JPS63171174A - 超音波モ−タ - 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、金属等の振動板に圧電素子を接着したステー
タにて屈曲進行波を励起し、この屈曲進行波によるステ
ータ表面の楕円軌跡の頂点に可動子を圧接することによ
って可動子を駆動するようにした超音波モータに関する
。

〔従来の技術〕

最近、電磁型モータに代わる新しいモータとして超音波
モータが脚光を浴びている。この超音波モータは原理的
に新しいというだけでなく、従来の電磁型モータに比べ
て次のような利点を有している。

■中心軸を必要としない。

■薄型、軽量である。

■磁気的影響の授受がない。

■部品構成が単純で、信頼性が高い。

■ギヤなしで低速、高トルクが得られる。

■バックラッシュがなく位置決めが容易である。

■ステータに対してロータが、回転、チャック。

浮遊、の三煎をとり得る。

かくして、これらの利点を生かすべく、カメラやその他
の機器に関して種々の応用技術の研究が進められている
。

第３図は代表的な従来の回転型超音波モータの概略図で
ある。図中１は取付はベース、２はフエ・ルト、３は圧
電素子、４は弾性金属材からなる振動板、５はスライダ
ー、６は回転体、７は回転シャフト、である。なお圧電
素子３と振動板４とでステータを構成しており、回転体
６と回転シャフドアとでロータを構成している。この超
音波モータの原理は、円環状圧電素子３と一体化した金
属製ドーナツ形振動板４に逆圧電効果によって屈曲進行
波を励起し、これによって発生する表面質点の後方楕円
運動軌跡の頂点に接するようにロータを押圧配置するこ
とにより、同ロータを回転させるというものである。上
記進行波の励起法について以下説明する。

第４図は圧電素子３の分極状態図を示す図である。分極
方向が十−＋−・・・のように交互に逆向きになるよう
に、リング状圧電体を分極する゛か、または分割した複
数の圧電素子を分極方向が互いに逆向きになる様に配置
する。この様な配置において、分極方向が互いに逆向き
になった隣り合わせの１組を１波長λに対応させる。そ
して、１８０゜異なる位置に各々、３／４λ、１／４λ
長の未分極部（斜線部）を配し、これらを結んだ中心線
に対して対称に分極体を０２個分づつ配置する。ただし
分極の向きは、円周方向に分極方向が交互に逆向きにな
る様に連続的に配置する。

この様な分極配置のうち、３／４λ、１／４λ長の未分
極部を間に挟んだ左半分の振動板に接していない面を一
つの電極でおおい、これを一方の片側共通電極とし、右
半分の振動板に接触していない面を別の電極でおおい、
これを他方の片側共通電極とする。そして、振動板側の
電極を振動板４と導通させ、すべての圧電素子のアース
側電極として共通化している。

以上の様な構成体への電気信号入力端子は、三端子Ｖｌ
、Ｖ２．Ｅとなる。この様な分極配置。

電極配置を有した構成体を駆動する場合には、端子Ｖｌ
−Ｅ、端子Ｖ２−Ｅとの間に、互いにπ／２の位相差を
有し、２１円環の内・外径、厚み、圧電セラミクスと振
動板の平均的弾性定数。

密度２等で決定される固有振動数ωを有する電気信号を
入力する。

いま振動板４と、中心間距離ａを隔てて配置された二つ
の圧電素子３の電極との間に、ＡＣ電源から周波数ωの
交流電圧をそれぞれ印加すると、振動板４には屈曲定在
波が励起される。すなわち上記交流電圧を、第４図にお
ける圧電素子３の左側の部分に対して印加すると、振動
板４の中立軸には、 ｙｌ　　＝Ａｓ　　ｉｎ　　（ωｔ−２πｐ／λ）＋Ａ
ｓ　ｉｎ　（ωｔ＋２πｐ／λ）−（１）なる変位を有
する定在波が励起される。また、第４図における圧電素
子３の右側の部分に対して、位相が上胎交流電圧とはψ
だけ位相のずれた周波数ωの交流電圧を印加すると、振
動板２の中立軸には、 ｙ２＝Ｂｓｉｎ （ωｔ−２π／λ（ｐ十ａ）十ψ） ＋Ｂｓ１ｎ （ωｔ＋２　π／λ　（ｐ＋ａ）　　＋ψ）　・・・　
（２）なる変位を有する定在波が励起される。ここて−
２πａ／λ＋ψ＝ψ１゜ ＋２πａ／λ＋ψ−ψ２ とおくと、（２）式は ｙ２　”　Ｂｓ１ｎ （ω　ｔ−２πｐ／λ＋ψ１　） ＋Ｂｓ１ｎ （ωｔ＋２πｐ／λ十ψ２）・・・（３）となる。

