JP5329912B2 - Ultrasonic motor - Google Patents

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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Description

本発明は、超音波モータに関し、特に、積層された矩形型の圧電振動子が、第一次縦振動モードと第二次屈曲振動モードとを組み合わせた多重振動モードで振動することにより駆動力を発生する超音波モータに関する。   The present invention relates to an ultrasonic motor, and in particular, a laminated rectangular piezoelectric vibrator vibrates in a multiple vibration mode that combines a primary longitudinal vibration mode and a secondary bending vibration mode, thereby generating a driving force. The present invention relates to a generated ultrasonic motor.

従来から、圧電振動子を振動させることによって、ロータや回転軸等を駆動する超音波モータが知られている。この超音波モータは、圧電振動子を振動させる際に、複数種類の振動(共振)モードを合成することによって、駆動力を発生するように構成されている。   Conventionally, an ultrasonic motor that drives a rotor, a rotating shaft, and the like by vibrating a piezoelectric vibrator is known. This ultrasonic motor is configured to generate a driving force by combining a plurality of types of vibration (resonance) modes when vibrating a piezoelectric vibrator.

図8は、矩形型の圧電振動子を複数種類の振動モードで振動させたときの周波数スペクトラムを示す図である。ここで、F1、F2およびF3は、屈曲振動を示し、L1およびL2は縦振動を示す。矩形型の圧電振動子が、第一次縦振動モード(L1)で振動する際の伸縮方向の長さをLとし、また、圧電振動子が、第二次屈曲振動モード(F2)で振動する際の剪断方向の長さをdとする。そして、図8に示すように、d/Lを変数として、d/Lと圧電振動子の第一次縦振動モードの共振周波数とを対応させると共に、d/Lと第二次縦振動モードの共振周波数とを対応させる。なお、図8ではL=20mmで固定し、d(Width)のみを変化させている。この場合、縦横の二辺の比(以下、「辺比」と呼称する。)d/Lが、0.272付近で両者の共振周波数が一致し、二つの振動が縮退する。そのため、従来は、辺比d/Lが0.272付近となるように、圧電振動子を形成していた。   FIG. 8 is a diagram illustrating a frequency spectrum when a rectangular piezoelectric vibrator is vibrated in a plurality of types of vibration modes. Here, F1, F2 and F3 indicate bending vibration, and L1 and L2 indicate longitudinal vibration. The length of the expansion / contraction direction when the rectangular piezoelectric vibrator vibrates in the primary longitudinal vibration mode (L1) is L, and the piezoelectric vibrator vibrates in the secondary bending vibration mode (F2). Let d be the length in the shearing direction. As shown in FIG. 8, with d / L as a variable, d / L is associated with the resonance frequency of the primary longitudinal vibration mode of the piezoelectric vibrator, and d / L and the secondary longitudinal vibration mode are correlated. Corresponds to the resonance frequency. In FIG. 8, L is fixed at 20 mm, and only d (Width) is changed. In this case, when the ratio of two sides in the vertical and horizontal directions (hereinafter referred to as “side ratio”) d / L is around 0.272, the resonance frequencies of the two coincide, and the two vibrations are degenerated. Therefore, conventionally, the piezoelectric vibrator has been formed so that the side ratio d / L is around 0.272.

一方、特開平5−003688号公報には、圧電振動子として、共振周波数が若干異なる縦振動モードと屈曲振動モードとを組み合わせた多重振動モードで駆動する超音波モータが開示されている。この超音波モータでは、圧電振動子の長手縦振動の共振周波数ftと、偶数次の面内屈曲振動の共振周波数fpとが若干異なる値を有する。具体的には、圧電振動子の短辺の長さと長辺の長さの比を0.26:1から外し、例えば、0.28:1や、0.24:1などの比となるように、圧電振動子を形成する。これにより、超音波モータを安定して駆動させるようにしている。
特開平5−003688号公報
On the other hand, Japanese Patent Laid-Open No. 5-003688 discloses an ultrasonic motor that is driven as a piezoelectric vibrator in a multiple vibration mode in which a longitudinal vibration mode and a bending vibration mode having slightly different resonance frequencies are combined. In this ultrasonic motor, the resonance frequency ft of the longitudinal longitudinal vibration of the piezoelectric vibrator and the resonance frequency fp of the even-order in-plane bending vibration have slightly different values. Specifically, the ratio of the short-side length to the long-side length of the piezoelectric vibrator is removed from 0.26: 1, for example, a ratio such as 0.28: 1 or 0.24: 1. Next, a piezoelectric vibrator is formed. Thereby, the ultrasonic motor is driven stably.
JP-A-5-003688

上記のように、従来は、圧電振動子の辺比d/Lは0.272である場合のみが注目されていた。ところが、第一次縦振動モードの共振周波数と第二次屈曲振動モードの共振周波数とが一致する場合の辺比d/Lは、一通りではない。図8に示すように、辺比d/Lが0.272付近である場合の他、辺比d/Lが0.6付近である場合も第一次縦振動モードの共振周波数と第二次屈曲振動モードの共振周波数とが一致する。しかしながら、従来は、圧電振動子の辺比d/Lを0.6付近として超音波モータを構成することは行なわれていなかった。さらに、矩形型の単板の圧電振動子を上記のような辺比で構成すると共に、これを積層した超音波モータを構成することは行なわれていなかった。   As described above, conventionally, attention has been focused only on the case where the side ratio d / L of the piezoelectric vibrator is 0.272. However, the side ratio d / L in the case where the resonance frequency of the primary longitudinal vibration mode and the resonance frequency of the secondary bending vibration mode are not the same. As shown in FIG. 8, in addition to the case where the side ratio d / L is near 0.272, the case where the side ratio d / L is around 0.6 also includes the resonance frequency and the secondary in the primary longitudinal vibration mode. The resonance frequency of the bending vibration mode matches. However, conventionally, an ultrasonic motor has not been configured with a side ratio d / L of the piezoelectric vibrator of around 0.6. In addition, a rectangular single-plate piezoelectric vibrator is configured with the above-described side ratio, and an ultrasonic motor in which this is laminated has not been performed.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、単板の圧電振動子を従来とは異なる辺比で構成すると共に、これを積層した超音波モータを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide an ultrasonic motor in which a single-plate piezoelectric vibrator is configured with a side ratio different from the conventional one and laminated. .

