超音波モータ駆動装置
【課題】 長時間駆動させても外部電極が破断することのない信頼性に優れた超音波モータ駆動装置を提供する。
【解決手段】 圧電素子を備えたランジュバン型の２個の超音波振動子と、前記２個の超音波振動子を所定の角度で保持する保持部材と、略Ｖ字型の形状を有し、その頂点部で被駆動体と接し、その端部で前記２個の超音波振動子と接続された接触部材と、を備えた超音波モータの駆動装置であって、
前記圧電素子の一側面に形成された略長方形の外部電極の長辺と平行な対称線と前記圧電素子に形成された円柱孔の軸とを含む面と、前記超音波モータの駆動装置の駆動面と平行な面と、によって形成される２面角が４５〜１３５度であることを特徴とする超音波モータ駆動装置。
【解決手段】 圧電素子を備えたランジュバン型の２個の超音波振動子と、前記２個の超音波振動子を所定の角度で保持する保持部材と、略Ｖ字型の形状を有し、その頂点部で被駆動体と接し、その端部で前記２個の超音波振動子と接続された接触部材と、を備えた超音波モータの駆動装置であって、
前記圧電素子の一側面に形成された略長方形の外部電極の長辺と平行な対称線と前記圧電素子に形成された円柱孔の軸とを含む面と、前記超音波モータの駆動装置の駆動面と平行な面と、によって形成される２面角が４５〜１３５度であることを特徴とする超音波モータ駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波モータ駆動装置に関するもので、より具体的には、長時間駆動させても外部電極が破断することのない超音波モータ駆動装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、図７に示すように、２個の超音波振動子１０１ａ・１０１ｂと、超音波振動子１０１ａ・１０１ｂを所定の角度（例えば、９０度）で保持する保持部材１０２と、略Ｖ字型の形状を有し、その頂点部で被駆動体であるロータ１０５と接し、その端部（Ｖ字型の開いている方）で超音波振動子１０１ａ・１０１ｂと接続された接触部材１０３と、を備えた共振型の超音波モータ１００が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この超音波モータ１００では、超音波振動子１０１ａ・１０１ｂを位相が９０度ずれた共振周波数でそれぞれ駆動することにより、接触部材１０３の先端部には楕円運動が生ずる。楕円運動する接触部材１０３を一定の力でロータ１０５の端面に押し付けると、接触部材１０３とロータ１０５との間に生ずる摩擦力によってロータ１０５の外周の接線方向への推力が加わるために、ロータ１０５を回転させることができる（「共振駆動」という）。
【特許文献１】特開２０００−１５２６７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、本発明の超音波振動子の圧電素子は、後で詳細に説明する２個のリング状の積層型圧電セラミックスを構成部品としているが、この積層型圧電セラミックスの内部電極と通電する外部電極が、超音波モータ駆動装置を長時間駆動させると破断して不具合を発生するという課題があった。
【０００５】
本発明者らは、前記した課題を解決するために鋭意検討して本発明を完成したものであり、本発明は、長時間駆動させても外部電極が破断することのない信頼性に優れた超音波モータ駆動装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記した本発明の目的は、下記した手段によって解決することができる。
（１）圧電素子を備えたランジュバン型の２個の超音波振動子と、前記２個の超音波振動子を所定の角度で保持する保持部材と、略Ｖ字型の形状を有し、その頂点部で被駆動体と接し、その端部で前記２個の超音波振動子と接続された接触部材と、を備えた超音波モータの駆動装置であって、
前記圧電素子の一側面に形成された略長方形の外部電極の長辺と平行な対称線と前記圧電素子に形成された円柱孔の軸とを含む面と、前記超音波モータの駆動装置の駆動面と平行な面と、によって形成される２面角が４５〜１３５度であることを特徴とする超音波モータ駆動装置。
【０００７】
（２）前記圧電素子の一側面に形成された略長方形の外部電極の長辺と平行な対称線と前記圧電素子に形成された円柱孔の軸とを含む面と、前記超音波モータの駆動装置の駆動面と平行な面と、によって形成される２面角が略９０度であることを特徴とする（１）に記載の超音波モータ駆動装置。
【発明の効果】
【０００８】
本発明により、長時間駆動させても外部電極が破断することのない超音波モータ駆動装置を信頼性良く提供できる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１は超音波モータ１０の概略構成を示す説明図である。この超音波モータ１０は、先に図７に示した超音波モータ１００と同じ構造を有するが、改めてより詳しく超音波モータ１０の構造について説明する。
【００１０】
