CN102224670B

CN102224670B - 压电振动器及超声波电动机

Info

Publication number: CN102224670B
Application number: CN200980147068.XA
Authority: CN
Inventors: 浅野宏志
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2008-11-25
Filing date: 2009-09-04
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2029-09-04
Also published as: KR20110086116A; US20110215675A1; EP2360829A4; EP2360829B1; JPWO2010061508A1; WO2010061508A1; KR101239308B1; US8330327B2; EP2360829A1; JP5110170B2; CN102224670A

Abstract

本发明获得一种利用B(1，n)模式(n为自然数)的、相位相差90°的两个驻波来产生行波的压电振动器，所述压电振动器能实现压电元件成形工序、极化工序、以及制造工序的简化，从而能降低成本。为了通过B(1，n)模式的、相位相差90°的两个驻波的合成来产生n波行波，在振动体(4)的下表面上设置有(4/3)n片压电元件(5～16)，在将该行波的波长设为λ时，压电元件(5～16)具有占据相当于(1/2)λ_θ的中心角的周向长度，且多片压电元件(5～16)隔开占据相当于(1/4)λ_θ的中心角的间隔而配置，各压电元件具有沿厚度方向进行极化的压电体、以及形成于压电体两面的一对电极，对于所述旋转方向上的每两片压电元件的压电体，使极化方向为厚度方向的一个方向或另一个方向。

Description

压电振动器及超声波电动机

技术领域

本发明涉及一种利用压电效应产生行波的压电振动器、以及利用由该压电振动器所产生的行波的超声波电动机。

背景技术

以往，提出了各种利用压电效应的超声波电动机。在下述专利文献1中，揭示了一种具有将圆板状的压电元件粘贴在圆板状的振动体的单面上而形成的定子的超声波电动机。图8(a)是表示专利文献1所揭示的超声波电动机的简要主视剖视图，图8(b)是用于对下表面的压电元件的极化结构进行说明的振动体的示意性俯视图。

在专利文献1所揭示的超声波电动机101中，产生两个B(1，3)模式的相位相差90°的驻波，通过合成这两个驻波来产生行波。

超声波电动机101包括支承板102。在支承板102的中央安装有中心轴103。中心轴103从支承板102的中央向上方延伸。在中心轴103上固定有定子104，从而，利用中心轴103和支承板102来将定子104进行保持。

定子104包括圆板状的振动体105、以及粘贴于振动体105的下表面的圆板状的压电元件106。如图8(b)所示，压电元件106被划分成12个中心角为30°的扇形区域。如图示的标号+或-所表示的那样，在厚度方向上将各扇形区域进行极化。用+来表示的扇形区域、以及用-来表示的扇形区域表示在厚度方向上沿相反方向进行极化处理。为了要产生B(1，n)模式和B(0，n)模式(其中，n为自然数)的驻波以获得n波的行波，必须将压电体分割成4n个区域。此外，n是自然数。因此，在专利文献1中，为了获得3波的行波，将压电元件106划分成12个区域。

压电元件106具有在经极化后的压电陶瓷板的两面形成有电极的结构。通过对压电元件106施加交流电压，如上所述，用标号+或-来表示的各区域以相反的相位发生振动，从而，安装于压电元件106的振动体105发生振动。利用该振动，在用图8(a)的虚线A来表示的振动姿态、与用虚线B来表示的振动姿态之间重复移位，从而产生B(1，3)模式的驻波。然后，驱动压电元件106以产生两个相位相差90°的驻波，从而产生直径小于振动体105的行波。

在振动体105的上表面上，沿传输上述行波的径向形成有突出部105a，在振动体105的上表面上配置有未图示的转子，使其与突出部105a相接触。利用中心轴103将转子轴支承于中心轴103的周围，使其成为旋转材料。因而，通过产生上述行波，从而使与突出部105a相接触的转子绕中心轴103的周围旋转。

