JP2011211795A

JP2011211795A - 超音波モータおよびその駆動方法

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Publication number: JP2011211795A
Application number: JP2010075412A
Authority: JP
Inventors: Ryoichi Fukunaga; 了一福永
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2010-03-29
Filing date: 2010-03-29
Publication date: 2011-10-20

Abstract

【課題】高推力が得られ、かつ駆動時の被駆動体との摩擦を低減し、パーティクルの発生を抑制できる超音波モータを提供する。
【解決手段】多重振動モードの振動に用いられる矩形の超音波モータ１０であって、圧電層１１ｂと、圧電層１１ｂの一方の主面側に設けられた２区分の駆動電極１４ａ、１４ｂと、圧電層１１ｂの他方の主面側に設けられたグランド電極とを備え、２区分の駆動電極の一方に電圧を印加し、他方を開放する単相駆動の駆動回路１８により、多重振動モードの反共振周波数以上の周波数で駆動される。矩形の超音波モータ１０を単相駆動により、多重振動モードの反共振周波数以上の周波数で駆動させることにより、高推力が得られ、かつ駆動時の被駆動体との摩擦を低減し、パーティクルの発生を抑制できる。
【選択図】図４

Description

本発明は、多重振動モードの振動に用いられる矩形の超音波モータおよびその駆動方法に関する。

従来、圧電素子を矩形に形成し、縦振動モードと屈曲振動モードとを組み合わせた多重振動モードで振動することにより駆動力を発生する超音波モータが知られている（例えば、特許文献１〜３参照）。特許文献１には、複数の圧電体を積層し、第一次縦振動モードと第二次屈曲振動モードとの組合せのＬ１Ｆ２共振モードで駆動する超音波振動子が開示されている。

この超音波振動子は、圧電素子と内部電極とが交互に積層されており、この積層方向と直交する第２の方向および第３の方向に沿って、概ね４分割された内部電極群を備えている。また、それらの内部電極群とそれぞれ導通する第１の外部電極群および第２の外部電極群とを有している。そして、第１および第２の外部電極群に電圧を印加することにより、第２の方向に発生する縦振動モードと、第３の方向に発生する屈曲振動モードとが同時に励起することによって、楕円振動を発生させる。

また、特許文献２には、２相信号入力方式と１相信号入力方式による駆動方法がそれぞれ開示されている。２相信号入力方式は、いずれか一方の電極に第１の交流電圧を印加するとともに、いずれか他方の電極に第１の交流電圧と位相がπ／２ずれた第２の交流電圧を印加する方式である。また、１相信号入力方式は、いずれか一方の電極に交流電圧を印加するとともに、いずれか他方の電極を開放する方法である。また、特許文献３には、２相信号入力方式による駆動方法が開示されている。

特開２００６−０９４５９７号公報特開２００９−２４０１４８号公報特開２００９−２２５６５５号公報

しかし、単に上記のような方法で超音波モータを楕円振動させても、被駆動体への高い推力が必ずしも得られない。また、駆動時に超音波モータと被駆動体との間で摩擦が生じ、パーティクルの発生を抑えることができない。本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、高推力が得られ、かつ駆動時の被駆動体との摩擦を低減し、パーティクルの発生を抑制できる超音波モータおよびその駆動方法を提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するため、本発明の超音波モータは、多重振動モードの振動に用いられる矩形の超音波モータであって、圧電層と、前記圧電層の一方の主面側に設けられた２区分の駆動電極と、前記圧電層の他方の主面側に設けられたグランド電極とを備え、前記２区分の駆動電極の一方に電圧を印加し、他方を開放する単相駆動の駆動回路により、多重振動モードの反共振周波数以上の周波数で駆動されることを特徴としている。

このように、本発明の超音波モータは、単相駆動により、多重振動モードの反共振周波数以上の周波数で駆動される。これにより、高推力が得られ、かつ駆動時の被駆動体との摩擦を低減し、パーティクルの発生を抑制できる。

（２）また、本発明の超音波モータの駆動方法は、矩形の超音波モータを単相の電圧印加で駆動する超音波モータの駆動方法であって、２区分の駆動電極とグランド電極との間に圧電層を有する矩形の超音波モータに対して、前記２区分の駆動電極の一方に電圧を印加し、他方を開放する単相駆動により、多重振動モードの反共振周波数以上の周波数で駆動させることを特徴としている。

このように、本発明の超音波モータの駆動方法は、矩形の超音波モータを単相駆動により、多重振動モードの反共振周波数以上の周波数で駆動させる。これにより、高推力が得られ、かつ駆動時の被駆動体との摩擦を低減し、パーティクルの発生を抑制できる。

