JP2003284364A - 圧電線形超音波モーター - Google Patents

圧電線形超音波モーター

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Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、移動子をｎｍ級の精密度で順・逆方
向に直接直線運動させることができる上、高効率で長寿
命な圧電線形超音波モーターを提供することを目的とし
ている。 【解決手段】本発明に係る圧電線形超音波モーターは、
機械的な振動を発生させる複数の圧電セラミックス２０
と、圧電セラミックス２０下部に位置して振動を増大さ
せるホーン１０と、圧電セラミックス２０がボルト４０
によって圧着される金属材３０から成る一対の半波長変
換機８０と；半波長変換機８０に連結された振動ビーム
９０と；振動ビーム９０の中央部に形成され、半波長変
換機８０に加えられた相異なる２相の高周波交流電界に
応じて、楕円形の機械的な変位を発生させる突出部５０
と；突出部５０に接触され、突出部５０との間に生じる
摩擦力によって線形で駆動する移動子７０と；を有して
成る構成としている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、圧電セラミックス
で発生する２０ｋＨｚ以上の超音波振動を用いて駆動力
を得る線形モーターに関するものであって、より詳しく
は一対の圧電セラミックスにそれぞれ９０°の位相差を
有するｓｉｎ、ｃｏｓの２つの高周波電流電界を加える
ことによって、これと連結された振動ビーム（shaking
beam）に楕円形の機械的な変位を発生させ、該変位に伴
う摩擦力によって移動子を線形で駆動する圧電線形超音
波モーター（Piezoelectric Linear Ultrasonic Moto
r）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】比較的短い距離を移動するソレノイドな
どのような電磁界駆動モーターは、ギアやプーリ（pull
ey）を使用して回転運動を線形運動に変える必要がある
ため、大きい力を必要とする場合、その体積や質量が非
常に大きくなるという短所を有している。また、このよ
うな電磁界駆動モーターは、駆動時の消費電流や発熱量
が大きいという短所も有している。特に、発熱量が大き
いと、車のエンジンのような周辺温度が非常に高い場
合、電磁界駆動モーターは大きい障害をもたらすことに
なる。
【０００３】一方、線形超音波モーターは、駆動時の消
費電流が小さく、軽量であり、ギアなしで線形運動を直
接得ることができ、移動子の速度や位置を電気的に制御
することができ、移動子を順逆両方向に駆動でき、停止
時に移動子の滑りがない、といった様々な長所を有して
いる。このような線形超音波モーターにおける移動子の
駆動方式としては、一般的に、屈曲波（flexural wav
e）によって発生された進行波で移動子を駆動する進行
波方式や、縦振動（longitudinal vibration）と横振動
（transversal vibration）のアクチュエーターを結合
して垂直振動と水平振動を反復的に発生させて移動子を
駆動する定在波方式が知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】前記定在波方式（stan
ding wave type）を採用した線形超音波モーターは、基
本的に、相互に異なる動作モーターを有する振動子を結
合して発生する複数振動を用いることで移動子を駆動す
る構成であり、垂直方向と水平方向に振動するアクチュ
エーターと、該アクチュエータから移動子に機械的な変
位を伝達する接触部と、を有して成る。なお、本構成で
は、圧電振動子の縦振動が移動子と接触している振動部
分（接触部）に伝達され、移動子と振動部分との間に生
じる摩擦力によって移動子が駆動されることになる。そ
のため、移動子と振動部分の間における振動伝達メカニ
ズムについては、従来から様々な方法が提案されてい
る。
【０００５】しかしながら、従来の方法では、駆動力を
効果的に伝達することや、連続駆動時に生じる摩耗等に
