JP2006174680A - Oscillator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超音波モータ等を駆動する振動子に関する。 The present invention relates to a vibrator for driving an ultrasonic motor or the like.
従来、板状の振動子を振動(以下、断らない限り振動は板状振動子の面内振動を指す)させることによって駆動する超音波モータが知られている。このような超音波モータを適用した鏡筒駆動装置が開示されている(特許文献1)。この鏡筒駆動装置においては、孔開き円板振動子の膨張収縮する対称振動(R、1)モードと非対称振動(1、1)モードとを用いて円板の外周上の1点を楕円運動させ、レンズの光軸と同軸に回転する回転体に対して孔開き円板振動子の楕円運動する点を光軸と平行な方向から加圧して回転体を回転させ、この回転を螺子機構により光軸方向の直進運動に変換して、レンズを光軸方向に移動させることが可能である。 2. Description of the Related Art Conventionally, there is known an ultrasonic motor that is driven by vibrating a plate-like vibrator (hereinafter, unless otherwise noted, vibration refers to in-plane vibration of the plate-like vibrator). A lens barrel drive device to which such an ultrasonic motor is applied is disclosed (Patent Document 1). In this lens barrel driving device, an elliptical motion is performed on one point on the outer periphery of the disk by using a symmetrical vibration (R, 1) mode and an asymmetric vibration (1, 1) mode in which the perforated disk vibrator expands and contracts. The point of elliptical movement of the perforated disk vibrator is pressed from the direction parallel to the optical axis against the rotating body that rotates coaxially with the optical axis of the lens, and the rotating body is rotated. It is possible to move the lens in the optical axis direction by converting it into a linear motion in the optical axis direction.
また、上述の孔開き円板振動子の対称振動(R、1)モードと非対称振動(1、1)モードとを用いてリニアモータを駆動することが開示されている(非特許文献1)。このリニアモータにおいては、孔開き円板振動子の1直径上の外周に設けた2点の接触部を半径方向の放射状伸縮と同じ方向の接線変位とを重ねて回転方向が互いに反対の楕円運動を行わせ、移動体に設けられたガイドを2点の接触部に向けて加圧して、移動体に接線方向の駆動力を与えることにより、移動体を直線駆動するものである。 Further, it is disclosed that the linear motor is driven using the symmetric vibration (R, 1) mode and the asymmetric vibration (1, 1) mode of the above-described perforated disk vibrator (Non-patent Document 1). In this linear motor, elliptical motions whose rotational directions are opposite to each other by overlapping two contact portions provided on the outer circumference on one diameter of the perforated disk vibrator with tangential displacement in the same direction as radial expansion and contraction in the radial direction. In this way, the guide provided on the moving body is pressurized toward the two contact portions, and a driving force in the tangential direction is applied to the moving body to linearly drive the moving body.
一般に超音波モータにおいては、振動子を共振状態にして駆動することにより出力を大きくしており、楕円運動させる場合は略直交する2つの振動の共振周波数を一致させることが実用上必要である。孔開き円板振動子では対称振動(R、1)モードと非対称振動(1、1)モードの共振周波数を一致させるために、所定の直径の孔が円板の中央に設けられる。 In general, in an ultrasonic motor, the output is increased by driving the vibrator in a resonance state, and it is practically necessary to match the resonance frequencies of two vibrations that are substantially orthogonal to each other when elliptically moving. In the perforated disk vibrator, a hole having a predetermined diameter is provided in the center of the disk in order to match the resonance frequencies of the symmetric vibration (R, 1) mode and the asymmetric vibration (1, 1) mode.
このような孔開き円板振動子は低い次数の面内振動モードを用いているため電極の位置誤差に影響されにくく、安定した振動を得ることが出来、上述のように直径上の外周2点で相手部材を同方向に駆動できるため、(非特許文献1)に開示されたリニアモータ等に適用するのに好適な振動子である。 Since such a perforated disk vibrator uses a low-order in-plane vibration mode, it is less affected by the position error of the electrode and can obtain a stable vibration. Therefore, since the counterpart member can be driven in the same direction, the vibrator is suitable for application to the linear motor disclosed in (Non-Patent Document 1).
しかし、回転体や移動体を加圧する際に、孔の内側に比較的大きな円周方向引張り応力が作用する。従って、例えばPZT等の圧電セラミックを振動発生部材に用いる場合に、圧電セラミックの引張り強度が弱いため、振動子から回転体等に対して強い押圧力を加えることが出来なかった。押圧力が弱いと振動子と回転体等との摩擦力も小さくなり、駆動力を大きくすることが出来なかった。
したがって、本発明では、引張り応力に強く、かつ、伸縮する両端において互いに反対方向の楕円運動を発生する振動子の提供を目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a vibrator that is resistant to tensile stress and generates elliptical motions in opposite directions at both ends that expand and contract.
