JP2008199700A - 超音波モータおよびその駆動方法、超音波モータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な電源構成で駆動することができ、省スペースで設置することができ、しかも安定に保持することができる超音波モータを提供する。
【解決手段】超音波モータ１０は、圧電セラミックスからなる矩形平板状の圧電板１１と、圧電板１１の一方の主面に２行２列に形成され、対角位置にあるものどうしが電気的に接続されて２組の駆動電極部に分けられた４つの駆動電極１２ａ〜１２ｄと、圧電板を挟んで４つの駆動電極１２ａ〜１２ｄと対向するように圧電板の他方の主面に形成された共通電極と、圧電板１１の側面の両端にそれぞれ設けられ、被駆動体５０と接触する２つのヘッド１３ａ・１３ｂとを具備する。超音波モータ１０にＬ１モードとＢ２モードの共振振動を同時に発生させるために、２つの駆動電極部の一方に所定の電圧を印加する。この間、他方の駆動電極部は浮動状態に維持する。
【選択図】図１

Description

本発明は、Ｘ−Ｙステージ等の駆動に好適な圧電セラミックスを用いてなる超音波モータとその駆動方法、その駆動方法を実行するため超音波モータ装置に関する。

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、圧電セラミックスを用いた超音波モータが利用されている（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１に開示された超音波モータは、図３に示すように、圧電セラミックスからなる矩形平板状の圧電板９１の一方の主面に２行２列に形成された４つの駆動電極９２ａ〜９２ｄが形成され、他方の主面に全面電極（グランド電極；図示せず）が形成され、さらに圧電板９１の端面に、Ｘ−Ｙステージ等の被駆動体９９に当接させるためのヘッド（摺動部材）９３が取り付けられた構造を有している。

４つの駆動電極９２ａ〜９２ｄは対角に位置するものどうしが電気的に接続されており、２組の駆動電極部９４，９５が構成されている。また、圧電板９１の幅方向（Ｘ方向）にバネ９６で予圧を与えると同時に、ヘッド９３を被駆動体９９にバネ９７で押し付けることにより、超音波モータ９０を保持している。

この超音波モータ９０は、例えば、駆動電極部９４，９５の一方と全面電極との間に正弦波電圧を印加し、他方の駆動電極部を浮動状態（電圧が印加されていない状態）とすることにより、駆動することができる。このとき、図４Ａに示すように、圧電板９１の長手方向で伸縮一次共振（Ｌ１）モードの振動が発生し、また図４Ｂに示すように、圧電板９１の幅方向で曲げ二次共振（Ｂ２）モードの振動が発生する。

超音波モータ９０では、これらの振動モードの重ね合わせ（縮退）によって、ヘッド９３に楕円運動が発生する。その楕円運動の回転方向は、電圧を印加する駆動電極部９４，９５を切り替えることにより、逆転させることができる。つまり、被駆動体９９を＋Ｘ方向，−Ｘ方向のどちらに移動させるかは、駆動電極部９４，９５のどちらに駆動電圧を印加するかによって定まる。

しかしながら、圧電板９１の端面にヘッド９３を設けた構造では、被駆動体９９の摺動面に対して圧電板９１が突出した構造となるために、広い設置スペースが必要となり、装置の小型化が妨げられる。また、圧電板９１の保持が不安定となりやすい。

そこで、図５に示すように、ヘッド９３ａ，９３ｂを圧電板９１の側面の両端に取り付けた構造の超音波モータ９０Ａが提案されている（例えば、特許文献２参照）。この超音波モータ９０Ａでは、２組の駆動電極部９４，９５に同時に位相を９０度ずらした正弦波電圧を印加して、圧電板９１にＳ字型の屈曲振動を生させることにより、２つのヘッド９３ａ，９３ｂにそれぞれ位相が１８０度ずれた楕円運動を生じさせる。被駆動体９９を移動させる向きは、位相のずれを進ませるか遅らせるかにより選択することができる。

しかしながら、この方法では電源構成が複雑になる。また、圧電板９１に生じる振動を妨げないようにするには、圧電板９１をその中心部で保持することが好ましいが、そのような保持方法は不安さに欠け、また２つのヘッド９３を均等な力で被駆動体９９に押圧しにくい。さらに、圧電板９１の中心部に保持孔を設ける等の加工が必要になる。
特開平７−１８４３８２号公報 特開平５−１３７３５９号公報

