(57)【要約】【課題】駆動速度の速い超音波モータを提供する。【解決手段】Ｌ１Ｂ４型モータ１０は振動子１１と移動子１２とを有し、振動子１１は、矩形の弾性体１３と、圧電素子１４ａ〜１４ｄと、２本の脚部１５と、を有している。圧電素子１４ａ〜１４ｄを所定の周波数の電圧で駆動することによって、弾性体１３に異形縮退縦Ｌ１−横Ｂ４モードの共振振動を生じさせ、この振動変位を脚部１５に生ずる曲げモードの振動によって拡大して移動子１２に伝え、移動子１２を高速移動させる。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定周波数の駆動電圧に応じて振動する振動子と、前記振動子の振動に応じて相対運動を行う移動子と、を有する超音波モータであって、
前記振動子は、
略矩形の弾性体と、
前記弾性体に取り付けられ、前記弾性体の長手方向に振動する振動モードと前記弾性体の厚み方向に振動する振動モードとを前記弾性体に生じさせる圧電素子と、
前記弾性体に生じた振動の変位を拡大して前記移動子に伝達する脚部材と、
を具備することを特徴とする超音波モータ。
【請求項２】
前記脚部材の曲げ共振周波数が前記圧電素子に印加される駆動電圧の周波数と略一致するように、前記脚部材の形状が定められていることを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
【請求項３】
前記弾性体において前記脚部材が設けられている面の反対側の面に、前記脚部材の振動を調整する振動調整部材が設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波モータ。
【請求項４】
前記振動調整部材は前記弾性体と一体的に構成されていることを特徴とする請求項３に記載の超音波モータ。
【請求項５】
前記振動調整部材は、前記脚部材と同形状を有し、かつ、前記脚部材と同じ材料で構成され、かつ、前記弾性体を挟んで前記脚部材と対称となるように前記弾性体に設けられていることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の超音波モータ。
【請求項６】
前記脚部材は前記弾性体と一体的に構成されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の超音波モータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波振動を利用した超音波モータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波振動を利用した超音波モータとして、異形縮退縦Ｌ１−横Ｂ４モードの平板モータ（以下「Ｌ１Ｂ４型モータ」という）が知られている。図１０はＬ１Ｂ４型モータの一般的な構造を示す平面図（上図）と断面図（下図）である。このＬ１Ｂ４型モータ９０は、振動子９１と移動子９２とを有し、振動子９１は、矩形の弾性体９３と、弾性体９３の表裏面にそれぞれ２個ずつ取り付けられた圧電素子９４ａ〜９４ｄと、弾性体９３に生ずる振動を移動子９２に伝える突起体９５と、を有している。
【０００３】
圧電素子９４ａ〜９４ｄは、一般的には圧電体の表裏面に電極（図示せず）が形成された単板型の圧電素子である。圧電素子９４ａ・９４ｄを１組とし、圧電素子９４ｂ・９４ｃを１組として、各組に異なる位相の正弦波電圧を印加すると、弾性体９３には長手方向（Ｘ方向とする）の一次の伸縮共振と４次の曲げ共振が同時に発生し、その動きが組み合わさって突起体９５に伝えられ、突起体９５の先端に楕円運動が生ずる。
【０００４】
