JP2011217568A - 超音波モータ及びこれを搭載した電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電素子で励振される二つの定在波の大きさのばらつきを抑え、性能が安定した超音波モータを提供する。
【解決手段】一方の面に設けられ周方向に等分された複数の分割電極と、分割電極の内周側に設けられた内周電極と、分割電極の外周側に設けられた外周電極と、分割電極のうち一つおきの分割電極を内周電極と圧電素子の径方向で短絡する様にこの分割電極と内周電極の上に設けられた複数の内周短絡電極と、分割電極のうち内周電極と短絡されていない分割電極を外周電極と圧電素子の径方向で短絡する様にこの分割電極と外周電極の上に設けられた複数の外周短絡電極と、を有する圧電素子を備えた超音波モータとする。
【選択図】図２

Description

本発明は、圧電素子により励振される振動体の振動により移動体を摩擦駆動する超音波モータ、及び超音波モータを搭載した電子機器に関する。

円板あるいは円環形状の振動体を用いた超音波モータとしては、振動体に発生させる振動のタイプにより進行波型の超音波モータと定在波型の超音波モータが知られている。前者は振動体に位置的に位相の異なる二つの振動を励振するために二つの電極群を必要とし、後者は駆動時には一つの電極群のみを使用するが、移動体の移動方向を変える際に振動体に励振する定在波の位置をずらす必要があるためこれら二つの定在波に対応した二つの電極群が必要となる。

これら二つの電極群は夫々複数の電極で構成されているが各電極にリード線等の導通部材を接合する方法を採ると製造コストが掛かるとともに振動体の振動を阻害するため、超音波モータの性能低下、大きな性能ばらつきを引き起こす恐れがある。そこで、圧電素子の周方向に分割した電極一つおきを圧電素子の内周側で短絡させるとともにそれ以外の電極を外周側で短絡させることで二つの電極群を構成することが行われている。

特開平３−２１９６８１号公報 特開平８−１０７６８６号公報

しかしながら特許文献１に示した電極構造の場合、圧電素子の内周側で短絡されている電極群はこれを構成する複数の電極が、もう一つの電極群を構成する複数の電極よりも内周側に突出部分を有している。従って、二つの電極群において駆動信号により駆動される電極の面積が異なってしまっていた。

進行波型の超音波モータの場合、理想的（波頭の高さが常に一定）な進行波を励振するためには振幅の同じ二つの位置的に位相の異なる定在波を励振させることが必要であるが、このような電極構造では二つの定在波の振幅は異なってしまい波頭の高さが時間的に変動してしまっていた。これにより振動体と移動体の接触状態も変動してしまい、超音波モータの特性低下や耐久性の低下を及ぼす恐れがあった。また特許文献２に示した定在波型の超音波モータの場合、二つの定在波の振幅が異なると移動体の移動方向によって超音波モータの特性が異なってしまうという問題が発生してしまった。

これらの課題を解決するために本願発明は、円板もしくは円環形状の圧電素子と、前記圧電素子の一方の面に設けられ周方向に等分された複数の分割電極と、前記分割電極の内周側に設けられた内周電極と、前記分割電極の外周側に設けられた外周電極と、前記分割電極のうち一つおきの分割電極を前記内周電極と前記圧電素子の径方向で短絡する様にこの分割電極と前記内周電極の上に設けられた複数の内周短絡電極と、前記分割電極のうち前記内周電極と短絡されていない分割電極を前記外周電極と前記圧電素子の径方向で短絡する様にこの分割電極と前記外周電極の上に設けられた複数の外周短絡電極と、前記圧電素子に接合された振動体と、前記振動体と接する移動体と、前記振動体と前記移動体を加圧接触させる加圧部材と、を有する超音波モータとする。

これによれば、二つの電極群を構成し分極処理された分割電極の面積は等しいので二つの電極群夫々で励振される振動の振幅は等しくなる。

更に、前記外周短絡電極は前記外周電極と重なる部分において前記圧電素子の周方向に延出する延出部を有する構造としても良いし、前記延出部の幅は前記内周電極の幅よりも広い構造としても良い。また、前記外周電極の幅は前記内周電極の幅よりも広い構造としても良い。

これらによれば、二つの電極群においてこれらを構成する複数の電極を短絡する部分の電極の抵抗値の差を等しく、あるいは極力小さくできるため、圧電素子の厚みを薄く設定した場合等により、振動体の共振時のインピーダンスが低くなり二つの電極群の抵抗値の差が影響する場合にも二つの電極群夫々で励振される振動の振幅を等しく、あるいは差を極力小さくすることができる。また、抵抗値が高くなりやすい圧電素子の外周での短絡部の抵抗も、容易に下げることができる。

