(57)【要約】【課題】駆動力と予圧力を独立に調整できるとともに製作工程を簡略化することの可能な超音波モータを提供する。【解決手段】一方の端面が可動体と接触する柱状の振動子と、振動子の他方の端面に接合される予圧力発生用圧電素子と、振動子の可動体の移動方向と直交する側面の一方に接合される駆動力発生用圧電素子を具備する。圧接力発生用圧電素子と駆動力発生用圧電素子に位相差のある正弦波を印加することにより、振動子は楕円状に回転運動して可動体を直線状に駆動する。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の端面が可動体と接触する柱状の振動子と、
前記振動子の他方の端面に接合され、前記可動体を予圧する予圧力発生用圧電素子と、
前記可動体の移動方向と直交する前記振動子の一つの側面に接合され、前記可動体を移動する駆動力を発生する駆動力発生用圧電素子を具備する超音波モータ。
【請求項２】
前記可動体の移動方向と直交する前記振動子の他の側面に接合され、前記可動体を移動する駆動力を発生する第二の駆動力発生用圧電素子をさらに具備する請求項１に記載の超音波モータ。
【請求項３】
一方の端面が可動体と接触する柱状の振動子と、
前記振動子の他方の端面に接合され、前記可動体を予圧する予圧力発生用圧電素子と、
前記振動子の相互に直交する一方の側面に接合され、前記可動体を前記一方の側面と直行する第一の方向に駆動する第一方向駆動力発生用圧電素子と、
前記振動子の相互に直交する他方の側面に接着され、前記可動体を前記他方の側面と直交する第二の方向に駆動する第二方向駆動力発生用圧電素子を具備する超音波モータ。
【請求項４】
前記振動子の前記一方の側面の対向面に接合され、前記可動体を前記一方の側面と直行する第一の方向に駆動する第二の第一方向駆動力発生用圧電素子と、
前記振動子の前記他方の側面の対向面に接合され、前記可動体を前記他方の側面と直交する第二の方向に駆動する第二の第二方向駆動力発生用圧電素子をさらに具備する請求項３に記載の超音波モータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波モータに係り、特に振動体に位相の相違する二つの駆動波を印加して振動子を楕円状に運動させて可動体を直線的に駆動する超音波モータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
駆動対象を直線的に駆動する超音波モータ（リニア超音波モータ）は、例えば顕微鏡のステージである可動体駆動用のアクチュエータとして広く使用されている。
【０００３】
図１は従来提案されているリニア超音波モータの斜視図であって、（イ）はπ型リニア超音波モータと、（ロ）はＹ型リニア超音波モータと称されている。
【０００４】
π型リニア超音波モータ（イ）は、門型の振動体１１１の両肩部に門型の振動体１１１の脚部１１２及び１１３並びに胴部１１４に対して４５°をなして二つの圧電素子１１５及び１１６が設置される（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
なお、胴部１１４の長さは圧電素子１１５及び１１６に印加される超音波の半周期長の正数倍に選択されており、二つの圧電素子の動きが門型の振動体１１１の肩部で加算される。そして、垂直成分でステージを予圧し、水平成分で脚部１１２及び１１３下面に接触して配置されているステージを駆動する。
【０００６】
Ｙ型リニア超音波モータ（ロ）は、矩形柱１２１の上方の左右肩を４５°に切断し、この切断面に二つに圧電素子１２２及び１２３を配置した構成を有する（例えば特許文献２参照）。
【０００７】
そして、二つに圧電素子１２２及び１２３の動きが矩形柱１２１内で合成され、垂直成分はステージを予圧し、水平成分が矩形柱１２１下面に接触して配置されているステージを駆動する。
【０００８】
【特許文献１】
特開平６−２８４７５５号公報（［００３１］及び［図１］）
【特許文献２】
実開平２−１３６４８５号公報（第１図）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、π型リニア超音波モータは二つの脚部１１２及び１１３でステージを駆動するので、胴部１１４の長さが印加される超音波の半周期の正数倍に等しくなければ二つの圧電素子１１５及び１１６の発生する力は加算されず、脚部の長さが不正確である場合には駆動力を発生できないこともあり得る。
