JP2005218243A - 超音波モータおよび超音波モータ付き電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 振動部材の振動を抑えることなく支持し、かつ、移動体に対し前記振動部材を高い加圧力で当節させることで高出力を得られる、超音波モータおよびそれを備えた電子機器を提供すること。
【解決手段】 超音波モータにおいて、圧電素子１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ、１３を一体に焼結した積層圧電素子を振動部材１０とし、この振動部材１０に穴２０を設け、この穴２０と接続する支持部材４０によって振動部材１０を支持する構成とする。この構成により、振動部材１０と支持部材４０とを高強度で一体化でき、移動体に対して振動部材１０を安定かつ高い加圧力を設けて当接させることができ、圧電素子の振動を弱めることなく支持することができ、安定かつ高い出力の駆動ができるとともに、振動エネルギーひいては電気エネルギーを高効率で利用することが可能となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、矩形状の周期振動部材を可動体に対して支持、加圧する構成の超音波モータおよびそれを備えた電子機器に関する。

近年、矩形状の圧電振動板の伸縮振動と屈曲振動（２重モード振動子）を用いた超音波駆動装置が、各種用途への応用が期待されている。このような超音波駆動装置は、２つの異なる振動モードを組み合わせて、圧電振動板を変位させることにより、移動体を直線もしくは回転運動することができるものである。その一例として、矩形状振動子を用いた超音波モータ７０００を図８に示す（特許文献１参照）。本装置は、多層の圧電体から構成される圧電素子７１１と、圧電素子７１１に接合された振動体７１０と、前記振動体７１０の振動節部に係止される円柱状の支持部材７４０と、振動体７１０の下側に固定された突起７３０と、突起７３０に当接する移動体（図示せず）から構成されている。

この従来の超音波駆動装置によれば、電気信号を印加した圧電素子７１１の伸縮運動により、振動体７１０に伸縮振動と屈曲振動が生じる。この双方の運動の組み合わせから、突起７３０は楕円運動し、突起７３０に当接した移動体を一定の方向に直線運動する。

しかしながら、上記超音波モータ７０００によれば、振動体７１０に圧電素子７１１を係止するという構成のため、圧電素子７１１の変形が振動体７１０に伝達し、振動体７１０に変形を生じさせるということになる。したがって圧電素子７１１の変形は、そのまま振動体７１０の変形とはならず、この伝達過程でロスが生じる。また、振動体７１０における圧電素子７１１の占める割合も小さいため、超音波モータ７０００の出力が小さくなる。

そのため、一体に焼結された積層圧電素子自体を振動体とすることで、振動体全体を駆動源として用いられると共に、伝達過程でのロスを低減し、高効率かつ高出力を実現する超音波モータが開発されている（特許文献２参照）。
特開平０６−３２７２７５号公報 特開２０００−１１６１６２号公報

しかしながら、一体に焼結された積層圧電素子自体を振動体とする上記従来の超音波モータは高い駆動力を得るためには、その構造上、積層圧電素子を確実に支持する必要がある。

そこで、本発明は、積層圧電素子からなる振動体を、振動を抑えることなく確実に支持しつつ、移動体に対し前記振動子を高い加圧力で当接させることで高出力化を得ることを可能とした超音波モータならびに超音波モータ付き電子機器を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するために、本発明の超音波モータは一体に焼結された積層圧電素子を振動体とし、積層圧電素子に穴を設け、この穴と接続する支持部材によって構成する。これによれば、積層圧電素子と支持部材を高強度で一体化できるため、移動体に対して振動体を安定かつ高い圧力を設けて当接させることができる。このため、前記超音波モータは安定かつ高い出力の駆動が可能となる。

また、穴を圧電素子の振動に影響しない部分（振動の節）に設けることで、圧電素子の振動を阻害せずに支持することができる。そのため、振動エネルギーひいては電気エネルギーを高効率で利用することが可能となる。特に、積層された圧電素子のうち、励振する振動モードの歪が小さい部分に穴を設けると、振動の励振力を弱めることもない。具体的には伸縮振動と屈曲振動を用いた超音波モータにおいては、屈曲振動を励振する圧電素子の長手方向並びに幅方向の中央部で振動モードの歪が小さくなるため、ここに穴を設けると、電気エネルギーおよび圧電素子の励振力を高効率で利用することが可能となる。