本願発明によれば、圧電素子の二つの電極群夫々で励振される振動の振幅を等しく、あるいは極力差を小さくすることが可能なため超音波モータの特性を向上させることが可能となる。特に進行波型の超音波モータの場合、耐久性を向上させることができる。また定在波型の超音波モータの場合、移動体の移動方向による特性を等しくあるいは差を極力小さくすることができる。

本発明の超音波モータの構造を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態１の圧電素子の電極構造を示す図である。 本発明の実施の形態１の圧電素子の電極構造の製造方法を説明するための図である。 本発明の実施の形態２の圧電素子の裏面の電極構造を示す図である。 本発明の実施の形態２の圧電素子の裏面の電極構造の別の例を示す図である。 本発明の実施の形態３の圧電素子の裏面の電極構造を示す図である。 本発明の実施の形態３の圧電素子の裏面の電極構造の別の例を示す図である。 本発明の実施の形態３の圧電素子の電極構造の別の例の製造方法を説明するための図である。 本発明の超音波モータを搭載した電子機器の構成を示すブロック図である。

本発明の超音波モータを図面に基づいて説明する。図１は本発明の超音波モータ１００の縦断面図である。超音波モータ１００は圧電素子１、１１、２１、３１、４１が接着固定される振動体２、振動体２を支持する中心軸３、中心軸３を固定する固定板４、中央に軸受け５を有し中心軸３で回転案内される移動体６、移動体６の上部中央に設けられたピボット７、ピボット７を所定の加圧力で加圧し移動体６と振動体２に設けられた突起２ａの間に接触圧を発生させる加圧ばねである板ばね８、移動体６に設けられた歯車６ａ、圧電素子１、１１、２１、３１、４１に電力を供給するリード線９とから構成されている。超音波モータ１００の構造は特許文献１、２と同様のものであり、駆動原理は進行波型の場合は特許文献１に、定在波型の場合には特許文献２に開示されているので詳細な説明は割愛する。

以下、本発明の特徴である超音波モータ１００に用いられる圧電素子１、１１、２１、３１、４１について詳細に説明する。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１を図２、３を基にして説明する。図２は圧電素子１の表裏の電極形状を示す図であり、図２（ａ）は圧電素子１の表面（振動体２との接着面）を示す図であり、図２（ｂ）は裏面（振動体２との接着後に露出される面）を示す図である。

振動体２との接着面となる電極４０は圧電素子１のほぼ全面に設けられている。電極４０は蒸着により圧電素子１に対してＣｒ、Ｎｉ、Ａｕの順に成膜されている。ＣｒはＮｉ，Ａｕと圧電素子１との結合を強めるためのものであり、Ｎｉはリード線９との半田接合性を高めるためのものであり、Ａｕは電極抵抗を下げる働きがある。以下全ての電極はこれらの材料を用いて蒸着で成膜されたものを示すが、電極の材料は適宜変更可能であり、また成膜方法も蒸着に限るものではなく、スパッタや印刷等の手法を用いてもかまわない。圧電素子１の外周部には電極４０が設けられていない余白部があるがこれは蒸着工程で使われるマスクの跡であり、圧電素子１全面に電極が設けられていても構わない。

圧電素子１の裏面には、周方向に分割された複数の分割電極１５が圧電素子１の内周側で一つおきに短絡された第一の電極群１２と、圧電素子１の外周側で一つおきに短絡された第二の電極群１３が設けられている。第一の電極群１２は一つおきの分割電極１５と内周電極１６と内周短絡電極２０とで構成され、第二の電極群１３は第一の電極群１２を構成しない残りの一つおきの分割電極１５と外周電極１４と外周短絡電極１８、目印用外周短絡電極１９とで構成される。

次にこれら電極群１２、１３の製造方法について図２（ｂ）、図３を基に説明する。電極群１２、１３は2回の工程を経て完成される。先ず、図３に示したように圧電素子１の周方向に等分割された分割電極１５と分割電極１５の外側（圧電素子１の外周部）に設けられた外周電極１４、内側（圧電素子１の内周部）に設けられた内周電極１６が成膜される。分割電極１５は振動体２に励振される屈曲振動の波長の１/４間隔に等分されている。分割電極１５は１２分割されているため、振動体２には３波の振動が発生する様に設計されている。外周電極１４、内周電極１６は圧電素子１の周方向全体に渡って設けられているが部分的に分離された分離部を有している。この分離部は外周電極１４並びに内周電極１６を蒸着で成膜する際に用いられるマスクの構成上必要なものであるがこれら分離部の内一つであり他の分離部に比べて間隔の広い大分離部１７は後に説明するように圧電素子１の裏面の電極構造の目印としても機能する。そして、外周電極１４の分離部と内周電極１４の分離部は互いに異なる分割電極１５に対応し、その径方向に一つおきに設けられている。この状態において、電極４０と分割電極１５の間に高電圧が印加され圧電素子１は分極処理される。この際分割電極１５の二つおきの電極毎に印加電圧の方向は（図中＋、−で示されるように）変られている。

