JP5486255B2 - Ultrasonic motor - Google Patents

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

Description

本発明は、矩形積層型の圧電振動子を多重振動モードで振動させる超音波モータに関する。   The present invention relates to an ultrasonic motor that vibrates a rectangular laminated piezoelectric vibrator in a multiple vibration mode.

従来、積層型圧電素子が用いられた超音波モータやアクチュエータにセンサ用の電極を設け、そこから取り出した信号により積層型圧電素子の動作を制御しようとする技術が知られている(特許文献1、2、3)。   2. Description of the Related Art Conventionally, a technique is known in which an electrode for a sensor is provided on an ultrasonic motor or actuator using a multilayer piezoelectric element, and the operation of the multilayer piezoelectric element is controlled by a signal extracted therefrom (Patent Document 1). 2, 3).

特許文献1記載のアクチュエータは、アクチュエータ部とセンサ部とが絶縁材料層を介して一体に積層されてなり、センサ部には圧電材料層として厚さ方向に分極処理が済んでいる圧電セラミックスが用いられている。そして、アクチュエータ部が厚さ方向に変位すると変位量に応じてセンサ部の電界が変位し、この電界の変位量が電圧信号としてサンプルホールドされて制御部にフィードバックされることで、アクチュエータ部に発生した応力変動を非線形的に検出し、センシング感度を向上させている。   The actuator described in Patent Document 1 includes an actuator portion and a sensor portion that are integrally laminated with an insulating material layer interposed therebetween. Piezoelectric ceramics that have been subjected to polarization treatment in the thickness direction as a piezoelectric material layer are used for the sensor portion. It has been. Then, when the actuator part is displaced in the thickness direction, the electric field of the sensor part is displaced according to the displacement amount, and the displacement amount of this electric field is sampled and held as a voltage signal and fed back to the control unit. Sensing sensitivity is improved by detecting non-linear stress fluctuations.

特許文献2記載の積層圧電素子は、圧電セラミックスの片面側に電極を形成した圧電素子板を厚み方向に複数枚積層した積層圧電素子において、圧電セラミック層の一部をセンサー相として用い、最上層の圧電素子板にセンサー相の信号取り出し用の電極を設けている。そして、1波長幅のセンサー電極を導通穴と非接触に設け、一方最上層の圧電素子板にはスルーホールなどによりセンサー電極と導通する電極が形成されており、このようなセンサー相により振動波駆動装置の駆動制御を高精度に行おうとしている。   The laminated piezoelectric element described in Patent Document 2 is a laminated piezoelectric element in which a plurality of piezoelectric element plates each having an electrode formed on one side of a piezoelectric ceramic are laminated in the thickness direction, and a part of the piezoelectric ceramic layer is used as a sensor phase. An electrode for extracting a sensor phase signal is provided on the piezoelectric element plate. A sensor electrode having one wavelength width is provided in non-contact with the conduction hole, while the uppermost piezoelectric element plate is formed with an electrode that conducts with the sensor electrode by a through hole or the like. The drive control of the drive device is going to be performed with high accuracy.

特許文献3記載の振動波モータは、積層圧電素子において第1層に表面電極層が配置され、第2層に圧電層が配置されている。第3層から第N層までの層においては、異なる圧電層が交互に配置されており、圧電層の表面には、4分割された内部電極が形成されている。圧電層の表面には、4分割された内部電極が形成されており、各圧電層において、センサ相である内部電極およびそれと同位相に配置されている内部電極とのみが圧電層の外部に露出するように形成されており、これにより小型の振動波モータの進行波ムラの低減を図っている。   In the vibration wave motor described in Patent Document 3, the surface electrode layer is disposed in the first layer and the piezoelectric layer is disposed in the second layer in the laminated piezoelectric element. In the layers from the third layer to the Nth layer, different piezoelectric layers are alternately arranged, and an internal electrode divided into four is formed on the surface of the piezoelectric layer. On the surface of the piezoelectric layer, four internal electrodes are formed, and in each piezoelectric layer, only the internal electrode which is the sensor phase and the internal electrode arranged in the same phase are exposed to the outside of the piezoelectric layer. Thus, the traveling wave unevenness of a small vibration wave motor is reduced.

特許3059038号公報Japanese Patent No. 3059038 特許3729781号公報Japanese Patent No. 3729781 特開2007−13039号公報JP 2007-13039 A

上記のように、センサ用の電極を設けた圧電アクチュエータは存在するが、縦振動と屈曲振動による多重モードで駆動される超音波モータにおいては、電極によりセンシングを行う構成が開発されておらず、駆動の効率的な検出および制御が行われていない。   As described above, there is a piezoelectric actuator provided with an electrode for a sensor, but in an ultrasonic motor driven in multiple modes by longitudinal vibration and bending vibration, a configuration for sensing by an electrode has not been developed, There is no efficient detection and control of the drive.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、縦振動と屈曲振動による多重モードで駆動される超音波モータにおいてコンパクトな構成で駆動の効率的な検出および制御を可能にする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 in an ultrasonic motor that is driven in multiple modes by longitudinal vibration and bending vibration, an ultrasonic motor that enables efficient detection and control of the drive with a compact configuration. An object is to provide a sonic motor.

