(57)【要約】【課題】被駆動体に任意の動きを生じさせることができる超音波モータを提供する。【解決手段】超音波モータ１００は、ベース部１１と、ホーン部１２と、ヘッド１３と、ベース部１１の対向する面に設けられた圧電駆動部１４ａ・１４ｂ・１５ａ・１５ｂとを有する。例えば、超音波モータ１００を垂直姿勢で保持し、ヘッド１３の上に金属球１６を被駆動体として載せて、圧電駆動部１４ａ・１４ｂ・１５ａ・１５ｂを所定の共振周波数で駆動することにより、金属球１６を鉛直軸を中心として時計回りまたは反時計回りに回転させる。【選択図】  図４
2004289894.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに直交するＸ方向とＹ方向とＺ方向にそれぞれ面を有する略直方体形状のベース部と、
前記ベース部のＺ方向面の一面に配設された略円錐形状のホーン部と、
前記ホーン部の頂点近傍に設けられ、被駆動体と接する接頭部と、
前記ベース部のＹ方向面の両面に前記Ｘ方向に分けて設けられ、Ｙ方向に分極された略矩形の４つの圧電駆動部と、
前記ベース部を保持する保持手段と、
を具備し、
前記圧電駆動部に所定周波数の電圧を印加することによって前記接頭部に所定の振動を生じさせ、前記被駆動体を動かすことを特徴とする超音波モータ。
【請求項２】
前記４つの圧電駆動部の分極の向きは、同一面に設けられた２つの圧電駆動部では前記Ｙ方向において逆向きであり、かつ、前記Ｚ方向面の中心を通るＺ軸について対称な位置にある２つの圧電駆動部では前記Ｙ方向において逆向き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３】
前記ベース部は、前記ホーン部が設けられていないＺ方向面の中央部から前記ホーン部に向かって形成された孔部を有し、
前記保持手段は、前記孔部内の前記圧電駆動部の前記Ｚ方向の中央部に相当する位置で、前記ベース部を保持していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波モータ。
【請求項４】
前記ベース部は、前記ベース部におけるＺ方向面の対角に位置し、かつ、前記孔部と連通するように前記孔部と平行に設けられた別の４つの孔部を有することを特徴とする請求項３に記載の超音波モータ。
【請求項５】
前記接頭部は、前記Ｚ方向に垂直な方向を径方向とする略円盤状の形状を有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項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、各種機械の駆動装置として使用することができる超音波モータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
棒状の形状を有する超音波モータとして、特開平７−１０７７５６号公報には、ステータリングと、ランジュバン型の振動子と、ロータにて構成された超音波モータが開示されている。ここで振動子は、圧電セラミックスと金属端子からなり、圧電セラミックスと金属端子の形状や大きさ等は振動子の長さ振動の共振周波数と屈曲振動の共振周波数が略等しくなるように設定されている。さらに圧電セラミックスは、分極の向きが逆となっている略２等分された駆動部を備えている。このような超音波モータでは、圧電セラミックスに所定の交流電圧を印加することによって振動子の先端に楕円運動が生じ、これによってロータを所定方向に回転させることができる。また、圧電セラミックスに印加する交流電圧の位相を１８０度ずらすことによって、楕円運動の回転の向きを逆転させることができ、これによってロータの回転方向を逆転させることができる。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−１０７７５６号公報（第２図、第７〜１０段落）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような棒状の形状を有する超音波モータでは、被駆動体に接する部分の楕円運動は同一面内でしか発生させることができない。したがって、この超音波モータを、例えば、リニアモータとして使用する場合には被駆動体を一方向にしか移動させることができない。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、被駆動体に任意の動きを生じさせることができる超音波モータを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、互いに直交するＹ方向とＸ方向とＺ方向にそれぞれ面を有する略直方体形状のベース部と、
前記ベース部のＺ方向面の一面に配設された略円錐形状のホーン部と、
