(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの弾性体と、
この２つの弾性体の第１の面に配置され、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２つの積層型の電気ー機械エネルギー変換素子と、
この２つの積層型の電気ー機械エネルギー変換素子間に配置されると共に、該積層型の電気ー機械エネルギー変換素子に挟まれる補助弾性体と、
を有し、上記２つの弾性体により上記積層型の電気ー機械エネルギー変換素子および補助弾性体を挟持し、上記積層型の電気ー機械エネルギー変換素子を微小長さ圧縮した状態にて上記２つの弾性体を接着あるいは溶接により一体化することを特徴とする超音波振動子の製造方法。
【請求項２】
上端中央部に凸部を有する弾性体と、
この弾性体の凸部の側部に配置され、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２つの積層型の電気ー機械エネルギー変換素子と、
上記弾性体の凸部と共に上記積層型の電気ー機械エネルギー変換素子を挟持する補助弾性体と、
を有し、上記積層型の電気ー機械エネルギー変換素子および上記補助弾性体を上記弾性体の凸部に対して押圧部材にて押し付けて、上記積層型の電気ー機械エネルギー変換素子を微小長さ圧縮した状態にして、上記積層型の電気ー機械エネルギー変換素子、上記補助弾性体および上記弾性体を接着固定することを特徴とする超音波振動子の製造方法。
【請求項３】
上記補助弾性体は角部に傾斜面を有し、上記押圧部材は上記補助弾性体の傾斜面に対応する斜面を有し、上記補助弾性体の傾斜面に対して当該押圧部材の斜面を押し付けることを特徴とする請求項２に記載の超音波振動子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、超音波振動子の製造方法、より詳しくは、積層型の電気ー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させる超音波振動子を製造する方法に関する。
【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５５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の製造方法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】
上記目的を達成するため本発明による第１の超音波振動子の製造方法は、２つの弾性体と、この２つの弾性体の第１の面に配置され、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２つの積層型の電気ー機械エネルギー変換素子と、この２つの積層型の電気ー機械エネルギー変換素子間に配置されると共に、該積層型の電気ー機械エネルギー変換素子に挟まれる補助弾性体とを有し、上記２つの弾性体により上記積層型の電気ー機械エネルギー変換素子および補助弾性体を挟持し、上記積層型の電気ー機械エネルギー変換素子を微小長さ圧縮した状態にて上記２つの弾性体を接着あるいは溶接により一体化することを特徴とする。
また、本発明による第２の超音波振動子の製造方法は、上端中央部に凸部を有する弾性体と、この弾性体の凸部の側部に配置され、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２つの積層型の電気ー機械エネルギー変換素子と、上記弾性体の凸部と共に上記積層型の電気ー機械エネルギー変換素子を挟持する補助弾性体とを有し、上記積層型の電気ー機械エネルギー変換素子および上記補助弾性体を上記弾性体の凸部に対して押圧部材にて押し付けて、上記積層型の電気ー機械エネルギー変換素子を微小長さ圧縮した状態にして、上記積層型の電気ー機械エネルギー変換素子、上記補助弾性体および上記弾性体を接着固定することを特徴とする。
さらに、本発明による第３の超音波振動子の製造方法は、上記第２の超音波振動子の製造方法において、上記補助弾性体は角部に傾斜面を有し、上記押圧部材は上記補助弾性体の傾斜面に対応する斜面を有し、上記補助弾性体の傾斜面に対して当該押圧部材の斜面を押し付けることを特徴とする。
【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１３ｂ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１００℃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の製造方法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）
【図１】
0003607714.tif 000002
【図２】
0003607714.tif 000003
【図３】
0003607714.tif 000004
【図４】
0003607714.tif 000005
【図５】
0003607714.tif 000006
【図６】
0003607714.tif 000007
【図７】
0003607714.tif 000008
【図８】
0003607714.tif 000009
【図９】
0003607714.tif 000010
【図１０】
0003607714.tif 000011
【図１１】
0003607714.tif 000012
【図１２】
0003607714.tif 000013
【図１３】
0003607714.tif 000014
【図１４】
0003607714.tif 000015
【図１５】
0003607714.tif 000016
【図１６】
0003607714.tif 000017