JP4681679B2 - 振動体部、超音波モータ及び超音波モータ付電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、圧電振動部材を積層させた振動体部、並びにこれを用いた超音波モータに係わる。

近時、マイクロモータの分野では、電圧の印加により振動する圧電振動子を利用して移動体を移動させる超音波モータが注目されている。

特に、矩形状の圧電振動子の伸縮振動と屈曲振動（２重モード振動子）を用いた超音波モータは、この合成振動により移動体を直線運動、回転運動等させることから、各種用途に用いられており、また、高出力を必要とする用途には、圧電振動子を積層したタイプも用いられている（特開平７−１８４３８２号公報参照）。

図１０は、矩形状の圧電振動子を積層させたタイプの超音波モータを示すものである。

即ち、本超音波モータの基本振動子は、２重モード振動するため所定の分極処理した圧電振動子６１、６２と、圧電振動子６１、６２の先端に設けられた出力取り出し部材７１、７２と、圧電振動子６１、６２の両面に設けられた電極からなり、圧電振動子６１、６２を縦方向に３段、横方向に２列並べ、これら６個の圧電振動子を結合手段６７ａ、６７ｂ、で保持したものである。

図１１は、上記超音波モータの基本構造に係わるブロック図を示す。

これによれば、圧電振動子６１、６２は、夫々の電極８１、８２から電圧を印加されて２重モード振動し、この合成振動を各出力取り出し部材７１、７２に伝達し、出力取り出し部材７１、７２に当接されている移動体２１を移動させる。

そして、複数の出力取り出し部材７１、７２により出力を取り出すので、高出力が得られる。

特開平７−１８４３８２号公報

しかしながら、上記超音波モータによれば、各圧電振動子６１、６２の一部を上記結合手段６７で固定しているにすぎないため、各圧電振動子６１、６２間に振動方向のバラツキが生じ、また、各圧電振動子６１、６２の固定部分では振動運動は抑制されるため、振動運動のロスとなり、有効に出力を取り出せないという技術的課題が存在する。

また、各圧電振動子６１、６２の固定に別部材としての上記結合手段６７を用いると、モータ全体構成の大型化、複雑化につながり好ましくなく、また、製造工程は、結合手段６７を取付ける工程を加えるため、複雑になる。

一方、２重モード振動する各圧電振動子６１、６２は、屈曲振動によってモータの移動方向を切り換えるために、所定の分極処理された部位に電圧を印加するため、強制的に励振される屈曲振動に比較して、付勢的に励振される伸縮振動を大きくすることができないという技術的課題を有する。

そこで、本発明は以上の技術的課題を解決するためなされたものであって、積層された圧電振動子の振動方向のバラツキ、振動ロスを防止し、積層構造の小型化、簡略化を図ると共に、合成振動の高出力化を図る振動体部、超音波モータ及び超音波モータ付電子機器の提供を目的とする。

上記課題を解決するに当たり本発明の振動体部は、長手方向に分割された複数の電極からなる第一の電極パターンを上面に有する第一の圧電材と、第二の電極パターンを上面に有する第二の圧電材と、を積層した振動体部において、前記第一の電極パターンを構成する電極から前記振動体部の一つの側面に達する第一の突出部と、前記第二の電極パターンを構成する電極から前記一つの側面に達する第二の突出部と、前記第一の突出部と前記一つの側面で導通する電極と前記第二の突出部と前記一つの側面で導通する電極とからなる電圧印加用電極パターンと、を有し、前記第二の突出部は前記分割された複数の電極の境界線上に重なる位置に設けられ、かつ前記第一の突出部とは前記第一の圧電材と前記第二の圧電材の積層方向において重ならないことを特徴とする。またこの振動体部の振動により相対動作する可動部を有する超音波モータを特徴とする。

これによれば、複数の圧電部材を積層して振動体部を構成してあるので振動体部個々の性能ばらつきは小さくできる。また、小型で信頼性の高い超音波モータが実現できる。そして導通構造が簡素化できると共に、導通構造（リード線等）の影響を受けにくく振動ロスが小さくできる。

