JPH066989A - 超音波リニアモータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】駆動源としての圧電素子の圧電縦効果に着目し
て、電気−機械変換効率が高く、しかも低電圧で駆動で
きる超音波リニアモータを提供することを目的とする。 【構成】圧電素子を駆動源とし、弾性体に縦振動および
屈曲振動を発生させて、それらの振動を合成し超音波楕
円振動を起こす超音波振動子１０と、この超音波振動子
１０の一部に押圧された被駆動部材２５とから成る超音
波リニアモータ２０において、上記超音波振動子１０は
弾性体１１の一部に少なくとも２つの積層型圧電素子１
２を接合したものであって、該各々の積層型圧電素子１
２の積層方向は同一方向であることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波リニアモータ、
詳しくは、積層型圧電素子等の電気−機械エネルギー変
換素子を駆動源として用いた超音波リニアモータに関す
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て次のような利点を有
している。

【０００３】（１）ギヤーなしで、低速・高推力が得ら
れる。

【０００４】（２）保持力が大きい。

【０００５】（３）ストロークが長く、高分解能であ
る。

【０００６】（４）静粛性に富んでいる。

【０００７】（５）磁気的ノイズを発生せず、また、該
ノイズの影響も受けない。

【０００８】上記超音波モータとして回転型とリニア型
とが知られている。上記リニア型の超音波モータとし
て、昭和６３年電子情報通信学会春季全国大会（ 2.12
縦−屈曲多重モード振動子利用平板状モータによる紙送
りデバイス）において発表されたものがある。（No.A-2
23（昭和 63.3 ））このリニア型超音波モータにおける
振動子は、図１３に示すように、たとえばステンレス鋼
板で形成させている弾性体１０１とシリコンラバー等の
支持体との間に３枚の圧電セラミック１０２，１０３，
１０４が接着されて構成されている。上記３枚の圧電セ
ラミック１０２，１０３，１０４のうち圧電セラミック
１０３はＬモード（縦振動モード）用、圧電セラミック
１０２，１０４の２枚はＢモード（屈曲振動モード）用
である。これらの両モードの共振周波数が一致するよう
な形状として、その共振周波数に対応する交番電圧をＬ
モードの圧電セラミック１０３およびＢモードの圧電セ
ラミック１０２，１０４に印加する。これらの交番電圧
の位相差を適当に設けることにより、図１１，図１２の
斜線で示された部分に超音波楕円振動を発生させること
ができる。

【０００９】そして、たとえば紙の被駆動体１０５を駆
動させるためには、押圧機構としてのプレッシャーロー
ル１０６を介して該被駆動体１０５を配置して超音波楕
円振動を発生させると、同被駆動体１０５を直線的に駆
動させることができる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の超音波モータには以下のような問題点があった。

【００１１】上述したように上記弾性体１０１には複数
枚、上記例では３枚の板状の圧電セラミック（たとえば
０．５ｍｍ厚）１０２〜１０４が接着されている。そし
て、この圧電セラミック１０２〜１０４の圧電横効果を
利用して振動が励起される。一般に圧電セラミックの該
圧電横効果における電気−機械結合係数はほぼ３０〜４
０％程度であり、圧電縦効果における電気−機械結合係
数がほぼ６０〜７０％であるのに比べかなり低い値であ
る。この電気−機械結合係数が低いということは、電気
−機械変換効率が低いモータということであり、また入
力電圧も数十Ｖrms から１００Ｖrms 程度の比較的高い
電圧が必要となる問題点が生じる。

【００１２】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであり、駆動源としての圧電素子の圧電縦効果に着目
して、電気−機械変換効率が高く、しかも低電圧で駆動
できる超音波リニアモータを提供することを目的とす
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明による超音波リニアモータは、電気−機械エ
ネルギー変換素子を駆動源とし、弾性体に縦振動および
屈曲振動を発生させて、それらの振動を合成し超音波楕
円振動を起こす超音波振動子と、この超音波振動子の一
部に押圧された被駆動部材とを具備する超音波リニアモ
ータにおいて、上記超音波振動子は弾性体の一部に少な
くとも２つの積層型電気−機械エネルギー変換素子を接
合したものであって、該各々の積層型電気−機械エネル
ギー変換素子の積層方向は同一方向であることを特徴と
する。

