(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
矩形型の圧電振動子が、拡がり振動モードと曲げ振動モードとを組み合わせた多重振動モードで振動することにより駆動力を発生する超音波モータであって、
前記矩形型の圧電振動子の二組の辺のうち、一方の組の辺の長さをＬとし、他方の組の辺の長さをｗとし、ｗ／Ｌを変数として、ｗ／Ｌと拡がり振動モードの共振周波数とを対応させると共に、ｗ／Ｌと曲げ振動モードの共振周波数とを対応させた場合、
前記圧電振動子は、拡がり振動の共振周波数と曲げ振動の共振周波数とが実質的に同一となるｗ／Ｌの値に基づいて、前記ｗ／Ｌの値が０．７５から０．９０の範囲に収まるように形成されており、
前記圧電振動子のいずれか一方の主面上に並設された２枚の電極と、
前記２枚の電極のうちの一方に対して、交流電圧を印加して前記圧電振動子を駆動させる第１の交流電源と、
前記２枚の電極のうちの他方に対して、交流電圧を印加して前記圧電振動子を駆動させる第２の交流電源と、を備え、
前記第１の交流電源が、前記２枚の電極のうちの一方に対して第１の交流電圧を印加すると共に、前記第２の交流電源が、前記２枚の電極のうちの他方に対して前記第１の交流電圧と位相がπ／２ずれた第２の交流電圧を印加することで、前記圧電振動子は、２相信号入力方式で駆動されることを特徴とする超音波モータ。
【請求項２】
矩形型の圧電振動子が、拡がり振動モードと曲げ振動モードとを組み合わせた多重振動モードで振動することにより駆動力を発生する超音波モータであって、
前記矩形型の圧電振動子の二組の辺のうち、一方の組の辺の長さをＬとし、他方の組の辺の長さをｗとし、ｗ／Ｌを変数として、ｗ／Ｌと拡がり振動モードの共振周波数とを対応させると共に、ｗ／Ｌと曲げ振動モードの共振周波数とを対応させた場合、
前記圧電振動子は、拡がり振動の共振周波数と曲げ振動の共振周波数とが実質的に同一となるｗ／Ｌの値に基づいて、前記ｗ／Ｌの値が０．７５から０．９０の範囲に収まるように形成されており、
前記圧電振動子のいずれか一方の主面上に並設された２枚の電極と、
前記２枚の電極のうちの一方に対して、交流電圧を印加して前記圧電振動子を駆動させる交流電源を備え、
前記交流電源が、前記２枚の電極のうちの一方に交流電圧を印加すると共に、前記他方の電極が、開放されることで、前記圧電振動子は、１相信号入力方式で駆動されることを特徴とする超音波モータ。
【請求項３】
前記圧電振動子は、前記ｗ／Ｌの値が実質的に０．８５となるように形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２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、矩形型の圧電振動子が、拡がり振動モードと曲げ振動モードとを組み合わせた多重振動モードで振動することにより駆動力を発生する超音波モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、圧電素子を矩形に形成し、第一次縦振動モード（Ｌ１）と第二次屈曲振動モード（Ｆ２）とを組み合わせた多重振動モードで振動することにより駆動力を発生する超音波モータが知られている。例えば、特開２００６−０９４５９７号公報には、複数の圧電体を積層し、Ｌ１Ｆ２共振モードで駆動する超音波振動子が開示されている。この超音波振動子は、圧電素子と内部電極とが交互に積層されており、この積層方向と直交する第２の方向および第３の方向に沿って、概ね４分割された内部電極群を備えている。また、それらの内部電極群とそれぞれ導通する第１の外部電極群および第２の外部電極群とを有している。そして、第１および第２の外部電極群に電圧を印加することにより、第２の方向に発生する縦振動モードと、第３の方向に発生する屈曲振動モードとが同時に励起することによって、楕円振動を発生させる。
【０００３】
また、特表２００７−５３８４８４号公報には、振動子を長さＬおよび高さＨの圧電プレートで形成して、ラーメモードで駆動する圧電超音波モータが開示されている。この圧電超音波モータでは、圧電プレートで一次非対称定在波が励起され、摺動チップが楕円運動をすることによって駆動力を発生させる。
