(57)【要約】【課題】駆動素子の小型化、低コスト化が実現でき、しかも十分な駆動力が得られる圧電振動子を提供する。【解決手段】圧電セラミックス若しくは圧電単結晶が用いられ所定の長さ及び幅の比で形成された単一の矩形柱状体１の対向する側面に電極２が設けられ、該電極２へ交流電圧を印加して長さ方向及び剪断方向に各々生ずる振動を合成し、矩形柱状体１の長さ方向端面及び側面に結合運動を発生させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電セラミックス若しくは圧電単結晶を用いて所定の長さ及び幅の比で形成された単一の矩形柱状体の対向する側面に電極が設けられ、該電極へ交流電圧を印加して矩形柱状体の長さ方向端面及び剪断方向側面に合成振動を発生させることを特徴とする圧電振動子。
【請求項２】
単一の電源により電極へ交流電圧を印加して矩形柱状体の長さ方向の一次縦振動及び剪断方向側面に生じた二次撓み振動を同時に励振させ、両者の振動を合成して楕円振動を発生させ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】
矩形柱状体の対向する側面に設けられた電極のうち少なくとも一方側は柱状体露出部を含み長手方向の中心軸に対して非対称となる単一の電極に形成されていることを特徴とする請求項1記載の圧電振動子。
【請求項４】
矩形柱状体の対向する側面に設けられた電極のうち少なくとも一方側は長手方向に連続する主電極部と複数の切替え電極部とに分割され、主電極部と同時に通電する切替え電極部が長手方向の中心軸に対して非対称位置にある切替え電極部を選択して通電されることを特徴とする請求項1記載の圧電振動子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電セラミックスもしくは圧電単結晶を用いた圧電振動子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、モータコイルの電磁力を用いた巻き線型の電磁駆動モータが動力源として産業の広い分野で採用されている。しかしながら、近年より小型で制御性に優れる圧電モータが開発され、使用されるようになった。現在、さらに一層の小型化で制御性に優れた超音波モータの開発が待望されているが、これまでの超音波モータは構成が複雑で通常は位相の異なる二つの電源を要するなどの課題がある。
【０００３】
超音波モータの駆動素子としては、たとえば図７に示すようなランジュバン振動子がある。圧電セラミック板５１に挟み込まれる電極はＡ、Ｂ二つの部分に分割され、また中央部にはボルトを通す孔が設けられている。圧電セラミック板５１はステンレス等の金属ブロック５２間に挟み込まれて積層されている。圧電セラミック板５１及び各金属ブロック５２の中央部には貫通孔５５が穿孔されている。金属ブロック５２に挟み込まれて積層された圧電セラミック板５１は、貫通孔５５にボルト５３を挿通してボルト先端側にナット５４を嵌め込むことで一体に締結されている。このようにして形成されたランジュバン振動子は一辺の長さｄ＝２２ｍｍの正方形断面を持ち、全長Ｌ＝６２．８５ｍｍであり、曲げモーメントが最大となるｙ＝０．２９Ｌおよび０．７１Ｌの位置に分極方向が互いに向かい合うように圧電セラミック板５１を重ねて二枚ずつ挿入してある。
【０００４】
上記ランジュバン振動子は長さ方向の一次縦振動と剪断方向の二次撓み振動が一致するように設計されていて、上記寸法ではｆ＝３０．０１ｋＨｚで共振する。この振動子で異なる電源よりＡ及びＢの電極に９０°位相が異なる駆動信号（交流電圧）を印加すると、振動子の側面および端面には合成された楕円振動が生ずる。例えばこの振動子の端面を平板の上に立てておくと矢印Ｐの方向へ滑り出す。上記各電源の位相においてその進み遅れの関係を入れ替えると矢印Ｑ方向へ滑らせることができる。また、側面Ｒでも同様な運動が生じているから、回転子を接触させれば回転を始める。
【非特許文献１】深海龍夫、下江一伸：“縦・たわみ縮退モード振動子を用いた超音波スライダ”、電子情報通信学会論文誌,Vol.J73-C-1、No.10、676-678.(1990)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ランジュバン振動子は圧電セラミック板５１を金属ブロック５２で締結したものであるから、圧電体と金属体との複合体であり、一定形状のまま小型化しようとすれば圧電体の電極構造などが微細となって電極相互の十分な絶縁性を確保することが困難となる。また、振動子全体の中で振動エネルギーの源となる圧電体の体積が小さくなり、十分強い振動を駆動することが困難となる。
