(57)【要約】【課題】一つの圧電素子に二度の分極工程を遂行する必要がないので製作時間及び費用を節減することができる圧電振動子及びこれを備えた超音波モータを提供することができる。【解決手段】四角形の断面を有する弾性部材と、弾性部材の各面に附着されて電気信号が入力されると弾性部材を縦方向及び屈曲方向に振動させる圧電素子を含んで、圧電素子はすべて同じ大きさを有して弾性部材より長さが短い圧電振動子が提供される。また、上記圧電振動子において、弾性部材の対向する面に附着された一対の圧電素子は互いに同じ方向に分極されて、別の一対は互いに反対方向に分極される。また、上記圧電素子の一端部は弾性部材の一端部と整列してもよい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
四角形の断面を有する弾性部材と、
上記弾性部材の各面に附着されて電気信号が入力されると上記弾性部材を縦方向及び屈曲方向に振動させる圧電素子を含んでおり、
上記圧電素子は、すべて同じ大きさを有して、上記弾性部材よりは長さが短い圧電振動子。
【請求項２】
上記弾性部材の対向する面に附着された一対の圧電素子は互いに同じ方向に分極され、別の一対は互いに反対方向に分極された請求項１記載の圧電振動子。
【請求項３】
上記圧電素子の一端部は、上記弾性部材の一端部と整列された請求項１記載の圧電振動子。
【請求項４】
上記圧電素子の一隅は削られて、削られた隅が外部に向けるように配置された請求項１記載の圧電振動子。
【請求項５】
上記弾性部材の長さは上記圧電素子の長さの二倍である請求項１記載の圧電振動子。
【請求項６】
上記弾性部材の対向する面に附着された一対の圧電素子と別の一対の圧電素子に９０゜の位相差を有する電圧がそれぞれ印加される請求項１記載の圧電振動子。
【請求項７】
同一の直方体形状を有して相互反対方向に分極されて接合された一対の第１圧電素子と、
同一の直方体形状を有して上記第１圧電素子の一面にそれぞれ附着されて相互同一方向に分極された一対の第２圧電素子を含んでおり、
上記第１圧電素子は上記第２圧電素子に比べて長さが長くて、電気信号が入力されると上記第１圧電素子は縦方向に振動し、上記第２圧電素子は屈曲方向に振動する圧電振動子。
【請求項８】
上記それぞれの第２圧電素子の一端部は上記第１圧電素子の一端部と整列された請求項７記載の圧電振動子。
【請求項９】
上記それぞれの第２圧電素子は上記第１圧電素子の中央に附着される請求項７記載の圧電振動子。
【請求項１０】
上記第１圧電素子の長さは上記第２圧電素子の長さの二倍である請求項７記載の圧電振動子。
【請求項１１】
上記第１圧電素子と上記第２圧電素子に９０゜の位相差を有する電圧がそれぞれ印加される請求項７記載の圧電振動子。
【請求項１２】
一つの分極方向を有する多数層の圧電素子と、
上記圧電素子の両面に形成されてそれぞれ相互繋がれた伝導性電極と、
上記圧電素子の一面に形成された突出部を含んでおり、
隣接する上記それぞれの圧電素子はすべて反対方向に分極されるし、上記電極はすべて相互繋がれた圧電振動子。
【請求項１３】
上記伝導性電極には４位相（ｐｈａｓｅ）を有する電気信号が入力される請求項１２記載の圧電振動子。
【請求項１４】
上記圧電振動子が挿入されるケースと、
上記ケースに上下方向に移動可能に挿入されて上記圧電振動子と接して運動するスライダと、
上記圧電振動子を上記スライダ方向に加圧する第１加圧部材と、
上記スライダを上記圧電振動子方向に加圧する第２加圧部材を含む請求項１ないし１３の中のある一項記載の圧電振動子を用いる超音波モータ。
【請求項１５】
上記第１加圧部材は、円形断面を有して上記ケースに挿入された板バネによって上記スライダ方向に加圧される請求項１４記載の超音波モータ。
【請求項１６】
上記ケースは、
上記圧電振動子が挿入される振動子収容部と、
上記振動子収容部と通じかつ上記スライダが挿入されるスライダ挿入孔と、
上記第１加圧部材が挿入されて上記圧電振動子の一端部と接するように、上記ケースの一端部から所定の深みに形成された第１加圧部材挟み溝と、
上記第２加圧部材が挿入されて上記スライダと接するように上記スライダ挿入孔に対して垂直に形成された第２加圧部材挿入孔と、
上記板バネが挿入されて上記第１加圧部材と接するように第１加圧部材挟み溝に対して垂直方向に形成されたバネ挿入溝を含む請求項１５記載の超音波モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電振動子及び圧電振動子を備えた超音波モータに関し、より詳細には、単純な構成と簡素した体積を有しかつ振動性能を進めることができる圧電振動子及びこれを備えた超音波モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、コイルの巻線を要しないモータ、例えば、装置の小型化などに適するモータとして超音波モータが視線をひいている。超音波モータは電力の消耗が少なくて軽量であり線形運動をギアーなしで直接得ることができるし、速度と位置制御を電気的に制御できることだけではなく定方向または逆方向への動くことができるので広く使用されている。
【０００３】
図１は、従来の超音波モータに使用される圧電振動子１０を示す平面図である。
【０００４】
