JP4328113B2 - 超音波モータ - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内部電極と圧電素子が積層された構造を有する超音波モータに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、電磁型モータに代わる新しいモータとして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に比べ以下のような利点を有している。
【0003】
(1)ギヤなしで低速高推力が得られる。
(2)保持力を有する。
(3)ストロークが長く、高分解能である。
(4)静粛性に富んでいる。
(5)磁気的ノイズを発生せず、また、ノイズの影響も受けない。
【0004】
このような利点を有する超音波モータとしては、回転型モータ、リニア型モータ、2次元型モータ等があり、また、該二次元型超音波モータの従来の関連技術としては、本出願人によって提案がなされた、例えば、特開平5−146171号公報に開示された超音波振動子がある。
以下、図13乃至図15を参照しながら、前記特開平5−146171号公報の提案における従来の二次元超音波モータについて説明する。
図13乃至図15は従来の二次元超音波モータの構成例を説明するためのもので、図13は該二次元超音波モータに用いられる超音波振動子の構成斜視図、図14は図13の超音波振動子に用いられる第1の積層体の上方からの分解斜視図、図15は図13の超音波振動子に用いられる第2の積層体の上方からの分解斜視図をそれぞれ示している。
【0005】
まず、超音波振動子の構成について説明する。
従来の二次元超音波モータには、図13に示す超音波振動子100が用いられており、該超音波振動子100は、第一の積層体106aと第二の積層体106bとが直列に接合された積層体106を有して構成されたものである。
【0006】
第一の積層体106aと第二の積層体106bは、内部電極と圧電素子が交互に積層された構造を有して構成されている。
【0007】
すなわち、第一の積層体106aは、図14に示すように全面電極、圧電素子、第一の方向に2分割された内部電極、圧電素子、全面電極、圧電素子、第一の方向と直交する方向に2分割された内部電極、圧電素子、…の順に積層されたものである。
【0008】
また、第二の積層体106bは、図15に示すように全面電極、圧電素子、全面電極、圧電素子、…の順に積層されたものである。
【0009】
次に、該振動子の動作について説明する。
上記構成の超音波振動子100において、いま、第一の積層体106aに交番電圧を印加したとする。すると、この交番電圧を印加することにより、該超音波振動子100は、下部を固定端とするX−Z面内の屈曲共振振動、もしくはY−Z面内の屈曲共振振動が励起されることになる。また、第二の積層体106bに交番電圧を印加すると、この交番電圧の印加によって、該超音波振動子100はZ方向に振動が励起されることになる。
【0010】
ここで、図13に示す超音波振動子100の上端面に配された突起台103近傍に着目すると、前記振動を合成することにより、Z軸を含む任意の振動面を有する楕円振動が形成されることになる。これにより、該突起台103上に設けられた突起104に図示しない被駆動体を押圧させることにより、該被駆動体をXーY面内の任意の方向に移動させることが出来る。
【0011】
【特許文献1】
特開平5−146171号公報(第2頁ー第4頁、第1図)
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した特開平5−146171号公報の提案における従来の二次元超音波モータでは、屈曲振動は屈曲振動を励起するための部位により励起され、縦振動は縦振動を励起するための部位により励起されるために、電源側から超音波振動子を見たときの屈曲振動端子間のインピーダンスと縦振動用のインピーダンスとが異なってしまう。また、該超音波振動子を用いた2次元超音波モータを考慮した場合、該超音波振動子の積層体の下端面は適用されたユニットの固定部位上に固定されるため、この固定部位の厚みによっては屈曲振動や縦振動における共振周波数が変化してしまう虞もある。
【0013】
このような理由から、電源側の屈曲振動用の出力回路と縦振動用の出力回路ではその設計を変えなければならず、電源回路を構成する上で複雑で大型なものになってしまうといった不都合があった。
【0014】
そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、簡単な構成で超音波モータの駆動電源の単純化及び小型化を図ることのできる超音波モータを提供することを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明の超音波モータは、内部電極と圧電シートが交互に複数積層されてかつ一体的に焼成され、さらに該内部電極と導通した外部電極を側面に配してなる、角柱又は円柱形状の超音波振動子であって、第1の方向である積層方向と直交する第2の方向に沿って2分割された内部電極を少なくとも有する第1積層部と、前記第1の方向および前記第2の方向と直交する第3の方向に沿って2分割された内部電極を少なくとも有する第2積層部と、前記第1積層部の所定の内部電極ごとにそれぞれ導通するごとく設けられた第1外部電極群と、前記第2積層部の所定の内部電極ごとにそれぞれ導通するごとく設けられた第2外部電極群と、からなる超音波振動子と、前記第1外部電極群および前記第2外部電極群にそれぞれ電気的に接続され、前記第1外部電極群(A相、B相)に位相の異なる交番電圧を印加することより前記超音波振動子に前記第1の方向の縦振動と前記第3の方向の屈曲振動を励起し、かつ、前記第2外部電極群(A1相、B1相)に位相の異なる交番電圧を印加することにより前記超音波振動子に前記第1の方向の縦振動と前記第2の方向の屈曲振動を励起し、前記超音波振動子の所定部位に前記第1の方向を含む任意の面内の超音波楕円振動を発生させる、駆動回路と、を備え、 前記第1積層部のA相、前記第1積層部のB相、前記第2積層部のA1相、および前記第2積層部のB1相、のそれぞれに対応する前記駆動回路から見たインピーダンスは、すべて略等しいことを特徴とするものである。