本発明の振動子は、振動子の中央から第1方向に沿って両側に延び最先端において第1方向と垂直な第2方向に平行な辺部を有する第1、第2突出部と、中央から第2方向に沿って両側に延びる第3、第4突出部とを備え、第1、第2電極にそれぞれ位相の異なる交流電圧を印加することにより、振動することを特徴としている。このような構成によれば、振動子に孔を設けることなく、第1、第2突出部を互いに反対方向に楕円運動させることが可能である。 The vibrator according to the present invention includes first and second protrusions having sides parallel to a second direction perpendicular to the first direction extending from the center of the vibrator to both sides along the first direction. The third and fourth protrusions extending on both sides along the second direction from the first to the second electrodes, and are vibrated by applying alternating voltages having different phases to the first and second electrodes, respectively. According to such a configuration, the first and second protrusions can be elliptically moved in directions opposite to each other without providing a hole in the vibrator.
また、第1、第2電極の間にさらに電極が設けられることが好ましい。 Moreover, it is preferable that an electrode is further provided between the first and second electrodes.
また、第3、第4突出部が中央から第2方向にそって延びるにつれて幅が小さくなることが好ましい。また、第1突出部が辺部と第1方向に平行な2つの辺によって形成されることが好ましい。更に、第1突出部の先端部と第2突出部の先端部との間隔より第3突出部の先端部と第4突出部の先端部との間隔の方が短いことが好ましい。このような構成により、振動子の第2方向の寸法及び後述するように支持部材を含めた第2方向の寸法を小さくすることが出来る。 Moreover, it is preferable that a width | variety becomes small as a 3rd, 4th protrusion part extends along a 2nd direction from the center. Moreover, it is preferable that a 1st protrusion part is formed of two sides parallel to a side part and a 1st direction. Furthermore, it is preferable that the distance between the tip of the third protrusion and the tip of the fourth protrusion is shorter than the distance between the tip of the first protrusion and the tip of the second protrusion. With such a configuration, it is possible to reduce the size in the second direction of the vibrator and the size in the second direction including the support member as described later.
また、第1、第2電極の間に第3電極を備え、前記第3電極に前記第1、第2電極のいずれか一方に印加される交流電圧とは位相が90°、他方に印加される交流電圧とは位相が−90°異なる交流電圧が印加されることが好ましい。このような構成により、第1の振動モードを中央の電極である第3電極で駆動し、第2の振動モードを最も外側にある2つの電極、第1、第2電極で駆動することによりそれぞれの電極を簡単な回路で構成することが可能になる。 Further, a third electrode is provided between the first and second electrodes, and the phase of the AC voltage applied to one of the first and second electrodes is 90 ° and the other is applied to the other. It is preferable to apply an AC voltage whose phase is -90 ° different from that of the AC voltage. With such a configuration, the first vibration mode is driven by the third electrode as the center electrode, and the second vibration mode is driven by the two outermost electrodes, the first and second electrodes, respectively. These electrodes can be configured with a simple circuit.
また、第3、第4突出部のそれぞれが圧電体振動子が備えられる圧電体振動子支持体に圧電体振動子を支持するための第1、第2支持部材を有し、第1支持部材には圧電体振動子と第1支持部材とを連結する第1連結点が圧電体振動子の第2方向への振動が最も大きくなる点である振動中心を通る直線であって第2方向に平行な直線から外れる位置に設けられ、第2支持部材には圧電体振動子と第2支持部材とを連結する第2連結点が、振動中心を通る第2方向に平行な直線から外れる位置に設けられることが好ましい。 Each of the third and fourth protrusions includes first and second support members for supporting the piezoelectric vibrator on a piezoelectric vibrator support body provided with the piezoelectric vibrator, and the first support member The first connecting point for connecting the piezoelectric vibrator and the first support member is a straight line passing through the vibration center, which is the point where the vibration in the second direction of the piezoelectric vibrator is the largest, and in the second direction. Provided at a position deviating from the parallel straight line, the second support member connecting the piezoelectric vibrator and the second support member to the second support member at a position deviating from the straight line parallel to the second direction passing through the vibration center. It is preferable to be provided.
また、第1、第2突出部と第1、第2電極とを有し交流電圧を印加することにより振動する板状の振動体と、振動体と密着し第1方向に沿って第1、第2突出部より外側に延びる調整部を有する弾性板部材とを備えることが好ましく、弾性板部材の第1方向に沿った両端が第2方向と平行に形成されることが好ましい。さらに、弾性板部材には、第1方向に沿った両端から外側に突出する接触部が設けられることが好ましい。 Further, a plate-like vibrating body having first and second projecting portions and first and second electrodes and vibrating by applying an AC voltage, and a first and It is preferable to provide an elastic plate member having an adjustment portion extending outward from the second protrusion, and it is preferable that both ends of the elastic plate member along the first direction are formed in parallel with the second direction. Furthermore, the elastic plate member is preferably provided with a contact portion that protrudes outward from both ends along the first direction.
