JPS6091879A - 超音波駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は圧電素子等を用いた振動を利用して回転または
直線運動を行う超音波駆動方法に関するものである。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

従来、電磁界を発生することなく、また原理的に小形で
高効率を発生することが可能な超音波振動を回転または
直線駆動力に変換する２種号公報、特開昭５７−７８３
７８号公報にあるが、これは第１図に示す如（、動体１
０１に片持梁（以下、エツジという）１ｏｓｙ＜持つ圧
電素子１０８を垂直よりθだけ傾けて接触させる。

圧電素子１０：ｉｔ−矢印１０５方向に超音波振動させ
るとエツジ１０２は動体ｉｏｉに対して着脱を繰り返す
が、その際θとエツジ１０２の曲げ方向の弾性の影響に
よりエツジ１０２の動体１０１への接触点大は楕円状の
軌跡１０４ｔ−描き、その結果動体１０ノは矢印１０６
の方向に駆動される。このモータは高効率を持つものの
エツゾの先端部の摩耗が激しいために寿命が短く、また
回転および直線運動の方向が一方向に限られるという欠
点を持っていた。他の一つは技術誌「日経メカニクル１
９８３年２月２８日号」詳述されている。これは第２図
に示すように圧電素子で弾性体２０２０表面に進行波を
発生させる。この時、弾性体２０２の表面の点（たとえ
ば、図中の点Ａ）は１１円状の軌跡２０５を描く。従っ
て、この表面に動体２０１を接しておけば動体２０】は
波の進行方向２０３とは逆方向２０４に駆動される。進
行波の方向を逆転させることは、（２個以上のン圧電素
子へ電圧をかける際に位相を制御することで容易に実現
できる。そのため、とのモータは逆転が可能である。さ
らに、とのモータは動体との接触が時間的に平均すると
弾性体表面の全面で行われるため接触面の摩耗が小さく
、そのため寿命が長いという長所を持っている。しかし
、このモータは動体が摩擦力により駆動されることに伴
う欠点を持っている。すなわち、高効率を得る合う必要
がある。しかし、この押しっけ力を大きくすると弾性体
の波動を抑制してしまい、モータとしての基本的な動作
を損う。そのため、十分な摩擦力をえることができず、
モータとしての効率が低く、かつ同じ理由によりモータ
の保持力も限られるという欠点を持っていた。

〔発明の目的〕

本発明は動体も弾性体で構成し、駆動力を摩擦力ではな
く接触面に垂直な接触力の駆動方向の成分より直接得る
ようにしたもので、その目的は小形かつ高効率で長寿命
であり、強い保持力を得るとともに逆方向の運動も可能
とすることにある。

〔発明の実施例〕

最初に第３図を用いて本発明の基本的な動作および作用
を説明する。説明を簡単にするため、振動体は２個とし
て直線運動をさせる場合について述べる。同図（ａ）は
交流電圧を印加していない状態であり、ここで５３０１
と３０２は全く同じ形に製作された圧電材より成る板状
の振動体であり、電極の配置、形状も同じである。最初
に同一波形の交流電圧を印加して振動体３０１と３０２
の両者に超音波振動による定在波を発生させる。この時
、振動体３０１と３０２とは同図ｆｂ）に示すように同
一の位相と振幅で定常振動をして、互いに停止したまま
、保持力のみを発生させている。５ｏｆｉ−ｘ、、ｑｏ
ｓ−；ｔは定在波の節の位置、３０４−１，３０４−２
は定在波の腹の位置である。次ぎに、振動体３０１か３
０２のいずれかに後述する方法で電圧を印加することに
より、定在波の位相に’Ｒえる。すなわち、例えば同図
（Ｃ）のように振動体３０２の腹あるいは節の位置ｔ＋
Ｘ方向に△Ｘだけ移動させる。この時、同図（ｃ）から
分かるよりに振動体３０１と振動体３０２とは点３０５
−１、点３０５−　Ｊにおいて強く接触し、接触力３０
６−　Ｊ　、３０６−２ｆ上記の各点における法線方向
に発生し、その結果Ｘ方向の力の成分３０７−１．３０
７−２とにより、振動体３０１は振動体３０２に対して
、＋Ｘ方向に駆動される。

同図（ｃ）の状態から時間が経過し、位相がπだけ進む
と振動体３０１と振動体３０２との形状は同図（ｄ）の
ようになるが、この場合点ｇｏｓ−ｓ、点３０５−４．
点３０５−５が接触点となり、同じ＜＋Ｘ方向への駆動
力３０７−３，３０７−４と３０７−５１１Ｉ−発生さ
せることがわかる。

以上１本発明の基本原理を−述べたが、次に定在波を発
生させ、かつ、定在波の位相を制御する方法（、）と方
法（ｂ）とについて述べる。

方法（ａ）は第４図に示すように、振動体の半波長毎に
多数の電極を配置しておき、電極への交流電圧の印加を
切り換えて、所定の位置に定在波の腹や節を発生させる
ものである。すなわち４０ノが電極であり、この電極４
０１に４０２を発生源とする交流電圧をマルチブレフサ
４０３を介して印加する。同図はプルチプレクサ４０３
により第１番電極と第Ｎ番電極とに交流電圧を印加して
いる場合であるため、振動体３０１（または３０２）は
４０４で示した位相定在波を生じている。なお、その際
の波長は周知の如（下式で与えられる。

