JP5179913B2

JP5179913B2 - 超音波モータ装置

Info

Publication number: JP5179913B2
Application number: JP2008077850A
Authority: JP
Inventors: 了一福永
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2008-03-25
Filing date: 2008-03-25
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2028-03-25
Also published as: JP2009232642A

Description

本発明は、矩形型の圧電振動子が、第一次縦振動モードと第一屈曲振動モードとを組み合わせた多重振動モードで振動することにより駆動力を発生する超音波モータ装置に関する。

従来から、圧電素子を矩形に形成し、第一次縦振動モード（Ｌ１）と第二次屈曲振動モード（Ｆ２）とを組み合わせた多重振動モードで振動することにより駆動力を発生する超音波モータが知られている。例えば、特開２００６−０９４５９７号公報には、複数の圧電体を積層し、Ｌ１Ｆ２共振モードで駆動する超音波振動子が開示されている。この超音波振動子は、圧電素子と内部電極とが交互に積層されており、この積層方向と直交する第２の方向および第３の方向に沿って、概ね４分割された内部電極群を備えている。また、それらの内部電極群とそれぞれ道通する第１の外部電極群および第２の外部電極群とを有している。そして、第１および第２の外部電極群に電圧を印加することにより、第２の方向に発生する縦振動モードと、第３の方向に発生する屈曲振動モードとが同時に励起することによって、楕円振動を発生させる。

また、特表２００７−５３８４８４号公報には、振動子を長さＬおよび高さＨの圧電プレートで形成して、ラーメモードで駆動する圧電超音波モータが開示されている。この圧電超音波モータでは、圧電プレートで一次非対称定在波が励起され、摺動チップが楕円運動をすることによって駆動力を発生させる。
特開２００６−０９４５９７号公報特表２００７−５３８４８４号公報

従来から、超音波モータは種々の目的に用いられているが、工業的に超音波モータに求められる主な特性は、小型であること、効率が高いこと、構造が簡単であることである。ここで、超音波モータが小型であることとは、圧電振動子の共振周波数がなるべく低いことを意味する。また、効率が高いとは、圧電振動子の機械−電気結合係数が大きいことを意味する。

しかしながら、第一次縦振動モード（Ｌ１）と第二次屈曲振動モード（Ｆ２）とを組み合わせた多重振動モードで超音波モータを駆動させようとする場合、主面を４つの領域に分けて、それぞれに電力を配置し、対角に位置する電極同士を接続しなければならず、電極構造が複雑にならざるを得ない。また、ラーメモードで超音波モータを駆動させようとする場合、他のモードと比較して共振周波数が高いため、他のモードと同じ共振周波数で駆動させようとした場合は、他のモードを用いる場合よりも超音波モータが大きくなってしまい、小型化を図ることが困難となる。

装置の小型化を図るためには、電極構成を簡略化させると共に、電源の構成も簡略化する必要がある。

また、従来から知られている超音波モータでは、圧電振動子の共振周波数帯域の所定の交流電圧を電極に印加して圧電振動子を駆動する。このような超音波モータでは、交流電圧の印加を停止しても、圧電振動子の摺動チップが慣性によって微小に動いてしまう。その結果、摺動チップが駆動対象物に駆動力を与えてしまうため、駆動対象物を高精度で位置決めすることが難しい。特に、ナノメートルの単位で駆動対象物を位置決めしようとする場合は、このような駆動誤差を無視することはできない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、小型化を図ると共に、効率が高く、構造が簡単であり、精度の高い動作を行なうことができる超音波モータ装置を提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するために、本発明は、以下のような手段を講じた。すなわち、本発明の超音波モータ装置は、矩形型の圧電振動子が、第一次縦振動モードと第一屈曲振動モードとを組み合わせた多重振動モードで振動することにより駆動力を発生する超音波モータ装置であって、前記圧電振動子が第一次縦振動モードで振動する際の伸縮方向の長さをＬとし、前記圧電振動子が第一次屈曲振動モードで振動する際の剪断方向の長さをｗとし、ｗ／Ｌを変数として、ｗ／Ｌと前記圧電振動子の第一次縦振動モードの共振周波数とを対応させると共に、ｗ／Ｌと第一次屈曲振動モードの共振周波数とを対応させた場合、前記圧電振動子は、第一次縦振動モードの共振周波数と第一次屈曲振動モードの共振周波数とが実質的に同一となるｗ／Ｌの値に基づいて形成されており、前記圧電振動子のいずれか一方の主面上に並設された２枚の電極と、前記２枚の電極のうち、少なくとも一方に対して交流電圧を印加して前記圧電振動子を駆動させる共振駆動装置と、前記２枚の電極のうち、少なくとも一方に対して直流電圧を印加して前記圧電振動子を駆動させる直流駆動装置と、前記共振駆動装置または直流駆動装置のいずれか一方を選択して動作させる制御部と、を備えることを特徴としている。

