超音波モータ
【課題】縦振動と屈曲振動による多重モードで駆動される超音波モータにおいてコンパクトな構成で駆動の効率的な検出および制御を可能にする超音波モータを提供する。
【解決手段】多重振動モードの振動に用いられる矩形の超音波モータであって、積層された圧電層と、積層された圧電層間に交互に内層された駆動電極およびグランド電極と、積層された圧電層のうち駆動検出に用いられるものの一方の主面側で、駆動電極４ｄが内層された面内に内層されたセンシング電極４ｅとを備え、第一次縦振動モードにおける伸縮方向の長さをＬとし、第二次屈曲振動モードにおける剪断方向の長さをｗとした場合、第一次縦振動モードの共振周波数と第二次屈曲振動モードの共振周波数とが実質的に一致するｗ／Ｌに基づいて形成されている。これにより、動作に寄与しない不活性層体積比率を少なくすることができる。
【解決手段】多重振動モードの振動に用いられる矩形の超音波モータであって、積層された圧電層と、積層された圧電層間に交互に内層された駆動電極およびグランド電極と、積層された圧電層のうち駆動検出に用いられるものの一方の主面側で、駆動電極４ｄが内層された面内に内層されたセンシング電極４ｅとを備え、第一次縦振動モードにおける伸縮方向の長さをＬとし、第二次屈曲振動モードにおける剪断方向の長さをｗとした場合、第一次縦振動モードの共振周波数と第二次屈曲振動モードの共振周波数とが実質的に一致するｗ／Ｌに基づいて形成されている。これにより、動作に寄与しない不活性層体積比率を少なくすることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、矩形積層型の圧電振動子を多重振動モードで振動させる超音波モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、積層型圧電素子が用いられた超音波モータやアクチュエータにセンサ用の電極を設け、そこから取り出した信号により積層型圧電素子の動作を制御しようとする技術が知られている（特許文献１、２、３）。
【０００３】
特許文献１記載のアクチュエータは、アクチュエータ部とセンサ部とが絶縁材料層を介して一体に積層されてなり、センサ部には圧電材料層として厚さ方向に分極処理が済んでいる圧電セラミックスが用いられている。そして、アクチュエータ部が厚さ方向に変位すると変位量に応じてセンサ部の電界が変位し、この電界の変位量が電圧信号としてサンプルホールドされて制御部にフィードバックされることで、アクチュエータ部に発生した応力変動を非線形的に検出し、センシング感度を向上させている。
【０００４】
特許文献２記載の積層圧電素子は、圧電セラミックスの片面側に電極を形成した圧電素子板を厚み方向に複数枚積層した積層圧電素子において、圧電セラミック層の一部をセンサー相として用い、最上層の圧電素子板にセンサー相の信号取り出し用の電極を設けている。そして、１波長幅のセンサー電極を導通穴と非接触に設け、一方最上層の圧電素子板にはスルーホールなどによりセンサー電極と導通する電極が形成されており、このようなセンサー相により振動波駆動装置の駆動制御を高精度に行おうとしている。
【０００５】
特許文献３記載の振動波モータは、積層圧電素子において第１層に表面電極層が配置され、第２層に圧電層が配置されている。第３層から第Ｎ層までの層においては、異なる圧電層が交互に配置されており、圧電層の表面には、４分割された内部電極が形成されている。圧電層の表面には、４分割された内部電極が形成されており、各圧電層において、センサ相である内部電極およびそれと同位相に配置されている内部電極とのみが圧電層の外部に露出するように形成されており、これにより小型の振動波モータの進行波ムラの低減を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許３０５９０３８号公報
【特許文献２】特許３７２９７８１号公報
【特許文献３】特開２００７−１３０３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のように、センサ用の電極を設けた圧電アクチュエータは存在するが、縦振動と屈曲振動による多重モードで駆動される超音波モータにおいては、電極によりセンシングを行う構成が開発されておらず、駆動の効率的な検出および制御が行われていない。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、縦振動と屈曲振動による多重モードで駆動される超音波モータにおいてコンパクトな構成で駆動の効率的な検出および制御を可能にする超音波モータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）上記の目的を達成するため、本発明の超音波モータは、多重振動モードの振動に用いられる矩形の超音波モータであって、積層された圧電層と、前記積層された圧電層間に交互に内層された駆動電極およびグランド電極と、前記積層された圧電層のうち駆動検出に用いられるものの一方の主面側で、前記駆動電極が内層された面内に内層されたセンシング電極とを備え、第一次縦振動モードにおける伸縮方向の長さをＬとし、第二次屈曲振動モードにおける剪断方向の長さをｗとした場合、第一次縦振動モードの共振周波数と第二次屈曲振動モードの共振周波数とが実質的に一致するｗ／Ｌに基づいて形成されていることを特徴としている。
【００１０】
このように、駆動電極とセンシング電極とを同一面内に設けることによって動作に寄与しない不活性層体積比率を少なくすることができる。そして、矩形積層型の圧電振動子をＬ１Ｆ２多重モードで振動させて３１横効果振動を利用する超音波モータをコンパクトに構成できる。その結果、センシング層を駆動層と別層にする場合より圧電活性層の比率が大きくなるため効率のよい高性能の超音波モータを提供することが可能になる。
【００１１】
（２）また、本発明の超音波モータは、前記センシング電極が、対称な位置に２つ設けられていることを特徴としている。これにより、構造に対称性を持たせて動作の偏りを無くしている。
【００１２】
