WO2010041533A1 - 超音波モータおよび圧電振動体 - Google Patents

超音波モータおよび圧電振動体 Download PDF

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WO2010041533A1
WO2010041533A1 PCT/JP2009/065684 JP2009065684W WO2010041533A1 WO 2010041533 A1 WO2010041533 A1 WO 2010041533A1 JP 2009065684 W JP2009065684 W JP 2009065684W WO 2010041533 A1 WO2010041533 A1 WO 2010041533A1
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WO
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vibration
detection
piezoelectric
ultrasonic motor
drive
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PCT/JP2009/065684
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English (en)
French (fr)
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隆 松尾
茂昭 栃本
明 小坂
昭広 沖
勝一 浦谷
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コニカミノルタオプト株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/0005—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing non-specific motion; Details common to machines covered by H02N2/02 - H02N2/16
    • H02N2/001—Driving devices, e.g. vibrators
    • H02N2/003—Driving devices, e.g. vibrators using longitudinal or radial modes combined with bending modes
    • H02N2/004—Rectangular vibrators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/10—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
    • H02N2/103—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors by pressing one or more vibrators against the rotor
    • H10N30/101—
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
    • H10N30/202—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using longitudinal or thickness displacement combined with bending, shear or torsion displacement
    • H10N30/2023—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using longitudinal or thickness displacement combined with bending, shear or torsion displacement having polygonal or rectangular shape

Definitions

  • the present invention relates to an ultrasonic motor, and is particularly suitably used for a lens drive mechanism of a micro camera unit (MCU) that can be mounted on a digital still camera (DSC), a mobile phone, or the like, or an optical pickup unit such as a DVD.
  • MCU micro camera unit
  • DSC digital still camera
  • the present invention relates to a small ultrasonic motor. And this invention relates to the piezoelectric vibrating body applied to this ultrasonic motor.
  • Ultrasonic motors have advantages such as high torque, high holding power when stopped, and low noise compared to electromagnetic motors.
  • an ultrasonic motor needs to be separately equipped with a position detection sensor. For this reason, when the ultrasonic motor is applied to a small apparatus as described above, it is disadvantageous compared to an electromagnetic stepping motor or a voice coil motor in terms of its arrangement and size. was there. However, if this point is improved, the ultrasonic motor will be very superior to the electromagnetic type in terms of torque and efficiency.
  • Patent Document 1 proposed a self-sensing ultrasonic motor.
  • a non-uniform structure protrusion etc. on the rotor
  • a detection piezoelectric element is sandwiched between the piezoelectric elements. Then, this ultrasonic motor generates a rotor signal from a detection signal corresponding to the orientation of the non-uniform structure and the detection piezoelectric element that appears in the output of the vibration detector due to uneven surface pressure generated in the non-uniform structure. The amount of rotation is detected.
  • the above-described conventional technique is excellent in that it is not necessary to provide a means for detecting the rotation amount or the rotation position of an encoder or the like.
  • this conventional technique detects a change in the vibration state of the stator (vibrating body) due to a change in the contact state between the rotor and the stator (vibrating body) with a piezoelectric element, if the change in the pattern of the rotor contact portion is largely taken Although the detection sensitivity is increased, there is an adverse effect such as a large change in driving performance. More specifically, the smaller the protrusion, the higher the detection sensitivity and S / N.
  • the change amount of the rotor is preferably as small as possible. For this reason, it is necessary to increase the detection sensitivity and S / N of the piezoelectric element.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an ultrasonic motor capable of detecting a position capable of increasing detection sensitivity and S / N. And it is providing the piezoelectric vibrating body applied to it.
  • An ultrasonic motor and a piezoelectric vibrating body include a piezoelectric element in which a plurality of piezoelectric layers having a plurality of driving electrodes are stacked, each of the plurality of piezoelectric layers including a vibration antinode region, and A detection electrode is provided that is divided into regions with the drive electrode and can detect the state of vibration. Since such a detection electrode is provided, the ultrasonic motor and the piezoelectric vibrating body according to the present invention can increase detection sensitivity and S / N in position detection.
  • FIG. 2 is an axial sectional view showing a structure of the ultrasonic motor shown in FIG. 1.
  • FIG. 6 is a six-sided view of a vibrating body in the ultrasonic motor shown in FIG. 1.
  • FIG. 4 is a plan view and a bottom view showing both front and back surfaces of each layered piezoelectric element in the vibrating body shown in FIG. 3. It is a perspective view which shows the mode of a deformation
  • FIG. 4 is a development view for explaining driving of the moving body by vibration of the vibrating body shown in FIG. 3. It is a graph for demonstrating the detection mechanism of the rotation position of the moving body shown in FIG. It is a wave form diagram for demonstrating a mode that position detection is performed from the phase difference in the ultrasonic motor shown in FIG. 1 is a block diagram of a drive circuit according to an embodiment of the present invention. It is a block diagram of the drive circuit of another form of implementation of this invention.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a lens driving unit 2 using an ultrasonic motor 1 according to an embodiment of the present invention.
  • This lens driving unit 2 is used for zooming of a digital still camera (DSC) or a digital video camera, or for correcting aberrations of a pickup lens of a DVD, and is a small ultrasonic wave having a thickness W1 of about 3 to 5 mm, for example. It is a motor.
  • a cylindrical ultrasonic motor 1 is attached to a frame 3 of a lens unit, an output shaft of which is a lead screw 11, and a linear motion lens feed mechanism that directly moves a lens 7 via a guide member 6. Is configured.
  • the frame 3 is provided with guide shafts 4 and 5 in parallel with the lead screw 11, and a lens 7 is held by a guide member 6 slidable on the guide shafts 4 and 5.
  • a lead screw 11 is engaged with the guide member 6, and when the lead screw 11 rotates, the guide member 6, and thus the lens 7, is moved to the lead screw 11 (ultrasonic motor 1) and the guide shafts 4, 5. Is displaced in the direction of the axis (left and right in the figure).
  • FIG. 2 is an axial sectional view showing the structure of the ultrasonic motor 1.
  • the ultrasonic motor 1 includes a vibrating body (stator) 12 in which a piezoelectric element 12a performs high-frequency vibration, a moving body (rotor) 13 that is in pressure contact with the vibrating body 12 and moved by the high-frequency vibration, and a vibrating body 12.
  • a pressure member 14 that presses against the moving body 13, a bottomed cylindrical case 15 that accommodates them, a lead screw 11 that is fixed to the moving body 13 integrally or by caulking, and the lead screw 11 is pivotally supported.
  • One bearing member 16 closes the open end of the bottomed cylindrical case 15 and supports the base end portion 11a at one end of the lead screw 11 in the radial direction.
  • the other bearing member 17 is composed of a ball bearing that fits into a cap 18 attached to the frame 3.
  • a concave surface 11 c formed at the free end portion 11 b of the other end of the lead screw 11 is fitted into the radial end of the free end portion 11 b. Support in direction and thrust direction.
  • the vibrating body 12 includes a piezoelectric element 12a, a contact member 12b on the moving body 13 side, and a weight member 12c for stability on the opposite side, and is rotated with respect to the case 15 by a regulating member (not shown). Is controlled, and the axis of the movable body 13 is positioned and held.
  • the vibrating body 12 is urged toward the moving body 13 (right side in the figure) by the pressing member 14, and the contact member 12 b is pressed against the moving body 13.
  • the second bearing member 17 receives the reaction force from the cap 18 due to the pressing force from the moving body 13 to the lead screw 11 at the center of rotation so that the friction loss can be minimized. It is configured.
  • a screw 18a is engraved between the cap 18 and the frame 3, and the pressing force can be adjusted by moving the cap 18 in the left-right direction in the figure by the amount of rotation of the screw 18a. Yes. Then, after the adjustment, for example, the cap 18 is fixed to the frame 3 by adhesion.
  • FIG. 3 is a hexahedral view of the vibrating body 12, (a) is a top view, (b) is a front view, (c) is a side view, and (d) is a bottom view.
  • the vibrating body 12 includes a stacked piezoelectric element 12a in which a plurality of piezoelectric layers 12f are stacked, a contact member 12b on the moving body 13 side, and a weight member 12c on the opposite side. They are composed by bonding.
  • the adhesive an epoxy adhesive having high rigidity and high adhesive strength is used.
  • the contact member 12b is made of ceramics such as alumina and zirconia having high wear resistance.
  • the weight member 12c is made of tungsten having a high specific gravity or a copper or iron-based tungsten alloy or the like in order to suppress the deflection on the proximal end side due to the bending vibration of the piezoelectric element 12a as will be described later.
  • FIG. 4 is a plan view and a bottom view showing both front and back surfaces per layer of the multilayer piezoelectric element 12a.
  • Each piezoelectric layer 12f has a piezoelectric layer 12g made of PZT (lead zirconate titanate) sandwiched between one surface (FIG. 4A) at equal intervals in the circumferential direction (90 ° intervals).
  • a plurality of drive electrodes IA, IB, IC, ID to which a drive signal from a drive circuit that is not input is input are formed and arranged, and include a region on the outer peripheral side as much as possible with the largest bending displacement of the piezoelectric element described later.
