JPS63305770A - 進行性波動モ−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〕 本発明は比較的小型で低消費電力の分野に利用可能な電
気−機械変換機構を有する進行性波動モータに関する。

〔発明の概要〕

本発明は屈曲進行波成分を利用した進行性波動モータに
おいて、固定台上に設置された中心軸に振動体部の中心
部を固定支持し、中心軸を回転中心のガイドとして振動
体部の外周部のみに加圧接触するような移動体を設ける
とともに移動体の調圧機構を中心軸上に設けることによ
り、進行性波動モータの薄型径小化ならびに高効率化が
実現できるようにしたものである。

〔従来の技術〕

従来は、第４図に示すような円環型の振動体部を用いた
ものであるとか、第５図に示すような円板型の振動体部
を用いた進行性波動モータが知られていた０例えば特開
昭５９−９６８８１号公報ならびに特開昭６０−１７４
０７８号公報にこのような従来の構造が開示されている
。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記の様な進行性波動モータでは、例えば第４図に示す
ような円環型の振動体部４０３を有する構造によると、
圧電振動子４０４によって励振された屈曲進行波が振動
の節部をもたないために、支持機構４０６により少なか
らず進行波を減衰させることになり、全体として電気−
機械変換効率を低下させることにつながる。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
よると、多くの場合振動体部５０３の径方向に対して２
次の振動モードで励振させているために固定台５０２で
半径２カ所にて固定支持できるという利点はあるが、節
部の位置のバラツキや支持面積および支持力の大小によ
り前記同様な効率の低下が生じる。

特に径小薄型にすればする程その影響は大なるものがあ
る。さらには第４図、第５図に示すように移動体４０５
．５０５と中心軸４０１．５０１が一体であるような構
造ではベアリング等軸受部材４０７．５０６を介しての
支持が必要不可欠であるという欠点を有していた。

〔発明の目的〕

そこで本発明は従来のこのような欠点を解決するため、
支持構造による進行波成分の低下や複雑な構造を有する
ことなく、薄型径小で高効率な進行性波動モータを得る
ことを目的としている。

〔問題点を解決するための手段〕

上記問題点を解決するために、本発明においては、中心
軸を有する固定台と、中心軸と一体となるように中心部
固定支持された弾性部材からなる振動体部と、振動体部
の片面に接合された圧電振動子と、中心軸を回転ガイド
として振動体部の外周部のみに加圧接触するように配置
された移動体と、移動体が振動体部に加圧接触する際の
接触圧を制御するために中心軸上に設けた調圧機構とか
らなる構成とすることにより、進行性波動モータの薄型
・径小化構造とした。

〔作用〕

上記のような構成によれば、振動体部の支持は中心軸と
一体となるような中心部固定支持となるために薄型径小
な振動体部でも進行波をほとんど減衰させることなしに
、安定かつ容易に支持できるとともに、調圧機構を中心
軸に設けたために移動体を振動体部に加圧接触する際の
接触圧の微小な調整が容易となることによって最適な接
触圧で移動体の回転運動を行なわせることができるので
ある。

さらに、移動体は振動体部の外周部のみで接触させるこ
とによって、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成分が移動体にムラな
く均一に伝わるようになり、合わせて振動体部の外周部
が径方向の最大変位箇所となるように一次の振動モード
で駆動させることが可能なために低消費電力化にもつな
がるのである。

〔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。なお
、圧電振動子を利用した波動モータについては定在方式
と進行波方式などが考えられるが（例えば「新方式／新
原理モータ開発・実用化の要点」昭和５９年日本工業技
術センター発行を参照）２本発明は振動体と移動体との
摩擦駆動面の摩耗が比較的少なく、正逆転駆動が容易な
進行波方式を利用した進行性波動モータを対象としてい
る。

