CN1453929A - 振动波驱动装置、振动体以及振动波驱动装置的驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种振动波驱动装置，该振动波驱动装置包括：固定在弹性体上，并且具有包括沿着同一方向极化的多个电极区的电－机械能变换元件，通过给电－机械能变换元件供给交变信号，在弹性体的表面发生由多个驻波的合成产生的行波的振动体；以及接触振动体，由行波进行驱动的移动体；其特征在于在电－机械能变换元件的多个电极区上连接多个布线构件，上述多个布线构件中为了发生相同相位的驻波而使用的布线构件隔着相同相位的驻波波长的整数倍的间隔而配置。

Description

振动波驱动装置、振动体以及振动波驱动装置的驱动系统

技术领域

本发明涉及使弹性体发生振动，利用其振动向接触弹性体的振动体提供驱动力的超声波电机等振动波驱动装置及其驱动电路。

背景技术

作为振动波驱动装置之一，在构成定子的弹性体中发生行波的超声波电机，在由弹性体和压电元件构成的定子上发生相位不同的多个驻波，通过把该驻波合成发生行波。

图8示出了设置在超声波电机的圆环形定子上的压电元件的电极图形。图8的大致右半部分的电极区是用于发生第1驻波(A相)的第1电极组，大致左半部分的电极区是用于发生第2驻波(B相)的第2电极组。如果由未图示的驱动电路给第1电极区供给驱动信号，则在整个定子中发生第1驻波振动。如果由未图示的驱动电路给第2电极区供给驱动信号，则在整个定子中发生第2驻波振动。第1驻波与第2驻波的波长λ相同，第1电极区与第2电极区的相互相位配置成仅错开该波长λ的1/4。如果在时间上错开90度发生这2个驻波，则在弹性体中发生行波。

在上述方式的超声波电机的情况下，在第1电极组中发生的第1驻波越离开第1电极组，振动振幅越衰减，振动波长也越不相同。同样，在第2电极组中发生的第2驻波越离开第2电极组，振动振幅越衰减，振动波长也越不相同。

即，A相的振动振幅以及振动波长在第1电极组部分和第2电极组部分中没有成为完全相同的状态，B相的振动振幅以及振动波长也在第1电极组部分和第2电极组部分中没有成为完全相同的状态。其结果，合成第1驻波与第2驻波得到的行波的振动振幅根据振动弹性体的部位而不同，超声波电机的输出降低。另外，如果在振动振幅存在不均匀的状态下长时间驱动超声波电机，则振动体的磨损量依照弹性体的部位而不同，由于该磨损量的不均匀，也将随着时间的经过而降低超声波电机的输出。

为了解决上述问题，在日本专利申请公开特开2000-333477号公报中，如图9所示，配置成分别分割发生第1驻波(A相)的电极组和用于发生第2驻波(B相)的电极组，使得把边界隔开波长的1/4，交替排列第1以及第2电极组。通过采用这样的结构，来谋求能够抑制驻波的振动振幅衰减的程度。

但是，上述特开2000-333477号公报中公开的发明也不过是多少抑制了振动振幅的不均匀程度的方法。因此，并没有消除第1驻波和第2驻波的振动在整个振动体中没有均匀地被激振的现象，行波的振幅以及波长依然产生因部位而引起的差异。

行波的振幅以及波长产生不均匀的原因还有其它方面。

图8和图9所示的电极图形形成为使得沿着压电元件的厚度方向沿着正方向(+)极化的电极区与沿着负方向(-)极化的电极区相邻接。在该沿着正方向(+)极化的电极区的大致中央部分和沿着负方向(-)极化的电极区的大致中央部分中，电力线与厚度方向平行，而在沿着正方向极化的电极区和沿着负方向极化的电极区的边界部分，电力线沿着与厚度方向正交的方向跨过电极区。由于依照该电力线的行走方向，在压电元件的纵弹性系数中产生差异，因此压电元件的刚性因部位而产生差异。从而，行波的传输速度部分地发生变化，行波的振动振幅以及波长产生不均匀。

为了改善由于这种极化方向的不同而引起的刚性的不均匀，在日本专利申请公开特开2001-157473号公报中提出了图10所示的压电元件的结构。该压电元件的电极图形按照每个振动波长λ的1/4划分电极区，把这些电极区交替地分割为发生第1驻波的第1电极组，发生第2驻波的第2电极组。用于发生这些驻波的电极区在全部的电极区中沿着同一方向极化。由于相邻的电极区沿着同一方向极化，因此这些电极区的电力线全部成为与厚度方向平行，压电元件的刚性不会因部位而产生差异。

