(57)【要約】【課題】圧電積層体を破断させることなく大きな押圧力を加えることを可能とし、被駆動体に伝達する駆動力を向上する。【解決手段】表面に内部電極３を備えた複数の圧電セラミックスシート２を積層してなる圧電積層体４と、該圧電積層体４の被駆動体Ｘへの押圧方向の側面を被覆し、圧電積層体４よりも延性の高い材質からなる押圧側保護プレート８と、該押圧側保護プレート８を介して圧電積層体４の長さ方向の略中央位置に押圧力を加える押圧部材７と、該押圧部材７とは正反対の側面に配置され、被駆動体Ｘに接触させられる摩擦接触子５とを備える超音波振動子１を提供する。【選択図】    図１
2007209073.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に内部電極を備えた複数の圧電セラミックスシートを積層してなる圧電積層体と、
該圧電積層体の被駆動体への押圧方向の側面を被覆し、前記圧電積層体よりも延性の高い材質からなる押圧側保護プレートと、
該押圧側保護プレートを介して前記圧電積層体の長さ方向の略中央位置に押圧力を加える押圧部材と、
該押圧部材とは正反対の側面に配置され、被駆動体に接触させられる摩擦接触子とを備える超音波振動子。
【請求項２】
前記押圧側保護プレートが、金属または樹脂により構成されている請求項１に記載の超音波振動子。
【請求項３】
前記押圧側保護プレートと前記押圧部材とが一体的に構成されている請求項１または請求項２に記載の超音波振動子。
【請求項４】
前記圧電積層体の前記摩擦接触子が設けられている側面を被覆する接触子側保護プレートを備え、
前記摩擦接触子が、前記接触子側保護プレートを介して前記圧電積層体の側面に固定されている請求項１から請求項３のいずれかに記載の超音波振動子。
【請求項５】
前記接触子側保護プレートが、金属または樹脂により構成されている請求項４に記載の超音波振動子。
【請求項６】
前記摩擦接触子と前記接触子側保護プレートとが一体的に構成されている請求項４または請求項５に記載の超音波振動子。
【請求項７】
前記押圧側保護プレートと前記接触子側保護プレートとを連結する連結部材を備える請求項４または請求項５に記載の超音波振動子。
【請求項８】
前記連結部材が、前記押圧側保護プレートおよび接触子側保護プレートを、前記圧電積層体の側面に押し付ける方向に付勢する請求項７に記載の超音波振動子。
【請求項９】
前記押圧側保護プレートおよび前記接触子側保護プレートが、前記圧電積層体における圧電セラミックスシートの積層方向の両端側面に配置されている請求項８に記載の超音波振動子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、超音波振動子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、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備える超音波モータが注目されている。
従来の超音波振動子としては、特許文献１および特許文献２に開示された構造のものがある。
【０００３】
特許文献１に開示された超音波振動子は、表面に内部電極を備えた複数の圧電セラミックスシートを積層してなる圧電積層体の一側面に被駆動体に密着させられる摩擦接触子を備えるとともに、該摩擦接触子が設けられている側面に隣接する２側面のほぼ中央から突出させたピンを備えている。そして、ピンを介して加えられた押圧力により、摩擦接触子が被駆動体の表面に押し付けられ、その押圧力に応じた摩擦力により被駆動体を駆動することができるようになっている。
【０００４】
一方、特許文献２に開示された超音波振動子は、圧電素子の側面に、直接または押圧部材を介して押圧力を加えることにより摩擦接触子を被駆動体に密着させる方式のものである。押圧力の大きさは、摩擦接触子から被駆動体に伝達する駆動力の大きさに比例するので、可能な限り大きく確保することが、超音波振動子の性能向上に直結する。
【特許文献１】特開平７−１６３１６２号公報
【特許文献２】特開２００４−９６９８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の超音波振動子は、押圧力を加えるピンを圧電積層体の側面から直接突出させているため、ピンの付け根に配される圧電積層体に大きな応力が集中することが考えられる。また、特許文献２の超音波振動子においても、圧電積層体の側面に、直接あるいは押圧部材を介して間接的に、局所的な押圧力を加えているので、加圧点あるいは圧電積層体に接触する押圧部材の角部において圧電積層体に大きな応力が集中し、大きな押圧力を加えた場合には、圧電積層体が応力集中位置から破断することが考えられる。
