JP3229983B2

JP3229983B2 - 超音波モータ

Info

Publication number: JP3229983B2
Application number: JP23873693A
Authority: JP
Inventors: 隆利芦沢; 大助佐谷; 亮一菅沼; 知彦横尾
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1993-02-02
Filing date: 1993-08-31
Publication date: 2001-11-19
Anticipated expiration: 2016-11-19
Also published as: JPH06292373A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、弾性体と電気−機械変
換素子との接合構造を改良した超音波モータに関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の進行波型超音波モータ
は、特公平１−１７３５４等で公知のように、圧電体を
一例とした電気的エネルギーを機械的運動に変換する電
気−機械変換素子（以下、圧電体と称する場合がある）
の伸縮を利用して、弾性体の駆動面に進行波を発生さ
せ、この進行波によって、駆動面に加圧接触した移動体
を駆動させている。

【０００３】弾性体は、圧電体に接合することにより一
体化され、これにより、弾性体は圧電体の振動により励
振される。この弾性体と圧電体との接合の方法には、溶
着や接着等の方法がある。しかし、圧電体はキュリー点
が一般的に３５０°Ｃ以下の場合が多く、高温の状態に
さらすことがほとんど不可能であるためと、作業の簡易
さとから、弾性体と圧電体との接合には、一般的に接着
剤を使用する場合が多い。

【０００４】また、圧電体と弾性体，接着剤の接着層
は、薄くすることにより、弾性体の振動の減衰が防止で
きることが開示されている（日経メカニカル’９０年１
２月号別冊「モータ全活用術」）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、弾性体と圧電
体とを接合する接着層は、単に構造的な接合という面以
外にも、振動を伝搬するという機能的な接合という面も
ある。つまり、接着層をかなり薄くしたときに、接着層
の物性によっては、その接着層により圧電体の振動が減
衰してしまい、超音波モータの起動トルクが十分に得ら
れなかったり、消費電力が多くなったり、駆動効率が減
少したりするような超音波モータの性能が低下する、と
いう問題が発生していた。

【０００６】本発明は、上記問題点を解決するために、
圧電体と弾性体との接合に用いる接着剤を適切に選定す
ることにより、起動トルクが十分に得られ、消費電力が
減少し、駆動効率を向上させることを可能とする超音波
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】本発明は、以下の解決手
段により、前記課題を解決する。なお、理解を容易にす
るために、実施例に対応する符号を付して説明するが、
これに限定されるものではない。すなわち、本発明によ
る超音波モータの第１の解決手段は、駆動信号により励
振される電気−機械変換素子１２と，前記電気−機械変
換素子に接合され前記励振により駆動面１１ａに振動波
を生ずる弾性体１１と，前記弾性体の駆動面１１ａに加
圧接触する接触部材２と，から構成され、前記振動波に
より前記接触部材２又は前記弾性体２２が駆動される超
音波モータにおいて、前記電気−機械変換素子と前記弾
性体とを接合する、硬度の高い接着剤を用いた接着層１
３を設けたことを特徴とする。第２の解決手段では、前
記接着層１３は、前記接着剤のビッカース硬度をＨｖ＝
８．０以上としたことを特徴とすることができる。

【０００８】また、第３の解決手段は、駆動信号により
励振される電気−機械変換素子１２と，前記電気−機械
変換素子に接合され前記励振により駆動面１１ａに振動
波を生ずる弾性体１１と，前記弾性体の駆動面に加圧接
触する接触部材２と，から構成され、前記振動波により
前記接触部材２又は前記弾性体１１が駆動される超音波
モータにおいて、前記電気−機械変換素子１２と前記弾
性体１１とを接合する、縦弾性率の高い接着剤を用いた
接着層１３を設けたことを特徴とする。第４の解決手段
では、前記接着層１３は、前記接着剤の縦弾性率をＥ＝
１８０ｋｇｆ／ｍｍ² 以上としたことを特徴とすること
ができる。