（３）また、本発明の超音波モータは、前記センシング電極が、４分の１電極面積を有し、前記センシング電極が内装された面内にある駆動電極は、４分の３電極面積を有することを特徴としている。これにより、センシング層により駆動層の駆動を妨げられることなく、超音波モータを駆動させながら駆動状態の検出を行うことができる。
【００１３】
（４）また、本発明の超音波モータは、前記内層された駆動電極、グランド電極およびセンシング電極が、外部電極によりそれぞれ入力、接地および検出の端子に接続されていることを特徴としている。このように、スルーホールを用いず外部接続にすることにより動作活性層体積比率を大きくしたことで動作に寄与しない不活性層体積比率を少なくすることができる。
【００１４】
（５）また、本発明の超音波モータは、前記圧電層が、同一層内で２つの分極方向に分極されており、前記内層された駆動電極には、１相の駆動電圧が印加されることを特徴としている。このように、１相駆動した場合にもセンシング電極を用いて動作方向電圧に一定の電圧波形を得ることで動作を感知できる。したがって位相差を感知しなくても一定の電圧波形のみ感知できればよくセンサ回路を簡略化できる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、縦振動と屈曲振動による多重モードで駆動される超音波モータにおいてコンパクトな構成で駆動の効率的な検出および制御を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る超音波モータの正面図である。
【図２】本発明に係る超音波モータの第一次縦振動の様子を示す図である。
【図３】本発明に係る超音波モータの第二次屈曲振動の様子を示す図である。
【図４】本発明に係る超音波モータが被駆動体を図中、右方向に駆動する様子を段階的に示す図である。
【図５】矩形型の圧電振動子を複数種類の振動モードで振動させたときの周波数スペクトラムを示す図である。
【図６】圧電振動子の作製時におけるシート積層の構成の一例を示す図である。
【図７】本発明に係る圧電振動子の斜視図である。
【図８Ａ】駆動層上の電極パターンを示す平面図である。
【図８Ｂ】グランド電極のパターンを示す平面図である。
【図８Ｃ】センシング層上の電極パターンを示す平面図である。
【図８Ｄ】センシング層上の電極パターンを示す平面図である。
【図９】第１の実施形態に係る超音波モータの駆動層上の電極に対する配線を示す図である。
【図１０】第１の実施形態に係る超音波モータのセンシング層上の電極に対する配線を示す図である。
【図１１Ａ】第１の実施形態において時間に対する入力電圧を示すグラフである。
【図１１Ｂ】第１の実施形態において時間に対するセンシング電圧を示すグラフである。
【図１１Ｃ】第１の実施形態において時間に対するセンシング電圧を示すグラフである。
【図１２】第２の実施形態に係る超音波モータの概略構成を示す図である。
【図１３Ａ】第２の実施において時間に対する入力電圧を示すグラフである。
【図１３Ｂ】第２の実施において形態時間に対するセンシング電圧を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【００１８】
［第１の実施形態］
図１は、超音波モータ１０の正面図である。図１に示すように、超音波モータ１０は圧電振動子１とチップ１ａを備えており、矩形積層型の圧電振動子１を多重振動モードで振動させることで駆動可能となっている。
【００１９】
図２は、超音波モータ１０の第一次縦振動の様子を示す図である。第一次縦振動は、図２の矢印ＡおよびＢに示すように、圧電振動子１の長手方向に伸縮を繰り返すことにより生ずる。また、図３は、超音波モータ１０の第二次屈曲振動の様子を示す図である。第二次屈曲振動は、図３の矢印Ｃに示すように、圧電振動子１の厚さ方向に、相互に向きが異なる剪断力により屈曲を繰り返すことにより生ずる。これらの第一次縦振動と第二次屈曲振動とを合成（縮退）することにより、圧電振動子１に設けられたチップが楕円運動をし、駆動力が生ずる。
【００２０】
図４は、圧電振動子１が被駆動体２を図中、右方向に駆動する様子を段階的に示す図である。図４において、圧電振動子１は、チップ１ａを備えている。圧電振動子１の第一次縦振動と第二次屈曲振動とを合成することで、圧電振動子１が伸縮と屈曲を繰り返し、１サイクルで被駆動体を距離ｌだけ移動させている。圧電振動子１は、このような原理で駆動力を発生させる。
【００２１】
図５は、矩形型の圧電振動子１を複数種類の振動モードで振動させたときの周波数スペクトラムを示す図である。なお、図５ではＬ＝２０ｍｍで固定し、ｗのみを変化させている。図５により、ｗ／Ｌを変数として、ｗ／Ｌと圧電振動子の第一次縦振動モード（Ｌ１）の共振周波数とを関係と、ｗ／Ｌと第二次屈曲振動モード（Ｆ２）の共振周波数との関係を見ることができる。
【００２２】
ｗ／Ｌが小さい場合は、第二次屈曲振動モードの共振周波数よりも第一次縦振動モードの共振周波数の方が大きい。そして、ｗ／Ｌが０．２７となると、第一次縦振動モードの共振周波数と、第二次屈曲振動モードの共振周波数とが実質的に一致する。ｗ／Ｌが０．２７を超えると、第二次屈曲振動モードの共振周波数が第一次縦振動モードの共振周波数よりも大きくなる。なお、共振周波数が実質的に一致するとは、両振動モードが合成（縮退）され、楕円振動が発生することをいい、一致するｗ／Ｌには、ある程度数値の幅が存在する。
【００２３】
さらにｗ／Ｌを大きくしていくと、第一次縦振動モードの共振周波数が、第二次屈曲振動モードの共振周波数よりも大きくなる。すなわち、同一のｗ／Ｌの値に対する第一次縦振動モードの共振周波数の値から第二次屈曲振動モードの共振周波数の値を減算したときの減算値が、ｗ／Ｌの増加に対して負の数から正の数に変わる。つまり、この点においても、第一次縦振動モードの共振周波数と、第二次屈曲振動モードの共振周波数とが実質的に一致する。そのときのｗ／Ｌの値を０．５５以上０．６５以下とする寸法で、圧電振動子１を構成することが好ましい。また、ｗ／Ｌの値は、特に０．６３であることが好ましい。