従来の圧電振動子１０は、圧電セラミックなどから成る長方形の圧電素子１３と、圧電素子１３の一面に形成された突出部１１を含む。突出部１１は被動体（不図示）を加圧していて、圧電素子１３の振動に応じて突出部１１が被動体を動かす。圧電素子１３には４個の分極領域（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｒｅｇｉｏｎ）１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄが形成されている。これらすべての分極領域１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄは厚さ方向に同じ分極方向を有する。４個の分極領域１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄは同じ大きさを有して二つの列を成して配列される。そして、４個の分極領域１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ上には電極（ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）がそれぞれ形成されている。
【０００５】
分極領域１３ａ及び分極領域１３ｄは、同じ分極方向を有する。そして分極領域１３ｂ及び分極領域１３ｃは、分極領域１３ａと反対方向の分極方向を有する。そして分極領域１３ａ及び分極領域１３ｄそして分極領域１３ｂ及び分極領域１３ｃはそれぞれリードワイヤ１８によって繋がれている。
【０００６】
分極領域１３ａ及び分極領域１３ｄに電流が流れると、圧電素子１３が縦方向（ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）に振動し、分極領域１３ｂ及び分極領域１３ｃに電流が流れると、屈曲方向（ｂｅｎｄｉｎｇ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）に振動する。このとき、分極領域１３ａ及び分極領域１３ｄが振動する場合、分極領域１３ｂ及び分極領域１３ｃは振動しない。また、分極領域１３ｂ及び分極領域１３ｃが振動する場合、分極領域１３ａ及び分極領域１３ｄは振動しない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のように、従来の圧電振動子１０は、一つの圧電素子１３に２個の分極方向を有するので、２度の分極工程が必要となる。これにより、圧電素子の製作時間及び費用の上昇する問題点がある。特に、一つの圧電素子１３に二度の分極を実施することになると、分極を先に実施した部分では消極（ｄｅｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）が発生して圧電素子１３の性能が低下される。
【０００８】
そして、従来の圧電振動子１０は、対角線方向にある一対の分極領域１３ａ、１８だけが励起（ｅｘｃｉｔｅｄ）されて別の一対の分極領域１３ｂ、１３ｃは励起されないが、これは、圧電振動子１０の振動性能の低下を誘発する。これにより、従来の圧電振動子１０は、振動性能を進めるためにより高い電圧を印加しなければならない問題点がある。また、従来の圧電振動子１０は振動性能の向上のために圧電素子１３を多数層に積層して使用したので、これは圧電素子の体積が増加する問題点を誘発する。
【０００９】
そして、分極とは、圧電素子１３に高い直流電圧を印加することにより圧電素子１３内部にある双極子（ｄｉｐｏｌｅ）を所望の方向に配列することを意味するが、分極過程で、積層された圧電素子１３間にある電極との境界面で応力（ｓｔｒｅｓｓ）が集中的に発生する。このような応力は、追後、圧電振動子１０の動作の際クラック（ｃｒａｃｋ）の発生要因になり圧電素子１３の特性低下を誘発する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の第一の形態においては、四角形の断面を有する弾性部材と、弾性部材の各面に附着されて電気信号が入力されると弾性部材を縦方向及び屈曲方向に振動させる圧電素子を含んで、圧電素子はすべて同じ大きさを有して弾性部材より長さが短い圧電振動子が提供される。
【００１１】
このような構成を有する圧電振動子は、単一な分極方向を有する圧電素子を使用するので、圧電振動子の製作時間及び費用を減らすことができる。そして、弾性部材の各面に附着された圧電素子がすべて同時に振動するから振動性能を向上することができるし、圧電振動子の体積を減少することができるようになる。また、圧電素子は、弾性部材を振動させるから、従来の圧電振動子に比べて剛性の優れた長所がある。
【００１２】
また、上記圧電振動子において、弾性部材の対向する面に附着された一対の圧電素子は互いに同じ方向に分極されて、別の一対は互いに反対方向に分極される。したがって、一対の圧電素子は縦方向に振動してこれと同時に別の一対の圧電素子は屈曲方向に振動することができるようになる。また、縦方向運動と屈曲方向運動の合成によって弾性部材の一端は楕円を描きながら運動することになる。
【００１３】
また、上記圧電素子の一端部は弾性部材の一端部と整列してもよい。これにより、弾性部材の一端に振動を集中させることができる。
【００１４】
また、上記圧電素子の一隅は削られていて、削られた隅が外部に向けるように配置してもよい。これにより、圧電素子相互間のショートを防止することができる。
【００１５】
また、上記圧電振動子において、弾性部材の長さは、圧電素子の長さの二倍に形成して、弾性部材の振動の大きさを最大にすることが好ましい。これにより、弾性部材の対向する面に附着された一対の圧電素子と別の一対の圧電素子には９０゜の位相差を有する電圧がそれぞれ印加されるので一対は屈曲方向に、別の一対は縦方向に振動することができる。
【００１６】
