(57)【要約】【課題】  圧電素子を効率よく励振する位置に内部電極を配置し、高効率かつ高出力化を図る、超音波モータおよび超音波モータ付き電子機器を提供する。【解決手段】  本発明の超音波モータは、圧電素子を一体に焼結した積層圧電素子を振動体とし、前記積層圧電素子は、各々の圧電素子に設けられた内部電極毎に導通する短絡電極および上面電極を配置した構造とする。ここで、圧電素子を励振する内部電極および内部電極と導通する短絡電極の位置を規定することで、圧電素子の励振力に最も影響する位置に内部電極が必ず配置できる。そのため、圧電素子を効率よく励振でき、超音波モータの高効率化かつ高出力化が可能となる。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
伸縮振動および屈曲振動の合成振動を発生する矩形形状の積層圧電素子からなる振動体と、前記振動体と接しかつ前記振動体の振動に伴って可動される可動体とを備えた超音波モータにおいて、
前記振動体は、少なくとも屈曲振動を励振する為の内部電極同士を導通する短絡電極を前記振動体の屈曲振動の最外側の節部より長手方向端部側に有することを特徴とする超音波モータ。
【請求項２】
少なくとも伸縮振動を励振する為の内部電極同士を導通した短絡電極が、前記振動体の長手方向端部側の側面に設けられた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】
少なくとも伸縮振動を励振する為の内部電極同士を導通した短絡電極が、前記振動体の長手方向中央部に設けられた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】
前記内部電極が、少なくとも前記振動体の屈曲振動の最外側の節部と前記振動体の幅方向端部で囲まれた領域に設けられたことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の超音波モータ。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の超音波モータを駆動源として可動機構を駆動することを特徴とする超音波モータ付き電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、励振力を効率よく利用できるように内部電極を配置した矩形形状の積層圧電素子から構成された超音波モータおよびそれを備えた電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、矩形状の圧電振動板の伸縮振動と屈曲振動を用いた超音波駆動装置が、各種開発されている。このような超音波駆動装置は、２つの異なる振動モードを組み合わせ、振動の特定位置に発生する楕円運動を移動体に伝達させ、移動体を直線もしくは回転運動するものである。このような超音波駆動装置は、特に、簡易な構成であるため小型化が容易であることから、各種用途への応用が期待されている。その一例として、一体に焼結された積層圧電素子を振動体とし、振動体全体を駆動源として用いる超音波モータが開発されている。
【０００３】
この超音波モータは、積層圧電素子に二種類の異なる振動（伸縮振動および屈曲振動）を同時に発生させ、振動の特定位置に発生する楕円運動を駆動源とするものである。この二種類の振動を励振するため、積層圧電素子内部に、振動の種類に応じた数種類の内部電極を設置している。そして、この内部電極に駆動信号を印加するため、積層圧電素子側面に短絡電極を設け、これを内部電極に導通させることで、駆動信号を積層圧電素子表面から内部電極まで導く構造となっている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２０００−１１６１６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記超音波モータでは、内部電極の種類毎に異なる駆動信号を供給するため、一つの短絡電極は一種類の内部電極のみに導通し、他種類の内部電極とは短絡させない配置とする必要があった。そのため、いずれの種類の内部電極も全面に設けることができず、他種類の内部電極同士が導通する短絡電極が設けられる位置に、必ず余白部を設けることが必要であった。しかし、この余白部は圧電素子の励振に寄与しないため、余白部を設置することで、圧電素子の発生させる振動が小さくなるという問題があった。
