JP2003070271A - 振動駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 鉛を含まない電気機械変換素子を備え、所定
の高温状態でも必要な性能を確保できる振動駆動装置を
提供する。 【解決手段】 定在波型の超音波モータ11はボルト締め
ランジュバン型である。超音波モータ11はステータ12、
ロータ13及びシャフト14を備え、これらはハウジングと
してのケース15内に収容されている。ステータ12は下か
ら順に第１ブロック16、第１電極板17、第１圧電素子1
8、第２電極板19、第２圧電素子20、第３電極板21、第
２ブロック22を備えている。第１及び第２ブロック16，
22がボルト24に螺合されて、第１電極板17等は締付け固
定されている。第１圧電素子18及び第２圧電素子20は、
機械的品質係数Ｑｍが６０以上で、電気−機械結合係数
Ｋｐが０．２以上になるように形成されている。また、
第１、第２圧電素子18、20はニオブ酸ナトリウムカリウ
ム系の材料により形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、振動駆動装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】振動駆動装置、例えば、超音波モータの
主要部品に、電気機械変換素子、例えば圧電素子があ
る。この電気機械変換素子の材質には、ＰＺＴ（チタン
酸ジルコン酸鉛）が主に使われていた。

【０００３】しかしながら、近年、環境問題が取りざた
される中で、鉛を使用しない傾向があり、ＰＺＴの代用
品としては、例えばチタン酸バリウムがある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、チタン酸バ
リウムは、そのキュリー温度が約１２０°Ｃであり、Ｐ
ＺＴの約３５０°Ｃより低く、温度上昇に弱いという問
題がある。そのため、チタン酸バリウムを材料とする圧
電素子を用いた超音波モータは、車両に搭載しにくかっ
た。

【０００５】本発明は上記の事情に鑑みてなされたもの
であって、その目的は、鉛を含まない電気機械変換素子
を備え、所定の高温状態でも必要な性能を確保できる振
動駆動装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、請求項１に記載の発明は、電気機械変換素子を振動
源とする振動駆動装置において、前記電気機械変換素子
は、鉛を含まずかつキュリー温度がＰＺＴと同等あるい
はそれ以上であることを要旨とする。

【０００７】この発明によれば、振動駆動装置は、鉛を
含まない電気機械変換素子を使用していても、例えば車
両に搭載した場合、所定の高温状態でも必要な性能を確
保できる。なお、鉛を含まないとは、鉛の性質を発揮可
能な量の鉛を含まないことを意味し、鉛の性質を発揮し
ない程度のわずかな量の鉛を含むことは除外しない。

【０００８】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の発明において、前記電気機械変換素子は圧電素子で、
前記振動駆動装置は定在波型の超音波モータであり、前
記圧電素子は、機械的品質係数が６０以上であることを
要旨とする。

【０００９】この発明によれば、圧電素子の機械的品質
係数が６０以上であるため、機械的品質係数が比較的低
い値であっても、定在波型の超音波モータは必要な性能
を発揮する。一般に、機械的品質係数が比較的低い圧電
素子を用いた場合、進行波型の超音波モータは性能が大
きく低下する。しかし、定在波型の超音波モータでは、
ステータを圧電素子などとともに構成する金属ブロック
が、ステータ全体の体積に対して比較的大きな割合を占
め、圧電素子の割合が小さい。このため、定在波型の超
音波モータは、機械的品質係数が比較的低い値の圧電素
子を用いても、必要な性能が確保される。従って、多少
品質が劣る圧電素子でも、問題なく超音波モータに使用
できる。

【００１０】請求項３に記載の発明は、請求項２に記載
の発明において、前記超音波モータは、ボルト締めラン
ジュバン型であり、ステータの金属ブロックに形成され
た斜めスリットを有することを要旨とする。

