(57)【要約】【課題】  構造最適化がなされた積層型圧電素子を有するランジュバン型超音波振動子を備えた超音波モータを提供する。【解決手段】  超音波モータ１０は、積層型圧電素子２３ａ・２３ｂを備えた超音波振動子１１ａと、積層型圧電素子２３ａ′・２３ｂ′を備えた超音波振動子１１ｂと、超音波振動子１１ａ・１１ｂを保持する保持部材１２と、ヘッド１３とを有し、ヘッド１３は押圧機構１４によって被駆動体１５に押し当てられている。超音波振動子１１ａは複数の圧電セラミックス層３１および圧電セラミック層３１を挟む複数の内部電極３２ａ・３２ｂならびに内部電極３２ａ・３２ｂを１つおきに接続する外部電極３３ａ・３３ｂを有する積層型圧電素子２３ａ・２３ｂを備え、超音波振動子１１ｂもこれと同じ構造を有する。圧電セラミックス層３１の層数を３以上の奇数層とした。【選択図】  図１ 
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ランジュバン型の２個の超音波振動子と、前記２個の超音波振動子を所定の角度で保持する保持部材と、略Ｖ字型の形状を有し、その頂点部で被駆動体と接しかつ、その端部に前記２個の超音波振動子が接続されるヘッドと、を備えた超音波モータであって、
前記超音波振動子は、３以上の奇数層の圧電セラミックス層およびこれらの圧電セラミック層を挟む複数の電極層ならびに前記複数の電極層を１つおきに接続する外部電極を有する積層型圧電素子を備え、
前記積層型圧電素子の各端面に設けられている電極層に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】
前記超音波振動子は、所定の金属板を挟んで２個の前記積層型圧電素子を積層した状態で備えてい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】
前記積層型圧電素子は、前記圧電セラミックス層と前記電極層とが一体焼成により形成された一体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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ランジュバン型の超音波振動子を備えた超音波モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
図５に示すように、２個の超音波振動子１０１ａ・１０１ｂと、超音波振動子１０１ａ・１０１ｂを所定の角度（例えば、９０度）で保持する保持部材１０２と、略Ｖ字型の形状を有し、その頂点部で被駆動体であるスライダ１０５と接し、その端部（Ｖ字型の開いている方）で超音波振動子１０１ａ・１０１ｂと接続されたヘッド１０３と、を備えた共振型の超音波モータ１００が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
超音波振動子１０１ａは圧電素子１０４ａを備え、圧電素子１０４ａはヘッド１０３と金具１０７ａによって所定の力で締め付けられたランジュバン型構造を有しており、同様に、超音波振動子１０１ｂは圧電素子１０４ｂを備え、圧電素子１０４ｂはヘッド１０３と金具１０７ｂによって所定の力で締め付けられている。
【０００４】
超音波モータ１００では、超音波振動子１０１ａ・１０１ｂを位相が９０度ずれた共振周波数電圧で駆動すると、つまり圧電素子１０４ａ・１０４ｂに位相が９０度ずれた共振周波数電圧を印加すると、ヘッド１０３の先端部に楕円運動が生ずる。そこで、リニアガイド１０６に取り付けられたスライダ１０５の側面に楕円運動するヘッド１０３を一定の力で押し付けると、ヘッド１０３とスライダ１０５との間に生ずる摩擦力によってスライダ１０５にリニアガイド１０６の延長方向の推力が与えられ、これによってスライダ１０５を移動させることができる。
【０００５】
ここで、圧電素子１０４ａ・１０４ｂはそれぞれ、ヘッド１０３および金具１０７ａ・１０７ｂにグランド（アース）を取るために、単板の圧電セラミックスを２枚重ねた構造を有している。前述したように、圧電素子１０４ａ・１０４ｂはそれぞれ所定の力で締め付けられており、圧電素子１０４ａ・１０４ｂには機械部品としての強度が必要とされるため、単板の圧電セラミックスには一定の厚さが必要となる。
