JPH0870588A - 超音波モータの位置決め機構及び駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は簡単な構造で精密な位置決めが可能
な超音波モータの位置決め機構を提供することを目的と
する。 【構成】 圧電素子を振動体に接着して構成されるステ
ータと、該ステータに接触して移動する移動体とからな
る超音波モータの位置決め機構であって、前記ステータ
を一体的に形成したベースに、該ステータに隣接して所
定ピッチの櫛歯状電極を設け、前記移動体の前記ステー
タと対向する面上に、前記櫛歯状電極と同一ピッチの櫛
歯状誘電体層を設けて構成し、前記櫛歯状電極に電圧を
印加したとき、該櫛歯状電極と前記櫛歯状誘電体層との
間に働く静電気力により位置決めするように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波モータの位置決
め機構及び該位置決め機構を使用した超音波モータの駆
動方法に関する。

【０００２】超音波モータは、圧電素子の波状の変形を
利用して振動体を振動させ、この振動体に接触している
移動体を移動させるものであり、小型で高トルクのモー
タをコイルを使用しない簡単な構造で実現できる。

【０００３】超音波モータの他の特徴としては、速度安
定性がよいこと、ダイレクト・ドライブが可能なこと、
外部に磁気ノイズが出ないこと、運転音が静かなこと等
が挙げられる。

【０００４】

【従来の技術】超音波モータのステータは幾つかに分割
された圧電素子と、これらの圧電素子に接着された金属
製の振動体とから構成される。圧電素子に別々に電圧を
印加すると、圧電素子が波状に変形し、圧電素子に接着
されている振動体に定在波形又は進行波形の振動が発生
する。

【０００５】よって、ステータ上に移動体を搭載する
と、移動体の自重によりステータと移動体との間に摩擦
力が生じるため、移動体を移動することができる。ステ
ータ及び移動体を直線状に配列することにより、移動体
の直線運動が得られる。一方、ステータ及び移動体（ロ
ータ）を円盤状に配置することにより、ロータの回転運
動が得られる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】超音波モータにより、
移動体の直線運動又は回転運動は可能であるが、超音波
モータによる移動体の移動距離が一定しなければ、移動
体の正確な位置決めは困難である。例えば、超音波モー
タを磁気ディスク装置又は光ディスク装置の媒体の移動
に利用しようとする場合、超音波モータの正確な位置決
めが不可欠である。

【０００７】また、超音波モータはステータと移動体と
の間の摩擦接触により駆動されるため、従来の超音波モ
ータのようにただ単に移動体をステータ上に搭載して移
動体の自重による摩擦力を利用する構成では、十分な摩
擦力が得られないため移動体の安定した駆動を実現でき
ないという問題がある。

【０００８】本発明はこのような点に鑑みて成されたも
のであり、その目的とするところは、簡単な構造で精密
な位置決めが可能な超音波モータの位置決め機構を提供
することである。

【０００９】本発明の他の目的は、上記位置決め機構を
使用した超音波モータの駆動方法を提供することであ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明によると、圧電素
子を振動体に接着して構成されるステータと、該ステー
タに接触して移動する移動体とからなる超音波モータの
位置決め機構であって、前記ステータを一体的に形成し
たベースに、該ステータに隣接して所定ピッチの櫛歯状
電極を設け、前記移動体の前記ステータと対向する面上
に、前記櫛歯状電極と同一ピッチの櫛歯状誘電体層を設
けて構成し、前記櫛歯状電極に電圧を印加したとき、該
櫛歯状電極と前記櫛歯状誘電体層との間に働く静電気力
により位置決めすることを特徴とする超音波モータの位
置決め機構が提供される。