【００１１】この発明によれば、機械的品質係数が比較
的低い圧電素子を用いても必要な性能を確保できる超音
波モータを比較的容易に形成できる。請求項４に記載の
発明は、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の発
明において、前記電気機械変換素子は、電気−機械結合
係数が０．２以上であることを要旨とする。

【００１２】この発明によれば、圧電素子の電気−機械
結合係数が０．２以上であるため、電気−機械結合係数
が比較的低い値であっても、定在波型の超音波モータは
必要な性能を発揮する。進行波型の超音波モータは、電
気−機械結合係数が比較的低い圧電素子を用いると性能
が大きく低下する場合がある。しかし、定在波型の超音
波モータでは、金属ブロックの体積がステータに対して
比較的大きな割合を占め、圧電素子の割合が小さいた
め、電気−機械結合係数が比較的低い値の圧電素子を用
いても、必要な性能が確保される。

【００１３】請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求
項４のいずれか一項に記載の発明において、前記電気機
械変換素子の材料は、ニオブ酸ナトリウムカリウム系で
あることを要旨とする。

【００１４】この発明によれば、請求項１〜請求項４の
いずれか一項に記載の電気機械変換素子を、比較的性能
が高いニオブ酸ナトリウムカリウム系を材料として形成
できる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明を定在波型の超音波
モータに具体化した一実施形態を図１〜図３に従って説
明する。

【００１６】図１は超音波モータの模式断面図を示す。
図１に示すように、振動駆動装置としての超音波モータ
１１は、定在波型であり、ボルト締めランジュバン型の
超音波モータである。超音波モータ１１は、ステータ１
２、ロータ１３及びシャフト１４を備えており、これら
はハウジングとしてのケース１５内に収容されている。
なお、シャフト１４側を超音波モータ１１の上側とす
る。

【００１７】ステータ１２は、下から順に金属ブロック
としての第１ブロック１６、第１電極板１７、電気機械
変換素子としての第１圧電素子１８、第２電極板１９、
電気機械変換素子としての第２圧電素子２０、第３電極
板２１、金属ブロックとしての第２ブロック２２を備え
ている。また、ステータ１２はボルト２４並びに絶縁カ
ラー２５を備えている。

【００１８】図２は第１ブロックの斜視図を示す。図１
及び図２に示すように、第１ブロック１６は、中間の高
さの箇所に鍔部２７が形成された形状に形成されてい
る。鍔部２７は、治具で把持しやすいように２箇所で平
行に面取りされた形状に形成されており、複数箇所にね
じ孔が形成されている。第１ブロック１６にはねじ孔１
６ａが形成されている。第１ブロック１６の鍔部２７よ
り上側の外周面には、複数の斜めスリット２９が等角度
間隔に形成されている。

【００１９】図１に示すように、第１、第２及び第３電
極板１７，１９，２１は円環状に形成され、それぞれに
端子片が形成されている。第１圧電素子１８と第２圧電
素子２０とは、各第１、第２、第３電極板１７，１９，
２１より厚い円環形状に形成され、第１及び第２圧電素
子１８，２０は、分極方向が互いに上下逆になるように
配置されている。

【００２０】第２ブロック２２は、底が比較的厚い有底
円筒状に形成されており、ステータ１２で発生する振動
の振幅を大きくするためのホーン部を構成する円筒部２
２ａと、底部２２ｂとによって構成されている。底部２
２ｂの中心部には、軸方向に貫通するねじ孔２２ｃが形
成されている。第１ブロック１６及び第２ブロック２２
は、本実施形態ではアルミ合金にて形成されている。