そこで圧電素子１の右半分および左半分に対して、前記
交流電圧を同時に印加すると、（１）式と（３）式との
和すなわち Ｙ＝’／ｓ　＋３／２ なる変位を有する合成屈曲振動波が生じる。この合成屈
曲振動波のうち進行波だけが存在するための条件は、 ψｌ＝ｍπ　　（ｍ＝０．±２．±４・・・）。

ψ２＝ｎπ　　（ｎ＝±１．±３．±５・・・）である
。

ψ１−−２πａ／λ＋ψ＝ｍπ。

ψ２＝＋２πａ／λ＋ψ＝ｎπ であるから、 ａ−λ（ｎ−ｍ）／４（ｎ≠ｍ）・・・（４）ψ＝π（
ｎ＋ｍ）／２　　　　　　　・・・（５）−６＝ となる。（４）式および（５）式の条件が成立すると、
合成屈曲振動波は ｙ＝Ａｓ　ｉｎ　（ωｔ−２ｙｒｐ／λ）＋Ａｓ　ｉｎ
　（ωｔ＋２πｐ／λ） 十Ｂｓ１ｎ （ωｔ−２πｐ／λ十ｍπ） 十Ｂｓ１ｎ （ωｔ＋２πｐ／λ十ｎπ） −（Ａ十Ｂ）　ｓ　ｉ　ｎ　（ωｔ−２ｙｒ　ｐ／λ）
＋（Ａ−Ｂ）ｓ　ｉｎ　（ωｔ＋２πｐ／λ）・・・（
６） となる。したがって進行波だけが存在するためには Ａ＝Ｂ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　・・・　（７）であることがもう一つの条件とな
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記のような各条件のうち、（４）、（５）式について
は圧電素子３の電極形状と電圧印加手段を整えることに
よりほぼ実現できる。しかしく７）式の条件を完全に満
たすのはかなり困難である。

すなわち、圧電素子３に第４図に示すような分極処理を
施しても、分極状態には不均一さが生じる。この理由は
、圧電素子３の全面積か大きいため、セラミクス焼成む
ら等により分極前の材質が不均一であること、分極が交
互分極であり分極処理を二度行なうことから、（＋）方
向と（−）方向の分極状態に差が出ること、等である。

一方、第５図に示すように、圧電素子３は振動板４に対
して接着剤８により接着されるが、上記接着を全領域に
亙って均一に行なうことは容易ではない。しかも圧電素
子３および振動板４には元々寸法」二のバラツキがある
。このようなことから、（７）式の条件を完全に満たす
ことは極めて困難である。

第６図および第７図は、上述した原因により生じる進行
波における各振動波の振幅のバラツキを示す図である。

Ｓはステータであり、Ｒはロータである。ただし電極等
については図示してない。

進行波は第６図に矢印で示すようにステータＳの円環に
沿って励起されるが、円環の一部Ｌ１における振動波の
振幅Ａと、円環の他部Ｌ２における振動波の振幅Ｂとは
同一ではない。すなわちＡ≠Ｂ　（Ａ＜Ｂ） である。上記振幅のバラツキは、実際には第７図に模式
的に示すように、圧電素子３の分極位置に対応して各振
動波Ｐｉ、Ｐ２〜毎に振幅Ａ、Ｂ。

