JPH0311981A - モータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、電磁力によらず機械的動力を発生するモータ
に係り、詳しくは軸方向における伸縮振動の合成により
振動子に励起される円運動を利用し、振動子と同軸的に
嵌合する被駆動体を摩擦駆動により回転させるモータに
関するものである。

［従来の技術］ 従来、この種の振動子としては、例えば特開昭６２−１
４１９８０号、特開昭６３−２１４３８１号がある。

このような振動子は、第１１図に示すように、根本部の
外径が先端部に向は漸減するホーン形状を有した金属丸
棒からなる振動体１００と、振動子１００の大径部と同
径の外径を有する円環形状の金属からなる押え体１０１
との間に、円環形状に形成した２つの電歪素子板１０２
．　１０３を配置して、ボルト　１０４により押え体１
０１を振動子１００に固定し、電歪素子板１０２．　１
０３を圧接保持したものである。電歪素子板１０２．　
１０３は片面側に互いに分極方向が異なる２つの電極が
対称に分割形成されると共に、他面側に共通電極が形成
され、夫々９０°の位置的位相を有して分割電極側を前
側にして配置されている。また、電歪素子板１０２．　
１０３の間には、後側の電歪素子板１０３の各分割電極
及び前側の電歪素子板１０２の共通電極と接触する電極
板１０５．　１０６が配置され、前側の電歪素子板１０
２の分割電極は振動体１００と、後側の電歪素子１０３
の共通電極は共通電極板１０７と夫々接触している。

そして、上側の電歪素子板１０２と下側の電歪素子板１
０３に振幅及び周波数が共に等しい分流電圧を時間的に
位相差を有して印加することにより、振動子に電歪素子
板１０２の振動と電歪素子板１０３の振動の合成した振
動を発生させ、振動子の先端を円運動させるようにして
いる。

第１２図はこのような振動子を駆動環としたモータで、
振動子の先端を円板１０８の表面側に圧接し、振動子の
先端の円運動により円板１０８を摩擦駆動して、円板１
０８の中心に固定した回転軸１０９から回転力を出力す
る。

［発明が解決しようとする課題］ ところで、このような振動子を利用したモータは、振動
子の先端部の動きを利用しているが１本発明者の実験で
は振動子の先端部の回転トルクが弱く、被駆動体である
円板に充分な駆動トルクを与えることができない難点が
ある。

また、このような振動子は先端部のみが振動するのでは
なく、全体が一つ振動系を構成することから、できるだ
け振動の影響を受けることなく振動子を支持する必要が
ある。

本発明の目的は、振動子に充分なトルクを与えて効率よ
く回転力を取り出せ、また振動子の振動の影響を極力受
けることな（振動子を支持できるモータを提供すること
にある。

［課題を解決するための手段］ 本発明の目的を達成するための代表的な構成の一例とす
るところは、軸方向に変位する電気−機械エネルギー変
換手段をその変位方向両側において、小径の軸部と大径
の軸部との間にホーン形状のホーン部を有する振動体に
おける該大径の軸部の端面と押え体とにより挟持固定し
た振動子と、該振動子のホーン部を取り囲む内周壁面を
有する該振動子と同軸的に配置される移動部材とを備え
、該振動子は該電気−機械エネルギー変換手段への時間
的位相の異なる交流電圧の印加により、合成された振動
にて少なくともホーン部が振動の腹の位置として軸心と
鉛直な平面において円運動し、該移動部材の内周壁面と
の摩擦接触により移動部材を回転させることを特徴とす
るモータにある。

しイ乍　用］ 上記の如（構成したモータは、振動子の円運動するホー
ン部により移動部材を摩擦接触により回転駆動させる。

［実　施　例］ 実施例　１ 第１図は本発明によるモータの実施例１の分解斜視図で
ある。

１は先端部の小径軸部１ａと後端部の大径軸部ｔｂとの
間に径が先端部に向けＩｆｔ滅するホーン形状のホーン
部１ｃを形成した金属丸棒からなる振動体、２は振動体
１の大径軸部１ｂと同径の外径に形成された金属丸棒か
らなる押え体、３及び４は大径軸部１ｂと同径の外径に
形成された円環形状の圧電素子板、５は圧電素子板３，
４の電極板で、振動体１と押え体２との間に、電極板５
を挟むようにして圧電素子板３．４を配し。

