JP2012170255A - Piezoelectric element and ultrasonic motor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧電素子及び圧電素子を超音波振動子として利用する超音波モータに関する。 The present invention relates to a piezoelectric element and an ultrasonic motor using the piezoelectric element as an ultrasonic vibrator.
近年、電磁型モータに代わる新しいモータとして、圧電素子などの振動子の振動を利用した超音波モータが注目されている。この超音波モータは、従来の電磁型モータと比較して、ギア無しで低速高推力が得られる点、保持力が高い点、ストロークが長く高分解能である点、静粛性に富む点、磁気的ノイズを発生せず磁気的ノイズの影響を受けない点等の利点を有している。 In recent years, ultrasonic motors using vibrations of vibrators such as piezoelectric elements have attracted attention as new motors that replace electromagnetic motors. Compared with conventional electromagnetic motors, this ultrasonic motor has low speed and high thrust without gears, high holding force, long stroke and high resolution, quietness, magnetic There are advantages such as no noise and no influence of magnetic noise.
超音波モータでは、摩擦部材である駆動子が設けられた超音波振動子を、該駆動子を介して、相対運動部材である被駆動部材に押し付ける。そして、前記駆動子と前記被駆動部材との間の摩擦力によって前記被駆動部材を駆動する。
現在、より付加価値を高めた超音波モータの一つとして、多自由度の駆動が可能な圧電素子を用いた超音波モータの開発が行われている。そして、このような超音波モータに関連する技術としては、例えば特許文献1に次のような技術が開示されている。
In an ultrasonic motor, an ultrasonic vibrator provided with a driving element that is a friction member is pressed against a driven member that is a relative motion member via the driving element. Then, the driven member is driven by a frictional force between the driver and the driven member.
Currently, an ultrasonic motor using a piezoelectric element that can be driven with multiple degrees of freedom has been developed as one of ultrasonic motors with higher added value. And as a technique relevant to such an ultrasonic motor, the following techniques are disclosed by
すなわち、特許文献1には、単一の圧電素子で多自由度に駆動可能な超音波モータが開示されている。この特許文献1に開示されている超音波モータでは、複数の活性領域を有する柱状の圧電素子を振動体として用いている。
特許文献1に開示されている圧電素子は、圧電シートが積層されて成る略直方体形状の積層部(第1の積層部及び第2の積層部)を2つ具備している。前記第1の積層部の側面、及び前記第2の積層部の側面には、それぞれ外部電極が配設されている。
That is,
The piezoelectric element disclosed in
ところで、この特許文献1に開示されている圧電素子において、圧電活性領域は、各圧電シートの主平面を2分割するような態様に形成された2つの内部電極の位置に対応している。詳細には、前記第1の積層部と前記第2の積層部との境界を成す境界シートを境にして、第1の積層部における圧電活性領域と、第2の積層部における圧電活性領域とが、互いに90度回転(境界シートに対して水平に90度回転)した位置関係となるように、各圧電シートに内部電極が形成されている。
By the way, in the piezoelectric element disclosed in
上述のように構成し、各圧電活性領域に所定の交番信号を入力することで、当該圧電素子には縦1次振動と屈曲2次振動とが励起される。これにより、2方向の駆動力(X方向成分の駆動力及びY方向成分の駆動力)が発生する。そして、該駆動力を利用することで、当該圧電素子の長手方向における端面に圧接するように保持された球体形状の被駆動体を、2方向(XY方向)に移動動作させることができる。 By configuring as described above and inputting predetermined alternating signals to each piezoelectric active region, longitudinal primary vibration and bending secondary vibration are excited in the piezoelectric element. As a result, a driving force in two directions (a driving force in the X direction component and a driving force in the Y direction component) is generated. Then, by using the driving force, the spherical driven body held so as to be in pressure contact with the end face in the longitudinal direction of the piezoelectric element can be moved in two directions (XY directions).
ところで、現在、外的な要因(例えば負荷変動や温度変動)によって超音波モータの振動状態が変化した場合であっても、当該超音波モータの駆動を安定させる補正を行うことができる超音波モータが望まれている。
しかしながら、特許文献1に開示されている圧電素子には、外的な要因に起因する共振周波数の変化を検出する手段が設けられていない。従って、特許文献1に開示されている技術によれば、特別な検出手段を設ける等しない限り、上述のような外的要因によって圧電素子の振動状態が変化した場合に、当該超音波モータのモータ特性を安定させるような補正を行うことができない。なお、特別な検出手段を別途設けることは、当然ながら当該超音波モータの構成の複雑化・大型化に繋がる。
By the way, at present, even when the vibration state of the ultrasonic motor changes due to external factors (for example, load fluctuation or temperature fluctuation), the ultrasonic motor capable of performing correction to stabilize the driving of the ultrasonic motor. Is desired.
However, the piezoelectric element disclosed in
本発明は、前記の事情に鑑みてなされたものであり、多自由度の駆動が可能な超音波モータに利用される圧電素子であって、振動状態を検出可能で且つ簡易な構成の圧電素子、及び該圧電素子を具備する超音波モータを提供すること目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and is a piezoelectric element used in an ultrasonic motor that can be driven with multiple degrees of freedom, and can detect a vibration state and has a simple configuration. And an ultrasonic motor including the piezoelectric element.
前記の目的を達成するために、本発明の第1の態様による圧電素子は、
所定の駆動信号を印加されることで励起される複数の振動モードによって被駆動体を駆動する超音波振動子に用いられる圧電素子であって、
前記複数の振動モードにおける振動のうち、前記被駆動体を複数軸方向に駆動する際の推進方向の振動成分を検出する振動検出電極を含む振動検出電極層を具備し、
前記振動検出電極層は、同一周波数で互いに直交する方向の複数の屈曲振動モードにおける腹部近傍に設けられていることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a piezoelectric element according to the first aspect of the present invention comprises:
A piezoelectric element used in an ultrasonic transducer that drives a driven body by a plurality of vibration modes excited by applying a predetermined drive signal,
Among vibrations in the plurality of vibration modes, comprising a vibration detection electrode layer including a vibration detection electrode for detecting a vibration component in a propulsion direction when driving the driven body in a plurality of axial directions,
The vibration detection electrode layer is provided in the vicinity of the abdomen in a plurality of bending vibration modes in the direction orthogonal to each other at the same frequency.
前記の目的を達成するために、本発明の第2の態様による超音波モータは、
略球体形状を呈する被駆動体と、
所定の駆動信号を印加されることで励起される複数の振動モードによって前記被駆動体を多自由度に駆動する圧電素子と、
前記圧電素子のうち前記被駆動体に対向する面に設けられた摩擦接触子と、
前記圧電素子に押圧力を与え、前記摩擦接触子を介して前記圧電素子を前記被駆動体に加圧接触させる押圧部材と、
前記被駆動体を複数の軸周りに回転可能に支持するための支持部材と、
前記駆動信号である2相の交番信号を出力して前記圧電素子を駆動させ、且つ、前記圧電素子の振動状態を検出する制御部と、
を具備し、
前記圧電素子は、前記複数の振動モードにおける振動のうち、前記被駆動体を複数軸方向に駆動する際の推進方向の振動成分を検出する振動検出電極を含む振動検出電極層を具備し、
前記振動検出電極は、同一周波数で互いに直交する方向の複数の屈曲振動モードにおける腹部近傍に設けられている
ことを特徴とする。
In order to achieve the above object, an ultrasonic motor according to the second aspect of the present invention comprises:
A driven body having a substantially spherical shape;
A piezoelectric element that drives the driven body in multiple degrees of freedom by a plurality of vibration modes excited by applying a predetermined driving signal;
A friction contact provided on a surface of the piezoelectric element facing the driven body;
A pressing member that applies a pressing force to the piezoelectric element and press-contacts the piezoelectric element to the driven body via the friction contact;
A support member for rotatably supporting the driven body around a plurality of axes;
A controller for driving the piezoelectric element by outputting a two-phase alternating signal as the driving signal and detecting a vibration state of the piezoelectric element;
Comprising
The piezoelectric element includes a vibration detection electrode layer including a vibration detection electrode that detects a vibration component in a propulsion direction when driving the driven body in a plurality of axial directions among vibrations in the plurality of vibration modes.
The vibration detection electrode is provided in the vicinity of the abdomen in a plurality of flexural vibration modes in the direction orthogonal to each other at the same frequency.
