(57)【要約】      （修正有）【課題】  複数の振動モードを同時に発生させる超音波モータにおいて、各振動モードを効率よく発生させて、安定して高いモータ出力を得ること。【解決手段】  駆動用の電気機械変換素子および振動検出用の電気機械変換素子を備え、前記駆動用の電気機械変換素子に所定の位相差および所定の駆動周波数の２相の交番電圧を供給することにより、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を備える超音波モータの運転方法であって、前記超音波振動子の出力端を被駆動体に押し付ける押圧力が、前記振動検出用の電気機械変換素子から出力された信号に基づいて、２つの振動モードの機械的共振周波数を一致させるように設定されている。【選択図】図２
2006304425.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動用の電気機械変換素子および振動検出用の電気機械変換素子を備え、前記駆動用の電気機械変換素子に所定の位相差および所定の駆動周波数の２相の交番電圧を供給することにより、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を備える超音波モータの運転方法であって、
前記超音波振動子の出力端を被駆動体に押し付ける押圧力が、前記振動検出用の電気機械変換素子から出力された信号に基づいて、２つの振動モードの機械的共振周波数を一致させるように設定されている超音波モータの運転方法。
【請求項２】
電気機械変換素子を備え、該電気機械変換素子に所定の位相差および所定の駆動周波数の２相の交番電圧を供給することにより、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を備える超音波モータの運転方法であって、
前記超音波振動子の出力端を被駆動体に押し付ける押圧力が、前記出力端近傍における振動速度を測定する振動計から出力された信号に基づいて、２つの振動モードの機械的共振周波数を一致させるように設定されている超音波モータの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、超音波モータの運転方法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。
（５）磁気的ノイズを発生せず、また、ノイズの影響も受けない。
【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、超音波振動子が押圧ばねにより被駆動体に所定の押圧力で押圧される構成となっている。特許文献１において、押圧力は、縦振動共振周波数と屈曲振動共振周波数が一致する押圧力未満の値に設定されており、かつ、駆動周波数は縦振動共振周波数と屈曲振動共振周波数の間の周波数に設定されていた。このような条件において、超音波振動子には、縦振動と屈曲振動とが励起され、被駆動体が左方向もしくは右方向に駆動されていた。
【特許文献１】特開平９−２２４３８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の超音波モータでは、押圧力が縦振動共振周波数と屈曲振動共振周波数が一致する押圧力未満の値に設定されており、縦振動の共振周波数と屈曲振動の共振周波数が一致していないために、両振動モードの最大振動振幅で利用することができず、モータ出力としても十分な特性が得られないという不都合がある。また、駆動周波数も縦振動モードの共振周波数と屈曲振動モードの共振周波数の間の周波数としていたために、同様に両振動モードの最大振動振幅で利用することができず、やはりモータ出力としても十分な特性が得られないという問題点があった。
【０００５】
この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、複数の振動モードを同時に発生させる超音波モータにおいて、各振動モードを効率よく発生させて、安定して高いモータ出力を得ることができる超音波モータの運転方法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】
【０００６】
上記目的を達成するために、この発明は、以下の手段を提供する。
この発明は、駆動用の電気機械変換素子および振動検出用の電気機械変換素子を備え、前記駆動用の電気機械変換素子に所定の位相差および所定の駆動周波数の２相の交番電圧を供給することにより、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を備える超音波モータの運転方法であって、前記超音波振動子の出力端を被駆動体に押し付ける押圧力が、前記振動検出用の電気機械変換素子から出力された信号に基づいて、２つの振動モードの機械的共振周波数を一致させるように設定されている。