【００２４】
ｗ／Ｌが０．６３のとき、圧電振動子１は、辺比ｗ／Ｌが０．２７付近である場合よりも、いわゆる肉厚となると共に、長手方向の長さが小さくなる。その結果、小型化を図ることができる。また、肉厚となることから、疲労や過入力による破損が生じ難くなり、耐久性を向上させることが可能となる。
【００２５】
図６は、圧電振動子１の作製時におけるシート積層の構成の一例を示す図である。図中のシート番号は積層するシートの番号を、シート厚は各シートの厚さを、内層印刷の種類は内層印刷のパターンを示している。印刷パターンＪ１、ＧＮＤ、Ｓ１、Ｓ２は、後述の電極パターンに対応している。図６に示す例では、圧電振動子の第３〜６シート、第１１〜１４シート、第２５〜２８シート、第３３〜３６シートが駆動層となるシートであり、第３シート、第１１シート、第２９シート、第３７シートのシート上には駆動電極が印刷されている。駆動層とは、電圧が印加されることで変位を生じさせる圧電層である。
【００２６】
また、第７シート、第１５シート、第２５シート、第３３シートのシート上にはグランド電極が印刷されている。また、第１５〜１８シート、第２１〜２４シートはセンシング層となるシートであり、層上の同一面内にはセンシング電極および駆動電極が印刷されている。このようにシートを積層して形成された成形体を焼成することで圧電振動子１が得られる。センシング層とは、駆動を検出するための圧電層である。なお、上記の積層構造は一例であり、必ずしもこの順番である必要はないが、電極パターンの位置が中心対称となるように積層されていることが好ましい。
【００２７】
図７は、圧電振動子１の斜視図である。圧電振動子１は、矩形積層型の圧電セラミックスから形成されており、各層の分極方向は、図７に示す座標軸のｚ軸方向の正負のいずれかに一致している。また、圧電振動子１が第一次縦振動モードで振動する際の伸縮方向は、ｘ軸と平行であり、圧電振動子１のｘ軸方向の長さはＬである。また、圧電振動子１が第二次屈曲振動モードで振動する際の剪断方向は、ｙ軸と平行であり、圧電振動子１のｙ軸方向の長さはｗである。
【００２８】
圧電振動子１は、積層された圧電層の表面または層間に交互に設けられたグランド電極および駆動電極を有している。また、圧電振動子１は、駆動電極と同じ面内に設けられ、圧電振動子１の動作を信号として検出するセンシング電極を有している。つまりセンシング電極は、駆動層の一方の主面側で、駆動電極が内層された面内に内層されている。
【００２９】
図８Ａは、駆動層上の電極パターンＪ１を示す平面図である。駆動電極４ａ、４ｂは、それぞれ概ね主面の４分の１の面積に等分されている。そして、それぞれ圧電振動子１の側面に露出する取り出し部分を有している。電極パターンにおいて対角の関係にある駆動電極４ａ、４ｂそれぞれには所定の交流電圧が印加され、駆動電極４ｂには駆動電極４ａへの印加電圧とは位相がπ／２異なる電圧を印加する。
【００３０】
図８Ｂは、グランド電極のパターンＧＮＤを示す平面図である。グランド電極４ｃと駆動電極４ａ、４ｂ、４ｄ、４ｆとの間に電界が生じることで、その間の圧電層１ｂが変位する。また、グランド電極４ｃとセンシング電極４ｅ、４ｇとの間の圧電層１ｂが変位することでセンシング電極４ｅ、４ｇに電圧が発生し、圧電振動子１の駆動を検出することができる。
【００３１】
図８Ｃ、図８Ｄは、それぞれセンシング層上の電極パターンＳ１、Ｓ２を示す平面図である。センシング層は、積層された圧電層のうち駆動検出に用いられるものである。センシング電極４ｅ、４ｇは、主面全体を４分割したときの１つの矩形形状に形成され、４分の１電極面積を有している。また、駆動電極４ｄ、４ｆは、主面全体を４分割したときの３つの矩形形状に形成され、４分の３電極面積を有している。これにより、センシング層により駆動層の駆動を妨げられることなく、超音波モータを駆動させながら駆動状態の検出を行うことができる。
【００３２】
このように、駆動電極４ｄ、４ｆは、センシング電極４ｅ、４ｇと同一平面上に設けている。これにより、動作に寄与しない不活性層体積比率を少なくし、コンパクトに外部取り出し電極を構成できる。そして、矩形積層型の圧電振動子１をＬ１Ｆ２多重モードで振動させて３１横効果振動を利用する超音波モータをコンパクトに構成できる。その結果、センシング層を駆動層とは別層にする場合より圧電活性層の比率が大きくなるため、超音波モータ１０をセンシング層付きでかつ高性能なものとすることができる。
【００３３】
駆動電極４ａ、４ｂ、４ｄ、４ｆは、外部電極により入力端子に接続されている。また、グランド電極４ｃは、外部電極により接地端子に接続されている。各センシング電極４ｅ、４ｇも外部電極により、検出端子を介して後述の検出部６に接続されている。このように、スルーホールを用いず外部接続にすることにより動作活性層体積比率を大きくし、動作に寄与しない不活性層体積比率を少なくすることができる。
【００３４】
駆動電極４ｄ、４ｆには、駆動電極４ｂと同じ電圧が印加される。２つのセンシング電極４ｅ、４ｇは、それぞれ圧電振動子１の厚み方向および長手方向に対称な位置に設けられている。このように対称な位置に設けられていることが好ましい。これにより、構造に対称性を持たせて動作の偏りを無くしている。なお、各駆動電極４ａ、４ｂ、４ｄ、４ｆについても、中心対称に設けられていることが好ましい。
【００３５】
図９は、超音波モータ１０の駆動層上の電極に対する配線を示す図である。図９では、圧電振動子１の駆動層上の電極面を模式的に切り出して示している。駆動層上には、矩形の圧電層１ｂの一方の主面を４分割するように、互いに対角に対向する一組の駆動電極４ａと一組の駆動電極４ｂが設けられている。そして駆動層の他方の主面にはグランド電極４ｃが設けられ、接地されている。駆動電極４ａ、４ｂは、互いに絶縁された状態で個別に設けられた後、互いに対角に位置する各電極４ａ、４ｂがそれぞれ相互に電気的に接続されている。
【００３６】