【特許文献１】特開２００６−０９４５９７号公報
【特許文献２】特表２００７−５３８４８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来から、超音波モータは種々の目的に用いられているが、工業的に超音波モータに求められる主な特性は、小型であること、効率が高いこと、構造が簡単であることである。ここで、超音波モータが小型であることとは、圧電振動子の共振周波数がなるべく低いことを意味する。また、効率が高いとは、圧電振動子の機械−電気結合係数が大きいことを意味する。
【０００５】
しかしながら、第一次縦振動モード（Ｌ１）と第二次屈曲振動モード（Ｆ２）とを組み合わせた多重振動モードで超音波モータを駆動させようとする場合、主面を４つの領域に分けて、それぞれに電力を配置し、対角に位置する電極同士を接続しなければならず、電極構造が複雑にならざるを得ない。また、ラーメモードで超音波モータを駆動させようとする場合、他のモードと比較して共振周波数が高いため、他のモードと同じ共振周波数で駆動させようとした場合は、他のモードを用いる場合よりも超音波モータが大きくなってしまい、小型化を図ることが困難となる。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、小型化を図ると共に、効率が高く、さらに構造が簡単である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】
【０００７】
（１）上記の目的を達成するために、本発明は、以下のような手段を講じた。すなわち、本発明の超音波モータは、矩形型の圧電振動子が、拡がり振動モードと曲げ振動モードとを組み合わせた多重振動モードで振動することにより駆動力を発生する超音波モータであって、前記矩形型の圧電振動子の二組の辺のうち、一方の組の辺の長さをＬとし、他方の組の辺の長さをｗとし、ｗ／Ｌを変数として、ｗ／Ｌと拡がり振動モードの共振周波数とを対応させると共に、ｗ／Ｌと曲げ振動モードの共振周波数とを対応させた場合、前記圧電振動子は、拡がり振動の共振周波数と曲げ振動の共振周波数とが実質的に同一となるｗ／Ｌの値に基づいて形成されていることを特徴としている。
【０００８】
このように、拡がり振動の共振周波数と曲げ振動の共振周波数とが実質的に同一となるｗ／Ｌの値に基づいて形成されているので、他のモード、例えば、Ｌ１Ｆ２モードで駆動させる場合よりも圧電振動子の主面の形状を正方形に近いものとすることができる。その結果、全体の寸法が扁平とならないため、奥行き寸法を小さくすることができる。これにより、パワー入力を従来のものよりも大きく取ることが可能となる。なお、拡がり振動の共振周波数と曲げ振動の共振周波数とが実質的に同一となるｗ／Ｌの値とは、圧電振動子が超音波モータとして実用的に機能する範囲という意味である。拡がり振動の共振周波数と曲げ振動の共振周波数とが多少ずれていても、圧電振動子が超音波モータとして実用的に機能するのであれば、ｗ／Ｌの値は実質的に同一であると言える。逆に言えば、ｗ／Ｌの値は、圧電振動子が超音波モータとして実用的に機能するのであれば、拡がり振動の共振周波数と曲げ振動の共振周波数とがちょうど同じ値でなければならないわけではない。
【０００９】
（２）また、本発明の超音波モータは、矩形型の圧電振動子が、拡がり振動モードと曲げ振動モードとを組み合わせた多重振動モードで振動することにより駆動力を発生する超音波モータであって、前記矩形型の圧電振動子の二組の辺のうち、一方の組の辺の長さをＬとし、他方の組の辺の長さをｗとし、ｗ／Ｌを変数として、ｗ／Ｌと拡がり振動モードの共振周波数とを対応させると共に、ｗ／Ｌと曲げ振動モードの共振周波数とを対応させた場合、前記圧電振動子は、前記ｗ／Ｌの値が０．７５から０．９０の範囲に収まるように形成されていることを特徴としている。
【００１０】
このように、圧電振動子は、前記ｗ／Ｌの値が０．７５から０．９０の範囲に収まるように形成されているので、他のモード、例えば、Ｌ１Ｆ２モードで駆動させる場合よりも圧電振動子の主面の形状を正方形に近いものとすることができる。その結果、全体の寸法が扁平とならないため、奥行き寸法を小さくすることができる。これにより、パワー入力が従来のものよりも大きく取ることが可能となる。