【０００５】
そこで、本発明は、圧電素子を効率よく励振する位置に内部電極を配置すると共に、目的の振動の励振への寄与が小さい部分に余白部を設けることで、高効率かつ高出力化を図る、超音波モータおよび超音波モータ付き電子機器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】
【０００６】
上述の課題を解決するために、本発明の超音波モータは、圧電素子を励振する内部電極および内部電極と導通する短絡電極の位置を規定することで、圧電素子の励振力に最も影響する位置に内部電極が必ず配置されると共に、目的の振動の励振への寄与が小さい部分に余白部を設けた圧電素子を振動体として用いたものである。
このような構造の圧電素子を用いることで、圧電素子を効率よく励振し、超音波モータの高効率化かつ高出力化が可能となる。また、このような圧電素子を備えた超音波モータを電子機器の駆動源に用いることで、電子機器の低消費電力化、高出力化が可能となる。
【発明の効果】
【０００７】
励振力に最も影響する位置に内部電極が必ず配置されると共に、目的の振動の励振への寄与が小さい部分に余白部を設けた積層圧電素子を振動子とすることで、振動体を効率よく励振することができ、前記積層圧電素子を用いて構成した超音波モータの高効率化および高出力化が可能となる。また、簡易な構成であることから小型化および製造が容易となる。また、これらの振動体を備えた超音波モータを電子機器の駆動源に用いることにより電子機器の小型化、薄型化、低消費電力化が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明について図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。
（実施の形態１）
図１は、本発明の超音波モータ１０００を説明する図である。なお、図１は、超音波モータ１０００の斜視図、図２は積層圧電素子からなる振動体１０の振動振幅を説明する図である。図３は、振動体１０の具体的な構造、分極方向および電極の配置を説明する図であり、図３（ａ）は振動体１０の三面図、図３（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）はそれぞれ、振動体１０を構成する圧電素子１１、１２、１３、１４の分極方向および内部電極の配置を示している。
【０００９】
超音波モータ１０００は、図１に示すように、矩形状で複数枚の圧電素子１１、１２、１３、１４を積層して一体形成した振動体１０と、振動体１０に設けられた支持部材４０および突起３０から構成されている。さらに、突起３０の下には案内部材５０により移動方向が規定された移動体６０が設けられ、支持部材４０に係合された加圧部材（図示省略）により、突起３０は移動体６０と加圧接触する構成となっている。図１においては、この支持方法、加圧方法を簡略して示したが、支持部材４０と係合する部材等において、振動体１０を移動体６０の移動方向への動きを規制すると共に、振動体１０と移動体６０の間に接触圧が生じるように支持部材４０に加圧力を与える構成とすれば、その方法に限定を与えるものではない。
【００１０】
次に、振動体１０の振動について説明する。振動体１０は伸縮振動と屈曲振動を励振する。図２は圧電素子の積層方向上方から振動体１０を見た図であり、図２（ａ）は屈曲振動の形状を、図２（ｂ）は伸縮振動の形状を示している。伸縮振動では振動体１０の中央部が、屈曲振動では振動体１０の中央部とその左右の３箇所が振動の節となっている。伸縮振動、屈曲振動ともに振動の節となる振動体１０の中央部の側面に、支持部材４０が設けられ、屈曲振動の腹の位置に突起３０が設けられている。この伸縮振動と屈曲振動を同時に励振することにより、突起３０は振動体１０の長手方向の変位と、長手方向と直交する幅方向の変位からなる楕円運動を行い、移動体６０を駆動する。なお、ここでは１次モードの伸縮振動と、２次モードの屈曲振動を用いて説明したが、各々の振動モードについては、その次数に制限をあたえられるものではなく、異なる振動モードを用いても動作可能である。