【0016】
請求項1の発明によれば、 第1積層部の外部電極群(A相,B相)に位相の異なる交番電圧を印加することより超音波振動子に縦振動と該縦振動の振動方向を含む第1の面内の屈曲振動を励起し該第1の面内に超音波楕円振動を発生させることができる。また、第2積層部の外部電極群(A1相、B1相)に位相の異なる交番電圧を印加することにより超音波振動子に縦振動と該第1の面と直交し該縦振動の振動方向を含む第2の面内の屈曲振動を励起させ該第2の面内の超音波楕円振動を発生させることができる。さらに、第1積層部の外部電極(A相、B相)および第2積層部の外部電極(A1相、B1相)に同時に交番電圧を印加することにより縦振動の振動方向を含む任意の面内の超音波楕円振動を発生させることができる。例えば、駆動回路は4相駆動回路を用いる。この場合、第1積層部に印加する相をA相,B相、第2積層部に印加する相をA1相,B1相とした。本発明では第1積層部と第2積層部とで同一の構造を有しており、第1積層部のA相、第1積層部のB相、第2積層部のA1相、第2積層部のB1相の駆動回路から見たインピーダンスが略同じであるので、4相駆動回路のA相、B相、A1相、B1相の出力回路構成(出力インピーダンス等)は全く同様の構成をとることが出来る。これにより、駆動回路の単純化及び小型化が達成できる。
【0017】
請求項2の発明の超音波モータは、内部電極と圧電シートが交互に複数積層されてかつ一体的に焼成され、さらに該内部電極と導通した外部電極を側面に配してなる、角柱又は円柱形状の超音波振動子であって、第1の方向である積層方向と直交する第2の方向に沿って、且つ該第1の方向および該第2の方向と直交する第3の方向に沿って略均等に四分割された内部電極を少なくとも有する第1積層部および第2積層部と、前記第1積層部および前記第2積層部の所定の内部電極ごとにそれぞれ導通するごとく設けられた第1外部電極群と、前記第1積層部の所定の内部電極ごとにそれぞれ導通するごとく設けられた第2外部電極群と、前記第2積層部の所定の内部電極ごとにそれぞれ導通するごとく設けられた第3外部電極群と、からなる超音波振動子と、前記第1外部電極群、前記第2外部電極群、および前記第3外部電極群にそれぞれ電気的に接続され、前記第1外部電極群(A相、B相)に位相の異なる交番電圧を印加することより前記超音波振動子に前記第2の方向の縦振動と前記第3の方向の屈曲振動を励起し、かつ、前記第2及び第3外部電極群(A1相、B1相)に位相の異なる交番電圧を印加することにより前記超音波振動子に前記第2の方向の縦振動と前記第1の方向の屈曲振動を励起し、前記超音波振動子の所定部位に前記第2の方向を含む任意の面内の超音波楕円振動を発生させる、駆動回路と、を備え、前記第1及び第2積層部のA相、前記第1及び第2積層部のB相、前記第1積層部のA1相、並びに前記第2積層部のB1相、のそれぞれに対応する前記駆動回路から見たインピーダンスは、すべて略等しいことを特徴とするものである。
【0018】
請求項2の発明によれば、第1外部電極群(A相,B相)に位相の異なる交番電圧を印加することより超音波振動子に縦振動と該縦振動の振動方向を含む第1の面内の屈曲振動を励起し該第1の面内に超音波楕円振動を発生させることが出来る。また、第2,第3外部電極群(A1相,B1相)に位相の異なる交番電圧を印加することにより超音波振動子に縦振動と該第1の面と直交し該縦振動の振動方向を含む第2の面内の屈曲振動を励起させ該第2の面内の超音波楕円振動を発生させることができる。第1外部電極群(A相,B相)および第2,第3外部電極群(A1相,B1相)に同時に交番電圧を印加することにより縦振動の振動方向を含む任意の面内の超音波楕円振動を発生させることができる。この場合、第1外部電極群に印加する相をA相,B相、第2外部電極群および第3外部電極群に印加する相をA1相,B1相とした。本発明ではA相,B相,A1相,B1相の駆動回路から見たインピーダンスが略同じであるので、4相駆動回路のA相、B相、A1相、B1相の出力回路構成(出力インピーダンス等)は全く同様の構成をとることができる。これにより、駆動回路の単純化及び小型化が達成でき。さらに、本発明では積層方向が縦振動方向(長手方向)と直交する方向であり、積層枚数を少なくすることができる。また、内部電極パターンが一種類ですむ。
【0019】
請求項3の発明の超音波モータは、請求項1または請求項2に記載の超音波モータにおいて、前記超音波楕円振動を発生する部位に摩擦部材を固定したことを特徴とするものである。
【0020】
請求項3の発明によれば、請求項1または請求項2に記載の超音波モータにおいて、摩擦部材は被駆動体と接触する部位であるので、圧電素子材料以外の耐久性のある摩擦部材や摩擦係数の大きい摩擦部材等が任意に選択できる。
【0021】
請求項4の発明の超音波モータは、請求項3に記載の超音波モータにおいて、前記摩擦部材は、その一部に突起形状を有して構成したことを特徴とするものである。
【0022】
請求項4の発明によれば、積層振動子の摩擦部材の突起部と被駆動体とが接触するため、積層振動子側の接触位置が常に同一の位置に決まり、動作が安定することになる。
【0023】
請求項5の発明の超音波モータは、請求項1または請求項2に記載の超音波モータにおいて、前記超音波振動子の超音波楕円振動発生部位に接触して該超音波振動子と相対的に2次元の任意の方向に駆動される被駆動体とを少なくとも有して構成されたことを特徴とする。
【0024】
請求項5の発明によれば、前記超音波振動子の超音波楕円振動が発生している部位に被駆動体を移動自在の状態で例えば押圧手段を用いて押圧するように構成すれば、該超音波楕円振動は積層振動子の長手方向を含む任意の向きの超音波楕円振動を発生するため、これに伴い被駆動体は2次元の任意の方向に駆動させることができる。
【0025】
請求項6の発明の超音波モータは、請求項5に記載の超音波モータにおいて、前記被駆動体の相対的な移動が回転であることを特徴とするものである。
【0026】
