JP2001037266A

JP2001037266A - 弾性表面波駆動装置

Info

Publication number: JP2001037266A
Application number: JP11204411A
Authority: JP
Inventors: Ryuichi Yoshida; 龍一吉田; Yasuhiro Okamoto; 泰弘岡本
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 1999-07-19
Filing date: 1999-07-19
Publication date: 2001-02-09

Abstract

(57)【要約】【課題】移動体を移動させる速度を向上させ得、また、
弾性表面波のエネルギー効率の向上を図れる弾性表面波
駆動装置を提供する。【解決手段】圧電基板１の上に離隔配置された２つの一
方向性電極２、３に、電源４、５、６、７より交流電圧
を印加し、両一方向性電極２、３の間に配置される移動
体１０を弾性表面波の伝搬に伴い移動させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電気機械変換素子
を使用した駆動装置に関し、小型で精密な駆動が要求さ
れる弾性表面波駆動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、物体を直接駆動するモータとし
て、超音波モータが知られている。この超音波モータに
より駆動される物体としては、例えばＸＹ駆動テーブル
やカメラの投影レンズなどが該当する。この超音波モー
タよりも精密な駆動を行うモータとして、弾性表面波モ
ータが提案されている（特開平７−２３１６８５、特開
平９−２３３８６５）。この弾性表面波モータによる場
合には、固体のみならず液体も駆動対象とすることが可
能である（特開平１０−３２７５９０）。

【０００３】図８は、弾性表面波モータの駆動原理を示
す図である。

【０００４】弾性表面波モータは、図８（ａ）（平面
図）に示すように、圧電基板１００上の略中央に交差指
電極１０１が設けられ、両端部に右上がりのハッチング
にて示す振動吸収材１０２、１０３が設けられた構成で
ある。

【０００５】上記交差指電極１０１に、図略の電源から
所定周波数の交流電圧が供給されると、圧電基板１００
の表面に弾性表面波が生成し、後述する図８（ｂ）に示
すように、その弾性表面波１０７は後方楕円運動をしつ
つ圧電基板１００上を伝搬する。そして、交差指電極１
０１と左側の振動吸収材１０２との間の弾性表面波伝搬
部１０４には、後述する移動体が置かれる。

【０００６】図８（ｂ）は移動体が固体の移動体１０５
である場合の説明図（正面図）で、図８（ｃ）は移動体
が右上がりのハッチングにて示す液体の移動体１０６で
ある場合の説明図（正面図）である。

【０００７】図８（ｂ）に示すように、移動体が固体の
移動体１０５である場合には、弾性表面波１０７の波頭
１０７ａに乗ることとなる移動体１０５は、波頭１０７
ａが後方楕円運動をするため弾性表面波の進行方向とは
逆に進む。つまり、移動体１０５は交差指電極１０１に
近付く方向に移動することとなる。一方、図８（ｃ）に
示すように、移動体が液体の移動体１０６である場合に
は、その移動体１０６は弾性表面波１０７の進行方向に
進む。つまり、移動体１０６は交差指電極１０１から遠
ざかる方向に進む。なお、生成した弾性表面波１０７は
交差指電極１０１の両側に進み、圧電基板１００の端部
にある振動吸収材１０２、１０３により吸収され、反射
を起こさないようになっている。

【０００８】ところで、図８に示す形態の弾性表面波モ
ータでは、移動体を一方向にしか動かすことが出来な
い。これに対して、カメラのレンズ駆動など一般的な用
途では移動体が一軸上を両方向に動くことが要求され
る。そこで、移動体を両方向に動かす場合には、交差指
電極を一軸上に２つ配置し、その間に移動体を置くこと
になる（特開平９−２３３８６５）。

【０００９】図９に、この弾性表面波モータの従来例を
示す。移動体は固体である。

【００１０】この弾性表面波モータは、圧電基板１１０
には交差指電極１１１、交差指電極１１２が設けられ、
それぞれの電極１１１、１１２には電源１１３、電源１
１４が接続されている。また、圧電基板１１０の両端部
には、振動吸収材１１５、１１６が設けられている。

