JP2010246347A - Ultrasonic motor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超音波モータに関する。 The present invention relates to an ultrasonic motor.
最近、カメラのオートフォーカスや手ぶれ補正のためのレンズ駆動等の用途に小型の超音波モータが広く使用されている。また、磁界の影響を無くした、いわゆるXYステージと呼ばれる平面状の基盤の駆動にも、騒音が少なく電磁ノイズの発生が少ないことから、各種の超音波モータが使用されている。
そして、近年の超音波モータには、更なる小型化のほか、正方向および逆方向への移動子の容易な切り替え駆動が要求されている。
Recently, small ultrasonic motors are widely used for applications such as camera autofocus and lens drive for camera shake correction. Various ultrasonic motors are also used for driving a flat substrate called an XY stage, which is free from the influence of a magnetic field, because it generates less noise and less electromagnetic noise.
In recent ultrasonic motors, in addition to further miniaturization, an easy switching drive of the moving element in the forward direction and the reverse direction is required.
超音波モータの駆動原理としては、板状の圧電振動子の主面を複数の領域に区画して電極を形成し、これらの電極に交番電圧を印加して圧電振動子を共振させることにより移動子を駆動するものが知られている。そして、交番電圧を印加する電極をスイッチすることにより、圧電振動子の振動方向を反転させ、移動子の送り方向が正逆に切り替えられる。 The principle of driving an ultrasonic motor is that the main surface of a plate-shaped piezoelectric vibrator is divided into a plurality of regions to form electrodes, and an alternating voltage is applied to these electrodes to resonate the piezoelectric vibrator. What drives a child is known. Then, by switching the electrodes to which the alternating voltage is applied, the vibration direction of the piezoelectric vibrator is reversed, and the moving direction of the moving element is switched between forward and reverse.
この種の超音波モータとしては、下記特許文献1に記載のものが提案されている。
特許文献1に記載のモータでは、厚さ方向に分極された円板状の圧電振動子の一方の主面を4等分して電極A,B,C,Dが配置されている(特許文献1の図1を参照)。圧電振動子の他方の主面には、電極A,B,C,Dにそれぞれ対向する位置に、電極a,b,c,dを形成し、電極Aとc、Bとd、Cとa、およびDとbを電気的に接続して、電極A,B,c,dを等電位とし、また電極a,b,C,Dを等電位としている。そして、電極A,B,c,dの組と、電極a,b,C,Dの組に対して、電圧の極性を正逆に反転した交番電圧をそれぞれ印加することにより、回転子を回転駆動する。すなわち、特許文献1のモータでは、圧電セラミック板の面積の半分の領域と、他の半分の領域の電界の向きが異なっている。
また、同文献に記載のモータでは、コモン端子に接続された2回路4接点スイッチを切り替えることにより、同一電位とする電極の組み合わせを変更し、回転子の回転方向を反転させている。
As this type of ultrasonic motor, one described in
In the motor described in
Further, in the motor described in the same document, the combination of electrodes having the same potential is changed by switching the two-circuit four-contact switch connected to the common terminal, and the rotation direction of the rotor is reversed.
しかしながら、上記特許文献1に記載のモータでは、圧電振動子の主面に設けられたすべての電極に対して交番電圧が印加されるため、圧電振動子の全体が電気的に短絡された状態となる。このため、印加する交番電圧に対して圧電振動子の共振変位量を十分に得ることができず、移動子の駆動効率が低いという問題がある。
However, in the motor described in
本発明は、上記従来の超音波モータの問題点に鑑みてなされたものであり、交番電圧を印加する電極の切り替えによって移動子を正逆方向に駆動することが可能であって、かつ高い駆動効率を得ることのできる超音波モータを提供するものである。 The present invention has been made in view of the problems of the conventional ultrasonic motor described above, and can move the moving element in the forward and reverse directions by switching the electrodes to which the alternating voltage is applied, and has high driving. An ultrasonic motor capable of obtaining efficiency is provided.
本発明の超音波モータは、厚さ方向に分極され、一方の主面が複数の領域に区画された板状の圧電振動子と、
前記領域に個別に形成されて交番電圧が印加される、第一および第二選択駆動電極ならびに共通駆動電極と、
前記圧電振動子の他方の主面に形成されたアース電極と、
前記圧電振動子の外周に設けられた付勢部と、を備え、
前記第一または第二選択駆動電極より選択された一方および前記共通駆動電極と前記アース電極との間に前記交番電圧を印加し、前記第二または第一選択駆動電極を開放することにより、前記圧電振動子が平面方向に共振して、前記付勢部が前記圧電振動子の周方向および径方向に、前記周方向よりも前記径方向に大きな変位量にて振動し、かつ、
前記第一または第二選択駆動電極の選択を切り替えることにより、前記付勢部の前記周方向の振動と前記径方向の振動の位相が反転して、前記付勢部に付勢される移動子の送り方向が正方向または逆方向に切り替えられることを特徴とする。
The ultrasonic motor of the present invention is a plate-like piezoelectric vibrator polarized in the thickness direction and having one main surface partitioned into a plurality of regions,
First and second selective drive electrodes and common drive electrodes, which are individually formed in the region and applied with an alternating voltage;
An earth electrode formed on the other main surface of the piezoelectric vibrator;
An urging portion provided on an outer periphery of the piezoelectric vibrator,
Applying the alternating voltage between one selected from the first or second selection drive electrode and the common drive electrode and the ground electrode, and opening the second or first selection drive electrode, The piezoelectric vibrator resonates in a plane direction, and the biasing portion vibrates in a circumferential direction and a radial direction of the piezoelectric vibrator with a larger displacement in the radial direction than in the circumferential direction; and
By switching the selection of the first or second selection drive electrode, the phase of the circumferential vibration and the radial vibration of the urging unit is reversed, and the movable element urged by the urging unit The feed direction is switched between the forward direction and the reverse direction.
また本発明の超音波モータにおいては、より具体的な実施の態様として、前記圧電振動子が円板状をなし、
円形の前記主面の一つの直径を対称軸として、
前記第一選択駆動電極と前記第二選択駆動電極とが対称位置に配置され、かつ、
前記共通駆動電極が対称形状をなし、
前記付勢部が前記対称軸上に設けられていてもよい。
In the ultrasonic motor of the present invention, as a more specific embodiment, the piezoelectric vibrator has a disk shape,
With one diameter of the circular main surface as the axis of symmetry,
The first selection drive electrode and the second selection drive electrode are arranged at symmetrical positions; and
The common drive electrode has a symmetrical shape;
The urging portion may be provided on the symmetry axis.
また本発明の超音波モータにおいては、より具体的な実施の態様として、前記第一選択駆動電極と前記第二選択駆動電極とが、前記主面の中心に関して点対称位置に配置され、
前記付勢部が、前記対称軸上であって前記中心を挟む両側に対向して設けられていてもよい。
Further, in the ultrasonic motor of the present invention, as a more specific embodiment, the first selection drive electrode and the second selection drive electrode are arranged at point-symmetric positions with respect to the center of the main surface,
The urging portion may be provided on both sides of the center on the axis of symmetry.
なお、本発明の各種の構成要素は、個々に独立した存在である必要はなく、複数の構成要素が一個の部材として形成されていること、一つの構成要素が複数の部材で形成されていること、ある構成要素が他の構成要素の一部であること、ある構成要素の一部と他の構成要素の一部とが重複していること、等でもよい。 Note that the various components of the present invention do not have to be individually independent, that a plurality of components are formed as one member, and one component is formed of a plurality of members. It may be that a certain component is a part of another component, a part of a certain component overlaps a part of another component, and the like.
本発明の超音波モータは、第一または第二選択駆動電極の選択によって、圧電振動子の外周に設けられた付勢部の振動方向が反転するため、単相の交番電圧によって移動方向の正逆の切り替えが可能である。また、本発明では、交番電圧の印加されない選択駆動電極を開放することにより、圧電振動子の当該領域の弾性率を圧電反作用によって実効的に高くすることができる。このため、共振時の圧電振動子において、付勢部を中心とする非対称のモード形状が実現され、移動子を正方向または逆方向に好適に駆動することができる。
そして、本発明では、付勢部が圧電振動子の周方向および径方向に振動するとともに、周方向よりも径方向に大きな変位量にて振動するため、付勢部から移動子に対して圧電振動子の周方向のみならず径方向にも十分な付勢力が与えられ、移動子の駆動力を安定して得ることができる。
In the ultrasonic motor according to the present invention, the vibration direction of the urging portion provided on the outer periphery of the piezoelectric vibrator is reversed by the selection of the first or second selective drive electrode. The reverse switching is possible. In the present invention, the elastic modulus of the region of the piezoelectric vibrator can be effectively increased by the piezoelectric reaction by opening the selective drive electrode to which no alternating voltage is applied. For this reason, in the piezoelectric vibrator at the time of resonance, an asymmetric mode shape centering on the urging portion is realized, and the moving element can be suitably driven in the forward direction or the reverse direction.