請求項6の発明によれば、請求項5の超音波モータにおいて、被駆動体を回転体とすることにより、被駆動体に回転動作をさせることが出来る。
【0027】
請求項7の発明の超音波モータは、請求項5に記載の超音波モータにおいて、前記被駆動体の相対的な移動が直進であることを特徴とするものである。
【0028】
請求項7の発明によれば、請求項5の超音波モータにおいて、被駆動体を平面体とすることにより、被駆動体に直進動作をさせることができる。
【0029】
請求項8の発明の超音波モータは、請求項5に記載の超音波モータにおいて、前記超音波振動子は該超音波振動子の生じる縦振動及び屈曲振動の略節部の位置に設けられた複数のピンによって超音波モータ筐体内に保持され、前記被駆動体は前記超音波振動子の超音波楕円振動発生部位に接触するように押圧手段によって支持されることを特徴とするものである。
【0030】
請求項8の発明によれば、前記請求項5の発明と同様に作用する他に、安定した出力特性を有する2次元超音波モータを構成できる。
【0031】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【0032】
第1の実施の形態:

(構成)
図1乃至図5は本発明に係る超音波モータの第1の実施の形態を示し、図1は該超音波モータに搭載された超音波振動子の概略構成を説明するもので、図1(a)は右斜め上方から見た超音波振動子の斜視図、図1(b)は該超音波振動子の左側面から見た側面図、図1(c)は該超音波振動子の裏面から見た側面図であり、図2は図1に示す超音波振動子の内部電極構造を詳しく示した要部分解斜視図、図3は本実施の形態の超音波振動子の動作状態を示す斜視図であり、図3(a)は1次の縦共振振動状態を示し、図3(b)は二次の屈曲共振振動状態をそれぞれ示している。また、図4は上記超音波振動子を用いた超音波モータの基本構造を説明するための概念図であり、図5は他の超音波モータの基本構造を説明するための概念図である。
【0033】
まず、本実施の形態の超音波モータに搭載された超音波振動子の構成について図1を参照しながら詳細に説明する。
【0034】
本実施の形態の超音波振動子1は、図1(a)に示すように、積層型の超音波振動子であり、その断面が略正方形となる角柱形状に構成された積層体1Aで主に構成されている。
【0035】
この積層体1Aは、図中に示すように、略上半分の積層体である第1積層部2と、略下半分の積層体である第2積層部3と、これら第1,第2積層部2,3の所定位置に設けられた外部電極4(7B,8B,9B,10B)とで構成されている。
【0036】
積層体1Aの右側面上方には、第1積層部2の外部電極4を構成する外部電極A相(A+,A−)7B,8Bが焼き付け銀により形成されている。また、積層体1Aの正面下方には、第2積層部の外部電極4を構成する外部電極A相(A1+,A1−)9B,10Bが焼き付け銀により形成されている。
【0037】
また、積層体1Aの上下、左右の略中央部には、該超音波振動子1を保持するための例えばピン13(図4参照)の装着用の穴5が設けられている。
【0038】
さらに、本実施の形態の超音波振動子1では、図1(b)に示すように、積層体1Aの左側面の第1積層部2の上部には、第1積層部2の外部電極を構成する外部電極B相(B+,B−)7B,8Bが焼き付け銀により形成されている。
【0039】
また、図1(c)に示すように、積層体1Aの背面側面(裏面側面)の第2積層部3の下部には、第2積層部3の外部電極4を構成する外部電極B相(B1+,B1−)9B,10Bが焼き付け銀により形成されている。
【0040】
すなわち、外部電極4は、積層体1Aの各側面に露出する各内部電極面(外部電極7B,8B,9B,10B)にそれぞれ焼き付き銀を施すことにより、該超音波振動子1を二次元的に励起させるのに必要な少なくとも4種の外部電極A相(A+,A−)、外部電極A相(A1+,A1−)、外部電極B相(B+,B−)、外部電極B相(B1+,B1−)を構成している。
【0041】
なお、本実施の形態では、前記積層体1Aは、例えば縦横が5mm,長さが約19mmとなる寸法で構成されている。
【0042】
次に、本実施の形態の特徴となる超音波振動子1の内部電極構造について図2を参照しながら詳細に説明する。
【0043】
超音波振動子1の積層体1Aは、図2に示すように、絶縁体として電極が施されていない3枚の第1の圧電シート11A〜11Cと、これら3枚の第1の圧電シート11A〜11Cとの間に挟持されるように積層され、内部電極処理が施された薄い矩形状で複数設けられた第2の圧電体シート6A,6B,6C,6Dとで、上述の第1積層部2,第2積層部3を構成する構造となっている。
【0044】
具体的には、前記第1積層部2は、最上端に配される第1の圧電シート11Aと中央に配される第1の圧電シート11Bとの間に挟持されるように2種の第2の圧電シート6A,6Bを交互に積層することで構成され、前記第2積層部3は、中央に配される前記第1の圧電シート11Bと最下端に配される第1の圧電シート11Cとの間に挟持されるように2種の第2の圧電シート6C,6Dを交互に積層することで構成されている。
【0045】
第1積層部2は、第1内部電極7Aが形成された第2の圧電シート6Aと第2内部電極8Aが形成された第2の圧電シート6Bが交互に積層された構造になっている。
【0046】
また、第2積層部3は、第3内部電極9Aが形成された第2の圧電シート6Cと第4内部電極10Aが形成された第2の圧電シート6Dが交互に積層された構造になっている。
【0047】
前記第1積層部2において、前記第2の圧電シート6Aは、第1内部電極7Aが圧電シート部11aの面上に略2分割されるように設けて形成されるとともに、それぞれの端部に外部電極(外部電極A相(A+)用及び外部電極B相(B+)用)に接続する部分が設けられて形成されている。
【0048】
また、前記第2の圧電シート6Bは、第2内部電極8Aが圧電シート部11aの面上に略2分割されるように設けて形成されるとともに、それぞれの端部に外部電極(外部電極A相(A−)用及び外部電極B相(B−)用)に接続する部分が設けられて形成されている。
【0049】
