DE102006020553A1

DE102006020553A1 - Piezoelektrischer Vibrator und Ultraschallmotor mit piezoelektrischem Vibrator

Info

Publication number: DE102006020553A1
Application number: DE102006020553A
Authority: DE
Inventors: Burhanettin Seongnam Koc; Sung-Won Min; Dong-Kyun Lee; Jung-Ho Suwon Ryu
Original assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Priority date: 2005-05-20
Filing date: 2006-05-03
Publication date: 2007-01-11
Also published as: US20060283253A1; KR20060119579A; JP2006333695A; US20100050774A1; JP4241761B2; KR100680307B1; CN1864869B; US7975551B2; CN1864869A; US7644619B2

Abstract

Es werden ein piezoelektrischer Vibrator und ein Ultraschallmotor mit dem piezoelektrischen Vibrator offenbart. Ein pieozoelektrischer Vibrator mit einem mehrschichtigen piezoelektrischen Aktuator und besonderen internen Elektroden und Oberflächenelektroden lässt einen Körper bei Anlage eines elektrischen Signals in Längsrichtung und in Biegerichtung vibrieren. Der piezoelektrische Vibrator kann mit herkömmlichen Herstellungsverfahren für mehrschichtige piezoelektrische Aktuatoren hergestellt werden und weist somit verringerte Produktionszeiten und -kosten auf, da es nicht notwendig ist, zwei Polarisationsprozesse vorzunehmen, und er kann bei verringertem Volumen einfacher ausgelegt werden, bei gleichzeitiger Verbesserung der Vibrationsleistung.

Description

Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der koreanischen Patentanmeldung Nr. 2005-42711, welche am 20. Mai 2005 beim koreanischen Patentamt eingereicht wurde und deren Offenbarung hierin durch Verweis aufgenommen wird.
HINTERGRUND
1. Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Vibrator und einen Ultraschallmotor mit einem solchen piezoelektrischen Vibrator, und genauer gesagt auf einen piezoelektrischen Vibrator sowie einen diesen piezoelektrischen Vibrator enthaltenden Ultraschallmotor, welche eine einfache Struktur und ein kleines Volumen aufweisen und mit welchen die Vibrationsleistung verbessert werden kann.

In letzter Zeit haben Ultraschallmotoren weithin Beachtung gefunden als Motoren, die keine Wicklungen benötigen, und somit geeignet sind, um die Größe von Geräten zu verringern. Ultraschallmotoren sind weit verbreitet, da sie einen geringen Leistungsverbrauch sowie ein geringes Gewicht aufweisen, eine lineare Bewegung direkt ohne Getriebe bereitstellen können, ihre Geschwindigkeit und Position elektrisch gesteuert werden können, und eine Bewegung in Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung ermöglichen.

1 ist eine Draufsicht auf einen piezoelektrischen Vibrator 10, wie er in einem herkömmlichen Ultraschallmotor verwendet wird.

Ein herkömmlicher piezoelektrischer Vibrator 10 umfasst ein rechteckiges piezoelektrisches Element 13, welches aus einer piezoelektrischen Keramik oder dergleichen gefertigt ist, sowie einen Vorsprung 11, der an einer Seite des piezoelektrischen Elements 13 gebildet ist. Der Vorsprung 11 beaufschlagt ein zu vibrierendes Objekt (nicht dargestellt) mit Druck, wobei der Vorsprung 11 das zu vibrierende Objekt aufgrund der Vibration des piezoelektrischen Elements 13 bewegt. Es sind vier Polarisationsbereiche vorgesehen, nämlich ein erster Polarisationsbereich 13a, ein zweiter Polarisationsbereich 13b, ein dritter Polarisationsbereich 13c und ein vierter Polarisationsbereich 13d, die auf dem piezoelektrischen Element gebildet sind und die alle die selbe Polarisationsrichtung bezüglich der Richtung der Dicke aufweisen. Die vier Polarisationsbereiche 13a, 13b, 13c und 13d haben jeweils die gleiche Größe und sind in zwei Reihen angeordnet. Auf jedem der vier Polarisationsbereiche 13a, 13b, 13c und 13d ist eine Elektrode gebildet.

Der erste und der vierte Polarisationsbereich 13a und 13d haben die gleiche Polarisationsrichtung, wohingegen der zweite und der dritte Polarisationsbereich 13b, 13c eine Polarisationsrichtung aufweisen, die der des ersten Polarisationsbereichs 13a entgegengesetzt ist. Ferner sind der erste und der vierte Polarisationsbereich 13a, 13b, sowie der zweite und der dritte Polarisationsbereich 13b, 13c jeweils durch eine Verbindungsleitung 17 miteinander verbunden.

Das piezoelektrische Element 13 vibriert in Längsrichtung und in Biegerichtung (Querrichtung), wenn dem ersten und dem vierten Polarisationsbereich 13a, 13b ein elektrischer Strom zugeführt wird. In gleicher Weise vibriert das piezoelektrische Element 13 in Längsrichtung und in Biegerichtung, wenn dem zweiten und dritten Polarisationsbereichen 13b und 13c ein elektrischer Strom zugeführt wird, dabei ist jedoch die Richtung der Biegevibrationen entgegengesetzt zum zuvor genannten Fall.

Da der herkömmliche piezoelektrische Vibrator 10 wie oben beschrieben zwei Polarisationsrichtungen auf einem piezoelektrischen Element 13 aufweist, sind zwei Polarisationsprozesse notwendig. Dies birgt das Problem, dass die Herstellungszeiten und -kosten des piezoelektrischen Elements steigen. Insbesondere wenn auf dem einen piezoelektrischen Element 13 zwei Polarisationsprozesse durchgeführt werden, dann kann auf denjenigen Teilen, bei denen die Polarisation zuerst durchgeführt wurde, eine Depolarisation auftreten, aufgrund derer die Leistungsfähigkeit des piezoelektrischen Elements 13 sinkt.

Ferner wird in diesem herkömmlichen piezoelektrischen Vibrator 10 nur jeweils ein Paar von diagonal gegenüber angeordneten Polarisationsbereichen 13a, 13b erregt, wohingegen das andere Paar 13b, 13c nicht erregt wird, was die Vibrationsleistung des piezoelektrischen Vibrators 10 senkt. Dies bedeutet, dass eine höhere Spannung angelegt werden muss, um die Vibrationsleistung des herkömmlichen piezoelektrischen Vibrators 10 zu steigern. Ferner wurde ein konventioneller piezoelektrische Vibrator 10 mit übereinander gestapelten piezoelektrischen Elementen 13 verwendet, um die Vibrationsleistung zu steigern, was jedoch das Problem eines vergrößerten Volumens des piezoelektrischen Elements mit sich bringt.

Ferner wird zur Polarisierung eine hohe Gleichstromspannung an das piezoelektrische Element 13 angelegt, um die Dipole im piezoelektrischen Element 13 in der gewünschten Orientierung anzuordnen. Während dieses Polarisierungsprozesses konzentrieren sich große Spannungen an den Grenzen der zwischen den gestapelten piezoelektrischen Elementen 13 liegenden Elektroden. Solche Spannungen sind eine Hauptursache für Risse, die später während des Betriebs des piezoelektrischen Vibrators 10 auftreten, und verschlechtern somit die Eigenschaften des piezoelektrischen Elements 13.

ZUSAMMENFASSUNG

Als Lösung zu den oben beschriebenen Problemen stellt ein Aspekt der vorliegenden Erfindung einen piezoelektrischen Vibrator, sowie einen Ultraschallmotor mit dem piezoelektrischen Vibrator bereit, wobei die Produktionszeit und -kosten reduziert werden, da es nicht notwendig ist, zwei Polarisierungsprozesse vorzusehen.

Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt einen piezoelektrischen Vibrator und einen Ultraschallmotor mit dem piezoelektrischen Vibrator bereit, wobei deren Volumen reduziert werden kann, bei einem einfachen Aufbau und verbesserter Vibrationsleistung.

Weitere Aspekte und Vorteile des erfindungsgemäßen Konzepts werden teilweise in der folgenden Beschreibung dargelegt und sind teilweise aus dieser Beschreibung offensichtlich oder können durch die Ausübung des generellen Erfindungsgedanken erfahren werden.

Ein piezoelektrischer Vibrator nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung umfasst ein elastisches Teil mit einem viereckigen Querschnitt und piezoelektrische Elemente, welche an jeder Seite des elastischen Teils befestigt sind, wobei die piezoelektrischen Elemente das elastische Teil bei Anlegen eines elektrischen Signals in einer Längsrichtung und in einer Biegerichtung vibrieren lassen, wobei die piezoelektrischen Elemente jeweils dieselbe Größe aufweisen und kürzer sein können, als das elastische Teil.

Da ein piezoelektrischer Vibrator mit einer solchen Anordnung piezoelektrische Elemente mit einer einzigen Polarisationsrichtung verwendet, können die Produktionszeiten und -kosten des piezoelektrischen Vibrators verringert werden. Da ferner die piezoelektrischen Elemente jeweils auf jede Seite des elastischen Teils befestigt sind, und gleichzeitig vibrieren, kann die Vibrationsleistung verbessert werden und das Volumen des piezoelektrischen Vibrators verringert werden. Da die piezoelektrischen Elemente das elastische Teil vibrieren lassen, kann im Vergleich zu herkömmlichen piezoelektrischen Vibratoren eine größere Steifheit erreicht werden.

Ein Paar der piezoelektrischen Elemente, die auf gegenüberliegenden Seiten des elastischen Teils befestigt sind, kann in derselben Richtung polarisiert sein, wohingegen das andere Paar in entgegen gesetzte Richtungen polarisiert sein kann. Somit kann ein Paar der piezoelektrischen Elemente den Vibra torkörper in Längsrichtung vibrieren lassen, wohingegen das andere Paar der piezoelektrischen Elemente den gesamten Vibratorkörper in einer Biegerichtung vibrieren lassen kann. Folglich kann die Kombination von Längsbewegung und Biegebewegung ein Ende des elastischen Teils in einer elliptischen Bahn bewegen.

Ein Ende der piezoelektrischen Elemente kann mit dem einen Ende des elastischen Teils bündig sein, um die Vibrationen auf das eine Ende des elastischen Teils zu konzentrieren. Ferner kann eine Kante der piezoelektrischen Elemente angeschnitten sein und die angeschnittene Kante kann nach außen gerichtet sein, um Kurzschlüsse zwischen den piezoelektrischen Elementen zu verhindern.

Vorzugsweise ist das elastische Teil doppelt so lang wie die piezoelektrischen Elemente, um die Vibrationen des elastischen Teils zu maximieren. Da dem Paar von piezoelektrischen Elementen, die an entgegen gesetzten Seiten des elastischen Teils angebracht sind, und dem anderen Paar von piezoelektrischen Elementen jeweils Spannungen mit einer Phasendifferenz von 90° zugeführt werden, kann ein Paar in einer Biegerichtung vibrieren und das andere Paar kann in einer Längsrichtung vibrieren.

Ein piezoelektrischer Vibrator nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Paar von ersten piezoelektrischen Elementen, welche die gleiche rechteckige Spatform oder Quaderform aufweisen und in entgegen gesetzte Richtungen polarisiert sind, sowie ein Paar von zweiten piezoelektrischen Elementen, welche die gleiche rechteckige Spatform aufweisen und jeweils an eine Seite der ersten piezoelektrischen Elementen befestigt sind und in der gleichen Richtung polarisiert sind, wobei die ersten piezoelektrischen Elemente länger sein können, als die zweiten piezoelektrischen Elemente, und die ersten piezoelektrischen Elemente in einer Längsrichtung vibrieren können, wohingegen die zweiten piezoelektrischen Elemente in einer Biegerichtung vibrieren können, wenn ihnen elektrische Signale zugeführt werden.

Da der piezoelektrische Vibrator nach dieser Ausführungsform der Erfindung piezoelektrische Elemente verwendet, die eine einzige Polarisationsrichtung aufweisen, werden Produktionszeit und -kosten des piezoelektrischen Vibrators reduziert. Da ferner die piezoelektrischen Elemente jeweils an einer Seite des elastischen Teils befestigt sind und gleichzeitig vibrieren, kann die Vibrationsleistung verbessert werden und das Volumen des piezoelektrischen Vibrators kann verringert werden. Da ferner lediglich piezoelektrische Elemente verwendet werden, kann der piezoelektrische Vibrator einfacher hergestellt werden.

Durch bündiges Ausrichten des einen Endes der zweiten piezoelektrischen Elemente mit einem Ende der ersten piezoelektrischen Elemente kann die Verschiebung am einen Ende eines jeden der zweiten piezoelektrischen Elemente maximiert werden, und dadurch, dass jedes der zweiten piezoelektrischen Elemente in der Mitte eines ersten piezoelektrischen Elements befestigt wird, können beide Enden des zweiten piezoelektrischen Elements vibriert werden.

Es kann vorteilhaft sein, dass die ersten piezoelektrischen Elemente doppelt so lang sind, wie die zweiten piezoelektrischen Elemente, um das Ausmaß der Vibration der ersten piezoelektrischen Elemente zu maximieren. Da den ersten piezoelektrischen Elementen und den zweiten piezoelektrischen Ele menten jeweils Spannungen mit einer Phasendifferenz von 90° zugeführt werden, können die ersten und zweiten piezoelektrischen Elemente gleichzeitig in Längsrichtung und in Biegerichtung vibrieren.

Ein piezoelektrischer Vibrator nach einer vierten Ausführungsform der Erfindung umfasst mehrere Schichten von piezoelektrischen Elementen mit einer Polarisationsrichtung, leitfähigen Elektroden, die auf beiden Seiten der piezoelektrischen Elemente gebildet sind und miteinander verbunden sind, und ein Vorsprung, der auf einer Seite der piezoelektrischen Elemente gebildet ist, wobei benachbarte piezoelektrischen Elemente jeweils in zwei entgegen gesetzte Richtungen polarisiert sein können, und die Elektroden miteinander verbunden sein können.

Da der piezoelektrische Vibrator nach der vierten Ausführungsform der Erfindung piezoelektrische Elemente verwendet, die eine einzige Polarisationsrichtung aufweisen, können die Produktionszeit und -kosten des piezoelektrischen Vibrators verringert werden. Da ferner die piezoelektrischen Elemente gleichzeitig vibrieren, kann die Vibrationsleistung verbessert werden und das Volumen des piezoelektrischen Vibrators kann verringert werden.

Durch Zuführen eines 4-phasigen elektrischen Signals zu den leitfähigen Elektroden kann die Stärke des elektrischen Signals weiter vergrößert werden.

Ein Ultraschallmotor nach einer fünften Ausführungsform der Erfindung umfasst einen piezoelektrischen Vibrator nach einer der ersten bis vierten Ausführungsformen und enthält ferner ein Gehäuse, in welchem der piezoelektrische Vibrator unter gebracht ist, einen Gleiter, welcher im Gehäuse vorgesehen ist und in vertikaler Richtung bewegbar ist und in Kontakt mit dem piezoelektrischen Vibrator bewegt wird, und ein erstes Druckelement, um den piezoelektrischen Vibrator zum Gleiter hinzudrücken, und ein zweites Druckelement, um den Gleiter zum piezoelektrischen Vibrator zu drücken.

