JP4918122B2 - 超音波モータ及び超音波モータ付き電子機器 - Google Patents

Description

本発明は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に関し、特に矩形状の振動体に伸縮振動と屈曲振動を励振し移動体を駆動する超音波モータに関する。

弾性体の共振モードを利用した超音波モータは電磁型のモータには無い様々な特徴を有することから精密機器、情報機器、自動車、産業機器等においてアプリケーション開発が進められている。最近では矩形状振動体の伸縮振動と屈曲振動を利用したモータも、薄型構造、回転型/リニヤ型の両構成が可能等の理由から注目されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平7−184382号公報（第５−６頁、第１図）

しかしながら特許文献１に示すものは、４分割された電極の対角となる電極を一組とし、一組の電極に駆動信号を印加することにより振動体に伸縮（縦）振動と屈曲振動の両方を励振している。そして、駆動信号を印加する電極の組を選択する事で伸縮振動と屈曲振動の位相を逆転させ、容易に移動体の移動方向を変えることができる。しかしながら本方式では屈曲振動の励振力が弱く、移動体の推進力、もしくは速度が小さかった。また、圧電素子の半分のみを駆動に用いているため大きな駆動力が得られなかった。

そこで、本発明の超音波モータは矩形形状の圧電素子を有する振動体と、前記圧電素子の長手方向の二つの辺の中央同士を結ぶ線と幅方向の二つの辺の中央同士を結ぶ線上に設けられた十字形状の第一の電極と、前記圧電素子上で前記第一の電極が設けられていない四つの領域に設けられた第二の電極と、前記振動体の振動により摩擦駆動される移動体と、
を有することを特徴とする超音波モータとした。これにより圧電素子全面を駆動に使えると共に、大きな屈曲振動も励振することが可能となる。

本発明の超音波モータは特に、前記振動体は前記圧電素子と弾性体から構成するか、前記振動体は前記圧電素子を複数枚一体的に積層して焼成して形成されたものである。前者によれば弾性体で支持部材や移動体と接する突起を同時に形成することができる。また後者によれば接着が不要なため、接着層での振動のロスや、製品個々のばらつきがなくなるとともに信頼性に優れた超音波モータが実現できる。

そして、本発明の超音波モータを電子機器の駆動源として利用することで小型、特に製品の薄型化が実現できる。

本発明によれば小型、薄型、高出力で回転型/リニヤ型の両方にも適用可能な超音波モータが実現できる。特に縦振動と屈曲振動を独立に励振可能であるとともに屈曲振動の励振力が強く効率の高い超音波モータが実現できる。

本発明の実施の形態１にかかわる超音波モータの振動体の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１にかかわる振動体の振動モードを示す図である。 本発明の実施の形態２にかかわる超音波モータの振動体の構成を示す図である。 本発明の実施の形態３にかかわる圧電素子の電極を示す図である。 本発明の実施の形態３にかかわる圧電素子の電極の別の例を示す図である。 本発明の実施の形態３にかかわる振動体の振動モードを示す図である。 本発明の超音波モータを用いた電子機器を示す図である。

本発明の実施の形態を従来例との差異を中心に図面を基に説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の超音波モータの振動体並びにその駆動法を示したものである。振動体１は圧電素子2ａ、２ｂと金属等の弾性体３から構成されている。図１（ｂ）は側面から見た図、図1（ａ）は上面から見た図、図１（ｃ）は下面から見た図である。第一の圧電素子２ａは五つの領域に分けられ分極処理されている。幅方向に三分割され、更に両端の領域は長手方向に二分割された領域、即ち第一の圧電素子２ａの一方の面に設けられた電極４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅで示される領域に図中＋、−の方向に厚み方向に分極処理されている。また、他方の面には、ほぼ全面に渡って電極４ｆが設けられている。電極４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄで示される領域は屈曲振動を、電極４ｅで示される領域は伸縮（縦）振動を励振する。第二の圧電素子２ｂも第一の圧電素子２ｂと同様に五つの領域に分けられ分極処理されている。但し図中＋、−で示されるように屈曲振動を励振する領域の分極方向が第一の圧電素子２ａとは反対になっている。また、他方の面には、ほぼ全面に渡って電極４ｌが設けられている。

