JP4477915B2 - 超音波モータ - Google Patents

Description

本発明は新規な構造を有する超音波モータに関する。

共振型超音波モータとして、図７に示すように、伸縮変位を生ずる圧電素子１０１ａ・１０１ｂをヘッド１０２を介して互いに直交するように配置して、圧電素子１０１ａ・１０１ｂを位相の異なる交流電圧で駆動することにより、ヘッド１０２に楕円運動を生じさせる超音波モータ１００が知られている（例えば、特許文献１参照）。ヘッド１０２を回転自在なロータ１０３の側面に押しあてることによってロータ１０３を回転させ、所定角度回転させた所定の位置で静止させることができる。

しかし、圧電素子１０１ａ・１０１ｂを共振周波数帯域の所定の周波数の電圧を印加して圧電素子１０１ａ・１０１ｂを駆動し、その後に圧電素子１０１ａ・１０１ｂへの電圧の印加を終了しても、ヘッド１０２が慣性によって楕円運動を続けてしまうことや、駆動電圧の立ち下がりに微小の時間がかかるためにヘッド１０２がロータ１０３を押してしまうことによって、ロータ１０３を高精度で位置決めすること（例えば、ナノメートルオーダーでの位置決め）が困難となっている。
特開２００１−１６８７９号公報

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、高精度な位置決めを可能とする新たな超音波モータを提供することを目的とする。

本発明の第１の観点によれば、１つ以上の超音波振動部を備えた略柱状の構造体と、
前記構造体の側面の所定位置に被駆動体と接するように設けられた複数の摩擦摺動部と、
を具備し、
前記超音波振動部が、前記構造体に撓み振動を、その撓みの向きが連続的に変化することによって前記複数の摩擦摺動部に位相がずれた楕円運動が生ずるように、発生させることにより、前記被駆動体を前記構造体の長手方向と垂直な方向に移動させることを特徴とする超音波モータ、が提供される。

この第１の観点に係る超音波モータでは、前記超音波振動部として２つの圧電素子を前記構造体の長手方向中央について対称な位置に備え、前記２つの圧電素子はそれぞれ、前記構造体の長手方向に独立して伸縮可能で、実質的に同形状な３つの駆動部を有し、前記２つの圧電素子の各駆動部は、各圧電素子の各駆動部の伸縮によって前記構造体に生ずる撓みが合わされて前記構造体により大きな撓みを生ずるように、位相を１２０度ずつずらして駆動される構成とすることが好ましい。

本発明の第２の観点によれば、２つ以上の超音波振動部を備えた略柱状の構造体と、
前記構造体の側面の所定位置に被駆動体と接するように設けられた複数の摩擦摺動部と、
を具備し、
前記２つ以上の超音波振動部がそれぞれ前記構造体を異なる方向に撓ませる２つ以上の撓み振動を前記構造体に発生させ、これらの撓み振動が合成されることにより前記構造体の長手方向と直交する面において前記複数の摩擦摺動部に位相がずれた楕円運動を生じさせて、前記被駆動体を前記構造体の長手方向と垂直な方向に移動させることを特徴とする超音波モータ、が提供される。

この第２の観点に係る超音波モータでは、前記超音波振動部として、２つの圧電素子を有する２つの圧電素子群を前記構造体の長手方向中央について対称な位置に備え、前記圧電素子群を構成する２つの圧電素子は、前記構造体の長手方向に独立して伸縮可能であり、かつ、伸縮の位相が逆転している実質的に同形状な２つの駆動部をそれぞれ有し、前記圧電素子群において、前記２つの圧電素子は、一方の圧電素子の伸縮による前記構造体の撓み振動の方向と、他方の圧電素子の伸縮による前記構造体の撓み振動の方向とが、直交するように配置され、前記２つの圧電素子群による前記構造体の撓み振動が合成されてより大きな撓み振動が前記構造体に生ずる構成とすることが好ましい。また、第２の観点に係る超音波モータでは、前記構造体を異なる方向に撓ませる２つ以上の撓み振動の共振周波数を一致させ、その共振周波数で駆動することが好ましい。

本発明の超音波モータによれば、共振駆動により被駆動体を高速移動させることができ、また非共振駆動により被駆動体を高精度で移動させることができる。

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に第１の実施形態に係る超音波モータ１０の概略断面図を示す。超音波モータ１０は略柱状の構造体であり、好ましい形状は円柱状である。

