JPH03253274A - 超音波モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、超音波振動エネルギを駆動源とする超音波モ
ータに関し、さらに詳しくはその振動状態を検出し、制
御できるようにした超音波モータに関するものである。

［従来技術］ 近年、超音波振動子の高周波機械振動エネルギを利用し
、摩擦力を駆動源とする超音波モータが種々開発され、
応用研究か進められている。これは、超音波振動子に可
動子を圧着し、その圧着力に起因する摩擦力により推力
を発生して相対運動を行なうものである。その従来例と
して、定在波型超音波モータを第８図に示す。

リニア超音波モータ１は、ヨーク２に超音波振動子３が
固定されており、該超音波振動子３の一端に駆動部４が
形成されている。該駆動部４には、可動子５がゴムロー
ラ６により圧着されており、該可動子５は前記ヨーク２
に固定されたリニアベアリング７ａ及び７ｂによって支
持されている。

上述のように構成されたリニア超音波モータ１に於て、
超音波振動子３を励振すると、前記可動子５は該超音波
振動子３の略楕円運動振動による駆動力を受け、図中矢
印Ａの方向に動く。この駆動力は、前記駆動部４と前記
可動子５との摩擦力によって発生するものである。

このような超音波モータに於いては、その超音波振動子
の振動振幅は、一般的にはサブミクロンから数十ミクロ
ンの範囲にあり、又駆動周波数は数ｋＨｚから数十ｋＨ
ｚの範囲を用いている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上述の超音波モータにおいては、微小振
幅でかつ数ｋＨｚから数十ｋＨｚの高周波数で駆動され
ているために、駆動時の摺動部位の挙動を知ることは非
常に困難であった。そのために、超音波モータが最適な
摩擦状態で駆動されているかを判断する事が難しかった
。

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたも
のであり、超音波モータに於いて摺動部位に振動状態検
知手段を設けることにより、駆動時の摺動部位の挙動を
知ることができる超音波モータを得ることがその目的で
ある。また、超音波モータを最適な摩擦状態で駆動する
ことができ、その結果、高効率動作や低摩耗化が可能な
超音波モータを得ることがその目的である。

［課題を解決するための手段］ この目的を達成するために本発明の超音波モータは、超
音波振動を行う第１弾性体と、該第１弾性体に圧着した
第２弾性体とを具備し、前記第１弾性体の超音波振動に
よって第１弾性体と第２弾性体との間に相対運動が生じ
る超音波モータに於いて、前記第１弾性体及び第２弾性
体の摺動部位が導電性材料で形成された第１及び第２導
電性摺動部材と、前記第１及び第２導電性摺動部材の電
気的接触状態を検知するための接触検知手段とを備えて
いる。

或は、上述のような超音波モータに於いて、前記第１弾
性体及び第２弾性体の摺動部位の少なくとも一方が圧電
素子で形成され、該圧電素子の出力信号を検知するため
の検知手段を備えている。

更に、前記接触検知手段からの信号に応じて振動軌跡を
変化させても更によい。

［作用〕 上記の構成を有する超音波モータに於いては、高周波振
動を行なう第１弾性体の摺動部位に第１導電性摺動部材
が着設され、かつ該第１弾性体に圧着された第２弾性体
の摺動部位に第２導電性摺動部材が着設されている。そ
のため、前記第１弾性体の超音波振動に伴って、前記第
１及び第２導電性摺動部材が接触・非接触を繰り返す。

その結果、該２つの導電性摺動部材に電気的に接続され
た接触検知手段により、前記摺動面の挙動が検知され、
所望の振動軌跡を制御することができる。

或は、高周波振動を行う第１弾性体または第２弾性体の
摺動部位に圧電素子が着設されており、前記第１弾性体
の超音波振動に起因した摺動面の圧力変化に応じて該圧
電素子の出力電圧が変化する。その結果、摺動面の接触
・非接触のみならず、圧着力の変化も検知することがで
きる。

［実施例］ 以下、本発明を具体化した一実施例を図面を参照して説
明する。

本発明に用いる超音波振動子は、例えば特願平１−４６
８６６号の願書に添付した明細書及び図面により提案さ
れているような機械共振器を含んだ超音波振動子を用い
ればよい。以下にその構成の一例を第１図を参照しつつ
説明する。

