(57)【要約】【課題】二次元の任意の方向に被駆動体を移動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１０は、圧電セラミックリング１１ａ・１１ｂと、ボルト１２と、アクチュエータヘッド１３と、袋ナット１４と、保持部材１５と、を有する。アクチュエータヘッド１３はその先端にある接頭部１３ｂで被駆動体１９に接している。圧電セラミックリング１１ａ・１１ｂの表面には４つの駆動電極２１ａ〜２１ｄが設けられ、裏面に共通電極２２が設けられている。被駆動体１９を所定の方向に移動させるために、駆動電極２１ａ〜２１ｄに所定の位相差を有する駆動電圧を印加する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被駆動体を所定の方向に動かす超音波モータであって、
略中心部に孔部を有する板状の形状を有し、その表面に放射状に分けられた３以上の駆動電極を備え、かつ、その裏面に前記３以上の駆動電極と対をなす１または複数の電極を備えた圧電素子と、
前記圧電素子の孔部に挿通される棒状部材と、
前記棒状部材の一端に取り付けられ、被駆動体と接する接頭部を有する第１の締結部材と、
前記棒状部材の他端に取り付けられた第２の締結部材と、
を具備し、
前記圧電素子は前記第１の締結部材と前記第２の締結部材によって所定の圧力で締め付けられ、
被駆動体を目的方向に移動させるために、前記３以上の駆動電極には所定の位相差を有する駆動電圧が印加されることを特徴とする超音波モータ。
【請求項２】
前記第１の締結部材は、前記棒状部材の取り付け側よりも前記接頭部側で外径が細くなっているホーン構造を有す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】
前記圧電素子を複数具備し、または、前記圧電素子は複数の薄板セラミック板と電極とが交互に積層された構造を有す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。
【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され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（特許文献１）には、ステータリングと、ランジュバン型の振動子と、ロータと、で構成された超音波モータが開示されている。ここでこの振動子は、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。
【０００３】
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逆転させる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。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−１０７７５６号公報（第２図、第７〜１０段落）
【０００５】
【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を用いてＸ−Ｙステージを構成する場合には、Ｘ方向駆動用とＹ方向駆動用の少なくとも２個の超音波モータが必要となるために、超音波モータを収容するための広いスペースが必要となり、これによってＸ−Ｙステージの小型化が困難となる。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、被駆動体を二次元の任意方向に移動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。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、被駆動体を所定の方向に動かす超音波モータであって、
略中心部に孔部を有する板状の形状を有し、その表面に放射状に分けられた３以上の駆動電極を備え、かつ、その裏面に前記３以上の駆動電極と対をなす１または複数の電極を備えた圧電素子と、
前記圧電素子の孔部に挿通される棒状部材と、
前記棒状部材の一端に取り付けられ、被駆動体と接する接頭部を有する第１の締結部材と、
前記棒状部材の他端に取り付けられた第２の締結部材と、
を具備し、
前記圧電素子は前記第１の締結部材と前記第２の締結部材によって所定の圧力で締め付けられ、
被駆動体を目的方向に移動させるために、前記３以上の駆動電極には所定の位相差を有する駆動電圧が印加されることを特徴とする超音波モータ、が提供される。