  • a detection electrode IS for outputting a detection signal to a detection circuit is formed and arranged by dividing into a plurality of drive electrodes IA, IB, IC, ID.
  • One surface (FIG. 4A) of the piezoelectric layer 12f (piezoelectric layer 12g) is divided into a plurality of regions, and the drive electrodes IA, IB, IC, ID, and detection electrodes are divided into the divided regions. IS is arranged.
  • the plurality of drive electrodes IA, IB, IC, ID are four in the example shown in FIG. In the example shown in FIG.
  • a detection electrode IS is arranged between the two drive electrodes ID and IC arranged adjacent to each other in the four drive electrodes IA, IB, IC, ID arranged at intervals of 90 ° in the circumferential direction.
  • a detection electrode IS is arranged.
  • a solid GND electrode IG is formed on the other surface (FIG. 4B) in common.
  • These internal electrodes IA, IB, IC, ID; IS and IG are formed by silver palladium printing or the like, and between the laminated piezoelectric layers 12g, the drive electrodes IA, IB, IC, ID and detection electrodes IS and GND electrodes IG are alternately formed.
  • the electrodes IA, IB, IC, ID; IS and IG in each piezoelectric layer 12f are common to the external electrodes OA, OB, OC, OD; OS and OG formed by screen printing or vapor deposition of silver or gold. (FIGS. 3B, 3C, and 4).
  • the external electrodes OA, OB, OC, OD; OS and OG are joined to a lead wire or a flexible substrate (lead wire 12h in the example of FIG. 3) with solder or a conductive adhesive, and the drive circuit (not shown) A drive signal is input and a detection signal is output to and from the detection circuit.
  • the piezoelectric element 12a is preferably a cylinder or a prism, particularly a quadrangular prism.
  • Each piezoelectric layer 12f and electrodes IA, IB, IC, ID; IS and IG formed thereon are polarized in the same direction after lamination.
  • the regions of the drive electrodes IA, IB, IC, and ID perform stretching vibrations that are 90 ° out of phase.
  • the frequency of the drive signal is brought close to the resonance frequency, the bending primary mode vibration as shown in FIG. 5 is excited in the piezoelectric element 12a with the 90 ° phase shift.
  • the weight member 12c is attached to the proximal end side of the piezoelectric element 12a and is substantially fixed to the case 15 via the pressure member 14, and the contact portion on the distal end side is caused by the bending vibration.
  • 12d performs a predetermined motion corresponding to the bending vibration, for example, a revolving motion (oscillating vibration).
  • a revolving motion oscillating vibration
  • elliptical vibrations whose phases are shifted from each other by 120 ° are generated at the apexes 12e of the contact portion 12d, as indicated by reference numeral 12r in FIG.
  • the frictional force generated by the elliptical vibration 12r is rotationally driven around the axis of the piezoelectric element 12a.
  • FIG. 6A is a top view of the vibrating body 12
  • FIG. 6B is a front view.
  • FIG. 7 is a perspective view of the moving body 13
  • FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating the vicinity of the contact portion between the moving body 13 and the contact member 12b of the vibrating body 12. Note that FIGS. 7 and 8 are upside down with respect to FIGS. 3 and 6.
  • the moving body 13 includes a lead screw 11 as a shaft for taking out the rotation, a moving body main body 13a fixed to the lead screw 11, and a cover plate 13b stacked on the moving body main body 13a. On the surface of the main body 13a on the cover plate 13b side, grooves 13c are formed at equal intervals in the circumferential direction extending in the radial direction.
  • channel 13c is a structurally non-uniform
  • the moving body 13 is created by forming a groove 13c by machining or etching on a moving body main body 13a made of a metal such as stainless steel and then laminating a thin cover plate 13b made of stainless steel or the like.
  • the cover plate 13b is subjected to nitriding treatment or the like in order to improve wear resistance.
  • the cover plate 13b is stacked on the movable body main body 13a by joining with a thin adhesive layer or the like, and the vicinity of the center is joined by spot welding or the like, so that the movable body main body 13a and the cover plate 13b are integrated without deviation. It just needs to be able to rotate at. By comprising in this way, the ultrasonic motor 1 of the same shape as the normal cylindrical motor from which an output shaft extends from a cylindrical main body is realizable.
  • FIG. 8 is a diagram schematically showing how the moving body 13 is driven by the vibrating body 12.
  • the moving body 13 is moved (rotated) to the left in the figure indicated by the arrow 13f by the elliptical vibration 12r of the vertex 12e of the contact portion 12d.
  • the apex 12e passes alternately over the drive area 13e and the detection area 13d of the moving body 13.
  • the groove 13c that is, the detection area 13d
  • FIG. 9A shows the amplitude value of the detection voltage, corresponding to the case where the reference symbol ⁇ 11 (solid line) is in the drive region 13e, and corresponding to the case where the reference symbol ⁇ 12 (broken line) is in the detection region 13d.
  • the frequency f0 at which the detected voltage is the maximum value, that is, the distortion is the maximum, is the resonance point, and the amplitude value greatly changes in the vicinity thereof.
  • Driving is performed at a frequency f0 'in the vicinity thereof.
  • the resonance frequency shifts to f0 ′′ on the low frequency side, and the amount of distortion of the piezoelectric element 12a decreases. This reduces the amplitude by ⁇ V.
  • the spring constant of the contact portion of the moving body 13 is different between the drive area 13e and the detection area 13d.
  • the moving body main body 13a is located directly below the cover plate 13b.
  • the space immediately below the cover plate 13b is a space, and the structure is such that the pressure at the contact point is supported by the elasticity of the cover plate 13b, and the rigidity is reduced.
  • the resonance frequency of the piezoelectric element 12a decreases, and the resonance state of the piezoelectric element 12a changes between the drive area 13e and the detection area 13d.
  • FIG. 9B shows the phase difference of the detection voltage with respect to the drive signal, corresponding to the case where the reference symbol ⁇ 21 (solid line) is the drive region 13e, and the case where the reference symbol ⁇ 22 (broken line) is the detection region 13d. It corresponds to.
  • the phase of the detection voltage advances by ⁇ .
  • FIGS. 10A and 10B are diagrams for explaining the phase difference.
  • FIG. 10A shows that the driving area 13e is passing
  • FIG. 10B shows that the detecting area 13d is passing. In both FIGS.
  • the drive signal is indicated by a solid line
  • the detection voltage is indicated by a broken line.
  • the deviation ⁇ 2 is large during the passage of the detection area 13d in which the rigidity is lowered with respect to the deviation ⁇ 1 while passing through the drive area 13e, that is, the phase difference (delay) is large.
  • the drive circuits 21 and 31 of the ultrasonic motor 1 are configured as shown in FIGS. 11 and 12, for example.
  • FIG. 11 shows a drive circuit 21 that detects the position of the detection electrode IS based on the amplitude value of the detection voltage shown in FIG. 9A.
  • FIG. 12 shows the phase difference shown in FIG.
  • the drive circuit 31 which performs position detection based on it is shown.
  • Each of the drive circuits 21 and 31 includes drive units 22 and 22, position detection units 23 and 33, and control units 24 and 34.
  • the drive unit 22 has a configuration common to the drive circuits 21 and 31, and includes a drive voltage generation unit 25, a phase shift unit 26, and a filter unit 27.
  • the drive voltage generator 25 can generate a high-frequency signal with sufficient power to drive the piezoelectric element 12a.
  • the high-frequency signal is input to the phase shift unit 26 to create a four-phase drive signal whose phases are shifted from each other by 90 ° as described above, and each of the drive electrodes IA, It is applied between IB, IC, ID and the GND electrode IG.
  • the position detector 23 includes an amplitude detector 28, a deviation calculator 29, and a position calculator 30 in order to detect the amplitude.
  • the amplitude detection unit 28 detects the amplitude value (output voltage) of the detection voltage output from the detection electrode IS, and the deviation calculation unit 29 calculates the amplitude value and the known ideal amplitude value (optimum drive amplitude value). The deviation is calculated, and the position calculation unit 30 detects the rotation position (rotation amount) and rotation speed of the moving body 13 from the calculation result.
  • the control unit 24 causes the drive voltage generation unit 25 to generate the drive signal in a desired direction.
  • the other position detection unit 33 includes a phase difference detection unit 38, a deviation calculation unit 39, and a position calculation unit 40 in order to perform the phase detection.
  • the phase difference detection unit 38 detects the phase difference between the detection voltage output from the detection electrode IS and the drive signal to any phase
  • the deviation calculation unit 39 detects the phase difference and a predetermined phase difference (optimum).
  • the position calculation unit 40 detects the rotation position (rotation amount) and rotation speed of the moving body 13 from the calculation result.
  • the moving portion 13 is moved in the contact direction between the vibrating body 12 and the moving body 13 in order to change the vibration state of the vibrating body 12.
  • a detection area 13d which is a structurally non-uniform part, and a drive area 13e, which is a structurally uniform part, are formed, and the ultrasonic motor 1 according to the present embodiment has a contact portion 12d of the vibrating body 12.