另外，图10所示的形态如后述的那样，是适于4相驱动的形态，而也能够用3相驱动等其它驱动形态实现。因此，设置与在相当于行波的波长λ的电极区中合成了的驻波的整数倍相等的电极区，可以把这些电极区沿着同一方向极化。

返回到图10，在每隔3个配置的+A相的电极区中，供给相同的驱动信号。在与该+A相的顺时针方向邻接的+B相的电极区中，供给与+A相的驱动信号在时间上错开90度的驱动信号。在与该+B相的顺时针方向邻接的-A相的电极区中，供给成为与+A相的驱动信号相反相位的驱动信号。而且，在与-A相的顺时针方向邻接的-B相的电极区中，供给成为与+B相的驱动信号相反相位的驱动信号。这些各个电极区以通过供给驱动信号而发生的驻波的波长λ的1/4的间隔配置。如果供给上述驱动信号，则在压电元件中，发生相互的相位错开波长λ的1/4的第1驻波和第2驻波。由于发生第1驻波的第1电极组和发生第2驻波的第2电极组都沿着压电元件的整个圆周等间隔地配置，因此不会在行波中发生不均匀。

图11是表示使用了图10的压电元件的超声波电机的电路结构的框图。由振荡电路1生成与超声波电机的驱动频率相当的交流信号，把该交流信号输入到相移器2，生成错开90度相位的交流信号。进而把该错开了90度相位的交流信号输入到其它的相移器2中，生成与由振荡电路1产生的交流信号错开了180度相位的交流信号。进而把该错开了180度相位的交流信号输入到其它的相移器中2中，生成与由振荡电路1产生的交流信号错开了270度相位的交流信号。这样生成各错开90度相位的不同的交流信号，由升压电路3分别升压到能够驱动超声波电机的电压，按照顺序生成错开90度相位的+A相电压，-A相电压，+B相电压，-B相电压。图12中表示这些电压波形。

如果把该+A相电压，-A相电压，+B相电压，-B相电压分别供给到上述的+A相电极区，-A相电极区，+B相电极区，-B相电极区，则发生振动振幅均匀的行波。通过采用这样的结构，能够实现输出高，而且没有定子的部分磨损的超声波电机。

通过如图10所示那样形成压电元件的电极图形，能够使行波的振动振幅均匀，而如图11所示那样，需要发生4相的交流信号的电路。

另外，在图10所示的结构中，不能够确保用于检测振动体的振动的成为传感器相的电极区。这是因为如果设置成为传感器相的电极区，则在该成为传感器相的电极区中不供给驱动信号，在振动振幅方面将产生不均匀。

发明内容

本发明提供一种振动波驱动装置，包括：包含有固定在弹性体上，沿着同一方向极化的多个电极区的电-机械能变换元件，通过给上述电-机械能变换元件供给交变电压，在上述弹性体的表面发生由多个驻波的合成产生的行波的振动体；以及接触上述振动体，由上述行波进行驱动的移动体；其特征在于：在上述电-机械能变换元件的多个电极区上连接多个布线构件，上述多个布线构件中为了发生相同相位的驻波而使用的布线构件，隔着上述相同相位的驻波波长的整倍数的间隔而配置。

此外，本发明提供一种振动体，该振动体具有固定在弹性体上，沿着同一方向极化的多个电极区的电-机械能变换元件，通过给上述电-机械能变换元件供给交变信号，在上述弹性体的表面发生由多个驻波的合成产生的行波，其特征在于：在上述电-机械能变换元件的多个电极区中连接多个布线构件，上述多个布线构件中为了发生相同相位的驻波而使用的布线构件，隔着上述相同相位的驻波波长的整倍数的间隔而配置。

此外，本发明提供一种振动波驱动装置的驱动系统，包括：振动波驱动装置，把所有的电极区都沿着同一方向极化的电-机械能变换元件固定在弹性体上，通过给上述电-机械能变换元件供给交变信号，在上述弹性体的表面发生由相位不同的多个驻波的合成产生的行波；以及生成向上述电-机械能变换元件供给的交变信号的信号供给电路；该驱动系统的特征在于：配置用于进行上述电-机械能变换元件的多个电极区与上述信号供给电路的连接的多个布线构件，上述多个布线构件中为了发生相同相位的驻波而使用的布线构件隔着上述相同相位的驻波波长的整数倍的间隔而配置。

上文描述的目的和优点之外的其他目的和优点，对于本领域普通技术人员来说，通过阅读下文对本发明优选实施例的说明也将变得显而易见。在该说明中，参照了构成该说明的一部分并且示出了本发明的一个例子的附图。然而，这样的例子没有穷尽本发明的各种实施例，因此应该依据附于该说明之后的用于确定本发明保护范围的权利要求书。

