JP4654583B2 - 振動波モータ - Google Patents

Description

本発明は、振動子の駆動面に進行性振動波を生じさせ、この進行性振動波により振動子に加圧接触した移動子を駆動する振動波モータに関するものである。

従来、振動波モータとしては、例えば、振動子と、この振動子に加圧接触した移動子とを備えたものが知られている。振動子は、圧電効果を示す圧電体と、この圧電体に接合された弾性体とを備えており、圧電体の伸縮を利用して、弾性体の駆動面に進行性振動波を発生させる。この進行性振動波により、弾性体の駆動面には楕円運動が生じるので、楕円運動の波頭に加圧接触した移動子は駆動される。
このような振動波モータは、低回転でも高トルクを有するという特徴があるため、振動波モータを適宜の駆動装置に搭載した場合には、この駆動装置のギアを省略することができ、例えば、ギア騒音をなくしたり、位置決め精度を向上できる等の利点がある。

振動子は、上述したように、圧電体と弾性体とを備え、この圧電体と弾性体とは、接着剤等により強固に接着（接合）されている。弾性体の圧電体接合面とは反対側の駆動面側には、略等間隔に等幅の溝が設けられている。この溝により、弾性体内部に生じる曲げ振動の中立面が圧電体側にシフトし、その結果、弾性体の駆動面側に発生する進行性振動波の振幅が拡大する。

弾性体に発生する進行性振動波は、圧電体の励振より生じる二つの曲げ振動の定在波を合成することにより得られる。この曲げ振動（定在波）の振動振幅を大きくすることにより、振動波モータの性能を高めることができる。このため、振幅の大きい曲げ振動（定在波）を得るために、例えば、振動子の溝数を進行性振動波の波数の倍数になるように設計して、各波の振動が一様になるようにする方法が知られている。

図５は、従来の振動波モータにおける異音の発生原理を説明するための概念図である。
Ａは、弾性体に略等間隔で形成された溝部１２ａと、この溝部１２ａ間に形成され、振動面１２ｃを含む突起部１２ｂとにそれぞれ対応している。なお、この溝部１２ａの数は、進行性振動波の波数の倍数とする。
Ｂは、弾性体に発生する進行性振動波であって、この進行性振動波の波頭部が突起部１２ｂを通過するときの波形を示している。
Ｃは、弾性体に発生する進行性振動波であって、この進行性振動波の波頭部が溝部１２ａを通過するときの波形を示している。

この波形Ｂ，Ｃによれば、進行性振動波の波頭部が溝部１２ａを通過するときの振幅よりも、突起部１２ｂを通過するときの振幅は増幅されており、かつ、この進行性振動波の全ての波頭部（ここでは、３つ）が同時に突起部１２ｂを通過した状態（波形Ｂ）から溝部１２ａを通過した状態（波形Ｃ）に切り替わるために、移動子に必要以上の上下動の動きが瞬間的に生じる。
これにより、振動波モータにおいて、振動子と移動子とが接触しない瞬間が各波で同時に発生し、例えば、振動振幅が大きくなったとき（すなわち、振動波モータの回転速度が大きくなったとき）に、異音が発生することがあった。

この異音の発生を防止するために、振動子の溝数と、進行性振動波の波数とを互いに素の関係にすることが提案されている（例えば、特許文献１）。
しかしながら、この場合には、振動のＱ値（いわゆる共振の鋭さを表す値）が小さくなり、十分な定在波の振動振幅が得られず、振動波モータの性能が低下してしまう場合があった。
特公平５−３０１４９号公報