此外，下述的非专利文献1揭示了一种利用了包含上述B(1，3)模式的B(1，n)模式、和B(0，n)模式的超声波电动机。

专利文献1：日本专利特开平7-194151号公报

非专利文献1：《精密控制用新致动装置手册》，日本工业技术振兴协会致动装置研究工作组编，Fuji Techno Systems发行(「精密制御用ニユ一アクチユエ一タ便覧」日本工業技術振興協会団体アクチユエ一タ研究部会編フジテクノシステム発行)，第839～第841页，“具有放大功能的盘片型超声波电动机”(「拡大機能を有するデイスク型超音波モ一タ」)

发明内容

在专利文献1所揭示的超声波电动机101中，通过合成B(1，3)模式的、相位相差90°的两个驻波来产生行波，从而使转子旋转。虽然这种情况下的旋转效率较高，但在获得超声波电动机101时，必须将大致圆板状的压电元件106分割成12个区域，并对各区域进行极化。因此，压电体的形成工序和极化工序较复杂，进而电极形成也不得不变复杂。因而，无法降低超声波电动机的成本。

本发明的目的在于提供一种利用容易获得较大振动能量的、B(1，n)模式的行波的超声波电动机，所述超声波电动机能实现压电体的成形工序、极化工序、以及电极形成工序的简化，能降低成本，并能容易地利用各种B(1，n)模式。

根据本发明，提供一种压电振动器，所述压电振动器包括：振动体，该振动体具有外边缘呈圆形或多边形的板状体；以及(4/3)n片压电元件，该(4/3)n片压电元件固定于该振动体的至少一个主面上，从而通过使所述振动体振动来产生n波的行波，所述n波的行波由B(1，n)模式(其中，n为自然数)的、相位相差90°的两个驻波的合成所产生，并以旋转的方式行进，该(4/3)n片压电元件沿所述行波的旋转方向分散配置，在将与所述行波的波长相对应的、绕所述旋转方向中心的中心角设为λ_θ时，各压电元件具有与中心角λ_θ/2相对应的尺寸，并且相邻的压电元件彼此之间沿所述旋转方向隔开与中心角λ_θ/4相对应的间隔而配置，各压电元件具有沿厚度方向极化的压电体、以及形成于压电体的两面的一对电极，对于所述旋转方向上的每两片压电元件的压电体，使极化方向为厚度方向的一个方向或另一个方向。

根据本发明所涉及的压电振动器的一个特定情况，对所述多片压电元件进行设置，使所述多片压电元件位于所述B(1，n)模式的驻波的振动波腹上。在这种情况下，能更有效地产生相位不同的两个驻波。

在本发明所涉及的压电振动器的另一特定情况下，将所述多片压电元件配置于所述B(1，n)模式的驻波的振动波腹上，所述振动波腹位于该驻波的环状波节的内侧。在这种情况下，能更进一步高效地产生上述驻波。

在本发明所涉及的压电振动器的又一特定情况下，将所述多片压电元件设置于所述B(1，n)模式的驻波的环状振动波节的内侧，使所述多片压电元件未到达该波节的外侧。在这种情况下，由于压电振动器未到达振动的波节的外侧，因此，能抑制反相驻波的产生，从而能抑制驱动效率的降低。

在本发明中，对压电元件的平面形状没有特别限定，但根据本发明的另一特定情况，压电元件具有矩形的平面形状。在这种情况下，能以较高的生产率容易地由母压电体形成多片压电元件。

在本发明所涉及的压电振动器的又一其他特定情况下，在所述振动体的与所述转子相接触的一侧的表面上，还包括以从所述振动体的表面突出的方式进行设置的触点。通过使转子等被驱动的构件与突出的触点的前端相接触，从而能更进一步高效地驱动转子等。

根据本发明的又一其他特定情况，作为所述触点，在所述振动体的主面上设置有多个触点，所述多个触点分散配置在作为传输所述B(1，n)模式的振动的行波的区域的、圆环状的区域内。在这种情况下，能更进一步高效地驱动转子等。

本发明所涉及的超声波电动机包括：定子，该定子具有根据本发明而构成的压电振动器；以及转子，该转子配置成与该定子相接触，接受由与定子对应产生的行波所引起的振动而旋转。

在本发明所涉及的压电振动器中，由于在具有板状体的振动体的至少一个主面上，沿行波的旋转方向分散配置有(4/3)n片压电元件以成为上述特定关系，因此，能产生行波，该行波由B(1，n)模式的、相位不同的两个驻波的合成所产生。与利用由B(0，n)模式的驻波的合成所产生的行波的情况相比，该行波能使振动体产生更大的位移。因此，能高效地将转子等由压电振动器来驱动的构件旋转驱动。