In the present invention, the urging portion vibrates in the circumferential direction and the radial direction of the piezoelectric vibrator and vibrates with a larger displacement amount in the radial direction than in the circumferential direction. Sufficient urging force is given not only in the circumferential direction of the vibrator but also in the radial direction, and the driving force of the moving element can be obtained stably.
<第一実施形態>
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
図1は、本発明の第一の実施形態にかかる超音波モータ10の構造を示す概略図である。
はじめに、本実施形態の超音波モータ10の概要について説明する。
<First embodiment>
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same reference numerals are given to the same components, and the description will be omitted as appropriate.
FIG. 1 is a schematic view showing the structure of an
First, the outline | summary of the
超音波モータ10は、圧電振動子(圧電セラミック板101)と、第一および第二選択駆動電極41c、41dならびに共通駆動電極41a,41bと、アース電極(共通アース電極102)と、付勢部103とを備えている。
圧電セラミック板101は板状をなし、厚さ方向に分極され、一方の主面(主面30)は複数の領域A、B、C、Dに区画されている。
第一および第二選択駆動電極41c、41dならびに共通駆動電極41a,41bは、領域A、B、C、Dに個別に形成されて交番電圧が印加される電極である。
アース電極(共通アース電極102)は、圧電セラミック板101の他方の主面(主面31)に形成されている。
付勢部103は、圧電セラミック板101の外周に設けられている。
超音波モータ10では、第一または第二選択駆動電極41c、41dより選択された一方と共通駆動電極41a,41bとに交番電圧を印加し、第二または第一選択駆動電極41d、41cを開放することにより、圧電セラミック板101が平面方向に共振して、付勢部103が圧電セラミック板101の周方向および径方向に、周方向よりも径方向に大きな変位量にて振動する。
そして、本実施形態の超音波モータ10では、第一または第二選択駆動電極41c、41dの選択を切り替えることにより、付勢部103の周方向の振動と径方向の振動の位相が反転して、付勢部103に付勢される移動子107の送り方向が正方向または逆方向に切り替えられる。
The
The piezoelectric
The first and second
The ground electrode (common ground electrode 102) is formed on the other main surface (main surface 31) of the piezoelectric
The urging
In the
In the
ここで、圧電セラミック板101の径方向とは、面内方向に共振する圧電セラミック板101の振動中心と所定位置とを結ぶ方向を意味する。また、圧電セラミック板101の周方向とは、径方向に対して直交する方向である。たとえば圧電セラミック板101が円板状の場合、圧電セラミック板101の径方向とは半径方向であり、周方向とは接線方向である。圧電セラミック板101が矩形などの非円形形状の場合も同様である。
Here, the radial direction of the piezoelectric
また、本実施形態において、圧電セラミック板101が領域に分割されているとは、圧電セラミック板101がその主面30に複数枚の電極を備えていることを意味するものであり、圧電セラミック板101自体に各領域を示すための区画表示が明示的に形成されていることを必ずしも要しない。
In the present embodiment, the fact that the piezoelectric
次に、本実施形態の超音波モータ10について詳細に説明する。
本実施形態の圧電セラミック板101は円板状をなし、中央には厚み方向に貫通した所定径の円孔42(図2を参照)が穿設されている。すなわち、本実施形態の圧電セラミック板101は円環板状をなしている。
Next, the
The piezoelectric
圧電セラミック板101は、単一板状であってもよく、または圧電セラミック層と電極層とを交互に積層した積層型圧電セラミック板を用いてもよい。圧電セラミック板101を積層型圧電セラミック板とする場合、一層おきの電極層を、図1に示す領域A〜Dと同様に4分割して駆動電極(共通駆動電極41a,41bまたは選択駆動電極41c,41d)とし、他の一層おきの電極層を共通アース電極102とする。そして、同一領域に積層された駆動電極同士を電気的に層間接続するとよい。
The piezoelectric
領域A、B、C、Dは、円形の主面30を複数の半径で区画してなる扇状をなしている。ここで、扇状の領域A〜Dにおける中心角は、各領域について互いに等しくても、または相違してもよい。本実施形態でいう扇状には、中心角が180度の扇形、すなわち半円形を含む。
より具体的には、本実施形態の領域A、B、C、Dは、円環状の主面30を二本の互いに直交する直径で4分割してなる略扇状であり、各領域の中心角はそれぞれ90度である。
The regions A, B, C, and D have a fan shape formed by dividing the circular
More specifically, the areas A, B, C, and D of the present embodiment are substantially fan-shaped by dividing the annular
主面30の領域A、B、C、Dには、各領域に個別に、または複数の領域にまたがって、駆動電極(分割電極)が被着形成されている。
本実施形態の超音波モータ10では、略扇状の各領域のほぼ全面に対してそれぞれ電極41a〜41dが形成されている。領域AとCに形成された電極41aと41cは互いに接続されており、領域BとDにそれぞれ形成された電極41b、41dとは電気的に分離している。
In the regions A, B, C, and D of the
In the
以下、本実施形態においては、電極41cを第一選択駆動電極、電極41dを第二選択駆動電極、電極41aおよび41bを共通駆動電極という。
すなわち、本実施形態の超音波モータ10では、共通駆動電極41a,41bは領域A、B、C、Dのうちの二つに形成され、かつ、第一および第二選択駆動電極41c、41dは、領域A、B、C、Dのうちの他の一つにそれぞれ形成されている。より具体的には、本実施形態の共通駆動電極41a,41bは、対向する二つの領域AおよびCに形成され、第一および第二選択駆動電極41c、41dは、他の二つの領域BとDに形成されている。
Hereinafter, in the present embodiment, the
That is, in the
第一選択駆動電極41cと第二選択駆動電極41dは、いずれか一方が選択されて交番電圧が印加され、他方が開放される電極である。また、共通駆動電極41a,41bは交番電圧が常時印加される電極である。
One of the first
圧電セラミック板101の他の主面31にはアース電極が設けられている。アース電極は、電極41a〜41dにそれぞれ対向して個別に形成されていてもよく、または領域A〜Dのうち二つ以上にまたがって形成されていてもよい。本実施形態のアース電極は、圧電セラミック板101の他の主面31において4つの領域A〜Dにまたがって設けられた共通アース電極として形成されている。
また、本実施形態の共通アース電極102は、主面31のほぼ全面に形成されている。
そして、本実施形態では、第一選択駆動電極41cまたは第二選択駆動電極41dより選択された一方および共通駆動電極41a,41bと、共通アース電極102と、の間に所定の共振周波数の交番電圧が印加される。これにより、圧電セラミック板101は平面方向(図1における上下および左右方向)に共振する。
A ground electrode is provided on the other
Further, the
In the present embodiment, an alternating voltage having a predetermined resonance frequency is provided between the one selected from the first
本実施形態の超音波モータ10においては、円板状の圧電セラミック板101における円形の主面30の一つの直径を対称軸AXとして、第一選択駆動電極41cと第二選択駆動電極41dとは対称位置に配置され、かつ、共通駆動電極41a,41bは対称形状をなしている。そして、付勢部103は対称軸AX上に設けられている。
In the
本実施形態の場合、付勢部103は、共通駆動電極41a,41bの形成された領域AおよびCの二等分線(対称軸AX)と圧電セラミック板101の外周との交点近傍に設けられている。
In the case of this embodiment, the urging
なお、本実施形態において、対称軸AXに関して第一選択駆動電極41cと第二選択駆動電極41dとが対称位置に配置され、共通駆動電極41a,41bが対称形状であるとは、交番電圧の印加電極を切り替えた際に、付勢部103の振動方向が対称軸AXを中心に実用的に反転することを意味するものであり、幾何学的に厳密な対称性を要するものではない。
同様に、付勢部103が対称軸AX上に設けられているとは、付勢部103の平面視の一部を対称軸AXが通過する場合のほか、付勢部103の振動方向の反転により移動子107の送り方向を実用的に切り替え可能である限りにおいて、付勢部103が対称軸AXの近傍に位置していることを含む。
In the present embodiment, the first
Similarly, that the urging
圧電セラミック板101の外周に設けられて移動子107を駆動する付勢部103は、本実施形態の場合、移動子107に対して摩擦力により駆動力を付与する要素である。
付勢部103による移動子107の送り方向は特に限定されないが、本実施形態では圧電セラミック板101の周方向を送り方向としている。
In the present embodiment, the urging
The feeding direction of the moving