超音波モータ１０の駆動回路は、２つの交流電圧源５ａ、５ｂによって構成される。交流電圧源５ａは、駆動電極４ａにＶ０ｓｉｎωｔの電圧を印加し、交流電圧源５ｂは、駆動電極４ｂにＶ０ｃｏｓωｔの電圧を印加する。このように、圧電振動子１の駆動電極４ａ、４ｂに対して位相がπ／２ずれた電圧Ｖ０ｓｉｎωｔおよびＶ０ｃｏｓωｔが印加されると、圧電振動子１には、図２および図３に示すように、長手方向に伸縮する第一次縦振動モードの振動と、剪断方向に屈曲する第二次屈曲振動モードの振動とが発生する。そして、第一次縦振動モードの共振周波数と、第二次屈曲振動モードの共振周波数とが等しいときに、両振動モードが合成（縮退）され、圧電振動子１のチップ（図９に図示せず）には楕円振動が発生する。
【００３７】
なお、図９は、２相信号入力の構成を示しているが、対角に対向する一組の駆動電極４ａに交流信号Ｖ０ｓｉｎωｔを印加し、他方の組の駆動電極４ｂを開放状態とすることで、一相で動作させることもできる。
【００３８】
図１０は、超音波モータ１０のセンシング層上の電極に対する配線を示す図である。図１０に示すように、駆動電極４ｄには、図９に示す駆動電極４ａと同じ電圧が印加される。その結果、センシング層も駆動層と同様に変位し、効率の良い駆動が可能になる。一方、駆動によりセンシング電極４ｅに生じた電圧は、センシング電極４ｅに接続された検出部６により検出される。また、センシング電極４ｇに生じた電圧は、同様にしてセンシング電極４ｇに接続された検出部６により検出される。
【００３９】
次に、超音波モータ１０を２相で駆動させたときの動作を説明する。図１１Ａは、時間に対する入力電圧を示すグラフである。図１１Ａに示す電圧Ｖａは、交流電圧源５ａにより駆動電極４ａに印加される電圧であり、Ｖａ＝Ｖ０ｓｉｎωｔと表せる。また、電圧Ｖｂは、交流電圧源５ｂにより駆動電極４ｂに印加される電圧であり、Ｖｂ＝Ｖ０ｃｏｓωｔと表せる。
【００４０】
図１１Ｂ、図１１Ｃは、それぞれ時間に対するセンシング電圧を示すグラフである。図１１Ｂに示す電圧ＶＳ１は、センシング電極４ｅに発生する検出電圧である。また、図１１Ｂに示す電圧ＶＳ２は、センシング電極４ｇに発生する検出電圧である。図１１Ｂ、図１１Ｃに示す例では、検出電圧ＶＳ１は、駆動電圧Ｖａ、Ｖｂを合成した波の位相を有するサイン波である。また、検出電圧ＶＳ２は、検出電圧ＶＳ１と位相をπ変えたサイン波である。これらは、超音波モータの駆動が正常であることを示している。たとえば、検出電圧ＶＳ１と検出電圧ＶＳ２の位相が上記の場合の逆であれば、誤動作していることが分かる。その場合には駆動電圧Ｖａ、Ｖｂの各位相を逆にし、電圧の大きさを調整することで超音波モータ１０の駆動を正常になるよう調整する。
【００４１】
［第２の実施形態］
上記の実施形態では、各駆動電極４ａ、４ｂに位相の異なる電圧を印加するが、ｂ同位相の電圧を印加してもよい。その場合には、あらかじめ各駆動電極４ａ、４ｂとグランド電極との間の圧電層をそれぞれ逆方向に分極処理しておく。このように、圧電層は、同一層内で２つの分極方向に分極されており、駆動電極には１相の駆動電圧が印加される。
【００４２】
このように、１相駆動した場合に２つのセンシング電極を用いて動作方向電圧に一定の電圧波形を得ることで超音波モータ１０の動作を感知できる。したがって位相差を感知しなくても一定の電圧波形のみ感知できればよく、センサ回路を簡略化できる。
【００４３】
図１２は、超音波モータ１０の駆動層に対する配線を示す図である。センシング層に対する配線については上記の実施形態と同様である。図１３Ａ、図１３Ｂは、時間に対する入力電圧を示すグラフである。図１３Ｂに示す電圧ＶＳ１、ＶＳ２は、センシング電極４ｅ、４ｇに発生する検出電圧である。図１３Ｂに示す例では、検出電圧ＶＳ１は、駆動電圧Ｖａ、Ｖｂを合成した波の位相を有するサイン波である。これは、超音波モータの駆動が正常であることを示している。たとえば、検出電圧ＶＳ１と検出電圧ＶＳ２の位相が上記の場合の逆であれば、誤動作していることが分かる。その場合には駆動電圧Ｖａ、Ｖｂの位相を逆にし、電圧の大きさを調整することで超音波モータ１０の駆動を正常になるよう調整する。
【符号の説明】
【００４４】
１ 圧電振動子
１ａ チップ
１ｂ 圧電層
２ 被駆動体
４ａ、４ｂ、４ｄ、４ｆ 駆動電極
４ｃ グランド電極
４ｅ、４ｇ センシング電極
５ａ、５ｂ 交流電圧源
６ 検出部
１０ 超音波モータ
Ｖａ、Ｖｂ 駆動電圧
ＶＳ１、ＶＳ２ 検出電圧
【技術分野】
【０００１】
本発明は、矩形積層型の圧電振動子を多重振動モードで振動させる超音波モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、積層型圧電素子が用いられた超音波モータやアクチュエータにセンサ用の電極を設け、そこから取り出した信号により積層型圧電素子の動作を制御しようとする技術が知られている（特許文献１、２、３）。
【０００３】
特許文献１記載のアクチュエータは、アクチュエータ部とセンサ部とが絶縁材料層を介して一体に積層されてなり、センサ部には圧電材料層として厚さ方向に分極処理が済んでいる圧電セラミックスが用いられている。そして、アクチュエータ部が厚さ方向に変位すると変位量に応じてセンサ部の電界が変位し、この電界の変位量が電圧信号としてサンプルホールドされて制御部にフィードバックされることで、アクチュエータ部に発生した応力変動を非線形的に検出し、センシング感度を向上させている。
【０００４】
特許文献２記載の積層圧電素子は、圧電セラミックスの片面側に電極を形成した圧電素子板を厚み方向に複数枚積層した積層圧電素子において、圧電セラミック層の一部をセンサー相として用い、最上層の圧電素子板にセンサー相の信号取り出し用の電極を設けている。そして、１波長幅のセンサー電極を導通穴と非接触に設け、一方最上層の圧電素子板にはスルーホールなどによりセンサー電極と導通する電極が形成されており、このようなセンサー相により振動波駆動装置の駆動制御を高精度に行おうとしている。
【０００５】