本発明の第二の形態においては、同一な直方体形状を有して相互反対方向に分極されて接合された一対の第１圧電素子と、同一な直方体形状を有して第１圧電素子の一面にそれぞれ附着され相互同じ方向に分極された一対の第２圧電素子を含むが、第１圧電素子は第２圧電素子に比べて長さが長くて、電気信号が入力されると第１圧電素子は縦方向に振動し、上記第２圧電素子は屈曲方向に振動する圧電振動子が提供される。
【００１７】
このような圧電振動子によれば、単一な分極方向を有する圧電素子を使用するので、圧電振動子の製作時間及び費用を減らすことができる。そして、弾性部材の各面に附着された圧電素子がすべて同時に振動するから振動性能を向上することができるし、圧電振動子の体積を減少することができる効果をはかれる。また、圧電素子を使用するので圧電振動子の製作が容易である。
【００１８】
また、上記圧電振動子において、それぞれの第２圧電素子の一端部を第１圧電素子の一端部と整列することで第２圧電素子の一端部での変位を最大にすることができ、それぞれの第２圧電素子を第１圧電素子の中央に附着することにより第２圧電素子の両端が振動することもできる。
【００１９】
また、上記圧電振動子において、第１圧電素子の長さは、第２圧電素子の長さの二倍にして第１圧電素子の振動量を最大にすることが好ましい。そして、第１圧電素子と第２圧電素子には９０゜の位相差を有する電気信号が入力されるので、第１圧電素子及び第２圧電素子は同時に縦方向及び屈曲方向に振動することができる。
【００２０】
本発明の第３の形態においては、一つの分極方向を有する多数層の圧電素子と、圧電素子の両面に形成されてそれぞれ相互繋がれた伝導性電極と、圧電素子の一面に形成された突出部を含んで、隣接するそれぞれの圧電素子はすべて反対方向に分極されて、上記電極はすべて相互電気的に繋がれた圧電振動子が提供される。
【００２１】
このような圧電振動子によれば、単一な分極方向を有する圧電素子を使用するので、圧電振動子の製作時間及び費用を減らすことができる。そして、弾性部材の各面に附着された圧電素子がすべて同時に振動するから振動性能を向上することができるし、圧電振動子の体積を減少することができる。
【００２２】
また、上記圧電振動子において、伝導性電極に４位相（ｐｈａｓｅ）を有する電気信号を印加することにより、電気信号の大きさをより大きくすることができる。
【００２３】
本発明の第４の形態においては、上記圧電振動子を備えて、圧電振動子が挿入されるケースと、ケースの上下方向に移動可能に挿入されて圧電振動子と接して運動するスライダと、圧電振動子をスライダ方向に加圧する第１加圧部材と、スライダを圧電振動子方向に加圧する第２加圧部材を含む超音波モータが提供される。
【００２４】
このような超音波モータによれば、体積が小さくて低い電力でも振動量を大きくすることができる。また、第１加圧部材及び第２加圧部材に応じて圧電振動子とスライダが堅固に密着しているので圧電振動子の振動がスライダに效率的に伝達される。
【００２５】
また、上記超音波モータにおいて、第１加圧部材は、円形の断面を有しながら上記ケースに挿入された板バネによってスライダ方向に加圧されるので、圧電振動子とスライダをより堅固に密着させることができる。
【００２６】
また、上記ケースは、圧電振動子が挿入される振動子収容部と、振動子収容部と通じかつスライダが挿入されるスライダ挿入孔と、第１加圧部材が挿入されて圧電振動子の一端部と接するようにケースの一端部から所定の深みに形成された第１加圧部材の挟み溝と、第２加圧部材が挿入されてスライダと接するように上記スライダ挿入孔に対して垂直に形成された第２加圧部材挿入孔と、板バネが挿入されて第１加圧部材と接するように第１加圧部材挟み溝に対して垂直方向に形成されたバネ挿入溝を含んでもよい。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、一つの圧電素子に二度の分極工程を遂行する必要がないので製作時間及び費用を節減することができる圧電振動子及びこれを備えた超音波モータを提供することができる。また、本発明によれば、圧電素子の消極に応ずる性能低下をとり除くことで、性能がより優れた圧電振動子及びこれを備えた超音波モータを提供することができる。また、本発明によれば、体積を小さくできるだけでなく、振動性能を高めることができる圧電振動子及びこれを用いた超音波モータを提供することができる。本発明の超音波モータは、第１加圧部材および第２加圧部材によって圧電振動子とスライダが加圧されて接することになるので、圧電振動子の振動がスライダに効率的に伝達されることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下では、添付された図面を参照して本発明の実施例をより具体的に説明する。
【００２９】
図２は、本発明の第１実施例による圧電振動子を示す斜視図である。本発明の第１実施例による圧電振動子３０は、一定した長さを有する四角形断面の弾性部材３１と、上記弾性部材３１の各面に附着された同じ大きさの４個の圧電素子３３から成る。
【００３０】
上記弾性部材３１は、上記圧電素子３３に電気信号が入力されて振動が発生すると、その振動に応じて縦方向（ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）または屈曲方向（ｂｅｎｄｉｎｇ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）に振動することになって、結果的に弾性部材３１の端は楕円を描きながら振動する。これにより上記弾性部材３１の一端と接している被振動体（不図示）が上記弾性部材３１との摩擦力に応じて振動することになる。
【００３１】