このように、圧電振動子が、第一次縦振動モードの共振周波数と第一次屈曲振動モードの共振周波数とが実質的に同一となるｗ／Ｌの値に基づいて形成されているので、他のモード、例えば、Ｌ１Ｆ２モードで駆動させる場合よりも圧電振動子の主面の形状を正方形に近いものとすることができる。その結果、全体の寸法が扁平とならないため、奥行き寸法を小さくすることができる。これにより、パワー入力が従来のものよりも大きく取ることが可能となる。なお、第一次縦振動モードの共振周波数と第一次屈曲振動モードの共振周波数とが実質的に同一となるｗ／Ｌの値とは、圧電振動子が超音波モータとして実用的に機能する範囲という意味である。第一次縦振動モードの共振周波数と第一次屈曲振動モードの共振周波数とが多少ずれていても、圧電振動子が超音波モータとして実用的に機能するのであれば、ｗ／Ｌの値は実質的に同一であると言える。逆に言えば、ｗ／Ｌの値は、圧電振動子が超音波モータとして実用的に機能するのであれば、第一次縦振動モードの共振周波数と第一次屈曲振動モードの共振周波数とがちょうど同じ値でなければならないわけではない。

また、共振駆動装置または直流駆動装置のいずれか一方を選択して動作させるので、最初は圧電振動子を共振駆動させることによって、短時間で駆動対象物を目的位置の近傍まで移動させることができる。駆動対象物が目的位置の近傍に到達した後、圧電振動子を直流駆動、すなわち、圧電振動子に静的変位が生じるように圧電振動子を駆動させることによって、駆動対象物を目的位置に高精度に位置決めすることが可能となる。例えば、半導体デバイスの設計・製造においては、配線パターンの微細化、高集積化が進められており、ステッパのＸ−Ｙステージにナノメートルオーダーでの位置制御が要求されている。本発明の超音波モータ装置は、このような位置決め装置に好適に用いられる。

（２）また、本発明の超音波モータ装置は、矩形型の圧電振動子が、第一次縦振動モードと第一屈曲振動モードとを組み合わせた多重振動モードで振動することにより駆動力を発生する超音波モータ装置であって、前記圧電振動子が第一次縦振動モードで振動する際の伸縮方向の長さをＬとし、前記圧電振動子が第一次屈曲振動モードで振動する際の剪断方向の長さをｗとした場合、前記圧電振動子は、前記ｗ／Ｌの値が実質的に１．０５となるように形成されており、前記圧電振動子のいずれか一方の主面上に並設された２枚の電極と、前記２枚の電極のうち、少なくとも一方に対して交流電圧を印加して前記圧電振動子を駆動させる共振駆動装置と、前記２枚の電極のうち、少なくとも一方に対して直流電圧を印加して前記圧電振動子を駆動させる直流駆動装置と、前記共振駆動装置または直流駆動装置のいずれか一方を選択して動作させる制御部と、を備えることを特徴としている。

このように、圧電振動子が、ｗ／Ｌの値が実質的に１．０５となるように形成されているので、他のモード、例えば、Ｌ１Ｆ２モードで駆動させる場合よりも圧電振動子の主面の形状を正方形に近いものとすることができる。その結果、全体の寸法が扁平とならないため、奥行き寸法を小さくすることができる。これにより、パワー入力が従来のものよりも大きく取ることが可能となる。なお、ｗ／Ｌの値が実質的に１．０５であるとは、圧電振動子が超音波モータとして実用的に機能する範囲という意味である。ｗ／Ｌの値が１．０５の前後にずれていても、圧電振動子が超音波モータとして実用的に機能するのであれば、ｗ／Ｌの値は実質的に１．０５であると言える。逆に言えば、ｗ／Ｌの値は、圧電振動子が超音波モータとして実用的に機能するのであれば、ちょうど１．０５でなければならないわけではない。

（３）また、本発明の超音波モータ装置において、前記２枚の電極と前記共振駆動装置および直流駆動装置との間に設けられ、前記共振駆動装置および直流駆動装置から供給された電圧が、前記２枚の電極のうち、いずれか一方のみに印加されるように切り替えを行なうスイッチング部をさらに備えることを特徴としている。

このように、共振駆動装置および直流駆動装置から供給された電圧が、前記２枚の電極のうち、いずれか一方のみに印加されるように切り替えを行なうので、電極構成および電源構成を簡略化することが可能となる。

