(57)【要約】【課題】一つの可動部材をコンパクトな構成でＸ−Ｙ駆動させ得る超音波モータを提供する。【解決手段】中央部に形成した凹部１６ｃ内に３点支持部１６ｂを形成した支持部材１６と、その支持部材１６の前記３点支持部１６ｂに個別に支持された３つの圧電素子１４と、その３つの圧電素子１４の他端１４ａに固定されて凹部１６ｃより突出する可動部材１２と、支持部材１６に形成されて各圧電素子１４に予圧を付加するスリット１８とを備えている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中央部に形成した凹部内に３点支持部を形成した支持部材と、該支持部材の前記３点支持部に個別に支持された３つの圧電素子と、該３つの圧電素子の他端に固定されて前記凹部より突出する可動部材と、を備えていることを特徴とする超音波モータ。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波モータと、該超音波モータの前記可動部材に接して相対移動する相対移動部材と、該相対移動部材と前記超音波モータとの間に押圧力を付与する押圧力付与部材と、を備えることを特徴とするＸ−Ｙ移動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超音波モータ、およびＸ−Ｙ移動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波モータは、圧電モータともよばれ、電圧を印加することによって変位が生じる圧電素子を用いて振動を起こし、その振動で可動部材を駆動し、その可動部材の駆動力によって被制御部材を相対的に動かすものである。
近年、小型で、且つ停止時において被制御部材に対して大きな保持力が得られる超音波モータを、Ｘ−Ｙ平面で使用することが試みられている。
【０００３】
例えば、この種の超音波モータとして、特許文献１に記載の技術では、図５に示すように、圧電素子１６０は、矩形板状をしており、圧電基板の主面の一方に、その基板の主面を４分割するように電極１４０が配置されており、主面の他方にはアース電極（不図示）を設けている。これらの電極１４０は、互いに絶縁された状態で個別に設けられており、互いに対角に位置する各電極同士が導線２２０によって相互に電気的に接続される。また、この超音波モータ１００の駆動回路は、２つの交流電圧源によって構成されており、対角に接続された各電極に位相がπ／２ずれた電圧が印加されて、その矩形板状の長手方向に伸縮する長手縦振動モード（同図での符号Ｚ方向）の振動と、矩形板状の短手方向に屈曲する屈曲振動モード（同図での符号±Ｘ方向）の振動とを発生させ、両振動モードを合成させた楕円運動を可動部材１２０に得て、その可動部材１２０での楕円運動を駆動力として被制御部材を相対的に動かすものである。
【０００４】
ここで、この超音波モータをリニアモータとして使用する際に、上記主面を一面で構成した場合には、Ｘ−Ｙ平面での一の方向にのみ被制御部材を相対的に移動可能となるが、上記主面を二面で構成した場合には、一つの可動部材を駆動させてＸ−Ｙ平面での任意の方向に被制御部材を相対的に移動することができる（以下、「Ｘ−Ｙ駆動」という）。例えば特許文献２に記載の技術では、図６に示すように、一つの可動部材２２０に対して主面２６０を交差させた二面で構成してＸ−Ｙ駆動させ得る超音波モータ２００の構成例が開示されている。
【特許文献１】特開平５−３６８８号公報
【特許文献２】特開平７−１８４３８２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、上述のＸ−Ｙ駆動させ得る超音波モータの構成例では、駆動回路を少なくとも４つの交流電圧源によって構成することが必要となるため、超音波モータの構成や制御が複雑になる。
また、交差する二つの主面の各矩形板状での短手方向に生じる屈曲振動が合成されて、一体となっている超音波モータ本体全体が複雑に屈曲しつつ振動するため、超音波モータの動作状態を把握することが困難になる。しかし、超音波モータの構成や制御を容易にすべくＸ方向とＹ方向とを別途に構成すれば、一つの可動部材でＸ−Ｙ駆動させ得る超音波モータをコンパクトな構成によって実現することが難しくなる。