上記弾性部材３１としては、弾性力を有するものであればなんでも使用できる。例えば、黄銅（ｂｒａｓｓ）またはステンレススチール（ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ）などがある。上記弾性部材３１の長さは、上記圧電素子の長さの２倍に形成して弾性部材３１から発生する振動の大きさを最大にすることが好ましい。また、図２に示したように、上記圧電素子３３を上記弾性部材３１の一端に整列することで弾性部材３１の他の端から発生する振動の大きさを最大にすることができる。
【００３２】
本発明の第１実施例では上記弾性部材３１断面を４角形にしたが、本発明はこれに限定されないし、圧電素子３３の振動を用いて縦方向または屈曲方向に振動することができればどんな形状の断面を有する弾性部材３１でも使用できる。例えば、８角形の断面を有する弾性部材の各面に隣り合う圧電素子の分極方向をすべて反対に配置することもできる。
【００３３】
上記圧電素子３３は、すべて同じ大きさを有して上記弾性部材３１の各面にエポキシ樹脂などによって附着される。上記圧電素子３３の長さは、上記弾性部材３１の長さの半分に該当する。そして、上記圧電素子３３は、上記弾性部材３１の各面に附着される場合、図２に示すように、４個の圧電素子３３の結合の断面が四角形を成す。上記圧電素子３３の厚さは上記圧電素子３３の大きさ及び形状に応じて決まる。
【００３４】
上記圧電素子３３は、圧電効果を有する材料（圧電材料）から形成される。その適する例としては、ＰＺＴ系セラミック、ＰｂＴｉＯ３系セラミックなどの圧電効果を有するセラミックをあげることができる。ＰＺＴ系セラミックに適する例としては、ＰＺＴ及びＰｂ（Ｎｉ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−Ｐｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３−ＰｂＺｒＯ３系セラミックをあげることができる。上記圧電素子３３は固有の振動を有するが、圧電素子３３に入力される電気信号の周波数と圧電素子固有の周波数が一致すると、強い振動が発生することになる。
【００３５】
上記圧電素子３３の一面には伝導性電極（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ、不図示）が附着されている。そして、上記電極に電気的信号が入力される。上記圧電素子３３の一面には機械加工などによって切削されたポリッシング部３５が形成されている。これにより、相互接しているそれぞれの圧電素子３３の電極間のショートを防止することができる。
【００３６】
図３は、本発明の第１実施例による圧電振動子３０での圧電素子３３の分極方向を示す概略図である。図３に示すように、上記弾性部材３１の対向する面に附着された対を成す圧電素子３３は同一の方向に分極（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）されて、電気信号の入力によって屈曲方向に振動する。そして、上記弾性部材３１の対向する面に附着された別の一対の圧電素子３３は互いに反対方向に分極され電気信号の入力によって縦方向に振動する。上記それぞれの圧電素子３３の対には９０゜の位相差を有する電気信号が入力される。例えば、互いに同じ方向に分極された圧電素子３３の対にはｓｉｎωｔ（ここでωは角周波数）の周波数を有する電圧が印加され、互いに反対の分極方向を有する圧電素子３３の対にはｃｏｓωｔ（ここでωは角周波数）の周波数を有する電圧が印加されることができる。
【００３７】
図３から分かるように、上記圧電素子３３は従来の圧電素子１３とは異に一つの分極方向を有するので圧電素子３３の製作が便利で製造費用のチープな長所がある。また、以下で説明するが、圧電振動子３０が振動するときに全ての圧電素子３３が励起されるので振動の大きさをより大きくすることができる。
【００３８】
図４は、本発明の第１実施例による圧電振動子３０に印加される周波数の変化に応ずる圧電素子３３のアドミタンスを示すグラフである。ここで、上記弾性部材３１は長さ８．０ｍｍで、１辺の長さが０．７ｍｍである正四角形断面の黄銅を使用した。そして、圧電素子３３は４．０ｍｍの長さと１．０ｍｍの幅及び０．３ｍｍの厚さを有する。図４で、横軸は上記圧電素子３３に印加される周波数の大きさを示し、縦軸はアドミタンス（ａｄｍｉｔｔａｎｃｅ）であって、単位はＳ＝Ａ／Ｖ[ｓｉｅｍｅｎｓ]である。そして、図４で、青色線は、互いに反対方向に分極された一対の圧電素子３３をインピーダンス分析機（ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ａｎａｌｙｚｅｒ）によって測定したアドミタンスを示し、赤色線は互いに同じ方向に分極された別の一対の圧電素子３３のアドミタンスを示す。そして、黒色線は、赤色線と青色線のアドミタンスの合を示す。すなわち、青色線は上記弾性部材３１の屈曲方向の振動に係わり、赤色線は弾性部材３１の縦方向の振動と係わって、黒色線は弾性部材３１の屈曲方向振動及び縦方向振動の合成に係わる。
【００３９】
上記圧電素子３３のアドミタンスが大きいほど、すなわち圧電素子３３のインピーダンスが小さいほど、上記圧電素子３３の振動が大きくなる。図４から分かるように、上記圧電素子３３は一定した周波数に対してアドミタンスが急激に増加するが、この周波数が上記圧電素子３３の振動が急激に増加する共振周波数（ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）である。
【００４０】
