JP4945023B2 - Electro-mechanical transducer, ultrasonic motor and electronic equipment - Google Patents

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JP4945023B2
JP4945023B2 JP2000286911A JP2000286911A JP4945023B2 JP 4945023 B2 JP4945023 B2 JP 4945023B2 JP 2000286911 A JP2000286911 A JP 2000286911A JP 2000286911 A JP2000286911 A JP 2000286911A JP 4945023 B2 JP4945023 B2 JP 4945023B2
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朗弘 飯野
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貴之 小坂
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は圧電素子を用いたエネルギー変換素子およびエネルギー変換素子の駆動方法に関するものである。また、エネルギー変換素子を用いた電子機器に関するものである。例えば、圧電デバイス、すなわちアクチュエータ、センサ、トランス、ブザー、スピーカ、フィルタ等及び、この圧電デバイスを用いた電子機器などである。
【0002】
【従来の技術】
近年、各種電子機器において各種圧電デバイス(例えばアクチュエータ、センサ、トランス、フィルタ等)が盛んに使用されている。例えばアクチュエータの中では超音波モータが注目され、様々な分野での応用が試みられている。超音波モータの駆動方式としては、板状の振動体に圧電素子を接着し、圧電素子の(圧電横効果による)伸縮運動を曲げ振動に変換させる方式が一般に広く採られている。例えば特公平8−107686に、このような超音波モータの例が記載されている。またこの例においては圧電素子を二つの領域に分け、移動体の駆動方向に応じどちらか一方の領域を使用して駆動力を得ている。
【0003】
他のアクチュエータ、センサ、トランス、ブザー、スピーカ等においても曲げ振動(変位)を発生させたり、曲げ振動(変位)によって信号を得ようという場合にはこのように弾性部材に圧電素子を接合することが一般に行われている。
【0004】
また例えば圧電トランスの場合、圧電素子自体で構成される場合が多いが方向が異なる分極処理(厚み方向及び長手方向)を行って所定の性能を得ていた。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような方式を採った場合、厚みの薄い圧電素子を振動体に接着しなければならない為作業性が悪く、場合によっては圧電素子の破損(割れ)を生じることさえあった。そして接着剤のむらによる製品間の特性ばらつきが生じ易かった。更に、圧電素子の運動を接着剤を通して振動体に伝えている為、接着剤でエネルギーのロスが生じていた。また、接着剤を使用することから温度や湿度といった使用環境が制限されることもあった。更には接着層の剥離によって高出力駆動が難しいという問題点があった。
【0006】
そして、上記の超音波モータの場合には実際に駆動に使用している圧電素子の実働部分が少なく、出力も小さいという問題点があった。
【0007】
また、従来の圧電トランスでは分極方向が異なることから分極時に残留歪みが生じ、高出力で使用すると破壊が生じる場合が有るとともに圧電素子の表裏の面と側面(端面)に電極を設けなければ成らず製造工程が複雑になっていた。
【0008】
そこで本発明は、圧電素子のみを用いて所定の振動を励振するとともに圧電素子の実使用部分を多くしアクチュエータ、センサ、トランス等の高出力化ならびに製造の簡素化を図ることを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は、厚み方向に分極された圧電素子から成り、前記圧電素子の一方の面内に設けられた複数の電極間に電界を印加させることで前記厚み方向に屈曲変位を得ることを特徴とする電気−機械変換素子である。
【0010】
一方の面に電極を設けることにより、一方の面で圧電素子の電界をかけることができる。
【0013】
本発明は、前記分極の方向がすべて同一方向である電気−機械変換素子あるいは機械−電気変換素子である。
【0014】
分極方向を同一方向にすることにより、分極を容易に行うことができる。
【0015】
本発明は、電気−機械変換素子の一方の面には周方向に対し、前記電気−機械変換素子が励振する振動波の1/2波長の間隔で設けられた複数の電極を有し、隣り合う電極間に駆動信号印加されることを特徴とする電気−機械変換素子である。
【0016】
本発明は、前記電気−機械変換素子の他方の面には、前記一方の面に設けられた複数の電極とは周方向に対し1/4波長分位置がずれた複数の電極を有する電気−機械変換素子である。
【0017】
本発明は、電気−機械変換素子の一方の面には、前記電気−機械変換素子が励振する振動波の1/4波長の間隔で設けられた複数の電極を有し、隣り合う二つの電極を一組とする複数の電極群を構成し、隣り合う前記電極群間に駆動信号印加されることを特徴とする電気−機械変換素子である。
【0018】
本発明は、電気−機械変換素子は前記電気−機械変換素子が励振する振動波の1/2波長の間隔で分極方向が反転し、また前記電気−機械変換素子の一方の面には前記振動波の1/4波長の間隔で複数の電極が設けられ、隣り合う前記電極間に駆動信号印加されることを特徴とする電気−機械変換素子である。
【0021】
本発明は、電気−機械変換素子を備えたことを特徴とする電子機器である。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係るエネルギー変換素子、この駆動方法およびこれを用いた電子機器の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。
{実施の形態1}
先ず初めに、本発明に適用可能な超音波モータの構造例について図1を用いて説明する。超音波モータの振動体は、円板状の圧電素子1からなり、圧電素子1の中心に貫通穴をあける。その貫通穴は、中心を支持板4に固定された中心軸3によって支持されている。圧電素子の上面には、複数の突起部材2を設ける。突起部材2は圧電素子1のみからなる振動体の振動変位を拡大し、移動体5に回転力を与える。複数の突起2aは、その一方の端部で結合されるベース部2bとベース部2bの一部から突出し、圧電素子1の内径部にある案内面1aに収まっている突出部2cからなる。これら突起部材2は、例えば耐摩耗性を有するエンジニアリングプラスチックによって、一体的に成形され圧電素子1と接着等によって接合される。ここで、突起2aは個々に直接圧電素子1に接合しても構わない。振動体となる圧電素子1は、突出部2cを介して中心軸3によって固定されている。ここで、突起部材2は圧電素子1に接着されているが、従来例における圧電素子と振動体の接着の場合と異なり、ここでの接着力はある程度の機械的強度が得られれば良く、予め所定の振動が得られる構造をした圧電素子1の上に突起部材2が接着されるものであり、振動体の振動にアンバランスを生じさせ、製品間のバラツキを生じさせるものではない。
【0023】