本実施形態の付勢部103は、圧電セラミック板101の外周面上に設けられた摩擦要素として構成されている。
付勢部103の材料は特に限定されないが、アルミナなどのセラミック材料を一例として挙げることができる。または、圧電セラミック板101の外周面を粗面化処理して付勢部103としてもよい。すなわち、付勢部103は、圧電セラミック板101とは別部材として作製してもよく、圧電セラミック板101自体を加工して形成してもよい。
より具体的には、本実施形態の付勢部103は、アルミナ製のパッド状の摩擦要素を、円環板状の圧電セラミック板101の外周面上の一部に装着して設けられている。
The urging
Although the material of the urging | biasing
More specifically, the biasing
移動子107は、ローラーなどの摺動機構108により、ベース109の上を自在に移動可能な状態で支持されている。
圧電セラミック板101に対向する移動子107の表面は、付勢部103と摩擦的に係合するよう粗面化されている。
図1に示す本実施形態の圧電セラミック板101には、その下端にあたる領域Cの外周縁の中央近傍に付勢部103が設けられている。そして、圧電セラミック板101の共振による付勢部103の送り方向を圧電セラミック板101の周方向とすることにより、摺動機構108により許容される移動子107の移動方向は、図1における左右方向となる。
The moving
The surface of the moving
In the piezoelectric
なお、図1では移動子107の移動方向として水平移動を例示しているが、本発明はこれに限られない。移動子107を回転子とし、摺動機構108を移動子107の回転軸とすることにより、本実施形態の超音波モータ10は移動子107をローター回転させる駆動装置として動作する(図7、8を参照)。
Although FIG. 1 illustrates horizontal movement as the moving direction of the moving
超音波モータ10は、圧電セラミック板101を支持する支持部(支持具105)をさらに備えている。本実施形態では、支持具105は圧電セラミック板101の中央の円孔42(図2を参照)に取り付けられて、圧電セラミック板101の主面30の中心を空間に対して回転および並進不可能に剛固定している。
支持具105は、少なくとも圧電セラミック板101と接触する外表面が、圧電セラミック板101よりもヤング率の低い硬質ゴムなどの樹脂材料によって形成されている。これにより、交番電圧が印加されて圧電セラミック板101が弾性的に共振する際に主面30の中央の円孔42の内径が拡大または縮小したとしても、振動を抑制することなく安定して圧電セラミック板101を支持することができる。
The
The
また、支持具105は、弾性部材106を介してベース109に連結されている。付勢部103は、弾性部材106の付勢力をうけて移動子107の表面に押し付けられている。
これにより、付勢部103と移動子107とが常時接触した状態で圧電セラミック板101は共振する。
The
Thereby, the piezoelectric
そして、交番電圧が印加されて圧電セラミック板101が共振することにより、付勢部103は圧電セラミック板101の周方向とともに径方向に振動して、移動子107の表面に対して所定の垂直抗力にて押圧される。付勢部103から移動子107への垂直抗力は、圧電セラミック板101の振動モードにしたがって周期的に変動する。かかる状態で付勢部103が圧電セラミック板101の周方向成分をもって振動することにより、移動子107は正方向または逆方向に駆動される。
さらに、第一または第二選択駆動電極41c、41dの選択を切り替えると、付勢部103の周方向の振動と径方向の振動の位相が反転する。これにより、移動子107に対する垂直抗力を所定に維持しつつ、移動子107の送り方向が正方向(図1における左方)または逆方向(同、右方)に切り替えられる。
Then, when the alternating voltage is applied and the piezoelectric
Furthermore, when the selection of the first or second
スイッチSW1は、駆動電圧を印加する電極を切り替える。スイッチSW1のコモン端子S0は、常に発振器110の出力端子111に接続され、同時に共通駆動電極41a,41bに電気的に接続されている。
また、端子S1は第一選択駆動電極41cと接続され、端子S2は第二選択駆動電極41dと接続されている。
The switch SW1 switches the electrode to which the drive voltage is applied. The common terminal S0 of the switch SW1 is always connected to the
The terminal S1 is connected to the first
発振器110の電源は、内部抵抗R0、出力電圧V0の交番電圧であり、具体的には正弦波電圧である。かかる正弦波の周波数は、圧電セラミック板101の共振周波数に設定されている。すなわち、本実施形態の超音波モータ10は、発振器110により調整された周波数の正弦波電圧が印加される他励方式である。
図1に示すように、スイッチSW1を端子S1側に倒すと、駆動電圧は共通駆動電極41aおよび41b、ならびに第一選択駆動電極41cに印加される。
一方、スイッチSW1を端子S2側に倒すと、駆動電圧は共通駆動電極41aおよび41b、ならびに第二選択駆動電極41dに印加される。
The power supply of the
As shown in FIG. 1, when the switch SW1 is tilted toward the terminal S1, the drive voltage is applied to the
On the other hand, when the switch SW1 is tilted toward the terminal S2, the drive voltage is applied to the
本実施形態の超音波モータ10では、第一選択駆動電極41cと共通駆動電極41a,41bとの合計面積、および第二選択駆動電極41dと共通駆動電極41a,41bとの合計面積は、ともに主面30の面積の二分の一よりも大きい。より具体的には、これらの合計面積は、主面30の面積のほぼ四分の三である。
In the
そして、後述するように、本実施形態の超音波モータ10では、環状に連結した4つの領域A〜Dのうち、任意の2つの領域を共通駆動電極とし、残る2つの領域を選択駆動電極とした場合に、少なくとも一つの対称軸AXを設定することができる。そして、駆動電圧を印加する領域を対称軸AXに関して反転することにより、共振する圧電セラミック板101のモード形状は対称軸AXに関して反転する。これにより、対称軸AX上に配置した付勢部103に付勢される移動子107の送り方向が正方向または逆方向に切り替えられる。
As will be described later, in the
<動作原理>
以下、本実施形態の圧電セラミック板101に正弦波電圧を印加した場合に生じる共振モードと、圧電セラミック板101の外周の変位について詳説する。
<Operating principle>
Hereinafter, the resonance mode that occurs when a sine wave voltage is applied to the piezoelectric
図2は、本実施形態の超音波モータ10に用いられる圧電セラミック板101の構造図である。同図(a)は圧電セラミック板101の平面図であり、同図(b)は同図(a)のII-II断面図である。
同図(b)に矢印で示すように、円環板状の圧電セラミック板101は厚さ方向に分極され、主面30の中央には円孔42が穿設されている。なお、以下の説明は円孔42の内径の大小によらない。すなわち、圧電セラミック板101の円環の太さは任意であり、また圧電セラミック板101が中実の円板状であっても同様の動作原理が説明される。
FIG. 2 is a structural diagram of the piezoelectric
As shown by the arrow in FIG. 2B, the annular plate-shaped piezoelectric
かかる圧電セラミック板101の主面30は、直交する二本の直径で4等分して領域A〜Dが形成され、各領域の略全面に電極41a〜41dが設けられている。圧電セラミック板101の他方の主面31には全面に共通アース電極102が形成されている。
また、図2(a)には、圧電セラミック板101の外周部の変形量を説明するため、電極41a〜41d同士の境界部および電極41a〜41dの外周円弧の中央部における、圧電セラミック板101の外周を8等分する点の位置に、便宜上の記号a〜hを付している。
そして、4個の分割電極のうちの3個を駆動電極とし、残る1個の分割電極を開放電極として、共通アース電極102との間に所定の周波数の交流電圧を印加する。
The
FIG. 2A illustrates the piezoelectric
Then, three of the four divided electrodes are used as drive electrodes, the remaining one divided electrode is used as an open electrode, and an AC voltage having a predetermined frequency is applied between the
図3は、図2に示した圧電セラミック板101の寸法を外径60mm、内径20mm、厚さ3mmとし、4個の電極41a〜41dのうちの3個を電気的に接続し、対向する共通アース電極102との間のインピーダンスの周波数特性の測定例を示す図である。図3より、本実施形態の圧電セラミック板101は29.6kHzで共振することを示している。以下、圧電セラミック板101の共振周波数をfrとする。
In FIG. 3, the piezoelectric
図4は、有限要素(FEM)解析により得られた圧電セラミック板101の共振状態を示す変位モード図である。同図は、圧電セラミック板101の主面30のうち、領域A、BおよびCにそれぞれ形成された電極41a、41bおよび41cを互いに電気的に接続して駆動電極とし、残る領域Dに形成された電極41dを開放した場合の圧電セラミック板101の変位モードを示している。主面30の駆動電極と、他の主面31の共通アース電極102との間に、周波数frの交流電圧を印加することにより、圧電セラミック板101は面内方向に共振している。
図4(a)は圧電セラミック板101の収縮変形時、同図(b)は膨張変形時を示している。なお、図4各図に示す変位モード図では、変位量の大きい部位を濃色で示し、変位量の少ない部位を淡色で示している。
同図(a)および(b)より、圧電セラミック板101の共振変形は、対称軸AXに関して左右非対称になっており、特に開放状態の電極41dが形成された領域Dの変形量が小さいことがわかる。
