(57)【要約】【課題】超音波モータの速度をユーザの要求に合わせて任意に設定できるだけでなくより高速に被駆動体を移動させる超音波モータを提供することを目的とする。【解決手段】圧電セラミックスを積層してなる矩形平板状の圧電板と、該圧電板の面積の大きい２面を主面、積層面を側面とする圧電板において、前記圧電板の一方の主面に２行２列に形成された４つの駆動電極と、前記圧電板を挟んで前記駆動電極と対向するように前記圧電板の他方の主面に形成された共通電極と、前記圧電板の一側面に設けられ、所定の被駆動体と接触する２つの摺動部材とを具備し、前記摺動部材の設置位置を圧電板の端面からの距離を任意に選択することにより任意の速度を得ることを特徴とする超音波モータ。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電セラミックスを積層してなる矩形平板状の圧電板と、該圧電板の面積の大きい２面を主面、積層面を側面とする圧電板において、
前記圧電板の一方の主面に２行２列に形成された４つの駆動電極と、
前記圧電板を挟んで前記駆動電極と対向するように前記圧電板の他方の主面に形成された共通電極と、
前記圧電板の一側面に設けられ、所定の被駆動体と接触する２つの摺動部材とを具備し、
前記摺動部材の設置位置を圧電板の長手方向中央から任意の距離を選択することにより任意の最高速度を得ることを特徴とする超音波モータ。
【請求項２】
前記摺動部材の設置位置が圧電板の端部又は端部近傍であることを特徴とする請求項１記載の超音波モータ。
【請求項３】
前記圧電板の幅を前記圧電板の長さで除した値が０．２７２であ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４】
圧電セラミックスからなる矩形平板状の圧電板と、この圧電板の一方の主面に２行２列に設けられ，対角位置にあるものどうしが電気的に接続されて２組の駆動電極部に分けられた４つの駆動電極と、前記圧電板の他方の主面に前記圧電板を挟んで前記駆動電極と対向するように設けられた共通電極と、前記圧電板の側面に長手方向中央から任意の位置にそれぞれ設けられた２つの摺動部材とを具備する超音波モータの駆動方法であって、
前記２組の駆動電極のうちの一方に所定の電圧を印加している間は、他方の駆動電極部には電圧を印加しない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、Ｘ−Ｙステージ等の駆動に好適な圧電セラミックスを用いてなる超音波モータとその駆動方法、その駆動方法を実行するため超音波モータ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近時、Ｘ−Ｙステージやリニアモータ、回転ステージ等の駆動機構に、圧電セラミックスを用いた超音波モータが利用されている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に開示された超音波モータは、図４に示すように、圧電セラミックスを積層してなる矩形平板状の圧電板９１の一方の主面（面積の大きい面）に２行２列に形成された４つの駆動電極９２ａ〜９２ｄが形成され、他方の主面に全面電極（グランド電極；図示せず）が形成され、さらに圧電板９１の一積層面に、Ｘ−Ｙステージ等の被駆動体９９に接触させるためのヘッド（摺動部材）９３が取り付けられた構造を有している。
【０００３】
４つの駆動電極９２ａ〜９２ｄは対角に位置するものどうしが電気的に接続されており、２組の駆動電極部９４，９５が構成されている。また、圧電板９１の幅方向（−Ｘ方向）にバネ９６で予圧を与えると同時に、ヘッド９３を被駆動体９９にバネ９７で押し付けることにより、超音波モータ９０を保持している。
【０００４】
