(57)【要約】 【課題】  煩雑な電極配置、電極形成上の形状寸法精度を確保する必要としない簡易な圧電振動子およびその駆動方法を提供する。【解決手段】  該矩形板に厚さ方向に平行な、一対２枚の上面電極１２と下面電極１３によって分極された領域と、厚さ方向２つのに分極されていない領域１４を、矩形板の略対角線上に備える事によって、長さ縦振動及び屈曲振動を励振させる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電セラミック矩形板を用い、前記圧電セラミック矩形板の厚み方向に平行な一対２枚の電極によって分極された圧電振動子であって、前記圧電セラミック矩形板の屈曲振動形態の歪最大となる領域において、前記圧電セラミックの厚み方向に分極されない２つの領域を、矩形板の対角線上に備えることを特徴とする圧電振動子。
【請求項２】
前記圧電振動子が、電極厚み方向に複数積層された積層型圧電振動子であることを特徴とする請求項１記載の圧電振動子。
【請求項３】
請求項１又は２記載の圧電振動子において長さ縦振動と屈曲振動の共振周波数の間において駆動させる事で長さ縦振動、屈曲振動、また双方が重畳した状態を任意に励振させることを特徴とする圧電振動子の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電セラミックを用いて構成する、特に超音波モータ用に好適な、圧電振動子およびその駆動方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
主な本発明の利用分野である超音波モータの説明を含めて、従来の圧電振動子およびその駆動方法について、図面等を用いて説明する。
【０００３】
図７に、一般的な超音波モータの原理を表す模式図を示す。図７（ａ）は動作説明図、図７（ｂ）は振動子の軌跡を示す。超音波モータは振動子３１と移動体（スライダ）３２を含み、振動子３１はその伸縮と屈曲の組み合わせにより、少なくともその一部が楕円運動をする。例えば、図７（ａ）中のｐ点（振動子の左端面の中心点）は、軌跡Ａ〜Ｄの４つの状態を通って図７（ｂ）に示す軌道を描く（ｘは振動子の長手方向、ｙは振動子の上下面に垂直な軸）。振動子３１の楕円運動をしている部分には、通常、固定摺動部材（ステータ）３３となる耐摩耗性材料が接着されている。振動子の楕円運動はステータ３３を介してスライダ３２に伝達され、スライダ３２を動かす駆動力になる。図７（ａ）では、楕円運動の繰り返しによりスライダ３２は図７（ａ）のガイド３４に沿って下方へと送られる。この例では直線的に移動体を駆動しているが、移動体を円環状にすれば回転運動を生じることも可能である。
【０００４】
図８に、従来の長さ縦１次振動、屈曲２次振動を用いる従来例の圧電振動子の斜視図を示す。図１０に従来例および本発明において駆動させた長さ縦１次振動の応力図（応力等高線）を示す。図１１に、従来例および本発明において駆動させた屈曲２次振動の応力図（応力等高線）を示す。従来例の圧電振動子４１の形状は、長さ２０ｍｍ×幅５ｍｍ×厚さ５ｍｍのハード系（高Ｑｍ系）セラミックの矩形板状で、４箇所の厚み方向に分極された励振用電極Ａ４２、励振用電極Ｂ４３、励振用電極Ｃ４４、励振用電極Ｄ４５を備えている。この圧電振動子４１を動作させる方法は、下記の通りである。長さ縦１次振動の場合、励振用電極Ａ〜Ｄの上下電極部に同位相の交流駆動信号を印加すると、４箇所の電極が一体となって矩形板状の略１対の電極として作用し、８３ｋＨｚ近傍において図１０のような長さ縦１次振動が励振される。一方、屈曲２次振動に対しては、４箇所の電極部に対し、それぞれ対角状の２箇所励振用電極Ａ４２、励振用電極Ｄ４５及び励振用電極Ｂ４３、励振用電極Ｃ４４の上下電極部に同振幅で位相の異なる交流駆動信号を印加する事で図１１に示す屈曲２次振動が同じく８１ｋＨｚ近傍にて励振される。
【０００５】