Ｃ〜のように生じる。このような振幅のバラツキがある
と、ステータＳ上に大矢印で示すように圧接されている
ロータＲに対して、振幅の大きな振動波ＰＩ、Ｐ４．Ｐ
５が生じている箇所は接触するが、振幅の小さい振動波
Ｐ２．Ｐ３が生じている箇所は接触しないことになる。

その結果、各振動波の周波数成分に差が生じ、内部摩擦
も無視できないことになる。

上記のような振幅のバラツキは、第４図に示したような
左右に二分割された圧電素子の各々において発生するこ
とになる。したがって前記（７）式の条件は満たされず
、超音波モータの効率が低下するという問題があった。

そこで本発明は、ステータにて励起される進行波の振動
振幅にバラツキがなく、各振動波の頂点が可動子に対し
て均一に接し、極めて効率よく作動する超音波モータを
提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は上記問題点を解決し目的を達成するために、次
のような手段を講じた。すなわち、表面進行波が励起さ
れたステータに可動子を圧接することによって、可動子
を駆動するように構成された超音波モータにおいて、上
記ステータの可動子には接触しない面における振動波振
幅が最小でない箇所に、例えばシリコーン樹脂等の弾性
部材からなるダンピング部片を取付けた。

〔作用〕

このような手段を講じたことにより、ダンピング部片を
取付けた箇所の振動波の振幅が、ダンピング部片の振動
吸収作用により吸収抑制され、全振動波の振幅のバラツ
キが極めて小さくなり、各振動波の頂点が可動子に対し
て均一に接触するようになる。

Ｃ実施例〕 第１図は本発明を回転型超音波モータのステータに適用
した一実施例の構成を示す図である。図示の如く、ステ
ータＳの可動子には接触しない面における振動波の振幅
が最小でない箇所に、例えばシリコーン樹脂等の弾性部
材からなるダンピング部片１１．１２〜が取付けである
。上記ダンピング部片１１．１２〜は、進行波の進行方
向の長さがλ／２以下であることが望ましい。なお上記
ステータＳは、黄銅、ステンレス鋼、リン青銅。

等の弾性金属からなる振動板に対し、第４図に示したも
のと同様に左右に二分割された状態でそれぞれ交互に分
極配置され、かつ−側面に銀、アルミニウム、ニッケル
などの電極を蒸着された圧電素子を、エポキシ樹脂等の
接着剤で接着したものである。

振動波の振幅が最小でない箇所は次のようにして検知す
るとよい。ステータＳをスポンジなどの柔軟性を有する
部材の上に置き、圧電素子の左右の電極を結線し、上記
電極とアース側電極（振動板）との間に、振動振幅か最
大となるような周波＝　　　１１　　− 数（共振周波数）の電圧を印加する。このようにして定
在波を励起した状態のステータＳの上方から、超音波マ
イクロホンを用いて円環に沿って音圧を測定する。そし
て音圧すなわち振動波の振幅が一定レベルを越えた位置
にはマークを施す。このような検知手段を採用すること
により、最大振幅を再現性よく検知できる。しかも検知
精度も本発明の目的に十分適うものとなる。

ダンピング部片１１．１２〜は次のようにして取付ける
とよい。前記したマークを施した位置に、厚みが０．５
〜１．０ｍｍ程度のシリコーンシートを張付ける。この
張付けは、シリコーンシート自体の粘着力で十分である
が、接着剤を用いて接着するようにしてもよい。このよ
うにしてシリコーンシートの張付けが最適な状態に行な
えたのち、シリコーン樹脂を塗布して固化するようにす
る。

なお上記シリコーンシートの張付は位置（パターン）が
、各ロット毎のステータＳにおいて差がない場合には、
印刷手段を用いてシート部材を印刷するようにしてもよ
い。

このように構成された本実施例によれば、次のような作
用効果を奏する。ステータＳに励起した進行波に、第２
図に示すような振幅バラツキを有する振動波Ｑｌ、Ｑ２
．Ｑ３．Ｑ４．Ｑ５〜か生じるものとする。しかるに所
定レベル以上の振幅を有する振動波Ｑｌ、Ｑ２．Ｑ５が
生じる箇所には、ダンピング部片１１，１２．１３が取
付けであるので、上記箇所の振動はダンピング部片１１
゜１２．１３の振動吸収作用により吸収抑制される。

