JP4634174B2 - 超音波モータ及びそれを用いた電子機器 - Google Patents

Description

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及びそれを用いた電子機器に関し、特に振動体に伸縮振動と屈曲振動を励振して移動体を駆動する超音波モータの振動体の構造に関する。

弾性体の共振による振動を利用した超音波モータは制御性に優れ、近年特に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。これらの振動体の構成として、例えば特許文献１に示す様に、振動体を矩形形状の圧電素子で構成するとともに、厚み方向に分極処理された圧電素子の表裏両面の電極を幅方向（二つの長さ方向のうち長さの短い方向）に３分割し、３分割された電極の両端の電極を長手方向（二つの長さ方向のうち長さの長い方向）に２分割し、２分割された電極に極性の異なる電圧を印加することで屈曲振動を励振し、３分割された電極のうち中央の電極に信号を印加することで縦振動を励振する方式が知られている。
特許第２７２２２１１号公報

しかしながら、従来の構造では圧電素子の一つの面内に多くの分割された電極が必要となる為、電極間の隙間が多く存在する。特に振動体、即ち圧電素子の大きさが小さくなるとこの隙間の面積が圧電素子全体において占める割合は増大する。即ち駆動に寄与しない部分の面積が増大する。そのために超音波モータを小型化すると、得られる出力も益々小さなものとなってしまう。また各電極に相当する部分を分極処理しなければならず、分極処理が難しくなると共に、異なる分極方向の境界部が多くなるために圧電素子に残留応力が発生したり、使用時に分極の境界部で破壊が起こってしまうこともある。そして各電極毎に接合されるリード線が振動体の振動に悪影響を及ぼし、そのために効率の低下や超音波モータ個々の性能のばらつきを発生してしまうこともある。

そこで本願発明の目的は、上記課題を鑑み、振動体の小型化を図るとともに、小型化しても個々のばらつきが小さく、しかも損失が小さいために大きな変換効率が得られる超音波モータ及びそれを用いた電子機器を提供することである。

そこで、上記課題を解決する為に、本発明の超音波モータは、矩形形状の圧電素子の縦振動と屈曲振動の合成振動により駆動される移動体からなる超音波モータであって、圧電素子は幅方向に二分された二つの領域のうち一方の領域で構成された第一の分極領域と、前記二分された二つの領域のうち他方の領域はさらに長手方向において二分され第二の分極領域と第三の分極領域を構成させることを特徴とする構成とした。

もしくは、矩形形状の圧電素子の縦振動と屈曲振動の合成振動により駆動される移動体からなる超音波モータであって、圧電素子は幅方向に二分された二つの領域のうち一方の領域で構成された第一の領域と、二分された二つの領域のうち他方の領域はさらに長手方向において三分された第二の領域と第三の領域と第四の領域に分けられ、そのうち第一の領域と第三の領域を含む領域で構成される第一の分極領域と、第二の領域で構成される第二の分極領域と第四の領域で構成される第三の分極領域を構成させることを特徴とする構成とした。

特に幅方向に二分された領域は、幅方向の中央部において二分されている。そして第一の分極領域は縦振動を、他の分極領域は屈曲振動を励振する。ここで屈曲振動を励振する分極領域のうち一つは異なる方向に分極処理されている。

そして、本発明の電子機器は、この超音波モータにより駆動される稼動部を有することを特徴とする構成とした。

本発明によれば、超音波モータ、特にそこで使用される振動体の小型化が製造上で容易となると共に、小型化しても大きな出力が得られる。また超音波モータ個々のばらつきが小さくなると共に、損失が小さく大きな変換効率が得られる。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態を図面を基に説明する。

図１（ａ）、（ｂ）は、本発明の超音波モータの振動体となる圧電素子１の表裏の電極構成を示す。ここで表裏は図４、特に図４（ｂ）で示す圧電素子１を図中矢印ａの方向から見た場合と、ａ’の方向から見た場合である。

矩形形状の圧電素子１は、長さの短い辺の方向である幅方向に二分された二つの領域のうち一方の領域で構成された第一の分極領域と、前記二分された二つの領域のうち他方の領域は、さらに長さの長い辺の方向である長手方向において二分され、第二の領域と第三の領域に分けられており、圧電素子１の表の面の夫々の領域には電極１１ｃ、１１ａ、１１ｂが設けられ、夫々第一の分極領域、第二の分極領域、第三の分極領域を構成している。また、圧電素子１の裏の面にはほぼ全面に電極１１ｄが設けられている。そして、電極１１ｄをＧＮＤとして電極１１ａ、１１ｂ、１１ｃに図中＋、−の方向に高電圧の信号を印加することで分極処理される。ここで、圧電素子１の裏面の電極は、表面の電極と同じ様に個々の分極領域毎に分割したものでもよい。

