JP4043497B2 - 超音波振動子の振動特性の調整方法およびそれに用いられる超音波振動子 - Google Patents

Description

本発明は、超音波振動子の振動特性の調整方法およびそれに用いられる超音波振動子に関するものである。

従来から、圧電素子の振動を利用する超音波振動子が用いられている。この超音波振動子は、磁気の影響を受けず、小型であり、高いトルクを有し、高い応答速度を有し、かつ、無通電状態において停止しているなど、様々な利点を有している。そのため、超音波振動子は、特に携帯電話のオートフォーカス駆動機構等のための有望な素子である。

ただし、超音波振動子は、複数種類の振動を組合せることによって所望の駆動力を得ているため、寸法誤差および製造プロセスにおいて、その振動特性が変化してしまえば、所望の駆動特性が得られないことがある。

以下、従来の複数の振動を組合せて所望の駆動力を得る超音波振動子が説明される。
なお、一例として説明される超音波振動子は、縦振動（以下、「伸縮振動」という。）とたわみ振動（以下、「屈曲振動」という。）とを組合せて楕円振動を生じさせるものである。

前述の超音波振動子は、実質的に長方形の平面形状を有する振動板に伸縮振動および屈曲振動を同時に生じさせることによって、所望の振動特性を得ている。伸縮振動および屈曲振動を同時に生じさせるためには、振動板に生じる伸縮振動の共振周波数と屈曲振動の共振周波数とを実質的に一致させることが必要である。そのため、前述の超音波振動子は、伸縮振動の共振周波数と屈曲振動の共振周波数とが実質的に一致するように設計される。

なお、「伸縮振動の共振周波数と屈曲振動の共振周波数とが実質的に一致する」とは、個々の製品のために要求される駆動力を得ることができる程度に、伸縮振動の共振周波数と屈曲振動の共振周波数とが近似していれば、伸縮振動の共振周波数と屈曲振動の共振周波数とが完全に同一の値である必要はないという意味である。

しかしながら、前述の超音波振動子が実際に組み立てられると、圧電素子および振動板の寸法における誤差、圧電素子と振動板との位置合わせにおける誤差、および電極の寸法における誤差、超音波振動子の製品への組み付け位置における誤差等に起因して、伸縮振動の共振周波数と屈曲振動の共振周波数が実質的に一致しないために、所望の振動特性を得ることができないことがある。

図２０は、特開２００１−２８６１６７号公報において開示されている超音波振動子であって、前述の超音波振動子の一例を示している。この超音波振動子によれば、支持体２４、突起２５、調整部２１、および振動板２２に伸縮振動および屈曲振動が同時に生じる。それにより、振動板２２に楕円振動が生じる。振動板２２には突起２５が設けられており、振動板２２の楕円振動に合わせて突起２５にも楕円振動が生じる。その結果、突起２５に当接している被駆動体２３が回転する。また、振動板２２には振動特性を調整するための調整部２１が設けられている。この超音波振動子によれば、調整部２１の形状を変化させることによって、振動特性を変化させることが可能である。
特開２００１−２８６１６７号公報

上述の特開２００１−２８６１６７号公報の超音波振動子の振動特性の調整方法においては、調整部２１を設ける位置と振動の節の位置との関係が全く考慮されていない。そのため、前述の調整部２１の形状を変化させると、伸縮振動および屈曲振動の双方の共振周波数が変化してしまう。つまり、振動特性が調整されるときには、複数の振動の共振周波数の全てが変化してしまう。したがって、複数の振動の共振周波数同士を実質的に一致させることは極めて困難である。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、超音波振動子が組み立てられた後においても、複数の振動の共振周波数同士を実質的に一致させることが容易な超音波振動子の振動特性の調整方法およびそれに用いられる超音波振動子を提供することである。

本発明の超音波振動子の振動特性の調整方法は、複数種類の振動を組合せて被駆動体を駆動する超音波振動子の振動特性を調整するものである。複数種類の振動は、それぞれ、振幅が実質的にゼロである振動の節を有している。この方法においては、超音波振動子の振動の特性を調整する作業者は、複数種類の振動の節のうちの一の種類の振動の節の位置およびその近傍の位置を含む領域を一の領域とし、かつ、一の種類の振動とは異なる他の種類の振動の節の位置およびその近傍の位置を含む領域を他の領域としたときに、一の領域内にありかつ他の領域外にある構造の物理量を変化させる。それにより、一の領域に振動の節を有する振動の特性を実質的に変化させることなく他の領域に振動の節を有する振動の特性が調整される。

一般に、超音波振動子を用いる製品の製造においては、圧電素子、振動板、または電極の形状の誤差、圧電素子、振動板、および電極同士の間における貼り合わせ誤差、ならびに超音波振動子の最終製品への組付け誤差等が生じてしまう。そのため、被駆動体の駆動に必要な振動の共振周波数のうち、少なくとも１つの共振周波数が、設計値と異なる値になってしまう。その結果、被駆動体の駆動に必要な全ての振動の共振周波数が実質的に一致しないという不具合が生じてしまう。この場合に、上記の方法によれば、被駆動体の駆動に必要な複数種類の振動のうちの１の種類の振動の特性を変化させることなく、他の種類の振動の特性を調整することができる。したがって、被駆動体の駆動に必要な全ての種類の振動の共振周波数を実質的に一致させることが、従来の方法に比較して容易である。

