JPH0928091A

JPH0928091A - 振動発生器

Info

Publication number: JPH0928091A
Application number: JP8084927A
Authority: JP
Inventors: Ichiro Okumura; 一郎奥村; Masahisa Tamura; 田村　　昌久
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1996-04-08
Filing date: 1996-04-08
Publication date: 1997-01-28
Anticipated expiration: 2013-02-18
Also published as: JP2716423B2

Abstract

(57)【要約】【課題】振動発生素子の振動領域の外径と該棒状体の
外径とが同等であると、寸法誤差や偏心により棒状体に
効率よく振動を与えることができない。【解決手段】厚さ方向に振動を発生する振動発生素子
１４を棒状体２，３の軸線方向と接合して一体化した振
動発生器１Ａにおいて、該振動発生素子の駆動用電極の
領域１５，１６を、該棒状体の外周部より大きく形成
し、この外周部からはみ出させている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は棒状の振動発生器に
関する。

【０００２】

【従来の技術】圧電素子等の振動発生素子によって静止
部材に高周波振動を生ぜしめるとともに該静止部材に接
触している可動部材に回転もしくは軸方向運動を生じさ
せる型式の、いわゆる振動波モーターが最近実用化され
つつある。

【０００３】この振動波モーターは、振動体としてのス
テーターの形状や該ステーターの振動形式等によって数
種類のものに分類することができ、たとえば、環状円板
形ステーターを有する環状形振動波モーターや棒状形ス
テーターを有するバー型振動波モーター等が知られてい
る。このうち、前者は既に本出願人等によって実用化さ
れているが、後者の型式のモーターはまだ実用化される
に至っていない。

【０００４】後者の型式のモーターは本出願人によって
開発されたものであり、前者のモーターにくらべて効率
がよいという長所があるが、なお改善すべき次のような
問題点のあることがわかっている。

【０００５】以下には本出願人による既提案のバー型振
動波モーターの問題点について説明する。

【０００６】図５は本出願人の既提案になるバー型振動
波モーターの振動発生体を示したものである。この振動
発生体１７は図示の如き角棒形の棒状弾性体１８の互い
に直交する二面に長さａ、巾ｂ、厚さｔ₁ の板状の圧電
素子１９を接着し、各圧電素子１９に互いに位相の異る
交番電圧を印加することによって該棒状弾性体１８の
先端に楕円振動もしくは円振動を生じさせるように構成
されている。

【０００７】各圧電素子１９は交番電圧が印加されると
それ自身厚さ方向ならびに面方向に交番的に弾性変形
し、これによって棒状弾性体１８は交番曲げモーメント
を受け、その結果、棒状弾性体１８の先端には互いに直
角な方向の曲げ振動の合成による円振動もしくは楕円振
動が発生する。棒状弾性体１８はそれ自身に生じる振動
の節の位置で動かぬように定位置に固定されるとともに
棒状弾性体の先端は不図示の筒状のローターに接してい
るため、棒状弾性体１８の先端が振動すると該ローター
が回転されることになる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】前記の如き構造の振動
発生体１７において圧電素子１９に電圧Ｖを印加した時
に圧電素子１９がその厚み方向に発生する力Ｆ₁ は、

【０００９】

【数１】

【００１０】となる。

【００１１】ここで、Ｃ^E は圧電素子の弾性係数、d₃₁
は圧電素子の圧電定数で分極軸（この場合厚み方向）と
直角方向のものであるが、この力Ｆ₁ はかなり小さなも
のであるため、前記の如き振動発生体１７によって構成
されたバー型振動波モーターの出力はかなり小さなもの
であり、実用には不適であった。また、この型式の振動
波モーターの出力を大きくするためには上記の式から明
らかなように電圧Ｖと圧電素子の巾ｂを大きくする必要
があるが、ローターの駆動力を実用に適するレベルまで
大きくするためには圧電素子に対する印加電圧として、
数十乃至数百ボルトもの高圧を要するため、該モーター
の駆動回路には高圧電源や高耐圧素子が必要となり、従
って駆動回路が大型化するばかりでなく駆動回路のコス
トが高価になる、という問題点があった。

