JP2022178836A - 圧電振動子および駆動装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】高い出力を発生させることのできる圧電振動子および駆動装置を提供する。【解決手段】圧電振動子は、表裏関係にある一対の主面と、前記一対の主面を接続する側面と、を有する振動部と、前記振動部に配置され、前記振動部が振動することにより生じる駆動力を被駆動部に伝達する凸部と、を有し、前記振動部は、前記第１振動板および前記第２振動板を含む複数の振動板が、前記一対の主面が並ぶ第１方向に積層されてなり、前記第１振動板は、前記主面の平面視で、前記振動部を前記被駆動部と前記凸部とが並ぶ第２方向に対して直交する第３方向に屈曲振動させる屈曲振動用圧電素子を有し、前記第１振動板および前記第２振動板のいずれか一方または両方は、前記振動部を前記第２方向に伸縮振動させる伸縮振動用圧電素子を有し、前記側面に前記屈曲振動用圧電素子および前記伸縮振動用圧電素子と電気的に接続されている複数の端子が配置されている。【選択図】図７
Description
本発明は、圧電振動子および駆動装置に関する。
例えば、特許文献１には、下面に共通電極、上面に個別電極が形成された第１圧電基板と、第１圧電基板上に積層され、上面に個別電極が形成された第２圧電基板と、第２圧電基板上に積層され、上面に共通電極が形成された第３圧電基板と、第３圧電基板上に積層され、上面に個別電極が形成された第４圧電基板と、を有する圧電振動子が記載されている。このように、４枚の圧電基板を用いて３層の個別電極を積層することにより、圧電振動子の出力を高めることができる。
しかしながら、特許文献１の圧電振動子では、各個別電極が４つの電極に分割されており、そのうちの２つの電極が一方側への屈曲振動を励振するための電極対であり、残りの２つの電極が他方側への屈曲振動を励振するための電極対である。このように、特許文献１の圧電振動子では、各個別電極に屈曲振動を励振するための電極しか含まれていないため、出力を十分に高めることができない。
本発明の圧電振動子は、表裏関係にある一対の主面と、前記一対の主面を接続する側面と、を有する振動部と、
前記振動部に配置され、前記振動部が振動することにより生じる駆動力を被駆動部に伝達する凸部と、を有し、
前記振動部は、前記第１振動板および前記第２振動板を含む複数の振動板が、前記一対の主面が並ぶ第１方向に積層されてなり、
前記第１振動板は、前記主面の平面視で、前記振動部を前記被駆動部と前記凸部とが並ぶ第２方向に対して直交する第３方向に屈曲振動させる屈曲振動用圧電素子を有し、
前記第１振動板および前記第２振動板のいずれか一方または両方は、前記振動部を前記第２方向に伸縮振動させる伸縮振動用圧電素子を有し、
前記側面に前記屈曲振動用圧電素子および前記伸縮振動用圧電素子と電気的に接続されている複数の端子が配置されていることを特徴とする。
前記振動部に配置され、前記振動部が振動することにより生じる駆動力を被駆動部に伝達する凸部と、を有し、
前記振動部は、前記第１振動板および前記第２振動板を含む複数の振動板が、前記一対の主面が並ぶ第１方向に積層されてなり、
前記第１振動板は、前記主面の平面視で、前記振動部を前記被駆動部と前記凸部とが並ぶ第２方向に対して直交する第３方向に屈曲振動させる屈曲振動用圧電素子を有し、
前記第１振動板および前記第２振動板のいずれか一方または両方は、前記振動部を前記第２方向に伸縮振動させる伸縮振動用圧電素子を有し、
前記側面に前記屈曲振動用圧電素子および前記伸縮振動用圧電素子と電気的に接続されている複数の端子が配置されていることを特徴とする。
本発明の駆動装置は、被駆動部と、
前記被駆動部を駆動する圧電振動子と、を有し、
前記圧電振動子は、
表裏関係にある一対の主面と、前記一対の主面を接続する側面と、を有する振動部と、
前記振動部に配置され、前記振動部が振動することにより生じる駆動力を被駆動部に伝達する凸部と、を有し、
前記振動部は、前記第１振動板および前記第２振動板を含む複数の振動板が、前記一対の主面が並ぶ第１方向に積層されてなり、
前記第１振動板は、前記主面の平面視で、前記振動部を前記被駆動部と前記凸部とが並ぶ第２方向に対して直交する第３方向に屈曲振動させる屈曲振動用圧電素子を有し、
前記第１振動板および前記第２振動板のいずれか一方または両方は、前記振動部を前記第２方向に伸縮振動させる伸縮振動用圧電素子を有し、
前記側面に前記屈曲振動用圧電素子および前記伸縮振動用圧電素子と電気的に接続されている複数の端子が配置されていることを特徴とする。
前記被駆動部を駆動する圧電振動子と、を有し、
前記圧電振動子は、
表裏関係にある一対の主面と、前記一対の主面を接続する側面と、を有する振動部と、
前記振動部に配置され、前記振動部が振動することにより生じる駆動力を被駆動部に伝達する凸部と、を有し、
