JPH05146171A - 超音波振動子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 コンパクトで大きな振動を出力する超音波振
動子を提供する。 【構成】 ２枚の圧電素子１０１の内部電極１０８を分
割し、この分割面を対向して重ねた第１の重ね体１１１
と、第１の重ね体１１１の分割方向と直交方向に内部電
極１０８を分割した２枚の圧電素子１０１を対向して重
ねた第２の重ね体１１２とを交互に多数積層して屈曲振
動用積層体を形成し、屈曲振動用積層体上に伸縮振動用
積層体を積層して超音波振動子とする。屈曲振動用積層
体および伸縮振動積層体の振動の合成で大きな振動を出
力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【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に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】最近、電磁型モータに代わる新しいモー
タとして超音波振動子を使用した超音波モータが開発さ
れている。この超音波モータは、従来の電磁型モータに
比べて次のような利点を有している。

【０００３】 （１） 薄型、軽量、コンパクトである。 （２） ギヤなしで低速、高トルクが得られる。 （３） 部品構成が単純で信頼性が高い。 （４） 磁気的影響の授受がない。 （５） バックラッシュがなく位置決めが容易である。

【０００４】超音波モータは回転型とリニア型とがあ
り、図１５〜図１８はリニア型超音波モータの従来例を
示している。図１５の従来例においては、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。この屈曲進行波は矢印Ｄ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
マッチングさせ、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定常的に左方から右方に進
む。

【０００５】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は矢印Ｈで示すように図
中左方向へと移動していく。

【０００６】図１６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。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。同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６Ａ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Ｄとは逆方向すなわち図中左方向に駆動
される。なお進行波の伝播方向を逆にすれば、移動体６
Ａは図中右方向へ駆動する。

【０００７】図１７は他の従来例を示し、ランバジュ型
振動子７の先端には振動片８が取り付けられている。そ
して振動体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。このランジュバン
型振動子７に対し交流電源９からランジュバン型振動子
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は図中の矢印で示すように左の方向に移動する。

【０００８】図１８はさらに別の従来例を示し、矩形状
をなす導電性の振動子１０の両面に圧電素子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１
０からは、接地端子Ｅが引出されている。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形状となっている。かくし
て、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う。そこでスライダ６Ｃを上
記断面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。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】図１５〜図１８に示す
超音波モータは超音波振動子の質点における楕円軌跡運
動のエネルギーを移動体（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。ところが、図１５の
従来例では、伝播棒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
まう問題があった。また、図１７に示した従来例ではス
ライダー６Ｂの進行方向が一方向に限定される上、前記
従来例と同様に装置全体が大型化するという問題があっ
た。さらに図１８に示す従来例では振動子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。そこで、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１
１，１２の枚数を増やすと、その分だけ装置が大型化す
るという欠点があった。また、この図１８の従来例は振
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。

【００１０】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り
出すことができ、リニアモーターとして用いた場合に被
駆動体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を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の超音波振動子
は、両面に施された内部電極の内、片面の内部電極が２
分割された２枚の圧電素子を前記内部電極の分割面を対
向させて重ねた第１の重ね体と、両面に施された内部電
極の内、片面の内部電極が前記分割方向と直交する方向
に分割された２枚の圧電素子を前記内部電極の分割面を
対向させて重ねた第２の重ね体とを交互に複数回積層し
た第１の積層体と、両面に内部電極が施された圧電素子
を複数積層した第２の積層体とを備え、これらの第１の
積層体と第２の積層体とが積層方向に直列に接合され、
前記圧電素子の内部電極を電気接続する外部電極が外面
に設けられていることを特徴とする。

【００１２】

【作用】上記構成において、第１の積層体の圧電素子に
電圧を印加し、２分割された内部電極の分極処理を行う
ことにより、各圧電素子の分極の向きを逆とする。ま
た、第２の積層体の圧電素子に電圧を印加して、同様に
分極処理を行う。そして第１の積層体の第１の重ね体に
電圧を印加して所定の周波数ｆを有したベンディングの
第１の固有モードを発生させ、この周波数ｆにより第２
の積層体を振動させる。このとき、位相差を適宜、設定
することにより、被駆動体側に第１の超音波楕円振動を
発生させることができる。

