促動器用彈性體及壓電促動器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及利用了壓電元件等由機電轉換元件產生的超聲波振動的促動器用彈 性體及具備該彈性體的壓電促動器。
【背景技術】
[0002] 作為利用了壓電元件的壓電促動器，已知有超聲波馬達。超聲波馬達是利用機電 轉換元件即壓電元件作為超聲波振動體的馬達。與電磁馬達相比，超聲波馬達不需要線圈， 構造簡單，并且在低速高轉矩下響應性及控制性優異，可進行微小且精密的驅動，因此，廣 泛用于照相機、DVD等光學設備裝置等。超聲波馬達中，具有線性或旋轉式，將來自振動體 的超聲波振動轉換成直線運動或旋轉運動。
[0003] 圖1是旋轉式超聲波馬達的概略側視圖，圖2是構成圖1的旋轉式超聲波馬達的 彈性體的概略立體圖。該超聲波馬達1具有：定子4,其在圓板狀（或環狀）的壓電元件2 上固定有環狀彈性體（梳齒狀彈性體）3,該彈性體3具有與該壓電元件2外徑相同的外徑， 且具有沿著外周規則地形成梳齒狀的凸部（梳齒部）3a;圓板狀（或環狀）轉子（旋轉體或 轉子）5,其加壓接觸而配設于上述彈性體3上，且具有與上述彈性體外徑相同的外徑。在超 聲波馬達1中，由壓電元件（壓電元件）2和梳齒狀彈性體3構成的定子4是固定的部件， 與之相對，轉子5可旋轉地進行配設，由壓電元件2產生的超聲波振動經由梳齒狀彈性體3 轉換成轉子5的旋轉運動。詳細而言，壓電元件2由負載電壓時產生變形的壓電陶瓷形成， 當施加交流電壓（頻率電壓）時，規則性地反復進行變形和回復（伸縮運動），由此，進行超 聲波振動。相對于此，伴隨著來自壓電元件的超聲波振動，在固定于壓電元件的梳齒狀彈性 體3中，產生沿著彈性體表面傳遞的表面行進波（縱波和橫波合成的瑞利波）。其結果，在 彈性體的表面引起橢圓運動（屈曲振動），而與彈性體加壓接觸的轉子5旋轉。在利用這種 屈曲振動的情況下，彎曲方向的復彈性模量是非常重要的，從這種觀點出發，應選擇材料。
[0004] 一般而言，從不會吸收來自壓電元件的超聲波振動且可產生表面行進波的觀點出 發，可使用金屬材料作為彈性體。但是，由金屬形成的彈性體比重較重且為硬質，因此，還具 有以下缺點：本身的振動性低，成形性低，不易小型化，就梳齒等復雜的形狀而言生產力降 低，由于銹而導致劣化，不易通過配合添加劑等改善特性，不能確保絕緣性等。此外，以塑料 形成的彈性體作為金屬以外的彈性體，雖然與金屬不同，具有粘性或者吸收振動而不適于 作為振動器，因此未進行實用化，但仍然被提出。
[0005] 特開平5-300764號公報（專利文獻1)中公開有一種驅動機構：其對機電轉換元 件施加頻率電壓，通過在與上述機電轉換元件接合的彈性體上產生的橢圓運動，驅動與上 述彈性體接觸的轉子，在所述驅動機構中，上述彈性體的與上述轉子接觸的一側由樹脂形 成。該文獻中，由金屬形成的彈性體還介于由樹脂形成的彈性體和機電轉換元件之間。
[0006] 但是，該驅動機構中，由于彈性體含有金屬，因此，振動性不充分，還產生銹。另外， 該文獻中未記載樹脂的詳情。另外，與金屬材料相比，通常樹脂吸收超聲波振動，因此，振動 傳遞性低。另外，彈性體為與轉子接觸的摩擦驅動型，因此，產生摩擦熱，從而必須具有耐熱 性，但樹脂材料的耐熱性比金屬材料低。
[0007] 特公平7-89746號公報（專利文獻2)中有公開一種表面波馬達：其包含定子和作 為彈性體的轉子，所述定子包含壓電元件及該壓電元件所激勵的彈性體，所述轉子壓接于 該定子上且基于上述定子產生的超聲波振動的表面行進波而在上述定子的面上移動，在該 表面波馬達中，上述兩個彈性體中的至少一個由合成樹脂材料形成，這一個彈性體由具有 于另一個彈性體壓接的面的振動部、從振動部延伸的支承部、進一步設于該支承部外周的 被保持部一體成型而成。
