JP3228607B2 - 超音波モータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は超音波モータに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、電磁型モータに代わる新しいモー
タとして超音波モータが注目されている。この超音波モ
ータは、従来の電磁型モータに比べ以下のような利点を
有している。 ギヤなしで低速高推力が得られる。 保持力が大きい。 ストロークが長く、高分解能である。 静粛性にとんでいる。 磁気的ノイズを発生せず、また、ノイズの影響もう
けない。

【０００３】従来、上記超音波モータとしては、特願平
４−３２１０９６号において本出願人が提案している。
まず、図７を用いて上記超音波モータの超音波振動子５
０の構成について説明する。基本弾性体５１の上部に
は、２次の共振屈曲振動のほぼ腹に対応する部分に積層
型圧電素子５２が配置され、３個の保持用弾性体５３に
より基本弾性体５１上に固定されている。

【０００４】保持用弾性体５３は、基本弾性体５１上に
設けた３ヶ所のネジタップ（図示省略）にビス５４を螺
合して基本弾性体５１に固定され、この時積層型圧電素
子５２は保持用弾性体５３により突き当て保持される。
また、積層型圧電素子５２の保持用弾性体５３と接触す
る部分はエポキシ系の接着剤で固定され、積層型圧電素
子５２のその他の部分は樹脂により被覆されている。さ
らに、保持用弾性体５３と基本弾性体５１の接触する部
分もエポキシ系の接着剤により接合される。

【０００５】基本弾性体５１の側面略上半分の側面には
全面にわたり同じ向きに分極された０．２ｍｍ厚の振動
検出用圧電素子５５がエポキシ系接着剤を用いて接着さ
れており、かつ、基本弾性体５１の側面略下半分には中
央部を界に逆向きに分極された０．２ｍｍ厚の振動検出
用圧電素子５６が同様に基本弾性体５１の側面に接着さ
れている。振動検出用圧電素子５５からはリード端子Ｆ
１が導出されており、振動検出用圧電素子５６からはリ
ード端子Ｆ２が導出されている。なお、図示はしない
が、基本弾性体５１からは共通のグランド端子が導出さ
れている。

【０００６】基本弾性体５１の積層型圧電素子５２が配
置されている面に対して反対側の面（被駆動体と接触す
る側の面）の両端部には、摺動部材５７がエポキシ系の
接着剤を用いて接合されている。摺動部材５７は、ポリ
イミドに充填材としてカーボンファィバーとマイカを充
填材として混入したもので、その混合重量比はカーボン
ファイバー２０重量％、マイカ３０重量％である。

【０００７】次に超音波振動子５０の動作について説明
する。超音波振動子５０の寸法を適当にとることで１次
の共振縦振動及び２次の共振屈曲振動がほぼ同一周波数
で励起できる。図７に於いて、左側の積層型圧電素子５
２から取り出されている電気端子をＡ，Ｇ（Ａ相と呼
ぶ）とし、右側の積層型圧電素子５２から取り出されて
いる電気端子Ｂ，Ｇ（Ｂ相と呼ぶ）とする。

【０００８】まず、Ａ相及びＢ相に３０Ｖの直流電圧を
印加する。こうすることで、積層型圧電素子５２にほぼ
７０Ｎの圧縮力（与圧）をかけることができる。そこ
で、Ａ相に周波数Ｆｒで振幅１０Ｖｐ−ｐの交番電圧を
印加し、Ｂ相に同一周波数、同振幅で同位相の交番電圧
を印加すると一次の共振縦振動が励起できる。この時、
Ｆ１端子からは振動振幅に比例する正弦波状の信号が得
られたが、Ｆ２端子からは信号が得られなかった。

【０００９】次に、Ａ相に周波数Ｆｒで振幅１０Ｖｐ−
ｐの交番電圧を印加し、Ｂ相に同一周波数、同振幅で逆
位相の交番電圧を印加すると二次の共振縦振動が励起で
きる。この時、Ｆ１端子からは信号が得られなかった
が、Ｆ２端子からは振動振幅に比例する正弦波状の信号
が得られた。Ａ相及びＢ相に同一周波数、同一振幅で位
相が９０度異なる交番電圧を印加して、一次の縦振動と
二次の屈曲振動を同時に励起し、超音波楕円振動を励起
する。この時、Ｆ１端子及びＦ２端子から正弦波状の信
号が得られた。この場合のＦ１端子からの信号は一次の
縦振動に比例し、Ｆ２端子の信号は二次の屈曲運動に比
例している。

