JP5219438B2 - Ultrasonic motor - Google Patents
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Description
本発明は、電気−機械エネルギ変換素子に駆動信号を印加することにより振動体に振動を励起させ、振動体に押圧された移動体に摩擦による駆動力を与える超音波モータに関する。 The present invention relates to an ultrasonic motor that excites a vibration body by applying a drive signal to an electromechanical energy conversion element and applies a driving force by friction to a moving body pressed by the vibration body.
超音波モータは、圧電素子等の電気−機械エネルギ変換素子に交流電圧を印加することにより高周波振動を発生させ、その振動エネルギを連続的な機械運動として取り出すように構成されたモータである(特許文献1および特許文献2)。
An ultrasonic motor is a motor configured to generate high-frequency vibration by applying an AC voltage to an electro-mechanical energy conversion element such as a piezoelectric element, and to extract the vibration energy as a continuous mechanical motion (patent)
図9に、従来の超音波モータの一例を示す。 FIG. 9 shows an example of a conventional ultrasonic motor.
この超音波モータは、短円筒状の圧電素子80が周方向に4相(A+、A−、B+、B―)の電極に分割されており、A+相の一部に圧電素子80の駆動状況を検知するS相89が配置されている。
In this ultrasonic motor, a short cylindrical
圧電素子80のA+相およびA−相は、径方向に互いに対向配置され、また、B相およびB−相は、A+相およびA−相に対して位相を90度ずらした位置で互いに径方向に対向配置されている。
The A + phase and the A− phase of the
圧電素子80は、フレキシブルプリント基板88を介して駆動回路に接続されており、駆動回路は、発振器85、位相器86、コントローラ87、および圧電素子80のそれぞれの相に接続されるスイッチング回路81,82,83,84を備える。
The
発振器85は、A+相スイッチング回路81およびA−相スイッチング回路82をスイッチング動作させて圧電素子80のA+相およびA−相に駆動信号を与える。
The
位相器86は、発振器85の駆動信号を90度位相ずらしてB+相スイッチング回路83およびB−相スイッチング回路84をスイッチング動作させて圧電素子80のB+相およびB−相に駆動信号を与える。
The
そして、コントローラ87から発振器85に駆動命令を送ると、A+相スイッチング回路81およびA−相スイッチング回路82のスイッチング動作により圧電素子80のA+相、A−相が互いに180度位相がずれて振動する。
Then, when a drive command is sent from the
このとき、位相器86を通してB+相スイッチング回路83およびB−相スイッチング回路84のスイッチング動作により、圧電素子80のB+相に対して90度位相がずれ、かつB−相とは180度位相がずれた駆動信号が与えられ、圧電素子80が振動する。この振動に応じてS相89から信号が出力され、その信号に基づいてコントローラ87において超音波モータを制御する。
At this time, due to the switching operation of the B +
しかし、上記従来の超音波モータでは、圧電素子80のA+相の一部にS相89を設けているため、A+相と他の相との大きさが異なる。その結果、A+相から得られる出力が異なったり、また、その出力を調整するための回路が別途必要であった。
However, in the conventional ultrasonic motor, since the
そこで、他の場所にS相を設置して、外部の制御回路との接続をリード線により行い、このリード線を圧電素子に半田付けにより固定した技術が提案されている(特許文献3)。
しかし、上記特許文献3では、半田付けの不具合によりリード線の脱落が生じやすく、また、圧電素子や振動体への熱の伝播により半田の溶融温度に達しにくい等の問題を生じる。
However, in the above-mentioned
更に、半田の付着状態による振動子の振動特性のばらつきや、半田付け時の圧電素子の温度上昇により圧電素子の分極解除が生じる可能性もある。 Furthermore, there is a possibility that the piezoelectric element is depolarized due to variations in the vibration characteristics of the vibrator due to the state of solder attachment, or due to the temperature rise of the piezoelectric element during soldering.