ボルト６により押え体２を振動体ｌに固定することによ
り、圧電素子板３．４を振動体１と押え体２との間に固
定して、振動子Ａを構成している。ボルト６はその頭部
が円環状の絶縁体７を介して押え体２に接し、且つ軸部
が圧電素子板３．４及び電極板５と非接触状態に保持さ
れている。

圧電素子板３，４は、片面側に分極方向が互いに異なり
、且つ厚み方向に分極された２つの１楔（＋電極ａ、−
電極ｂ）が中心軸線位置に形成された絶縁部ｄの両側に
対称に形成されると共に、他面側に生電極ａ、−電極す
の共通電極Ｃが形成されていて、振動子Ａの軸線に対し
て互いに位置的位相が９０°の角度ずれて配置され、圧
電素子板３の共通電極Ｃと圧電素子板４の分割電極側が
電極板５の表裏両面に接するように配置されている。な
お、圧電素子板３の分割電極（＋電極ａ、−電極ｂ）は
導電体である振動体１の後端面に接し、また圧電素子板
４は導電体である押え体２の前端面に接している。

そして、電極板５と振動体ｌとの間に交流電圧Ｖ、を、
また電極板５と押え体２との間に交流電圧■２を印加す
ることにより、圧電素子板３の厚み方向における伸縮変
位による振動と、圧電素子板４の厚み方向における伸縮
変位による振動との合成により振動子Ａを振動させる。

交流電圧■、と交流電圧ｖ２とは、第２図に示すように
、振幅及び周波数が共に同じで、時間的、空間的位相が
９０°のずれを有している。

したがって、振動子Ａは、軸心を中心とし、円運動を行
なうことになる。なお、この円運動が生じる原理につい
ては、公知であるので説明は省略する。

ここで、振動子Ａの両端を自由端とした場合、振動の腹
の位置は振動子Ａの両端に形成されることになり、振動
子Ａの形状から振動体１の先端における円運動の径は押
え体２の後端よりもはるかに大きいが、前述したように
、振動体ｌの先端の円運動におけるトルクは小さい。

本実施例は、振動子Ａにおける振動体１のホーン部１ｃ
の先端部（以下摺動部と称す）Ｂに振動の腹の位置が（
るように振動子Ａに対する共振周波数を設定し、その周
波数で圧電素子板３．４を駆動している。

すなわち、振動子Ａは、３節又はそれ以上のモードで振
動し、少なくとも振動子Ａの両端と摺動部Ｂとを腹とし
て振動し、振動体１は第３図（ａ）、（ｂ）に示すよう
に、ホーン部１ｂ及び小径部１ａが軸心ρを中心とし、
小径部１ａの先端中心点Ｐが、第３図（ｂ）に示すよう
に、真円Ｃの円周上を移動する首振り運動を行なうこと
になる。そして、摺動部Ｂにおける首振り運動を利用し
、後記するロータ８を軸心２を中心として回転させるよ
うにしており、この摺動部Ｂで得られるトルクは小径部
１ａの先端で得られるトルクよりもはるかに大きいもの
であった。

ロータ８は、振動子Ａの軸心氾と同軸に小径部１ａに嵌
合し、ロータ８の内径部８ａの後端部（以下摩擦接触部
と称す）　ｇｂを摺動部Ｂに対応する位置まで延出し、
摩擦接触部８ｂの後端部をホーン部１ｃに当接させてい
る。ロータ８の内径部８ａの内径は、第４図に示すよう
に、振動子への小径部１ａの外径よりも極僅か大径に形
成されて小径部１ａの首振り運動を許容できるようにし
ており、内径部８ａの長さ方向中央部８Ｃはさらに径の
大きい内径部に形成されて小径部１ａと接触するのを防
いでいる。