Der Ultraschallmotor nach der fünften Ausführungsform der Erfindung hat ein geringeres Volumen und ermöglicht eine größere Vibration bei niedrigerer Spannung. Da ferner der piezoelektrischen Vibrator und der Gleiter durch die ersten und zweiten Druckelemente fest zusammengehalten werden, wird die Vibration des piezoelektrischen Vibrators in effizienter Weise auf den Gleiter übertragen.

Das erste Druckelement kann einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen und kann durch eine flache, in das Gehäuse eingeführte Feder zum Gleiter hin gedrückt werden, um den piezoelektrischen Vibrator und den Gleiter zuverlässiger zu halten.

Das Gehäuse kann folgendes aufweisen: ein Vibratorgehäuseteil, in welches der piezoelektrische Vibrator eingeführt wird, Gleitereinschublöcher, die zum Vibratorgehäuseteil führen, durch welche die Gleiter eingeführt werden, Passschlitze für das erste Druckelement, die mit einer vorbestimmten Tiefe an dem einen Ende des Gehäuses gebildet sind und in die das erste Druckelement eingeführt wird, um das eine Ende des piezoelektrischen Vibrators zu kontaktieren, Einschublöcher für das zweite Druckelement, die senkrecht zu den Gleitereinschublöchern gebildet sind und durch welche das zweite Druckelement eingeführt wird, um den Gleiter zu kontaktieren, und Federeinschubschlitze, die senkrecht zu den Passschlitzen für das erste Druckelement gebildet sind und durch welche die flache Feder eingeführt wird, um das erste Druckelement zu kontaktieren.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Diese und/oder andere Aspekte und Vorteile des vorliegenden generellen erfinderischen Konzepts werden in der folgenden Beschreibung der Ausführungsformen näher erläutert, wobei auf die folgenden Figuren Bezug genommen wird:
1 ist eine Draufsicht auf einen herkömmlichen piezoelektrischen Vibrator.
2 ist eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Vibrators einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
3 ist eine schematische Darstellung der Polarisationsrichtungen der piezoelektrischen Elemente in einem piezoelektrischen Vibrator nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
4 ist ein Graph, der die Admittanzen der piezoelektrischen Elemente in einem piezoelektrischen Vibrator nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung in Abhängigkeit von der Frequenz darstellt.
5 ist eine Darstellung der Längsvibrationen eines piezoelektrischen Vibrators nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung der ATILA^TM-Software.
6a ist eine Darstellung der Biegevibrationen in Richtung der x-Achse eines piezoelektrischen Vibrators nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung der A-TILA^TM-Software.
6b ist eine Darstellung der Biegevibrationen in Richtung der y-Achse eines piezoelektrischen Vibrators nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung der A-TILA^TM-Software.
7 ist eine perspektivische Darstellung eines piezoelektrischen Vibrators nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
8 ist eine schematische Darstellung der Polarisationsrichtungen von piezoelektrischen Elementen in einem piezoelektrischen Vibrator nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
9a ist eine Darstellung der Längsvibrationen eines piezoelektrischen Vibrators nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung der ATILA^TM-Software.
9b ist eine Darstellung der Biegevibrationen eines piezoelektrischen Vibrators nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung der ATILA^TM-Software.
10 ist eine perspektivische Darstellung eines piezoelektrischen Vibrators nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
11 ist eine schematische Darstellung der Polarisationsrichtungen von piezoelektrischen Elementen in einem piezoelektrischen Vibrator nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
12a veranschaulicht die Längsvibrationen eines piezoelektrischen Vibrators nach der dritten Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung der ATILA^TM-Software.
12b veranschaulicht die Biegevibrationen eines piezoelektrischen Vibrators nach der dritten Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung der ATILA^TM-Software.
13 ist eine perspektivische Darstellung eines piezoelektrischen Vibrators nach einer vierten Ausführungsform der Erfindung.
14 ist eine perspektivische Darstellung eines Beispiels für leitfähige Elektroden in einem piezoelektrischen Vibrator nach einer vierten Ausführungsform der Erfindung.
15 ist eine schematische Darstellung der Polarisationsrichtungen von piezoelektrischen Elementen in einem piezoelektrischen Vibrator nach einer vierten Ausführungsform der Erfindung.
16a veranschaulicht die Längsvibrationen in einem piezoelektrischen Vibrator nach einer vierten Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung der ATILA^TM-Software.
16b veranschaulicht die Biegevibrationen in einem piezoelektrischen Vibrator nach einer vierten Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung der ATILA^TM-Software.
17 ist eine auseinander gezogene perspektivische Darstellung eines Ultraschallmotors nach einer fünften Ausführungsform der Erfindung.
18 ist eine zusammengesetzte perspektivische Darstellung eines Ultraschallmotors nach einer fünften Ausführungsform der Erfindung.
19 ist eine Querschnittsansicht eines Ultraschallmotors nach einer fünften Ausführungsform der Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen im Detail beschrieben.
2 ist eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Vibrators nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Der piezoelektrische Vibrator 30 nach der ersten Ausführungsform umfasst ein elastisches Teil 31 mit einer konstanten Länge und einem viereckigen Querschnitt sowie vier piezoelektrische Elemente 33, welche jeweils dieselbe Größe aufweisen und jeweils an entsprechende Seiten des elastischen Teils 31 befestigt sind.
Wenn den piezoelektrischen Elementen 33 ein elektrisches Signal zugeführt wird und eine Vibration stattfindet, dann vibriert das elastische Teil 31 in Längsrichtung bzw. in Biegerichtung, so dass folglich das Ende des elastischen Teils in einer elliptischen Bahn vibriert. Dies veranlasst das zu vibrierende Objekt (nicht dargestellt), welches mit dem Ende des elastischen Teils 31 in Kontakt steht, aufgrund der Reibungskräfte mit dem elastischen Teil 31 zu vibrieren.
Das elastische Teil 31 kann aus einem beliebigen Material mit Elastizität gefertigt werden, wie z.B. Messing oder Edelstahl oder dergleichen. Vorzugsweise ist das elastische Teil 31 doppelt so lang wie die piezoelektrischen Elemente, um die im elastischen Teil 1 erzeugten Vibrationen zu maximieren. Durch bündiges Ausrichten der piezoelektrischen Elemente 33 mit einem Ende des elastischen Teils 31, wie in 2 dargestellt, können die im anderen Ende des elastischen Teils 31 erzeugten Vibrationen maximiert werden.
Obwohl in dieser ersten Ausführungsform das elastische Teil 31 einen viereckigen Querschnitt aufweist, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt, und es ist möglich, ein elastisches Teil 31 mit einem beliebigen Querschnitt zu verwenden, welches in der Längsrichtung bzw. der Biegerichtung unter Ausnutzung der Vibration der piezoelektrischen Elemente 33 vibrieren kann. Beispielsweise ist es auch möglich, ein elastisches Teil mit einem achteckigen Querschnitt zu verwenden, wobei die auf den jeweiligen Seiten des elastischen Teils vorgesehenen piezoelektrischen Elemente mit entgegen gesetzten Polarisationsrichtungen versehen sind.
