JP3173902B2 - 超音波リニアモータ及びその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は積層型圧電素子等の電気
−機械エネルギー変換素子を駆動源とする超音波リニア
モータ及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、電磁型モータに代わる新しいモー
タとして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に比べ、以下のような利点
を有している。 （１）ギアなしで低速高推力が得られる。 （２）保持力が大きい。 （３）ストロークが長く、高分解能である。 （４）静粛性に富んでいる。 （５）電磁的ノイズを発生せず、またノイズの影響も受
けない。 ここで、超音波モータは回転型とリニア型に分けられ、
リニア型の超音波モータとしては、例えば昭和６３年電
子情報通信学会春期全国大会（２．２１縦−屈曲多重モ
ード振動子利用平板状モータによる紙送りデバイスＮ
ｏ．Ａ−２２３（Ｓ６３．３））において発表されたも
のが知られている。

【０００３】かかるリニア型超音波モータにおける振動
子では、図１３に示すように、ステンレス鋼板等からな
る弾性体１０１とシリコンラバー等の支持体１０２との
間に３枚の圧電セラミック１０３、１０４、１０５が接
着されている。ここで、圧電セラミック１０４は縦振動
モード（Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ−ｍｏｄｅ：以下Ｌ
モードと記す）用、圧電セラミック１０３、１０５の２
枚は屈曲振動モード（Ｂｅｎｄｉｎｇ−ｍｏｄｅ：以下
Ｂモードと記す）用である。これらの両モードの共振周
波数が一致する形状に振動子を設計し、共振周波数の交
番電圧（交流）を各圧電セラミック１０３〜１０５に印
加する。そして、これらの交番電圧に適当な位相差を設
ければ、図１４及び図１５中の斜線部に示す部分に楕円
振動を励起することができる。そして、プレッシャーロ
ール１０６により被駆動体としての紙１０７を押圧すれ
ば、紙１０７を左右に搬送することができるものであ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述の従来
の超音波リニアモータでは、圧電セラミック１０３〜１
０５の圧電横効果を利用して振動を励起ししていたた
め、効率が低いという問題点があった。すなわち、一般
に圧電セラミックでは、圧電縦効果による電気−機械結
合係数が６０〜７０％であるのに対し、圧電横効果では
３０〜４０％とかなり低い値となる。ここで電気−機械
結合係数が低いことは、電気−機械変換効率が低いこと
を意味し、駆動入力電圧も数十Ｖｒｍｓ〜１００Ｖｒｍ
ｓ程度の高い電圧を要することになる。

【０００５】本発明は上記問題点に鑑みてなされたもの
で、圧電素子の圧電縦効果を利用することにより、電気
−機械変換効率が高く、低電圧で駆動することのできる
超音波リニアモータ及びその製造方法を提供することを
目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に請求項１に係る本発明の超音波リニアモータでは、電
気−機械エネルギー変換素子を駆動源とし、弾性体に縦
振動及び屈曲振動を発生させて、それらの振動を合成し
超音波楕円振動を起こす超音波振動子と、この超音波振
動子の一部に押圧されて、超音波振動子に対して相対的
に移動する被駆動部材とを具備する超音波リニアモータ
において、上記超音波振動子は、駆動源としての少なく
とも２つの積層型圧電素子と、弾性体としての基本弾性
体及び該基本弾性体に対して接合された保持用弾性体と
を備え、該各々の積層型圧電素子の両端部は前記保持用
弾性体に対しつき当てて接合保持されていることを特徴
としている。

【０００７】そして、請求項２に係る本発明の超音波リ
ニアモータは、上記請求項１に加え、前記基本弾性体に
おける弾性波の節線と直交する面または弾性波の進行す
る方向を含む面に、該基本弾性体の縦振動と屈曲振動と
を独立に検出するための厚み方向に全面分極された振動
検出用圧電素子または厚み方向に対してその向きが交互
に分極された振動検出用圧電素子が接合されているもの
である。