(1)上記の目的を達成するため、本発明の超音波モータは、多重振動モードの振動に用いられる矩形の超音波モータであって、積層された圧電層と、前記積層された圧電層間に交互に内層された駆動電極およびグランド電極と、前記積層された圧電層のうち駆動検出に用いられるものの一方の主面側で、前記駆動電極が内層された面内に内層されたセンシング電極とを備え、第一次縦振動モードにおける伸縮方向の長さをLとし、第二次屈曲振動モードにおける剪断方向の長さをwとした場合、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実質的に一致するw/Lに基づいて形成されていることを特徴としている。   (1) In order to achieve the above object, an ultrasonic motor of the present invention is a rectangular ultrasonic motor used for vibration in a multiple vibration mode, and is formed by stacking piezoelectric layers and the stacked piezoelectric layers. Drive electrodes and ground electrodes that are alternately layered, and a sensing electrode that is layered in a plane where the drive electrode is layered on one main surface side of the stacked piezoelectric layers that are used for drive detection. Provided that the length in the stretching direction in the primary longitudinal vibration mode is L and the length in the shear direction in the secondary bending vibration mode is w, the resonance frequency and the secondary bending in the primary longitudinal vibration mode It is characterized in that it is formed based on w / L that substantially matches the resonance frequency of the vibration mode.

このように、駆動電極とセンシング電極とを同一面内に設けることによって動作に寄与しない不活性層体積比率を少なくすることができる。そして、矩形積層型の圧電振動子をL1F2多重モードで振動させて31横効果振動を利用する超音波モータをコンパクトに構成できる。その結果、センシング層を駆動層と別層にする場合より圧電活性層の比率が大きくなるため効率のよい高性能の超音波モータを提供することが可能になる。   Thus, the inactive layer volume ratio that does not contribute to the operation can be reduced by providing the drive electrode and the sensing electrode in the same plane. An ultrasonic motor that utilizes 31 lateral effect vibration by vibrating a rectangular laminated piezoelectric vibrator in the L1F2 multimode can be configured compactly. As a result, since the ratio of the piezoelectric active layer is larger than when the sensing layer is separate from the drive layer, it is possible to provide an efficient high performance ultrasonic motor.

(2)また、本発明の超音波モータは、前記センシング電極が、対称な位置に2つ設けられていることを特徴としている。これにより、構造に対称性を持たせて動作の偏りを無くしている。   (2) Further, the ultrasonic motor of the present invention is characterized in that two sensing electrodes are provided at symmetrical positions. As a result, the structure is symmetrical to eliminate the bias of operation.

(3)また、本発明の超音波モータは、前記センシング電極が、4分の1電極面積を有し、前記センシング電極が内装された面内にある駆動電極は、4分の3電極面積を有することを特徴としている。これにより、センシング層により駆動層の駆動を妨げられることなく、超音波モータを駆動させながら駆動状態の検出を行うことができる。   (3) Further, in the ultrasonic motor of the present invention, the sensing electrode has a quarter electrode area, and the drive electrode in the plane in which the sensing electrode is installed has a quarter electrode area. It is characterized by having. As a result, the driving state can be detected while driving the ultrasonic motor, without being disturbed by the sensing layer.

(4)また、本発明の超音波モータは、前記内層された駆動電極、グランド電極およびセンシング電極が、外部電極によりそれぞれ入力、接地および検出の端子に接続されていることを特徴としている。このように、スルーホールを用いず外部接続にすることにより動作活性層体積比率を大きくしたことで動作に寄与しない不活性層体積比率を少なくすることができる。   (4) Further, the ultrasonic motor of the present invention is characterized in that the inner layered drive electrode, ground electrode and sensing electrode are connected to input, ground and detection terminals by external electrodes, respectively. As described above, the volume ratio of the inactive layer that does not contribute to the operation can be reduced by increasing the volume ratio of the active layer by using the external connection without using the through hole.

(5)また、本発明の超音波モータは、前記圧電層が、同一層内で2つの分極方向に分極されており、前記内層された駆動電極には、1相の駆動電圧が印加されることを特徴としている。このように、1相駆動した場合にもセンシング電極を用いて動作方向電圧に一定の電圧波形を得ることで動作を感知できる。したがって位相差を感知しなくても一定の電圧波形のみ感知できればよくセンサ回路を簡略化できる。   (5) In the ultrasonic motor of the present invention, the piezoelectric layer is polarized in two polarization directions in the same layer, and a one-phase driving voltage is applied to the inner layer driving electrode. It is characterized by that. As described above, even in the case of one-phase driving, the operation can be sensed by obtaining a constant voltage waveform in the operation direction voltage using the sensing electrode. Therefore, the sensor circuit can be simplified if only a certain voltage waveform can be sensed without sensing the phase difference.

