JPH09289785A - 超音波モータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被駆動体の厚みを薄くしていっても速度、推
力を安定して得ることができる超音波モータ駆動装置を
提供する。 【解決手段】 第１の振動モードと第２の振動モードを
励起する超音波振動子１０と、該超音波振動子１０に対
し相対的に駆動される被駆動体３５と、前記超音波振動
子１０を前記被駆動体３５に対し押圧する押圧部材と、
前記超音波振動子１０に含まれる積層型圧電素子１２に
駆動電力を供給する電源手段とを少なくとも有する超音
波モータ駆動装置において、前記被駆動体３５は、セラ
ミクス材料と合金制振材料が接合されたものであること
を特徴とするものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波モータ駆動
装置に関する。

【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以下のような利点を
有している。 （１）ギヤなしで低速高推力が得られる。 （２）保持力が大きい。 （３）ストロークが長く、高分解能である。 （４）静粛性に富んでいる。 （５）磁気的ノイズを発生せず、また、ノイズの影響も
受けけない。

【０００３】従来の超音波モータの一例である超音波リ
ニアモータとして、本願出願人による提案、特開平６−
１０５５７１号がある。以下特開平６−１０５５７１号
に基づき従来の超音波リニアモータについて説明する。

【０００４】まず、超音波振動子の構成について説明す
る。図８において、１００は超音波振動子である。この
超音波振動子１００は、基本弾性体１１１の上部に、２
次の共振屈曲振動の略腹に対応する部分に２個の積層型
圧電素子１１３を配置している。

【０００５】そして、２個の積層型圧電素子１１３を保
持用弾性部材１１２により基本弾性体１１１上に各々固
定している。図示しないが、基本弾性体１１１には、３
箇所にネジのタップが切ってあって、保持用弾性体１１
２はビス１１４により基本弾性体１１１に固定されるよ
うになっている。

【０００６】このとき、積層型圧電素子１１３は、保持
用弾性体１１２により突き当てで保持される。また、積
層型圧電素子１１３の保持用弾性体１１２と接触する部
分は、エポキシ系の接着剤で固定され、保持用弾性体１
１２と基本弾性体１１１との接触する部分もエポキシ系
の接着剤により接合される。

【０００７】基本弾性体１１１の積層型圧電素子１１３
が配置されている面に対して反対側の面（被駆動体と接
触する側の面）の両端部には、摺動部材１１５がエポキ
シ系の接着剤を用いて接合されている。

【０００８】摺動部材１１５は、ポリイミドに充填材と
してカーボンファイバーとマイカを充填材として混入し
たものである（カーボンファイバー：２０重量％、マイ
カ３０重量）。

【０００９】次に、前記超音波振動子１００の動作につ
いて説明する。超音波振動子１００の寸法を適当に選定
することで、１次の共振縦振動、及び２次の共振屈曲振
動がほぼ同一周波数で励起出来る。

【００１０】図８において、左側の積層型圧電素子１１
３から取り出されている電気端子をＡ，ＧＮＤ（Ａ相と
呼ぶ）とし、右側の積層型圧電素子１１３から取り出さ
れている電気端子をＢ，ＧＮＤ（Ｂ相と呼ぶ）とする。

【００１１】まず、Ａ相及びＢ相に３０Ｖの直流電圧を
印加する。これにより、積層型圧電素子１３に圧縮力
（予圧）を加えることが出来る。

【００１２】そこで、Ａ相に周波数Ｆｒで振幅１０Ｖp-
p の交番電圧を印加し、Ｂ相に同一周波数、同振幅で同
位相の交番電圧を印加すると、１次の共振縦振動が励起
出来る。

【００１３】次に、Ａ相に周波数Ｆｒで振幅１０Ｖp-p
の交番電圧を印加し、Ｂ相に同一周波数、同振幅で逆位
相の交番電圧を印加すると２次の共振屈曲振動が励起出
来る。