この発明によれば、駆動用の電気機械変換素子に、所定の位相差および所定の振動周波数の２相の交番電圧を供給することにより、異なる２つの振動モードが同時に発生し、超音波振動子の出力端に略楕円振動が発生する。押圧手段の作動により出力端を被駆動体に押し付けておくことにより、出力端と被駆動体との間に生ずる摩擦力によって、出力端の略楕円振動の接線方向に被駆動体が駆動される。
この場合において、押圧手段による押圧力を、振動検出用の電気機械変換素子から出力された信号に基づいて適宜調節することで、２つの振動モードの機械的共振周波数が一致するように設定されているので、被駆動体の駆動において、２つの振動モードのほぼ最大の振動振幅を同時に利用することが可能となる。その結果、高いモータ出力を得ることができ、被駆動体を効率的に駆動することが可能となる。
【０００７】
また、この発明は、電気機械変換素子を備え、該電気機械変換素子に所定の位相差および所定の駆動周波数の２相の交番電圧を供給することにより、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を備える超音波モータの運転方法であって、前記超音波振動子の出力端を被駆動体に押し付ける押圧力が、前記出力端近傍における振動速度を測定する振動計から出力された信号に基づいて、２つの振動モードの機械的共振周波数を一致させるように設定されている。
この発明によれば、電気機械変換素子に、所定の位相差および所定の振動周波数の２相の交番電圧を供給することにより、異なる２つの振動モードが同時に発生し、超音波振動子の出力端に略楕円振動が発生する。押圧手段の作動により出力端を被駆動体に押し付けておくことにより、出力端と被駆動体との間に生ずる摩擦力によって、出力端の略楕円振動の接線方向に被駆動体が駆動される。
この場合において、押圧手段による押圧力を、例えば、３次元ドップラー振動計から出力に基づいて適宜調節することで、２つの振動モードの機械的共振周波数が一致するように設定されているので、被駆動体の駆動において、２つの振動モードのほぼ最大の振動振幅を同時に利用することが可能となる。その結果、高いモータ出力を得ることができ、被駆動体を効率的に駆動することが可能となる。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、複数の振動モードを同時に発生させる超音波モータにおいて、各振動モードを効率よく発生させて、安定して高いモータ出力を得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】
【０００９】
以下、本発明の第１の実施形態に係る超音波モータについて、図１〜図８を参照して説明する。
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、被駆動体２に接触配置される超音波振動子３と、該超音波振動子３を被駆動体２に押し付ける押圧手段４とを備えている。被駆動体２は、ベース５に固定された直動ベアリング６の可動部７に固定されている。また、被駆動体２には、超音波振動子３に接触する面に、例えば、ジルコニアセラミックスからなる摺動板８が接着されている。図中符号９は、直動ベアリング６の固定部１０をベース５に固定するためのネジである。
【００１０】
超音波振動子３は、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１１（電気機械変換素子）の片側面にシート状の内部電極１２（図４参照）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１３と、該圧電積層体１３の一側面に接着された２個の摩擦接触子１４（出力端）と、該摩擦接触子１４が設けられた側面に隣接する側面からピン１５を突出させる振動子保持部材１６とを備えている。
【００１１】
圧電積層体１３は、図３に示されるように、例えば、長さ１８ｍｍ、幅４．４ｍｍ、厚さ２ｍｍの外形寸法を備えている。
圧電積層体１３を構成する圧電セラミックスシート１１は、図４に示されるように、例えば、厚さ約８０μｍのチタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミックス素子（以下、ＰＺＴという。）である。ＰＺＴとしては、Ｑｍ値の大きなハード系材料を選択した。Ｑｍ値は約１８００である。
また、内部電極１２は、例えば、厚さ約４μｍの銀パラジウム合金からなっている。積層方向の一端に配置される圧電セラミックスシート１１ａは内部電極１２を備えていない。それ以外の圧電セラミックスシート１１は、図４に示されるような２種類の内部電極１２を備えている。
【００１２】
