JP2004248399A - Vibrator and ultrasonic motor - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は圧電素子を駆動させることによって所定の振動モードで振動する振動子と、この振動子を備えた超音波モータに関する。
【0002】
【従来の技術】
圧電振動子の楕円進行波を利用した超音波モータとして、特開平7−184382号公報(特許文献1)には、図19に示すように、圧電材料からなる矩形の圧電板201と、圧電板201の短辺の側面中央部に設けられ、被移動体210と接する接頭部材202と、圧電板201の一方の長辺を剛性的に保持する第1保持部材203と、圧電板201の他方の短辺と長辺とを弾性的に保持する第2保持部材204と、を有する超音波モータ200が開示されている。
【0003】
圧電板201の表面に4つの分割電極205a〜205dが形成されており、分割電極205a・205dどうしが電気的に接続され、分割電極205b・205cどうしが電気的に接続されている。また圧電板201の裏面にはほぼ全面に接地電極(図示せず)が形成されている。分割電極205a・205dと分割電極205b・205cにそれぞれ符号の反転した単極非対称パルス電圧を印加することによって、接頭部材202の先端に縦振動モードと屈曲振動モードとが合成された楕円進行波を生じさせることができる。接頭部材202と接している被移動体210は、接頭部材202の楕円進行波の方向に応じて、図19中の+X方向または−X方向に移動する。
【0004】
【特許文献1】
特開平7−184382号公報(第5、6頁、第1図)
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
このような超音波モータ200の屈曲振動モードと縦振動モードの入力アドミッタンス特性は図20に示す通りであり、超音波モータ200においては、屈曲振動モードのアドミッタンスが縦振動モードのアドミッタンスよりも小さくなっていることがわかる。このことは、超音波モータ200では、屈曲振動モードの振幅が縦振動モードの振幅に比べて小さいために、大きな駆動力が得られ難いことを示している。
【0006】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、駆動力の大きい振動子およびこの振動子を備えた超音波モータを提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の第1の観点によれば、略矩形の形状を有し、その長手方向に伸縮振動する縦振動部と、
前記縦振動部と略同一長さの略矩形形状を有し、その厚み方向に屈曲振動する屈曲振動部と、
を具備する振動子であって、
前記縦振動部の伸縮振動方向と前記屈曲振動部の屈曲振動方向が直交し、かつ、前記縦振動部の長手方向と前記屈曲振動部の長手方向が一致し、
前記屈曲振動方向と前記伸縮振動方向とに直交する方向における、屈曲振動部の長さが前記縦振動部の長さよりも長いことを特徴とする振動子、が提供される。
【0008】
このような振動子では、縦振動部と屈曲振動部とは、断面略L字型または断面略T字型に接続される。
【0009】
本発明の第2の観点によれば、略矩形の形状を有し、所定間隔でその主面が平行となるように配置され、その長手方向に伸縮振動する複数の縦振動部と、
前記縦振動部の長さと略同一の長さの略矩形形状を有し、その厚み方向に屈曲振動する屈曲振動部と、
を具備する振動子であって、
前記縦振動部の伸縮振動方向と前記屈曲振動部の屈曲振動方向が直交し、かつ、前記縦振動部の長手方向と前記屈曲振動部の長手方向が一致し、
前記屈曲振動方向と前記伸縮振動方向とに直交する方向における、前記屈曲振動部の長さが前記複数の縦振動部の長さの合計長さよりも長いことを特徴とする振動子、が提供される。
【0010】
これら第1および第2の観点に係る振動子においては、縦振動部として第1の矩形構造体の主面の一方または両方に第1の板状圧電素子が配設されたものを用い、同様に、屈曲振動部として第2の矩形構造体の表面に第2の板状圧電素子が配設されたものを用いることができる。ここで、第1の矩形構造体と第2の矩形構造体は一体的に構成されていることが好ましい。或いは、縦振動部として主面に電極が形成された略矩形の第1の圧電セラミック板を用い、屈曲振動部として主面に電極が形成された略矩形の第2の圧電セラミック板を用いることも好ましい。この第1の圧電セラミック板と前記第2の圧電セラミック板は一体的に構成されていることが好ましい。
【0011】
第1および第2の観点に係る振動子においては、縦振動部と屈曲振動部をそれぞれ複数の圧電セラミック薄板と電極とが交互に積層された構造としてもよい。これにより駆動電圧を下げることができる。縦振動部における積層方向と屈曲振動部における積層方向は共に、屈曲振動部の屈曲振動方向に一致させてもよいし、屈曲振動部の長手方向に一致させてもよい。
【0012】
本発明の第3の観点によれば、略矩形形状を有し、その長手方向に実質的に同一形状を有する第1の駆動部および第2の駆動部を少なくとも並べ備えた第1の構造体と、
前記第1の構造体と略同一長さを有し、その厚みが前記第1の構造体の幅よりも短く、その長手方向に実質的に同一形状を有する第3の駆動部および第4の駆動部を少なくとも並べ備えた第2の構造体と、
を具備する振動子であって、
前記第1の駆動部と前記第4の駆動部とが対角に位置するように、前記第1の構造体の主面に前記第2の構造体の幅方向の側面が接続され、
前記第1の駆動部と前記第4の駆動部を同位相で伸縮させ、前記第2の駆動部と前記第3の駆動部を同位相かつ前記第1の駆動部と略90度ずれた位相で伸縮させることにより、前記第1位の構造体と前記第2の構造体の所定位置に楕円進行波が生ずることを特徴とする振動子、が提供される。
【0013】
本発明の第4の観点によれば、略矩形の形状を有し、その長手方向に伸縮振動する縦振動部と、
前記縦振動部と略同一長さの略矩形形状を有し、その厚み方向に屈曲振動する屈曲振動部と、
を具備し、
前記縦振動部の伸縮振動方向と前記屈曲振動部の屈曲振動方向が直交し、かつ、前記縦振動部の長手方向と前記屈曲振動部の長手方向が一致している振動子であって、
前記屈曲振動部の入力アドミッタンスが、前記縦振動部の入力アドミッタンスの60%以上であることを特徴とする振動子、が提供される。
このような入力アドミッタンス特性を有する振動子では、屈曲振動モードによる発生力が大きくなるために、駆動力を高めることができる。
【0014】
本発明の第5の観点によれば、円筒形の圧電セラミック部材と、
前記圧電セラミック部材の内周面に設けられ、接地電極として用いられる共通電極と、
超音波領域の交番電圧が印加されることによって前記圧電セラミック部材の端面の略中心部に楕円進行波が生ずるように、前記圧電セラミック部材の外周面に所定パターンで設けられた駆動電極と、
を具備することを特徴する振動子、が提供される。
【0015】
この第5の観点に係る振動子における駆動電極の一形態として、圧電セラミック部材の周回りで略2等分割され、かつ、長手方向で略2等分割されて形成される4個の電極要素が、2組の電極群が形成されるようにたすき掛けして接続された形態を挙げることができる。また、駆動電極の別の形態としては、圧電セラミック部材の周回りで略4等分割され、かつ、圧電セラミック部材の径方向で対向する2組の電極のうち1組の電極は圧電セラミック部材の長手方向で略2等分割されて形成される6個の電極要素を有する形態が挙げられ、この場合には、圧電セラミック部材の長手方向で略2等分割されてなる4個の電極要素をたすき掛けして接続することによって2組の電極群を構成し、圧電セラミック部材の長手方向で分割されていない2個の電極要素を互いに接続されることによって1組の電極群を構成する。
【0016】
本発明の第6の観点によれば、平板リング状の圧電セラミックリングと電極とが交互に積層された円筒状構造体と、前記円筒状構造体の端面に配設された円板部材と、を有する振動子であって、
前記電極は、
前記圧電セラミックリングの円周回りに所定数に略等分割された駆動電極と、
前記圧電セラミックリングの主面と略同形状のリング状の接地電極と、
を有し、
前記駆動電極は、複数の電極群が構成されるように電気的に接続され、
前記複数の電極群に超音波領域の交番電圧が印加されることによって、前記円板部材の端面の略中心部に楕円進行波が生ずることを特徴とする振動子、が提供される。
【0017】
この第6の観点に係る振動子において、駆動電極の形態としては、径方向で略2等分割された略半円弧状の形状を有する形態や、径方向で略4等分割された略1/4円弧状の形状を有する形態が挙げられる。圧電セラミックリングと電極との積層方向中央部には、接地電極に挟まれた圧電不活性な圧電セラミックリングを設けることが好ましい。このような第5および第6の観点に係る振動子では、圧電セラミックス管や円筒構造体の長手方向での発生力が大きくなるために、大きな駆動力が得られる。
【0018】
本発明によれば、上述した振動子を備えた超音波モータが提供される。
すなわち、本発明の第7の観点によれば、略矩形の形状を有し、その長手方向に伸縮振動する縦振動部と、前記縦振動部と略同一長さの略矩形形状を有し、その厚み方向に屈曲振動する屈曲振動部とを具備し、前記縦振動部の伸縮振動方向と前記屈曲振動部の屈曲振動方向が直交し、かつ、前記縦振動部の長手方向と前記屈曲振動部の長手方向が一致している振動子と、
前記屈曲振動部の屈曲振動に起因して前記縦振動部に生ずる前記屈曲振動方向の振動の腹部の近傍に配設された接頭部材と、
前記屈曲振動部において前記屈曲振動部に生ずる屈曲振動の節部の近傍に配設された保持部材と、
前記保持部材を保持する保持手段と、
前記接頭部材が被移動体に所定の力で押し当てられるように前記保持手段を前記被移動体に押圧する押圧手段と、
を備え、
前記振動子において、前記屈曲振動方向と前記伸縮振動方向とに直交する方向における、屈曲振動部の長さが前記縦振動部の長さよりも長く、
前記縦振動部の伸縮振動と前記屈曲振動部の屈曲振動とが合わされて前記接頭部材に楕円運動が生ずることによって、前記被移動体を所定の方向に移動させることを特徴とする超音波モータ、が提供される。
【0019】
本発明の第8の観点によれば、略矩形の形状を有し、所定間隔でその主面が平行となるように配置され、その長手方向に伸縮振動する複数の縦振動部と、前記縦振動部の長さと略同一の長さの略矩形形状を有し、その厚み方向に屈曲振動する屈曲振動部とを具備し、前記縦振動部の伸縮振動方向と前記屈曲振動部の屈曲振動方向とが直交し、かつ、前記縦振動部の長手方向と前記屈曲振動部の長手方向とが一致している振動子と、
前記屈曲振動部の屈曲振動に起因して前記縦振動部に生ずる前記屈曲振動方向の振動の腹部の近傍に配設された接頭部材と、
前記屈曲振動部において前記屈曲振動部に生ずる屈曲振動の節部の近傍に配設された保持部材と、
前記保持部材を保持する保持手段と、
前記接頭部材が被移動体に所定の力で押し当てられるように前記保持手段を前記被移動体に押圧する押圧手段と、
を備え、
前記振動子において、前記屈曲振動方向と前記伸縮振動方向とに直交する方向における、前記屈曲振動部の長さが前記複数の縦振動部の長さの合計長さよりも長く、
前記縦振動部の伸縮振動と前記屈曲振動部の屈曲振動とが合わされて前記接頭部材に楕円運動が生ずることによって、前記被移動体を所定の方向に移動させることを特徴とする超音波モータ、が提供される。
【0020】
本発明の第9の観点によれば、略矩形形状を有し、その長手方向に実質的に同一形状を有する第1の駆動部および第2の駆動部を少なくとも並べ備えた第1の構造体と、前記第1の構造体と略同一長さを有し、その厚みが前記第1の構造体の幅よりも短く、その長手方向に実質的に同一形状を有する第3の駆動部および第4の駆動部を少なくとも並べ備えた第2の構造体とを具備し、前記第1の駆動部と前記第4の駆動部とが対角に位置し、かつ、前記第1の構造体の主面に前記第2の構造体の幅方向の側面が合わせされてなる振動子と、
前記振動子において、前記第1の駆動部と前記第4の駆動部を同位相で伸縮させ、前記第2の駆動部と前記第3の駆動部を同位相かつ前記第1の駆動部と略90度ずれた位相で伸縮させることによって生ずる振動の腹の部分の近傍に配設された接頭部材および前記振動の節の部分の近傍に配置された保持部材と、
前記保持部材を保持する保持手段と、
前記接頭部材が被移動体に所定の力で押し当てられるように前記保持手段を前記被移動体に押圧する押圧手段と、
を備えていることを特徴とする超音波モータ、が提供される。
【0021】
本発明の第10の観点によれば、円筒形の圧電セラミック部材と、
前記圧電セラミック部材の内周面に設けられ、接地電極として用いられる共通電極と、