本発明によれば、縦振動と屈曲振動による多重モードで駆動される超音波モータにおいてコンパクトな構成で駆動の効率的な検出および制御を可能にする。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the efficient detection and control of a drive are enabled by the compact structure in the ultrasonic motor driven by multiple modes by a longitudinal vibration and a bending vibration.

本発明に係る超音波モータの正面図である。It is a front view of the ultrasonic motor concerning the present invention. 本発明に係る超音波モータ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 the ultrasonic motor which concerns on this invention. 本発明に係る超音波モータ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 the ultrasonic motor which concerns on this invention. 本発明に係る超音波モータが被駆動体を図中、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 the ultrasonic motor which concerns on this invention drives a to-be-driven body rightward in a figure. 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. 圧電振動子の作製時におけるシート積層の構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a structure of the sheet | seat lamination at the time of preparation of a piezoelectric vibrator. 本発明に係る圧電振動子の斜視図である。1 is a perspective view of a piezoelectric vibrator according to the present invention. 駆動層上の電極パターンを示す平面図である。It is a top view which shows the electrode pattern on a drive layer. グランド電極のパターンを示す平面図である。It is a top view which shows the pattern of a ground electrode. センシング層上の電極パターンを示す平面図である。It is a top view which shows the electrode pattern on a sensing layer. センシング層上の電極パターンを示す平面図である。It is a top view which shows the electrode pattern on a sensing layer. 第1の実施形態に係る超音波モータの駆動層上の電極に対する配線を示す図である。It is a figure which shows the wiring with respect to the electrode on the drive layer of the ultrasonic motor which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る超音波モータのセンシング層上の電極に対する配線を示す図である。It is a figure which shows the wiring with respect to the electrode on the sensing layer of the ultrasonic motor which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態において時間に対する入力電圧を示すグラフである。It is a graph which shows the input voltage with respect to time in 1st Embodiment. 第1の実施形態において時間に対するセンシング電圧を示すグラフである。It is a graph which shows the sensing voltage with respect to time in 1st Embodiment. 第1の実施形態において時間に対するセンシング電圧を示すグラフである。It is a graph which shows the sensing voltage with respect to time in 1st Embodiment. 第2の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 2nd Embodiment. 第2の実施において時間に対する入力電圧を示すグラフである。It is a graph which shows the input voltage with respect to time in 2nd implementation. 第2の実施において形態時間に対するセンシング電圧を示すグラフである。It is a graph which shows the sensing voltage with respect to form time in 2nd Embodiment.

次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。   Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In order to facilitate understanding of the description, the same reference numerals are given to the same components in the respective drawings, and duplicate descriptions are omitted.

[第1の実施形態]
図1は、超音波モータ10の正面図である。図1に示すように、超音波モータ10は圧電振動子1とチップ1aを備えており、矩形積層型の圧電振動子1を多重振動モードで振動させることで駆動可能となっている。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a front view of the ultrasonic motor 10. As shown in FIG. 1, the ultrasonic motor 10 includes a piezoelectric vibrator 1 and a chip 1a, and can be driven by vibrating the rectangular laminated piezoelectric vibrator 1 in a multiple vibration mode.

図2は、超音波モータ10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、超音波モータ10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 ultrasonic motor 10. 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 secondary bending vibration of the ultrasonic motor 10. 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。圧電振動子1は、このような原理で駆動力を発生させる。   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. The piezoelectric vibrator 1 generates a driving force based on such a principle.

図5は、矩形型の圧電振動子1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。なお、図5ではL=20mmで固定し、wのみを変化させている。図5により、w/Lを変数として、w/Lと圧電振動子の第一次縦振動モード(L1)の共振周波数とを関係と、w/Lと第二次屈曲振動モード(F2)の共振周波数との関係を見ることができる。   FIG. 5 is a diagram illustrating a frequency spectrum when the rectangular piezoelectric vibrator 1 is vibrated in a plurality of types of vibration modes. In FIG. 5, L = 20 mm is fixed, and only w is changed. FIG. 5 shows the relationship between w / L and the resonance frequency of the primary longitudinal vibration mode (L1) of the piezoelectric vibrator, w / L and the secondary bending vibration mode (F2), with w / L as a variable. The relationship with the resonance frequency can be seen.

w/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、w/Lが0.27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実質的に一致する。w/Lが0.27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。なお、共振周波数が実質的に一致するとは、両振動モードが合成(縮退)され、楕円振動が発生することをいい、一致するw/Lには、ある程度数値の幅が存在する。   When w / 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 w / L is 0.27, the resonance frequency of the primary longitudinal vibration mode substantially coincides with the resonance frequency of the secondary bending vibration mode. When w / L exceeds 0.27, the resonance frequency of the secondary bending vibration mode becomes higher than the resonance frequency of the primary longitudinal vibration mode. Note that the fact that the resonance frequencies substantially match means that both vibration modes are combined (degenerate) and elliptic vibrations are generated, and there is a certain range of numerical values for the matching w / L.