（４）また、本発明の超音波モータ装置は、矩形型の圧電振動子が、第一次縦振動モードと第一屈曲振動モードとを組み合わせた多重振動モードで振動することにより駆動力を発生する超音波モータ装置であって、前記圧電振動子が第一次縦振動モードで振動する際の伸縮方向の長さをＬとし、前記圧電振動子が第一次屈曲振動モードで振動する際の剪断方向の長さをｗとし、ｗ／Ｌを変数として、ｗ／Ｌと前記圧電振動子の第一次縦振動モードの共振周波数とを対応させると共に、ｗ／Ｌと第一次屈曲振動モードの共振周波数とを対応させた場合、前記圧電振動子は、第一次縦振動モードの共振周波数と第一次屈曲振動モードの共振周波数とが実質的に同一となるｗ／Ｌの値に基づいて形成されており、前記圧電振動子のいずれか一方の主面上に並設された２枚の電極と、前記圧電振動子を駆動する電圧を供給する駆動装置と、前記２枚の電極と前記駆動装置との間に設けられ、前記駆動装置から供給された電圧が、前記２枚の電極のうち、いずれか一方のみに印加されるように切り替えを行なうスイッチング部と、を備えることを特徴としている。

このように、圧電振動子が、第一次縦振動モードの共振周波数と第一次屈曲振動モードの共振周波数とが実質的に同一となるｗ／Ｌの値に基づいて形成されているので、他のモード、例えば、Ｌ１Ｆ２モードで駆動させる場合よりも圧電振動子の主面の形状を正方形に近いものとすることができる。その結果、全体の寸法が扁平とならないため、奥行き寸法を小さくすることができる。これにより、パワー入力が従来のものよりも大きく取ることが可能となる。なお、第一次縦振動モードの共振周波数と第一次屈曲振動モードの共振周波数とが実質的に同一となるｗ／Ｌの値とは、圧電振動子が超音波モータとして実用的に機能する範囲という意味である。第一次縦振動モードの共振周波数と第一次屈曲振動モードの共振周波数とが多少ずれていても、圧電振動子が超音波モータとして実用的に機能するのであれば、ｗ／Ｌの値は実質的に同一であると言える。逆に言えば、ｗ／Ｌの値は、圧電振動子が超音波モータとして実用的に機能するのであれば、第一次縦振動モードの共振周波数と第一次屈曲振動モードの共振周波数とがちょうど同じ値でなければならないわけではない。また、駆動装置から供給された電圧が、２枚の電極のうち、いずれか一方のみに印加されるように切り替えを行なうので、電極構成および電源構成を簡略化させることが可能となる。

（５）また、本発明の超音波モータ装置は、矩形型の圧電振動子が、第一次縦振動モードと第一屈曲振動モードとを組み合わせた多重振動モードで振動することにより駆動力を発生する超音波モータ装置であって、前記圧電振動子が第一次縦振動モードで振動する際の伸縮方向の長さをＬとし、前記圧電振動子が第一次屈曲振動モードで振動する際の剪断方向の長さをｗとした場合、前記圧電振動子は、前記ｗ／Ｌの値が実質的に１．０５となるように形成されており、前記圧電振動子のいずれか一方の主面上に並設された２枚の電極と、前記圧電振動子を駆動する電圧を供給する駆動装置と、前記２枚の電極と前記駆動装置との間に設けられ、前記駆動装置から供給された電圧が、前記２枚の電極のうち、いずれか一方のみに印加されるように切り替えを行なうスイッチング部と、を備えることを特徴としている。

このように、圧電振動子が、ｗ／Ｌの値が実質的に１．０５となるように形成されているので、他のモード、例えば、Ｌ１Ｆ２モードで駆動させる場合よりも圧電振動子の主面の形状を正方形に近いものとすることができる。その結果、全体の寸法が扁平とならないため、奥行き寸法を小さくすることができる。これにより、パワー入力が従来のものよりも大きく取ることが可能となる。なお、ｗ／Ｌの値が実質的に１．０５であるとは、圧電振動子が超音波モータとして実用的に機能する範囲という意味である。ｗ／Ｌの値が１．０５の前後にずれていても、圧電振動子が超音波モータとして実用的に機能するのであれば、ｗ／Ｌの値は実質的に１．０５であると言える。逆に言えば、ｗ／Ｌの値は、圧電振動子が超音波モータとして実用的に機能するのであれば、ちょうど１．０５でなければならないわけではない。また、駆動装置から供給された電圧が、２枚の電極のうち、いずれか一方のみに印加されるように切り替えを行なうので、電極構成および電源構成を簡略化させることが可能となる。

（６）また、本発明の超音波モータ装置において、前記駆動装置は、交流電圧を電極に印加して前記圧電振動子を駆動させる共振駆動装置と、直流電圧を電極に印加して前記圧電振動子を駆動させる直流駆動装置と、前記共振駆動装置または直流駆動装置のいずれか一方を選択して動作させる制御部と、を備えることを特徴としている。

このように、共振駆動装置または直流駆動装置のいずれか一方を選択して動作させるので、最初は圧電振動子を共振駆動させることによって、短時間で駆動対象物を目的位置の近傍まで移動させることができる。駆動対象物が目的位置の近傍に到達した後、圧電振動子を直流駆動、すなわち、圧電振動子に静的変位が生じるように圧電振動子を駆動させることによって、駆動対象物を目的位置に高精度に位置決めすることが可能となる。例えば、半導体デバイスの設計・製造においては、配線パターンの微細化、高集積化が進められており、ステッパのＸ−Ｙステージにナノメートルオーダーでの位置制御が要求されている。本発明の超音波モータ装置は、このような位置決め装置に好適に用いられる。

