(57)【要約】【課題】小型化を図りつつ、高出力化を図ることができる振動型駆動装置を提供する。【解決手段】凸状に形成された突起部（３−１、３−２）を有し、少なくとも電気−機械エネルギ変換素子（５）からなる板状の振動体（１）と、突起部に加圧接触する被駆動体（６）とを備え、振動体は、電気−機械エネルギ変換素子への駆動信号の入力を受けることで、節の発生方向が互いに略直交し、周波数が略一致する２つの曲げ振動モードを励起し、突起部を介して被駆動体に対して相対的に移動する。【選択図】  図１
2004304887.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
凸状に形成された突起部を有し、少なくとも電気−機械エネルギ変換素子からなる板状の振動体と、
前記突起部に加圧接触する被駆動体とを備え、
前記振動体は、前記電気−機械エネルギ変換素子への駆動信号の入力を受けることで、節の発生方向が互いに略直交する２つの曲げ振動モードを励起し、前記突起部を介して前記被駆動体に対して相対的に移動することを特徴とする振動型駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、振動体および被駆動体を有する振動型駆動装置に関するものであり、特に振動体が略矩形の平板状に形成された振動型駆動装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の振動型駆動装置、特にリニア用の超音波モータには、以下に説明するタイプの平板状の振動体を用いたものがある。
【０００３】
平板状に形成された振動体の弾性体に対して、曲げ振動と縦振動を励起するタイプがある（例えば、特許文献１参照）。板状の振動体に対して、例えば曲げ４次モードと縦振動１次モードで振動を励起し、これらの振動モードにより発生する振動変位を合成することで楕円または円運動を発生させる。そして、振動体に対して他の部材（被駆動体）を加圧接触することで振動体との間に相対的な移動運動をもたらしている。
【０００４】
一方、平板状に形成された振動体に対して、２つの曲げ振動を励起するタイプがある（例えば、特許文献２参照）。この振動体の構成について図１９を用いて説明する。
【０００５】
同図（ａ）において、１００は板状の弾性体で、片面側に圧電素子１０１が接合されており、この圧電素子を用いて図１９（ｂ）に示す形態の曲げ振動モードと図１９（ｃ）に示す形態の曲げ振動モードを励起する。
【０００６】
図１９（ｂ）に示す振動形態は、十文字状の節（Ｘ１、Ｙ１）を持つ曲げ振動モードであり、突起部１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄにＺ方向の振動変位を発生させる。図１９（ｃ）に示す振動形態は、Ｙ方向に２つの節（Ｘ２、Ｘ３）を持つ面外曲げ振動であり、突起部１０２ａ〜１０２ｄにＸ方向の振動変位を発生させる。
【０００７】
なお、突起部１０２ａ〜１０２ｄの先端にはそれぞれ、接触部１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃ、１０５ｄが形成されている。そして、接触部１０５ａ〜１０５ｄには、不図示の被駆動体が加圧接触している。
【０００８】
上述した２つの曲げ振動により発生する振動変位を組み合わせることで、突起部１０２ａ〜１０２ｄの先端にＸＹ面内における楕円運動を起すことができ、これにより振動体および被駆動体を相対的に移動させることができるようになっている。
【０００９】
【特許文献１】
特開平７−１４３７７１号公報
【特許文献２】
特開平６−３１１７６５号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上述した２タイプの振動型駆動装置に対しは、以下に述べるような欠点が指摘されている。
【００１１】
曲げ振動および縦振動を励振するタイプでは、板状の弾性体に対して縦１次振動モードで振動を励起しているため、振動体の小型化を図ろうとすると振動モードの共振周波数が高くなってしまう。これにより、楕円運動の振動振幅を大きくすることができないため、部品精度が装置の駆動性能に大きな影響を与えることになり、装置の駆動性能にバラツキが生じてしまう。
【００１２】
２つの曲げ振動を励起するタイプでは、板状の弾性体に面外曲げモードを励起するため、弾性体の小型化には有利である。しかし、図１９（ｂ）に示す形態の振動モードでは、十字状に節を持つ面外曲げモードであるため、歪みの分布が複雑となり、この振動を励起するには工夫を要する。
【００１３】
また、突起部１０２ａ〜１０２ｄは、図１９（ｃ）に示す曲げ振動モードにおいて節となる位置の近傍に配置されているため、Ｘ方向の振動変位が大きくなっている。
【００１４】
しかし、突起部１０２ａ〜１０２ｄは、図１９（ｂ）に示す曲げ振動モードにおいて、Ｚ方向の最大変位をもたらす位置から離れた位置に配置されているため、突起部１０２ａ〜１０２ｄに十分な振動変位を与えることができない。これにより、被駆動体に、より大きな駆動力を与えることができず、振動型駆動装置の高出力化には課題を残している。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の振動型駆動装置は、凸状に形成された突起部を有し、少なくとも電気−機械エネルギ変換素子からなる板状の振動体と、突起部に加圧接触する被駆動体とを備え、振動体は、電気−機械エネルギ変換素子への駆動信号の入力を受けることで、節の発生方向が互いに略直交する２つの曲げ振動モードを励起し、突起部を介して被駆動体に対して相対的に移動することを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態であるリニア型超音波モータ１０の外観斜視図である。