前記振動部は、前記第１振動板および前記第２振動板を含む複数の振動板が、前記一対の主面が並ぶ第１方向に積層されてなり、
前記第１振動板は、前記主面の平面視で、前記振動部を前記被駆動部と前記凸部とが並ぶ第２方向に対して直交する第３方向に屈曲振動させる屈曲振動用圧電素子を有し、
前記第１振動板および前記第２振動板のいずれか一方または両方は、前記振動部を前記第２方向に伸縮振動させる伸縮振動用圧電素子を有し、
前記側面に前記屈曲振動用圧電素子および前記伸縮振動用圧電素子と電気的に接続されている複数の端子が配置されていることを特徴とする。
以下、本発明の圧電振動子および駆動装置を添付図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係る駆動装置を示す全体図である。図２ないし図５は、それぞれ、駆動装置の変形例を示す全体図である。図６は、圧電振動子の断面図である。図７および図８は、それぞれ、振動部の分解斜視図である。図９は、振動板の平面図である。図１０および図１１は、それぞれ、振動体の斜視図である。図１２は、振動体に印加する交番電圧を示す図である。図１３および図１４は、それぞれ、振動体の駆動状態を示す図である。
図１は、第１実施形態に係る駆動装置を示す全体図である。図２ないし図５は、それぞれ、駆動装置の変形例を示す全体図である。図６は、圧電振動子の断面図である。図７および図８は、それぞれ、振動部の分解斜視図である。図９は、振動板の平面図である。図１０および図１１は、それぞれ、振動体の斜視図である。図１２は、振動体に印加する交番電圧を示す図である。図１３および図１４は、それぞれ、振動体の駆動状態を示す図である。
なお、以下では、説明の便宜上、圧電振動子固有の座標軸として、互いに直交する３軸をＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸とし、Ｘ軸に沿う方向をＸ軸方向、Ｙ軸に沿う方向をＹ軸方向、Ｚ軸に沿う方向をＺ軸方向とも言う。また、各軸の矢印側を「プラス側」とも言い、矢印と反対側を「マイナス側」とも言う。
図１に示す駆動装置１は、Ｚ軸に沿った回転軸Ｏまわりに回転可能な被駆動体としてのローター２１と、ローター２１を回転軸Ｏまわりに回転させる圧電振動子３と、圧電振動子３の駆動を制御する制御装置９と、を有する。
このような駆動装置１では、制御装置９による制御により圧電振動子３が駆動し、圧電振動子３で生じる駆動力がローター２１に伝わることにより、ローター２１が回転軸Ｏまわりに回転する。なお、図１では、圧電振動子３がローター２１の外周面２１１に接触し、外周面２１１に駆動力を伝達する構成となっているが、これに限定されず、例えば、図２に示すように、圧電振動子３がローター２１の主面２１２に接触し、主面２１２に駆動力を伝達する構成となっていてもよい。
また、被駆動部としては、ローター２１に限定されず、例えば、図３に示すように、図中の横方向にスライド可能なスライダー２２であってもよい。つまり、駆動装置１は、ロータリー型の駆動装置であってもよいし、リニア型の駆動装置であってもよい。
また、駆動装置１は、例えば、図４に示すように、方向Ａにスライド可能なステージ２３Ａおよびステージ２３Ａを方向Ａに移動させる圧電振動子３Ａを備える第１駆動装置１Ａと、ステージ２３Ａ上に位置し、ステージ２３Ａに対して方向Ａに直交する方向Ｂにスライド可能なステージ２３Ｂおよびステージ２３Ｂを方向Ｂに移動させる圧電振動子３Ｂを備える第２駆動装置１Ｂと、を有する２自由度のステージであってもよい。
さらに、駆動装置１は、図５に示すように、ステージ２３Ｂ上に位置し、ステージ２３Ｂに対して回転軸Ｏまわりに回転可能なステージ２３θおよびステージ２３θを回転軸Ｏまわりに回転させる圧電振動子３θを備える第３駆動装置１θを有する３自由度のステージであってもよい。なお、圧電振動子３Ａ、３Ｂ、３θは、本実施形態の圧電振動子３と同様の構成である。
以下、圧電振動子３について詳細に説明する。図６に示すように、圧電振動子３は、ケース３０と、ケース３０に収容された振動体４と、振動体４と電気的に接続された配線基板３１と、振動体４をＸ軸方向プラス側に付勢する付勢部３２と、振動体４と付勢部３２との間に介在する間座３３と、振動体４をＹ軸方向マイナス側に付勢する付勢部３４と、振動体４と付勢部３４との間に介在する間座３５と、を有する。ただし、圧電振動子３の構成としては、特に限定されず、振動体４以外の部材については、適宜省略、追加することができる。
振動体４は、振動部４１と、振動部４１の先端部に配置され、ローター２１に向けて突出する凸部４２と、を有する。
図７および図８に示すように、振動部４１は、複数の振動板５がＺ軸方向に積層して形成されている。なお、本実施形態では、４枚の振動板５が積層されているが、振動板５の数としては、２つ以上であれば、特に限定されない。振動板５の数が多くなる程、高い駆動力を出力することができるが、Ｚ軸方向の厚さが大きくなる。そのため、求められる最大出力、サイズ等に応じて振動板５の数を適宜選択することができる。