超音波モータ１０は、筒状（または円板環状）の第１圧電素子１１と、筒状の第２圧電素子１２と、両端に所定のネジ溝が形成されている枢軸１３と、凹型の保持部材１４と、第１圧電素子１１と第２圧電素子１２との間に設けられた第１スペーサ１８と、第１圧電素子１１・第２圧電素子１２と保持部材１４との間に設けられた２つの第２スペーサ１９と、枢軸１３の両端に形成されたネジ溝に螺合する２つの固定部材１７と、を有している。

枢軸１３は、第１・第２圧電素子１１・１２と第１・第２スペーサ１８・１９と保持部材１４に挿通されている。被駆動体５に当接する第１摩擦摺動部材１６ａは、超音波モータ１０の長手方向中央部において第１スペーサ１８の側面に設けられており、第２摩擦摺動部材１６ｂは超音波モータ１０の長手方向端部において２つの固定部材１７の側面に設けられている。

第１圧電素子１１と第２圧電素子１２は、超音波モータ１０における超音波振動部である。図２に第１圧電素子１１と第２圧電素子１２の概略構造を示す斜視図を示す。図２に示されるように、第１圧電素子１１は、筒状の圧電体２１と、圧電体２１の端面で２分割され、かつ、圧電体２１を挟んで形成されている２組の電極、つまり第１電極２２、第２電極２３と、を有している。図２に示されるように、圧電体２１において、第１電極２２間に挟まれている部分（以下「第１駆動部３１」という）と、第２電極２３間に挟まれている部分（以下「第２駆動部３２」という）では、分極Ｐの向きが逆となっている。

なお、第１電極２２と第２電極２３はそれぞれ枢軸１３と導通しないように圧電体２１に形成されている。図２においては、第１電極２２と第２電極２３とは独立して形成されているが、これは圧電体２１を図２に示すように分極処理するためのものであり、分極処理が終了した後には、圧電体２１の端面ごとに第１電極２２と第２電極２３とを導通させてもよい。図２では第１電極２２と第２電極２３を、これらを図示するための便宜上、厚く描いている。これらのことは、後述する第２圧電素子１２の第３電極２５と第４電極２６についても同様である。

第２圧電素子１２は実質的には第１圧電素子１１と同じ構造を有している。つまり、第２圧電素子１２は、筒状の圧電体２４と、圧電体２４の端面で２分割され、かつ、圧電体２４を挟んで形成されている２組の電極、つまり第３電極２５、第４電極２６と、を有している。圧電体２４において、第３電極２５間に挟まれている部分（以下「第３駆動部３３」という）と、第４電極２６間に挟まれている部分（以下「第４駆動部３４」という）では、分極Ｐの向きが逆となっている。

超音波モータ１０においては、第１圧電素子１１と第２圧電素子１２は、第１電極２２と第２電極２３の境界線がＸ軸と一致し、第３電極２５と第４電極２６の境界線がＹ軸に一致するように、Ｚ軸回りに９０度ずらして配置されている。

第１・第２スペーサ１８・１９としては、後に図３を参照しながら説明する撓み振動が生じやすい材料、例えば、ステンレスやジュラルミン、鋳鉄等の金属材料を用いることが好ましい。ここで、第１圧電素子１１と第２圧電素子１２は絶縁されなければならないので、第１スペーサ１８に金属材料を用いる場合には、第１スペーサ１８と第１圧電素子１１との間および第１スペーサ１８と第２圧電素子１２との間にそれぞれ図示しない絶縁板を配置する必要がある。なお、第１スペーサ１８のようにその厚さが薄い場合には、第１スペーサ１８自体を、例えば、アルミナやジルコニア、窒化珪素等の絶縁性のセラミックス材料で構成することも好ましい。

同様に、第２スペーサ１９に金属材料を用いる場合には、第１圧電素子１１と第２圧電素子１２から保持部材１４を絶縁するために、第２スペーサ１９と第１圧電素子１１との間および第２スペーサ１９と第２圧電素子１２との間にそれぞれ図示しない絶縁板を配置する必要がある。もちろん、第２スペーサ１９をアルミナ等の絶縁性のセラミックス材料で構成してもよいが、この場合には、これらのセラミックス材料は前述の金属材料と比較して撓み難いために、撓み振動の振幅が小さくなる傾向が現れる。以降の説明においては、特に明示しない場合を除いて、圧電素子に隣接しているスペーサは、その圧電素子と絶縁されているか、またはそれ自体が絶縁体であるものとする。