本発明は、このような問題点に着目してなされたものであって、一つの可動部材をコンパクトな構成でＸ−Ｙ駆動させ得る超音波モータ、およびこれを使用したＸ−Ｙ移動装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、超音波モータであって、中央部に形成した凹部内に３点支持部を形成した支持部材と、該支持部材の前記３点支持部に個別に支持された３つの圧電素子と、該３つの圧電素子の他端に固定されて前記凹部より突出する可動部材と、を備えていることを特徴としている。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の超音波モータを用いるＸ−Ｙ移動装置であって、請求項１に記載の超音波モータと、該超音波モータの前記可動部材に接して相対移動する相対移動部材と、該相対移動部材と前記超音波モータとの間に押圧力を付与する押圧力付与部材と、を備えることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、一つの可動部材をコンパクトな構成で二次元駆動させ得る超音波モータ、およびこれを使用したＸ−Ｙ移動装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の一実施形態について、図面を適宜参照しつつ説明する。なお、この実施形態は、本発明に係る超音波モータを、Ｘ−Ｙ平面で使用、つまり一つの可動部材で被制御部材をＸ−Ｙ駆動可能に構成するＸ−Ｙ移動装置で使用する例である。
まず、本発明に係る超音波モータ１０、被制御部材５１、および超音波モータ１０に押圧力を付与する押圧力付与部材を備えたＸ−Ｙ移動装置の構成例について図１を参照しつつ説明する。
【０００９】
同図に示すように、このＸ−Ｙ移動装置の構成例では、ベース１０１と、そのベース１０１に下方から支持された一組のブロック１０２，１０３と、雄ねじが形成された軸部１０４ａを有するハンドル１０４とを有する押圧力付与部材を備えている。そして、超音波モータ１０および被制御部材５１全体は、押圧力付与部材のブロック１０３上に載置される。なお、被制御部材５１は、例えば不図示のリニアガイド等によってＸ−Ｙ平面内で移動可能かつＺ軸方向（同図での上下方向）で拘束されている。
【００１０】
詳しくは、押圧力付与部材のハンドル１０４は、軸部１０４ａを有しており、その軸部１０４ａがベース１０１に形成されている雌ねじ１０１ａに螺合して備えられている。そして、ハンドル１０４の軸部１０４ａ端面は、下側のブロック１０２の側面１０２ａに当接しており、ハンドル１０４を時計方向（同図での矢印Ｑ方向）に回すことによって軸部１０４ａが推進軸となり、同図の右方向（矢印Ｒ方向）にブロック１０２を押圧可能になっている。ここで、一組のブロック１０２，１０３は、相互の当接面に、同図に示すような右下がりの傾斜をもつ楔状の斜面が形成されている。なお、ブロック１０３および超音波モータ１０は垂直方向ガイド１０５によって同図の横方向には拘束されている。そのため、同図の右方向へのブロック１０２の移動によって上側のブロック１０３は上方（矢印Ｓ方向）に移動可能である。これにより、超音波モータ１０全体を被制御部材５１の方向に押圧して、所望の予圧を超音波モータ１０各部に付加可能になっている。なお、所望の予圧を付加した後は、位置がずれないように、一組のブロック１０２，１０３同士や、下側のブロック１０２とベース１０１とをねじ等によって固定する。
【００１１】
次に、超音波モータ１０の構成について詳しく説明する。
図２は本発明に係る超音波モータの概略構成を説明する斜視図である。また、図３は、本発明に係る超音波モータの断面図である。
超音波モータ１０は、図２に示すように、可動部材１２と、圧電素子１４と、支持部材１６と、制御部２０とを備えて構成されている。
支持部材１６は、金属材料によって形成されており、外形が略六角形をなし、その中央部に略六角形の凹部１６ｃが形成されて、可動部材１２および各圧電素子１４の周囲を取り囲む環状の部材である。
【００１２】