第一の圧電素子２ａ、第二の圧電素子２ｂの一方の面と他方の面の間に交流電圧を印加した際のモードパターンを夫々図２（ａ）、（ｂ）に示す。左図が振動体１の長手方向に対する伸縮(縦)振動の振幅の変化の様子を、右図は屈曲振動の振幅の変化の様子を示したものである。図２から分かるように第一の圧電素子２ａで励振される伸縮振動と屈曲振動の位相と第二の圧電素子２ｂで励振される伸縮振動と屈曲振動の位相とは逆になっている。

従って、図１（ｂ）に示すように弾性体３の両側に第一の圧電素子２ａと第二の圧電素子２ｂを接着等の手段により接合し、電極４ｆ、４ｌと接する弾性体３を接地する。そしてスイッチ６によって駆動回路５からの駆動信号を第一の圧電素子２ａの電極４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅに印加するか第二の圧電素子２ｂの電極４ｇ、４ｈ、４ｉ、４ｊ、４ｋに印加するかを選択する事により振動体１の端面に発生する振動変位による楕円運動の方向が逆転するため、振動体１と接する図示しない移動体は移動方向を変えられる。尚、振動体１の形状は伸縮振動の固有周波数と屈曲振動の固有周波数が一致するように決められている。そして駆動回路５からの駆動信号はこの固有周波数近傍の周波数の交流電圧である。

この様に弾性体３に厚みの薄い圧電素子２ａ、２ｂを接着した構成としている為、低電圧で駆動出来ると共に、大きな機械的強度を保てる。

（実施の形態２）
図３は本発明の超音波モータの振動体の第二の例を示したものである。基本的な原理は実施の形態１と同じな為、相違点のみを述べる。本発明では弾性体３を用いずに第一の圧電素子２ａと第二の圧電素子２ｂを一体的に積層し焼き固めた例である。ここでは駆動信号を印加しない側にある圧電素子の一方の面に有る電極と他方の面に有る電極をスイッチ７、８によって短絡する。このような構成にすることにより、駆動状態で発生した電荷による反電界により振動体９の振動が抑えられるのを防ぐことが可能となる。

尚、第一の圧電素子２ａ並びに第二の圧電素子２ｂは複数枚重ねて構成しても良い。

この様に、駆動回路からの駆動信号が印加されていない電極を短絡する方法は本構成のモータに限ることではなく、他の原理・構成のモータに応用しても同様の効果が得られる。

（実施の形態３）
図４、図5は本発明の超音波モータの圧電素子の別の例を示したものである。ここでも実施の形態１、２との相違点のみについて述べる。

図４に示す圧電素子１０ａ、１０ｂは圧電素子２ａ、２ｂの変形例であり屈曲振動を励振する電極４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ並びに４ｇ、４ｈ、４ｉ、４ｊに対応して電極１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ並びに１１ｆ、１１ｇ、１１ｈ、１１ｉが設けられている。伸縮振動を励振する４ｅ、４ｋに対応して電極１１ｅ、１１ｊが設けられている。電極１１ｅ、１１ｊは伸縮振動を強く励振するように振動の節部となる中央部分において幅方向全体に渡って電極を設けている。

図５に示す圧電素子は実施の形態１に示したものと異なり、屈曲振動に一次の振動を励振する例を示したものである。圧電素子１２ａ、１２ｂの幅方向に三分割された領域、即ち圧電素子１２ａ、１２ｂの一方の面に設けられた電極１３ａ、１３ｂ、１３ｃ並びに１３ｄ、１３ｅ、１３ｆに示される領域に図中＋、−の方向に分極処理されている。また他方の面には図示しないが全体に渡って電極が設けられている。

このような構成とすることで第一の圧電素子１２aで駆動した際には図６（ａ）の様に、第二の圧電素子１２ｂで駆動した際には図６（ｂ）の様に伸縮振動ならびに屈曲振動が励振される。図６から分かるように第一の圧電素子１２aで励振される伸縮振動と屈曲振動の位相と第二の圧電素子２ｂで励振される伸縮振動と屈曲振動の位相とは逆になっている。従って、どちらの圧電素子を用いて駆動するかによって振動変位がなす楕円運動の方向が変わり、振動体と接する移動体の移動方向が変えられる。