【００１７】
同図において、リニア型超音波モータ１０は、振動体１およびリニアスライダ６によって構成されている。なお、これらの部材のほかにも、振動体１およびリニアスライダ６を加圧接触させるための加圧部材や、振動体１への給電を行う導通用の部材等が必要になる。これらの部材は、従来技術と同様であるため、説明を省略する。
【００１８】
振動体１は、矩形の薄板状に形成された積層圧電素子５と、この積層圧電素子５の一端面で接合されて一体化される駆動板２とにより構成されている。この積層圧電素子５は、表面に電極を持つ薄板状の圧電素子膜を複数枚、積層して一体化したものである。積層圧電素子５は、矩形状に形成されており、略１０×６×０．６（ｍｍ）のサイズである。
【００１９】
振動板２は、矩形状に形成された板部と、この板部の上面に対して凸状に形成された２つの突起部３−１、３−２とを有している。突起部３−１、３−２の先端面には、被駆動体であるリニアスライダ６と接触する接触部４−１、４−２が形成されている。
【００２０】
振動板２の材料としては、振動特性に優れる材料であるステンレスを用いることができる。また、接触部４−１、４−２は摩擦係数や耐摩耗性に優れたものである必要があり、本実施形態ではステンレスに熱処理を行うことにより耐摩耗性を確保している。
【００２１】
突起部３−１、３−２は、プレス加工等により駆動板２とともに一体的に形成されている。ここで、突起部３−１、３−２および駆動板２を別体で形成して、両者を固定することもできるが、一体的に形成することにより、部品点数を削減できコストダウンを図ることができたり、組み立て個数が減って装置の組み立て性を向上させることができたり、部品の位置あわせを行う必要がないことで部品間のバラツキを防止することができたりする。
【００２２】
振動体１は、突起部３−１、３−２を含めて略１０×６×２（ｍｍ）のサイズである。
【００２３】
図２に、振動子２に励振される２つの振動モード（ＭＯＤＥ−Ａ、ＭＯＤＥ−Ｂ）の変形形状を示す（ａ、ｂ）。２つの振動モードは、どちらも板状の振動体１の面外方向の曲げ振動モードである。
【００２４】
これら２つの振動モードの共振周波数が略一致するように振動体１の形状は選択されており、共振周波数はおおよそ８０ｋＨｚである。図２（ａ）は、振動体１をＹ方向から見たときの図であり、振動体１にＭＯＤＥ−Ａの振動を励起すると、同図の下に示すように、振動の節（α）が３箇所現れる（２次の曲げ振動モード）。  この節は、振動体１のＹ方向に延びている。
【００２５】
この振動モードにおいて、振動体１をＸ方向から見たときには振動の節が発生しない。
【００２６】
突起部３−１、３−２は、図２（ａ）に示すようにＭＯＤＥ−Ａの振動において節となる位置の近傍に配置されており、ＭＯＤＥ−Ａの振動によって接触部４−１、４−２には矢印で示すようにＸ方向の往復運動が生じる。
【００２７】
このように突起部３−１、３−２を配置することで、突起部３−１、３−２をＸ方向において最も大きく変位させることができる。
【００２８】
図２（ｂ）は、振動体１をＸ方向から見たときの図であり、振動体１にＭＯＤＥ−Ｂの振動を励起すると、同図の下に示すように、振動の節（β）が２箇所現れる（１次の曲げ振動モード）。この節は、振動体１のＸ方向に延びている。すなわち、ＭＯＤＥ−Ａにおける振動の節と、ＭＯＤＥ−Ｂにおける振動の節とが、ＸＹ平面内において互いに直交するようになっている。
【００２９】
この振動モードにおいて、振動体１をＹ方向から見たときには振動の節が発生しない。
【００３０】
突起３−１、３−２は、図２（ｂ）に示すようにＭＯＤＥ−Ｂの振動において腹となる位置の近傍に配置されており、ＭＯＤＥ−Ｂの振動によって接触部４−１、４−２には矢印で示すようにＺ方向の往復運動が生じる。
【００３１】
このように突起部３−１、３−２を配置することで、突起部３−１、３−２をＺ方向において最も大きく変位させることができる。上述したように突起部３−１、３−２をＸ方向およびＺ方向において大きく変位させることにより、リニアスライダ６に対して最大の駆動力を与えることができる。
【００３２】
積層圧電素子５に所望の交流信号を入力すると、逆圧電効果により振動体１に上述した振動モードが励起される。振動モードＭＯＤＥ−ＡとＭＯＤＥ−Ｂとの振動位相が略±π／２となるように励振することで、接触部４−１、４−２には図１のＸＺ面内の略楕円運動が生成される。この楕円運動により、振動体１と、接触部４−１、４−２に加圧接触するリニアスライダ６との間には相対移動運動が発生する。
【００３３】
上述した振動モードが励振されているときの、振動体１に発生している歪について説明する。
【００３４】
先ずＭＯＤＥ−Ａの場合について説明する。図２の符号（＋）、（−）は、振動体１に振動変形が生じているときのＸ方向の歪成分の符号を表している。符号（＋）は、積層圧電素子５がＸ方向に伸びていることを表し、符号（−）は、Ｘ方向に縮んでいることを表している。
【００３５】
符号（＋）、（−）により積層圧電素子５は、この厚さ方向に２つの領域に分割されることが確認できる。この領域が分割される部位をつないだ領域は、Ｘ方向の歪が生じていない面であり、中立面Ｔ１とする。また、Ｘ方向における積層圧電素子５の中心付近で折り返すと、符号が反転することが確認できる（図２（ａ））。
【００３６】
