JPH06246232A - 超音波振動子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 耐久性および信頼性が高い超音波振動子を提
供する。 【構成】 共振体本体６ａとベース下部５ａで構成され
る基体となる弾性体と、この基体となる弾性体の第１の
面に固定され交流信号が印加されることにより該弾性体
を振動させる積層型圧電素子４と、上記基体となる弾性
体の第１の面上で該弾性体と一体化されるとともに上記
積層型圧電素子４を挟持する凸部６ｂおよびベース上部
５ｂで構成される補助弾性体とからなる超音波振動子１
において、上記補助弾性体により上記積層型圧電素子４
を挟持し、該積層型圧電素子４を微小長さ圧縮した状態
でこれらを上記弾性体に一体化して、圧電素子４の伸長
による絶縁破壊が起こらない構成とした超音波振動子
１。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波振動子、より詳
しくは、積層型の電気−機械エネルギー変換素子に交流
信号を印加することで振動を発生す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て以下のような利点
を有している。 （１） ギヤーを用いることなく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） 静粛性に富んでいる。 （５） 磁気的ノイズを発生せず、また該ノイズの影響
を受けることもない。

【０００３】このような種々の利点を有する超音波モー
タは、その駆動方法により回転型とリニア型に大別する
ことができる。これらの内のリニア型の超音波モータに
関して、本出願人は以前に圧電素子の圧電縦効果に着目
して、電気−機械変換効率が高くしかも低電圧で駆動で
きる超音波リニアモータを提案している。このリニアモ
ータは、楕円振動を励振する超音波振動子により、該超
音波振動子に圧接した被駆動部材を駆動するものであ
る。

【０００４】このリニアモータに用いる超音波振動子の
斜視図を図１６に示す。この超音波振動子５１は、その
振動の発生源として複数の積層型圧電素子４を有してい
て、図には２つの積層型圧電素子４を有する超音波振動
子５１を示している。これら２つの積層型圧電素子４の
間に保持用弾性体５３を挟持するとともに、その両側を
保持用弾性体５３により挟み込まれている。なお、該各
々の積層型圧電素子４の両端部は、保持用弾性体５３に
対して付き当てで接合保持されている。そして、これら
を基本弾性体５２上に載置して各部材を接合することに
より超音波振動子５１が構成されている。

【０００５】そして上述の構成において、上記積層型圧
電素子４に交流信号を印加することにより、該積層型圧
電素子４に縦振動および屈曲振動を発生させ、これらの
振動を弾性体により増幅するとともに合成して、該弾性
体の端面に超音波楕円振動を起こす。このような楕円振
動の振幅が最大に励振される弾性体の端面に摺動部材５
５を接合し、この摺動部材５５を介して図示しない被駆
動部材を押圧している。このようにして、超音波振動子
５１に対して被駆動部材が相対的に移動するリニアモー
タを構成している。

【０００６】このような超音波振動子５１では、駆動時
に過大な引張力が積層型圧電素子４にかかって同圧電素
子４が破壊されるのを防止するために、駆動中も常に圧
縮応力がかかっている状態に積層型圧電素子４を保つこ
とが必要である。

【０００７】本出願人は先の出願において、保持用弾性
体５３を基本弾性体５２にネジ５４および接着剤により
接合する方法を提案している。しかしこの接合方法で製
造された超音波振動子５１の構造では、積層型圧電素子
４に十分な圧縮応力を印加することは難しかった。この
ため、超音波振動子５１の駆動時に、縦振動の共振周波
数に対応する交番電圧を印加すると同時に、積層型圧電
素子４を伸長させるためのＤＣバイアス電圧を印加し、
見掛け上積層型圧電素子４に十分な圧縮応力を印加する
ことが必要であった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述のように従来の超
音波リニアモータは、常にＤＣ電圧を印加する必要があ
るため、高湿度時に積層型圧電素子が絶縁破壊する可能
性があり、耐久性および信頼性において問題があった。
しかも駆動回路が複雑になり、特にカメラ等への搭載を
考慮した場合に、回路スペースやコスト面等の問題点も
あった。

【０００９】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであり、耐久性および信頼性が高い超音波振動子を提
供することを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段および作用】上記の目的を
達成するために、本発明による超音波振動子は、基体と
なる弾性体と、この弾性体の第１の面に固定され交流信
号が印加されることにより該弾性体を振動させる積層型
の電気−機械エネルギー変換素子と、上記弾性体の第１
の面上にて該弾性体と一体化されるとともに上記電気−
機械エネルギー変換素子を挟持する補助弾性体とからな
る超音波振動子において、上記補助弾性体により上記電
気−機械エネルギー変換素子を挟持し、該電気−機械エ
ネルギー変換素子を微小長さ圧縮した状態にてこれらを
上記弾性体に一体化することを特徴とする超音波振動
子。