【００１０】
また、胴部１１４の長さが正確であっても、二つの圧電素子１１５及び１１６の個体差あるいは振動体１１１への接合状態差に起因して十分な駆動力を得られないこともあり得る。
【００１１】
また、圧電素子１１５及び１１６の一方が発生する力が正確に加算されたとしても、その合成力のｃｏｓ４５°倍が駆動力となり、ｓｉｎ４５°倍が超音波モータのステージへの予圧力となる。
【００１２】
従って、圧電素子１１５及び１１６に印加する超音波の周波数あるいは振幅を調整しても、駆動力と予圧力は相互に干渉し、独立に調整することはできない。
【００１３】
Ｙ型リニア超音波モータでは、二つの圧電素子の１２２及び１２３の発生する力は直接合成されるので、脚部が二つあることに起因する不具合は生じないものの、二つの圧電素子１２２及び１２３の個体差あるいは振動体１２１への接合状態差の影響を取り除くことはできない。
【００１４】
また、駆動力と予圧力は相互に干渉し、独立に調整できない点はπ型リニア超音波モータと同じである。
【００１５】
さらに、π型リニア超音波モータ及びＹ型リニア超音波モータにあっては、振動体の肩を４５°に切断すること、並びに４５°の面に圧電素子を接着することは製作上の不利を伴う。
【００１６】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであって、駆動力と予圧力の相互干渉を排し、独立に調整できるとともに製作工程を簡略化することの可能な超音波モータを提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
第一の発明に係る超音波モータは、一方の端面が可動体と接触する柱状の振動子と、振動子の他方の端面に接合され可動体を予圧する予圧力発生用圧電素子と、可動体の移動方向と直交する前記振動子の一つの側面に接合され可動体を移動する駆動力を発生する駆動力発生用圧電素子を具備する。
【００１８】
本発明にあっては、予圧力発生用圧電素子の発生する力で振動体が可動体に予圧され、駆動力発生用圧電素子の発生する力で可動体が直線的に駆動される。
【００１９】
第二の発明に係る超音波モータは、可動体の移動方向と直交する振動子の他の側面に接合され可動体を移動する駆動力を発生する第二の駆動力発生用圧電素子をさらに具備する。
【００２０】
本発明にあっては、対向する二つの駆動力発生用圧電素子が差動的に動作して可動体が駆動される。
【００２１】
第三の発明に係る超音波モータは、一方の端面が可動体と接触する柱状の振動子と、振動子の他方の端面に接合され可動体を予圧する予圧力発生用圧電素子と、振動子の相互に直交する一方の側面に接合され可動体を前記一方の側面と直行する第一の方向に駆動する第一方向駆動力発生用圧電素子と、振動子の相互に直交する他方の側面に接着され可動体を前記他方の側面と直交する第二の方向に駆動する第二方向駆動力発生用圧電素子を具備する。
【００２２】
本発明にあっては、予圧力発生用圧電素子の発生する力で振動体が可動体に圧接され、第一方向駆動力発生用圧電素子の発生する力で可動体が第一方向に直線的に駆動され、第二方向駆動力発生用圧電素子の発生する力で可動体が第一方向と直交する第二方向に直線的に駆動される。
【００２３】
第四の発明に係る超音波モータは、振動子の一方の側面の対向面に接合され可動体を一方の側面と直行する第一の方向に駆動する第二の第一方向駆動力発生用圧電素子と、振動子の他方の側面の対向面に接合され可動体を他方の側面と直交する第二の方向に駆動する第二の第二方向駆動力発生用圧電素子をさらに具備する。
【００２４】
本発明にあっては、対向する二つの駆動力発生用圧電素子がそれぞれ差動的に動作して可動体を第一方向及び第二方向に駆動する。
【００２５】
【発明の実施の形態】
図２は、第一の発明に係る超音波モータの斜視図（ハ）及び三面図（ニ）であって、下端面がステージと接触する矩形柱状の振動体（金属製又はセラミック製）２１の上端面に予圧力発生用圧電素子２２が接合され、振動体２１のステージの移動方向と直交する側面の一方に駆動力発生用圧電素子２３が接合されている。
【００２６】
圧接力発生用圧電素子２２及び駆動力発生用圧電素子２３はＰＺＴ積層体とすることが低電圧で大きい駆動力を得る上で有利である。
【００２７】
