JP2007195389A

JP2007195389A - 超音波モータ

Info

Publication number: JP2007195389A
Application number: JP2006039962A
Authority: JP
Inventors: Yoshiro Tomikawa; 義朗富川
Original assignee: Kyocera Kinseki Hertz Corp
Current assignee: Kyocera Kinseki Hertz Corp
Priority date: 2006-01-20
Filing date: 2006-01-20
Publication date: 2007-08-02

Abstract

【課題】発熱が少なく、高入力電力による非線形性のための周波数変化が少なく、鉛フリーで、モータの制御性を改善した超音波モータを実現し、ＭＥＭＳ技術を応用することにより超小型超音波モータを提供する。
【解決手段】
水晶で代表される三方晶系の単結晶圧電材料のＺ板の３回対称軸である３本のｘ軸を中心軸とする３脚振動子をステータ１０とし、前記３本の振動子１１，１２，１３の共振周波数は２０ｋＨｚを越えるように長さ等の寸度を振動モードに応じて設定して、中心にロータ２０を配置し、各３本の振動子を各々２π／３位相差がある同一周波数の信号で駆動することにより、３本の振動子の先端部の変位が円運動を実現し、３本のステータに接しているロータ２０を摩擦により回転させる超音波モータを構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波モータに関するものであり、特に水晶等の三方晶系の単結晶圧電材料を用いたステータを三相構成とし、三相電源信号により駆動される超音波モータに関する。

従来、超音波モータのステータは圧電セラミック素材単体か、圧電セラミック素材を金属等に接合して構成されている。

前記のような圧電セラミック素材を使用した超音波モータにおいては、圧電セラミック素材はＱが低いため損失が大きく、そのため発熱が大きくなり、さらに共振周波数の温度特性が悪いため、共振周波数の変化が大きい。
また、超音波モータは比較的大きな出力を要求されるため、超音波モータへの入力パワーが大きくなり、線形性が悪いために入力信号の大きさにより共振周波数が変化する。従って、共振周波数を維持するために、周波数追尾回路等の対策やモータ外装へ冷却フィン等の冷却装置が必要となる。
また、圧電セラミック素材は焼結材料のために、薄型化した場合にはピンホールが発生し、電極同士が電気的に短絡する問題があり薄型化は困難である。
さらに、圧電セラミック素材には鉛が含まれており、リード線のハンダ付けを含めて、鉛フリーは困難である。
また、駆動方法には単相駆動、多相駆動があるが単相駆動は回路が単純であるが、回転方向の切り替えが困難であり、精密な制御も困難であるという課題が生じるものであった。

従来の超音波モータでは圧電セラミック素材を使用する問題点に対する改善策は見当たらず、単相駆動方法に関しては多相駆動として四相駆動が提案されているが（例えば、特許文献１）回路が複雑になるなど技術的、コスト的な問題があった。
また、三相電源信号により駆動される超音波モータも提案されているが（例えば、特許文献２）、ステータの構成、配置が本発明とはまったく異なっている。

特開２０００−２５３６８１公報特開平１１−３４１８４６公報

発明が解決しようとする課題

解決しようとする問題点は、発熱少なく、高入力電力による非線形性のための周波数変化が少ない構成は圧電セラミックを使用する場合には困難であるという点である。
さらに、単相、四相駆動では超音波モータの制御性、経済性にも問題があるという点である。

課題を解決するための手段

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、発熱が少なく、高入力電力による非線形性のための周波数変化が少なく、モータの制御性を改善した超音波モータの実現を目的とするだけでなく、単結晶圧電材料を使用することにより、エッチング技術によるＭＥＭＳ技術を応用することが可能となり、超小型超音波モータの構成の実現を目的とするものである。

本発明は水晶で代表される三方晶系の単結晶圧電材料のＺ板の３回対称軸である３本のｘ軸を中心軸とする３脚振動子をステータとする。
三方晶系単結晶圧電材料のＺ板の３回対称軸は角度が各々２π／３となり、物理的性質が対称となっている。従って、３本の各振動子は電磁モータの３相駆動の基本形である３極モータと同じように三相駆動が可能な三相のステータ構造となる。
前記３本の振動子の共振周波数は２０ｋＨｚを越えるように長さ等の寸度を振動モードに応じて設定し、中心にロータを配置して超音波モータを構成した。

また、前記３本の各振動子を各々２π／３位相差がある同一周波数の信号で駆動することにより、３本の振動子の先端部の変位が円運動を実現し、３本のステータに接しているロータは摩擦により回転する。

