(57)【要約】【課題】圧電振動子を従来とは異なる辺比で構成すると共に、構造が簡単であり、十分な推力を発生する。【解決手段】矩形型の圧電振動子１が、第一次縦振動モードと第二次屈曲振動モードとを組み合わせた多重振動モードで振動することにより駆動力を発生する超音波モータであって、圧電振動子１が第一次縦振動モードで振動する際の伸縮方向の長さをＬとし、圧電振動子１が第二次屈曲振動モードで振動する際の剪断方向の長さをｗとした場合に、圧電振動子１は、ｗ／Ｌの値が実質的に０．２６となるように形成されており、圧電振動子１の長手方向の両端部に２つの摺動チップ１ｃを設けた。また、圧電振動子１の主面上１ｂに４枚の電極４ａ、４ｂを設け、電極４ａに対して交流電圧を印加して圧電振動子１を駆動させる交流電源５ａと、を備える。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
矩形型の圧電振動子が、第一次縦振動モードと第二次屈曲振動モードとを組み合わせた多重振動モードで振動することにより駆動力を発生する超音波モータであって、
前記圧電振動子が第一次縦振動モードで振動する際の伸縮方向の長さをＬとし、前記圧電振動子が第二次屈曲振動モードで振動する際の剪断方向の長さをｗとした場合に、前記圧電振動子は、ｗ／Ｌの値が実質的に０．２６となるように形成されており、
前記圧電振動子の長手方向の両端部に２つの摺動チップを設けたことを特徴とする超音波モータ。
【請求項２】
請求項１記載の超音波モータと、
前記超音波モータを構成する前記圧電振動子のいずれか一方の主面上に２行２列に形成された４枚の電極と、
前記４枚の電極のうち、対角に位置する２枚の電極同士をそれぞれ電気的に接続し、２組の電極部を形成する接続部と、
前記２組の電極部のうち、いずれか一方に対して交流電圧を印加して前記圧電振動子を駆動させる駆動装置と、を備えることを特徴とする超音波モータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、矩形型の圧電振動子が、第一次縦振動モードと第二次屈曲振動モードとを組み合わせた多重振動モードで振動することにより駆動力を発生する超音波モータおよびこれを用いた超音波モータ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、圧電振動子を振動させることによって、ロータや回転軸等を駆動する超音波モータが知られている。この超音波モータは、圧電振動子を振動させる際に、複数種類の振動（共振）モードを合成することによって、駆動力を発生するように構成されている。
【０００３】
図８は、矩形型の圧電振動子を複数種類の振動モードで振動させたときの周波数スペクトラムを示す図である。ここで、Ｆ１、Ｆ２およびＦ３は、屈曲振動を示し、Ｌ１およびＬ２は縦振動を示す。矩形型の圧電振動子が、第一次縦振動モード（Ｌ１）で振動する際の伸縮方向の長さをＬとし、また、圧電振動子が、第二次屈曲振動モード（Ｆ２）で振動する際の剪断方向の長さをｗとする。そして、図８に示すように、ｗ／Ｌを変数として、ｗ／Ｌと圧電振動子の第一次縦振動モードの共振周波数とを対応させると共に、ｗ／Ｌと第二次屈曲振動モードの共振周波数とを対応させる。なお、図８ではＬ＝２０ｍｍで固定し、ｗ（Ｗｉｄｔｈ）のみを変化させている。この場合、縦横の二辺の比（以下、「辺比」と呼称する。）ｗ／Ｌが、０．２７２付近で両者の共振周波数が一致し、二つの振動が縮退する。そのため、従来は、辺比ｗ／Ｌが０．２７２付近となるように、圧電振動子を形成していた。
【０００４】
一方、特開平５−００３６８８号公報には、圧電振動子として、共振周波数が若干異なる縦振動モードと屈曲振動モードとを組み合わせた多重振動モードで駆動する超音波モータが開示されている。この超音波モータでは、圧電振動子の長手縦振動の共振周波数ｆｔと、偶数次の面内屈曲振動の共振周波数ｆｐとが若干異なる値を有する。具体的には、圧電振動子の短辺の長さと長辺の長さの比を０．２６：１から外し、例えば、０．２８：１や、０．２４：１などの比となるように、圧電振動子を形成する。これにより、超音波モータを安定して駆動させるようにしている。
【特許文献１】特開平５−００３６８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の超音波モータでは、２相駆動、すなわち、９０度位相が異なる２つの波形を供給する交流電源が用いられていたため、回路の簡略化および小型化を図ることは容易ではなかった。回路の簡略化および小型化を図るためには、１相駆動、すなわち、一方の電極のみに、交流信号を印加し、他方の電極を開放状態とすることで動作させることが望ましい。
【０００６】