前記ホーン部の頂点近傍に設けられ、被駆動体と接する接頭部と、
前記ベース部のＹ方向面の両面に前記Ｘ方向に分けて設けられ、Ｙ方向に分極された略矩形の４つの圧電駆動部と、
前記ベース部を保持する保持手段と、
を具備し、
前記圧電駆動部に所定周波数の電圧を印加することによって前記接頭部に所定の振動を生じさせ、前記被駆動体を動かすことを特徴とする超音波モータ、が提供される。
【０００６】
このような超音波モータにおいては、４つの圧電駆動部を位相をずらして変位させることによって、接頭部に種々の方向の振動を生じさせることができる。このため、被駆動体を接頭部の動きに合わせて適切に配置しておくことによって、被駆動体に所定の動きを生じさせることができる。例えば、Ｘ−Ｙステージをスライドさせるためには、従来は１方向にのみ駆動させることができる２台の超音波モータを組み合わせて用いる必要があった。しかし、本発明の超音波モータを用いれば、１台でＸ−Ｙステージをスライドさせることができ、駆動源の配置スペースを省スペース化することができる。なお、圧電駆動部は具体的には、Ｚ方向を長手方向とし、Ｘ方向を幅方向とし、Ｙ方向を厚さ方向とし、表裏面に電極が設けられた略矩形の圧電セラミック素子である。
【０００７】
４つの圧電駆動部の分極の向きには限定はないが、例えば、４つの圧電駆動部の分極の向きを、同一面に設けられた２つの圧電駆動部ではＹ方向において逆向きとし、かつ、Ｚ方向面の中心を通るＺ軸について対称な位置にある２つの圧電駆動部ではＹ方向において逆向きとする。この場合には、４つの圧電駆動部をベース部を共通電極として同位相の駆動電圧で駆動することによって、被駆動体に所定の動きを生じさせることができる。この場合には駆動電源を安価に構成することができる利点がある。
【０００８】
本発明の超音波モータにおいては、ベース部に、ホーン部が設けられていないＺ方向面の中央部からホーン部に向かって形成された孔部を形成し、保持手段がこの孔部内の圧電駆動部のＺ方向の中央部に相当する位置でベース部を保持していることが好ましい。このようにしてベース部を保持する理由の１つは、ベース部に生ずる種々の振動の節が圧電駆動部のＺ方向の中央部に相当する位置にあたることである。またベース部には、ベース部におけるＺ方向面の対角に位置し、かつ、孔部と連通するように孔部と平行に設けられた別の４つの孔部を形成することが好ましい。これら別の４つの孔部をベース部に形成することによって、ベース部は変形しやすくなり、圧電駆動部の振動が効率よくベース部の振動を励起する。接頭部は、Ｚ方向に垂直な方向を径方向とする略円盤状の形状とすることが好ましい。被駆動体は接頭部の振動方向に応じて、適宜、接頭部の表面または側面に接するように配置する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１は本発明の超音波モータに用いられる圧電アクチュエータ１０の概略構造を示す説明図であり、図１（ａ）は圧電アクチュエータ１０の概略斜視図であり、図１（ｂ）は圧電アクチュエータ１０の構造を示すために圧電アクチュエータ１０を分解してその部品を示した説明図である。
【００１０】
圧電アクチュエータ１０は、直方体形状のベース部１１と、ベース部１１のＺ方向面（Ｚ軸に垂直な面）に配設された略円錐状のホーン部１２と、ベース部１１のＹ方向面（Ｙ軸に垂直な面）に設けられた圧電駆動部１４ａ・１４ｂ・１５ａ・１５ｂ（以下、「圧電駆動部１４ａ等」という）と、を有している。
【００１１】
ベース部１１は、圧電駆動部１４ａ等を所定の周波数で駆動した際に圧電駆動部１４ａ等に生ずる変位に追従して弾性変形を起こし、振動が減衰し難い材料、例えば、リン青銅やチタン、ステンレス等の金属材料からなる。ホーン部１２はベース部１１と一体であることが好ましい。
【００１２】
ベース部１１のＹ方向面の一方には圧電セラミック板２１が取り付けられ、この圧電セラミック板２１の裏面全体には共通電極２２ｃが形成され、その表面にはＸ方向に分かれた実質的に同一形状を有する２つの駆動電極２２ａ・２２ｂが形成されており、駆動電極２２ａと共通電極２２ｃによって挟まれた部分が圧電駆動部１４ａとなり、駆動電極２２ｂと共通電極２２ｃによって挟まれた部分が圧電駆動部１４ｂとなっている。圧電駆動部１４ａと圧電駆動部１４ｂでは、圧電セラミック板２１の分極方向は、図１（ｂ）中に矢印＋Ｐおよび矢印−Ｐで示されるように逆向きとなっている。
【００１３】
同様に、ベース部１１のＹ方向面の別の面には圧電セラミック板２３が取り付けられ、この圧電セラミック板２３の裏面全体には共通電極２４ｃが形成され、その表面にＸ方向に分かれた実質的に同一形状を有する２つの駆動電極２４ａ・２４ｂが形成されており、駆動電極２４ａと共通電極２４ｃによって挟まれた部分が圧電駆動部１５ａとなり、駆動電極２４ｂと共通電極２４ｃによって挟まれた部分が圧電駆動部１５ｂとなっている。圧電駆動部１５ａと圧電駆動部１５ｂでは、圧電セラミック板２３の分極方向は、図１（ｂ）中に矢印−Ｑおよび矢印＋Ｑで示されるように逆向きとなっている。
