JPH10309085A - 超音波モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、移着現象がなく、超音波振動子と
被駆動体間の摩擦係数の変化がない超音波モータを提供
する。 【解決手段】 積層型圧電素子１２を含む超音波振動子
１０と、この超音波振動子１０に対し相対的に駆動され
る摺動材３４と、上記超音波振動子１０を上記摺動材３
４に対し押圧するバネ２９と、上記超音波振動子１０と
摺動材３４との互いの接触面の一方に設けられた摩擦子
１５と、上記超音波振動子１０と摺動材３４との互いの
接触面の他方に設けられた溶射セラミックスとを具備す
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。

【０００３】（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
受けない。

【０００４】従来の超音波リニアモータのうち、本出願
人による提案として、特開平６−１０５５７１号公報に
開示されたものがある。以下、特開平６−１０５５７１
号公報に開示された従来の超音波リニアモータについて
説明する。

【０００５】まず、従来の超音波リニアモータの超音波
振動子の構成について説明する。図３において、１１０
は超音波振動子である。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二個の積層型
圧電素子１１２を配置する。そして保持用弾性部材１３
により基本弾性体１１１上に固定する。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
り、保持用弾性体１１３はビス１１４により基本弾性体
１１１にネジ止めにより固定される。そして積層型圧電
素子１１２は保持用弾性体１１３により突き当て状態で
保持される。

【０００６】また、積層型圧電素子１１２の保持用弾性
体１１３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１１３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ている。
さらに、基本弾性体１１１の積層型圧電素子１１２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１５がエポキシ系の
接着剤を用いて接合されている。

【０００７】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％）。

【０００８】次に、上記超音波振動子１１０の動作につ
いて説明する。超音波振動子１１０の寸法を適当にとる
ことで、図４に示す１次の共振縦振動、及び図５に示す
２次の共振屈曲振動が略同一周波数（５５ｋＨｚ）で励
起できる。図３において、左側の積層型圧電素子１１２
から取り出されている電気端子をＡ，Ｇ（Ａ相と称す
る）とし、右側の積層型圧電素子１１２から取り出され
ている電気端子をＢ，Ｇ（Ｂ相と称する）とする。

【０００９】まず、Ａ相及びＢ相に３０Ｖの直流電圧を
印加する。こうすることで、積層型圧電素子１１２に圧
縮力（予圧）をかけることができる。そこで、Ａ相に周
波数５５ｋＨｚで振幅１０Ｖ_p-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
ると一次の共振縦振動が励起できる。

【００１０】次に、Ａ相に周波数５５ｋＨｚで振幅１０
Ｖ_p-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二次の共振屈曲振動が励
起できる。更に、Ａ相及びＢ相に周波数５５ｋＨｚで振
幅１０Ｖ_p-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、摺動部材１１５の位置におい
て、時計廻り又は反時計廻りの超音波楕円振動を励起で
きる。

【００１１】次に、図６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１１０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１６４により保持されている。
振動子保持部材１６４は、コの字形状であり連結棒１６
５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。

【００１２】更に、連結棒１６５は、バネ受け部１６６
に連結されている。一方、レール１６１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１６２とは図示し
ないビスにより連結されている。

【００１３】リニアガイド移動部１６３には、枠１７０
が固定されており、上枠１７１とも一体的に連結されて
いる。上枠１７１には、中央部にタップが切ってあり、
ボルト１６９が取り付けられ、ボルト１６９には図６に
示すようにバネ押え１６８が取り付けられている。そし
て、バネ１６７の長さを調整することにより、超音波振
動子１１０とレール１６１との間の接触圧を調整するこ
とができるようになっている。

【００１４】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１１
０のＡ相とＢ相に、周波数５５ｋＨｚ、振幅１０Ｖp-p
、位相差＋９０度又は−９０度の交番電圧を印加す
る。