【００１２】そこで、本発明の目的は、高圧を要するこ
となく従来の振動発生体よりも強い振動を発生しうる新
規な構造の振動発生器を提供することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本願発明では、駆動用振信号が印加されて厚さ方向
に振動を発生する振動発生素子を棒状体の軸線方向と接
合して一体化した振動発生器において、該振動発生素子
の駆動用電極の領域を、該棒状体の外周部より大きく形
成し、この外周部からはみ出させている。

【００１４】本発明の振動発生器では、振動発生素子に
よって該棒状体に加えられる力は従来の振動発生体のそ
れにくらべて数十倍にもなるため、本発明の振動発生器
によって構成される振動波モーターにおいて従来の振動
波モーターと同じ駆動力を発生させる場合は、従来の駆
動波モーターの駆動電圧の数十分の一の駆動電圧で済
む。このため、本発明の振動発生器によって構成された
駆動波モーターでは、駆動回路に高圧電源や高耐圧素子
が不要となり、その結果、本発明の振動発生器によれ
ば、実用的なバー型振動波モーターを構成することがで
きる。

【００１５】しかも、振動発生素子の駆動用電極の領域
を該棒状体の外周部より大きくして外周部からはみ出さ
せているので、両者に若干の寸法誤差や偏心があって
も、影響を受けずに棒状体の外周部に振動を付与するこ
とができ、結果として棒状体の作用部の振動変位を大き
くして、効率を向上させることができる。

【００１６】なお、本発明の振動発生器には、駆動用電
極を複数領域に分割した振動発生素子を用いるのが望ま
しい。

【００１７】

【発明の実施の形態】最初に本発明の前提となる振動発
生器の一例を図１および図２を用いて説明する。図１に
示した振動発生器１は、２本の同径及び同長の棒状体２
及び３と、両棒状体２及び３の間に挟み込まれて両棒状
体２及び３と一体化される環状円板形の振動発生素子４
及び５と、両振動発生素子４及び５の間に配置されて両
振動発生素子４及び５を互いに隔離且つ絶縁している
環状円板形の絶縁体６と、両棒状体２及び３を互いに機
械的に連結するとともに両棒状体２及び３の間の振動発
生素子４及び５と絶縁体６とを挟圧保持させる連結部材
７とによって構成されている。

【００１８】振動発生素子４及び５は圧電セラミックで
構成され、それぞれの両面には蒸着やスパッタリング或
は溶融金属塗着などの方法によって電極８〜１１が形成
されている。また、絶縁体６の両面にも電極１２及び１
３が形成され、電極１２と棒状体２とに第１の交番電圧
源Ｅ₁ が接続され、電極１３と棒状体３とに第２の交番
電圧源Ｅ₂ が接続されている。

【００１９】振動発生素子４は、図２（ａ）に示すよう
に上下に分割された二つの素子片４ａ及び４ｂから構成
されており、上方の素子片４ａと下方の素子片４ｂとは
互いに逆極性に分極されている。また、振動発生素子５
も、図２（ｂ）に示すように左右に分割された二つの素
子片５ａ及び５ｂから成り、該素子片５ａ及び５ｂも互
いに逆極性に分極されている。

【００２０】従って、素子片４ａと素子片４ｂとに同一
方向の同電圧を印加した場合、素子片４ａはその厚みを
増す方向に歪み、素子片４ｂはその厚みを減じる方向に
歪むので、該振動発生素子４によれば、図１において
棒状体２及び３が上向きに凸となるような曲げモーメン
トが発生することになる。また、素子片５ａと素子片５
ｂとに同一方向の同電圧を印加した場合は、素子片５ａ
はその厚さを増す方向に歪み、素子片５ｂはその厚さを
減じる方向に歪むので、該振動発生素子５によれば、図
１において紙面に直交する方向の力による曲げモーメン
トが振動発生器１に作用することになる。

【００２１】それ故、振動発生素子４に交番電圧を印加
すると、図１において棒状体２の左端と棒状体３の右端
とに紙面に平行で上下方向の力が加えられることにな
り、該振動発生器１の両端には、図１で上下方向の振動
が生じる。また、振動発生素子５に交番電圧を印加する
と、図１において該振動発生器１の両端には紙面に直交
する方向の交番力が作用し、該振動発生器１の両端には
紙面に直交する方向の振動が生じることになる。このた
め、該振動発生器１の両端には両振動の合成による円振
動乃至楕円振動が生じる。