【００１１】
次に、振動体１０の具体的な構造、分極方向および電極の配置について説明する。振動体１０は４種類の圧電素子１１、１２、１３、１４を厚み方向に積層して構成する。ここでは圧電素子を積層する順を１４、１２、１３、１１、１３、１１、１３、１２、１３としている。なお、圧電素子を積層する順序は、圧電素子１４を一番上にする以外は、圧電素子１１と圧電素子１３の組、圧電素子１２と圧電素子１３の組について、組単位であれば、積層する順序を変更しても、また、組数を変更しても、構成可能である。構成例の一例を挙げると、圧電素子１４、１２、１３、１１、１３という順序、また、圧電素子１４、１２、１３、１１、１３、１２、１３という順序で積層しても、振動体１０を構成可能である。
【００１２】
ここで、各々の圧電素子について個別に説明する。各々の圧電素子の表面には、図３に示すような内部電極もしくは上面電極が形成され、裏面には電極は形成されていない。圧電素子１１は全体にわたって厚み方向に分極処理されている。上述したように、圧電素子１１は圧電素子１３と必ず一対となり、圧電素子１３の上に圧電素子１１が積層されるため、圧電素子１１は、圧電素子１１の表面に設けられた内部電極８１と圧電素子１３の表面に設けられた内部電極８３との間に設けられることになる。そこで内部電極８１と内部電極８３の間に駆動信号を印加すると、圧電素子１１は長手方向に伸縮振動を励振する。
【００１３】
また、圧電素子１２は、長さおよび幅の中央を結んでできた、およそ４つの領域それぞれが厚み方向に分極処理されている。なお、図中の＋もしくは−で示されるように、１つの圧電素子において正逆二種類の分極方向が存在する。上述の圧電素子１１と同様に、圧電素子１２は圧電素子１３と必ず一対となり、圧電素子１３の上に圧電素子１２が積層されるため、圧電素子１２は、圧電素子１２の表面に設けられた内部電極８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、８２ｄと圧電素子１３の表面に設けられた内部電極８３との間に設けられることになる。そこで、内部電極８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、８２ｄと内部電極８３との間に駆動信号を印加すると、圧電素子１２の厚み方向と直交する面内で屈曲振動を励振する。
【００１４】
また、圧電素子１４には上面電極８４１、８４２ａ、８４２ｂ、８４２ｃ、８４２ｄ、８４３が設けられている。これらは、振動体１０側面に設けられた短絡電極８８１、８８２ａ、８８２ｂ、８８２ｃ、８８２ｄ、８８３とそれぞれ導通している。そのため、上面電極８４１は短絡電極８８１を通じて電極８１と、上面電極８４２ａは短絡電極８８２ａを通じて内部電極８２ａと、上面電極８４２ｂは短絡電極８８２ｂを通じて電極８２ｂと、上面電極８４２ｃは短絡電極８８２ｃを通じて電極８２ｃと、上面電極８４２ｄは短絡電極８８２ｄを通じて電極８２ｄと、上面電極８４３は短絡電極８８３を通じて電極８３と導通している。そのため、上面電極８４１、８４２ａ、８４２ｂ、８４２ｃ、８４２ｄ、８４３に駆動信号を印加するだけで、内部電極８１、８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、８２ｄ、８４それぞれに駆動信号を供給することができる。なお、短絡電極の形成については、圧電素子を積層し、焼結して一体化した後に、金属被膜の蒸着やスパッタリング、もしくは導電性接着剤の塗布等で形成することが可能である。
【００１５】
ここで、短絡する内部電極と短絡電極の組はそれぞれ決まっており、そのため、決められた組以外で短絡しないよう、それぞれの圧電素子には内部電極が設けられていない余白部が必要となる。しかし、この余白部は圧電素子の励振には寄与しないため、出力である振動エネルギをより大きく得るという観点から言えば、余白部は設置せず、内部電極は全面に設けた方が良い。しかし、超音波モータ１０００を駆動するためには、内部電極８１と内部電極８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、８２ｄに異なる駆動信号を印加する必要があり、余白部は必ず設置しなければならない。