一方、前記第2の積層部3において、前記第2の圧電シート6Cは、第3内部電極9Aが圧電シート部11aの面上に略2分割されるように設けて形成されるとともに、それぞれの端部に外部電極(外部電極A相(A1+)用及び外部電極B相(B1+)用)に接続する部分が設けられて形成されている。
【0050】
また、前記第2の圧電シート6Dは、第4内部電極10Aが圧電シート部11aの面上に略2分割されるように設けて形成されるとともに、それぞれの端部に外部電極(外部電極A相(A1−)用及び外部電極B相(B1−)用)に接続する部分が設けられて形成されている。
さらに詳細に説明すると、本実施の形態では、前記第1積層部2は、例えば厚さ数μmの銀もしくは銀・パラジウム合金よりなる内部電極が印刷によりパターンニングされた厚さ約80μmの第1の圧電シート6A,6Bが交互に複数枚積層されて構成されたものである。
【0051】
また、第1の圧電シート6A,6Bにおいて、前記第1内部電極7A及び第2内部電極8Aは、X方向(図1参照)に500μm程度の間隙を有して略2分割されている。
【0052】
第1内部電極7Aの右片側は、外部電極A相(A+)と接し導通する部分のみ端部まで電極が形成され、その他の部分は端部から500μm程度の間隙部が設けられている。第1内部電極7Aの左片側は、外部電極B相(B+)と接し導通する部分のみ端部まで電極が形成されており、その他の部分は端部から500μm程度の間隙部が設けられている。
【0053】
第2内部電極8Aの右片側は、外部電極A相(A−)と接し導通する部分のみ端部まで電極が形成され、その他の部分は端部から500μm程度の間隙部が設けられている。第2内部電極8Aの左片側は、外部電極B相(B−)と接し導通する部分のみ端部まで電極が形成され、その他の部分は端部から500μm程度の間隙部が設けられている。
【0054】
また、第1の圧電シート6C,6Dにおいて、前記第3内部電極9A及び第4内部電極10Aは、Y方向(図1参照)に500μm程度の間隙を有して略2分割されている。
【0055】
第3内部電極9Aの手前側は、外部電極A相(A1+)と接し導通する部分のみ端部まで電極が形成され、その他の部分は端部から500μm程度の間隙部が設けられている。第3内部電極9Aの奥側は、外部電極B相(B1+)と接し導通する部分のみ端部まで電極が形成されており、その他の部分は端部から500μm程度の間隙部が設けられている。
【0056】
第4内部電極10Aの手前側は、外部電極A相(A1−)と接し導通する部分のみ端部まで電極が形成され、その他の部分は端部から500μm程度の間隙部が設けられている。第4内部電極10Aの奥側は、外部電極B相(B1−)と接し導通する部分のみ端部まで電極が形成され、その他の部分は端部から500μm程度の間隙部が設けられている。
【0057】
このようにして、本実施の形態の特徴となる内部電極構造を備えた超音波振動子1を構成している。
【0058】
次に、本実施の形態の超音波振動子1の製造方法について説明する。
【0059】
本実施の形態では、前記第1及び第2の圧電シート11A〜11C,6A〜6Dを構成する圧電材料としては、圧電定数の大きいPZT系の圧電材料を用いた。
【0060】
まず、PZT仮焼粉末を溶媒と混合し、ドクターブレード法により2種の圧電シート(グリーンシートとも称す:第1の圧電シート11A〜11C及び第2の圧電シート6A〜6D用の圧電シート部11a)を作製した。
【0061】
なお、第1の圧電シート11A〜11Cは前記第2の圧電シート6A〜6D(圧電シート部11a:図2参照)よりも厚く、逆に第2の圧電シート6A〜6D(圧電シート部11a)は、前記第1の圧電シート11A〜11Cよりみ薄く成形されることになる。
【0062】
この圧電シート部11aは複数枚用意され、4種類の内部電極パターン(図2参照)を印刷により形成することで、図2に示す第2の圧電シート6A〜6Dを作製した。そして、第1の圧電シート11A〜11Cを用意し、図2で説明したような積層形態にて、これらの第1の圧電シート11A〜11Cの間に前記4種の第2の圧電シート6A〜6Dを正確に位置決めし積層する。
【0063】
その後、積層された積層体を加熱プレス機で加圧し、電気炉にて脱脂、焼成を行った。
【0064】
そして、積層体の所定に位置(図1参照)に外部電極4として銀を焼き付け、分極装置により分極を行った。この場合の、分極の際の極性については図1中に(+,−)で示した。
【0065】
その後、積層体の側面(あるいは4側面)の略中央部に0.5mm程度の穴5を形成する。
【0066】
最後に、図示しないが各外部電極4にはリード線、もしくはフレキシブル基板を取付けてリード電気端子を設ける。
【0067】
こうして、本実施の形態の超音波振動子1(積層体1A)と成す。
【0068】
なお、本実施の形態では、例では1個の超音波振動子1を作製する場合を述べたが、例えば広い圧電シートに同時に同じ内部電極パターンを印刷して、電気炉にて焼成する前に裁断すれば、同時に多数個の超音波振動子1を作製することができ、製造工程の簡略化及び製造コストの低減化を図るのに有効である。また、変形例としては、第1積層部2と第2積層部3を別々に作成し、その後、これらを接着により接合して積層体1Aを作製しても良い。
【0069】
(作用)
次に、上記構成の超音波振動子1の動作について図1乃至図3を参照しながら詳細に説明する。
【0070】
なお、予め、図示はしないが各外部電極4の各リード電気端子にリード線(またはフレキシブル基板)を半田にて結線し、さらに、図示はしないが該超音波振動子1の駆動電源手段として4相駆動電源を用意し、この4相駆動電源に前記各リード線(又はフレキシブル基板)を電気的に接続したものとして説明する。
【0071】
いま、図1の超音波振動子1の上記A相,B相に、同位相で周波数70KHzの交番電圧を印加したものとする。すると、超音波振動子1は、図3(a)に示す振動方向AをZ方向(図1参照)とする1次の縦共振振動が励起された。
【0072】
また、上記A相,B相に、位相が180度異なる70KHzの交番電圧を印加したところ、超音波振動子1は、図3(b)に示す振動面がYZ面内にある2次屈曲共振振動が励起された。
