CN1855686A - 超声波马达 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种超声波马达。其以彼此独立的形态容易地检测出纵向振动模式和弯曲振动模式这两种振动模式，或者不使用特别的装置容易地检测出仅纵向振动模式。其是一种具备下述超声波振子的超声波马达：所述超声波振子具备驱动用的电气机械变换元件和振动检测用的电气机械变换元件，通过给上述驱动用电气机械变换元件提供预定的相位差和预定的驱动频率的2相交变电压而同时产生2种不同的振动模式，使输出端产生近似椭圆的振动，利用上述振动检测用的电气机械变换元件能够以彼此独立的形态检测出纵向振动模式和弯曲振动模式这两种振动模式。
Description
技术领域
本发明涉及超声波马达。
背景技术
近年来，作为取代电磁型马达的新型马达，超声波马达正受到世人瞩目。与现有技术的电磁型马达相比，该超声波马达具有以下优点：
(1)不用齿轮就能够获得高的转矩；
(2)断电时具有保持力；
(3)具有高分辨能力；
(4)安静性好；
(5)不会产生电磁干扰，并且不受干扰的影响。
作为现有技术的超声波马达，有日本特开平7-193291号公报中公开的结构。在该特开平7-193291号公报所公开的超声波马达中，在层叠压电元件的一部分中设置有检测振动用的内部电极，能够通过它检测振动模式。
但是，能够由日本特开平7-193291号公报的超声波马达检测到的振动模式只有圆柱棒形状的振子中产生的弯曲振动模式。因此，在同时产生纵向振动模式和弯曲振动模式的振子中，用日本特开平7-193291号公报所公开的内部电极不能以彼此独立的形态检测出各振动模式，存在需要其他专门的装置的问题。
发明内容
本发明就是鉴于上述问题，其目的是要提供一种能够以彼此独立的形态检测出纵向振动模式和弯曲振动模式这两种振动模式、或者不需要使用特别的装置就能够容易地检测出仅纵向振动模式的超声波马达。
为了达到上述目的，本发明提供以下方案。
本发明的第1方案的超声波马达具备超声波振子，所述超声波振子具备驱动用的电气机械变换元件和振动检测用的电气机械变换元件，通过给上述驱动用的电气机械变换元件提供预定的相位差和预定的驱动频率的2相交变电压，同时产生纵向振动模式和弯曲振动模式，使输出端产生近似椭圆振动，利用上述振动检测用的电气机械变换元件能够仅检测出上述纵向振动模式。
如果采用第1方案的超声波马达，不使用专门(特别)的装置就能够容易地仅检测出纵向振动模式。并且，通过将频率设置在振子的纵向振动振幅最大的频率附近，能够高效率地驱动超声波马达，能够获得高的马达输出。
在上述第1方案的超声波马达中，优选将上述振动检测用的电气机械变换元件横跨这样的区域配置：该区域在上述纵向振动模式下处于相同符号的电荷状态，在上述弯曲振动模式下处于不同符号的电荷状态。
如果采用该发明，振动检测用电气机械变换元件配置在纵向振动模式产生的各区域的电荷总和取为有限值，并且弯曲振动产生的各区域的电荷总和互相抵消为0的位置，由此检测出单一的纵向振动。
本发明的第2方案的超声波马达具备超声波振子，所述超声波振子具备驱动用的电气机械变换元件和振动检测用的电气机械变换元件，通过给上述驱动用的电气机械变换元件提供预定的相位差和预定的驱动频率的2相交变电压，同时产生纵向振动模式和弯曲振动模式，使输出端产生近似椭圆振动，利用上述振动检测用的电气机械变换元件能够以彼此独立的形态检测出上述纵向振动模式和上述弯曲振动模式这两种振动模式。
