JPH01206882A - 振動波駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、進行性振動波により駆動する超音波モータに
関するもので、とくに、その振動体を構成する材質に関
すものである。

［従来の技術］ 超音波モータは、たとえば、特開昭５２−２９１９２号
公報にも開示されているように、電歪・圧電素子に交流
や脈流等の周波電圧を印加したときに生じる振動運動を
回転運動または一次元運動に変換するものである。この
超音波モータは、従来の電磁モータに比べて巻線を必要
としないため、構造が簡単で小型になり、低速回転時に
も高トルクが得られるとともに、慣性モーメントが少な
いという利点がある。そのため、最近ン主目されている
。

上記公報等で知られている従来の超音波モータは、振動
運動を回転運動等に変換するにあたり、振動体に生じた
定在振動波で、振動体と接触するロータ等の移動体を一
方向に摩擦駆動するもので、振動の往運動には振動体と
移動体が摩擦接触し、復運動には雛れるようになフてい
る。そのため、振動体と移動体は微小範囲で接触する構
造、すなわち、点もしくは線接触に近い構造でなければ
ならないので、いきおい摩擦駆動率の悪いものになって
しまう。

最近、この点を改良した超音波モータで、振動体に生じ
る進行性振動波によって移動体を摩擦駆動するものがあ
る。

第７図には、その超音波モータの要部の概略を示しであ
る。

第７図において、１は圧電素子で、強誘電体のセラミッ
ク、たとえば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）である
。２は振動体で、黄銅などの金属からなり、圧電素子１
を接着しである。振動体２は圧電素子１とともにフェル
ト４を介して基台９に保持されている。３は回転する移
動体で、軸受１２でブツシュ１４を介して固定軸１０に
回転可能に取付けられており、上部はねじになっている
。固定軸１０には、ブツシュ１４の上端にばね１６がは
められ、ナツト１８がワッシャ１７を介してねじ込まれ
ている。これにより、移動体３は振動体２に対して押し
つけられる。

第８図は圧電素子１と振動体２の関係を示している。圧
電素子１は複数個の素子１ａ、、ｌａ、。

ｌａ３．・・・および１ｂ１＋１ｂ２．１１１＋＋”’
接着されており、そのうち、−群の素子１ａｌ、１ａ２
．ｌａ３．・・・に対し、他の群の素子１ｂ＋、ｌｂ２
．ｌｂ３．・・・は振動波の波長λのｌ／４波長分だけ
ずれて配置される。該−群内の各素子１ａ、、ｌａ２．
ｌａ３．−・・は１／２波長のピッチで、相隣り合うも
のの分極極性が逆になるように配置されている。第８図
中の＋・−は極性を示している。もう一方の群内での各
素子１ｂ１゜１ｂ２．ｌ１１．・・・も同じく、１／２
波長のピッチで、相隣り合うものは逆極性である。圧電
素子１の前記各素子１ａ、、ｌａ２，１ａ３ｓ”および
１ｂ＋、１ｂ２，１ｂ３ｓ・・の下面には、電極が蒸着
もしくはスクリーン印刷等により形成されている。該素
子１ａ、、ｌａ２゜１ａ３．・・・の電極と振動体２の
間には、交流電源２０が接続される。その交流電源２０
には９０°位相器２１を介して素子１ｂ＋、ｌｂｚ、ｌ
ｂｚ、・・・に接続される。

なおこれら素子が並べられた大きさだけの大きさがある
一つの圧電素子にしても、それを前記のピッチに分極処
理してもよい。

第７図および第８図で説明した超音波モータで、一つの
群内の素子１ａ、、ｌａ、、ｌａ、、・・・には、電源
２０から■。ｓｉｎωｔの交流電圧を印加する。もう一
方の群の素子１１）、　、ｌｂ２．ｌｂ、　、・・・に
は、９０°位相器２１が接続されているため、Ｖ　ｏｃ
ｏｓωしの交流電圧が印加される。したがって、各素子
は相隣り合うものどうし分極方向に対し、　１８０°位
相がずれ二つの群どうし９０°位相のずれた交流電圧が
印加されて伸縮振動する。