また、枢軸１３、保持部材１４、２つの固定部材１７としては、ステンレスや鋳鋼等の金属材料が好適に用いられる。２つの固定部材１７は、第１圧電素子１１・第２圧電素子１２および第１・第２スペーサ１８・１９が図１に示す順序で枢軸１３が挿通配置された状態で、これらが所定の力で締め付けられるように、枢軸１３の両端にそれぞれ取り付けられている。

保持部材１４は、後述するように超音波モータ１０に撓み振動を生じさせた際の振動の節となる位置において、枢軸１３に取り付けられている。

第１摩擦摺動部材１６ａは、第１スペーサ１８と一体であっても構わないし、接着剤等により第１スペーサ１８に接着されていてもよい。同様に、第２摩擦摺動部材１６ｂは、固定部材１７と一体であっても構わないし、接着剤等により固定部材１７に接着されていてもよい。好ましくは、摩耗速度が同じとなるように、第１摩擦摺動部材１６ａと第２摩擦摺動部材１６ｂとを同じ材質とする。第１・第２摩擦摺動部材１６ａ・１６ｂが設けられている位置は、後述するように、超音波モータ１０に撓み振動を生じさせた際の振動の腹となる位置である。

第１摩擦摺動部材１６ａ・１６ｂを被駆動体５に所定の力で押圧するための予圧機構１５が保持部材１４に取り付けられている。この予圧機構１５としては、コイルスプリング、エアーシリンダ、油圧シリンダ等が用いられる。

続いて、超音波モータ１０の駆動方法について、共振周波数で駆動した場合について説明する。第１圧電素子１１と第２圧電素子１２は位相が９０度ずれた駆動電圧で駆動する。例えば、第１電極２２と第２電極２３には同位相の駆動電圧Ｖ_１＝Ｖ_０ｓｉｎ２πｆｔ（ｆ：共振周波数）を印加し、第３電極２５と第４電極２６には同位相の駆動電圧Ｖ_２＝Ｖ_０ｃｏｓ２πｆｔを印加する。

この場合、第１圧電素子１１だけに着目すると、先に図２に示したように、第１圧電素子１１における第１駆動部３１と第２駆動部３２では、分極の向きが逆転しているために、一方の駆動部に分極の向きと同じ向きの電界（以下「順電界」という）が掛かっているときには、他方の駆動部には分極の向きとは逆の向きの電界（以下「逆電界」という）が掛かる。つまり、第１駆動部３１が伸張する際には第２駆動部３２は収縮する。ここで、第１駆動部３１と第２駆動部３２との境界はＸ軸に一致しているから、第１圧電素子１１を駆動電圧Ｖ_１＝Ｖ_０ｓｉｎ２πｆｔで駆動した場合には、超音波モータ１０にはＹ方向で撓み振動が発生することとなる。

一方、第２圧電素子１２だけに着目すると、第２圧電素子１２における第３駆動部３３と第４駆動部３４では、分極の向きが逆転しており、第３駆動部３３と第４駆動部３４との境界はＹ軸に一致しているから、第２圧電素子１２を駆動電圧Ｖ_２＝Ｖ_０ｃｏｓ２πｆｔで駆動した場合には、超音波モータ１０にはＸ方向で撓み振動が起こることとなる。

超音波モータ１０では、このような第１圧電素子１１によるＹ方向の撓み振動と第２圧電素子１２によるＸ方向の撓み振動という撓み方向の異なる２つの撓み振動を発生させ、これらの撓み振動が合成されることにより、第１摩擦摺動部材１６ａ・１６ｂにＺ軸に直交する面内において楕円運動を生じさせる。

このような超音波モータ１０の駆動形態をより詳細に説明するため、図３に超音波モータ１０の撓み振動の形態を示す模式図を示す。ここで、図３において、第１圧電素子１１では第１駆動部３１が＋Ｙ側に、第２駆動部３２が−Ｙ側に位置し、第２圧電素子１２では第３駆動部３３が＋Ｘ側に、第４駆動部３４が−Ｘ側に位置しているとする。また、図３各図におけるＹ−Ｚ面図では紙面の裏面側が＋Ｘ側であり、紙面の表側が−Ｘ側である。図３におけるＸ−Ｙ面図では、第１摩擦摺動部材１６ａの位置を点Ｑで、第２摩擦摺動部材１６ｂの位置を点Ｓでそれぞれ示すこととする。

