JP4477069B2 - リニア超音波モーター - Google Patents

Description

本発明は、特許請求項１の前文によるリニア圧電超音波モーターに関する。それらのモーターは、様々な精密位置合わせ装置、例えば、小型カメラ対物レンズの光学レンズ調節、顕微鏡台、データ記憶装置のリードライトヘッドの位置合わせ、およびその他のメカトロニック装置の駆動として意図される。

リニア圧電超音波モーターは欧州特許第ＥＰ０４５０９１９Ａ１号から知られ、これは長円共鳴器（閉導波器）中の進行波の励起原理によって動作する。このような構造のモーターの超音波振動器は非圧電材料から作られる。進行曲げ波を励起するために、電気機械的エネルギー変換器（圧電素子）が共鳴器に接着剤で固定される。共鳴器の進行波をできる限り効率的に励起するには、共鳴器と圧電素子の間に音響抵抗に関して最善の音響的接続を提供することが必要である。すなわち、圧電素子と共鳴器の間の音響的接触抵抗は低くなければならない。これは、例えば、硬質接着剤の使用を必要とする。しかし、圧電セラミックと共鳴器間の大面積の接着剤接続は不可能である。両方の材料の異なる熱膨張係数のため、セラミックは破壊することがあり、同時に、圧電超音波モーターの機能的動作モード中に、超音波の影響下で接着剤層が軟化して音響的抵抗の増加を招き、結果としてエネルギー損失が大きくなる。回転子と相互作用する共鳴器の側には、曲げ波の接線成分を増幅する働きをするフライス加工された歯またはリブが設けられる。いずれにしても、それらのフライス加工された部分を低コストで製造することはできない。

したがって、従来のモーターは構造的に複雑な環状振動子を含み、小型化およびコスト効率の良い大量生産に適さない。

さらに、リニア超音波モーターは米国特許第５，６７２，９３０号から知られ、これはロッド振動子中（開放導波器中の）の進行超音波の励起を用いる。それらのモーターの欠点は、進行波の励起と同時に開放導波器に対称性定常波が励起され、モーターの摩擦接触の効率的な機能に悪影響を及ぼすので、開放導波器にきれいな進行波を実際に励起するのが不可能なことである。これはそれぞれ摩擦接触と超音波モーター自体の強い発熱ならびに高い騒音レベルを招く。さらに、これらのモーターは、高い励起電圧を必要とし、同様に製造に費用がかかり小型化することができない。

最も明瞭な解決は、独国特許第ＤＥ１９９４５０４２Ｃ２号によるリニア圧電超音波モーターによって代表される。これらの超音波モーターでは、定常縦波ならびに曲げ波が圧電プレート状共鳴器に同時に励起される。両方の波が干渉する結果、共鳴器上に搭載された推進要素は長円運動を行い、それによって、推進要素に対して押圧されボールベアリングで支持された可動要素に運動を伝達する。しかし、この構造の比較的高価なボールベアリングを使用することは不利である。滑りベアリングの使用は、アクチュエーターによって発生した、または摩擦接触を通じて伝達された回転力に匹敵するベアリングの摩擦損失を含む。ボールベアリングの使用の必要性はモーターをさらに複雑化し、その構造空間とその製造コストを増大させる。さらに、鋼製ボールベアリングが用いられるならば、それらのモーターは非磁性用途に利用することは不可能である。

したがって、本発明はリニア超音波モーターの物理的サイズを減少させ、その効率を高めることを目的とする。

本発明の目的の解決は特許請求項１に定義した特徴の組合せによって達成される。本発明は、被駆動要素とその保持具間の線形滑り／摩擦接触を有するリニア圧電超音波モーターに基づくもので、被駆動要素の保持具に超音波振動を励起させ、被駆動要素と保持具間の摩擦が低減される。

音響振動発生器を備える圧電プレートまたは円筒状部品の形で実施される超音波振動子と、被駆動要素と摩擦的に相互作用し保持具中に配置された摩擦要素とを含むリニア圧電超音波モーターにおいて、前述の保持具は被駆動要素を取り囲む少なくとも１個の弾性クランプの形で実施される。このクランプは超音波振動子に固定され、音響伝導性材料から作られる。

被駆動要素の保持具が超音波振動子に固定され音響伝導性材料から作られるため、超音波振動子によって発生した超音波振動は保持具中で強く共励起されてそれを通過する。保持具中に超音波振動が存在することは、被駆動要素と保持具間の摩擦力を低減し、これによって、さもなければ必要とされたであろうリニアボールベアリングの使用が削減される。これは製造を容易にし、モーターの物理的サイズと製造コストを縮小する。

モーターの様々な製造実施形態において、クランプは丸い断面を有する金属ワイヤまたは矩形断面を有する金属紐から作ることができる。これはクランプの音響抵抗を超音波振動子に良好に一致させ、ならびにモーターの振動子に対する被駆動要素の接触力の正確な調節が可能になる。