(1)上記の目的を達成するため、本発明は、以下のような手段を講じた。すなわち、本発明の超音波モータは、矩形で単板の圧電振動子を積層して積層型圧電振動子を構成し、前記積層型圧電振動子が、第一次縦振動モードと第二次屈曲振動モードとを組み合わせた多重振動モードで振動することにより駆動力を発生する超音波モータであって、前記単板の圧電振動子が第一次縦振動モードで振動する際の伸縮方向の長さをLとし、前記単板の圧電振動子が第二次屈曲振動モードで振動する際の剪断方向の長さをdとし、d/Lを変数として、d/Lと前記単板の圧電振動子の第一次縦振動モードの共振周波数とを対応させると共に、d/Lと第二次縦振動モードの共振周波数とを対応させた場合、前記単板の圧電振動子は、同一のd/Lの値に対する第一次縦振動モードの共振周波数の値から、第二次屈曲振動モードの共振周波数の値を減算した減算値が、負の数から正の数に変わるときのd/Lの値に基づいて形成されていると共に、前記単板の圧電振動子は、前記剪断方向に複数積層されていることを特徴としている。   (1) In order to achieve the above object, the present invention has taken the following measures. That is, the ultrasonic motor of the present invention comprises a laminated piezoelectric vibrator formed by laminating rectangular and single-plate piezoelectric vibrators, and the laminated piezoelectric vibrator has a primary longitudinal vibration mode and a secondary bending. An ultrasonic motor that generates a driving force by oscillating in a multiple vibration mode combined with a vibration mode, the length in the expansion / contraction direction when the single-plate piezoelectric vibrator vibrates in a primary longitudinal vibration mode Where L is L, d is the length in the shear direction when the single-plate piezoelectric vibrator vibrates in the second bending vibration mode, and d / L is a variable, and d / L and the single-plate piezoelectric vibrator When the resonance frequency of the primary longitudinal vibration mode is made to correspond to the resonance frequency of d / L and the resonance frequency of the secondary longitudinal vibration mode, the single-plate piezoelectric vibrators have the same d / L From the value of the resonance frequency of the primary longitudinal vibration mode for the value of The subtracted value obtained by subtracting the resonance frequency value of the switch is formed based on the value of d / L when the negative number changes to a positive number, and the single-plate piezoelectric vibrator has the shear direction It is characterized in that a plurality of layers are laminated.

このように、d/Lを変数として、d/Lと単板の圧電振動子の第一次縦振動モードの共振周波数とを対応させると共に、d/Lと第二次縦振動モードの共振周波数とを対応させた場合、d/Lが小さい場合は、第二次屈曲振動モードの共振周波数よりも第一次縦振動モードの共振周波数の方が大きく、d/Lが0.272付近を越えると、その大きさが逆転する。さらにd/Lを大きくしていくと、第一次縦振動モードの共振周波数が、第二次屈曲振動モードの共振周波数よりも大きくなる。すなわち、同一のd/Lの値に対する第一次縦振動モードの共振周波数の値から、第二次屈曲振動モードの共振周波数の値を減算した減算値が、負の数から正の数に変わる。本発明は、そのときのd/Lの値によって、単板の圧電振動子を形成する。これにより、単板の圧電振動子は、従来のように、辺比d/Lが0.272付近である場合よりも、いわゆる肉厚となると共に、長手方向の長さが小さくなる。その結果、小型化を図ることができる。また、従来よりも肉厚となることから、疲労や過入力による破損が生じ難くなり、耐久性を向上させることが可能となる。さらに、このように形成された単板の圧電振動子を、剪断方向に複数積層することによって、圧電振動子に単板と同じ入力電圧で大きな電界強度を印加することができるので、必要な電源電圧を小さくすることが可能となる。その結果、従来の超音波モータでは必要とされていた昇圧部品を不要とすることができ、ドライバ基板の小型化を図ることが可能となる。これにより、マルチチャネル動作可能な小型ドライバシステムを実現することが可能となる。   In this way, with d / L as a variable, d / L corresponds to the resonance frequency of the primary longitudinal vibration mode of the single-plate piezoelectric vibrator, and d / L and the resonance frequency of the secondary longitudinal vibration mode. When d / L is small, the resonance frequency of the primary longitudinal vibration mode is larger than the resonance frequency of the secondary bending vibration mode, and d / L exceeds about 0.272. And the size is reversed. When d / L is further increased, the resonance frequency of the primary longitudinal vibration mode becomes higher than the resonance frequency of the secondary bending vibration mode. That is, the subtraction value obtained by subtracting the resonance frequency value of the secondary bending vibration mode from the resonance frequency value of the primary longitudinal vibration mode for the same d / L value changes from a negative number to a positive number. . In the present invention, a single-plate piezoelectric vibrator is formed according to the value of d / L at that time. As a result, the single-plate piezoelectric vibrator has a so-called thickness and a length in the longitudinal direction that are smaller than the case where the side ratio d / L is around 0.272 as in the prior art. As a result, downsizing can be achieved. Moreover, since it becomes thicker than before, damage due to fatigue or over-input is less likely to occur, and durability can be improved. Furthermore, by laminating a plurality of single-plate piezoelectric vibrators formed in this way in the shear direction, a large electric field strength can be applied to the piezoelectric vibrator with the same input voltage as the single plate. The voltage can be reduced. As a result, it is possible to eliminate the step-up component required in the conventional ultrasonic motor, and to reduce the size of the driver board. As a result, a small driver system capable of multi-channel operation can be realized.

