圧電素子及び超音波モータ
【課題】多自由度の駆動が可能な超音波モータに利用される圧電素子であって、振動状態を検出可能で且つ簡易な構成の圧電素子及び該圧電素子を具備する超音波モータを提供すること。
【解決手段】所定の駆動信号を印加されることで励起される複数の振動モードによって被駆動体を駆動する超音波振動子に用いられる圧電素子10を次のように構成する。すなわち、前記複数の振動モードにおける振動のうち、前記被駆動体を複数軸方向に駆動する際の推進方向の振動成分を検出する振動検出電極を構成する内部電極3d-1,3d-2,4d-1,4d-2,3d-1’,3d-2’,4d-1’,4d-2’を含む振動検出電極層3,4を具備し、振動検出電極層3,4は、同一周波数で互いに直交する方向の屈曲振動モードにおける腹部近傍に設けられている。
【解決手段】所定の駆動信号を印加されることで励起される複数の振動モードによって被駆動体を駆動する超音波振動子に用いられる圧電素子10を次のように構成する。すなわち、前記複数の振動モードにおける振動のうち、前記被駆動体を複数軸方向に駆動する際の推進方向の振動成分を検出する振動検出電極を構成する内部電極3d-1,3d-2,4d-1,4d-2,3d-1’,3d-2’,4d-1’,4d-2’を含む振動検出電極層3,4を具備し、振動検出電極層3,4は、同一周波数で互いに直交する方向の屈曲振動モードにおける腹部近傍に設けられている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子及び圧電素子を超音波振動子として利用する超音波モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電磁型モータに代わる新しいモータとして、圧電素子などの振動子の振動を利用した超音波モータが注目されている。この超音波モータは、従来の電磁型モータと比較して、ギア無しで低速高推力が得られる点、保持力が高い点、ストロークが長く高分解能である点、静粛性に富む点、磁気的ノイズを発生せず磁気的ノイズの影響を受けない点等の利点を有している。
【０００３】
超音波モータでは、摩擦部材である駆動子が設けられた超音波振動子を、該駆動子を介して、相対運動部材である被駆動部材に押し付ける。そして、前記駆動子と前記被駆動部材との間の摩擦力によって前記被駆動部材を駆動する。
現在、より付加価値を高めた超音波モータの一つとして、多自由度の駆動が可能な圧電素子を用いた超音波モータの開発が行われている。そして、このような超音波モータに関連する技術としては、例えば特許文献１に次のような技術が開示されている。
【０００４】
すなわち、特許文献１には、単一の圧電素子で多自由度に駆動可能な超音波モータが開示されている。この特許文献１に開示されている超音波モータでは、複数の活性領域を有する柱状の圧電素子を振動体として用いている。
特許文献１に開示されている圧電素子は、圧電シートが積層されて成る略直方体形状の積層部（第1の積層部及び第２の積層部）を２つ具備している。前記第１の積層部の側面、及び前記第２の積層部の側面には、それぞれ外部電極が配設されている。
【０００５】
ところで、この特許文献１に開示されている圧電素子において、圧電活性領域は、各圧電シートの主平面を２分割するような態様に形成された２つの内部電極の位置に対応している。詳細には、前記第１の積層部と前記第２の積層部との境界を成す境界シートを境にして、第１の積層部における圧電活性領域と、第２の積層部における圧電活性領域とが、互いに９０度回転（境界シートに対して水平に９０度回転）した位置関係となるように、各圧電シートに内部電極が形成されている。
【０００６】
上述のように構成し、各圧電活性領域に所定の交番信号を入力することで、当該圧電素子には縦１次振動と屈曲２次振動とが励起される。これにより、２方向の駆動力（Ｘ方向成分の駆動力及びＹ方向成分の駆動力）が発生する。そして、該駆動力を利用することで、当該圧電素子の長手方向における端面に圧接するように保持された球体形状の被駆動体を、２方向（ＸＹ方向）に移動動作させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−２８２８４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、現在、外的な要因（例えば負荷変動や温度変動）によって超音波モータの振動状態が変化した場合であっても、当該超音波モータの駆動を安定させる補正を行うことができる超音波モータが望まれている。
しかしながら、特許文献１に開示されている圧電素子には、外的な要因に起因する共振周波数の変化を検出する手段が設けられていない。従って、特許文献１に開示されている技術によれば、特別な検出手段を設ける等しない限り、上述のような外的要因によって圧電素子の振動状態が変化した場合に、当該超音波モータのモータ特性を安定させるような補正を行うことができない。なお、特別な検出手段を別途設けることは、当然ながら当該超音波モータの構成の複雑化・大型化に繋がる。
【０００９】
本発明は、前記の事情に鑑みてなされたものであり、多自由度の駆動が可能な超音波モータに利用される圧電素子であって、振動状態を検出可能で且つ簡易な構成の圧電素子、及び該圧電素子を具備する超音波モータを提供すること目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記の目的を達成するために、本発明の第１の態様による圧電素子は、
所定の駆動信号を印加されることで励起される複数の振動モードによって被駆動体を駆動する超音波振動子に用いられる圧電素子であって、
前記複数の振動モードにおける振動のうち、前記被駆動体を複数軸方向に駆動する際の推進方向の振動成分を検出する振動検出電極を含む振動検出電極層を具備し、
前記振動検出電極層は、同一周波数で互いに直交する方向の複数の屈曲振動モードにおける腹部近傍に設けられていることを特徴とする。
【００１１】
前記の目的を達成するために、本発明の第２の態様による超音波モータは、
略球体形状を呈する被駆動体と、
所定の駆動信号を印加されることで励起される複数の振動モードによって前記被駆動体を多自由度に駆動する圧電素子と、
前記圧電素子のうち前記被駆動体に対向する面に設けられた摩擦接触子と、
前記圧電素子に押圧力を与え、前記摩擦接触子を介して前記圧電素子を前記被駆動体に加圧接触させる押圧部材と、
前記被駆動体を複数の軸周りに回転可能に支持するための支持部材と、
前記駆動信号である２相の交番信号を出力して前記圧電素子を駆動させ、且つ、前記圧電素子の振動状態を検出する制御部と、
を具備し、
前記圧電素子は、前記複数の振動モードにおける振動のうち、前記被駆動体を複数軸方向に駆動する際の推進方向の振動成分を検出する振動検出電極を含む振動検出電極層を具備し、
前記振動検出電極は、同一周波数で互いに直交する方向の複数の屈曲振動モードにおける腹部近傍に設けられている
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、多自由度の駆動が可能な超音波モータに利用される圧電素子であって、振動状態を検出可能で且つ簡易な構成の圧電素子、及び該圧電素子を具備する超音波モータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る圧電素子の一構成例を示す分解斜視図。
【図２】本発明の第１実施形態に係る圧電素子の斜視図。
【図３】検出電極層を構成する圧電シートの電極形成面に形成された内部電極の詳細な形成位置及び形状の一例を示す図。
【図４Ａ】第１の積層部の圧電活性領域群による振動検出において相殺される検出信号に係る振動方向を示す図。
【図４Ｂ】第１の積層部の圧電活性領域群による振動検出において相殺されない検出信号に係る振動方向を示す図。
【図５】第２の積層部における検出電極層を構成する圧電シートの電極形成面に形成された内部電極の詳細な形成位置及び形状の一例を示す図。
【図６Ａ】第２の積層部の圧電活性領域群による振動検出において相殺される検出信号に係る振動方向を示す図。
【図６Ｂ】第２の積層部の圧電活性領域群による振動検出において相殺されない検出信号に係る振動方向を示す図。
【図７Ａ】圧電素子の“第１の方向”における両側面（図２において矢印Ａ１，Ａ２で示す方向から観た面）の各露出部に対して設ける外部電極の一構成例を示す図。
【図７Ｂ】圧電素子の“第１の方向”における両側面（図２において矢印Ａ１，Ａ２で示す方向から観た面）の各露出部に対して設ける外部電極の一構成例を示す図。
【図８Ａ】圧電素子の“第２の方向”における両側面（図２において矢印Ａ３，Ａ４で示す方向から観た面）の各露出部に対して設ける外部電極の一構成例を示す図。
【図８Ｂ】圧電素子の“第２の方向”における両側面（図２において矢印Ａ３，Ａ４で示す方向から観た面）の各露出部に対して設ける外部電極の一構成例を示す図。
【図９】本発明の第１実施形態に係る圧電素子を利用して、略球体形状を呈する被駆動体を多自由度に駆動する超音波モータの駆動概念を示す図。
【図１０Ａ】“第３の方向”への圧電素子の振動である縦一次振動の振動方向を示す図。
【図１０Ｂ】“第１の方向“への圧電素子の振動である屈曲二次振動の振動方向を示す図。
【図１１】本発明の第１実施形態に係る超音波モータの駆動時の圧電素子の振動を検出する為の検出回路の一構成例を示す図。
【図１２】圧電素子の駆動電極形成層の外部電極に印加する駆動信号と、振動検出電極形成層の外部電極から検出される検出信号との位相差の一例のグラフを示す図。
【図１３】本発明の第２実施形態に係る圧電素子の一構成例を示す分解斜視図。
【図１４Ａ】図１３に示す圧電素子の“第１の方向”における両側面（図２において矢印Ａ１，Ａ２で示す方向から観た面）の各露出部に対して設ける外部電極の一構成例を示す図。
【図１４Ｂ】図１３に示す圧電素子の“第２の方向”における両側面（図２において矢印Ａ３，Ａ４で示す方向から観た面）の各露出部に対して設ける外部電極の一構成例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態に係る圧電素子及び超音波モータについて、図面を参照して説明する。なお、本発明の実施形態に係る“圧電素子”に、所定の駆動子及びホルダ部材等を設けることで“超音波振動子”を構成することができる。そして、“超音波振動子”に、所定の制御系及び被駆動体等を設けることで超音波モータを構成することができる。
[第１実施形態]
図１は、本第１実施形態に係る圧電素子１０の一構成例を示す分解斜視図である。図２は、本第１実施形態に係る圧電素子の斜視図である。
【００１５】
図１及び図２に示すように、圧電素子１０は、圧電活性領域群１１，１２（詳細は後述）を備える第１の積層部１と、圧電活性領域群２１，２２（詳細は後述）を備える第２の積層部２とを具備する。図１に示すように、第１の積層部１と第２の積層部２は、絶縁シート１００により絶縁されている。また、当該圧電素子１０の最上位及び最下位にも絶縁シート１００が配設されている。以下、各積層部について詳細に説明する。
【００１６】
なお、本第１実施形態においては、三軸直交座標系として図１に示すように“第１の方向”、“第２の方向”、及び“第３の方向”を定義している。すなわち、本第１実施形態に係る圧電素子１０は、“第３の方向”に“シート状の圧電素子（後に詳述）”を積層した構造を採る圧電素子である。
【００１７】
前記第１の積層部１は、上層側から順に、駆動電極形成層１−Ａと、振動検出電極形成層３と、駆動電極形成層１−Ｂと、を有する。同様に、前記第２の積層部２は、上層側から順に、駆動電極形成層２−Ａと、振動検出電極形成層４と、駆動電極形成層２−Ｂと、を有する。
【００１８】
前記駆動電極形成層１−Ａ及び前記駆動電極形成層１−Ｂは、駆動電極を構成する内部電極が形成された圧電シート１−１と圧電シート１−２とが、所定の厚みを呈するまで交互に積層されて成る層である。各圧電シートの構成については後に詳述する。ここで、駆動電極形成層１−Ａと駆動電極形成層１−Ｂとは略同じ厚みであるとする。
【００１９】
前記振動検出電極形成層３は、振動検出電極を構成する圧電シート３−１と圧電シート３−２とが、所定の厚みを呈するまで交互に積層されて成る層である。この振動検出電極形成層３は、上述の駆動電極形成層１−Ａと駆動電極形成層１−Ｂとによって挟み込まれた態様で設けられている。
【００２０】
同様に、前記駆動電極形成層２−Ａ及び前記駆動電極形成層２−Ｂは、駆動電極を構成する内部電極が形成された圧電シート２−１と圧電シート２−２とが、所定の厚みを呈するまで交互に積層されて成る層である。各圧電シートの構成については後に詳述する。駆動電極形成層２−Ａと駆動電極形成層２−Ｂとは略同じ厚みであるとする。
【００２１】
前記振動検出電極形成層４は、振動検出電極を構成する圧電シート４−１と圧電シート４−２とが、所定の厚みを呈するまで交互に積層されて成る層である。この振動検出電極形成層４は、上述の駆動電極形成層２−Ａと駆動電極形成層２−Ｂとによって挟み込まれた態様で設けられている。
【００２２】
ところで、上述の振動検出電極形成層３，４は、当該圧電素子１０に屈曲振動（当該圧電素子１０が超音波モータに用いられた場合に、被駆動体の駆動に寄与する振動成分）が励起された場合において、当該屈曲振動の腹部近傍に位置するように設けられている。これら振動検出電極形成層３，４によって、圧電素子１０の振動のうち駆動に係る振動成分を検出することが可能となる。そして、この屈曲振動成分の検出信号を用いて、圧電素子１０の振動状態を補正することによって、モータの駆動特性を劣化させることなく常に安定した駆動を行うことが可能になる（詳細は後述する）。