また、振動体と圧電素子を接合する接着剤は十分な接着力が得られれば特に限定されないが、例えばガラスフィラー入りの熱硬化型エポキシ接着材を使用することができる。
【００２８】
この場合、ステージは振動体１１の下端面に接触して配置されるが、接触面にはカーボンプラスチックを素材とする摩擦材を配置してもよい。
【００２９】
図３は本発明に係る超音波モータの動作説明図であって、予圧力発生用圧電素子２２に正弦波を、この正弦波と位相差θを有する正弦波（図３（ト）を参照）を駆動力発生用圧電素子２３に印加したときに圧接力発生用圧電素子２２及び駆動力発生用圧電素子２３が発生する力をそれぞれＦｐ及びＦｄとすると、Ｆｐ及びＦｄは［数１］で表される（図３（ホ）参照）。
【００３０】
【数１】
2004229347.tif 000003
【００３１】
なお、正弦波の振幅は“１”に正規化している。
【００３２】
ＦｐとＦｄをベクトル的に合成した力がステージに印加されるが、合成力Ｆｃは［数２］で表される。
【００３３】
【数２】
2004229347.tif 000004
【００３４】
即ち、振動体は圧接力発生用圧電素子２２を縦に貫通する軸と駆動力発生用圧電素子２３を水平に貫通する軸の交点である合成点を中心に回転し、ステージを予圧するとともに直線状に駆動する（図３（ヘ）のａ参照）。
【００３５】
例えば合成力の回転方向を時計方向（右回転）とすれば、予圧力が下向きに作用し駆動力が左向きに作用しているときにステージは左方向に駆動される。
【００３６】
なお、予圧力発生用圧電素子２２又は駆動力発生用圧電素子２３に印加される正弦波の一方の位相を反転すれば、合成力の回転方向は反転しステージを逆方向に駆動することができる。
【００３７】
上記ではＦｐ及びＦｄの振幅は等しいとしたが、二つの駆動波の振幅が相違する場合には振動体は真円ではなく、垂直方向あるいは水平方向に扁平した楕円状に運動する（図３（ヘ）のｂ、ｃ参照）。従って、駆動力と予圧力を独立に調整することが可能となる。
【００３８】
これに対し、従来のπ型リニア超音波モータ及びＹ型リニア超音波モータにおいて圧電素子に印加する正弦波の位相あるいは振幅を変更すると、振動体が描く楕円軌道の軸の勾配が変化してしまい（図３（チ）参照）、予圧力と駆動力を独立して変更することはできない。
【００３９】
図４は圧電素子に印加する駆動波が台形波である場合の動作説明図であって、図４（ヌ）に示すように位相差がθの台形波を第一の発明に係る超音波モータに印加すると、振動体は矩形状の軌跡を描く（図４（リ）のａ参照）。
【００４０】
ここで、台形波の振幅あるいは位相を変更すると矩形の辺の比率が変化（図４（リ）のｂ、ｃ参照）し、駆動力と予圧力を独立して調整可能であることがわかる。
【００４１】
これに対し、従来のπ型リニア超音波モータ及びＹ型リニア超音波モータにおいて、台形波の振幅あるいは位相を変更すると振動体の軌跡は菱形となり（図４（ル）参照）、予圧力と駆動力を独立して変更することはできない。
【００４２】
なお、圧電素子に印加する駆動波は三角波であってもよい。
【００４３】
図５は、第二の発明に係る超音波モータの斜視図（オ）及び三面図（ワ）であって、二つの駆動力発生用圧電素子がステージの進行方向に直交する振動体の二つの側面に設置される。
【００４４】
即ち、矩形柱状の振動子２１の上端面に予圧力発生用圧電素子２２が接合され、振動子２１の相対向する二つの側面に二つの駆動力発生用圧電素子２３及び２４が接合される。
【００４５】
そして、二つの駆動力発生用圧電素子２３及び２４は差動的に動作するので、二つの正弦波の位相差を１８０°に設定すれば駆動力をほぼ倍増することが可能となる。二つの駆動力発生用圧電素子に印加する駆動波の位相差を変更するとにより、駆動力を精密に調整することも可能である。
【００４６】
図６は、第三の発明に係る超音波モータの斜視図（カ）及び三面図（ヨ）であって、二つの駆動力発生用圧電素子が振動体の互いに直交する二つの側面に設置される。
【００４７】
即ち、矩形柱状の振動子２１の上端面に予圧力発生用圧電素子２２が接合され、ステージの第一の駆動方向と直交する振動子２１の第一の側面に第一方向駆動力発生用圧電素子２３が接合され、第一の側面と直交する第二の側面に第二方向駆動力発生用圧電素子２５が接合される。
【００４８】
この超音波モータによれば、一つの振動子によりステージを直交する二方向に同時に移動させることができるだけでなく、圧接力及び各方向への移動力を各々独立に調整することができる。