超音波領域の交番電圧が印加されることによって前記圧電セラミック部材の端面の略中心部に楕円進行波が生ずるように、前記圧電セラミック部材の外周面に所定のパターンで設けられた駆動電極と、
前記圧電セラミック部材の端面を閉塞する蓋体と、
前記蓋体の略中心部に配設された接頭部材と、
前記圧電セラミック部材を保持する保持手段と、
前記接頭部材が被移動体に所定の力で押し当てられるように前記保持手段を前記被移動体に押圧する押圧手段と、
を具備することを特徴する超音波モータ、が提供される。
【0022】
本発明の第11の観点によれば、平板リング状の圧電セラミックリングと薄膜状の電極とが交互に積層された円筒状構造体と、
前記円筒状構造体の端面を閉塞する蓋体と、
前記蓋体の略中心部に配設された接頭部材と、
前記円筒状構造体を保持する保持手段と、
前記接頭部材が被移動体に所定の力で押し当てられるように前記保持手段を前記被移動体に押圧する押圧手段と、
を具備し、
前記電極は、
前記圧電セラミックリングの円周回りで所定数に略等分割された駆動電極と、
前記圧電セラミックリングの主面と略同形状のリング状の接地電極と、
を有し、
前記駆動電極は、複数の電極群が構成されるように電気的に接続され、
前記複数の電極群に超音波領域の交番電圧が印加されることによって前記接頭部材に楕円進行波が生ずることを特徴とする超音波モータ、が提供される。
【0023】
このような超音波モータは駆動力が大きいために、重量物を容易に移動させることができる。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図1は本発明の実施形態である振動子1の概略構造を示す斜視図であり、図2は振動子1を用いた超音波モータ100の構成を示す側面図(図2(a))および断面図(図2(b))である。
【0025】
振動子1は略矩形の形状を有し、その長手方向(X方向)に伸縮振動する縦振動部2aと、縦振動部2aの長さと同一の長さの略矩形形状を有し、厚み方向(Z方向)に屈曲振動する屈曲振動部2bと、縦振動部2aのXY面(Z方向軸に垂直な面(X方向とZ方向の両方向と直交する方向をY方向とする))に設けられ、被移動体80に接する接頭部材6a・6bと、屈曲振動部2bを保持するために屈曲振動部2bのXY面に設けられた保持部材7と、保持部材7を保持して接頭部材6a・6bを被移動体80に押圧する押圧手段8と、押圧手段8を固定する固定手段9と、を有してる。また、超音波モータ100は、振動子1と、被移動体80と、被移動体80をX方向に移動可能な状態で保持する図示しないガイドレールと、を有している。
【0026】
なお、図1においては押圧手段8と固定手段9の図示を省略しており、以下に説明する振動子1以外の他の振動子についても、それらを図示する際の押圧手段8と固定手段9の図示を省略する。
【0027】
縦振動部2aは、矩形の構造体3aのZX面(Y方向軸に垂直な面)の一方に板状の圧電素子4aが配設された構造を有している。例えば、圧電素子4aは接着剤を用いて構造体3aに接着することができる。また、屈曲振動部2bは、矩形の構造体3bのXY面に、実質的に同じ形状を有する2枚の板状の圧電素子4b・4cがX方向に並べて所定の狭い間隔をあけて配設された構造を有している。これら縦振動部2aと屈曲振動部2bとが実質的に振動子を構成し、接頭部材6a・6bは、後述するように、縦振動部2aと屈曲振動部2bに生ずる振動を効率よく被移動体80に伝える部材である。
【0028】
構造体3a・3bは、アルミニウム、ステンレス等の金属材料からなる。図1および図2においては、構造体3aと構造体3bとは断面略L字型の一体構造を有する形態を示しているが、構造体3aと構造体3bは、接着剤によって接着され、または溶接によって接合されていてもよい。なお、後述するように構造体3a・3bとして絶縁体を用いることもできる。
【0029】
圧電素子4a〜4cはそれぞれ、圧電セラミック板の表裏面に電極が設けられた構造を有している。なお、図1では圧電セラミック板と電極とを分けて図示していない。圧電素子4aの圧電セラミック板の分極の向きは+Yの向きとなっている(矢印P1)。また、圧電素子4bの圧電セラミック板の分極の向きは+Zの向きとなっている(矢印P2)が、圧電素子4cの圧電セラミック板の分極の向きは−Zの向きとなっている(矢印P3)。また、圧電素子4bと圧電素子4cの表面電極は電気的に接続されている。
【0030】
圧電素子4aの裏面電極は構造体3aと導通し、圧電素子4b・4cの裏面電極は構造体3bと導通している。構造体3a・3bは一体的に金属材料で構成されているために、結果的に、構造体3a・3bを圧電素子4a〜4cを駆動する際の共通電極(アース電極)として用いることができる。
【0031】
例えば、圧電素子4aの表面電極に電圧V=V0cosωt(V0:定格電圧、ω:周波数、t:時間)の交流電圧を印加すると、縦振動部2aには圧電素子4aのd31モードの圧電効果によってX方向に伸縮振動が発生する(縦振動モード)。また、圧電素子4b・4cの表面電極に、圧電素子4aの表面電極に印加する電圧とは90度位相がずれている電圧V=V0sinωtの交流電圧を印加すると、圧電素子4b・4cそれぞれの圧電セラミック板の分極の向きが逆になっているために、屈曲振動部2bには圧電素子4b・4cのd31モードの圧電効果と構造体3bのクランプ効果によって、Z方向での屈曲振動が発生する(屈曲2次振動モード)。
【0032】
縦振動部2aの伸縮振動方向と屈曲振動部2bの屈曲振動方向とを直交させることによって、これら伸縮振動と屈曲振動とが合成されて接頭部材6a・6bに楕円進行波が生ずる。接頭部材6a・6bは押圧手段8によって所定の力で被移動体80に押しつけられているために、被移動体80は接頭部材6a・6bから受ける力によって−Xの向きまたは+Xの向きに移動する。なお、接頭部材6a・6bに生ずる楕円進行波の向きは、圧電素子4aに印加する電圧と圧電素子4b・4cに印加する電圧の位相差によって変えることができる。
【0033】
なお、屈曲振動部2bにおける屈曲振動は、構造体3bのX方向の中央部を節とし、圧電素子4b・4cのそれぞれのX方向の中央部を腹とする。そこで、図1および図2に示されるように、接頭部材6a・6bは、屈曲振動部2bの屈曲振動の腹の位置に対応する位置の近傍に設けられる。これにより接頭部材6a・6bのZ方向の変位量を大きく取ることができる。また、保持部材7を屈曲振動部2bの屈曲振動の節の近傍部分、つまりX方向の中央部近傍に設けることが好ましい。これによって、押圧手段8と保持部材7とが振動によって外れることが抑制され、振動子1を安定して保持することができる。
【0034】
接頭部材6a・6bとしては、超硬合金材料や鋳鉄等の硬質材料からなるものや、アルミナやジルコニア、炭化珪素、窒化珪素等の耐摩耗性セラミック材料からなるもの、これらの材料からなるものに酸化チタンまたはダイヤモンドをコーティングしたもの、が好適に用いられる。接頭部材6a・6bは、構造体3aと一体構造を有していてもよい。接頭部材6a・6bの先端を円形または球形等にすることにより、摩耗を低減することができる。被移動体80としては、レイデント処理等の硬質処理が施されたものが好適に用いられる。
【0035】
保持部材7としては、例えば、円柱形状やボルト形状を有する金属部材等を用いることができる。また、押圧手段8としては、接頭部材6a・6bが被移動体80に所望の力で押圧されるように、バネ機構等の弾性機構が用いられる。押圧手段8は、保持部材7の形状と材質に応じて、例えば、溶接により、またはボルト締め等の機械的連結によって保持部材7に取り付けられる。なお、押圧手段8としては、エアーシリンダ等を用いることもできる。
【0036】
振動子1では、屈曲振動部2bのY方向長さ(D2)が縦振動部2aのY方向長さ(D1)よりも充分大きいために、図3に示すように、屈曲振動モードの入力アドミッタンスの値が大きくなる。例えば、図19に示した超音波モータ200では、屈曲振動の入力アドミッタンス値を縦振動の入力アドミッタンス値で除して得られる比率は約0.3であるが、超音波モータ100ではこの比率を1.0とすることができる。つまり、超音波モータ100では、屈曲振動による発生力が大きくなるために、被移動体80が重量物であってもこれを移動させることができる。駆動力の大きな超音波モータを実現するためには、屈曲振動モードの入力アドミッタンスの値が縦振動モードの入力アドミッタンスの値の60%以上となるように、振動子1を構成する各部の寸法等を設計することが好ましい。
【0037】
上述した振動子1では、例えば、圧電素子4cを構成する圧電セラミック板の分極の向きを圧電素子4bと同じように矢印P2で示される+Zの向きとし、かつ、圧電素子4bの表面電極と圧電素子4cの表面電極とを電気的に接続しない構造とすることもできる。この場合には、例えば、圧電素子4aの表面電極に電圧V=V0cosωtの交流電圧を印加すると同時に、圧電素子4bの表面電極に電圧V=V0sinωtの交流電圧を印加し、かつ、圧電素子4cの表面電極には圧電素子4bの表面電極に印加する電圧と位相が180度ずれた電圧、つまり電圧V=−V0sinωtの交流電圧を印加すればよい。
【0038】
また、振動子1に用いられている構造体3a・3bとしては、絶縁材料(例えば、アルミナやジルコニア、窒化珪素等のエンジニアリングセラミックス)を用いることができる。この場合には、構造体3a・3b自体をアース電極として用いることができないので、圧電素子4a〜4cの裏面電極を構造体3a・3bのYZ面(X方向軸に垂直な面)から取り出せばよい。例えば、構造体3aにおいて圧電素子4aが配設される面と構造体3aのYZ面に電気的に接続された電極を設けておけば、圧電素子4aのアース電極の取り出しを構造体3aのYZ面から容易に行うことができる。構造体3bについても同様の構造とすることができる。
【0039】
振動子1は、図4の斜視図に示す振動子1Aのように変形させることができる。図4に示す振動子1Aと図1に示した振動子1との相違点は、屈曲振動部の構成と接頭部材の配設位置および配設数である。具体的には、振動子1Aは、圧電素子4aを備えた縦振動部2aと、構造体3bの表面に3枚の実質的に同一形状を有する圧電素子4d・4e・4fが所定の狭い間隔をあけてX方向に並べて配設された屈曲振動部2b´と、を有している。
【0040】
屈曲振動部2b´においては、圧電素子4d・4fを構成する圧電セラミック板の分極の向きは+Zの向きであり(矢印P2)、圧電素子4eを構成する圧電セラミック板の分極の向きは−Zの向きであり(矢印P3)、圧電素子4d〜4fの表面電極は互いに電気的に接続されている。
【0041】
金属材料からなる構造体3a・3bを接地電極として用い、圧電素子4d〜4fの表面電極に電圧V=V0sinωtの交流電圧を印加すると、圧電素子4d〜4fそれぞれのX方向中央部が腹となり、圧電素子4dと圧電素子4eの境界部および圧電素子4eと圧電素子4fの境界部をそれぞれ節とする屈曲振動が生ずる。このため、被移動体(図示せず)に接する接頭部材6d〜6fは、縦振動部2aにおいてこの屈曲振動の腹に対応する位置に配設されている。また、屈曲振動部2b´において、この屈曲振動の節となる圧電素子4dと圧電素子4e間に保持部材7aが、圧電素子4eと圧電素子4fの間の位置に保持部材7bが、それぞれ配設されている。
【0042】
圧電素子4d〜4fへの電圧V=V0sinωtの印加と同時に、圧電素子4aの表面電極に電圧V=V0cosωtの交流電圧を印加すると、接頭部材6d・6fには同じ位相の楕円進行波が生じ、接頭部材6eには接頭部材6d・6fと180度ずれた楕円進行波が生ずる。これにより、振動子1Aは振動子1と同様に被移動体(図示せず)をX方向に移動させることができる。
【0043】
なお、屈曲振動部2b´が具備する圧電素子の数は4個以上であってもよい。構造体3bに配設される圧電素子の数に応じて、接頭部材を縦振動部2aにおいて各圧電素子のX方向中央部に対応する位置に配置し、保持部材を各圧電素子の間に配置すればよい。各圧電素子の表面電極をワイヤで接続する場合には、各圧電素子を構成する圧電セラミック板の分極の向きが互い違いとなるように各圧電素子を配置する。
【0044】
次に本発明の別の実施形態について説明する。図5は振動子10の概略構造を示す斜視図である。この振動子10は、図1に示した振動子1を構成する構造体3a・3bとして、圧電セラミック板を用いた形態の一例である。
【0045】
振動子10は、矢印P4で表される+Yの向きに分極された矩形の圧電セラミック板13aのZX面に駆動電極14aと接地電極14bが設けられた縦振動部12aと、矢印P5で表される+Zの向きに分極された矩形の圧電セラミック板13bのXY面の一方の面にX方向に略2等分割された駆動電極14c・14dが形成され、XY面の他方の面に接地電極14eが全面的に形成された屈曲振動部12bと、を有しており、縦振動部12aと屈曲振動部12bとの間には絶縁板19が配設されている。