【００１４】

【作用】本発明においては、上記積層型電気−機械エネ
ルギー変換素子に互いに位相差を有する交番電圧（周波
数を超音波振動子の屈曲振動および縦振動の固有振動数
に一致させる）を印加し、該超音波振動子に超音波楕円
振動が発生して、同超音波振動子に押圧された被駆動体
がリニア駆動する。

【００１５】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。

【００１６】図１は、本発明の第１実施例の超音波リニ
アモータに適用される超音波振動子１０を示す斜視図で
ある。

【００１７】図に示すように上記超音波振動子１０は、
アルミニウム材に硬質アルマイト処理を施して形成した
弾性体１１を具備している。該弾性体１１の振動の節と
なる中央部の側面には円柱状の突起１３が貫設されてい
て、また該弾性体１１の両端部には上下両方に突出した
摩擦部１４が形成されている。さらに該弾性体１１の屈
曲２次振動の腹に当たる部分には矩形状の溝が形成され
ていて、該溝の形状とほぼ同寸法の積層型圧電素子１２
が該溝に嵌合して配設されている。

【００１８】上記積層型圧電素子１２は、たとえば０．
１ｍｍの厚さを有する圧電素子が、分極の向きが交互に
なるように積層され、対向する面において一層毎に電気
的に接続され、また、電気端子Ｇ，電気端子Ａ，Ｂが図
示の如く導出されている。なお、該積層型圧電素子１２
を上記溝に配設する際には、上記弾性体１１の溝を機械
的に拡げた状態で該積層型圧電素子１２を配設するの
で、最終的に同積層型圧電素子１２に与圧がかかった状
態で配設されている。

【００１９】図２は、上記超音波振動子１０を適用した
本発明の第１実施例である超音波リニアモータ２０を示
した側面図である。

【００２０】図に示すように、基台２１の上面中央部の
両側部には支持部２２が垂設されている。該支持部２２
の上面中央には上記突起１３の径に相応する半円形状の
凹部が形成されていて、該凹部と同型同大の凹部を有す
る押さえ部２３とで円形孔が形成されている。上記超音
波振動子１０は上記突起１３を上記円形孔に挿通してビ
ス２４を用いて固定保持される。

【００２１】一方、超音波振動子１０における上記２つ
の摩擦部１４の上面には、たとえばステンレス鋼材（焼
き入れ処理品）で形成された板状のスライダー２５が載
置され、該スライダー２５を挟んで上記摩擦部１４に対
向する位置に配設された２つの圧接ローラ２６により一
定の押圧力で該摩擦部１４に向けて圧接されている。上
記圧接ローラ２６はその軸との間にベアリング２７を介
し保持されていて、該軸は固定部２９に一端を固定され
たばね部材２８により押圧されている。

【００２２】次に、本第１実施例における超音波振動子
１０の動作について説明する。

【００２３】上記電気端子Ａと電気端子Ｂ（図１参照）
とに一定の位相差を有する±１０ＶP-P 程度の交番電圧
（周波数：ｆr ）を印加する。ここで、該交番電圧の周
波数は上記超音波振動子１０の１次の固有縦振動および
２次の固有屈曲振動の振動数とほぼ一致させる。

【００２４】図３（ａ）は上記超音波振動子１０の１次
の固有縦振動モードを示した線図であり、同図３（ｂ）
は該振動子１０の２次の固有屈曲振動モードを示した線
図である。上記超音波振動子１０はこれら１次の固有縦
振動と２次の固有屈曲振動の固有振動数とがほぼ一致す
るような寸法としてある。

【００２５】上記電気端子Ａおよび電気端子Ｂに同位相
の交番電圧を印加すると上記超音波振動子１０は上記図
３（ａ）に示すような１次の縦振動を行なう。また、該
電気端子Ａおよび電気端子Ｂに１８０°位相の異なる交
番電圧を印加すると該超音波振動子１０は図３（ｂ）に
示すような２次の屈曲振動を発生する。したがって上記
電気端子Ａおよび電気端子Ｂの位相差を±９０°近傍に
設定することで該超音波振動子１０の両端部に超音波楕
円振動を発生させることができる。