【００２３】
以下、各層を構成する圧電シートについて詳細に説明する。
前記圧電シート１−１，１−２，２−１，２−２，３−１，３−２，４−１，４−２は、矩形シート状の圧電素子である。これらの材料としては、例えばハード系のチタン酸ジルコン酸鉛の圧電セラミックス素子（ＰＺＴ）を挙げることができる。
【００２４】
詳細は後述するが、各圧電シート１−１，１−２，２−１，２−２，３−１，３−２，４−１，４−２には、厚み方向に分極されてなる活性化領域を構成する内部電極が設けられている。この内部電極としては、例えば厚さ４μｍの銀パラジウム合金を挙げることができる。
【００２５】
まず、駆動電極形成層１−Ａ，１−Ｂを構成する圧電シート１−１，１−２、及び駆動電極形成層２−Ａ，２−Ｂを構成する圧電シート２−１，２−２について詳細に説明する。
前記圧電シート１−１の電極形成面上には、内部電極１ｄ−１と内部電極１ｄ−２とが、当該電極形成面を“第１の方向”に二等分する線に対して対称に（“第１の方向”に並列に、且つ、略同形状に）設けられている。前記内部電極１ｄ−１には、当該圧電シート１−１の一方辺の縁部位（“第１の方向”における一方縁部位）に向かって延出された露出部１ｄ−１ｅが設けられている。前記内部電極１ｄ−２には、当該圧電シート１−１の他方辺の縁部位（前記一方縁部位の逆側の縁部位）に向かって延出された露出部１ｄ−２ｅが設けられている。
【００２６】
同様に、前記圧電シート１−２の電極形成面上には、内部電極１ｄ−１´と内部電極１ｄ−２´とが、当該電極形成面を“第１の方向”に二等分する線に対して対称に（“第１の方向”に並列に、且つ、略同形状に）設けられている。前記内部電極１ｄ−１´には、当該圧電シート１−２の一方辺の縁部位（“第１の方向”における一方縁部位）に向かって延出された露出部１ｄ−１´ｅが設けられている。前記内部電極１ｄ−２´には、当該圧電シート１−２の他方辺の縁部位（前記一方縁部位の逆側の縁部位）に向かって延出された露出部１ｄ−２´ｅが設けられている。
【００２７】
ここで、圧電シート１−１に形成された内部電極１ｄ−１の露出部１ｄ−１ｅと、圧電シート１−２に形成された内部電極１ｄ−２の露出部１ｄ−１´ｅとは、積層時に重なる辺に設けられてはいるが、それら露出部１ｄ−１ｅ，１ｄ−１´ｅ同士は互いに重ならないように所定間隔だけずらして設けられている。
【００２８】
同様に、圧電シート１−１に形成された内部電極１ｄ−２の露出部１ｄ−２ｅと、圧電シート１−２に形成された内部電極１ｄ−２の露出部１ｄ−２´ｅとは、積層時に重なる辺に設けられてはいるが、それら露出部１ｄ−２ｅ，１ｄ−２´ｅ同士は互いに重ならないように所定間隔だけずらして設けられている。
【００２９】
以上説明したように、圧電シート１−１と圧電シート１−２とは、形成された内部電極のパターンが同一で且つそれら内部電極を外部へ引き出すパターンが互いに異なる圧電シートである。ところで、圧電シート１−１の分極方向と、圧電シート１−２の分極方向とは互いに逆方向である（逆の極性を有する）。
【００３０】
前記圧電シート２−１の電極形成面上には、内部電極２ｄ−１と内部電極２ｄ−２とが、当該電極形成面を“第２の方向”に二等分する線に対して対称に（“第２の方向”に並列に、且つ、略同形状に）設けられている。前記内部電極２ｄ−１には、当該圧電シート２−１の一方辺の縁部位（“第２の方向”における一方縁部位）に向かって延出された露出部２ｄ−１ｅが設けられている。前記内部電極２ｄ−２には、当該圧電シート２−１の他方辺の縁部位（前記一方縁部位の逆側の縁部位）に向かって延出された露出部２ｄ−２ｅが設けられている。
【００３１】
同様に、前記圧電シート２−２の電極形成面上には、内部電極２ｄ−１´と内部電極２ｄ−２´とが、当該電極形成面を“第２の方向”に二等分する線に対して対称に（（“第２の方向”に並列に、且つ、略同形状に））設けられている。前記内部電極２ｄ-１´には、当該圧電シート２−２の一方辺の縁部位（“第２の方向”における一方縁部位）に向かって延出された露出部２ｄ−１´ｅが設けられている。前記内部電極２ｄ-２´には、当該圧電シート２−２の他方辺の縁部位（前記一方縁部位の逆側の縁部位）に向かって延出された露出部２ｄ−２´ｅが設けられている。
【００３２】
ここで、圧電シート２−１に形成された内部電極２ｄ−１の露出部２ｄ−１ｅと、圧電シート２−２に形成された内部電極２ｄ-１´の露出部２ｄ−１´ｅとは、積層時に重なる辺に設けられてはいるが、それら露出部２ｄ−１ｅ，２ｄ−１´ｅ同士は互いに重ならないように所定間隔だけずらして設けられている。
【００３３】
同様に、圧電シート２−１に形成された内部電極２ｄ−２の露出部２ｄ−２ｅと、圧電シート２−２に形成された内部電極２ｄ-２´の露出部２ｄ−２´ｅとは、積層時に重なる辺に設けられてはいるが、それら露出部２ｄ−２ｅ，２ｄ−２´ｅ同士は互いに重ならないように所定間隔だけずらして設けられている。
【００３４】
以上説明したように、圧電シート２−１と圧電シート２−２とは、形成された内部電極のパターンが同一で且つそれら内部電極を外部へ引き出すパターンが互いに異なる圧電シートである。ところで、圧電シート２−１の分極方向と、圧電シート２−２の分極方向とは互いに逆方向である（逆の極性を有する）。
【００３５】
なお、圧電シート１−１，１−２と、圧電シート２−１，２−２とは、下記の関係にあるとも言える。すなわち、前記圧電シート１−１，１−２を９０度だけ“第１の方向”から“第２の方向”へ向かって回転させると、それぞれ圧電シート２−１，２−２と同様の構成の圧電シートとなる。従って、実質的には２種類の圧電シートを製造するだけで、圧電シート１−１，１−２，２−１，２−２を得ることができる。
【００３６】
以下、振動検出電極形成層３を構成する圧電シート３−１，３−２、及び振動検出電極形成層４を構成する圧電シート４−１，４−２について詳細に説明する。
前記圧電シート３−１の電極形成面上には、内部電極３ｄ−１と内部電極３ｄ−２とが、当該電極形成面を“第１の方向”に二等分する線に対して対称に（“第１の方向”に並列に、且つ、略同形状に）設けられている。前記内部電極３ｄ−１には、当該圧電シート３−１の一方辺の縁部位（“第１の方向”における一方縁部位）に向かって延出された露出部３ｄ−１ｅが設けられている。前記内部電極３ｄ−２には、当該圧電シート３−１の他方辺の縁部位（前記一方縁部位の逆側の縁部位）に向かって延出された露出部３ｄ−２ｅが設けられている。
【００３７】
前記圧電シート３−２の電極形成面上には、内部電極３ｄ−１´と内部電極３ｄ−２´とが、当該電極形成面を“第１の方向”に二等分する線に対して対称に（（“第１の方向”に並列に、且つ、略同形状に））設けられている。前記内部電極３ｄ−１´には、当該圧電シート３−２の一方辺の縁部位（“第１の方向”における一方縁部位）に向かって延出された露出部３ｄ−１´ｅが設けられている。前記内部電極３ｄ-２´には、当該圧電シート３−２の他方辺の縁部位（前記一方縁部位の逆側の縁部位）に向かって延出された露出部３ｄ−２´ｅが設けられている。
【００３８】
ここで、圧電シート３−１に形成された内部電極３ｄ−１の露出部３ｄ−１ｅと、圧電シート３−２に形成された内部電極３ｄ−１´の露出部３ｄ−１´ｅとは、積層時に重なる辺に設けられてはいるが、それら露出部３ｄ−１ｅ，３ｄ−１´ｅ同士は互いに重ならないように所定間隔だけずらして設けられている。
【００３９】
同様に、圧電シート３−１に形成された内部電極３ｄ−２の露出部３ｄ−２ｅと、圧電シート３−２に形成された内部電極３ｄ-２´の露出部３ｄ−２´ｅとは、積層時に重なる辺に設けられてはいるが、それら露出部３ｄ−２ｅ，３ｄ−２´ｅ同士は互いに重ならないように所定間隔だけずらして設けられている。
【００４０】
以上説明したように、圧電シート３−１と圧電シート３−２とは、形成された内部電極のパターンが同一で且つそれら内部電極を外部へ引き出すパターンが互いに異なる圧電シートである。ところで、圧電シート３−１の分極方向と、圧電シート３−２の分極方向とは互いに逆方向である（逆の極性を有する）。
【００４１】
前記圧電シート４−１の電極形成面上には、内部電極４ｄ−１と内部電極４ｄ−２とが、当該電極形成面を“第２の方向”に二等分する線に対して対称に（（“第２の方向”に並列に、且つ、略同形状に））設けられている。前記内部電極４ｄ−１には、当該圧電シート４−１の一方辺の縁部位（“第２の方向”における一方縁部位）に向かって延出された露出部４ｄ−１ｅが設けられている。前記内部電極４ｄ−２には、当該圧電シート４−１の他方辺の縁部位（前記一方縁部位の逆側の縁部位）に向かって延出された露出部４ｄ−２ｅが設けられている。
【００４２】
前記圧電シート４−２の電極形成面上には、内部電極４ｄ−１´と内部電極４ｄ−２´とが、当該電極形成面を“第２の方向”に二等分する線に対して対称に（“第２の方向”に並列に、且つ、略同形状に）設けられている。前記内部電極４ｄ−１´には、当該圧電シート４−２の一方辺の縁部位（“第２の方向”における一方縁部位）に向かって延出された露出部４ｄ−１´ｅが設けられている。前記内部電極４ｄ-２´には、当該圧電シート４−２の他方辺の縁部位（前記一方縁部位の逆側の縁部位）に向かって延出された露出部４ｄ−２´ｅが設けられている。
【００４３】
ここで、圧電シート４−１に形成された内部電極４ｄ−１の露出部４ｄ−１ｅと、圧電シート４−２に形成された内部電極４ｄ−１´の露出部４ｄ−１´ｅとは、積層時に重なる辺に設けられてはいるが、それら露出部４ｄ−１ｅ，４ｄ−１´ｅ同士は互いに重ならないように所定間隔だけずらして設けられている。
【００４４】
同様に、圧電シート４−１に形成された内部電極４ｄ−２の露出部４ｄ−２ｅと、圧電シート４−２に形成された内部電極４ｄ-２´の露出部４ｄ−２´ｅとは、積層時に重なる辺に設けられてはいるが、それら露出部４ｄ−２ｅ，４ｄ−２´ｅ同士は互いに重ならないように所定間隔だけずらして設けられている。
【００４５】
以上説明したように、圧電シート４−１と圧電シート４−２とは、形成された内部電極のパターンが同一で且つそれら内部電極を外部へ引き出すパターンが互いに異なる圧電シートである。ところで、圧電シート４−１の分極方向と、圧電シート４−２の分極方向とは互いに逆方向である（逆の極性を有する）。
【００４６】
なお、圧電シート３−１，３−２と、圧電シート４−１，４−２とは、下記の関係にあるとも言える。すなわち、前記圧電シート３−１，３−２を９０度だけ“第１の方向”から“第２の方向”へ向かって回転させると、それぞれ圧電シート４−１，４−２と同様の構成の圧電シートとなる。従って、実質的には２種類の圧電シートを製造するだけで、圧電シート３−１，３−２，４−１，４−２を得ることができる。
【００４７】
なお、これら露出部３ｄ−１ｅ，３ｄ−１´ｅと、上述した圧電シート１−１，１−２の露出部１ｄ−１ｅ，１ｄ−１´ｅとは、積層時に重なる辺に設けられてはいるが、それら露出部１ｄ−１ｅ，１ｄ−１´ｅ，３ｄ−１ｅ，３ｄ−１´ｅ同士は互いに重ならないように所定間隔だけずらして設けられている。
【００４８】
同様に、露出部４ｄ−１ｅ，４ｄ−１´ｅと、圧電シート２−１，２−２の露出部２ｄ−１ｅ，２ｄ−１´ｅとは、積層時に重なる辺に設けられてはいるが、それら露出部２ｄ−１ｅ，２ｄ−１´ｅ，４ｄ−１ｅ，４ｄ−１´ｅ同士は互いに重ならないように所定間隔だけずらして設けられている。
【００４９】
本第１実施形態に係る圧電素子１０は、上述した積層構造を採り、例えば一体焼成により製造される。そして、第１の積層部１と第２の積層部２とにおいて、下記のように圧電活性領域群が設けられる。
第１の積層部１においては、前記圧電シート１−１の内部電極１ｄ−１と、前記圧電シート１−２の内部電極１ｄ−１´と、前記圧電シート３−１の内部電極３ｄ−１と、前記圧電シート３−２の内部電極３ｄ−１´と、に対応する領域は、圧電的に活性化された圧電活性領域群１１を構成する。同様に、前記圧電シート１−１の内部電極１ｄ−２と、前記圧電シート１−２の内部電極１ｄ−２´と、前記圧電シート３−１の内部電極３ｄ−２と、前記圧電シート３−２の内部電極３ｄ−２´と、に対応する領域は、圧電的に活性化された圧電活性領域群１２を構成する。
【００５０】
第２の積層部２においては、前記圧電シート２−１の内部電極２ｄ−１と、前記圧電シート２−２の内部電極２ｄ−１´と、前記圧電シート４−１の内部電極４ｄ−１と、前記圧電シート４−２の内部電極４ｄ−１´と、に対応する領域は、圧電的に活性化された圧電活性領域群２１を構成する。同様に、前記圧電シート２−１の内部電極２ｄ−２と、前記圧電シート２−２の内部電極２ｄ−２´と、前記圧電シート４−１の内部電極４ｄ−２と、前記圧電シート４−２の内部電極４ｄ−２´と、に対応する領域は、圧電的に活性化された圧電活性領域群２２を構成する。
【００５１】
図３は、検出電極層３を構成する圧電シート３−１の電極形成面に形成された内部電極３ｄ−１，３ｄ−２の詳細な形成位置及び形状の一例を示す図である。
説明の便宜上、図３に示すように圧電シート３−１の各辺を２等分するように“第１の方向軸”及び“第２の方向軸”を設定する。内部電極３ｄ−１は“第１の方向軸”に対して対称に且つ“第１の方向軸”を含むように形成されている。同様に、内部電極３ｄ−２も“第１の方向軸”に対して対称に且つ“第１の方向軸”を含むように形成されている。ここで、内部電極３ｄ−１と内部電極３ｄ−２とは、“第２の方向軸”に対して対称に形成されている。
