JP5117059B2

JP5117059B2 - アクチュエータケースおよび超音波モータ

Info

Publication number: JP5117059B2
Application number: JP2007016365A
Authority: JP
Inventors: 了一福永
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2007-01-26
Filing date: 2007-01-26
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2027-01-26
Also published as: JP2008187757A

Description

本発明は、Ｘ−Ｙステージや回転ステージ等の駆動に好適な圧電アクチュエータを保持するためのアクチュエータケースと、このアクチュエータケースを用いて構成された超音波モータに関する。

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として利用されている圧電アクチュエータとして、電圧を印加することにより伸縮変位を生じる積層型の圧電素子２個を、その変位方向が一定角度で交差するように被駆動体に当接させるためのヘッドに接着し、さらにこれら２個の圧電素子を略Ｌ字型のベース部材に接着した構造を有するもの（以下、「トラス型圧電アクチュエータ」という）が知られている（例えば、特許文献１，２参照）。

このトラス型圧電アクチュエータでは、例えば、位相が９０度ずれた正弦波電圧を２個の圧電素子に印加して、これらの伸縮のタイミングをずらすことによりヘッドに楕円運動を生じさせ、ヘッドに当接した被駆動体をヘッドと被駆動体との間に作用する摩擦力を利用して所望の方向に動かす。

ヘッドを被駆動体に一定の力で押し当てるようにトラス型圧電アクチュエータを保持する方法として、特許文献１には、ベース部材の屈折部にバネ等の付勢部材を取り付けて、ヘッドを被駆動体に押し付ける方法が開示されている。また、引用文献２には、１個の圧電素子をその伸縮方向において押圧する付勢部材をベース部材の端部の一方に取り付けると同時に、ベース部材の他端を係止することにより、ヘッドを被駆動体に押し当てる方法が開示されている。

しかしながら、特許文献１に開示された方法では、付勢部材によってヘッドを被駆動体に押し当てる力の向きを、２個の圧電素子の変位方向のなす角を２等分する線の長さ方向に確実に合わせなければ、ヘッドが被駆動体に与える推力が小さくなってしまう。また、ベース部材を安定に保持することが難しく、ヘッドが描く楕円軌道面内においてベース部材がぶれやすくなる。このベース部材のぶれは、ヘッドが被駆動体に与える推力を変化させてしまうため、被駆動体の動作の制御精度を低下させてしまう。

また、特許文献２に開示された方法では、付勢部材を保持するための部品とベース部材を係止するための部品の２つの部品とトラス型圧電アクチュエータの相対的な位置決めに高い精度が要求されるために、その組立工程では細心の注意が必要とされる。

さらにこれらの方法に共通して、ヘッドが描く楕円軌道面と直交する方向にアクチュエータがぶれてしまうおそれがあり、このようなぶれが発生すると、被駆動体の動作制御の精度が低下してしまい、また、被駆動体へ与える推力も低下してしまう。
特開２０００−２２８８８５号公報（図１、段落［０００２］，［０００３］等）特開２００４−１８７３７２号公報（図１、段落［００２５］，［００２６］等）

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、トラス型圧電アクチュエータの保持が極めて容易であり、しかもトラス型圧電アクチュエータにぶれが発生しにくいアクチュエータケースを提供することを目的とする。また、本発明は、このようなアクチュエータケースを用いてなる超音波モータを提供することを目的とする。

本発明によれば、凹型形状を有し、被駆動体に当接させるヘッド、電圧が印加された際の伸縮方向が交差するようにヘッドに接着された２個の圧電素子、及びこれら２つの圧電素子を保持する凹型形状の素子保持部材を具備する圧電アクチュエータの素子保持部材の底壁の一部を把持する底壁部と、素子保持部材の２つの側壁の一部をそれぞれ把持する２つの側壁部とを有する第１ケース部と第１ケース部を嵌挿保持する凹型の第２ケース部と、円柱形状を有し、中心軸が圧電アクチュエータの変位面に垂直になり、第１ケース部の外壁及び第２ケース部の内壁に接触するように回転自在に配置される円柱部材と、第１ケース部を、円柱部を介して第２ケース部に押圧するように第１ケース部と第２ケース部との間に配置される第１付勢部材と、を備えるアクチュエータケースが提供される。