ＭＯＤＥ−Ｂにおいて、積層圧電素子５に生じるＹ方向の歪成分の符号を表すと、符号の領域が厚さ方向に分割されることが確認できる（図２（ｂ））。この分割される面を中立面Ｔ２とする。
【００３７】
図３は、積層圧電素子５の積層状態の模式図である。本実施形態における積層圧電素子５は、圧電素子膜Ｌを１０層（Ｌ１〜Ｌ１０）積層することで形成されている。
【００３８】
各圧電素子膜の厚さは略０．０６ｍｍとなっているため、積層圧電素子５の厚さは略０．６ｍｍとなる。圧電素子膜Ｌ２〜Ｌ１０の表面には、図示のように電極膜Ｐ１〜Ｐ４が形成されている。また、上下層に形成される電極膜との導通を行うため、圧電素子膜を貫通するようにバイアホール電極Ｈ１〜Ｈ４が形成されている。
【００３９】
圧電素子膜Ｌ２からＬ１０までのうち偶数層となる圧電素子膜Ｌ２、Ｌ４、Ｌ６、Ｌ８、Ｌ１０には、図中Ｘ方向に対して略対称形状となるように２つの電極膜Ｐ１、Ｐ２が形成されている。同様に、圧電素子膜Ｌ３からＬ９までのうち奇数層となる圧電素子膜Ｌ３、Ｌ５、Ｌ７、Ｌ９には図中Ｘ方向に対して略対称形状となるように２つの電極膜Ｐ３、Ｐ４が形成されている。
【００４０】
電極膜Ｐ１は、バイアホール電極Ｈ１と電気的に接続される。同様に、電極膜Ｐ２とバイアホール電極Ｈ２、電極膜Ｐ３とバイアホール電極Ｈ３、電極膜Ｐ４とバイアホール電極Ｈ４が電気的に接続される。積層圧電素子５の表面を形成する圧電素子膜Ｌ１には、４つのバイアホール電極Ｈ１〜Ｈ４が形成されており、これらの電極Ｈ１〜Ｈ４は、圧電素子膜Ｌ２以下の圧電素子膜に形成された電極膜および外部との導通を行う作用を成す。
【００４１】
図３中の符号（＋）及びＧＮＤは、分極時の電位を表している。例えば、圧電素子膜Ｌ２の電極膜Ｐ１の領域は、電極膜Ｐ１と圧電素子膜Ｌ３に形成される電極膜Ｐ３との間の電位により厚さ方向に分極される。また、圧電素子膜Ｌ２の電極膜Ｐ２の領域は、電極膜Ｐ２と圧電素子膜Ｌ３に形成される電極膜Ｐ４との間の電位により厚さ方向に分極される。圧電素子膜Ｌ３〜Ｌ９までの圧電素子膜についても同様に、電極膜間の電位差により厚さ方向に分極される。
【００４２】
積層圧電素子５の表面に露出しているバイアホール電極Ｈ３をコモンとして、バイアホール電極Ｈ１に電位を与えたとき及び、バイアホール電極Ｈ４をコモンとして、バイアホール電極Ｈ２に電位を与えたときに対応する分極状態を模式的に図４に示す。これらの図に示すように積層圧電素子５においては、Ｘ方向で略対称に２分割され、厚さ方向（Ｚ方向）で同一方向に分極された領域Ｒ１と領域Ｒ２を有する。
【００４３】
図５に振動体１の底面を示す。振動体１の底面に配置される積層圧電素子５の表面には、端子電極Ｈ１〜Ｈ４が形成されている。端子電極Ｈ１〜Ｈ４は、圧電素子膜Ｌ１に形成されているバイアホール電極としての機能も兼ね備えている。
【００４４】
端子電極Ｈ１に電位Ｖ１を与え、同様に端子電極Ｈ２に電位Ｖ２、端子電極Ｈ３に電位Ｖ３、端子電極Ｈ４に電位Ｖ４を与えている。電位Ｖ１と電位Ｖ３の差を電位差Ｅ１とし、電位Ｖ２と電位Ｖ４の差を電位差Ｅ２とする。ここで、電位差Ｅ１、Ｅ２が、ＭＯＤＥ−Ａ及びＭＯＤＥ−Ｂの共振周波数近傍の交番信号となるように各電位Ｖ１〜Ｖ４が選択される。また、電位差Ｅ１、Ｅ２の信号のレベルが同一となるよう各電位Ｖ１〜Ｖ４が選択される。
【００４５】
以上領域Ｒ１と領域Ｒ２が同一方向に分極された状態を説明したものであるが、領域Ｒ１と領域Ｒ２が逆方向に分極された状態でも、上述した構成と同様の構成で振動波駆動装置の駆動を行うことができる。
【００４６】
また、本実施形態では、圧電素子として一つの積層圧電素子５を用いた構成について説明したが、複数の圧電素子を配置することでも上述した積層圧電素子５と同様の作用を得ることができる。そして、領域Ｒ１と領域Ｒ２を各々個別の積層圧電素子で構成してもよい。
【００４７】
さらに、圧電素子として、図２に示すように、１つのブロック状に形成された圧電素子で構成しても上述した積層圧電素子５と同様の作用が得られる。この場合、図２に示すように、圧電素子５の一端面に２つの電極膜Ｐ１、Ｐ２を形成して、これらの電極と対応する位置に領域Ｒ１、Ｒ２を形成することができる。
【００４８】
そして、電極膜Ｐ１、Ｐ２に所望の駆動信号を与えることで、上述した積層圧電素子５と同様の作用が得られる。圧電素子がブロック状に形成されているため、本実施形態の積層圧電素子５（図３）の場合と比較すると、駆動信号のレベルは大きな値を必要とするが、振動型駆動装置の仕様に合わせてどちらかの圧電素子を選択することができる。
【００４９】
以上述べたように、本実施形態の振動型駆動装置では、互いの節の発生方向が略直交しているとともに、周波数が略一致している２つの曲げ振動モード（ＭＯＤＥ−ＡおよびＭＯＤＥ−Ｂ）を組み合わせることで、突起部３−１、３−２（接触部４−１、４−２）に楕円運動を生成させている。
【００５０】
このように２つの曲げ振動モードを用いることにより、駆動周波数の上昇を抑えながら振動体の小型化を図ることができる。そして、振動体の小型化を図ることにより、振動型駆動装置の小型化を図ることができる。
【００５１】
一方、振動体に振動を励起する圧電素子として、複数の圧電素子膜で構成された積層圧電素子５を用いることで、振動体の励振に適した圧電素子の構成を実現することができるとともに、単一の圧電素子に比べて駆動信号のレベルを低く抑えることが可能となる。
【００５２】