(2)また、本発明の超音波モータは、矩形で単板の圧電振動子を積層して積層型圧電振動子を構成し、前記積層型圧電振動子が、第一次縦振動モードと第二次屈曲振動モードとを組み合わせた多重振動モードで振動することにより駆動力を発生する超音波モータであって、前記単板の圧電振動子が第一次縦振動モードで振動する際の伸縮方向の長さをLとし、前記単板の圧電振動子が第二次屈曲振動モードで振動する際の剪断方向の長さをdとした場合、前記単板の圧電振動子は、d/Lの値が0.55から0.65の範囲に収まるように形成されていると共に、前記単板の圧電振動子は、前記剪断方向に複数積層されていることを特徴としている。   (2) Further, the ultrasonic motor of the present invention is configured by stacking rectangular and single-plate piezoelectric vibrators to form a laminated piezoelectric vibrator, and the laminated piezoelectric vibrator has a first longitudinal vibration mode and a first piezoelectric vibrator. An ultrasonic motor that generates a driving force by oscillating in a multiple vibration mode combined with a secondary bending vibration mode, and in which the single-plate piezoelectric vibrator vibrates in a primary longitudinal vibration mode Where L is the length of the single plate and the length in the shear direction when the piezoelectric vibrator of the single plate vibrates in the secondary bending vibration mode is d, the piezoelectric vibrator of the single plate is d / L The value is in the range of 0.55 to 0.65, and a plurality of the single-plate piezoelectric vibrators are stacked in the shear direction.

このように、d/Lの値が0.55から0.65の範囲に収まるため、辺比d/Lが0.272付近である場合よりも、いわゆる肉厚となると共に、長手方向の長さが小さくなる。その結果、圧電振動子の小型化を図ることができる。また、従来よりも肉厚となることから、疲労や過入力による破損が生じ難くなり、耐久性を向上させることが可能となる。さらに、このように形成された単板の圧電振動子を、剪断方向に複数積層することによって、圧電振動子に単板と同じ入力電圧で大きな電界強度を印加することができるので、必要な電源電圧を小さくすることが可能となる。その結果、従来の超音波モータでは必要とされていた昇圧部品を不要とすることができ、ドライバ基板の小型化を図ることが可能となる。これにより、マルチチャネル動作可能な小型ドライバシステムを実現することが可能となる。   Thus, since the value of d / L falls within the range of 0.55 to 0.65, the thickness ratio is longer than the case where the side ratio d / L is near 0.272 and the length in the longitudinal direction is longer. Becomes smaller. As a result, the piezoelectric vibrator can be reduced in size. Moreover, since it becomes thicker than before, damage due to fatigue or over-input is less likely to occur, and durability can be improved. Furthermore, by laminating a plurality of single-plate piezoelectric vibrators formed in this way in the shear direction, a large electric field strength can be applied to the piezoelectric vibrator with the same input voltage as the single plate. The voltage can be reduced. As a result, it is possible to eliminate the step-up component required in the conventional ultrasonic motor, and to reduce the size of the driver board. As a result, a small driver system capable of multi-channel operation can be realized.

(3)また、本発明の超音波モータは、矩形で単板の圧電振動子を積層して積層型圧電振動子を構成し、前記積層型圧電振動子が、第一次縦振動モードと第二次屈曲振動モードとを組み合わせた多重振動モードで振動することにより駆動力を発生する超音波モータであって、前記単板の圧電振動子が第一次縦振動モードで振動する際の伸縮方向の長さをLとし、前記単板の圧電振動子が第二次屈曲振動モードで振動する際の剪断方向の長さをdとした場合、前記単板の圧電振動子は、d/Lの値が実質的に0.63となるように形成されていると共に、前記単板の圧電振動子は、前記剪断方向に複数積層されていることを特徴としている。   (3) Further, the ultrasonic motor of the present invention is configured by stacking rectangular and single-plate piezoelectric vibrators to form a laminated piezoelectric vibrator, and the laminated piezoelectric vibrator has a first longitudinal vibration mode and a first piezoelectric vibrator. An ultrasonic motor that generates a driving force by oscillating in a multiple vibration mode combined with a secondary bending vibration mode, and in which the single-plate piezoelectric vibrator vibrates in a primary longitudinal vibration mode Where L is the length of the single plate and the length in the shear direction when the piezoelectric vibrator of the single plate vibrates in the secondary bending vibration mode is d, the piezoelectric vibrator of the single plate is d / L The value is substantially 0.63, and a plurality of the single-plate piezoelectric vibrators are laminated in the shear direction.