【００２２】なお、各振動発生素子４及び５の両面に形
成されている駆動用電極８〜１１も各振動発生素子４及
び５の構成素子片４ａ，４ｂ，５ａ，５ｂの形状に合せ
て互いに分割されている。また、振動発生素子４及び５
に印加する交番電圧源Ｅ₁ 及びＥ₂ の電圧の周期を振動
発生器１の曲げ固有振動数に近い値に設定しておくこと
により大きな振幅の振動を発生させることができる。

【００２３】図３及び図４は、本発明の実施形態として
の振動発生器１Ａを示したものである。この実施形態の
振動発生器１Ａでは、唯一枚の振動発生素子１４が２本
の棒状体２及び３に挟まれて接合されており、また、２
本の棒状体２及び３は図１の一例と同様に連結部材１７
で連結されている。

【００２４】この実施形態の振動発生素子１４は、図４
に示すように、駆動用電極が形成された４個の素子片１
４ａ〜１４ｄに分割され、また、該振動発生素子１４の
両面に形成された駆動用電極１５及び１６も、図１の一
例と同様に該素子片１４ａ〜１４ｄの形状に合せて同数
に分割されている。なお、素子片１４ａ〜１４ｄおよび
駆動用電極１５，１６は、棒状体２，３よりも外径が大
きく、棒状体２，３の外周からはみ出している。

【００２５】そして、該素子１４の中心に関して上下方
向の対称位置にある素子片１４ａ及び１４ｃが第１の交
番電圧源Ｅ₁ に接続される一方、素子中心に関して左右
方向の対称位置にある素子片１４ｂ及び１４ｄが第２の
交番電圧源にＥ₂ に接続されている。素子片１４ａと素
子片１４ｃとは逆極性に分極されている。このため、素
子片１４ａと素子片１４ｃとに同一方向の電圧を印加す
ると、素子片１４ａは厚さが増加する方向に歪み、素子
片１４ｃは厚さが減少する方向に歪む。従って、振動発
生器１Ａは、図３において紙面に平行で下向きの力を両
端に受けることになる。また、互いに逆極性に分極され
た素子片１４ｂ及び１４ｄに同一方向の電圧を印加する
と、素子片１４ｂは厚さが増加する方向に歪み、素子片
１４ｄは厚さが減少する方向に歪むため、振動発生器１
Ａは、図３において紙面に直交する方向の力による曲げ
モーメントを受ける。

【００２６】従って、交番電圧Ｅ₁ 及びＥ₂ を素子片１
４ａ〜１４ｄに印加することにより、振動発生器１Ａの
両端には、図３において紙面に直交する方向の振動と紙
面に平行な方向の振動とが重畳して発生し、その結果、
振動発生器１Ａの両端は円軌道もしくは楕円軌道に沿っ
て運動する。

【００２７】以上の如き振動発生器では、振動発生素子
４，５，１４の厚みをｔ₂ とし、印加する交番電圧をＶ
とすると、振動発生素子が発生する力Ｆ₂ は、

【００２８】

【数２】

【００２９】となる。

【００３０】ここで、Ｃ^E は圧電素子の弾性係数、ｄ₃₃
は圧電素子の圧電定数で分極軸方向（この場合厚み方
向）のものである。

【００３１】従って、この力Ｆ₂ を従来の（本出願人が
既に提案した）バー型振動波モーターの振動発生体（図
５）における振動発生素子の発生力Ｆ₁ と比較すると、

【００３２】

【数３】

【００３３】となる。なお、圧電セラミックの圧電定数
は一般的にｄ₃₃／ｄ₃₁＝２〜３程度であるから、図５の
棒状弾性体１８の巾寸法ｂを５〜３０mmとすると、Ｓ／ｂ＝５〜３０となり、また、振動発生素子４，５の厚さｔ₂を０．２
〜５ｍｍとすれば、１／ｔ₂＝０．２〜５となるため、Ｆ₁／Ｆ₂＝２〜４５０となる。

【００３４】すなわち、図５の従来の振動発生体と図１
及び図３の振動発生器に同じ電圧を印加した場合、図１
及び図３の振動発生器では、従来の振動発生体にくらべ
て２〜４５０倍もの力を発生させることができ、逆に、
従来の振動発生体と図１及び図３の振動発生器とに同じ
力を発生させる場合には、従来の振動発生体に印加する
電圧の1/2 〜1/450 の電圧を印加すればよいことにな
る。