【０００６】
しかし、単板の圧電セラミックスの厚さが厚い場合には、駆動電圧が高くなるという問題がある。圧電セラミックスの駆動電圧を低下させる方法としては、圧電セラミックスを多層化する方法が知られているが、超音波モータ１００における圧電素子１０４ａ・１０４ｂの積層構造化については従来検討されていなかった。
【特許文献１】特開２０００−１５２６７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、構造最適化がなされた積層型圧電素子を有するランジュバン型超音波振動子を備えた超音波モータ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】
【０００８】
本発明によれば、ランジュバン型の２個の超音波振動子と、前記２個の超音波振動子を所定の角度で保持する保持部材と、略Ｖ字型の形状を有し、その頂点部で被駆動体と接しかつ、その端部に前記２個の超音波振動子が接続されるヘッドと、を備えた超音波モータであって、
前記超音波振動子は、３以上の奇数層の圧電セラミックス層およびこれらの圧電セラミック層を挟む複数の電極層ならびに前記複数の電極層を１つおきに接続する外部電極を有する積層型圧電素子を備え、
前記積層型圧電素子の各端面に設けられている電極層に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。
【０００９】
このような超音波モータでは、前記超音波振動子は金属板を介して２個の前記積層型圧電素子を積層した状態で備えていることが好ましい。また、前記積層型圧電素子は前記圧電セラミックス層と前記電極層とが一体焼成により形成された一体構造を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
このような超音波モータによれば、駆動電圧を下げることができるために、昇圧トランスを小型化し、または昇圧トランスが不要となる。また、２つの積層型圧電素子を金属板を介して積層する構成とすることにより、高圧側とグランド側の電極取り出しが容易になり、リード線の断線を防止することができる。さらに積層型圧電素子として一体焼成法により作製された一体構造のものをもちいることにより、振動の伝達効率を高く維持し、また多数の圧電セラミックス板を用いた場合に起こりやすいスプリアス振動を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、超音波モータ１０の概略構造を示す断面図である。この超音波モータ１０は、先に図５に示した超音波モータ１００と比較すると、圧電素子の構造が異なることを除いて同じ構造を有しているが、ここで改めて超音波モータ１０の全体構造についても詳しく説明する。
【００１２】
超音波モータ１０は、ランジュバン型の構造を有する２個の超音波振動子１１ａ・１１ｂと、超音波振動子１１ａ・１１ｂを９０度の角度で保持する保持部材１２と、被駆動体１５に接する略Ｖ字型の形状を有するヘッド１３とを有している。保持部材１２には押圧機構１４が取り付けられており、押圧機構１４は所定の力でヘッド１３を被駆動体１５に押し当てている。
【００１３】
超音波振動子１１ａは、両端がネジ切りされたボルト２１と、ボルト２１のネジ溝に螺合するネジ穴を有する袋ナット２２と、ボルト２１を通すことができる２枚のリング状の積層型圧電素子２３ａ・２３ｂおよびリング状の金属板２４ａ・２４ｂとを有している。超音波振動子１１ｂは、超音波振動子１１ａと同様に、ボルト２１′と、袋ナット２２′と、２枚のリング状の積層型圧電素子２３ａ′・２３ｂ′と、リング状の金属板２４ａ′・２４ｂ′とを有している。積層型圧電素子２３ａ等の構造については後に詳細に説明する。
【００１４】
保持部材１２にはボルト２１・２１′を通すための孔部が設けられている。ヘッド１３は、被駆動体１５に接する当接部１３ａと、超音波振動子１１ａ・１１ｂと連結される連結部１３ｂ・１３ｂ′と、当接部１３ａと連結部１３ｂ・１３ｂ′とを連結するネック部１３ｃ・１３ｃ′から構成されており、連結部１３ｂ・１３ｂ′にはそれぞれ、ボルト２１・２１′のネジ溝に螺合するネジ穴が形成されている。