如果采用第2方案的超声波马达，不用专门的装置就能够容易地以互相独立的形态检出纵向振动模式和弯曲振动模式这两种振动模式。并且，通过将频率设置在振子的纵向振动振幅最大的频率附近，能够高效率地驱动超声波马达，能够获得高的马达输出。
在上述第2方案的超声波马达中，优选将上述振动检测用的电气机械变换元件分别配置在这样的区域：该区域在上述纵向振动模式下处于相同符号的电荷状态，并且在上述弯曲振动模式下处于不同符号的电荷状态。
如果采用该发明，振动检测用电气机械变换元件配置在纵向振动模式产生的各区域的电荷之和取为有限值、纵向振动模式产生的各区域的电荷之差为0，并且弯曲振动产生的各区域的电荷之和为0、弯曲振动产生的各区域的电荷之差为有限值的位置。因此，通过计算这些区域中产生的电位之和能够检测出纵向振动模式，通过计算这些区域产生的电位之差能够检测出弯曲振动模式。由此，能够容易地以彼此独立的形态检测出纵向振动模式和弯曲振动模式这两种振动模式。
如果采用本发明，起到能够容易地以彼此独立的形态检测出纵向振动模式和弯曲振动模式这两种振动模式，或者不使用专门的装置能够容易地检测出单一纵向振动模式的效果。
附图说明
图1是表示本发明的第1实施方式的超声波马达的整体结构的图。
图2是表示图1的超声波马达的超声波振子的透视图。
图3是表示构成图2的超声波振子的压电层叠体的透视图。
图4A是表示构成图3的压电层叠体的压电陶瓷片的透视图。
图4B是表示构成图3的压电层叠体的压电陶瓷片的透视图。
图5是用计算机分析表示图2的压电层叠体以线性纵向振动模式振动的样子的图。
图6是用计算机分析表示图2的压电层叠体以二维曲线振动模式振动的样子图。
图7A是用于说明陶瓷片中设置的内部电极上所产生的电荷状态的图，以相同的形状(矩形)将陶瓷片分割成四个相同面积的区域的图。
图7B是用于说明陶瓷片中设置的内部电极上所产生的电荷状态的图，表示激励起纵向振动时各区域中的电荷状态的图。
图7C是表示激励起弯曲振动模式时各区域中的电荷状态的图。
图8是表示本发明的第2实施方式的超声波马达的超声波振子的透视图。
图9A是表示构成图8的压电层叠体的压电陶瓷片的透视图。
图9B是表示构成图8的压电层叠体的压电陶瓷片的透视图。
图10是表示本发明的第3实施方式的超声波马达的超声波振子的透视图。
图11A是表示构成图10的压电层叠体的压电陶瓷片的透视图。
图11B是表示构成图10的压电层叠体的压电陶瓷片的透视图。
图12是表示本发明的第4实施方式的超声波马达的超声波振子的透视图。
图13A是表示构成图12的压电层叠体的压电陶瓷片的透视图。
图13B是表示构成图12的压电层叠体的压电陶瓷片的透视图。
图14是表示本发明的第5实施方式的超声波马达的超声波振子的透视图。
图15A是表示构成图14的压电层叠体的压电陶瓷片的透视图。
图15B是表示构成图14的压电层叠体的压电陶瓷片的透视图。
具体实施方式
下面参照图1～图7C说明本发明的第1实施方式的超声波马达。
本实施方式的超声波马达1如图1所示，具备与被驱动体2接触配置的超声波振子3、将该超声波振子3压在被驱动体2上的按压机构4。被驱动体2固定在被固定于底座5上的直动轴承6的可动部7上。并且，被驱动体2在与超声波振子3接触的面上粘接有由例如氧化锆陶瓷构成的滑动板8。图中符号9为将直动轴承6的固定部10固定在底座5上用的螺钉。
