JP2004289914A

JP2004289914A - 超音波モータ

Info

Publication number: JP2004289914A
Application number: JP2003077535A
Authority: JP
Inventors: Ryoichi Fukunaga; 了一福永
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2003-03-20
Filing date: 2003-03-20
Publication date: 2004-10-14

Abstract

【課題】被駆動体を多方向に動かすことができる超音波モータを提供する。
【解決手段】超音波モータ１０は、被駆動体１５と接するヘッド１３と、圧電板２４ａ・２４ｂを備えた棒状の３本の超音波振動子１１ａ・１１ｂ・１１ｃと、超音波振動子１１ａ〜１１ｃを保持する保持部材１２と、有している。ヘッド１３は被駆動体１５と接する略球状の接頭部１３ａと、３本の超音波振動子１１ａ〜１１ｃとそれぞれ接続される３本の脚部１３ｂ・１３ｃ・１３ｄと、を有している。少なくとも超音波振動子１１ａ〜１１ｃのうちの２本を位相のずれた電圧で駆動することにより、被駆動体１５をＸ−Ｙ面内で多方向に移動させる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種機械の駆動装置として使用される超音波モータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４に示すように、個々に圧電素子を備えた２個の超音波振動子１０１ａ・１０１ｂと、超音波振動子１０１ａ・１０１ｂを所定の角度（例えば、９０度）で保持する保持部材１０２と、略Ｖ字型の形状を有し、その頂点部で被駆動体であるロータ１０５と接し、その翼部（Ｖ字型に開いている方）で超音波振動子１０１ａ・１０１ｂと接続されたヘッド１０３と、を備えた共振型の超音波モータ１００が知られている（例えば、特許文献１参照）。なお、ヘッド１０３の２つの翼部はそれぞれ超音波振動子１０１ａ・１０１ｂの構成要素でもある。
【０００３】
この超音波モータ１００では、超音波振動子１０１ａ・１０１ｂの各圧電素子に位相が約９０度ずれた共振周波数の電圧を印加して各圧電素子を伸縮させて、超音波振動子１０１ａ・１０１ｂを振動させることにより、ヘッド１０３の先端部に楕円運動を生じさせる。こうして楕円運動するヘッド１０３を一定の力でロータ１０５の端面に押し付けると、ヘッド１０３とロータ１０５との間に生ずる摩擦力によってロータ１０５の外周の接線方向へ力が加わるために、ロータ１０５を回転させることができる。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１５２６７１号公報（第２４〜２９段落、第１図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、超音波モータ１００ではヘッド１０３と接する被駆動体を一軸方向にしか移動させることができない。例えば、図４に示すロータ１０５をＸ−Ｙステージで置き換え、このＸ−Ｙステージの裏面にヘッド１０３が接する構成とした場合には、Ｘ−ＹステージをＹ方向にしか移動させることができない。このため、Ｘ−Ｙステージを紙面に垂直な方向であるＸ方向に動かすためには、超音波モータ１００が２台必要となる。
【０００６】
この場合には、２台の超音波モータ１００をＶ字型に開いた方向を直交させて配置する必要があるために、２台の超音波モータ１００のヘッド１０３は必然的に一定の距離を空けて配置されることとなる。ここで、２台の超音波モータ１００のヘッド１０３は常にＸ−Ｙステージに接している状態としなければならないので、Ｘ−Ｙステージを動かすことができる範囲は、Ｘ−Ｙステージの面積よりも狭くなる。換言すれば、所望する面積の範囲でＸ−Ｙステージを移動させるためには、実際には、この所望する面積よりも広い面積のステージが必要となるために、装置が大型化する。
【０００７】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、被駆動体を多方向で移動させることができる超音波モータを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、多角錐状に所定の角度で配置され、個々に圧電素子を備えた略棒状の３本以上の超音波振動子と、
前記３本以上の超音波振動子とそれぞれ接続される３以上の脚部と、被駆動体に接する接頭部を有する接頭部材と、
