JP5491719B2

JP5491719B2 - Ultrasonic motor

Info

Publication number: JP5491719B2
Application number: JP2008275207A
Authority: JP
Inventors: 了一福永
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2008-10-27
Filing date: 2008-10-27
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2028-10-27
Also published as: JP2010104193A

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一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 generates a driving force by vibrating in a multiple vibration mode in which a primary longitudinal vibration mode and a first bending vibration mode are combined. The present invention relates to an ultrasonic motor.

従来から、圧電素子を矩形に形成し、第一次縦振動モード（Ｌ１）と第二次屈曲振動モード（Ｆ２）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が知られている。例えば、特開２００６−０９４５９７号公報には、複数の圧電体を積層し、Ｌ１Ｆ２共振モードで駆動する超音波振動子が開示されている。この超音波振動子は、圧電素子と内部電極とが交互に積層されており、この積層方向と直交する第２の方向および第３の方向に沿って、概ね４分割された内部電極群を備えている。また、それらの内部電極群とそれぞれ道通する第１の外部電極群および第２の外部電極群とを有している。そして、第１および第２の外部電極群に電圧を印加することにより、第２の方向に発生する縦振動モードと、第３の方向に発生する屈曲振動モードとが同時に励起することによって、楕円振動を発生させる。 Conventionally, an ultrasonic motor that generates a driving force by forming a piezoelectric element in a rectangular shape and oscillating in a multiple vibration mode in which a primary longitudinal vibration mode (L1) and a secondary bending vibration mode (F2) are combined. It has been known. For example, Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2006-094597 discloses an ultrasonic transducer in which a plurality of piezoelectric bodies are stacked and driven in the L1F2 resonance mode. The ultrasonic transducer includes piezoelectric elements and internal electrodes that are alternately stacked, and includes an internal electrode group that is substantially divided into four along a second direction and a third direction orthogonal to the stacking direction. ing. In addition, the first external electrode group and the second external electrode group that respectively pass through these internal electrode groups. Then, by applying a voltage to the first and second external electrode groups, the longitudinal vibration mode generated in the second direction and the bending vibration mode generated in the third direction are excited simultaneously, thereby causing an elliptical Generate vibration.

また、特表２００７−５３８４８４号公報には、振動子を長さＬおよび高さＨの圧電プレートで形成して、ラーメモードで駆動する圧電超音波モータが開示されている。この圧電超音波モータでは、圧電プレートで一次非対称定在波が励起され、摺動チップが楕円運動をすることによって駆動力を発生させる。
特開２００６−０９４５９７号公報特表２００７−５３８４８４号公報 JP-T-2007-538484 discloses a piezoelectric ultrasonic motor in which a vibrator is formed of a piezoelectric plate having a length L and a height H and is driven in a lame mode. In this piezoelectric ultrasonic motor, a primary asymmetric standing wave is excited by the piezoelectric plate, and the sliding tip makes an elliptical motion to generate a driving force.
JP 2006-094597 A Special table 2007-538484 gazette

従来から、超音波モータは種々の目的に用いられているが、工業的に超音波モータに求められる主な特性は、小型であること、効率が高いこと、構造が簡単であることである。ここで、超音波モータが小型であることとは、圧電振動子の共振周波数がなるべく低いことを意味する。また、効率が高いとは、圧電振動子の機械−電気結合係数が大きいことを意味する。 Conventionally, ultrasonic motors have been used for various purposes, but the main characteristics required for ultrasonic motors industrially are small size, high efficiency, and simple structure. Here, the fact that the ultrasonic motor is small means that the resonance frequency of the piezoelectric vibrator is as low as possible. Moreover, high efficiency means that the mechanical-electrical coupling coefficient of the piezoelectric vibrator is large.

