(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電層と電極とが交互に積層された矩形積層型の圧電振動子を、電圧の印加により多重振動モードで駆動する位置決め装置用の超音波モータであって、
主面上に並設された２枚の電極およびグランド電極を有し、屈曲１次振動で駆動する屈曲振動層と、前記屈曲振動層に対して並列に積層され、主面上に一面にわたり形成された電極およびグランド電極を有し、伸縮１次振動で駆動する伸縮振動層と、を有する圧電振動子と、
前記圧電振動子の端面に設けられ、被駆動体に駆動力を伝達する摺動チップと、
前記２枚の電極のうちの一方の電極に対して、第１の交流電圧を印加して前記屈曲振動層を振動させる第１の交流電源と、
前記２枚の電極のうちの他方の電極に対して、前記第１の交流電圧に対してπ／２位相の異なる第２の交流電圧を印加して前記屈曲振動層を振動させる第２の交流電源と、
前記一面にわたり形成された電極に対して、第１の交流電圧と同位相の電圧を印加して前記伸縮振動層を振動させる第３の交流電源と、を備えることを特徴とする超音波モータ。
【請求項２】
圧電層と電極とが交互に積層された矩形積層型の圧電振動子を、電圧の印加により多重振動モードで駆動する位置決め装置用の超音波モータであって、
主面上に並設された２枚の電極およびグランド電極を有し、屈曲１次振動で駆動する屈曲振動層と、主面上に一面にわたり形成された電極およびグランド電極を有し、前記屈曲振動層に対して並列に積層され、伸縮１次振動で駆動する伸縮振動層と、を有する圧電振動子と、
前記圧電振動子の端面に設けられ、被駆動体に駆動力を伝達する摺動チップと、
前記２枚の電極のうちの一方の電極に対して、第１の交流電圧を印加して前記屈曲振動層を振動させる第１の交流電源と、
前記一面にわたり形成された電極に対して、第１の交流電圧と同位相の電圧を印加して前記伸縮振動層を振動させる第３の交流電源と、を備え、
前記２枚の電極のうちの他方の電極が開放されていることを特徴とする超音波モータ。
【請求項３】
前記伸縮振動層の駆動層数の、前記屈曲振動層の駆動層数に対する比が、１より大きいことを特徴とする請求項１または請求項２記載の超音波モータ。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の超音波モータの駆動方法であって、
最初に前記伸縮振動層へ電圧を印加し、徐々に印加電圧を上昇させるステップと、
前記伸縮振動層への電圧印加開始後に、前記屈曲振動層へ電圧を印加し、徐々に印加電圧を上昇させるステップと、を含み、
前記２つのステップにより滑らかな駆動を可能にすることを特徴とする超音波モータの駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電層と電極とが交互に積層され、電圧の印加により駆動する超音波モータおよびその駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波モータは、静粛で高トルクが得られることにより各種の分野への応用が検討されている。超音波モータは、圧電振動子からなり、振動体の駆動力伝達部位に加圧接触させて移動体（ガイドプレート）を移動させる。すなわち、圧電振動子に高周波電圧を入力すると、振動体に機械的な振動が発生し、振動体と移動体との摩擦力により移動体へ運動エネルギーが伝播され、その結果モータ出力が取り出せる。従来、区分した同形パターンの内部電極を積層することによって多重モードを同時駆動させる超音波モータが知られている（特許文献１〜３参照）。
【０００３】
たとえば、特許文献１記載の超音波モータは、矩形で単板の圧電振動子を積層して積層型圧電振動子を構成し、積層型圧電振動子が、伸縮１次振動モードと第一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。単板の圧電振動子は伸縮１次振動モードで振動するとともに屈曲１次振動モードで振動し、単板の圧電振動子は、厚さ方向に複数積層されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１０４１９３号公報
【特許文献２】特開２００５−６５３５８号公報
