JP4349950B2 - Ultrasonic motor - Google Patents
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Description
本発明は、ランジュバン型の超音波振動子を備えた超音波モータに関する。 The present invention relates to an ultrasonic motor including a Langevin type ultrasonic transducer.
図5に示すように、2個の超音波振動子101a・101bと、超音波振動子101a・101bを所定の角度(例えば、90度)で保持する保持部材102と、略V字型の形状を有し、その頂点部で被駆動体であるスライダ105と接し、その端部(V字型の開いている方)で超音波振動子101a・101bと接続されたヘッド103と、を備えた共振型の超音波モータ100が知られている(例えば、特許文献1参照)。
As shown in FIG. 5, two
超音波振動子101aは圧電素子104aを備え、圧電素子104aはヘッド103と金具107aによって所定の力で締め付けられたランジュバン型構造を有しており、同様に、超音波振動子101bは圧電素子104bを備え、圧電素子104bはヘッド103と金具107bによって所定の力で締め付けられている。
The
超音波モータ100では、超音波振動子101a・101bを位相が90度ずれた共振周波数電圧で駆動すると、つまり圧電素子104a・104bに位相が90度ずれた共振周波数電圧を印加すると、ヘッド103の先端部に楕円運動が生ずる。そこで、リニアガイド106に取り付けられたスライダ105の側面に楕円運動するヘッド103を一定の力で押し付けると、ヘッド103とスライダ105との間に生ずる摩擦力によってスライダ105にリニアガイド106の延長方向の推力が与えられ、これによってスライダ105を移動させることができる。
In the
ここで、圧電素子104a・104bはそれぞれ、ヘッド103および金具107a・107bにグランド(アース)を取るために、単板の圧電セラミックスを2枚重ねた構造を有している。前述したように、圧電素子104a・104bはそれぞれ所定の力で締め付けられており、圧電素子104a・104bには機械部品としての強度が必要とされるため、単板の圧電セラミックスには一定の厚さが必要となる。
Here, each of the
しかし、単板の圧電セラミックスの厚さが厚い場合には、駆動電圧が高くなるという問題がある。圧電セラミックスの駆動電圧を低下させる方法としては、圧電セラミックスを多層化する方法が知られているが、超音波モータ100における圧電素子104a・104bの積層構造化については従来検討されていなかった。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、構造最適化がなされた積層型圧電素子を有するランジュバン型超音波振動子を備えた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 an object of the present invention is to provide an ultrasonic motor including a Langevin type ultrasonic transducer having a laminated piezoelectric element having a structure optimized.
本発明によれば、ランジュバン型の2個の超音波振動子と、前記2個の超音波振動子を所定の角度で保持する保持部材と、略V字型の形状を有し、その頂点部で被駆動体と接しかつ、その端部に前記2個の超音波振動子が接続されるヘッドと、を備えた超音波モータであって、
前記超音波振動子は、所定の金属板を挟んで2個の積層型圧電素子を対称に積層した状態で、各積層型圧電素子は、3以上の奇数層の圧電セラミックス層およびこれらの圧電セラミック層を挟む複数の電極層ならびに前記複数の電極層を1つおきに接続する外部電極を有する積層型圧電素子を備え、
前記積層型圧電素子の各端面に設けられている電極層に駆動電圧が印加されることを特徴とする超音波モータ、が提供される。
According to the present invention, there are two Langevin type ultrasonic transducers, a holding member that holds the two ultrasonic transducers at a predetermined angle, and a substantially V-shaped shape, and its apex portion An ultrasonic motor comprising: a head that is in contact with the driven body and has the two ultrasonic vibrators connected to the end thereof;
The ultrasonic transducer is formed by symmetrically laminating two laminated piezoelectric elements with a predetermined metal plate interposed therebetween, and each laminated piezoelectric element includes three or more odd-numbered piezoelectric ceramic layers and piezoelectric ceramics thereof. A multilayer piezoelectric element having a plurality of electrode layers sandwiching the layers and an external electrode connecting every other electrode layer;
An ultrasonic motor is provided in which a driving voltage is applied to an electrode layer provided on each end face of the multilayer piezoelectric element.
このような超音波モータでは、前記超音波振動子は金属板を介して2個の前記積層型圧電素子を積層した状態で備えていることが好ましい。また、前記積層型圧電素子は前記圧電セラミックス層と前記電極層とが一体焼成により形成された一体構造を有することが好ましい。 In such an ultrasonic motor, it is preferable that the ultrasonic transducer is provided in a state where the two stacked piezoelectric elements are stacked via a metal plate. The multilayer piezoelectric element preferably has an integral structure in which the piezoelectric ceramic layer and the electrode layer are formed by integral firing.