【００１１】かかる構成の弾性表面波モータにおける交
差指電極１１１と交差指電極１１２との間に、固体の移
動体１０５が置かれる。その移動体１０５を図の右側に
動かす場合には、電源１１３より高周波電圧を交差指電
極１１１に加え、交差指電極１１１より弾性表面波を左
向きに生成させる。一方、移動体１０５を図の左側に動
かす場合には、電源１１４より高周波電圧を交差指電極
１１２に加え、交差指電極１１２より弾性表面波を右向
きに生成させる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図９の弾性表
面波モータでは、交差指電極１１１と１１２とを対向さ
せて配設しているため、弾性表面波が進行先の交差指電
極１１１（又は１１２）で反射し、これにより弾性表面
波の伝搬エネルギーが低減されて、移動体１０５の動作
速度が低下するという問題がある。

【００１３】上記問題を、図１０を用いて説明する。

【００１４】図１０（ａ）は対向する電極が無い場合の
正面図、図１０（ｂ）は対向する電極が無い場合の弾性
表面波の一例を示す図、図１０（ｃ）は対向する電極が
有る場合の正面図、図１０（ｄ）は対向する電極が有る
場合の弾性表面波の一例を示す図である。なお、図１０
（ｂ）および（ｄ）における図は、横軸に時間を、縦軸
に弾性表面波の振幅をとっている。

【００１５】図１０（ａ）に示すように対向する電極が
無い場合には、図１０（ｂ）に示すように交差指電極１
０１で数波長分の弾性表面波を発生させると、その弾性
表面波は圧電基板１００の端部に設けた振動吸収材１０
２、１０３で吸収されるため、数波長分の１つの連続す
る波のみが観測される。

【００１６】これに対して、図１０（ｃ）に示すように
対向する電極がある場合には、交差指電極１１１と１１
２との一方、例えば交差指電極１１１より同様に数波長
分の弾性表面波Ｂを発生させても、図１０（ｄ）に示す
ように、より多くの波長分の波が観測される。その理由
は、交差指電極１１１と対向する交差指電極１１２で波
が反射されるためである。そして、交差指電極１１２で
反射された波Ｃは、波Ｂを励起した交差指電極１１１で
もさらに反射され、両電極１１１、１１２間で何度も反
射が起こることになる。なお、図１０（ｂ）および図１
０（ｄ）に示す波形は、図１０（ａ）および図１０
（ｃ）に示すＡ地点におけるものである。

【００１７】次に、この反射波の影響について、図１１
に基づき説明する。

【００１８】例えば、移動体を右に動かすときには、波
頭が後方楕円運動をすることを考慮して、図１１（ａ）
に示すように交差指電極１１１より左向きの弾性表面波
１１７ａを発生させる。このとき、左向きの弾性表面波
１１７ａはそのまま進み、交差指電極１１６により反射
され、右向きの弾性表面波が反射して返ってくる時間
は、移動体が両交差指電極１１１と１１２との間の領域
を動くのに要する時間より極めて短い。よって、実際
に、この領域の上で移動体を動かす場合、交差指電極１
１１にて最初に生成した弾性表面波と、交差指電極１１
２での反射波とを、すべて重ね合わせた波で移動体は動
くことになる。このとき、図１１（ｂ）に示すように、
弾性表面波は反射によって減衰した反射波１１７ｂとな
るため、最初に左向きに生成した方向の弾性表面波１１
７ａの影響が強く、移動体は右に動くことになるもの
の、弾性表面波１１７ａの反射が起こらない方が移動体
の速度が向上する。この反射を抑えることが、従来から
の課題の１つであった。

【００１９】また、動作効率の悪さの問題もある。

【００２０】図８（ｂ）で示したように交差指電極１０
１からは左右両方向に弾性表面波１０７が発生する。し
かしながら、移動体１０５の無い側で生成した波は振動
吸収材１０３に吸収され、エネルギーとしては無駄にな
ってしまう。この無駄をなくすことも従来からの課題で
あった。

