JP2004304933A

JP2004304933A - 超音波モータ

Info

Publication number: JP2004304933A
Application number: JP2003095541A
Authority: JP
Inventors: Kazumasa Asumi; 一将阿隅; Takahiro Yamakawa; 孝宏山川
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2003-03-31
Filing date: 2003-03-31
Publication date: 2004-10-28

Abstract

【課題】駆動時の温度上昇を抑制した超音波モータを提供することを目的とする。
【解決手段】超音波モータ１０は、被駆動体１５と接する接頭部１３ａおよび接頭部１３ａを挟んでＶ字型に開いた翼部１３ｂ・１３ｂ´を有するヘッド１３と、棒状の超音波振動子１１ａ・１１ｂと、超音波振動子１１ａ・１１ｂを保持する保持部材１２とを有する。超音波振動子１１ａはボルト２１と、袋ナット２２と、圧電板２３ａ・２３ｂと、電極板２４ａ〜２４ｃとを有し、超音波振動子１１ｂも同様の構成を有する。圧電板２３ａ・２３ｂは袋ナット２２と翼部１３ｂによって、圧電板２３ａ´・２３ｂ´は袋ナット２２´と翼部１３ｂ´によってそれぞれ所定の力で締め付けられている。この超音波モータ１０の機械的品質係数Ｑｍを１００以上とした。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転装置やＸ−Ｙステージ等の駆動装置として使用される超音波モータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図２に示すように、２個の超音波振動子１０１ａ・１０１ｂと、超音波振動子１０１ａ・１０１ｂを９０度で保持する保持部材１０２と、略Ｖ字型の形状を有し、その頂点部で被駆動体であるロータ１０６と接し、その翼部（Ｖ字に開いている側の部分）で超音波振動子１０１ａ・１０１ｂと接続されたヘッド１０３と、を備えた超音波モータ１００が知られている（例えば、特許文献１参照）。超音波振動子１０１ａ・１０１ｂはそれぞれ、リング状の圧電素子１０４が袋ナット１０５とヘッド１０３とによって締め付けられた構造を有している。
【０００３】
この超音波モータ１００では、超音波振動子１０１ａの圧電素子１０４と、超音波振動子１０１ｂの圧電素子１０４に、それぞれ位相が約９０度ずれた共振周波数を印加することによって、長さ方向に伸縮振動を生じさせ、これによってヘッド１０３の先端部に楕円運動を生じさせる。楕円運動するヘッド１０３を一定の力でロータ１０６の端面に押し付けると、ヘッド１０３とロータ１０６との間に生ずる摩擦力によってロータ１０６の外周の接線方向への推力が加わるために、ロータ１０６を回転させることができる。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１５２６７１号公報（第２４〜２９段落、第１図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような超音波モータ１００は共振現象を利用して変位を拡大させて駆動するために、共振時の振幅が小さい場合には高電圧を投入しなければならず、このとき圧電素子１０４の発熱が大きくなって分極特性が変化するおそれがあり、駆動特性の再現性が悪くなる。また、超音波モータ１００を真空雰囲気で用いる場合には、圧電素子１０４の発熱によって超音波モータ１００全体の温度が大きく上昇し、超音波モータ１００を構成する部材の熱膨張によってモータの駆動特性が変化する問題が生ずる。さらに、超音波モータ１００は複数の部材を機械的に所定の力で締め付けた構造となっているために、部材間の連結状態にばらつきが生ずると、振動特性がばらつくという問題を生ずる。
【０００６】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、温度上昇を抑制した超音波モータを提供することを目的とする。また本発明は、駆動特性のばらつきの少ない超音波モータを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、圧電素子を備えた略棒状の２個の超音波振動子と、
前記２個の超音波振動子を所定角度で保持する保持部材と、
略Ｖ字型の形状を有し、その頂点部で被駆動体に接し、かつ、その翼部にそれぞれ前記超音波振動子が取り付けられる接頭部材と、
を具備する超音波モータであって、
前記接頭部材を被駆動体に接触させていない状態において、前記超音波モータを駆動する共振周波数における前記超音波モータの機械的品質係数は１００以上であることを特徴とする超音波モータ、が提供される。
【０００８】
このような超音波モータによれば、超音波モータ自体の機械的品質係数が大きいために圧電素子の共振駆動時の発熱が抑制され、これによって圧電素子の駆動特性が安定する。また、超音波モータ間の特性のばらつきも抑えられる。このような本発明の超音波モータにおいては、圧電素子の機械的品質係数は５００以上であることが好ましい。