超音波モータ１０は、ランジュバン型の構造を有する２個の超音波振動子１１ａ・１１ｂと、超音波振動子１１ａ・１１ｂを９０度の角度で保持する保持部材１２と、被駆動体１５に接する略Ｖ字型の形状を有する接触部材１３とを有している。保持部材１２には押圧機構１４が取り付けられており、押圧機構１４は所定の力で接触部材１３を被駆動体１５に押しあてている。
【００１１】
超音波振動子１１ａ・１１ｂは同じ構造を有する。超音波振動子１１ａは、両端がネジ切りされたボルト２１と、ボルト２１のネジ溝に嵌合するネジ穴を有する袋ナット２２と、ボルト２１を通すことができる円柱孔を具備する２枚のリング状の圧電板２３ａ・２３ｂと、ボルト２１を通すことができるリング状の電極板２４ａ〜２４ｃとを有している。超音波振動子１１ｂは、超音波振動子１１ａと同様に、ボルト２１´と、袋ナット２２´と、２枚のリング状の圧電板２３ａ´・２３ｂ´と、リング状の電極板２４ａ´〜２４ｃ´とを有している。圧電板２３ａ・２３ｂ・２３ａ´・２３ｂ´の表裏面には電極（図示せず）が形成されている。
【００１２】
保持部材１２にはボルト２１を通すための孔部が設けられている。接触部材１３は、被駆動体１５に接する当接部１３ａと、超音波振動子１１ａ・１１ｂと連結される連結部１３ｂ・１３ｂ´と、当接部１３ａと連結部１３ｂ・１３ｂ´とを連結するネック部１３ｃ・１３ｃ´から構成されており、連結部１３ｂ・１３ｂ´にはそれぞれボルト２１・２１´のネジ溝に嵌合するネジ穴が形成されている。なお、圧電板２３ａ・２３ｂは袋ナット２２と接触部材１３の連結部１３ｂによって所定の力で締め付けられ、これによってランジュバン型の超音波振動子１１ａが得られることから、接触部材１３の連結部１３ｂは超音波振動子１１ａの構成要素でもある。同様に、連結部１３ｂ´は超音波振動子１１ｂの構成要素でもある。
【００１３】
図１に示されるように、圧電板２３ａ・２３ｂが電極板２４ａ〜２４ｃに挟まれるように配置し、これら圧電板２３ａ・２３ｂと電極板２４ａ〜２４ｃおよび保持部材１２の孔部にボルト２１を通し、ボルト２１の端部にそれぞれ接触部材１３と袋ナット２２を取り付ける。これによって圧電板２３ａ・２３ｂは所定の力で締め付けられる。このように、超音波モータ１０においては、接触部材１３は被駆動体１５に推力を与えるだけでなく、圧電板２３ａ・２３ｂを締め付けてランジュバン型振動子を構成する部材としての役割を担っている。勿論、２個のナットで圧電体２３ａ・２３ｂを締め付けて構成されるランジュバン型振動子を準備し、一方のナットを接触部材１３の連結部１３ｂにネジ止めや接着剤による接着や溶接等によって取り付けることによって、超音波モータ１０と同等の超音波モータを構成してもよい。
【００１４】
圧電板２３ａ・２３ｂには、ＰＺＴ系等の圧電セラミックスが好適に用いられる。圧電板２３ａ・２３ｂの分極の向きは、圧電板２３ａ・２３ｂの間に挟まれている電極板２４ｂについて対称となっている。また、電極板２４ａ・２４ｃは互いに電気的に接続されている。したがって、電極板２４ｂと電極板２４ｃとの間に電圧を印加すると、圧電板２３ａ・２３ｂには同じ位相で変位（振動）が生ずる。つまり、圧電板２３ａ・２３ｂがその厚み方向に共に伸び、または、共に縮む。
【００１５】
通常、ボルト２１と袋ナット２２と保持部材１２は金属製であり、この場合には電極板２４ａ・２４ｃは保持部材１２を介して袋ナット２２と導通する。このため、保持部材１２または超音波振動子１１ａの袋ナット２２を圧電体２３ａ・２３ｂを駆動するための接地電極として用いることができ、このときに超音波振動子１１ｂが具備する圧電板２３ａ´・２３ｂ´を駆動するためのアースを同時にとることができる。
【００１６】
超音波振動子１１ａの圧電板２３ａ・２３ｂを伸縮させ、またこれと同時に超音波振動子１１ｂの圧電板２３ａ´・２３ｂ´を伸縮させた際には、接触部材１３のネック部１３ｃ・１３ｃ´が適度にしなって、超音波振動子１１ａ・１１ｂの変位が当接部１３ａにおいて合成され、これによって当接部１３ａが変位する構成となっている。
【００１７】
接触部材１３には、耐摩耗性に優れる材料、例えば、ステンレスや超硬合金等の金属材料や、アルミナや窒化ケイ素、炭化ケイ素等のセラミックスが用いられる。接触部材１３が金属製であれば、接触部材１３にボルト２１と連結するためのネジ溝を形成することが容易である。接触部材１３が金属製であっても、接触部材１３は電極板２４ａと導通するために、保持部材１２または超音波振動子１１ａ・１１ｂの袋ナット２２・２２´のいずれかを接地すれば、ヘッド１３もまた接地される。なお、ヘッド１３を金属材料で作製し、その当接部１３ａの表面に窒化ケイ素等のコーティングを施すことも好ましい。また、接触部材１３を金属材料で作製し、当接部１３ａにセラミック部材を配設し、このセラミック部材が実質的に被駆動体１５と接するようにしてもよい。
【００１８】
押圧機構１４としては、例えば、エアーシリンダや油圧シリンダ、スプリングコイル等が用いられる。
【００１９】