【００１１】好ましくは、櫛歯状誘電体層は高抵抗体層
を介して移動体上に設けられる。本発明の他の側面によ
ると、櫛歯状電極に所定極性の電圧を印加して移動体を
ステータに密着させた状態で超音波モータを駆動し、超
音波モータの駆動を断つのに同期して、櫛歯状電極に前
記極性と反対極性の電圧を短時間印加した後、再び前記
所定極性の電圧を櫛歯状電極に印加して、櫛歯状電極と
櫛歯状誘電体層との間に働く静電気力により位置決めす
ることを特徴とする超音波モータの駆動方法が提供され
る。

【００１２】

【作用】櫛歯状電極に電圧を印加すると、櫛歯状誘電体
層に反対極性の電荷が誘導される。櫛歯状電極と櫛歯状
誘電体層の間に静電気力が働くため、ステータと移動体
とは移動体の自重に加えてこの静電気力によって確実に
密着する。

【００１３】ここで超音波モータを駆動すれば、ステー
タと移動体との間には大きな摩擦力が生じるため、移動
体はステータの波状の運動を伝えられ、安定して移動す
る。超音波モータの駆動を断つと、櫛歯状電極と櫛歯状
誘電体層とがずれていた場合でも、両者の間に働く静電
気力により櫛歯状電極と櫛歯状誘電体層のパターンが整
合し、超音波モータの精密な位置決めを達成することが
できる。

【００１４】

【実施例】以下、図面を参照して、本発明の実施例を詳
細に説明する。図１（Ａ）は本発明実施例の平面図、図
１（Ｂ）はその側面図をそれぞれ示している。ベース２
の概略中央部には、超音波モータのステータ４が設けら
れている。ステータ４の表面はベース２の表面から約数
μｍ以下程度高くなるように形成されている。

【００１５】６は超音波モータの移動体（スライダ）で
あり、ステータ４に接触しながら直線運動をする。ステ
ータ４の両側のベース２上には所定ピッチの櫛歯状電極
８が設けられている。特に図示しないが、ステータ４の
片側の各櫛歯状電極８は互いに接続されている。また、
両側の櫛歯状電極８は互いに整列している。

【００１６】次に図２を参照して、超音波モータの駆動
方法を概略的に説明する。超音波モータのステータ４は
圧電素子１０に例えば金属製の振動体１２を接着して構
成されている。圧電素子１０は好ましくはスライダの移
動方向に複数個に分割されている。

【００１７】圧電素子１０には４つの電極を１組とし
て、複数の電極１４ａ〜１４ｈが設けられている。各電
極は交流電源１６ａ又は１６ｂに図示のように接続され
ている。

【００１８】交流電源１６ａの印加電圧Ｖ₁ と交流電源
１６ｂの印加電圧Ｖ₂ とはその位相がπ／２ずれるよう
に制御される。そして、各組の電極において、隣接する
電極の電圧極性が逆極性となるように交流電圧Ｖ₁ 又は
Ｖ₂ が各電極１４ａ〜１４ｈに印加される。

【００１９】このように各電極に電圧を制御して印加す
ると、交流電源１６ａにより振動体１２に起きる振動と
交流電源１６ｂにより振動体１２に起きる振動とが重な
り合って、振動体１２に進行波が発生する。よって、ス
ライダ６をステータ４に接触させると、スライダ６はこ
の進行波により駆動され、直線運動をする。

【００２０】次に図３を参照して、図１に示した実施例
の位置決め機構について説明する。ベース２は例えばア
ルミナ（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）から形成されており、その上に櫛
歯状電極８が所定ピッチで設けられている。櫛歯状電極
８は、例えばＣｕ／Ｔｉから形成される。櫛歯状電極８
は、例えばＳｉＯ₂ からなる保護膜１８により被覆され
ている。

【００２１】スライダ６は例えばガラス基板２０上にＺ
ｎ０等からなる高抵抗体層２２を積層して構成される。
高抵抗体層２２上には例えばＣｕ／Ｔｉからなる導体層
２４を介して、例えばアルミナからなる櫛歯状誘電体層
２６が形成されている。櫛歯状誘電体層２６は櫛歯状電
極８と同一ピッチで形成されている。