なお、構造の物理量は、質量、剛性、形状、および内部応力のうち少なくともいずれかを含んでいるが、振動特性を調整することができるものであれば、いかなるものであってもよい。また、振動の節の近傍の位置は、振動の節に隣接する位置を含み、振動特性の調整を実質的に容易に行ない得る位置であれば、いかなる位置であってもよい。たとえば、振動の節の近傍の位置は、平面的に見て振動の節が点で表現される場合に、振動の節を囲むような周縁状の領域を含む。

一の領域における構造が突出部であり、その物理量が突出部の物理量であってもよい。この方法によれば、突出部の物理量を変化させれば、振動特性を調整することができるため、他の構造の物理量を変化させて振動特性を調整する方法に比較して、振動特性の調整が容易である。

また、突出部の物理量は、研削によって変化してもよい。この方法によれば、突出部を研削するという極めて簡単な作業で、振動特性を調整することができる。

また、突出部の物理量は、加熱処理によって変化してもよい。この方法によれば、突出部の形状を変化させることなく、振動特性を調整することができる。

また、物理量は、前記突出部への所定部材の付加によって変化してもよい。この方法によっても、一の領域に振動の節を有する振動の特性を実質的に変化させることなく他の領域に振動の節を有する振動の特性を容易に調整することができる。

また、一の領域に凹部を設けることによって、構造の物理量が変化してもよい。この方法によれば、一の領域に振動の節を有する振動の特性を実質的に変化させることなく他の領域に振動の節を有する振動の特性を容易に調整することができる。

また、複数種類の振動は、伸縮振動と屈曲振動とを有し、伸縮振動および前記屈曲振動のうちいずれか一方の振動特性が調整されてもよい。これによれば、楕円振動をする一般的な超音波振動子の振動特性を容易に調整することができる。

また、伸縮振動の特性を調整することなく、屈曲振動の特性が調整されてもよい。これによれば、屈曲振動の振動特性を調整することなく、伸縮振動の振動特性を調整する方法に比較して、振動特性の調整が容易である。

また、突出部が当該超音波振動子を支持するための支持用突出部として機能してもよい。この方法によれば、振動特性の調整用の突出部とは別に、支持用突出部を設ける必要がない。そのため、部品点数の増加なく、超音波振動子の振動特性を容易に調整することができる。

本発明の超音波振動子は、複数種類の振動を組合せて被駆動体を駆動するものである。複数種類の振動は、それぞれ、振幅が実質的にゼロである振動の節を有している。複数種類の振動の節のうちの一の種類の振動の節の位置およびその近傍の位置を含む領域を一の領域とし、かつ、一の種類の振動とは異なる他の種類の振動の節の位置およびその近傍の位置を含む領域を他の領域としたときに、一の領域内であってかつ他の領域外に振動特性調整部が設けられている。振動特性調整部は、その構造の物理量を変化させることにより、一の領域に振動の節を有する振動の特性を実質的に変化させることなく他の領域に振動の節を有する振動の特性を調整し得る構造を有するものである。

この構造によれば、一の領域に振動の節を有する振動の特性を実質的に変化させることなく他の領域に振動の節を有する振動の特性を調整することが容易になる。その結果、被駆動体の駆動に必要な全ての振動の共振周波数を実質的に一致させることが、従来の構造に比較して容易になる。

前述の振動特性調整部が突出部を有してれば、突出部の形状、剛性、質量、および内部応力のうち少なくともいずれかを変化させることによって、一の領域に振動の節を有する振動の特性を実質的に変化させることなく他の領域に振動の節を有する振動の特性を調整することが容易になる。したがって、振動特性の調整作業が容易になる。

また、前述の振動特性調整部が凹部を有していれば、凹部に物体を付加するだけで、振動特性調整部の質量を変化させることができる。そのため、一の領域に振動の節を有する振動の特性を実質的に変化させることなく他の領域に振動の節を有する振動の特性の調整することが容易になる。

また、突出部が当該超音波振動子を支持する支持用突出部として機能してもよい。この構造によれば、支持用突出部とは別個に、振動特性を調整するための突出部を設ける必要がない。そのため、部品点数の増加なく、超音波振動子の振動特性を容易に調整することができる。

また、突出部が超音波振動子によって駆動される被駆動体に対して超音波振動子を押し付けるための押付用突出部として機能してもよい。この構造によれば、振動特性を調整するための振動特性調整部と、被駆動体に対して超音波振動子を押し付ける押付用突出部とが同一の部品からなる。そのため、超音波振動子の部品点数の増加なく、超音波振動子の振動特性の調整をすることができる。

図１〜図１９を用いて、本発明の実施の形態の超音波振動子の調整方法およびそれに用いられる超音波振動子が説明される。なお、本明細書においては、振動の節とは、その振動のみが生じているときに、その振幅が実質的にゼロである領域を意味する。たとえば、伸縮振動の節とは、伸縮振動のみが生じているときに、振動板の主板部の振幅が実質的にゼロであるような領域を意味し、屈曲振動の節とは、屈曲振動のみが生じているときに、振動板の主板部の振幅が実質的にゼロであるような領域を意味する。振幅が実質的にゼロである状態は、被駆動体の駆動にとって無視できる程度の振幅で超音波振動子が振動している状態を含む。

（実施の形態１）
以下、図１〜図１３を用いて、本発明の実施の形態１の超音波振動子の振動特性の調整方法およびそれに用いられる超音波振動子が説明される。

本実施の形態の超音波振動子は、複数の振動を組合せからなる動作をする超音波振動子１が組み立てられた後においても、前述の動作のために必要な２種類の振動のうちの１つの振動の特性を他の振動から独立して調整することが可能なものである。