本発明によれば、多自由度の駆動が可能な超音波モータに利用される圧電素子であって、振動状態を検出可能で且つ簡易な構成の圧電素子、及び該圧電素子を具備する超音波モータを提供することができる。 According to the present invention, a piezoelectric element used in an ultrasonic motor capable of driving with multiple degrees of freedom, capable of detecting a vibration state and having a simple configuration, and an ultrasonic wave including the piezoelectric element A motor can be provided.
以下、本発明の実施形態に係る圧電素子及び超音波モータについて、図面を参照して説明する。なお、本発明の実施形態に係る“圧電素子”に、所定の駆動子及びホルダ部材等を設けることで“超音波振動子”を構成することができる。そして、“超音波振動子”に、所定の制御系及び被駆動体等を設けることで超音波モータを構成することができる。
[第1実施形態]
図1は、本第1実施形態に係る圧電素子10の一構成例を示す分解斜視図である。図2は、本第1実施形態に係る圧電素子の斜視図である。
Hereinafter, a piezoelectric element and an ultrasonic motor according to embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. An “ultrasonic transducer” can be configured by providing a predetermined piezoelectric element, a holder member, and the like in the “piezoelectric element” according to the embodiment of the present invention. An ultrasonic motor can be configured by providing a predetermined control system and a driven body in the “ultrasonic transducer”.
[First embodiment]
FIG. 1 is an exploded perspective view showing a configuration example of the
図1及び図2に示すように、圧電素子10は、圧電活性領域群11,12(詳細は後述)を備える第1の積層部1と、圧電活性領域群21,22(詳細は後述)を備える第2の積層部2とを具備する。図1に示すように、第1の積層部1と第2の積層部2は、絶縁シート100により絶縁されている。また、当該圧電素子10の最上位及び最下位にも絶縁シート100が配設されている。以下、各積層部について詳細に説明する。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
なお、本第1実施形態においては、三軸直交座標系として図1に示すように“第1の方向”、“第2の方向”、及び“第3の方向”を定義している。すなわち、本第1実施形態に係る圧電素子10は、“第3の方向”に“シート状の圧電素子(後に詳述)”を積層した構造を採る圧電素子である。
In the first embodiment, a “first direction”, a “second direction”, and a “third direction” are defined as a three-axis orthogonal coordinate system as shown in FIG. That is, the
前記第1の積層部1は、上層側から順に、駆動電極形成層1−Aと、振動検出電極形成層3と、駆動電極形成層1−Bと、を有する。同様に、前記第2の積層部2は、上層側から順に、駆動電極形成層2−Aと、振動検出電極形成層4と、駆動電極形成層2−Bと、を有する。
The first
前記駆動電極形成層1−A及び前記駆動電極形成層1−Bは、駆動電極を構成する内部電極が形成された圧電シート1−1と圧電シート1−2とが、所定の厚みを呈するまで交互に積層されて成る層である。各圧電シートの構成については後に詳述する。ここで、駆動電極形成層1−Aと駆動電極形成層1−Bとは略同じ厚みであるとする。 The drive electrode formation layer 1-A and the drive electrode formation layer 1-B are formed until the piezoelectric sheet 1-1 and the piezoelectric sheet 1-2 on which internal electrodes constituting the drive electrode are formed have a predetermined thickness. It is a layer formed by alternately laminating. The configuration of each piezoelectric sheet will be described in detail later. Here, it is assumed that the drive electrode formation layer 1-A and the drive electrode formation layer 1-B have substantially the same thickness.
前記振動検出電極形成層3は、振動検出電極を構成する圧電シート3−1と圧電シート3−2とが、所定の厚みを呈するまで交互に積層されて成る層である。この振動検出電極形成層3は、上述の駆動電極形成層1−Aと駆動電極形成層1−Bとによって挟み込まれた態様で設けられている。
The vibration detection
同様に、前記駆動電極形成層2−A及び前記駆動電極形成層2−Bは、駆動電極を構成する内部電極が形成された圧電シート2−1と圧電シート2−2とが、所定の厚みを呈するまで交互に積層されて成る層である。各圧電シートの構成については後に詳述する。駆動電極形成層2−Aと駆動電極形成層2−Bとは略同じ厚みであるとする。 Similarly, the drive electrode formation layer 2-A and the drive electrode formation layer 2-B have a predetermined thickness of the piezoelectric sheet 2-1 and the piezoelectric sheet 2-2 on which internal electrodes constituting the drive electrode are formed. It is a layer formed by alternately laminating until exhibiting. The configuration of each piezoelectric sheet will be described in detail later. It is assumed that the drive electrode formation layer 2-A and the drive electrode formation layer 2-B have substantially the same thickness.
前記振動検出電極形成層4は、振動検出電極を構成する圧電シート4−1と圧電シート4−2とが、所定の厚みを呈するまで交互に積層されて成る層である。この振動検出電極形成層4は、上述の駆動電極形成層2−Aと駆動電極形成層2−Bとによって挟み込まれた態様で設けられている。
The vibration detection
ところで、上述の振動検出電極形成層3,4は、当該圧電素子10に屈曲振動(当該圧電素子10が超音波モータに用いられた場合に、被駆動体の駆動に寄与する振動成分)が励起された場合において、当該屈曲振動の腹部近傍に位置するように設けられている。これら振動検出電極形成層3,4によって、圧電素子10の振動のうち駆動に係る振動成分を検出することが可能となる。そして、この屈曲振動成分の検出信号を用いて、圧電素子10の振動状態を補正することによって、モータの駆動特性を劣化させることなく常に安定した駆動を行うことが可能になる(詳細は後述する)。
By the way, the above-described vibration detection
以下、各層を構成する圧電シートについて詳細に説明する。
前記圧電シート1−1,1−2,2−1,2−2,3−1,3−2,4−1,4−2は、矩形シート状の圧電素子である。これらの材料としては、例えばハード系のチタン酸ジルコン酸鉛の圧電セラミックス素子(PZT)を挙げることができる。
Hereinafter, the piezoelectric sheet constituting each layer will be described in detail.
The piezoelectric sheets 1-1, 1-2, 2-1, 2-2, 3-1, 3-2, 4-1, 4-2 are rectangular sheet-like piezoelectric elements. Examples of these materials include hard lead zirconate titanate piezoelectric ceramic elements (PZT).
詳細は後述するが、各圧電シート1−1,1−2,2−1,2−2,3−1,3−2,4−1,4−2には、厚み方向に分極されてなる活性化領域を構成する内部電極が設けられている。この内部電極としては、例えば厚さ4μmの銀パラジウム合金を挙げることができる。 Although details will be described later, the piezoelectric sheets 1-1, 1-2, 2-1, 2-2, 3-1, 3-2, 4-1, 4-2 are polarized in the thickness direction. An internal electrode constituting the activation region is provided. As this internal electrode, for example, a silver palladium alloy having a thickness of 4 μm can be mentioned.
まず、駆動電極形成層1−A,1−Bを構成する圧電シート1−1,1−2、及び駆動電極形成層2−A,2−Bを構成する圧電シート2−1,2−2について詳細に説明する。
前記圧電シート1−1の電極形成面上には、内部電極1d−1と内部電極1d−2とが、当該電極形成面を“第1の方向”に二等分する線に対して対称に(“第1の方向”に並列に、且つ、略同形状に)設けられている。前記内部電極1d−1には、当該圧電シート1−1の一方辺の縁部位(“第1の方向”における一方縁部位)に向かって延出された露出部1d−1eが設けられている。前記内部電極1d−2には、当該圧電シート1−1の他方辺の縁部位(前記一方縁部位の逆側の縁部位)に向かって延出された露出部1d−2eが設けられている。
First, the piezoelectric sheets 1-1 and 1-2 constituting the drive electrode formation layers 1-A and 1-B, and the piezoelectric sheets 2-1 and 2-2 constituting the drive electrode formation layers 2-A and 2-B. Will be described in detail.
