡が得られれば良い。

また電力増幅器３２．３３の増幅率を変えることこより
、第５図に示す楕円軌跡の成分ｖ、ｕの大きさを変化さ
せる事が可能である。

第６図は振動子２０の変形例を示す斜視図である。本変
形例は、第１図（ａ）で示した振動子２０の圧電素子２
２ａ、２２ｂが圧電積層体の側面全域に密管した状態に
接着されていたのに対し、圧電素子２２ａ、２２ｂを上
記積層部材２５の積層面の面積より大きな面積を有する
上台２３および下台２４に対して橋渡しするような状態
で接着した例である。このようにしても第１図に示した
振動子２０と同様に作動する。

第７図（ａ）（ｂ）は他の変形例を図である。

本変形例は下台２４としてステンレス鋼などの金属また
はアルミナ等のセラミックス材からなる四角柱状のもの
を用い、この下台の側壁に圧電素子２２ａ、２２ｂを接
着させた例である。本変形例においても、第１図示の振
動子２０とほぼ同様に作動する。

なお上記した実施例においては圧電素子２２ａ。

２２ｂとして単板を用いた例を示したが、例えばベンデ
ィング振動の出力を大きくするために圧電素子２２を多
数枚積層してもよい。このようにした場合には、第３図
（ｂ）に示すベンディング振動を非共振で発生させるよ
うにしても大変位を得ることが可能なので、結局前記第
３図（ａ）に示す縦振動および第３図（ｂ）に示すベン
ディング振動を、共に非共振で発生させることが可能で
ある。また圧電積層部材２５として、板状の圧電素子２
１をエポキシ樹脂等の接着剤などで接着したものを示し
たが、グリーンシートの両面に白金等の電極を印刷し、
積層、プレス後に一体焼成することによって作られた圧
電積層部材であっても良い。

第８図（ａ）〜（ｄ）は、上述した振動子２０を用いた
駆動装置の構成を示す図である。第８図（ａ）に示すよ
うに板状のスライダ４０を振動子２０の突起部２６に対
して一定の押圧力により接触させる。この場合、上記ス
ライダ４０を突起部２６に対し一定の力で押圧する手段
としては、第８図（ｂ）に示すように、コロとバネとを
備えた抑圧機構４１によるものが考えられる。このよう
な抑圧機構４１を用いれば、スライダ４０は振動子２０
に対して一定の力で押圧された状態で矢印に示す如くス
ムーズに移動可能となる。またスライダ４０が突起部２
６に圧接する部分に、第８図（ｃ）に示すような断面コ
の字形の溝４２を設け、この溝４２の内底面に対して突
起部２６が第８図（ｄ）に示す如く係合させれば、上記
溝４２によるガイド作用により、スライダ４０を真すぐ
に移動させ得る。

圧電積層体と、この圧電積層体に取付けた圧電素子２２
ａ、２２ｂとを振動させると、発生した縦方向および横
方向の振動が合成されると共に、その合成状態が制御さ
れるので、振動子１０上の質点が任意な大きさおよび態
様の楕円振動または傾斜往復振動を行なう。そこで振動
子１０の上面に可動部材を接触させると、可動部材は所
定方向へ移動する。この場合、振動源の主体として積層
型の圧電アクチエータを用いているので、本質的に大き
な機械的出力を取出せ得る上、駆動電源の周波数を従来
のように弾性体の固有振動数に合わせなくても大きな機
械的出力が取出せるので、非共振で駆動してもよく、そ
のため設計上の制約が少なく、製作し易いものとなる。

［第２実施例］ 第９図（ａ）（ｂ）は本発明の第２実施例を示す図で、
（ａ）は超音波楕円振動子の斜視図、（ｂ）は同振動子
の上面図である。なお第１図に示した超音波楕円振動子
と同一部分には同一符号を付し、詳細な説明は省略する
。本実施例が第１実施例と相違する点は、一対の圧電素
子２２ａ。

２２ｂと同様に構成された他の一対の圧電素子５１　（
５１ａ、　　５１　ｂ）を圧電積層体の他の二側面に対
して接着した点である。なお上記圧電素子５１ａ、５１
ｂの電極のうち、一方は電圧印加用のリード線を介して
端子Ｂ′に接続され、他方は接地用のリード線を介して
接地されている。

第１０図は上記振動子５０を振動させるための回路の構
成を示す図である。移相器３１からの出力を２分岐し、
電力増幅器３２．３２’　によってそれぞれ電力増幅が
可能なように接続する。電力増幅器３２は端子Ｂに、電
力増幅器３２′は端子Ｂ′にそれぞれ接続される。かく
して交流電源３０からの周波数ｆなる交流は移相器３１
により所要の移相（０〜３６０°）が行なわれた後、電
力増幅器３２．３２’　により電力増幅され、端子Ｂ、
Ｂ’　を介して圧電素子２２ａ、２２ｂおよび５１ａ　
　５１ｂに印加される。

第１１図は第９図に示す振動子５０とスライダ５２とを
示す斜視図である。端子Ａに電圧が印加されると、振動
子５０には第３図（ａ）に示すような縦振動が第９図に
示すＺ軸方向に生じる。また端子Ｂに電圧が印加される
と、振動子５０には第３図（ｂ）に示すようなベンディ
ング振動が第９図に示すＸ軸方向に生じる。さ・らに端
子Ｂ′に電圧が印加されると、振動子５０には第３図（
ｂ）に示すようなペンプディング振動が第９図に示すＹ
軸方向に生じる。