【特許文献３】特開２０００−１１６１６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のような超音波モータの多重モードの駆動は同時に行われるため、動作開始のためには一定以上の入力電圧が必要である。そのため位置制御のための電圧制御は難しい。また、一定の動作により生じやすい磨耗を低減するためには動作電圧を下げ推力を落とす必要性がある。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、滑らかに動作電圧を変化させて動作の追随性および摩擦磨耗特性を向上させることができる超音波モータおよびその駆動方法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】
【０００７】
（１）上記の目的を達成するため、本発明の超音波モータは、圧電層と電極とが交互に積層され、電圧の印加により駆動する超音波モータであって、屈曲１次振動で駆動する屈曲振動層と、前記屈曲振動層に対して並列に積層され、伸縮１次振動で駆動する伸縮振動層と、を備えることを特徴としている。
【０００８】
このように、伸縮振動層を屈曲振動層から別個の層として構成することにより、まず伸縮振動のみ駆動させておき徐々に屈曲振動電圧を上昇させて、屈曲振動電極への入力電圧を制御して実質０Ｖから動作させることが可能となる。その結果、滑らかに動作電圧を変化させて指示への追随性を向上させるとともに、摩擦磨耗特性を向上させ、素子の寿命を長くすることができる。
【０００９】
（２）また、本発明の超音波モータは、前記屈曲振動層の駆動層数の、前記伸縮振動層の駆動層数に対する比が、１以上９以下であることを特徴としている。このように、伸縮振動と屈曲振動の積層比を調整することで、高速度で駆動可能な超音波モータを実現できる。
【００１０】
（３）また、本発明の超音波モータは、前記伸縮振動層の駆動層数の、前記屈曲振動層の駆動層数に対する比が、１以上９以下であることを特徴としている。このように、伸縮振動と屈曲振動の積層比を調整することで、大きな推力で駆動可能な超音波モータを実現できる。
【００１１】
（４）また、本発明の超音波モータの駆動方法は、上記の超音波モータの駆動方法であって、最初に前記伸縮振動層へ電圧を印加し、徐々に印加電圧を上昇させるステップと、前記伸縮振動層への電圧印加開始後に、前記屈曲振動層へ電圧を印加し、徐々に印加電圧を上昇させるステップと、を含み、前記２つのステップにより滑らかな駆動を可能にすることを特徴としている。このような駆動方法により滑らかに動作電圧を変化させて摩擦磨耗特性を向上させ、超音波モータの寿命を長くすることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、滑らかに動作電圧を変化させて、動作の追随性および摩擦磨耗特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る超音波モータの正面図である。
【図２】本発明に係る超音波モータが伸縮１次振動をしている様子を示す図である。
【図３】本発明に係る超音波モータが屈曲１次振動をしている様子を示す図である。
【図４】本発明に係る圧電振動子の斜視図である。
【図５】屈曲振動層および伸縮振動層の各層数比と速度対推力の関係を示すグラフである。
【図６】（ａ）屈曲振動層上の電極パターンを示す平面図である。（ｂ）グランド電極のパターンを示す平面図である。（ｃ）伸縮振動層上の電極パターンを示す平面図である。
【図７】本発明に係る超音波モータの駆動層上の電極に対する配線を示す図である。
【図８】駆動調整しないときの位置決め装置の指示への追随性を示すグラフである。
【図９】駆動調整したときの位置決め装置の指示への追随性を示すグラフである。
【図１０】駆動調整しないときの時間に対するパーティクル数の変化を示すグラフである。
【図１１】駆動調整したときの時間に対するパーティクル数の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【００１５】
図１は、超音波モータ１０の正面図である。図１に示すように、超音波モータ１０は圧電振動子１と摺動チップ２を備えており、圧電層と電極とが交互に積層された矩形積層型の圧電振動子１を多重振動モードで振動させることで駆動可能となっている。圧電振動子１は、矩形積層型の圧電セラミックスから形成されており、各層が厚さ方向に分極している。また、圧電振動子１の図中ｙ方向端面の中央部に、駆動力を伝達する摺動チップ２が設けられている。