  • the detection unit detects the rotation position (rotation amount) and rotation of the moving body 13 without a sensor such as an encoder.
  • a piezoelectric element 12a is formed in a cylindrical or prismatic shape in which a plurality of piezoelectric layers 12f are stacked.
  • the piezoelectric element 12a is formed so as to include an antinode of vibration due to high-frequency vibration, that is, a region having the largest distortion due to deformation, and can detect the vibration state.
  • the detection unit includes the IS and position detection units 23 and 33 that detect the position of the moving body 13 from the amplitude or phase of the detection voltage at the detection electrode IS.
  • the detection electrode IS has high sensitivity when passing through the contact portion 12d of the non-uniform detection area 13d formed to realize a self-sensing method capable of detecting the rotational position and rotational speed of the moving body 13. Detection can be performed with high resolution, and the position detectors 23 and 33 can reliably detect the position. Further, since the ultrasonic motor 1 can detect the structurally nonuniform detection area 13d and the structurally uniform drive area 13e with high sensitivity, the difference between them is not increased more than necessary. Alternatively, a decrease in driving performance due to the formation of the non-uniform detection area 13d can be minimized.
  • the rigidity of the detection area 13d is increased, and the apex 12e of the contact portion 12d passes through the detection area 13d.
  • a decrease in drive performance attenuation of elliptical vibration 12r can be reduced.
  • FIG. 13 schematically shows a comparison of the structure of the detection element between Patent Document 1 and the present embodiment.
  • FIG. 13A shows the structure of Patent Document 1.
  • the elastic body 101 resonates due to the displacement of the piezoelectric element, and the displacement of the piezoelectric element is enlarged.
  • One or two electrodes for detection over the entire surface of the piezoelectric element are formed outside the piezoelectric element. That is, the electrode for detection in Patent Document 1 is not formed by dividing the surface of the piezoelectric element.
  • signal processing is performed layer by layer in order to increase the position resolution, so the configuration is substantially as shown in FIG.
  • the piezoelectric element 12a itself expands the resonance displacement, and also has a laminated structure as described above, and each piezoelectric layer 12f (12g) has drive electrodes IA, IB, IC, ID and
  • the detection electrode IS is formed by dividing the region, and the detection electrode IS is formed in the same phase position over a plurality of layers and connected in parallel by the external electrode OS.
  • the present embodiment is Assuming that charges are generated n times the number of layers and the same amount of noise (Qn in the figure) is generated, an S / N of about n times the number of layers can be obtained.
  • the detection electrode IS is formed at the most strained portion in each piezoelectric layer 12f, a signal can be extracted efficiently, and this also increases sensitivity.
  • the ultrasonic motor of Patent Document 1 does not have a structure that can efficiently extract electric charges.
  • the piezoelectric element 12a itself resonates and the piezoelectric element 12a expands its displacement, and two nodes (both ends) in the vibration of the bending primary mode are used.
  • the detection electrode IS is formed in the vicinity of the central portion 12k, which is the antinode of vibration with the largest deformation between the two). For this reason, the ultrasonic motor 1 of the present embodiment can increase the detection sensitivity and can cope with high resolution.
  • the output from the detection electrode IS is extracted as a voltage
  • the output may be extracted by current detection that short-circuits between the detection electrode IS and the GND electrode IG.
  • the detection is stronger than the extraction by voltage with respect to the external noise Qn.
  • Patent Document 1 since the amount of generated charge is small, the current level is very small and the detection becomes difficult.
  • FIG. 14A and 14B are a plan view and a bottom view showing both front and back surfaces per layer of a multilayer piezoelectric element 12x according to another embodiment of the present invention.
  • the piezoelectric element 12x is similar to the piezoelectric element 12a shown in FIG. 4 described above, and corresponding portions are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. It should be noted that each piezoelectric layer 12f of this piezoelectric element 12x is not shown on one surface (FIG. 14 (a)) with a quadrangular piezoelectric layer 12g made of PZT (lead zirconate titanate) interposed therebetween.
  • PZT lead zirconate titanate
  • a drive electrode IA, IB, IC to which a drive signal from the drive circuit is input and a detection electrode IS for outputting a detection signal to a detection circuit (not shown) are formed and arranged, and on the other surface (FIG. 14B).
  • a solid GND electrode IG is formed. Then, drive signals whose phases corresponding to the positional phases of the drive electrodes IA, IB, IC are shifted between the drive electrodes IA, IB, IC and the GND electrode IG from the drive circuits 21, 31 described above.
  • the piezoelectric element 12x By applying a high frequency electric field by (0 ° ⁇ 90 ° ⁇ 180 °, or 0 ° ⁇ ⁇ 90 ° ⁇ ⁇ 180 °), an amplitude direction difference occurs in the piezoelectric element 12x.
  • the vibration of the bending primary mode as shown is generated.
  • Excitation of the elliptical vibration of the piezoelectric elements 12a and 12x is possible with at least three drive electrodes. With this configuration, the output is reduced, but the external electrodes OA, OB, OC; The number can be reduced.
  • the piezoelectric elements 12a and 12x may be formed in a cylindrical shape.
  • FIG. 15 is a diagram schematically illustrating a state in which the moving body 13x according to still another embodiment of the present invention is driven by the vibrating body 12.
  • the vibrating body 12 is the same as that in FIG.
  • a low friction coefficient layer 13z extending in the radial direction and having a predetermined friction coefficient at equal intervals in the circumferential direction is formed on the moving body 13y.
  • the low friction coefficient layer 13z is formed by patterning a material having a low friction coefficient such as DLC. As a result, the low friction coefficient layer 13z becomes lower than the friction coefficient of the drive region 13e in the movable body main body 13y.
  • the detection electrode IS detects a change in the vibration state due to the difference in friction coefficient.
  • the vibration state does not change the resonance frequency as described above, and the vibration attenuation due to the slip is mainly caused.
  • the position detection units 22 and 33 can perform position detection in the same manner. Even in this case, an ultrasonic motor having the same shape as that of a normal cylindrical motor having an output shaft extending from the cylindrical main body can be realized.
  • An ultrasonic motor includes a plurality of piezoelectric layers stacked, and each of the piezoelectric layers includes a piezoelectric element having a plurality of drive electrodes, and the piezoelectric element performs high-frequency vibrations; and
  • the movable body that is in pressure contact and is moved by the high-frequency vibration, and the plurality of piezoelectric layers include an antinode region of vibration due to the high-frequency vibration, and are arranged in a region divided from the drive electrode, and the vibration state
  • a detection unit including a detection electrode capable of detecting the position of the movable body from an amplitude or phase of a detection voltage at the detection electrode, and a contact between the vibrating body and the movable body
  • the portion has a structurally non-uniform portion with respect to the moving direction of the moving body, and the vibration state of the vibrating body changes due to the passage of the non-uniform portion.
  • each of the plurality of piezoelectric layers in the piezoelectric element in which a plurality of piezoelectric layers having a plurality of driving electrodes are stacked includes an antinode region of vibration due to high-frequency vibration and is divided into regions with the driving electrodes. And a detection electrode capable of detecting the state of vibration is provided. For this reason, since the ultrasonic motor having such a configuration is provided with such detection electrodes, it is possible to increase detection sensitivity and S / N in position detection.
  • an ultrasonic motor includes a vibrating body in which a piezoelectric element performs high-frequency vibration, a moving body that is in pressure contact with the vibrating body and moved by the high-frequency vibration, and a detection unit, In the contact portion between the vibrating body and the moving body, a structurally non-uniform portion is formed with respect to the moving direction of the moving body in order to change the vibration state of the vibrating body.
  • the piezoelectric element includes a plurality of piezoelectric layers stacked.
  • Each piezoelectric layer has a drive electrode divided into regions, and the detection unit includes an antinode region of vibration due to the high-frequency vibration in the plurality of piezoelectric layers, and The drive electrode and region divided The a detectable detection electrodes vibration state, the amplitude or phase of the detection voltage by the detection electrode, and includes a position detection unit for detecting a position of the movable body.
  • the contact portion between the vibrating body and the moving body is formed with a structurally non-uniform portion with respect to the moving direction of the moving body in order to change the vibration state of the vibrating body.
  • a change in the vibration state of the vibrating body due to the passage of the non-uniform portion is detected by the detection unit as a vibration change of the piezoelectric element constituting the vibrating body.
  • the ultrasonic motor having such a configuration is a self-sensing ultrasonic motor that can detect the rotation position (rotation amount) and rotation speed of the moving body without a sensor such as an encoder.
  • the piezoelectric element is formed in a cylindrical or prismatic shape in which a plurality of piezoelectric layers are stacked, and a drive electrode divided into regions is formed in each piezoelectric layer.
  • the detection unit includes a detection electrode capable of detecting the vibration state in the plurality of piezoelectric layers, including an antinode of vibration due to the high-frequency vibration, that is, a region where deformation is greatest, and is divided into regions with the drive electrode.
  • a position detector for detecting the position of the moving body from the amplitude or phase of the detection voltage at the detection electrode.
