JPH06178561A

JPH06178561A - 超音波モータ

Info

Publication number: JPH06178561A
Application number: JP4324236A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Tsukimoto; 貴之月本; Mitsuo Nishimura; 光夫西村; Nobuyuki Kojima; 信行小島; Shinichi Koreeda; 進一是枝
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1992-12-03
Filing date: 1992-12-03
Publication date: 1994-06-24
Anticipated expiration: 2015-11-13
Also published as: EP0600484A1; DE69325972D1; DE69325972T2; EP0600484B1; JP3107933B2; US5646469A

Abstract

(57)【要約】【目的】超音波モータのロータと振動子との接触部に
おけるバネ構造を、モータの小型化が図れ、しかも駆動
に寄与しない不要な滑りを小さく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。【構成】ロータ２には軸方向のバネ性を有する接触バ
ネ７ｃ、振動子１には該接触バネ７ｃと接触する径方向
のバネ性を有する接触バネ１ｂを夫々形成し、両方向の
バネを分ける構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、棒状振動子に設けられ
た電気−機械エネルギー変換素子に電気エネルギーを供
給することにより、前記振動子の表面粒子に円または楕
円運動を生じさせ、前記振動子に押圧した移動体を摩擦
駆動し、これをモータ出力とする超音波モータについて
のもので、その静粛性・高応答性の特徴を生かし近年カ
メラレンズに搭載され、今後情報機器等への幅広い応用
が期待されるものである。

【０００２】

【従来の技術】図２に棒状超音波モータに使用している
圧電素子の分極パターン及び配置図を示す。各圧電素子
ＰＺＴは中心線を境に左右反転して分極されている。

【０００３】これらは、２枚を一組としてＡ相とＢ相に
分けられ、９０度位相を違えて配置されている。なお、
最下部の圧電素子は、共振振動検出用（Ｓ相）である。
図には示さなかったが、各圧電素子間には、電極板が挿
入されている。以下図３にしたがって駆動原理を説明す
る。

【０００４】Ａ相だけに交流電圧を印加すると、圧電素
子の伸縮によって、振動子構成体１ｃ，１ｄ等からなる
振動子１には、紙面に水平な方向の１次曲げ固有振動が
励起される。またＢ相だけに交流電界を印加すると、紙
面に垂直な方向へ振動する。Ａ相によって励起される水
平方向の振動と、Ｂ相による垂直方向の振動を、時間的
にも９０度位相を違えて加えると、振動子１には長手軸
に対して右または左回りの円運動が発生する。

【０００５】振動子１は変位拡大のための周溝１ａを有
するため、振動子１の先端には、図３に示したような首
振り運動が生ずる。接触面（振動子上面）からみると、
この振動は１波の進行波に相当する。この振動子に、接
触バネを有するロータ２を加圧接触させると、ロータは
波頭付近の１か所のみで振動子１と接触し、逆方向に回
転する。出力は、ロータ上部、玉軸受け３の外周側に取
りつけられたギア４により取り出される。

【０００６】また、棒状超音波モータでは、支持ピン棒
５（軸先端）−フランジ６系も一体として振動子の固有
モードをＦＥＭ解析し、フランジの振動振幅が非常に小
さくなるように設計しているので、円環型と較べ、支持
損失はきわめて小さい。ロータ２はロータ本環２ａの下
部にバネ性を有する形状のロータ接触バネ７が形成さ
れ、ロータ接触バネ７は、円環型の超音波モータと同
様、固有振動数が振動子の加振周波数よりも十分高く、
振動に追従するように設計されている。またロータ本環
２ａは慣性質量が十分大きく、振動子の加振によって振
動が励起されないように設計されている。

【０００７】

【発明が解決しようとしている課題】超音波モータの大
きな長所の一つとして、小型にて大トルクのモータ特性
が得られることが挙げられる。したがって、減速ギアを
不要とし、または減速比を小さくできるため、小型で静
粛性の要求される小型装置への応用が期待できる。その
ため、さらなる小型化・大トルク化の要望が大きい。