この分極処理がなされた圧電素子１に対して分割電極１５と内周電極１６を短絡する内周短絡電極２０と、分割電極１５と外周電極１４とを短絡する外周短絡電極１８、目印用外周短絡電極１９とが成膜され第一の電極群１２と第二の電極群１３が構成される（図２（ｂ））。二つのL字状の目印用外周短絡電極１９は大分離部１７に近接する位置に設けられており、（外周短絡電極１８で短絡されない）大分離部１７は圧電素子１の分極方向を示す目印となる。そして圧電素子１と振動体２との接着時に振動体２に設けられた突起との位置決めをする際等の目印に使われる。しかしながらこのように圧電素子１の分極方向を示す目印を残す必要がない場合には大分離部１７にも外周短絡電極１８を設け外周電極１４、外周短絡電極１８での導通抵抗を下げることが望ましく、分離間隔が大きな大分離部１７を設けずに他の分離部と同じ分離間隔とすれば良い。

基本的に内周短絡電極２０と外周短絡電極１８、目印用外周短絡電極１９とは同じ工程で蒸着されるが、内周短絡電極２０と外周短絡電極１８、目印用外周短絡電極１９とで蒸着工程を変え、外周短絡電極１８、目印用外周短絡電極１９の厚みを内周短絡電極２０よりも厚くすることで第一の電極群１２と第二の電極群１３の抵抗値を調整可能である。

本発明によれば圧電素子１は第一の電極群１２が設けられた部分において分極処理された部分と第二の電極群１３において分極処理された部分の面積は等しく、二つの電極群夫々で励振される振動の振幅は同等となる。

（実施の形態２）
実施の形態１で示した圧電素子１の電極構造の変形例を示す。圧電素子の厚みが薄くなって共振時のインピーダンスが小さくなる場合等には、第一の電極群１２と第二の電極群１３の抵抗値の違いが問題になることがある。これは元々、内周側で短絡した方が外周側で短絡するよりも経路が短く抵抗が低く抑えられることに起因する。実施の形態１で示した圧電素子１では内周短絡電極２０は円周方向に延出した部分を有しており、これが内周電極１６と重なるため第一の電極群１２の抵抗値を更に下げることになり第一の電極群１２と第二の電極群１３の抵抗値の差を広げてしまう恐れがある。そこで本発明はこの問題を改善するためのものである。

本発明の圧電素子１１の電極構造について実施の形態1との差異を中心に説明する。図４は圧電素子１１の裏面の電極構造を示す図であるが、内周短絡電極２２は六つの小電極からなり周方向に繋がっていない。従って内周電極１６と分割電極１５を短絡する最小限の電極であり第一の電極群３２の抵抗値の必要以上の低下を抑えることができる。

図５は更なる改善を図った圧電素子２１の電極を示したものである。ここでは目印となる大分離部１７を設けずに六つの外周短絡電極１８で分割電極１５と外周電極１４とを短絡させた構造としている。これによれば圧電素子２１の外周全体に渡って一周して閉じた短絡電極が形成されるため第二の電極群３３の抵抗値を低くすることができ、第一の電極群３２と第二の電極群３３の抵抗値の差を更に小さくすることができる。

（実施の形態３）
図６は実施の形態２の圧電素子１１、２１の改善例である。外周短絡電極２３は周方向に延出した部分を有しており、これが外周電極１４と重なることで更に第二の電極群３４の抵抗値を低くすることができ、第一の電極群３２と第二の電極群３４の抵抗値の差を更に小さくすることができる。目印用外周短絡電極２４も周方向に延出した部分の電極の長さが更に長くされているとともに幅が電極１４と同じになっている。

内周短絡電極２２と外周短絡電極２３、目印用外周短絡電極２４の厚みは工程上外周電極１４、分割電極１５、内周電極１６とは別個に設定できるため適宜調整して第一の電極群３２と第二の電極群３４の抵抗値の差がなくなるように調整すれば良い。また外周短絡電極２３、目印用外周短絡電極２４の延出部の長さや幅を調整しても良い。基本的に内周短絡電極２２と外周短絡電極２３、目印用外周短絡電極２４とは同じ工程で蒸着されるが、内周短絡電極２２と外周短絡電極２３、目印用外周短絡電極２４とで蒸着工程を変えれば更に抵抗値を調整可能である。

