JP2004320988A - 超音波モータ - Google Patents

Abstract

【課題】 超音波振動子に対して同位相或いは逆位相の電圧をかけた場合に横振動モードと縦振動モードの両方の共振が発生してしまい、超音波モータが不安定な駆動をしてしまう問題を解決する。
【解決手段】 所定角度で交差するように配置された先端部が結合部材により相互に結合された少なくとも二つのランジュバン型振動子を具備する超音波モータ用駆動子であって、前記結合部材と、前記ランジュバン型振動子を連結する保持部材と、前記ランジュバン型振動子を構成するハウジング部材、圧電素子、ボルト部材からなり、前記ハウジング部材と前記ボルト部材をボルト締めする際におけるボルト部材の外径寸法当たりのトルク量Ｙが
（α／１０）²×５≦Ｙ≦（α／１０）²×１００
α：ボルト部材の外形寸法（ｍｍ）
Ｙ：トルク量（Ｎ・ｍ）
にする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、位置決め装置等の電子機器の駆動子として使用される超音波モータ用駆動子に関するものである。

従来より、二つの超音波振動子を組み込んだ駆動子を複数設けることによって可動子としてのロータを回転させる超音波モータがある。駆動子の固有振動モードとしては、横振動モードと縦振動モードとがある。この二つの振動モードの共振周波数を一致させることによって、二つの振動モードは縮退する。よって、このような縮退を生じる共振周波数で、各超音波振動子に異なる位相の電圧をかけると、二つの超音波振動子の変位を合成する駆動子の先端部は、楕円運動を行う。そして、このような複数の駆動子はロータの外周部に当接可能に配置されており、各駆動子の楕円運動による駆動力がロータに伝達されてロータが回転する。（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−１５２６７１号公報

ここで、超音波モータの二つの超音波振動子に同位相或いは逆位相の電圧をかけてインピーダンス測定を行う際に、本来は両方の超音波振動子に同位相の電圧をかけた場合は縦振動モードのみで共振し、一方、片方の超音波振動子に対して他方の超音波振動子に逆位相の電圧をかけた場合は横振動モードのみで共振するはずである。しかし、超音波モータを複数個作成し、動作試験を行った際に、二つの超音波振動子に同位相のみの電圧をかけた場合或いは片方の超音波振動子の電圧に対して他方の超音波振動子に逆位相の電圧をかけた場合の何れにおいても横振動モードと縦振動モードの両方の共振が発生する現象が必ず数個は発生してしまった。この現象が起こると超音波モータが不安定な駆動になった。これは、超音波モータのバランスがくずれた為に、本来励起されるはずのない振動が励起されてしまったことが考えられる。

すなわち、本発明は、両方の超音波振動子に同位相の電圧をかけた場合は縦振動モードのみで共振し、一方、片方の超音波振動子に対して他方の超音波振動子に逆位相の電圧をかけた場合は横振動モードのみで共振する超音波モータを提供することを目的とする。

即ち、所定角度で交差するように配置された先端部が結合部材により相互に結合された少なくとも二つのランジュバン型振動子を具備する超音波モータ用駆動子であって、前記結合部材と、前記ランジュバン型振動子を連結する保持部材と、前記ランジュバン型振動子を構成するハウジング部材、圧電素子、ボルト部材からなり、前記ハウジング部材と前記ボルト部材をボルト締めする際におけるボルト部材の外径寸法当たりのトルク量Ｙが
（α／１０）²×５≦Ｙ≦（α／１０）²×１００
α：ボルト部材の外形寸法（ｍｍ）
Ｙ：トルク量（Ｎ・ｍ）
であることを特徴とする。

好適な実施形態において、前記ハウジング部材と前記ボルト部材をボルト締めする際は、全ての前記ランジュバン型振動子において、同一のトルク量Ｙにてボルト締めすることを特徴とする。

本発明の超音波モータによれば、横振動モードと縦振動モードの両方の共振が発生することを防止することができるため、両方の超音波振動子に同位相の電圧をかけた場合は縦振動モードのみで共振し、一方、片方の超音波振動子に対して他方の超音波振動子に逆位相の電圧をかけた場合は横振動モードのみで共振することができる。