第２図は進行性波動モータにおける進行波発生原理の一
例を示した図である。２０１は圧電セラミック、圧電結
晶体からなる圧電振動子で、図示するように幅すにて等
間隔に分極されており、隣り同志の分極方向は互いに逆
方向となっている。各圧電振動子には銀、ニッケルなど
の導電材料を蒸着、メッキ等の手法により２０２に示す
電極が形成されており、それらを信号線２０３．２０４
で結線し、それぞれ異なる信号源からの高周波電圧が印
加されることになる。また、信号線２０３．２０４でそ
れぞ結線された電極群の間には、幅Ｃなる空隙部分を設
ける。この際、幅Ｃなる空隙部分は分極の有無ならびに
電極の有無はどちらでもかまわないこととする。ここで
、説明の都合上Ｃをはさむ電極の中心間距離はａとする
０以上の図および記号をもとに以下に進行波発生のメカ
ニズムについて説明する０図中■の電極部分の中点を基
準と考えると進行波と後退波からなる屈曲振動波は次の
様に表わせる。

Ａｓｉｎ（ｗｔ−ｋｘ）＋Ａｓｉｎ（ｗｔ＋ｋｘ）　　
　　　　＋１）式ここで（１）式はいわゆる定在波を示
していることになる。これに対して■に示す電極部分に
よる屈曲振動波は次の様に表わせる。

Ｂｓ１ｎ（Ｈｔ−ｋ（ｘ＋ａ）＋φ）＋Ｂｓ１ｎ（＠ｔ
＋ｋ（ｘ＋ａ）＋φ”）　−＋２１式ここで、Ｋ＝−／
ν；２π／λ λ：波長、φ：■に対する位相差角 とおくと、（２）式は次のように表わせる。

Ｂｓｉｎ（ｗｔ−ｋｘ＋　ｅｘ　ｎ　）＋Ｂｓｉｎ（ｗ
ｔ＋ｋｘ＋βπ’）　　−（４１式従って、■、■より
励振される屈曲振動波は（１）式と（４）式を加え合わ
せた型で表わされる。

ここで、進行波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、βが奇数の場合であ
ることがわかる。ここで（３）式よりａとφについてα
とβの式で表わすと次のようになる。

λ すなわち、（α、β）−（０，１）、　（２，３）の丁
　八ｓｉｎ（ｗｔ−ｋｘ）＋Ａｓｉｎ（ｗｔ＋ｋｘ）＋
　Ｂｓｉｎ（ｗＬ−ｋｘ）−Ｂｓｉｎ（ｗｔ＋ｋｘ）　
　　　（６１式ここで駆動回路より出される高周波電圧
信号の振幅ＡおよびＢがＡ＝８ならば（６）式は２Ａｓ
ｉｎ（ｗｔ−ｋｘ）となり、進行波成分のみが残ること
がわかる。また、逆転駆動させることには後退波成分の
みを残せば良いわけであるから、（５）式におけるαと
βを逆にしてαが奇数、βが偶数となるようにすれば良
い、実際上は■を基準にして考えると、■に加える信号
の位相を正転駆動させる時に比べて１８０゜ずらしてや
れば良いことになる。

第３図は進行性波動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。３０１は振動体で、圧電振動
子が弾性部材に接着されているために屈曲振動が生じる
ことになる。ここで、振動体３０１は第２図に示した原
理で右方向への進行波が生じると表面部の１点は左方向
への楕円軌跡を描くために、ロータ部３０２は進行波の
進行方向とは逆方向に移動するわけである０以上は日経
メカニカル（１９Ｂ５．９．２３）などに掲載されてお
り、振動体３０１の表面上の一点が楕円軌跡を描くこと
に関する詳細な説明も同文献に記されている。

第１図は本発明にかかる進行性波動モータの断面図を示
した図である。中心軸１０１は固定台１０２と一体とな
っており、さらに振動体部１０３は中心部分にて中心軸
ｌｏｔと一体構造となっている。この際、振動体部１０
３はステンレス、黄銅、ジュラルミン等の弾性部材から
なり、実質的に中心部分にて中心軸１０１によって支持
されていることになる。

圧電振動子１０４は少なくとも一枚以上の中心に孔のあ
いた圧電セラミックスまたは、周方向に分割された数片
からなる圧電セラミックスであり、周方向に数パターン
の電極部が設けられて分権処理されたものが、振動体部
１０３の片側に接合されている。移動体１０５は、中心
軸１０１を回転中心のガイドとして回転可能なように、
中心部分にガイド穴を設けてあり、バネ部材１０６．座
金１０７．ストッパー１０８等からなる調圧機構によっ
て、振動体部に加圧接触されるようになっている。ここ
でいう調圧機構とは、振動体部１０３と圧電振動子１０
４にて生じた進行波成分を最も効率よく移動体１０５に
伝えて回転運動に変換できるように、振動体１０３と移
動体部１０５の接触圧を最適に制御するためのものであ
る。