そこで、本発明は、S相として機能する圧電膜から出力された信号を、振動による断線がなく、かつ駆動相の出力を調整するための回路を設けることなく、容易にかつ安定して取り出すことができる超音波モータを提供することを目的とする。 Therefore, the present invention can easily and stably extract a signal output from the piezoelectric film functioning as the S phase without disconnection due to vibration and without providing a circuit for adjusting the output of the driving phase. An object of the present invention is to provide an ultrasonic motor capable of
上記目的を達成するために、本発明の超音波モータは、複数の電極を持つ電気−機械エネルギ変換素子に駆動信号を加えて振動体に振動を生じさせ、該振動体に接触する移動体を移動させる超音波モータにおいて、前記電気−機械エネルギ変換素子と前記振動体の間に、前記電気−機械エネルギ変換素子への駆動信号を供給するための接点を有する基板が挟まれ、前記振動体は、前記基板と当接する面に振動検知用の圧電膜が直接成膜されており、前記基板は、前記振動体が振動することで前記振動検知用の圧電膜に生じる電位差を出力するための接点を有することを特徴とする。 In order to achieve the above object, an ultrasonic motor according to the present invention applies a drive signal to an electromechanical energy conversion element having a plurality of electrodes to generate vibration in a vibrating body, and a moving body in contact with the vibrating body. in the ultrasonic motor that moved, the electrical - between the mechanical energy conversion element and the vibrating body, said electrical - substrate having contacts for supplying a driving signal to the energy transducer is sandwiched, the vibrating body , the piezoelectric film for dynamic detection vibration in the substrate and abutting surface are directly deposited, the substrate for the vibrating body to output the potential difference generated in the piezoelectric film for the vibration detection by the vibration It has a contact .
本発明によれば、振動体の電気−機械エネルギ変換素子が当接する面に、振動検知用の圧電膜が直接成膜されている。これにより、S相として機能する圧電膜から出力された信号を、振動による断線がなく、かつ駆動相の出力を調整するための回路を設けることなく、容易にかつ安定して取り出すことができる。 According to the present invention, the vibration detection piezoelectric film is directly formed on the surface of the vibrating body on which the electromechanical energy conversion element abuts. Thereby, the signal output from the piezoelectric film functioning as the S phase can be easily and stably extracted without disconnection due to vibration and without providing a circuit for adjusting the output of the driving phase.
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態である超音波モータを説明するための軸方向に沿う断面図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view along an axial direction for explaining an ultrasonic motor according to a first embodiment of the present invention.
図1に示すように、本実施形態の超音波モータは、外筒6と底板8とからなるモータケース内に配置された複数の電極を持つ圧電素子(電気−機械エネルギ変換素子)1を備える。
As shown in FIG. 1, the ultrasonic motor of this embodiment includes a piezoelectric element (electro-mechanical energy conversion element) 1 having a plurality of electrodes arranged in a motor case composed of an
圧電素子1には、フレキシブルプリント基板2が電気的に接続され、また、圧電素子1の軸方向両側には、それぞれ圧電素子1の振動が伝達される振動子3,4が配置されている。
A flexible printed
振動子3,4は溶接部5で互いに接合されており、これにより、圧電素子1およびフレキシブルプリント基板2に軸方向の予圧が付与される。
The
図2は、フレキシブルプリント基板2の取り付け方法を説明するための斜視図である。
FIG. 2 is a perspective view for explaining a method for attaching the flexible printed
図2に示すように、フレキシブルプリント基板2は、圧電素子1と振動子(振動体)3とによって軸方向に挟み込まれている。
As shown in FIG. 2, the flexible printed
また、振動子3において、フレキシブルプリント基板2が圧電素子1により押しつけられている面には、圧電体の原材料の微粉末をエアロゾル化して噴射することにより直接成膜された圧電膜20が設けられている。
Further, in the
図1に戻って、圧電素子1の外周には支持板7の内周端が固定され、該支持板7は振動子3,4間の隙間を通って外周端が外筒6の内周部に弾性的に固定されている。
Returning to FIG. 1, the inner peripheral end of the
