JP2011045208A - 超音波モータ - Google Patents

Abstract

【課題】製造上の様々な理由により振動子における異なる振動モードの共振周波数にばらつきが生じたとしても、調整により、超音波モータが駆動した場合には振動子における異なる振動モードの共振周波数が略一致するようにさせることができるようにする。
【解決手段】超音波モータは、異なる振動モードを縮退させ夫々の振動モードの振動に位相差を持たせることにより楕円振動を生じさせる振動子１と、振動子１に対して相対移動可能に構成された可動体３と、可動体３の相対移動方向と略平行の方向に対して振動子１が固定されるように保持する保持機構４と、振動子１を可動体３に押圧する押圧機構５とを備える。ここで、保持機構４は、当該超音波モータが駆動した場合に振動子１における異なる振動モードの共振周波数が略一致するようにさせるための調整手段を含む。
【選択図】図３

Description

本発明は、超音波モータに関する。

異なる振動モードを縮退させ夫々の振動モードの振動に位相差を持たせることにより振動子に楕円振動を生じさせる超音波モータを構成する場合、異なる振動モードを縮退させるための何らかの工夫が必要になる。その工夫として、例えば特許文献１には、次のような方法が提案されている。

この方法は、縦振動モードと屈曲振動モードという２つの異なる振動モードの共振周波数が振動子に押圧力を加えると上昇し、また、そのときの屈曲振動モードの共振周波数の上昇の勾配が、縦振動モードの上昇の勾配よりも急になることに着目した方法である。すなわち、押圧前における２つの振動モードの共振周波数に予め差を持たせておき、所定の押圧力を加えたときに２つの振動モードの共振周波数が略一致するようになされたものである。

特開２００６−９４５９１号公報

しかしながら、この方法では、例えば製造上のばらつき等により押圧前における２つの振動モードの何れか一方又は両方の共振周波数が設計値からずれてしまった場合には、所定の押圧力を加えたときに２つの振動モードの共振周波数が略一致しなくなってしまうことになる。但し、この場合に、押圧力を加減することにより共振周波数を略一致させるように調整することは可能である。しかしながら、押圧力は、超音波モータの力やトルクといった機械的な出力の大きさや、電気的な入力エネルギーを機械的な出力エネルギーに変換する変換効率と密接に係わってくることから、安易に押圧力を加減することは超音波モータの性能そのものを変化させてしまい好ましくない。また、押圧力を過度に大きくすると、摩擦部分の磨耗が激しくなり、超音波モータの寿命を著しく短くしてしまう虞もある。

このような理由から、押圧前における２つの振動モードの共振周波数の差が所定の範囲内にばらつきなく入るようにしておく必要がある。しかしながら、超音波モータを製造していく過程には材料や寸法等に様々なばらつきの要因があり、このことが原因で押圧前における２つの振動モードの共振周波数の差にもばらつきを与えてしまうことがある。このばらつきが極端に大きな場合には、その超音波モータを使うことができなくなってしまう。

本発明は、上記実情に鑑み、製造上の様々な理由により振動子における異なる振動モードの共振周波数にばらつきが生じたとしても、調整により、超音波モータが駆動した場合には振動子における異なる振動モードの共振周波数が略一致するようにさせることができる、超音波モータを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の態様に係る超音波モータは、異なる振動モードを縮退させ夫々の振動モードの振動に位相差を持たせることにより楕円振動を生じさせる振動子と、前記振動子に対して相対移動可能に構成された可動体と、前記可動体の相対移動方向と略平行の方向に対して前記振動子が固定されるように保持する保持機構と、前記振動子を前記可動体に押圧する押圧機構と、を備え、前記保持機構は、当該超音波モータが駆動した場合に前記振動子における異なる振動モードの共振周波数が略一致するようにさせるための調整手段を含む、ことを特徴とする。

本発明の第２の態様に係る超音波モータは、上記第１の態様において、前記保持機構は、薄板状構造部を含み、前記調整手段は、前記薄板状構造部に生じる振動の有効長を変更可能にする手段である、ことを特徴とする。

