JP2009065763A

JP2009065763A - 超音波モータ

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Publication number: JP2009065763A
Application number: JP2007230578A
Authority: JP
Inventors: Shoichi Ibaraki; 正一茨木
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2007-09-05
Filing date: 2007-09-05
Publication date: 2009-03-26
Anticipated expiration: 2027-09-05
Also published as: JP5219438B2

Abstract

【課題】Ｓ相として機能する圧電膜から出力された信号を、振動による断線がなく、かつ駆動相の出力を調整するための回路を設けることなく、容易にかつ安定して取り出すことができる超音波モータを提供する。
【解決手段】超音波モータは、複数の電極を持つ圧電素子１に駆動信号を印加して振動子３，４に振動を励起させ、該振動子３，４に接触するロータ１３，１５を相対的に移動させる。振動子３の圧電素子１が当接する面には、振動検知用の圧電膜２０が直接成膜されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、電気−機械エネルギ変換素子に駆動信号を印加することにより振動体に振動を励起させ、振動体に押圧された移動体に摩擦による駆動力を与える超音波モータに関する。

超音波モータは、圧電素子等の電気−機械エネルギ変換素子に交流電圧を印加することにより高周波振動を発生させ、その振動エネルギを連続的な機械運動として取り出すように構成されたモータである（特許文献１および特許文献２）。

図９に、従来の超音波モータの一例を示す。

この超音波モータは、短円筒状の圧電素子８０が周方向に４相（Ａ＋、Ａ−、Ｂ＋、Ｂ―）の電極に分割されており、Ａ＋相の一部に圧電素子８０の駆動状況を検知するＳ相８９が配置されている。

圧電素子８０のＡ＋相およびＡ−相は、径方向に互いに対向配置され、また、Ｂ相およびＢ−相は、Ａ＋相およびＡ−相に対して位相を９０度ずらした位置で互いに径方向に対向配置されている。

圧電素子８０は、フレキシブルプリント基板８８を介して駆動回路に接続されており、駆動回路は、発振器８５、位相器８６、コントローラ８７、および圧電素子８０のそれぞれの相に接続されるスイッチング回路８１，８２，８３，８４を備える。

発振器８５は、Ａ＋相スイッチング回路８１およびＡ−相スイッチング回路８２をスイッチング動作させて圧電素子８０のＡ＋相およびＡ−相に駆動信号を与える。

位相器８６は、発振器８５の駆動信号を９０度位相ずらしてＢ＋相スイッチング回路８３およびＢ−相スイッチング回路８４をスイッチング動作させて圧電素子８０のＢ＋相およびＢ−相に駆動信号を与える。

そして、コントローラ８７から発振器８５に駆動命令を送ると、Ａ＋相スイッチング回路８１およびＡ−相スイッチング回路８２のスイッチング動作により圧電素子８０のＡ＋相、Ａ−相が互いに１８０度位相がずれて振動する。

このとき、位相器８６を通してＢ＋相スイッチング回路８３およびＢ−相スイッチング回路８４のスイッチング動作により、圧電素子８０のＢ＋相に対して９０度位相がずれ、かつＢ−相とは１８０度位相がずれた駆動信号が与えられ、圧電素子８０が振動する。この振動に応じてＳ相８９から信号が出力され、その信号に基づいてコントローラ８７において超音波モータを制御する。

しかし、上記従来の超音波モータでは、圧電素子８０のＡ＋相の一部にＳ相８９を設けているため、Ａ＋相と他の相との大きさが異なる。その結果、Ａ＋相から得られる出力が異なったり、また、その出力を調整するための回路が別途必要であった。

そこで、他の場所にＳ相を設置して、外部の制御回路との接続をリード線により行い、このリード線を圧電素子に半田付けにより固定した技術が提案されている（特許文献３）。
特開平３−２８９３７５号公報特開平７−１９３２９１号公報特公平０４−０６１５９３公報

しかし、上記特許文献３では、半田付けの不具合によりリード線の脱落が生じやすく、また、圧電素子や振動体への熱の伝播により半田の溶融温度に達しにくい等の問題を生じる。

更に、半田の付着状態による振動子の振動特性のばらつきや、半田付け時の圧電素子の温度上昇により圧電素子の分極解除が生じる可能性もある。

そこで、本発明は、Ｓ相として機能する圧電膜から出力された信号を、振動による断線がなく、かつ駆動相の出力を調整するための回路を設けることなく、容易にかつ安定して取り出すことができる超音波モータを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の超音波モータは、複数の電極を持つ電気−機械エネルギ変換素子に駆動信号を印加して振動体に振動を励起させ、該振動体に接触する移動体を移動させる超音波モータにおいて、前記振動体の前記電気−機械エネルギ変換素子が当接する面に、振動検知用の圧電膜が直接成膜される、ことを特徴とする。