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、簡単な電源構成で駆動することができ、省スペースで設置することができ、しかも安定に保持することができる超音波モータを提供することを目的とする。また、本発明はこの超音波モータの駆動方法、この駆動方法を実行するための超音波モータ装置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、圧電セラミックスからなる矩形平板状の圧電板と、前記圧電板の一方の主面に２行２列に形成された４つの駆動電極と、前記圧電板を挟んで前記駆動電極と対向するように前記圧電板の他方の主面に形成された共通電極と、前記圧電板の側面の両端にそれぞれ設けられ、所定の被駆動体に所定の力で押しあてられる２つの摺動部材とを具備し、前記４つの駆動電極は対角位置にあるものどうしが電気的に接続されて２組の駆動電極部に分けられており、一方の駆動電極部に所定の電圧が印加されている間は他方の駆動電極部には電圧が印加されないことを特徴とする超音波モータが提供される。

この超音波モータでは、圧電板の幅を圧電板の長さで除した値を０．２７２とすることが好ましく、これによりＬ１モードとＢ２モードを同じ周波数で励起させて大きな振動変位を得ることができる。

本発明の第２の観点によれば、この超音波モータの駆動方法、すなわち、圧電セラミックスからなる矩形平板状の圧電板と、この圧電板の一方の主面に２行２列に設けられ，対角位置にあるものどうしが電気的に接続されて２組の駆動電極部に分けられた４つの駆動電極と、前記圧電板の他方の主面に前記圧電板を挟んで前記駆動電極と対向するように設けられた共通電極と、前記圧電板の側面の両端にそれぞれ設けられた２つの摺動部材とを具備する超音波モータを、前記２つの摺動部材を被駆動体に所定の力で押しあてた状態に保持して駆動させる方法であって、前記２組の駆動電極のうちの一方に所定の電圧を印加している間は、他方の駆動電極部には電圧を印加しない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。

本発明の第３の観点によれば、圧電セラミックスからなる矩形平板状の圧電板と、前記圧電板の一方の主面に２行２列に形成され，対角位置にあるものどうしが電気的に接続されて２組の駆動電極部に分けられた４つの駆動電極と、前記圧電板を挟んで前記４つの駆動電極と対向するように前記圧電板の他方の主面に形成された共通電極と、前記圧電板の側面の両端にそれぞれ設けられ，所定の被駆動体と接触する２つの摺動部材とを具備する超音波モータと、前記２つの駆動電極部の一方に所定の電圧を印加している間は他方の駆動電極部には電圧を印加しない駆動電源部とを具備する超音波モータ装置が提供される。

この超音波モータ装置において、駆動電源部を、１個の電源と、この電源からの電圧供給を前記２つの駆動電極部のうちの一方に設定するスイッチング部とを有する構成とすることが好ましい。

本発明に係る超音波モータは、被駆動体に対して省スペースな設置が可能であり、安定して保持することができ、しかも、１つの電源を用いて駆動することから、電源構成を簡単にすることができるという優れた効果を奏する。

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に超音波モータ装置の概略構成を示す。この超音波モータ装置１００は、超音波モータ１０と、超音波モータ１０を保持するためのケーシング部２０と、超音波モータ１０を駆動するための駆動電源部３０とを有している。なお、図１に示すように、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の三次元直交座標軸を規定する。

超音波モータ１０は、圧電セラミックスからなる矩形平板状の圧電板１１と、この圧電板１１の一方の主面（Ｙ方向面；Ｚ−Ｘ面）に２行２列に形成された４つの駆動電極１２ａ〜１２ｄと、圧電板１１を挟んで駆動電極１２ａ〜１２ｄと対向するように圧電板１１の他方の主面に形成された共通電極（図示せず）と、圧電板１１の側面（Ｚ方向面；Ｘ−Ｙ面）の両端（Ｘ方向端）にそれぞれ設けられた摺動部材（以下「ヘッド」という）１３ａ，１３ｂを備えている。

圧電板１１に用いられる圧電セラミッ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ックスが用いられる。圧電板１１は、その幅（Ｚ方向長さ）をその長さ（Ｘ方向長さ）で除した値が０．２７２となる形状を有していることが好ましい。このような形状とすることで、後述するように、Ｌ１モードとＢ２モードを同じ周波数で励起させて大きな振動変位を得ることができる。