On the electrode formation surface of the piezoelectric sheet 1-1, the
同様に、前記圧電シート1−2の電極形成面上には、内部電極1d−1´と内部電極1d−2´とが、当該電極形成面を“第1の方向”に二等分する線に対して対称に(“第1の方向”に並列に、且つ、略同形状に)設けられている。前記内部電極1d−1´には、当該圧電シート1−2の一方辺の縁部位(“第1の方向”における一方縁部位)に向かって延出された露出部1d−1´eが設けられている。前記内部電極1d−2´には、当該圧電シート1−2の他方辺の縁部位(前記一方縁部位の逆側の縁部位)に向かって延出された露出部1d−2´eが設けられている。
Similarly, on the electrode formation surface of the piezoelectric sheet 1-2, the
ここで、圧電シート1−1に形成された内部電極1d−1の露出部1d−1eと、圧電シート1−2に形成された内部電極1d−2の露出部1d−1´eとは、積層時に重なる辺に設けられてはいるが、それら露出部1d−1e,1d−1´e同士は互いに重ならないように所定間隔だけずらして設けられている。
Here, the exposed
同様に、圧電シート1−1に形成された内部電極1d−2の露出部1d−2eと、圧電シート1−2に形成された内部電極1d−2の露出部1d−2´eとは、積層時に重なる辺に設けられてはいるが、それら露出部1d−2e,1d−2´e同士は互いに重ならないように所定間隔だけずらして設けられている。
Similarly, the exposed
以上説明したように、圧電シート1−1と圧電シート1−2とは、形成された内部電極のパターンが同一で且つそれら内部電極を外部へ引き出すパターンが互いに異なる圧電シートである。ところで、圧電シート1−1の分極方向と、圧電シート1−2の分極方向とは互いに逆方向である(逆の極性を有する)。 As described above, the piezoelectric sheet 1-1 and the piezoelectric sheet 1-2 are piezoelectric sheets having the same pattern of the formed internal electrodes and different patterns for drawing the internal electrodes to the outside. By the way, the polarization direction of the piezoelectric sheet 1-1 and the polarization direction of the piezoelectric sheet 1-2 are opposite to each other (having opposite polarities).
前記圧電シート2−1の電極形成面上には、内部電極2d−1と内部電極2d−2とが、当該電極形成面を“第2の方向”に二等分する線に対して対称に(“第2の方向”に並列に、且つ、略同形状に)設けられている。前記内部電極2d−1には、当該圧電シート2−1の一方辺の縁部位(“第2の方向”における一方縁部位)に向かって延出された露出部2d−1eが設けられている。前記内部電極2d−2には、当該圧電シート2−1の他方辺の縁部位(前記一方縁部位の逆側の縁部位)に向かって延出された露出部2d−2eが設けられている。
On the electrode formation surface of the piezoelectric sheet 2-1, the
同様に、前記圧電シート2−2の電極形成面上には、内部電極2d−1´と内部電極2d−2´とが、当該電極形成面を“第2の方向”に二等分する線に対して対称に((“第2の方向”に並列に、且つ、略同形状に))設けられている。前記内部電極2d-1´には、当該圧電シート2−2の一方辺の縁部位(“第2の方向”における一方縁部位)に向かって延出された露出部2d−1´eが設けられている。前記内部電極2d-2´には、当該圧電シート2−2の他方辺の縁部位(前記一方縁部位の逆側の縁部位)に向かって延出された露出部2d−2´eが設けられている。
Similarly, on the electrode formation surface of the piezoelectric sheet 2-2, the
ここで、圧電シート2−1に形成された内部電極2d−1の露出部2d−1eと、圧電シート2−2に形成された内部電極2d-1´の露出部2d−1´eとは、積層時に重なる辺に設けられてはいるが、それら露出部2d−1e,2d−1´e同士は互いに重ならないように所定間隔だけずらして設けられている。
Here, the exposed
同様に、圧電シート2−1に形成された内部電極2d−2の露出部2d−2eと、圧電シート2−2に形成された内部電極2d-2´の露出部2d−2´eとは、積層時に重なる辺に設けられてはいるが、それら露出部2d−2e,2d−2´e同士は互いに重ならないように所定間隔だけずらして設けられている。
Similarly, the exposed
以上説明したように、圧電シート2−1と圧電シート2−2とは、形成された内部電極のパターンが同一で且つそれら内部電極を外部へ引き出すパターンが互いに異なる圧電シートである。ところで、圧電シート2−1の分極方向と、圧電シート2−2の分極方向とは互いに逆方向である(逆の極性を有する)。 As described above, the piezoelectric sheet 2-1 and the piezoelectric sheet 2-2 are piezoelectric sheets having the same pattern of the formed internal electrodes and different patterns for drawing the internal electrodes to the outside. By the way, the polarization direction of the piezoelectric sheet 2-1 and the polarization direction of the piezoelectric sheet 2-2 are opposite to each other (having opposite polarities).
なお、圧電シート1−1,1−2と、圧電シート2−1,2−2とは、下記の関係にあるとも言える。すなわち、前記圧電シート1−1,1−2を90度だけ“第1の方向”から“第2の方向”へ向かって回転させると、それぞれ圧電シート2−1,2−2と同様の構成の圧電シートとなる。従って、実質的には2種類の圧電シートを製造するだけで、圧電シート1−1,1−2,2−1,2−2を得ることができる。 It can be said that the piezoelectric sheets 1-1 and 1-2 and the piezoelectric sheets 2-1 and 2-2 have the following relationship. That is, when the piezoelectric sheets 1-1 and 1-2 are rotated by 90 degrees from the “first direction” toward the “second direction”, the same configurations as the piezoelectric sheets 2-1 and 2-2, respectively. This is a piezoelectric sheet. Therefore, the piezoelectric sheets 1-1, 1-2, 2-1, and 2-2 can be obtained by substantially manufacturing only two types of piezoelectric sheets.
以下、振動検出電極形成層3を構成する圧電シート3−1,3−2、及び振動検出電極形成層4を構成する圧電シート4−1,4−2について詳細に説明する。
前記圧電シート3−1の電極形成面上には、内部電極3d−1と内部電極3d−2とが、当該電極形成面を“第1の方向”に二等分する線に対して対称に(“第1の方向”に並列に、且つ、略同形状に)設けられている。前記内部電極3d−1には、当該圧電シート3−1の一方辺の縁部位(“第1の方向”における一方縁部位)に向かって延出された露出部3d−1eが設けられている。前記内部電極3d−2には、当該圧電シート3−1の他方辺の縁部位(前記一方縁部位の逆側の縁部位)に向かって延出された露出部3d−2eが設けられている。
Hereinafter, the piezoelectric sheets 3-1 and 3-2 constituting the vibration detection
On the electrode formation surface of the piezoelectric sheet 3-1, the
前記圧電シート3−2の電極形成面上には、内部電極3d−1´と内部電極3d−2´とが、当該電極形成面を“第1の方向”に二等分する線に対して対称に((“第1の方向”に並列に、且つ、略同形状に))設けられている。前記内部電極3d−1´には、当該圧電シート3−2の一方辺の縁部位(“第1の方向”における一方縁部位)に向かって延出された露出部3d−1´eが設けられている。前記内部電極3d-2´には、当該圧電シート3−2の他方辺の縁部位(前記一方縁部位の逆側の縁部位)に向かって延出された露出部3d−2´eが設けられている。
On the electrode formation surface of the piezoelectric sheet 3-2, the
ここで、圧電シート3−1に形成された内部電極3d−1の露出部3d−1eと、圧電シート3−2に形成された内部電極3d−1´の露出部3d−1´eとは、積層時に重なる辺に設けられてはいるが、それら露出部3d−1e,3d−1´e同士は互いに重ならないように所定間隔だけずらして設けられている。
Here, the exposed
同様に、圧電シート3−1に形成された内部電極3d−2の露出部3d−2eと、圧電シート3−2に形成された内部電極3d-2´の露出部3d−2´eとは、積層時に重なる辺に設けられてはいるが、それら露出部3d−2e,3d−2´e同士は互いに重ならないように所定間隔だけずらして設けられている。
Similarly, the exposed
以上説明したように、圧電シート3−1と圧電シート3−2とは、形成された内部電極のパターンが同一で且つそれら内部電極を外部へ引き出すパターンが互いに異なる圧電シートである。ところで、圧電シート3−1の分極方向と、圧電シート3−2の分極方向とは互いに逆方向である(逆の極性を有する)。 As described above, the piezoelectric sheet 3-1 and the piezoelectric sheet 3-2 are piezoelectric sheets having the same pattern of the formed internal electrodes and different patterns for drawing the internal electrodes to the outside. By the way, the polarization direction of the piezoelectric sheet 3-1 and the polarization direction of the piezoelectric sheet 3-2 are opposite to each other (having opposite polarities).
