(57)【要約】【課題】素子構造が簡単で駆動制御が容易であり、被駆動体に対する保持も容易な新たな超音波モータを提供する。【解決手段】超音波モータ１０は、主面形状が正方形で一定の厚さを有する圧電セラミックス板１１と、圧電セラミックス板１１の一方の主面に設けられた２つの駆動電極１２ａ，１２ｂと、圧電セラミックス板１１の他方の主面に設けられた共通電極と、圧電セラミックス板１１の１つの側面の両端部にそれぞれ設けられた２つの摺動部材１３ａ，１３ｂとを有する。２つの駆動電極１２は、圧電セラミックス板１１の一方の主面と摺動部材１３ａ，１３ｂが設けられた側面の共有辺の中心を通りこの共有辺に垂直な線によって分けられる２つの領域にそれぞれ独立して設けられる。駆動電極１２ａ，１２ｂの一方に駆動電圧が印加されている間は、他方には駆動電圧は印加されない。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主面形状が正方形で一定の厚さを有する圧電板と、
前記圧電板の一方の主面に設けられた２つの駆動電極と、
前記圧電板の他方の主面全体に設けられた共通電極と、
前記圧電板の１つの側面の両端部にそれぞれ設けられた２つの摺動部材と、を有し、
前記２つの駆動電極は、前記一方の主面と前記摺動部材が設けられた側面の共有辺の中心を通り当該共有辺に垂直な線によって前記一方の主面の領域が区画されてできる２つの領域に、それぞれ独立して設けられていることを特徴とする超音波モータ。
【請求項２】
主面形状が正方形で一定の厚さを有する圧電板と、
前記圧電板の一方の主面に設けられた２つの駆動電極と、
前記圧電板の他方の主面全体に設けられた共通電極と、
前記圧電板の１つの側面の中心に設けられた１つの摺動部材と、を有し、
前記２つの駆動電極は、前記一方の主面と前記摺動部材が設けられた側面の共有辺の中心を通り当該共有辺に垂直な線によって前記一方の主面の領域が区画されてできる２つの領域に、それぞれ独立して設けられていることを特徴とする超音波モータ。
【請求項３】
前記摺動部材を所定の被駆動体へ押し当てる押圧機構をさらに具備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。
【請求項４】
前記２つの駆動電極のうち、一方の駆動電極に所定の駆動電圧を印加しているときには他方の駆動電極には電圧を印加しない電源部をさらに具備することを特徴とする請求項１から請求項３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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧電素子を用いて構成される超音波モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、円板を回転させたり、Ｘ−Ｙステージやスライダ等を直線的に移動させたりするための超音波モータとして、矩形の圧電セラミックスの一方の主面に２行２列に駆動電極が、他方の主面全体に共通電極がそれぞれ設けられ、被駆動体に接触する摺動部材が圧電セラミックス板の短辺側の側面の中央に設けられた超音波モータが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この超音波モータにおいて、４つの駆動電極は、対角に位置するものどうしが接続されることによって、２組の電極対に分けられており、これら２組の電極対に同じ周波数で位相が９０°ずれた電圧を印加することにより、摺動部材に楕円振動を生じさせている。
【０００４】
また、同様の用途に用いられる超音波モータとして、矩形の圧電セラミックス板の一方の主面にその長さ方向で２等分された駆動電極が、他方の主面全体に共通電極がそれぞれ設けられ、被駆動体に接触する摺動部材が圧電セラミックス板の長辺側の側面の中央に設けられた超音波モータが知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
この超音波モータでは、２つの駆動電極のうちの一方の駆動電極にのみ一定周波数の駆動電極を印加することにより、摺動部材に楕円振動を生じさせることができる。
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示された超音波モータでは、駆動電源の構成が複雑になり、高価になるという問題がある。また、超音波モータの形状が矩形であるために、被駆動体から突出するように超音波モータを設置しなければならず、駆動装置全体での省スペース化が困難になる。
【０００７】