移動体5は圧電素子1の上方に配置する。移動体5の中心に貫通穴をあけ、その貫通穴に軸受け6をはめ込みや接着等により固定する。、軸受け6の中心を中心軸3で案内している。したがって、移動体5は中心軸3を回転中心として回転することができる。また、移動体5の下面には、圧電素子1の突起部材2と接触するは摩擦部材5aを設ける。
【0024】
ばね部材7は、軸受け6の上方に、中心軸3を案内するように設け、上部を中心軸3の中央部に受けたねじ溝に合致するねじで固定する。こうすることで、軸受け6の内輪を加圧することができ、圧電素子1の突起2aと移動体5の摩擦部材5aの間に適度な接触圧を与えることができる。したがって、圧電素子1に加えられた電気エネルギーは、圧電素子1の圧電効果によって振動体に励振された振動波となる。この振動波は、突起2aと移動体5の摩擦部材5aの間に発生する摩擦力を介して、移動体5の回転力となり、機械エネルギーに変換される。
【0025】
次に、図2および図3を用いて、実施の形態1に係る超音波モータの動作原理を説明する。図2は、本実施例における圧電素子の電極構成を示したものである。図2Aは圧電素子1の第1の面を、図2Bは第2の面を示す。ここで、第1の面と第2の面は表裏の関係を有している。
【0026】
圧電素子1の第1の面には、電極8a、8bを配置する。電極8a、8bは、圧電素子1の周方向に対して、圧電素子1が励振する振動波の1/2波長間隔で均等に分割する。各電極8a、8b間は互いに接触しないように一定の間隔をあけておく。
【0027】
圧電素子1の第2の面にも、第1の面と同様に電極9a、9bを設ける。
【0028】
このとき、第1の面に設けた電極8a、8bと第2の面に設けた電極9a、9bは、第1の面あるいは第2の面からみて、周方向に対して半ピッチ(1/4波長)ずれるようにしておく。
【0029】
図3は、本実施例における駆動原理を示したものである。
圧電素子1は厚み方向に対して、矢印Pに示す向きに一方向に分極処理を施す。
突起2aは、電極8a、8b、9aおよび9bが励振する定在波の節から1/8波長ずれた位置で、第2の面側に等間隔で接合する。第1の面の電極8a、8b間に駆動信号を印加すると、ある瞬間に、矢印100に示すように電極8bから電極8aに向かって電界が加わる。この電界により、圧電素子1の厚み方向に対して電極8aおよび8bの付近、すなわち表面付近では電界の方向は厚み方向に働き、電界の方向と分極方向の関係に応じて圧電素子1は伸縮する。また、電極8aと電極8bの境界付近、特に表面から中に入り込んだ部分では、電界は分極方向Pに対して垂直方向に働くため、滑り振動も生じる。但し、電界の強さは圧電素子1の第1の面(電極8a、8b)側でのみ強くなるため、これに伴う変位も第1の面側でのみ生じる。従って、図3Bの様な静止位置から上方に屈曲する部分と、静止位置から下方に屈曲する部分とがあらわれる、屈曲定在波が発生する。この時、屈曲定在波の頂点に対して、突起2aが右側に位置しているため、上昇した突起2aは右に傾くことにる。一方、下降した突起2aは、左側に傾くこととなる。突起2aは図1により移動体5と接しているので、上昇した突起2aが移動体を図示しない移動体5は図中左から右に移動または回転する。
【0030】
一方、第2の面に設けた電極9a、9b間に駆動信号を印加した場合を図3Cに示す。電極9bから電極9aに向かって電界を加えると、静止位置から上方に屈曲する部分と、静止位置から下方に屈曲する部分とがあらわれる、屈曲定在波が発生する。この時、屈曲定在波の頂点に対して、突起2aが左側に位置しているため、上昇した突起2aは左に傾き、一方、下降した突起2aは右に傾く。したがって、移動体5は図中右から左に移動または回転する。
【0031】
これにより、第1の面の電極8a、8bと第2の面の電極9a、9bのどちらに信号を印加するかによって、移動体5の移動方向を可変できる。なお、以上定在波を使用した例を示したが、振動体となる圧電素子1に進行波を発生させても構わない。この時には、電極8a、8b間に加える信号と電極9a、9b間に加える信号の位相を、例えば90度変えて与えればよい。また、本実施例では圧電素子1のみで振動体を構成したが、勿論他の弾性部材と接合して振動体を構成しても構わない。
【0032】
以上のように、本実施例においては弾性部材との接着を行わず圧電素子1のみで曲げ振動を発生させるようする共に、分極方向を同一方向とすることで、生産性を向上することができる。また、同一方向に分極することにより、分極方向が反転する境界部分がなくなり、破壊強度も高くなる。また、圧電素子1の一方の面に設けられた電極全体に駆動信号を印加して駆動することにより、圧電素子1の圧電横効果による伸縮振動と、加えて電気―機械結合係数が高い厚み滑り振動を利用しているので、高出力で信頼性に優れた超音波モータを得ることができる。さらに、一つの面に設けられた電極全体に駆動信号を印加すればよいから、圧電素子に信号を加える導通構造、すなわちリード取り出し構造が簡単となる。
【0033】
以上のように本実施の形態の圧電素子1は電気的なエネルギを機械的なエネルギに変換する電気−機械変換素子として働く。
{実施の形態2}
本発明の実施の形態2について、図4を用いて説明する。以下、駆動力の発生メカニズム及びその効果は、ほぼ実施の形態1に示したものと同じあるので、構成等の実施の形態1と異なる部分についてのみ説明する。
【0034】
圧電素子1は厚み方向に対して、矢印Pの向きに一方向に分極処理を施す。圧電素子1の下面には圧電素子1の周方向に対して、圧電素子1が励振する振動波の1/4波長間隔で等分割された電極8c、8d、8e、8fを設ける。なお、電極8c、8d、8e、8fは圧電素子1の上面に設けてもよい。
突起2aは電極8d、8fの夫々中央に当たる部分に接合する。電極8c、8dと電極8e、8fの間に駆動信号を印加すると、図4Bに示すな定在波が発生する。この時、屈曲定在波の頂点に対して、突起2aが右側に位置しているため、上昇した突起2aは右に傾き、移動体5は図中左から右に移動または回転する。
【0035】
また、電極8d、8eと電極8c、8fの間に駆動信号を印加すると、図4Cの様な定在波が発生する。この時、屈曲定在波の頂点に対して、突起2aが左側に位置しているため、上昇した突起2aは左に傾き、移動体5は図中右から左に移動または回転する。
【0036】
これにより、駆動信号に対する電極の組み合わせを選択することによって、移動体5の移動方向を可変することができる。
【0037】
以上のように本実施の形態の圧電素子1は電気的なエネルギを機械的なエネルギに変換する電気−機械変換素子として働く。
{実施の形態3}
本発明の実施の形態3について、図5を用いて説明する。圧電素子1は厚み方向に対して、矢印Pの方向に分極処理を施す。このとき、圧電素子1が励振する振動波の1/2波長おきに、その方向が対称となるようにする。たとえば、ある部分が下面から上面方向に分極すると、その部分から振動波の1/2波長離れた部分は、上面から下面方向に分極される。圧電素子1の下面には、圧電素子1の周方向に対して、圧電素子1が励振する振動波の1/4波長間隔で分割された電極8g、8hを設ける。したがって、分極方向は電極8h、8g間の境界で1/2波長間隔で反転する。
【0038】
例えば突起2aは電極8hの中央に接合されている。電極8gと電極8hの間に駆動信号を印加すると、図5Bの様な定在波が発生する。この時、屈曲定在波の頂点に対して、突起2aが左側に位置しているため、上昇した突起2aは左に傾き、移動体5は図中右から左に移動または回転する。
【0039】
ここで、電極8gおよび8hの長さは1/4波長分であり短く、駆動信号が圧電素子1に及ぼす電界は大きく、低電圧で高出力な駆動が可能となる。