【００２１】本発明は、このような従来技術の課題を解
決すべくなされたものであり、移動体を移動させる速度
を向上させ得、また、弾性表面波のエネルギー効率の向
上を図れる弾性表面波駆動装置を提供することを目的と
する。

【００２２】

【課題を解決するための手段】本発明では、弾性表面波
の励起に一方向性電極を用いることで、従来の課題を解
決した。

【００２３】本発明の請求項１の弾性表面波駆動装置
は、圧電基板の上に離隔配置された２つの弾性表面波励
起用駆動電極に交流電圧を印加し、両駆動電極の間に配
置される移動体を弾性表面波の伝搬に伴い移動させる弾
性表面波駆動装置において、上記駆動電極が一方向性電
極からなることを特徴とする。

【００２４】この構成による場合は、一方向性電極が圧
電基板上を伝達してきた弾性表面波の反射を非常に少な
くすることができ、それ故に移動体の移動速度を向上さ
せ得る。さらに、一方向性電極は、その名前のとおり一
方向にしか弾性表面波を生成しないので、その弾性表面
波の生成方向を移動体の存在する方向に設定することに
よりエネルギー効率も改善できる。

【００２５】請求項１に記載の弾性表面波駆動装置にお
いて、前記一方向性電極の各々は、（１／４＋ｎ）波長
（ｎは整数）に相当する距離だけ離隔して配置された２
つの交差指電極からなり、これら２つの交差指電極にそ
れぞれπ／２位相をずらした電圧を印加する構成とする
ことができる。

【００２６】この構成による場合は、一方向性電極を構
成する２つの交差指電極における各々の電圧の位相差が
π／２である。また、２つの交差指電極の間の距離が
（１／４＋ｎ）波長分であり、その２倍の距離だけ弾性
表面波の位相がずれるため、弾性表面波の位相ずれは
（１／４＋ｎ）波長×２＝（１／２＋２ｎ）波長であ
る。よって、移動体寄りの交差指電極で反射された弾性
表面波と、移動体から遠い側の交差指電極で反射された
弾性表面波との位相差はπだけずれた状態となり、両弾
性表面波は相互に打ち消し合い、反射波の影響が消失さ
れることとなる。

【００２７】請求項２に記載の弾性表面波駆動装置にお
いて、各一方向性電極を構成する前記２つの交差指電極
のうち移動体に近い側の交差指電極の対数が少ない構成
とすることができる。

【００２８】この構成による場合は、移動体に近い側の
交差指電極の対数が少ないので、この交差指電極を弾性
表面波が透過し易くなる。よって、移動体から遠い側の
交差指電極にて反射された弾性表面波と、移動体に近い
側の交差指電極にて反射された弾性表面波との振幅がほ
ぼ同一になり、両反射波における相互の打ち消し合い程
度が向上することとなる。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施形態を具体
的に説明する。

【００３０】図１は、本実施形態に係る弾性表面波駆動
装置を示す平面図である。

【００３１】この弾性表面波駆動装置は、圧電基板１
と、２つの一方向性電極２、３と、４つの電源４、５、
６、７とを備える。

【００３２】上記圧電基板１は、材料にＬｉＮｂＯ₃を
用いたものである。この圧電基板１の上に適長離隔して
一方向性電極２と３とが形成され、これら一方向性電極
２、３はどちらも２つの波の重ね合わせにおける位相条
件の違いを利用して一方向性としたタイプであり、２つ
の交差指電極から構成されている。

【００３３】具体的には、一方向性電極２は２つの交差
指電極２Ａと２Ｂとからなり、交差指電極２Ａと２Ｂ
は、１／４波長の間隔をあけて配置されている。交差指
電極２Ａは２つの簾状電極２ａ、２ａ′とから構成さ
れ、交差指電極２Ｂは２つの簾状電極２ｂ、２ｂ′とか
ら構成されている。