超音波振動子１１は、矩形角柱形状を有する弾性体２１
の上面に、該弾性体２１に曲げ振動を励振するための第
１圧電体２２が着設されている。

該弾性体２１に於いて、前記着設面と略直交する側面に
は、該弾性体２１に縦振動を励振するための第２圧電体
２３ａ及び２３ｂが着設されている。

前記弾性体２１の長手方向中心は、該弾性体２１を固定
するための固定ボルト２４ａ及び２４ｂにより固定され
ている。該固定ボルト２４ａ及び２４ｂの他の一端は、
基台２５ａ及び２５ｂに固定されている。

前記第１圧電体２２の上面には、電極２７ａ及び２７ｂ
が着設されている。また前記弾性体２１自身は、アース
電極を兼ねており、該弾性体は前記固定ボルト２４ａ及
び２４ｂを介して基台２５ａ及び２５ｂに接地されてい
る。

そして、前記第１圧電体２２の電極２６及び前記第２圧
電体２３ａ及び２３ｂの電極２７ａ及び２７ｂには、ア
ンプ２８ａ及び２８ｂに結線されており、該アンプ２８
ａ及び２８ｂの入力端子にはフェーズシフタ２９を通し
て発振器３０か接続されている。

さらに該弾性体２１は、その厚さ方向に所定の周波数ｆ
に於いて両端自由端２次モードで曲げ振動し、且つ同一
の周波数ｆに於いて長さ方向に両端自由端１次モードで
縦振動するように形状寸法を調節されている。

一般に、弾性体中を伝ばんする縦振動の共振周波数は、
弾性体の長さに依存する。また弾性体の厚さ方向の曲げ
振動の共振周波数は、前記長さ及び厚さに依存する。従
って、前述のような弾性体２１を設計することは容易で
あるので、その詳細は省く。

以上のように構成された複合振動子１１の作用を以下に
説明する。まず交流電源３０より、第１圧電体２２に前
記所定周波数ｆの交流電圧を印加して振動させると、前
記弾性体２１は曲げ振動２次モードで共振し、定在波か
励振される。次に第２圧電体２３ａ及び２３ｂに該周波
数ｆの交流電圧を印加して振動させると、前記弾性体２
１は縦振動１次モードで振動し、定在波か励振される。

つまり、前記固定ボルト２４及び２４て固定される位置
は、各定在波の節となっている。

この時、前記第１圧電体２２と第２圧電体２３及び２３
に印加する電圧の振幅及び位相を調節すると、前記弾性
体２１には任意の形状の略楕円振動を発生することが可
能となる。

尚、上記実施例では縦振動１次モードと曲げ振動２次モ
ードを励振し、その合成により略楕円運動振動を発生す
る超音波振動子について説明したが、これに限定される
ものではなく、縦振動、曲げ振動、せん断振動、ねじり
振動など、種々の振動の合成が考えられ、また高次モー
ドを利用してもよい。

上述の超音波振動子１１を好適に利用した超音波モータ
の基本動作原理について、第２図及び第３図を参照しつ
つ説明する。同図に於て、第１図と同じ符号の付された
各部材は、前記詳述した各構成部材と同一であることを
示している。

第２図に於て、超音波モータ３０は、前記超音波振動子
１１の最大振幅を与える両端部に、駆動子３２を形成し
、さらに第２弾性体であるレール３４に当接されて構成
されている。

第３図は、超音波振動子１１の圧電体２２及び２３ａ、
２３ｂに印加する人力信号の電圧波形を示した図である
。

超音波振動子１１に交流電気信号を印加して励振させる
と、該複合振動子１１は第２図（ａ）〜（ｄ）に示され
るような縦及び曲げ振動を繰り返すことによって駆動力
を発生する。すなわち、第２図（ａ）では縦振動の伸縮
時に、駆動部３２の左端がレール３４に接するように円
振動の位相が調節されている。次に時間とともに第２図
（ａ）・（ｂ）・（ｃ）と該複合振動子１１の形状が変
化することによって、今度は縦振動の収縮時に駆動部３
２の右端がレール３４に接する。この駆動子３２とレー
ル３４とが接するときに、それらの摩擦力に起因する駆
動力を受け、所定方向に推力を発生するものである。

その方向は、同図中矢印Ａ及びＢ出所されるように、常
に同一方向を向いている。該複合振動子１１の速度は、
前記入力信号の電圧及び位相によって調節可能であり、
又その駆動方向は該位相により任意に変えられる。