【００１１】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。図１ないし図６は、本発明の第１実施例を示した
ものである。図１に示すように、超音波振動子１の弾性
体は、直方体形状のベース５と、これを両側から挟み込
む２つの共振体６とから構成される。この共振体６は、
直方体形状の共振体本体６ａから超音波振動子１の側部
となる側の上部に凸部６ｂを突設していて、これらによ
り上記ベース５に対向する側の上部に切欠部６ｃを構成
している。この切欠部６ｃの形状は、後述する積層型圧
電素子４を押圧して組み立てたときの大きさににほぼ相
当する形状であり、その長さは該積層型圧電素子４の長
さｌpよりも微小長さΔｌだけ短いものである。

【００１２】上記の各部材を、図２に示すように組み合
わせる。すなわち、共振体６の切欠部６ｃに電気−機械
エネルギー変換素子である積層型圧電素子４を載置し、
ベース５に対して両側から挟み込んで圧着力をかけると
ともに、上下方向にも圧着力をかける。このとき、積層
型圧電素子４の長さと共振体６の切欠部６ｃの長さの差
異Δｌにより、積層型圧電素子４がΔｌだけ圧縮された
状態となる。この圧着力を印加したままの状態で、図３
に示すように、レーザ光により共振体６とベース５とを
スポット溶接してスポット溶接部７を形成する。すると
このレーザ溶接によるスポット溶接部７は、図４の断面
図に示すように深い溶け込みとなり、ベース５と２つの
共振体６は一体化してほぼ連続した１つの部材となる。

【００１３】このとき、上記共振体６の凸部６ｂと、上
記ベース５の上部５ｂとで、圧電素子４を圧縮保持する
補助弾性体である保持用弾性体を構成する。そして、ベ
ース５の残りの下部５ａおよび共振体本体６ａとで基体
となる弾性体である基本弾性体を構成する。そして、上
述のようにスポット溶接を行った後は、圧着力を開放す
れば、図５に示すような超音波振動子１を得ることがで
きる。

【００１４】こうして、圧縮応力が積層型圧電体に常に
印加されている超音波振動子を構成することができる。
また、この圧縮応力は、各部材の寸法を調整することに
より、容易に制御され得るという利点を有する。

【００１５】このような第１実施例によれば、積層型圧
電素子には、停止時，駆動時とも圧縮応力が常に印加さ
れているため、駆動にはＡＣ電圧の印加だけでよくＤＣ
バイアス電圧を必要とせず、圧電素子の絶縁破壊等が生
じにくい。そして、溶接により各弾性体の接合を行った
ため全体が一体化してほぼ均一となり、縦振動と屈曲振
動の共振周波数の不一致が生じることはない。こうし
て、耐久性および信頼性が高い超音波振動子とすること
ができる。

【００１６】なお、この第１実施例に示したものとは異
なる形状に分割した弾性体により、上記と同様の超音波
振動子を構成することも可能である。例えば、図６に示
すように、曲げ応力が０となる線の近傍で分割すること
も、このような他の分割手段の一例である。すなわち、
この共振体８は、上記第１実施例のベース５の下部５ａ
を中央で縦半分に分割して、これらをそれぞれ上記２つ
の共振体６と一体に設けたものである。このような形状
の共振体６と、上記ベース５の上部５ａに相当する部材
９と、積層型圧電素子４とを上述のように圧力をかけな
がら組み立てた後、レーザスポット溶接等で接合すれば
良い。

【００１７】この図６に示した例によれば、上記の分割
形状により、接合部に印加される剪断応力をより減少さ
せることができるため、より高い信頼性を有する超音波
振動子とすることができる。

【００１８】図７ないし図１０は、本発明の第２実施例
を示したものである。この第２実施例は、上記第１実施
例とほぼ同様であるので、異なる部分のみを説明する。
図７に示すように、超音波振動子１の弾性体は、２つの
共振体１１ａ，１１ｂと補助弾性体である保持用弾性部
材１２から構成される。２つの共振体１１ａ，１１ｂ
は、互いに接続する部分に雄雌の嵌合部を設けていて、
共振体１１ａは凸部１３ａを、共振体１１ｂは凹部１３
ｂを有している。またこれら共振体１１ａ，１１ｂに
は、上記第１実施例と同様に、積層型圧電素子４を嵌合
するための切欠部１４ａ，１４ｂが設けられている。

【００１９】このような共振体１１ａの切欠部１４ａの
長さｌR2および共振体１１ｂの切欠部１４ｂの長さｌR1
は、積層型圧電素子４の長さｌpおよび保持用弾性部材
１２の長さｌbと、以下に示す関係がある。

【００２０】ｌR1＋ｌR2−ｌb＋２Δｌ＝２ｌp ここに△ｌは微小長さである。

【００２１】上記各部材の互いに接合する部分に、図８
に示すように接着剤１５を塗布し、その後図９に示すよ
うに上方、下方、両側方から圧着力を掛けて圧接する。
このとき、２つの積層型圧電素子４の長さ２ｌpと、共
振体１１ａ，１１ｂの切欠部１４ａ，１４ｂと保持用弾
性部材１２に挟まれた部分の長さｌR1＋ｌR2−ｌbとの
差異２Δｌにより、２つの積層型圧電素子４がそれぞれ
Δｌだけ圧縮された状態となる。この圧着力を印加した
ままの状態で接着剤１５を硬化させ、その後に圧着力を
開放して、図１０に示すような超音波振動子１を得る。