このような構造を有する超音波モータ１０を共振駆動する場合には、超音波振動子１１ａと超音波振動子１１ｂとを、位相が９０度ずれた交流電圧で駆動する。例えば、図１に示されるように、超音波振動子１１ａの電極板２４ｂにＶ＝Ｖ0ｓｉｎ（２πｆｔ）（Ｖ0；ゼロ−ピーク電圧、ｆ；周波数、ｔ；時間）の交流電圧を印加し、これと同時に超音波振動子１１ｂの電極板２４ｂ´にＶ＝Ｖ0ｃｏｓ（２πｆｔ）の交流電圧を印加する。これによって超音波振動子１１ａ・１１ｂが伸縮し、当接部１３ａには図１に示すような反時計回りの楕円運動が生じ、被駆動体１５は＋Ｘの向きに移動する。（ここで、図１に示した楕円を含む面を、本発明では、超音波モータの駆動装置の駆動面と定義する。）
【００２０】
逆に超音波振動子１１ａにＶ＝Ｖ0ｃｏｓ（２πｆｔ）を印加し、超音波振動子１１ｂにＶ＝Ｖ0ｓｉｎ（２πｆｔ）の交流電圧を印加すれば、時計回りの楕円運動が生じるために、被駆動体１５を−Ｘの向きに移動させることができる。また、超音波振動子１１ａにＶ＝Ｖ0ｓｉｎ（２πｆｔ）を印加し、超音波振動子１１ｂにＶ＝−Ｖ0ｃｏｓ（２πｆｔ）の交流電圧を印加すれば、時計回りの楕円運動が生じるために、被駆動体１５を−Ｘの向きに移動させることができる。
【００２１】
次に、本発明に係わる圧電素子とこの側面に形成した略長方形の外部電極の概略構成について詳細に説明する。
上記した超音波振動子では、圧電素子として２枚の圧電板を用いた例で説明したが、本発明では、圧電素子として２個のリング状の積層型圧電セラミックスを構成部品としている。その理由は、従来の圧電板を用いた場合よりも低い電圧で駆動でき、特別な高電圧を出力できる駆動電源を用意する必要がなくなるからである。
ここで、図２に本発明に係るリング状の積層型圧電セラミックスの概略構成を示す斜視図（ａ）と略長方形の外部電極の長辺と平行な対称線と積層型圧電セラミックスの円柱孔の軸と、を含む面での縦断面図（ｂ）を示した。（図２（ｂ）では、３枚の圧電セラミックス層を積層した場合を模式的に図示した。）
【００２２】
図２において、１は上部電極で、２は下部電極である。略長方形の外部電極３は、上部電極１と内部電極４に電気的に接続されている。（外部電極３とは反対側の側面には、下部電極２と内部電極４´に電気的に接続されている外部電極３´が形成されている。）積層型圧電セラミックスは中央に円柱孔５を具備するリング状を呈している。
ここで、２枚の圧電板を用いた図１の従来例で説明したと同様に、本発明に係る超音波振動子は、２個の同一形状の積層型圧電セラミックスが３枚の電極板に挟まれて、図２（ｂ）において図示する円柱孔の軸が互いに同一となるように組み立てられている。したがって、本発明にて定義する圧電素子に形成された円柱孔の軸とは、図２（ｂ）において図示する円柱孔の軸と同一である。
【００２３】
図３には、外部電極３の拡大概略模式図を示した。本発明では、図３に示した外部電極の略長方形の長辺と平行な対象線と、図２の（ｂ）にて図示した積層型圧電セラミックスの円柱孔の軸（圧電素子に形成された円柱孔の軸と同一である。）と、を含む面を発明を特定するための構成要件としている。
【００２４】
図４に、本発明の特定事項を説明するための図を示した。すなわち、 図４は、圧電素子の一側面に形成された略長方形の外部電極の長辺と平行な対称線と前記圧電素子に形成された円柱孔の軸（積層型圧電セラミックスに形成された円柱孔の軸と同一である。）とを含む面と、前記超音波モータの駆動装置の駆動面（図１に示した楕円を含む面と同一である。）と平行な面と、によって形成される２面角を説明するための図である。（２つの面を両方とも直線視したときの図である。）
図４において、ａは、超音波モータの駆動装置の駆動面と平行な面を直線視したときの直線で、ｂは、圧電素子の一側面に形成された略長方形の外部電極の長辺と平行な対称線と前記圧電素子に形成された円柱孔の軸とを含む面を直線視したときの直線であり、αは前記２面により形成される２面角である。
【００２５】
ここで、本発明では、圧電素子を備えたランジュバン型の２個の超音波振動子と、前記２個の超音波振動子を所定の角度で保持する保持部材と、略Ｖ字型の形状を有し、その頂点部で被駆動体と接し、その端部で前記２個の超音波振動子と接続された接触部材と、を備えた超音波モータの駆動装置であって、
前記圧電素子の一側面に形成された略長方形の外部電極の長辺と平行な対称線と前記圧電素子に形成された円柱孔の軸とを含む面と、前記超音波モータの駆動装置の駆動面と平行な面と、によって形成される２面角が４５〜１３５度であることを特徴とする超音波モータ駆動装置を提案している。
【００２６】
すなわち、上記図４で説明したように、２面角αが４５〜１３５度であることを特徴とする超音波モータ駆動装置を提案している。
ここで、２面角αが４５〜１３５度の範囲以内を超えた角度であると、長時間駆動させても外部電極が破断することのない超音波モータ駆動装置を信頼性良く提供できなくなるので好ましくない。その理由は、２面角αを４５〜１３５度の範囲以内を超えた角度とすると、超音波モータ駆動装置の駆動時に圧電素子の屈曲振動により発生する応力の外部電極への影響が無視できなくなるほど大きくなるため外部電極が破断するものと推論される。
【００２７】
より好ましくは、前記２面角αが略９０度であると、圧電素子の屈曲振動により発生する応力の外部電極への影響を最小にすることができるため好ましい。（請求項２係る特定事項である。）
【００２８】
