(57)【要約】【課題】  振動体の振動により、移動体を摩擦駆動する超音波モータ及びそれを用いた電子機器に関し、特に駆動に用いる縦振動と屈曲振動の共振周波数が調整可能な振動体の構造及び調整方法に関する。【解決手段】  そこで、本発明の超音波モータは、振動体には振動体に励振される屈曲振動の節近傍に付加質量部もしくは質量除去部を有する。もしくは振動体に励振される屈曲振動の腹近傍に付加質量部もしくは質量除去部を有する。もしくは振動体の長手方向略先端部には付加質量部もしくは質量除去部を有する構成とする。これにより縦振動及び屈曲振動の共振周波数を希望通りに修正する。【選択図】  図4
2006296042.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子を有する振動体の縦振動と屈曲振動の合成振動を用いた圧電デバイスにおいて、
前記振動体には前記振動体に励振される屈曲振動の節近傍に付加質量部もしくは質量除去部を有することを特徴とする圧電デバイス。
【請求項２】
圧電素子を有する振動体の縦振動と屈曲振動の合成振動を用いた圧電デバイスにおいて、
前記振動体には前記振動体に励振される屈曲振動の腹近傍に付加質量部もしくは質量除去部を有することを特徴とする圧電デバイス。
【請求項３】
圧電素子を有する振動体の縦振動と屈曲振動の合成振動を用いた圧電デバイスにおいて、
前記振動体の長手方向略先端部には付加質量部もしくは質量除去部を有することを特徴とする圧電デバイス。
【請求項４】
前記付加質量部もしくは質量除去部は前記振動体の長手方向に対象に設けられていることを特徴とする請求項1から請求項３のうち何れか１項に記載の圧電デバイス。
【請求項５】
前記付加質量部もしくは質量除去部は前記振動体の幅方向に対象に設けられていることを特徴とする請求項1から請求項３のうち何れか１項に記載の圧電デバイス。
【請求項６】
前記付加質量部もしくは質量除去部は前記振動体の幅方向中央位置に設けられていることを特徴とする請求項1から請求項３のうち何れか１項に記載の圧電デバイス。
【請求項７】
圧電素子を有する振動体の振動を用いた圧電デバイスにおいて、前記振動体に励振される振動の共振周波数を調整するために用いられる付加質量部もしくは質量除去部は前記振動体に複数設けられていることを特徴とする圧電デバイス。
【請求項８】
前記付加質量部は電極材であり、前記付加質量部に付けられる質量は金属であることを特徴とする請求項1から請求項7のうち何れか１項に記載の圧電デバイス。
【請求項９】
振動体の共振特性を評価する工程と、
前記共振特性の評価結果に基づいて付加質量部、もしくは質量除去部の位置を選択する工程と、
付加質量を付加、もしくは質量を除去する工程と、からなる圧電デバイスの製造方法。
【請求項１０】
振動体の共振特性を評価する工程と、
前記共振特性の評価結果に基づいて複数の付加質量付与部もしくは質量除去部位置のうち付加質量を付加するか、もしくは質量を除去するかを判断する工程と、
付加質量を付加、もしくは質量を除去する工程からなることを特徴とする圧電デバイスの製造方法。
【請求項１１】
前記圧電デバイスは超音波モータであり、前記共振特性の評価は前記振動体に支持部材、摩擦部材の少なくとも何れか一つが付けられた状態でなされることを特徴とする請求項9又は請求項１０に記載の圧電デバイスの製造方法。
【請求項１２】
前記共振特性の評価は前記振動体と移動体が加圧状態でなされることを特徴とする請求項１１に記載の圧電デバイスの製造方法。
【請求項１３】
請求項1から8記載のうちいずれか１項に記載の圧電デバイスにより駆動される稼動部を有することを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧電素子の振動で機能する各種圧電デバイス、特には振動体の振動により、移動体を摩擦駆動する超音波モータ及びそれを用いた電子機器に関し、特に駆動に用いる縦振動と屈曲振動の共振周波数が調整可能な振動体の構造及び調整方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器の小型化、高機能化、低消費電力化に伴い稼動部を動かすアクチュエータとして超音波モータが注目され、その採用実績も伸びつつある。特に、矩形板形状の振動体の縦振動と屈曲振動を用いた超音波モータは構造が簡単で薄型化が容易であると共に、回転運動と直動運動の両方を可能とする事から様々な機器への応用が期待されている。
