(57)【要約】【課題】  加圧機構を簡略化して小型化するとともに、超音波振動子に対して被駆動体を高精度に相対移動させる。【解決手段】  駆動電圧を供給されることにより、異なる２つの振動モードを同時に発生させて出力端に略楕円振動を生じさせる超音波振動子２と、該超音波振動子２の出力端に固定された接触部材１０と、該接触部材１０により押圧される磁性材料からなる被駆動体３と、接触部材１０に設けられ、被駆動体３を接触部材１０側に磁気吸引して両者を密着させる磁界Ｍを発生する磁界発生手段と、被駆動体３に固定され、磁界発生手段により発生された磁界Ｍの強さを検出する磁気センサ４とを備える超音波モータ１を提供する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動電圧を供給されることにより、異なる２つの振動モードを同時に発生させて出力端に略楕円振動を生じさせる超音波振動子と、
該超音波振動子の出力端に固定された接触部材と、
該接触部材により押圧される磁性材料からなる被駆動体と、
前記接触部材に設けられ、前記被駆動体を前記接触部材側に磁気吸引して両者を密着させる磁界を発生する磁界発生手段と、
前記被駆動体に固定され、前記磁界発生手段により発生された磁界の強さを検出する磁気センサとを備える超音波モータ。
【請求項２】
前記磁界発生手段が、前記接触部材を磁石とすることにより構成されている請求項１に記載の超音波モータ。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の超音波モータと、
該超音波モータを駆動制御する制御部とを備え、
該制御部が、前記超音波モータの磁気センサにより検出された磁界の強さに基づいて、超音波振動子と被駆動体との相対位置を演算し、演算された相対位置に基づいて超音波振動子に供給する駆動電圧を調節する超音波モータシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、超音波モータおよび超音波モータシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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）ギヤなしで高トルクが得られる。
（２）電気ＯＦＦ時に保持力がある。
（３）高分解能である。
（４）静粛性に富んでいる。
【０００３】
従来の超音波モータとしては、特許文献１に開示された構造のものがある。この特許文献１に開示された超音波モータは、磁性材料からなる被駆動体に接触する圧電振動子の近傍に磁石を固定し、該磁石と被駆動体との間に生ずる磁気吸引力によって圧電振動子を被駆動体に押圧することとし、圧電振動子の被駆動体への加圧機構を簡略化している。
【０００４】
一方、超音波モータは、超音波振動子を被駆動体に押し付けて摩擦により駆動するものであるため、その位置精度は、超音波振動子と被駆動体の接触面の表面状態に大きく左右される。これを回避するためには、超音波振動子と被駆動体との相対位置を精度よく検出し、超音波振動子を駆動制御することが必要不可欠である。相対移動する固定子と可動子との相対位置を検出する方法としては、例えば、特許文献２に示されるように、固定子あるいは可動子のいずれか一方に磁気センサを、他方に磁気スケールを配置する方法が挙げられる。
【特許文献１】特開平８−６６０６１号公報
【特許文献２】特開平１１−２８９７４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に示されるように、加圧機構を簡略化して超音波モータを小型化しても、位置検出を行わなければ被駆動体を精度よく駆動することができないという不都合がある。また、特許文献２に示されるような磁気スケール方式の相対位置検出装置を採用したのでは、超音波振動子と被駆動体との相対移動距離以上の長さの磁気スケールを相対移動方向に沿って配置する必要があるため、超音波モータを含む超音波モータシステム全体を小型化することが困難であるという問題がある。
【０００６】
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、加圧機構を簡略化して小型化するとともに、超音波振動子に対して被駆動体を高精度に相対移動させることができる超音波モータおよび超音波モータシステムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、駆動電圧を供給されることにより、異なる２つの振動モードを同時に発生させて出力端に略楕円振動を生じさせる超音波振動子と、該超音波振動子の出力端に固定された接触部材と、該接触部材により押圧される磁性材料からなる被駆動体と、前記接触部材に設けられ、前記被駆動体を前記接触部材側に磁気吸引して両者を密着させる磁界を発生する磁界発生手段と、前記被駆動体に固定され、前記磁界発生手段により発生された磁界の強さを検出する磁気センサとを備える超音波モータを提供する。