しかしながら、第一次縦振動モード（Ｌ１）と第二次屈曲振動モード（Ｆ２）とを組み合わせた多重振動モードで超音波モータを駆動させようとする場合、主面を４つの領域に分けて、それぞれに電力を配置し、対角に位置する電極同士を接続しなければならず、電極構造が複雑にならざるを得ない。また、ラーメモードで超音波モータを駆動させようとする場合、他のモードと比較して共振周波数が高いため、他のモードと同じ共振周波数で駆動させようとした場合は、他のモードを用いる場合よりも超音波モータが大きくなってしまい、小型化を図ることが困難となる。 However, when the ultrasonic motor is driven in a multiple vibration mode that combines the primary longitudinal vibration mode (L1) and the secondary bending vibration mode (F2), the main surface is divided into four regions, Electric power must be arranged for each of the electrodes, and the electrodes positioned diagonally must be connected to each other, and the electrode structure must be complicated. Also, when trying to drive the ultrasonic motor in the lame mode, the resonance frequency is higher than in other modes, so when trying to drive at the same resonance frequency as other modes, use other modes. The ultrasonic motor becomes larger than the case, making it difficult to reduce the size.

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、これを積層することにより、小型化を図ると共に、効率が高く、さらに構造が簡単であ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 a single-plate piezoelectric vibrator is configured with a side ratio different from the conventional one, and by laminating this, it is possible to reduce the size and improve the efficiency. An object of the present invention is to provide an ultrasonic motor that is high and has a simple structure.

（１）上記の目的を達成するために、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一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一次屈曲振動モードで振動する際の剪断方向の長さをｗとし、ｗ／Ｌを変数として、ｗ／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、ｗ／Ｌと第一次屈曲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、第一次縦振動モードの共振周波数と第一次屈曲振動モードの共振周波数とが実質的に同一となるｗ／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、厚さ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 takes the following measures. That is, the ultrasonic motor according to 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 primary longitudinal vibration mode and a first bending vibration. An ultrasonic motor that generates a driving force by oscillating in a multiple vibration mode combined with a mode, wherein the length of the expansion and contraction direction when the single-plate piezoelectric vibrator vibrates in a primary longitudinal vibration mode is set. Where L is the length in the shear direction when the single-plate piezoelectric vibrator vibrates in the first bending vibration mode, w / L is a variable, and w / L is a variable of the single-plate piezoelectric vibrator. When the resonance frequency of the primary longitudinal vibration mode is made to correspond and the resonance frequency of w / L is made to correspond to the resonance frequency of the primary bending vibration mode, the single-plate piezoelectric vibrator has the primary longitudinal vibration mode. The resonance frequency of the first bending vibration mode is substantially the same as the resonance frequency of the first bending vibration mode. Made w / L values with are formed on the basis of the piezoelectric vibrator of the single plate is characterized in that it is stacked in the thickness direction.

このように、単板の圧電振動子が、第一次縦振動モードの共振周波数と第一次屈曲振動モードの共振周波数とが実質的に同一となるｗ／Ｌの値に基づいて形成されているので、他のモード、例えば、Ｌ１Ｆ２モードで駆動させる場合よりも単板の圧電振動子の主面の形状を正方形に近いものとすることができる。その結果、全体の寸法が扁平とならないため、奥行き寸法を小さくすることができる。これにより、パワー入力が従来のものよりも大きく取ることが可能となる。また、このように形成された単板の圧電振動子を、厚さ方向に複数積層することによって、積層型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、第一次縦振動モードの共振周波数と第一次屈曲振動モードの共振周波数とが実質的に同一となるｗ／Ｌの値とは、単板の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。第一次縦振動モードの共振周波数と第一次屈曲振動モードの共振周波数とが多少ずれていても、単板の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、ｗ／Ｌの値は実質的に同一であると言える。逆に言えば、ｗ／Ｌの値は、単板の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、第一次縦振動モードの共振周波数と第一次屈曲振動モードの共振周波数とがちょうど同じ値でなければならないわけではない。 Thus, the single-plate piezoelectric vibrator is formed based on the value of w / L at which the resonance frequency of the primary longitudinal vibration mode and the resonance frequency of the primary bending vibration mode are substantially the same. Therefore, the shape of the main surface of the single-plate piezoelectric vibrator can be made closer to a square than when driven in another mode, for example, the L1F2 mode. As a result, the overall dimension does not become flat, and the depth dimension can be reduced. As a result, the power input can be made larger than the conventional one. In addition, by laminating a plurality of single-plate piezoelectric vibrators formed in this way in the thickness direction, a large electric field strength can be applied to the multilayer piezoelectric vibrator with the same input voltage as the single plate. The necessary power supply 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. Note that the value of w / L at which the resonance frequency of the primary longitudinal vibration mode and the resonance frequency of the primary bending vibration mode are substantially the same is that a single-plate piezoelectric vibrator is practical as an ultrasonic motor. It means the range that functions. Even if the resonance frequency of the primary longitudinal vibration mode and the resonance frequency of the primary bending vibration mode are slightly deviated, if the single-plate piezoelectric vibrator functions practically as an ultrasonic motor, w / L It can be said that the values of are substantially the same. Conversely, if the single-plate piezoelectric vibrator functions practically as an ultrasonic motor, the value of w / L is the resonance frequency of the primary longitudinal vibration mode and the resonance of the primary bending vibration mode. The frequency does not have to be exactly the same value.