本発明の第３の態様に係る超音波モータは、上記第２の態様において、前記調整手段は、楕円状の穴が設けられたスペーサである、ことを特徴とする。
本発明の第４の態様に係る超音波モータは、異なる振動モードを縮退させ夫々の振動モードの振動に位相差を持たせることにより楕円振動を生じさせる振動子と、前記振動子に対して相対移動可能に構成された可動体と、前記可動体の相対移動方向と略平行の方向に対して前記振動子が固定されるように保持する保持機構と、前記振動子を前記可動体に押圧する押圧機構と、を備え、前記保持機構は、薄板状構造部を含み、前記薄板状構造部は、曲げの強さが異なる複数の薄板状構造部の中から、単体としての前記振動子における異なる振動モードの共振周波数に応じて選択された一つである、ことを特徴とする。

本発明の第５の態様に係る超音波モータは、上記第４の態様において、前記曲げの強さは、薄板状構造部の材質及び又は厚みによって決まる、ことを特徴とする。

本発明によれば、製造上の様々な理由により振動子における異なる振動モードの共振周波数にばらつきが生じたとしても、調整により、超音波モータが駆動した場合には振動子における異なる振動モードの共振周波数が略一致するようにさせることができる。

本発明の実施例１に係る超音波モータの上面図である。 (a) は振動子に発生する縦１次振動モードを模式的に示す図、(b) は振動子に発生する屈曲２次振動モードを模式的に示す図である。 本発明の実施例１に係る超音波モータの分解上面図である。 スペーサの斜視図である。 (a) は振動子に縦１次振動モードを発生させたときの振動状態を模式的に示す図、(b) は振動子に屈曲２次振動モードを発生させたときの振動状態を模式的に示す図である。 振動子に屈曲２次振動モードを発生させたときに測定により確認された板状固定材の振動状態を模式的に示す図である。 (a),(b) は、スペーサの位置を変更した例を示す図である。 本発明の実施例２に係る超音波モータの分解上面図である。 板状固定材を示す図である。 ヤング率が異なる物質の一例を示す図である。

以下、本発明の実施例を図面を参照しながら説明する。

はじめに、図１乃至図４を用いて、本発明の実施例１に係る超音波モータの構成を説明する。
図１は、本実施例に係る超音波モータの上面図であり、一部に透視図を含む。図２(a) は、本実施例に係る超音波モータに含まれる振動子に発生する縦１次振動モードを模式的に示す図、同図(b) は、本実施例に係る超音波モータに含まれる振動子に発生する屈曲２次振動モードを模式的に示す図である。図３は、本実施例に係る超音波モータの分解上面図である。図４は、本実施例に係る超音波モータに含まれるスペーサの斜視図である。

図１において、振動子１は、例えばチタン酸ジルコニウム酸鉛（ＰＺＴ）等の電気機械変換素子からなり、外部から所定の交番電圧が印加されることによって図２(a) に示した縦１次振動モードと同図(b) に示した屈曲２次振動モードを発生させることができるように構成されている。この振動子１の屈曲２次振動モードの振動における腹となる２つの箇所には、耐摩擦部材で作られた駆動子２ａ、２ｂが接着固定されている。また、振動子１における駆動子２ａ、２ｂが接着固定された面と反対の面の中央部分には、保持機構４（詳しくは後述の板状固定材８の中央部）が接着固定される。保持機構４は、振動子１を可動体３に押圧する押圧機構５を含む。可動体３は、振動子１に対して相対移動可能に構成されるものであり、図示しない例えばリニアガイドにより図１における左右方向に移動可能に支持され、且つ、押圧機構５により２つの駆動子２ａ、２ｂに押圧され接触する。