次に、リニア超音波モータ３０を構成した具体例を、第
４図及び第５図を参照しつつ説明する。

第４図は、リニア超音波モータ３０の上面図及び側面図
であり、第５図は第４図中のｃ−ｃ’断面図である。

同図に於て、前記超音波振動子１１は、その節に於て支
持部材４０が形成されている。該支持部材４０は、ヨー
ク４１に設けられた溝４２で上下方向に自由度を有する
よう支持されている。前記ヨークは、２本のリニアベア
リング４３ａ及び４３ｂによって基台４４上に移動可能
に取り付けられ、第７図中矢印Ａ方向に移動可動となっ
ている。

一方、前記超音波振動子１１の上部には、板バネ５０．
バネ押え５１、バネガイド５２及びホルダ５３より構成
される圧着機構が形成されている。

これらは、ホルダ５３に支持されているバネガイド５２
に形成されたスクリュウミゾに沿って、バネ押え５１を
回転することにより、板バネ５０の高さを調節し、圧着
力を制御するものである。

又、前記基台４４上には、前記レール３４が前記超音波
振動子１１の駆動子３２に当接するように設置されてい
る。

以上のような構成をとっているので、上述の超音波モー
タ３０於いては、固定子側のレール３４に構造上の制限
がなく、簡単な支持機構を設けるだけで、任意の曲率の
軌道を構成することができる。又、超音波モータは、非
駆動時には摩擦力で保持されており、その力は通常該超
音波モータの２倍から５倍以上の大きい値であるので、
０〜９０度の任意の角度の坂も構成することができるも
のである。

ここで、該超音波モータ３０に設けられた制御装置の構
成につき、第６図を参照しつつ以下に説明する。

前記超音波振動子１１の駆動部３２の一方には、導電性
材料より成る第１導電性摺動部材６０が着設されている
。又、前記レール３４上面にも第２導電性摺動部材６１
が着設されている。これら第１及び第２導電性摺動部材
６０．６１には、直流電源６２が電気的に直列接続され
ており、かつ該電源６２には電圧計６３が接続されてい
る。ここに、これら第１及び第２導電性摺動部材６０１
６１の材質としては、耐摩耗性を向上するために良導電
性の酸化物セラミックを用いてもよい。詳しくは、例え
ば （１）酸化物半導体である５ｎ０２．ＴｉＯ２，ＧｅＯ
２，Ｃｕ２Ｏｇ２０ （２）金属的な酸化物であるＲｅ０３ （３）抵抗値が温度依存性を有するＮＴＣ、ＰＴＣ、Ｃ
ＴＲＶ２Ｏ３、Ｔｉ２Ｏ３ 等が挙げられる。

そして、該電圧計６３は電圧情報を制御回路６４に送る
よう構成され、該制御回路６４により前記アンプ２８ａ
のゲインが任意に調節されるよう構成されている。

前記詳述したように、超音波モータの摺動部位である駆
動子３２は、略楕円運動しており、その運動軌跡は例え
ば第７図中矢印りに示される様な軌跡を示す。摺動面の
滑りが小さい材料を用いている場合、該超音波モータの
出力推力が最大となる条件は、前記楕円運動の軌跡がほ
ぼ半分につぶれた同図中矢印Ｅに示す軌跡となると考え
られる。

すなわち、該超音波モータの摺動面に於いて、超音波振
動子１１の運動エネルギが摺動部位の歪エネルギとして
蓄えられ、それが全て可動子を加速するように働いてい
る。よって、摺動部位の接触・非接触を検知し、その楕
円軌跡を所望の形に制御できるならば、大出力、高効率
の超音波モータを得ることができる。

以下に、その制御方法につき説明する。

高周波振動を行なう弾性体２１の駆動部３２の摺動部位
に第１導電性摺動部材６０が着設され、かつ該弾性体２
１に圧着された第２弾性体であるレール３４の摺動部位
に第２導電性摺動部材６１が着設されている。そのため
、前記弾性体２１の超音波振動につれて、前記第１及び
第２導電性摺動部材６０．６１が接触・非接触を繰り返
す。その結果、該２つの導電性摺動部材６０．６１に電
気的に接続された電圧計６３には、直流電源６２の電圧
値が上記接触・非接触のより検知される。