詳しくは、支持部材１６は、図２および図３に示すように、軸線ＶＬを中心軸とし、底部側は正六角柱状に形成され、支持部材１６の高さ方向の略中央部分から上部に向けて六角錐状に傾斜した六つの面を有している。中央部には、上下に貫通する貫通孔１６ａが形成されており、貫通孔１６ａの上部側が広い凹部１６ｃになっている。この凹部１６ｃには、可動部材１２を各圧電素子１４を介して支持する３つの支持部１６ｂが形成されている。各支持部１６ｂは、軸線ＶＬ上に設定される仮想基準点ＢＰに対して周方向に１２０°の等間隔に３面が配置されており、さらに、各支持部１６ｂは、軸線ＶＬに対して各々等しい所定の角度θをもつ圧電素子１４の軸線ＪＬに直交する面になっている。
【００１３】
圧電素子１４は、図２および図３に示すように、軸線ＶＬ上に設定される仮想基準点ＢＰに対して周方向に１２０°の等間隔に同じものが３つ配置されており、軸線ＶＬに対して各々等しい所定の角度θをもって仮想基準点ＢＰに対して放射状に配置されている。各圧電素子１４は、横断面が矩形をなす柱状であり、それぞれは、同じ形状、性能を有している。本発明の超音波モータ１０は、この圧電素子１４に後述する制御部２０で制御された所定の電圧をそれぞれ印加して振動を起こし、その振動で可動部材１２を駆動可能になっている。
【００１４】
ここで、上記の所定の角度θについて詳しく説明する。
上述のように、仮想基準点ＢＰに対して放射状に配置される３つの圧電素子１４は、軸線ＶＬに対して図３の下方向に各々等しい所定の角度θをもって配置される。この超音波モータ１０は、この所定の角度θを設計条件に合わせて適宜変更することによって、可動部材１２による保持力、および移動量の設計条件に合わせて設定することが可能である。具体的には、この所定の角度θとしては、４５度が好適である。所定の角度を４５度とすれば、可動部材による保持力と移動量とをバランス良く振り分けて構成することができるからである。そのため、本実施形態では、この所定の角度θを４５度に設定している。
【００１５】
可動部材１２は、上記各圧電素子１４の振動で所望の駆動力を得て、その駆動力によって被制御部材５１を相対的に動かすものである。
詳しくは、可動部材１２は、図２ないし図３に示すように、逆正三角錐台形状に形成され、その上面が凹部１６ｃより突出する凸球面に形成されたチップであり、例えば金属材料やセラミックス等から形成されている。そして、可動部材１２は、図３に示すように、被制御部材５１とは反対の側の各三角錐面が、３つの圧電素子１４の他端での端面１４ａとそれぞれ当接する３つの当接面１２ａとされている。つまり、各当接面１２ａは、軸線ＶＬに対して各々等しい上記所定の角度θ（θ＝４５°）に対応した４５°の傾きをもつとともに、各圧電素子１４と同様に、軸線ＶＬ上に設定される仮想基準点ＢＰに対して周方向に１２０°の向きをもつ斜面で形成されている。
【００１６】
そして、この超音波モータ１０に上述した押圧力付与部材等によって押圧力が付与され取り付けられる。なお、可動部材１２と圧電素子１４と支持部１６ｂは互いに接着固定する。
ここで、スリット１８は、支持部材１６の中央部側から見て略Ｗ字状に形成された溝であり、各圧電素子１４の軸線ＪＬの延長線上で、各圧電素子１４の一端の側と対向する支持部材１６の肉厚部分にそれぞれ形成される。
【００１７】
そのため、超音波モータ１０および被制御部材５１全体に押圧力付与部材等によって押圧力を付与することによって、支持部材１６の各支持部１６ｂ側は、スリット１８部分での弾性変形が比較的小さな撓み量であっても、各圧電素子１４に大きな予圧をそれぞれ付加できる。また、予圧付加手段として、例えば、ばね等の特段の部材を使用しないから、少ない部品点数で超音波モータ１０を構成することが可能になっている。
【００１８】
次に、各圧電素子１４および可動部材１２になされる制御部２０での制御について説明する。
図４は、制御部２０によって制御される各圧電素子１４および可動部材１２のイメージを示す説明図である。なお、同図（ａ）は、図２のＴ方向から３つの圧電素子および可動部材を見た概略説明図、同図（ｂ）は同図（ａ）でのＵ−Ｕ断面図、同図（ｃ）は同図（ａ）での３つの圧電素子に生じる変位を説明する説明図である。
【００１９】
