JPH03124280A

JPH03124280A - 圧電振動子

Info

Publication number: JPH03124280A
Application number: JP1261083A
Authority: JP
Inventors: Koji Toda; 耕司戸田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-10-04
Filing date: 1989-10-04
Publication date: 1991-05-27

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、超音波モータなどの振動子型アクチュエータ
に・用いられる電気−機械変換素子として好適な圧電振
動子に関する。

（従来の技術）従来、振動子型アクチュエータに駆動源とじて用いられ
ている圧電振動子として、分極軸に垂直な両端面に電極
が形成されている柱状の圧電磁器を備え、一方の前記端
面に形成されている電極はその一部が切り欠かれ、他方
の前記端面に形成されている電極は前記端面の全面に広
がるものがある。

振動子型アクチュエータとして、前記圧電振動子と、該
圧電振動子の圧電磁器の側面に圧着され、前記圧電振動
子によって回転される回転子とを備え、前記回転その回
転運動を出力するものがある。

圧電振動子の一方の端面の電極と他方の端面の電極とは
前記分極軸に直交する仮想平面に対して非対称であるこ
とより、周波数特性において共振割れが圧電磁器の第１
の共振点の近傍で生じる。

振動子型アクチュエータの駆動時、圧電振動子には、第
１の共振点の内の低い共振周波数が印加される。圧電振
動子は励振され、圧電磁器の側面には振動変位が生じる
。回転子は前記振動変位を受けて一方の回転方向に回転
される。回転子の回転速度は、圧電磁器の回転子との接
触部位における振動変位によって決定される。

回転子の回転速度を変更するとき、電圧値の異なる交流
信号か圧電振動子に印加される。圧電磁器の側面に生じ
る振動変位の大きさは、交流信号の電圧値とともに増加
し、回転子は該振動変位の大きさに対応する回転数で回
転される。

（発明が解決しようとする課題）しかし、回転子の回転数を高くするとき、印加交流信号
の電圧値が高くなることにより、圧電磁器の温度は急速
に上昇するから、温度上昇に起因する共振周波数の変動
が起り、回転子の回転数は変動する。

本発明の目的は、低い電圧の印加交流信号によって大き
い振動変位が得られる圧電振動子を提供することにある
。

（課題を解決するための手段）本発明の圧電振動子は、軸に垂直な平面に両端面があり
かつ該軸に平行な方向に分極軸がある柱状の圧電磁器と
、該圧電磁器の両端面にそれぞれ形成されている電極と
を備え、前記一方の端面の電極は、前記一方の端面を規
定する２つの端面部分の内の１つに位置し、前記他方の
端面の電極は前記一方の端面の他の端面部分に対向する
前記他方の端面の端面部分に位置する。

前記一方の端面に形成されている電極の平面形状と、前
記他方の端面に形成されている電極の平面形状とは、前
記圧電磁器の中心位置に対して点対称であることが好ま
しい。

前記圧電磁器の側面の少なくとも一部分に被覆が設けら
れ、前記被覆は前記圧電磁器の耐摩耗性より優れている
耐摩耗性および前記圧電磁器の熱伝導率より大きい熱伝
導率を有する材料からなることが好ましい。

他の発明の圧電振動子は、軸に垂直な平面に両端面があ
りかつ該軸に平行な方向に分極軸がある柱状の圧電磁器
と、それぞれが前記圧電磁器の一方の端面に形成され、
互いに絶縁されている２つの電極と、それぞれが前記圧
電磁器の他方の端面に形成され、互いに絶縁されている
２つの電極とを有し、前記一方の端面の電極のそれぞれ
は、対応する前記他方の端面の電極と前記分極軸に直交
する仮想平面に対して対称である。

（作用）本発明の圧電振動子によれは、前記一方の端面の電極は
、前記一方の端面の１つの端面部分に位置し、前記他方
の端面の電極は、前記一方の端面の１つの端面部分に対
向する前記的の端面の端面部分に位置することより、前
記一方の端面の電極と前記他方の端面の電極とは前記圧
電磁器の分極軸に直交する仮想平面に対して非対称とな
るから、周波数特性において共振割れが圧電磁器の第１
の共振点の近傍で生じる。

第１の共振点の共振割れの内の低い周波数に等しい周波
数および所定の電圧値を有する交流信号を前記圧電振動
子に印加すると、前記圧電振動子は励振され、前記圧電
磁器の側面には振動変位が生じる。前記振動変位の大き
さは前記圧電磁器の側面に対応して決定され、またその
方向は一方向性である。