ここで電極１３ａ、１３ｂ並びに１３ｅ、１３ｆを繋ぎ合わせ、一つの電極で構成しても構わない。

この様に、本発明においては圧電素子の電極や使用する振動モードの種類は問わない。そして、振動体の形状も矩形に限ることではなく円板状の形状等であっても構わない。

（実施の形態４）
本発明の超音波モータを用いて電子機器を構成した例を図７を基に説明する。

振動体１の中央部に設けられた弾性体３の長手方向中央部、即ち伸縮振動並びに屈曲振動の節部から幅方向に張り出し部３ａ、３ｂを有している。張り出し部３ａを軸１９の回転案内とすると共に、もう一方の張り出し部３ｂを加圧ばね１４で加圧することにより弾性体３から張り出させた突起３ｃと移動体１５が加圧接触する。移動体１５の中心軸１５a及び１５ｂは案内板１６、１７によって回転可能に支持されている。第一の圧電素子２aの中央、即ち振動体に発生する伸縮振動と屈曲振動の節の位置には、電極４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅを短絡する導通パターン２０が設けられ、リード線２１aが半田付けされている。導通パターンは半田でも良い。電極４ｆとの導通は張り出し部３ａに接合したリード線２１ｂによってとられている。また、図示しないが第二の圧電素子２ｂの導通も同様になされている。振動体１に駆動信号を印加し、伸縮振動と屈曲振動を励振すると、移動体１５は回転し、中心軸１５ｂに設けられた指針１８も回転し、案内板１７に印刷された文字盤の数字を示す。従って実施例1〜３記載の超音波モータ並びに本実施例に記載の導通構造を用いることで、小型薄型で効率の高い超音波モータが実現できるから、本実施例の様に時計を始めとする電子機器の駆動源に用いることで電子機器の小型薄型、軽量化並びに低消費電力化が図れる。

ここでは移動体１５を回転動作させたがレール等を駆動してリニヤ駆動しても構わない。また、移動体を固定して振動体自身を駆動しても構わない。

圧電素子 ２，１０，１２
弾性体 ３
電極 ４，１１，１３
振動体 １
移動体 １５
加圧ばね １４

Claims (6)

1. 矩形形状の圧電素子であって、一方の面に前記圧電素子の長手方向の二つの辺の中央同士を結ぶ線と幅方向の二つの辺の中央同士を結ぶ線上に設けられた十字形状の第一の電極と、前記圧電素子上で前記第一の電極が設けられていない四つの領域に設けられた第二の電極と、を有し、この四つの領域のうち対角に位置する領域が同一方向に分極処理され、隣り合う領域は異方向に分極処理された第一の圧電素子と、
   矩形形状の圧電素子であって、一方の面に前記圧電素子の長手方向の二つの辺の中央同士を結ぶ線と幅方向の二つの辺の中央同士を結ぶ線上に設けられた十字形状の第三の電極と、前記圧電素子上で前記第三の電極が設けられていない四つの領域に設けられた第四の電極と、を有し、前記第二の電極が設けられた四つの領域の分極方向とは逆方向に分極処理された第二の圧電素子と、
   を有する振動体を備え、
   前記第一の電極と前記第二の電極の両方に駆動信号を印加するか、前記第三の電極と前記第四の電極の両方に駆動信号を印加することで発生する前記振動体の振動により摩擦駆動される移動体と、
   を有することを特徴とする超音波モータ。
2. 前記振動体は前記圧電素子と弾性体からなることを特徴とする請求項１記載の超音波モータ。
3. 前記振動体は前記圧電素子を複数枚一体的に積層し、焼成して形成されたものであることを特徴とする請求項１記載の超音波モータ。
4. 前記第一の電極並びに前記第三の電極は縦振動のみを励振し、前記第二の電極並びに前記第四の電極は屈曲振動のみを励振することを特徴とする請求項１記載の超音波モータ。
5. 前記第一の電極と前記第二の電極と前記第一の圧電素子の他方の面に設けられた電極とを短絡する短絡手段と、前記第三の電極と前記第四の電極と前記第二の圧電素子の他方の面に設けられた電極とを短絡する短絡手段と、を設けたことを特徴とする請求項１記載の超音波モータ。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の超音波モータを備えた電子機器。

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