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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 ultrasonic transducers 101a and 101b, a holding member 102 that holds the ultrasonic transducers 101a and 101b at a predetermined angle (for example, 90 degrees), and a substantially V-shaped shape And a head 103 which is in contact with the slider 105 which is a driven body at the apex portion thereof, and which is connected to the ultrasonic transducers 101a and 101b at the end portion (the V-shaped open side). A resonance type ultrasonic motor 100 is known (see, for example, Patent Document 1).

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 ultrasonic transducer 101a includes a piezoelectric element 104a. The piezoelectric element 104a has a Langevin structure that is fastened with a predetermined force by a head 103 and a metal fitting 107a. Similarly, the ultrasonic transducer 101b includes a piezoelectric element 104b. The piezoelectric element 104b is fastened with a predetermined force by the head 103 and the metal fitting 107b.

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 ultrasonic motor 100, when the ultrasonic vibrators 101a and 101b are driven with a resonance frequency voltage whose phase is shifted by 90 degrees, that is, when a resonance frequency voltage whose phase is shifted by 90 degrees is applied to the piezoelectric elements 104a and 104b, An elliptical motion occurs at the tip. Therefore, when the elliptically moving head 103 is pressed against the side surface of the slider 105 attached to the linear guide 106 with a certain force, a frictional force generated between the head 103 and the slider 105 causes the slider 105 to extend in the extending direction of the linear guide 106. A thrust is given, and the slider 105 can be moved by this.

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 piezoelectric elements 104a and 104b has a structure in which two single-plate piezoelectric ceramics are stacked in order to obtain a ground (earth) to the head 103 and the metal fittings 107a and 107b. As described above, the piezoelectric elements 104a and 104b are respectively tightened with a predetermined force, and the piezoelectric elements 104a and 104b are required to have strength as mechanical parts. Is needed.

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。
特開2000−152671号公報
However, when the thickness of the single plate piezoelectric ceramic is large, there is a problem that the driving voltage becomes high. As a method for reducing the driving voltage of piezoelectric ceramics, a method of multilayering piezoelectric ceramics is known. However, the multilayer structure of piezoelectric elements 104a and 104b in the ultrasonic motor 100 has not been studied.
JP 2000-152671 A

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 ultrasonic motor 10. The ultrasonic motor 10 has the same structure as the ultrasonic motor 100 shown in FIG. 5 except that the structure of the piezoelectric element is different. The structure will also be described in detail.

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 ultrasonic motor 10 is in contact with two driven vibrators 15, two ultrasonic vibrators 11 a and 11 b having a Langevin structure, a holding member 12 that holds the ultrasonic vibrators 11 a and 11 b at an angle of 90 degrees. And a head 13 having a substantially V-shape. A pressing mechanism 14 is attached to the holding member 12, and the pressing mechanism 14 presses the head 13 against the driven body 15 with a predetermined force.

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 ultrasonic vibrator 11a includes a bolt 21 having both ends threaded, a cap nut 22 having a screw hole screwed into a screw groove of the bolt 21, and two ring-shaped laminated molds through which the bolt 21 can pass. It has piezoelectric elements 23a and 23b and ring-shaped metal plates 24a and 24b. Similar to the ultrasonic transducer 11a, the ultrasonic transducer 11b includes a bolt 21 ', a cap nut 22', two ring-shaped stacked piezoelectric elements 23a 'and 23b', and a ring-shaped metal plate 24a. '· 24b'. The structure of the laminated piezoelectric element 23a and the like will be described in detail later.

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 holding member 12 is provided with holes for allowing the bolts 21 and 21 'to pass therethrough. The head 13 connects the contact portion 13a in contact with the driven body 15, the connection portions 13b and 13b 'connected to the ultrasonic transducers 11a and 11b, and the contact portion 13a and the connection portions 13b and 13b'. Neck portions 13c and 13c 'are formed, and screw holes that are screwed into the screw grooves of the bolts 21 and 21' are formed in the connecting portions 13b and 13b ', respectively.

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 piezoelectric elements 23a and 23b are fastened with a predetermined force by the connecting portion 13b of the cap nut 22 and the head 13, whereby a Langevin type ultrasonic transducer 11a is obtained. Similarly, the laminated piezoelectric elements 23a ′ and 23b ′ are fastened with a predetermined force by the cap nut 22 ′ and the connecting portion 13b ′ of the head 13, whereby a Langevin type ultrasonic transducer 11b is obtained.

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 ultrasonic motor 10, the connecting portion 13b of the head 13 is also a component of the ultrasonic transducer 11a, and similarly, the connecting portion 13b 'is also a component of the ultrasonic transducer 11b. That is, the head 13 not only gives thrust to the driven body 15 but also plays a role as a member constituting a Langevin type vibrator by tightening the laminated piezoelectric element 23a and the like.