図３（ａ）は超音波モータ１０が静止した状態を示している。この状態において、第１・第２摩擦摺動部材１６ａ・１６ｂはそれぞれＺ方向から見ると重なった位置にある。

図３（ｂ）はｓｉｎ２πｆｔ＝０、ｃｏｓ２πｆｔ＝１で、第１圧電素子１１に駆動電圧Ｖ_１＝０、第２圧電素子１２に駆動電圧Ｖ_２＝Ｖ_０がそれぞれ印加され、第３駆動部３３に順電界が、第４駆動部３４に逆電界が掛かっている状態を示している。この場合には、第３駆動部３３が伸張し、第４駆動部３４が収縮することにより、超音波モータ１０の両端がそれぞれ−Ｘの向きに移動するような撓みが生ずる。このとき、第１摩擦摺動部材１６ａは＋Ｘ側に、第２摩擦摺動部材１６ｂは−Ｘ側にそれぞれ位置する。

図３（ｃ）は図３（ｂ）に示す状態から９０度位相が進み、ｓｉｎ２πｆｔ＝１、ｃｏｓ２πｆｔ＝０で、第１圧電素子１１に駆動電圧Ｖ_１＝Ｖ_０、第２圧電素子１２に駆動電圧Ｖ_２＝０がそれぞれ印加され、第１駆動部３１に順電界が、第２駆動部３２に逆電界が掛かっている状態を示している。この場合には、第１駆動部３１が伸張し、第２駆動部３２が収縮することにより、超音波モータ１０の両端が−Ｙの向きに移動し、超音波モータ１０の中央部が＋Ｙの向きに移動するような撓みが生ずる。したがって、このとき第１摩擦摺動部材１６ａは＋Ｙ側に、第２摩擦摺動部材１６ｂは−Ｙ側にそれぞれ位置する。

なお、超音波モータ１０は予圧機構１５によりＹ方向で被駆動体５に押圧されているために、Ｙ方向での撓みが抑制され、これによってＹ方向の撓み量はＸ方向での撓み量よりも小さくなる。

図３（ｂ）に示す状態から図３（ｃ）に示す状態に移行する過程においては、超音波モータ１０の両端の−Ｘ方向での撓み量が減少し、かつ、−Ｙ方向での撓み量が増加するから、第２摩擦摺動部材１６ｂは−Ｘ／−Ｙ領域内を楕円軌道を描きながら、図３（ｂ）に示す位置から図３（ｃ）に示す位置に移動する。同様に、第１摩擦摺動部材１６ａは、＋Ｘ／＋Ｙ領域内を楕円軌道を描きながら図３（ｂ）に示す位置から図３（ｃ）に示す位置に移動する。

図３（ｄ）は図３（ｃ）に示す状態から９０度位相が進み、ｓｉｎ２πｆｔ＝０、ｃｏｓ２πｆｔ＝−１で、第１圧電素子１１に駆動電圧Ｖ_１＝０、第２圧電素子１２に駆動電圧Ｖ_２＝−Ｖ_０がそれぞれ印加され、第３駆動部３３に逆電界が、第４駆動部３４に順電界が掛かっている状態を示している。この場合には、第３駆動部３３が収縮し、第４駆動部３４が伸張することにより、超音波モータ１０の両端が＋Ｘの向きに、超音波モータ１０の中央部が−Ｘの向きに、それぞれ移動するような撓みが生ずる。これにより、第１摩擦摺動部材１６ａは−Ｘ側に、第２摩擦摺動部材１６ｂは＋Ｘ側にそれぞれ位置する。

図３（ｃ）に示す状態から図３（ｄ）に示す状態に移行する過程においては、超音波モータ１０の両端の−Ｙ方向での撓み量が減少し、かつ、＋Ｘ方向での撓み量が増加するから、第２摩擦摺動部材１６ｂは＋Ｘ／−Ｙ領域内を楕円軌道を描きながら図３（ｃ）に示す位置から図３（ｄ）に示す位置に移動する。同様に、第１摩擦摺動部材１６ａは、−Ｘ／＋Ｙ領域内を楕円軌道を描きながら図３（ｃ）に示す位置から図３（ｄ）に示す位置に移動する。

図３（ｅ）は図３（ｄ）に示す状態から９０度位相が進み、ｓｉｎ２πｆｔ＝−１、ｃｏｓ２πｆｔ＝０で、第１圧電素子１１に駆動電圧Ｖ_１＝−Ｖ_０、第２圧電素子１２に駆動電圧Ｖ_２＝０がそれぞれ印加され、第１駆動部３１に逆電界が、第２駆動部３２に順電界が掛かっている状態を示している。この場合には、第１駆動部３１が収縮し、第２駆動部３２が伸張することにより、超音波モータ１０の両端が＋Ｙの向きに移動し、超音波モータ１０の中央部が−Ｙの向きに移動するような撓みが生ずる。したがって、このとき第１摩擦摺動部材１６ａは−Ｙ側に、第２摩擦摺動部材１６ｂは＋Ｙ側にそれぞれ位置する。