Alle piezoelektrischen Elemente 33 weisen dieselbe Größe auf und sind mittels Epoxidharz oder dergleichen jeweils auf einer Seite des elastischen Teils 31 befestigt. Die Länge der piezoelektrischen Elemente 33 entspricht der halben Länge des elastischen Teils 31. Wenn die piezoelektrischen Elemente 33 wie in 2 dargestellt, jeweils an einer Seite des elastischen Teils 31 befestigt werden, dann bildet der Querschnitt der vier zusammengesetzten piezoelektrischen Elemente 33 ein Viereck. Die Dicke der piezoelektrischen Elemente 33 wird in Abhängigkeit von der Größe und Form der piezoelektrischen Elemente 33 festgelegt.
Die piezoelektrischen Elemente 33 werden aus einem Material, welches dem piezoelektrischen Effekt unterliegt, gebildet (also aus einem piezoelektrischen Material). Geeignete Beispiele dafür sind keramische Stoffe auf PZT-Basis oder PbTiO3-Basis und dergleichen. Geeignete Beispiele für keramische Stoffe auf PZT-Basis umfassen PZT sowie Pb(Nil/3Nb2/3)O3-Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3-Keramiken. Die piezoelektrischen Elemente 33 haben einzigartige Vibrationseigenschaften, wobei eine starke Vibration erzeugt wird, wenn die Frequenz des elektrischen Signals, welches in die piezoelektrische Elemente 33 gegeben wird, mit der charakteristischen Frequenz bzw. der Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Elements übereinstimmt.
Eine leitfähige Elektrode (nicht dargestellt) ist auf der einen Seite der piezoelektrischen Elemente 33 befestigt, und ein elektrisches Signal wird dieser Elektrode zugeführt. Auf einer Seite der piezoelektrischen Elemente 33 ist ein polierter Abschnitt 5 ausgebildet, welcher durch mechanische Bearbeitung oder dergleichen angeschnitten bzw. abgekantet ist. Somit werden Kurzschlüsse zwischen den Elektroden von jeweils aneinandergrenzenden piezoelektrischen Elementen 33 verhindert.
3 ist eine schematische Darstellung der Polarisationsrichtungen der piezoelektrischen Elemente 33 in einem piezoelektrischen Vibrator 30 nach der ersten Ausführungsform der Erfindung.
Wie in 3 dargestellt, ist ein Paar der piezoelektrischen Elemente 33, welches auf gegenüberliegenden Seiten des elastischen Teils 31 befestigt ist, in derselben Richtung po larisiert, um bei Anlegen eines elektrischen Signals eine Vibration in Biegerichtung zu erzeugen. Das andere Paar von piezoelektrischen Elementen 33, welche auf gegenüberliegenden Seiten des elastischen Teils 31 befestigt sind, ist in entgegen gesetzten Richtungen polarisiert, um bei Anlegen eines elektrischen Signals eine Vibration in Längsrichtung zu erzeugen. Elektrische Signale mit einer Phasendifferenz von 90° werden jeweils in die einzelnen Paare von piezoelektrischen Elementen eingegeben. Z.B. kann dem Paar von piezoelektrischen Elementen, die in derselben Richtung polarisiert sind, eine Spannung mit der Frequenz sin ωt (wobei ω die Winkelfrequenz darstellt) zugeführt werden, wohingegen eine Spannung mit der Frequenz cos ωt (wobei ω die Winkelfrequenz darstellt) dem Paar von piezoelektrischen Elementen, die in entgegen gesetzten Richtungen polarisiert sind, zugeführt werden kann.
Wie in 3 dargestellt ist, weisen die piezoelektrischen Elemente 33 eine einzige Polarisationsrichtung auf, anders als bei dem herkömmlichen piezoelektrischen Element 13, was den Vorteil mit sich bringt, dass die piezoelektrischen Elemente einfach und mit geringen Kosten hergestellt werden können. Ferner kann, wie im Folgenden beschrieben wird, die Stärke der Vibration erhöht werden, da alle der piezoelektrischen Elemente 33 während der Vibration des piezoelektrischen Vibrators 30 erregt werden.
4 ist ein Graph, der die Admittanzen der piezoelektrischen Elemente in Abhängigkeit von der Frequenz der einem piezoelektrischen Vibrator 30 nach der ersten Ausführungsform zugeführten Signale darstellt. Hierbei ist das elastische Teil 31 aus Messing gefertigt, mit einer Länge von 8,0 mm und einem quadratischen Querschnitt mit einer Länge von 0,7 mm auf jeder Seite. Die piezoelektrischen Elemente haben eine Länge von 4,0 mm, eine Breite von 1,0 mm und eine Dicke von 0,3 mm. In 4 stellt die waagerechte Achse die Frequenz der den piezoelektrischen Elementen 33 zugeführten Signale dar und die senkrechte Achse stellt die Admittanz in S=A/V[Siemens] dar. In 4 stellt die eine der überlappenden Kurven, die zwei Spitzen bei 110 kHz und 200 kHz aufweist, die mit einem Impedanz-Analysator gemessene Admittanz für ein Paar von piezoelektrischen Elementen dar, die in entgegen gesetzten Richtungen polarisiert sind, wobei die Spitzen die zweiten und dritten Biege-Moden darstellen, wobei die andere überlappende Kurve mit einer einzigen Spitze bei ungefähr 200 kHz die Admittanz des anderen Paars von piezoelektrischen Elementen, welche in der gleichen Richtung polarisiert sind, darstellt, wobei die einzelne Spitze die erste Längs-Mode darstellt. Die oberhalb der zwei überlappenden Kurven gelegene Kurve ist die Gesamtadmittanz des Vibrators, wobei die erste Längs-Mode und die dritte Biege-Mode bei etwa 200 kHz kombiniert werden.
Je größer die Admittanz des piezoelektrischen Elements 33 ist, also je geringer die Impedanz der piezoelektrischen Elemente ist, umso größer ist die Vibration der piezoelektrischen Elemente 33. Wie aus 4 ersichtlich, steigen die Admittanzen der piezoelektrischen Elemente 33 bei bestimmten Frequenzen drastisch an, wobei diese Frequenzen, bei denen die Vibrationen der piezoelektrischen Elemente 33 drastisch ansteigen, die Resonanzfrequenzen sind.
Die folgende Tabelle 1 wurde unter Verwendung der ATILA^TM-Software erstellt, um die Resonanzfrequenzen (Fr), an welchen die Admittanzen drastisch ansteigen, die Gegenresonanzfre quenzen, die elektromechanische Kopplung und die Vibrationsrichtungen in 4 darzustellen.
Tabelle 1
Wie in 4 und Tabelle 1 dargestellt, vibriert der piezoelektrische Vibrator 30 nach der ersten Ausführungsform in Biegerichtung stark bei Resonanzfrequenzen von Fr=36307,5, 119642 und 199335 (Hz), und vibriert stark in Längsrichtung bei Fr=198706 (Hz). Da der Frequenzbereich für die dritten Biegevibrationen und die ersten Längsvibrationen sehr ähnlich ist, werden elektrische Signale dieser Frequenz den piezoelektrischen Elementen 31 zugeführt, um die Vibration zu erzeugen.
Da hierbei der Frequenzbereich für die dritten Biegevibrationen und die ersten Längsvibrationen sehr ähnlich ist, vibrieren die piezoelektrischen Elemente 31 gleichzeitig in Biegerichtung und in Längsrichtung. Da ferner die elektromechanische Kopplung am größten ist bei den dritten Biegevibrationen und den ersten Längsvibrationen, tritt eine maximale mechanische Vibration bei elektrischen Signalen derselben Größe auf. Die elektromechanische Kopplung stellt dabei die Umsetzungsrate zwischen elektrischer und mechanischer Energie dar, und man kann sagen, dass eine große elektromechanische Kopplung vorliegt, wenn eine große mechanische Ausgangsgröße (z.B. Versatz) bei einer gegebenen elektrischen Eingangsgröße erzeugt wird.