なお、以下では、４枚の振動板５を上側から順に振動板５１、振動板５２、振動板５３、振動板５４とする。本実施形態では、振動板５１、５２、５３、５４は、互いに同様であり、これらのうちの１枚、２枚または３枚が第１振動板であり、残りが第２振動板である。
図７および図８に示すように、振動板５１、５２、５３、５４は、それぞれ、圧電層６と、圧電層６の上面に配置された５つの個別電極７１、７２、７３、７４、７５と、圧電層６の下面に配置された１つの共通電極７０と、を有する。
圧電層６の構成材料としては、特に限定されず、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、タングステン酸ナトリウム、酸化亜鉛、チタン酸バリウムストロンチウム（ＢＳＴ）、タンタル酸ストロンチウムビスマス（ＳＢＴ）、メタニオブ酸鉛、スカンジウムニオブ酸鉛等の圧電セラミックスを用いることができる。また、圧電体としては、上述した圧電セラミックスの他にも、ポリフッ化ビニリデン、水晶等を用いてもよい。
図７に示すように、個別電極７３は、圧電層６の上面の中央部にＸ軸方向に沿って配置されている。また、個別電極７３のＹ軸方向プラス側には個別電極７１、７２がＸ軸方向に並んで配置されており、Ｙ軸方向マイナス側には個別電極７４、７５がＸ軸方向に並んで配置されている。また、図８に示すように、共通電極７０は、圧電層６の下面のほぼ全面にベタに配置されている。
このような振動板５１、５２、５３、５４においては、図９に示すように、Ｚ軸方向の平面視で、個別電極７３と重なる領域が伸縮振動用圧電素子Ｅ１を構成し、個別電極７１と重なる領域が屈曲振動用圧電素子Ｅ２１を構成し、個別電極７２と重なる領域が屈曲振動用圧電素子Ｅ３１を構成し、個別電極７４と重なる領域が屈曲振動用圧電素子Ｅ３２を構成し、個別電極７５と重なる領域が屈曲振動用圧電素子Ｅ２２を構成する。
また、４つの屈曲振動用圧電素子Ｅ２１、Ｅ２２、Ｅ３１、Ｅ３２のうち、屈曲振動用圧電素子Ｅ２１、Ｅ２２、Ｅ３１、Ｅ３２は、振動板５１、５２、５３、５４をＹ軸方向に屈曲変形させるための圧電素子である。そして、後述するように、伸縮振動用圧電素子Ｅ１、屈曲振動用圧電素子Ｅ２１、Ｅ２２および屈曲振動用圧電素子Ｅ３１、Ｅ３２に位相の異なる同周波数の交番電圧を印加することにより、凸部４２を楕円振動させることができる。
図７および図８に示すように、振動板５１、５２、５３、５４は、Ｚ軸方向に積層されており、隣り合う振動板５同士は、接着剤等の絶縁性の接合部材Ｑ１を介して接合されている。これにより、上側に位置する振動板５の共通電極７０と、その下側に位置する振動板５の個別電極７１、７２、７３、７４、７５とを絶縁することができる。
振動部４１は、さらに、振動板５１の上面に配置された絶縁層５０と、振動板５４の下面に配置された絶縁層５５と、を有する。絶縁層５５、５０は、例えば、ポリイミド等の各種樹脂材料で構成することができる。
図１０および図１１に示すように、振動部４１は、略直方体であり、表裏関係にある一対の主面としての上面４１１および下面４１２と、上面４１１と下面４１２とを接続する側面４１３と、を有する。このうち、上面４１１は、絶縁層５０の上面で構成され、下面４１２は、絶縁層５５の下面で構成されている。また、側面４１３は、振動部４１のＸ軸方向プラス側（先端側）に位置する第１側面４１３ａと、振動部４１のＸ軸方向マイナス側（基端側）に位置する第２側面４１３ｂと、振動部４１のＹ軸方向プラス側に位置する第３側面４１３ｃと、振動部４１のＹ軸方向マイナス側に位置する第４側面４１３ｄと、を有する。
また、図１０に示すように、第３側面４１３ｃには、４つの端子８０、８１、８２、８３が形成されており、図１１に示すように、第４側面４１３ｄには、２つの端子８４、８５が形成されている。そして、端子８０は、各振動板５が有する共通電極７０と電気的に接続され、端子８１は、各振動板５が有する個別電極７１と電気的に接続され、端子８２は、各振動板５が有する個別電極７２と電気的に接続され、端子８３は、各振動板５が有する個別電極７３と電気的に接続され、端子８４は、各振動板５が有する個別電極７４と電気的に接続され、端子８５は、各振動板５が有する個別電極７５と電気的に接続されている。
また、端子８５は、上面４１１に配置された電気配線８７を介して端子８１と電気的に接続されており、端子８４は、下面４１２に配置された電気配線８８を介して端子８２と電気的に接続されている。これにより、個別電極７１、７５が電気的に接続され、個別電極７２、７４が電気的に接続される。
図６に示すように、凸部４２は、振動部４１の先端部に設けられ、振動部４１からＸ軸方向プラス側へ突出する。そして、凸部４２の先端部がローター２１の外周面２１１と接触している。また、凸部４２は、付勢部３２によって外周面２１１に押し付けられている。そのため、振動部４１の振動は、凸部４２を介してローター２１に効率的に伝達される。凸部４２は、比較的硬質な材料、例えば、アルミナ、チタニア、ジルコニア等の各種セラミックスで構成することができる。
