JP4818858B2 - 超音波モータ素子 - Google Patents

Description

本発明は、リニアモータやＸ−Ｙステージ等に好適な、圧電素子を利用した超音波モータ素子に関する。

圧電素子をＬ１Ｂ２モードで駆動する超音波モータ素子が知られており、近時、Ｘ−Ｙステージやリニアモータ、回転ステージ、カメラのオートフォーカス機構等の駆動機構へ応用されている（例えば、特許文献１、２参照）。

図３に圧電素子９０でのＬ１Ｂ２モードの説明図を示す。Ｌ１Ｂ２モードは、図３上側に示す長手方向での伸縮一次共振（Ｌ１）モードと、図３下側に示す幅方向での曲げ二次共振（Ｂ２）モードの重ね合わせ（縮退）によって、振動の腹の部分が楕円運動を行う振動をいう。

このＬ１Ｂ２モードで駆動する超音波モータ素子は、圧電板の一方の主面に２行２列の電極部を形成して対角に位置する２個の電極部どうしをリード線で接続し、他方の主面にグランド（アース）電極を設け、圧電板の側面に駆動対称物に当接する摺動部材を設けた構造となっており、２組の電極部に位相を９０度ずらした電圧を印加して駆動する。

図４Ａに示すように、圧電素子９０の長辺の両端側にそれぞれ被駆動体９４Ａに当接する摺動部材９２を設けた場合には、それぞれの摺動部材９２に位相が１８０度ずれた楕円運動が生じ、交互に被駆動体９４Ａに摩擦力が作用して、被駆動体９４Ａを動かす。図４Ｂに示す圧電素子９０の動きは図４Ａに示す圧電素子９０の動きと同じであるが、この図４Ｂに示されるように、圧電素子９０の短辺の中央部に摺動部材９２を設けた場合にも、摺動部材９２に楕円運動を生じさせることができる。図４Ｂに示した被駆動体９４Ｂは回転円板であり、図４Ｂでは反時計回りに回転する形態が示されている。

特許文献１に開示された超音波モータ素子は、圧電板の一方の主面に２行２列の電極部を形成して対角に位置する２個の電極部どうしをリード線で接続し、他方の主面にグランド（アース）電極を設け、圧電板の側面に駆動対称物に当接する摺動部を備えた構造となっている。

この特許文献１の超音波モータ素子では、摺動部を設けるために圧電板に一定の厚みが必要となるので、駆動電圧が高くなる。また、圧電板の主面に取り付けられるリード線のために集積時の小型化が困難であるという問題がある。

特許文献２には、特許文献１に開示された超音波モータ素子を積層構造化した超音波モータ素子として、対角に位置する２つの電極部が積層方向において互い違いに面内接続された構造のものが開示されており、小型化と駆動電圧の低電圧化を可能としている。

しかしながら、この超音波モータ素子では、その中央部に圧電不活性な領域が広く形成されているので、この圧電不活性部分が振動変位を抑制するおそれがある。
特開平７−１８４３８２号公報（図１、段落［００２９］〜［００３１］等） 特開２００６−１８７１１２号公報（図３、［００２８］〜［００３４］等）

本発明は、圧電素子を用いた超音波モータ素子であって、大きな振動変位を生じさせることができ、低電圧駆動が可能で、一側面に給電用電極を集約して形成することができる超音波モータ素子を提供することを目的とする。

本発明に係る超音波モータ素子は、圧電板と第１内部電極とが交互に積層されＬ１Ｂ２モードで動作する２つのＬ１Ｂ２モード駆動部と、圧電板と第２内部電極とが交互に積層されＬ１モードで動作するＬ１モード駆動部と、を有する積層体を備えている。このＬ１モード駆動部は２つのＬ１Ｂ２モード駆動部に挟まれており、２つのＬ１Ｂ２モード駆動部は同じ構造を有していることが好ましい。第１内部電極は、圧電板を挟んで交互に設けられた、２行２列に配置された４つの第１電極部を有する第１駆動電極と、この第１駆動電極に対応する領域を含む第１グランド電極とを有している。第２内部電極は、第１グランド電極に対応する領域を有するように圧電板を挟んで設けられた第２グランド電極と２層の第２駆動電極とを有している。積層体の側面には、第１グランド電極と第２グランド電極とを接続する第１外部電極と、４つの第１電極部のうち対角に位置する２つの第１電極部と一方の第２駆動電極とを接続する第２外部電極と、対角に位置し第２外部電極に接続されていない２つの第１電極部と他方の第２駆動電極とを接続する第３外部電極とを設ける。

