JP2004187334A - 超音波モータ及び超音波モータ付き電子機器 - Google Patents
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Abstract
【課題】圧電素子を積層して振動体を構成した場合、不要モードが使用共振点付近に励振されること、または不要モードとの結合したモードが励振されることの無い超音波モ−タを提供すること。
【解決手段】複数の種類の圧電素子１，２を積層して振動体１０を構成し、前記積層方向と直交する方向に発生する振動変位により振動体１０と接する稼動体、もしくは振動体自体を駆動する超音波モータであり、圧電素子１，２は振動体１０の厚さ方向の中央に対して対称に配置されている。
【選択図】 図１
【解決手段】複数の種類の圧電素子１，２を積層して振動体１０を構成し、前記積層方向と直交する方向に発生する振動変位により振動体１０と接する稼動体、もしくは振動体自体を駆動する超音波モータであり、圧電素子１，２は振動体１０の厚さ方向の中央に対して対称に配置されている。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は振動体の振動により、移動体を摩擦駆動する超音波モータに関し、特に振動体に同一面内方向への伸縮振動と屈曲振動を励振し移動体を駆動する超音波モータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
弾性体の共振モードを利用した超音波モータは制御性に優れ、精密位置決め用アクチュエータとしても注目されている。特に、各種ステージ用のアクチュエータとしてはリニヤ型の超音波モータが要求される場合が多く、多くのタイプが提案され研究されている。その中でも、矩形板の縦（伸縮）振動と屈曲振動の合成振動を利用した超音波モータは様々なものが研究されている。これらの中でも積層型圧電素子を用いた超音波モータは、▲１▼低電圧駆動 ▲２▼小型・高出力 ▲３▼制御性に優れる ▲４▼構造が簡単 ▲５▼製造工程が少ない 等の特徴を有する（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
以下に、構造並びに駆動原理を説明する。図４において、振動体４０は二種類の圧電素子１３および８を厚み方向に積層して構成される。図４（ａ）は振動体４０を上方から見た図であり、第一の圧電素子１３は圧電素子１３の長さおよび幅の中央を結んでできた四つの領域において図中の＋、−で示される様に分極方向が変えられ厚み方向に分極処理されている。圧電素子１３の一方の面には各分極領域に対応するように電極９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅが設けられている。圧電素子１３の他方の面にはほぼ全体に渡って電極９ｆが設けられている。圧電極９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅと電極９ｆ間に駆動信号を印加することにより厚みと直交する方向に屈曲振動を励振する。図４（ｃ）は振動体４０を下方から見た図であり、第二の圧電素子８は全体に渡って同一方向に分極処理されている。そして圧電素子８の表裏の面のほぼ全面には電極９ａ、９ｆが設けられており、電極９ａと９ｆの間に駆動信号を印加することにより厚みと直交する方向に伸縮（縦）振動を励振する。従って電極９ｆは圧電素子１３、８の共通電極となっている。
【０００４】
駆動方法としては例えば図４（ｂ）に示した様に、発振回路１２の信号を、そのまま増幅回路Ａ１０ａで増幅した信号を第一の圧電素子１３に印加し、発振回路１２の信号を、移相回路１１により例えば９０度位相をずらした信号を、増幅回路Ｂ１０ｂで増幅した信号を第二の圧電素子８に印加すれば、時間的に位相の異なる縦振動と屈曲振動を励振でき、振動体４０の側面は図４（ｄ）に示した様に楕円運動する。従って、振動体４０と接した移動体は動作する。
【０００５】
また、この様な構造とすることで伸縮（縦）振動と屈曲振動を独立に制御できる為、変位のなす楕円の形状をコントロールでき、モータ特性（速度、推進力）を広範囲に可変可能であるとともに高精度な位置決めが可能となる。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−１１６１６２号公報（第５−７頁、第４図及び第５図）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら図４に示した様に縦振動励振用圧電素子と屈曲振動励振用圧電素子二枚を単に重ねて積層して振動体を構成した場合、以下に示すような現象が生じやすい。▲１▼厚み方向曲げ振動を始めとし、不要モードが使用共振点付近に励振される。▲２▼厚み方向曲げ振動を始めとし、不要モードと結合したモードが励振される。これらの一例を有限要素法による解析結果を基に示す。解析したモデルは図４に示すものと同じ構成のものであり、長さ２０ｍｍ、幅５．４５ｍｍ、厚み２ｍｍ（二つの圧電素子は各１ｍｍ）の形状をしている。