ここで、弾性体９３の長手方向中央は振動の節となって変位しないために、この部分を押圧機構（図示せず）によって保持し、この押圧機構によって振動子９１を移動子９２側に所定の力で押し付ける。これによって突起体９５の先端の楕円運動の動きが移動子９２に伝えられ、移動子９２はＸ方向に延在するガイド（図示せず）に沿って直線的に移動する。なお、このＬ１Ｂ４型モータ９０の詳細な駆動原理は、例えば、「新版超音波モータ（株式会社トリケップス、上羽・富川著）に解説されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のＬ１Ｂ４型モータ９０を構成する突起体９５は、単に振動子９１の振動を移動子９２に伝えるための機能しか有していないために、振動子９１を高速駆動すること、つまり移動子９２を高速で移動させること、が困難であった。
【０００６】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、駆動速度の速い超音波モータを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
すなわち本発明によれば、所定周波数の駆動電圧に応じて振動する振動子と、前記振動子の振動に応じて相対運動を行う移動子と、を有する超音波モータであって、
前記振動子は、
略矩形の弾性体と、
前記弾性体に取り付けられ、前記弾性体の長手方向に振動する振動モードと前記弾性体の厚み方向に振動する振動モードとを前記弾性体に生じさせる圧電素子と、
前記弾性体に生じた振動の変位を拡大して前記移動子に伝達する脚部材と、
を具備することを特徴とする超音波モータ、が提供される。
【０００８】
このような超音波モータによれば、脚部材に曲げモードの振動を生じさせることによって弾性体の振動変位が拡大されるために、脚部材の先端に生ずる振動が大きくなる。これによって移動子を高速で移動させることが可能となる。ここで、脚部材の曲げ共振周波数が圧電素子に印加される駆動電圧の周波数と略一致するように、脚部材の長さおよび厚さを調整することが好ましい。これにより弾性体の振動と脚部材の振動の位相が調和され、弾性体の振動を効率よく拡大することが可能となる。
【０００９】
このような変位拡大機構を有する脚部材を具備する超音波モータは、従来のＬ１Ｂ４型モータ９０と比較すると、移動子をより高速で移動させることが可能である。しかし、脚部材の先端に生ずる振動の軌跡（楕円軌跡）に傾きが生じることがその後に明らかとなった。つまり、振動子の振動が効率よく移動子に伝えられておらず、持てる特性を十分に発揮できていないことが明らかとなった。
【００１０】
このような新たな問題を解決するために、本発明の超音波モータにおいては、脚部材が取り付けられている弾性体の面の反対側の面に、脚部材の駆動を安定させる振動調整部材を取り付けることが好ましい。またより好ましくは、振動調整部材は、その形状を脚部材と同じとし、かつ、その材料も脚部材と同じであり、かつ、弾性体を挟んで脚部材と対称となるように弾性体に設ける。これにより前後の脚部材の振動の楕円軌跡の傾きが小さくなって、より効率的な駆動が可能となる。
【００１１】
なお、弾性体において脚部材が取り付けられる部分は振動の腹となる部分であるから、脚部材の脱離を防止する観点から、脚部材は弾性体と一体的に構成することが好ましい。これにより信頼性が高められる。同様の理由から、振動調整部材もまた弾性体と一体的に構成することが好ましい。
【００１２】
【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ながら説明する。図１はＬ１Ｂ４型モータ１０の概略構成を示す平面図（上側）および断面図（下側）である。Ｌ１Ｂ４型モータ１０は、振動子１１と移動子１２とを有し、振動子１１は、矩形の弾性体１３と、弾性体１３の表裏面にそれぞれ２個ずつ取り付けられた圧電素子１４ａ〜１４ｄと、弾性体１３に生ずる振動変位を拡大して移動子１２に伝える２本の脚部１５と、を有している。
【００１３】
弾性体１３としては、金属材料やセラミックス材料が好適に用いられる。圧電素子１４ａ〜１４ｄは樹脂接着剤を用いて弾性体１３の表裏面に取り付けられている。圧電素子１４ａ〜１４ｄはそれぞれ、単板の圧電体２１の表面（弾性体１３との非接着面）に電極２２ａが形成され、圧電体２１の裏面（弾性体１３との接着面）に電極２２ｂが形成された構成を有する。圧電体としては、機械的品質係数Ｑｍの大きいチタン酸ジルコン酸鉛系の圧電セラミックスが好適に用いられる。