[0008] 但是，該文獻中也僅記載了：可舉出工程塑料作為合成樹脂材料，優選低彈性模量 的材料，且使用相對于壓電元件1/10左右的彈性模量、相對于金屬1/20左右的彈性模量的 環狀彈性體材料，沒有記載合成樹脂的詳情。
[0009] 特開2006-311794號公報（專利文獻3)中公開有一種驅動裝置，其具備：施加 電壓時進行伸縮的機電轉換元件、以可滑動的方式支承的轉子、且與上述機電轉換元件結 合而與上述機電轉換元件一起進行位移的轉子支承部件，通過上述機電轉換元件的伸縮， 使上述轉子沿著上述轉子支承部件移動，在該驅動裝置中，上述轉子支承部件的材質為纖 維強化樹脂復合體，上述纖維強化樹脂復合體包含的合成樹脂材料為液晶聚合物或聚苯硫 醚。詳細而言，相當于彈性體的移動支承部件（驅動軸）為棒狀，其一端與棒狀壓電元件的 端部粘接固定，通過壓電元件的伸縮使移動支承部件沿著長度方向進行位移，通過指定的 摩擦力使由移動支承部件所支承的轉子進行移動。即，轉子進行位移的機構如下通過慣性 定律使轉子移動：施加包含急劇上升部分和緩慢下降部分的鋸齒狀波形的脈沖電壓，從而 對上述驅動軸的長度方向上的往返運動賦予強弱。
[0010] 但是，該文獻中沒有記載使移動支承部件屈曲振動的壓電促動器。詳細而言，專利 文獻3的驅動裝置中，壓電元件和驅動軸未進行面接觸，驅動軸通過利用了鋸齒狀脈沖的 在長度方向上進行往返運動得到的的摩擦，而使轉子移動并進行直線前進驅動，驅動軸本 身不會變形。因此，可推測對包含于驅動軸的材料主要要求用于精確地傳遞壓電元件振動 的剛性，為了保持剛性而配合纖維。即，專利文獻3的驅動機構與行進波型促動器的驅動原 理差異較大，行進波型促動器為如下促動器：壓電元件和轉子進行面接觸而固定，利用通過 在以面接觸而被固定的狀態下的壓電元件的振動而產生的表面行進波（正弦波），使彈性 體本身屈曲變形（由于彈性體與壓電元件的振動連動而撓曲）而進行橢圓運動。因此，專 利文獻3的驅動軸中不需要在屈曲振動中所需要的柔軟性等，其與超聲波馬達中的利用屈 曲振動的彈性體相比，要求的特性的差異較大。
[0011] 特開2001-327919號公報（專利文獻4)中公開有一種聲振動控制材料：其通過 使兩張以上的復合材料板疊層于母材上而形成，使各自的復合材料板中高彈性纖維的取向 方向相互垂直，所述復合材料板通過多個高彈性纖維分別沿同一方向規則地取向配置而形 成。該文獻中，作為上述控制材料，記載有以聚酰胺樹脂、環氧樹脂為母料的碳纖維或SiC 纖維強化塑膠成型體。
[0012] 但是，該聲振動控制材料的目的在于，控制聲振動的傳遞方向，并未記載彈性體的 屈曲振動。
[0013] 另外，壓電促動器中，根據壓電泵或線性馬達等用途的不同，為了應用機電轉換元 件的振動（或伸縮）作為促動器，需要使振動產生的位移擴大的機構。
[0014] 作為擴大壓電元件進行振動產生的位移的機構，已知有通過疊層壓電元件而使位 移擴大的疊層型壓電促動器。
[0015] 專利第4353690號公報（專利文獻5)中公開有一種疊層型壓電促動器，其通過壓 電陶瓷層和內部電極交替疊層，且上述內部電極每隔一層連接而成，該疊層型壓電促動器 中，上述內部電極的外周部的位移量從上述外周部分的內側向外側連續地變小，在上述壓 電陶瓷層中位于上述內部電極的外周部分附近的部分中，與其它成分相比更多地含有選自 猛、鐵、絡、鶴的1種以上的成分。
[0016] 但是，疊層型壓電促動器中，尺寸變大，不適于小型化。
[0017] 另外，還已知有應用杠桿原理機械性地使壓電元件的運動放大來擴大位移的壓電 促動器。