【００１４】さらに、Ａ相及びＢ相に周波数Ｆｒで振幅
１０Ｖp-p の交番電圧を印加し、その位相差を＋９０度
又は−９０度にすると、振動部材１１５の位置におい
て、時計回り又は反時計回りの超音波楕円振動が励起で
きる。

【００１５】次に、図９に示す超音波リニアモータの構
成について説明する。超音波振動子１００は、図示しな
いシリコンゴム（厚み１ｍｍ）を介してアルミニウム材
からなる振動子保持部材１２４により保持されている。

【００１６】振動子保持部材１２４は、コの字形状であ
り、連結棒１２５とは図示しない薄肉のフランジ部（厚
み０．２ｍｍ、長さ２ｍｍ）を介して連結されている。
さらに、連結棒１２５はバネ受け部１２６に連結されて
いる。

【００１７】一方、レール１２１は、焼入れ処理された
ステンレス材４４０Ｃからなり、表面硬度はビッカース
硬度で９００、表面は４０００番の研磨紙で研磨されて
いて、リニアガイド固定部１２２とは図示しないビスに
より連結されている。

【００１８】リニアガイド移動部１２３には、枠１３０
が固定されており、上枠１３１とも一体的に連結されて
いる。上枠１３１には中央部にタップが切ってあり、ボ
ルト１２９が取り付けられ、このボルト１２９には図９
に示すように、バネ押え１２８が取り付けられている。
バネ１２７の長さを調整することにより、超音波振動子
１００とレール１２１間の接触圧を調整することが出来
るようになっている。

【００１９】次に、上述した超音波リニアモータの動作
について説明する。先に示したように超音波振動子１０
０のＡ相とＢ相に周波数Ｆｒ、振幅１０Ｖp-p、位相差
＋９０度又は−９０度の交番電圧を印加する。すると、
超音波振動子１００の摺動部材１１５には、超音波楕円
振動が励起されるので、レール１２１に対して超音波板
動子１００は右方向又は左方向に駆動される。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た超音波リニアモータには以下のようなな課題があっ
た。即ち、小型化を図るために、レール１２１を薄くし
ていくと、ある厚み以下では動作時にレール１２１が大
きく振動してしまい、速度、推力が出なくなってしま
う。

【００２１】この原因について、鋭意実験を重ねた結
果、次のようなことが判明した。つまり、超音波振動子
１００の摺動部材１１５がレール１２１に対して、接
触、離反を操り返すために、その超音波振動子１００に
よるレール１２１へのインパルス的な衝撃力により、レ
ール１２１が共振振動を起こしてしまう。

【００２２】このような不要な共振振動がレール１２１
に存在する場合は、この共振振動に邪魔されて所定のリ
ニアモータ特性を発揮することがが出来ないのである。

【００２３】そこで、本発明は、被駆動体の厚みを薄く
していっても速度、推力を安定して得ることができる超
音波モータ駆動装置を提供することを目的とする。

【００２４】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
第１の振動モードと第２の振動モードを励起する超音波
振動子と、該超音波振動子に対し相対的に駆動される被
駆動体と、前記超音波振動子を前記被駆動体に対し押圧
する押圧部材と、前記超音波振動子に含まれる電気機械
変換素子に駆動電力を供給する電源手段とを少なくとも
有する超音波モータ駆動装置において、前記被駆動体
は、セラミクス材料と合金制振材料が接合されたもので
あることを特徴とするものである。

【００２５】請求項２記載の発明は、請求項１記載の超
音波モータ駆動装置における前記セラミクス材料は、ジ
ルコニアセラミクス材料若しくはアルミナセラミクス材
料若しくはそれらの複合材料であり、前記合金制振材料
は、Ｃｏ−Ｎｉ合金材料若しくはＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金
材料若しくはＦｅ−Ｃｒ−Ｍｏ合金材料であることを特
徴とするものである。

【００２６】請求項３記載の発明は、第１の振動モード
と第２の振動モードを励起する超音波振動子と、該超音
波振動子に対し相対的に駆動される被駆動体と、前記超
音波振動子を前記被駆動体に対し押圧する押圧部材と、
前記超音波振動子に含まれる電気機械変換素子に駆動電
力を供給する電源手段とを少なくとも有する超音波モー
タ駆動装置において、前記被駆動体は、セラミクス材料
と、高分子材料及び金属材料の接合構造からなる制振材
料とが接合されたものであることを特徴とするものであ
る。

