促动器用弹性体及压电促动器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及利用了压电元件等由机电转换元件产生的超声波振动的促动器用弹 性体及具备该弹性体的压电促动器。
【背景技术】
[0002] 作为利用了压电元件的压电促动器，已知有超声波马达。超声波马达是利用机电 转换元件即压电元件作为超声波振动体的马达。与电磁马达相比，超声波马达不需要线圈， 构造简单，并且在低速高转矩下响应性及控制性优异，可进行微小且精密的驱动，因此，广 泛用于照相机、DVD等光学设备装置等。超声波马达中，具有线性或旋转式，将来自振动体 的超声波振动转换成直线运动或旋转运动。
[0003] 图1是旋转式超声波马达的概略侧视图，图2是构成图1的旋转式超声波马达的 弹性体的概略立体图。该超声波马达1具有：定子4,其在圆板状（或环状）的压电元件2 上固定有环状弹性体（梳齿状弹性体）3,该弹性体3具有与该压电元件2外径相同的外径， 且具有沿着外周规则地形成梳齿状的凸部（梳齿部）3a;圆板状（或环状）转子（旋转体或 转子）5,其加压接触而配设于上述弹性体3上，且具有与上述弹性体外径相同的外径。在超 声波马达1中，由压电元件（压电元件）2和梳齿状弹性体3构成的定子4是固定的部件， 与之相对，转子5可旋转地进行配设，由压电元件2产生的超声波振动经由梳齿状弹性体3 转换成转子5的旋转运动。详细而言，压电元件2由负载电压时产生变形的压电陶瓷形成， 当施加交流电压（频率电压）时，规则性地反复进行变形和回复（伸缩运动），由此，进行超 声波振动。相对于此，伴随着来自压电元件的超声波振动，在固定于压电元件的梳齿状弹性 体3中，产生沿着弹性体表面传递的表面行进波（纵波和横波合成的瑞利波）。其结果，在 弹性体的表面引起椭圆运动（屈曲振动），而与弹性体加压接触的转子5旋转。在利用这种 屈曲振动的情况下，弯曲方向的复弹性模量是非常重要的，从这种观点出发，应选择材料。
[0004] 一般而言，从不会吸收来自压电元件的超声波振动且可产生表面行进波的观点出 发，可使用金属材料作为弹性体。但是，由金属形成的弹性体比重较重且为硬质，因此，还具 有以下缺点：本身的振动性低，成形性低，不易小型化，就梳齿等复杂的形状而言生产力降 低，由于锈而导致劣化，不易通过配合添加剂等改善特性，不能确保绝缘性等。此外，以塑料 形成的弹性体作为金属以外的弹性体，虽然与金属不同，具有粘性或者吸收振动而不适于 作为振动器，因此未进行实用化，但仍然被提出。
[0005] 特开平5-300764号公报（专利文献1)中公开有一种驱动机构：其对机电转换元 件施加频率电压，通过在与上述机电转换元件接合的弹性体上产生的椭圆运动，驱动与上 述弹性体接触的转子，在所述驱动机构中，上述弹性体的与上述转子接触的一侧由树脂形 成。该文献中，由金属形成的弹性体还介于由树脂形成的弹性体和机电转换元件之间。
[0006] 但是，该驱动机构中，由于弹性体含有金属，因此，振动性不充分，还产生锈。另外， 该文献中未记载树脂的详情。另外，与金属材料相比，通常树脂吸收超声波振动，因此，振动 传递性低。另外，弹性体为与转子接触的摩擦驱动型，因此，产生摩擦热，从而必须具有耐热 性，但树脂材料的耐热性比金属材料低。
[0007] 特公平7-89746号公报（专利文献2)中有公开一种表面波马达：其包含定子和作 为弹性体的转子，所述定子包含压电元件及该压电元件所激励的弹性体，所述转子压接于 该定子上且基于上述定子产生的超声波振动的表面行进波而在上述定子的面上移动，在该 表面波马达中，上述两个弹性体中的至少一个由合成树脂材料形成，这一个弹性体由具有 于另一个弹性体压接的面的振动部、从振动部延伸的支承部、进一步设于该支承部外周的 被保持部一体成型而成。