而且，由于只具有将多片压电元件固定于振动体的至少一个主面上以成为上述特定关系的结构，并且，为了要产生由B(1，n)模式的、相位相差90°的两个驻波的合成所产生的n波的行波，只要将(4/3)n片单一极化的压电元件进行固定即可，因此，与使用一片具有进行了4n分割的极化区域的圆环状或圆板状压电元件的现有例相比，能大幅简化压电元件的成形工序、极化工序、以及电极形成工序，从而能大幅降低成本。

附图说明

图1(a)和图1(b)是表示本发明的一个实施方式的超声波电动机的定子的立体图和俯视图，图1(c)是用于对定子中产生的两个驻波进行说明的定子的主视图。

图2(a)是用于对固定于本发明的一个实施方式的超声波电动机的定子上的压电元件的结构进行说明的压电元件的主视剖视图，图2(b)是用于对压电元件的尺寸和压电元件之间的距离进行说明的示意性俯视图。

图3是本发明的一个实施方式所涉及的超声波电动机的主视图。

图4是表示在本发明的一个实施方式中、压电振动器中产生的B(1，9)模式的驻波的振动的环状波节N的位置、以及位移最大的波腹D的位置的示意性俯视图。

图5是示意性地表示根据本发明利用B(1，3)模式的驻波的压电振动器中的、相位彼此相差90°的B(1，3)模式的两个驻波的俯视图。

图6是用于对本发明的一个实施方式的变形例中的压电元件的位置与驻波之间的关系进行说明的示意性主视图。

图7是本发明的超声波电动机的变形例中的定子的俯视图。

图8(a)是用于对使用现有的B(1，n)模式的行波的超声波电动机进行说明的示意性主视图，图8(b)是表示粘贴于定子的下表面的压电板的极化结构的示意性俯视图。

具体实施方式

下面，参照附图，说明本发明的具体实施方式，以阐明本发明。

图3是本发明的实施方式1所涉及的超声波电动机的主视图。超声波电动机1包括具有作为本发明的实施方式的压电振动器的定子2、以及由定子2旋转驱动的转子3。在本实施方式中，转子3具有大致圆板状的形状，并围绕该圆板的中心进行旋转驱动。转子3由金属、陶瓷、或合成树脂等适当的刚性材料所形成。在本实施方式中，由于在定子2中，产生后述的、相位在时间上和位置上相差90°的、B(1，9)模式的两个驻波，利用这两个驻波的合成来产生行波，因此，能利用该行波来将转子3旋转驱动。

图1(a)和图1(b)是表示定子2的外观的立体图和俯视图，图1(c)是用于对定子2中产生的驻波进行说明的示意性主视图。

定子2具有由板状的弹性体形成的振动体4。振动体4具有在中央具有贯通孔4c的圆板状的形状。但是，振动体4也可以具有圆环状的形状。

另外，振动体4的平面形状并不限于圆形或圆环形，也可以是正六边形、正八边形、或正十变形等正多边形形状。

在本实施方式中，上述振动体4由磷青铜形成。但是，振动体4不一定需要由磷青铜等金属形成。振动体4也可以通过陶瓷、硅材料或者合成树脂等其他弹性体形成。上述振动体4通过穿孔加工等，能容易地形成为正确的形状。

在振动体4的下表面4b上，粘贴有多片压电元件5～16。图2是示意性地表示压电元件5的放大主视剖视图。压电元件5包括沿厚度方向进行极化处理的压电体5a、形成于压电体5a的上表面的第一电极5b、以及形成于下表面的第二电极5c。可以利用像锆钛酸铅类陶瓷这样的压电陶瓷或压电单晶等适当的压电材料来形成上述压电体5a。