[0018] 特開昭60-81568號公報（專利文獻6)中公開一種機械式放大機構，其使電致伸 縮或壓電元件的運動放大而實現驅動，該放大機構中，由作為位移放大單元的兩根杠桿臂 和作為位移放大單元的梁構成，且在所述梁上設有作為輸出端的作用元件，所述作為位移 放大單元的兩根杠桿臂將上述電致伸縮或壓電元件的伸縮方向的一端共用連接，且利用支 點分別與上述電致伸縮或壓電元件的另一端連接，該作為位移放大單元的梁以兩根杠桿臂 的另一端夾持的方式被支承。
[0019] 但是，這種機械式放大機構中，機構大且復雜，因此，不適于小型化。
[0020] 與之相對，提出有設置空隙部并具備固定于壓電元件的板狀元件的鈸型或穆尼式 壓電促動器。
[0021] 圖3是鈸型壓電促動器的概略立體圖，圖4是用于對形成突起（爪部）的鈸型壓 電促動器的位移機構進行說明的概略圖。
[0022] 該壓電促動器11在面形狀為長方形狀的板狀壓電元件12上固定有具有屈曲而形 成的山脊狀凸部13a的板狀的位移擴大元件13。上述山脊狀凸部13a形成于位移擴大元件 的長度方向的大致中央部，在與山脊狀凸部棱線方向垂直的方向上的截面形狀為梯形狀或 拱狀，且在與壓電元件12之間形成有截面梯形狀的空隙部14。在這種具有空隙部的壓電 促動器中，壓電元件12由施加電壓時產生變形的壓電陶瓷形成，當施加交流電壓（頻率電 壓）時，在面方向上規則地重復變形和回復（伸縮運動）。與之相對，由于在位移擴大元件 13和壓電元件12之間形成有空隙部14,因此，與固定于壓電元件12的部位相比，位移擴大 元件13的山脊狀凸部具有易于變形的構造。因此，通過壓電元件12在面方向上伸縮，使位 移擴大元件13的山脊狀凸部的形狀產生變形，而在與壓電元件的面方向垂直的方向上進 行位移（上下移動）。
[0023] 例如，如圖4所示，在山脊狀凸部23的側部形成有突起23b的鈸型壓電促動器21 中，在壓電元件22在面方向上伸張的狀態（圖4(a))下，山脊狀凸部23a的高度變低，側部 的傾斜變小，因此，突起23b在與壓電元件面大致垂直的方向上立起。與之相對，在壓電元 件22在面方向上收縮的狀態（圖4(b))下，山脊狀凸部23a的高度變高，側部的傾斜變大， 因此，突起23b與壓電元件面大致平行地放倒。即，突起通過壓電元件的振動而反復進行立 起的狀態和放倒的狀態的位移運動。因此，具備突起的鈸型壓電促動器可作為通過突起撥 出接觸的非振動體（轉子）的驅動機構來利用，可以利用于線性馬達等。
[0024] 以往的鈸型壓電促動器中，作為位移擴大元件，從不吸收壓電元件的伸縮（或不 因伸縮而撓曲）且可位移的觀點出發，可使用金屬材料。但是，由金屬形成的彈性體由于比 重較重且為硬質，因此，存在以下缺點：本身的振動性低，成形性低，不易小型化，在具有突 起的復雜形狀下生產力降低，由于生銹而導致劣化，不易利用配合添加劑等改善特性，不能 確保絕緣性等。
[0025] 另外，作為壓電促動器，還已知有朗之萬振動器。朗之萬振動器具有三明治結構： 用兩個金屬塊夾住呈現壓電性的水晶，可以以較低的頻率使其共振，可廣泛地用于超聲波 的產生及檢測。為了進一步提高該朗之萬振動器的性能，迄今為止一直嘗試著各種改良。
[0026] 特開平5-236598號公報（專利文獻7)中公開有一種朗之萬振動器，其是帶聲整 合板的螺栓緊固朗之萬振動器，具有：以高剛性材料形成的前塊體；一端接合于上述高剛 性材料的一端且將輸入電氣信號轉換成超聲波的壓電陶瓷；一端接合于上述壓電陶瓷的另 一端且以高剛性材料形成的后塊體；將上述前塊體和上述壓電陶瓷和上述后塊體相互緊固 的螺栓及螺母；與上述前塊體的另一端接合且用于以進行水和上述前塊體的阻抗整合的聲 整合板，該帶聲整合板的螺栓緊固朗之萬振動器中，上述聲整合板為具有比上述壓電陶瓷 的居里溫度高的玻璃化轉變溫度的合成樹脂。該文獻中記載了以鋁合金、鈦合金、不銹鋼等 高剛性材料形成前塊體及后塊體。