【０００６】
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、圧電積層体を破断させることなく大きな押圧力を加えることを可能とし、被駆動体に伝達する駆動力を向上することができる超音波振動子を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、表面に内部電極を備えた複数の圧電セラミックスシートを積層してなる圧電積層体と、該圧電積層体の被駆動体への押圧方向の側面を被覆し、前記圧電積層体よりも延性の高い材質からなる押圧側保護プレートと、該押圧側保護プレートを介して前記圧電積層体の長さ方向の略中央位置に押圧力を加える押圧部材と、該押圧部材とは正反対の側面に配置され、被駆動体に接触させられる摩擦接触子とを備える超音波振動子を提供する。
【０００８】
本発明によれば、内部電極に所定の位相差および所定の駆動周波数の２層の交番電圧を供給することにより、圧電積層体に異なる２つの振動モードを同時に発生させて、摩擦接触子に略楕円振動を発生させ、該摩擦接触子に接触する被駆動体を駆動することができる。この場合において、摩擦接触子と被駆動体とは、押圧部材を介して圧電積層体の長さ方向の略中央位置に供給される押圧力により接触圧力を高められ、その接触圧力の大きさに依存した摩擦力を発生する。したがって、押圧力が大きいほど摩擦接触子を介した被駆動体の駆動力を大きくすることができる。
【０００９】
本実施形態においては、押圧部材と圧電積層体との間に圧電セラミックスシートからなる圧電積層体よりも延性の高い材料からなる押圧側保護プレートが配置されているので、押圧力により圧電積層体に発生する応力集中が分散し、圧電積層体が応力集中により破断することを防止することができる。したがって、より大きな押圧力を圧電積層体に加えることが可能となり、大きな駆動力を得ることができる。
【００１０】
上記発明においては、前記押圧側保護プレートが、金属または樹脂により構成されていることとしてもよい。
このようにすることで、大きな駆動力が得られる超音波振動子を簡易に構成することができる。
【００１１】
また、上記発明においては、前記押圧側保護プレートと前記押圧部材とが一体的に構成されていることが好ましい。
このようにすることで、部品点数を削減し、コストの削減を図ることができる。
【００１２】
また、上記発明においては、前記圧電積層体の前記摩擦接触子が設けられている側面を被覆する接触子側保護プレートを備え、前記摩擦接触子が、前記接触子側保護プレートを介して前記圧電積層体の側面に固定されていることとしてもよい。
このようにすることで、摩擦接触子の取付部近傍において圧電積層体に発生する応力集中が接触子側保護プレートにより分散され、この部位においても圧電積層体の破断を未然に防止することができる。したがって、さらに大きな押圧力を圧電積層体に加えることが可能となり、大きな駆動力を得ることができる。
【００１３】
また、上記発明においては、前記接触子側保護プレートが、金属または樹脂により構成されていることとしてもよい。
また、上記発明においては、前記摩擦接触子と前記接触子側保護プレートとが一体的に構成されていることとしてもよい。
このようにすることで、部品点数を削減し、コストの削減を図ることができる。
【００１４】
また、上記発明においては、前記押圧側保護プレートと前記接触子側保護プレートとを連結する連結部材を備えることとしてもよい。
このようにすることで、異なる２つの振動モードで振動する圧電積層体の２つの側面を被覆する押圧側保護プレートおよび接触子側保護プレートが圧電積層体から剥離してしまうことを未然に防止することができる。また、連結部材により連結された形態の圧電側保護プレートおよび接触子側保護プレートを、例えば、樹脂により圧電積層体の２つの側面に一体成形することとすれば、製造コストの削減および部品点数の削減を図ることが可能となる。
【００１５】
また、上記発明においては、前記連結部材が、前記押圧側保護プレートおよび接触子側保護プレートを、前記圧電積層体の側面に押し付ける方向に付勢することとしてもよい。
このようにすることで、異なる２つの振動モードで振動する圧電積層体の２つの側面に押圧側保護プレートおよび接触子側保護プレートを密着状態に保ち、圧電積層体から剥離してしまうことを未然に防止することができる。
【００１６】
また、上記発明においては、前記押圧側保護プレートおよび前記接触子側保護プレートが、前記圧電積層体における圧電セラミックスシートの積層方向の両端側面に配置されていることとしてもよい。