この超音波モータ９０は、例えば、駆動電極部９４，９５の一方と全面電極との間に正弦波電圧を印加し、他方の駆動電極部を浮動状態（電圧が印加されていない状態）とすることにより、駆動することができる。このとき、図４Ａに示すように、圧電板９１の長手方向で伸縮一次共振（Ｌ１）モードの振動が発生し、また図４Ｂに示すように、圧電板９１の幅方向で曲げ二次共振（Ｂ２）モードの振動が発生する。
【０００５】
超音波モータ９０では、これらの振動モードの重ね合わせ（縮退）によって、ヘッド９３に楕円運動が発生する。その楕円運動の回転方向は、電圧を印加する駆動電極部９４，９５を切り替えることにより、逆転させることができる。つまり、被駆動体９９を＋Ｘ方向，−Ｘ方向のどちらに移動させるかは、駆動電極部９４，９５のどちらに駆動電圧を印加するかによって定まる。
【０００６】
しかしながら、圧電板９１の端面中央にヘッド９３を設けた構造では、圧電板９１の端面中央における圧電板９１の変位が小さいため、ヘッド９３のＸ方向の変位は非常に小さく、被駆動体９９を高速で移動させることは困難である。また要求速度に応じた任意の最高速度を持つ超音波モータとすることは困難である。
【特許文献１】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】
【０００７】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、超音波モータの最高速度をユーザの要求に合わせて任意に設定できるだけでなくより高速に被駆動体を移動させる超音波モータ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】
本発明の第１の観点によれば、圧電セラミックスを積層してなる矩形平板状の圧電板と、該圧電板の面積の大きい２面を主面、積層面を側面とする圧電板において、前記圧電板の一方の主面に２行２列に形成された４つの駆動電極と、前記圧電板を挟んで前記駆動電極と対向するように前記圧電板の他方の主面に形成された共通電極と、前記圧電板の一側面に設けられ、所定の被駆動体と接触する２つの摺動部材とを具備し、前記摺動部材の設置位置を圧電板の長手方向中央から任意の距離を選択することにより任意の最高速度を得ることを特徴とする超音波モータを提供する。これにより被駆動体を求められる最適な速度で移動させることができる。
【０００９】
また、この超音波モータでは、摺動部材の設置位置が圧電板の端部又は端部近傍であることが望ましい。摺動部材の位置は、圧電板の長手方向の中央からの距離によって変位量の大きさが定まるので、圧電板の長手方向の中央からの距離が最も長い圧電板の端部又は端部近傍で摺動部材の変位量が最も大きくなり最大の速度が得られるからである。
【００１０】
この超音波モータでは、圧電板の幅方向の長さを圧電板の長手方向の長さで除した値を０．２７２とすることが好ましく、これにより図５Aに示す圧電板長手方向の変位であるＬ１モードの変位を最大にする共振周波数と図５Bに示す圧電板の幅方向の変位であるB２モードの変位を最大にする共振周波数がほぼ同じ周波数となり、即ち、前記周波数で駆動する場合、圧電板の長手方向の変位も圧電板の幅方向の変位も共に最大となり、前記摺動部材に前後方向及び左右方向共に大きな変位を伝達することができる。
【００１１】
本発明の第２の観点によれば、この超音波モータの駆動方法、すなわち、圧電セラミックスからなる矩形平板状の圧電板と、この圧電板の一方の主面に２行２列に設けられ，対角位置にあるものどうしが電気的に接続されて２組の駆動電極部に分けられた４つの駆動電極と、前記圧電板の他方の主面に前記圧電板を挟んで前記駆動電極と対向するように設けられた共通電極と、前記圧電板の側面に長手方向中央から任意の位置にそれぞれ設けられた２つの摺動部材とを具備する超音波モータの駆動方法であって、前記２組の駆動電極のうちの一方に所定の電圧を印加している間は、他方の駆動電極部には電圧を印加しないことを特徴とする超音波モータの駆動方法が提供される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る超音波モータは、要求される速度に最適な最高速度を得られると共に、被駆動体を高速で移動させるための最大の速度を得ることもできるという優れた効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１に超音波モータ装置の概略構成を示す。