＜全体構成＞
まず、図１を用いて、本発明の実施の形態の超音波モータ１００が説明される。図１は、超音波モータ１００の平面図である。図１に示されるように、超音波モータ１００は、超音波振動子１およびそれによって回転させられるロータ２からなっている。ロータ２は本発明の被駆動体の一例である。したがって、被駆動体は、回転するものに限定されず、他の動作をするものであってもよい。

超音波振動子１は、振動板７を有している。振動板７は、支持用突出部３を有している。貫通孔５０が支持用突出部３に設けられている。シャフト５が貫通孔５０を貫通している。また、シャフト５は、図２に示されるように、支持体４に固定されている。主板部６の４つの角部のうちの１の角部Ｓにロータ２の外周面が当接している。ロータ２は、支持体４に回転可能に支持されているが、そのための機構は図示されていない。

また、超音波振動子１には、電極９，１０，１１，１２，１７および圧電素子８が設けられている。電極９，１０，１１，１２，および１７は、所定の信号が入力され得るように、制御装置（図示せず）に電気的に接続されている。

また、本実施の形態の超音波振動子１は、電極９，１０，１１，１２，１７に信号が入力されると、圧電素子８が振動する。圧電素子８の振動は、振動板７の主板部６に伝達される。その結果、主板部６の角部Ｓが楕円軌道Ｅを描くように、振動板７が振動する。その結果、角部Ｓに接触しているロータ２が円軌道Ｃに沿って移動する。すなわち、ロータ２がその回転中心軸周りに回転する。

＜超音波振動子＞
次に、図２および図３を用いて、超音波振動子１の構造がより詳細に説明される。図２および図３は、それぞれ、超音波振動子１の斜視図および分解斜視図である。

図２および図３に示されるように、超音波振動子１は振動板７を有している。振動板７は、シャフト５に固定された支持用突出部３と、支持用突出部３と一体的に形成され、振動によってロータ２を回転させる主板部６とを有している。

主板部６は、幅２ｍｍ、長さ９ｍｍ、かつ厚さ０．２ｍｍの実質的に長方形の平面形状を有する平板状部材である。また、支持用突出部３は、主板部６の長辺の中央位置から主板部６の短辺方向に沿って延びるように、主板部６の長辺から突出しており、幅１ｍｍ、長さ２．１５ｍｍかつ厚さ０．２ｍｍの実質的に長方形の平面形状を有する平板状部材である。

支持用突出部３には、直径０．６ｍｍの円形の貫通孔５０が設けられている。貫通孔５０の直径は、０．６ｍｍであり、シャフト５の直径と同一である。貫通孔５０が、主板部６の長辺の中央位置から貫通孔５０の中心点までの距離が１．０ｍｍである。圧電素子８は主板部６の表面および裏面のそれぞれに取り付けられている。圧電素子８は、幅２ｍｍ、長さ８ｍｍ、かつ幅０．２ｍｍの長方形の平面形状を有する平板状部材である。また、圧電素子８の長辺と主板部６の長辺とが一致するように、圧電素子８は主板部６に対して電極１７を介して固定されている。

なお、振動板７および圧電素子８のそれぞれの寸法および形状は、上述の寸法および形状に限定されず、他の寸法および形状であってもよい。また、振動板７の材料は、特に限定されないが、ステンレス等の導電性を有する材料であることが望ましい。また、支持用突出部３と主板部６とは、別個の部材からなっていてもよいが、それらが１つの部材で一体的に形成されていることが望ましい。

圧電素子８は、チタン酸ジルコニウム酸鉛（ＰＺＴ）かならなっているが、電圧が印加されて振動する素子であれば、いかなる材料からなっていてもよい。圧電素子８の一方の主表面上には、電極９，１０，１１，および１２が取り付けられている。電極９，１０，１１，および１２は、互いに同一の長方形の平面形状を有する平板状部材である。電極９，１０，１１，および１２は、圧電素子８の一方の主表面が実質的に同一の４つの長方形の領域に分割されたとすると、４つの長方形の領域のそれぞれに設けられている。また、圧電素子８の他方の主表面上には、実質的に長方形の電極１７が設けられている。電極１７は、圧電素子８の他方の主表面と同一の長方形の平面形状を有する平板状部材である。

本実施の形態の超音波振動子１においては、２つの圧電素子８は、それぞれ、主板部６の一方の主表面および他方の主表面上に、電極１７を介して設けられている。

２つの電極１７は、それぞれ、その長辺方向が主板部６の長辺方向とが一致するように、主板部６の一方および他方の主表面に固定されている。２つの電極１７は、それぞれ、銀ペーストなどの導電性接着剤によって主板部６に接着されている。

なお、圧電素子８と主板部６とが導電性接着剤によって接着されるのであれば、電極１７が圧電素子８と主板部６との間に設けられていなくてもよい。この場合、導電性接着剤が電極１７の役割を果たす。特に、本実施の形態の超音波振動子のように、主板部６がステンレスなどの導電性材料からなる場合には、２つの圧電素子８の電極１７には、それぞれ、常に０Ｖの信号が入力されているため、圧電素子８と主板部６とが導電性接着剤によって接合されていれば、電極１７が圧電素子８と主板部６との間に設けられていなくても、主板部６が電極１７の役割を果たすことができる。

また、振動板７の一方の主表面に取り付けられている圧電素子８およびそれに取り付けられている電極９，１０，１１，１２，および１７と、振動板７の他方の主表面に取り付けられている圧電素子８およびそれに取り付けられている電極９，１０，１１，１２，および１７とは、振動板７の厚さ方向において鏡面対称に配置されている。したがって、振動板７の一方の主表面上の圧電素子８の振動特性と、振動板７の他方の主表面上の圧電素子８の振動特性とは実質的に同一である。したがって、本実施の形態の振動板７は、その面内方向において振動する。また、振動板７の主板部６は長方形であるため、前述の面内方向において、振動板７の角部Ｓは楕円振動する。

