説明

圧電複合振動子

【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等に用いられる圧電振動子に関し、特に捩り振動及び縦振動を同一の圧電素子で発生させることが可能な圧電複合振動子に関する。
[従来の技術]
第4図(a)は従来の圧電捩り振動子の構造例であり、円板状の圧電捩り振動子51は、4個の扇型の圧電セラミックス板52が接合されて構成されている。夫々の扇型の圧電セラミックス板は、第4図(b)に示すように、夫々の扇の弦の方向に分極処理が施されており、扇型の圧電セラミックス板の上下面に電極を施し、上下電極間に直流電圧を印加すると、扇型の圧電セラミックス板には、板面と平行なすべり歪みが発生する。
4個の扇形の圧電セラミックス板52が、円板状に接合されている場合、夫々の扇形の圧電セラミックス板に発生するすべり歪みは合成されて、円板の上下面が捩じれるような捩り歪みとなる。
第4図(a)の従来の圧電捩り振動子においては、先ず、第4図(b)に示すように、幅方向に分極処理された圧電セラミックス板53から超音波加工により扇形の圧電セラミックス板を打ち抜いて第4図(c)に示す矢印のように、幅方向に分極処理された圧電セラミックス板52を作り、これを4個接着して円板状に構成するか、第5図5図(a)に示すように、厚さ方向に分極された圧電セラミックスのブロック54から、第5図(b)の分極方向が対角線の方向になるような正四角柱55を切り出し、第5図5図(c)に示すように4本の正四角柱55を分極方向が閉じたループとなるように重ねて接着し、第5図(d)に示すように、外周を円柱状に研磨した後、第5図(e)のような円板状に切断する等を行っている。
第6図は従来の圧電縦振動子の構造例であり、(a)は両面に電極が施され、矢印69で示される厚さ方向に分極された圧電セラミックス円板に電圧を印加し厚さ方向の伸縮変位を得るものである。低い印加電圧で大きな変位を得るために、薄い圧電セラミックス円板67を複数個積層して、第6図(b)の66′の符号で示すように構成されている場合がある。尚、68および68′は電圧を印加するための接続線である。
[発明が解決しようとする課題]
第4図(a)の従来の圧電捩り振動子、第6図(b)の圧電縦振動子においては、複数個の圧電セラミックスが接着されて構成されているため、接着による特性のばらつきが大きい。また、第4図(a),(b),(c)、及び第5図(a),(b),(c),(d),(e)に示すような円板又はリングを得るための加工が複雑で、コスト的にも非常に費用がかかるものであった。さらに、捩り変位と伸縮変位を同時に得ようとした場合は、第4図(a)の圧電捩り振動子51と、第6図(a)の圧電縦振動子66を接着して構成するために、やはり接着による特性のばらつきと接着コストがかかるという問題があった。
そこで、本発明の技術課題は、以下に示した従来の圧電捩り振動子及び圧電縦振動子の欠点を除去し、加工が簡単で、接着工程のないためにばらつきの少なく、同一の圧電捩り振動子を有する圧電振動子に縦振動子を形成した圧電複合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]
本発明によれば、円柱形の外周面を備えた圧電セラミックスの中央部、及び前記中央部の外周面に前記圧電セラミックスの長さ方向に対して交差する方向に延在するとともに前記圧電セラミックスの円周方向に交互に配置された複数の第1の斜め電極及び複数の第2の斜め電極をもち、捩り振動を行う圧電捩り振動子部と、前記圧電セラミックスの中央部に連続した両端部、及び前記両端部に夫々円周方向に延在するとともに夫々前記圧電セラミックスの長さ方向に交互に配置された複数の第1及び第2の周電極及び複数の第3及び第4の周電極の夫々をもち、夫々縦振動を行う第1及び第2の圧電縦振動子部とを有することを特徴とする圧電複合振動子が得られる。
[作 用]
本発明の圧電複合振動子は、圧電セラミックスの外周面の中央部の圧電捩り振動子部、及びこの圧電捩り振動子部の一端及び他端に連続して、第1及び第2の圧電縦振動子部を有する。
圧電捩り振動子部は、圧電セラミックスの外周面の中央部に長さ方向に対して交差する方向(好ましくは45゜)に複数の第1の斜め電極と複数の第2の斜め電極を施して二端子とし、次に、第1及び第2の電極を用いて前記圧電セラミックスに、前記第1及び第2の斜め電極の長さ方向と直角な方向に分極処理を施されている。
前記第1及び第2の斜め電極間に電圧を印加すると、電圧の極性が分極時の電圧の極性と同じ場合は分極の方向に伸び歪みが発生し、電圧の極性が分極時の電圧の極性と逆の場合は分極の方向に縮み歪みが発生する。
分極方向に伸び縮みが発生した場合は、分極方向と直角な方向には夫々これらと反対に縮みあるいは伸び歪みが発生する。以上の結果として、前記圧電セラミックスに捩り変位が発生する。