【０００９】さらに、第５の解決手段は、駆動信号によ
り励振される電気−機械変換素子１２と，前記電気−機
械変換素子に接合され前記励振により駆動面１１ａに振
動波を生ずる弾性体１１と，前記弾性体の駆動面に加圧
接触する接触部材２と，から構成され、前記振動波によ
り前記接触部材２又は前記弾性体１１が駆動される超音
波モータにおいて、前記電気−機械変換素子１２と前記
弾性体１１とを接合する、硬度が高くかつ縦弾性率が高
い接着剤を用いた接着層を設けたことを特徴とする。第
６の解決手段では、前記接着層１３は、前記接着剤のビ
ッカース硬度をＨｖ＝８．０以上とし、かつ、縦弾性率
をＥ＝１８０ｋｇｆ／ｍｍ² 以上としたことを特徴とす
ることができる。

【００１０】第７の解決手段では、前記第２，第４，第
６の解決手段において、前記接着層１３は、前記接着剤
が二液タイプエポキシ系であって、主剤をエポキシ系と
して、硬化剤をポリアミン系としたことを特徴とするこ
とができる。

【００１１】

【作用】上記第１，第２の解決手段によると、電気−機
械変換素子１２と弾性体１１との接合に用いる接着剤
は、硬度が高いために、電気−機械変換素子１２から弾
性体１１に伝達される振動エネルギーの減衰が低減され
る。また、上記第３，第４の解決手段によると、電気−
機械変換素子１２と弾性体１１との接合に用いる接着剤
の縦弾性率を高くしても、電気−機械変換素子１２から
弾性体１１に伝達される振動エネルギーの減衰が低減さ
れる。さらに、上記第５，第６の解決手段によると、電
気−機械変換素子１２と弾性体１１との接合に用いる接
着剤の硬度及び縦弾性率を高くしたので、電気−機械変
換素子１２から弾性体１１に伝達される振動エネルギー
の減衰がより低減される。

【００１２】

【実施例】（第１実施例）以下、図面などを参照しなが
ら、実施例をあげて、さらに詳しく説明する。図１は、
本発明による超音波モータの第１実施例を示した図であ
る。固定子１は、駆動信号により励振する圧電体１２
と、圧電体１２に接合され前記励振により駆動面１１ａ
に進行性振動波を生ずる弾性体１１と、から構成されて
いる。固定子１は、不図示の支持体により支持されてい
る。

【００１３】移動子２は、不図示の移動目的物体に接続
される移動子母材２１と、移動子母材２１に接合され、
摺動面２２ａによって弾性体１１の駆動面１１ａに加圧
接触されている摺動材２２とから構成されている。圧電
体１２と弾性体１１とは、ビッカース硬度がＨｖ＝８．
０以上の接着剤を用いた接着層１３により接合されてい
る。

【００１４】図２は、接着剤の接着層の硬度と、弾性体
に発生する進行波の振幅を一定にしたときの消費電力と
の関係を示す線図である。横軸の硬度は、二液タイプエ
ポキシ系接着剤の主剤に対して硬化剤の成分または含有
量を変えることによって得た。主剤は、主成分をエポキ
シ樹脂中間体とした。硬度が最も低い点が硬化剤に主成
分として、ポリサルファイドを用いた場合であり、硬度
が二番目に低い点からは硬化剤に主成分として、脂肪族
ポリアミンを用いた場合である。さらに、主成分である
脂肪族ポリアミンの含有量を様々に変えることによっ
て、様々の硬度を得ることができた。縦軸の消費電力
は、上記した実験によって得られた硬度になる硬化条件
により固定子１を作製し、弾性体１１に発生する進行波
の振幅がある一定値に達したときの消費電力値である。

【００１５】図２によると、硬度がＨｖ＝８．０以下の
接着層１３では、消費電力が大きくなっていることがわ
かる。消費電力が大きいということは、圧電体１２から
弾性体１１に伝達される振動エネルギーが途中で減少し
ていることを意味し、硬度が小さくてたわみ性の大きな
性質を持つ接着層１３では、圧電体１２から弾性体１１
に伝達される振動エネルギーを大きく減衰させているこ
とが理解できる。