また、特許文献２に開示された超音波モータでは、位相制御された２系統の駆動電圧を出力する必要はないが、共振周波数が高いために、駆動電源が高価なものとなる。また、摺動部材が圧電セラミックス板の長辺側側面の中心に設けられるため、摺動部材が安定して被駆動体に接する状態を実現するためには、圧電セラミックス板を被駆動体に対してバランスよく押し当てなければならず、その姿勢制御（姿勢保持）が必ずしも容易ではない。
【特許文献１】特開平８−２３７９７１号公報（図１，段落［００６２］〜［００６４］等）
【特許文献２】米国特許第６７６５３５５号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、素子構造が簡単で駆動制御が容易であり、被駆動体に対する保持も容易な新たな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】
【０００９】
本発明の第１の観点によれば、主面形状が正方形で一定の厚さを有する圧電板と、
前記圧電板の一方の主面に設けられた２つの駆動電極と、
前記圧電板の他方の主面全体に設けられた共通電極と、
前記圧電板の１つの側面の両端部にそれぞれ設けられた２つの摺動部材と、を有し、
前記２つの駆動電極は、前記一方の主面と前記摺動部材が設けられた側面の共有辺の中心を通り当該共有辺に垂直な線によって前記一方の主面の領域が区画されてできる２つの領域に、それぞれ独立して設けられていることを特徴とする超音波モータが提供される。
【００１０】
本発明の第２の観点によれば、主面形状が正方形で一定の厚さを有する圧電板と、
前記圧電板の一方の主面に設けられた２つの駆動電極と、
前記圧電板の他方の主面全体に設けられた共通電極と、
前記圧電板の１つの側面の中心に設けられた１つの摺動部材と、を有し、
前記２つの駆動電極は、前記一方の主面と前記摺動部材が設けられた側面の共有辺の中心を通り当該共有辺に垂直な線によって前記一方の主面の領域が区画されてできる２つの領域に、それぞれ独立して設けられていることを特徴とする超音波モータが提供される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る超音波モータは、素子構造が簡単で駆動制御が容易であり、駆動周波数が低いために駆動電源を安価に構成することができる利点がある。また、音波モータ全体の構造が正方形に近いことから、被駆動体に対する保持が容易であり、例えばステージ装置等に適用した場合の省スペース化にも寄与する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
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に超音波モータ１０を用いたリニアスライド装置１００の構成を示す。このリニアスライド装置１００は、リニアガイド２０にスライド自在に配置されたスライダ２２を超音波モータ１０を用いてスライドさせるものである。
【００１３】
超音波モータ１０は、主面形状が正方形で一定の厚さを有し、圧電セラミックスからなる板材（つまり、圧電板（以下、「圧電セラミックス板」と記す）１１と、圧電セラミックス板１１の一方の主面に設けられた２つの駆動電極１２ａ，１２ｂ（圧電セラミックス板１１の領域と区別するためにドットハッチングして図１に示す）と、圧電セラミックス板の他方の主面に設けられた共通電極（図示せず）と、圧電セラミックス板１１の１つの側面の両端部にそれぞれ設けられた２つの摺動部材１３ａ，１３ｂとを有している。
【００１４】
図１では、後に説明する超音波モータ１０の駆動方法について、その説明を容易とするために、駆動電極１２ａ，１２ｂおよび共通電極にそれぞれリード線１４ａ，１４ｂ，１４ｃを取り付けた形態を示している。これらのリード線１４ａ，１４ｂ，１４ｃは、スイッチ１６を介して駆動電源１５に接続されている。
【００１５】
２つの駆動電極１２ａ，１２ｂは、圧電セラミックス板１１の主面と摺動部材１３ａ，１３ｂが設けられた側面とが共有する辺（以下「共有辺」という）の中心を通りこの共有辺に垂直な線Ａによって圧電セラミックス板１１の主面の領域が区画されてできる２つの領域に、それぞれ独立して設けられている。簡単に言い換えれば、圧電セラミックス板１１の主面をリニアガイド２０の長さ方向で２等分する線Ａを挟んで２つの同形状の駆動電極１２ａ，１２ｂが設けられている、と言える。
【００１６】
摺動部材１３ａ，１３ｂは耐摩耗性に優れる材料が用いられ、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、超鋼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。
【００１７】
圧電セラミックス板１１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したがって、圧電セラミックス板１１を作製する。