【００５２】
前記圧電シート３−１上において、上述のような形状及び位置に内部電極３ｄ−１，３ｄ−２を形成することで、“第２の方向”の駆動（“第１の方向軸”周りの駆動）についての圧電素子１０の伸縮時には、圧電活性領域群１１，１２内においてそれぞれ前記内部電極３ｄ−１，３ｄ−２の各面内で、第１の方向軸を境にして一方側と他方側とにそれぞれ互いに逆方向に伸縮を行なう。その結果、前記内部電極３ｄ−１，３ｄ−２の各面内で、互いに逆極性の電荷が生じる。そして、この互いに逆極性の電荷は、当該内部電極３ｄ−１，３ｄ−２の各面内で相殺（キャンセル）される（図４Ａ参照）。
一方、“第１の方向”の駆動(“第２の方向軸”周りの駆動)についての圧電素子１０の伸縮時には、圧電活性領域群１１，１２内においてそれぞれ前記内部電極３ｄ−１，３ｄ−２の各面内で一方向の伸縮を行なう。その結果、前記内部電極３ｄ−１，３ｄ−２の各面内で一方極性（正または負）の電荷が生じる。そして、この電荷が、振動検出信号として検出される(図４Ｂ参照)。なお、前記内部電極３ｄ−１に生じる電荷と前記内部電極３ｄ−２に生じる電荷との関係は互いに逆極性の関係である。
【００５３】
つまり、第１の積層部１の圧電活性領域群１１，１２によって、“第１の方向”の駆動（“第２の方向軸”周りの駆動）についてのみ、振動検出することができる。
なお、前記圧電シート３−２については、上述したように露出部の位置が異なるのみであり、振動検出については圧電シート３−１と同様であるので、ここでは説明を省略する。
【００５４】
図５は、検出電極層４を構成する圧電シート４−１の電極形成面に形成された内部電極４ｄ−１，４ｄ−２の詳細な形成位置及び形状の一例を示す図である。
説明の便宜上、図４に示すように圧電シート４−１の各辺を２等分するように“第１の方向軸”及び“第２の方向軸”を設定する。内部電極４ｄ−１は“第２の方向軸”に対して対称に且つ“第２の方向軸”を含むように形成されている。同様に、内部電極４ｄ−２も“第２の方向軸”に対して対称に且つ“第２の方向軸”を含むように形成されている。ここで、内部電極４ｄ−１と内部電極４ｄ−２とは、“第１の方向軸”に対して対称に形成されている。
【００５５】
前記圧電シート４−１上において、上述のような形状及び位置に内部電極４ｄ−１，４ｄ−２を形成することで、“第１の方向”の駆動（“第２の方向軸”周りの駆動）についての圧電素子１０の伸縮時には、圧電活性領域群２１，２２内においてそれぞれ前記内部電極４ｄ−１、４ｄ−２の各面内で、第２の方向軸を境にして一方側と他方側とにそれぞれ互いに逆方向に伸縮を行なう。その結果、前記内部電極４ｄ−１，４ｄ−２の各面内で、互いに逆極性の電荷が生じる。そして、この互いに逆極性の電荷は、当該内部電極４ｄ−１，４ｄ−２の各面内で相殺（キャンセル）される（図６Ａ参照）。
一方、“第２の方向”の駆動(“第１の方向軸”周りの駆動)についての圧電素子１０の伸縮時には、圧電活性領域群２１，２２内においてそれぞれ前記内部電極４ｄ−１、４ｄ−２の面内で一方向の伸縮を行なう。その結果、前記内部電極４ｄ−１，４ｄ−２の各面内で一方極性（正または負）の電荷が生じる。そして、この電荷が、振動検出信号として検出される(図６Ｂ参照)。なお、前記内部電極４ｄ−１に生じる電荷と前記内部電極４ｄ−２に生じる電荷とは互いに逆極性の関係である。
【００５６】
つまり、第２の積層部２の圧電活性領域群２１，２２によって、“第２の方向”の駆動（“第１の方向軸”周りの駆動）についてのみ、振動検出することができる。
なお、前記圧電シート４−２については、上述したように露出部の位置が異なるのみであり、振動検出については圧電シート４−１と同様であるので、ここでは説明を省略する。
【００５７】
以上説明したように、本第１実施形態に係る圧電素子１０では、第１の積層部１（圧電活性領域群１１，１２)中において、“第１の方向”についてのみ振動検出する為の振動検出電極形成層３を設け、第２の積層部２（圧電活性領域２１，２２）中において“第２の方向”についてのみ振動検出する為の振動検出電極形成層４を設ける構成を採る。これにより、“第１の方向”の屈曲振動と、“第２の方向”の屈曲振動とについて、別個に振動検出を行うことができる。
【００５８】
図７Ａ及び図７Ｂは、圧電素子１０の“第１の方向”における両側面（図２において矢印Ａ１，Ａ２で示す方向から観た面）の各露出部に対して設ける外部電極の一構成例を示す図である。なお、図２において矢印Ａ１で示す方向から観た面（以降、第１の側面と称する）と、矢印Ａ２で示す方向から観た面（以降、第２の側面と称する）とでは、見た目上の構成は同じである。従って、図７Ａ及び図７Ｂにおいては、それぞれ一つの図面中に、上述の両側面に対応する符号を付して、各構成部材について説明する。
・第１の側面における内部電極１ｄ−１に対応する露出部１ｄ−１ｅ同士を外部電極１ｄ−１Ｅによって短絡する。
・第２の側面における内部電極１ｄ−２に対応する露出部１ｄ−２ｅ同士を外部電極１ｄ−２Ｅによって短絡する。
・第１の側面における内部電極３ｄ−１´に対応する露出部３ｄ−１´ｅ同士を外部電極３ｄ−１´Ｅによって短絡する。
・第２の側面における内部電極３ｄ−２´に対応する露出部３ｄ−２´ｅ同士を外部電極３ｄ−２´Ｅによって短絡する。
・第１の側面における内部電極１ｄ−１´に対応する露出部１ｄ−１´ｅ同士を外部電極１ｄ−１´Ｅによって短絡する。
・第２の側面における内部電極１ｄ−２´に対応する露出部１ｄ−２´ｅ同士を外部電極１ｄ−２´Ｅによって短絡する。
・第１の側面における内部電極３ｄ−１に対応する露出部３ｄ−１ｅ同士を外部電極３ｄ−１Ｅによって短絡する。
・第２の側面における内部電極３ｄ−２に対応する露出部３ｄ−２ｅ同士を外部電極３ｄ−２Ｅによって短絡する。
【００５９】
なお、外部電極１ｄ−１Ｅ，１ｄ−２Ｅ，１ｄ−１´Ｅ，１ｄ−２´Ｅの形状としては、少なくとも各々対応する露出部に対して設けられていればよく、図７Ａに示すように略“コ字”状の形状としてもよいし、図７Ｂに示すように略“Ｉ字”状の形状としてもよい。
【００６０】
図８Ａ及び図８Ｂは、圧電素子の“第２の方向”における両側面（図２において矢印Ａ３，Ａ４で示す方向から観た面）の各露出部に対して設ける外部電極の一構成例を示す図である。なお、図２において矢印Ａ３で示す方向から観た面（以降、第３の側面と称する）と、矢印Ａ４で示す方向から観た面（以降、第４の側面と称する）とでは、見た目上の構成は同じである。従って、図８Ａ及び図８Ｂにおいては、それぞれ一つの図面中に、上述の両側面に対応する符号を付して、各構成部材について説明する。
・第３の側面における内部電極２ｄ−２に対応する露出部２ｄ−２ｅ同士を外部電極２ｄ−２Ｅによって短絡する。
・第４の側面における内部電極２ｄ−１に対応する露出部２ｄ−１ｅ同士を外部電極２ｄ−１Ｅによって短絡する。
・第３の側面における内部電極４ｄ−２´に対応する露出部４ｄ−２´ｅ同士を外部電極４ｄ−２´Ｅによって短絡する。
・第４の側面における内部電極４ｄ−１´に対応する露出部４ｄ−１´ｅ同士を外部電極４ｄ−１´Ｅによって短絡する。
・第３の側面における内部電極４ｄ−２に対応する露出部４ｄ−２ｅ同士を外部電極４ｄ−２Ｅによって短絡する。
・第４の側面における内部電極４ｄ−１に対応する露出部４ｄ−１ｅ同士を外部電極４ｄ−１Ｅによって短絡する。
・第３の側面における内部電極２ｄ−２´に対応する露出部２ｄ−２´ｅ同士を外部電極２ｄ−２´Ｅによって短絡する。
・第４の側面における内部電極２ｄ−１´に対応する露出部２ｄ−１´ｅ同士を外部電極２ｄ−１´Ｅによって短絡する。
【００６１】
なお、外部電極２ｄ−２Ｅ，２ｄ−１´Ｅ，２ｄ−２´Ｅ，２ｄ−１´Ｅの形状としては、少なくとも各々対応する露出部に対して設けられていればよく、図８Ａに示すように略“コ字”状の形状としてもよいし、図８Ｂに示すように略“Ｉ字”状の形状としてもよい。
【００６２】
以下、圧電素子１０に励起させる振動の一例について詳細に説明する。図９は、本第１実施形態に係る圧電素子を利用して、略球体形状を呈する被駆動体を多自由度に駆動する超音波モータの駆動概念を示す図である。
図９に示すように、上述した圧電素子の圧電活性領域群１１と圧電活性領域群１２とに、互いに所定の位相差を有する駆動信号（交流信号ＡＣ）をそれぞれ入力すると、当該圧電素子１０には、図１０Ａに示すように“第３の方向”への振動である縦一次振動と、図１０Ｂに示すように“第１の方向“への振動である屈曲二次振動と、を組み合わせた複合振動が励起される。この複合振動が励起された共振状態の当該圧電素子１０の端面１０ｃは、楕円軌跡を描くように振動する。
【００６３】
ここで、多自由度に（すなわち図９に示すｘ方向、ｙ方向、ｚ方向の何れにも）回転可能な球形の被駆動体５０に対して、所定の押圧部材（不図示）を利用して、当該圧電素子１０の端面１０ｃを加圧接触させると、被駆動体５０は、“第２の方向”の軸周り（矢印ｙ方向）に回転する。
【００６４】
同様の原理で、第２の積層部２の圧電活性領域群２１，２２（図９においては図示を省略）に交流信号を入力した場合、当該圧電素子１０には共振振動が励起され、端面１０ｃに対して加圧接触する被駆動体５０は、“第１の方向”の軸周り（矢印ｘ方向）の回転運動を行う。
【００６５】
なお、図示はしていないが、圧電素子１０の端面１０ｃには、被駆動体５０を摩擦駆動する為の摩擦接触子（駆動子）が設けられており、圧電素子１０は摩擦接触子を介して被駆動体５０に対して接触している。同様に図示はしていないが、被駆動体５０を上述した多自由度に（複数の軸周りに）回転可能に支持するための支持部材が設けられている。
【００６６】
そして、上述した“第１の方向”の軸周り（矢印ｘ方向）の回転運動と、“第２の方向”の軸周り（矢印ｙ方向）の回転運動とを組み合わせて実行することで、被駆動体５０を“第３の方向”の軸周り（矢印ｚ方向）に回転運動させることができる。本第１実施形態に係る圧電素子１０を用いた超音波モータにおいては、上述したように駆動信号を入力することで、球形の被駆動体５０を、多自由度に（すなわち図９に示すｘ方向、ｙ方向、ｚ方向の何れにも）駆動することができる。
【００６７】
以下、本第１実施形態に係る超音波モータにおいて、上述した駆動方法により駆動する際の振動検出方法について詳細に説明する。図１１は、本第１実施形態に係る超音波モータの駆動時の圧電素子の振動を検出する為の検出回路の一構成例を示す図である。図１２は、圧電素子１０の駆動電極形成層の内部電極に印加する駆動信号と、振動検出電極形成層の内部電極から検出される検出信号と、の位相差の一例のグラフを示す図である。
【００６８】
図１１に示す例では、前記検出回路は、公知のジェネレータ１２２ａと位相変換器１２２ｂと計算機１２２ｃとクロック１２２ｄとを備える制御部１２２と、位相差検出回路１２８−１，１２８−２と、ドライブ回路１３０−１，１３０−２と、バッファ１３５−１，１３５−２と、コンパレータ１４０−１，１４０−２と、を具備する。
前記ドライブ回路１３０−１は、外部電極１ｄ−１Ｅに接続されている。前記バッファ１３５−１は、外部電極３ｄ−１´Ｅに接続されている。前記ドライブ回路１３０−２は、外部電極２ｄ−１´Ｅに接続されている。前記バッファ１３５−２は、外部電極４ｄ−２´Ｅに接続されている。
【００６９】
すなわち、図１１に示す例の検出回路は、第１の積層部１における圧電活性領域群１１について振動検出をする為の回路と、第２の積層部２における圧電活性領域群２２について振動検出をする為の回路と、を備える。換言すれば、図１１に示す例の検出回路は、“第１の方向”における振動を検出する為の回路と、“第２の方向”における振動を検出する為の回路と、を備える。
【００７０】
詳細には、下記のように振動検出及び駆動制御を行う。まず、駆動時に振動検出電極形成層３の内部電極３ｄ−１´ｅにおいて生じた電気信号が、外部電極３ｄ−１´Ｅからバッファ１３５−１を介してコンパレータ１４０−１に入力されてＡ／Ｄ変換され、位相差検出回路１２８−１に出力される。
【００７１】
他方、制御部１２２による制御で、ドライブ回路１３０によって外部電極１ｄ−１Ｅを介して駆動電極形成層１−Ａ，１−Ｂの内部電極１ｄ−１に印加される駆動信号は、位相差位相差検出回路１２８−１にも出力されている。
そして、駆動電極形成層１−Ａ，１−Ｂの内部電極１ｄ−１に印加されている駆動信号と、振動検出電極形成層３の内部電極３ｄ−１´ｅにおいて生じた電気信号と、の位相差が、前記位相差検出回路１２８−１によって検出される。
【００７２】
さらに、制御部１２２によって、上述した処理で検出された位相差が所定の値になるように（所定の値を維持し続けるように）、駆動信号の周波数を変化させる制御が行われる。このような振動検出及び駆動制御により、例えば外的な要因で振動状態が変化するような場合であっても、当該超音波モータは安定して駆動される。
【００７３】
より具体的には、制御部１２２は、図１２に示すように所定の位相差を有する２相の駆動信号（本例では、実線で示すＡ相入力信号及び破線で示すＢ相入力信号）のうち位相が進んでいる方の信号（本例ではＢ相入力信号）の立ち下がりパルスと、一点鎖線で示す検出信号の立ち上がりパルスと、の位相差が所定の位相関係を保つように（本例では位相差が４５［ｄｅｇ］を保つように；両者の立ち上がりパルス間の位相関係で言うと位相差が１３０［ｄｅｇ］を保つように）、駆動信号の周波数を変化させる制御を行う。