本実施例の振動子５０の特徴は、上記の三つの振動を合
成した楕円軌跡運動を発生させ得ると共に、かつその楕
円軌跡を含む面がＺ軸を含む任意の面に一致させるよう
に制御することが可能な点である。例えば電力増幅器３
２′の増幅度を「０」にし、電力増幅器３２．３３の増
幅度をある（直として各端子に電圧を印加すると、突起
部２６は第１１図に示すＸ−Ｚ平面内において第４図（
ａ）〜（ｉ）に示すような軌跡を描くことになる。また
、電力増幅器３２の増幅度を「０」にし、電力増幅器３
２’　、３３の増幅度をある値として各端子に電圧を印
加すると、突起部２６は第１１図に示すＹ−Ｚ平面内に
おいて第４図（ａ）〜（ｉ）に示すような軌跡を描くこ
とになる。したがって電力増幅器３２．３２’の増幅度
を適宜調整すれば、突起部２６の楕円軌跡をＺ軸を含ん
だ任意な面に一致させることができる。その結果、突起
部２６に所定の力で押圧されているスライダ５２をＸ−
Ｙ平面内の任意方向に移動させ得るものとなる。上記の
点以外は第１実施例と同様の作用効果を奏する。

第１２図および第１３図は上記した第２実施例の変形例
を示す図であって、第１実施例における変形例（第６図
、第７図）と同様の趣旨による変形例である。すなわち
第１２図の例は圧電素子２２ａ、２２ｂおよび５１ａ、
５１ｂを、圧電積層部材２５の積層面の面積より大きな
面積の上台２３および下台２４に対して橋渡しするよう
な状態で接着させた例である。また第１３図の例は下台
２４を四角柱のものとなし、その側面に圧電素子２２ａ
、２２ｂおよび５１ａ、５１ｂを接着した例である。

なお上述した第２実施例において各振動子を駆動する周
波数ｆと、縦振動周波数ｆｅおよびベンディング振動周
波数ｆｂを一致させた場合、その周波数が可聴域にある
と、この振動子は人に対するノイズ源となる。このため
、上記周波数ｆｅ。

ｆｂが超音波領域すなわち２０　ｋ　Ｈｚ以上となるよ
うに振動子を設計することが望ましい。

なお本発明は上述した各実施例および変形例に限定され
るものではなく、本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のは勿論である。

［発明の効果］ 本発明によれば、コンパクトでエネルギー変換効率が良
く、しかも大きな振動出力を取出すことができ、リニア
モータとして用いた場合に駆動対象物を可逆的に移動可
能である上、設計上の制約が少なく、製作容易な超音波
振動子およびこの振動子を有する駆動装置を提供できる
。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）（ｂ）〜第８図（ａ）〜（ｄ）は本発明の
第１実施例を示す図であり、第１図（ａ）（ｂ）は振動
子の斜視図および上面図、第２図は同振動子の駆動回路
の構成図、第３図（ａ）（ｂ）は振動子の動作モードを
示す略式側面図、第４図（ａ）〜（ｉ）は第３図（ａ）
（ｂ）に示す動作モードを合成した場合の突起部の軌跡
を示す図、第５図は楕円軌跡の縦および構成分を示す図
、第６図は同振動子の変形例を示す斜視図、第７図（ａ
）（ｂ）は同振動子の他の変形例を示す斜視図、第８図
（ａ）〜（ｄ）は同振動子を用いた駆動装置の構成を示
す図である。第９図（ａ）（ｂ）〜第１３図（ａ）（ｂ
）は本発明の第２実施例を示す図であり、第９図（ａ）
（ｂ）は振動子の斜視図および上面図、第１０図は同振
動子の駆動回路の構成図、第１１図はスライダ及び振動
子の斜視図、第１２図は同振動子の変形例を示す斜視図
、第１３図（ａ）（ｂ）は同振動子の他の変形例を示す
斜視図である。第１４図〜第１７図は従来の超音波リニ
アモータを示す図であり、第１４図は従来の超音波リニ
アモータの構成を示す図、第１５図は同従来例の弾性体
に生ずる進行波を示す図、第１６図は他の従来例の構成
を示す図、第１７図はさらに別の従来例の構成を示す図
である。 １．５，２０．５０・・・振動子、６，４０．４１５２
−７．ライダ、２１，２２ａ、２２ｂ、５１ａ。 ５］−ｂ・・・圧電素子、２３・・・上台、２４・・・
下台、２５・・・圧電積層部材、２６・・・突起部、３
０・・・交流電源、３１・・・移相器、３２．３２’　
、３３・・・電力増幅器。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）板状の圧電素子を複数枚積層してなる圧電積層部
   材の一方の端面に振動出力を取出す上台を設け他方の端
   面に基板としての下台を設けてなる圧電積層体と、この
   圧電積層体の側面部に設けられた圧電素子と、上記圧電
   積層体と圧電素子とから発生する振動の合成を制御して
   上記上台を任意の方向に振動させる手段とを具備したこ
   とを特徴とする超音波振動子。
2. （２）上記圧電素子を上記上台と下台とを連結するよう
   に上記圧電積層体の側面部に設けたことを特徴とする請
   求項１に記載の超音波振動子。
3. （３）上記圧電素子を上記下台または上台の側面部にの
   み設けたことを特徴とする請求項１に記載の超音波振動
   子。
4. （４）請求項１または２または３に記載の超音波振動子
   と、この超音波振動子の上台に接触する可動部材とから
   なり、この可動部材を任意の平面方向に移動させるよう
   に構成したことを特徴とする超音波振動子を有する駆動
   装置。