【００２６】このような超音波振動子１０を適用した本
発明の第１実施例の超音波リニアモータ２０は、該超音
波振動子１０の両端部、すなわち上記摩擦部１４に超音
波楕円振動を発生させることで、該摩擦部１４に押圧さ
れたスライダー２５が所定方向にリニア駆動される。ま
た、該スライダー２５の駆動方向を変えるには、上記電
気端子Ａおよび電気端子Ｂの位相を＋９０°から−９０
°、または−９０°から＋９０°に変化させれば良い。

【００２７】本第１実施例によれば、低電圧駆動可能な
電気−機械変換効率の高い平板状のコンパクトな超音波
リニアモータを提供できる。また、印加電圧の位相差も
±９０°に設定すれば良いのでコントロールし易い超音
波リニアモータを提供することができる。

【００２８】次に、上記第１実施例の変形例について説
明する。

【００２９】図４は、上記変形例の超音波リニアモータ
における超音波振動子３０を示した側面図である。

【００３０】この変形例の上記第１実施例との相違点
は、超音波振動子３０の弾性体３１における、圧電素子
１２と摩擦部１４との間に、上下面に図４に示す如く数
本の溝３２を形成した点にある。これにより、両端部で
の実効的なヤング率を低下させ、該両端部での振動振幅
を拡大させることができる。

【００３１】図５は、上記第１実施例のさらに別の変形
例における超音波振動子４０を示した側面図である。

【００３２】該変形例の上記第１実施例との相違点は、
超音波振動子４０の両端部の摩擦部４４を図５に示す如
くビス４５によって着脱交換可能に配設した点である。
これにより、該摩擦部４４がスライダー２５（図２参
照）との接触により劣化摩耗した場合交換することが可
能となる。また、該摩擦部４４は、図６（ａ），
（ｂ），（ｃ）に示すようにその形状を任意に変更する
ことができ、さらには、その質量を変化させることで共
振周波数の調整あるいは両端部の振幅の調整を行うこと
も可能となる。

【００３３】図７は、上記第１実施例のさらに別の変形
例における超音波振動子５０を示した側面図である。

【００３４】該変形例の上記第１実施例との相違点は、
弾性体５１の上下面に図７に示す如く４ヶの積層型圧電
素子１２を用いた点にある。これにより、モータ出力の
向上を図れるという利点が生ずる。

【００３５】次に、本発明の第２実施例の超音波リニア
モータについて説明する。

【００３６】図８は、上記第２実施例の超音波リニアモ
ータに適用される超音波振動子６０を示した側面図であ
る。

【００３７】この第２実施例の上記第１実施例との相違
点は、弾性体６１の中央部にも積層型圧電素子１２を設
けた点にある。

【００３８】図中、電気端子Ａおよび電気端子Ｂには１
８０°位相の異なった周波数ｆr の交番電圧を印加して
２次の屈曲振動を発生させる。また、電気端子Ｃに周波
数ｆr の交番電圧を印加し１次の縦振動を発生させる。
そして、上記電気端子Ａ（Ｂ）および電気端子Ｃに印加
する交番電圧の位相差をコントロールすることで、超音
波振動子６０の両端部に超音波楕円振動を発生させるこ
とができる。なお、超音波リニアモータとしての作用は
上記第１実施例と同様なのでここでの説明は省略する。

【００３９】このような第２実施例の超音波リニアモー
タによると、電気端子Ａ（Ｂ）と電気端子Ｃとの印加電
圧の大きさを調整することで屈曲振動と縦振動の振幅の
大きさを変化させることができる。これにより、超音波
楕円振動の楕円形状を任意にコントロールでき、超音波
リニアモータの動作が最も安定する楕円形状を設定する
ことが可能となる。

【００４０】次に、本発明の第３実施例の超音波リニア
モータについて説明する。

【００４１】図９は、上記第３実施例の超音波リニアモ
ータに適用される超音波振動子７０を示した側面図であ
る。

【００４２】この第３実施例は、たとえばシュウ酸アル
マイトによるアルマイト処理を施されたアルミニウム材
から成る弾性体７１の両端部には下方向けてに延出した
摺動部７４が形成されている。また、該摺動部７４の先
端は曲率をもたせてある。さらに、振動の節となる中央
部の側面には保持のための突起７３が突設されている。
上記弾性体７１の上面には２つの積層型圧電素子７２が
エポキシ系の接着剤等により接着されている。そして、
該それぞれの積層型圧電素子７２からは電気端子Ａ，Ｂ
が導出されている。

