(57)【要約】【課題】超音波モータの特徴の一つは小型でかつ高トルクが得られるモータである。しかし高トルクだけでは応用が限られてきることもわかってきた。今後の発展を考えるとき小型高トルクの特性を生かしてさらに軽量化と低コストが求められている。より機能性を有する応用に対してモータは出来るためにさらに使いやすい構成であることも求められる課題の一つである。【解決手段】超音波モータの特性を向上させるために、ステータの材料を金属からセラミックに変えることによりステータ重量を２分の１にすることが出来た。さらにロータ材料も、セラミックあるいはプラスティックにすることで非金属製の超音波モータを実現しより軽量化モータを実現した。ステータをセラミックにすることにより、高トルク下での動作がより安定した。軽量でかつ高トルク機能の高い特性を生かすために、モータ内にセンサーを導入してモータ制御を容易にした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波モータ駆動のための振動体であるステータにセラミックを用いた超音波モータ
【請求項２】
主要駆動源をセラミックのステータとプラスティック又はセラミック材料を用いたロータから成る非金属製の軽量超音波モータ
【請求項３】
主要駆動源をセラミックのステータとプラスティック又はセラミック又はアルミニウム(合金を含む)又はマグネシウム(合金を含む)材料を用いたロータから成る軽量超音波モータ
【請求項４】
超音波モータのステータ材料としてアルミナ、ジルコニア、チタニア、窒化珪素、窒化アルミ、炭化珪素、ムライトなどのいずれかの材料を用いた超音波モータ
【請求項５】
超音波モータ駆動のための振動体であるステータにセラミックを用いた超音波モータにおいて、ステータ上に振動振幅拡大用の溝を設けたことを特長とする超音波モータ
【請求項６】
請求項１から４に範囲において、特にステータあるいはロータ上に回転角度検出用のセンサーを取り付けて角度および速度を制御して用いる超音波モータ
【請求項７】
請求項１から請求項３のセラミックステータにおいて、ステータ作製の際に特に型を用いて、ステータ形状を作製したことを特長とする超音波モータ
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超音波モータに関するもので、特に超音波モータの構造を改良することにより、動作の安定したかつ高効率の超音波モータを実現するものである。さらに超音波モータ構造材料を選択することで、軽量小型化を可能にすることとし、高出力で制御性の高い超音波モータを実現する。
【背景技術】
【０００２】
従来機械的な力を得るためには、電磁力、流体の利用（油圧、空気圧）、エンジン等の内燃機関によるもの、水力風力、などが一般的な方法であった。小型モータの領域に限るならば電気、流体、バネ力に限られている。
超音波モータは振動体のエネルギーの一部を、摩擦力を介して、機械的な力として取り出すもので、上記の方法のいずれとも異なる新しい機械出力の取り出し方法である。超音波モータが発明されてからすでに２０年は経過しているにも関わらず、他のモータとは異なる多くの特徴を備えたモータであるがその特徴が十分に生かされていないため限られた範囲の応用となっている。期待されているほど広がっていない中でも、トルクが大きく、かつ非動作時の保持トルクが大きいため精密動作機構のサーボモータへの応用が現時点では特に有用である。トルクが大きいことは小型機器への応用に際して非常に優位である。一般に小型機器で高トルクを得る場合は、必然的にモータの回転数で出力を稼いでギヤーでトルクを得ることになる。その際振動と回転音の発生が伴ってくる。超音波モータは振動あるいはモータ音の課題は全く生じない。さらに他の応用として軽量でかつトルクの大きい特長を利用した応用として近年ロボットへの導入も盛んになってきた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
超音波モータの取り組まなければならない課題点の中で取り残されている課題点を挙げる。
