JP2518647B2 - 超音波モ−タ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、比較的小型で低消費電力で実現可能な超音
波モータに関する。

〔発明の概要〕

本発明は、圧電振動子の伸縮運動を利用した振動波に
より移動体を摩擦駆動させる超音波モータにおいて、振
動体部を中心軸に軸方向とともに半径方向に密着固定
し、振動体部と圧電振動子を振動体部の半径方向に対し
て節部を持たない一次の振動モードで駆動し、移動体を
中心軸を回転案内とし振動体部の外周付近に加圧接触さ
せて回転させる構成とし、超音波モータの薄型化、小型
化、及び、高効率化を実現する。

〔従来の技術〕

従来、圧電振動子を用いた超音波モータとしては、定
在波方式や進行波方式などが知られていた。例えば、日
本工業技術センター発行の、「新方式／新原理モータ開
発・実用化の要点」（昭和59年）などに、従来の超音波
モータの原理が示されている。

また、第４図に示すように、円環型の振動体部403を
有し、圧電振動子404に所定の電圧を印加して、移動体4
05を回転させる構造が知られていた。

さらに、第５図に示すように、円板型の振動体部503
を有し、圧電振動子504に所定の電圧を印加して、移動
体505を回転させる構造が知られていた。

例えば、特開昭59−96881号公報及び特開昭60−17407
8号公報に従来の構造が開示されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の超音波モータにおいては、第４図に示すような
円環型の振動体部403を有する構造においては、圧電振
動子404によって励振された屈曲振動波は、振動の節部
を持たない。したがって、支持機構406は、振動波を減
衰させ、電気−機械変換効率は低下するという課題があ
った。

また、第５図に示すような円板型の振動体部503を有
する構造においては、振動体部503の径方向に対して２
次の振動モードで励振する。振動体503は、固定台502で
半径方向の２か所で支持する。この構造においては、節
部の位置のばらつきや振動体を支持する面積のばらつき
や振動体を支持する支持力のばらつきにより、電気−機
械変換効率は低下するという課題があった。

このような課題は、超音波モータを小型化すれば、さ
らに大きな影響があらわれる。

そして、移動体405と中心軸401が一体である構造や、
移動体505と中心軸501が一体である構造においては、ベ
アリング等の軸受け部材407や軸受け部材506が必要とな
るという課題を有していた。

そこで、この発明の目的は、振動体の支持構造による
振動波成分の低下がなく、小型で、薄く、高効率な超音
波モータを得ることにある。

〔課題を解決するための手段〕

超音波モータの振動体の支持構造による電気−機械変
換効率は低下という課題を解決するために、この発明
は、超音波モータを固定するための固定台と、径小部と
径大部からなる段付部を有し、径大部で固定台に固定さ
れた中心軸と、中心軸の径小部で半径方向に密着固定さ
れるとともに段付部で軸方向に、固定台と空隙を持って
密着固定された振動体部と、振動体部の固定台側の面に
張り付け固定され、半径方向に対して節部を有さない一
次の振動モードで駆動される圧電振動子と、振動体部の
略外周部で、かつ圧電振動子の外径範囲内に摩擦接触部
を有し、圧電振動子により半径方向に対して節部を有さ
ない一次の振動モードで振動する振動体部に生じる振動
波によって、中心軸を回転案内として回転する移動体
と、振動体部と移動体とを、摩擦接解部を介して、所定
の圧力で軸方向に加圧する加圧手段とを有する構成と
し、超音波モータの小型化、薄型化及び高効率化を実現
した。

〔作用〕

本発明の超音波モータ代表的な構成においては、第１
図に示すように、超音波モータは、固定台102に固定す
る。中心軸101は、固定台102に固定する。振動体部103
は、中心軸101の段付部101aに密着固定する。圧電振動
子104は、振動体部103に固定する。

移動体105は、中心軸101を回転案内とし振動体部103
の半径方向に対しての最大振幅部近傍に加圧接触する。
加圧手段106は、振動体部103と移動体105とを加圧す
る。

本発明の構造においては、振動体部の支持は中心軸と
一体となるような中心部の固定支持であるので、振動波
の減衰は少ない。また、振動体部と移動体の加圧力の調
整は容易で、適正な接触圧で移動体の回転が可能とな
る。