【００１０】さて、Ａ相及びＢ相に周波数Ｆｒで振幅１
０Ｖｐ−ｐの交番電圧を印加し、その位相差を９０度又
は−９０度にすると摺動部５７の位置に於いて、時計廻
り又は反時計廻りの超音波楕円振動が励起できる。この
時、摺動部５７の位置に対してステンレス材からなる被
駆動体を圧接すると被駆動体は右方向又は左方向に駆動
される。超音波振動子５０を長時間駆動していると、振
動子５０の温度が上昇する。すると共振周波数が変化す
るので、振動子の振動状態を一定に保つためには周波数
追尾の必要がある。

【００１１】図８にその追尾回路の一例を示す。発振器
から出された周波数Ｆｒ近傍の交番電圧は増幅されてＡ
相に印加される。同時に移相器を介した後増幅されてＢ
相に印加される。そして例えばＦ１端子（またはＦ２端
子）の信号を増幅しモニター電圧として発振器の信号と
比較され、両者の位相差が一定になるように発振周波数
を調整するかまたはモニター電圧を常に最大となるよう
に発振周波数を調整する。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の超
音波モータでは、振動検出用圧電素子５５，５６が基本
弾性体５１の側面に接着されているため、以下の問題点
があった。 （１）振動検出用圧電素子５５，５６が引張力を受けて
割れてしまう場合があった。 （２）基本弾性体５１の側面の広い面積にわたって接着
されるため、縦共振周波数及び屈曲共振周波数が影響を
受けて変化してしまうことがあった。 （３）側面から端子Ｆ１、Ｆ２のリード線が導出される
ため実装の際じゃまになっていた。

【００１３】本発明は、上記問題点に鑑みてなされたも
ので、振動検出用圧電素子が破損せず、振動検出用圧電
素子による縦共振周波数及び屈曲共振周波数への影響が
小さく、かつ導出用リード線が実装の際にじゃまになら
ない超音波モータを提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段および作用】上記目的を達
成するために、本発明は、略直方体形状の弾性体と、該
弾性体の一部に設けられた２つの積層型圧電素子を少な
くとも具備し、前記弾性体に共振縦振動と共振屈曲振動
とを同時に励起することにより前記弾性体の一部に超音
波楕円振動を励起する超音波振動子と、この超音波振動
子の一部に押圧され、超音波振動子に対して相対的に移
動する被騒動部材とを具備する超音波モータにおいて、
前記弾性体と前記２つの積層型圧電素子の端部との間に
振動検出用の電気機械変換素子をそれぞれ設け、該２つ
の電気機械変換素子の出力信号から前記弾性体の共振縦
振動及び共振屈曲振動を検出するように構成した。

【００１５】また、本発明は、略直方体形状の弾性体
と、該弾性体の一部に設けられた２つの積層型圧電素子
を少なくとも具備し、前記弾性体に共振縦振動と共振屈
曲振動とを同時に励起することにより前記弾性体の一部
に超音波楕円振動を励起する超音波振動子と、この超音
波振動子の一部に押圧され、超音波振動子に対して相対
的に移動する被駆動部材とを具備する超音波モータにお
いて、前記積層型圧電素子の一部に振動検出用の電気機
械変換素子をそれぞれ設け、該２つの電気機械変換素子
の出力信号から前記弾性体の共振縦振動及び共振屈曲振
動を検出するように構成した。

【００１６】上記構成によれば、振動検出用の電気機械
変換素子を、略直方体形状の弾性体と２つの積層型電圧
素子の端部との間にそれぞれ設けることにより、振動検
出用の電気機械変換素子が破損せず、振動検出用の電気
機械変換素子により前記弾性体の共振縦振動及び共振屈
曲振動が影響をうけることがなく、かつ、振動検出用の
リード線が実装の際に邪魔にならないという作用効果を
奏する。さらに２つの前記弾性体の共振縦振動及び共振
屈曲振動をそれぞれ独立して検出することができる。