附图说明

图1是超声波电机的剖面图。

图2是表示本发明第1实施形式的超声波电机的电路结构的框图。

图3表示图2的电路的驱动信号波形。

图4是表示本发明第2实施形式的超声波电路的电路结构的框图。

图5是表示本发明第3实施形式的超声波电机的电路结构的框图。

图6是超声波电机的振动体的斜视图。

图7是表示本发明第4实施形式的超声波电机的电路结构的框图。

图8表示每隔驻波的波长λ的1/2，设置了驱动用的电极区的以往的压电元件的电极图形。

图9表示每隔驻波的波长λ的1/2，设置了驱动用的电极区的以往的压电元件的电极图形。

图10表示每隔驻波的波长λ的1/4，设置了驱动用的电极区的以往的压电元件的电极图形。

图11是表示具有图10的压电元件的超声波电机的以往的电路结构的框图。

图12表示图11的电路的驱动信号波形。

具体实施方式

图1是作为振动波驱动装置之一的超声波电机的剖面图。11是构成振动体的金属等弹性体，在该弹性体11的底面固定着作为图11所示的电-机械能变换元件的压电元件12。在弹性体11的与压电元件12的相反一侧的面上粘贴着树脂制的摩擦材料15，弹性体11用小螺钉固定在电机罩20上。

16是作为移动体与振动体的摩擦材料15的表面接触的转子，用在表面实施了硬化处理的金属形成。转子16经由防震橡胶17，通过加压弹簧18按压弹性体11。23是连接在后述的升压电路3或者控制电路4的布线，与固定在压电元件的表面的柔性基板24连接。

如果经由布线23、柔性基板24在压电元件12上供给交变电压，则在弹性体11的表面产生行波，通过与该行波的摩擦力，转子16旋转。转子16的旋转经过加压弹簧18、盘19，传递到能够旋转地支撑在电机罩20上的旋转轴21。

图2是表示作为本发明第1实施形式的超声波电机的电路结构的框图。关于振荡电路1、相移器2以及升压电路3的动作，由于与用图11说明过的相同因此省略说明。

另外，本实施形式中的压电元件的电极图形与上述图10的电极图形相同，所有的电极区沿着相同的厚度方向极化。由此不产生圆周方向的刚性的不均匀。

本实施形式中的超声波电机的驱动电路对于具有全部沿着同一方向极化的电极区的压电元件，利用2相的驱动信号发生2相的驻波，把该2相的驻波合成，生成行波。

图3表示本实施形式中的驱动信号的电压波形。仅对于图10的电极图形中的+A相的电极区和+B相的电极区，使用柔性基板等布线构件，供给相互的时间相位相差90度的交变电压。即，在用于形成行波的第1驻波和第2驻波的每一个中，仅在与1个波长的一方的波腹相当的电极区供给交变电压。由于遍及圆环形的振动体的整个圆周等间隔地配置用于发生各个驻波而供给交变电压的电极区，因此能够使振动振幅均匀。这时，-A相的电极区和-B相的电极区成为电的释放的状态。

圆环形的振动体根据其形态或者动态刚性，在激励起驻波时确定振动的波节以及波腹的位置。从而，如果在成为驻波的波腹的位置配置压电元件，则即使在释放-A相和-B相，仅在+A相和+B相上施加交变电压的情况下，也能够发生与在+A相，+B相，-A相以及-B相的全部供给了交变电压的情况相同的驻波。

图2中是在作为与A相的驻波的波腹相当的电极区的位于驻波的每一个周期的电极区供给交变电压，同时在作为与B相的驻波的波腹相当的电极区的位于驻波的每一个周期的电极区供给交变电压，然而本发明并不限于这种情况。也可以像位于各个驻波的每2个周期或者每3个周期的电极区那样，即使对于各个驻波的振动频率的整倍数的区域，在1个电极区供给交变电压的状态下，也能够发生与在+A相，+B相，-A相以及-B相的全部供给了交变电压的情况相同的驻波。

如以上那样，如果依据本实施形式，则具有不会在行波中发生不均匀的振动体，而且，能够构成比以往减少了驱动电路的超声波电机的驱动电路。在本实施形式中不使用的电极成为电的释放状态，而也可以取为接地状态。