これに対し、第１の共振点の共振割れの内の高い周波数
に等しい周波数を有する交流信号を前記圧電振動子に印
加すると、前記圧電振動子は励振され、前記圧電磁器の
側面には振動変位か生じる。

前記振動変位の方向は、第１の共振点の共振割れの内の
低い周波数に等しい周波数の交流信号の印加によって生
じる振動変位の方向に逆になる。

また、前記一方の端面の電極と前記他方の端面の電極と
の非対称性が強いことより、周波数特性における極大値
と極小値との差が大きくなるから、前記圧電磁器の側面
に生じる振動変位の大きさは、その印加交流信号の電圧
値に等しい電圧値を有する交流信号が印加されていると
きに従来の圧電振動子の振動変位の大きさより大きくな
る。

前記一方の端面の電極の平面形状と前記他方の端面の電
極の平面形状とは前記圧電磁器に中心位置に対して点対
称であることより、前記一方の端面の電極と前記他方の
端面の電極との非対称かより増大するから、前記圧電磁
器の側面に生じる振動変位はより大きくなる。

前記圧電磁器の側面の少なくとも一部分に被覆が形成さ
れている圧電振動子では、その励振時に圧電磁器の側面
には振動変位か生じる。前記振動変位は前記被覆に伝達
され、前記被覆の外面には振動変位が生じる。前記被覆
か前記圧電磁器に形成されていることより、前記圧電磁
器の発生熱は前記被覆を介して放散され易くなるから、
前記圧電磁器の温度上昇は抑制され、熱に起因する共振
周波数の変動はより少なくなる。また、耐摩耗性が向上
される。

圧電磁器の端面のそれぞれに２つの電極が形成されてい
る圧電振動子において、前記一方の端面の電極の内のい
ずれか１つを交流信号側に接続し、前記１つの電極と非
対称となる前記他方の端面の１つの電極を接続すること
によって、電極の非対称性を導入することができる。

（実施例）第１図は本発明の圧電振動子の一実施例を示す斜視図、
第２図は従来の圧電振動子を示す斜視図、第３図は第１
図の圧電振動子および第２図の圧電振動子のそれぞれの
自由アドミッタンスおよび位相の周波数特性を示す図で
ある。

圧電振動子１０は、第１図に示すように、柱状の圧電磁
器１２を備える。本実施例においては、圧電磁器１２は
円柱状の形状を有し、圧電磁器１２の軸線は分極軸に一
致している。圧電磁器１２の両端面は圧電磁器１２の軸
線に垂直である。

圧電磁器１２の長さ寸法は１．０ｒｏｍであり、その直
径寸法は１０關である。圧電磁器１２の一方の端面には
、半円形状の電極１４が形成され、他方の端面には、電
極１４の形状および寸法に等しい形状および寸法を有す
る電極１６が形成されている。

電極１４はそれぞれ電極１６と圧電磁器１２の中心点に
対して点対称となるように前記他方の端面に配置されて
いることより、電極１４と電極１６とは、圧電磁器１２
の軸線に直交する仮想平面に対して非対称になるから、
周波数特性において共振割れが圧電磁器１２の第１の共
振点く圧電振動子の共振点の内の共振周波数か最も低い
点）の近傍で生じる。第３図を参照するに、第１の共振
点の共振割れの内の低い周波数は１５６ＫＨｚ、高い周
波数は１６８ＫＨｚである。従って、圧電振動子１０は
、２つの共振周波数を有し、それぞれの値は、１５６Ｋ
Ｈｚおよび１６８ＫＨｚである。

圧電振動子１０に低い共振周波数１５５．８Ｋ　Ｉ−１
ｚに等しい周波数の交流信号を電極１４を介して印加す
ると、圧電振動子１０は励振され、圧電磁器１２の外周
面には、振動変位が生じる。前記振動変位の強さか最大
になる圧電磁器１２の外周面の部位は、一方の端面の電
極１４が形成されていない部分の突出部近傍である。最
大振動変位の方向は圧電磁器１２の軸線に沿って電極１
４に向かう方向である。

圧電振動子１０に高い共振周波数１６８ＫＨｚに等しい
周波数の交流信号を電極１４を介して印加すると、圧電
磁器１２の外周面には、振動変位か生じる。前記振動変
位の方向は低い共振周波数の交流信号が印加されている
ときに生じる振動変位の方向と逆になる。