間座３３は、略Ｌ字状をなし、振動部４１の第２側面４１３ｂおよび第４側面４１３ｄと対向して配置されている。付勢部３２は、間座３３のＸ軸方向マイナス側に配置されており、間座３３を介して振動体４をローター２１側に付勢する。付勢部３２によって、凸部４２の先端部をローター２１に押し付けることにより、振動部４１の駆動力をローター２１に効率的に伝達することができる。付勢部３２としては、特に限定されないが、本実施形態では圧縮コイルばね３２１が用いられている。これにより、付勢部３２の構成が簡単となる。
間座３５は、ストレート状をなし、振動部４１の第３側面４１３ｃと対向して配置されている。付勢部３４は、間座３５のＹ軸方向プラス側に配置されており、間座３５を介して振動部４１をＹ軸方向マイナス側に付勢する。これにより、振動部４１がケース３０の内面に押し付けられ、振動部４１の振動が安定する。付勢部３４としては、特に限定されないが、本実施形態では一対の圧縮コイルばね３４１が用いられている。これにより、付勢部３４の構成が簡単となる。
配線基板３１は、帯状のフレキシブル配線基板（ＦＰＣ）であり、図６に示すように、振動体４と制御装置９とを電気的に接続している。配線基板３１は、先端部がケース３０内に位置し、基端部がケース３０に形成された開口３０１を介してケース３０外に飛び出している。また、配線基板３１の先端部は、振動部４１の第３側面４１３ｃと間座３５との間に位置しており、これらで挟まれている。また、配線基板３１の先端部には４つの接続端子３１０、３１１、３１２、３１３が形成されており、これら接続端子３１０、３１１、３１２、３１３は、それぞれ、配線基板３１に形成された図示しない電気配線を介して制御装置９と電気的に接続されている。
このような配線基板３１は、絶縁性の接合部材Ｑ２を介して振動部４１の第３側面４１３ｃに接合されている。そして、接合状態では、接続端子３１０が端子８０と電気的に接続され、接続端子３１１が端子８１と電気的に接続され、接続端子３１２が端子８２と電気的に接続され、接続端子３１３が端子８３と電気的に接続されている。これにより、配線基板３１を介して圧電振動子３と制御装置９とが電気的に接続される。このように、配線基板３１を用いることにより、圧電振動子３と制御装置９との電気的な接続が容易となる。
制御装置９は、例えば、コンピューターから構成され、情報を処理するプロセッサーと、プロセッサーに通信可能に接続されたメモリーと、外部インターフェースと、を有する。また、メモリーにはプロセッサーにより実行可能なプログラムが保存され、プロセッサーは、メモリーに記憶されたプログラムを読み込んで実行する。このような制御装置９は、図示しないホストコンピューターからの指令を受け、この指令に基づいて圧電振動子３を駆動する。
例えば、共通電極７０をグランドに接続した状態で、図１２に示す交番電圧Ｖ１を個別電極７１、７５に印加し、交番電圧Ｖ２を個別電極７３に印加し、交番電圧Ｖ３を個別電極７２、７４に印加すると、図１３に示すように、振動部４１がＸ軸方向に伸縮振動しつつＹ軸方向に屈曲振動し、これらの振動が合成されて凸部４２の先端が矢印Ａ１で示すように反時計回りに楕円軌道を描く楕円運動する。そして、凸部４２の楕円運動により、ローター２１が送り出され、ローター２１が矢印Ｂ１で示すように時計回りに回転する。なお、振動部４１のＸ軸方向への伸縮振動は、主に伸縮振動用圧電素子Ｅ１の伸縮に起因し、Ｙ軸方向への屈曲振動は、主に、屈曲振動用圧電素子Ｅ２１、Ｅ２２、Ｅ３１、Ｅ３２の伸縮に起因している。
交番電圧Ｖ１、Ｖ３の波形を切り換えると、図１４に示すように、振動部４１がＸ軸方向に伸縮振動しつつＹ軸方向に屈曲振動し、これらの振動が合成されて凸部４２の先端が矢印Ａ２で示すように時計回りに楕円軌道を描く楕円運動する。そして、凸部４２の楕円運動により、ローター２１が送り出され、ローター２１が矢印Ｂ２で示すように反時計回りに回転する。なお、振動部４１のＸ軸方向への伸縮振動は、主に伸縮振動用圧電素子Ｅ１の伸縮に起因し、Ｙ軸方向への屈曲振動は、主に、屈曲振動用圧電素子Ｅ２１、Ｅ２２、Ｅ３１、Ｅ３２の伸縮に起因している。
なお、「楕円運動」とは、軌跡が楕円と一致する運動の他にも、例えば、軌跡が円、長円等、楕円から若干ずれた運動も含む意味である。
このような構成の圧電振動子３によれば、４枚の振動板５が積層されているため、振動板５が１枚の場合と比べて、圧電振動子の出力を高めることができる。また、圧電振動子３によれば、振動部４１をＸ軸方向へ伸縮振動させる伸縮振動用圧電素子Ｅ１を備えているため、伸縮振動用圧電素子Ｅ１を備えていない場合と比べて楕円運動の軌跡が大きくなり、その分、出力も大きくなる。そのため、ローター２１をより大きな力で回転させることができる。特に、本実施形態では、全ての振動板５が伸縮振動用圧電素子Ｅ１を備えているため、上述の効果がより顕著となる。