圧電素子1、フレキシブルプリント基板2および振動子3,4の内周部には回転軸11がすき間を介して貫通しており、該回転軸11は外筒6および底板8に圧入固定された軸受9,10を介して回転可能に支持されている。
A
回転軸11の軸受9に隣接する外周面には、該回転軸11の軸方向の動きを規制するEリング12が嵌め込まれている。
An
外筒6の端壁と振動子3との間には、ロータ(移動体)13が回転軸11に圧入固定された状態で配置されている。ロータ13の外周には、円筒状の弾性体からなるツバ14が設けられており、該ツバ14は振動子3に軸方向に対向した状態で接触している。
A rotor (moving body) 13 is disposed between the end wall of the
また、底板8と振動子4との間には、ロータ(移動体)15が回転軸11にすき間を介して外挿された状態で配置され、ロータ15と底板8との間には、ロータ押さえ16が回転軸11に圧入固定された状態で配置されている。ロータ押さえ16は、バネ17を介してロータ15を軸方向に押し付けている。
Further, a rotor (moving body) 15 is disposed between the
ロータ15の外周には、ロータ13と同様に、円筒状の弾性体からなるツバ18が設けられており、ロータ押さえ16がバネ17を介してロータ15を軸方向に押す力によって、ツバ14,18がそれぞれ振動子3,4に弾性的に押しつけられる。
Like the
駆動原理については公知(特開平3−289375号公報等)であるため簡略化して説明すると、フレキシブルプリント基板2を通して加えられた駆動信号により圧電素子1が振動し、その振動が振動子3,4に伝達され、振動子3,4の外周部で振動が拡大する。振動子3,4の外周部で拡大された振動波によってツバ14およびツバ18に回転力が生じ、その回転力がロータ13およびロータ15に伝達されて回転軸11が回転する。
Since the driving principle is publicly known (Japanese Patent Laid-Open No. 3-289375, etc.), it will be briefly described. The
このとき、振動子3に設けられた前述の圧電膜20は、該振動子3に加えられた振動の挙動によって電力が生じ、圧電膜20から出力された信号はフレキシブルプリント基板2によって取り出される。
At this time, electric power is generated in the aforementioned
なお、フレキシブルプリント基板2は、振動の減衰を避けるため、ベースシートと基板電極との間に接着剤層がないものを用いるのが好ましい。
In order to avoid vibration attenuation, it is preferable to use a flexible printed
図3は、圧電素子1の駆動回路を説明するためのブロック図である。
FIG. 3 is a block diagram for explaining a drive circuit of the
図3に示すように、短円筒状の圧電素子1は、周方向に4相(A+、A−、B+、B―)の電極に分割されている。
As shown in FIG. 3, the short cylindrical
圧電素子1のA+相およびA−相は、径方向に互いに対向配置され、また、B相およびB−相は、A+相およびA−相に対して位相を90度ずらした位置で互いに径方向に対向配置されている。
The A + phase and the A− phase of the
圧電素子1は、フレキシブルプリント基板2を介して駆動回路に接続されており、駆動回路は、発振器25、位相器26、コントローラ27、および圧電素子1のそれぞれの相に接続されるスイッチング回路21,22,23,24を備える。
The
発振器25は、A+相スイッチング回路21およびA−相スイッチング回路22をスイッチング動作させて圧電素子1のA+相およびA−相に駆動信号を与える。
The
位相器26は、発振器25の駆動信号を90度位相ずらしてB+相スイッチング回路23およびB−相スイッチング回路24をスイッチング動作させて圧電素子1のB+相およびB−相に駆動信号を与える。
The
そして、コントローラ27から発振器25に駆動命令を送ると、A+相スイッチング回路21およびA−相スイッチング回路22のスイッチング動作により圧電素子1のA+相、A−相が互いに180度位相がずれて振動する。
When a drive command is sent from the
このとき、位相器26を通してB+相スイッチング回路23およびB−相スイッチング回路24のスイッチング動作により、圧電素子1のB+相に対して90度位相がずれ、かつB−相とは180度位相がずれた駆動信号が与えられ、圧電素子1が振動する。
At this time, due to the switching operation of the B +
また、振動子3に直接成膜された圧電膜20は、コントローラ27に接続されている。
Further, the
図4は、フレキシブルプリント基板2の表面側の回路パターンを示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing a circuit pattern on the front surface side of the flexible printed
図4において、フレキシブルプリント基板2の表面側には、圧電素子1のA+相、A−相、B+相、B―相に対応する接点(図中斜線部)30,31,32,33が設けられ、これらの接点30,31,32,33が圧電素子1の各相と接して通電する。
In FIG. 4, contacts (shaded portions in the figure) 30, 31, 32, 33 corresponding to the A + phase, A− phase, B + phase, and B− phase of the
図5は、フレキシブルプリント基板2の裏面側の回路パターンを示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing a circuit pattern on the back side of the flexible printed
図5において、フレキシブルプリント基板2の裏面側には、振動検知用の接点35が設けられている。
In FIG. 5, a
この接点35と、前述の振動子3のフレキシブルプリント基板2との当接面に形成された圧電膜20とが接し、振動子3の動きによって圧電膜20に電位差が生じ、その信号が接点35を経由しスルーホール36を通って駆動回路に出力される。この信号をS相信号と称し、コントローラ27において超音波モータの制御に活用する。
The
なお、S相信号による超音波モータの制御に関しては公知(特公平04−061593号公報等)であるため、ここでは説明を省略する。 In addition, since control of the ultrasonic motor by the S phase signal is publicly known (Japanese Patent Publication No. 04-061593 etc.), description is abbreviate | omitted here.