【０００９】
圧電素子としては、板状で略中心部に孔部が設けられ、その表裏面に電極が設けられた構造を有するものが好適に用いられ、この場合において、超音波振動子としては、この圧電素子の孔部に挿通して配置される軸部材と、この軸部材の両端に前記圧電素子を所定の力で締め付けるように取り付けられる第１の締結部材および第２の締結部材と、をさらに有する構造のものが好適に用いられる。このような超音波振動子においては、第１の締結部材と第２の締結部材によって締め付けられる部材間の少なくとも１の境界面に潤滑剤を塗布しておくことが好ましい。これにより超音波モータの駆動特性のばらつきをさらに低減することができる。さらに、このような超音波振動子においては、接頭部材を第２の締結部材とすることが好ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。本発明に係る超音波モータの構造は基本的に先に図２に示した超音波モータ１００と同じであるが、ここで詳しく説明することとする。図１は超音波モータ１０の概略構成を示す断面図である。超音波モータ１０は、被駆動体１５と接するヘッド（接頭部材）１３と、２個の棒状の超音波振動子１１ａ・１１ｂと、超音波振動子１１ａ・１１ｂを保持する保持部材１２と、有している。
【００１１】
ヘッド１３は略Ｖ字型の形状を有しており、その頂点部（屈折した部分）が被駆動体１５と接する接頭部１３ａとなっている。また、ヘッド１３はこの接頭部１３ａを頂点として９０度の角度で開いた翼部１３ｂ・１３ｂ´を有している。後述するように、この翼部１３ｂ・１３ｂ´はそれぞれ超音波振動子１１ａ・１１ｂの構成要素でもある。
【００１２】
超音波振動子１１ａは、両端がネジ切りされたボルト２１と、ボルト２１の一方のネジ溝に嵌合するネジ穴を有する袋ナット２２と、ボルト２１を挿通させることができる２枚のリング状の圧電板２３ａ・２３ｂと、ボルト２１を挿通させることができるリング状の電極板２４ａ〜２４ｃと、ヘッド１３の翼部１３ｂから構成される。なお、圧電板２３ａ・２３ｂの表裏面には電極（図示せず）が形成されている。また、翼部１３ｂにはボルト２１のネジ溝に嵌合するネジ穴が形成されている。
【００１３】
超音波振動子１１ｂは、超音波振動子１１ａと同様に、ボルト２１´と、袋ナット２２´と、２枚のリング状の圧電板２３ａ´・２３ｂ´と、リング状の電極板２４ａ´〜２４ｃ´と、ヘッド１３の翼部１３ｂ´から構成される。なお、圧電板２３ａ´・２３ｂ´の表裏面には電極（図示せず）が形成されており、翼部１３ｂ´にはボルト２１´のネジ溝に嵌合するネジ穴が形成されている。
【００１４】
保持部材１２にはボルト２１・２１´を挿通させるための孔部が設けられている。保持部材１２は、袋ナット２２と翼部１３ｂとの間が所定の力で締め付けられ、かつ、袋ナット２２´と翼部１３ｂ´との間が所定の力で締め付けられることによって、超音波振動子１１ａ・１１ｂを保持する。
【００１５】
超音波モータ１０は次のようにして組み立てられる。圧電板２３ａ・２３ｂが電極板２４ａ〜２４ｃに挟まれるように交互に配置し、これらと保持部材１２の一端の孔部にボルト２１を通して、ボルト２１の一端を翼部１３ｂに軽くねじ込む。次に、圧電板２３ａ´・２３ｂ´が電極板２４ａ´〜２４ｃ´に交互に挟まれるように配置して、これらと保持部材１２の他端の孔部にボルト２１´を通して、ボルト２１´の一端を翼部１３ｂ´に軽くねじ込む。続いて、ボルト２１・２１´をそれぞれ翼部１３ｂ・１３ｂ´に所定の力でねじ込んで固定する。さらに、袋ナット２２をボルト２１の他端に所定の力で締め付けて固定し、同様に袋ナット２２´をボルト２１´の他端に所定の力で締め付けて固定する。これによって圧電板２３ａ・２３ｂ・２３ａ´・２３ｂ´（以下「圧電板２３ａ等」という）は所定の力で締め付けられ、ランジュバン型の超音波振動子１１ａ・１１ｂが９０度で交差するように配置された超音波モータ１０が得られる。
【００１６】
保持部材１２には押圧機構１４を取り付け、この押圧機構１４によってヘッド１３の接頭部１３ａが被駆動体１５に所定の力で押し付けられるようにする。押圧機構１４としては、例えば、エアーシリンダや油圧シリンダ、スプリングコイル等が用いられる。被駆動体１５は図示しないＸ方向に延在するガイドに支持されており、後に説明するように超音波モータ１０を駆動して接頭部１３ａからＸ方向の力を受けたときにＸ方向に移動することができるようになっている。
【００１７】
圧電板２３ａ・２３ｂの分極の向きは、圧電板２３ａ・２３ｂの間に挟まれている電極板２４ｂについて対称となっている。また、電極板２４ａ・２４ｃは互いに電気的に接続されている。したがって、電極板２４ｂと電極板２４ｃとの間に電圧を印加すると、圧電板２３ａ・２３ｂには同じ位相で変位（振動）が生ずる。つまり、圧電板２３ａ・２３ｂがその厚み方向に共に伸び、または、共に縮む。圧電板２３ａ´・２３ｂ´、電極板２４ａ´〜２４ｃ´も同様である。
【００１８】