【特許文献１】特開2000−116162号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら矩形板からなる振動体の縦振動と屈曲振動を用いた超音波モータは、振動体の加工時の寸法ばらつきや振動体への支持部材や摩擦部材の取り付け等によって個々の振動体に関する縦振動並びに屈曲振動の共振周波数はそれぞれ独立に変動して（ばらついて）しまっていた。そしてそれにより、超音波モータの出力特性（速度、推進力、電流）のばらつきも招いてしまっていた。また、移動体の移動方向による出力特性にも差を生じさせてしまっていた。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
そこで、上記課題を解決する為に本発明の超音波モータは、振動体には振動体に励振される屈曲振動の節近傍に付加質量部もしくは質量除去部を有する。もしくは振動体に励振される屈曲振動の腹近傍に付加質量部もしくは質量除去部を有する。もしくは振動体の長手方向略先端部には付加質量部もしくは質量除去部を有する構成とする。
【０００５】
ここで、付加質量部もしくは質量除去部は振動体の長手方向にそして幅方向に対称に設けられている。そして付加質量部もしくは質量除去部は振動体に複数設けられた構成とする。
【０００６】
具体的な調整方法としては振動体の共振特性を評価する工程と、共振特性の評価結果に基づいて付加質量部、もしくは質量除去部の位置を選択する工程と、付加質量を付加、もしくは質量を除去する工程とする。もしくは振動体の共振特性を評価する工程と、共振特性の評価結果に基づいて複数の付加質量付与部もしくは質量除去部位置のうち付加質量を付加するか、もしくは質量を除去するかを判断する工程と、付加質量を付加、もしくは質量を除去する工程とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば各部品の製造時や電子機器への取付けで生じる振動体の縦振動の共振周波数と屈曲振動の共振周波数の設計値とのずれを補正し、製品間のばらつきの小さな超音波モータ並びに各種圧電デバイスが実現できる。そして、当然のことながらこれにより超音波モータをはじめとする圧電デバイスの特性向上のみならずこれを搭載した電子機器の安定駆動は可能となり、信頼性も向上する。
【発明を実施する為の最良の形態】
【０００８】
以下、圧電デバイスの中でも特に超音波モータを例にとって説明する。
【０００９】
図1は本発明の超音波モータの構成例を示した図である。矩形状の圧電素子からなる振動体1には摩擦部材となる突起2（２ａ及び２ｂ）並びに凹部を有する支持部材3が接合されている。加圧部材4の軸部4aは段部を有し、案内板5の案内穴5aで、軸方向にのみ移動可能に案内されている。突起2の下には案内部材8（８ａ及び８ｂ）に案内された移動体7が設けられ、支持部材3の凹部に係合する加圧部材4を加圧手段6で加圧することにより突起2と移動体7は接している。支持部材3は振動体1の中央部（振動の節）に貫通する軸としても良い。
【００１０】
ここで、圧電素子からなる振動体1は縦振動と屈曲振動を励振する。圧電素子の電極構成は例えば特許文献1に示したものを用いる。図2は振動体1の長手方向（ｘ方向）の各位置に対する振動振幅の分布を示したものである。（a）は縦振動の振幅（ｘ方向変位）を、（ｂ）は屈曲振動の振幅（ｙ方向変位）を示したものである。縦振動は一次、屈曲振動は二次モードである。縦振動、屈曲振動共に振動体1の中央部が振動の節となり、この位置に支持部材3が設けられている。また屈曲振動の腹の位置に突起2が設けられている。この縦振動と屈曲振動を同時に励振することにより突起2は振動体1の長手方向の変位成分と、これと直交する幅方向（ｙ方向）の変位からなる楕円運動を行い、移動体7を駆動する。本発明は製造工程で生じる振動体の寸法等のばらつきによる縦振動の共振周波数と屈曲振動の共振周波数を最適な値に修正する方法であり以下実施の形態に詳細を示す。