图4是表示作为本发明第2实施形式的超声波电机的电路结构的框图。在本实施形式中也与第1实施形式相同，施加图2所示的A相以及B相的2相交变电压进行驱动。

在本实施形式中，在作为驱动信号的交变电压的施加没有使用的电极区中，把与A相的振动体的波腹相当部分的电极区的电压作为振动监视信号输入到控制电路4。由此，检测振动体的振动幅度。

在图11所示的电路结构的情况下，如果要确保1个用于得到振动监视信号的电极区，则成为只在该电极区中不施加驱动信号，将产生振动振幅的不均匀。但是如果依据本实施形式，由于从原本在驱动信号的施加中不使用的电极区得到振动监视信号，因此能够遍及圆环形的振动体的整个圆周均匀地施加驱动信号，不产生振动振幅的不均匀。

在控制电路4中，调整振荡电路1以及相移器2的输出，控制超声波电机的驱动频率、驱动电压，或者2相交流信号的相位差，使得振动振幅成为预定值。其结果，能够把超声波电机的驱动状态保持为一定。

另外，由于是众所周知的方法因此不再说明其详细情况，也可以是控制驱动频率使得上述振动监视信号与驱动电压的相位差成为预定值的方法。

在本实施形式中为了检测振动状态，在不施加驱动信号的电极中，把与某一相的驻波的波腹相当的部分的电压使用为监视信号，然而本发明并不限于这种情况，也可以把不供给压力的多个电极的信号进行电连接，使用为监视信号。通过把多个电极的信号进行电连接，能够使振动状态均匀。另外，在驱动中和检测中都不使用的电极可以预先置为电的释放状态或者接地状态的某一种状态。

如以上那样，如果依据本实施形式，则除了上述第1实施形式的效果以外，还能够从压电元件的电极区得到振动监视信号，进行把超声波电机的驱动状态保持为一定的控制。

图5是表示作为本发明第3实施形式超声波电机的电路结构的框图。在本实施形式中也与第1实施形式相同，供给图2所示的A相以及B相的2相交变电压进行驱动。

在本实施形式中，用RMS/DC变换器把在作为驱动信号的交变电压的供给中不使用的电极区的电压变换为振幅信息，把该振幅信息输入到电压变动检测电路5中。通过由计数电路6计测用该电压变动检测装置检测出的电压变动的次数，检测超声波电机的旋转角度。以下说明其详细情况。

超声波电机的振动体如图6所示，为了放大与转子接触部分的位移，设置着梳齿101。由于转子的平面度不是严密的完全平坦，因此将产生对应于梳齿与转子的接触的振动变化。如果把振动变化脉冲化，用计数器进行计数动作，则计数值成为超声波电机的移动角度。移动角度[deg]能够通过以下的计算求出。

(移动角度[deg])＝(计数值)/(振动体的梳齿数)×360

如以上那样，如果依照本实施形式，则通过从压电元件的电极区检测振幅变动，能够求出超声波电机的旋转角度。通过根据该旋转角度进行超声波电机的控制，则即使不使用以往为了控制旋转速度或者旋转位置所必需的编码器等传感器也能够进行位置以及速度的控制，能够降低控制电路的价格。

另外，与前面说明过的实施形式相同，在驱动中和检测中都不使用的电极预先置为电的释放状态或者接地状态的某一种状态。

图7是表示作为本发明第4实施形式的超声波电机的驱动电路的框图。在本实施形式中也与第1实施形式相同，供给图2所示的A相以及B相的2相交变电压进行驱动。

在本实施形式中，由电压调整电路7把在作为驱动信号的交变电压的供给中不使用的A相的电极区的电压调整为预定的电压振幅，由相移器2进行相位变换，由升压电路3升压，生成超声波电机的A相驱动用的交变电压，由此构成自激振荡电路。

在B相中作为交变电压供给把相移器2的信号进而由其它的相移器2进行相位变换，由升压电路3升压了的信号。

根据上述结构，即使存在超声波电机的振动体的振荡频率的个体差，以及振动体的振荡频率由温度或者负荷等产生的变化，也能够始终稳定地进行超声波电机的驱动，同时，能够大幅度地简化电路。

在本实施形式中也与在前面说明过的实施例相同，预先把在驱动中和检测中都不使用的电极预先置为电的释放动态或者接地状态的某一种状态。

如以上说明的那样，在本发明中，在为了改善超声波电机的振动振幅不均匀，构成为把压电元件的极化方向全部取为相同方向，而且，在圆环形的振动体上的压电元件上均匀地供给电压的超声波电机中，也能够把以前所需要的4相的交流信号减少到2相，能够进行电路的简化。

进而在本发明中，能够从压电元件的电极区进行振动状态的检测。

Claims (17)