【０００８】
本発明によれば、超音波振動子に駆動電圧を供給することで、出力端に略楕円運動を生じさせるとともに、出力端に固定された接触部材によって被駆動体を押圧することにより、両者間に生ずる摩擦力の変化を利用して、超音波振動子と被駆動体とを相対的に移動させることができる。この場合において、接触部材に設けられた磁界発生手段の作動により、磁性材料からなる被駆動体を接触部材側に磁気吸引することで超音波振動子の接触部材と被駆動体とを密着させるので、大がかりな加圧機構が不要であり、小型化を図ることができる。
【０００９】
また、被駆動体には、磁気センサが備えられているので、被駆動体に対して超音波振動子が相対的に変位すると、接触部材に設けられている磁界発生手段により発生され、磁気センサにより検出される磁界の強さが、両者の相対位置に応じて変化する。これにより、被駆動体に対する超音波振動子の相対位置を磁気センサによって精度よく検出し、超音波振動子を高精度に制御することが可能となる。この場合に、接触部材を被駆動体に密着させるために使用される磁界発生手段からの磁界を相対位置検出に利用するので、移動範囲の全長にわたって配されるような磁気スケールが不要となり、この超音波モータを含むシステムを小型化し、構成を簡略化してコストを低減することができる。
【００１０】
上記発明においては、前記磁界発生手段が、前記接触部材を磁石とすることにより構成されていることが好ましい。
このように構成することで、接触部材の周囲に別個の磁石を配置する必要がなく、さらに小型軽量化を図ることができる。
【００１１】
また、本発明は、上記いずれかの超音波モータと、該超音波モータを駆動制御する制御部とを備え、該制御部が、前記超音波モータの磁気センサにより検出された磁界の強さに基づいて、超音波振動子と被駆動体との相対位置を演算し、演算された相対位置に基づいて超音波振動子に供給する駆動電圧を調節する超音波モータシステムを提供する。
【００１２】
本発明によれば、超音波モータの作動により、超音波振動子と被駆動体との相対位置が変化すると、超音波モータに備えられた磁界発生手段と磁気センサとの距離が変化するため、磁気センサによって検出される磁界が変化する。制御部は、磁気センサにより検出された磁界の変化に基づいて超音波振動子と被駆動体との相対位置を演算し駆動電圧を調節する。したがって、超音波振動子と被駆動体との相対位置を高精度に制御することができる。この場合に、移動範囲の全長にわたって配されるような磁気スケールが不要となり、超音波モータシステムを小型化し、コストを低減することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、加圧機構および位置検出機構を簡略化して小型化を図ることができ、超音波振動子に対して被駆動体を高精度に相対移動させることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の第１の実施形態に係る超音波モータおよび超音波モータシステムについて、図１〜図６を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る超音波モータ１は、図１に示されるように、超音波振動子２と、該超音波振動子２により駆動される被駆動体３と、該被駆動体３と超音波振動子２との相対位置を検出するための磁気センサ４とを備えている。また、本実施形態に係る超音波モータシステム５は、上記超音波モータ１と、該超音波モータ１の磁気センサ４からの出力電圧または出力電流に基づいて超音波モータ１を制御する制御部６とを備えている。
【００１５】
超音波振動子２は、例えば、図２〜図４に示されるように、矩形板状の圧電セラミックスシート７の片側面にシート状の内部電極８を設けたものを複数枚積層してなる直方体状の圧電積層体９と、該圧電積層体９の長さ方向の幅方向の一側面に形成される２つの出力端に接着された２つの摩擦接触子（接触部材）１０とを備えている。
【００１６】
図４（ａ）に示される圧電セラミックスシート７は、そのほぼ全面に内部電極８を備えている。内部電極８は、圧電セラミックスシート７の長さ方向に所定の絶縁距離を開けて２つ配列されている。各内部電極８は、圧電セラミックスシート７の周縁から所定の隙間を空けて配置されるとともに、その一部が圧電セラミックスシート７の周縁まで延びている。
【００１７】
図４（ｂ）に示される圧電セラミックスシート７は、その幅方向の略半分に内部電極８を備えている。内部電極８は、圧電セラミックスシート７の長さ方向に所定の絶縁距離を開けて２つ配列されている。各内部電極８は、圧電セラミックスシート７の周縁から所定の隙間を空けて配置されるとともに、その一部が圧電セラミックスシート７の周縁まで延びている。
【００１８】
これら内部電極８を備えた圧電セラミックスシート７は、図４（ａ）に示される内部電極８の大きいものと、図４（ｂ）に示される内部電極８の小さいものとが交互に複数枚積層されることにより、直方体状の圧電積層体９を構成している。