さらに、移動体は振動体部の半径方向に対しての最大
振幅部近傍に接触するので、振動体部を薄い平らな弾性
部材で構成しても、振動体部に励振された進行波の成分
が移動体に均一に伝達される。また、振動体部の外周が
径方向に対して最大に変位する箇所になるように超音波
モータを一次の振動モードで駆動させるため、低消費電
力化も実現できる。

〔実施例〕

以下に、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第２図は、進行波型超音波モータにおける進行波発生
の原理の一例を示した図である。

圧電振動子201は、圧電セラミックなどの圧電結晶体
により構成する。圧電振動子201は、幅ｂにて等間隔に
分極する。圧電振動子201の相隣あう部分の分極方向
は、互いに逆方向になっている。

圧電振動子201の電極202には、銀またはニッケル等の
導電材料を用い、蒸着やメッキ等により形成する。電極
202は、信号線203及び信号線204により結線する。圧電
振動子201の電極202に、信号線203及び信号線204を介し
て、それぞれ高周波電圧を印加する。

信号線203及び信号線204を結線した電極群の間には、
幅ｃの空隙部分を設ける。幅ｃの空隙部分は、分極の有
無は問わず、電極の有無も問わない。

幅ｃの空隙部分をはさむ電極の中心間距離はａとす
る。

以下に、超音波モータの進行波の発生の原理を説明す
る。

第２図のの電極の部分の中点を基準に考える。進行
波は後退波からなる屈曲振動波は、下記の式により表さ
れる。

Asin（ωｔ−kx）＋Asin（ωｔ＋kx） （１） ここで、（１）式は、定在波を示す。

第２図のの電極の部分の屈曲振動波は、下記の式に
より表される。

Bsin（ωｔ−ｋ（ｘ＋ａ）＋φ） ＋Bsin（ωｔ＋ｋ（ｘ＋ａ）＋φ） （２） ここで、ｋ＝ω／ν＝２π／λ λ：波長 φ：に対する位相差角 （２）式において、 −ka＋φ＝απ ka＋φ＝βπ （３） とすると、（２）式は、 Bsin（ωｔ−kx＋απ） ＋Bsin（ωｔ＋kx＋βπ） （４） したがって、及びより励振される屈曲振動波は、
（１）式と（４）式を加えた形で表される。

ここで、進行波の成分だけが存在するための条件を
（４）式の展開式から考えると、αが偶数で、βが奇数
のときとなる。

ここで、（３）式より、 ａ＝λ（β−α）/4 φ＝π（α＋β）/2 （５） すなわち（α，β）＝（0,1），（2,3）のときには、 ａ＝λ/4 φ＝π/2 （α，β）＝（2,1）のときには、 ａ＝−λ/4 φ＝３π/2 （α，β）＝（0,3）のときには、 ａ＝３λ/4 φ＝３π/2 となる。

したがって、それぞれのａ及びφを満足するときに
は、進行波の成分のみが存在する。

例えば、 ａ＝３λ/4、ｂ＝λ/2、φ＝３π/2 のときには、（１）式と（２）式の和は、 Asin（ωｔ−kx）＋Asin（ωｔ＋kx） ＋Bsin（ωｔ−kx）−Bsin（ωｔ＋kx） （６） ここで、駆動回路から出力される高周波電圧信号の振
幅Ａ及びＢが、 Ａ＝Ｂ ならば、（６）式は、 2Asin（ωｔ−kx） となり、進行波の成分のみが残る。

また、超音波モータを逆転させるには、後退波の成分
のみを残せばよい。したがって、（５）式のαを奇数と
して、βを偶数とすれば良い。

具体的には、第２図において、の部分を基準として
考えれば、の部分に加える信号の位相を超音波モータ
を正転駆動させる場合に対して、その位相を180度ずら
せば良い。

第３図は進行波型超音波モータが進行波成分によって
回転する原理を示した図である。振動体301は、弾性部
材により形成されている。振動体301には、圧電振動子
が接着されているために屈曲振動が発生する。

ここで、振動体301に第２図の右方向への進行波が発
生すると、表面部の１点は左方向への楕円軌跡を描く。
ロータ部302は、進行波の波の進行方向とは逆の方向に
移動する。