この円柱部材の側面と固定面との摩擦が、ヘッドの運動を阻害することなく、アクチュエータのぶれを抑制する。

円柱部材を第１ケース部に保持させる好ましい方法としては、円柱部材の端面の中心に円柱状の突起部を設け、この突起部を挿入させる孔部を第１ケース部に設ける方法が挙げられる。

このアクチュエータケースは、さらに、第１ケース部を嵌挿保持する凹型の第２ケース部と、第１ケース部の一方の側壁部を圧電アクチュエータに押し付けるようにこの一方の側壁部と第２ケース部との間に設けられた第１付勢部材と、第１ケース部の底壁部を第１ケース部に把持された圧電アクチュエータに押し付けるように、当該底壁部と前記第２ケース部との間に設けられた第２付勢部材とをさらに具備する構成とすることができる。この構成では、円柱部材の側面の一部は、第２ケース部において第１ケース部の他方の側壁部と対向する面を押圧していることになる。

第１ケース部には樹脂材料が好適に用いられ、第２ケース部には金属材料が好適に用いられ、円柱部材には金属材料が好適に用いられる。

本発明によれば、上述した圧電アクチュエータとアクチュエータケースとを具備する超音波モータが提供される。

本発明に係るアクチュエータケースは、トラス型圧電アクチュエータを容易に収容して、安定に保持することができる。そして、このアクチュエータケースに収容されたトラス型圧電アクチュエータは、その駆動時に不要なぶれが生じ難いために、被駆動体の動作制御を高精度に行うことが可能になり、被駆動体へ与える推力を安定して維持することができる。また、本発明に係るアクチュエータケースを用いた超音波モータは、組み立てが容易であり、しかもコンパクトな構成を容易に実現することができ、さらにＸ−Ｙステージ等の装置への設置も簡単に行う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１００の概略側面図を、図２に超音波モータ１００の概略断面図を、図３に図１中の矢視Ａ−Ａ断面図をそれぞれ示す。なお、図１，図２には、図３に示した側面カバー２２ｄが取り付けられていない形態が示されている。また、図１から図３に示すように、３次元直交座標（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸）を規定することとする。

超音波モータ１００は、所謂、トラス型圧電アクチュエータ１０（以下「圧電アクチュエータ１０」という）と、この圧電アクチュエータ１０を保持するアクチュエータケース（以下「ケース」という）２０とを有している。超音波モータ１００により駆動されるスライダ５０はガイド（図示せず）によりＸ軸方向にスライド自在であり、ケース２０は図示しない固定物（例えば、ガイド等を保持するための装置フレーム等）に固定することができる。

圧電アクチュエータ１０は、スライダ５０に当接させるヘッド１１と、所定の電圧が印加された際の伸縮方向が所定角度で交差するようにヘッド１１に接着された２個の積層型の圧電素子１２ａ，１２ｂと、これら２つの圧電素子１２ａ，１２ｂを保持する凹型形状の素子保持部材１３とを備えている。

ヘッド１１は、耐摩耗性に優れる材料、例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）や炭化珪素（ＳｉＣ），窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）等のセラミックス材料、金属材料の表面にこれらのセラミックス材料のコーティング被膜を形成したものが好適に用いられる。

ヘッド１１と圧電素子１２ａ，１２ｂとの接着には、エポキシ樹脂接着剤等の接合強度が大きく、耐熱性にも優れた硬質の樹脂接着剤が好適に用いられる。圧電素子１２ａ，１２ｂには、低電圧で大きな変位量を得ることができる、所謂、一体焼成型の積層型圧電素子が好適に用いられる。