【００１６】以上のように、圧電体１２と弾性体１１と
の接合に用いる接着剤の硬度をＨｖ＝８．０以上とする
と、圧電体１２から弾性体１１に伝達される振動エネル
ギーの減衰が低減される。硬化時にビッカース硬度がＨ
ｖ＝８．０以上の性質になる接着剤としては、表１に示
した接着剤があり、本実施例の消費電力を小さくすると
いうことにおいて好適な結果が得られる。

【００１７】

【表１】

【００１８】また、接着層１３のビッカース硬度がＨｖ
＝８〜１５付近では、ビッカース硬度がそれよりも高い
箇所よりも消費電力が小さくなっている。これは、接着
剤の硬化時の収縮等が固定子１の残留応力による変形を
生じさせ、これが進行波発生に悪影響を及ぼすのである
が、その変形が若干柔らかめな接着層１３により緩和さ
れているためである。しかし、それより柔らかくなる
と、固定子１の変形は緩和されるが、固定子１の振動を
減衰してしまうために、逆に、消費電流が増加してしま
う。

【００１９】（第２実施例）第１実施例では、ビッカー
ス硬度がＨｖ＝８．０以上の接着剤を用いた接着層１３
により、圧電体１２と弾性体１１とを接合したが、第２
実施例では、縦弾性率Ｅ＝１８０ｋｇｆ／ｍｍ² 以上の
接着剤を用いた接着層１３により、圧電体１２と弾性体
１１とを接合した。構成は、第１実施例と同じであるた
めに、説明や図示は省略する。

【００２０】図３は、接着剤の接着層の縦弾性率と、弾
性体に発生する進行波の振幅を一定にしたときの消費電
力との関係を示す線図である。横軸の縦弾性率は、二液
タイプエポキシ系接着剤の主剤に対して硬化剤の成分ま
たは含有量を変えることで得た。主剤は、主成分として
エポキシ樹脂中間体を用いた。縦弾性率が最も低い点が
硬化剤に主成分として、ポリサルファイドを用いた場合
であり、縦弾性率が二番目に低い点からは硬化剤に主成
分として、脂肪族ポリアミンを用いた場合である。さら
に、主成分である脂肪族ポリアミンの含有量を様々に変
えることにより様々の縦弾性率を得ることができた。縦
弾性率の測定は、ＪＩＳＫ７１０６に規定してある試
験片の曲げモーメントを測定する方法により行った。試
験片は、厚さが一様に薄くなるような型に接着剤を流し
込んで硬化させ、その後に規定の寸法に切り出すことに
より得た。縦軸の消費電力は、上記した実験で得られた
縦弾性率になる硬化条件により固定子１を作製し、弾性
体１１に発生する進行波の振幅がある一定値に達したと
きの消費電力値である。

【００２１】図３によると、縦弾性率がＥ＝１８０ｋｇ
ｆ／ｍｍ² 以下の接着層１３では消費電力が大きくなっ
ていることがわかる。消費電力が大きいということは、
圧電体１２から弾性体１１に伝達される振動エネルギー
が途中で減少していることを意味し、縦弾性率が小さい
性質を持つ接着層１３では、接着層１３自体が伸縮振動
してしまい振動エネルギーを消費してしまうので、圧電
体１２から弾性体１１に伝達される振動エネルギーを大
きく減衰していることが理解できる。

【００２２】以上のように、圧電体１２と弾性体１１と
の接合に用いる接着剤を縦弾性率がＥ＝１８０ｋｇｆ／
ｍｍ² とすると、圧電体１２から弾性体１１に伝達され
る振動エネルギーの減衰が低減される。硬化時に縦弾性
率がＥ＝１８０ｋｇｆ／ｍｍ² 以上の性質を持つ接着剤
としては、表２に示した接着剤があり、本実施例の消費
電力を小さくするということにおいて好適な結果が得ら
れる。