本発明の実施の形態に係る超音波モータの可動子や駆動子の配置態様や、駆動力の伝達態様などは、前述した特開２０００−１５２６７１号公報に開示した技術と同様である。
ここで、移動を行うための可動子を直線的な移動を行うためのリニア可動子とし、その外側面に駆動子を配置すれば、例えば、前述した位置決め装置の移動機構の駆動を行う超音波モータとして使用することができる。

図１に、本発明の実施の形態に係る超音波モータ用駆動子の模式的な平面図を示す。
超音波モータ用駆動子１は、所定角度（本実施の形態では９０度）で交差するように配置され先端部が相互に結合された二つのランジュバン型振動子３を備える。各ランジュバン型振動子３は、超音波領域の電圧をかけられ該電圧に応じて伸縮する圧電素子３ａをその軸心部に備える。ランジュバン型振動子３を構成する各圧電素子３ａは円環状の形状を有しており、各圧電素子３ａの中央の穴にはボルト部材５が挿入されている。ボルト部材５は、両端に雄ねじ部５ａ，５ｂを有するロッド状部材である。各ボルト部材５の後端５ａには、ランジュバン型振動子３を構成するナット状のハウジング部材７が螺合されている。ランジュバン型振動子３を構成する各ナット状のハウジング部材７は、その外面が円柱状に形成され、その内側には、対応する雄ねじ部５ａ，５ｂと螺合する雌ねじ部を有する。さらに、各ナット状のハウジング部材７と、それに対応する圧電素子３ａとの間には、保持部材９が取り付けられている。保持部材９は、両端部に対応するボルト部材５が挿入される穴を有しており、二つのランジュバン型振動子３を、相互に軸心Ａ１，Ａ２が直交する関係となるように支持する。

一対のボルト部材５の前端５ｂには、結合部材１１が取り付けられている。ここで、結合部材１１は、二つのランジュバン型振動子３の変位を合成することによって得られる駆動力を図示省略するリニア可動子に伝達するものであり、一つの合成部１３と、その合成部１３から左右にＶ字状に振り分けられるように配置された二つの先細り部１５及び二つの変位受け部１７とから構成される。

各変位受け部１７は、対応する圧電素子３ａの変位方向すなわち対応する軸心Ａ１，Ａ２方向に亙って横断面積Ｓ２が一定である角柱状部分であり、対応する圧電素子３ａの変位を受ける部分である。さらに、各先細り部１５は、変位受け部１７の変位出力方向下流側に設けられた部分であって、合成部１３に向けて軸心横断面積が減少する形状を有する。これら一対の変位受け部１７及び先細り部１５の内部には、ボルト部材５の前端５ｂと螺合する雌ねじ部が形成されている。さらに、一対の先細り部１５の変位出力方向下流側には、これら先細り部１５を連結し図示しないリニア可動子と接触しうる合成部１３がある。

本発明においては、所定角度で交差するように配置された先端部が結合部材により相互に結合された少なくとも二つのランジュバン型振動子を具備する超音波モータ用駆動子であって、前記結合部材と、前記ランジュバン型振動子を連結する保持部材と、前記ランジュバン型振動子を構成するハウジング部材、圧電素子、ボルト部材からなり、前記ハウジング部材と前記ボルト部材をボルト締めする際におけるボルト部材の外径寸法当たりのトルク量Ｙが
（α／１０）²×５≦Ｙ≦（α／１０）²×１００
α：ボルト部材の外形寸法（ｍｍ）
Ｙ：トルク量（Ｎ・ｍ）
であるように設定されている。

次に、このような構成を有する本実施の形態に係る超音波モータ用駆動子１の動作について説明する。本超音波モータ用駆動子１においては、二つのランジュバン型振動子３のそれぞれに適当な電圧を印加するとそこで発生した変位がそれぞれ変位受け部１７及び先細り部１５を介して合成部１３に伝わり合成される。合成部１３すなわち結合部材１１の先端は、横方向に動く左右振動と縦方向に動く前後振動とのそれぞれに関する固有振動モードを持っている。この二つの固有振動モードを一致させることによって二つの振動モードは縮退する。縮退する共振周波数で、二つのランジュバン型振動子３に９０°位相がずれた正弦波の電圧を印加すると、二つのランジュバン型振動子３で発生した変位が合成される結合部材１１の合成部１３は、楕円運動を描くように動く。この部分にリニア可動子を押し付ければリニア可動子は摩擦力を介して推力を受ける。なお、二つの印加電圧の位相差を逆転すれば楕円運動は反対に回り、推力も反対向きに働く。

