JPH0417579A - 超音波モータ用圧電素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、圧電素子と導電性弾性体を一体に形成し、交
流電圧を印加することにより圧電振動子に発生する超音
波進行波を利用する超音波モータの圧電素子に関する。

［従来の技術］ 超音波モータは、例えば第７図に示す圧電振動子１１と
、その上面に第８図に示すロータ１５を対向して載置し
た構造を有している。

圧電振動子１１は、第７図に示すように、例えば銅合金
を用いて成形加工したリング状の上部に、半径方向に沿
って多数のスリット１３を狭い間隔で櫛歯状に形成した
導電性弾性板１２と、導電性弾性板１１の下面にエポキ
シ系接着剤１４等を用いて圧電素子１を貼付けることに
より形成したものである。

圧電素子１は第５図（上面斜視図）、第６図（下面斜視
図）に示すように、扁平なリング状に成形・焼成した圧
電板２と、この圧電板２を挾む上下両面に対向して設け
た電極層からなり、圧電素子１の上面は第５図のように
、所定の間隔を置いて円周方向に配列した複数個の小電
樟３からなる第１の区間電極４と、第１の区間電極４と
同様に複数個の小電極５からなる第２の区間電極６と、
第１の区間電極４と第２の区間電極６との間に設けた、
超音波振動波長λの３／４に相当する間隔を有する不活
性部電極９ａ及び、センサ電極１０ａを挾んで互いに円
周上の対称位置に形成されている。

圧電板２の下面側は、第６図に示すように対称に形成さ
れた細長い第１区間電極７及び第２区間電極８とからな
り、下面の第２区間電極８は上面の第２の区間電極６　
（小電極５からなる）と圧電板２を挾んで対向し、下面
の第１区間電極７は上面の第１の区間電極４と圧電板２
を挾んで対向している。各電極３．５．７．８は圧電板
２に導電性金属材料を蒸着・印刷することによって形成
される。

圧電板２の隣合う小電極３および小電極５の領域では交
互に厚み方向に対して分極が施され、また互いに隣り合
う小電極３の間、及び互いに隣合う小電極５の間に導電
材料１９を塗布することによって、それぞれ小電極３．
５の幅より狭い幅で短絡接続され、これにより第１、第
２の区間電極４．６はそれぞれ１個の電極を構成するよ
うになっている。

このような圧電振動子１１を用いて、超音波モータとし
て作動させるには、第８図に示すように、下面の第１区
間電極７と導電性弾性体１２との間に、圧電振動子１１
の固有振動数に等しい周波数の、交流電圧Ａを印加し、
下面の第２区間電極８と導電性弾性体１２との間に、前
記交流電圧Ａと周波数が等しく、位相が交流電圧Ａと９
０°ずれている交流電圧Ｂを印加する。これによって圧
電素子ｌの圧電板２が、その上面のすべての小電極３．
５毎に交互に矢印Ｐ、Ｑのように水平方向に伸縮する。

すると圧電素子ｌに貼付けた導電性弾性板１２には、９
０°位相のずれた２つの定在波が発生し、これら双方の
定在波が干渉して、第９図に示すような円周方向のｆｌ
ｌｆｌ＋・・・ｌｆｌの位置に波頭を有する９次の進行
波が発生する。よって第８図に示すように、導電性弾性
体１２の上に回転子であるロータ１５を載置すれば、第
９図の進行波に基づいてロータ１５か回転しモータとし
て機能する。

第１０図は超音波モータ５０を駆動する電源回路図で、
図中、超音波モータ５０の圧電素子のＡ相（第５図の電
極３と第６図の電極７とで構成）と、Ｂ相（第５図の電
極５と第６図の電極８とで構成）に対し、トランスを介
して高周波交流電圧を印加している。

超音波モータ用圧電素子１の共振点近傍での等何回路は
第１１図に示すように、機械的共振を表わすＲ、Ｃ，、
Ｌｌの直列回路と束縛容量ｃｄとの並列回路で表わされ
る。なお、束縛容量Ｃ４とは、圧電素子の形状から定ま
る静電容量に、超音波モータの駆動に用いている振動形
態以外の振動による影響骨を加味した容量のことである
。共振の際この束縛容量ｃｄに流れる電流は共振に寄与
しない無効電流となるため超音波モータを駆動する際に
は、この無効電流を打ち消すか、できるたけ小さくする
必要がある。この無効電流を打ち消すため、トランスの
インダクタンスＬと束縛容量ｃｄとの並列共振周波数か
超音波モータの駆動周波数数ω、と一致するようにトラ
ンスのインダクタンスＬを選定する方法が開示されてい
る。

実開昭６０−４７４００号公報に開示されている発明は
、周囲温度の変化による圧電セラミックのもつ静電容量
の変化を補償するコンデンサを配設した超音波振動子に
関するもので、振動により発生する超音波エネルギーは
小さく、ケースの内部に補償用コンデンサを設置してお
けば、圧電振動子の温度とケース温度がほぼ等しくなり
、金属ケースを用いることにより圧電セラミックスと温
度補償用コンデンサの温度がほぼ等しくなるものである
。

