JPH072229B2 - 圧電楕円運動振動子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は電子機器などに用いられる小型モータに関し、
特にローター直径の小さい小型の超音波モータに用いら
れる圧電楕円運動振動子に関するものである。

（従来の技術） 一般に、超音波モータは従来の電磁モータと比較して、
低回転で高いトルクが得られること、停止保持力を有す
ること、電磁ノイズが少ないことなどの利点を有してお
り、カメラのオートフォーカス用や自動車用パワーモー
タなどに使用されている。第９図は小型超音波モータに
使用されている従来の圧電楕円運動振動子即ち各柱振動
子100の構造を示す概略図であり、略正方形断面を有す
る金属角柱120の隣り合う二つの面に、各々電極が形成
され、厚さ方向分極された圧電セラミックス薄板121a,1
21bが接着されている。

圧電セラミックス薄板121a,121bの表面電極からリード
端子122a,122bが引き出され、金属角柱120から共通アー
ス端子123が引き出されている。金属角柱120の断面形状
が略正方形であるので金属角柱120は互いに直角方向に
ほぼ同じ共振周波数で屈曲振動する。

従って、リード端子122a−123および122b−123にそれぞ
れ周波数が共振周波数に等しく、位相が90°異なる交流
電圧を印加すると金属角柱120の両端部は円振動あるい
は楕円振動する。第10図は第９図に示した角柱振動子10
0を用ぢた超音波モータの構成例を示す図である。角柱
振動子100の両端部に円板124a,124bが装着され、さらに
角柱振動子100の振動の節の位置に支持ピン125a,125bが
形成され、角柱振動子100は支持ピン125a,125bにより安
定に支持されている。角柱振動子100の両端部に設けら
れた円板124a,124bは、回転自在に回転軸に支持された
カップ状回転ローラー126a,126bの空洞部に挿入され、
空洞部内壁に加圧接触されている。

従って、角柱振動子100の端部が円振動あるいは楕円振
動した場合にカップ状回転ローラー126a,126bを回転さ
せる。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、第９図に示すような従来の角柱状楕円運
動振動子においては、振動子が正方形断面の角柱である
ため、互いに直角な方向の屈曲モードの共振周波数を精
度良く一致させるためには、角柱の加工精度を厳しくお
さえなければならない。

また圧電セラミックス薄板を金属角柱に接着するときの
接着状態のばらつきが大きい。さらに第10図に示したよ
うな構造の超音波モータを構成する場合においては、カ
ップ状回転ローラーとの接触状態を良くするために金属
角柱の両端部に円板などを付加する必要があるという欠
点を有していた。そこで、本発明の技術課題は、円板等
の接触部材を必要とせず、又加工精度にとらわれず組み
立てが容易な圧電楕円運動振動子を提供することにあ
る。

（課題を解決するための手段） 本発明によれば、圧電セラミックス円柱の外周面に、長
さ方向と平行に所定の間隔をおいて、複数の電極対を設
け、前記電極対の少なくとも一つに直流電圧を印加し
て、前記圧電セラミックス円柱に長さ方向と直角な方向
の分極処理を施し、前記電極対のうちの２つに互いに異
なる位相を有する交流電圧を印加して、前記圧電セラミ
ックス円柱の両端部に円を含む楕円運動を励起可能とし
たことを特徴とする圧電楕円運動振動子が得られる。