ロータ８の摩擦接触部８ｂは、摺動部Ｂの外周形状と合
致するラッパ形状に拡開し、振動体ｌの首振り運動時に
摺動部Ｂと線接触する。

ロータ８は、例えば不図示のスラストベアリングを介し
て不図示のバネ等により第４図中矢印方向に押されて摩
擦接触部８ｂと摺動部Ｂとの接触部に所定の摩擦力を発
生させ、また該スラストベアリングにより軸方向の回転
が許容されている。

すなわち、振動子Ａが摺動部Ｂを腹の位置とする、例え
ば３節のモードで振動すると、前述したように振動体１
は第３図に示すように、軸心Ｃを中心とした首振り運動
を行ない、第５図に示すように、摺動部Ｂがロータ８の
摩擦接触部８ｂと摩擦接触しながら時計方向又は反時計
方向に軸心Ｃに対し所定の半径ｒの軌跡を描きながら円
運動し、ロータ８を回転させることとなる。なお、第５
図は摺動部Ｂがロータ８の摩擦接触部８ｂの内周面をこ
じりながら円運動することを説明するために、摺動部Ｂ
の外径をロータ８の摩擦接触部８ｂの内径よりもかなり
小さ（しているが、摺動部Ｂにおける首振り運動の半径
は実際は極僅かであるので、摺動部Ｂとロータ８の摩擦
接触部８ｂの内周面とは微小の間隙となっている。

ところで、振動子Ａは振動体ｌのみが振動するのではな
く、全体が振動することから、このモータＭを機器等に
取り付けする際、振動子Ａの機器等に対する支持方法が
問題となる。

この場合、振動の節の位置で振動子Ａを支持することが
振幅が少ないことから一見最適に思えるが、振動子Ａは
振動の節位置を起点とする首振り運動を行なっているの
で、この振動の節位置における軸心βに対する垂直平面
は、軸心２方向に沿って揺動することになる。

このため、振動子Ａにおいて、振動の節位置となる個所
、例えば振動体１又は押え体２の外周面にモータ取り付
は用のフランジを延出したとすると、このフランジは軸
方向に揺動し、機器等との取付部が最悪の場合には振動
により破壊したりする虞れがあり、振動の節位置では振
動子Ａの支持を行なうのに不適である。

そ１″で、振動子Ａの振動状態につき種々検討したとこ
ろ、振動子Ａの支持位置として一見不適と思われる振動
の腹の位置が適していることを見出した。

すなわち、振動の腹の位置は振幅が大きいが、径方向の
みしか変位しないので、上述のような揺動運動による弊
害が生じない。また、支持位置となる振動の腹位置は、
モータＭの構造から当然摺動部Ｂよりも軸方向後方側に
設けられることになり、３節モードにより振動子Ａを振
動させる場合には振動子Ａの後端が支持位置となり、ま
た４節モードでは振動子へ〇後端位置又は振動子への後
端と摺動部Ｂとの間とが振動子への支持位置となる。

方、振動子Ａにおける振動の振幅は非常に小さ（、これ
らの支持位置となる節位置の振幅はロータ８の駆動を行
なう摺動部Ｂにおける振幅よりもさらに小さいので、径
方向変位は殆ど無視することができ、振動の腹位置を振
動子Ａの支持位置とすることで、振動子Ａを安定に機器
等に支持させることが可能となる。

なお、振動子Ａの後端を支持位置とする場合、該後端を
機器等の固定部材に対し、固定すると振動子Ａが両端を
節位置とする振動モードになり、摺動部Ｂに振動の腹を
形成することができなくなるので、径方向における変位
を許容できるように支持することが必要である。

実施例　２ 第６図は実施例２の断面図を示している。

本実施例は、プリンターのプラテンローラを駆動する駆
動源に実施例１に示すモータＭとロータ８゛の形状が異
なる点及びモータＭの支持機構を図示した点を除き同構
造のモータＭを使用したもので、プラテンローラｌＯの
一端部側の内部に振動子Ａ及びロータ８°からなるモー
タＭを収容し、このモータＭによりプラテンローラｌＯ
の一端側の支軸を兼用している。