【００１５】すると、超音波振動子１１０の摺動部材１
１５の位置に、超音波楕円振動が形成されるので、レー
ル１６１に対して超音波振動子１１０は右方向又は左方
向に駆動される。以上が基本的な超音波振動子１１０及
び超音波リニアモータの構成と動作原理である。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記超
音波リニアモータには以下のような課題があった。すな
わち、上記超音波リニアモータを連続的に長時間動作さ
せた場合、図６に示す摺動部材１１５（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）と、図６に示すレール１６１（焼入れ処
理されたステンレス材）が接触摩擦を繰り返すことによ
り、図３に示す摺動部材１１５の成分であるポリイミド
が図６に示すレール１６１の表面に付着してしまい（移
着現象と呼ぶ）、強いてはそれが原因で上記摺動部材１
１５とレール１６１との間の摩擦係数が大幅に変化し、
この結果、超音波リニアモータのモータ特性が劣化して
しまう、若しくは、最悪の場合超音波リニアモータが停
止してしまうという課題があった。

【００１７】本発明は、上記従来の課題を解決するため
になされたものであり、連続的に長時間動作させた場合
でも、移着現象がなく、超音波振動子と被駆動体間の摩
擦係数の変化もなく、特性も劣化しない超音波モータを
提供することを目的とするものである。

【００１８】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明に係
る超音波モータは、電気−機械エネルギー変換素子を含
む超音波振動子と、この超音波振動子に対し相対的に駆
動される被駆動体と、上記超音波振動子を上記被駆動体
に対し押圧する押圧手段と、上記超音波振動子と被駆動
体との互いの接触面の一方に設けられた砥石材と、上記
超音波振動子と被駆動体との互いの接触面の他方に設け
られた溶射セラミックスとを具備することを特徴とする
ものである。

【００１９】この発明によれば、超音波振動子と被駆動
体との互いの接触面の一方に砥石材を、他方に溶射セラ
ミックスを設けたものであるから、砥石材と溶射セラミ
ックスとの作用で超音波モータを連続的に長時間動作さ
せた場合でも、移着現象がなく、超音波振動子と被駆動
体間の摩擦係数の変化もなくなる。

【００２０】請求項２記載の発明は、請求項１記載の超
音波モータにおける上記砥石材は、合成樹脂中にセラミ
ックス材が分散されたものであり、上記溶射セラミック
スは酸化物系溶射セラミックスであることを特徴とする
ものである。

【００２１】請求項３記載の発明は、請求項１記載の超
音波モータにおける上記砥石材は、合成樹脂中にアルミ
ナセラミックス材が分散されたものであり、上記溶射セ
ラミックスは酸化クロムセラミックス溶射材であること
を特徴とするものである。

【００２２】請求項２、３記載の発明のように、上記砥
石材として合成樹脂中にセラミックス材又はアルミナセ
ラミックス材を分散させ、上記溶射セラミックスとして
酸化物系溶射セラミックス又は酸化クロムセラミックス
溶射材を使用した構成によっても、超音波モータを連続
的に長時間動作させた場合でも、移着現象がなく、超音
波振動子と被駆動体間の摩擦係数の変化もなくなる。

【００２３】

【発明の実施の形態】（超音波振動子の構成）本実施の
形態の超音波振動子の構成及び組み立て方法について説
明する。図１に実施の形態１の超音波振動子１０の斜視
図を示す。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。凸の字部分の
寸法は、幅４ｍｍ、奥行４ｍｍ、高さ２．５ｍｍであ
る。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。

【００２４】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
接合したものであって、寸法は２ｍｍ×３ｍｍ×９ｍｍ
である。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２．５ｍｍ）によ
り基本弾性体１１上に固定する。

【００２５】図示しないが基本弾性体１１には２ケ所に
ネジのタップが切ってあって、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。この時、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間
で圧縮力をかけ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。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固定される。

【００２６】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３
ｍｍ、奥行４ｍｍ、厚み１ｍｍ）の摩擦子１５（砥石
材：樹脂中にアルミナセラミッ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。

【００２７】（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。上記に示した寸法形状に
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できる。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４に示すような共振縦振動姿態、及び図５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。

【００２８】図１に於いて左手前側の積層型圧電素子１
２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。
まず、図示しない電源手段により、Ａ相に振幅１０Ｖ
_p-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４に示すような一次の
共振縦振動が共振周波数ｆ₁ で励起出来た。