【０００８】また、請求項３に係る本発明の超音波リニ
アモータは、上記請求項１に加え、前記超音波振動子の
前記基本弾性体と前記被駆動部材との接触する部分の近
傍に、その厚み方向に全面分極され接触圧を検出する検
出用圧電素子が接合されていることを特徴とするもので
ある。

【０００９】そして、請求項４は、請求項１乃至３記載
の超音波リニアモータの製造方法であって、前記積層型
圧電素子の前記保持用弾性体間に突き当てて保持し、前
記保持用弾性体の両側面から機械的な圧力をかけつつ前
記保持用弾性体を固定することで超音波リニアモータを
製造すること特徴とするものである。

【００１０】

【作用】上記構成からなる本発明の超音波リニアモータ
は、以下のように作用する。即ち、請求項１記載の超音
波リニアモータでは、振動子の縦振動の共振周波数の交
番電圧を積層型圧電素子に印加する。ここで、２個の積
層型圧電素子に印加する交番電圧の位相差を適当にとる
と、超音波振動子の各部は楕円振動を起こす。この楕円
振動を発生している部分に被駆動体を圧接すれば、被駆
動体はリニアに駆動される。なお、積層型圧電素子には
交番電圧に重畳して直流電圧を印加するとよい。これに
より積層型圧電素子に常時圧縮力が加わり、圧電素子の
破壊が防止される。

【００１１】また、超音波モータは弾性体の共振現象を
利用するので、温度上昇により共振周波数が変化したと
きに駆動周波数を追尾しなければならない。そこで請求
項２記載の超音波リニアモータでは、弾性体の表面接合
した圧電素子により、弾性体の縦振動または屈曲振動の
検出を行う。この検出信号は振動の振幅、位相に相関し
ているので、これをフィードバックして駆動周波数を追
尾する。特に本発明では、縦振動と屈曲振動とを独立に
検出できるようにしたので、どちらの振動の共振周波数
にも追尾が可能である。

【００１２】また、請求項３記載の超音波リニアモータ
では、弾性体の摺動部材近傍に接合した検出用圧電素子
により、超音波振動子と被駆動部材との接触圧を検出す
る。従って、経時変化により共振周波数が変化した場合
の接触圧の変化を直接検出する。この信号を検出してフ
ィードバックすれば、超音波振動子の振動を制御でき
る。また、超音波リニアモータを作るときに接触圧を一
定に作り込むことができる。

【００１３】以下、添付図面を参照して本発明に係る超
音波リニアモータのいくつかの実施例を説明する。な
お、図面の説明において同一の要素には同一符号を付
し、重複する説明を省略する。

【００１４】

【実施例１】まず、本発明の実施例１を説明する。図１
は超音波振動子を示す斜視図、図２は正面図である。図
示の通り、この超音波振動子１０は、基本弾性体１１の
上面に３つの保持用弾性体１２を固定し、それぞれの保
持用弾性体１２の間に積層型圧電素子１３を挟持固定し
たものである。

【００１５】基本弾性体１１は、黄銅材料を直方体形状
に加工したもので、上面の両端と中央部の３箇所（２次
の屈曲振動の節に相当する部分）に保持用弾性体１２を
エポキシ系接着剤で固定した上、さらにネジ１４止めし
ている。そして、各々の保持用弾性体１２の間に積層型
圧電素子１３をつき当てて保持している。即ち、積層型
圧電素子１３は基本弾性体１１とは接触しないように保
持用弾性体１２に接着固定されている。また、積層型圧
電素子１３の側面部は樹脂被覆がなされている。ここ
で、図２の左側の積層型圧電素子１３への電極をＡ、Ｇ
としＡ相と呼ぶことにする。同様に右側の積層型圧電素
子１３への電極をＢ、ＧとしＢ相と呼ぶことにする。

【００１６】基本弾性体１１の底面両端部には、摺動部
材１５が接着されている。この摺動部材１５はポリイミ
ドに充填剤としてカーボンファイバー（２０重量％）と
マイカ（３０重量％）とを混入したもので、厚さ約０．
１ｍｍのものである。