なお、本発明の目的を達成することができるのであれば、振動板７の一方の主表面に取り付けられている圧電素子８および電極９，１０，１１，１２，および１７と、振動板７の他方の主表面に取り付けられている圧電素子８および電極９，１０，１１，１２，および１７とは、非対称な構造を有し、または、非対称に配置されていてもよい。

次に、図４〜図７を用いて、本実施の形態の超音波振動子１の駆動方法が説明される。 超音波振動子１が駆動されるときには、所定の信号が、外部に設けられた制御装置（図示せず）から電極９，１０，１１，１２，および１７へ入力される。なお、振動板７の一方の主表面側に位置付けられた電極９，１０，１１，１２，および１７に入力される信号（印加電圧）は、振動板７の他方の主表面側に位置付けられた電極９，１０，１１，１２，および１７に入力される信号（印加電圧）に対して、主板部６を介して、鏡面対称に入力される。ただし、本発明の目的を達成することができるのであれば、振動板７の一方の主表面側に位置付けられた電極９，１０，１１，１２，および１７に入力される信号（印加電圧）と、振動板７の他方の主表面側に位置付けられた電極９，１０，１１，１２，および１７に入力される信号（印加電圧）とは、非対称であってもよい。

図３に示されるように、電極９と電極１２とは、結線されており、同一の信号（φ１）が入力される、電極１０と電極１１とは、結線されており、同一の信号（φ２）が入力される。したがって、電極９，１０，１１，および１２に入力される信号は、図４に示されるように、４つのモード（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），および（Ｄ）を有している。なお、図４には、振動していない状態の電極９，１０，１１，および１２の全体の外形が破線で描かれ、伸縮振動または屈曲振動している状態の電極９，１０，１１，および１２のそれぞれの形状が実線で描かれている。また、図５に示されるように、電極９および電極１１に入力される信号と電極１０および電極１２に入力される信号とは、その位相において９０度のズレを有しているが、同一の振幅および周波数を有している。

上述の超音波振動子１の主板部６は、図６に示される伸縮振動および図７に示される屈曲振動との組合せの振動を行なう。図６に示される伸縮振動によれば、振動板７の主板部６は、白抜き矢印で示されるように、長辺方向において圧縮されたり伸張されたりする。それにより、角部Ｓは、長辺方向に振動する。一方、図７に示される屈曲振動によれば、振動板７は、一のＳ字形状からそれに鏡面対称な他のＳ字形状へ変化する。それにより、振動板７の主板部６の角部は、白抜き矢印で示すように、短辺方向において振動する。

なお、主板部６が伸縮振動する場合には、図４から分かるように、長辺方向の振幅が短辺方向の振幅に対して極めて大きいため、角部Ｓは実質的に長辺方向に振動すると言えるが、主板部６が屈曲振動する場合には、長辺方向の振幅と短辺方向の振幅との差があまり大きくないため、角部Ｓは、実際には、電極形状に応じて斜め方向に振動する。

伸縮振動の共振周波数と同一の周波数で変化する電圧が、電極９，１０，１１，および１２のそれぞれに同一の位相で印加されると、主板部６は、図６に矢印で示される方向において、伸縮振動を行なう。また、屈曲振動の共振周波数と同一の周波数で変化する電圧（正）が、電極９および１１のそれぞれに同一の位相で印加され、電極９および１１とは逆位相の電圧（負）が、電極１０および１２のそれぞれに印加されると、主板部６は、図７に矢印で示されるように、屈曲振動を行なう。なお、２つの電極１７のそれぞれには、常に、基準電位（０Ｖ）が与えられている。

なお、図６および図７においては、それぞれ、伸縮振動の節の位置Ｘおよび屈曲振動の節の位置Ｙがハッチングによって示されている。振動の節とは、主板部６のうちの実質的に振幅がゼロである位置である。また、電極の形状は、長方形に限定されず、超音波振動子１が伸縮振動および屈曲振動の双方を生じさせることができる形状であれば、いかなる形状であってもよい。

また、従来の超音波振動子１によれば、伸縮振動の共振周波数ａと屈曲振動の共振周波数ｂとが、図８に示されるように、実質的に同一ではない、すなわち、Δφだけずれている場合に、そのズレΔφを低減することが極めて困難であった。それは、伸縮振動の共振周波数ａおよび屈曲振動の共振周波数ｂの調整において、それらの一方を他方から独立して変化させることができなかったためである。

しかしながら、本実施の形態の超音波振動子１の構造によれば、次のような理由により、ズレΔφを低減することが容易である。上述の超音波振動子１の構造によれば、図６に示されるように、支持用突出部３が伸縮振動の節の位置Ｘに設けられている。支持用突出部３の構造の物理量、たとえば、形状、剛性、質量、および内部応力のうちの少なくともいずか１つを変化させれば、伸縮振動の振動特性を変化させることなく、屈曲振動の特性を変化させることができる。したがって、伸縮振動の共振周波数ａと屈曲振動の共振周波数ｂとを実質的に一致させることが容易である。

伸縮振動の共振周波数ａおよび屈曲振動の共振周波数ｂのそれぞれと同一の周波数で同一位相の電圧が電極９および１１に印加され、電極９および１１と同一の周波数であってかつ位相が＋９０度だけずれた電圧が電極１０および１２に印加される。それにより、伸縮振動と屈曲振動とが、電極に入力された交流電圧の１周期の４分の１ごとに交互に生じる。その結果、ロータ２に接触している主板部６の角部Ｓが、図１に参照符号Ｅで示されるように、楕円振動を行なう。