依ることなく振動振幅を一定に維持することが難しいた
め、定在波方式を採用した線形超音波モーターは、未だ
実用化されていないのが実状である。
【０００６】本発明は、上記の問題点を解決するために
案出されたものであって、２つの厚さ方向に超音波振動
する圧電アクチュエーターにそれぞれ位相差が９０°で
あるｓｉｎとｃｏｓ交流電源を印加することによって、
ギアなしで直接直線運動を得ることができ、前記交流電
源の位相を変えることによって、順・逆の移動が可能で
あり、直流電源を印加することによってｎｍ級の精密度
を有する精密位置制御が可能である圧電線形超音波モー
ターを提供することを目的としている。
【０００７】また、本発明は、圧電セラミックスに発生
する縦方向振動を拡大することで、効率的に移動子に楕
円形の振動を伝達できる線形超音波モーターを提供する
ことを目的としている。
【０００８】また、本発明は、固定子と移動子の間に耐
摩耗性物質を介在することで、摩擦に伴う摩耗発生を抑
制することができる線形超音波モーターを提供すること
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、本発明に係る圧電線形超音波モーターは、機械的な
振動を発生させる複数の圧電セラミックスと、前記圧電
セラミックス下部に位置して振動を増大させるホーン
と、前記圧電セラミックスがボルトによって圧着される
金属材から成る一対の半波長変換機と；前記半波長変換
機に連結された振動ビーム（shaking beam）と；前記振
動ビームの中央部に形成され、前記半波長変換機に加え
られた相異なる２相の高周波交流電界に応じて、楕円形
の機械的な変位を発生させる突出部と；前記突出部に接
触され、前記突出部との間に生じる摩擦力によって線形
で駆動する移動子と；を有して成る構成としている。
【００１０】なお、上記構成から成る圧電線形超音波モ
ーターにおいて、圧電セラミックスは、分極方向が反対
になるように積層されて成る構成にするとよい。
【００１１】また、上記構成から成る圧電線形超音波モ
ーターにおいて、前記ホーンの長さιは、ι＝λ／４
（λ：前記圧電セラミックスを含むアクチュエーターで
発生する振動波の波長）なる関係式に基づいて決められ
ている構成にするとよい。
【００１２】また、上記構成から成る圧電線形超音波モ
ーターにおいて、前記ホーンの材質は、音響抵抗の小さ
いチタン合金である構成にするとよい。
【００１３】また、上記構成から成る圧電線形超音波モ
ーターにおいて、前記移動子と接触される突出部は一つ
であり、その材質は、バナジウム−カーバイドである構
成にするとよい。
【００１４】また、上記構成から成る圧電線形超音波モ
ーターにおいて、前記突出部と前記移動子との間にはＡ
ｌ2Ｏ3セラミックス材質の摩擦材が介在される構成にす
るとよい。
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る圧電線形超音
波モーターについて、図１〜図４を参照しながら詳細な
説明を行う。
【００１５】図１は本発明に係る圧電線形超音波モータ
ーの一実施形態を示す概略構成図である。本図に示す通
り、本発明に係る線形超音波モーターは、一対の半波長
変換機８０と、両方の半波長変換機８０に連結された振
動ビーム９０と、振動ビーム９０の中央部に形成された
突出部５０と、突出部５０に接触する移動子７０と、を
有して成る。
【００１６】移動子７０は、突出部５０とスプリングの
力Ｐによって圧着されており、突出部５０との間に生じ
る摩擦力によって線形で駆動する。なお、移動子７０
は、耐摩耗性のある摩擦材６０を含んでいる。
【００１７】半波長変換機８０は、機械的な振動を発生
させる複数の圧電セラミックス２０と、圧電セラミック
ス２０下部に位置して振動を増大させるホーン１０と、
圧電セラミックス２０がボルト４０によって圧着される
金属材３０から成り、ホーン１０の端部が振動ビーム９
０と連結されている。
【００１８】図２は半波長変換機８０の構造を示す詳細
図である。圧電セラミックス２０を含む圧電アクチュエ
ーターで発生された振動を増大させる役割を有するホー
ン１０の長さι（＝ι0＋ι3）は、次の（１）式に基づ