本発明によれば、振動体の電気−機械エネルギ変換素子が当接する面に、振動検知用の圧電膜が直接成膜されている。これにより、Ｓ相として機能する圧電膜から出力された信号を、振動による断線がなく、かつ駆動相の出力を調整するための回路を設けることなく、容易にかつ安定して取り出すことができる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態である超音波モータを説明するための軸方向に沿う断面図である。

図１に示すように、本実施形態の超音波モータは、外筒６と底板８とからなるモータケース内に配置された複数の電極を持つ圧電素子（電気−機械エネルギ変換素子）１を備える。

圧電素子１には、フレキシブルプリント基板２が電気的に接続され、また、圧電素子１の軸方向両側には、それぞれ圧電素子１の振動が伝達される振動子３，４が配置されている。

振動子３，４は溶接部５で互いに接合されており、これにより、圧電素子１およびフレキシブルプリント基板２に軸方向の予圧が付与される。

図２は、フレキシブルプリント基板２の取り付け方法を説明するための斜視図である。

図２に示すように、フレキシブルプリント基板２は、圧電素子１と振動子（振動体）３とによって軸方向に挟み込まれている。

また、振動子３において、フレキシブルプリント基板２が圧電素子１により押しつけられている面には、圧電体の原材料の微粉末をエアロゾル化して噴射することにより直接成膜された圧電膜２０が設けられている。

図１に戻って、圧電素子１の外周には支持板７の内周端が固定され、該支持板７は振動子３，４間の隙間を通って外周端が外筒６の内周部に弾性的に固定されている。

圧電素子１、フレキシブルプリント基板２および振動子３，４の内周部には回転軸１１がすき間を介して貫通しており、該回転軸１１は外筒６および底板８に圧入固定された軸受９，１０を介して回転可能に支持されている。

回転軸１１の軸受９に隣接する外周面には、該回転軸１１の軸方向の動きを規制するＥリング１２が嵌め込まれている。

外筒６の端壁と振動子３との間には、ロータ（移動体）１３が回転軸１１に圧入固定された状態で配置されている。ロータ１３の外周には、円筒状の弾性体からなるツバ１４が設けられており、該ツバ１４は振動子３に軸方向に対向した状態で接触している。

また、底板８と振動子４との間には、ロータ（移動体）１５が回転軸１１にすき間を介して外挿された状態で配置され、ロータ１５と底板８との間には、ロータ押さえ１６が回転軸１１に圧入固定された状態で配置されている。ロータ押さえ１６は、バネ１７を介してロータ１５を軸方向に押し付けている。

ロータ１５の外周には、ロータ１３と同様に、円筒状の弾性体からなるツバ１８が設けられており、ロータ押さえ１６がバネ１７を介してロータ１５を軸方向に押す力によって、ツバ１４，１８がそれぞれ振動子３，４に弾性的に押しつけられる。

駆動原理については公知（特開平３−２８９３７５号公報等）であるため簡略化して説明すると、フレキシブルプリント基板２を通して加えられた駆動信号により圧電素子１が振動し、その振動が振動子３，４に伝達され、振動子３，４の外周部で振動が拡大する。振動子３，４の外周部で拡大された振動波によってツバ１４およびツバ１８に回転力が生じ、その回転力がロータ１３およびロータ１５に伝達されて回転軸１１が回転する。

このとき、振動子３に設けられた前述の圧電膜２０は、該振動子３に加えられた振動の挙動によって電力が生じ、圧電膜２０から出力された信号はフレキシブルプリント基板２によって取り出される。

なお、フレキシブルプリント基板２は、振動の減衰を避けるため、ベースシートと基板電極との間に接着剤層がないものを用いるのが好ましい。

図３は、圧電素子１の駆動回路を説明するためのブロック図である。

図３に示すように、短円筒状の圧電素子１は、周方向に４相（Ａ＋、Ａ−、Ｂ＋、Ｂ―）の電極に分割されている。

圧電素子１のＡ＋相およびＡ−相は、径方向に互いに対向配置され、また、Ｂ相およびＢ−相は、Ａ＋相およびＡ−相に対して位相を９０度ずらした位置で互いに径方向に対向配置されている。

圧電素子１は、フレキシブルプリント基板２を介して駆動回路に接続されており、駆動回路は、発振器２５、位相器２６、コントローラ２７、および圧電素子１のそれぞれの相に接続されるスイッチング回路２１，２２，２３，２４を備える。