【００１３】一方、第１の積層体の第２の重ね体に電圧
を印加し、前記ベンディングの第１の固有モードと直交
するベンディングの第２の固有モード（周波数ｆ）を発
生させ、この周波数ｆにより第２の積層体を振動させ
る。このとき、位相差を適宜、設定することにより、被
駆動体側に超音波楕円振動を発生することができる。こ
れら第１の超音波楕円振動の振動面と第２の超音波楕円
振動の振動面は直交しているので、それぞれの超音波楕
円振動の大きさを変化させることにより、その合成とし
て、振動面を超音波振動子の軸の回りに任意に回転させ
ることができる。このため、被駆動体を超音波振動子の
端部に圧接させると、その被駆動体は、超音波楕円振動
による力によりその超音波楕円振動面の方向に移動する
ことができる。

【００１４】

【実施例１】図１ないし図９は本発明の実施例１を示
す。超音波振動子１００は図１に示すように、下側の第
１の積層体１０６ａと上側の第２の積層体１０６ｂとを
直列に接合した積層体１０６を有している。第２の積層
体１０６ｂの上端部には被駆動体（図示省略）が当接さ
れるものであり、この第２の積層体１０６ｂの上端部に
は上面中央に突起１０４を有した突起台１０３が設けら
れている。一方、第１の積層体１０６ａの下端部には絶
縁体素子からなる固定台１０２が設けられている。

【００１５】第１および第２の積層体１０６ａ，１０６
ｂはいずれも圧電素子１０１を複数積層することにより
構成される。図３は第１の積層体１０６ａの上方からの
分解斜視図、図１４は下方からの分解斜視図を示す。圧
電素子１０１は矩形状のＰＺＴ−ＰＭＮ系材料が使用さ
れるものであり、この材料の仮焼結粉末とバインダーと
を混合して泥漿を作成し、この泥漿をドクターブレード
法によりフィルム上に１００μｍの厚さでキャスティン
グしてグリーンシートとする。そして、グリーンシート
を乾燥した後、フィルムから剥離して圧電材料膜１０７
とする。その後、圧電材料膜１０７の両面にＡｇ−Ｐｂ
ペースト等により内部電極１０８を形成することにして
圧電素子１０１とする。

【００１６】図３および図４における最下段の圧電素子
１０１は、上面の内部電極１０８が左右方向に２分割さ
れており、この内部電極１０８の分割面に第２段目の圧
電素子１０１が積層される。第２段目の圧電素子１０１
は図４に示すように、下面の内部電極１０８が左右方向
に２分割されており、この内部電極１０８の分割面と最
下段の圧電素子１０１の分割面とが対向するように積層
される。これにより、第１の重ね体１１が形成される。
第２段目の圧電素子１０１上に積層される第３段目の圧
電素子１０１は図３に示すように、上面の内部電極１０
８が前後方向に２分割されており、同方向に下面の内部
電極１０８が分割された第４段目の圧電素子１０１が積
層され、これにより第２の重ね体１１２が形成される。
従って、第１の重ね体１１１と第２の重ね体１１２とは
内部電極の分割方向が直交しており、この第１の重ね体
１１１と第２の重ね体１１２とを交互に複数回（例え
ば、数十回）積層することにより第１の積層体１０６ａ
が構成される。

【００１７】図５および図６は第２の積層体１０６ｂの
上方および下方からの分解斜視図を示す。この第２の積
層体１０６ｂの圧電素子１０１は第１の積層体１０６ａ
の圧電素子１０１と同様な方法で作成されるが、両面の
内部電極１０８はいずれも分割されることなく、略全面
に形成されている。そして、この圧電素子１０１を複数
枚（数十枚）積層することにより第２積層体１０６ｂが
構成される。これらの積層体１０６ａ，１０６ｂは直列
に積層されて積層体１０６が形成され、この積層体１０
６を熱プレスした後、約１２００℃で焼結する。

【００１８】焼結後においては、積層体１０６の上下端
面を研磨し、下端面にセラミックス、金属等からなる固
定台１０２を、上端面にセラミックス、金属等からなる
突起台１０３をそれぞれ接着によって固定する。この場
合、固定台１０２および突起台１０３は積層体１０６の
焼成と同時に、一体的に焼成しても良い。

【００１９】以上にようにして積層体１０６を形成した
後、積層体１０６の外側面に外部電極１０５を形成す
る。この外部電極１０５は銀ペーストなどの導電性ペー
ストを塗布することにより形成することができる。図１
および図２において、１０５ａはグランド用外部電極で
あり、積層体１０６の全長にわたって形成されている。
１０５ｂは屈曲振動用外部電極であり、第１の積層体１
０６ａの全長にわたって形成される。１０５ｃは伸縮振
動用外部電極であり、第２の積層体１０６ｂの全長にわ
たって形成されている。そして、これらの外部電極１０
５ａ，１０５ｂ，１０５ｃにリード線１０７が接続され
ている。なお、かかる超音波振動子１００の外面には絶
縁保護膜（図示省略）を被覆することにより絶縁破壊防
止処理が施されるものである。