【００２３】

【表２】

【００２４】また、接着層１３の縦弾性率がＥ＝１８０
〜２２０ｋｇｆ／ｍｍ² 付近では、縦弾性率がそれより
も高い箇所よりも消費電力が小さくなっている。これ
は、接着剤の硬化時の収縮等が固定子１の残留応力によ
る変形を生じさせ、これが進行波発生に悪影響を及ぼす
のであるが、若干縦弾性率の小さな接着層１３が周りの
残留応力の状態により静的に伸張又は収縮し、それによ
り変形が緩和されているためである。しかし、それより
縦弾性率が小さくなると固定子１の変形は緩和される
が、固定子１の振動を減衰してしまうために、逆に、消
費電流が増加してしまう。

【００２５】（第３実施例）第１実施例では、圧電体１
２と弾性体１１との接合に用いる接着剤をビッカース硬
度Ｈｖ＝８．０以上とし、第２実施例では、圧電体１２
と弾性体１１との接合に用いる接着剤を縦弾性率Ｅ＝１
８０ｋｇｆ／ｍｍ² 以上としたが、第３実施例では、圧
電体１２と弾性体１１との接合に用いる接着剤をビッカ
ース硬度Ｈｖ＝８．０以上かつ縦弾性率Ｅ＝１８０ｋｇ
ｆ／ｍｍ² 以上とした。構成は、第１実施例と同じであ
るために、説明や図示は省略する。

【００２６】本実施例のようにすると、接着層１３内で
の振動の減衰が低減された上に、接着層１３自体が伸縮
振動することによる振動エネルギーの消費も低減され、
圧電体１２から弾性体１１に伝達される振動エネルギー
効率の向上を図れるという点においては、さらに大きな
効果が生じる。

【００２７】（第４実施例）第２実施例では、圧電体１
２と弾性体１１との接合のために、縦弾性率Ｅ＝１８０
ｋｇｆ／ｍｍ² 以上の性質をもつ接着剤を用いたが、第
４の実施例では、同様な性質をもつ接着剤として、表３
に示したものを使用したものであり、本実施例の消費電
力を小さくすることにおいて好適な結果が得られる。縦
弾性率の測定方法は、第２実施例と同様に、ＪＩＳＫ
７１０６に規定してある方法に基づいて行った。試験片
も第２実施例と同様に、厚さが一様に薄くなるような型
に接着剤を流し込んで硬化させ、その後に規定の寸法に
切り出すことにより得た。

【００２８】

【表３】

【００２９】（第５実施例）図４は、本発明による超音
波モータの第４実施例を示した図である。なお、図１に
示した実施例と同様な機能を果たす部分には、同一の符
号を付して説明する。固定子１は、駆動信号により励振
する圧電体１２と、その圧電体１２に接合され前記励振
により駆動面１１ａに振動波を生ずる弾性体１１とから
構成されている。この弾性体１１の外周面には、フラン
ジ１３が形成されている。このフランジ１３は、弾性体
１１と連接される薄肉部１３ａと、この薄肉部１３ａの
外縁に連接される肉厚部１３ｂとからなる。肉厚部１３
ｂは、固定子支持体３に接合されている。

【００３０】移動子２は、移動子母材２１と、その移動
子母材２１に接合され、摺動面２２ａにより弾性体１１
の駆動面１１ａに加圧接触されている摺動材２２とから
構成されている。移動子母材２１の外周面には、フラン
ジ部２１ａが形成され、その外縁部に肉厚部２１ｂが連
接されている。この肉厚部２１ｂには、不図示の加圧部
材による加圧力が加えられており、これにより、摺動面
２２ａと駆動面１１ａとが加圧接触される。このような
構成によると、弾性体１１の駆動力は、移動子２に摩擦
的に伝達され、移動子２は駆動される。

【００３１】第５実施例では、圧電体１２と弾性体１１
とは、ビッカース硬度がＨｖ＝８．０以上の接着剤を用
いた接着層、縦弾性率Ｅ＝１８０ｋｇｆ／ｍｍ² 以上の
接着剤を用いた接着層、ビッカース硬度がＨｖ＝８．０
以上かつ縦弾性率Ｅ＝１８０ｋｇｆ／ｍｍ² 以上の接着
剤を用いた接着層により、それぞれ接合した。

