JP2005295657A - 超音波モータ及び超音波モータ付電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 一方向に屈曲励振される振動体を複数個用いることなく、形状が簡単で、且つ単数の振動体で多軸動作が可能となる超音波モータ及び超音波モータ付電子機器を提供する。
【解決手段】 本発明に係る超音波モータは、複数の電極部を有する圧電素子からなり、電極部のうち、少なくとも一つの電極部を選択し電圧を印加することにより、屈曲振動の屈曲方向が決定される振動体と、振動体と接して回転運動する回転体と、振動体と前記回転体とに加圧を与える加圧部材からなることを特徴としている。この様な構成とすることで、単数の振動体で複数の方向へ駆動する超音波モータが実現可能となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超音波モータ及び超音波モータ付電子機器に関し、特に超音波モータの構造に関する。

近年、様々な電子機器において、精密且つ多軸の位置決めが必要とされている。そしてその駆動源として超音波モータが注目されている。超音波モータの要素部品は、振動体と、加圧部材と、振動体と接触する移動体からなる。振動体に電圧が印加されることにより振動体は励振される。そして、加圧部材により振動体と移動体に加圧を与えることで、振動体と接触する移動体は摩擦力をうけ駆動力を発生する原理である。

従来の技術による多軸駆動可能な超音波モータとして、矩形状をなす圧電素子３００を複数組み合わせた振動体３０１の例を図１５に示す。

従来の技術による超音波モータは、一つの矩形状圧電素子３００で一方向のみに移動体（図示略す）を移動させるため、圧電素子３００を複数個対角に配置して、各々励振させることにより、移動体（図示略す）を複数の方向に移動させることが可能である（例えば、特許文献１参照。）。
特開平０９−０３７５７５号公報 （第１２図）

しかしながら、従来例に示す振動体を作製する際には、複数の圧電素子の接着が必要であり、接着時の位置ずれにより、振動体個々の形状のばらつき等で共振周波数のばらつきや、振動モードのばらつきがおこり、モータ特性もばらつくおそれがあった。

また、接着を避け一体的に作製しようとすると形状が複雑な為に製造コストも多くかかってしまった。

そこで本発明の目的は、一方向に屈曲励振される振動体を複数個用いることなく、形状が簡単で単数の振動体で多軸動作が可能となる超音波モータを提供することにある。

本発明に係る超音波モータは、複数の電極部を有する圧電素子からなり、前記電極部のうち、隣り合う複数の前記電極部を選択し電圧を印加することにより、縦振動を励振するとともに屈曲振動の屈曲方向が決定される振動体と、前記振動体と接して移動する移動体と、前記振動体と前記移動体とに加圧を与える加圧部材からなることを特徴としている。

これによれば、隣り合う複数の電極を選択することより屈曲振動の屈曲方向が決まるため、単数の振動体で複数の方向へ駆動する超音波モータが可能となる。

本発明に係る超音波モータは、複数の電極部を有する圧電素子からなり、前記電極部のうち少なくとも一つを選択し電圧を印加することにより、縦振動を励振すると共に屈曲振動の屈曲方向が決定される振動体と、前記振動体と接して移動する移動体と、前記振動体と前記移動体との間に接触圧を与える加圧部材からなることを特徴としている。

これによれば、少なくとも一つの電極部を選択することにより屈曲振動の屈曲方向が決まるため、単数の振動体で複数の方向へ駆動する超音波モータの構成が可能となる。

本発明に係る超音波モータを電子機器に搭載することにより電子機器内の稼動部を多軸方向に駆動することができる。

本発明に係る超音波モータは、複数の電極部を有する圧電素子からなり、前記電極部のうち、少なくとも一つの前記電極部を選択し電圧を印加することにより、屈曲振動の屈曲方向が決定される振動体と、前記振動体と接して移動する移動体と、前記振動体と前記移動体とに加圧を与える加圧部材からなる。

少なくとも一つの電極を選択して、電圧を印加することで縦振動と、屈曲振動を励振させる。選択する電極により屈曲振動の屈曲方向が決まるため、単数の振動体で複数の方向へ駆動する超音波モータが可能となる。そして、この様に信号を印加する電極を選択するだけで、移動体の移動方向を変えられるため、駆動回路が簡素化できる。

