JP4593266B2

JP4593266B2 - 振動子

Info

Publication number: JP4593266B2
Application number: JP2004376615A
Authority: JP
Inventors: 剛稲葉; 厚司市川
Original assignee: Hoya Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 2004-12-27
Filing date: 2004-12-27
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2024-12-27
Also published as: JP2006187093A

Description

本発明は、超音波モータ等を駆動する振動子に関する。

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。例えば、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一点を楕円運動させる。楕円運動させる一点を被駆動体である回転体を楕円運動させる一点に加圧して、駆動力が回転体に伝達される。

ところで、振動子の楕円運動は略直交する２つの方向に伸縮振動と屈曲振動とを組合わせることにより発生させることが可能である。このような振動子としてひし形の振動子が知られている。

従来公知の駆動方法により、ひし形の振動子は一方の対角線に平行な第１方向に伸縮振動し、第１方向に垂直な第２方向に屈曲振動を行い、第１方向に平行な対角線を構成する頂点に楕円運動を発生させることが可能である。楕円運動を生じさせる頂点に、板状の被駆動体を第１方向に垂直に当接させ楕円運動を生じさせることにより、駆動力を取出すことが可能である。

また、大きな駆動力を得るために、振動子固有の第１方向及び第２方向への振幅がともに最大となる所定の共振周波数を一致させること、所定の共振周波数と同じ周波数の駆動信号を入力すること、および両振動の位相を９０°ずらすことが望ましい。

しかし、このような振動子から駆動力を取出すための頂点に外部からの力がかからない状態において両振動の共振周波数が一致させた場合であっても、被駆動体に当接して外部からの力がかかることにより、両振動の共振周波数が互いに異なる共振周波数に変化してしまう問題があった。

図９、１０を用いて共振周波数が変化することにより生じる問題について説明する。図９は両振動の共振周波数が一致している場合に被駆動体に対して伝動される駆動力を示し、図１０は両振動の共振周波数が変化する場合の駆動力を示す。

両振動の共振周波数が変化することにより共振周波数が駆動信号の周波数と異なるため、駆動力の最大値ＭＸＤ’が両振動の共振周波数が一致している場合の駆動力の最大値ＭＸＤに比べて低くなってしまう（図９，１０参照）。また、共振周波数が変わると、駆動信号に対する両振動の応答の速さが変わる。従って、両振動の位相のずれは９０°から外れ、駆動力を取出すための頂点が第１方向に伸張している間に第２方向の負の向きと正の向きに振動し、被駆動体にマイナス方向の駆動力を付与することになる（図１０タイミングｔ１参照）。
特開平１１−２７５８７８号公報

したがって、本発明では、被駆動体に当接した状態において十分な駆動力を取出すことが可能な振動子の提供を目的とする。

本発明の振動子は、中央部と、中央部から第１方向に沿って両側に延びる第１、第２突出部と、中央部から第１方向と略垂直する第２方向に沿って両側に延びる第３、第４突出部と、表面に第２方向に沿って並ぶ第１、第２電極とを備え、第１突出部の先端と第２突出部の先端との第１間隔に対する第３突出部の先端と第４突出部の先端との第２間隔の比である寸法比が第１方向に沿った振動の共振周波数と第２方向に沿った振動の共振周波数を一致させるときの寸法比に比べて大きいことを特徴としている。このような構成により、被駆動体と当接した状態において伸縮振動の共振周波数と屈曲振動の共振周波数が一致し大きな駆動力を出力可能となる。

また、第１、第２突出部が最先端において第２方向と平行な辺と第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。さらに第３、第４突出部が第２方向に沿って外側に延びるにつれて幅が小さくなることが好ましい。このような構成によれば、振動子から大きな駆動力を出力することが可能である。

また、第１〜第４突出部を有する弾性板部材と、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振動体とを備えることが好ましい。

本発明によれば、振動子における両振動の共振周波数が被駆動体に当接した状態において一致させることが可能となり、振動子から大きな駆動力を出力させることが可能になる。

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、本発明の一実施形態を適用した振動子の正面図である。図２は振動子の側面図である。振動子１０は、板状の圧電素子２０、２０、及び弾性を有する板部材、例えば金属板であるシム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。

圧電素子２０、２０には、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は圧電素子の中央から第１方向Ｄ１に沿った最先端に位置する。なお、図１において、第１方向Ｄ１は図中の上下方向（縦方向）に対応し、第２方向Ｄ２は図中の左右方向（横方向）に対応している。