【００２１】ボルト２４はほぼ円柱状に形成され、外周
面には雄ねじ２４ａが形成されている。ボルト２４は、
第１端部側が、第１ブロック１６のねじ孔１６ａに螺合
され、ねじ孔１６ａより上側の部分に、絶縁性樹脂にて
形成された略円筒状の絶縁カラー２５が貫通されてい
る。絶縁カラー２５が貫通されたボルト２４には、第１
電極板１７、第１圧電素子１８、第２電極板１９、第２
圧電素子２０及び第３電極板２１が順次貫通され、ボル
ト２４の第２端部側が、第２ブロック２２のねじ孔２２
ｃに螺合されている。このため、第１、第２及び第３電
極板１７，１９，２１、第１及び第２圧電素子１８，２
０は、第１ブロック１６と第２ブロック２２との間に挟
持されて軸線方向の移動が規制され、絶縁カラー２５に
よりボルト２４に対してそれぞれ電気的に絶縁状態にな
っている。

【００２２】ステータ１２の上面（第２ブロック２２の
上面）には、ライニング材３０が接着されている。ライ
ニング材３０の上面には、ロータ１３が載置されてい
る。ロータ１３は、第２ブロック２２より大きな外径を
有する円柱状に形成されており、その中心部には、上面
側に開口してシャフト１４が嵌合される嵌合凹部１３ａ
が形成されている。

【００２３】上記のように構成されたステータ１２とロ
ータ１３とは、ケース１５内に収容されている。ケース
１５は、ステータ１２及びロータ１３の側面を覆う筒部
３１と、ロータ１３の上側を覆う上部ケース３２とによ
って構成されている。

【００２４】筒部３１は、その下端と上端との複数箇所
にそれぞれねじ孔が形成されており、筒部３１は、その
下端部において、ボルト３３により鍔部２７に締付け固
定され、筒部３１の上端部には、ボルト３４により上部
ケース３２が締付け固定されている。

【００２５】上部ケース３２の中心にはシャフト貫通孔
３２ａが設けられ、上部ケース３２には、シャフト１４
が、シャフト貫通孔３２ａを貫通するようにして第１軸
受３５及び第２軸受３６を介して回転可能に支持されて
いる。

【００２６】シャフト１４の下端部には嵌合部１４ａが
形成され、嵌合部１４ａがロータ１３の嵌合凹部１３ａ
に嵌合されて、シャフト１４はロータ１３と一体回転可
能に連結されている。

【００２７】シャフト１４には、嵌合部１４ａの上側
に、他の部分よりわずかに径が大きなばね受け部１４ｂ
が形成されており、ばね受け部１４ｂとロータ１３の上
面との間には、皿ばね３７が配置されている。この皿ば
ね３７による付勢力により、ロータ１３は下方に押圧さ
れ、ロータ１３の下面がライニング材３０の上面に摺動
回転可能に圧接されている。

【００２８】第１圧電素子１８及び第２圧電素子２０
は、機械的品質係数Ｑｍが６０以上になるように形成さ
れている。また、第１及び第２圧電素子１８，２０は、
電気−機械結合係数Ｋｐが０．２以上になるように形成
されている。第１及び第２圧電素子１８，２０は、この
実施形態では、ニオブ酸ナトリウムカリウム系の材料に
より形成されている。

【００２９】次に、上記のように構成された超音波モー
タの作用を説明する。図示しない電圧印加装置により、
第１及び第３電極板１７，２１と第２電極板１９間に所
定の高周波交流電圧が印加されると、第１及び第２圧電
素子１８，２０にて所定の縦振動が発生する。この縦振
動が第１ブロック１６に伝達されると、斜めスリット２
９の存在のためにステータ１２に捩り振動が発生する。
縦振動がロータ１３に浮力を与え、捩り振動がロータ１
３に回転力を与えるため、ロータ１３は回転する。

【００３０】（シミュレーション例）図３は超音波モー
タについてのシミュレーション結果のグラフを示す。こ
のシミュレーションでは、第１及び第２圧電素子１８，
２０のＱｍを６０に設定した場合と、１３５０に設定し
た場合との２つの場合について、それぞれトルクに対す
る入出力の効率と、シャフト１４（ロータ１３）の回転
数とを求めた。Ｑｍ＝１３５０という値は、一般に使用
されている圧電素子の機械的品質係数Ｑｍの値である。