また、振動体は矩形からなり簡素な形状をしているため製造工程の負荷を抑えることが可能であり、振動体のコストを抑えることが可能である。

また、前述の超音波モータを電子機器に搭載することにより、多軸の動作が必要とされる用途、例えばカメラの雲台や光学機器の実現が可能である。

（実施の形態１）
以下、本発明を適用した実施の形態１について、図１〜図８を用いて説明する。

図１は、実施の形態１に係る超音波モータを示す図である。実施の形態１に係る超音波モータは、一端固定他端自由の一次の屈曲振動を励振させるため、固定部２０４にて一端が固定され且つ複数の電極部（図示略す）を設けた振動体２０１と、振動体２０１と接触し、加圧部材２０７より加圧力を受けて摩擦力により回転する移動体となる回転体２０２と、回転体２０２を案内する回転案内部２０３からなる。

図２は、実施の形態１に係る超音波モータに用いる振動体を示す図である。実施の形態１に係る超音波モータに用いる振動体２０１は、第一の電極部１、第二の電極部２、第三の電極部３、第四の電極部４、ＧＮＤ電極部５を設けた圧電素子からなる。振動体２０１の一端は固定部２０４で固定されている。第一の電極部１、第二の電極部２、第三の電極部３、第四の電極部４は、ＧＮＤ電極部５を基準に同一方向で分極されている。そして、信号発生器２０５と、第一の電極部１と信号発生器２０５との接続をＯＮ／ＯＦＦする第一のスイッチ１０１、第二の電極部２と信号発生器２０５との接続をＯＮ／ＯＦＦする第二のスイッチ１０２、第三の電極部３と信号発生器２０５との接続をＯＮ／ＯＦＦする第三のスイッチ１０３、第四の電極部４．と信号発生器２０５との接続をＯＮ／ＯＦＦする第四のスイッチ１０４が接続されている。

次に実施の形態１に係る超音波モータの駆動方法について述べる。図３は、一次の屈曲振動が励振された場合の屈曲方向を示している。

図３（ａ）は、図２で示すＸＹＺ座標系のうちＸＺ平面での屈曲振動の様子を、図３（ｂ）は図２で示すＸＹＺ座標系のうちＹＺ平面での屈曲振動の様子を示したものである。尚、以下の何れの駆動方法においても縦振動（Ｚ方向の変位）も同時に発生する。

図３（ａ）のＡは、図２に示す第一のスイッチ１０１と第二のスイッチ１０２をＯＮにして、隣り合う第一の電極１と第二の電極２と信号発生器２０５間の電流を導通させた場合の屈曲振動の様子を示すが、矢印の方向に伸縮運動する。このとき、縦振動も同時に励振されるから、回転案内部２０３に案内された回転体２０２は、ＸＺ平面に対し、反時計回りに回転する。

図３（ａ）のＢは、図２に示す第三のスイッチ１０３と第四のスイッチ１０４をＯＮにして、隣り合う第三の電極３と第四の電極４と信号発生器２０５間の電流を導通させた場合の屈曲振動の様子を示すが、矢印の方向に伸縮運動する。このとき、縦振動も同時に励振されるから、回転案内部２０３に案内された回転体２０２は、ＸＺ平面に対し、時計回りに回転する。
図３（ｂ）のＡは、図２に示す第二のスイッチ１０２と第三のスイッチ１０３をＯＮにして、隣り合う第二の電極２と第三の電極３と信号発生器２０５間の電流を導通させた場合の屈曲振動の様子を示すが、矢印の方向に伸縮運動する。このとき、縦振動も同時に励振されるから、回転案内部２０３に案内された回転体２０２は、ＹＺ平面に対し、反時計回りに回転する。

図３（ｂ）のＢは、図２に示す第一のスイッチ１０１と第四のスイッチ１０４をＯＮにして、隣り合う第一の電極１と第四の電極４と信号発生器２０５間の電流を導通させた場合の屈曲振動の様子を示が、矢印の方向に伸縮運動する。このとき、縦振動も同時に励振されるから、回転案内部２０３に案内された回転体２０２は、ＹＺ平面に対し、時計回りに回転する。

以上により、複数の振動体を対角方向に配置する必要がなく、単数の振動体で２軸方向への駆動する超音波モータが構成可能となる。そして、この２軸方向の動作を組み合わせて行えば、あらゆる方向に回転体２０２を回転可能である。

また、振動体は単純な矩形状をなしているため、圧電素子のプレートに電極を印刷した後、ダイシングにより個々の振動体２０１を切り出す工程が可能であり、製造コスト並びに、振動体２０１自体のコストを抑えることが可能である。