[0008] 但是，该文献中也仅记载了：可举出工程塑料作为合成树脂材料，优选低弹性模量 的材料，且使用相对于压电元件1/10左右的弹性模量、相对于金属1/20左右的弹性模量的 环状弹性体材料，没有记载合成树脂的详情。
[0009] 特开2006-311794号公报（专利文献3)中公开有一种驱动装置，其具备：施加 电压时进行伸缩的机电转换元件、以可滑动的方式支承的转子、且与上述机电转换元件结 合而与上述机电转换元件一起进行位移的转子支承部件，通过上述机电转换元件的伸缩， 使上述转子沿着上述转子支承部件移动，在该驱动装置中，上述转子支承部件的材质为纤 维强化树脂复合体，上述纤维强化树脂复合体包含的合成树脂材料为液晶聚合物或聚苯硫 醚。详细而言，相当于弹性体的移动支承部件（驱动轴）为棒状，其一端与棒状压电元件的 端部粘接固定，通过压电元件的伸缩使移动支承部件沿着长度方向进行位移，通过指定的 摩擦力使由移动支承部件所支承的转子进行移动。即，转子进行位移的机构如下通过惯性 定律使转子移动：施加包含急剧上升部分和缓慢下降部分的锯齿状波形的脉冲电压，从而 对上述驱动轴的长度方向上的往返运动赋予强弱。
[0010] 但是，该文献中没有记载使移动支承部件屈曲振动的压电促动器。详细而言，专利 文献3的驱动装置中，压电元件和驱动轴未进行面接触，驱动轴通过利用了锯齿状脉冲的 在长度方向上进行往返运动得到的的摩擦，而使转子移动并进行直线前进驱动，驱动轴本 身不会变形。因此，可推测对包含于驱动轴的材料主要要求用于精确地传递压电元件振动 的刚性，为了保持刚性而配合纤维。即，专利文献3的驱动机构与行进波型促动器的驱动原 理差异较大，行进波型促动器为如下促动器：压电元件和转子进行面接触而固定，利用通过 在以面接触而被固定的状态下的压电元件的振动而产生的表面行进波（正弦波），使弹性 体本身屈曲变形（由于弹性体与压电元件的振动连动而挠曲）而进行椭圆运动。因此，专 利文献3的驱动轴中不需要在屈曲振动中所需要的柔软性等，其与超声波马达中的利用屈 曲振动的弹性体相比，要求的特性的差异较大。
[0011] 特开2001-327919号公报（专利文献4)中公开有一种声振动控制材料：其通过 使两张以上的复合材料板叠层于母材上而形成，使各自的复合材料板中高弹性纤维的取向 方向相互垂直，所述复合材料板通过多个高弹性纤维分别沿同一方向规则地取向配置而形 成。该文献中，作为上述控制材料，记载有以聚酰胺树脂、环氧树脂为母料的碳纤维或SiC 纤维强化塑胶成型体。
[0012] 但是，该声振动控制材料的目的在于，控制声振动的传递方向，并未记载弹性体的 屈曲振动。
[0013] 另外，压电促动器中，根据压电泵或线性马达等用途的不同，为了应用机电转换元 件的振动（或伸缩）作为促动器，需要使振动产生的位移扩大的机构。
[0014] 作为扩大压电元件进行振动产生的位移的机构，已知有通过叠层压电元件而使位 移扩大的叠层型压电促动器。
[0015] 专利第4353690号公报（专利文献5)中公开有一种叠层型压电促动器，其通过压 电陶瓷层和内部电极交替叠层，且上述内部电极每隔一层连接而成，该叠层型压电促动器 中，上述内部电极的外周部的位移量从上述外周部分的内侧向外侧连续地变小，在上述压 电陶瓷层中位于上述内部电极的外周部分附近的部分中，与其它成分相比更多地含有选自 猛、铁、络、鹤的1种以上的成分。
[0016] 但是，叠层型压电促动器中，尺寸变大，不适于小型化。
[0017] 另外，还已知有应用杠杆原理机械性地使压电元件的运动放大来扩大位移的压电 促动器。