特許文献３記載の振動波モータは、積層圧電素子において第１層に表面電極層が配置され、第２層に圧電層が配置されている。第３層から第Ｎ層までの層においては、異なる圧電層が交互に配置されており、圧電層の表面には、４分割された内部電極が形成されている。圧電層の表面には、４分割された内部電極が形成されており、各圧電層において、センサ相である内部電極およびそれと同位相に配置されている内部電極とのみが圧電層の外部に露出するように形成されており、これにより小型の振動波モータの進行波ムラの低減を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許３０５９０３８号公報
【特許文献２】特許３７２９７８１号公報
【特許文献３】特開２００７−１３０３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のように、センサ用の電極を設けた圧電アクチュエータは存在するが、縦振動と屈曲振動による多重モードで駆動される超音波モータにおいては、電極によりセンシングを行う構成が開発されておらず、駆動の効率的な検出および制御が行われていない。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、縦振動と屈曲振動による多重モードで駆動される超音波モータにおいてコンパクトな構成で駆動の効率的な検出および制御を可能にする超音波モータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）上記の目的を達成するため、本発明の超音波モータは、多重振動モードの振動に用いられる矩形の超音波モータであって、積層された圧電層と、前記積層された圧電層間に交互に内層された駆動電極およびグランド電極と、前記積層された圧電層のうち駆動検出に用いられるものの一方の主面側で、前記駆動電極が内層された面内に内層されたセンシング電極とを備え、第一次縦振動モードにおける伸縮方向の長さをＬとし、第二次屈曲振動モードにおける剪断方向の長さをｗとした場合、第一次縦振動モードの共振周波数と第二次屈曲振動モードの共振周波数とが実質的に一致するｗ／Ｌに基づいて形成されていることを特徴としている。
【００１０】
このように、駆動電極とセンシング電極とを同一面内に設けることによって動作に寄与しない不活性層体積比率を少なくすることができる。そして、矩形積層型の圧電振動子をＬ１Ｆ２多重モードで振動させて３１横効果振動を利用する超音波モータをコンパクトに構成できる。その結果、センシング層を駆動層と別層にする場合より圧電活性層の比率が大きくなるため効率のよい高性能の超音波モータを提供することが可能になる。
【００１１】
（２）また、本発明の超音波モータは、前記センシング電極が、対称な位置に２つ設けられていることを特徴としている。これにより、構造に対称性を持たせて動作の偏りを無くしている。
【００１２】
（３）また、本発明の超音波モータは、前記センシング電極が、４分の１電極面積を有し、前記センシング電極が内装された面内にある駆動電極は、４分の３電極面積を有することを特徴としている。これにより、センシング層により駆動層の駆動を妨げられることなく、超音波モータを駆動させながら駆動状態の検出を行うことができる。
【００１３】
（４）また、本発明の超音波モータは、前記内層された駆動電極、グランド電極およびセンシング電極が、外部電極によりそれぞれ入力、接地および検出の端子に接続されていることを特徴としている。このように、スルーホールを用いず外部接続にすることにより動作活性層体積比率を大きくしたことで動作に寄与しない不活性層体積比率を少なくすることができる。
【００１４】
（５）また、本発明の超音波モータは、前記圧電層が、同一層内で２つの分極方向に分極されており、前記内層された駆動電極には、１相の駆動電圧が印加されることを特徴としている。このように、１相駆動した場合にもセンシング電極を用いて動作方向電圧に一定の電圧波形を得ることで動作を感知できる。したがって位相差を感知しなくても一定の電圧波形のみ感知できればよくセンサ回路を簡略化できる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、縦振動と屈曲振動による多重モードで駆動される超音波モータにおいてコンパクトな構成で駆動の効率的な検出および制御を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る超音波モータの正面図である。
【図２】本発明に係る超音波モータの第一次縦振動の様子を示す図である。
【図３】本発明に係る超音波モータの第二次屈曲振動の様子を示す図である。
【図４】本発明に係る超音波モータが被駆動体を図中、右方向に駆動する様子を段階的に示す図である。
【図５】矩形型の圧電振動子を複数種類の振動モードで振動させたときの周波数スペクトラムを示す図である。
【図６】圧電振動子の作製時におけるシート積層の構成の一例を示す図である。
【図７】本発明に係る圧電振動子の斜視図である。
【図８Ａ】駆動層上の電極パターンを示す平面図である。
【図８Ｂ】グランド電極のパターンを示す平面図である。
【図８Ｃ】センシング層上の電極パターンを示す平面図である。
【図８Ｄ】センシング層上の電極パターンを示す平面図である。
【図９】第１の実施形態に係る超音波モータの駆動層上の電極に対する配線を示す図である。
【図１０】第１の実施形態に係る超音波モータのセンシング層上の電極に対する配線を示す図である。
【図１１Ａ】第１の実施形態において時間に対する入力電圧を示すグラフである。
【図１１Ｂ】第１の実施形態において時間に対するセンシング電圧を示すグラフである。
【図１１Ｃ】第１の実施形態において時間に対するセンシング電圧を示すグラフである。
【図１２】第２の実施形態に係る超音波モータの概略構成を示す図である。
【図１３Ａ】第２の実施において時間に対する入力電圧を示すグラフである。
【図１３Ｂ】第２の実施において形態時間に対するセンシング電圧を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【００１８】
［第１の実施形態］