超音波モータの特徴の一つにあげられる小型でかつ高トルクに関しては研究段階ではその通りであり、今までの実用段階でもその特長は生かされてきた。しかし高トルクだけでは応用が限られてきることもわかってきた。今後の発展を考えるとき以下の項目の改善が必要となる。（１）実用化には超音波モータの機構設計の検討が遅れているためその特長が生かしきれていない、（２）接触動作であるための寿命の心配、（３）コストが高い。以上の３点の課題点からその応用範囲は限られていて、例外的に多量に使われた応用例としてカメラレンズ駆動用への応用がある。従来の電磁力モータの大幅な展開に比べて超音波モータは当初に掲げた目標ほどは使われていない。
超音波モータの特長の一つに上げられる制御性に関しても課題点が残されている。実用化されている超音波モータには制御用センサーがついていないため、サーボモータとして応用する際には新たにセンサーを付け加えて使わなければならない。応用する側から見たときは角度を検知するセンサーを付け、さらに超音波モータとセンサーとのやり取りを行うためのソフト開発が必要となる。これは特に超音波モータに限った事ではないが超音波モータは実績が乏しいため応用する側の負担が大きいことであり、ステッピングモータ、サーボモータなどを超える使い方をするためには余分な仕事が発生する。以上が従来の電磁力を用いたサーボモータに追いつけない理由である。超音波モータの提供する側が、応用する側の要求に答えてゆきその特徴を生かすための取り組みが不足している。結局はどうしても超音波モータを必要とする、ごく限られた応用範囲にのみ生かされているだけである。
しかしその中でも形状の利点と軽量化の利点を生かした応用例がレンズ駆動用モータである。これは発明当初から明確な応用意図を持ってモータとシステムの開発が進んだためで幸運な組み合わせと言える。
【０００４】
次に上げられる課題点はコストにある。この数十年小型モータの出荷台数は桁違いに増大している。また価格も反比例した形で低減している。モータを応用する側から見ればそのコストは重要ではあるが、機器設計の段階でモータのコストを吸収するゆとりがあり、さらにモータ製造側でもコスト低減が可能であったためその結果として用途拡大に繋がった。一方超音波モータはその流れに付いてゆけないため、価格の低減が出来なかった。現状でもシステム設計の立場からは特性上使いたいのだが価格の点で使用を見合わせる場合が多い。
もう一点、電磁力モータとの比較において超音波モータ固有のハンディキャップは駆動エネルギーとなる振動を得るための発振回路が必要となる。他のモータはそのような回路は必要としないことから、この部分は出来る限りモータ全体の価格に反映しないための努力が必要となる。出来るだけ低コストの発振回路が求められる。従来のモータに比較して性能の点と価格の点でほどほどのバランスが取れるモータが製造できるならば、より多くの発展が可能である。本発明の目的の一つは、如何にして低価格の超音波モータが実現できるかを示したもので、以下にその詳細をしるす。
【０００５】
図１にリング型超音波モータの基本構成を示す。超音波モータの構造は、超音波振動の振動体でありかつ駆動源となるステータ２と、そのステータに接して摩擦力を介してステータから回転力を受けるロータ１の部分から成り立つ。
ステータは振動体の機械共振を起こすための共振体と、図３に示す振動励起用の圧電体がその基部（ロータとの接触面の反対側）に貼り付けてある。振動エネルギーからロータの回転力を得るためには、ステータに同一周波数の位相の９０度異なる二組の振動を発生させることでロータとの接触面が円運動を発生させ、円運動を行う振動の頂点となって、そこで接するロータ部に摩擦力を介して回転力を与える。
１枚の圧電体でステータ上に位相の９０度異なる二組の振動発生のための（円運動の発生用）圧電体の電極構造を図３に示す。圧電体上に二組の振動発生用電極が９０度の位相の異なる配置に設けてあり（Ａ相、Ｂ相と名付けると、左側３１がA相でA1+,A1-,A2+,A2-, A3+,A3-と成っている。さらに右側３２が,B相でB1+,B1-,B2+,B2-,B3+,B3-の振動励起用の素子が設けられている）、それぞれの電極部が振動駆動源となり全体でそのモードとなるステータの共振を得る。超音波モータの基本構造となる主要部分はステータとロータの二つであるが、さらに摩擦力を得るための加圧機構、出力を取り出すための回転シャフト、さらにモータの支持部分などが加わる。