ここで、超音波モータ用駆動子１の二つのランジュバン型振動子３に同位相或いは片方のランジュバン型振動子３に対して他方のランジュバン型振動子３に逆位相の電圧をかけてインピーダンス測定を行う際に、本来は両方のランジュバン型振動子３に同位相の電圧をかけた場合はランジュバン型振動子３の合成部１３は前後方向に動く縦振動モードのみで共振し、一方、片方のランジュバン型振動子３に対して他方の超音波振動子に逆位相の電圧をかけた場合は超音波モータ用駆動子１の合成部１３は横向きに首を振るように動く横振動モードのみで共振する。

一般的に、図１で示される超音波モータ用駆動子１はハウジング部材７とボルト部材５を所定の力で締め付けるので、トルクレンチ等の工具で締め付けやすくする為に、ハウジング部材７の頭部は図５のハウジング部材の頭部２０で示されるように2ケ所の切り込みが入っている。図５はこの切り込み以外は図１と同じ構成である。この切り込みはトルクレンチ等の工具で締め付けやすければ良いので、特に切り込み位置に指定はない。
ここで、図５で示される超音波モータ用駆動子１を複数個作成し、動作試験を行った際に、二つのランジュバン型振動子３に同位相のみの電圧をかけた場合或いは片方のランジュバン型振動子３の電圧に対して他方のランジュバン型振動子３に逆位相の電圧をかけた場合の何れにおいても横振動モードと縦振動モードの両方の共振が発生する現象が必ず数個は発生してしまった。図３が超音波モータ用駆動子１を用いた超音波モータの共振特性で、横振動モードと縦振動モードの両方の共振が発生した図である。
ここで、同位相と逆位相入力時の共振がほぼ重なっていることが確認できる。
この現象が起こると超音波モータが不安定な駆動になった。

そこで、本出願人は、研究を重ね、ボルト部材５の両端の雄ねじ部５ａ，５ｂと、ランジュバン型振動子３を構成するナット状のハウジング部材７の内側に形成されている雄ねじ部５ａ，５ｂと螺合する雌ねじ部とをボルト締めする際のトルク条件によって、超音波モータが不安定な駆動をしてしまう問題を解決することができることを見出すことができた。以下に実施例を例示して詳細に説明する。

まず、図５の構成で超音波モータ用駆動子１を１０個作成した。ここで、ボルト部材５の両端の雄ねじ部５ａ，５ｂはＭ１０にした。次にボルト部材５の両端の雄ねじ部５ａ，５ｂを、ランジュバン型振動子３を構成するナット状の各ハウジング部材７の内側にあり、且つ雄ねじ部５ａ，５ｂと螺合する雌ねじ部にボルト締めする際のトルクを１Ｎ・ｍにした。そして、超音波モータ用駆動子１の二つのランジュバン型振動子３に同位相（Ｖ＝Ｖ₀ｓｉｎ２πｆｔ、ここでＶ₀＝１４１Ｖ、ｆ＝２９〜３２ＫＨｚ）の電圧をかけたところ、駆動時の振動でハウジング部材７が緩み、全ての超音波モータ用駆動子１が駆動しなかった。
次にボルト締めする際のトルクを５Ｎ・ｍにした。そして、超音波モータ用駆動子１の二つのランジュバン型振動子３に同位相（Ｖ＝Ｖ₀ｓｉｎ２πｆｔ、ここでＶ₀＝
１４１Ｖ、ｆ＝２９〜３２ＫＨｚ）の電圧をかけたところ、超音波モータ用駆動子１の合成部は前後方向に動く縦振動モードのみで共振した。続いてボルト締めする際のトルクを２０、４０、６０、８０、１００Ｎ・ｍに変更し、各トルク設定に対して、同様に二つのランジュバン型振動子３に同位相（Ｖ＝Ｖ₀ｓｉｎ２πｆｔ、ここでＶ₀＝１４１Ｖ、ｆ＝２９〜３２ＫＨｚ）の電圧をかけたところ、全ての超音波モータ用駆動子１の合成部は前後方向に動く縦振動モードのみで共振した。ここで、図４が本発明の超音波モータ用駆動子１を用いた超音波モータの共振特性であり、縦振動モードによる共振が１つ、横振動モードによる共振が２つ確認できる。
引き続きボルト締めする際のトルクを１２０Ｎ・ｍにして、同様に二つのランジュバン型振動子３に同位相（Ｖ＝Ｖ₀ｓｉｎ２πｆｔ、ここでＶ₀＝１４１Ｖ、ｆ＝２９〜３２ＫＨｚ）の電圧をかけたところ、全ての超音波モータ用駆動子１で、横振動モードと縦振動モードの両方の共振が発生してしまった。

