JP5117058B2 - アクチュエータケースおよび超音波モータ - Google Patents

Description

本発明は、Ｘ−Ｙステージ等の駆動に好適な圧電アクチュエータを保持するためのアクチュエータケースと、このアクチュエータケースを用いて構成された超音波モータに関する。

圧電セラミックスを、所謂、Ｌ１Ｂ２共振モードで駆動する圧電アクチュエータが知られており、近時、Ｘ−Ｙステージやリニアモータ、回転ステージ等の駆動機構に応用されている（例えば、特許文献１参照）。

図５はＬ１Ｂ２共振モードによる圧電アクチュエータの駆動態様を示す説明図である。Ｌ１Ｂ２共振モードは、図５上側に示す長手方向での伸縮一次共振（Ｌ１）モードと、図５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共振をいう。

このＬ１Ｂ２共振モードで駆動する圧電アクチュエータは、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象物に当接する摺動部材を設けた構造となっており、一般的に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６はこの圧電素子９０の長辺の両端側にそれぞれ被駆動体９４に当接する摺動部材９２を設けた場合の駆動形態を示している。この図６に示されるように、２つの摺動部材９２には位相が１８０度ずれた楕円運動が生じ、こうして交互に被駆動体９４に摩擦力が作用することで、被駆動体９４を動かすことができる。

しかしながら、この図６に示されるように、圧電素子９０にはＳ字型が反転するような複雑な動きが生じるために、圧電素子９０をどのようにして保持するかによってモータとしての性能が左右され、また圧電素子９０の生産性にも影響を与える場合がある。

例えば、圧電素子９０の主面の中心であるＰ点を不動点とすることができるので、この部分に圧電素子９０の厚さ方向に貫通孔を設け、この貫通穴に棒部材を挿通させて、さらにこの棒部材を保持することにより圧電素子９０を保持することができる（例えば、特許文献２参照）。

しかしながら、この保持方法では、圧電素子９０に回転ぶれが発生しやすく、圧電素子９０を安定して保持することが難しい。そのため、被駆動体に与える推力が安定せず、被駆動体の動作制御の精度を高く維持することは困難である。また、圧電素子９０の製造段階において、穴開け加工が必要になるために製造コストが高くなり、また加工の失敗によって生産性が低下するおそれがある。
特開平７−１８４３８２号公報（図１、段落［００２９］〜［００３１］等） 特開平５−１３７３５９号公報（図１６等）

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、Ｌ１Ｂ２モードで駆動する圧電アクチュエータを簡単な構造で、かつ、その動きを阻害しないように安定して保持することができるアクチュエータケースと、このアクチュエータケースを用いた超音波モータを提供することを目的とする。

すなわち本発明によれば、凹型形状を有し、Ｌ１Ｂ２モードで駆動される矩形板状の圧電アクチュエータの一方の側面部の一部を把持する底壁部と、圧電アクチュエータの２カ所の端面部の一部をそれぞれ把持する２つの側壁部とを有する第１ケース部と、第１ケース部を嵌挿保持する凹型の第２ケース部と、円柱形状を有し、中心軸が圧電アクチュエータの主面に垂直になり、第１ケース部の外壁及び第２ケース部の内壁に接触するように回転自在に配置される円柱部材と、第１ケース部を、円柱部を介して第２ケース部に押圧するように第１ケース部と第２ケース部との間に配置される第１付勢部材と、を備えるアクチュエータケースが提供される。

このアクチュエータケースは、第１ケース部を嵌挿保持する凹型の第２ケース部と、第１ケース部の一方の側壁部を圧電アクチュエータに押し付けるようにこの一方の側壁部と第２ケース部との間に設けられた第１付勢部材と、第１ケース部の底壁部を圧電アクチュエータに押し付けるようにこの底壁部と第２ケース部との間に設けられた第２付勢部材とをさらに具備する構造とすることが好ましく、このような構造においては、第２ケース部において第１ケース部の他方の側壁部と対向している面が、円柱部材の側面の一部により押圧される所定の固定面となる。

第１ケース部には樹脂材料が好適に用いられ、第２ケース部には金属材料が好適に用いられ、円柱部材には金属材料が好適に用いられる。

本発明によれば、Ｌ１Ｂ２モードで駆動される圧電アクチュエータと、このアクチュエータケースとを用いて構成された超音波モータが提供される。

本発明のアクチュエータケースは、Ｌ１Ｂ２モードで駆動される圧電アクチュエータを、コンパクトに、また確実かつ簡単に保持することができるので、圧電アクチュエータの厚さ方向での振動ぶれの発生を抑制することができる。これにより、被駆動体の動作制御を高い精度で行うことができ、しかも、高速で高推力の超音波モータを実現することができる。また、圧電素子にこれを保持するための穴部等を設ける必要がないので、圧電素子の製造も容易である。