この超音波モータ装置１００は、超音波モータ１０と、超音波モータ１０を保持するためのケーシング部２０と、超音波モータ１０を駆動するための駆動電源部３０とを有している。なお、図１に示すように、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の三次元直交座標軸を規定する。
【００１４】
超音波モータ１０は、圧電セラミックスからなる矩形平板状の圧電板１１と、この圧電板１１の一方の主面（Ｙ方向面；Ｚ−Ｘ面）に２行２列に形成された４つの駆動電極１２ａ〜１２ｄと、圧電板１１を挟んで駆動電極１２ａ〜１２ｄと対向するように圧電板１１の他方の主面にほぼ全面に形成された共通電極（図示せず）と、圧電板１１の側面（厚さ方向；図１におけるＺ方向面；Ｘ−Ｙ面）であって被駆動体５０に面する出力面にそれぞれ設けられた摺動部材（以下「ヘッド」という）１３ａ，１３ｂを備えている。ヘッド１３ａ，１３ｂは圧電板１１の長手方向の中線で等距離すなわち線対称に設置される。
【００１５】
圧電板１１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。圧電板１１は、その幅（Ｚ方向長さ）をその長さ（Ｘ方向長さ）で除した値が０．２７２となる形状を有していることが好ましい。このような形状とすることで、後述するように、Ｌ１モードとB２モードを同じ周波数で同時に励起させて大きな振動変位を得ることができる。
【００１６】
駆動電極１２ａ〜１２ｄは対角位置にあるものどうしが電気的に接続されて、駆動電極１２ａ・１２ｄ組と駆動電極１２ｂ・１２ｃ組の２組の駆動電極部に分けられており、駆動電極１２ｂ・１２ｃの組に駆動電圧を印加するためのリード部１５が駆動電極１２ｃに、駆動電極１２ａ・１２ｄの組に駆動電圧を印加するためのリード部１６が駆動電極１２ｄに、それぞれ取り付けられている。なお、駆動電極１２ａ〜１２ｄは、その大きさが等しく、駆動電極１２ａ〜１２ｄ間の隙間幅が絶縁破壊を引き起こさない限りにおいて狭く、しかも圧電板１１の主面に占める面積をできる限り広くすることが好ましく、これにより圧電板１１の圧電不活性領域による振動変位のクランプが小さくなる。
【００１７】
圧電板１１を保持するケーシング部２０は、凹型の基台部２１と、この基台部２１の底壁に取り付けられた２つの第１弾性部材２２ａと、この基台部２１の一方の側壁に取り付けられた第２弾性部材２２ｂと、基台部２１の他方の側壁と圧電板１１との間に設けられた円柱部材２３とを備えている。
【００１８】
基台部２１は、エンジニアリングプラスチックや金属で構成される。第１，第２弾性部材２２ａ，２２ｂとしては、コイルバネ，板バネ，弾性樹脂（ゴム）等が用いられる。２つの第１弾性部材２２ａは、圧電板１１においてヘッド１３ａ，１３ｂが取り付けられていない方の側面に当接し、ヘッド１３ａ，１３ｂを被駆動体５０へ押し当てている。第２弾性部材２２ｂは、圧電板１１の一方の端面（Ｘ方向面；Ｙ−Ｚ面）をＸ方向に押圧しており、これによって圧電板１１が、円柱部材２３を介して、基台部２１の他方の側壁を押圧する。円柱部材２３の厚さ（長さ）方向はＹ方向と平行であり、第２弾性部材２２ｂによる付勢により基台部２１の側壁と圧電板１１との間で摩擦保持されると同時に、図示しない保持部材よってＺ方向には移動できないように、保持されている。
【００１９】
駆動電源部３０は、交流電源３１と、スイッチ３２を有している。交流電源３１からは、超音波モータ１０にＬ１モードとｎ次（ｎは整数）の曲げ共振モードの共振を励起させる周波数の正弦波電圧が出力される。好ましくは、ｎ次曲げの共振モードとしては、２次曲げ共振モード（先に図５Ｂで説明したB２モード）が好適に用いられる。