このような構造を有する超音波モータ１０を駆動する場合には、超音波振動子１１ａと超音波振動子１１ｂとを、通常は位相が約９０度ずれた共振周波数またはその近傍の周波数の交流電圧で駆動する。例えば、図１に示されるように、超音波振動子１１ａの電極板２４ｂにＶ＝Ｖ_０ｓｉｎ（２πｆｔ）（Ｖ_０；ゼロ−ピーク電圧、ｆ；周波数、ｔ；時間）の交流電圧を印加し、これと同時に超音波振動子１１ｂの電極板２４ｂ´にＶ＝Ｖ_０ｃｏｓ（２πｆｔ）の交流電圧を印加する。これによって圧電板２３ａ等が伸縮して超音波振動子１１ａ・１１ｂが長手方向に振動し、接頭部１３ａには図１に示すような反時計回りの楕円運動が生じ、このとき被駆動体１５は＋Ｘの向きに移動する。
【００１９】
超音波モータ１０をこのようにして駆動した際の圧電板２３ａ等の温度上昇と超音波モータ１０全体の温度上昇を抑え、かつ、効率的にヘッド１３の接頭部１３ａに楕円運動を生じさせるために、超音波モータ１０を駆動する共振周波数における超音波モータ１０の機械的品質係数Ｑｍは、ヘッド１３を被駆動体１５に接触させていない状態において、１００以上とする。ここで、超音波モータ１０の機械的品質係数Ｑｍは、実際に用いられる共振周波数近傍でアドミッタンスの実部（コンダクタンス）と虚部（サセプタンス）を測定し、コンダクタンスが極大を示す周波数をｆ_ｓ、サセプタンスが極大となる周波数をｆ_１、サセプタンスが極小となる周波数をｆ_２とすると、Ｑｍ＝ｆ_ｓ／（ｆ_２−ｆ_１）で算出される。
【００２０】
このような特性を得るために、ヘッド１３と、ボルト２１・２１´と、袋ナット２２・２２´と、保持部材１２には特定の金属材料が用いられる。具体的には、好ましい例として、ヘッド１３と保持部材１２にジュラルミンを用い、ボルト２１・２１´と袋ナット２２・２２´にステンレスを用いる場合が挙げられる。逆に不適切な例としては、ヘッド１３と保持部材１２と袋ナット２２・２２´に純アルミニウムを用い、ボルト２１・２１´にニッケルを用いた場合が挙げられる。このようにヘッド１３、ボルト２１・２１´、袋ナット２２・２２´、保持部材１２には、超音波振動を伝える効率の高い金属材料（内部摩擦が小さい材料）を用いることが好ましい。
【００２１】
電極板２４ａ〜２４ｃについてもボルト２１等と同様の金属材料を用いることが好ましいが、電極板２４ａ〜２４ｃには導電性が高いことも要求される。このため、電極板２４ａ〜２４ｃとしてはベリリウム銅等が好適に用いられる。
【００２２】
このようにボルト２１と袋ナット２２と保持部材１２に金属材料が用いられることによって、電極板２４ａ・２４ｃは保持部材１２を介して袋ナット２２と導通する。同様に、電極板２４ａ´・２４ｃ´は保持部材１２を介して袋ナット２２´と導通する。このため、保持部材１２または超音波振動子１１ａの袋ナット２２を圧電板２３ａ・２３ｂを駆動するための接地電極として用いると、超音波振動子１１ｂが具備する圧電板２３ａ´・２３ｂ´を駆動する際のアースを同時にとることができる。
【００２３】
また、ヘッド１３に金属材料が用いられることによってヘッド１３は電極板２４ａと導通するために、保持部材１２または超音波振動子１１ａ・１１ｂの袋ナット２２・２２´のいずれかを接地すれば、ヘッド１３もまた接地される。なお、ヘッド１３の接頭部１３ａの表面（被駆動体１５と接する部分）に耐摩耗材料、例えば、窒化ケイ素等のコーティングを施すことも好ましい。
【００２４】
超音波振動子１１ａにおいて、翼部１３と袋ナット２２によって締め付けられる部材間の境界面、つまり、袋ナット２２と保持部材１２との境界面、保持部材１２と電極板２４ｃとの境界面、電極板２４ａとヘッド１３の翼部１３ｂとの境界面には、潤滑剤が薄く塗布されていることが好ましい。これは、２つの部品を所定の力で締め付けた場合には、その平坦度や表面粗度によってその境界に空気溜まりができ、この空気溜まりが超音波振動の伝達を抑制する働きがあるからである。潤滑剤としては、具体的には、真空グリース、シリコングリース、フッ素樹脂グリース等の各種グリース、白色ワセリン、グリセリン等が挙げられる。この潤滑剤によって各部材の間に空気溜まりが生ずることが防止されるために、超音波振動の減衰が抑制される。このことは、超音波振動子１１ｂについても同様であることはいうまでもない。
【００２５】
超音波モータ１０の機械的品質係数Ｑｍを挙げるためには、圧電板２３ａ等として、その機械的品質係数Ｑｍ´が５００以上のものを用いることが好ましい。ここで、圧電板２３ａ等の機械的品質係数Ｑｍ´は、円板状の圧電セラミック板（圧電板２３等のようにリング状のものではない）の径方向の共振周波数近傍でアドミッタンスの実部（コンダクタンス）と虚部（サセプタンス）を測定し、コンダクタンスが極大を示す周波数をｆ_ｓ´、サセプタンスが極大となる周波数をｆ_１´、サセプタンスが極小となる周波数をｆ_２´とすると、Ｑｍ´＝ｆ_ｓ´（ｆ_２´−ｆ_１´）で算出される。具体的には、圧電板２３ａ等として用いられる材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系の圧電セラミックスが挙げられる。
【００２６】
表１は、超音波モータ１０と同じ構造を有し、種々の機械的品質係数Ｑｍを有する超音波モータを作製し、得られた超音波モータを、被駆動体１５の移動速度が０．５ｍ／秒となるように駆動電圧を調整して共振駆動させた場合の圧電板の温度変化を空気中で測定した結果を示している。
【００２７】
【表１】