図４（ａ）に示される圧電セラミックスシート１１は、そのほぼ全面に内部電極１２を備えている。内部電極１２は、圧電セラミックスシート１１の長さ方向に約０．４ｍｍの絶縁距離を開け、かつ圧電セラミックスシート１１の幅方向に約０．４ｍｍの絶縁距離を開けて、略同じ大きさのものが長さ方向に２列、幅方向に３列配列されたものである。各内部電極１２は、圧電セラミックスシート１１の周縁から約０．４ｍｍ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１１の周縁まで延びている。
【００１３】
図４（ｂ）に示される圧電セラミックスシート１１は、図４（ａ）に示される内部電極１２のうち、その幅方向において中央に位置する内部電極１２の幅方向の長さが、略半分とされたものである。
【００１４】
これら内部電極１２を備えた圧電セラミックスシート１１は、図４（ａ）に示される内部電極１２の大きいものと、図４（ｂ）に示される内部電極１２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１３を構成している。
【００１５】
圧電積層体１３の長さ方向の両端面には６個ずつ、合計１２個の外部電極１７が設けられている。各外部電極１７には、同種の圧電セラミックスシート１１の同一位置に配される全ての内部電極１２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１１の同一位置に配される内部電極１２は、同一の電位とされるようになっている。なお、これら外部電極１７はそれぞれ、配線（図示せず）を介して制御器（図示せず）に接続されている。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。
【００１６】
圧電積層体１３は、例えば、以下の通りに製造される。
圧電積層体１３を製造するには、まず、圧電セラミックスシート１１を製造する。圧電セラミックスシート１１は、例えば、ＰＺＴの仮焼粉末と所定のバインダとを混合して作成された泥しょうをドクターブレード法によってフィルム上にキャスティングした後に乾燥し、フィルムから剥離することにより製造する。
【００１７】
製造された圧電セラミックスシート１１にはそれぞれ内部電極１２のパターンを有するマスクを用いて内部電極材料を印刷する。そして、最初に、内部電極１２を有しない圧電セラミックスシート１１ａを配置し、次いで、内部電極１２を下向きにして正確に位置決めしつつ、形状の異なる内部電極１２を有する圧電セラミックスシート１１を交互に積層していく。積層された圧電セラミックスシート１１は熱圧着した後に、所定の形状に裁断され、１２００℃程度の温度で焼成されることにより圧電積層体１３が製造される。
【００１８】
また、その後、圧電セラミックスシート１１の周縁に露出している内部電極１２を連結するように、それぞれ外部電極１７となる銀を焼き付けて、外部電極１７を形成する。
最後に、対向する内部電極１２間に直流高電圧を加えることにより圧電セラミックスシート１１を分極処理し、圧電的に活性化する。
【００１９】
次に、このようにして構成された圧電積層体１３の動作について説明する。
圧電積層体１３の長さ方向の一端に形成された６つの外部電極１７を、圧電積層体１３の他側面の側（図において上側）からＡ相（Ａ＋，Ａ−）、Ｃ相（Ｃ＋，Ｃ−）、およびＢ相（Ｂ＋，Ｂ−）、他端に形成された６つの外部電極１７を、圧電積層体１３の他側面の側（図において上側）からＢ相（Ｂ＋，Ｂ−）、Ｄ相（Ｄ＋，Ｄ−）、およびＡ相（Ａ＋，Ａ−）とする。Ａ相およびＢ相は駆動用の内部電極であり、Ｃ相およびＤ相は振動検出用の内部電極である。
【００２０】
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。
一方、Ｃ相およびＤ相から出力された信号の和は縦振動に比例しており、Ｃ相およびＤ相から出力された信号の差は屈曲振動に比例している。そして、これらの計算は前述した制御器により行われる。
【００２１】
前記摩擦接触子１４は、前記圧電積層体１３の２次の屈曲振動の腹となる２カ所の位置に接着されている。これにより、圧電積層体１３に１次の縦振動が発生したときには、摩擦振動子１４が圧電積層体１３の長さ方向（図２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１３に２次の屈曲振動が生じたときには、摩擦接触子１４が、圧電積層体１３の幅方向（図２に示されるＺ方向）に変位させられるようになっている。
したがって、超音波振動子３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１４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。
【００２２】