【００１６】
そこで、内部電極および余白部の配置と圧電素子の出力との関係を図４及び図５に示す。図４は伸縮振動を励振する為の内部電極および余白部の配置、図５は屈曲振動を励振する為の内部電極および余白部の配置による、電気−機械結合係数ｋの変化を、有限要素法による数値解析から求めたものである。なお、図４（ａ）および図５（ａ）は圧電素子に対する内部電極（斜線の領域）を示し、図４（ｂ）および図５（ｂ）は内部電極の長さＸ（図中記載）に対するｋの変化を示している。ここで、圧電素子の出力を示す指標として、電気−機械結合係数kを用いた。これは、入力である印加した電気的エネルギと出力される振動エネルギ間の動的な変換効率である。
【００１７】
図４（ｂ）の結果より、伸縮振動を励振する為の内部電極の長さを多少短くしても、ｋはほぼ横ばいもしくは若干上昇する。また、図５（ｂ）の結果、屈曲振動を励振する為の内部電極は、内部電極の長さを短くすると、屈曲振動の最外側の節（Ｘ＝７．３ｍｍ、図中Ａで示す）を境に、ほぼ横ばいであったｋが減少に転じる。そのため、本発明の超音波モータ１０００の積層圧電素子では、内部電極の余白部は、２つの辺のうち長さの長い長手方向端部、特に屈曲振動を励振する内部電極の余白部は、屈曲振動の最外側の節より長手方向端部側に設ける配置にした。これにより、出力である振動エネルギを効率よく得られる。
【００１８】
図４および図５の結果より、各々の余白部の配置が決定されると、短絡電極の配置が限定される。そして、余白部を設けた位置に、短絡電極が配置されることになる。しかし、決められた内部電極と短絡電極の組以外で短絡しないように、各々の配置を決定する必要がある。そこで所望の組以外で短絡しない内部電極および余白部の配置の一例を図３に示す。
【００１９】
内部電極８１、８３の余白部１００を屈曲振動の最外側の節（圧電素子中央から最も離れた節）より長手方向端面側に設け、内部電極８１、８３と導通する短絡電極８８１、８８３を長手方向端面側の側面に設ける。また、内部電極８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、８２ｄは屈曲振動の最外側の節より長手方向端面側まで設け、余白部１００を長手方向端面に設けることで、内部電極８１、８３と導通しない配置とした。そして、内部電極８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、８２ｄとそれぞれ導通する短絡電極８８２ａ、８８２ｂ、８８２ｃ、８８２ｄは圧電素子の幅方向端面側の側面かつ屈曲振動の節より外側に設ける配置とした。これにより、決められた内部電極と短絡電極の組以外で短絡せず、かつ励振への影響を小さくすることが可能となる。
【００２０】
また上記と異なる、内部電極および短絡電極の配置の一例を図６に示す。上記と異なり、屈曲振動を励振する内部電極８２ａ’、８２ｂ’、８２ｃ’、８２ｄ’と導通する短絡電極８８２ａ’、８８２ｂ’、８８２ｃ’、８８２ｄ’を積層圧電素子の長手方向端部の側面に設ける配置とした。このような構成にしても、余白部１００’を長手方向端面側に集中させることが出来るため、図３の配置と同様の効果を得ることができる。
上述のような余白部や短絡電極の配置にすることで、圧電素子の励振への影響を小さくし、高効率かつ高出力化の実現を可能としている。
【００２１】
次に、超音波モータ１０００の駆動方法について説明する。上面電極８４１と８４３の間に所定の周波数の信号を印加すると、振動体１０を構成する圧電素子１１には伸縮振動が、上面電極８４２ａ、８４２ｂ、８４２ｃ、８４２ｄと８４３の間に所定の周波数の信号を印加すると、圧電素子１２には屈曲振動が発生する。そこで、上面電極８４１と８４３の間に印加する駆動信号と上面電極８４２ａ、８４２ｂ、８４２ｃ、８４２ｄと８４３の間に印加する駆動信号の位相を変えることにより、振動体１０に設けられた突起３０が、振動体１０の厚み方向と直交する面内で楕円運動する。そして、この楕円運動により、突起３０と加圧接触している移動体６０が移動する。２つの信号の位相差を反転させることにより、楕円運動の方向も逆転することから、移動体は正逆２方向に移動方向の制御が可能となる。