この振動が伝えられて振動体２は電圧素子（電歪素子）
１の配置ピッチに従って曲げ振動をする。振動体２が一
つおきの素子の位置で出っ張ると、他の一つおきの素子
の位置が引っ込む。

一方、前述のように、圧電素子の一群は他の一群に対し
、１７４波長ずれた位置にあり、曲げ振動の位相が９０
°ずれているため、振動波が合成され、進行する。交流
電圧が印加されている間、次々と振動が励起されて、進
行性曲げ振動波となって振動体２を伝わっていく。

この時の波の進行状態が第９図（ａ）　、　（ｂ）　、
　（ｃ）　。

（ｄ）　　に示しである。

いま、進行性曲げ振動波が矢印Ｘ方向に進むとする。Ｏ
は静止状態における振動体２の中心面で、振動状態では
鎖線６（中立面）の状態となり、この鎖線６で示される
中立面は曲げによる応力がつり合っている。この中立面
と直交する断面７についてみると、これら二面の交線５
で応力がかからず、上下振動しているだけである。同時
に断面７は交線５を中心として左右の１辰っ子振動して
いる。第９図（ａ）に示す状態では断面７と振動体２の
移動体３側の表面との交線上の点Ｐは左右振動の右死点
となっており、上方向運動だけしている。振り子振動は
交線５が波の正側では（中心面Ｏの上側にあるとき）左
方向（波の進行と逆方向）の応力が加わり、波の負側で
は（中心面Ｏの下側にあるとき）右方向の応力が加わる
。すなわち、第９図（ａ）で交線５°　と断面７′が前
者のときの状態で点Ｐ゛は応力Ｆ゛が加わり交線５°゛
と断面７”が後者のときの状態で点Ｐｎは応力Ｆ”が加
わる。波が進行し、第９図　（ｂ）に示すように、波の
正側に交線５がくると、点Ｐは左方向の運動をすると同
時に上方向の運動をする。第９図（ｃ）で点Ｐは上下振
動の上死点で左方向の運動だけする。第９図　（ｄ）で
は左方向の運動と下方向運動をする。さらに、波が進行
し、右方向と下方向の運動、右方向と上方向の運動を経
て第９図（ａ）の状態に戻る。

この一連の運動を合成すると、点Ｐは回転楕円運動をし
ている。第９図（ｃ）に示すように、点Ｐが移動体３と
接する線では、点Ｐの運動によって移動体３が矢印Ｘ°
力方向摩擦駆動される。

以上が超音波モータの原理である。ここで、本発明に関
することは、振動体２の材質であるが、この分野では、
まだ研究段階であり、従来技術と言える例が、きわめて
少ないが、数少ない研究発表では、振動体用金属材料と
して、黄銅やりん青銅が使用されているが報告されてい
るにすぎない。

これらの金属材料の選定は、加工性、市場性および小さ
い振動減衰性の点で行なわれていると考えられる。しか
し、これらの金属材料の熱膨張係数は１９ｘ　１０１０
−６ｄｅ’程度であり、一方、接着剤で貼りつけられる
圧電セラミックの引力向（分極と直角方向）のそれは４
　Ｘ　１０−６〜１０ｘ　１０−’ｄｅｇ−’　という
ように小さい。このように、熱膨張係数が８　ｘ　１０
１０−６ｄｅ’以上の差のある材料どうしを貼り合わせ
ているのが現状である。

［発明が解決しようとする課題］ 前述のように、超音波モータにおいては、圧電素子１と
振動体２は接着されているが、圧電素子１の振動を確実
に振動体２に伝えるため、強固な接着剤が使用される。

強固な接着をするには、一般に熱硬化性の接着剤が使用
される。

そして、接着硬化をたとえ室温で行なっても、圧電素子
１と従来の黄銅製の振動体２とは、熱膨張係数が大きく
異なるので、使用する環境温度によっては、次のような
問題点が生じていた。