ここでＥは振動体のヤング率、工は断面２次モーメント
、戸は密度、人は断面積、ωは交流印加電圧の周波数で
ある。すなわち、振動体の寸法等とωにより波長は一意
に定まるため、波長に対応した位置で電極を設置するこ
とは可能となる。また、定在波の腹の位置の変化の速度
、すなわちマルチブレフサの切り換えの速度が直線運動
の速度を与える。

方法（ｂ）では第５図に示すように交流電圧発生源とし
て５０１と５０２を用い、５０１は電極５０３−１と５
０３−２に印加し、５θ２は電極５０３−３と５０３−
４に印加する。電極５０３−１，５０３−２の組と電極
５−０３−３゜５０Ｂ−’４の組とは同図（ａ）　Ｋ示
すように互いにＡｌ４隔てて配置している。交流電圧発
生源５０１の交流電圧ｔ−Ａｓ１ｎ　（ωｔ）　＊交流
電圧発生源５０２の交流電圧を１３ｓｉｎ（ωｔ）とす
る。

すなわち、両型源とも、振幅は異なるが、同一周波数か
つ同位相の交流電圧を出力する。ここで、Ａｌ１でＢ＝
０とすれば、同図（ｂ）で示すような定在波が発生する
。これは、下式で表現できる。

Ｙ　ａ　＝　ａ　５ｉｎ（Ｘ）ｓｉｎ　（ａｌ　ｔ）こ
こで、Ｙａは交流電圧発生源５０１によって発生した振
動による振動板表面に垂直な方向の変位、Ｘ＝２πＸ／
λ（、ｘは図示の方向）、ａはＡに比例して実際の変位
を与える定数である。

同様に、Ａ＝０かつＢ）０とすれば、ＸとしてＸ−π／
４を用いることで、 Ｙ　ｂ　＝　ｂｓｉｎ　（Ｘ−＋ｒ／２）　ｓｉｎ　（
（１）　ｔ）　ｋｃｏｓ（Ｘ）ｓｉｎ　（ωｔ）を得る
。ここで、ｙｂは又流電圧発生源５０２により発生する
振動の変位、ｂｔｉＢに比例して実際の変位を与える比
例定数である。

Ａｌ１かつＢＩ３とすれば、振動板の振動の変位Ｙは。

Ｙ＝Ｙａ−）−Ｙｂ ＝　ａ　５ｉｎ（Ｘ）　ｓｉｎ　（６１ｔ）　−ｂｃｏ
ｓ（Ｘ）ｓｉｎ　（ωｔ）＝　ｓｉｎ　（ωｔ　）　（
ａｓｉｎ（Ｘ）　−ｂｃｏｓ閃）ある。

この式より、ａとｂの値を適当に選べば振幅を一定のま
まで定在波の腹または節の位置を任意に設定できること
がわかる。実際、一定の振幅値をに１節の位置ｉＸ：ｄ
とすれば、（ａ”　＋　ｂ”　）　Ｖ＊　＝Ｋ ｂ／　ａ　＝＝　ｆａｎ　（α） ｂ　／　ａ　＝　を間（２π・ｄ／λ）を満たすａとｂ
’ｌ与えれば良い。すなわち、上の連立方程式は簡単に
解けて、 ａ　＝　Ｋ　ｃｏｓ（ａ） ｂ＝　Ｋ　５ｉｎ（α） となる、そのため、例えば振動体３０１１に振動体３０
２に対して、等速度で距離λだけ送るには、交流電圧発
生源５０１と５０２の出力の振幅値であるＡ、Ｂｉ第６
図（ａ）に示した波形の如く変化させれば良い。６０１
，６０２はＡ、Ｂの振幅値の波形である。第５図の交流
電圧発生源５０１と５０２の両機能を実現させるための
実施例を第６図（ｂ）に示す、６０８は位置の制御量に
応じた電圧の発生装置であり、この出力はサイン波の発
生装置である６０４の■Ｃ０（ＶＯＩ、ＴＡＧＢ　Ｃ０
ＮＴＲ０ＬＥＤ　０８ＣＩＬＬＡＴＯＲ：すなわち、電
圧で周波数を制御する機能）入力端子６０７に入力され
る。これに応じてサイン波発生装置６０４からはサイン
波を、また位相調整器６０５を経てコサイン波発生器６
０６からはコサイン波（サイン波発生装置６０４の出力
の位相ｔπ／２だけ進めた波形）が出力される。この出
力はアナログ乗算器６０９−１と６０９−２において、
超音波振動用の交流電圧の発生装置６０３の出力と乗算
されて、それぞれ第５図の交流電圧発生源５０１と５０
２との出力を与える。