【0040】
以上のように本実施の形態の圧電素子1は電気的なエネルギを機械的なエネルギに変換する電気−機械変換素子として働く。
{実施の形態4}
本発明の実施の形態4について図6、図7を用いて説明する。
実施の形態4は本発明の圧電素子1から成る電気−機械変換素子並びに機械−電気変換素子を用いた圧電トランス並びに圧電トランスを用いた電子機器に関する。
【0041】
図6Aにおいて、矩形板形状の圧電素子1には、その表裏の両方の面の中央から一端までの半面に電極8i、8jが設けられている。また、圧電素子1の一方の面の電極8iが設けられていない中央から他端までの場所には電極8k、8lが設けられている。図中矢印Pは分極方向を示し、点線を挟んで分極方向は反転する。駆動回路10により電極8i、8jに駆動信号を印加すると、図6Bの曲線21に示す変位分布となる。圧電素子1は長手方向中央を節として、長手方向に伸縮振動する。この時、電極8k、8lからは入力電圧に比べて大きな電圧が出力され駆動対象物11を駆動する。駆動対象物11は、例えば液晶ディスプレイのバックライトおよびこれを駆動する回路等が該当し、例えば図示しないパーソナルコンピュータの内部に実装される。
【0042】
ここで、分極処理は全て厚み方向に対して行われるため、分極に必要な電圧が低くてすみ、生産設備等の制限を受け難くなり、製造が容易になる。尚、電極8m、8nは分極の際に使用した電極であり、電極8jと一体的に構成しても良い。また、場合によっては分極後電圧8m、8nを取り除いても良い。更に、応力が最大となる中央部付近においても分極方向は一定となっているため、高出力で使用しても破壊に対して強くなる。更には電極8k、8lの大きさ、位置並びに両者の隙間を自由に設定できるため、負荷となる駆動対象物11のインピーダンスに合わせた出力インピーダンスの調整が可能であるとともに、任意の昇圧比の設定が可能である。また、分極方向が厚み方向のみであることから、電極も圧電素子1の表裏の面のみに設ければよく、圧電素子1の積層化は容易に実現できる。そうすることで、入力インピーダンス、出力インピーダンス、昇圧比等の各種特性パラメータを自由に設定でき、設計の自由度を広げることができる。
{実施の形態5}
図7に別の実施の形態の例を示す。この実施の形態5においては、実施の形態4で説明した内容と共通する部分は説明を省略し、相違点のみ説明する。図7Aの曲線22に示すように矩形板形状の圧電素子1には、その表裏の両方の面の中央から一端までの半面に電極8i、8jが設けられている。また、圧電素子1の一方の面の電極8iが設けられていない中央から他端までの場所には、電極8k、8lが設けられている。図中の矢印Pは分極方向を示し、圧電素子1全体に渡って厚み方向一方向に分極処理されている。駆動回路10により電極8i、8jに駆動信号を印加すると、図7Bに示す変位分布のように圧電素子1は長手方向の二個所を節として長手方向に伸縮振動する。この時、電極8k、8からは入力電圧に比べて大きな電圧が出力され、駆動対象物11を駆動する。駆動対象物11は、例えば液晶ディスプレイのバックライト及びそれを駆動する回路等が該当し、例えば図示しないパーソナルコンピュータの内部に実装される。
【0043】
ここで、分極処理は全て厚み方向に対して行われるため、分極に必要な電圧が低くてすみ、生産設備等の制限を受け難くなり製造が容易になる。更に、分極方向は一様で境界が無いため、破壊に対して強くなり高出力化駆動が可能である。
【0044】
また、駆動回路10と駆動対象物11のGNDが共通となるように圧電素子1に共通電極を設けても良い。さらに、本実施の形態の変形は任意であり、例えば駆動用電極8i、8jと検出用電極8k、8lは圧電素子1の中央を境として左右に設けられているが、駆動用電極8i、8jを圧電素子1の中央部を含む位置に設け、それ以外の部分に検出用電極8k、8lを設けても良い。
【0045】
以上のように、本実施の形態の圧電素子1は電気的なエネルギを機械的なエネルギに変換する電気−機械変換素子と、機械的なエネルギを電気的なエネルギに変換する機械−電気変換素子の両方を有している。従って、本実施の形態における機械−電気変換素子を用いれば加速度や圧力を計測するセンサが容易に実現できる。
{実施の形態6}
図8に、本発明に係わる電気−機械変換素子を利用した超音波モータを電子機器に適用した実施の形態5のブロック図を示す。
【0046】
本電子機器は、前述の圧電素子1から成る振動体と振動体により駆動される移動体5と、移動体5と振動体に接触圧を与える加圧手段7と、移動体5と連動して可動する伝達機構12と、伝達機構12の動作に基づいて運動する出力機構13を備えることを特徴とする。
【0047】
ここで、伝達機構12には、例えば、歯車、摩擦車等の伝達車を用い、これを直接移動体5に形成する。伝達機構12を省略し、直接出力機構13を設けても構わない。出力機構12には、例えば、指示装置や電子時計においては、図1に示す様に指針あるいは指針駆動機構やカレンダ等の表示板、あるいは表示板駆動機構を、コピー機やプリンタにおいてはレーザーの方向を変えるミラーを、カメラやビデオカメラにおいてはシャッタ駆動機構、絞り駆動機構、レンズ駆動機構、フィルム巻き上げ機構等を、レーザーや光を利用した計測器や製造装置、センサーにおいては光の遮断・透過や特定波長の光のみを透過するスリット板やフィルターを、音響機器のボリュウム等には抵抗値や容量値を可変する接点機構やギャップ板を、ハードディスクや光ディスクにおいてはピックアップ駆動機構を用いる。
【0048】
また、移動体5に出力軸を取り付け、出力軸からトルクを伝達する動力伝達機構を有する構成とすれば、超音波モータ自身で駆動機構が実現できる。
【0049】
本発明の超音波モータを電子機器に適用することにより、電子機器の低電圧化、低消費電力化、小型化、低コスト化が実現できる。超音波モータを利用することから当然、磁気の影響を受けずまた、有害な磁気ノイズも発生しない特徴を有する。
【0050】
【発明の効果】
以上のように、本発明は厚み方向に分極された圧電素子の、少なくとも一方の面に設けられた複数の電極間に電界を印加させることで駆動力を得るようにアクチュエータを構成する。これによれば、圧電素子単体で曲げ振動を発生できる為、他の弾性部材との接着が不要となり信頼性に優れるとともに製品間のばらつきが少なく安価な製品が可能となる。更には接着剤を使用しないため、機械的強度が高くなる点と合わせ圧電素子の一方の面に設けられた電極全体に駆動信号を印加する為出力も大きくなる。
【0051】
センサやトランスの場合も同様の構成であり、この場合は電極間から信号を検出(トランスの場合は入力の場合もある)するようにすることで、小型で大きな(トランスの場合昇圧比の高い)信号が得られる。
【0052】
更に、本発明によれば、前記の電気−機械変換素子あるいは機械−電気変換素子を備えた電子機器が実現でき、電子機器の小型化、省電力化等が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の超音波モータの構造の例を示したものである。
【図2】本発明の超音波モータの圧電素子の電極パターンを示したものである。
【図3】本発明の超音波モータの駆動原理の第一の例を示したものである。
【図4】本発明の超音波モータの駆動原理の第二の例を示したものである。
【図5】本発明の超音波モータの駆動原理の第三の例を示したものである。
【図6】本発明の圧電トランスの構造及び動作原理の例を示したものである。
【図7】本発明の圧電トランスの構造及び動作原理の別の例を示したものである。