前記、３回対称軸である３本のｘ軸を中心軸とする３脚振動子をステータとし、３本の各振動子を各々２π／３位相差がある同一周波数の信号で駆動した場合、３本の振動子の先端部の変位が円運動となる原理を図面と数式により詳細に説明する。

図１は、本発明にかかるたわみ振動を利用する超音波モータの原理的構成を示したステータの上面図である。単結晶圧電材料のＺ板よりなるステータ１０は３本の振動子１１，１２，１３を有し、振動子１１，１２，１３はそれぞれ三方晶系の単結晶圧電材料のＺ板の３回対称軸である３本のｘ軸を中心軸とする３脚振動子であり、３本の振動子間の角度は各々２π／３となっている。

図１では、振動子の振動モードはたわみ振動であり、振動子の共振周波数は振動子の幅と長さにより決定され、振動方向は図１に示すように紙面に平行で、各振動子の中心軸に直角方向となる。また、振動方向の正方向は図中の矢印で示す方向とする。図２は、図１における３本の各振動子の変位を表す座標図である。振動を解析するための座標を図１、図２に示すようにｘ、ｙの２次元座標で表し、振動子１１の振動の変位方向をｘ軸とする。

前記３本の振動子を各々２π／３位相差がある同一周波数の信号で駆動する三相駆動の場合、３本の各振動子の先端の変位ｕ１，ｕ２，ｕ３は以下の数１〜数３で表される。

但し、ｕ０；最大振幅、ω；角周波数、ｔ；時間。

図２に示すように、３本の各振動子の変位ｕ１，ｕ２，ｕ３のｘ軸成分をｕ１ｘ，ｕ２ｘ，ｕ３ｘとすれば、
合成変位ｕｘは数４となる。

同様に、３本の各振動子の変位ｕ１，ｕ２，ｕ３のｙ軸成分をｕ１ｙ，ｕ２ｙ，ｕ３ｙとすれば合成変位ｕｙは数５となる。

従って、３本の各振動子の変位関係は円の方程式数６となり、円運動をすることとなる。

従って、３本の各振動子の中心軸の交点を中心とし、各振動子の長さ方向の端面に接するようにロータ２０を設けると、３本の振動子の先端部の円運動により、ロータ２０は回転することとなり、超音波モータが構成できる。

図３は、本発明にかかる縦振動を利用する超音波モータの原理的構成を示したステータの上面図である。
図３では、振動子の振動モードは縦振動であり、振動子の共振周波数は振動子の長さにより決定され、振動方向は図３に示すように紙面に平行で、各振動子の中心軸方向となる。また、振動方向の正方向は図中の矢印で示す方向とする。
図３における３本の振動子の変位を表す座標図は、前記たわみ振動の場合と同じく図２で表され、３本の振動子１１，１２，１３を各々２π／３位相差がある同一周波数の信号で駆動する３相駆動では前述のたわみ振動と同じく、３本の振動子１１，１２，１３の先端部は円運動をするので、各振動子の長さ方向の端面に接するようにロータ２０を設けると、ロータ２０は回転することとなり、縦振動モードでも超音波モータが構成できる。

三方晶系の単結晶圧電材料として水晶で説明したが、三方晶系の単結晶圧電材料であれば圧電材としての物理的定数（密度、弾性定数、圧電定数等）が異なるだけで、Ｚ板の３回対称軸は角度が各々２π／３となり、前述した超音波モータは水晶と同様に構成できる。
従って、工業的に容易に利用できる材料としては水晶だけでなく、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）は水晶より圧電定数が大きいという利点もあり、用途に応じて適宜に材料を選択できる。

次に、水晶で代表される三方晶系の単結晶圧電材料のＺ板を使用して振動子１１，１２，１３をたわみ振動、縦振動を励起する電極配置を説明する。

図４は、本発明にかかるたわみ振動を励起するための３本の振動子に設けた電極配置の断面図である。側面電極１６は振動子の幅方向の側面に設けられた電極であり、上下面電極１７は厚み方向の上下に設けられた電極である。側面電極１６と上下面電極１７はそれぞれ対になっており、図４に示すように２個は結線されて、側面電極１６の対、上下面電極１７の対間に共振周波数近傍の電気信号が印加されて、３本の振動子はたわみ振動を発生する。

図５は、本発明にかかる縦振動を励起するための振動子に設けた電極配置の断面図である。
側面電極１６は振動子の幅方向の側面に設けられた電極であり、２個の側面電極１６間に共振周波数の電気信号が印加されて、３本の振動子は縦振動を発生する。