【００２９】次に、Ａ相に振幅１０Ｖ_p-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５に示すような二次の共振屈曲振動が
共振周波数ｆ_b で励起出来た。ここで、一次の縦振動共
振周波数ｆ1 は二次の屈曲振動共振周波数ｆ_b より３〜
６％程大きくなるように振動子の寸法が決められてい
る。

【００３０】（超音波モータの構成）次に、図２を参照
して、上記超音波振動子１０を用いた超音波モータ４０
について説明する。

【００３１】図２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。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の回
りの回転に対してのみ自由度を持つ。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。

【００３２】保持板固定部材２２にはリニアブッシュ２
４が保持されている。このリニアブッシュ２４は軸２５
に沿ってリニアに移動する。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２６ａ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。
押圧ビス２８と保持板固定部材２２の間にはバネ２９が
挿入されている。

【００３３】クロスローラーガイドの固定部３０はベー
ス２７にビス３１により固定されている。クロスローラ
ーガイドの移動部３２には摺動材保持部材３３が図示し
ないビスにより固定され、この摺動材保持部材３３には
略２００μｍの厚みで摺動材３４（酸化物系溶射セラミ
クッス材であるところの酸化クロム溶射セラミクッス）
が施されている。（摺動材保持部材３３と摺動材３４を
合わせて被駆動体と称する）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
体への押圧力を調整することができる。

【００３４】（超音波モータの動作）押圧力を３ｋｇｆ
に調整して、図示しない駆動電源で、駆動周波数５５ｋ
Ｈｚ、交番電圧の大きさ１０Ｖ_p-p 、Ａ相とＢ相の位相
差±９０度にすることで、被駆動体は左右に移動した。
この時の無負荷速度として１５０ｍｍ／ｓ、駆動推力と
して５００ｇｆが得られた。

【００３５】（本実施の形態の効果）本実施の形態の超
音波モータを連続的に１万時間運転した結果、砥石材料
が酸化クロム溶射セラミック材料に付着するとか、酸化
クロム溶射セラミック材料が砥石材料に付着するいう、
いわゆる移着現象が観測されず、超音波振動子と被駆動
体間の摩擦係数に変化がみられなかった。その結果とし
て、超音波リニアモータの特性は１万時間運転後も全く
劣化しなかった。

【００３６】尚、本実施の形態の変形例として、摩擦子
１５と摺動材３４について以下の表１の様な組み合わせ
によりライフ試験（１万時間）を行い、以下の表１の様
な結果（本実施の形態の場合を含む）が得られた。

【００３７】

【表１】

【００３８】以上の実施の形態に於いては、縦振動と屈
曲振動を利用した超音波モータ駆動装置の例について述
べたが、その他の例えば、縦振動、屈曲振動、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
せた振動子を用いる超音波モータ駆動装置の場合も同様
である。

【００３９】また、本実施の形態においては、振動子と
して、積層型圧電素子と弾性体を接合して用いたものに
ついて述べたが、圧電板と弾性体を接合させた振動子、
もしくは、圧電素子だけからなる振動子を用いた超音波
モータ駆動装置についても同様なことが言えるのは明白
である。

【００４０】また、本実施の形態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を述べたが、回
転型の超音波モータ駆動装置についても適用可能であ
る。

【００４１】尚、本実施の形態においては、以下の構成
を付記することができる。 （１）電気−機械エネルギー変換素子を含む超音波振動
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、上記超音波振動子を上記被駆動体に対し押圧する
押圧手段と、上記超音波振動子と被駆動体との、互いの
接触面の一方に設けられた砥石材と、上記超音波振動子
と被駆動体との、互いの接触面の他方に設けられた溶射
セラミックスとを具備することを特徴とする超音波モー
タ。この構成によれば、超音波振動子と被駆動体間の摩
擦係数に変化が生じることがなく、特性の劣化が生じな
い超音波モータを提供できる。