ここで、本発明においては、これらの分割電極対に印加
される交流電流はそれぞれ90°位相差を有することが望
ましい。

本発明によれば、第１及び第２の圧電セラミック円板
と、これらの第１及び第２の圧電セラミック円板の一端
間に挟まれた第１の金属円柱と、これらの第１及び第２
の圧電セラミック円板の他端に夫々設けられた第２及び
第３の金属円柱とを有する圧電楕円運動振動子であっ
て、前記第１の圧電セラミック円板は、この第１の圧電
セラミック円板の中心軸に沿う方向で２分割する第１の
境界面を境にして厚さ方向に互いに逆向きとなるように
分極されており、前記第２の圧電セラミック円板は、該
圧電セラミック円板の中心軸に沿う方向で２分割し且つ
前記第１の境界面と所定角度で傾斜した第２の境界面を
境にして厚さ方向に互いに逆向きとなるように分極され
ており、前記第１の金属円柱を共通アースとし、前記第
２及び第３の金属円柱に互いに異なる位相を有する交流
電圧を印加して、前記圧電楕円運動振動子の両端部に円
を含む楕円運動を励起可能としたことを特徴とする圧電
楕円運動振動子が得られる。

本発明によれば、第１及び第２の円板状圧電振動子と、
これらの第１及び第２の円板状圧電振動子の一端間に挟
まれた第１の金属円柱と、これらの第１及び第２の円板
状圧電振動子の他端に夫々設けられた第２及び第３の金
属円柱とを有する圧電楕円運動振動子であって、前記第
１の円板状圧電振動子は、該第１の円板状圧電振動子の
中心軸に沿う方向で２分割する第１の境界面及び厚さ方
向で２分割する第２の境界面を境として厚さ方向に互い
に逆向きとなるように分極されており、前記第２の円板
状圧電振動子は、この第２の円板状圧電振動子の中心軸
に沿う方向で２分割され且つ前記第１の境界面と所定角
度で傾斜した第３の境界面及び且つ厚さ方向で２分割す
る第４の境界面を境にして厚さ方向に互いに逆向きとな
るように分極されており、前記第1,第２及び第３の金属
円柱を共通アースとし、前記第２及び第４の境界面に互
いの異なる位相の交流電圧を印加して、前記圧電楕円運
動振動子の両端部に円を含む楕円運動を励起可能とした
ことを特徴とする圧電楕円運動振動子が得られる。

ここで、本発明においては、圧電セラミックス円板の分
極境界線は互いに直角に交差するように配置されること
が望ましい。

本発明によれば、第１及び第２の円筒状圧電振動子と、
この第１及び第２の円筒状圧電振動子の一端間に挟まれ
た第１の金属円筒と、この第１及び第２の円筒状圧電振
動子の他端に夫々設けられた第２及び第３の金属円柱と
を貫通部材により固着した圧電楕円運動振動子であっ
て、前記第１の円筒状圧電振動子は、この第１の円筒状
圧電振動子の中心軸に沿う方向で２分割する第１の境界
面及び厚さ方向で２分割する第２の境界面を境として厚
さ方向に互いに逆向きとなるように分極されており、前
記第２の円筒状圧電振動子は、この第２の円筒状圧電振
動子の中心軸に沿う方向で２分割され且つ前記第１の境
界面と所定角度で傾斜した第３の境界面及び厚さ方向で
２分割する第４の境界面を境にして厚さ方向に互いに逆
向きとなるように分極されており、前記第２及び第４の
境界面に夫々第１及び第２の中間端子板を有し、前記第
1,第2,及び第３の金属円筒を共通アースとし、前記端子
板に互いに異なる位相の交流電圧を印加して、前記圧電
楕円運動振動子の両端部に円を含む楕円運動を励起可能
としたことを特徴とする圧電楕円運動振動子が得られ
る。ここで、本発明においては、圧電セラミックス穴あ
き円板は、各々の分極境界線の方向は直角に交差するよ
うに配置されることが望ましい。

（作用） 本発明の作用について述べる。

本発明の圧電楕円運動振動子は、円柱に円周方向を等分
する位置に複数対の分割電極を設けて、この電極対の直
流電圧を印加し、分極処理を施し、この分割電極対に少
くとも二対の交流電圧を印加すると、各電極は印加方向
に略垂直方向に屈曲振動を行う。これらの電極は交流電
圧印加方向が互いに交差するように形成して、０〜180
°の範囲内の位相差を有するように交流電圧を印加する
と、位相差に応じて、円柱振動子両端は円を含む楕円振
動を行う。