図１ではリング型の超音波モータでその基本構造と原理を示したが、図２でディスク型超音波モータの構造図を示す。ディスク型超音波モータでは円板のたわみ振動を用いるもので、図１のディスクが超音波モータとは振動モードが異なる。２１は円板の共振器でモータのすテータとなる。リング型のステータ同様に振動拡大部を設けてその頂点で駆動力を得る。２２はロータ、２３は圧電体を裏面に接着してある。２４は摩擦力を得るためのライニング材である。図４にディスク型超音波モータ用の圧電体を示す。図４の圧電体はＡ相、Ｂ相それぞれ位相を９０度異なるようにした２枚をステータ上に貼り付けて使用する。図５はディスク型超音波モータの断面図を示す。
図１のリング型超音波モータおよび図２のディスク型超音波モータのいずれにおいても、ステータである共振子に単に電気入力を入れたときの歪は非常に小さくまた変位量も少なく機械出力を取り出すことは出来ない。機械出力を取り出すためにはステータに機械共振を発生させ共振分だけ表面の変位の大きさを増大させる。共振子の振動振幅、すなわち円運動の大きさは共振で拡大されていても機械出力として取り出すためにはやはり小さいものである。この変位振幅が大きければ大きいほど機械出力は取り出し易い。振動振幅を大きくするためには幾つかの工夫がなされている。その一つは共振器のＱを大きく取ることである。
一般的に共振子はＱと呼ばれる値（振動エネルギーとして蓄えられる運動エネルギー量と入力する電気エネルギーとの比）で評価される。共振子となるステータは一定直流を与えた時の圧電体が発生する歪によってステータが撓んで発生する変位量(非常にわずかの量である)、のＱ倍の振幅を発生するので超音波モータのステータのＱは出来る限り大きくなるよう設計する。Ｑはステータの構造、用いるステータ材料、圧電体の選択、組み立て技術等で変わる。
上記に記述したことは電圧が小さい場合の小振幅の場合に成り立つ（モータでは取り出す力が少ない場合）。一方超音波モータは出来るだけ小型で、高出力が求められるため、一定形状の振動子となるステータに出来るだけ多くの電気入力を入れて、多くの機械出力を取り出したい。その場合には先に記した小振幅の条件すなわち、電気入力に対してＱ倍の機械振動が発生する条件が大振幅の場合には成り立たなくなる。    
大振幅の場合はステータを構成する圧電体、接着剤、ステータ材料のそれぞれの材料で歪を発生するが、最も弱い材料中で振動の基本となる物理法則であるフックの法則、すなわち力と歪が比例する関係が成立しなくなる。増加した分の電気エネルギーのすべてが外部への取り出し可能な機械エネルギーとならずその増加分の大部分が内部損失を介して熱エネルギ−となって効率の低下あるいはモータの破壊に繋がって行く。  
一方同一のＱ値を持つステータであってもステータの形状構造を工夫することによって、機械出力を取り出し易くすることが出来る。本発明人が提案した機械出力のための振動拡大機構、いわゆる櫛歯構造をとることによって超音波モータを実用領域まで効率を引き上げることを実証した。公開特許公報昭61-191278、およびIEEE ULTRASONICS SYMPOSIUM PROCEEDIBGS 1987,P747−P756
櫛歯構造をとらない場合には電気機械変換効率は数％程度のものが、櫛歯構造の導入と最適入力条件下では変換効率が約６０％まで上昇することが出来た。その理由は線形領域内（電気入力と機械出力との関係が比例する範囲）で十分な機械振幅が取り出すことが可能となったためである。
【０００６】
【特許文献１】公開特許公報昭61-191278
【非特許文献１】IEEE ULTRASONICS SYMPOSIUM PROCEEDIBGS 1987,P747−P756
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実用化への課題の解決に振動体の構造を櫛歯構造にとることを示したが、それでも多くの課題点が残されている。本発明ではステータ材料を改善することでより優れた超音波モータを実現したものである。
先に振動体の機械的Ｑについて記したが、Ｑ値は材料によって大きく異なる。従来ステータに用いられる材料は機械的Ｑの高い材料でかつ機械加工が容易な材料として、鉄系の合金特にステンレス合金、リン青銅等が用いられている。ここで付け加えておかなければならない点は、上記の特定の材料でも、さらに特定の形状であってもＱ値は異なる。その理由はステータ材料の内部の不均一性によって生じる。一定形状の振動体でも材料の性質が部分的に異なる場合、密度の不均一性、硬さの不均一性、内部歪の不均一性などが存在していてその結果Ｑを下げる。不均一性を微細に見ればミクロの領域で振動が伝わる速度が異なるため全体として一致した運動が出来ないためである。内部の不均一性を抱えた材料を用いた場合はステータ全体の振動が不均一となり、ステータ全体が均一に振動できないことになる。
