JP4676395B2 - 圧電振動子とそれを有する超音波モータ - Google Patents

Description

本発明は超音波モータやアクチュエータなどに適用される圧電振動子に係るもので、特に非圧電性の弾性体を矩形柱状圧電体の一対の主表面上の中心に対して対称となる位置に取り付けることによって、１次長さ縦振動と２次撓み振動との複合振動を発生させる圧電振動子の構造に関するものである。

超音波モータは、一般の電磁モータと比較して、
（１）減速ギアを使わずに、低速・高トルクが得られる。
（２）応答が速い。
（３）電源を切ってもしっかりくっついたままになり保持トルクが必要ない。
（４）磁気の影響を受けず、電磁波を発生しない。
（５）静粛性がある。
などの利点があり、注目されている。

超音波モータ用圧電振動子には数多くの振動モードが提案されているが、矩形柱状弾性体の長さ縦振動の１次モード（λ/2モード）と撓み振動の２次モード（λモード）の複合振動が良く使われる。図１１に従来例の圧電振動子の一例を示す。リン青銅などの金属の矩形柱状弾性体１２の対向する側面に圧電セラミック板１aと１b及び１cと１d（図示せず）が設けられ、弾性体１２の上部に２枚の圧電セラミック１eと１fが設けられている。圧電振動子では、圧電セラミック板１a〜1dの同相伸縮振動により、矩形柱状弾性体１２の長さ方向の１次縦振動が励振される。また、上部の圧電セラミック板１e、1fの逆相伸縮振動により、金属弾性体12の２次撓み振動が励振される。１次長さ縦振動と２次撓み振動が９０°の位相差で同時に駆動されれば、図１２に示すような１次長さ縦振動−２次撓み振動の複合振動が励振される。この場合、振動子の各部、例えば、矩形柱状弾性体１２の足部１２aと１２bの運動軌跡が楕円となるので、振動子を平板（図示せず）の上に立てておくと、圧電振動子が矩形柱状弾性体の長さ方向（図１１の圧電セラミック板１e、１ｆの並び方向）へ滑り出し、リニア運動が生じる。(例えば、特許文献１参照)

しかしながら、図１１の圧電振動子は圧電体と金属体との複合体であり、圧電振動子全体の中で振動エネルギーを生ずる圧電体の体積割合が小さい。故に、十分強い振動で駆動することが困難であった。また、長さ縦振動と撓み振動が位相差で駆動されるので、２相電源が必要とされ、駆動部が複雑となっていた。

そこで、図１３に示される圧電振動子の構造が提案された。矢印Ｐの厚み方向で分極された長方形圧電セラミック板１において、対向する表裏面に一対の駆動電極３を設ける。ここで、駆動電極３には、その中心に対して対称の位置に電極の無い露出部１０a、１０ｂがあり、これにより駆動電極３はＳ字状を呈している。このＳ字状の駆動電極３は、長手方向の中心軸に対して非対称となり、図１２に示すように１次長さ縦振動と２次撓み振動との複合振動を励振することができる。（詳細は非特許文献１参照）この場合、図１４に示すように回転子４を圧電振動子の側面に圧着させると、回転子４を回転させることができる。また、図１３に示す圧電振動子の構造は、簡単且つ単相電源で駆動できるという利点がある。

しかしながら、図１３に示した圧電振動子は、
（１）回転子４は圧電体１と直接圧着されるので、圧電セラミックの磨耗が大きく寿命が短くなる。
（２）露出部１０a、１０bの圧電部分は駆動されていないので、一部の圧電エネルギーが利用されていない。
（３）可逆回転を実現させるためには、切り替えの電極パターンが必要で、圧電素子に設置された多数の配線が小型化の支障となる。
などの欠点がある。
特開平５−１１５１８５号公報 深海龍夫他、「超音波モーター駆動用圧電振動子」、電子情報通信学会 技術研究報告 EMD2006-5〜15 [機構デバイス]、２００６年６月３０日、Vol.106, No.130, p.13-16

