JPH07111788A

JPH07111788A - 超音波振動子の駆動装置

Info

Publication number: JPH07111788A
Application number: JP5254527A
Authority: JP
Inventors: Tomoki Funakubo; 朋樹舟窪; Takenao Fujimura; 毅直藤村
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1993-10-12
Filing date: 1993-10-12
Publication date: 1995-04-25

Abstract

(57)【要約】【目的】積層型圧電素子が脱分極した場合もすぐに分
極できるような超音波振動子の駆動装置を提供する。【構成】弾性体と、該弾性体に設けられた圧電素子と
からなり、該圧電素子に駆動電圧を印加することにより
超音波振動を発生させる超音波振動子の、駆動装置にお
いて、上記圧電素子に駆動電圧を印加する電圧印加手段
（１，２，３，４，５，６）と、上記圧電素子の分極を
行う直流電源手段（９）とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、超音波振動子の駆動
装置、詳しくはリニア型の超音波モータに好適な超音波
振動子の駆動装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、超音波モータが注目されている。
この超音波モータは従来の電磁型モータに比較して次の
利点を有している。

【０００３】（１）ギヤーなしで低速、高推力が得られ
る。（２）保持力が大きい。（３）ストロークが長く、高分解能である。（４）静粛性に富んでいる。（５）磁気的ノイズを発生せず、また、ノイズの影響も
受けない。そして、リニア型の超音波モータに関しては本出願人に
よっても提案されている（例えば、特願平4-321096号参
照）。ここで、この特願平4-321096号によって提案され
リニア型の超音波モータに使用されている超音波振動子
の構成および作用を図７によって説明する。

【０００４】超音波振動子１１０は全体的に直方体形状
を呈している基本弾性体１１１と、該基本弾性体１１１
の上側面の中央部と両端部とにそれぞれ配設され、基本
弾性体１１１にビスで固定されている３つの保持用弾性
体１１２と、この保持用弾性体１１２間に挟持されて基
本弾性体１１１の上面にそれぞれ固定されている積層型
圧電素子１１３ａ，１１３ｂと、基本弾性体１１１の下
側面の両端部に接着固定されている摺動部材１１５とで
主に構成されている。

【０００５】上記基本弾性体１１１には図示しないビス
孔が上側面の両端部と中央部に形成されていて、上記保
持用弾性体１１２には図示しないビス挿通孔が形成され
ている。基本弾性体１１１のビス孔と保持用弾性体１１
２のビス挿通孔を位置合わせした後に、ビス１１４によ
って保持用弾性体１１２を基本弾性体１１１に固定す
る。

【０００６】この保持用弾性体１１２を固定する際に、
保持用弾性体１１２の間に積層型圧電素子１１３ａ，１
１３ｂを、保持用弾性体１１２につき当てて、基本弾性
体１１１上に配置する。すると、この積層型圧電素子１
１３ａ，１１３ｂは、２次の共振屈曲運動のほぼ腹に対
応する位置に配置されることになる。

【０００７】積層型圧電素子１１３ａ，１１３ｂの上記
保持用弾性体１１２と接触する部分はエポキシ系の接着
剤で固定され、積層型圧電素子１１３ａ，１１３ｂのそ
の他の部分は樹脂により被覆されている。更に、保持用
弾性体１１２と基本弾性体１１１の接触する部分もエポ
キシ系の接着剤で固定される。

【０００８】そして、基本弾性体１１１の積層型圧電素
子１１３ａ，１１３ｂが配置されている面の反対側の面
（被駆動体と接触する側の面）の両端部には、摺動部材
１１５がエポキシ系の接着剤を用いて接着されている。
摺動部材１１５はポリイミドに充填剤として、カーボン
ファイバとマイカを混入したものである（カーボンファ
イバ：２０重量％，マイカ：３０重量％）。