図１は、超音波モータ１０の正面図である。図１に示すように、超音波モータ１０は圧電振動子１とチップ１ａを備えており、矩形積層型の圧電振動子１を多重振動モードで振動させることで駆動可能となっている。
【００１９】
図２は、超音波モータ１０の第一次縦振動の様子を示す図である。第一次縦振動は、図２の矢印ＡおよびＢに示すように、圧電振動子１の長手方向に伸縮を繰り返すことにより生ずる。また、図３は、超音波モータ１０の第二次屈曲振動の様子を示す図である。第二次屈曲振動は、図３の矢印Ｃに示すように、圧電振動子１の厚さ方向に、相互に向きが異なる剪断力により屈曲を繰り返すことにより生ずる。これらの第一次縦振動と第二次屈曲振動とを合成（縮退）することにより、圧電振動子１に設けられたチップが楕円運動をし、駆動力が生ずる。
【００２０】
図４は、圧電振動子１が被駆動体２を図中、右方向に駆動する様子を段階的に示す図である。図４において、圧電振動子１は、チップ１ａを備えている。圧電振動子１の第一次縦振動と第二次屈曲振動とを合成することで、圧電振動子１が伸縮と屈曲を繰り返し、１サイクルで被駆動体を距離ｌだけ移動させている。圧電振動子１は、このような原理で駆動力を発生させる。
【００２１】
図５は、矩形型の圧電振動子１を複数種類の振動モードで振動させたときの周波数スペクトラムを示す図である。なお、図５ではＬ＝２０ｍｍで固定し、ｗのみを変化させている。図５により、ｗ／Ｌを変数として、ｗ／Ｌと圧電振動子の第一次縦振動モード（Ｌ１）の共振周波数とを関係と、ｗ／Ｌと第二次屈曲振動モード（Ｆ２）の共振周波数との関係を見ることができる。
【００２２】
ｗ／Ｌが小さい場合は、第二次屈曲振動モードの共振周波数よりも第一次縦振動モードの共振周波数の方が大きい。そして、ｗ／Ｌが０．２７となると、第一次縦振動モードの共振周波数と、第二次屈曲振動モードの共振周波数とが実質的に一致する。ｗ／Ｌが０．２７を超えると、第二次屈曲振動モードの共振周波数が第一次縦振動モードの共振周波数よりも大きくなる。なお、共振周波数が実質的に一致するとは、両振動モードが合成（縮退）され、楕円振動が発生することをいい、一致するｗ／Ｌには、ある程度数値の幅が存在する。
【００２３】
さらにｗ／Ｌを大きくしていくと、第一次縦振動モードの共振周波数が、第二次屈曲振動モードの共振周波数よりも大きくなる。すなわち、同一のｗ／Ｌの値に対する第一次縦振動モードの共振周波数の値から第二次屈曲振動モードの共振周波数の値を減算したときの減算値が、ｗ／Ｌの増加に対して負の数から正の数に変わる。つまり、この点においても、第一次縦振動モードの共振周波数と、第二次屈曲振動モードの共振周波数とが実質的に一致する。そのときのｗ／Ｌの値を０．５５以上０．６５以下とする寸法で、圧電振動子１を構成することが好ましい。また、ｗ／Ｌの値は、特に０．６３であることが好ましい。
【００２４】
ｗ／Ｌが０．６３のとき、圧電振動子１は、辺比ｗ／Ｌが０．２７付近である場合よりも、いわゆる肉厚となると共に、長手方向の長さが小さくなる。その結果、小型化を図ることができる。また、肉厚となることから、疲労や過入力による破損が生じ難くなり、耐久性を向上させることが可能となる。
【００２５】
図６は、圧電振動子１の作製時におけるシート積層の構成の一例を示す図である。図中のシート番号は積層するシートの番号を、シート厚は各シートの厚さを、内層印刷の種類は内層印刷のパターンを示している。印刷パターンＪ１、ＧＮＤ、Ｓ１、Ｓ２は、後述の電極パターンに対応している。図６に示す例では、圧電振動子の第３〜６シート、第１１〜１４シート、第２５〜２８シート、第３３〜３６シートが駆動層となるシートであり、第３シート、第１１シート、第２９シート、第３７シートのシート上には駆動電極が印刷されている。駆動層とは、電圧が印加されることで変位を生じさせる圧電層である。
【００２６】
また、第７シート、第１５シート、第２５シート、第３３シートのシート上にはグランド電極が印刷されている。また、第１５〜１８シート、第２１〜２４シートはセンシング層となるシートであり、層上の同一面内にはセンシング電極および駆動電極が印刷されている。このようにシートを積層して形成された成形体を焼成することで圧電振動子１が得られる。センシング層とは、駆動を検出するための圧電層である。なお、上記の積層構造は一例であり、必ずしもこの順番である必要はないが、電極パターンの位置が中心対称となるように積層されていることが好ましい。
【００２７】
図７は、圧電振動子１の斜視図である。圧電振動子１は、矩形積層型の圧電セラミックスから形成されており、各層の分極方向は、図７に示す座標軸のｚ軸方向の正負のいずれかに一致している。また、圧電振動子１が第一次縦振動モードで振動する際の伸縮方向は、ｘ軸と平行であり、圧電振動子１のｘ軸方向の長さはＬである。また、圧電振動子１が第二次屈曲振動モードで振動する際の剪断方向は、ｙ軸と平行であり、圧電振動子１のｙ軸方向の長さはｗである。
【００２８】
圧電振動子１は、積層された圧電層の表面または層間に交互に設けられたグランド電極および駆動電極を有している。また、圧電振動子１は、駆動電極と同じ面内に設けられ、圧電振動子１の動作を信号として検出するセンシング電極を有している。つまりセンシング電極は、駆動層の一方の主面側で、駆動電極が内層された面内に内層されている。
【００２９】
図８Ａは、駆動層上の電極パターンＪ１を示す平面図である。駆動電極４ａ、４ｂは、それぞれ概ね主面の４分の１の面積に等分されている。そして、それぞれ圧電振動子１の側面に露出する取り出し部分を有している。電極パターンにおいて対角の関係にある駆動電極４ａ、４ｂそれぞれには所定の交流電圧が印加され、駆動電極４ｂには駆動電極４ａへの印加電圧とは位相がπ／２異なる電圧を印加する。
【００３０】
図８Ｂは、グランド電極のパターンＧＮＤを示す平面図である。グランド電極４ｃと駆動電極４ａ、４ｂ、４ｄ、４ｆとの間に電界が生じることで、その間の圧電層１ｂが変位する。また、グランド電極４ｃとセンシング電極４ｅ、４ｇとの間の圧電層１ｂが変位することでセンシング電極４ｅ、４ｇに電圧が発生し、圧電振動子１の駆動を検出することができる。