【図8】本発明の超音波モータ超音波モータを用いた電子機器のブロック図を示したものである。
【符号の説明】
1 圧電素子
2 突起部材
3 中心軸
4 支持板
5 移動体
6 軸受け
7 加圧機構
8、9 電極
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an energy conversion element using a piezoelectric element and a driving method of the energy conversion element. The present invention also relates to an electronic device using an energy conversion element. For example, a piezoelectric device, that is, an actuator, a sensor, a transformer, a buzzer, a speaker, a filter, and the like, and an electronic device using the piezoelectric device.
[0002]
[Prior art]
In recent years, various piezoelectric devices (for example, actuators, sensors, transformers, filters, etc.) are actively used in various electronic devices. For example, ultrasonic motors are attracting attention among actuators, and application in various fields has been attempted. As a method for driving an ultrasonic motor, a method in which a piezoelectric element is bonded to a plate-like vibrating body and the expansion / contraction motion (by the piezoelectric lateral effect) of the piezoelectric element is converted into bending vibration is generally widely employed. For example, Japanese Patent Publication No. 8-107686 describes an example of such an ultrasonic motor. In this example, the piezoelectric element is divided into two regions, and the driving force is obtained by using one of the regions according to the driving direction of the moving body.
[0003]
When generating bending vibration (displacement) in other actuators, sensors, transformers, buzzers, speakers, etc., or obtaining signals by bending vibration (displacement), bond the piezoelectric element to the elastic member in this way. Is generally done.
[0004]
For example, in the case of a piezoelectric transformer, the piezoelectric element itself is often formed, but polarization processing (thickness direction and longitudinal direction) in different directions is performed to obtain predetermined performance.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
When the above-described method is adopted, workability is poor because a thin piezoelectric element has to be bonded to a vibrating body, and in some cases, the piezoelectric element may be damaged (cracked). And the characteristic dispersion | variation between products by the unevenness of an adhesive agent was easy to arise. Further, since the movement of the piezoelectric element is transmitted to the vibrating body through the adhesive, energy loss occurs in the adhesive. Moreover, since the adhesive is used, the usage environment such as temperature and humidity may be limited. Furthermore, there is a problem that high output driving is difficult due to peeling of the adhesive layer.
[0006]
In the case of the above-described ultrasonic motor, there is a problem that there are few actual parts of the piezoelectric element actually used for driving and the output is small.
[0007]
In addition, since the polarization direction of the conventional piezoelectric transformer is different, residual strain is generated during polarization, and there is a case where breakdown occurs when used at a high output, and electrodes are not provided on the front and back surfaces and side surfaces (end surfaces) of the piezoelectric element. The manufacturing process was complicated.