【００４９】
図７は、第四の発明に係る超音波モータの斜視図（タ）及び三面図（レ）であって、四つの駆動力発生用圧電素子が振動体の互いに直交する二組の側面に設置される。
【００５０】
即ち、矩形柱状の振動子２１の上端面に予圧力発生用圧電素子２２が接合され、ステージの第一の駆動方向と直交する振動子２１の第一の側面に第一の第一方向駆動力発生用圧電素子２３が接合され、第一の側面と対向する側面に第二の第一方向駆動力発生用圧電素子２４が接合される。さらに、第一の側面と直交する第二の側面に第一の第二方向駆動力発生用圧電素子２５が接合され、第二の側面と対向する側面に第二の第二方向駆動力発生用圧電素子２６が接合される。
【００５１】
四の実施形態によれば、直交する二方向の各方向を差動動作する圧電素子で駆動することが可能となる。
【００５２】
以上説明したように、本発明に係る超音波モータは、従来のπ型リニア超音波モータ及びＹ型リニア超音波モータと比較して以下のような利点を有する。
（１）π型リニア超音波モータと相違して振動体はステージと一つの面で接触するため、振動体間の位相差が問題になることはない。
（２）本発明に係る超音波モータにあっては、予圧力発生用圧電素子は振動体の軸方向に予圧力を発生し、駆動力発生用圧電素子はそれに直交する方向に駆動力を発生する。
【００５３】
従って、予圧用圧電素子と駆動力発生用圧電素子の特性及び取り付け状態に起因して予圧力と駆動力の干渉が発生することはなく、予圧力及び駆動力を精密に制御することが可能である。
【００５４】
これに対し、π型リニア超音波モータ及びＹ型リニア超音波モータの場合には、特性及び取り付け状態によって振動体が描く軌跡の軸の勾配が変化してしまい、圧接力と駆動力の干渉を排除することはできない。
（３）π型リニア超音波モータ及びＹ型リニア超音波モータのように肩を４５°に切断しなくてもよいため、製作が容易となるだけでなく製作コストを低減することも可能である。
【００５５】
上記実施形態においては、予圧力発生用圧電素子に印加する駆動波と駆動力発生用圧電素子に印加する駆動波の位相差を９０°としているが、位相差を６０°〜１２０°の範囲で変更しても十分な駆動力を得ることができる。
【００５６】
さらに、上記実施形態において駆動力発生用圧電素子を振動体の上方に接合された場合について説明したが、駆動力発生用圧電素子の振動体への接合位置は限定されず、振動体の中央あるいは下方に接着してもよい。
【００５７】
【発明の効果】
第一の発明に係る超音波モータによれば、圧接力と駆動力を独立に調整することが可能となるだけでなく、可動体を高精度に直線移動することが可能となる。
【００５８】
第二の発明に係る超音波モータによれば、第一及び第二の駆動力発生用圧電素子が発生する駆動力を差動的に振動子に作用させることにより、駆動力を精密に調整することが可能となる。
【００５９】
第三の発明に係る超音波モータによれば、一つの振動子により可動体を直交する二方向に同時に移動することが可能となる。
【００６０】
第四の発明に係る超音波モータによれば、方向ごとに第一及び第二の駆動力発生用圧電素子が発生する駆動力を差動的に振動子に作用させることにより、各方向の駆動力を精密に調整することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来提案されているリニア超音波モータの斜視図である。
【図２】第一の発明に係る超音波モータの斜視図及び三面図である。
【図３】本発明に係る超音波モータの動作説明図である。
【図４】駆動波が台形波である場合の動作説明図である。
【図５】第二の発明に係る超音波モータの斜視図及び三面図である。
【図６】第三の発明に係る超音波モータの斜視図及び三面図である。
【図７】第四の発明に係る超音波モータの斜視図及び三面図である。
【符号の説明】
２１…振動体
２２…予圧力発生用圧電素子
２３、２４，２５，２６…駆動力発生用圧電素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2004229347.tif 000009
【図６】
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【図７】
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