かくして全振動波の振幅のバラツキが極めて小さくなり
、各振動波の頂点がロータに対して均一に接触するよう
になる。したがって超音波モータの効率が向上する。

なお本発明は前記実施例に限定されるものではない。例
えば前記実施例ではダンピング部片としてシリコーン樹
脂を用いた場合を示したが、フレキシブルなエポキシ樹
脂等を用いてもよい。また前記実施例ではダンピング部
片１１．１２〜をステータＳの円環の周方向に沿って取
付けた場合を示したが、必ずしも円環の周方向に沿った
取付け＝　１３− が良いとは限らないので、実状に応じてその向きを適宜
変えるようにしてもよい。さらに前記実施例では本発明
を回転型超音波モータのステータに適用した例を示した
が、直進型超音波モータのステータにも適用可能である
。このほか本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実
施可能であるのは勿論である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、」１記ステータの可動子には接触しな
い面における振動波の振幅が最小でない箇所に、例えば
シリコーン樹脂等の弾性部材からなるダンピング部片を
取付けたので、ステータにて励起される進行波の振動振
幅にバラツキがなく、各振動波の頂点が可動子に対して
均一に接し、極めて効率よく作動する超音波モータを提
供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の一実施例を示す図で、第
１図は構成を示す平面図、第２図は作用説明図である。 第３図および第４図は従来例を示す図、第５図〜第７図
は同従来例の欠点を説明す＝　１４− るだめの図である。 １１．１２〜・・・ダンピング部片、Ｓ・・ステータ、
Ｒ・・・ロータ。 出願人代理人　弁理士　坪井　淳 第２図 第３図 第４図 第６　区 第７図 手続補正書 １．事件の表示 特願昭６２−００１４６７号 ２、発明の名称 超音波モータ ３、補正をする者 事件との関係　　　特許出願人 （０３７）　　オリンパス光学工業株式会社４、代理人 東京都千代田区霞が関３丁目７番２号　ＵＢＥビル７、
補正の内容 （１）図面第３図〜第５図を別紙の通り訂正する。 （２）明細書第２ページ第１５行〜第７ページ第１５行
の「第３図は〜もう一つの条件となる。」を下記の通り
訂正する。 記 第３図は「応用物理、第５４巻、第６号（１９８５）　
、Ｐ、５８９〜５９０」に開示されている従来の代表的
な回転型超音波モータの概略図である。図中１は取付は
ベース、２はフェルト、３は圧電素子、４は弾性金属材
からなる振動板、５はスライダー、６は回転体、７は回
転シャフト、である。なお圧電素子３と振動板４とでス
テータを構成しており、回転体６と回転シャフト７とで
ロータを構成している。この超音波モータの原理は、円
環状圧電素子３と一体化した金属製ドーナツ形振動板４
に逆圧電効果によって屈曲進行波を励起し、これによっ
て発生する表面質点の後方楕円運動軌跡の頂点に接する
ようにロータを抑圧配置することにより、同ロータを回
転させるというものである。 第４図は圧電素子３の分極状態を示す図である。 各分極部は、分極方向が十−＋−・・・のように交互に
逆向きになるように、リング状圧電体を分極するか、ま
たは分割した複数の圧電素子を分極方向が互いに逆向き
になる様に配置することによって得られる。この様な分
極配置において、分極方向が互いに逆向きになった隣り
合わせの１組を１波長λに対応させる。そして、１８０