【０００６】
本件出願人は、圧電体と金属体との複合体ではなく、圧電セラミックスそれ自体によって振動する駆動子を考えた。そして一枚の矩形柱状圧電セラミックスの長手方向端面若しくは剪断方向側面に生じる振動によって回転子を回転したり、物体を直線的に移動したりすることが可能な圧電振動子を発明するに至った。
即ち、本発明の目的は、複合構造からなる従来の圧電振動子の課題を解決し、駆動素子の小型化、低コスト化が実現でき、しかも十分な駆動力が得られる圧電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】
【０００７】
上記課題を解決するため本発明は以下の構成を有する。
圧電セラミックス若しくは圧電単結晶を用いて所定の長さ及び幅の比で形成された単一の矩形柱状体の対向する側面に電極が設けられ、該電極へ交流電圧を印加して矩形柱状体の長さ方向端面及び剪断方向側面に合成振動を発生させることを特徴とする。
具体的には、単一の電源により電極へ交流電圧を印加して矩形柱状体の長さ方向の一次縦振動及び剪断方向に生じた二次撓み振動を同時に励振させ、両者の振動を合成して楕円振動を発生させることを特徴とする。
また、矩形柱状体の対向する側面に設けられた電極のうち少なくとも一方側は柱状体露出部を含み長手方向の中心軸に対して非対称となる単一の電極に形成されていることを特徴とする。
或いは、矩形柱状体の対向する側面に設けられた電極のうち少なくとも一方側は長手方向に連続する主電極部と複数の切替え電極部とに分割されており、主電極部と同時に通電する切替え電極部として長手方向の中心軸に対して非対称位置にある切替え電極部が選択されることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る圧電振動子は、圧電セラミックス若しくは圧電単結晶を用いて所定の長さ及び幅の比で形成された単一の矩形柱状体の対向する側面に電極が設けられ、該電極へ交流電圧を印加して矩形柱状体の長さ方向端面及び剪断方向側面に合成振動を発生させるので、振動子の構成を簡素化して小型化でき低コスト化が図れる。
具体的には、単一の電源により電極へ交流電圧を印加して矩形柱状体の長さ方向の一次縦振動及び剪断方向に生じた二次撓み振動を同時に励振させ、両者の振動を合成して楕円振動を発生させるので、駆動源や駆動方式も簡素化することができ、小型化低コスト化に寄与できる。特に、超音波モータ用の圧電振動子として利用することで、従来に比べてモータの小型化を促進し高周波駆動によるモータ効率を相対的に高めることができる。
また、矩形柱状体の対向する側面に設けられた電極のうち少なくとも一方側は柱状体露出部を含み長手方向の中心軸に対して非対称（たとえばＳ字状、Ｚ字状など）となる単一の電極に形成されていることにより、超音波領域で交番電圧を印加することにより矩形柱状体の剪断方向側面より一方向運動を取り出すことができる。
また、矩形柱状体の対向する側面に設けられた電極のうち少なくとも一方側は主電極部と複数の切替え電極部とに分割されていると、主電極部と同時に通電する切替え電極部として長手方向の中心軸に対して非対称位置にある切替え電極部を選択して超音波領域で交番電圧を印加することで、矩形柱状体の剪断方向側面に発生する振動方向が切り替わるので、正逆方向の運動を取り出すことができる。
したがって、超音波モータの振動子として、ロボット、自動制御システム、精密機器、微小位置制御などに幅広い応用が見込める。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の最良の実施形態について添付図面とともに詳述する。
本発明は圧電体と金属体との複合体ではなく、圧電材料自体による振動によって十分な駆動力が得られる圧電振動子を発明した。即ち、圧電セラミックス若しくは圧電単結晶を用いて所定の長さ及び幅の比で形成された単一の矩形柱状体の対向する側面に電極が設けられ、該電極へ交流電圧を印加して矩形柱状体の長さ方向端面及び剪断方向側面に合成振動を発生させるようにした。以下具体例をあげて説明する。