【０００７】
このような超音波モータによれば、被駆動体を二次元の任意の方向に移動させることができるため、例えば、本発明の超音波モータをＸ−Ｙテーブルの駆動装置として用いる場合には、１台の超音波モータで足りる。これによってＸ−Ｙテーブルを小型化することができる。
【０００８】
第１の締結部材は棒状部材の取り付け側よりも接頭部側が細くなっているホーン構造を有することが好ましい。これにより圧電素子で発生する変位量を増幅させることができる。また、本発明の超音波モータは複数の圧電素子を備えた構造としてもよい。また、圧電素子は、薄い圧電セラミック板と電極とが交互に積層された積層構造を有していてもよい。このとき圧電素子の厚さを薄くすれば駆動電圧を下げることができ、また、圧電素子の変位量を大きくすることによって大きなトルクが得られるようになる。棒状部材は具体的にはボルトであり、締結部材は具体的には袋ナットである。
【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１０の概略構造を示す断面図であり、図２は超音波モータ１０の概略平面図であり、図３は超音波モータ１０が具備する圧電セラミックリング１１ａの概略構造を示す平面図であり、図３（ａ）はその表面を、図３（ｂ）はその裏面を示している。超音波モータ１０は、平板リング状の形状を有する圧電セラミックリング１１ａ・１１ｂと、圧電セラミックリング１１ａ・１１ｂの内孔に挿通されたボルト１２と、ボルト１２の一端に取り付けられたアクチュエータヘッド１３と、ボルト１２の他端に取り付けられた袋ナット１４と、超音波モータ１０を所定の位置に保持するための保持部材１５と、を有している。
【００１０】
圧電セラミックリング１１ａは、図３に示すように、その表面に放射状に分けて設けられた４つの同等形状の駆動電極２１ａ〜２１ｄを備え、その裏面に共通電極２２を備えている。これら駆動電極２１ａ〜２１ｄと共通電極２２は図１での図示は省略している。圧電セラミックリング１１ａにおける分極は、例えば、共通電極をアース電極とし、駆動電極２１ａ〜２１ｄに所定の分極電圧を印加することによって行われている。
【００１１】
超音波モータ１０は基本的に共振現象を利用して駆動するために、圧電セラミックリング１１ａ・１１ｂとしては、機械的品質係数Ｑｍが高く、かつ、誘電損失δの小さい性質を有するチタン酸ジルコン酸鉛系材料が好適に用いられる。また駆動電極２１ａ〜２１ｄと共通電極２２は、銀ペーストを圧電セラミックリング１１ａ・１１ｂにスクリーン印刷等し、焼成することによって形成することができる。
【００１２】
圧電セラミックリング１１ａ・１１ｂは、それぞれが備えている駆動電極２１ａ〜２１ｄどうしが対向するように配置されている。圧電セラミックリング１１ａの駆動電極２１ａと圧電セラミックリング１１ｂの駆動電極２１ａとが導通し、かつ、これら駆動電極２１ａへの電圧印加が容易となるように、これら駆動電極２１ａ間には金属板２３ａが配置されている。同様に、駆動電極２１ｂ間には金属板２３ｂが、駆動電極２１ｃ間には金属板２３ｃが、駆動電極２１ｄ間には金属板２３ｄが、それぞれ配置されている。
【００１３】
なお、金属板２３ａ〜２３ｄは、超音波モータ１０の組み立てが容易となるように、例えば、圧電セラミックリング１１ａの駆動電極２１ａ〜２１ｄに導通した状態で接着されている。圧電セラミックリング１１ｂの駆動電極２１ａ〜２１ｄには金属板２３ａ〜２３ｄは取り付けられていない。
【００１４】
ボルト１２は、少なくともその両端が所定の長さだけネジ切りされている。なお、このネジ切り部は図１での図示を省略している。アクチュエータヘッド１３はネジ穴１３ａを有し、このネジ穴１３ａにボルト１２が嵌合されている。アクチュエータヘッド１３は、その先端に被駆動体１９と接する接頭部１３ｂを有している。また、アクチュエータヘッド１３は、ボルト１２の取り付け側よりも接頭部１３ｂ側が細くなっているホーン構造となっている。これにより圧電セラミックリング１１ａ・１１ｂで発生する変位量を増幅させて、接頭部１３ｂに所定の振動を生じさせることができる。ボルト１２、アクチュエータヘッド１３、袋ナット１４、保持部材１５には、圧電セラミックリング１１ａ・１１ｂで発生させる超音波振動を吸収しない金属材料からなる。
【００１５】