図４、図５より明らかなように、図４のたわみ振動を励起するための３本の振動子に設けた電極配置は、図５の縦振動を励起するための振動子に設けた電極配置を含んでいる。したがって、図４のたわみ振動を励起するための３本の振動子に設けた電極配置の側面電極１６だけを使用すれば縦振動も励起することができるので、図４のたわみ振動を励起するための電極配置はたわみ振動、縦振動の駆動電極として兼用できる。

図６は、本発明にかかる超音波モータの基本構成例を示す断面図である。ステータ１０は振動子１１，１２，１３の基部近辺で強固に支持固定され、各振動子の長さ方向の端面に接するようにロータ２０を設ける。ロータ２０の各振動子の長さ方向の端面と接する部分には適度の摩擦係数を有する素材からなるロータ２０の摩擦材２１の使用が望ましい。超音波モータは摩擦駆動のためロータ２０とステータ１０の振動子１１，１２，１３の接触面には適度の加重を加える必要があるので、図６に示すようにロータ２０に適度の重量を有するロータ錘２２を乗せることもできる。

前記ステータ１０は、図１に示したたわみ振動を利用する３本の振動子を有するステータでも、図３に示す３本の縦振動を有するステータでも良い。また、前記２種類の振動を励起するための電極配置は前述した電極配置を各振動モードに合わせて選択する。

図８は、本発明にかかるたわみ振動を利用する超音波モータの実用的なステータを示した図である。図９は、本発明にかかる縦振動を利用する超音波モータの実用的なステータを示した図である。
単結晶圧電材料の水晶、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）は衝撃や加圧に対する抗折力がやや弱いので、３本の振動子を連結して補強する目的と超音波モータは摩擦力により駆動されるのでロータ２０と３本の振動子１１，１２，１３の先端部の接触面積を極力大きくする目的で、３本の振動子１１，１２，１３の先端部に結合リング１４を設けた。

前記した本発明では、ロータ２０に対する加圧はロータの軸方向であったが、実用的に加圧をするためにロータ軸２３に直角に加圧する方法も有効である。
図１０は、本発明にかかる超音波モータのロータ軸と直角方向の加圧をする別の構成例を示す図である。本構成は、図１において振動子１１をステータ１０の中心軸対称に移動させ、各振動子１１，１２，１３のなす角度をπ／３として片側に寄せ、半円状の薄板をステータ１０とし、小型化を図るとともに、ステータ１０をロータ軸２３を回転自在に保持したロータ２０に押し付けて加圧することによりロータ２０と振動子１１，１２，１３の先端部の摩擦により、超音波モータを構成する。本構成の場合でも、振動子１１，１２，１３の振動モードはたわみ振動でも縦振動でも利用可能である。

また、図１１は、本発明にかかる超音波モータのロータ軸と直角方向の加圧をする振動子を２脚とした場合の別の構成例を示す図であり、前記図１０に示した超音波モータの加圧方向をロータ軸２３に直角に加圧する方法の別の構成方法である。本構成方法は、三方晶系の単結晶圧電材料のＺ板の３回対称軸である３本のｘ軸のうち２本の対称軸を中心軸とする２脚振動子（例えば振動子１２，１３）を有する半円状の薄板をステータ２０とし、前記半円状の薄板の中心に円柱又は円筒状のロータ２０を配置し、各振動子（例えば振動子１２，１３）を各々２π／３、又はπ／２位相差がある同一周波数の信号で駆動する。

本発明の構成方法では二相の超音波モータとなるが、小型化が可能なことと、三方晶系の単結晶圧電材料のＺ板を使用するため、発熱少なく、高入力電力による非線形性のための周波数変化が少ないという利点は前記構成方法と同様に有している。

また図１２には、前記構成法の別の構成例として、図１１における２脚の振動子の先端部を連結リングの一部となる結合部材１５で連結した別の構成例を示す。本構成例も前述したように、振動子の補強と摩擦面積の改善が可能となる。

図１３は、本発明にかかる超音波モータのロータ軸と直角方向の加圧をする振動子２脚とした場合のステータ形状を直線状にした別の構成例を示す図である。
２脚の振動子のなす角度はＺ板の３回対称軸であるので２π／３である。本構成は小型化ができるという利点を有する。

これまでは、本発明にかかる回転型の超音波モータについて説明してきたが、本発明によれば、リニア駆動型の超音波モータの構成も可能である。
図１４は、本発明にかかる超音波モータをリニア駆動型にした別の構成例を示す図である。図１０で説明した、ロータ軸と直角方向の加圧をする別の構成例の３本の振動子１１，１２，１３の先端部を結合リング１４で結合すれば、結合リングは円運動を行うので結合リングとリニア移動体３０の接触面に適度の加圧を加えるためにばね５３等の加圧装置を設けるとリニア駆動型の超音波モータとなる。