ここで、保持機構４と押圧機構５の構成を、図３を用いて更に詳細に説明する。
同図に示したように、保持機構４は、ホルダ６と板状固定材８が２つのスペーサ７ａ、７ｂを介して２つの固定ビス９ａ、９ｂにより固定される。これにより、ホルダ６と板状固定材８との間に所定の空間が設けられるようになっている。なお、板状固定材８は、保持機構４に含まれる薄板状構造部の一例である。スペーサ７ａ、７ｂは、図４に示したように、夫々対応する固定ビス９ａ、９ｂが貫通する楕円状の穴（或いは長穴でも良い）が設けられている。これにより、スペーサ７ａ、７ｂを、その楕円状の穴の長径の長さの分だけ図３における左右方向に任意にずらして、固定ビス９ａ、９ｂにより固定することができる。なお、ホルダ６と板状固定材８をスペーサ７ａ、７ｂを介して固定ビス９ａ、９ｂにより固定する際には、後述する調整に支障をきたさない程度の硬化時間を有する接着剤等を併用することも可能である。また、ホルダ６は、固定用穴１０ａ、１０ｂが設けられており、可動体３が図３における左右方向に動いても相対的に移動しない図示しない固定体に図示しないビスにより固定される。これにより、保持機構４は、可動体３の相対移動方向と略平行の方向に対して振動子１が固定されるように、振動子１を保持することができる。

押圧機構５は、押圧ビス１１及び弦巻バネ１２を含み、この押圧ビス１１をメネジが形成されたホルダ６にねじ込むことによって、ホルダ６内に挿入された弦巻バネ１２を介して、板状固定材８の中央部を所定の押圧力で押圧することができるようになっている。これにより、板状固定材８の中央部に接着固定された振動体１を駆動子２ａ、２ｂと共に可動体３に所定の押圧力で押圧することができる。

次に、図５乃至図７を用いて、本実施例に係る超音波モータの作用を説明する。
図５(a) は、振動子１に縦１次振動モードを発生させたときの振動状態を模式的に示す図、同図(b) は、振動子１に屈曲２次振動モードを発生させたときの振動状態を模式的に示す図である。図６は、振動子１に屈曲２次振動モードを発生させたときに測定により確認された板状固定材８の振動状態を模式的に示す図である。図７(a),(b) は、スペーサ７ａ、７ｂの位置を変更した例を示す図である。

本実施例に係る超音波モータにおいて、振動子１に外部から所定の交番電圧を印加して縦１次振動モードを発生させると、振動子１における駆動子２ａ、２ｂが接着固定されている付近は、図５(a) の２つの矢印で示したように左右方向に振動する。また、振動子１に外部から所定の交番電圧を印加して屈曲２次振動モードを発生させると、振動子１における駆動子２ａ、２ｂが接着固定されている付近は、同図(b)の２つの矢印で示したように上下方向に振動する。このような縦１次振動モードと屈曲２次振動モードを同時に且つ周波数を揃えて振動子１に発生させると共に、各々の振動モードの振動の位相差を略９０度にすると、振動子１における駆動子２ａ、２ｂが接着固定されている付近の振動の軌跡は楕円振動となる。このように、振動子１は、異なる振動モードを縮退させ夫々の振動モードの振動に位相差を持たせることにより楕円振動を生じさせるものである。この楕円振動する振動子１に接着固定された駆動子２ａ、２ｂに可動体３を接触させると可動体３が移動することは、超音波モータの基本原理であり公知のとおりである。

このときに、縦１次振動モードと屈曲２次振動モードの共振周波数を一致させて、その共振周波数近傍で振動子１を振動させれば、上記の楕円振動は共振により大きな径の振動振幅を得ることができる。そして振動振幅が大きければ、その楕円振動する振動子１に接着固定された駆動子２ａ、２ｂに接触する可動体３も効率よく移動させることができる。このように超音波モータの駆動中に縦１次振動モードと屈曲２次振動モードの共振周波数を一致させることは、超音波モータにとって大変に重要なことである。

一方、振動子１に保持機構４が接着固定された状態で振動子１に屈曲２次振動モードを発生させると、図６に示したように、板状固定材８も一緒に振動することが測定により確認されている。このとき、振動子１の屈曲２次振動モードの共振周波数は、振動子１が単体で振動するときに比べて板状固定材８も一緒に振動するときの方が周波数が高い方向に変化する。このときの共振周波数の上昇幅は、板状固定材８が図６に示したような波打つように振動する部分の長さにより変化し、その長さが長いと上昇幅が小さく、その長さが短いと上昇幅が大きくなることが実験により確認されている。