また、電極１０および１２に電極９および１１と同一周波数であってかつ位相が−９０度だけずれた電圧が印加されると、図１に参照符号Ｅで示された方向とは逆方向の楕円振動が生じる。また、ある一方向にロータ２が回転している状態で、電極９，１１および電極１０，１２に入力されている信号のうちいずれか一方の位相が１８０度だけ変化すれば、超音波振動子１の角部Ｓに当接しているロータ２の回転方向が反転する。

なお、超音波振動子１は、図９に示されるように、図７に示された屈曲振動の節の位置Ｙまたはその近傍の位置であって、かつ、図６に示された伸縮振動の節の位置Ｙまたはその近傍以外の位置に、振動特性を調整するための調整用突出部２０を有していてもよい。ただし、調整用突出部２０は、圧電素子８または振動板７の一部として形成されていてもよいとともに、圧電素子８または振動板７に対する他の材料の付加によって形成されてもよい。

図９に示される構造を有する超音波振動子１によれば、調整用突出部２０を研削または加熱したり、調整用突出部２０に何らかの部材を付加したりして、屈曲振動の共振周波数ｂを変化させることなく、伸縮振動の共振周波数ａを変化させることができる。したがって、伸縮振動の共振周波数ａと屈曲振動の共振周波数ｂとの位相のズレを容易に低減することができる。

＜超音波振動子の振動特性調整方法＞
超音波モータ１００において、最大の駆動効率を得るためには、超音波振動子１が組み立てられて、超音波モータ１００の所定の位置に組み付けられた状態で、伸縮振動の共振周波数ａと屈曲振動の共振周波数ｂとが実質的に一致していることが必要である。しかしながら、伸縮振動の共振周波数ａと屈曲振動の共振周波数ｂとが実質的に一致するように設計された超音波振動子１であっても、圧電素子８または振動板７の寸法における誤差、圧電素子８と振動板７の位置合せにおける誤差、および電極の寸法における誤差等の要因のために、図８に示されるように、実際に組み立てられ、超音波モータ１００に組み付けられた超音波振動子１の伸縮振動の共振周波数ａと屈曲振動の共振周波数ｂとの間に、ズレΔφが生じることがある。なお、図８において、横軸は周波数ｆ（＝１／Ｔ）を示し、縦軸は、伸縮振動の長辺方向の振動の振幅および屈曲振動の短辺方向の振動の振幅Ｆを示す。

図１０は、本発明者の行なったシミュレーションの結果であって、支持用突出部３の長さＬ１と超音波振動子１の伸縮振動の共振周波数ａおよび屈曲振動の共振周波数ｂの変化との関係を示している。図１０に示されるように、支持用突出部３の長さＬ１が増加するにつれて、超音波振動子１の屈曲振動の共振周波数ｂは、近似的には直線的に減少するが、伸縮振動の共振周波数ａは、ほぼ一定である。

図６および図７にハッチングによって示された部分は、伸縮振動の節の位置Ｘおよび屈曲振動の節の位置Ｙに相当する。支持用突出部３は、主板部６に生じる伸縮振動の節の位置Ｘまたはその近傍の位置に設けられており、かつ、屈曲振動の節の位置Ｙまたはその近傍からは離れた位置に設けられている。したがって、支持用突出部３の長さＬ１を変化させると、伸縮振動の共振周波数ａは変化しないが、屈曲振動の共振周波数ｂは変化する。

超音波振動子１が超音波モータ１００の所定の位置に取り付けられた後に、支持用突出部３を研削することによって、その形状および質量を変化させることができる。それにより、伸縮振動の共振周波数ａがほぼ一定である状態で屈曲振動の共振周波数ｂのみを調整することができる。その結果、伸縮振動の共振周波数ａと屈曲振動の共振周波数ｂとを実質的に一致させることが容易になる。また、支持用突出部３の形状および質量を変化させる代わりに、焼きなまし等などの加熱処理によって支持用突出部３の剛性等の物性を変化させることによっても、伸縮振動の共振周波数ａを一定に維持した状態で、屈曲振動の共振周波数ｂの調整することが容易である。

次に、支持用突出部３の開放端を削ることによって、つまり、支持用突出部３の形状および質量を変化させることによって、超音波振動子１の振動特性を調整する方法が具体的に説明される。

組み立てが行なわれ、製品の所定の位置に組み付けられた超音波振動子１の屈曲振動の共振周波数ｂが伸縮振動の共振周波数ａよりも低い場合には、伸縮振動の共振周波数ａと屈曲振動の共振周波数ｂとを実質的に一致させるために、屈曲振動の共振周波数ｂを伸縮振動の共振周波数ａまで増加させることが必要である。

本実施の形態においては、図１１に示されるように、支持用突出部３の開放端を削り、支持用突出部３を短くすることによって、屈曲振動の共振周波数ｂを増加させて伸縮振動の共振周波数ａに一致させる。この方法によれば、超音波振動子１の振動特性を容易に調整することが可能である。また、シャフト５の貫通孔５０と主板部６との間において支持用突出部３は研削されていないため、支持用突出部３の強度が維持された状態で、超音波振動子１の振動特性を調整することが可能である。

また、図１２に示されるように、支持用突出部３に設けられた貫通孔５０の中心位置から同一の距離だけ離れた２つの位置のそれぞれに凹部５５を設け、支持用突出部３の形状および質量を変化させてもよい。これによれば、伸縮振動の共振周波数ａを変化させることなく、屈曲振動の共振周波数ｂのみを変化させることができる。

