JP3192029B2 - 超音波モータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波モータ、より詳
しくは、弾性体に固定された２つの電気−機械エネルギ
ー変換素子を駆動源とする超音波モータに関する。

【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て以下のような利点
を有している。 （１） ギヤーを用いることなく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） 磁気的ノイズを発生せず、また該ノイズの影響
を受けることもない。

【０００３】このような種々の利点を有する超音波モー
タは、その駆動方法により回転型とリニア型に大別する
ことができる。これらの内のリニア型の超音波モータの
一例として、先に本出願人が提案した特願平４−３２１
０９６号に記載のものが上げられる。

【０００４】以下、この特願平４−３２１０９６号に基
づいて、従来の超音波リニアモータについて説明する。
超音波振動子は、基本弾性体の一端面に、２次の共振屈
曲振動のほぼ腹に対応する部分に２つの積層型圧電素子
を配置し、保持用弾性体によりこれらを挟み込んで該基
本弾性体に固定して構成されている。このような超音波
振動子を、振動子保持部材により被駆動部材に対して接
触圧を調整可能に保持して、超音波モータが構成されて
いる。

【０００５】このような超音波振動子を動作する際に
は、上記２つの積層型圧電素子に位相が９０度あるいは
−９０度ずれた交番電圧を印加することにより、一次の
共振縦振動と二次の共振屈曲振動を励起し、これらの合
成により時計周りまたは反時計周りの超音波楕円振動を
励起することができる。この際に、上記超音波振動子の
寸法を適当に調整することで、上記１次の共振縦振動と
２次の共振屈曲振動をほぼ同一周波数で励起するように
なっている。そして超音波楕円振動をしている部分に設
けられた摺動部材を、上記被駆動部材に押圧接触するこ
とにより、該被駆動部材が右方向または左方向に相対移
動するようになっている。

【０００６】このように、従来の超音波モータは、縦振
動の共振周波数と屈曲振動の共振周波数を、基本的には
ほぼ一致させて駆動するものであった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ように縦振動の共振周波数と屈曲振動の共振周波数とを
ほぼ一致させて駆動する場合には、駆動周波数に対する
速度の特性曲線は、その最大速度が得られる周波数の両
側で非対称になって低周波数側で急激に速度低下してし
まい、超音波モータの可動周波数範囲が非常に狭くなる
という問題点があった。これにともなって、例えば超音
波モータをオープンループで駆動した場合には、動作環
境の温度変動に従って共振周波数が変化して、少しの温
度変化でさえも超音波モータが停止してしまうことがあ
った。

【０００８】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであり、駆動周波数に対して可動範囲が広く安定に動
作する超音波モータを提供することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明による超音波モータは、弾性体と、弾性体に
固定された２つの電気−機械エネルギー変換素子と、上
記弾性体に押圧された被駆動部材とからなり、上記２つ
の電気−機械エネルギー変換素子にそれぞれ交流電圧を
印加することにより上記弾性体に縦振動および屈曲振動
を発生させて、上記被駆動部材を駆動する超音波モータ
において、前記電気−機械エネルギー変換素子は積層型
圧電素子で構成され、この積層型圧電素子は前記弾性体
の一部に挟み込まれるようにして固定されており、上記
屈曲振動の共振周波数が縦振動の共振周波数より低いこ
とを特徴とし、そして、前記屈曲振動の共振周波数は、
前記縦振動の共振周波数より３％程度低いことを特徴と
し、また、前記弾性体は、一部に突部を有する略直方体
形状の基本弾性体と、この基本弾性体に固定される二つ
の補助弾性体とを含み、前記積層型圧電素子のそれぞれ
は、前記基本弾性体における前記突部が形成された部分
に沿うように配置され、一端が前記突部に当接すると共
に、他端が前記補助弾性体に当接して固定されることを
特徴とする。

【００１０】

【作用】上記２つの電気−機械エネルギー変換素子にそ
れぞれ交流電圧を印加することにより、上記弾性体に縦
振動およびこの縦振動の共振周波数より低い共振周波数
の屈曲振動を発生させて、上記被駆動部材を駆動する。