すなわち、圧電セラミックの３１方向の熱膨張係数６　
ｘ　１０−’ｄｅｇ−’　、黄銅のそれを１９Ｘ　１０
−’ｄｅｇ−’　とすると、たとえば、室温より低い一
３０℃というような環境下で超音波モータを使用すると
、熱膨張係数の大きい振動体２が余分に収縮して、振動
方向に湾曲してしまう。すると、第１０図に示すように
、振動体２と移動体３とがうまく接触しなくなってしま
う。したがって、移動体３が振動体２によって充分摩擦
駆動されないため、駆動効率の悪いものとなってしまう
。

また超音波モータの効率という点では、せっかく生じた
振動エネルギーが熱エネルギーに変換しないような金属
材料を振動体２の材質として選定しなければならない。

このことは、振動減衰能の小さい、換言すれば、機械的
品質係数＝Ｑ値が大きい材料が望ましいわけである。

本発明は、上記のような問題点を解決しようとするもの
である。すなわち、本発明は、移動体が振動体によって
充分摩擦駆動されて、駆動効率が高く、かつ、振動エネ
ルギーが熱エネルギーに簡単に変換しない振動体を有す
る超音波モータを提供することを目的とするものである
。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明は、圧電素子の周波
電圧を印加し、該圧電素子に接着した振動体に生じる進
行性振動波によって、該振動体と接合するり動体を駆動
する超音波モータにおいて、該振動体をオーステナイト
系ステンレス鋼以外のステンレス鋼からなるものとした
。

［作　　用］ 本発明によれば、振動体がオーステナイト系ステンレス
鋼以外のステンレス鋼からなるので、該振動体の熱膨張
係数が圧電素子のそれとほぼ同じであり、また８！１域
的品質係数が大きいため、前述の問題点を解決すること
ができる。

さらに説明すると、まず、熱膨張ということについて考
えてみると、金属材料では、クローン力等に基づき、ポ
テンシャルエネルギーの低位の位置に原子が存在するこ
とにより、ある温度で原子間距離が決定する。そして、
温度変化にともなって、格子振動の振幅が変化し、同時
に全体のエネルギーが変化することで熱膨張または熱収
縮が生じるものとされているのがほとんどである。その
ため、平衡状態の金属であれば、格子間の原子の結合状
態もほぼ一定となり、元素組成が決定すれば、熱膨張係
数も固有の値をもつようになる。例外として、インバー
合金（Ｆｅ−３ｆｉ％Ｎｉ）のように磁気的作用で、偶
然３６％Ｎｉを含有した組成だけ低熱膨張係数を実現し
て、その前後のＮｉ含有量のものは、ともにより高い熱
膨張係数を示すものもある。この場合は同じＦｅ−３６
％Ｎｉでも、加工硬化の度合や、熱なまし温度の差によ
り、結晶粒径が異なっても熱膨張係数は変化する。

一方、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）のような圧電セ
ラミックの場合を考えてみると、分極していないＰＺＴ
では、熱膨張係数は強固に原子間結合力のため、せいぜ
いＩ　Ｘ　１０”’ｄｅｇ−’　というように小さい。

しかるに、分極したＰＺＴの別方向のそれが、５　Ｘ　
１０−’ｄｅｇ−’　になるのは、温度上昇に基づき、
可逆な分極解除がおこり、それにともなって、３１方向
の寸法増加が加わるからと考えられる。そのため、経時
変化の小さいＰＺＴは一般に熱膨張係数は小さくなる。

さて、さらに、ここで振動体として重要な特性値である
機械的品質係数＝Ｑ値について考えてみる。共振状態で
使用する超音波モータの振動体用材料としては、内部摩
擦による振動エネルギー減衰の小さい、つまりＱ値の大
きい金属材料が通しているといえる。そして、内部摩擦
の大きさは大部分の金属では転位の動きやすさによって
決まると考えられている。すなわち、一般に弾性限度内
といわれる歪の範囲でも転位が動くことにより、熱エネ
ギーが失し、その分だけ振動エネルギーが減少し、この
ことが超音波モータとしての効率の低下に関係している
。