【００２０】以上にように作製された超音波振動子１０
０は油中、空気中などにおいて分極処理が施される。す
なわち積層体１０６の対向した反対面に位置した屈曲振
動用外部電極１０５ｂはグランド用外部電極１０５ａに
対しそれぞれ極性が逆になるように電圧を印加する一
方、伸縮振動用外部電極１０５ｃはグランド用外部電極
１０５ａに対し、正または負の極性の電圧を印加するこ
とにより分極処理を行う。

【００２１】上記構成において、屈曲振動用外部電極１
０５ｂとグランド用外部電極１０５ａ間に位相の交番電
圧を印加し、その周波数ｆを超音波振動子１００の固有
振動数に一致させる。図７はこの屈曲１次振動を、図８
は屈曲２次振動を示し、これらの固有振動数に交番電圧
の周波数ｆを一致させる。これにより、突起台１０３の
突起１０４は図１におけるＸ方向に交番的に振動する。
一方、伸縮振動用外部電極１０５ｃとグランド用外部電
極１０５ａとの間に周波数ｆの交番電圧を印加する。こ
れにより、図９に示すような伸縮振動が非共振状態で発
生する。これにより突起１０４は図１におけるＺ方向に
交番的に振動する。

【００２２】さらに、屈曲振動用外部電極１０５ｂとグ
ランド用外部電極１０５ａとに印加する電圧の位相を適
宜調整することにより、突起１０４にＸ−Ｚ面内での右
回り、又は左回りの超音波楕円振動を発生させることが
でき、この状態で平板状の被駆動体を突起１０４に圧接
させると、被駆動体をＸ方向の正又は負の方向に移動さ
せることができる。

【００２３】伸縮振動用外部電極１０５ｃとグランド用
外部電極１０５ａ間に同位相の交番電圧を印加し、その
周波数ｆを図７に示す屈曲１次振動の固有振動数に一致
させることにより、突起１０４は図１のほぼＹ方向に交
番的に振動する。一方、伸縮振動用外部電極１０５ｃと
グランド用外部電極１０５ａに周波数ｆの交番電圧を印
加すると、図９に示すような伸縮振動が非共振状態で発
生する。この振動により、突起１０４は図１のＺ方向に
交番的に振動する。屈曲振動用外部電極１０５ｂとグラ
ンド用外部電極１０５ａとに印加する電圧の位相を適当
に調整することで、突起１０４にＹ−Ｚ面内での右回
り、又は左回りの超音波楕円振動を発生させることがで
き、この状態で図示しない平板状の被駆動体を突起１０
４に圧接させると被駆動体をＹ方向の正又は負の向きに
移動させることができる。

【００２４】さらに屈曲振動用外部電極１０５ｂ、伸縮
振動用外部電極１０５ｃおよびグランド用外部電極１０
５ａに同一周波数ｆの電圧を印加し、上記２種類の振動
を励起させ、その各々の振動の大きさを変化させること
により、図１のＺ軸を含むような超音波楕円振動を任意
の方向に発生させることができる。この時図示しない被
駆動体を突起１０４に圧接させると被駆動体はＸ−Ｙ面
の任意の方向に移動することができる。

【００２５】図１０、図１１、図１３は突起台１０３の
各例を示し、図１１のように側面に突起１０４を設け
て、側面を駆動面としても良く、図１２のように各面に
突起１０４を設けて、どの面を駆動面として使えるよう
にしても良い。また、本実施例では屈曲振動を共振状態
で用いたが、非共振状態で用いても良く、また、圧電素
子１０１は、角柱形状以外の円柱形状であっても良い。
さらには、圧電素子を接着により接合しても良い。

【００２６】

【実施例２】図１３および図１４は本発明の実施例２を
示し、前記実施例と同一の要素は同一の符号で対応させ
てある。この実施例２では屈曲振動励起を行う下部の第
１の積層体１０６ａに対し、逆位相に屈曲した屈曲振動
励起を行う積層体１０６ｃを積層し、この積層体１０６
ｃに伸縮振動励起を行う第２の積層体１０６ｂを積層し
ている。