【００２７】請求項４記載の発明は、請求項３記載の超
音波モータ駆動装置における前記セラミクス材料は、ジ
ルコニアセラミクス材料若しくはアルミナセラミクス材
料若しくはそれらの複合材料であり、前記高分子材料
は、ポリエステル系樹脂等の熱可塑性樹脂材料若しくは
エポキシ系樹脂等の熱硬化性樹脂材料であり、前記金属
材料はステンレス材料であることを特徴とするものであ
る。

【００２８】請求項１、２記載の発明によれば、被駆動
体の厚みが比較的薄くても、被駆動体の一部が合金制振
材料、即ち、Ｃｏ−Ｎｉ合金材料若しくはＦｅ−Ｃｒ−
Ａｌ合金材料若しくはＦｅ−Ｃｒ−Ｍｏ合金材料により
構成されているため、超音波振動子から受けた振動エネ
ルギーが減衰され、被駆動体はほとんど振動しなくな
り、所望の速度、推力を発生する超音波モータ駆動装置
を得ることができる。

【００２９】請求項３、４記載の発明によれば、被駆動
体の厚みが比較的薄くても、被駆動体の一部が高分子材
料及び金属材料の接合構造からなる制振材料により構成
されているため、超音波振動子から受けた振動エネルギ
ーが減衰され、被駆動体はほとんど振動しなくなり、所
望の速度、推力を発生する超音波モータ駆動装置を得る
ことができる。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態につい
て詳述する。

【００３１】（実施の形態１） （超音波振動子の構成）図１に本発明の実施の形態１の
超音波振動子１０の斜視図を示す。この超音波振動子１
０において、黄銅材からなる基本弾性体１１は凸の字型
に形成されている。その寸法は凸部分を除き、幅３０ｍ
ｍ、奥行４ｍｍ、高さ７．５ｍｍである。また、凸部分
の寸法は、幅４ｍｍ、奥行４ｍｍ、高さ２．５ｍｍであ
る。

【００３２】基本弾性体１１の幅方向の中心部で、か
つ、底面から約５ｍｍの位置に圧入によって直径２ｍｍ
のステンレス材からなるピン１６が打ち込まれている。

【００３３】電気機械変換素子である積層型圧電素子１
２は、電極処理された圧電素子を数十枚から数百枚積層
したものであり、本実施の形態１においてはトーキン
（株）の積層型圧電素子ＮＬＡ−２×３×９を用いた。
その寸法は、２ｍｍ×３．１ｍｍ×９ｍｍである。

【００３４】積層型圧電素子１２の両端部以外の部分は
図１には示さないがエポキシ系樹指により被覆されてい
る（被覆厚：約０．５ｍｍ）。

【００３５】次に、超音波振動子１０の組立方法につい
て説明する。図１に示すように基本弾性体１１の凸部の
両側に積層型圧電素子１２を配置する。そして、保持用
弾性部材１３（幅４ｍｍ、奥行４ｍｍ、高さ２．５ｍ
ｍ）により、基本弾性体１１上に固定する。図示しない
が、基本弾性体１１には２箇所にネジのタップが切って
あり、図１に示すように、保持用弾性体１３は２本のビ
ス１４及びエポキシ系の接着剤により基本弾性体１１に
固定される。

【００３６】このとき、積層型圧電素子１２は基本弾性
体１１の凸部と保持用弾性体１３との間で圧縮力を加え
た状態で保持固定される。積層型圧電素子１２の両端部
は、基本弾性体１１の凸部とエポキシ系の接着剤で固定
され、保持用弾性体１３ともエポキシ系の接着剤で固定
される。