本発明によれば、圧電振動子が、第一次縦振動モードの共振周波数と第一次屈曲振動モードの共振周波数とが実質的に同一となるｗ／Ｌの値に基づいて形成されているので、他のモード、例えば、Ｌ１Ｆ２モードで駆動させる場合よりも圧電振動子の主面の形状を正方形に近いものとすることができる。その結果、全体の寸法が扁平とならないため、奥行き寸法を小さくすることができる。これにより、パワー入力が従来のものよりも大きく取ることが可能となる。また、共振駆動装置または直流駆動装置のいずれか一方を選択して動作させるので、最初は圧電振動子を共振駆動させることによって、短時間で駆動対象物を目的位置の近傍まで移動させることができる。駆動対象物が目的位置の近傍に到達した後、圧電振動子を直流駆動、すなわち、圧電振動子に静的変位が生じるように圧電振動子を駆動させることによって、駆動対象物を目的位置に高精度に位置決めすることが可能となる。さらに、駆動装置から供給された電圧が、２枚の電極のうち、いずれか一方のみに印加されるように切り替えを行なうので、電極構成および電源構成を簡略化させることが可能となる。

本発明者は、従来、圧電振動子を円柱形状となるように形成し、圧電振動子をＬ１Ｆ１共振モードで駆動させることによって、円柱の頂部で回転運動を起こさせて、駆動対象物を回転させる超音波モータは知られていたが、矩形型の圧電振動子をＬ１Ｆ１共振モードで駆動するものは実現されていなかった点、および、圧電振動子のいずれか一方の主面上に２枚の電極を並設した超音波モータは知られているが、矩形型の圧電振動子において、第一次縦振動モードの共振周波数と第一次屈曲振動モードの共振周波数とが同一となる場合を利用した超音波モータは実現されていなかった点に着目し、圧電振動子を、その時の寸法に基づいて形成することによって、超音波モータの小型化、高効率化および構成の簡略化を実現することができることを見出し、本発明をするに至った。

すなわち、本発明は、矩形型の圧電振動子が、第一次縦振動モードと第一屈曲振動モードとを組み合わせた多重振動モードで振動することにより駆動力を発生する超音波モータ装置であって、前記圧電振動子が第一次縦振動モードで振動する際の伸縮方向の長さをＬとし、前記圧電振動子が第一次屈曲振動モードで振動する際の剪断方向の長さをｗとし、ｗ／Ｌを変数として、ｗ／Ｌと前記圧電振動子の第一次縦振動モードの共振周波数とを対応させると共に、ｗ／Ｌと第一次屈曲振動モードの共振周波数とを対応させた場合、前記圧電振動子は、第一次縦振動モードの共振周波数と第一次屈曲振動モードの共振周波数とが実質的に同一となるｗ／Ｌの値に基づいて形成されており、前記圧電振動子のいずれか一方の主面上に並設された２枚の電極と、前記２枚の電極のうち、少なくとも一方に対して交流電圧を印加して前記圧電振動子を駆動させる共振駆動装置と、前記２枚の電極のうち、少なくとも一方に対して直流電圧を印加して前記圧電振動子を駆動させる直流駆動装置と、前記共振駆動装置または直流駆動装置のいずれか一方を選択して動作させる制御部と、を備えることを特徴としている。

これにより、本発明者は、小型化、高効率化および構成の簡略化を図ることを可能とした。以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照しながら説明する。

図１から図３は、本実施形態に係る圧電振動子の平面図である。この圧電振動子１は、圧電セラミクスから形成されており、紙面に対して垂直方向に分極している。また、圧電振動子１の紙面に対して上側の中央部に、駆動力を伝達する摺動チップ２が設けられている。図２に示すように、圧電振動子１が第一次縦振動モードで振動する際の伸縮方向は、図２中、矢印Ａの方向と平行である。また、図３に示すように、圧電振動子１が第一次屈曲振動モードで振動する際の方向（剪断方向）は、図２に示す矢印Ａと平行であるが、圧電振動子１の両端で方向が互いに逆となる。図２に示す第一次縦振動モードと図３に示す第一次屈曲振動モードとが合成（縮退）することによって、摺動チップ２は楕円運動をし、駆動力が生ずる。