本発明の超音波モータ素子は、圧電板の薄板化が容易であるので低電圧駆動を行うことができる。また、Ｌ１モード駆動部が備えている第２駆動電極がＬ１Ｂ２モード駆動部が備えている対角に位置する２つの第１駆動電極を接続する役割を果たすので、駆動電圧印加のための外部電極を第１〜第３外部電極の３種で構成することができる。第２，第３外部電極はそれぞれ超音波モータ素子の二側面に形成されるが、そのうち一方の側面に形成されたものを給電用電極として用いればよいので、一側面からの給電が可能になる。さらにこの超音波モータ素子はＬ１モード駆動部を積層体の中央部に備えているので、Ｌ１モードの振動が積層方向（面方向）へぶれ難くなる。これにより被駆動体に与える力の実効成分が大きくなるので、被駆動体の高速移動や高トルク駆動が可能になる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。超音波モータ素子１００の概略平面図を図１Ａに、概略側面図を図１Ｂ，図１Ｃにそれぞれ示す。図１Ａ〜１Ｃに示すように、超音波モータ素子１０の長さ方向をＹ方向、幅方向をＸ方向、厚さ方向（積層方向，面方向）をＺ方向とする。

超音波モータ素子１００は、圧電板１２と第１内部電極（後述する第１駆動電極１４と第１グランド電極（アース電極）１６を包括する）が交互に積層され、Ｌ１Ｂ２モードで動作する２つのＬ１Ｂ２モード駆動部１０Ａ・１０Ｂと、圧電板２２と第２内部電極（後述する第２駆動電極２４ａ・２４ｂと第２グランド電極２６ａ・２６ｂを包括する）とが交互に積層されＬ１モードで動作するＬ１モード駆動部２０とを有する積層体５０を備えており、Ｌ１モード駆動部２０がＬ１Ｂ２モード駆動部１０Ａ・１０Ｂに挟まれた構造となっている。

なお、圧電板１２と圧電板２２は実質的に同等のものであり、第１グランド電極１６と第２グランド電極２６ａ・２６ｂもまた実質的に同等のものである。図１Ｂ，１Ｃでは、内部電極は側面に露出した部分のみが記されている。これら内部電極の形状については後に図２を参照して詳細に説明する。

積層体５０の長辺側面の両端部には摺動部材５２が取り付けられており、この摺動部材５２を被駆動体６０に当接させる。被駆動体６０はガイドレール６２の長さ方向にスライド自在に保持されている。摺動部材５２としては耐摩耗性材料（例えば、ステンレス等の合金材料、炭化珪素等のセラミックス材料）が好適に用いられ、エポキシ樹脂等により積層体５０に取り付けられる。

積層体５０の構成について詳細に説明する。図２に超音波モータ素子１００を構成する圧電板と内部電極の構造を示す。図１Ｂ，１Ｃにおいて超音波モータ素子１００の下側に位置しているＬ１Ｂ２モード駆動部１０Ａの圧電板１２に対して下から１２ａ〜１２ｄの符号を設け、超音波モータ素子１００の上側に位置しているＬ１Ｂ２モード駆動部１０Ｂの圧電板１２に対して下から１２ｅ〜１２ｈの符号を設けている。また、Ｌ１モード駆動部２０の圧電板２２に対しては下から２２ａ〜２２ｃの符号を設けている。さらに図２では、各圧電板１２ａ〜１２ｈ・２２ａ〜２２ｃにその直上の内部電極パターンを示している。