［発明が解決しようとする課題］ 方、例えば自動車用などのように、大きな振動エネルギ
ーを利用して回転力を取り出す超音波モータの場合は、
発熱量が大であり１００℃内外に達する雰囲気温度と振
動子の発熱量の和によって決まる温度により圧電素子の
共振周波数が決定されるが、圧電素子とケースとを接着
するのが原理的に不可能であり、金属性のステータに貼
り付けたとじても、圧電素子の発熱のため圧電素子の部
分の温度がどうしても高くなる。従って、温度の上昇と
共に圧電素子１の容量が大きく変化してしまい、超音波
モータとしての効率の低下、圧電素子ｌの発熱、多大の
電流による回路部品の損傷という種々の問題発生の原因
となっていた。

この発明は、このような従来の問題点に着目し圧電素子
自身の温度特性を補償する超音波用圧電素子を提供する
ことを目的としている。

［課題を解決するための手段］ 上記の目的は、超音波モータ用圧電素子の束縛容量の温
度変化を打ち消すように束縛容量の温度係数と反対符号
の温度係数を有する積層タイプのコンデンサを束縛容量
と並列になるように圧電素子の不活性電極部に形成する
ことにより達成される。

［作用］ 上記の構成の積層コンデンサは、超音波振動を阻害され
ることなく、通常のプロセスで形成され、リード線が取
り出しやすく、室温の範囲を超える広い温度領域におい
て、Ａ相、Ｂ相の束縛容量の温度特性が補償され、圧電
素子の静電容量を概ね一定の値を維持し、超音波モータ
に流れる無効電流が著しく減少される。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。第１
図〜第３図は、この発明の一実施例を示す図であるが、
同一符号を有するものは同−機能品であり、本実施例の
圧電振動子３１は、第７図の従来技術と同様に導電性弾
性体１２に圧電素子２１を貼り付けてなる。第１図は導
電性弾性体１２に接着する側の圧電素子２１を示したも
のであり、第１区間電極４、第２区間電極６、センサ電
極１０ａ、進行波の波長λの３／４に相当する円周方同
長を持つ不活性部電極９ａが形成されている。導電性弾
性体１２はアースとしての機能も有する。第２図は導電
性弾性体１２と接着する反対側の圧電素子２１を示した
ものであり、第１図の各電極と対向するように第１区間
電極７、第２区間電極８、センサ電極１０ｂが形成され
ている。

第３図は不活性部電極９ａ近傍の拡大断面図を示したも
のである。また第１区間電極７、第２区間電極８は不活
性部電極９ａの下方まで長く伸びており、それぞれ積層
コンデンサ部材２２．２３とアース電極２０とで積層コ
ンデンサ２４を形成しており、アース電極２ｏは導帯２
０′で不活性部電極９ａ、従って導電性弾性体１２と電
気的に接続している。

積層コンデンサ部材２２．２３は、例えば自動車用とし
て超音波モータを用いる場合−４０℃〜１００℃の広い
使用範囲を考えるとして、例えばＰＺＴ系材料からなる
圧電素子２１の容量の温度係数（一般的には誘電率の温
度係数）とは反対符号の温度係数を有する材料、例えば
ｘＢａＴｉｏ。

（１−ｘ）Ｐｂ（Ｆｅｌ／２Ｎｂｌ／２）Ｏ，、Ｘ≦ｏ
、８のような材料を用いて形成される。積層コンデンサ
部材２２．２３の形成に際しては、圧電素子２１と積層
コンデンサ部材２２．２３を別々に成形・焼成し、導電
性接着剤を用いて接着して第３図のように形成しても良
い。さらに、圧電素子２１をプレス法、グリーンシート
法等により形成し、導電性ペーストにて第１区間電極７
、第２区間電極８、積層コンデンサ部材２１．２２をペ
ースト状にしたものをスクリーン印刷にて積層コンデン
サ部材２２．２３を形成し、その上にアース電極２０を
スクリーン印刷によって形成し、導帯３６′　を塗布し
順次積層しただものを同時焼成することにより形成する
ことが好ましい。さらに積層コンデンサ部材２２．２３
を形成する位置は、第１区間電極７、第２区間電極８上
ならば、特に限定されないが、より好ましくは不活性部
電極９ａの反対面近傍がよい。

次に上記本実施例の作用について説明する。

本発明の圧電素子２１を導電性弾性体１２に接着剤にて
接着した圧電振動子３１と第７図従来技術の圧電振動子
１１の温度変化に対する束縛容量ｃｄの比較特性を第４
図に示す。但し、束縛容量の値は圧電素子の１つの電極
群に対応する値によって示す。