次に、本実施形態に係る超音波モータの駆動原理について説明する。図４は、矩形型の圧電振動子を複数種類の振動モードで振動させたときの周波数スペクトラムを示す図である。ここで、Ｆ１、Ｆ２およびＦ３は、屈曲振動を示し、Ｌ１およびＬ２は縦振動を示す。矩形型の圧電振動子が、第一次縦振動モード（Ｌ１）で振動する際の伸縮方向の長さをＬとし、また、これと直交する方向の圧電振動子の幅をｗとする。そして、図４に示すように、ｗ／Ｌを変数として、ｗ／Ｌと圧電振動子の第一次縦振動モードの共振周波数とを対応させると共に、ｗ／Ｌと第一次屈曲振動モードの共振周波数とを対応させる。なお、図４ではＬ＝２０ｍｍで固定し、ｗ（Ｗｉｄｔｈ）のみを変化させている。この場合、縦横の二辺の比（以下、「辺比」と呼称する。）ｗ／Ｌが、１．０５付近で両者の共振周波数が一致し、二つの振動が縮退する。このときの共振周波数は、６７ｋＨｚ〜６８ｋＨｚとなっている。

このように、辺比が１．０５であり、共振周波数が６７ｋＨｚ〜６８ｋＨｚであるときに縮退が生じるため、より高い周波数（１００ｋＨｚ程度）で駆動する場合と比較して、効率を高めることが可能となる。また、一辺が２０ｍｍ程度の正方形となるため、小型化を図ることが可能となる。

図５は、実施例１に係る超音波モータ装置の概略構成を示す図である。この超音波モータ装置１０において、圧電振動子１は、矩形の圧電基板１ｂの一方の主面を２分割するように、電極４ａと電極４ｂとが設けられている。他方の主面は接地されている。これらの電極４ａ、４ｂは、互いに絶縁された状態で個別に設けられる。圧電振動子１に用いられる圧電セラミクス材料には、特に制限はないが、通常、チタン酸ジルコン酸鉛系の圧電セラミクスが用いられる。

また、超音波モータ装置１０は、交流電源５と、スイッチング部６とを備えている。交流電源５からは、超音波モータ装置１０に第一次縦振動モードと第一次屈曲振動モードの共振を励起させる周波数の正弦波電圧が出力される。スイッチング部６は、超音波モータ装置１０を駆動する際には、電極４ａと電極４ｂのいずれか一方に交流電源５から出力される電圧を印加する。つまり、一対の電極４ａと電極４ｂの一方にのみ、所定の電圧が印加されている場合は、他方の電極に電圧が印加されることはない。

このように、圧電振動子１の電極４ａ、４ｂのいずれか一方に対して交流電圧が印加されると、圧電振動子１には、図２および図３に示すように、長手方向に伸縮する第一次縦振動モードの振動と、幅方向（剪断方向）で屈曲する第一次屈曲振動モードの振動とが発生する。そして、第一次縦振動モードの共振周波数と、第一次屈曲振動モードの共振周波数とが等しいときに、両振動モードが合成（縮退）され、圧電振動子１の摺動チップ２には楕円振動が発生する。その結果、図５中、例えば、駆動対象物１５を矢印Ａの方向へスライドさせることができる。一方、スイッチング部６を切替えることにより、矢印Ａとは逆の矢印Ｂの方向へ駆動対象物１５をスライドさせることが可能となる。

このように、いずれか一方の主面上に２枚の電極が並設されているため、Ｌ１Ｆ２モードの場合のように、主面を４つの領域に分けて、それぞれに電力を配置し、対角に位置する電極同士を接続しなければならない構成よりも簡単な構成にすることができる。また、駆動装置から供給された電圧が、２枚の電極のうち、いずれか一方のみに印加されるように切り替えを行なうので、電源構成を簡略化させることが可能となる。

図６は、実施例２に係る超音波モータ装置の概略構成を示す図である。実施例１と同様に、この超音波モータ装置において、圧電振動子１は、摺動チップ２が楕円運動をすることにより、駆動対象物１５を図６中、矢印ＡまたはＢの方向へスライドさせる。また、圧電振動子１は、矩形の圧電基板１ｂの一方の主面を２分割するように、電極４ａと電極４ｂとが設けられている。他方の主面は接地されている。これらの電極４ａ、４ｂは、互いに絶縁された状態で個別に設けられる。

図６において、駆動装置５０は、駆動対象物１５の位置を検出する位置センサ３１と、超音波モータ装置１０を共振駆動する共振駆動装置３２と、超音波モータ装置１０を直流駆動する直流駆動装置３３と、位置センサ３１の検出信号に従って共振駆動装置３２または直流駆動装置３３に駆動指令信号を送る駆動制御装置（ＣＰＵ）３４と、を備えている。共振駆動装置３２と直流駆動装置３３は、増幅器３５ａ、３５ｂを共有している。さらに、共振駆動装置３２は、第１フィードバック制御装置３６と位相制御装置３７とを有している。直流駆動装置３３は、第２フィードバック制御装置３８と信号反転器３９とを有している。

位置センサ３１には、レーザを利用した非接触光学式センサシステムが好適に用いられる。例えば、駆動対象物１５には駆動対象物１５の位置を示すためのマーキング（図示せず）が施されており、位置センサ３１は反射光パターンから駆動対象物１５の位置を検出する。