このように、d/Lの値は、実質的に0.63であるため、辺比d/Lが0.272付近である場合よりも、いわゆる肉厚となる。その結果、辺比d/Lが0.272付近である場合よりも同体積でL方向の長さを短くすることができるため、小型化を図ることができる。また、従来よりも肉厚となることから、疲労や過入力による破損が生じ難くなり、耐久性を向上させることが可能となる。さらに、このように形成された単板の圧電振動子を、剪断方向に複数積層することによって、圧電振動子に単板と同じ入力電圧で大きな電界強度を印加することができるので、必要な電源電圧を小さくすることが可能となる。その結果、従来の超音波モータでは必要とされていた昇圧部品を不要とすることができ、ドライバ基板の小型化を図ることが可能となる。これにより、マルチチャネル動作可能な小型ドライバシステムを実現することが可能となる。なお、d/Lの値が実質的に0.63であるとは、圧電振動子が超音波モータとして実用的に機能する範囲という意味である。d/Lの値が0.63の前後にずれていても、圧電振動子が超音波モータとして実用的に機能するのであれば、d/Lの値は実質的に0.63であると言える。逆に言えば、d/Lの値は、圧電振動子が超音波モータとして実用的に機能するのであれば、ちょうど0.63でなければならないわけではない。   Thus, since the value of d / L is substantially 0.63, it becomes what is called a wall thickness rather than the case where side ratio d / L is near 0.272. As a result, since the length in the L direction can be shortened with the same volume as compared with the case where the side ratio d / L is around 0.272, the size can be reduced. Moreover, since it becomes thicker than before, damage due to fatigue or over-input is less likely to occur, and durability can be improved. Furthermore, by laminating a plurality of single-plate piezoelectric vibrators formed in this way in the shear direction, a large electric field strength can be applied to the piezoelectric vibrator with the same input voltage as the single plate. The voltage can be reduced. As a result, it is possible to eliminate the step-up component required in the conventional ultrasonic motor, and to reduce the size of the driver board. As a result, a small driver system capable of multi-channel operation can be realized. In addition, the value of d / L being substantially 0.63 means a range in which the piezoelectric vibrator functions practically as an ultrasonic motor. Even if the value of d / L is deviated around 0.63, if the piezoelectric vibrator practically functions as an ultrasonic motor, it can be said that the value of d / L is substantially 0.63. . Conversely, the value of d / L does not have to be just 0.63 if the piezoelectric vibrator functions practically as an ultrasonic motor.

本発明によれば、単板の圧電振動子は、従来のように、辺比d/Lが0.272付近である場合よりも、いわゆる肉厚となると共に、長手方向の長さが小さくなる。その結果、小型化を図ることができる。また、従来よりも肉厚となることから、疲労や過入力による破損が生じ難くなり、耐久性を向上させることが可能となる。さらに、このように形成された単板の圧電振動子を、剪断方向に複数積層することによって、圧電振動子に単板と同じ入力電圧で大きな電界強度を印加することができるので、必要な電源電圧を小さくすることが可能となる。その結果、従来の超音波モータでは必要とされていた昇圧部品を不要とすることができ、ドライバ基板の小型化を図ることが可能となる。これにより、マルチチャネル動作可能な小型ドライバシステムを実現することが可能となる。   According to the present invention, the single-plate piezoelectric vibrator has a so-called thickness and a smaller length in the longitudinal direction than in the case where the side ratio d / L is around 0.272 as in the prior art. . As a result, downsizing can be achieved. Moreover, since it becomes thicker than before, damage due to fatigue or over-input is less likely to occur, and durability can be improved. Furthermore, by laminating a plurality of single-plate piezoelectric vibrators formed in this way in the shear direction, a large electric field strength can be applied to the piezoelectric vibrator with the same input voltage as the single plate. The voltage can be reduced. As a result, it is possible to eliminate the step-up component required in the conventional ultrasonic motor, and to reduce the size of the driver board. As a result, a small driver system capable of multi-channel operation can be realized.

次に、本発明に係る実施形態について、図面を参照しながら説明する。図1は、本実施形態に係る矩形で単板の圧電振動子の斜視図である。この圧電振動子1は、圧電セラミクスから形成されており、分極方向は、図1に示す座標軸のz軸方向に一致している。また、圧電振動子1が第一次縦振動モードで振動する際の伸縮方向は、x軸と平行であり、圧電振動子1のx軸方向の長さはLである。また、圧電振動子1が第二次屈曲振動モードで振動する際の剪断方向は、y軸と平行であり、圧電振動子1のy軸方向の長さ(厚さ)はdである。   Next, embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view of a rectangular, single-plate piezoelectric vibrator according to this embodiment. The piezoelectric vibrator 1 is formed of piezoelectric ceramics, and the polarization direction coincides with the z-axis direction of the coordinate axis shown in FIG. The expansion / contraction direction when the piezoelectric vibrator 1 vibrates in the primary longitudinal vibration mode is parallel to the x axis, and the length of the piezoelectric vibrator 1 in the x axis direction is L. Further, the shearing direction when the piezoelectric vibrator 1 vibrates in the second bending vibration mode is parallel to the y-axis, and the length (thickness) of the piezoelectric vibrator 1 in the y-axis direction is d.

図2は、圧電振動子1の第一次縦振動の様子を示す図である。第一次縦振動は、図2の矢印AおよびBに示すように、圧電振動子1の長手方向に伸縮を繰り返すことにより生ずる。また、図3は、圧電振動子1の第二次屈曲振動の様子を示す図である。第二次屈曲振動は、図3の矢印Cに示すように、圧電振動子1の厚さ方向に、相互に向きが異なる剪断力により屈曲を繰り返すことにより生ずる。これらの第一次縦振動と第二次屈曲振動とを合成(縮退)することにより、圧電振動子1に設けられたチップが楕円運動をし、駆動力が生ずる。   FIG. 2 is a diagram illustrating a state of the primary longitudinal vibration of the piezoelectric vibrator 1. The primary longitudinal vibration is generated by repeatedly expanding and contracting in the longitudinal direction of the piezoelectric vibrator 1 as indicated by arrows A and B in FIG. FIG. 3 is a diagram showing a state of the secondary bending vibration of the piezoelectric vibrator 1. As shown by an arrow C in FIG. 3, the secondary bending vibration is generated by repeatedly bending in the thickness direction of the piezoelectric vibrator 1 by shearing forces having different directions. By synthesizing (degenerate) these primary longitudinal vibrations and secondary bending vibrations, the chip provided in the piezoelectric vibrator 1 performs an elliptical motion to generate a driving force.