【００１４】
弾性体１３が金属の場合には、弾性体１３は圧電素子１４ａ〜１４ｄが具備する電極２２ｂと導通する。これにより弾性体１３を圧電素子１４ａ〜１４ｄに駆動電圧を印加する際のターミナルとして利用することができる。弾性体１３がセラミックス（絶縁体）からなる場合には、表裏面に金属膜を形成し、この金属膜と圧電素子１４ａ〜１４ｄが具備する電極２２ｂとを導通させる。これにより圧電素子１４ａ〜１４ｄの電極２２ｂが外部へと取り出され、電源との接続が容易となる。
【００１５】
圧電素子１４ａ〜１４ｄを駆動するための配線は図１に示す通りである。２個の圧電素子１４ａ・１４ｄを１組とし、２個の圧電素子１４ｂ・１４ｃを１組として、２台の電源２５ａ・２５ｂから、位相の９０度ずれた所定の周波数の駆動電圧を各組の圧電素子に対して供給する。例えば、電源２５ａからＡ＝Ｖ０ｓｉｎ（２πｆｔ）（Ｖ０；ゼロ−ピーク電圧、ｆ；周波数、ｔ；時間）の電圧を供給し、電源２５ｂからＢ＝Ｖ０ｓｉｎ（２πｆｔ＋π／２）の電圧を供給する。
【００１６】
これにより弾性体１３には長手方向（Ｘ方向）の一次の伸縮共振と４次の曲げ共振が同時に発生し、これらの振動が組み合わさることによって弾性体１３における脚部１５の取り付け部分に楕円軌跡を描く振動が発生する。こうして発生した楕円運動は脚部１５の先端に伝えられるが、先に説明したように、図１０に示した従来のＬ１Ｂ４型モータ９０では突起体９５は弾性体９３に生ずる振動を移動子９２に伝えるだけであった。
【００１７】
これに対し、Ｌ１Ｂ４型モータ１０では、弾性体１３に異形縮退縦Ｌ１−横Ｂ４モードの共振振動を発生させながら、同時に脚部１５に曲げモードの共振振動が発生するように、振動子１１の駆動周波数が調整される。逆に言えば、振動子１１を所定の駆動周波数で駆動した際に、弾性体１３に異形縮退縦Ｌ１−横Ｂ４モードの共振振動が発生し、かつ、脚部１５に曲げモードの共振振動が発生するように、弾性体１３と脚部１５の形状が調整される。
【００１８】
こうして振動子１１においては、弾性体１３の異形縮退縦Ｌ１−横Ｂ４モードの共振振動に基づいて脚部１５の先端に生じている楕円運動のＸ方向の変位が、脚部１５の曲げモードの振動によって拡大されて、脚部１５の先端がＸ方向に大きく振れるようになる。弾性体１３の長手方向（Ｘ方向）の中央部は振動の節となって変位しないために、この部分を押圧機構（図示せず）によって保持し、この押圧機構によって振動子１１を移動子１２側に所定の力で押し付けることによって、脚部１５の先端の拡大された楕円運動が移動子１２に伝えられる。
【００１９】
こうして脚部１５は、より大きなストライドで移動子１２を蹴ることができるために、移動子１２の移動速度が速められ、移動子１２はＸ方向に延在するガイド（図示せず）に沿って直線的に高速で移動可能となる。脚部１５の先端に図１に示す回転方向の楕円運動を生じさせた場合には、移動子１２は左方向へ移動する。
【００２０】
なお、脚部１５は弾性体１３の変位部にとりつけられるために、図１に示すように、脚部１５は弾性体１３と一体的に構成されていることが好ましい。これにより脚部１５の脱離等を防止することができるため、信頼性が高められる。また、脚部１５を溶接等によって弾性体１３と一体化できる場合には、弾性体１３と脚部１５とが最初から一体的に構成されていた場合と同等の信頼性を得ることができる。
【００２１】
図２は脚部１５の長さと振動子１１の駆動周波数との関係を示すグラフである。また、図３は脚部１５の長さと脚部１５の先端での振動速度（水平方向成分）との関係を示すグラフである。図２には、駆動周波数の実測値と、有限要素法（ＦＥＭ）による駆動周波数の計算値と、脚部１５を片持ち梁とみなした場合の脚部１５の曲げ共振周波数のＦＥＭによる計算値と、が示されている。また、図３には、実測値とＦＥＭによる計算値とが示されている。