FIG. 4 is a displacement mode diagram showing the resonance state of the piezoelectric
FIG. 4 (a) shows the piezoelectric
From FIGS. 7A and 7B, the resonance deformation of the piezoelectric
図5は、領域A、CおよびDにそれぞれ形成された電極41a、41cおよび41dを駆動電極とし、領域Bに形成された電極41bを開放した場合の、圧電セラミック板101の共振状態を示す変位モード図である。図4と図5では、交流電圧を印加する電極を、電極41bから電極41dに変えた以外の条件は共通である。図5(a)は収縮変形時、同図(b)は膨張変形時を示している。
同図(a)および(b)より、圧電セラミック板101の共振変形は、対称軸AXに関して左右非対称になっており、特に開放している電極41bの形成領域(領域B)の変形量が小さいことがわかる。
FIG. 5 shows a displacement indicating a resonance state of the piezoelectric
From FIGS. 9A and 9B, the resonance deformation of the piezoelectric
ここで、図4と図5とを比較すると、収縮および膨張の変形形状が対称軸AXに関して反転していることがわかる。このため、4個の電極41a〜41dのうち、電極41aと41cを共通駆動電極として駆動電圧を常時印加し、電極41bと41dを選択駆動電極として選択された一方にのみ駆動電圧を印加して他方を開放することにより、圧電セラミック板101における変位の大きい領域が対称軸AXに関して反転することがわかる。
Here, when FIG. 4 and FIG. 5 are compared, it can be seen that the deformed shapes of contraction and expansion are reversed with respect to the symmetry axis AX. Therefore, among the four
このことを利用すると、交流電圧を印加する電極を選択的に切り替えることにより、この圧電セラミック板101の外周部の特定の位置に圧接した移動子107(図1を参照)の移動方向を反転させることができることを示している。
When this is utilized, the moving direction of the moving element 107 (see FIG. 1) in pressure contact with a specific position on the outer peripheral portion of the piezoelectric
ここで、超音波モータ10における駆動効率を良好に実現するためには、付勢部103の変形量が大きいことに加えて、付勢部103の変形方向と圧電セラミック板101の接線方向とのなす角度が45度以上であって、かつ45度に近いことが好ましい。
これは、付勢部103により移動子107に駆動力を一定方向に連続的に付与するためには、付勢部103から移動子107に与えられる付勢力が圧電セラミック板101の共振周期にしたがって周期的に変動することが好ましいためである。したがって、圧電セラミック板101の振動モードとしては、付勢部103の近傍が、移動子107の送り方向とともに、移動子107に対する接近および退避方向にも振動することが好ましい。このため、付勢部103の変形方向は圧電セラミック板101の接線方向に対して略45度で交差することが好適である。
Here, in order to realize the drive efficiency in the
This is because the urging force applied from the urging
以上より、本実施形態の超音波モータ10においては、移動子107の送り方向に相当する圧電セラミック板101の周方向のみならず、移動子107に対する接近方向に相当する圧電セラミック板101の径方向にも付勢部103が変形するとともに、付勢部103の変位量は周方向よりも径方向に大きくしている。
As described above, in the
また、本実施形態の超音波モータ10においては、駆動電圧を印加する選択駆動電極41c,41dを切り替えて移動子107の移動方向を反転させた場合、正方向と逆方向への移動子107の移動速度を均等とすることが好ましい。そのためには、駆動電圧を印加する選択駆動電極41c,41dを切り替えた場合に、付勢部103の変形量が同等であって、かつ付勢部103の変形方向と圧電セラミック板101の接線とのなす角度の正負が反転するとよい。
このため、図1に示す本実施形態の超音波モータ10では、円環板状の圧電セラミック板101の一つの直径を対称軸AXとして選択駆動電極41c,41dと共通駆動電極41a,41bのそれぞれを対称に配置し、かつ付勢部103を対称軸AX上に設けている。かかる構成により、選択駆動電極41c,41dへの印加と開放を切り替えた際に付勢部103に生じる変形が対称軸AXに関して対称となり、移動子107の移動速度が正方向と逆方向とで均等化している。
Further, in the
Therefore, in the
さらに、本実施形態の超音波モータ10では、圧電セラミック板101を円板状とし、その外周に設けた付勢部103によって移動子107を圧電セラミック板101の接線方向に駆動する。このため、圧電セラミック板101が所定の振幅で共振した場合も、圧電セラミック板101が円形ゆえ、付勢部103以外の圧電セラミック板101の部位が移動子107と干渉することがない。
Further, in the
また、本実施形態の超音波モータ10では、圧電セラミック板101を4等分する領域のうちの3つに対して駆動電圧を印加しているため、超音波モータ10の入力インピーダンスを低減することができるとともに、良好な電気−機械変換効率を得ることができる。
Moreover, in the
以下、図2に示す圧電セラミック板101を周波数frで共振させた際の、外周上の点a〜hにおける変位について説明する。
Hereinafter, displacement at points a to h on the outer periphery when the piezoelectric
図6(a)、(b)は、図2に示した圧電セラミック板101の領域BとCに共通駆動電極41a,41bを形成し、領域AとDにそれぞれ第一選択駆動電極41cと第二選択駆動電極41dを形成した場合の、圧電セラミック板101の外周上の点a〜hの変形図である。図6各図は、図2の圧電セラミック板101を時計回りに45度回転した状態を図示している。
各点a〜hに示す線分の延在方向は圧電セラミック板101の共振時における当該各点a〜hの変形方向を表し、各線分の長さは当該各点a〜hの変形の大きさを示している。
6A and 6B,
The extending direction of the line segment indicated by each point a to h represents the deformation direction of the point a to h at the time of resonance of the piezoelectric
図6各図に示すように、圧電セラミック板101は、領域AおよびBと、領域CおよびDとで対称軸AXに関して対称に構成されている。言い換えると、圧電セラミック板101は、第一選択駆動電極41cと第二選択駆動電極41dとが対称軸AXを挟んで対称に切り替えられ、かつ、共通駆動電極41a,41bは対称軸AXを挟んで対称形状に形成されている。
以下、図6各図に示す圧電セラミック板101を第一態様という。
As shown in FIGS. 6A and 6B, the piezoelectric
Hereinafter, the piezoelectric
同図では、領域A〜Dのうち、駆動電圧が印加される領域の符号を丸で囲んで示す。すなわち、同図(a)は、共通駆動電極41a,41bおよび第二選択駆動電極41dに駆動電圧を印加した状態を意味し、同図(b)は、共通駆動電極41a,41bおよび第一選択駆動電極41cに駆動電圧を印加した状態を意味している。
In the same figure, among the areas A to D, the reference numerals of the areas to which the drive voltage is applied are circled. That is, FIG. 6A means a state in which a drive voltage is applied to the
下表1は、図6に示す圧電セラミック板101の外周部の各点a〜hにおける相対的な変形量、および各点a〜hにおける変形方向と当該各点a〜hにおける圧電セラミック板101の外周縁(すなわち、圧電セラミック板101の接線)とのなす角度を示している。
Table 1 below shows the relative deformation amount at each point a to h of the outer peripheral portion of the piezoelectric
図6および表1から、点aおよび点eは、変形方向と圧電セラミック板101の接線方向とのなす角度が45度以上であって、かつ駆動電圧を印加する選択駆動電極41c,41dを切り替えた場合に上記角度の正負が反転するという条件を満たす点である。したがって、点aまたは点eに付勢部103を設けることにより、移動子107(図1を参照)を好適に駆動可能となる。なお、表1より、上記角度が45度に近いという観点から、付勢部103の設置位置としては点aがもっとも適していることがわかる。
From FIG. 6 and Table 1, the points a and e switch the
図7(a)、(b)は、図6と同様に共通駆動電極41a,41bを領域BとCに形成し、選択駆動電極41c,41dを領域AとDに形成するとともに、圧電セラミック板101の点eに付勢部103(図7では図示省略)を設けて移動子107をこれに圧接した状態を示す模式図である。
図8(a)、(b)は、圧電セラミック板101の点aに付勢部103(図8では図示省略)を設けて移動子107をこれに圧接した状態を示す模式図である。
図7(a)および図8(a)では、領域B,C,Dに駆動電圧を印加し、図7(b)および図8(b)では、領域A,B,Cに駆動電圧を印加している。
7A and 7B,
FIGS. 8A and 8B are schematic views showing a state in which the urging portion 103 (not shown in FIG. 8) is provided at the point a of the piezoelectric
7A and 8A, the drive voltage is applied to the regions B, C, and D, and the drive voltage is applied to the regions A, B, and C in FIGS. 7B and 8B. is doing.