前記圧電シート4−1の電極形成面上には、内部電極4d−1と内部電極4d−2とが、当該電極形成面を“第2の方向”に二等分する線に対して対称に((“第2の方向”に並列に、且つ、略同形状に))設けられている。前記内部電極4d−1には、当該圧電シート4−1の一方辺の縁部位(“第2の方向”における一方縁部位)に向かって延出された露出部4d−1eが設けられている。前記内部電極4d−2には、当該圧電シート4−1の他方辺の縁部位(前記一方縁部位の逆側の縁部位)に向かって延出された露出部4d−2eが設けられている。
On the electrode formation surface of the piezoelectric sheet 4-1, the
前記圧電シート4−2の電極形成面上には、内部電極4d−1´と内部電極4d−2´とが、当該電極形成面を“第2の方向”に二等分する線に対して対称に(“第2の方向”に並列に、且つ、略同形状に)設けられている。前記内部電極4d−1´には、当該圧電シート4−2の一方辺の縁部位(“第2の方向”における一方縁部位)に向かって延出された露出部4d−1´eが設けられている。前記内部電極4d-2´には、当該圧電シート4−2の他方辺の縁部位(前記一方縁部位の逆側の縁部位)に向かって延出された露出部4d−2´eが設けられている。
On the electrode forming surface of the piezoelectric sheet 4-2, the
ここで、圧電シート4−1に形成された内部電極4d−1の露出部4d−1eと、圧電シート4−2に形成された内部電極4d−1´の露出部4d−1´eとは、積層時に重なる辺に設けられてはいるが、それら露出部4d−1e,4d−1´e同士は互いに重ならないように所定間隔だけずらして設けられている。
Here, the exposed
同様に、圧電シート4−1に形成された内部電極4d−2の露出部4d−2eと、圧電シート4−2に形成された内部電極4d-2´の露出部4d−2´eとは、積層時に重なる辺に設けられてはいるが、それら露出部4d−2e,4d−2´e同士は互いに重ならないように所定間隔だけずらして設けられている。
Similarly, the exposed
以上説明したように、圧電シート4−1と圧電シート4−2とは、形成された内部電極のパターンが同一で且つそれら内部電極を外部へ引き出すパターンが互いに異なる圧電シートである。ところで、圧電シート4−1の分極方向と、圧電シート4−2の分極方向とは互いに逆方向である(逆の極性を有する)。 As described above, the piezoelectric sheet 4-1 and the piezoelectric sheet 4-2 are piezoelectric sheets having the same pattern of the formed internal electrodes and different patterns for drawing the internal electrodes to the outside. By the way, the polarization direction of the piezoelectric sheet 4-1 and the polarization direction of the piezoelectric sheet 4-2 are opposite to each other (having opposite polarities).
なお、圧電シート3−1,3−2と、圧電シート4−1,4−2とは、下記の関係にあるとも言える。すなわち、前記圧電シート3−1,3−2を90度だけ“第1の方向”から“第2の方向”へ向かって回転させると、それぞれ圧電シート4−1,4−2と同様の構成の圧電シートとなる。従って、実質的には2種類の圧電シートを製造するだけで、圧電シート3−1,3−2,4−1,4−2を得ることができる。 It can be said that the piezoelectric sheets 3-1 and 3-2 and the piezoelectric sheets 4-1 and 4-2 have the following relationship. That is, when the piezoelectric sheets 3-1 and 3-2 are rotated by 90 degrees from the “first direction” toward the “second direction”, the same configurations as the piezoelectric sheets 4-1 and 4-2, respectively. This is a piezoelectric sheet. Accordingly, the piezoelectric sheets 3-1, 3-2, 4-1 and 4-2 can be obtained by substantially manufacturing only two types of piezoelectric sheets.
なお、これら露出部3d−1e,3d−1´eと、上述した圧電シート1−1,1−2の露出部1d−1e,1d−1´eとは、積層時に重なる辺に設けられてはいるが、それら露出部1d−1e,1d−1´e,3d−1e,3d−1´e同士は互いに重ならないように所定間隔だけずらして設けられている。
The exposed
同様に、露出部4d−1e,4d−1´eと、圧電シート2−1,2−2の露出部2d−1e,2d−1´eとは、積層時に重なる辺に設けられてはいるが、それら露出部2d−1e,2d−1´e,4d−1e,4d−1´e同士は互いに重ならないように所定間隔だけずらして設けられている。
Similarly, the exposed
本第1実施形態に係る圧電素子10は、上述した積層構造を採り、例えば一体焼成により製造される。そして、第1の積層部1と第2の積層部2とにおいて、下記のように圧電活性領域群が設けられる。
第1の積層部1においては、前記圧電シート1−1の内部電極1d−1と、前記圧電シート1−2の内部電極1d−1´と、前記圧電シート3−1の内部電極3d−1と、前記圧電シート3−2の内部電極3d−1´と、に対応する領域は、圧電的に活性化された圧電活性領域群11を構成する。同様に、前記圧電シート1−1の内部電極1d−2と、前記圧電シート1−2の内部電極1d−2´と、前記圧電シート3−1の内部電極3d−2と、前記圧電シート3−2の内部電極3d−2´と、に対応する領域は、圧電的に活性化された圧電活性領域群12を構成する。
The
In the first
第2の積層部2においては、前記圧電シート2−1の内部電極2d−1と、前記圧電シート2−2の内部電極2d−1´と、前記圧電シート4−1の内部電極4d−1と、前記圧電シート4−2の内部電極4d−1´と、に対応する領域は、圧電的に活性化された圧電活性領域群21を構成する。同様に、前記圧電シート2−1の内部電極2d−2と、前記圧電シート2−2の内部電極2d−2´と、前記圧電シート4−1の内部電極4d−2と、前記圧電シート4−2の内部電極4d−2´と、に対応する領域は、圧電的に活性化された圧電活性領域群22を構成する。
In the second
図3は、検出電極層3を構成する圧電シート3−1の電極形成面に形成された内部電極3d−1,3d−2の詳細な形成位置及び形状の一例を示す図である。
説明の便宜上、図3に示すように圧電シート3−1の各辺を2等分するように“第1の方向軸”及び“第2の方向軸”を設定する。内部電極3d−1は“第1の方向軸”に対して対称に且つ“第1の方向軸”を含むように形成されている。同様に、内部電極3d−2も“第1の方向軸”に対して対称に且つ“第1の方向軸”を含むように形成されている。ここで、内部電極3d−1と内部電極3d−2とは、“第2の方向軸”に対して対称に形成されている。
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of detailed formation positions and shapes of the
For convenience of explanation, as shown in FIG. 3, the “first direction axis” and the “second direction axis” are set so that each side of the piezoelectric sheet 3-1 is divided into two equal parts. The
前記圧電シート3−1上において、上述のような形状及び位置に内部電極3d−1,3d−2を形成することで、“第2の方向”の駆動(“第1の方向軸”周りの駆動)についての圧電素子10の伸縮時には、圧電活性領域群11,12内においてそれぞれ前記内部電極3d−1,3d−2の各面内で、第1の方向軸を境にして一方側と他方側とにそれぞれ互いに逆方向に伸縮を行なう。その結果、前記内部電極3d−1,3d−2の各面内で、互いに逆極性の電荷が生じる。そして、この互いに逆極性の電荷は、当該内部電極3d−1,3d−2の各面内で相殺(キャンセル)される(図4A参照)。
一方、“第1の方向”の駆動(“第2の方向軸”周りの駆動)についての圧電素子10の伸縮時には、圧電活性領域群11,12内においてそれぞれ前記内部電極3d−1,3d−2の各面内で一方向の伸縮を行なう。その結果、前記内部電極3d−1,3d−2の各面内で一方極性(正または負)の電荷が生じる。そして、この電荷が、振動検出信号として検出される(図4B参照)。なお、前記内部電極3d−1に生じる電荷と前記内部電極3d−2に生じる電荷との関係は互いに逆極性の関係である。
By forming the
On the other hand, at the time of expansion / contraction of the
つまり、第1の積層部1の圧電活性領域群11,12によって、“第1の方向”の駆動(“第2の方向軸”周りの駆動)についてのみ、振動検出することができる。
なお、前記圧電シート3−2については、上述したように露出部の位置が異なるのみであり、振動検出については圧電シート3−1と同様であるので、ここでは説明を省略する。
In other words, the piezoelectric
As described above, the piezoelectric sheet 3-2 is different only in the position of the exposed portion, and the vibration detection is the same as that of the piezoelectric sheet 3-1, and thus the description thereof is omitted here.