モータＭは、振動子Ａの押え体２の後端を支持するよう
にしており、抑λ体２の後端に取り付は用のフランジ部
２ａを設け、プリンターの取付フレーム１１にテフロン
等の低摩擦材からなる低摩擦シート１２を挟んで該フラ
ンジ部２ａを取り付けるようにしており、フランジ部２
ａに穿設された孔部（不図示）に、該孔部の内径よりも
小径の軸部を何する螺子１３を通し、この螺子１３を取
付フレーム１１に螺着することで、軸方向におけるモー
タＭの移動は規制するがフランジ部２ａの径方向におけ
る伸縮を許容している。

プラテンローラｌＯは、内装されるモータＭのローラ８
′と回転不能に嵌合し、直接ロータ８°の回転力が伝達
されるようになっており、他端側に固定した支軸１４が
軸受部材１５を介してプリンターの取付フレーム１６に
回転自在且つ軸方向移動可能に軸支されている。支軸１
４にはバネ１７が弾装され、バネ１７の一端はスラスト
ベアノング１８に当接し、またバネ１７の他端は軸受１
５に当接して、バネ１７のバネ力によりロータ８゛を振
動子Ａに圧接すると共にローラｌＯを回転可能としてい
る。

実施例　３ 第７図は実施例３の断面図を示している。

本実施例は、円筒状のロータ２０の両側に振動子Ａを配
置し、２つの振動子Ａによりロータ２０を回転駆動する
ようにしたもので、各振動子Ａの後端から後方に支軸２
１を延出し、これらの支軸２１を取付部材２２の取付孔
２３に嵌合させると共にバネ２４を図示の如（弾装し、
ロータ２０の軸孔２５の端部２６を振動子Ａのホーン部
１ｃに圧接させている。ロータ２０の軸孔２５の端部２
６は、実施例１に示すロータ８の摩擦接触部８ｂと同様
に形成され、振動子Ａの摺動部Ｂと対応し、またロータ
２０は両端部外周位置で軸受部材２７により回転自在に
支持されて振動子への首振り運動に対し径方向に移動す
るのを防ぎ、振動子Ａの首振り運動を回転力に変換可能
としている。

一方、支軸２１は取付孔２３に対し固定れていると、前
述した如く振動モードが変わるので、本実施例でも支軸
２１の径方向における自由度を確保するために、取付孔
２３の開口周縁部２８をテーバ形状にしている。

なお、本実施例はこのまま実施例２のようなプリンター
のプラテンローラとしてロータ２０を使用することも可
能である。

実施例　４ 第８図は実施例４の断面図を示している。

上記した実施例３では、ローラ２０の両端部に振動子Ａ
を夫々配置し、各振動子Ａの摺動部Ｂとローラ２０の軸
孔２５の端部との摩擦接触により該摺動部Ｂの首振り運
動をロータ２０の回転に変換しているが、本実施例は各
振動子Ａの小径部ｌａを夫々長（して先端部を固結し一
体としたものである。

すなわち、このような構成のモータにおいて、上記した
各実施例と同様に各振動子Ａに、例えば３節モードの振
動を形成するように駆動すると、小径部１ａの固結によ
り実質上−本の振動体となる軸部３０は長さ方向中央を
腹とし、また摺動部Ｂも腹とする振動を行ない、該軸部
３０の長さ方向中央に着目した場合には軸心ρを中心と
する所定の半径で円運動を行なうことになり、軸部３０
を全体として着目した場合には、例えば向かい合う人間
が一本の縄を回した時と同じような運動、所謂線画び運
動を行なう。