【００１１】
（３）また、本発明の超音波モータは、矩形型の圧電振動子が、拡がり振動モードと曲げ振動モードとを組み合わせた多重振動モードで振動することにより駆動力を発生する超音波モータであって、前記矩形型の圧電振動子の二組の辺のうち、一方の組の辺の長さをＬとし、他方の組の辺の長さをｗとし、ｗ／Ｌを変数として、ｗ／Ｌと拡がり振動モードの共振周波数とを対応させると共に、ｗ／Ｌと曲げ振動モードの共振周波数とを対応させた場合、前記圧電振動子は、前記ｗ／Ｌの値が実質的に０．８５となるように形成されていることを特徴としている。
【００１２】
このように、圧電振動子は、ｗ／Ｌの値が実質的に０．８５となるように形成されているので、他のモード、例えば、Ｌ１Ｆ２モードで駆動させる場合よりも圧電振動子の主面の形状を正方形に近いものとすることができる。その結果、全体の寸法が扁平とならないため、奥行き寸法を小さくすることができる。これにより、パワー入力が従来のものよりも大きく取ることが可能となる。なお、ｗ／Ｌの値が実質的に０．８５であるとは、圧電振動子が超音波モータとして実用的に機能する範囲という意味である。ｗ／Ｌの値が０．８５の前後にずれていても、圧電振動子が超音波モータとして実用的に機能するのであれば、ｗ／Ｌの値は実質的に０．８５であると言える。逆に言えば、ｗ／Ｌの値は、圧電振動子が超音波モータとして実用的に機能するのであれば、ちょうど０．８５でなければならないわけではない。
【００１３】
（４）また、本発明の超音波モータにおいて、前記圧電振動子は、いずれか一方の主面上に並設された２枚の電極を備え、前記２枚の電極の少なくとも一方に印加された電圧によって駆動することを特徴としている。
【００１４】
このように、いずれか一方の主面上に２枚の電極が並設されているため、Ｌ１Ｆ２モードの場合よりも電極構造を簡単にすることができる。
【００１５】
（５）また、本発明の超音波モータは、前記圧電振動子は、いずれか一方の前記電極に第１の交流電圧を印加すると共に、いずれか他方の前記電極に前記第１の交流電圧と位相がπ／２ずれた第２の交流電圧を印加する２相信号入力方式、またはいずれか一方の前記電極に交流電圧を印加すると共に、いずれか他方の前記電極を開放する１相信号入力方式のいずれか一方の方式で駆動することを特徴としている。
【００１６】
この構成により、２相信号入力方式または１相信号入力方式のいずれの方式でも圧電振動子を駆動することが可能となる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、圧電振動子が、拡がり振動の共振周波数と曲げ振動の共振周波数とが実質的に同一となるｗ／Ｌの値に基づいて形成されているので、他のモード、例えば、Ｌ１Ｆ２モードで駆動させる場合よりも圧電振動子の主面の形状を正方形に近いものとすることができる。その結果、全体の寸法が扁平とならないため、奥行き寸法を小さくすることができる。これにより、パワー入力を従来のものよりも大きく取ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
従来、圧電トランスにおいては、拡がり振動（輪郭振動）を用いると共に、曲げ振動（スプリアス振動）を回避することによって、動作性の良い圧電トランスを実現していた。すなわち、圧電トランスでは曲げ振動を回避する方策が採られていた。本発明者は、この点に着目し、矩形型の圧電振動子を、拡がり振動モードと曲げ振動モードとを組み合わせた多重振動モードで振動させることにより駆動力を発生させることを見出した。また、本発明者は、圧電振動子のいずれか一方の主面上に２枚の電極を並設した超音波モータは知られているが、矩形型の圧電振動子において、拡がり振動の共振周波数と曲げ振動の共振周波数とが実質的に同一となる場合を利用した超音波モータは実現されていなかった点に着目し、圧電振動子を、その時の寸法に基づいて形成することによって、超音波モータの小型化、高効率化および構成の簡略化を実現することができることを見出し、本発明をするに至った。
【００１９】