なお、本実施例による調圧機構は、接触圧の調整を板バ
ネや十字バネ等からなるバネ部材１０６の変更または座
金１０７の枚数の増減によるものとしているが、同様う
な方法でＣリングやＥリング等によるストッパー１０８
の代わりにダブルナツトを用いて調圧する方法も可能で
ある。

なお、移動体１０５は、振動体部１０３の外周部分のみ
で接触するような構造となっており、これによって振動
体部１０３を薄い平らな弾性部材で構成しても、振動体
部１０３に励振された進行波成分が移動体１０５にムラ
なく均一に伝わることになる。このような構造をとるこ
とにより、振動体部１０３および移動体１０５の薄型径
小化が実現できる。さらに、振動体部１０３の外周部を
径方向における最大変位箇所とさせるために一次の振動
モードで共振するような駆動周波数で励振させることに
なるが、このことが低い周波数が利用できるという利点
から発振回路ならびに駆動回路における低消費電流化に
つながることになる。

第６図は本発明にかかる進行性波動モータの他の実施例
を示す縦断面図である。振動体部６０３は固定台６０２
と一体となった中心軸６０１と中心部分にて一体支持さ
れているが、圧電振動子６０４の接合面を振動体部６０
３の上側として全体の薄型化を図っている。さらに圧電
振動子６０４の外径は振動体部６０３の外径より小さく
することによって、圧電振動子６０４全体の静電容量を
凍らし、低消費電流化が可能となるようにしている。一
般に、圧電振動子６０４の厚みを薄くすればするほど電
界強度が強まり、低電圧駆動が可能となるが、反面、静
電容量が増えて電流増加になるため、このような圧電振
動子６０４の径小化は有効な手段となり得るのである。

また、本実施例における調圧機構は永久磁石の反発を利
用したもので、中心軸６０１には外周にネジ部が設けら
れており、振動体部６０３の固定支持ならびに移動体６
０５の回転用ガイドであるガイド部材６０７と、接触圧
調整用の座金６１０を介して磁石部６０８とストッパー
６１１より押圧されるもう一つの磁石部６０９を互いに
反発させ、移動体６０５を振動体６０３に圧接させる構
造としている。

第７図は本発明にかかる振動体部の径方向の挙動を示す
図である。中心軸７０１にて中心部固定支持されている
振動体７０２の片面には圧１を振動子７０３が接合され
ており、外周部が最大変位となるような一次の振動モー
ドで振動体７０２と圧電振動子７０３が一体となって挙
動することになる。第７［（Ｍｌは振動体７０２と圧電
振動子７０３の外径が同じ場合であり、点線で示すよう
な円弧状の挙動を示す、これに対して第７図中）は振動
体部７０２よりも圧電振動子７０３の方が径小となるよ
うに構成した場合を示したもので、圧電振動子７０３が
接合しである部分では円弧状の挙動を示すが、その外側
では振動体部７０２は直線状にいわゆる変位拡大機構の
役目を果たすことになる。第７図＋ａ＋および山）の最
大変位を比較するとｘａはｘｂより大きくなるものの、
低消費電流化としては変位拡大機構を有する第７図中）
の構成は非常に有効な手段となる。

第８図は本発明にかか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０図は振動体部１０３の材質と
して黄銅を用いかつ、周方向に波を３つ生じさせた場合
について、振動体（振動体部に圧電振動子を接合したも
の）の外径と機械的共振周波数の関係を振動体の厚みを
かえて示したものである。振動体部１０３を中心部分に
て固定支持し、かつ径小化していくと、機械的共振周波
数は増加するため、進行性波動モータを構成する発振回
路や駆動回路に負担がかかることになる。したがって、
機械的共振周波数をいわゆる超音波と言われる２０ｋＨ
ｚ以上でなるべく低い値に設定させることが低消費電力
化の面でも有効となるわけだが、そのためには、振動体
の厚みを薄くすれば良い。