さらにw/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w/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ときの減算値が、w/Lの増加に対して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実質的に一致する。そのときのw/Lの値を0.55以上0.65以下とする寸法で、圧電振動子1を構成することが好ましい。また、w/Lの値は、特に0.63であることが好ましい。   When w / 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 value of the resonance frequency of the secondary bending vibration mode from the value of the resonance frequency of the primary longitudinal vibration mode for the same value of w / L corresponds to the increase of w / L. Change from a negative number to a positive number. That is, also at this point, the resonance frequency of the primary longitudinal vibration mode substantially matches the resonance frequency of the secondary bending vibration mode. It is preferable to configure the piezoelectric vibrator 1 with a dimension in which the value of w / L at that time is 0.55 or more and 0.65 or less. The value of w / L is particularly preferably 0.63.

w/Lが0.63のとき、圧電振動子1は、辺比w/Lが0.27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、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。   When w / L is 0.63, the piezoelectric vibrator 1 is so-called thicker and has a smaller length in the longitudinal direction than when the side ratio w / L is near 0.27. As a result, downsizing can be achieved. Moreover, since it becomes thick, it becomes difficult to produce the damage by fatigue and excessive input, and it becomes possible to improve durability.

図6は、圧電振動子1の作製時におけるシート積層の構成の一例を示す図である。図中のシート番号は積層するシートの番号を、シート厚は各シートの厚さを、内層印刷の種類は内層印刷のパターンを示している。印刷パターンJ1、GND、S1、S2は、後述の電極パターンに対応している。図6に示す例では、圧電振動子の第3〜6シート、第11〜14シート、第25〜28シート、第33〜36シートが駆動層となるシートであり、第3シート、第11シート、第29シート、第37シートのシート上には駆動電極が印刷されている。駆動層とは、電圧が印加されることで変位を生じさせる圧電層である。   FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a configuration of sheet lamination when the piezoelectric vibrator 1 is manufactured. In the figure, the sheet number indicates the number of sheets to be laminated, the sheet thickness indicates the thickness of each sheet, and the type of inner layer printing indicates the pattern of inner layer printing. The print patterns J1, GND, S1, and S2 correspond to electrode patterns that will be described later. In the example shown in FIG. 6, the third to sixth sheets, the 11th to 14th sheets, the 25th to 28th sheets, and the 33rd to 36th sheets of the piezoelectric vibrator are sheets serving as a driving layer, and the third sheet and the 11th sheet. Driving electrodes are printed on the 29th and 37th sheets. The drive layer is a piezoelectric layer that causes displacement when a voltage is applied.

また、第7シート、第15シート、第25シート、第33シートのシート上にはグランド電極が印刷されている。また、第15〜18シート、第21〜24シートはセンシング層となるシートであり、層上の同一面内にはセンシング電極および駆動電極が印刷されている。このようにシートを積層して形成された成形体を焼成することで圧電振動子1が得られる。センシング層とは、駆動を検出するための圧電層である。なお、上記の積層構造は一例であり、必ずしもこの順番である必要はないが、電極パターンの位置が中心対称となるように積層されていることが好ましい。   A ground electrode is printed on the seventh, fifteenth, twenty-fifth, and thirty-third sheets. Further, the 15th to 18th sheets and the 21st to 24th sheets are sheets that become sensing layers, and sensing electrodes and drive electrodes are printed in the same plane on the layers. The piezoelectric vibrator 1 is obtained by firing the formed body formed by laminating the sheets in this way. The sensing layer is a piezoelectric layer for detecting driving. Note that the above laminated structure is an example, and the order is not necessarily in this order, but the electrode patterns are preferably laminated so that the positions of the electrode patterns are centrosymmetric.

図7は、圧電振動子1の斜視図である。圧電振動子1は、矩形積層型の圧電セラミックスから形成されており、各層の分極方向は、図7に示す座標軸のz軸方向の正負のいずれかに一致している。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軸方向の長さはwである。   FIG. 7 is a perspective view of the piezoelectric vibrator 1. The piezoelectric vibrator 1 is made of rectangular laminated piezoelectric ceramics, and the polarization direction of each layer coincides with either positive or negative in 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 of the piezoelectric vibrator 1 in the y-axis direction is w.