いて決められている。
【数１】 なお、λは圧電セラミックス２０を含む圧電アクチュエ
ーターで発生する振動波の波長である。
【００１９】このように、駆動時、ホーン１０の長さι
が、圧電セラミックス２０を含むアクチュエーターで発
生する振動波の波長λの１／４であるとき、最大の振動
特性が得られる。
【００２０】本発明に係る圧電線形超音波モーターの全
体長さのうち、ホーン１０の長さιが上記（１）式に基
づいて決まると、縦方向振動のための半波長変換機８０
で発生する振動の大きさξ3（−ι3）は、次の（２）式
によって求められる。
【数２】 なお、ｄ33は圧電常数、Ｕは印加電圧、αはｋ×ｌ(ｋ:
波動数、ｌ:長さ)、Ｙはヤング率、γιχは負荷係数で
ある。
【００２１】また、上記（２）式中のヤング率Ｙは、次
の（３）式で表される。
【数３】
【００２２】本発明に係る圧電線形超音波モーターは、
上記した条件を満足する半波長変換機８０を有して成
る。
【００２３】上記構成から成る圧電線形超音波モーター
についてより詳しく説明する。本発明に係る圧電線形超
音波モーターは、縦方向に振動する２つの半波長変換機
８０を有し、半波長変換機８０双方で相異なる２相（Ｕ
ｓｉｎωｔ，Ｕｃｏｓωｔ）の交流電界を印加すると、
突出部５０には楕円形の機械的な変位が発生する。ま
た、圧電セラミックス２０に直流電源を印加することに
よって、移動子７０の精密な位置移動制御を行うことが
できる。或いは、交流電源と直流電源を適宜に印加する
ことでも、ｎｍ級の精密度を有する精密位置制御が可能
となる。
【００２４】なお、縦方向振動を発生する役割を担う上
記の圧電セラミックス２０は、駆動電圧を低減するため
に、相互に分極方向Ｐが反対になるように積層されて成
り、ボルト４０によってホーン１０と金属材３０の間に
圧着・固定されている（図３参照）。また、金属材３０
の上部には、弾性力を有する２つの板バネ（不図示）が
設けられており、圧電線形超音波モーターは、該板バネ
によって一定の圧力Ｐで移動子７０に圧着されている。
【００２５】また、前記板バネと蓋との間には、圧電線
形超音波モーターの駆動時に機械的な雑音が生じること
を防ぐためにゴムライニングが挿入されている。
【００２６】また、圧電線形超音波モーター本体の内部
側面は、金属材３０とケースの接触部分で雑音が発生す
ることを防ぐために、テフロン（Ｒ）（teflon）のよう
な熱可塑性物質で覆われている。
【００２７】また、突出部５０は、摩擦による摩耗を減
らして寿命を延長するために、耐摩耗性のあるバナジウ
ム−カーバイド（Vanadium-carbide）で形成されてお
り、これと接する摩擦材６０には、堅固なＡｌ2Ｏ3セラ
ミックスが使用されている。
【００２８】また、ホーン１０の材質としては、音響抵
抗（accoustic resistance）が小さいチタン合金が使用
されており、金属材３０の材質としては、音響抵抗が大
きい金属類が使用されている。これにより、突出部５０
にて振動が増大される。
【００２９】図４は本発明に係る圧電線形超音波モータ
ーの動作を示す詳細図である。上記構成から成る圧電線
形超音波モーターにおいて、半波長変換機８０に同一な
周波数を有する相異なる２相の交流電界が印加される
と、ホーン１０のそれぞれの圧電セラミックス２０で収
縮及び拡大が発生する。このとき、振動ビーム９０の中
央に配設された突出部５０は、本図に示すように、時間
経過に従って順次的に楕円軌跡を形成し、これと接触す
る移動子７０は線形的に動くことになる。
【００３０】なお、このとき、一方の半波長変換機８０
の位相を１８０°変換させると、移動子７０の方向が反
対になる。また、突出部５０の長さを伸ばすと、移動速
度を増加させることができるが、発生力を減少すること
になる。
【００３１】以上で説明したように、本発明に係る圧電
線形超音波モーターであれば、駆動電圧を低減し、移動
子７０の駆動力と移動速度を増加させることができるの
で、全体振動システムの動作条件を向上させ、消費電力
を低減することができる。
【００３２】
【発明の効果】上記したように、本発明に係る圧電線形
超音波モーターは、既存の電磁界駆動モーターに比べて