図４は、実施の形態１に係る超音波モータの別の構成を示す図である。実施の形態１に係る別の構成の超音波モータに用いる振動体２０１は、外部電極層１４を上面に配置し、第一の層１１と第二の層１２とを交互に積層した積層圧電素子からなっている、振動体２０１の側面には第一の外部電極部６、第二の外部電極部７、第三の外部電極部８、第四の外部電極部９、外部ＧＮＤ電極部１０が設けられ各層の電極部と導通がとられている。振動体２０１の一端は固定部２０４で固定されている。そして、信号発生器２０５と、第一の外部電極部６と信号発生器２０５との接続をＯＮ／ＯＦＦする第一のスイッチ１０１、第二の外部電極部７と信号発生器２０５との接続をＯＮ／ＯＦＦする第二のスイッチ１０２、第三の外部電極部８と信号発生器２０５との接続をＯＮ／ＯＦＦする第三のスイッチ１０３、第四の外部電極部９．と信号発生器２０５との接続をＯＮ／ＯＦＦする第四のスイッチ１０４が接続されている。

図４に示す振動体２０１を構成する各層について、図５を用いて述べる。
第一の層１１は、第一の電極部１と第二の電極部２と第三の電極部３と第四の電極部４が設けられており、第一の電極部１は側面で第一の外部電極部６、第二の電極部２は側面で第二の外部電極部７、第三の電極部３は側面で第三の外部電極部８、第四の電極部４は側面で第四の外部電極部９で導通がとられている。

第二の層１２はＧＮＤ電極部５が設けられており、側面で外部ＧＮＤ電極部１０と導通がとられている。
積層化することにより、低電圧で大きな発生力が得られ、超音波モータの高トルク化がはかれる。

また、単板素子と同様に振動体は矩形状をなしているため、各圧電素子層の積層工程後に、ダイシングにより個々の振動体２０１を切り出すことが可能となる。

図６は、実施の形態１に係る超音波モータの振動体２０１の別の構成を示す図である。
図６に示す振動体２０１は、圧電素子からなり、中空円筒形状をしている。振動体２０１の円筒の側面に、第一の電極部（図示略す）、第二の電極部（図示略す）、第三の電極部３、第四の電極部４を設け、中空部の内面にＧＮＤ電極部５を設ける。そして、信号発生器２０５と、第一の電極部１と信号発生器２０５との接続をＯＮ／ＯＦＦする第一のスイッチ１０１、第二の電極部２と信号発生器２０５との接続をＯＮ／ＯＦＦする第二のスイッチ１０２、第三の電極部３と信号発生器２０５との接続をＯＮ／ＯＦＦする第三のスイッチ１０３、第四の電極部４．と信号発生器２０５との接続をＯＮ／ＯＦＦする第四のスイッチ１０４が接続されている。

振動体２０１の一端は固定されており、縦振動と共に一次の屈曲振動が励振され、少なくとも一つの電極部に電圧を印加することにより、一次の屈曲振動の屈曲方向が決まるため、複数の振動体を対角方向に配置する必要がなく、単数の振動体で２軸方向への駆動する超音波モータが構成可能となる。

図７は、実施の形態１に係る超音波モータの振動体２０１の別の構成を示す図である。
振動体２０１の側面には複数の電極からなる電極群１５が設けられており、中空部分の内面にはＧＮＤ電極部５が設けられている。振動体２０１の側面に複数の電極を有する電極群１５を設けることにより、屈曲振動の屈曲方向を電極数分だけ決定することができ、多方向に回転体（図示略す）を回転させることが可能となる。

図８は、実施の形態１に係る超音波モータの別の構成を示す側面概略図である。超音波モータは、固定部２０４において一端を固定され振動体２０１と回転体２０２と加圧部材２０７と回転案内部２０３と、振動体２０１には、回転体２０２が接する上面中央部分に突起２０６を設ける。それにより、振動体２０１と回転体２０２の接触位置が一定となるため、モータ出力特性のばらつきが小さくなる。

以上により、実施の形態１に示す超音波モータは、複数の振動体を対角方向に配置する必要がなく、単数の振動体で２軸方向への駆動する超音波モータが構成可能となる。
ところで、ここでは移動体として回転体２０２を用いたが、例えば平板を用いれば平板を平板の面内方向に自由に駆動可能である。
（実施の形態２）
以下、本発明を適用した実施の形態２について、図９〜図１３を用いて説明する。
図９は、実施の形態２に係る超音波モータの側面概略図を示している。実施の形態２に係る超音波モータは、固定部２０４により中央部を固定され、複数の電極部（図示略す）を設けた振動体２０１と、振動体２０１と接触し、加圧部材２０７より加圧力を受けて摩擦力により回転する回転体２０２と、回転体２０２を案内する回転案内部２０３からなる。
振動体２０１は中央部が固定され固定部を中心に長手方向に対称に変位するため、支持部での振動もれもなく安定に駆動できる。