また、積層圧電素子５を所定方向（上記のＸ方向）に対して略対称の２分割の領域として、この２つの領域を２つの振動モードの励振に作用させることで、積層圧電素子を単純な構成とすることができる。これにより、圧電素子の全ての領域を被駆動体の駆動に関与させることができ、被駆動体の駆動に供しない圧電素子の領域が存在するのを抑えることができるため、小型の振動体でありながら十分な出力を得ることが可能となる。
【００５３】
すなわち、振動体を小型化した場合でも、被駆動体を駆動するのに十分な出力が得られ、出力特性に優れた振動体を実現することが可能となる。一方、振動体を通常のサイズとした場合には、容易に大出力化が可能となる。
【００５４】
このような振動体を用いた振動波駆動装置としての超音波モータにおいてもサイズに比べて大きな出力を得ることができる。
【００５５】
なお、振動体の構成は、本実施形態で説明したような振動子１の構成に限定されない。例えば、図１３に示すような超音波モータ１０を実現することができる。
【００５６】
図１３において、振動体１の上面のうち略中央の位置には、１つの突起部３−１が形成されている。そして、この突起３−１の先端には、リニアスライダ６と接触する接触部４−１が形成されている。他の構成については、本実施形態における構成（図１）と同様である。
【００５７】
本実施形態で説明した振動モード（ＭＯＤＥ−ＡおよびＭＯＤＥ−Ｂ）や積層圧電素子１を用いると、図１４に示すような振動状態が得られる。突起３−１の接触部４−１には、ＭＯＤＥ−Ａの振動によって図１４（ａ）の矢印で示すようにＸ方向の往復運動が発生する。また、接触部４−１には、ＭＯＤＥ−Ｂの振動によって図１４（ｂ）の矢印で示すようにＺ方向の往復運動が発生する。
【００５８】
上述したＸ方向およびＺ方向における運動によって接触部４−１は楕円運動を行うようになり、これによりリニアスライダ６と振動体１とが相対的に移動するようになる。
【００５９】
図１３に示すように、振動体１に１つの突起部３−１を設けることにより、突起部３−１と接触するリニアスライダ６の長さを短くする（小型化する）ことができる。そして、リニアスライダ６の小型化により、超音波モータ１０の更なる小型化を図ることができる。
【００６０】
本実施形態においては、ＭＯＤＥ−Ａを面外２次曲げモードとし、ＭＯＤＥ−Ｂを面外１次曲げモードとしている。
【００６１】
振動体１の駆動板２は、矩形状に形成されているため、駆動板２の中心を通りＸ方向又はＹ方向に延びる平面に対して略対称となっている（図１）。これにより、振動体１における振動モード（ＭＯＤＥ−ＡおよびＭＯＤＥ−Ｂ）の節や腹は、図２に示すように振動体１における上記平面に対して略対称となる位置に発生する。
【００６２】
したがって、図１に示すように２つの突起部３−１、３−２を、振動体１において略対称位置に形成することができる。また、図１３に示すように１つの突起部３−１を振動体１の中心位置付近に配置することができる。この場合にも、突起部３−１は上記平面に対して対称となる。
【００６３】
上述したように突起部３−１、３−２を配置すれば、突起部３−１、３−２においてリニアスライダ６から受ける反力を、振動体１は偏り無く受けることができる。また、リニアスライダ６と接触部４−１、４−２の相対位置関係が安定するので、環境や負荷の変動等の影響を受けずに安定した出力を発生する振動型駆動装置を実現する。
【００６４】
本実施形態において説明した部材の具体的な数値は、本発明を限定するものではない。すなわち、各部材を装置の要求に合わせた寸法に設定することができる。
【００６５】
また、本実施形態では、超音波モータ１０における被駆動体として、直線運動を行うリニアスライダ６について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、被駆動体として、任意の円弧を持つ円筒状、円板状又は、楕円状等に形成された部材を用い、この部材を回転運動させることもできる。
【００６６】
この回転駆動を行う超音波モータ１０の形態を図１８に示す。同図において、振動体１は上述した説明と同様の振動体を用いており、この振動体１に円盤型のロータ２０（図１８（ａ））又は、円環型のロータ２１（図１８（ｂ））を接触させて超音波モータ１０を構成している。
【００６７】
上述した超音波モータ１０の構成により、ロータ２０やロータ２１を同図の矢印で示す方向に回転運動させることができる。
【００６８】
（第２実施形態）
図６は、本発明の第２実施形態である振動型駆動装置としてのリニア型超音波モータ１０の外観斜視図である。
【００６９】
同図において、振動子１は矩形薄板状の積層圧電素子５と、この積層圧電素子５の表面で一体化される２つの突起部３−１、３−２とで構成されている。突起３−１、３−２の先端面には、被駆動体であるリニアスライダ６と接触する接触部４−１、４−２が形成されている。
【００７０】
すなわち、第１実施形態では積層圧電素子５、駆動板２および突起部３−１、３−２により振動体１を構成しているが、本実施形態では、積層圧電素子５および突起部３−１、３−２により振動体１を構成している。
【００７１】
突起部３−１、３−２は、摩擦係数や耐磨耗性に優れた特性が要求され、本実施形態では、突起部３−１、３−２の材料としてアルミナが用いられている。本実施形態における振動子１に励振される２つの振動モード（ＭＯＤＥ−ＡおよびＭＯＤＥ−Ｂ）は、第１実施形態で説明した振動モードと同様である（図２）。
【００７２】
図７は、本実施形態における積層圧電素子５の積層状態の模式図である。この積層圧電素子５は、圧電素子膜Ｌを１２層（Ｌ１〜Ｌ１２）積層することで形成されている。各圧電素子膜の厚さは略０．０６ｍｍであるので、積層圧電素子５の厚さは略０．７ｍｍとなる。