【００１６】
図２は、超音波モータが伸縮１次振動をしている様子を示す図である。図２に示すように、圧電振動子１が伸縮１次振動モードで振動する際の伸縮方向は、図２中、矢印Ａの方向と平行である。また、図３は、超音波モータが屈曲１次振動をしている様子を示す図である。図３に示すように、圧電振動子１が屈曲１次振動モードで振動する際の方向（剪断方向）は、図２に示す矢印Ａと平行であるが、図３に示すように、圧電振動子１の両端で方向が互いに逆となる。図２に示す伸縮１次振動モードと図３に示す屈曲１次振動モードとが合成（縮退）することによって、摺動チップ２は楕円運動をし、駆動力が生ずる。
【００１７】
図４は、圧電振動子１の斜視図である。圧電振動子１は、矩形積層型の圧電セラミックスから形成されており、各層の分極方向は、図４に示す座標軸のｚ軸方向の正負のいずれかに一致している。
【００１８】
圧電振動子１は、屈曲振動層３ａおよび伸縮振動層３ｂを備えている。屈曲振動層３ａは、屈曲１次振動で駆動する。伸縮振動層３ｂは、屈曲振動層に対して並列に積層され、伸縮１次振動で駆動する。このように、圧電振動子１は、伸縮振動層３ｂを屈曲振動層３ａから独立した別個の層として構成されている。したがって、まず伸縮振動層３ｂにより伸縮振動のみ駆動させておき、徐々に屈曲振動電圧を上昇させて、屈曲振動電極への入力電圧を制御して実質０Ｖから動作させることが可能となる。その結果、滑らかに動作電圧を変化させて指示への追随性を向上させるとともに、摩擦磨耗特性を向上させ、素子の寿命を長くすることができる。
【００１９】
なお、図４に示すように、圧電振動子１は屈曲振動層３ａおよび伸縮振動層３ｂについて多層構造であるが、単層のものが並列した構造でもよい。圧電振動子１が伸縮１次振動モードで振動する際の伸縮方向は、ｘ軸と平行である。また、圧電振動子１が屈曲１次振動モードで振動する際の剪断方向は、ｙ軸と平行である。
【００２０】
圧電振動子１は、積層された圧電層の表面または層間に交互に設けられたグランド電極および駆動電極を有している。圧電振動子１は、用途に応じて各振動層の駆動層数の比を変えることができる。図５は、屈曲振動層および伸縮振動層の各層数比と速度対推力の関係を示すグラフである。図５に示す関係は、シミュレーションにより算出できる。
【００２１】
図５に示すように、たとえば、屈曲振動層３ａの駆動層数の、伸縮振動層の駆動層数に対する比が、１以上９以下である場合には、屈曲振動層３ａの影響が大きく、高速度で駆動可能な超音波モータを実現できる。一方、伸縮振動層３ｂの駆動層数の、屈曲振動層の駆動層数に対する比が、１以上９以下である場合には、伸縮振動層３ｂの影響が大きく、大きな推力で駆動可能な超音波モータ１０を実現できる。このように、伸縮振動と屈曲振動の積層比を調整することで、所望の速度と推力が得られる。
【００２２】
図６（ａ）は、屈曲振動層上の電極パターンＦ１を示す平面図である。駆動電極４ａ、４ｂは、それぞれ概ね主面の２分の１の面積に等分されている。そして、それぞれ圧電振動子１の側面に露出する取り出し部分を有している。たとえば駆動電極４ａには所定の交流電圧が印加され、駆動電極４ｂには駆動電極４ａへの印加電圧とは位相がπ／２異なる電圧を印加する。
【００２３】
図６（ｂ）は、グランド電極のパターンＧＮＤを示す平面図である。グランド電極４ｃと駆動電極４ａ、４ｂまたは４ｄとの間に電界が生じることで、その間の圧電層１ｂが変位する。図６（ｃ）は、伸縮振動層上の電極パターンＬ１を示す平面図である。駆動電極４ｄは、一面にわたる矩形形状に形成されている。
【００２４】
駆動電極４ａ、４ｂ、４ｄは、外部電極により入力端子に接続されている。また、グランド電極４ｃは、外部電極により接地端子に接続されている。スルーホールを用いず外部接続にすることにより動作活性層体積比率を大きくし、動作に寄与しない不活性層体積比率を少なくすることができる。たとえば駆動電極４ｄには、駆動電極４ａと同じ電圧が印加される。
【００２５】
図７は、超音波モータ１０の駆動層上の電極に対する配線を示す図である。図７に示すように、超音波モータ１０において、駆動層上には、矩形の圧電層１ｂの一方の主面を２分割するように、駆動電極４ａと駆動電極４ｂとが設けられている。そして、駆動層の他方の主面にはグランド電極４ｃが設けられ、接地されている。駆動電極４ａ、４ｂは、互いに絶縁された状態で個別に設けられる。
【００２６】