圧電素子２０、２０には、中央から面上の第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。

振動子１０の第１、第２方向Ｄ１、Ｄ２の共振周波数は、振動子全体の形状によって定まる。第１、第２方向Ｄ１、Ｄ２の共振周波数は、テーパの長さや角度、或いは第１突出部２１ａ先端から第２突出部２１ｂ先端までの間隔（図１符号Ｅ参照）に対する第３突出部２１ｃ先端から第４突出部２１ｄ先端までの間隔（図１符号Ａ参照）の比である寸法比を変えることにより、調整可能である。振動子１０の寸法比が第１、第２方向の共振周波数が一致するときの寸法比である基準寸法比より大きくなるように、圧電素子２０は形成される。

一例として、振動子のシムをステンレス鋼、圧電素子をＰＺＴとし、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４：１．７にした場合に、基準寸法比は８／８．１と定まり、両振動の共振周波数を一致させることが可能である。従って、寸法比が基準寸法比である８／８．１より大きい振動子１０は、後述する本実施形態の効果を有する。

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に沿って第１電極２３ａと第２電極２３ｂとが並べられる。第１、第２電極２３ａ、２３ｂ、には、後述するように、位相の異なる交流電圧である駆動信号が入力される。

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。

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。また、圧電素子２０、２０に設けられる第１電極２３ａと第２電極２３ｂは、第１方向Ｄ１に平行な直線を軸に対称の位置に配置される。従って、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。

振動子１０は、例えば超音波モータ（図示せず）の動力発生部として使用される。振動子１０は、第１、第２支持部３２ａ、３２ｂを介して超音波モータに固定される。楕円運動をする振動子１０の先端から動力が取出される。

動力を取出すために、第１、第２接触部３１ａ、３１ｂが被駆動体（図示せず）に当接される。このような構成により、圧電素子が被駆動体に直接当接する事を防ぎ、振動子全体の耐久性が向上する。

図３は第１の実施形態を適用した振動子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。

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。

発振部４１において交流電圧が発生して、交流電圧は移相部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に振動子１０を伸縮振動させるための信号として調整され、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に振動子を屈曲振動させるための信号として調整され、電圧はｃｏｓωｔとなる。

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。

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を加算して、Ａｓｉｎωｔ＋Ｂｃｏｓωｔの交流電圧である駆動信号を第１電極２３ａに出力する。

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を減算して、Ａｓｉｎωｔ−Ｂｃｏｓωｔの交流電圧である駆動信号を第２電極２３ｂに出力する。

以上のような回路構成によって出力される駆動信号が入力される振動子１０の振動について図１、及び図４〜図７を用いて説明する。なお、振動子１０の第１接触部２１ａにロータ（図示せず）などの駆動体が当接されているものとする。

図１は第１電極２３ａ、及び第２電極２３ｂに駆動信号が入力されていない状態における振動子の外観である。駆動信号が入力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。

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。第１、第２電極２３ａ、２３ｂに印加する電圧の極性の組合わせにより第１方向Ｄ１への伸縮振動、及び第２方向Ｄ２への屈曲振動が可能になる。

図４は、駆動信号の位相ωｔ＝０のときの振動子１０の状態を示した図である。第１電極２３ａには正の電圧＋Ｂ、第２電極２３ｂには負の電圧−Ｂである駆動信号が入力される。従って、第２電極２３ｂにおける圧電素子が収縮し、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１状態まで振動子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、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。

図５は、印加電圧の位相がωｔ＝π／２のときの振動子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である駆動信号が入力される。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状態まで振動子１０は第１方向Ｄ１に膨張する。

この時、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。

図６は、印加電圧の位相がωｔ＝πのときの振動子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である駆動信号が入力される一方、第２電極２３ｂには正の電圧＋Ｂである駆動信号が入力される。従って、第１電極２３ａにおける圧電素子が収縮し、及び第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３状態まで振動子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、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。

図７は、印加電圧の位相がωｔ＝（３／２）πのときの振動子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である駆動信号が入力される。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状態まで振動子１０は第１方向Ｄ１に収縮する。この時、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。

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。このように振動子１０の外形が変化すると、辺部２２の任意の一点及び第１、第２接触部３１ａ、３１ｂは楕円運動を行う。

