JPH09117166A - 超音波モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】微小移動する際に、その移動特性を最適に保ち
つつ発生する駆動推力を自在に設定でき、簡単な構成で
安価な超音波モータを提供することにある。 【解決手段】直方体形状をなす弾性体１の底面側に、複
数の摺動部材３をそれぞれ所定位置に配設し、前記弾性
体１であって前記摺動部材３の配設されている位置と対
向する面側に圧電体２を配設し、この圧電体２に正弦波
電圧を印加することにより、前記弾性体１の長手方向に
沿って伸縮振動及び前記弾性体の長手方向に伝播する屈
曲振動をそれぞれ合成して楕円振動を発生させる超音波
モータにおいて、前記圧電体を複数系統とし、各々の系
統は複数の圧電素子群２１〜２４から構成し、前記摺動
部材３１，３２は少なくとも前記圧電素子群と同じ数と
した超音波モータである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電気ー機械エネル
ギー変換素子例えば圧電素子を駆動源とする超音波モー
タに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、超音波（リニア）モータは、電磁
型モータに比べて微小な外形寸法でありながら強力な駆
動推力が得られることから、注目を集めている。従来の
超音波モータの一例として、本出願人が先に出願した明
細書（特願平４ー３２１０９６号）に記載されたものが
あり、以下これについて図４〜図７を参照して説明す
る。

【０００３】図４は、圧電素子を駆動源とした並進運動
可能とする超音波リニアモータの原理を説明するための
図である。すなわち、超音波振動子は、弾性体１、積層
型圧電体（圧電素子群）２、摺動部材３からなり、直方
体形状の弾性体１の上端面であって長手方向に、２個の
積層型圧電体２が挟み込まれ、弾性体１の下端面であっ
て振動の腹となる部分に複数の摺動部材３が固定されて
いる。

【０００４】このような構成の超音波振動子において、
積層型圧電体２に正弦波電圧を印加すると、弾性体１に
は、図５に示すような２種類の振動、つまり、図５
（Ａ）に示すような弾性体１の長手方向に沿った単純な
伸縮運動と、図５（Ｂ）に示すような長手方向に伝播す
る２次の定在波となる横波の弾性波（屈曲振動）と、同
時に励起される。

【０００５】なお、弾性体１の長さと幅は、伸縮運動の
１次共振周波数と横波の２次の定在波の周波数が一致す
るように設定してある。図４の超音波振動子において、
定在波の振動の腹の位置では、前記２種類の振動の変位
が合成されて、弾性体１の質点が楕円形の軌跡に沿って
振動する。そこで、その振動の腹の位置に前記摺動部材
３を配設し、摺動部材３に例えば図７に示すように被駆
動体８を押圧すると、被駆動体８が前述のように楕円振
動の作用を受けて並進運動する。

【０００６】図６は以上述べた超音波振動子を備えた実
際の超音波リニアモータの全体の構成を示すものである
が、図４とは異なる点は、摺動部材３が弾性体１の下端
面の両端部に固定されている点である。

【０００７】弾性体１は、２次の定在波の節となる位置
で係止部材４により支持されると共に、係止部材４を枠
体５で支持された押圧力調整ねじ６により押圧力調整可
能なコイルばね７により付勢して超音波振動子を被駆動
体８へ押圧している。そして、の下端部にはリニアガイ
ド９が設けられていて、ガイドレール８ａと係合して前
記押圧力を受けながら左右方向に直線移動可能に保持さ
れている。

【０００８】このような構成の超音波モータの積層型圧
電体２に対してバースト波（連続波をある範囲で切った
もの）を印加すると、超音波モータは微小量移動する。
この場合の微小移動量と単位面積当りの押圧力の関係
は、図７に示すようになる。図７から明らかなように、
被駆動体８と摺動部材３とが接触している被駆動体８の
部分の単位面積当りの押圧力が変化することにより、破
線で示す移動量ならびに実線で示す駆動推力も変化す
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】以上述べた従来の超音
波モータにあっては、次のような問題点がある。前述し
た超音波振動子の大きさを変えずに、超音波振動子によ
り得られる駆動推力を大きくするには、図７に示すよう
に押圧力を図７のＢ点側に大きくすることにより可能で
あるが、この場合には微小移動特性が最適な特性となく
なることがある。