以下に本発明を実施例と比較例により詳細に説明する。
（実施例）
実施例として用いた超音波モータ駆動装置の積層型圧電セラミックス（積層数としては７層とした。）は、外径２０ｍｍ、円柱孔の径１１ｍｍで、厚み４．５ｍｍのものを公知の方法にて作成した。なお、内部電極としては、銀−パラジウム電極を、外部電極と上部電極および下部電極には銀電極を用いた。その他の構成部品の組み立て方法については、上記した従来例と同様にして超音波モータ駆動装置を得た。
図５は、本発明の実施例の超音波モータ駆動装置の概略構成を模式的に示した説明図である。
図５に示したように、本発明の超音波モータ駆動装置は、圧電素子を備えたランジュバン型の２個の超音波振動子１１ａ，１１ｂと、前記２個の超音波振動子を所定の角度で保持する保持部材１２と、略Ｖ字型の形状を有し、その頂点部で被駆動体と接し、その端部で前記２個の超音波振動子と接続された接触部材６とを有している。
また、超音波振動子１１ａにおける圧電素子は、前記したように２個の同一形状の積層型圧電セラミックス７が電極板２４ｂを挟んで対象となるように、かつ、円柱孔の軸が同一となるように組み立てられている。（超音波振動子１１ｂについても同様にして圧電素子を組み立てた。）ここで、外部電極３は図示しない上部電極と接続しており、これと反対側の側面には下部電極と接続された外部電極３´（実施例では、図示せず。）が形成されている。
さらに、実施例では、前記圧電素子の一側面に形成された略長方形の外部電極の長辺と平行な対称線と前記圧電素子に形成された円柱孔の軸とを含む面と、前記超音波モータの駆動装置の駆動面と平行な面と、によって形成される２面角が９０度となるようにした。 次に、本発明の超音波モータ駆動装置をストローク300mmのステージ取り付け、フィードバックコントローラを用いて加速度3G、速度1.5m/secで往復駆動試験を行ったところ、駆動距離換算で４００Ｋｍを超える駆動試験においても圧電素子の外部電極の疲労破壊により破断や亀裂は認められなかった。
また、前記２面角を４５度または１３５度とした場合も、駆動距離換算で３００Ｋｍの駆動試験においても圧電素子の外部電極の疲労破壊により破断や亀裂は認められなかった。
【００２９】
（比較例）図６は、本発明の比較例の超音波モータ駆動装置の概略構成を模式的に示した説明図である。
比較例では、前記圧電素子の一側面に形成された略長方形の外部電極の長辺と平行な対称線と前記圧電素子に形成された円柱孔の軸とを含む面と、前記超音波モータの駆動装置の駆動面と平行な面と、によって形成される２面角が０度（前記２面が互いに平行である場合。）となるようにした。
その結果、駆動距離換算で約１００ｍの駆動で圧電素子の外部電極が疲労破壊により破断した。
【００３０】
以上説明したように、本発明によれば、長時間駆動させても圧電素子の外部電極が破断することのない信頼性に優れた超音波モータ駆動装置が得られることが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の超音波モータ駆動装置の概略構成を示す説明図である。
【図２】本発明に係る積層型圧電セラミックスの概略構成を示す斜視図と断面図である。
【図３】本発明に係る略長方形の外部電極の拡大概略模式図である。
【図４】本発明の特定事項を説明するための図である 。
【図５】本発明の実施例の超音波モータ駆動装置の概略構成を示す説明図である。
【図６】本発明の比較例の超音波モータ駆動装置の概略構成を示す説明図である。
【図７】従来の超音波モータの一例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３２】
１；上部電極
２；下部電極
３，３´；外部電極
４，４´；内部電極
５；円柱孔
６；接触部材
７；積層型圧電セラミックス
１０；超音波モータ
１１ａ・１１ｂ；超音波振動子
１２；保持部材
１３；接触部材
１３ａ；当接部
１３ｂ；連結部
１３ｃ；ネック部
１４；押圧機構
１５；被駆動体
２１・２１´；ボルト
２２・２２´；袋ナット
２３ａ・２３ｂ・２３ａ´・２３ｂ´；圧電板
２４ａ〜２４ｃ；２４ａ´〜２４ｃ´；電極板
１００；超音波モータ
１０１ａ・１０１ｂ；超音波振動子
１０２；保持部材
１０３；接触部材
１０５；ロータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波モータ駆動装置に関するもので、より具体的には、長時間駆動させても外部電極が破断することのない超音波モータ駆動装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、図７に示すように、２個の超音波振動子１０１ａ・１０１ｂと、超音波振動子１０１ａ・１０１ｂを所定の角度（例えば、９０度）で保持する保持部材１０２と、略Ｖ字型の形状を有し、その頂点部で被駆動体であるロータ１０５と接し、その端部（Ｖ字型の開いている方）で超音波振動子１０１ａ・１０１ｂと接続された接触部材１０３と、を備えた共振型の超音波モータ１００が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この超音波モータ１００では、超音波振動子１０１ａ・１０１ｂを位相が９０度ずれた共振周波数でそれぞれ駆動することにより、接触部材１０３の先端部には楕円運動が生ずる。楕円運動する接触部材１０３を一定の力でロータ１０５の端面に押し付けると、接触部材１０３とロータ１０５との間に生ずる摩擦力によってロータ１０５の外周の接線方向への推力が加わるために、ロータ１０５を回転させることができる（「共振駆動」という）。