【００３１】図３に示すように、超音波モータの効率
は、機械的品質係数Ｑｍ＝１３５０の場合、最も高いと
ころで６０％をやや超える値であり、機械的品質係数Ｑ
ｍ＝６０の場合、最も高いところでほぼ５０％である。
また、回転数は、機械的品質係数Ｑｍ＝６０の場合、機
械的品質係数Ｑｍ＝１３５０の場合より低下しているも
のの、その低下量は、平均して１００ｒｐｍほどに抑え
られている。

【００３２】このため、超音波モータ１１は、機械的品
質係数Ｑｍが６０であっても、必要な性能を確保して作
動することがわかった。一般的な進行波型の超音波モー
タの場合、機械的品質係数Ｑｍが比較的低くて電気−機
械結合係数Ｋｐも比較的小さな圧電素子を用いた場合、
性能が大きく低下する。しかし、定在波型の超音波モー
タの場合、機械的品質係数Ｑｍが低くて電気−機械結合
係数Ｋｐが小さい圧電素子を用いても、上記のように、
性能がほとんど変わらない。これは、進行波型と定在波
型との両者ともステータの金属部材の共振を利用してい
るものの、ステータに対する圧電素子の割合が大きく異
なり、定在波型のほうが金属の体積が大きく、圧電素子
の依存度が定在波型の超音波モータのほうが小さいため
である。よって、定在波型の超音波モータの場合、多少
性能が低い圧電素子を用いても、超音波モータは支障な
く必要な性能を発揮できる。

【００３３】この実施形態によれば、以下のような効果
を有する。 （１）第１圧電素子１８及び第２圧電素子２０は、鉛を
含まずかつキュリー温度がＰＺＴと同等あるいはそれ以
上であるため、環境問題に対応するとともに、例えば車
両に搭載した場合、所定の高温状態でも超音波モータ１
１の必要な性能を確保できる。

【００３４】（２）超音波モータ１１は、第１及び第２
ブロック１６，２２がステータ１２全体の体積に対して
比較的大きな割合を占め、第１及び第２圧電素子１８，
２０の割合が小さい定在波型である。従って、機械的品
質係数が６０程度という比較的低い値の第１及び第２圧
電素子１８，２０を用いても、超音波モータ１１の必要
な性能を確保できる。また、第２ブロック２２に、振動
の振幅を大きくするホーン部を構成する円筒部２２ａが
設けられているため、超音波モータ１１の必要な性能を
より確保しやすい。

【００３５】（３）超音波モータ１１は、ボルト締めラ
ンジュバン型であり、ステータ１２の金属製の第１ブロ
ック１６に形成された斜めスリット２９を有するため、
機械的品質係数が比較的低い圧電素子を用いても必要な
性能を確保できる超音波モータを、比較的容易に形成で
きる。

【００３６】（４）超音波モータ１１は、第１及び第２
ブロック１６，２２がステータ１２全体の体積に対して
比較的大きな割合を占め、第１及び第２圧電素子１８，
２０の割合が小さい定在波型である。従って、機械的品
質係数が６０程度であることに加えて電気−機械結合係
数が０．２程度という比較的低い値の第１及び第２圧電
素子１８，２０を用いても、超音波モータ１１の必要な
性能を確保できる。

【００３７】（５）圧電素子の材料はニオブ酸ナトリウ
ムカリウム系であるため、第１及び第２圧電素子１８，
２０を比較的性能が高くなるように形成できる。なお、
実施形態は上記実施形態に限定されるものではなく、例
えば以下のように変更してもよい。

【００３８】・第１圧電素子１８、第２圧電素子２０
は、鉛の性質を発揮しない程度のわずかな量の鉛を含ん
でもよい。 ・圧電素子の材料は、ニオブ酸ナトリウムカリウム系に
限られず、例えばチタン酸ビスマスナトリウム系であっ
てもよい。