本発明にかかるリニア型の超音波モータは、前記説明したＺ板の３回対称軸である３本のｘ軸のうち２本の対称軸を中心軸とする２脚振動子による二相振動子の先端に結合リング１４を設け、２本の振動子を各々２π／３、又はπ／２位相差がある同一周波数の信号で駆動し、結合リングとリニア移動体３０の接触面に適度の加圧を加えるためにばね５３等の加圧装置を設けるとリニア駆動型の超音波モータとなる。

前記リニア駆動型の超音波モータの応用として回転体を駆動することも可能である。図１５は、本発明にかかる超音波モータを回転体駆動型にした別の構成例を示す図である。図１５では前記リニア駆動型の超音波モータの結合リング１４を回転自在に支持されたロータ軸を有する回転体３５と結合リングの接触面に適度の加圧を加えると回転体３５は結合リングの円運動を摩擦により伝達され、回転する。本構成はロータを超音波モータの構成にかかわらず、自在に回転体を選択できる利点がある。

発明の効果

上述したように本発明では、三方晶系単結晶圧電材料のＺ板を用いたことにより、Ｑが高いため損失が小さく、そのため発熱が非常に小さく、さらに共振周波数の温度特性が良いため、共振周波数の変化が小さい。また、高入力電力による非線形性のための周波数変化が非常に少ない。従って、共振周波数を維持するための周波数追尾回路等の対策やモータ外装へ冷却フィン等の冷却装置が不要となる。
さらに、素材には鉛が含まれている圧電セラミック材料とは異なり、リード線の接合を含めて鉛フリー対応は容易である。

また、単結晶圧電材料を用いたことにより、エッチング技術によるＭＥＭＳ技術を応用することが可能となり、超小型の超音波モータの構成も可能となる。さらに、本発明の駆動方法は、正逆転だけでなく精密な制御も可能となる。

以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、機能あるいは構造が類似の構成要素には極力同じ名称と符号を付し、初出のものに必要な説明を行い、再出の場合には変更点や特徴点がある場合に限って説明する。

図７により全体構成を説明する。図７は、本発明にかかる超音波モータの実用構成例を示す断面図である。ステータ１０は振動子１１，１２，１３の基部近辺でステータ支持部材５１，５２によりネジ等により強固に支持固定され、各振動子１１，１２，１３の先端部には図８に示す結合リング１４が設けられている。結合リング１４の内径側の穴部には、ロータ２０が挿入されている。

ロータ２０にはテーパーのついたロータ摩擦材２１が使用され、ロータ摩擦材２１の中心にはロータ軸２３が設けられ、軸受２４により回転自在に支持される。また、ロータ２０とステータの結合リング１４の内径側の穴部の接触面に適度の加圧を加えるためにばね５３等の加圧装置を設ける。

ステータ１０は水晶のＺ板を使用し、厚みは０．３ｍｍである。ステータ１０の形状は図８のたわみ振動を利用する。ステータの外径は５０ｍｍ、内径は３８ｍｍ、各振動子１１，１２，１３の幅は４ｍｍであり、結合リングの外径は１５ｍｍ、内径は６ｍｍである。
各振動子１１，１２，１３は３回対称軸である３本のｘ軸を中心軸とするので各振動子がなす角度は２π／３となる。また、ステータ１０の水晶Ｚ板の加工方法はエッチングである。

振動モードはたわみ振動なので、振動を励起するための振動子に設けた電極配置は図４に示す電極配置であり、電極は金電極をスパッタにより形成した。

また、前記３本の各振動子１１，１２，１３を各々２π／３位相差がある約３０ｋＨｚの信号源で駆動した。

以上、水晶で代表される三方晶系の単結晶圧電材料のＺ板の３回対称軸である３本のｘ軸を中心軸とする３脚振動子をステータとする超音波モータの構成法を中心に説明してきたが、水晶で代表される三方晶系の単結晶圧電材料を使用する大きな目的が別にもある。
水晶等の単結晶圧電材料は実施例で示したようにエッチング加工により半導体並みの高精度、微小加工が可能であり、さらに電極加工もスパッタ等の技術が利用できるので、ＭＥＭＳ技術を応用することが可能となり、超小型、高精度の超音波モータの大量生産が可能となり、マイクロアクチュエータとして利用が可能となる。