Ｌ１Ｂ２モード駆動部１０Ａにおいて、圧電板１２ａ・１２ｃに示されているように、圧電板１２ａ・１２ｂ間と圧電板１２ｃ・１２ｄ間には、２行２列に分割された４つの第１電極部１４ａ〜１４ｄからなる第１電極１４が配置されている。また、圧電板１２ｂに示されているように、圧電板１２ｂ・１２ｃ間には第１グランド電極１６が配置されている。

Ｌ１Ｂ２モード駆動部１０Ｂにおいて、圧電板１２ｅ・１２ｇに示されているように、圧電板１２ｅ・１２ｆ間と圧電板１２ｇ・１２ｈ間にも、２行２列に分割された４つの第１電極部１４ａ〜１４ｄからなる第１電極１４が配置されている。また、圧電板１２ｆに示されているように、圧電板１２ｆ・１２ｇ間には第１グランド電極１６が配置されている。

第１グランド電極１６は４つの第１電極部１４ａ〜１４ｄに対応する領域（但しこの領域には、超音波モータ素子１００の側面に露出させるための後述する凸部は含まれない）を含んでいる。

第１電極部１４ａ〜１４ｄそれぞれの長辺側には、第１電極部１４ａ〜１４ｄへの電圧印加を行うために第１電極部１４ａ〜１４ａを積層体５０の側面へ露出させるべく、積層方向（Ｚ方向）から見たときに重なる位置に凸部が設けられている。第１グランド電極１６の長辺側の一方にも、第１グランド電極１６を積層体５０の側面へ露出させるべく、凸部が設けられており、この凸部はＺ方向から見たときに、第１電極部１４ａ〜１４ｄの凸部とは重ならない位置に設けられている。

Ｌ１モード駆動部２０において、圧電板２２ａ・２２ｂ間には第２駆動電極２４ａが配置され、圧電板２２ｂ・２２ｃ間には第２駆動電極２４ｂが配置されている。

圧電板１２ｄと圧電板２２ａとの間に設けられるグランド電極は、Ｌ１Ｂ２モード駆動部１０Ａを構成する第１グランド電極１６でもあり、Ｌ１モード駆動部２０を構成する第２グランド電極２６ａでもある。圧電板２２ｃと圧電板１２ｅとの間に設けられるグランド電極は、Ｌ１Ｂ２モード駆動部１０Ｂを構成する第１グランド電極１６でもあり、Ｌ１モード駆動部２０を構成する第２グランド電極２６ｂでもある。

第２駆動電極２４ａ・２４ｂそれぞれの各長辺側には、第２駆動電極２４ａ・２４ｂへの電圧印加を行うために第２駆動電極２４ａ・２４ｂを積層体５０の側面へ露出させるべく、凸部が設けられている。第２駆動電極２４ａの２カ所の凸部はそれぞれ第１電極部１４ａ・１４ｄの各凸部と重なる位置に設けられており、第２駆動電極２４ｂの２カ所の凸部はそれぞれ第１電極部１４ｂ・１４ｃの各凸部と重なる位置に設けられている。

第２グランド電極２６ａ・２６ｂは第１グランド電極１６と同じ構造を有しているので、第２グランド電極２６ａ・２６ｂの長辺側の一方にも、第２グランド電極２４ａ・２４ｂを積層体５０の側面へ露出させるべく、凸部を備えており、これら凸部はＺ方向から見たときに、第１グランド電極１６の凸部と重なる位置に設けられている。

図１Ｂには第１電極部１４ｂ・１４ｃとグランド電極１６・２６ａ・２６ｂのそれぞれの露出部分が示されており、図１Ｃには第１電極部１４ａ・１４ｄと第２駆動電極２４ａ・２４ｂのそれぞれの露出部分が示されている。

図１Ｂに示されるように、積層体５０の側面において第１グランド電極１６と第２グランド電極２６ａ・２６ｂが露出している部分には、これらを接続するための第１外部電極３４が設けられている。また、第２駆動電極２４ｂと第１電極部１４ｂが露出している部分には、これらを接続するための第２外部電極３６ａが設けられている。第２駆動電極２４ａと第１電極部１４ｄが露出している部分には、これらを接続するための第３外部電極３８ａが設けられている。