【００７３】
図７（ａ）において、圧電素子膜Ｌ２〜Ｌ１２の表面には、Ｘ方向で略対称に分割された電極膜Ｐ１〜Ｐ６が形成されている。圧電素子膜Ｌ２、Ｌ４、Ｌ６には、電極膜Ｐ１、Ｐ２が形成されており、圧電素子膜Ｌ８、Ｌ１０、Ｌ１２には、電極膜Ｐ５、Ｐ６が形成されている。圧電素子膜Ｌ３〜Ｌ１１までのうち奇数層の圧電素子膜（Ｌ３、Ｌ５、Ｌ７、Ｌ９）には、電極膜Ｐ３、Ｐ４が形成されている。
【００７４】
各電極膜Ｐ１〜Ｐ６は、各々バイアホール電極Ｈ１〜Ｈ６と電気的に接続している。すなわち、電極膜Ｐ１とバイアホール電極Ｈ１、電極膜Ｐ２とバイアホール電極Ｈ２、電極膜Ｐ３とバイアホール電極Ｈ３、電極膜Ｐ４とバイアホール電極Ｈ４、電極膜Ｐ５とバイアホール電極Ｈ５、電極膜Ｐ６とバイアホール電極Ｈ６が各々電気的に接続される。
【００７５】
圧電素子膜Ｌ１に形成されたバイアホール電極Ｈ１〜Ｈ６は、積層圧電素子５と外部との電気的な接続を行う端子電極として作用する。これら端子電極の電位を、Ｈ１及びＨ２を正、Ｈ３及びＨ４を負、Ｈ５及びＨ６をコモンとすることで、図中に示した（＋）、（−）、ＧＮＤの電位として分極が行われる。
【００７６】
このような分極状態における積層圧電素子５内部の分極方向を模式的に図７（ｂ）に示す。同図に示すように、圧電素子膜Ｌ２からＬ６の部分には、領域Ｒ１と領域Ｒ２が形成されるようになっている。また、圧電素子膜Ｌ７からＬ１１の部分には、領域Ｒ３と領域Ｒ４が形成されるようになっている。
【００７７】
振動体１に組み込まれた状態での積層圧電素子５の作用について説明する。
【００７８】
積層圧電素子５の領域Ｒ１と領域Ｒ２は、図２に示した中立面Ｔ１、Ｔ２より圧電素子の上方に位置しており、領域Ｒ３とＲ４は、中立面Ｔ１、Ｔ２よりも圧電素子の下方に位置している。
【００７９】
図８に示すように積層圧電素子５の表面に形成された端子電極Ｈ１〜Ｈ６には、電位Ｖ１〜Ｖ４が与えられる。電位Ｖ１は、端子電極Ｈ１、Ｈ５に印加される。電位Ｖ３は、端子電極Ｈ３に印加される。電位Ｖ１と電位Ｖ３との電位差を電位差Ｅ１とする。
【００８０】
積層圧電素子５に電位差Ｅ１の電位が与えられたとき、領域Ｒ１と領域Ｒ３では、分極と電位差の関係が逆方向となるため、例えば領域Ｒ１に伸びの歪が発生するときは領域Ｒ３には縮む歪が発生する。すなわち、領域Ｒ１および領域Ｒ３を対として、バイモルフ形態の作用を行う。
【００８１】
一方、電位Ｖ２は端子電極Ｈ２、Ｈ６に印可され、電位Ｖ４は端子電極Ｈ４に印可される。この電位Ｖ２とＶ４の電位差をＥ２とする。
【００８２】
積層圧電素子５に電位差Ｅ２の電位が与えられたとき、例えば、領域Ｒ２に伸びの歪が発生するときは領域Ｒ４には縮む歪が発生する。すなわち、領域Ｒ２および領域Ｒ４を対としてバイモルフ形態の作用を行う。
【００８３】
上述した構成の積層圧電素子５を用いた振動体１において、振動体１を構成する部分の殆ど全てにおいて振動が発生するようになっている。
【００８４】
本実施形態によれば、積層圧電素子５を用いることで、単一の圧電素子を用いる倍に比べて駆動信号の電圧レベルが低くても十分な出力を得ることができるとともに、小型且つ高出力の振動型駆動装置を実現することができる。
【００８５】
（第３実施形態）
図９に、本発明の第３実施形態である振動型駆動装置における圧電素子５の構成を示す。なお、振動体１や超音波モータ１０の構成は、第１実施形態（図１）と同様である。すなわち、本実施形態では、第１実施形態における超音波モータ１０の構成に対して圧電素子の構造が異なっている。
【００８６】
図９に示すように、圧電素子５の一端面には、圧電素子５のＸ方向及びＹ方向に略対称となるように５つの電極膜Ｐ１〜Ｐ５が形成されている。電極膜Ｐ１と電極膜Ｐ２、電極膜Ｐ３と電極膜Ｐ４はそれぞれ、圧電素子５の中心を通るＸ軸に対して略対称となるように形成されている。
【００８７】
また、電極膜Ｐ１と電極膜Ｐ３、電極膜Ｐ２と電極膜Ｐ４はそれぞれ、圧電素子５の中心を通るＹ軸に略対称となるように形成されている。
【００８８】
さらに、圧電素子５の中心付近を通りＸ軸方向に伸びる領域には、電極膜Ｐ５が形成されている。圧電素子５において、上述した電極膜Ｐ１〜Ｐ５と裏面の共通電極で挟まれる部分（各電極膜Ｐ１〜Ｐ５に対してＺ方向に延びる領域）をそれぞれ、領域Ｒ１〜Ｒ５とする。
【００８９】
各領域Ｒ１〜Ｒ５は、図中の符号（＋）、（−）のように分極が行なわれるようになっている。この圧電素子５を振動体１に適用した状態において、電極膜Ｐ１〜Ｐ４に共通の駆動信号を与えることで領域Ｐ１、Ｐ２と領域Ｐ３、Ｐ４には、互いに逆方向の歪が発生する。
【００９０】
この変形により、振動体１に対して第１実施形態で説明したＭＯＤＥ−Ａの励振が行われる。電極膜Ｐ５にもう一つの駆動信号を与えることで、第１実施形態で説明したＭＯＤＥ−Ｂの励振が行われる。
【００９１】
各領域Ｒ１〜Ｒ５のうち、例えばＹ方向の幅は設計に応じて任意に選択可能である。これより、２つの振動モード（ＭＯＤＥ−ＡおよびＭＯＤＥ−Ｂ）における発生力を選択できるため、振動体１において発生する楕円運動の形状をコントロール可能となる。この結果、駆動効率に優れた超音波モータ１０を実現することができる。
【００９２】
本実施形態では、圧電素子５として積層圧電素子を用いることもできる。図１０に示す積層圧電素子５の構成図を用いて、本実施形態の変形例について説明する。なお、圧電素子膜、電極膜及びバイアホール電極を用いた構成は、上述した実施形態と同様であるため、詳細な説明は略する。
【００９３】