【0073】
さらに、上記A相,B相に、位相が90度異なる70KHZの交番電圧を印加したところ、前述した縦振動(図3(a)参照)と屈曲振動(図3(b)参照)とが同時に励起され、超音波振動子1上面に振動面がYZ面内にある超音波楕円振動が励起された。
【0074】
次に、図1の超音波振動子1の上記A1相,B1相に、同位相で周波数70KHzの交番電圧を印加したものとする。すると、超音波振動子1は、図3(a)に示す振動方向AをZ方向(図1参照)とする1次の縦共振振動が励起された。
【0075】
また、上記A1相,B1相に、位相が180度異なる70KHzの交番電圧を印加したところ、超音波振動子1は、図3(b)に示す振動面がXZ面内にある2次屈曲共振振動が励起された。
【0076】
さらに、上記A1相,B1相に、位相が90度異なる70KHZの交番電圧を印加したところ、前述した縦振動(図3(a)参照)と屈曲振動(図3(b)参照)とが同時に励起され、超音波振動子1上面に振動面がXZ面内にある超音波楕円振動が励起された。
最後に、本実施の形態の超音波振動子1において、上記A相,B相,A1相,B1相に、70KHzの交番電圧を印加し、この場合の、A相,B相間の位相差を90度もしくはー90度、A1相,B1相間の位相差を90度もしくはー90度とし、印加電圧の大きさを変化させたものとする。すると、超音波振動子1は、該超音波振動子1上面において超音波楕円振動がZ軸を含む任意の面内に励起し発生することが確認できた。
【0077】
次に、上記超音波振動子1を用いた2次元超音波モータ20の構成について図4を参照しながら詳細に説明する。
【0078】
本実施の形態の超音波モータ20は、図4に示すように上記構成の超音波振動子1と、該超音波振動子1の上端面に設けられた摩擦部材12と、この摩擦部材12と接触するように図示しない押圧手段により保持された球形状の被駆動体15と、前記超音波振動子1の穴5に装着されたピン13と、を備えて構成されている。
【0079】
前記摩擦部材12は、超音波楕円振動が発生する超音波振動素子1の上端面に設けられたもので、具体的には摩擦部材としてアルミナ砥粒が含有されている砥石材料を設け、これを接着したものである。
【0080】
また、超音波振動子1の穴5は、図1に示すように略中央部の4つの側面にそれぞれ設けられており、これらの穴5にはピン13が嵌装されている。これら4方向に嵌装されたピン13は、超音波モータ20の筐体内の壁部14に固定されており、これにより、超音波振動子1を超音波モータ20の筐体内に保持固定されるようになっている。
【0081】
なお、本実施の形態では、前記ピン13が挿入された穴5は、超音波振動子1の生じる縦振動及び屈曲振動の略節部の位置(積層体1Aの略中央部)に設けられたものである。
【0082】
また、前記被駆動体15は、例えば、ジルコニアセラミクスの材質を用いて形成されたもので、上記の如く図示しない押圧手段により上方、あるいは上方及び側面方向からち該超押派振動子1に対し回転自在の状態で押圧されている。
【0083】
次に、上記構成の超音波リニアモータ20の動作について説明する。
【0084】
上記構成の超音波モータ20において、いま、超音波振動子1のA相,B,A1相,B1相に、70KHzの交番電圧を印加し、この場合の、A相,B相間の位相差を90度もしくはー90度、A1相,B1相間の位相差を90度もしくはー90度とし、印加電圧の大きさを変化させたものとする。
【0085】
すると、超音波振動子1は、該超音波振動子1上面において超音波楕円振動がZ軸を含む任意の面内に励起し、これに連動して球状の被駆動体15は、XY面内に回転軸を有する任意の回転方向に駆動することが確認できた。
【0086】
なお、本発明の超音波モータ20は、図4に示す形態に限定されるものではなく、例えば図5の変形例に示すように構成しても良い。すなわち、図5に示すように、図5に示す板状の摩擦部材12に代えて球形状の摩擦部材12Aを設けるとともに、図5に示す球状の被駆動体15に代えて板状の被駆動体15Aを設けて構成する。このような構成の超音波モータ20Aの場合でも、上記同様に、超音波振動子1に電圧を印加することにより、被駆動体15AをXY面内の任意の方向に駆動することが出来た。
【0087】
(効果)
したがって、本実施の形態によれば、4相駆動方式の超音波振動子1として構成することで、各相のインピーダンスを同じにすることができる。これにより、駆動電源回路を単純化及び小型化を図ることが可能となる。
【0088】
また、従来の超音波モータは、超音波振動子の下端部を固定するものであり、その超音波振動子下部を固定する固定部材の構造(大きさ、質量、剛性等)によっては超音波振動子そのものの固有振動数が大幅に変化してしまっていたが、本実施の形態の超音波モータでは、縦振動及び屈曲振動の共通の節部にて超音波振動子1が保持されているので該超音波振動子1の固有振動数の変動が非常に少ないという効果も得られる。
【0089】
次に、前記第1の実施の形態の変形例を図6乃至図10を参照しながら詳細に説明する。
【0090】
(変形例1)
図6は前記第1の実施の形態の第1の変形例の超音波振動子の概略構成を説明するもので、図6(a)は右斜め上方から見た超音波振動子の斜視図、図6(b)は該超音波振動子の左側面から見た側面図、図6(c)は該超音波振動子の裏面から見た側面図であり、図7は図6に示す超音波振動子の内部電極構造を詳しく示した要部分解斜視図である。なお、図6は前記第1の実施の形態の超音波振動子と同様な構成要素については同一の符号を付して説明を省略し、異なる部分のみを説明する。
【0091】
本例では、第1内部電極6Aと第3内部電極9Aが2分割されている第2の圧電シート6A,6Cは前記第1の実施の形態と同様に用いられているが、第2内部電極16Aと第4内部電極17Aとがそれぞれ2分割されていない第2の圧電シート6E,6Fを用いて積層体1Bを構成したことが特徴である。
【0092】
図7に示すように、前記第2の圧電シート6Eは、第2内部電極16Aが圧電シート部11aの端部に対して隙間を設けて略面上全体に形成されるとともに、一部は端部まで形成されている。