【０００８】
図５は縦振動励振用圧電素子に信号を印加した場合の周波数−アドミッタンスの関係（図中太線で示す）であるが縦振動の共振点（８０ＫＨｚ付近）の近傍（８１ＫＨｚ付近）にも不要振動、すなわち図６に示す厚み方向への屈曲振動が励振されてしまっている。
【０００９】
図７は実際の使用状態、即ち縦振動励振用圧電素子と屈曲振動励振用圧電素子に駆動信号を印加した場合の屈曲振動の共振点における振動体の側面を見たものであるが、厚み方向に屈曲変形しており、厚み方向屈曲振動も励振されていることがわかる。
【００１０】
図５に示した様に使用する共振点、即ち駆動周波数付近に不要モードが励振されると、振動変位に不要モードの変位が重畳される為、移動体には不必要な変位成分が加わり、駆動効率が低下する。また、この不要モードの影響は僅かな周波数の違いで影響度も大きく変化するため、特性ばらつきの要因ともなる。更には不要モードの影響により自励発振駆動が難しくなる。
【００１１】
図７に示した状態でも同様となる。また、不要モードと結合した場合には、振動体の電気−機械結合係数が低下するため移動体の速度、推進力は低下する。そして、振動変位に不要モードの変位の成分も含まれる為、移動体には不必要な変位成分が加わり、駆動効率が低下する。
【００１２】
以上不要モードの影響について一例を示したが、振動体の形状によって様々な振動モードの影響を受ける。
【００１３】
また、同様の問題は、複数設けた圧電素子のうち、一部の圧電素子に駆動信号を印加して駆動する方式の超音波モータにおいても発生する恐れがある。圧電素子によって発生する応力が振動体全体に均等に掛からないため、厚み方向の屈曲振動を励振する可能性があるためである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明の圧電アクチュエータは、複数の種類の圧電素子を積層して振動体を構成し、前記積層方向と直交する方向に発生する振動変位により前記振動体と接する稼動体、もしくは振動体自体を駆動する超音波モータにおいて、前記複数の種類の圧電素子は前記振動体の厚さ方向の中央に対して対称に配置されていることを特徴とする。もしくは前記複数の種類の圧電素子は交互に積層されていることを特徴とする。
もしくは、弾性体と、前記弾性体を挟む様に配置され前記弾性体の一方の面と他方の面に接合された同一の圧電素子を有する振動体を有する超音波モータであって、前記圧電素子の前記積層方向と直交する方向に発生する振動変位により前記振動体と接する稼動体、もしくは振動体自体を駆動する。
【００１５】
もしくは複数の種類の圧電素子を積層もしくは圧電素子と弾性体を積層して振動体を構成し、前記積層方向と直交する方向に発生する振動変位により前記振動体と接する稼動体、もしくは振動体自体を駆動する超音波モータにおいて、前記複数の種類の圧電素子は夫々異なる振動を励振するものであり、前記積層された圧電素子を挟む様に配置され、前記積層された圧電素子の一方の面と他方の面に接合された弾性体からなる振動体を有する超音波モータとする。
【００１６】
また別な解決方法として、複数の種類の圧電素子を積層して振動体を構成し、前記積層方向と直交する方向に発生する振動変位により前記振動体と接する稼動体、もしくは振動体自体を駆動する超音波モータにおいて、前記振動は伸縮振動と屈曲振動であり、前記伸縮振動と屈曲振動の固有周波数付近に、前記振動体の厚み方向の屈曲振動の固有周波数が位置しない様に前記振動体の厚みを決定する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を従来例との差異を中心に図面を基に説明する。
（実施の形態１）
図１は本発明の超音波モータの振動体を示したものである。振動体１０は二種類の圧電素子１および２を厚み方向に積層して構成される。第一の圧電素子１（１ａ、１ｂ）は圧電素子１の長さおよび幅の中央を結んでできた四つの領域において図中の＋、−で示される様に分極方向が変えられ厚み方向に分極処理されている。図示しないが圧電素子１の表裏に設けた電極に駆動信号を印加することにより厚みと直交する方向に屈曲振動を励振する。第二の圧電素子２は全体に渡って同一方向に分極処理されている。図示しないが圧電素子２の表裏に設けた電極に駆動信号を印加することにより厚みと直交する方向に伸縮（縦）振動を励振する。
【００１８】