駆動電極１２ａ〜１２ｄは対角位置にあるものどうしが電気的に接続されて、駆動電極１２ａ・１２ｄ組と駆動電極１２ｂ・１２ｃ組の２組の駆動電極部に分けられており、駆動電極１２ｂ・１２ｃの組に駆動電圧を印加するためのリード部１５が駆動電極１２ｃに、駆動電極１２ａ・１２ｄの組に駆動電圧を印加するためのリード部１６が駆動電極１２ｄに、それぞれ取り付けられている。

なお、駆動電極１２ａ〜１２ｄは、その大きさが等しく、駆動電極１２ａ〜１２ｄ間の隙間幅が絶縁破壊を引き起こさない限りにおいて狭く、しかも圧電板１１の主面に占める面積をできる限り広くすることが好ましく、これにより圧電板１１の圧電不活性領域による振動変位のクランプが小さくなる。

圧電板１１を保持するケーシング部２０は、凹型の基台部２１と、この基台部２１の底壁に取り付けられた２つの第１弾性部材２２ａと、この基台部２１の一方の側壁に取り付けられた第２弾性部材２２ｂと、基台部２１の他方の側壁と圧電板１１との間に設けられた円柱部材２３とを備えている。

基台部２１は、エンジニアリングプラスチックや金属で構成される。第１，第２弾性部材２２ａ，２２ｂとしては、コイルバネ，板バネ，弾性樹脂（ゴム）等が用いられる。２つの第１弾性部材２２ａは、圧電板１１においてヘッド１３ａ，１３ｂが取り付けられていない方の側面に当接し、ヘッド１３ａ，１３ｂを被駆動体５０へ押し当てている。第２弾性部材２２ｂは、圧電板１１の一方の端面（Ｘ方向面；Ｙ−Ｚ面）をＸ方向に押圧しており、これによって圧電板１１が、円柱部材２３を介して、基台部２１の他方の側壁を押圧する。円柱部材２３の厚さ（長さ）方向はＹ方向と平行であり、第２弾性部材２２ｂによる付勢により基台部２１の側壁と圧電板１１との間で摩擦保持されると同時に、図示しない保持部材よってＺ方向には移動できないように、保持されている。

駆動電源部３０は、交流電源３１と、スイッチ３２を有している。交流電源３１からは、超音波モータ１０にＬ１モードとｎ次（ｎは整数）の曲げ共振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。好ましくは、ｎ次曲げの共振モードとしては、２次曲げ共振モード（先に図４Ｂで説明したＢ２モード）が好適に用いられる。

スイッチ３２は、超音波モータ１０を駆動する際には、リード部１５，１６のいずれか一方に交流電源３１から出力される電圧を通電する。つまり、２組の駆動電極部（駆動電極１２ａ・１２ｄの組と駆動電極１２ｂ・１２ｃの組）の一方の駆動電極部に所定の電圧が印加されている間は、他方の駆動電極部に電圧が印加されることはない。なお、図１では、交流電源３１と共通電極との配線の図示を省略している（後述する図２Ａ，図２Ｂについても同様）。

図２Ａに駆動電極１２ａ・１２ｄの組に電圧を印加したときの超音波モータ１０および被駆動体５０の動きを模式的に示す。駆動電極１２ａ・１２ｄに、Ｌ１モードと、例えばＢ２モードの共振を同時に発生させると、理想的には、圧電板１１の駆動電極１２ａ・１２ｄが設けられている対角方向の長さが伸縮し、これに対応して、駆動電極１２ｂ・１２ｃが設けられている対角方向の長さが伸縮する剪断変形が生じる。

ヘッド１３ａの変位はこの変形にしたがう矢印Ｄ１ａ，Ｄ１ｂで示され、ヘッド１３ｂの変位はこの変形にしたがう矢印Ｄ２ａ，Ｄ２ｂで示される。駆動電極１２ａ・１２ｄの対角方向の変位量は、駆動電極１２ｂ・１２ｃの対角方向の変位量よりも大きいため、ヘッド１３ａの変位量はヘッド１３ｂの変位量よりも大きくなる。

ヘッド１３ａが被駆動体５０に接近する矢印Ｄ１ａの向きに変位するときには、ヘッド１３ｂは被駆動体５０から離れるように矢印Ｄ２ａの向きに変位し、逆にヘッド１３ａが被駆動体５０から離れる矢印Ｄ１ｂの向きに変位するときには、ヘッド１３ｂは被駆動体５０に接近するように矢印Ｄ２ｂの向きに変位する。