これによれば、電極配線部材も圧電振動部材に一体的に積層された構成であるから、振動体部の構造並びに製造が簡素化され、小型化、高効率化が実現できる。

以上示したように本発明の振動体部の構造によれば、製造が簡単（分極処理も容易）で小型、高効率、個々の性能ばらつきが小さい超音波モータが実現できる。

（ａ）は、本発明を超音波モータに適用した実施の形態１の平面構造を示す説明図であり、（ｂ）は、断面構造を示す説明図である。 図１に係わる各積層層の平面構造及び振動体部の側面を示す説明図である。 図１に係わるブロック図を示すものである。 図１に係わる振動の態様を示す説明図である。 （ａ）は、本発明を超音波モータに適用した実施の形態２の平面構造を示す説明図であり、（ｂ）は、断面構造を示す説明図である。 図５に係わる各積層層の平面構造及び振動体部の側面を示す説明図である。 図５に係わる移動体を左方向に動かすときの主要部のブロック図を示す説明図である。 図５に係わる振動の態様を示す説明図である。 本発明を電子機器に適用した実施の形態３を示す説明図である。 従来技術に係わる積層構造の超音波モータの斜視方向の構造を示す説明図である。 図１０に係わる基本構造のブロック図を示すものである。

以下、図１〜図１１を参照して本発明を適用した実施の形態を詳細に説明する。

｛実施の形態１｝
図１は、本発明を超音波モータに適用した実施の形態１を示すものである。

本実施の形態は、図１に示すように、振動体部１０と、振動体部１０の縁部に設けられた本発明の振動伝達部材としての出力取り出し部１７と、出力取り出し部１７に当接される本発明の可動体としての移動体２０と、移動体２０と出力取り出し部１７とを加圧する加圧機構１８から構成されている。

移動体２０は、回転軸受け２１ａを有する回転部材２１と、回転部材２１に対向して設けられた固定部材２３と、固定部材２３に設置され、回転部材２１の回転軸受け２１ａを貫通する回転軸２２から構成されている。

出力取り出し部１７は、直方体形状であり、剛性を有する材料からなる。

加圧機構１８は、振動体部１０に対向して設けられた固定部材１８ａと、振動体部１０を移動体２０に加圧する加圧部材１８ｂとからなる。

図２は、振動体部の各積層層の平面及び振動体部の側面を示すものである。

振動体部１０は、図２（ａ）〜（ｄ）に示すように、電圧の印加により屈曲振動する本発明の圧電屈曲振動部材としての圧電材１１と、圧電材１１に一体的に積層され、伸縮振動する本発明の圧電伸縮振動部材としての圧電材１２と、さらに圧電材１２に一体的に積層される圧電材１３と、圧電材１３と圧電材１２との間に設けられた電極パターン１６と、圧電材１２と圧電材１１との間に設けられた電極パターン１５と、圧電材１１の圧電材１２との積層面に対向する面に設けられた電極パターン１４と、圧電材１１の電極パターン１４面に一体的に積層される本発明の電極配線部材としての電極配線部材３１から構成されている。

ここで、圧電材１１、１２は、図２（ｂ）（ｃ）に示すように、平面矩形状であり、所定の共振周波数を設定する寸法に加工され、強誘電体材料、例えば、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛が用いられる。

圧電材１１は、矩形体をさらに十字方向に小さな矩形体に４等分し、対角線方向の一対の矩形体を同極性に、辺方向の一対の矩形体も同極性となるように分極処理する。

一方、圧電材１２は、矩形体のほぼ全体を同一極性に分極処理されている。

また、電極パターン１４ａ、１４ｂは、図２（ｂ）に示すように、圧電材１１の分極処理された部分に対応して４分割して固定されており、対角線方向の一対の電極１４ａ、１４ｂは、同時に電圧を印加される。

また、各電極パターン１４ａ、１４ｂには、圧電材１１の矩形面の近接する長縁部に達するよう突出部を設ける。

電極パターン１５は、図２（ｃ）に示すように、圧電材１２の矩形面のほぼ全面に設け、圧電材１２の矩形面の一対の長辺のうち一方の長縁部の中央に達するよう突出部を設ける。 電極パターン１６は、図２（ｄ）に示すように、圧電材１３のほぼ全面に固定され、圧電材１２の矩形面の一対の長辺のうち電極パターン１５とは逆方向の長縁部の中央に達するよう突出部を設ける。

電極配線部材３１は、図２（ａ）（ｅ）に示すように、圧電材３１ａと、各電極パターン１４、１５、１６の突出部と対応する部位に設けられた電圧印加用電極パターン３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ、３１ｅからなる。

各電圧印加用電極パターン３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ、３１ｅは、矩形面の近接する長縁部に達し、さらに、振動体部１０の側面まで延長され、各電極パターン１４、１５、１６と接続されている（図２（ｅ）参照）。