図１０は、実施の形態２に係る超音波モータに用いる振動体の構成を示す図である。振動体２０１は、外部電極層１４を上面に配置し、第一の層１１と第二の層１２とを交互に積層した上部積層部２０９と、第三の層１３と第二の層１２とを交互に積層した下部積層部２１０からなる積層圧電素子からなっている。振動体２０１の側面には第一の外部電極部６ａ、６ｂと、第二の外部電極部７ａ、７ｂと、第三の外部電極部８ａ、８ｂと、第四の外部電極部９ａ、９ｂと、外部ＧＮＤ電極部１０が設けられ、各層の電極部と導通がとられている。

振動体２０１の中央は固定部（図示略す）で固定されている。そして、信号発生器２０５と、第一の外部電極部６ａ、６ｂと信号発生器２０５との接続をＯＮ／ＯＦＦする第一のスイッチ１０１、第二の外部電極部７ａ、７ｂと信号発生器２０５との接続をＯＮ／ＯＦＦする第二のスイッチ１０２、第三の外部電極部８ａ、８ｂと信号発生器２０５との接続をＯＮ／ＯＦＦする第三のスイッチ１０３、第四の外部電極部９ａ、９ｂ．と信号発生器２０５との接続をＯＮ／ＯＦＦする第四のスイッチ１０４が接続されている。
図１０に示す振動体２０１を構成する各層について、図１１を用いて述べる。

第一の層１１は、第一の電極部１ａと第二の電極部２ａと第三の電極部３ａと第四の電極部４ａが設けられており、第一の電極部１ａは側面で第一の外部電極部６ａ、第二の電極部２ａは側面で第二の外部電極部７ａ、第三の電極部３ａは側面で第三の外部電極部８ａ、第四の電極部４ａは側面で第四の外部電極部９ａで導通がとられている。
第二の層１２はＧＮＤ電極部５が設けられており、側面で外部ＧＮＤ電極部１０と導通がとられている。

第三の層１３は、第一の電極部１ｂと第二の電極部２ｂと第三の電極部３ｂと第四の電極部４ｂが設けられており、第一の電極部１ｂは側面で第一の外部電極部６ｂ、第二の電極部２ｂは側面で第二の外部電極部７ｂ、第三の電極部３ｂは側面で第三の外部電極部８ｂ、第四の電極部４ｂは側面で第四の外部電極部９ｂで導通がとられている。第一の層１１と第三の層１３とでは、第二の層１２を基準にして、分極方向が逆になっている。
次に実施の形態２に係る超音波モータの駆動方法について述べる。

図１２（ａ）は、図１０で示すＸＹＺ座標系のうちＸＺ平面での屈曲振動の様子を、図１２（ｂ）は図１０で示すＸＹＺ座標系のうちＹＺ平面での屈曲振動の様子を示したものである。

図１２（ａ）のＡは、図１０に示す第一のスイッチ１０１と第二のスイッチ１０２をＯＮにして、隣り合う第一の電極１と第二の電極２と信号発生器２０５間の電流を導通させた場合の屈曲振動の様子を示すが、矢印の方向に伸縮運動する。この時縦振動（Ｚ方向変位）も発生するから、回転案内部２０３に案内された回転体２０２は、ＸＺ平面に対し、反時計回りに回転する。

図１２（ａ）のＢは、図１０に示す第三のスイッチ１０３と第四のスイッチ１０４をＯＮにして、隣り合う第三の電極３と第四の電極４と信号発生器２０５間の電流を導通させた場合の屈曲振動の様子を示すが、矢印の方向に伸縮運動する。この時縦振動（Ｚ方向変位）も発生するから、回転案内部２０３に案内された回転体２０２は、ＸＺ平面に対し、時計回りに回転する。
図１２（ｂ）のＡは、図１０に示す第二のスイッチ１０２と第三のスイッチ１０３をＯＮにして、隣り合う第二の電極２と第三の電極３と信号発生器２０５間の電流を導通させた場合の屈曲振動の様子を示すが、矢印の方向に伸縮運動する。この時縦振動（Ｚ方向変位）も発生するから、回転案内部２０３に案内された回転体２０２は、ＹＺ平面に対し、反時計回りに回転する。