【０００９】このように構成された超音波振動子１１０
は、その寸法を適当に取ることで、一次の共振縦振動、
および二次の共振屈曲運動がほぼ同一周波数で励起でき
る。図７において、一方の積層型圧電素子１１３ａから
引き出されている電圧印加端子端子をＡ，Ｇ（以下、Ａ
相印加端子と称する）とし、他方の積層型圧電素子１１
３ｂから引き出されている電圧印加端子をＢ，Ｇ（以
下、Ｂ相印加端子と称する）とする。このＡ相およびＢ
相印加端子に、例えば３０Ｖの直流電圧を印加すると、
積層型圧電素子１１３ａ，１１３ｂにほぼ７０Ｎの圧縮
力（与圧）をかけることができる。

【００１０】そこで、Ａ相印加端子に周波数ｆｒ、振幅
１０Ｖp-p の交番電圧を印加し、Ｂ相印加端子に同一周
波数、同振幅で同位相の交番電圧を印加すると、一次の
共振縦振動が励起できる。次に、Ａ相印加端子に周波数
ｆｒ、振幅１０Ｖp-p の交番電圧を印加し、Ｂ相印加端
子に同一周波数、同振幅で逆位相の交番電圧を印加する
と、二次の共振屈曲振動が励起できる。

【００１１】従って、Ａ相およびＢ相印加端子に周波数
ｆｒ、振幅１０Ｖp-p の交番電圧を印加し、その位相差
を９０度または−９０度にすると、一次の縦振動と二次
の屈曲振動を同時に励起でき、この結果、摺動部材１１
５の位置において時計回りまたは反時計回りの超音波楕
円振動が励起できる。

【００１２】この時、この摺動部材１１５に対してステ
ンレス材からなる被駆動体を圧接すると被駆動体は右方
向または左方向に移動され、リニア型のモータとなる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述した超
音波振動子を用いてリニア型の超音波モータを構成し、
このモータを長時間駆動しているとモータの駆動力の低
下とスピードの低下という現象がみられる。この原因に
ついて調べた結果、つぎの事が判明した。即ち、長時間
の使用により積層型圧電素子１１３ａ，１１３ｂの温度
が上昇していき、７０℃から８０℃を越えると、積層型
圧電素子１１３ａ，１１３ｂが脱分極（圧電素子の有す
るマクロな残留分極がほぼ零になること）してしまい、
そのため本来の積層圧型電素子の有する振動の発生力が
失われてしまうことが判った。

【００１４】本発明の第１の目的は、このような超音波
モータの欠点を除去するために、積層型圧電素子が脱分
極した場合にも、すぐに分極できるような超音波振動子
の駆動装置を提供することである。

【００１５】また、本発明の第２の目的は、積層型圧電
素子が脱分極しないような超音波振動子の駆動装置を提
供するにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明による超音波振動
子の駆動装置は、弾性体と、該弾性体に設けられた圧電
素子とからなり、該圧電素子に駆動電圧を印加すること
により超音波振動を発生させる超音波振動子の、駆動装
置において、上記圧電素子に駆動電圧を印加する電圧印
加手段と、上記圧電素子の分極を行う直流電源手段とを
具備することを特徴とし、また、本発明は、弾性体と、
該弾性体に設けられた圧電素子とからなり、該圧電素子
に駆動電圧を印加することにより超音波振動を発生させ
る超音波振動子の、駆動装置において、圧電素子に駆動
電圧を印加する電圧印加手段と、上記超音波振動子もし
くは圧電素子の温度を検出する温度検出手段と、この温
度検出手段の出力に基づいて上記電圧印加手段を制御す
る制御手段とを具備することを特徴としている。

【００１７】

【作用】圧電素子に脱分極が発生し超音波モータの特性
が劣化した場合、圧電素子の分極を行う直流電源手段に
より分極処理が施され、即座に超音波モータの特性を回
復させる。

【００１８】また、超音波モータの駆動時、超音波振動
子もしくは圧電素子の温度を常時、温度検出手段により
検出し、この検出した温度情報を制御回路にフィードバ
ックし、脱分極しない温度範囲の所定の温度に達するよ
うに制御回路により、圧電素子に投入する電気エネルギ
を制御する。したがって、脱分極の発生が抑止され、超
音波モータの特性の劣化を防止できる。