【００１０】一方、微小移動特性を最適特性のとき（図
７のＡ点）は、駆動推力は一意に決定され、必要な駆動
推力が得られない場合がある。このようなことから、駆
動推力と微小移動量を同時に満足させる超音波モータの
構成としては、超音波振動子の大きさを変える方法が考
えられるが、この場合でも図４に示す構成から分かるよ
うに、圧電体２の外形寸法により制限を受けるので、超
音波振動子の形状を任意に決めることができない。

【００１１】ここで、超音波振動子の大きさを変える方
法で、図４の紙面上の高さと、幅寸法を変えると、超音
波振動子の振動周波数が変化してしまう。このようなこ
とから、図４の紙面の法線方向である超音波振動子の厚
さを変えることが望ましい。

【００１２】しかしながら、超音波振動子の厚さを変え
た場合には、適当な寸法の圧電体が市販されていないた
め、その入手が困難である他、特別に圧電体を注文する
と高価になるという問題点がある。

【００１３】本発明は、以上のような従来の問題点を除
去するためなされたもので、微小移動する際に、その移
動特性を最適に保ちつつ発生する駆動推力を自在に設定
でき、簡単な構成で安価な超音波モータを提供すること
を目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、請求項１に対応する発明は、直方体形状をなす弾性
体の底面側に、複数の摺動部材をそれぞれ所定位置に配
設し、前記弾性体であって前記摺動部材の配設されてい
る位置と対向する面側に圧電体を配設し、この圧電体に
正弦波電圧を印加することにより、前記弾性体の長手方
向に沿って伸縮振動及び前記弾性体の長手方向に伝播す
る屈曲振動をそれぞれ合成して楕円振動を発生させる超
音波モータにおいて、前記圧電体を複数系統とし、各々
の系統は複数の圧電素子群から構成し、前記摺動部材は
少なくとも前記圧電素子群と同じ数としたことを特徴と
する超音波モータである。

【００１５】請求項１に対応する発明によれば、圧電体
を複数系統とし、かつ摺動部材は少なくとも各系統を構
成する圧電素子群と同じ数としたことにより、摺動部材
と被駆動体との接触面積が大きくなり、単位面積当りの
押圧力により、高い駆動推力を得ることができる。従っ
て、微小移動する際に、その移動特性を最適に保ちつつ
発生する駆動推力を自在に設定でき、簡単な構成で安価
となる。

【００１６】前記目的を達成するため、請求項２に対応
する発明は、前記各系統毎の圧電素子群を前記弾性体の
厚さ方向又は高さ方向に並設したことを特徴とする請求
項１記載の超音波モータである。

【００１７】請求項２に対応する発明によれば、請求項
１の作用に加えて弾性体の厚さ方向に対応する寸法に余
裕があるものに使用するのに適している。前記目的を達
成するため、請求項３に対応する発明は、前記各系統の
圧電素子群を、前記弾性体の長手方向に一直線状であっ
て、異なる系統の圧電素子群が互い違いになるように配
置したことを特徴する請求項１記載の超音波モータであ
る。請求項３に対応する発明によれば、請求項１の作用
に加えて弾性体の長手方向に対応する寸法に余裕がある
ものに使用するのに適している。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。 ＜第１の実施の形態＞図１は第１の実施の形態の要部、
すなわち超音波振動子のみを示す斜視図であり、直方体
状の弾性体１に、積層型圧電体（圧電素子群）２１，２
２，２３，２４と、摺動部材３１，３２（図では２つし
か示されていないが、実際には４個ある）およびピン４
が次のように設けられている。すなわち、弾性体１の底
面に弾性体１が屈曲振動したとき腹となる位置にそれぞ
れ摺動部材３１，３２が配設され、前記弾性体１の底面
と対向する上面であって、該弾性体１の長手方向（振動
方向）と直交する厚さ方向に、第１系統を構成する２個
の積層型圧電体２１，２２が並設され、また前記弾性体
１の長手方向であって前記圧電体２１，２２に近接した
位置にその厚さ方向に第２系統を構成する２個の積層型
圧電体２３，２４が並設されている。弾性体１の側面
（上面と底面に対して直交する面）の中央部にはピン４
が植立固定され、ピン４が図示しない挾持体に対して回
動自在に支持される。そして、図示しない押圧機構によ
り以上のような超音波振動子が押圧され、摺動部材３
１，３２が、この下部に配設される図示しない被駆動体
に接触するように構成されている。