【００１７】なお、上記超音波振動子の諸元を参考に記
すと、基本弾性体１１の寸法は幅３０ｍｍ、高さ８ｍ
ｍ、奥行４ｍｍであり、保持用弾性体１２の寸法は幅４
ｍｍ、高さ３ｍｍ、奥行４ｍｍであり、積層型圧電素子
１３はトーキン（株）のＮＬＡ−２×３×９で、寸法は
２ｍｍ×３．１ｍｍ×９ｍｍである。

【００１８】次に、超音波振動子の動作について説明す
る。上記寸法の超音波振動子は、コンピュータシミュレ
ーションによれば、図３（ａ）に示すような１次の共振
縦振動、及び図３（ｂ）に示すような２次の共振屈曲振
動がほぼ同一周波数で励起できる。その周波数は５３．
５ｋＨｚである。そこで、Ａ相及びＢ相に３０Ｖの直流
電圧を印可して積層型圧電素子１３に圧縮予圧を加えた
上、Ａ相及びＢ相に周波数５３．５ｋＨｚ振幅１０Ｖｐ
−ｐの交番電圧を印可する。ここで、Ａ相とＢ相の位相
を同位相にすると、図３（ａ）に示すような１次の共振
縦振動が励起される。つぎに、Ａ相とＢ相の位相を逆位
相にすると、図３（ｂ）に示すような２次の共振屈曲振
動が励起される。つぎに、Ａ相とＢ相の位相を９０度ず
らすと、摺動部材１５付近に超音波楕円振動を励起する
ことができた。

【００１９】つぎに、上述の超音波振動子を使用した超
音波リニアモータについて説明する。図４は超音波リニ
アモータの正面図である。図示の通り、この超音波リニ
アモータでは、超音波振動子１０がレール２１上を左右
に自走するようになっており、これをガイドするために
レール２１の裏面にリニアガイド固定部２２を設ける一
方、超音波振動子１０の支持機構の下端にリニアガイド
移動部２３を設けたものである。

【００２０】超音波振動子１０は厚さ１ｍｍのシリコン
ゴム（図示せず）を介してアルミニウム材からなる振動
子保持部材２４により保持されている。振動子保持部材
２４はコの字形状のもので、連結棒２５が連結されてい
る。この連結棒２５の上端にはバネ受け２６が形成され
ている。一方、レール２１は表面を焼入硬化されたステ
ンレス材からなり、表面は滑らかに研磨されており、裏
面にはリニアガイド固定部２２が一体に固定されてい
る。リニアガイド移動部２３には枠３０が固定されてお
り、上枠３１と一体をなしている。上枠３１の中央部に
はタップが切られ、ボルト２９が螺入している。ボルト
２９にはバネ押さえ２８が取り付けられ、バネ２７の長
さを調節し、超音波振動子１０とレール２１との間の接
触圧を調節できるようになっている。

【００２１】つぎに、この超音波リニアモータの動作を
説明する。前述のように超音波振動子１０のＡ相とＢ相
に交番電圧を印可し、位相差を９０度（または−９０
度）とする。すると超音波振動子１０の摺動面に超音波
楕円振動が励起されて、レールに対して右方向に（また
は左方向に）移動する。本実施例のモータ特性は、無負
荷速度１５０ｍｍ／ｓｅｃ、起動推力２Ｎであった。こ
の性能は１０万回の往復動作後も維持された。

【００２２】なお、本実施例は以下のように変形して実
施してもよい。 （１）上記実施例では積層型圧電素子に予圧をかけるた
めに直流電圧を重畳したが、組立時に保持用弾性体の両
側面から機械的な圧力をかけつつ保持用弾性体を固定す
ること。 （２）同様に予圧をかけるために、組立前に積層型圧電
素子を脱分極の状態で組み付け、その後ＤＣ１００Ｖの
電圧を印可して分極すること。この時点で、積層型圧電
素子に予圧が加わるので、駆動時に直流電圧を印可する
必要はなくなる。 （３）また、小さな振動振幅で駆動する場合には積層型
圧電素子に加わる引張力は小さいので、予圧をかけなく
てもよい。