図１（ａ）に示した様に第二の圧電素子２の表裏を挟む形で第一の圧電素子１ａ、１ｂが積層されている。接合方法としては接着の他、シートプロセスを用いて作製した圧電素子のシートを重ねた後で、焼成しても構わない。そして、振動体１０の厚みの中心から見て表裏方向に対称に二つの圧電素子１，２が配置されている。このルールさえ守れば圧電素子１，２の枚数及び厚み並びに配置は任意である。また、図示しない電極及び各電極間の短絡方法も任意であり、圧電素子１、２の間に絶縁層を設けても構わない。駆動信号印加時には二つの圧電素子１、２は夫々異なる応力を発生するがこのような配置にすることにより厚み方向への屈曲変位が発生するような応力は発生しない。従って、使用する共振点、即ち縦振動モードと積層方向と直交する方向への屈曲振動モードの共振点付近には不要モードは励振されない。また不要モードと結合することもない。
【００１９】
ここでは矩形板の振動体について述べたが、例えば円板や円環状の振動体の面内方向の屈曲振動と面内振動を利用する超音波モータや面内方向の屈曲振動や面内振動を利用する圧電トランス等の圧電デバイスにも応用可能である。
【００２０】
また図９に示すように複数の種類の圧電素子１、２を交互に積層して振動体を構成しても夫々の圧電素子で発生する力は均等になるから同様の効果が得られる。
【００２１】
（実施の形態２）
図２は本発明の超音波モータの振動体の第二の例を示したものである。振動体２０は二種類の圧電素子３、４および二つの弾性体５ａ、５ｂを厚み方向に積層して構成される。第一の圧電素子３は圧電素子３の長さおよび幅の中央を結んでできた四つの領域において図中の＋、−で示される様に分極方向が変えられ厚み方向に分極処理されている。図示しないが圧電素子３の表裏に設けた電極に駆動信号を印加することにより厚みと直交する方向に屈曲振動を励振する。第二の圧電素子４は全体に渡って同一方向に分極処理されている。図示しないが圧電素子２の表裏に設けた電極に駆動信号を印加することにより厚みと直交する方向に伸縮（縦）振動を励振する。
【００２２】
図２（ａ）に示した様に接合された第一の圧電素子３、第二の圧電素子４の上下の面を挟む形で二つの弾性体５ａ、５ｂが接合されている。このように本実施の形態では二種類の圧電素子３，４は積層方向に対して対称に配置していないが、厚み方向への屈曲変位が発生するような応力が働いた際に応力が最大となる上下の面に厚みが同じ弾性体５ａ、５ｂを設けることによりその応力による不要モードの発生や、使用モードと不要モードとの結合の影響を最小限にすることが可能となる。
【００２３】
弾性体５ａ、５ｂはアルミ合金やステンレス等の金属等からなり、圧電素子３，４に対し厚みが厚いことが望ましい。
【００２４】
（実施の形態３）
図３は本発明の超音波モータの振動体の別の例を示したものである。振動体３０は二つの同一の圧電素子６ａ、６ｂが弾性体７の上下の面を挟み込むように接合され構成されている。圧電素子６は圧電素子６の長さおよび幅の中央を結んでできた四つの領域において全て図中の＋で示される様に厚み方向に同一方向に分極処理されている。図示しないが圧電素子６の一方の面には四つの分割電極が、他方の面には前面に渡って電極が設けられている。四つの分割領域のうち対角にあたる二つの領域に駆動信号を印加することにより厚みと直交する方向に屈曲振動と伸縮（縦）振動を同時に励振する。
【００２５】
この様に圧電素子のみを用いて振動体を構成することも可能であるが、その場合、機械的強度を得るには圧電素子の厚みを厚くしなければならず分極電圧が高くなり製造が難しくなるだけでなく駆動電圧も高くなってしまう。そこで厚みの薄い圧電素子を金属等の弾性体と接合して使用すればよいが、この場合、構造がユニモルフ構造となるため不要振動となる厚み方向への屈曲振動を励振し易くなってしまう。ここで、圧電素子を弾性体の両面に接合すればこの現象は緩和されるが、面内において分極方向が異なる圧電素子を使用した場合や、図３の例の様に一部分のみに駆動信号を印加した場合には屈曲振動を励振する恐れがある。
【００２６】
そこで、本実施の形態では弾性体７の厚み方向の曲げ剛性が圧電素子６ａ、６ｂ全体の曲げ剛性よりも大きくなる様に弾性体７の厚みを設定することで厚み方向の屈曲振動は抑制される。圧電素子は本実施の形態に限るものではなく図４に示した様に異なる振動体を励振する方式についても同様の構成が採れる。また、弾性体の両端に圧電素子を接合し何れか一方を駆動する方式の超音波モータについても同様の構成が採れる。
【００２７】
以上により、不要モードの影響を受けないだけでなく、厚みの薄い圧電素子を複数枚設けることによる低電圧駆動、高出力化のメリットも出る。
【００２８】
（実施の形態４）
不要モードの結合、励振等の影響を受けない対策として、振動体形状を特定形状にすることでも対応可能である。
【００２９】