このような超音波モータによれば、駆動電圧を下げることができるために、昇圧トランスを小型化し、または昇圧トランスが不要となる。また、2つの積層型圧電素子を金属板を介して積層する構成とすることにより、高圧側とグランド側の電極取り出しが容易になり、リード線の断線を防止することができる。さらに積層型圧電素子として一体焼成法により作製された一体構造のものをもちいることにより、振動の伝達効率を高く維持し、また多数の圧電セラミックス板を用いた場合に起こりやすいスプリアス振動を抑制することができる。 According to such an ultrasonic motor, since the drive voltage can be lowered, the step-up transformer is downsized or the step-up transformer becomes unnecessary. Further, by adopting a configuration in which two stacked piezoelectric elements are stacked via a metal plate, it is easy to take out the electrodes on the high voltage side and the ground side, and the disconnection of the lead wire can be prevented. Furthermore, by using an integrated structure manufactured by an integral firing method as a laminated piezoelectric element, vibration transmission efficiency is maintained high, and spurious vibrations that are likely to occur when multiple piezoelectric ceramic plates are used are suppressed. be able to.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図1は、超音波モータ10の概略構造を示す断面図である。この超音波モータ10は、先に図5に示した超音波モータ100と比較すると、圧電素子の構造が異なることを除いて同じ構造を有しているが、ここで改めて超音波モータ10の全体構造についても詳しく説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic structure of the
超音波モータ10は、ランジュバン型の構造を有する2個の超音波振動子11a・11bと、超音波振動子11a・11bを90度の角度で保持する保持部材12と、被駆動体15に接する略V字型の形状を有するヘッド13とを有している。保持部材12には押圧機構14が取り付けられており、押圧機構14は所定の力でヘッド13を被駆動体15に押し当てている。
The
超音波振動子11aは、両端がネジ切りされたボルト21と、ボルト21のネジ溝に螺合するネジ穴を有する袋ナット22と、ボルト21を通すことができる2枚のリング状の積層型圧電素子23a・23bおよびリング状の金属板24a・24bとを有している。超音波振動子11bは、超音波振動子11aと同様に、ボルト21′と、袋ナット22′と、2枚のリング状の積層型圧電素子23a′・23b′と、リング状の金属板24a′・24b′とを有している。積層型圧電素子23a等の構造については後に詳細に説明する。
The
保持部材12にはボルト21・21′を通すための孔部が設けられている。ヘッド13は、被駆動体15に接する当接部13aと、超音波振動子11a・11bと連結される連結部13b・13b′と、当接部13aと連結部13b・13b′とを連結するネック部13c・13c′から構成されており、連結部13b・13b′にはそれぞれ、ボルト21・21′のネジ溝に螺合するネジ穴が形成されている。
The
積層型圧電素子23a・23bは袋ナット22とヘッド13の連結部13bによって所定の力で締め付けられ、これによってランジュバン型の超音波振動子11aが得られる。同様に、積層型圧電素子23a′・23b′は袋ナット22′とヘッド13の連結部13b′によって所定の力で締め付けられ、これによってランジュバン型の超音波振動子11bが得られる。
The laminated
このように、超音波モータ10においては、ヘッド13の連結部13bは超音波振動子11aの構成要素でもあり、同様に連結部13b′は超音波振動子11bの構成要素でもある。つまり、ヘッド13は被駆動体15に推力を与えるだけでなく、積層型圧電素子23a等を締め付けてランジュバン型振動子を構成する部材としての役割を担っている。
Thus, in the
ヘッド13には、耐摩耗性に優れるステンレスや超硬合金等の金属材料が好適に用いられる。この場合、連結部13b・13b′にボルト21・21′と連結するためのネジ溝を形成することが容易である。ヘッド13における当接部13aの表面に窒化ケイ素等の耐摩耗性に優れるセラミックスコーティングを施すことも好ましい。後述するように、積層型圧電素子23a・23a′のヘッド13側の端面には接地電極として用いられる内部電極32aが形成されているために、ヘッド13は接地電位に保持されることになる。
For the
ボルト21・21′と袋ナット22・22′と保持部材12にも金属材料が用いられる。したがって、ボルト21・21′を介してヘッド13と袋ナット22・22′とが導通し、さらに袋ナット22・22′と保持部材12は接地しているので、これら全ての部材が接地電位に保持されることになる。このため、保持部材12と接触している金属板24b・24b′が接地電極として用いられることとなる。逆に言えば、金属板24b・24b′を接地電極して用いることができるように、積層型圧電素子23等の構造を設定しなければならない。
