(57)【要約】  圧電素子（３）と、前記圧電素子（３）への給電を行う給電部材（１３）と、縦振動モードと屈曲振動モードとを合成して成る楕円振動を駆動力として被駆動部材（７）を駆動する超音波モータであって、前記給電部材（１３）の引き出し方向は、前記縦振動モードの主たる振動方向及び前記屈曲振動の主たる振動方向とは、異なる方向である超音波モータ。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子（３）と、
前記圧電素子（３）への給電を行う給電部材（１３，１３ａ）と、
縦振動モードと屈曲振動モードとを合成して成る楕円振動を駆動力として被駆動体（７）を駆動する超音波モータであって、
前記給電部材（１３，１３ａ）の引き出し方向は、
前記縦振動モードの主たる振動方向及び前記屈曲振動モードの主たる振動方向とは、異なる方向であることを特徴とする超音波モータ。
【請求項２】
前記圧電素子（３）は、矩形状の圧電材料（２１ａ，２１ｂ）と、該圧電材料（２１ａ，２１ｂ）の表面に形成された複数の内部電極（２３ａ，２５ａ，２７ａ，２３ｂ，２５ｂ，２７ｂ）と、を交互に複数枚積層して成ることを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
【請求項３】
前記複数の内部電極（２３ａ，２５ａ，２７ａ，２３ｂ，２５ｂ，２７ｂ）は、前記圧電材料（２１ａ，２１ｂ）における同一の一辺に向かって延出され、且つ前記圧電素子（３）外周の露出部（２９ａ，３１ａ，３３ａ，２９ｂ，３１ｂ，３３ｂ）及び外部電極（４１，４３,４５，４７,４９，５１）を介して前記給電部材（１３，１３ａ）に電気的に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の超音波モータ。
【請求項４】
前記同一の一辺は、前記矩形状の圧電材料（２１ａ，２１ｂ）の長辺であることを特徴とする請求項３に記載の超音波モータ。
【請求項５】
前記圧電素子（３）における楕円振動から駆動力を得て前記被駆動体（７）を駆動する駆動力導出部材（９）を含み、
前記駆動力導出部材（９）は、前記圧電素子（３）の、前記外部電極（４１，４３,４５，４７,４９，５１）が形成された面と対向する面に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の超音波モータ。
【請求項６】
前記圧電素子（３）を保持するための保持部材（５）を含み、
前記保持部材（５）は、前記外部電極（４１，４３,４５，４７,４９，５１）が形成された面と同一の面上に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の超音波モータ。
【請求項７】
前記給電部材（１３，１３ａ）は、フレキシブルプリント基板により構成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。
【請求項８】
前記フレキシブルプリント基板と前記圧電素子（３）とは、導電性接着剤により接続されていることを特徴とする請求項７記載の超音波モータ。
【請求項９】
前記被駆動体（７）が駆動される方向は、前記縦振動モードの振動方向と一致し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。
【請求項１０】
前記被駆動体（７）が駆動される方向は、前記屈曲振動モードの振動方向と一致し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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、電磁モータに比べて小型、高トルク、長ストローク、且つ高分解能の超音波モータが多く使用されてきている。このような超音波モータに関して、例えば特開２００５−６５３５８号公報に、積層圧電素子を用いた超音波モータが開示されている。【０００３】
すなわち、特開２００５−６５３５８号公報に開示された超音波モータでは高効率を実現する為に、積層圧電素子における屈曲振動の腹近傍を避けるように、当該積層圧電素子における長手方向の両端（すなわち二面）に、内部電極を短絡する外部電極を設けている。
【発明の開示】
【０００４】
しかしながら、前記外部電極が設けられている位置は、積層圧電素子における縦振動の腹に対応する位置である。
【０００５】
更には、特開２００５−６５３５８号公報に開示された超音波モータでは、積層圧電素子の配線に起因する効率の低下は一切考慮されていない。従って、特開２００５−６５３５８号公報には、当然ながら前記内部電極及び前記外部電極へ給電する為の給電部材の配線方法等に起因する振動損失つまり効率低下を抑制する為の技術に関して開示は勿論、示唆すらされていない。
【０００６】