さらに、第1の圧電縦振動子部は、圧電セラミックス外周面の一端部に円周方向に複数の第1の周電極及び複数の第2の周電極を施して二端子とし、つぎに、第1及び第2の周電極を用いて前記圧電セラミックスに、前記第1及び第2の周電極の長さ方向と直角な方向、即ち、圧電セラミックスの長さ方向に分極処理を施されている。
この状態で前記第1及び第2の周電極に電圧を印加すると、電圧の極性が分極時の電圧の極性と同じ場合は、分極の方向に伸び歪みが発生し、電圧の極性が分極時の電圧と極性が逆の場合は分極方向に縮み歪みが発生する。
一方、第2の圧電縦振動子部は、第1の圧電縦振動子部と同様に、前記圧電セラミックスの外周面の他端部に、円周方向に複数の第3の周電極及び複数の第4の周電極を施して二端子とし、つぎに、第1及び第2の周電極を用いて前記圧電セラミックスに、前記第1及び第2の周電極の長さ方向と直角な方向、即ち、圧電セラミックスの長さ方向に分極処理を施されている。
この状態で前記第1及び第2の周電極に電圧を印加すると、電圧の極性が分極時の電圧の極性と同じ場合は、分極の方向に伸び歪みが発生し、電圧の極性が分極時の電圧と極性が逆の場合は分極方向に縮み歪みが発生する。
従って、圧電捩り縦振動子部、第1及び第2の圧電縦振動子部とにより、捩り変位を生じる捩り振動と、伸縮変位を生じる縦振動とが合った複合振動を生じる圧電複合振動子が得られる。
[実施例]
以下本発明の実施例について図面を参照しながら詳しく説明する。
第1図は本発明の実施例に係る圧電複合振動子の構造を示す斜視図である。この図において、圧電複合振動子1は、パイプ状圧電セラミックス10の外周面の中央部に設けられた圧電捩り振動子部1aとこの圧電捩り振動子部1aの一端及び他端に連続した第1の及び第2の圧電縦振動子部1b,1cを有する。
圧電捩り振動子部1aは、パイプ状圧電セラミックス10の外周面に長さ方向に対して45゜の角度となるように、互いに平行な複数の第1の斜め電極11及び複数の第2の斜め電極12が交互に形成され、夫々の端部が円周に平行な第1の共通電極11′及びこれに対向する第2の共通電極12′に夫々接続されている。
また、第1の圧電縦振動子部1bは、パイプ状圧電セラミックス10の外周面の円周方向に平行に且つ長さ方向に交互に複数の第1の周電極13及び複数の第2の周電極14が形成され、第3の共通電極13′及び第4の共通電極14′に夫々接続されている。
更に、第2の圧電縦振動子部1cは、パイプ状の圧電セラミックス10の外周面の円周方向に平行に且つ長さ方向に交互に複数の第3の周電極15及び複数の第4の周電極16が形成され、第5の共通電極15′及び第6の共通電極16′に夫々接続されている。
第2図は本発明の実施例に係る圧電複合振動子の動作原理の説明図であり、第2図(a)の斜視図において、圧電セラミックス板20の一方の面には横方向に交互に短冊状の第1及び第2の表面電極18及び19が形成され、第1及第2の接続電極18′及び19′に夫々接続されて、一対の交差指電極を形成している。
第2図(b)において、破線の矢印21は一対の交差指電極を用いて分極処理を施したときの分極の向きを示しており、第1の表面電極18から第2電極19に向かって分極されている。
第2図(c),(d)は第2図(b)において、分極処理された圧電セラミックス板20に直流電圧を印加した場合に発生する歪みの状態をしめしており、第2図(c),(d)から分かるように電圧の極性が実線22及び23で示す分極時の電圧の極性と同じ場合は分極の方向に伸び歪みが、電圧の極性が分極時の電圧の極性と逆の場合は分極の方向に縮み歪みが発生する。
第3図は圧電セラミックス円柱30の両端面が図の矢印のように、捩じれている場合に、この円柱30の外周面に発生する歪みの状態を示しており、円柱10の中心軸方向に対して45゜の角度の方向で、しかも一点鎖線で示される捩じれの矢印の向きに伸び歪みが発生し、これと直角な方向に縮み歪みが発生している。
第3図のような、圧電セラミックス円柱30の外周面に、第2図と同様な一対の交差指電極を交差指の方向が圧電セラミックス円柱の長さ方向に対して45゜となるように形成し、この一対の交差指電極を用いて分極処理を行い、同じ交差指電極に直流電圧を印加すると、電圧の極性が分極時の電極の極性と同じ場合に円柱は一方向に捩じれ、電圧の極性が分極時の逆の場合は逆方向に捩じれる。
更に、圧電セラミックス円柱の外周面に、第2図に示したような交差指電極を交差指の方向が圧電セラミックス円柱の円周方向と平行に形成し、この交差指電極を用いて分極処理を行い、同じ交差指電極に直流電圧を印加すると、電圧の極性が分極時の電圧の極性と同じ場合に、円柱は、長さ方向に伸び、電圧の極性が分極時の電圧の極性と逆の場合は、逆に長さ方向に縮む。
従って、第1図の本発明の実施例に係る圧電複合振動子においては、第1及び第2の共通電極21′及び22′間に高圧直流電圧を印加して分極処理を施した後、電圧を印加すれば、前述したようにパイプ状圧電セラミックス10には、両端部が捩じれるような歪みが発生する。