【００３１】
図８Ｃ、図８Ｄは、それぞれセンシング層上の電極パターンＳ１、Ｓ２を示す平面図である。センシング層は、積層された圧電層のうち駆動検出に用いられるものである。センシング電極４ｅ、４ｇは、主面全体を４分割したときの１つの矩形形状に形成され、４分の１電極面積を有している。また、駆動電極４ｄ、４ｆは、主面全体を４分割したときの３つの矩形形状に形成され、４分の３電極面積を有している。これにより、センシング層により駆動層の駆動を妨げられることなく、超音波モータを駆動させながら駆動状態の検出を行うことができる。
【００３２】
このように、駆動電極４ｄ、４ｆは、センシング電極４ｅ、４ｇと同一平面上に設けている。これにより、動作に寄与しない不活性層体積比率を少なくし、コンパクトに外部取り出し電極を構成できる。そして、矩形積層型の圧電振動子１をＬ１Ｆ２多重モードで振動させて３１横効果振動を利用する超音波モータをコンパクトに構成できる。その結果、センシング層を駆動層とは別層にする場合より圧電活性層の比率が大きくなるため、超音波モータ１０をセンシング層付きでかつ高性能なものとすることができる。
【００３３】
駆動電極４ａ、４ｂ、４ｄ、４ｆは、外部電極により入力端子に接続されている。また、グランド電極４ｃは、外部電極により接地端子に接続されている。各センシング電極４ｅ、４ｇも外部電極により、検出端子を介して後述の検出部６に接続されている。このように、スルーホールを用いず外部接続にすることにより動作活性層体積比率を大きくし、動作に寄与しない不活性層体積比率を少なくすることができる。
【００３４】
駆動電極４ｄ、４ｆには、駆動電極４ｂと同じ電圧が印加される。２つのセンシング電極４ｅ、４ｇは、それぞれ圧電振動子１の厚み方向および長手方向に対称な位置に設けられている。このように対称な位置に設けられていることが好ましい。これにより、構造に対称性を持たせて動作の偏りを無くしている。なお、各駆動電極４ａ、４ｂ、４ｄ、４ｆについても、中心対称に設けられていることが好ましい。
【００３５】
図９は、超音波モータ１０の駆動層上の電極に対する配線を示す図である。図９では、圧電振動子１の駆動層上の電極面を模式的に切り出して示している。駆動層上には、矩形の圧電層１ｂの一方の主面を４分割するように、互いに対角に対向する一組の駆動電極４ａと一組の駆動電極４ｂが設けられている。そして駆動層の他方の主面にはグランド電極４ｃが設けられ、接地されている。駆動電極４ａ、４ｂは、互いに絶縁された状態で個別に設けられた後、互いに対角に位置する各電極４ａ、４ｂがそれぞれ相互に電気的に接続されている。
【００３６】
超音波モータ１０の駆動回路は、２つの交流電圧源５ａ、５ｂによって構成される。交流電圧源５ａは、駆動電極４ａにＶ０ｓｉｎωｔの電圧を印加し、交流電圧源５ｂは、駆動電極４ｂにＶ０ｃｏｓωｔの電圧を印加する。このように、圧電振動子１の駆動電極４ａ、４ｂに対して位相がπ／２ずれた電圧Ｖ０ｓｉｎωｔおよびＶ０ｃｏｓωｔが印加されると、圧電振動子１には、図２および図３に示すように、長手方向に伸縮する第一次縦振動モードの振動と、剪断方向に屈曲する第二次屈曲振動モードの振動とが発生する。そして、第一次縦振動モードの共振周波数と、第二次屈曲振動モードの共振周波数とが等しいときに、両振動モードが合成（縮退）され、圧電振動子１のチップ（図９に図示せず）には楕円振動が発生する。
【００３７】
なお、図９は、２相信号入力の構成を示しているが、対角に対向する一組の駆動電極４ａに交流信号Ｖ０ｓｉｎωｔを印加し、他方の組の駆動電極４ｂを開放状態とすることで、一相で動作させることもできる。
【００３８】
図１０は、超音波モータ１０のセンシング層上の電極に対する配線を示す図である。図１０に示すように、駆動電極４ｄには、図９に示す駆動電極４ａと同じ電圧が印加される。その結果、センシング層も駆動層と同様に変位し、効率の良い駆動が可能になる。一方、駆動によりセンシング電極４ｅに生じた電圧は、センシング電極４ｅに接続された検出部６により検出される。また、センシング電極４ｇに生じた電圧は、同様にしてセンシング電極４ｇに接続された検出部６により検出される。
【００３９】
次に、超音波モータ１０を２相で駆動させたときの動作を説明する。図１１Ａは、時間に対する入力電圧を示すグラフである。図１１Ａに示す電圧Ｖａは、交流電圧源５ａにより駆動電極４ａに印加される電圧であり、Ｖａ＝Ｖ０ｓｉｎωｔと表せる。また、電圧Ｖｂは、交流電圧源５ｂにより駆動電極４ｂに印加される電圧であり、Ｖｂ＝Ｖ０ｃｏｓωｔと表せる。
【００４０】
図１１Ｂ、図１１Ｃは、それぞれ時間に対するセンシング電圧を示すグラフである。図１１Ｂに示す電圧ＶＳ１は、センシング電極４ｅに発生する検出電圧である。また、図１１Ｂに示す電圧ＶＳ２は、センシング電極４ｇに発生する検出電圧である。図１１Ｂ、図１１Ｃに示す例では、検出電圧ＶＳ１は、駆動電圧Ｖａ、Ｖｂを合成した波の位相を有するサイン波である。また、検出電圧ＶＳ２は、検出電圧ＶＳ１と位相をπ変えたサイン波である。これらは、超音波モータの駆動が正常であることを示している。たとえば、検出電圧ＶＳ１と検出電圧ＶＳ２の位相が上記の場合の逆であれば、誤動作していることが分かる。その場合には駆動電圧Ｖａ、Ｖｂの各位相を逆にし、電圧の大きさを調整することで超音波モータ１０の駆動を正常になるよう調整する。
【００４１】
［第２の実施形態］
上記の実施形態では、各駆動電極４ａ、４ｂに位相の異なる電圧を印加するが、ｂ同位相の電圧を印加してもよい。その場合には、あらかじめ各駆動電極４ａ、４ｂとグランド電極との間の圧電層をそれぞれ逆方向に分極処理しておく。このように、圧電層は、同一層内で２つの分極方向に分極されており、駆動電極には１相の駆動電圧が印加される。
【００４２】
このように、１相駆動した場合に２つのセンシング電極を用いて動作方向電圧に一定の電圧波形を得ることで超音波モータ１０の動作を感知できる。したがって位相差を感知しなくても一定の電圧波形のみ感知できればよく、センサ回路を簡略化できる。