5 ist eine Darstellung der Längsvibrationen des piezoelektrischen Vibrators 30 nach der ersten Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung der ATILA^TM-Software, und die 6a und 6b sind Graphen, welche die Biegevibrationen des piezoelektrischen Vibrators 30 darstellen.
Wenn dem piezoelektrischen Vibrator 30 ein elektrisches Signal zugeführt wird, dann vibriert das elastische Teil 33 in Längsrichtung (Ll) durch wiederholtes Ausdehnen und Zusammenziehen, wie in 5 dargestellt. Die durch die ATILA^TM-Software ermittelte Frequenz beträgt hierbei Fr=198706 (Hz). Wenn eine Frequenz von Fr=199335 (Hz) zugeführt wird, dann übt das elastische Teil 33 eine B3-Biegebewegung mit drei Biegungen bzw. Knicken aus, wie in den 6a und 6b dar gestellt. Aufgrund der Kombination der L1-Längsvibrationen und der B3-Biegevibrationen vibriert das eine Ende des elastischen Teils 31 in einer elliptischen Bahn.
Im piezoelektrischen Vibrator 30 nach der ersten Ausführungsform der Erfindung vibrieren bei Anlegen eines elektrischen Signals alle piezoelektrischen Elemente 33, im Unterschied zu den herkömmlichen piezoelektrischen Elementen, so dass nicht nur die Vibration verstärkt werden kann, sondern auch das Volumen des piezoelektrischen Vibrators verkleinert werden kann.
7 ist eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Vibrators 40 nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Wie in 7 dargestellt, umfasst der piezoelektrische Vibrator 40 nach der zweiten Ausführungsform erste piezoelektrische Elemente 41 mit einem Paar von piezoelektrischen Elementen 41a, 41b derselben Größe, und zweite piezoelektrische Elemente 43 mit einem Paar von piezoelektrischen Elementen 43a, 43b, die kürzer sind als die ersten piezoelektrischen Elemente 41.
Die ersten piezoelektrischen Elemente 41 sind durch Stapeln eines Paars identischer piezoelektrischer Elemente 41a, 41b gebildet. Die ersten piezoelektrischen Elemente 41 sind aus demselben piezoelektrischen keramischen Stoff, wie die piezoelektrischen Elemente 33 der ersten oben beschriebenen Ausführungsform gefertigt. Eine leitfähige Elektrode (nicht dargestellt) ist zwischen den ersten piezoelektrischen Elementen 41 gebildet und speist elektrische Signale von einer außerhalb liegenden Signalquelle in die ersten piezoelektrischen Elemente 41. Die Befestigungsoberfläche der ersten piezoelektrischen Elemente 41 ist auf Masse gelegt. Ein Ende der piezoelektrischen Elemente 41 ist in Kontakt mit dem zu vibrierenden Objekt (nicht dargestellt) und überträgt mittels Längsvibrationen und Biegevibrationen Antriebskraft an das zu vibrierende Objekt.
Die zweiten piezoelektrischen Elemente 43 sind als Paar von identischen piezoelektrischen Elementen 43a, 43b ausgebildet, die jeweils mittels Epoxidharz oder dergleichen an einer Oberfläche der ersten piezoelektrischen Elemente 41a, 41b befestigt sind. Im piezoelektrischen Vibrator 40 nach der zweiten Ausführungsform ist ein Ende der zweiten piezoelektrischen Elemente 43 bündig mit einem Ende der ersten piezoelektrischen Elemente 41 angeordnet. Ähnlich zum elastischen Teil 31 der ersten Ausführungsform vibriert somit auch nur ein Ende der ersten piezoelektrischen Elemente 41 und überträgt eine Vibrationskraft an das zu vibrierende Objekt.
Die zweiten piezoelektrischen Elemente 43 sind aus einem piezoelektrischen keramischen Stoff gebildet und weisen dieselbe Dicke und Breite wie die ersten piezoelektrischen Elemente 41 auf. Dadurch, dass die zweiten piezoelektrischen Elemente 43 mit der halben Länge der ersten piezoelektrischen Elemente 41 versehen werden, können die Vibrationen maximiert werden.
Leitfähige Elektroden (nicht dargestellt) sind an den oberen und unteren Oberflächen der zweiten piezoelektrischen Elemente 43 gebildet, um elektrische Signale von einer externen Signalquelle an die zweiten piezoelektrischen Elemente 43 zu übertragen.
8 ist eine schematische Darstellung der Polarisationsrichtungen der piezoelektrischen Elemente 41, 43 im piezoelektrischen Vibrator 40 nach der zweiten Ausführungsform der Erfindung. Wie in 8 dargestellt ist, sind die ersten piezoelektrischen Elemente 41 in entgegen gesetzten Richtungen polarisiert, wohingegen die zweiten piezoelektrischen Elemente 43 in derselben Richtung polarisiert sind. Wenn elektrische Signale mit einer Phasendifferenz von 90° in die ersten piezoelektrischen Elemente 41 und die zweiten piezoelektrischen Elemente 43 gegeben werden, dann lassen die ersten piezoelektrischen Elemente 41 den gesamten Statorkörper in Längsrichtung vibrieren, wobei gleichzeitig die zweiten piezoelektrischen Elemente 43 den Statorkörper in der Biegerichtung vibrieren lassen. Durch die Kombination der Längsvibrationen und Biegevibrationen vibrieren somit beide Enden der ersten piezoelektrischen Elemente 41 in einer elliptischen Bahn. Die 9a und 9b sind Graphen, die unter Verwendung der ATILA^TM-Software die Vibrationen des piezoelektrischen Vibrators nach der zweiten Ausführungsform der Erfindung darstellen. Wie in den 9a und 9b dargestellt, kann der piezoelektrische Vibrator 40 nach der zweiten Ausführungsform, wie auch derjenige der ersten Ausführungsform, L1-Längsvibrationen und B2-Biegevibrationen durchführen.
Es ist ersichtlich, dass die Herstellung der piezoelektrischen Elemente 41, 43 des piezoelektrischen Vibrators 40 nach der zweiten Ausführungsform einfacher ist, da jedes der piezoelektrischen Elemente 41a, 41b, 43a, 43b dieselbe Polarisationsrichtung aufweist. Da ferner die ersten piezoelektrischen Elemente 41 und die zweiten piezoelektrischen Elemente 43 gleichzeitig vibrieren, kann der piezoelektrische Vibrator eine einfache Struktur aufweisen, bei verbesserter Vibrationsleistung, wobei das Volumen des piezoelektrischen Vibrators 40 verkleinert werden kann. Ferner werden mit dem piezoelektrischen Vibrator 40 nach der zweiten Ausführungsform die Vibrationen lediglich durch die piezoelektrischen Elemente 41, 43 erzeugt, so dass eine hohe Effizienz und eine einfache Herstellung gewährleistet werden kann.
10 ist eine perspektivische Darstellung eines piezoelektrischen Vibrators 40' nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Wie in 10 dargestellt, umfasst der piezoelektrische Vibrator 40' nach der dritten Ausführungsform erste piezoelektrische Elemente 41' mit einem Paar von piezoelektrischen Elementen 41a', 41b' gleicher Größe, und zweite piezoelektrischen Elemente 43' mit einem Paar piezoelektrischer Elemente 43a', 43b', die kürzer sind als die ersten piezoelektrischen Elemente 41'.
Der Aufbau der ersten piezoelektrischen Elemente 41' und der zweiten piezoelektrischen Elemente 43' ist identisch zu dem der ersten piezoelektrischen Elemente 41 und der zweiten piezoelektrischen Elemente 43 der oben beschriebenen zweiten Ausführungsform. Der Unterschied zur zweiten Ausführungsform liegt darin, dass die zweiten piezoelektrischen Elemente 43' in der Mitte der ersten piezoelektrischen Elemente 41' angeordnet sind.
Die Mitte in Längsrichtung der zweiten piezoelektrischen Elemente 43' stimmt überein mit der Mitte in Längsrichtung der ersten piezoelektrischen Elemente 41'. Daher vibrieren beide Enden der ersten piezoelektrischen Elemente 41' in elliptischen Bahnen, wenn elektrische Signale in die ersten piezoelektrischen Elemente 41' und die zweiten piezoelektrischen Elemente 43' gegeben werden.