【００７４】
そして、本第１実施形態に係る超音波モータは、このような補正処理を行う制御系を、２つの屈曲振動検出の為の２つの振動検出電極形成層３，４毎に個別に具備し、且つ、個別に制御する。
以上説明したように、本第１実施形態によれば、多自由度の駆動が可能な超音波モータに利用される圧電素子であって、振動状態を検出可能で且つ簡易な構成の圧電素子、及び該圧電素子を具備する超音波モータを提供することができる。
【００７５】
具体的には、第１の積層部１において駆動電極形成層１−Ａと駆動電極形成層１−Ｂとの間であって、且つ、圧電素子１０の屈曲振動における腹部近傍の位置に振動検出電極形成層３を設ける。同様に、第２の積層部２において振動検出電極形成層２−Ａと振動検出電極形成層２−Ｂとの間であって、且つ、圧電素子１０の屈曲振動における腹部近傍の位置に振動検出電極形成層４を設ける。
【００７６】
このように構成することで、圧電素子１０の“第１の方向”における屈曲振動に係る振動成分と、“第２の方向”における屈曲振動に係る振動成分とを個別に検出することが可能となり、該検出信号を利用した補正制御が可能となる。すなわち、外的要因（例えば温度変化や負荷変動等）による振動状態の変化を検出し、該検出結果に基づいて補正制御を行うことで、当該圧電素子１０を具備する多自由度駆動の超音波モータを常に安定駆動できる。
【００７７】
なお、本第１実施形態は、一体焼成されて成る積層型構造の圧電素子以外にも、複数の単板圧電素子を一体に組み合わせた構造の圧電素子や、凹部を有する金属に複数の圧電素子を組み込んで一体とした構造の圧電素子等に対しても適用できることは勿論である。また、圧電素子１０の積層方向は、“第１の方向”、“第２の方向”、“第３の方向”、又は“それらを組み合わせた方向”の何れの方向であっても構わない。
［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態に係る圧電素子及び超音波モータについて説明する。説明の重複を避ける為、前記第１実施形態との相違点のみを説明する。前記第１実施形態との主な相違点の一つは、振動検出電極形成層の構成及び外部電極の構成である。
【００７８】
図１３は、本発明の第２実施形態に係る圧電素子の一構成例を示す分解斜視図である。図１４Ａは、図１３に示す圧電素子の“第１の方向”における両側面（図２において矢印Ａ１，Ａ２で示す方向から観た面）の各露出部に対して設ける外部電極の一構成例を示す図である。図１４Ｂは、図１３に示す圧電素子の“第２の方向”における両側面（図２において矢印Ａ３，Ａ４で示す方向から観た面）の各露出部に対して設ける外部電極の一構成例を示す図である。
【００７９】
本第２実施形態に係る圧電素子１０では、第１実施形態に係る圧電素子１０の第１の積層部１における振動検出電極形成層３の代わりに、後述する振動検出電極形成層５が設けられている。同様に、第１実施形態に係る圧電素子１０の第２の積層部２における振動検出電極形成層４の代わりに、後述する振動検出電極形成層５が設けられている。
【００８０】
以下、振動検出電極形成層５について詳細に説明する。振動検出電極形成層５は、圧電シート５−１と圧電シート５−２とが交互に積層されて成る。
前記圧電シート５−１の電極形成面上には、内部電極５ｄ−１と内部電極５ｄ−２とが、当該電極形成面を“第１の方向”に二等分する線に対して対称に（“第１の方向”に並列に、且つ、略同形状に）設けられている。前記内部電極５ｄ−１には、当該圧電シート５−１の一方辺の縁部位（“第１の方向”における一方縁部位）に向かって延出された露出部５ｄ−１ｅが設けられている。前記内部電極５ｄ−２には、当該圧電シート５−１の他方辺の縁部位（前記一方縁部位の逆側の縁部位）に向かって延出された露出部５ｄ−２ｅが設けられている。
【００８１】
さらに、前記圧電シート５−１の電極形成面上には、内部電極５ｄ−３と内部電極５ｄ−４とが、当該電極形成面を“第２の方向”に二等分する線に対して対称に（“第２の方向”に並列に、且つ、略同形状に）設けられている。前記内部電極５ｄ−３には、当該圧電シート５−１の一方辺の縁部位（“第２の方向”における一方縁部位）に向かって延出された露出部５ｄ−３ｅが設けられている。前記内部電極５ｄ−４には、当該圧電シート５−１の“第２の方向”における他方辺の縁部位に向かって延出された露出部５ｄ−４ｅが設けられている。
【００８２】
同様に、前記圧電シート５−２の電極形成面上には、上述の圧電シート５−１における内部電極５ｄ−１乃至内部電極５ｄ−４にそれぞれ対応する内部電極５ｄ−１´乃至内部電極５ｄ−４´が、それぞれ対応する位置に形成されている。
これら内部電極５ｄ−１´乃至内部電極５ｄ−４´の各露出部５ｄ−１´ｅ乃至露出部５ｄ−４´ｅは、それぞれ対応する露出部５ｄ−１ｅ乃至露出部５ｄ−４ｅが延出されている辺に対応する辺に向かって設けられている。但し、露出部５ｄ−１´ｅ乃至露出部５ｄ−４´ｅは、積層された状態においてそれぞれ対応する露出部５ｄ−１ｅ乃至露出部５ｄ−４ｅと重ならない位置に設けられている。
【００８３】
上述したように、圧電シート５−１と圧電シート５−２とは、形成された内部電極のパターンが同一で且つそれら内部電極を外部へ引き出すパターンが互いに異なる圧電シートである。ところで、圧電シート５−１の分極方向と、圧電シート５−２の分極方向とは互いに逆方向である（逆の極性を有する）。
【００８４】
ここで、本第２実施形態に係る超音波モータに、２つの屈曲振動モードに対する検出回路を別個に備えさせることで、第１の積層部１と第２の積層部２とに同時に駆動信号を印加する同時駆動を行うと共に、２つの屈曲振動に対してより精度良く補正制御を行うことができる。すなわち、２つの屈曲振動モードの各々について個別の検出電極からの信号を用いた補正の制御を行うことが可能となる。この場合には、例えば所謂“差動入力”により微小駆動時の微小信号を増幅することができる。従って、当該超音波モータをより安定して駆動することができる。
【００８５】
以上説明したように、本第２実施形態によれば、前記第１実施形態に係る圧電素子及び超音波モータと同様の効果を奏する上に、圧電シートにおける電極形成面を有効活用して、より高精度な振動検出が可能な圧電素子及び超音波モータを提供することができる。
【００８６】
以上、第１実施形態乃至第２実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で、例えば次のような変形及び応用が可能なことは勿論である。
さらに、上述した実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示した複数の構成要件の適当な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示す全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成も発明として抽出され得る。
【符号の説明】
【００８７】
１…第１の積層部、 ２…第２の積層部、 １−Ａ，１−Ｂ，２−Ａ，２−Ｂ…駆動電極形成層、 １−１，１−２，２−１，２−２，３−１，３−２，４−１，４−１，５−１…圧電シート、 １ｄ−１，１ｄ−２，２ｄ−１，２ｄ−２，３ｄ−１，３ｄ−２，４ｄ−１，４ｄ−２，５ｄ−１，５ｄ−２，５ｄ−３，５ｄ−４，１ｄ−１´，１ｄ−２´，２ｄ−１´，２ｄ−２´，３ｄ−１´，３ｄ−２´，４ｄ−１´，４ｄ−２´，５ｄ−１´，５ｄ−２´，５ｄ−３´，５ｄ−４´…内部電極、１ｄ−１ｅ，１ｄ−２ｅ，２ｄ−１ｅ，２ｄ−２ｅ，３ｄ−１ｅ，３ｄ−２ｅ，４ｄ−１ｅ，４ｄ−２ｅ，５ｄ−１ｅ，５ｄ−２ｅ，５ｄ−３ｅ，５ｄ−４ｅ，１ｄ−１´ｅ，１ｄ−２´ｅ，２ｄ−１´ｅ，２ｄ−２´ｅ，３ｄ−１´ｅ，３ｄ−２´ｅ，４ｄ−１´ｅ，４ｄ−２´ｅ，５ｄ−１´ｅ，５ｄ−２´ｅ，５ｄ−３´ｅ，５ｄ−４´ｅ…露出部、 １ｄ−１Ｅ，１ｄ−２Ｅ，２ｄ−１Ｅ，２ｄ−２Ｅ，３ｄ−１Ｅ，３ｄ−２Ｅ，４ｄ−１Ｅ，４ｄ−２Ｅ，５ｄ−１Ｅ，５ｄ−２Ｅ，５ｄ−３Ｅ，５ｄ−４Ｅ，１ｄ−１´Ｅ，１ｄ−２´Ｅ，２ｄ−１´Ｅ，２ｄ−２´Ｅ，３ｄ−１´Ｅ，３ｄ−２´Ｅ，４ｄ−１´Ｅ，４ｄ−２´Ｅ，５ｄ−１´Ｅ，５ｄ−２´Ｅ，５ｄ−３´Ｅ，５ｄ−４´Ｅ…外部電極、 １０…圧電素子、 ３，４，５…振動検出電極形成層、 １１，１２，２１，２２…圧電活性領域群、 ５０…被駆動体、 １００…絶縁シート、 １２２…制御部、 １２８…位相差検出回路、 １２８…位相差位相差検出回路、 １３０…ドライブ回路、 １３５…バッファ、 １４０…コンパレータ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子及び圧電素子を超音波振動子として利用する超音波モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電磁型モータに代わる新しいモータとして、圧電素子などの振動子の振動を利用した超音波モータが注目されている。この超音波モータは、従来の電磁型モータと比較して、ギア無しで低速高推力が得られる点、保持力が高い点、ストロークが長く高分解能である点、静粛性に富む点、磁気的ノイズを発生せず磁気的ノイズの影響を受けない点等の利点を有している。
【０００３】
超音波モータでは、摩擦部材である駆動子が設けられた超音波振動子を、該駆動子を介して、相対運動部材である被駆動部材に押し付ける。そして、前記駆動子と前記被駆動部材との間の摩擦力によって前記被駆動部材を駆動する。
現在、より付加価値を高めた超音波モータの一つとして、多自由度の駆動が可能な圧電素子を用いた超音波モータの開発が行われている。そして、このような超音波モータに関連する技術としては、例えば特許文献１に次のような技術が開示されている。
【０００４】
すなわち、特許文献１には、単一の圧電素子で多自由度に駆動可能な超音波モータが開示されている。この特許文献１に開示されている超音波モータでは、複数の活性領域を有する柱状の圧電素子を振動体として用いている。
特許文献１に開示されている圧電素子は、圧電シートが積層されて成る略直方体形状の積層部（第1の積層部及び第２の積層部）を２つ具備している。前記第１の積層部の側面、及び前記第２の積層部の側面には、それぞれ外部電極が配設されている。
【０００５】
ところで、この特許文献１に開示されている圧電素子において、圧電活性領域は、各圧電シートの主平面を２分割するような態様に形成された２つの内部電極の位置に対応している。詳細には、前記第１の積層部と前記第２の積層部との境界を成す境界シートを境にして、第１の積層部における圧電活性領域と、第２の積層部における圧電活性領域とが、互いに９０度回転（境界シートに対して水平に９０度回転）した位置関係となるように、各圧電シートに内部電極が形成されている。
【０００６】
上述のように構成し、各圧電活性領域に所定の交番信号を入力することで、当該圧電素子には縦１次振動と屈曲２次振動とが励起される。これにより、２方向の駆動力（Ｘ方向成分の駆動力及びＹ方向成分の駆動力）が発生する。そして、該駆動力を利用することで、当該圧電素子の長手方向における端面に圧接するように保持された球体形状の被駆動体を、２方向（ＸＹ方向）に移動動作させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−２８２８４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、現在、外的な要因（例えば負荷変動や温度変動）によって超音波モータの振動状態が変化した場合であっても、当該超音波モータの駆動を安定させる補正を行うことができる超音波モータが望まれている。
しかしながら、特許文献１に開示されている圧電素子には、外的な要因に起因する共振周波数の変化を検出する手段が設けられていない。従って、特許文献１に開示されている技術によれば、特別な検出手段を設ける等しない限り、上述のような外的要因によって圧電素子の振動状態が変化した場合に、当該超音波モータのモータ特性を安定させるような補正を行うことができない。なお、特別な検出手段を別途設けることは、当然ながら当該超音波モータの構成の複雑化・大型化に繋がる。
【０００９】
本発明は、前記の事情に鑑みてなされたものであり、多自由度の駆動が可能な超音波モータに利用される圧電素子であって、振動状態を検出可能で且つ簡易な構成の圧電素子、及び該圧電素子を具備する超音波モータを提供すること目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記の目的を達成するために、本発明の第１の態様による圧電素子は、
所定の駆動信号を印加されることで励起される複数の振動モードによって被駆動体を駆動する超音波振動子に用いられる圧電素子であって、
前記複数の振動モードにおける振動のうち、前記被駆動体を複数軸方向に駆動する際の推進方向の振動成分を検出する振動検出電極を含む振動検出電極層を具備し、
前記振動検出電極層は、同一周波数で互いに直交する方向の複数の屈曲振動モードにおける腹部近傍に設けられていることを特徴とする。
【００１１】
前記の目的を達成するために、本発明の第２の態様による超音波モータは、
略球体形状を呈する被駆動体と、
所定の駆動信号を印加されることで励起される複数の振動モードによって前記被駆動体を多自由度に駆動する圧電素子と、
前記圧電素子のうち前記被駆動体に対向する面に設けられた摩擦接触子と、