第一电极5b和第二电极5c由Al、Ag、Cu、或这些金属的合金等适当的金属材料形成。

压电元件6～16也具有与压电元件5相同的结构。但是，为了使后述的B(1，9)模式的、相位相差90°的两个驻波激振，在周向上每隔两个压电体，使压电元件的压电体的极化方向在压电体的厚度方向上成为相反方向。即，在压电元件5、6中，沿从下表面向上表面的方向对压电体5a进行极化处理，在此情况下，在压电元件7、8中，沿从上表面向下表面的方向对压电体进行极化处理。在图1(b)中，用标号+来表示压电体的沿从上表面向下表面的方向的极化方向，用标号一来表示从下表面向上表面进行极化处理的方向。

此外，在本实施方式中，在上述旋转方向上，压电元件7、8的组与压电元件5、6的组相邻配置，但例如也可以在压电元件5、6的组与压电元件7、8的组之间，配置一个沿上述正方向或负方向对压电体进行极化的压电元件。或者，例如也可以在压电元件5、6的组和压电元件7、8的组的任意一组中，去除一片压电元件。虽然这会导致B(1，9)模式的驻波的激振效率降低，不是优选方式，但像这样部分添加或去除一片或几片压电元件的结构并不排除在本发明的范围之外。

利用未图示的适当的接合材料，将上述压电元件5～16固定于振动体4的下表面。作为这样的接合材料，能举例示出包括适当的粘接剂和金属的接合材料等。

另外，为了对多片压电元件5～16施加交流电压，对压电元件5～16的下表面的第二电极进行适当布线。此外，设置于压电元件的上表面的第一电极连接到公共布线。

在本实施方式中，如图1(b)所示，上述压电元件5～16具有矩形的平面形状。因此，在较大的母压电体的两面形成电极，并沿厚度方向进行了极化，之后，进行分割，使压电元件具有矩形的形状，从而能容易且高精度地形成多片压电元件5～16。由此，能实现极化工序的简化。另外，由于只要将多片压电元件5～16粘贴于振动体4的下表面即可，因此，能实现定子2的制造工序的简化和成本的降低。由此，能降低超声波电动机1的成本。

上述多片压电元件5～16在振动体4内沿某一周向分散配置。更具体而言，对于产生B(1，9)模式的驻波的圆环状区域，在将与沿该圆环状区域产生的行波的波长相对应的中心角设为λ_θ时，如图2(b)中示意性地表示的那样，各压电元件5、6具有占据相当于(1/2)λ_θ的中心角的周向长度W，且多片压电元件5、6隔开占据相当于(1/4)λ_θ的中心角的间隔S而进行配置。剩下的压电元件7～16也同样地进行配置。

更具体而言，在本实施方式中，沿图1(b)中用圆板状振动体4的外边缘4d内侧的点划线示出的虚拟圆D传送上述行波。因此，多片压电元件5～16在振动体4上的径向位置如下：对压电元件5～16进行定位，使压电元件5～16的中心位于虚拟圆D上。

在上述定子2中，对于压电元件5～16中的第一压电元件组5、7、9、11、13、15、以及第二压电元件组6、8、10、12、14、16，施加相位在时间上不同的两个高频电压，从而产生相位在位置上和时间上偏移90°的、B(1，9)模式的两个驻波。将这两个驻波进行合成，产生行波。即，产生在上述虚拟圆D上进行传送的行波。

在产生上述行波的情况下，振动体4在图1(c)中用虚线E示出的振动姿态、与用虚线F示出的振动姿态之间重复振动。在这种情况下，由图1(c)可知，在压电元件7、13的位于振动体4的径向中心的部分，振动体4在上下方向上产生最大的位移。即，在振动体4中产生最大位移的部分是上述虚拟圆D上的值。该虚拟圆D相当于上述B(1，9)模式的驻波的振动的波腹。

此外，如图4中示意俯视图所示的那样，在虚拟圆D的外侧，存在相当于上述驻波的振动的波节的、环状的波节N。如图1(c)所示，在该振动的波节N，基本不产生位移，在环状的波节N的外侧，也存在位移较大的振动的波腹部分。

在本实施方式中，压电元件5～16位于相当于上述振动的波腹的虚拟圆D上，且未到达振动的波节N的外侧。若压电元件5～16到达波节N的外侧，则压电元件5～16也位于以相反相位进行驱动的部分，激振效率会降低，不是优选方式。