°異なる位置に各々、３／４λ、１／４λ長の未分極部
（斜線部）を配し、これらを結んだ中心線に対して対称
に分極部をｎλ個分づつ配置する。ただし分極の向きは
、円周方向に分極方向が交互に逆向きになる様に連続的
に配置する。 この様な分極配置のうち、３／４λ、１／４λ長の未分
極部を間に挟んだ左半分の振動板に接していない面を一
つの電極でおおい、これを一方の片側共通電極とし、右
半分の振動板に接触していない面を別の電極でおおい、
これを他方の片側共通電極とする。そして、振動板側の
電極を振動板４と導通させ、すべての圧電素子のアース
側電極として共通化している。 以上の様な構成体における電気信号入力端子は、三端子
Ｖｌ、Ｖ２．Ｅとなる。この様な分極配置。 電極配置を有した構成体を駆動する場合には、端子Ｖｌ
−Ｅ、端子Ｖ２−Ｅとの間に、互いにπ／２の位相差を
有し、２２円環の内・外径、厚み。 圧電セラミクスと振動板の平均的弾性定数、密度。 等で決定される固有振動数ωを有する電気信号を入力す
ればよい。 第５図はステータの一部を切欠して示す側面図である。 今、振動板４と二つの圧電素子３の電極との間に前記交
流電圧を印加すると、振動板４には屈曲振動波が励起さ
れるが、第５図に示すように中心間距離がａである隣合
った分極部の一方には次式で示される屈曲振動波が発生
する。 ｙ１＝Ａｓ　ｉ　ｎ　（ωｔ−２ｙｒｐ／λ）＋Ａｓ　
ｉ　ｎ　（ωｔ＋２πｐ／λ）・　（１）また、他方の
分極部には（１）式とは位相差角がψだけずれた次式で
示される屈曲振動波が発生ずる。 ｙ２＝Ｂｓｉｎ （ωｔ−２π／λ　（ｐ　＋　ａ）＋ψ）十Ｂｓ１ｎ （ωｔ＋２π／λ（ｐ＋ａ）＋ψ）・・・（２）ここで 一２πａ／λ十ψ＝ψ１゜ ＋　２　π　ａ　／　λ　−ト　ψ　−ψ　２とおくと
、（２）式は ｙ２＝Ｂｓｉｎ （ωｔ−２πｐ／λ＋ψ１） ＋Ｂｓ１ｎ （ωｔ＋２πｐ／λ＋ψ２）・・・（３）となる。上記
二つの分極部で励起される屈曲振動波は、（１）式と（
３）式との和すなわちＹ＝Ｙ１＋１’２ なる合成屈曲振動波であると考えられる。この合成屈曲
振動波のうち進行波だけが存在するための条件は、 ψ１＝ｍπ　　（ｍ＝ｏ、±２．±４・・・）。 ψ２−ｎπ　　　　（ｎ＝±１．　±３．　±５・・・
）である。 ψ１−−２πａ／λ十ψ＝ｍπ。 ψ２＝＋２πａ／λ十ψ＝ｎπ であるから、 ａ＝λ（ｎ−ｍ）／４（ｎ≠ｍ）・・・（４）。 ψ＝π（ｎ＋ｍ）／２　　　　　　　・・・（５）とな
る。（４）式および（５）式の条件が成立すると、合成
屈曲振動波は ｙ−Ａｓ　ｉ　ｎ　（ωｔ−２πｐ／λ）＋Ａｓ　ｉ　
ｎ　（ωｔ＋２πｐ／λ）＋Ｂｓ１ｎ （ωｔ−２πｐ／λ＋ｍπ） ＋Ｂｓ１ｎ （ωｔ＋２πｐ／λ＋ｎπ） ＝　（Ａ＋Ｂ）　ｓ　ｉ　ｎ　（ωｔ−２πｐ／λ）＋
（Ａ−Ｂ）　ｓ　ｉ　ｎ　（ωｔ＋２πｐ／λ）・・・
（６） となる。したがって進行波だけが存在するためには Ａ＝Ｂ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・
・・　（７）であることがもう一つの条件となる。 第　３図 第４図 范５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 表面進行波が励起されたステータに可動子を圧接するこ
   とによって、可動子を駆動するように構成された超音波
   モータにおいて、上記ステータの可動子には接触しない
   面における振動波振幅が最小でない箇所に、ダンピング
   部片を取付けたことを特徴とする超音波モータ。