以下に有限要素法による解析結果を基に例を示す。解析したモデルは図４に示すものと同じ構成のものであり、長さ２０ｍｍ、幅５．４５ｍｍであり、厚み（二つの圧電素子の厚みは等しい）を１ｍｍ、２ｍｍ、４ｍｍと変えて固有値解析をした場合の結果を図８に示す。
図８（ａ）は厚みが１ｍｍの場合の、（ｂ）は厚みが２ｍｍの場合の、（ｃ）は厚みが３ｍｍの縦振動のモードを示したものである。（ｃ）以外は厚み方向屈曲変位成分が混在していることがわかる。ちなみに上記の条件では屈曲振動はいずれの場合も不要振動の影響を受けていない正常な形状（純粋な屈曲振動モード）であった。
【００３０】
これらは使用する振動モードの共振周波数はほとんど依存しないが、厚みにより共振周波数が変化する様々な厚み方向の屈曲振動モードの共振周波数が使用する振動モードの共振周波数に近づいたため発生したと考えられる。従って、例えば（ｃ）の条件の様に伸縮振動と屈曲振動の固有周波数付近に、振動体の厚み方向の屈曲振動モードの固有周波数が位置しない様に振動体の厚みを決めることで不要モードの影響を受けないようにできる。
【００３１】
尚、本実施の形態は圧電素子と弾性体を接合等の手段によって積層し、積層方向と直交する面内方向の振動を利用した超音波モータにも適用可能である。
【００３２】
（実施の形態５）
本発明の圧電アクチュエータを用いて電子機器を構成した例を図１０を基に説明する。図１０は本発明の超音波モータを用いてハードディスクドライブ機構における読み取りヘッドの位置決め駆動を行うものである。ディスク１５上の読み取りヘッド１６ｂはアーム１６ａの先端に取り付けられている。アーム１６ａの他端は、アーム１６ａの回転中心となる軸受けが固定されるとともに図示しない軸受けを中心に回転する回転板１６ｃが設けられている。振動体５０は振動の節となる中央部で案内部材１８ａ、１８ｂによって、長手方向に移動可能な様に案内されている。回転板１６ｃの外周部には振動体５０に接合された突起１７がばね１４の力を受け接触されている。回転板１６ｃは突起１７の力を受け動作する。本超音波モータは駆動信号一周期あたりの送り量が極めて小さくできるため回転板１６ｃ、即ちヘッド１６ｂの位置決め精度は極めて高く、ディスク１５の記録密度を格段に上げることが可能となる。
【００３３】
ここではハードディスクドライブ機構を例に示したが、加工装置における送り機構やマニュピレータ等へも応用が可能である。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば不要モードが使用共振点付近に励振されることはない。また、不要モードとの結合したモードが励振されることもない。従って、自励発振駆動が容易になると共にアクチュエータ個々の特性ばらつきも小さく、そして目的の振動モードの変位のみを移動体に伝えることが可能なため高い駆動効率が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１にかかわる超音波モータの振動体の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態２にかかわる超音波モータの振動体の構成を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態３にかかわる超音波モータの振動体の構成を示す図である。
【図４】従来の超音波モータの構成を示す図である。
【図５】従来の超音波モータの振動体の周波数応答解析結果の例を示す図である。
【図６】従来の超音波モータの振動体の固有値解析結果の例を示す図である。
【図７】従来の超音波モータの振動体の固有値解析結果の別の例を示す図である。
【図８】従来の超音波モータの振動体の振動解析の結果を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態１にかかわる超音波モータの振動体の別の構成を示す図である。
【図１０】本発明の超音波モータを用いた電子機器を示す図である。
【符号の説明】
１，２，３，４，６，８，１３ 圧電素子
５，７ 弾性体
９ 電極
１０，２０，３０，４０，５０ 振動体
１４ ねじ
１５ ディスク
１６ アーム
１７ 突起
１８ 案内部材
【発明の属する技術分野】
本発明は振動体の振動により、移動体を摩擦駆動する超音波モータに関し、特に振動体に同一面内方向への伸縮振動と屈曲振動を励振し移動体を駆動する超音波モータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