実際のモータの実施例では、ステータが不均一の振動を発生するためにロータとの接触が、面全体が均一な接触が得られないため効率の低いモータとなる（図１で示す圧電体のモータでは７個の接触面が７個とも均等な駆動力となる振動を行うかどうかとなる）。さらに不均一な接触は振動の非線形性を介して低次の振動モードである可聴音の発生が生じる。勿論機械的なＱ値も小さくなっている。機械的な寸法の違いなどはステータ製造時点で容易にチェック出来るが、使用する材料の均一性に関しては見出す知見が無いため設計者の経験に頼らなければならない事もステータ設計の課題の一つである。
【０００８】
本発明人はステータ材料を検討した結果セラミック材料が幾つかの観点から判断して最も適していることを見出した。ステータに要求される条件として、複雑なステータ構造が容易に作れるか、その際機械加工寸法精度が取れるか、Ｑ値が十分大きいか、モータ用の部品として妥当なコストであるか、モータ出力を得るための共振時の機械的な強度は保証されるか、経時変化は無いか、環境テスト（マイナス３０度―９０度）に耐えるか、有害物質と成らないか等の条件で、従来の金属ステータとの比較を行った結果多くの点でセラミック材料が最も適していることを見出したものである。
【０００９】
さらにセラミックは比重が金属の半分以下であることも軽量化モータの特徴をさらに高めることに寄与する。
超音波モータに使用されるエンジニアリングセラミック材料と従来の金属材料との比較を行う。Ｑ値に関してセラミックと金属との比較を行うと、厳密に形状を確保した場合はセラミックは金属よりは弾性損失は少ない（Ｑが大きい）。しかし寸法精度を厳密に確保した一定形状のセラミックは、特にステータ形状にする場合には機械加工が難しいためコスト上昇を招く点で金属と比較して不利である。超音波モータへの適用において小振幅の場合は双方に大きな違いは生じない。しいて言えばセラミックがやや優れているがその場合も作製条件で大きく変わる。今問題にしなければならないのは大振幅の場合の比較である。応力と歪の関係においてセラミックは明確な降伏点が無く応力の増加に伴い歪も増加してゆき、最終的には破壊に繋がる。金属の場合は応力と歪の関係が比例するが、入力の増加につれて比例関係で無くなる。比例関係からずれるいわゆる降伏点を過ぎてもすぐには破壊には繋がらない。どの歪点で動作させるか（何処まで機械出力を取り出すか）にかかるが、一般的には金属ステータは比例関係を超えた点での動作では不安定な動作が発生しやすい。その点セラミックステータの方が線形領域が広いので安定動作を得やすい。
超音波モータの駆動源となるステータを再度見直したとき、振動の駆動源となる電気機械変換部は圧電体である。圧電体をステータに貼り付けて圧電体とステータ金属の複合体を共振器として用いるが、共振器は出来る限り一様な条件で振動させたい。圧電体とステータを含めた形で最適化を測らなければならない。ステータをセラミックにする理由の一つは圧電体がセラミックであるため、圧電体とステータの複合体は最も自然な振動が得られるることで、さらにセラミックステータ部の線形成の大きいこともあいまって金属を用いるよりは安定な動作が得られる。その理由の一つには熱膨張係数が等しく、機械的な性質が似ているなどの理由と両者の接着時に余分な残留歪を与えない点で容易であるなどの特長が挙げられる。
超音波モータのステータにセラミックを用いる利点の一つにモータの軽量化が上げられる。金属とセラミックの重量の比較を行うならばセラミックが軽いことは明らかである。超音波モータの重量が２分の１以下になれば、その特徴がさらに生かし易くなることは明確である。さらに本発明ではロータも軽量化のためにセラミックかプラスティイクを用いることでモータ全体の軽量化に繋がる。ロータの構造に関しては従来作りやすい金属からの変換だけで問題は無い。
第３の利点として、コスト低減が挙げられる。今まではステータの製造は金属を機械加工によるもので、加工精度が要求されるためコストの上昇に繋がった。
機械加工精度が要求される要因はＱを保障した安定な共振を得るためである。特にステータの溝加工はコスト上昇を招いている。
【００１０】