【００３４】一方向性電極３は、一方向性電極２のパタ
ーンを反転させた、つまり線対称の構成であり、２つの
交差指電極３Ａと３Ｂとからなり、交差指電極３Ａと３
Ｂは、１／４波長の間隔をあけて配置されている。交差
指電極３Ａは２つの簾状電極３ａ、３ａ′とから構成さ
れ、交差指電極３Ｂは２つの簾状電極３ｂ、３ｂ′とか
ら構成されており、交差指電極３Ａと３Ｂは、１／４波
長の間隔をあけて配置されている。

【００３５】また、交差指電極の隣合う指どうしの対の
数、つまり対数については、移動体に近い側の交差指電
極２Ｂ、３Ｂにおける対数は１０対、遠い側の交差指電
極２Ａ、３Ａの対数は３０対である。また、簾状電極２
ａには電源４が接続され、簾状電極２ｂには電源５が、
簾状電極３ａには電源６が接続され、簾状電極３ｂには
電源７がそれぞれ接続されている。また、簾状電極２
ａ′、簾状電極２ｂ′、簾状電極３ａ′および簾状電極
３ｂ′は接地または一定電圧が印加されるようになって
いる。

【００３６】電源５と７は、電圧Ｖ₂＝Ｖ₀₂・ｓｉｎ
（ωｔ−π／２）を交差指電極２Ｂ、３Ｂに印加し、電
源４と６は、電圧Ｖ₁＝Ｖ₀₁・ｓｉｎωｔを交差指電極
２Ａ、３Ａに印加する。ここで、Ｖ₀₁とＶ₀₂は一定電圧
値、ωは角速度、ｔは時間である。

【００３７】よって、一方向性電極２を構成する２つの
交差指電極２Ａと２Ｂは、例えばどちらも波長４００μ
ｍで中心周波数が９．７ＭＨｚの弾性表面波を発生させ
る。また、一方向性電極３を構成する２つの交差指電極
３Ａと３Ｂも同様である。

【００３８】このように構成され、モータとして機能す
る本実施形態の弾性表面波駆動装置に対して、固体の移
動体１０が一方向性電極２と３との間に配設される。

【００３９】図２は固体の移動体１０を示す図であり、
（ａ）は正面図、（ｂ）は底面図である。

【００４０】本実施形態の弾性表面波駆動装置にて生成
する弾性表面波の振幅は数十ｎｍと非常に小さい。そこ
で、移動体１０の基板接触部には、図中に見られるよう
な突起１０ａを設けることで、弾性表面波の力を移動体
駆動に取り出すことができるようにしている。また、移
動体１０には、図示しない磁石、バネなどにより圧電基
板１側に予圧が付与されている。

【００４１】したがって、本実施形態にあっては、移動
体１０の無い側では、交差指電極２Ａ、２Ｂで生成され
る弾性表面波の位相差がπとなって弱め合い、一方移動
体１０の有る側では交差指電極２Ａ、２Ｂで生成される
波の位相差が０となって強め合うこととなる。

【００４２】このとき、電圧Ｖ₁のＶ₀₁、電圧Ｖ₂のＶ₀₂
を調整し、移動体１０の無い側のそれぞれの波の振幅を
同じにし、波が完全に打ち消し合うようにしている。本
実施形態では、Ｖ₀₁＝２０Ｖ_0-p、Ｖ₀₂＝１００Ｖ_0-pと
することで移動体の無い側での波の生成を抑えている。
これによりエネルギー損失を抑えることが出来る。

【００４３】本発明では、このような一方向性電極を駆
動装置に利用し、対向させて配置することで損失を抑え
るだけでなく、反射を抑制し性能を高めながら、移動体
を両方向へ動かすことを可能としている。