以上に記載した超音波モータの動作原理は、例えば、
「日経メカニカル（1985年９月23日号）」等に記載され
ている。

第１図は、本発明の超音波モータの実施例の縦断面図
である。

中心軸101は、固定台102の穴部102aに固定する。中心
軸101には径小部と径大部からなる段付部101aが形成し
てある。振動体部103の穴部103aを中心軸101の径小部で
半径方向に密着固定するとともに段付部101aで軸方向に
密着固定する。

ここで、振動体部103の材料としては、ステンレス、
黄銅、ジェラルミン等の弾性材料を用いる。

圧電振動子104は、少なくとも一枚以上の中心に孔を
形成した圧電セラミックスもしくは周方向に分割された
複数の圧電セラミックスである。圧電振動子104は、周
方向に複数の電極部を有し、分極処理されている。圧電
振動子104は、振動体部103の一方の面に固定する。

移動体105は、中心部に案内穴を有する。移動体105
は、中心軸101を回転中心とする。調圧機構は、バネ部
材106、座金107及びストッパー108等により構成する。
調圧機構は、移動体105と振動体部103を加圧する。

調圧機構は、振動体部103に発生する振動波を効率良
く移動体105に伝達して移動体105を回転させるように所
定の圧力に設定する。

調圧機構の加圧力の調整は、板バネや十字バネ等のバ
ネ部材106の形状を変更しても良いし、座金107の使用枚
数を変更しても良い。

調圧機構としては、ＣリングやＥリングのストッパー
を用いても良いし、ダブルナットを用いても良い。さら
に、調圧機構としては、ボールベアリングとコイルバネ
を用いてもよい。

また、移動体105は、振動体部103の半径方向に対して
の最大振幅部近傍にで接触するような構造となってい
る。

振動体部103を薄い平らな弾性部材により構成して
も、振動体部103に励振された振動波の成分は移動体105
に均一に伝達される。

なお、移動体105と振動体部103との接触部には、第５
図の従来の構造に示される周方向に凹凸となるようなく
し歯状の変位拡大機構を設けることで、モータの性能を
向上させることもできる。

本実施例の構造をとることにより、振動体部103及び
移動体105の薄型化と小型化が実現できる。

さらに、振動体部103の外周部を径方向における最大
の変位を発生する箇所とするため、超音波モータを一次
の振動モードで共振する駆動振動数で励振させることも
できる。この構成によれば、超音波モータを低い周波数
で駆動することができ、発振回路及び駆動回路の低消費
電流化が実現できる。

第６図は、本発明の超音波モータの他の実施例の縦断
面図である。

中心軸601は、固定台602に固定する。振動体部603
は、中心軸601により支持される。圧電振動子604は、振
動体部603の固定台602より離れた方の面に固定する。

圧電振動子604の外径は振動体部603の外径より小さ
い。この構成によれば、圧電振動子604の静電容量は小
さくなり、低消費電流化が実現できる。

圧電振動子604を薄くすると電界強度は強くなり、低
電圧で駆動できる。一方、圧電振動子604を薄くすると
静電容量は増加するので、圧電振動子604を径小化すれ
ば、低消費電流化に有効である。

本実施例の調圧機構は、複数の永久磁石のお互いの反
発力を利用する。中心軸の外周にはネジ部を設ける。ガ
イド部材607は、振動体部603を支持し、振動体605の回
転の案内をする。

磁石部608と磁石部609は、座金610を介して組み込
む。ストッパー611は、磁石部609を磁石部608の方向に
押す。磁石部608と磁石部609は、互いの磁力により反発
する。

移動体605は、磁石部608と磁石部609の反発力によ
り、振動体部603に所定の圧力で接触する。

第７図は、本発明の超音波モータの実施例の振動体部
の径方向の挙動を示す図である。

振動体部702の中心部は、中心軸701に固定する。圧電
振動子703は、振動体部702の一方の面に固定する。振動
体部702は、外周部が最大の変位となるように、一次の
振動モードで動作する。