また、図８に示されたように、２つの凹部５５が、貫通孔５０の中心位置を介して対向する位置であって、貫通孔５０の中心位置から等しい距離の位置に、研削によって形成される。これにより、屈曲振動における慣性モーメントを小さくすることによって、屈曲振動の共振周波数を変化させることが可能になる。なお、研削によって凹部５５が大きくなり過ぎた場合には、凹部５５に何らかの部材が埋め込まれることによって、振動特性が再び調整されてもよい。

次に、支持用突出部３を加熱処理して、支持用突出部３の剛性を変化させることによって、超音波振動子１の振動特性を調整する方法が説明される。加熱装置（図示せず）を用いて支持用突出部３が７００度程度まで加熱された後、自然に冷却される。それにより、支持用突出部３の剛性が低減される。支持用突出部３の剛性が低減されると、超音波振動子１の屈曲振動の共振周波数ｂが低減される。また、支持用突出部３が、加熱装置によって７００度程度まで加熱された後、水中で急激に冷却されると、支持用突出部３の剛性が増加し、超音波振動子１の屈曲振動の共振周波数ｂが増加する。加熱装置として、レーザなどの支持用突出部３のみを局所的に加熱することができる装置が用いられることが望ましい。また、加熱温度は支持用突出部３の材料の変態温度以上であることが必要である。振動板７の材料としてステンレスが用いられる場合には、加熱温度は７００度程度であることが望ましい。

次に、支持用突出部３に重り１３を搭載する、すなわち、支持用突出部３に所定の質量を有する材料を付加して、超音波振動子１の振動特性を調整する方法が説明される。

図１３に示されるように、支持用突出部３にステンレスの重り１３が接着されると、支持用突出部３の質量が増加する。支持用突出部３の質量が増加すると、屈曲振動における支持用突出部３の慣性モーメントが増加する。したがって、超音波振動子１の屈曲振動の共振周波数ｂを低減させることができる。ただし、重り１３の材質は、ステンレスに限定されず、いかなる材質であってもよい。

上述の支持用突出部３と同様に、図９に示された調整用突出部２０の形状、剛性、質量、および内部応力のうちの少なくともいずれかに変化を生じさせることによっても、屈曲振動の共振周波数ａを変化させずに、伸縮振動の共振周波数ｂのみを変化させることが容易になる。

（実施の形態２）
＜全体構成＞
本実施の形態の超音波振動子においては、実施の形態１の超音波振動子の構成要素と同一の構成要素には実施の形態１の超音波振動子１に付された参照符号と同一の参照番号が付され、特に必要がない限り、その説明は繰り返さない。

本実施の形態においても、超音波振動子１が組み立てられた後においても、超音波振動子１の振動特性が容易に調整され得る。

図１４は、本実施の形態の超音波モータ１００の平面図である。図１４に示されるように、本実施の形態の超音波モータ１００は、超音波振動子１とロータ２とからなっている。

本実施の形態の超音波振動子１は、図１〜図８を用いて説明された実施の形態１の超音波振動子１とほぼ同様であるが、主板部６を介して支持用突出部３に対向するように押付用突出部１４が設けられていることが、実施の形態１の超音波振動子１とは異なっている。押付用突出部１４には線状のゴム１５の一端が接着されている。線状のゴム１５の他端は、図示されていない外部に設けられた押付用機構に固定されている。線状のゴム１５は、その収縮力によって、押付用機構に対して、押付用突出部１４を引っ張る。それによって、超音波振動子１の角部Ｓがロータ２の外周部を押す力を調整することができるようになっている。つまり、線状のゴム１５の収縮力の調整によって、超音波振動子１とロータ２との当接力が調整される。

本実施の形態の超音波モータ２においても、実施の形態１の超音波モータ１００と同様に、後述する超音波振動子１に設けられた電極９，１０，１１，１２，および１７に信号が入力される。それにより、ロータ２の外周面に当接している主板部６の角部Ｓが、図１４に示される楕円軌道Ｅを描いて移動する。その結果、ロータ２が円軌道Ｃに沿ってその回転中心軸まわりに回転する。

＜超音波振動子＞
図１５には、本実施の形態の超音波振動子１の斜視図が示されている。超音波振動子１の構成要素のうち、主板部６、圧電素子８、電極９，１０，１１，１２，および１７のそれぞれの形状、寸法、配置、および構成材料は、実施の形態の超音波振動子１のそれと同一であるため、その説明は繰り返さない。

ただし、本実施の形態においては、貫通孔５０とシャフト５とは固定されていない。そのため、シャフト５が支持用突出部３に設けられた貫通孔５０内においてその軸まわりに回転し得る。より具体的には、支持用突出部３は、シャフト５が延びる方向の移動は拘束されているが、シャフト５が延びる方向に沿った回転中心軸まわりに回転することができる。なお、支持用突出部３の上側および下側のそれぞれには、超音波振動子１がシャフト５の軸方向に沿って移動しないように、支持用突出部３のシャフト５の軸方向の移動を拘束する部材（図示せず）が設けられている。なお、押付用突出部１４は、幅１ｍｍかつ長さ２．５ｍｍの略長方形状を有している。

また、本実施の形態の超音波振動子１の駆動方法は、実施の形態１の超音波振動子１の駆動方法と同一であるため、その説明は繰り返さない。

また、超音波振動子１の構造として、図１６に示された構造が採用されてもよい。図１６に示される構造においては、図６に示された屈曲振動の節の位置Ｘの近傍であって、かつ図７に示された伸縮振動の節の位置Ｙからは離れた位置の少なくとも１の位置に調整用突出部２０が設けられている、なお、調整用突出部２０は、圧電素子８または主板部６の一部であっても、他の材料が圧電素子８または主板部６に付加されたものであってもよい。