図１Ｃに示されるように、第２駆動電極２４ｂと第１電極部１４ｃが露出している部分には、これらを接続するための第２外部電極３６ｂが設けられている。第２駆動電極２４ａと第１電極部１４ａが露出している部分には、これらを接続するための第３外部電極３８ｂが設けられている。

このような電極構成により、２つの第２外部電極３６ａ・３６ｂは第２駆動電極２４ｂを通じて導通するため、結果的に、第１駆動電極１４において対角に位置している２つの第１電極部１４ｂ・１４ｃも電気的に接続された状態となる。同様に、２つの第３外部電極３８ａ・３８ｂは第２駆動電極２４ａを通じて導通するため、結果的に、第１駆動電極１４において対角に位置している残り２つの第１電極部１４ａ・１４ｄが電気的に接続された状態となる。

超音波モータ素子１００では、給電のために、第１外部電極３４にリード線７２を、第２外部電極３６ａにリード線７４を、第３外部電極３８ａにリード線７６をそれぞれ取り付けた構造としている。このように超音波モータ素子１００では、このように積層体５０の一側面から給電を行うことができる。この場合、第２外部電極３６ｂと第３外部電極３８ｂにはリード線を取り付ける必要はないことは、前述の電極構造から明らかである。

なお、第２外部電極３６ａ・３６ｂのいずれか一方にリード線を、第３外部電極３８ａ・３８ｂのいずれか一方にリード線を取り付けた構成とすることもできる。また、超音波モータ素子１００を固定保持等するための治具または容器に、これらの外部電極と接触する給電端子を設けておけば、各外部電極にリード線を取り付ける必要はない。

上述した構造を有する超音波モータ素子１００は、好適には、以下のプロセスにより製造することができる。チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系圧電セラミックス等の圧電セラミックス粉末を、ドクターブレード法や押出成形法等のシート成形技術を用いてシート状に成形し、得られたグリーンシートを、焼成収縮を考慮して、圧電板の矩形形状に打ち抜く。

圧電セラミックスの焼成温度に適合する内部電極材のペースト（例えば、Ａｇ／Ｐｄペースト、Ｐｄペースト、Ｐｔペースト等）を用いて、矩形グリーンシートに第１駆動電極の電極パターンを印刷したもの（以下「シートＡ」という）を所定枚数作製する。同様に、矩形グリーンシートに第１グランド電極（第２グランド電極も同じ）の電極パターンをスクリーン印刷法等により印刷したもの（以下「シートＢ」という）と、第２駆動電極の電極パターンを印刷したもの（以下「シートＣ」という）を所定枚数作製する。作製したシートＡ・Ｂ・Ｃを、下から順番に、シートＡ，Ｂ，Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｃ，Ｂ，Ａ，Ｂ，Ａの順番で積み重ね（２枚のシートＣは電極パターンの凸部位置が反転するように配置する）、その上に電極ペーストが印刷されていない矩形グリーンシートをさらに積み重ね、熱プレス等を用いて一体化（熱圧着）する。

この圧着体を所定温度で焼成することにより、矩形グリーンシート部分は圧電板へ、印刷された電極ペーストはそれぞれの内部電極へと変化する。得られた焼成体の側面や端面を必要に応じて研磨加工し、形状を整えることで、積層体が得られる。第１〜第３外部電極を形成するために、積層体の側面の所定位置にＡｇペースト等を塗布し、これを焼成して焼き付ける。

次いで第１〜第３外部電極にリード線をハンダ付け等により取り付ける。第１外部電極と第２・第３外部電極との間に所定の直流電圧を印加することによって、圧電板を分極処理する。こうして、超音波モータ素子を得ることができる。

グリーンシートを用いた製造方法は生産性に優れており、また、圧電板の厚さを薄く構成することができるので、超音波モータ素子１００は低電圧駆動で大きな変位を得ることができる。