ここで、電極１１ｃと電極１１ｄの間に所定の周波数の交流電圧を印加すると圧電素子１は縦振動を、一方、電極１１ａ、１１ｂと電極１１ｄの間に所定の周波数の交流電圧を印加すると圧電素子１は屈曲振動を発生する。図３は、この際の圧電素子１に発生する振動の振幅分布を示したものである。図４中、座標ｘで示される圧電素子１の長手方向に対する長手方向変位Ｕｌを図３（ａ）に、幅（座標ｙ）方向変位Ｕｗを図３（ｂ）に示す。ここで圧電素子の長手方向の長さをｌとし、長手方向の中央を座標０として示してある。

ところで、幅方向に二分された領域は、幅方向の中央部、即ち屈曲振動の中立面において二分することで屈曲振動を効率良く、また強く励振することが出来る。

図４は、本発明の圧電素子１を振動体として用いたリニヤ型超音波モータの構成例を示したものである。矩形状の圧電素子１には突起２（２ａ、２ｂ）並びに軸部３が設けられている。軸部３は、圧電素子１に励振される縦振動と屈曲振動の節となる中央部に穴部１ａが設けられ、軸部３が接合される。また突起２は、屈曲振動の腹の位置に設けられている。加圧部材４の軸４ａは図示しない段部を有し、案内板５の案内穴５ａで、軸方向にのみ移動可能に案内されている。突起２（２ａ、２ｂ）の下には案内部材８（８ａ、８ｂ）に案内された移動体７が設けられ、軸部３と溝部で係合する加圧部材４を加圧手段６で加圧することにより軸部３を支持する。即ち、圧電素子１を支持するとともに突起２と移動体７は接する。

この縦振動と屈曲振動を同時に励振することにより、突起２は、振動子１の長手方向の変位と、これと直交する幅方向の変位からなる楕円運動を行い、移動体７を駆動する。ここで移動体７を固定し、振動体自体を駆動させても構わない。

本圧電素子１の駆動方法の例を図５に示す。発振回路１２で作り出された所定の周波数の信号を、移相回路１３を通した信号と通さない信号に分けるとともに、これらを増幅回路１４を通じて所定の出力に増幅した後に圧電素子１に印加する。即ち、外部電極１１ｄをＧＮＤとして、電極１１ａ、１１ｂと外部電極１１ｃの間に位相の異なる駆動信号、例えば９０度もしくは−９０度異なる信号を印加することで圧電素子１１に縦振動と屈曲振動が励振される。移送回路１３により位相を逆転させることで縦振動と屈曲信号の位相が逆転し、移動体７の移動方向も変化する。

ところで、圧電素子１の出力を取り出す位置、即ち突起２の位置は、本実施の形態にこだわることなく移動体７に駆動力を与えられる場所であればどこに設けても構わない。また、本圧電素子１は本発明に基づく電極構成を有する圧電素子を積層したものでも良い。また、電極１１ｄをＧＮＤとして電極１１ａ、１１ｂ、１１ｃに同一方向の電圧を印加して分極処理をしても構わない。この場合、電極１１ａ、１１ｂには位相が１８０度異なる信号を印加して駆動するため駆動回路が若干複雑にはなるが、分極工程が簡単になると共に圧電素子の各分極部の境界部には残留応力が残り難く、高出力で使用しても破壊しにくく、またスプリアス振動も起こし難くなる。
（実施の形態２）
本発明の圧電素子の電極の別の実施の形態を図面を基に説明する。ここでは実施の形態１との差異のみを述べる。

図２は、本発明の超音波モータの振動体となる圧電素子２０の表裏の電極構成を示す。ここで、実施の形態１における説明と同様に、表裏は図４で示す圧電素子２０を図中矢印ａの方向から見た場合と、ａ’の方向から見た場合である。