本発明は、前記の事情に鑑みてなされたもので、給電部材に起因する振動損失を抑制した高効率な超音波モータを提供することを目的とする。
【０００７】
前記の目的を達成するために、本発明の第１の態様による超音波モータは、圧電素子と、前記圧電素子への給電を行う給電部材と、縦振動モードと屈曲振動モードとを合成して成る楕円振動を駆動力として被駆動体を駆動する超音波モータであって、前記給電部材の引き出し方向は、前記縦振動モードの主たる振動方向及び前記屈曲振動モードの主たる振動方向とは、異なる方向であることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態に係る超音波モータの一構成例を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る超音波モータを、駆動力導出部材近傍の圧電素子の変位に係る等価質量ｍと、駆動力導出部材近傍の圧電素子の振動によって発生する力Ｆと、給電部材による負荷Ｋ，Ｃとによってモデル化して示した図である。
【図３Ａ】前記圧電素子３を構成する圧電材料の一構成例を示す図である。
【図３Ｂ】前記圧電素子３を構成する圧電材料の一構成例を示す図である。
【図４】図３Ａ及び図３Ｂに示す圧電材料が複数枚積層且つ焼結される際の積層の一例を示す模式図である。
【図５】保持部材と駆動力導出部材と給電部材とを接続した圧電素子を示す図である。
【図６】縦軸に圧電素子の振動振幅をとり、横軸に圧電素子の振動周波数をとったグラフを示す図である。
【図７】図１に示す超音波モータの構成の一変形例を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の一実施に係る超音波モータについて、図面を参照して説明する。【００１０】
図１は、本発明の一実施形態に係る超音波モータの一構成例を示す図である。同図に示すように、圧電素子３と、該圧電素子３の保持部材５と、被駆動部材７と、前記圧電素子３における楕円振動（詳細は後述する）から駆動力を得て前記被駆動部材７を駆動する為の駆動力導出部材９と、圧電素子３の外部電極１１と、圧電素子３へ給電する為の例えばリード線から成る給電部材１３とを具備する。なお、外部電極１１と給電部材１３とは、はんだ接合部１５によってはんだ接合されている。【００１１】
ここで、保持部材５によって保持された圧電素子３は、駆動力導出部材９を介して、被駆動部材７に対して垂直に押圧力を加えるようにして被駆動部材７に接している。【００１２】
ところで、給電部材１３を介して、圧電素子３の外部電極１１に位相差を有する２つの交番信号を印加すると、当該圧電素子３において、縦振動モードと屈曲振動モードとが合成された楕円振動が発生する。【００１３】
そして、圧電素子３に取り付けられた駆動力導出部材９も、当然ながら前記圧電素子３と同様の楕円振動を行う。この駆動力導出部材９の楕円運動によって、上述したように駆動力導出部材９に接している被駆動部材７が駆動される。【００１４】
ここで、前記外部電極１１及び前記給電部材１３は、超音波モータを駆動させる為の必須構成要件である。しかしながら、給電部材１３は、前記圧電素子３の振動を損失させてしまう負荷でもある。つまり、給電部材１３は、従来より超音波モータにおける効率低下の原因となっている。【００１５】
具体的には、例えば給電部材１３の延出方向が、圧電素子３の縦振動又は屈曲振動の方向と一致した場合に、圧電素子３における振動損失はより顕著となる。【００１６】
図２は、図１に示す超音波モータを、駆動力導出部材９近傍の変位に係る等価質量ｍと、駆動力導出部材９近傍の振動によって発生する力Ｆと、給電部材１３による負荷を示す負荷係数Ｋ，Ｃとによってモデル化して示した図である。【００１７】
ここで、駆動力導出部材９近傍の振動方向における運動方程式は、
【数１】
2009001753.tif 000003
【００１８】
と表される。負荷係数Ｋ、Ｃは給電部材１３の延出方向、種類、大きさ、接合方法、及び駆動力導出部材９までの距離等によって決定される係数である。変位量Ｘは、駆動力導出部材９近傍の主な変位方向への変位量を示す。【００１９】
さらに、圧電素子３における圧電効果によって発生する前記力Ｆは一定である為、前記（式１）は、
【数２】
2009001753.tif 000004
【００２０】
と表すことができる。【００２１】
ここで、給電部材１３の延出方向を、図２に示す振動方向Ｘと独立な方向にすることによって、(式２)におけるＫ及びＣの値を小さくすることができる。すなわち、圧電素子３の設計変更や製造方法の変更をせずとも、給電部材１３の延出方向を前記振動方向Ｘと独立な方向にすることによって、給電部材１３による振動損失を低減した高効率な超音波モータを実現することができる。【００２２】
