(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械的な第１の振動を発生させる複数の第１の圧電セラミックスと、該複数の第１の圧電セラミックス下部に位置して前記振動を増大させる第１のホーンと、前記複数の第１の圧電セラミックスを前記第１のホーンの上部との間にボルトによって圧着するための第１の金属材から成って縦方向に振動する第１の半波長変換機と；
機械的な第２の振動を発生させる複数の第２の圧電セラミックスと、該複数の第２の圧電セラミックス下部に位置して前記振動を増大させる第２のホーンと、前記複数の第２の圧電セラミックスを前記第２のホーンの上部との間に前記ボルトによって圧着するための第２の金属材から成って縦方向に振動する第２の半波長変換機と；
前記第１のホーンと前記第２のホーンとを連結する振動ビームと；
前記振動ビームの中央部に形成された突出部と；
前記突出部に接触され、前記突出部との間に生じる摩擦力によって線形で駆動する移動子と；を有して成り、
前記第１と第２のホーンの上部は一体的に形成されるとともに、前記第１と第２の金属材は一体的に形成され、
前記第１と第２の半波長変換機にそれぞれ加えられた相異なる２相の高周波交流電界に応じた前記第１と第２の半波長変換機の振動が、それぞれ前記第１と第２のホーンとともに前記振動ビームを介して前記突出部に伝動されて、前記突出部にて楕円形の機械的な変位を発生させることを特徴とする圧電線形超音波モーター。
【請求項２】
前記第１と第２の複数の圧電セラミックスは、それぞれ分極方向が反対になるように積層されて成ることを特徴とする請求項１に記載の圧電線形超音波モーター。
【請求項３】
前記第１と第２のホーンの長さιは、ι＝λ／４（λ：前記第１と第２の圧電セラミックスを含むアクチュエーターで発生する振動波の波長）なる関係式に基づいて決められていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧電線形超音波モーター。
【請求項４】
前記第１と第２のホーンの材質は、音響抵抗の小さいチタン合金であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の圧電線形超音波モーター。
【請求項５】
前記移動子と接触される突出部は一つであり、その材質は、バナジウム−カーバイドであることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の圧電線形超音波モーター。
【請求項６】
前記突出部と前記移動子との間にはＡｌ2Ｏ3セラミックス材質の摩擦材が介在されることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の圧電線形超音波モーター
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電セラミックスで発生する２０ｋＨｚ以上の超音波振動を用いて駆動力を得る線形モーターに関するものであって、より詳しくは一対の圧電セラミックスにそれぞれ９０°の位相差を有するｓｉｎ、ｃｏｓの２つの高周波電流電界を加えることによって、これと連結された振動ビーム（shaking beam）に楕円形の機械的な変位を発生させ、該変位に伴う摩擦力によって移動子を線形で駆動する圧電線形超音波モーター（Piezoelectric Linear Ultrasonic Motor）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
比較的短い距離を移動するソレノイドなどのような電磁界駆動モーターは、ギアやプーリ（pulley）を使用して回転運動を線形運動に変える必要があるため、大きい力を必要とする場合、その体積や質量が非常に大きくなるという短所を有している。また、このような電磁界駆動モーターは、駆動時の消費電流や発熱量が大きいという短所も有している。特に、発熱量が大きいと、車のエンジンのような周辺温度が非常に高い場合、電磁界駆動モーターは大きい障害をもたらすことになる。
【０００３】
一方、線形超音波モーターは、駆動時の消費電流が小さく、軽量であり、ギアなしで線形運動を直接得ることができ、移動子の速度や位置を電気的に制御することができ、移動子を順逆両方向に駆動でき、停止時に移動子の滑りがない、といった様々な長所を有している。このような線形超音波モーターにおける移動子の駆動方式としては、一般的に、屈曲波（flexural wave）によって発生された進行波で移動子を駆動する進行波方式や、縦振動（longitudinal vibration）と横振動（transversal vibration）のアクチュエーターを結合して垂直振動と水平振動を反復的に発生させて移動子を駆動する定在波方式が知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記定在波方式（standing wave type）を採用した線形超音波モーターは、基本的に、相互に異なる動作モーターを有する振動子を結合して発生する複数振動を用いることで移動子を駆動する構成であり、垂直方向と水平方向に振動するアクチュエーターと、該アクチュエータから移動子に機械的な変位を伝達する接触部と、を有して成る。なお、本構成では、圧電振動子の縦振動が移動子と接触している振動部分（接触部）に伝達され、移動子と振動部分との間に生じる摩擦力によって移動子が駆動されることになる。そのため、移動子と振動部分の間における振動伝達メカニズムについては、従来から様々な方法が提案されている。