【００３７】また、基本弾性体１１と接する積層型圧電
素子１２の側面部分は、基本弾性体１１とやはりエポキ
シ系の接着剤を用いて接着される。基本弾性体１１の積
層型圧電素子１２が配置されている面に対して反対側の
面（被駆動体と接触する側の面）の両端部から９ｍｍの
位置（共振屈曲振動の振動振幅が極大値を示す位置）に
は矩形状（寸法：幅３ｍｍ、奥行４ｍｍ、厚み１ｍｍ）
の摺動部材である摩擦子１５（砥石材：フェノール樹脂
にアルミナセラミクスの砥粒を分散させたもの）がエポ
キシ系の接着剤を用いて接合されている。

【００３８】（超音波振動子の動作）次に超音波振動子
１０の動作について説明する。上述した寸法形状によれ
ば、１次の共振縦振動モード、及び２次の共振屈曲振動
モードがほぼ同一の周波数で励起出来る。これらの振動
を有限要素法を用いてコンピュータ解析した結果、図２
の（ａ）に示すような共振縦振動姿態、および図２の
（ｂ）に示すような共振屈曲振動姿態が予想され、かつ
振動測定の結果それが実証された。

【００３９】図１において、左手前側の積層型圧電素子
１２から取り出されている電気端子をＡ、ＧＮＤ（Ａ相
と呼ぶ）とし、右奥側の積層型圧電素子１２から取り出
されている電気端子をＢ、ＧＮＤ（Ｂ相と呼ぶ）とす
る。

【００４０】まず、図示しない電源手段により、Ａ相に
振幅１０Ｖp-p の交番電圧を印加し、Ｂ相に同一周波
数、同振幅で同位相の交番電圧を印加すると、図２の
（ａ）に示すような１次の共振縦振動が共振周波数ｆ1
で励起出来た。次に、Ａ相に振幅１０Ｖp-p の交番電圧
を印加し、Ｂ相に同一周波数、同振幅で逆位相の交番電
圧を印加すると、図２の（ｂ）に示すような二次の共振
屈曲振動が共振周波数ｆbで励起出来た。

【００４１】ここで、１次の縦振動共振周波数ｆl は２
次の屈曲振動共振周波数ｆb より３乃至６％大きくなる
ように超音波振動子１０の寸法が決められている。

【００４２】（超音波モータ駆動装置の構成）次に、図
３を参照して、前記超音波振動子１０を用いた超音波モ
ータ駆動装置５０について説明する。図３に示すよう
に、超音波振動子１０はそのピン１６の部分で２つの保
持板２１（押圧部材）により両面から保持されている。

【００４３】保持板２１は、ピン１６の直径とほぼ同径
の穴があけられていて、その穴と超音波振動子１０のピ
ン１６が係合するようになっている。このように保持す
ることで、超音波振動子１０はピン１６まわりの回転に
対しての自由度を持っている。また、保持板２１は、ビ
ス２３により保持板固定部材２２に固定される。保持板
固定部材２２には、リニアブッシュ２４が保持されてい
る。このリニアブッシュ２４は、軸２５に沿ってリニア
（直線的）に移動するようになっている。

【００４４】前記軸２５は、軸固定部材２６に固定さ
れ、軸固定部材２６はベース２７にビス４０により固定
されている。軸固定部材２６のほぼ中央部には、タップ
が切られていて、押圧ビス２８がねじ込まれるようにな
っている。押圧ビス２８と保持板固定部材２２との間に
は、バネ２９が挿入されている。

【００４５】また、前記ベース２７には、クロスローラ
ーガイドの固定部３０がこのベース２７に対しビス３１
を用いて固定されている。クロスローラーガイドの移動
部３２には摺動板保持部材３３が図示しないビスにより
固定され、この摺動板保持部材３３には、摺動板３４と
して厚さ１ｍｍのジルコニアセラミックス材料（若しく
はアルミナセラミクス材料若しくはそれらの複合材料）
が接着されている。摺動板保持部材３３と摺動板３４と
を合わせて被駆動体３５と称するものとして以下の説明
行う。図４に被駆動体３５の斜視図を示す。