このようにすることで、連結部材による付勢力により、積層された圧電セラミックスシート間の剥離を抑えることが可能となる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、圧電積層体を破断させることなく大きな押圧力を加えることを可能とし、被駆動体に伝達する駆動力を向上することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の第１の実施形態に係る超音波振動子について、図１〜図５を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る超音波振動子１は、図１に示されるように、矩形板状の圧電セラミックスシート２の片側面にシート状の内部電極３（図３参照）を設けたものを複数枚積層してなる直方体状の圧電積層体４と、該圧電積層体４の一側面に接着され被駆動体Ｘに密着させられる２個の摩擦接触子５と、該摩擦接触子５が設けられた側面に隣接する側面からピン６を突出させる押圧部材７とを備えている。
【００１９】
前記圧電積層体４には、前記摩擦接触子５が接着されている側面およびその正反対の側面に、これらの側面を被覆する保護プレート（押圧側保護プレート、接触子側保護プレート）８，９が接着されている。保護プレート８，９は、樹脂または金属のように、圧電セラミックスシート２よりも延性の高い材料により構成されている。各保護プレート８，９の厚さ寸法は、例えば、圧電積層体４の厚さ寸法Ｌの１／１０程度である。
【００２０】
圧電積層体４は、図２に示されるように、例えば、長さ１８ｍｍ、幅４．４ｍｍ、厚さ２ｍｍの外形寸法を備えている。
圧電積層体４を構成する圧電セラミックスシート２は、図３に示されるように、例えば、厚さ約８０μｍのチタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミックス素子（以下、ＰＺＴという。）である。ＰＺＴとしては、Ｑｍ値の大きなハード系材料を選択した。Ｑｍ値は約１８００である。
【００２１】
また、内部電極３は、例えば、厚さ約４μｍの銀パラジウム合金からなっている。積層方向の一端に配置される圧電セラミックスシート２ａは内部電極を備えていない。それ以外の圧電セラミックスシート２は、図３に示されるような２種類の内部電極３を備えている。
【００２２】
図３（ａ）に示される圧電セラミックスシート２は、そのほぼ全面に内部電極３を備えている。内部電極３は、圧電セラミックスシート２の長さ方向に約０．４ｍｍの絶縁距離を開けて２つ配列されている。各内部電極３は、圧電セラミックスシート２の周縁から約０．４ｍｍの隙間を空けて配置されるとともに、その一部が圧電セラミックスシート２の周縁まで延びている。
【００２３】
図３（ｂ）に示される圧電セラミックスシート２は、その幅方向の略半分に内部電極３を備えている。内部電極３は、圧電セラミックスシート２の長さ方向に約０．４ｍｍの絶縁距離を開けて２つ配列されている。各内部電極３は、圧電セラミックスシート２の周縁から約０．４ｍｍの隙間を空けて配置されるとともに、その一部が圧電セラミックスシート２の周縁まで延びている。
【００２４】
これら内部電極３を備えた圧電セラミックスシート２は、図３（ａ）に示される内部電極３の大きいものと、図３（ｂ）に示される内部電極３の小さいものとが交互に複数枚積層されることにより、直方体状の圧電積層体４を構成している。
【００２５】
圧電積層体４の長さ方向の両端面には２個ずつ、合計４個の外部電極１０が設けられている。各外部電極１０には、同種の圧電セラミックスシート２の同一位置に配される全ての内部電極３が接続されている。これにより、同種の圧電セラミックスシート２の同一位置に配される内部電極３は、同一の電位とされるようになっている。なお、外部電極１０には図示しない配線が接続されている。配線は、リード線、フレキシブル基板等、可撓性を有する配線であれば任意のものでよい。
【００２６】
次に、このようにして構成された圧電積層体４の動作について説明する。
圧電積層体４の長さ方向の一端に形成された２つの外部電極１０をＡ相（Ａ＋，Ａ−）、他端に形成された２つの外部電極１０をＢ相（Ｂ＋，Ｂ−）とする。Ａ相およびＢ相に同位相で共振周波数に対応する交番電圧を加えると、図４に示されるような１次の縦振動が励起されるようになっている。また、Ａ相とＢ相とに逆位相で共振周波数に対応する交番電圧を加えると、図５に示されるような２次の屈曲振動が励起されるようになっている。図４および図５は、有限要素法によるコンピュータ解析結果を示す図である。