実施例１と同様に図５の構成で超音波モータ用駆動子１を１０個作成した。ここで、ボルト部材５の両端の雄ねじ部５ａ，５ｂはＭ５にした。次にボルト部材５の両端の雄ねじ部５ａ，５ｂを、ランジュバン型振動子３を構成するナット状の各ハウジング部材７の内側にあり、且つ雄ねじ部５ａ，５ｂと螺合する雌ねじ部にボルト締めする際のトルクを２５ｃＮ・ｍにした。そして、超音波モータ用駆動子１の二つのランジュバン型振動子３に同位相（Ｖ＝Ｖ₀ｓｉｎ２πｆｔ、ここでＶ₀＝１４１Ｖ、ｆ＝２９〜３２ＫＨｚ）の電圧をかけたところ、駆動時の振動でハウジング部材７が緩み、全ての超音波モータ用駆動子１超音波モータ用駆動子１が駆動しなかった。
次にボルト締めする際のトルクを１．２５Ｎ・ｍにした。そして、超音波モータ用駆動子１の二つのランジュバン型振動子３に同位相（Ｖ＝Ｖ₀ｓｉｎ２πｆｔ、ここでＶ₀＝１４１Ｖ、ｆ＝２９〜３２ＫＨｚ）の電圧をかけたところ、全ての超音波モータ用駆動子１の合成部は前後方向に動く縦振動モードのみで共振した。
続いてボルト締めする際のトルクを５、１０、１５、２０、２５Ｎ・ｍに変更し、各トルク設定に対して、同様に二つのランジュバン型振動子３に同位相（Ｖ＝Ｖ₀ｓｉｎ２πｆｔ、ここでＶ₀＝１４１Ｖ、ｆ＝２９〜３２ＫＨｚ）の電圧をかけたところ、超音波モータ用駆動子１の合成部は前後方向に動く縦振動モードのみで共振した。ここで、図４が本発明の超音波モータ用駆動子１を用いた超音波モータの共振特性であり、縦振動モードによる共振が１つ、横振動モードによる共振が２つ確認できる。
引き続きボルト締めする際のトルクを３０Ｎ・ｍにして、同様に二つのランジュバン型振動子３に同位相（Ｖ＝Ｖ₀ｓｉｎ２πｆｔ、ここでＶ₀＝１４１Ｖ、ｆ＝２９〜３２ＫＨｚ）の電圧をかけたところ、全ての超音波モータ用駆動子１で、横振動モードと縦振動モードの両方の共振が発生してしまった。

これらの実施例１および実施例２より、以下のような現象となった。
ランジュバン型振動子３を構成するナット状の各ハウジング部材７の内側にあり、且つ雄ねじ部５ａ，５ｂと螺合する雌ねじ部にボルト締めする際のボルト部材５の外径寸法当たりのトルク量は、雄ねじ部５ａ，５ｂをＭ１０にした場合は１Ｎ・ｍで、雄ねじ部５ａ，５ｂをＭ５にした場合は２５ｃＮ・ｍで、ハウジング部材７が緩んでしまった。これはトルク量が小さすぎて僅かの振動でハウジング部材７が緩んでしまったものである。
一方、ボルト締めする際のトルクを雄ねじ部５ａ，５ｂをＭ１０にした場合は１２０Ｎ・ｍ、雄ねじ部５ａ，５ｂをＭ５にした場合は３０Ｎ・ｍにすると、ハウジング部材７の締めすぎでハウジング部材７自身が撓む為、圧電素子３ａ全体に圧力が加わらず、ハウジング部材７の内側のみを押すことになっていることが考えられる他、ナットと締め付け面の摩擦の差が無視できなくなるなどの要因が重なったためではないかと類推される。