[0008]
Accordingly, an object of the present invention is to excite a predetermined vibration using only a piezoelectric element and to increase the number of actually used parts of the piezoelectric element so as to increase the output of an actuator, a sensor, a transformer, and the like and to simplify the manufacture.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present invention includes the feature that made of a piezoelectric element is polarized in the thickness direction to obtain the bending displacement in the thickness direction by applying a electric field between one plurality of electrodes provided in the plane of said piezoelectric element This is an electro-mechanical conversion element.
[0010]
By providing the electrode on one surface, the electric field of the piezoelectric element can be applied on one surface.
[0013]
The present invention is the electromechanical conversion element or the electromechanical conversion element in which the directions of polarization are all the same.
[0014]
Polarization can be easily performed by setting the polarization direction to the same direction.
[0015]
The present invention has a plurality of electrodes provided on one surface of the electro-mechanical conversion element at intervals of 1/2 wavelength of the vibration wave excited by the electro-mechanical conversion element in the circumferential direction. electrical drive signal, characterized in that it is applied between the suit electrodes - a mechanical conversion element.
[0016]
The present invention, the electrical - On the other surface of the transducer, the plurality of electrodes provided on the one surface electrically with a plurality of electrodes shifted 1/4 wave length position relative to the circumferential direction - It is a mechanical conversion element .
[0017]
In the present invention, one surface of an electromechanical conversion element has a plurality of electrodes provided at intervals of 1/4 wavelength of vibration waves excited by the electromechanical conversion element, and two adjacent electrodes the configure multiple electrodes to a pair, a drive signal between the electrode group neighboring characterized in that it is applied electrically - a mechanical conversion element.
[0018]
In the present invention, the polarization direction of the electro-mechanical conversion element is reversed at an interval of ½ wavelength of the vibration wave excited by the electro-mechanical conversion element, and the vibration is applied to one surface of the electro-mechanical conversion element. a plurality of electrodes are provided with a quarter wavelength spacing of the wave, electric wherein the driving signal between the neighboring electrodes is applied - a mechanical conversion element.
[0021]
The present invention is an electronic apparatus including an electro-mechanical conversion element .
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of an energy conversion element, a driving method, and an electronic apparatus using the energy conversion element according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited by this embodiment.
{Embodiment 1}
First, a structural example of an ultrasonic motor applicable to the present invention will be described with reference to FIG. The vibrating body of the ultrasonic motor is composed of a disk-shaped piezoelectric element 1, and a through hole is formed in the center of the piezoelectric element 1. The through hole is supported by a central shaft 3 whose center is fixed to the support plate 4. A plurality of protruding members 2 are provided on the upper surface of the piezoelectric element. The protruding member 2 enlarges the vibration displacement of the vibrating body composed only of the piezoelectric element 1 and gives a rotational force to the moving body 5. The plurality of protrusions 2 a are composed of a base portion 2 b joined at one end thereof and a protruding portion 2 c that protrudes from a part of the base portion 2 b and fits on the guide surface 1 a in the inner diameter portion of the piezoelectric element 1. These projecting members 2 are integrally formed of, for example, wear-resistant engineering plastic and joined to the piezoelectric element 1 by adhesion or the like. Here, the protrusions 2a may be directly joined to the piezoelectric element 1 individually. The piezoelectric element 1 serving as a vibrating body is fixed by a central shaft 3 via a protrusion 2c. Here, the protruding member 2 is bonded to the piezoelectric element 1, but unlike the case of bonding the piezoelectric element and the vibrating body in the conventional example, the bonding force here may be obtained to a certain degree of mechanical strength. The protruding member 2 is bonded onto the piezoelectric element 1 having a structure capable of obtaining a predetermined vibration, and does not cause an imbalance in the vibration of the vibrating body and cause a variation between products.
[0023]
The moving body 5 is disposed above the piezoelectric element 1. A through hole is made in the center of the moving body 5, and the bearing 6 is fixed to the through hole by fitting or bonding. The center of the bearing 6 is guided by the central shaft 3. Therefore, the movable body 5 can rotate around the central axis 3 as a rotation center. Further, a friction member 5 a that contacts the protruding member 2 of the piezoelectric element 1 is provided on the lower surface of the moving body 5.
[0024]
The spring member 7 is provided above the bearing 6 so as to guide the central shaft 3, and the upper portion is fixed with a screw that matches the thread groove received at the central portion of the central shaft 3. By doing so, the inner ring of the bearing 6 can be pressurized, and an appropriate contact pressure can be applied between the protrusion 2 a of the piezoelectric element 1 and the friction member 5 a of the moving body 5. Therefore, the electrical energy applied to the piezoelectric element 1 becomes a vibration wave excited by the vibrating body due to the piezoelectric effect of the piezoelectric element 1. This vibration wave becomes a rotational force of the moving body 5 through a frictional force generated between the protrusion 2a and the friction member 5a of the moving body 5, and is converted into mechanical energy.
[0025]
Next, the operation principle of the ultrasonic motor according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 2 shows the electrode configuration of the piezoelectric element in this embodiment. 2A shows the first surface of the piezoelectric element 1, and FIG. 2B shows the second surface. Here, the first surface and the second surface have a front-back relationship.
[0026]
Electrodes 8 a and 8 b are disposed on the first surface of the piezoelectric element 1. The electrodes 8a and 8b are equally divided with respect to the circumferential direction of the piezoelectric element 1 at 1/2 wavelength intervals of vibration waves excited by the piezoelectric element 1. The electrodes 8a and 8b are spaced apart so as not to contact each other.
[0027]
Similarly to the first surface, electrodes 9 a and 9 b are provided on the second surface of the piezoelectric element 1.
[0028]
At this time, the electrodes 8a and 8b provided on the first surface and the electrodes 9a and 9b provided on the second surface are half-pitch (1 / day) with respect to the circumferential direction as viewed from the first surface or the second surface. 4 wavelengths).
[0029]
FIG. 3 shows the driving principle in this embodiment.
The piezoelectric element 1 is polarized in one direction in the direction indicated by the arrow P with respect to the thickness direction.