【0093】
また、前記第2の圧電シート6Fは、第4内部電極17Aが圧電シート部11aの端部に対して隙間を設けて略面上全体に形成されるとともに、一部は端部まで形成されている。
【0094】
したがって、前記第1の実施の形態と同様に、第1積層部2は、第1内部電極7Aが形成された第2の圧電シート6Aと第2内部電極16Aが形成された第2の圧電シート6Eを交互に積層して構成され、第2積層部3は、第3内部電極9Aが形成された第2の圧電シート6Cと第4内部電極17が形成された第2の圧電シート6Fを交互に積層して構成される。こうして、本例の積層体1Bと成す(図6参照)。
【0095】
これにより、図6(a)〜図6(c)に示すように、前記内部電極の端部に配された外部電極の配置位置に対応して外部電極4を形成すれば、8箇所の外部電極数であった前記第1の実施の形態よりも少ない6箇所の外部電極数に減らすことができる。つまり、図中に示すようにA相とB相の(−)側が同一の外部電極16Bとなり、またA1相とB1相の(−)側が同一の外部電極17Bとなる。
【0096】
その他の構成、及び作用は前記第1の実施の形態と同様である。
【0097】
本例によれば、前記第1の実施の形態と同様の効果が得られる他に、製造コストの低減化及び製造工程の簡略化を図る上で有効である。
【0098】
(変形例2)
図8は前記第1の実施の形態の第2の変形例の超音波振動子の概略構成を説明するもので、図8(a)は右斜め上方から見た超音波振動子の斜視図、図8(b)は該超音波振動子の左側面から見た側面図、図8(c)は該超音波振動子の裏面から見た側面図であり、図9は図8に示す超音波振動子の内部電極構造を詳しく示した要部分解斜視図である。なお、図8は前記第1の実施の形態の超音波振動子と同様な構成要素については同一の符号を付して説明を省略し、異なる部分のみを説明する。
【0099】
本例では、前記第1の変形例を改良したもので、前記第1積層部2の第2圧電シート6Eと同じ形状のものを第2積層部3の第4内部電極を有する第2の圧電シートとして用い、第2内部電極と第4内部電極の外部電極との接合位置を同じ面として配されるように構成したことが特徴である。
【0100】
つまり、図9に示すように、第2積層部3は、第3内部電極9Aが形成された第2の圧電シート6Cと第4内部電極16Aとして形成された第2の圧電シート6Eを交互に積層して構成されるが、第2の圧電シート6Eの端部の外部電極と接する内部電極の向きが前記第1積層部1の第2圧電シート6Eの外部電極と同じ向きとなるように積層されることになる。こうして、本例の積層体1Cと成す(図8参照)。
【0101】
これにより、図8(a)〜図8(c)に示すように、外部電極の数を前記第1の変形例よりもさらに一つ減らし、5箇所にすることが出来る。
【0102】
その他の構成、及び作用は前記第1の実施の形態と同様である。
【0103】
本例によれば、外部電極の個数をさらに1箇所少なくすることが出来、また、2種類の第2の圧電シート(第2の圧電シート6A,6Cのタイプと第2の圧電シート6Eのタイプ)を用意すれば良いので、前記第1の変形例よりも製造コストの低減化及び製造工程の簡略化を図る上で有効である。
【0104】
(変形例3)
図10は前記第1の実施の形態の第3の変形例を示し、超音波振動子を構成する第2の圧電シートの内部電極構造を説明するもので、図10(a)は第1内部電極を有する第2の圧電シートの上面図、図10(b)は第2内部電極を有する第2の圧電シートの上面図、図10(c)は第3内部電極を有する第2の圧電シートの上面図、図10(d)は第4内部電極を有する第2の圧電シートの上面図である。なお、図10は前記第1の実施の形態の超音波振動子と同様な構成要素については同一の符号を付して説明を省略し、異なる部分のみを説明する。
【0105】
前記第1の実施の形態においては、超音波振動子形状を角柱形状に構成した場合について説明したが、本例では、該超音波振動子形状を角柱形状ではなく円柱形状に構成したことが特徴である。この場合の、各第2の圧電シートの内部電極形状が図10に示されている。
【0106】
つまり、前記第1の実施の形態の超音波振動子(図2参照)を構成する第2の圧電シート6Aが図10(a)に示す第2の圧電シート6A1に対応し、第2の圧電シート6Bが図10(b)に示す第2の圧電シート6B1に対応し、第2の圧電シート6Cが図10(c)に示す第2の圧電シート6C1に対応し、第2の圧電シート6Dが図10(d)に示す第2の圧電シート6D1に対応する。
【0107】
したがって、第2の圧電シート6A1の第1内部電極7A1の構成についても、その形状は異なる他は前記第1の実施の形態と同様に2分割されるとともに、端部の一部に外部電極7B1が形成されたものとなる。第2の圧電シート6B1,6C1,6D1についても同様である。
【0108】
本例では、このような円柱形状の第1及び第2の圧電シートを積層することで、図示はしないが円柱形状の超音波振動子(積層体1D)を構成している。
【0109】
なお、超音波振動子の円柱形状に伴い、その外周部分はR状になるが、外部電極の配置については前記第1の実施の形態と同様であるので説明は省略する。
【0110】
また、本例のその他の構成、作用及び効果については前記第1の実施の形態と同様である。
【0111】
さらに、前記第1の実施の形態では、上述した変形例の超音波振動子を用いて図4又は図5に示す超音波モータを構成しても良く、この場合も同様の作用及び効果が得られる。
【0112】
第2の実施の形態:

(構成)
図11及び図12は本発明に係る超音波モータの第2の実施の形態を示し、図11は該超音波モータに搭載された超音波振動子の内部電極構造を詳しく示した要部分解斜視図、図12は該超音波振動子の概略構成を説明するもので、図12(a)は左側面から見た超音波振動子の側面図、図12(b)は正面から見た超音波振動子の正面図、図12(c)は右側面から見た超音波振動子の側面図、図12(d)は裏面(背面)から見た超音波振動子の背面図である。なお、図11及び図12は前記第1の実施の形態の構成要素と同様な構成要素については同一の符号を付して説明を省略し、異なる部分のみを説明する。