前記振動子保持部材１６は、断面略コ字状に形成された保持部１６ａと、該保持部１６ａの両側面から垂直に突出する該保持部１６ａと一体的なピン１５とを備えている。保持部１６ａは、圧電積層体１３の幅方向の一側から圧電積層体１３を囲むようにして、例えば、シリコーン樹脂またはエポキシ樹脂により圧電積層体１３に接着されている。保持部１６ａが圧電積層体１３に接着された状態で、保持部１６ａの両側面に一体的に設けられた２つのピン１５は、圧電積層体１３の縦振動と屈曲振動の共通の節となる位置に同軸に配置されるようになっている。
【００２３】
前記押圧手段４は、図１に示されるように、超音波振動子３に対して、その幅方向（Ｚ方向）に、前記摩擦接触子１４とは逆方向に離れた位置においてベース５に固定されるブラケット１８と、該ブラケット１８に対して、前記超音波振動子３の幅方向に移動可能に支持された押圧部材１９と、該押圧部材１９に対して押圧力を加えるコイルスプリング２０と、該コイルスプリング２０による押圧力を調節する調節ネジ２１と、ブラケット１８に対する押圧部材１９の移動を案内するガイドブッシュ２２とを備えている。符号２３は、ブラケット１８をベース５に固定するネジである。
【００２４】
前記押圧部材１９には、前記超音波振動子３を厚さ方向に挟む２つの保持板２４が備えられている。各保持板２４には、前記振動子保持部材１６の２本のピン１５をそれぞれ貫通させる貫通孔２５が設けられている。押圧部材１９に加えられる押圧力は、保持板２４およびその貫通孔２５に貫通するピン１５を介して超音波振動子３に伝達されるようになっている。
【００２５】
前記コイルスプリング２０は、圧縮コイルスプリングであって、前記調節ネジ２１と前記押圧部材１９との間に挟まれている。したがって、ブラケット１８に対する調節ネジ２１の締結位置を変化させることで、弾性変形量を変化させて押圧部材１９を超音波振動子３方向に付勢する押圧力を変化させることができるようになっている。
【００２６】
また、本実施形態に係る超音波モータ１においては、調節ネジ２１が以下のように調節される。
すなわち、超音波振動子３のＡ相およびＢ相に加える電圧の位相差を９０°または−９０°に設定して、摩擦接触子３近傍における振動速度を、前述したＣ相およびＤ相から出力された信号（すなわち、制御器により求められた和信号および差信号）を用いて測定した結果を図７に示す。図７（ａ）は、調節ネジ２１を完全に弛めて押圧部材１９に押圧力を加えない状態での共振特性を示している。また、図７（ｂ）および図７（ｃ）は、それぞれ調節ネジ２１の締結位置を変更した場合の共振特性であって、図７（ｂ）よりも図７（ｃ）における場合の方が押圧力が高くなっている。
【００２７】
これらの図７（ａ）〜（ｃ）を見ると、押圧力を加えない図７（ａ）の状態では、機械的な振動速度が最大値となる機械的振動周波数は、縦振動モードの機械的振動周波数（ｆｌ）の方が、屈曲振動モードの機械的振動周波数（ｆｆ）よりも大きくなっているが、押圧力を加えていくと次第に近接して一致し（図７（ｂ））、さらに押圧していくと、図７（ｃ）に示されるように、両者は逆転して、縦振動モードの機械的共振周波数（ｆｌ）の方が屈曲振動モードの機械的共振周波数（ｆｆ）よりも低くなっている。
【００２８】
本実施形態に係る超音波モータ１においては、Ｃ相およびＤ相から出力された信号に基づいて、縦振動モードの機械的共振周波数（ｆｌ）と、屈曲振動モードの機械的共振周波数（ｆｆ）とが一致する図７（ｂ）の状態となるように調節ネジ２１が調節される。その手順は以下の通りである。
【００２９】
図８に示すように、まずはじめに、押圧部材１９に所定の押圧力（ある値の押圧（力））が加わるように調整ネジ２１をセットする。
次に、Ｃ相およびＤ相から出力された信号に基づいて、縦振動モードの機械的共振周波数（ｆｌ）と、屈曲振動モードの機械的共振周波数（ｆｆ）とを求め、縦振動モードの機械的共振周波数（ｆｌ）と、屈曲振動モードの機械的共振周波数（ｆｆ）とが一致するように調節ネジ２１を調節する。
すなわち、判定の結果、縦振動モードの機械的共振周波数（ｆｌ）が、屈曲振動モードの機械的共振周波数（ｆｆ）よりも大きい場合（図７（ａ）の状態）、調整ネジ２１を締め込み、押圧部材１９に加わる押圧力が増加するようにする。逆に、縦振動モードの機械的共振周波数（ｆｌ）が、屈曲振動モードの機械的共振周波数（ｆｆ）よりも小さい場合（図７（ｃ）の状態）、調整ネジ２１を弛め、押圧部材１９に加わる押圧力が減少するようにする。そして、縦振動モードの機械的共振周波数（ｆｌ）と、屈曲振動モードの機械的共振周波数（ｆｆ）とが一致したところで調節ネジ２１の調節作業を終了する。
【００３０】