次に、図１〜４に基づいて、本実施の形態の使用方法について説明する。

図３は、本実施の形態に係わる超音波モータのブロック図を示すものであり、図４は、本実施の形態に係わる圧電材の振動態様を示すものである。

先ず、移動体２０の回転部材２１を時計回りに回転させたいときは、図３に示すように、電圧印加用電極パターン３１ｂ、ｄ、ｅに電圧を印加すればよい。

このとき、電極パターン１４ａ、１５、１６は通電される。ここで、電極パターン１４ａ、１５間の圧電材１１は、図４のＡに示すような、横方向に屈曲振動を起こす一方、電極パターン１５、１６間の圧電材１２は、図４のＢに示すように、縦横方向に伸縮振動を起こす。

ここで、各圧電材１１の振動方向は一定に保たれ、振動運動は制限されない。また、圧電材１２は、ほぼ全面に電圧を印加されるので、大きな伸縮振動を起こす。

各圧電材１１、１２は一体となっているので、各圧電材１１、１２の屈曲振動及び伸縮振動は合成され、矩形面の短縁部は、反時計回りに楕円運動を行う。

矩形面の短縁部に固定された出力取り出し部１７は、前記楕円運動を拡大させて移動体２０の回転部材２１に所定のタイミングで圧接する。

よって、所定のタイミングで圧接される移動体２０の回転部材２１は、当接される毎に摩擦力を受け、時計方向に回転する。

また、移動体の回転部材２１を反時計方向に回転させたいときは、図３に示すように、電圧印加用電極パターン３１ｃ、ｄ、ｅに電圧を印加すればよい。

このとき、電極パターン１４ｂ、１５、１６は通電される。ここで、電極パターン１４ｂ、１５間の圧電材１１は、図４のＡとは逆位相の屈曲振動を起こす一方、電極パターン１５、１６間の圧電材１２は、図４のＢに示すような、伸縮振動を起こす。

各圧電材１１、１２は一体となっているので、各圧電材１１、１２の屈曲振動及び伸縮振動は合成され、矩形面の短縁部では、時計回りに楕円運動を行う。

よって、所定のタイミングで当接される移動体２０の回転部材２１は、出力取り出し部１７を圧接される毎に摩擦力を受け、反時計方向を回転する。

以上より、本実施の形態によれば、圧電材１１を固定手段を用いることなく保持することにより、振動運動を制限されることもなく、また、振動方向は一定に保たれるようにしたので、各圧電材１１の振動運動のロス、及び振動方向のバラツキが防止される。

また、圧電材１２によって強制的に伸縮運動を励振するようにしたので、伸縮振動を大きくすることができ、この伸縮振動と屈曲振動との合成振動は、２重モード振動する各圧電材を積層させたものと比較して、高出力が得られる。

また、電極パターン１４、１５との間、及び電極パターン１５、１６間に電圧を印加するようにしたので、電極パターン１５を基準として共用し、装置構成の簡略化を図る。

また、電極配線部材３１の電極面３１ｂのみに通電することで各電極パターン１４に通電するようにしたので、各電極パターン１４に対して個別に配線する必要がなく、また、圧電材１１、１２を一度に分極処理することが可能である。

また、出力取り出し部１７により圧電材１１、１２の合成振動の変位を拡大するようにしたので、出力取り出し部１７の先端で圧接される回転部材２１はより大きな摩擦力を受け回転される。

また、圧電材１１、１２の合成振動により出力取り出し部１７を所定のタイミングで回転部材２１に圧接して摩擦力を付与するようにしたので、回転部材２１を回転運動させる。 ｛実施の形態２｝
図５は、本発明を超音波モータに適用した実施の形態２を示すものである。本実施の形態の要部は、図５に示すように、振動体部１０と、振動体部１０の縁部に設けられた本発明の振動伝達部材としての出力取り出し部１７と、出力取り出し部１７に当接される本発明の可動体としての移動体２０と、移動体２０と出力取り出し部１７とを加圧する加圧機構（図示外）から構成されている。

移動体２０は、案内溝（図示外）を有し、所定の方向に直線運動する直線運動部材２１と、案内溝と対になって直線運動部材２１の運動方向を規制する規制部材（図示外）から構成されている。