ここで、転位を動きにくくする手段によって、大きなＱ
値を得る指針を原理に基づいて分類してみると、次のよ
うになる。

第１に、加工硬化により転位密度を高め、転位の堆積が
おこりやすくする。第２に、析出物・クラスター程度の
大きさの障害物を金属母相中に分散させることにより、
転位の穆動がおこりにくくする。ただし、この場合はオ
ロワン機構により、転位が障害物をぬけることができる
うえ、その障害物に当るまで自由に転位は動くことがで
きる。第３に、炭素元素のように、小さい元素を加える
ことで、格子内に侵入型元素を存在させる。これは適切
な熱処理を施すことにより、コットレル雰囲気を作り、
転位を固着させる。

そこで、本発明では、熱膨張係数がＩＯＸ　１Ｏ−６ｄ
＋、ｇ−’前後でＱ値が後述する測定法において、１５
００以上のステンレス製振動体を有する超音波モータと
している。

［実施例］ まず、超音波モータとしての評価を行なう前に、８組成
、９種類の材質の金属を短冊状試片に切り出して、その
一部に圧電素子を貼りつけた試片で予備実験を行なった
。それにより各金属のＱ値を求めた。具体的な測定方法
を次に記述する。

使用した金属の組成は、マルテンサイト系ステンレスｍ
　（ＪＩＳ　５ｔｌＳ　４２０　Ｊ２）、インバー（Ｆ
ｅ−３６，５％Ｎｉ）　、黄銅（ＪＩＳ　Ｃ２６００）
、リードフレーム用材料（Ｆｅ−４２％Ｎｉ）　、Ｍｏ
添加低炭素フェライト系ステンレスｍ（ＪＴＳ　５１１
Ｓ４４４）　、低炭素フェライト系ステンレス鋼（ＪＩ
Ｓ　ＳＵＳ　４３０Ｌ）、フェライト系ステンレス鋼（
ＪＩＳ　ＳＯ５４３０）　、低炭素マルテンサイト系ス
テンレス鋼（ＪＩＳ　５ｔｌＳ　４１０Ｌ）の８材質で
、５１１５４２０Ｊ２だけは焼入・焼戻ししたものと、
焼なまししたものの２種類の熱処理状態で用意した。

つぎに、それらの各金属を′１ｆＪ１図のように、長さ
２ＱｍｍＸ幅６ｍｍＸ厚さ３ｍｍの大きさに切り出して
圧電素子を貼りつける前記２９ｍｍＸ　６１１１ｍの片
面だけは最大表面粗さが０．５μｍになるようにラップ
したものを金属試片２２とした。

一方、圧電素子としてはＰＺＴ圧電セラミックを使用し
、第２図に示すように、長さ９ｍｍＸ幅ｓｍｍｘ厚さ０
．５＋ａｍの大きさに切断て研削加工を施したものを圧
電セラミック試験片２３とした。

なお研削によって表面粗さは最大３μｍになっていた。

その後、この圧電セラミ・ンク試片２３の前記９ｍｍｘ
ｓｍｍの両面に銅電極を蒸着によって形成させ、１２０
℃の絶縁油中で１．５ｋＶの直流電圧を印加し、１時間
かけて分極した。なお、この圧電セラミックの圧電特性
をインピーダンスアナライザーを用いて調べてみると、
圧電定類ｄ　３１＝１００　ｘ　１０−”ｍ／ｖ、機械
的品質係数Ｑ、＝１８００および電気機械結合係数に、
、＝（１，２４であった。

この圧電セラミックを第３図のように金属試片２２の前
記２９ｍｍｘ　６　ｎｕｎのラッピング面にエポキシ系
接着剤を用いて室温で２４時間かけて接着硬化させた。

こうして出来あがった圧電振動試片を用いて、第４図に
示す方法で、ホトニックセンサー２４を使用して振幅と
周波数の関係を示すグラフを導き、第５図の式からＱ値
を求めた。

このとき、振動を阻害する因子を極力少なくするため、
圧電振動試片は、厚さ５ｍｍのスポンジ２５の上に置ぎ
、少量の銀粉含有の導電性樹脂２６で直径０．０７ｍｍ
の細い導線２７を配線した。