図８において、励振用電極Ａ４２、励振用電極Ｄ４５と励振用電極Ｂ４３、励振用電極Ｃ４４間に同位相の電圧を印加する事で長さ縦１次振動が励振される。その時の応力図は、図１０に示されるように、矩形板圧電振動子の長手方向に対称に、応力が最大となる領域が現れる。また、図８において励振用電極Ａ４２、励振用電極Ｄ４５と励振用電極Ｂ４３、励振用電極Ｃ４４間に逆位相の電圧を印加する事で屈曲２次振動が励振される。その時の応力図は、図１１に示されるように、矩形板圧電振動子の長手方向対角線上対称に、応力が最大となる領域が現れる。また励振用電極Ａ４２、励振用電極Ｄ４５と励振用電極Ｂ４３、励振用電極Ｃ４４間に正逆を交えて振幅、位相の異なる電圧を切換えて印加する事で、長さ縦１次振動と屈曲２次振動が重畳された振動を励振する事が可能である。図７（ａ）、図７（ｂ）で説明したように、電極が形成された圧電振動子４１を固定し、圧電振動子４１に任意に移動可能なスライダ３２を接触させる事によって進行波型超音波モータとして動作させる事が出来る。従来例の圧電振動子４１の場合４箇所の電極に交流電界を印加する為には各々正逆２箇所の８箇所の信号入力用電極が必要となり、実際の製品設計において煩雑な電極配置、電極形成上の形状寸法精度を確保する必要がある。
【０００６】
図９に、従来例の圧電振動子のインピーダンス特性を示す。図９(ａ)は長さ縦１次振動の場合、  図９（ｂ）は屈曲２次振動の場合を示す。長さ縦１次振動の場合、８３ｋＨｚ近傍で共振振動が励振され、屈曲２次振動の場合は、８１ｋＨｚ近傍で共振振動が励振されている。従来例では、電極間の入力電圧を切換えることで、長さ縦１次振動、屈曲２次振動をするので、同時に長さ縦１次振動、屈曲２次振動の両振動モードのインピーダンス特性は、表れることはない。
【０００７】
損失の少ないハード系圧電セラミックを用いた圧電セラミック矩形板上に、図８に示すように４箇所の分極された領域を構成し、これら分極領域に適宜駆動信号を印加する事で、長さ縦１次振動と屈曲２次振動を個別もしくは重畳された振動を励振させる事が可能である。図１０および図１１に、矩形板の長さ縦１次振動、屈曲２次振動の形態を応力等高線で表しているが、屈曲２次振動の場合、矩形板長さ方向端部から略１／４の領域に計４箇所で、歪と応力が最大となる領域が発生する。
【０００８】
前記の問題を解決する方法として、例えば特許文献１は、伸縮振動と屈曲２次振動用に各々電極を設けて、圧電振動子の入出力特性の非線形性を緩和し、微動領域での制御性（位置決め精度）の高い、超音波モータ用振動子の提供、及び振動効率の高い超音波モータ用振動子の提供が開示されている。しかしながら、圧電振動子の構造が複雑で、制御回路も複雑になり、高価になるという課題があった。
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−５４４０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の技術的課題は、煩雑な電極配置、電極形成上の形状寸法精度の確保等を必要としない簡易な圧電振動子およびその駆動方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記問題点を解決するため本発明においては、矩形板に厚さ方向に平行な、一対２枚の電極によって分極された領域と、厚さ方向に分極されない２つの領域を、矩形板の略対角線上に備える事によって、長さ縦振動及び屈曲振動を励振させる事を特徴とした圧電振動子としている。この対角線上に設けた２箇所の未分極領域では、本来同一材質でありながら、分極領域との材料剛性、ヤング率が異なるため、動作させる周波数を選択する事で長さ縦振動だけでなく、屈曲振動が発生する。結果として、一対の電極端子のみでありながら、駆動周波数の選択によって、双方の振動形態を個別または重畳された振動を励振する事が可能となり、信号入力用電極の数を削減でき、小型化に際しての製品設計上の自由度が増大する。また、単一の矩形板に限らず、分極領域が厚み方向に重なるように、この矩形板を複数層積層することにより、低インピーダンス化が図られ、低電圧駆動が可能となる。
【００１２】