【0046】
絶縁板19は、縦振動部12aの駆動電極14aおよび接地電極14bと屈曲振動部12bの接地電極14eとの接触を防止し、また、駆動電極14aと接地電極14eとが近接した部分における絶縁破壊を防止するとともに、屈曲振動部12bに屈曲振動を生じさせるためのクランプとして機能する。なお、圧電セラミック板13a・13bと絶縁板19とは、エポキシ樹脂接着剤等によって接着することができる。絶縁板19としては、アルミナ等のセラミックス部材が好適に用いられる。
【0047】
このような構造を有する振動子10においては、例えば、駆動電極14aに電圧V=V0cosωtの交流電圧を印加すると同時に、駆動電極14cに電圧V=V0sinωtの交流電圧を印加し、かつ、駆動電極14dには駆動電極14cに印加する電圧と位相が180度ずれた電圧、つまり電圧V=−V0sinωtの交流電圧を印加すればよい。これにより屈曲振動部12bには、圧電セラミック板13bのX方向の中央部(駆動電極14cと駆動電極14d間)を節とし、駆動電極14c・14dのそれぞれのX方向の中央部を腹とする屈曲振動が生ずる。保持部材7と接頭部材6a・6bの配設位置は、振動子1の場合と同様に定められる。
【0048】
振動子10においても、屈曲振動部12bのY方向長さが縦振動部12aのY方向長さよりも充分に長いために、屈曲振動による発生力が大きくなり、駆動力の大きい超音波モータが実現される。
【0049】
振動子10は圧電セラミック板13aと圧電セラミック板13bとが接着された構造を有しているが、これらが一体構造を有している断面略L字型の圧電セラミック部材を用いて超音波モータを構成してもよい。図6は、縦板部18aと横板部18bからなる圧電セラミック部材18を備えた振動子10Aの概略斜視図である。この断面L字型の圧電セラミック部材18の縦板部18aのZX面にそれぞれ駆動電極14aと接地電極14bが形成されて縦振動部12a´が形成され、圧電セラミック部材18の横板部18bのXY面にそれぞれ駆動電極14c・14dと接地電極14eが形成されて屈曲振動部12b´が形成されている。振動子10Aにおける接頭部材6a・6bの配設位置と保持部材7の配設位置および振動子10Aの駆動方法は、振動子10と同じであるので、ここでは詳細な説明を省略する。
【0050】
図7は本発明に係るさらに別の実施形態である振動子20Aの概略構造を示す斜視図である。この振動子20Aは、図6に示した振動子10Aを構成する圧電セラミック部材18を積層構造としたものである。すなわち、振動子20Aは、圧電セラミック薄板22aと駆動電極23a/接地電極23bとが原則的に交互に積層されてなる縦振動部21aと、圧電セラミック薄板22bと駆動電極23c・23d/接地電極23eが交互に積層されてなる屈曲振動部21bと、を有している。
【0051】
縦振動部21aにおいては、駆動電極23aと接地電極23bとは一層おきに配置されて、駆動電極23aどうしが電気的に接続され、かつ、接地電極23bどうしが電気的に接続されている。また屈曲振動部21bにおいては、駆動電極23c・23dは同一のXY面においてX方向に分かれて配置され、駆動電極23c・23dと接地電極23eとは一層おきに配置されており、駆動電極23cどうしが電気的に接続され、駆動電極23dどうしが電気的に接続され、接地電極23eどうしが電気的に接続されている。なお、接地電極23b・23eどうしを互いに電気的に接続してもよい。
【0052】
圧電セラミック薄板22aの分極処理は、駆動電極23aと接地電極23bとの間に駆動電極23a側が高電位となるように行われる。また、圧電セラミック薄板22bの分極処理は、駆動電極23c・23dと接地電極23eとの間に駆動電極23c・23d側が高電位となるように行われる。縦振動部21aにおいては、接地電極23bと接地電極23eに挟まれた圧電不活性層が屈曲振動部21b側に形成されており、この圧電不活性層が屈曲振動部21bに屈曲振動を生じさせるためのクランプ層として機能する。
【0053】
振動子20Aにおける保持部材7と接頭部材6a・6bの配設位置は振動子10Aと同様に定められる。また、振動子20Aの駆動方法としては、例えば、振動子10Aと同様に(つまり振動子10と同様に)、駆動電極23aに電圧V=V0cosωtの交流電圧を印加し、同時に駆動電極23cの表面電極に電圧V=V0sinωtの交流電圧を印加し、かつ、駆動電極23dには駆動電極23cに印加する電圧と位相が180度ずれた電圧、つまり電圧V=−V0sinωtの交流電圧を印加する方法が挙げられる。振動子20Aにおいては、圧電セラミック薄板22a・22bを用いることによって、駆動電圧を下げることができる。
【0054】
振動子20Aは、好適には、圧電セラミックス粉末をシート成形して得られるグリーンシートを用いた一体焼成法(同時焼成法)により作製することができる。図8は使用するグリーンシートの形態を示す説明図である。駆動電極23aとなる電極パターンが印刷されたグリーンシート25aと、接地電極23bとなる電極パターンが印刷されたグリーンシート25bとを交互に積層して、上段においては電極パターンが形成されていないグリーンシート25cを数枚重ねる。その上に、駆動電極23c・23dとなる電極パターンが印刷されたグリーンシート26aと、接地電極23eとなる電極パターンが印刷されたグリーンシート26bとを交互に積層する。グリーンシート25a・25b・26a・26bを熱プレス処理して一体化し、所定の温度で焼成する。こうして得られたYZ面やZX面を必要に応じて研削処理し、一層おきに同種の電極を接続する。なお、同種の電極の接続を容易とするために、例えば、グリーンシートに印刷する電極パターンを積層コンデンサ型のパターンとしてもよい。
【0055】
図9は本発明に係るさらに別の実施形態である振動子30Aの概略構造を示す斜視図である。振動子30Aは、L字型の圧電セラミック薄板32と駆動電極33a・33b/接地電極33cとが原則的にX方向で交互に積層された構成を有しており、Y方向長さの短い矩形部分がX方向に伸縮する縦振動部31aとなり、Y方向長さの長い矩形部分がZ方向に屈曲する屈曲振動部31bとなる。なお、振動子30AのX方向中央には、接地電極33cに挟まれた圧電不活性な領域が設けられ、かつ、縦振動部31aの屈曲振動部31b側には、X方向に延在する圧電不活性領域が形成されている。
【0056】
振動子30Aにおける保持部材7と接頭部材6a・6bの配設位置は振動子10Aと同様に定められる。全ての駆動電極33aどうしが接続されて、例えば、これに電圧V=V0cosωtの交流電圧が印加される。さらに保持部材7から−X側に位置する駆動電極33bどうしが接続され、これに電圧V=−V0sinωtの交流電圧が印加される。また、保持部材7から+X側に位置する駆動電極33bどうしが接続され、これに電圧V=V0sinωtの交流電圧が印加される。全ての接地電極33cは、圧電セラミック薄板32とほぼ同形状を有し、各層において縦振動部31aと屈曲振動部31bとの間で導通しており、全ての接地電極33cどうしは電気的に接続される。
【0057】
このように、この振動子30Aもまた、図6に示した振動子10Aを構成する圧電セラミック部材18を積層構造としたものであるが、先に説明した振動子20Aが圧電セラミック部材18をZ方向の積層構造としたものであるのに対し、振動子30Aは圧電セラミック部材18をX方向の積層構造としたものである。したがって、振動子20Aは圧電セラミック薄板22a・22bに生ずるd31モードの伸縮変位を利用して接頭部材6a・6bに楕円進行波を生じさせているが、振動子30Aでは圧電セラミック薄板32に生ずるd33モードの伸縮変位を利用することにより、縦振動部31aにおいてX方向の伸縮振動を発生させ、屈曲振動部31bにおいてはZ方向の屈曲振動を発生させる。
【0058】
図10は本発明に係るさらに別の実施形態である振動子40の概略構造を示す斜視図である。この振動子40は、図1に示した振動子1を構成する略L字型に接続された構造体3a・3bを略T字型に変形した形態を有する。
【0059】
すなわち振動子40は、矩形の構造体42aのZX面に矩形板状の圧電素子43a・43bが配設された構成を有し、圧電素子43a・43bを伸縮のタイミングを合わせてd31モードで駆動することによってX方向の伸縮振動が生ずる縦振動部41aと、構造体42aと同一長さの矩形の構造体42bのXY面に実質的に同じ形状を有する2枚の矩形板状の圧電素子43c・43dがX方向に並べて所定の狭い間隔を開けて配設された構成を有し、圧電素子43c・43dを伸縮のタイミングを反転させてd31モードで駆動することによってZ方向の屈曲振動が生じる屈曲振動部41bと、を有している。構造体42a・42bは、構造体42aのY方向長さが構造体42bのY方向長さよりも短く、これらはそのYZ面がT字型となるように接合されている。
【0060】
圧電素子43aは、圧電素子43aを構成する圧電セラミック板の分極の向きが+Y向きとなるように、構造体42aに配設されており(矢印P1)、圧電素子43bは、圧電素子43bを構成する圧電セラミック板の分極の向きが−Y向きとなるように、構造体42aに配設されている(矢印−P1)。圧電素子43a・43bの表面電極は電気的に接続されている。また、圧電素子43cは、圧電素子43cを構成する圧電セラミック板の分極の向きが+Z向きとなるように、構造体42bに配設されており(矢印P2)、圧電素子43dは、圧電素子43dを構成する圧電セラミック板の分極の向きが−Z向きとなるように、構造体42bに配設されている(矢印P3)。圧電素子43c・43dの表面電極は電気的に接続されている。構造体42a・42bはアース電極として使用される。
【0061】
振動子40における接頭部材6a・6bと保持部材7の配設位置は、振動子1と同様に定められる。振動子40の駆動方法は図1に示した振動子1と同様であるので、ここでは詳細な説明を割愛する。
【0062】
図11は本発明に係るさらに別の実施形態である振動子50の概略構造を示す斜視図である。この振動子50は、矩形の構造体52aのZX面に矩形板状の圧電素子53aが配設され、この圧電素子53aをd31モードで駆動することによってX方向の伸縮振動を生ずる第1の縦振動部51aと、実質的に縦振動部51aと同じ構造を有する第2の縦振動部51a´と、構造体52aと同一長さの略矩形の構造体52cのXY面に実質的に同じ形状を有する2枚の矩形板状の圧電素子53c・53dがX方向に並べて所定の狭い間隔をあけて配設された構成を有し、圧電素子53c・53dを伸縮のタイミングを反転させてd31モードで駆動することによってZ方向の屈曲振動を生じさせる屈曲振動部51bと、を有している。
【0063】
第2の縦振動部51a´は、矩形の構造体52bのZX面に矩形板状の圧電素子53bが配設された構造を有し、この圧電素子53bをd31モードで駆動することによって第2の縦振動部51a´にはX方向の伸縮振動が生ずる。圧電素子53a・53bは、伸縮のタイミングを合わせて駆動する。
【0064】
振動子50においては、屈曲振動部51bの発生力を大きくするために、構造体52a・52bのY方向での合計の長さが、構造体52cのY方向長さよりも短くなるように、これらはそのYZ断面の形状が略Π字型となるように接合されている。振動子50の駆動方法は、図10に示した振動子40と同様であるので、ここでは詳細な説明を省略する。なお、振動子50においては、振動子40の縦振動部41aと同様に、構造体52a・52bを2枚の圧電素子で挟んだ形態としてもよい。
【0065】
図12(a)は本発明に係るさらに別の実施形態である振動子60Aの概略構造を示す側面図であり、図12(b)は図12(a)の側面図中に示すAA線での断面図であり、図12(c)は図12(a)の側面図中に示すBB線での断面図である。振動子60Aは、円筒形状を有する圧電セラミックス管61と、圧電セラミックス管61の周回りで略4等分割され、かつ、径方向で対向する一対の電極のみが長手方向(Z方向)で略2等分割されて形成される駆動電極62a・62b・62c・62d・62e・62fと、圧電セラミックス管61の内周面の全体に形成された接地電極62gと、圧電セラミックス管61の一方の端面に取り付けられたキャップ63と、キャップ63の中央部に設けられた接頭部材64と、を有している。なお、キャップ63と接頭部材64とは一体的に形成されていてもよい。
【0066】
圧電セラミックス管61は放射状に径方向で分極されており、駆動電極62a〜62dは、駆動電極62a・62dどうしが電気的に接続され、駆動電極62b・62cどうしが電気的に接続されるように、たすき掛けの形態で接続されている(図12(a))。また、駆動電極62e・62fどうしが電気的に接続されている(図12(b)、(c))。