本発明の圧電楕円運動振動子においては、複数の導体の
間に複数の圧電振動子を介在させてなり、この圧電振動
子の互いに分極境界面を交差させて構成したので、この
圧電振動子に位相差を有する交流電流を印加すると、圧
電楕円運動振動子の両端は円を含む楕円運動を行う。

（実施例） 本発明の実施例を図面を参照して説明する。

実施例１ 本発明の実施例１について説明する。

第１図は本発明の実施例１に係る圧電楕円運動振動子の
斜視図であり、圧電セラミックス円柱１の側面の円周方
向４等分の位置に、長さ方向と平行に電極2,3,4,5が形
成されている。一本の電極幅と電極のない部分の寸法比
はおよそ1:1となっている。第２図は圧電セラミックス
円柱断面図であり、分極方向と駆動電圧による歪みの発
生の状態の説明図である。第２図（ａ）は電極2,4をプ
ラス、電極3,5をマイナスとして、電圧を印加した場合
の分極の向きを示す図であり、分極の向きを破線の矢印
で示してある。

第２図（ｂ）は第２図（ａ）のように分極された圧電セ
ラミックス円柱において、電極2,3および4,5をそれぞれ
接続し、電極2,3にプラス、電極4,5にマイナス電圧を印
加した場合の円柱の断面方向の歪いの発生を示したもの
である。

第２図（ｂ）において実線の矢印で示したように電極２
から電極５の方向および電極３から電極４の方向に電圧
が印加されるため、電極２と電極５の間には伸び歪みが
発生し、電極３と電極４の間には縮み歪みが発生する。
第２図（ｂ）に示す方向に断面方向の歪みが発生した場
合において、圧電セラミックス円柱１は、電極３と電極
４の間の部分の長さが伸び、同時に電極２と電極５の間
の部分の長さが縮む。その結果、圧電セラミックス１は
第２図（ｂ）においては下側が膨らむように屈曲する。
印加電圧の極性を逆にした場合には、圧電セラミックス
円柱１は逆方向に屈曲する。

第３図は第１図に示した圧電セラミックス円柱１に交流
電圧を加えた場合の振動状態の説明図であり、電極2,3
と電極4,5の間に振動子の共振周波数に等しい周波数の
交流電圧印加した場合には、第３図（ａ）に示すように
矢印６の方向の屈曲共振を生ずる。

電極2,5および電極3,4をそれぞれ接続して同様に振動子
の共振周波数に等しい周波数の交流電圧を印加すれば、
屈曲振動の方向は第３図（ａ）の振動方向と直角な方向
になる。従って以上示した二つの方向の屈曲振動の位相
を90°ずらせること、具体的には各々の駆動電圧の位相
を90°ずらせることにより、圧電セラミックス円柱１の
両端部に、第３図（ｂ）に示すように円振動あるいは楕
円振動を励振することが可能である。

実施例２ 本発明の実施例２について説明する。

第４図（ａ）は本発明の実施例２に係る圧電楕円運動振
動子の構造の一例を示す斜視図である。第４図（ｂ）に
おいて、圧電セラミックス円板11,12はそれぞれ中心に
沿う方向で２分割する境界面とし、この分極境界線の両
側のほぼ対称な二つの領域の分極方向が厚さ方向に互い
に逆向きになるように分極されている。互いに境界面を
90度傾斜させた圧電セラミックス円板11,12の間に金属
円柱14を挾み、さらに圧電セラミックス11,12の両側に
金属円柱13,15を配置し、第４図（ｂ）に示すようにこ
れら二枚の圧電セラミックス円板と三個の金属円柱を一
体に接合する。接合の方法は、エポキシ樹脂などの接着
剤を用いるか、半田づけによって行う。第５図は本発明
の実施例２に係る圧電楕円運動振動子の他の構造例を示
すの斜視図である。第５図において、円板状圧電振動子
16は第４図に示したものと同様の圧電セラミックス円板
16a,16bの二枚を、それぞれ分極境界面を合わせ、互い
に分極の向きを対向させるように構成されており、また
円板状圧電振動子17も同様に圧電セラミックス円板17a,
17bの二枚をそれぞれの分極境界面を合せて互いの分極
の向きを対向させるように構成されている。二個の円板
状圧電振動子16,17を第４図の場合と同様に三個の金属
円柱13,14,15の間に挾んで一体に接合されている。