【００１９】

【実施例】以下、図１乃至図４を参照して本発明の第１
実施例を説明する。図１に示すように、超音波振動子１
０は、上面中央部に一体に形成された凸部１１ａを含み
全体的にほぼ直方体形状を呈している基本弾性体１１
と、該基本弾性体１１の上側面の両端にビス１４で固定
されている保持用弾性体１２ａと凸部１１ａの間、およ
び保持用弾性体１２ｂと凸部１１ａ間の基本弾性体１１
上にそれぞれ配置され、固定されている積層型圧電素子
１３ａ，１３ｂと、基本弾性体１１の下側面の、上記積
層型圧電素子１３ａ，１３ｂの各中央部に対向する位置
にそれぞれ接着された摺動部材１７，１７とで主に構成
されている。

【００２０】基本弾性体１１は、黄銅材で形成されてそ
の上面の両端部には、ビス１４によって保持用弾性体１
２ａ，１２ｂが基本弾性体１１に固定されている。この
基本弾性体１１の寸法は、凸部１１ａを除き、例えば、
幅３０ｍｍ，奥行き４ｍｍ，高さ７．５ｍｍで、凸部１
１ａの寸法は、幅４ｍｍ，奥行き４ｍｍ，高さ２．５ｍ
ｍに形成されている。基本弾性体１１の幅方向の中心部
で、且つ底面から６ｍｍの位置にはφ２ｍｍのステンレ
ス材からなるピン１６が圧入・固定されている。

【００２１】また、上記積層型圧電素子１３ａ，１３ｂ
は電極処理された圧電素子を数１０枚から数１００枚積
層したものであって、本実施例においてはトーキン
（株）製の積層型圧電素子ＮＬＡ−２×３×９が用いら
れており、その寸法は２ｍｍ×３．１ｍｍ×９ｍｍであ
る。積層型圧電素子１３ａ，１３ｂはその両端部以外の
部分がエポキシ系樹脂によって被覆されている（被覆
厚、約０．５ｍｍ）。積層型圧電素子１３ａからは電気
端子Ａ，Ｇ（以下、Ａ相印加端子と称する。）が引き出
されており、また、積層型圧電素子１３ｂからは電気端
子Ｂ，Ｇ（以下、Ｂ相印加端子と称する。）が引き出さ
れている。

【００２２】そして、基本弾性体１１の、積層型圧電素
子１３ａ，１３ｂが固定されている面の反対側の面（非
駆動体と接触する側の面）の両端部から９ｍｍの内方位
置（共振屈曲振動の振動振幅が極大値を示す位置）には
矩形状（寸法：幅３ｍｍ、奥行４ｍｍ、厚み１ｍ
ｍ）の摺動部材１７（砥石材料：樹脂にアルミナの砥粒
を分散させたもの）がエポキシ系の接着剤により接合さ
れている。

【００２３】このような構成部材からなる超音波振動子
の組み立ては、以下のようにして行われる。基本弾性体
１１の凸部１１ａの両側に積層型圧電素子１３ａ，１３
ｂを配置する。そして、保持用弾性体（幅４ｍｍ，奥行
き４ｍｍ，高さ２．５ｍｍ）１２ａ，１２ｂを基本弾性
体１１上に固定する。

【００２４】これは基本弾性体１１の上面の両端には図
示しないがそれぞれビス孔が形成されていて、このビス
孔に保持用弾性体１２ａ，１２ｂをそれぞれビス１４に
よって基本弾性体１１に固定する。このとき、積層型圧
電素子１３ａ，１３ｂは、保持用弾性体１２ａ，１２ｂ
と基本弾性体１１の凸部１１ａ間で圧縮力をかけた状態
で保持されて固定されている。そして、積層型圧電素子
１３ａ，１３ｂは、基本弾性体１１の凸部１１ａおよび
保持用弾性体１２ａ，１２ｂに対してエポキシ系の接着
剤で固定され、また、基本弾性体１１と接する下側面部
分もエポキシ系の接着剤で基本弾性体１１に接着・固定
される。また、保持用弾性体１２ａ，１２ｂと基本弾性
体１１の接触する部分もエポキシ系の接着剤で接着・固
定されている。