【００１１】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。図１ないし図４は、本発明の第１実施例を示した
ものである。まず、図１を参照して超音波振動子の構成
について説明する。

【００１２】この第１実施例の超音波振動子２は、図１
に示すように、基本弾性体３の上部に、補助弾性体６に
より積層型圧電素子４を固定して、その主要部が構成さ
れている。

【００１３】上記基本弾性体３は、図１（Ａ）に示すよ
うに、黄銅材により略直方体形状に形成されていて、そ
の上端面の中央部から上方に向かって矩形の凸部３ａを
突設している。この基本弾性体３の寸法は、上記凸部３
ａを除いて、例えば幅３０ｍｍ，奥行４ｍｍであり、そ
の高さ（図１において符号Ｈで示した高さ）については
７．２５ｍｍ〜９ｍｍの範囲のものを試作した。また、
上記凸部３ａの寸法は、例えば幅４ｍｍ，高さ２．５ｍ
ｍ，奥行４ｍｍである。さらに、該基本弾性体３には、
基本弾性体の幅方向の中心部でかつ底面から６ｍｍの位
置に、圧入によってφ２ｍｍのステンレス材からなるピ
ン３ｂが打ち込まれている。

【００１４】このような基本弾性体３に対して、上記凸
部３ａを両側から挟み込むように積層型圧電素子４を取
り付け、そのさらに両側から例えば幅４ｍｍ，高さ２．
５ｍｍ，奥行４ｍｍに形成された上記補助弾性体６で挟
み込んで、ビス１２により固定するようになっている。
この積層型圧電素子４は、電極処理された薄板形状の圧
電素子を数十枚から数百枚程度積層したものである。な
お、この第１実施例においては、株式会社トーキンの積
層型圧電素子ＮＬＡ−２×３×９を用いており、その寸
法は、２ｍｍ×３．１ｍｍ×９ｍｍである。積層圧電素
子の両端部以外の部分は、図示はしないがエポキシ系樹
脂により、例えば約０．５ｍｍ程度の被覆厚で被覆され
ている。

【００１５】次に、上述のような超音波振動子２の組立
方法について説明する。まず、図１に示すように、基本
弾性体３の凸部３ａの両側に積層型圧電素子４を載置す
る。そして上記保持用弾性部材６により、両側から挟み
込むようにして基本弾性体３上に保持し固定する。な
お、該基本弾性体３には、図示はしないが２カ所にネジ
のタップがきってあり、図示のように保持用弾性体６
は、２本のビス１２を締結して基本弾性体３に固定され
るとともに、エポキシ系の接着剤により接着される。こ
のとき積層型圧電素子４は、基本弾性体３の凸部３ａと
保持用弾性体６との間で付き当てで、または圧縮力をか
けた状態で保持固定される。

【００１６】また、積層型圧電素子４は、基本弾性体３
の凸部３ａおよび保持用弾性体６と接触する部分にはエ
ポキシ系の接着剤を塗布して固定されているとともに、
基本弾性体３と接する下側面部分もやはりエポキシ系の
接着剤を用いて接着される。さらに、保持用弾性体６と
基本弾性体３の接触する部分もエポキシ系の接着剤によ
り接合される。

【００１７】基本弾性体３の積層型圧電素子４が配置さ
れている面に対して反対側の面（すなわち、被駆動部材
と接触する側の面）の両端部から９ｍｍの位置（共振屈
曲振動の振動振幅が極大値を示す位置）には、ステンレ
ス材、例えばＳＵＳ４４０Ｃをビッカース硬度で８００
程度に焼入れ処理して形成した直方体形状の摺動部材５
が、エポキシ系の接着剤を用いて接着されていて、その
寸法は例えば幅３ｍｍ，奥行４ｍｍ，厚み１ｍｍであ
る。