前記３本以上の超音波振動子を保持する保持部材と、
を具備し、
前記３本以上の超音波振動子のうち少なくとも２本の超音波振動子の各圧電素子に所定の位相差を有する交流電圧を印加して前記超音波振動子を振動させることにより前記接頭部に所定の楕円運動を生じさせて、前記被駆動体を動かすことを特徴とする超音波モータ、が提供される。
【０００９】
このような超音波モータによれば、被駆動体を二次元面内において多方向に移動させることができる。３本の超音波振動子のうちの２本の超音波振動子が交差する角度は全て等しく、かつ、その角度は１５度以上１７５度以下とすることが好ましい。この交差角度が小さい場合には駆動力が大きくなり、この交差角度が大きい場合には被駆動体の駆動速度を上げることができる。
【００１０】
超音波振動子としては、板状でその略中心部に孔部を有し、その表裏面に電極が形成された圧電素子と、圧電素子の孔部に挿通して配置される軸部材と、前記軸部材の両端に圧電素子を所定の力で締め付けるように取り付けられる第１および第２の締結部材と、を有するものが挙げられる。ここで接頭部材を第２の締結部材とすることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１は超音波モータ１０の概略構成を示す斜視図であり、図２は超音波モータ１０の概略平面図であり、図３は超音波モータ１０を構成する超音波振動子１１ａの断面図である。超音波モータ１０は、被駆動体１５と接するヘッド（接頭部材）１３と、三角錐状に配置された棒状の３本の超音波振動子１１ａ・１１ｂ・１１ｃと、超音波振動子１１ａ・１１ｂ・１１ｃを保持する保持部材１２と、有している。
【００１２】
ヘッド１３は、被駆動体１５と接する略球状の接頭部１３ａと、３本の超音波振動子１１ａ・１１ｂ・１１ｃとそれぞれ接続される３本の脚部１３ｂ・１３ｃ・１３ｄと、を有している。３本の脚部１３ｂ・１３ｃ・１３ｄのうちの２本が交差する角度θ（脚部の長手方向が交差する角度）はそれぞれ等しくなっており、この角度θは３本の超音波振動子１１ａ・１１ｂ・１１ｃのうち２本が交差する角度でもある。脚部１３ｂ・１３ｃ・１３ｄのそれぞれの端部にはボルト部１３ｅが形成されており、このボルト部１３ｅと超音波振動子１１ａ・１１ｂ・１１ｃの第２ナット２３とがネジ止めされることによって、ヘッド１３と超音波振動子１１ａ・１１ｂ・１１ｃが接続される。
【００１３】
超音波振動子１１ａ〜１１ｃは全て同じ構造を有するので、超音波振動子１１ａを例に挙げてその構造を詳しく説明する。超音波振動子１１ａは、両端がネジ切りされたボルト２１と、ボルト２１の一方のネジ溝に嵌合するネジ穴を有する第１ナット２２と、ボルト２１の他方のネジ溝に嵌合するネジ穴およびヘッド１３の脚部１３ｂ〜１３ｄが具備するボルト部１３ｅのネジ溝に嵌合するネジ穴を有する第２ナット２３と、ボルト２１を挿通させることができる２枚のリング状の圧電板２４ａ・２４ｂと、ボルト２１を挿通させることができるリング状の電極板（金属板）２５ａ・２５ｂ・２５ｃと、から構成される。なお、圧電板２４ａ・２４ｂの表裏面には電極（図示せず）が形成されている。
【００１４】
保持部材１２は三つ又の形状を有し、各超音波振動子１１ａ〜１１ｃのボルト２１を挿通させるための孔部が設けられている。保持部材１２は、第１ナット２２と第２ナット２３との間が所定の力で締め付けられることによって、超音波振動子１１ａ〜１１ｃを保持する。
【００１５】
超音波振動子１１ａ〜１１ｃのうちの２本が交差する角度、つまりヘッド１３の３本の脚部１３ｂ〜１３ｄのうちの２本が交差する角度θは、好ましくは１５度〜１７５度とされる。この角度θが小さい場合には、接頭部１３ａから被駆動体１５に作用するＺ方向の力が強くなるために、被駆動体１５を動かす駆動力を大きくとることができる。逆に、角度θを大きくするとＺ方向と直交する方向の力が大きくなるので、被駆動体１５の移動速度を速くすることができるようになる。なお、保持部材１２の形状は、この角度θによって定められる超音波振動子１１ａ〜１１ｃの位置に応じて、適宜、適切な形状に設定する。
【００１６】
超音波モータ１０は次のようにして組み立てられる。最初に、ヘッド１３の脚部１３ｂ〜１３ｄに第２ナット２３を取り付ける。次に、保持部材１２に設けられた３箇所の孔部のそれぞれにボルト２１を通し、これらのボルト２１のそれぞれに圧電板２４ａ・２４ｂが電極板２５ａ〜２５ｃに挟まれるように交互に通して、各ボルト２１の一端を各第２ナット２３に軽くねじ込む。続いて、各ボルト２１を各第２ナット２３に所定の力でねじ込んで固定する。さらに、各ボルト２１の他端に第１ナット２２を所定の力で締め付けて固定する。これによって圧電板２４ａ・２４ｂは所定の力で締め付けられ、ランジュバン型の超音波振動子１１ａ・１１ｂ・１１ｃが角度θで配置された超音波モータ１０が得られる。