11 ist ein schematisches Diagramm, welches die Polarisationsrichtungen der piezoelektrischen Elemente 41', 43' im piezoelektrischen Vibrator 40' nach der dritten Ausführungs form der Erfindung darstellen. Wie in 11 dargestellt ist, sind die ersten piezoelektrischen Elemente 41' in entgegen gesetzten Richtungen polarisiert, wohingegen die zweiten piezoelektrischen Elemente 43' in derselben Richtung polarisiert sind, was auch den Polarisationsrichtungen der piezoelektrischen Elemente der zweiten Ausführungsform entspricht.
Die 12a und 12b illustrieren unter Verwendung der A-TILA^TM-Software die Vibrationen des piezoelektrischen Vibrators 40' nach der dritten Ausführungsform. Wie in den 12a und 12b dargestellt ist, unternimmt der piezoelektrische Vibrator 40' nach der dritten Ausführungsform L1-Längsvibrationen und B3-Biegevibrationen, wie auch die piezoelektrischen Vibratoren der oben beschriebenen ersten und zweiten Ausführungsformen. Die beiden Enden der ersten piezoelektrischen Elemente 41' vibrieren gleichzeitig in elliptischen Bahnen.
Es ist ersichtlich, dass die Herstellung der piezoelektrischen Elemente 41', 43' des piezoelektrischen Vibrators 40 nach der dritten Ausführungsform einfacher ist, da jedes der piezoelektrischen Elemente 41a', 41b', 43a', 43b' dieselbe Polarisationsrichtung aufweist. Da ferner die ersten piezoelektrischen Elemente 41' und die zweiten piezoelektrischen Elemente 43' gleichzeitig vibrieren, kann der piezoelektrische Vibrator eine einfache Struktur aufweisen, bei verbesserter Vibrationsleistung, wobei das Volumen des piezoelektrischen Vibrators 40' verkleinert werden kann. Ferner werden mit dem piezoelektrischen Vibrator 40' nach der dritten Ausführungsform die Vibrationen lediglich durch die piezoelektrischen Elemente 41', 43' erzeugt, so dass eine hohe Effizienz und eine einfache Herstellung gewährleistet werden kann.
13 ist eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Vibrators 50 nach einer vierten Ausführungsform der Erfindung. Der piezoelektrischen Vibrator 50 nach der vierten Ausführungsform umfasst identische piezoelektrische Elemente 51, die in mehreren Schichten aufeinander gestapelt sind, leitfähige Elektroden 53, die zwischen den piezoelektrischen Elementen 51 gebildet sind, und einen Vorsprung 55, der von einer Seite der piezoelektrischen Elemente 51 hervorragt.
Die piezoelektrischen Elemente 51 weisen jeweils dieselbe Größe auf und sind in mehreren Schichten aufeinander gestapelt. Die piezoelektrischen Elemente 51 sind aus demselben piezoelektrischen keramischen Stoff, wie die piezoelektrischen Elemente 33, 41, 41' der oben beschriebenen ersten bis dritten Ausführungsformen, gefertigt. Elektroden sind auf beiden Seiten der piezoelektrischen Elemente 51 gebildet und speisen elektrische Signale in die piezoelektrischen Elemente 51. Obwohl die in 13 dargestellten piezoelektrischen Elemente 51 in sieben Schichten gebildet sind, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt und es ist auch möglich, einen Stapel von sechs oder weniger bzw. acht oder mehr Schichten zu verwenden, je nach der Größe der piezoelektrischen Elemente 51, der gewünschten Vibrationsstärke, usw.
Der Vorsprung 55 ragt um eine vorbestimmte Länge von einer Seite der piezoelektrischen Elemente 51 nach außen. Aufgrund der Vibrationen der piezoelektrischen Elemente 51 in Längsrichtung und in Biegerichtung, vibriert der Vorsprung 55 in einer elliptischen Bahn. Da der Vorsprung 55 mit dem zu vibrierenden Objekt (nicht dargestellt) in Kontakt ist, wird das zu vibrierende Objekt durch den Vorsprung 55 vibriert.
Da der Vorsprung 55 die Antriebskraft unter Verwendung von Reibungskräften an das zu vibrierende Objekt überträgt, kann ein verschleißfestes Teil auf dem Vorsprung 55 gebildet sein. Das verschleißfeste Teil kann aus einer Reihe von Materialien gefertigt sein, die Glas-Materialien enthalten, wie z.B. Soda, Blei, Borate (z.B. Pyrex^TM), Kronglas, Flintstein, schwerer Flintstein, Quarzglas, usw. oder keramische Materialien, wie z.B. Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Siliziumkarbit, Siliziumnitrit, Wolframkarbit, Titankarbit, usw.
14 ist eine perspektivische Ansicht eines Beispiels der leitfähigen Elektroden 53 im piezoelektrischen Vibrator 50 nach der vierten Ausführungsform der Erfindung. Wie in 14 dargestellt ist, umfassen die Elektroden 53 eine obere Elektrode 53a, die auf der obersten Oberfläche der piezoelektrischen Elemente 51 gebildet ist, eine untere Elektrode 53b, die auf der untersten Oberfläche gebildet ist, sowie erste bis sechste innere Elektroden 53c1, 53c2, 53c3, 53c4, 53c5 und 53c6, die der Reihe nach auf den Oberflächen der piezoelektrischen Elemente 51 gestapelt sind.
Wie in 14 dargestellt ist, haben die obere Elektrode 53a und die zweite innere Elektrode 53c2 dasselbe Muster, und auch die erste innere Elektrode 53c1 und die dritte innere Elektrode 53c3 haben dasselbe Muster. Ferner weisen auch die vierte innere Elektrode 53c4 und die sechste innere Elektrode 53c6 dasselbe Muster auf und auch die fünfte innere Elektrode 53c5 und die untere Elektrode 53b weisen dasselbe Muster auf. Ferner haben die erste innere Elektrode 53c1 und die dritte innere Elektrode 53c3 ein Muster, das bezüglich der Längsrichtung und der Querrichtung der Elektroden symmetrisch zu dem der vierten inneren Elektrode 53c4 und der sechsten inne ren Elektrode 53c6 ist. Auch die obere Elektrode 53a und die zweite innere Elektrode 53c2 sind bezüglich der Längsrichtung und der Querrichtung der Elektroden symmetrisch zur unteren Elektrode 53b und zur fünften inneren Elektrode 53c5. Die obere Elektrode 53a, die untere Elektrode 53b und die ersten bis sechsten inneren Elektroden 53c1, 53c2, 53c3, 53c4, 53c5 und 53c6 werden verwendet, um die piezoelektrischen Elemente 51 zu polarisieren und um ihnen elektrische Signale zuzuführen. Die Elektroden 53 nach der vierten Ausführungsform sind nicht auf die in 14 gezeigten beschränkt, und es sollte offensichtlich sein, dass sie vom Fachmann in geeigneter Weise modifiziert werden können.
In die obere Elektrode 53a werden sin- und -sin-Signale gespeist, und in die untere Elektrode 53b werden cos- und -cos-Signale gespeist. Somit werden elektrische Signale mit vier Phasen in den piezoelektrischen Vibrator 50 nach der vierten Ausführungsform gespeist. Da sin, -sin, cos und -cos-Signale in die obere Elektrode 53a und die untere Elektrode 53b gespeist werden, kann eine Eingabe von elektrischen Signalen mit einer relativen Größe von 2 sin (oder 2 cos) erzielt werden.
15 ist ein schematisches Diagramm, welches die Polarisationsrichtungen der piezoelektrischen Elemente 51 im piezoelektrischen Vibrator 50 nach der vierten Ausführungsform darstellt. Wie in 15 dargestellt ist, sind alle benachbarten piezoelektrischen Elemente 51 in jeweils entgegen gesetzten Richtungen polarisiert. Ferner weist jedes der piezoelektrischen Elemente 51 genau eine Polarisationsrichtung auf.