【０００８】ところで、大トルクを発生させるために
は、ロータと振動子の振動径は大きい方が有利である。

【０００９】また、加圧力を増すことも考えられるが、
モータの小型化を図っていくとロータ回転支持系等の部
品も小型薄肉化するため、加圧力による部品の変形が、
振動子とロータの接触圧力の不均一の原因となる等のモ
ータ性能の悪化要因となる。また、軸受けの寿命が短く
なるなどの弊害もある。

【００１０】したがって、小型化と大トルク化を両立し
て図るためには、接触部が最外径付近にあることが望ま
しい。

【００１１】ところで、ロータ接触バネ７は摺動損失を
小さくするため、駆動に寄与しない不要な滑りが小さく
なるよう設計されなければならない。この不要な滑りに
径方向の滑りがある。棒状振動子１はロータとの接触部
において図４に示すように軸方向の変位Δｚとともに径
方向の変位Δｒを伴う。

【００１２】したがって、従来、ロータ側に設けられた
接触バネを図５に示すような構造として、概Ａ₀ 点を中
心として接触部Ｐ₀ 点がΔｚかつΔｒの変位をして径方
向滑りのないような構造としていた。

【００１３】しかしこの構造では接触部がロータ外径に
位置しないため、小径化に不利であった。また、図６に
示すように、ロータ本環２ａより外周側にロータ接触バ
ネ７を形成したロータの構造では、Ａ₁ 点を中心とした
Ｐ₁ 点の変形方向は振動子変位と大きく異なるため、径
方向滑りが生じづ、かつ軸方向に適当なバネ硬さをもっ
たバネを設計することは、難しい。そこで、図７に示す
ように、振動子側に接触バネ１ｂを配することを提案し
た。この場合、図示Ａ₂ 点を中心とした接触部Ｐ₂ 点の
移動方向を振動子の変位方向と一致させ径方向滑りを除
去することは容易である。

【００１４】ところが、以下のような問題を生じた。

【００１５】接触バネ１ｂは、周上のある一点Ｐ₂ に着
目した時、その変位は図８に示すような分布を持つ時滑
らかに接触する。ｆ_r は駆動周波数である。このような
変形をするためには、最低でもモータ駆動周波数の２倍
以上、できればそれ以上の周波数応答性を有する必要が
ある。

【００１６】ところで、振動子は小型化のため軸方向に
も小寸法が望ましい。これは、形状のうえで駆動周波数
の増加となる。このとき、超音波モータの特徴を生かす
ため低速回転数を維持しようとすると振幅の低下を招
き、面精度等の加工条件が厳しくなる。

【００１７】したがって、周波数を下げ、この弊害を軽
減するため振動子材料として音速の小さい材料、たとえ
ば真鍮等が使われる。この結果、同材料で構成された接
触バネの周波数応答性も悪化し、滑らかな接触が妨げら
れる。図９に実際に点Ｐ₂ を測定した変位分布を示す。
図８のような変位分布は得られず、駆動中音を発生し、
ロータは跳ねてしまっている。

【００１８】これを回避する手段として、接触バネのみ
音速の大きい他の材料にすることも考えられるが、図１
０に示すように、接触バネ１ｂのみを音速の大きいアル
ミニウム等で構成し、振動子１と接着するような構成で
は結合部での減衰が大きくなり、モータ効率の悪化を招
くし、コスト上昇にもなる。また図７に示すように、振
動子構成体１ｃのみアルミニウム等を使う構造では振動
子の駆動周波数も上がってしまうため、接触バネに要求
される周波数応答性も厳しくなり、大きな改善は期待で
きない。

【００１９】本発明の目的は、このような従来の問題を
解決することにある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明の目的を実現する
構成は特許請求の範囲に記載した通りで、具体的には以
上の事態を回避するために、接触バネの形状により周波
数応答性を向上させることが考えられる。

【００２１】ところで、従来の接触バネの構造につい
て、図５を用いてもう一度詳細に説明すると、軸方向の
バネ性は概ｋ₁ の撓みにより決定される。そして、径方
向のバネ特性はｋ₁ の先端の傾斜θ₁ とｋ₂ の撓みによ
り、則ちｋ₁ とｋ₂ により決定される。