次に、振動子3に圧電膜20を直接成膜する方法を説明する。
Next, a method for directly forming the
図6は、エアロゾルデポジション法によるセラミック構造物の作製装置を模式的に示す図である。 FIG. 6 is a view schematically showing an apparatus for producing a ceramic structure by an aerosol deposition method.
図6に示すように、作製装置41は、膜形成部42とエアロゾル発生部43とを有し、エアロゾル発生部43で発生したセラミック微粒子粉末をガス中に分散させたエアロゾルをエアロゾル搬送管44によって膜形成部42に搬送する。
As shown in FIG. 6, the
膜形成部42は、真空ポンプ55で真空化される真空チャンバ56を有し、真空チャンバ56内に導かれた搬送管44の端部に配置されたノズル45から、該搬送管44によって搬送されたエアロゾル46を基板47に噴射して該基板47に膜48を直接成膜する。これにより、基板47と膜48によるセラミック構造物49を作製する。尚、基板47は、通常、ステージ50に固定されており、基板47をX−Y方向51に移動しながら膜48を形成する。
The
エアロゾル発生部43は、エアロゾル発生器52と、ガス搬送管53によってエアロゾル発生器52内にガスを注入するマスフローコントローラ54とから構成されると共に、エアロゾル搬送管44の端部がエアロゾル発生器52の上部に挿入されている。
The
以上説明したエアロゾルデポジション法によるセラミック構造物の作製装置において、本実施形態では、セラミックとしてPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)等の圧電体原材料を使用し、また、基板47として超音波モータの金属製の振動子3を設置する。
In the ceramic structure manufacturing apparatus by the aerosol deposition method described above, in this embodiment, a piezoelectric raw material such as PZT (lead zirconate titanate) is used as the ceramic, and the metal of the ultrasonic motor is used as the
同法によって圧電体材料を振動子3に直接成膜することで、均一的な組成から成る圧電膜20を1回の成膜工程にて容易に形成することができる。
By directly forming the piezoelectric material on the
以上説明したように、本実施形態では、振動子3,4間にフレキブルプリント基板2を圧電素子1に圧接するように挟み込んで一体に締結することで圧電素子1への駆動信号の給電を行う。
As described above, in the present embodiment, the flexible printed
また、圧電素子1のフレキシブルプリント基板2の接合面とは反対側の振動子3の端面に圧電膜20を直接成膜している。
In addition, the
これにより、圧電膜20から出力された信号を、振動による断線がなく、容易にかつ安定して取り出すことができる。
Thereby, the signal output from the
また、振動子3に圧電膜(S相)20を直接成膜することで、S相を駆動用の圧電素子1内に設ける必要がなく、圧電素子1の各相の形状を同一にすることができるので、駆動相の出力を調整するための回路を設けなくて済む。
Further, by directly forming the piezoelectric film (S phase) 20 on the
更に、S相の面積や構成も変更が容易で最適な形状にでき、また、振動子3の振動を圧電膜20で直接検知することで、制御性を改善することができる。
Further, the area and configuration of the S phase can be easily changed to an optimal shape, and the controllability can be improved by directly detecting the vibration of the
(第2の実施形態)
次に、図7および図8を参照して、本発明の第2の実施形態である超音波モータについて説明する。
(Second Embodiment)
Next, with reference to FIG. 7 and FIG. 8, the ultrasonic motor which is the 2nd Embodiment of this invention is demonstrated.