この超音波モータ１０では、３つの圧電素子１４のそれぞれは、横断面が矩形をなす柱状をした各圧電素子１４の一方の側面に電極２２を設け（図１参照）、他方の側面に不図示のアース電極を設けている。これらの電極２２は、互いに絶縁された状態で個別に設けられ、各電極２２がそれぞれ制御部２０に接続される。そして、この超音波モータ１０の制御部２０の駆動回路は、３つの圧電素子１４のそれぞれに対応する３つの交流電圧源によって構成されており、３つの圧電素子１４にそれぞれ接続された各電極２２に所定の電圧Ｖをそれぞれ印加して、各圧電素子１４の矩形柱状の長手方向に伸縮する（図２に符号Ｍで示す矢印方向）長手縦振動モードの振動を発生させる。そして、３つの圧電素子１４での振動モードを合成させて可動部材１２に所望の方向で楕円運動を得て、この可動部材１２での楕円運動を駆動力として被制御部材５１を相対的に動かすことができるものである。
【００２０】
詳しくは、制御部２０は、３つの圧電素子１４に、振幅と波形とがそれぞれ個別に設定される電圧Ｖを印加して可動部材１２に所望の方向に駆動力を与えるようになっている。
すなわち、図４（ａ）に示すように、各圧電素子１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃは、可動部材１２に対してＸ−Ｙ平面内で、正三角形の位置関係に配置されている。
【００２１】
今、圧電素子１４Ａおよび圧電素子１４Ｂに電圧Ｖを印加すると、圧電素子１４Ａ，１４Ｂは、図４（ｂ）に示すように、それぞれが設置された軸上にＤだけ変位する。ここで、各圧電素子１４は、上述のように、可動部材１２の軸線ＶＬに対して各々等しい上記所定の角度θに対応した斜面で形成されている。今、この所定の角度θが４５°であれば、圧電素子１４Ａ，１４Ｂの変位Ｄによって可動部材１２は、図４（ａ）でのＹ１方向に、Ｄ・ｃｏｓ４５°・ｓｉｎ３０°＝Ｄ／２√２だけ変位する。一方、圧電素子１４Ｃは、圧電素子１４Ａ，１４Ｂに対し、９０°の位相をもたせて、電圧Ｖ／２で駆動する。これにより圧電素子１４Ｃは、圧電素子１４Ｃの軸上で約Ｄ／２だけ変位し、図４（ａ）でのＹ２方向に約Ｄ／２√２だけ変位する。これにより、圧電素子１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃに印加する電圧Ｖの信号を連続的な正弦波にすれば、可動部材１２は、その凸球面側がＹ−Ｚ平面上で楕円運動を形成して、この運動を用いて被制御部材５１をＸ−Ｙ平面内でＹ方向に動かすことができる。
【００２２】
なお、Ｘ−Ｙ平面内の、その他の所望の方向へ変位させ得る駆動力を可動部材１２に与える場合には、その所望の方向への角度に基づいて各圧電素子１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃへ印加する電圧Ｖを配分すればよい。このようにして、電圧Ｖの信号を連続的な正弦波にすれば、可動部材１２は、その凸球面側が楕円運動を形成して、Ｘ−Ｙ平面内で所望の方向への駆動力が得られる。
【００２３】
次に、この超音波モータの作用・効果について説明する。
上述したように、本発明に係る超音波モータ１０によれば、可動部材１２を駆動する部分が、３つの圧電素子１４で構成されているから、各圧電素子１４に対応する制御部２０も、３つの交流電圧源によって駆動回路を構成できる。そのため、例えば、上記例示したＸ−Ｙ駆動させ得る超音波モータ２００に比べて、各圧電素子および各圧電素子に対応する制御部分の構成および制御を簡略にすることができる。
【００２４】
また、この超音波モータ１０によれば、各圧電素子１４は、各々が可動部材１２に連結支持されているため、例えば複雑な屈曲等の変形が各圧電素子１４に生じることもほとんどない。
また、この超音波モータ１０によれば、予圧付加手段をスリット１８によって実現しているから、予圧を付加するに際して、支持部材１６の比較的小さな撓み量に比して、各圧電素子１４に大きな予圧をそれぞれ付加できる。また、予圧付加手段としての特段の部品を使用していないから、少ない部品点数で超音波モータを構成することができる。
【００２５】
なお、本発明に係る超音波モータは、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しなければ種々の変形が可能である。