【００１９】なお、弾性体１は、従来のものに比べて厚
さ方向寸法が２倍くらい厚く形成されている点が異なっ
ている。以上のように構成された第１の実施の形態にお
いて、積層型圧電体２１，２２の組からなる第１系統
と、積層型圧電体２３，２４の組からなる第２系統に、
それぞれ位相が９０度ずれた２つのバースト波を印加す
る。この場合、各系統内においては、同相のバースト波
となるようになっている。

【００２０】その結果、図５に示すように、弾性体に縦
振動と屈曲振動の２つの振動が発生し、２つの摺動部材
が楕円振動することで、被駆動体が直線移動する。この
時、単一バースト波での移動量は、図７に示すように被
駆動体と摺動部材の間の単位面積当りの押圧力により決
定される。但し、移動量は被駆動体の慣性負荷や図示し
ないリニアガイドのころがり負荷等に左右されるのはも
ちろんである。

【００２１】このようなことから、弾性体の厚さ方向寸
法を増し、かつ圧電体２１，２２からなる第１系統と２
３，２４からなる第２系統を構成したことにより、微小
移動量の最適な特性と任意の駆動推力を選択することが
可能であり、圧電体の印加電圧が下げられる。

【００２２】これを、仮に従来の技術のままで、積層型
圧電体の寸法より弾性体寸法をむやみに大きくすると、
弾性体の可撓性が小さく（剛性が高く）なり、圧電体に
より得られる伸縮力が大きなものが要求され、このため
圧電体に高電圧を印加しなければならなくなり、高電圧
を印加すると圧電体の破壊を招くことがあり、弾性体の
振動が不安定になるおそれがある。

【００２３】第１の実施の形態によれば、圧電体２１〜
２４に正弦波低電圧を印加するだけで、弾性体に安定し
た振動を発生することができ、さらにモータとして組み
上げたときに、最適な微小移動特性を維持し、かつ高い
駆動推力を発生させることができる。また、従来の駆動
回路を流用することができので、特別の駆動回路を使用
する場合に比べて安価となり、簡単な構成で済む。さら
に、弾性体１の厚さ方向に対応する寸法に余裕があるも
のに使用するのに適している。

【００２４】＜第２の実施の形態＞図２は、第２の実施
の形態の超音波振動子のみを示す斜視図であり、図１の
実施の形態と異なる点は、弾性体１の厚さ寸法が薄く図
１の半分で、この上面には圧電体２１〜２４が一直線状
に配列され、第１系統を構成する圧電体２１，２２と、
第２系統を構成する圧電体２３，２４が互い違いに配設
されている。弾性体１の底面には４個の摺動部材３１〜
３４が、所定位置に互いに間隔を存して配設されてい
る。この場合、摺動部材３１〜３４の配置位置は、弾性
体１が屈曲振動の腹の位置である。これ以外の構成は、
第１の実施の形態と同じである。

【００２５】以上のように構成された第２の実施の形態
において、積層型圧電体２１，２２の組からなる第１系
統と、積層型圧電体２３，２４の組からなる第２系統
に、それぞれ位相が９０度ずれた２つのバースト波を印
加する。