なお、図２を参照して説明したモデルにおける前記振動方向Ｘは、圧電素子３の縦振動における振動方向及び屈曲振動における振動方向の双方に見立てることができる。つまり、図２を参照して説明したモデルは、圧電素子３の縦振動及び屈曲振動の双方に適用できる一般化されたモデルである。【００２３】
従って、給電部材１３の延出方向を、圧電素子３における縦振動及び屈曲振動の双方と独立な方向にすることで、給電部材１３による振動損失を最も低減することができる。具体的には、給電部材１３の延出方向を、圧電素子３における縦振動及び屈曲振動における振動方向と９０°の角度をなす方向とするのが好ましい。【００２４】
給電部材１３による振動損失が小さい程、前記駆動力導出部材９近傍における振動の加速度は大きくなる。つまり、より高効率な超音波モータとなる。【００２５】
以下、図３及び図４を参照して、本発明の一実施形態に係る超音波モータの詳細な構成を説明する。【００２６】
図３Ａ，図３Ｂは、前記圧電素子３を構成する圧電材料の一構成例を示す図である。本一実施形態においては、前記圧電素子３は、図３Ａに示す圧電材料２１ａと、図３Ｂに示す圧電材料２１ｂとが交互に複数枚積層、焼結されて構成される。【００２７】
まず、図３Ａに示すように圧電材料２１ａにおいて、その表面に形成された３領域の内部電極２３ａ，２５ａ，２７ａは、矩形状である当該圧電材料２１ａにおける同一の長辺（辺Ａ）に向かって延出され、且つ外周への露出部２９ａ，３１ａ，３３ａを有する。【００２８】
同様に、図３Ｂに示すように圧電材料２１ｂにおいて、その表面に形成された３領域の内部電極２３ｂ，２５ｂ，２７ｂは、矩形状である当該圧電材料２１ｂにおける同一の長辺（辺Ａ）に向かって延出され、且つ外周への露出部２９ｂ，３１ｂ，３３ｂを有する。【００２９】
ここで、前記圧電材料２１ａにおける内部電極２３ａ，２５ａ，２７ａ及び前記圧電材料２１ｂにおける内部電極２３ｂ，２５ｂ，２７ｂは、圧電材料２１ａと圧電材料２１ｂとが交互に複数枚積層される際に、前記内部電極２３ａ，２５ａ，２７ａと前記内部電極２３ｂ，２５ｂ，２７ｂとが、それぞれ対応して重複するように配置されている（後述する図４参照）。【００３０】
一方、前記圧電材料２１ａにおける露出部２９ａ，３１ａ，３３ａ及び前記圧電材料２１ｂにおける露出部２９ｂ，３１ｂ，３３ｂは、圧電材料２１ａと圧電材料２１ｂとが交互に複数枚積層される際に、前記露出部２９ａ，３１ａ，３３ａと前記露出部２９ｂ，３１ｂ，３３ｂとが互いに重複しないように（全ての露出部が互いに重複しないように）配置されている（後述する図４参照）。【００３１】
なお、圧電材料２１ａ及び圧電材料２１ｂの材料としては、例えばジルコン酸チタン酸鉛等を用いる。また、圧電材料２１ａ及び圧電材料２１ｂにおける紙面垂直方向の厚さは、１０〜２００μm程度の任意の厚さとする。【００３２】
また、内部電極２３ａ，２５ａ，２７ａ及び内部電極２３ｂ，２５ｂ，２７ｂの材料としては、例えば圧電材料焼結時の温度に耐え得る銀パラジウムなどの高融点な導電性材料を用いる。【００３３】
図４は、図３に示す圧電材料２１ａ，２１ｂが交互に複数枚積層且つ焼結される際の積層の一例を示す模式図である。同図に示すように、上述した圧電材料２１ａ，２１ｂを交互に複数枚積層し焼結した後に、前記露出部２９ａ同士を短絡して、外部電極４１を形成する。同様にして、前記露出部３１ａ，３３ａ，２９ｂ，３１ｂ，３３ｂについても、それぞれ同一種の露出部同士を短絡して、外部電極４３，４５，４７，４９，５１をそれぞれ形成する。【００３４】
なお、外部電極４１，４３，４５，４７，４９，５１の材料は、厚さ１０μｍ以上の銀パラジウム又は銀等の導電性材料とする。【００３５】
ところで、例えば前記外部電極４１，４３間に分極処理を行うことにより、積層方向における共通領域である内部電極２３ａ，２３ｂのみが圧電活性領域となる。ここで、外部電極４１，４３間に交番信号を加えると当該圧電素子３に振動が発生する。【００３６】
同様に、例えば前記外部電極４５，４７間に分極処理を行うことにより、積層方向における共通領域である内部電極２７ａ，２７ｂのみが圧電活性領域となる。ここで、外部電極４５，４７間に交番信号を加えると当該圧電素子３に振動が発生する。また同様に、例えば前記外部電極４９，５１間に分極処理を行うことにより、積層方向における共通領域である内部電極２５ａ，２５ｂのみが圧電活性領域となる。ここで、外部電極４９，５１間に交番信号を加えると当該圧電素子３に振動が発生する。【００３７】
前記内部電極２３ａ，２３ｂによる圧電活性領域、及び内部電極２５ａ，２５ｂによる圧電活性領域は、圧電素子３において縦振動及び屈曲振動を同時に励起する際、もしくは屈曲振動のみの励起の際に使用する。他方、内部電極２７ａ，２７ｂによる圧電活性領域は、圧電素子３における縦振動の励起もしくは当該圧電素子３の振動状態の検出に使用する。【００３８】