また、特定の電極群と支持部材が導通し、支持部材を介して駆動信号を電極群に与える構造であるため、電極群への通電手段（ワイヤ等）によって、圧電素子の振動が阻害されることなく、高効率の駆動が可能となる。

また、これらの振動体を備えた超音波モータを電子機器の駆動源に用いることにより電子機器の小型化、薄型化、低消費電力化が可能となる。

本発明の超音波モータは、一体に焼結された積層圧電素子を振動体とし、積層圧電素子の振動の励振に寄与しない部分に穴を設け、この穴と接続した支持部材とによって構成することで、積層圧電素子と支持部材を高強度で一体化でき、移動体に対して振動体を安定かつ高い圧力を設けて当接させることができる。このため、安定かつ高い出力の駆動が可能となる。また、積層圧電素子の振動の励振に寄与しない部分に支持部材を設け、この支持部材で振動体を支持することで、振動体の振動を弱めることなく利用できるため、超音波モータの高出力化が可能となる。

また、支持部材と積層圧電素子の内部の電極とが導通した構成とすることで、装置構成の簡略化、小型化並びにリード線の削減が容易に実現できる。そして、電気エネルギーを高効率で利用することが可能となる。

また、これらの超音波モータを電子機器の駆動源に用いることにより電子機器の小型化、薄型化、低消費電力化が可能となる。

以下、本発明について図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の超音波モータ１０００を説明する図である。なお、図１（ａ）は、超音波モータ１０００の斜視図を、図１（ｂ）は図１（ａ）で示した断面Ａでの断面図である。また、図２は振動部材１０の振動振幅を説明する図である。図３は、振動部材１０の具体的な構造、分極方向および電極の配置を説明する図であり、図３（ａ）は振動部材１０の斜視図、図３（ｂ）は振動部材１０の具体的な構造、分極方向および電極の配置を説明する図である。

超音波モータ１０００は、矩形状で複数枚の圧電素子１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ、１３を積層して一体形成した振動部材１０と、振動部材１０に設けられた穴２０および突起３０と、穴２０に接着や打ち込み、嵌め合い、接合等の手段により接続された支持部材４０から構成されている。さらに、突起３０の下には案内部材５０により移動方向が規定された移動体６０が設けられ、支持部材４０に係合された加圧部材７０により、突起３０は移動体６０と加圧接触する構成となっている。図１においては、この支持方法、加圧方法を簡略して示したが、支持部材４０と係合する部材等において、振動部材１０を移動体６０の移動方向への動きを規制すると共に、振動部材１０と移動体６０の間に接触圧が生じるように支持部材４０に加圧力を与える構成とすれば、その方法に限定を与えるものではない。また、図１（ｂ）では穴２０の底部に隙間をあけ、支持部材４０を接続しているよう図示したが、隙間なく接続しても機能可能である。

次に、振動部材１０の振動について説明する振動部材１０は伸縮振動と屈曲振動を励振する。図２は圧電素子の積層方向に振動部材１０を見た図であり、図２（ａ）は屈曲振動の形状を、図２（ｂ）は伸縮振動の形状を示している。伸縮振動、屈曲振動ともに振動部材１０の中央部が振動の節となり、この位置に穴２０および支持部材４０を設ける。また屈曲振動の腹の位置に突起３０が設けられている。この伸縮振動と屈曲振動を同時に励振することにより、突起３０は振動部材１０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６０を駆動する。なお、２つの振動モードは、その次数に制限をあたえられるものではなく、他のモードを用いても構わない。