第６図は本発明の実施例２に係る圧電楕円運動振動子の
動作原理の説明図である。第６図（ｂ）に示すように
（イ）の圧電セラミックス円板に電圧を印加した場合第
６図（ｂ）（イ）の上半分には伸び歪みが発生し、下半
分には縮み歪みが発生する。従ってリード端子19及び20
間に共振周波数に等しい交流電圧を印加すれば第６図
（ａ）に示すように矢印６の方向の屈曲共振を生ずる。

同様に第６図（ｂ）（ロ）の圧電セラミックス円板に同
様の交流電圧を印加すれば、分極境界線の方向が第６図
（ｂ）（イ）の場合と直角であるため、第６図（ａ）の
振動方向と直角な方向に屈曲共振を生ずる。従ってリー
ド端子19−20とリード端子21−20に印加する駆動電圧の
位相を90°ずらすことにより圧電楕円運動振動子16の両
端部に第６図（ｃ）の矢印で示すような円振動あるいは
楕円振動を励振することができる。

以上の説明は第４図に示した圧電楕円運動振動子につい
て行ったが第５図に示した圧電楕円運動振動子において
は、二枚の圧電セラミックス円板の接合部から駆動電気
端子を取り出すことにより、二枚の圧電セラミックス圧
電楕円運動円板を並列駆動することが可能となり、第４
図に示した場合より低い電圧での駆動が可能となる。

実施例３ 第７図は本発明の実施例３に係る圧電楕円運動振動子の
構造の一例を示す斜視図である。第７図において、円筒
状圧電振動子31,31′はそれぞれ中心に沿う方向で２分
割する分極の境界面を有し、この分極境界面の両側のほ
ぼ対称な二つの領域の分極方向が厚さ方向に互いに逆向
きになるように分極されている圧電セラミックス穴あき
円板二枚32,33を穴あき円板状金属端子34をはさんで分
極境界面合わせ、互いに分極向きを対向させるようにし
て構成されている。実施例３においては、前記した円筒
状圧電振動子の二つを金属円筒35を挾んで互いに分極境
界面が直角な方向を示すようにそれぞれ配置し、さらに
前記した二対の圧電振動子対の外側に金属円筒36,37を
それぞれ配置しこれらを第７図（ｂ）に示すように中心
ボルト38とナット39,39′により一体に締め付けて構成
される。

実施例３においては、第７図に示すように２個の圧電振
動子対と金属円筒35,36,37を中心ボルト38とナット39,3
9′で一体に締付けて構成しているが、金属円筒36,37に
直接ネジを切り、ナットとして使用しても同様な効果が
得られる。

第８図は本発明の圧電楕円運動振動子の動作原理の説明
図である。第８図（ｂ）（イ）において円筒状圧電振動
子31の中間端子板を共通アースとし、両端面にプラス電
圧を印加した場合、円筒状圧電振動子の上半分に伸び歪
みを発生し、下半分には縮み歪みが発生する。従って、
リード端子41及び42間に圧電振動子の共振周波数に等し
い周波数の交流電圧を印加すれば第８図（ａ）に示すよ
うに矢印の方向の屈曲共振を生ずる。