本発明の課題は、駆動性能を維持しつつ、高回転時における異音の発生を防止できる振動波モータを提供することである。

前記課題を解決するために、請求項１の発明は、２つの相に分けられ、前記２つの相のそれぞれに入力される駆動信号により、前記２つの相から発生する互いにずれた２つの振動が励振される圧電体と、前記圧電体に接合され、前記位相がずれた２つの振動が合成されて駆動面に進行性振動波を生じる弾性体とを有する振動子と、前記弾性体の駆動面に加圧接触され、前記進行性振動波によって駆動される移動子と、を備えた振動波モータであって、前記弾性体は、その駆動面側に複数の溝部を有し、前記進行性振動波の波数は９であり、前記溝部の数と前記進行性振動波の波数との最大公約数は３であること、を特徴とする振動波モータである。
請求項２の発明は、２つの相に分けられ、前記２つの相のそれぞれに入力される駆動言号により、前記２つの相から発生する互いにずれた２つの振動が励振される圧電体と、前記圧電体に接合され、前記位相がずれた２つの振動が合成されて駆動面に進行性振動波を生じる弾性体とを有する振動子と、前記弾性体の駆動面に加圧接触され、前記進行性振動波によって駆動される移動子と、を備えた振動波モータであって、前記弾性体は、その駆動面側に複数の溝部を有し、前記進行性振動波の波数は８であり、前記溝部の数と前記進行性振動波の波数との最大公約数は４であること、を特徴とする振動波モータである。
請求項３の発明は、２つの相に分けられ、前記２つの相のそれぞれに入力される駆動信号により、前記２つの相から発生する互いにずれた２つの振動が励振される圧電体と、前記圧電体に接合され、前記位相がずれた２つの振動が合成されて駆動面に進行性振動波を生じる弾性体とを有する振動子と、前記弾性体の駆動面に加圧接触され、前記進行性振動波によって駆動される移動子と、を備えた振動波モータであって、前記弾性体はその駆動面側に複数の溝部を有し、前記進行性振動波の波数は１０であり、前記溝部の数と前記進行性振動波の波数との最大公約数は５であること、を特徴とする振動波モータである。

請求項４の発明は、請求項１から３のいずれか１項に記載の振動波モータにおいて、前記圧電体に前記２つの相から発生する前記振動は、互いに位相が１／４波長ずれること、特徴とする振動波モータである。
請求項５の発明は、請求項４に記載の振動波モータにおいて、前記２つの相の間には、前記振動の１／４波長分間隔があること、を特徴とする振動波モータである。
請求項６の発明は、請求項１から５のいずれか１項に記載の振動波モータにおいて、前記圧電体は、前記振動の１／２波長毎に分極が交互となっていること、を特徴とする振動波モータである。
請求項７の発明は、請求項１から６のいずれか１項に記載の振動波モータにおいて、前記進行性振動波の複数の波頭部のうち、前記溝部にある波頭部と前記溝部にない波頭部とが同時に存在すること、を特徴とする振動波モータである。

本発明の振動波モータは、（１）駆動信号により励振される圧電体に接合され、励振により駆動面に進行性振動波を生じ、その駆動面側に複数の溝部が形成された弾性体を有する振動子と、この弾性体の駆動面に加圧接触され、進行性振動波によって駆動される移動子とを備え、溝部の数と進行性振動波の波数との最大公約数は、進行性振動波の波数よりも小さく１よりも大きい整数であるので、溝部の数は、進行性振動波の波数の倍数ではなく、かつ、溝部の数と進行性振動波の波数とは、互いに素（２つの整数が１以外の公約数を持たないこと）の関係ではない。
このため、弾性体の駆動面に発生する進行性振動波の波頭部の全てが同時に、溝部を通過することがなく、かつ、進行性振動波の波頭部の少なくとも１つが溝部を通過するので、駆動性能を維持しつつ、高回転時における異音の発生を防止できる。

（２）進行性振動波の波数が８である場合には、最大公約数を４、２のいずれかとし、同じく、波数が９である場合には、最大公約数を３とし、さらに、波数が１０である場合には、最大公約数を５、２のいずれかとしたので、異音が発生しない最大駆動回転数を高めることができる。

本発明は、駆動性能を維持しつつ、高回転時における異音の発生を防止するという目的を、弾性体の駆動面側に形成された複数の溝部の数と、弾性体の駆動面側に発生する進行性振動波の波数との最大公約数を、進行性振動波の波数よりも小さくすることによって実現する。