一方、超音波モータを実用化させるためには、一定値以上の推力を発生させる必要がある。例えば、空気弁に用いられる超音波モータは、常時、４［Ｎ］以上の推力が必要であると言われている。ところが、従来、回路の簡略化および小型化を図るために、１相駆動を採用すると、推力が十分に発生しなかった。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、圧電振動子を従来とは異なる辺比で構成すると共に、構造が簡単であり、十分な推力を発生することができる超音波モータおよび超音波モータ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）上記の目的を達成するため、本発明は、以下のような手段を講じた。すなわち、本発明の超音波モータは、矩形型の圧電振動子が、第一次縦振動モードと第二次屈曲振動モードとを組み合わせた多重振動モードで振動することにより駆動力を発生する超音波モータであって、前記圧電振動子が第一次縦振動モードで振動する際の伸縮方向の長さをＬとし、前記圧電振動子が第二次屈曲振動モードで振動する際の剪断方向の長さをｗとした場合に、前記圧電振動子は、ｗ／Ｌの値が実質的に０．２６となるように形成されており、前記圧電振動子の長手方向の両端部に２つの摺動チップを設けたことを特徴としている。
【０００９】
このように、圧電振動子が、ｗ／Ｌの値が実質的に０．２６となるように形成されていると共に、圧電振動子の長手方向の両端部に２つの摺動チップを備えるので、１相駆動方式を採用した場合に、十分な推力を発生させることが可能となる。なお、ｗ／Ｌの値が実質的に０．２６であるとは、圧電振動子が超音波モータとして実用的に機能する範囲という意味である。ｗ／Ｌの値が０．２６から多少ずれていても、圧電振動子が超音波モータとして実用的に機能するのであれば、ｗ／Ｌの値は実質的に０．２６であると言える。逆に言えば、ｗ／Ｌの値は、圧電振動子が超音波モータとして実用的に機能するのであれば、ちょうど０．２６でなければならないわけではない。
【００１０】
（２）また、本発明の超音波モータ装置は、請求項１記載の超音波モータと、前記超音波モータを構成する前記圧電振動子のいずれか一方の主面上に２行２列に形成された４枚の電極と、前記４枚の電極のうち、対角に位置する２枚の電極同士をそれぞれ電気的に接続し、２組の電極部を形成する接続部と、前記２組の電極部のうち、いずれか一方に対して交流電圧を印加して前記圧電振動子を駆動させる駆動装置と、を備えることを特徴としている。
【００１１】
この構成により、１相駆動方式で圧電振動子を駆動させることができる。その結果、回路構成を簡略化することができ、装置全体の小型化を図ることが可能となる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、圧電振動子が、ｗ／Ｌの値が実質的に０．２６となるように形成されていると共に、圧電振動子の長手方向の両端部に２つの摺動チップを備えるので、１相駆動方式を採用した場合に、十分な推力を発生させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
次に、本発明に係る実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る圧電振動子の斜視図である。この圧電振動子１は、圧電セラミックスから形成されており、分極方向は、図１に示す座標軸のｚ軸方向に一致している。また、圧電振動子１が第一次縦振動モードで振動する際の伸縮方向は、ｘ軸と平行であり、圧電振動子１のｘ軸方向の長さはＬである。また、圧電振動子１が第二次屈曲振動モードで振動する際の剪断方向は、ｙ軸と平行であり、圧電振動子１のｙ軸方向の長さ（厚さ）はｗである。
【００１４】
図２は、圧電振動子１の第一次縦振動の様子を示す図である。第一次縦振動は、図２の矢印ＡおよびＢに示すように、圧電振動子１の長手方向に伸縮を繰り返すことにより生ずる。また、図３は、圧電振動子１の第二次屈曲振動の様子を示す図である。第二次屈曲振動は、図３の矢印Ｃに示すように、圧電振動子１の厚さ方向に、相互に向きが異なる剪断力により屈曲を繰り返すことにより生ずる。これらの第一次縦振動と第二次屈曲振動とを合成（縮退）することにより、圧電振動子１に設けられたチップが楕円運動をし、駆動力が生ずる。
【００１５】
図４は、圧電振動子１が被駆動体２を図中、右方向に駆動する様子を段階的に示す図である。図４において、圧電振動子１は、摺動チップ１ａを備えている。圧電振動子１の第一次縦振動と第二次屈曲振動とを合成することで、圧電振動子１が伸縮と屈曲を繰り返し、１サイクルで被駆動体を距離ｌだけ移動させている。
【００１６】
圧電振動子１は、このような原理で駆動力を発生させるのであるが、従来は、圧電振動子１の辺比ｗ／Ｌは、０．２７２付近のみが注目されていた。図５は、圧電振動子を第一次縦振動モードと第二次屈曲振動モードとで駆動させた場合の周波数とｗ／Ｌとの関係を示す図である。図５に示すように、ｗ／Ｌの値が０．２７２付近で両モードの共振が重なり、すなわち、縮退が生じ、この周辺のアスペクト比でモータとして２重励起が可能となる。つまり、この値の近傍で超音波モータとして利用可能となる。ここで、通常、超音波モータは、２相駆動、すなわち、９０度位相が異なる２つの波形を用いて駆動させるのであるが、回路を簡略化および小型化させるために、１相（単相）で駆動させることが望ましい。