次いで、圧電振動子１０に他の周波数での交流信号を印
加する。

他の周波数ｆが（１）式の範囲内であるとき、ｆａ＜ｆ
＜１５６ＫＨｚ　　　　　＝−・・−（１）周波数ｆが
所定の値ｆａとなるとき、圧電磁器１２の側面には、振
動変位が生じる。周波数ｆが高くなるに従い、圧電磁器
１２の最大振動変位が生じる部位における振動変位の強
さは強くなり、その振動変位の方向は電極１４に向かう
方向である。

印加交流信号の周波数ｆが１５６ＫＨｚに等しいとき、
前述したように、最大振動変位を得ることができる。

印加交流信号の周波数ｆが（２）式の範囲内であるとき
、１、５６　Ｋ　Ｈｚ≦ｆ≦ｆｂＫＨｚ　　・・・・・・
（２）周波数ｆが高くなるに従い、圧電磁器１２の前記
部位における振動変位の強さは弱くなり、その振動変位
の方向は変化しない。周波数ｆがｆｂに等しいとき、圧
電磁器１２の外周面には、振動変位が生じない。

印加交流信号の周波数ｆか（３）式の範囲内であるとき
、ｆｂＫＨｚ＜ｆ≦１６８ＫＨｚ　　・・・・・・（３）
周波数ｆが高くなるに従い、圧電磁器１２の前記部位に
おける振動変位の強さは強くなり、その振動変位の方向
は逆向きになる。周波数ｆが１６８Ｋ　Ｈｚに等しくな
るとき、前述したように、方向が逆向きである最大振動
変位を得ることができる。

印加交流信号の周波数ｆが（４）式の範囲内であるとき
、１６８　Ｋ　Ｈｚ　＜　ｆ　＜　ｆ　ｃ　Ｋ　Ｈｚ　　
・・・・・・（４）周波数でか高くなるに従い、圧電磁
器１２の前記部位における振動変位の強さは弱くなり、
その振動変位の方向は変わらない。周波数ｆがｆｃに等
しくなると、圧電磁器１２の外周面には、振動変位が生
じない。

以上より、圧電振動子１０に印加する交流信号の周波数
を一定の範囲内で変えることによって、圧電磁器１２の
外周面に生じる振動変位の強さおよびその方向を任意に
制御することができる。

第２図を参照するに、従来の圧電振動子１８は１圧電磁器１２を有する。圧電磁器１２の一方の端面には
、半円形状の電極２０が形成され、他方の端面には、円
形状の電極２２が形成されている。

圧電振動子１８における第１の共振点の内の低い共振周
波数は、第３図に示すように、１５６ＫＨｚであり、高
い周波数は約１６６ＫＨｚである。

第３図から明らかなように、圧電振動子１０の周波数特
性曲線が示す極大値とその極小値との差は圧電振動子１
８の極大値と極小値との差より大きいから、圧電振動子
１０の振動変位は圧電振動子１８の振動変位より大きく
なる。また、同じ大きさの振動変位を得るには、圧電振
動子１０に印加される交流信号の電圧値を小さくするこ
とができる。その結果、印加交流信号による圧電磁器の
温度上昇は少なくなり、温度上昇に起因する共振周波数
の変動を小さくすることができる。

放熱性および耐摩耗性を向上させるために、第４図に示
すように、圧電磁器の側面に被覆を形成することが好ま
しい。第４図は、本発明の圧電振２動子のさらに他の実施例を示す斜視図である。

さらに他の圧電振動子２４は、圧電振動子１０（第１図
に示す）の圧電磁器１２の外周面に被覆２６が形成され
ているものである。被覆２６は燐青銅からなり、その厚
さは５０μｍである。

第５図を参照するに、対称電極が形成されている圧電振
動子２８において、電極の非対称性を導入することがで
きる。第５図は他の発明の圧電振動子の一実施例を示す
斜視図である。

圧電振動子２８は円柱状の圧電磁器３０を備える。圧電
磁器３０の一方の端面には、半円形状の１対の電極３２
．３４が形成されている。電極３２と電＃１３４とは、
互いに離隔されていることによって絶縁されている６圧
電磁器３０の他方の端面には、半円形状の１対の電極３
６．３８が形成されている。電極３６と電極３８とは互
いに絶縁されている。電極３６と電極３８とは圧電磁器
３０の軸線に直交する仮想平面に対して対称であり、電
極３６と電＠３８とは前記仮想平面に対して対称である
。