積層圧電素子５は、圧電素子膜Ｌ１〜Ｌ１０の１０層の電極膜により形成されている。圧電素子膜Ｌ２〜Ｌ１０までのうち偶数層の圧電素子膜（Ｌ２、Ｌ４、Ｌ６、Ｌ８、Ｌ１０）にはそれぞれ、５つの電極膜Ｐ１〜Ｐ５が形成されている。また、圧電素子膜Ｌ３〜Ｌ９までのうち奇数層の圧電素子膜（Ｌ３、Ｌ５、Ｌ７、Ｌ９）には、この膜の略全面に１つの電極膜Ｐ６が形成されている。
【００９４】
各圧電素子膜は、電極膜Ｐ１〜Ｐ５と電極膜Ｐ６とで挟まれる構成となっており、これらに対応する部分がそれぞれ、個別の駆動領域として作用する。これら領域を電極膜Ｐ１〜Ｐ５に対応するものとして領域Ｒ１〜Ｒ５とする。これらの領域Ｒ１〜Ｒ５は、図９で示した圧電素子と同様の配置となる。
【００９５】
領域Ｒ１〜Ｒ４に電位を印加することにより、第１実施形態で説明したＭＯＤＥ−Ａの励振を行うことができ、領域Ｒ５に電位を印加することにより、第１実施形態で説明したＭＯＤＥ−Ｂの励振を行うことができる。
【００９６】
本変形例の積層圧電素子５の外部との電気的な導通は、図１１に模式的に示したように行なわれる。すなわち、端子電極Ｈ１〜Ｈ４に電位Ｖ１を印加し、端子電極Ｈ５に電位Ｖ２を印加し、端子電極Ｈ６に電位ＶＧを印加する。端子電極Ｈ１〜Ｈ６はそれぞれ、各圧電素子膜Ｌ１〜Ｌ１０に形成されたバイアホール電極Ｈ１〜Ｈ６としての機能も持つ。
【００９７】
領域Ｒ１〜Ｒ４には、電位Ｖ１と電位ＶＧの電位差Ｅ１が与えられる。領域Ｒ５には、電位Ｖ２と電位ＶＧの電位差Ｅ２が与えられる。このように積層圧電素子５及び駆動信号を選択することで、図９に示す場合と同様に、領域Ｒ１〜Ｒ４によりＭＯＤＥ−Ａが励振され、領域Ｒ５によりＭＯＤＥ−Ｂの励振が行われる。
【００９８】
（第４実施形態）
図１２に、本発明の第４実施形態である振動型駆動装置（超音波モータ１０）における積層圧電素子５の構成を示す。ここで、振動体１および超音波モータ１０の構成は、第２実施形態における構成（図６）と同様であるため、詳細な説明は省略する。
【００９９】
本実施形態における積層圧電素子５は、図１２（ａ）に示すように、１２層の圧電素子膜（Ｌ１〜Ｌ１２）で形成されている。各圧電素子膜Ｌ１〜Ｌ１２には、上述した実施形態と同様に電極膜Ｐ１〜Ｐ４とバイアホール電極Ｈ１〜Ｈ４が形成されている。
【０１００】
圧電素子膜Ｌ２、Ｌ４、Ｌ６に形成された電極膜Ｐ１、Ｐ２と、圧電素子膜Ｌ３、Ｌ５、Ｌ７に形成された電極膜Ｌ３により、圧電素子膜Ｌ２〜Ｌ６は、図１２（ｂ）に示すように領域Ｒ１、Ｒ２を有する。この領域Ｒ１、Ｒ２は、ＭＯＤＥ−Ａの振動モードにおける励振用としてのみ作用する。
【０１０１】
また、圧電素子膜Ｌ８、Ｌ１０、Ｌ１２に形成された電極膜Ｐ４と、圧電素子膜Ｌ７、Ｌ９、Ｌ１１に形成された電極膜Ｐ３により、圧電素子膜Ｌ７〜Ｌ１１は、図１２（ｂ）に示すように領域Ｒ３を有する。
【０１０２】
バイアホール電極Ｈ３をコモンとして、バイアホール電極Ｈ１、Ｈ４に正の電位を与えるとともに、バイアホール電極Ｈ２に負の電位を与えたときの各電極膜の電位状態を、図１２（ａ）の符号（＋）、（−）、ＧＮＤで表している。このように分極された状態を模式的に図１２（ｂ）の矢印で示す。領域Ｒ１と領域Ｒ２は互いに逆向きに分極されている。
【０１０３】
上述した構成の積層圧電素子５を用いて振動体１を構成したとき、領域Ｒ１、Ｒ２は図２に示した中立面Ｔ１を含まないとともに、中立面Ｔ１に対して片側に配置するように形成されている。領域Ｒ３は、中立面Ｔ２を含まないとともに、中立面Ｔ２に対して片側に配置するように形成される。
【０１０４】
本実施形態における積層圧電素子５を振動体１に用いたときの駆動状態について説明する。上述した実施形態と同様に、各端子電極Ｈ１〜Ｈ４に電位Ｖ１〜Ｖ４を与える。この端子電極Ｈ１〜Ｈ４はそれぞれ、各圧電素子膜に形成されたバイアホール電極Ｈ１〜Ｈ４としての機能も持つ。
【０１０５】
電位Ｖ１と電位Ｖ３の電位差をＥ１とし、電位Ｖ２と電位Ｖ３の電位差をＥ２とし、電位Ｖ４と電位Ｖ３の電位差をＥ３とする。
【０１０６】
まず、振動体１におけるＭＯＤＥ−Ａ（第１実施形態と同様）の励振について説明する。電位差Ｅ１＝Ｅ２となるように電気的な接続を行ったり、駆動信号の選択を行ったりすることで、領域Ｒ１と領域Ｒ２に互いに逆向きの歪みを発生させる。このとき、領域Ｒ３は、電位差Ｅ３に対応した励振力が生じるが、この領域Ｒ３はＭＯＤＥ−Ａの励振力として作用しない。
【０１０７】
すなわち、領域Ｒ１および領域Ｒ２を励振力として、ユニモルフ状態で作用することでＭＯＤＥ−Ａが励振される。
【０１０８】
同様に領域Ｒ３を励振力として、ユニモルフ状態の作用によりＭＯＤＥ−Ｂ（第１実施形態と同様）が励振される。
【０１０９】
本実施形態によれば、振動体１を形成する略すべての領域において被駆動体（リニアスライダ６）に対する駆動力の発生に供することができ、小型化および高出力化を両立する超音波モータを実現することができる。
【０１１０】
（第５実施形態）
図１５に、本発明の第５実施形態である振動型駆動装置（超音波モータ１０）における振動体１の外観斜視図を示す。同図において、振動体１は、略矩形状に形成された薄板で構成されており、この一端面には、４つの突起部３−１〜３−４が配置されている。そして、突起部３−１〜３−４の先端部にはそれぞれ、不図示の被駆動体に接触する接触部４−１〜４−４が形成されている。
【０１１１】
また、振動体１は、略矩形状に形成された圧電素子５と突起部３−１〜３−２が一体的に形成された振動板２を有している。この振動体１には、図１６に示すように２つの曲げ振動モードＭＯＤＥ−Ａ、ＭＯＤＥ−Ｂが励振されるようになっている。
【０１１２】