【００４４】図３に、一方向性電極２での波生成の様子
を示す。

【００４５】交差指電極２Ａと交差指電極２Ｂとの間隔
（１／４λ、λ：波長）と印加電圧の位相差から、移動
体の無い側（右側）では、一方の交差指電極にて発生し
た弾性表面波１１ａに対して他方の交差指電極にて発生
した弾性表面波１１ｂとは位相差がπとなり（図３
（ａ）参照）、これらを重ね合わせた波は打ち消される
（図３（ｂ）参照）。一方、移動体の有る側（左側）で
は、一方の交差指電極にて発生した弾性表面波１１ｃに
対して他方の交差指電極にて発生した弾性表面波１１ｄ
とは位相差が０となり（図３（ａ）参照）、波は強め合
うこととなる（図３（ｂ）参照）。

【００４６】図４に、一方向性電極での波反射の様子を
示す。

【００４７】図４（ａ）に示すように、圧電基板１の上
に形成された２つの一方向性電極２と３のうち、右側の
一方向性電極２で数個の弾性表面波を発生させると、左
側の一方向性電極３を構成する交差指電極３Ａと交差指
電極３Ｂの両方で反射される。このとき、交差指電極３
Ａと交差指電極３Ｂとの間隔が１／４波長なので、図４
（ｂ）に示す交差指電極３Ａからの反射波と、図４
（ｃ）に示す交差指電極３Ｂからの反射波の位相差はπ
となり、図４（ｄ）に示すようにこれら反射波は互いに
弱め合うこととなる。

【００４８】このように波反射が起こる一方向性電極に
おける２つの交差指電極については、交差指電極３Ａで
反射される波が交差指電極３Ｂを透過してきた波である
から、交差指電極３Ｂの対数はある程度少な目にし、交
差指電極３Ｂにおける波を透過させ易くする必要があ
る。なお、反射波を打ち消し合わせるための交差指電極
３Ａ、交差指電極３Ｂの適当な対数は、基板の電気機械
結合係数に依存する。このことは、左側の一方向性電極
３で弾性表面波を発生させた場合に反射を起こす右側の
一方向性電極２においても同様である。

【００４９】なお、上述した実施形態では各一方向性電
極が各々２つの交差指電極にて構成されたものを用いて
いるが、本発明はこれに限らず、図５や図６に示すよう
な各一方向性電極の各々が、分離されず一体的になった
電極を使用することもできる。

【００５０】図５に示す弾性表面波駆動装置は、圧電基
板１の上に、相互に適長離隔して２つの一方向性電極１
２と１３が設けられている。各一方向性電極１２、１３
は、所定幅のアース電極１２ａ、１３ａを蛇行状に配置
するもので、グループ形一方向性電極と呼ばれる。この
タイプの一方向性電極１２、１３は、一体的な構成であ
っても、上述したように弾性表面波の反射を非常に少な
くすることができ、また、一方向にしか弾性表面波を生
成しないので、図１の実施形態に示した交差指電極２Ａ
（３Ａ）と交差指電極２Ｂ（３Ｂ）とを分離させずに一
体化させた構成としている。

【００５１】そして、一方向性電極１２、１３の電極１
２ｂ、１３ｂに電源１４、１６よりＶ₂＝Ｖ₀₂・ｓｉｎ
（ωｔ−π／２）を印加し、電極１２ｃ、１３ｃに電源
１５、１７よりＶ₁＝Ｖ₀₁・ｓｉｎωｔを印加すること
により、一方向性の弾性表面波を励起する。

【００５２】図６に示す弾性表面波駆動装置は、圧電基
板１の上に、相互に適長離隔して２つの一方向性電極２
２と２３が設けられている。この一方向性電極２２、２
３は浮き電極２２ａ、２３ａを正・負励起電極２２ｂ・
２２ｃ、２３ｂ・２３ｃ間の中心からずらす方法を採る
もので、ＦＥＵＤＲＴ（ｆｌｏａｔｉｎｇｅｌｅｃｔ
ｒｏｄｅｔｙｐｅｕｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎｔｒ
ａｎｓｄｕｃｅｒ）と呼ばれる。そして、正・負励起電
極２２ｂ・２２ｃ、２３ｂ・２３ｃ間に、電源２４、２
５よりＶ₁＝Ｖ₀₁・ｓｉｎωｔを印加することにより、
浮き電極２２ａ、２３ａの反射を利用して一方向性の弾
性表面波を励起する。