素子保持部材１３は、Ｘ方向端に位置する側部（以下「素子接着部」という）１３ａ，１３ｂとこれらの素子接着部１３ａ，１３ｂを結ぶ底部（以下「連結部」という）１３ｃからなる一体構造物であり、一般的に、金属材料で構成されている。

圧電素子１２ａ，１２ｂに位相が９０度ずれた電圧を印加すると、ヘッド１１にＺ−Ｘ面内での楕円運動が生じ、ヘッド１１とスライダ５０との間の摩擦力を利用して、スライダ５０をＸ方向で移動させることができる。スライダ５０の移動方向は、一方の圧電素子１２ａの駆動電圧に対する他方の圧電素子１２ｂの駆動電圧の位相を９０度進めるのか遅らせるのかで決めることができる。

圧電素子１２ａ，１２ｂの伸縮方向の交差角度θは、ヘッド１１の楕円運動の軌跡を変化させるパラメータであり、スライダ５０を動かすために必要な推力と送り速度が得られやすくなるように、適宜、決定される。ヘッド１１における圧電素子１２ａ，１２ｂ接着のための面の角度と、素子保持部材１３の素子接着部１３ａ，１３ｂそれぞれにおける圧電素子１２ａ，１２ｂ接着のための面の傾斜角度は、この交差角度θに対応させて、決定すればよい。

圧電アクチュエータ１０を保持するケース２０は、圧電アクチュエータ１０を直接に保持する第１ケース部２１と、この第１ケース部２１を嵌挿保持する第２ケース部２２と、円柱部材（以下「コマ」という）２３と、第１付勢部材たる第１コイルバネ２４と、第２付勢部材たる第２コイルバネ２５を備えている。

第１ケース部２１は凹型形状を有しており、素子保持部材１３を構成する素子接着部１３ａの外側の一部を把持するための爪部３１ａが設けられた側壁部２１ａと、素子保持部材１３を構成する素子接着部１３ｂの外側の一部を把持するための爪部３１ｂが設けられた側壁部２１ｂと、素子保持部材１３を構成する連結部１３ｃの一部を把持する爪部３１ｃが設けられた底壁部２１ｃから構成されている。これら側壁部２１ａ，２１ｂおよび底壁部２１ｃは一体構造物であることが、機械的強度を高く維持する観点から、好ましい。

「把持」とは、素子保持部材１３を挟み込んで保持することをいう。但し、挟み込んだ状態において、その接触面を接着剤で接着することを除外するものではない。

爪部３１ａを例に挙げて説明すれば、図１および図２に示されるように、爪部３１ａを構成する２個の突起間に形成された間隙部の底の高さは、これら２個の突起が形成されている側壁部２１ａの基底面よりも高くなっている。つまり、素子保持部材１３を構成する素子接着部１３ａのＸ方向端面（Ｘ軸と直交する面）は、爪部３１ａを構成する２個の突起間の底においてのみ、側壁部２１ａと接触している。爪部３１ｂ，３１ｃについても同様である。

爪部３１ａ〜３１ｃの形状（寸法）は、素子保持部材１３を第１ケース部２１上側の開口側から挿入することで、爪部３１ａ〜３１ｃをそれぞれ構成する２つの突起の間に素子保持部材１３を挿入した後には、圧電アクチュエータ１０がＸ，Ｙ，Ｚ方向において簡単に外れることがないように、設定される。

なお、素子保持部材１３を爪部３１ａ〜３１ｃに樹脂接着剤等で接着することは必要ではないが、圧電アクチュエータ１０の振動が阻害されないか或いは阻害されてもそれが許容される程度に抑えられているのであれば、素子保持部材１３と爪部３１ａ〜３１ｃの接触部は接着されていてもよい。その場合、素子保持部材１３は爪部３１ａ〜３１ｃをそれぞれ構成する２つの突起の間の内面でのみ接着されていることが好ましい。