ＭＯＤＥ−Ａは、図１６（ａ）に示すように、図中Ｘ方向の３箇所に節が発生する２次の面外曲げ振動モードであり、ＭＯＤＥ−ｂは、図１６（ｂ）に示すように、図中Ｙ方向の４箇所に節が発生する３次の面外振動モードである。突起部３−１〜３−４は、ＭＯＤＥ−Ａにおける節位置の近傍であって、かつＭＯＤＥ−Ｂにおける腹位置の近傍となる位置に配置されている。
【０１１３】
ＭＯＤＥ−Ａの振動により、突起部３−１〜３−４にはＸ方向の往復運動が生じ、ＭＯＤＥ−Ｂの振動により、突起３−１〜３−４にはＺ方向の往復運動が発生する。そして、互いに適当な位相が生じるように２つの振動モード（ＭＯＤＥ−ＡおよびＭＯＤＥ−Ｂ）を励振することで、各接触部４−１〜４−４に楕円運動を生成させることができる。
【０１１４】
ここで、突起部３−１〜３−４は上述したように配置されているため、突起部３−１〜３−４には、Ｘ方向およびＺ方向において大きく変位させることができる。これにより、振動体１から被駆動体に大きな駆動力を与えることができ、振動型駆動装置の高出力化を図ることができる。
【０１１５】
本実施形態の振動体１に用いられる圧電素子５の電極膜の構成を図１７に示す。圧電素子５の１つの端面には、６つの電極膜Ｐ１〜Ｐ６が形成されている。電極膜Ｐ１〜Ｐ６に対応して圧電素子５に、上述したのと同様に領域Ｒ１〜Ｒ６が形成される。
【０１１６】
領域Ｒ１と領域Ｒ４、領域Ｒ２と領域Ｒ５、領域Ｒ３と領域Ｒ６はそれぞれ、圧電素子５の中心を通るＹ軸に対して対称となるように配置されている。また、領域Ｒ１〜Ｒ３や、領域Ｒ４〜Ｒ６は、Ｙ方向に並ぶように配置されている。
【０１１７】
各領域Ｒ１〜Ｒ６は、圧電素子５の厚み方向に分極されており、図１７に示すように、各領域Ｒ１〜Ｒ６の分極状態を相対的に表す記号として（＋）、（−）を用いている。
【０１１８】
上述した圧電素子５を振動体１に用いたときの作用について説明する。
【０１１９】
領域Ｐ１〜Ｐ３に対して共通の駆動信号Ｖ１を与えて、領域Ｐ４〜Ｐ６に対してもう１つの駆動信号Ｖ２を与える。
【０１２０】
駆動信号Ｖ１および駆動信号Ｖ２における波形と位相が等しいとき、振動体１にはＭＯＤＥ−Ｂが励振されるようになっている。また、駆動信号Ｖ１および駆動信号Ｖ２において、波形が等しく位相がπラジアンのときには、振動体１にＭＯＤＥ−Ａの振動が励振されるようになっている。
【０１２１】
駆動信号Ｖ１と駆動信号Ｖ２において、これらの波形が等しく位相が相対的にπ／２ラジアンのときには、相対的にπ／２ラジアンの位相差を保ちながら振動体１にＭＯＤＥ−ＡとＭＯＤＥ−Ｂが励振される。
【０１２２】
この結果、接触部４−１〜４−４には、同じ方向の楕円運動が生成される。この楕円運動の軌跡は、各接触部４−１〜４−４において同形状であり、運動の時間的な位相が接触部４−１、４−２と接触部４−３、４−４との間でπラジアンの状態となる。
【０１２３】
本実施形態における振動型駆動装置では、突起部３−１〜３−４を複数配置しているとともに、接触部４−１〜４−４を複数設けている。これにより、突起部を増やした分だけ、被駆動体と振動体１との接触面積を増やすことができ、被駆動体および振動体１間における駆動力の伝達をより確実な状態とすることができる。
【０１２４】
以上説明した各実施形態は、以下に示す各発明を実施した場合の一例でもあり、下記の各発明は上記各実施形態に様々な変更や改良が加えられて実施されるものである。
【０１２５】
〔発明１〕  凸状に形成された突起部を有し、少なくとも電気−機械エネルギ変換素子からなる板状の振動体と、
前記突起部に加圧接触する被駆動体とを備え、
前記振動体は、前記電気−機械エネルギ変換素子への駆動信号の入力を受けることで、節の発生方向が互いに略直交する２つの曲げ振動モードを励起し、前記突起部を介して前記被駆動体に対して相対的に移動することを特徴とする振動型駆動装置。
【０１２６】
上記発明１によれば、板状の振動体に２つの曲げ振動モードを励起しているため、従来の振動型駆動装置（曲げ振動および縦振動を励起するタイプ）に比べて、固有周波数の上昇を抑えて装置の小型化を図ることができる。しかも、２つの曲げ振動モードは、各曲げ振動モードにおける節の発生方向が互いに略直交するため、一方の曲げ振動モードの節となる位置と他方の曲げ振動モードの腹となる位置を一致させることができ、小型でありながら出力特性に優れた振動型駆動装置を提供することができる。
【０１２７】
〔発明２〕  前記突起部が、前記２つの曲げ振動モードのうち第１の曲げ振動モードにおける節の位置の近傍であって、第２の曲げ振動モードにおける腹の位置の近傍となる位置に配置されていることを特徴とする前記発明１に記載の振動型駆動装置。
【０１２８】
上記発明２のように突起部を配置すれば、２つの曲げ振動モードによって突起部を大きく変位させることができ、被駆動体を効率良く駆動することができる。
【０１２９】
〔発明３〕  前記第１の曲げ振動モードの次数が偶数次であるとともに、前記第２の曲げ振動モードの次数が奇数次であることを特徴とする前記発明１又は２に記載の振動型駆動装置。
【０１３０】
上記発明３によれば、突起部を振動体の中心を含む面に対して対称な位置に１つ又は複数、配置することができる。このように突起部を対称な位置に配置することにより、被駆動体に対する接触状態のバランスを向上させることができ、効率良く被駆動体を駆動することができる。
【０１３１】
〔発明４〕  前記第１の曲げ振動モードの次数が２次であるとともに、前記第２の曲げ振動モードの次数が１次であって、