【００１９】
圧電積層体９の長さ方向の両端面には２個ずつ、合計４個の外部電極１１が設けられている。各外部電極１１には、同種の圧電セラミックスシート７の同一位置に配される全ての内部電極８が接続されている。これにより、同種の圧電セラミックスシート７の同一位置に配される内部電極８は、同一の電位とされるようになっている。なお、外部電極１１には図示しない配線が接続されている。配線は、リード線、フレキシブル基板等、可撓性を有する配線であれば任意のものでよい。
【００２０】
次に、圧電積層体９の動作について説明する。
圧電積層体９の長さ方向の一端に形成された２つの外部電極１１をＡ相（Ａ＋，Ａ−）、他端に形成された２つの外部電極１１をＢ相（Ｂ＋，Ｂ−）とする。Ａ相およびＢ相に同位相で共振周波数に対応する交番電圧を加えると、図５に示されるような１次の縦振動が励起されるようになっている。また、Ａ相とＢ相とに逆位相で共振周波数に対応する交番電圧を加えると、図６に示されるような２次の屈曲振動が励起されるようになっている。図５および図６は、有限要素法によるコンピュータ解析結果を示す図である。
【００２１】
圧電積層体９に１次の縦振動が発生したときには、摩擦振動子１０が圧電積層体９の長さ方向（図５に示されるＸ方向）に変位させられるようになっている。一方、圧電積層体９に２次の屈曲振動が生じたときには、摩擦接触子１０が、圧電積層体９の幅方向（図５に示されるＺ方向）に変位させられるようになっている。
【００２２】
したがって、超音波振動子のＡ相とＢ相とに、位相が９０°ずれた共振周波数に対応する交番電圧を加えることにより、１次の縦振動と２次の屈曲振動とが同時に発生して、図２に矢印Ｃで示されるように、摩擦接触子１０の位置において時計回りまたは反時計回りの略楕円振動が発生するようになっている。
【００２３】
本実施形態に係る超音波モータ１においては、圧電積層体９に接着される摩擦接触子１０が、永久磁石（磁界発生手段）により構成されている。
また、被駆動体３は、平板状の固定部材１２と、該固定部材１２の表面に固定された磁性材料からなる平板状の駆動面部材１３とを備えている。
【００２４】
前記磁気センサ４は、前記固定部材１２に固定され、前記摩擦接触子１０の側方に間隔をあけて配置されている。これにより、磁気センサ４は、永久磁石からなる摩擦接触子１０が形成する磁界Ｍの強さを検出することができるようになっている。
【００２５】
前記制御部６は、前記磁気センサ４から出力される磁界Ｍの強さを示す出力信号を受信して、被駆動体３と摩擦接触子１０との相対位置を演算する位置演算部１４と、該位置演算部１４により演算された相対位置に基づいて、超音波振動子２に供給する駆動電圧を調節する駆動制御部１５とを備えている。
【００２６】
このように構成された本実施形態に係る超音波モータ１および超音波モータシステム５の作用について以下に説明する。
本実施形態に係る超音波モータ１によれば、超音波振動子２を構成する圧電積層体９に接着されている摩擦接触子１０が永久磁石により構成され、被駆動体３となる固定部材１２の表面には磁性材料からなる駆動面部材１３が設けられているので、超音波振動子２は、駆動電圧が供給されていない状態で、その摩擦接触子１０を磁気吸引力によって駆動面部材１３に密着させた状態に配置される。
【００２７】
この初期状態において、磁気センサ４には、永久磁石からなる摩擦接触子１０との位置関係に応じた強さの磁界Ｍが検出されている。したがって、磁気センサ４から出力される出力電圧または出力電流により、位置演算部１４が磁気センサ４と摩擦接触子１０との初期相対位置を演算して記憶する。
【００２８】
この状態で、制御部６により目標位置が設定されると、制御部６が、超音波振動子２を目標位置まで移動させるための駆動電圧を超音波振動子２に供給する。制御部６から駆動電圧を供給すると、圧電積層体９の出力端に接着された２つの摩擦接触子１０が略楕円運動させられる。摩擦接触子１０と駆動面部材１３とは、永久磁石からなる摩擦接触子１０の磁気吸引力によって密着状態に押し付けられているので、摩擦接触子１０が略楕円運動させられると両者間に生ずる摩擦力によって、駆動面部材１３が摩擦接触子１０により略楕円運動の接線方向に押圧される。
【００２９】
そして、２つの摩擦接触子１０によって交互に、摩擦による押圧動作を繰り返すことにより、摩擦接触子１０と駆動面部材１３との密着および離間が断続的に繰り返されながら、被駆動体３に対して超音波振動子２が相対的に移動させられることになる。本実施形態においては、被駆動体３が固定されているので、超音波振動子２が被駆動体３に対して一方向に自走することになる。本実施形態によれば、摩擦接触子１０を永久磁石によって構成することにより、摩擦接触子１０を駆動面部材１３に押圧する加圧機構を別個に設ける必要がなく、部品点数を少なくして構造を簡略化し、かつ、小型化およびコストの低減を図ることができる。
【００３０】