【００１４】
このように圧電駆動部１４ａ・１４ｂ・１５ａ・１５ｂにおける分極の向きはＺ軸について対称となっている。つまり、Ｚ軸について対称位置にある圧電駆動部１４ａと圧電駆動部１５ｂでは、分極の向きはベース部１１から外側に向かっている。換言すれば、圧電駆動部１４ａと圧電駆動部１５ｂの分極の向きはＹ方向においては逆向きである。また、Ｚ軸について対称位置にある圧電駆動部１４ｂと圧電駆動部１５ａでは、分極の向きは外側からベース部１１に向かっており、圧電駆動部１４ｂと圧電駆動部１５ａの分極の向きもまたＹ方向においては逆向きである。
【００１５】
ここで、圧電駆動部１４ａ等の基本的な駆動原理について説明する。図２は圧電アクチュエータ１０の基本的な変位形態を示す説明図である。図２（ａ）は圧電アクチュエータ１０が具備する圧電駆動部１４ａ等の変位形態の一例を示しており、図２（ｂ）は図２（ａ）に示す圧電駆動部１４ａ等の変位によって圧電アクチュエータ１０のベース部１１（およびホーン部１２）に生ずる変位（ねじり変位）を模式的に示している。
【００１６】
直流電圧を共通電極２２ｃが負極（アース電極）となり、駆動電極２２ａ・２２ｂが正極（高電位電極）となるように印加すると、電界の向きと分極の向きが同じである圧電駆動部１４ａにはＺ方向で伸張する変位が生じ、一方、電界の向きと分極の向きが逆となる圧電駆動部１４ｂにはＺ方向で収縮する変位が生じる。これによって圧電セラミック板２１には扇形に変形するような変位が生ずる。同様に、共通電極２４ｃが負極となり、駆動電極２４ａ・２４ｂが正極となるように直流電圧を印加すると、電界の向きと分極の向きが逆である圧電駆動部１５ａにはＺ方向で収縮する変位が生じ、一方、電界の向きと分極の向きが同じである圧電駆動部１５ｂにはＺ方向で伸張する変位が生じる。これによって圧電セラミック板２３も扇形に変形する。
【００１７】
このように圧電セラミック板２１においては圧電駆動部１４ａと圧電駆動部１４ｂの伸縮が逆であり、圧電セラミック板２３においては圧電駆動部１５ａと圧電駆動部１５ｂの伸縮が逆であり、さらに圧電駆動部１４ａ等の変位はＺ軸について対称である。これによりホーン部１２側からベース部１１側を見て、ベース部１１のＺ方向面近傍にはＺ軸を中心として時計回り（ＣＷ）の変位が生じ、ベース部１１のＺ方向中央部にはＺ軸を中心とした反時計回り（ＣＣＷ）の変位が生じる。このような変位によってベース部１１にはねじり変位が生ずる。
【００１８】
なお、ホーン部１２の先端にはベース部１１のＺ方向面近傍と同じ時計回り（ＣＷ）の変位が生ずる。このような圧電駆動部１４ａ等の変位をベース部１１に効率的に伝えるために、圧電セラミック板２１・２３のベース部１１への取り付けには、エポキシ樹脂等の硬質接着剤が好適に用いられる。また、直流駆動において伸縮変位量を大きくとるためには圧電セラミック板２１・２３として圧電定数ｄ３１の大きい材料が好ましいが、後述するように圧電アクチュエータ１０は超音波モータとして好適に用いられ、その場合には圧電駆動部１４ａ等を共振駆動させる。このために、圧電セラミック板２１・２３としては機械的品質係数Ｑｍが大きく、誘電損失δが小さい材料が好適に用いられる。
【００１９】
図２に示した圧電アクチュエータ１０の変位形態は直流駆動の場合であり、圧電アクチュエータ１０を共振駆動させた場合には、上述したねじりモードの振動に加えて他の振動モードの振動、例えば、Ｚ方向での伸縮振動が生ずる。図３は、圧電アクチュエータ１０の共振特性の一例を示すグラフであり、図３（ａ）はＺ軸伸縮振動の速度と周波数との関係を、図３（ｂ）はねじり振動の速度と周波数との関係を、それぞれ示している。各グラフの極大を示す周波数はそれぞれ何らかのモードの共振周波数である。圧電アクチュエータ１０を所定の周波数で共振駆動した場合には、このような種類の異なる複数の振動モードが合わされた複雑な振動が発生する。そこで次に圧電アクチュエータ１０を用いた超音波モータの構成とその駆動方法等について説明する。
【００２０】
図４は超音波モータ１００の構造を示す概略側面図であり、図５は超音波モータ１００の概略平面図であり、図６は超音波モータ１００の概略底面図である。ここでは、超音波モータ１００を略垂直姿勢で保持した形態を示す。超音波モータ１００は圧電アクチュエータ１０のホーン部１２の先端にヘッド１３が設けられた構造を有しており、ヘッド１３は金属球１６に接している。なお、この金属球１６は被駆動体の一例である。ヘッド１３が金属球１６を支持する力を予圧として利用し、換言すれば、金属球１６に掛かる重力を利用して、ヘッド１３と金属球１６との間に摩擦力を生じさせている。
