JPH0488890A - 超音波モータ - 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】 〔発明の概要〕 圧電セラミック材からなる圧電振動子を用いて該圧電振
動子を固着した弾性振動体の表面に弾性表面波を発生さ
せ、この表面波を利用して移動体を駆動する超音波モー
タ、特にその弾性振動体と移動体との間に摩擦力を発生
させるための圧接手段に関し、 弾性振動体と移動体間の圧接機構を不要とした回転型及
びリニア型超音波モータ、特にリニア型については、鉛
直方向、逆さづり状態での直進移動も容易に可能とする
超音波モータを提供することを目的とし、 圧電振動子を弾性振動体の一面に接着、固定し、該圧電
振動子に交流電圧を印加して該弾性振動体の他面に進行
波を発生させ、該他面に圧接させた移動体を直線移動ま
たは回転移動させる超音波モータにおいて、弾性振動体
と移動体のうち一方を軟磁性材料とし他方を永久磁石と
する、またはその逆にする構成とする。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、圧電セラミック材からなる圧電振動子を用い
て該圧電振動子を固着した弾性振動体の表面に弾性表面
波を発生させ、この表面波を利用して移動体を駆動する
超音波モータ、特にその弾性振動体と移動体との間に摩
擦力を発生させるための圧接手段に関する。

超音波モータは応答性が高い、磁力線が出ない、など従
来の電磁モータにない特徴を持っている。

そのため各方面で開発が進められ、回転型については製
品化が進められている。しかし、リニア型については駆
動メカニズムが複雑であること、即ち弾性振動体表面上
に、移動体の駆動に有利な進行波を発生しに（いことな
どにより、製品化が立ち遅れている。一部において、弾
性振動体表面において表面波として発生し易い定在波を
利用して移動体を駆動するりニアモータも開発されてい
るが、一方向のみの移動であるため、応用面で限定され
ている。そこで、超音波モータの特徴を活かしたりニア
モータの製品化が広く求められ、特に需要の多様化、複
雑化に対応して２次元、３次元移動が可能となるリニア
型超音波モータが望まれている。また、電磁式モータに
比べて構成部品点数が少ないという利点があるが、さら
に、この優位性を示すことにより、回転型についても電
磁モータとの置き換えが進むものと期待されている。

〔従来の技術〕

超音波モータは、撓み振動を発生させる弾性振動体と、
これに強（圧着して移動する移動体から成っている。進
行波型超音波モータは、この撓み振動を利用して弾性振
動体表面に進行波を発生させ、移動体を移動させている
。撓み振動は、弾性振動体の面のうち移動体と接触しな
い面（移動体との接触面の対面側）に圧電振動子を接着
固定し、この圧電振動子に正弦波状電圧を印加すること
で発生するものである。圧電振動子は圧電セラミックス
を母材としてその任意面に電極を設け（−船釣には銀電
極の焼付）さらに分極処理等を施すことによって造られ
る。薄板状の圧電振動子を第５図に示す。

第５図で５１は圧電セラミックス、５２はその表、裏面
に焼付けられた銀電極であり、（ａ）はこれを表面側か
ら見た図、（ｂ）は側面から見た図、（Ｃ）は裏面から
見た図である。なおこ＼で表、裏面は便宜上そのように
呼んでおり、圧電セラミックス５１の一面、他面を指す
。図示のように中央には表、裏面ともは＝’ｌ／４波長
の幅の電極があり、その左右は裏面では単一の電極、表
面でははマ１／２波長の幅の複数個の電極になっている
。これら表、裏面の電極に高電圧を加えて分極処理し、
＋で示すように分極させる。この士、−は分極方向を示
しており、例えば＋はある極性で電圧を印加されるとき
幅方向（第５図で左右方向）で伸び、−は縮む。逆極性
で電圧が印加されるときはこの逆である。

か＼る圧電セラミックス（圧電振動子）を弾性体の一面
に、前記表面側が該一面に当接するようにして接着し、
電極に電圧を印加すると前記収縮、伸長が生じ、この結
果弾性体の他面が隆起、陥没し、振動が発生する（振幅
はμｍオーダー）。