図３（ｄ）に示す状態から図３（ｅ）に示す状態に移行する過程においては、超音波モータ１０の両端の＋Ｘ方向での撓み量が減少し、かつ、＋Ｙ方向での撓み量が増加するから、第２摩擦摺動部材１６ｂは＋Ｘ／＋Ｙ領域内を楕円軌道を描きながら図３（ｄ）に示す位置から図３（ｅ）に示す位置に移動する。同様に、第１摩擦摺動部材１６ａは、−Ｘ／−Ｙ領域内を楕円軌道を描きながら図３（ｄ）に示す位置から図３（ｅ）に示す位置に移動する。

図３（ｅ）に示す状態からさらに９０度位相が進むと、図３（ｂ）に示した状態に戻る。この過程では、超音波モータ１０の両端の＋Ｙ撓み量が減少し、かつ、−Ｘ撓み量が増加するから、第２摩擦摺動部材１６ｂは−Ｘ／＋Ｙ領域内を楕円軌道を描きながら図３（ｅ）に示す位置から図３（ｂ）に示す位置に移動する。同様に、第１摩擦摺動部材１６ａは、＋Ｘ／−Ｙ領域内を楕円軌道を描きながら図３（ｅ）に示す位置から図３（ｂ）に示す位置に移動する。

このように超音波モータ１０では、図３（ｂ）→図３（ｃ）→図３（ｄ）→図３（ｅ）→図３（ｂ）の繰り返しによる撓み振動を生じさせることにより、第１摩擦摺動部材１６ａと第２摩擦摺動部材１６ｂに、Ｚ軸に直交する面内において楕円運動を生じさせる。これにより、被駆動体５を＋Ｘの向きに移動させることができる。被駆動体５を−Ｘの向きに移動させるためには、図３の例では、例えば、第２圧電素子１２の駆動電圧をそのままにして、第１圧電素子１１に印加する駆動電圧の位相を１８０度ずらせばよい。

超音波モータ１０では、第１摩擦摺動部材１６ａと第２摩擦摺動部材１６ｂの楕円運動の位相が１８０度ずれているために、これらは交互に被駆動体５を蹴るように被駆動体５を摩擦駆動するため、高速で被駆動体５を移動させることができる。

また、超音波モータ１０では、上述した共振駆動のみでなく、共振周波数よりも低い非共振周波数での駆動も可能であり、その際の超音波モータ１０の撓み振動の形態は図３に示したものと同じとなる。このため、超音波モータ１０を非共振駆動した場合には、被駆動体５を低速で移動させることができ、これによって被駆動体５の移動慣性を低下させ、また超音波モータ１０自体の振動慣性も小さくなるために、高い精度で被駆動体５を移動させることができる。

次に、第２の実施形態について説明する。図４に第２の実施形態に係る超音波モータ５０の概略構造を示す説明図を示す。この図４には、超音波モータ５０の概略断面図に、超音波モータ５０が具備する第１・第２圧電素子１１・１２の配置形態を示す斜視図を並記している。

この超音波モータ５０は、先に説明した第１圧電素子１１と第２圧電素子１２とを１つの圧電素子群とする２つの圧電素子群５１・５２を備えている。２つの第１圧電素子１１は超音波モータ５０の長手方向中央について対称な位置に配置され、同様に、２つの第２圧電素子１２も超音波モータ５０の長手方向中央について対称な位置に配置されている。これにより、先に図３に示した共振モードの振動が立ちやすくなる。

また、超音波モータ５０は、両端に所定のネジ溝が形成されている枢軸５３と、保持部材５４と、２つの第１圧電素子１１間に設けられた第１スペーサ５５と、第１圧電素子１１と保持部材５４との間に設けられた２つの第２スペーサ５６と、第２圧電素子１２と保持部材５４との間に設けられた２つの第３スペーサ５７と、枢軸５３の両端に形成されたネジ溝に螺合する金属製の２つの固定部材５９と、第２圧電素子１２と固定部材５９との間に設けられた絶縁材料からなる第４スペーサ５８と、を備えている。被駆動体５に当接する第１摩擦摺動部材６０ａは第１スペーサ５５の側面に、第２摩擦摺動部材６０ｂは固定部材５９の側面に、それぞれ設けられている。

