JPH02311181A - 圧電楕円運動振動子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、電子機器に用いられる小形モータに関し、特
にロータ直径の小さい小形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。

［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７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、角柱振動子１０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、１２１ｂ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をしているので
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、異なる
位相（好ましくは９０’）を有す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８図は第７図に示した角柱振動子１０を用いた超音波
モータの構成例を示す図である。

この図において、角柱振動子１０の両端部に円板１２４
　ａ、　　１２４　ｂが装着され、さらに角柱振動子１
０の振動の節の位置に支持ビン１２５ａ。

１２５ｂが形成され、角柱振動子１００は支持ビン１２
５ａ、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、１２６
ｂ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７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。

更に、第８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等を付加す
る必要があるという欠点を有した。

そこで、本発明の技術的課題は、円板等の接触部材を必
要とせず、また加工精度の比較的緩い製造の容易な圧電
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、中心軸を囲周する外周面を有する圧電
セラミックスと、前記外周面に互いに離間して配された
複数の交差指電極とを有する圧電楕円運動振動子におい
て、前記複数の交差指電極は前記外周面上で前記円周方
向に延在するとともに４いに平行に配された複数の周電
極と、該複数の周電極を互いに電気的に接続する接続電
極とを夫々有し、互いに隣接する前記複数の交差指電極
間における前記周電極は、前記中心軸方向で互いに対向
して形成されていることを特徴とする圧電楕円運動振動
子が得られる。　。

［作　用］ 本発明の圧電楕円運動振動子においては、圧電セラミッ
クスは、中心軸を囲周する外周面を有する。複数の交差
指電極は、圧電セラミックスの外周面の円周方向に互い
に離間して配されている。

この複数の交差指電極は前記外周面上で前記円周方向に
延在するとともに互いに平行に配された複数の周電極と
、該複数の周電極を互いに電気的に接続する接続電極と
を夫々有している。

また、互いに隣接する複数の交差指ｘａ間における周電
極は、前記中心軸方向で互いに対向して形成されている
。

これらの交差指電極を用いて、圧電セラミックスを中心
軸に沿う方向に分極し、更に、これら交差指電極一対間
に交流電圧を印加した場合、この交流電圧の極性が分極
時の極性と同じときは、圧電セラミックスは周電極の長
さ方向と直角な方向に伸び歪みが発生し、交流電圧の極
性と逆向きのときは、周電極の長さ方向と直角な方向に
縮み歪みが発生する。

従って、一つの交差指電極対に第１の位相を有する第１
の交流電圧を印加し、この交差指電極対の交差指電極と
は少なくとも一方が異なり、中心！自に対して互いに対
称位置にないもう一つの交差指電極対に、第１の位相と
異なる第２の位相を有する第２の交流電圧を印加すると
、互いに交差する方向に位相の異なる屈曲振動が励起さ
れ圧電セラミックスの端部は、中心軸に交差する面内で
楕円振動を行う。

［実施例］ 本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は、本発明の実施例に係る圧電楕円運動振動子の
斜視図である。

この図において、パイプ状圧電セラミックス５０の外周
面を円周方向と平行で、円周の１／４よりも短い複数個
のストリップ電極からなる周電極１０１〜１１１．２０
１〜２１１，３０１〜３１１及び４０１〜４１１を、こ
のパイプ状圧電セラミックス５０の長さ方向のほぼ全体
に施して周電極群とし、４つの周電極群を円周方向に対
称に形成し、前記周電極群の間に、このパイプ状圧電セ
ラミックスの長さ方向と平行に、４本のストリップ電極
からなる接続電極１００，２００゜３００及び４００を
形成し、これら４本の接続電極を互いに電気的に接続さ
れないように、夫々これら４本の接続電極の両側の前記
周電極群の中のひとつ置きの周電極と接続する。

上方から一つ置きに、この互いに隣合う周電極は、接続
電極１００，２００．．３００及び４００に電気的に接
続されて第１．第２．第３．及び第４の交差指電極１，
２，３．４を夫々形成する。

従って、互いに隣合う第１及び第２の交差指電極１．２
．第２及び第３の交差指電極２，３．第３及び第４の交
差指電極３，４．第４及び第１の交差指電極４，１８交
差指電極の周電極は、中心軸方向に沿って夫々互いに対
向する形状になる。