【0067】
振動子60Aでは、例えば、駆動電極62a・62dに電圧V=V0sinωtの交流電圧を印加し、これと同時に、駆動電極62b・62cには電圧V=−V0sinωtの交流電圧を印加し、駆動電極62e・62fには電圧V=V0cosωtの交流電圧を印加する。駆動電極62a〜62dが配置された部分は、屈曲振動部として機能し、Y方向での変位を発生させる。これに対して、駆動電極62e・62fが配置された部分は縦振動部として機能し、Z方向での変位を発生される。その結果、圧電セラミックス管61の端面においてYZ面内で楕円軌跡を描く楕円進行波を発生させることができる。したがって、接頭部材64に被移動体(図示せず)を所定の圧力で接触させると、この被移動体をY方向で移動させることができる。なお、振動子60Aにおいては、駆動電極62a・62d間と、駆動電極62b・62c間が振動の節となるので、この部分で振動子60Aを保持する。
【0068】
図13(a)は本発明に係るさらに別の実施形態である振動子70Aの概略構造を示す側面図である。この振動子70Aは、図12に示した振動子60Aを積層構造へと変形させたものである。すなわち、振動子70Aは、柱状構造体71と、柱状構造体71の一方の端面に取り付けられたキャップ63と、キャップ63の中央部に設けられた配設された接頭部材64と、を有している。柱状構造体71は、平板リング状の圧電セラミックリング72と、駆動電極73a・73b・73c・73dと、接地電極73eとを有しており、圧電セラミックリング72と駆動電極73a〜73d/接地電極73eとが、圧電セラミックリング72の厚み方向に原則的に交互に積層された構造を有している。
【0069】
図13(b)は駆動電極73a〜73dの電極パターンを示す平面図であり、図13(c)は接地電極73cの電極パターンを示す平面図である。駆動電極73a〜73dはそれぞれ、径方向で略4等分割された1/4円弧状の形状を有し、接地電極73cはリング状の形状を有する。全ての接地電極73eは電気的に接続され、積層方向(Z方向)の中央部には、接地電極73eに挟まれた圧電セラミックリング72aが設けられている。この圧電不活性な圧電セラミックリング72aにおいて、振動子70Aを保持することができる。
【0070】
駆動電極73aは、Z方向中央部からキャップ63側に位置しているものどうしが電気的に接続され、例えば、これに電圧V=V0sinωtの交流電圧が印加される。また、駆動電極73aは、Z方向中央部からキャップ63が配設されていない端面(以下「開放端」という)に位置しているものどうしが電気的に接続され、これに電圧V=−V0sinωtの交流電圧が印加される。同様に、駆動電極73bは、Z方向中央部からキャップ63側に位置しているものどうしが電気的に接続され、これに電圧V=−V0sinωtの交流電圧が印加される。また、駆動電極73bは、Z方向中央部から開放端側に位置しているものどうしが電気的に接続され、これに電圧V=V0sinωtの交流電圧が印加される。さらに、全ての駆動電極73cと駆動電極73dが電気的に接続され、これに電圧V=V0cosωtの交流電圧が印加される。
【0071】
これにより、柱状構造体71においては、駆動電極73a・73bが配置された部分が屈曲振動部となり、駆動電極73c・73dが配置された部分が縦振動部となって、接頭部材64にYZ面内で楕円軌跡を描く楕円進行波を発生させることができる。
【0072】
図14は本発明に係るさらに別の実施形態である振動子10Bの概略構造を示す斜視図である。この振動子10Bは、先に図6に示した振動子10Aの変形例ということができる。振動子10Bは、断面L字型の圧電セラミック部材18の縦板部18aのZX面の一方にX方向で略2等分割された2つの駆動電極14a´・14a″が形成され、かつ、ZX面の他方に全面的に接地電極14bが形成され、さらに横板部18bのXY面にそれぞれ駆動電極14c・14dと接地電極14eが形成された構造を有している。駆動電極14a´と駆動電極14dが電気的に接続されており、駆動電極14a″と駆動電極14cが電気的に接続されている。
【0073】
振動子10Bでは、駆動電極14a´が配設されている部分と駆動電極14dが配設されている部分との間で伸縮振動を生じさせ、かつ、この伸縮のタイミングとずらして駆動電極14a″が配設されている部分と駆動電極14cが配設されている部分との間で伸縮振動を生じさせることによって、接頭部材6a・6bに楕円進行波を生じさせる。振動子10Bにおいても、保持部材7と接頭部材6a・6bの配設位置は振動子10Aと同様に定められる。
【0074】
したがって、振動子10Bの駆動方法としては、例えば、駆動電極14a´・14dに電圧V=V0sinωtの交流電圧を印加すると同時に、駆動電極14a″・14cに電圧V=V0cosωtの交流電圧を印加する方法が挙げられる。振動子10Bにおいても、横板部18bで発生するZ方向の発生力が大きくなるために、駆動力の大きな超音波モータが実現される。
【0075】
図15は本発明に係るさらに別の実施形態である振動子20Bの概略構造を示す斜視図である。この振動子20Bは、図14に示した振動子10Bを構成する圧電セラミック部材18をZ方向の積層構造としたものである。振動子20Bは、圧電セラミック薄板28aと駆動電極29a・29b/接地電極29cとが原則的に交互に積層された第1積層部27aと、圧電セラミック薄板28bと駆動電極29d・29e/接地電極29fとが交互に積層されてなる第2積層部27bと、を有している。第1積層部27aにおいては、接地電極29cと接地電極29fに挟まれた圧電不活性層が第2積層部27b側に形成されている。圧電セラミック薄板28bは圧電セラミック薄板28aよりもY方向長さが長い。
【0076】
第1積層部27aにおいては、駆動電極29a・29bは同一のXY面においてX方向に分かれて配置され、駆動電極29a・29bと接地電極29cとは一層おきに配置されている。同様に、第2積層部27bにおいては、駆動電極29d・29eは同一のXY面においてX方向に分かれて配置され、駆動電極29d・29eと接地電極29fとは一層おきに配置されている。振動子20Bにおける保持部材7と接頭部材6a・6bの配設位置は振動子10Bと同様に定められる。
【0077】
振動子10Bと同様の振動を振動子20Bに生じさせるために、例えば、駆動電極29aどうしを電気的に接続して、例えば、これに電圧V=V0sinωtの交流電圧を印加する。また、駆動電極29bどうしを電気的に接続して、これに電圧V=V0cosωtの交流電圧を印加する。さらに、駆動電極29dどうしを電気的に接続して、これに電圧V=V0sinωtの交流電圧を印加する。さらにまた、駆動電極29eどうしを接続して、これに電圧V=V0cosωtの交流電圧を印加する。これにより、接頭部材6a・6bに楕円進行波を生じさせることができる。なお、振動子20Bは、先に説明した振動子20Aと同様の方法によって作製することができる。このような積層構造は、YZ面の形状が略T字型、略Π字型の振動子にも適用することができる。
【0078】
図16は本発明に係るさらに別の実施形態である振動子30Bの概略構造を示す斜視図である。図16に示す振動子30Bは、図14に示した振動子10Bを構成する圧電セラミック部材18を、X方向の積層構造を有するように変形させたものである。すなわち、振動子30Bは、L字型の圧電セラミック薄板36と駆動電極37a・37b/接地電極37cとが原則的にX方向で交互に積層された構成を有している。また、振動子30Bにおける保持部材7と接頭部材6a・6bの配設位置は振動子30Aと同様に定められている。
【0079】
全ての接地電極37cは圧電セラミック薄板36とほぼ同形状であり、全ての接地電極37cどうしが電気的に接続されている。駆動電極37aのうち保持部材7の配設位置から−X側に位置するものどうしが電気的に接続され、例えば、これに電圧V=V0sinωtの交流電圧が印加される。また、駆動電極37bのうち保持部材7の配設位置から−X側に位置するものどうしが電気的に接続され、これに電圧V=V0cosωtの交流電圧が印加される。さらに、駆動電極37aのうち保持部材7の配設位置から+X側に位置するものどうしが電気的に接続され、これに電圧V=V0cosωtの交流電圧が印加される。さらにまた、駆動電極37bのうち保持部材7の配設位置から+X側に位置するものどうしが電気的に接続され、これに電圧V=V0sinωtの交流電圧が印加される。
【0080】
こうして振動子30Bにおいては、圧電セラミック薄板36に生ずるd33モードの伸縮変位を利用することにより、接頭部材6a・6bに楕円進行波を生じさせることができる。なお、振動子30Bは、先に説明した振動子20Aと同様の方法によって作製することができる。このような積層構造は、YZ面の形状が略T字型、略Π字型の振動子にも適用することができる。
【0081】
図17(a)は本発明に係るさらに別の実施形態である振動子60Bの概略構造を示す側面図であり、図17(b)は側面図中のAA断面図であり、図17(c)は側面図中のBB断面図である。この振動子60Bは、円筒形状を有する圧電セラミックス管61と、圧電セラミックス管61の外周面に長手方向(Z方向)で略2等分割され、かつ、周回りで略2等分割されて形成された駆動電極67a・67b・67c・67dと、圧電セラミックス管61の内周面の全体に形成された接地電極67eと、圧電セラミックス管61の一方の端面に配設されたキャップ63と、キャップ63の中央部に設けられた接頭部材64と、を有している。
【0082】
圧電セラミックス管61は、例えば、接地電極67eと駆動電極67a〜67dの間に高電圧を印加することによって、放射状に径方向で分極されている。駆動電極67a〜67dは、駆動電極67a・67dどうしが電気的に接続され、かつ、駆動電極67b・67cどうしが電気的に接続されるように、たすき掛けの形態で接続されている。
【0083】
振動子60Bでは、例えば、駆動電極67a・67dに電圧V=V0cosωtの交流電圧を印加し、駆動電極67b・67cに電圧V=V0sinωtの交流電圧を印加することによって、圧電セラミックス管61の端面においてYZ面内で楕円軌跡を描く楕円進行波を発生させることができる。なお、被移動体の移動の向きは、駆動電極67a・67dに印加する電圧と駆動電極67b・67cに印加する電圧の位相を変えることによって決めることができる。振動子60Bにおいては、Z方向中央部が振動の節となるので、この部分で振動子60Bを保持する。
【0084】
図18(a)は本発明に係るさらに別の実施形態である振動子70Bの概略構造を示す側面図である。この振動子70Bは、図17に示した振動子60Bを積層構造へと変形させたものである。すなわち、振動子70Bは、柱状構造体75と、柱状構造体75の一方の端面に取り付けられたキャップ63と、キャップ63の中央部に設けられた配設された接頭部材64と、を有している。柱状構造体75は、平板リング状の圧電セラミックリング76と、駆動電極77a・77bと、接地電極77cとを有しており、圧電セラミックリング76と駆動電極77a・77b/接地電極77cとが、圧電セラミックリング76の厚み方向に原則的に交互に積層された構造を有している。
【0085】
図18(b)は駆動電極77a・77bの電極パターンを示す平面図であり、図18(c)は接地電極77cの電極パターンを示す平面図である。駆動電極77a・77bは、径方向で略2等分割された半円弧形状を有し、接地電極77cはリング状の形状を有する。全ての接地電極77cは電気的に接続され、積層方向(Z方向)の中央部には、接地電極77cに挟まれた圧電セラミックリング76aが設けられている。この圧電不活性な圧電セラミックリング76aにおいて、振動子70Bを保持することができる。
【0086】
駆動電極77aは、Z方向中央部からキャップ63側に位置しているものどうしが電気的に接続され、例えば、これに電圧V=V0sinωtの交流電圧が印加される。また、駆動電極77aは、Z方向中央部から開放端側に位置しているものどうしが電気的に接続され、これに電圧V=V0cosωtの交流電圧が印加される。同様に、駆動電極77bは、Z方向中央部からキャップ63側に位置しているものどうしが電気的に接続され、これに電圧V=V0cosωtの交流電圧が印加される。また、駆動電極77bは、Z方向中央部から開放端側に位置しているものどうしが電気的に接続され、これに電圧V=V0sinωtの交流電圧が印加される。これにより、接頭部材64にYZ面内で楕円軌跡を描く楕円進行波を発生させることができる。
【0087】
