JP4652677B2 - 超音波振動子及びそれを用いた超音波モータ - Google Patents

Description

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。

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許３３１１４４６号公報に開示された超音波モータが知られている。

前記特許３３１１４４６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、前記特許３３１１４４６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。

前記内部電極１７ａ，１７ｂは、同図に示すように、前記超音波振動子の側面もしくは上面にまで延びて形成されている。これら圧電板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前記内部電極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。

前記圧電体積層部は、前記特許３３１１４４６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、前記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、前記上面左の外部電極と左側面の外部電極がリード線により結線されることにより形成される電気端子をＡ相として構成している。また、前記圧電体積層部は、前記上面右の外部電極と右側面の外部電極がリード線により結線されることにより形成される電気端子をＢ相として構成している。

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（摩擦突起部）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。

前記超音波振動子８０において、前記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の共振周波数）を印加すると、前記駆動子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、この貫通穴には駆動力を取り出すためのピン１９が挿入接着されている。

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、前記ピン１９と係合して駆動子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の駆動子１６に接触しこの駆動子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、前記駆動子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。

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の共振周波数）を印加すると、前記特許３３１１４４６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、前記駆動子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３３１１４４６号公報

しかしながら、前記特許３３１１４４６号公報の記載の従来の超音波モータでは、前記超音波振動子には駆動子（以下、摩擦突起部と称す）が接着により接合されているが、この摩擦突起部を前記超音波振動子の圧電体積層部とは別に用意して接着しなければならず、製造工程が複雑となりコストアップの要因となっていた。また、前記従来の超音波モータでは、前記擦突起部を前記圧電体積層部に十分精度良く接着することが難しかった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、製造工程の簡略化を図ることによりコストダウンが可能であり、また、摩擦突起部を圧電体積層部に精度良く設けることが可能な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。

本発明の第１の超音波振動子は、圧電素子に、第１の振動モード及び第２の振動モードを同時に発生させることにより、圧電素子端面に生ずる超音波楕円振動を効率良く伝達する摩擦突起部を有する超音波振動子において、前記摩擦突起部は、前記摩擦突起部の一部が形成され内部電極が介在する圧電セラミクスシートを複数枚積層し、前記圧電素子から突出した形状で前記圧電素子と焼成時に一体的に形成されてなることを特徴とする。

本発明の第２の超音波振動子は、前記第１の超音波振動子において、前記圧電素子は、前記摩擦突起部の一部が形成された圧電セラミクスシートを、内部電極を介在させつつ複数枚積層して構成したことを特徴とするものである。

本発明の第３の超音波振動子は、前記第２の超音波振動子において、前記圧電セラミクスシートに形成された前記摩擦突起部の一部は、該圧電セラミクスシートと同一の材料からなることを特徴とするものである。

本発明の第４の超音波振動子は、前記第２または第３の超音波振動子において、前記圧電素子は、前記摩擦突起部の一部が形成された補強のための補強シートを、少なくとも１層以上積層してなることを特徴とするものである。

本発明の第５の超音波振動子は、前記第４の超音波振動子において、前記補強シートに形成された前記摩擦突起部の一部は、前記補強シートと同一の材料からなることを特徴とするものである。

本発明の第６の超音波振動子は、前記第５の超音波振動子において、前記補強シートは、非圧電性セラミクスシートで構成したことを特徴とするものである。

本発明の第７の超音波振動子は、前記第６の超音波振動子において、前記非圧電性セラミクスシートは、アルミナセラミクス材料、もしくはジルコニアセラミクス材料からなることを特徴とするものである。

本発明の第８の超音波振動子は、前記第１乃至第７のいずれか１つ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。

本発明の超音波モータは、前記第１乃至第７のいずれか１つの超音波振動子と、前記超音波振動子の前記摩擦突起部に接触し相対的に移動する被駆動体と、前記超音波振動子を前記被駆動体に押圧する押圧部材と、を具備して構成したことを特徴とするものである。

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、製造工程の簡略化を図ることによりコストダウンが可能であり、また、摩擦突起部を圧電体積層部に精度良く設けることが可能になるといった利点がある。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

図１は本発明の超音波振動子の第１実施例の構成を説明するもので、図１（ａ）は超音波振動子の正面図、図１（ｂ）は超音波振動子の側面図である。

図１（ａ）、図１（ｂ）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、略角柱形状の圧電体積層部２と、この圧電体積層部２の左右両側面の４箇所、及び正面の４箇所に帯状もしくはクランク状に設けられた外部電極３と、前記圧電体積層部２の底面２箇所、及び上面２箇所に前記圧電体積層部２と一体的に設けられた摩擦突起部４と、前記圧電体積層部２の略中央部に設けられた穴５と、を有して構成されている。