このように、爪部３１ａ〜３１ｃによって、素子保持部材１３の周囲全体を保持することなく、その一部を保持することにより、圧電アクチュエータ１０を駆動したときに、素子保持部材１３に生じる共振振動が阻害されることがない。

圧電素子１２ａ，１２ｂを駆動すると圧電素子１２ａ，１２ｂが発熱する。その駆動時間が長い場合には、圧電素子１２ａ，１２ｂから素子保持部材１３への熱伝導により、素子保持部材１３の温度が上昇する。第１ケース部２１はこの素子保持部材１３の温度上昇に耐える樹脂材料であって、しかも圧電アクチュエータ１０の振動に対して耐久性のある樹脂材料が好適に用いられ、具体的には、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）等のエンジニアリングプラスチックが用いられる。

第２ケース部２２は、第１ケース部２１と同様に、凹型形状を有している。この第２ケース部材２２は、Ｘ方向端において側壁部２１ａ，２１ｂとそれぞれ対向する外壁部２２ａ，２２ｂと、これらの外壁部２２ａ，２２ｂを連結する外底壁部２２ｃから構成されている。これら外壁部２２ａ，２２ｂおよび外底壁部２２ｃは、一体構造物であってもよいし、外壁部２２ａ，２２ｂと外底壁部２２ｃとがボルト等で連結された構造であってもよい。

第２ケース部２２には、金属材料、例えば、アルミニウムやステンレス等が好適に用いられる。第２ケース部２２のＹ方向側面を被うように、図３に示されるように、側面カバー２２ｄを設けてもよい。また、圧電アクチュエータ１０のヘッド１１が露出するように、第２ケース部２２の上面にカバーを設けてもよい。

第１コイルバネ２４は、第１ケース部２１の側壁部２１ｂを圧電アクチュエータ１０に押し付けるように、側壁部２１ｂと第２ケース部２２の外壁部２２ｂとの間に配設される。この第１コイルバネ２４は、爪部３１ｂと背中合わせとなる位置に設けることが好ましく、これにより確実に圧電アクチュエータ１０（素子保持部材１３）をＸ方向に押圧することができる。外壁部２２ｂの内面には、この第１コイルバネ２４を設置するための凹部が形成されている。なお、第１ケース部２１の側壁部２１ｂの外側には、この第１コイルバネ２４のＺ方向での位置ずれを防止するための突起部３２が設けられている。

第２コイルバネ２５は、第１ケース部２１の底壁部２１ｃを圧電アクチュエータ１０（素子保持部材１３）に押し付けるように、底壁部２１ｃと第２ケース部２２の外底壁部２２ｃとの間に配設されている。外底壁部２２ｃには、この第２コイルバネ２５を設置するための凹部が形成されている。

この第２コイルバネ２５は、爪部３１ｃと背中合わせとなる位置に設けることが好ましく、これにより確実に圧電アクチュエータ１０をＺ方向に押圧して、ヘッド１１をスライダ５０に押し当てることができる。ヘッド１１をスライダ５０に押し当てる力を調整するために、外底壁部２２ｃに、例えば、第２コイルバネ２５の伸縮を調節するための止めネジ等を設けることも好ましい。

コマ２３は、その中心軸（コマ２３の長さ方向に平行で、この方向に垂直な断面円の中心を通る軸を指す）が圧電アクチュエータ１０の変位面であるＺ−Ｘ面と直交するＹ軸に平行となるように、第１ケース部２１の側壁部２１ａに配設される。コマ２３は、好適には、ステンレス，真鍮，アルミニウム，鋳鉄等の金属材料からなる。