Die 16a und 16b stellen unter Verwendung der ATILA^TM-Software die Vibrationen des piezoelektrischen Vibrators 50 nach der vierten Ausführungsform dar. Wie in den 16a und 16b gezeigt ist, vibriert der piezoelektrische Vibrator 50 nach der vierten Ausführungsform mit 265 kHz in Längsrichtung und vibriert mit 267 kHz in der B2-Mode in der Biegerichtung. Da die Bereiche des Frequenzbandes dieselben sind, vibriert der piezoelektrische Vibrator 50 also gleichzeitig in beide Richtungen.
Es ist ersichtlich, dass die Herstellung der piezoelektrischen Elemente einfacher ist, da alle piezoelektrischen Elemente 51 in jeder der Schichten des piezoelektrischen Vibrators 50 nach der vierten Ausführungsform eine gleichförmige Polarisationsrichtung aufweisen. Da weiterhin alle piezoelektrischen Elemente 51 gleichzeitig vibrieren, kann der piezoelektrische Vibrator eine einfache Struktur aufweisen, bei verbesserter Vibrationsleistung, während das Volumen des piezoelektrischen Vibrators 50 verringert werden kann.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die 17 bis 19 ein Ultraschallmotor 70 nach einer fünften Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
17 ist eine auseinander gezogene perspektivische Darstellung des Ultraschallmotors 70 nach der fünften Ausführungsform der Erfindung, und 18 ist eine perspektivische Ansicht, die den Ultraschallmotor 70 in 17 in seinem zusammengesetzten Zustand zeigt. 19 ist eine Querschnittsansicht des zusammengesetzten Ultraschallmotors der 17 und 18.
Wie in 17 dargestellt ist, enthält ein Ultraschallmotor 70 nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Gehäuse 71, einen piezoelektrischen Vibrator 80, der in das Gehäuse eingeführt ist, ein erstes Druckelement 73, welches gegen das hintere Ende des piezoelektrischen Vibrators 80 drückt, zweite Druckelemente 75, welche gegen die Gleiter 79a und 79b drücken, sowie eine flache Feder (oder Blattfeder) 77, welche gegen das erste Druckelement 73 drückt.
Im Gehäuse 71 sind der piezoelektrische Vibrator 80, das erste Druckelement 73, die zweiten Druckelemente 75, die flache Feder 77 und die Gleiter 79a, 79b untergebracht. Das Gehäuse 71 enthält einen Vibratorgehäuseabschnitt 715, in welchem der piezoelektrische Vibrator 80 eingeführt ist, Gleitereinschublöcher 713, die die Gleiter 79a, 79b halten, Passschlitze 717 für das erste Druckelement, in welche das erste Druckelement 73 eingeführt ist, Einschublöcher 711 für die zweiten Druckelemente, durch welche die zweiten Druckelemente 75 eingeführt sind, und Federeinschubschlitze 719, durch welche die flache Feder 77 eingeführt ist.
Der Vibratorgehäuseabschnitt 715 ist in der Mitte des Gehäuses 71 gebildet. Obwohl die beiden Enden des piezoelektrischen Vibrators 80 durch das Gehäuse 71 von der Außenseite isoliert sind, sind die anderen Teile nach außen exponiert. Der piezoelektrische Vibrator 80 wird in den Vibratorgehäuseabschnitt 715 eingeführt und dort fixiert. Die Gleitereinschublöcher 713 führen zum Vibratorgehäuseabschnitt 715.
Ein Teil der Gleiter 79a, 79b ist durch die Gleitereinschublöcher 713 eingeführt. Da der Durchmesser der Gleitereinschublöcher 713 etwas größer ist als der Durchmesser der Gleiter 79a, 79b, können die Gleiter 79a, 79b frei auf- und absteigen. Die Gleitereinschublöcher 713 führen zum Vibratorgehäuseabschnitt 715 und sind senkrecht zu den Einschublöchern 711 für die zweiten Druckelemente gebildet.
Die beiden Enden der zweiten Druckelemente 75a, 75b sind durch die Einschublöcher 711 für die zweiten Druckelemente eingeführt. Die Passschlitze 717 für das erste Druckelement sind an einem Ende des Gehäuses 71 in Längsrichtung ausgebildet und sind als nach einem Ende offene Schlitze ausgebildet. Das erste Druckelement 73 ist in die Passschlitze 717 für das erste Druckelement eingepasst, um gegen die Rückseite des in den Vibratorgehäuseabschnitt 715 eingeführten piezoelektrischen Elements 80 zu drücken. Die Federeinschubschlitze 719 sind in senkrechter Richtung im Gehäuse 71 ausgebildete Schlitze, und die in die Federeinschubschlitze 719 eingeführte flache Feder 77 drückt gegen das erste Druckelement 73.
Ein piezoelektrischer Vibrator 30, 40, 40', 50 nach einer der ersten bis vierten Ausführungsformen kann als piezoelektrischer Vibrator 80 verwendet werden. Ein Vorsprung 81 ist an einem Ende des piezoelektrischen Vibrators 80 ausgebildet, und dieser Vorsprung 81 bewegt die Gleiter 79a, 79b in senkrechter Richtung unter Verwendung von Reibungskräften. Der Aufbau des piezoelektrischen Vibrators 80 entspricht dem der ersten bis vierten Ausführungsformen, so dass eine detaillierte Erläuterung an dieser Stelle ausgelassen wird.
Die Gleiter 79 umfassen einen ersten Gleiter 79a, welcher durch die Gleitereinschublöcher 713 eingeführt wird, um den Vorsprung 81 des piezoelektrischen Elements 80 zu kontaktieren, sowie einen zweiten Gleiter 79b, welcher den ersten Gleiter 79a führt und eine Rotation desselben unterbindet. Da der erste Gleiter 79a wie in 19 dargestellt in Kontakt mit dem Vorsprung 81 des piezoelektrischen Vibrators 80 ist, bewegt er sich in senkrechter Richtung aufgrund der Vibrationen des Vorsprungs 81.
Das erste Druckelement 73 ist ein Stab mit einem kreisförmigen Querschnitt. Wie in 19 dargestellt ist, ist das erste Druckelement 73 in einem linienartigen Kontakt mit dem piezoelektrischen Vibrator 80. Somit kann das erste Druckelement 73 den piezoelektrischen Vibrator in exakt senkrechter Richtung drücken. Ein Herausfallen des ersten Druckelements 73 aus den Passschlitzen 717 für das erste Druckelement wird von der flachen Feder 77 verhindert.
Die zweiten Druckelemente 75 sind ebenfalls Stäbe mit kreisförmigem Querschnitt, die durch die Einschublöcher 711 für die zweiten Druckelemente eingeführt sind, und drücken den ersten Gleiter 79a wie in 19 dargestellt, gegen den piezoelektrischen Vibrator 80. Es können auch drei oder mehr zweite Druckelemente 75 vorgesehen werden. Die flache Feder 77 drückt das erste Druckelement 73 mit Elastizität gegen die Gleiter 79. Somit sind der Vorsprung 81 des piezoelektrischen Vibrators 80 und der erste Gleiter 79a stets in Kontakt.
Obwohl der Kern der Erfindung unter Bezugnahme auf konkrete Ausführungsformen im Detail beschrieben worden ist, dienen diese Ausführungsformen lediglich der Veranschaulichung und beschränken die vorliegende Erfindung nicht. Wie dem Fachmann offensichtlich sein sollte, können die beschriebenen Ausführungsformen geändert bzw. modifiziert werden, ohne vom Umfang und vom Kern der Erfindung abzuweichen.
Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, welche durch die obigen Ausführungsbeispiele dargestellt wurde, werden ein piezoelektrischer Vibrator und ein Ultraschallmotor mit dem piezoelektrischen Vibrator bereitgestellt, mit welchen die Produktionszeiten und -kosten verringert werden können, da es nicht notwendig ist, zwei Polarisationsprozesse vorzunehmen.
Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung werden ein piezoelektrischer Vibrator und ein Ultraschallmotor mit dem piezoelektrischen Vibrator bereitgestellt, mit denen ein Leistungsabfall aufgrund der Entpolarisierung der piezoelektrischen Elemente unterbunden wird.
Und nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung werden ein piezoelektrischer Vibrator und ein Ultraschallmotor mit dem piezoelektrischen Vibrator bereitgestellt, mit denen das Volumen verringert und die Vibrationsleistung verbessert wird.