  • the passage of the contact portion of the non-uniform portion formed in order to realize the self-sensing method capable of detecting the rotational position and the rotational speed of the moving body is caused by the vibration anti-node with the greatest deformation of the piezoelectric element.
  • a detection electrode including a region and formed of a plurality of layers can be detected with high sensitivity and therefore high resolution, and the position detection unit can reliably detect the position.
  • the ultrasonic motor having such a configuration does not need to increase the difference more than necessary. A reduction in driving performance due to the formation of a uniform portion can be minimized.
  • the detection electrodes are arranged at the in-phase positions of the piezoelectric layers and connected in parallel to each other.
  • the detection electrodes are formed in the respective piezoelectric layers at the same phase position, and connected in parallel to each other.
  • the capacitance between the detection electrode and the GND electrode formed on the opposite surface across the piezoelectric layer increases n times.
  • the ultrasonic motor having such a configuration can further increase the detection sensitivity and can increase the resistance to noise.
  • each of the above-described ultrasonic motors four drive electrodes are arranged in the circumferential direction in each piezoelectric layer, and the phases are shifted from each other by 90 ° with respect to the drive electrodes.
  • the vibration body When the electric field is applied, the vibration body generates bending primary mode vibrations out of phase, and the detection electrode has vibrations sandwiched between two nodes in the bending primary mode vibrations. Includes the belly area.
  • detection sensitivity can be increased by detecting the vibration with the detection electrode formed so as to include the antinode portion of the vibration which is the region where the deformation is the largest.
  • the piezoelectric element includes a plurality of piezoelectric layers in which a plurality of drive electrodes divided in the circumferential direction are arranged,
  • the vibration body performs a motion corresponding to the vibration of the bending primary mode
  • the moving body is rotated about the axis of the vibrating body by a contact member attached to the tip, and the moving body includes a shaft for taking out the rotation, a moving body main body fixed to the shaft, and the moving body main body.
  • Grooves that extend in the radial direction and are arranged at equal intervals in the circumferential direction on the surface of the movable body main body on the cover plate side are the structurally non-uniform portions.
  • the piezoelectric element is formed by laminating a plurality of piezoelectric layers in which a plurality of driving electrodes divided in the circumferential direction are arranged.
  • the vibration body performs a motion corresponding to the vibration of the bending primary mode
  • the moving body is rotated around the axis of the vibrating body by a contact member attached to the tip, and the moving body includes a shaft for taking out the rotation, and a moving body main body fixed to the shaft.
  • a friction coefficient layer having a predetermined coefficient of friction, which extends in the radial direction and is arranged at equal intervals in the circumferential direction, is the structurally nonuniform portion on the main body.
  • each of the piezoelectric layers includes three drive electrodes and one detection electrode that are divided in the circumferential direction.
  • a bending primary mode vibration is generated in the vibrating body with a phase shift, and the detection electrode is , Including an antinode region of vibration sandwiched between two nodes in the vibration of the bending primary mode.
  • each piezoelectric layer can be provided with an ultrasonic motor in which three drive regions and one detection region are divided in the circumferential direction.
  • the detection sensitivity can be increased by detecting with the detection electrode formed so as to include the portion of the vibration antinode which is the largest region.
  • the piezoelectric vibrator includes a plurality of piezoelectric layers stacked on each other, a plurality of drive electrodes disposed on each of the plurality of piezoelectric layers, and the piezoelectric vibration in the plurality of piezoelectric layers. It includes a detection electrode that includes an abdominal region in vibration of the body, is arranged in a region-divided manner with the drive electrode, and can detect the state of vibration.