矩形形状の圧電素子２０は、幅方向に二分された二つの領域のうち一方の領域で構成された第一の領域と、二分された二つの領域のうち、他方の領域をさらに長手方向において三分された第二の領域と第三の領域と第四の領域を構成し、このうち第一の領域と第三の領域（電極２１ｃ’で示される部分）を含む領域で構成される第一の分極領域と、第二の領域で構成される第二の分極領域と第四の領域で構成される第三の分極領域が構成されており、圧電素子２０の表の面の第一の領域と第三の領域を含む領域、即ち、第一の分極領域には電極２１ｃが設けられている。また第二の領域並びに第四の領域は、夫々第二の分極領域、第三の分極領域を構成し夫々電極２１ｂ、２１ｂが設けられている。圧電素子２０の裏の面にはほぼ全面に電極２１ｄが設けられている。そして、電極２１ｄをＧＮＤとして電極２１ａ、２１ｂ、２１ｃに図中＋、−の方向に高電圧の信号を印加することで分極処理される。ここで圧電素子２０の裏面の電極は、表面の電極と同じ様に個々の分極領域毎に分割したものでもよい。

ここで、電極２１ｃと電極２１ｄの間に所定の周波数の交流電圧を印加すると圧電素子２０は縦振動を、一方、電極２１ａ、２１ｂと電極２１ｄの間に所定の周波数の交流電圧を印加すると圧電素子２０は屈曲振動を発生する。図３は、この際の圧電素子２０に発生する振動の振幅分布を示したものである。図４中、座標ｘで示される圧電素子２０の長手方向に対する長手方向変位Ｕｌを図３（ａ）に、幅（座標ｙ）方向変位Ｕｗを図３（ｂ）に示す。ここで圧電素子の長手方向の長さをｌとし、長手方向の中央を座標０として示してある。

ところで、この様に縦振動の節となる位置全体に電極が設けられるように第三の領域と第一の領域を含む位置に電極２１ｃを設けて一つの分極領域を構成することで、縦振動を効率良く、また強く励振することが出来る。
（実施の形態３）
本発明の実施の形態を図面を基に説明する。ここでは実施の形態1、2との差異を説明する。

図６（ａ）、（ｂ）は、本発明の超音波モータの振動体となる圧電素子４０の表裏の電極構成を示す。ここで表裏は図４、特に図４（ｂ）で示す圧電素子１を図中矢印ａの方向から見た場合と、ａ’の方向から見た場合と同じである。

矩形形状の圧電素子４０は、長さの短い辺の方向である幅方向に二分された二つの領域のうち一方の領域で構成された第一の分極領域と、前記二分された二つの領域のうち他方の領域は、さらに長さの長い辺の方向である長手方向において二分され、第二の領域と第三の領域に分けられており、圧電素子４０の表の面の夫々の領域には電極４１ｃ、４１ａ、４１ｂが設けられ、夫々第一の分極領域、第二の分極領域、第三の分極領域を構成している。また、圧電素子４０の裏の面にはほぼ全面に電極４１ｄが設けられている。そして、電極４１ｄをＧＮＤとして電極４１ａ、４１ｂ、４１ｃに同一方向（図中＋の方向）に高電圧の信号を印加することで分極処理される。ここで、圧電素子４０の裏面の電極は、表面の電極と同じ様に個々の分極領域毎に分割したものでもよい。

ここで、電極４１ｃ、電極４１aとGNDとなる電極１１ｄの間に駆動信号を印加するか、もしくは電極４１ｃ、電極４１ｂとGNDとなる電極１１ｄの間に駆動信号を印加することで圧電素子４０には縦振動と屈曲振動が同時に発生するが前者の場合と後者の場合では縦振動と屈曲振動の位相が逆転するため移動体の移動方向も逆転する。

本圧電素子４０の駆動方法の例を図７に示す。発振回路１２で作り出された所定の周波数の信号を、増幅回路１４を通じて所定の出力に増幅した後に電極４１a、４１b、４１ｃに供給する。（電極41ｄは接地されている）ここで、増幅回路１４と電極４１a、４１bの間にはスイッチ４２、４３が設けられており片方のスイッチをONし、他方のスイッチをOFFすることで駆動に必要な振動を励振する。

本駆動方法はもちろん、実施の形態1に示した圧電素子1に適用しても構わないが、分極工程が複雑になるので好ましくはない。

ところで、本駆動方法は実施の形態２に示した電極形状を有する圧電素子２０に適用しても良い。電極２１ｃに駆動信号を印加すると共に、電極２１aと電極２１ｂのどちらかに駆動信号を印加することにより駆動力を発生する。この場合も全ての分極領域の分極方向は同一である方が好ましい。
（実施の形態４）
本発明の超音波モータを用いて電子機器を構成した例を、図８を基に説明する。