以上により、振動体１０の振動を弱めることなく利用できるため、高効率かつ高出力の超音波モータ１０００が実現可能となる。
【００２２】
（実施の形態２）
図７は本発明の超音波モータの振動体２１０を示したものである。図７（ａ）は振動体２１０の三面図、図７（ｂ）は振動体２１０を構成する圧電素子２１１、２１２、２１３、２１４の具体的な構造、分極方向および電極の配置を説明する図である。なお、実施の形態１との相違点のみを以下に示す。
【００２３】
図７に示した振動体２１０は、実施の形態１と同様に圧電素子２１１、２１２、２１３、２１４を厚み方向に複数枚積層する。実施の形態１との相違は、圧電素子２１１が圧電素子１１に、圧電素子２１２が圧電素子１２に、圧電素子２１３が圧電素子１３に、圧電素子２１４が圧電素子１４に相当することである。また、全ての内部電極の長手方向中央かつ幅方向端部に余白部１２０を設ける。そして、内部電極２８３と短絡する短絡電極２８８３と、内部電極２８１と短絡する短絡電極（図示せず、短絡電極２８８３と対向して配置）を、振動体２１０の幅方向と直交する側面の中央部に設けている。
このような内部電極および余白部、短絡電極の配置にすることで、振動体２１０の励振への影響が少ない長手方向端部に余白部を集中させ、高効率での電気エネルギ利用が可能となる。これは振動体２１０の長手方向中央部は屈曲振動の励振にほとんど寄与しないこと、また、余白部の面積をできるかぎり小さくすることで、励振に影響しないようにしているためである。
【００２４】
（実施の形態３）
図８は本発明の超音波モータの振動体３１０を示したものである。図８（ａ）は振動体３１０の斜視図、図８（ｂ）は振動体３１０の具体的な構造、分極方向および電極の配置を説明する図である。なお、実施の形態１との相違点のみを以下に示す。
【００２５】
図８に示した振動体３１０は、実施の形態１と同様に圧電素子３１１、３１２、３１３を厚み方向に複数枚積層する。なお、圧電素子３１３を一番上にし、圧電素子３１１、３１２を交互に積層して振動体３１０を構成する。実施の形態１との相違は、圧電素子３１１の分極方向が一方向であること、圧電素子３１１、３１２のみで屈曲振動および伸縮振動を同時に励振できる点である。ここで、内部電極３８１ａ、３８１ｂ、３８１ｃ、３８１ｄ各々に導通する上面電極３８４１ａ、３８４１ｂ、３８４１ｃ、３８４１ｄのうち、上面電極３８４１ａと３８４１ｄに印加する駆動信号と上面電極３８４１ｂと３８４１ｃに印加する駆動信号をそれぞれ、ＣＯＳ波、ＳＩＮ波とする。
【００２６】
これにより、振動体３１０は伸縮振動と屈曲振動を同時に励振し、振動の特定位置に楕円運動を生成することが可能となる。逆転した楕円運動を生成する場合には、それぞれの駆動信号の位相差を逆に設ければよい。また、実施の形態１で示したように、振動体３１０の励振への影響の少ない箇所に余白部を設けているため、高効率での電気エネルギの利用が可能となる。
【００２７】
ところで、本構成の振動体３１０の別の駆動法として、対角となる２つの内部電極のみに信号を印加して、屈曲振動と伸縮振動を同時に励振しても良い。すなわち、上面電極３８４１ａ、３８４１ｄのみに信号を印加するか上面電極３８４１ｂ、３８４１ｃのみに信号を印加することで移動体の移動方向を変えることができる。
（実施の形態４）
本発明の超音波モータを用いて電子機器を構成した例を図９に示す。
【００２８】
図９は、本発明の駆動回路により駆動される超音波モータ１０００を電子機器の駆動源に適用したブロック図を示したものである。振動体１０に設けられた突起３０により摩擦駆動される移動体６０と一体に動作する可動機構９０、振動体に駆動信号を印加する駆動制御装置１０３、可動機構９０の移動量を測定する計測装置１０２からなる。ここでは可動機構９０をステージとし、所定の位置に位置決めする自動ステージの例について説明する。
【００２９】