【００２５】このようにして組立てられた超音波振動子
は、次のように動作する。上述した寸法形状に形成され
た超音波振動子は一次の共振縦振動および二次の共振屈
曲振動が、ほぼ同一周波数ｆｒ（５３ＫＨｚ〜５６ＫＨ
ｚ）で励起できる。これらの振動を有限要素法を用いて
コンピュータ解析した結果、図２（ａ）に示すような共
振縦振動姿態、および図２（ｂ）に示すような共振屈曲
振動姿態がそれぞれ確認され、また、振動測定の結果、
それが実証された。

【００２６】まず、Ａ相印加端子に周波数ｆｒ、振幅１
０Ｖp-p の交番電圧を印加し、Ｂ相印加端子に同一周波
数、同振幅で同位相の交番電圧を印加すると図２（ａ）
に示すような一次の共振縦振動が励起した。

【００２７】次に、Ａ相印加端子に周波数ｆｒ、振幅１
０Ｖp-p の交番電圧を印加し、Ｂ相印加端子に同一周波
数、同振幅で逆位相の交番電圧を印加すると図２（ｂ）
に示すような二次の共振屈曲振動が励起した。

【００２８】そして、Ａ相およびＢ相印加端子に周波数
ｆｒ、振幅１０Ｖp-p 、位相差を９０度または−９０度
の交番電圧を印加すると、一次の縦振動と二次の屈曲振
動を同時に励起し、この結果、摺動部材１７，１７の位
置で時計回りまたは反時計回りの超音波楕円振動が励起
した。

【００２９】次に、このように動作する上記超音波振動
子を用いた超音波モータの構成について、図３を参照し
て説明する。

【００３０】図３に示すように超音波振動子１０は、そ
の両面を２枚の保持板２１で挟まれ、各保持板２１の貫
通保持孔に上記ピン１６を挿通させることによって２枚
の保持板２１間に保持されている。即ち、保持板２１
は、その下部にそれぞれピン１６とほぼ同径の孔が対向
して形成されており、該孔にピン１６を挿通するように
なっていて、このように保持することにより超音波振動
子１０はピン１６回りの回転に対してのみ自由度を持
つ。

【００３１】保持板２１は、その上部をビス２３により
保持板固定部材２２に固定される。該保持板固定部材２
２は、その両端部寄りをそれぞれリニアブッシュ２４に
より保持されている。このリニアブッシュ２４は、その
中心軸孔を挿通する軸２５にそって上下方向に直線的に
移動する。軸２５は上部を軸固定部材２６に固定され、
軸固定部材２６はベース２７に対してビスで固定されて
いる。

【００３２】軸固定部材２６のほぼ中央部にはねじ孔が
形成されており、同ねじ孔には押圧押圧用ビス２８が捩
じ込まれる。押圧用ビス２８と保持板固定部材２２の間
には伸張状のバネ２９が挿入されている。一方、ベース
２７には、その下部にクロスローラーガイドの固定部３
０が基台にビス３１により固定されている。クロスロー
ラーガイドの移動部３２には摺動部材保持部３３が図示
しないビスにより固定されている。摺動部材保持部３３
には摺動板３４としてＨＩＰ処理されたジルコニアセラ
ミックスが接着されている。

【００３３】このように構成されたリニア型の超音波モ
ータ４０においては、押圧用ビス２８を調整することで
超音波振動子１０の摺動板３４への押圧力を調整するこ
とができる。

【００３４】次に、この超音波モータの駆動回路を、図
４を参照して説明する。発振器１では所定周波数（５３
ＫＨｚ〜５６ＫＨｚ）の駆動信号が形成されて増幅器
２，移相器３にそれぞれ供給される。増幅器２では上記
駆動信号を１０Ｖｐ−ｐにまで増幅してリレースイッチ
５の一方の端子５ａを通じてＡ相印加端子に印加され
る。