【００１１】
本発明は圧電素子の電極構成に制限を与えるものではなく、また縦振動と屈曲振動の縮退振動を用いたものでも結合振動を用いたものでも構わない。そして、移動体7を固定し、振動体1自体を駆動する自走式の構成としても構わないし、移動体を回転させる回転型のアクチュエータ構成としても構わない。振動体の形状としては丸棒でも構わないし、金属等の弾性体と圧電素子を接合した構成でも構わない。
【００１２】
（実施の形態１）
図3は振動体の様々な位置に半田からなる付加質量を付着させた場合の縦振動と屈曲振動の共振周波数を示した。図中の負荷質量の大きさの表記（大、小）は実験の都合上、定性的となったが同一の付加質量に対する縦振動の共振周波数の変化量と屈曲振動の共振周波数の変化量を比較するには十分であると考える。実際には大は小のおよそ3倍の大きさの半田であった。図4（a）は図1における振動体1を同方向から見てどの位置に半田を付着させたかを示す図であり、(b)はB点に半田9を付着させた図（(a)の矢印E方向から見た図）である。
【００１３】
図3（a）は振動体1の屈曲振動の節部（図4におけるA点）に半田を付着させた場合（付加質量部を形成）、並びに付着しない場合の縦振動の共振周波数と屈曲振動の共振周波数を示した表である。付加質量が大きくなるにつれて縦振動の共振周波数も屈曲振動の共振周波数も共に低くなるが、縦振動の共振周波数の低下量の方が大きい。従って、屈曲振動の共振周波数に対して縦振動の共振周波数が狙い値よりも高い場合には屈曲振動の節近傍に付加質量を付与すれば良い。ところで、付加質量は半田に限ることなく金属を接着しても良いし、接着剤そのものであっても構わない。
【００１４】
また逆に屈曲振動の共振周波数に対して縦振動の共振周波数が狙い値よりも低い場合には屈曲振動の節近傍の質量をレーザーや機械的な穴明け加工、切削加工、研削加工等により除去し、質量除去部を設ければ良い。この際空けられる穴は必要に応じ貫通か否が選択される。
【００１５】
図3（ｂ）、（ｃ）は夫々振動体1の屈曲振動の腹部（図4におけるB点）及び長手方向両端部（縦振動及び屈曲振動の腹となる図4におけるC点）に半田を付着させた場合、並びに付着しない場合の縦振動の共振周波数と屈曲振動の共振周波数を示した表である。付加質量が大きくなるにつれて縦振動の共振周波数も屈曲振動の共振周波数も共に低くなるが、屈曲振動の共振周波数の低下量の方が大きい。従って、縦振動の共振周波数に対して屈曲振動の共振周波数が狙い値よりも高い場合には振動体1の長手方向両端部（縦振動及び屈曲振動の腹）近傍に付加質量を付与すれば良い。また逆に縦振動の共振周波数に対して屈曲振動の共振周波数が狙い値よりも低い場合には振動体1の長手方向両端部（縦振動及び屈曲振動の腹）近傍の質量をレーザーや機械的な穴明け加工により除去し、質量除去部を設ければ良い。
【００１６】
以上の実験結果より屈曲振動の節部へ付加質量部を設けるか質量除去部を設けることにより縦振動と屈曲振動の共振周波数を大きくコントロールすることができることが明らかとなったが、必要に応じ付加質量部もしくは質量除去部の位置を様々組み合わせたり、付加質量もしくは質量除去の量をコントロールすることで任意に縦振動と屈曲振動の周波数を調整することができる。
【００１７】