以上のような構成によって駆動される振動子１０の効果を説明する。振動子１０の寸法比を大きくするほど（すなわち、第１突出部２１ａの先端から第２突出部２１ｂの先端までの間隔に対する第３突出部２１ｃの先端から第４突出部２１ｄの先端までの間隔を相対的に小さくするほど）、第２方向Ｄ２の屈曲振動の共振周波数の増加量は、第１方向Ｄ１の伸縮振動の共振周波数の増加量より大きくなる。従って、第１、第２接触部３１ａ、３１ｂ及び第１、第２突出部２１ａ、２１ｂに外部からの力がかからない状態、すなわち外部からの力が解放された状態において、基準寸法比より大きな寸法比である振動子１０の屈曲振動の共振周波数は、伸縮振動の共振周波数より大きい。

一方、前述のように振動子１０を、例えば図８に示す超音波モータ５０に設けた場合には、両振動の共振周波数は異なる量で変化する。超音波モータ５０において、駆動力を取出すためのロータ５２が、第１方向Ｄ１に沿って第１接触部３１ａに押圧される。第１接触部３１ａがこのように押圧される場合に、第１方向Ｄ１の伸縮振動の共振周波数の増加量は、第２方向Ｄ２の屈曲振動の共振周波数の増加量より大きい。

従って、基準寸法比より大きな寸法比に形成することにより第２方向Ｄ２の屈曲振動の共振周波数が第１方向Ｄ１の伸縮振動の共振周波数より大きな振動子１０が超音波モータ５０に設けられた状態において、両振動の共振周波数を一致させることが可能である。なお、駆動信号の周波数は、第１接触部３１ａをロータ５２に当接させた状態における両振動の共振周波数と同じ周波数にすることにより、さらに大きな駆動力を得ることが可能になる。

また、振動子の形状を以上のように形成することにより、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。

なお、本実施形態において圧電素子が第１〜第４突出部を有する構成であったが、シムが前述の形状の第１〜第４突出部を有する構成であってもよい。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の屈曲振動の共振周波数は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両振動の共振周波数を一致させることが可能である。

また、本実施形態において金属製のシムを用いたが、弾性を有する板部材であれば、いかなる部材であってもよく、本実施形態と同じ効果を生じる。

また、本実施形態では、８角形の対向する２辺から外側に突出させた形状の振動子を用いたが、ひし形であってもよいし、中央部から第１、第２方向に沿って両側に延びる突出部を有する振動子であれば、被駆動体に当接した状態において両振動の共振周波数を一致させることが可能である。

また、本実施形態では、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）を用いても本実施形態と同じ効果を生じる。

本発明の一実施形態を適用した振動子の正面図である。振動子の側面図である。振動子に駆動信号を出力する駆動装置の構成を概略的に示すブロック図である。振動子の第２方向への屈曲状態を示す図である。振動子の第１方向への伸張状態を示す図である。振動子の第２方向への屈曲状態を示す図である。振動子の第１方向への収縮状態を示す図である。振動子を有する超音波モータの外観構成を示す図である。振動子における両振動の共振周波数が一致している場合の、振動子から出力可能な駆動力を示す図である。振動子における両振動の共振周波数が異なる場合の、振動子から出力可能な駆動力を示す図である。

符号の説明

１０振動子
２１ａ〜２１ｄ第１〜第４突出部
２３ａ、２３ｂ第１、第２電極
３１ａ、３１ｂ第１、第２接触部
４０駆動回路
Ｄ１第１方向
Ｄ２第２方向

Claims

中央部と、前記中央部から第１方向に沿って両側に延びる第１、第２突出部と、前記中央部から前記第１方向と略垂直な第２方向に沿って両側に延びる第３、第４突出部と、表面に前記第２方向に沿って並び振動を生じさせるための交流電圧が印加される第１、第２電極とを備え、
前記第１突出部の先端と前記第２突出部の先端との間隔に対する前記第３突出部の先端と前記第４突出部の先端との間隔の比である寸法比が、前記第１方向に沿った振動の共振周波数と前記第２方向に沿った振動の共振周波数が一致するときの前記寸法比に比べて大きい
ことを特徴とする振動子。
前記第１、第２突出部が、最先端において前記第２方向と平行な辺と前記第１方向に平行な２つの辺によって形成されることを特徴とする請求項１に記載の振動子。
前記第３、第４突出部が、前記第２方向に沿って外側に延びるにつれて幅が小さくなることを特徴とする請求項１に記載の振動子。
前記第１〜第４突出部を有する弾性板部材と、
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。