超音波モータ１０の組み立ては、例えば、次のようにして行われる。最初にアクチュエータヘッド１３にボルト１２を嵌合させてこれらを強固に連結する。次に、ボルト１２に圧電セラミックリング１１ａ・１１ｂをこれらの間に金属板２３ａ〜２３ｄが配置され、かつ、駆動電極２１ａ〜２１ｄどうしが対向するように通し、さらに保持部材１５をボルト１２に通す。次に、袋ナット１４をボルト１２の他端に取り付けて、圧電セラミックリング１１ａ・１１ｂに所定の力が掛かるように締め付けながら、袋ナット１４自体をボルト１２に固定する。このように超音波モータ１０は、ランジュバン型振動子の一形態を有する。
【００１６】
保持部材１５は保持手段１６によって保持され、さらにアクチュエータヘッド１３の接頭部１３ｂが所定の力で被駆動体１９に押圧されるように、押圧機構１７が保持手段１６に力を加える。
【００１７】
なお、圧電セラミックリング１１ａとアクチュエータヘッド１３との間に銅等の薄い金属板を配置することも好ましい。同様に、圧電セラミックリング１１ｂと保持部材１５との間にも薄い金属板を挟むことが好ましい。圧電セラミックリング１１ａに設けられた共通電極２２は、アクチュエータヘッド１３とボルト１２を通じて袋ナット１４と導通し、圧電セラミックリング１１ｂに設けられた共通電極２２は保持部材１５を通じて袋ナット１４と導通している。したがって、これらボルト１２、アクチュエータヘッド１３、袋ナット１４、保持部材１５のいずれかを接地することによって、圧電セラミックリング１１ａ・１１ｂに設けられた各共通電極２２を接地電極として用いることができる。
【００１８】
次に、超音波モータ１０の駆動方法について説明する。図４〜図６の各図は、圧電セラミックリング１１ａ・１１ｂに設けられた駆動電極２１ａ〜２１ｄに印加する駆動電圧と、その駆動電圧に対するアクチュエータヘッド１３の接頭部１３ｂの楕円運動の軌跡をＸ−Ｙ面に投影して示した説明図である。
【００１９】
図４に示す超音波モータ１０の駆動方法では、駆動電極２１ｂ・２１ｄに同位相の電圧、例えば、Ｖ１＝Ｖ０ｃｏｓ（２πｆｔ）（Ｖ０：ゼロ−ピーク電圧、ｆ；周波数、ｔ；時間）を印加する。このとき、駆動電極２１ａには駆動電極２１ｂ・２１ｄと位相が９０度ずれた電圧Ｖ２＝Ｖ０ｃｏｓ（２πｆｔ＋π／２）＝Ｖ０ｓｉｎ（２πｆｔ）の電圧を印加し、かつ、駆動電極２１ｃには駆動電極２１ｂ・２１ｄと位相が２７０度ずれた電圧Ｖ３＝Ｖ０ｃｏｓ（２πｆｔ＋３π／２）＝−Ｖ０ｓｉｎ（２πｆｔ）の電圧を印加する。これによって接頭部１３ｂには投影線Ｐに示されるようにＺ−Ｘ面内における楕円運動が発生するために、被駆動体１９をＸ方向に移動させることができる。
【００２０】
なお、駆動電極２１ａと駆動電極２１ｃに印加する電圧を逆にする、つまり、駆動電極２１ｂ・２１ｄにＶ１＝Ｖ０ｃｏｓ（２πｆｔ）を、駆動電極２１ａに電圧Ｖ３＝＝−Ｖ０ｓｉｎ（２πｆｔ）を、駆動電極２１ｃに電圧Ｖ２＝＝Ｖ０ｓｉｎ（２πｆｔ）を印加すると、被駆動体１９の移動する向きをＸ方向において逆転させることができる。
【００２１】
図５に示す超音波モータ１０の駆動方法では、駆動電極２１ａ・２１ｃに同位相の電圧、例えば、Ｖ１＝Ｖ０ｃｏｓ（２πｆｔ）を印加する。このとき、駆動電極２１ｂには駆動電極２１ａ・２１ｃと位相が９０度ずれた電圧Ｖ２＝Ｖ０ｓｉｎ（２πｆｔ）の電圧を印加し、かつ、駆動電極２１ｄには駆動電極２１ａ・２１ｃと位相が２７０度ずれた電圧Ｖ３＝−Ｖ０ｓｉｎ（２πｆｔ）の電圧を印加する。これによって接頭部１３ｂには投影線Ｑで示されるようにＹ−Ｚ面内における楕円運動が発生するために、被駆動体１９をＹ方向に移動させることができる。なお、駆動電極２１ｂと駆動電極２１ｄに印加する電圧を逆にすると、被駆動体１９の移動する向きをＹ方向において逆転させることができる。
【００２２】
図６に示す超音波モータの駆動方法では、被駆動体１９をＹ方向と２２．５度ずれた方向（投影線Ｒ）に動かすことができる。図７は図６に示す駆動電圧を決定する方法の一例を示す説明図であり、図６の投影線Ｒで示される方向で接頭部１３ｂに楕円運動を生じさせるためには、図７（ａ）に示されるＹ方向での楕円運動（投影線Ｒ１）と、図７（ｂ）に示されるＹ方向と４５度ずれた方向での楕円運動（投影線Ｒ２）と、を合成すればよい。
【００２３】
接頭部１３ｂをＹ方向で楕円運動させるためには、先に図５に示した方法と同様に、例えば、駆動電極２１ａ・２１ｃにＶ１＝Ｖ０ｃｏｓ（２πｆｔ）を、駆動電極２１ｂに電圧Ｖ２＝Ｖ０ｓｉｎ（２πｆｔ）を、駆動電極２１ｄに電圧Ｖ３＝−Ｖ０ｓｉｎ（２πｆｔ）を印加する（図７（ａ））。また、接頭部１３ｂをＹ方向と４５度ずれた方向で楕円運動させるためには、例えば、駆動電極２１ａ・２１ｂにＶ２＝Ｖ０ｓｉｎ（２πｆｔ）を、駆動電極２１ｃ・２１ｄに電圧Ｖ１＝Ｖ０ｃｏｓ（２πｆｔ）を印加する（図７（ｂ））。