Metal materials are also used for the
押圧機構14としては、例えば、エアーシリンダや油圧シリンダ、スプリングコイル等が用いられる。
As the
次に、積層型圧電素子23a等の構造について説明する。上述の通り、超音波振動子11a・11bの構造は実質的に同じであるから、以下、超音波振動子11aを構成する積層型圧電素子23a・23bについて説明する。図2に積層型圧電素子23a・23bの概略構造を示す断面図を示す。
Next, the structure of the multilayer
積層型圧電素子23aは、複数の圧電セラミックス層31が内部電極32a・32bにより挟まれた構造を有しており、内部電極32aと内部電極32bは積層方向に交互に設けられている。複数の内部電極32aは外部電極33aにより電気的に接続されており、複数の内部電極32bは外部電極33bにより電気的に接続されている。積層型圧電素子23a内に挿通されるボルト21(図2に図示せず)と内部電極32a・32bとが導通しないように、内部電極32a・32bは内孔側には露出していない。
The multilayer
積層型圧電素子23aは、一般的に知られているように、最初に圧電セラミックス粉末をシート状に成形してグリーンシートを作製し、グリーンシートにスクリーン印刷法により電極ペーストを印刷して所定枚数積層し、熱圧着により一体化し、次いで所定の条件で仮焼、焼成し、得られた焼成体を切削や研削加工を行った後、側面の所定位置に外部電極ペーストを塗布し、所定の温度で焼き付けることにより、製造することができる。このような一体焼成法によれば、圧電セラミックス層31を薄く形成することが容易である。
As is generally known, the multilayer
圧電セラミックス層31の積層数は奇数となっている。これにより、積層型圧電素子23aの積層方向端面の一方には内部電極32aが露出し、他方には内部電極32bが露出する。図2では、内部電極32aがヘッド13に接しているので、前述したようにボルト21、袋ナット22、保持部材12を介してヘッド13と導通する金属板24bを接地電極として用いる。一方、金属板24aと内部電極32bとが接しているので、金属板24aを高圧側電極として用いる。
The number of stacked piezoelectric
積層型圧電素子23bは積層型圧電素子23aと同じ構造を有しており、その内部電極32aが金属板24bと接し、その内部電極32bが金属板24aと接するように、金属板24aを挟んで積層型圧電素子23aと対称に配置されている。なお、積層型圧電素子23a・23bの各圧電セラミックス層31は、予め、内部電極32bを高圧側、内部電極32aを接地電極として、所定の電圧により分極処理される。
The laminated
金属板24a・24bにそれぞれリード線(図2に図示せず)が取り付けられ、これらのリード線を用いて駆動電圧を印加し、積層型圧電素子23a・23bを同時に駆動する(図1参照)。例えば、超音波振動子11aを構成する積層型圧電素子23a・23bを、例えばV1=V0sin2πft(f:共振周波数)で伸縮させ、かつ、超音波振動子11bの積層型圧電素子23a′・23b′をV2=V0cos2πftで伸縮させる。これによってヘッド13の当接部13aに楕円運動を生じさせることができ、被駆動体15と当接部13aの間の摩擦力を利用して、被駆動体15を移動させることができる。
Lead wires (not shown in FIG. 2) are attached to the
従来公知の積層型圧電素子では、外部電極にリード線をハンダ付けしている。しかし、超音波モータ10では積層型圧電素子23a・23bに大きな変位の振動を生じさせるために、従来のように外部電極33a・33bにリード線をハンダ付け等により取り付けた場合には、短時間の駆動により、この取り付け部分でリード線の脱離が起こってしまう。また、積層型圧電素子23a・23bが具備する圧電セラミックス層31の層数が偶数の場合には、積層型圧電素子23a・23bの両面に同じ内部電極(つまり、内部電極32aまたは32bのいずれか一方)が露出してしまうために、外部電極33a・33bのいずれか一方にリード線を取り付けなければならず、前述のリード線脱離の問題を回避することができない。
In a conventionally known multilayer piezoelectric element, lead wires are soldered to external electrodes. However, in the
このため、超音波モータ10では、圧電セラミックス層の層数を奇数とすることにより、外部電極33a・33bにリード線を取り付けることなく、積層型圧電素子23a・23bの端面に露出している内部電極32a・32bに金属板24a・24bを介して駆動電圧を印加することができる構成となっている。これにより超音波モータ10を長寿命とすることができる。また、超音波モータ10では、超音波振動子11aに積層型圧電素子23a・23bを用いることにより、駆動電圧を下げることができる。
For this reason, in the