【００１８】次に、上記超音波振動子２の動作について
説明する。なお、図１において、左手前側の積層型圧電
素子４に接続されている電気端子をＡ，Ｇ（Ａ相と呼
ぶ）とし、右奥側の積層型圧電素子４に接続されている
電気端子をＢ，Ｇ（Ｂ相と呼ぶ）とする。超音波振動子
２を上述した寸法形状に形成すれば、１次の共振縦振動
および２次の共振屈曲振動を、ほぼ同一周波数Ｆｒ（５
３ｋＨｚ〜５６ｋＨｚ程度）で励起することができる。
これらの振動を有限要素法を用いてコンピュータ解析し
た結果、図２（Ａ）に示すような共振縦振動状態と、図
２（Ｂ）に示すような共振屈曲振動状態をとっているこ
とが分かり、実際に振動測定を行った結果、このような
振動状態になっていることが実証された。

【００１９】まず、Ａ相に周波数Ｆｒで振幅１０Ｖｐ-
ｐの交番電圧を印加し、Ｂ相に同一周波数かつ同振幅で
同位相の交番電圧を印加すると、図２（Ａ）に示すよう
な一次の共振縦振動が励起されることがわかる。

【００２０】次に、Ａ相に周波数Ｆｒで振幅１０Ｖｐ-
ｐの交番電圧を印加し、Ｂ相に同一周波数かつ同振幅で
逆位相の交番電圧を印加すると、図２（Ｂ）に示すよう
な二次の共振屈曲振動が励起されることがわかる。

【００２１】次に、図３を参照して、上記超音波振動子
２を用いて構成した超音波リニアモータ１について説明
する。超音波振動子２は、図３に示すように、そのピン
３ｂを介して２つの保持板２１により両側面から挟み込
んで保持されている。すなわち、この保持板２１には上
記ピン３ｂの直径とほぼ同径の孔２１ａが穿設されてい
て、この孔２１ａに対しピン３ｂが係入している。この
ように保持することで、超音波振動子２はピン３ｂ周り
の回転に対してのみ自由度を有するようになっている。

【００２２】上記保持板２１は、その上端側でビス２３
により保持板固定部材２２に固定され、この保持板固定
部材２２にはリニアブッシュ２４が上方に向けて植立さ
れている。そして、このリニアブッシュ２４は、軸２５
に沿って上下方向にリニアに移動するようになってい
る。

【００２３】この軸２５は、軸固定部材２６の下端面か
ら下方に向かってに植立されていて、この軸固定部材２
６は、ベース２７に対してビス２６ａにより固定されて
いる。軸固定部材２６のほぼ中央部には上下方向に向か
って貫通したタップが切られていて、押圧ビス２８が螺
合されている。この押圧ビス２８のねじ部の下端面とと
上記保持板固定部材２２との間には、押圧バネ２９が介
入されている。

【００２４】一方、上記ベース２７には、被駆動部材た
るクロスローラーガイド３０が、その固定部３１でビス
３１ａにより固定されている。このクロスローラーガイ
ド３０は、上記固定部３１に移動部３２を添設してい
て、この移動部３２に摺動部材保持部３３を図示しない
ビスにより固定し、さらにこの摺動部材保持部３３に例
えばＨＩＰ処理が施されたジルコニアセラミックスで形
成された摺動部材３４を接着することにより構成されて
いる。

【００２５】また、上記摺動部材３４には、移動方向に
対して直交する方向に等間隔に複数の溝が刻設されてい
て、この溝のピッチは０．４ｍｍであり、その溝の幅は
０．１５ｍｍ、深さは０．１ｍｍである。

【００２６】このような押圧機構の構成によれば、押圧
ビス２８を調整することで超音波振動子２のクロスロー
ラーガイド３０の摺動部材３４への押圧力を調整するこ
とができる。

【００２７】次に、この第１実施例の超音波リニアモー
タ１の動作について説明する。先に説明したように、超
音波振動子２のＡ相とＢ相に、周波数Ｆｒ，振幅１０Ｖ
ｐ-ｐ，位相差＋９０度または−９０度の交番電圧をそ
れぞれ印加すると、超音波振動子２の摺動部材５の位置
には、右周りまたは左周りの超音波楕円振動が発生す
る。そして上記クロスローラーガイド３０の移動部３２
は、この回転方向に従ってそれぞれ右方向または左方向
に駆動される。