【００２１】
ベース部１１には、ベース部１１を保持するためのネジ穴２６が形成されており、ネジ穴２６の周囲４箇所（Ｚ方向面の対角位置）にはネジ穴２６と平行にネジ穴２６と連通する４つの孔部２７が形成されている。これらネジ穴２６と孔部２７はベース部１１の底面からホーン部１２の底面近傍までの深さを有している。ネジ穴２６においては、圧電駆動部１４ａ等のＺ方向中央部に相当する位置までしかネジが切られていない。
【００２２】
ネジ穴２６に嵌合されるボルト２８は、両端にネジ切りされたネジ切り部２８ａ・２８ｂを有し、ネジ切り部２８ａ・２８ｂの間には円柱部２８ｃが形成された構造を有している。ボルト２８のネジ切り部２８ａは、ネジ穴２６の奥部のネジが切られている部分の先端まで挿入され、これによってベース部１１はボルト２８によって保持される。円柱部２８ｃの外径はネジ穴２６の内径よりも短くなっており、これによって円柱部２８ｃはベース部１１とは接触しない。さらにボルト２８のネジ切り部２８ｂはボルト２８を固定するための固定部材２９と嵌合されており、これによって超音波モータ１００が固定されている。
【００２３】
ホーン部１２は、後述するように、圧電駆動部１４ａ等を共振駆動させた際にベース部１１で発生する超音波振動を効率的にヘッド１３へ伝えるために、また、超音波モータ１００全体での超音波振動のロスを少なくするために、リン青銅やチタン、ステンレス等の金属材料からなり、前述したように、ホーン部１２はベース部１１と一体であることが好ましい。ホーン部１２はベース部１１で生じた振動を拡大する役割を果たす。これと同様の理由によりヘッド１３もまたホーン部１２と一体であることが好ましい。ヘッド１３の上面には金属球１６を支持することができるように窪みが設けられている
【００２４】
次に、超音波モータ１００の駆動形態について説明する。前述したように、ベース部１１は金属材料で構成されているために、圧電セラミック板２１・２３にそれぞれ設けられた共通電極２２ｃ・２４ｃはベース部１１と導通する。そこで、圧電駆動部１４ａ等を駆動するためのアース電極をベース部１１に取り付ける。駆動電極２２ａ・２２ｂ・２４ａ・２４ｂには、例えば、実質的に超音波モータ１００が共振駆動する周波数の１位相の交流電圧Ｖ＝Ｖ０ｓｉｎ（２πｆｔ）（Ｖ０；ゼロ−ピーク電圧値、ｆ；周波数、ｔ；時間）を印加する。
【００２５】
圧電駆動部１４ａ等を駆動した際にベース部１１からヘッド１３に至る部分に生ずる基本的な振動モードは４種類あり、これら４種類の振動モードのうちの少なくとも２つの振動が重なることによって金属球１６を動かすことができる。以下、各振動モードについて概説する。
【００２６】
第１の振動モードは、先に図２に示したねじりモードである。図７はベース部１１のねじりモードによる変形の様子を模式的に示す説明図である。前述したように、圧電駆動部１４ａ・１４ｂでは分極の向きが逆であり、また、圧電駆動部１５ａ・１５ｂでは分極の向き逆であり、かつ、圧電駆動部１４ａ・１４ｂ・１５ａ・１５ｂにおける分極の向きは、Ｚ軸について対称となっている。なお、図７には圧電駆動部１４ａ等の分極の向きは示していない。
【００２７】
このため、例えば、駆動電極２２ａ・２２ｂ・２４ａ・２４ｂに０Ｖ〜Ｖ０へ上昇する電圧が掛かる際には、図７（ａ）に示すように、ベース部１１にはＺ軸を回転中心とする時計回りのねじり変位（ＣＷ）が生じる。続いて電圧ＶがＶ０〜−Ｖ０へ降下する際には、図７（ｂ）に示すように、この時計回りのねじり変位（ＣＷ）の向きが逆転した反時計回りのねじり変位（ＣＣＷ）が生ずる。さらに電圧が−Ｖ０〜Ｖ０へ上昇する際には、図７（ａ）と同じ時計回りのねじり変位（ＣＷ）が生ずる。このようにして駆動電極２２ａ・２２ｂ・２４ａ・２４ｂに同位相の交流電圧を印加した際には、ベース部１１にＺ軸回りのねじり振動が生じ、このねじり振動はホーン部１２を介してヘッド１３に伝えられ、ヘッド１３にねじり振動が生ずる。
【００２８】
なお、このねじりモードによる振動は、圧電駆動部１４ａ等のＺ方向中央部を振動の節とする。ボルト２８はベース部１１のＺ方向中央部でベース部１１を保持しているために、超音波モータ１００ではボルト２８がベース部１１のねじり振動を妨げ難い構造となっている。また、ベース部１１の内部に孔部２７が形成されているためにベース部１１は変形しやすくなっており、ベース部１１にねじり振動を効果的に発生させることができる。
【００２９】
第２の振動モードはＺ方向の伸縮モード（以下「Ｚ軸伸縮モード」という）である。このＺ軸伸縮モードが発生する原因としては、以下に説明する３種類がある。図８は超音波モータ１００に生ずるＺ軸伸縮モードの発生形態を示す説明図であり、図８（ａ）は圧電セラミック板２１の変形の様子を示した平面図であり、図８（ｂ）はＺ軸伸縮モードのＺ方向の変位を示す説明図であり、図８（ｃ）はねじれ振動によるベース部１１のＺ方向長さの変化を示す説明図であり、図８（ｄ）・（ｅ）は圧電駆動部１４ａ等からベース部１１へ伝わる力の不完全さによって生ずるＺ方向での変位の説明図である。