【００１５】
積層型圧電素子２３ａ・２３ｂは袋ナット２２とヘッド１３の連結部１３ｂによって所定の力で締め付けられ、これによってランジュバン型の超音波振動子１１ａが得られる。同様に、積層型圧電素子２３ａ′・２３ｂ′は袋ナット２２′とヘッド１３の連結部１３ｂ′によって所定の力で締め付けられ、これによってランジュバン型の超音波振動子１１ｂが得られる。
【００１６】
このように、超音波モータ１０においては、ヘッド１３の連結部１３ｂは超音波振動子１１ａの構成要素でもあり、同様に連結部１３ｂ′は超音波振動子１１ｂの構成要素でもある。つまり、ヘッド１３は被駆動体１５に推力を与えるだけでなく、積層型圧電素子２３ａ等を締め付けてランジュバン型振動子を構成する部材としての役割を担っている。
【００１７】
ヘッド１３には、耐摩耗性に優れるステンレスや超硬合金等の金属材料が好適に用いられる。この場合、連結部１３ｂ・１３ｂ′にボルト２１・２１′と連結するためのネジ溝を形成することが容易である。ヘッド１３における当接部１３ａの表面に窒化ケイ素等の耐摩耗性に優れるセラミックスコーティングを施すことも好ましい。後述するように、積層型圧電素子２３ａ・２３ａ′のヘッド１３側の端面には接地電極として用いられる内部電極３２ａが形成されているために、ヘッド１３は接地電位に保持されることになる。
【００１８】
ボルト２１・２１′と袋ナット２２・２２′と保持部材１２にも金属材料が用いられる。したがって、ボルト２１・２１′を介してヘッド１３と袋ナット２２・２２′とが導通し、さらに袋ナット２２・２２′と保持部材１２は接地しているので、これら全ての部材が接地電位に保持されることになる。このため、保持部材１２と接触している金属板２４ｂ・２４ｂ′が接地電極として用いられることとなる。逆に言えば、金属板２４ｂ・２４ｂ′を接地電極して用いることができるように、積層型圧電素子２３等の構造を設定しなければならない。
【００１９】
押圧機構１４としては、例えば、エアーシリンダや油圧シリンダ、スプリングコイル等が用いられる。
【００２０】
次に、積層型圧電素子２３ａ等の構造について説明する。上述の通り、超音波振動子１１ａ・１１ｂの構造は実質的に同じであるから、以下、超音波振動子１１ａを構成する積層型圧電素子２３ａ・２３ｂについて説明する。図２に積層型圧電素子２３ａ・２３ｂの概略構造を示す断面図を示す。
【００２１】
積層型圧電素子２３ａは、複数の圧電セラミックス層３１が内部電極３２ａ・３２ｂにより挟まれた構造を有しており、内部電極３２ａと内部電極３２ｂは積層方向に交互に設けられている。複数の内部電極３２ａは外部電極３３ａにより電気的に接続されており、複数の内部電極３２ｂは外部電極３３ｂにより電気的に接続されている。積層型圧電素子２３ａ内に挿通されるボルト２１（図２に図示せず）と内部電極３２ａ・３２ｂとが導通しないように、内部電極３２ａ・３２ｂは内孔側には露出していない。
【００２２】
積層型圧電素子２３ａは、一般的に知られているように、最初に圧電セラミックス粉末をシート状に成形してグリーンシートを作製し、グリーンシートにスクリーン印刷法により電極ペーストを印刷して所定枚数積層し、熱圧着により一体化し、次いで所定の条件で仮焼、焼成し、得られた焼成体を切削や研削加工を行った後、側面の所定位置に外部電極ペーストを塗布し、所定の温度で焼き付けることにより、製造することができる。このような一体焼成法によれば、圧電セラミックス層３１を薄く形成することが容易である。
【００２３】
圧電セラミックス層３１の積層数は奇数となっている。これにより、積層型圧電素子２３ａの積層方向端面の一方には内部電極３２ａが露出し、他方には内部電極３２ｂが露出する。図２では、内部電極３２ａがヘッド１３に接しているので、前述したようにボルト２１、袋ナット２２、保持部材１２を介してヘッド１３と導通する金属板２４ｂを接地電極として用いる。一方、金属板２４ａと内部電極３２ｂとが接しているので、金属板２４ａを高圧側電極として用いる。
【００２４】