The protrusion 2a is joined to the second surface side at equal intervals at a position shifted by 1/8 wavelength from the node of the standing wave excited by the electrodes 8a, 8b, 9a and 9b. When a drive signal is applied between the electrodes 8a and 8b on the first surface, an electric field is applied from the electrode 8b toward the electrode 8a as indicated by an arrow 100 at a certain moment. By this electric field, the direction of the electric field acts in the thickness direction in the vicinity of the electrodes 8a and 8b with respect to the thickness direction of the piezoelectric element 1, that is, in the vicinity of the surface, and the piezoelectric element 1 expands and contracts according to the relationship between the direction of the electric field and the polarization direction. . Further, in the vicinity of the boundary between the electrode 8a and the electrode 8b, particularly in the portion entering from the surface into the inside, the electric field acts in a direction perpendicular to the polarization direction P, and thus sliding vibration also occurs. However, since the strength of the electric field is increased only on the first surface (electrodes 8a, 8b) side of the piezoelectric element 1, the accompanying displacement also occurs only on the first surface side. Accordingly, a bending standing wave is generated in which a portion bent upward from the stationary position and a portion bent downward from the stationary position appear as shown in FIG. 3B. At this time, since the protrusion 2a is positioned on the right side with respect to the apex of the bending standing wave, the raised protrusion 2a is inclined to the right. On the other hand, the lowered protrusion 2a is inclined leftward. Since the protrusion 2a is in contact with the moving body 5 in FIG. 1, the raised protrusion 2a moves or rotates from the left to the right in the figure.
[0030]
On the other hand, FIG. 3C shows a case where a drive signal is applied between the electrodes 9a and 9b provided on the second surface. When an electric field is applied from the electrode 9b toward the electrode 9a, a bending standing wave is generated in which a portion bent upward from the stationary position and a portion bent downward from the stationary position appear. At this time, since the protrusion 2a is located on the left side with respect to the apex of the bending standing wave, the raised protrusion 2a is inclined to the left, while the lowered protrusion 2a is inclined to the right. Therefore, the moving body 5 moves or rotates from right to left in the figure.
[0031]
Thereby, the moving direction of the moving body 5 can be varied depending on which of the electrodes 8a, 8b on the first surface and the electrodes 9a, 9b on the second surface is applied with a signal. In addition, although the example which used the standing wave was shown above, you may generate | occur | produce a traveling wave in the piezoelectric element 1 used as a vibrating body. At this time, the phase of the signal applied between the electrodes 8a and 8b and the signal applied between the electrodes 9a and 9b may be changed by 90 degrees, for example. Further, in this embodiment, the vibrating body is configured by only the piezoelectric element 1, but it is needless to say that the vibrating body may be configured by being joined to another elastic member.
[0032]
As described above, in this embodiment, it is possible to improve the productivity by causing the bending vibration to be generated only by the piezoelectric element 1 without bonding with the elastic member and by setting the polarization direction to the same direction. . Further, by polarizing in the same direction, there is no boundary portion where the polarization direction is reversed, and the breaking strength is increased. Further, by applying a drive signal to the entire electrode provided on one surface of the piezoelectric element 1 to drive it, stretching vibration due to the piezoelectric lateral effect of the piezoelectric element 1 and thickness slip with a high electro-mechanical coupling coefficient are added. Since vibration is used, an ultrasonic motor with high output and excellent reliability can be obtained. Furthermore, since a drive signal may be applied to the entire electrode provided on one surface, a conduction structure for applying a signal to the piezoelectric element, that is, a lead extraction structure is simplified.
[0033]
As described above, the piezoelectric element 1 of the present embodiment functions as an electro-mechanical conversion element that converts electrical energy into mechanical energy.
{Embodiment 2}
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Hereinafter, since the driving force generation mechanism and its effect are substantially the same as those shown in the first embodiment, only the parts different from the first embodiment such as the configuration will be described.
[0034]
The piezoelectric element 1 is polarized in one direction in the direction of the arrow P with respect to the thickness direction. On the lower surface of the piezoelectric element 1, electrodes 8c, 8d, 8e, and 8f that are equally divided at quarter wavelength intervals of vibration waves excited by the piezoelectric element 1 are provided in the circumferential direction of the piezoelectric element 1. The electrodes 8c, 8d, 8e, and 8f may be provided on the upper surface of the piezoelectric element 1.
The protrusion 2a is joined to a portion corresponding to the center of each of the electrodes 8d and 8f. When a drive signal is applied between the electrodes 8c and 8d and the electrodes 8e and 8f, a standing wave shown in FIG. 4B is generated. At this time, since the protrusion 2a is positioned on the right side with respect to the apex of the bending standing wave, the raised protrusion 2a is tilted to the right, and the moving body 5 moves or rotates from the left to the right in the drawing.
[0035]
When a drive signal is applied between the electrodes 8d and 8e and the electrodes 8c and 8f, a standing wave as shown in FIG. 4C is generated. At this time, since the protrusion 2a is located on the left side with respect to the apex of the bending standing wave, the raised protrusion 2a is tilted to the left, and the moving body 5 moves or rotates from the right to the left in the figure.
[0036]
Thereby, the moving direction of the moving body 5 can be varied by selecting the combination of the electrodes with respect to the drive signal.
[0037]
As described above, the piezoelectric element 1 of the present embodiment functions as an electro-mechanical conversion element that converts electrical energy into mechanical energy.
{Third embodiment}
A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The piezoelectric element 1 performs polarization processing in the direction of arrow P with respect to the thickness direction. At this time, the directions of the vibration waves excited by the piezoelectric element 1 are set to be symmetric at every half wavelength. For example, when a portion is polarized from the lower surface to the upper surface, a portion that is one-half wavelength away from the vibration wave is polarized from the upper surface to the lower surface. On the lower surface of the piezoelectric element 1, electrodes 8 g and 8 h that are divided at intervals of ¼ wavelength of the vibration wave excited by the piezoelectric element 1 are provided in the circumferential direction of the piezoelectric element 1. Therefore, the polarization direction is reversed at ½ wavelength intervals at the boundary between the electrodes 8h and 8g.
[0038]
For example, the protrusion 2a is joined to the center of the electrode 8h. When a drive signal is applied between the electrode 8g and the electrode 8h, a standing wave as shown in FIG. 5B is generated. At this time, since the protrusion 2a is located on the left side with respect to the apex of the bending standing wave, the raised protrusion 2a is tilted to the left, and the moving body 5 moves or rotates from the right to the left in the figure.