例えば、上記実施形態では、仮想基準点ＢＰに対して放射状に配置される３つの圧電素子１４は、軸線ＶＬに対して各々等しい所定の角度θをθ＝４５°で配置されているが、所定の角度θは、θ＝４５°に限定されず、この所定の角度θを設計条件に合わせて適宜変更することができる。所定の角度θを設計条件に合わせて適宜変更することによって、可動部材による保持力、および移動量の調整が可能である。具体的には、可動部材１２による被制御部材５１への保持力を優先して構成する上では、所定の角度θを４５度より狭く（鋭角に）することが望ましい。例えば所定の角度θを４０°に設定することができる。また、可動部材による移動量を優先して構成する上では、所定の角度θを４５度より広く（鈍角に）することが望ましい。例えば所定の角度θを５０°に設定することができる。
【００２６】
また、上記実施形態では、３つの圧電素子は、１２０°の等間隔に配置されているが、これに限定されず、可動部材を駆動可能な配置であれば、仮想基準点ＢＰに対して周方向に任意の角度で配置してもよい。例えば、上述の実施形態では、配置間隔は１２０°の等間隔としているが、二つの圧電素子を９０°の相対位置（すなわち、配置角度は、１３５°，１３５°，９０°）に配置すれば、Ｘ−Ｙ平面内で、Ｘ軸とＹ軸との直交軸方向へ駆動させる上で好適である。
【００２７】
また、上記実施形態では、仮想基準点ＢＰに対して放射状に配置される３つの圧電素子で可動部材を駆動する部分を構成しているが、これに限定されず、圧電素子の数は、４つ以上であってもよい。しかし、各圧電素子および各圧電素子に対応する制御部分の構成および制御を簡略にする上では、３つの圧電素子で可動部材を駆動する部分を構成することが望ましい。
【００２８】
また、上記実施形態では、支持部材１６の内外形形状をそれぞれ六角形に形成しているが、これに限定されず、支持部材１６の外形形状は任意であり、例えば三角形や四角形であってもよい。また、内形形状についても、各圧電素子１４を弾性的に付勢する予圧付加手段によって、例えばスリット１８によって、可動部材１２に向けて押圧可能な面や、それに相当する形状であれば任意の形状に設定することができる。
【００２９】
また、上記実施形態では、予圧付加手段をスリット１８によって実現しているが、予圧付加手段はスリットに限定されない。例えば、ばね等の弾性部材を圧電素子と支持部材との間に介装してもよい。しかし、予圧を付加するに際し、比較的小さな撓み量に対して大きな出力が得られ、且つ、予圧付加手段としての特段の部品を使用しないで超音波モータを構成する上では、スリットを形成して予圧付加手段とすることが好ましい。
なお、実施例では、スリット１８の形状がＷ字状をなしているが、形状はこれに限定されず、ばね要素を持たせることが可能ならば任意の形状でよい。
また、上記実施形態では、各圧電素子１４は、同一形状、同一性能のものを使用しているが、これに限定されず、異なる形状や異なる性能のものを使用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】超音波モータおよび被制御部材全体に予圧を加える押圧力付与部材を備えたＸ−Ｙ移動装置の構成例の説明図である。
【図２】本発明に係る超音波モータの概略構成を説明する斜視図である。
【図３】本発明に係る超音波モータの正面図であり、同図では支持部材を断面で示している。
【図４】制御部によって制御される各圧電素子および可動部材のイメージを示す説明図である。
【図５】従来の超音波モータの一例を示す説明図である。
【図６】従来のＸ−Ｙ駆動させ得る超音波モータの構成例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３１】
１０    超音波モータ
１２    可動部材
１４    圧電素子
１６    支持部材
１８    スリット（予圧付加手段）
２０    制御部
２２    電極
５１    被制御部材
１０１    ベース
１０２    （下側の）ブロック
１０３    （上側の）ブロック
１０４    ハンドル
ＶＬ    軸線
ＢＰ    仮想基準点
θ    所定の角度
【図１】
2006238639.tif 000003
【図２】
2006238639.tif 000004
【図３】
2006238639.tif 000005
【図４】
2006238639.tif 000006
【図５】
2006238639.tif 000007
【図６】
2006238639.tif 000008