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 head 13, a metal material such as stainless steel or cemented carbide having excellent wear resistance is preferably used. In this case, it is easy to form screw grooves for connecting the bolts 21 and 21 'to the connecting portions 13b and 13b'. It is also preferable to apply a ceramic coating excellent in wear resistance such as silicon nitride on the surface of the contact portion 13a in the head 13. As will be described later, since the internal electrode 32a used as the ground electrode is formed on the end face of the laminated piezoelectric element 23a / 23a 'on the head 13 side, the head 13 is held at the ground potential.

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 bolts 21 and 21 ′, the cap nuts 22 and 22 ′, and the holding member 12. Accordingly, the head 13 and the cap nuts 22 and 22 'are electrically connected via the bolts 21 and 21', and the cap nuts 22 and 22 'and the holding member 12 are grounded. Will be retained. For this reason, the metal plates 24b and 24b 'that are in contact with the holding member 12 are used as ground electrodes. In other words, the structure of the laminated piezoelectric element 23 and the like must be set so that the metal plates 24b and 24b 'can be used as ground electrodes.

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 pressing mechanism 14, for example, an air cylinder, a hydraulic cylinder, a spring coil, or the like is used.

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 piezoelectric element 23a and the like will be described. As described above, since the structures of the ultrasonic transducers 11a and 11b are substantially the same, the laminated piezoelectric elements 23a and 23b constituting the ultrasonic transducer 11a will be described below. FIG. 2 is a sectional view showing a schematic structure of the multilayer piezoelectric elements 23a and 23b.

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 piezoelectric element 23a has a structure in which a plurality of piezoelectric ceramic layers 31 are sandwiched between internal electrodes 32a and 32b, and the internal electrodes 32a and the internal electrodes 32b are alternately provided in the stacking direction. The plurality of internal electrodes 32a are electrically connected by the external electrode 33a, and the plurality of internal electrodes 32b are electrically connected by the external electrode 33b. The internal electrodes 32a and 32b are not exposed on the inner hole side so that the bolt 21 (not shown in FIG. 2) inserted into the multilayer piezoelectric element 23a and the internal electrodes 32a and 32b are not electrically connected.

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 piezoelectric element 23a is formed by first forming a piezoelectric ceramic powder into a sheet shape to produce a green sheet, and printing the electrode paste on the green sheet by a screen printing method. After laminating and integrating by thermocompression bonding, calcining and firing under predetermined conditions, and cutting and grinding the obtained fired body, an external electrode paste is applied to a predetermined position on the side surface, and a predetermined temperature is applied. Can be manufactured by baking. According to such an integral firing method, it is easy to form the piezoelectric ceramic layer 31 thin.

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 ceramic layers 31 is an odd number. As a result, the internal electrode 32a is exposed at one of the end faces in the stacking direction of the multilayer piezoelectric element 23a, and the internal electrode 32b is exposed at the other. In FIG. 2, since the internal electrode 32a is in contact with the head 13, as described above, the metal plate 24b that is electrically connected to the head 13 through the bolt 21, the cap nut 22, and the holding member 12 is used as the ground electrode. On the other hand, since the metal plate 24a is in contact with the internal electrode 32b, the metal plate 24a is used as a high-voltage side electrode.

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 piezoelectric element 23b has the same structure as the laminated piezoelectric element 23a, and sandwiches the metal plate 24a so that the internal electrode 32a is in contact with the metal plate 24b and the internal electrode 32b is in contact with the metal plate 24a. The multilayer piezoelectric element 23a is arranged symmetrically. The piezoelectric ceramic layers 31 of the multilayer piezoelectric elements 23a and 23b are previously polarized with a predetermined voltage using the internal electrode 32b as the high-voltage side and the internal electrode 32a as the ground electrode.

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V=Vsin2πft(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V=Vcos2πft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 metal plates 24a and 24b, respectively, and drive voltages are applied using these lead wires to drive the stacked piezoelectric elements 23a and 23b simultaneously (see FIG. 1). . For example, the multilayer piezoelectric elements 23a and 23b constituting the ultrasonic transducer 11a are expanded and contracted by, for example, V 1 = V 0 sin2πft (f: resonance frequency), and the multilayer piezoelectric element 23a ′ of the ultrasonic transducer 11b is expanded. 23b ′ is expanded or contracted by V 2 = V 0 cos 2πft. As a result, an elliptical motion can be generated in the contact portion 13a of the head 13, and the driven body 15 can be moved using the frictional force between the driven body 15 and the contact portion 13a.