他の代替のモーターにおいて、被駆動要素はさらに矩形、三角形、円形、または平坦な面を有する半円のロッドの形に作ることができる。

これは被駆動要素の異なる製造技術を用いることを可能にし、したがって、それぞれの用途のために必要な製造精度が達成される。

本発明による超音波モーターの他の実施形態において、被駆動要素は、それに固定された保持具を備える超音波振動子がそれに対して変位可能である静止案内軌道として実施することができる。

モーターを、案内軌道に沿って動くことのできるキャリッジの形で設計することができるので、これは本発明のモーターの用途を広げる。

本発明を例示的実施形態によっておよび図面を参照してさらに詳細に説明する。

図１、２、３に示した本発明による超音波モーターは、キャリア２中の音響伝導性支持部３上に搭載された超音波振動子１からなる。超音波振動子１は、例えば、音響振動発生器５を含む圧電プレート４として実施される。被駆動要素８の摩擦表面７と摩擦的な相互作用を行う摩擦要素６は圧電プレート４に、またはその上に搭載される。

本発明のモーターの様々な選択肢によれば、１個、２個、またはそれ以上の摩擦要素６を圧電プレート４上に配置することができ、図４の配置９または１０に見ることができる。

振動子１はその上に搭載された発生器５ならびに１個または２個の摩擦要素６を備える円筒状シェル部品３１として実施することができ、図５に示される。

音響振動発生器５は励起電極１１、共通電極１２、およびその間に配置された圧電セラミックプレート４からなる。

被駆動要素８は、この要素を取り囲むクランプまたは弓の形で実施される特殊な保持具１３中に搭載される（図６参照）。

クランプ１３は、音響伝導性材料、例えば金属ワイヤ、円形または矩形断面を有する金属紐から作られる（図６、配置１４、１５、１６）。例えば、温度処理された鋼または青銅を保持具１３の材料として用いることができる。

被駆動要素８は、矩形、三角形、円形、または平坦な面を有する半円の断面を有するロッドの形状を有することができ、図７、配置１７、１８、１９、２０に示される。金属またはセラミック、例えば、温度処理された炭素鋼、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、窒化ケイ素等の材料のいずれも被駆動要素として用いることができる。

保持具１３は振動子プレート４またはその表面に堅固に取り付けられる。この目的のために、保持具１３の端部２１（図６）は、固体エポキシ接着剤で溶接（図３）または接着（図８）によって接着して電極１１、１２に固定される。

図９は円筒状シェル部品３１の形の振動子１を含む本発明による超音波モーターを示す。

図１０は、互いに機械的ブリッジ２３によって接続された２個の被駆動要素８を含む本発明によるモーターの代替の構造を示す。

モーターのさらに他の代替の実施形態（図１１参照）において、被駆動要素８は保持具２４によって装置の筐体（図示されない）に対して静止して搭載することができる。この選択肢によれば、被駆動要素は案内軌道２５の形で実施される。動かされる要素が取り付けられる（図示されない）保持具２６を備える振動子１は、この場合、案内軌道に対して可動に搭載される。

モーターの他の代替構造において、例えば携帯写真電話機のための自動焦点合わせを提供するために、光学レンズ２７が被駆動要素８上に搭載される（図１２参照）。

図１１は、電気的励起源２８を含む本発明によるモーターの電気配線図を示す。回路は供給電圧を切断するためのスイッチ２９と被駆動要素の動き方向を逆転するためのスイッチ３０を含む。

図示された本発明による超音波モーターは以下のように動作する。

スイッチ２９（図１３）が起動されるとき、電気的励起源２８から音響振動発生器５の電極１１、１２に電気交流電圧が供給される。それによって交流電圧の周波数は振動子１の動作周波数に一致する。励起電圧は振動子中に音響定常波が発生するように、発生器５を励起する。振動子の長い前面に搭載され摩擦表面７に対して押圧された推進要素６は振動を開始し、それによって被駆動要素８を動かす。推進要素の運動通路は、長円、円、または前面と所定角度を形成する直線の形とすることができる。運動通路の形は、振動子の幾何形状寸法に応じ、励起された定常波の種類を画定する。

電極１１、１２の表面に位置する点は、下部に位置する振動子プレート４の点と同じ振幅で振動する。したがって、高周波振動も電極１１、１２に固定された保持具１３中を進む（図１〜３参照）。保持具１３が音響伝導性材料から作られるので、それは超音波の導波器として働く。保持具の特殊な曲がり形状のため、（図６参照）縦および曲げ振動の両方がその中に存在する。さらに、振動子１と保持具１３間の階段状接合のため、保持具の振動振幅の増幅が起きる。保持具１３の振動は保持具と被駆動要素間の摩擦損失を低減する。