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明がこのような形態に限定されるものでない。振動子1等の駆動電圧波形としてsin波やcos波を挙げたが、これに代えて三角波や矩形パルス波を用いることも可能である。また、例えば振動子1について、接頭部材6a・6bに楕円進行波を生じさせる例として、圧電素子4aの表面電極に電圧V=V0cosωtを、圧電素子4b・4cの表面電極に電圧V=V0sinωtを印加した場合について説明したが、圧電素子4aの表面電極に印加する電圧と圧電素子4b・4cの表面電極に印加する電圧との位相差は完全に90度である必要はなく、被移動体80を動かすことができる範囲で、位相差を90度からずらしてもよい。
【0088】
さらに、例えば、振動子1をY方向に複数連ねることによって、より駆動力の大きな超音波モータを具現化することができる。上記説明においては、接頭部材を縦振動部に配置し、保持部材を屈曲振動部に配置した形態を示したが、これとは逆に、接頭部材を屈曲振動部に配置し、保持部材を縦振動部に配置することもできる。この場合には、接頭部材は駆動電極に接することとなるために、接頭部材材料としては絶縁体(例えば、絶縁性セラミックス等)が好適に用いられる。被移動体は直線方向に移動するスライダに限定されるものではなく、回転体であってもよい。
【0089】
さらに、図10に示した振動子40や図11に示した振動子50は、T字型やΠ字型の圧電セラミック部材を用いた構成に変形させることができ、さらにこのような圧電セラミック部材を積層構造とすることが可能なことはいうまでもない。振動子50では、屈曲振動部51bを底壁とし、縦振動部51a・51a´を側壁とすると、これらによって囲まれる溝に、部品や流体を流す用途に用いることも可能である。このような使用方法は、円筒形の形状を有する振動子60A等でも同様に行うことができる。
【0090】
【発明の効果】
上述の通り、本発明の振動子および超音波モータによれば、その駆動力が大きいために、例えば、重量物の搬送を行うことができるようになるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る振動子の一実施形態を示す概略斜視図。
【図2】図1に示す振動子を用いた超音波モータの概略の構成を示す側面図および断面図。
【図3】図1に示す振動子の入力アドミッタンス特性を示す説明図。
【図4】本発明に係る振動子の別の実施形態を示す概略斜視図。
【図5】本発明に係る振動子のさらに別の実施形態を示す概略斜視図。
【図6】本発明に係る振動子のさらに別の実施形態を示す概略斜視図。
【図7】本発明に係る振動子のさらに別の実施形態を示す概略斜視図。
【図8】図7に示す振動子の作製に用いられるグリーンシートの構成を示す説明図。
【図9】本発明に係る振動子のさらに別の実施形態を示す概略斜視図。
【図10】本発明に係る振動子のさらに別の実施形態を示す概略斜視図。
【図11】本発明に係る振動子のさらに別の実施形態を示す概略斜視図。
【図12】本発明に係る振動子のさらに別の実施形態を示す概略側面図および断面図。
【図13】本発明に係る振動子のさらに別の実施形態を示す概略側面図、およびこの振動子を構成する駆動電極と接地電極の平面図。
【図14】本発明に係る振動子のさらに別の実施形態を示す概略斜視図。
【図15】本発明に係る振動子のさらに別の実施形態を示す概略斜視図。
【図16】本発明に係る振動子のさらに別の実施形態を示す概略斜視図。
【図17】本発明に係る振動子のさらに別の実施形態を示す概略側面図および断面図。
【図18】本発明に係る振動子のさらに別の実施形態を示す概略側面図、およびこの振動子を構成する駆動電極と接地電極の平面図。
【図19】従来の超音波モータの概略構成を示す説明図。
【図20】図19に示す超音波モータの入力アドミッタンス特性を示す説明図。
【符号の説明】
1・1A;振動子、2a;縦振動部、2b;屈曲振動部、3a・3b;構造体、4a〜4f;圧電素子、6a・6b・6d〜6f;接頭部材、7・7a・7b;保持部材、8;押圧手段、9;固定手段、10・10A・10B;振動子、12a・12a´;縦振動部、12b・12b´;屈曲振動部、13a・13b;圧電セラミック板、14a・14a´・14a″・14c・14d・14´・14″;駆動電極、14b・14e;接地電極、18;圧電セラミック部材、18a;縦板部、18b;横板部、19;絶縁板、20A・20B;振動子、21a;縦振動部、21b;屈曲振動部、22a・22b;圧電セラミック薄板、23a・23c・23d;駆動電極、23b・23e;接地電極、25a・25b・25c・26a・26b;グリーンシート、27a;第1積層部、27b;第2積層部、28a・28b;圧電セラミック薄板、29a・29b・29d・29e;駆動電極、29c・29f;接地電極、30A・30B;振動子、31a;縦振動部、31b;屈曲振動部、32;圧電セラミック薄板、33a・33b;駆動電極、33c;接地電極、36圧電セラミック薄板、;37a・37b;駆動電極、37c;接地電極、40;振動子、41a;縦振動部、41b;屈曲振動部、42a・42b;構造体、43a〜43d;圧電素子、50;振動子、51a・51a´;縦振動部、51b;屈曲振動部、52a・52b・52c;構造体、53a〜53d;圧電素子、60A・60B;振動子、61;圧電セラミックス管、62a〜62f;駆動電極、62g;接地電極、63;キャップ、64;接頭部材、67a〜67d;駆動電極、67e;接地電極、70A・70B;振動子、71;柱状構造体、72・72a;圧電セラミックリング、73a〜73d;駆動電極、73e;接地電極、75;柱状構造体、76;圧電セラミックリング、77a・77b;駆動電極、77c;接地電極、80;被移動体、100:超音波モータ、200;超音波モータ、201;圧電板、202;接頭部材、203;第1保持部材、204;第2保持部材、205a〜205d;分割電極、210;被移動体[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a vibrator that vibrates in a predetermined vibration mode by driving a piezoelectric element, and an ultrasonic motor including the vibrator.
[0002]
[Prior art]
As an ultrasonic motor using an elliptical traveling wave of a piezoelectric vibrator, Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-184382 (Patent Document 1) discloses a rectangular
[0003]
Four divided
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-7-184382 (pages 5 and 6, FIG. 1)
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The input admittance characteristics of the bending vibration mode and the longitudinal vibration mode of such an
[0006]
The present invention has been made in view of such circumstances, and has as its object to provide a vibrator having a large driving force and an ultrasonic motor including the vibrator.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
According to a first aspect of the present invention, a vertical vibrating portion having a substantially rectangular shape and extending and contracting in a longitudinal direction thereof,
A bending vibration portion having a substantially rectangular shape having substantially the same length as the longitudinal vibration portion, and bending and vibrating in a thickness direction thereof,
A vibrator comprising:
The stretching vibration direction of the longitudinal vibration part and the bending vibration direction of the bending vibration part are orthogonal, and the longitudinal direction of the longitudinal vibration part and the longitudinal direction of the bending vibration part match,
A vibrator is provided, wherein a length of the bending vibration portion in a direction orthogonal to the bending vibration direction and the stretching vibration direction is longer than a length of the longitudinal vibration portion.
[0008]
In such a vibrator, the longitudinal vibrating part and the bending vibrating part are connected in a substantially L-shaped cross section or a substantially T-shaped cross section.
[0009]
According to a second aspect of the present invention, a plurality of longitudinal vibrating portions having a substantially rectangular shape, arranged so that their main surfaces are parallel at predetermined intervals, and vibrating in the longitudinal direction thereof,
A bending vibration portion having a substantially rectangular shape having substantially the same length as the length of the vertical vibration portion, and bending and vibrating in its thickness direction;
A vibrator comprising:
The stretching vibration direction of the longitudinal vibration part and the bending vibration direction of the bending vibration part are orthogonal, and the longitudinal direction of the longitudinal vibration part and the longitudinal direction of the bending vibration part match,
A vibrator, wherein a length of the bending vibration portion in a direction orthogonal to the bending vibration direction and the stretching vibration direction is longer than a total length of the plurality of longitudinal vibration portions. You.