圧電振動子1は、積層された圧電層の表面または層間に交互に設けられたグランド電極および駆動電極を有している。また、圧電振動子1は、駆動電極と同じ面内に設けられ、圧電振動子1の動作を信号として検出するセンシング電極を有している。つまりセンシング電極は、駆動層の一方の主面側で、駆動電極が内層された面内に内層されている。   The piezoelectric vibrator 1 has a ground electrode and a drive electrode that are alternately provided on the surface or between layers of the stacked piezoelectric layers. The piezoelectric vibrator 1 includes a sensing electrode that is provided in the same plane as the drive electrode and detects the operation of the piezoelectric vibrator 1 as a signal. That is, the sensing electrode is layered on the one main surface side of the drive layer in a plane on which the drive electrode is layered.

図8Aは、駆動層上の電極パターンJ1を示す平面図である。駆動電極4a、4bは、それぞれ概ね主面の4分の1の面積に等分されている。そして、それぞれ圧電振動子1の側面に露出する取り出し部分を有している。電極パターンにおいて対角の関係にある駆動電極4a、4bそれぞれには所定の交流電圧が印加され、駆動電極4bには駆動電極4aへの印加電圧とは位相がπ/2異なる電圧を印加する。   FIG. 8A is a plan view showing an electrode pattern J1 on the drive layer. The drive electrodes 4a and 4b are each equally divided into approximately an area of a quarter of the main surface. And it has the extraction part exposed to the side surface of the piezoelectric vibrator 1, respectively. A predetermined alternating voltage is applied to each of the drive electrodes 4a and 4b having a diagonal relationship in the electrode pattern, and a voltage having a phase different by π / 2 from the voltage applied to the drive electrode 4a is applied to the drive electrode 4b.

図8Bは、グランド電極のパターンGNDを示す平面図である。グランド電極4cと駆動電極4a、4b、4d、4fとの間に電界が生じることで、その間の圧電層1bが変位する。また、グランド電極4cとセンシング電極4e、4gとの間の圧電層1bが変位することでセンシング電極4e、4gに電圧が発生し、圧電振動子1の駆動を検出することができる。   FIG. 8B is a plan view showing a ground electrode pattern GND. When an electric field is generated between the ground electrode 4c and the drive electrodes 4a, 4b, 4d, and 4f, the piezoelectric layer 1b therebetween is displaced. Further, when the piezoelectric layer 1b between the ground electrode 4c and the sensing electrodes 4e and 4g is displaced, a voltage is generated in the sensing electrodes 4e and 4g, and the driving of the piezoelectric vibrator 1 can be detected.

図8C、図8Dは、それぞれセンシング層上の電極パターンS1、S2を示す平面図である。センシング層は、積層された圧電層のうち駆動検出に用いられるものである。センシング電極4e、4gは、主面全体を4分割したときの1つの矩形形状に形成され、4分の1電極面積を有している。また、駆動電極4d、4fは、主面全体を4分割したときの3つの矩形形状に形成され、4分の3電極面積を有している。これにより、センシング層により駆動層の駆動を妨げられることなく、超音波モータを駆動させながら駆動状態の検出を行うことができる。   8C and 8D are plan views showing electrode patterns S1 and S2 on the sensing layer, respectively. The sensing layer is used for driving detection among the stacked piezoelectric layers. The sensing electrodes 4e and 4g are formed in one rectangular shape when the entire main surface is divided into four, and have a quarter electrode area. The drive electrodes 4d and 4f are formed in three rectangular shapes when the entire main surface is divided into four and have a three-quarter electrode area. As a result, the driving state can be detected while driving the ultrasonic motor, without being disturbed by the sensing layer.

このように、駆動電極4d、4fは、センシング電極4e、4gと同一平面上に設けている。これにより、動作に寄与しない不活性層体積比率を少なくし、コンパクトに外部取り出し電極を構成できる。そして、矩形積層型の圧電振動子1をL1F2多重モードで振動させて31横効果振動を利用する超音波モータをコンパクトに構成できる。その結果、センシング層を駆動層とは別層にする場合より圧電活性層の比率が大きくなるため、超音波モータ10をセンシング層付きでかつ高性能なものとすることができる。   Thus, the drive electrodes 4d and 4f are provided on the same plane as the sensing electrodes 4e and 4g. Thereby, the volume ratio of the inactive layer that does not contribute to the operation can be reduced, and the external extraction electrode can be configured in a compact manner. An ultrasonic motor that utilizes the 31 lateral effect vibration by vibrating the rectangular laminated piezoelectric vibrator 1 in the L1F2 multimode can be configured in a compact manner. As a result, since the ratio of the piezoelectric active layer is larger than when the sensing layer is separate from the driving layer, the ultrasonic motor 10 can be provided with a sensing layer and have high performance.