表１は、図４のアドミタンスが急激に増加する共振周波数（Ｆｒ）、反共振周波数（Ｆａ）、電気−機械的カップリング（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｏｕｐｌｉｎｇ）及び振動方向をＡＴＩＬＡ（商標）プログラムを用いて示した。
【表１】
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【００４１】
図４及び表１から分かるように、本発明の第１実施例による圧電振動子３０は共振周波数Ｆｒ＝３６３０７．５（Ｈｚ）、１１９６４２（Ｈｚ）および１９９３３５（Ｈｚ）で屈曲方向に急激に振動することが分かり、Ｆｒ＝１９８７０６（Ｈｚ）で縦方向に急激に伸びることが分かる。ここで、第３屈曲（ｔｈｉｒｄ ｂｅｎｄｉｎｇ）と第１伸長（ｆｉｒｓｔ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ）の周波数範囲がよほど近似しているので、この周波数に該当する電気信号を圧電素子３３に印加することで振動を発生させる。
【００４２】
この際、第３屈曲と第１伸長の周波数範囲が非常に近似しているので上記圧電素子３３は屈曲方向及び縦方向に同時に振動する。そして、第３屈曲と第１伸長での電気−機械的カップリングが最も大きいから同じ大きさの電気信号の入力に対して機械的振動が最大に発生することが分かる。電気−機械的カップリングは、電気的エネルギーと機械的エネルギーの相互変換率を示し、一定した大きさの電気的入力がある場合機械的出力（例えば、変位）が大きく発生すれば電気−機械的カップリングが大きいといえる。
【００４３】
図５は、本発明の第１実施例による圧電振動子３０の縦方向の振動をＡＴＩＬＡ（商標）を用いて示した図面であり、図６ａないし図６ｂは圧電振動子３０の屈曲方向の振動を示したグラフである。
【００４４】
圧電振動子３０に電気信号が入力されると、図５に示したように、弾性部材３１は伸長または収縮を繰り返しながら縦方向に振動する（Ｌ１伸長）。ここで、ＡＴＩＬＡ（商標）を用いて周波数を求めるとＦｒ＝１９８７０６（Ｈｚ）になる。そして、Ｆｒ＝１９９３３５（Ｈｚ）の周波数が入力されると、弾性部材３１は図６ａ及び図６ｂに示されているように３個の屈曲を有するＢ３屈曲運動をすることになる。Ｌ１伸長とＢ３屈曲の合成により、弾性部材３１の一端部は楕円を描きながら振動するようになるのである。
【００４５】
本発明の第１実施例による圧電振動子３０は、従来の圧電素子とは異に、電気信号の入力の際、すべての圧電素子３３が振動するので振動が大きくできるだけでなく、これにより圧電振動子の体積を小さくできるようになる。
【００４６】
図７は、本発明の第２実施例による圧電振動子４０を示す斜視図である。図７に示すように、本発明の第２実施例による圧電振動子４０は、互いに同じ大きさを有する一対の圧電素子４１ａ、４１ｂから成る第１圧電素子４１と、第１圧電素子４１に比べて短くかつ同じ長さを有する一対の圧電素子４３ａ、４３ｂから成る第２圧電素子４３を含む。
【００４７】
第１圧電素子４１は一対の圧電素子４１ａ、４１ｂが積層されて形成される。第１圧電素子４１は、上記第１実施例の圧電素子３３と同一な圧電セラミックなどで形成される。第１圧電素子４１の間には導電性電極（不図示）が形成されており、外部から入力される電気信号を第１圧電素子４１に印加する。そして、第１圧電素子４１の接合面は接地（グラウンド）される。第１圧電素子４１の一端は被振動体（不図示）と接しているし縦方向及び屈曲方向の振動によって被振動体に駆動力を伝達する。
【００４８】
第２圧電素子４３は、一対の圧電素子４３ａ、４３ｂが圧電素子４１ａ、４１ｂの一面にエポキシ樹脂などによって附着され形成される。本発明の第２実施例による圧電振動子４０の第２圧電素子４３の一端は、第１圧電素子４１の一端と整列される。したがって、第１圧電素子４１は、上記第１実施例の弾性部材３１とともに一端部だけ振動しながら被振動体に振動力を伝達する。
【００４９】
第２圧電素子４３は、第１圧電素子４１と同じ厚さ及び幅を有する圧電セラミックから形成される。また、第２圧電素子４３は、第１圧電素子４１の１／２に該当する長さを有することが好ましく、この場合、振動の大きさを最大にすることができる。第２圧電素子４３の上面及び下面には、導電性電極（不図示）が形成されているので、外部から入って来る電気信号が第２圧電素子４３に伝達される。
【００５０】
図８は、本発明の第２実施例による圧電振動子４０での第１圧電素子４１および第２圧電素子４３の分極方向を示す図面である。図８に示すように、第１圧電素子４１は互いに反対方向に分極され、また、第２圧電素子４３は互いに同じ方向に分極される。第１圧電素子４１及び第２圧電素子４３に９０゜の位相差を有する電気信号が入力されると、第１圧電素子４１は縦方向に振動し、これと同時に第２圧電素子４３は屈曲方向に振動する。したがって、縦方向の振動と屈曲方向の振動の合成によって第１圧電素子４１の一端部は楕円を描きながら振動する。
【００５１】
図９ａ及び図９ｂは本発明の第２実施例による圧電振動子４０の振動する形状をＡＴＩＬＡ（商標）を用いて示したグラフである。図９ａないし図９ｂに示すように、本発明の第２実施例による圧電振動子４０は、上記第１実施例のように、Ｌ１伸長及びＬ３屈曲運動をすることが分かる。
【００５２】
本発明の第２実施例による圧電振動子４０において、圧電素子４３ａ、４３ｂ、４１ａ、４１ｂの各々は、１つの分極方向を有するので、圧電素子を容易に製造することができる。そして、第１圧電素子４１および第２圧電素子４３が同時に振動するので、単純な構造を有しながら圧電振動子の振動性能を進めることだけではなく、圧電振動子４０の体積を減らすことができる。また、本発明の第２実施例による圧電振動子４０は圧電素子だけによって振動が発生するので効率が高く、製造が容易である。