[0010]
In the vibrators according to the first and second aspects, a vibrator in which a first plate-shaped piezoelectric element is provided on one or both main surfaces of a first rectangular structure is used as a longitudinal vibrator. In addition, as the bending vibration portion, a member in which a second plate-shaped piezoelectric element is provided on the surface of a second rectangular structure can be used. Here, it is preferable that the first rectangular structure and the second rectangular structure are integrally formed. Alternatively, a substantially rectangular first piezoelectric ceramic plate having an electrode formed on a main surface is used as a vertical vibrating portion, and a substantially rectangular second piezoelectric ceramic plate having an electrode formed on a main surface is used as a bending vibrating portion. Is also preferred. It is preferable that the first piezoelectric ceramic plate and the second piezoelectric ceramic plate are integrally formed.
[0011]
In the vibrator according to the first and second aspects, the longitudinal vibrating portion and the bending vibrating portion may have a structure in which a plurality of piezoelectric ceramic thin plates and electrodes are alternately stacked. As a result, the drive voltage can be reduced. Both the laminating direction of the longitudinal vibrating part and the laminating direction of the bending vibrating part may be matched with the bending vibration direction of the bending vibrating part or may be matched with the longitudinal direction of the bending vibrating part.
[0012]
According to a third aspect of the present invention, a first structure having a substantially rectangular shape and at least a first drive unit and a second drive unit having substantially the same shape in the longitudinal direction thereof are arranged. When,
A third drive unit and a fourth drive unit having substantially the same length as the first structure, having a thickness shorter than the width of the first structure, and having substantially the same shape in the longitudinal direction. A second structure having at least a drive unit,
A vibrator comprising:
A side surface in a width direction of the second structure is connected to a main surface of the first structure such that the first drive unit and the fourth drive unit are located diagonally,
The first drive unit and the fourth drive unit are expanded and contracted in phase, and the second drive unit and the third drive unit are in phase and shifted from the first drive unit by approximately 90 degrees. The vibrator is characterized in that an elliptical traveling wave is generated at a predetermined position between the first structural body and the second structural body by expanding and contracting the first and second structures.
[0013]
According to a fourth aspect of the present invention, a longitudinal vibrating portion having a substantially rectangular shape and vibrating in the longitudinal direction thereof,
A bending vibration portion having a substantially rectangular shape having substantially the same length as the longitudinal vibration portion, and bending and vibrating in a thickness direction thereof,
With
A vibrator in which a stretching vibration direction of the longitudinal vibration part and a bending vibration direction of the bending vibration part are orthogonal, and a longitudinal direction of the longitudinal vibration part and a longitudinal direction of the bending vibration part coincide with each other,
A vibrator is provided, wherein an input admittance of the bending vibration section is 60% or more of an input admittance of the longitudinal vibration section.
In the vibrator having such an input admittance characteristic, the driving force can be increased because the generated force in the bending vibration mode is increased.
[0014]
According to a fifth aspect of the present invention, a cylindrical piezoelectric ceramic member,
A common electrode provided on the inner peripheral surface of the piezoelectric ceramic member and used as a ground electrode,
A drive electrode provided in a predetermined pattern on the outer peripheral surface of the piezoelectric ceramic member so that an elliptical traveling wave is generated substantially at the center of the end surface of the piezoelectric ceramic member by applying an alternating voltage in an ultrasonic region,
A vibrator characterized by comprising:
[0015]
As one form of the drive electrode in the vibrator according to the fifth aspect, four electrode elements formed by being approximately equally divided around the circumference of the piezoelectric ceramic member and being substantially equally divided in the longitudinal direction are formed. And a form in which two sets of electrode groups are crossed and connected so as to be formed. Further, as another form of the drive electrode, one of the two sets of electrodes which are substantially equally divided around the circumference of the piezoelectric ceramic member and which are opposed in the radial direction of the piezoelectric ceramic member are formed of the piezoelectric ceramic member. There is a form having six electrode elements formed by being substantially equally divided in the longitudinal direction. In this case, four electrode elements which are substantially equally divided in the longitudinal direction of the piezoelectric ceramic member are provided. Two sets of electrode groups are formed by hooking and connecting, and two sets of electrode elements that are not divided in the longitudinal direction of the piezoelectric ceramic member are connected to each other to form one set of electrode groups.
[0016]
According to a sixth aspect of the present invention, a cylindrical structure in which flat-plate-shaped piezoelectric ceramic rings and electrodes are alternately stacked, a disk member disposed on an end face of the cylindrical structure, A vibrator having
The electrode is
Drive electrodes substantially equally divided into a predetermined number around the circumference of the piezoelectric ceramic ring,
A ring-shaped ground electrode having substantially the same shape as the main surface of the piezoelectric ceramic ring,
Has,
The drive electrodes are electrically connected to form a plurality of electrode groups,
A vibrator characterized in that an elliptical traveling wave is generated at a substantially central portion of an end face of the disk member by applying an alternating voltage in an ultrasonic region to the plurality of electrode groups.
[0017]
In the vibrator according to the sixth aspect, the form of the drive electrode may be a form having a substantially semicircular shape that is roughly equally divided in the radial direction, or a form of approximately 1 / that is roughly divided into four in the radial direction. A form having a four-arc shape is exemplified. It is preferable to provide a piezoelectric inactive piezoelectric ceramic ring sandwiched between ground electrodes at the center in the stacking direction of the piezoelectric ceramic ring and the electrode. In the vibrators according to the fifth and sixth aspects, a large driving force is obtained because the generated force in the longitudinal direction of the piezoelectric ceramic tube or the cylindrical structure is increased.
[0018]
According to the present invention, there is provided an ultrasonic motor including the above-described vibrator.
That is, according to the seventh aspect of the present invention, the vertical vibrating portion has a substantially rectangular shape, and expands and contracts in its longitudinal direction, and has a substantially rectangular shape having substantially the same length as the longitudinal vibrating portion, A flexural vibration portion that flexurally vibrates in the thickness direction thereof, wherein a stretching vibration direction of the longitudinal vibration portion is orthogonal to a flexural vibration direction of the flexural vibration portion, and a longitudinal direction of the longitudinal vibration portion and the flexural vibration portion. A vibrator having the same longitudinal direction,
A prefix member disposed near an antinode of vibration in the bending vibration direction generated in the longitudinal vibration portion due to the bending vibration of the bending vibration portion,
A holding member disposed in the vicinity of a node of bending vibration generated in the bending vibration section in the bending vibration section;
Holding means for holding the holding member,
Pressing means for pressing the holding means against the moving body so that the prefix member is pressed against the moving body with a predetermined force;
With
In the vibrator, the length of the bending vibration portion in a direction orthogonal to the bending vibration direction and the stretching vibration direction is longer than the length of the longitudinal vibration portion,
An ultrasonic motor, wherein the moving object is moved in a predetermined direction by the expansion and contraction vibration of the longitudinal vibration portion and the bending vibration of the bending vibration portion being combined to generate an elliptical motion in the prefix member. Is provided.
[0019]
According to an eighth aspect of the present invention, a plurality of vertical vibrating portions each having a substantially rectangular shape, arranged at predetermined intervals so that their main surfaces are parallel to each other, and vibrating in a longitudinal direction thereof, A bending vibration portion having a substantially rectangular shape having a length substantially the same as the length of the vibration portion, and having a bending vibration portion that bends and vibrates in a thickness direction thereof, wherein a stretching vibration direction of the longitudinal vibration portion and a bending vibration direction of the bending vibration portion Are orthogonal, and a vibrator in which the longitudinal direction of the longitudinal vibration portion and the longitudinal direction of the bending vibration portion match,
A prefix member disposed near an antinode of vibration in the bending vibration direction generated in the longitudinal vibration portion due to the bending vibration of the bending vibration portion,
A holding member disposed in the vicinity of a node of bending vibration generated in the bending vibration section in the bending vibration section;
Holding means for holding the holding member,
Pressing means for pressing the holding means against the moving body so that the prefix member is pressed against the moving body with a predetermined force;
With
In the vibrator, a length of the bending vibration portion in a direction orthogonal to the bending vibration direction and the stretching vibration direction is longer than a total length of the plurality of longitudinal vibration portions,
An ultrasonic motor, wherein the moving object is moved in a predetermined direction by the expansion and contraction vibration of the longitudinal vibration portion and the bending vibration of the bending vibration portion being combined to generate an elliptical motion in the prefix member. Is provided.
[0020]
According to a ninth aspect of the present invention, a first structure having at least a first drive unit and a second drive unit having a substantially rectangular shape and having substantially the same shape in the longitudinal direction thereof A third drive unit having substantially the same length as the first structure, having a thickness shorter than the width of the first structure, and having substantially the same shape in the longitudinal direction. And a second structure having at least four drive units arranged side by side, wherein the first drive unit and the fourth drive unit are positioned diagonally, and the main structure of the first structure is A vibrator in which a side surface in the width direction of the second structure is aligned with a surface;
In the vibrator, the first drive unit and the fourth drive unit are expanded and contracted in the same phase, and the second drive unit and the third drive unit are in the same phase and substantially the same as the first drive unit. A prefix member disposed near an antinode of vibration generated by expanding and contracting at a phase shifted by 90 degrees and a holding member disposed near a node of the vibration;
Holding means for holding the holding member,
Pressing means for pressing the holding means against the moving body so that the prefix member is pressed against the moving body with a predetermined force;
An ultrasonic motor is provided, comprising:
[0021]
According to a tenth aspect of the present invention, a cylindrical piezoelectric ceramic member;
A common electrode provided on the inner peripheral surface of the piezoelectric ceramic member and used as a ground electrode,
A drive electrode provided in a predetermined pattern on the outer peripheral surface of the piezoelectric ceramic member so that an elliptical traveling wave is generated substantially at the center of the end surface of the piezoelectric ceramic member by applying an alternating voltage in an ultrasonic region,
A lid for closing an end face of the piezoelectric ceramic member,
A prefix member disposed substantially at the center of the lid,
Holding means for holding the piezoelectric ceramic member,
Pressing means for pressing the holding means against the moving body so that the prefix member is pressed against the moving body with a predetermined force;
An ultrasonic motor is provided, comprising:
[0022]
According to an eleventh aspect of the present invention, a cylindrical structure in which flat-plate-shaped piezoelectric ceramic rings and thin-film electrodes are alternately stacked,
A lid closing the end face of the cylindrical structure,
A prefix member disposed substantially at the center of the lid,
Holding means for holding the cylindrical structure,
Pressing means for pressing the holding means against the moving body so that the prefix member is pressed against the moving body with a predetermined force;
With
The electrode is
A drive electrode substantially equally divided into a predetermined number around the circumference of the piezoelectric ceramic ring,
A ring-shaped ground electrode having substantially the same shape as the main surface of the piezoelectric ceramic ring,
Has,
The drive electrodes are electrically connected to form a plurality of electrode groups,
An ultrasonic motor is provided, wherein an elliptical traveling wave is generated in the prefix member when an alternating voltage in an ultrasonic region is applied to the plurality of electrode groups.
[0023]
Since such an ultrasonic motor has a large driving force, a heavy object can be easily moved.