以上の測定の結果を第１表に示す。第１表でＱ値の最も
高い金属は、焼入・焼戻ししたＳＯ５４２０Ｊ２であ）
た。なお焼なましした黄銅は６番目であった。

一方、同じマルテンサイト系ステンレス鋼でも、５１１
５４１０Ｌは最低であった。このことは、炭素成分の存
在が前述の転位の固着に大きな効果をもたらしていると
考えられる。

つぎに、焼入・焼戻ししたＳＯ５４２０Ｊ２　、焼なま
しした５１１Ｓ４２０Ｊ２および焼なましした黄銅（Ｃ
２６００）の３種類の金属を用いて製作した振動体を使
った超音波モータの特性を調べた。該モータの大きさは
、外径７７ｍｍ、内径６７＋ｎｍである。

なおそれら３種類の金属の熱膨張係数は、順に、１［１
ｘ　１０−’ｄｅｇ−’　、１０ｘ　１０−’ｄｅｇ−
’　、　１９ｘ１０−６ｄｅｇ−’である。

そのモータの主要部分の断面図を第６図に示す。

このモータの８波の進行波を発生するタイプのもので、
主に昇圧のため、圧電素子と直列に接続されているコイ
ルは１．５ｍ）Ｉで、コイル前の電圧は２９Ｖｐ−ｐで
ある。また駆動周波数は３４ｋＨｚ前後てあった。

以上、３種類の振動体を使った超音波モータのトルク−
回転数および入力測定の結果、第２表のとおりの数値が
得られた。

それによると、熱膨張係数が使用した圧電素子（８，３
ｘ　１０−’ｄｅｇ−’）とほぼ近い熱膨張係数を示す
マルテンサイト系ステンレス鋼製振動体を使った超音波
モータでは、とくに、低温の効率と起動トルクが黄銅製
振動体の超音波モータに比べて著しく優れていた。さら
に、室温、高温においても、マルテンサイト系ステンレ
ス鋼製振動体の超音波モータは黄銅製のものに比べて、
効率の点で優れ、とくに、焼入・焼戻ししたマルテンサ
イト系ステンレス鋼製振動体の超音波モータでは、Ｑ値
の高い効果が明瞭に表われ、各温度で、６〜８％高い効
率が゛得られた。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば振動体がオーステ
ナイト系ステンレス鋼以外のステンレス鋼からなるので
、該振動体の熱膨張係数が圧電素子のそれとほぼ同じで
あり、したがって、温度変化があっても、振動体と移動
体の接触が良好であって、常に駆動効率の高いものとな
り、かつ、機械的品質係数も大きいので、超音波モータ
の効率が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施するのに前置って予備実験を行な
った金属試片の説明図、第２図は同じく圧電セラミック
試片の説明図、第３図は同じく圧電振動試片の説明図、
第４図は該振動試片の試験方法の説明図、第５図は機械
的品質係数を求める式についての説明図、第６図は実験
を行なった超音波モータの主要部分の断面図、第７図は
一般の超音波モータを示した一部断面図、第８図は第７
図の圧電素子と振動体の関係を示した説明図、第９図（
ａ）　、　（ｂ）　、　（ｃ）　、　（ｄ）は同じく波
の進行状態についての説明図、第１０図は同じく振動体
と移動体の接触不良についての説明図、第１１図は同じ
く接触良好についての説明図である。 １・・・圧電素子　　　　　２・・・振動体３・・・ｆ
Ｊ動体　　　　　　４・・・フェルト２２・・・金属試
片 ２３・・・圧１セラミック試片 第１図　　　　　　第２図 第５図　　　　第６図 ａ＝（”；　ｆｒ ｆ２−　ｆ＋ 第１０図　　　　　　第１１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　圧電素子に周波電圧を印加し、該圧電素子に接着し
   た振動体に生じる進行性振動波によって、該振動体と接
   合する移動体を駆動する超音波モータにおいて、該振動
   体がオーステナイト系ステンレス鋼以外のステンレス鋼
   からなることを特徴とする超音波モータ。 ２　振動体が成分組成炭素０．２６〜１．２０％、クロ
   ム１２〜１８％を主要添加成分とするマルテンサイト系
   ステンレス鋼からなる請求項１記載の超音波モータ。