如图2～图4B所示，超声波振子3具备：将多个在矩形板状的压电陶瓷片(电气机械变换元件)11的一个侧面上设置了片状内部电极12(参照图4A及图4B)的组合体层叠起来构成的长方体状的压电层叠体13、固定在该压电层叠体13的一个侧面上的2个摩擦接触端子(输出端子)14、使销钉15从与设置了该摩擦接触端子14的侧面相邻的侧面突出的振子保持部件16。
如图3所示，压电层叠体13的外形尺寸为例如长18mm、宽4.4mm、厚2mm。
构成压电层叠体13的压电陶瓷片11如图4A和图4B所示为例如厚度为约80μm的钛酸锆酸铅系陶瓷元件(以下称为PZT)。选择Qm值大的硬质系列材料作为PZT。Qm值约为1800。
并且，内部电极12由例如厚度约为4μm的银钯合金构成。配设在层叠方向一端的压电陶瓷片11a不具备内部电极12。除此以外的压电陶瓷片11具备图4A和图4B所示的2种内部电极12。
图4A和图4B所示的压电陶瓷片11分别在几乎整个面上具备内部电极12。内部电极12由在压电陶瓷片11的宽度方向的中央沿压电陶瓷片11的长度方向设置的1个内部电极和配置在该内部电极的周围、在压电陶瓷片11的宽度方向上与该内部电极之间隔开约0.4mm的绝缘距离设置的、并且在压电陶瓷片11的长度方向上隔开约0.4mm的绝缘距离设置的、大小基本相同的4个内部电极构成。各内部电极12与压电陶瓷片11的外周边缘隔开约0.4mm的间隙而配置，同时其一部分延伸到压电陶瓷片11的外周边缘。
通过交错地层叠多片图4A所示的和图4B所示的具备这些内部电极12的压电陶瓷片11，构成长方体状的压电层叠体13。
在压电层叠体13的长度方向的一个端面上设置有6个、在压电层叠体13的长度方向的另一个端面上设置有4个，共计有10个外部电极17。各外部电极17与配设在同种压电陶瓷片11的同一位置上的所有的内部电极12相连接。通过这样，配设在同种压电陶瓷片11的同一位置上的内部电极12成为相同电位。另外，这些外部电极17分别通过连线(图中未表示)与控制器(图中未表示)连接。连线可以是引线、柔性基板等，只要是具有柔性的连线，可以是任意的。
压电层叠体13通过例如以下方式制造。
制造压电层叠体13时，首先制造压电陶瓷片11。压电陶瓷片11通过例如这样制造：将PZT的焙烧粉末与预定的粘合剂混合作成泥浆，用刮刀法将这样的泥浆浇铸到薄膜上以后干燥，从薄膜上剥离。
用分别具有内部电极12的图形的屏蔽罩将内部电极材料印制到制成的压电陶瓷片11上。并且，最初配置没有内部电极12的压电陶瓷片11a，接着使内部电极12朝下准确定位，交错地层叠具有不同形状的内部电极12的压电陶瓷片11。层叠的压电陶瓷片11在热压接以后裁切成预定的形状，在1200℃左右的温度下烧制，由此制造压电层叠体13。
然后，熔接分别成为外部电极17的银将露出在压电陶瓷片11的外周边缘的内部电极12连接起来，形成外部电极17。
最后，通过在相对置的内部电极12之间施加直流高电压来极化处理压电陶瓷片11，使其压电活化。
下面说明这样构成的压电层叠体13的动作。
从压电层叠体13的另一个侧面(图中上侧)一侧开始将压电层叠体13的长度方向的一端形成的6个外部电极17依次作为A相(A+，A-)、C相(C+，C-)和B相(B+，B-)，从压电层叠体13的另一个侧面(图中上侧)一侧开始将另一端形成的4个外部电极17依次作为B相(B+，B-)和A相(A+，A-)。A相和B相为驱动用的外部电极，C相为振动检测用的外部电极。
当在A相和B相上施加相位相同、与共振频率相对应的交变电压时，激励起图5所示那样的线性纵向振动。此时，如果将上述压电陶瓷片11分割成图7A所示那样的相同形状(矩形)、面积相同的4个区域，测定各区域内的电荷符号的话，则各区域为图7B所示那样的电荷状态。即，在激励起纵向振动模式时，所有的区域同时被激励起正电荷或负电荷。