次に、振動部材１０の具体的な構造、分極方向および電極の配置について説明する。振動部材１０は５種類の圧電素子１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ、１３を厚み方向に積層して構成する。圧電素子１１ａは全体にわたって厚み方向に分極処理されている。積層して振動部材１０を形成すると、圧電素子１１ａは表裏に電極８１と電極８３が設けられることになる。そこで電極８１と電極８３の間に駆動信号を印加することで、厚みと直交する方向に伸縮振動を励振する。また、圧電素子１２ａは、長さおよび幅の中央を結んでできた、およそ４つの領域それぞれが厚み方向に分極処理されている。なお、図中の＋もしくは−で示されるように、１つの圧電素子において正逆二種類の分極方向が存在する。積層して振動部材１０を形成すると、圧電素子１２ａの表裏には電極８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、８２ｄと電極８４が設けられることになる。そこで、電極８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、８２ｄと電極８４との間に駆動信号を印加すると、圧電素子１２ａの厚み方向と直交する方向に屈曲振動を励振する。なお、圧電素子１２ａ、１２ｂの中央には穴２０が設けられており、電極８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、８２ｄ、８４は穴２０を回避して設けられている。また、圧電素子１２ａ、１２ｂ、１３の中央には穴２０が設けられ、穴２０に支持部材４０が接続される。また、圧電素子１３は外部電極８８１、８８２ａ、８８２ｂ、８８２ｃ、８８２ｄ、８８３、８８４が設けられ、これらは振動部材１０の側面まで伸びている。そのため、外部電極８８１は電極８１と、外部電極８８２ａは電極８２と、外部電極８８２ｂは電極８２ｂと、外部電極８８２ｃは電極８２ｃと、外部電極８８２ｄは電極８２ｄと、外部電極８８３は電極８３と、外部電極８８４は電極８４とそれぞれ導通している。

次に、超音波モータ１０００の駆動方法について説明する。外部電極８８１と８８３の間に所定の周波数の信号を印加すると、振動部材１０を構成する圧電素子１１ａには伸縮振動が、外部電極８８２ａ、８８２ｂ、８８２ｃ、８８２ｄと８８４の間に所定の周波数の信号を印加すると、圧電素子１２ａには屈曲振動が発生する。そこで、外部電極８８１と８８３の間に印加する駆動信号と外部電極８８２ａ、８８２ｂ、８８２ｃ、８８２ｄと８８４の間に印加する駆動信号の位相を変えることにより、振動部材１０に設けられた突起３０が、振動部材１０の厚み方向と直交する方向に楕円運動する。そして、この楕円運動により、突起３０と加圧接触している移動体６０が移動する。２つの信号の位相差を反転させることにより、楕円運動の方向も逆転することから、移動体は正逆２方向に移動方向の制御が可能となる。また、振動部材１０を支持する支持部材４０との接続には、支持部材４０を穴２０に接着や打ち込み、嵌め合い、接合等の方法で接続できるため、振動部材１０と支持部材４０とを高強度で一体化できる。また、支持部材４０に剛性の高い金属を用いることが可能となり、穴２０の径を小さく出来るため、支持部材１０を支持する領域を小さくでき、振動部材１０の振動を弱めることなく利用できる。さらに、穴２０を振動部材１０の振動の節に設けることで、振動部材１０の振動を弱めることなく利用できるため、高効率かつ高出力の超音波モータ１０００が実現可能となる。

（実施の形態２）
図４は本発明の超音波モータの振動部材２１０を示したものである。図４（ａ）は振動部材２１０の斜視図、図４（ｂ）は振動部材２１０の具体的な構造、分極方向および電極の配置を説明する図である。なお、実施の形態１との相違点のみを以下に示す。

図４に示した振動部材２１０は、実施の形態１と同様に圧電素子１１ａ、１１ｂ、２１２ａ、２１２ｂ、２１３を厚み方向に複数枚積層する。実施の形態１との相違は、圧電素子２１２ａ、２１２ｂが圧電素子１２ａ、１２ｂに、圧電素子２１３が圧電素子１３に相当し、電極８４に相当する電極２８４が穴２０を回避せず設けられた点にある。これにより、穴２０に導電性接着剤等で支持部材４０を接続させることで、電極２８４と支持部材４０とが導通する。そこで、外部電極を設けることなく、支持部材４０を用いて電極２８４に駆動信号を印加することが可能となる。なお、導電性接着剤による接着は支持部材４０の接続方法の一例であり、支持部材４０と電極２８４との導通が可能であれば、打ち込み、嵌め合い、接合等の手段をとっても同様に実施可能である。これにより、外部電極に接続されたリード線等の信号印加手段（図示せず）の数が減らせるため、振動部材２１０の振動が阻害されることなく、電極２８４に駆動信号を印加することができ、高効率での電気エネルギー利用が可能となる。