＜超音波振動子の振動特性調整方法＞
図１７は、本願の発明者らが行なったシミュレーション結果を示しており、超音波振動子１の押付用突出部１４の長さＬ２と超音波振動子１の伸縮振動の共振周波数ａおよび屈曲振動の共振周波数ｂとの関係を示している。図１７に示されるように、押付用突出部１４の長さＬ２を増加させるにつれて、超音波振動子１の屈曲振動の共振周波数ｂが近似的に直線的に減少するが、伸縮振動の共振周波数ａはほぼ一定である。

押付用突出部１４は、主板部６に生じる伸縮振動の節の位置Ｘまたはその近傍であり、屈曲振動の節の位置Ｙまたはその近傍から離れた位置に設けられている。したがって、押付用突出部１４の長さＬ２を変化させると、伸縮振動の共振周波数ａに変化を生じさせることなく、屈曲振動の共振周波数ｂに変化を生じさせることができる。

超音波振動子１を超音波モータ１００の所定の位置に取り付けた後に、押付用突出部１４の形状および質量を変化させることにより、伸縮振動の共振周波数ａがほぼ一定の状態で、屈曲振動の共振周波数ｂのみを調整して、伸縮振動の共振周波数ａと屈曲振動の共振周波数ｂとを実質的に一致させることができる。

また、焼きなましなどの手法を用いて剛性などの押付用突出部１４の物性を変化させることによっても屈曲振動の共振周波数を調整することが可能である。

次に、押付用突出部１４の先端を研削することによって、超音波振動子１の押付用突出部１４の形状および質量を変化させて、超音波振動子１の振動特性を調整する方法が具体的に説明される。

組み立てされ、所定の位置に設置された超音波振動子１の屈曲振動の共振周波数ｂが伸縮振動の共振周波数ａよりも低い場合には、伸縮振動の共振周波数ａと屈曲振動の共振周波数ｂとを略一致させるために、屈曲振動の共振周波数ｂのみを伸縮振動の共振周波数ａと略一致するように増加させる必要がある。図１８に示されるように、押付用突出部１４の長さＬ２が押付用突出部１４がその先端の研削によって短くなれば、伸縮振動の共振周波数ａが一定の状態で、屈曲振動の共振周波数ｂが増加する。したがって、屈曲振動の共振周波数ｂと伸縮振動の共振周波数ａとを実質的に一致させることは容易である。

次に、押付用突出部１４に加熱処理を施して、超音波振動子１の押付用突出部１４の剛性を変化させて、超音波振動子１の振動特性を調整する方法が説明される。

加熱装置を用いて押付用突出部１４が７００度程度まで加熱される。その後、自然冷却が行なわれる。それにより、押付用突出部１４の剛性が低下する。押付用突出部１４の剛性が低減されると、超音波振動子１の屈曲振動の共振周波数ｂが低下する。

また、押付用突出部１４は、加熱装置を用いて７００度程度まで加熱された後、水に入れて急激に冷却されると、押付用突出部１４の剛性が増加し、超音波振動子１の屈曲振動の共振周波数ｂが増加する。

加熱装置として、レーザなど、押付用突出部１４のみが局所的に加熱することができる装置が用いられることが望ましい。また、加熱温度は、押付用突出部１４の材料の変態温度以上であることが必要である。そのため、押付用突出部１４の材料としてステンレスが用いられる場合には、７００度程度の温度で押付用突出部１４が加熱されることが望ましい。

次に、押付用突出部１４に重り１３が搭載されると、超音波振動子１の押付用突出部１４の質量を変化させて、超音波振動子１の振動特性を調整する方法が説明される。

図１９に示されるように、押付用突出部１４にステンレスの重り１３が接着されると、伸縮振動の共振周波数ａが一定の状態で、屈曲振動の共振周波数ｂが低下する。なお、重り１３の材料は、ステンレスに限定されず、ステンレス以外の他の材料であってもよい。

また、支持用突出部３と同様に、図１６に示された調整用突出部２０の形状、剛性、および質量のうち少なくともいずれか１つの要素を変化させることにより、屈曲振動の共振周波数ｂを変化させずに、伸縮振動の共振周波数ａのみを容易に調整することができる。

上記の実施の形態においては、複数種類の振動の節のうちの１の節の位置またはその近傍の位置に設けられた構造物である突出部の物理量として、形状、剛性、および質量のうちの少なくともいずれか１つを変化させることにより、振動特性の調整が行なわれている。しかしながら、振動の節の位置またはその近傍に設けられた構造の形状、剛性、および質量の代わりに、振動の節の位置またはその近傍の位置の構造の内部応力を変化させることにより、前述と同様の振動特性の調整を行なうことが可能である。内部応力を変化させる方法としては、振動の節の位置またはその近傍の位置の構造が誘電体を含んでおり、外部からその誘電体へ電界を印加する方法が考えられる。

また、上記各実施の形態においては、振動の節を含むように突出部が設けられているが、振動の節の位置の近傍に突出部が設けられていても、振動の節と突出部との間の距離が所定量より小さければ振動特性を調整することは、従来の方法に比較すれば、容易である。たとえば、屈曲振動の共振周波数ｂを変化させずに、伸縮振動の共振周波数ａを変化させる場合には、平面的に見て点で表現される屈曲振動の振動の節を囲むような周縁状の領域上に突出部が形成されていてもよい。たとえば、屈曲振動の振動の節としての点を囲むパイプ状の突出部が調整用突出部２０の代わりに設けられていても、上記と同様に、振動特性を容易に調整することが可能である。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