【００３５】また、上記移相器３では位相が＋９０度あ
るいは−９０度に変化され、増幅器４で上記駆動信号を
１０Ｖｐ−ｐにまで増幅してリレースイッチ６の一方の
端子６ａを通じてＢ相印加端子に印加される。

【００３６】上記リレースイッチ５，６は、その他方の
端子５ｂ，６ｂが直流電圧源９の陽極側に接続されてお
り、直流電圧源９の陰極側は接地されている。上記リレ
ースイッチ５，６の接続状態が、他方の端子５ｂ、６ｂ
に切り替わることによりＡ相、Ｂ相印加端子には直流電
圧が印加される。

【００３７】このように構成された駆動回路を有する上
記超音波モータにおいて、同モータが長時間駆動され、
積層型圧電素子１３ａ，１３ｂが温度上昇により脱分極
した場合（本実施例では積層型圧電素子１３ａ，１３ｂ
の温度が７０〜８０℃以上で脱分極してしまうことが明
らかになっている）には、リレースイッチ５の接続状態
が一方の端子５ａ側から他方の端子５ｂ側に、また、リ
レースイッチ６の接続状態が一方の端子６ａ側から他方
の端子６ｂ側に切り換えられる。すると、直流電圧源９
から直流電圧が徐々に印加される。この直流電圧の大き
さは最大１００Ｖであり、電圧を立ち上げあるいは電圧
を立ち下げる時間は、例えば、０．１秒から１０秒程度
となっている。また、１００Ｖで保持する時間は１秒か
ら１００秒程度とする。

【００３８】この電圧の印加によって積層型圧電素子１
３ａ，１３ｂの分極が終了したら、スイッチ５，６の接
続状態が、他方の端子５ｂから一方の端子５ｃ、他方の
端子６ｂから一方の端子と６ｃに切り換えられる。

【００３９】このように積層型圧電素子１３ａ，１３ｂ
に直流電圧が印加されると積層型圧電素子１３ａ，１３
ｂは再分極されるので、モータ特性も初期状態に戻る。

【００４０】この第１実施例によれば、超音波振動子１
０の積層型圧電素子１３ａ，１３ｂが脱分極した場合も
簡単な回路構成で積層型圧電素子１３ａ，１３ｂの再分
極が行える。また、直流電源として電圧可変型のものを
用いたが、０〜１００ＶのＯＮ−ＯＦＦ電源と直列に接
続された抵抗を用いても良い。

【００４１】次に、図５および図６を参照して本発明の
第２実施例を説明する。この第２実施例における図６に
示す超音波モータ４０Ａの構成は上記第一実施例とほぼ
同様であるので同一の構成部材には同一符号を付し、相
違する点のみ説明する。

【００４２】この第２実施例が第１実施例と異なる点は
積層圧電素子１３ａの側面に温度検出素子であるサーミ
スタ３５が接続され、同様に積層圧電素子１３ｂの側面
に温度検出素子であるサーミスタ３６が接続されている
ことである。

【００４３】一方、超音波モータの駆動回路は図５に示
されるように、発振器４１では所定周波数（５３ＫＨｚ
〜５６ＫＨｚ）の駆動信号が形成されて出力される。こ
の駆動信号は増幅器４５と移相器４３とに供給され、増
幅器４５によって１０Ｖｐ−ｐに増幅され超音波振動子
１０のＡ相印加端子に印加される。また、駆動信号の一
部が移相器４３で＋９０度或いは−９０度に位相の変え
られた信号は、増幅器４６によって１０Ｖｐ−ｐに増幅
され超音波振動子１０のＢ相印加端子に印加される。こ
れによって、移動部３２は右方向または左方向に駆動さ
れる。

【００４４】一方、積層圧電素子１３ａ，１３ｂの側面
に取り付けられている温度検出センサとしてのサーミス
タ３５，３６によって、積層圧電素子１３ａ，１３ｂの
温度が温度検出され、その温度情報が常にモニタされて
いる。即ち、その温度情報モニタ信号は、制御回路４２
に入力され同回路に予め設定されている、例えば７０℃
に対応する比較信号と比較される。