前記圧電体積層部２は、詳細な構成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の圧電体シート６、７が交互に複数枚積層された構造となっている。

図１（ａ）中右側側面の外部電極３は、後述するが圧電体積層部２の同図中右側面部から取り出されている２箇所の内部電極露出部８ａ、９ａ（図２参照）にそれぞれ取付けることにより形成される２つの電気端子（Ａ＋、Ａ−の両端子）をＡ（Ａ相）として構成している。また、図１（ａ）中左側側面の外部電極３は、後述するが圧電体積層部２の同図中左側面部から取り出されている２箇所の内部電極露出部８ａ、９ａ（図２参照）にそれぞれ取付けることにより形成される２つの電気端子（Ｂ＋，Ｂ−の両端子）をＢ（Ｂ相）として構成している。

前記圧電体積層部２のさらに詳細な構成を図２を参照しながら説明する。

図２は前記圧電体積層部の要部分解斜視図である。図２に示すように、前記圧電体積層部２は、第１の内部電極８を有する第１の圧電シート６と、第２の内部電極９を有する第２の圧電シート７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。

前記第１の圧電シート６は、例えば厚さ５０μｍの形状を有する圧電素子である圧電体層６Ａを有し、この圧電体層６Ａの底面２箇所、及び上面２箇所には前記摩擦突起部４が一体的に設けられている。第１の圧電シート６の表面には、後述するが前記第１の内部電極８が印刷されている。

前記第２の圧電シート７は、例えば厚さ５０μｍの形状を有する圧電素子である圧電体層７Ａを有し、この圧電体層７Ａの底面２箇所、及び上面２箇所（前記第１の圧電シート６と同じ位置）には前記摩擦突起部４が一体的に設けられている。第２の圧電シート７の表面には、後述するが前記第２の内部電極９が印刷されている。

前記第１の圧電シート６及び前記第２の圧電シート７は、これら第１及び第２の圧電シート６、７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）を用いて形成されている。

なお、前記圧電体積層部２は、図２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６，７の積層の最初（最上層であり、図２中の第１の圧電シート６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６Ｂが積層されている。

また、前記第１の内部電極８及び前記第２の内部電極９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。

本実施例の超音波振動子１は、前記第１の圧電シート６、第２の圧電シート７の積層に伴い、前記第１の内部電極８と前記第２の内部電極９とが交互に積層されることになる。

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６Ｂ，第１の内部電極８，圧電体層６Ａ，第２の内部電極９，圧電体層７Ａ，………，圧電体層７Ａ，第１の内部電極８，圧電体層６Ａ，第２の内部電極９，圧電体層７Ａの順序で積層されることになる。

次に、前記第１及び第２の圧電シート６、７の内部電極形状について説明する。

第１の圧電シート６に設けられた第１の内部電極８は、圧電体積層部２の断面形状に対し、詳しくは図２に示すように、前記圧電体層６Ａの片側面全領域の上部に配置され、且つ左右に２分割されるように設けられている。また、第１の内部電極８の一部は、圧電体層６Ａの両側面基端部にまで延設されており、内部電極露出部８ａをそれぞれ形成している。本実施例では、左右の前記第１の内部電極８の間隔は、例えば０．２ｍｍ程度になっている。

また、第２の圧電シートに設けられた第２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２に示すように、前記圧電体層７Ａの略全領域に配置され、且つ左右に２分割されるように設けられている。また、第２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。本実施例では、前記第２の内部電極９の端部と圧電体層７Ａの端部までの距離は、例えば０．２ｍｍ程度になっている。

なお、前記第１の圧電シート６及び前記第２の圧電シート７のそれぞれの略中央部には、例えばΦ０．３ｍｍの貫通した穴５が設けられている。

以上、圧電体積層部２の構成を示したが、本実施例における具体的な寸法は、幅５ｍｍ，高さ１．２６ｍｍ，奥行き２ｍｍの形状で前記圧電体積層部２が構成されるようになっている。

図１（ａ），図１（ｂ）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８及び第２の内部電極９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８ａ、９ａ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。

つまり、圧電体積層部２の側面の外部電極３は、図１（ｂ）に示すように、それぞれ内部電極８ａ、９ａ（図２参照）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の正面に帯状及びクランク状に設けられた他の外部電極３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。