第１フィードバック制御装置３６は、駆動制御装置（ＣＰＵ）３４から超音波モータ装置１０を共振駆動させる指令信号を受信すると、超音波モータ装置１０を共振駆動させるための共振駆動信号を発生させ、それを増幅器３５ａ、３５ｂに送る。また第１フィードバック制御装置３６は、位置センサ３１の検出信号を受信して、駆動対象物１５の移動速度を調節する。このため第１フィードバック制御装置３６は、共振駆動信号の波形を適宜変形させる（例えば、ゼロ−ピーク電圧値を変化させる）ことができるようになっている。

第１フィードバック制御装置３６から増幅器３５ａ、３５ｂへは同一波形の共振駆動信号が出力される。このため一方の増幅器、つまり増幅器３５ａに送られる共振駆動信号は増幅器３５ａに入力される前に位相制御装置３７によって位相を９０度ずらされる。例えば、第１フィードバック制御装置３６から出力される共振駆動信号がＶ＝Ｖ_０ｓｉｎ（２πｆｔ）である場合には、増幅器３５ｂにはこのＶ＝Ｖ_０ｓｉｎ（２πｆｔ）の共振駆動信号が入力されるが、増幅器３５ａには位相制御装置３７によって位相制御されたＶ＝Ｖ_０ｃｏｓ（２πｆｔ）またはＶ＝−Ｖ_０ｃｏｓ（２πｆｔ）の共振駆動信号が入力される。

なお、第１フィードバック制御装置３６から出力される共振駆動信号はＶ＝Ｖ_０ｃｏｓ（２πｆｔ）であってもよい。この場合には、位相制御装置３７からは、Ｖ＝Ｖ_０ｓｉｎ（２πｆｔ）またはＶ＝−Ｖ_０ｓｉｎ（２πｆｔ）の共振駆動信号が出力される。

第２フィードバック制御装置３８は、駆動制御装置（ＣＰＵ）３４から超音波モータ装置１０を直流駆動させる指令信号を受け取ると、超音波モータ装置１０を直流駆動させるための直流電圧信号を発生させ、それを増幅器３５ａ、３５ｂに送る。また第２フィードバック制御装置３８は、位置センサ３１からの信号を受信して、直流電圧信号の電圧値を適宜調整して増幅器３５ａ、３５ｂに送ることができるようになっている。

第２フィードバック制御装置３８から増幅器３５ａ、３５ｂへは同じ直流電圧信号が出力される。このため増幅器３５ａに送られる直流電圧信号は増幅器３５ａに入力される前に信号反転器３９によって正負を逆転される。なお、駆動制御装置３４は、電極４ａまたは電極４ｂのいずれか一方のみに電圧を印加させることができ、スイッチング部として機能することができる。

図７は、駆動装置５０を用いて、駆動対象物１５を、駆動対象物１５のＫ点が位置Ｓ１にある状態から目的位置Ｓ２に位置する状態となるように、移動させる場合の制御範囲を示す説明図である。図５（ａ）はその全体図を、図５（ｂ）は図５（ａ）中の点線枠を中心とした拡大図である。また、図８は、Ｋ点が位置Ｓ１から目的位置Ｓ２へ移動するように駆動対象物１５を移動させる場合の超音波モータ装置１０の駆動手順を示すフローチャートである。以下、図７および図８を参照しながら説明する。

まず、初期状態では、超音波モータ装置１０の摺動チップ２は、図７中、矢印Ａの位置にあり、位置センサ３１は、Ｋ点が位置Ｓ１にある（駆動対象物１５は２点鎖線で示す位置にある）ことを示す検出信号を駆動制御装置（ＣＰＵ）３４に送っている。なお、駆動対象物１５は、駆動対象物１５が移動した際にＫ点が目的位置Ｓ２等にあることを位置センサ３１が検出できるように、マーキングされている。この状態から、例えばオペレータによって、Ｋ点を目的位置Ｓ２へ移動させることを指示する信号が駆動制御装置（ＣＰＵ）３４に入力される。駆動制御装置（ＣＰＵ）３４は、位置センサ３１から受信した位置検出信号から、共振駆動装置３２または直流駆動装置３３のどちらを駆動させるかを判断する。

超音波モータ装置１０の直流駆動による駆動対象物１５の移動可能距離をＬとすると、直流駆動装置３３による位置決めが可能な範囲は、図５（ｂ）に示されるように、目的位置Ｓ２から距離Ｌだけ離れた位置Ｓ５と位置Ｓ６の間となる。ここで、位置Ｓ１はこの位置Ｓ５〜位置Ｓ６の間から外れているものとする。そのため、駆動制御装置（ＣＰＵ）３４は共振駆動装置３２に動作指令信号を送り、共振駆動装置３２が駆動対象物１５の駆動を開始する。