また、図５は本発明の超音波モータの振動部材３１０を示したものである。同様に、実施の形態１との相違点のみを以下に示す。

図５に示した振動部材３１０は、実施の形態１と同様に圧電素子１１ａ、１１ｂ、３１２ａ、３１２ｂ、３１３を厚み方向に複数枚積層する。実施の形態１との相違は、圧電素子３１２ａ、３１２ｂが圧電素子１２ａ、１２ｂに、圧電素子３１３が圧電素子１３に相当すると共に、電極３８２ａ、３８２ｂ、３８２ｃ、３８２ｄがそれぞれ電極８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、８２ｄに相当し、電極３８２ａ、３８２ｃが穴２０を回避せず設けられた点にある。これにより、前述の振動部材２１０と同様に、穴２０に支持部材４０を接続させることで、電極３８２ａ、３８２ｃと支持部材４０とが導通する。そこで、外部電極を設けることなく、支持部材４０を用いて電極３８２ａ、３８２ｃに駆動信号を印加することが可能となる。これにより、外部電極に接続されたリード線等の信号印加手段（図示せず）により振動部材３１０の振動が阻害されることなく、電極に駆動信号を印加することができ、高効率での電気エネルギー利用が可能となる。

（実施の形態３）
図７は本発明の超音波モータの振動部材４１０を示したものである。図７（ａ）は振動部材４１０の斜視図、図７（ｂ）は振動部材４１０の具体的な構造、分極方向および電極の配置を説明する図である。実施の形態１もしくは２との相違点を主に以下に示す。

図７に示した振動部材４１０は、実施の形態１および２と同様に圧電素子４１１ａ、４１１ｂ、４１２ａ、４１３を厚み方向に複数枚積層する。実施の形態１および２との相違点を次に示す。まず、穴２０が貫通穴であり、支持部材４０がひとつで構成する。また、圧電素子４１１ａが圧電素子１１ａに、圧電素子４１２ａが圧電素子１２ａに、圧電素子４１３が圧電素子１３に、圧電素子４１１ｂが圧電素子１１ｂ、１２ｂに相当する。これにより、電極４８３が電極８３及び電極８４に相当するため、全ての圧電素子のＧＮＤ電極となる。そして電極４８３が穴２０を回避せずに設けられた点にある。これにより、実施の形態２と同様に、穴２０に支持部材４０を接続することで、電極４８３と支持部材４０とが導通する。そこで、外部電極を設けることなく、支持部材４０を用いて電極４８３に駆動信号を印加することが可能となる。さらに、振動部材４１０を構成すると、圧電素子４１１ａの表面には電極８１が、裏面には電極４８３が、また圧電素子４１２ａの表面には電極８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、８２ｄが、裏面には電極４８３が設けられる。このような構成によると、圧電素子４１１ａ、４１２ａは共通の電極４８３を有し、この電極４８３を接地することで、電極群を１種類削減することができ、製造がより容易になる。

また、穴２０を貫通穴とすることで、圧電素子４１１ａ、４１１ｂ、４１２ａ、４１３は電極を除けば同形状となるため、製造が容易になる。さらに貫通穴とすることで、ひとつの支持部材４０で支える構造となる。このような構成とすることで、構成部品を少なくでき、構造を簡略化できるため、構成の小型化が容易に可能となる。