図８は、本発明の駆動回路により駆動される超音波モータ１００を電子機器の駆動源に適用したブロック図を示したものであり、圧電素子１、２０と圧電素子１、２０に接合された摩擦部材２（２ａ、２ｂ）により摩擦駆動される移動体７と、移動体７と一体に動作する伝達機構３２と、伝達機構３２の動作に基づいて動作する出力機構３３からなる。ここでは移動体７を回転体とし、移動体７を回転動作させる例について説明する。

ここで、伝達機構３２は、例えば歯車列、摩擦車等の伝達車を用いる。稼動部となる出力機構３３としては、プリンタにおいては紙送り機構、カメラにおいてはシャッタ駆動機構、レンズ駆動機構、フィルム巻き上げ機構等を、また電子機器や計測器においては指針等を、ロボットにおいてはアーム機構、工作機械においては歯具送り機構や加工部材送り機構等を用いる。

尚、本実施の形態における電子機器として、電子時計、計測器、カメラ、プリンタ、印刷機、ロボット、工作機、ゲーム機、光情報機器、医療機器、移動装置等を実現できる。さらに移動体７に出力軸を設け、出力軸からのトルクを伝達するための動力伝達機構を有する構成とすれば、超音波モータ駆動装置を実現できる。

本発明の超音波モータは、特に小型化した際に効力を発揮し、情報記録機器における読み取り、書き込みヘッドの駆動、デジタルカメラ、ビデオカメラ等におけるレンズの駆動等様々な電子機器の駆動源として適用可能である。

本発明の圧電素子の電極構成を示す図である。 本発明の圧電素子の別の電極構成を示す図である。 本発明の圧電素子の振動モードを示す図である。 本発明の圧電素子を用いた超音波モータの構成例を示す図である。 本発明の圧電素子を用いた超音波モータの駆動方法を示す図である。 本発明の圧電素子の別の電極構成を示す図である。 本発明の圧電素子を用いた超音波モータの駆動方法の別の例を示す図である。 本発明の圧電素子を用いた超音波モータを応用した電子機器のブロック図である。

符号の説明

１、２０ 、４０ 圧電素子
１１、２１、４１ 電極
２ 摩擦部材
３ 軸部
４ 加圧部材
６ 加圧手段
７ 移動体

Claims (8)

1. 矩形形状の圧電素子の縦振動と屈曲振動の合成振動により駆動される移動体からなる超音波モータであって、
   前記圧電素子は、幅方向に二分された二つの領域のうち一方の領域で構成され前記縦振動を励振する第一の分極領域と、前記二分された二つの領域のうち他方の領域をさらに長手方向において二分した第二の分極領域と第三の分極領域と、を有し、前記第二の分極領域と第三の分極領域とで前記屈曲振動を励振することを特徴とする超音波モータ
2. 矩形形状の圧電素子の縦振動と屈曲振動の合成振動により駆動される移動体からなる超音波モータであって、
   前記圧電素子は、幅方向に二分された二つの領域のうち一方の領域で構成された第一の領域と、前記二分された二つの領域のうち他方の領域をさらに長手方向において三分した第二の領域と第三の領域と第四の領域のうち、前記第一の領域と前記第三の領域を含む領域で構成される第一の分極領域と、前記第二の領域で構成される第二の分極領域と、前記第四の領域で構成される第三の分極領域と、を有することを特徴とする超音波モータ。
3. 前記幅方向に二分された領域は、幅方向の中央部において二分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. 前記第一の分極領域は、縦振動を前記第二の分極領域と前記第三の分極領域とで屈曲振動を励振することを特徴とする請求項２に記載の超音波モータ。
5. 前記第二の分極領域と前記第三の分極領域は、異なる方向に分極処理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。
6. 前記第一の分極領域と、前記第二の分極領域と、前記第三の分極領域は同一方向に分極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。
7. 前記第一の分極領域と前記第二の分極領域に駆動信号を印加するか、もしくは前記第一の分極領域と前記第三の分極領域に駆動信号を印加するかの選択によって移動体の移動方向を変え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。
8. 請求項１から７のいずれかに記載の超音波モータにより駆動される稼動部を有することを特徴とする電子機器。

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