図5は、検出電極層4を構成する圧電シート4−1の電極形成面に形成された内部電極4d−1,4d−2の詳細な形成位置及び形状の一例を示す図である。
説明の便宜上、図4に示すように圧電シート4−1の各辺を2等分するように“第1の方向軸”及び“第2の方向軸”を設定する。内部電極4d−1は“第2の方向軸”に対して対称に且つ“第2の方向軸”を含むように形成されている。同様に、内部電極4d−2も“第2の方向軸”に対して対称に且つ“第2の方向軸”を含むように形成されている。ここで、内部電極4d−1と内部電極4d−2とは、“第1の方向軸”に対して対称に形成されている。
FIG. 5 is a diagram showing an example of detailed formation positions and shapes of the
For convenience of explanation, as shown in FIG. 4, the “first direction axis” and the “second direction axis” are set so that each side of the piezoelectric sheet 4-1 is divided into two equal parts. The
前記圧電シート4−1上において、上述のような形状及び位置に内部電極4d−1,4d−2を形成することで、“第1の方向”の駆動(“第2の方向軸”周りの駆動)についての圧電素子10の伸縮時には、圧電活性領域群21,22内においてそれぞれ前記内部電極4d−1、4d−2の各面内で、第2の方向軸を境にして一方側と他方側とにそれぞれ互いに逆方向に伸縮を行なう。その結果、前記内部電極4d−1,4d−2の各面内で、互いに逆極性の電荷が生じる。そして、この互いに逆極性の電荷は、当該内部電極4d−1,4d−2の各面内で相殺(キャンセル)される(図6A参照)。
一方、“第2の方向”の駆動(“第1の方向軸”周りの駆動)についての圧電素子10の伸縮時には、圧電活性領域群21,22内においてそれぞれ前記内部電極4d−1、4d−2の面内で一方向の伸縮を行なう。その結果、前記内部電極4d−1,4d−2の各面内で一方極性(正または負)の電荷が生じる。そして、この電荷が、振動検出信号として検出される(図6B参照)。なお、前記内部電極4d−1に生じる電荷と前記内部電極4d−2に生じる電荷とは互いに逆極性の関係である。
By forming the
On the other hand, during expansion / contraction of the
つまり、第2の積層部2の圧電活性領域群21,22によって、“第2の方向”の駆動(“第1の方向軸”周りの駆動)についてのみ、振動検出することができる。
なお、前記圧電シート4−2については、上述したように露出部の位置が異なるのみであり、振動検出については圧電シート4−1と同様であるので、ここでは説明を省略する。
That is, the piezoelectric
As described above, the piezoelectric sheet 4-2 is different only in the position of the exposed portion, and the vibration detection is the same as that of the piezoelectric sheet 4-1.
以上説明したように、本第1実施形態に係る圧電素子10では、第1の積層部1(圧電活性領域群11,12)中において、“第1の方向”についてのみ振動検出する為の振動検出電極形成層3を設け、第2の積層部2(圧電活性領域21,22)中において“第2の方向”についてのみ振動検出する為の振動検出電極形成層4を設ける構成を採る。これにより、“第1の方向”の屈曲振動と、“第2の方向”の屈曲振動とについて、別個に振動検出を行うことができる。
As described above, in the
図7A及び図7Bは、圧電素子10の“第1の方向”における両側面(図2において矢印A1,A2で示す方向から観た面)の各露出部に対して設ける外部電極の一構成例を示す図である。なお、図2において矢印A1で示す方向から観た面(以降、第1の側面と称する)と、矢印A2で示す方向から観た面(以降、第2の側面と称する)とでは、見た目上の構成は同じである。従って、図7A及び図7Bにおいては、それぞれ一つの図面中に、上述の両側面に対応する符号を付して、各構成部材について説明する。
・第1の側面における内部電極1d−1に対応する露出部1d−1e同士を外部電極1d−1Eによって短絡する。
・第2の側面における内部電極1d−2に対応する露出部1d−2e同士を外部電極1d−2Eによって短絡する。
・第1の側面における内部電極3d−1´に対応する露出部3d−1´e同士を外部電極3d−1´Eによって短絡する。
・第2の側面における内部電極3d−2´に対応する露出部3d−2´e同士を外部電極3d−2´Eによって短絡する。
・第1の側面における内部電極1d−1´に対応する露出部1d−1´e同士を外部電極1d−1´Eによって短絡する。
・第2の側面における内部電極1d−2´に対応する露出部1d−2´e同士を外部電極1d−2´Eによって短絡する。
・第1の側面における内部電極3d−1に対応する露出部3d−1e同士を外部電極3d−1Eによって短絡する。
・第2の側面における内部電極3d−2に対応する露出部3d−2e同士を外部電極3d−2Eによって短絡する。
7A and 7B show an example of the configuration of the external electrodes provided for the exposed portions on both side surfaces (the surfaces viewed from the directions indicated by arrows A1 and A2 in FIG. 2) in the “first direction” of the
The exposed
The exposed
The exposed
The exposed
The exposed
The exposed
The exposed
The exposed
なお、外部電極1d−1E,1d−2E,1d−1´E,1d−2´Eの形状としては、少なくとも各々対応する露出部に対して設けられていればよく、図7Aに示すように略“コ字”状の形状としてもよいし、図7Bに示すように略“I字”状の形状としてもよい。
It should be noted that the
図8A及び図8Bは、圧電素子の“第2の方向”における両側面(図2において矢印A3,A4で示す方向から観た面)の各露出部に対して設ける外部電極の一構成例を示す図である。なお、図2において矢印A3で示す方向から観た面(以降、第3の側面と称する)と、矢印A4で示す方向から観た面(以降、第4の側面と称する)とでは、見た目上の構成は同じである。従って、図8A及び図8Bにおいては、それぞれ一つの図面中に、上述の両側面に対応する符号を付して、各構成部材について説明する。
・第3の側面における内部電極2d−2に対応する露出部2d−2e同士を外部電極2d−2Eによって短絡する。
・第4の側面における内部電極2d−1に対応する露出部2d−1e同士を外部電極2d−1Eによって短絡する。
・第3の側面における内部電極4d−2´に対応する露出部4d−2´e同士を外部電極4d−2´Eによって短絡する。
・第4の側面における内部電極4d−1´に対応する露出部4d−1´e同士を外部電極4d−1´Eによって短絡する。
・第3の側面における内部電極4d−2に対応する露出部4d−2e同士を外部電極4d−2Eによって短絡する。
・第4の側面における内部電極4d−1に対応する露出部4d−1e同士を外部電極4d−1Eによって短絡する。
・第3の側面における内部電極2d−2´に対応する露出部2d−2´e同士を外部電極2d−2´Eによって短絡する。
・第4の側面における内部電極2d−1´に対応する露出部2d−1´e同士を外部電極2d−1´Eによって短絡する。
FIG. 8A and FIG. 8B show a configuration example of the external electrode provided for each exposed portion on both side surfaces (surfaces viewed from the directions indicated by arrows A3 and A4 in FIG. 2) in the “second direction” of the piezoelectric element. FIG. In FIG. 2, the surface viewed from the direction indicated by the arrow A3 (hereinafter referred to as the third side surface) and the surface viewed from the direction indicated by the arrow A4 (hereinafter referred to as the fourth side surface) are apparent. The configuration of is the same. Therefore, in FIG. 8A and FIG. 8B, the reference numerals corresponding to the both side surfaces described above are attached in each drawing, and each component will be described.