但是，在振动的波节N的外侧，也可以设置分别极化成与压电元件5～16的极性相反的压电元件。例如，如图6中用设置有压电元件7、13的部分所示的那样，也可以在压电元件7、13的外侧设置压电元件7A、13A。在该情况下，对位于振动的波节N的两侧的压电元件进行驱动，也能产生行波。

在本实施方式中，上述压电元件5～16在振动体4上的径向位置如下：对压电元件5～16进行定位，使该压电元件5～16的中心位于上述虚拟圆D上。换言之，将压电元件5～16的中心定位于在产生B(1，9)模式的行波的情况下、成为振动顶点的位置。因而，通过驱动压电元件5～16，能高效地使上述B(1，9)模式的行波激振。另外，在该虚拟圆D上，配置有后述的多个触点，从而能提高转子的旋转效率。

另外，在本实施方式中，在上述多片压电元件5～16中，相对于振动体4的单面的中心对称地配置有所述第一压电元件组5、7、9、11、13、15、以及第二压电元件组6、8、10、12、14、16。因而，即使在定子2的制造产生偏差、或转子3的加压状态变得不平衡的情况下，也不易受到这些影响。由此，能提高超声波电动机1的动作稳定性。

此外，在使用B(1，n)模式的行波的情况下，与使用已知的B(0，n)模式的行波的情况相比，能提高效率。这是由于，在振动体因B(1，n)模式的行波而振动的情况下，位移最大的部分、即传送上述行波的部分位于圆板状振动体的外边缘的内侧。因此，与利用在圆板状的振动体的外边缘进行传送的、B(0，n)模式的行波的情况相比，由于振动的区域在径向上变宽，因此，振动能量变大，且在位移最大的部分的位移量变大。因而，与利用B(0，n)模式的行波的情况相比，通过利用B(1，n)模式的行波，能高效地将与定子2相接触的转子旋转驱动。

在上述实施方式中，在上述定子2中，为了更有效地将转子3旋转驱动，在振动体4的上表面4a上，从振动体4的上表面4a向上方突出形成有多个触点。更具体而言，在振动体4的上表面4a上，在设置有虚拟圆D的位置形成有圆环状壁17。在圆环状壁17的上表面上，在周向上隔开规定的间隔而设置有多个沿振动体4的径向延伸的缺口17a。该相邻的缺口17a、17a之间的突出部构成一个触点17b。因而，从振动体4的上表面4a向上方突出地设置有多个触点17b。多个触点17b分散配置在传送作为上述行波的、B(1，n)模式的行波的路径上。更具体而言，多个触点17b沿虚拟圆D的周向分散配置，配置于所述位移最大的部分。

由于触点17b从振动体4一侧沿远离振动体4的方向突出形成，因此，当在振动体4中产生B(1，n)模式的行波、振动体4在位于虚拟圆D的部分进行移位的情况下，触点17b的前端进行更大的移位。

此外，设置图1(a)所示的贯通孔4c，使得例如中心轴可以穿过，该中心轴以转子3和定子2为轴。在转子3上也设置有与这样的贯通孔4c相同的贯通孔。因而，例如，如图3所示，能利用包含中心轴18和基板19的保持构件，将定子2和转子3进行保持。在这种情况下，转子3在贯通孔处旋转自如地轴支承于中心轴的周围，定子2在振动体4的贯通孔4c处固定于中心轴18。中心轴18适当地固定于基板19。

作为上述中心轴18，可以利用金属或陶瓷等其他适当的刚性材料来形成。

此外，在上述实施方式的超声波电动机1中，虽然没有特别进行限定，但压电元件5～16具有矩形的平面形状，然而也可以如图7所示的变形例那样，采用平面形状为圆形的压电元件25～36。另外，也能与矩形的压电元件5～16同样容易地形成圆形的压电元件25～36。但是，为了要提高来自母压电体的生产率，优选所述矩形的压电元件5～16。

另外，上述实施方式示出了利用B(1，9)模式的行波的例子，但也可以利用其他B(1，n)模式。例如，在利用B(1，x)模式的情况下，将(4/3)x个压电元件沿周向分散配置即可。