積層型圧電素子23a・23bとしては、いわゆる接着型の積層型圧電素子を用いることもできる。超音波モータ10に用いることができる接着型の積層型圧電素子は、表裏面に電極膜が形成された所定の厚さの圧電セラミックス板がその分極の向きが電極膜を挟んで対称となるように接着剤で接着され、その側面に外部電極膜が形成された構造を有するものである。すなわち、従来より接着型の積層型圧電素子としては、圧電セラミックス板の間に金属箔を挟んだ構造を有しているものが知られているが、このような構造では接着層が倍増することによってスプリアス振動が発生しやすくなることや、接着層が圧電セラミックス板の振動の伝達を抑制するという問題があるために、超音波モータ10で用いるメリットは実質的にない。
As the stacked
このため接着型の積層型圧電素子を用いる場合にも、圧電セラミックス板の枚数を奇数とする必要があり、これにより接着型の積層型圧電素子自体にリード線を取り付けることなく、金属板24a・24bを駆動電極として用いることができるようになる。また、接着型の積層型圧電素子では、接着処理時のハンドリングの点から、圧電セラミックス板を薄くすることにも限界はあるが、厚肉単板の圧電素子を用いる場合と比較すると、低電圧駆動化が可能となる。
For this reason, even when an adhesive-type laminated piezoelectric element is used, the number of piezoelectric ceramic plates needs to be an odd number, so that the
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこのような形態に限定されるものではない。例えば、ヘッド13にはアルミナや窒化珪素、炭化珪素等のセラミックスを用いることができる。ヘッド13がアルミナ等の絶縁材料からなる場合には、ヘッド13と接触する積層型圧電素子23a・23a′の内部電極32aをアースするために、例えば、ヘッド13の連結部13b・13b′には直接にネジ穴を形成するのではなく、例えば六角柱状の穴を形成してこれにボルト21・21′と螺合する金属製のナットを挿入固定し、かつ、連結部13b・13b′と積層型圧電素子23a・23a′との間に金属板をそれぞれ挿入して、これらの金属板とナットとが導通する構成とすればよい。
As mentioned above, although embodiment of this invention has been described, this invention is not limited to such a form. For example, the
(a)単板型圧電素子(厚さ:8mm)、(b)一体焼成型の積層型圧電素子(圧電セラミックス層の厚さ:640μm、積層数;14層)、(c)接着型の積層型圧電素子(圧電セラミックス層の厚さ:750μm、積層数;10層)をそれぞれ用いて、3種類の超音波モータを作製した。図3に各超音波モータを用いてアルミナ製のステージを移動させた場合のステージ駆動特性を示す。ここで、各超音波モータのヘッドは120Nの予圧でステージに押圧されている。 (A) Single plate type piezoelectric element (thickness: 8 mm), (b) monolithic fired laminated piezoelectric element (thickness of piezoelectric ceramic layer: 640 μm, number of laminated layers: 14 layers), (c) adhesive laminated type Three types of ultrasonic motors were produced using each of the piezoelectric elements (thickness of piezoelectric ceramic layer: 750 μm, number of layers: 10 layers). FIG. 3 shows the stage drive characteristics when the alumina stage is moved using each ultrasonic motor. Here, the head of each ultrasonic motor is pressed against the stage with a preload of 120 N.
図3に示されるように、一体焼成型の積層型圧電素子を用いた超音波モータでは、低電圧で十分な移動速度が得られ、また駆動電圧を上げることにより被駆動体の高速移動が実現されることが確認された。接着型の積層型圧電素子を用いた超音波モータでも、従来の単板型圧電素子を用いた超音波モータと比較すると、駆動電圧を低電圧化することができることが確認された。 As shown in FIG. 3, in an ultrasonic motor using an integrally fired laminated piezoelectric element, a sufficient moving speed can be obtained at a low voltage, and the driven body can be moved at a high speed by increasing the driving voltage. It was confirmed that It has been confirmed that even an ultrasonic motor using an adhesive-type laminated piezoelectric element can reduce the drive voltage as compared with a conventional ultrasonic motor using a single-plate piezoelectric element.