コマ２３は、円柱状の本体部２３ａと、本体部２３ａの端面の中心に設けられた円柱状の突起部２３ｂから構成されている。第１ケース部２１の側壁部２１ａにおいて爪部３１ａが形成されている面の反対側の面には、この側壁部２１ａから本体部２３ａの曲面の一部が露出するようにコマ２３を配設するための凹部３３が形成されている。そして、この凹部３３を形成しているＺ−Ｘ面に平行な壁には、コマ２３を回転自在に保持することができるように、突起部２３ｂを嵌挿させるための切り欠き孔部３４が形成されている。

超音波モータ１００は、２個のコマ２３がＺ方向に並べて配設された構造を有している。この場合には、２個のコマ２３は爪部３１ａから等距離にある位置に設けることが好ましい。このような構成に代えて、コマを１個のみ設けた構造としてもよい。その場合には、このコマは爪部３１ａと背中合わせになる位置に設けることが好ましい。

なお、コマとしては単純な円柱形状のものを用いることもできる。その場合には、このコマの曲面の一部が側壁部２１ａの外側に露出するように、側壁部２１ａにＹ軸方向にコマを挿入することができる貫通孔を設ければよい。この場合には、コマの外径と孔部の内径との公差をできるだけ小さくすることが好ましい。

第１コイルバネ２４が第１ケース部２１の側壁部２１ｂを圧電アクチュエータ１０側に押圧すると、側壁部２１ｂが圧電アクチュエータ１０を構成する素子保持部材１３をＸ方向に押圧し、さらにこの素子保持部材１３が第１ケース部２１の側壁部２１ａを第２ケース部２２の外壁部２２ａ側に押圧する。

こうして、側壁部２１から露出しているコマ２３の曲面の一部が外壁部２２ａに接触し、その接触領域をＸ方向に押圧する。この接触領域はＹ方向に長く幅の狭い帯状となるので、コマ２３と外壁部２２ａとの間のＹ方向での摩擦力が大きくなる。この摩擦力によりコマ２３はＹ方向に滑り難くなるので、圧電アクチュエータ１０のＹ方向におけるぶれの発生が抑制される。

また、圧電アクチュエータ１０の素子保持部材１３は、第１コイルバネ２４によってＸ方向において安定に保持されているので、圧電アクチュエータ１０のＸ方向におけるぶれの発生も抑制される。結果的に、圧電アクチュエータ１０のＸ方向とＹ方向におけるぶれの発生が抑制されるために、圧電アクチュエータ１０を駆動したときにヘッド１１はＺ−Ｘ面内で安定した楕円軌跡を描く運動を行うことができる。

このようにして、超音波モータ１００では、スライダ５０に与える推力の大きさにばらつきが生じ難く、スライダ５０の駆動を高い精度で安定して行うことができる。また、第１ケース部２１と第２ケース部２２を用いることにより、超音波モータ１００の組み立ては、極めて容易に行うことができる。

なお、上述の通り、圧電アクチュエータ１０のＹ方向のぶれは、コマ２３と外壁部２２ａとの間の摩擦力により抑制されるが、さらにコマ２３の構造と凹部３３および切り欠き孔部３４によるコマ２３の保持形態により、コマ２３のＹ方向でのずれが抑制されているので、これによっても圧電アクチュエータ１０にＹ方向でぶれが発生することは抑制される。

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、第１付勢部材，第２付勢部材として第１コイルバネ２４，第２コイルバネ２５を用いた形態について説明したが、これらに代えて、板バネを用いることもできる。また、コマは金属材料からなるものに限定されるものではなく、ゴム等の弾性体からなるものを用いることもできる。さらに、コマに代えてリニアガイドを用いることもできる。

上記実施の形態では、第１ケース部２１を第２ケース部２２に嵌挿保持させた構造について説明したが、リニアステージやＸ−Ｙテーブルではその装置フレームに第２ケース部と同等な形状の窪みを設けることも可能であるので、そのような窪みに、直接に圧電アクチュエータ１０を保持した第１ケース部２１，コマ２３，第１コイルバネ２４，第２コイルバネ２５を装着してもよい。