【００１７】上記超音波モータは従来の駆動方法と同様
駆動方法により駆動できる。超音波モータは弾性体の共
振現象を利用するので、温度上昇等によって共振周波数
が変化した場合には、その共振周波数を追尾する必要が
ある。本超音波振動子においては、２つの積層型圧電素
子の一部にそれぞれ設けた振動検出用の電気機械変換素
子により前記弾性体の振動をそれぞれ検出する。これら
の振動検出用の電気機械変換素子は弾性体の縦振動、又
は屈曲振動またはそれらの合成された振動を検出する。
この検出信号はその振動の大きさ、位相に相関している
から、この信号をフィードバック信号として超音波振動
子の振動を制御することができる。本超音波振動子で
は、縦振動と屈曲振動を独立に検出できるようにしたた
め、どちらの振動の共振周波数にも追尾が可能である。

【００１８】

【実施例１】図１は本発明の実施例１における超音波振
動子を示す正面図である。超音波振動子１の基本弾性体
２は黄銅材からなり、直方体形状の上面中央に凸部分３
を一体に設けた凸の字型に形成されている。基本弾性２
の寸法は凸部分３を除き、幅３０ｍｍ、奥行き４ｍｍ、
高さ７．２５ｍｍで、凸部分３は、幅４ｍｍ、奥行４ｍ
ｍ、高さ２．５ｍｍである。また、基本弾性体２の幅方
向の中心部でかつ底面から６ｍｍの位置には、圧入によ
ってφ２のステンレス材からなるピン４が打ち込まれて
いる。

【００１９】基本弾性体２の上面には、凸部分３の側面
に、その端部を突き当てた状態で左右一対の積層型圧電
素子５が２個配置されている。積層型圧電素子５は電極
処理された圧電素子を数十枚から数百枚積層したもので
あって、本実施例においてはトーキン（株）の積層型圧
電素子ＮＬＡ−２×３×９を用いた。その寸法は、２ｍ
ｍ×３．１ｍｍ×９ｍｍである。積層型圧電素子５の両
端部以外の部分は図１には示さないがエポキシ系樹脂に
より約０．５ｍｍの被覆厚で被覆されている。左側の積
層型圧電素子５から取り出されている電気端子をＡ，Ｇ
（Ａ相と呼ぶ）とし、右側の積層型圧電素子３から取り
出されている電気端子Ｂ，Ｇ（Ｂ相と呼ぶ）とする。

【００２０】積層型圧電素子５の他端面の方向には、基
本弾性体２の上面にビス６で固定した保持用弾性体７が
設けられ、上記他端面と保持用弾性体７の間には振動検
出用の圧電素子８が配置されている。振動検出用の圧電
素子８は、厚さ０．２ｍｍ、高さ３．５ｍｍ、奥行き４
ｍｍに形成され、図中に示す矢印の方向に分極されてい
る。ここで、左側の振動検出用の圧電素子８から取り出
されている電気端子をＳ１，Ｇとし、右側の振動検出用
の圧電素子８から取り出されている電気端子Ｓ２，Ｇと
する。

【００２１】また、積層型圧電素子５を配置した基本弾
性体２の上面に対して反対側の底面（被駆動体と接触す
る側の面）には、その両端部から９ｍｍの位置（共振屈
曲振動の振動振幅が極大値を示す位置）に矩形状の摺動
部材９がエポキシ系の接着剤を用いて接合されている。
摺動部材９は、寸法が幅３ｍｍ、奥行き４ｍｍ、厚さ１
ｍｍで、ステンレス材ＳＵＳ４４０Ｃをビッカーズ硬度
８００程度に焼入れ処理して形成されている。