積層型圧電素子２３ｂは積層型圧電素子２３ａと同じ構造を有しており、その内部電極３２ａが金属板２４ｂと接し、その内部電極３２ｂが金属板２４ａと接するように、金属板２４ａを挟んで積層型圧電素子２３ａと対称に配置されている。なお、積層型圧電素子２３ａ・２３ｂの各圧電セラミックス層３１は、予め、内部電極３２ｂを高圧側、内部電極３２ａを接地電極として、所定の電圧により分極処理される。
【００２５】
金属板２４ａ・２４ｂにそれぞれリード線（図２に図示せず）が取り付けられ、これらのリード線を用いて駆動電圧を印加し、積層型圧電素子２３ａ・２３ｂを同時に駆動する（図１参照）。例えば、超音波振動子１１ａを構成する積層型圧電素子２３ａ・２３ｂを、例えばＶ１＝Ｖ０ｓｉｎ２πｆｔ（ｆ：共振周波数）で伸縮させ、かつ、超音波振動子１１ｂの積層型圧電素子２３ａ′・２３ｂ′をＶ２＝Ｖ０ｃｏｓ２πｆｔで伸縮させる。これによってヘッド１３の当接部１３ａに楕円運動を生じさせることができ、被駆動体１５と当接部１３ａの間の摩擦力を利用して、被駆動体１５を移動させることができる。
【００２６】
従来公知の積層型圧電素子では、外部電極にリード線をハンダ付けしている。しかし、超音波モータ１０では積層型圧電素子２３ａ・２３ｂに大きな変位の振動を生じさせるために、従来のように外部電極３３ａ・３３ｂにリード線をハンダ付け等により取り付けた場合には、短時間の駆動により、この取り付け部分でリード線の脱離が起こってしまう。また、積層型圧電素子２３ａ・２３ｂが具備する圧電セラミックス層３１の層数が偶数の場合には、積層型圧電素子２３ａ・２３ｂの両面に同じ内部電極（つまり、内部電極３２ａまたは３２ｂのいずれか一方）が露出してしまうために、外部電極３３ａ・３３ｂのいずれか一方にリード線を取り付けなければならず、前述のリード線脱離の問題を回避することができない。
【００２７】
このため、超音波モータ１０では、圧電セラミックス層の層数を奇数とすることにより、外部電極３３ａ・３３ｂにリード線を取り付けることなく、積層型圧電素子２３ａ・２３ｂの端面に露出している内部電極３２ａ・３２ｂに金属板２４ａ・２４ｂを介して駆動電圧を印加することができる構成となっている。これにより超音波モータ１０を超寿命とすることができる。また、超音波モータ１０では、超音波振動子１１ａに積層型圧電素子２３ａ・２３ｂを用いることにより、駆動電圧を下げることができる。
【００２８】
積層型圧電素子２３ａ・２３ｂとしては、いわゆる接着型の積層型圧電素子を用いることもできる。超音波モータ１０に用いることができる接着型の積層型圧電素子は、表裏面に電極膜が形成された所定の厚さの圧電セラミックス板がその分極の向きが電極膜を挟んで対称となるように接着剤で接着され、その側面に外部電極膜が形成された構造を有するものである。すなわち、従来より接着型の積層型圧電素子としては、圧電セラミックス板の間に金属箔を挟んだ構造を有しているものが知られているが、このような構造では接着層が倍増することによってスプリアス振動が発生しやすくなることや、接着層が圧電セラミックス板の振動の伝達を抑制するという問題があるために、超音波モータ１０で用いるメリットは実質的にない。
【００２９】
このため接着型の積層型圧電素子を用いる場合にも、圧電セラミックス板の枚数を奇数とする必要があり、これにより接着型の積層型圧電素子自体にリード線を取り付けることなく、金属板２４ａ・２４ｂを駆動電極として用いることができるようになる。また、接着型の積層型圧電素子では、接着処理時のハンドリングの点から、圧電セラミックス板を薄くすることにも限界はあるが、厚肉単板の圧電素子を用いる場合と比較すると、低電圧駆動化が可能となる。
【００３０】
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、ヘッド１３にはアルミナや窒化珪素、炭化珪素等のセラミックスを用いることができる。ヘッド１３がアルミナ等の絶縁材料からなる場合には、ヘッド１３と接触する積層型圧電素子２３ａ・２３ａ′の内部電極３２ａをアースするために、例えば、ヘッド１３の連結部１３ｂ・１３ｂ′には直接にネジ穴を形成するのではなく、例えば六角柱状の穴を形成してこれにボルト２１・２１′と螺合する金属製のナットを挿入固定し、かつ、連結部１３ｂ・１３ｂ′と積層型圧電素子２３ａ・２３ａ′との間に金属板をそれぞれ挿入して、これらの金属板とナットとが導通する構成とすればよい。