【００１８】
作製した圧電セラミックス板１１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、焼成することで、一方の主面に駆動電極１２ａ，１２ｂを、他方の主面に共通電極を形成する。なお、駆動電極１２ａ，１２ｂおよび共通電極の形成方法は、これに限定されるものではなく、その他の種々の電極形成法（スパッタ法、無電解メッキ法等）を用いることもできる。
【００１９】
駆動電極１２ａ，１２ｂおよび共通電極にそれぞれリード線１４ａ，１４ｂ，１４ｃを取り付け、これを所定の直流電源に接続して、駆動電極１２ａ，１２ｂを一定の高電位に保持し、共通電極を接地電位に保持して、圧電セラミックス板１１を分極する。
【００２０】
摺動部材１３ａ，１３ｂは、強い接着力を有するエポキシ樹脂接着剤等を用いて、例えば圧電セラミックス板１１の分極後に、圧電セラミックス板１１に固定される。
【００２１】
上述の通りに構成された超音波モータ１０は、押圧機構１７によってスライダ２２に一定の力で押しあてられている。また、超音波モータ１０のリニアガイド２０の長さ方向における位置ずれが保持機構１８により抑制されている。
【００２２】
押圧機構１７および保持機構１８としては、コイルバネや板バネ等を用いることができ、これらはリニアスライド装置１００の省スペース化にも有利である。但し、押圧機構１７および保持機構１８の設置スペースに制限がない場合には、例えば、エアーシリンダや油圧シリンダ等を用いることもできる。
【００２３】
超音波モータ１０はその平面形状は、圧電セラミックス板１１の形状に起因して、略正方形であるため、押圧機構１７と保持機構１８によるバランスのとれた配置（固定）を容易に実現することができる。また、これによって、摺動部材１３ａ，１３ｂを均等にスライダ２２に押しあてることができる。
【００２４】
駆動電源１５は、所定の周波数，実効電圧を有する駆動電圧を出力する。スイッチ１６によって、駆動電極１２ａに駆動電圧が印加されている間は駆動電極１２ｂには電圧は印加されず、逆に、駆動電極１２ｂに駆動電圧が印加されている間は駆動電極１２ａには電圧は印加されない。その間、共通電極は接地電位に維持される。
【００２５】
図２に、１実施例として、一辺の長さが２０ｍｍ、厚さが３ｍｍの圧電セラミックス板１１を用いてなる超音波モータ１０の共振周波数を調べた結果を示す。図２より、この超音波モータ１０では、９８ｋＨｚと１０３ｋＨｚに共振周波数が存在することがわかる。
【００２６】
この超音波モータ１０を、駆動電極１２ａに周波数：９８ｋＨｚ，電圧：２２Ｖｒｍｓ（０．２Ａ）の駆動電圧を印加することによって駆動し、その際に押圧機構１７の予圧を調整したところ、５Ｎの推力が得られ、所定のスライダ２２を１５０ｍｍ／ｓで移動させることができた。なお、この推力は、ばねばかりにより求められたものである。
【００２７】
スライダ２２の移動方向は、駆動していない電極側から駆動している電極側へと向かう方向となる。したがって、図１に示した状態であれば、スライダ２２は、駆動電極１２ａを駆動すれば左方向へ移動し、駆動電極１２ｂを駆動すれば右方向へ移動する。
【００２８】
駆動電極１２ａに電圧を印加すると、駆動電極１２ａが形成されている領域（以下「第１領域」という）には基本的にはｄ３１モードとｄ３３モードでの変形が生じる。駆動電極１２ｂが形成されている領域（以下「第２領域」という）は基本的には変形しないが、第１領域と第２領域とはつながっているために、第１領域の変形の影響を受けて第２領域が変形すると同時に、第１領域の変形は第２領域によって拘束されることにもなる。このような相互作用によって、圧電セラミックス板１１には、固有の振動モードが発生すると考えられる。駆動電極１２ｂを駆動した場合も、これと同様に考えることができる。
【００２９】
しかしながら、圧電セラミックス板１１の変形（振動）の態様または摺動部材１３ａ，１３ｂの動き（変位軌跡）を直接に測定することは困難である。そこで、駆動電極１２ａに所定周波数の駆動電圧を印加した際に圧電セラミックス板１１に生じる振動モードを、図３Ａに示すモデルを用いて、有限要素法によって解析した。このモデルは、圧電セラミックス板１１の主面を長方形にて２等分し、その一方を第１領域（図３Ａのドットハッチング領域であり、符号“Ｓ”で示す）に割り当てている。
【００３０】
その結果を図３Ｂ，３Ｃにそれぞれ示す。図３Ｂは駆動周波数を９８ｋＨｚに設定した場合の結果であり、図３Ｃは駆動周波数を１０３ｋＨｚに設定した場合の結果である。図３Ｂ，３Ｃに示すｐ点とｑ点の動きをそれぞれ摺動部材１３ａ，１３ｂの動きとみなすことができる。図３Ｂ，３Ｃの左右方向がスライダ２２（図３には図示せず）のスライド方向となる。