【０００５】
しかしながら、従来の方法では、駆動力を効果的に伝達することや、連続駆動時に生じる摩耗等に依ることなく振動振幅を一定に維持することが難しいため、定在波方式を採用した線形超音波モーターは、未だ実用化されていないのが実状である。
【０００６】
本発明は、上記の問題点を解決するために案出されたものであって、２つの厚さ方向に超音波振動する圧電アクチュエーターにそれぞれ位相差が９０°であるｓｉｎとｃｏｓ交流電源を印加することによって、ギアなしで直接直線運動を得ることができ、前記交流電源の位相を変えることによって、順・逆の移動が可能であり、直流電源を印加することによってｎｍ級の精密度を有する精密位置制御が可能である圧電線形超音波モーターを提供することを目的としている。
【０００７】
また、本発明は、圧電セラミックスに発生する縦方向振動を拡大することで、効率的に移動子に楕円形の振動を伝達できる線形超音波モーターを提供することを目的としている。
【０００８】
また、本発明は、固定子と移動子の間に耐摩耗性物質を介在することで、摩擦に伴う摩耗発生を抑制することができる線形超音波モーターを提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る圧電線形超音波モーターは、機械的な第１の振動を発生させる複数の第１の圧電セラミックスと、該複数の第１の圧電セラミックス下部に位置して前記振動を増大させる第１のホーンと、前記複数の第１の圧電セラミックスを前記第１のホーンの上部との間にボルトによって圧着するための第１の金属材から成って縦方向に振動する第１の半波長変換機と；機械的な第２の振動を発生させる複数の第２の圧電セラミックスと、該複数の第２の圧電セラミックス下部に位置して前記振動を増大させる第２のホーンと、前記複数の第２の圧電セラミックスを前記第２のホーンの上部との間に前記ボルトによって圧着するための第２の金属材から成って縦方向に振動する第２の半波長変換機と；前記第１のホーンと前記第２のホーンとを連結する振動ビームと；前記振動ビームの中央部に形成された突出部と；前記突出部に接触され、前記突出部との間に生じる摩擦力によって線形で駆動する移動子と；を有して成り、前記第１と第２のホーンの上部は一体的に形成されるとともに、前記第１と第２の金属材は一体的に形成され、前記第１と第２の半波長変換機にそれぞれ加えられた相異なる２相の高周波交流電界に応じた前記第１と第２の半波長変換機の振動が、それぞれ前記第１と第２のホーンとともに前記振動ビームを介して前記突出部に伝動されて、前記突出部にて楕円形の機械的な変位を発生させる。
【００１０】
なお、上記構成から成る圧電線形超音波モーターにおいて、第１と第２の複数の圧電セラミックスは、それぞれ分極方向が反対になるように積層されて成る構成にするとよい。
【００１１】
また、上記構成から成る圧電線形超音波モーターにおいて、前記第１と第２のホーンの長さιは、ι＝λ／４（λ：前記第１と第２の圧電セラミックスを含むアクチュエーターで発生する振動波の波長）なる関係式に基づいて決められている構成にするとよい。
【００１２】
また、上記構成から成る圧電線形超音波モーターにおいて、前記第１と第２のホーンの材質は、音響抵抗の小さいチタン合金である構成にするとよい。
【００１３】
また、上記構成から成る圧電線形超音波モーターにおいて、前記移動子と接触される突出部は一つであり、その材質は、バナジウム−カーバイドである構成にするとよい。
【００１４】
また、上記構成から成る圧電線形超音波モーターにおいて、前記突出部と前記移動子との間にはＡｌ2Ｏ3セラミックス材質の摩擦材が介在される構成にするとよい。
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る圧電線形超音波モーターについて、図１〜図４を参照しながら詳細な説明を行う。
【００１５】
図１は本発明に係る圧電線形超音波モーターの一実施形態を示す概略構成図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は分解斜視図である。本図に示す通り、本発明に係る線形超音波モーターは、一対の半波長変換機８０と、両方の半波長変換機８０に連結された振動ビーム９０と、振動ビーム９０の中央部に形成された突出部５０と、突出部５０に接触する移動子７０と、を有して成る。
【００１６】
移動子７０は、突出部５０とスプリングの力Ｐによって圧着されており、突出部５０との間に生じる摩擦力によって線形で駆動する。なお、移動子７０は、耐摩耗性のある摩擦材６０を含んでいる。
【００１７】
半波長変換機８０は、機械的な振動を発生させる複数の圧電セラミックス２０と、圧電セラミックス２０下部に位置して振動を増大させるホーン１０と、圧電セラミックス２０がボルト４０によって圧着される金属材３０から成り、ホーン１０の端部が振動ビーム９０と連結されている。
【００１８】
図２は半波長変換機８０の構造を示す詳細図である。圧電セラミックス２０を含む圧電アクチュエーターで発生された振動を増大させる役割を有するホーン１０の長さι（＝ι0＋ι3）は、次の（１）式に基づいて決められている。
【数１】
0003751273.tif 000002
なお、λは圧電セラミックス２０を含む圧電アクチュエーターで発生する振動波の波長である。
【００１９】