被駆動体３に対して超音波振動子２が相対移動させられると、磁気センサ４に対する摩擦接触子１０の相対位置も変化させられるので、摩擦接触子１０の形成する磁界Ｍが磁気センサ４に対して相対的に移動し、磁気センサ４により検出される磁界Ｍの強さが変化する。したがって、摩擦接触子１０と磁気センサ４との相対位置関係と検出される磁界Ｍの強さとの関係を予め測定して、位置演算部１４に記憶しておくことにより、磁気センサ４により検出される磁界Ｍの強さに基づいて、被駆動体３に対する超音波振動子２の相対位置を精度よく演算することができる。
【００３１】
本実施形態によれば、摩擦接触子１０を駆動面部材１３に密着させるための磁界Ｍを利用して磁気センサ４により超音波振動子２と被駆動体３との相対位置を示す磁界Ｍの強さを精度よく検出し、位置演算部１４によって、相対位置を精度よく演算することができる。したがって、移動距離以上の長さを有する磁気スケールを設置する必要がなく、小型で高精度の超音波モータ１および超音波モータシステム５を実現することができる。
【００３２】
なお、本実施形態に係る超音波モータ１においては、固定された被駆動体３に対して超音波振動子２が移動する自走式の超音波モータ１を例示したが、これに代えて、超音波振動子２を固定し、被駆動体３を移動させる他動式の超音波モータ１を採用してもよい。この場合、磁気センサ４は、被駆動体３に固定されているので、被駆動体３とともに移動させられることになる。
【００３３】
次に、本発明の第２の実施形態に係る超音波モータ２０および超音波モータシステム２１について、図７および図８を参照して以下に説明する。なお、本実施形態の説明において、上述した第１の実施形態に係る超音波モータ１とおよび超音波モータシステム５と構成を共通とする箇所には同一符号を付して説明を省略する。
【００３４】
本実施形態に係る超音波モータ２０は、超音波振動子２と被駆動体３との相対移動方向に間隔をあけて複数の磁気センサ２２，２３を備えている点において第１の実施形態に係る超音波モータ１と相違している。
【００３５】
本実施形態に係る超音波モータ２０によれば、図７に示されるように、超音波モータ２０の摩擦接触子１０に対して２つの磁気センサ２２，２３が配置されている場合、超音波振動子２を作動させて、被駆動体３に対して一方向に相対移動させると、図８に示されるように、超音波振動子２が近づいていく第２の磁気センサ２３により検出される磁界Ｍの強度は時間とともに増加するが、超音波振動子２が遠ざかっていく第１の磁気センサ２２により検出される磁界Ｍの強度は時間とともに減少する。
【００３６】
したがって、位置演算部１４により超音波振動子２と被駆動体３との相対位置を演算する際に、隣接する２つの磁気センサ２２，２３からの出力電圧値あるいは電流値の変化の傾向をも判断することにより、相対位置関係を誤ってしまうことを防止できる。
なお、本実施形態においては、２つの磁気センサ２２，２３を有する場合について説明したが、これに代えて、間隔をあけて３つ以上の磁気センサが配置されていることとしてもよい。
【００３７】
また、摩擦接触子１０の表面にジルコニアセラミックス等の硬質な材料からなる硬質層を接着してもよく、また、ジルコニアセラミックス等を溶射法により摩擦接触子１０の表面に付着させることにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る超音波モータおよび超音波モータシステムを示す全体構成図である。
【図２】図１の超音波モータの超音波振動子を示す斜視図である。
【図３】図２の超音波振動子を構成する圧電積層体を示す斜視図である。
【図４】図３の圧電積層体を構成する圧電セラミックスシートを示す斜視図である。
【図５】図２の圧電積層体が１次の縦振動モードで振動する様子をコンピュータ解析により示す図である。
【図６】図２の圧電積層体が２次の屈曲振動モードで振動する様子をコンピュータ解析により示す図である。
【図７】本発明の第１の実施形態に係る超音波モータおよび超音波モータシステムを示す全体構成図である。
【図８】図７の超音波モータの２つの磁気センサにより検出される磁界の強さと超音波振動子の位置との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３９】
１，２０  超音波モータ
２  超音波振動子
３  被駆動体
４，２２，２３  磁気センサ
５，２１  超音波モータシステム
６  制御部
１０  摩擦接触子（接触部材：磁界発生手段）
１２  固定部材（被駆動体）
１３  駆動面部材（被駆動体）
Ｍ  磁界
【図１】
2006246660.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2006246660.tif 000008
【図７】
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【図８】
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