そこで、本実施例に係る超音波モータでは、例えば超音波モータ組立時において、図７(a),(b) に示したように、スペーサ７ａ、７ｂの位置を変更することにより板状固定材８の振動する部分の実効長（有効長ともいう）を変更させて、屈曲２次振動モードの共振周波数を調整することができるようにしている。但し、この調整は、押圧機構５が取り付けられる前に行われる。図７(a) に示した例は、板状固定材８の振動する部分の実効長が長くなるような位置でスペーサ７ａ、７ｂを固定し、屈曲２次振動モードの共振周波数の上昇幅を小さめに調整した例である。また、図７(b) に示した例は、板状固定材８の振動する部分の実効長が短くなるような位置でスペーサ７ａ、７ｂを固定し、屈曲２次振動モードの共振周波数の上昇幅を大きめに調整した例である。

このように、縦１次振動モードの共振周波数と屈曲２次振動モードの共振周波数を夫々測定しながらスペーサ７ａ、７ｂの位置を変更して板状固定材８の振動する部分の実効長を変更させることにより、縦１次振動モードの共振周波数と屈曲２次振動モードの共振周波数との差を任意の差に調整することができるようになる。

なお、駆動子２ａ、２ｂが可動体３に押圧されると、屈曲２次振動モードの共振周波数が若干上昇する傾向があることも実験により確認されている。そこで、その調整は、その上昇分も見込んで行うことが望ましい。

以上、本実施例に係る超音波モータによれば、製造上の様々な理由により振動子１における縦１次振動モードの共振周波数と屈曲２次振動モードの共振周波数にばらつきが生じたとしても、例えば超音波モータ組立時に、スペーサ７ａ、７ｂの位置を変更することによって、当該超音波モータを駆動した際の振動子１における縦１次振動モードの共振周波数と屈曲２次振動モードの共振周波数とが略一致するように調整することが可能となる。よって、当該超音波モータの動作効率を最大限に引き出すことができ、当該超音波モータを効率良く動作させることができる。

なお、本実施例に係る超音波モータにおいて、少なくともスペーサ７ａ、７ｂは、板状固定材８に生じる振動部分の実効長を変更可能にする手段の一例であって、本実施例に係る超音波モータが駆動した場合に振動子１における異なる振動モードの共振周波数が略一致するようにさせるための調整手段の一例である。

はじめに、図８及び図９を用いて、本発明の実施例２に係る超音波モータの構成を説明する。
図８は、本実施例に係る超音波モータの分解上面図である。なお、同図は、図３に示した実施例１に係る超音波モータの分解上面図に対応する図である。図９は、本実施例に係る超音波モータに含まれる板状固定材を示す図である。

本実施例に係る超音波モータの構成は、一部が、実施例１に係る超音波モータの構成と異なっている。そこで、ここでは、その異なる部分を中心に説明する。
図８に示したように、本実施例に係る超音波モータは、ホルダ２１と板状固定材２２とが２つの固定ビス９ａ、９ｂにより直接固定される。なお、この固定の際には、接着剤等を併用することも可能である。板状固定材２２は、保持機構４に含まれる薄板状構造部の一例である。また、ホルダ２１には、板状固定材２２が固定されたときに、板状固定材２２との間に所定の空間が設けられるように、切り欠き部２３が設けられている。

本実施例に係る超音波モータでは、ホルダ２１に固定される板状固定材２２として、図９の矢印に示した部分の厚みが異なる複数の板状固定材２２が用意されており、その中から選択された一つを使用することができるようになっている。なお、その複数の板状固定材２２において、図９の矢印に示した部分の厚みが異なるとは、曲げの強さが異なることを意味している。また、その複数の板状固定材２２の各々において、図９の矢印に示した２箇所の部分の厚みは同一である。

また、ホルダ２１は、図３に示したホルダ６と同様に、固定用穴２４ａ、２４ｂが設けられており、可動体３が図８における左右方向に動いても相対的に移動しない図示しない固定体に図示しないビスにより固定される。

その他の構成については、実施例１に係る超音波モータの構成と同じである。
次に、本実施例に係る超音波モータの作用を説明する。
なお、本実施例に係る超音波モータの作用も、一部が、実施例１に係る超音波モータの作用と異なっている。そこで、ここでは、その異なる部分を中心に説明する。