よって、上述より本発明では、ハウジング部材７と前記ボルト部材５をボルト締めする際におけるボルト部材の外径寸法当たりのトルク量Ｙが
（α／１０）²×５≦Ｙ≦（α／１０）²×１００
α：ボルト部材の外形寸法（ｍｍ）
Ｙ：トルク量（Ｎ・ｍ）
になるように設定することによって、超音波モータ用駆動子１を横振動モードと縦振動モードの両方の共振が発生させることなく、安定で且つ高速駆動を維持することが可能になる。

尚、本発明の超音波モータ用駆動子１は位置決め装置で用いられる為、原則的にはボルト部材５の外形寸法αは特に定まるものではないが、作業の利便性を考慮するとαは３０以下が好ましい。

又、図５の構成で作成した１０個の超音波モータ用駆動子１において、ランジュバン型振動子３を構成するナット状の各ハウジング部材７の内側にあり、且つ雄ねじ部５ａ，５ｂと螺合する雌ねじ部にボルト締めする際、二つのボルト部材５のトルク量を右側のボルト部材を２０Ｎ・ｍ、左側のボルト部材５をそれぞれ２０、４０、６０Ｎ・ｍにして、全ての超音波モータ用駆動子１の二つのランジュバン型振動子３に同位相（Ｖ＝Ｖ₀ｓｉｎ２πｆｔ、ここでＶ₀＝１４１Ｖ、ｆ＝２９〜３２ＫＨｚ）の電圧をかけた駆動試験を行った。ここで、表１に示すように２０、４０Ｎ・ｍでの駆動は問題なかったが、６０Ｎ・ｍの場合は、二つのランジュバン型振動子３に同位相のみの電圧をかけた場合或いは片方のランジュバン型振動子３の電圧に対して他方のランジュバン型振動子３に逆位相の電圧をかけた場合の何れにおいても図３のような横振動モードと縦振動モードの両方の共振が発生する現象が発生してしまった。これは超音波モータのバランスがくずれたことが原因と考えられる。
この対策としては二つのボルト部材５のトルク量を同一で、且つ均等にすることで解決できる。

なお、本発明の超音波モータ用駆動子１は、直線的駆動に適用されることには限定されず、回転駆動に適用することも可能である。よって、可動子としては、回転運動可能に設けられたロータを用いることもできる。
また、通常は、超音波モータ用駆動子側が固定されており、その振動を受ける部材側が可動子として可動する形式が多いが、本発明は、これに限定されるものではない。よって、超音波モータ用駆動子側が可動であって、その振動を受ける部材側が固定されており、超音波モータ用駆動子及びそれと一体の部分が、振動を受ける部材からの反力によって可動子として可動する形式でもよい。

本発明は、半導体製造装置等に装着されるＸ−Ｙステージ装置の駆動に用いられる超音波モータの使用に好適である。

本発明の実施の形態に係る超音波モータ用駆動子の模式的な平面図である。 図１の超音波モータ用駆動子における結合部材の構成を示す斜視図である。 異常時の超音波モータ用駆動子のインピーダンス特性である。 正常駆動時の超音波モータ用駆動子のインピーダンス特性である。 超音波モータ用駆動子のハウジング部材の頭部の形状における一実施例を表す模式的な平面図である。

符号の説明

１：超音波モータ用駆動子
３：ランジュバン型振動子
３ａ：圧電素子
５：ボルト部材
５ａ、５ｂ：雄ネジ部
７：ハウジング部材
９：保持部材
１１：結合部材
１３：合成部
１５：先細り部
１７：変位受け部
２０：ハウジング部材の頭部
２３ａ：圧電板

Claims (2)

1. 所定角度で交差するように配置された先端部が結合部材により相互に結合された少なくとも二つのランジュバン型振動子を具備する超音波モータ用駆動子であって、前記結合部材と、前記ランジュバン型振動子を連結する保持部材と、前記ランジュバン型振動子を構成するハウジング部材、圧電素子、ボルト部材からなり、前記ハウジング部材と前記ボルト部材をボルト締めする際におけるボルト部材の外径寸法当たりのトルク量Ｙが
   （α／１０）²×５≦Ｙ≦（α／１０）²×１００
   α：ボルト部材の外形寸法（ｍｍ）
   Ｙ：トルク量（Ｎ・ｍ）
   であることを特徴とする超音波モータ用駆動子。
2. 前記ハウジング部材と前記ボルト部材をボルト締めする際は、全ての前記ランジュバン型振動子において、同一のトルク量Ｙにてボルト締めすることを特徴とする請求項１記載の超音波モータ用駆動子。

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