【００２２】しかして、櫛歯状電極８に所定極性の電圧
を印加すると、櫛歯状誘電体層２６に反対極性の電荷が
誘導される。この電荷は高抵抗体層２２が設けられてい
るため、移動しにくく、櫛歯状電極８の印加電圧を切っ
た場合にもしばらく櫛歯状誘電体層２６に残留する。

【００２３】導体層２４は誘導電圧を一様にするために
設けられたものである。また高抵抗体層２２は櫛歯状誘
電体層２６に誘導された電荷の移動を阻止するために設
けられたものであり、基板２０が高絶縁体の場合には特
に設ける必要はない。

【００２４】櫛歯状誘電体層２６は櫛歯状電極８と同様
に、超音波モータのステータ４の両側に設けられてい
る。以下、上述した実施例の駆動方法について説明す
る。まず、櫛歯状電極８に所定極性の電圧（例えば正電
圧）を印加してその表面上に電荷を誘起すれば、スライ
ダ６の櫛歯状誘電体層２６に反対極性の電荷が誘導され
る。

【００２５】このとき、櫛歯状電極８と櫛歯状誘電体層
２６との間に働く静電気力は、スライダ６をステータ４
に確実に密着させる。ここで、交流電源１６ａ，１６ｂ
により上述したような方法で超音波モータを駆動する
と、スライダ６はステータ４にスライダの自重及び静電
気力により強く押しつけられるため、スライダ６はステ
ータ４の波状の運動を伝えられ、安定して直線移動す
る。

【００２６】駆動方法としては、例えば櫛歯状電極８の
１ピッチずつスライダ６を移動させるように駆動する。
今、スライダ６を１ピッチ（例えば５μｍ程度）ずつ移
動させた後に、図４に示すように櫛歯状電極８に対して
スライダ６の櫛歯状誘電体層２６のパターンがずれてい
たとする。この状態が図５（Ａ）に示されている。

【００２７】通常は、櫛歯状電極８に正電圧が印加され
ているため、櫛歯状誘電体層２６には反対極性の電荷
（−）が誘導されている。この電荷（−）は、スライダ
６に設けた高抵抗体層２２のために移動しにくいため、
しばらくそこに残留する。

【００２８】次に、超音波モータの駆動を断つのと同期
して櫛歯状電極８に瞬間的に負電圧を印加すると、櫛歯
状電極８と櫛歯状誘電体層２６との間に反発力が働き、
スライダ６は図５（Ｂ）に示すようにわずかにステータ
４から離れ、空中に浮く。

【００２９】ここで、櫛歯状電極に再び正電圧を印加す
ると、未だスライダ６上の櫛歯状誘電体層２６に残留し
ている電荷（−）との間に再び吸引力が発生する。この
力は図５（Ｃ）に示すように、ずれていた櫛歯状電極８
と櫛歯状誘電体層２６のパターンをきれいに揃えるよう
にスライダ６を移動させる。

【００３０】その結果、ベース２に設けられた櫛歯状電
極８にスライダ６の櫛歯状誘電体層２６のパターンが重
なるようにスライダ６は着地する。このようにして精密
な位置決めができる。以上の動作を繰り返して、スライ
ダ６は櫛歯状電極８の１ピッチずつ移動し、位置決めさ
れる。

【００３１】次に、以上説明した駆動方法を、図６の駆
動波形図を参照して、更に説明する。図６（Ａ）は櫛歯
状電極８の印加電圧を示しており、図６（Ｂ）は超音波
モータの駆動電圧を示している。

【００３２】図６（Ａ）に示すように、櫛歯状電圧８に
電圧（＋Ｖ₁ ）を印加すれば、上述したようにステータ
４とスライダ６の間に吸引力が生じて両者が強く密着す
る。ここで、超音波モータに図６（Ｂ）に示すように正
弦波を印加して、超音波モータを駆動すれば、スライダ
６は移動する。