同様にして第８図（ｂ）（ロ）円筒状圧電振動子に同様
の交流電圧を印加すれば第８図（ａ）の矢印の方向と直
角な方向に屈曲共振を生ずる。従ってリード端子41−42
とリード端子43−42に印加する駆動電圧の位相を90°ず
らせることにより圧電楕円運動振動子40の両端部に第８
図（ｃ）に示すような円振動あるいは楕円振動を励振す
ることができる。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明の圧電楕円運動振動子にお
いては、圧電振動子の形状が単純で、特に断面が円形と
なっているため、高精度の加工が可能であり、互いに直
角な方向の共振周波数のばらつきの少ない振動子が得ら
れる。また断面が円形であることは、例えば第10図に示
したような超音波モータを構成する場合にカップ状回転
ローラーとの接触状態が良く、安定したモータが得られ
る。さらに本発明の圧電楕円運動振動子においては、接
着剤を使用していないため、接着による特性のばらつき
も少なく、実用上その効果が大きい。

さらに本発明の他の圧電楕円運動振動子においては、各
々の部材をボルトトナットで締め付けて構成しているた
め高いパワーを入力して駆動しても接着が剥がれるとい
う危険もなく信頼性の高い振動子が得られる。また寸法
的には、必要なパワーとの関係で決められるが直径5mm
程度の振動子も容易に製造可能であり、小型の超音波モ
ータが実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例１に係る圧電楕円運動振動子の
斜視図、第２図（ａ）及び（ｂ）は第１図の圧電楕円運
動振動子の歪みの発生状態の説明に供する断面図、第３
図（ａ）及び（ｂ）は第１図の圧電楕円運動振動子の振
動を示す図、第４図（ａ）及び（ｂ）は本発明の実施例
２に係る圧電楕円運動振動子及びその組立てを示す斜視
図、第５図（ａ）及び（ｂ）は本発明の実施例２に係る
他の圧電楕円運動振動子及びその組立てを示す斜視図、
第６図（ａ），（ｂ）（イ），（ｂ）（ロ）及び（ｃ）
は本発明の実施例２に係る圧電楕円運動振動子の動作原
理を示す斜視図、第７図（ａ）及び（ｂ）は本発明の実
施例３に係る圧電楕円運動振動子及びその組立てを示す
斜視図、第８図（ａ），（ｂ）及び（ｃ）は本発明の実
施例３に係る圧電楕円運動振動子の動作原理を示す斜視
図、第９図は従来例に係る圧電楕円運動振動子の動作原
理を示す斜視図、第10図は従来例に係る圧電楕円運動振
動子の構成を示す斜視図である。 図中、１はセラミックス円柱、2,3,4及び５は電極、11
及び12はセラミックス円板、13,14及び15は金属円柱、1
6及び17は圧電振動子、16a,16b,17a,17bは圧電セラミッ
クス円板、18は圧電楕円運動振動子、19,20,及び21はリ
ード端子、31,31′は圧電振動子、32及び33は圧電セラ
ミックス円板、34は円板状金属端子、35,36及び37は金
属円筒、38はボルト、39,39′はナット、40は圧電楕円
運動振動子、41,42及び43はリード端子、100は角柱振動
子、120は金属角柱、121a,121bは圧電セラミックス薄
板、122a,122bはリード端子、123はアース端子、124a及
び124bは円板、125a,125bは支持ピン、126a,126bはカッ
プ状回転ローラーである。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−240380（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−224681（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−55012（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−11075（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−220781（ＪＰ，Ａ) 米国特許2439499（ＵＳ，Ａ) 日本音響学会講演論文集、昭和62年３ 月、Ｐ．673〜674 「電気・機械振動子とその応用」、コロ ナ社、昭和49年３月30日Ｐ．271、