図１２（ｂ）のＢは、図１０に示す第一のスイッチ１０１と第四のスイッチ１０４をＯＮにして、隣り合う第一の電極１と第四の電極４と信号発生器２０５間の電流を導通させた場合の屈曲振動の様子を示すが、矢印の方向に伸縮運動する。この時縦振動（Ｚ方向変位）も発生するから、回転案内部２０３に案内された回転体２０２は、ＹＺ平面に対し、時計回りに回転する。
また、振動体は矩形状をなしているため、各圧電素子層の積層工程後に、ダイシングにより個々の振動体２０１を切り出すことが可能となる。

図１３は、実施の形態２に係る別の振動体を示す図である。振動体２０１は、中空円筒形状の圧電素子からなり、中空部の内面にＧＮＤ電極部５と、側面に上部電極群１６と下部電極群１７が設けられており、下部電極群１７の分極方向は、上部電極群１６の分極方向に対して反転している。そして中央部を固定することにより、屈曲振動が安定に励振される。

（実施の形態３）
以下、本発明を適用した実施の形態３について、図１４を用いて説明する。
図１３は、実施の形態３に係る超音波モータ付電子機器を示し、具体的には光スイッチでのミラー駆動構造を示す。

実施の形態３に係る超音波モータ付電子機器は、振動体２０１と、加圧部材２０７と、回転案内部２０３と、振動体２０１に接触し、摩擦力により回転する回転体２０２からなる。回転体２０２には、振動体２０１との接触部分とは異なる部分にミラー２０８を備え、２軸の動作によりミラー２０８を駆動させることが可能であり、３次元での光路のスイッチングが可能である。

また同様の構成でミラー２０８の代わりにカメラを設ければ、カメラのレンズ方向を自由に可変可能な自動雲台が実現できる。

なお、図１４に示す超音波モータ付電子機器は、実施の形態１に係る超音波モータを採用した例であるが、実施の形態２に係る超音波モータを採用してもよい。

本発明の実施の形態１に係る超音波モータの側面概略図である。 本発明の実施の形態１に係る超音波モータに用いる振動体を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る超音波モータの駆動方法を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る超音波モータに用いる振動体の他の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る振動体の各層の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る超音波モータに用いる振動体の他の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る超音波モータの他の構成を示す振動体の図である。 本発明の実施の形態１に係る超音波モータの他の構成を示す側面概略図である。 本発明の実施の形態２に係る超音波モータの側面概略図である。 本発明の実施の形態２に係る超音波モータに用いる振動体の構成を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る振動体の各層の構成を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る超音波モータの駆動方法を示す図である 本発明の実施の形態２に係る超音波モータに用いる振動体の構成を示す図である。 本発明の実施の形態３に係る超音波モータ付電子機器の構成を示す図である。 従来の技術による超音波モータの構成を示す図である。

符号の説明

１ 第一の電極部
２ 第二の電極部
３ 第三の電極部
４ 第四の電極部
５ ＧＮＤ電極部
６ 第一の外部電極部
７ 第二の外部電極部
８ 第三の外部電極部
９ 第四の外部電極部
１０ 外部ＧＮＤ電極部
１１ 第一の層
１２ 第二の層
１３ 第三の層
１４ 外部電極層
１５ 電極群
１６ 上部電極群
１７ 下部電極群
１０１ 第一のスイッチ
１０２ 第二のスイッチ
１０３ 第三のスイッチ
１０４ 第四のスイッチ
２０１ 振動体
２０２ 回転体
２０３ 回転案内部
２０４ 固定部
２０５ 信号発生器
２０６ 突起
２０７ 加圧部材
２０８ ミラー
２０９ 上部積層部
２１０ 下部積層部
３０１ 圧電素子
３０１ 振動体
３０２ 加圧部材

Claims (5)

1. 複数の電極部を有する圧電素子からなり、前記電極部のうち、隣り合う複数の前記電極部を選択し電圧を印加することにより、縦振動を励振すると共に屈曲振動の屈曲方向が決定される振動体と、前記振動体と接して移動する移動体と、前記振動体と前記移動体との間に接触圧を与える加圧部材とからなることを特徴とする超音波モータ。
2. 複数の電極部を有する圧電素子からなり、前記電極部のうち少なくとも一つを選択し電圧を印加することにより、縦振動を励振すると共に屈曲振動の屈曲方向が決定される振動体と、前記振動体と接して移動する移動体と、前記振動体と前記移動体との間に接触圧を与える加圧部材とからなることを特徴とする超音波モータ。
3. 前記振動体の一端が固定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波モータ。
4. 前記振動体の中央部が固定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波モータ。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の超音波モータを備えることを特徴とする超音波モータ付電子機器。

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