本実施例に係る超音波モータにおいて、振動子１に保持機構４が接着固定された状態で振動子１に屈曲２次振動モードを発生させると、図６に示したものと同様に、板状固定材２２も一緒に振動することが測定により確認されている。このとき、振動子１の屈曲２次振動モードの共振周波数は、振動子１が単体で振動するときに比べて板状固定材２２も一緒に振動するときの方が周波数が高い方向に変化する。このときの共振周波数の上昇幅は、板状固定材２２が図６に示したものと同様に波打つように振動する部分の厚みにより変化し、その厚みが薄いと上昇幅が小さく、その厚みが厚いと上昇幅が大きくなることが実験により確認されている。

そこで、本実施例に係る超音波モータでは、例えば超音波モータ組立時において、予め単体としての振動子１における縦１次振動モードの共振周波数と屈曲２次振動モードの共振周波数を測定しておき、その差に応じた厚みの板状固定材２２を選択し、その選択した板状固定材２２を振動子１に接着固定して、２つの固定ビス９ａ、９ｂによりホルダ２１に固定するようにしている。

なお、上述の実施例１と同様に、駆動子２ａ、２ｂが可動体３に押圧されると、屈曲２次振動モードの共振周波数が若干上昇する傾向があることが実験により確認されている。そこで、使用する板状固定材２２を選択する際には、その上昇分も見込んで、対応する厚みの板状固定材２２を選択することが望ましい。

その他の作用については、実施例１に係る超音波モータの作用と同じである。
以上、本実施例に係る超音波モータによれば、製造上の様々な理由により振動子１における縦１次振動モードの共振周波数と屈曲２次振動モードの共振周波数にばらつきが生じたとしても、例えば超音波モータ組立時に、適切な厚みの板状固定材２２を選択して使用することによって、当該超音波モータを駆動した際の振動子１における縦１次振動モードの共振周波数と屈曲２次振動モードの共振周波数とが略一致するようにさせることが可能となる。よって、当該超音波モータの動作効率を最大限に引き出すことができ、当該超音波モータを効率良く動作させることができる。

本発明の実施例３に係る超音波モータの構成は、一部が、実施例２に係る超音波モータの構成と異なっている。そこで、ここでは、その異なる部分を中心に説明する。
上述の実施例２に係る超音波モータでは、ホルダ２１に固定される板状固定材２２として、図９の矢印に示した部分の厚みが異なる複数の板状固定材２２が用意されており、その中から選択された一つを使用することができるようになっていた。

これに対し、本実施例に係る超音波モータでは、ホルダ２１に固定される板状固定材２２として、材質が異なる複数の板状固定材２２が用意されており、その中から選択された一つを使用することができるようになっている。なお、本実施例において、材質が異なるとは、ヤング率（或いは弾性率）が異なることを意味すると共に、曲げの強さが異なることを意味している。

その他の構成については、実施例２に係る超音波モータの構成と同じである。
次に、本実施例に係る超音波モータの作用を説明する。
なお、本実施例に係る超音波モータの作用も、一部が、実施例２に係る超音波モータの作用と異なっている。そこで、ここでは、その異なる部分を中心に説明する。

本実施例に係る超音波モータにおいて、振動子１に保持機構４が接着固定された状態で振動子１に屈曲２次振動モードを発生させると、図６に示したものと同様に、板状固定材２２も一緒に振動することが測定により確認されている。このとき、振動子１の屈曲２次振動モードの共振周波数は、振動子１が単体で振動するときに比べて板状固定材２２も一緒に振動するときの方が周波数が高い方向に変化する。このときの共振周波数の上昇幅は、板状固定材２２が図６に示したものと同様に波打つように振動する部分のヤング率により変化し、そのヤング率が小さいと上昇幅が小さく、そのヤング率が大きいと上昇幅が大きくなることが有限要素法を用いた計算により確認されている。

そこで、本実施例に係る超音波モータでは、例えば超音波モータ組立時において、予め単体としての振動子１における縦１次振動モードの共振周波数と屈曲２次振動モードの共振周波数を測定しておき、その差に応じたヤング率の板状固定材２２を選択し、その選択した板状固定材２２を振動子１に接着固定して、２つの固定ビス９ａ、９ｂによりホルダ２１に固定するようにしている。