【００３１】
駆動周波数が９８ｋＨｚの場合、ｐ点は、９０°と２７０°に示すように実質的に圧電セラミックス板１１が変形していない状態での位置を通過点として、その右下方（０°の場合）とその左上方（１８０°の場合）との間を往復するような動きを生じる。また、ｑ点は、ｐ点よりも変位量が少ないものの、ｐ点と同様に動く。このときのｐ点，ｑ点の往復運動が、直線的な軌跡を描くのかまたは楕円軌跡を描くのかは、現在のところ正確には確認できていないが、このようなｐ点とｑ点の動きにしたがって摺動部材１３ａ，１３ｂがスライダ２２に推力を与えることによって、スライダ２２を移動させる。
【００３２】
駆動周波数が１０３ｋＨｚの場合、図３Ｃに示されるように、ｐ点は、９０°と２７０°に示すように実質的に圧電セラミックス板１１が変形していない状態での位置を通過点として、その右下方（０°の場合）とその左上方（１８０°の場合）との間を往復するような動きを生じる。一方、ｑ点は、９０°と２７０°に示す位置を通過点として、その左下方（０°の場合）とその右上方（１８０°の場合）との間を往復するような動きを生じる。このようなｐ点とｑ点の動きによれば、摺動部材１３ａがスライダ２２に力を与える際に、摺動部材１３ｂはその力を打ち消すような力をスライダ２２に与えることになる。しかし、ｐ点の変位量がｑ点の変位量よりも大きいために、結果として摺動部材１３ａの推力の一部が残り、これによってスライダ２２を移動させることができる。
【００３３】
次に、超音波モータ１０の変形例について説明する。図４に超音波モータ１０Ａの概略平面図を示す。ここでは、超音波モータ１０Ａにより円板２４を回転させる形態を示している。この超音波モータ１０Ａと先に説明した超音波モータ１０との相違点は、超音波モータ１０Ａでは、圧電セラミックス板１１の側面に１個の摺動部材１３ｃが取り付けられている点だけである。
【００３４】
１実施例に係る超音波モータ１０Ａとして、一辺の長さが２０ｍｍ、厚さが３ｍｍの圧電セラミックス板１１を用いたものを作製した。この超音波モータ１０Ａを駆動電極１２ａに周波数：９８ｋＨｚ，電圧：２２Ｖｒｍｓ（０．２Ａ）の駆動電圧を印加することで駆動し、押圧機構１７の予圧を調整したところ、２Ｎの推力が得られ、先に図１に示したスライダ２２を５０ｍｍ／ｓで移動させることができた。超音波モータ１０Ａの駆動によるスライダ２２の移動方向は、超音波モータ１０を駆動させた場合と同じである。また、超音波モータ１０Ａにおける圧電セラミックス板１１の変形（振動）は、図３Ａ，３Ｂに示した形態と実質的に同じであり、超音波モータ１０Ａの推力が超音波モータ１０の推力よりも小さいのは、圧電セラミックス板１１の共通辺の中心での変位量がｐ点，ｑ点の変位量よりも小さいことに起因する。
【００３５】
このような推力の差を考慮すれば、リニアスライド装置１００のようにスライダ２２を直線的に移動させる用途では、超音波モータ１０が好適に用いられる。一方、図４に示すように、円板２４を回転させる用途では、超音波モータ１０Ａが好適に用いられる。これは、超音波モータ１０は２個の摺動部材１３ａ，１３ｂを備えているために、摺動部材１３ａ，１３ｂが設けられている側面に円板２４の側面に接触してしまったり、摺動部材１３ａ，１３ｂはその先端からずれた部分において円板２４の側面に接触したりするために、効率よく円板２４を駆動することができなくなるからである。円板２４の駆動に超音波モータ１０Ａを用いれば、このような問題は生じない。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に係る超音波モータを用いたリニアスライド装置の構成を示す平面図。
【図２】超音波モータの共振特性を示すグラフ。
【図３Ａ】超音波モータを構成する圧電セラミックス板の変形態様を解析するためのモデルの平面図。
【図３Ｂ】超音波モータを構成する圧電セラミックス板の変形の態様を示す平面図。
【図３Ｃ】超音波モータを構成する圧電セラミックス板の別の変形の態様を示す平面図。
【図４】本発明に係る別の超音波モータの構成を示す平面図。
【符号の説明】
【００３７】
１０…超音波モータ、１１…圧電セラミックス板、１２ａ，１２ｂ…駆動電極、１３ａ，１３ｂ，１３ｃ…摺動部材、１４ａ，１４ｂ，１４ｃ…リード線、１５…駆動電源、１６…スイッチ、１７…押圧機構、１８…保持機構、２０…リニアガイド、２２…スライダ、２４…円板、１００…リニアスライド装置。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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