[0039]
Here, the lengths of the electrodes 8g and 8h are as short as ¼ wavelength, the electric field exerted by the drive signal on the piezoelectric element 1 is large, and a high output drive can be performed at a low voltage.
[0040]
As described above, the piezoelectric element 1 of the present embodiment functions as an electro-mechanical conversion element that converts electrical energy into mechanical energy.
{Embodiment 4}
A fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
The fourth embodiment relates to an electro-mechanical conversion element comprising the piezoelectric element 1 of the present invention, a piezoelectric transformer using the mechanical-electric conversion element, and an electronic device using the piezoelectric transformer.
[0041]
6A, the rectangular plate-shaped piezoelectric element 1 is provided with electrodes 8i and 8j on the half surface from the center to one end of both the front and back surfaces. In addition, electrodes 8k and 8l are provided at locations from the center to the other end where the electrode 8i on one surface of the piezoelectric element 1 is not provided. An arrow P in the figure indicates the polarization direction, and the polarization direction is reversed across the dotted line. When a drive signal is applied to the electrodes 8i and 8j by the drive circuit 10, the displacement distribution shown by the curve 21 in FIG. 6B is obtained. The piezoelectric element 1 expands and contracts in the longitudinal direction with the center in the longitudinal direction as a node. At this time, a voltage larger than the input voltage is output from the electrodes 8k and 8l to drive the driven object 11. The drive object 11 corresponds to, for example, a backlight of a liquid crystal display and a circuit for driving the backlight, and is mounted in a personal computer (not shown), for example.
[0042]
Here, since all polarization processes are performed in the thickness direction, the voltage required for polarization can be low, and it is difficult to be restricted by production facilities and the like, which facilitates manufacture. The electrodes 8m and 8n are electrodes used for polarization, and may be configured integrally with the electrode 8j. In some cases, the post-polarization voltages 8m and 8n may be removed. Furthermore, since the polarization direction is constant even in the vicinity of the central portion where the stress is maximum, even if it is used at a high output, it becomes strong against destruction. Furthermore, since the size and position of the electrodes 8k and 8l and the gap between them can be set freely, it is possible to adjust the output impedance in accordance with the impedance of the driven object 11 as a load and to set an arbitrary step-up ratio. Is possible. Further, since the polarization direction is only the thickness direction, the electrodes need only be provided on the front and back surfaces of the piezoelectric element 1, and the lamination of the piezoelectric elements 1 can be easily realized. By doing so, various characteristic parameters such as input impedance, output impedance, and step-up ratio can be freely set, and the degree of design freedom can be expanded.
{Embodiment 5}
FIG. 7 shows an example of another embodiment. In the fifth embodiment, the description of the parts common to the contents described in the fourth embodiment will be omitted, and only the differences will be described. As shown by the curve 22 in FIG. 7A, the rectangular plate-shaped piezoelectric element 1 is provided with electrodes 8i and 8j on the half surface from the center to one end of both the front and back surfaces. In addition, electrodes 8k and 8l are provided at locations from the center to the other end where the electrode 8i on one surface of the piezoelectric element 1 is not provided. An arrow P in the figure indicates the polarization direction, and the entire piezoelectric element 1 is polarized in one direction in the thickness direction. When a drive signal is applied to the electrodes 8i and 8j by the drive circuit 10, the piezoelectric element 1 is expanded and contracted in the longitudinal direction with two nodes in the longitudinal direction as nodes as shown in the displacement distribution shown in FIG. 7B. At this time, a voltage larger than the input voltage is output from the electrodes 8k and 8, and the driving object 11 is driven. The driving object 11 corresponds to, for example, a backlight of a liquid crystal display and a circuit for driving the same, and is mounted inside a personal computer (not shown), for example.
[0043]
Here, since all the polarization processes are performed in the thickness direction, the voltage required for the polarization is low, and it is difficult to be restricted by the production equipment and the like, and the manufacturing is facilitated. Furthermore, since the polarization direction is uniform and has no boundary, it is strong against breakdown and can be driven with high output.
[0044]
Further, a common electrode may be provided on the piezoelectric element 1 so that the GND of the driving circuit 10 and the driving object 11 is common. Furthermore, the modification of the present embodiment is arbitrary. For example, the driving electrodes 8i and 8j and the detection electrodes 8k and 8l are provided on the left and right sides of the center of the piezoelectric element 1, but the driving electrodes 8i and 8j May be provided at a position including the central portion of the piezoelectric element 1, and the detection electrodes 8k and 8l may be provided at other portions.
[0045]
As described above, the piezoelectric element 1 of the present embodiment includes an electro-mechanical conversion element that converts electrical energy into mechanical energy, and a mechanical-electrical conversion element that converts mechanical energy into electrical energy. Have both. Therefore, a sensor for measuring acceleration and pressure can be easily realized by using the mechanical-electrical conversion element in the present embodiment.
{Sixth embodiment}
FIG. 8 is a block diagram of a fifth embodiment in which an ultrasonic motor using an electromechanical conversion element according to the present invention is applied to an electronic device.
[0046]
The electronic apparatus includes a vibrating body including the piezoelectric element 1 described above, a moving body 5 driven by the vibrating body, a pressurizing unit 7 that applies contact pressure to the moving body 5 and the vibrating body, and a moving body 5. A movable transmission mechanism 12 and an output mechanism 13 that moves based on the operation of the transmission mechanism 12 are provided.
[0047]
Here, for example, a transmission wheel such as a gear or a friction wheel is used as the transmission mechanism 12, and this is directly formed on the moving body 5. The transmission mechanism 12 may be omitted, and the direct output mechanism 13 may be provided. The output mechanism 12 includes, for example, a pointer, a pointer drive mechanism, a display board such as a calendar, or a display board drive mechanism in an indicating device or an electronic timepiece, and a laser direction in a copier or printer. For cameras and video cameras, a shutter drive mechanism, aperture drive mechanism, lens drive mechanism, film winding mechanism, etc. are used. A slit plate or a filter that transmits only light of a specific wavelength, a contact mechanism or a gap plate that changes a resistance value or a capacitance value for a volume of an acoustic device, and a pickup drive mechanism for a hard disk or an optical disk are used.