本発明によれば、圧電セラミック矩形板を用い、前記圧電セラミック矩形板の厚み方向に平行な一対２枚の電極によって分極された圧電振動子であって、前期圧電セラミック矩形板の屈曲振動形態の歪最大となる領域において、前記圧電セラミックの厚み方向に分極されない２つの領域を、矩形板の対角線上に備えた圧電振動子が得られる。
【００１３】
また本発明によれば、前記圧電振動子が、電極厚み方向に複数積層された積層型圧電振動子である圧電振動子が得られる。
【００１４】
また本発明によれば、前記圧電振動子において長さ縦振動と屈曲振動の共振周波数の間において駆動する事で長さ縦振動、屈曲振動、また双方が重畳した状態を任意に励振させる圧電振動子の駆動方法が得られる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明により矩形板の共振を用い、長さ縦振動、屈曲振動を励振させる圧電振動子において、端子数の少ない、構造の単純な共振型圧電振動子を構成する事が可能となり、動作周波数を選択する事で、各振動およびそれぞれが重畳した任意の形態を励振させる事ができる圧電振動子およびその駆動方法がの提供が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の圧電振動子およびその駆動方法は、矩形板の共振を用い、長さ縦振動モード、屈曲振動モードを容易に励振させ、かつ構造の単純な共振型圧電振動子を構成する事が可能となる。
【００１７】
(実施の形態１)
図１は、本発明の圧電振動子の斜視図を示す。図１（ａ）は分極されない領域が半円柱形状の場合、図１（ｂ）は分極されない領域が長方体形状の場合を示す。図８と同様に、圧電振動子１１の外形は、例えば長さ２０ｍｍ×幅５ｍｍ×厚さ５ｍｍでハード系（高Ｑｍ系）セラミックの矩形板状と従来例とほぼ同一であるが、内部には矩形板の輪郭よりやや内側に上面電極１２、と下面電極１３が設けられており、この領域は厚み方向に分極されている。また、同じ矩形板内には対角線に沿った形で２箇所の厚み方向に分極されない領域１４を設けてある。
【００１８】
図２は、本発明の圧電振動子のインピーダンス特性を示す。この圧電振動子を７０ｋＨｚから１００ｋＨｚにおいて上面電極１２と下面電極１３間でインピーダンスの周波数特性（インピーダンス波形）を見た結果、８３ｋＨｚ近傍に大きな共振(インピーダンス最小)点を持つが、この近傍が長さ縦１次振動形態で駆動される領域となる。他方、８１ｋＨｚ近傍には、小さな共振が示されているが、この周波数近傍では屈曲２次振動で動作する。
【００１９】
図３は、本発明の圧電振動子の駆動周波数における動作形態を示す。駆動周波数を変化させるに伴い、８１ｋＨｚの屈曲２次振動から徐々に８３ｋＨｚの長さ縦１次振動へ形態が変化する事が示されている。８２ｋＨｚ近傍では、屈曲２次振動に長さ縦1次振動が重畳した振動形態を取っている。本発明の圧電振動子１１では、このように振動子内の一対の電極に対し、印加電圧の位相、正逆変更等を行うことなく、動作周波数を可変する事で単独の振動形態、２つの振動形態が重畳した状態を自在に励振させる事が可能である。
【００２０】
図１０および図１１に、従来例および本発明において駆動させた矩形板の長さ縦１次振動、屈曲２次振動の形態を応力等高線で表している。本発明の電極構成により、従来例の場合と同様に、長さ縦１次振動の場合、矩形板長さ方向端部から略１／４の領域に２箇所で、また、屈曲２次振動の場合、矩形板長さ方向端部から略１／４の領域に計４箇所で、歪と応力が最大となる領域を発生させることができる。よって、本発明構造によって、従来と同形態の振動を励起するのに必要な電極数は従来の圧電振動子の略１／４で済む事になる。
【００２１】
（実施の形態２）