弾性体の共振モードを利用した超音波モータは制御性に優れ、精密位置決め用アクチュエータとしても注目されている。特に、各種ステージ用のアクチュエータとしてはリニヤ型の超音波モータが要求される場合が多く、多くのタイプが提案され研究されている。その中でも、矩形板の縦（伸縮）振動と屈曲振動の合成振動を利用した超音波モータは様々なものが研究されている。これらの中でも積層型圧電素子を用いた超音波モータは、▲１▼低電圧駆動 ▲２▼小型・高出力 ▲３▼制御性に優れる ▲４▼構造が簡単 ▲５▼製造工程が少ない 等の特徴を有する（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
以下に、構造並びに駆動原理を説明する。図４において、振動体４０は二種類の圧電素子１３および８を厚み方向に積層して構成される。図４（ａ）は振動体４０を上方から見た図であり、第一の圧電素子１３は圧電素子１３の長さおよび幅の中央を結んでできた四つの領域において図中の＋、−で示される様に分極方向が変えられ厚み方向に分極処理されている。圧電素子１３の一方の面には各分極領域に対応するように電極９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅが設けられている。圧電素子１３の他方の面にはほぼ全体に渡って電極９ｆが設けられている。圧電極９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅと電極９ｆ間に駆動信号を印加することにより厚みと直交する方向に屈曲振動を励振する。図４（ｃ）は振動体４０を下方から見た図であり、第二の圧電素子８は全体に渡って同一方向に分極処理されている。そして圧電素子８の表裏の面のほぼ全面には電極９ａ、９ｆが設けられており、電極９ａと９ｆの間に駆動信号を印加することにより厚みと直交する方向に伸縮（縦）振動を励振する。従って電極９ｆは圧電素子１３、８の共通電極となっている。
【０００４】
駆動方法としては例えば図４（ｂ）に示した様に、発振回路１２の信号を、そのまま増幅回路Ａ１０ａで増幅した信号を第一の圧電素子１３に印加し、発振回路１２の信号を、移相回路１１により例えば９０度位相をずらした信号を、増幅回路Ｂ１０ｂで増幅した信号を第二の圧電素子８に印加すれば、時間的に位相の異なる縦振動と屈曲振動を励振でき、振動体４０の側面は図４（ｄ）に示した様に楕円運動する。従って、振動体４０と接した移動体は動作する。
【０００５】
また、この様な構造とすることで伸縮（縦）振動と屈曲振動を独立に制御できる為、変位のなす楕円の形状をコントロールでき、モータ特性（速度、推進力）を広範囲に可変可能であるとともに高精度な位置決めが可能となる。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−１１６１６２号公報（第５−７頁、第４図及び第５図）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら図４に示した様に縦振動励振用圧電素子と屈曲振動励振用圧電素子二枚を単に重ねて積層して振動体を構成した場合、以下に示すような現象が生じやすい。▲１▼厚み方向曲げ振動を始めとし、不要モードが使用共振点付近に励振される。▲２▼厚み方向曲げ振動を始めとし、不要モードと結合したモードが励振される。これらの一例を有限要素法による解析結果を基に示す。解析したモデルは図４に示すものと同じ構成のものであり、長さ２０ｍｍ、幅５．４５ｍｍ、厚み２ｍｍ（二つの圧電素子は各１ｍｍ）の形状をしている。
【０００８】
図５は縦振動励振用圧電素子に信号を印加した場合の周波数−アドミッタンスの関係（図中太線で示す）であるが縦振動の共振点（８０ＫＨｚ付近）の近傍（８１ＫＨｚ付近）にも不要振動、すなわち図６に示す厚み方向への屈曲振動が励振されてしまっている。
【０００９】
図７は実際の使用状態、即ち縦振動励振用圧電素子と屈曲振動励振用圧電素子に駆動信号を印加した場合の屈曲振動の共振点における振動体の側面を見たものであるが、厚み方向に屈曲変形しており、厚み方向屈曲振動も励振されていることがわかる。
【００１０】
図５に示した様に使用する共振点、即ち駆動周波数付近に不要モードが励振されると、振動変位に不要モードの変位が重畳される為、移動体には不必要な変位成分が加わり、駆動効率が低下する。また、この不要モードの影響は僅かな周波数の違いで影響度も大きく変化するため、特性ばらつきの要因ともなる。更には不要モードの影響により自励発振駆動が難しくなる。
【００１１】
図７に示した状態でも同様となる。また、不要モードと結合した場合には、振動体の電気−機械結合係数が低下するため移動体の速度、推進力は低下する。そして、振動変位に不要モードの変位の成分も含まれる為、移動体には不必要な変位成分が加わり、駆動効率が低下する。
【００１２】
以上不要モードの影響について一例を示したが、振動体の形状によって様々な振動モードの影響を受ける。