前記圧電素子に押圧力を与え、前記摩擦接触子を介して前記圧電素子を前記被駆動体に加圧接触させる押圧部材と、
前記被駆動体を複数の軸周りに回転可能に支持するための支持部材と、
前記駆動信号である２相の交番信号を出力して前記圧電素子を駆動させ、且つ、前記圧電素子の振動状態を検出する制御部と、
を具備し、
前記圧電素子は、前記複数の振動モードにおける振動のうち、前記被駆動体を複数軸方向に駆動する際の推進方向の振動成分を検出する振動検出電極を含む振動検出電極層を具備し、
前記振動検出電極は、同一周波数で互いに直交する方向の複数の屈曲振動モードにおける腹部近傍に設けられている
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、多自由度の駆動が可能な超音波モータに利用される圧電素子であって、振動状態を検出可能で且つ簡易な構成の圧電素子、及び該圧電素子を具備する超音波モータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る圧電素子の一構成例を示す分解斜視図。
【図２】本発明の第１実施形態に係る圧電素子の斜視図。
【図３】検出電極層を構成する圧電シートの電極形成面に形成された内部電極の詳細な形成位置及び形状の一例を示す図。
【図４Ａ】第１の積層部の圧電活性領域群による振動検出において相殺される検出信号に係る振動方向を示す図。
【図４Ｂ】第１の積層部の圧電活性領域群による振動検出において相殺されない検出信号に係る振動方向を示す図。
【図５】第２の積層部における検出電極層を構成する圧電シートの電極形成面に形成された内部電極の詳細な形成位置及び形状の一例を示す図。
【図６Ａ】第２の積層部の圧電活性領域群による振動検出において相殺される検出信号に係る振動方向を示す図。
【図６Ｂ】第２の積層部の圧電活性領域群による振動検出において相殺されない検出信号に係る振動方向を示す図。
【図７Ａ】圧電素子の“第１の方向”における両側面（図２において矢印Ａ１，Ａ２で示す方向から観た面）の各露出部に対して設ける外部電極の一構成例を示す図。
【図７Ｂ】圧電素子の“第１の方向”における両側面（図２において矢印Ａ１，Ａ２で示す方向から観た面）の各露出部に対して設ける外部電極の一構成例を示す図。
【図８Ａ】圧電素子の“第２の方向”における両側面（図２において矢印Ａ３，Ａ４で示す方向から観た面）の各露出部に対して設ける外部電極の一構成例を示す図。
【図８Ｂ】圧電素子の“第２の方向”における両側面（図２において矢印Ａ３，Ａ４で示す方向から観た面）の各露出部に対して設ける外部電極の一構成例を示す図。
【図９】本発明の第１実施形態に係る圧電素子を利用して、略球体形状を呈する被駆動体を多自由度に駆動する超音波モータの駆動概念を示す図。
【図１０Ａ】“第３の方向”への圧電素子の振動である縦一次振動の振動方向を示す図。
【図１０Ｂ】“第１の方向“への圧電素子の振動である屈曲二次振動の振動方向を示す図。
【図１１】本発明の第１実施形態に係る超音波モータの駆動時の圧電素子の振動を検出する為の検出回路の一構成例を示す図。
【図１２】圧電素子の駆動電極形成層の外部電極に印加する駆動信号と、振動検出電極形成層の外部電極から検出される検出信号との位相差の一例のグラフを示す図。
【図１３】本発明の第２実施形態に係る圧電素子の一構成例を示す分解斜視図。
【図１４Ａ】図１３に示す圧電素子の“第１の方向”における両側面（図２において矢印Ａ１，Ａ２で示す方向から観た面）の各露出部に対して設ける外部電極の一構成例を示す図。
【図１４Ｂ】図１３に示す圧電素子の“第２の方向”における両側面（図２において矢印Ａ３，Ａ４で示す方向から観た面）の各露出部に対して設ける外部電極の一構成例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態に係る圧電素子及び超音波モータについて、図面を参照して説明する。なお、本発明の実施形態に係る“圧電素子”に、所定の駆動子及びホルダ部材等を設けることで“超音波振動子”を構成することができる。そして、“超音波振動子”に、所定の制御系及び被駆動体等を設けることで超音波モータを構成することができる。
[第１実施形態]
図１は、本第１実施形態に係る圧電素子１０の一構成例を示す分解斜視図である。図２は、本第１実施形態に係る圧電素子の斜視図である。
【００１５】
図１及び図２に示すように、圧電素子１０は、圧電活性領域群１１，１２（詳細は後述）を備える第１の積層部１と、圧電活性領域群２１，２２（詳細は後述）を備える第２の積層部２とを具備する。図１に示すように、第１の積層部１と第２の積層部２は、絶縁シート１００により絶縁されている。また、当該圧電素子１０の最上位及び最下位にも絶縁シート１００が配設されている。以下、各積層部について詳細に説明する。
【００１６】
なお、本第１実施形態においては、三軸直交座標系として図１に示すように“第１の方向”、“第２の方向”、及び“第３の方向”を定義している。すなわち、本第１実施形態に係る圧電素子１０は、“第３の方向”に“シート状の圧電素子（後に詳述）”を積層した構造を採る圧電素子である。
【００１７】
前記第１の積層部１は、上層側から順に、駆動電極形成層１−Ａと、振動検出電極形成層３と、駆動電極形成層１−Ｂと、を有する。同様に、前記第２の積層部２は、上層側から順に、駆動電極形成層２−Ａと、振動検出電極形成層４と、駆動電極形成層２−Ｂと、を有する。
【００１８】
前記駆動電極形成層１−Ａ及び前記駆動電極形成層１−Ｂは、駆動電極を構成する内部電極が形成された圧電シート１−１と圧電シート１−２とが、所定の厚みを呈するまで交互に積層されて成る層である。各圧電シートの構成については後に詳述する。ここで、駆動電極形成層１−Ａと駆動電極形成層１−Ｂとは略同じ厚みであるとする。
【００１９】
前記振動検出電極形成層３は、振動検出電極を構成する圧電シート３−１と圧電シート３−２とが、所定の厚みを呈するまで交互に積層されて成る層である。この振動検出電極形成層３は、上述の駆動電極形成層１−Ａと駆動電極形成層１−Ｂとによって挟み込まれた態様で設けられている。
【００２０】
同様に、前記駆動電極形成層２−Ａ及び前記駆動電極形成層２−Ｂは、駆動電極を構成する内部電極が形成された圧電シート２−１と圧電シート２−２とが、所定の厚みを呈するまで交互に積層されて成る層である。各圧電シートの構成については後に詳述する。駆動電極形成層２−Ａと駆動電極形成層２−Ｂとは略同じ厚みであるとする。
【００２１】
前記振動検出電極形成層４は、振動検出電極を構成する圧電シート４−１と圧電シート４−２とが、所定の厚みを呈するまで交互に積層されて成る層である。この振動検出電極形成層４は、上述の駆動電極形成層２−Ａと駆動電極形成層２−Ｂとによって挟み込まれた態様で設けられている。
【００２２】
ところで、上述の振動検出電極形成層３，４は、当該圧電素子１０に屈曲振動（当該圧電素子１０が超音波モータに用いられた場合に、被駆動体の駆動に寄与する振動成分）が励起された場合において、当該屈曲振動の腹部近傍に位置するように設けられている。これら振動検出電極形成層３，４によって、圧電素子１０の振動のうち駆動に係る振動成分を検出することが可能となる。そして、この屈曲振動成分の検出信号を用いて、圧電素子１０の振動状態を補正することによって、モータの駆動特性を劣化させることなく常に安定した駆動を行うことが可能になる（詳細は後述する）。
【００２３】
以下、各層を構成する圧電シートについて詳細に説明する。
前記圧電シート１−１，１−２，２−１，２−２，３−１，３−２，４−１，４−２は、矩形シート状の圧電素子である。これらの材料としては、例えばハード系のチタン酸ジルコン酸鉛の圧電セラミックス素子（ＰＺＴ）を挙げることができる。
【００２４】
詳細は後述するが、各圧電シート１−１，１−２，２−１，２−２，３−１，３−２，４−１，４−２には、厚み方向に分極されてなる活性化領域を構成する内部電極が設けられている。この内部電極としては、例えば厚さ４μｍの銀パラジウム合金を挙げることができる。
【００２５】
まず、駆動電極形成層１−Ａ，１−Ｂを構成する圧電シート１−１，１−２、及び駆動電極形成層２−Ａ，２−Ｂを構成する圧電シート２−１，２−２について詳細に説明する。
前記圧電シート１−１の電極形成面上には、内部電極１ｄ−１と内部電極１ｄ−２とが、当該電極形成面を“第１の方向”に二等分する線に対して対称に（“第１の方向”に並列に、且つ、略同形状に）設けられている。前記内部電極１ｄ−１には、当該圧電シート１−１の一方辺の縁部位（“第１の方向”における一方縁部位）に向かって延出された露出部１ｄ−１ｅが設けられている。前記内部電極１ｄ−２には、当該圧電シート１−１の他方辺の縁部位（前記一方縁部位の逆側の縁部位）に向かって延出された露出部１ｄ−２ｅが設けられている。
【００２６】
同様に、前記圧電シート１−２の電極形成面上には、内部電極１ｄ−１´と内部電極１ｄ−２´とが、当該電極形成面を“第１の方向”に二等分する線に対して対称に（“第１の方向”に並列に、且つ、略同形状に）設けられている。前記内部電極１ｄ−１´には、当該圧電シート１−２の一方辺の縁部位（“第１の方向”における一方縁部位）に向かって延出された露出部１ｄ−１´ｅが設けられている。前記内部電極１ｄ−２´には、当該圧電シート１−２の他方辺の縁部位（前記一方縁部位の逆側の縁部位）に向かって延出された露出部１ｄ−２´ｅが設けられている。
【００２７】
ここで、圧電シート１−１に形成された内部電極１ｄ−１の露出部１ｄ−１ｅと、圧電シート１−２に形成された内部電極１ｄ−２の露出部１ｄ−１´ｅとは、積層時に重なる辺に設けられてはいるが、それら露出部１ｄ−１ｅ，１ｄ−１´ｅ同士は互いに重ならないように所定間隔だけずらして設けられている。
【００２８】
同様に、圧電シート１−１に形成された内部電極１ｄ−２の露出部１ｄ−２ｅと、圧電シート１−２に形成された内部電極１ｄ−２の露出部１ｄ−２´ｅとは、積層時に重なる辺に設けられてはいるが、それら露出部１ｄ−２ｅ，１ｄ−２´ｅ同士は互いに重ならないように所定間隔だけずらして設けられている。
【００２９】
以上説明したように、圧電シート１−１と圧電シート１−２とは、形成された内部電極のパターンが同一で且つそれら内部電極を外部へ引き出すパターンが互いに異なる圧電シートである。ところで、圧電シート１−１の分極方向と、圧電シート１−２の分極方向とは互いに逆方向である（逆の極性を有する）。
【００３０】
前記圧電シート２−１の電極形成面上には、内部電極２ｄ−１と内部電極２ｄ−２とが、当該電極形成面を“第２の方向”に二等分する線に対して対称に（“第２の方向”に並列に、且つ、略同形状に）設けられている。前記内部電極２ｄ−１には、当該圧電シート２−１の一方辺の縁部位（“第２の方向”における一方縁部位）に向かって延出された露出部２ｄ−１ｅが設けられている。前記内部電極２ｄ−２には、当該圧電シート２−１の他方辺の縁部位（前記一方縁部位の逆側の縁部位）に向かって延出された露出部２ｄ−２ｅが設けられている。
【００３１】
同様に、前記圧電シート２−２の電極形成面上には、内部電極２ｄ−１´と内部電極２ｄ−２´とが、当該電極形成面を“第２の方向”に二等分する線に対して対称に（（“第２の方向”に並列に、且つ、略同形状に））設けられている。前記内部電極２ｄ-１´には、当該圧電シート２−２の一方辺の縁部位（“第２の方向”における一方縁部位）に向かって延出された露出部２ｄ−１´ｅが設けられている。前記内部電極２ｄ-２´には、当該圧電シート２−２の他方辺の縁部位（前記一方縁部位の逆側の縁部位）に向かって延出された露出部２ｄ−２´ｅが設けられている。
【００３２】
ここで、圧電シート２−１に形成された内部電極２ｄ−１の露出部２ｄ−１ｅと、圧電シート２−２に形成された内部電極２ｄ-１´の露出部２ｄ−１´ｅとは、積層時に重なる辺に設けられてはいるが、それら露出部２ｄ−１ｅ，２ｄ−１´ｅ同士は互いに重ならないように所定間隔だけずらして設けられている。
【００３３】
同様に、圧電シート２−１に形成された内部電極２ｄ−２の露出部２ｄ−２ｅと、圧電シート２−２に形成された内部電極２ｄ-２´の露出部２ｄ−２´ｅとは、積層時に重なる辺に設けられてはいるが、それら露出部２ｄ−２ｅ，２ｄ−２´ｅ同士は互いに重ならないように所定間隔だけずらして設けられている。
【００３４】
以上説明したように、圧電シート２−１と圧電シート２−２とは、形成された内部電極のパターンが同一で且つそれら内部電極を外部へ引き出すパターンが互いに異なる圧電シートである。ところで、圧電シート２−１の分極方向と、圧電シート２−２の分極方向とは互いに逆方向である（逆の極性を有する）。
【００３５】
なお、圧電シート１−１，１−２と、圧電シート２−１，２−２とは、下記の関係にあるとも言える。すなわち、前記圧電シート１−１，１−２を９０度だけ“第１の方向”から“第２の方向”へ向かって回転させると、それぞれ圧電シート２−１，２−２と同様の構成の圧電シートとなる。従って、実質的には２種類の圧電シートを製造するだけで、圧電シート１−１，１−２，２−１，２−２を得ることができる。
【００３６】
以下、振動検出電極形成層３を構成する圧電シート３−１，３−２、及び振動検出電極形成層４を構成する圧電シート４−１，４−２について詳細に説明する。