以下、図面等を参照して、本発明の実施例をあげて、さらに詳しく説明する。なお、以下の実施例では、振動波モータとして、超音波の振動域を利用した超音波モータを一例として説明する。
図１は、本発明による超音波モータを示す概略図である。
図２は、本実施例の超音波モータの振動子及び移動子の外観図である。
超音波モータ１０は、例えば、振動子１１と移動子１７とを備え、振動子１１側を固定とし、移動子（相対運動部材）１７側を回転駆動する形態となっており、振動子１１の下側には、緩衝部材１４と、加圧板１５と、加圧部材１６と、支持部材１９Ａ等とが配置され、移動子１７の上側には、振動吸収部材１８と、回転部材１９Ｂ等とが配置されている。

振動子１１は、弾性体１２と、弾性体１２に接合され、後述する電気エネルギーを機械エネルギーに変換する圧電素子や電歪素子等を例とした電気機械変換素子（以下、圧電体という）１３とを備えている。この振動子１１には、進行性振動波（以下、進行波という）が発生するが、本実施例では、一例として、９波の進行波として説明する。

弾性体１２は、共振先鋭度が大きな金属材料からなり、その形状は、円環形状となっている。この弾性体１２は、圧電体１３が接合される面とは反対側の面（すなわち、移動子１７と対向する面）に、溝部１２ａが切ってあり、突起部（溝部１２ａがない箇所）１２ｂの先端面が、駆動面１２ｃとなり、移動子１７に加圧接触される。なお、この溝部１２ａの数と突起部１２ｂの数とは同じ数となる。
また、弾性体１２に溝部１２ａを形成する理由は、進行波の中立面をできる限り圧電体１３側に近づけ、これにより、駆動面１２ｃの進行波の振幅を増幅させるためである。

圧電体１３は、円周方向に沿って２つの相（Ａ相、Ｂ相）に分かれており、各相においては、１／２波長毎に分極が交互となった要素が並べられていて、Ａ相とＢ相との間には１／４波長分間隔が空くようにしてある。

圧電体１３の下側には、上述したように、緩衝部材１４と、加圧板１５と、加圧部材１６と、支持部材１９Ａ等とが配置されている。緩衝部材１４は、圧電体１３の下側に配置され、振動子１１の振動を加圧板１５や加圧部材１６に伝えないようするための部材であって、例えば、不織布、フェルト等が使用されている。
加圧板１５は、加圧部材１６の加圧を受けるための板である。加圧部材１６は、加圧板１５の下側に配置され、加圧力を発生させる部材である。なお、本実施例では、加圧部材１６を皿バネとしたが、これに限られず、コイルバネ、ウェーブバネ等を用いてもよい。支持部材１９Ａは、この超音波モータ１０を、固定側に支持する部材である。

移動子１７は、アルミニウム等の軽金属からなり、摺動面１７ａの表面には、耐摩耗性向上のための表面処理が施されている。この移動子１７の上側には、上述したように、移動子１７の加圧方向の振動を吸収するために、ゴム等の振動吸収部材１８が配置されている。この振動吸収部材１８の上側には、ベアリング等の回転部材１９Ｂが配置されている。

図３は、本実施例による超音波モータ１０の駆動制御装置を示すブロック図である。
駆動制御装置２０は、例えば、発振部２１と、制御部２２と、移相部２３と、増幅部２４，２５と、検出部２６等とを備えている。
発振部２１は、制御部２２の指令により、所望の周波数の駆動信号を発生する。移相部２３は、発振器２１で発生した駆動信号を９０゜位相の異なる２つの駆動信号に分ける。増幅部２４，２５は、移相部２３によって分けられた２つの駆動信号を、それぞれ所望の電圧に昇圧する。増幅部２４，２５からの駆動信号は、超音波モータ１０に伝達され、この駆動信号の印加により、振動子１１に進行波が発生し、移動子１７が駆動される。
検出部２６は、光学式リニアエンコーダ等を含み、移動子１７の駆動によって駆動される被駆動体（不図示）の位置や速度を検出すると共に、この検出信号を制御部２２に出力する。

制御部２２は、ＣＰＵからの駆動指令に基づいて、超音波モータ１０の駆動を制御するものであって、例えば、検出部２６からの検出信号を受け、その値に基づいて位置情報と速度情報とを得て、被駆動体が目標位置に位置決めされるように、発振器２１の周波数を制御する。