また、第1〜第4突出部を有する弾性板部材と、第1方向の長さが第2方向の幅より長く形成され弾性板部材に密着し第1、第2電極を有し交流電圧を印加することにより振動する板状の振動体とを備えることが好ましい。このような構成により、第1方向への伸縮振動の振幅を大きくすることが可能になる。 In addition, the elastic plate member having the first to fourth projecting portions, the length in the first direction is longer than the width in the second direction, the first and second electrodes are in close contact with the elastic plate member, and an AC voltage is applied. It is preferable to include a plate-like vibrating body that vibrates when applied. With such a configuration, it is possible to increase the amplitude of the stretching vibration in the first direction.
さらに、振動体が第1方向及び第2方向に平行な辺を有する矩形であることが好ましい。 Furthermore, the vibrating body is preferably a rectangle having sides parallel to the first direction and the second direction.
また、本発明の振動子の共振周波数調整方法は、振動子における弾性板部材の第1方向に沿った両端の一方或いは両方の一部を除去することを特徴としている。さらに、弾性板部材の第1方向に沿った両端の一方或いは両方の一部が第2方向と平行に除去されることが好ましい。 In addition, the resonance frequency adjusting method for a vibrator according to the present invention is characterized in that one or both of both ends along the first direction of the elastic plate member in the vibrator are removed. Furthermore, it is preferable that one or both of both ends along the first direction of the elastic plate member are removed in parallel with the second direction.
本発明によれば、低次数の振動モードで振動する圧電体振動子において、孔を設けることなく中心から延びる両端部において互いに反対方向の楕円運動を大きな駆動力で発生させることが可能となる。 According to the present invention, in a piezoelectric vibrator that vibrates in a low-order vibration mode, elliptical motions in opposite directions can be generated with a large driving force at both ends extending from the center without providing a hole.
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態を適用した圧電体振動子の正面図である。図2は圧電体振動子の側面図である。圧電体振動子10は、板状の圧電素子20、20、及び金属板であるシム30により構成される。シム30は、厚さ方向に分極した板状の圧電素子20、20により挟持される。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a front view of a piezoelectric vibrator to which the first embodiment of the present invention is applied. FIG. 2 is a side view of the piezoelectric vibrator. The
圧電素子20、20には、圧電素子20、20の中央から面上の第1方向D1に沿って両側に延びる第1突出部21a、及び第2突出部21bが形成される。第1突出部21a、及び第2突出部21bは、第1方向D1に平行な2辺、及び第1方向D1に垂直な第2方向D2に平行な辺部22によって矩形に形成される。辺部22は圧電素子20、20の中央から第1方向D1に沿った最先端に位置する。
The
圧電素子20、20には、第2方向D2に沿って両側に延びる第3突出部21c、及び第4突出部21dが形成される。第3、第4突出部21c、21dは、第2方向D2に沿って外側に延びるにつれて幅がテーパ状に小さくなるように形成される。圧電素子20、20は第1方向D1、及び第2方向D2に線対称である。テーパの長さや角度を調整することにより、周波数の調節が可能となる。
The
圧電素子20、20の表面には、電極が設けられる。電極は第2方向D2に沿って2つに分割され、第1電極23a、及び第2電極23bが形成される。第1、第2電極23a、23bには位相の異なる交流電圧が印加される。
Electrodes are provided on the surfaces of the
シム30には、第1接触部31a、第2接触部31b、第1支持部32a、及び第2支持部32bが形成される。第1接触部31a、第2接触部31bはそれぞれ第1突出部21a、第2突出部21bから更に第1方向D1に沿って外側に延ばされる。
The
圧電素子20、20、及びシム30は、それぞれ第1、第2方向D1、D2に略対称となるように形成される。従って、圧電体振動子10全体として、第1、第2方向D1、D2に略対称となる。このような形状によれば、安定した振動を発生させることが可能となる。
The
一例として、上述の圧電体振動子10において、シム30をステンレス鋼、圧電素子20をPZTとした場合、第1突出部21a先端から第2突出部21b先端までの幅(図1符号E参照)、第3突出部21c先端から第4突出部21d先端までの幅(図1符号A参照)、第1、第2突出部21a、21bの先端の幅(図1符号B参照)、第3、第4突出部21c、21dの先端の幅(図1符号F参照)をそれぞれ8.1:8:4:1.7の比となるように形成することにより、2つのモードの共振周波数を一致させることが可能である。