【００２０】
スイッチ３２は、超音波モータ１０を駆動する際には、リード部１５，１６のいずれか一方に交流電源３１から出力される電圧を通電する。つまり、２組の駆動電極部（駆動電極１２ａ・１２ｄの組と駆動電極１２ｂ・１２ｃの組）の一方の駆動電極部に所定の電圧が印加されている間は、他方の駆動電極部に電圧が印加されることはない。
【００２１】
図２Ａに駆動電極１２ａ・１２ｄの組に電圧を印加したときの超音波モータ１０および被駆動体５０の動きを模式的に示す。駆動電極１２ａ・１２ｄに、Ｌ１モードと、B２モードの共振を同時に発生させる共振周波数の電圧を印加すると、圧電板１１はX方向Z方向共に最大の振幅が得られ、圧電板１１の駆動電極１２ａ・１２ｄが設けられている対角方向の長さが伸縮し、これに対応して、駆動電極１２ｂ・１２ｃが設けられている対角方向の長さが伸縮する剪断変形が生じる。
【００２２】
ヘッド１３ａの変位はこの変形にしたがう矢印Ｄ１ａ，Ｄ１ｂで示され、ヘッド１３ｂの変位はこの変形にしたがう矢印Ｄ２ａ，Ｄ２ｂで示される。電圧が印加される駆動電極１２ａ・１２ｄの対角方向の変位量は、電圧が印加されない駆動電極１２ｂ・１２ｃの対角方向の変位量よりも大きいため、ヘッド１３ａの変位量はヘッド１３ｂの変位量よりも大きくなる。
【００２３】
ヘッド１３ａが被駆動体５０に接近する矢印Ｄ１ａの向きに変位するときには、ヘッド１３ｂは被駆動体５０から離れるように矢印Ｄ２ａの向きに変位し、逆にヘッド１３ａが被駆動体５０から離れる矢印Ｄ１ｂの向きに変位するときには、ヘッド１３ｂは被駆動体５０に接近するように矢印Ｄ２ｂの向きに変位する。
ヘッド１３ａは、駆動周波数にしたがって一定の短い時間間隔で矢印Ｄ１ａ，Ｄ１ｂの変位を繰り返すことによって、被駆動体５０を繰り返し打撃する。ヘッド１３ａが被駆動体５０に与える打撃力はＸ方向左向き成分を含んでおり、その打撃の瞬間にはヘッド１３ａと被駆動体５０との間に摩擦力が作用するので、被駆動体５０を図２Ａの左方向へ移動させることができる。
【００２４】
このヘッド１３ａ、１３ｂの変位量の大きさは、ヘッド１３ａ、１３ｂの設置位置によって相違する。すなわち、圧電板１１の長手方向（図１におけるX方向）の中央からの距離によって変位量の大きさが違ってくる。図３は圧電板（圧電素子）を共振周波数５０ｋＨｚで駆動した時の摺動部材（ヘッド）の設置位置と被駆動体の最高速度の関係を示す図である。素子（圧電板）中央からの位置とは圧電板１１の長手方向の中央からの距離を示している。また最高速度とは被駆動体５０の駆動最高速度のことである。図３に示すように特定の共振周波数で被駆動体５０を移動させる場合、圧電板１１の長手方向（図１におけるX方向）の中央からの距離によって被駆動体５０を移動させる速度が違ってくる。図３によると長手方向の中央からの距離が大きくなるとその距離の大きさに比例して最高速度が速くなることがわかる。また、圧電板１１は、最大振幅が得られる特定の共振周波数によって駆動されるため、被駆動体の速度を調整するためにはヘッド１３ａ、１３ｂの設置位置を調整する必要がある。したがって、前記図３を利用すれば求める最高駆動速度に最適なヘッドの位置を求めることができ、任意の最高駆動速度を持つ超音波モータを設計することができる。
【００２５】
図２Ｂに駆動電極１２ｂ・１２ｃの組に電圧を印加したときの超音波モータ１０および被駆動体５０の動きを模式的に示す。このときに超音波モータ１０に生じる振動は、図２Ａに示した形態のＸ方向対称となる。すなわち、駆動電極１２ｂ・１２ｃに、Ｌ１モードとB２モードの共振を同時に発生させると、圧電板１１の駆動電極１２ｂ・１２ｃが設けられている対角方向の長さが伸縮し、これに対応して、駆動電極１２ａ・１２ｄが設けられている対角方向の長さが伸縮する剪断変形が生じる。
【００２６】