（３）また、本発明の超音波モータの駆動方法は、第一次縦振動モードと第一次または第二次屈曲振動モードとの多重振動モードで駆動させることを特徴としている。これにより、高推力が得られ、駆動時に被駆動体と摩擦しにくい軌道で超音波モータを駆動できる。

（４）また、本発明の超音波モータの駆動方法は、前記多重振動モードの反共振周波数の１００％以上１１０％以下の割合の周波数で前記超音波モータを駆動することを特徴としている。このような範囲の周波数で駆動することで、特に、範囲外の周波数で駆動する場合と比較して高推力が得られ、かつ駆動時の被駆動体との摩擦を低減し、パーティクルの発生を抑制できる。

（５）また、本発明の超音波モータの駆動方法は、前記超音波モータは、前記駆動電極、圧電層およびグランド電極が複数積層した構造を有していることを特徴としている。このような積層構造により、変位を大きくとることができ、さらに高い推力を得ることができる。

本発明によれば、高推力が得られ、かつ駆動時の被駆動体との摩擦を低減し、パーティクルの発生を抑制できる。

本発明に係る超音波モータの正面図である。本発明に係る超音波モータが第一次縦振動をしている様子を示す図である。本発明に係る超音波モータが第一次屈曲振動をしている様子を示す図である。本発明に係る超音波モータの駆動層上の電極に対する配線を示す図である。本発明に係る超音波モータの斜視図である。駆動層上の電極パターンを示す平面図である。グランド電極のパターンを示す平面図である。本発明に係る超音波モータの正面図である。本発明に係る超音波モータの第一次縦振動の様子を示す図である。本発明に係る超音波モータの第二次屈曲振動の様子を示す図である。本発明に係る超音波モータが被駆動体を図中、右方向に駆動する様子を段階的に示す図である。本発明に係る超音波モータの駆動層上の電極に対する配線を示す。本発明に係る超音波モータの斜視図である。駆動層上の電極パターンを示す平面図である。グランド電極のパターンを示す平面図である。図である。各振動の周波数とインピーダンスの関係を示すグラフである。楕円運動の周波数とインピーダンスの関係を示すグラフである。駆動周波数と被駆動体の速度との関係を示すグラフである。本発明に係る超音波モータによるパーティクルカウント数を示すグラフである。

次に、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。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

［第１の実施形態］
図１は、超音波モータ１０の正面図である。超音波モータ１０は、第一次縦振動および第一次屈曲振動により、楕円運動が可能となっている。図１に示すように、超音波モータ１０は圧電振動子１１と摺動チップ１２を備えており、矩形積層型の圧電振動子１１を多重振動モードで振動させることで駆動可能となっている。圧電振動子１１は、矩形積層型の圧電セラミックスから形成されており、各層が紙面に対して垂直方向に分極している。第一次縦振動モードにおける伸縮方向の長さをＬ１とし、第一次屈曲振動モードにおける剪断方向の長さをｗ１とする。また、圧電振動子１１の図中ｙ方向端面の中央部に、駆動力を伝達する摺動チップ１２が設けられている。

図２は、超音波モータが第一次縦振動をしている様子を示す図である。図２に示すように、圧電振動子１１が第一次縦振動モードで振動する際の伸縮方向は、図２中、矢印Ａ１の方向と平行である。また、図３は、超音波モータが第一次屈曲振動をしている様子を示す図である。図３に示すように、圧電振動子１１が第一次屈曲振動モードで振動する際の方向（剪断方向）は、図２に示す矢印Ａ１と平行であるが、図３の矢印Ｂ１およびＣ１に示すように、圧電振動子１１の両端で方向が互いに逆となる。図２に示す第一次縦振動モードと図３に示す第一次屈曲振動モードとが合成（縮退）することによって、摺動チップ１２は楕円運動をし、駆動力が生ずる。

図４は、超音波モータ１０の駆動層上の電極に対する配線を示す図である。図４では、圧電振動子１１の駆動層上の電極面を模式的に切り出して示している。図４に示すように、超音波モータ１０において、駆動層上には、矩形の圧電層１１ｂの一方の主面を２分割するように、駆動電極１４ａと駆動電極１４ｂとが２区分の駆動電極として設けられている。そして、駆動層の他方の主面にはグランド電極（図示せず）が設けられ、接地されている。駆動電極１４ａ、１４ｂは、互いに絶縁された状態で個別に設けられる。