図7および図8では、移動子107として回転子を例示している。移動子107は圧電セラミック板101の外周に接する円板状または円柱状をなし、軸心に摺動機構108が取り付けられて軸まわりの両方向に回転可能である。
7 and 8 exemplify a rotor as the moving
領域B,C,Dに駆動電圧を印加する図7(a)では、圧電セラミック板101の点eは、径方向内側左方から、径方向外側右方に向かって振動する。このため、移動子107の回転方向は、同図における時計回りとなる。
一方、領域A,B,Cに駆動電圧を印加する図7(b)では、圧電セラミック板101の点eは、径方向内側右方から、径方向外側左方に向かって振動する。このため、移動子107の回転方向は、同図における反時計回りとなる。
In FIG. 7A in which a drive voltage is applied to the regions B, C, and D, the point e of the piezoelectric
On the other hand, in FIG. 7B in which a driving voltage is applied to the regions A, B, and C, the point e of the piezoelectric
また、圧電セラミック板101の点aに移動子107を圧接する図8(a)、(b)の態様の場合、移動子107の回転方向は図7各図の場合とは上下反転する。
具体的には、領域B,C,Dに駆動電圧を印加する図8(a)では、圧電セラミック板101の点aは、径方向内側左方から、径方向外側右方に向かって振動する。このため、移動子107の回転方向は、同図における反時計回りとなる。
一方、領域A,B,Cに駆動電圧を印加する図8(b)では、圧電セラミック板101の点aは、径方向内側右方から、径方向外側左方に向かって振動する。このため、移動子107の回転方向は、同図における時計回りとなる。
8A and 8B in which the moving
Specifically, in FIG. 8A in which the drive voltage is applied to the regions B, C, and D, the point a of the piezoelectric
On the other hand, in FIG. 8B in which the drive voltage is applied to the regions A, B, and C, the point a of the piezoelectric
以上より、対称軸AX(図6を参照)に関して対称な圧電セラミック板101において、付勢部103を圧電セラミック板101の外周かつ対称軸AX上の点aまたは点eに配置することにより、選択駆動電極41c,41dの切り替えによって移動子107を正逆方向に等しい移動速度で駆動することができる。
As described above, in the piezoelectric
図6から8では、隣接する領域AとDに第一および第二選択駆動電極41c、41dを形成する態様を例示したが、本発明はこれに限られない。
6 to 8 exemplify a mode in which the first and second
図9各図は、領域AとCに共通駆動電極41a,41bを形成し、領域BとDにそれぞれ第一選択駆動電極41cと第二選択駆動電極41dを形成した場合の、圧電セラミック板101の外周上の点a〜hの変形図である。
すなわち、図6各図に示す圧電セラミック板101とは異なり、図9の圧電セラミック板101では対向する領域に選択駆動電極41c,41dが形成されている。
以下、図9各図に示す圧電セラミック板101の態様を第二態様という。
9 shows the piezoelectric
That is, unlike the piezoelectric
Hereinafter, the mode of the piezoelectric
図9(a)は、共通駆動電極41a,41bとともに第二選択駆動電極41dに駆動電圧を印加し、第一選択駆動電極41cを開放した状態を示し、同図(b)は、共通駆動電極41a,41bとともに第一選択駆動電極41cに駆動電圧を印加し、第二選択駆動電極41dを開放した状態を示している。
FIG. 9A shows a state in which a drive voltage is applied to the second
下表2は、表1と同様に、圧電セラミック板101の外周部の各点a〜hにおける相対的な変形量、および各点a〜hにおける変形方向と圧電セラミック板101の外周縁とのなす角度を示している。
The following Table 2 shows the relative deformation amount at each point a to h of the outer peripheral portion of the piezoelectric
ここで、図9の場合も、圧電セラミック板101は対称軸AXに関して対称に構成されている。図9のように圧電セラミック板101の中心を挟んで対向する領域(領域BおよびD)に選択駆動電極41c,41dを形成した場合、選択駆動電極41c,41dの切り替えによって駆動電圧の印加領域が反転する基準となる対称軸AXは、領域AとCの各中央を通る直径である。
Here, also in the case of FIG. 9, the piezoelectric
図9および表2から、この場合、点bおよび点fが、変形方向と圧電セラミック板101の接線方向とのなす角度が45度以上であって、かつ駆動電圧を印加する選択駆動電極41c,41dを切り替えた場合に上記角度の正負が反転するという条件を満たす点である。
9 and Table 2, in this case, the point b and the point f have an angle formed by the deformation direction and the tangential direction of the piezoelectric
図10(a)、(b)は、図9と同様に共通駆動電極41a,41bを領域AとCに形成し、選択駆動電極41c,41dを領域BとDに形成するとともに、圧電セラミック板101の点fに付勢部103(図10では図示省略)を設けて移動子107をこれに圧接した状態を示す模式図である。
図11(a)、(b)は、圧電セラミック板101の点bに付勢部103(図11では図示省略)を設けて移動子107をこれに圧接した状態を示す模式図である。
図10(a)および図11(a)では、領域A,C,Dに駆動電圧を印加し、図10(b)および図11(b)では、領域A,B,Cに駆動電圧を印加している。
10A and 10B,
FIGS. 11A and 11B are schematic views showing a state in which the urging portion 103 (not shown in FIG. 11) is provided at the point b of the piezoelectric
10 (a) and 11 (a), a drive voltage is applied to the regions A, C, and D, and in FIGS. 10 (b) and 11 (b), a drive voltage is applied to the regions A, B, and C. is doing.
図10および図11では、移動子107として、平坦なベース109上を水平移動するスライダを例示している。移動子107は摺動機構108によって各図の左右方向に平行移動可能である。そして、図10に示す圧電セラミック板101および移動子107の構成は、図1の超音波モータ10に対応している。
10 and 11 exemplify a slider that moves horizontally on a
図10に矢印で示すように、領域A,C,Dに駆動電圧を印加した場合、点fに設けられた付勢部103(同図では図示省略)は、移動子107を図中右方に直線駆動する。一方、領域A,B,Cに駆動電圧を印加した場合、点fに設けられた付勢部103は、移動子107を図中左方に直線駆動する。
図11に関しても同様であり、領域A,C,Dに駆動電圧を印加した場合、点bに設けられた付勢部103(同図では図示省略)は、移動子107を図中右方に直線駆動する。一方、領域A,B,Cに駆動電圧を印加した場合、点bに設けられた付勢部103は、移動子107を図中左方に直線駆動する。
As indicated by arrows in FIG. 10, when a drive voltage is applied to the regions A, C, and D, the urging unit 103 (not shown in the figure) provided at the point f Drive linearly. On the other hand, when a driving voltage is applied to the regions A, B, and C, the urging
The same applies to FIG. 11, and when a drive voltage is applied to the regions A, C, and D, the urging unit 103 (not shown in the figure) provided at the point b causes the moving
また、表1および図6に示す点aと点eとの関係とは異なり、表2および図9に示す点bと点fにおける変位量および角度は互いに等しい。したがって、図14を参照して後述するように、図9〜11に示す圧電セラミック板101の場合、圧電セラミック板101の対向する二箇所(点bおよび点f)に付勢部103をそれぞれ設けることにより、移動子107を二点で直線駆動するリニア超音波モータを実現することができる。
Further, unlike the relationship between the points a and e shown in Table 1 and FIG. 6, the displacement amounts and angles at the points b and f shown in Table 2 and FIG. 9 are equal to each other. Therefore, as will be described later with reference to FIG. 14, in the case of the piezoelectric
ここで、本実施形態の超音波モータ10との比較のために、圧電セラミック板の主面の二分の一の領域に対して駆動電圧を印加して圧電セラミック板を共振させた場合の変形図を図12(a)、(b)に示す。
Here, for comparison with the
図12各図は、領域Aに共通駆動電極、領域BとDに選択駆動電極を形成し、領域Cを常時開放した圧電セラミック板101のFEM解析の結果に基づいて、外周上の点a〜hにおける変形方向と変形量を線分で図示したものである。
FIG. 12 shows each of the points a˜ on the outer periphery based on the result of FEM analysis of the piezoelectric
下表3は、表1、2と同様に、圧電セラミック板101の外周部の各点a〜hにおける相対的な変形量、および各点a〜hにおける変形方向と圧電セラミック板101の外周縁とのなす角度を示している。
The following Table 3 shows the relative deformation amount at each point a to h of the outer peripheral portion of the piezoelectric
以下、図12(a)および(b)に示す圧電セラミック板101における点bの変形を用いて移動子を駆動する態様を、第一比較態様という。
また、図12(a)および(b)に示す圧電セラミック板101における点cの変形を用いて移動子を駆動する態様を、第二比較態様というものとする。
Hereinafter, the mode in which the moving element is driven using the deformation of the point b in the piezoelectric
In addition, a mode in which the moving element is driven using the deformation at the point c in the piezoelectric
図12および表3に示す第一および第二比較態様の結果を、本実施形態の第一態様(図6および表1)ならびに第二態様(図9および表2)の結果と比較する。
まず、第一比較態様の場合、駆動点に相当する点bにおける変形量(0.34:表3)は、本実施形態の第一態様における付勢部103の位置(点aまたは点e)における変形量(0.63または0.75:表1)、ならびに第二態様における付勢部103の位置(点bまたは点f)における変形量(0.73:表2)の約半分の値である。このため、第一比較態様のモータでは、移動子の駆動速度を、本実施形態の第一または第二態様にかかる超音波モータ10と同等に得ることはできない。
また、表3に示す点bにおける変形方向と圧電セラミック板101の接線方向とのなす角度は45度未満(19度)であるため、かかる点bに付勢部および移動子を配置した場合には、付勢部から移動子に向かう接近方向成分を付勢部が十分に得ることができない。
The results of the first and second comparative modes shown in FIG. 12 and Table 3 are compared with the results of the first mode (FIGS. 6 and 1) and the second mode (FIGS. 9 and 2) of the present embodiment.