【００３５】従って、本実施形態によれば、従来の振動
発生体よりもはるかに低電圧で駆動することができると
ともに、従来の振動発生体よりも大きな力を発生させる
ことができる。

【００３６】また、本発明の実施形態の振動発生器で
は、接着剤等を使用せずにスタッドやボルト等の締結部
材によって振動発生素子を棒状体に固定して、圧電セラ
ミックにあらかじめ圧縮応力を与えているため、温度変
動が大きい時や大振幅発生時にも内部応力が引張応力に
なりにくく、破損を生じる危険性は極めて小さい。

【００３７】なお、図３および図４に示す実施形態は、
駆動用電極１５，１６および素子片１４ａ〜１４ｄを棒
状体２，３の外径より大径になるように形成し、棒状体
２，３の外周からはみ出すようにしている。このこと
は、棒状体２，３の振動発生素子１４との接合面全体に
駆動用電極１５，１６の領域および素子片１４ａ〜１４
ｄが接合されることを意味し、これにより振動変位を拡
大し駆動効率を上げることができる。

【００３８】仮に、振動発生素子の駆動用電極の領域と
棒状体の接合面とを同径に設定した場合には、寸法誤差
や偏心により、棒状体の接合面の一部に信号印加領域が
接合されない部分が生じてしまう。

【００３９】棒状体の外周部への振動付与は、作用部
（実施形態では、棒状体の外端部）の振動変位を大きく
し、高トルク化する上では重要となるが、図３及び図４
に示した本発明の実施形態では、振動発生素子の駆動用
電極の領域を棒状体より大径にしてはみ出させるように
したので、両者の若干の寸法誤差や偏心は影響しなくな
る。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
本出願人が既に提案した振動波モーターに装備されてい
る振動発生体よりも低電圧で駆動することができるとと
もに、該振動発生体よりも大きな力を発生させることが
できる振動発生器を提供することができる。このため、
該振動発生器を用いれば、高電圧の駆動回路を要さず、
に実用可能な大トルクを発生することができ、しかも、
製造コストの安価なバー型振動波モーターを実現するこ
とができる。また、本発明の振動発生器は、大きな温度
変動を受けた場合や大振幅発生時にも破損しにくいた
め、本発明の振動発生器を用いれば、破損しにくく、信
頼性の高いバー型振動波モーターを実現することができ
る。

【００４１】また、本発明の振動発生器は、振動発生素
子の駆動用電極の領域を棒状体の外周部からはみ出すよ
うに大径に形成したので、両者の若干の寸法誤差や偏心
が生じても、影響を受けずに棒状体の外周部に振動を付
与することができ、結果として棒状体の作用部の振動変
位を大きくして、効率を向上させることができる。

【００４２】なお、本発明の振動発生器は、特にバー型
振動波モーターのステーターとして好適であるが、本発
明の振動発生器が該モーター以外の用途に使用できるこ
とは当然である。

【００４３】また、振動発生素子としては圧電セラミッ
クのほか、圧電結晶やPLZTなどの電歪素子等、種々の振
動発生体を使用することができる。

【００４４】先に説明した図４の実施形態では、素子片
１４ａ〜１４ｄを１／４円形の４素子としているが、こ
れは１４ａ，１４ｂの部分が逆極性に分極処理された円
形の１素子としてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の振動発生器の前提となる一例の縦断面
図である。

【図２】図１のＡ−Ａ線で切断した場合の断面図であ
る。

【図３】図１のＢ−Ｂ線で切断した場合の断面図であ
る。

【図４】図３のIV−IV線で切断した場合の断面図であ
る。

【図５】本出願人が既に提案した振動波モーターに用い
られている振動発生器の斜視図である。

【符号の説明】

１，１Ａ…振動発生器２，３…棒状体４，５，１４…振動発生素子７…連結部材１４ａ〜１４ｄ…駆動用電極領域としての素子片１５，１６…駆動用電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】厚さ方向に振動を発生する振動発生素子
を棒状体の軸線方向と接合して一体化した振動発生器で
あって、該振動発生素子の駆動用電極の領域が、該棒状体の外周
部より大きく形成され、この外周部からはみ出している
ことを特徴とする振動発生器。
【請求項２】前記駆動用電極が、複数領域に分割され
ていることを特徴とする請求項１に記載の振動発生器。