（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一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一次屈曲振動モードで振動する際の剪断方向の長さをｗとした場合、前記単板の圧電振動子は、前記ｗ／Ｌの値が１．００から１．１５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、厚さ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 multi-vibration mode combined with a single bending vibration mode, wherein the single-plate piezoelectric vibrator vibrates in a primary longitudinal vibration mode. When the length is L and the length in the shear direction when the single-plate piezoelectric vibrator vibrates in the first bending vibration mode is w, the single-plate piezoelectric vibrator has the w / L A single value of the piezoelectric vibrator is laminated in the thickness direction while being formed so that the value falls within a range of 1.00 to 1.15.

このように、単板の圧電振動子は、ｗ／Ｌの値が１．００から１．１５の範囲に収まるように形成されているので、他のモード、例えば、Ｌ１Ｆ２モードで駆動させる場合よりも単板の圧電振動子の主面の形状を正方形に近いものとすることができる。その結果、全体の寸法が扁平とならないため、奥行き寸法を小さくすることができる。これにより、パワー入力が従来のものよりも大きく取ることが可能となる。また、このように形成された単板の圧電振動子を、厚さ方向に複数積層することによって、積層型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, the single-plate piezoelectric vibrator is formed so that the value of w / L falls within the range of 1.00 to 1.15. Therefore, the piezoelectric vibrator is driven in another mode, for example, the L1F2 mode. Also, the shape of the main surface of the single-plate piezoelectric vibrator can be made close to a square. As a result, the overall dimension does not become flat, and the depth dimension can be reduced. As a result, the power input can be made larger than the conventional one. In addition, by laminating a plurality of single-plate piezoelectric vibrators formed in this way in the thickness direction, a large electric field strength can be applied to the multilayer piezoelectric vibrator with the same input voltage as the single plate. The necessary power supply 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一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一次屈曲振動モードで振動する際の剪断方向の長さをｗとした場合、前記単板の圧電振動子は、前記ｗ／Ｌの値が実質的に１．０５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、厚さ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 multi-vibration mode combined with a single bending vibration mode, wherein the single-plate piezoelectric vibrator vibrates in a primary longitudinal vibration mode. When the length is L and the length in the shear direction when the single-plate piezoelectric vibrator vibrates in the first bending vibration mode is w, the single-plate piezoelectric vibrator has the w / L The value is substantially 1.05, and a plurality of the single-plate piezoelectric vibrators are laminated in the thickness direction.