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。図１に超音波モータの概略側面図を、図２に超音波モータの概略断面図を、示し、図３に図１中の矢視Ａ−Ａ断面図を、図４に図１中の矢視Ｂ−Ｂ断面図をそれぞれ示す。なお、図１に示す概略側面図は、後述する側面カバー４８ａが取り付けられていない状態を示している。

超音波モータ１００は、Ｌ１Ｂ２モードで駆動される矩形板状の圧電アクチュエータ１０と、圧電アクチュエータ１０を保持するアクチュエータケース（以下「ケース」という）２０とを有している。図１から図４に示されるように、圧電アクチュエータ１０の長手方向をＸ方向、厚さ方向をＹ方向、幅方向をＺ方向と規定することとする。

圧電アクチュエータ１０は、圧電セラミックスからなる圧電板１２の一方の主面（表面；Ｚ−Ｘ面）に２行×２列の電極１３（図１では電極１３を明瞭に示すために電極１３をドットでパターニングしている）が形成され、他方の主面（裏面Ｚ−Ｘ面）には全面に共通電極（グランド電極）（図示せず）が形成され、圧電板１２の一方の側面（Ｘ−Ｙ面）に被駆動体たるスライダ５０に当接する２個の摺動部材１１が所定間隔で設けられた構造を有している。

圧電板１２はその厚さ方向に分極されている。圧電板１２の表面に形成された４つの電極１３は、対角位置にあるものどうしがリード線等（図示せず）により電気的に２組に分かれて接続されており、各組がさらに共通電極と対になって２系統の入力端子が形成されている。これら２系統の入力端子に位相を９０度ずらした電圧を印加することにより、先に図６を参照しながら説明したように、２個の摺動部材１１に位相が１８０度ずれた楕円運動を生じさせることができる。

ケース２０は、圧電アクチュエータ１０を把持する第１ケース部３０と、第１ケース部３０を嵌挿保持する凹型の第２ケース部４０を備えている。図３，図４に示されるように、第２ケース部４０の側面（Ｚ−Ｘ面）には側面カバー４８ａ，４８ｂが取り付けられており、スライダ５０を圧電アクチュエータ１０が具備する２個の摺動部材１１との間で挟持するためのベアリング４９が、これらの側面カバー４８ａ，４８ｂの間に架設されている。

第１ケース部３０は、圧電アクチュエータ１０の端面（Ｙ−Ｚ面）部をそれぞれ把持する側壁部２１ａ，２１ｂと、圧電アクチュエータ１０において摺動部材１１が取り付けられていない方の側面部を把持する底壁部２１ｃから構成されている。

側壁部２１ａ，２１ｂおよび底壁部２１ｃにはそれぞれ、圧電アクチュエータ１０を把持するための爪部２２ａ，２２ｂおよび爪部２２ｃが設けられている。爪部２２ａ，２２ｂ，２２ｃは２つの突起からなり、「把持」とはこれらの突起の間に圧電アクチュエータ１０の圧電板１２を挟み込むことで、圧電アクチュエータ１０を保持するこという。

爪部２２ｃを例に挙げて説明すれば、図１，図２および図４に示されるように、爪部２２ｃを構成する２個の突起間の底の高さは、これら２個の突起が形成されている底壁部２１ｃの基底面よりも高くなっている。つまり、圧電アクチュエータ１０を構成する圧電板１２の側面は、爪部２２ｃの２個の突起間の底においてのみ底壁部２１と接触している。爪部２２ａ，２２ｂについても同様であり、圧電アクチュエータ１０を構成する圧電板１２の端面は、爪部２２ａ，２２ｂそれぞれの２個の突起間の底においてのみ側壁部２１ａ，２１ｂと接触している。

このような構造とする理由は、圧電板１２の端面全体を側壁部２１ａ，２１ｂに接触させて保持し、圧電板１２の側面全体を底壁部２１ｃに接触させて保持してしまうと、第１ケース部３０により圧電アクチュエータ１０に生ずる振動変位がクランプされて振動変位が小さくなってしまうので、これを防止するためである。

これらの爪部２２ａ〜２２ｃは、圧電板１２を強固に把持する必要はないが、圧電板１２がＸ，Ｙ，Ｚの各方向に容易にはずれない程度に、爪部２２ａ〜２２ｃの形状（寸法）は、圧電板１２の形状（寸法）を考慮して設定される。

なお、圧電板１２を爪部２２ａ〜２２ｃに樹脂接着剤等で接着することは必要ではないが、圧電アクチュエータ１０の振動が阻害されないか或いは阻害されてもそれが許容される程度に抑えられているのであれば、圧電板１２と爪部２２ａ〜２２ｃの接触部は接着されていてもよい。その場合、圧電板１２は爪部２２ａ〜２２ｃをそれぞれ構成する２つの突起の間の内面でのみ接着されていることが好ましい。