【００２２】
ここで、ＦＥＭによる振動子１１の駆動周波数の計算にあたっては、図４および表１に示す各種の形状パラメータを設定している。ここで、オイラー−ベルヌーイのビーム理論から、弾性体１３に縦Ｌ１モードの共振と横Ｂ４モードの共振を同時に生じさせる際の弾性体１３の厚みには、脚部１５の長さに応じて最適な厚みが存在する。そこで駆動周波数のＦＥＭシミュレーションにおいては、脚部１５の長さに応じて計算される弾性体１３の厚みの最適値を予め求めておき、その結果を用いて計算を行っている。なお、駆動周波数の実測は、表１に示される一部の条件の形状を有する振動子１１を作製して行っている。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
また、弾性体１３および脚部１５の材質を真鍮とし、かつ、圧電素子１４ａ〜１４ｄの材質をチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系圧電セラミックスとして、ヤング率等の物性値を定めている。また、圧電素子１４ａ〜１４ｄに印加する電圧はゼロ−ピーク電圧で±５０Ｖ０−Ｐとし、圧電素子１４ａ〜１４ｄの機械的品質計数Ｑｍは２０とした。さらに、図２に示す脚部１５の曲げ共振周波数のＦＥＭシミュレーションと図３に示す振動速度のＦＥＭシミュレーションは、図５に示す片持ち梁のモデル（各辺の設定長さを図５中に示す）に基づいて行った。
【００２５】
図２から明らかなように、振動子１１の駆動周波数の実測値と計算値はよく一致している。また、脚部１５の長さが５ｍｍのときと１５ｍｍのときに、振動子１１の駆動周波数と脚部１５の曲げ共振周波数とが接近していることがわかる。さらに図３に示されるように、ＦＥＭシミュレーションによれば、脚部１５の長さが５ｍｍの近傍にあるときと１５ｍｍの近傍にあるときに脚部１５の先端の振動速度は極大を示している。なお、図３に示す振動速度の実測値と計算値とでは、その値（絶対値）に差があるが、これは計算に用いた物性値パラメータの値や、機械的品質係数Ｑｍの計算上の取り扱いが複雑であることに大きく依存しているためであり、計算値が示している脚部１５の長さと振動速度との相関関係は、実測値の場合にもあてはまっていると考えられる。
【００２６】
このような図２および図３に示される結果は、脚部１５の長さが５ｍｍ近傍の場合と１５ｍｍ近傍の場合には、振動子１１の異形縮退縦Ｌ１−横Ｂ４モードの共振振動と脚部１５の曲げ共振振動とが調和して、脚部１５の先端の楕円運動のＸ方向成分が拡大していることを示していると考えられる。つまり、このような条件が満足された場合に、移動子１２を高速で移動させることが可能になる。
【００２７】
逆に、長さの長い脚部１５を設けて、脚部１５に大きな曲げ振動を発生させても、その曲げモードの共振周波数が脚部１５の付け根部分において弾性体１３に生ずる異形縮退縦Ｌ１−横Ｂ４モードの振動と調和しない場合には、結果的に脚部１５の先端の楕円運動が乱れることとなり、移動子１２を高速で移動させることができなくなると考えられる。
【００２８】
図６は、実際に図１に示すＬ１Ｂ４型モータ１０を脚部１５の長さを１ｍｍ〜７ｍｍの範囲で変えて作製し、振動子１１を７Ｎの力で移動子１２に押し当てた場合の移動子１２の移動速度、つまりＬ１Ｂ４型モータ１０の駆動速度を示すグラフ（プロット）である。図６に示されるように、作製したＬ１Ｂ４型モータ１０の駆動速度の変化の様子は、図３に示す振動速度の変化の様子とよく一致しており、脚部１５の長さが５ｍｍ近傍で速くなっていることが確認された。
【００２９】