【００２８】
ここで、機械的品質係数Ｑｍが２０の試料１は、ヘッドと保持部材と袋ナットに純アルミニウムを用い、かつ、ボルトにニッケルを用い、圧電板に機械的品質係数Ｑｍ´が１８００のＰＺＴ系材料を用いて作製した超音波モータである。これに対して機械的品質係数Ｑｍが１００〜５００の試料２〜４は、ヘッドと保持部材にジュラルミンを用い、ボルトと袋ナットにステンレスを用い、圧電板に機械的品質係数Ｑｍ´が約１８００のＰＺＴ系材料を用いて作製した超音波モータである。なお、圧電板の温度測定は放射温度計を用いて行われている。また、試料１〜試料４の超音波モータの組み立てには、真空グリース等の潤滑剤は使用していない。
【００２９】
表１に示されるように、超音波モータを構成する圧電板の温度上昇は、機械的品質係数Ｑｍが２０の場合には２５℃であった。このように空気中での上昇温度が２５℃であっても、超音波モータを真空雰囲気で同様に駆動させた場合、例えば、ステッパーのＸ−Ｙステージに用いる場合には、放熱性が低下するために温度はより高く上昇する。これによって圧電板の分極特性が変化し、また超音波モータを構成する部材の熱膨張によって振動特性が変化する等の問題を生ずるようになる。しかし、機械的品質係数Ｑｍが１００以上の場合には、圧電板の温度上昇は５℃以下に抑えられることが確認された。このように試料２〜４の超音波モータでは、圧電板の圧電特性を一定に保持することができるために駆動特性が安定し、駆動特性の再現性も良好となる。
【００３０】
なお、実質的に同等であると考えられる部材を用いて作製した試料２〜４の超音波モータについて、機械的品質係数Ｑｍの値が１００〜５００とばらついている理由としては、前述したように、所定の力によって締め付けられる部材間の境界面の状態にばらつきが生じていること等が考えられた。そこで、袋ナットの端面と、ヘッドの翼部の端面と、保持部材の表面にシリコングリースを薄く塗布して超音波モータを組み立てて、これらを、被駆動体１５の移動速度が０．５ｍ／秒となるように駆動電圧を調整して共振駆動させた場合の圧電板の温度変化を空気中で測定した結果を表２に示す。
【００３１】
【表２】

