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、第一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一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、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、第一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一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、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、2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、2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、効率的な駆動の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、第一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一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L1F1多重モードで振動させ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、全体の中心に対称な位置に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、2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、2分の1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できる。
【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が第一次縦振動をしている様子を示す図である。
【図3】本発明に係る超音波モータが第一次屈曲振動をしている様子を示す図である。
【図4】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5】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6】本発明に係る圧電振動子の斜視図である。
【図7A】駆動層上の電極パターンを示す平面図である。
【図7B】グランド電極のパターンを示す平面図である。
【図7C】センシング層上の電極パターンを示す平面図である。
【図7D】センシング層上の電極パターンを示す平面図である。
【図8】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9】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10A】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10B】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10C】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11】第2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12A】第2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12B】第2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。
【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と摺動チップ2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。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、各層が紙面に対して垂直方向に分極している。また、圧電振動子1の図中y方向端面の中央部に、駆動力を伝達する摺動チップ2が設けられている。
【0019】
図2は、超音波モータが第一次縦振動をしている様子を示す図である。図2に示すように、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、図2中、矢印Aの方向と平行である。また、図3は、超音波モータが第一次屈曲振動をしている様子を示す図である。図3に示すように、圧電振動子1が第一次屈曲振動モードで振動する際の方向(剪断方向)は、図2に示す矢印Aと平行であるが、図3に示すように、圧電振動子1の両端で方向が互いに逆となる。図2に示す第一次縦振動モードと図3に示す第一次屈曲振動モードとが合成(縮退)することによって、摺動チップ2は楕円運動をし、駆動力が生ずる。
【0020】
次に、超音波モータの駆動原理について説明する。図4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。ここで、F1、F2およびF3は、屈曲振動を示し、L1およびL2は縦振動を示す。矩形型の圧電振動子が、第一次縦振動モード(L1)で振動する際の伸縮方向の長さをLとし、また、これと直交する方向の圧電振動子の幅をwとする。
【0021】
そして、図4に示すように、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の共振周波数とを対応させると共に、w/Lと第一次屈曲振動モードの共振周波数とを対応させる。なお、図4ではL=20mmで固定し、w(Width)のみを変化させている。この場合、縦横の二辺の比(以下、「辺比」という。)w/Lが、1.05付近(1.00から1.15)で両者の共振周波数が一致し、二つの振動が縮退する。このときの共振周波数は、67kHz〜68kHzとなっている。
【0022】
このように、辺比が1.00から1.15であり、共振周波数が67kHz〜68kHzであるときに縮退が生じるため、より高い周波数(100kHz程度)で駆動する場合と比較して、効率を高めることが可能となる。また、一辺が20mm程度の正方形となるため、小型化を図ることが可能となる。
【0023】
図5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5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。
【0024】
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。
【0025】
図6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6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。
【0026】
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。
【0027】
図7A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2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。
【0028】
図7B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。
【0029】
図7C、図7D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2分割したときの1つの矩形形状に形成され、2分の1電極面積を有している。また、駆動電極4d、4fも、主面全体を2分割したときの1つの矩形形状に形成され、2分の1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。
【0030】
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をL1F1多重モードで振動させ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。
【0031】
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。
【0032】
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の中心に対称な位置に設けられている。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。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。
【0033】
図8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8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。図8に示すように、超音波モータ10において、駆動層上には、矩形の圧電層1bの一方の主面を2分割するように、駆動電極4aと駆動電極4bとが設けられている。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る。
【0034】
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、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、幅方向(剪断方向)で屈曲する第一次屈曲振動モードの振動とが発生する。
【0035】
そして、第一次縦振動モードの共振周波数と、第一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8に図示せず)には楕円振動が発生する。なお、電圧V0sinωtとV0cosωtとは、それぞれ第1の交流電圧と第2の交流電圧とに該当する。両者が入れ替わっても何ら問題はない。
【0036】
このように、いずれか一方の主面上に2枚の電極が並設されているため、L1F2モードの場合のように、主面を4つの領域に分けて、それぞれに電力を配置し、対角に位置する電極同士を接続しなければならない構成よりも簡単な構成にすることができる。
【0037】
なお、上記の例では、2相信号入力の構成を説明しているが、1相信号入力の構成を採ってもよい。この場合、一方の駆動電極4aに、交流電圧源5aによってV0sinωtの交流信号を印加し、他方の駆動電極4bを開放状態とすることで動作させることも可能である。
【0038】
図9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9に示すように、駆動電極4dには、図8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10Aは、時間に対する入力電圧を示すグラフである。図10Aに示す駆動電圧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、駆動電圧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10B、図10C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10Bに示す検出電圧VS1は、センシング電極4eに発生する電圧である。また、図10Bに示す検出電圧VS2は、センシング電極4gに発生する電圧である。図10B、図10C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11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。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12A、図12Bは、時間に対する入力電圧を示すグラフである。図12Bに示す検出電圧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12Bに示す例では、検出電圧VS1、VS2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、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
1b 圧電層
2 摺動チップ
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
J1 駆動層上の電極パターン
GND グランド電極パターン
S1、S2 センシング層上の電極パターン
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、2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、2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、効率的な駆動の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、第一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一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L1F1多重モードで振動させ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、全体の中心に対称な位置に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、2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、2分の1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できる。