【００２３】以上説明したように、本実施例の超音波リ
ニアモータによれば、圧電縦効果を利用したので、電気
−機械変換効率が大幅に向上する。また、積層型圧電素
子に予圧をかけつつ動作させるので、超音波振動子の耐
久性も向上する。

【００２４】

【実施例２】次に、本発明の実施例２を説明する。図５
は超音波振動子を示す正面図、図６は超音波リニアモー
タを示す正面図である。図５の超音波振動子が、実施例
１と異なる点は、摺動部材１６を共振屈曲振動の別の腹
に取り付けた点と、材質をアモルファスカーボンとした
点である。また、図６の超音波リニアモータでは、超音
波振動子１０を固定して、棒状の被駆動体３４を左右に
駆動することにした。

【００２５】超音波振動子１０は、固定部材３２により
基台（図示せず）に固定される。固定部材３２は、図６
（ｂ）の側面図で示すように、断面コの字状で超音波振
動子を保持する内面には防振用にウレタンゴム３３が貼
着されている。次に、被駆動体３４は図６（ｃ）の断面
図で示す形状で、ステンレス材を焼入処理後、超音波振
動子１０との接触面４１を滑らかに研磨したものであ
る。そして、接触面と上面４２とは薄肉部３９、４０で
連結されている。このようにすることで、薄肉部３９、
４０で振動が反射されるので、振動エネルギーが外部に
漏れることがなくなり超音波リニアモータの効率を向上
させることができる。

【００２６】次に、被駆動体３４の上面にはリニアガイ
ド移動部３５が一体に固定され、リニアガイド固定部３
６により下方に押圧されている。３７は押圧力を与える
板バネ、３８は基台（図示せず）に固定されたバネ保持
部である。

【００２７】つぎに、この超音波リニアモータの動作を
説明する。実施例１と同様に超音波振動子１０のＡ相と
Ｂ相に交番電圧を印可し、位相差を９０度（または−９
０度）とする。すると超音波振動子１０の摺動面に超音
波楕円振動が励起されて、被駆動体３４が右方向に（ま
たは左方向に）移動する。本実施例のモータ特性は、無
負荷速度２００ｍｍ／ｓｅｃ、起動推力３Ｎであった。
この性能は１０万回の往復動作後も維持された。

【００２８】

【実施例３】次に、本発明の実施例３を説明する。図７
は超音波振動子を示す正面図である。図示の通りこの超
音波振動子１０では、振動検出用の圧電素子１７、１８
を基本弾性体１１の側面に接着した。検出用圧電素子１
７、１８はＰＺＴセラミックスからなり、両面に銀電極
処理が施された厚さ０．２ｍｍのものである。そして、
検出用圧電素子１７は全面に渡り同じ向きに分極されて
おり、検出用圧電素子１８は中央部を境に逆向きに分極
されている。それぞれの検出用圧電素子１７、１８には
リード線Ｆ１、Ｆ２が接続されており、これと対をなす
共通のグランド線が基本弾性体１１に接続されている。

【００２９】次に、この実施例の作用を説明する。実施
例１と同様に積層型圧電素子１３に交番電圧を印可して
１次の縦振動を励起すると、Ｆ１端子からは振動振幅に
比例する正弦波状の信号が得られ、Ｆ２端子からは信号
が得られなかった。次に、積層型圧電素子１３に２次の
屈曲振動を励起すると、Ｆ１端子からは信号が得られな
かったが、Ｆ２端子からは振動振幅に比例した正弦波状
の信号が得られた。次に、１次の縦振動と２次の屈曲振
動とを同時に励起して超音波楕円振動を励起すると、Ｆ
１及びＦ２端子の両方から正弦波信号が得られた。そし
て、この場合のＦ１端子からの信号は１次の縦振動に比
例し、Ｆ２端子からの信号は２次の屈曲振動に比例して
いる。