1.一种振动波驱动装置，包括

包含有固定在弹性体上，沿着同一方向极化的多个电极区的电-机械能变换元件，通过给上述电-机械能变换元件供给交变电压，在上述弹性体的表面发生由多个驻波的合成产生的行波的振动体；以及

接触上述振动体，由上述行波进行驱动的移动体，

其特征在于：

在上述电-机械能变换元件的多个电极区上连接多个布线构件，上述多个布线构件中为了发生相同相位的驻波而使用的布线构件，隔着上述相同相位的驻波波长的整倍数的间隔而配置。

2.根据权利要求1所述的振动波驱动装置，其特征在于：

隔着上述相同相位的驻波的1个波长部分的间隔配置上述为了发生相同相位的驻波而使用的布线构件。

3.根据权利要求1所述的振动波驱动装置，其特征在于：

上述多个电极区中，没有连接上述多个布线构件的电极区是电的释放状态。

4.根据权利要求1所述的振动波驱动装置，其特征在于：

上述多个电极区中，没有连接上述多个布线构件的电极区是电的接地状态。

5.根据权利要求1～4所述的振动波驱动装置，其特征在于：

上述多个布线构件除了为了发生上述多个驻波而使用的布线构件以外，还包括为了检测在上述弹性体中发生的振动而使用的布线构件。

6.一种振动体，该振动体具有固定在弹性体上，沿着同一方向极化的多个电极区的电-机械能变换元件，通过给上述电-机械能变换元件供给交变信号，在上述弹性体的表面发生由多个驻波的合成产生的行波，其特征在于：

在上述电-机械能变换元件的多个电极区中连接多个布线构件，上述多个布线构件中为了发生相同相位的驻波而使用的布线构件，隔着上述相同相位的驻波波长的整倍数的间隔而配置。

7.根据权利要求6所述的振动体，其特征在于：

隔着上述相同相位的驻波的1个波长部分的间隔配置上述为了发生相同相位的驻波而使用的布线构件。

8.根据权利要求6所述的振动体，其特征在于：

上述多个电极区中，没有连接上述多个布线构件的电极区是电的释放状态。

9.根据权利要求6所述的振动体，其特征在于：

上述多个电极区中，没有连接上述多个布线构件的电极区是电的接地状态。

10.根据权利要求6所述的振动体，其特征在于：

上述多个布线构件除了为了发生上述多个驻波而使用的布线构件以外，还包括为了检测在上述弹性体中发生的振动而使用的布线构件。

11.一种振动波驱动装置的驱动系统，包括

振动波驱动装置，把所有的电极区都沿着同一方向极化的电-机械能变换元件固定在弹性体上，通过给上述电-机械能变换元件供给交变信号，在上述弹性体的表面发生由相位不同的多个驻波的合成产生的行波；以及

生成向上述电-机械能变换元件供给的交变信号的信号供给电路；该驱动系统的特征在于：

配置用于进行上述电-机械能变换元件的多个电极区与上述信号供给电路的连接的多个布线构件，上述多个布线构件中为了发生相同相位的驻波而使用的布线构件隔着上述相同相位的驻波波长的整数倍的间隔而配置。

12.根据权利要求11所述的振动波驱动装置的驱动系统，其特征在于：

隔着上述相同相位的驻波的1个波长部分的间隔配置上述为了发生相同相位的驻波而使用的布线构件。

13.根据权利要求11所述的振动波驱动装置的驱动系统，其特征在于：

上述多个电极区中，没有连接上述多个布线构件的电极区是电的释放状态。

14.根据权利要求11所述的振动波驱动装置的驱动系统，其特征在于：

上述多个电极区中，没有连接上述多个布线构件的电极区是电的接地状态。

15.根据权利要求11所述的振动波驱动装置的驱动系统，其特征在于：

上述多个布线构件除了为了发生上述多个驻波而使用的布线构件以外，还包括为了检测在上述弹性体中发生的振动而使用的布线构件。

16.根据权利要求11～14所述的振动波驱动装置的驱动系统，其特征在于：

上述多个布线构件除了为了发生上述多个驻波而使用的布线构件以外，还包括为了检测在上述电-机械能变换元件中发生的信号而使用的布线构件，

上述信号供给电路根据检测出的信号，使上述交变信号的频率、信号振幅或者信号相位差的某一个发生变化。

17.根据权利要求11～14所述的振动波驱动装置的驱动系统，其特征在于：

上述多个布线构件除了为了发生上述多个驻波而使用的布线构件以外，还包括为了检测在上述电-机械能变换元件中发生的信号而使用的布线构件，

上述信号供给电路包括使用检测出的信号的自激振荡电路。

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