【００３０】
図８（ａ）に示すように、圧電セラミック板２１の無変形時のＺ方向長さをＬ、圧電セラミック板２１が扇形に変形した際のＺ方向長さの長い方をＬ１、短い方のＬ２とすると、圧電セラミック板２１の変形後の平均のＺ方向長さはＬ（＝（Ｌ１＋Ｌ２）／２）となる。同様に、圧電セラミック板２３が扇形に変形した際の正味のＺ方向長さ（平均値）も変形前と変形後と変わらない。しかし、図８（ｂ）に示すように、圧電駆動部１４ａ等のＺ方向の中心位置と、圧電セラミック板２１・２３の変形によってベース部１１からヘッド１３に至る部分でのＺ方向伸縮の節とが一致しないために、ベース部１１からヘッド１３に至る部分ではＺ方向で伸縮振動が生ずる。また図８（ｃ）に示すように、前述したねじりモードが生ずる際に、これに付随してベース部１１のＺ方向長さが微小に変化する。但し、この効果は小さい。
【００３１】
さらに圧電セラミック板２１・２３は接着剤を用いてベース部１１に取り付けられることが一般的である。図８（ｄ）に示すように、圧電駆動部１４ａ等が変形する際の引張応力Ｕｔ、圧縮応力Ｕｃに基づく剪断力がベース部１１へ完全に伝えられれば、原則としてベース部１１にＺ方向の伸縮振動は生じない。しかし、実際には、接着剤の層が緩衝層となる等の要因によって圧電駆動部１４ａ等の変形による剪断力がベース部１１へ完全には伝わり難く、図８（ｅ）に示されるように、これによって圧電駆動部１４ａ・１５ｂによる引張応力と圧電駆動部１４ｂ・１５ａによる圧縮応力（逆に、圧電駆動部１４ａ・１５ｂの圧縮応力と圧電駆動部１４ｂ・１５ａの引張応力）に差が生じ、ベース部１１からヘッド１３に至る部分でＺ方向の伸縮振動が生ずる。
【００３２】
第３の振動モードは、ヘッド１３に生ずる径方向振動のモードである。図９の断面図に示すように、特定の共振周波数において、ヘッド１３には径方向に伸縮する振動が生ずる。
【００３３】
第４の振動モードは擬似曲げモードである。この擬似曲げモードについて説明するために、まず曲げモードについて説明する。図１０はＸ方向の曲げモードを示す説明図である。駆動電極２２ａ・２２ｂに電圧Ｖ＝Ｖ０ｓｉｎ（２πｆｔ）を印加し、駆動電極２４ａ・２４ｂ（図示せず）に電圧Ｖ＝−Ｖ０ｓｉｎ（２πｆｔ）を印加すると、圧電セラミック板２１・２３はそれぞれＺ−Ｘ面について対称となるように扇形に変位するため、これによってヘッド１３がＸ方向に弧を描くように、ベース部１１からヘッド１３に至る部分に、曲げモードの振動が発生する。
【００３４】
ところが、駆動電極２２ａ・２２ｂ・２４ａ・２４ｂに電圧Ｖ＝Ｖ０ｓｉｎ（２πｆｔ）を印加すると、先に図２に示したように、圧電駆動部１４ａ等にはＺ軸回りに対称な変位が生ずるために、理想的な状態、つまり、圧電駆動部１４ａ等の駆動特性が同じであり、かつ、圧電駆動部１４ａ等がベース部１１に付与する力が同じである等、超音波モータ１００の構造がＺ軸について対称である状態においては、原理的には曲げモードの振動は生じないと考えられる。
【００３５】
しかしながら、後述するように超音波モータ１００では、先に説明した曲げモードが現れる共振周波数近傍に共振点が現れ、実際に超音波モータ１００は金属球１６を時計回り（ＣＷ）に回転させることができる。したがって、駆動電極２２ａ・２２ｂ・２４ａ・２４ｂに電圧Ｖ＝Ｖ０ｓｉｎ（２πｆｔ）を印加した場合には、厳密に言えば曲げモードではないが、この曲げモードに近い別の振動モードが発生すると考えられる。ここではこの「曲げモードに近い別の振動モード」を「擬似曲げモード」ということとする。
【００３６】
次に、超音波モータ１００を駆動させた場合の金属球１６の動きについて説明する。ここでは、共通電極２２ｃ・２４ｃと導通するベース部１１をアース電極とし、駆動電極２２ａ・２２ｂ・２４ａ・２４ｂに交流電圧Ｖ＝Ｖ０ｓｉｎ（２πｆｔ）を印加することによって、圧電駆動部１４ａ等を駆動する場合について説明する。
【００３７】
図１１は超音波モータ１００の主要部分の寸法を示す説明図である。図１１（ａ）・（ｂ）はそれぞれ図４および図６と同等であるために、図１１（ａ）・（ｂ）には超音波モータ１００の各部を示す符号は記していない。図１１に示される数値の単位は「ｍｍ」である。また、表１は超音波モータ１００に現れる振動モードと、各振動モードの共振周波数を示す一覧である。なお、本発明の超音波モータは図１１に示す形状に限定されるものではなく、超音波モータ１００の共振周波数は、その大きさや形状、用いられている金属材料や環境温度等によって変化する。
【００３８】
【表１】
2004289894.tif 000003