ところで、図２に示すＬ１Ｂ４型モータ１０の駆動周波数のＦＥＭシミュレーションは、脚部１５の厚みを２ｍｍに固定して行っているが、実際には脚部１５の厚みも弾性体１３の駆動周波数に影響を与える。脚部１５の曲げモードの共振周波数は、長さの二乗に反比例し、かつ、厚みに比例するから、弾性体１３の駆動周波数とほぼ同じ周波数で脚部１５に曲げモードの共振を生じさせるためには、脚部１５の厚みをその長さに応じた最適な値に設定することが必要となる。そこで、実際のＬ１Ｂ４型モータ１０の設計においては、振動子１１の異形縮退縦Ｌ１−横Ｂ４モードの共振周波数と脚部１５の厚みとを相互に調整しながら、最適な脚部１５の厚みを決定することが好ましい。
【００３０】
次に、本発明の別の実施の形態について説明する。図７はＬ１Ｂ４型モータ１０´の概略構成を示す平面図（上側）および断面図（下側）である。Ｌ１Ｂ４型モータ１０´の振動子１１´は、先に図１に示したＬ１Ｂ４型モータ１０が具備する振動子１１を構成する弾性体１３の上側の面（脚部１５が取り付けられている面の反対側の面）に、脚部１５の振動を調整する振動調整部１６が取り付けられた構造を有しており、その他の構成要素は振動子１１と同じである。
【００３１】
Ｌ１Ｂ４型モータ１０´では、振動調整部１６は、脚部１５と同形状を有し、かつ、脚部１５と同じ材料で構成され、かつ、弾性体１３を挟んで脚部１５と対称となるように弾性体１３に一体的に設けられている。このように振動子１１´を対称性のよい形態とした場合には、次に図８を参照しながら説明するように、左右２本の脚部１５のそれぞれの先端に生ずる楕円運動の軌跡を同等な形状にすることができるため、移動子１２に効率よく脚部１５の楕円運動を伝えることができるようになる。
【００３２】
図８はＦＥＭを用いて脚部１５の先端の動きをシミュレーション解析した結果を示す説明図である。ここでは、図１に示したＬ１Ｂ４型モータ１０と図７に示したＬ１Ｂ４型モータ１０´について解析を行っている。Ｌ１Ｂ４型モータ１０に関する形状パラメータの設定は先に図４に示されており、その各パラメータの数値は表２に示されている。また、Ｌ１Ｂ４型モータ１０´の形状パラメータは図９および表２に示す通りである。圧電素子１４ａ〜１４ｄへの電圧の印加方法は、先に図１を参照しながら説明した通りであり、圧電素子１４ａ・１４ｄと圧電素子１４ｂ・１４ｃの各組に位相が９０度異なる電圧（異形縮退縦Ｌ１−横Ｂ４モードの共振周波数でゼロ−ピーク電圧が±５０Ｖ０−Ｐ）を印加している。
【００３３】
【表２】
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【００３４】
図８（ａ）はＬ１Ｂ４型モータ１０のＦＥＭシミュレーションの結果を示している。Ｌ１Ｂ４型モータ１０では、左右で脚部１５の先端の動きを示す楕円運動の軌跡の形および傾きに大きな違いがある。このために、左右の脚部１５の動きは移動子１２を通して互いに阻害されてしまい、左右の脚部１５に生ずる楕円運動を効率的に移動子１２に伝えることができないと考えられる。特に、脚部１５の楕円運動を示す軌跡が傾いているために、実質的に移動子１２の移動に寄与する水平方向成分（Ｘ方向成分）の大きさが小さくなるという問題を生じている。
【００３５】
図８（ｂ）はＬ１Ｂ４型モータ１０´のＦＥＭシミュレーションの結果を示しいる。Ｌ１Ｂ４型モータ１０´の場合には、左右の脚部１５の先端がほぼ同じ動きをすることが示された。つまりＬ１Ｂ４型モータ１０´のように振動調整部１６を設けて振動子１１´の対称性を高めることによって、左右の脚部１５に生ずる楕円運動の軌跡の形および傾きが調整されるという結果が得られた。この結果から、左右の脚部１５に生ずる楕円運動を効率的に移動子１２に伝えることが可能となり、Ｌ１Ｂ４型モータ１０´ではＬ１Ｂ４型モータ１０よりも移動子１２の移動速度を速めることが可能であることが示唆された。
【００３６】
実際に図９に示す形状パラメータを有するＬ１Ｂ４型モータ１０´を試作して駆動した場合には、移動子１２を４００ｍｍ／秒の移動速度（駆動周波数；４５ｋＨｚ）で移動させることができた。このＬ１Ｂ４型モータ１０´とほぼ同等の形状パラメータを有するＬ１Ｂ４型モータ１０の移動子１２の移動速度は、図６に示されるように約３６０ｍｍ／秒（駆動周波数；４２ｋＨｚ）であるから、振動調整部１６を設けることによって、移動子１２の移動速度が速められることが確認された。