圧電振動子２８に交流信号を印加するとき、例えば、電
極３２と電極３８とは前記仮想平面に対して非対称であ
るから、電極３２を交流信号側に接続し、電極３８を接
地側に接続することによって圧電振動子２８に非対称要
素を導入することができる。その結果、圧電振動子２８
の振動変位の大きさおよび方向を印加交流信号の周波数
の変更によって任意に制御することができる。

（発明の効果）本発明によれば、前記圧電磁器の一方の端面に形成され
ている電極と他方の端面に形成されている電極とか互い
に前記分極軸に直交する仮想平面に対して非対称である
ことより、印加交流信号の周波数を変えることによって
前記圧電磁器の側面に生じる振動変位の方向を変えるこ
とができる。

また、前記一方の端面の電極と前記他方の端面の電極と
の非対称性が強いから、前記圧電磁器の側面に生じる振
動変位は大きくなる。

前記一方の端面の電極の平面形状と前記他方の端面の電
極の平面形状とが前記圧電磁器の分極軸の中心位置に対
して点対称であることより、前記一方の端面の電極と前
記他方の端面の電極との非対称性は増大するから、前記
圧電磁器の側面に生じる振動変位はより大きくなり、印
加交流信号の電圧値を低く抑えることかできる。その結
果、印加交流信号の電圧による前記圧電磁器の温度上昇
を低く抑えることができ、温度上昇に起因する共振周波
数の変動を抑制することかできる。

前記被覆が前記圧電磁器の側面に形成されていることよ
り、前記圧電磁器の放熱性が向上されるから熱に起因す
る共振周波数の変動を少なくすることができ、また、耐
摩耗性が向上されるから、寿命を長くすることができる
。

他の発明によれは、前記一方の端面の複数の電極の内の
いずれか１つを交流信号側に接続し、前記１つの電極と
非対称となる前記他方の端面の１つの電極を接続するこ
とによって、電極の非対称性を導入することかできるか
ら、振動変位の大きさおよび方向を任意に制御すること
かでき、温度上ｐに起因する圧電振動子の共振周波数の
変動を５６抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の圧電振動子の一実施例を示す斜視図、
第２図は従来の圧電振動子を示す斜視図、第３図は第１
図の圧電振動子および第２図の圧電振動子のそれぞれの
自由アドミッタンスおよび位相の周波数特性を示す図、
第４図は本発明の圧電振動子のさらに他の実施例を示ず
斜視図、第５図は他の発明の圧電振動子の一実施例を示
す斜視図である。１０．１８，２４．２８・・・圧電振動子、１２３０・
・・圧電磁器、１４，１６，２０，２２，３２３４．３
６．３８・・・電極、２６・・・被覆。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）軸に垂直な平面に両端面がありかつ該軸に平行な
方向に分極軸がある柱状の圧電磁器と、該圧電磁器の両
端面にそれぞれ形成されている電極とを備え、前記一方
の端面の電極は、前記一方の端面を規定する２つの端面
部分の内の１つに位置し、前記他方の端面の電極は前記
一方の端面の他の端面部分に対向する前記他方の端面の
端面部分に位置する圧電振動子。
（２）前記一方の端面に形成されている電極の平面形状
と、前記他方の端面に形成されている電極の平面形状と
は、前記圧電磁器の中心位置に対して点対称である請求
項１に記載の圧電振動子。
（３）前記圧電磁器の側面の少なくとも一部分に被覆が
設けられ、前記被覆は前記圧電磁器の耐摩耗性より優れ
ている耐摩耗性および前記圧電磁器の熱伝導率より大き
い熱伝導率を有する材料からなる請求項１または２に記
載の圧電振動子。
（４）軸に垂直な平面に両端面がありかつ該軸に平行な
方向に分極軸がある柱状の圧電磁器と、それぞれが前記
圧電磁器の一方の端面に形成され、互いに絶縁されてい
る２つの電極と、それぞれが前記圧電磁器の他方の端面
に形成され、互いに絶縁されている２つの電極とを有し
、前記一方の端面の電極のそれぞれは、対応する前記他
方の端面の電極と前記分極軸に直交する仮想平面に対し
て対称である圧電振動子。