本発明にかかるたわみ振動を利用する超音波モータの原理的構成を示したステータの上面図である。図１における３本の各振動子の変位を表す座標図である。本発明にかかる縦振動を利用する超音波モータの原理的構成を示したステータの上面図である。本発明にかかるたわみ振動を励起するための振動子に設けた電極配置の断面図である。本発明にかかる縦振動を励起するための振動子に設けた電極配置の断面図である。本発明にかかる超音波モータの基本構成例を示す断面図である。本発明にかかる超音波モータの実用構成例を示す断面図である。本発明にかかるたわみ振動を利用する超音波モータの実用的なステータを示した図である。本発明にかかる縦振動を利用する超音波モータの実用的なステータを示した図である。本発明にかかる超音波モータのロータ軸と直角方向の加圧をする別の構成例を示す図である。本発明にかかる超音波モータのロータ軸と直角方向の加圧をする振動子を２脚とした場合の別の構成例を示す図である。図１１において２脚の振動子の先端部を連結した別の構成例を示す図である。本発明にかかる超音波モータのロータ軸と直角方向の加圧をする振動子２脚とした場合のステータ形状を直線状にした別の構成例を示す図である。本発明にかかる超音波モータをリニア駆動型にした別の構成例を示す図である。本発明にかかる超音波モータを回転体駆動型にした別の構成例を示す図である。

符号の説明

１０ステータ
１１，１２，１３振動子
１４結合リング
１５結合部材
１６側面電極
１７上下面電極
２０ロータ
２１ロータの摩擦材
２２ロータ錘
２３ロータ軸
２４軸受
３０リニア移動体
３５回転体
５１ステータ支持部材
５２ステータ支持部材
５３ばね

Claims

三方晶系の単結晶圧電材料のＺ板の３回対称軸である３本のｘ軸を中心軸とする矩形状の３脚振動子を有するリング状の薄板をステータとし、前記リング状の薄板の中心に円柱又は円筒状のロータを配置し、各振動子を各々２π／３位相差がある同一周波数の信号で駆動することを特徴とする超音波モータ
前記３本のｘ軸を中心軸とする３脚振動子の振動モードがたわみ振動である請求項１に記載の超音波モータ。
前記３本のｘ軸を中心軸とする３脚振動子の振動モードが縦振動である請求項１に記載の超音波モータ。
前記三方晶系の単結晶圧電材料として水晶を使用する請求項１に記載の超音波モータ。
前記三方晶系の単結晶圧電材料としてニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）を使用する請求項１，請求項２又は請求項３のいずれかに記載の超音波モータ。
前記三方晶系の単結晶圧電材料としてタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）を使用する請求項１，請求項２又は請求項３のいずれかに記載の超音波モータ。
前記３本のｘ軸を中心軸とする３脚振動子の側面に設けた２箇所の電極を対とし、上下面に設けた２箇所の電極を対とし、前記３脚振動子の側面に設けた電極対と上下面に設けた電極対に電気信号を印加してたわみ振動を励起させる請求項３に記載の超音波モータ。
前記３本のｘ軸を中心軸とする３脚振動子の側面に設けた２箇所の電極間に電気信号を印加して縦振動を励起させる請求項４に記載の超音波モータ。
前記３本のｘ軸を中心軸とする３脚振動子の先端部をリング状の部材で連結した請求項１に記載の超音波モータ。
三方晶系の単結晶圧電材料のＺ板の３回対称軸である３本のｘ軸を中心軸とする３脚振動子のうち、１本をｚ軸対称となるように移動し、３本の振動子がなす角度をπ／３となる３脚振動子を有する半円状の薄板をステータとし、半円状の薄板の円弧の中心に円柱又は円筒状のロータを配置し、各振動子を各々２π／３位相差がある同一周波数の信号で駆動することを特徴とする超音波モータ
三方晶系の単結晶圧電材料のＺ板の３回対称軸である３本のｘ軸のうち２本の対称軸を中心軸とする矩形状の２脚振動子を有する半円状の薄板をステータとし、前記半円状の薄板の中心に円柱又は円筒状のロータを配置し、各振動子を各々２π／３、又はπ／２位相差がある同一周波数の信号で駆動することを特徴とする超音波モータ
三方晶系の単結晶圧電材料のＺ板の３回対称軸である３本のｘ軸を中心軸とする矩形状の３脚振動子のうち、１本をｚ軸対称となるように移動し、３本の振動子がなす角度をπ／３となる３脚振動子を有する半円状の薄板をステータとし、３本の振動子の先端部をリング状の部材で結合し、前記リング状の部材の端面に直線状に移動自在の部材を加圧して接触させ、直線状に移動可能としたことを特徴とするリニア型超音波モータ。