超音波モータ素子１００の駆動方法は、リード線７２・７４間に印加する交流電圧Ｖ１とリード線７２・７６間に印加する交流電圧Ｖ２の位相を９０度ずらすことにより行うことができる。交流電圧Ｖ１・Ｖ２としては正弦波または三角波が好適である。

圧電板１２ａ・１２ｈには駆動電圧が印加されないので、圧電効果による変位は発生しない。圧電板２２ｂは分極されておらず、駆動電圧を印加しても電位差の方向が周期的に変化するために実質的に分極は進行せず、そのために圧電効果により変位することはない非駆動圧電板となる。これら圧電板１２ａ・１２ｈ・２２ｂは、圧電効果により変位を生じる圧電板の振動に追随して振動する。

圧電板１２ｂ〜１２ｄ・１２ｅ〜１２ｇにはＬ１Ｂ２モードの振動が生じる。また、圧電板２２ａ・２２ｃにはＬ１モードの振動が生じる。このＬ１モードの振動により、Ｌ１Ｂ２モード駆動部１０で発生したＬ１Ｂ２モードの振動におけるＬ１モードの変位が増幅され、積層体５０全体としてＬ１Ｂ２モードの振動が発生する。

積層体５０の構造は圧電板２２ｂを中心としてＺ方向で対称であり、これにより積層体５０には、内部電極面と平行な面内（図１ＡのＸ−Ｙ面内）での振動が生じやすくなっている。また、Ｌ１モード駆動部２０を積層体５０の積層方向中央に配置することによって、Ｌ１モードの振動がＺ方向にぶれることが抑制される。さらに、圧電板２２ｂにも積層体５０に発生するＬ１Ｂ２モードの振動がＺ方向にぶれるのを抑制する効果がある。

これらの効果により、超音波モータ素子１００は、Ｌ１モード駆動部２０を備えていない超音波モータ素子と比較すると、摺動部材５２の楕円軌道径を長くすることができるので摺動部材５２の楕円軌道を描く際の線速が速くなり、またＺ方向（面方向）への振動のぶれを抑制できるので、被駆動体６０に与える振動の実効成分が大きくなる。つまり、発生する振動を効率よく摺動部材５２を通して被駆動体６０に与えることができる。こうして、被駆動体６０をガイドレール６２の長さ方向であるＸ方向に高速移動させたり、駆動に大きなトルクを必要とする被駆動体６０を動かしたりすることができるようになる。被駆動体６０の進行方向の制御は、交流電圧Ｖ１・Ｖ２のうちのどちらの位相を９０度進めるかで決定することができる。

ところで、圧電板２２ｂの厚さが厚すぎると積層体５０に発生する振動振幅を小さくしてしまう。そのため、圧電板２２ｂの厚さは、電圧印加によりＬ１Ｂ２モードおよびＬ１モードで動作する他の圧電板の厚さよりも、薄くすることが好ましい。同様の理由で、Ｚ方向端に位置する非駆動圧電板である圧電板１２ａ・１２ｈの厚さもまた圧電板２２ｂと同様に薄く構成することが好ましい。例えば、圧電板２２ｂの厚さを１００μｍとし、他の駆動圧電板の厚さを３４０μｍとする等である。

以上本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような形態に限定されるものではないことはいうまでもない。Ｌ１モード駆動部とＬ１Ｂ２モード駆動部をそれぞれ構成する圧電板と電極数は図１Ｂ・１Ｃおよび図２に限定されるものではないが、Ｌ１モードで振動する圧電板の数は、Ｌ１Ｂ２モードで振動する圧電板の数よりも少なくすることで、摺動部材５２に確実に楕円運動を生じさせることができる。

また、Ｌ１モード駆動部に非駆動圧電板を設けた構成について示したが、この非駆動圧電板を設けない構成としてもよい。例えば、図２に示した構成における圧電板２２ａと圧電板２２ｂの間に、グランド電極が設けられた圧電板が挿入された構成としてもよい。