【００３９】
周波数が約１０９ｋＨｚでは、１次の擬似曲げモードを主とし、少しの１次のＺ方向伸縮モード（１２０ｋＨｚの共振の低周波数側の裾）と、僅かの１次のねじりモード（１４５ｋＨｚの共振の低周波数側の裾）によって、金属球１６を動かす。このような３種類の振動モードが合わさる、つまり、ヘッド１３がＺ軸の近傍で揺れ、かつ、Ｚ方向に伸縮しながら、しかもＺ軸回りの回転の力が金属球１６に作用することによって、金属球１６を時計回り（ＣＷ）に回転させることができる。なお、擬似曲げモードの正確な運動軌跡が不明であるために、ここではヘッド１３を金属球１６との間の力の経時変化についての詳細な説明は行わず、実際に金属球１６を動かすことができるという事実のみの記載に止める。
【００４０】
周波数が約１４５ｋＨｚでは、１次のねじりモードと、１次のＺ方向伸縮モード（１２０ｋＨｚの共振の高周波数側の裾）とによって、金属球１６を動かす。この場合には、ヘッド１３は、（ａ）＋Ｚの向き（ベース部１１からヘッド１３に向かう向き）に伸張しながらＺ軸回りに反時計回り（ＣＣＷ）に回転する運動と、（ｂ）−Ｚの向き（ヘッド１３からベース部１１に向かう向き）に縮退しながら時計回り（ＣＷ）に回転する運動とを交互に繰り返す。（ａ）の運動では、金属球１６に掛かる重力の向きとヘッド１３が伸張する向きとが逆であるために金属球１６とヘッド１３との間の摩擦力が大きくなり、金属球１６はヘッド１３の（ａ）の運動による力を受けて反時計回り（ＣＣＷ）に回転しようとする。これに対し、ヘッド１３が（ｂ）の運動を行う際には、金属球１６に掛かる重力の向きとヘッド１３が後退する向きが同じであるために金属球１６とヘッド１３との間の摩擦力が小さくなり、しかも１４５ｋＨｚという周波数では金属球１６がこのヘッド１３の運動に追従することができずに、金属球１６とヘッド１３との間が滑る。この結果として、金属球１６にはヘッド１３の（ａ）の運動による力が支配的に作用することとなり、これによって金属球１６には反時計回り（ＣＣＷ）の回転が生ずる。
【００４１】
周波数が約１９０ｋＨｚでは、２次のねじりモードと、１次のヘッド１３の径方向モードとによって、金属球１６を動かす。図１２はこの１９０ｋＨｚにおいてヘッド１３に生ずる振動を模式的に示す説明図である。２次のねじりモードによる回反振動Ｓ１と、ヘッド１３の１次の径方向振動Ｓ２とが合成されることによって、ヘッド１３の表面には、渦巻状の振動Ｓが生ずる。
【００４２】
先に示した図４に示されているように、金属球１６とヘッド１３との間には圧力Ｎ（＝接触圧／単位径）が作用しているから、ヘッド１３の静止時の直径をｒとすると、直径ｒが長くなる（ヘッド１３が拡がる）ときには圧力Ｎは小さくなり、逆に直径ｒが短くなるときには圧力Ｎが大きくなる。このため、ヘッド１３が反時計回り（ＣＣＷ）に回転する際にヘッド１３の直径が短くなると金属球１６は反時計回り（ＣＣＷ）に回転し、ヘッド１３が時計回り（ＣＷ）に回転する際にヘッド１３の直径が短くなると金属球１６は時計回り（ＣＷ）に回転する。駆動電圧がＶ＝Ｖ０ｓｉｎ（２πｆｔ）の場合には、金属球１６が反時計回り（ＣＣＷ）に回転するように渦巻状の振動が発生する。なお、圧電駆動部１４ａ等の駆動電圧がＶ＝−Ｖ０ｓｉｎ（２πｆｔ）の場合には、金属球１６が時計回り（ＣＷ）に回転するように渦巻状の振動が発生する。
【００４３】
周波数が約２２１〜２２６ｋＨｚでは、３次のねじりモードとＺ方向伸縮モードとによって金属球１６を反時計回り（ＣＣＷ）に回転させ、周波数が約２２７〜２３５ｋＨｚでは、３次のねじりモードとＺ方向伸縮モードとによって金属球１６を時計回り（ＣＷ）に回転させる。これは、約２２６．５ｋＨｚにおいて、ねじりモードとＺ方向伸縮モードの位相が１８０度ずれる現象が起こることによる。
【００４４】
図１３はこのような位相の変化を示す説明図であり、図１３（ａ）は金属球１６を時計回り（ＣＷ）に回転させる場合を、図１３（ｂ）は金属球１６を反時計回り（ＣＣＷ）に回転させる場合をそれぞれ示しており、Ｎはヘッド１３と金属球１６との間の圧力を、Ｕｔｒはヘッド１３のねじれ変位を、ＵａｘはＺ方向変位を示している。ねじれ変位Ｕｔｒは横軸よりも上にあるときには時計回り（ＣＷ）であり、横軸よりも下にあるときには反時計回り（ＣＣＷ）である。また、圧力Ｎはヘッド１３のＺ方向における振動と同期しており、ヘッド１３が上昇（＋Ｚの向きに変位）する際に大きくなり、下降（−Ｚの向きに変位）する際に小さくなる。
【００４５】