[0024]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view showing a schematic structure of a vibrator 1 according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a side view (FIG. 2A) showing a configuration of an
[0025]
The vibrator 1 has a substantially rectangular shape, a longitudinal vibrating
[0026]
In FIG. 1, the
[0027]
The vertical vibrating
[0028]
The
[0029]
Each of the
[0030]
The back electrode of the
[0031]
For example, the voltage V = V is applied to the surface electrode of the
[0032]
By making the stretching vibration direction of the
[0033]
In the bending vibration of the bending
[0034]
The
[0035]
As the holding
[0036]
In the vibrator 1, since the length (D2) of the bending
[0037]
In the above-described vibrator 1, for example, the direction of polarization of the piezoelectric ceramic plate constituting the
[0038]
Further, as the
[0039]
The vibrator 1 can be deformed like a
[0040]
In the bending
[0041]
The
[0042]
Voltage V = V to
[0043]
Note that the number of piezoelectric elements included in the bending
[0044]
Next, another embodiment of the present invention will be described. FIG. 5 is a perspective view showing a schematic structure of the
[0045]
The
[0046]
The insulating
[0047]
In the
[0048]
Also in the
[0049]
The
[0050]
FIG. 7 is a perspective view showing a schematic structure of a
[0051]
In the
[0052]
The polarization processing of the piezoelectric ceramic
[0053]
The arrangement positions of the holding
[0054]
The
[0055]
FIG. 9 is a perspective view showing a schematic structure of a
[0056]
The disposition positions of the holding
[0057]
As described above, the
[0058]
FIG. 10 is a perspective view showing a schematic structure of a
[0059]
That is, the
[0060]
The
[0061]
The arrangement positions of the
[0062]
FIG. 11 is a perspective view showing a schematic structure of a
[0063]
The second vertical vibrating
[0064]
In the
[0065]
FIG. 12A is a side view showing a schematic structure of a
[0066]
The piezoelectric
[0067]
In the
[0068]
FIG. 13A is a side view showing a schematic structure of a
[0069]
FIG. 13B is a plan view showing an electrode pattern of the
[0070]
The
[0071]
Thus, in the
[0072]
FIG. 14 is a perspective view showing a schematic structure of a vibrator 10B which is still another embodiment according to the present invention. This vibrator 10B can be said to be a modified example of the
[0073]
In the vibrator 10B, expansion and contraction vibration is generated between the portion where the
[0074]
Therefore, as a method of driving the vibrator 10B, for example, a voltage V = V is applied to the
[0075]
FIG. 15 is a perspective view showing a schematic structure of a
[0076]
In the first
[0077]
In order to cause the
[0078]
FIG. 16 is a perspective view showing a schematic structure of a
[0079]
All the
[0080]
Thus, in the
[0081]
FIG. 17A is a side view showing a schematic structure of a
[0082]
The piezoelectric
[0083]
In the
[0084]
FIG. 18A is a side view showing a schematic structure of a
[0085]
FIG. 18B is a plan view showing an electrode pattern of the
[0086]
The
[0087]
The embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to such an embodiment. Although the sine wave and the cosine wave are mentioned as the driving voltage waveforms of the vibrator 1 and the like, a triangular wave or a rectangular pulse wave may be used instead. Further, as an example of generating an elliptical traveling wave on the
[0088]
Further, for example, by connecting a plurality of transducers 1 in the Y direction, an ultrasonic motor having a larger driving force can be realized. In the above description, the configuration in which the prefix member is disposed in the vertical vibration section and the holding member is disposed in the bending vibration section has been described. Conversely, the prefix member is disposed in the bending vibration section, and the holding member is vertically positioned. It can also be arranged on the vibrating part. In this case, since the prefix member comes into contact with the drive electrode, an insulator (for example, insulating ceramics or the like) is preferably used as the prefix member material. The moving object is not limited to the slider that moves in the linear direction, and may be a rotating body.
[0089]
Further, the
[0090]
【The invention's effect】
As described above, according to the vibrator and the ultrasonic motor of the present invention, since the driving force is large, for example, there is an effect that a heavy object can be conveyed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic perspective view showing an embodiment of a vibrator according to the present invention.
2A and 2B are a side view and a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of an ultrasonic motor using the transducer illustrated in FIG.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing input admittance characteristics of the vibrator shown in FIG. 1;
FIG. 4 is a schematic perspective view showing another embodiment of the vibrator according to the present invention.
FIG. 5 is a schematic perspective view showing still another embodiment of the vibrator according to the present invention.
FIG. 6 is a schematic perspective view showing still another embodiment of the vibrator according to the present invention.
FIG. 7 is a schematic perspective view showing still another embodiment of the vibrator according to the present invention.
FIG. 8 is an explanatory view showing a configuration of a green sheet used for manufacturing the vibrator shown in FIG.
FIG. 9 is a schematic perspective view showing still another embodiment of the vibrator according to the present invention.
FIG. 10 is a schematic perspective view showing still another embodiment of the vibrator according to the present invention.
FIG. 11 is a schematic perspective view showing still another embodiment of the vibrator according to the present invention.
FIG. 12 is a schematic side view and a sectional view showing still another embodiment of the vibrator according to the present invention.
FIG. 13 is a schematic side view showing still another embodiment of the vibrator according to the present invention, and a plan view of a drive electrode and a ground electrode constituting the vibrator.
FIG. 14 is a schematic perspective view showing still another embodiment of the vibrator according to the present invention.
FIG. 15 is a schematic perspective view showing still another embodiment of the vibrator according to the present invention.
FIG. 16 is a schematic perspective view showing still another embodiment of the vibrator according to the present invention.
FIG. 17 is a schematic side view and a sectional view showing still another embodiment of the vibrator according to the present invention.
FIG. 18 is a schematic side view showing still another embodiment of the vibrator according to the present invention, and a plan view of a drive electrode and a ground electrode constituting the vibrator.
FIG. 19 is an explanatory view showing a schematic configuration of a conventional ultrasonic motor.
20 is an explanatory diagram showing input admittance characteristics of the ultrasonic motor shown in FIG.
[Explanation of symbols]
1.1A; vibrator, 2a; longitudinal vibrating part, 2b; bending vibrating part, 3a, 3b; structure, 4a to 4f; piezoelectric element, 6a, 6b, 6d to 6f; prefix member, 7, 7a, 7b; Holding member, 8; pressing means, 9; fixing means, 10 · 10A · 10B; vibrator, 12a · 12a ′; longitudinal vibrating part, 12b · 12b ′; bending vibrating part, 13a · 13b; piezoelectric ceramic plate, 14a · 14a ', 14a ", 14c, 14d, 14', 14"; drive electrode, 14b, 14e; ground electrode, 18; piezoelectric ceramic member, 18a; vertical plate, 18b; horizontal plate, 19; insulating plate,
Claims (21)
前記縦振動部と略同一長さの略矩形形状を有し、その厚み方向に屈曲振動する屈曲振動部と、
を具備する振動子であって、
前記縦振動部の伸縮振動方向と前記屈曲振動部の屈曲振動方向が直交し、かつ、前記縦振動部の長手方向と前記屈曲振動部の長手方向が一致し、
前記屈曲振動方向と前記伸縮振動方向とに直交する方向における、屈曲振動部の長さが前記縦振動部の長さよりも長いことを特徴とする振動子。A longitudinal vibrating portion having a substantially rectangular shape and vibrating in the longitudinal direction thereof,
A bending vibration portion having a substantially rectangular shape having substantially the same length as the longitudinal vibration portion, and bending and vibrating in a thickness direction thereof,
A vibrator comprising:
The stretching vibration direction of the longitudinal vibration part and the bending vibration direction of the bending vibration part are orthogonal, and the longitudinal direction of the longitudinal vibration part and the longitudinal direction of the bending vibration part match,
A vibrator, wherein a length of the bending vibration portion in a direction orthogonal to the bending vibration direction and the stretching vibration direction is longer than a length of the longitudinal vibration portion.
前記縦振動部の長さと略同一の長さの略矩形形状を有し、その厚み方向に屈曲振動する屈曲振動部と、
を具備する振動子であって、
前記縦振動部の伸縮振動方向と前記屈曲振動部の屈曲振動方向が直交し、かつ、前記縦振動部の長手方向と前記屈曲振動部の長手方向が一致し、
前記屈曲振動方向と前記伸縮振動方向とに直交する方向における、前記屈曲振動部の長さが前記複数の縦振動部の長さの合計長さよりも長いことを特徴とする振動子。A plurality of longitudinal vibrating portions having a substantially rectangular shape, arranged at predetermined intervals so that their main surfaces are parallel, and vibrating in the longitudinal direction thereof,
A bending vibration portion having a substantially rectangular shape having substantially the same length as the length of the vertical vibration portion, and bending and vibrating in its thickness direction;
A vibrator comprising:
The stretching vibration direction of the longitudinal vibration part and the bending vibration direction of the bending vibration part are orthogonal, and the longitudinal direction of the longitudinal vibration part and the longitudinal direction of the bending vibration part match,
A vibrator, wherein a length of the bending vibration portion in a direction orthogonal to the bending vibration direction and the stretching vibration direction is longer than a total length of the plurality of longitudinal vibration portions.
前記屈曲振動部は、第2の矩形構造体と、前記第2の矩形構造体の表面に配設された第2の板状圧電素子と、を具備することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の振動子。The longitudinal vibration unit includes a first rectangular structure, and a first plate-shaped piezoelectric element provided on one or both main surfaces of the first rectangular structure,
The said bending vibration part is provided with the 2nd rectangular structure and the 2nd plate-shaped piezoelectric element arrange | positioned at the surface of the 2nd rectangular structure, The claim 1 characterized by the above-mentioned. Item 4. The vibrator according to any one of items 3.
前記屈曲振動部は、主面に電極が形成された略矩形の第2の圧電セラミック板からなることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の振動子。The longitudinal vibrating portion is formed of a substantially rectangular first piezoelectric ceramic plate having an electrode formed on a main surface thereof,
4. The vibrator according to claim 1, wherein the bending vibration portion is formed of a substantially rectangular second piezoelectric ceramic plate having an electrode formed on a main surface. 5.
前記第1の構造体と略同一長さを有し、その厚みが前記第1の構造体の幅よりも短く、その長手方向に実質的に同一形状を有する第3の駆動部および第4の駆動部を少なくとも並べ備えた第2の構造体と、
を具備する振動子であって、
前記第1の駆動部と前記第4の駆動部とが対角に位置するように、前記第1の構造体の主面に前記第2の構造体の幅方向の側面が接続され、
前記第1の駆動部と前記第4の駆動部を同位相で伸縮させ、前記第2の駆動部と前記第3の駆動部を同位相かつ前記第1の駆動部と略90度ずれた位相で伸縮させることにより、前記第1位の構造体と前記第2の構造体の所定位置に楕円進行波が生ずることを特徴とする振動子。A first structure having a substantially rectangular shape and at least a first drive unit and a second drive unit having substantially the same shape in the longitudinal direction thereof;
A third drive unit and a fourth drive unit having substantially the same length as the first structure, having a thickness shorter than the width of the first structure, and having substantially the same shape in the longitudinal direction. A second structure having at least a drive unit,
A vibrator comprising:
A side surface in a width direction of the second structure is connected to a main surface of the first structure such that the first drive unit and the fourth drive unit are located diagonally,
The first drive unit and the fourth drive unit are expanded and contracted in phase, and the second drive unit and the third drive unit are in phase and shifted from the first drive unit by approximately 90 degrees. A vibrator characterized in that an elliptical traveling wave is generated at a predetermined position between the first structure and the second structure by expanding and contracting the first structure and the second structure.
前記縦振動部と略同一長さの略矩形形状を有し、その厚み方向に屈曲振動する屈曲振動部と、
を具備し、
前記縦振動部の伸縮振動方向と前記屈曲振動部の屈曲振動方向が直交し、かつ、前記縦振動部の長手方向と前記屈曲振動部の長手方向が一致している振動子であって、
前記屈曲振動部の入力アドミッタンスが、前記縦振動部の入力アドミッタンスの60%以上であることを特徴とする振動子。A longitudinal vibrating portion having a substantially rectangular shape and vibrating in the longitudinal direction thereof,
A bending vibration portion having a substantially rectangular shape having substantially the same length as the longitudinal vibration portion, and bending and vibrating in a thickness direction thereof,
With
A vibrator in which a stretching vibration direction of the longitudinal vibration part and a bending vibration direction of the bending vibration part are orthogonal, and a longitudinal direction of the longitudinal vibration part and a longitudinal direction of the bending vibration part coincide with each other,
A vibrator, wherein an input admittance of the bending vibration section is 60% or more of an input admittance of the longitudinal vibration section.
