JP5457651B2 - 超音波モータ - Google Patents

Description

本発明は、超音波モータに関し、特に、矩形型の圧電振動子が、第一次縦振動モードと第二次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に関する。

従来から、圧電振動子を振動させることによって、ロータや回転軸等を駆動する超音波モータが知られている。この超音波モータは、圧電振動子を振動させる際に、複数種類の振動（共振）モードを合成することによって、駆動力を発生するように構成されている。

図６は、矩形型の圧電振動子を複数種類の振動モードで振動させたときの周波数スペクトラムを示す図である。ここで、Ｆ１、Ｆ２およびＦ３は、屈曲振動を示し、Ｌ１およびＬ２は縦振動を示す。矩形型の圧電振動子が、第一次縦振動モード（Ｌ１）で振動する際の伸縮方向の長さをＬとし、また、圧電振動子が、第二次屈曲振動モード（Ｆ２）で振動する際の剪断方向の長さをｄとする。そして、図６に示すように、ｄ／Ｌを変数として、ｄ／Ｌと圧電振動子の第一次縦振動モードの共振周波数とを対応させると共に、ｄ／Ｌと第二次縦振動モードの共振周波数とを対応させる。なお、図６ではＬ＝２０ｍｍで固定し、ｄ（Ｗｉｄｔｈ）のみを変化させている。この場合、縦横の二辺の比（以下、「辺比」と呼称する。）ｄ／Ｌが、０．２７２付近で両者の共振周波数が一致し、二つの振動が縮退する。そのため、従来は、辺比ｄ／Ｌが０．２７２付近となるように、圧電振動子を形成していた。

一方、特開平５−００３６８８号公報には、圧電振動子として、共振周波数が若干異なる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駆動する超音波モータが開示されている。この超音波モータでは、圧電振動子の長手縦振動の共振周波数ｆｔと、偶数次の面内屈曲振動の共振周波数ｆｐとが若干異なる値を有する。具体的には、圧電振動子の短辺の長さと長辺の長さの比を０．２６：１から外し、例えば、０．２８：１や、０．２４：１などの比となるように、圧電振動子を形成する。これにより、超音波モータを安定して駆動させるようにしている。
特開平５−００３６８８号公報

上記のように、従来は、圧電振動子の辺比ｄ／Ｌは０．２７２である場合のみが注目されていた。ところが、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一致する場合の辺比ｄ／Ｌは、一通りではない。図６に示すように、辺比ｄ／Ｌが０．２７２付近である場合の他、辺比ｄ／Ｌが０．６付近である場合も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一致する。しかしながら、従来は、圧電振動子の辺比ｄ／Ｌを０．６付近として超音波モータを構成することは行なわれていなかった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、圧電振動子を従来とは異なる辺比で構成した超音波モータ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、本発明は、以下のような手段を講じた。すなわち、本発明の超音波モータは、矩形型の圧電振動子が、第一次縦振動モードと第二次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であって、前記圧電振動子が第一次縦振動モードで振動する際の伸縮方向の長さをＬとし、前記圧電振動子が第二次屈曲振動モードで振動する際の剪断方向の長さをｄとし、ｄ／Ｌを変数として、ｄ／Ｌと前記圧電振動子の第一次縦振動モードの共振周波数とを対応させると共に、ｄ／Ｌと第二次縦振動モードの共振周波数とを対応させた場合、前記圧電振動子は、同一のｄ／Ｌの値に対する第一次縦振動モードの共振周波数の値から、第二次屈曲振動モードの共振周波数の値を減算した減算値が、負の数から正の数に変わるときのｄ／Ｌの値に基づいて形成されていることを特徴としている。