次に、図４に、本発明の積層型圧電振動子の斜視図を示す（図は１０層に積層された例を示す）。図５は、本発明の積層型圧電振動子の内部電極構造図を示す。図５（ａ）は斜視図、図５（ｂ）は断面図を示す。図５（ａ）では、圧電セラミックは省略されている。積層型圧電振動子２１の形状、使用材料等は実施の形態１と同じであるが、厚み方向に分極された領域は内部電極Ａ２２と内部電極Ｂ２３で構成され、各層は図５（ｂ）断面図に示すとおり厚み方向に対し、互いに逆向きに分極され側面の外部電極Ａ２４および外部電極Ｂ２５において外部からの駆動信号を受けるよう接続されている。また、同じ矩形板内には対角線に沿った形で２箇所の厚み方向に分極されていない領域２６（図４に図示）を設けてある。図中矢印は分極方向を示している。
【００２２】
図６は、本発明の積層型圧電振動子のインピーダンス特性を示す。この圧電振動子を７０ｋＨｚから１００ｋＨｚにおいて外部電極Ａ２４と外部電極Ｂ２５でインピーダンスの周波数特性（インピーダンス波形）を見た結果、８３ｋＨｚ近傍に大きな共振(インピーダンス最小)点を持つが、この近傍が長さ縦１次振動形態で駆動される領域となる。他方、８１ｋＨｚ近傍には小さな共振が示されているが、この周波数近傍では屈曲２次振動で動作する。実施の形態１に比べて、低インピーダンス化が図られている。
【００２３】
実施の形態１、２から明らかなように、一つの電極部には一対、２枚の電極が必要であり、図７の従来例では、４箇所の分極領域が存在する為、計８個の外部電極が必要となる。低電圧駆動の為に複数対の積層を行って低インピーダンス化を図った際も同じであり、本発明構造によって、同形態の振動を励起するのに必要な電極数は略１／４で済む事になる。
【００２４】
以上、この発明の実施の形態を説明したが、この発明は、これらの実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更があっても本発明に含まれる。すなわち、当業者であれば、当然なしえるであろう各種変形、修正もまた本発明に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明の圧電振動子およびその駆動方法を用いることにより、長さ縦振動モード、屈曲振動モードおよびそれぞれが重畳した任意の形態を励振させることが可能な、超音波モータを簡単に構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の圧電振動子の斜視図を示す。図１（ａ）は分極されない領域が半円柱形状の場合を示す図、図１（ｂ）は分極されない領域が長方体形状の場合を示す図。
【図２】本発明の圧電振動子のインピーダンス特性を示す図。
【図３】本発明の圧電振動子の駆動周波数における動作形態を示す図。
【図４】本発明の積層型圧電振動子の斜視図。
【図５】本発明の積層型圧電振動子の内部電極構造図。図５（ａ）は斜視図、図５（ｂ）は断面図。
【図６】本発明の積層型圧電振動子のインピーダンス特性を示す図。
【図７】一般的な超音波モータの原理を表す模式図。図７（ａ）は動作説明図、図７  （ｂ）は振動子の軌跡を示す図。
【図８】従来例の圧電振動子の斜視図。
【図９】従来例の圧電振動子のインピーダンス特性を示す図。図９(ａ)は長さ縦１次振動の場合を示す図、図９（ｂ）は屈曲２次振動の場合を示す図。
【図１０】従来例および本発明において駆動させた長さ縦１次振動の応力図（応力等高線）。
【図１１】従来例および本発明において駆動させた屈曲２次振動の応力図（応力等高線）。
【符号の説明】
【００２７】
１１    圧電振動子
１２    上面電極
１３    下面電極
１４    分極されていない領域
２１    積層型圧電振動子
２２    内部電極Ａ
２３    内部電極Ｂ
２４    外部電極Ａ
２５    外部電極Ｂ
２６    分極されていない領域
３１    振動子
３２    移動体（スライダ）
３３    固定摺動部材（ステータ）
３４    ガイド
ｐ    振動子の左端面の中心
Ａ〜Ｄ    軌跡
４１    圧電振動子
４２    励振用電極Ａ
４３    励振用電極Ｂ
４４    励振用電極Ｃ
４５    励振用電極Ｄ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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