前記圧電セラミック部材の内周面に設けられ、接地電極として用いられる共通電極と、
超音波領域の交番電圧が印加されることによって前記圧電セラミック部材の端面の略中心部に楕円進行波が生ずるように、前記圧電セラミック部材の外周面に所定パターンで設けられた駆動電極と、
を具備することを特徴する振動子。A cylindrical piezoelectric ceramic member;
A common electrode provided on the inner peripheral surface of the piezoelectric ceramic member and used as a ground electrode,
A drive electrode provided in a predetermined pattern on the outer peripheral surface of the piezoelectric ceramic member so that an elliptical traveling wave is generated substantially at the center of the end surface of the piezoelectric ceramic member by applying an alternating voltage in an ultrasonic region,
A vibrator comprising:
前記4個の電極要素は、たすき掛けして接続されることによって2組の電極群を構成していることを特徴とする請求項11に記載の振動子。The drive electrode has four electrode elements formed by being divided into approximately two equal parts around the circumference of the piezoelectric ceramic member, and being substantially equally divided in the longitudinal direction,
The vibrator according to claim 11, wherein the four electrode elements form two sets of electrodes by being crossed and connected.
前記圧電セラミック部材の長手方向で略2等分割されてなる4個の電極要素はたすき掛けして接続されることによって2組の電極群を構成し、
前記圧電セラミック部材の長手方向で分割されていない2個の電極要素が互いに接続されることによって1組の電極群を構成していることを特徴とする請求項11に記載の振動子。The drive electrode is divided into approximately four equal parts around the circumference of the piezoelectric ceramic member, and one of the two sets of electrodes that face each other in the radial direction of the piezoelectric ceramic member is arranged in the longitudinal direction of the piezoelectric ceramic member. It has six electrode elements formed by being divided into approximately two equal parts,
Four electrode elements, which are approximately equally divided in the longitudinal direction of the piezoelectric ceramic member, are crossed and connected to form two electrode groups,
The vibrator according to claim 11, wherein two electrode elements that are not divided in the longitudinal direction of the piezoelectric ceramic member are connected to each other to form a set of electrode groups.
前記電極は、
前記圧電セラミックリングの円周回りに所定数に略等分割された駆動電極と、
前記圧電セラミックリングの主面と略同形状のリング状の接地電極と、
を有し、
前記駆動電極は、複数の電極群が構成されるように電気的に接続され、
前記複数の電極群に超音波領域の交番電圧が印加されることによって、前記円板部材の端面の略中心部に楕円進行波が生ずることを特徴とする振動子。A vibrator having a cylindrical structure in which plate-shaped piezoelectric ceramic rings and electrodes are alternately stacked, and a disk member disposed on an end surface of the cylindrical structure,
The electrode is
Drive electrodes substantially equally divided into a predetermined number around the circumference of the piezoelectric ceramic ring,
A ring-shaped ground electrode having substantially the same shape as the main surface of the piezoelectric ceramic ring,
Has,
The drive electrodes are electrically connected to form a plurality of electrode groups,
A vibrator characterized in that an elliptical traveling wave is generated at a substantially central portion of an end surface of the disk member by applying an alternating voltage in an ultrasonic region to the plurality of electrode groups.
前記屈曲振動部の屈曲振動に起因して前記縦振動部に生ずる前記屈曲振動方向の振動の腹部の近傍に配設された接頭部材と、
前記屈曲振動部において前記屈曲振動部に生ずる屈曲振動の節部の近傍に配設された保持部材と、
前記保持部材を保持する保持手段と、
前記接頭部材が被移動体に所定の力で押し当てられるように前記保持手段を前記被移動体に押圧する押圧手段と、
を備え、
前記振動子において、前記屈曲振動方向と前記伸縮振動方向とに直交する方向における、屈曲振動部の長さが前記縦振動部の長さよりも長く、
前記縦振動部の伸縮振動と前記屈曲振動部の屈曲振動とが合わされて前記接頭部材に楕円運動が生ずることによって、前記被移動体を所定の方向に移動させることを特徴とする超音波モータ。It has a substantially vibrating part having a substantially rectangular shape and vibrating in the longitudinal direction thereof, and a bending vibrating part having a substantially rectangular shape having substantially the same length as the longitudinal vibrating part and bending and vibrating in the thickness direction. And a vibrator in which the stretching vibration direction of the longitudinal vibration part and the bending vibration direction of the bending vibration part are orthogonal, and the longitudinal direction of the longitudinal vibration part and the longitudinal direction of the bending vibration part match.
A prefix member disposed near an antinode of vibration in the bending vibration direction generated in the longitudinal vibration portion due to the bending vibration of the bending vibration portion,
A holding member disposed in the vicinity of a node of bending vibration generated in the bending vibration section in the bending vibration section;
Holding means for holding the holding member,
Pressing means for pressing the holding means against the moving body so that the prefix member is pressed against the moving body with a predetermined force;
With
In the vibrator, the length of the bending vibration portion in a direction orthogonal to the bending vibration direction and the stretching vibration direction is longer than the length of the longitudinal vibration portion,
An ultrasonic motor, wherein the object to be moved is moved in a predetermined direction by the expansion and contraction vibration of the longitudinal vibration part and the bending vibration of the bending vibration part being combined to generate an elliptical movement in the prefix member.
前記屈曲振動部の屈曲振動に起因して前記縦振動部に生ずる前記屈曲振動方向の振動の腹部の近傍に配設された接頭部材と、
前記屈曲振動部において前記屈曲振動部に生ずる屈曲振動の節部の近傍に配設された保持部材と、
前記保持部材を保持する保持手段と、
前記接頭部材が被移動体に所定の力で押し当てられるように前記保持手段を前記被移動体に押圧する押圧手段と、
を備え、
前記振動子において、前記屈曲振動方向と前記伸縮振動方向とに直交する方向における、前記屈曲振動部の長さが前記複数の縦振動部の長さの合計長さよりも長く、
前記縦振動部の伸縮振動と前記屈曲振動部の屈曲振動とが合わされて前記接頭部材に楕円運動が生ずることによって、前記被移動体を所定の方向に移動させることを特徴とする超音波モータ。It has a substantially rectangular shape, is disposed so that its main surface is parallel at a predetermined interval, and a plurality of longitudinal vibrating portions that expand and contract in the longitudinal direction thereof, and have a length substantially the same as the length of the longitudinal vibrating portion. A bending vibration part having a substantially rectangular shape and bending and vibrating in the thickness direction thereof, wherein a stretching vibration direction of the longitudinal vibration part and a bending vibration direction of the bending vibration part are orthogonal to each other, and A vibrator in which the longitudinal direction of the bending vibration portion and the longitudinal direction are the same,
A prefix member disposed near an antinode of vibration in the bending vibration direction generated in the longitudinal vibration portion due to the bending vibration of the bending vibration portion,
A holding member disposed in the vicinity of a node of bending vibration generated in the bending vibration section in the bending vibration section;
Holding means for holding the holding member,
Pressing means for pressing the holding means against the moving body so that the prefix member is pressed against the moving body with a predetermined force;
With
In the vibrator, a length of the bending vibration portion in a direction orthogonal to the bending vibration direction and the stretching vibration direction is longer than a total length of the plurality of longitudinal vibration portions,
An ultrasonic motor, wherein the object to be moved is moved in a predetermined direction by the expansion and contraction vibration of the longitudinal vibration part and the bending vibration of the bending vibration part being combined to generate an elliptical movement in the prefix member.
前記振動子において、前記第1の駆動部と前記第4の駆動部を同位相で伸縮させ、前記第2の駆動部と前記第3の駆動部を同位相かつ前記第1の駆動部と略90度ずれた位相で伸縮させることによって生ずる振動の腹の部分の近傍に配設された接頭部材および前記振動の節の部分の近傍に配置された保持部材と、
前記保持部材を保持する保持手段と、
前記接頭部材が被移動体に所定の力で押し当てられるように前記保持手段を前記被移動体に押圧する押圧手段と、
を備えていることを特徴とする超音波モータ。A first structure having a substantially rectangular shape and at least a first drive unit and a second drive unit having substantially the same shape in the longitudinal direction thereof, and substantially the same as the first structure; A second drive unit having a length and a thickness smaller than the width of the first structure, and including at least a third drive unit and a fourth drive unit having substantially the same shape in the longitudinal direction thereof; Wherein the first drive section and the fourth drive section are located diagonally, and the main surface of the first structure has a widthwise direction of the second structure. A vibrator whose sides are aligned,
In the vibrator, the first drive unit and the fourth drive unit are expanded and contracted in the same phase, and the second drive unit and the third drive unit are in the same phase and substantially the same as the first drive unit. A prefix member disposed near an antinode of vibration generated by expanding and contracting at a phase shifted by 90 degrees and a holding member disposed near a node of the vibration;
Holding means for holding the holding member,
Pressing means for pressing the holding means against the moving body so that the prefix member is pressed against the moving body with a predetermined force;
An ultrasonic motor, comprising:
前記圧電セラミック部材の内周面に設けられ、接地電極として用いられる共通電極と、
超音波領域の交番電圧が印加されることによって前記圧電セラミック部材の端面の略中心部に楕円進行波が生ずるように、前記圧電セラミック部材の外周面に所定のパターンで設けられた駆動電極と、
前記圧電セラミック部材の端面を閉塞する蓋体と、
前記蓋体の略中心部に配設された接頭部材と、
前記圧電セラミック部材を保持する保持手段と、
前記接頭部材が被移動体に所定の力で押し当てられるように前記保持手段を前記被移動体に押圧する押圧手段と、
を具備することを特徴する超音波モータ。A cylindrical piezoelectric ceramic member;
A common electrode provided on the inner peripheral surface of the piezoelectric ceramic member and used as a ground electrode,
A drive electrode provided in a predetermined pattern on the outer peripheral surface of the piezoelectric ceramic member so that an elliptical traveling wave is generated substantially at the center of the end surface of the piezoelectric ceramic member by applying an alternating voltage in an ultrasonic region,
A lid for closing an end face of the piezoelectric ceramic member,
A prefix member disposed substantially at the center of the lid,
Holding means for holding the piezoelectric ceramic member,
Pressing means for pressing the holding means against the moving body so that the prefix member is pressed against the moving body with a predetermined force;
An ultrasonic motor comprising:
前記円筒状構造体の端面を閉塞する蓋体と、
前記蓋体の略中心部に配設された接頭部材と、
前記円筒状構造体を保持する保持手段と、
前記接頭部材が被移動体に所定の力で押し当てられるように前記保持手段を前記被移動体に押圧する押圧手段と、
を具備し、
前記電極は、
前記圧電セラミックリングの円周回りで所定数に略等分割された駆動電極と、
前記圧電セラミックリングの主面と略同形状のリング状の接地電極と、
を有し、
前記駆動電極は、複数の電極群が構成されるように電気的に接続され、
前記複数の電極群に超音波領域の交番電圧が印加されることによって前記接頭部材に楕円進行波が生ずることを特徴とする超音波モータ。A cylindrical structure in which flat-plate-shaped piezoelectric ceramic rings and thin-film electrodes are alternately stacked,
A lid closing the end face of the cylindrical structure,
A prefix member disposed substantially at the center of the lid,
Holding means for holding the cylindrical structure,
Pressing means for pressing the holding means against the moving body so that the prefix member is pressed against the moving body with a predetermined force;
With
The electrode is
A drive electrode substantially equally divided into a predetermined number around the circumference of the piezoelectric ceramic ring,
A ring-shaped ground electrode having substantially the same shape as the main surface of the piezoelectric ceramic ring,
Has,
The drive electrodes are electrically connected to form a plurality of electrode groups,
An ultrasonic motor wherein an elliptical traveling wave is generated in the prefix member when an alternating voltage in an ultrasonic region is applied to the plurality of electrode groups.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003035177A JP2004248399A (en) | 2003-02-13 | 2003-02-13 | Vibrator and ultrasonic motor |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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