【００２２】次に超音波振動子１の組立方法について説
明する。図１に示すように基本弾性体２の凸部分３の両
側に積層型圧電素子５を配置する。そして、振動検出用
の圧電素子８をはさんで保持用弾性体７（幅４ｍｍ、奥
行き４ｍｍ、高さ２．５ｍｍ）を基本弾性体２上に固定
する。図示しないが基本弾性体１１には２ヶ所にネジの
タップがきってあって、図１に示すように保持用弾性体
７は、それぞれビス６により基本弾性体２に固定され
る。この時、積層型圧電素子５と振動検出用の圧電素子
８は、基本弾性体２の凸部分３と保持用弾性体７間で突
き当てて、または圧縮力をかけた状態で保持固定され
る。そして、積層型圧電素子５と振動検出用の圧電素子
８とは、各々基本弾性体２の凸部分３と保持用弾性体７
とエポキシ系の接着材により固定する。さらに、基本弾
性体２と接する積層型圧電素子５の側面部分と基本弾性
体２とをエポキシ系樹脂を用いて接着し、保持用弾性体
７と基本弾性体２の接触する部分もエポキシ系の接着剤
により接合する。

【００２３】次に、超音波振動子１の動作について説明
する。上記に示した寸法形状によれば、一次の共振縦振
動及び二次の共振屈曲振動がほぼ同一周波数Ｆｒ（５３
ｋＨｚ〜５６ｋＨｚ）で励起できる。これらの振動を有
限要素法を用いてコンピュータ解析した結果、図２
（ａ）に示すような共振縦振動姿態及び図２（ｂ）に示
すような共振屈曲振動姿態が予想され、かつ振動測定の
結果それが実証された。すなわち、まず、Ａ相に周波数
Ｆｒで振幅１０Ｖｐ−ｐの交番電圧を印加し、Ｂ相に同
一周波数、同振幅で同位相の交番電圧を印加すると図２
（ａ）に示すような一次の共振縦振動が励起できた。つ
ぎに、Ａ相に周波数Ｆｒで振幅１０Ｖｐ−ｐの交番電圧
を印加し、Ｂ相に同一周波数、同振幅で逆位相の交番電
圧を印加すると図２（ｂ）に示すような二次の共振縦振
動が励起できた。

【００２４】次に、図３に基づいて、上記超音波振動子
１を用いた超音波リニアモータ１０について説明する。
図３に示すように、超音波振動子１はそのピン４の部分
で２枚の保持板により両面から保持されている。保持板
１１の端部近傍にはピン４の直径と同径の穴１２があけ
られており、その穴１２と超音波振動子１のピン４が係
合するようになっている。このように保持することで、
超音波振動子１はピン４まわりの回転に対してのみ自由
度をもつ。

【００２５】保持板１１の他端部にはビス１３により保
持板固定部材１４が固定され、この保持板固定部材１４
は積層型圧電素子５の上方においてリニアブッシュ１５
により保持されている。このリニアブッシュ１５は軸１
６に沿ってリニアに移動する。軸１６には軸固定部材１
７が固定され、この軸固定部材１７はベース１８上にビ
ス１９により固定されている。軸固定部材１７のほぼ中
央部には超音波振動子１の方向にタップが貫設されてお
り、このタップに押圧ビス２０がねじ込まれている。押
圧ビス２０と保持板固定部材１４の間にはバネ２１が挿
入されている。

【００２６】超音波振動子１の摺動部材９側のベース１
８上にはクロスローラーガイドの固定部２２が基台にビ
ス２３により固定されている。クロスローラーガイドの
移動部２４には摺動部材保持部２５が図示しないビスに
より固定され、この摺動部材保持部２５には超音波振動
子１の摺動部材９と当接する摺動部材２６が接着されて
いる。この摺動部材２６にはＨＩＰ処理したジルコニア
セラミックスが用いられ、移動方向に対して直交する方
向にピッチ０．４ｍｍ、溝幅０．１５ｍｍ、深さ０．１
ｍｍの溝が等間隔に設けられている。このような構成に
して、押圧ビス２０を調整することで摺動部材２６（被
駆動部材）に対する超音波振動子１の押圧力を調整する
ことができるようになっている。