この圧電振動子において、電極を同一パターンで焼付け
ただけでは、分極処理後、弾性振動体に接着して交流電
圧を印加しても進行波は発生せず、定在波のみ発生する
。進行波を発生させるためには、２種類の定在波を合成
する工夫を要する。そのため、圧電振動子にＡ、Ｂ２グ
ループの電極群を設け、それぞれの電極群間の距離を、
分極させる電極の幅によって決まる波長の１／４波長だ
け空間的にずらすことと、それぞれの電極群に印加する
交流電圧の位相を９０°だけ時間的にずらすことが一般
に行なわれる。この原理図を第６図に示す。（ａ）は圧
電セラミックス５１の裏面の電極を単一体とし、表面の
電極をほずλ／２の多数とし、これを弾性振動体の一面
に固着し、弾性振動体５３（従って圧電セラミックス５
１の表面側電極）と圧電セラミックス５１の裏面電極と
の間に交流電圧ＡＣを印加したものである。交流電圧の
正負極性によって、前記子、−に分極した各部分が収縮
／伸長、その逆の伸長／収縮を行ない、弾性振動体５３
の他面に隆起／陥没の振動が発生するが、これは定在波
で、腹の部位は常に腹、節の部位は常に節である。

第６図（ｂ）は第５図の圧電振動子を弾性振動体５３の
一面に固着し、弾性振動体５３（従って圧電セラミック
ス５１の表面電極）と圧電セラミックス５１の裏面の一
方の例えばＡグループの電極との間に交流電圧ＡＣを、
また他方、本例ではＢグループの電極との間に移相器５
４で９０°移相した交流電圧を印加したものである。こ
れで圧電セラミックス５３の表面に、ピーク（隆起部）
、バレー（凹陥部）が左方または右方へ進行して行く進
行波が発生する。これは回転磁界、移動磁界の発生原理
と同種のものであり、従って任意のｎ相交流電源、λ／
ｎずらして配置したｎ群の圧電振動子で発生できる。

進行波発生法は、円板及び円環状の圧電振動子を用いた
回転型超音波モータについては表面波の伝播面が一様な
連続面であるため、比較的安易な方法であるが、リニア
型超音波モータにおいては、表面波の伝播面が一様な連
続面を造ることが困難であることから、比較的離しいの
が現状である。

そこで、弾性振動体と移動体が接触する面（移動に要す
る進行波を必要とする面）に常に進行波を発生させるた
めに、弾性振動体形状を連続面を有するキャタピラ状、
またはレーストラック状にすることが本発明者らによっ
て提案されている。

これらの方法によって発生した進行波は、弾性振動体と
移動体との摩擦力によって移動体を直進移動もしくは回
転移動させる。即ち、弾性振動体の進行波発生面の各点
は楕円運動（この回転方向は、ピーク点では進行波の進
行方向と逆）を行ない、上下運動成分と共に水平振動成
分を持つので、移動体が圧接され、弾性振動体との接触
部に摩擦力が働けば、移動体は進行波の進行方向と逆の
方向に移動する。従って超音波モータとしては弾性振動
体と移動体を圧接させる機構を要し、その圧接力の程度
により、発生トルクが左右されることとなる。圧接力発
生機構の構成としては回転型については皿バネ等を用い
て比較的容易に実現できるが、リニア型においてはこの
圧接機構が複雑になり、２次元、３次元の移動を困難と
している。

第７図に回転型超音波モータの従来例を示す。

この第７図で（ａ）は正面図、（ｂ）は概略断面図、（
Ｃ）は斜視図である。これらの図で６０は裏面に圧電振
動子６２を接着固定した弾性振動体で、６１は移動体（
回転体）である。弾性振動体６０と移動体６１は皿バネ
６３を利用した圧接機構によって圧接され、弾性振動体
と移動体の接触面において発生する摩擦力によって移動
体が回転する。６４は軸受け、６５は回転軸６８に直角
な支持板、６９は回転軸６８に平行な支柱で、これらが
上記圧接機構を構成する。このモータの回転速度は例え
ば１１００ｒｐで、サイズは１０１１ａなど、用途とし
てはロボットアームの駆動などが考えられている。

リニア型の場合はこの圧接機構が移動体の移動に伴って
移動するか、もしくは広い範囲に渡って圧接を可能とす
る機構にする等の工夫が必要となり、構造が複雑になる
。

〔発明が解決しようとする課題］ 超音波モータの駆動原理によれば、弾性振動体と移動体
との間の摩擦が移動メカニズムの大きな要素となってい
ることから、弾性振動体と移動体間の圧接機構はトルク
発生用モータとして欠くことのできないものとなってい
る。モータが回転型である場合、移動体は所定のエリア
を回転するのみであるため、圧接機構は該エリアで弾性
振動体と移動体が一様に接触するように移動体全体を一
定圧で押しつけていればよく、比較的問題は少ない。た
だ、圧接機構を設けるために部品点数が増えることが問
題となる。モータがリニア型である場合、移動体はその
直進方向で広範囲に移動するため、その広範囲で常に同
じ圧接力で移動体を弾性振動体に圧接させることは圧接
機構を極めて複雑化し、大がかりなものとしてしまうば
かりでなく、機構の部品点数も増加させてしまう問題点
を含んでいる。