【００１７】
圧電板２４ａ・２４ｂには、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系の圧電セラミックスが好適に用いられる。圧電板２４ａ・２４ｂの分極の向きは、圧電板２４ａ・２４ｂの間に挟まれている電極板２５ｂについて対称となっている。また、電極板２５ａ・２５ｃは互いに電気的に接続されている。したがって、電極板２５ｂと電極板２５ｃとの間に電圧を印加すると、圧電板２４ａ・２４ｂには同じ位相で変位（振動）が生ずる。つまり、圧電板２４ａ・２４ｂがその厚み方向に共に伸び、または、共に縮む。
【００１８】
通常、ボルト２１と第１ナット２２と保持部材１２には金属材料が用いられる。この場合には電極板２５ａ・２５ｃは保持部材１２を介して第１ナット２２と導通する。このため、保持部材１２または超音波振動子１１ａの第１ナット２２を圧電板２４ａ・２４ｂを駆動するための接地電極として用いると、超音波振動子１１ｂ・１１ｃの圧電板２４ａ・２４ｂを駆動する際のアースを同時にとることができる。
【００１９】
ヘッド１３には、耐摩耗性に優れる材料、例えば、ステンレスや超硬合金等の金属材料が用いられる。ヘッド１３が金属製である場合には、ヘッド１３は電極板２５ａと導通するために、保持部材１２または超音波振動子１１ａ・１１ｂ・１１ｃの第１ナット２２のいずれかを接地すれば、ヘッド１３もまた接地される。なお、ヘッド１３の接頭部１３ａの表面に耐摩耗材料、例えば、窒化ケイ素等のコーティングを施すことも好ましい。
【００２０】
保持部材１２には押圧機構１４が取り付けられており、この押圧機構１４によってヘッド１３の接頭部１３ａは被駆動体１５に所定の力で押し付けられている。押圧機構１４としては、例えば、エアーシリンダや油圧シリンダ、スプリングコイル等が用いられる。被駆動体１５はＸ方向およびＹ方向に移動自在な機構（図示せず）に保持されている。
【００２１】
このような構造を有する超音波モータ１０の駆動方法としては、３本の超音波振動子１１ａ〜１１ｃのうち２本を駆動する方法と、３本の超音波振動子１１ａ〜１１ｃ全てを駆動する方法とがある。
【００２２】
例えば、超音波振動子１１ａと超音波振動子１１ｂとを位相が約９０度ずれた共振周波数またはその近傍の周波数の交流電圧で駆動し、超音波振動子１１ｃを駆動しない場合には、図２の直線Ｐで示される方向、つまり、超音波振動子１１ａ・１１ｂを含む平面とＸ−Ｙ平面とが交わる直線Ｐの長手方向で、被駆動体１５を移動させることができる。より具体的に例を挙げれば、超音波振動子１１ａの電極板２５ｂにＶ＝Ｖ_０ｓｉｎ（２πｆｔ）（Ｖ_０；ゼロ−ピーク電圧、ｆ；周波数、ｔ；時間）の交流電圧を印加し、これと同時に超音波振動子１１ｂの電極板２５ｂにＶ＝Ｖ_０ｃｏｓ（２πｆｔ）の交流電圧を印加すると、接頭部１３ａに生ずる楕円運動によって被駆動体１５は矢印Ｐ１の向きに移動する。超音波振動子１１ａ・１１ｂを駆動する電圧を逆にすると、被駆動体１５を矢印Ｐ２の方向へ移動させることができる。
【００２３】
同様に、超音波振動子１１ｂ・１１ｃを位相が約９０度ずれた共振周波数またはその近傍の周波数の交流電圧で駆動すると、被駆動体１５を直線Ｑの方向、つまりＸ方向で移動させることができる。また、超音波振動子１１ｃ・１１ａを位相が約９０度ずれた共振周波数またはその近傍の周波数の交流電圧で駆動すると、被駆動体１５を直線Ｒの方向で移動させることができる。
【００２４】
３本の超音波振動子１１ａ〜１１ｃを全て駆動する例としては、例えば、超音波振動子１１ａ〜１１ｃのうちの２本を位相差のない同じ電圧で駆動し、残りの１本を位相が約９０度ずれた電圧で駆動する場合が挙げられる。より具体的には、超音波振動子１１ｂ・１１ｃを電圧Ｖ＝Ｖ_０ｓｉｎ（２πｆｔ）で駆動し、超音波振動子１１ａを電圧Ｖ＝Ｖ_０ｃｏｓ（２πｆｔ）で駆動する場合が一例と挙げられる。この場合には、超音波振動子１１ｂ・１１ｃに生ずる振動のＸ方向成分は互いに打ち消され、Ｙ方向成分どうしが重なり合い、またＺ方向成分も重なり合う。一方、超音波振動子１１ａの振動は、Ｙ方向成分とＺ方向成分のみを有している。したがって、超音波振動子１１ａ〜１１ｃの振動による接頭部１３ａの楕円運動はＹ−Ｚ面内で生じ、これによって、被駆動体１５を直線Ｓで示される方向、つまりＹ方向で移動させることができる。