【0113】
本実施の形態では、超音波振動子の外観形状については前記第1の実施の形態の超音波振動子の外観形状と同様に角柱形状ではあるが、該超音波振動子の積層方向が異なるように構成したことが特徴である。なお、本実施の形態の超音波振動子の実際の寸法についても前記第1の実施の形態の超音波振動子と略同様である。
【0114】
図11に示すように、本実施の形態の超音波振動子1Eは、第1の圧電シート22A〜22C及び第2の圧電シート21A〜21Dの積層方向が、該超音波振動子1Eの1次縦振動の振動方向に対し直交する方向となるように積層して構成されたものである。
【0115】
超音波振動子1の積層体1Eは、図11に示すように、絶縁体として電極が施されていない3枚の第1の圧電シート22A〜22Cと、これら3枚の第1の圧電シート22A〜22との間に挟持されるように且つ1次縦振動の振動方向に対し直交する方向に積層され、内部電極処理が施された薄い直方体形状で複数設けられた第2の圧電体シート21A,21B,21C,21Dとで、第1積層部2,第2積層部3を構成する構造となっている。
【0116】
具体的には、前記第1積層部2は、最前部に配される第1の圧電シート22Aと中央に配される第1の圧電シート22Bとの間に挟持されるように2種の第2の圧電シート21A,21Bを交互に積層することで構成され、前記第2積層部3は、中央に配される前記第1の圧電シート22Bと最後部に配される第1の圧電シート22Cとの間に挟持されるように2種の第2の圧電シート21C,21Dを交互に積層することで構成されている。
【0117】
第1積層部2は、第1内部電極23Aが形成された第2の圧電シート21Aと第2内部電極24Aが形成された第2の圧電シート21Bが、上述した積層方向で交互に積層された構造になっている。
【0118】
また、第2積層部3は、第3内部電極25Aが形成された第2の圧電シート21Cと第4内部電極26Aが形成された第2の圧電シート21Dが上記同様の積層方向で交互に積層された構造になっている。
【0119】
なお、これらの第1〜第4の内部電極23A〜26Aは、各第2の圧電シートの面を500μm程度の間隙をもって略均等に4分割されている。また、分割された各々の内部電極23A〜26Aは、超音波振動子端部とは約500μm程度の間隙を有して構成されるが、外部電極と接触する部分だけは振動子端部まで延長されている。したがって、第1積層部2,第2積層部3ともに、同じ内部電極形状で構成されている。
【0120】
また、前記第1の圧電シート22A〜22Cのの厚さ寸法は、例えば500μm程度に形成されている。
【0121】
このような第1,第2の圧電シートで積層されて構成された超音波振動子1Eの外観形状が図12に示されている。
【0122】
図12に示すように、本実施の形態の超音波振動子1Eにおいて、該超音波振動子1Eの左側面には、図12(a)に示すように上半分に2箇所に外部電極が設けられている。これは第1積層部2と第2積層部3に渡って設けられたA相用の外部電極(A+,A−)23B(25B),24B(26B)となる。
【0123】
超音波振動子1Eの左側面の下半分には、第1積層部2の位置にA1相用の外部電極(A1+, A1−)23B,24Bが設けられ、、また第2積層部の位置には、B1相用の外部電極(B1+,B−)25B,26Bが設けられている。
【0124】
超音波振動子1Eの右側面には、図12(c)に示すように上半分に2箇所に外部電極が設けられている。これは第1積層部2と第2積層部3に渡って設けられたB相用の外部電極(B+,B−)23B(25B),24B(26B)となる。
【0125】
超音波振動子1Eの右側面の下半分には、第1積層部2の位置にA1相用の外部電極(A1+,A−)23B,24Bが設けられ、また第2積層部3の位置にはB1相用の外部電極(B1+,B1−)25B,26Bが設けられている。
【0126】
また、超音波振動子1Eの正面は、図12(b)に示すように、下半分に左側面と右側面に設けられたA1相用(+,−)の外部電極同士をそれぞれ連結するための外部電極4a,4aが形成されている。
【0127】
さらに、超音波振動子1Eの裏面は、図12(d)に示すように、下半分に左側面と右側面に設けられたB1相用(+,−)の外部電極同士をそれぞれ連結するための外部電極4c,4cが形成されている。
【0128】
なお、本実施の形態では、図示はしないが、前記第1の実施の形態と同様に内部電極の(−)側は分割しないで全面電極として構成しても良い。
【0129】
また、本実施の形態の超音波振動子1EにおけるA相,B相,A1相,B1相は、それぞれ同様に前記第1の実施の形態の値用音波振動子1AにおけるA相,B相,A1相,B1相に対応するものである。
【0130】
また、前記超音波振動子1Eの製造方法は、前記第1の実施の形態と同様であるので説明を省略する。
【0131】
さらに、上記構成の超音波振動子1Eを用いた超音波モータの構成についても前記第1の実施の形態と同様であり説明を省略する。
【0132】
(作用)
本実施の形態の超音波振動子1Eは、前記第1の実施の形態の超音波振動子と同様に作用し、該超音波振動子14を用いた図4又は図5に示す超音波モータを構成した場合も前記第1の実施の形態と同様に作用することになる。
【0133】
(効果)
したがって、本実施の形態によれば、超音波振動子1Eは積層方向が5mmの方向であるので、積層枚数を減少することができ、また、内部電極形状も1種類で積層体1Eを構成することができるため、前記第1の実施の形態よりも製造コストの低減化及び製造工程の簡略化を図ることが可能となる。その他の効果については前記第1の実施の形態と同様である。
【0134】
なお、本発明は、上記第1,第2の実施の形態及び変形例に限定されるものではなく、これらの実施の形態及び変形例の組み合わせや応用も本発明に適用される。
【0135】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明によれば、簡単な構成で超音波モータの駆動電源の単純化及び小型化を図ることのできる超音波モータを構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の超音波モータの第1の実施の形態を示し、該超音波モータに搭載された超音波振動子の概略構成を説明する斜視図。