本実施例は、軸部３０の長さ方向中央部３１に形成され
る振動の腹を利用し、縄飛び運動に伴う該中央部３１と
ローラ２０の軸孔２５の内周壁面との摩擦接触によりロ
ーラ２０を回転させるようにしている。この場合、上記
した実施例のように振動子Ａの摺動部Ｂをロータ２０を
回転させるために利用していないが、２つの振動子Ａに
より駆動を行なっているので、軸部３０の中央部３１に
おける摩擦駆動のトルクは大きく、充分にロータ３０を
回転させることができ、また必要に応じて摺動部Ｂにお
ける首振り運動を利用することも可能である。

第９図は本実施例４の変形例を示す断面図で、ロータ２
０の軸孔２５内に２つの振動体１．１を夫々後端面な合
わせるようにし、その間に圧電素子板３．４を挟んで固
定して全体として１つの振動子としており、各振動体１
．１の小径部１ａは取付部材２２の軸孔２３に挿入され
ている。

すなわち、圧電素子板の挟持位置を振動の腹とした縄飛
び運動により、振動体ｌの大径部１ｂとロータ２０の軸
孔２５との摩擦接触でロータ２０を回転させる。この場
合、撮動体１の大径部１ｂをロータ２０内に収容するの
で、省スペース化を図れる。

実施例　５ 第１０図は実施例５の断面図である。

上記した実施例２．３において、ロータ（ローラ）は軸
受部材２７により支持しているが、本実施例はローラ４
０の両端から夫々支軸４１及び４２を延出し、双方の支
軸４１．４２をベアリング４３及び４４を介して取付部
材４５に回転可能に取り付けている。

ローラ４０を駆動するモータの振動子Ａ°は、軸央部に
上記一方の支軸４１が貫通する軸孔４６が設けられ、前
記一方の支軸４１に該軸孔４６が貫通して同軸的に配置
されている。

この振動子Ａ°は小径部１’ａの先端部に円筒状の筒状
振動部４７が一体的に形成され、この筒状振動体４７の
真円径に形成された嵌合孔４８が、ローラ４０の一端部
に形成された軸部４９に嵌合している。そして、モータ
Ａ°の駆動により筒状振動部４７を首振り運動させ、軸
部４９との摩擦接触によりローラ４０を回転させる。そ
の際、ローラ４０の両端から夫々延出されている支軸４
１．４２はベアリング４３．４４に軸支されているので
、振動子Ａ°の駆動時にローラ４０が径方向に変位する
ことがなく、ローラ４０の軸部４９と筒状振動部４７の
嵌合孔４８とが常時づれなく摩擦接触して効率よ（ロー
ラ４０の回転が行なわれる。

一方、振動子Ａ°の保持は、振動体１゛における振動の
腹位置が形成される個所に、リング状のフランジ部５０
を一体的に形成し、取付部材４５から延出される複数の
固定ブラケット５１に径方向の変位を吸収可能とするゴ
ム等の弾性部材５２を介し・て取り付けられている。

［発明の効果］ 以上説明してきたように、本発明によれば、振動子の先
端部を利用せず、ホーン部に振動の腹の位置を形成し、
ホーン部の円運動を利用して移動部材を回転するように
しているので、大きいトルクにて移動部材を駆動するこ
とができる。

また、振動子の振動の腹の位置を固定部材に対する支持
位置とすることで、振動子を安定に支持することができ
る。

また振動子を２つ使用することにより、より一層大きい
トルクで移動部材を駆動できる。

さらに、２つの振動子をその小径の軸部間で連結するこ
とにより、連結された小径の軸部の中央部を振動の腹の
位置とする縄飛び運動で移動部材を駆動した場合には、
２つの振動子のトルクの和により、従来のように振動子
の先端を利用した場合よりも大きいトルクで移動部材の
駆動ができる。

また、中空の移動部材中に、振動子の大径の軸部を配置
し、縄飛び運動により移動部材を回転する方式の場合に
は、移動部材中に振動子の大径の軸部な収容できるため
、省スペース化を図ることができる。