そこで、本発明は単相電源で駆動する簡単な単板構造でありながら、長寿命且つ可逆動作可能な圧電振動子、およびそれを利用した超音波モータを提供することを目的とする。

本発明は、対向する主表面に一対の駆動電極を有する矩形柱状圧電体の前記主表面とは別の対向する一対の表面上のそれぞれに非圧電性の弾性チップを該表面の片寄った位置、換言すると面の中心から偏向した位置に接着する。ここで、２枚の前記弾性チップは前記矩形柱状圧電体の中心対称の位置に互いに対向しないように接着される。

若しくは、対向する一対の主表面に駆動電極を有する矩形柱状圧電体の外周を枠状の非圧電性の弾性フレームで囲い、非圧電性の突出部を前記矩形柱状圧電体の前記主表面とは別の対向する一対の表面にそれぞれ接着する。
ここで、当該突出部は、前記矩形柱状圧電体の中心に対して対称となる位置において前記矩形柱状圧電体と前記弾性フレームの間を機械的に結合するように接着される。

本発明は、矩形柱状圧電体の幅方向の対向する側面の両面のそれぞれ片寄った位置、換言すると、面の中心から偏向した位置に、互いに対向しないように非圧電性の弾性体を接着した構造を特徴としている。このような構造とすると矩形柱状圧電体は、１次縦振動とともに２次撓み振動を起こし、単相電源で２種類の振動を得ることが出来る。また、矩形柱状圧電体に直接、回転子またはプレートを圧着させず、耐摩耗性の高い弾性体に圧着させることで、長寿命の圧電振動子を得ることができる。

また、本発明の圧電振動子の構造は簡単なためコストが有利である。さらに、単相駆動でありながらも周波数制御により可逆動作を行うことが出来、制御系回路を簡略化することが可能である。

本発明による圧電振動子の第１の実施の形態として、対向する主表面に一対の駆動電極を備えた矩形柱状圧電体の前記主表面とは別の対向する両側面に、それぞれ非圧電性の弾性チップを接着する。ここで、弾性チップは、それぞれ前記矩形柱状圧電体の両側面の片寄った位置、換言すると、面の中心から偏向した位置に接着する。さらに好ましくは、２つの前記弾性チップは対向しないように、且つ前記矩形柱状圧電体の中心に対して対称の位置に接着する。

本発明による圧電振動子の第２の実施の形態として、対向する主表面に一対の駆動電極を備えた矩形柱状圧電体の周囲を非圧電性で枠状の弾性フレームで囲い、前記矩形柱状圧電体の前記主表面とは別の対向する両側面と前記弾性フレームの内側の面との間を非圧電性の突出部２箇所で機械的に接合する。ここで、突出部は、前記矩形柱状圧電体の側面に片寄った位置、換言すると偏向した位置に接着される。更に好ましくは、その突出部は前記矩形柱状圧電体の中心に対して対称、且つ互いに対向しない位置に接着される。

図１から図１０は、本発明の圧電振動子とその圧電振動子を利用した超音波モータを示している。
以下、本発明の圧電振動子および超音波モータについて図を参照して説明する。

図１は、本発明の圧電振動子の第１の実施例の構造を示す斜視図である。図１の矩形柱状圧電体１は、ジルコン酸鉛系（以下、ＰＺＴ系）圧電セラミックより成り、長さを18.4mm、幅を5mm、厚みを2.1mmのサイズに形成されている。矩形柱状圧電体１の対向する主表面全体に一対の駆動電極３が設けられている。矩形柱状圧電体１の厚み方向（図示矢印Ｐ方向）に分極されるように、幅方向に対する両側面にそれぞれ長さが５mm、幅が2.1mm、厚みが0.5mmの非圧電性、例えばアルミナセラミックなど、の弾性チップ２を接着する。ここで弾性チップ２は、幅方向に対する側面の片寄った位置、換言すると面の中心から偏向した位置に設置されている。更に具体的には、対向する側面にそれぞれ設けられた２つの弾性チップ２は、互いに対向しないように矩形柱状圧電体１の中心に対して対称の位置にある。