超音波モータ１０の駆動回路１８は、一方の駆動電極１４ａに交流電圧源１５ａが接続され、他方の駆動電極１４ｂは開放状態とされて構成される。交流電圧源１５ａは、駆動電極１４ａにＶ_０ｓｉｎωｔの電圧を印加する。このように、圧電振動子１１の駆動電極１４ａに対して電圧Ｖ_０ｓｉｎωｔが印加され、単相駆動がなされると、圧電振動子１１には、図２および図３に示すように、長手方向に伸縮する第一次縦振動モードの振動と、幅方向（剪断方向）で屈曲する第一次屈曲振動モードの振動とが発生する。

そして、第一次縦振動モードの共振周波数と、第一次屈曲振動モードの共振周波数とが等しいときに、両振動モードが合成（縮退）され、圧電振動子１１のチップ（図４に図示せず）には楕円振動が発生する。なお、電圧Ｖ_０ｓｉｎωｔは、駆動電極１４ｂに印加されてもよく、各電極の印加電圧が入れ替わってもよい。

この単相駆動において反共振周波数以上の周波数で超音波モータ１０を駆動する。これにより、高推力が得られ、かつ駆動時の被駆動体との摩擦を低減し、パーティクルの発生を抑制できる。なお、各振動モードの反共振周波数のうち、最も大きい周波数以上で超音波モータ１０を駆動する。特に、多重振動モードの反共振周波数の１００％以上１１０％以下の割合の周波数で超音波モータ１０を駆動することが好ましい。このような範囲の周波数で駆動することで、範囲外の周波数で駆動する場合と比較して高推力が得られ、かつ駆動時の被駆動体との摩擦を低減し、パーティクルの発生を抑制できる。

［第２の実施形態］
図５は、超音波モータ２０の斜視図である。超音波モータ２０を構成する圧電振動子２１は、矩形積層型の圧電セラミックスから形成されており、各層の分極方向は、図５に示す座標軸のｚ軸方向の正負のいずれかに一致している。また、圧電振動子２１が第一次縦振動モードで振動する際の伸縮方向は、ｘ軸と平行であり、圧電振動子２１のｘ軸方向の長さはＬ２である。また、圧電振動子２１が第二次屈曲振動モードで振動する際の剪断方向は、ｙ軸と平行であり、圧電振動子２１のｙ軸方向の長さはｗ２である。

圧電振動子２１は、積層された圧電層２１ｂの表面または層間に交互に設けられた駆動電極２４ａ、２４ｂおよびグランド電極２４ｃを有している。超音波モータ２０はこのような複数層が積層した構造を有していることが好ましい。このような積層構造により、変位を大きくとることができ、さらに高い推力を得ることができる。

図６は、駆動層上の電極パターンＪ２を示す平面図である。駆動電極２４ａ、２４ｂは、２区分の駆動電極としてそれぞれ概ね主面の２分の１の面積に等分されている。そして、それぞれ圧電振動子２１の側面に露出する取り出し部分を有している。電極パターンにおいて対角の関係にある駆動電極２４ａには所定の交流電圧が印加され、駆動電極２４ｂは開放状態とされる。このような単相駆動の駆動回路を用いて反共振周波数以上の周波数で駆動する。特に、多重振動モードの反共振周波数の１００％以上１１０％以下の割合の周波数で超音波モータ２０を駆動することが好ましい。

図７は、グランド電極のパターンＧＮＤ２を示す平面図である。グランド電極２４ｃと駆動電極２４ａ、２４ｂとの間に電界が生じることで、その間の圧電層２１ｂが変位する。

［第３の実施形態］
図８は、超音波モータ３０の正面図である。図８に示すように、超音波モータ３０は圧電振動子３１とチップ３１ａを備えており、矩形型の圧電振動子３１を多重振動モードで振動させることで駆動可能となっている。超音波モータ３０の長さ（ｘ方向）はＬ３、幅（ｙ方向）はｗ３である。

図９は、超音波モータ３０の第一次縦振動の様子を示す図である。第一次縦振動は、図９の矢印Ａ３およびＢ３に示すように、圧電振動子３１の長手方向に伸縮を繰り返すことにより生ずる。また、図１０は、超音波モータ３０の第二次屈曲振動の様子を示す図である。第二次屈曲振動は、図１０の矢印Ｃ３に示すように、圧電振動子３１の厚さ方向に、相互に向きが異なる剪断力により屈曲を繰り返すことにより生ずる。これらの第一次縦振動と第二次屈曲振動とを合成（縮退）することにより、圧電振動子３１に設けられたチップが楕円運動をし、駆動力が生ずる。