第１ケース部３０は一体構造物であることが、その機械的強度を確保する観点から、好ましい。圧電アクチュエータ１０の駆動時には圧電板１２は発熱する。そのため第１ケース部３０には、長時間の駆動による圧電板１２の温度上昇に耐える樹脂材料が好適に用いられ、具体的には、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）等のエンジニアリングプラスチックが用いられる。

側壁部２１ａにはＹ方向に貫通する円柱状の穴部２４が設けられており、この穴部２４に円柱部材（以下「コマ」という）２５が回転自在に挿通されている。言うまでもなく、コマ２５の中心軸（コマ２５の長さ方向に平行で、この方向に垂直な断面円の中心を通る軸）は、圧電アクチュエータ１０の主面に垂直である。穴部２４は、コマ２５の曲面（側面）の一部が側壁部２１ａから露出するように、側壁部２１ａに形成されている。穴部２４の内径とコマ２５の外径との寸法公差は小さいことが好ましい。コマ２５は、ステンレス，鋳鉄等の金属材料で構成されていることが好ましい。

第２ケース部４０は、第１ケース部３０の側壁部２１ａ，２１ｂとそれぞれ対向する外壁部２６ａ，２６ｂと、第１ケース部３０の底壁部２１ｃと対向する外底壁部２６ｃから構成されている。外壁部２６ａ，２６ｂはボルト等を用いて外底壁部２６ｃに連結されている。第２ケース部４０には、アルミニウム，真鍮，ステンレス等の金属材料が好適に用いられる。

第１ケース部３０の側壁部２１ｂを圧電アクチュエータ１０に押し付けるように、この側壁部２１ｂと第２ケース部４０の外壁部２６ｂとの間には、第１付勢部材たる第１コイルバネ３５が配設されている。この第１コイルバネ３５は、側壁部２１ｂにおいて爪部２２ｂと背中合わせとなる位置を押圧するように、外壁部２６ｂに形成された凹部４５に収容されている。このように第１コイルバネ３５が爪部２２ｂを介して圧電アクチュエータ１０をＸ方向に押圧することにより、圧電アクチュエータ１０をＸ方向で確実に保持することができ、圧電アクチュエータ１０がＺ方向とＹ方向にずれ難くなる。

第１ケース部３０の底壁部２１ｃを圧電アクチュエータ１０に押し付けるように、この底壁部２１ｃと第２ケース部４０の外底壁部２６ｃとの間には、第２付勢部材たる２個の第２コイルバネ３６が配設されている。これらの第２コイルバネ３６は、底壁部２１ｃにおいて爪部２２ｃと背中合わせとなる位置を押圧するように、外底壁部２６ｃに形成された凹部４６に収容されている。

第２コイルバネ３６を圧電アクチュエータ１０の中心から等距離の２カ所に設けることにより、また第２コイルバネ３６が爪部２２ｃを介して圧電アクチュエータ１０を押圧することにより、圧電アクチュエータ１０に設けられた２個の摺動部材１１を同等の力でスライダ５０に押し当てることができる。これにより、超音波モータ１００では高い駆動性能が得られ、また２個の摺動部材１１の一方が早く摩耗する等の劣化を防止することができる。

なお、底壁部２１ｃにおいて、爪部２２ｃと背中合わせの位置には、凸部２３が設けられており、この凸部２３は、第２ケース部４を構成する外底壁部２６ｃに形成された凹部４６に挿入され、第２コイルバネ３６と接触する。この凸部２３および凹部４６により、第２コイルバネ３６を爪部２２ｃに対して適切な位置に容易に配置することができる。

ケース２０は、上述の通りの構成により、コンパクトかつ簡単な構造で圧電アクチュエータ１０を安定に保持することができる。また、圧電アクチュエータ１０に孔開け等の加工を行う必要がないというメリットもある。

上記の通りに構成された超音波モータ１００では、第１コイルバネ３５が第１ケース部３０の側壁部２１ｂを圧電アクチュエータ１０側に所定の力で押し付けることによって、圧電アクチュエータ１０は第１ケース部３０の側壁部２１ａを第２ケース部４０の外壁部２６ａに押圧する。これにより、コマ２５において側壁部２１ａから露出している曲面部分が外壁部２６ａに接触し、その接触領域をＸ方向に押圧する。この接触領域はＹ方向に長く幅の狭い帯状の形態となるので、コマ２５と外壁部２６ａとの間のＹ方向での摩擦力が大きくなり、コマ２５がＹ方向で滑り難くなるが、Ｚ方向での摩擦力は小さい。