【００２４】
その結果として、図６に示すように、駆動電極２１ａには電圧Ｖ４＝（Ｖ１＋Ｖ２）／２＝２−１／２Ｖ０ｓｉｎ（２πｆｔ＋π／４）を、駆動電極２１ｂには電圧Ｖ５＝（Ｖ２＋Ｖ２）／２＝Ｖ２＝Ｖ０ｓｉｎ（２πｆｔ）を、駆動電極２１ｃには電圧Ｖ６＝（Ｖ１＋Ｖ１）／２＝Ｖ１＝Ｖ０ｃｏｓ（２πｆｔ）を、駆動電極２１ｄには電圧Ｖ７＝（Ｖ３＋Ｖ１）／２＝２−１／２Ｖ０ｃｏｓ（２πｆｔ＋π／４）を、それぞれ印加すれば、接頭部１３ｂを投影線Ｒで示される、Ｙ方向と２２．５度ずれた方向とＺ方向とを含む面内で楕円運動させることができる。
【００２５】
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、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、２枚の圧電セラミックリング１１ａ・１１ｂを有する超音波モータ１０を示したが、超音波モータが具備する圧電セラミックリングは１枚であってもよく、３枚以上であってもよい。多くの圧電セラミックリングを用いる場合や、駆動電圧を下げたい場合には、セラミックグリーンシートに所定のパターンで電極を印刷し、これを積層して一体化し、焼成する一体焼成法（同時焼成法）によって作製した積層型圧電アクチュエータを用いることもできる。また、圧電セラミックリング１１ａ・１１ｂの裏面に１つの共通電極２２を設けた形態を示したが、例えば、駆動電極２１ａ〜２１ｄと対をなす４つの電極を別々に形成したり、駆動電極２１ａ・２１ｂと対をなす電極と駆動電極２１ｃ・２１ｄと対をなす電極を形成してもよい。さらに、本発明に係る超音波モータが具備する圧電素子として、圧電セラミックリング１１ａ・１１ｂ（つまり外形が円形のもの）を示したが、圧電素子の外形は四角形や多角形であってもよい。
【００２６】
さらにまた、駆動電極の形態として、圧電セラミックリングの一面に４つの駆動電極２１ａ〜２１ｄが設けられた構成を示したが、駆動電極は放射状に３つ以上設けられていればよく、各駆動電極へ印加する位相を制御することによって、接頭部１３ｂをＸ−Ｙ面内の任意の方向に動かすことが可能である。なお、各駆動電極の形状は上述した駆動電極２１ａ〜２１ｄのように同一であった方が、駆動電圧の位相のずれを決定する点では容易であるが、必ずしも同一形状である必要はない。但し、１個の駆動電極は圧電セラミックリングの１／２以上の面積を専有してはならない。
【００２７】
【発明の効果】
上述の通り、本発明の超音波モータによれば、被駆動体を二次元の任意の方向に移動させることができる。例えば、本発明の超音波モータをＸ−Ｙテーブルの駆動装置として用いる場合には、１台の超音波モータで足りるために、Ｘ−Ｙテーブルを小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る超音波モータの概略構造を示す断面図。
【図２】図１に示す超音波モータの概略平面図。
【図３】図１に示す超音波モータが具備する圧電セラミックリングの概略構造を示す平面図。
【図４】駆動電極に印加する駆動電圧の一例と、その駆動電圧におけるアクチュエータヘッドの接頭部の楕円運動の軌跡のＸ−Ｙ投影図。
【図５】駆動電極に印加する別の駆動電圧の別の例と、その駆動電圧におけるアクチュエータヘッドの接頭部の楕円運動の軌跡のＸ−Ｙ投影図。
【図６】駆動電極に印加する別の駆動電圧のさらに別の例と、その駆動電圧におけるアクチュエータヘッドの接頭部の楕円運動の軌跡のＸ−Ｙ投影図。
【図７】図６に示す駆動電圧を決定するための説明図。
【符号の説明】
１０；超音波モータ
１１ａ・１１ｂ；圧電セラミックリング
１２；ボルト
１３；アクチュエータヘッド
１３ａ；ネジ穴
１３ｂ；接頭部
１４；袋ナット
１５；保持部材
１６；保持手段
１７；押圧機構
１９；被駆動体
２１ａ〜２１ｄ；駆動電極
２２；共通電極
２３ａ〜２３ｄ；金属板
【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】
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【図６】
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【図７】
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