ヘッド１３ａの変位はこの変形にしたがう矢印Ｄ１ａ，Ｄ１ｂで示され、ヘッド１３ｂの変位はこの変形にしたがう矢印Ｄ２ａ，Ｄ２ｂで示される。駆動電極１２ｂ・１２ｃの対角方向の変位量は、駆動電極１２ａ・１２ｄの対角方向の変位量よりも大きいため、ヘッド１３ｂの変位量はヘッド１３ａの変位量よりも大きくなる。
【００２７】
ヘッド１３ｂが被駆動体５０に接近する矢印Ｄ２ｂの向きに変位するときには、ヘッド１３ａは被駆動体５０から離れるように矢印Ｄ１ｂの向きに変位し、逆にヘッド１３ｂが被駆動体５０から離れる矢印Ｄ２ａの向きに変位するときには、ヘッド１３ａは被駆動体５０に接近するように矢印Ｄ１ａの向きに変位する。
ヘッド１３ｂは、駆動周波数にしたがって一定の短い時間間隔で矢印Ｄ２ａ，Ｄ２ｂの変位を繰り返すことによって、被駆動体５０を繰り返し打撃する。ヘッド１３ｂが被駆動体５０に与える打撃力はＸ方向右向き成分を含んでおり、その打撃の瞬間にはヘッド１３ｂと被駆動体５０との間に摩擦力が作用するので、被駆動体５０を図２Bの右方向へ移動させることができる。
【００２８】
なお、ヘッド１３ａ，１３ｂにはそれぞれ、超音波モータ１０の形状精度、保持状態等に依存して、実際には、矢印Ｄ１ａ，Ｄ１ｂ，Ｄ２ａ，Ｄ２ｂ方向を長径とする楕円の軌跡を描く運動が生じることが考えられるが、その場合にでも、被駆動体５０の駆動特性に大きな影響を与えるものではない。
【００２９】
駆動電源部３０の構成は、図１に示されるものに限定されるものではなく、例えば、リード部１５，１６に、オンオフスイッチを介してそれぞれ接続される交流電源を設け、このオンオフスイッチの制御により、２組の駆動電極部の一方を駆動させる構成としてもよい。
【００３０】
次に超音波モータ１０の具体的な構成と特性について説明する。チタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミックスからなり、長さ１６．５ｍｍ×幅４．５ｍｍ×厚さ３ｍｍ（幅／長さ＝０．２７２）の圧電板１１の一方の主面に、縦１．６ｍｍ×横７．８ｍｍの駆動電極１２ａ〜１２ｄを形成し、他方の主面に全面電極を形成した。駆動電極１２ａ・１２ｄ間を接続し、駆動電極１２ｂ・１２ｃ間を接続し、さらに駆動電極１２ｃ，１２ｄにそれぞれリード部１５，１６を設けて、圧電板１１の厚さ方向に分極処理を施した。さらに圧電板１１の側面両端にエポキシ接着剤を用いてアルミナ製のヘッド１３ａ，１３ｂを取り付けた。
【００３１】
こうして作製した超音波モータ１０を、ガイドレールにスライド自在に保持された金属製スライダ５ｍｍ×３ｍｍ×６０ｍｍに一定の力で押し付けて、リード部１５に周波数１００ｋＨｚ、電圧６０Vｒｍｓの正弦波電圧を印加して、Ｌ１モードとB２モードの共振振動を同時に発生させた。超音波モータ１０をスライダに押し付ける力を調整することにより、最速で、１００ｍｍ／秒でスライダを移動させることができた。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】超音波モータの概略構成図。
【図２Ａ】超音波モータおよび被駆動体の動きを模式的に示す図。
【図２Ｂ】超音波モータおよび被駆動体の動きを模式的に示す図。
【図３】摺動部材の位置と最高速度の関係を示す図。
【図４】従来の超音波モータの構成を示す平面図。
【図５Ａ】圧電板の伸縮一次共振（Ｌ１）モードを示す図。
【図５Ｂ】圧電板の曲げ二次共振（Ｂ２）モードを示す図。
【符号の説明】
【００３３】
１０…超音波モータ、１１…圧電板、１２ａ〜１２ｄ…駆動電極、１３ａ・１３ｂ…ヘッド、１５・１６…リード部、２０…ケーシング部、２１…基台部、２２ａ…第１弾性部材、２２ｂ…第２弾性部材、２３…円柱部材、３０…駆動電源部、３１…交流電源、３２…スイッチ、５０…被駆動体。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
2008245350.tif 000009