(57)【要約】【課題】高速駆動可能な構造を備えた超音波モータを提供することを課題とする。【解決手段】超音波モータの駆動子１は、直交する方向に配置された二つの超音波振動子３と、超音波振動子のそれぞれの出力を受ける二つの出力受け部１７と、二つの出力受け部からの出力を合成する一つの合成部１３と、出力受け部のそれぞれと合成部との間に配置され且つこの合成部に向けて軸心横断面積が減少する二つの先細り部１５とを備える。そして、先細り部の最小軸心横断面積Ｓ２／変位受け部の軸心横断面積Ｓ１の比Ｒは、０．０２５＜Ｒ＜０．３である。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二つの超音波振動子を有する駆動子を少なくとも一つ備え、前記二つの超音波振動子の出力を合成することによって得られる駆動力によって駆動する超音波モータであって、
前記駆動子は、
所定角度で交差する方向に配置された前記二つの超音波振動子と、
前記超音波振動子のそれぞれの出力を受ける二つの出力受け部と、
前記二つの出力受け部からの出力を合成する一つの合成部と、
前記出力受け部のそれぞれと前記合成部との間に配置され且つ該合成部に向けて軸心横断面積が減少する二つの先細り部とを備え、
前記先細り部の最小軸心横断面積／前記変位受け部の軸心横断面積の比Ｒが、０．０２５＜Ｒ＜０．３である、
ことを特徴とする超音波モータ。
【請求項２】
前記最小軸心横断面積を有する部分は、前記先細り部の変位出力方向の最下流部であることを特徴とする請求項１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、超音波モータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、二つの超音波振動子を組み込んだ駆動子を複数設けることによって可動子としてのロータを回転させる超音波モータがある。駆動子の固有振動モードとしては、横振動モードと縦振動モードとがある。この二つの振動モードの共振周波数を一致させることによって、二つの振動モードは縮退する。よって、このような縮退を生じる共振周波数で、各超音波振動子に異なる位相の電圧をかけると、二つの超音波振動子の変位を合成する駆動子の先端部は、楕円運動を行う。そして、このような複数の駆動子はロータの外周部に当接可能に配置されており、各駆動子の楕円運動による駆動力がロータに伝達されてロータが回転する。（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−１５２６７１号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の超音波モータは、比較的低速であり最高速度でも０．２〜０．４ｍ／ｓｅｃに達する程度であった。よって、より高速駆動することができる超音波モータの実現が要望されており、具体的には従来の超音波モータの４倍以上すなわち１．０ｍ／ｓｅｃの速度に達するものが望まれている。
【０００５】
すなわち、本発明は、可動子を高速駆動することができる超音波モータを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するため、本発明は、二つの超音波振動子を有する駆動子を少なくとも一つ備え、前記二つの超音波振動子の出力を合成することによって得られる駆動力によって駆動する超音波モータであって、前記駆動子は、所定角度で交差する方向に配置された前記二つの超音波振動子と、前記超音波振動子のそれぞれの出力を受ける二つの出力受け部と、前記二つの出力受け部からの出力を合成する一つの合成部と、前記出力受け部のそれぞれと前記合成部との間に配置され且つ該合成部に向けて軸心横断面積が減少する二つの先細り部とを備え、前記先細り部の最小軸心横断面積／前記変位受け部の軸心横断面積の比Ｒが、０．０２５＜Ｒ＜０．３である、ことを特徴とする。
また、前記最小軸心横断面積を有する部分は、前記先細り部の変位出力方向の最下流部である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。本発明の実施の形態に係る超音波モータは、直線的な移動を行うためのリニア可動子と、その外側面に配置された複数の駆動子とを備えている。かかるリニア型の超音波モータは、例えば、位置決めステージのステージ部分の駆動を行うために使用することができる。なお、リニア可動子や駆動子の配置態様や、駆動力の伝達態様などは、前述した特開２０００−１５２６７１号公報に開示した技術と同様であるものとする。
【０００８】
図１に、本実施の形態に係る超音波モータの駆動子単体の平面を示す。駆動子１は、所定角度（本実施の形態では９０度）で交差するように配置され先端部が相互に連結された二つのランジュバン型超音波振動子３を備える。各超音波振動子３は、超音波領域の電圧をかけられ該電圧に応じて伸縮する圧電素子３ａをその軸心部に備える。各圧電素子３ａは円環状の形状を有しており、各圧電素子３ａの中央の穴にはボルト部材５が挿入されている。ボルト部材５は、両端に雄ねじ部５ａ，５ｂを有するロッド状部材である。各ボルト部材５の後端５ａには、ナット状ハウジング７が螺合されている。各ナット状ハウジング７は、その外面が円柱状に形成され、その内側には、対応する雄ねじ部５ａ，５ｂと螺合する雌ねじ部を有する。さらに、各ナット状ハウジング７と、それに対応する圧電素子３ａとの間には、保持部材９が取り付けられている。保持部材９は、両端部に対応するボルト部材５が挿入される穴を有しており、二つの超音波振動子３を、相互に軸心Ａ１，Ａ２が直交する関係となるように支持する。
【０００９】