以上、駆動装置１について説明した。このような駆動装置１に含まれる圧電振動子３は、前述したように、表裏関係にある一対の主面である上面４１１および下面４１２と、上面４１１および下面４１２を接続する側面４１３と、を有する振動部４１と、振動部４１に配置され、振動部４１が振動することにより生じる駆動力を被駆動部であるローター２１に伝達する凸部４２と、を有する。また、振動部４１は、第１振動板および第２振動板を含む複数の振動板５が、上面４１１および下面４１２が並ぶ第１方向であるＺ軸方向に積層されてなり、第１振動板（振動板５１、５２、５３、５４の１つ、２つまたは３つ）は、Ｚ軸方向からの平面視で、振動部４１をローター２１と凸部４２とが並ぶ第２方向であるＸ軸方向に対して直交する第３方向であるＹ軸方向に屈曲振動させる屈曲振動用圧電素子Ｅ２１、Ｅ２２、Ｅ３１、Ｅ３２を有し、第１振動板および第２振動板のいずれか一方または両方（本実施形態では両方）は、振動部４１を第２方向であるＸ軸方向に伸縮振動させる伸縮振動用圧電素子Ｅ１を有し、側面４１３に屈曲振動用圧電素子Ｅ２１、Ｅ２２、Ｅ３１、Ｅ３２および伸縮振動用圧電素子Ｅ１と電気的に接続されている複数の端子８０、８１、８２、８３が配置されている。このような構成の圧電振動子３によれば、振動部４１をＸ軸方向へ伸縮振動させる伸縮振動用圧電素子Ｅ１を備えているため、伸縮振動用圧電素子Ｅ１を備えていない場合と比べて楕円運動の軌跡が大きくなり、その分、出力も大きくなる。そのため、ローター２１をより大きな力で回転させることができる。
また、前述したように、伸縮振動用圧電素子Ｅ１は、第１振動板および第２振動板のそれぞれに配置されている。これにより、圧電振動子３の出力をさらに大きくすることができる。
また、前述したように、圧電振動子３は、複数の端子８０、８１、８２、８３と電気的に接続されている配線基板３１を有する。これにより、圧電振動子３と外部装置、例えば、制御装置９との電気的な接続が容易となる。
また、前述したように、圧電振動子３は、振動部４１を収容するケース３０と、ケース３０に対して振動部４１を凸部４２の先端側に付勢する付勢部３２と、を有する。これにより、凸部４２をローター２１に押し付けることができ、圧電振動子３の駆動力をローター２１に効率的に伝達することができる。
また、前述したように、駆動装置１は、被駆動部であるローター２１と、ローター２１を駆動する圧電振動子３と、を有する。また、圧電振動子３は、表裏関係にある一対の主面である上面４１１および下面４１２と、上面４１１および下面４１２を接続する側面４１３と、を有する振動部４１と、振動部４１に配置され、振動部４１が振動することにより生じる駆動力を被駆動部であるローター２１に伝達する凸部４２と、を有する。また、振動部４１は、第１振動板および第２振動板を含む複数の振動板５が、上面４１１および下面４１２が並ぶ第１方向であるＺ軸方向に積層されてなり、第１振動板（振動板５１、５２、５３、５４の１つ、２つまたは３つ）は、Ｚ軸方向からの平面視で、振動部４１をローター２１と凸部４２とが並ぶ第２方向であるＸ軸方向に対して直交する第３方向であるＹ軸方向に屈曲振動させる屈曲振動用圧電素子Ｅ２１、Ｅ２２、Ｅ３１、Ｅ３２を有し、第１振動板および第２振動板のいずれか一方または両方（本実施形態では両方）は、振動部４１を第２方向であるＸ軸方向に伸縮振動させる伸縮振動用圧電素子Ｅ１を有し、側面４１３に屈曲振動用圧電素子Ｅ２１、Ｅ２２、Ｅ３１、Ｅ３２および伸縮振動用圧電素子Ｅ１と電気的に接続されている複数の端子８０、８１、８２、８３が配置されている。このような構成の駆動装置１によれば、振動部４１をＸ軸方向へ伸縮振動させる伸縮振動用圧電素子Ｅ１を備えているため、伸縮振動用圧電素子Ｅ１を備えていない場合と比べて楕円運動の軌跡が大きくなり、その分、出力も大きくなる。そのため、ローター２１をより大きな力で回転させることができる。
なお、本実施形態では、４枚の振動板５１、５２、５３、５４の全部が、その上面に個別電極７１、７２、７３、７４、７５を有し、下面に共通電極７０を有しているが、これに限定されず、例えば、４枚の振動板５１、５２、５３、５４のうちの１つ、２つまたは３つは、その下面に個別電極７１、７２、７３、７４、７５を有し、上面に共通電極７０を有していてもよい。
＜第２実施形態＞
図１５および図１６は、それぞれ、第２実施形態に係る圧電振動子が有する振動部の分解斜視図である。
図１５および図１６は、それぞれ、第２実施形態に係る圧電振動子が有する振動部の分解斜視図である。
本実施形態の圧電振動子３は、振動部４１の構成が異なること以外は、前述した第１実施形態の圧電振動子３と同様である。そのため、以下の説明では、本実施形態の圧電振動子３に関し、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、本実施形態における各図において、前述した実施形態と同様の構成については、同一符号を付している。