同様にして、第3及び第4の共通電極13′,14′間及び第5及び第6の共通電極15′,16′間に直流高電圧を印加して分極処理を施した後、第3及び第4の共通電極13′,14′間及び第5及び第6の共通電極15′,16′間夫々に交流電圧を印加すれば、前述したようにパイプ状圧電セラミックスは、長さ方向に伸縮する。
従って、この圧電捩り振動部1aと第1及び第2の圧電縦振動子部1b,1cとを同時に駆動すると、縦振動と捩り振動とを複合した複合振動を発生する。
以上の実施例では、印加電圧として、直流電圧を印加した場合に発生する捩じれ歪み及び伸縮歪みについて述べたが、交流電圧を印加しても何等差し支えなく、捩り振動と縦運動を同時に行う圧電複合振動子として超音波モータなどに使用できる。
更に、本実施例以外にもパイプ状圧電セラミックスの内周面に全面電極を施したり、外周面に施された電極と対向する電極を施すなど種々の変形が考えられるが、これらは本発明の範囲に属することは明らかである。
[発明の効果]
以上示した様に、本発明によれば、通常一般的に適用されているプレス成型技術により容易に製造することが可能な圧電セラミックス円柱あるいは圧電セラミックス中空円柱を用いて、これらの外周面にこれも一般的な技術である電極印刷を施すことにより圧電捩り振動子及び圧電縦振動子等が得られるため、製造が容易で、接着工程や複雑な加工工程による特性のばらつきの少ない圧電複合振動子が得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例に係る圧電複合振動子の構造を示す斜視図、第2図(a),(b),(c),及び(d)は交差指電極を用いて分極及び電圧印加を行った場合の歪みの発生状態の説明図、第3図は円柱状弾性体を捩ったときの歪みの発生状態の説明図、第4図(a),(b),及び(c)は従来例に係る捩り振動子の構造及び製造工程の説明図、第5図(a),(b),(c),(d),及び(e)は従来の捩り振動子の製造肯定を順に示す斜視図、第6図(a),(b)は従来の圧電縦振動子の構造を示す斜視図である。
図中、1は圧電複合振動子、1aは圧電捩り振動子部、1bは第1の圧電縦振動子部、1cは第2の圧電縦振動子部、10はパイプ状圧電セラミックス、11は第1の斜め電極、12は第2の斜め電極、11′は第1の共通電極、12′は第2の共通電極、13は第1の周電極、13′は第3の共通電極、14は第2の周電極、14′は第4の共通電極、15は第3の周電極、15′は第5の共通電極、16は第4の周電極、16′は第6の共通電極、18は第1の表面電極、18′は第1の接続電極、19は第2の表面電極、19′は第2の接続電極、20は圧電セラミックス板、21は分極方向を示す矢印、22は電圧印加方向を示す矢印、30はパイプ状圧電セラミックス、51は円板状の圧電捩り振動子、52は扇型の圧電セラミックス板、53は圧電セラミックス板材、54は圧電セラミックスのブロック、55は正四角柱、66,66′は圧電縦振動子、67は矢印、68,68′は接続線である。

【特許請求の範囲】
【請求項1】円柱形の外周面を備えた圧電セラミックスの中央部、及び前記中央部の外周面に前記圧電セラミックスの長さ方向に対して交差する方向に延在するとともに前記圧電セラミックスの円周方向に交互に配置された複数の第1の斜め電極及び複数の第2の斜め電極をもち、捩り振動を行う圧電捩り振動子部と、前記圧電セラミックスの中央部に連続した両端部、及び前記両端部の外周面に夫々円周方向に延在するとともに夫々前記圧電セラミックスの長さ方向に交互に配置された複数の第1及び第2の周電極及び複数の第3及び第4の周電極の夫々をもち、夫々縦振動を行う第1及び第2の圧電縦振動子部とを有することを特徴とする圧電複合振動子。

【第1図】
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【第2図】
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【第3図】
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【第4図】
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【第5図】
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【第6図】
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【特許番号】第2867269号
【登録日】平成10年(1998)12月25日
【発行日】平成11年(1999)3月8日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平1−152111
【出願日】平成1年(1989)6月16日
【公開番号】特開平3−19291
【公開日】平成3年(1991)1月28日
【審査請求日】平成8年(1996)4月19日
【出願人】(999999999)株式会社トーキン
【参考文献】
【文献】特開 昭63−236992(JP,A)
【文献】特開 平2−163982(JP,A)