先にも述べたように圧電振動子は薄くするほど電界強度
が強まり低電圧駆動の可能性が高まるが、屈曲振動のし
やすさ及び割れの問題を考慮すると０、ｌＯ〜０．２０
ｍｍが都合よく、これより例えば振動体の外径を１０１
層とした場合には図より振動体全体の厚みとして０．３
〜０．６■謹ぐらいに設定するのが良いと考えられる。

したがって振動体部１０３を構成する弾性部材の厚みは
圧電振動子１０４と同様あるいは少し厚めに設定するこ
とが本構造における進行性波動モータの効率向上につな
がることになる。

さらに振動体の周方向に生じる屈曲進行波については、
同じ形状で励振する波の数が増えれば増えるほど機械的
共振周波数が増加していくので、安定に移動体１０４を
回転させることを考慮すると、波数２〜４が妥当である
。

〔発明の効果〕

本発明による進行性波動モータによれば、固定台上に設
置された中心軸にて振動体部を中心部固定支持し、移動
体は振動体部の外周部のみで接するのと同時に、中心軸
上に設けられた調圧機構で振動体部に圧接されるという
簡単な構造で、薄型・径小な構造で高効率にできるとい
う効果がある。

したがって精密機器分野での進行性波動モータの利用が
可能となる。たとえば電子時計のモータに用いれば、磁
気の影響を受けない、輪列歯車数の減少、正逆転駆動可
能、保持トルクが強いために外乱の影響を受けにくい等
の従来にない可能性が生じることになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかる進行性波動モータの縦断面図、
第２図は進行波発生の原理図、第３閏は進行性波動モー
タの回転原理図、第４図および第５図は従来の進行性波
動モータの縦断面図、第６体部の径方向の挙動を示す図
、第８図は本発明にかか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。 １０１．４０１，５０１，６０１．７０１　　・・・中
心軸１０２．４０２，５０２，６０２．・・・・・固定
台１０３．４０３，５０３．６０３７０２　・・・振動
体部１０４．４０４，５０４．６０４７０３　・・・圧
電振動子１０５、４０５，５０５，６０５　・・・・・
移動体１０６　　・・・・・・・・・・・バネ部材１０
７．６１０　・・・・・・・・・座金１０８．６１１　
　・・・・・・・・・ストッパー６０７　　・・・・・
・・・・・・ガイド部材６０８、６０９　・・・・・・
・・・磁石部４０６　　・・・・・・・・・・・支持機
構４０７．５０６　　・・・・・・・・・ベアリング５
０７　　・・・・・・・・・・・調圧機構以上 出願人　セイコー電子工業株式会社 代理人　弁理士　最　上　　務（他１名）本を１月Ｉで
勺Ａ勺棒１」牙４生浦動（−夕の蛇痢１石図第１図 進行波老生０厚理図 第２図 第３図 Ａ進７７、ｎ違オシと浦参１モ、ダの廊８断置ル０（ｌ
〉第５図 第６図 本売絹１？勺゛苛番退勤林部の才亜方勺Φ学す妊示イ図
第７図 第８図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）圧電振動子の伸縮運動を利用した屈曲進行波によ
   り、物体を摩擦駆動させる進行性波動モータにおいて、
   前記進行性波動モータは中心軸を有する固定台と、前記
   中心軸と一体となるように固定支持された弾性部材から
   なる振動体部と、前記振動体部の片面に接合された圧電
   振動子と、前記中心軸を回転中心のガイドとして前記振
   動体部の外周部のみに加圧接触するように配置された移
   動体と、前記移動体の前記振動体部に対する接触圧を制
   御するために前記中心軸上に設けられた調圧機構とから
   構成されたことを特徴とする進行性波動モータ。
2. （２）前記圧電振動子の外径が、前記振動体部の外径よ
   り径小となるように構成された特許請求の範囲第１項記
   載の進行性波動モータ。
3. （３）前記振動体と前記圧電振動子が径方向に対して一
   次の振動モードで励振されるように構成された特許請求
   の範囲第１項記載の進行性波動モータ。