上記説明においては、摺動部材５２を積層体５０の長辺側側面の両端近傍に設けた形態を示したが、先に図４Ｂを参照して説明したように、摺動部材５２は積層体５０の短辺側側面の中央部に設けてもよい。この場合には、摺動部材５２が被駆動体６０を押圧する方向での変位量が大きくなるので、被駆動体６０を動かすために大きなトルクが必要とされる場合に好適である。また、直線的な動きを行う被駆動体６０を取り上げた形態について説明したが、被駆動体はこれに限られるものではなく、例えば、回転自在に保持された円板の側面に摺動部材５２をその径方向で当接させることにより、この円板を回転させることができる。

超音波モータ素子の概略平面図。 超音波モータ素子の概略側面図。 超音波モータ素子の別の概略側面図。 超音波モータ素子を構成する圧電板と電極の構造を示す平面図。 Ｌ１Ｂ２共振モードの説明図。 超音波モータ素子のＬ１Ｂ２共振モードによる被駆動体の駆動態様を示す図。 超音波モータ素子のＬ１Ｂ２共振モードによる被駆動体の別の駆動態様を示す図。

符号の説明

１０Ａ・１０Ｂ…Ｌ１Ｂ２モード駆動部、１２・１２ａ〜１２ｈ…圧電板、１４…第１駆動電極、１４ａ〜１４ｄ…第１電極部、１６…第１グランド電極、２０…Ｌ１モード駆動部、２２・２２ａ〜２２ｃ…圧電板、２４ａ・２４ｂ…第２駆動電極、２６ａ・２６ｂ…第２グランド電極、３４…第１外部電極、３６ａ・３６ｂ…第２外部電極、３８ａ・３８ｂ…第３外部電極、５０…積層体、５２…摺動部材、６０…被駆動体、６２…ガイドレール、７２・７４・７６…リード線、９０…圧電素子、９０…圧電素子、９２…摺動部材、９４Ａ・９４Ｂ…被駆動体、１００…超音波モータ素子。

Claims (5)

1. 圧電板と第１内部電極とが交互に積層されＬ１Ｂ２モードで動作する２つのＬ１Ｂ２モード駆動部と、圧電板と第２内部電極とが交互に積層されＬ１モードで動作するＬ１モード駆動部と、を有する積層体を備えた超音波モータ素子であって、
   前記Ｌ１モード駆動部は前記２つのＬ１Ｂ２モード駆動部に挟まれ、
   前記第１内部電極は、圧電板を挟んで交互に設けられた、２行２列に配置された４つの第１電極部を有する第１駆動電極と、この第１駆動電極に対応する領域を含む第１グランド電極とを有し、
   前記第２内部電極は、前記第１グランド電極に対応する領域を有するように圧電板を挟んで設けられた第２グランド電極と２層の第２駆動電極とを有し、
   前記積層体の側面には、前記第１グランド電極と前記第２グランド電極とを接続する第１外部電極と、前記４つの第１電極部のうち対角に位置する２つの第１電極部と一方の前記第２駆動電極とを接続する第２外部電極と、対角に位置し前記第２外部電極に接続されていない２つの前記第１電極部と他方の前記第２駆動電極とを接続する第３外部電極とが設けられていることを特徴とする超音波モータ素子。
2. 前記Ｌ１モード駆動部は、前記２層の第２駆動電極に挟まれて駆動しない圧電板を有していることを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ素子。
3. 前記Ｌ１モード駆動部に設けられた非駆動圧電板の厚さは、その他の駆動可能な圧電板の厚さよりも薄いことを特徴とする請求項２に記載の超音波モータ素子。
4. 前記Ｌ１モード駆動部はさらに、前記第２外部電極と接続された別の第２駆動電極と、前記第３外部電極に接続されたさらに別の第２駆動電極を有していることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超音波モータ素子。
5. 前記圧電板は矩形形状を有し、前記積層体の側面において前記圧電板の短辺中央部または長辺両端部に対応する部分に、被駆動体に当接する摺動部材が設けられていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の超音波モータ素子。

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