【００１０】
即ち、図１は圧電振動子の外観構成を示す。圧電振動子１は、長さＬ、幅ｄ、厚さｔの矩形柱状の圧電セラミックスが用いられる。この圧電振動子１はｄ／Ｌ＝０．３近傍になるように形状を加工し、厚さ方向の両面に電極２が設けられている。この電極２のうち少なくとも一方側を全面電極とせずに、柱状体露出部３を含み長手方向の中心軸Ｍに対して非対称となる単一の電極２に形成されている。図１において、電極２は長さ方向の中心軸Ｍに非対称となるように、たとえばＳ字状に形成されている。この状態で電極２に交流電圧を印加すると、長さ方向に縦振動、剪断方向に撓み振動が発生する。尚、これらの縦振動及び撓み振動ができるのであれば、電極２の幾何学的形状が中心軸Ｍに対して対称であるような分割電極であってもよい。
【００１１】
長さ方向の縦振動の共振周波数は長さＬに反比例し、幅ｄにはほとんど依存せず、一方撓み振動の共振周波数は長さＬの二乗に反比例し、幅ｄに比例する。このため縦振動及び撓み振動を同時に励振するには一定の条件が必要である。圧電セラミックスが等方性であれば長さＬに対する幅ｄの比は一次縦振動と二次撓み振動を同時に励振するために理論計算によりｄ／Ｌ＝０．２９の寸法比が必要である。ただし、圧電セラミックスには異方性があるから、この値から多少ずれたものとなり、最終的にはこの値の近くで試行錯誤により実験的に決められる。尚、厚さｔは特に制約はない。
【実施例１】
【００１２】
本発明に係る圧電振動子の具体例を以下に詳細に説明する。
図１の圧電振動子１において、長さＬ＝２１．５ｍｍ、幅ｄ＝８．８５ｍｍ、厚さｔ＝１．９ｍｍの矩形柱状の圧電セラミックスとしてＰＺＴ（ジルコンチタン酸鉛）が用いられる。電極２としては焼付け銀電極が用いられる。電極２には無電極部分（柱状体露出部３）が設けられており、全体として細長いS字状に形成されている。この無電極部分は両端から０．２９Ｌの位置で（１／２）ｄ×（１／５）Ｌの面積を持っている。この位置は二次撓み振動における節点の位置で、応力分布の最大値を取る点である。分極処理の方向は厚さ方向である。この両電極２の間に共振周波数に相当する交流電圧を印加すると異なる向きの振動モードが結合した振動が励振される。本実施例における共振周波数はｆ＝８１．０ｋＨｚである。
【００１３】
励振中の圧電振動子１に直径３０ｍｍ、重さ６０ｇ重の回転子を当てて回転の様子を調べると、図２のようになった。すなわち、全長をＬとして０．２９Ｌ、０．５Ｌ及び０．７１Ｌの点に回転しない位置があり、二次撓み振動の節点位置０．２９Ｌ及び０．７１Ｌの点を境に回転方向が反転する。また、０．５Ｌ（Ｌ／２）の点は一次縦振動の節点位置であり、ここでは振動振幅が小さいため回転子の回転が止まる位置である。このような回転子の回転方向は一次縦振動と二次撓み振動が９０°の位相差をもって励振されているとして理解できる。二つの振動モードは同一の電源によって駆動されているので電気信号には位相差はないが、機械的な負荷である回転子からの反作用が異なるので実質的にこのような位相差が生じている。このような振動の状況を考慮して、圧電振動子１の支持はＬ／２の位置を固く固定し、また回転子を当てる上部側面４と反対側の下部側面に例えばゴムを当てることなどによって支えるのが好ましい。
【００１４】
図３において、圧電振動子１の上部側面４に図示しない回転子を当てて、その回転数を測定した結果を示す。８１．０ｋＨｚの駆動周波数で印加電圧は１３Ｖ（実効値）である。横軸は回転子を接触させる位置を示し、左端を０、右端を１となるように相対値で表している。このとき、図３において、圧電振動子１の左端より０．２３Ｌの位置で、直径３０ｍｍ、重さ６０ｇ重の回転子の最大回転数は１５０（rpm）を超えた。
【００１５】
また、図４において、駆動周波数８１．０ｋＨｚで、０．２３Ｌ即ち圧電振動子１の左端より５ｍｍの位置に同じ回転子を当てたとき、印加電圧によって回転数がどのように変化するかを示したものである。印加電圧が４Ｖ以上で回転が始まり、印加電圧が増加するとともに回転数は増加し、回転数は印加電圧によって制御できることがわかる。ただし、８Ｖを超えるとその増加率は少なくなる傾向がある。