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧電セラミックス円柱の外周面に、長さ方
   向と平行に所定の間隔をおいて、複数の電極対を設け、
   該電極対の少なくとも１つに直流電圧を印加して前記圧
   電セラミックス円柱に長さ方向と直角な方向の分極処理
   を施し、前記電極対のうちの２つに互いに異なる位相を
   有する交流電圧を印加して、前記圧電セラミックス円柱
   の両端部に円を含む楕円運動を励起可能としたことを特
   徴とする圧電楕円運動振動子。
2. 【請求項２】第１及び第２の圧電セラミック円板と、該
   第１及び第２の圧電セラミック円板の一端間に挟まれた
   第１の金属円柱と、該第１及び第２の圧電セラミック円
   板の他端に夫々設けられた第２及び第３の金属円柱とを
   有する圧電楕円運動振動子であって、前記第１の圧電セ
   ラミック円板は、該第１の圧電セラミック円板の中心軸
   に沿う方向で２分割する第１の境界面を境にして厚さ方
   向に互いに逆向きとなるように分極されており、前記第
   ２の圧電セラミック円板は、該圧電セラミック円板の中
   心軸に沿う方向で２分割し且つ前記第１の境界面と所定
   角度で傾斜した第２の境界面を境にして厚さ方向に互い
   に逆向きとなるように分極されており、前記第１の金属
   を共通のアースとし、前記第２及び第３の金属円柱に互
   いに異なる位相を有する交流電圧を印加して、前記圧電
   楕円運動振動子の両端部に円を含む楕円運動を励起可能
   としたことを特徴とする圧電楕円運動振動子。
3. 【請求項３】第１及び第２の円板状圧電振動子と、該第
   １及び第２の円板状圧電振動子の一端間に挟まれた第１
   の金属円柱と、該第１及び第２の円板状圧電振動子の他
   端に夫々設けられた第２及び第３の金属円柱とを有する
   圧電楕円運動振動子であって、前記第１の円板状圧電振
   動子は、該第１の円板状圧電振動子の中心軸に沿う方向
   で２分割する第１の境界面及び厚さ方向で２分割する第
   ２の境界面を境として厚さ方向に互いに逆向きとなるよ
   うに分極されており、前記記第２の円板状圧電振動子
   は、該第２の円板状圧電振動子の中心軸に沿う方向で２
   分割され且つ前記第１の境界面と所定角度で傾斜した第
   ３の境界面及び且つ厚さ方向で２分割する第４の境界面
   を境にして厚さ方向に互いに逆向きとなるように分極さ
   れており、前記第1,第２及び第３の金属円柱を共通のア
   ースとし、前記第２及び第４の境界面に互いの異なる位
   相の交流電圧を印加して、前記圧電楕円運動振動子の両
   端部に円を含む楕円運動を励起可能としたことを特徴と
   する圧電楕円運動振動子。
4. 【請求項４】第１及び第２の円筒状圧電振動子と、該第
   １及び第２の円筒状圧電振動子の一端間に挟まれた第１
   の金属円筒と、該第１及び第２の円筒状圧電振動子の他
   端に夫々設けられた第２及び第３の金属円柱とを貫通部
   材により固着した圧電楕円運動振動子であって、前記第
   １の円筒状圧電振動子は、該第１の円筒状圧電振動子の
   中心軸に沿う方向で２分割する第１の境界面及び厚さ方
   向で２分割する第２の境界面を境として厚さ方向に互い
   に逆向きとなるように分極されており、前記第２の円筒
   状圧電振動子は、該第２の円筒状圧電振動子の中心軸に
   沿う方向で２分割され且つ前記第１の境界面と所定角度
   で傾斜した第３の境界面及び厚さ方向で２分割する第４
   の境界面を境にして厚さ方向に互いに逆向きとなるよう
   に分極されており、前記第２及び第４の境界面に夫々第
   １及び第２の中間端子板を有し、前記第1,第２及び第３
   の金属円筒を共通アースとし、前記中間端子板に互いに
   異なる位相の交流電圧を印加して、前記圧電楕円運動振
   動子の両端部に円を含む楕円運動を励起可能としたこと
   を特徴とする圧電楕円運動振動子。