駆動電極4a、4b、4d、4fは、外部電極により入力端子に接続されている。また、グランド電極4cは、外部電極により接地端子に接続されている。各センシング電極4e、4gも外部電極により、検出端子を介して後述の検出部6に接続されている。このように、スルーホールを用いず外部接続にすることにより動作活性層体積比率を大きくし、動作に寄与しない不活性層体積比率を少なくすることができる。   The drive electrodes 4a, 4b, 4d, and 4f are connected to input terminals by external electrodes. The ground electrode 4c is connected to the ground terminal by an external electrode. Each sensing electrode 4e, 4g is also connected to the detection part 6 mentioned later via the detection terminal by the external electrode. In this way, by making external connection without using a through hole, the volume ratio of the active layer can be increased, and the volume ratio of the inactive layer that does not contribute to the operation can be decreased.

駆動電極4d、4fには、駆動電極4bと同じ電圧が印加される。2つのセンシング電極4e、4gは、それぞれ圧電振動子1の厚み方向および長手方向に対称な位置に設けられている。このように対称な位置に設けられていることが好ましい。これにより、構造に対称性を持たせて動作の偏りを無くしている。なお、各駆動電極4a、4b、4d、4fについても、中心対称に設けられていることが好ましい。   The same voltage as that of the drive electrode 4b is applied to the drive electrodes 4d and 4f. The two sensing electrodes 4e and 4g are provided at symmetrical positions in the thickness direction and the longitudinal direction of the piezoelectric vibrator 1, respectively. It is preferable that they are provided at symmetrical positions. As a result, the structure is symmetrical to eliminate the bias of operation. The drive electrodes 4a, 4b, 4d, and 4f are preferably provided symmetrically with respect to the center.

図9は、超音波モータ10の駆動層上の電極に対する配線を示す図である。図9では、圧電振動子1の駆動層上の電極面を模式的に切り出して示している。駆動層上には、矩形の圧電層1bの一方の主面を4分割するように、互いに対角に対向する一組の駆動電極4aと一組の駆動電極4bが設けられている。そして駆動層の他方の主面にはグランド電極4cが設けられ、接地されている。駆動電極4a、4bは、互いに絶縁された状態で個別に設けられた後、互いに対角に位置する各電極4a、4bがそれぞれ相互に電気的に接続されている。   FIG. 9 is a diagram showing wiring for electrodes on the drive layer of the ultrasonic motor 10. In FIG. 9, the electrode surface on the drive layer of the piezoelectric vibrator 1 is schematically cut out. On the drive layer, a pair of drive electrodes 4a and a set of drive electrodes 4b that are diagonally opposed to each other are provided so that one main surface of the rectangular piezoelectric layer 1b is divided into four. A ground electrode 4c is provided on the other main surface of the drive layer and is grounded. The drive electrodes 4a and 4b are individually provided in an insulated state, and then the electrodes 4a and 4b positioned diagonally to each other are electrically connected to each other.

超音波モータ10の駆動回路は、2つの交流電圧源5a、5bによって構成される。交流電圧源5aは、駆動電極4aにVsinωtの電圧を印加し、交流電圧源5bは、駆動電極4bにVcosωtの電圧を印加する。このように、圧電振動子1の駆動電極4a、4bに対して位相がπ/2ずれた電圧VsinωtおよびVcosωtが印加されると、圧電振動子1には、図2および図3に示すように、長手方向に伸縮する第一次縦振動モードの振動と、剪断方向に屈曲する第二次屈曲振動モードの振動とが発生する。そして、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等しいときに、両振動モードが合成(縮退)され、圧電振動子1のチップ(図9に図示せず)には楕円振動が発生する。 The drive circuit of the ultrasonic motor 10 is composed of two AC voltage sources 5a and 5b. The AC voltage source 5a applies a voltage of V 0 sin ωt to the drive electrode 4a, and the AC voltage source 5b applies a voltage of V 0 cos ωt to the drive electrode 4b. As described above, when the voltages V 0 sin ωt and V 0 cos ωt having a phase shift of π / 2 with respect to the drive electrodes 4a and 4b of the piezoelectric vibrator 1 are applied, the piezoelectric vibrator 1 is applied with FIGS. As shown in FIG. 2, vibrations in the primary longitudinal vibration mode that expands and contracts in the longitudinal direction and vibrations in the secondary bending vibration mode that flexes in the shear direction are generated. When the resonance frequency of the primary longitudinal vibration mode is equal to the resonance frequency of the secondary bending vibration mode, both vibration modes are combined (degenerate), and the chip of the piezoelectric vibrator 1 (not shown in FIG. 9). No.) generates elliptical vibration.

なお、図9は、2相信号入力の構成を示しているが、対角に対向する一組の駆動電極4aに交流信号Vsinωtを印加し、他方の組の駆動電極4bを開放状態とすることで、一相で動作させることもできる。 Although FIG. 9 shows the configuration of the two-phase signal input, the AC signal V 0 sinωt is applied to a pair of diagonally opposed drive electrodes 4a, and the other set of drive electrodes 4b is opened. By doing so, it can be operated in one phase.