【００２７】次に、本実施例の超音波リニアモータ１０
の動作について図１，３，４を用いて説明する。先に示
したように図１の超音波振動子１のＡ相とＢ相に周波数
Ｆｒ（５３ｋＨｚ〜５６ｋＨｚの間の周波数）、振幅１
０Ｖｐ−ｐ、位相差＋９０度又は−９０度の交番電圧を
印加する。すると図３の被駆動部２６は右方向又は左方
向に駆動する。

【００２８】さて、図１の積層型圧電素子５に交番電圧
を印加して一次の縦振動を励起させると、Ｓ１端子から
は振動振幅に比例する正弦波状の信号が得られた。同様
に、Ｓ２端子からも振動振幅に比例する正弦波状の信号
が得られた。Ｓ１端子及びＳ２端子からの信号はほぼ同
位相であった。つぎに、積層型圧電素子５に交番電圧を
印加して、二次の屈曲信号を励起させると、Ｓ１端子か
らは振動振幅に比例する正弦波状の信号が得られた。同
様にＳ２端子からも振動振幅に比例する正弦波状の信号
が得られた。Ｓ１端子およびＳ２端子からの信号は位相
がほぼ１８０度ずれていた。すなわち、Ｓ１端子からの
信号とＳ２端子からの信号をそのまま並列に接続すれば
縦振動に比例した信号を検出することができる。また、
Ｓ１端子からの信号とＳ２端子からの信号を反転させた
信号を並列に接続すれば屈曲振動に比例した信号を検出
することができる。

【００２９】超音波振動子１をさまざまな温度環境で動
作させる場合、超音波振動子１の温度により共振周波数
が変化する。そのため超音波振動子１の振動状態を一定
に保つためには周波数追尾の必要がある。図４にその追
尾回路を示す。発振器から出された縦振動周波数Ｆｒ近
傍の交番電圧は増幅されてＡ相に印加される。同時に発
振器から出された縦振動周波数Ｆｒ近傍の交番電圧は移
相器（±９０度）を介した後増幅されてＢ相に印加され
る。Ｓ１端子からの信号とＳ２端子からの信号をそのま
ま並列に接続し縦振動に比例したモニター信号を比較器
に入れる。比較器においてこの振動検出信号は発振器の
信号を比較され、両者の位相差が９０度または−９０度
の一定値になるように発振周波数を調整するか、または
モニター信号が常に極大となるように発振周波数を調整
する。このような周波数追尾の機構を設けた超音波振動
子１を用いて図３に示すような超音波リニア１０を動作
させたところ、広い温度範囲にわたって速度や推力が低
下することのない超音波リニアモータ１０が得られた。

【００３０】本実施例によれば、振動検出用の圧電素子
８を積層型圧電素子５と保持用弾性体７の間に配置した
ので、簡単な構成で超音波振動子１の振動検出用圧電素
子７の破損を防ぐことができる。

【００３１】

【実施例２】図５に本発明の実施例２に用いた超音波振
動子３０の正面図を示す。実施例１と異なる点は振動検
出用の圧電素子を独立に設けるのではなく、積層型圧電
素子３１として振動検出部をもった積層型圧電素子３１
を用いた点である。本例に用いた積層型圧電素子３１を
図６に基づいて説明する。積層型圧電素子３１は電極処
理された変位用圧電素子３２を数十枚から数百枚積層し
たものであり、その一端部に振動検出用の圧電素子３３
が直立に積層されている。図の矢印は圧電素子の分極方
向である。変位用圧電素子３２と振動検出用の圧電素子
３３は絶縁板３４（本例の場合は電極処理のされていな
い圧電素子）介して積層されている。積層型圧電素子３
１の両端部にも絶縁板３４（本例の場合は電極処理のさ
れていない圧電素子）が積層されている。そして、これ
らを一体焼成することで積層型圧電素子３１を作成し
た。なお、図示しないがリード線は通常の方法で変位用
圧電素子３２と振動検出用圧電素子３３とから取り出さ
れ、このリード線により図５に示すようにそれぞれＡ
（またはＢ）、Ｓ１（またはＳ２）として電気端子が設
けられている。