以上で本発明の基本的な動作原理とそれに必要な振動体
における定在波の発生方法とについて明らかにした。つ
ぎに、本発明の実施例について述べる。第７図（ａ）　
、　（ｂ）は本発明の基本動作原理を用いて、回転モー
タを構成した例であり、ドーナツ円板状に製作した振動
体７０４と７０５を５層重ねており、２層、すなわち振
動体１０５を図に示すように回転軸７０１に直結させて
いる。振動体に円周方向に定在波を発生させ、振動体７
０４と７０５における腹または節の相対的な位置を前述
の方法で変化させることにより、振動体７０５は振動体
７０４に対して円周方向に駆動させられるため１回転軸
７０ノが回転をする。定在波の腹または節の位置を逆方
向に変位させたり、一定量の変位後停止させることで、
本例のモータはサーボモータとしての機能を有すること
も明らかである。なお、上記のモータや直線運動アクチ
ュエータは、１μｍ以下のピッチで電極を形成している
表面弾性波素子の製作例に見られるような半導体製造技
術を用いて極めて小形に製造している。第７図（ａ）　
、　（ｂ）中、７０２．７０３は軸受、７０６は固定ケ
ース、７０７は配線である。第８図は第３図の３０１と
３０２で述べた振動体のうち定在波の腹または節の位置
を変化させない側の振動体の代わりに、半導体製造技術
の一環として近年技術の進歩の著しい微細加工技術を応
用して振動体の振動の波長に応じたピッチで凹凸を形成
させ、定在波の波形に対応した表面形状を持たせた中間
体８０１を振動体３０２に重ね合わせて直線運動アクチ
ュエータを製造した実施例である。これまでの説明によ
り、振動体３０２の定在波の腹または節の位置を制御す
ることでこの中間体８０１　（あるいはその反作用とし
て振動体３０２）を駆動できることは明らかである。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明は電磁界を発生させること
なく駆動力を発生させる超音波モータあるいはアクチュ
エータにおいて、前記の特徴を保持したままで寿命と高
効率の両者を、極めて簡単な構成で実現させるという長
所を有しているとともＫ、微細加工技術が高度に進んで
いる半導体製造技術を用いて、極めて小形のものを製造
できるという長所を持っている。また、構造が簡単なた
め、振動板を多層化するだけで駆動力を増大させること
が可能となる長所を持っている。さらに、方法（、）に
よれば超音波振動の発生源は１個で済み、方法（ｂ）に
よれば電極への配線数を少なくすることができるという
長所を有している。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は従来の超音波モータを説明するた
めの構成図、第３図は本発明の基本的な動作原理を説明
するための図、第４図は本発明に係る定在波の腹または
節の位置を制御するための方法（ａ）　ｖｉ−説明する
ための図、第５図は本発明に係る定在波の制御方法（ｂ
）　ｔ−説明するための図、第６図は本発明に係る方法
価）における、交流電圧の振幅値および交流電源の構成
例を説明するための図、第７図は本発明に基づく超音波
振動サーボモータの一実施例を示す構成図。 第８図は本発明に係る重ね合わせる振動体の一方を、表
面形状を工夫した中間体で置き換えて直線運動アクチュ
エータを構成した例を示すための図である。 １０ノ・・・動体、１０２・・・片持梁（エツジ）％１
０３・・・圧電素子、２０１・・・動体、２０２・・・
弾性体、３０１．３０２・・・振動体１．ｑ０３・・・
定在波の節の位置、３０４・・・定在波の腹の位置、３
０５・・・接触点、３０６・・・接触力を示す矢印、３
０７・・・駆動方向（Ｘ方向）の力の成分を示す矢印、
４０１・・・電極、４０２・・・超音波振動発生用の交
流電圧の発生源、４０３・・・マルチブレフサ、４０４
・・・振動板に発生させる定在波の波形。 ５０１と５０２・・・交流電圧発生源、５０３・・・Ｉ
動赫６０１．６０２・・・＆、Ｂの振幅値の波形、６０
３・・・超音波振動用交流戦圧発生装置、６０４・・・
サイン波発生装置、６０５・・・位相調整器、６０６・
・・コサイン波発生器、６０１・・・■ＣＯ入力端子。 ６０８・・・駆動量制御信号電圧発生装置、６０９・・
・アナログ乗算器、７０１・・・回転軸、７ｑ２゜７０
３・・・軸受、７０４・・・固定側振動体、７０５・・
・・回転側振動体、７０６・・・固定ケース、７０７・
・・配線、８０１・・・中間体。 出願人代理人　弁理士　鈴　江　武　彦第２図 −へ 第７図　、？、

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）超音波振動を発生させる振動体もしくは超−音波
   振動の波長に応じたピッチで凹凸を形成させた中間体と
   、超音波振動を発生させ振動、の状体を変化させ得る振
   動体とを重ね、この振動体の振動の状態を変化させるこ
   とで駆動力を発生させることを特徴とする超音波駆動方
   法＝
2. （２）超音波振動を発生させ振動の状態を変化させ得る
   振動体として、少なくとも２つ以上の電極からなる組を
   少なくとも２つ以上有しこれらの組を互いに振動体の振
   動の波長のｖ４の間隔で配置した振動体を用いたことを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の超音波駆動方法
   。