図10は、超音波モータ10のセンシング層上の電極に対する配線を示す図である。図10に示すように、駆動電極4dには、図9に示す駆動電極4aと同じ電圧が印加される。その結果、センシング層も駆動層と同様に変位し、効率の良い駆動が可能になる。一方、駆動によりセンシング電極4eに生じた電圧は、センシング電極4eに接続された検出部6により検出される。また、センシング電極4gに生じた電圧は、同様にしてセンシング電極4gに接続された検出部6により検出される。   FIG. 10 is a diagram illustrating wiring for electrodes on the sensing layer of the ultrasonic motor 10. As shown in FIG. 10, the same voltage as that of the drive electrode 4a shown in FIG. 9 is applied to the drive electrode 4d. As a result, the sensing layer is displaced in the same manner as the driving layer, and efficient driving is possible. On the other hand, the voltage generated in the sensing electrode 4e by driving is detected by the detection unit 6 connected to the sensing electrode 4e. Similarly, the voltage generated at the sensing electrode 4g is detected by the detection unit 6 connected to the sensing electrode 4g.

次に、超音波モータ10を2相で駆動させたときの動作を説明する。図11Aは、時間に対する入力電圧を示すグラフである。図11Aに示す電圧Vaは、交流電圧源5aにより駆動電極4aに印加される電圧であり、Va=Vsinωtと表せる。また、電圧Vbは、交流電圧源5bにより駆動電極4bに印加される電圧であり、Vb=Vcosωtと表せる。 Next, the operation when the ultrasonic motor 10 is driven in two phases will be described. FIG. 11A is a graph showing the input voltage with respect to time. A voltage Va shown in FIG. 11A is a voltage applied to the drive electrode 4a by the AC voltage source 5a and can be expressed as Va = V 0 sin ωt. The voltage Vb is a voltage applied to the drive electrode 4b by the AC voltage source 5b and can be expressed as Vb = V 0 cos ωt.

図11B、図11Cは、それぞれ時間に対するセンシング電圧を示すグラフである。図11Bに示す電圧VS1は、センシング電極4eに発生する検出電圧である。また、図11Bに示す電圧VS2は、センシング電極4gに発生する検出電圧である。図11B、図11Cに示す例では、検出電圧VS1は、駆動電圧Va、Vbを合成した波の位相を有するサイン波である。また、検出電圧VS2は、検出電圧VS1と位相をπ変えたサイン波である。これらは、超音波モータの駆動が正常であることを示している。たとえば、検出電圧VS1と検出電圧VS2の位相が上記の場合の逆であれば、誤動作していることが分かる。その場合には駆動電圧Va、Vbの各位相を逆にし、電圧の大きさを調整することで超音波モータ10の駆動を正常になるよう調整する。 11B and 11C are graphs showing the sensing voltage with respect to time, respectively. A voltage V S1 shown in FIG. 11B is a detection voltage generated at the sensing electrode 4e. Further, the voltage V S2 shown in FIG. 11B is a detection voltage generated at the sensing electrode 4g. In the example shown in FIGS. 11B and 11C, the detection voltage V S1 is a sine wave having a wave phase obtained by combining the drive voltages Va and Vb. The detection voltage V S2 is a sine wave whose phase is changed by π from the detection voltage V S1 . These indicate that the driving of the ultrasonic motor is normal. For example, if the phase of the detection voltage V S1 and the detection voltage V S2 is opposite to that in the above case, it is understood that a malfunction has occurred. In that case, the phases of the drive voltages Va and Vb are reversed and the magnitude of the voltage is adjusted to adjust the drive of the ultrasonic motor 10 to be normal.

[第2の実施形態]
上記の実施形態では、各駆動電極4a、4bに位相の異なる電圧を印加するが、b同位相の電圧を印加してもよい。その場合には、あらかじめ各駆動電極4a、4bとグランド電極との間の圧電層をそれぞれ逆方向に分極処理しておく。このように、圧電層は、同一層内で2つの分極方向に分極されており、駆動電極には1相の駆動電圧が印加される。
[Second Embodiment]
In the above embodiment, voltages having different phases are applied to the drive electrodes 4a and 4b, but voltages having the same phase as b may be applied. In that case, the piezoelectric layer between each drive electrode 4a, 4b and the ground electrode is previously polarized in the opposite direction. Thus, the piezoelectric layer is polarized in two polarization directions in the same layer, and a one-phase driving voltage is applied to the driving electrode.

このように、1相駆動した場合に2つのセンシング電極を用いて動作方向電圧に一定の電圧波形を得ることで超音波モータ10の動作を感知できる。したがって位相差を感知しなくても一定の電圧波形のみ感知できればよく、センサ回路を簡略化できる。   As described above, when the one-phase driving is performed, the operation of the ultrasonic motor 10 can be sensed by obtaining a constant voltage waveform in the operation direction voltage using the two sensing electrodes. Therefore, it is sufficient that only a certain voltage waveform can be sensed without sensing the phase difference, and the sensor circuit can be simplified.