【００２８】このような超音波リニアモータ１の動作に
おいて、上述のように、基本弾性体３の凸部３ａを除い
た部分の高さである図１の符号Ｈに示す寸法を種々変化
させた超音波振動子２を試作して、そのモータ特性を評
価した。その結果を表１に示す。

【００２９】

【表１】 この表１において、モータ動作で○印のものは動作した
ということ意味し、×印のものは動作しないか、もしく
は動作してもほとんど速度および推力が出ないものであ
ることを意味している。この結果から、屈曲振動共振周
波数が縦振動共振周波数以下でないと動作しないことが
明らかになった。

【００３０】次に、試作Ｎｏ．１から試作Ｎｏ．５まで
の超音波モータ（つまり、動作する超音波モータ）の駆
動周波数に対する移動速度の特性について計測した結果
を図４に示す。図４（Ａ）は負荷がないときの特性を示
したものであり、図４（Ｂ）は負荷として１．８６Ｎを
与えたときの特性を示したものである。

【００３１】この図４に示したデータと上記表１に示し
たデータを比較検討することにより、 （１） 最大速度を生ずる周波数は、ほぼ縦振動の共振
周波数に一致している。 （２） 屈曲振動の共振周波数が縦振動の共振周波数よ
り低くなればなるほど、その最大速度を生ずる周波数の
両側の速度特性がより対称的になる傾向がみられる。 ということが分かる。なお、この最大速度を生ずる周波
数の両側での対称性をより高めるには、屈曲振動の共振
周波数を縦振動の共振周波数より３％ほど低くすること
が望ましく、この場合にはほぼ対称の速度特性が得られ
る。

【００３２】このような第１実施例によれば、屈曲振動
共振周波数が縦振動共振周波数より低く、駆動周波数が
縦振動共振周波数近傍である超音波モータとしたこと
で、駆動周波数に対して可動範囲が広く、その最大速度
の周波数の両側で速度特性が対称となる、推力および速
度とも最大の特性が得られる超音波モータとすることが
できる。

【００３３】図５，図６は本発明の第２実施例を示した
ものである。この第２実施例において、前述の第１実施
例と同様である部分については説明を省略し、主として
異なる点について説明する。この第２実施例の超音波振
動子２は、上記第１実施例に比べて、新たに振動検出用
の圧電素子４１が、基本弾性体３に接着されている点が
主として異なる部分である。この検出用圧電素子４１
は、図５に示すように、例えば０．３ｍｍ厚のＰＺＴセ
ラミックスにより基本弾性体３の長手方向の長さよりも
やや短い長さの帯状に形成されていて、その厚み方向に
分極されている。そして、該検出用圧電素子４１の両面
には銀電極処理が施されている。

【００３４】このような検出用圧電素子４１は、ピン３
ｂの上側であって積層型圧電素子４の下側となる基本弾
性体３の略上半分に、ほぼ全幅にわたって接着されてい
る。このような構成によれば、超音波振動子２が振動し
ているときに、その縦振動のみを検出することが可能で
ある。また、該検出用圧電素子４１からはリード端子Ｆ
が導出されていて、一方、図示はしないが、基本弾性体
３からは共通のグランド端子が導出されている。

【００３５】次に、この第２実施例の作用について説明
する。上記第１実施例で述べた方法で積層型圧電素子４
に交番電圧を印加して、一次の縦振動を励起させる。こ
のときリード端子Ｆからは振動振幅に比例する略正弦波
の信号が得られた。

【００３６】同様に第１実施例で述べた方法で積層型圧
電素子４に交番電圧を印加して、二次の屈曲振動を励起
させる。このときリード端子Ｆからはほとんど信号が得
られなかった。

【００３７】次に第１実施例で述べた方法で積層型圧電
素子４に交番電圧を印加して、一次の縦振動と二次の屈
曲振動を同時に励起する。このときリード端子Ｆから正
弦波状の信号が得られた。この場合のリード端子Ｆから
の信号は一次の縦振動に比例していると考えられる。