【図2】 図1に示す超音波振動子の内部電極構造を詳しく示した要部分解斜視図。
【図3】 本実施の形態の超音波振動子の動作状態を示す斜視図。
【図4】 超音波振動子を用いた超音波モータの基本構造を説明するための概念図。
【図5】 他の超音波モータの基本構造を説明するための概念図。
【図6】 第1の実施の形態の第1の変形例の超音波振動子の概略構成を説明する斜視図。
【図7】 図6に示す超音波振動子の内部電極構造を詳しく示した要部分解斜視図。
【図8】 第1の実施の形態の第2の変形例の超音波振動子の概略構成を説明する斜視図。
【図9】 図8に示す超音波振動子の内部電極構造を詳しく示した要部分解斜視図。
【図10】 第1の実施の形態の第3の変形例を示し、超音波振動子を構成する第2の圧電シートの内部電極構造を説明する説明図。
【図11】 本発明の超音波モータの第2の実施の形態を示し、該超音波モータに搭載された超音波振動子の内部電極構造を詳しく示した要部分解斜視図。
【図12】 本実施の形態の超音波振動子の概略構成を説明する構成図。
【図13】 従来の2次元超音波モータに用いられる超音波振動子の構成斜視図。
【図14】 図13の超音波振動子に用いられる第1の積層体の上方からの分解斜視図。
【図15】 図13の超音波振動子に用いられる第2の積層体の上方からの分解斜視図。

Claims (8)

  1. 内部電極と圧電シートが交互に複数積層されてかつ一体的に焼成され、さらに該内部電極と導通した外部電極を側面に配してなる、角柱又は円柱形状の超音波振動子であって、
    第1の方向である積層方向と直交する第2の方向に沿って2分割された内部電極を少なくとも有する第1積層部と、
    前記第1の方向および前記第2の方向と直交する第3の方向に沿って2分割された内部電極を少なくとも有する第2積層部と、
    前記第1積層部の所定の内部電極ごとにそれぞれ導通するごとく設けられた第1外部電極群と、
    前記第2積層部の所定の内部電極ごとにそれぞれ導通するごとく設けられた第2外部電極群と、からなる超音波振動子と、
    前記第1外部電極群および前記第2外部電極群にそれぞれ電気的に接続され、
    前記第1外部電極群(A相、B相)に位相の異なる交番電圧を印加することより前記超音波振動子に前記第1の方向の縦振動と前記第3の方向の屈曲振動を励起し、かつ、
    前記第2外部電極群(A1相、B1相)に位相の異なる交番電圧を印加することにより前記超音波振動子に前記第1の方向の縦振動と前記第2の方向の屈曲振動を励起し、
    前記超音波振動子の所定部位に前記第1の方向を含む任意の面内の超音波楕円振動を発生させる、駆動回路と、
    を備え、
    前記第1積層部のA相、前記第1積層部のB相、前記第2積層部のA1相、および前記第2積層部のB1相、のそれぞれに対応する前記駆動回路から見たインピーダンスは、すべて略等しいことを特徴とする超音波モータ
  2. 内部電極と圧電シートが交互に複数積層されてかつ一体的に焼成され、さらに該内部電極と導通した外部電極を側面に配してなる、角柱又は円柱形状の超音波振動子であって、
    第1の方向である積層方向と直交する第2の方向に沿って、且つ該第1の方向および該第2の方向と直交する第3の方向に沿って略均等に四分割された内部電極を少なくとも有する第1積層部および第2積層部と、
    前記第1積層部および前記第2積層部の所定の内部電極ごとにそれぞれ導通するごとく設けられた第1外部電極群と、
    前記第1積層部の所定の内部電極ごとにそれぞれ導通するごとく設けられた第2外部電極群と、
    前記第2積層部の所定の内部電極ごとにそれぞれ導通するごとく設けられた第3外部電極群と、からなる超音波振動子と、
    前記第1外部電極群、前記第2外部電極群、および前記第3外部電極群にそれぞれ電気的に接続され、
    前記第1外部電極群(A相、B相)に位相の異なる交番電圧を印加することより前記超音波振動子に前記第2の方向の縦振動と前記第3の方向の屈曲振動を励起し、かつ、
    前記第2及び第3外部電極群(A1相、B1相)に位相の異なる交番電圧を印加することにより前記超音波振動子に前記第2の方向の縦振動と前記第1の方向の屈曲振動を励起し、
    前記超音波振動子の所定部位に前記第2の方向を含む任意の面内の超音波楕円振動を発生させる、駆動回路と、
    を備え、
    前記第1及び第2積層部のA相、前記第1及び第2積層部のB相、前記第1積層部のA1相、並びに前記第2積層部のB1相、のそれぞれに対応する前記駆動回路から見たインピーダンスは、すべて略等しいことを特徴とする超音波モータ
  3. 前記超音波楕円振動を発生する部位に摩擦部材を固定したことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の超音波モータ
  4. 前記摩擦部材は、その一部に突起形状を有して構成したことを特徴とする請求項3に記載の超音波モータ
  5. 前記超音波振動子の超音波楕円振動発生部位に接触して該超音波振動子と相対的に2次元の任意の方向に駆動される被駆動体とを少なくとも有して構成されたことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の超音波モータ。
  6. 前記被駆動体の相対的な移動が回転であることを特徴とする請求項5に記載の超音波モータ。
  7. 前記被駆動体の相対的な移動が直進であることを特徴とする請求項5に記載の超音波モータ。
  8. 前記超音波振動子は該超音波振動子の生じる縦振動及び屈曲振動の略節部の位置に設けられた複数のピンによって該超音波筐体内に保持され、前記被駆動体は前記超音波振動子の超音波楕円振動発生部位に接触するように押圧手段によって支持されることを特徴とする請求項5に記載の超音波モータ。
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