【００３３】次いで、超音波モータの駆動を断つのと同
期して、櫛歯状電極８に反対極性の電圧（−Ｖ₁ ）をご
く短時間印加し、次いで再び電圧（＋Ｖ₁ ）を印加す
る。これにより、上述したように櫛歯状電極８にスライ
ダ６の櫛歯状誘電体層２６のパターンが重なるようにス
ライダ６はステータ４上に着地する。以上の動作を繰り
返せば、位置決めしながら移動できる。

【００３４】次に図７を参照して、スライダ６を停止さ
せると同時に位置決めする駆動方法について説明する。
図７（Ａ）に示すように、櫛歯状電極８に電圧（＋
Ｖ₁ ）を印加すれば、上述したようにスライダ６とステ
ータ４の間に吸引力が生じ、両者は強く密着する。ここ
で、超音波モータに図７（Ｂ）に示すような正弦波電圧
を印加して超音波モータを駆動すれば、スライダ６は移
動する。

【００３５】次に、超音波モータの駆動を断つのと同時
に、櫛歯状電極８に同一極性の高電圧（＋Ｖ₂ ）を印加
すると、摩擦力に打ち勝って櫛歯状電極８にスライダ６
の櫛歯状誘電体層２６のパターンが重なるようにスライ
ダ６は移動する。このようにして、超音波モータの位置
決めができる。

【００３６】しかし、この駆動方法によると、ステータ
４とスライダ６の間の摩擦力が大きいと位置決め精度が
悪くなる可能性がある。したがって、大まかな位置決め
にはこの駆動方法は採用可能であるが、位置決め精度を
上げたい時には図５及び図６を参照して説明した駆動方
法が望ましい。

【００３７】上述した駆動方法では、櫛歯状電極の１ピ
ッチずつスライダを移動してから位置決めしているが、
複数ピッチ移動してから位置決めするようにすれば高速
駆動が可能である。

【００３８】更に上述した説明では、超音波モータのス
テータ４の両脇に位置決め用の櫛歯状電極８を配列した
例について説明したが、中央部に位置決め用の櫛歯状電
極を設け、その両脇に超音波モータのステータ部を配置
するようにしてもよい。

【００３９】次に図８を参照して、本発明の他の実施例
について説明する。本実施例は超音波モータを円盤状に
構成し、ロータを回転駆動するようにしたものである。
図８（Ａ）は実施例平面図、図８（Ｂ）は図８（Ａ）の
Ｂ−Ｂ線断面図である。

【００４０】円盤状ベース３０上には環状ステータ３２
が形成されている。環状ステータ３２は圧電素子３４に
振動体３６を接着して構成され、圧電素子３４の下面に
は複数の電極３８が取り付けられている。

【００４１】環状ステータ３２の振動体３６上には円盤
状のロータ４４が搭載されている。環状ステータ３２の
両側には複数の櫛歯状電極４０，４２が円周方向に所定
ピッチで設けられている。そしてロータ４４の下面に
は、これらの櫛歯状電極４０，４２と同一ピッチで複数
の櫛歯状誘電体層４６，４８が円周方向に設けられてい
る。

【００４２】上述した実施例と同様に本実施例において
もベース３０に設けた櫛歯状電極４０，４２とロータ４
４に設けた櫛歯状誘電体層４６，４８が互いのずれを補
正して揃うように機能するので、超音波モータの精密な
位置決めが可能である。

【００４３】更に、ロータ４４に回転軸を設けなくて
も、ロータ４４の回転中心は常に一定の位置に留まるよ
うになる。ロータ４４を櫛歯状電極４０，４２の複数ピ
ッチ移動させてから位置決めするようにすれば、超音波
モータを高速駆動することができる。

【００４４】次に図９乃至図１１を参照して、本発明を
磁気ディスク装置に応用した実施例について説明する。
ベース５２の概略中央部には超音波モータのステータ５
４が形成されている。ステータ５４の両側には所定ピッ
チで複数の櫛歯状電極５８が設けられている。