実施の形態の超音波モータの平面図である。 実施の形態の超音波振動子の斜視図である 実施の形態の超音波振動子の分解斜視図である。 圧電素子に取り付けられた４つの電極に印加される４つの電圧モードを説明するための図である。 伸縮振動のための信号の位相と屈曲振動のための振動の位相とが９０°だけずれていることを説明するためのタイムチャートである。 実施の形態の主板部が伸縮振動によって変形する態様を示す図である 実施の形態の主板部が屈曲振動によって変形する態様を示す図である 伸縮振動の共振周波数と屈曲振動の共振周波数とが一致しないことを説明するための図である。 実施の形態の超音波振動子の構成を表す概略図である 実施の形態の支持用突出部の長さと、伸縮振動の共振周波数および屈曲振動の共振周波数との関係を示すグラフである 実施の形態の支持用突出部の削り方を説明するための図である 実施の形態の支持用突出部に設ける凹部を示す図である。 実施の形態の支持用突出部に重りが設置された状態を説明するための図である。 実施の形態２の超音波モータの平面図である。 実施の形態２の超音波振動子の斜視図である。 実施の形態２の超音波振動子の構成を表す概略図である。 実施の形態２の押付用突出部の長さと伸縮振動の共振周波数および屈曲振動の共振周波数との関係を示すグラフである。 実施の形態の押付用突出部の削り方を説明するための図である。 実施の形態の押付用突出部に重りが設置された状態を示す図である。 特開２００１−２８６１６７号公報において示された超音波振動子の構成を示す概略図である。

符号の説明

１ 超音波振動子、２ ロータ、１００ 超音波モータ、３ 支持用突出部、４ 支持体、５ シャフト、６ 主板部、７ 振動板、８ 圧電素子、９，１０，１１，１２，１７ 電極、１４ 押付用突出部、１５ ゴム、２０ 調整用突出部、５０ 貫通孔、５５ 凹部、ａ 伸縮振動の共振周波数、ｂ 屈曲振動の共振周波数、Ｃ 円軌道、Ｅ 楕円軌道、Ｓ 角部、Ｘ 伸縮振動の節の位置、Ｙ 屈曲振動の節の位置、Δφ 位相のズレ。

Claims (14)

1. 複数種類の振動を組合せて被駆動体を駆動する超音波振動子の振動特性の調整方法であって、
   前記複数種類の振動は、それぞれ、振幅が実質的にゼロである振動の節を有し、
   前記複数種類の振動の節のうちの一の種類の振動の節の位置およびその近傍の位置を含む領域を一の領域とし、かつ、前記一の種類の振動とは異なる他の種類の振動の節の位置およびその近傍の位置を含む領域を他の領域としたときに、前記一の領域内にありかつ前記他の領域外にある構造の物理量を変化させることにより、前記一の領域に振動の節を有する振動の特性を実質的に変化させることなく前記他の領域に振動の節を有する振動の特性を調整する、超音波振動子の調整方法。
2. 前記一の領域における構造は突出部であり、
   前記物理量は、前記突出部の物理量である、請求項１に記載の超音波振動子の調整方法。
3. 前記突出部の物理量は、研削によって変化する、請求項２に記載の超音波振動子の調整方法。
4. 前記突出部の物理量は、加熱処理によって変化する、請求項２に記載の超音波振動子の調整方法。
5. 前記物理量は、前記突出部への所定部材の付加によって変化する、請求項２に記載の超音波振動子の調整方法。
6. 前記一の領域に凹部を設けることによって、前記構造の物理量が変化する、請求項１に記載の超音波振動子の調整方法。
7. 前記複数種類の振動は、伸縮振動と屈曲振動とを有し、
   前記伸縮振動および前記屈曲振動のうちいずれか一方の振動特性を調整する、請求項１
   に記載の超音波振動子の調整方法。
8. 前記伸縮振動の特性を調整することなく、前記屈曲振動の特性を調整する、請求項７に記載の超音波振動子の調整方法。
9. 前記突出部が当該超音波振動子を支持するための支持用突出部として機能する、請求項２に記載の超音波振動子の調整方法。
10. 複数種類の振動を組合せて被駆動体を駆動する超音波振動子であって、
    前記複数種類の振動は、それぞれ、振幅が実質的にゼロである振動の節を有し、
    前記複数種類の振動の節のうちの一の種類の振動の節の位置およびその近傍の位置を含む領域を一の領域とし、かつ、前記一の種類の振動とは異なる他の種類の振動の節の位置およびその近傍の位置を含む領域を他の領域としたときに、前記一の領域内であってかつ前記他の領域外に振動特性調整部が設けられ、
    前記振動特性調整部は、その構造の物理量を変化させることにより、前記一の領域に振動の節を有する振動の特性を実質的に変化させることなく前記他の領域に振動の節を有する振動の特性を調整し得る構造を有するものである、超音波振動子。
11. 前記振動負荷調整部が突出部を有する、請求項１０に記載の超音波振動子。
12. 前記振動特性調整部が凹部を有する、請求項１０に記載の超音波振動子。
13. 前記突出部が当該超音波振動子を支持する支持用突出部として機能する、請求項１１に記載の超音波振動子。
14. 前記突出部が、当該超音波振動子によって駆動される被駆動体に対して超音波振動子を押し付けるための押付用突出部として機能する、請求項１１に記載の超音波振動子。

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