超音波モータ装置１０は、共振駆動によってＫ点が位置Ｓ５〜位置Ｓ６の間、好ましくは位置Ｓ３〜位置Ｓ４の間、に入るように駆動対象物１５を移動させる駆動精度を有している。換言すれば、超音波モータ装置１０の共振駆動時の位置決め制御長さは距離Ｌ以下である。しかし、超音波モータ装置１０は、常にＫ点を目的位置Ｓ２に位置するように駆動対象物１５を位置決めする駆動精度は有していない。そこでＫ点が位置Ｓ５〜位置Ｓ６の間（好ましくは位置Ｓ３〜位置Ｓ４の間）に入るように、駆動対象物１５を移動させる。なお、「Ｋ点が目的位置Ｓ２に位置する」とは、位置センサ３１による駆動対象物１５の位置検出の結果、Ｋ点が目的位置Ｓ２にあると判断される状態をいい、例えば、その精度は図３に示した制御精度のように、目的位置Ｓ２を中心として±２ｎｍ以下の範囲である。

具体的には、共振駆動装置３２が具備する第１フィードバック制御装置３６は、共振駆動信号（例えば、Ｖ＝Ｖ_０ｓｉｎ（２πｆｔ））を発生させて増幅器３５ａ、３５ｂに送る。前述したように、増幅器３５ａには位相制御装置３７によって位相が９０度ずれた共振駆動信号（Ｖ＝Ｖ_０ｃｏｓ（２πｆｔ））が入力される。増幅器３５ａ、３５ｂは入力された共振駆動信号の電圧増幅を行ない、この電圧増幅された信号が圧電振動子１に入力される。これにより超音波モータ装置１０が共振駆動され、駆動対象物１５が移動を開始する。

駆動対象物１５を目的位置Ｓ２から所定距離離れた位置Ｓ７まで高速で移動させるために、第１フィードバック制御装置３６から出力される共振駆動信号のゼロ−ピーク電圧値と周波数が定められる。なお、増幅器３５ａ、３５ｂにおける共振駆動信号の増幅率は一定とする。駆動対象物１５の位置は、位置センサ３１によって検出され、その検出信号は、駆動制御装置（ＣＰＵ）３４と第１フィードバック制御装置３６に送られる。駆動制御装置（ＣＰＵ）３４は、Ｋ点が位置Ｓ５と位置Ｓ６の間（より好ましくは位置Ｓ３と位置Ｓ４の間）に入ったという検出信号を位置センサ３１から受信するまで共振駆動装置３２に動作指令信号を送る。これに対し、第１フィードバック制御装置３６は、Ｋ点が位置Ｓ７を超えて目的位置Ｓ２側に入ったという検出信号を位置センサ３１から受信した場合には、駆動対象物１５の移動速度を減速させて、Ｋ点が位置Ｓ５と位置Ｓ６の間（より好ましくは位置Ｓ３と位置Ｓ４の間）に入りやすくする。

駆動対象物１５の移動速度を下げる方法としては、共振駆動信号のゼロ−ピーク電圧値を下げ、または、周波数を共振周波数およびその近傍において変える方法が挙げられる。ここで、「共振周波数およびその近傍」とは超音波モータ装置１０が実質的に共振駆動する周波数を指し、より具体的には、共振周波数±１０％の範囲の周波数をいう。第１フィードバック制御装置３６は、駆動対象物１５の移動速度を減速させた後に、位置センサ３１からＫ点が位置Ｓ５と位置Ｓ６の間（より好ましくは位置Ｓ３と位置Ｓ４の間）に入ったという検出信号を受信するまで、共振駆動信号を増幅器３５ａ、３５ｂに出力する。

Ｋ点が位置Ｓ５と位置Ｓ６の間（より好ましくは位置Ｓ３と位置Ｓ４の間）に入ったら、駆動制御装置（ＣＰＵ）３４は、第１フィードバック制御装置３６の動作を停止させ、次に第２フィードバック制御装置３８の動作開始を指令する。直流駆動装置３３による駆動対象物１５の駆動では、第２フィードバック制御装置３８が、位置センサ３１から検出信号を受けながら、直流電圧信号を増幅器３５ａ、３５ｂに送る。前述したように、増幅器３５ａに向けて送られる直流電圧信号は、増幅器３５ａに入力される前に信号反転器３９によって正負の反転処理が行なわれる。増幅器３５ａ、３５ｂでは直流電圧信号が一定の電圧値まで増幅され、圧電振動子１に印加される。これにより、摺動チップ２を微小に動かして、位置センサ３１の検出精度限界まで、Ｋ点を目的位置Ｓ２に位置決めする。