前記圧電シート３−１の電極形成面上には、内部電極３ｄ−１と内部電極３ｄ−２とが、当該電極形成面を“第１の方向”に二等分する線に対して対称に（“第１の方向”に並列に、且つ、略同形状に）設けられている。前記内部電極３ｄ−１には、当該圧電シート３−１の一方辺の縁部位（“第１の方向”における一方縁部位）に向かって延出された露出部３ｄ−１ｅが設けられている。前記内部電極３ｄ−２には、当該圧電シート３−１の他方辺の縁部位（前記一方縁部位の逆側の縁部位）に向かって延出された露出部３ｄ−２ｅが設けられている。
【００３７】
前記圧電シート３−２の電極形成面上には、内部電極３ｄ−１´と内部電極３ｄ−２´とが、当該電極形成面を“第１の方向”に二等分する線に対して対称に（（“第１の方向”に並列に、且つ、略同形状に））設けられている。前記内部電極３ｄ−１´には、当該圧電シート３−２の一方辺の縁部位（“第１の方向”における一方縁部位）に向かって延出された露出部３ｄ−１´ｅが設けられている。前記内部電極３ｄ-２´には、当該圧電シート３−２の他方辺の縁部位（前記一方縁部位の逆側の縁部位）に向かって延出された露出部３ｄ−２´ｅが設けられている。
【００３８】
ここで、圧電シート３−１に形成された内部電極３ｄ−１の露出部３ｄ−１ｅと、圧電シート３−２に形成された内部電極３ｄ−１´の露出部３ｄ−１´ｅとは、積層時に重なる辺に設けられてはいるが、それら露出部３ｄ−１ｅ，３ｄ−１´ｅ同士は互いに重ならないように所定間隔だけずらして設けられている。
【００３９】
同様に、圧電シート３−１に形成された内部電極３ｄ−２の露出部３ｄ−２ｅと、圧電シート３−２に形成された内部電極３ｄ-２´の露出部３ｄ−２´ｅとは、積層時に重なる辺に設けられてはいるが、それら露出部３ｄ−２ｅ，３ｄ−２´ｅ同士は互いに重ならないように所定間隔だけずらして設けられている。
【００４０】
以上説明したように、圧電シート３−１と圧電シート３−２とは、形成された内部電極のパターンが同一で且つそれら内部電極を外部へ引き出すパターンが互いに異なる圧電シートである。ところで、圧電シート３−１の分極方向と、圧電シート３−２の分極方向とは互いに逆方向である（逆の極性を有する）。
【００４１】
前記圧電シート４−１の電極形成面上には、内部電極４ｄ−１と内部電極４ｄ−２とが、当該電極形成面を“第２の方向”に二等分する線に対して対称に（（“第２の方向”に並列に、且つ、略同形状に））設けられている。前記内部電極４ｄ−１には、当該圧電シート４−１の一方辺の縁部位（“第２の方向”における一方縁部位）に向かって延出された露出部４ｄ−１ｅが設けられている。前記内部電極４ｄ−２には、当該圧電シート４−１の他方辺の縁部位（前記一方縁部位の逆側の縁部位）に向かって延出された露出部４ｄ−２ｅが設けられている。
【００４２】
前記圧電シート４−２の電極形成面上には、内部電極４ｄ−１´と内部電極４ｄ−２´とが、当該電極形成面を“第２の方向”に二等分する線に対して対称に（“第２の方向”に並列に、且つ、略同形状に）設けられている。前記内部電極４ｄ−１´には、当該圧電シート４−２の一方辺の縁部位（“第２の方向”における一方縁部位）に向かって延出された露出部４ｄ−１´ｅが設けられている。前記内部電極４ｄ-２´には、当該圧電シート４−２の他方辺の縁部位（前記一方縁部位の逆側の縁部位）に向かって延出された露出部４ｄ−２´ｅが設けられている。
【００４３】
ここで、圧電シート４−１に形成された内部電極４ｄ−１の露出部４ｄ−１ｅと、圧電シート４−２に形成された内部電極４ｄ−１´の露出部４ｄ−１´ｅとは、積層時に重なる辺に設けられてはいるが、それら露出部４ｄ−１ｅ，４ｄ−１´ｅ同士は互いに重ならないように所定間隔だけずらして設けられている。
【００４４】
同様に、圧電シート４−１に形成された内部電極４ｄ−２の露出部４ｄ−２ｅと、圧電シート４−２に形成された内部電極４ｄ-２´の露出部４ｄ−２´ｅとは、積層時に重なる辺に設けられてはいるが、それら露出部４ｄ−２ｅ，４ｄ−２´ｅ同士は互いに重ならないように所定間隔だけずらして設けられている。
【００４５】
以上説明したように、圧電シート４−１と圧電シート４−２とは、形成された内部電極のパターンが同一で且つそれら内部電極を外部へ引き出すパターンが互いに異なる圧電シートである。ところで、圧電シート４−１の分極方向と、圧電シート４−２の分極方向とは互いに逆方向である（逆の極性を有する）。
【００４６】
なお、圧電シート３−１，３−２と、圧電シート４−１，４−２とは、下記の関係にあるとも言える。すなわち、前記圧電シート３−１，３−２を９０度だけ“第１の方向”から“第２の方向”へ向かって回転させると、それぞれ圧電シート４−１，４−２と同様の構成の圧電シートとなる。従って、実質的には２種類の圧電シートを製造するだけで、圧電シート３−１，３−２，４−１，４−２を得ることができる。
【００４７】
なお、これら露出部３ｄ−１ｅ，３ｄ−１´ｅと、上述した圧電シート１−１，１−２の露出部１ｄ−１ｅ，１ｄ−１´ｅとは、積層時に重なる辺に設けられてはいるが、それら露出部１ｄ−１ｅ，１ｄ−１´ｅ，３ｄ−１ｅ，３ｄ−１´ｅ同士は互いに重ならないように所定間隔だけずらして設けられている。
【００４８】
同様に、露出部４ｄ−１ｅ，４ｄ−１´ｅと、圧電シート２−１，２−２の露出部２ｄ−１ｅ，２ｄ−１´ｅとは、積層時に重なる辺に設けられてはいるが、それら露出部２ｄ−１ｅ，２ｄ−１´ｅ，４ｄ−１ｅ，４ｄ−１´ｅ同士は互いに重ならないように所定間隔だけずらして設けられている。
【００４９】
本第１実施形態に係る圧電素子１０は、上述した積層構造を採り、例えば一体焼成により製造される。そして、第１の積層部１と第２の積層部２とにおいて、下記のように圧電活性領域群が設けられる。
第１の積層部１においては、前記圧電シート１−１の内部電極１ｄ−１と、前記圧電シート１−２の内部電極１ｄ−１´と、前記圧電シート３−１の内部電極３ｄ−１と、前記圧電シート３−２の内部電極３ｄ−１´と、に対応する領域は、圧電的に活性化された圧電活性領域群１１を構成する。同様に、前記圧電シート１−１の内部電極１ｄ−２と、前記圧電シート１−２の内部電極１ｄ−２´と、前記圧電シート３−１の内部電極３ｄ−２と、前記圧電シート３−２の内部電極３ｄ−２´と、に対応する領域は、圧電的に活性化された圧電活性領域群１２を構成する。
【００５０】
第２の積層部２においては、前記圧電シート２−１の内部電極２ｄ−１と、前記圧電シート２−２の内部電極２ｄ−１´と、前記圧電シート４−１の内部電極４ｄ−１と、前記圧電シート４−２の内部電極４ｄ−１´と、に対応する領域は、圧電的に活性化された圧電活性領域群２１を構成する。同様に、前記圧電シート２−１の内部電極２ｄ−２と、前記圧電シート２−２の内部電極２ｄ−２´と、前記圧電シート４−１の内部電極４ｄ−２と、前記圧電シート４−２の内部電極４ｄ−２´と、に対応する領域は、圧電的に活性化された圧電活性領域群２２を構成する。
【００５１】
図３は、検出電極層３を構成する圧電シート３−１の電極形成面に形成された内部電極３ｄ−１，３ｄ−２の詳細な形成位置及び形状の一例を示す図である。
説明の便宜上、図３に示すように圧電シート３−１の各辺を２等分するように“第１の方向軸”及び“第２の方向軸”を設定する。内部電極３ｄ−１は“第１の方向軸”に対して対称に且つ“第１の方向軸”を含むように形成されている。同様に、内部電極３ｄ−２も“第１の方向軸”に対して対称に且つ“第１の方向軸”を含むように形成されている。ここで、内部電極３ｄ−１と内部電極３ｄ−２とは、“第２の方向軸”に対して対称に形成されている。
【００５２】
前記圧電シート３−１上において、上述のような形状及び位置に内部電極３ｄ−１，３ｄ−２を形成することで、“第２の方向”の駆動（“第１の方向軸”周りの駆動）についての圧電素子１０の伸縮時には、圧電活性領域群１１，１２内においてそれぞれ前記内部電極３ｄ−１，３ｄ−２の各面内で、第１の方向軸を境にして一方側と他方側とにそれぞれ互いに逆方向に伸縮を行なう。その結果、前記内部電極３ｄ−１，３ｄ−２の各面内で、互いに逆極性の電荷が生じる。そして、この互いに逆極性の電荷は、当該内部電極３ｄ−１，３ｄ−２の各面内で相殺（キャンセル）される（図４Ａ参照）。
一方、“第１の方向”の駆動(“第２の方向軸”周りの駆動)についての圧電素子１０の伸縮時には、圧電活性領域群１１，１２内においてそれぞれ前記内部電極３ｄ−１，３ｄ−２の各面内で一方向の伸縮を行なう。その結果、前記内部電極３ｄ−１，３ｄ−２の各面内で一方極性（正または負）の電荷が生じる。そして、この電荷が、振動検出信号として検出される(図４Ｂ参照)。なお、前記内部電極３ｄ−１に生じる電荷と前記内部電極３ｄ−２に生じる電荷との関係は互いに逆極性の関係である。
【００５３】
つまり、第１の積層部１の圧電活性領域群１１，１２によって、“第１の方向”の駆動（“第２の方向軸”周りの駆動）についてのみ、振動検出することができる。
なお、前記圧電シート３−２については、上述したように露出部の位置が異なるのみであり、振動検出については圧電シート３−１と同様であるので、ここでは説明を省略する。
【００５４】
図５は、検出電極層４を構成する圧電シート４−１の電極形成面に形成された内部電極４ｄ−１，４ｄ−２の詳細な形成位置及び形状の一例を示す図である。
説明の便宜上、図４に示すように圧電シート４−１の各辺を２等分するように“第１の方向軸”及び“第２の方向軸”を設定する。内部電極４ｄ−１は“第２の方向軸”に対して対称に且つ“第２の方向軸”を含むように形成されている。同様に、内部電極４ｄ−２も“第２の方向軸”に対して対称に且つ“第２の方向軸”を含むように形成されている。ここで、内部電極４ｄ−１と内部電極４ｄ−２とは、“第１の方向軸”に対して対称に形成されている。
【００５５】
前記圧電シート４−１上において、上述のような形状及び位置に内部電極４ｄ−１，４ｄ−２を形成することで、“第１の方向”の駆動（“第２の方向軸”周りの駆動）についての圧電素子１０の伸縮時には、圧電活性領域群２１，２２内においてそれぞれ前記内部電極４ｄ−１、４ｄ−２の各面内で、第２の方向軸を境にして一方側と他方側とにそれぞれ互いに逆方向に伸縮を行なう。その結果、前記内部電極４ｄ−１，４ｄ−２の各面内で、互いに逆極性の電荷が生じる。そして、この互いに逆極性の電荷は、当該内部電極４ｄ−１，４ｄ−２の各面内で相殺（キャンセル）される（図６Ａ参照）。
一方、“第２の方向”の駆動(“第１の方向軸”周りの駆動)についての圧電素子１０の伸縮時には、圧電活性領域群２１，２２内においてそれぞれ前記内部電極４ｄ−１、４ｄ−２の面内で一方向の伸縮を行なう。その結果、前記内部電極４ｄ−１，４ｄ−２の各面内で一方極性（正または負）の電荷が生じる。そして、この電荷が、振動検出信号として検出される(図６Ｂ参照)。なお、前記内部電極４ｄ−１に生じる電荷と前記内部電極４ｄ−２に生じる電荷とは互いに逆極性の関係である。
【００５６】
つまり、第２の積層部２の圧電活性領域群２１，２２によって、“第２の方向”の駆動（“第１の方向軸”周りの駆動）についてのみ、振動検出することができる。
なお、前記圧電シート４−２については、上述したように露出部の位置が異なるのみであり、振動検出については圧電シート４−１と同様であるので、ここでは説明を省略する。
【００５７】
以上説明したように、本第１実施形態に係る圧電素子１０では、第１の積層部１（圧電活性領域群１１，１２)中において、“第１の方向”についてのみ振動検出する為の振動検出電極形成層３を設け、第２の積層部２（圧電活性領域２１，２２）中において“第２の方向”についてのみ振動検出する為の振動検出電極形成層４を設ける構成を採る。これにより、“第１の方向”の屈曲振動と、“第２の方向”の屈曲振動とについて、別個に振動検出を行うことができる。
【００５８】
図７Ａ及び図７Ｂは、圧電素子１０の“第１の方向”における両側面（図２において矢印Ａ１，Ａ２で示す方向から観た面）の各露出部に対して設ける外部電極の一構成例を示す図である。なお、図２において矢印Ａ１で示す方向から観た面（以降、第１の側面と称する）と、矢印Ａ２で示す方向から観た面（以降、第２の側面と称する）とでは、見た目上の構成は同じである。従って、図７Ａ及び図７Ｂにおいては、それぞれ一つの図面中に、上述の両側面に対応する符号を付して、各構成部材について説明する。
・第１の側面における内部電極１ｄ−１に対応する露出部１ｄ−１ｅ同士を外部電極１ｄ−１Ｅによって短絡する。
・第２の側面における内部電極１ｄ−２に対応する露出部１ｄ−２ｅ同士を外部電極１ｄ−２Ｅによって短絡する。
・第１の側面における内部電極３ｄ−１´に対応する露出部３ｄ−１´ｅ同士を外部電極３ｄ−１´Ｅによって短絡する。
・第２の側面における内部電極３ｄ−２´に対応する露出部３ｄ−２´ｅ同士を外部電極３ｄ−２´Ｅによって短絡する。
・第１の側面における内部電極１ｄ−１´に対応する露出部１ｄ−１´ｅ同士を外部電極１ｄ−１´Ｅによって短絡する。
・第２の側面における内部電極１ｄ−２´に対応する露出部１ｄ−２´ｅ同士を外部電極１ｄ−２´Ｅによって短絡する。
・第１の側面における内部電極３ｄ−１に対応する露出部３ｄ−１ｅ同士を外部電極３ｄ−１Ｅによって短絡する。
・第２の側面における内部電極３ｄ−２に対応する露出部３ｄ−２ｅ同士を外部電極３ｄ−２Ｅによって短絡する。
【００５９】
なお、外部電極１ｄ−１Ｅ，１ｄ−２Ｅ，１ｄ−１´Ｅ，１ｄ−２´Ｅの形状としては、少なくとも各々対応する露出部に対して設けられていればよく、図７Ａに示すように略“コ字”状の形状としてもよいし、図７Ｂに示すように略“Ｉ字”状の形状としてもよい。
【００６０】