【００２２】したがって、両方向に適当なバネ硬さを持
たせようとすると、全バネ長は大きくなる。しかし、両
方向のバネを分けることができれば、各々のバネの長さ
は短くなり、その周波数応答性を高くできる。

【００２３】

【実施例】図１に本発明の第１実施例を示す。

【００２４】本実施例は、真鍮でできた振動子１側に筒
状の接触バネ１ｂを外周部に沿って実施し、アルミニウ
ム製のロータ２側にもフランジ状のバネ７ｃを配してい
る。ところでバネ１ｂは軸方向には大きな剛性をもち、
バネ７ｃは径方向に大きな剛性を持つため、接触部の径
方向バネ特性はバネ１ｂにより、また軸方向バネ特性は
バネ７ｃにより独立に決まる。

【００２５】また、各々のバネ長は短くできるから周波
数応答性は改善される。

【００２６】そして、各バネ形状は単純であるため加工
・設計ともに容易である。

【００２７】図１１に第２の実施例を示す。

【００２８】本実施例では振動子１側に軸方向のバネ１
ｅを、ロータ２側に径方向のバネ７ｄを配している。ロ
ータ２は樹脂で成型加工されており、側面にはギア２Ｇ
が一体に設けられている。また、ロータ２の内周は支持
ピンと直接ゆるく嵌合しており滑り軸受けを構成してい
る。そしてロータ２と振動子１はサラバネ８により加圧
される。

【００２９】本実施例の構成は、第１実施例と逆の接触
バネの構成であり、同様の効果が得られる。

【００３０】図１２は第３実施例を示す。

【００３１】本実施例は駆動振動の変位の方向を基準に
バネ設計したもので、振動子１の軸を含む面内におい
て、振動子１に設けられたフランジ状バネ１ｆは概振動
変位の方向に向いており、この方向に剛、これに直交す
る方向でやや柔となっている。一方ロータ２側に設けた
フランジ状バネ７ｅは、前記面内において振動子に設け
られたフランジ状バネ１ｆに直交しているため、変位方
向に柔、これに直交した方向に剛である。この実施例で
は、振動子側のバネ１ｆに求められる追従変位量は小さ
くて良いため、十分に共振周波数を高くすることができ
る。

【００３２】また、接触部がテーパ状であることから、
調心機能を有する。そして、ロータには、モータ出力軸
のついた部材９が嵌合しており、これにコイルバネ１０
がつけられており、ロータと振動子の加圧力を得る。な
お、コイルバネ１０は不図示の軸受を介して部材９に取
り付けられ、部材９の回転を保証する。

【００３３】図１３は円環型の超音波モータに適用した
第４実施例である。円環の振動子１も面外曲げ振動によ
り、表面の点はロータ駆動に寄与しない径方向の変位を
伴うから、これによる滑りを防止するため、径方向のバ
ネ１ｇを振動子に設けている。

【００３４】また、振動子を長円形にして直線部を設
け、この直線部に物体を押しつけることによりリニアモ
ータとしたものがあるが、同様に構成できる。

【００３５】図１４は本発明に係る棒状超音波モータを
リニアモータに適用した第５実施例を示し、振動子１の
先端が首振運動をしていることを利用し、振動子１の先
端に径方向延出したバネ片１ｈをリニアスライダーの可
動部１１から水平方向に延出したバネ片１１ａに押し付
け、両者に相対的にリニアな運動をさせ、該可動部１１
を直線移動させるようにしている。なお、振動子１は固
定部材に固定されているが、逆に振動子１をリニアスラ
イダーの可動部等に固定し、振動子を移動させるように
しても良い。

【００３６】本実施例において、振動子１の接触点Ｐ₃
はΔｒとΔｚの変位をし、この場合はΔｚ成分が不要な
滑りの原因となるから、これを振動子側に形成したバネ
片１ｈにて吸収する。なお、図１４の（ｃ）に示すよう
に、移動物体１１側のバネ片１１ｂにこの働きを持たせ
たものである。

