JP2559729B2

JP2559729B2 - 振動発生器

Info

Publication number: JP2559729B2
Application number: JP62072088A
Authority: JP
Inventors: 一郎奥村; 田村　　昌久
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1987-03-26
Filing date: 1987-03-26
Publication date: 1996-12-04
Anticipated expiration: 2011-12-04
Also published as: JPS63240380A

Description

【発明の詳細な説明】［発明の利用分野］この発明は棒状の振動発生器に関し、特に、バー型振
動波モーターの振動発生体（すなわちステータ）として
好適な振動発生器に関するものである。

［発明の背景］圧電素子等の振動発生素子によって静止部材に高周波
振動を生ぜしめるとともに該静止部材に接触している可
動部材に回転もしくは軸方向運転を生じさせる型式の、
いわゆる振動波モーターが最近実用化されつつある。

この振動モーターは、振動体としてのステーターの形
状や該ステータスの振動形式等によって数種類のものに
分類するとができ、たとえば、環状円板形ステーターを
有する環状形振動波モーターや棒状形ステーターを有す
るバー型振動波モーター等が知られている。このうち、
前者は既に本出願人等によって実用化されているが、後
者の形式のモーターはまだ実用化されるに至っていな
い。

後者の型式のモーターは本出願人によって開発された
ものであり、前者のモーターにくらべて効率がよいとい
う長所があるが、なお改善すべき次のような問題点のあ
ることがわかっている。

以下には本出願人による既提案のバー型振動波モータ
ーの問題点について説明する。

第３図は本出願人の既提案になるバー型振動波モータ
ーの振動発生体を示したものである。この振動発生体17
は図示の如き角棒状の棒状弾性体18の互いに直交する二
面に長さａ、巾ｂ、厚さt₁の板状の圧電素子19を接着
し、各圧電素子19に互いに位相の異なる交番電圧を印加
することによって該棒状弾性体18の先端に楕円振動もし
くは円振動を生じさせるように構成されている。各圧電
素子19な交番電圧が印加されるとそれ自身厚さ方向なら
びに面方向に交番的に弾性変形し、これによって棒状弾
性体18は交番曲げモーメントを受け、その結果、棒状弾
性体18の先端には互いに直角に方向の曲げ振動の合成に
よる円振動もしくは楕円振動が発生する。棒状弾性体18
はそれ自身に生じる振動の節の位置で動かぬように定位
置に固定されるとともに棒状弾性体の先端は不図示の筒
状のローターに接しているため、棒状弾性体18の先端が
振動すると該ローターが回転されることになる。

前記の如き構成の振動発生体17において圧電素子19に
電圧Ｖを印加した時に圧電素子19がその厚み方向に発生
する力F₁は、ここで、C^E圧電素子の弾性係数、d₃₁圧電素子の圧電
定数で分極軸（この場合厚み方向）と直角方向のもので
あるが、この力F₁はかなり小さなものであるため、前記
の如き振動発生体17によって構成されたバー型振動波モ
ーターの出力はかなり小さなものであり、実用には不適
であった。また、この型式の振動波モーターの出力を大
きくするためには、上記の式から明らかなように、電圧
Ｖと圧電素子の巾ｂを大きくする必要があるが、ロータ
ーの駆動力を実用に適するレベルまで大きくするために
は、圧電素子に対する印加電圧として、数十乃至数百ボ
ルトもの高圧を要するため、該モーターの駆動回路には
高圧電源や高耐圧素子が必要となり、従って駆動回路が
大型化するばかりでなく駆動回路のコストが高価にな
る、という問題点があった。

なお、前記の如き振動発生体として、金属製の棒状弾
性体に圧電セラミックを接着した構造のものでは、セラ
ミックの引張強度が弱く線膨張係数が金属のそれよりも
かなり低いため、大振幅発生時や温度変動が大きい時に
は内部応力により接着層や圧電セラミック自身が破損す
る危険性があるという問題点もあった。

［発明の目的］この発明の目的は、前記の如き振動発生体に存する問
題点を解決し、高電圧を要することなく従来の振動発生
体よりも強い振動を発生しうる新規な構造の振動発生器
を提供することである。