当在A相和B相上施加相位相反、与共振频率相对应的交变电压时，激励起图6所示那样的二维弯曲振动(屈曲振動)。此时，在上述各区域内为图7C所示的电荷状态。即，在激励起弯曲振动模式时，4个区域中的位于对角线上的区域同时激励起相同符号的电荷，相邻的区域同时激励起符号不同的电荷。
并且，这些区域中的电荷状态通过C相输出给上述控制器，在该控制器中被处理。
另外，激励起什么样的符号的电荷由振动的相位状态决定。
上述摩擦接触端子14固定在上述压电层叠体13的二维弯曲振动的成为波腹的2个位置上。由此，当压电层叠体13产生线性纵向振动时，摩擦接触端子14沿压电层叠体13的长度方向(图2所示的X方向)位移。而当压电层叠体13产生二维弯曲振动时，摩擦接触端子14沿压电层叠体13的宽度方向(图2所示的Z方向)位移。
因此，通过在压电层叠体13的A相和B相上施加相位相差90°、与共振频率相对应的交变电压，同时产生线性纵向振动和二维弯曲振动，如图2的箭头C所示那样在摩擦接触端子14的位置产生顺时针或逆时针的近似椭圆的振动。
上述振子保持部件16具备截面为近似コ字形状的保持部16a和从该保持部16a的两侧面垂直突出、与该保持部16a成为一体的销钉15。保持部16a用例如硅树脂或环氧树脂从压电层叠体13的宽度方向的一侧包围压电层叠体13地粘结在压电层叠体13上。在保持部16a粘结在压电层叠体13上的状态下，一体地设置在保持部16a的两侧面上的2个销钉15同轴地配置在压电层叠体13的纵向振动与弯曲振动的共同的节点位置上。
上述按压机构4如图1所示具备在沿超声波振子3的宽度方向(Z方向)向与上述摩擦接触端子14的相反方向离开超声波振子3的位置上固定在底座5上的支座18、可以沿上述超声波振子3的宽度方向移动地支持在该支座18上的按压部件19、给该按压部件19施加压力的螺旋弹簧20、调节该螺旋弹簧20产生的压力的调节螺栓21、引导按压部件19相对于支座18的移动的引导套筒22。符号23为将支座18固定在底座5上的螺钉。
上述按压部件19具备沿厚度方向夹持上述超声波振子3的2块保持板24。各保持板24上设置有分别让上述振子保持部件16的2根销钉15贯穿的通孔25。施加到按压部件19上的压力通过保持板24及贯穿该通孔25的销钉15传递给超声波振子3。
上述螺旋弹簧20为压缩螺旋弹簧，被夹持在上述调节螺栓21与上述按压部件19之间。因此，通过改变调节螺栓21拧在支座18上的位置改变弹性变形量，能够改变对按压部件19向超声波振子3的方向施加的按压力。
下面说明这样构成的本实施方式的超声波马达1的作用。
为了使本实施方式的超声波马达1动作，通过与外部电极17连接的连线提供相位相差90°的高频电压(A相和B相)。
由此，粘结在超声波振子3上的摩擦接触端子14产生纵向振动模式与弯曲振动模式混合的近似椭圆振动，由被驱动体2与滑动板8之间产生的沿该椭圆振动的切线方向的摩擦力推进被驱动体2。
如果采用本实施方式的超声波马达1，由于在纵向振动模式产生的各区域内的电荷的总和取有限值、并且弯曲振动产生的各区域内的电荷总和互相抵消为0的位置设置C相(振动检测用的内部电极12)，因此能够通过该C相(振动检测用的内部电极12)检测出单一纵向振动。
并且，通过将频率设置在振子的纵向振动振幅最大的频率附近，能够高效率地驱动超声波马达，能够获得高的马达输出。