【００２７】
前記摩擦接触子５は、前記圧電積層体４の２次の屈曲振動の腹となる２カ所の位置に、保護プレート９を介して圧電積層体４に接着されている。これにより、圧電積層体４に１次の縦振動が発生したときには、摩擦接触子５が圧電積層体４の長さ方向（図１に示されるＸ方向）に変位させられるようになっている。一方、圧電積層体４に２次の屈曲振動が生じたときには、摩擦接触子５が、圧電積層体４の幅方向（図１に示されるＺ方向）に変位させられるようになっている。
【００２８】
したがって、超音波振動子１のＡ相とＢ相とに、位相が９０°ずれた共振周波数に対応する交番電圧を加えることにより、１次の縦振動と２次の屈曲振動とが同時に発生して、図１に矢印Ｃで示されるように、摩擦接触子５の位置において時計回りまたは反時計回りの略楕円振動が発生するようになっている。
【００２９】
前記押圧部材７は、断面略コ字状に形成された保持部１１と、該保持部１１の両側面から垂直に突出する該保持部１１と一体的なピン６とを備えている。保持部１１は、保護プレート８で被覆されている圧電積層体４の側面側から圧電積層体４を囲むようにして、例えば、シリコーン樹脂またはエポキシ樹脂により圧電積層体４に接着されている。保持部１１が圧電積層体４に接着された状態で、保持部１１の両側面に一体的に設けられた２つのピン６は、圧電積層体４の縦振動と屈曲振動の共通の節となる位置に同軸に配置されるようになっている。ピン６を位置決め状態に保持することにより、圧電積層体４の振動に影響を与えることなく超音波振動子１を位置決め状態に保持することができるようになっている。
【００３０】
このように構成された本実施形態に係る超音波振動子１の作用について以下に説明する。本実施形態に係る超音波振動子１を作動させて被駆動体Ｘを駆動するには、図１に示されるように、押圧部材７に押圧力Ｆを加えて摩擦接触子５を被駆動体Ｘに密着させ、外部電極１０に接続された配線を介して、位相が９０°異なる高周波電圧（Ａ相およびＢ相）を供給する。
これにより、超音波振動子１に接着された摩擦接触子５には、縦振動モードと屈曲振動モードとがミックスされた略楕円振動が発生し、その略楕円振動の接線方向に沿って被駆動体Ｘのとの間の生ずる摩擦力により、被駆動体Ｘが推進されることになる。
【００３１】
この場合において、本実施形態に係る超音波振動子１によれば、押圧力Ｆを加える押圧部材７と圧電積層体４との間に圧電積層体４の側面を被覆する保護プレート８が配置されており、該保護プレート８が、圧電積層体４を構成する圧電セラミックスシート２よりも延性の高い材料により構成されているので、押圧力Ｆが加えられることにより押圧部材７の角部近傍の圧電積層体４に発生する応力集中が保護プレート８により分散される。
【００３２】
したがって、比較的大きな押圧力Ｆを加えても、圧電積層体４を破断させることなく保護することができる。そして、大きな押圧力Ｆを加えることにより、摩擦接触子５と被駆動体Ｘとの間に発生する摩擦力を増加させ、大きな駆動力を得ることができるという利点がある。
【００３３】
一方、本実施形態に係る超音波振動子１によれば、摩擦接触子５と圧電積層体４との間にも圧電積層体４の表面を被覆する保護プレート９が配置されているので、押圧力Ｆが加えられることにより摩擦接触子５の角部近傍の圧電積層体４に発生する応力集中も保護プレート９により分散される。したがって、この部位においても、圧電積層体４を破断させることなく保護することができる。
【００３４】
このように本実施形態に係る超音波振動子１によれば、圧電積層体４を破断させることなく大きな押圧力Ｆを加えることが可能であり、摩擦接触子５と被駆動体Ｘとの間に大きな摩擦力を生じさせて、より大きな駆動力を得ることができる。
【００３５】
なお、本実施形態においては、押圧部材７と保護プレート８とを別々に設けた例を示したが、これに代えて、図６に示されるように、押圧部材７と保護プレート８とを一体的に単一の押圧部材７′として構成してもよい。このようにすることで、部品点数の削減および組立工数の削減を図りコストを低減することができるという利点がある。
【００３６】
また、摩擦接触子５と保護プレート９とを別々に設けた例を示したが、これに代えて、摩擦接触子５と保護プレート９とを一体的に単一部品として構成してもよい。同様にして、部品点数の削減および組立工数の削減を図りコストを低減することができるという利点がある。
【００３７】
また、圧電積層体４の２側面を被覆する保護プレート８，９を別々に設けた例を示したが、これに代えて、図７に示されるように、保護プレート８，９どうしを一体的に連結する連結部材１２を設けることとしてもよい。図中、外部電極１０は図示を省略している。