第７図（ａ）は、振動体部702と圧電振動子703の外径
が同等の構成を示す図である。

振動体部703と圧電振動子703は図の点線で示す形状に
変形する。この変形はほぼ円弧状である。

第７図（ｂ）は、振動体部702の外径が圧電振動子703
の外径より大きいときの構成を示す図である。

振動体部702の圧電振動子703が固定してある部分はほ
ぼ円弧状に変形する。

振動体部702の圧電振動子703が固定してない部分は直
線状に変形する。振動体部702の圧電振動子703が固定し
てない部分は、変位拡大機構となる。

第７図の（ａ）と第７図の（ｂ）の変位を比較する
と、XaはXbより大きい。一方、超音波モータの低消費電
流化には、変位拡大機構を有する第７図の（ｂ）の構造
が有効である。

第８図は、本発明の超音波モータの実施例における振
動体の形状と機械的共振周波数の関係を示す図である。

第８図については、振動体部103は黄銅で、振動体部
の周方向に３個の波を発生させた場合を示す。振動体部
に圧電振動子を固定した振動体の外径を横軸にとり、機
械的共振周波数を縦軸にとって示す。図のパラメータ
は、振動体の厚みとして、0.2、0.4、0.6及び0.8mmの場
合を図示する。

振動体部103を中心部で支持し、振動体部の外径を小
さくすると、機械的共振周波数は増加する。したがっ
て、機械的共振周波数はいわゆる超音波の20kHz以上の
低い値が低消費電力化には良い。このため、振動体部を
薄くするとよいが、屈曲振動の状態や割れの発生を考慮
すると、0.1〜0.2mmが良い。このとき、振動体の外径を
10mmとすると、振動体全体の厚さは、0.3〜0.6mm位が良
い。

すなわち、振動体部103の厚さは圧電振動子104の厚さ
と同等か少し厚いものが良い。

振動体の周方向に発生する屈曲振動波の波の数は、振
動体が同じ形状の構成においては、励振する波の数が増
えると機械的共振周波数は増加するので、波の数が２〜
４が移動体104を安定して回転させるために適切であ
る。

〔発明の効果〕

この発明は、以上説明したように、超音波モータにお
いて、振動体部と圧電振動子を振動体部の半径方向に対
して節部を持たない一次の振動モードで駆動し、移動体
を中心軸を回転案内とし振動体部の外周付近に加圧接触
させて回転させる構成としたので、以下の効果を有す
る。

超音波モータの小型化が図れる。

超音波モータが薄くできる。

超音波モータの効率が高くできる。

振動体部が中心軸の段付部に密着固定されているの
で、振動体部の取りつけの傾きがほとんどなく、しか
も、強固に固定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかる超音波モータの実施例の縦断面
図、第２図は超音波モータの進行波の発生の原理図、第
３図は進行波型超音波モータの回転原理図、第４図は従
来の超音波モータの縦断面図（１）、第５図は従来の超
音波モータの縦断面図（２）、第６図は本発明にかかる
超音波モータの他の実施例の縦断面図、第７図は本発明
にかかる超音波モータの振動体部の径方向の挙動を示す
図、第８図は本発明にかかる超音波モータの振動体の形
状と機械的共振周波数の関係を示す図である。 101……中心軸 102……固定台 103……振動体部 104……圧電振動子 105……移動体 106……バネ部材 107……座金 108……ストッパー

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧電振動子の伸縮運動を利用した振動波に
   より駆動される超音波モータにおいて、 超音波モータを固定するための固定台（102）と、 径小部と径大部からなる段付部（101a）を有し前記径大
   部で前記固定台（102）に固定された中心軸（101）と、 前記中心軸（101）の前記径小部で半径方向に密着固定
   されるとともに前記段付部（101a）で軸方向に、前記固
   定台（102）と空隙を持って密着固定された振動体部（1
   03）と、 前記振動体部（103）の前記固定台（102）側の面に張り
   付け固定され、半径方向に対して節部を有さない一次の
   振動モードで駆動される圧電振動子（104）と、 前記振動体部（103）の略外周部で、かつ前記圧電振動
   子（104）の外径範囲内に摩擦接触部を有し、前記圧電
   振動子により半径方向に対して節部を有さない一次の振
   動モードで振動する前記振動体部（103）に生じる振動
   波によって、前記中心軸（101）を回転案内として回転
   する移動体（105）と、 前記振動体部（103）と前記移動体（105）とを、前記摩
   擦接触部を介して、所定の圧力で軸方向に加圧する加圧
   手段（106）とを有することを特徴とする超音波モー
   タ。