従って、変形した楕円軌道の接触時間・非接触時間がわ
かる。該電圧の導通・遮断情報が前記制御回路６４に送
られ、前記摺動面の挙動を検知して、接触時間・非接触
時間がほぼ等しくなるように、前記超音波振動子１１に
曲げ振動を励振する第１圧電体２２の印加電圧振幅を制
御してやれば、前記楕円振動軌跡を所望の軌跡すなわち
第７図矢印Ｅとすることか可能である。その結果、大出
力、高効率の超音波モータを実現することができる。

或は、高周波振動を行なう弾性体２１又はレール３４の
摺動部位に別途圧電素子を着設すれば、該弾性体２１の
超音波振動に起因した摺動面の圧着力変化につれ該圧電
素子の出力電圧が変化する。

その結果、摺動面の接触・非接触のみならす圧着力の変
化も検知することができる。

上述のような楕円振動軌跡と印加電圧振幅との関係は、
構造が非常に簡単な角柱形複合共振器を用いることによ
って、顕著に表われる。すなわち、角柱形複合共振器１
１は、該制御に非常に適していると考えられる。逆に、
複数の弾性体を組み合わせたり、ボルト締め構造を用い
たランジュバン型振動子に於いては、その構造の複雑さ
から、位相以外の条件により出力、速度の変化か起こり
やずいと考えられる。

本実施例に於いては、角柱形複合共振器を例にとり説明
したが、それに限定されるものではなく、略平板形状の
共振器を用いても同様な効果が得られる。

また、本実施例に於いて弾性体の励振源として圧電体を
用いたか、その形状は平板に限らす円板状、積層形状な
ど種々の形状が考えられる。

さらに、本実施例では圧着機構に於て板バネを例にとり
説明したが、それに限定されるものではなく、コイルバ
ネ等の種々のバネや、磁気力の応用などが考えられる。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が
考えられる。

［発明の効果コ 以上詳述したことから明らかなように、本発明によれば
、超音波モータに於いて摺動部位に振動状態検知手段を
設けることにより、駆動時の摺動部位の挙動を知ること
かでき、超音波モータが最適な摩擦状態で駆動すること
ができる。その結果、高効率動作や低摩耗化が可能な超
音波モータを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図から第７図までは本発明を具体化した実施例を示
すもので、 第１図は、本実施例に用いる超音波振動子の説明図であ
り、 第２図は、本実施例の超音波モータの動作説明図を示す
図であり、 第３図は、前記超音波振動子の圧電体に印加する人力信
号の電圧波形を示す図であり、 第４図は、本発明の超音波モータの上面図及び側面図を
示す図であり、 第５図は、第４図中におけるＣ−Ｃ−断面を示す図であ
り、 第６図は、超音波モータの制御装置を説明する図であり
、 第７図は、超音波モータの摺動面における楕円運動軌跡
特性を説明する図である。 第８図は、超音波モータの従来例を示す図である。 １ ４ ０ １ ６３及び６４ ２ ２３ａ及び２３ｂ 第１弾性体 第２弾性体 第１導電性摺動部材 第２導電性摺動部材 接触検知手段 第１圧電体 第２圧電体

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、超音波振動を行う第１弾性体と、該第１弾性体に圧
   着した第２弾性体とを具備し、前記第１弾性体の超音波
   振動によって第１弾性体と第２弾性体との間に相対運動
   が生じるように構成された超音波モータに於いて、 前記第１弾性体及び第２弾性体の摺動部位が導電性材料
   で形成された第１及び第２導電性摺動部材と、 前記第１及び第２導電性摺動部材の電気的接触状態を検
   知するための接触検知手段とを備えたことを特徴とする
   超音波モータ。 ２、超音波振動を行う第１弾性体と、該第１弾性体に圧
   着した第２弾性体とを具備し、前記第１弾性体の超音波
   振動によって第１弾性体と第２弾性体との間に相対運動
   が生じるように構成された超音波モータに於いて、 前記第１弾性体及び第２弾性体の摺動部位の少なくとも
   一方が圧電素子で形成され、 該圧電素子の出力信号を検知するための検知手段を備え
   たことを特徴とする超音波モータ。 ３、前記検知手段からの信号に応じて第１弾性体の振動
   軌跡を変化させるように構成したことを特徴とする請求
   項１或は２記載の超音波モータ。