圧電素子群５１・５２における第１圧電素子１１と第２圧電素子１２の配置形態は、図４に示す通りである。超音波モータ５０の駆動は、先に説明した超音波モータ１０と同様に、第１・第２圧電素子群５１・５２の各第１圧電素子１１に、例えば、駆動電圧Ｖ_１＝Ｖ_０ｓｉｎ２πｆｔを印加し、第１・第２圧電素子群５１・５２の各第２圧電素子１２に、駆動電圧Ｖ_２＝Ｖ_０ｃｏｓ２πｆｔを印加することにより行われる。

このときの超音波モータ５０の撓み振動の形態は超音波モータ１０と同様であるから、ここでは詳細な説明は省略する。超音波モータ５０では、圧電素子群５１による撓み振動と圧電素子群５２による撓み振動とが合成されて、超音波モータ１０よりも大きな撓み振動が生じる。このため、超音波モータ１０よりも大きなトルクを発生させることができる。

次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図５に第３の実施形態に係る超音波モータ７０の概略構造を示す説明図を示す。この図５には、超音波モータ７０の概略断面図に、超音波モータ７０が具備する圧電素子７１の配置形態を示す斜視図を並記している。

超音波モータ７０もまた柱状の構造体である。この超音波モータ７０は、筒状の圧電素子７１と、枢軸７２と、凹型の保持部材７３と、圧電素子７１と保持部材７３との間に設けられた２つのスペーサ７４と、枢軸７２の両端に形成されたネジ溝に螺合する２つの固定部材７５と、を有している。枢軸７２は、圧電素子７１とスペーサ７４と保持部材７３とに挿通されている。被駆動体５（図５に図示せず）に当接する第１摩擦摺動部材７６ａは圧電素子７１の側面に設けられ、第２摩擦摺動部材７６ｂは２つの固定部材７５の側面に設けられている。

図５に示すように、圧電素子７１は、圧電体８１と、圧電体８１を挟んで形成された略同形状の３組の電極（第１電極８２、第２電極８３、第３電極８４、とする）を有している。圧電体８１は一様にその厚さ（長さ）方向で分極されている。第１〜第３電極８２〜８４は、圧電体８１を分極処理するために形成した電極を分極後にダイシング等により分割して形成してもよく、最初から３つに分けて形成されていてもよい。以下、第１電極８２に挟まれた部分を第１駆動部８５、第２電極８３に挟まれた部分を第２駆動部８６、第３電極８４に挟まれた部分を第３駆動部８７、とする。

超音波モータ７０では、第１電極８２、第２電極８３、第３電極８４に、それぞれ位相が１２０度（２π／３ラジアン）ずれた駆動電圧、例えば、第１電極８２にＶ_１＝Ｖ_０ｓｉｎ（２πｆｔ＋２π／３）を、 第２電極８３にＶ_２＝Ｖ_０ｓｉｎ２πｆｔを、第３電極８４にＶ_３＝Ｖ_０ｓｉｎ（２πｆｔ−２π／３）を、それぞれ印加する。これにより、第１駆動部８５〜第３駆動部８７の伸縮のタイミングがずれて、図３に示したような撓みの向きが連続的に変化する撓み振動と実質的に同じ撓み振動を発生させることができ、第１・第２摩擦摺動部材７６ａ・７６ｂの楕円運動により、被駆動体５（図示せず）を移動させることができる。

超音波モータ７０では、第１摩擦摺動部材７６ａが伸縮変位を生ずる圧電素子７１に設けられているために、第１摩擦摺動部材７６ａが圧電素子７１から剥離するおそれがある。そこで、圧電素子７１を用いて超音波モータを構成する場合には、圧電素子７１を偶数備えた構成とすることが好ましい。

例えば、図６に２つの圧電素子７１を備えた、第４の実施形態に係る超音波モータ９０の概略構造を示す説明図を示す。図６では、超音波モータ９０の概略断面図に、圧電素子７１の配置形態を示す斜視図を並記している。

超音波モータ９０において、２つの圧電素子７１は撓み振動が立ちやすいように、超音波モータ９０の長手方向中央について対称な位置に配置されている。また、超音波モータ９０は、また、枢軸９１と、保持部材９２と、２つの圧電素子７１の間に設けられた第１スペーサ９３と、２つの圧電素子７１と保持部材９２との間にそれぞれ設けられた２つの第２スペーサ９４と、枢軸９１の両端に形成されたネジ溝に螺合する２つの固定部材９５と、を有している。枢軸９１は、２つの圧電素子７１と第１スペーサ９３と保持部材９２とに挿通されている。被駆動体５（図６に図示せず）に当接する第１摩擦摺動部材９６ａは第１スペーサ９３の側面に設けられ、第２摩擦摺動部材９６ｂは２つの固定部材９５の側面に設けられている。