一方セラミックの場合は、ステータ基本構造をセラミックの成型“型”で一度作製するため量産性がありコストの低減が図れる。精度の確保はセラミック全体の焼成時、収縮率の制御の出来不出来に関わる。セラミックは焼成によって１５％内外の収縮が生じる。この収縮を見込んで初期の形状を決めておく。問題点はその収縮が均一に起こるかどうかである。現時点ではステータ全体で収縮率のバランスの崩れは０．５％以下であることを確認している。この値でも形状確保のための追加工なしで十分安定なステータ振動が得られる。  
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、超音波モータのステータにセラミックを用いることにより動作の安定した高トルクでかつ高効率を有する超音波モータを実現することが出来た。さらにロータ部を非金属材料で構成して、モータ全体が非金属から成る軽量化超音波モータを実現することが出来た。特に上記の軽量超音波モータの内部に角度センサーを設けることによりサーボモータとしての特性を待たせることが可能となった。
【実施例】
【００１２】
ステータに用いるセラミック材料は振動損失が少なく機械的に丈夫でなければならないためいわゆるエンジニアリングセラミックといわれる中から選んだ。エンジニアリングセラミックスには、アルミナ（Al2O3）,
ムライト(3Al2O3・2SiO2)、炭化珪素(SiC)、窒化珪素(Si3N4)、窒化アルミ(AlN)、
ジルコニア(ZrO3)、チタニアなどが挙げられる。
【００１３】
今回これらのセラミックの中から、一般的に最も多く用いられているアルミナと最も高強度のセラミックであるジルコニアと、さらに圧電セラミックに組成が似ているチタニアの３つの材料で超音波モータのステータの作成を行い超音波モータを作製した。
ここで金属とセラミックのステータに用いる場合の材料特性の比較を行う
大きな特徴は金属に比べてセラミックは軽くて丈夫であると言っても良い。セラミックを用いる場合には共振器としての応用であることを十分知った上で設計と作製に当たらなければならない。表１にステータに用いられる金属材料とセラミック材料の物理定数をまとめる。
【００１４】
表１  ステータ材料比較
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【００１５】
二つのステータ材料比較を行う時特に両者にどちらが優位であるか無いかの情報を得ることは出来ない。今までセラミック材料が用いられなかった理由は、ステータへの機械加工精度要求が厳しすぎるためで、厳密な精度を要求した場合には安価に入手することが出来なかったためである。
【００１６】
本発明人が以下の３種類のエンジニアリングセラミックを用いて検討した。
(1)  アルミナ    96％以上  見かけ密度  3.7g/cm3
(2)  アルミナ    99.5％    見かけ密度  3.9g/cm3
(3)  ジルコニア            見かけ密度  5.6g/cm3
(4)  チタニア              見かけ密度  4.5g/cm3
（１）（２）（３）（４）の材料の選定理由は産業機械用セラミックとして最も一般的な材料であるアルミナとジルコニア、チタニアに絞って検討を行ったもので、（１）（２）は比較的焼成温度が低くセラミックの中でもコスト重視の観点から選んだ。（３）は（１）に比べて高密度であり機械強度も高いものである。（３）のジルコニアセラミックは機械強度が最も高く、最も超音波モータのステータに適していると思われるものである。 
ステータの作製の概略を以下に記す  
原料の仕込み  粉砕と混合を行い粒度のそろった泥小の作製
成型          ラバープレスで大まかな形状を作製  外形の切削加
（この段階で外形形状の大まかな作製）
焼成          材料に応じた雰囲気下で焼結
表面の平坦化  ロータとの接触面のラッピング加工
圧電体接着
上記の工程でステータの製造を行う。注意しなければならないことはセラミックの焼成の場合は高温での焼成で寸法が１５％ほど収縮することを知った上で元の形を決めなければ成らない。さらに最終的な形状寸法は１％から０．５％の範囲でばらつくことを認めなければならない。これは駆動周波数のバラツキに繋がる。
超音波モータのステータに要求される寸法精度はその絶対値は要求されない。