２個の摩擦要素、２個の被駆動要素８、および２個の保持具（図１０）（図４、配置１０）を備えるモーターの選択肢では、その摩擦力は両方の保持具において減少する。

被駆動要素の異なる実施形態は本発明によるモーターに利用することができる。いくつかの例示的実施形態が図７に示される。

円筒状シェル部品の形の振動子１の実施形態は（図５、図９）、本発明のモーターを円筒状形状、例えば対物レンズを有する装置に用いることを容易にする。

案内軌道２５の形の被駆動要素８の実施形態は、図１０に示したように、可動スライドとしてのモーター構造を可能にする。

対物レンズ（図１０）または複数の調節可能なレンズを備えるこの種類の他の光学装置における本発明によるモーターの使用は、共通軸に沿って各単一モーターを放射状に配置することを可能にする。これは全体の製造を容易にし、装置の物理的サイズを低減する。

例えば、ベリリウム青銅の保持具１３および酸化アルミニウムの被駆動要素８の製造は、非磁性リニアモーターの製造を可能にする。

本発明によるモーターの機能試験をいくつかの試作品で実施した。例えば、幾何形状寸法が１８×８×３ｍｍ^２の振動子１とベリリウム青銅から作られた保持具１３を含む直径０．５ｍｍの超音波モーターを作製した。被駆動要素８として、硬化鋼から作られた直径３ｍｍのロッドを用いた。電気交流電圧３．６Ｖの特別に開発した励起源２８を励起に用いた。モーターから引き出される電流は０．１５ｍＡであった。機能試験の間、モーターは２０ｍｍの行程で６６００００運動サイクルの機能期間を示した。機能期間の外挿によって、約１８年の寿命が示唆される。

超音波モーターの一実施形態の斜視図である。 モーターの側面図である。 モーターの側面図である。 圧電プレートの形の振動子の第１選択肢を示す図である。 円筒状シェル部品の形の振動子の第２選択肢を示す図である。 振動子保持具の代替の実施形態を示す図である。 被駆動要素の選択肢を示す図である。 金属紐から作られた保持具を備える超音波モーターを示す図である。 円筒状シェル部品の形の振動子を備えるモーターを示す図である。 ２個の被駆動要素を備えるモーターを示す図である。 静止被駆動要素を備えるモーターを示す図である。 本発明によるモーターの例示的用途を示す図である。 本発明によるモーターの電気配線を示す図である。

符号の説明

１ 超音波振動子
２ キャリア
３ 音響絶縁支持部
４ 圧電プレート
５ 音響振動発生器
６ 摩擦要素
７ 被駆動要素の摩擦表面
８ 被駆動要素
９ 振動子１の製造の例示
１０ 振動子１の製造の例示
１１ 励起電極
１２ 共通電極
１３ 被駆動要素８の保持具
１４ 保持具１３の代替構造
１５ 保持具１３の代替構造
１６ 保持具１３の代替構造
１７ 被駆動要素８の代替構造
１８ 被駆動要素８の代替構造
１９ 被駆動要素８の代替構造
２０ 被駆動要素８の代替構造
２１ 保持具１３の端部
２２ 軟らかい半田液滴
２３ 弾性ブリッジ
２４ 案内軌道２５の保持具
２５ 案内軌道
２６ 可動要素の保持具
２７ 光学レンズ
２８ 電気的励起源
２９ スイッチ
３０ 運動方向の逆転スイッチ
３１ 円筒状シェル部品

Claims (4)

1. 圧電プレートまたは圧電素子の円筒状シェル部品の形で実施される超音波振動子と、音響振動を発生するための発生器と、被駆動要素と摩擦的に相互作用する摩擦要素とを含むリニア圧電超音波モーターであって、
   被駆動要素（８）が少なくとも１個の弾性クランプまたは弓の形の保持具（１３）によって取り囲まれ、保持具（１３）の端部（２１）が超音波振動子に接着剤で固定され、保持具（１３）が音響伝導性材料から作られ、
   被駆動要素（８）の摩擦表面（７）に対して押圧された摩擦要素（６）の振動により摩擦要素（６）が動作し、前記保持具（１３）の振動が、保持具（１３）と被駆動要素（８）間の摩擦損失を低減するように作用することを特徴とするリニア圧電超音波モーター。
2. 前記保持具（１３）が、丸い断面の金属ワイヤまたは矩形断面の金属紐から作られることを特徴とする請求項１に記載のリニア圧電超音波モーター。
3. 前記被駆動要素（８）が、矩形、三角形、円形、または半円の断面と平坦な摩擦表面（７）のロッドの形状を有することを特徴とする請求項１または２に記載のリニア圧電超音波モーター。
4. 前記被駆動要素（８）が、それに固定された保持具（１３）を備える超音波振動子がそれに対して動かされる静止案内要素（２５）であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のリニア圧電超音波モーター。

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