【００１７】
本発明者は、圧電振動子１は、ｗ／Ｌの値が実質的に０．２６であり、かつ、圧電振動子１の長手方向（Ｌの方向）の両端部に２つの摺動チップを設けることによって、縮退が生じる点、すなわち、ｗ／Ｌの値が０．２７２である場合よりも、推力特性が良いことを見出した。
【００１８】
図６は、本実施形態に係る超音波モータ装置の概略構成を示す図である。超音波モータ装置１０において、圧電振動子１は、矩形の圧電基板１ｂの一方の主面を４分割するように、互いに対角に対向する一組の電極４ａと一組の電極４ｂが設けられている。他方の主面は接地されている。これらの電極４ａ、４ｂは、互いに絶縁された状態で個別に設けられた後、互いに対角に位置する各電極４ａ、４ｂが、接続部４ｃ、４ｄによってそれぞれ相互に電気的に接続されており、２組の電極部を構成している。圧電振動子１に用いられる圧電セラミックス材料には、特に制限はないが、通常、チタン酸ジルコン酸鉛系の圧電セラミックスが用いられる。また、圧電振動子１の長手方向の両端部には、２つの摺動チップ１ｃが設けられている。
【００１９】
また、超音波モータ装置１０は、交流電源５ａを備えている。交流電源５ａからは、電極４ａからなる電極部を介して、圧電振動子１に長手方向に伸縮する第一次縦振動モードの振動と、剪断方向に屈曲する第二次屈曲振動モードの振動を励起させる周波数の正弦波電圧（Ｖ＝Ｖ０ｓｉｎ（２πｆｔ））が印加される。
【００２０】
このように、圧電振動子１の電極４ａからなる電極部に対して交流電圧が印加されると、圧電振動子１には、図２および図３に示すように、長手方向に伸縮する第一次縦振動モードの振動と、剪断方向に屈曲する第二次屈曲振動モードの振動とが発生する。そして、第一次縦振動モードの共振周波数と、第二次屈曲振動モードの共振周波数とが等しいときに、両振動モードが合成（縮退）され、圧電振動子１の摺動チップ１ｃには楕円振動が発生する。その結果、図６中、例えば、駆動対象物６０を矢印ＡまたはＢの方向へスライドさせることができる。
【００２１】
このように、駆動装置から供給された電圧が、電極４ａからなる電極部のみに印加されるように構成したので、回路構成を簡略化させることが可能となる。
【００２２】
図７Ａ〜図７Ｅは、圧電振動子の推力−速度特性を示す図である。ここでは、Ｌ＝３０ｍｍに固定し、ｗを変化させて測定した。図７Ａは、ｗ／Ｌ＝０．２６の場合を示す。図７Ａに示すように、７［Ｎ］の推力を発生する時でも、十分な速度が得られていることが分かる。図７Ｂは、ｗ／Ｌ＝０．２４の場合、図７Ｃは、ｗ／Ｌ＝０．２５の場合、図７Ｄは、ｗ／Ｌ＝０．２７の場合、図７Ｅは、ｗ／Ｌ＝０．２８の場合を示す。図７Ｂ〜図７Ｅに示すように、これらの場合は、推力も速度も十分ではない。これにより、ｗ／Ｌ＝０．２６の場合が最も良い特性を示すことが明らかとなった。
【００２３】
以上説明したように、本実施形態によれば、圧電振動子１が、ｗ／Ｌの値が実質的に０．２６となるように形成されていると共に、圧電振動子１の長手方向の両端部に２つの摺動チップ１ｃを備えるので、１相駆動方式を採用した場合に、十分な推力を発生させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本実施形態に係る圧電振動子の斜視図である。
【図２】圧電振動子の第一次縦振動の様子を示す図である。
【図３】圧電振動子の第二次屈曲振動の様子を示す図である。
【図４】圧電振動子が被駆動体を図中、右方向に駆動する様子を段階的に示す図である。
【図５】圧電振動子を第一次縦振動モードと第二次屈曲振動モードとで駆動させた場合の周波数とｗ／Ｌとの関係を示す図である。
【図６】本実施形態に係る超音波モータ装置の概略構成を示す図である。
【図７Ａ】圧電振動子の推力−速度特性を示す図である。
【図７Ｂ】圧電振動子の推力−速度特性を示す図である。
【図７Ｃ】圧電振動子の推力−速度特性を示す図である。
【図７Ｄ】圧電振動子の推力−速度特性を示す図である。
【図７Ｅ】圧電振動子の推力−速度特性を示す図である。
【図８】矩形型の圧電振動子を複数種類の振動モードで振動させたときの周波数スペクトラムを示す図である。
【符号の説明】
【００２５】
１  圧電振動子
１ａ  摺動チップ
１ｂ  圧電基板
１ｃ  摺動チップ
２  被駆動体
４ａ  電極
４ｂ  電極
４ｃ  接続部
４ｄ  接続部
５ａ  交流電源
１０  超音波モータ装置
６０  駆動対象物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図７Ｅ】
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【図８】
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