The exposed
The exposed
The exposed
The exposed
The exposed
The exposed
The exposed
The exposed
なお、外部電極2d−2E,2d−1´E,2d−2´E,2d−1´Eの形状としては、少なくとも各々対応する露出部に対して設けられていればよく、図8Aに示すように略“コ字”状の形状としてもよいし、図8Bに示すように略“I字”状の形状としてもよい。
It should be noted that the
以下、圧電素子10に励起させる振動の一例について詳細に説明する。図9は、本第1実施形態に係る圧電素子を利用して、略球体形状を呈する被駆動体を多自由度に駆動する超音波モータの駆動概念を示す図である。
図9に示すように、上述した圧電素子の圧電活性領域群11と圧電活性領域群12とに、互いに所定の位相差を有する駆動信号(交流信号AC)をそれぞれ入力すると、当該圧電素子10には、図10Aに示すように“第3の方向”への振動である縦一次振動と、図10Bに示すように“第1の方向“への振動である屈曲二次振動と、を組み合わせた複合振動が励起される。この複合振動が励起された共振状態の当該圧電素子10の端面10cは、楕円軌跡を描くように振動する。
Hereinafter, an example of the vibration excited by the
As shown in FIG. 9, when driving signals (AC signals AC) having a predetermined phase difference are input to the piezoelectric
ここで、多自由度に(すなわち図9に示すx方向、y方向、z方向の何れにも)回転可能な球形の被駆動体50に対して、所定の押圧部材(不図示)を利用して、当該圧電素子10の端面10cを加圧接触させると、被駆動体50は、“第2の方向”の軸周り(矢印y方向)に回転する。
Here, a predetermined pressing member (not shown) is used for the spherical driven
同様の原理で、第2の積層部2の圧電活性領域群21,22(図9においては図示を省略)に交流信号を入力した場合、当該圧電素子10には共振振動が励起され、端面10cに対して加圧接触する被駆動体50は、“第1の方向”の軸周り(矢印x方向)の回転運動を行う。
In the same principle, when an AC signal is input to the piezoelectric
なお、図示はしていないが、圧電素子10の端面10cには、被駆動体50を摩擦駆動する為の摩擦接触子(駆動子)が設けられており、圧電素子10は摩擦接触子を介して被駆動体50に対して接触している。同様に図示はしていないが、被駆動体50を上述した多自由度に(複数の軸周りに)回転可能に支持するための支持部材が設けられている。
Although not shown, a friction contact (driving element) for frictionally driving the driven
そして、上述した“第1の方向”の軸周り(矢印x方向)の回転運動と、“第2の方向”の軸周り(矢印y方向)の回転運動とを組み合わせて実行することで、被駆動体50を“第3の方向”の軸周り(矢印z方向)に回転運動させることができる。本第1実施形態に係る圧電素子10を用いた超音波モータにおいては、上述したように駆動信号を入力することで、球形の被駆動体50を、多自由度に(すなわち図9に示すx方向、y方向、z方向の何れにも)駆動することができる。
Then, the rotational movement around the axis in the “first direction” (arrow x direction) and the rotational movement around the axis in the “second direction” (arrow y direction) described above are executed in combination. The driving
以下、本第1実施形態に係る超音波モータにおいて、上述した駆動方法により駆動する際の振動検出方法について詳細に説明する。図11は、本第1実施形態に係る超音波モータの駆動時の圧電素子の振動を検出する為の検出回路の一構成例を示す図である。図12は、圧電素子10の駆動電極形成層の内部電極に印加する駆動信号と、振動検出電極形成層の内部電極から検出される検出信号と、の位相差の一例のグラフを示す図である。
Hereinafter, the vibration detection method when the ultrasonic motor according to the first embodiment is driven by the above-described driving method will be described in detail. FIG. 11 is a diagram illustrating a configuration example of a detection circuit for detecting the vibration of the piezoelectric element when the ultrasonic motor according to the first embodiment is driven. FIG. 12 is a graph illustrating an example of a phase difference between a drive signal applied to the internal electrode of the drive electrode formation layer of the
図11に示す例では、前記検出回路は、公知のジェネレータ122aと位相変換器122bと計算機122cとクロック122dとを備える制御部122と、位相差検出回路128−1,128−2と、ドライブ回路130−1,130−2と、バッファ135−1,135−2と、コンパレータ140−1,140−2と、を具備する。
前記ドライブ回路130−1は、外部電極1d−1Eに接続されている。前記バッファ135−1は、外部電極3d−1´Eに接続されている。前記ドライブ回路130−2は、外部電極2d−1´Eに接続されている。前記バッファ135−2は、外部電極4d−2´Eに接続されている。
In the example shown in FIG. 11, the detection circuit includes a
The drive circuit 130-1 is connected to the
すなわち、図11に示す例の検出回路は、第1の積層部1における圧電活性領域群11について振動検出をする為の回路と、第2の積層部2における圧電活性領域群22について振動検出をする為の回路と、を備える。換言すれば、図11に示す例の検出回路は、“第1の方向”における振動を検出する為の回路と、“第2の方向”における振動を検出する為の回路と、を備える。
That is, the detection circuit of the example shown in FIG. 11 performs vibration detection on the piezoelectric
詳細には、下記のように振動検出及び駆動制御を行う。まず、駆動時に振動検出電極形成層3の内部電極3d−1´eにおいて生じた電気信号が、外部電極3d−1´Eからバッファ135−1を介してコンパレータ140−1に入力されてA/D変換され、位相差検出回路128−1に出力される。
Specifically, vibration detection and drive control are performed as follows. First, an electrical signal generated in the
他方、制御部122による制御で、ドライブ回路130によって外部電極1d−1Eを介して駆動電極形成層1−A,1−Bの内部電極1d−1に印加される駆動信号は、位相差位相差検出回路128−1にも出力されている。
そして、駆動電極形成層1−A,1−Bの内部電極1d−1に印加されている駆動信号と、振動検出電極形成層3の内部電極3d−1´eにおいて生じた電気信号と、の位相差が、前記位相差検出回路128−1によって検出される。
On the other hand, the drive signal applied to the
Then, a drive signal applied to the
さらに、制御部122によって、上述した処理で検出された位相差が所定の値になるように(所定の値を維持し続けるように)、駆動信号の周波数を変化させる制御が行われる。このような振動検出及び駆動制御により、例えば外的な要因で振動状態が変化するような場合であっても、当該超音波モータは安定して駆動される。
Further, the
より具体的には、制御部122は、図12に示すように所定の位相差を有する2相の駆動信号(本例では、実線で示すA相入力信号及び破線で示すB相入力信号)のうち位相が進んでいる方の信号(本例ではB相入力信号)の立ち下がりパルスと、一点鎖線で示す検出信号の立ち上がりパルスと、の位相差が所定の位相関係を保つように(本例では位相差が45[deg]を保つように;両者の立ち上がりパルス間の位相関係で言うと位相差が130[deg]を保つように)、駆動信号の周波数を変化させる制御を行う。
More specifically, the
そして、本第1実施形態に係る超音波モータは、このような補正処理を行う制御系を、2つの屈曲振動検出の為の2つの振動検出電極形成層3,4毎に個別に具備し、且つ、個別に制御する。
以上説明したように、本第1実施形態によれば、多自由度の駆動が可能な超音波モータに利用される圧電素子であって、振動状態を検出可能で且つ簡易な構成の圧電素子、及び該圧電素子を具備する超音波モータを提供することができる。
The ultrasonic motor according to the first embodiment includes a control system that performs such correction processing for each of the two vibration detection
As described above, according to the first embodiment, the piezoelectric element is used in an ultrasonic motor capable of driving with multiple degrees of freedom, and can detect a vibration state and has a simple configuration. In addition, an ultrasonic motor including the piezoelectric element can be provided.
具体的には、第1の積層部1において駆動電極形成層1−Aと駆動電極形成層1−Bとの間であって、且つ、圧電素子10の屈曲振動における腹部近傍の位置に振動検出電極形成層3を設ける。同様に、第2の積層部2において振動検出電極形成層2−Aと振動検出電極形成層2−Bとの間であって、且つ、圧電素子10の屈曲振動における腹部近傍の位置に振動検出電極形成層4を設ける。
Specifically, vibration detection is performed between the drive electrode formation layer 1-A and the drive electrode formation layer 1-B in the first
このように構成することで、圧電素子10の“第1の方向”における屈曲振動に係る振動成分と、“第2の方向”における屈曲振動に係る振動成分とを個別に検出することが可能となり、該検出信号を利用した補正制御が可能となる。すなわち、外的要因(例えば温度変化や負荷変動等)による振動状態の変化を検出し、該検出結果に基づいて補正制御を行うことで、当該圧電素子10を具備する多自由度駆動の超音波モータを常に安定駆動できる。
With this configuration, it is possible to individually detect the vibration component related to the bending vibration in the “first direction” of the
なお、本第1実施形態は、一体焼成されて成る積層型構造の圧電素子以外にも、複数の単板圧電素子を一体に組み合わせた構造の圧電素子や、凹部を有する金属に複数の圧電素子を組み込んで一体とした構造の圧電素子等に対しても適用できることは勿論である。また、圧電素子10の積層方向は、“第1の方向”、“第2の方向”、“第3の方向”、又は“それらを組み合わせた方向”の何れの方向であっても構わない。
[第2実施形態]
以下、本発明の第2実施形態に係る圧電素子及び超音波モータについて説明する。説明の重複を避ける為、前記第1実施形態との相違点のみを説明する。前記第1実施形態との主な相違点の一つは、振動検出電極形成層の構成及び外部電極の構成である。
In the first embodiment, in addition to the laminated structure piezoelectric element obtained by integrally firing, a piezoelectric element having a structure in which a plurality of single-plate piezoelectric elements are integrally combined, or a plurality of piezoelectric elements in a metal having a recess. Needless to say, the present invention can also be applied to a piezoelectric element or the like having an integrated structure. In addition, the stacking direction of the
[Second Embodiment]
Hereinafter, a piezoelectric element and an ultrasonic motor according to a second embodiment of the present invention will be described. In order to avoid duplication of explanation, only differences from the first embodiment will be described. One of the main differences from the first embodiment is the configuration of the vibration detection electrode forming layer and the configuration of the external electrode.