【００４６】前記摺動板保持部材３３は、合金制振材料
であるＣｏ−Ｎｉ合金材料（若しくはＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ
合金材料若しくはＦｅ−Ｃｒ−Ｍｏ合金材料）が使われ
ている。このような構成にして、押圧ビス２８を調整す
ることで、超音波振動子１０の被駆動体３５への押圧力
を調整することができる。

【００４７】（超音波モータ駆動装置の動作）次に、本
実施の形態１の超音波モータ駆動装置５０の動作を説明
する。被駆動体３５への押圧力を２ｋｇｆにして、駆動
周波数５５ｋＨｚで前記Ａ相とＢ相に印加する交番電圧
の大きさ１０Ｖp-p 、位相差±９０度とすることで、被
駆動体３５は左右に移動した。この時の無負荷速度とし
て、１５０ｍｍ／ｓ、起動推力５００ｇｆが得られた。

【００４８】（実施の形態１の効果）前記摺動板保持部
材３３に、Ｃｏ−Ｎｉ合金材料（若しくはＦｅ−Ｃｒ−
Ａｌ合金材料若しくはＦｅ−Ｃｒ−Ｍｏ合金材料）から
なる合金制振材料を用いたので、被駆動体３５の振動が
非常に低く抑えられ、所定の速度と推力が得られる超音
波モータ駆動装置５０を実現できた。

【００４９】被駆動体３５の変形例である被駆動体３５
Ａを図５に示す。本変形例においては、摺動板保持部材
３３Ａを断面コの字型形状に形成し、摺動板保持部材３
３Ａの内部に空間部３６を設けている。このようにする
ことによっても、クロスローラーガイドの移動部３２側
への振動を伝えにくくする利点が生じる。

【００５０】（実施の形態２）本実施の形態２の被駆動
体３５Ｂの部分を図６に示す。本実施の形態２において
実施の形態１と相違する部分は、被駆動体３５Ｂの部分
のみであり、その相違する部分についてのみ説明する。

【００５１】本実施の形態２の被駆動体３５Ｂにおける
摺動板保持部材３３Ｂは、高分子材料、即ち、ポリエス
テル系樹脂等の熱可塑性樹脂材料５４（若しくはエポキ
シ系樹脂等の熱硬化性樹脂材料）が２枚のステンレス材
料等の金属材料５３によりサンドイッチされて制振材料
として構成したものであり、図６において上側の金属材
料５３の表面にジルコニアセラミクス材料（若しくはア
ルミナセラミクス材料若しくはそれらの複合材料）から
なる摺動板３４が接合されている。

【００５２】（実施の形態２の効果）摺動板保持部材３
３Ｂに、熱可塑性樹脂材料５４のような高分子材料を金
属材料５３でサンドイッチしたものを用い、制振材料と
したので、被駆動体３５Ｂの振動が非常に低く抑えら
れ、所定の速度と推力を有する超音波モータ駆動装置５
０を実現できた。

【００５３】実施の形態２の被駆動体３５Ｂの変形例を
図７に示す。本変形例に於いては、被駆動体３５Ｃは、
高分子材料、即ち、ポリエステル系樹脂等の熱可塑性樹
脂材料５４（若しくはエポキシ系樹脂等の熱硬化性樹脂
材料）がステンレス材料等の金属材料５３と、ジルコニ
アセラミクス３４によりサンドイッチされたものでり、
金属材料５３と、熱可塑性樹脂材料５４とにより制振材
料を構成している。このようにすることで、クロスロー
ラーガイドの移動部３２側への振動を伝えにくくするこ
とができる。

【００５４】以上の実施の形態１、２においては、超音
波縦振動と超音波屈曲振動とを合成して超音波楕円振動
を得る例について述べたが、その他の例えば、ねじり振
動、すべり振動、呼吸振動、拡がり振動等を組み合わせ
た超音波振動子を用いる超音波モータ駆動装置の場合に
も本発明を適用できる。

【００５５】また、実施の形態１、２においては、超音
波振動子として、積層型圧電素子と弾性体を接合したを
用いたものについて述べたが、圧電板と弾性体を接合さ
せた超音波振動子、若しくは、圧電素子だけからなる超
音波振動子を用いた超音波モータ駆動装置についても同
様に本発明を適用できる。