このように、駆動時、ホーン１０の長さιが、圧電セラミックス２０を含むアクチュエーターで発生する振動波の波長λの１／４であるとき、最大の振動特性が得られる。
【００２０】
本発明に係る圧電線形超音波モーターの全体長さのうち、ホーン１０の長さιが上記（１）式に基づいて決まると、縦方向振動のための半波長変換機８０で発生する振動の大きさξ3（−ι3）は、次の（２）式によって求められる。
【数２】
0003751273.tif 000003
なお、ｄ33は圧電常数、Ｕは印加電圧、αはｋ×ｌ(ｋ:波動数、ｌ:長さ)、Ｙはヤング率、γιχは負荷係数である。
【００２１】
また、上記（２）式中のヤング率Ｙは、次の（３）式で表される。
【数３】
0003751273.tif 000004
【００２２】
本発明に係る圧電線形超音波モーターは、上記した条件を満足する半波長変換機８０を有して成る。
【００２３】
上記構成から成る圧電線形超音波モーターについてより詳しく説明する。本発明に係る圧電線形超音波モーターは、縦方向に振動する２つの半波長変換機８０を有し、半波長変換機８０双方で相異なる２相（Ｕｓｉｎωｔ，Ｕｃｏｓωｔ）の交流電界を印加すると、突出部５０には楕円形の機械的な変位が発生する。また、圧電セラミックス２０に直流電源を印加することによって、移動子７０の精密な位置移動制御を行うことができる。或いは、交流電源と直流電源を適宜に印加することでも、ｎｍ級の精密度を有する精密位置制御が可能となる。
【００２４】
なお、縦方向振動を発生する役割を担う上記の圧電セラミックス２０は、駆動電圧を低減するために、相互に分極方向Ｐが反対になるように積層されて成り、ボルト４０によってホーン１０と金属材３０の間に圧着・固定されている（図３参照）。また、金属材３０の上部には、弾性力を有する２つの板バネ（不図示）が設けられており、圧電線形超音波モーターは、該板バネによって一定の圧力Ｐで移動子７０に圧着されている。
【００２５】
また、前記板バネと蓋との間には、圧電線形超音波モーターの駆動時に機械的な雑音が生じることを防ぐためにゴムライニングが挿入されている。
【００２６】
また、圧電線形超音波モーター本体の内部側面は、金属材３０とケースの接触部分で雑音が発生することを防ぐために、テフロン（Ｒ）（teflon）のような熱可塑性物質で覆われている。
【００２７】
また、突出部５０は、摩擦による摩耗を減らして寿命を延長するために、耐摩耗性のあるバナジウム−カーバイド（Vanadium-carbide）で形成されており、これと接する摩擦材６０には、堅固なＡｌ2Ｏ3セラミックスが使用されている。
【００２８】
また、ホーン１０の材質としては、音響抵抗（accoustic resistance）が小さいチタン合金が使用されており、金属材３０の材質としては、音響抵抗が大きい金属類が使用されている。これにより、突出部５０にて振動が増大される。
【００２９】
図４は本発明に係る圧電線形超音波モーターの動作を示す詳細図である。上記構成から成る圧電線形超音波モーターにおいて、半波長変換機８０に同一な周波数を有する相異なる２相の交流電界が印加されると、ホーン１０のそれぞれの圧電セラミックス２０で収縮及び拡大が発生する。このとき、振動ビーム９０の中央に配設された突出部５０は、本図に示すように、時間経過に従って順次的に楕円軌跡を形成し、これと接触する移動子７０は線形的に動くことになる。
【００３０】
なお、このとき、一方の半波長変換機８０の位相を１８０°変換させると、移動子７０の方向が反対になる。また、突出部５０の長さを伸ばすと、移動速度を増加させることができるが、発生力を減少することになる。
【００３１】
以上で説明したように、本発明に係る圧電線形超音波モーターであれば、駆動電圧を低減し、移動子７０の駆動力と移動速度を増加させることができるので、全体振動システムの動作条件を向上させ、消費電力を低減することができる。
【００３２】
【発明の効果】
上記したように、本発明に係る圧電線形超音波モーターは、既存の電磁界駆動モーターに比べて質量対比の力が優れており、直接駆動方式であり、潤滑油などが要らない。
【００３３】
特に、速い速度（０.１ｍｓ）の応答性と、ｎｍ級の高い精密度を示す特性を有しているので、 精密位置制御を必要になるＸＹＺステージ（stage）、半導体素子の集積のためのアラインメント機器であるステッパー（stepper）、衛星用望遠鏡などに搭載されて、精密な位置制御を行うアクチュエータ素子としての応用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図 １】  本発明に係る圧電線形超音波モーターの一実施形態を示す概略図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は分解斜視図である。
【図 ２】  半波長変換機８０の構造を示す詳細図である。
【図 ３】  圧電セラミックス２０の積層及び電気配線を示す詳細図である。
【図 ４】  本発明に係る圧電線形超音波モーターの動作を示す詳細図である。
【符号の説明】
１０    ホーン
２０    圧電セラミックス
３０    金属材
４０    ボルト
５０    突出部
６０    摩擦材
７０    移動子
８０    半波長変換機
９０    振動ビーム
【図１】
0003751273.tif 000005
【図２】
0003751273.tif 000006
【図３】
0003751273.tif 000007
【図４】
0003751273.tif 000008