図１１は、圧電振動子３１が被駆動体３２を図中、右方向に駆動する様子を段階的に示す図である。図１１に示すように、圧電振動子３１は、チップ３１ａを備えている。圧電振動子３１の第一次縦振動と第二次屈曲振動とを合成することで、圧電振動子３１が伸縮と屈曲を繰り返し、１サイクルで被駆動体を距離ｌ３だけ移動させている。圧電振動子３１は、このような原理で駆動力を発生させる。

図１２は、超音波モータ３０の駆動電極に対する配線を示す図である。図１２では、圧電振動子３１の主面を模式的に示している。主面上には、矩形の圧電振動子３１の一方の主面を４分割するように、互いに対角に対向する一組の駆動電極３４ａと一組の駆動電極３４ｂが設けられている。一組の駆動電極３４ａと一組の駆動電極３４ｂは、２区分の駆動電極を構成する。そして圧電振動子３１の他方の主面にはグランド電極（図示せず）が設けられ、接地されている。駆動電極３４ａ、３４ｂは、互いに絶縁された状態で個別に設けられ、互いに対角に位置する駆動電極３４ａ、３４ｂがそれぞれ相互に電気的に接続されている。

超音波モータ３０の駆動回路３８は、対角に対向する一組の駆動電極３４ａに交流電圧源１５ａが接続され、他方の組の駆動電極３４ｂは開放状態とされて構成される。交流電圧源１５ａは、駆動電極３４ａにＶ_０ｓｉｎωｔの電圧を印加する。このように、圧電振動子３１の駆動電極３４ａに対して電圧Ｖ_０ｓｉｎωｔが印加されると、圧電振動子３１には、図９および図１０に示すように、長手方向に伸縮する第一次縦振動モードの振動と、剪断方向に屈曲する第二次屈曲振動モードの振動とが発生する。そして、第一次縦振動モードの共振周波数と、第二次屈曲振動モードの共振周波数とが等しいときに、両振動モードが合成（縮退）され、圧電振動子３１のチップ（図１２に図示せず）に楕円振動が発生する。

このような単相駆動において反共振周波数以上の周波数で超音波モータ３０を駆動する。これにより、高推力が得られ、かつ駆動時の被駆動体との摩擦を低減し、パーティクルの発生を抑制できる。なお、各振動モードの反共振周波数のうち、最も大きい周波数以上で超音波モータ３０を駆動する。特に、多重振動モードの反共振周波数の１００％以上１１０％以下の割合の周波数で超音波モータ１０を駆動することが好ましい。このような範囲の周波数で駆動することで、範囲外の周波数で駆動する場合と比較して高推力が得られ、かつ駆動時の被駆動体との摩擦を低減し、パーティクルの発生を抑制できる。

［第４の実施形態］
図１３は、超音波モータ４０の斜視図である。超音波モータ４０を構成する圧電振動子４１は、矩形積層型の圧電セラミックスから形成されており、各層の分極方向は、図１３に示す座標軸のｚ軸方向の正負のいずれかに一致している。また、圧電振動子４１が第一次縦振動モードで振動する際の伸縮方向は、ｘ軸と平行であり、圧電振動子４１のｘ軸方向の長さはＬ４である。また、圧電振動子４１が第二次屈曲振動モードで振動する際の剪断方向は、ｙ軸と平行であり、圧電振動子４１のｙ軸方向の長さはｗ４である。圧電振動子４１は、積層された圧電層４１ｂの表面または層間に交互に設けられた駆動電極４４ａ、４４ｂおよびグランド電極４４ｃを有している。

図１４は、駆動層上の電極パターンＪ４を示す平面図である。駆動電極４４ａ、４４ｂは、それぞれ概ね主面の４分の１の面積に等分されている。そして、それぞれ圧電振動子４１の側面に露出する取り出し部分を有している。電極パターンにおいて対角の関係にある一組の駆動電極４４ａには所定の交流電圧が印加され、他の一組の駆動電極４４ｂは開放状態にされている。一組の駆動電極４４ａと一組の駆動電極４４ｂとは、２区分の駆動電極を構成している。このような単相駆動の駆動回路を用いて反共振周波数以上の周波数で駆動する。

図１５は、グランド電極のパターンＧＮＤ４を示す平面図である。グランド電極４４ｃと駆動電極４４ａ、４４ｂとの間に電界が生じることで、その間の圧電層４１ｂが変位する。超音波モータ４０はこのような複数層が積層した構造を有していることが好ましい。このような積層構造により、変位を大きくとることができ、さらに高い推力を得ることができる。