【００１３】
また、同様の問題は、複数設けた圧電素子のうち、一部の圧電素子に駆動信号を印加して駆動する方式の超音波モータにおいても発生する恐れがある。圧電素子によって発生する応力が振動体全体に均等に掛からないため、厚み方向の屈曲振動を励振する可能性があるためである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明の圧電アクチュエータは、複数の種類の圧電素子を積層して振動体を構成し、前記積層方向と直交する方向に発生する振動変位により前記振動体と接する稼動体、もしくは振動体自体を駆動する超音波モータにおいて、前記複数の種類の圧電素子は前記振動体の厚さ方向の中央に対して対称に配置されていることを特徴とする。もしくは前記複数の種類の圧電素子は交互に積層されていることを特徴とする。
もしくは、弾性体と、前記弾性体を挟む様に配置され前記弾性体の一方の面と他方の面に接合された同一の圧電素子を有する振動体を有する超音波モータであって、前記圧電素子の前記積層方向と直交する方向に発生する振動変位により前記振動体と接する稼動体、もしくは振動体自体を駆動する。
【００１５】
もしくは複数の種類の圧電素子を積層もしくは圧電素子と弾性体を積層して振動体を構成し、前記積層方向と直交する方向に発生する振動変位により前記振動体と接する稼動体、もしくは振動体自体を駆動する超音波モータにおいて、前記複数の種類の圧電素子は夫々異なる振動を励振するものであり、前記積層された圧電素子を挟む様に配置され、前記積層された圧電素子の一方の面と他方の面に接合された弾性体からなる振動体を有する超音波モータとする。
【００１６】
また別な解決方法として、複数の種類の圧電素子を積層して振動体を構成し、前記積層方向と直交する方向に発生する振動変位により前記振動体と接する稼動体、もしくは振動体自体を駆動する超音波モータにおいて、前記振動は伸縮振動と屈曲振動であり、前記伸縮振動と屈曲振動の固有周波数付近に、前記振動体の厚み方向の屈曲振動の固有周波数が位置しない様に前記振動体の厚みを決定する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を従来例との差異を中心に図面を基に説明する。
（実施の形態１）
図１は本発明の超音波モータの振動体を示したものである。振動体１０は二種類の圧電素子１および２を厚み方向に積層して構成される。第一の圧電素子１（１ａ、１ｂ）は圧電素子１の長さおよび幅の中央を結んでできた四つの領域において図中の＋、−で示される様に分極方向が変えられ厚み方向に分極処理されている。図示しないが圧電素子１の表裏に設けた電極に駆動信号を印加することにより厚みと直交する方向に屈曲振動を励振する。第二の圧電素子２は全体に渡って同一方向に分極処理されている。図示しないが圧電素子２の表裏に設けた電極に駆動信号を印加することにより厚みと直交する方向に伸縮（縦）振動を励振する。
【００１８】
図１（ａ）に示した様に第二の圧電素子２の表裏を挟む形で第一の圧電素子１ａ、１ｂが積層されている。接合方法としては接着の他、シートプロセスを用いて作製した圧電素子のシートを重ねた後で、焼成しても構わない。そして、振動体１０の厚みの中心から見て表裏方向に対称に二つの圧電素子１，２が配置されている。このルールさえ守れば圧電素子１，２の枚数及び厚み並びに配置は任意である。また、図示しない電極及び各電極間の短絡方法も任意であり、圧電素子１、２の間に絶縁層を設けても構わない。駆動信号印加時には二つの圧電素子１、２は夫々異なる応力を発生するがこのような配置にすることにより厚み方向への屈曲変位が発生するような応力は発生しない。従って、使用する共振点、即ち縦振動モードと積層方向と直交する方向への屈曲振動モードの共振点付近には不要モードは励振されない。また不要モードと結合することもない。
【００１９】
ここでは矩形板の振動体について述べたが、例えば円板や円環状の振動体の面内方向の屈曲振動と面内振動を利用する超音波モータや面内方向の屈曲振動や面内振動を利用する圧電トランス等の圧電デバイスにも応用可能である。
【００２０】
また図９に示すように複数の種類の圧電素子１、２を交互に積層して振動体を構成しても夫々の圧電素子で発生する力は均等になるから同様の効果が得られる。
【００２１】
（実施の形態２）
図２は本発明の超音波モータの振動体の第二の例を示したものである。振動体２０は二種類の圧電素子３、４および二つの弾性体５ａ、５ｂを厚み方向に積層して構成される。第一の圧電素子３は圧電素子３の長さおよび幅の中央を結んでできた四つの領域において図中の＋、−で示される様に分極方向が変えられ厚み方向に分極処理されている。図示しないが圧電素子３の表裏に設けた電極に駆動信号を印加することにより厚みと直交する方向に屈曲振動を励振する。第二の圧電素子４は全体に渡って同一方向に分極処理されている。図示しないが圧電素子２の表裏に設けた電極に駆動信号を印加することにより厚みと直交する方向に伸縮（縦）振動を励振する。