ヘッド１３ａは、駆動周波数にしたがって一定の短い時間間隔で矢印Ｄ１ａ，Ｄ１ｂの変位を繰り返すことによって、被駆動体５０を繰り返し打撃する。ヘッド１３ａが被駆動体５０に与える打撃力はＸ方向左向き成分を含んでおり、その打撃の瞬間にはヘッド１３ａと被駆動体５０との間に摩擦力が作用するので、被駆動体５０を図２Ａの左方向へ移動させることができる。

なお、ヘッド１３ａが被駆動体５０を打撃している間に、ヘッド１３ｂと被駆動体５０との間に作用する摩擦力が、被駆動体５０の動きを阻害する可能性がある。また、ヘッド１３ａに矢印Ｄ１ｂの変位が生じる際には、ヘッド１３ｂに矢印Ｄ２ｂの変位が生じるので、このとき、ヘッド１３ｂが被駆動体５０を右向きに移動させる可能性がある。しかしながら、現実に、後述する実施例に示されるように、被駆動体５０を高速移動させることが可能であることに鑑みると、ヘッド１３ｂによるブレーキの力および逆方向へ移動させる力は、ヘッド１３ａによる駆動力に比べて、極めて小さいものと考えられる。

図２Ｂに駆動電極１２ｂ・１２ｃの組に電圧を印加したときの超音波モータ１０および被駆動体５０の動きを模式的に示す。このときに超音波モータ１０に生じる振動は、図２Ａに示した形態のＸ方向対称となる。すなわち、駆動電極１２ｂ・１２ｃに、Ｌ１モードとＢ２モードの共振を同時に発生させると、理想的には、圧電板１１の駆動電極１２ｂ・１２ｃが設けられている対角方向の長さが伸縮し、これに対応して、駆動電極１２ａ・１２ｄが設けられている対角方向の長さが伸縮する剪断変形が生じる。

ヘッド１３ａの変位はこの変形にしたがう矢印Ｄ１ａ，Ｄ１ｂで示され、ヘッド１３ｂの変位はこの変形にしたがう矢印Ｄ２ａ，Ｄ２ｂで示される。駆動電極１２ｂ・１２ｃの対角方向の変位量は、駆動電極１２ａ・１２ｄの対角方向の変位量よりも大きいため、ヘッド１３ｂの変位量はヘッド１３ａの変位量よりも大きくなる。

ヘッド１３ｂが被駆動体５０に接近する矢印Ｄ２ｂの向きに変位するときには、ヘッド１３ａは被駆動体５０から離れるように矢印Ｄ１ｂの向きに変位し、逆にヘッド１３ｂが被駆動体５０から離れる矢印Ｄ２ａの向きに変位するときには、ヘッド１３ａは被駆動体５０に接近するように矢印Ｄ１ａの向きに変位する。

ヘッド１３ｂは、駆動周波数にしたがって一定の短い時間間隔で矢印Ｄ２ａ，Ｄ２ｂの変位を繰り返すことによって、被駆動体５０を繰り返し打撃する。ヘッド１３ｂが被駆動体５０に与える打撃力はＸ方向右向き成分を含んでおり、その打撃の瞬間にはヘッド１３ｂと被駆動体５０との間に摩擦力が作用するので、被駆動体５０を図２Ａの右方向へ移動させることができる。

なお、ヘッド１３ａ，１３ｂにはそれぞれ、超音波モータ１０の形状制度、保持状態等に依存して、実際には、矢印Ｄ１ａ，Ｄ１ｂ，Ｄ２ａ，Ｄ２ｂ方向を長径とする楕円の軌跡を描く運動が生じることが考えられるが、その場合にでも、被駆動体５０の駆動特性に大きな影響を与えるものではない。

駆動電源部の構成は、図１に示されるものに限定されるものではなく、例えば、リード部１５，１６に、オンオフスイッチを介してそれぞれ接続される交流電源を設け、このオンオフスイッチの制御により、２組の駆動電極部の一方を駆動させる構成としてもよい。

次に超音波モータ１０の具体的な構成と特性について説明する。チタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミックスからなり、長さ１６．５ｍｍ×幅４．５ｍｍ×厚さ３ｍｍ（幅／長さ＝０．２７２）の圧電板１１の一方の主面に、縦１．６ｍｍ×横７．８ｍｍの駆動電極１２ａ〜１２ｄを形成し、他方の主面に全面電極を形成した。駆動電極１２ａ・１２ｄ間を接続し、駆動電極１２ｂ・１２ｃ間を接続し、さらに駆動電極１２ｃ，１２ｄにそれぞれリード部１５，１６を設けて、圧電板１１の厚さ方向に分極処理を施した。さらに圧電板１１の側面両端にエポキシ接着剤を用いてアルミナ製のヘッド１３ａ，１３ｂを取り付けた。