下面参照图8至图9B说明本发明的第2实施方式的超声波马达。
本实施方式的超声波马达如图9A和图9B所示，在具备振动检测用的内部电极沿压电陶瓷片11的宽度方向设置在压电陶瓷片11的长度方向的中央的超声波振子30这一点与上述第1实施方式的超声波马达1不同。
如果采用本实施方式的超声波马达，不仅能够简化内部电极12的结构，而且能够简化压电层叠体33的结构。
至于其他的作用和效果，由于与上述第1实施方式的相同，因此省略其说明。
下面参照图10至图11B说明本发明的第3实施方式的超声波马达。
本实施方式的超声波马达如图10至图11B所示，在具备设置了C相和D相作为振动检测用的内部电极的超声波振子40这一点与上述第1实施方式和第2实施方式的超声波马达不同。
图11A所示的压电陶瓷片11在几乎整个面上具备内部电极12。内部电极12沿压电陶瓷片11的长度方向隔开约0.4mm的绝缘距离、并且沿压电陶瓷片11的宽度方向隔开约0.4mm的绝缘距离、沿长度方向排列2排大小几乎相同的、沿宽度方向排列3列大小几乎相同的。各内部电极12与压电陶瓷片11的外周边缘隔开约0.4mm的间隙配置，同时其一部分延伸到压电陶瓷片11的外周边缘。
图11B所示的压电陶瓷片11的位于其宽度方向的中央位置的内部电极12的宽度方向的长度大致为图11A所示的内部电极12中的宽度的一半。
具备这些内部电极12的压电陶瓷片11通过交错地层叠多枚图11A所示的内部电极12大的压电陶瓷片和图11B所示的内部电极12小的压电陶瓷片构成长方体状的压电层叠体43。
在压电层叠体43的长度方向的两端面分别设置6个、合计12个外部电极17。各外部电极17与配置在同种压电陶瓷片11的相同位置上的所有内部电极12相连。由此，配置在同种压电陶瓷片11的相同位置上的内部电极12成为同一电位。另外，这些外部电极17分别通过连线(图中未表示)与控制器(图中未表示)相连。连线可以是引线、柔性基板等，只要是具有柔性的连线，可以是任意的。
从压电层叠体43的另一个侧面一侧(图中上侧)开始将这些压电层叠体43的长度方向的一端形成的6个外部电极17依次作为A相(A+，A-)、C相(C+，C-)和B相(B+，B-)，从压电层叠体43的另一个侧面一侧(图中上侧)开始将另一端形成的6个外部电极17依次作为B相(B+，B-)、D相(D+，D-)和A相(A+，A-)。A相和B相为驱动用的外部电极，C相和D相为振动检测用的外部电极。
如果在A相和B相上施加相位相同、与共振频率相对应的交变电压的话，则激励起图5所示的线性纵向振动。并且，当在A相和B相上施加相位相反、与共振频率相对应的交变电压时，激励起图6所示那样的二维弯曲振动。图5和图6为表示利用有限元法的计算机分析结果的图。
而从C相和D相输出的信号之和与纵向振动成比例，从C相和D相输出的信号之差与弯曲振动成比例。并且，这些计算由上述控制器进行。
如果采用本实施方式的超声波马达，不仅能够通过连接C相(C+)和D相(D+)、连接C相(C-)和D相(D-)检测出从这对信号线输出的与纵向振动模式成比例的信号，而且能够通过连接C相(C+)和D相(D-)、连接C相(C-)和D相(D+)检测出从这对信号线输出的与弯曲振动模式成比例的信号。即，能够不使用专门(特别)的装置就容易地检测出纵向振动模式和弯曲振动模式这两种振动模式。
并且，通过将频率设置在振子的纵向振动振幅或弯曲振动振幅最大的频率附近，能够高效率地驱动超声波马达，能够获得高的马达输出。
下面参照图12至图13B说明本发明的第4实施方式的超声波马达。