図7は本発明の第2の実施形態である超音波モータに用いられるフレキシブルプリント基板の表面側の平面図、図8は図7に示すフレキシブルプリント基板の裏面側の平面図である。なお、上記第1の実施形態に対して重複または相当する部分については、図に同一符号を付して説明する。 FIG. 7 is a plan view of the front surface side of the flexible printed circuit board used in the ultrasonic motor according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 8 is a plan view of the back surface side of the flexible printed circuit board shown in FIG. Note that portions that overlap or correspond to the first embodiment will be described with the same reference numerals.
本実施形態では、図8に示すように、フレキシブルプリント基板2の裏面に振動検知用の接点35a,35bが設けられている。
In the present embodiment, as shown in FIG. 8,
この接点35a,35bと、前述の振動子3のフレキシブルプリント基板2との当接面に形成された圧電膜20とが接し、振動子3の動きによって電位差が生じる。
The
また、接点35a,35bは、それぞれ圧電素子1のA+相、B+相の各相の位置に対応しており、A+相の動作、およびB+相の動作を検出可能である。また、このとき、信号は、接点35a,35bを経由しスルーホール36a,36bを通って、図7に示すように、接点75を介して駆動回路に出力される。
The
なお、図7に示すように、フレキシブルプリント基板2の表面側には、圧電素子1のA+相、A−相、B+相、B−相にそれぞれ対応する接点30,31,32,33が設けられている。
As shown in FIG. 7,
この場合、圧電素子1のA+相、B+相の動作が接点35a,35bを通して検知できることで、超音波モータ制御手法の一つである、駆動信号の位相差を変化させ、速度をコントロールさせることも可能になる。
In this case, since the operations of the A + phase and B + phase of the
さらには、振動子3の挙動が直接検知できることで、制御回路の構成やコントロールするためのソフトウエアが簡便化できる。その他の構成、および作用効果は、上記第1の実施形態と同様である。
Furthermore, since the behavior of the
なお、本発明は上記各実施形態に例示したものに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。 In addition, this invention is not limited to what was illustrated by said each embodiment, In the range which does not deviate from the summary of this invention, it can change suitably.
例えば、上記各実施形態では、エアロゾルデポジション法により振動子3に圧電膜20を形成したが、これに限定されない。
For example, in each of the above embodiments, the
例えば、振動子3に圧電体の原材料を含む印刷液を塗布(特開昭63−31480号公報参照)するによって圧電膜を形成してもよく、また、振動子3に圧電体の原材料を蒸着(特開昭63−186572号公報参照)することによって圧電膜を形成してもよい。
For example, a piezoelectric film may be formed by applying a printing liquid containing a piezoelectric raw material to the vibrator 3 (see Japanese Patent Laid-Open No. 63-31480), and depositing a piezoelectric raw material on the
1 圧電素子
2 フレキシブルプリント基板
3 振動子
4 振動子
11 回転軸
13 ロータ
14 ツバ
15 ロータ
18 ツバ
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記電気−機械エネルギ変換素子と前記振動体の間に、前記電気−機械エネルギ変換素子への駆動信号を供給するための接点を有する基板が挟まれ、
前記振動体は、前記基板と当接する面に振動検知用の圧電膜が直接成膜されており、
前記基板は、前記振動体が振動することで前記振動検知用の圧電膜に生じる電位差を出力するための接点を有することを特徴とする超音波モータ。 In an ultrasonic motor that causes a vibration body to vibrate by applying a drive signal to an electro-mechanical energy conversion element having a plurality of electrodes and moves a moving body that contacts the vibration body,
A substrate having a contact for supplying a drive signal to the electro-mechanical energy conversion element is sandwiched between the electro-mechanical energy conversion element and the vibrating body,
The vibrating body, the piezoelectric film for dynamic detection vibration in the substrate and abutting surface are deposited directly,
The ultrasonic motor according to claim 1, wherein the substrate has a contact for outputting a potential difference generated in the vibration detecting piezoelectric film when the vibrating body vibrates .
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