【００４２】（２）上記砥石材は、樹脂中にセラミック
ス材が分散されたものであり、上記溶射セラミックスは
酸化物系溶射セラミックスである付記（１）記載の超音
波モータ。 （３）上記砥石材は樹脂中にアルミナセラミックス材が
分散されたものであり、上記溶射セラミックスは酸化ク
ロムセラミックス溶射材である付記（１）記載の超音波
モータ。 （４）上記砥石材は樹脂中にアルミナセラミックス材が
分散されたものであり、上記溶射セラミックスはアルミ
ナセラミックス溶射材である付記（１）記載の超音波モ
ータ。

【００４３】（５）上記砥石材は樹脂中にアルミナセラ
ミックス材が分散されたものであり、上記溶射セラミッ
クスはジルコニアセラミックス溶射材である付記（１）
記載の超音波モータ。 （６）上記砥石材は樹脂中にアルミナセラミックス材が
分散されたものであり、上記溶射セラミックスは酸化チ
タンセラミックス溶射材である付記（１）記載の超音波
モータ。 （７）上記砥石材は樹脂中にジルコニア材が分散された
ものであり、上記溶射セラミックスは酸化クロムセラミ
ックス溶射材である付記（１）記載の超音波モータ。

【００４４】（８）上記砥石材は樹脂中にジルコニア材
が分散されたものであり、上記溶射セラミックスはアル
ミナセラミックス溶射材である付記（１）記載の超音波
モータ。 （９）上記砥石材は樹脂中にジルコニア材が分散された
ものであり、上記溶射セラミックスはジルコニアセラミ
ックス溶射材である付記（１）記載の超音波モータ。 （１０）上記（１）において、上記砥石材は樹脂中にジ
ルコニア材が分散されたものであり、上記溶射セラミッ
クスは酸化チタンセラミックス溶射材である付記（１）
記載の超音波モータ。

【００４５】（１１）上記砥石材における樹脂はフェノ
ール樹脂である付記（２），（３），（４），（５），
（６），（７），（８），（９），（１０）記載の超音
波モータ。

【００４６】

【発明の効果】本発明によれば、連続的に長時間動作さ
せた場合でも、長時間振動子と被駆動体間の移着現象が
なく、従って、超音波振動子と被駆動体間の摩擦係数の
変化がなく、この結果、特性が劣化しない超音波モータ
を提供することができる。

【００４７】また、本発明によれば、上記砥石材として
合成樹脂中にセラミックス材又はアルミナセラミックス
材を分散させ、上記溶射セラミックスとして酸化物系溶
射セラミックス又は酸化クロムセラミックス溶射材を使
用した構成によっても、特性が劣化しない超音波モータ
を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の超音波振動子の構成を示
す斜視図である。

【図２】本発明の実施の形態の超音波モータの構成を示
す正面図である。

【図３】従来の超音波振動子の構成を示す斜視図であ
る。

【図４】超音波振動子の１次の共振縦振動を示す説明図
である。

【図５】超音波振動子の２次の共振屈曲振動を示す説明
図である。

【図６】従来の超音波リニアモータの構成を示す正面図
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 保持用弾性部材 １４ ビス １５ 摩擦子 １６ ピン ２１ 保持板 ２２ 保持板固定部材 ２６ 軸固定部材 ２７ ベース ２８ 押圧ビス ３０ 固定部 ３１ ビス ３３ 摺動材保持部材 ３４ 摺動材 ４０ 超音波モータ

Claims (3)

【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含む超
   音波振動子と、 この超音波振動子に対し相対的に駆動される被駆動体
   と、 上記超音波振動子を上記被駆動体に対し押圧する押圧手
   段と、 上記超音波振動子と被駆動体との互いの接触面の一方に
   設けられた砥石材と、 上記超音波振動子と被駆動体との互いの接触面の他方に
   設けられた溶射セラミックスと、 を具備することを特徴とする超音波モータ。
2. 【請求項２】 上記砥石材は、合成樹脂中にセラミック
   ス材が分散されたものであり、上記溶射セラミックスは
   酸化物系溶射セラミックスであることを特徴とする請求
   項１記載の超音波モータ。
3. 【請求項３】 上記砥石材は、合成樹脂中にアルミナセ
   ラミックス材が分散されたものであり、上記溶射セラミ
   ックスは酸化クロムセラミックス溶射材であることを特
   徴とする請求項１記載の超音波モータ。