図5は付加質量付与部を示すものである。図5(a)は振動体10の構成を示す図である。振動体10は積層圧電素子からなり駆動に寄与する圧電素子10ｂ及び10ｃと駆動に寄与しない圧電素子10aからなる。圧電素子10aの上面には付加質量付与部となる付加質量付与用電極11（１１ａ〜１１ｃ）,12（１２ａ〜１２ｃ）,13（１３ａ、１３ｂ）,14（１４ａ、１４ｂ）,15（１５ａ〜１５ｃ）,16（１６ａ〜１６ｃ）が設けられており、重量の重い半田等の金属が付着しやすくなっている。特に半田の場合溶融した半田を付与して固着しても良いし、振動体上に載せた半田ボールをリフロー工程を通して溶融、固着することもできる。
【００１８】
付加質量付与用の付加質量付与用電極11,12は振動体10の長手方向両端部（縦振動及び屈曲振動の腹）近傍に、付加質量付与用電極13,14は屈曲振動の節部近傍に、付加質量付与用電極15,16は屈曲振動の腹部近傍に設けられている。付加質量付与用電極11と12、付加質量付与用電極13と14、付加質量付与用電極15と16は夫々組みとなり、例えば付加質量付与用電極11に付加質量が付与される場合には必ず付加質量付与用電極12にも付加質量が付与される。このように付加質量部もしくは質量除去部を振動体10の長手方向に対象に設けることで、振動振幅分布も付加質量部や質量除去部の影響なく均一になると共にスプリアスも発生しない。
【００１９】
また、付加質量付与用電極11,12,15,16への付加質量の付与は振動体10の幅方向に対して対称になるように付与する。例えば付加質量付与用電極15aに付加質量を付与する場合には付加質量付与用電極15ｃにも付加質量を付与する。この様に付加質量部もしくは質量除去部を振動体10の幅方向に対象に設けることで振動振幅分布も付加質量部や質量除去部の影響なく均一になると共にスプリアスも発生しない。勿論、幅方向の中央位置のみに付加質量部や質量除去部が設けられても同様の効果が得られる。そして、付加質量は振動体10の表面だけでなく裏面にも同様に付与すれば周波数調整範囲が広くなるばかりでなく、厚み方向の屈曲振動（スプリアス）の励振の防止にも繋がる。但し、付加質量の影響で振動振幅分布に乱れが生じたり、スプリアス振動が生じなければ付加質量は必ずしも対称に設ける必要はない。例えば個々の付加質量の重さを変えれば実現可能である。
【００２０】
ところで、付加質量は例えば単板素子を使用する場合には駆動用電極に直接付着しても良い。但し、付加質量が半田のような金属の場合、付加質量によって電極間が短絡されてしまう恐れがあるため注意が必要であり、駆動用電極と同じ面に付加質量を付与する場合には駆動用電極とは別に付加質量付与用の電極を設けた方が良い。
【００２１】
またここでは圧電デバイスとして超音波モータを例に説明したが本発明のように二つの異なる振動モード（縦振動と屈曲振動）による圧電振動子を用いた他の圧電デバイス、例えばジャイロセンサーやフィルター等であっても構わない
（実施の形態2）
縦振動及び屈曲振動の共振周波数を調整する工程について図6を用いて詳細に説明する。本工程は共振周波数評価工程20と周波数調整方法判断工程21と周波数調整工程22からなる。
【００２２】
共振周波数評価工程20はアドミッタンス測定機による共振特性測定において縦振動と屈曲振動の共振周波数を測定する工程が基本となるが、実際の駆動回路の出力（電圧、出力インピーダンス等）に相当する信号の周波数をスイープして電流のピークを測定する工程であっても良いし、振動体の寸法を測定して狙い値とのずれを測定する工程でも構わない。
【００２３】
周波数調整方法判断工程21では共振周波数評価工程20の結果を基に、どの位置にどれくらいの量の付加質量を付与するのか、あるいはどの位置からどれくらいの量の質量を除去するのか等を判断する。ここで、付加質量あるいは除去質量量は一つの場所（例えば付加質量付与用電極15,16のみ）で調整しても構わないが共振特性評価工程20の結果に基づいて複数の付加質量付与部、もしくは複数の質量除去部位置のうち幾つに付加質量を付加するか、もしくは質量を除去するかを判断する工程であっても構わない。例えば付加質量付与用電極15aの中で15bのみに付加質量を付与するか、付加質量付与用15a,15cに付与するか、あるいは付加質量付与用15a,b,c全てに付与するかの判断がこれに該当する。この様にすることで付加質量量、あるいは除去質量量がコントロールできる。