［発明の概要］上記の目的を達成するために、本願発明では、厚さ方
向に振動を発生する複数の振動発生素子を棒状体の軸線
方向に積層してはさみ込むことによって該棒状体と該複
数の振動発生素子とを一体化し、各振動発生素子の駆動
用電極を複数領域に分割し、かつこれら複数の振動発生
素子を、各領域が軸線回りにて互いにずれた状態で積層
し、複数の振動発生素子に生じた振動の合成により棒状
体を円振動又は楕円振動させるようにしている。

本発明の振動発生器では、振動発生素子によって該棒
状体に加えられる力は従来の振動発生体のそれにくらべ
て数十倍にもなるため、本発明の振動発生器によって構
成される振動波モーターにおいて従来の振動波モーター
と同じ駆動力を発生させる場合は、従来の駆動波モータ
ーの駆動電圧の数十分の一の駆動電圧で済む。従って、
本発明の振動発生器によって構成された駆動波モーター
では、駆動回路に高圧電源や高耐圧素子が不要となり、
その結果、本発明の振動発生器によれば、実用的なバー
型振動波モーターを構成することができる。

［発明の実施例］以下に第１図および第２図を参照して本発明による振
動発生器の実施例について説明する。

第１図は本発明による振動発生器の第１実施例の縦断
面図、第２図は第１図に示された振動発生器に組込まれ
ている振動発生素子の正面図である。

第１図に示した本発明の第１実施例の振動発生器１
は、２本の同径及び同長の棒状体２及び３と、両棒状２
及び３の間に挟み込まれて両棒状体２及び３と一体化さ
る環状円板形の振動発生素子４及び５と、両振動発生素
子４及び５の間に配置されて両振動発生素子４及び５を
互いに隔離且つ絶縁している環状円板形の絶縁体６と、
両棒状体２及び３を互いに機械的に連結するとともに両
棒状体２及び３の間の振動発生素子４及び５と絶縁体６
とを挟圧保持される連結部材７とによって構成されてい
る。

振動発生素子４及び５は圧電セラミックで構成され、
それぞれの両面には蒸着やスパッタリング或いは溶融金
属塗着などの方法によって電極８〜11が形成されてい
る。また、絶縁体６の両面にも電極12及び13が形成さ
れ、電極12と棒状体２とに第１の交番電圧源E₁が接続さ
れ、電極13と棒状体３とに第２の交番電圧源E₂が接続さ
れている。

振動発生素子４は第２図（ａ）に示すように上下に分
割された二つの素子片4a及び4bから構成されており、上
方の素子片4aと下方の素子片4bとは互いに逆極性に形成
されている。また、振動発生素子５も第２図（ｂ）に示
すように左右に分割された二つの素子片5a及び5bから成
り、該素子片5a及び5bも互いに逆極性に形成されてい
る。従って、素子片4aと素子片4bとに同一方向の同電圧
を印加した場合、素子片4aはその厚みを増す方向に歪
み、素子片4bはその厚みを減じる方向に歪むので該振動
発生素子によれば第１図においで棒状体２及び３が上向
きに凸となるような曲げモーメントが発生することにな
る。また、素子片5aと素子片5bとに同一方向の同電圧を
印加した場合は、素子片5aはその厚さを増す方向に歪
み、素子片5bはその厚さを減じる方向に歪むので、該振
動発生素子５によれば、第１図において紙面に直交する
方向の力による曲げモーメントが振動発生器１に作用す
ることになる。

それ故、振動発生素子４に交番電圧を印加すると、第
１図において棒状体２の左端と棒状体３と右端とに紙面
に平行で上下方向の力が加えられることになり、該振動
発生器１の両端には第１図で上下方向の振動が生じる。
また、振動発生素子５に交番電圧を印加すると、該振動
発生器１の両端に第１図の紙面に直交する方向の交番力
が作用し、該振動発生器１の両端には紙面に直交する方
向の振動が生じることになる。このため、該振動発生器
１の両端には、両振動の合成による円振動乃至楕円振動
が生じる。

なお、各振動発生素子４及び５の両面に形成されてい
る電極８〜11も各振動検出素子４及び５の構成素子片4
a,4b,5a,5bの形状に合せて互いに分割されている。ま
た、振動発生素子４及び５に印加する交番電圧源E₁、E₂
の電圧の周期を振動発生器１の曲げ固有振動数に近い値
に制定しておくことにより大きな振幅の振動を発生させ
ることができる。