質量対比の力が優れており、直接駆動方式であり、潤滑
油などが要らない。
【００３３】特に、速い速度（０.１ｍｓ）の応答性
と、ｎｍ級の高い精密度を示す特性を有しているので、
精密位置制御を必要になるＸＹＺステージ（stage）、
半導体素子の集積のためのアラインメント機器であるス
テッパー（stepper）、衛星用望遠鏡などに搭載され
て、精密な位置制御を行うアクチュエータ素子としての
応用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る圧電線形超音波モーターの一実
施形態を示す概略図である。
【図２】 半波長変換機８０の構造を示す詳細図であ
る。
【図３】 圧電セラミックス２０の積層及び電気配線を
示す詳細図である。
【図４】 本発明に係る圧電線形超音波モーターの動作
を示す詳細図である。
【符号の説明】
１０ ホーン ２０ 圧電セラミックス ３０ 金属材 ４０ ボルト ５０ 突出部 ６０ 摩擦材 ７０ 移動子 ８０ 半波長変換機 ９０ 振動ビーム
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 崔 志 遠 大韓民国ソウル特別市城東区弘益洞429− １ (72)発明者 姜 種 ▲銃▼ 大韓民国ソウル特別市瑞草区▲贊▼院洞▲ 贊▼院ハンシンアパート７棟1303 (72)発明者 李 東 均 大韓民国京畿道南楊州市瓦阜邑徳沼里ヒョ ンデホームタウン102棟701号 (72)発明者 ＶＡＳＩＬＪＥＶ，Ｐｉｏｔｒ リトアニア、ビリニュス、カビヨス、69− 45 Ｆターム(参考） 5H680 AA06 BB03 BB13 BC10 CC02 CC06 DD02 DD23 DD27 DD37 DD53 DD65 DD75 DD82 DD95 EE22 FF24 FF33 FF36 GG11 GG25

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】機械的な振動を発生させる複数の圧電セラ
    ミックスと、前記圧電セラミックス下部に位置して振動
    を増大させるホーンと、前記圧電セラミックスがボルト
    によって圧着される金属材から成る一対の半波長変換機
    と；前記半波長変換機に連結された振動ビーム（shakin
    g beam）と；前記振動ビームの中央部に形成され、前記
    半波長変換機に加えられた相異なる２相の高周波交流電
    界に応じて、楕円形の機械的な変位を発生させる突出部
    と；前記突出部に接触され、前記突出部との間に生じる
    摩擦力によって線形で駆動する移動子と；を有して成る
    ことを特徴とする圧電線形超音波モーター。
  2. 【請求項２】前記圧電セラミックスは、分極方向が反対
    になるように積層されて成ることを特徴とする請求項１
    に記載の圧電線形超音波モーター。
  3. 【請求項３】前記ホーンの長さιは、ι＝λ／４（λ：
    前記圧電セラミックスを含むアクチュエーターで発生す
    る振動波の波長）なる関係式に基づいて決められている
    ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧電
    線形超音波モーター。
  4. 【請求項４】前記ホーンの材質は、音響抵抗の小さいチ
    タン合金であることを特徴とする請求項１〜請求項３の
    いずれかに記載の圧電線形超音波モーター。
  5. 【請求項５】前記移動子と接触される突出部は一つであ
    り、その材質は、バナジウム−カーバイドであることを
    特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の圧電
    線形超音波モーター。
  6. 【請求項６】前記突出部と前記移動子との間にはＡｌ2
    Ｏ3セラミックス材質の摩擦材が介在されることを特徴
    とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の圧電線形
    超音波モーター
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