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 ultrasonic motor 10, in order to generate large displacement vibrations in the laminated piezoelectric elements 23a and 23b, when the lead wires are attached to the external electrodes 33a and 33b by soldering or the like as in the prior art, a short time is required. As a result of driving, the lead wire is detached at this attachment portion. Further, when the number of piezoelectric ceramic layers 31 included in the multilayer piezoelectric elements 23a and 23b is an even number, the same internal electrode (that is, either the internal electrode 32a or 32b) is formed on both surfaces of the multilayer piezoelectric elements 23a and 23b. 1) is exposed, a lead wire must be attached to either one of the external electrodes 33a and 33b, and the above-described problem of lead wire detachment cannot be avoided.

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 ultrasonic motor 10, by setting the number of piezoelectric ceramic layers to an odd number, the internal electrodes exposed to the end faces of the multilayer piezoelectric elements 23a and 23b without attaching lead wires to the external electrodes 33a and 33b. The drive voltage can be applied to the electrodes 32a and 32b via the metal plates 24a and 24b. Thereby, the ultrasonic motor 10 can have a long life . Further, in the ultrasonic motor 10, the driving voltage can be lowered by using the laminated piezoelectric elements 23a and 23b for the ultrasonic transducer 11a.

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 piezoelectric elements 23a and 23b, so-called adhesive stacked piezoelectric elements can be used. The adhesive laminated piezoelectric element that can be used in the ultrasonic motor 10 is such that a piezoelectric ceramic plate having a predetermined thickness with electrode films formed on the front and back surfaces is symmetrical with respect to the direction of polarization across the electrode film. It has a structure in which an external electrode film is formed on the side surface thereof. That is, conventionally, an adhesive-type laminated piezoelectric element having a structure in which a metal foil is sandwiched between piezoelectric ceramic plates is known. In such a structure, the adhesive layer is doubled to increase spurious. Since there is a problem that vibration is easily generated and the adhesive layer suppresses transmission of vibration of the piezoelectric ceramic plate, there is substantially no merit to use in the ultrasonic motor 10.

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 metal plate 24a. 24b can be used as a drive electrode. In addition, in the case of the adhesive-type laminated piezoelectric element, there is a limit to thinning the piezoelectric ceramic plate from the viewpoint of handling during the bonding process, but the voltage is lower than that in the case of using a thick single-plate piezoelectric element. Driving becomes possible.

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 head 13 can be made of ceramics such as alumina, silicon nitride, or silicon carbide. When the head 13 is made of an insulating material such as alumina, for example, the connecting portions 13b and 13b ′ of the head 13 are connected to the internal electrodes 32a of the stacked piezoelectric elements 23a and 23a ′ that are in contact with the head 13 for grounding. Instead of directly forming a screw hole, for example, a hexagonal column-shaped hole is formed, and a metal nut to be screwed into the bolts 21 and 21 'is inserted and fixed, and laminated with the connecting portions 13b and 13b'. What is necessary is just to make it the structure which inserts a metal plate between each type | mold piezoelectric element 23a * 23a ', and these metal plates and a nut conduct | electrically_connect.

(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.

本発明に係る超音波モータの概略構造を示す断面図。Sectional drawing which shows schematic structure of the ultrasonic motor which concerns on this invention. 図1の超音波モータを構成する積層型圧電素子の概略構造を示す断面図。FIG. 2 is a cross-sectional view showing a schematic structure of a multilayer piezoelectric element constituting the ultrasonic motor of FIG. 1. 各種の超音波モータによるステージ駆動特性を示す説明図。Explanatory drawing which shows the stage drive characteristic by various ultrasonic motors. 各種の超音波モータの機械的負荷特性を示す説明図。Explanatory drawing which shows the mechanical load characteristic of various ultrasonic motors. 従来の超音波モータの概略構造を示す説明図。Explanatory drawing which shows schematic structure of the conventional ultrasonic motor.

符号の説明Explanation of symbols

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 SYMBOLS 10; Ultrasonic motor 11a * 11b; Ultrasonic vibrator 12; Holding member 13; Head 13a; Contact part 13b * 13b '; Connection part 13c * 13c'; Neck part 14; Pressing mechanism 15; 21 '; Bolts 22 and 22'; Cap nuts 23a, 23b, 23a ', and 23b'; Piezoelectric plates 24a, 24b, 24a ', and 24b'; Metal plates 31; Piezoelectric ceramic layers 32a and 32b; Internal electrodes 33a and 33b; External electrodes 100; ultrasonic motors 101a and 101b; ultrasonic transducers 102; holding members 103; heads 104a and 104b; piezoelectric elements 105; sliders 106; linear guides 107a and 107b;

Claims (2)

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.
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を特徴とする請求項1に記載の超音波モータ。   The ultrasonic motor according to claim 1, wherein the multilayer piezoelectric element has an integral structure in which the piezoelectric ceramic layer and the electrode layer are formed by integral firing.
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