第２図は本発明の圧電楕円運動振動子の外周面電極の構
造を説明するための図であり、便宜上外周面の電極を平
面的に広げて示しである。

従って、第２図の破線で示した接続電極は、同一の接続
電極４００を表している。

第３図から第５図は本発明の圧電楕円運動振動子の動作
原理を説明するための図である。

第３図において、互いに対向する長さ方向の接続電極１
００と３００、及び接続電極２００と４００を夫々接続
線５１及び５２で接続して二端子５１″及び５２゛とじ
、この二端子５１″及び５２゛間に、図のように直流高
電圧を印加すると、第１の交差指電極１の周電極から第
２及び第４の交差指電極の周電極、１３の交差指電極の
周電極から第１及び第４の交差指電極の周電極に向かっ
て、即ち、図中に破線で示した矢印５３の向きに分極さ
れる。

第３図のように分極されたパイプ状圧電セラミックス５
０に対して、第４図に示すように、隣り合う中心軸方向
の接続電極１００と４００及び２００と３００を夫々接
続線５４及び５５で接続して二端子５４″及び５５″と
し、この二端子５４″及び５５′間に図のように直流電
圧を印加すると第２の交差指電極２の周電極から第１の
交差指電極２の周電極に、第３の交差指電極３の周電極
から第４の交差指電極の周電極に夫々向かって、即ち、
図中に破線の矢印５６で示した向きに電界が印加される
。

第４図かられかるように、第１及び第２の交差指電極１
及び２の互いに対向する周電極群２０１〜２１１の部分
は、破線の矢印５３で示される分極の向きと、実線の矢
印５６で示される電界の向きとが逆向きになり、この部
分は、長さ方向に縮み歪みが発生し、第３及び第４の交
差指電極の互いに対向する周電極群４０１〜４１１の部
分は、破線の矢印５３で示される分極の向きと、実線の
矢印５７で示される電界の向きとが同じ向きになり、こ
の部分は、長さ方向に伸び歪みが発生する。

この結果、パイプ状圧電セラミックス５０は周電極Ｊ！
＄４０１〜４１１の部分から、周電極群２０１〜２１１
の部分の方向に屈曲する。

従って、二端子５４′及び５５−間にパイプ状圧電セラ
ミックス５０の共振周波数に等しい周波数で第１の位相
を有する第１の交流電圧を印加すると、二端子５４−及
び５５゛間に、パイプ状圧電セラミックス５０は第１の
屈曲振動する。′また、第５図に示すように、隣り合う
中心軸方向の接続電極１００と２００、及び接続電極３
００と４００を夫々接続線５８及び５９で接続して二端
子５８゛及び５９′とし、この二端子５８゛及び５９゛
間に図のように直流電圧を印加すると、第４の交差指電
極４の周電極から第１の交差指電極の周電極１に、第２
の交差指電極２の周電極から第３の交差指電極３の周電
極に夫々向かって、即ち、図中に実線の矢印６０及び６
１で示した向きに電界が印加される。

第５図かられかるように、第２及び第３の交差指電極２
及び３の互いに対向する周電極群３０１〜３１１の部分
は、分極の向きと電界の向きが逆向きになり、この部分
は長さ方向に縮み歪みが発生し、第１及び第４の交差指
電極の互いに対向する周電極群１０１〜１１１の部分は
、分極の向きと電界の向きが同じになり、この部分は、
長さ方向に伸び歪みが発生する。

この結果、パイプ状圧電セラミックス５０は、周電極１
０１〜１１１の部分から周電極群３０１〜３１１の部分
の方向に屈曲する。

従って、二端子間５８゛及び５９゛にパイプ状圧電セラ
ミックス５０の共振周波数に等しい周波数で第１の位相
と異なる第２の位相を有する第２の交流電圧を引加する
と、二端子５８′及び５９゛間にパイプ状圧電セラミッ
クス５０は第２の屈曲振動する。

この第２の屈曲振動の振動面は、中心軸を含み第４図の
第１の屈曲振動の場合と直角な方向になる。

以上のことから各々の屈曲振動を駆動するための第１及
び第２の交流駆動電圧の第１及び第２の位相を９０″ず
らせることにより、パイプ状圧電セラミックスの両端部
に楕円振動を発生させることができる。