【００４５】制御回路４２には増幅器４５，４６に、そ
の増幅率を制御する信号線が接続されている。

【００４６】若し、温度検出情報が上記比較信号より大
きければ増幅器４５，４６の増幅率を低下させる制御信
号が増幅器４５，４６に供給される。また、若し、温度
検出情報が上記比較信号より小さければ増幅器４５，４
６の増幅率を上昇させ、あるいはその状態を保持するよ
うな制御信号が増幅器４５，４６に供給される。

【００４７】このように制御する上記第２実施例によれ
ば、積層型圧電素子１３ａ，１３ｂが或る一定温度（積
層型圧電素子１３ａ，１３ｂが脱分極する温度）以上の
温度になることを防止でき脱分極することがなくなる。

【００４８】この第２実施例において、温度センサーと
してサーミスタを用いているが、これに限定されないこ
とは勿論である。例えば、熱電対、白金抵抗体、他の温
度を検出する手段であれば何でもよい。また、配設する
位置についても積層型圧電素子１３ａ，１３ｂの内部、
あるいは弾性体の表面または内部でも良い。

【００４９】前述の第１実施例、第２実施例では、超音
波振動子の圧電素子として積層型のものを用いている
が、これは両面に電極を有する平板状の圧電素子を用い
ても良い。また、超音波振動子を、いわゆる超音波モー
タの駆動源として用いた例を示したが、この超音波振動
子を、例えば、超音波顕微鏡のトランスデューサ或いは
超音波洗浄器の駆動源として用いてもよいことは勿論で
ある。

【００５０】この発明の実施例によれば、リニア型の超
音波モータについての応用をのべたが、これに限定され
るものではなく、例えば、本発明の超音波振動子を用い
移動体を回転体とすれば回転型の超音波モータにも応用
が可能である。

【００５１】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、超音
波モータを連続運転させた場合に超音波振動子の温度が
上がっても或る一定の温度以上には上がらないので積層
型圧電素子が脱分極してしまうことを防止できモータ性
能を長期にわたって維持できる。また、若し超音波振動
子の温度が上がって積層型圧電素子が脱分極してしまっ
たような場合でも即座に分極が可能であり、モータ性能
を長期にわたって維持できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す超音波振動子の駆動
装置における超音波振動子の斜視説明図

【図２】積層型圧電素子の共振縦振動姿態と共振屈曲振
動姿態を示す説明図

【図３】リニア型の超音波モータの構成を示す正面図

【図４】図３の超音波モータの駆動回路を示す電気回路
図

【図５】本発明の第２実施例の駆動回路を示す電気回路
図

【図６】本発明の第２実施例の超音波モータの構成を示
す正面図

【図７】従来の超音波振動子の構成を示す斜視図。

【符号の説明】

１発振器２，４増幅器３移相器９直流電圧源１０超音波振動子１１基本弾性体１２ａ，１２ｂ保持用弾性体１３ａ，１３ｂ圧電素子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】弾性体と、該弾性体に設けられた圧電素
子とからなり、該圧電素子に駆動電圧を印加することに
より超音波振動を発生させる超音波振動子の、駆動装置
において、上記圧電素子に駆動電圧を印加する電圧印加手段と、上記圧電素子の分極を行う直流電源手段とを具備するこ
とを特徴とする超音波振動子の駆動装置。
【請求項２】弾性体と、該弾性体に設けられた圧電素
子とからなり、該圧電素子に駆動電圧を印加することに
より超音波振動を発生させる超音波振動子の、駆動装置
において、上記圧電素子に駆動電圧を印加する電圧印加手段と、上記超音波振動子もしくは圧電素子の温度を検出する温
度検出手段と、この温度検出手段の出力に基づいて上記電圧印加手段を
制御する制御手段と、を具備することを特徴とする超音波振動子の駆動装置。