【００３７】図１５は第６実施例を示す。

【００３８】本実施例は、図１に示す第１実施例の各々
接触バネの周波数応答性をさらに改善した実施例で、振
動子１側の接触バネ１ｉおよびロータ２側の接触バネ７
ｆを先端部ほど細くした形状としている。このため、第
１実施例と比べ、同一の静剛性を与えたときの共振周波
数は高くなる。

【００３９】図１６は、図１５に示す超音波モータをレ
ンズ鏡筒の駆動用モータとして用いた実施例である。

【００４０】超音波モータは歯車減速装置２２と一体に
レンズ鏡筒の固定筒２１に取り付けられ、歯車減速装置
２２の入力歯車２３が超音波モータの出力歯車４と噛合
し、また歯車減速装置２２の出力歯車２４がレンズＬ₁
を保持するレンズ保持部材２０の外周に形成された歯車
部２０ａに噛合している。そして、超音波モータが駆動
されると、歯車減速装置２２を介してレンズ保持部材２
０が光軸を中心として回転しながら光軸方向に移動し、
例えば焦点合せが行われる。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、移
動体と振動子とは良好に接触することができ、小型でト
ルクの大きい超音波モータの実現が可能となった。

【００４２】また、機能の異なる接触バネを夫々独立し
たことで、各々の機能を最善に満たすバネ性を容易に与
えることができるため、モータ効率、設計効率の向上を
図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す図。

【図２】圧電素子の分極パターン及び配列状態を示す分
解斜視図。

【図３】従来の超音波モータを示す図。

【図４】棒状超音波モータの駆動用振動モードを示す
図。

【図５】従来の超音波モータにおけるロータ接触バネの
変形状態を示す図。

【図６】従来の超音波モータのロータを示す図。

【図７】従来の棒状超音波モータの断面図。

【図８】従来の超音波モータのロータの接触状態を示す
図。

【図９】接触状態の測定結果を示す図。

【図１０】接触バネを振動子に接着した従来例を示す
図。

【図１１】本発明の第２実施例を示す図。

【図１２】本発明の第３実施例を示す図。

【図１３】本発明の第４実施例を示す図。

【図１４】本発明の第５実施例を示す図。

【図１５】本発明の第６実施例を示す図。

【図１６】第６実施例の超音波モータを駆動源とする装
置の一例としてのレンズ鏡筒の断面図。

【符号の説明】

１…振動子１ｂ，１ｅ，１ｆ，１ｇ，１ｈ，１ｉ…接触
バネ２…ロータ３…玉軸受４…ギア５…支持ピン６…フランジ７，７ｃ，７ｄ，７
ｅ…接触バネ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者是枝進一東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】振動子に設けられた電気−機械エネルギ
ー変換素子に電気信号を印加することにより、前記振動
子の表面粒子に円または楕円運動を生じさせ、前記振動
子に押圧した移動体を摩擦駆動し、これをモータ出力と
する超音波モータにおいて、該移動体と該振動子の双方
に摩擦駆動のために接触する接触バネを有することを特
徴とする超音波モータ。
【請求項２】請求項１に記載の超音波モータにおい
て、各々の接触バネの変形方向が異なることを特徴とす
る超音波モータ。
【請求項３】請求項２に記載の超音波モータにおい
て、各々の接触バネの変形方向は概直交することを特徴
とする超音波モータ。
【請求項４】請求項１，２又は３に記載の超音波モー
タにおいて、各々の接触バネの変形方向は振動子の径方
向および軸方向であることを特徴とする超音波モータ。
【請求項５】請求項３に記載の超音波モータにおい
て、各々の接触バネの変形方向は駆動用振動の変位方向
および振動子の軸を含む平面内において、接触バネの変
形方向に垂直な方向であることを特徴とする超音波モー
タ。
【請求項６】請求項１ないし５のいずれかに記載の超
音波モータにおいて、各々の接触バネのうち少なくとも
一方の接触バネは、モータ軸を含む面で切断した断面形
状のうえで、根本部より先端部の幅がせまいことを特徴
とする超音波モータ。
【請求項７】請求項１ないし６のいずれかに記載の超
音波モータを駆動源として、駆動される装置。