【００３８】
このようにすることで、連結部材１２により保護プレート８，９の間隔が変化しないように維持されるので、保護プレート８，９が圧電積層体４の表面から剥離しないように保持することができる。特に、圧電積層体４の外面にアウトサート樹脂成形等により保護プレート８，９および連結部材１２を一体的に成形すれば、製造容易であり、製品コストを削減することも可能となる。
【００３９】
また、本実施形態においては、圧電積層体４を構成する圧電セラミックスシート２の幅方向の側面に摩擦接触子５を接着した超音波振動子１を例に挙げて説明したが、図８に示されるように、圧電セラミックスシート２の積層方向の一側面に摩擦接触子５を接着した超音波振動子１において、該摩擦接触子５を接着する側面およびその正反対の側面を保護プレート８，９により被覆することとし、両保護プレート８，９を連結する連結部材１２を設けることとしてもよい。このようにすることで、連結部材１２により、圧電積層体４から保護プレート８，９の剥離防止のみならず、圧電積層体４を構成する圧電セラミックスシート２どうしの剥離をも防止することが可能となる。
【００４０】
また、連結部材１２としては、図７および図８に示されるような保護プレート８，９と一体的に設けられたものの他、図９および図１０に示されるように、保護プレート８，９とは別部材により構成されたもの連結部材１２′を採用することとしてもよい。この場合、連結部材１２′の弾性により保護プレート８，９を圧電積層体４の表面に押し付ける付勢力を作用させることが好ましい。図９は、図１の超音波振動子１に連結部材１２′を設けたもの、図１０は、図６の超音波振動子１に連結部材１２′を設けたものであり、外部電極の図示は省略している。なお、図示しないが、図８の超音波振動子１に連結部材１２′を取り付けることとしてもよい。
【００４１】
また、本実施形態においては、ピン６を保持する保持部１１として、圧電積層体４を一側面方向から覆うように配置される断面コ字状の部材を採用したが、これに代えて、図１１に示されるように、保護プレート８を介して圧電積層体４に固定される第１のブロック１３と、該第１のブロック１３に隙間をあけて対向配置される第２のブロック１４とにより保持部１１′を構成し、これらのブロック１３，１４に形成されたＶ字溝１３ａ，１４ａにピン６を挟んで保持することとしてもよい。押圧力Ｆはブロック１３，１４およびピン６を介して圧電積層体４に伝達されるとともに、ピン６を挟持状態に保持するようになっている。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る超音波振動子を示す斜視図である。
【図２】図１の超音波振動子を構成する圧電積層体を示す斜視図である。
【図３】図２の圧電積層体を構成する圧電セラミックスシートを示す斜視図である。
【図４】図１の圧電積層体が１次の縦振動モードで振動する様子をコンピュータ解析により示す図である。
【図５】図１の圧電積層体が２次の屈曲振動モードで振動する様子をコンピュータ解析により示す図である。
【図６】図１の超音波振動子の第１の変形例を示す斜視図である。
【図７】図１の超音波振動子の第２の変形例を示す斜視図である。
【図８】図１の超音波振動子の第３の変形例を示す斜視図である。
【図９】図１の超音波振動子の第４の変形例を示す斜視図である。
【図１０】図１の超音波振動子の第５の変形例を示す斜視図である。
【図１１】図１の超音波振動子の第６の変形例を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００４３】
Ｘ  被駆動体
１  超音波振動子
２  圧電セラミックスシート
３  内部電極
４  圧電積層体
５  摩擦接触子
７，７′  押圧部材
8  保護プレート（押圧側保護プレート）
９  保護プレート（接触子側保護プレート）
１２，１２′  連結部材
【図１】
2007209073.tif 000003
【図２】
2007209073.tif 000004
【図３】
2007209073.tif 000005
【図４】
2007209073.tif 000006
【図５】
2007209073.tif 000007
【図６】
2007209073.tif 000008
【図７】
2007209073.tif 000009
【図８】
2007209073.tif 000010
【図９】
2007209073.tif 000011
【図１０】
2007209073.tif 000012
【図１１】
2007209073.tif 000013