此外，图5是用于对由本发明所产生的行波进行更浅显的说明的示意性俯视图。这里，示出了3波的驻波X和Y。即，在圆板状的压电振动体41内，隔开中心角30°的角度而配置有4片压电元件42～45。各压电元件42～45具有占据60°的中心角的旋转方向尺寸。即，由于将3波的驻波X、Y进行激振，因此，与行波的波长相对应的中心角呈120°，因而，各压电元件的旋转方向尺寸具有与中心角120°/2＝60°相对应的尺寸，相邻的压电元件空开与120°/4＝30°的中心角相对应的间隔而相互隔开。在这种情况下，如图所示，将相位相差90°的3波的驻波X、Y进行激振，将两者进行合成，产生行波。

此外，图5中的A+、A-、B+、B-表示压电体的极化方向，+表示在厚度方向上从上表面向下表面进行极化，-表示沿相反方向进行极化。

另外，A表示是第一组压电元件42、44，B表示是第二组压电元件43、45。

在图5中，为了方便图示，示出了3波的例子，但对于上述实施方式的9波的情况，也能同样地将相位相差90°的两个驻波进行激振，通过两者的合成来产生行波。

如上所述，能将本发明广泛适用于利用B(1，n)模式的超声波电动机，根据本发明，可力图将极化操作和制造工序简化，降低成本。

标号说明

1 超声波电动机

2 定子

3 转子

4 振动体

4a 上表面

4b 下表面

4c 贯通孔

4d 外边缘

5～16 压电元件

5a 压电体

5b 第一电极

5c 第二电极

7A、13A 压电元件

17 圆环状壁

17a 缺口

17b 触点

18 中心轴

19 基板

25～36 压电元件

41 压电振动体

42～45 压电元件

Claims

1.一种压电振动器，其特征在于，包括：

振动体，该振动体具有外边缘呈圆形或多边形的板状体；以及

(4/3)n片压电元件，该(4/3)n片压电元件固定于该振动体的至少一个主面上，从而通过使所述振动体振动来产生n波的行波，所述n波的行波由B(1，n)模式的、相位相差90°的两个驻波的合成所产生，并以旋转的方式行进，该(4/3)n片压电元件沿所述行波的旋转方向分散配置，所述B(1，n)模式中的n为自然数，

在将与所述行波的波长相对应的、绕所述旋转方向中心的中心角设为λ_θ时，各压电元件具有与中心角λ_θ/2相对应的尺寸，并且相邻的压电元件彼此之间沿所述旋转方向隔开与中心角λ_θ/4相对应的间隔而配置，

各压电元件具有沿厚度方向极化的压电体、以及形成于压电体的两面的一对电极，对于所述旋转方向上的每两片压电元件的压电体，使极化方向为厚度方向的一个方向或另一个方向。

2.如权利要求1所述的压电振动器，其特征在于，

对所述(4/3)n片多片压电元件进行设置，使所述(4/3)n片多片压电元件位于所述B(1，n)模式的驻波的振动波腹上。

3.如权利要求2所述的压电振动器，其特征在于，

将所述多片压电元件配置于所述B(1，n)模式的驻波的振动波腹上，所述振动波腹位于该驻波的环状波节的内侧。

4.如权利要求3所述的压电振动器，其特征在于，

将所述多片压电元件设置于所述B(1，n)模式的驻波的环状振动波节的内侧，使所述多片压电元件未到达该波节的外侧。

5.如权利要求1至4的任一项所述的压电振动器，其特征在于，

所述压电元件具有矩形的平面形状。

6.如权利要求1至4的任一项所述的压电振动器，其特征在于，

还包括以从所述振动体的一个主面突出的方式进行设置的触点。

7.如权利要求5所述的压电振动器，其特征在于，

8.如权利要求6所述的压电振动器，其特征在于，

作为所述触点，在所述振动体的一个主面上具有多个触点，所述多个触点分散配置在作为传输所述行波的区域内，即，圆环状的区域内。

9.如权利要求7所述的压电振动器，其特征在于，

10.一种超声波电动机，其特征在于，包括：

定子，该定子具有如权利要求1至9的任一项所述的压电振动器；以及

转子，该转子配置成与所述定子相接触，接受由所述定子中产生的行波所引起的振动而旋转。