As an example, when the
図3は、本実施形態の圧電体振動子を備えた超音波モータ50の断面を示す図である。図3に示すように、第1、第2接触部31a、31bがそれぞれロータ52、52に当接される。このような構成により、圧電素子が直接ロータ52、52に当接する事を防ぎ、圧電体振動子全体の耐久性が向上する。
FIG. 3 is a view showing a cross section of an
第1、第2支持部32a、32bは、腕部33と脚部34を有するT字形に形成される。脚部34は第2方向D2と平行で、第3、第4突出部21c、21dから外側に延び、腕部33は第1方向D1に平行となるように配置される。腕部33には、圧電体振動子10の厚さ方向に孔が設けられる。孔に雄螺子を挿通して、圧電体振動子が備えられる圧電体振動子支持体である超音波モータ50に、螺着することにより、圧電体振動子10は超音波モータ50に支持される。
The first and
図1に示すように、第1支持部32aに設けられる孔35a(第1連結点)、及び第2支持部32bに設けられる孔35b(第2連結点)は、後述する第2方向D2への屈曲振動が最も大きくなる振動中心Cを通り第2方向D2に平行な直線から外れる位置に設けられる。
As shown in FIG. 1, a
圧電体振動子10と、第1、第2支持部32a、32bの第2方向D2への剛性の和との比の平方根を2×πで除した値が印加される交流電圧の周波数に一致させるように、腕部33の長さが定められる。
The value obtained by dividing the square root of the ratio of the
上述のように腕部33の長さを定めることにより、印加される交流電圧の周波数における第1、第2支持部32a、32bの第2方向への剛性が十分小さくなり、圧電体振動子10の共振が第1、第2支持部32a、32bによって損なわれることを防止することが可能である。
By determining the length of the
図4は第1の実施形態を適用した圧電体振動子10を駆動する駆動回路を示すブロック図である。駆動回路40は、発振部41、移相部L42、移相部F43、第1増幅部44a、第2増幅部44b、第1加算部45a、及び第2加算部45bによって構成される。
FIG. 4 is a block diagram showing a drive circuit for driving the
発振部41は移相部L42、及び移相部F43に接続される。移相部L42は第1増幅部44aに、移相部F43は第2増幅部44bに接続される。第1加算部45a、及び第2加算部45bは、ともに第1増幅部44a、及び第2増幅部44bに接続される。第1加算部45aは圧電体振動子10の第1電極23aに、第2加算部45bは第2電極23bに接続される。
The oscillation unit 41 is connected to the phase shift unit L42 and the phase shift unit F43. The phase shifter L42 is connected to the
発振部41において交流電圧が発生して、移相部L42、及び移相部F43に印加される。発振部41において発生した交流電圧の位相は、移相部L42において第1方向D1に圧電体振動子10を伸縮振動させるための信号となるように変えられ、その電圧はsinωtとなる。また、発振部41において発生した交流電圧の位相は、移相部F43において第2方向D2に圧電体振動子を屈曲振動させるための信号となるように変えられ、電圧はcosωtとなる。
An alternating voltage is generated in the oscillating unit 41 and applied to the phase shift unit L42 and the phase shift unit F43. The phase of the AC voltage generated in the oscillating unit 41 is changed to become a signal for causing the
移相部L42、及び移相部F43の出力端におけるそれぞれの電圧sinωt、cosωtは第1増幅部44a、及び第2増幅部44bにより所定の増幅率A、Bにより増幅され、Asinωt、Bcosωtとなる。なお、第1増幅部44a、及び第2増幅部44bはそれぞれ振幅制御部46に接続され、振幅制御部46により増幅率A、Bの設定が行われる。
The voltages sinωt and cosωt at the output terminals of the phase shift unit L42 and the phase shift unit F43 are amplified by predetermined amplification factors A and B by the
第1加算部45aでは、第1増幅部44aの出力端の電圧Asinωtを加算し、第2増幅部44bの出力端の電圧Bcosωtを減算して、Asinωt−Bcosωtの電圧を第1電極23aに印加する。
The
第2加算部45bでは、第1増幅部44aの出力端の電圧Asinωtを加算し、第2増幅部44bの出力端の電圧Bcosωtを加算して、Asinωt+Bcosωtの電圧を第2電極23bに印加する。
The
以上のような、回路構成によって印加される電圧による圧電体振動子10の振動について図1、及び図5〜図8を用いて説明する。
The vibration of the
図1は第1電極23a、及び第2電極23bに電圧が印加されない状態における圧電体振動子の外観を示す図である。電圧が印加されない状態においては、圧電素子は変形を起こさず静止している。圧電体振動子10は、正の電圧が印加される部分が膨張し、負の電圧が印加される部分が収縮する。例えば、第1電極23aに正の電圧を印加すると第1電極23aにおける圧電素子が膨張し、第2電極23bに負の電圧を印加すると第2電極23bにおける圧電素子が収縮していく。
FIG. 1 is a view showing the appearance of the piezoelectric vibrator in a state where no voltage is applied to the
図5は、印加電圧の位相がωt=0のときの圧電体振動子10の状態を示した図である。この時、第1電極23aには負の電圧−B、第2電極23bには正の電圧+Bが印加される。従って、第1電極23aにおける圧電素子が収縮し、第2電極23bにおける圧電素子が膨張していく。第1電極23aにおける圧電素子の収縮、及び第2電極23bにおける圧電素子の膨張が最大となる第1状態まで圧電体振動子10は第2方向D2に沿って屈曲する。両端自由の屈曲1次モード振動であるため、圧電体振動子10の中心Cは第1、第2接触部31a、31bと第2方向D2に沿って反対方向に変位する。