超音波モータ１０の駆動回路は、２つの交流電圧源５ａ、５ｂによって構成される。交流電圧源５ａは、駆動電極４ｄにＶ０ｓｉｎωｔの電圧を印加している。図２に示すように長手方向に伸縮する伸縮１次振動モードの振動が発生する。
【００２７】
また、交流電圧源５ａは、駆動電極４ａにＶ０ｓｉｎωｔの電圧を印加し、交流電圧源５ｂは、電極４ｂにＶ０ｃｏｓωｔの電圧を印加する。このように、圧電振動子１の駆動電極４ａ、４ｂに対して位相がπ／２ずれた電圧Ｖ０ｓｉｎωｔおよびＶ０ｃｏｓωｔが印加されると、圧電振動子１には、図３に示すように、幅方向（剪断方向）で屈曲する屈曲１次振動モードの振動が発生する。
【００２８】
そして、伸縮１次振動モードの共振周波数と、屈曲１次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のチップには楕円振動が発生する。なお、電圧Ｖ０ｓｉｎωｔとＶ０ｃｏｓωｔとは、それぞれ第１の交流電圧と第２の交流電圧とに該当する。両者が入れ替わっても何ら問題はない。
【００２９】
なお、上記の例では、屈曲１次振動モードにつき２相信号入力の構成を説明しているが、１相信号入力の構成を採ってもよい。この場合、一方の駆動電極４ａに、交流電圧源５ａによってＶ０ｓｉｎωｔの交流信号を印加し、他方の駆動電極４ｂを開放状態とすることで動作させることも可能である。
【００３０】
（駆動調整）
超音波モータ１０については特に以下のような駆動調整が好適である。まず、最初に伸縮振動層３ｂへ電圧を印加し、徐々に印加電圧を上昇させる。そして、伸縮振動層３ｂへの電圧印加開始後に、屈曲振動層３ａへ電圧を印加し、徐々に印加電圧を上昇させる。このようにして、２つのステップにより滑らかな駆動を可能にする。これにより滑らかに動作電圧を変化させて、動作の追随性を向上させるとともに、摩擦磨耗特性を向上させ、超音波モータ１０の寿命を長くすることができる。
【００３１】
（実施例１）
超音波モータ１０を用いた位置決め装置を作製し、上記の駆動方法で駆動調整を行わない場合と駆動調整を行う場合について指示値ｘ０への現在値ｘの追随性について試験を行った。図８は、駆動調整しないときの位置決め装置の指示への追随性を示すグラフである。図８に示すように、駆動調整しないときには、指示値ｘ０と現在値ｘとが乖離しやすく、偏差Δｘが大きくなっている。
【００３２】
一方、図９は、駆動調整したときの位置決め装置の指示への追随性を示すグラフである。図９に示すように、駆動調整を行うことで、ほとんど偏差Δｘを生じさせず指示値ｘ０に対する現在値ｘが一致した。
【００３３】
（実施例２）
また、駆動調整を行わない場合と行う場合について位置決め装置を所定時間、運転を続けたところ、パーティクル数に差が生じた。図１０は、駆動調整しないときの時間に対するパーティクル数の変化を示すグラフである。パーティクルの径ごとにパーティクル発生数を記録した。図１０に示すように駆動調整しないときには、１０分程度の運転によりパーティクルが増加している。
【００３４】
一方、図１１は、駆動調整したときの時間に対するパーティクル数の変化を示すグラフである。この場合には、２０分以上の運転にも関わらずパーティクル数の増加は見られなかった。
【００３５】
以上の実施例より、超音波モータ１０を駆動調整しつつ駆動することで、指示に対する追随性を向上させるとともに、パーティクルの発生を防止し耐久性を向上させることが実証された。
【符号の説明】
【００３６】
１  圧電振動子
１ｂ  圧電層
２  摺動チップ
３ａ  屈曲振動層
３ｂ  伸縮振動層
４ａ、４ｂ  駆動電極
４ｃ  グランド電極
４ｄ  駆動電極
５ａ、５ｂ  交流電圧源
１０  超音波モータ
ｘ  現在値
ｘ０  指示値
Δｘ  偏差
【図１】
0005571521.tif 000002
【図２】
0005571521.tif 000003
【図３】
0005571521.tif 000004
【図４】
0005571521.tif 000005
【図５】
0005571521.tif 000006
【図６】
0005571521.tif 000007
【図７】
0005571521.tif 000008
【図８】
0005571521.tif 000009
【図９】
0005571521.tif 000010
【図１０】
0005571521.tif 000011
【図１１】
0005571521.tif 000012