このように、単板の圧電振動子が、ｗ／Ｌの値が実質的に１．０５となるように形成されているので、他のモード、例えば、Ｌ１Ｆ２モードで駆動させる場合よりも単板の圧電振動子の主面の形状を正方形に近いものとすることができる。その結果、全体の寸法が扁平とならないため、奥行き寸法を小さくすることができる。これにより、パワー入力が従来のものよりも大きく取ることが可能となる。また、このように形成された単板の圧電振動子を、厚さ方向に複数積層することによって、積層型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、ｗ／Ｌの値が実質的に１．０５であるとは、単板の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。ｗ／Ｌの値が１．０５の前後にずれていても、単板の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、ｗ／Ｌの値は実質的に１．０５であると言える。逆に言えば、ｗ／Ｌの値は、単板の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１．０５でなければならないわけではない。 Thus, since the single-plate piezoelectric vibrator is formed so that the value of w / L is substantially 1.05, the single-plate piezoelectric vibrator is more than the case of driving in other modes, for example, the L1F2 mode. The shape of the main surface of the piezoelectric vibrator can be made close to a square. As a result, the overall dimension does not become flat, and the depth dimension can be reduced. As a result, the power input can be made larger than the conventional one. In addition, by laminating a plurality of single-plate piezoelectric vibrators formed in this way in the thickness direction, a large electric field strength can be applied to the multilayer piezoelectric vibrator with the same input voltage as the single plate. The necessary power supply 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. Note that the value of w / L is substantially 1.05 means a range in which a single-plate piezoelectric vibrator practically functions as an ultrasonic motor. Even if the value of w / L is deviated around 1.05, if the single-plate piezoelectric vibrator functions practically as an ultrasonic motor, the value of w / L is substantially 1.05. It can be said that there is. Conversely, the value of w / L does not have to be exactly 1.05 if a single-plate piezoelectric vibrator functions practically as an ultrasonic motor.

本発明によれば、単板の圧電振動子が、第一次縦振動モードの共振周波数と第一次屈曲振動モードの共振周波数とが実質的に同一となるｗ／Ｌの値に基づいて形成されているので、他のモード、例えば、Ｌ１Ｆ２モードで駆動させる場合よりも単板の圧電振動子の主面の形状を正方形に近いものとすることができる。その結果、全体の寸法が扁平とならないため、奥行き寸法を小さくすることができる。これにより、パワー入力が従来のものよりも大きく取ることが可能となる。また、このように形成された単板の圧電振動子を、厚さ方向に複数積層することによって、積層型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 is formed based on the value of w / L at which the resonance frequency of the primary longitudinal vibration mode and the resonance frequency of the primary bending vibration mode are substantially the same. Therefore, the shape of the main surface of the single-plate piezoelectric vibrator can be made closer to a square than when driven in another mode, for example, the L1F2 mode. As a result, the overall dimension does not become flat, and the depth dimension can be reduced. As a result, the power input can be made larger than the conventional one. In addition, by laminating a plurality of single-plate piezoelectric vibrators formed in this way in the thickness direction, a large electric field strength can be applied to the multilayer piezoelectric vibrator with the same input voltage as the single plate. The necessary power supply 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.

本発明者は、従来、圧電振動子を円柱形状となるように形成し、圧電振動子をＬ１Ｆ１共振モードで駆動させることによって、円柱の頂部で回転運動を起こさせて、駆動対象物を回転させる超音波モータは知られていたが、矩形型の圧電振動子をＬ１Ｆ１共振モードで駆動するものは実現されていなかった点、および、圧電振動子のいずれか一方の主面上に２枚の電極を並設した超音波モータは知られているが、矩形型の圧電振動子において、第一次縦振動モードの共振周波数と第一次屈曲振動モードの共振周波数とが同一となる場合を利用した超音波モータは実現されていなかった点に着目し、単板の圧電振動子を、その時の寸法に基づいて形成することによって、超音波モータの小型化、高効率化および構成の簡略化を実現することができることを見出し、さらに、このように形成された単板の圧電振動子を、厚さ方向に複数積層することによって、積層型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できることを見出し、本発明をするに至った。 The present inventor has conventionally formed a piezoelectric vibrator in a cylindrical shape and driven the piezoelectric vibrator in the L1F1 resonance mode to cause a rotational motion at the top of the cylinder to rotate the driven object. Although an ultrasonic motor has been known, what drives a rectangular piezoelectric vibrator in the L1F1 resonance mode has not been realized, and two electrodes are provided on one main surface of the piezoelectric vibrator. Ultrasonic motors with parallel arrangement are known, but in the case of a rectangular piezoelectric vibrator, the case where the resonance frequency of the primary longitudinal vibration mode and the resonance frequency of the primary bending vibration mode are the same is used. Focusing on the fact that ultrasonic motors have not been realized, the size and efficiency of ultrasonic motors and the simplification of configuration have been realized by forming single-plate piezoelectric vibrators based on their dimensions. To be able to Furthermore, by stacking a plurality of single-plate piezoelectric vibrators formed in this way in the thickness direction, a large electric field strength can be applied to the multilayer piezoelectric vibrator with the same input voltage as the single plate. And led to the present invention.