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、前記圧電体積層部２の底面及び上面の屈曲共振振動の略腹部に対応する位置に、前記摩擦突起部４が前記圧電体積層部２と一体的に設けられている。すなわち、この摩擦突起部４は、前記圧電体積層部２と同一の材料で形成されることになる。

また、この超音波振動子１の略中央部には、例えばΦ０．３ｍｍの貫通した穴５が設けられている。なお、この穴５は、必ずしも貫通穴である必要はなく、前記圧電体積層部２内に所定の寸法を有して形成された穴であっても良い。

次に、本実施例の超音波振動子の製造方法について図３及び図４を参照しながら説明する。図３及び図４は本発明の超音波振動子の製造方法を説明するための説明図であり、図３（ａ）は複数の第１の内部電極パターンが印刷された第１の圧電シート部を示し、図３（ｂ）は複数の第２の内部電極パターンが印刷された第２の圧電シート部を示している。図４は積層された第１、第２の圧電シート部に裁断処理して圧電体積層部を得る製造工程を説明するための説明図であり、図４（ａ）は裁断するときの第１、第２の圧電シート部を重ね合わせた状態を示し、図４（ｂ）は裁断後に形成された圧電体積層部の形状を示している。

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６Ａ、７Ａに相当）１０Ａ、１１Ａを形成する。そして、グリーシート１０Ａ、１１Ａを乾燥した後、フィルムから剥離する。こうして、形成した、例えば５０μｍ程度の厚さのグリーンシート１０Ａ，１１Ａを複数用意する。

次に、第１のグリーシート１０Ａに、第１の内部電極８のパターン（図２参照）を複数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３（ａ）に示す第１の圧電シート部１０を形成する。この場合、前記第１の内部電極８は、銀パラジウム合金（Ａｇ−Ｐｄ）を用いて形成される。

また、第２のグリーシート１１Ａに、第２の内部電極９のパターン（図２参照）を複数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３（ｂ）に示す第２の圧電シート部１１を形成する。この場合も同様に、前記第２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。

そして、これら第１の圧電シート部１０と第２の圧電シート部１１とを、第１及び第２の内部電極８、９同士がちょうど重なるように例えば内部電極透視境界線１３を用いて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（図示せず）を積層する。

その後、この第３のグリーンシートを含む第１，第２の圧電体シート部１０、１１の積層体をプレスすることにより、この積層体における各グリーンシート間を密着させる。

次に、図４（ａ）に示す様に、前記積層体の各圧電体積層部２に対応する中央部分に穴５をそれぞれ設ける。

そして、図中の裁断線１２に示すような外形形状のパンチ（雄型）と、ダイス（雌型）とが一組になって、前記パンチが上下して前記ダイスにはまり込むようになっているプレス用型を用いて、前記積層体を挟み前記内部電極の位置を考慮しながら裁断処理を行う。なお、裁断方法は、これに限定されず、前記裁断線１２に示すような外形形状の刃物を用い、前記積層体を裁断するようにしても良く、前記裁断線１２に沿って裁断が可能であれば他の裁断方法を採用しても良い。

その結果、外形形状が図４（ｂ）に示すような圧電素子を得ることが可能となる。すなわち、この圧電素子は、摩擦突起部４が圧電体積層部２と一体的に形成されたものとなる。

その後、図４（ｂ）に示す圧電素子は、焼成されることにより、圧電体積層部２に相当する圧電素子が生成される。

内部電極露出部８ａ、９ａ（図２参照）には、銀を焼き付け法にて実施することにより、図１（ｂ）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（ａ）に示すような帯状及びクランク形状の外部電極３を形成する。そして、これら外部電極３のＡ相（Ａ＋、Ａ−間），Ｂ相（Ｂ＋、Ｂ−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。

こうして、圧電体積層部２が形成される。

なお、本実施例の超音波振動子１の製造方法は、変形例として、例えば図５（ａ）の裁断線１２Ａで示すような外形形状のパンチ（雄型）と、ダイス（雌型）とを有するプレス用型を用いて前記裁断処理を行うことにより、図５（ｂ）に示すように底面に２個の摩擦突起部４を有する圧電体積層部２Ａが得られるようにしても良い。

さらに、他の変形例としては、例えば図６（ａ）の裁断線１２Ｂで示すような外形形状のパンチ（雄型）と、ダイス（雌型）とを有するプレス用型を用いて前記裁断処理を行うことにより、図６（ｂ）に示すように側面に１個の摩擦突起部４を有する圧電体積層部２Ｂが得られるようにしても良い。