First, in the case of the first comparison mode, the deformation (0.34: Table 3) at the point b corresponding to the drive point is the position (point a or point e) of the urging
Further, since the angle formed by the deformation direction at the point b shown in Table 3 and the tangential direction of the piezoelectric
第二比較態様のモータの場合も同様である。移動子の駆動点に相当する点cにおける変形量(0.46:表3)は、本実施形態の第一または第二態様における付勢部103の位置における変形量よりも小さく、かつ点cにおける上記角度は0度である。したがって、第二比較態様のモータも、本実施形態の超音波モータ10と比較して、移動子の駆動速度が十分に得られず、かつ移動子を安定して駆動することができない。
The same applies to the motor of the second comparison mode. The deformation amount (0.46: Table 3) at the point c corresponding to the driving point of the moving element is smaller than the deformation amount at the position of the urging
これに対し、本実施形態の超音波モータ10では、駆動電極として、交番電圧が常時印加される共通駆動電極41a,41bと、交番電圧が選択的に印加される選択駆動電極41c,41dと、を含んでいる。これにより、圧電セラミック板101の主面30には、約3/4の面積に対して交番電圧を印加することができるため、圧電セラミック板101に大きな圧電変形を生じさせることができる。
On the other hand, in the
<第二実施形態>
図13は、本発明の超音波モータの他の実施形態の構成を示す概略図である。
本実施形態の超音波モータ10は、図7(a)、(b)に示す第一態様に係る圧電セラミック板101を用いて移動子107を駆動するものである。
<Second embodiment>
FIG. 13 is a schematic diagram showing the configuration of another embodiment of the ultrasonic motor of the present invention.
The
すなわち、本実施形態の超音波モータ10は、圧電セラミック板101が円環板状をなし、領域A、B、C、Dは円環状の主面30を二本の互いに直交する直径で4分割してなる略扇状をなしている。共通駆動電極41a,41bは、隣接する二つの領域BおよびCに形成され、第一および第二選択駆動電極41c、41dは、他の二つの領域AとDにそれぞれ形成されている。圧電セラミック板101の他の主面(図示せず)には共通アース電極102が設けられている。
そして、付勢部103は、共通駆動電極41a,41bの形成された二つの領域B,C同士の境界線と圧電セラミック板101の外周との交点近傍に設けられている。
ベース109に載置された移動子107、支持具105、弾性部材106および摺動機構108は、図1に示す第一実施形態と共通である。
That is, in the
The biasing
The
図13において、スイッチSW2は2回路4接点の駆動電圧を印加する電極を切替えるためのものであり、第1回路C1のコモン端子S00は、常に帰還発振器(アンプ)112の出力端子113に接続され、同時に共通駆動電極41a,41bに接続されている。ここで、共通駆動電極41a,41bは、圧電セラミック板101上で電極パターンにより互いに電気的に接続されている。
なお、選択駆動電極41cと41dは、互いに絶縁されている。
In FIG. 13, a switch SW2 is for switching electrodes for applying a driving voltage of two circuits and four contacts, and the common terminal S00 of the first circuit C1 is always connected to the
The
端子S01は第一選択駆動電極41cと接続され、端子S02は第二選択駆動電極41dと接続されている。また、帰還発振器112の入力端子114は、スイッチSW2の第2回路C2のコモン端子S10に接続されている。
端子S11は、第二選択駆動電極41dとアース端子115との間に接続された抵抗R11、R12の中間に設けられている。端子S12は、第一選択駆動電極41cとアース端子116との間に接続された抵抗R21、R22の中間に設けられている。
帰還発振器112の発振周波数は、周波数frに設定されている。
The terminal S01 is connected to the first
The terminal S11 is provided between resistors R11 and R12 connected between the second
The oscillation frequency of the feedback oscillator 112 is set to the frequency fr.
ここで、抵抗R11とR12の直列抵抗、および抵抗R21とR22の直列抵抗の値は、駆動電圧が印加されない第一または第二選択駆動電極41c、41dが実効的に開放となるような高い抵抗値とする。なお、分圧抵抗R12およびR22の値は、帰還発振器112に適切な電圧が帰還されるように適宜選択可能である。
Here, the values of the series resistances of the resistors R11 and R12 and the series resistances of the resistors R21 and R22 are high resistances that effectively open the first or second
この状態で、スイッチSW2を上側に倒すと、駆動電圧は共通駆動電極41a,41bおよび第一選択駆動電極41cに印加されて圧電セラミック板101の領域A,B,Cが通電される。したがって、図7(b)に示すように、領域BとCの境界部(同図における点e)の近傍が圧電セラミック板101の周方向および径方向に変形するため、同部に形成された付勢部103により移動子107は図13の左方に突き出されて左向きに移動する。
In this state, when the switch SW2 is tilted upward, the drive voltage is applied to the
一方、スイッチSW2を下側に倒すと、駆動電圧は領域B,C,Dに印加されるため、図7(a)に示すように、領域BとCの境界部の近傍が変形するため、同部に形成された付勢部103により移動子107は図13の右方に突き出されて右向きに移動する。
つまり、スイッチSW2を切り替えるだけで、移動子107を左右方向に選択的に移動させることができる。
On the other hand, when the switch SW2 is tilted downward, the drive voltage is applied to the regions B, C, and D, so that the vicinity of the boundary between the regions B and C is deformed as shown in FIG. The moving
That is, the moving
ここで、交番電圧(駆動電圧)が印加されない第一または第二選択駆動電極41c、41dは開放される。そして、本実施形態の超音波モータ10では、開放された選択駆動電極を、自励発振回路用の帰還電極としている。
これにより、機械的負荷状態の変化や周囲温度の変化により共振周波数が変化した場合でも自動的にその共振周波数を追尾するため、安定な駆動回路を構成することができる。
Here, the first or second
Thus, even when the resonance frequency changes due to a change in the mechanical load state or a change in the ambient temperature, the resonance frequency is automatically tracked, so that a stable drive circuit can be configured.
<第三実施形態>
図14は、本発明の超音波モータの他の実施形態の構成を示す概略図である。
本実施形態の超音波モータ10は、圧電セラミック板101に生ずる2カ所の変形を利用して構成したリニアガイド型の構造を備えるものである。同図では、圧電セラミック板101に駆動電圧を印加するための駆動回路は図示を省略している。
<Third embodiment>
FIG. 14 is a schematic diagram showing the configuration of another embodiment of the ultrasonic motor of the present invention.