【００３２】表４は、第５実施例によるビッカース硬度
がＨｖ＝８．０以上かつ縦弾性率Ｅ＝１８０ｋｇｆ／ｍ
ｍ² 以上の接着剤を用いた接着層の特性を示す表であ
る。消費電力は、定格駆動時（ある負荷をかけて、ある
回転速度を発生させたとき）に必要な電力を示してお
り、値が小さいほど駆動効率が向上していることを表し
ている。この測定では、接着剤の特性以外に対する影響
をなくすために、同一工程、同一ロットで製造された同
一寸法の弾性体１１と、同一材質で同一寸法の圧電体１
２とを用い、接着は、同一日のほぼ同一時間で同一作業
者により行った。また、性能を測定するために用いた移
動子は、どの測定においても同一とした。表４に示した
接着剤を超音波モータに用いると、共振抵抗を小さくす
ることができ、消費電力も小さくできることがわかる。

【００３３】

【表４】

【００３４】（第６実施例）図５は、本発明による超音
波モータの第６実施例を示した図である。第１〜第５実
施例では、円環状の進行波型超音波モータについて説明
したが、第６実施例では、進行波を用いない超音波モー
タ（リニア型の超音波アクチュエータ）の振動子に適用
したものである。このような超音波モータの駆動原理
は、特開平１−３１５２８２等により開示されているの
で、ここでは概略的に説明する。

【００３５】移動子１０２は、弾性体１２１と、圧電体
１２２とから構成されている。弾性体１２１は、端面が
駆動面１２１ａａとなる互いに平行な２つの駆動部１２
１ａと、各駆動部１２１ａを連結する連結部１２１ｂと
からなり、駆動部１２１ａと連結部１２１ｂとの結合部
には、面取りされた面取り部１２１ｃが形成され、圧電
体１２２の励振により駆動面１２１ａａに振動波を発生
する。圧電体１２２は、面取り部１２１ｃに設けられ、
駆動信号により励振する。このような構成によると、圧
電体１２２の駆動信号により弾性体１２１の駆動面１２
１ａａに振動波が発生し、固定子１０１からの反力によ
り移動子１０２が駆動される。

【００３６】弾性体１２１と圧電体１２２とは、ビッカ
ース硬度がＨｖ＝８．０以上の接着剤を用いた接着層、
縦弾性率Ｅ＝１８０ｋｇｆ／ｍｍ² 以上の接着剤を用い
た接着層、ビッカース硬度がＨｖ＝８．０以上かつ縦弾
性率Ｅ＝１８０ｋｇｆ／ｍｍ²以上の接着剤を用いた接
着層により、それぞれ接合した。これにより、圧電体１
２２から弾性体１２１に伝達される振動エネルギーの減
衰を低減することができ、超音波モータの駆動効率を大
きく向上することができる。

【００３７】以上説明した各実施例に限定されることな
く、種々の変形や変更ができ、それらも本発明の範囲内
である。例えば、上記実施例では、円環状の進行波型超
音波モータやリニア型超音波モータを用いたが、定在波
型超音波モータ等でも圧電体と弾性体の接合を接着剤に
より行っているもの全てに超音波モータにおいて、前記
実施例のようにビッカース硬度Ｈｖ＝８．０以上の接着
剤か、縦弾性率Ｅ＝１８０ｋｇｆ／ｍｍ² 以上の接着剤
か、または、双方の性質を満たした接着剤を用いること
によって、圧電体１２から弾性体１１に伝達される振動
エネルギーの減衰の低減することができるという効果が
生じる。また、上記実施例では、電気−機械変換素子を
圧電素子として説明したが、電歪素子としてもよい。

【００３８】

【発明の効果】以上詳しく説明したように本発明によれ
ば、電気−機械変換素子と弾性体との接合に用いる接着
剤の硬度を高く（例えば、Ｈｖ＝８．０以上）したため
に、電気−機械変換素子から弾性体に伝達される振動エ
ネルギーの減衰が低減された。これにより、超音波モー
タの起動トルクや消費電力，駆動効率を改善することが
できた。