【００４５】５６は超音波モータの移動体と一体的に形
成された磁気記録媒体であり、その下面には櫛歯状電極
５８と同一ピッチで図３を参照して説明したのと同様な
複数の櫛歯状誘電体層が設けられている。超音波モータ
を駆動すると、媒体５６は矢印Ａ方向に移動される。

【００４６】６０は一対の圧電素子６２ａ，６２ｂから
構成されるヘッドアームであり、その先端には磁気ヘッ
ド６４が搭載されている。素子部駆動回路７４で圧電素
子６２ａ，６２ｂに交互に電圧を印加することにより、
ヘッド６４は矢印Ｂ方向に首振り運動をする。

【００４７】ヘッドアーム６０は移動手段６６により媒
体５６の移動方向と直角の矢印Ｃ方向に移動される。移
動手段６６としては、超音波モータ又はボイスコイルモ
ータ等が採用可能である。

【００４８】移動手段６６及び素子部駆動回路７４はＭ
ＰＵ７０に接続される。ステータ５４の電極は媒体駆動
用回路６８に接続されており、媒体駆動用回路６８はＭ
ＰＵ７０に接続されている。

【００４９】櫛歯状電極５８は位置決め用回路７２に接
続されており、位置決め用回路７２はＭＰＵ７０に接続
されている。また、磁気ヘッド６４は信号処理回路７６
を介してＭＰＵ７０に接続されている。

【００５０】図１０は媒体へのトラック形成方法を説明
する図であり、ヘッドアーム６０を構成する一対の圧電
素子６２ａ，６２ｂ及び移動手段６６を駆動することに
より、媒体５６上には図示するような円弧状のトラック
７８が複数個形成される。

【００５１】次に、図１１のフローチャートを参照して
本実施例の動作について説明する。まずステップＳ１で
現トラック番号と移動先のトラック番号とを比較し、ス
テップＳ２でこれらのトラック数の差が０か否かを判断
する。

【００５２】ステップＳ１及びステップＳ２はＭＰＵ７
０で演算処理することにより実行する。ステップＳ２で
トラック数の差が０でないときにはステップＳ３に進
み、媒体駆動用回路６８によりステータ５４の電極に正
弦波の媒体駆動電圧を印加する。媒体５６を１トラック
移動させた後、ステップＳ４で媒体駆動電圧の印加を停
止する。

【００５３】次いでステップＳ５に進み、位置決め用回
路７２により吸着用電圧と反対極性の位置決め用電圧を
櫛歯状電極５８に短時間印加する。これにより、媒体５
６は反発力により浮き上がり、ステップＳ６で櫛歯状電
極５８に再び吸着用電圧を印加すると、媒体５６は１ト
ラック分進んだ位置で正確に位置決めされて停止する。

【００５４】ステップＳ１〜ステップＳ６までの処理
を、現トラック番号と移動先のトラック番号との差が０
になるまで繰り返し、この差が０になったらステップＳ
７に進み素子部駆動回路７４により駆動電圧を発生し
て、磁気ヘッド６４を矢印Ｂ方向に円弧状に移動する。

【００５５】これと同時に、ステップＳ８で磁気ヘッド
６４によるデータのリード又はライトを行う。以上説明
した実施例では、媒体５６を１トラックずつ位置決めし
ながら移動する例について説明したが、媒体５６を数ト
ラック一度に移動してから位置決めするような制御をし
てもよい。このように制御すれば、高速駆動が可能であ
る。

【００５６】以上説明した超音波モータを製作するにあ
たり、１枚のウエハ上にマイクロマシン技術や半導体分
野での技術を使って、一括して大量に超音波モータを製
作することにより、１個あたりのコストを下げることが
できる。

【００５７】

【発明の効果】本発明は以上詳述したように構成したの
で、サーボ技術を使用せずに簡単な構造で精密な位置決
めが可能な超音波モータの位置決め機構を提供できると
いう効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す図である。