The
本実施形態の超音波モータ10では、図9各図と同様、領域A〜Dは円環状の主面30を二本の互いに直交する直径で4分割してなる略扇状をなし、領域AとCに共通駆動電極41a,41bが形成され、領域BとDに第一および第二選択駆動電極41c、41dがそれぞれ形成されている。
In the
また、本実施形態の超音波モータ10においては、第一選択駆動電極41cと第二選択駆動電極41dは主面30の中心CPに関して点対称位置に配置され、付勢部103は圧電セラミック板101の外周のうち対称軸AX上であって中心CPを挟む両側に対向して設けられている。
Further, in the
具体的には、領域AとCの外周縁の中央に、それぞれ付勢部103(領域Cにおける付勢部103は図示省略)が設けられている。
Specifically, urging portions 103 (the urging
一方、本実施形態の超音波モータ10により駆動される移動子107は、基板121と、基板121に立設されて圧電セラミック板101を挟持する一対の平行な立板122、123とを備えている。すなわち、図14に示すように、移動子107は上方開口した、断面コ字状の部材である。
また、移動子107には、対向する立板122、123の内側に、弾性板124と、さらにその内側に摩擦板125が被着されている。摩擦板125同士の対向間隔は、付勢部103の外縁同士の距離よりもわずかに小さい。
すなわち、圧電セラミック板101は、対向する摩擦板125によって所定の押圧力にて挟持される。
On the other hand, the moving
The
That is, the piezoelectric
基板121には、中央部に長円形の孔126が貫通して形成されている。孔126の長径方向は、対向する摩擦板125の延在方向と一致している。以下、孔126の長径方向を移動子107の長手方向といい、対向する摩擦板125の間隔方向を移動子107の幅方向という。
The
圧電セラミック板101の支持具105は棒状をなし、圧電セラミック板101の中心CPを通り、圧電セラミック板101の面直方向の下方に突出して孔126に挿通されている。
孔126の短径方向の内径は、支持具105の軸径よりもわずかに大きい。
The
The inner diameter of the
ベースガイド130は、移動子107を長手方向に摺動可能に保持するレール部材である。移動子107の基板121は、ベースガイド130の凹溝131に対して長手方向に摺動可能に嵌合している。
圧電セラミック板101の支持具105の下端は、凹溝131の底面132に固定されている。
The
The lower end of the
かかる圧電セラミック板101の第一または第二選択駆動電極41c、41dより選択された一方と、共通駆動電極41a,41bとに対して、駆動電圧として周波数frの交番電圧を印加すると、圧電セラミック板101は図9各図に図示のように共振する。
When an alternating voltage having a frequency fr is applied as a drive voltage to one of the piezoelectric
その結果、表2に示したように、圧電セラミック板101において付勢部103が設けられた点bおよび点fにおいては、移動子107を同じ方向に移動させる同じ角度かつ同じ量の変形が生ずる。
ここで、移動子107に装着された弾性板124は、摩擦板125を圧電セラミック板101に常に押し付ける構成となっているため、圧電セラミック板101の領域AとCの部分円弧の中央部に設けられた付勢部103とは所定の摩擦力にて係合している。
そして、駆動電圧の印加によって生じた付勢部103の弾性変形によって、移動子107は長手方向に摩擦力をうけてベースガイド130上を駆動される。
また、駆動電圧を印加する第一または第二選択駆動電極41c、41dの選択を切り替えることにより、付勢部103の振動方向は長手方向に反転し、移動子107の送り方向が正逆に切り替えられる。
As a result, as shown in Table 2, at the point b and point f where the urging
Here, since the
The moving
Further, by switching the selection of the first or second
なお、本発明は上述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的が達成される限りにおける種々の変形、改良等の態様も含む。
上記実施形態では、圧電セラミック板101を円板状とし、これを二本の直径で4つの領域A〜Dに区画しているが、本発明はこれに限られない。
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes various modifications and improvements as long as the object of the present invention is achieved.
In the said embodiment, although the piezoelectric
たとえば、図4、5には圧電セラミック板101が円板状(円環板状)である場合の振動モード図を図示したが、圧電セラミック板101が幾何学的に厳密な円板状であるほか、実質的に円板状であれば、同様の振動モードを利用して移動子107を駆動することができる。すなわち、本実施形態において圧電セラミック板101が円板状であるとは、上記実施形態と同様に移動子107を正逆方向に実用的に切り替えて駆動可能である限り、たとえば円板の一部を削除した形状や、円板に対して角部その他の部位を部分的に付加した形状など、実質的に円板状である場合を含む。
For example, FIGS. 4 and 5 show vibration mode diagrams in the case where the piezoelectric
また、上記実施形態では、付勢部103と移動子107とが常時接触している態様を説明したが、本発明はこれに限られない。たとえば、圧電セラミック板101の共振周期において、付勢部103と移動子107とが一時的に離間してもよい。
また、付勢部103は圧電セラミック板101の共振周期において、圧電セラミック板101の拡径時に移動子107を付勢してもよく、または圧電セラミック板101の縮径時に移動子107を付勢してもよい。
Moreover, although the biasing
Further, the urging
また、上記実施形態および変形例では、対称軸AX上にのみ付勢部103が設けられている態様を説明したが、本発明はこれに限られない。たとえば対称軸AX上に加え、他の部位にも付勢部103をさらに設けてもよい。
Moreover, although the embodiment and the modification have described the aspect in which the urging
また、圧電セラミック板101の主面30を複数の領域に分割するにあたり、各領域の面積は均等であっても、または互いに相違してもよい。また、各領域の形状に関しても、複数の領域に関して互いに同一であっても、または相違してもよい。
Further, when the
さらに、図1および図13に示した駆動回路は、単なる実施例であり、デジタル信号処理回路等の種々の回路構成により同様の機能を満足させることが可能である。 Furthermore, the drive circuits shown in FIGS. 1 and 13 are merely examples, and similar functions can be satisfied by various circuit configurations such as a digital signal processing circuit.
本発明の上記実施形態およびその変形例は、以下の技術思想を包含するものである。
(1)厚さ方向に分極され、一方の主面が複数の領域に区画された板状の圧電振動子と、前記領域に個別に形成されて交番電圧が印加される、第一および第二選択駆動電極ならびに共通駆動電極と、前記圧電振動子の他方の主面に形成されたアース電極と、前記圧電振動子の外周に設けられた付勢部と、を備え、前記第一または第二選択駆動電極より選択された一方および前記共通駆動電極と前記アース電極との間に前記交番電圧を印加し、前記第二または第一選択駆動電極を開放することにより、前記圧電振動子が平面方向に共振して、前記付勢部が前記圧電振動子の周方向および径方向に、前記周方向よりも前記径方向に大きな変位量にて振動し、かつ、前記第一または第二選択駆動電極の選択を切り替えることにより、前記付勢部の前記周方向の振動と前記径方向の振動の位相が反転して、前記付勢部に付勢される移動子の送り方向が正方向または逆方向に切り替えられることを特徴とする超音波モータ;
(2)前記圧電振動子が円板状をなし、円形の前記主面の一つの直径を対称軸として、前記第一選択駆動電極と前記第二選択駆動電極とが対称位置に配置され、かつ、前記共通駆動電極が対称形状をなし、前記付勢部が前記対称軸上に設けられていることを特徴とする上記の超音波モータ;
(3)前記第一選択駆動電極と前記第二選択駆動電極とが、前記主面の中心に関して点対称位置に配置され、前記付勢部が、前記対称軸上であって前記中心を挟む両側に対向して設けられていることを特徴とする上記の超音波モータ;
(4)前記付勢部が前記移動子に対して摩擦力により駆動力を付与するとともに、前記移動子の送り方向が前記圧電振動子の前記周方向である上記いずれかの超音波モータ;
(5)前記第一選択駆動電極と前記共通駆動電極との合計面積、および前記第二選択駆動電極と前記共通駆動電極との合計面積が、ともに前記主面の面積の二分の一よりも大きいことを特徴とする上記いずれかの超音波モータ;
(6)前記圧電振動子が円板状をなし、前記領域が、円形の前記主面を複数の半径で区画してなる扇状をなしている上記いずれかの超音波モータ;
(7)前記圧電振動子が円板状をなし、前記領域が、円形の前記主面を二本の互いに直交する直径で4分割してなる扇状をなし、前記領域の二つに前記共通駆動電極が形成され、かつ、前記領域の各一つに前記第一および第二選択駆動電極が形成されている上記いずれかの超音波モータ;
(8)前記圧電振動子が円環板状をなし、前記領域が、円環状の前記主面を二本の互いに直交する直径で4分割してなる略扇状をなし、隣接する二つの前記領域に前記共通駆動電極が形成され、他の二つの前記領域に、前記第一および第二選択駆動電極がそれぞれ形成され、前記アース電極が、前記圧電振動子の前記他の主面において4つの前記領域にまたがって設けられた共通アース電極であり、前記付勢部が、前記共通駆動電極の形成された二つの前記領域同士の境界線と前記圧電振動子の外周との交点近傍に設けられ、前記第一または第二選択駆動電極より選択された一方および前記共通駆動電極と、前記共通アース電極と、の間に前記交番電圧が印加されることを特徴とする上記いずれかの超音波モータ;
(9)前記圧電振動子が円環板状をなし、前記領域が、円環状の前記主面を二本の互いに直交する直径で4分割してなる略扇状をなし、対向する二つの前記領域に前記共通駆動電極が形成され、他の二つの前記領域に、前記第一および第二選択駆動電極がそれぞれ形成され、前記アース電極が、前記圧電振動子の前記他の主面において4つの前記領域にまたがって設けられた共通アース電極であり、前記付勢部が、前記共通駆動電極の形成された前記領域の二等分線と前記圧電振動子の外周との交点近傍に設けられ、前記第一または第二選択駆動電極より選択された一方および前記共通駆動電極と、前記共通アース電極と、の間に前記交番電圧が印加されることを特徴とする上記いずれかの超音波モータ。
The above-described embodiments of the present invention and modifications thereof include the following technical ideas.