発振器２５は、Ａ＋相スイッチング回路２１およびＡ−相スイッチング回路２２をスイッチング動作させて圧電素子１のＡ＋相およびＡ−相に駆動信号を与える。

位相器２６は、発振器２５の駆動信号を９０度位相ずらしてＢ＋相スイッチング回路２３およびＢ−相スイッチング回路２４をスイッチング動作させて圧電素子１のＢ＋相およびＢ−相に駆動信号を与える。

そして、コントローラ２７から発振器２５に駆動命令を送ると、Ａ＋相スイッチング回路２１およびＡ−相スイッチング回路２２のスイッチング動作により圧電素子１のＡ＋相、Ａ−相が互いに１８０度位相がずれて振動する。

このとき、位相器２６を通してＢ＋相スイッチング回路２３およびＢ−相スイッチング回路２４のスイッチング動作により、圧電素子１のＢ＋相に対して９０度位相がずれ、かつＢ−相とは１８０度位相がずれた駆動信号が与えられ、圧電素子１が振動する。

また、振動子３に直接成膜された圧電膜２０は、コントローラ２７に接続されている。

図４は、フレキシブルプリント基板２の表面側の回路パターンを示す図である。

図４において、フレキシブルプリント基板２の表面側には、圧電素子１のＡ＋相、Ａ−相、Ｂ＋相、Ｂ―相に対応する接点（図中斜線部）３０，３１，３２，３３が設けられ、これらの接点３０，３１，３２，３３が圧電素子１の各相と接して通電する。

図５は、フレキシブルプリント基板２の裏面側の回路パターンを示す図である。

図５において、フレキシブルプリント基板２の裏面側には、振動検知用の接点３５が設けられている。

この接点３５と、前述の振動子３のフレキシブルプリント基板２との当接面に形成された圧電膜２０とが接し、振動子３の動きによって圧電膜２０に電位差が生じ、その信号が接点３５を経由しスルーホール３６を通って駆動回路に出力される。この信号をＳ相信号と称し、コントローラ２７において超音波モータの制御に活用する。

なお、Ｓ相信号による超音波モータの制御に関しては公知（特公平０４−０６１５９３号公報等）であるため、ここでは説明を省略する。

次に、振動子３に圧電膜２０を直接成膜する方法を説明する。

図６は、エアロゾルデポジション法によるセラミック構造物の作製装置を模式的に示す図である。

図６に示すように、作製装置４１は、膜形成部４２とエアロゾル発生部４３とを有し、エアロゾル発生部４３で発生したセラミック微粒子粉末をガス中に分散させたエアロゾルをエアロゾル搬送管４４によって膜形成部４２に搬送する。

膜形成部４２は、真空ポンプ５５で真空化される真空チャンバ５６を有し、真空チャンバ５６内に導かれた搬送管４４の端部に配置されたノズル４５から、該搬送管４４によって搬送されたエアロゾル４６を基板４７に噴射して該基板４７に膜４８を直接成膜する。これにより、基板４７と膜４８によるセラミック構造物４９を作製する。尚、基板４７は、通常、ステージ５０に固定されており、基板４７をＸ−Ｙ方向５１に移動しながら膜４８を形成する。

エアロゾル発生部４３は、エアロゾル発生器５２と、ガス搬送管５３によってエアロゾル発生器５２内にガスを注入するマスフローコントローラ５４とから構成されると共に、エアロゾル搬送管４４の端部がエアロゾル発生器５２の上部に挿入されている。

以上説明したエアロゾルデポジション法によるセラミック構造物の作製装置において、本実施形態では、セラミックとしてＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電体原材料を使用し、また、基板４７として超音波モータの金属製の振動子３を設置する。

同法によって圧電体材料を振動子３に直接成膜することで、均一的な組成から成る圧電膜２０を１回の成膜工程にて容易に形成することができる。

以上説明したように、本実施形態では、振動子３，４間にフレキブルプリント基板２を圧電素子１に圧接するように挟み込んで一体に締結することで圧電素子１への駆動信号の給電を行う。

また、圧電素子１のフレキシブルプリント基板２の接合面とは反対側の振動子３の端面に圧電膜２０を直接成膜している。

これにより、圧電膜２０から出力された信号を、振動による断線がなく、容易にかつ安定して取り出すことができる。

また、振動子３に圧電膜（Ｓ相）２０を直接成膜することで、Ｓ相を駆動用の圧電素子１内に設ける必要がなく、圧電素子１の各相の形状を同一にすることができるので、駆動相の出力を調整するための回路を設けなくて済む。