本発明は、弾性振動体と移動体間の圧接機構を不要とし
た回転型及びリニア型超音波モータ、特にリニア型につ
いては、鉛直方向、逆さづり状態での直進移動も容易に
可能とする超音波モータを提供することを目的としてい
る。

［課題を解決するための手段］ 第１図は本発明の原理図である。第１図（ａ）において
、■は鉄の如き軟磁性材料からなる弾性振動体で、２は
永久磁石と成りえる強磁性材料からなる移動体である。

圧電振動子３は弾性振動体の、移動体と接触する面の裏
側に接着固定されている。

ここで、弾性振動体１と移動体２は磁気吸引力により引
きつけ合い、圧接した状態となっている。

尚、弾性振動体と移動体の接触する面については、摩耗
粉が磁石側に吸引され、表面を傷つけたりすることのな
いように、耐摩耗性の高い非磁性の材料４でコーティン
グする。

弾性振動体と移動体の材料については、上述の組み合わ
せを逆にして、第１図（ｂ）のように、弾性振動体１ａ
を強磁性材料（磁石）、移動体２ａを軟磁性材料として
もよい。Ｆは移動体の移動方向を示す。

［作用］ 本発明では、第１図に示すように、永久磁石と磁性体と
の吸着を利用するので、従来必要とされてきた圧接機構
を必要とせずに弾性振動体と移動体を圧接することがで
き、モータ構成が簡素化され、特にリニア型モータにつ
いては移動体の動きに対し干渉することなく圧接状態を
維持できることから、鉛直方向などの移動も容易になる
。

〔実施例］ 第２図に本発明の一実施例を示す。第２図は回転型超音
波モータを示し、（ｍｌは斜視回、（ｂ）は概略断面図
である。１０は軟磁性材料からなる弾性振動体、１１は
強磁性材料（永久磁石）からなる移動体（回転体）、１
２は弾性振動体の、移動体との接触面の裏側に接着固定
された圧電振動子、１３は弾性振動体と移動体の接触に
よる摩耗劣化及び周囲への影響をなくすために施された
耐摩耗性の高い非磁性のコーテイング材を示している。

尚、１４は出力用の軸で、弾性振動体１０に設置された
軸受により支持されている。１５は弾性振動体を支持固
定するベース、１６はケースである。前述の圧電振動子
に設けられた２グループの電極に対し互いに９０°位相
のずれた交流電圧を印加して弾性振動体１０の表面に進
行波を発生させ、移動体１１を回転させる。第２図にお
いて、弾性振動体１０を強磁性材料（永久磁石）からな
るものとし、移動体１１を軟磁性材料からなるものとし
た回転型超音波モータも同様に実現できる。

本発明による回転型超音波モータでは、弾性振動体と移
動体（回転体）間の圧接力を弾性振動体と移動体間に作
用する磁気吸引力で発生ずために、特に圧接機構を設け
る必要がなくなる。

第３図は本発明の他の実施例として、圧電振動子を弾性
振動体に接着固定したタイプのリニア型超音波モータを
示す。２０は軟磁性材料からなる弾性振動体、２１は強
磁性材料（永久磁石）からなる移動体、２２は弾性振動
体２０の、移動体との接触面の裏面に接着固定された圧
電振動子、２３は耐摩耗性の高い非磁性のコーテイング
材、２４は弾性振動体を支持固定するベースである。こ
こで、弾性振動体２０は、移動体との接触面に進行波を
発生させるために、−周において平行な直線部を有する
キャタピラ状の楕円軸線形もしくはレーストラック状の
形状をしている。移動体２１の駆動については、回転型
と同様に圧電振動子２２に設けた２グループの電極群に
対し、位相が９０°ずれた交流電圧を印加して弾性振動
体表面に進行波を発生させ、移動体を直線移動させる。

５４はその９０°移相器、ＡＣは単相交流電源である。

Ｆは移動体２１の移動方向を、■は鉛直方向を示す。第
３図（ａ）では移動体２１は弾性振動体２０に乗って吸
着して水平方向に移動し、同図（ｂ）では直線部が鉛直
方向に置かれた弾性振動体２ｏの該直線部に吸着して上
下方向に移動し、同図（Ｃ）では直線部が水平方向に置
かれた弾性振動体２ｏの該直線部に吸着、吊下した状態
で水平方向に移動する。これらの吸着力はいずれも、磁
石２１と磁性体２０との間の発生する磁気吸着力にょる
。