以上、説明してきた超音波振動子１の動作について図７及び図８を参照しながら詳細に説明する。

いま、図１の超音波振動子１の上記Ａ相，Ｂ相に、同位相で周波数３００ｋＨｚ近傍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、上記Ａ相，Ｂ相に逆位相で周波数３００ｋＨｚ近傍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。

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７（ａ）に示すような共振縦振動姿勢，及び図７（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７では、前記摩擦突起部４は省略している。

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縦１次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リニアモータとしての出力特性が大幅に向上することになる。

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３００ｋＨｚ近傍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の摩擦突起部４の位置で、楕円振動を観測することが出来た。

この場合、超音波振動子１の底面にある摩擦突起部４の位置での超音波振動による回転の向きと、上面に接着してある摩擦突起部４の位置での超音波振動による回転の向きとは逆になる。

すなわち、図８（ａ）に示すようにＡ相がＢ相より印加する交番電圧の位相がπ／２遅れている場合には、底面の摩擦突起部４は反時計回りの回転をしており、一方、上面の摩擦突起部４は時計回りの回転をしている。このように同じ面の摩擦突起部４は同じ向きに回転するように配置すると、もっとも効率よく駆動力を取り出すことが可能である。

また、図８（ｂ）に示すようにＡ相がＢ相より印加する交番電圧の位相がπ／２進んでいる場合には、底面の摩擦突起部４は時計回りの回転をしており、一方、上面の摩擦突起部４は反時計回りの回転をしている。

次に、上記超音波振動子１を用いた超音波モータ（以下、超音波リニアモータと称す）２０の構成について図９を参照しながら詳細に説明する。

図９は超音波振動子を用いて構成された超音波リニアモータの構成を説明するもので、図９（ａ）は超音波リニアモータの正面図、図９（ｂ）は超音波リニアモータの側面図である。

図９（ａ），図９（ｂ）に示すように、本実施例の超音波リニアモータ２０は、上記構成の超音波振動子１と、この超音波振動子１を保持する一対のガイド２１と、前記一対のガイド２１の両側面に配され、収容された超音波振動子１とガイド２１とをある所定の圧力で押圧するために前記ガイド２１を付勢する板バネ２４とを有して構成されている。

前記ガイド２１は押圧部材（本実施例では板バネ２４）からの力を超音波振動子１に伝えるとともに、ガイド２１と超音波振動子１の当接面と垂直方向への、超音波振動子１のガイド２１に対する運動を規制する。なお、ここでは、水平方向の規制もガイド２１と一体の部材で行った場合の構成例を示すが、後述のように別体の部材で行ってもよい。

また、本実施例では、超音波振動子１の進行方向が直線になるように規制している一例を示すが、垂直方向または水平方向またはその両方に緩やかな曲線状のガイドとすればその曲線に沿って駆動することが可能である。

つまり、本実施例の超音波リニアモータ２０は、図９（ａ）に示すように、前記超音波振動子１の対向する面に設けられた摩擦突起部４に接するように２個のガイド２１により挟み込まれる様にした構造で、自走式の超音波リニアモータ２０として構成されている。

超音波振動子１を挟持するガイド２１は、図９（ｂ）に示すように、コの字形状をしたガイド筐体２２と、このガイド筐体２２内部の上下内面に接着された摺動板２３とを有している。

ガイド筐体２２はアルミニウムを用いて形成されたもので、摺動板２３は表面の粗さ（Ｒａ）が０．１μｍ以下のジルコニアセジルコニアセラミクスを用いて形成されたものである。

さらに、本実施の形態では、超音波振動子１と摺動板２３間に所定の押圧力を与えるために、板バネ２４が設けられており、この板バネ２４によって２個のガイド２１間を互いに引き寄せる方向に付勢されている。つまり、板バネ２４は、図９（ａ）に示すように、上下方向にはバネ特性を有するものの、左右方向については上下２個のガイド２１を固定する固定部材としての機能を備えている。なお、押圧部材としては、板バネ以外にもコイルバネ、マグネット等、第１と第２のガイドの距離を縮める方向の力を与えるものであれば良い。また、超音波振動子１の位置によって押圧ができない、または極端に弱くならないために、押圧部材はできるだけ両端に近いところに設置するのが望ましい。

板バネ２４は、図９（ａ）に示すように、超音波リニアモータ２０の表面両側端部に２個、裏面両側端部に２個配置されるとともに、ガイド２１に対しそれぞれビス２５にて螺合することにより、固定されている。

実際には、板バネ２４は、自然な状態ではわずかに湾曲しており、この板バネ２４の二つの端部を二つのガイド２１に固定された時には、略延びきって引張力を生じるような形状に調整されている。