(1) A plate-like piezoelectric vibrator that is polarized in the thickness direction and has one main surface partitioned into a plurality of regions, and an alternating voltage that is individually formed in the region and applied with an alternating voltage. A selection drive electrode and a common drive electrode, a ground electrode formed on the other main surface of the piezoelectric vibrator, and an urging portion provided on an outer periphery of the piezoelectric vibrator, the first or second By applying the alternating voltage between one selected from the selection drive electrodes and the common drive electrode and the ground electrode, and opening the second or first selection drive electrode, the piezoelectric vibrator is in a plane direction The biasing portion vibrates in a circumferential direction and a radial direction of the piezoelectric vibrator with a larger displacement in the radial direction than in the circumferential direction, and the first or second selective drive electrode By switching the selection of Circumferential direction vibration and the phase is inverted vibration in the radial direction of the ultrasonic motor feeding direction of the moving element which is biased in the urging portion is characterized in that it is switched to the forward or reverse direction;
(2) The piezoelectric vibrator has a disk shape, the first selection drive electrode and the second selection drive electrode are arranged at symmetrical positions with one diameter of the circular main surface as an axis of symmetry, and The ultrasonic motor, wherein the common drive electrode has a symmetrical shape, and the urging portion is provided on the symmetry axis;
(3) The first selection drive electrode and the second selection drive electrode are arranged at point-symmetrical positions with respect to the center of the main surface, and the biasing portion is on the symmetry axis and sandwiches the center The ultrasonic motor described above, wherein the ultrasonic motor is provided opposite to the motor;
(4) The ultrasonic motor according to any one of the above, wherein the urging unit applies a driving force to the moving element by a frictional force, and the moving direction of the moving element is the circumferential direction of the piezoelectric vibrator;
(5) The total area of the first selection drive electrode and the common drive electrode and the total area of the second selection drive electrode and the common drive electrode are both greater than one half of the area of the main surface. Any one of the above-described ultrasonic motors;
(6) The ultrasonic motor according to any one of the above, wherein the piezoelectric vibrator has a disk shape and the region has a fan shape formed by dividing the circular main surface with a plurality of radii.
(7) The piezoelectric vibrator has a disk shape, and the region has a fan shape formed by dividing the main surface of the circle into four parts with mutually orthogonal diameters, and the common drive is performed in two of the regions. Any one of the above ultrasonic motors in which an electrode is formed and the first and second selective drive electrodes are formed in each one of the regions;
(8) The piezoelectric vibrator has an annular plate shape, and the region has a substantially fan shape formed by dividing the annular main surface into four parts with mutually orthogonal diameters, and the two adjacent regions. The common drive electrode is formed on the other two regions, and the first and second selective drive electrodes are formed on the other two regions, respectively, and the ground electrode is formed on the four other main surfaces of the piezoelectric vibrator. A common earth electrode provided over a region, and the biasing portion is provided in the vicinity of an intersection between a boundary line between the two regions where the common drive electrode is formed and the outer periphery of the piezoelectric vibrator, Any one of the above-described ultrasonic motors, wherein the alternating voltage is applied between one selected from the first or second selection drive electrode and the common drive electrode and the common ground electrode;
(9) The piezoelectric vibrator has an annular plate shape, and the region has a substantially fan shape formed by dividing the annular main surface into four parts with mutually perpendicular diameters, and the two regions facing each other. The common drive electrode is formed on the other two regions, and the first and second selective drive electrodes are formed on the other two regions, respectively, and the ground electrode is formed on the four other main surfaces of the piezoelectric vibrator. A common earth electrode provided across a region, wherein the biasing portion is provided in the vicinity of an intersection of a bisector of the region where the common drive electrode is formed and the outer periphery of the piezoelectric vibrator, Any one of the above-described ultrasonic motors, wherein the alternating voltage is applied between one selected from the first or second selection drive electrode and the common drive electrode and the common ground electrode.
10 超音波モータ
30,31 主面
41a,41b,41e 共通駆動電極
41c,41f 第一選択駆動電極
41d,41g 第二選択駆動電極
42 円孔
101 圧電セラミック板
102 共通アース電極
103 付勢部
105 支持具
106 弾性部材
107 移動子
108 摺動機構
109 ベース
110 発振器
111,113 出力端子
112 帰還発振器(アンプ)
114 入力端子
115,116 アース端子
121 基板
122、123 立板
124 弾性板
125 摩擦板
126 孔
130 ベースガイド
131 凹溝
132 底面
A〜D,E〜G 領域
AX 対称軸
CP 中心
SW1,SW2 スイッチ
DESCRIPTION OF
114
Claims (3)
前記領域に個別に形成されて交番電圧が印加される、第一および第二選択駆動電極ならびに共通駆動電極と、
前記圧電振動子の他方の主面に形成されたアース電極と、
前記圧電振動子の外周に設けられた付勢部と、を備え、
前記第一または第二選択駆動電極より選択された一方および前記共通駆動電極と前記アース電極との間に前記交番電圧を印加し、前記第二または第一選択駆動電極を開放することにより、前記圧電振動子が平面方向に共振して、前記付勢部が前記圧電振動子の周方向および径方向に、前記周方向よりも前記径方向に大きな変位量にて振動し、かつ、
前記第一または第二選択駆動電極の選択を切り替えることにより、前記付勢部の前記周方向の振動と前記径方向の振動の位相が反転して、前記付勢部に付勢される移動子の送り方向が正方向または逆方向に切り替えられることを特徴とする超音波モータ。 A plate-like piezoelectric vibrator polarized in the thickness direction and having one main surface partitioned into a plurality of regions;
First and second selective drive electrodes and common drive electrodes, which are individually formed in the region and applied with an alternating voltage;
An earth electrode formed on the other main surface of the piezoelectric vibrator;
An urging portion provided on an outer periphery of the piezoelectric vibrator,
Applying the alternating voltage between one selected from the first or second selection drive electrode and the common drive electrode and the ground electrode, and opening the second or first selection drive electrode, The piezoelectric vibrator resonates in a plane direction, and the biasing portion vibrates in a circumferential direction and a radial direction of the piezoelectric vibrator with a larger displacement in the radial direction than in the circumferential direction; and
By switching the selection of the first or second selection drive electrode, the phase of the circumferential vibration and the radial vibration of the urging unit is reversed, and the movable element urged by the urging unit The ultrasonic motor is characterized in that the feed direction is switched between the forward direction and the reverse direction.
円形の前記主面の一つの直径を対称軸として、
前記第一選択駆動電極と前記第二選択駆動電極とが対称位置に配置され、かつ、
前記共通駆動電極が対称形状をなし、
前記付勢部が前記対称軸上に設けられていることを特徴とする請求項1に記載の超音波モータ。 The piezoelectric vibrator has a disk shape,
With one diameter of the circular main surface as the axis of symmetry,
The first selection drive electrode and the second selection drive electrode are arranged at symmetrical positions; and
The common drive electrode has a symmetrical shape;
The ultrasonic motor according to claim 1, wherein the biasing portion is provided on the axis of symmetry.
前記付勢部が、前記対称軸上であって前記中心を挟む両側に対向して設けられていることを特徴とする請求項2に記載の超音波モータ。 The first selection drive electrode and the second selection drive electrode are arranged in a point-symmetrical position with respect to the center of the main surface,
The ultrasonic motor according to claim 2, wherein the urging portion is provided opposite to both sides of the symmetric axis and sandwiching the center.
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