図4は、圧電振動子1が被駆動体2を図中、右方向に駆動する様子を段階的に示す図である。図4において、圧電振動子1は、チップ1aを備えている。圧電振動子1の第一次縦振動と第二次屈曲振動とを合成することで、圧電振動子1が伸縮と屈曲を繰り返し、1サイクルで被駆動体を距離lだけ移動させている。   FIG. 4 is a diagram showing stepwise how the piezoelectric vibrator 1 drives the driven body 2 in the right direction in the drawing. In FIG. 4, the piezoelectric vibrator 1 includes a chip 1a. By synthesizing the primary longitudinal vibration and the secondary bending vibration of the piezoelectric vibrator 1, the piezoelectric vibrator 1 repeats expansion and contraction and bending, and the driven body is moved by the distance l in one cycle.

圧電振動子1は、このような原理で駆動力を発生させるのであるが、従来は、単板の圧電振動子1の辺比d/Lは、0.272付近のみが注目されていた。すなわち、d/Lを変数として、d/Lと単板の圧電振動子の第一次縦振動モードの共振周波数とを対応させると共に、d/Lと第二次縦振動モードの共振周波数とを対応させた場合、図8に示すように、d/Lが小さい場合は、第二次屈曲振動モードの共振周波数よりも第一次縦振動モードの共振周波数の方が大きい。そして、d/Lが0.272となると、第一次縦振動モードの共振周波数と、第二次屈曲振動モードの共振周波数とが一致するので、d/Lが0.272である圧電振動子のみが利用されていた。d/Lが0.272を超えると、第二次屈曲振動モードの共振周波数が第一次縦振動モードの共振周波数よりも大きくなる。   The piezoelectric vibrator 1 generates a driving force based on such a principle, but conventionally, only a side ratio d / L of the piezoelectric vibrator 1 of a single plate has been noticed around 0.272. That is, with d / L as a variable, d / L and the resonance frequency of the primary longitudinal vibration mode of the single-plate piezoelectric vibrator are made to correspond to each other, and d / L and the resonance frequency of the secondary longitudinal vibration mode are In the case of correspondence, as shown in FIG. 8, when d / L is small, the resonance frequency of the primary longitudinal vibration mode is higher than the resonance frequency of the secondary bending vibration mode. When d / L becomes 0.272, the resonance frequency of the primary longitudinal vibration mode and the resonance frequency of the secondary bending vibration mode coincide with each other, so that the piezoelectric vibrator having d / L of 0.272 is obtained. Only was used. When d / L exceeds 0.272, the resonance frequency of the secondary bending vibration mode becomes higher than the resonance frequency of the primary longitudinal vibration mode.

ところが、さらにd/Lを大きくしていくと、第一次縦振動モードの共振周波数が、第二次屈曲振動モードの共振周波数よりも大きくなる。すなわち、同一のd/Lの値に対する第一次縦振動モードの共振周波数の値から、第二次屈曲振動モードの共振周波数の値を減算した減算値が、負の数から正の数に変わる。つまり、この点においても、第一次縦振動モードの共振周波数と、第二次屈曲振動モードの共振周波数とが一致するのである。本実施形態では、そのときのd/Lの値によって、単板の圧電振動子を構成する。具体的には、本実施形態では、d/Lの値は実質的に0.63である。   However, when d / L is further increased, the resonance frequency of the primary longitudinal vibration mode becomes higher than the resonance frequency of the secondary bending vibration mode. That is, the subtraction value obtained by subtracting the resonance frequency value of the secondary bending vibration mode from the resonance frequency value of the primary longitudinal vibration mode for the same d / L value changes from a negative number to a positive number. . That is, also in this respect, the resonance frequency of the primary longitudinal vibration mode matches the resonance frequency of the secondary bending vibration mode. In the present embodiment, a single-plate piezoelectric vibrator is constituted by the value of d / L at that time. Specifically, in the present embodiment, the value of d / L is substantially 0.63.

これにより、圧電振動子1は、従来のように、辺比d/Lが0.272付近である場合よりも、いわゆる肉厚となる。その結果、辺比d/Lが0.272付近である場合よりも同体積でL方向の長さを短くすることができるため、小型化を図ることができる。また、従来よりも肉厚となることから、疲労や過入力による破損が生じ難くなり、耐久性を向上させることが可能となる。   Thereby, the piezoelectric vibrator 1 has a so-called thickness as compared with the case where the side ratio d / L is around 0.272 as in the related art. As a result, since the length in the L direction can be shortened with the same volume as compared with the case where the side ratio d / L is around 0.272, the size can be reduced. Moreover, since it becomes thicker than before, damage due to fatigue or over-input is less likely to occur, and durability can be improved.

図5は、上記のように形成された単板の圧電振動子1を、剪断方向に複数個積層することにより構成した積層型圧電振動子を概念的に表した図である。図5では、一部を切断して表現している。この積層型圧電振動子50は、単板の圧電振動子1を積層した圧電層51およびその圧電層の間に設けられた内層電極52から構成されている。また、積層型圧電振動子50は、入力電極53、2つの外部取り出し電極54、およびグランド電極55を有している。   FIG. 5 is a diagram conceptually showing a laminated piezoelectric vibrator configured by laminating a plurality of single-plate piezoelectric vibrators 1 formed as described above in the shear direction. In FIG. 5, a part is expressed by cutting. The laminated piezoelectric vibrator 50 includes a piezoelectric layer 51 in which a single-plate piezoelectric vibrator 1 is laminated and an inner layer electrode 52 provided between the piezoelectric layers. The laminated piezoelectric vibrator 50 includes an input electrode 53, two external extraction electrodes 54, and a ground electrode 55.