このような構造の圧電振動子では、駆動電極３に交流電圧を印加すると、矩形柱状圧電体１と弾性チップ２との接触箇所において応力拘束がなされ、長さ方向の１次縦振動だけではなく、矩形柱状圧電体１の長さ−幅平面内の２次撓み振動も励振される。長さ方向の１次縦振動の共振周波数は矩形柱状圧電体１の長さＬに依存し、２次撓み振動は長さＬと幅Ｗに依存するので、二つの振動モードの共振周波数を接近させるには、Ｌ/Ｗの比を約３.６〜３.９とする。本実施例のＬ/Ｗ比は約３.７であるため、交流電圧の周波数を適切な値に設定することにより１次長さ縦振動と２次撓み振動を同時に励振することができ、１次縦振動−２次撓み振動の複合振動が生じる。

図２は圧電振動子のインピーダンス特性を示す。結果により、１次長さ縦振動−２次撓み振動の複合振動は二つの振動形態が存在することが分かる。ｆ1＝８７ｋＨｚの低域側振動は図３に示したように、１次長さ縦振動が主成分の複合振動であるのに対して、ｆ２＝９８ｋＨｚの高域側振動は図４に示したように、２次撓み振動が主成分の複合振動である。

アルミナセラミックの弾性チップ２はＰＺＴ 系圧電セラミックの矩形柱状圧電体１よりも耐磨耗性が高い。このため、回転子等の直接接触によって生起する磨耗劣化による短寿命化の問題は、接触面にアルミナセラミックの弾性チップを採用することで大きく改善でき、長寿命の圧電振動子を実現できる。また、駆動電極３は、矩形柱状圧電体１の主表面全体に形成されているため、従来の圧電振動子よりも矩形柱状圧電体１の振動エネルギーを有効に利用することができる。

機械負荷、例えば、モータの回転子やアクチュエータのプレートなど、を圧電振動子の弾性チップ２に接触させた場合、弾性チップ２と機械的負荷の接触界面の運動軌跡が楕円になり、機械負荷を回転させたり、滑り出させたりする力が発生する。図５、図６はそれぞれ図３、図4に示した振動モードにおいて、回転子４を弾性チップ２の各位置に接触させた時の回転方向示す。ここで図５、図６中の円矢印の大きさは、各位置に回転子４を接触させた時に回転子4に生じる回転速度を表す。図３に示した１次縦振動−２次撓み振動の複合振動（周波数ｆ1＝８７ｋＨｚ）が励振された場合、図５に示したように回転子４が右回りの方向で回転している。それに対して図４に示した１次縦振動−２次撓み振動の複合振動（周波数ｆ２＝９８ｋＨｚ）が励振された場合では、図６に示したように回転子４が左回りの方向で回転している。従って、図７に示したように、周波数ｆ1とｆ２を切り替えるだけで、回転子４の回転方向を制御することができる。

図８は、本発明の圧電振動子を用いたリニア型超音波モータの動作例である。スチールなどの磁性プレート９に細長い溝８が設けられており、圧電振動子の弾性チップ２の一方が溝８に圧着されている。Ｕ字状に形成された永久磁石６が、シリコンゴム７を介入して、磁性プレート９と接触する弾性チップ２が接着された側面とは反対側の上部側面にまたがって固定される。永久磁石６と磁性プレート９との間に生ずる磁性吸引力により、矩形柱状圧電体１と磁性プレート９との間に一定の予備圧力が加わる。これにより接触界面の摩擦力を確保できる。交流電圧を印加すれば、圧電振動子が溝８に沿って移動することになり、図７の回転型と同様に、周波数ｆ1とｆ２を切り替えるだけで、リニア移動の方向を変えることができる。