つぎに、駆動制御装置２０の動作を説明する。
まず、制御部２２に目標位置が伝達される。発振部２１は、駆動信号を発生し、この駆動信号は、移相部２３により９０゜位相の異なる２つの駆動信号に分割され、増幅部２４，２５により、所望の電圧に増幅される。増幅部２４，２５により増幅された駆動信号は、超音波モータ１０の圧電体１３に印加され、圧電体１３は、励振される。この励振によって、圧電体１３に接合された弾性体１２には、９次の曲げ振動が発生する。

圧電体１３は、Ａ相とＢ相とに分けられており、駆動信号は、それぞれＡ相とＢ相に印加される。Ａ相から発生する９次曲げ振動とＢ相から発生する９次曲げ振動とは、位置的な位相が１／４波長ずれるようになっており、また、Ａ相の駆動信号とＢ相の駆動信号とは、９０゜位相がずれているために、２つの曲げ振動が合成されて、９波の進行波となる。

進行波の波頭部には楕円運動が生じている。ここで、移動子１７は、駆動面１２ｃに加圧接触されているので、この楕円運動によって摩擦的に駆動される。なお、移動子１７は、進行波の進行方向とは逆方向の駆動力を弾性体１２から得ており、この駆動力は、例えば、進行波の波頭部が弾性体１２に形成された突起部１２ｂを通過したときに得られる。
検出部２６は、移動子１７の駆動により駆動される被駆動体に配置されており、検出部２６から発生した電気パルスの信号が制御部２２に伝達される。制御部２２は、この信号に基づいて、現在の位置と現在の速度を得ることができ、これらの位置情報、速度情報及び目標位置情報に基づいて、発振部２１の駆動周波数を制御する。

図４は、本実施例による超音波モータ１０の性能を、溝部１２ａの数と進行波の波数とに基づいて比較した図である。
本実施例の弾性体１２の駆動面１２ｃ側には、周方向に沿って、等間隔で等幅の溝部１２ａを４８個形成して、突起部１２ｂも４８個形成した（以下、溝数４８といい、溝数で説明する）。ここで、溝数４８とは、進行波の波数９に対して、最大公約数が３（すなわち、波数９よりも小さい）となる関係であり、さらに詳しくは、溝数４８は、進行波の波数９の倍数ではなく、かつ、溝数４８と進行波の波数９とは、互いに素（２つの整数が１以外の公約数を持たないこと）の関係ではない（後述する「ＮＯ．２」に対応）。

さらに、本件発明者は、進行波の波数９が生じる振動子１１において、溝数を変更した試作品を作製して、各試作品を用いた超音波モータの性能と高回転時の異音について調査した。
超音波モータの性能を示すものとして、定格周波数を入力した時の（≒最大駆動回転数ＮＨが得られる周波数）の最大効率（％）や、最低駆動回転数ＮＬ（ｒｐｍ）と最大駆動回転数ＮＨ（ｒｐｍ）との比（ＮＨ／ＮＬ比）等がある。
なお、最大駆動回転数ＮＨとは、異音が発生しない最大駆動回転数であって、その値は、大きい方が好ましい。また、ＮＨ／ＮＬ比については、その値が大きいと制御性がよいことを示し、例えば、アプリケーション組み込み時に停止時間が短く、停止精度がよくなる。

「ＮＯ．１」では、図示のように、溝数５４（進行波の波数９の倍数）であって、サンプル「１−１，１−２，１−３」を用いて超音波モータの性能を比較した。
「ＮＯ．２」では、上述したように、溝数４８（進行波の波数９との最大公約数が３であって、進行波の波数９の倍数ではなく、かつ、進行波の波数９とは互いに素の関係ではない）であって、サンプル「２−１，２−２，２−３」を用いて超音波モータの性能を比較した。
「ＮＯ．３」では、溝数４７（進行波の波数９と互いに素の関係である）であって、サンプル「３−１，３−２，３−３」を用いて超音波モータの性能を比較した。
「ＮＯ．４」では、溝数４５（進行波の波数９の倍数）であって、サンプル「４−１，４−２，４−３」を用いて超音波モータの性能を比較した。