ステータ全体の寸法のバラツキが無いことが重要と成る。精度の点で最も大きく寄与する部分は振動部の板厚である。現在２ｍｍ内外（焼き縮みを考えて）で設計しているが、２ｍｍの0.5％は10μとなり、この価は単に数値の比較だけならば金属の機械加工精度の一般加工精度に匹敵する。追加工なしに満足できる値である。
セラミックのステータ固有の作業として表面のラッピングが必要になる。その理由は、ステータ全体の平面度の確保が難しいので焼成時の反りを認めて、モータ組み立て時にロータとの接触面の均一な接触の確保のためと、さらに焼き上がりのセラミックの表面は一般的にはザラザラした表面となるため、表面の摩擦力を安定にするためと、ロ−タに設けた摩擦材の磨耗を減らすためにセラミック表面を研磨する必要がある。
ステータ作製の最後に圧電体の接着がある。ステータ材料と圧電体はともにセラミックであるため、金属ステータに比べたときにはその作業性は容易である。
これは通常作製のノウハウとして表に出てこないが、接着時の圧力と温度(通常接着後接着剤硬化のため温度を上げる)の影響で残留歪が発生するが、互いに似た性質を持つ材料どうしではその影響が少ないことである。さらにステータ表面は適当な粗さでザラザラしていることも接着剤の塗布には都合が良い。
従来のステータは金属を用いたので一方の電極をステータから取ることが出来たが、セラミックステータの場合には非導電性であるため、圧電体上から通電出来るように電極構造を変える必要がある。
セラミックステータを用いた理由の一つにモータの軽量化が挙げられる。ステータは軽量化された時、ロータも軽量化しなければならない。ロータの軽量化のための材料として、軽量で剛性の有する材料ならば殆どの材料がそのまま用いることが可能となる。具体的な材料は、セラミック。エンジニアリングプラスティック、アルミニウム合金、マグネシウム合金などが上げられる。ロータをプラスチックで作った場合は、モータ全体の主要部分がすべて非金属で出来ることになる。実施例ではエンジニアリングプラスチックを用いて機械加工で切りだして用い他。特性の上で特に問題は生じない。
従来モータは鉄と銅の塊りと思われていたものがそのすべてが変わることになりその波及効果は大きい。
超音波モータの応用としてサーボモータとして用いてその優位性を増すためには特に角度センサーの内蔵が望ましい。超音波モータの構造はステータとロータのほかに摩擦力を得るためのバネなどの加圧機構が入るだけで非常に単純である。
本発明ではステータ或いはロータ上に角度検出部を設けた超音波モータの実現を行った。用いた角度検出器はロータ上にエンコーダを貼り付けて、ステータ上に設けたホトダイオードとホトディテクターの組み合わせで角度検出を行った。
角度センサーを設けえることによって全体の重量などの増加は殆ど生じない。さらにステータ上に設けたホトダイオードとホトディテクターの設置もステータの振動に影響を与えることは無かった。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】リング型超音波モータ
【図２】ディスク型超音波モータ
【図３】リング型超音波モータ圧電セラミック
【図４】ディスク型超音波モータ圧電セラミック
【図５】ディスク型超音波モータ断面図
【符号の説明】
【００１８】
1…リング形超音波モータロータ
２…リング型超音波モータステータ
３…リング形超音波モータ固定枠
２１…ディスク型超音波モータステータ
２２…ディスク型超音波モータロータ
２３…ディスク型超音波モータ圧電セラミック
２４…ライニング材料
２５…ベアリング
２６…加圧バネ
２７…ナット
２８…モータ固定台
２９…回転軸
３１…ステータ励起用圧電電極
３２…９０度位相のずれたステータ励起用圧電電極
【図１】
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【図３】
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【図５】
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【図２】
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【図４】
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