図８Ａ及び図８Ｂは、圧電素子の“第２の方向”における両側面（図２において矢印Ａ３，Ａ４で示す方向から観た面）の各露出部に対して設ける外部電極の一構成例を示す図である。なお、図２において矢印Ａ３で示す方向から観た面（以降、第３の側面と称する）と、矢印Ａ４で示す方向から観た面（以降、第４の側面と称する）とでは、見た目上の構成は同じである。従って、図８Ａ及び図８Ｂにおいては、それぞれ一つの図面中に、上述の両側面に対応する符号を付して、各構成部材について説明する。
・第３の側面における内部電極２ｄ−２に対応する露出部２ｄ−２ｅ同士を外部電極２ｄ−２Ｅによって短絡する。
・第４の側面における内部電極２ｄ−１に対応する露出部２ｄ−１ｅ同士を外部電極２ｄ−１Ｅによって短絡する。
・第３の側面における内部電極４ｄ−２´に対応する露出部４ｄ−２´ｅ同士を外部電極４ｄ−２´Ｅによって短絡する。
・第４の側面における内部電極４ｄ−１´に対応する露出部４ｄ−１´ｅ同士を外部電極４ｄ−１´Ｅによって短絡する。
・第３の側面における内部電極４ｄ−２に対応する露出部４ｄ−２ｅ同士を外部電極４ｄ−２Ｅによって短絡する。
・第４の側面における内部電極４ｄ−１に対応する露出部４ｄ−１ｅ同士を外部電極４ｄ−１Ｅによって短絡する。
・第３の側面における内部電極２ｄ−２´に対応する露出部２ｄ−２´ｅ同士を外部電極２ｄ−２´Ｅによって短絡する。
・第４の側面における内部電極２ｄ−１´に対応する露出部２ｄ−１´ｅ同士を外部電極２ｄ−１´Ｅによって短絡する。
【００６１】
なお、外部電極２ｄ−２Ｅ，２ｄ−１´Ｅ，２ｄ−２´Ｅ，２ｄ−１´Ｅの形状としては、少なくとも各々対応する露出部に対して設けられていればよく、図８Ａに示すように略“コ字”状の形状としてもよいし、図８Ｂに示すように略“Ｉ字”状の形状としてもよい。
【００６２】
以下、圧電素子１０に励起させる振動の一例について詳細に説明する。図９は、本第１実施形態に係る圧電素子を利用して、略球体形状を呈する被駆動体を多自由度に駆動する超音波モータの駆動概念を示す図である。
図９に示すように、上述した圧電素子の圧電活性領域群１１と圧電活性領域群１２とに、互いに所定の位相差を有する駆動信号（交流信号ＡＣ）をそれぞれ入力すると、当該圧電素子１０には、図１０Ａに示すように“第３の方向”への振動である縦一次振動と、図１０Ｂに示すように“第１の方向“への振動である屈曲二次振動と、を組み合わせた複合振動が励起される。この複合振動が励起された共振状態の当該圧電素子１０の端面１０ｃは、楕円軌跡を描くように振動する。
【００６３】
ここで、多自由度に（すなわち図９に示すｘ方向、ｙ方向、ｚ方向の何れにも）回転可能な球形の被駆動体５０に対して、所定の押圧部材（不図示）を利用して、当該圧電素子１０の端面１０ｃを加圧接触させると、被駆動体５０は、“第２の方向”の軸周り（矢印ｙ方向）に回転する。
【００６４】
同様の原理で、第２の積層部２の圧電活性領域群２１，２２（図９においては図示を省略）に交流信号を入力した場合、当該圧電素子１０には共振振動が励起され、端面１０ｃに対して加圧接触する被駆動体５０は、“第１の方向”の軸周り（矢印ｘ方向）の回転運動を行う。
【００６５】
なお、図示はしていないが、圧電素子１０の端面１０ｃには、被駆動体５０を摩擦駆動する為の摩擦接触子（駆動子）が設けられており、圧電素子１０は摩擦接触子を介して被駆動体５０に対して接触している。同様に図示はしていないが、被駆動体５０を上述した多自由度に（複数の軸周りに）回転可能に支持するための支持部材が設けられている。
【００６６】
そして、上述した“第１の方向”の軸周り（矢印ｘ方向）の回転運動と、“第２の方向”の軸周り（矢印ｙ方向）の回転運動とを組み合わせて実行することで、被駆動体５０を“第３の方向”の軸周り（矢印ｚ方向）に回転運動させることができる。本第１実施形態に係る圧電素子１０を用いた超音波モータにおいては、上述したように駆動信号を入力することで、球形の被駆動体５０を、多自由度に（すなわち図９に示すｘ方向、ｙ方向、ｚ方向の何れにも）駆動することができる。
【００６７】
以下、本第１実施形態に係る超音波モータにおいて、上述した駆動方法により駆動する際の振動検出方法について詳細に説明する。図１１は、本第１実施形態に係る超音波モータの駆動時の圧電素子の振動を検出する為の検出回路の一構成例を示す図である。図１２は、圧電素子１０の駆動電極形成層の内部電極に印加する駆動信号と、振動検出電極形成層の内部電極から検出される検出信号と、の位相差の一例のグラフを示す図である。
【００６８】
図１１に示す例では、前記検出回路は、公知のジェネレータ１２２ａと位相変換器１２２ｂと計算機１２２ｃとクロック１２２ｄとを備える制御部１２２と、位相差検出回路１２８−１，１２８−２と、ドライブ回路１３０−１，１３０−２と、バッファ１３５−１，１３５−２と、コンパレータ１４０−１，１４０−２と、を具備する。
前記ドライブ回路１３０−１は、外部電極１ｄ−１Ｅに接続されている。前記バッファ１３５−１は、外部電極３ｄ−１´Ｅに接続されている。前記ドライブ回路１３０−２は、外部電極２ｄ−１´Ｅに接続されている。前記バッファ１３５−２は、外部電極４ｄ−２´Ｅに接続されている。
【００６９】
すなわち、図１１に示す例の検出回路は、第１の積層部１における圧電活性領域群１１について振動検出をする為の回路と、第２の積層部２における圧電活性領域群２２について振動検出をする為の回路と、を備える。換言すれば、図１１に示す例の検出回路は、“第１の方向”における振動を検出する為の回路と、“第２の方向”における振動を検出する為の回路と、を備える。
【００７０】
詳細には、下記のように振動検出及び駆動制御を行う。まず、駆動時に振動検出電極形成層３の内部電極３ｄ−１´ｅにおいて生じた電気信号が、外部電極３ｄ−１´Ｅからバッファ１３５−１を介してコンパレータ１４０−１に入力されてＡ／Ｄ変換され、位相差検出回路１２８−１に出力される。
【００７１】
他方、制御部１２２による制御で、ドライブ回路１３０によって外部電極１ｄ−１Ｅを介して駆動電極形成層１−Ａ，１−Ｂの内部電極１ｄ−１に印加される駆動信号は、位相差位相差検出回路１２８−１にも出力されている。
そして、駆動電極形成層１−Ａ，１−Ｂの内部電極１ｄ−１に印加されている駆動信号と、振動検出電極形成層３の内部電極３ｄ−１´ｅにおいて生じた電気信号と、の位相差が、前記位相差検出回路１２８−１によって検出される。
【００７２】
さらに、制御部１２２によって、上述した処理で検出された位相差が所定の値になるように（所定の値を維持し続けるように）、駆動信号の周波数を変化させる制御が行われる。このような振動検出及び駆動制御により、例えば外的な要因で振動状態が変化するような場合であっても、当該超音波モータは安定して駆動される。
【００７３】
より具体的には、制御部１２２は、図１２に示すように所定の位相差を有する２相の駆動信号（本例では、実線で示すＡ相入力信号及び破線で示すＢ相入力信号）のうち位相が進んでいる方の信号（本例ではＢ相入力信号）の立ち下がりパルスと、一点鎖線で示す検出信号の立ち上がりパルスと、の位相差が所定の位相関係を保つように（本例では位相差が４５［ｄｅｇ］を保つように；両者の立ち上がりパルス間の位相関係で言うと位相差が１３０［ｄｅｇ］を保つように）、駆動信号の周波数を変化させる制御を行う。
【００７４】
そして、本第１実施形態に係る超音波モータは、このような補正処理を行う制御系を、２つの屈曲振動検出の為の２つの振動検出電極形成層３，４毎に個別に具備し、且つ、個別に制御する。
以上説明したように、本第１実施形態によれば、多自由度の駆動が可能な超音波モータに利用される圧電素子であって、振動状態を検出可能で且つ簡易な構成の圧電素子、及び該圧電素子を具備する超音波モータを提供することができる。
【００７５】
具体的には、第１の積層部１において駆動電極形成層１−Ａと駆動電極形成層１−Ｂとの間であって、且つ、圧電素子１０の屈曲振動における腹部近傍の位置に振動検出電極形成層３を設ける。同様に、第２の積層部２において振動検出電極形成層２−Ａと振動検出電極形成層２−Ｂとの間であって、且つ、圧電素子１０の屈曲振動における腹部近傍の位置に振動検出電極形成層４を設ける。
【００７６】
このように構成することで、圧電素子１０の“第１の方向”における屈曲振動に係る振動成分と、“第２の方向”における屈曲振動に係る振動成分とを個別に検出することが可能となり、該検出信号を利用した補正制御が可能となる。すなわち、外的要因（例えば温度変化や負荷変動等）による振動状態の変化を検出し、該検出結果に基づいて補正制御を行うことで、当該圧電素子１０を具備する多自由度駆動の超音波モータを常に安定駆動できる。
【００７７】
なお、本第１実施形態は、一体焼成されて成る積層型構造の圧電素子以外にも、複数の単板圧電素子を一体に組み合わせた構造の圧電素子や、凹部を有する金属に複数の圧電素子を組み込んで一体とした構造の圧電素子等に対しても適用できることは勿論である。また、圧電素子１０の積層方向は、“第１の方向”、“第２の方向”、“第３の方向”、又は“それらを組み合わせた方向”の何れの方向であっても構わない。
［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態に係る圧電素子及び超音波モータについて説明する。説明の重複を避ける為、前記第１実施形態との相違点のみを説明する。前記第１実施形態との主な相違点の一つは、振動検出電極形成層の構成及び外部電極の構成である。
【００７８】
図１３は、本発明の第２実施形態に係る圧電素子の一構成例を示す分解斜視図である。図１４Ａは、図１３に示す圧電素子の“第１の方向”における両側面（図２において矢印Ａ１，Ａ２で示す方向から観た面）の各露出部に対して設ける外部電極の一構成例を示す図である。図１４Ｂは、図１３に示す圧電素子の“第２の方向”における両側面（図２において矢印Ａ３，Ａ４で示す方向から観た面）の各露出部に対して設ける外部電極の一構成例を示す図である。
【００７９】
本第２実施形態に係る圧電素子１０では、第１実施形態に係る圧電素子１０の第１の積層部１における振動検出電極形成層３の代わりに、後述する振動検出電極形成層５が設けられている。同様に、第１実施形態に係る圧電素子１０の第２の積層部２における振動検出電極形成層４の代わりに、後述する振動検出電極形成層５が設けられている。
【００８０】
以下、振動検出電極形成層５について詳細に説明する。振動検出電極形成層５は、圧電シート５−１と圧電シート５−２とが交互に積層されて成る。
前記圧電シート５−１の電極形成面上には、内部電極５ｄ−１と内部電極５ｄ−２とが、当該電極形成面を“第１の方向”に二等分する線に対して対称に（“第１の方向”に並列に、且つ、略同形状に）設けられている。前記内部電極５ｄ−１には、当該圧電シート５−１の一方辺の縁部位（“第１の方向”における一方縁部位）に向かって延出された露出部５ｄ−１ｅが設けられている。前記内部電極５ｄ−２には、当該圧電シート５−１の他方辺の縁部位（前記一方縁部位の逆側の縁部位）に向かって延出された露出部５ｄ−２ｅが設けられている。
【００８１】
さらに、前記圧電シート５−１の電極形成面上には、内部電極５ｄ−３と内部電極５ｄ−４とが、当該電極形成面を“第２の方向”に二等分する線に対して対称に（“第２の方向”に並列に、且つ、略同形状に）設けられている。前記内部電極５ｄ−３には、当該圧電シート５−１の一方辺の縁部位（“第２の方向”における一方縁部位）に向かって延出された露出部５ｄ−３ｅが設けられている。前記内部電極５ｄ−４には、当該圧電シート５−１の“第２の方向”における他方辺の縁部位に向かって延出された露出部５ｄ−４ｅが設けられている。
【００８２】
同様に、前記圧電シート５−２の電極形成面上には、上述の圧電シート５−１における内部電極５ｄ−１乃至内部電極５ｄ−４にそれぞれ対応する内部電極５ｄ−１´乃至内部電極５ｄ−４´が、それぞれ対応する位置に形成されている。
これら内部電極５ｄ−１´乃至内部電極５ｄ−４´の各露出部５ｄ−１´ｅ乃至露出部５ｄ−４´ｅは、それぞれ対応する露出部５ｄ−１ｅ乃至露出部５ｄ−４ｅが延出されている辺に対応する辺に向かって設けられている。但し、露出部５ｄ−１´ｅ乃至露出部５ｄ−４´ｅは、積層された状態においてそれぞれ対応する露出部５ｄ−１ｅ乃至露出部５ｄ−４ｅと重ならない位置に設けられている。
【００８３】
上述したように、圧電シート５−１と圧電シート５−２とは、形成された内部電極のパターンが同一で且つそれら内部電極を外部へ引き出すパターンが互いに異なる圧電シートである。ところで、圧電シート５−１の分極方向と、圧電シート５−２の分極方向とは互いに逆方向である（逆の極性を有する）。
【００８４】
ここで、本第２実施形態に係る超音波モータに、２つの屈曲振動モードに対する検出回路を別個に備えさせることで、第１の積層部１と第２の積層部２とに同時に駆動信号を印加する同時駆動を行うと共に、２つの屈曲振動に対してより精度良く補正制御を行うことができる。すなわち、２つの屈曲振動モードの各々について個別の検出電極からの信号を用いた補正の制御を行うことが可能となる。この場合には、例えば所謂“差動入力”により微小駆動時の微小信号を増幅することができる。従って、当該超音波モータをより安定して駆動することができる。
【００８５】
以上説明したように、本第２実施形態によれば、前記第１実施形態に係る圧電素子及び超音波モータと同様の効果を奏する上に、圧電シートにおける電極形成面を有効活用して、より高精度な振動検出が可能な圧電素子及び超音波モータを提供することができる。