図13は、本発明の第2実施形態に係る圧電素子の一構成例を示す分解斜視図である。図14Aは、図13に示す圧電素子の“第1の方向”における両側面(図2において矢印A1,A2で示す方向から観た面)の各露出部に対して設ける外部電極の一構成例を示す図である。図14Bは、図13に示す圧電素子の“第2の方向”における両側面(図2において矢印A3,A4で示す方向から観た面)の各露出部に対して設ける外部電極の一構成例を示す図である。 FIG. 13 is an exploded perspective view showing a configuration example of the piezoelectric element according to the second embodiment of the present invention. 14A is a configuration example of an external electrode provided for each exposed portion on both side surfaces (surfaces viewed from directions indicated by arrows A1 and A2 in FIG. 2) in the “first direction” of the piezoelectric element shown in FIG. FIG. FIG. 14B is a configuration example of the external electrode provided for each exposed portion on both side surfaces (the surface viewed from the directions indicated by arrows A3 and A4 in FIG. 2) in the “second direction” of the piezoelectric element shown in FIG. FIG.
本第2実施形態に係る圧電素子10では、第1実施形態に係る圧電素子10の第1の積層部1における振動検出電極形成層3の代わりに、後述する振動検出電極形成層5が設けられている。同様に、第1実施形態に係る圧電素子10の第2の積層部2における振動検出電極形成層4の代わりに、後述する振動検出電極形成層5が設けられている。
In the
以下、振動検出電極形成層5について詳細に説明する。振動検出電極形成層5は、圧電シート5−1と圧電シート5−2とが交互に積層されて成る。
前記圧電シート5−1の電極形成面上には、内部電極5d−1と内部電極5d−2とが、当該電極形成面を“第1の方向”に二等分する線に対して対称に(“第1の方向”に並列に、且つ、略同形状に)設けられている。前記内部電極5d−1には、当該圧電シート5−1の一方辺の縁部位(“第1の方向”における一方縁部位)に向かって延出された露出部5d−1eが設けられている。前記内部電極5d−2には、当該圧電シート5−1の他方辺の縁部位(前記一方縁部位の逆側の縁部位)に向かって延出された露出部5d−2eが設けられている。
Hereinafter, the vibration detection
On the electrode formation surface of the piezoelectric sheet 5-1, the
さらに、前記圧電シート5−1の電極形成面上には、内部電極5d−3と内部電極5d−4とが、当該電極形成面を“第2の方向”に二等分する線に対して対称に(“第2の方向”に並列に、且つ、略同形状に)設けられている。前記内部電極5d−3には、当該圧電シート5−1の一方辺の縁部位(“第2の方向”における一方縁部位)に向かって延出された露出部5d−3eが設けられている。前記内部電極5d−4には、当該圧電シート5−1の“第2の方向”における他方辺の縁部位に向かって延出された露出部5d−4eが設けられている。
Furthermore, on the electrode formation surface of the piezoelectric sheet 5-1, the
同様に、前記圧電シート5−2の電極形成面上には、上述の圧電シート5−1における内部電極5d−1乃至内部電極5d−4にそれぞれ対応する内部電極5d−1´乃至内部電極5d−4´が、それぞれ対応する位置に形成されている。
これら内部電極5d−1´乃至内部電極5d−4´の各露出部5d−1´e乃至露出部5d−4´eは、それぞれ対応する露出部5d−1e乃至露出部5d−4eが延出されている辺に対応する辺に向かって設けられている。但し、露出部5d−1´e乃至露出部5d−4´eは、積層された状態においてそれぞれ対応する露出部5d−1e乃至露出部5d−4eと重ならない位置に設けられている。
Similarly, on the electrode forming surface of the piezoelectric sheet 5-2, the
The exposed
上述したように、圧電シート5−1と圧電シート5−2とは、形成された内部電極のパターンが同一で且つそれら内部電極を外部へ引き出すパターンが互いに異なる圧電シートである。ところで、圧電シート5−1の分極方向と、圧電シート5−2の分極方向とは互いに逆方向である(逆の極性を有する)。 As described above, the piezoelectric sheet 5-1 and the piezoelectric sheet 5-2 are piezoelectric sheets having the same internal electrode pattern and different patterns for drawing the internal electrodes to the outside. By the way, the polarization direction of the piezoelectric sheet 5-1 and the polarization direction of the piezoelectric sheet 5-2 are opposite to each other (having opposite polarities).
ここで、本第2実施形態に係る超音波モータに、2つの屈曲振動モードに対する検出回路を別個に備えさせることで、第1の積層部1と第2の積層部2とに同時に駆動信号を印加する同時駆動を行うと共に、2つの屈曲振動に対してより精度良く補正制御を行うことができる。すなわち、2つの屈曲振動モードの各々について個別の検出電極からの信号を用いた補正の制御を行うことが可能となる。この場合には、例えば所謂“差動入力”により微小駆動時の微小信号を増幅することができる。従って、当該超音波モータをより安定して駆動することができる。
Here, the ultrasonic motor according to the second embodiment is provided with a detection circuit for two bending vibration modes separately, so that a drive signal can be simultaneously transmitted to the first
以上説明したように、本第2実施形態によれば、前記第1実施形態に係る圧電素子及び超音波モータと同様の効果を奏する上に、圧電シートにおける電極形成面を有効活用して、より高精度な振動検出が可能な圧電素子及び超音波モータを提供することができる。 As described above, according to the second embodiment, the same effect as that of the piezoelectric element and the ultrasonic motor according to the first embodiment can be obtained. A piezoelectric element and an ultrasonic motor capable of highly accurate vibration detection can be provided.
以上、第1実施形態乃至第2実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で、例えば次のような変形及び応用が可能なことは勿論である。
さらに、上述した実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示した複数の構成要件の適当な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示す全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成も発明として抽出され得る。
The present invention has been described based on the first to second embodiments. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and within the scope of the present invention, for example, the following Of course, variations and applications are possible.
Further, the above-described embodiments include inventions at various stages, and various inventions can be extracted by appropriately combining a plurality of disclosed constituent elements. For example, even if some constituent requirements are deleted from all the constituent requirements shown in the embodiment, the problem described in the column of the problem to be solved by the invention can be solved, and the effect described in the column of the effect of the invention can be achieved. In the case of being obtained, a configuration from which this configuration requirement is deleted can also be extracted as an invention.
1…第1の積層部、 2…第2の積層部、 1−A,1−B,2−A,2−B…駆動電極形成層、 1−1,1−2,2−1,2−2,3−1,3−2,4−1,4−1,5−1…圧電シート、 1d−1,1d−2,2d−1,2d−2,3d−1,3d−2,4d−1,4d−2,5d−1,5d−2,5d−3,5d−4,1d−1´,1d−2´,2d−1´,2d−2´,3d−1´,3d−2´,4d−1´,4d−2´,5d−1´,5d−2´,5d−3´,5d−4´…内部電極、1d−1e,1d−2e,2d−1e,2d−2e,3d−1e,3d−2e,4d−1e,4d−2e,5d−1e,5d−2e,5d−3e,5d−4e,1d−1´e,1d−2´e,2d−1´e,2d−2´e,3d−1´e,3d−2´e,4d−1´e,4d−2´e,5d−1´e,5d−2´e,5d−3´e,5d−4´e…露出部、 1d−1E,1d−2E,2d−1E,2d−2E,3d−1E,3d−2E,4d−1E,4d−2E,5d−1E,5d−2E,5d−3E,5d−4E,1d−1´E,1d−2´E,2d−1´E,2d−2´E,3d−1´E,3d−2´E,4d−1´E,4d−2´E,5d−1´E,5d−2´E,5d−3´E,5d−4´E…外部電極、 10…圧電素子、 3,4,5…振動検出電極形成層、 11,12,21,22…圧電活性領域群、 50…被駆動体、 100…絶縁シート、 122…制御部、 128…位相差検出回路、 128…位相差位相差検出回路、 130…ドライブ回路、 135…バッファ、 140…コンパレータ。
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記複数の振動モードにおける振動のうち、前記被駆動体を複数軸方向に駆動する際の推進方向の振動成分を検出する振動検出電極を含む振動検出電極層を具備し、
前記振動検出電極層は、同一周波数で互いに直交する方向の複数の屈曲振動モードにおける腹部近傍に設けられていることを特徴とする圧電素子。 A piezoelectric element used in an ultrasonic transducer that drives a driven body by a plurality of vibration modes excited by applying a predetermined drive signal,
Among vibrations in the plurality of vibration modes, comprising a vibration detection electrode layer including a vibration detection electrode for detecting a vibration component in a propulsion direction when driving the driven body in a plurality of axial directions,
The piezoelectric element is characterized in that the vibration detection electrode layer is provided in the vicinity of the abdomen in a plurality of bending vibration modes in the direction orthogonal to each other at the same frequency.