【００２５】
同様に、超音波振動子１１ｃ・１１ａを１組として、これらと超音波振動子１１ｂとを位相が約９０度ずれた電圧で駆動することによって、被駆動体１５を図２中の直線Ｔで示す方向で移動させることができる。また、超音波振動子１１ａ・１１ｂを１組として、これらと超音波振動子１１ｃを位相が約９０度ずれた電圧で駆動することによって、被駆動体１５を図２中の直線Ｕで示す方向で移動させることができる。
【００２６】
以上、本発明の超音波モータの実施の形態について説明してきたが、本発明はこのような形態に限定されるものではない。例えば、ヘッド１３の脚部１３ｂ〜１３ｄと第２ナット２３とは一体であってもよい。つまり、ヘッド１３の脚部１３ｂ〜１３ｄにボルト２１を固定するためのネジ穴を設けて、脚部１３ｂ〜１３ｄと第１ナット２２によって、圧電板２４ａ・２４ｂを所定の力で締め付ける構造としてもよい。
【００２７】
また、超音波振動子１１ａ〜１１ｃのうちの２本が交差する角度θが全て同じである超音波モータ１０について説明したが、超音波振動子１１ａ・１１ｂの交差角度と、超音波振動子１１ｂ・１１ｃの交差角度と、超音波振動子１１ｃ・１１ａの交差角度は、それぞれ異なっていてもよい。さらに、２枚の圧電板２４ａ・２４ｂを備えた超音波振動子１１ａ〜１１ｃを示したが、圧電板は１枚でもよく３枚以上であってもよい。さらに、セラミックグリーンシートを用いた同時焼成法（一体焼成法）により作製された、圧電セラミック薄板と電極とが交互に積層された積層型圧電素子を圧電板２４ａ等として用いてもよい。さらにまた、１個の超音波モータを構成する超音波振動子の数は３本に限定されるものではない。例えば、４本の超音波振動子が略四角錐型となるように配置された超音波モータや、６本の超音波動子が略六角錐型となるように配置された超音波モータであってもよい。このような超音波モータにおいても、少なくとも２本の超音波振動子を位相差を設けて駆動することによって、被駆動体を多方向に移動させることができる。
【００２８】
【発明の効果】
上述の通り、本発明によれば、被駆動体を二次元面内において多方向に移動させることができる。このため、をＸ−Ｙステージ等の少なくとも２方向に動かすことが必要とされる装置の駆動源として本発明の超音波モータを用いることによって、装置を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る超音波モータの一実施形態を示す概略斜視図。
【図２】図１に示す超音波モータの概略平面図。
【図３】図１に示す超音波モータを構成する超音波振動子の概略断面図。
【図４】従来の超音波モータの概略の構造を示す説明図。
【符号の説明】
１０；超音波モータ
１１ａ・１１ｂ・１１ｃ；超音波振動子
１２；保持部材
１３；ヘッド
１３ａ；接頭部
１３ｂ・１３ｃ・１３ｄ；脚部
１４；押圧機構
１５；被駆動体
２１；ボルト
２２；第１ナット
２３；第２ナット
２４ａ・２４ｂ；圧電板
２５ａ〜２５ｃ；電極板
１００；超音波モータ
１０１ａ・１０１ｂ；超音波振動子
１０２；保持部材
１０３；ヘッド
１０５；ロータ

Claims

多角錐状に所定の角度で配置され、個々に圧電素子を備えた略棒状の３本以上の超音波振動子と、
前記３本以上の超音波振動子とそれぞれ接続される３本以上の脚部と、被駆動体に接する接頭部を有する接頭部材と、
前記３本以上の超音波振動子を保持する保持部材と、
を具備し、
前記３本以上の超音波振動子のうち少なくとも２本の超音波振動子の各圧電素子に所定の位相差を有する交流電圧を印加して前記超音波振動子を振動させることにより前記接頭部に所定の楕円運動を生じさせて、前記被駆動体を動かすことを特徴とする超音波モータ。
前記３本以上の超音波振動子のうちの２本の超音波振動子が交差する角度は全て等しく、かつ、その角度は１５度以上１７５度以下であることを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
前記超音波振動子は、
板状で略中心部に孔部を有し、その表裏面に電極が設けられた圧電素子と、
前記圧電素子の孔部に挿通して配置される軸部材と、
前記軸部材の両端に前記圧電素子を所定の力で締め付けるように取り付けられる第１および第２の締結部材と、
を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波モータ。
前記接頭部材が前記第２の締結部材であることを特徴とする請求項３に記載の超音波モータ。