【００４３】
図１２は、超音波モータ１０の駆動層に対する配線を示す図である。センシング層に対する配線については上記の実施形態と同様である。図１３Ａ、図１３Ｂは、時間に対する入力電圧を示すグラフである。図１３Ｂに示す電圧ＶＳ１、ＶＳ２は、センシング電極４ｅ、４ｇに発生する検出電圧である。図１３Ｂに示す例では、検出電圧ＶＳ１は、駆動電圧Ｖａ、Ｖｂを合成した波の位相を有するサイン波である。これは、超音波モータの駆動が正常であることを示している。たとえば、検出電圧ＶＳ１と検出電圧ＶＳ２の位相が上記の場合の逆であれば、誤動作していることが分かる。その場合には駆動電圧Ｖａ、Ｖｂの位相を逆にし、電圧の大きさを調整することで超音波モータ１０の駆動を正常になるよう調整する。
【符号の説明】
【００４４】
１ 圧電振動子
１ａ チップ
１ｂ 圧電層
２ 被駆動体
４ａ、４ｂ、４ｄ、４ｆ 駆動電極
４ｃ グランド電極
４ｅ、４ｇ センシング電極
５ａ、５ｂ 交流電圧源
６ 検出部
１０ 超音波モータ
Ｖａ、Ｖｂ 駆動電圧
ＶＳ１、ＶＳ２ 検出電圧
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多重振動モードの振動に用いられる矩形の超音波モータであって、
積層された圧電層と、
前記積層された圧電層間に交互に内層された駆動電極およびグランド電極と、
前記積層された圧電層のうち駆動検出に用いられるものの一方の主面側で、前記駆動電極が内層された面内に内層されたセンシング電極とを備え、
第一次縦振動モードにおける伸縮方向の長さをＬとし、第二次屈曲振動モードにおける剪断方向の長さをｗとした場合、第一次縦振動モードの共振周波数と第二次屈曲振動モードの共振周波数とが実質的に一致するｗ／Ｌに基づいて形成されていることを特徴とする超音波モータ。
【請求項２】
前記センシング電極は、対称な位置に２つ設けられていることを特徴とする請求項１記載の超音波モータ。
【請求項３】
前記センシング電極は、４分の１電極面積を有し、
前記センシング電極が内装された面内にある駆動電極は、４分の３電極面積を有することを特徴とする請求項１または請求項２記載の超音波モータ。
【請求項４】
前記内層された駆動電極、グランド電極およびセンシング電極は、外部電極によりそれぞれ入力、接地および検出の端子に接続されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の超音波モータ。
【請求項５】
前記圧電層は、同一層内で２つの分極方向に分極されており、
前記内層された駆動電極には、１相の駆動電圧が印加されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の超音波モータ。
【請求項１】
多重振動モードの振動に用いられる矩形の超音波モータであって、
積層された圧電層と、
前記積層された圧電層間に交互に内層された駆動電極およびグランド電極と、
前記積層された圧電層のうち駆動検出に用いられるものの一方の主面側で、前記駆動電極が内層された面内に内層されたセンシング電極とを備え、
第一次縦振動モードにおける伸縮方向の長さをＬとし、第二次屈曲振動モードにおける剪断方向の長さをｗとした場合、第一次縦振動モードの共振周波数と第二次屈曲振動モードの共振周波数とが実質的に一致するｗ／Ｌに基づいて形成されていることを特徴とする超音波モータ。
【請求項２】
前記センシング電極は、対称な位置に２つ設けられていることを特徴とする請求項１記載の超音波モータ。
【請求項３】
前記センシング電極は、４分の１電極面積を有し、
前記センシング電極が内装された面内にある駆動電極は、４分の３電極面積を有することを特徴とする請求項１または請求項２記載の超音波モータ。
【請求項４】
前記内層された駆動電極、グランド電極およびセンシング電極は、外部電極によりそれぞれ入力、接地および検出の端子に接続されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の超音波モータ。
【請求項５】
前記圧電層は、同一層内で２つの分極方向に分極されており、
前記内層された駆動電極には、１相の駆動電圧が印加されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の超音波モータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図８Ｃ】
【図８Ｄ】
【図９】
【図１０】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１１Ｃ】
【図１２】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図８Ｃ】
【図８Ｄ】
【図９】
【図１０】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１１Ｃ】
【図１２】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【公開番号】特開２０１１−７２１２９（Ｐ２０１１−７２１２９Ａ）
【公開日】平成２３年４月７日（２０１１．４．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２２１３５７（Ｐ２００９−２２１３５７）
【出願日】平成２１年９月２５日（２００９．９．２５）
【出願人】（００００００２４０）太平洋セメント株式会社 (1,449)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年４月７日（２０１１．４．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月２５日（２００９．９．２５）
【出願人】（００００００２４０）太平洋セメント株式会社 (1,449)
【Ｆターム（参考）】
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