出力取り出し部１７は、実施の形態１と同様の構成であり、振動体部１０の下面に中央部から左右均等な距離に一対設けられている。

加圧機構は、振動体部１０の上面の振動節部を下方に向けて加圧する構造からなる。

図６は、振動体部の各積層層の平面及び振動体部の側面を示すものである。

振動体部１０は、図６（ａ）〜（ｇ）に示すように、電圧の印加により屈曲振動する本発明の圧電屈曲振動部材としての圧電材１１と、圧電材１１に一体的に積層され、伸縮振動する本発明の圧電伸縮振動部材としての圧電材１２と、さらに圧電材１２に一体的に積層される本発明の圧電伸縮振動部材としての圧電材１３と、圧電材１３に一体的に積層される本発明の圧電屈曲振動部材としての圧電材４４と、圧電材４４に一体的に積層される本発明の圧電屈曲振動部材としての圧電材４５と、圧電材４５に積層される圧電材４６を備え、各圧電材１１間には、本発明の第一の電極としての電極パターン１４、４８と、本発明の第二の電極としての電極パターン１６と、本発明の基準電極としての電極パターン１５、４７、４９と、圧電材１１の電極パターン１４側に積層される本発明の電極配線部材としての電極配線部材３１から構成されている。

ここで、圧電材１１は、図６（ｂ）に示すように、実施の形態１とほぼ同様の構成であるが、圧電材１１は、矩形体をさらに横方向に小さな矩形体に４等分して、交互に逆極性となるよう分極処理し、一方の矩形面に、分極処理する部位に対応して電極パターン１４ａ、ｂを設けている点に特徴を有する。

また、各電極パターン１４ａ、ｂは、全て、一方の長縁部に達する突出部を有する。

一方、圧電材１３は、図６（ｄ）に示すように、圧電材１２とは上下逆方向に同様な分極処理される。

また、図６（ｅ）（ｆ）に示すように、圧電材４４、４５は、圧電材１１の分極処理を施されている部位に対応する部位を逆極性に分極処理される。

圧電材４４、４５間に設けられる電極パターン４８は、電極パターン１４とほぼ同様の構成であるが、電極パターン１４ａの突出部とは反対側に圧電材４５の突出部を設ける。

電極配線部材３１は、図６（ａ）に示すように、本体部として圧電材３１ａと、電極パターン１４ａ、１４ｂの突出部に対応する部位に設けられた電極印加用パターン３１ｂと、電極パターン４８ａ、４８ｂの突出部に対応する部位に設けられた電極印加用パターン３１ｃと、電極パターン１５、４７、４９の突出部に対応する部位に設けられた電極パターン３１ｄと、電極パターン１６の突出部に対応する部位に設けられた電極パターン３１ｅから構成されている。

各電極パターン３１ｂ、３１ｃ，３１ｄ，３１ｅは、圧電材３１ａの矩形面の近接する長縁部に達し、さらに、振動体部１０の側面まで延長され、各電極パターン１４、１５，１６，４４，４７，４８，４９と接続されている（図６（ｈ）参照）。

次に、図５〜８に基づいて、本実施の形態の使用方法について説明する。

図７は、本実施の形態の移動体２０を左方向に動かすときの主要部のブロック図を示し、図８は、本実施の形態に係わる振動体部の動作を示すものである。

先ず、移動体２０の直線運動部材２１を右方向に直線運動させたいときは、図６（ａ）に示すように、電極印加用パターン３１ｃ、３１ｄ、３１ｅに電圧を印加すればよい。 このとき、電極パターン１５、１６、４７、４８、４９に通電され、電極パターン４７、４８、４９の間の圧電材４４、４５は、図４のＡに示すように、上下方向に屈曲振動を起こす一方、電極パターン１５、１６、４７間の圧電材１２、１３は、図８のＢに示すような、縦横方向の伸縮振動を起こす。

そして、各圧電材４４、４５、１２、１３は一体となっているので、各圧電材４４の屈曲振動及び伸縮振動は合成され、振動体部１０の下面の各部位は反時計回りに楕円運動を行う。

振動体部１０の下面に固定された一対の出力取り出し部１７ａ、１７ｂは、前記楕円運動を拡大させて移動体２０の直線運動部材２１に所定のタイミングで圧接する。

よって、所定のタイミングで圧接される移動体２０の直線運動部材２１は、当接される毎に摩擦力を受け、右方向に直線運動する。

移動体２０の直線運動部材２１を左方向に運動させたいときは、図６（ａ）に示すように、電極印加用パターン３１ｂ、３１ｄ、３１ｅに電圧を印加すればよい。

このとき、図７に示すように、電極パターン１４、１５、１６、４７は通電され、電極パターン１４間の圧電材１１、１２、１３は電圧を印加される。

ここで、圧電材１１は、図８のＡとは１８０°位相の異なる屈曲振動を起こす一方、電極パターン１５、１６間の圧電材１２、１３は、図８のＢに示すような、縦横方向の伸縮振動を起こす。