前記圧電素子のうち、前記第3の方向について略2等分された一方側部分において、前記第1の方向に並列に配設された少なくとも2つの第1圧電活性領域と、
前記圧電素子のうち、前記第3の方向について略2等分された他方側部分において、前記第2の方向に並列に配設された少なくとも2つの第2圧電活性領域と、
を具備し、
前記第1圧電活性領域及び前記第2圧電活性領域は、
前記振動検出電極層と、
前記振動検出電極層を前記第3の方向から挟み込むように配設され、前記所定の駆動信号が印加される駆動電極層と、
を含むことを特徴とする請求項1に記載の圧電素子。 In the three-axis orthogonal coordinate system including the first direction, the second direction, and the third direction, the piezoelectric element has the third direction as a longitudinal direction,
At least two first piezoelectric active regions disposed in parallel in the first direction on one side portion of the piezoelectric element that is substantially divided into two in the third direction;
At least two second piezoelectric active regions arranged in parallel in the second direction in the other side portion of the piezoelectric element that is substantially divided into two parts in the third direction;
Comprising
The first piezoelectric active region and the second piezoelectric active region are:
The vibration detection electrode layer;
A drive electrode layer disposed so as to sandwich the vibration detection electrode layer from the third direction, to which the predetermined drive signal is applied;
The piezoelectric element according to claim 1, comprising:
前記第2圧電活性領域が具備する前記振動検出電極層は、前記第2の方向における推進方向の振動成分を検出する
ことを特徴とする請求項2に記載の圧電素子。 The vibration detection electrode layer provided in the first piezoelectric active region detects a vibration component in a propulsion direction in the first direction,
The piezoelectric element according to claim 2, wherein the vibration detection electrode layer included in the second piezoelectric active region detects a vibration component in a propulsion direction in the second direction.
前記第2圧電活性領域が具備する前記振動検出電極層は、さらに前記第1の方向に並列に配設された圧電活性領域を含み、前記第1の方向における推進方向の振動成分及び前記第2の方向における推進方向の振動成分を検出する
ことを特徴とする請求項3に記載の圧電素子。 The vibration detection electrode layer included in the first piezoelectric active region further includes a piezoelectric active region disposed in parallel with the second direction, and the vibration component in the propulsion direction in the first direction and the second The vibration component in the propulsion direction in the direction of
The vibration detection electrode layer included in the second piezoelectric active region further includes a piezoelectric active region disposed in parallel with the first direction, and the vibration component in the propulsion direction in the first direction and the second The piezoelectric element according to claim 3, wherein a vibration component in the propulsion direction is detected.
所定の駆動信号を印加されることで励起される複数の振動モードによって前記被駆動体を多自由度に駆動する圧電素子と、
前記圧電素子のうち前記被駆動体に対向する面に設けられた摩擦接触子と、
前記圧電素子に押圧力を与え、前記摩擦接触子を介して前記圧電素子を前記被駆動体に加圧接触させる押圧部材と、
前記被駆動体を複数の軸周りに回転可能に支持するための支持部材と、
前記駆動信号である2相の交番信号を出力して前記圧電素子を駆動させ、且つ、前記圧電素子の振動状態を検出する制御部と、
を具備し、
前記圧電素子は、前記複数の振動モードにおける振動のうち、前記被駆動体を複数軸方向に駆動する際の推進方向の振動成分を検出する振動検出電極を含む振動検出電極層を具備し、
前記振動検出電極は、同一周波数で互いに直交する方向の複数の屈曲振動モードにおける腹部近傍に設けられている
ことを特徴とする超音波モータ。 A driven body having a substantially spherical shape;
A piezoelectric element that drives the driven body in multiple degrees of freedom by a plurality of vibration modes excited by applying a predetermined driving signal;
A friction contact provided on a surface of the piezoelectric element facing the driven body;
A pressing member that applies a pressing force to the piezoelectric element and press-contacts the piezoelectric element to the driven body via the friction contact;
A support member for rotatably supporting the driven body around a plurality of axes;
A controller for driving the piezoelectric element by outputting a two-phase alternating signal as the driving signal and detecting a vibration state of the piezoelectric element;
Comprising
The piezoelectric element includes a vibration detection electrode layer including a vibration detection electrode that detects a vibration component in a propulsion direction when driving the driven body in a plurality of axial directions among vibrations in the plurality of vibration modes.
The ultrasonic motor is characterized in that the vibration detection electrode is provided in the vicinity of the abdomen in a plurality of bending vibration modes in the direction orthogonal to each other at the same frequency.
前記圧電素子のうち、前記第3の方向について略2等分された一方側部分において、前記第1の方向に並列に配設された少なくとも2つの第1圧電活性領域と、
前記圧電素子のうち、前記第3の方向について略2等分された他方側部分において、前記第2の方向に並列に配設された少なくとも2つの第2圧電活性領域と、
を具備し、
前記第1圧電活性領域及び前記第2圧電活性領域は、
前記振動検出電極層と、
前記振動検出電極層を前記第3の方向から挟み込むように配設され、前記所定の駆動信号が印加される駆動電極層と、
を含むことを特徴とする請求項5に記載の超音波モータ。 In the three-axis orthogonal coordinate system including the first direction, the second direction, and the third direction, the piezoelectric element has the third direction as a longitudinal direction,
At least two first piezoelectric active regions disposed in parallel in the first direction on one side portion of the piezoelectric element that is substantially divided into two in the third direction;
At least two second piezoelectric active regions arranged in parallel in the second direction in the other side portion of the piezoelectric element that is substantially divided into two parts in the third direction;
Comprising
The first piezoelectric active region and the second piezoelectric active region are:
The vibration detection electrode layer;
A drive electrode layer disposed so as to sandwich the vibration detection electrode layer from the third direction, to which the predetermined drive signal is applied;
The ultrasonic motor according to claim 5, comprising:
前記第2圧電活性領域が具備する前記振動検出電極層は、前記第2の方向における推進方向の振動成分を検出する
ことを特徴とする請求項6に記載の超音波モータ。 The vibration detection electrode layer provided in the first piezoelectric active region detects a vibration component in a propulsion direction in the first direction,
The ultrasonic motor according to claim 6, wherein the vibration detection electrode layer included in the second piezoelectric active region detects a vibration component in a propulsion direction in the second direction.
前記第2圧電活性領域が具備する前記振動検出電極層は、さらに前記第1の方向に並列に配設された圧電活性領域を含み、前記第1の方向における推進方向の振動成分及び前記第2の方向における推進方向の振動成分を検出する
ことを特徴とする請求項7に記載の超音波モータ。 The vibration detection electrode layer included in the first piezoelectric active region further includes a piezoelectric active region disposed in parallel with the second direction, and the vibration component in the propulsion direction in the first direction and the second The vibration component in the propulsion direction in the direction of
The vibration detection electrode layer included in the second piezoelectric active region further includes a piezoelectric active region disposed in parallel with the first direction, and the vibration component in the propulsion direction in the first direction and the second The ultrasonic motor according to claim 7, wherein a vibration component in the propulsion direction is detected.
ことを特徴とする請求項6に記載の超音波モータ。 The control unit includes a phase of a signal output from the vibration detection electrode layer included in the first piezoelectric active region and a phase of the drive signal output from the vibration detection electrode layer included in the second piezoelectric active region. The ultrasonic motor according to claim 6, wherein the frequency of the drive signal is controlled so that the phase difference becomes a predetermined value.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2011029838A JP2012170255A (en) | 2011-02-15 | 2011-02-15 | Piezoelectric element and ultrasonic motor |
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