図７は更に外周での短絡部分の抵抗値を下げる必要がある場合の圧電素子４１の電極構造（裏面）を示したものであり、図８は圧電素子４１の電極構造の製造方法を説明するための図である。

圧電素子４１の外周に位置する電極２５、外周短絡電極２６、目印用外周短絡電極２７の幅を内周にある内周電極１６よりも広げてある。これにより外周での電極の短絡部の抵抗値、即ち第二の電極群３５の抵抗値を確実に低減することが可能となる。

（実施の形態４）
本発明の超音波モータ１００を用いて電子機器２００を構成した例を、図９を基に説明する。

図９は、本発明の超音波モータ1００を電子機器の駆動源に適用したブロック図を示したものであり、圧電素子１、１１、２１、３１、４１に接合された振動体２により摩擦駆動される移動体６と、加圧ばね８と、移動体６と一体に動作する伝達機構４２と、伝達機構４２の動作に基づいて動作する出力機構４３とからなる。ここでは移動体６を回転体とし回転動作させる例について説明する。

ここで、伝達機構４２は例えば移動体６に設けられた歯車６ａとかみ合い回転する歯車列や、歯車６ａと摩擦接触する摩擦車等の伝達車を用いる。稼動部となる出力機構４３としては、プリンタにおいては紙送り機構、カメラにおいてはシャッタ駆動機構、レンズ駆動機構、フィルム巻き上げ機構等を、また電子機器や計測器においては指針等を、ロボットにおいてはアーム機構、工作機械においては歯具送り機構や加工部材送り機構等を用いる。

尚、本実施の形態における電子機器としては電子時計、計測器、カメラ、プリンタ、印刷機、ロボット、工作機、ゲーム機、情報記録機器、医療機器、移動装置等を実現できる。さらに移動体６自体に稼動部材を直接取り付けたり、移動体６に出力軸を設け、出力軸からのトルクを伝達するための動力伝達機構を有する構成とすれば、超音波モータ駆動装置を実現できる。

本発明の超音波モータは特に小型化した際に効力を発揮し、腕時計における指針、カレンダ等の駆動、情報記録機器における読み取り、書き込みヘッドの駆動、デジタルカメラ、ビデオカメラ等におけるレンズの駆動等、アクチュエータが必要とされる様々な電子機器の駆動源として適用可能である。

１、１１、２１、３１、４１ 圧電素子
１２、３２ 第一の電極群
１３、３３、３４、３４、３５ 第二の電極群
１４ 外周電極
１５ 分割電極
１６ 内周電極
１８、２３ 外周短絡電極
２０、２２ 内周短絡電極

Claims (7)

1. 円板もしくは円環形状の圧電素子と、
   前記圧電素子の一方の面に設けられ周方向に等分された複数の分割電極と、
   前記分割電極の内周側に設けられた内周電極と、
   前記分割電極の外周側に設けられた外周電極と、
   前記分割電極のうち一つおきの分割電極を前記内周電極と前記圧電素子の径方向で短絡する様にこの分割電極と前記内周電極の上に設けられた複数の内周短絡電極と、
   前記分割電極のうち前記内周電極と短絡されていない分割電極を前記外周電極と前記圧電素子の径方向で短絡する様にこの分割電極と前記外周電極の上に設けられた複数の外周短絡電極と、
   前記圧電素子に接合された振動体と、
   前記振動体と接する移動体と、
   前記振動体と前記移動体を加圧接触させる加圧部材と、
   を有する超音波モータ。
2. 前記外周短絡電極は前記外周電極と重なる部分において前記圧電素子の周方向に延出する延出部を有することを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
3. 前記延出部の幅は前記内周電極の幅よりも広いことを特徴とする請求項２に記載の超音波モータ。
4. 前記外周電極の幅は前記内周電極の幅よりも広いことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の超音波モータ。
5. 前記外周電極は前記外周短絡電極で短絡される位置で分割され、前記内周電極は前記内周短絡電極で分割される位置で分割されることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の超音波モータ。
6. 前記複数の外周短絡電極で短絡される分割電極のうち一つは前記圧電素子の周方向に分割された外周短絡電極で短絡されることを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の超音波モータ。
7. 請求項１乃至６の何れかに記載の超音波モータを搭載したことを特徴とする電子機器。

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