【００２６】その結果、図５に示すように、弾性体１に
長手方向の伸縮振動と屈曲振動が同時に励起される。こ
の２つの振動の合成として４つの摺動部材３１，３２、
３３，３４が楕円振動することになる。

【００２７】ここで、屈曲振動の腹の位置に設けられて
いる摺動部材３１，３２の組と、３３，３４の組とは位
相が１８０度ずれた振動をする。この結果、図示しない
４つの摺動部材３１〜３４に接触される被駆動体が直線
移動する。

【００２８】以上述べた第２の実施の形態によれば、微
小移動特性の最適押圧力のときでも、摺動部材３１〜３
４と被駆動体の接触面積が増大することから、大きな駆
動推力が発生する。但し、移動量は被駆動体の慣性負荷
や図示しないリニアガイドのころがり負荷等に左右され
るのはもちろんである。

【００２９】このようなことから、弾性体１の長手方向
寸法を増し、かつ圧電体２１〜２４を一直線状に配設
し、かつ摺動部材３１〜３４を屈曲振動の腹の位置に配
設したので、モータとして最適な微小移動特性を維持
し、かつ高い駆動推力を発生させることができる。ま
た、弾性体１の長手方向に対応する寸法に余裕があるも
のに使用するのに適している。

【００３０】＜変形例＞図１の実施の形態では、弾性体
１の上面の厚さ方向に、圧電体２１，２２、２３，２４
を並設したが、これを図３のように弾性体１の上面側に
上下に重ねるようにしてもよい。

【００３１】また、前述の実施の形態では、４つ積層型
圧電体により第１および第２系統を構成した例をあげた
が、これ以外に６つや８つ等の偶数個であれば何個でも
よい。

【００３２】さらに、前述の実施の形態では積層型圧電
体（２１〜２４）の数と、摺動部材（３１〜３４）の数
を同一としたものをあげて説明したが、これを積層型圧
電体の数よりも摺動部材の数を多く配設するようにして
もよい。

【００３３】

【発明の効果】本発明によれば、微小移動する際に、そ
の移動特性を最適に保ちつつ発生する駆動推力を自在に
設定でき、簡単な構成で安価な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】本発明の超音波モータの第１の実施の形態の超
音波振動子を示す斜視図。

【図２】本発明の超音波モータの第２の実施の形態の超
音波振動子を示す斜視図。

【図３】図１の超音波振動子の変形例を示す斜視図。

【図４】従来の超音波モータの１例の超音波振動子を示
す正面図。

【図５】図３の超音波振動子の動作説明図。

【図６】図３の超音波振動子を使用した従来の超音波モ
ータの全体構成を示す正面図。

【図７】図５の超音波モータの問題点を説明するための
微小移動量および駆動推力と単位面積当りの押圧力の関
係を示す図。

【符号の説明】

１…弾性体、２，２１，２２，２３，２４…積層型圧電
体（圧電素子群）、３，３１，３２，３３，３４…摺動
部材、４…ピン、８…被駆動体。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直方体形状をなす弾性体の底面側に、複
   数の摺動部材をそれぞれ所定位置に配設し、前記弾性体
   であって前記摺動部材の配設されている位置と対向する
   面側に圧電体を配設し、この圧電体に正弦波電圧を印加
   することにより、前記弾性体の長手方向に沿って伸縮振
   動及び前記弾性体の長手方向に伝播する屈曲振動をそれ
   ぞれ合成して楕円振動を発生させる超音波モータにおい
   て、 前記圧電体を複数系統とし、各々の系統は複数の圧電素
   子群から構成し、前記摺動部材は少なくとも前記圧電素
   子群と同じ数としたことを特徴とする超音波モータ。
2. 【請求項２】 前記各系統毎の圧電素子群を前記弾性体
   の厚さ方向又は高さ方向に並設した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】 前記各系統の圧電素子群を、前記弾性体
   の長手方向に一直線状であって、異なる系統の圧電素子
   群が互い違いになるように配置したことを特徴する請求
   項１記載の超音波モータ。