  • a plurality of piezoelectric layers having a plurality of drive electrodes are stacked, and each of the plurality of piezoelectric layers includes a region of an antinode of the vibration, and is arranged in a region divided from the drive electrodes, A detection electrode capable of detecting the state of vibration is provided. For this reason, since the piezoelectric vibrating body having such a configuration is provided with such detection electrodes, it is possible to increase detection sensitivity and S / N in position detection.
  • an ultrasonic motor and a piezoelectric vibrator can be provided.

Abstract

　本発明に係る超音波モータおよび圧電振動体は、複数の駆動電極ＩＡ，ＩＢ，ＩＣ，ＩＤを有する圧電層１２ｆを複数積層した圧電素子１２ａを備え、複数の圧電層１２ｆのそれぞれには、振動の腹の領域を含み、かつ駆動電極ＩＡ，ＩＢ，ＩＣ，ＩＤと領域分割されて配置され、前記振動の状態を検出可能な検出電極ＩＳが設けられている。このような検出電極ＩＳが設けられているので、本発明に係る超音波モータおよび圧電振動体は、位置検出において、検知感度およびＳ／Ｎを高くすることができる。

Description

超音波モータおよび圧電振動体
　本発明は、超音波モータに関し、特に、デジタルスチルカメラ（ＤＳＣ）や携帯電話等に搭載可能なマイクロカメラユニット（ＭＣＵ）のレンズ駆動機構、或いはＤＶＤ等の光ピックアップユニットなどに好適に使用される小型の超音波モータに関する。そして、本発明は、この超音波モータに適用される圧電振動体に関する。
　超音波モータは、電磁モータに比較して、高トルクで停止時の保持力が高く、しかも騒音が少ないなどの利点を有している。その一方、超音波モータは、速度制御や位置制御を行う場合に、位置検出センサを別途搭載する必要がある。このため、超音波モータは、前記のような小型の装置へ適用される場合には、その配置や大きさの点で、電磁式のステッピングモータやボイスコイルモータなどに比較して、不利な点があった。しかしながら、この点が改善されれば、超音波モータは、電磁式に対して、トルクや効率面で非常に優位なものとなる。
　そこで、このような問題に対応するために、特許文献１にセルフセンシング方式の超音波モータが提案された。この従来技術の超音波モータでは、ロータとステータ（振動体）との接触部に不均一な構造（ロータに突起など）が設けられるとともに、圧電素子に検出用圧電素子が挟み込まれている。そして、この超音波モータは、前記不均一な構造で発生する面圧のむらによって、振動検出器の出力に現れる前記不均一な構造と検出用圧電素子との向きに応じた検出信号から、ロータの回転量を検出している。
　上述の従来技術は、エンコーダなどの回転量や回転位置を検出するための手段を別途設けなくてもよい点で優れている。しかしながら、この従来技術は、ロータとステータ（振動体）との接触状態の変化によるステータ（振動体）の振動状態の変化を圧電素子で検知するので、ロータ接触部のパターンの変化を大きくとると検出感度は上がるが、駆動性能に大きな変化が生じるなどの悪影響を招いてしまう。より具体的には、突起が小さくなる程、検知感度やＳ／Ｎが高くなるが、駆動力を伝達できる部分の面積が小さくなるとともに、突起の剛性が低下し、摩耗やトルク不足が生じてしまう。したがって、ロータの変化量は、できるだけ小さいものが好ましく、その為に、圧電素子の前記検知感度やＳ／Ｎを高くする必要がある。
特開平６－１３３５７０号公報
　本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、その目的は、検知感度およびＳ／Ｎを高くすることができる位置検出可能な超音波モータを提供することである。そして、それに適用される圧電振動体を提供することである。
　本発明に係る超音波モータおよび圧電振動体は、複数の駆動電極を有する圧電層を複数積層した圧電素子を備え、前記複数の圧電層のそれぞれには、振動の腹の領域を含み、かつ前記駆動電極と領域分割されて配置され、前記振動の状態を検出可能な検出電極が設けられている。このような検出電極が設けられているので、本発明に係る超音波モータおよび圧電振動体は、位置検出において、検知感度およびＳ／Ｎを高くすることができる。
　上記並びにその他の本発明の目的、特徴及び利点は、以下の詳細な記載と添付図面から明らかになるであろう。
本発明の実施の一形態に係る超音波モータを用いるレンズ駆動ユニットの概略構成図である。 図１に示す超音波モータの構造を示す軸線方向断面図である。 図１に示す超音波モータにおける振動体の六面図である。 図３に示す振動体における積層型の圧電素子の一層当りの表裏両面を示す平面図および底面図である。 図３に示す振動体における圧電素子の屈曲１次モードの変形の様子を示す斜視図である。 図３に示す振動体における圧電素子の変形による当該振動体の振動の様子を示す図である。 図１に示す超音波モータにおける移動体の斜視図である。 図３に示す振動体の振動による移動体の駆動を説明するための展開図である。 図３に示す移動体の回転位置の検出メカニズムを説明するためのグラフである。 図１に示す超音波モータにおける位相差から位置検出を行う様子を説明するための波形図である。 本発明の実施の一形態の駆動回路のブロック図である。 本発明の実施の他の一形態の駆動回路のブロック図である。 特許文献１と本実施の形態とにおける検出素子の構造の比較を模式的に示す図である。 本発明の実施の他の形態に係る積層型の圧電素子の一層当りの表裏両面を示す平面図および底面図である。 本発明の実施のさらに他の形態に係る移動体を振動体で駆動する様子を模式的に示す図である。
　以下、本発明にかかる実施の一形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、適宜、その説明を省略する。
　［実施の形態１］
　図１は、本発明の実施の一形態に係る超音波モータ１を用いるレンズ駆動ユニット２の概略構成図である。このレンズ駆動ユニット２は、デジタルスチルカメラ（ＤＳＣ）やデジタルビデオカメラのズーム用、或いはＤＶＤのピックアップレンズの収差補正用などに用いられ、厚さＷ１が、たとえば３～５ｍｍ程度の小型の超音波モータである。円筒型の超音波モータ１は、レンズユニットのフレーム３に取付けられ、その出力軸は、リードスクリュー１１となっており、案内部材６を介してレンズ７を直接的に移動する直動レンズ送り機構を構成している。また、フレーム３には、リードスクリュー１１と並行に案内軸４，５が設けられており、それらの案内軸４，５上を摺動自在の案内部材６にレンズ７が保持されている。そして、案内部材６にはリードスクリュー１１が噛合しており、該リードスクリュー１１が回転することで、案内部材６、したがってレンズ７が、リードスクリュー１１（超音波モータ１）および案内軸４，５の軸線（図の左右）方向に摺動変位する。
　図２は、前記超音波モータ１の構造を示す軸線方向断面図である。この超音波モータ１は、圧電素子１２ａが高周波振動を行う振動体（ステータ）１２と、振動体１２に加圧接触し、前記高周波振動によって移動される移動体（ロータ）１３と、振動体１２を移動体１３に押圧する加圧部材１４と、それらを収納する有底円筒状のケース１５と、移動体１３に一体的またはかしめなどによって固着されるリードスクリュー１１と、リードスクリュー１１を枢支する一対の軸受け部材１６，１７とを備えて構成される。
　一方の軸受け部材１６は、前記有底円筒状のケース１５の開口端を閉塞し、リードスクリュー１１の一方端の基端部１１ａをラジアル方向に支持する。他方の軸受け部材１７は、フレーム３に取付けられたキャップ１８に嵌り込む玉軸受けから成り、リードスクリュー１１の他方端の遊端部１１ｂに形成された凹面１１ｃが嵌り込み、遊端部１１ｂをラジアル方向およびスラスト方向に支持する。
　振動体１２は、圧電素子１２ａに、移動体１３側に接触部材１２ｂを、その反対側に安定のための錘部材１２ｃを備えて構成され、不図示の規制部材によって、ケース１５に対して回転が規制されながら、移動体１３との軸心が位置決めされて保持される。加圧部材１４によって、振動体１２は、移動体１３側（図中右方）に付勢され、接触部材１２ｂが移動体１３に押付けられる。これに対して、前記第２の軸受け部材１７は、移動体１３からリードスクリュー１１への押圧力によるキャップ１８からの反力を回転中心で受け止め、これによって摩擦ロスを最小限に抑えられるように構成されている。そして、このキャップ１８には、フレーム３との間にネジ１８ａが刻設されており、ネジ１８ａの回転量によってキャップ１８が図中左右方向に移動することで、押圧力が調整可能とされている。そして、その調整後、例えば、接着によって該キャップ１８は、フレーム３に固定される。
　図３は、前記振動体１２の六面図であり、（ａ）は上面図であり、（ｂ）は正面図であり、（ｃ）は側面図であり、（ｄ）は底面図である。図３において、前述のとおり、振動体１２は、複数の圧電層１２ｆが積層された積層型の圧電素子１２ａに、移動体１３側に接触部材１２ｂを、その反対側に錘部材１２ｃを備え、それらが接着で結合されて構成される。接着剤には、剛性が高く、接着力の高いエポキシ系接着剤が使用される。接触部材１２ｂは、耐摩耗性の高いアルミナ、ジルコニアなどによるセラミックスから成る。この接触部材１２ｂは、３つの球面状の接触部１２ｄが、圧電素子１２の周方向に等間隔（１２０°間隔）で形成されて配置されており、前述の加圧部材１４の押圧力によって、前記球面状の接触部１２ｄの各頂点１２ｅが移動体１３に接触する。錘部材１２ｃは、後述するような圧電素子１２ａの屈曲振動による基端側の振れを抑えるために、比重の高いタングステン、或いは銅や鉄系のタングステン合金などから成る。