図１５および図１６に示すように、振動部４１は、４枚の振動板５１、５２、５３、５４がＺ軸方向に積層して形成されている。なお、本実施形態では、上下両端に位置する振動板５１、５４が第１振動板であり、これらに挟まれた振動板５２、５３が第２振動板である。
第１振動板である振動板５１、５４は、それぞれ、圧電層６と、圧電層６の上面に配置された４つの個別電極７１、７２、７４、７５と、圧電層６の下面に配置された１つの共通電極７０と、を有する。つまり、振動板５１、５４は、屈曲振動用圧電素子Ｅ２１、Ｅ２２、Ｅ３１、Ｅ３２を有する。一方、第２振動板である振動板５２、５３は、それぞれ、圧電層６と、圧電層６の上面に配置された１つの個別電極７３と、圧電層６の下面に配置された１つの共通電極７０と、を有する。つまり、振動板５２、５３は、伸縮振動用圧電素子Ｅ１を有する。このように、本実施形態では、振動板５１、５４によって振動部４１を屈曲振動させ、振動板５２、５３によって振動部４１を伸縮振動させている。
このような構成によれば、振動板５１、５４に形成される圧電素子の数が前述した第１実施形態の５つ（伸縮振動用圧電素子Ｅ１、屈曲振動用圧電素子Ｅ２１、Ｅ２２、Ｅ３１、Ｅ３２）から４つ（屈曲振動用圧電素子Ｅ２１、Ｅ２２、Ｅ３１、Ｅ３２）に減少する。したがって、例えば、前述した第１実施形態と同じ大きさの振動板５１、５４であれば、屈曲振動用圧電素子Ｅ２１、Ｅ２２、Ｅ３１、Ｅ３２のサイズを大きくすることができ、その分、圧電振動子３の出力を高めることができる。また、同じ大きさの屈曲振動用圧電素子Ｅ２１、Ｅ２２、Ｅ３１、Ｅ３２であれば、振動板５のサイズを小さくすることができ、圧電振動子３の小型化を図ることができる。
以上のように、本実施形態の圧電振動子３では、伸縮振動用圧電素子Ｅ１は、第２振動板である振動板５２、５３に配置されている。そのため、振動板５１、５４に配置される圧電素子の数を減らすことができる。したがって、例えば、前述した第１実施形態と同じ大きさの振動板５１、５４であれば、屈曲振動用圧電素子Ｅ２１、Ｅ２２、Ｅ３１、Ｅ３２のサイズを大きくすることができ、その分、圧電振動子３の出力を高めることができる。また、同じ大きさの屈曲振動用圧電素子Ｅ２１、Ｅ２２、Ｅ３１、Ｅ３２であれば、振動板５１、５４のサイズを小さくすることができ、圧電振動子３の小型化を図ることができる。
このような第２実施形態によっても前述した第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。
なお、本実施形態では、４枚の振動板５１、５２、５３、５４の全部が、その上面に個別電極を有し、下面に共通電極７０を有しているが、これに限定されず、例えば、振動板５１、５４のいずれか一方または両方は、その下面に個別電極７１、７２、７４、７５を有し、上面に共通電極７０を有していてもよい。同様に、振動板５２、５３のいずれか一方または両方は、その下面に個別電極７３を有し、上面に共通電極７０を有していてもよい。また、第１、第２振動板の数は、特に限定されず、例えば、振動板５１、５２、５３、５４のうちの３枚が第１振動板、残りの一枚が第２振動板であってもよいし、これとは逆に、振動板５１、５２、５３、５４のうちの３枚が第２振動板、残りの一枚が第１振動板であってもよい。また、第１、第２振動板の配置は、特に限定されず、例えば、２枚の第２振動板の間に２枚の第１振動板が挟まれていてもよいし、第１振動板と第２振動板とが交互に配置されていてもよい。
＜第３実施形態＞
図１７は、第３実施形態に係る圧電振動子が有する各振動部の平面図である。図１８は、振動体の斜視図である。
図１７は、第３実施形態に係る圧電振動子が有する各振動部の平面図である。図１８は、振動体の斜視図である。
本実施形態の圧電振動子３は、振動部４１の構成が異なること以外は、前述した第１実施形態の圧電振動子３と同様である。そのため、以下の説明では、本実施形態の圧電振動子３に関し、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、本実施形態における各図において、前述した実施形態と同様の構成については、同一符号を付している。
図１７に示すように、各振動板５１、５２、５３、５４は、その上面に個別電極７１、７２、７３、７４、７５に加えてさらに検出電極７６を有する。検出電極７６は、個別電極７３とＸ軸方向に並んで配置され、個別電極７３の基端側（Ｘ軸方向マイナス側）に位置している。各振動板５１、５２、５３、５４においては、Ｚ軸方向の平面視で、検出電極７６と重なる領域が検出用圧電素子Ｅ４を構成する。なお、検出用圧電素子Ｅ４の配置や数は、特に限定されない。