【００２２】
図２（ａ）に示した様に接合された第一の圧電素子３、第二の圧電素子４の上下の面を挟む形で二つの弾性体５ａ、５ｂが接合されている。このように本実施の形態では二種類の圧電素子３，４は積層方向に対して対称に配置していないが、厚み方向への屈曲変位が発生するような応力が働いた際に応力が最大となる上下の面に厚みが同じ弾性体５ａ、５ｂを設けることによりその応力による不要モードの発生や、使用モードと不要モードとの結合の影響を最小限にすることが可能となる。
【００２３】
弾性体５ａ、５ｂはアルミ合金やステンレス等の金属等からなり、圧電素子３，４に対し厚みが厚いことが望ましい。
【００２４】
（実施の形態３）
図３は本発明の超音波モータの振動体の別の例を示したものである。振動体３０は二つの同一の圧電素子６ａ、６ｂが弾性体７の上下の面を挟み込むように接合され構成されている。圧電素子６は圧電素子６の長さおよび幅の中央を結んでできた四つの領域において全て図中の＋で示される様に厚み方向に同一方向に分極処理されている。図示しないが圧電素子６の一方の面には四つの分割電極が、他方の面には前面に渡って電極が設けられている。四つの分割領域のうち対角にあたる二つの領域に駆動信号を印加することにより厚みと直交する方向に屈曲振動と伸縮（縦）振動を同時に励振する。
【００２５】
この様に圧電素子のみを用いて振動体を構成することも可能であるが、その場合、機械的強度を得るには圧電素子の厚みを厚くしなければならず分極電圧が高くなり製造が難しくなるだけでなく駆動電圧も高くなってしまう。そこで厚みの薄い圧電素子を金属等の弾性体と接合して使用すればよいが、この場合、構造がユニモルフ構造となるため不要振動となる厚み方向への屈曲振動を励振し易くなってしまう。ここで、圧電素子を弾性体の両面に接合すればこの現象は緩和されるが、面内において分極方向が異なる圧電素子を使用した場合や、図３の例の様に一部分のみに駆動信号を印加した場合には屈曲振動を励振する恐れがある。
【００２６】
そこで、本実施の形態では弾性体７の厚み方向の曲げ剛性が圧電素子６ａ、６ｂ全体の曲げ剛性よりも大きくなる様に弾性体７の厚みを設定することで厚み方向の屈曲振動は抑制される。圧電素子は本実施の形態に限るものではなく図４に示した様に異なる振動体を励振する方式についても同様の構成が採れる。また、弾性体の両端に圧電素子を接合し何れか一方を駆動する方式の超音波モータについても同様の構成が採れる。
【００２７】
以上により、不要モードの影響を受けないだけでなく、厚みの薄い圧電素子を複数枚設けることによる低電圧駆動、高出力化のメリットも出る。
【００２８】
（実施の形態４）
不要モードの結合、励振等の影響を受けない対策として、振動体形状を特定形状にすることでも対応可能である。
【００２９】
以下に有限要素法による解析結果を基に例を示す。解析したモデルは図４に示すものと同じ構成のものであり、長さ２０ｍｍ、幅５．４５ｍｍであり、厚み（二つの圧電素子の厚みは等しい）を１ｍｍ、２ｍｍ、４ｍｍと変えて固有値解析をした場合の結果を図８に示す。
図８（ａ）は厚みが１ｍｍの場合の、（ｂ）は厚みが２ｍｍの場合の、（ｃ）は厚みが３ｍｍの縦振動のモードを示したものである。（ｃ）以外は厚み方向屈曲変位成分が混在していることがわかる。ちなみに上記の条件では屈曲振動はいずれの場合も不要振動の影響を受けていない正常な形状（純粋な屈曲振動モード）であった。
【００３０】
これらは使用する振動モードの共振周波数はほとんど依存しないが、厚みにより共振周波数が変化する様々な厚み方向の屈曲振動モードの共振周波数が使用する振動モードの共振周波数に近づいたため発生したと考えられる。従って、例えば（ｃ）の条件の様に伸縮振動と屈曲振動の固有周波数付近に、振動体の厚み方向の屈曲振動モードの固有周波数が位置しない様に振動体の厚みを決めることで不要モードの影響を受けないようにできる。
【００３１】
尚、本実施の形態は圧電素子と弾性体を接合等の手段によって積層し、積層方向と直交する面内方向の振動を利用した超音波モータにも適用可能である。
【００３２】
（実施の形態５）