第３図において、弾性振動体２ｏを強磁性材料（永久磁
石）からなるものとし、移動体２１を軟磁性材料からな
るものとしたリニア型超音波モータも同様に実現できる
。

このタイプのモータでは、移動体２１の移動領域が弾性
振動体２０の大きさによるものの、弾性振動体と移動体
との圧接機構の制約を受けずに移動体が直進できるため
、弾性振動体の置かれた状態により、鉛直方向や重力に
対し逆さ釣りの位置での移動も可能となる。従ってレー
ストラック状の弾性振動体２０を移動体が周回運動する
ことも可能である。

第４図は他の実施例として、圧電振動子を移動体に接着
固定したタイプのリニア型超音波モータを示す。本例で
は移動体は自身が励振源となる弾性振動体を兼ねている
。ここで、移動体形状は弾性体との接触面において進行
波を発生させるために、−周において平行な直線部を有
するキャタピラ状の楕円輪線形をしている。第４図にお
いて、３０は軟磁性材料からなる剛体化された弾性体、
３１は強磁性材料（永久磁石）からなる移動体である。

圧電振動子３２は移動体３１の、弾性体３０との接触面
の裏側に接着固定されている。３３は耐摩耗性の高い非
磁性のコーテイング材を示している。この構成において
１．２グル一プ群の電極を持つ圧電振動子３２に対し、
位相が９０°ずれた交流電圧を印加して移動体表面に進
行波を発生させることにより、弾性体３０が固定である
ため、移動体３１自身が移動することとなる。移動状態
では第４図（ａ）（ｂ）Ｉ：Ｃ）は第３図（ａ）　（ｔ
）’）　（Ｃ）と同様である。

第４図において、弾性体３ｏを強磁性材料（永久磁石）
からなるものとし、移動体３１を軟磁性材料からなるも
のとしたリニア型超音波モータも同様に実現できる。

このタイプのモータでは、移動体は、圧接機構による制
約を受けないほか、自身が弾性振動体となっていること
がら、弾性体側からの振動の影響を受けず、自由に移動
することが可能となる。

永久磁石の磁化の方向は、磁気吸着力が生じるなら任意
の方向でよい。複数個に分割して各々の方向が異なるよ
うにしてもよい。第４図の剛体化した弾性体３０を永久
磁石とする場合は、この分量、ＮＳ交互型が適当である
。

〔発明の効果〕

以上説明した様に、本発明によれば移動体と弾性振動体
もしくは移動体と弾性体との間の圧接をそれぞれ片方を
強磁性材料（永久磁石）、他方を軟磁性材料とすること
による磁気吸引力を利用して行うため、従来必要とした
圧接機構を不要とし、超音波モータの構成を簡素化する
ことが可能となる。また、特にリニア型超音波モータに
おいて、移動の自由度が増し、鉛直方向や重力に対し逆
さ釣りの状態での移動が容易になるなどの効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理図、 第２図、第３図、第４図は本発明の実施例１２．３の説
明図、 第５図は圧電振動子の説明図、 第６図は移動体の移動原理の説明図、 第７図は従来の回転型超音波モータの説明図である。 第１図で１は弾性振動体、２は移動体、３は圧電振動子
、４はコーティングである。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. １．圧電振動子（３）を弾性振動体（１）の一面に接着
   、固定し、該圧電振動子に交流電圧を印加して該弾性振
   動体の他面に進行波を発生させ、該他面に圧接させた移
   動体（２）を直線移動または回転移動させる超音波モー
   タにおいて、 弾性振動体と移動体のうち一方を軟磁性材料とし他方を
   永久磁石とすることを特徴とする超音波モータ。
2. ２．弾性振動体は、レーストラック状の、直線部を持つ
   無端状であることを特徴とする請求項１または２記載の
   超音波モータ。
3. ３．圧電振動子を、レーストラック状の、直線部を持つ
   無端状移動体の内面に接着、固定し、該圧電振動子に交
   流電圧を印加して該移動体の外面に進行波を発生させ、
   該他面を剛体化した弾性体に圧接させて該移動体を移動
   させる超音波モータにおいて、 該移動体と該弾性体を、一方は軟磁性材料、他方は永久
   磁石としたことを特徴とする超音波モーた。
4. ４．移動体と弾性体の接触面に、非磁性材料からなる耐
   摩耗性のコーティング（４）を施したことを特徴とする
   請求項１〜４のいずれかに記載の超音波モータ。