図１３（ａ）では、Ｚ方向変位Ｕａｘが大きくなるときにねじれ変位Ｕｔｒが大きくなっているので、金属球１６は時計回り（ＣＷ）に回転する。なお、この場合には、圧力Ｎとねじれ変位Ｕｔｒとの間では理論的には位相差は生じないが、実測によれば図１３（ａ）に示されるように、ねじれ変位Ｕｔｒの位相が９０度進んでいた。この金属球１６が時計回り（ＣＷ）に回転するときのねじれ変位ＵｔｒとＺ方向変位Ｕａｘの理論的に位相差のない状態を基準とすると、図１３（ｂ）に示されるように、約２２１〜２２６ｋＨｚではねじれ変位ＵｔｒとＺ方向変位Ｕａｘの位相が１８０度ずれて、Ｚ方向変位Ｕａｘが大きくなるときにねじれ変位Ｕｔｒが小さくなるので、金属球１６は反時計回り（ＣＣＷ）に回転する。なお、２２１〜２３５ｋＨｚの範囲において金属球１６が回転しているときには、Ｚ方向伸縮モードは正確には、共振状態ではないこととなる。
【００４６】
上述した周波数よりも高い周波数においても、上述した各種の振動モードの組合せによって、金属球１６を所定の方向に回転させることができる。例えば、約４００ｋＨｚにおいては６次のねじれモードとＺ方向伸縮モードによって金属球１６を反時計回り（ＣＣＷ）に回転させることができ、約４７２ｋＨｚ〜４８０ｋＨｚにおいては高次のねじれモードとＺ方向伸縮モードによって、３次のねじれモードとＺ方向伸縮モードが発生する場合と同様に、金属球１６を反時計回り（ＣＣＷ）または時計回り（ＣＷ）に回転させることができ、約１．０２ＭＨｚにおいてはさらに高次のねじれモードとＺ方向伸縮モードによって金属球１６を反時計回り（ＣＣＷ）または時計回り（ＣＷ）に回転させることができる。
【００４７】
超音波モータ１００における圧電駆動部１４ａ等の駆動方法は、上述した方法に限られず、例えば、駆動電極２２ａ・２２ｂ・２４ａ・２４ｂに同位相の電圧Ｖ＝−Ｖ０ｓｉｎ（２πｆｔ）を印加してもよい。この場合には上述した各共振周波数において金属球１６の回転方向が逆転する。
【００４８】
また、駆動電極２２ａ・２２ｂに電圧Ｖ＝Ｖ０ｓｉｎ（２πｆｔ）を印加して圧電駆動部１４ａ・１４ｂを駆動し、圧電駆動部１５ａ・１５ｂを駆動させないという方法で金属球１６を動かすこともできる。この場合には駆動周波数が１０９ｋＨｚのときにＺ−Ｘ面内における１次の曲げモード（先に図１０に示した曲げモードと同様）の振動が生ずるために、これとＺ方向伸縮モードの振動が重なり合うことによって、金属球１６をＹ軸回りに回転させることができる。また、駆動周波数が１８１ｋＨｚの場合にはＺ−Ｘ面内における２次の曲げモードの振動が生じるために、これとＺ方向伸縮モードの振動とが重なり合うことによって金属球１６をＹ軸回りに回転させることができる。なお、駆動周波数が１０９ｋＨｚの場合と１８１ｋＨｚの場合では金属球１６の回転の向きは逆である。
【００４９】
さらに、駆動電極２２ａ・２２ｂに電圧Ｖ＝Ｖ０ｓｉｎ（２πｆｔ）を印加して圧電駆動部１４ａ・１４ｂを駆動し、圧電駆動部１５ａ・１５ｂを駆動させない場合には、駆動周波数１１０ｋＨｚにおいてＹ−Ｚ面内における１次の曲げモードの振動が生ずるために、これとＺ方向伸縮モードの振動とが重なり合うことによって、金属球１６をＸ軸回りに回転させることができる。また、駆動周波数１８４ｋＨｚにおいてＹ−Ｚ面内における２次の曲げモードの振動が生じるために、これとＺ方向伸縮モードの振動との重なりによって金属球１６をＸ軸回りに回転させることができる。なお、駆動周波数が１１０ｋＨｚの場合と１８４ｋＨｚの場合では金属球１６の回転の向きは逆である。
【００５０】
さらにまた、駆動電極２２ａ・２２ｂには電圧Ｖ＝Ｖ０ｓｉｎ（２πｆｔ）を印加し、同時に駆動電極２４ａ・２４ｂには電圧Ｖ＝−Ｖ０ｓｉｎ（２πｆｔ）を印加することによって、圧電駆動部１４ａ等を駆動することもできる。この場合には、所定の共振周波数およびその近傍において、金属球１６にＹ軸回りの回転またはＸ軸回りの回転を生じさせることができる。
【００５１】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような形態に限定されるものではない。例えば、１枚の圧電セラミック板２１に分極の向きの異なる２つの圧電駆動部１４ａ・１４ｂを形成した形態を示したが、図１４の平面図に示すように、表裏面に電極（図示せず）が形成された２枚の圧電セラミック板３１ａ・３１ｂを所定の間隔を空けてベース部１１に貼り付けることによって、圧電駆動部３２ａ・３２ｂを形成してもよい。同様にして、表裏面に電極（図示せず）が形成された２枚の圧電セラミック板３３ａ・３３ｂを所定の間隔を空けてベース部１１に貼り付けることによって、圧電駆動部３４ａ・３４ｂを形成することができる。
【００５２】