なお、図７では圧電素子４１１ａ、４１１ｂの対を挟む形で圧電素子４１２ａ、４１１ｂの対が積層されている。そして、振動部材４１０の厚さ方向の中心から見て表裏方向に対称に２対の圧電素子４１１ａ、４１１ｂの対と圧電素子４１２ａ、４１１ｂの対が配置されている。しかし、この２対の圧電素子を交互に配置しても、超音波モータは機能可能である。

（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６に示す。

図６は、本発明の駆動回路により駆動される超音波モータ１０００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る。振動部材１０に設けられた突起３０により摩擦駆動される移動体６０と一体に動作する可動機構９０、振動部材に駆動信号を印加する駆動制御装置１０３、可動機構９０の移動量を測定する計測装置１０２からなる。ここでは可動機構９０をステージとし、所定の位置に位置決めする自動ステージの例について説明する。

ここで測定装置１０２は、たとえば光学式エンコーダを用いる。駆動制御装置１０３は計測装置１０２から、可動機構９０の現在位置を認識し、目標位置の方向へ可動機構９０を動かす。計測装置１０２からの現在位置と目標位置と所定の範囲内で一致すれば、駆動信号の入力を停止する構成となっている。

なお、本実施の形態における電子機器としては、自動ステージの他に、プリンタや工作機などに応用可能である。

本発明の超音波モータの移動体に直接可動ステージを設けるか、もしくは、伝達機構を介して移動体の動作を伝達すれば、自動ステージ、カメラのズーム機構、オートフォーカス機構、紙送り装置、あるいは時計などの電子機器へ応用できる。

本発明の超音波モータ１０００の構成を示す図である。 本発明の超音波モータの振動部材１０の振動モードを示す説明図である。 本発明の超音波モータの振動部材１０の構成を示す図である。 本発明の超音波モータの振動部材２１０の構成を示す図である。 本発明の超音波モータの振動部材３１０の構成を示す図である。 本発明の超音波モータを用いた電子機器を示す図である。 本発明の超音波モータの振動部材４１０の構成を示す図である。 従来の超音波モータの構成を示す図である。

符号の説明

１０００・・・超音波モータ
１０、２１０、３１０、４１０・・・振動部材
１１ａ、４１１ａ・・・圧電素子（伸縮振動）
１２ａ、２１２ａ、３１２ａ、４１２ａ・・・圧電素子（屈曲振動）
１１ｂ、１２ｂ、１３、２１２ｂ、２１３、３１２ｂ、３１３・・・圧電素子
４１１ｂ、４１３、７１０・・・圧電素子
２０・・・穴
３０、７３０・・・突起
４０、７４０・・・支持部材
５０・・・案内部材
６０・・・移動体
７０・・・加圧部材
８１・・・電極（伸縮振動）
８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、８２ｄ、３８２ａ、３８２ｂ、３８２ｃ、３８２ｄ・・・電極（屈曲振動）
８３、８４、２８４、４８３・・・電極
９０・・・可動機構
１０２・・・計測装置
１０３・・・駆動制御装置
８８１・・・外部電極（伸縮振動）
８８２ａ、８８２ｂ、８８２ｃ、８８２ｄ・・・外部電極（屈曲振動）
８８３、８８４・・・外部電極
７１１・・・振動体

Claims (5)

1. 第一の圧電素子群と第二の圧電素子群を積層して構成した振動部材と、前記振動部材と接しかつ前記振動部材の振動に伴って可動される可動体とを備えた超音波モータにおいて、
   前記第一の圧電素子群に設けられた穴と、
   前記穴に接続する支持部材とを備えたことを特徴とする超音波モータ。
2. 前記第一の圧電素子群が屈曲振動を励振することを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
3. 前記第一の圧電素子群に設けられた電極群の少なくとも一部が、前記穴を回避して配置された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. 複数の圧電素子を積層して構成した振動部材と、前記振動部材と接しかつ前記振動部材の振動に伴って可動される可動体とを備えた超音波モータにおいて、
   前記圧電素子に設けられた穴と、
   前記穴と接続かつ前記圧電素子に設けられた電極群の一部と導通する支持部材と、を備えたことを特徴とする超音波モータ。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の超音波モータを備えたことを特徴とする超音波モータ付き電子機器。

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