前記突起部が、前記振動体の中心を含む面に対して対称な位置に配置されていることを特徴とする前記発明１から３のいずれかに記載の振動型駆動装置。
【０１３２】
上記発明４によれば、突起部および被駆動体の接触状態を良好に保つことができるとともに、低次の曲げ振動モードによって固有周波数の上昇を抑制することができる。
【０１３３】
〔発明５〕  前記第１の曲げ振動モードの次数が２次であるとともに、前記第２の曲げ振動モードの次数が１次であって、
前記突起部が、前記振動体の略中央の位置に配置されていることを特徴とする前記発明１から３のいずれかに記載の振動型駆動装置。
【０１３４】
上記発明５によれば、低次の曲げ振動モードによって固有周波数の上昇を抑えることができるとともに、被駆動体に接触する突起部の数を最小限（１つ）に抑えることができることで装置の小型化を図ることができる。
【０１３５】
〔発明６〕  前記振動体が矩形状に形成されていることを特徴とする前記発明１から５のいずれかに記載の振動型駆動装置。
【０１３６】
上記発明６によれば、振動体を単純な形状としながらも、所望の曲げ振動モードを得ることができる。
【０１３７】
〔発明７〕  前記電気−機械エネルギ変換素子が、板状に形成された圧電素子であることを特徴とする前記発明１から６のいずれかに記載の振動型駆動装置。
【０１３８】
上記発明７によれば、電気−機械エネルギ変換素子だけで振動体を構成することができる。これにより、振動体のほとんどの体積を電気−機械エネルギ変換素子が占めることになるため、出力特性に優れた振動型駆動装置を実現することができる。
【０１３９】
〔発明８〕  前記電気−機械エネルギ変換素子が、板状に形成され、複数の層で構成された圧電素子であることを特徴とする前記発明１から６のいずれかに記載の振動型駆動装置。
【０１４０】
上記発明８によれば、上述した発明７の効果に加えて、電気−機械エネルギ変換素子に入力される駆動信号の信号レベルを低くすることができ、省電力化を図ることができる。
【０１４１】
〔発明９〕  前記圧電素子が、前記２つの曲げ振動モードを励起するための２つの駆動領域を有することを特徴とする前記発明７又は８に記載の振動型駆動装置。
【０１４２】
上記発明９によれば、１つの圧電素子により２つの曲げ振動モードのうちそれぞれの曲げ振動モードを発生させることができる。このように１つの圧電素子を用いることで、複数の圧電素子を用いる場合に比べて、部品点数を抑えて低コスト化を図ることができるとともに、出力特性の安定性と信頼性を高めることができる。
【０１４３】
〔発明１０〕  前記圧電素子が、互いに異なる駆動信号の入力を受ける２つの駆動領域を有することを特徴とする前記発明７又は８に記載の振動型駆動装置。
【０１４４】
上記発明１０によれば、１つの圧電素子の簡単な構成により２つの曲げ振動モードを励起することができる。
【０１４５】
〔発明１１〕  前記２つの駆動領域のうち各駆動領域がそれぞれ、前記圧電素子の厚み方向で分割された位置に形成されているとともに、駆動信号の入力を受けて互いに逆方向の加振力を発生することを特徴とする前記発明９又は１０に記載の振動型駆動装置。
【０１４６】
上記発明１１によれば、曲げ振動モードを効率的に発生させることができるとともに、装置本体を小型化させながら十分な出力を得ることができる。
【０１４７】
〔発明１２〕  前記２つの駆動領域が、前記圧電素子の厚み方向で並んで形成されていることを特徴とする前記発明１０に記載の振動型駆動装置。
【０１４８】
上記発明１２によれば、振動体に占める圧電素子の体積を十分に確保することができるとともに、２つの曲げ振動モードにおける励振力を確保することができる。これにより、装置の小型化を図りながら、十分な出力を得ることができる。
【０１４９】
【発明の効果】
本発明の振動型駆動装置によれば、小型化を図りつつ、高出力化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態における超音波モータの斜視図。
【図２】第１実施形態における振動体の振動モードの図。
【図３】第１実施形態における積層圧電素子の構成を示す図。
【図４】第１実施形態における振動体の電気接続状態を示す図。
【図５】第１実施形態での他の構成を示す圧電素子の図。
【図６】第２実施形態における超音波モータの斜視図。
【図７】第２実施形態における積層圧電素子の構成を示す図。
【図８】第２実施形態における振動体の電気接続状態を示す図。
【図９】第３実施形態における圧電素子を示す図。
【図１０】第３実施形態における他の構成を示す積層圧電素子の図。
【図１１】第３実施形態における他の構成を示す振動体の電気接続状態を示す図。
【図１２】第４実施形態における積層圧電素子の構成を示す図。
【図１３】第１実施形態における他の構成を示す振動体の斜視図。
【図１４】第１実施形態における他の構成を示す振動体の振動モードの図。
【図１５】第５実施形態における振動体の斜視図。
【図１６】第５実施形態における振動体の振動モードの図。
【図１７】第５実施形態における圧電素子の図。
【図１８】第１実施形態における変形例の図。
【図１９】従来技術における振動体の斜視図。
【符号の説明】
１：振動体
２：振動板
３：突起
４：接触部
５：圧電素子
６：リニアスライダ
１０：超音波モータ
Ｈ：バイアホール電極
Ｌ：圧電素子膜
Ｐ：電極膜
【図１】
2004304887.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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