また、圧電駆動部１４ａ等における分極の向きは、図１に示した状態に限定されない。例えば、図１５は図４と同様に示す平面図であり、圧電駆動部１４ａの分極の向きは矢印＋Ｐの向きのまま、圧電駆動部１４ｂの分極の向きを矢印−Ｐから矢印＋Ｐの向きに変える（以下「圧電駆動部１４ｂ´」いう）。また、圧電駆動部１５ｂの分極の向きは矢印＋Ｑの向きのまま、圧電駆動部１５ａの分極の向きを矢印−Ｑから矢印＋Ｑの向きに変える（以下「圧電駆動部１５ａ´」いう）。この場合において、圧電駆動部１４ａ・１５ｂには電圧Ｖ＝Ｖ０ｓｉｎ（２πｆｔ）を印加し、圧電駆動部１４ｂ´・１５ａ´には電圧Ｖ＝−Ｖ０ｓｉｎ（２πｆｔ）を印加すれば、結果的に、圧電駆動部１４ａ・１５ｂの伸縮と圧電駆動部１４ｂ´・１５ａ´の伸縮の位相を１８０度ずらすことができるために、圧電駆動部１４ａ等を電圧Ｖ＝Ｖ０ｓｉｎ（２πｆｔ）で駆動する場合と同様に、金属球１６をＺ軸回りに回転させることができる。また、圧電駆動部１４ａ・１４ｂ´を電圧Ｖ＝Ｖ０ｓｉｎ（２πｆｔ）で駆動し、かつ、圧電駆動部１５ａ´・１５ｂを電圧Ｖ＝−Ｖ０ｓｉｎ（２πｆｔ）で駆動することによって、金属球１６にＹ軸回りまたはＸ軸回りの回転を生じさせることができる。
【００５３】
上記説明においては被駆動体として金属球１６を例示したが、被駆動体はこれに限定されるものではない。例えば、Ｚ方向を長手方向とするスピンドルのＺ方向端面にヘッド１３の表面を押し当てれば、このスピンドルを回転させることができる。また、ヘッド１３のステージの裏面に押し当て、金属球１６をＸ軸回りまたはＹ軸回りに回転させる駆動条件において超音波モータ１００を駆動すると、このステージをＸ−Ｙ方向に移動させることができる。超音波モータ１００のＺ方向が水平方向となるように超音波モータ１００を保持する場合等には、超音波モータ１００のヘッド１３と被駆動体との間に適切な摩擦力が作用するように、超音波モータ１００を被駆動体に押圧すればよい。
【００５４】
【発明の効果】
上述の通り、本発明によれば、４つの圧電駆動部の変位の位相をずらすことによって、接頭部に種々の方向の振動を生じさせることができる。このため、被駆動体を接頭部の動きに合わせて適切に配置しておくことによって、被駆動体に所定の動きを生じさせることができる。例えば、本発明の超音波モータは、Ｘ−Ｙステージをスライドさせるための駆動装置や、各種回転装置の回転モータ、として用いることができる。本発明の超音波モータによれば、各種機械の駆動源を省スペース化し、各種機械を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超音波モータに用いられる圧電アクチュエータの概略構造を示す説明図。
【図２】図１に示す圧電アクチュエータの基本的な変位形態を示す説明図。
【図３】圧電アクチュエータの共振周波数を示すグラフ。
【図４】本発明に係る超音波モータの構造を示す概略側面図。
【図５】図４に示す超音波モータの概略平面図。
【図６】図４に示す超音波モータの概略底面図。
【図７】超音波モータのベース部のねじりモードによる変形を模式的に示す説明図。
【図８】超音波モータ１００に生ずる伸縮モードの発生形態を示す説明図。
【図９】ヘッドに生ずる径方向の伸縮振動を示す断面図。
【図１０】Ｘ方向の曲げモードを示す説明図。
【図１１】超音波モータの主要部分の寸法を示す説明図。
【図１２】周波数１９０ｋＨｚにおいてヘッドに生ずる振動を模式的に示す説明図。
【図１３】周波数２２１〜２３５ｋＨｚにおける振動モードの位相差を示す説明図。
【図１４】圧電駆動部の別の配設形態を示す平面図。
【図１５】圧電駆動部のさらに別の配設形態を示す平面図。
【符号の説明】
１０；圧電アクチュエータ
１１；ベース部
１２；ホーン部
１３；ヘッド
１４ａ・１４ｂ・１４ｂ´；圧電駆動部
１５ａ・１５ａ´・１５ｂ；圧電駆動部
１６；金属球
２１；圧電セラミック板
２２ａ・２２ｂ；駆動電極
２２ｃ；共通電極
２３；圧電セラミック板
２４ａ・２４ｂ；駆動電極
２４ｃ；共通電極
２６；ネジ穴
２７；孔部
２８；ボルト
２８ａ・２８ｂ；ネジ切り部
２８ｃ；円柱部
２９；固定部材
３１ａ・３１ｂ；圧電セラミック板
３２ａ・３２ｂ；圧電駆動部
３３ａ・３３ｂ；圧電セラミック板
３４ａ・３４ｂ；圧電駆動部
１００；超音波モータ
【図１】
2004289894.tif 000004
【図２】
2004289894.tif 000005
【図３】
2004289894.tif 000006
【図４】
2004289894.tif 000007
【図５】
2004289894.tif 000008
【図６】
2004289894.tif 000009
【図７】
2004289894.tif 000010
【図８】
2004289894.tif 000011
【図９】
2004289894.tif 000012
【図１０】
2004289894.tif 000013
【図１１】
2004289894.tif 000014
【図１２】
2004289894.tif 000015
【図１３】
2004289894.tif 000016
【図１４】
2004289894.tif 000017
【図１５】
2004289894.tif 000018