[0018] 特开昭60-81568号公报（专利文献6)中公开一种机械式放大机构，其使电致伸 缩或压电元件的运动放大而实现驱动，该放大机构中，由作为位移放大单元的两根杠杆臂 和作为位移放大单元的梁构成，且在所述梁上设有作为输出端的作用元件，所述作为位移 放大单元的两根杠杆臂将上述电致伸缩或压电元件的伸缩方向的一端共用连接，且利用支 点分别与上述电致伸缩或压电元件的另一端连接，该作为位移放大单元的梁以两根杠杆臂 的另一端夹持的方式被支承。
[0019] 但是，这种机械式放大机构中，机构大且复杂，因此，不适于小型化。
[0020] 与之相对，提出有设置空隙部并具备固定于压电元件的板状元件的钹型或穆尼式 压电促动器。
[0021] 图3是钹型压电促动器的概略立体图，图4是用于对形成突起（爪部）的钹型压 电促动器的位移机构进行说明的概略图。
[0022] 该压电促动器11在面形状为长方形状的板状压电元件12上固定有具有屈曲而形 成的山脊状凸部13a的板状的位移扩大元件13。上述山脊状凸部13a形成于位移扩大元件 的长度方向的大致中央部，在与山脊状凸部棱线方向垂直的方向上的截面形状为梯形状或 拱状，且在与压电元件12之间形成有截面梯形状的空隙部14。在这种具有空隙部的压电 促动器中，压电元件12由施加电压时产生变形的压电陶瓷形成，当施加交流电压（频率电 压）时，在面方向上规则地重复变形和回复（伸缩运动）。与之相对，由于在位移扩大元件 13和压电元件12之间形成有空隙部14,因此，与固定于压电元件12的部位相比，位移扩大 元件13的山脊状凸部具有易于变形的构造。因此，通过压电元件12在面方向上伸缩，使位 移扩大元件13的山脊状凸部的形状产生变形，而在与压电元件的面方向垂直的方向上进 行位移（上下移动）。
[0023] 例如，如图4所示，在山脊状凸部23的侧部形成有突起23b的钹型压电促动器21 中，在压电元件22在面方向上伸张的状态（图4(a))下，山脊状凸部23a的高度变低，侧部 的倾斜变小，因此，突起23b在与压电元件面大致垂直的方向上立起。与之相对，在压电元 件22在面方向上收缩的状态（图4(b))下，山脊状凸部23a的高度变高，侧部的倾斜变大， 因此，突起23b与压电元件面大致平行地放倒。即，突起通过压电元件的振动而反复进行立 起的状态和放倒的状态的位移运动。因此，具备突起的钹型压电促动器可作为通过突起拨 出接触的非振动体（转子）的驱动机构来利用，可以利用于线性马达等。
[0024] 以往的钹型压电促动器中，作为位移扩大元件，从不吸收压电元件的伸缩（或不 因伸缩而挠曲）且可位移的观点出发，可使用金属材料。但是，由金属形成的弹性体由于比 重较重且为硬质，因此，存在以下缺点：本身的振动性低，成形性低，不易小型化，在具有突 起的复杂形状下生产力降低，由于生锈而导致劣化，不易利用配合添加剂等改善特性，不能 确保绝缘性等。
[0025] 另外，作为压电促动器，还已知有朗之万振动器。朗之万振动器具有三明治结构： 用两个金属块夹住呈现压电性的水晶，可以以较低的频率使其共振，可广泛地用于超声波 的产生及检测。为了进一步提高该朗之万振动器的性能，迄今为止一直尝试着各种改良。
[0026] 特开平5-236598号公报（专利文献7)中公开有一种朗之万振动器，其是带声整 合板的螺栓紧固朗之万振动器，具有：以高刚性材料形成的前块体；一端接合于上述高刚 性材料的一端且将输入电气信号转换成超声波的压电陶瓷；一端接合于上述压电陶瓷的另 一端且以高刚性材料形成的后块体；将上述前块体和上述压电陶瓷和上述后块体相互紧固 的螺栓及螺母；与上述前块体的另一端接合且用于以进行水和上述前块体的阻抗整合的声 整合板，该带声整合板的螺栓紧固朗之万振动器中，上述声整合板为具有比上述压电陶瓷 的居里温度高的玻璃化转变温度的合成树脂。该文献中记载了以铝合金、钛合金、不锈钢等 高刚性材料形成前块体及后块体。