超音波モータ９０において、Ｚ方向から見たときに、２つの圧電素子７１の各第１駆動部８５が重なるように２つの圧電素子７１は配置されている。つまり、２つの圧電素子７１の各第２駆動部８６もＺ方向から見たときに重なり、各第３駆動部８７もＺ方向から見たときに重なる。

例えば、２つの第１駆動部８５をＶ_１＝Ｖ_０ｓｉｎ（２πｆｔ＋２π／３）で駆動し、２つの第２駆動部８６をＶ_２＝Ｖ_０ｓｉｎ２πｆｔで駆動し、２つの第３駆動部８７をＶ_３＝Ｖ_０ｓｉｎ（２πｆｔ−２π／３）で駆動することにより、２つの圧電素子７１によって生ずる撓み振動が合成されてより大きな撓み振動を発生させることができる。また、第１摩擦摺動部材９６ａは第１スペーサ９３に取り付けられているために、第１摩擦摺動部材９６ａが第１スペーサ９３に接着により取り付けられていても剥離し難く、また、第１摩擦摺動部材９６ａを第１スペーサ９３と一体で設けることもできる。

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、超音波モータ１０の駆動形態として、第１圧電素子１１および第２圧電素子１２の両方に最大電圧（振幅）が±Ｖ_０となる駆動電圧を印加した場合について説明したが、第１圧電素子１１に印加する最大電圧と第２圧電素子１２に印加する最大電圧とは異なっていてもよい。この場合には、電圧の大きさにしたがって、第１・第２摩擦摺動部材１６ａ・１６ｂに生ずる楕円軌跡が変化する。

また、超音波モータ１０を構成する第１圧電素子１１と第２圧電素子１２を用いて、例えば、１つの第２圧電素子１２をスペーサを介して２つの第１圧電素子１１で挟み込んだ構造や、２つの第１圧電素子１１と３つの第２圧電素子１２とをスペーサを介して交互に配置した構造を有する超音波モータを構成した場合でも、図３を参照しながら説明した撓み振動を生じさせることができる。

さらに、超音波モータ１０に設けられた第１圧電素子１１および第２圧電素子１２からなる圧電素子群を２つ備えた超音波モータ５０について説明したが、３つ以上の圧電素子群を各圧電素子群による撓み振動が合成されてより大きな撓み振動が発生するように備えた構成とすることもできる。

超音波モータ１０・５０を構成する第１圧電素子１１では、第１駆動部３１と第２駆動部３２では圧電体２１における分極Ｐの向きが逆であったが、例えば、圧電体２１における分極Ｐの向きを一様とし、かつ、第１電極２２と第２電極２３とを独立させて、例えば、第１電極２２にＶ_１＝Ｖ_０ｓｉｎ２πｆｔを印加すると同時に、第２電極２３にＶ_１′＝−Ｖ_０ｓｉｎ２πｆｔを印加してもよい。

超音波モータ７０では、圧電素子７１に実質的に等価な３つの第１〜第３駆動部８５〜８７を設けたが、このような駆動部は４つ以上であってもよい。この場合、駆動部の数に応じて、各駆動部に印加する駆動電圧の位相をずらす。例えば、駆動部が４つの場合には９０度、駆動部が６つの場合は６０度ずつずらせばよい。また、超音波モータ７０を超音波モータ９０に変形したように、超音波モータ７０を構成する圧電素子を３つ以上備えた超音波モータでも、図３に示した撓み振動を発生させることができる。

上記説明においては、圧電素子として筒状の圧電セラミックスからなる構造のものを示したが、この圧電素子の厚みは所定の変位量が得られる限りにおいて、薄くすることができる。つまり、圧電素子は円環板状であってもよい。また、圧電素子として無垢の圧電セラミックスからなるものを示したが、圧電素子は、複数の圧電セラミックス層と電極（内部電極）とを交互に積層してなる積層型素子であってもよい。

本発明は、半導体製造装置等に装着されるＸ−Ｙステージ装置の駆動装置として好適である。

第１の実施形態に係る超音波モータ概略断面図。 図１に示す超音波モータを構成する第１圧電素子と第２圧電素子の概略構造を示す斜視図。 図１に示す超音波モータの撓み振動の形態を示す模式図。 第２の実施形態に係る超音波モータの概略構造を示す説明図。 第３の実施形態に係る超音波モータの概略構造を示す説明図。 第４の実施形態に係る超音波モータの概略構造を示す説明図。 従来の超音波モータの構成を示す説明図。