【００８６】
以上、第１実施形態乃至第２実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で、例えば次のような変形及び応用が可能なことは勿論である。
さらに、上述した実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示した複数の構成要件の適当な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示す全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成も発明として抽出され得る。
【符号の説明】
【００８７】
１…第１の積層部、 ２…第２の積層部、 １−Ａ，１−Ｂ，２−Ａ，２−Ｂ…駆動電極形成層、 １−１，１−２，２−１，２−２，３−１，３−２，４−１，４−１，５−１…圧電シート、 １ｄ−１，１ｄ−２，２ｄ−１，２ｄ−２，３ｄ−１，３ｄ−２，４ｄ−１，４ｄ−２，５ｄ−１，５ｄ−２，５ｄ−３，５ｄ−４，１ｄ−１´，１ｄ−２´，２ｄ−１´，２ｄ−２´，３ｄ−１´，３ｄ−２´，４ｄ−１´，４ｄ−２´，５ｄ−１´，５ｄ−２´，５ｄ−３´，５ｄ−４´…内部電極、１ｄ−１ｅ，１ｄ−２ｅ，２ｄ−１ｅ，２ｄ−２ｅ，３ｄ−１ｅ，３ｄ−２ｅ，４ｄ−１ｅ，４ｄ−２ｅ，５ｄ−１ｅ，５ｄ−２ｅ，５ｄ−３ｅ，５ｄ−４ｅ，１ｄ−１´ｅ，１ｄ−２´ｅ，２ｄ−１´ｅ，２ｄ−２´ｅ，３ｄ−１´ｅ，３ｄ−２´ｅ，４ｄ−１´ｅ，４ｄ−２´ｅ，５ｄ−１´ｅ，５ｄ−２´ｅ，５ｄ−３´ｅ，５ｄ−４´ｅ…露出部、 １ｄ−１Ｅ，１ｄ−２Ｅ，２ｄ−１Ｅ，２ｄ−２Ｅ，３ｄ−１Ｅ，３ｄ−２Ｅ，４ｄ−１Ｅ，４ｄ−２Ｅ，５ｄ−１Ｅ，５ｄ−２Ｅ，５ｄ−３Ｅ，５ｄ−４Ｅ，１ｄ−１´Ｅ，１ｄ−２´Ｅ，２ｄ−１´Ｅ，２ｄ−２´Ｅ，３ｄ−１´Ｅ，３ｄ−２´Ｅ，４ｄ−１´Ｅ，４ｄ−２´Ｅ，５ｄ−１´Ｅ，５ｄ−２´Ｅ，５ｄ−３´Ｅ，５ｄ−４´Ｅ…外部電極、 １０…圧電素子、 ３，４，５…振動検出電極形成層、 １１，１２，２１，２２…圧電活性領域群、 ５０…被駆動体、 １００…絶縁シート、 １２２…制御部、 １２８…位相差検出回路、 １２８…位相差位相差検出回路、 １３０…ドライブ回路、 １３５…バッファ、 １４０…コンパレータ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の駆動信号を印加されることで励起される複数の振動モードによって被駆動体を駆動する超音波振動子に用いられる圧電素子であって、
前記複数の振動モードにおける振動のうち、前記被駆動体を複数軸方向に駆動する際の推進方向の振動成分を検出する振動検出電極を含む振動検出電極層を具備し、
前記振動検出電極層は、同一周波数で互いに直交する方向の複数の屈曲振動モードにおける腹部近傍に設けられていることを特徴とする圧電素子。
【請求項２】
前記圧電素子は、第１の方向と、第２の方向と、第３の方向と、から成る三軸直交座標系において、前記第３の方向を長手方向とし、
前記圧電素子のうち、前記第３の方向について略２等分された一方側部分において、前記第１の方向に並列に配設された少なくとも２つの第１圧電活性領域と、
前記圧電素子のうち、前記第３の方向について略２等分された他方側部分において、前記第２の方向に並列に配設された少なくとも２つの第２圧電活性領域と、
を具備し、
前記第１圧電活性領域及び前記第２圧電活性領域は、
前記振動検出電極層と、
前記振動検出電極層を前記第３の方向から挟み込むように配設され、前記所定の駆動信号が印加される駆動電極層と、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
【請求項３】
前記第１圧電活性領域が具備する前記振動検出電極層は、前記第１の方向における推進方向の振動成分を検出し、
前記第２圧電活性領域が具備する前記振動検出電極層は、前記第２の方向における推進方向の振動成分を検出する
ことを特徴とする請求項２に記載の圧電素子。
【請求項４】
前記第１圧電活性領域が具備する前記振動検出電極層は、さらに前記第２の方向に並列に配設された圧電活性領域を含み、前記第１の方向における推進方向の振動成分及び前記第２の方向における推進方向の振動成分を検出し、
前記第２圧電活性領域が具備する前記振動検出電極層は、さらに前記第１の方向に並列に配設された圧電活性領域を含み、前記第１の方向における推進方向の振動成分及び前記第２の方向における推進方向の振動成分を検出する
ことを特徴とする請求項３に記載の圧電素子。
【請求項５】
略球体形状を呈する被駆動体と、
所定の駆動信号を印加されることで励起される複数の振動モードによって前記被駆動体を多自由度に駆動する圧電素子と、
前記圧電素子のうち前記被駆動体に対向する面に設けられた摩擦接触子と、
前記圧電素子に押圧力を与え、前記摩擦接触子を介して前記圧電素子を前記被駆動体に加圧接触させる押圧部材と、
前記被駆動体を複数の軸周りに回転可能に支持するための支持部材と、
前記駆動信号である２相の交番信号を出力して前記圧電素子を駆動させ、且つ、前記圧電素子の振動状態を検出する制御部と、
を具備し、
前記圧電素子は、前記複数の振動モードにおける振動のうち、前記被駆動体を複数軸方向に駆動する際の推進方向の振動成分を検出する振動検出電極を含む振動検出電極層を具備し、
前記振動検出電極は、同一周波数で互いに直交する方向の複数の屈曲振動モードにおける腹部近傍に設けられている
ことを特徴とする超音波モータ。
【請求項６】
前記圧電素子は、第１の方向と、第２の方向と、第３の方向と、から成る三軸直交座標系において、前記第３の方向を長手方向とし、
前記圧電素子のうち、前記第３の方向について略２等分された一方側部分において、前記第１の方向に並列に配設された少なくとも２つの第１圧電活性領域と、
前記圧電素子のうち、前記第３の方向について略２等分された他方側部分において、前記第２の方向に並列に配設された少なくとも２つの第２圧電活性領域と、
を具備し、
前記第１圧電活性領域及び前記第２圧電活性領域は、
前記振動検出電極層と、
前記振動検出電極層を前記第３の方向から挟み込むように配設され、前記所定の駆動信号が印加される駆動電極層と、
を含むことを特徴とする請求項５に記載の超音波モータ。
【請求項７】
前記第１圧電活性領域が具備する前記振動検出電極層は、前記第１の方向における推進方向の振動成分を検出し、
前記第２圧電活性領域が具備する前記振動検出電極層は、前記第２の方向における推進方向の振動成分を検出する
ことを特徴とする請求項６に記載の超音波モータ。
【請求項８】
前記第１圧電活性領域が具備する前記振動検出電極層は、さらに前記第２の方向に並列に配設された圧電活性領域を含み、前記第１の方向における推進方向の振動成分及び前記第２の方向における推進方向の振動成分を検出し、
前記第２圧電活性領域が具備する前記振動検出電極層は、さらに前記第１の方向に並列に配設された圧電活性領域を含み、前記第１の方向における推進方向の振動成分及び前記第２の方向における推進方向の振動成分を検出する
ことを特徴とする請求項７に記載の超音波モータ。
【請求項９】
前記制御部は、前記第１圧電活性領域が具備する前記振動検出電極層及び前記第２圧電活性領域が具備する前記振動検出電極層から出力された信号の位相と、前記駆動信号の位相との位相差が所定の値になるように、前記駆動信号の周波数を制御する
ことを特徴とする請求項６に記載の超音波モータ。
【請求項１】
所定の駆動信号を印加されることで励起される複数の振動モードによって被駆動体を駆動する超音波振動子に用いられる圧電素子であって、
前記複数の振動モードにおける振動のうち、前記被駆動体を複数軸方向に駆動する際の推進方向の振動成分を検出する振動検出電極を含む振動検出電極層を具備し、
前記振動検出電極層は、同一周波数で互いに直交する方向の複数の屈曲振動モードにおける腹部近傍に設けられていることを特徴とする圧電素子。
【請求項２】
前記圧電素子は、第１の方向と、第２の方向と、第３の方向と、から成る三軸直交座標系において、前記第３の方向を長手方向とし、
前記圧電素子のうち、前記第３の方向について略２等分された一方側部分において、前記第１の方向に並列に配設された少なくとも２つの第１圧電活性領域と、
前記圧電素子のうち、前記第３の方向について略２等分された他方側部分において、前記第２の方向に並列に配設された少なくとも２つの第２圧電活性領域と、
を具備し、
前記第１圧電活性領域及び前記第２圧電活性領域は、
前記振動検出電極層と、
前記振動検出電極層を前記第３の方向から挟み込むように配設され、前記所定の駆動信号が印加される駆動電極層と、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
【請求項３】
前記第１圧電活性領域が具備する前記振動検出電極層は、前記第１の方向における推進方向の振動成分を検出し、
前記第２圧電活性領域が具備する前記振動検出電極層は、前記第２の方向における推進方向の振動成分を検出する
ことを特徴とする請求項２に記載の圧電素子。
【請求項４】
前記第１圧電活性領域が具備する前記振動検出電極層は、さらに前記第２の方向に並列に配設された圧電活性領域を含み、前記第１の方向における推進方向の振動成分及び前記第２の方向における推進方向の振動成分を検出し、
前記第２圧電活性領域が具備する前記振動検出電極層は、さらに前記第１の方向に並列に配設された圧電活性領域を含み、前記第１の方向における推進方向の振動成分及び前記第２の方向における推進方向の振動成分を検出する
ことを特徴とする請求項３に記載の圧電素子。
【請求項５】
略球体形状を呈する被駆動体と、
所定の駆動信号を印加されることで励起される複数の振動モードによって前記被駆動体を多自由度に駆動する圧電素子と、
前記圧電素子のうち前記被駆動体に対向する面に設けられた摩擦接触子と、
前記圧電素子に押圧力を与え、前記摩擦接触子を介して前記圧電素子を前記被駆動体に加圧接触させる押圧部材と、
前記被駆動体を複数の軸周りに回転可能に支持するための支持部材と、
前記駆動信号である２相の交番信号を出力して前記圧電素子を駆動させ、且つ、前記圧電素子の振動状態を検出する制御部と、
を具備し、
前記圧電素子は、前記複数の振動モードにおける振動のうち、前記被駆動体を複数軸方向に駆動する際の推進方向の振動成分を検出する振動検出電極を含む振動検出電極層を具備し、
前記振動検出電極は、同一周波数で互いに直交する方向の複数の屈曲振動モードにおける腹部近傍に設けられている
ことを特徴とする超音波モータ。
【請求項６】
前記圧電素子は、第１の方向と、第２の方向と、第３の方向と、から成る三軸直交座標系において、前記第３の方向を長手方向とし、
前記圧電素子のうち、前記第３の方向について略２等分された一方側部分において、前記第１の方向に並列に配設された少なくとも２つの第１圧電活性領域と、
前記圧電素子のうち、前記第３の方向について略２等分された他方側部分において、前記第２の方向に並列に配設された少なくとも２つの第２圧電活性領域と、
を具備し、
前記第１圧電活性領域及び前記第２圧電活性領域は、
前記振動検出電極層と、
前記振動検出電極層を前記第３の方向から挟み込むように配設され、前記所定の駆動信号が印加される駆動電極層と、
を含むことを特徴とする請求項５に記載の超音波モータ。
【請求項７】
前記第１圧電活性領域が具備する前記振動検出電極層は、前記第１の方向における推進方向の振動成分を検出し、
前記第２圧電活性領域が具備する前記振動検出電極層は、前記第２の方向における推進方向の振動成分を検出する
ことを特徴とする請求項６に記載の超音波モータ。
【請求項８】
前記第１圧電活性領域が具備する前記振動検出電極層は、さらに前記第２の方向に並列に配設された圧電活性領域を含み、前記第１の方向における推進方向の振動成分及び前記第２の方向における推進方向の振動成分を検出し、
前記第２圧電活性領域が具備する前記振動検出電極層は、さらに前記第１の方向に並列に配設された圧電活性領域を含み、前記第１の方向における推進方向の振動成分及び前記第２の方向における推進方向の振動成分を検出する
ことを特徴とする請求項７に記載の超音波モータ。
【請求項９】
前記制御部は、前記第１圧電活性領域が具備する前記振動検出電極層及び前記第２圧電活性領域が具備する前記振動検出電極層から出力された信号の位相と、前記駆動信号の位相との位相差が所定の値になるように、前記駆動信号の周波数を制御する
ことを特徴とする請求項６に記載の超音波モータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４Ａ】
【図１４Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４Ａ】
【図１４Ｂ】
【公開番号】特開２０１２−１７０２５５（Ｐ２０１２−１７０２５５Ａ）
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２９８３８（Ｐ２０１１−２９８３８）
【出願日】平成２３年２月１５日（２０１１．２．１５）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月１５日（２０１１．２．１５）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
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