こうして作製した超音波モータ１０を、ガイドレールにスライド自在に保持された金属製スライダ５ｍｍ×３ｍｍ×６０ｍｍに一定の力で押し付けて、リード部１５に周波数１００ｋＨｚ、電圧６０Ｖｒｍｓの正弦波電圧を印加して、Ｌ１モードとＢ２モードの共振振動を同時に発生させた。超音波モータ１０をスライダに押し付ける力を調整することにより、最速で、１００ｍｍ／秒でスライダを移動させることができた。

超音波モータの概略構成図。 超音波モータおよび被駆動体の動きを模式的に示す図。 超音波モータおよび被駆動体の別の動きを模式的に示す図。 従来の超音波モータの構成を示す平面図。 圧電板の伸縮一次共振（Ｌ１）モードを示す図。 圧電板の曲げ二次共振（Ｂ２）モードを示す図。 従来の別の超音波モータの構成を示す平面図。

符号の説明

１０…超音波モータ、１１…圧電板、１２ａ〜１２ｄ…駆動電極、１３ａ・１３ｂ…ヘッド、１５・１６…リード部、２０…ケーシング部、２１…基台部、２２ａ…第１弾性部材、２２ａ…第２弾性部材、２３…円柱部材、３０…駆動電源部、３１…交流電源、３２…スイッチ、５０…被駆動体、９０…超音波モータ、９１…圧電板、９２ａ〜９２ｄ…、９３・９３ａ・９３ｂ…ヘッド、９４・９５…駆動電極部、９６・９７…バネ、９９…被駆動体、１００…超音波モータ装置。

Claims (5)

1. 圧電セラミックスからなる矩形平板状の圧電板と、
   前記圧電板の一方の主面に２行２列に形成された４つの駆動電極と、
   前記圧電板を挟んで前記駆動電極と対向するように前記圧電板の他方の主面に形成された共通電極と、
   前記圧電板の側面の両端にそれぞれ設けられ、所定の被駆動体に所定の力で押しあてられる２つの摺動部材とを具備し、
   前記４つの駆動電極は対角位置にあるものどうしが電気的に接続されて２組の駆動電極部に分けられており、一方の駆動電極部に所定の電圧が印加されている間は他方の駆動電極部には電圧が印加されないことを特徴とする超音波モータ。
2. 前記圧電板の幅を前記圧電板の長さで除した値が０．２７２であることを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
3. 圧電セラミックスからなる矩形平板状の圧電板と、この圧電板の一方の主面に２行２列に設けられ，対角位置にあるものどうしが電気的に接続されて２組の駆動電極部に分けられた４つの駆動電極と、前記圧電板の他方の主面に前記圧電板を挟んで前記駆動電極と対向するように設けられた共通電極と、前記圧電板の側面の両端にそれぞれ設けられた２つの摺動部材とを具備する超音波モータを、前記２つの摺動部材を被駆動体に所定の力で押しあてた状態に保持して駆動させる方法であって、
   前記２組の駆動電極のうちの一方に所定の電圧を印加している間は、他方の駆動電極部には電圧を印加しないことを特徴とする超音波モータの駆動方法。
4. 圧電セラミックスからなる矩形平板状の圧電板と、前記圧電板の一方の主面に２行２列に形成され，対角位置にあるものどうしが電気的に接続されて２組の駆動電極部に分けられた４つの駆動電極と、前記圧電板を挟んで前記４つの駆動電極と対向するように前記圧電板の他方の主面に形成された共通電極と、前記圧電板の側面の両端にそれぞれ設けられ，所定の被駆動体に所定の力で押しあてられる２つの摺動部材とを具備する超音波モータと、
   前記２つの駆動電極部の一方に所定の電圧を印加している間は他方の駆動電極部には電圧を印加しない駆動電源部とを具備する超音波モータ装置。
5. 前記駆動電源部は、１個の電源と、この電源からの電圧供給を前記２つの駆動電極部のうちの一方に設定するスイッチング部と、を有することを特徴とする請求項４に記載の超音波モータ装置。

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