【００５３】
図１０は、本発明の第３実施例による圧電振動子４０'を示す斜視図である。図１０に示すように、本発明の第３実施例による圧電振動子４０'は、互いに同じ大きさを有する一対の圧電素子４１ａ'、４１ｂ'から成る第１圧電素子４１'と、第１圧電素子４１'に比べて短くかつ同じ長さを有する一対の圧電素子４３ａ'、４３ｂ'から成る第２圧電素子４３'を含む。
【００５４】
第１圧電素子４１'及び第２圧電素子４３'の構成は、上記第２実施例における圧電振動子４０の第１圧電素子４１および第２圧電素子４３と同じである。しかしながら、第３実施例においては、第２圧電素子４３'は、第１圧電素子４１'の中央に配置されており、第２実施例と異なる。
【００５５】
第２圧電素子４３'の長さ方向の中心は、第１圧電素子４１'の長さ方向の中心と一致する。したがって、第１圧電素子４１'及び第２圧電素子４３'に電気信号が入力されると、第１圧電素子４１'の両端が楕円を描きながら振動する。
【００５６】
図１１は、本発明の第３実施例による圧電振動子４０'での第１圧電素子４１'および第２圧電素子４３'の分極方向を示す図面である。図１１によれば、第１圧電素子４１'は互いに反対方向に分極されるし、第２圧電素子４３'も互いに反対方向に分極される。
【００５７】
図１２ａ及び図１２ｂは、本発明の第３実施例による圧電振動子４０'が振動する形状をＡＴＩＬＡ（商標）を用いて示した図面である。図１２ａ及び図１２ｂに示すように、本発明の第３実施例による圧電振動子４０'は、上述した第１実施例及び第２実施例の圧電振動子と同じくＬ１縦振動及びＢ３屈曲振動をする。そして、第１圧電素子４１'の両端が同時に楕円を描きながら振動する。
【００５８】
本発明の第３実施例による圧電振動子４０'において、圧電素子４３ａ'、４３ｂ'、４１ａ'、４１ｂ'の各々は、１つの分極方向を有するので、圧電素子を容易に製造することができる。また、第１圧電素子４１'および第２圧電素子４３'が同時に振動するので、構造が簡単で、圧電振動子の振動性能を進めることだけではなく、圧電振動子４０'の体積を減らすことができる。また、本発明の第３実施例による圧電振動子４０'は圧電素子だけによって振動が発生するので効率が高く製造が容易である。
【００５９】
図１３は、本発明の第４実施例による圧電振動子５０を示す斜視図である。本発明の第４実施例による圧電振動子５０は、多数層に積層された同一な圧電素子５１と、圧電素子５１の間に形成された導電性の電極５３と、圧電素子５１の一面から突出された突出部５５を含む。
【００６０】
圧電素子５１は同じ大きさを有して多数層に積層される。圧電素子５１は上述した第１実施例ないし第３実施例の圧電素子３３および第１圧電素子４１、４１'と同様に圧電セラミックから形成される。圧電素子５１の両面には電気信号を圧電素子５１に印加する電極（ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）が形成されている。図１３では圧電素子５１を７階に構成したが、本発明はこれに限られないし、圧電素子５１の大きさ及び所望する振動量などに応じて６階以下または８階以上にも積層することができる。
【００６１】
突出部５５は圧電素子５１の一面から所定の長さを有して外部に突出されている。突出部５５は圧電素子５１の縦方向及び屈曲方向の振動に応じて楕円を描きながら振動する。突出部５５は、被振動体（不図示）と接しているので被振動体は突出部５５によって振動することになる。
【００６２】
突出部５５は、被振動体との摩擦力を用いて運動力を伝達するので、突出部５５には耐摩耗部材を形成することができる。耐摩耗部材としては、ソーダ、鉛、ホウ酸塩（例えばＰｙｒｅｘＴＭ）、クラウン、火打石、中火打石、石英ガラスなどの硝子類、アルミナ、酸化ジルコニウム、炭化珪素、窒酸珪素、炭化タングステン、炭化チタンなどのセラミック類を含む各種材料をあげることができる。
【００６３】
図１４は、本発明の第４実施例による圧電振動子５０の電極５３の一実施例を示す斜視図である。図１４によれば、電極５３は、圧電素子５１の最上面に形成される上部電極５３ａ、最下面に形成される下部電極５３ｂ及び圧電素子５１の両面に順次に積層される第１内部電極５３ｃ１ないし第６内部電極５３ｃ６を含む。
【００６４】
図１４に示すように、上部電極５３ａ及び第２内部電極５３ｃ２が同じパターンを有するし、第１内部電極５３ｃ１及び第３内部電極５３ｃ３がまた同じパターンを有する。そして、第４内部電極５３ｃ４及び第６内部電極５３ｃ６も同じパターンを有して、第５内部電極５３ｃ５及び下部電極５３ｂがまた同じパターンを有する。そして、第１内部電極５３ｃ１及び第３内部電極５３ｃ３は第４内部電極５３ｃ４及び第６内部電極５３ｃ６と電極の長さの方向及び幅の方向に対して互いに対称されるパターンを有する。そして、上部電極５３ａ及び第２内部電極５３ｃ２は下部電極５３ｂ及び第５内部電極５３ｃ５と電極の長さ及び幅の方向に対して相互対称される。上部電極５３ａ、下部電極５３ｂ及び第１内部電極５３ｃ１ないし第６内部電極５３ｃ６は、圧電素子５１を極化し、電気信号を供給するのに使用される。本発明の第４実施例による電極５３は図１４に限られず、当業者が必要に応じて多様に変更できることは勿論である。
【００６５】