すなわち、本発明は、矩形型の圧電振動子が、拡がり振動モードと曲げ振動モードとを組み合わせた多重振動モードで振動することにより駆動力を発生する超音波モータであって、前記矩形型の圧電振動子の二組の辺のうち、一方の組の辺の長さをＬとし、他方の組の辺の長さをｗとし、ｗ／Ｌを変数として、ｗ／Ｌと拡がり振動モードの共振周波数とを対応させると共に、ｗ／Ｌと曲げ振動モードの共振周波数とを対応させた場合、前記圧電振動子は、拡がり振動の共振周波数と曲げ振動の共振周波数とが実質的に同一となるｗ／Ｌの値に基づいて形成されていることを特徴とする。
【００２０】
これにより、本発明者は、小型化、高効率化および構成の簡略化を図ることを可能とした。以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２１】
図１から図３は、本実施形態に係る圧電振動子の平面図である。この圧電振動子１は、圧電セラミックスから形成されており、紙面に対して垂直方向に分極している。この圧電振動子１には、チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックス等の公知の材料を用いることができる。一般的なセラミックスの製造プロセス、例えば、圧電セラミックス粉末の成形（脱脂）、焼成、加工という製造プロセスに従って、圧電振動子１を作製する。作製した圧電振動子１に銀ペーストをスクリーン印刷等により所定のパターンで塗布し、焼成することによって、一方の主面に、後述する２つの電極を設けることができる。
【００２２】
また、圧電振動子１の紙面に対して上側の中央部に、駆動力を伝達する摺動チップ２が設けられている。この摺動チップ２は、耐摩耗性に優れた材料が用いられる。例えば、アルミナやジルコニア、窒化珪素、炭化珪素等のセラミックス部品や、超剛等の耐摩耗性金属部品、硬質金属材料の表面にセラミックス薄膜やダイヤモンド薄膜をコーティングした部品等が好適に用いられる。
【００２３】
なお、図２および図３において、点線で示すように、圧電振動子１の紙面に対して上側の両端部に摺動チップ３ａおよび３ｂを設けても良い。圧電振動子１の紙面に対して上側の中央部に摺動チップ２を設けた場合は、円板や球体等の回転体を駆動するのに好適であり、圧電振動子１の紙面に対して上側の両端部に摺動チップ３ａおよび３ｂを設けた場合は、直線的に動作する摺動体を駆動するのに好適である。また、図１に示すように、矩形型の圧電振動子１の二組の辺のうち、一方の組の辺の長さはＬであり、他方の組の辺の長さはｗである。
【００２４】
図２は、圧電振動子１が拡がり振動をしている様子を示す図である。この拡がり振動とは、矩形型の圧電振動子１が、中心から四辺の方向へ伸縮を繰り返す振動である。圧電振動子１の電位分布は、等電位線がほぼ平行に端面に向かって高くなる。図３は、圧電振動子１が曲げ振動を起こしている様子を示す図である。この曲げ振動とは、矩形型の圧電振動子１が二次元的に屈曲するのであるが、電位分布は、出力側中心部とその幅方向の両側に逆符号の電位が発生する。図２に示す拡がり振動モードと図３に示す曲げ振動モードとが合成（縮退）することによって、摺動チップ２、または摺動チップ３ａおよび３ｂは、楕円運動をし、駆動力が生ずる。
【００２５】
次に、本実施形態に係る超音波モータの駆動原理について説明する。図４は、矩形型の圧電振動子を、拡がり振動モード（Expand Mode）および曲げ振動モード（Flexural Mode）で振動させたときの周波数スペクトラムを示す図である。矩形型の圧電振動子１の二組の辺のうち、一方の組の辺の長さはＬであり、他方の組の辺の長さはｗであるとし、図４に示すように、ｗ／Ｌを変数として、ｗ／Ｌと圧電振動子の拡がり振動モードの共振周波数とを対応させると共に、ｗ／Ｌと曲げ振動モードの共振周波数とを対応させる。なお、図４ではＬ＝２０ｍｍで固定し、ｗ（Width）のみを変化させている。この場合、ｗが１
７．０ｍｍ、すなわち、縦横の二辺の比（以下、「辺比」と呼称する。）ｗ／Ｌが、０．８５付近で両者の共振周波数が一致し、二つの振動が縮退する。このときの共振周波数は、１０７ｋＨｚ〜１０８ｋＨｚとなっている。
【００２６】
このように、辺比が０．８５であり、一辺が２０ｍｍ程度の正方形となるため、小型化を図ることが可能となる。
【実施例１】
【００２７】