また、下部のガイド２１には、複数の取付け固定用の穴２７が設けられており、図示しない基台にこの穴２７を利用してビス等により固定されるようになっている。一方、上部のガイド２１は、基台（図示せず）には固定されずに、板バネ２４により保持されているのみである。

したがって、上下のガイド２１は、特に超音波振動子１が両端付近にあるときは平行でなくなり（超音波振動子１のない側の間隔がいくらか近くなる）それに伴って摩擦突起部４のいくつかはガイド２１と接触しないことがある。何らかの平行性を保持する機構をさらに加えることでこのような現象はなくなる。しかし、摩擦突起部４の一部が離れることがあることは駆動にとっては根本的な問題ではなく、例えば図１（ａ）に示す４つの摩擦突起部４は、ストロークの中心付近では４個とも接触しているが、左端では左下、右端では右下の摩擦突起部４がいくらか浮いた状態になる場合がある。この場合、浮いていない方の（左端にあるときは右下の）摩擦突起部４が接触して楕円振動を行い、駆動力の源になる。

したがって、摩擦突起部４は接触部を含む部材または部分であるが、接触部は正確には、ストロークの少なくとも一部でガイド２１と接触する部分と考えるべきである。さらに、超音波振動子１の中央部、すなわち１次縦振動と２次屈曲振動の共通の節部（それぞれの振動モードにおいて静止している点の近傍）には、出力取り出し用のピン２６が接着されている。他の振動モードまたは振動モードの合成を利用している場合でも、そのモード（共通の）節部または振動が極小になる部分にピンを配置すれば、振動を阻害することなく駆動力の伝達が可能である。このピン２６は超音波リニアモータをある電子機器，装置等に搭載した場合にこの超音波振動子１の駆動力を外部（電子機器内の駆動機構、装置内の被駆動物）へと伝達するための駆動伝達手段である。

もちろん、被駆動側の係合部材により超音波振動子１と被駆動物が係合されている場合には、ピン２６は必要ない。

次に、前記超音波リニアモータ２０の動作について説明する。

前記Ａ相（Ａ＋，Ａ−）とＢ相（Ｂ＋，Ｂ−）には、位相がπ／２異なる３００ｋＨｚの交番電圧を印加すると、摩擦突起部４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。

このように超音波振動子１の摩擦突起部４の位置に超音波楕円振動を発生させたことにより、超音波振動子１自体が右方向または左方向に駆動することができ、すなわち、自走式の超音波リニアモータとして構成することができる。

なお、本実施例の超音波振動子の製造方法では、変形例として、裁断処理によって形成された圧電素子（図４（ｂ）参照）を焼成する前に、例えば摩擦突起部４を円柱状に削りとる工程を行っても良い。このような削り工程によって形成された圧電素子の構成を図１０に示す。

図１０に示すように、裁断処理後の圧電素子（圧電体積層部に相当）２Ｃは、摩擦突起部４Ａが長さ方向（超音波振動子の駆動方向）に渡ってドリル等を用いて凹状に研削されている。これにより、前記摩擦突起部４Ａは、円錐状の円錐面を有する凹部４ａを有して形成される。その後、図１０に示す外形形状の圧電素子を、上述した製造方法と同様に焼成し、外部電極３を設け、分極することにより、超音波振動子１Ａを得る。なお、本実施例では、前記摩擦突起部４を円柱状に削りとる工程を行うことによって円錐面４ａを有する摩擦突起部４Ａを形成したが、これに限定されることはなく、例えば摩擦突起部４をＶ字状に削りとる工程を行うことにより、凹み部分がＶ字状となる摩擦突起部４を形成しても良い。

前記超音波振動子１Ａを用いて構成した自走式超音波リニアモータを図１１に示す。図１１は前記超音波振動子を用いて構成された超音波リニアモータの構成を説明するもので、図１１（ａ）は超音波リニアモータの正面図、図１１（ｂ）は超音波リニアモータの側面図である。

図１１（ａ），図１１（ｂ）に示すように、本例の超音波リニアモータ２０Ａは、図９に示す超音波リニアモータ２０と略同様の構成ではあるが、凹部４ａを有する摩擦突起部４Ａの形状に伴い、この摩擦突起部４Ａと接触する一対のガイド３０の形状が異なっている。

前記ガイド３０は、図１１（ｂ）に示すように、前記超音波振動子１Ａの対向する面に設けられた摩擦突起部４Ａの凹部４ａと嵌合するように円柱状の１対の摺動シャフトとして構成されている。