このように、ｄ／Ｌを変数として、ｄ／Ｌと圧電振動子の第一次縦振動モードの共振周波数とを対応させると共に、ｄ／Ｌと第二次縦振動モードの共振周波数とを対応させた場合、ｄ／Ｌが小さい場合は、第二次屈曲振動モードの共振周波数よりも第一次縦振動モードの共振周波数の方が大きく、ｄ／Ｌが０．２７２付近を越えると、その大きさが逆転する。さらにｄ／Ｌを大きくしていくと、第一次縦振動モードの共振周波数が、第二次屈曲振動モードの共振周波数よりも大きくなる。すなわち、同一のｄ／Ｌの値に対する第一次縦振動モードの共振周波数の値から、第二次屈曲振動モードの共振周波数の値を減算した減算値が、負の数から正の数に変わる。本発明は、そのときのｄ／Ｌの値によって、圧電振動子を構成する。これにより、圧電振動子は、従来のように、辺比ｄ／Ｌが０．２７２付近である場合よりも、いわゆる肉厚となると共に、長手方向の長さが小さくなる。その結果、小型化を図ることができる。また、従来よりも肉厚となることから、疲労や過入力による破損が生じ難くなり、耐久性を向上させることが可能となる。

（２）また、本発明の超音波モータは、矩形型の圧電振動子が、第一次縦振動モードと第二次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であって、前記圧電振動子が第一次縦振動モードで振動する際の伸縮方向の長さをＬとし、前記圧電振動子が第二次屈曲振動モードで振動する際の剪断方向の長さをｄとした場合、前記圧電振動子は、ｄ／Ｌの値が０．５５から０．６５の範囲に収まるように形成されていることを特徴としている。

このように、ｄ／Ｌの値が０．５５から０．６５の範囲に収まるため、辺比ｄ／Ｌが０．２７２付近である場合よりも、いわゆる肉厚となると共に、長手方向の長さが小さくなる。その結果、小型化を図ることができる。また、従来よりも肉厚となることから、疲労や過入力による破損が生じ難くなり、耐久性を向上させることが可能となる。

（３）また、本発明の超音波モータは、矩形型の圧電振動子が、第一次縦振動モードと第二次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であって、前記圧電振動子が第一次縦振動モードで振動する際の伸縮方向の長さをＬとし、前記圧電振動子が第二次屈曲振動モードで振動する際の剪断方向の長さをｄとした場合、前記圧電振動子は、ｄ／Ｌの値が実質的に０．６３となるように形成されていることを特徴としている。

このように、ｄ／Ｌの値は、実質的に０．６３であるため、辺比ｄ／Ｌが０．２７２付近である場合よりも、いわゆる肉厚となると共に、長手方向の長さが小さくなる。その結果、小型化を図ることができる。また、従来よりも肉厚となることから、疲労や過入力による破損が生じ難くなり、耐久性を向上させることが可能となる。なお、ｄ／Ｌの値が実質的に０．６３であるとは、圧電振動子が超音波モータとして実用的に機能する範囲という意味である。ｄ／Ｌの値が０．６３の前後にずれていても、圧電振動子が超音波モータとして実用的に機能するのであれば、ｄ／Ｌの値は実質的に０．６３であると言える。逆に言えば、ｄ／Ｌの値は、圧電振動子が超音波モータとして実用的に機能するのであれば、ちょうど０．６３でなければならないわけではない。

本発明によれば、圧電振動子は、従来のように、辺比ｄ／Ｌが０．２７２付近である場合よりも、いわゆる肉厚となると共に、長手方向の長さが小さくなる。その結果、小型化を図ることができる。また、従来よりも肉厚となることから、疲労や過入力による破損が生じ難くなり、耐久性を向上させることが可能となる。

［第１の実施形態］
次に、本発明に係る実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る圧電振動子の斜視図である。この圧電振動子１は、圧電セラミックスから形成されており、分極方向は、図１に示す座標軸のｚ軸方向に一致している。また、圧電振動子１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１のｘ軸方向の長さはＬである。また、圧電振動子１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１のｙ軸方向の長さ（厚さ）はｄである。

図２は、圧電振動子１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２の矢印ＡおよびＢに示すように、圧電振動子１の長手方向に伸縮を繰り返すことにより生ずる。また、図３は、圧電振動子１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３の矢印Ｃに示すように、圧電振動子１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１に設けられたチップが楕円運動をし、駆動力が生ずる。