【００３９】また、電気−機械変換素子と弾性体との接
合に用いる接着剤の縦弾性率を高く（例えば、Ｅ＝１８
０ｋｇｆ／ｍｍ² 以上）したために、電気−機械変換素
子から弾性体に伝達される振動エネルギーの減衰が低減
された。これにより、超音波モータの起動トルクや消費
電力，駆動効率を改善することができた。

【００４０】さらに、電気−機械変換素子と弾性体との
接合に用いる接着剤の硬度および縦弾性係数を共に高く
した（例えば、Ｈｖ＝８．０以上かつＥ＝１８０ｋｇｆ
／ｍｍ² 以上）したために、電気−機械変換素子から弾
性体に伝達される振動エネルギーの減衰が、さらに、低
減された。これにより、超音波モータの起動トルクや消
費電力，駆動効率を大きく改善することができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による超音波モータの第１実施例を説明
する概略図である。

【図２】接着層の硬度と消費電力の関係を示した図であ
る。

【図３】接着層の縦弾性率と消費電力の関係を示した図
である。

【図４】本発明による超音波モータの第５実施例を説明
する概略図である。

【図５】本発明による超音波モータの第６実施例を説明
する概略図である。

【符合の説明】

１固定子２移動子１１弾性体１１ａ駆動面１２圧電体２１移動子母材２２摺動材２２ａ摺動面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者横尾知彦東京都千代田区丸の内３丁目２番３号株式会社ニコン内 (56)参考文献特開平４−248380（ＪＰ，Ａ) 特開平５−95687（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−23380（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02N 2/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】駆動信号により励振される電気−機械変
換素子と；前記電気−機械変換素子に接合され前記励振
により駆動面に振動波を生ずる弾性体と；前記弾性体の
駆動面に加圧接触する接触部材と；から構成され、前記
振動波により前記接触部材又は前記弾性体が駆動される
超音波モータにおいて、前記電気−機械変換素子と前記弾性体とを接合する、硬
度の高い接着剤を用いた接着層を設けたことを特徴とす
る超音波モータ。
【請求項２】前記接着層は、前記接着剤のビッカース
硬度をＨｖ＝８．０以上としたことを特徴とする請求項
１に記載の超音波モータ。
【請求項３】駆動信号により励振される電気−機械変
換素子と；前記電気−機械変換素子に接合され前記励振
により駆動面に振動波を生ずる弾性体と；前記弾性体の
駆動面に加圧接触する接触部材と；から構成され、前記
振動波により前記接触部材又は前記弾性体が駆動される
超音波モータにおいて、前記電気−機械変換素子と前記弾性体とを接合する、縦
弾性率の高い接着剤を用いた接着層を設けたことを特徴
とする超音波モータ。
【請求項４】前記接着層は、前記接着剤の縦弾性率を
Ｅ＝１８０ｋｇｆ／ｍｍ² 以上としたことを特徴とする
請求項３に記載の超音波モータ。
【請求項５】駆動信号により励振される電気−機械変
換素子と；前記電気−機械変換素子に接合され前記励振
により駆動面に振動波を生ずる弾性体と；前記弾性体の
駆動面に加圧接触する接触部材と；から構成され、前記
振動波により前記接触部材又は前記弾性体が駆動される
超音波モータにおいて、前記電気−機械変換素子と前記弾性体とを接合する、硬
度が高くかつ縦弾性率が高い接着剤を用いた接着層を設
けたことを特徴とする超音波モータ。
【請求項６】前記接着層は、前記接着剤のビッカース
硬度をＨｖ＝８．０以上とし、かつ、縦弾性率をＥ＝１
８０ｋｇｆ／ｍｍ² 以上としたことを特徴とする請求項
５に記載の超音波モータ。
【請求項７】前記接着層は、前記接着剤が二液タイプ
エポキシ系であって、主剤をエポキシ系として、硬化剤
をポリアミン系としたことを特徴とする請求項２又は請
求項４又は請求項６に記載の超音波モータ。