検出用圧電素子Ｅ４は、振動部４１の楕円運動に含まれるＸ軸方向への伸縮振動に応じた外力を受け、受けた外力に応じた検出信号を出力する。そのため、検出用圧電素子Ｅ４から出力される検出信号に基づいて、振動部４１の振動状態を検知することができる。
また、図１８に示すように、振動部４１の第３側面４１３ｃには、端子８０、８１、８２、８３と同様にして端子８６が形成されており、端子８６は、各振動板５１、５２、５３、５４が有する検出電極７６と電気的に接続されている。また、図示しないが、配線基板３１の先端部には接続端子３１０、３１１、３１２、３１３と同様にして端子８６と電気的に接続される接続端子が形成されている。
制御装置９は、検出用圧電素子Ｅ４から出力される検出信号に基づいて、交番電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の振幅を制御する。検出信号の振幅は、ローター２１の回転速度と相関関係にあるため、例えば、検出信号の振幅が所定値を保つように交番電圧Ｖ２の振幅をフィードバック制御することにより、ローター２１を所定の速度で安定して回転させることができる。なお、上述の例では、伸縮振動用圧電素子Ｅ１に印加する交番電圧Ｖ２だけをフィードバック制御しているが、これに限定されず、さらに、屈曲振動用圧電素子Ｅ２１、Ｅ２２、Ｅ３１、３２に印加する交番電圧Ｖ２、Ｖ３についてもフィードバック制御してもよい。
特に、本実施形態では、各振動板５１、５２、５３、５４に検出用圧電素子Ｅ４が配置されているため、検出信号がより大きくなり、上述したフィードバック制御の精度が向上する。ただし、これに限定されず、検出用圧電素子Ｅ４は、振動板５１、５２、５３、５４の少なくとも１つに配置されていればよい。つまり、第１振動板および第２振動板のいずれか一方だけが検出用圧電素子Ｅ４を有していてもよい。
以上のように、本実施形態の圧電振動子３では、第１振動板および第２振動板のいずれか一方または両方は、振動部４１の振動を検出する検出用圧電素子Ｅ４を有する。そのため、検出用圧電素子Ｅ４から出力される検出信号に基づいて、振動部４１の振動状態を検知することができる。また、例えば、検出信号の振幅が所定値を保つように伸縮振動用圧電素子Ｅ１に印加する交番電圧Ｖ２の振幅をフィードバック制御することにより、ローター２１を所定の速度で安定して回転させることができる。
このような第３実施形態によっても前述した第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。
＜第４実施形態＞
図１９は、第４実施形態に係る駆動装置の回路図である。
図１９は、第４実施形態に係る駆動装置の回路図である。
本実施形態の駆動装置１は、伸縮振動用圧電素子Ｅ１を検出用圧電素子に切り替えることができること以外は、前述した第１実施形態の駆動装置１と同様である。そのため、以下の説明では、本実施形態の駆動装置１に関し、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、本実施形態における各図において、前述した実施形態と同様の構成については、同一符号を付している。
図１９に示すように、本実施形態の駆動装置１は、スイッチ回路３９を有する。スイッチ回路３９は、各個別電極７３と制御装置９の電圧印加部９１とを電気的に接続する駆動モードと、各個別電極７３と制御装置９の検出信号受付部９２とを電気的に接続する検出モードと、を切り替えることができる。駆動モードでは、電圧印加部９１から各個別電極７３に交番電圧Ｖ２が印加され、各伸縮振動用圧電素子Ｅ１は、各屈曲振動用圧電素子Ｅ２１、Ｅ２２、Ｅ３１、Ｅ３２と共に振動部４１の振動の用に供される。一方、検出モードでは、各屈曲振動用圧電素子Ｅ２１、Ｅ２２、Ｅ３１、Ｅ３２だけが振動部４１の振動の用に供され、各伸縮振動用圧電素子Ｅ１は、振動部４１の振動に応じた検出信号を制御装置９の検出信号受付部９２に出力する。制御装置９は、受け付けた検出信号に基づいて圧電振動子３の駆動を制御する。
このように、本実施形態の駆動装置１では、伸縮振動用圧電素子Ｅ１を検出用圧電素に切り替えることができるため、例えば、前述した第３実施形態のように、別途、検出用圧電素子Ｅ４を配置する必要が無くなり、伸縮振動用圧電素子Ｅ１の面積を大きく確保することができる。そのため、振動部４１の振動状態を検出可能としつつ、圧電振動子３の出力をより高めることができる。
以上のように、本実施形態の駆動装置１は、伸縮振動用圧電素子Ｅ１を振動部４１の振動を検出する検出用圧電素子Ｅ４に切り替えるスイッチ回路３９を備えている。振動部４１の振動状態を検出可能としつつ、圧電振動子３の出力をより高めることができる。
このような第４実施形態によっても前述した第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。