そして、各圧電材１１、１２、１３は一体となっているので、各圧電材１１、１２の屈曲振動及び伸縮振動は合成され、振動体部１０の下面の各部位は時計回りに楕円運動を行う。

よって、所定のタイミングで圧接される移動体２０の直線運動部材２１は、当接される毎に摩擦力を受け、左方向に直線運動する。

以上より、特に、本実施の形態によれば、さらに圧電材１３、４５を積層しているので、大きな合成振動を得られ、直線運動部材２１をより高出力で直線運動させる。

また、合成振動により出力取り出し部１７を所定のタイミングで直線運動部材２１に圧接して摩擦力を付与するようにしたので、直線運動部材２１を直線運動させる。

なお、振動体部１０を加圧して固定面上に設置し、超音波モータ自身が直線運動するようにしてもよい。このとき、振動体部１０は、合成振動により、出力取り出し部１７ａ、１７ｂを楕円運動させ、出力取り出し部１７ａ、１７ｂは、固定面に圧接する毎に摩擦力を受け、超音波モータ自身は、固定面上を直線運動する。

｛実施の形態３｝
図９は、本発明を超音波モータを駆動源とする電子機器に適用したブロック図を示すものである。

本実施の形態は、積層型の圧電素子５１と、積層型圧電素子５１に一体的に振動される振動体５２と、振動体５２に周期的に圧接される移動体５３と、移動体５３と一体に動作する伝達機構５４と、伝達機構５４の動作に基づいて可動される出力機構５５と、振動体５２と移動体５３を加圧する加圧機構５６から構成されている。

ここで、伝達機構５４としては、例えば、歯車列、摩擦車等の伝達車を用いる。

出力機構５５としては、カメラにおいてはシャッタ駆動機構、レンズ駆動機構等を、電子時計又は計測器においては指針等を、ロボットにおいてはアームを、工作機械においては、刃具送り機構や加工部材送り機構等を用いる。

なお、本実施の形態における電子機器としては、好ましくは、電子時計、計測器、カメラ、プリンタ、印刷機、工作機械、ロボット、移動装置等を実現できる。

さらに、移動体５３に出力軸を取付け、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。

１０ 振動体部
１１ 圧電材（圧電屈曲振動部材）
１２ 圧電材（圧電伸縮振動部材）
１４ 電極パターン（第一の電極）
１５ 電極パターン（基準電極）
１６ 電極パターン（第二の電極）
１７ 出力取り出し部（振動伝達部材）
２０ 移動体（可動体）
３１ 電極配線部材（電極配線部材）

Claims (8)

1. 長手方向に分割された複数の電極からなる第一の電極パターンを上面に有する第一の圧電材と、第二の電極パターンを上面に有する第二の圧電材と、を積層した振動体部において、
   前記第一の電極パターンを構成する電極から前記振動体部の一つの側面に達する第一の突出部と、
   前記第二の電極パターンを構成する電極から前記一つの側面に達する第二の突出部と、
   前記第一の突出部と前記一つの側面で導通する電極と前記第二の突出部と前記一つの側面で導通する電極とからなる電圧印加用電極パターンと、
   を有し、
   前記第二の突出部は前記分割された複数の電極の境界線上に重なる位置に設けられ、かつ前記第一の突出部とは前記第一の圧電材と前記第二の圧電材の積層方向において重ならないことを特徴とする振動体部。
2. 請求項１に記載の振動体部の振動により相対動作する可動部を有する超音波モータ。
3. 前記振動体部は前記積層方向に変位する屈曲振動を励振することを特徴とする請求項２に記載の超音波モータ。
4. 前記振動体部は前記積層方向と直交しかつ前記長手方向と直交する方向に変位する屈曲振動を励振することを特徴とする請求項２に記載の超音波モータ。
5. 前記第一の圧電材は、十字で分割される四つの領域に電極を有し、前記屈曲振動を励振することを特徴とする請求項４に記載の超音波モータ。
6. 前記第一の圧電材は、前記屈曲振動のみを励振することを特徴とする請求項３に記載の超音波モータ。
7. 前記振動体部は、ほぼ全面に電極を有し伸縮振動のみを励振する圧電体を有することを特徴とする請求項２乃至６のいずれか一つに記載の超音波モータ。
8. 請求項２乃至７のいずれか一つに記載の超音波モータを備えたことを特徴とする超音波モータ付電子機器。

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