【００３８】超音波振動子２をさまざまな温度環境で動
作させる場合、超音波振動子の温度により共振周波数が
変化する。そのため振動子の振動状態を一定に保つため
には周波数を追尾する必要がある。図６に、この周波数
を追尾することができる超音波モータの駆動回路の一例
を示す。発振器４３から出された縦振動周波数Ｆｒ近傍
の交番電圧は、増幅器（図においてＡｍｐと略記す
る。）４７で増幅されてＡ相に印加される。同時に移相
器４５を介して位相を例えば＋９０度または−９０度移
相した後に、増幅器４８で増幅されてＢ相に印加され
る。そしてリード端子Ｆからの出力信号を増幅器４６で
増幅して、モニター電圧として比較器４４により発振器
４３の信号と比較して、両者の位相差が一定になるよう
に発振器４３を制御して、発振周波数を調整するかまた
はモニター電圧が常に極大となるように発振周波数を調
整する。

【００３９】このような周波数を自動追尾することがで
きる駆動回路を設けた超音波振動子を用いて上記図３に
示すような超音波モータを動作させたところ、広い温度
環境にわたって速度や推力が低下することのない超音波
モータが得られた。

【００４０】このような第２実施例によれば、上記第１
実施例とほぼ同様の効果を有するとともに、縦振動の共
振周波数に周波数追尾をかけてモータ駆動を行うように
することで、温度変化した場合にも、推力や速度がより
低下しにくい超音波モータとすることができる。

【００４１】なお、上記各実施例においてはリニア型の
超音波モータについてのみ述べたが、本発明はこれに限
定されるものではなく、超音波振動子を用いて移動体を
回転体とすれば、回転型の超音波モータにも応用するこ
とができる。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、駆
動周波数に対して可動範囲が広く安定に動作する超音波
モータを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す超音波振動子の斜視
図。

【図２】上記第１実施例の超音波振動子の、（Ａ）共振
縦振動状態，（Ｂ）共振屈曲振動状態をそれぞれ示す線
図。

【図３】上記第１実施例の超音波振動子を用いて構成し
た超音波リニアモータを示す正面図。

【図４】上記第１実施例の超音波リニアモータの、
（Ａ）負荷をかけない場合，（Ｂ）負荷をかけた場合、
の周波数に対する速度の特性をそれぞれ示す線図。

【図５】本発明の第２実施例を示す超音波振動子の正面
図。

【図６】上記第２実施例の、周波数を追尾することがで
きる超音波モータの駆動回路の一例を示すブロック図。

【符号の説明】

１…超音波リニアモータ ２…超音波振動子 ３…基本弾性体 ４…積層型圧電素子 ３０…クロスローラーガイド ４１…検出用圧電素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−45173（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−261385（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02N 2/00

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 弾性体と、弾性体に固定された２つの電
   気−機械エネルギー変換素子と、上記弾性体に押圧され
   た被駆動部材とからなり、上記２つの電気−機械エネル
   ギー変換素子にそれぞれ交流電圧を印加することにより
   上記弾性体に縦振動および屈曲振動を発生させて、上記
   被駆動部材を駆動する超音波モータにおいて、 前記電気−機械エネルギー変換素子は積層型圧電素子で
   構成され、この積層型圧電素子は前記弾性体の一部に挟
   み込まれるようにして固定されており、上記屈曲振動の
   共振周波数が縦振動の共振周波数より低いことを特徴と
   する超音波モータ。
2. 【請求項２】 前記屈曲振動の共振周波数は、前記縦振
   動の共振周波数より３％程度低いことを特徴とする請求
   項１記載の超音波モータ。
3. 【請求項３】 前記弾性体は、一部に突部を有する略直
   方体形状の基本弾性体と、この基本弾性体に固定される
   二つの補助弾性体とを含み、前記積層型圧電素子のそれ
   ぞれは、前記基本弾性体における前記突部が形成された
   部分に沿うように配置され、一端が前記突部に当接する
   と共に、他端が前記補助弾性体に当接して固定されるこ
   とを特徴とする請求項１記載の超音波モータ。