[0048]
In addition, if an output shaft is attached to the moving body 5 and a power transmission mechanism that transmits torque from the output shaft is provided, a drive mechanism can be realized by the ultrasonic motor itself.
[0049]
By applying the ultrasonic motor of the present invention to an electronic device, the electronic device can be reduced in voltage, reduced in power consumption, reduced in size, and reduced in cost. Since the ultrasonic motor is used, it is naturally not affected by magnetism and does not generate harmful magnetic noise.
[0050]
【Effect of the invention】
As described above, the present invention configures an actuator to obtain a driving force by applying an electric field between a plurality of electrodes provided on at least one surface of a piezoelectric element polarized in the thickness direction. According to this, since the bending vibration can be generated by a single piezoelectric element, it is not necessary to bond with other elastic members, and it is excellent in reliability and can be manufactured at low cost with little variation between products. Furthermore, since no adhesive is used, the output is increased because a drive signal is applied to the entire electrode provided on one surface of the piezoelectric element, in addition to the increase in mechanical strength.
[0051]
In the case of a sensor or a transformer, the configuration is the same. In this case, by detecting a signal from between electrodes (in the case of a transformer, it may be an input), it is small and large (in the case of a transformer, a high step-up ratio is high). ) Signal is obtained.
[0052]
Furthermore, according to the present invention, an electronic device including the electro-mechanical conversion element or the mechanical-electrical conversion element can be realized, and the electronic device can be reduced in size and power can be saved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows an example of the structure of an ultrasonic motor according to the present invention.
FIG. 2 shows an electrode pattern of a piezoelectric element of an ultrasonic motor according to the present invention.
FIG. 3 shows a first example of the driving principle of the ultrasonic motor of the present invention.
FIG. 4 shows a second example of the driving principle of the ultrasonic motor of the present invention.
FIG. 5 shows a third example of the driving principle of the ultrasonic motor of the present invention.
FIG. 6 shows an example of the structure and operating principle of the piezoelectric transformer of the present invention.
FIG. 7 shows another example of the structure and operating principle of the piezoelectric transformer of the present invention.
FIG. 8 is a block diagram of an electronic apparatus using the ultrasonic motor of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Piezoelectric element 2 Protrusion member 3 Center axis | shaft 4 Support plate 5 Moving body 6 Bearing 7 Pressure mechanism 8, 9 Electrode

Claims (7)

厚み方向の一定方向に分極された圧電素子からなる電気−機械変換素子であって、前記電気−機械変換素子の一方の面には前記電気−機械変換素子が励振する振動波の1/2波長の間隔で設けられた複数の電極を有し、この複数の電極のうち隣り合う電極間に駆動信号が印加されることで屈曲変位を得ることを特徴とする電気−機械変換素子。An electro-mechanical conversion element comprising a piezoelectric element polarized in a certain direction in the thickness direction , wherein one surface of the electro-mechanical conversion element has a half wavelength of a vibration wave excited by the electro-mechanical conversion element An electro-mechanical conversion element having a plurality of electrodes provided at intervals, and obtaining a bending displacement by applying a drive signal between adjacent electrodes among the plurality of electrodes . 前記電気−機械変換素子の他方の面には、前記一方の面に設けられた複数の電極とは1/4波長分位置がずれた複数の電極を有することを特徴とする請求項1記載の電気−機械変換素子。 2. The electrode according to claim 1 , wherein the other surface of the electro-mechanical conversion element has a plurality of electrodes whose positions are shifted by a quarter of a wavelength from the plurality of electrodes provided on the one surface . Electro-mechanical conversion element. 厚み方向の一定方向に分極された圧電素子からなる電気−機械変換素子であって、前記電気−機械変換素子の一方の面には、前記電気−機械変換素子が励振する振動波の1/4波長の間隔で設けられた複数の電極を有し、隣り合う二つの電極を一組とする複数の電極群を構成し、隣り合う前記電極群間に駆動信号が印加されることで屈曲変位を得ることを特徴とする電気−機械変換素子。 An electro-mechanical conversion element composed of a piezoelectric element polarized in a certain direction in the thickness direction, and on one surface of the electro-mechanical conversion element, ¼ of a vibration wave excited by the electro-mechanical conversion element A plurality of electrodes having a plurality of electrodes provided at a wavelength interval are formed, and a plurality of electrode groups each having a pair of two adjacent electrodes are configured, and bending displacement is caused by applying a drive signal between the adjacent electrode groups. electrical and wherein the obtaining - mechanical conversion element. 厚み方向に分極された圧電素子からなる電気−機械変換素子であって、前記電気−機械変換素子は前記電気−機械変換素子が励振する振動波の1/2波長の間隔で分極方向が反転し、また前記電気−機械変換素子の一方の面には前記振動波の1/4波長の間隔で複数の電極が設けられ、隣り合う前記電極間に駆動信号が印加されることで屈曲変位を得ることを特徴とする電気−機械変換素子。 An electro-mechanical conversion element comprising a piezoelectric element polarized in the thickness direction, the polarization direction of the electro-mechanical conversion element being inverted at an interval of 1/2 wavelength of a vibration wave excited by the electro-mechanical conversion element. In addition, a plurality of electrodes are provided on one surface of the electromechanical conversion element at intervals of 1/4 wavelength of the vibration wave, and a bending displacement is obtained by applying a drive signal between the adjacent electrodes. electrical wherein the - mechanical conversion element. 請求項1乃至4のいずれか一項に記載の電気−機械変換素子を備える超音波モータであって、An ultrasonic motor comprising the electromechanical conversion element according to any one of claims 1 to 4,
前記電気−機械変換素子により駆動される移動体を有することを特徴とする超音波モータ。  An ultrasonic motor comprising a moving body driven by the electro-mechanical conversion element.
請求項1乃至4のいずれか一項に記載の電気−機械変換素子を備えたことを特徴とする電子機器。An electronic apparatus comprising the electromechanical conversion element according to claim 1. 請求項5に記載の超音波モータを備えたことを特徴とする電子機器。An electronic apparatus comprising the ultrasonic motor according to claim 5.
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