本实施方式的超声波马达如图13A和图13B所示，在具备省略了位于压电陶瓷片11的宽度方向中央位置的内部电极12，并且将A相(A+)的一个(位于图11B左下位置的)作为D相(D+)使用，将A相(A-)的一个(位于图11A左下位置的)作为D相(D-)使用，将B相(B+)的一个(位于图11B左上位置的)作为C相(C+)使用，将B相(B-)的一个(位于图11A左上位置的)作为C相(C-)使用的超声波振子50这一点与上述第3实施方式的超声波马达不同。
如果采用本实施方式的超声波马达，不仅能够简化内部电极12的结构，而且能够简化压电层叠体53的结构。
至于其他的作用和效果，由于与上述第3实施方式的相同，因此省略其说明。
下面参照图14至图15B说明本发明的第5实施方式的超声波马达。
本实施方式的超声波马达如图15A和图15B所示，在具备省略了位于压电陶瓷片11的宽度方向中央位置的内部电极12，并且将A相(A+)的一个(位于图11B左下位置的)作为D相(D+)使用，将A相(A-)的一个(位于图11A左下位置的)作为D相(D-)使用，将B相(B+)的一个(位于图11B右下位置的)作为C相(C+)使用，将B相(B-)的一个(位于图11A右下位置的一个)作为C相(C-)使用的超声波振子70这一点与上述第3实施方式的超声波马达不同。
如果采用本实施方式的超声波马达，不仅能够简化内部电极12的结构，而且能够简化压电层叠体73的结构。
至于其他的作用和效果，由于与上述第3实施方式的相同，因此省略其说明。
另外，虽然在上述各实施方式中使用PZT作为压电陶瓷片，但并不局限于此，只要是呈现压电特性，也可以使用PZT以外的任意压电元件。
并且，虽然在上述各实施方式中使用银钯合金作为内部电极的材料，但也可以用银、镍、白金或金取而代之。
而且，也可以用喷镀法使氧化锆陶瓷附着在被驱动体2的表面上取代将由氧化锆陶瓷构成的滑动板粘结在被驱动体2的表面上。
而且，虽然在上述实施方式中所有的层都设置了振动检测用的内部电极，但本发明并不局限于此，也可以仅设置一层或数层。
Claims (4)
1.一种超声波马达，具备超声波振子，所述超声波振子具备驱动用的电气机械变换元件和振动检测用的电气机械变换元件，通过给上述驱动用的电气机械变换元件提供预定的相位差和预定的驱动频率的2相交变电压，同时产生纵向振动模式和弯曲振动模式，使输出端产生近似椭圆振动，其特征在于，利用上述振动检测用的电气机械变换元件能够仅检测出上述纵向振动模式。
2.如权利要求1所述的超声波马达，其特征在于，上述振动检测用的电气机械变换元件横跨这样的区域配置：该区域在上述纵向振动模式下处于相同符号的电荷状态，在上述弯曲振动模式下处于不同符号的电荷状态。
3.一种超声波马达，具备超声波振子，所述超声波振子具备驱动用的电气机械变换元件和振动检测用的电气机械变换元件，通过给上述驱动用的电气机械变换元件提供预定的相位差和预定的驱动频率的2相交变电压，同时产生纵向振动模式和弯曲振动模式，使输出端产生近似椭圆振动，其特征在于，利用上述振动检测用的电气机械变换元件能够以彼此独立的形态检测出上述纵向振动模式和上述弯曲振动模式这两种振动模式。
4.如权利要求3所述的超声波马达，其特征在于，上述振动检测用的电气机械变换元件分别配置在这样的区域：该区域在上述纵向振动模式下处于相同符号的电荷状态，并且在上述弯曲振动模式下处于不同符号的电荷状态。
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