ここで測定装置１０２は、たとえば光学式エンコーダを用いる。駆動制御装置１０３は計測装置１０２から、可動機構９０の現在位置を認識し、目標位置の方向へ可動機構９０を動かす。計測装置１０２からの現在位置と目標位置と所定の範囲内で一致すれば、駆動信号の入力を停止する構成となっている。
【００３０】
なお、本実施の形態における電子機器としては、自動ステージの他に、プリンタや工作機などに応用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明の超音波モータの移動体に直接可動ステージを設けるか、もしくは、伝達機構を介して移動体の動作を伝達すれば、自動ステージ、カメラのズーム機構、オートフォーカス機構、紙送り装置、あるいは時計などの電子機器へ応用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係る超音波モータの構成を示す図である。
【図２】本発明に係る超音波モータの振動体の振動モードを示す説明図である。
【図３】本発明に係る超音波モータの振動体の構成を示す図である。
【図４】内部電極（伸縮振動）の配置による励振力への影響を示す図である。
【図５】内部電極（屈曲振動）の配置による励振力への影響を示す図である。
【図６】本発明に係る超音波モータの他の振動体の構成を示す図である。
【図７】本発明に係る超音波モータの他の振動体の構成を示す図である
【図８】本発明に係る超音波モータの他の振動体の構成を示す図である。
【図９】本発明に係る超音波モータを用いた電子機器を示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
１０００      超音波モータ
１０、１０’      振動体
１１、１１’      圧電素子（伸縮振動）
１２、１２’      圧電素子（屈曲振動）
１３、１４、１３’、１４’      圧電素子
３０      突起
４０      支持部材
５０      案内部材
６０      移動体
７０      加圧部材
８１、８１’      内部電極（伸縮振動）
８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、８２ｄ      内部電極（屈曲振動）
８２ａ’、８２ｂ’、８２ｃ’、８２ｄ’      内部電極（屈曲振動）
８３、８３’      内部電極（接地）
９０      可動機構
１００、１００’、１０１、１２０、１３０      余白部
１０２      計測装置
１０３      駆動制御装置
２１０      振動体
２１１、２１２、２１３、２１４      圧電素子
２８１、２８２ａ、２８２ｂ、２８２ｃ、２８２ｄ、２８３      内部電極
３１０      振動体
３１１、３１２、３１３      圧電素子
３８１ａ、３８１ｂ、３８１ｃ、３８１ｄ、３８２      内部電極
８４１、８４１’、８４２ａ、８４２ｂ、８４２ｃ、８４２ｄ、８４２ａ’、８４２ｂ’、８４２ｃ’、８４２ｄ’、８４３、８４３’      上面電極
８８１      短絡電極
８８２ａ、８８２ｂ、８８２ｃ、８８２ｄ、８８２ｃ’、８８２ｄ’      短絡電極
８８３、８８３’      短絡電極
２８４１、２８４２ａ、２８４２ｂ、２８４２ｃ、２８４２ｄ、２８４３      上面電極
２８８２ｂ、２８８２ｄ、２８８３      短絡電極
３８４１ａ、３８４１ｂ、３８４１ｃ、３８４１ｄ、３８４２      上面電極
３８８１ｂ、３８８１ｄ、３８８２      短絡電極
【図１】
2005295656.tif 000003
【図２】
2005295656.tif 000004
【図３】
2005295656.tif 000005
【図４】
2005295656.tif 000006
【図５】
2005295656.tif 000007
【図６】
2005295656.tif 000008
【図７】
2005295656.tif 000009
【図８】
2005295656.tif 000010
【図９】
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