以上のように、矩形の超音波モータについて、第一次縦振動モードと第一次または第二次屈曲振動モードとの多重振動モードで駆動させることが好ましい。これにより、高推力が得られ、駆動時に被駆動体と摩擦しにくい軌道で超音波モータを駆動できる。

次に、実施形態１における超音波モータ１０を用いた実験について説明する。まず、超音波モータ１０を単相駆動し、屈曲振動、伸縮振動について周波数とインピーダンスの関係を測定した。図１６は、各振動の周波数とインピーダンスの関係を示すグラフである。図１６に示すように、屈曲振動および伸縮振動では、それぞれ共振周波数のピークと反共振周波数のピークが現れている。それぞれ周波数が小さい側の下に凸のピークは共振周波数のピークである。また、周波数が大きい側の上に凸のピークが反共振周波数のピークである。

また、超音波モータ１０の単相駆動による楕円運動について周波数とインピーダンスの関係を調べた。図１７は、楕円運動の周波数とインピーダンスの関係を示すグラフである。楕円運動のグラフは、それぞれ屈曲振動および伸縮振動の挙動を足し合わせたようなものとなっている。このとき、反共振ピークをとる周波数の中で最も大きい周波数は７７．５ｋＨｚであることが分かった。

そこで、７７．５ｋＨｚ以上を含む周波数の範囲について、順方向および逆方向それぞれの駆動周波数と被駆動体の速度との関係を測定した。図１８は、駆動周波数と被駆動体の速度との関係を示すグラフである。図１８に示すように、周波数が７７．３ｋＨｚ程度では、速度が５０ｍｍ／ｓ以下であるのに対し、７７．５ｋＨｚでは速度が１２０ｍｍ／ｓ以上にも及び、顕著に速度が増大した。一方、周波数が７８．５ｋＨｚを超えると速度は１００ｍｍ／ｓを下まわり、これらの点では顕著に速度が異なっている。したがって、７７．５ｋＨｚの１００％以上１１０％以下の割合の周波数で特に速度が大きくなることが実証された。

また、７８ｋＨｚで超音波モータ１０を駆動しパーティクル数をカウントした。図１９は、超音波モータによるパーティクルカウント数を示すグラフである。０．１μｍ以上、０．５μｍ程度以下の範囲の大きさのパーティクルはごく僅かであり、動作開始から終了までほとんどパーティクルが生じていなかった。このようにして、反共振周波数以上の周波数で単相駆動するとパーティクルがほとんど生じないことが実証された。

１０超音波モータ
１１圧電振動子
１１ｂ圧電層
１２摺動チップ
１４ａ、１４ｂ駆動電極
１５ａ交流電圧源
１８駆動回路
２０超音波モータ
２１圧電振動子
２１ｂ圧電層
２４ａ、２４ｂ駆動電極
２４ｃグランド電極
３０超音波モータ
３１圧電振動子
３１ａチップ
３２被駆動体
３４ａ、３４ｂ駆動電極
３８駆動回路
４０超音波モータ
４１圧電振動子
４１ｂ圧電層
４４ａ、４４ｂ駆動電極
４４ｃグランド電極

Claims

多重振動モードの振動に用いられる矩形の超音波モータであって、
圧電層と、
前記圧電層の一方の主面側に設けられた２区分の駆動電極と、
前記圧電層の他方の主面側に設けられたグランド電極とを備え、
前記２区分の駆動電極の一方に電圧を印加し、他方を開放する単相駆動の駆動回路により、多重振動モードの反共振周波数以上の周波数で駆動されることを特徴とする超音波モータ。
矩形の超音波モータを単相の電圧印加で駆動する超音波モータの駆動方法であって、
２区分の駆動電極とグランド電極との間に圧電層を有する矩形の超音波モータに対して、前記２区分の駆動電極の一方に電圧を印加し、他方を開放する単相駆動により、多重振動モードの反共振周波数以上の周波数で駆動させることを特徴とする超音波モータの駆動方法。
第一次縦振動モードと第一次または第二次屈曲振動モードとの多重振動モードで駆動させることを特徴とする請求項２記載の超音波モータの駆動方法。
前記多重振動モードの反共振周波数の１００％以上１１０％以下の割合の周波数で前記超音波モータを駆動することを特徴とする請求項２または請求項３記載の超音波モータの駆動方法。
前記超音波モータは、前記駆動電極、圧電層およびグランド電極が複数積層した構造を有していることを特徴とする請求項２から請求項４のいずれかに記載の超音波モータの駆動方法。