すなわち、本発明は、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一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一次屈曲振動モードで振動する際の剪断方向の長さをｗとし、ｗ／Ｌを変数として、ｗ／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、ｗ／Ｌと第一次屈曲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、第一次縦振動モードの共振周波数と第一次屈曲振動モードの共振周波数とが実質的に同一となるｗ／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、厚さ方向に複数積層されていることを特徴としている。 That is, the present invention forms a laminated piezoelectric vibrator by laminating rectangular and single-plate piezoelectric vibrators, and the laminated piezoelectric vibrator combines a primary longitudinal vibration mode and a first bending vibration mode. An ultrasonic motor that generates a driving force by vibrating in the multiple vibration mode, wherein the length of the expansion and contraction direction when the single-plate piezoelectric vibrator vibrates in the primary longitudinal vibration mode is L, and The length in the shear direction when the single-plate piezoelectric vibrator vibrates in the first bending vibration mode is w, and w / L is a variable, and w / L is the primary longitudinal direction of the single-plate piezoelectric vibrator. When the resonance frequency of the vibration mode is made to correspond and the resonance frequency of the first bending vibration mode is made to correspond to w / L, the single-plate piezoelectric vibrator has the resonance frequency of the primary longitudinal vibration mode. The w / L of the resonance frequency of the primary bending vibration mode is substantially the same. Together are formed on the basis of the piezoelectric vibrator of the single plate is characterized in that it is stacked in the thickness direction.

これにより、本発明者は、小型化、高効率化および構成の簡略化を図ることを可能とした。以下、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。 As a result, the inventor has made it possible to reduce the size, increase the efficiency, and simplify the configuration. Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings.

図１から図３は、本実施形態に係る単板の圧電振動子の平面図である。この単板の圧電振動子１は、圧電セラミックスから形成されており、紙面に対して垂直方向に分極している。また、単板の圧電振動子１の紙面に対して上側の中央部に、駆動力を伝達する摺動チップ２が設けられている。図２に示すように、単板の圧電振動子１が第一次縦振動モードで振動する際の伸縮方向は、図２中、矢印Ａの方向と平行である。また、図３に示すように、単板の圧電振動子１が第一次屈曲振動モードで振動する際の方向（剪断方向）は、図２に示す矢印Ａと平行であるが、図３に示すように、単板の圧電振動子１の両端で方向が互いに逆となる。図２に示す第一次縦振動モードと図３に示す第一次屈曲振動モードとが合成（縮退）することによって、摺動チップ２は楕円運動をし、駆動力が生ずる。 1 to 3 are plan views of a single-plate piezoelectric vibrator according to this embodiment. This single-plate piezoelectric vibrator 1 is made of piezoelectric ceramics and is polarized in a direction perpendicular to the paper surface. Further, a sliding chip 2 for transmitting a driving force is provided in the central portion on the upper side with respect to the paper surface of the single-plate piezoelectric vibrator 1. As shown in FIG. 2, the expansion / contraction direction when the single-plate piezoelectric vibrator 1 vibrates in the primary longitudinal vibration mode is parallel to the direction of the arrow A in FIG. Further, as shown in FIG. 3, the direction (shear direction) when the single-plate piezoelectric vibrator 1 vibrates in the first bending vibration mode is parallel to the arrow A shown in FIG. As shown, the directions are opposite to each other at both ends of the single-plate piezoelectric vibrator 1. When the primary longitudinal vibration mode shown in FIG. 2 and the primary bending vibration mode shown in FIG. 3 are combined (degenerate), the sliding tip 2 performs an elliptical motion, and a driving force is generated.