図４は、圧電振動子１が被駆動体２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４において、圧電振動子１は、チップ１ａを備えている。圧電振動子１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１が伸縮と屈曲を繰り返し、１サイクルで被駆動体を距離ｌだけ移動させている。

圧電振動子１は、このような原理で駆動力を発生させるのであるが、従来は、圧電振動子１の辺比ｄ／Ｌは、０．２７２付近のみが注目されていた。すなわち、ｄ／Ｌを変数として、ｄ／Ｌと圧電振動子の第一次縦振動モードの共振周波数とを対応させると共に、ｄ／Ｌと第二次縦振動モードの共振周波数とを対応させた場合、図６に示すように、ｄ／Ｌが小さい場合は、第二次屈曲振動モードの共振周波数よりも第一次縦振動モードの共振周波数の方が大きい。そして、ｄ／Ｌが０．２７２となると、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一致するので、ｄ／Ｌが０．２７２である圧電振動子のみが利用されていた。ｄ／Ｌが０．２７２を超えると、第二次屈曲振動モードの共振周波数が第一次縦振動モードの共振周波数よりも大きくなる。

ところが、さらにｄ／Ｌを大きくしていくと、第一次縦振動モードの共振周波数が、第二次屈曲振動モードの共振周波数よりも大きくなる。すなわち、同一のｄ／Ｌの値に対する第一次縦振動モードの共振周波数の値から、第二次屈曲振動モードの共振周波数の値を減算した減算値が、負の数から正の数に変わる。つまり、この点においても、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一致するのである。本実施形態では、そのときのｄ／Ｌの値によって、圧電振動子を構成する。具体的には、本実施形態では、ｄ／Ｌの値は実質的に０．６３である。

これにより、圧電振動子１は、従来のように、辺比ｄ／Ｌが０．２７２付近である場合よりも、いわゆる肉厚となると共に、長手方向の長さが小さくなる。その結果、小型化を図ることができる。また、従来よりも肉厚となることから、疲労や過入力による破損が生じ難くなり、耐久性を向上させることが可能となる。

図５は、本実施形態に係る超音波モータの概略構成を示す図である。圧電振動子１は、矩形の圧電基板１ｂ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電極４ａと一組の電極４ｂが設けられている。他方の主面は接地されている。これらの電極４ａ、４ｂは、互いに絶縁された状態で個別に設けられた後、互いに対角に位置する各電極４ａ、４ｂ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１０の駆動回路は、２つの交流電圧源５ａ、５ｂによって構成される。交流電圧源５ａは、電極４ｂにＶ_０ｓｉｎωｔの電圧を印加し、交流電圧源５ｂは、電極４ａにＶ_０ｃｏｓωｔの電圧を印加する。このように、圧電振動子１の電極４ａ、４ｂに対して位相がπ／２ずれた電圧Ｖ_０ｓｉｎωｔおよびＶ_０ｃｏｓωｔが印加されると、圧電振動子１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、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１のチップ（図５に図示せず）には楕円振動が発生する。

なお、図５では、２相信号入力の構成を示したが、本発明は、これに限定されるわけではない。例えば、１相信号入力の構成を採ることも可能である。この場合、対角に対向する一組の電極に交流信号を印加し、他方の組の電極を開放状態とすることで動作させることも可能である。

［第２の実施形態］
本実施形態では、圧電振動子は、単板セラミックスを使用した。この単板セラミックスを、２０．０ｍｍ×１２．８ｍｍ×３．０ｍｍに加工した後、２０．０ｍｍ×１２．８ｍｍの一面に２行２列の４分割、その裏面には全面に銀電極を印刷塗布し、８５０℃で焼付けを行なった。その後、１２０℃のシリコンオイル中で、２ｋＶ／ｍｍの電界強度で一様に分極処理して圧電振動子を作製した。摺動チップは、球状アルミナセラミックスを半球化したものを使用した。

上記のように作製した圧電振動子を用いて、推力−速度特性の測定を行なった。この測定では、精密リニアテーブル側面に、鏡面仕上げしたアルミナ板に超音波モータ（圧電振動子）を予圧接触させた駆動機構を用いた。それに定滑車を用いて錘をつるし、ガラススケールで位置情報を読み取った。