また、上記実施の形態では、超音波モータ１００を固定してスライダ５０をＸ方向に動かす構成について説明したが、例えば、固定されたガイドレールをベアリングと圧電アクチュエータ１０のヘッド１１とで挟み込むように、超音波モータ１００とベアリングとを同一基板に配置した構造とすれば、超音波モータ１００を自走させるリニアモータの構成へと変形することができる。

超音波モータ素子の概略側面図。超音波モータ素子の概略断面図。図１中の矢視Ａ−Ａ断面図。

符号の説明

１０…圧電アクチュエータ、１１…ヘッド、１２ａ・１２ｂ…圧電素子、１３…素子保持部材、１３ａ・１３ｂ…素子接着部、１３ｃ…連結部、２０…アクチュエータケース、２１…第１ケース部、２１ａ・２１ｂ…側壁部、２１ｃ…底壁部、２２…第２ケース部、２２ａ・２２ｂ…外壁部、２２ｃ…外底壁部、２２ｄ…側面カバー、２３…コマ（円柱部材）、２３ａ…本体部、２３ｂ…突起部、２４…第１コイルバネ、２５…第２コイルバネ、３１ａ・３１ｂ・３１ｃ…爪部、３２…突起部、３３…凹部、３４…切り欠き孔部、５０…スライダ、１００…超音波モータ。

Claims

凹型形状を有し、被駆動体に当接させるヘッド、電圧が印加された際の伸縮方向が交差するように前記ヘッドに接着された２個の圧電素子、及びこれら２つの圧電素子を保持する凹型形状の素子保持部材を具備する圧電アクチュエータの前記素子保持部材の底壁の一部を把持する底壁部と、前記素子保持部材の２つの側壁の一部をそれぞれ把持する２つの側壁部とを有する第１ケース部と、
前記第１ケース部を嵌挿保持する凹型の第２ケース部と、
円柱形状を有し、中心軸が前記圧電アクチュエータの変位面に垂直になり、前記第１ケース部の外壁及び前記第２ケース部の内壁に接触するように回転自在に配置される円柱部材と、
前記第１ケース部を、前記円柱部を介して前記第２ケース部に押圧するように前記第１ケース部と前記第２ケース部との間に配置される第１付勢部材と、
を備えるアクチュエータケース。
前記円柱部材はその端面の中心に円柱状の突起部を備えており、
前記第１ケース部はその突起部を挿入させる孔部を備えていることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータケース。
前記第１ケース部の底壁部を前記圧電アクチュエータに押し付けるように、前記底壁部と前記第２ケース部との間に設けられた第２付勢部材をさらに具備する請求項１または請求項２に記載のアクチュエータケース。
前記第１ケース部はポリエーテルエーテルケトンで構成され、前記第２ケース部は金属で構成され、前記円柱部材は金属で構成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のアクチュエータケース。
被駆動体に当接させるヘッド、電圧が印加された際の伸縮方向が交差するように前記ヘッドに接着された２個の圧電素子、及びこれら２つの圧電素子を保持する凹型形状の素子保持部材を具備する圧電アクチュエータと、
凹型形状を有し、前記圧電アクチュエータの前記素子保持部材の底壁の一部を把持する底壁部と、前記素子保持部材の２つの側壁の一部をそれぞれ把持する２つの側壁部とを有する第１ケース部と、
前記第１ケース部を嵌挿保持する凹型の第２ケース部と、
円柱形状を有し、中心軸が前記圧電アクチュエータの変位面に垂直になり、前記第１ケース部の外壁及び前記第２ケース部の内壁に接触するように回転自在に配置される円柱部材と、
前記第１ケース部を、前記円柱部を介して前記第２ケース部に押圧するように前記第１ケース部と前記第２ケース部との間に配置される第１付勢部材と、
を備える超音波モータ。