従来技術においては、温度変化に対する束縛容量は同図
曲線すのように増加する。例えば２５°Ｃの束縛容量Ｃ
ａ＝９．７ｎＦを用いてトランスのインダクタンスＬと
の並列共振周波数が、超音波モータの駆動周波数ω＝＝
４０ｋＨｚとなるようにＬを求めると１．６ｍＨとなる
。この状態で雰囲気温度を１０００Ｃにするとこの並列
共振周波数は３４ｋＨ２まで下がってしまい、超音波モ
ータの駆動周波数から大幅にずれ、多大の無効電流が流
れる。

本実施例による圧電素子２１を第７図に示すような導電
性弾性体１２に貼りつけると、共振点近傍の圧電素子２
１の等価回路は第１２図に示すように表わすことができ
る。すなわち、見掛は上の束縛容量Ｃａ’は ｃ、’　＝ｃ。十Ｃｄで表わされる。このとき束縛容量
Ｃ４の温度係数を反対符号の温度係数をもつ積層コンデ
ンサ部材２１．２２を用いると、見掛は上の束縛容量Ｃ
、ｌ　を一定にすることが可能である。

例えば見掛は上の束縛容量Ｃ、Ｉか Ｃ＝ｒ’　＝Ｃ，＋Ｃ＝＋＃２０ｎＦとなるように２５
℃で１０ｎＦ、１００℃で７ｎＦとなるような積層コン
デンサ部材２１．２２を用いて見掛は上の束縛容量の温
度変化を求めると、第４図の曲線ａに示すようにほぼ温
度変化のない特性が得られた。さらに２５℃でトランス
のインダクタンスＬと見掛は上の束縛容量Ｃｄ’　との
並列共振周波数が４０ｋＨｚになるようにトランスのイ
ンダクタンスを求めると０．８ｍＨとなる。このトラン
スを用いて超音波モータを駆動したところ電源電流０．
８Ａ、無負荷回転数１１００ｒｐが得られた。次に超−
音波モータを１００℃の雰囲気下において駆動したとこ
ろ電源電流０．８Ａ、無負荷回転数１１００ｒｐが得ら
れ、従来技術の１００℃における電源電流３Ａ以上と比
べると無効電流が著しく低下したことが確認できた。

圧電素子はペロブスカイト構造を有するｐｂ（Ｔ　１　
＋　Ｚ　ｒ　）　Ｏｍ系材料に添加物を入れた材料によ
り形成されるが、このとき積層コンデンサも、これに近
い材料を使用すれば、焼成条件、熱膨張係数等が圧電素
子とほぼ同様であるから形成が容易であり、誘電率が大
きいペロブスカイト構造を有するものはコンデンサ材料
としてよく用いられる。

従って本実施例のように圧電素子上に積層コンデンサを
形成するには非常に有効でありメリットも多い。

以上説明してきたように、本実施例の構成は、圧電素子
２１の温度による束縛容量の変化を打ち消すように束縛
容量の温度係数と反対符号の温度係数を有する積層タイ
プのコンデンサを束縛容量と並列になるように、圧電素
子２１上に形成した点に特徴を有し、これによって無効
電流を低下させ超音波モータの効率の向上を図ることが
できるものである。

〔発明の効果］ 本発明の実施により、簡易な構造で効率が高く、回路部
品損傷等の不具合がなく信頼性が著しく高い超音波モー
タを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る超音波モータ用圧電素子の上面図
、第２図は同下面図、第３図は本発明の圧電素子の要部
拡大断面図、第４図は本発明と従来技術の圧電素子の束
縛容量と温度との関係特性の比較を示す図、第５図、第
６図は従来の超音波モータ用圧電素子の斜視図、第７図
は圧電振動子の斜視図、第６図、第７図は超音波モータ
の動作原理説明図、第８図は従来の超音波モータの駆動
電源回路を示す図、第９図は圧電振動子の動作状態を示
す斜視図、第１０図は従来の超音波モータの駆動電源回
路図、第１１図は同じく振動子の等価回路図、第１２図
は本発明の振動子の等価回路を示す図である。 １・・圧電素子　　　　　　２・・・圧電板３．５・・
・小電極　　　　４．７・第１区間電極６．８・・・第
２区間電極９ａ、９ｂ・・・不活性部電極１０ａ、１０
ｂ・・・センサ電極 １１．３１・・・圧電振動子１２・・・導電性弾性体１
３スリツト　　　　　１４・・・接着剤１５・・・ロー
タ ２０・・・アース電極　　　２０′・・・導帯２１・・
・圧電子 ２２．２３・・・積層コンデンサ部材 ２４・・・積層コンデンサ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．交流電圧を印加する複数個の電極と、センサ電極と
   、不活性部電極をリング状に配列してなる超音波モータ
   用圧電素子において この圧電素子の束縛容量と逆の温度係数を有する積層コ
   ンデンサを前記束縛容量と並列に前記圧電素子上に形成
   し、前記束縛容量と前記コンデンサの容量の和が超音波
   モータの使用温度範囲において概ね一定となるように構
   成されていることを特徴とする超音波モータ用圧電素子
   。