図９は、本発明による圧電振動子の第２の実施例の構造を示す斜視図である。対向する主表面に一対の駆動電極３を具える単一の矩形柱状圧電体１と、その外周にある枠状の非圧電性の弾性体の金属フレーム５からなる複合圧電振動子の構造になっている。金属フレーム５の内側には突出部５１と５２が設けられており、この突出部５１と５２は、矩形柱状圧電体１の幅方向に対する側面の片寄った位置、換言すると面の中心から偏向した位置において、矩形柱状圧電体１と接着されている。更に具体的には、突出部５１と５２は、互いに対向することなく矩形柱状圧電体１の中心に対し対称の位置においてそれぞれの側面と接着されている。この図９の圧電振動子においては、突出部５１と５２が、前述の弾性チップ２と同様に矩形柱状圧電体１に１次縦振動−２次撓み振動の複合振動を励振させることを可能とさせる。交流電圧を印加すると、金属フレーム５には、１次長さ縦振動と２次撓み振動を含んだ多数の複合振動が発生する。図１０のように、回転子４を金属フレーム５に圧着させた場合、回転子４を回転することができるとともに、振動モードを切り替えることにより、可逆回転も実現できる。

本発明の圧電振動子の第１の実施例の斜視図である。 本発明の圧電振動子のインピーダンス特性を表す図である。 本発明の圧電振動子の１次縦振動と２次撓み振動との低域側複合振動を表す図である。 本発明の圧電振動子の１次縦振動と２次撓み振動との高域側複合振動を表す図である。 低域側複合振動を励振したときの弾性チップ接触時における回転子の回転方向と相対速度を表す図である。 高域側複合振動を励振したときの弾性チップ接触時における回転子の回転方向と相対速度を表す図である。 本発明の圧電振動子を用いた回転型超音波モータの実施例である。 本発明の圧電振動子を用いたリニア型超音波モータの実施例である。 本発明の圧電振動子の実施例２の斜視図である。 本発明の第２の実施例の圧電振動子を用いた回転型超音波モータの動作例である。 従来の圧電振動子の斜視図である。 図１１の構造の圧電振動子の振動モードである。 従来の圧電振動子の斜視図である。 従来の圧電振動子を用いた回転型超音波モータの動作例である。

符号の説明

１：矩形柱状圧電体、１a〜１f：圧電セラミック板、２：弾性チップ、３：駆動電極、４：回転子、５：金属フレーム、６：永久磁石、７：シリコンゴム、８：溝、９：磁性プレート、１０a、１０b：露出部、１２：矩形柱状弾性体、５１、５２：突出部

Claims (4)

1. 対向する一対の主表面に駆動電極を有する長さＬ/幅Ｗ比が３．６〜３．９の矩形柱状圧電体と、
   前記矩形柱状圧電体の前記主表面とは別の対向する一対の幅Ｗ方向に対する側面上の中心から偏向した位置にそれぞれ接着された非圧電性の弾性チップと、を具備し、
   ここで、２枚の前記弾性チップは、前記矩形柱状圧電体の中心に対し対称となるような位置に互いに対向しないように取り付けられ、
   前記駆動電極へ交流電圧を印加し、前記弾性チップが前記矩形柱状圧電体の前記弾性チップの接触部分において応力拘束を生じさせることにより前記矩形柱状圧電体の１次長さ縦振動と２次撓み振動の複合振動を励振させる
   ことを特徴とする圧電振動子。
2. 前記弾性チップの表面が機械的負荷との接触界面となることを特徴とする、請求項１に記載の圧電振動子を有した回転型またはリニア型超音波モータ。
3. 対向する一対の主表面に駆動電極を有する矩形柱状圧電体と、
   当該矩形柱状圧電体の外周を囲うように配置された枠状の非圧電性の弾性フレームと、
   前記矩形柱状圧電体の前記主表面とは別の対向する一対の主表面にそれぞれ接着された非圧電性の突出部と、を有し、
   ここで、当該突出部は、前記矩形柱状圧電体の中心に対して対称となる位置において前記矩形柱状圧電体と前記弾性フレームの間を機械的に結合するように接着され、
   前記駆動電極へ交流電圧を印加することにより前記矩形柱状圧電体の１次長さ縦振動と２次撓み振動を励振させる
   ことを特徴とする圧電振動子。
4. 前記圧電振動子の前記弾性フレームの表面が機械的負荷との接触界面となることを特徴とする、請求項３に記載の圧電振動子を有した回転型またはリニア型超音波モータ。

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