図4に各超音波モータのヘッドを150Nの予圧でステージに押圧し、駆動電圧を70Vとしたときの機械的負荷特性を示す。図4では、各プロットを外挿したときの横軸(機械的負荷)との交点の値がステージに与えられる推力と考えられるため、この値が大きいほど重いステージでも高速で移動させることができる。図4に示されるように、単板型圧電素子を用いた超音波モータに対して、積層型の圧電素子を用いた超音波モータで機械的負荷の向上が確認され、特に、一体焼成型の積層型圧電素子を用いた超音波モータでは、高い機械的負荷特性が得られることが確認された。 FIG. 4 shows mechanical load characteristics when the head of each ultrasonic motor is pressed against the stage with a preload of 150 N and the drive voltage is 70V. In FIG. 4, since the value of the intersection with the horizontal axis (mechanical load) when each plot is extrapolated is considered to be the thrust applied to the stage, even a heavier stage can be moved at a higher speed as this value increases. . As shown in FIG. 4, an improvement in mechanical load was confirmed with an ultrasonic motor using a laminated piezoelectric element compared to an ultrasonic motor using a single-plate piezoelectric element. It was confirmed that an ultrasonic motor using a laminated piezoelectric element can obtain high mechanical load characteristics.
上記圧電セラミックス層の層数が奇数の一体焼成型の積層型圧電素子を用いた超音波モータと、この層数が偶数の一体焼成型の積層型圧電素子を用いた超音波モータとで、予圧を120N、駆動電圧を70Vとしてステージを駆動させたときの寿命を測定した。なお、圧電セラミックス層の層数が偶数の一体焼成型の積層型圧電素子では、端面に露出する両方の内部電極を接地電極として用いるために、側面に形成されている1の外部電極にリード線をハンダ付けすることにより、高圧側の駆動電圧を印加できる構成とした。その結果、セラミックス層の層数が偶数の一体焼成型の積層型圧電素子では約10時間でリード線がハンダ付けされた部分で脱離したが、セラミックス層の層数が奇数の一体焼成型の積層型圧電素子では、100時間経過後も特性低下や故障は現れなかった。 An ultrasonic motor using an integrally fired multilayer piezoelectric element having an odd number of piezoelectric ceramic layers and an ultrasonic motor using an even fired multilayer piezoelectric element having an even number of layers are preloaded. Was 120 N, the driving voltage was 70 V, and the lifetime was measured when the stage was driven. In addition, in an integrally fired laminated piezoelectric element having an even number of piezoelectric ceramic layers, lead wires are connected to one external electrode formed on the side surface in order to use both internal electrodes exposed on the end face as ground electrodes. By soldering, a driving voltage on the high voltage side can be applied. As a result, in the integrally fired multilayer piezoelectric element having an even number of ceramic layers, the lead wire was detached at the soldered portion in about 10 hours. In the multilayer piezoelectric element, no characteristic deterioration or failure occurred after 100 hours.
本発明の超音波モータは、半導体製造装置等に装備されるX−Yステージの駆動装置として好適である。 The ultrasonic motor of the present invention is suitable as a driving device for an XY stage equipped in a semiconductor manufacturing apparatus or the like.
10;超音波モータ
11a・11b;超音波振動子
12;保持部材
13;ヘッド
13a;当接部
13b・13b′;連結部
13c・13c′;ネック部
14;押圧機構
15;被駆動体
21・21′;ボルト
22・22′;袋ナット
23a・23b・23a′・23b′;圧電板
24a・24b・24a′・24b′;金属板
31;圧電セラミックス層
32a・32b;内部電極
33a・33b;外部電極
100;超音波モータ
101a・101b;超音波振動子
102;保持部材
103;ヘッド
104a・104b;圧電素子
105;スライダ
106;リニアガイド
107a・107b;金具
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記超音波振動子は、所定の金属板を挟んで2個の積層型圧電素子を対称に積層した状態で、各積層型圧電素子は、3以上の奇数層の圧電セラミックス層およびこれらの圧電セラミックス層を挟む複数の電極層ならびに前記複数の電極層を1つおきに接続する外部電極を有する積層型圧電素子を備え、
前記積層型圧電素子の各端面に設けられている電極層に駆動電圧が印加されることを特徴とする超音波モータ。 It has two Langevin type ultrasonic transducers, a holding member that holds the two ultrasonic transducers at a predetermined angle, and a substantially V-shaped shape. And an ultrasonic motor comprising a head to which the two ultrasonic transducers are connected at an end thereof,
The ultrasonic transducer, while stacking the two product layers piezoelectric elements symmetrically about a predetermined metal plate, each laminated piezoelectric element, of three or more odd number layers piezoelectric ceramic layers and these piezoelectric A laminated piezoelectric element having a plurality of electrode layers sandwiching a ceramic layer and an external electrode connecting every other electrode layer;
An ultrasonic motor, wherein a driving voltage is applied to an electrode layer provided on each end face of the multilayer piezoelectric element.
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