Claims

Piezoelektrischer Vibrator, mit einem elastischen Teil mit viereckigem Querschnitt; und piezoelektrischen Elementen, welche an jeder Seite des elastischen Teils befestigt sind und bei Anlegen eines elektrischen Signals das elastische Teil in einer Längsrichtung und einer Biegerichtung vibrieren lassen; wobei die piezoelektrischen Elemente jeweils die selbe Größe aufweisen und kürzer sind als das elastische Teil.
Piezoelektrischer Vibrator nach Anspruch 1, wobei ein Paar von piezoelektrischen Elementen, die an gegenüber liegenden Seiten des elastischen Teils befestigt sind, in derselben Richtung polarisiert ist, und das andere Paar von piezoelektrischen Elementen in entgegen gesetzten Richtungen polarisiert ist.
Piezoelektrischer Vibrator nach Anspruch 1, wobei ein Ende der piezoelektrischen Elemente bündig mit einem Ende des elastischen Teils angeordnet ist.
Piezoelektrischer Vibrator nach Anspruch 1, wobei jeweils eine Kante der piezoelektrischen Elemente angeschnitten ist und die piezoelektrischen Elemente mit der Kante nach außen gerichtet angeordnet sind.
Piezoelektrischer Vibrator nach Anspruch 1, wobei das elastische Teil doppelt so lang ist wie die piezoelektrischen Elemente.
Piezoelektrischer Vibrator nach Anspruch 1, wobei jeweils Spannungen mit einer Phasendifferenz von 90° an das Paar von piezoelektrischen Elementen, die an gegenüber liegenden Seiten des elastischen Teils befestigt sind, und an das andere Paar von piezoelektrischen Elementen angelegt werden.
Piezoelektrischer Vibrator mit: einem Paar von ersten piezoelektrischen Elementen, die dieselbe rechteckige Spat-Form aufweisen und in entgegen gesetzten Richtungen polarisiert sind; einem Paar von zweiten piezoelektrischen Elementen, die dieselbe rechteckige Spat-Form aufweisen, jeweils an einer Oberfläche der ersten piezoelektrischen Elemente befestigt sind und in derselben Richtung polarisiert sind; wobei die ersten piezoelektrischen Elemente länger sind als die zweiten piezoelektrischen Elemente, und bei Anlagen von elektrischen Signalen die ersten piezoelektrischen Elemente in einer Längsrichtung vibrieren und die zweiten piezoelektrischen Elemente in einer Biegerichtung vibrieren.
Piezoelektrischer Vibrator nach Anspruch 7, wobei ein Ende der zweiten piezoelektrischen Elemente bündig mit einem Ende des elastischen Teils angeordnet ist.
Piezoelektrischer Vibrator nach Anspruch 7, wobei jedes der zweiten piezoelektrischen Elemente an der Mitte der ersten piezoelektrischen Elemente befestigt ist.
Piezoelektrischer Vibrator nach Anspruch 7, wobei die ersten piezoelektrischen Elemente doppelt so lang sind wie die zweiten piezoelektrischen Elemente.
Piezoelektrischer Vibrator nach Anspruch 7, wobei jeweils Spannungen mit einer Phasendifferenz von 90° an die ersten piezoelektrischen Elemente und die zweiten piezoelektrischen Elemente angelegt werden.
Piezoelektrischer Vibrator mit: mehreren Schichten von piezoelektrischen Elementen mit einer Polarisationsrichtung; leitfähige Elektroden, die auf beiden Oberflächen der piezoelektrischen Elemente gebildet und miteinander verbunden sind; und einem Vorsprung, der auf einer Seite der piezoelektrischen Elemente gebildet ist; wobei benachbarte Elektroden in jeweils entgegen gesetzte Richtungen polarisiert sind und die Elektroden miteinander verbunden sind.
Piezoelektrischer Vibrator nach Anspruch 12, wobei vierphasige elektrische Signale an die leitfähigen Elektroden angelegt werden.
Ultraschallmotor mit einem piezoelektrischen Vibrator nach einem der Ansprüche 1 bis 13, mit: einem Gehäuse, in welchem der piezoelektrische Vibrator untergebracht ist; einem Gleiter, der in dem Gehäuse angeordnet ist und in vertikaler Richtung verschoben werden kann, und in Kontakt mit dem piezoelektrischen Vibrator bewegt werden kann; einem ersten Druckelement, welches den piezoelektrischen Vibrator gegen den Gleiter drückt; und ein zweites Druckelement, welches den Gleiter gegen den piezoelektrischen Vibrator drückt.
Ultraschallmotor nach Anspruch 14, wobei das erste Druckelement einen kreisförmigen Querschnitt aufweist und mittels einer in das Gehäuse eingeführten flachen Feder gegen den Gleiter gedrückt wird.
Ultraschallmotor nach Anspruch 15, wobei das Gehäuse aufweist: ein Vibratorgehäuseabschnitt, in welchen der piezoelektrische Vibrator eingeführt ist; Gleitereinschublöcher, die zum Vibratorgehäuseabschnitt führen und durch welche die Gleiter eingeführt sind; Passschlitze für das erste Druckelement, die mit einer vorbestimmten Tiefe an einem Ende des Gehäuses gebildet sind, und in die das erste Druckelement eingeführt ist, um ein Ende des piezoelektrischen Vibrators zu kontaktieren; Einschublöcher für das zweite Druckelement, welche senkrecht zu den Gleitereinschublöchern gebildet sind und durch welche das zweite Druckelement eingeführt ist, um den Gleiter zu kontaktieren; und Federeinschubschlitze, welche senkrecht zu den Passschlitzen für das erste Druckelement gebildet sind und durch welche eine flache Feder eingeführt ist, um das erste Druckelement zu kontaktieren.