単板の圧電振動子1を、例えば、8層に積層して、積層型圧電振動子50を構成すると、単板の圧電振動子1では、入力電圧が200Vppであったものが、積層型圧電振動子50では、25Vppに低下させることができた。この場合、積層方向と変位方向とは垂直の関係にあるため、圧電効果は、「横効果」を利用することとなる。また、効率をより上昇させるため、「縦効果」を利用する構成を採ることも可能である。例えば、変位方向に積層することによって、縦効果を利用することができる。例えば、単板の圧電振動子を縦方向に分極すると、駆動電圧は500Vpp以上が必要となる。一方、単板の圧電振動子を、0.5mm間隔で積層して、積層型圧電振動子を構成することによって、駆動電圧を10Vpp以下にして駆動することが可能となる。   For example, when the single-plate piezoelectric vibrator 1 is laminated in eight layers to form the multi-layer piezoelectric vibrator 50, the single-plate piezoelectric vibrator 1 having an input voltage of 200 Vpp is the multi-layer piezoelectric vibrator. In the vibrator 50, the voltage could be lowered to 25Vpp. In this case, since the stacking direction and the displacement direction are perpendicular to each other, the “lateral effect” is used as the piezoelectric effect. Further, in order to further increase the efficiency, it is possible to adopt a configuration using the “vertical effect”. For example, the vertical effect can be used by stacking in the displacement direction. For example, when a single-plate piezoelectric vibrator is polarized in the vertical direction, the drive voltage needs to be 500 Vpp or more. On the other hand, by laminating single-plate piezoelectric vibrators at intervals of 0.5 mm to form a laminated piezoelectric vibrator, it becomes possible to drive with a drive voltage of 10 Vpp or less.

図6は、交差指電極を取り付けた圧電振動子を示す図である。この圧電振動子60は、交差指電極61と、グランド電極62を有している。このような交差指電極61を用いて積層型圧電振動子を構成し、交差指の間隔方向に分極して超音波モータを構成することによっても、同様の効果を得ることが可能である。また、積層数が少なくて済み、工業上、有利である。   FIG. 6 is a diagram showing a piezoelectric vibrator to which a cross finger electrode is attached. The piezoelectric vibrator 60 has a cross finger electrode 61 and a ground electrode 62. A similar effect can also be obtained by configuring a laminated piezoelectric vibrator using such a crossed finger electrode 61 and forming an ultrasonic motor by polarization in the direction of the interval between the crossed fingers. Further, the number of stacked layers is small, which is industrially advantageous.

具体的には、横効果を用いた場合は、d31=130×10−12m/V、であり、縦効果を利用した場合は、d33=290×10−12m/Vであるため、縦効果を利用した場合は、横効果の約2.2倍の効率改善を図ることが可能となる。 Specifically, when the horizontal effect is used, d31 = 130 × 10 −12 m / V, and when the vertical effect is used, d33 = 290 × 10 −12 m / V. When the effect is used, the efficiency can be improved by about 2.2 times the lateral effect.

図7は、本実施形態に係る超音波モータ装置の概略構成を示す図である。この超音波モータ装置50において、積層型圧電振動子50aは、摺動チップ2aが楕円運動をすることにより、駆動対象物15を図7中、矢印AまたはBの方向へスライドさせる。また、積層型圧電振動子50は、図5に示したような電極を有しており、2箇所から電圧を供給され、中央の電極は接地されている。   FIG. 7 is a diagram illustrating a schematic configuration of the ultrasonic motor device according to the present embodiment. In the ultrasonic motor device 50, the multilayer piezoelectric vibrator 50a slides the drive target 15 in the direction of arrow A or B in FIG. The laminated piezoelectric vibrator 50 has electrodes as shown in FIG. 5, is supplied with voltage from two locations, and the center electrode is grounded.

図7において、駆動装置70は、駆動対象物15の位置を検出する位置センサ31と、超音波モータ(積層型圧電振動子)50aを共振駆動する共振駆動装置32と、超音波モータ50aを直流駆動する直流駆動装置33と、位置センサ31の検出信号に従って共振駆動装置32または直流駆動装置33に駆動指令信号を送る駆動制御装置(CPU)34と、を備えている。共振駆動装置32と直流駆動装置33は、増幅器35a、35bを共有している。さらに、共振駆動装置32は、第1フィードバック制御装置36と位相制御装置37とを有している。直流駆動装置33は、第2フィードバック制御装置38と信号反転器39とを有している。   In FIG. 7, a driving device 70 includes a position sensor 31 that detects the position of the driven object 15, a resonance driving device 32 that resonates and drives an ultrasonic motor (laminated piezoelectric vibrator) 50 a, and directs the ultrasonic motor 50 a to direct current. A DC drive device 33 for driving and a drive control device (CPU) 34 for sending a drive command signal to the resonance drive device 32 or the DC drive device 33 in accordance with a detection signal of the position sensor 31 are provided. The resonance driving device 32 and the DC driving device 33 share the amplifiers 35a and 35b. Further, the resonance driving device 32 includes a first feedback control device 36 and a phase control device 37. The DC drive device 33 includes a second feedback control device 38 and a signal inverter 39.

超音波モータ50aは、積層型圧電振動子から構成されているため、上記のように、単板の圧電振動子より駆動電圧が小さくても同様の駆動力を発揮することが可能である。このため、増幅器35a、35bにおいては、従来のように昇圧部品を用いる必要がなく、増幅器35a、35bを小型化することが可能である。より具体的には、本実施形態に係る増幅器35a、35bは、従来の増幅器と比較して、大きさが1/3程度に小さくなっている。   Since the ultrasonic motor 50a is composed of a laminated piezoelectric vibrator, as described above, it is possible to exhibit the same driving force even when the driving voltage is smaller than that of a single-plate piezoelectric vibrator. For this reason, in the amplifiers 35a and 35b, it is not necessary to use a boosting component as in the prior art, and the amplifiers 35a and 35b can be downsized. More specifically, the amplifiers 35a and 35b according to the present embodiment are about 1/3 smaller in size than the conventional amplifier.