符号の説明

５；被駆動体
１０・５０・７０・９０；超音波モータ
１１；第１圧電素子
１２；第２圧電素子
１３；枢軸
１４；保持部材
１５；予圧機構
１６ａ；第１摩擦摺動部材
１６ｂ；第２摩擦摺動部材
１７；固定部材
１８；第１スペーサ
１９；第２スペーサ
２１；圧電体
２２；第１電極
２３；第２電極
２４；圧電体
２５；第３電極
２６；第４電極
３１；第１駆動部
３２；第２駆動部
３３；第３駆動部
３４；第４駆動部
５１・５２；圧電素子群
５３；枢軸
５４；保持部材
５５；第１スペーサ
５６；第２スペーサ
５７；第３スペーサ
５８；第４スペーサ
５９；固定部材
６０ａ；第１摩擦摺動部材
６０ｂ；第２摩擦摺動部材
７１；圧電素子
７２；枢軸
７３；保持部材
７４；スペーサ
７５；固定部材
７６ａ；第１摩擦摺動部材
７６ｂ；第２摩擦摺動部材
８１；圧電体
８２；第１電極
８３；第２電極
８４；第３電極
８５；第１駆動部
８６；第２駆動部
８７；第３駆動部
９１；枢軸
９２；保持部材
９３；第１スペーサ
９４；第２スペーサ
９５；固定部材
９６ａ；第１摩擦摺動部材
９６ｂ；第２摩擦摺動部材
１００；超音波モータ
１０１ａ・１０１ｂ；圧電素子
１０２；ヘッド
１０３；ロータ

Claims (6)

1. １つ以上の超音波振動部を備えた略柱状の構造体と、
   前記構造体の側面の所定位置に被駆動体と接するように設けられた複数の摩擦摺動部と、
   を具備し、
   前記超音波振動部が、前記構造体に撓み振動を、その撓みの向きが連続的に変化することによって前記複数の摩擦摺動部に位相がずれた楕円運動が生ずるように、発生させることにより、前記被駆動体を前記構造体の長手方向と垂直な方向に移動させることを特徴とする超音波モータ。
2. 前記超音波振動部として２つの圧電素子を前記構造体の長手方向中央について対称な位置に備え、
   前記２つの圧電素子はそれぞれ、前記構造体の長手方向に独立して伸縮可能で、実質的に同形状な３つの駆動部を有し、
   前記２つの圧電素子の各駆動部は、各圧電素子の各駆動部の伸縮によって前記構造体に生ずる撓みが合わされて前記構造体により大きな撓みを生ずるように、位相を１２０度ずつずらして駆動されることを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
3. ２つ以上の超音波振動部を備えた略柱状の構造体と、
   前記構造体の側面の所定位置に被駆動体と接するように設けられた複数の摩擦摺動部と、
   を具備し、
   前記２つ以上の超音波振動部がそれぞれ前記構造体を異なる方向に撓ませる２つ以上の撓み振動を前記構造体に発生させ、これらの撓み振動が合成されることにより前記構造体の長手方向と直交する面において前記複数の摩擦摺動部に位相がずれた楕円運動を生じさせて、前記被駆動体を前記構造体の長手方向と垂直な方向に移動させることを特徴とする超音波モータ。
4. 前記超音波振動部として、２つの圧電素子を有する２つの圧電素子群を前記構造体の長手方向中央について対称な位置に備え、
   前記圧電素子群を構成する２つの圧電素子は、前記構造体の長手方向に独立して伸縮可能であり、かつ、伸縮の位相が逆転している実質的に同形状な２つの駆動部をそれぞれ有し、
   前記圧電素子群において、前記２つの圧電素子は、一方の圧電素子の伸縮による前記構造体の撓み振動の方向と、他方の圧電素子の伸縮による前記構造体の撓み振動の方向とが、直交するように配置され、
   前記２つの圧電素子群による前記構造体の撓み振動が合成されてより大きな撓み振動が前記構造体に生ずることを特徴とする請求項３に記載の超音波モータ。
5. 前記構造体を異なる方向に撓ませる２つ以上の撓み振動の共振周波数を一致させ、その共振周波数で駆動されることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の超音波モータ。
6. さらに、前記共振周波数よりも低い非共振周波数で駆動されることを特徴とする請求項５に記載の超音波モータ。
   

Images