【００２２】なお、上記積層型圧電素子４は、フレキシ
ブル性のある樹脂被覆をしたものを用いている。（この
ような積層型圧電素子は、例えば市販品の一例として、
（株）トーキンのＮＬＡシリーズが上げられる。） このような第２実施例によれば、上記第１実施例とほぼ
同様の効果を有するとともに、接着剤の硬化を例えば１
００℃以下のキュリー点より低い温度で行うことが可能
であるため、圧電素子が加熱により消極，減極すること
がなく、品質が劣化することがないという利点を有して
いる。

【００２３】図１１ないし図１５は、本発明の第３実施
例を示したものである。この第３実施例は、上記第１，
第２実施例とほぼ同様であるので、異なる部分について
のみ説明する。図１１に示すように、超音波振動子１の
弾性体は、上端中央部に直方体形状の凸部２１ａを有す
る共振体２１と、上記凸部２１ａとほぼ等しい高さを有
し、角部に傾斜面２２ａを有する補助弾性体である２つ
の保持用弾性部材２２とから構成される。

【００２４】上記の各部材に、図１２に示すように接着
剤１５を塗布し、その後図１３に示すように、上記保持
用弾性部材２２の傾斜面２２ａに対応する斜面２３ａを
有する押圧部材２３を用いて圧接するとともに、上方お
よび下方からも圧着力を印加する。これにより保持用弾
性部材２２は、共振体２１と積層型圧電素子４の両方に
向かって押圧される。この押圧力により、積層型圧電素
子４は圧縮される。この圧着力を印加したままの状態で
接着剤を硬化し、その後圧着力を開放して、図１４に示
すような超音波振動子１を得る。なお、この第３実施例
の積層型圧電素子４は、上記第２実施例と同様にフレキ
シブルな樹脂で被覆されている。

【００２５】上記構成によれば、積層型圧電素子にかか
る圧縮力は、押圧部材により印加する圧力を制御するこ
とによって、自在に制御することができる。

【００２６】このような第３実施例によれば、上記第
１，第２実施例とほぼ同様の効果を有するとともに、同
一の部品構成を用いて、積層型圧電素子に印加される初
期圧着力を任意に変更できるという利点を有する。これ
により、積層型圧電素子が有する特性のバラツキを補正
して吸収することができ、超音波振動子としての特性を
一定に保つことができる。すなわち、より均質性の高い
超音波振動子とすることができる。

【００２７】またこの第３実施例においては、各部材の
接合を接着によって行う構成を示したが、上記第１実施
例のようにレーザ溶接によって接合を行うことも可能で
あることはいうまでもない。この場合に製造された振動
子は、図１５に示すような形状になる。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、耐
久性および信頼性が高い超音波振動子を提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の超音波振動子の各部材を
分解して示す正面図。

【図２】上記第１実施例の超音波振動子の各部材に圧着
力をかけている状態を示す正面図。

【図３】上記第１実施例の超音波振動子の各部材をレー
ザスポット溶接している状態を示す正面図。

【図４】上記第１実施例の共振体とベースをレーザスポ
ット溶接した部分を示す断面図。

【図５】上記第１実施例の超音波振動子を示す斜視図。

【図６】上記第１実施例の超音波振動子の他の例を示す
斜視図。

【図７】本発明の第２実施例の超音波振動子の各部材を
分解して示す正面図。

【図８】上記第２実施例の超音波振動子の各部材に接着
剤を塗布した状態を示す正面図。

【図９】上記第２実施例の超音波振動子の各部材に圧着
力をかけて接合する状態を示す正面図。

【図１０】上記第２実施例の超音波振動子を示す斜視
図。

【図１１】本発明の第３実施例の超音波振動子の各部材
と、押圧部材とを分解して示す正面図。

【図１２】上記第３実施例の超音波振動子の各部材に接
着剤を塗布した状態を示す正面図。

【図１３】上記第３実施例の超音波振動子の各部材に、
押圧部材により圧着力をかけて接合する状態を示す正面
図。

【図１４】上記第３実施例の超音波振動子を示す斜視
図。

【図１５】上記第３実施例の各部材を、レーザスポット
溶接により接合して構成した超音波振動子を示す斜視
図。

【図１６】従来例の超音波振動子を示す斜視図。

【符号の説明】

１…超音波振動子 ４…積層型圧電素子（電気−機械エネルギー変換素子） ５…ベース ６，１１ａ，１１ｂ，２１…共振体 １２，２２…保持用弾性部材（補助弾性体）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基体となる弾性体と、 この弾性体の第１の面に固定され、交流信号が印加され
   ることにより該弾性体を振動させる積層型の電気−機械
   エネルギー変換素子と、 上記弾性体の第１の面上にて該弾性体と一体化されると
   ともに、上記電気−機械エネルギー変換素子を挟持する
   補助弾性体と、 からなる超音波振動子において、上記補助弾性体により
   上記電気−機械エネルギー変換素子を挟持し、該電気−
   機械エネルギー変換素子を微小長さ圧縮した状態にてこ
   れらを上記弾性体に一体化することを特徴とする超音波
   振動子。