上部電極５３ａにはｓｉｎ及び−ｓｉｎが入力される。そして、下部電極５３ｂにはｃｏｓ及び−ｃｏｓが入力される。したがって、本発明の第４実施例による圧電振動子５０には４個の相（ｐｈａｓｅ）を有する電気信号が入力される。上部電極５３ａ及び下部電極５３ｂにはｓｉｎ及び−ｓｉｎそして、ｃｏｓ及び−ｃｏｓが入力されるので、相対的に２ｓｉｎ（または２ｃｏｓ）の大きさを有する電気信号が入力される効果になる。
【００６６】
図１５は、本発明の第４実施例による圧電振動子５０での圧電素子５１の分極方向を示す図面である。図１５に示すように、接するすべての圧電素子５１は互いに反対方向に分極される。そして、それぞれの圧電素子５１はすべて一つの分極方向を有する。
【００６７】
図１６ａ及び図１６ｂは、本発明の第４実施例による圧電振動子５０が振動する形状をＡＴＩＬＡ（商標）を用いて示した図面である。図１６ａ及び図１６ｂに示すように、本発明の第４実施例による圧電振動子５０は２６５ｋＨｚにて縦方向に振動し、２６７ｋＨｚにてＢ２モードで屈曲方向に振動する。したがって、周波数帯域が相互同じであって圧電振動子５０は同時に振動することになる。
【００６８】
本発明の第４実施例による圧電振動子５０の圧電素子５１はすべて同じ分極方向を有するので圧電素子の製造し易いことが分かる。そして、上記圧電素子５１のすべてが同時に振動するので構造が簡単であり、圧電振動子の振動性能を進めることだけではなく、圧電振動子５０の体積を減らすことができる。
【００６９】
以下では、図１７ないし図１９を参照して本発明の第５実施例による超音波モータ７０を説明する事にする。
【００７０】
図１７は、本発明の第５実施例による超音波モータ７０の分解斜視図であり、図１８は、図１７に示されている超音波モータ７０の結合された状態を示す斜視図である。そして、図１９は、図１７及び図１８に示した超音波モータの結合断面図である。
【００７１】
図１７によれば、本発明の超音波モータ７０は、ケース７１とケース７１に挿入される圧電振動子８０と、圧電振動子８０の後段部を加圧する第１加圧部材７３、スライダ７９ａ、７９ｂを加圧する第２加圧部材７５及び第１加圧部材７３を加圧する板バネ７７を含む。
【００７２】
ケース７１は、圧電振動子８０、第１加圧部材７３、第２加圧部材７５、板バネ７７及びスライダ７９ａ、７９ｂを収容する。ケース７１は、圧電振動子８０が挿入される振動子収容部７１５、スライダ７９ａ、７９ｂを収容するスライダ挿入孔７１３、第１加圧部材７３が挿入される第１加圧部材挟み溝７１７、第２加圧部材７５が挿入される第２加圧部材挿入孔７１１及び板バネ７７が挿入されるバネ挿入溝７１９を含む。
【００７３】
振動子収容部７１５は、ケース７１の中央に形成されていて、圧電振動子８０の両端部はケース７１により外部と遮断されるが、その以外の部分は外部に露出される。圧電振動子８０は振動子収容部７１５に挿入及び固定される。振動子収容部７１５はスライダ挿入孔７１３と通じる。
【００７４】
スライダ挿入孔７１３にはスライダ７９ａ、７９ｂの一部が挿入される。スライダ挿入孔７１３の直径はスライダ７９ａ、７９ｂの直径より多少大きいので、スライダ７９ａ、７９ｂの自由な昇下降が可能になる。スライダ挿入孔７１３は振動子収容部７１５と通じかつ第２加圧部材挿入孔７１１に対して垂直に形成される。
【００７５】
第２加圧部材挿入孔７１１には第２加圧部材７５ａ、７５ｂの両端部が挿入される。そして、第１加圧部材挟み溝７１７は、ケース７１の一端部に形成された長方向の溝であって一端部が開放されたスロット形態を有する。第１加圧部材挟み溝７１７には第１加圧部材７３が挿着されて振動子収容部７１５に挿入された圧電振動子８０の後面を加圧する。バネ挿入溝７１９はケース７１の上下方向に形成された溝であって、バネ挿入溝７１９に挿入された板バネ７７が第１加圧部材７３を加圧する。
【００７６】
圧電振動子８０には、上記第１実施例ないし第４実施例による圧電振動子３０、４０、４０'、５０を用いることができる。圧電振動子８０の一端部には突出部８１が形成されていて、突出部８１がスライダ７９ａ、７９ｂを摩擦力を用いて上下方向に駆動させる。圧電振動子８０の構成は、上記第１実施例ないし第４実施例と同じであるので具体的は説明は略する事にする。
【００７７】
スライダ７９ａ、７９ｂは、スライダ挿入孔７１３に挿入されて圧電振動子８０の突出部８１と接するスライダ７９ａと、スライダ７９ａが回転しないように案内するスライダ７９ｂを含む。スライダ７９ａは、図１９に示したように圧電振動子８０の突出部８１と接しているので突出部８１の振動によって上下方向に駆動する。
【００７８】
第１加圧部材７３は円形の断面を有する棒である。第１加圧部材７３は、図１９に示すように、圧電振動子８０と線接触する。したがって、第１加圧部材７３は圧電振動子８０を正確に垂直に加圧することができる。第１加圧部材７３は板バネ７７により第１加圧部材挟み溝７１７から離脱が防止される。
【００７９】
第２加圧部材７５は円形の断面を有する棒であって、第２加圧部材挿入孔７１１に挿入されて、図１９に示すように、スライダ７９ａを圧電振動子８０方向に加圧する。第２加圧部材７５を３個以上形成することもできる。板バネ７７は弾性力によって第１加圧部材７３をスライダ７９ａ、７９ｂの方向に加圧する。したがって、圧電振動子８０の突出部８１とスライダ７９ａは常に接する。
【００８０】
本発明の技術思想が上述した実施例によって具体的に記述されたが、上述した実施例はその説明のためのことであってその制限のためではないし、本発明の技術分野の通常の専門家であれば本発明の技術思想の範囲内で多様な実施例が可能であることが理解できるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】従来の圧電振動子を示す平面図。
【図２】本発明の第１実施例による圧電振動子を示す斜視図。