　図４は、前記積層型の圧電素子１２ａの一層当りの表裏両面を示す平面図および底面図である。各圧電層１２ｆは、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）から成る圧電体層１２ｇを挟んで、一方の面（図４（ａ））には、周方向に等間隔（９０°間隔）に、図示しない駆動回路からの駆動信号が入力される複数の駆動電極ＩＡ，ＩＢ，ＩＣ，ＩＤが形成されて配置されるとともに、後述する該圧電素子の屈曲変位の最も大きいできるだけ外周側の領域を含むように、図示しない検出回路へ検出信号を出力する検出電極ＩＳが複数の駆動電極ＩＡ，ＩＢ，ＩＣ，ＩＤと領域分割されて形成され、配置される。圧電層１２ｆ（圧電体層１２ｇ）の一方の面（図４（ａ））が複数の領域に分割され、この領域分割されたそれぞれの領域に、駆動電極ＩＡ，ＩＢ，ＩＣ，ＩＤおよび検出電極ＩＳが配置されている。複数の駆動電極ＩＡ，ＩＢ，ＩＣ，ＩＤは、図４に示す例では４個となっている。そして、図４（ａ）に示す例では、周方向に９０゜間隔で配置される４個の駆動電極ＩＡ，ＩＢ，ＩＣ，ＩＤにおける隣接配置された２個の駆動電極ＩＤおよびＩＣ間に、検出電極ＩＳが配置されている。そして、他方の面（図４（ｂ））には共通にベタのＧＮＤ電極ＩＧが形成される。これらの内部の電極ＩＡ，ＩＢ，ＩＣ，ＩＤ；ＩＳおよびＩＧは、銀パラジウムの印刷などで形成され、積層される圧電体層１２ｇの層間で、駆動電極ＩＡ，ＩＢ，ＩＣ，ＩＤおよび検出電極ＩＳと、ＧＮＤ電極ＩＧとが交互に形成される。
　各圧電層１２ｆにおける電極ＩＡ，ＩＢ，ＩＣ，ＩＤ；ＩＳおよびＩＧは、銀や金などをスクリーン印刷や蒸着などで形成された外部電極ＯＡ，ＯＢ，ＯＣ，ＯＤ；ＯＳおよびＯＧによって、それぞれ共通に接続される（図３（ｂ）、（ｃ）、図４）。その外部電極ＯＡ，ＯＢ，ＯＣ，ＯＤ；ＯＳおよびＯＧには、リード線やフレキシブル基板（図３の例ではリード線１２ｈ）などがハンダや導電性接着剤などで接合され、図示しない前記駆動回路や検出回路との間で駆動信号の入力や検出信号の出力が行われる。これら外部電極ＯＡ，ＯＢ，ＯＣ，ＯＤ；ＯＳおよびＯＧを形成し易くするために、圧電素子１２ａは、円柱または角柱状、特に四角柱が好ましい。各圧電層１２ｆならびにそれに形成された電極ＩＡ，ＩＢ，ＩＣ，ＩＤ；ＩＳおよびＩＧは、積層後に、同方向に分極される。
　このように構成される圧電素子１２ａに対して、前記図示しない駆動回路から各駆動電極ＩＡ，ＩＢ，ＩＣ，ＩＤとＧＮＤ電極ＩＧとの間に、前記等間隔（９０°間隔）に対応する位相が互いに９０°ずれた高周波の電界が与えられることで、各駆動電極ＩＡ，ＩＢ，ＩＣ，ＩＤの領域は、９０°位相がずれた伸縮振動を行う。そして、前記駆動信号の周波数を共振周波数に近付けると、該圧電素子１２ａには図５で示すような屈曲１次モードの振動が、前記９０°位相がずれて励起される。
　ここで、前述のように圧電素子１２ａの基端側には錘部材１２ｃが取付けられるとともに、加圧部材１４を介してケース１５に略固定されており、前記屈曲振動によって、先端側の接触部１２ｄは、前記屈曲振動に応じた所定の運動、例えば公転運動（首振り振動）を行う。その結果、接触部１２ｄの各頂点１２ｅには、図６において参照符号１２ｒで示すように、互いに位相が１２０°ずれた楕円振動が生成され、移動体１３は、加圧部材１４による押圧力とこの楕円振動１２ｒとによって発生する摩擦力で、圧電素子１２ａの軸線回りに回転駆動される。前記図３と同様に、図６（ａ）は振動体１２の上面図であり、図６（ｂ）は正面図である。
　これに対して、図７は、移動体１３の斜視図であり、図８は、移動体１３と振動体１２の接触部材１２ｂとの接触部付近を展開して示す断面図である。なお、これらの図７および図８は、図３および図６とは上下関係が逆になっている。移動体１３は、前記回転を取出す軸としてのリードスクリュー１１と、リードスクリュー１１に固着される移動体本体１３ａと、移動体本体１３ａに積層されるカバー板１３ｂとを備えて構成され、移動体本体１３ａのカバー板１３ｂ側の面において、半径方向に延びて周方向に等間隔に溝１３ｃが形成されて配置されている。そして、この溝１３ｃが構造的に不均一な部分であり、検出域１３ｄとなる。また、溝１３ｃが形成されていない部分が構造的に均一な部分であり、駆動（通常）域１３ｅとなる。
　移動体１３の作成は、ステンレスなどの金属から成る移動体本体１３ａに、機械加工やエッチングなどで溝１３ｃを形成した後、ステンレスなどから成る薄板のカバー板１３ｂを積層することで、行われる。カバー板１３ｂには、耐摩耗性を向上させるために、窒化処理などが施されている。移動体本体１３ａへのカバー板１３ｂの積層は、薄い接着層などで接合したり、中心付近をスポット溶接などで結合することで行われ、移動体本体１３ａとカバー板１３ｂとが、ずれなく一体で回転するようになっていればよい。このように構成することで、円筒の本体から出力軸が延びる通常の円筒型のモータと同じ形状の超音波モータ１を実現することができる。
　上述のように構成される超音波モータ１において、図８は、振動体１２による移動体１３の駆動の様子を模式的に示す図である。この図８を参照して、圧電素子１２ａを共振状態で駆動すると、接触部１２ｄの頂点１２ｅの楕円振動１２ｒによって、移動体１３は、矢符１３ｆで示す図の左方に移動（回転）され、前記頂点１２ｅは、移動体１３の駆動域１３ｅと検出域１３ｄとの上を交互に通過する。ここで、溝１３ｃ、すなわち検出域１３ｄは、頂点１２ｅが同じタイミングで通過するように、すなわち１２０°毎の頂点１２ｅに対して、検出域１３ｄは、１２０°／ｎ（ｎは整数で、図８ではｎ＝４）毎に形成されている。
　これによると、検出電極ＩＳから出力される検出電圧の電圧と位相とは、それぞれ図９（ａ）および図９（ｂ）で示すようになる。先ず、図９（ａ）は、検出電圧の振幅値を示すもので、参照符号α１１（実線）が駆動域１３ｅの場合に対応し、参照符号α１２（破線）が検出域１３ｄの場合に対応している。検出電圧が最大値、すなわち歪が最大となる周波数ｆ０が共振点であり、その近傍で振幅値は、大きく変化する。駆動は、その近傍の周波数ｆ０’で行われている。頂点１２ｅが検出域１３ｄに入ると、共振周波数は、低周波側のｆ０''へシフトし、圧電素子１２ａの歪量も少なくなる。これによって、振幅は、ΔＶだけ低下する。これは、駆動域１３ｅと検出域１３ｄとで移動体１３の接触部のばね定数が異なるためで、駆動域１３ｅではカバー板１３ｂの直下に移動体本体１３ａがあるので、接触点での剛性が高いのに対して、検出域１３ｄではカバー板１３ｂの直下は空隙であり、接触点での圧を該カバー板１３ｂの弾性で支える構造となり、剛性が低下しているためである。こうして、圧電素子１２ａの共振周波数は、低下し、駆動域１３ｅ上と検出域１３ｄ上とでは、圧電素子１２ａの共振状態が変化する。
　また、図９（ｂ）は、駆動信号に対する検出電圧の位相差を示すもので、参照符号α２１（実線）が駆動域１３ｅの場合に対応し、参照符号α２２（破線）が検出域１３ｄの場合に対応している。上述と同様の理由で、頂点１２ｅが検出域１３ｄに入り、共振周波数が低周波側へシフトすると、検出電圧の位相は、Δθだけ進む。図１０は、その位相差を説明するための図であり、図１０（ａ）は、駆動域１３ｅの通過中を示し、図１０（ｂ）は、検出域１３ｄの通過中を示す。図１０（ａ）および（ｂ）において、共に、駆動信号が実線で示され、検出電圧が破線で示されている。駆動域１３ｅを通過中の偏差θ１に対して、剛性が低下する検出域１３ｄの通過中は、偏差θ２は、大きく、すなわち前記位相差（遅れ）は、大きくなる。
　これを利用して、この超音波モータ１の駆動回路２１，３１は、例えば、それぞれ図１１および図１２で示すように構成される。図１１は、前記検出電極ＩＳの図９（ａ）で示す検出電圧の振幅値に基づいて位置検出を行う駆動回路２１を示すもので、図１２は、図９（ｂ）で示す位相差に基づいて位置検出を行う駆動回路３１を示すものである。駆動回路２１，３１は、共に、駆動部２２，２２、位置検出部２３，３３および制御部２４，３４を備えて構成される。
　この駆動部２２は、駆動回路２１，３１で共通な構成で、駆動電圧発生部２５と、位相シフト部２６と、フィルタ部２７とを備えて構成される。駆動電圧発生部２５は、圧電素子１２ａを駆動するために充分なパワーの高周波信号を生成可能である。その高周波信号は、位相シフト部２６に入力されて、前述のとおり、互いに位相が９０°ずれた４相の駆動信号を作成し、高調波除去用のフィルタ２７を介して、各駆動電極ＩＡ，ＩＢ，ＩＣ，ＩＤとＧＮＤ電極ＩＧとの間に印加される。
　位置検出部２３は、前記振幅検出を行うために、振幅検出部２８、偏差算出部２９および位置演算部３０を備えて構成される。振幅検出部２８は、検出電極ＩＳから出力される検出電圧の振幅値（出力電圧）を検出し、偏差算出部２９は、その振幅値と既知の理想振幅値（最適駆動の振幅値）との偏差を演算し、その演算結果から、位置演算部３０は、移動体１３の回転位置（回転量）や回転速度を検出する。制御部２４は、駆動電圧発生部２５に、正逆所望の方向の前記駆動信号を発生させる。
　これに対して、もう１つの位置検出部３３は、前記位相検出を行うために、位相差検出部３８、偏差算出部３９および位置演算部４０を備えて構成される。位相差検出部３８は、検出電極ＩＳから出力される検出電圧と、いずれかの相への駆動信号との位相差を検出し、偏差算出部３９は、その位相差と所定の位相差（最適駆動の位相差）との偏差を演算し、その演算結果から、位置演算部４０は、移動体１３の回転位置（回転量）や回転速度を検出する。