以下、上述した「ＮＯ．１〜４」を比較すると共に、超音波モータの性能を溝数と進行波の波数とに基づいて説明する。
「ＮＯ．１，４」は、「ＮＯ．２，３」に比べて、最大効率は大きいが、異音が発生しない最大駆動回転数が小さい。
「ＮＯ．３」は、「ＮＯ．１，４」に比べて、異音が発生しない最大駆動回転数は大きいが、最大効率が小さい。
これに対して、「ＮＯ．２」は、「ＮＯ．１，４」と最大効率が略同じで、さらに、異音が発生しない最大駆動回転数は「ＮＯ．１，３，４」よりも大きい。

溝数が波数の倍数の関係である「ＮＯ．１，４」について説明する。
「ＮＯ．１，４」の最大効率が大きい理由としては、溝数が波数の倍数の関係であるために、曲げ振動の定在波の各波の振動が一様になっており、その結果、高いＱ値が得られると共に、大きな振動振幅が得られる点が挙げられる。
一方、振動振幅が大きくなった場合（すなわち、回転速度が速くなった場合）に、異音が発生しやすくなるのは、進行性振動波の波頭部が溝部１２ａを通過するときの振幅と、突起部１２ｂを通過するときの振幅とが異なり、かつ、各波が同時に溝部１２ａ（突起部１２ｂ）を通過した状態から突起部１２ｂ（溝部１２ａ）を通過した状態に切り替わるために、移動子１７に上下動の動きが生じるからである。これにより、振動子１１と移動体１７とが接触しない瞬間が発生して、異音が発生することが想定される。

溝数と波数とが互いに素の関係である「ＮＯ．３」について説明する。
「ＮＯ．３」の異音が発生しない最大駆動回転数が、「ＮＯ．１，４」に比べて大きい理由としては、溝数と波数とが素の関係であり、進行性振動波の各波の波頭部がばらばらに溝部１２ａ（突起部１２ｂ）を通過した状態から突起部１２ｂ（溝部１２ａ）を通過した状態に切り替わるために、移動子１７に上下動の動きが生じ難いからである。
一方、「ＮＯ．３」では、溝数と波数とが互いに素の関係であるので、定在波発生時の各波の振動が一様でなく、Ｑ値が小さくなり、その結果、大きな振動振幅が得られないために、最大効率が小さくなる。

つぎに、上述したように、溝数と波数との最大公約数が波数よりも小さく、さらに詳しくは、溝数は波数の倍数ではなく、かつ、溝数と波数とは互いに素の関係ではない「ＮＯ．２」について説明する。
「ＮＯ．２」は、溝数と波数との最大公約数が３になるような関係であり、この場合には、曲げ振動の定在波の発生時に、９波のうち３つの波の振動が一様になる（同じ振動が３グループに分けられる）。このため、「ＮＯ．２」では、ある程度のＱ値が確保され、振動振幅が低下することはなく、その結果、「ＮＯ．１，４」と略同様の最大効率を得ることができる。
また、「ＮＯ．２」では、進行性振動波の各波の波頭部が、３グループ毎に溝部１２ａ（突起部１２ｂ）を通過した状態から突起部１２ｂ（溝部１２ａ）を通過した状態に切り替わるために、移動子１７の上下動が「ＮＯ．１，４」に比べて小さなり、その結果、異音の発生しない最大駆動回転数が大きくなる。

したがって、本実施例によれば、「ＮＯ．２」のように、溝数と波数との最大公約数が波数よりも小さくなるように、溝数と波数との関係を設定することにより、定在波の振動振幅が確保され、かつ、高回転時の移動子１７の瞬間的な上下動を抑えることができ、その結果、定格周波数を入力したときの最大効率を高めると共に、異音の発生しない最大駆動回転数を大きくすることができ、さらに、ＮＨ／ＮＬ比を大きくでき、例えば、停止時間が短く、停止精度のよい超音波モータ１０を得ることができる。