【００３７】
なお、図７に示すように振動子１１´を対称性のよい形状とした場合でも、図８（ｂ）に示されるように、左右の脚部１５の先端の動きには、少しの違いがある。この駆動軌跡の違いを解消するために、例えば、振動調整部１６および脚部１５の形状を微調整したり、または材質を変更する等することも好ましい。脚部１５の場合と同様に、振動調整部１６もまた弾性体１３と一体的に構成することが好ましい。
【００３８】
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこのような形態に限定されるものではない。例えば、上記説明においては、Ｌ１Ｂ４型モータとして、振動子１１・１１´を固定し、移動子１２を移動させる形態を示したが、振動子１１・１１´を平面ステージや直線状のレールの表面に載置し、振動子１１・１１´の自重を利用してこれらの面上を自走させることも可能である。また、平行に配置された２本のガイドレールの一方に振動子１１・１１´を保持する保持部材を嵌め込み、保持部材に振動子１１・１１´を保持させて、振動子１１・１１´の脚部を他のガイドレールに押し当てることにより、振動子１１・１１´をガイドレールに沿って移動させることも可能である。
【００３９】
【発明の効果】
上述の通り、本発明の超音波モータによれば、弾性体に生ずる異形縮退縦Ｌ１−横Ｂ４モードの振動が脚部の曲げモードの振動によって拡大されて移動子に伝えられるために、移動子を高速で移動させることが可能な、高速モータが実現される。また、振動子の対称性を高めることによって、振動子に生ずる振動を効率的に移動子に伝えることが可能となり、さらに駆動速度を速めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態であるＬ１Ｂ４型モータの概略構成を示す平面図（上側）および断面図（下側）。
【図２】脚部の長さと振動子の駆動周波数との関係を示すグラフ。
【図３】脚部の長さと脚部の先端での振動速度との関係を示すグラフ。
【図４】Ｌ１Ｂ４型モータの形状パラメータを示す説明図。
【図５】ＦＥＭによる曲げ共振周波数の計算に用いた片持ち梁モデルの斜視図。
【図６】Ｌ１Ｂ４型モータの駆動速度（移動子の移動速度）を示すグラフ。
【図７】本発明に係るＬ１Ｂ４型モータの別の実施形態の概略構成を示す平面図（上側）および断面図（下側）。
【図８】ＦＥＭを用いて脚部の先端の動きをシミュレーション解析した結果を示す説明図。
【図９】図７に示すＬ１Ｂ４型モータの形状パラメータを示す説明図。
【図１０】従来のＬ１Ｂ４型モータの一般的な構造を示す平面図（上図）および断面図（下図）。
【符号の説明】
１０；Ｌ１Ｂ４型モータ
１１・１１´；振動子
１２；移動子
１３；弾性体
１４ａ〜１４ｄ；圧電素子
１５；脚部
１６；振動調整部
２１；圧電体
２２ａ・２２ｂ；電極
２５ａ・２５ｂ；電源
９０；Ｌ１Ｂ４型モータ
９１；振動子
９２；移動子
９３；弾性体
９４ａ〜９４ｄ；圧電素子
９５；突起体
【図１】
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【図２】
2004072929.tif 000006
【図３】
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【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】
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【図９】
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【図１０】
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