【図３】本発明の第１実施例による圧電振動子での圧電素子の分極方向を示す概略図。
【図４】本発明の第１実施例の別の圧電振動子において、周波数の変化に応ずる圧電素子のアドミタンスを示すグラフ。
【図５】ＡＴＩＬＡ（商標）プログラムを用いて本発明の第１実施例による圧電振動子の縦方向振動を示す図面。
【図６ａ】ＡＴＩＬＡ（商標）プログラムを用いて本発明の第１実施例による圧電振動子のｘ軸方向への屈曲方向振動を示す図面。
【図６ｂ】ＡＴＩＬＡ（商標）プログラムを用いて本発明の第１実施例による圧電振動子のｙ軸方向への屈曲方向振動を示す図面。
【図７】本発明の第２実施例による圧電振動子を示す斜視図。
【図８】本発明の第２実施例による圧電振動子での圧電素子の分極方向を示す概略図。
【図９ａ】ＡＴＩＬＡ（商標）プログラムを用いて本発明の第２実施例による圧電振動子の縦方向振動を示す図面。
【図９ｂ】ＡＴＩＬＡ（商標）プログラムを用いて本発明の第２実施例による圧電振動子の屈曲方向振動を示す図面。
【図１０】本発明の第３実施例による圧電振動子を示す斜視図。
【図１１】本発明の第３実施例による圧電振動子での圧電素子の分極方向を示す概略図。
【図１２ａ】ＡＴＩＬＡ（商標）プログラムを用いて本発明の第３実施例による圧電振動子の縦方向振動を示す図面。
【図１２ｂ】ＡＴＩＬＡ（商標）プログラムを用いて本発明の第３実施例による圧電振動子の屈曲方向振動を示す図面。
【図１３】本発明の第４実施例による圧電振動子を示す斜視図。
【図１４】本発明の第４実施例による圧電振動子の導電性電極の一実施例を示す斜視図。
【図１５】本発明の第４実施例による圧電振動子でのそれぞれの圧電素子の分極方向を示す概略図。
【図１６ａ】ＡＴＩＬＡ（商標）プログラムを用いて本発明の第４実施例による圧電振動子の縦方向振動を示す図面。
【図１６ｂ】ＡＴＩＬＡ（商標）プログラムを用いて本発明の第４実施例による圧電振動子の屈曲方向振動を示す図面。
【図１７】本発明の第５実施例による超音波モータの分解斜視図。
【図１８】本発明の第５実施例による超音波モータの結合斜視図。
【図１９】本発明の第５実施例による超音波モータの断面図。
【符号の説明】
【００８２】
１０  圧電振動子
１１  突出部
１３  圧電素子
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ  分極領域
１８  リードワイヤ
３０  圧電振動子
３１  弾性部材
３３  圧電素子
３５  ポリッシング部
４０  圧電振動子
４０'  圧電振動子
４１  第１圧電素子
４１ａ、４１ｂ  圧電素子
４３  第２圧電素子
４３ａ、４３ｂ  圧電素子
４１'  第１圧電素子
４１ａ'、 ４１ｂ'  圧電素子
４３'  第２圧電素子
４３ａ'、 ４３ｂ'  圧電素子
５０  圧電振動子
５１  圧電素子
５３  電極
５３ａ  上部電極
５３ｂ  下部電極
５３ｃ１  第１内部電極
５３ｃ２  第２内部電極
５３ｃ３  第３内部電極
５３ｃ４  第４内部電極
５３ｃ５  第５内部電極
５３ｃ６  第６内部電極
５５  突出部
７０  超音波モータ
７１  ケース
７３  第１加圧部材
７５  第２加圧部材
７７  板バネ
７９ａ  スライダ
７９ｂ  スライダ
７１１  第２加圧部材挿入孔
７１３  スライダ挿入孔
７１５  振動子収容部
７１７  第１加圧部材挟み溝
７１９  バネ挿入溝
８０  圧電振動子
８１  突出部
【図１】
2006333695.tif 000004
【図２】
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【図３】
2006333695.tif 000006
【図４】
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【図７】
2006333695.tif 000008
【図８】
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【図１０】
2006333695.tif 000010
【図１１】
2006333695.tif 000011
【図１３】
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【図１４】
2006333695.tif 000013
【図１５】
2006333695.tif 000014
【図１７】
2006333695.tif 000015
【図１８】
2006333695.tif 000016
【図１９】
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【図５】
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【図６ａ】
2006333695.tif 000019
【図６ｂ】
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【図９ａ】
2006333695.tif 000021
【図９ｂ】
2006333695.tif 000022
【図１２ａ】
2006333695.tif 000023
【図１２ｂ】
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【図１６ａ】
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【図１６ｂ】
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