（変形例）
以上説明した実施例に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の均等の範囲である。
上述した超音波モータ１０では、９波の進行波で、弾性体１２の駆動面側に４８個の溝部１２ａが形成された場合について説明したが、これに限られず、進行波の波数が８、１０である場合についても溝数と進行波の波数との関係を考慮することにより、同様な効果を得られる。
（１）進行波の波数が８である場合に、溝数を４４（すなわち、溝数が波数の倍数ではなく、かつ、互いに素の関係ではない数）にすると、この場合には、溝数と波数との最大公約数は４であり、波数よりも小さいので、例えば、効率等の性能がよく、高回転時においても異音が発生しない超音波モータを得ることができる。
（２）進行波の波数が１０である場合に、溝数を５５（すなわち、溝数が波数の倍数ではなく、かつ、互いに素の関係ではない数）にすると、この場合には、溝数と波数との最大公約数は５であり、波数よりも小さいので、例えば、効率等の性能がよく、高回転時においても異音が発生しない超音波モータを得ることができる。

本発明による超音波モータを示す概略図である。 本実施例の超音波モータの振動子及び移動子の外観図である。 本実施例による超音波モータ１０の駆動制御装置を示すブロック図である。 本実施例による超音波モータ１０の性能を、溝部１２ａの数と進行波の波数とに基づいて比較した図である。 従来の振動波モータにおける異音の発生原理を説明するための概念図である。

符号の説明

１０ 超音波モータ
１１ 振動子
１２ 弾性体
１２ａ 溝部
１２ｂ 突起部
１２ｃ 駆動面
１３ 圧電体
１４ 緩衝部材
１５ 加圧板
１６ 加圧部材
１７ 移動子
１８ 振動吸収部材
１９Ａ 支持部材
１９Ｂ 回転部材
２０ 駆動制御装置
２１ 発振部
２２ 制御部
２３ 移相部
２４，２５ 増幅部
２６ 検出部

Claims (7)

1. ２つの相に分けられ、前記２つの相のそれぞれに入力される駆動信号により、前記２つの相から発生する互いにずれた２つの振動が励振される圧電体と、前記圧電体に接合され、前記位相がずれた２つの振動が合成されて駆動面に進行性振動波を生じる弾性体とを有する振動子と、
   前記弾性体の駆動面に加圧接触され、前記進行性振動波によって駆動される移動子と、
   を備えた振動波モータであって、
   前記弾性体は、その駆動面側に複数の溝部を有し、
   前記進行性振動波の波数は９であり、前記溝部の数と前記進行性振動波の波数との最大公約数は３であること、
   を特徴とする振動波モータ。
2. ２つの相に分けられ、前記２つの相のそれぞれに入力される駆動言号により、前記２つの相から発生する互いにずれた２つの振動が励振される圧電体と、前記圧電体に接合され、前記位相がずれた２つの振動が合成されて駆動面に進行性振動波を生じる弾性体とを有する振動子と、
   前記弾性体の駆動面に加圧接触され、前記進行性振動波によって駆動される移動子と、
   を備えた振動波モータであって、
   前記弾性体は、その駆動面側に複数の溝部を有し、
   前記進行性振動波の波数は８であり、前記溝部の数と前記進行性振動波の波数との最大公約数は４であること、
   を特徴とする振動波モータ。
3. ２つの相に分けられ、前記２つの相のそれぞれに入力される駆動信号により、前記２つの相から発生する互いにずれた２つの振動が励振される圧電体と、前記圧電体に接合され、前記位相がずれた２つの振動が合成されて駆動面に進行性振動波を生じる弾性体とを有する振動子と、
   前記弾性体の駆動面に加圧接触され、前記進行性振動波によって駆動される移動子と、
   を備えた振動波モータであって、
   前記弾性体はその駆動面側に複数の溝部を有し、
   前記進行性振動波の波数は１０であり、前記溝部の数と前記進行性振動波の波数との最大公約数は５であること、
   を特徴とする振動波モータ。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の振動波モータにおいて、
   前記圧電体に前記２つの相から発生する前記振動は、互いに位相が１／４波長ずれること、
   を特徴とする振動波モータ。
5. 請求項４に記載の振動波モータにおいて、
   前記２つの相の間には、前記振動の１／４波長分間隔があること、
   を特徴とする振動波モータ。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の振動波モータにおいて、
   前記圧電体は、前記振動の１／２波長毎に分極が交互となっていること、
   を特徴とする振動波モータ。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の振動波モータにおいて、
   前記進行性振動波の複数の波頭部のうち、前記溝部にある波頭部と前記溝部にない波頭部とが同時に存在すること、
   を特徴とする振動波モータ。

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