前記摺動シャフト３０は、板バネ２４からの力を超音波振動子１Ａに伝えるとともに、摺動シャフト３０と超音波振動子１Ａの当接面と垂直方向への、超音波振動子１Ａの摺動シャフト３０に対する運動を規制する
したがって、本例の超音波リニアモータ２０Ａは、図１１（ａ）に示すように、前記超音波振動子１Ａの対向する面に設けられた摩擦突起部４Ａの凹部４ａに接するようにガイドとしての２個の摺動シャフト３０により挟み込まれる様にした構造で、自走式の超音波リニアモータ２０Ａとして構成されている。

なお、本例では、前記摺動シャフト３０は、表面の粗さ（Ｒａ）が０．０５μｍ以下のジルコニアセラミクスを用いて形成されたものである。

また、本例では、超音波振動子１Ａと摺動シャフト３０間に所定の押圧力を与えるために、板バネ２４が設けられており、この板バネ２４によって２個の摺動シャフト３０間を互いに引き寄せる方向に付勢されている。つまり、板バネ２４は、図１１（ａ）に示すように、上下方向にはバネ特性を有するものの、左右方向については上下２個の摺動シャフト３０を固定する固定部材としての機能を備えている。なお、押圧部材としては、図９に示す構成例と同様に、板バネ以外にもコイルバネ、マグネット等、第１と第２の摺動シャフト３０の距離を縮める方向の力を与えるものであれば良い。また、超音波振動子１Ａの位置によって押圧ができない、または極端に弱くならないために、押圧部材はできるだけ両端に近いところに設置するのが望ましい。

板バネ２４は、図１１（ａ）に示すように、超音波リニアモータ２０Ａの表面両側端部に２個、裏面両側端部に２個配置されるとともに、摺動シャフト３０に対しそれぞれビス２５にて螺合することにより、固定されている。

実際には、板バネ２４は、自然な状態ではわずかに湾曲しており、この板バネ２４の二つの端部を二つの摺動シャフト３０に固定された時には、略延びきって引張力を生じるような形状に調整されている。

また、下部の摺動シャフト３０には、複数の取付け固定用の穴２７が設けられており、図示しない基台にこの穴２７を利用してビス等により固定されるようになっている。一方、上部の摺動シャフト３０は、基台（図示せず）には固定されずに、板バネ２４により保持されている。

前記超音波振動子１Ａの中央部、すなわち１次縦振動と２次屈曲振動の共通の節部（それぞれの振動モードにおいて静止している点の近傍）には、出力取り出し用のピン２６が接着されている。

その他の構成については、図９に示す超音波リニアモータ２０と略同様である。

前記超音波リニアモータ２０Ａの動作について説明する。

前記超音波リニアモータ２０Ａの前記Ａ相（Ａ＋，Ａ−）とＢ相（Ｂ＋，Ｂ−）に、位相がπ／２異なる３００ｋＨｚの交番電圧を印加すると、摩擦突起部４Ａ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。

このように超音波振動子１Ａの摩擦突起部４Ａの位置に超音波楕円振動を発生させたことにより、超音波振動子１Ａ自体が右方向または左方向に駆動することができ、すなわち、自走式の超音波リニアモータとして構成することができる。

したがって、本実施例によれば、前記超音波振動子１、１Ａは、作成工程中で超音波楕円振動を発生する部位に予め摩擦突起部４を設けた後、焼成を行うので、摩擦突起部４を超音波振動子焼成後に超音波楕円振動を発生している部位に接着剤を用いて接着する必要がなくなるため、製造工程が簡略されてコストダウンが図れるとともに、また精度良く摩擦突起部４を形成することができる。

なお、本実施例では、内部電極構成については、負極側（Ａ−、Ｂ−）に関しては二分割しないで全面電極としても良い。その場合には、負極側（Ａ−、Ｂ−）は共通の負極となる。

また、本実施例では、超音波振動子が自走するタイプの超音波リニアモータの例を示したが、超音波振動子を固定して被駆動体を直線動作させるタイプの超音波リニアモータとして構成することも可能である。

さらに、超音波振動子の超音波楕円振動が発生している部位に被駆動体としての回転体を押圧させることで、この被駆動体を回転動作させることができるタイプの超音波回転モータとして構成することも可能である。

さらに、また、本実施例では、圧電素子として積層型圧電素子を用いたが積層型でない板状の圧電素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。