なお、上述の実施例２と同様に、駆動子２ａ、２ｂが可動体３に押圧されると、屈曲２次振動モードの共振周波数が若干上昇する傾向があることが実験により確認されている。そこで、使用する板状固定材２２を選択する際には、その上昇分も見込んで、対応するヤング率の板状固定材２２を選択することが望ましい。

ここで、ヤング率が異なる物質の一例を図１０に示しておく。なお、同図に示したもの以外の物質や、それらの合金等をあわせれば、様々なヤング率の板状固定材２２を準備することが可能であり、その中から、より適切なヤング率の板状固定材２２を選択、使用することが可能となる。

その他の作用については、実施例２に係る超音波モータの作用と同じである。
以上、本実施例に係る超音波モータによれば、製造上の様々な理由により振動子１における縦１次振動モードの共振周波数と屈曲２次振動モードの共振周波数にばらつきが生じたとしても、例えば超音波モータ組立時に、適切な材質（ヤング率）の板状固定材２２を選択して使用することによって、当該超音波モータを駆動した際の振動子１における縦１次振動モードの共振周波数と屈曲２次振動モードの共振周波数とが略一致するようにさせることが可能となる。よって、当該超音波モータの動作効率を最大限に引き出すことができ、当該超音波モータを効率良く動作させることができる。

以上、実施例１乃至３に係る超音波モータについて説明したが、その３つの実施例のうちの２つ以上の実施例を組み合わせて、超音波モータを駆動した際の振動子１における縦１次振動モードの共振周波数と屈曲２次振動モードの共振周波数とを略一致するようにさせることができるように構成することも勿論可能である。例えば、実施例２及び３を組み合わせて、ホルダ２１に固定される板状固定材２２として、厚み（図９の矢印に示した部分の厚み）及び材質（ヤング率）が異なる複数の板状固定材２２が用意されており、その中から選択された一つを使用するように構成することも可能である。

以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上記実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良及び変更を行っても良いのはもちろんである。

１ 振動子
２ａ、２ｂ 駆動子
３ 可動体
４ 保持機構
５ 押圧機構
６ ホルダ
７ａ、７ｂ スペーサ
８ 板状固定材
９ａ、９ｂ 固定ビス
１０ａ、１０ｂ 固定用穴
１１ 押圧ビス
１２ 弦巻バネ
２１ ホルダ
２２ 板状固定材
２３ 切り欠き部
２４ａ、２４ｂ 固定用穴

Claims (5)

1. 異なる振動モードを縮退させ夫々の振動モードの振動に位相差を持たせることにより楕円振動を生じさせる振動子と、
   前記振動子に対して相対移動可能に構成された可動体と、
   前記可動体の相対移動方向と略平行の方向に対して前記振動子が固定されるように保持する保持機構と、
   前記振動子を前記可動体に押圧する押圧機構と、
   を備え、
   前記保持機構は、当該超音波モータが駆動した場合に前記振動子における異なる振動モードの共振周波数が略一致するようにさせるための調整手段を含む、
   ことを特徴とする超音波モータ。
2. 前記保持機構は、薄板状構造部を含み、
   前記調整手段は、前記薄板状構造部に生じる振動の有効長を変更可能にする手段である、
   ことを特徴とする請求項１記載の超音波モータ。
3. 前記調整手段は、楕円状の穴が設けられたスペーサである、
   ことを特徴とする請求項２記載の超音波モータ。
4. 異なる振動モードを縮退させ夫々の振動モードの振動に位相差を持たせることにより楕円振動を生じさせる振動子と、
   前記振動子に対して相対移動可能に構成された可動体と、
   前記可動体の相対移動方向と略平行の方向に対して前記振動子が固定されるように保持する保持機構と、
   前記振動子を前記可動体に押圧する押圧機構と、
   を備え、
   前記保持機構は、薄板状構造部を含み、
   前記薄板状構造部は、曲げの強さが異なる複数の薄板状構造部の中から、単体としての前記振動子における異なる振動モードの共振周波数に応じて選択された一つである、
   ことを特徴とする超音波モータ。
5. 前記曲げの強さは、薄板状構造部の材質及び又は厚みによって決まる、
   ことを特徴とする請求項４記載の超音波モータ。