【００３０】超音波振動子を長時間駆動すると、振動子
の温度が上昇し、共振周波数が変化する。従って、振動
子の振動状態を一定に保つためには周波数を追尾しなけ
ればならない。本実施例では、図８のような回路構成に
より追尾を行う。即ち、発振器からの交番電圧の出力
は、増幅されてＡ相に印可されるとともに、移相器を通
った後増幅されてＢ相にも印可される。そしてＦ１端子
（又はＦ２端子）の信号を増幅し、モニター電圧として
発振器の信号と比較して、両者の位相差が一定になるよ
うに発振周波数を調整するか、またはモニター電圧を常
に最大となるように発振周波数を調整すればよい。

【００３１】なお、検出用圧電素子の取付位置は図９の
ようにしてもよい。即ち、図９では検出用圧電素子１
７、１８を基本弾性体１１の底面に接着した。また、モ
ニター信号としては、Ｆ２信号を利用してもよいし、Ｆ
１信号とＦ２信号との和を利用しても周波数追尾が可能
である。

【００３２】以上のように本実施例によれば、振動子の
温度上昇に関わりなく振動状態を一定に保つことがで
き、モータ特性を安定化することができた。

【００３３】

【実施例４】次に、本発明の実施例４を説明する。図１
０は超音波振動子の正面図である。図示の通りこの実施
例では、検出用の圧電素子１９、２０を基本弾性体１１
と摺動部材１５との間に介在させることとした。検出用
の圧電素子１９、２０はＰＺＴセラミックスからなり、
両面に銀電極処理が施された厚さ０．２ｍｍ×幅２ｍｍ
×奥行き４ｍｍのもので、厚み方向に分極されている。
そして、分極の向きが検出用の圧電素子１９と２０とで
逆向きになるように接着した。これらの底面には、実施
例１と同様の摺動部材１５を接着した。さらに、それぞ
れの圧電素子１９、２０にはリード線Ｆ３、Ｆ４が接続
されており、これと対をなす共通のグランド線が基本弾
性体１１に接続されている。

【００３４】本実施例の超音波振動子を用いて、図４と
同様な超音波リニアモータを構成した。超音波リニアモ
ータを駆動すると、摺動部材１５とレールとの接触圧に
より圧電効果が生じ、Ｆ３、Ｆ４の端子に電圧が発生す
る。この電圧は、図１１（ａ）に示す波形となってい
る。また、Ｆ３とＦ４とでは出力電圧の位相が１８０度
異なり符号は反対であるので、両者の和は図１１（ｂ）
のような正弦波となる。

【００３５】本実施例では、この信号を利用して図１２
のような回路構成により周波数追尾を行う。即ち、発振
器からの交番電圧の出力は、増幅されてＡ相に印可され
るとともに、移相器を通った後増幅されてＢ相にも印可
される。そしてＦ３端子とＦ４端子との信号を加え合わ
せて増幅し、モニター電圧として発振器の信号と比較し
て、両者の位相差が一定になるように発振周波数を調整
するか、またはモニター電圧を常に最大となるように発
振周波数を調整すればよい。

【００３６】以上のように本実施例によれば、簡単な構
造で振動子と被駆動体との接触圧を検出することが可能
である。それにより周波数を追尾して、振動子の温度上
昇に関わりなく振動状態を一定に保つことができ、モー
タ特性を安定化することができた。また、本実施例では
振動子と被駆動体との接触圧を検出して、両者の接触圧
を調整コントロールすることができる。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の超音波リ
ニアモータによれば、次のような効果がある。すなわ
ち、積層型圧電素子を用いて圧電縦効果を利用したの
で、電気−機械変換効率が向上し、低電圧駆動が可能と
なった。また、きわめて簡易な構成でコンパクトであり
ながら、出力の大きい超音波リニアモータを得ることが
できるとともに、積層型圧電素子に予圧をかけながら使
用するので、超音波リニアモータの耐久性を向上させる
ことができる。さらに、超音波振動子の縦振動と屈曲振
動とを独立に検出することが可能であり、その信号によ
り駆動周波数の自動追尾が可能である。また、超音波振
動子と被躯動体との接触圧を検出して、周波数自動追尾
を行うこともできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による実施例１の超音波振動子を示す斜
視図である。