図１２は本発明の超音波振動子の第２実施例の構成を示し、圧電体積層部の要部分解斜視図である。

本実施例の超音波振動子の外観は、前記第１実施例の図１に示した超音波振動子１と同様であるが、図１２に示すように第１の圧電シート６と第２の圧電シート７とが交互に複数積層された積層の最初（最上層）と最後（最下層）に、非圧電セラミクス材料であるアルミナセラミクス層により構成された補強シートとしての非圧電シート３１Ａ及び３１Ｂを設けたことが異なる点である。

前記非圧電シート３１Ａ及び３１Ｂの形状は、前記第１及び第２の圧電シート６、７と同様の形状に形成しており、すなわち、この非圧電シート３１Ａ及び３１Ｂの底面２箇所、及び上面２箇所には摩擦突起部４が一体的に設けられている。

その他の構成は、前記第１実施例と同様である。

本実施例の超音波振動子の製造方法では、厚さ１００μｍ程度のアルミナセラミクス微粒子からなるグリーンシートを用意する。

そして、前記グリーンシートの上に、順次、第１の内部電極８のパターンが印刷された第１の圧電シート部１０（図３（ａ）参照）と第２の内部電極９のパターンが印刷された第２の圧電シート部１１（図３（ｂ）参照）とを交互に複数積層し、最後に同様にアルミナセラミクス微粒子からなるグリーンシートを積層する。

その後の工程は、前記第１実施例と同様であるので説明を省略する。

最終的に得られた超音波振動子の摩擦突起部４は、圧電セラミクス素子材料とアルミナセラミクス材料との複合材料を用いて形成されていることが前記第１実施例と異なる点である。しかしながら、本実施例の超音波振動子を用いて前記第１実施例と同様な超音波リニアモータ２０（図９参照）を構成し、動作特性を確認した結果、前記第１実施例と同程度の良好な結果が得られた。また、本実施例の超音波リニアモータは、前記第１実施例の超音波リニアモータと比較し、動作の摩耗粉が少なく摺動特性が改善された。

したがって、本実施例によれば、前記超音波振動子の摩擦突起部４が、前記第１実施例とは異なる、圧電セラミクス素子材料とアルミナセラミクス材料の複合材料とを用いて構成されているので、この超音波振動子を用いて超音波リニアモータとして構成し動作させた場合には、摩耗粉が少なく、摩擦突起部４の摩耗特性がさらに改善されて耐久性及び摺動性を向上させることが可能である。その他の効果は、前記第１実施例と同様である。

なお、本実施例では、前記超音波振動子において、補強シートとしての非圧電セラミクス材からなる非圧電層を最上層と最下層に積層して構成した場合について説明したが、これに制限されるものではなく、例えば前記非圧電セラミクス材からなる非圧電層を任意の位置に１層以上挿入して積層しても良い。

本発明は、上述した第１及び第２の実施例、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。

［付記］
（１）圧電素子に、第１の振動モード及び第２の振動モードを同時に発生させることにより、摩擦突起部に超音波楕円振動を発生させる超音波振動子において、
前記摩擦突起部を前記圧電素子と焼成により一体的に形成したことを特徴とする超音波振動子。

（２）前記圧電素子は、前記摩擦突起部の一部が形成された圧電セラミクスシートを、内部電極を介在させつつ複数枚積層して構成したことを特徴とする付記（１）に記載の超音波振動子。

（３）前記圧電セラミクスシートに形成された前記摩擦突起部の一部は、該圧電セラミクスシートと同一の材料からなることを特徴とする付記（２）に記載の超音波振動子。

（４）前記圧電素子は、前記摩擦突起部の一部が形成された補強のための補強シートを、少なくとも１層以上積層してなることを特徴とする付記（２）又は付記（３）に記載の超音波振動子。

（５）前記補強シートに形成された前記摩擦突起部の一部は、前記補強シートと同一の材料からなることを特徴とする付記（４）に記載の超音波振動子。

（６）前記補強シートは、非圧電性セラミクスシートで構成したことを特徴とする付記（５）に記載の超音波振動子。

（７）前記非圧電性セラミクスシートは、アルミナセラミクス材料、もしくはジルコニアセラミクス材料からなることを特徴とする付記（６）に記載の超音波振動子。

（８）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付記（８）乃至付記（７）のいずれか１つに記載の超音波振動子。

（９）付記（１）乃至付記（８）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摩擦突起部に接触し相対的に移動する被駆動体と、
前記超音波振動子を前記被駆動体に押圧する押圧部材と、
を具備して構成したことを特徴とする超音波モータ。