【００２７】上記構成における分極処理は以下のように
行う。すなわち、第１の積層体１０６ａの隣接する２つ
の外部電極１０５ｂおよびこの外部電極１０５ｂと反対
側に対向した積層体１０６ｃの２つの外部電極１０５ｄ
はグランド用外部電極１０５ａに対して極性が同一とな
るように電圧印加する。また、第１の積層体１０６ａの
残りの外部電極１０５ｂおよび積層体１０６ｃの残りの
外部電極１０５ｄは上記極と逆の極性電圧を印加する。
なお、第２の積層体１０６ｂの外部電極１０５ｃはグラ
ンド用外部電極１０５ａに対し、正または負の極性の電
圧を印加する。

【００２８】そして、対向する位置の外部電極１０５
ｂ、１０５ｃとグランド用外部電極１０５ａに同位相の
交番電圧を印加し、その周波数ｆを屈曲２次振動または
図示しない屈曲３次振動のような屈曲の固有振動に一致
させる。この振動により突起１０４は図６のほぼＸ方向
に交番的に振動する。また、第２の積層体１０６ｂの外
部電極１０５ｃとグランド用外部電極１０５ａとの間に
周波数ｆの交番電圧を印加し、図９に示すような伸縮振
動を非共振で発生させる。この振動により突起１０４は
図６のＺ方向に交番的に振動する。次に、対向した残り
の外部電極１０５ｂおよび１０５ｃとグランド用外部電
極１０５ａに印加する電圧の位相を適当に調整すること
で、突起１０４にＸ−Ｙ面内での右回り、又は左回りの
超音波楕円振動を発生させることができる。この状態で
図示しない平板状の駆動体を突起１０４に圧接させると
被駆動体はＸ方向の正又は負の向きに移動することがで
きる。

【００２９】なお、Ｙ−Ｚ面内での超音波楕円振動の発
生方法については同様であるので説明を省略する。従っ
て、この実施例２では２種類の超音波振動の大きさを変
化させることにより実施例１と同様に被駆動体をＸ−Ｙ
面の任意の方向に移動させることができる。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように本発明の超音波振動
子は、被駆動体をリニア又は二次元的に駆動させること
ができ、しかもこの駆動電圧を１０Ｖ以下の低電圧で行
うことができる。また、本発明の超音波振動子は、ＳＴ
Ｍ（走査形トンネル顕微鏡）の探触針のスキャナーとし
て用いることができ、コンパクトで高効率に駆動するこ
とができる。

【００３１】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の斜視図。

【図２】本発明の実施例１の平面図。

【図３】第１の積層体の上方からの分解斜視図。

【図４】第１の積層体の下方からの分解斜視図。

【図５】第２の積層体の上方からの分解斜視図。

【図６】第２の積層体の下方からの分解斜視図。

【図７】超音波振動子の振動特性を示す側面図。

【図８】超音波振動子の振動特性を示す側面図。

【図９】超音波振動子の振動特性を示す側面図。

【図１０】突起台の斜視図。

【図１１】突起台の変形例の斜視図。

【図１２】突起台の変形例の斜視図。

【図１３】実施例２の斜視図。

【図１４】実施例２の平面図。

【図１５】従来例の側面図。

【図１６】従来例の作動を示す斜視図。

【図１７】別の従来例の側面図。

【図１８】さらに別の従来例の斜視図。

【符号の説明】

１００ 超音波振動子 １０１ 圧電素子 １０５ａ グランド用外部電極 １０５ｂ 外部電極 １０５ｃ 外部電極

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 両面に施された内部電極の内、片面の内
   部電極が２分割された２枚の圧電素子を前記内部電極の
   分割面を対向させて重ねた第１の重ね体と、両面に施さ
   れた内部電極の内、片面の内部電極が前記分割方向と直
   交する方向に分割された２枚の圧電素子を前記内部電極
   の分割面を対向させて重ねた第２の重ね体とを交互に複
   数回積層した第１の積層体と、 両面に内部電極が施された圧電素子を複数積層した第２
   の積層体とを備え、 これらの第１の積層体と第２の積層体とが積層方向に直
   列に接合され、前記圧電素子の内部電極を電気接続する
   外部電極が外面に設けられていることを特徴とする超音
   波振動子。
2. 【請求項２】 被駆動体側に突起を有した突起台が設け
   られていることを特徴とする請求項１記載の超音波振動
   子。
3. 【請求項３】 被駆動体の反対側に固定台が設けられて
   いることを特徴とする請求項１記載の超音波振動子。