【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が第一次縦振動をしている様子を示す図である。
【図3】本発明に係る超音波モータが第一次屈曲振動をしている様子を示す図である。
【図4】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5】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6】本発明に係る圧電振動子の斜視図である。
【図7A】駆動層上の電極パターンを示す平面図である。
【図7B】グランド電極のパターンを示す平面図である。
【図7C】センシング層上の電極パターンを示す平面図である。
【図7D】センシング層上の電極パターンを示す平面図である。
【図8】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9】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10A】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10B】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10C】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11】第2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12A】第2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12B】第2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。
【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と摺動チップ2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。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、各層が紙面に対して垂直方向に分極している。また、圧電振動子1の図中y方向端面の中央部に、駆動力を伝達する摺動チップ2が設けられている。
【0019】
図2は、超音波モータが第一次縦振動をしている様子を示す図である。図2に示すように、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、図2中、矢印Aの方向と平行である。また、図3は、超音波モータが第一次屈曲振動をしている様子を示す図である。図3に示すように、圧電振動子1が第一次屈曲振動モードで振動する際の方向(剪断方向)は、図2に示す矢印Aと平行であるが、図3に示すように、圧電振動子1の両端で方向が互いに逆となる。図2に示す第一次縦振動モードと図3に示す第一次屈曲振動モードとが合成(縮退)することによって、摺動チップ2は楕円運動をし、駆動力が生ずる。
【0020】
次に、超音波モータの駆動原理について説明する。図4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。ここで、F1、F2およびF3は、屈曲振動を示し、L1およびL2は縦振動を示す。矩形型の圧電振動子が、第一次縦振動モード(L1)で振動する際の伸縮方向の長さをLとし、また、これと直交する方向の圧電振動子の幅をwとする。
【0021】
そして、図4に示すように、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の共振周波数とを対応させると共に、w/Lと第一次屈曲振動モードの共振周波数とを対応させる。なお、図4ではL=20mmで固定し、w(Width)のみを変化させている。この場合、縦横の二辺の比(以下、「辺比」という。)w/Lが、1.05付近(1.00から1.15)で両者の共振周波数が一致し、二つの振動が縮退する。このときの共振周波数は、67kHz〜68kHzとなっている。
【0022】
このように、辺比が1.00から1.15であり、共振周波数が67kHz〜68kHzであるときに縮退が生じるため、より高い周波数(100kHz程度)で駆動する場合と比較して、効率を高めることが可能となる。また、一辺が20mm程度の正方形となるため、小型化を図ることが可能となる。
【0023】
図5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5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。
【0024】
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。
【0025】
図6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6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。
【0026】
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。
【0027】
図7A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2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。
【0028】
図7B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。
【0029】
図7C、図7D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2分割したときの1つの矩形形状に形成され、2分の1電極面積を有している。また、駆動電極4d、4fも、主面全体を2分割したときの1つの矩形形状に形成され、2分の1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。
【0030】
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をL1F1多重モードで振動させ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。
【0031】
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。
【0032】
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の中心に対称な位置に設けられている。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。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。
【0033】
図8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8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。図8に示すように、超音波モータ10において、駆動層上には、矩形の圧電層1bの一方の主面を2分割するように、駆動電極4aと駆動電極4bとが設けられている。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る。
【0034】
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、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、幅方向(剪断方向)で屈曲する第一次屈曲振動モードの振動とが発生する。
【0035】
そして、第一次縦振動モードの共振周波数と、第一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8に図示せず)には楕円振動が発生する。なお、電圧V0sinωtとV0cosωtとは、それぞれ第1の交流電圧と第2の交流電圧とに該当する。両者が入れ替わっても何ら問題はない。
【0036】
このように、いずれか一方の主面上に2枚の電極が並設されているため、L1F2モードの場合のように、主面を4つの領域に分けて、それぞれに電力を配置し、対角に位置する電極同士を接続しなければならない構成よりも簡単な構成にすることができる。
【0037】
なお、上記の例では、2相信号入力の構成を説明しているが、1相信号入力の構成を採ってもよい。この場合、一方の駆動電極4aに、交流電圧源5aによってV0sinωtの交流信号を印加し、他方の駆動電極4bを開放状態とすることで動作させることも可能である。
【0038】
図9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9に示すように、駆動電極4dには、図8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10Aは、時間に対する入力電圧を示すグラフである。図10Aに示す駆動電圧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、駆動電圧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10B、図10C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10Bに示す検出電圧VS1は、センシング電極4eに発生する電圧である。また、図10Bに示す検出電圧VS2は、センシング電極4gに発生する電圧である。図10B、図10C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11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。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12A、図12Bは、時間に対する入力電圧を示すグラフである。図12Bに示す検出電圧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12Bに示す例では、検出電圧VS1、VS2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、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
1b 圧電層
2 摺動チップ
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
J1 駆動層上の電極パターン
GND グランド電極パターン
S1、S2 センシング層上の電極パターン
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、第一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一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、全体の中心に対称な位置に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、2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、2分の1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、第一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一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、全体の中心に対称な位置に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、2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、2分の1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7A】
【図7B】
【図7C】
【図7D】
【図8】
【図9】
【図10A】
【図10B】
【図10C】
【図11】
【図12A】
【図12B】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【図7D】
【図8】
【図9】
【図10A】
【図10B】
【図10C】
【図11】
【図12A】
【図12B】
【公開番号】特開2011−72131(P2011−72131A)
【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2009−221367(P2009−221367)
【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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