【特許文献１】特開２０００−１５２６７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、本発明の超音波振動子の圧電素子は、後で詳細に説明する２個のリング状の積層型圧電セラミックスを構成部品としているが、この積層型圧電セラミックスの内部電極と通電する外部電極が、超音波モータ駆動装置を長時間駆動させると破断して不具合を発生するという課題があった。
【０００５】
本発明者らは、前記した課題を解決するために鋭意検討して本発明を完成したものであり、本発明は、長時間駆動させても外部電極が破断することのない信頼性に優れた超音波モータ駆動装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記した本発明の目的は、下記した手段によって解決することができる。
（１）圧電素子を備えたランジュバン型の２個の超音波振動子と、前記２個の超音波振動子を所定の角度で保持する保持部材と、略Ｖ字型の形状を有し、その頂点部で被駆動体と接し、その端部で前記２個の超音波振動子と接続された接触部材と、を備えた超音波モータの駆動装置であって、
前記圧電素子の一側面に形成された略長方形の外部電極の長辺と平行な対称線と前記圧電素子に形成された円柱孔の軸とを含む面と、前記超音波モータの駆動装置の駆動面と平行な面と、によって形成される２面角が４５〜１３５度であることを特徴とする超音波モータ駆動装置。
【０００７】
（２）前記圧電素子の一側面に形成された略長方形の外部電極の長辺と平行な対称線と前記圧電素子に形成された円柱孔の軸とを含む面と、前記超音波モータの駆動装置の駆動面と平行な面と、によって形成される２面角が略９０度であることを特徴とする（１）に記載の超音波モータ駆動装置。
【発明の効果】
【０００８】
本発明により、長時間駆動させても外部電極が破断することのない超音波モータ駆動装置を信頼性良く提供できる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１は超音波モータ１０の概略構成を示す説明図である。この超音波モータ１０は、先に図７に示した超音波モータ１００と同じ構造を有するが、改めてより詳しく超音波モータ１０の構造について説明する。
【００１０】
超音波モータ１０は、ランジュバン型の構造を有する２個の超音波振動子１１ａ・１１ｂと、超音波振動子１１ａ・１１ｂを９０度の角度で保持する保持部材１２と、被駆動体１５に接する略Ｖ字型の形状を有する接触部材１３とを有している。保持部材１２には押圧機構１４が取り付けられており、押圧機構１４は所定の力で接触部材１３を被駆動体１５に押しあてている。
【００１１】
超音波振動子１１ａ・１１ｂは同じ構造を有する。超音波振動子１１ａは、両端がネジ切りされたボルト２１と、ボルト２１のネジ溝に嵌合するネジ穴を有する袋ナット２２と、ボルト２１を通すことができる円柱孔を具備する２枚のリング状の圧電板２３ａ・２３ｂと、ボルト２１を通すことができるリング状の電極板２４ａ〜２４ｃとを有している。超音波振動子１１ｂは、超音波振動子１１ａと同様に、ボルト２１´と、袋ナット２２´と、２枚のリング状の圧電板２３ａ´・２３ｂ´と、リング状の電極板２４ａ´〜２４ｃ´とを有している。圧電板２３ａ・２３ｂ・２３ａ´・２３ｂ´の表裏面には電極（図示せず）が形成されている。
【００１２】
保持部材１２にはボルト２１を通すための孔部が設けられている。接触部材１３は、被駆動体１５に接する当接部１３ａと、超音波振動子１１ａ・１１ｂと連結される連結部１３ｂ・１３ｂ´と、当接部１３ａと連結部１３ｂ・１３ｂ´とを連結するネック部１３ｃ・１３ｃ´から構成されており、連結部１３ｂ・１３ｂ´にはそれぞれボルト２１・２１´のネジ溝に嵌合するネジ穴が形成されている。なお、圧電板２３ａ・２３ｂは袋ナット２２と接触部材１３の連結部１３ｂによって所定の力で締め付けられ、これによってランジュバン型の超音波振動子１１ａが得られることから、接触部材１３の連結部１３ｂは超音波振動子１１ａの構成要素でもある。同様に、連結部１３ｂ´は超音波振動子１１ｂの構成要素でもある。
【００１３】
図１に示されるように、圧電板２３ａ・２３ｂが電極板２４ａ〜２４ｃに挟まれるように配置し、これら圧電板２３ａ・２３ｂと電極板２４ａ〜２４ｃおよび保持部材１２の孔部にボルト２１を通し、ボルト２１の端部にそれぞれ接触部材１３と袋ナット２２を取り付ける。これによって圧電板２３ａ・２３ｂは所定の力で締め付けられる。このように、超音波モータ１０においては、接触部材１３は被駆動体１５に推力を与えるだけでなく、圧電板２３ａ・２３ｂを締め付けてランジュバン型振動子を構成する部材としての役割を担っている。勿論、２個のナットで圧電体２３ａ・２３ｂを締め付けて構成されるランジュバン型振動子を準備し、一方のナットを接触部材１３の連結部１３ｂにネジ止めや接着剤による接着や溶接等によって取り付けることによって、超音波モータ１０と同等の超音波モータを構成してもよい。