図12は、超音波モータ10の駆動層に対する配線を示す図である。センシング層に対する配線については上記の実施形態と同様である。図13A、図13Bは、時間に対する入力電圧を示すグラフである。図13Bに示す電圧VS1、VS2は、センシング電極4e、4gに発生する検出電圧である。図13Bに示す例では、検出電圧VS1は、駆動電圧Va、Vbを合成した波の位相を有するサイン波である。これは、超音波モータの駆動が正常であることを示している。たとえば、検出電圧VS1と検出電圧VS2の位相が上記の場合の逆であれば、誤動作していることが分かる。その場合には駆動電圧Va、Vbの位相を逆にし、電圧の大きさを調整することで超音波モータ10の駆動を正常になるよう調整する。 FIG. 12 is a diagram showing wiring for the drive layer of the ultrasonic motor 10. The wiring for the sensing layer is the same as in the above embodiment. 13A and 13B are graphs showing the input voltage with respect to time. Voltages V S1 and V S2 shown in FIG. 13B are detection voltages generated at the sensing electrodes 4e and 4g. In the example illustrated in FIG. 13B, the detection voltage V S1 is a sine wave having a wave phase obtained by combining the drive voltages Va and Vb. This indicates that the driving of the ultrasonic motor is normal. For example, if the phase of the detection voltage V S1 and the detection voltage V S2 is opposite to that in the above case, it is understood that a malfunction has occurred. In that case, the drive voltages Va and Vb are reversed in phase, and the magnitude of the voltage is adjusted to adjust the drive of the ultrasonic motor 10 to normal.

1 圧電振動子
1a チップ
1b 圧電層
2 被駆動体
4a、4b、4d、4f 駆動電極
4c グランド電極
4e、4g センシング電極
5a、5b 交流電圧源
6 検出部
10 超音波モータ
Va、Vb 駆動電圧
S1、VS2 検出電圧
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Piezoelectric vibrator 1a Chip 1b Piezoelectric layer 2 Driven body 4a, 4b, 4d, 4f Drive electrode 4c Ground electrode 4e, 4g Sensing electrode 5a, 5b AC voltage source 6 Detection part 10 Ultrasonic motor Va, Vb Drive voltage V S1 , V S2 detection voltage

Claims (5)

多重振動モードの振動に用いられる矩形の超音波モータであって、
積層された圧電層と、
前記積層された圧電層間に交互に内層された駆動電極およびグランド電極と、
前記積層された圧電層のうち駆動検出に用いられるものの一方の主面側で、前記駆動電極が内層された面内に内層されたセンシング電極とを備え、
第一次縦振動モードにおける伸縮方向の長さをLとし、第二次屈曲振動モードにおける剪断方向の長さをwとした場合、w/Lの値が0.55以上0.65以下となるように形成されていることを特徴とする超音波モータ。
A rectangular ultrasonic motor used for vibration in multiple vibration mode,
Laminated piezoelectric layers;
Drive electrodes and ground electrodes alternately layered between the laminated piezoelectric layers;
On one main surface side of the laminated piezoelectric layer used for drive detection, the sensing electrode is provided in an inner layer in the surface on which the drive electrode is provided,
When the length in the expansion / contraction direction in the primary longitudinal vibration mode is L and the length in the shear direction in the secondary bending vibration mode is w, the value of w / L is 0.55 or more and 0.65 or less. An ultrasonic motor characterized by being formed as described above .
前記センシング電極は、対称な位置に2つ設けられていることを特徴とする請求項1記載の超音波モータ。   The ultrasonic motor according to claim 1, wherein two sensing electrodes are provided at symmetrical positions. 前記センシング電極は、4分の1電極面積を有し、
前記センシング電極が内装された面内にある駆動電極は、4分の3電極面積を有することを特徴とする請求項1または請求項2記載の超音波モータ。
The sensing electrode has a quarter electrode area;
3. The ultrasonic motor according to claim 1, wherein the drive electrode in a plane in which the sensing electrode is provided has a three-fourth electrode area. 4.
前記内層された駆動電極、グランド電極およびセンシング電極は、外部電極によりそれぞれ入力、接地および検出の端子に接続されていることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の超音波モータ。   The ultrasonic wave according to any one of claims 1 to 3, wherein the driving electrode, the ground electrode, and the sensing electrode that are inner layers are connected to input, ground, and detection terminals by external electrodes, respectively. motor. 前記圧電層は、同一層内で2つの分極方向に分極されており、
前記内層された駆動電極には、1相の駆動電圧が印加されることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれかに記載の超音波モータ。
The piezoelectric layer is polarized in two polarization directions within the same layer,
5. The ultrasonic motor according to claim 1, wherein a one-phase driving voltage is applied to the inner layered driving electrode. 6.
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