　以上のように、本実施の形態の超音波モータ１には、振動体１２と移動体１３との接触部に、振動体１２の振動状態を変化させるために移動体１３の移動方向に対して構造的に不均一な部分である検出域１３ｄと構造的に均一な部分である駆動域１３ｅとが形成されて在り、本実施の形態の超音波モータ１は、振動体１２の接触部１２ｄの頂点１２ｅがこの検出域１３ｄを通過することによる振動体１２の振動状態の変化（パターン）を検出部で検出することで、エンコーダなどのセンサレスで、移動体１３の回転位置（回転量）や回転速度の検出を可能なセルフセンシング方式の超音波モータ１であり、そして、本実施の形態の超音波モータ１には、圧電素子１２ａを複数の圧電層１２ｆが積層された円柱または角柱状に形成されるとともに、各圧電層１２ｆには周方向に領域分割された複数の駆動電極ＩＡ，ＩＢ，ＩＣ，ＩＤが形成されて配置される。そして、本実施の形態の超音波モータ１には、圧電素子１２ａにおいて、高周波振動による振動の腹、すなわち変形による歪の最も大きい領域を含むように形成され、前記振動状態を検出可能な検出電極ＩＳと、検出電極ＩＳでの検出電圧の振幅または位相から、移動体１３の位置を検出する位置検出部２３，３３とを備えて、前記検出部が構成される。
　したがって、移動体１３の回転位置や回転速度の検出が可能なセルフセンシング方式を実現するために形成される不均一な検出域１３ｄの接触部１２ｄの通過を、前記検出電極ＩＳが高感度、したがって高い分解能で検出することができ、位置検出部２３，３３は、確実に位置検出を行うことができる。また、超音波モータ１は、前記構造的に不均一な検出域１３ｄと前記構造的に均一な駆動域１３ｅとを高感度に検出することができるので、それらの差を必要以上に大きくしなくてもよく、前記不均一な検出域１３ｄの形成による駆動性能の低下を最小限に抑えることができる。より具体的には、カバー板１３ｂの厚さを厚く、または、溝１３ｃの幅を狭くすることで、検出域１３ｄの剛性を上げ、検出域１３ｄを接触部１２ｄの頂点１２ｅが通過する際の駆動性能の低下（楕円振動１２ｒの減衰）を軽減することができる。
　ここで、図１３には、前記特許文献１と本実施の形態とにおける検出素子の構造の比較を模式的に示す。図１３（ａ）は、特許文献１の構造を示すもので、圧電素子の変位によって弾性体１０１が共振し、圧電素子の変位を拡大するようになっている。圧電素子の外部には、圧電素子の面全体に亘る検出用の電極が１層または２層形成されている。すなわち、特許文献１における検出用の電極は、圧電素子の面を領域分割して形成されていない。２層の場合は、位置分解能を上げるために、１層ずつ信号処理が行われるので、実質、この図１４（ａ）の構成となる。
　これに対して、本実施の形態では、圧電素子１２ａ自身が共振変位を拡大し、しかも前述のように積層構造で、各圧電層１２ｆ（１２ｇ）に、駆動電極ＩＡ，ＩＢ，ＩＣ，ＩＤと領域分割して検出電極ＩＳが形成され、しかもその検出電極ＩＳが複数層に亘って同相位置に形成され、外部電極ＯＳで並列に接続されている。
　したがって、検出電極ＩＳと圧電層１２ｇを挟んで反対側の面に形成されるＧＮＤ電極ＯＳとの間の容量が等しく、各圧電層１２ｆの歪が等しいとすると、本実施の形態の方が、層数ｎ倍の電荷が発生し、仮に、同量のノイズ（図中Ｑｎ）が発生したとすると、約層数ｎ倍のＳ／Ｎを得ることができる。また、各圧電層１２ｆ内の歪みの最も大きい部分に検出電極ＩＳを形成するので、効率良く信号を取出すことができ、これによってもまた、感度が高くなる。
　また、特許文献１の場合では、最も歪が大きくなる振動の腹は、棒状の弾性体１０１の中央部１０１ａにあり、端部に設けられる圧電素子で検出できる歪の量は、比較的小さいものとなり、特許文献１の超音波モータは、効率的に電荷を取り出せる構造となっていない。これに対して、本実施の形態の場合では、圧電素子１２ａ自身が共振し、圧電素子１２ａがその変位を拡大する構成であるとともに、前記屈曲１次モードの振動における２箇所の節（両端部）に挟まれた変形が最も大きい振動の腹となる中央部１２ｋ付近に、前記検出電極ＩＳは、形成されている。このため、本実施の形態の超音波モータ１は、検出感度を高めることができ、また高分解能に対応することができる。
　さらに、特許文献１の構成では、別途に検出用の圧電層を設ける必要があり、振動体が長くなる。これに対して、本実施の形態では、駆動電極ＩＡ，ＩＢ，ＩＣ，ＩＤと同一の面内で検出電極ＩＳが領域分割することで配置されているので、振動体（圧電素子１２ａ）を長くする必要がない。また、本実施の形態の超音波モータ１は、駆動電極ＩＡ，ＩＢ，ＩＣ，ＩＤと検出電極ＩＳとの双方を前記振動の腹の位置に配置できるので、効率良く振動を励起できるとともに、感度良く検出を行うことができる。
　さらにまた、特許文献１のように、検出電極を設けず、インピーダンス整合素子（コイル）を用いて圧電素子に掛かる電圧の変化を検出するような構成の場合、インピーダンス整合素子の周波数特性と振動体の周波数特性との双方によって、その変化の度合いが決まるので、個体差などによって、容易かつ安定に検出することは困難である。また、前記インピーダンス整合素子を付加する必要があり、回路規模が大きくなる。これに対して、本実施の形態の超音波モータ１では、前記個体差などに左右されることがなく、安定した検出が可能である。
　上述の説明では、検出電極ＩＳからの出力が電圧として取出されたけれども、該検出電極ＩＳとＧＮＤ電極ＩＧとの間を短絡する電流検出で出力が取出されてもよい。その場合、外部ノイズＱｎに対して、電圧による取出しよりも検出が強くなるが、特許文献１では、電荷の発生量が小さいので、電流レベルが非常に小さく、検出が困難となる。
　［実施の形態２］
　図１４は、本発明の実施の他の形態に係る積層型の圧電素子１２ｘの一層当りの表裏両面を示す平面図および底面図である。この圧電素子１２ｘは、前述の図４で示す圧電素子１２ａに類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、この圧電素子１２ｘの各圧電層１２ｆは、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）から成る四角形の圧電体層１２ｇを挟んで、一方の面（図１４（ａ））には図示しない駆動回路からの駆動信号が入力される駆動電極ＩＡ，ＩＢ，ＩＣおよび図示しない検出回路へ検出信号を出力する検出電極ＩＳが形成されて配置され、他方の面（図１４（ｂ））には共通にベタのＧＮＤ電極ＩＧが形成されることである。そして、前述の駆動回路２１，３１から各駆動電極ＩＡ，ＩＢ，ＩＣとＧＮＤ電極ＩＧとの間に、前記各駆動電極ＩＡ，ＩＢ，ＩＣの位置的な位相に対応する位相がずれた駆動信号（０°→９０°→１８０°、または０°→－９０°→－１８０°）による高周波の電界が与えられることで、圧電素子１２ｘには振幅の方向差が生じるが、前述の図５で示すような屈曲１次モードの振動を生じる。圧電素子１２ａ，１２ｘの楕円振動の励起には、最低３個の駆動電極があれば可能であり、このように構成することで、出力は低下するが、外部電極ＯＡ，ＯＢ，ＯＣ；ＯＧの数を減らすことができる。また、圧電素子１２ａ，１２ｘは、円柱状に形成されてもよい。
　［実施の形態３］
　図１５は、本発明の実施のさらに他の形態に係る移動体１３ｘを振動体１２で駆動する様子を模式的に示す図である。振動体１２は、前述の図８等と同一である。注目すべきは、この移動体１３ｘでは、移動体本体１３ｙ上に、半径方向に延びて周方向に等間隔に所定の摩擦係数を持つ低摩擦係数層１３ｚが形成され、前記構造的に不均一な検出域１３ｄと成ることである。この低摩擦係数層１３ｚは、ＤＬＣなど摩擦係数の低い材料をパターニングして形成される。これによって低摩擦係数層１３ｚは、移動体本体１３ｙにおける駆動域１３ｅの摩擦係数よりも低くなる。前記検出電極ＩＳは、摩擦係数の差による振動状態の変化を検出することになり、その場合、前記振動状態には、上述のような共振周波数の変化は起こらず、主にすべりによる振動減衰の変化が生じるが、位置検出部２２，３３は、同様の方式で位置検出を行うことができる。このようにしてもまた、円筒の本体から出力軸が延びる通常の円筒型のモータと同じ形状の超音波モータを実現することができる。
　本明細書は、上記のように様々な態様の技術を開示しているが、そのうち主な技術を以下に纏める。
　一態様に係る超音波モータは、複数の圧電層が積層され、これら各圧電層には複数の駆動電極を有する圧電素子を備え、前記圧電素子が高周波振動を行う振動体と、前記振動体に加圧接触し、前記高周波振動によって移動される移動体と、前記複数の圧電層において、前記高周波振動による振動の腹の領域を含み、かつ前記駆動電極と領域分割されて配置され、前記振動状態を検出可能な検出電極と、前記検出電極での検出電圧の振幅または位相から、前記移動体の位置を検出する位置検出部とを備える検出部とを備え、前記振動体と移動体との接触部には、前記振動体の振動状態を変化させるために前記移動体の移動方向に対して構造的に不均一な部分が在り、その不均一な部分の通過による前記振動体の振動状態の変化を前記検出部で検出することで、前記移動体の位置に関する情報が検出可能にされている。
　この構成によれば、複数の駆動電極を有する圧電層を複数積層した圧電素子における前記複数の圧電層のそれぞれには、高周波振動による振動の腹の領域を含み、かつ前記駆動電極と領域分割されて配置され、前記振動の状態を検出可能な検出電極が設けられている。このため、このような構成の超音波モータは、このような検出電極が設けられているので、位置検出において、検知感度およびＳ／Ｎを高くすることができる。
　また、他の一態様に係る超音波モータは、圧電素子が高周波振動を行う振動体と、前記振動体に加圧接触し、前記高周波振動によって移動される移動体と、検出部とを備え、前記振動体と移動体との接触部には、前記振動体の振動状態を変化させるために前記移動体の移動方向に対して構造的に不均一な部分が形成され、その不均一な部分の通過による前記振動体の振動状態の変化を前記検出部で検出することで、前記移動体の位置に関する情報を検出可能にした超音波モータにおいて、前記圧電素子は、複数の圧電層が積層された円柱または角柱状に形成されて成り、各圧電層には領域分割された駆動電極を有し、前記検出部は、前記複数の圧電層において、前記高周波振動による振動の腹の領域を含み、かつ前記駆動電極と領域分割され、前記振動状態を検出可能な検出電極と、前記検出電極での検出電圧の振幅または位相から、前記移動体の位置を検出する位置検出部とを備えて構成される。
　この構成によれば、振動体と移動体との接触部には、前記振動体の振動状態を変化させるために前記移動体の移動方向に対して構造的に不均一な部分が形成され、その不均一な部分の通過による前記振動体の振動状態の変化を検出部が振動体を構成する圧電素子の振動変化として検出する。このため、このような構成の超音波モータは、エンコーダなどのセンサレスで、移動体の回転位置（回転量）や回転速度の検出を可能にしたセルフセンシング方式の超音波モータとなる。