【図２】超音波モータの駆動方法を説明する図である。

【図３】本発明実施例の位置決め機構の縦断面図であ
る。

【図４】スライダがずれて移動した状態を示す図であ
る。

【図５】実施例の位置決め方法説明図である。

【図６】実施例の駆動方法説明図である。

【図７】他の駆動方法説明図である。

【図８】本発明の他の実施例を示す図である。

【図９】本発明を磁気ディスク装置に応用した実施例を
示す図である。

【図１０】媒体へのトラック形成方法を説明する図であ
る。

【図１１】実施例のフローチャートである。

【符号の説明】

２ ベース ４ ステータ ６ 移動体（スライダ） ８ 櫛歯状電極 ２６ 櫛歯状誘電体層 ３２ ステータ ４０，４２ 櫛歯状電極 ４４ ロータ ４６，４８ 櫛歯状誘電体層 ５４ ステータ ５６ 磁気記録媒体 ５８ 櫛歯状電極 ６０ ヘッドアーム ６２ａ，６２ｂ 圧電素子 ６４ 磁気ヘッド

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電素子を振動体に接着して構成される
   ステータと、該ステータに接触して移動する移動体とか
   らなる超音波モータの位置決め機構であって、 前記ステータを一体的に形成したベースに、該ステータ
   に隣接して所定ピッチの櫛歯状電極を設け、 前記移動体の前記ステータと対向する面上に、前記櫛歯
   状電極と同一ピッチの櫛歯状誘電体層を設けて構成し、 前記櫛歯状電極に電圧を印加したとき、該櫛歯状電極と
   前記櫛歯状誘電体層との間に働く静電気力により位置決
   めすることを特徴とする超音波モータの位置決め機構。
2. 【請求項２】 前記櫛歯状誘電体層は高抵抗体層上に設
   けられていることを特徴とする請求項１記載の超音波モ
   ータの位置決め機構。
3. 【請求項３】 前記櫛歯状電極は前記ステータの両側に
   配置されており、前記櫛歯状誘電体層も該櫛歯状電極の
   配置に対応して前記移動体に設けられていることを特徴
   とする請求項１又は２記載の超音波モータの位置決め機
   構。
4. 【請求項４】 前記ステータを構成する圧電素子を円周
   状に配置すると共に、前記移動体を円盤状に形成し、 前記櫛歯状電極及び前記櫛歯状誘電体層を、前記ベース
   及び前記円盤状移動体にそれぞれ円周状に配置したこと
   を特徴とする請求項１又は２記載の超音波モータの位置
   決め機構。
5. 【請求項５】 請求項１〜請求項４のいずれかに記載の
   超音波モータの位置決め機構を使用した超音波モータ駆
   動方法であって、 前記櫛歯状電極に所定極性の電圧を印加して、前記移動
   体を前記ステータに密着させた状態で前記超音波モータ
   を駆動し、 前記超音波モータの駆動を断つのに同期して、前記櫛歯
   状電極に前記極性と反対極性の電圧を短時間印加した
   後、 再び前記所定極性の電圧を前記櫛歯状電極に印加して、
   前記櫛歯状電極と前記櫛歯状誘電体層との間に働く静電
   気力により位置決めすることを特徴とする超音波モータ
   の駆動方法。
6. 【請求項６】 請求項１〜請求項４のいずれかに記載の
   超音波モータの位置決め機構を使用した超音波モータ駆
   動方法であって、 前記櫛歯状電極に所定極性の所定電圧を印加して、前記
   移動体を前記ステータに密着させた状態で前記超音波モ
   ータを駆動し、 前記超音波モータの駆動を断つのに同期して、前記櫛歯
   状電極に前記所定電圧よりも高い前記所定極性と同一極
   性の電圧を短時間印加して、 前記櫛歯状電極と前記櫛歯状誘電体層との間に働く静電
   気力により位置決めすることを特徴とする超音波モータ
   の駆動方法。