FIG. 5 is a diagram showing a state of the
図6は、印加電圧の位相がωt=π/2のときの圧電体振動子10の状態を示した図である。この時、両電極23a、23bともに正の電圧+Aが印加される。従って、第1電極23aにおける圧電素子、及び第2電極23bにおける圧電素子の伸縮は静止状態から、圧電素子20、20が第1方向D1に沿って膨張していく。圧電素子20、20の膨張が最大となる第2状態まで圧電体振動子10は第1方向D1に膨張する。
FIG. 6 is a diagram illustrating the state of the
この時、圧電体振動子10は第1方向D1に伸びるが、第3、第4突出部21c、21dの多くの部分は第2方向の内側に変位する。この振動モードは正方形板における輪郭すべりモードに相当するモードであり、第1、第2接触部31a、31bの間の長さが伸縮する最も低次のモードである。
At this time, the
図7は、印加電圧の位相がωt=πのときの圧電体振動子10の状態を示した図である。この時、第1電極23aには正の電圧+Bが印加される一方、第2電極23bには負の電圧−Bが印加される。従って、第2電極23bにおける圧電素子が収縮し、及び第1電極23aにおける圧電素子が膨張していく。第2電極23bにおける圧電素子の収縮、及び第1電極23aにおける圧電素子の膨張が最大となる第3状態まで圧電体振動子10は第2方向D2に沿って屈曲する。両端自由の屈曲1次モード振動であるため、圧電体振動子10の中心Cは第1、第2接触部31a、31bと第2方向D2に沿って反対方向に変位する。
FIG. 7 is a diagram showing a state of the
図8は、印加電圧の位相がωt=(3/2)πのときの圧電体振動子10の状態を示した図である。この時、両電極23a、23bには、ともに負の電圧−Aが印加される。従って、第1電極23aにおける圧電素子、及び第2電極23bにおける圧電素子の伸縮は静止状態から、圧電素子20、20が第1方向D1に沿って縮小していく。圧電素子20、20の収縮が最大となる第4状態まで圧電体振動子10は第1方向D1に収縮する。この時、圧電体振動子10は第1方向D1に収縮するが第3、第4突出部21c、21dの多くの部分は第2方向D2の外側に変位する。
FIG. 8 is a diagram illustrating a state of the
圧電体振動子10は、第4状態から第1状態まで変化し、以後、第2状態、第3状態、第4状態、第1状態、・・・となるように周期的に循環変形する。このように圧電体振動子10の外形が変化すると、辺部22の任意の一点は楕円運動を行う。
The
以上のような構成によれば、第1方向D1、及び第2方向D2にそれぞれ伸縮1次モード、屈曲1次モードの振動を発生させることが可能であって、第1突出部の辺部22、及び第2突出部の辺部22において互いに反対方向であり屈曲方向への駆動力の大きな楕円運動を発生させることが可能である。
According to the configuration as described above, it is possible to generate vibrations in the expansion / contraction primary mode and the bending primary mode in the first direction D1 and the second direction D2, respectively, and the
図9に本発明の第2の実施形態を示す。本実施形態は圧電素子の表面に設けられる電極の配置、及びそれぞれの電極に印加される電圧が第1の実施形態と異なる。本実施形態においては、電極は第2方向D2に沿って3つに分割され、両側に第1電極23a、第2電極23b、真ん中に第3電極23cが形成される。
FIG. 9 shows a second embodiment of the present invention. This embodiment is different from the first embodiment in the arrangement of electrodes provided on the surface of the piezoelectric element and the voltage applied to each electrode. In the present embodiment, the electrode is divided into three along the second direction D2, and the
第1〜第3電極23a、23b、23cには、それぞれ位相の異なる交流電圧が印加される。後述するように第1、第2電極23a、23bに印加される交流電圧の極性は互いに反転しており、第3電極23cには、第1、第2電極23a、23bのいずれか一方に印加される交流電圧とは位相が90°異なり、他方に印加される交流電圧とは位相が90°異なる交流電圧が印加される。
AC voltages having different phases are applied to the first to
図10は第2の実施形態を適用した圧電体振動子100を駆動する駆動回路を示すブロック図である。駆動回路400は、発振部41、移相部L42、移相部F43、第1増幅部44a、第2増幅部44b、第1加算部45a、及び第2加算部45bによって構成される。
FIG. 10 is a block diagram showing a drive circuit for driving the
発振部41は、移相部L42、及び移相部F43に接続される。移相部L42は第1増幅部44aに、移相部F43は第2増幅部44bに接続される。第1増幅部44aは第3電極23cに接続される。第2増幅部44bは第1加算部45a、及び第2加算部45bに接続される。第1加算部45aは圧電体振動子10の第1電極23aに、第2加算部45bは第2電極23bに接続される。
The oscillating unit 41 is connected to the phase shift unit L42 and the phase shift unit F43. The phase shifter L42 is connected to the
