JPS63240380A - 振動発生器 - Google Patents

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】 ［発明の利用分野］ この発明は棒状の振動発生器に関し、特に、バー型振動
、波モーターの振動発生体（すなわちステータ）として
好適な振動発生器に関するものである。

［発明の背景］ 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。

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。

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。

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。

第５図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。

この撮動発生体１７は図示の如き角棒形の棒状弾性体１
８の互いに直交する二面に長さａ１巾す、厚さｔ、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。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。

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はここでＣＥは圧電素子の弾性係数、ｄ
３１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Ｆ、ほかなり小さ
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■と圧電素子の巾すを大きくする
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。

なお、前記の如き振動発生体として、金属製の棒状弾性
体に圧電セラミックを接着した構造のものでは、セラミ
ックの引張強度が弱く線膨張係数が金属のそれよりもか
なり低いため、大振幅発生時や温度変動が大きい時には
内部応力により接着層や圧電セラミック自身が破損する
危険性があるという問題点もあった。

［発明の目的］ この発明の目的は、前記の如き振動発生体に存する問題
点を解決し、高電圧を要することな〈従来の振動発生体
よりも強い振動を発生しつる新規な構造の振動発生器を
提供することである。

［発明の概要］ この発明による振動発生器は、圧電素子等の振動発生素
子をその厚さ方向が棒状体の軸線方向と平行になるよう
に該棒状体の中間部分に挟み込むことによって該振動発
生素子と該棒状体とを一体化させた構造を有しているこ
とを特徴とするものである。

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−の駆動電圧ですみ、従って、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。

［発明の実施例］ 以下に第１図乃至第４図を参照して本発明による振動発
生器の実施例について説明する。

第１図は本発明による振動発生器の第１実施例の縦断面
図、第２図は第１図に示された振動発生器に組込まれて
いる振動発生素子の面図である。

第１図に示した本発明の第１実施例の振動発土器１は、
２本の同径及び同長の棒状体２及び３と、側棒状体２及
び３の間に挟み込まれて側棒状体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、
側棒状体２及び３を互いに機械的に連結するとともに側
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。

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１３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。

振動発生素子４は第２図（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
極性に形成されている。また、振動発生素子５も第２図
（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
性に形成されている。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によれば第１図にお
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５ｂ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
、第１図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。

それ故、振動発生素子４に交番電圧を印加すると、第１
図において棒状体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、該撮動発
生器１の両端には゛第１図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、第１図
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。

なお、各振動発生素子４及び５の両面に形成されている
電極８〜１１も各振動検出素子４及び５の構成素子片４
ａ、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Ｅ、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。

第３図及び第４図は本発明の第２実施例の振動発生器Ｉ
Ａを示したものである。この実施例の振動発生器ＩＡで
は、唯一枚の振動発生素子！４が２本の棒状体２及び３
に挟まれており、また、２本の棒状体２及び３は第１実
施例と同様に連結部材７で連結されている。

この実施例の振動発生素子１４は第４図に示すように４
個の素子片１４ａ〜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電極１５及び１６も第１
図の実施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。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１
４ｃが′ｓ１の交番電圧源Ｅ、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Ｅ、に接続されている。

素子片１４ａと素子片１４ｃとは逆極性に形成されてお
り、従って、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ため
、振動発生器ＩＡは第３図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
形成された素子片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ＩＡは第３図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。従って、交番電圧Ｅ１及び
Ｅ２を素子片１４ａ〜１４ｄに印加することにより振動
発生器ＩＡの両端には第３図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ＩＡの両端は円軌道もしくは楕
円軌道に沿って運動する。

以上の如き本発明による振動発生器では、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 ここでｃＥ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。

従って、この力Ｆ２を従来の（本出願人の先願発明の）
バー型振動波モーターの振動発生体（第５図）における
振動発生素子の発生力Ｆ１と比較すると、 となる。なお、圧電セラミックの圧電定数は一般的にｄ
　ｓｓ／　ｄ　ｓｒ＝　２〜３程度であるから、第５図
の棒状弾性体１８の巾寸法すを５〜３０ｍｍ生素子４，
５．１４の厚さｔ２を０．２〜５ｍｍと４５０となる。

すなわち、第５図の従来の振動発生体と第１図及び第３
図の本発明の振動発生器に同じ電圧を印加した場合、本
発明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
振動発生体と本発明の振動発生器とに同じ力を発生させ
る場合には、本発明の振動発生器では従来の振動発生体
に印加する電圧を１７２〜１７４５０の電圧に印加すれ
ばよいことになる。

従って、本発明によれば、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。

また、本発明の振動発生器では、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
棒状体に固定しているので温度変動が大きい時や大振幅
発生時にも該締結部材によっ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内部応力が引張応力にな
りにくいため、破損を生じる危険性は極めて小さい。

［発明の効果］ 以上に説明したように、本発明によれば、本出願人の先
願発明の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曲げ振動発
生器が提供され、該撮動発生器によれば、高電圧の駆動
回路を要せず、しかも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によれば破損し
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。

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。

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。

先に説明した第２図の実施例では圧電素子４を４ａおよ
び４ｂの半円形の２素子としているが、これは４ａの部
分と４ｂ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。同様に圧電素子５も１素子としても良い
。

第４図の圧電素子１４も同様に部分的に極性を変えた１
素子として良いことは明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の振動発生器の第１実施例の縦断面図、
第２図（ａ）は第１図のＡ−Ａ矢視断面図、第２図（ｂ
）は第１図のＢ−Ｂ矢視断面図、第３図は本発明の第２
実施例の縦断面図、第４図は第３図のＩＶ−ＩＶ矢視断
面図、第５図は本出願人による先願発明の振動波モータ
ーに用いられている振動発生体の斜視図、である。 １、ＩＡ・・・振動発生器、　　２．３・・・棒状体４
．５．１４・・・振動発生素子 ６・・・絶縁体　　　　　　　７・・・連結部材８〜１
３・・・電極　　　　　１５．１６・・・電極−５゛１
７・・・振動発生体　　　　１８・・・棒状弾性体１９
・・・圧電素子 第３図 ｙ、ｊ 第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　厚さ方向に振動を発生する板状の振動発生素子をその
   厚さ方向が棒状体の軸線方向と平行になるように該棒状
   体の中間位置にはさみ込むことによって該棒状体と該振
   動発生素子とを一体化させて成る曲げ振動発生器。