次に、上記のように作製した圧電振動子を用いた超音波モータについて、ＦＥＭ解析を行なった。図７は、周波数−駆動速度特性を示す図である。駆動周波数が８２ｋＨｚのとき、２相入力時の最大速度は、３４０ｍｍ／ｓであった。図８は、推力−速度特性を示す図である。１２０Ｖｒｍｓ入力時、最大６Ｎの推力を得られた。図９は、推力−効率特性を示す図である。図９に示すように、最大効率は、１０％であった。以上のように、辺比ｄ／Ｌが０．２７２のみならず、０．６３付近の矩形圧電振動子を用いた超音波モータも有望であることが分かった。

以上説明したように、本実施形態によれば、圧電振動子１は、辺比ｄ／Ｌが実質的に０．６３であるため、従来のように、辺比ｄ／Ｌが０．２７２付近である場合よりも、いわゆる肉厚となると共に、長手方向の長さが小さくなる。その結果、小型化を図ることができる。また、従来よりも肉厚となることから、疲労や過入力による破損が生じ難くなり、耐久性を向上させることが可能となる。

本実施形態に係る圧電振動子の斜視図である。 圧電振動子の第一次縦振動の様子を示す図である。 圧電振動子の第二次屈曲振動の様子を示す図である。 圧電振動子が被駆動体を図中、右方向に駆動する様子を段階的に示す図である。 本実施形態に係る超音波モータの概略構成を示す図である。 矩形型の圧電振動子を複数種類の振動モードで振動させたときの周波数スペクトラムを示す図である。 周波数−駆動速度特性を示す図である。 推力−速度特性を示す図である。 推力−効率特性を示す図である。

符号の説明

１ 圧電振動子
１ａ チップ
１ｂ 圧電基板
２ 被駆動体
４ａ 電極
４ｂ 電極
５ａ 交流電圧源
５ｂ 交流電圧源
１０ 超音波モータ

Claims (3)

1. 矩形型の圧電振動子が、第一次縦振動モードと第二次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であって、
   前記圧電振動子が第一次縦振動モードで振動する際の伸縮方向の長さをＬとし、前記圧電振動子が第二次屈曲振動モードで振動する際の剪断方向の長さをｄとした場合、
   前記圧電振動子は、ｄ／Ｌの値が０．５５から０．６５の範囲に収まるように形成されており、
   前記圧電振動子のいずれか一方の主面上に２行２列に形成された４枚の電極と、
   前記４枚の電極のうち、対角に位置する２枚の電極同士をそれぞれ電気的に接続し、２組の電極部を形成する接続部と、
   前記２組の電極部のうちの一方に対して、交流電圧を印加して前記圧電振動子を駆動させる第１の交流電圧源と、
   前記２組の電極部のうちの他方に対して、前記第１の交流電圧源による交流電圧の位相とはπ／２ずれた交流電圧を印加して前記圧電振動子を駆動させる第２の交流電圧源と、を備えることを特徴とする超音波モータ。
2. 矩形型の圧電振動子が、第一次縦振動モードと第二次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であって、
   前記圧電振動子が第一次縦振動モードで振動する際の伸縮方向の長さをＬとし、前記圧電振動子が第二次屈曲振動モードで振動する際の剪断方向の長さをｄとした場合、
   前記圧電振動子は、ｄ／Ｌの値が０．５５から０．６５の範囲に収まるように形成されており、
   前記圧電振動子のいずれか一方の主面上に２行２列に形成された４枚の電極と、
   前記４枚の電極のうち、対角に位置する２枚の電極同士をそれぞれ電気的に接続し、２組の電極部を形成する接続部と、
   前記２組の電極部のうちの一方に対して交流電圧を印加して前記圧電振動子を駆動させる交流電圧源と、を備え、
   前記２組の電極部のうちの他方を開放状態とすることを特徴とする超音波モータ。
3. 前記圧電振動子は、ｄ／Ｌの値が実質的に０．６３となるように形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の超音波モータ。

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