[0027] 特开2009-77130号公报（专利文献8)公开有一种超声波振动器，其具备：压电元 件；夹持上述压电元件的一对夹持部件；缓冲部件，其固定于一个上述夹持部件上，且硬度 比这个夹持部件低；声整合部件，其固定于另一个上述夹持部件上并且在端部具有超声波 传送接收部，且固有声阻抗值呈现上述另一夹持部件和水之间的值。该文献中记载了，作为 一个夹持部件的内衬板及作为另一夹持部件的前面板由不锈钢形成，且通过前面板变更成 比内衬板轻且软的铝合金等，可降低Q值（表示共振锐度的量）。
[0028] 特开平5-37999号公报（专利文献9)中公开有宽带域超声波探针，其具备在一对 压电振动器的两侧对称地设置共振块而形成的朗之万振动器结构，且用塑料构成上述共振 块。该文献中记载了带来宽带域特性的共振块由环氧化合物材料构成，此外，未记载其它的 塑料材料的例子。
[0029] 日本特开2007-274191号公报（专利文献10)中公开有一种超声波振动器：其由 前面板、内衬板、配设于上述前面板与上述内衬板之间的压电陶瓷体利用轴芯螺栓一体固 定而成，该超声波振动器中，上述前面板为树脂制。该文献中记载了作为前面板的材料，优 选为切削加工性优异的聚丙烯类树脂、透明性优异的聚碳酸酯树脂、两功能均优异的丙烯 酸类树脂。
[0030] 但是，专利文献7~10的超声波振动器中，表面的振动速度低，输出特性还不充 分。
[0031] 现有技术文献
[0032] 专利文献
[0033] 专利文献1 :日本特开平5-300764号公报（权利要求1，图1及3)
[0034] 专利文献2 :日本特公平7-89746号公报（权利要求1，第2页第四栏19~21行）
[0035] 专利文献3 :日本特开2006-311794号公报（权利要求1，段落[0004]~[0006] [0021][0022])
[0036] 专利文献4:日本特开2001-327919号公报（权利要求1，段落[0010] [0022]
[0026])
[0037] 专利文献5 :日本特许第4353690号公报（权利要求1)
[0038] 专利文献6 :日本特开昭60-81568号公报（专利权利要求）
[0039] 专利文献7 :日本特开平5-236598号公报（专利权利要求，段落[0003])
[0040] 专利文献8:日本特开2009-77130号公报（专利权利要求，段落[0015] [0047])
[0041]专利文献9:日本特开平5-37999号公报（专利权利要求，段落[0012]，实施例）
[0042]专利文献10 :日本特开2007-274191号公报（专利权利要求，段落[0013]，实施 例）
【发明内容】
[0043] 发明所要解决的问题
[0044] 因此，本发明的目的在于，提供一种尽管由树脂形成，屈曲振动（椭圆运动）传递 性也优异的促动器用弹性体及具备该弹性体的压电促动器。
[0045] 本发明的另一目的在于，提供一种成形性或轻量性优异，且小型化或复杂形状加 工性优异的促动器用弹性体及具备此弹性体的压电促动器。
[0046] 本发明的又一目的在于，提供一种电绝缘性及耐腐蚀性优异的促动器用弹性体及 具备此弹性体的压电促动器。
[0047] 本发明的另一目的在于，提供一种可将由于机电转换元件的振动（或伸缩）产生 的位移大幅扩大的位移扩大元件及具备该位移扩大元件的位移扩大型压电促动器。
[0048] 本发明的另一目的在于，提供一种即使在低电流（或低电压）下，可以使表面高速 地振动的朗之万振动器。
[0049] 本发明的另一目的在于，提供一种可降低能量损耗，且可高效率地进行超声波的 传送接收的朗之万振动器。
[0050] 本发明的又一目的在于，提供一种即使在以低频使用的用途中可以小型化且可容 易控制共振波长的朗之万振动器。
[0051] 用于解决问题的技术方案
[0052] 本发明人等为了达成所述课题而进行了锐意研宄，结果发现，通过以结晶性树脂 形