このように、矩形柱状の圧電振動子１を用いて電極２に超音波領域で交番電圧を印加することにより、圧電振動子１に互いに変位の向きが直交する二つの振動モードが結合した合成振動が生じて剪断方向側面に接触する回転子により一方向回転運動を取り出すことができる。
【実施例２】
【００１６】
図１の圧電振動子１の電極形状は極めて単純であり、低コストで小型化に向いているが、回転子により取り出される回転方向が一方向回転であり回転方向を制御することはできない。そこで、図５において、圧電振動子１の電極形状を変更して可逆回転可能な素子を試作しその動作を確認した。圧電セラミックスの形状、寸法及び材質は図１のものと同一である。矩形柱状の圧電セラミックスの対向する側面に設けられた電極のうち少なくとも一方側は一方側は長手方向に連続する主電極部５と複数の切替え電極部６Ａ、６Ｂとに３分割されている。具体的には、縦振動の励振に主に寄与する主電極部５と、撓み振動の励振に主に寄与する切替え電極部６Ａ、６Ｂが圧電振動子１の長手方向の中心軸Ｍを中心に非対称位置に形成されている。主電極部５と同時に通電する切替え電極部としては、切替え電極部６Ａ若しくは６Ｂのいずれか一方が選択される。主電極部５と切替え電極部６Ａ、６Ｂとは図示しない外部切替え回路によっていずれか一方が常に接続された状態にある。
【００１７】
圧電振動子１を励振する場合には、例えば図５の主電極部５と切替え電極部６Ａを外部で接続して交流電圧を印加すれば図１のＳ字型電極の場合と同様に、上部側面４に楕円振動を発生させることができる。このとき、切替え電極部６Ｂは解放しても短絡してもいずれでもよいが、短絡した場合の方がやや強い回転運動が得られた。次に主電極部５と切替え電極部６Ｂを外部切替え回路により接続して交流電圧を印加すると、上部側面４に逆向きの楕円振動を発生させることができる。このように電極形状は多少複雑にはなるが、圧電振動子１の長手方向に連続する主電極部５と長手方向の中心軸に対して非対称位置にある切替え電極６Ａ若しくは６Ｂを選択して外部切替え回路で結線を切り替えることによって振動方向が切り替わるため、圧電振動子１に接触する回転子より正逆回転運動を取り出すことが可能となる。
【００１８】
図６において、圧電振動子１の上部側面４に図示しない回転子を当てて、その回転数を測定した結果を示す。８１．０ｋＨｚの駆動周波数で印加電圧は２５Ｖ（実効値）である。横軸は回転子を接触させる位置を示し、左端を０、右端を１となるように相対値で表している。このとき、図６において、圧電振動子１の左端より概ね０．２５の位置及び０．７５の位置で、直径３０ｍｍ、重さ６０ｇ重の回転子の最大回転数は概ね８０（ｒｐｍ）に到達することが判明した。
【００１９】
上述した圧電振動子１を用いれば、構造が極めて単純で、駆動電源も一つですむので複雑な制御を伴わずに超音波モータの低コスト化や小型化が可能となる。また、超音波モータはロボット、自動制御システム、精密機器、微小位置制御などに幅広い分野で利用が可能となる。一例を挙げれば、この圧電振動子１によって回転運動を生じさせ、その回転運動によって液体の入ったチューブを押し出す動作によって液体ポンプを構成することができる。或いは、励振電源を制御すればＸ−Ｙの微少位置調整や回転角度の制御も可能であるし、またカードリーダーのようにカードを挿入孔から引き込んだり押し出したりする機構も容易に設計できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１実施例に係る圧電振動子の斜視図である。
【図２】圧電振動子の励振された側面位置と回転方向との関係を示す説明図である。
【図３】圧電振動子の側面位置と回転速度との関係を示すグラフ図である。
【図４】回転速度と励振電圧の関係を表すグラフ図である。
【図５】第２実施例に係る圧電振動子の斜視図である。
【図６】圧電振動子の側面位置と回転速度との関係を示すグラフ図である。
【図７】従来の圧電振動子の一構成例（ランジュバン振動子）の内視説明図である。
【符号の説明】
【００２１】
１  圧電振動子
２  電極
３  柱状体露出部
４  上部側面
５  主電極部
６Ａ、６Ｂ  切替え電極部
【図１】
2007097364.tif 000003
【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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