以上の如き本発明による振動発生器では、振動発生素
子4,5の厚みをt₂とし、印加する交番電圧をＶとする
と、振動発生素子が発生する力F₂は、ここでC^Eは、圧電素子の弾性係数、d₃₃は圧電素子の
圧電定数で分極軸方向（この場合厚み方向）のものであ
る。

従って、この力F₂を従来の（本出願人が既に提案し
た）バー型振動波モーターの振動発生体（第３図）にお
ける振動発生素子の発生力F₁と比較すると、となる。なお、圧電セラミックの圧電定数は一般的にd
₃₃/d₃₁＝２〜３程度であるから、第３図の棒状弾性体18
の巾寸法ｂを５〜30mmとすると、となり、また、振動発生素子4,5の厚さt₂を0.2〜5mmと
すれば、となるため、となる。

すなわち、第３図の従来の振動発生体と第１図の本発
明の振動発生器に同じ電圧を印加した場合、本発明の振
動発生器では、従来の振動発生体にくらべて２〜450倍
もの力を発生させることができ、逆に、従来の振動発生
体と本発明の振動発生器とに同じ力を発生させる場合に
は、本発明の振動発生器では、従来の振動発生体に印加
する電圧の1/2〜1/450の電圧を印加すればよいことにな
る。

従って、本発明によれば、従来の振動発生体よりもは
るかに低電圧で駆動することができるとともに従来の振
動発生体よりも大きな力を発生させることができる。

また、本発明の振動発生器では、接着剤等を使用せず
にスタッドやボルト等の締結部材によって振動発生素子
を棒状体に固定し、圧電セラミックにあらかじめ圧縮応
力を与えて内部応力が引張応力になりにくくしてある。
このため、温度変動が大きい時や大振幅発生時によ、破
損を生じる危険性は極めて小さい。

［発明の効果］以上に説明したように、本発明によれば、本出願人が
すでに提案した振動波モーターに装備されている振動発
生体よりも低電圧で駆動することができるとともに、該
振動発生体よりも大きな力を発生させることができる振
動発生器を提供することができる。このため、本振動発
生器を用いれば、電圧の駆動回路を要さず、実用可能な
大トルクを発生することができ、しかも、製造コストの
安価なバー型振動波モーターを実現することができる。
また、本発明の振動発生器は、大きな温度変動を受けた
場合や大振幅発生時にも破損しにくいため、本振動発生
器を用いれば、破損しにくく、信頼性の高いバー型振動
波モーターを実現することができる。

また、本発明の振動発生器は、複数の電極領域をそれ
ぞれ有した複数の振動発生素子を各電極領域の軸線回り
の位置をずらして積層した構成となっているため、各振
動発生素子に交番信号を印加して発生させた振動の合成
により棒状体を円又は楕円振動させることができ、特に
モーターの駆動源として用いた場合には、大きなトルク
を効率良く出力することができる。

なお、本発明の振動発生器は特に、バー型振動波モー
ターのステーターとして好適であるが、本発明の振動発
生器が該モーター以外の用途に使用できることは当然で
ある。

また、振動発生素子としては圧電セラミックのほか、
圧電結晶やPLZTなどの電歪素子等、種々の振動発生体を
使用することができる。

さらに、先に説明した第２図の実施例では、圧電素子
４を4aおよび4bの半円形の２素子構成としているが、こ
れは4aの部分と4bの膨分が逆極性に分極処理された円形
の１素子としてもよい。同様に圧電素子５も１素子とし
ても良い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の振動発生器の第１実施例の縦断面図、
第２図（ａ）は第１図のＡ−Ａ矢視断面図、第２図
（ｂ）は第１図のＢ−Ｂ矢視断面図、第３図は本出願人
がすでに提案した振動波モーター用いられている振動発
生体の斜視図、である。１……振動発生器 2,3……棒状体 4,5……振動発生素子６……絶縁体８〜13……電極 17……振動発生体 18……棒状弾性体 19……圧電素子

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】厚さ方向に振動を発生する複数の振動発生
素子を棒状体の軸線方向に積層してはさみ込むことによ
って該棒状体と該複数の振動発生素子とを一体化した振
動発生器であって、前記各振動発生素子の駆動用電極が複数領域に分割さ
れ、かつこれら複数の振動発生素子が、前記各領域を前
記軸線回りにて互いにずらして積層されており、前記複数の振動発生素子に生じた振動の合成により前記
棒状体を円振動又は楕円振動させることを特徴とする振
動発生器。