【図２】本発明による実施例１の超音波振動子を示す正
面図である。

【図３】実施例１の超音波振動子の作用を説明する図で
ある。

【図４】本発明による実施例１の超音波リニアモータを
示す正画図である。

【図５】本発明による実施例２の超音波振動子を示す正
面図である。

【図６】本発明による実施例２の超音波リニアモータを
示す正面図である。

【図７】本発明による実施例３の超音波振動子を示す正
面図である。

【図８】実施例３の超音波振動子の駆動回路図である。

【図９】実施例３の超音波振動子の変形例を示す底面図
である。

【図１０】本発明による実施例４の超音波振動子を示す
正面図である。

【図１１】実施例４の超音波振動子の作用を説明する図
である。

【図１２】実施例４の超音波振動子の駆動回路図であ
る。

【図１３】従来の超音波リニアモータを示す正面図であ
る。

【図１４】従来の超音波リニアモータの縦振動モードを
示す図である。

【図１５】従来の超音波リニアモータの屈曲振動モード
を示す図である。

【符号の説明】

１０ 超音波振動子 １１ 基本弾性体 １２ 保持用弾性体 １３ 積層型圧電素子 １４ ネジ １５，１６ 摺動部材 １７，１８ 検出用圧電素子 １９，２０ 検出用圧電素子 ２１ レール ２２ リニアガイド固定部 ２３ リニアガイド移動部 ２４ 振動子保持部材 ２５ 連結棒 ２６，２８ バネ受け ２７ バネ ２９ ボルト ３０ 枠 ３１ 上枠 ３２ 固定部材 ３３ ウレタンゴム ３４ 被駆動体 ３５ リニアガイド移動部 ３６ リニアガイド固定部 ３７ 板バネ ３８ バネ保持部 ３９ 薄肉部 ４０ 薄肉部 ４１ 接触面 ４２ 上面 １０１ 弾性体 １０２ 支持体 １０３，１０４，１０５ 圧電セラミック １０６ プレッシャーロール １０７ 紙

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大内 孝司 東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号 オ リンパス光学工業株式会社内 (72)発明者 谷口 芳久 東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号 オ リンパス光学工業株式会社内 (56)参考文献 特開 平３−261385（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−6989（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−178581（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−277477（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−7876（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−142888（ＪＰ，Ａ) 実開 平４−68495（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02N 2/08 H02N 2/16

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電気−機械エネルギー変換素子を駆動源
   とし、弾性体に縦振動及び屈曲振動を発生させて、それ
   らの振動を合成し超音波楕円振動を起こす超音波振動子
   と、この超音波振動子の一部に押圧されて、超音波振動
   子に対して相対的に移動する被駆動部材とを具備する超
   音波リニアモータにおいて、 上記超音波振動子は、駆動源としての少なくとも２つの
   積層型圧電素子と、弾性体としての基本弾性体及び該基
   本弾性体に対して接合された保持用弾性体とを備え、該
   各々の積層型圧電素子の両端部は前記保持用弾性体に対
   しつき当てて接合保持されていることを特徴とする超音
   波リニアモータ。
2. 【請求項２】 請求項１記載の超音波リニアモータにお
   いて、前記基本弾性体における弾性波の節線と直交する
   面または弾性波の進行する方向を含む面に、該基本弾性
   体の縦振動と屈曲振動とを独立に検出するための厚み方
   向に全面分極された振動検出用圧電素子または厚み方向
   に対してその向きが交互に分極された振動検出用圧電素
   子が接合されていることを特徴とする超音波リニアモー
   タ。
3. 【請求項３】 請求項１記載の超音波リニアモータにお
   いて、前記超音波振動子の前記基本弾性体と前記被駆動
   部材との接触する部分の近傍に、その厚み方向に全面分
   極され接触圧を検出する検出用圧電素子が接合されてい
   ることを特徴とする超音波リニアモータ。
4. 【請求項４】 前記積層型圧電素子を前記保持用弾性体
   間に突き当てて保持し、前記保持用弾性体の両側面から
   機械的な圧力をかけつつ前記保持用弾性体を固定するこ
   とを特徴とする請求項１乃至３記載の超音波リニアモー
   タの製造方法。