【００５６】さらに、本発明の実施の形態１、２におい
ては、リニア型の超音波モータ駆動装置についてのみ応
用例を述べたが、回転型の超音波モータ駆動装置につい
ても同様に適用可能である。

【００５７】

【発明の効果】請求項１、２記載の発明によれば、被駆
動体の不要な振動が抑えられるので、推力、速度が大き
く、安定的に動作する超音波モータ駆動装置を提供する
ことができる。

【００５８】請求項３、４記載の発明によれば、被駆動
体の不要な振動が抑えられるので、推力、速度が大き
く、安定的に動作する超音波モータ駆動装置を提供する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１の超音波振動子を示す斜
視図である。

【図２】本発明の実施の形態１における超音波振動子の
共振縦振動及び共振屈曲振動の状態を示す姿態図であ
る。

【図３】本発明の超音波モータ駆動装置を示す概略正面
図である。

【図４】本発明の実施の形態１における被駆動体を示す
斜視図である。

【図５】本発明の実施の形態１における被駆動体の変形
例を示す斜視図である。

【図６】本発明の実施の形態２における被駆動体を示す
斜視図である。

【図７】本発明の実施の形態２における被駆動体の変形
例を示す斜視図である。

【図８】従来の超音波振動子を示す斜視図である。

【図９】従来の超音波リニアーモータを示す概略正面図
である。

【符号の説明】

１０ 超音波振動子 １１ 基本弾性体 １２ 積層型圧電素子 １３ 保持用弾性体 １４ ビス １５ 摩擦子 １６ ピン ２１ 保持板 ２２ 保持板固定部材 ２４ リニアブッシュ ２５ 軸 ２７ ベース ２８ 押圧ビス ２９ バネ ３０ 固定部 ３２ 移動部 ３３ 摺動板保持部材 ３４ 摺動板 ３５ 被駆動体 ５０ 超音波モータ駆動装置

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の振動モードと第２の振動モードを
   励起する超音波振動子と、該超音波振動子に対し相対的
   に駆動される被駆動体と、前記超音波振動子を前記被駆
   動体に対し押圧する押圧部材と、前記超音波振動子に含
   まれる電気機械変換素子に駆動電力を供給する電源手段
   とを少なくとも有する超音波モータ駆動装置において、 前記被駆動体は、セラミクス材料と合金制振材料が接合
   されたものであることを特徴とする超音波モータ駆動装
   置。
2. 【請求項２】 前記セラミクス材料は、ジルコニアセラ
   ミクス材料若しくはアルミナセラミクス材料若しくはそ
   れらの複合材料であり、前記合金制振材料は、Ｃｏ−Ｎ
   ｉ合金材料、若しくはＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金材料若しく
   はＦｅ−Ｃｒ−Ｍｏ合金材料であることを特徴とする請
   求項１記載の超音波モータ駆動装置。
3. 【請求項３】 第１の振動モードと第２の振動モードを
   励起する超音波振動子と、該超音波振動子に対し相対的
   に駆動される被駆動体と、前記超音波振動子を前記被駆
   動体に対し押圧する押圧部材と、前記超音波振動子に含
   まれる電気機械変換素子に駆動電力を供給する電源手段
   とを少なくとも有する超音波モータ駆動装置において、 前記被駆動体は、セラミクス材料と、高分子材料及び金
   属材料の接合構造からなる制振材料とが接合されたもの
   であることを特徴とする超音波モータ駆動装置。
4. 【請求項４】 前記セラミクス材料は、ジルコニアセラ
   ミクス材料若しくはアルミナセラミクス材料若しくはそ
   れらの複合材料であり、前記高分子材料は、ポリエステ
   ル系樹脂等の熱可塑性樹脂材料若しくはエポキシ系樹脂
   等の熱硬化性樹脂材料であり、前記金属材料はステンレ
   ス材料であることを特徴とする請求項３記載の超音波モ
   ータ駆動装置。