発振部41において交流電圧が発生し、移相部L42、及び移相部F43に印加される。発振部41において発生した交流電圧の位相は、移相部L42において第1方向D1に圧電体振動子10を伸縮振動させるための信号となるように変えられ、その電圧はsinωtとなる。また、発振部41において発生した交流電圧の位相は、移相部F43において第2方向D2に圧電体振動子を屈曲振動させるための信号となるように変えられ、その電圧はcosωtとなる。
An alternating voltage is generated in the oscillating unit 41 and is applied to the phase shift unit L42 and the phase shift unit F43. The phase of the AC voltage generated in the oscillating unit 41 is changed to become a signal for causing the
移相部L42、及び移相部F43の出力端におけるそれぞれの電圧sinωt、cosωtは第1増幅部44a、及び第2増幅部44bにより所定の増幅率A、Bにより増幅され、Asinωt、Bcosωtとなる。なお、第1増幅部44a、及び第2増幅部44bはそれぞれ振幅制御部46に接続され、振幅制御部46により増幅率A、Bの設定が行われる。
The voltages sinωt and cosωt at the output terminals of the phase shift unit L42 and the phase shift unit F43 are amplified by predetermined amplification factors A and B by the
第1増幅部44aにおいて増幅された電圧Asinωtは、第3電極23cに印加される。第1加算部45aでは、第1増幅部44aの出力端の電圧Bcosωtを減算して、−Bcosωtの電圧が第1電極23aに印加される。第2加算部45bでは、第2増幅部44bの出力端の電圧Bcosωtを加算して、+Bcosωtの電圧が第2電極23bに印加される。
The voltage Asinωt amplified in the
以上のような、第2の実施形態を適用した圧電体振動子において第1電極23a、及び第2電極23bにおける圧電素子の伸縮により第2方向D2に沿った屈曲振動を発生させ、第3電極23cにおける圧電素子の伸縮により第1方向D1に沿った伸縮振動を発生させることが可能であり、これらの振動の組合わせにより辺部に楕円運動を行わせることが可能である。
In the piezoelectric vibrator to which the second embodiment is applied as described above, bending vibration along the second direction D2 is generated by expansion and contraction of the piezoelectric elements in the
図11は、本発明の第3の実施形態を適用した振動子を示す。本実施形態は圧電体振動子を構成する圧電素子及びシムの形状が第1の実施形態と異なる。 FIG. 11 shows a vibrator to which the third embodiment of the present invention is applied. This embodiment is different from the first embodiment in the shape of a piezoelectric element and a shim constituting a piezoelectric vibrator.
シム300(弾性板部材)には、シム300の中央から面上の第1方向D1に沿って両側に延びる第1突出部36a、及び第2突出部36bが形成される。第1突出部36a、及び第2突出部36bは、第1方向D1に平行な2辺、及び第1方向D1に垂直な第2方向D2に平行な辺によって矩形に形成される。
The shim 300 (elastic plate member) is formed with a
シム300には、第2方向D2に沿って両側に延びる第3突出部36c、及び第4突出部36dが形成される。第3、第4突出部36c、36dは、第2方向D2に沿って外側に延びるにつれて幅がテーパ状に小さくなるように形成される。シム300は第1方向D1及び第2方向D2に線対称である。テーパの長さや角度を調整することにより、周波数の調節が可能となる。
The
シム300に形成される第1、第2接触部31a、31bは、第1、第2突出部36a、36bから更に第1方向D1に沿って外側に伸ばされる。シム300に形成される第1、第2支持部32a、32bの構成及び機能は第1の実施形態と同じである。
The first and
圧電素子200、200(振動体)は、第1方向D1に沿った2辺及び第2方向D2に沿った2辺を外縁とする矩形に形成される。また、圧電素子200、200は、第1方向D1の長さが第2方向D2の幅に比べて長くなるように形成される。圧電素子200、200の表面に、第1、第2電極230a、230bが設けられる構成は第1の実施形態と同じである。
The
以上のような本実施形態の圧電体振動子101においても、駆動回路40を用いて第1方向D1、及び第2方向D2にそれぞれ伸縮1次モード、屈曲1次モードの振動を発生させることが可能であって、第1突出部36a、及び第2突出部36bにおいて互いに反対方向であり屈曲方向への駆動力の大きな楕円運動を発生させることが可能である。
Also in the
圧電体振動子の第1方向D1の伸縮振動の共振周波数、及び第2方向D2の共振周波数は、圧電体振動子全体の形状によって定まり、圧電素子の形状だけでなく、シムの形状を前述のように形成することによっても、目的に応じた振動が可能な振動子が得られる。 The resonance frequency of the stretching vibration in the first direction D1 and the resonance frequency in the second direction D2 of the piezoelectric vibrator are determined by the shape of the entire piezoelectric vibrator, and not only the shape of the piezoelectric element but also the shape of the shim described above. By forming in this way, a vibrator capable of vibrating according to the purpose can be obtained.