【００３９】・第１及び第２圧電素子１８，２０と同様
の圧電素子を、例えば機械電気変換素子として超音波モ
ータの出力を計測するセンサに使用してもよい。 ・第１及び第２圧電素子１８，２０は、機械的品質係数
Ｑｍが６０や１３５０になるように形成されることに限
られず、６０以上であれば、他の値になるように形成し
てもよい。

【００４０】・超音波モータ１１には、電極板が３枚取
り付けられることに限られず、例えば第３電極板２１を
取り付けずに第１電極板１７と第２電極板１９との２枚
取り付けてもよい。

【００４１】・定在波型の超音波モータは、ボルト締め
ランジュバン型に限られず、他のタイプであってもよ
い。 ・ボルト締めランジュバン型の超音波モータは、斜めス
リットを形成しないタイプであってもよい。

【００４２】・本発明の圧電素子は、定在波型の超音波
モータの圧電素子として使用されることに限られず、支
障がなければ進行波型の超音波モータに使用してもよ
い。 ・本発明の圧電素子は、超音波モータに使用されること
に限られず、他の振動駆動装置に使用してもよい。

【００４３】・本発明の振動駆動装置は、車両用以外の
用途に使用してもよい。上記各実施形態から把握できる
技術的思想について、以下に追記する。 （１） 請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の発
明において、前記電気機械変換素子の材料は、チタン酸
ビスマスナトリウム系である。

【００４４】

【発明の効果】以上詳述したように、請求項１〜請求項
５に記載の発明によれば、鉛を含まない電気機械変換素
子を備え、所定の高温状態でも必要な性能を確保でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】超音波モータの模式断面図。

【図２】第１ブロックの斜視図。

【図３】超音波モータについてのシミュレーション結果
のグラフ。

【符号の説明】

１１…振動駆動装置としての超音波モータ、１２…ステ
ータ、１６…金属ブロックとしての第１ブロック、２２
…同じく第２ブロック、１８…電気機械変換素子として
の第１圧電素子、２０…同じく第２圧電素子、２９…斜
めスリット。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山田 壮平 静岡県湖西市梅田390番地 アスモ 株式 会社内 (72)発明者 荒木 敏之 静岡県湖西市梅田390番地 アスモ 株式 会社内 (72)発明者 谷野 元康 静岡県湖西市梅田390番地 アスモ 株式 会社内 Ｆターム(参考） 5H680 AA07 BB03 BB15 BB17 BB20 BC07 CC02 CC06 DD01 DD14 DD23 DD35 DD36 DD44 DD53 DD55 DD65 DD66 DD87 DD88 DD92 EE02 EE03 EE07 EE10 FF03 FF04 FF05 FF31 GG01 GG11 GG25 GG41

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電気機械変換素子を振動源とする振動駆
   動装置において、前記電気機械変換素子は、鉛を含まず
   かつキュリー温度がＰＺＴと同等あるいはそれ以上であ
   ることを特徴とする振動駆動装置。
2. 【請求項２】 前記電気機械変換素子は圧電素子で、前
   記振動駆動装置は定在波型の超音波モータであり、前記
   圧電素子は、機械的品質係数が６０以上であることを特
   徴とする請求項１に記載の振動駆動装置。
3. 【請求項３】 前記超音波モータは、ボルト締めランジ
   ュバン型であり、ステータの金属ブロックに形成された
   斜めスリットを有することを特徴とする請求項２に記載
   の振動駆動装置。
4. 【請求項４】 前記電気機械変換素子は、電気−機械結
   合係数が０．２以上であることを特徴とする請求項１〜
   請求項３のいずれか一項に記載の振動駆動装置。
5. 【請求項５】 前記電気機械変換素子の材料は、ニオブ
   酸ナトリウムカリウム系であることを特徴とする請求項
   １〜請求項４のいずれか一項に記載の振動駆動装置。