駆動対象物１５の位置決めが終了しても、圧電振動子１には、Ｋ点が常に目的位置Ｓ２にあるように、第２フィードバック制御装置３８は、位置センサ３１からの検出信号を受信しながら、圧電振動子１に印加される直流電圧信号の電圧値を適宜変化させる。駆動対象物１５が目的位置Ｓ２にある状態で、例えば、駆動対象物１５に取り付けられた図示しない被加工体に所定の加工が施されたら、Ｋ点をさらに別の位置に、上述したようにＫ点を位置Ｓ１から目的位置Ｓ２へ移動させた方法と同じ方法で移動させる。

以上、本発明の実施例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、上記説明においては、駆動対象物１５を直線移動させた形態について説明したが、回転自在なロータの外周端面に摺動チップ２を押しあてて超音波モータ装置１０を駆動すれば、ロータの回転角度を高精度に制御することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、圧電振動子１が、第一次縦振動モードの共振周波数と第一次屈曲振動モードの共振周波数とが実質的に同一となるｗ／Ｌの値に基づいて形成されているので、他のモード、例えば、Ｌ１Ｆ２モードで駆動させる場合よりも圧電振動子の主面の形状を正方形に近いものとすることができる。その結果、全体の寸法が扁平とならないため、奥行き寸法を小さくすることができる。これにより、パワー入力が従来のものよりも大きく取ることが可能となる。

本実施形態に係る圧電振動子の平面図である。本実施形態に係る圧電振動子の平面図である。本実施形態に係る圧電振動子の平面図である。矩形型の圧電振動子を複数種類の振動モードで振動させたときの周波数スペクトラムを示す図である。実施例１に係る超音波モータ装置の概略構成を示す図である。実施例２に係る超音波モータ装置の概略構成を示す図である。駆動装置５０を用いて、駆動対象物１５を、駆動対象物１５のＫ点が位置Ｓ１にある状態から目的位置Ｓ２に位置する状態となるように、移動させる場合の制御範囲を示す説明図である。Ｋ点が位置Ｓ１から目的位置Ｓ２へ移動するように駆動対象物１５を移動させる場合の超音波モータ装置１０の駆動手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１圧電振動子
１ｂ圧電基板
２摺動チップ
４ａ電極
４ｂ電極
５交流電源
６スイッチング部
１０超音波モータ装置
１５駆動対象物
３１位置センサ
３２共振駆動装置
３３直流駆動装置
３４駆動制御装置
３５ａ増幅器
３５ｂ増幅器
３６第１フィードバック制御装置
３７位相制御装置
３８第２フィードバック制御装置
３９信号反転器
５０駆動装置

Claims

矩形型の圧電振動子が、第一次縦振動モードと第一屈曲振動モードとを組み合わせた多重振動モードで振動することにより駆動力を発生する超音波モータ装置であって、
前記圧電振動子が第一次縦振動モードで振動する際の伸縮方向の長さをＬとし、前記圧電振動子が第一次屈曲振動モードで振動する際の剪断方向の長さをｗとした場合、前記圧電振動子は、前記ｗ／Ｌの値が実質的に１．０５となるように形成されており、
前記圧電振動子のいずれか一方の主面上に並設された２枚の電極と、
前記２枚の電極のうち、少なくとも一方に対して交流電圧を印加して前記圧電振動子を駆動させる共振駆動装置と、
前記２枚の電極のうち、少なくとも一方に対して直流電圧を印加して前記圧電振動子を駆動させる直流駆動装置と、
前記共振駆動装置または直流駆動装置のいずれか一方を選択して動作させる制御部と、を備えることを特徴とする超音波モータ装置。
前記２枚の電極と前記共振駆動装置および直流駆動装置との間に設けられ、前記共振駆動装置および直流駆動装置から供給された電圧が、前記２枚の電極のうち、いずれか一方のみに印加されるように切り替えを行なうスイッチング部をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の超音波モータ装置。
矩形型の圧電振動子が、第一次縦振動モードと第一屈曲振動モードとを組み合わせた多重振動モードで振動することにより駆動力を発生する超音波モータ装置であって、
前記圧電振動子が第一次縦振動モードで振動する際の伸縮方向の長さをＬとし、前記圧電振動子が第一次屈曲振動モードで振動する際の剪断方向の長さをｗとした場合、前記圧電振動子は、前記ｗ／Ｌの値が実質的に１．０５となるように形成されており、
前記圧電振動子のいずれか一方の主面上に並設された２枚の電極と、
前記圧電振動子を駆動する電圧を供給する駆動装置と、
前記２枚の電極と前記駆動装置との間に設けられ、前記駆動装置から供給された電圧が、前記２枚の電極のうち、いずれか一方のみに印加されるように切り替えを行なうスイッチング部と、を備えることを特徴とする超音波モータ装置。
前記駆動装置は、
交流電圧を電極に印加して前記圧電振動子を駆動させる共振駆動装置と、
直流電圧を電極に印加して前記圧電振動子を駆動させる直流駆動装置と、
前記共振駆動装置または直流駆動装置のいずれか一方を選択して動作させる制御部と、を備えることを特徴とする請求項３記載の超音波モータ装置。