図５は、実施例１に係る超音波モータの概略構成を示す図である。この超音波モータ１０は、圧電振動子１の紙面に対して左端の中央部に摺動チップ２を１つ備える構成を採る。この構成では、円板や球体等の回転体を駆動するのに好適であり、実施例１では、円板５０を図５中、矢印の方向に回転させる。超音波モータ１０において、圧電振動子１は、矩形の圧電基板１ｂの一方の主面を２分割するように、電極４ａと電極４ｂとが設けられている。他方の主面は接地されている。これらの電極４ａ、４ｂは、互いに絶縁された状態で個別に設けられる。超音波モータ１０の駆動回路は、２つの交流電圧源５ａ、５ｂによって構成される。交流電圧源５ａは、電極４ｂにＶ０ｓｉｎωｔの電圧を印加し、交流電圧源５ｂは、電極４ａにＶ０ｃｏｓωｔの電圧を印加する。このように、圧電振動子１の電極４ａ、４ｂに対して位相がπ／２ずれた電圧Ｖ０ｓｉｎωｔおよびＶ０ｃｏｓωｔが印加されると、圧電振動子１には、図２および図３に示すように、拡がり振動モードの振動と、曲げ振動モードの振動とが発生する。そして、拡がり振動モードの共振周波数と、曲げ振動モードの共振周波数とが等しいときに、両振動モードが合成（縮退）され、圧電振動子１のチップ（図５に図示せず）には楕円振動が発生する。なお、電圧Ｖ０ｓｉｎωｔとＶ０ｃｏｓωｔとは、それぞれ第１の交流電圧と第２の交流電圧とに該当する。両者が入れ替わっても何ら問題はない。
【００２８】
このように、いずれか一方の主面上に２枚の電極が並設されているため、Ｌ１Ｆ２モードの場合のように、主面を４つの領域に分けて、それぞれに電力を配置し、対角に位置する電極同士を接続しなければならない構成よりも簡単な構成にすることができる。
【実施例２】
【００２９】
図６は、実施例２に係る超音波モータの概略構成を示す図である。この超音波モータ１０は、圧電振動子１の紙面に対して左端の両端部に摺動チップ３ａ、３ｂを２つ備える構成を採る。この構成では、直線的に動作する摺動体を駆動するのに好適であり、実施例２では、リニアガイド６０にスライド自在に配置されたスライダ６１を、図６中、矢印の方向にスライドさせる。
【００３０】
なお、図５および図６では、２相信号入力の構成を示したが、本発明は、これに限定されるわけではない。例えば、図７に示すように、１相信号入力の構成を採ることも可能である。この場合、一方の電極４ｂに、交流電源５ａによってＶ０ｓｉｎωｔの交流信号を印加し、他方の電極４ａを開放状態とすることで動作させることも可能である。
【００３１】
以上説明したように、本実施形態によれば、圧電振動子１が、拡がり振動の共振周波数と曲げ振動の共振周波数とが実質的に同一となるｗ／Ｌの値に基づいて形成されているので、他のモード、例えば、Ｌ１Ｆ２モードで駆動させる場合よりも圧電振動子の主面の形状を正方形に近いものとすることができる。その結果、全体の寸法が扁平とならないため、奥行き寸法を小さくすることができる。これにより、パワー入力を従来のものよりも大きく取ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本実施形態に係る圧電振動子の平面図である。
【図２】圧電振動子１が拡がり振動をしている様子を示す図である。
【図３】圧電振動子１が曲げ振動を起こしている様子を示す図である。
【図４】矩形型の圧電振動子を、拡がり振動モード（Expand Mode）および曲げ振動モード（Flexural Mode）で振動させたときの周波数スペクトラムを示す図である。
【図５】実施例１に係る超音波モータの概略構成を示す図である。
【図６】実施例２に係る超音波モータの概略構成を示す図である。
【図７】１相信号入力方式の超音波モータの概略構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  圧電振動子
１ｂ  圧電基板
２  摺動チップ
４ａ  電極
４ｂ  電極
５ａ  交流電圧源
５ｂ  交流電圧源
１０  超音波モータ
【図１】
0005275734.tif 000002
【図２】
0005275734.tif 000003
【図３】
0005275734.tif 000004
【図４】
0005275734.tif 000005
【図５】
0005275734.tif 000006
【図６】
0005275734.tif 000007
【図７】
0005275734.tif 000008