また、本実施形態においては、第1、第2実施形態の圧電体振動子に比べて、第1方向D1への伸縮振動の振幅を大きくすることが可能である。第1、第2の実施形態において用いられる圧電素子が有する第3、第4突出部21c、21dのように第2方向に沿って中央から両側に延びる突出部がなく、第1方向D1に伸縮しやすくなるためである。
In this embodiment, the amplitude of the stretching vibration in the first direction D1 can be increased as compared with the piezoelectric vibrators of the first and second embodiments. Like the third and fourth projecting
なお、本実施形態において、圧電素子200、200の形状は、矩形であるが、第1方向D1に延びる形状であって、第1方向D1の長さが、第2方向D2の幅より長ければよく、例えば、楕円形であってもよい。
In the present embodiment, the shape of the
第1〜第3の実施形態では、電極が第2方向D2に沿って、2或いは3に分割される構成であるが、第2方向D2に沿って2以上に分割される構成、すなわち第2方向D2に沿って複数の電極が並べられる構成であれば同様の効果が得られる。また、3以上に分割される場合は、第1、第2電極の間にさらに電極が設けられる構成が好ましい。すなわち、第2方向D2に沿って最も外側にある2つの電極にそれぞれ位相の異なる交流電圧が入力されることになる。 In the first to third embodiments, the electrode is divided into two or three along the second direction D2, but is divided into two or more along the second direction D2, that is, second. A similar effect can be obtained if a plurality of electrodes are arranged along the direction D2. Moreover, when dividing | segmenting into 3 or more, the structure in which an electrode is further provided between the 1st, 2nd electrode is preferable. That is, AC voltages having different phases are input to the two outermost electrodes along the second direction D2.
また、第1〜第3の実施形態では、金属製のシムを用いたが、弾性を有する板部材であれば、本実施形態と同様の効果を生じる。 Further, in the first to third embodiments, the metal shim is used, but if it is a plate member having elasticity, the same effect as that of the present embodiment is produced.
第1、第2の実施形態では、圧電体振動子を8角形の対向する2辺から外側に矩形の突出部を設ける形状としたが、図12に示すように8角形に形成した圧電素子201によっても、孔を開けることなく、伸縮の1次モードと屈曲の1次モードの共振周波数を一致させることが可能である。或いは、第3の実施形態におけるシムを圧電素子201と同様に8角形に形成しても同様の効果が得られる。
In the first and second embodiments, the piezoelectric vibrator has a shape in which a rectangular protrusion is provided on the outer side from two opposite sides of the octagon. However, as shown in FIG. 12, the
更には、中央から第1、第2方向D1、D2に沿って両側に突出部を有し、少なくとも1組の対向する突出部の先端に辺部が設けられる形状の振動子であれば、上述の効果が得られる。 Furthermore, if the vibrator has a shape having protrusions on both sides along the first and second directions D1 and D2 from the center, and a side portion is provided at the tip of at least one pair of opposite protrusions, The effect is obtained.
また、第1〜第3の実施形態では、振動子を加振させるのに圧電素子を用いたが、電歪素子等の交流電圧を印加することにより振動する素子(振動体)を用いても上述の効果が得られる。 In the first to third embodiments, the piezoelectric element is used to vibrate the vibrator. However, an element (vibrating body) that vibrates by applying an AC voltage such as an electrostrictive element may be used. The effects described above can be obtained.
次に、第1〜第3の実施形態におけるシムの変形例を図13に示す。本変形例において、弾性を有するシム301(弾性板部材)は板状に形成される。シム301の板状の表面と、圧電素子20の板状の表面とが結合される。
Next, a modification of the shim in the first to third embodiments is shown in FIG. In this modification, the shim 301 (elastic plate member) having elasticity is formed in a plate shape. The plate-like surface of the
シム301は、圧電素子20、20と結合された状態において、第1方向D1に沿って、第1、第2突出部21a、21bを越えて外側に延びるように形成される。また、シム301は、第1方向D1に沿った両端37、37が第2方向D2に平行となるように、形成される。また、シム301において第1、第2接触部31a、31bは、シム301の第1方向D1に沿った両端37、37を越えて外側に突出するように形成される。なお、圧電素子20、20の構成及び機能は第1の実施形態と同じとする。
The
以上のような、シム301を適用した振動子102の第1方向D1の共振周波数と第2方向D2の共振周波数は、シム301の第1方向D1に沿った両端37、37の一方或いは両方の削除する大きさに応じて、異なる割合で変化する。即ち、形成後の振動子に対して、シム301の第1方向D1に沿った両端37、37の一方或いは両方を適当に除去することにより、第1、第2方向D1、D2それぞれの共振周波数を一致させることが可能となる。
As described above, the resonance frequency in the first direction D1 and the resonance frequency in the second direction D2 of the
形成後の振動子において圧電素子の大きさを変えることは難しく、圧電素子の形成誤差により第1、第2方向D1、D2の共振周波数がずれる場合に、共振周波数を一致させるための微調整は難しい。しかし、切削可能な部材により形成されたシムを用いた振動子によれば、共振周波数を一致させるための微調整が容易になる。 In the vibrator after formation, it is difficult to change the size of the piezoelectric element, and when the resonance frequency in the first and second directions D1 and D2 shifts due to the formation error of the piezoelectric element, fine adjustment to match the resonance frequency is difficult. However, according to the vibrator using the shim formed of a member that can be cut, fine adjustment for matching the resonance frequency is facilitated.