【００３２】
表２に示されるように、超音波モータの機械的品質係数Ｑｍは約４５０〜６８０と一定となり、超音波モータ毎の特性のばらつきが抑えられ、超音波モータの品質のばらつきを低減する方法として、所定の部材に真空グリース等の潤滑剤を塗布して超音波モータの組み立てることが有効であることが確認された。
【００３３】
表３は、機械的品質係数Ｑｍ´の異なる種々の圧電材料（ｘＰｂ（Ｍｎ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−（１−ｘ）Ｐｂ（ＺｒＴｉ）Ｏ_３；ｘ＝０．２〜０．８）で作製された圧電板を用いて超音波モータ１０と同じ構造を有する超音波モータを作製し、得られた超音波モータを、被駆動体１５の移動速度が０．５ｍ／秒となるように駆動電圧を調整して共振駆動させた場合の圧電板の温度変化を測定した結果を示している。なお、表３には各圧電材料を用いた場合の超音波モータの機械的品質係数Ｑｍを並記している。
【００３４】
【表３】

【００３５】
表３に示されるように、試料９のように圧電板に機械的品質係数Ｑｍ´が１５０の材料が用いられている場合には圧電板の温度上昇が１５℃であるのに対し、試料１０〜１２のように圧電板に機械的品質係数Ｑｍ´が５００〜１４００の材料が用いられている場合には圧電板の温度上昇は５℃以下である。このことから、本発明の超音波モータには、機械的品質係数Ｑｍ´が５００以上の材料を用いることが好ましいことが確認された。
【００３６】
さらに表４に、袋ナット２２と袋ナット２２´の締め付け力の大きさを変えた超音波モータを作製して、それらの機械的品質係数Ｑｍを測定した結果を示す。なお、表４中の「締め付け力Ａ」は袋ナット２２をトルクレンチを用いて締め付けたときの力を示しており、「締め付け力Ｂ」は袋ナット２２´をトルクレンチを用いて締め付けたときの力を示している。表４に示す試料１３〜１６の超音波モータの組み立てに際して真空グリース等は用いていない。この表４から、袋ナット２２・２２´の締め付け力が同等の場合、つまり、２つの超音波振動子１１ａ・１１ｂが同じように組み立てられている場合に、高い機械的品質係数Ｑｍが得られることがわかる。
【００３７】
【表４】