【００２４】
そして該当する圧電デバイスが超音波モータの場合、共振特性評価工程20は振動体1,10に支持部材3、摩擦部材2が設けられた状態で行なわれた方がこれら部材の接合による共振周波数の変化が考慮される為望ましい。共振特性評価工程20は振動体1,10と移動体7が加圧状態でなされた方がより良い。加圧による縦振動の共振周波数の変化と屈曲振動の共振周波数の変化は異なる為であり、これを周波数調整方法判断工程21で予測して周波数調整工程22を行なう場合よりも希望の値に対して精度の高い周波数調整が可能となる。
【００２５】
（実施の形態3）
本発明の超音波モータにより駆動される稼動部を有する電子機器の構成を図7を基に説明する。圧電素子からなる振動体1、10と、振動体1、10に接合された摩擦部材3と、加圧手段6により摩擦部材2と接触し摩擦駆動される移動体25と、移動体25と一体に動作する伝達機構23と、伝達機構23の動作に基づいて動作する出力機構24からなる。ここでは移動体25を回転体として回転動作させる例について説明する。
【００２６】
ここで、伝達機構23は例えば歯車列、摩擦車等の伝達車を用いる。稼動部となる出力機構24としては、プリンタにおいては紙送り機構、カメラにおいてはシャッタ駆動機構、レンズ駆動機構、フィルム巻き上げ機構等を、また電子機器や計測器においては指針等を、ロボットにおいてはアーム機構、工作機械においては歯具送り機構や加工部材送り機構等を用いる。勿論、伝達機構23を省いて出力機構24を直接駆動させても構わない。
【００２７】
尚、本実施の形態における電子機器としては電子時計、計測器、カメラ、プリンタ、印刷機、ロボット、工作機、ゲーム機、光情報機器、医療機器、移動装置等を実現できる。さらに移動体７に出力軸を設け、出力軸からのトルクを伝達するための動力伝達機構を有する構成とすれば、超音波モータ駆動装置を実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明の超音波モータは稼動部の直動動作を必要とし、特に位置決めを必要とする用途に効力を発揮し、情報記録機器における読み取り、書き込みヘッドの駆動、デジタルカメラ、ビデオカメラ等におけるレンズの駆動や小型、薄型、低消費電力が要求される腕時計における様々な機能の駆動（カレンダ駆動等）、玩具等様々な電子機器の駆動源として適用可能である。また本発明による技術を用いたジャイロやセンサー等の圧電デバイスも同様にデジタルカメラ、ビデオカメラ、携帯情報機器、玩具等に使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の超音波モータの構成を示す図である。
【図２】本発明の振動体の振動モードを示す図である。
【図３】本発明の周波数調整例による共振周波数の変化を示す図である。
【図４】本発明の周波数調整例にもちいた付加質量の付与位置を示す図である。
【図５】本発明の振動体の付加質量付与位置を示す図である。
【図６】本発明の共振周波数調整方法を示すブロック図である。
【図７】本発明の超音波モータを用いた電子機器を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００３０】
1、10  振動体                  
2  摩擦部材                
3  支持部材                
7、25  移動体                  
11、12,13,14,15,16  付加質量付与用電極
【図１】
2006296042.tif 000003
【図２】
2006296042.tif 000004
【図３】
2006296042.tif 000005
【図４】
2006296042.tif 000006
【図５】
2006296042.tif 000007
【図６】
2006296042.tif 000008
【図７】
2006296042.tif 000009