調整ネジ２１の調整は、縦振動モードの機械的共振周波数（ｆｌ）と、屈曲振動モードの機械的共振周波数（ｆｆ）との関係（すなわち、図７に示した関係）が映し出された表示画面（ディスプレイ）を見ながら作業者が手動で行われるか、あるいは制御器からの信号により自動的に行われるようになっている。
【００３１】
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の作用について説明する。
本実施形態に係る超音波モータ１を作動させるには、外部電極１７に接続された配線を介して、位相が９０°異なる高周波電圧（Ａ相およびＢ相）を供給する。
これにより、超音波振動子３に接着された摩擦接触子１４には、縦振動モードと屈曲振動モードとがミックスされた略楕円振動が発生し、その楕円振動の接線方向に沿って被駆動体２の摺動板８との間の生ずる摩擦力により、被駆動体２が推進されることになる。
【００３２】
この場合において、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３に同時に生ずる縦振動モードと屈曲振動モードの機械的共振周波数（ｆｌ，ｆｆ）が一致するように押圧力が調整されるので、各振動モードの最大の振動振幅を被駆動体２の推進に利用することができ、高い出力を得ることができるという効果を奏する。
また、押圧手段４を構成する各部材に、バネ係数等のばらつきがあっても、実際の振動をモニタしながら押圧力を微調整することができるので、最適な押圧力を設定することができて、安定したモータ特性を得ることができるという効果を奏する。
【００３３】
本発明の第２の実施形態に係る超音波モータについて、図９および図１０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は、図１０に示されるように、振動検出用の内部電極が省略された超音波振動子３０を備えており、かつ、この超音波振動子３０近傍における振動速度が、図９に示されるように、３次元ドップラー振動計３１を用いて測定されている点において、前述した第１の実施形態に係る超音波モータ１と相違している。
【００３４】
本実施形態に係る超音波モータによれば、圧電セラミックスシート１１に振動検出用の内部電極を設ける必要がないので、圧電セラミックスシート１１の構成を簡略化することができるとともに、超音波振動子３０の構成を簡略化することができる。
その他の作用および効果については、前述した第１の実施形態のものと同じであるのでここではその説明を省略する。
【００３５】
なお、上記各実施形態においては、圧電セラミックスシートとしてＰＺＴを用いたが、これに限定されるものではなく、圧電性を示すものであれば、ＰＺＴ以外の任意の圧電素子を用いてもよい。
また、上記各実施形態においては、内部電極の材質として銀パラジウム合金を用いたが、これに代えて、銀、ニッケル、白金または金を用いてもよい。
さらに、被駆動体２の表面にジルコニアセラミックスからなる摺動板を接着する代わりに、ジルコニアセラミックスを溶射法により被駆動体２の表面に付着させることにしてもよい。
さらにまた、第２の実施形態では、振動計として３次元ドップラー振動計３１を用いているが、本発明はこれに限定されるものではなく、静電方式振動計を用いることもできるし、その他の原理を利用した種々の振動計を用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る超音波モータ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】図２の超音波振動子の振動速度の押圧力に応じた周波数特性の変化を示すグラフである。
【図８】超音波振動子の２つの振動モードにおける機械的共振周波数を、図７（ｂ）のように一致させる過程を示すフローチャートである。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る超音波モータの超音波振動子を示す斜視図である。
【図１０】図９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。
【符号の説明】
【００３７】
１  超音波モータ
２  被駆動体
３  超音波振動子
１１  圧電セラミックスシート（電気機械変換素子）
１４  摩擦接触子（出力端）
３０  超音波振動子
３１  ３次元ドップラー振動計
ｆｆ  屈曲振動モードの機械的共振周波数
ｆｌ  縦振動モードの機械的共振周波数
【図１】
2006304425.tif 000003
【図２】
2006304425.tif 000004
【図３】
2006304425.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2006304425.tif 000010
【図９】
2006304425.tif 000011
【図１０】
2006304425.tif 000012