次に、本実施形態に係る超音波モータの駆動原理について説明する。図４は、矩形で単板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。矩形で単板の圧電振動子が、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、これと直交する方向の単板の圧電振動子の幅をｗとする。そして、図４に示すように、ｗ／Ｌを変数として、ｗ／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、ｗ／Ｌと第一次屈曲振動モードの共振周波数とを対応させる。なお、図４ではＬ＝２０ｍｍで固定し、ｗ（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。）ｗ／Ｌが、１．０５付近（１．００から１．１５）で両者の共振周波数が一致し、二つの振動が縮退する。このときの共振周波数は、６７ｋＨｚ〜６８ｋＨｚとなっている。 Next, the driving principle of the ultrasonic motor according to this embodiment will be described. FIG. 4 is a diagram illustrating a frequency spectrum when a rectangular single-plate 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. When the rectangular and single-plate piezoelectric vibrator vibrates in the primary longitudinal vibration mode (L1), the length in the expansion / contraction direction is L, and the width of the single-plate piezoelectric vibrator in the direction orthogonal thereto is Let it be w. Then, as shown in FIG. 4, w / L is made a variable, and w / 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 w / L and the primary bending are matched. Corresponds to the resonance frequency of the vibration mode. In FIG. 4, L is fixed at 20 mm, and only w (Width) is changed. In this case, when the ratio of the two sides in the vertical and horizontal directions (hereinafter referred to as “side ratio”) w / L is around 1.05 (1.00 to 1.15), the resonance frequencies of the two coincide with each other. Vibration degenerates. The resonance frequency at this time is 67 kHz to 68 kHz.

このように、辺比が１．００から１．１５であり、共振周波数が６７ｋＨｚ〜６８ｋＨｚであるときに縮退が生じるため、より高い周波数（１００ｋＨｚ程度）で駆動する場合と比較して、効率を高めることが可能となる。また、一辺が２０ｍｍ程度の正方形となるため、小型化を図ることが可能となる。 Thus, since the degeneration occurs when the side ratio is 1.00 to 1.15 and the resonance frequency is 67 kHz to 68 kHz, the efficiency is improved as compared with the case of driving at a higher frequency (about 100 kHz). It becomes possible to raise. Moreover, since one side becomes a square of about 20 mm, it is possible to reduce the size.