【００１４】
圧電板２３ａ・２３ｂには、ＰＺＴ系等の圧電セラミックスが好適に用いられる。圧電板２３ａ・２３ｂの分極の向きは、圧電板２３ａ・２３ｂの間に挟まれている電極板２４ｂについて対称となっている。また、電極板２４ａ・２４ｃは互いに電気的に接続されている。したがって、電極板２４ｂと電極板２４ｃとの間に電圧を印加すると、圧電板２３ａ・２３ｂには同じ位相で変位（振動）が生ずる。つまり、圧電板２３ａ・２３ｂがその厚み方向に共に伸び、または、共に縮む。
【００１５】
通常、ボルト２１と袋ナット２２と保持部材１２は金属製であり、この場合には電極板２４ａ・２４ｃは保持部材１２を介して袋ナット２２と導通する。このため、保持部材１２または超音波振動子１１ａの袋ナット２２を圧電体２３ａ・２３ｂを駆動するための接地電極として用いることができ、このときに超音波振動子１１ｂが具備する圧電板２３ａ´・２３ｂ´を駆動するためのアースを同時にとることができる。
【００１６】
超音波振動子１１ａの圧電板２３ａ・２３ｂを伸縮させ、またこれと同時に超音波振動子１１ｂの圧電板２３ａ´・２３ｂ´を伸縮させた際には、接触部材１３のネック部１３ｃ・１３ｃ´が適度にしなって、超音波振動子１１ａ・１１ｂの変位が当接部１３ａにおいて合成され、これによって当接部１３ａが変位する構成となっている。
【００１７】
接触部材１３には、耐摩耗性に優れる材料、例えば、ステンレスや超硬合金等の金属材料や、アルミナや窒化ケイ素、炭化ケイ素等のセラミックスが用いられる。接触部材１３が金属製であれば、接触部材１３にボルト２１と連結するためのネジ溝を形成することが容易である。接触部材１３が金属製であっても、接触部材１３は電極板２４ａと導通するために、保持部材１２または超音波振動子１１ａ・１１ｂの袋ナット２２・２２´のいずれかを接地すれば、ヘッド１３もまた接地される。なお、ヘッド１３を金属材料で作製し、その当接部１３ａの表面に窒化ケイ素等のコーティングを施すことも好ましい。また、接触部材１３を金属材料で作製し、当接部１３ａにセラミック部材を配設し、このセラミック部材が実質的に被駆動体１５と接するようにしてもよい。
【００１８】
押圧機構１４としては、例えば、エアーシリンダや油圧シリンダ、スプリングコイル等が用いられる。
【００１９】
このような構造を有する超音波モータ１０を共振駆動する場合には、超音波振動子１１ａと超音波振動子１１ｂとを、位相が９０度ずれた交流電圧で駆動する。例えば、図１に示されるように、超音波振動子１１ａの電極板２４ｂにＶ＝Ｖ0ｓｉｎ（２πｆｔ）（Ｖ0；ゼロ−ピーク電圧、ｆ；周波数、ｔ；時間）の交流電圧を印加し、これと同時に超音波振動子１１ｂの電極板２４ｂ´にＶ＝Ｖ0ｃｏｓ（２πｆｔ）の交流電圧を印加する。これによって超音波振動子１１ａ・１１ｂが伸縮し、当接部１３ａには図１に示すような反時計回りの楕円運動が生じ、被駆動体１５は＋Ｘの向きに移動する。（ここで、図１に示した楕円を含む面を、本発明では、超音波モータの駆動装置の駆動面と定義する。）
【００２０】
逆に超音波振動子１１ａにＶ＝Ｖ0ｃｏｓ（２πｆｔ）を印加し、超音波振動子１１ｂにＶ＝Ｖ0ｓｉｎ（２πｆｔ）の交流電圧を印加すれば、時計回りの楕円運動が生じるために、被駆動体１５を−Ｘの向きに移動させることができる。また、超音波振動子１１ａにＶ＝Ｖ0ｓｉｎ（２πｆｔ）を印加し、超音波振動子１１ｂにＶ＝−Ｖ0ｃｏｓ（２πｆｔ）の交流電圧を印加すれば、時計回りの楕円運動が生じるために、被駆動体１５を−Ｘの向きに移動させることができる。
【００２１】
次に、本発明に係わる圧電素子とこの側面に形成した略長方形の外部電極の概略構成について詳細に説明する。
上記した超音波振動子では、圧電素子として２枚の圧電板を用いた例で説明したが、本発明では、圧電素子として２個のリング状の積層型圧電セラミックスを構成部品としている。その理由は、従来の圧電板を用いた場合よりも低い電圧で駆動でき、特別な高電圧を出力できる駆動電源を用意する必要がなくなるからである。
ここで、図２に本発明に係るリング状の積層型圧電セラミックスの概略構成を示す斜視図（ａ）と略長方形の外部電極の長辺と平行な対称線と積層型圧電セラミックスの円柱孔の軸と、を含む面での縦断面図（ｂ）を示した。（図２（ｂ）では、３枚の圧電セラミックス層を積層した場合を模式的に図示した。）
【００２２】
図２において、１は上部電極で、２は下部電極である。略長方形の外部電極３は、上部電極１と内部電極４に電気的に接続されている。（外部電極３とは反対側の側面には、下部電極２と内部電極４´に電気的に接続されている外部電極３´が形成されている。）積層型圧電セラミックスは中央に円柱孔５を具備するリング状を呈している。