（１０） 前記摩擦突起部は、前記超音波振動子の前記被駆動体と接触する面の屈曲振動の腹の位置に一体的に配されていることを特徴とする付記（９）に記載の超音波モータ。

（１１） 前記非駆動体は、前記超音波振動子を保持しながら前記押圧部材による所定の押圧力を前記超音波振動子に与える一対のガイドで構成したことを特徴とする付記（９）に記載の超音波モータ。

（１２） 前記押圧部材は、板バネで有ることを特徴とする付記（１１）に記載の超音波モータ。

（１３） 前記摩擦突起部は凹部を有して構成され、前記ガイドは前記凹部に嵌合する凸形状に構成されたことを特徴とする付記（９）に記載の超音波モータ。

本発明の超音波振動子は、製造工程の簡略化を図ることによりコストダウンが可能であり、また、摩擦突起部を圧電体積層部に精度良く設け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、耐久性の向上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。

本発明の超音波振動子の第１実施例の構成を説明する構成図。 図１に示す圧電体積層部の要部分解斜視図。 本発明の超音波振動子の製造方法を説明するための説明図。 図３の第１、第２の圧電シート部に裁断処理して圧電体積層部を得る製造工程を説明するための説明図。 図４に示す裁断方法の変形例を示す説明図。 図４に示す裁断方法の他の変形例を示す説明図。 本実施例の超音波振動子の動作状態を示す斜視図。 本実施例の超音波振動子の摩擦突起部近傍に生じる励起作用を説明するための構成図。 超音波振動子を用いた超音波リニアモータの基本構造を説明するための構成図。 削り工程により形成された摩擦突起部を有する超音波振動子の構成を示す側面図。 図１０に示す超音波振動子を用いた超音波リニアモータの構成を示す構成図。 本発明の超音波振動子の第２の実施例の圧電体積層部の要部拡大斜視図。

符号の説明

１、１Ａ…超音波駆動子、
２、２Ａ、２Ｂ…圧電体積層部、
３…外部電極、
４、４Ａ…摩擦突起部、
４ａ…凹部、
５…穴、
６…第１の圧電シート、
６Ａ…圧電体層、
７…第２の圧電シート、
７Ａ…圧電体層、
８…第１の内部電極、
８ａ…内部電極露出部、
９…第２の内部電極、
９ａ…内部電極露出部、
１０…第１の圧電シート部、
１０Ａ、１１Ａ…グリーシート、
１１…第２の圧電シート部、
１２、１２Ａ、１２Ｂ…裁断線、
２０、２０Ａ…超音波リニアモータ、
２１…ガイド、
２２…ガイド筐体、
２３…摺動板、
２４…板バネ、
２５…ビス、
２６…ピン、
２７…穴、
３０…摺動シャフト、
３１Ｂ…非圧電シート。
代理人 弁理士 伊 藤 進

Claims (9)

1. 圧電素子に、第１の振動モード及び第２の振動モードを同時に発生させることにより、圧電素子端面に生ずる超音波楕円振動を効率良く伝達する摩擦突起部を有する超音波振動子において、
   前記摩擦突起部は、前記摩擦突起部の一部が形成され内部電極が介在する圧電セラミクスシートを複数枚積層し、前記圧電素子から突出した形状で前記圧電素子と焼成時に一体的に形成されてなることを特徴とする超音波振動子。
2. 前記摩擦突起部は、前記摩擦突起部と対向し当接する当接面に対して平行且つ移動方向に対し垂直な方向に積層されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子。
3. 前記圧電セラミクスシートに形成された前記摩擦突起部の一部は、該圧電セラミクスシートと同一の材料からなることを特徴とする請求項２に記載の超音波振動子。
4. 前記圧電素子は、前記摩擦突起部の一部が形成された補強のための補強シートを、少なくとも１層以上積層してなることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の超音波振動子。
5. 前記補強シートに形成された前記摩擦突起部の一部は、前記補強シートと同一の材料からなることを特徴とする請求項４に記載の超音波振動子。
6. 前記補強シートは、非圧電性セラミクスシートで構成したことを特徴とする請求項５に記載の超音波振動子。
7. 前記非圧電性セラミクスシートは、アルミナセラミクス材料、もしくはジルコニアセラミクス材料からなることを特徴とする請求項６に記載の超音波振動子。
8. 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乃至７のいずれか１つに記載の超音波振動子。
9. 請求項１乃至請求項８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摩擦突起部に接触し相対的に移動する被駆動体と、
   前記超音波振動子を前記被駆動体に押圧する押圧部材と、
   を具備して構成したことを特徴とする超音波モータ。

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