なお、両端37、37の第2方向D2に平行にした切削量に対する振動子102の第1、第2方向D1、D2の共振周波数の変化量を予め測定しておくことが望ましい。形成後の振動子の第1、第2方向D1、D2の共振周波数のずれに対して、測定された変化量に基づきシム301の両端37、37を第2方向D2に平行に除去することにより、微調整がより容易となる。
In addition, it is desirable to measure in advance the amount of change in the resonance frequency of the
なお、本変形例においてシム301は、第1方向D1に沿って両側に延びるが、第2方向D2に沿って両側に延びる構成であってもよい。ただし、第2方向D2に添って延びる構成では、第1方向D1に沿って延びる構成に比べて、両端の切削量に対する共振周波数の変化の感度が小さい。従って、圧電素子の形成精度が相対的に高く、共振周波数の微調整が小さい場合は、第2方向D2に延びる構成であっても十分な効果が得られる。
In this modification, the
10、100、101、102 圧電体振動子
20、200、201 圧電素子
21a〜21d 第1〜第4突出部
22 辺部
23a、230a 第1電極
23b、230b 第2電極
23c 第3電極
30、300、301 シム
31a、31b 第1、第2接触部
32a、32b 第1、第2支持部
36a、36b 第1、第2突出部
40、400 駆動回路
41 発振部
42 移相部L
43 移相部F
44a、44b 第1、第2増幅部
45a、45b 第1、第2加算部
C 振動中心
D1 第1方向
D2 第2方向
10, 100, 101, 102
43 Phase shift part F
44a, 44b First and
Claims (15)
前記中央から、前記第2方向に沿って両側に延びる第3、第4突出部と、
前記第2方向に沿って並ぶ第1、第2電極とを備え、
前記第1、第2電極にそれぞれ位相の異なる交流電圧を印加することにより、振動する
ことを特徴とする振動子。 First and second protrusions extending from the center of the vibrator to both sides along a first direction and having sides parallel to a second direction perpendicular to the first direction at the forefront;
Third and fourth protrusions extending from the center to both sides along the second direction;
First and second electrodes arranged along the second direction,
Vibrating by applying alternating voltages having different phases to the first and second electrodes, respectively.
前記第1支持部材には、前記振動子と前記第1支持部材とを連結する第1連結点が、前記振動子の前記第2方向への振動が最も大きくなる点である振動中心を通る直線であって前記第2方向に平行な直線から外れる位置に設けられ、
前記第2支持部材には、前記振動子と前記第2支持部材とを連結する第2連結点が、前記振動中心を通る前記第2方向に平行な直線から外れる位置に設けられる
ことを特徴とする請求項1に記載の振動子。 Each of the third and fourth protrusions has first and second support members for supporting the vibrator on a vibrator support provided with the vibrator,
In the first support member, a straight line passing through a vibration center where a first connection point connecting the vibrator and the first support member is a point where the vibration in the second direction of the vibrator is the largest. And provided at a position deviating from a straight line parallel to the second direction,
The second support member is provided with a second connection point for connecting the vibrator and the second support member at a position deviating from a straight line passing through the vibration center and parallel to the second direction. The vibrator according to claim 1.
前記振動体と密着し、前記第1方向に沿って前記第1、第2突出部より外側に延びる調整部を有する弾性板部材とを備える
ことを特徴とする請求項1に記載の振動子。 A plate-like vibrating body having the first and second protrusions and the first and second electrodes, and vibrating by applying an alternating voltage;
2. The vibrator according to claim 1, further comprising: an elastic plate member that is in close contact with the vibrating body and has an adjustment portion that extends outward from the first and second projecting portions along the first direction.
前記第1方向の長さが前記第2方向の幅より長く形成され、前記弾性板部材に密着し、前記第1、第2電極を有し、交流電圧を印加することにより振動する板状の振動体とを備える
ことを特徴とする請求項1に記載の振動子。 An elastic plate member having the first to fourth protrusions;
The length of the first direction is longer than the width of the second direction, is in close contact with the elastic plate member, has the first and second electrodes, and vibrates by applying an AC voltage. The vibrator according to claim 1, further comprising: a vibrating body.
15. The resonance frequency adjustment of the vibrator according to claim 14, wherein one or both of both ends of the elastic plate member along the first direction are removed in parallel with the second direction. Method.
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