【００３８】
以上、本発明の超音波モータの実施の形態について説明してきたが、本発明はこのような形態に限定されるものではない。例えば、超音波モータ１０においては、ヘッド１３の翼部１３ｂを圧電板２３ａ・２３ｂを締め付ける部材として利用することによって超音波振動子１１ａを構成したが、例えば、２個のナットで圧電板２３ａ・２３ｂが所定の力で締め付けられた棒状のランジュバン型超音波振動子を予め作製し、これを略Ｖ字型のヘッド１３の翼部１３ｂに接続してもよい。
【００３９】
また、２枚の圧電板２３ａ・２３ｂを備えた超音波振動子１１ａを示したが、圧電板は１枚でもよく３枚以上であってもよい。さらに、セラミックグリーンシートを用いた同時焼成法（一体焼成法）により作製された、圧電セラミック薄板と電極とが交互に積層された積層型圧電素子を、圧電板２３ａ等として用いてもよい。さらにまた、ヘッド１３として屈折角度が９０度のものを示したが、ヘッドの屈折角度は、例えば３０度や６０度、１２０度であってもよい。
【００４０】
【発明の効果】
上述の通り、本発明によれば、超音波モータ自体の機械的品質係数が大きいために共振駆動時の圧電素子の発熱が抑制され、これによって圧電素子の駆動特性が安定する。また、所定の力で締め付けられている部材の間の境界面に潤滑剤を塗布することにより、超音波モータの駆動特性のばらつきを低減することができ、品質を一定に保持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る超音波モータの概略の構造を示す断面図。
【図２】従来の超音波モータの概略の構造を示す説明図。
【符号の説明】
１０；超音波モータ
１１ａ・１１ｂ；超音波振動子
１２；保持部材
１３；ヘッド
１３ａ；接頭部
１３ｂ・１３ｂ´翼部
１４；押圧機構
１５；被駆動体
２１；ボルト
２２；袋ナット
２３ａ・２３ｂ・２３ａ´・２３ｂ´；圧電板
２４ａ〜２４ｃ；２４ａ´〜２４ｃ´；電極板
１００；超音波モータ
１０１ａ・１０１ｂ；超音波振動子
１０２；保持部材
１０３；ヘッド
１０４；圧電素子
１０５；袋ナット
１０６；ロータ

Claims

圧電素子を備えた略棒状の２個の超音波振動子と、
前記２個の超音波振動子を所定角度で保持する保持部材と、
略Ｖ字型の形状を有し、その頂点部で被駆動体に接し、かつ、その翼部にそれぞれ前記超音波振動子が取り付けられる接頭部材と、
を具備する超音波モータであって、
前記接頭部材を被駆動体に接触させていない状態において、前記超音波モータを駆動する共振周波数における前記超音波モータの機械的品質係数は１００以上であることを特徴とする超音波モータ。
前記圧電素子の機械的品質係数が５００以上であることを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
前記圧電素子は、板状で略中心部に孔部が設けられ、その表裏面に電極が設けられた構造を有し、
前記超音波振動子は、さらに、
前記圧電素子の孔部に挿通して配置される軸部材と、
前記軸部材の両端に前記圧電素子を所定の力で締め付けるように取り付けられる第１の締結部材および第２の締結部材と、
を有し、
前記第１の締結部材と前記第２の締結部材によって締め付けられる部材間の少なくとも１の境界面に潤滑剤が塗布されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波モータ。
前記接頭部材が前記第２の締結部材であることを特徴とする請求項３記載の超音波モータ。