【００５３】また、上述した実施形態では移動体が固体
の場合を例に挙げて説明しているが、本発明は移動体が
固体の場合だけでなく、液体の場合でも有用である。

【００５４】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明による弾性
表面波駆動装置は、弾性表面波を励起する電極に一方向
性電極を使用し、その一方向性電極が圧電基板上を伝達
してきた弾性表面波の反射を非常に少なくすることがで
き、それ故に、図７に示すように移動体の移動速度を従
来例による場合よりも５割〜６割程度向上させ得る。さ
らに、一方向性電極は一方向にしか弾性表面波を生成し
ないので、その弾性表面波の生成方向を移動体の存在す
る方向に設定することによりエネルギー効率も改善でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る弾性表面波駆動装置を
示す平面図である。

【図２】本発明の実施形態に係る弾性表面波駆動装置に
より駆動される固体の移動体を示す図であり、（ａ）は
正面図、（ｂ）は底面図である。

【図３】（ａ）および（ｂ）は共に、本発明の実施形態
に係る弾性表面波駆動装置に備わった一方向性電極での
波生成の様子を示す正面図である。

【図４】本発明の実施形態に係る弾性表面波駆動装置に
備わった一方向性電極での波反射の様子を示す正面図で
あり、（ａ）は発生した弾性表面波を示し、（ｂ）と
（ｃ）は反射波を示し、（ｄ）は両反射波が打ち消し合
った状態を示す。

【図５】本発明の他の実施形態に係る弾性表面波駆動装
置を示す平面図である。

【図６】本発明の更に他の実施形態に係る弾性表面波駆
動装置を示す平面図である。

【図７】本発明の弾性表面波駆動装置による移動体の速
度アップの効果を、従来例と比較して示すグラフであ
る。

【図８】（ａ）は弾性表面波モータの駆動原理を示す平
面図、（ｂ）は移動体が固体の移動体である場合の説明
図（正面図）、（ｃ）は移動体が液体の移動体である場
合の説明図（正面図）である。

【図９】従来の弾性表面波モータを示す外観斜視図であ
る。

【図１０】従来の弾性表面波モータにおける問題点を説
明するための図であり、（ａ）は対向する電極が無い場
合の正面図、（ｂ）は対向する電極が無い場合の弾性表
面波の一例を示す図、（ｃ）は対向する電極が有る場合
の正面図、（ｄ）は対向する電極が有る場合の弾性表面
波の一例を示す図である。

【図１１】従来の弾性表面波モータにおける反射波の影
響について説明する図であり、（ａ）は弾性表面波を発
生させた状態を示す正面図、（ｂ）はその反射波を示す
正面図である。

【符号の説明】

１圧電基板２、３、１２、１３、２２、２３一方向性電極２Ａ、２Ｂ、３Ａ、３Ｂ交差指電極４、５、６、７電源

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Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電基板の上に離隔配置された２つの弾
性表面波励起用駆動電極に交流電圧を印加し、両駆動電
極の間に配置される移動体を弾性表面波の伝搬に伴い移
動させる弾性表面波駆動装置において、上記駆動電極が一方向性電極からなることを特徴とする
弾性表面波駆動装置。
【請求項２】請求項１に記載の弾性表面波駆動装置に
おいて、前記一方向性電極の各々は、（１／４＋ｎ）波長（ｎは
整数）に相当する距離だけ離隔して配置された２つの交
差指電極からなり、これら２つの交差指電極にそれぞれ
π／２位相をずらした電圧を印加することを特徴とする
弾性表面波駆動装置。
【請求項３】請求項２に記載の弾性表面波駆動装置に
おいて、各一方向性電極を構成する前記２つの交差指電極のうち
移動体に近い側の交差指電極の対数が少ないことを特徴
とする弾性表面波駆動装置。