以上、本発明の圧電振動子および駆動装置を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。また、各実施形態を適宜組み合わせてもよい。
また、前述した実施形態では、振動板５が圧電層６の上下面に電極を形成した構成であるが、振動板５の構成は、これに限定されない。例えば、振動板は、シリコン基板等の非圧電性の基板上に伸縮振動用圧電素子および屈曲振動用圧電素子を配置した構成であってもよい。また、伸縮振動用圧電素子および屈曲振動用圧電素子を一対のシリコン基板等の非圧電性の基板で挟み込んだ構成であってもよい。
１…駆動装置、１Ａ…第１駆動装置、１Ｂ…第２駆動装置、１θ…第３駆動装置、２１…ローター、２１１…外周面、２１２…主面、２２…スライダー、２３Ａ…ステージ、２３Ｂ…ステージ、２３θ…ステージ、３…圧電振動子、３Ａ…圧電振動子、３Ｂ…圧電振動子、３θ…圧電振動子、３０…ケース、３０１…開口、３１…配線基板、３１０…接続端子、３１１…接続端子、３１２…接続端子、３１３…接続端子、３２…付勢部、３２１…圧縮コイルばね、３３…間座、３４…付勢部、３４１…圧縮コイルばね、３５…間座、３９…スイッチ回路、４…振動体、４１…振動部、４１１…上面、４１２…下面、４１３…側面、４１３ａ…第１側面、４１３ｂ…第２側面、４１３ｃ…第３側面、４１３ｄ…第４側面、４２…凸部、５…振動板、５０…絶縁層、５１…振動板、５２…振動板、５３…振動板、５４…振動板、５５…絶縁層、６…圧電層、７０…共通電極、７１…個別電極、７２…個別電極、７３…個別電極、７４…個別電極、７５…個別電極、７６…検出電極、８０…端子、８１…端子、８２…端子、８３…端子、８４…端子、８５…端子、８６…端子、８７…電気配線、８８…電気配線、９…制御装置、９１…電圧印加部、９２…検出信号受付部、Ａ…方向、Ａ１…矢印、Ａ２…矢印、Ｂ…方向、Ｂ１…矢印、Ｂ２…矢印、Ｅ１…伸縮振動用圧電素子、Ｅ２１…屈曲振動用圧電素子、Ｅ２２…屈曲振動用圧電素子、Ｅ３１…屈曲振動用圧電素子、Ｅ３２…屈曲振動用圧電素子、Ｅ４…検出用圧電素子、Ｏ…回転軸、Ｑ１…接合部材、Ｑ２…接合部材、Ｖ１…交番電圧、Ｖ２…交番電圧、Ｖ３…交番電圧
Claims (8)
- 表裏関係にある一対の主面と、前記一対の主面を接続する側面と、を有する振動部と、
前記振動部に配置され、前記振動部が振動することにより生じる駆動力を被駆動部に伝達する凸部と、を有し、
前記振動部は、前記第１振動板および前記第２振動板を含む複数の振動板が、前記一対の主面が並ぶ第１方向に積層されてなり、
前記第１振動板は、前記主面の平面視で、前記振動部を前記被駆動部と前記凸部とが並ぶ第２方向に対して直交する第３方向に屈曲振動させる屈曲振動用圧電素子を有し、
前記第１振動板および前記第２振動板のいずれか一方または両方は、前記振動部を前記第２方向に伸縮振動させる伸縮振動用圧電素子を有し、
前記側面に前記屈曲振動用圧電素子および前記伸縮振動用圧電素子と電気的に接続されている複数の端子が配置されていることを特徴とする圧電振動子。 - 前記伸縮振動用圧電素子は、前記第１振動板および前記第２振動板のそれぞれに配置されている請求項１に記載の圧電振動子。
- 前記伸縮振動用圧電素子は、前記第２振動板に配置されている請求項１に記載の圧電振動子。
- 前記第１振動板および前記第２振動板のいずれか一方または両方は、前記振動部の振動を検出する検出用圧電素子を有する請求項１ないし３のいずれか１項に記載の圧電振動子。
- 前記複数の端子と電気的に接続されている配線基板を有している請求項１ないし４のいずれか１項に記載の圧電振動子。
- 前記振動部を収容するケースと、
前記ケースに対して前記振動部を前記凸部の先端側に付勢する付勢部と、を有している請求項１ないし５のいずれか１項に記載の圧電振動子。 - 被駆動部と、
前記被駆動部を駆動する圧電振動子と、を有し、
前記圧電振動子は、
表裏関係にある一対の主面と、前記一対の主面を接続する側面と、を有する振動部と、
前記振動部に配置され、前記振動部が振動することにより生じる駆動力を被駆動部に伝達する凸部と、を有し、
前記振動部は、前記第１振動板および前記第２振動板を含む複数の振動板が、前記一対の主面が並ぶ第１方向に積層されてなり、
前記第１振動板は、前記主面の平面視で、前記振動部を前記被駆動部と前記凸部とが並ぶ第２方向に対して直交する第３方向に屈曲振動させる屈曲振動用圧電素子を有し、
前記第１振動板および前記第２振動板のいずれか一方または両方は、前記振動部を前記第２方向に伸縮振動させる伸縮振動用圧電素子を有し、
前記側面に前記屈曲振動用圧電素子および前記伸縮振動用圧電素子と電気的に接続されている複数の端子が配置されていることを特徴とする駆動装置。 - 前記伸縮振動用圧電素子を前記振動部の振動を検出する検出用圧電素子に切り替えるスイッチ回路を備えている請求項７に記載の駆動装置。
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