なお、上述した分極の方向は任意とする。すなわち、同一の圧電材料において、内部電極２３ａ，２３ｂ間の圧電活性領域と、内部電極２５ａ，２５ｂ間の圧電活性領域とに関して、分極の方向は同一でなくても構わない。また、積層する圧電材料２１ａ，２１ｂの枚数は任意とする。【００３９】
ところで、図５は、保持部材５と、駆動力導出部材９と、給電部材１３ａとを接続した圧電素子３を示す図である。【００４０】
同図に示す給電部材１３ａのように、例えばフレキシブルプリント基板を用いて、一つの給電部材１３ａに複数の外部電極からの接続線を集約することにより、部品点数を少なくすることができ、給電部材１３ａの接続工程を簡略化することができる。フレキシブルプリント基板と外部電極１１とは、例えば導電性接着剤を介して熱圧着により接続することができる。なお、フレキシブルプリント基板は比較的軽量である為、リード線を外部電極にはんだ接合する場合に比べて、振動損失の低減効果はより大きくなる。【００４１】
以上説明したように、本一実施形態に係る超音波モータによれば、給電部材に起因する振動損失を抑制した高効率な超音波モータを提供することができる。【００４２】
具体的には、給電部材１３の延出方向を、圧電素子３における縦振動の方向及び屈曲振動の方向とは独立な方向とすることにより、給電部材１３による振動損失を図６に示すグラフのように低減することができる。【００４３】
ここで図６は、縦軸に圧電素子３の振動振幅をとり、横軸に圧電素子３の振動周波数をとったグラフを示す図である。同図において特性曲線７１は、本一実施形態に係る超音波モータの特性曲線である。他方、特性曲線７３は、従来の超音波モータ（給電部材の延出方向が、圧電素子３における縦振動の方向又は屈曲振動の方向と一致している超音波モータ）の特性曲線である。【００４４】
すなわち、本一実施形態に係る超音波モータのように、給電部材１３の延出方向を、圧電素子３における縦振動の方向及び屈曲振動の方向とは独立な方向にした場合、特性曲線７１に示されるように振動振幅の損失が少ない良好な駆動効率を得ることができる。【００４５】
本一実施形態に係る超音波モータでは、このように給電部材に起因する振動損失を低減させることで駆動効率を高めている。【００４６】
そして、本一実施形態によれば、上述したように給電部材１３による振動損失を低減できる為、給電部材１３及び外部電極４１，４３，４５，４７，４９，５１を圧電素子３の振動における腹に対応する位置に設けることも可能となり、給電部材１３及び外部電極４１，４３，４５，４７，４９，５１の設置場所に制限の無い、設計の自由度が高い超音波モータを提供することができる。【００４７】
以上、一実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で、種々の変形及び応用が可能なことは勿論である。【００４８】
図７は、図１に示す超音波モータの構成の一変形例を示す図である。【００４９】
上述したように、図１に示す例では、圧電素子３の縦振動の方向と、被駆動部材７の駆動方向とが同一の方向である。一方、図７に示す例では、圧電素子３の屈曲振動の方向と、被駆動部材７の駆動方向とを一致させている。【００５０】
この図７に示すように、圧電素子３の屈曲振動の方向と被駆動部材７の駆動方向とを一致させる構成としても、図１に示す一構成例の場合と同様、給電部材１３の引き出し方向を縦振動及び屈曲振動と異なる方向とすることで、図１に示す一構成例によって得られる効果と同様の効果を得ることができる。【００５１】
例えば、内部電極の個数については、前記一実施形態においては一つの圧電材料における内部電極の個数を３個としたが、２個、あるいは４個以上でも勿論よく、その場合にも前記一実施形態に係る超音波モータと同様に構成することができる。従って、スペースを有効に利用して適宜設計を行うのが好ましい。【００５２】
さらに、上述した実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件の適当な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成も発明として抽出され得る。
【図１】
2009001753.tif 000005
【図２】
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【図３Ａ】
2009001753.tif 000007
【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2009001753.tif 000011
【図７】
2009001753.tif 000012
【国際調査報告】
2009001753.tif 000013
2009001753.tif 000014
2009001753.tif 000015
2009001753.tif 000016