【００３２】次に超音波振動子３０の組立方法について
説明する。図５に示すように基本弾性体２の凸部分３の
両側に積層型圧電素子３１を配置する。そして保持用弾
性体７を基本弾性体２上にビス６を用いて固定する。こ
の時、積層型圧電素子３１は基本弾性体２の凸部分３と
保持用弾性体７間で突き当てて、または圧縮力をかけた
状態で保持固定する。また、積層型圧電素子３１は、各
々基本弾性体２の凸部分３および保持用弾性体７とエポ
キシ系の接着剤で固定する。基本弾性体２と接する積層
型圧電素子３１の側面部分と基本弾性体２とは、やはり
エポキシ系樹脂を用いて接着する。さらに、保持用弾性
体７と基本弾性体２の接触する部分もエポキシ系の接着
剤により接合する。なお、超音波振動子の動作、超音波
リニアモータ及びその動作、周波数追尾方法は、上記実
施例１と同様であるので説明を省略する。

【００３３】本実施例によれば、積層型圧電素子３１に
振動検出用の圧電素子３３を組み込んだので、超音波振
動子３０の部品点数を少なくすることができる。

【００３４】なお、以上本発明の各実施例においてはリ
ニア型の超音波モータについてのみ述べたが、本発明の
超音波振動子をもちいて移動体を回転体とすれば回転型
の超音波モータに応用も可能である。

【００３５】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、振動検
出用の電気機械変換素子（振動検出用圧電素子）を弾性
体と積層型圧電素子または積層型圧電素子の一部にそれ
ぞれ設けたので、以下のような効果が得られる。すなわ
ち、振動検出用の電気機械変換素子が破損せず、振動検
出用の２つの電気機械変換素子により縦共振周波数及び
屈曲共振周波数が影響をほとんど受けることがない。さ
らに超音波振動子の上面から振動検出用のリード線が導
出されるため実装の際じゃまにならない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１における超音波振動子を示す
正面図である。

【図２】実施例１の超音波振動子の作用を説明する図で
ある。

【図３】本発明の実施例１の超音波モータを示す正面図
である。

【図４】実施例１の超音波振動子の周波数の追尾回路図
である。

【図５】本発明の実施例２における超音波振動子を示す
斜視図である。

【図６】実施例２の積層型圧電素子を示す分解斜視図で
ある。

【図７】従来の超音波振動子を示す正面図。

【図８】従来の超音波振動子の周波数追尾回路図であ
る。

【符号の説明】

１，３０ 超音波振動子 ２ 基本弾性体 ５，３１ 積層型圧電素子 ７ 保持用弾性体 ８，３３ 振動検出用の圧電素子 １０ 超音波リニアモータ

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02N 2/00 H01L 41/083

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 略直方体形状の弾性体と、該弾性体の一
   部に設けられた２つの積層型圧電素子を少なくとも具備
   し、前記弾性体に共振縦振動と共振屈曲振動とを同時に
   励起することにより前記弾性体の一部に超音波楕円振動
   を励起する超音波振動子と、 この超音波振動子の一部に押圧され、超音波振動子に対
   して相対的に移動する被騒動部材とを具備する超音波モ
   ータにおいて、 前記弾性体と前記２つの積層型圧電素子の端部との間に
   振動検出用の電気機械変換素子をそれぞれ設け、該２つ
   の電気機械変換素子の出力信号から前記弾性体の共振縦
   振動及び共振屈曲振動を検出するように構成したことを
   特徴とする超音波モータ。
2. 【請求項２】 略直方体形状の弾性体と、該弾性体の一
   部に設けられた２つの積層型圧電素子を少なくとも具備
   し、前記弾性体に共振縦振動と共振屈曲振動とを同時に
   励起することにより前記弾性体の一部に超音波楕円振動
   を励起する超音波振動子と、 この超音波振動子の一部に押圧され、超音波振動子に対
   して相対的に移動する被駆動部材とを具備する超音波モ
   ータにおいて、 前記積層型圧電素子の一部に振動検出用の電気機械変換
   素子をそれぞれ設け、該２つの電気機械変換素子の出力
   信号から前記弾性体の共振縦振動及び共振屈曲振動を検
   出するようにしたことを特徴とする超音波モータ。