位置センサ31には、レーザを利用した非接触光学式センサシステムが好適に用いられる。例えば、駆動対象物15には駆動対象物15の位置を示すためのマーキング(図示せず)が施されており、位置センサ31は反射光パターンから駆動対象物15の位置を検出する。   As the position sensor 31, a non-contact optical sensor system using a laser is preferably used. For example, marking (not shown) for indicating the position of the driving object 15 is provided on the driving object 15, and the position sensor 31 detects the position of the driving object 15 from the reflected light pattern.

第1フィードバック制御装置36は、駆動制御装置(CPU)34から超音波モータ50aを共振駆動させる指令信号を受信すると、超音波モータ50aを共振駆動させるための共振駆動信号を発生させ、それを増幅器35a、35bに送る。また、第1フィードバック制御装置36は、位置センサ31の検出信号を受信して、駆動対象物15の移動速度を調節する。このため第1フィードバック制御装置36は、共振駆動信号の波形を適宜変形させる(例えば、ゼロ−ピーク電圧値を変化させる)ことができるようになっている。   When the first feedback control device 36 receives a command signal for resonantly driving the ultrasonic motor 50a from the drive control device (CPU) 34, the first feedback control device 36 generates a resonant drive signal for resonantly driving the ultrasonic motor 50a and amplifies it. Send to 35a, 35b. Further, the first feedback control device 36 receives the detection signal of the position sensor 31 and adjusts the moving speed of the driven object 15. Therefore, the first feedback control device 36 can appropriately change the waveform of the resonance drive signal (for example, change the zero-peak voltage value).

第1フィードバック制御装置36から増幅器35a、35bへは同一波形の共振駆動信号が出力される。このため一方の増幅器、つまり増幅器35aに送られる共振駆動信号は増幅器35aに入力される前に位相制御装置37によって位相を90度ずらされる。例えば、第1フィードバック制御装置36から出力される共振駆動信号がV=Vsin(2πft)である場合には、増幅器35bにはこのV=Vsin(2πft)の共振駆動信号が入力されるが、増幅器35aには位相制御装置37によって位相制御されたV=Vcos(2πft)またはV=−Vcos(2πft)の共振駆動信号が入力される。 A resonance drive signal having the same waveform is output from the first feedback control device 36 to the amplifiers 35a and 35b. Therefore, the phase of the resonance drive signal sent to one amplifier, that is, the amplifier 35a, is shifted by 90 degrees by the phase controller 37 before being input to the amplifier 35a. For example, when the resonance drive signal output from the first feedback control device 36 is V = V 0 sin (2πft), this resonance drive signal of V = V 0 sin (2πft) is input to the amplifier 35b. However, a resonance drive signal of V = V 0 cos (2πft) or V = −V 0 cos (2πft) phase-controlled by the phase controller 37 is input to the amplifier 35a.

なお、第1フィードバック制御装置36から出力される共振駆動信号はV=Vcos(2πft)であってもよい。この場合には、位相制御装置37からは、V=Vsin(2πft)またはV=−Vsin(2πft)の共振駆動信号が出力される。 The resonance drive signal output from the first feedback control device 36 may be V = V 0 cos (2πft). In this case, the phase controller 37 outputs a resonance drive signal of V = V 0 sin (2πft) or V = −V 0 sin (2πft).

第2フィードバック制御装置38は、駆動制御装置(CPU)34から超音波モータ50aを直流駆動させる指令信号を受け取ると、超音波モータ50aを直流駆動させるための直流電圧信号を発生させ、それを増幅器35a、35bに送る。また第2フィードバック制御装置38は、位置センサ31からの信号を受信して、直流電圧信号の電圧値を適宜調整して増幅器35a、35bに送ることができるようになっている。   When the second feedback control device 38 receives a command signal for direct drive of the ultrasonic motor 50a from the drive control device (CPU) 34, the second feedback control device 38 generates a direct current voltage signal for direct drive of the ultrasonic motor 50a and amplifies it. Send to 35a, 35b. The second feedback control device 38 can receive a signal from the position sensor 31 and appropriately adjust the voltage value of the DC voltage signal and send it to the amplifiers 35a and 35b.

第2フィードバック制御装置38から増幅器35a、35bへは同じ直流電圧信号が出力される。このため増幅器35aに送られる直流電圧信号は増幅器35aに入力される前に信号反転器39によって正負を逆転される。   The same DC voltage signal is output from the second feedback control device 38 to the amplifiers 35a and 35b. For this reason, the DC voltage signal sent to the amplifier 35a is inverted by the signal inverter 39 before being input to the amplifier 35a.

以上説明したように、本実施形態によれば、単板の圧電振動子は、従来のように、辺比d/Lが0.272付近である場合よりも、いわゆる肉厚となると共に、長手方向の長さが小さくなる。その結果、小型化を図ることができる。また、従来よりも肉厚となることから、疲労や過入力による破損が生じ難くなり、耐久性を向上させることが可能となる。さらに、このように形成された単板の圧電振動子を、剪断方向に複数積層することによって、圧電振動子に単板と同じ入力電圧で大きな電界強度を印加することができるので、必要な電源電圧を小さくすることが可能となる。その結果、従来の超音波モータでは必要とされていた昇圧部品を不要とすることができ、ドライバ基板の小型化を図ることが可能となる。これにより、マルチチャネル動作可能な小型ドライバシステムを実現することが可能となる。   As described above, according to the present embodiment, the single-plate piezoelectric vibrator has a so-called thickness and a longer length than the conventional case where the side ratio d / L is around 0.272. The length of the direction becomes smaller. As a result, downsizing can be achieved. Moreover, since it becomes thicker than before, damage due to fatigue or over-input is less likely to occur, and durability can be improved. Furthermore, by laminating a plurality of single-plate piezoelectric vibrators formed in this way in the shear direction, a large electric field strength can be applied to the piezoelectric vibrator with the same input voltage as the single plate. The voltage can be reduced. As a result, it is possible to eliminate the step-up component required in the conventional ultrasonic motor, and to reduce the size of the driver board. As a result, a small driver system capable of multi-channel operation can be realized.