第６図は本発明の圧電楕円運動振動子を駆動する回路の
一例である。

この図において、入力側が１回路及び出力側が２回路の
トランスを２個を使用しでおり、第１のトランス２０の
入力側に入力端２１及び２２、出力側には、出力端２５
及び２６、及び出力端２７原び２８が設けられいる。ま
た、第２のトランス２０′も同様に、入力端に入力端２
３及び２４、出力側に出力端２９及び３０、及び出力端
３１及び３２が設けられいる。

この出力端２５及び２９．２６及び３１．２７及び３０
．２８及び３２は夫々つなぎ合わされてセラミック５０
の接続電極１００，２００゜３００．４００に夫々接続
されている。

入力端２１及び２２間、及び入力端２３及び２４間に互
いに９０゛位相の異なる第１及び第２のトランス入力電
圧、Ｖｏｓｌｎωｔ、Ｖ□ｃｏｓωｔを印加すると、出
力端２５及び２６間、出力端２７及び２８間、及び出力
端２９及び３０間、出力端３１及び３２間には、第１及
び第２のトランス入力電圧より１８０°位相の異なる電
圧。

−Ｖ＋　ｓｉｎ　ωｔ、　−ｖ、　ｅＯ８ωｔが発生す
る。

従って、互いに対向するように、電極１００及び４００
間、電極２００及び３００間には、同方向に第１のトラ
ンス出力電圧Ｖ、ｓｉｎωｔが印加され、電極１００及
び２００間、電極４００及び３００間には、第２のトラ
ンス出力電圧ｖｌｃｏｓωｔが夫々印加される。

このような、回路構成により、圧電セラミックス５０に
互いに直角な方向に２つの屈曲振動を同時に励振するこ
とができる。

従って、夫々のトランス入力電圧として、前述したよう
に、９０゛位相のずれた電圧、Ｖｏｓｉｎωｉ、Ｖｏｅ
Ｏ８ωｔ、を夫々印加することにより、楕円振動を励振
することができる。

尚、互いに対向する交差指電極を円周をｎ分割する位置
（ｎは２以上の自然数）に設けて、実施例と同様に、中
心軸方向に沿って互い違いに分極し、中心軸方向に互い
に対向する一対の交差指電極間の夫々に第１の交流駆動
電圧を印加すると共に、これらの交差指電極対と異なり
、中心軸に対して対称位置にない交差指電極間に、第１
の交流駆動電圧の位相と異なる位相を有する第２の交流
駆動電圧を印加しても同様な楕円振動が得られることは
明らかである。

［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、振動子の形状が単純で、特に外形が円形となっ
ているので、高精度の加工が容易であり、互いに直角な
方向の二つの共振周波数を合わせやすい。また、断面外
形が円形であることは、例えば、従来例に示したような
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
材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、実用上その効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る圧電楕円運動振動子の斜
視図、第２図は本発明の実施例に係る圧電楕円運動振動
子の電極の構造を説明するための展開図、第３図〜第５
図は本発明の実施例に係る圧電楕円運動振動子の動作原
理の説明に供する図、第６図は本発明の実施例に係る圧
電楕円運動振動子を駆動するための回路の一例を示す図
、第７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８図は従来例に係る圧電楕円運動振動
子を用いた超音波モータの構成を示す斜視図である。 図中、１．’２，３．４は交差指電極、１０は角柱振動
子、５０はバイブ状圧電セラミックス、１０１〜１１１
．２０１〜２１１．３０１〜３１１．４０１〜４１１は
周電極群、１００゜２００．３００，４００は接続電極
、１２０は金属角柱、１２１ａ、１２１ｂは圧電セラミ
ックス薄板、１２２ａ、１２２ｂ、１２３はリード端子
、１２４ａ、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。 第１図 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．中心軸を囲周する外周面を有する圧電セラミックス
   と、 前記外周面に互いに離間して配された複数の交差指電極
   とを有する圧電楕円運動振動子において、前記複数の交
   差指電極は前記外周面上で前記円周方向に延在するとと
   もに互いに平行に配された複数の周電極と、該複数の周
   電極を互いに電気的に接続する接続電極とを夫々有し、
   互いに隣接する前記複数の交差指電極間における前記周
   電極は、前記中心軸方向で互いに対向して形成されてい
   ることを特徴とする圧電楕円運動振動子。