したがって、超音波モータ１００では、圧電アクチュエータ１０をＬ１Ｂ２モードで駆動した際に、コマ２５はＺ方向の変位振動を阻害することなく、Ｙ方向におけるぶれの発生を抑制する。すなわち、摺動部材１１はＹ方向へぶれることなく、Ｚ−Ｘ面内において楕円運動を行うことができるので、スライダ５０に対する推力の付与を安定して行うことができるので、スライダ５０の動作制御を高い精度で行うことができる。高速でスライダ５０を移動させたり、大きな推力でのスライダ５０を駆動させたりすることが可能になる。

以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこのような形態に限定されるものではない。例えば、円柱状のコマ２５を備えたアクチュエータケースについて説明したが、コマとしては、機械的強度が確保される限りにおいて、円筒形状のものを用いることができる。また、コマ２５は金属材料に限定されるものではなく、弾性体を用いることもできる。さらに、コマに代えて、リニアガイドを用いることもできる。

また、コマ２５の側面（曲面）を第２ケース部４０の外壁部２６ａに押し当てる構造を取り上げたが、これの変形例として、円柱状の本体部分の端面の中心に小突起を形成し、この小突起の位置に合わせて側面カバー４８ａ，４８ｂにこの小突起を嵌合支持するための穴部を設けた構造としてもよい。これにより、コマ自体のＹ方向でのずれが抑制される。

さらに、第１ケース部３０を第２ケース部４０に嵌挿保持させた形態について説明したが、例えば、第２ケース部４０と同等形状の凹部をリニアステージやＸ−Ｙテーブル，リニアガイド等の装置のフレームに形成すれば、その凹部に第１ケース部３０，コマ２５，第１コイルバネ３５，第２コイルバネ３６を装着してもよい。

第１，第２付勢部材としてコイルバネを取り上げたが、これに限定されるものではなく、板バネを用いることもできる。板バネはコイルバネよりも占有体積が小さいので、よりコンパクトな構造のアクチュエータケースを構成することができる。

超音波モータ素子の概略側面図。 超音波モータ素子の概略断面図。 図１中の矢視Ａ−Ａ断面図。 図１中の矢視Ｂ−Ｂ断面図。 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。

符号の説明

１０…圧電アクチュエータ、１１…摺動部材、１２…圧電板、１３…電極、２０…アクチュエータケース、２１ａ，２１ｂ…側壁部、２１ｃ…底壁部、２２ａ・２２ｂ・２２ｃ…爪部、２３…凸部、２４…穴部、２５…コマ、２６ａ・２６ｂ…外壁部、２６ｃ…外底壁部、３０…第１ケース部、３５…第１コイルバネ、３６…第２コイルバネ、４０…第２ケース部、４５…凹部、４６…凹部、４８ａ，４８ｂ…側面カバー、４９…ベアリング、５０…スライダ、９０…圧電素子、９２…摺動部材、９４…被駆動体、１００…超音波モータ。

Claims (4)

1. 凹型形状を有し、Ｌ１Ｂ２モードで駆動される矩形板状の圧電アクチュエータの一方の側面部の一部を把持する底壁部と、前記圧電アクチュエータの２カ所の端面部の一部をそれぞれ把持する２つの側壁部とを有する第１ケース部と、
   前記第１ケース部を嵌挿保持する凹型の第２ケース部と、
   円柱形状を有し、中心軸が前記圧電アクチュエータの主面に垂直になり、前記第１ケース部の外壁及び前記第２ケース部の内壁に接触するように回転自在に配置される円柱部材と、
   前記第１ケース部を、前記円柱部を介して前記第２ケース部に押圧するように前記第１ケース部と前記第２ケース部との間に配置される第１付勢部材と、
   を備えるアクチュエータケース。
2. 前記第１ケース部の底壁部を前記圧電アクチュエータに押し付けるように、前記底壁部と前記第２ケース部との間に設けられた第２付勢部材をさらに具備する請求項１に記載のアクチュエータケース。
3. 前記第１ケース部はポリエーテルエーテルケトンで構成され、前記第２ケース部は金属で構成され、前記円柱部材は金属で構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアクチュエータケース。
4. Ｌ１Ｂ２モードで駆動され、その一方の側面に被駆動体に当接する摺動部材を備えた矩形板状の圧電アクチュエータと、
   凹型形状を有し、前記圧電アクチュエータの一方の側面部の一部を把持する底壁部と、前記圧電アクチュエータの２カ所の端面部の一部をそれぞれ把持する２つの側壁部とを有する第１ケース部と、
   前記第１ケース部を嵌挿保持する凹型の第２ケース部と、
   円柱形状を有し、中心軸が前記圧電アクチュエータの主面に垂直になり、前記第１ケース部の外壁及び前記第２ケース部の内壁に接触するように回転自在に配置される円柱部材と、
   前記第１ケース部を、前記円柱部を介して前記第２ケース部に押圧するように前記第１ケース部と前記第２ケース部との間に配置される第１付勢部材と、
   を備えるアクチュエータケースと、
   を備える超音波モータ。

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