本実施形態に係る圧電振動子の斜視図である。It is a perspective view of the piezoelectric vibrator concerning this embodiment. 圧電振動子の第一次縦振動の様子を示す図である。It is a figure which shows the mode of the primary longitudinal vibration of a piezoelectric vibrator. 圧電振動子の第二次屈曲振動の様子を示す図である。It is a figure which shows the mode of the secondary bending vibration of a piezoelectric vibrator. 圧電振動子が被駆動体を図中、右方向に駆動する様子を段階的に示す図である。It is a figure which shows a mode that a piezoelectric vibrator drives a to-be-driven body rightward in a figure. 本実施形態に係る超音波モータの概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the ultrasonic motor which concerns on this embodiment. 交差指電極を取り付けた圧電振動子を示す図である。It is a figure which shows the piezoelectric vibrator which attached the cross finger electrode. 本実施形態に係る超音波モータ装置の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the ultrasonic motor apparatus which concerns on this embodiment. 矩形型の圧電振動子を複数種類の振動モードで振動させたときの周波数スペクトラムを示す図である。It is a figure which shows a frequency spectrum when a rectangular-shaped piezoelectric vibrator is vibrated in a plurality of types of vibration modes.

符号の説明Explanation of symbols

1 圧電振動子
1a チップ
2 被駆動体
2a 摺動チップ
15 駆動対象物
31 位置センサ
32 共振駆動装置
33 直流駆動装置
34 駆動制御装置
35a 増幅器
35b 増幅器
36 フィードバック制御装置
37 位相制御装置
38 フィードバック制御装置
39 信号反転器
50 超音波モータ装置
50a 積層型圧電振動子
51 圧電層
52 内層電極
53 入力電極
54 電極
55 グランド電極
70 駆動装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Piezoelectric vibrator 1a Chip 2 Driven object 2a Sliding chip 15 Drive target 31 Position sensor 32 Resonance drive device 33 DC drive device 34 Drive control device 35a Amplifier 35b Amplifier 36 Feedback control device 37 Phase control device 38 Feedback control device 39 Signal inverter 50 Ultrasonic motor device 50a Multilayer piezoelectric vibrator 51 Piezoelectric layer 52 Inner layer electrode 53 Input electrode 54 Electrode 55 Ground electrode 70 Drive device

Claims (2)

矩形で単板の圧電振動子を積層して積層型圧電振動子を構成し、前記積層型圧電振動子が、第一次縦振動モードと第二次屈曲振動モードとを組み合わせた多重振動モードで振動することにより駆動力を発生する超音波モータであって、
前記単板の圧電振動子が第一次縦振動モードで振動する際の伸縮方向の長さをLとし、前記単板の圧電振動子が第二次屈曲振動モードで振動する際の剪断方向の長さをdとした場合、
前記単板の圧電振動子は、d/Lの値が0.55から0.65の範囲に収まるように形成されていると共に、
前記単板の圧電振動子は、前記剪断方向に複数積層されていることを特徴とする超音波モータ。
A rectangular single plate piezoelectric vibrator is laminated to form a laminated piezoelectric vibrator, and the laminated piezoelectric vibrator is in a multiple vibration mode combining a primary longitudinal vibration mode and a secondary bending vibration mode. An ultrasonic motor that generates a driving force by vibrating,
The length of the expansion / contraction direction when the single-plate piezoelectric vibrator vibrates in the primary longitudinal vibration mode is L, and the shear direction when the single-plate piezoelectric vibrator vibrates in the secondary bending vibration mode is L. If the length is d,
The single-plate piezoelectric vibrator is formed so that the value of d / L falls within the range of 0.55 to 0.65,
The ultrasonic motor according to claim 1, wherein a plurality of the single-plate piezoelectric vibrators are stacked in the shear direction.
矩形で単板の圧電振動子を積層して積層型圧電振動子を構成し、前記積層型圧電振動子が、第一次縦振動モードと第二次屈曲振動モードとを組み合わせた多重振動モードで振動することにより駆動力を発生する超音波モータであって、
前記単板の圧電振動子が第一次縦振動モードで振動する際の伸縮方向の長さをLとし、前記単板の圧電振動子が第二次屈曲振動モードで振動する際の剪断方向の長さをdとした場合、
前記単板の圧電振動子は、d/Lの値が実質的に0.63となるように形成されていると共に、
前記単板の圧電振動子は、前記剪断方向に複数積層されていることを特徴とする超音波モータ。
A rectangular single plate piezoelectric vibrator is laminated to form a laminated piezoelectric vibrator, and the laminated piezoelectric vibrator is in a multiple vibration mode combining a primary longitudinal vibration mode and a secondary bending vibration mode. An ultrasonic motor that generates a driving force by vibrating,
The length of the expansion / contraction direction when the single-plate piezoelectric vibrator vibrates in the primary longitudinal vibration mode is L, and the shear direction when the single-plate piezoelectric vibrator vibrates in the secondary bending vibration mode is L. If the length is d,
The single-plate piezoelectric vibrator is formed so that the value of d / L is substantially 0.63,
The ultrasonic motor according to claim 1, wherein a plurality of the single-plate piezoelectric vibrators are stacked in the shear direction.
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