図５は、上記のように形成された単板の圧電振動子１を、厚さ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 formed by laminating a plurality of single-plate piezoelectric vibrators 1 formed as described above in the thickness 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、６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５０Ｖｐｐであったものが、積層型圧電振動子５０では、８Ｖｐｐ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 into six layers to form the multi-layer piezoelectric vibrator 50, the single-plate piezoelectric vibrator 1 having an input voltage of 50 Vpp is the multi-layer piezoelectric vibrator. In the vibrator 50, the voltage could be lowered to 8 Vpp. 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８０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５０ａ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 80, the laminated piezoelectric vibrator 50a slides the drive object 15 in the direction of arrow A or B in FIG. The laminated piezoelectric vibrator 50a 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＝Ｖ_０ｓｉｎ（２πｆｔ）である場合には、増幅器３５ｂにはこのＶ＝Ｖ_０ｓｉｎ（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＝Ｖ_０ｃｏｓ（２πｆｔ）またはＶ＝−Ｖ_０ｃｏｓ（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＝Ｖ_０ｃｏｓ（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＝Ｖ_０ｓｉｎ（２πｆｔ）またはＶ＝−Ｖ_０ｓｉｎ（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１が、第一次縦振動モードの共振周波数と第一次屈曲振動モードの共振周波数とが実質的に同一となるｗ／Ｌの値に基づいて形成されているので、他のモード、例えば、Ｌ１Ｆ２モードで駆動させる場合よりも単板の圧電振動子の主面の形状を正方形に近いものとすることができる。その結果、全体の寸法が扁平とならないため、奥行き寸法を小さくすることができる。これにより、パワー入力が従来のものよりも大きく取ることが可能となる。また、このように形成された単板の圧電振動子１を、厚さ方向に複数積層することによって、積層型圧電振動子５０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 1 has the resonance frequency of the primary longitudinal vibration mode substantially the same as the resonance frequency of the primary bending vibration mode. Since it is formed based on the value of / L, the shape of the main surface of the single-plate piezoelectric vibrator can be made closer to a square than when driven in another mode, for example, the L1F2 mode. As a result, the overall dimension does not become flat, and the depth dimension can be reduced. As a result, the power input can be made larger than the conventional one. In addition, by stacking a plurality of single-plate piezoelectric vibrators 1 formed in this way in the thickness direction, a large electric field strength can be applied to the multilayer piezoelectric vibrator 50 with the same input voltage as the single plate. Therefore, the necessary power supply 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.

本実施形態に係る単板の圧電振動子の平面図である。It is a top view of the single plate piezoelectric vibrator concerning this embodiment. 本実施形態に係る単板の圧電振動子の平面図である。It is a top view of the single plate piezoelectric vibrator concerning this embodiment. 本実施形態に係る単板の圧電振動子の平面図である。It is a top view of the single plate piezoelectric vibrator concerning this embodiment. 矩形で単板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 single-plate piezoelectric vibrator is vibrated in a plurality of types of vibration modes. 単板の圧電振動子を、厚さ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。FIG. 3 is a diagram conceptually illustrating a stacked piezoelectric vibrator configured by stacking a plurality of single-plate piezoelectric vibrators in a thickness direction. 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.

Explanation of symbols

１圧電振動子
２摺動チップ
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
３５ａ増幅器
３５ｂ増幅器
３６第１フィードバック制御装置
３７位相制御装置
３８第２フィードバック制御装置
３９信号反転器
５０積層型圧電振動子
５０ａ超音波モータ（積層型圧電振動子）
５１圧電層
５２内層電極
５３入力電極
５４外部取り出し電極
５５グランド電極
６０圧電振動子
６１交差指電極
６２グランド電極
７０駆動装置
８０超音波モータ装置 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Piezoelectric vibrator 2 Sliding chip | tip 2a Sliding chip | tip 15 Drive target 31 Position sensor 32 Resonance drive device 33 DC drive device 35a Amplifier 35b Amplifier 36 First feedback control device 37 Phase control device 38 Second feedback control device 39 Signal inversion 50 Multilayer Piezoelectric Vibrator 50a Ultrasonic Motor (Multilayer Piezoelectric Vibrator)
51 Piezoelectric Layer 52 Inner Layer Electrode 53 Input Electrode 54 External Extraction Electrode 55 Ground Electrode 61 Piezoelectric Vibrator 61 Cross Finger Electrode 62 Ground Electrode 70 Drive Device 80 Ultrasonic Motor Device

Claims

A laminated piezoelectric vibrator is formed by laminating rectangular single-plate piezoelectric vibrators, and the laminated piezoelectric vibrators vibrate in a multiple vibration mode combining a primary longitudinal vibration mode and a first bending vibration mode. An ultrasonic motor that generates a driving force by
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 primary bending vibration mode is L. If the length is w,
The single-plate piezoelectric vibrator is formed such that the value of w / L is substantially 1.05,
The ultrasonic motor according to claim 1, wherein a plurality of the single-plate piezoelectric vibrators are stacked in the thickness direction.