更に、Ｓ相の面積や構成も変更が容易で最適な形状にでき、また、振動子３の振動を圧電膜２０で直接検知することで、制御性を改善することができる。

（第２の実施形態）
次に、図７および図８を参照して、本発明の第２の実施形態である超音波モータについて説明する。

図７は本発明の第２の実施形態である超音波モータに用いられるフレキシブルプリント基板の表面側の平面図、図８は図７に示すフレキシブルプリント基板の裏面側の平面図である。なお、上記第１の実施形態に対して重複または相当する部分については、図に同一符号を付して説明する。

本実施形態では、図８に示すように、フレキシブルプリント基板２の裏面に振動検知用の接点３５ａ，３５ｂが設けられている。

この接点３５ａ，３５ｂと、前述の振動子３のフレキシブルプリント基板２との当接面に形成された圧電膜２０とが接し、振動子３の動きによって電位差が生じる。

また、接点３５ａ，３５ｂは、それぞれ圧電素子１のＡ＋相、Ｂ＋相の各相の位置に対応しており、Ａ＋相の動作、およびＢ＋相の動作を検出可能である。また、このとき、信号は、接点３５ａ，３５ｂを経由しスルーホール３６ａ，３６ｂを通って、図７に示すように、接点７５を介して駆動回路に出力される。

なお、図７に示すように、フレキシブルプリント基板２の表面側には、圧電素子１のＡ＋相、Ａ−相、Ｂ＋相、Ｂ−相にそれぞれ対応する接点３０，３１，３２，３３が設けられている。

この場合、圧電素子１のＡ＋相、Ｂ＋相の動作が接点３５ａ，３５ｂを通して検知できることで、超音波モータ制御手法の一つである、駆動信号の位相差を変化させ、速度をコントロールさせることも可能になる。

さらには、振動子３の挙動が直接検知できることで、制御回路の構成やコントロールするためのソフトウエアが簡便化できる。その他の構成、および作用効果は、上記第１の実施形態と同様である。

なお、本発明は上記各実施形態に例示したものに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。

例えば、上記各実施形態では、エアロゾルデポジション法により振動子３に圧電膜２０を形成したが、これに限定されない。

例えば、振動子３に圧電体の原材料を含む印刷液を塗布（特開昭６３−３１４８０号公報参照）するによって圧電膜を形成してもよく、また、振動子３に圧電体の原材料を蒸着（特開昭６３−１８６５７２号公報参照）することによって圧電膜を形成してもよい。

本発明の第１の実施形態である超音波モータを説明するための軸方向に沿う断面図である。フレキシブルプリント基板の取り付け方法を説明するための斜視図である。圧電素子の駆動回路を説明するためのブロック図である。フレキシブルプリント基板の表面の平面図である。フレキシブルプリント基板の裏面の平面図である。エアロゾルデポジション法によるセラミック構造物の作製装置を模式的に示す図である。本発明の第２の実施形態である超音波モータに用いられるフレキシブルプリント基板の表面の平面図である。図７に示すフレキシブルプリント基板の裏面の平面図である。従来の超音波モータを説明するためのブロック図である。

符号の説明

１圧電素子
２フレキシブルプリント基板
３振動子
４振動子
１１回転軸
１３ロータ
１４ツバ
１５ロータ
１８ツバ

Claims

複数の電極を持つ電気−機械エネルギ変換素子に駆動信号を印加して振動体に振動を励起させ、該振動体に接触する移動体を移動させる超音波モータにおいて、
前記振動体の前記電気−機械エネルギ変換素子が当接する面に、振動検知用の圧電膜が直接成膜される、ことを特徴とする超音波モータ。
前記圧電膜は、エアロゾル化した圧電体の原材料の微粉末を前記振動体に噴射することにより該振動体に直接成膜される、ことを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
前記圧電膜は、圧電体の原材料を含む印刷液を前記振動体に塗布することにより該振動体に直接成膜される、ことを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
前記圧電膜は、圧電体の原材料を前記振動体に蒸着することにより該振動体に直接成膜される、ことを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
前記電気−機械エネルギ変換素子への駆動信号を接続するための接点と、該接点とは異なる面に配置され、前記圧電膜から出力される信号を接続するための接点と、を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の超音波モータ。
前記電気−機械エネルギ変換素子への駆動信号を接続するための接点と、前記圧電膜から出力される信号を接続するための接点と、が同一のフレキシブルプリント基板に配置される、ことを特徴とする請求項５に記載の超音波モータ。
前記フレキシブルプリント基板は、ベースシートと基板電極との間に接着剤層が設けられていない、請求項１〜６のいずれか一項に記載の超音波モータ。