一対のボルト部材５の前端５ｂには、単一の駆動ヘッド１１が取り付けられている。図１及び図２に示されるように、駆動ヘッド１１は、二つの超音波振動子３の変位を合成することによって得られる駆動力を図示省略するリニア可動子に伝達するものであり、一つの合成部１３と、その合成部１３から左右にＶ字状に振り分けられるように配置された二つの先細り部１５及び二つの変位受け部１７とを備えている。
【００１０】
各変位受け部１７は、対応する圧電素子３ａの変位方向すなわち対応する軸心Ａ１，Ａ２方向に亙って横断面積Ｓ２が一定である角柱状部分であり、対応する圧電素子３ａの変位を受ける部分である。さらに、各先細り部１５は、変位受け部１７の変位出力方向下流側に設けられた部分であって、合成部１３に向けて軸心横断面積が減少する形状を有する。これら一対の変位受け部１７及び先細り部１５の内部には、ボルト部材５の前端５ｂと螺合する雌ねじ部が形成されている。さらに、一対の先細り部１５の変位出力方向下流側には、これら先細り部１５を連結し図示しないリニア可動子と接触しうる合成部１３がある。
【００１１】
本実施の形態においては、先細り部１５及び合成部１３に亙って、対応する軸心Ａ１，Ａ２方向の横断面積が最も小さい最小軸心横断面積Ｓ２を有する部分が存在している。そして、これらの部分が各先細り部１５の変位出力方向の最下流部を構成している。よって、駆動ヘッド１１においては、かかる最小軸心横断面積Ｓ２を有する部分よりも変位出力方向の下流側から合成部１３となっている。
【００１２】
また、本実施の形態では、各先細り部１５の最小軸心横断面積Ｓ２／各変位受け部１７の軸心横断面積Ｓ１の比Ｒが、０．０２５＜Ｒ＜０．３となるように設定されている。
【００１３】
次に、このような構成を有する本実施の形態に係る超音波モータの動作について説明する。本超音波モータにおいては、二つの超音波振動子３のそれぞれに適当な電圧を印加するとそこで発生した変位がそれぞれ変位受け部１７及び先細り部１５を介して合成部１３に伝わり合成される。合成部１３すなわち駆動ヘッド１１の先端は、横方向に動く左右振動と縦方向に動く前後振動とのそれぞれに関する固有振動モードを持っている。この二つの固有振動モードを一致させることによって二つの振動モードは縮退する。縮退する共振周波数で、二つの超音波振動子３に９０°位相がずれた正弦波の電圧を印加すると、二つの超音波振動子３で発生した変位が合成される駆動ヘッド１１の合成部１３は、楕円運動を描くように動く。この部分にリニア可動子を押し付ければリニア可動子は摩擦力を介して推力を受ける。なお、二つの印加電圧の位相差を逆転すれば楕円運動は反対に回り、推力も反対向きに働く。
【００１４】
ここで、本願ではモータの最高速度１．０ｍ／ｓｅｃを達成することを企図しているが、既存の技術では、圧電素子を用いた振動子の振動速度は入力電圧に依存せず、ハード系と呼ばれるＰＺＴを材料に用いた既存振動子では、振動速度の上限が０．６ｍ／ｓｅｃ程度となっていた。従って、２つの振動子のなす角度が９０°の場合、左右の動きは０．６／√２であるため、最終的な出力速度は約０．４ｍ／ｓｅｃにしかならない。しかし、本出願人は、研究を重ね、駆動ヘッド１１の構成的な条件によっては、超音波モータの駆動速度を高めることができることを見出すことができた。具体的には、駆動ヘッド１１に、リニア可動子としての重さ１．３ｋｇのスライダーを接続し、実効値３０Ｖｒｍｓ、周波数３１．６ｋＨｚ、位相差９０度の２位相の交流電圧を印加して超音波モータの駆動試験を行ったところ、上述した先細り部の最小軸心横断面積／変位受け部の軸心横断面積の比ＲがＲ＜０．３とすることによって、リニア可動子の駆動速度が１．０ｍ／ｓｅｃとなり、さらに、当該比Ｒ＝０．１では１．７ｍ／ｓｅｃ、当該比Ｒ＝０．０５では１．９６６ｍ／ｓｅｃの駆動速度を得ることができた。その一方で、当該比Ｒを減少させると耐久性が低下する傾向も得ている。そこで、２００ｋｍの走行に相当する駆動耐久試験を、当該比Ｒを０．１５付近から徐々に減少させて行ってみたところ、まず、比Ｒが０．１５及び０．０５の条件では特に破壊する傾向を見せなかったが、比Ｒが０．０２５の場合には疲労破壊する傾向が見られた。よって、本発明では、上述したように、各先細り部１５の最小軸心横断面積Ｓ２／各変位受け部１７の軸心横断面積Ｓ１の比Ｒが、０．０２５＜Ｒ＜０．３となるように設定することによって、従来得られなかった高速駆動性能を獲得することができ、且つ、実用走行距離に対応した十分な耐久性をも維持することが可能となった。
【００１５】
なお、本発明の超音波モータは、直線的駆動に適用されることには限定されず、回転駆動に適用することも可能である。よって、可動子としては、回転運動可能に設けられたロータを用いることもできる。
また、通常は、超音波振動子側が固定されており、その振動を受ける部材側が可動子として可動する形式が多いが、本発明は、これに限定されるものではない。よって、超音波振動子側が可動であって、その振動を受ける部材側が固定されており、超音波振動子及びそれと一体の部分が、振動を受ける部材からの反力によって可動子として可動する形式でもよい。
【００１６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の超音波モータによれば、従来、困難であった高速駆動を行うことが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る超音波モータの駆動子単体の平面図である。
【図２】図２の駆動子における駆動ヘッドの構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
１…駆動子、３…超音波振動子、１３…合成部、１５…先細り部、１７…出力受け部、Ｓ１…変位受け部の軸心横断面積、Ｓ２…先細り部の最小軸心横断面積。
【図１】
2004229402.tif 000003
【図２】
2004229402.tif 000004