[0027] 特開2009-77130號公報（專利文獻8)公開有一種超聲波振動器，其具備：壓電元 件；夾持上述壓電元件的一對夾持部件；緩沖部件，其固定于一個上述夾持部件上，且硬度 比這個夾持部件低；聲整合部件，其固定于另一個上述夾持部件上并且在端部具有超聲波 傳送接收部，且固有聲阻抗值呈現上述另一夾持部件和水之間的值。該文獻中記載了，作為 一個夾持部件的內襯板及作為另一夾持部件的前面板由不銹鋼形成，且通過前面板變更成 比內襯板輕且軟的鋁合金等，可降低Q值（表示共振銳度的量）。
[0028] 特開平5-37999號公報（專利文獻9)中公開有寬帶域超聲波探針，其具備在一對 壓電振動器的兩側對稱地設置共振塊而形成的朗之萬振動器結構，且用塑料構成上述共振 塊。該文獻中記載了帶來寬帶域特性的共振塊由環氧化合物材料構成，此外，未記載其它的 塑料材料的例子。
[0029] 日本特開2007-274191號公報（專利文獻10)中公開有一種超聲波振動器：其由 前面板、內襯板、配設于上述前面板與上述內襯板之間的壓電陶瓷體利用軸芯螺栓一體固 定而成，該超聲波振動器中，上述前面板為樹脂制。該文獻中記載了作為前面板的材料，優 選為切削加工性優異的聚丙烯類樹脂、透明性優異的聚碳酸酯樹脂、兩功能均優異的丙烯 酸類樹脂。
[0030] 但是，專利文獻7~10的超聲波振動器中，表面的振動速度低，輸出特性還不充 分。
[0031] 現有技術文獻
[0032] 專利文獻
[0033] 專利文獻1 :日本特開平5-300764號公報（權利要求1，圖1及3)
[0034] 專利文獻2 :日本特公平7-89746號公報（權利要求1，第2頁第四欄19~21行）
[0035] 專利文獻3 :日本特開2006-311794號公報（權利要求1，段落[0004]~[0006] [0021][0022])
[0036] 專利文獻4:日本特開2001-327919號公報（權利要求1，段落[0010] [0022]
[0026])
[0037] 專利文獻5 :日本特許第4353690號公報（權利要求1)
[0038] 專利文獻6 :日本特開昭60-81568號公報（專利權利要求）
[0039] 專利文獻7 :日本特開平5-236598號公報（專利權利要求，段落[0003])
[0040] 專利文獻8:日本特開2009-77130號公報（專利權利要求，段落[0015] [0047])
[0041]專利文獻9:日本特開平5-37999號公報（專利權利要求，段落[0012]，實施例）
[0042]專利文獻10 :日本特開2007-274191號公報（專利權利要求，段落[0013]，實施 例）
【發明內容】
[0043] 發明所要解決的問題
[0044] 因此，本發明的目的在于，提供一種盡管由樹脂形成，屈曲振動（橢圓運動）傳遞 性也優異的促動器用彈性體及具備該彈性體的壓電促動器。
[0045] 本發明的另一目的在于，提供一種成形性或輕量性優異，且小型化或復雜形狀加 工性優異的促動器用彈性體及具備此彈性體的壓電促動器。
[0046] 本發明的又一目的在于，提供一種電絕緣性及耐腐蝕性優異的促動器用彈性體及 具備此彈性體的壓電促動器。
[0047] 本發明的另一目的在于，提供一種可將由于機電轉換元件的振動（或伸縮）產生 的位移大幅擴大的位移擴大元件及具備該位移擴大元件的位移擴大型壓電促動器。
[0048] 本發明的另一目的在于，提供一種即使在低電流（或低電壓）下，可以使表面高速 地振動的朗之萬振動器。
[0049] 本發明的另一目的在于，提供一種可降低能量損耗，且可高效率地進行超聲波的 傳送接收的朗之萬振動器。
[0050] 本發明的又一目的在于，提供一種即使在以低頻使用的用途中可以小型化且可容 易控制共振波長的朗之萬振動器。
[0051] 用于解決問題的技術方案
[0052] 本發明人等為了達成所述課題而進行了銳意研宄，結果發現，通過以結晶性樹脂 形