ここで、２枚の圧電板を用いた図１の従来例で説明したと同様に、本発明に係る超音波振動子は、２個の同一形状の積層型圧電セラミックスが３枚の電極板に挟まれて、図２（ｂ）において図示する円柱孔の軸が互いに同一となるように組み立てられている。したがって、本発明にて定義する圧電素子に形成された円柱孔の軸とは、図２（ｂ）において図示する円柱孔の軸と同一である。
【００２３】
図３には、外部電極３の拡大概略模式図を示した。本発明では、図３に示した外部電極の略長方形の長辺と平行な対象線と、図２の（ｂ）にて図示した積層型圧電セラミックスの円柱孔の軸（圧電素子に形成された円柱孔の軸と同一である。）と、を含む面を発明を特定するための構成要件としている。
【００２４】
図４に、本発明の特定事項を説明するための図を示した。すなわち、 図４は、圧電素子の一側面に形成された略長方形の外部電極の長辺と平行な対称線と前記圧電素子に形成された円柱孔の軸（積層型圧電セラミックスに形成された円柱孔の軸と同一である。）とを含む面と、前記超音波モータの駆動装置の駆動面（図１に示した楕円を含む面と同一である。）と平行な面と、によって形成される２面角を説明するための図である。（２つの面を両方とも直線視したときの図である。）
図４において、ａは、超音波モータの駆動装置の駆動面と平行な面を直線視したときの直線で、ｂは、圧電素子の一側面に形成された略長方形の外部電極の長辺と平行な対称線と前記圧電素子に形成された円柱孔の軸とを含む面を直線視したときの直線であり、αは前記２面により形成される２面角である。
【００２５】
ここで、本発明では、圧電素子を備えたランジュバン型の２個の超音波振動子と、前記２個の超音波振動子を所定の角度で保持する保持部材と、略Ｖ字型の形状を有し、その頂点部で被駆動体と接し、その端部で前記２個の超音波振動子と接続された接触部材と、を備えた超音波モータの駆動装置であって、
前記圧電素子の一側面に形成された略長方形の外部電極の長辺と平行な対称線と前記圧電素子に形成された円柱孔の軸とを含む面と、前記超音波モータの駆動装置の駆動面と平行な面と、によって形成される２面角が４５〜１３５度であることを特徴とする超音波モータ駆動装置を提案している。
【００２６】
すなわち、上記図４で説明したように、２面角αが４５〜１３５度であることを特徴とする超音波モータ駆動装置を提案している。
ここで、２面角αが４５〜１３５度の範囲以内を超えた角度であると、長時間駆動させても外部電極が破断することのない超音波モータ駆動装置を信頼性良く提供できなくなるので好ましくない。その理由は、２面角αを４５〜１３５度の範囲以内を超えた角度とすると、超音波モータ駆動装置の駆動時に圧電素子の屈曲振動により発生する応力の外部電極への影響が無視できなくなるほど大きくなるため外部電極が破断するものと推論される。
【００２７】
より好ましくは、前記２面角αが略９０度であると、圧電素子の屈曲振動により発生する応力の外部電極への影響を最小にすることができるため好ましい。（請求項２係る特定事項である。）
【００２８】
以下に本発明を実施例と比較例により詳細に説明する。
（実施例）
実施例として用いた超音波モータ駆動装置の積層型圧電セラミックス（積層数としては７層とした。）は、外径２０ｍｍ、円柱孔の径１１ｍｍで、厚み４．５ｍｍのものを公知の方法にて作成した。なお、内部電極としては、銀−パラジウム電極を、外部電極と上部電極および下部電極には銀電極を用いた。その他の構成部品の組み立て方法については、上記した従来例と同様にして超音波モータ駆動装置を得た。
図５は、本発明の実施例の超音波モータ駆動装置の概略構成を模式的に示した説明図である。
図５に示したように、本発明の超音波モータ駆動装置は、圧電素子を備えたランジュバン型の２個の超音波振動子１１ａ，１１ｂと、前記２個の超音波振動子を所定の角度で保持する保持部材１２と、略Ｖ字型の形状を有し、その頂点部で被駆動体と接し、その端部で前記２個の超音波振動子と接続された接触部材６とを有している。
また、超音波振動子１１ａにおける圧電素子は、前記したように２個の同一形状の積層型圧電セラミックス７が電極板２４ｂを挟んで対象となるように、かつ、円柱孔の軸が同一となるように組み立てられている。（超音波振動子１１ｂについても同様にして圧電素子を組み立てた。）ここで、外部電極３は図示しない上部電極と接続しており、これと反対側の側面には下部電極と接続された外部電極３´（実施例では、図示せず。）が形成されている。
さらに、実施例では、前記圧電素子の一側面に形成された略長方形の外部電極の長辺と平行な対称線と前記圧電素子に形成された円柱孔の軸とを含む面と、前記超音波モータの駆動装置の駆動面と平行な面と、によって形成される２面角が９０度となるようにした。 次に、本発明の超音波モータ駆動装置をストローク300mmのステージ取り付け、フィードバックコントローラを用いて加速度3G、速度1.5m/secで往復駆動試験を行ったところ、駆動距離換算で４００Ｋｍを超える駆動試験においても圧電素子の外部電極の疲労破壊により破断や亀裂は認められなかった。
また、前記２面角を４５度または１３５度とした場合も、駆動距離換算で３００Ｋｍの駆動試験においても圧電素子の外部電極の疲労破壊により破断や亀裂は認められなかった。
【００２９】