【実施例】
【００３１】
（ａ）単板型圧電素子（厚さ：８ｍｍ）、（ｂ）一体焼成型の積層型圧電素子（圧電セラミックス層の厚さ：６４０μｍ、積層数；１４層）、（ｃ）接着型の積層型圧電素子（圧電セラミックス層の厚さ：７５０μｍ、積層数；１０層）をそれぞれ用いて、３種類の超音波モータを作製した。図３に各超音波モータを用いてアルミナ製のステージを移動させた場合のステージ駆動特性を示す。ここで、各超音波モータのヘッドは１２０Ｎの予圧でステージに押圧されている。
【００３２】
図３に示されるように、一体焼成型の積層型圧電素子を用いた超音波モータでは、低電圧で十分な移動速度が得られ、また駆動電圧を上げることにより被駆動体の高速移動が実現されることが確認された。接着型の積層型圧電素子を用いた超音波モータでも、従来の単板型圧電素子を用いた超音波モータと比較すると、駆動電圧を低電圧化することができることが確認された。
【００３３】
図４に各超音波モータのヘッドを１５０Ｎの予圧でステージに押圧し、駆動電圧を７０Ｖとしたときの機械的負荷特性を示す。図４では、各プロットを外挿したときの横軸（機械的負荷）との交点の値がステージに与えられる推力と考えられるため、この値が大きいほど重いステージでも高速で移動させることができる。図４に示されるように、単板型圧電素子を用いた超音波モータに対して、積層型の圧電素子を用いた超音波モータで機械的負荷の向上が確認され、特に、一体焼成型の積層型圧電素子を用いた超音波モータでは、高い機械的負荷特性が得られることが確認された。
【００３４】
上記圧電セラミックス層の層数が奇数の一体焼成型の積層型圧電素子を用いた超音波モータと、この層数が偶数の一体焼成型の積層型圧電素子を用いた超音波モータとで、予圧を１２０Ｎ、駆動電圧を７０Ｖとしてステージを駆動させたときの寿命を測定した。なお、圧電セラミックス層の層数が偶数の一体焼成型の積層型圧電素子では、端面に露出する両方の内部電極を接地電極として用いるために、側面に形成されている１の外部電極にリード線をハンダ付けすることにより、高圧側の駆動電圧を印加できる構成とした。その結果、セラミックス層の層数が偶数の一体焼成型の積層型圧電素子では約１０時間でリード線がハンダ付けされた部分で脱離したが、セラミックス層の層数が奇数の一体焼成型の積層型圧電素子では、１００時間経過後も特性低下や故障は現れなかった。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明の超音波モータは、半導体製造装置等に装備されるＸ−Ｙステージの駆動装置として好適である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【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の超音波モータを構成する積層型圧電素子の概略構造を示す断面図。
【図３】各種の超音波モータによるステージ駆動特性を示す説明図。
【図４】各種の超音波モータの機械的負荷特性を示す説明図。
【図５】従来の超音波モータの概略構造を示す説明図。
【符号の説明】
【００３７】
１０；超音波モータ
１１ａ・１１ｂ；超音波振動子
１２；保持部材
１３；ヘッド
１３ａ；当接部
１３ｂ・１３ｂ′；連結部
１３ｃ・１３ｃ′；ネック部
１４；押圧機構
１５；被駆動体
２１・２１′；ボルト
２２・２２′；袋ナット
２３ａ・２３ｂ・２３ａ′・２３ｂ′；圧電板
２４ａ・２４ｂ・２４ａ′・２４ｂ′；金属板
３１；圧電セラミックス層
３２ａ・３２ｂ；内部電極
３３ａ・３３ｂ；外部電極
１００；超音波モータ
１０１ａ・１０１ｂ；超音波振動子
１０２；保持部材
１０３；ヘッド
１０４ａ・１０４ｂ；圧電素子
１０５；スライダ
１０６；リニアガイド
１０７ａ・１０７ｂ；金具
【図１】
2005278290.tif 000003
【図２】
2005278290.tif 000004
【図３】
2005278290.tif 000005
【図４】
2005278290.tif 000006
【図５】
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