さらに、移動部材の両回転軸を取付部材に回転可能に軸
支し、振動子を一方の回転軸に貫通させる方式では、移
動部材の偏心等を防げ、効率よ（回転出力を取り出すこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるモータの実施例１を示す分解斜視
図、第２図は圧電素子板に印加する交流電源の波形図、
第３図（ａ）　、　（ｂ）は実施例１の振動子の首振り
運動を示す側面図及び正面図、第４図は実施例１のモー
タの組み付は状態を示す図、第５図は駆動状態を説明す
る図、第６図は実施例２の断面図、第７図は実施例３の
断面図、第８図は実施例４の断面図、第９図は実施例４
の変形例を示す断面図、第１Ｏ図は実施例５の断面図、
第１１図は従来の振動子を示す断面図、第１２図は従来
の振動子を利用したモータの斜視図を示す。 Ｍ：モータ　　　　　　Ａ：振動子 Ｂ：摺動部 １：振動体　　　　　　２：押え体 ３．４：圧電素子板 ５：電極板　　　　　　６：ボルト ７：絶縁体　　　　　　８：ロータ ｌＯ二ローラ　　　　　　１１：取付部材１２：低摩擦
シート ２０：ロータ ２４・バネ。 第３図 （α） （ｂ） 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、軸方向に変位する電気−機械エネルギー変換手段を
   その変位方向両側において、小径の軸部と大径の軸部と
   の間にホーン形状のホーン部を有する振動体における該
   大径の軸部の端面と押え体とにより挟持固定した振動子 と、該振動子のホーン部を取り囲む内周壁面を有する該
   振動子と同軸的に配置される移動部材とを備え、 該振動子は該電気−機械エネルギー変換手段への時間的
   位相の異なる交流電圧の印加により、合成された振動に
   て少なくともホーン部が振動の腹の位置として軸心と鉛
   直な平面において円運動し、該移動部材の内周壁面との
   摩擦接触により移動部材を回転させることを特徴とする
   モータ。 ２、前記同部材は前記振動子に対し付勢手段により圧接
   されていることを特徴とする請求項１に記載のモータ。 ３、前記振動子は振動の腹の位置を固定部材に対する支
   持位置としていることを特徴とする請求項１又は２に記
   載のモータ。 ４、請求項１に記載の振動子をその小径の軸部を対向し
   て同一軸心上に配置すると共に、該各振動子間に移動部
   材を配置し、各振動子のホーン部に該移動部の両端部に
   夫々形成されている孔部を嵌合させたことを特徴とする
   モータ。 ５、前記移動部材は筒状に形成され、前記対向する振動
   子の小径の軸部が該移動部材の貫通孔部を通して一体的
   に連結されていることを特徴とする請求項４に記載のモ
   ータ。 ６、小径の軸部と大径の軸部との間にホーン形状のホー
   ン部を有する一対の振動体の該各大径の軸部端面間に軸
   方向に変位する電気−機械エネルギー変換手段を挟持固
   定した振動子と、該振動子の大径の軸部を取り囲む内周
   壁面を有する該振動子と同軸的に配置される移動部材と
   を備え、 該振動子は該電気−機械エネルギー変換手段へ時間的位
   相の異なる交流電圧の印加により、合成された振動にて
   少なくとも大径の軸部が振動の腹の位置として軸心と鉛
   直な平面において円運動し、該移動部材の内周壁面との
   摩擦接触により移動部材を回転させることを特徴とする
   モータ。 ７、両端に設けられた回転軸が取付部材に回転可能に軸
   支された移動部材と、軸方向に変位する電気−機械エネ
   ルギー変換手段をその変位方向両側において、先端部に
   該移動部材の一端部側に嵌合する嵌合部を形成した小径
   の軸部と大径の軸部との間にホーン形状のホーン部を有
   する振動体における該大径の軸部の端面と押え体とによ
   り挟持固定した振動子とを備え、 該振動子は該移動部材の一端側に設けた回転軸に同軸的
   に貫通し、該電気−機械エネルギー変換手段への時間的
   位相の異なる交流電圧の印加により、合成された振動に
   て該嵌合部を振動の腹の位置として軸心と鉛直な平面に
   おいて円運動し、該移動部材の一端部側との摩擦接触に
   より移動部材を回転させることを特徴とするモータ。