　上記構成によれば、前記圧電素子が、複数の圧電層を積層した円柱または角柱状に形成されるとともに、各圧電層には領域分割された駆動電極が形成される。そして、前記検出部が、前記複数の圧電層において、前記高周波振動による振動の腹、すなわち変形が最も大きい領域を含み、かつ前記駆動電極と領域分割され、前記振動状態を検出可能な検出電極と、前記検出電極での検出電圧の振幅または位相から、前記移動体の位置を検出する位置検出部とを備えている。
　このため、移動体の回転位置や回転速度の検出が可能なセルフセンシング方式を実現するために形成される不均一な部分の接触部の通過を、前記圧電素子の変形が最も大きい振動の腹の領域を含み、複数層で形成される検出電極は、高感度、したがって高い分解能で検出することでき、位置検出部は、確実に位置検出を行うことができる。また、前記不均一な部分と前記均一な部分とを高感度に検出することができるので、このような構成の超音波モータは、それらの差を必要以上に大きくしなくてもよく、前記不均一な部分の形成による駆動性能の低下を最小限に抑えることができる。
　また、他の一態様では、これら上述の超音波モータにおいて、前記検出電極は、各圧電層の同相位置に配置され、相互に並列接続されている。
　この構成によれば、圧電素子が複数ｎ層の圧電層が積層されて構成される場合、その各圧電層に、しかも同相位置に前記検出電極を形成し、相互に並列に接続することで、該検出電極と前記圧電層を挟んで反対側の面に形成されるＧＮＤ電極との間の容量がｎ倍に増加することになる。
　したがって、このような構成の超音波モータは、検出感度を一層高めることができるとともに、ノイズに対する耐性を高めることができる。
　また、他の一態様では、これら上述の超音波モータにおいて、前記各圧電層には、周方向に４つの駆動電極が配置され、前記各駆動電極に対して、位相が互いに９０°ずれた高周波の電界が与えられることで、前記振動体には屈曲１次モードの振動を、位相がずれて生じ、前記検出電極は、前記屈曲１次モードの振動における２箇所の節に挟まれた振動の腹の領域を含む。
　この構成によれば、前記振動を、前述の変形が最も大きい領域である振動の腹の部分を含むように形成した検出電極で検出することで、検出感度を高めることができる。
　また、他の一態様では、これら上述の超音波モータにおいて、前記圧電素子は、周方向に分割された複数の駆動電極が配置された圧電層が複数積層されており、各駆動電極には前記駆動電極の位置的なずれ量に対応する位相が互いにずれた高周波の電界が与えられることで、前記振動体はその先端が前記屈曲１次モードの振動に応じた運動を行い、該振動体の先端に取付けられた接触部材によって前記移動体が該振動体の軸線回りに回転され、前記移動体は、前記回転を取出す軸と、前記軸に固着される移動体本体と、前記移動体本体に積層されるカバー板とを備え、前記移動体本体のカバー板側の面において、半径方向に延びて周方向に等間隔で配置される溝が前記構造的に不均一な部分と成る。
　この構成によれば、円筒の本体から出力軸が延びる通常の円筒型のモータと同じ形状の超音波モータを実現することができる。
　また、他の一態様では、これら上述の超音波モータにおいて、前記圧電素子は、周方向に分割された複数の駆動電極が配置された圧電層が複数積層されて成り、各駆動電極には前記駆動電極の位置的なずれ量に対応する位相が互いにずれた高周波の電界が与えられることで、前記振動体はその先端が前記屈曲１次モードの振動に応じた運動を行い、該振動体の先端に取付けられた接触部材によって前記移動体が該振動体の軸線回りに回転され、前記移動体は、前記回転を取出す軸と、前記軸に固着される移動体本体とを備え、前記移動体本体上に、半径方向に延びて周方向に等間隔で配置される所定の摩擦係数を持つ摩擦係数層が前記構造的に不均一な部分と成る。
　この構成によれば、円筒の本体から出力軸が延びる通常の円筒型のモータと同じ形状の超音波モータを実現することができる。
　また、他の一態様では、これら上述の超音波モータにおいて、前記各圧電層には、３つの駆動電極と１つの検出電極とが周方向に分割して配置され、前記各駆動電極に対して、前記駆動電極の位置的なずれ量に対応する位相が互いにずれた高周波の電界が与えられることで、前記振動体には屈曲１次モードの振動を、位相がずれて生じ、前記検出電極は、前記屈曲１次モードの振動における２箇所の節に挟まれた振動の腹の領域を含む。
　この構成によれば、各圧電層には、３つの駆動領域と１つの検出領域とが周方向に分割されて配置された超音波モータを提供することができ、前記振動を、前述の変形が最も大きい領域である振動の腹の部分を含むように形成した検出電極で検出することで、検出感度を高めることができる。
　また、他の一態様では、圧電振動体は、互いに積層された複数の圧電層と、前記複数の圧電層のそれぞれに配置された複数の駆動電極と、前記複数の圧電層において、当該圧電振動体の振動における腹の領域を含み、かつ前記駆動電極と領域分割されて配置され、前記振動の状態を検出可能な検出電極とを備える。
　この構成によれば、複数の駆動電極を有する圧電層が複数積層され、これら複数の圧電層のそれぞれには、その振動の腹の領域を含み、かつ前記駆動電極と領域分割されて配置され、前記振動の状態を検出可能な検出電極が設けられている。このため、このような構成の圧電振動体は、このような検出電極が設けられているので、位置検出において、検知感度およびＳ／Ｎを高くすることができる。
　この出願は、２００８年１０月７日に出願された日本国特許出願特願２００８－２６０７０６を基礎とするものであり、その内容は、本願に含まれるものである。
　本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および／または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。したがって、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。
　本発明によれば、超音波モータおよび圧電振動体を提供することができる。

Claims (7)

  1. 　複数の圧電層が積層され、これら各圧電層には複数の駆動電極を有する圧電素子を備え、前記圧電素子が高周波振動を行う振動体と、
    　前記振動体に加圧接触し、前記高周波振動によって移動される移動体と、
    　前記複数の圧電層において、前記高周波振動による振動の腹の領域を含み、かつ前記駆動電極と領域分割されて配置され、前記振動状態を検出可能な検出電極と、前記検出電極での検出電圧の振幅または位相から、前記移動体の位置を検出する位置検出部とを備える検出部とを備え、
    　前記振動体と移動体との接触部には、前記振動体の振動状態を変化させるために前記移動体の移動方向に対して構造的に不均一な部分が在り、その不均一な部分の通過による前記振動体の振動状態の変化を前記検出部で検出することで、前記移動体の位置に関する情報が検出可能にされていること
    　を特徴とする超音波モータ。
  2. 　前記検出電極は、各圧電層の同相位置に配置され、相互に並列接続されていること
    　を特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
  3. 　前記各圧電層には、周方向に４つの駆動電極が配置され、
    　前記各駆動電極に対して、位相が互いに９０°ずれた高周波の電界が与えられることで、前記振動体には屈曲１次モードの振動を、位相がずれて生じ、
    　前記検出電極は、前記屈曲１次モードの振動における２箇所の節に挟まれた振動の腹の領域を含むこと
    　を特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波モータ。
  4. 　前記圧電素子は、周方向に分割された複数の駆動電極が配置された圧電層が複数積層されており、各駆動電極には前記駆動電極の位置的なずれ量に対応する位相が互いにずれた高周波の電界が与えられることで、前記振動体はその先端が前記屈曲１次モードの振動に応じた運動を行い、該振動体の先端に取付けられた接触部材によって前記移動体が該振動体の軸線回りに回転され、
    　前記移動体は、前記回転を取出す軸と、前記軸に固着される移動体本体と、前記移動体本体に積層されるカバー板とを備え、前記移動体本体のカバー板側の面において、半径方向に延びて周方向に等間隔で配置される溝が前記構造的に不均一な部分と成ること
    　を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の超音波モータ。
  5. 　前記圧電素子は、周方向に分割された複数の駆動電極が配置された圧電層が複数積層されて成り、各駆動電極には前記駆動電極の位置的なずれ量に対応する位相が互いにずれた高周波の電界が与えられることで、前記振動体はその先端が前記屈曲１次モードの振動に応じた運動を行い、該振動体の先端に取付けられた接触部材によって前記移動体が該振動体の軸線回りに回転され、
    　前記移動体は、前記回転を取出す軸と、前記軸に固着される移動体本体とを備え、前記移動体本体上に、半径方向に延びて周方向に等間隔で配置される所定の摩擦係数を持つ摩擦係数層が前記構造的に不均一な部分と成ること
    　を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の超音波モータ。
  6. 　前記各圧電層には、３つの駆動電極と１つの検出電極とが周方向に分割して配置され、
    　前記各駆動電極に対して、前記駆動電極の位置的なずれ量に対応する位相が互いにずれた高周波の電界が与えられることで、前記振動体には屈曲１次モードの振動を、位相がずれて生じ、
    　前記検出電極は、前記屈曲１次モードの振動における２箇所の節に挟まれた振動の腹の領域を含むこと
    　を特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波モータ。
  7. 　圧電振動体であって、
    　互いに積層された複数の圧電層と、
    　前記複数の圧電層のそれぞれに配置された複数の駆動電極と、
    　前記複数の圧電層において、当該圧電振動体の振動における腹の領域を含み、かつ前記駆動電極と領域分割されて配置され、前記振動の状態を検出可能な検出電極とを備えること
    　を特徴とする圧電振動体。
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