本発明の圧電アクチュエータを用いて電子機器を構成した例を図１０を基に説明する。図１０は本発明の超音波モータを用いてハードディスクドライブ機構における読み取りヘッドの位置決め駆動を行うものである。ディスク１５上の読み取りヘッド１６ｂはアーム１６ａの先端に取り付けられている。アーム１６ａの他端は、アーム１６ａの回転中心となる軸受けが固定されるとともに図示しない軸受けを中心に回転する回転板１６ｃが設けられている。振動体５０は振動の節となる中央部で案内部材１８ａ、１８ｂによって、長手方向に移動可能な様に案内されている。回転板１６ｃの外周部には振動体５０に接合された突起１７がばね１４の力を受け接触されている。回転板１６ｃは突起１７の力を受け動作する。本超音波モータは駆動信号一周期あたりの送り量が極めて小さくできるため回転板１６ｃ、即ちヘッド１６ｂの位置決め精度は極めて高く、ディスク１５の記録密度を格段に上げることが可能となる。
【００３３】
ここではハードディスクドライブ機構を例に示したが、加工装置における送り機構やマニュピレータ等へも応用が可能である。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば不要モードが使用共振点付近に励振されることはない。また、不要モードとの結合したモードが励振されることもない。従って、自励発振駆動が容易になると共にアクチュエータ個々の特性ばらつきも小さく、そして目的の振動モードの変位のみを移動体に伝えることが可能なため高い駆動効率が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１にかかわる超音波モータの振動体の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態２にかかわる超音波モータの振動体の構成を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態３にかかわる超音波モータの振動体の構成を示す図である。
【図４】従来の超音波モータの構成を示す図である。
【図５】従来の超音波モータの振動体の周波数応答解析結果の例を示す図である。
【図６】従来の超音波モータの振動体の固有値解析結果の例を示す図である。
【図７】従来の超音波モータの振動体の固有値解析結果の別の例を示す図である。
【図８】従来の超音波モータの振動体の振動解析の結果を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態１にかかわる超音波モータの振動体の別の構成を示す図である。
【図１０】本発明の超音波モータを用いた電子機器を示す図である。
【符号の説明】
１，２，３，４，６，８，１３ 圧電素子
５，７ 弾性体
９ 電極
１０，２０，３０，４０，５０ 振動体
１４ ねじ
１５ ディスク
１６ アーム
１７ 突起
１８ 案内部材
Claims (7)
- 複数の種類の圧電素子を積層して振動体を構成し、前記積層方向と直交する方向に発生する振動変位により前記振動体と接する稼動体、もしくは振動体自体を駆動する超音波モータであって、
前記複数の種類の圧電素子は前記振動体の厚さ方向の中央に対して対称に配置されていることを特徴とする超音波モータ。 - 複数の種類の圧電素子を積層して振動体を構成し、前記積層方向と直交する方向に発生する振動変位により前記振動体と接する稼動体、もしくは振動体自体を駆動する超音波モータであって、
前記複数の種類の圧電素子は交互に積層されていることを特徴とする超音波モータ。 - 複数の種類の圧電素子を積層して振動体を構成し、前記積層方向と直交する方向に発生する振動変位により前記振動体と接する稼動体、もしくは振動体自体を駆動する超音波モータであって、
前記振動体は異なる振動を励振する複数の種類の圧電素子と、前記積層された圧電素子を挟む様に配置され、前記積層された圧電素子の一方の面と他方の面に接合された弾性体からなる振動体を有する超音波モータ。 - 弾性体と、前記弾性体を挟む様に配置され前記弾性体の一方の面と他方の面に接合された圧電素子を有する振動体を有する超音波モータであって、
前記弾性体の厚み方向の曲げ剛性は前記圧電素子の厚み方向の曲げ剛性よりも大きいことを特徴とする超音波モータ。 - 前記複数の種類の圧電素子は伸縮振動を発生する圧電素子と屈曲振動を発生する圧電素子であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の超音波モータ。
- 複数の種類の圧電素子を積層もしくは圧電素子と弾性体を積層して振動体を構成し、前記積層方向と直交する方向に発生する振動変位により前記振動体と接する稼動体、もしくは振動体自体を駆動する超音波モータであって、
前記振動は伸縮振動と屈曲振動であり、前記伸縮振動と屈曲振動の固有周波数付近に、前記振動体の厚み方向の屈曲振動の固有周波数が位置しない様に前記振動体の厚みが決められていることを特徴とする超音波モータ。 - 請求項１から６のいずれか一項に記載の超音波モ−タを備えた電子機器。
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