【００４３】図１０は、上記超音波振動子７０を適用し
た自走式の超音波リニアモータ８０を示した斜視図であ
る。

【００４４】レール８１は、たとえば焼き入れ処理が施
された（Ｈｖ９００）ステンレス鋼で形成されていて、
両側面には溝８５が穿設されている。また超音波振動子
７０の摺動部７４と接触する面はＲmax ＝０．３μｍ以
下にラップ処理されている。上記レール８１には下部か
ら両側部にかけてコの字形状のリニアガイド８２が該レ
ール８１の溝８５に沿って摺動可能に配設されている。
また、該リニアガイド８２の両側面には突起８３が突設
されている。上記超音波振動子７０は、上記レール８１
の上面に曲率を有する摺動部７４が接触するように載置
され、上記突起７３と突起８３との間に架けられたばね
８４により一定の押圧力によって圧接されている。

【００４５】上記電気端子Ａおよび電気端子Ｂに周波数
ｆr の交番電圧を印加し、その位相差を＋９０°又は−
９０°近傍にすると、超音波振動子７０は左方向または
右方向へリニア移動する。

【００４６】本第３実施例によれば、積層型圧電素子７
２を弾性体７１の上面に接着するだけ（与圧をかけな
い）で良いので構造が非常に簡単なものとなる。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、駆
動源として圧電素子の圧電縦効果を用いることにより、
電気−機械変換効率が高く、しかも低電圧で駆動できる
超音波リニアモータを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の超音波リニアモータに適
用される超音波振動子を示す斜視図。

【図２】上記図１に示す超音波振動子を適用した本発明
の第１実施例である超音波リニアモータを示した側面
図。

【図３】（ａ）は上記第１実施例における超音波振動子
の１次の固有縦振動モードを、（ｂ）は該超音波振動子
の２次の固有屈曲振動モードをそれぞれ示した線図。

【図４】上記第１実施例の超音波リニアモータの１変形
例に適用される超音波振動子を示した側面図。

【図５】上記第１実施例の超音波リニアモータの他の変
形例に適用される超音波振動子を示した側面図。

【図６】上記図５に示す第１実施例の超音波リニアモー
タの１変形例における、交換可能な摩擦部のその他の例
を示した斜視図。

【図７】上記第１実施例の超音波リニアモータの他の変
形例に適用される超音波振動子を示した側面図。

【図８】本発明の第２実施例の超音波リニアモータに適
用される超音波振動子を示す側面図。

【図９】本発明の第３実施例の超音波リニアモータに適
用される超音波振動子を示す側面図。

【図１０】上記図９に示す超音波振動子を適用した本発
明の第３実施例である超音波リニアモータを示す斜視
図。

【図１１】従来の超音波モータにおける縦振動モードの
説明図。

【図１２】従来の超音波モータにおける屈曲振動モード
の説明図。

【図１３】従来の超音波モータおよびその振動モードを
示した側断面図。

【符号の説明】

１０…超音波振動子 ２０…超音波リニアモータ １１…弾性体 １２…積層型圧電体 １４…摩擦部 ２１…基台 ２２…支持部 ２５…スライダー ２６…圧接ローラ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 谷口 芳久 東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号 オリ ンパス光学工業株式会社内 (72)発明者 今林 浩之 東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号 オリ ンパス光学工業株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電気−機械エネルギー変換素子を駆動源と
   し、弾性体に縦振動および屈曲振動を発生させて、それ
   らの振動を合成し超音波楕円振動を起こす超音波振動子
   と、 この超音波振動子の一部に押圧された被駆動部材と、 を具備する超音波リニアモータにおいて、 上記超音波振動子は弾性体の一部に少なくとも２つの積
   層型電気−機械エネルギー変換素子を接合したものであ
   って、該各々の積層型電気−機械エネルギー変換素子の
   積層方向は同一方向であることを特徴とする超音波リニ
   アモータ。
2. 【請求項２】上記弾性体の縦振動の節に対して対称的に
   積層型電気−機械エネルギー変換素子が接合されている
   ことを特徴とする請求項１記載の超音波リニアモータ。