（比較例）図６は、本発明の比較例の超音波モータ駆動装置の概略構成を模式的に示した説明図である。
比較例では、前記圧電素子の一側面に形成された略長方形の外部電極の長辺と平行な対称線と前記圧電素子に形成された円柱孔の軸とを含む面と、前記超音波モータの駆動装置の駆動面と平行な面と、によって形成される２面角が０度（前記２面が互いに平行である場合。）となるようにした。
その結果、駆動距離換算で約１００ｍの駆動で圧電素子の外部電極が疲労破壊により破断した。
【００３０】
以上説明したように、本発明によれば、長時間駆動させても圧電素子の外部電極が破断することのない信頼性に優れた超音波モータ駆動装置が得られることが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の超音波モータ駆動装置の概略構成を示す説明図である。
【図２】本発明に係る積層型圧電セラミックスの概略構成を示す斜視図と断面図である。
【図３】本発明に係る略長方形の外部電極の拡大概略模式図である。
【図４】本発明の特定事項を説明するための図である 。
【図５】本発明の実施例の超音波モータ駆動装置の概略構成を示す説明図である。
【図６】本発明の比較例の超音波モータ駆動装置の概略構成を示す説明図である。
【図７】従来の超音波モータの一例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３２】
１；上部電極
２；下部電極
３，３´；外部電極
４，４´；内部電極
５；円柱孔
６；接触部材
７；積層型圧電セラミックス
１０；超音波モータ
１１ａ・１１ｂ；超音波振動子
１２；保持部材
１３；接触部材
１３ａ；当接部
１３ｂ；連結部
１３ｃ；ネック部
１４；押圧機構
１５；被駆動体
２１・２１´；ボルト
２２・２２´；袋ナット
２３ａ・２３ｂ・２３ａ´・２３ｂ´；圧電板
２４ａ〜２４ｃ；２４ａ´〜２４ｃ´；電極板
１００；超音波モータ
１０１ａ・１０１ｂ；超音波振動子
１０２；保持部材
１０３；接触部材
１０５；ロータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子を備えたランジュバン型の２個の超音波振動子と、前記２個の超音波振動子を所定の角度で保持する保持部材と、略Ｖ字型の形状を有し、その頂点部で被駆動体と接し、その端部で前記２個の超音波振動子と接続された接触部材と、を備えた超音波モータの駆動装置であって、
前記圧電素子の一側面に形成された略長方形の外部電極の長辺と平行な対称線と前記圧電素子に形成された円柱孔の軸とを含む面と、前記超音波モータの駆動装置の駆動面と平行な面と、によって形成される２面角が４５〜１３５度であることを特徴とする超音波モータ駆動装置。
【請求項２】
前記圧電素子の一側面に形成された略長方形の外部電極の長辺と平行な対称線と前記圧電素子に形成された円柱孔の軸とを含む面と、前記超音波モータの駆動装置の駆動面と平行な面と、によって形成される２面角が略９０度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駆動装置。
【請求項１】
圧電素子を備えたランジュバン型の２個の超音波振動子と、前記２個の超音波振動子を所定の角度で保持する保持部材と、略Ｖ字型の形状を有し、その頂点部で被駆動体と接し、その端部で前記２個の超音波振動子と接続された接触部材と、を備えた超音波モータの駆動装置であって、
前記圧電素子の一側面に形成された略長方形の外部電極の長辺と平行な対称線と前記圧電素子に形成された円柱孔の軸とを含む面と、前記超音波モータの駆動装置の駆動面と平行な面と、によって形成される２面角が４５〜１３５度であることを特徴とする超音波モータ駆動装置。
【請求項２】
前記圧電素子の一側面に形成された略長方形の外部電極の長辺と平行な対称線と前記圧電素子に形成された円柱孔の軸とを含む面と、前記超音波モータの駆動装置の駆動面と平行な面と、によって形成される２面角が略９０度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駆動装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００８−２２６６２（Ｐ２００８−２２６６２Ａ）
【公開日】平成２０年１月３１日（２００８．１．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１９３８０８（Ｐ２００６−１９３８０８）
【出願日】平成１８年７月１４日（２００６．７．１４）
【出願人】（００００００２４０）太平洋セメント株式会社 (1,449)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１月３１日（２００８．１．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年７月１４日（２００６．７．１４）
【出願人】（００００００２４０）太平洋セメント株式会社 (1,449)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]