JPH0491672A - 超音波モータ - 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、圧電素子等の電気−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、電気−機械エ
ネルギー変換素子をその厚み方向両側から挟持固定する
、例えばペンシル型の振動体を屈曲振動させ、その質点
に円又は楕円運動させ“ることで、振動体に押圧した移
動体を摩擦駆動する超音波モータに関するものである。

［従来の技術］ 従来の超音波モータとしては、円環形状の金属性振動弾
性体に進行性の曲げ振動を起こし、摩擦力により移動体
を駆動させるタイプの物がカメラのオートフォーカス（
ＡＦ）機構等に採用されている。

しかし、このタイプの超音波モータは、振動弾性体をリ
ング形状としているため、摩擦力を得るための加圧機構
を含めたユニットとしてはコスト高の傾向にあり、中空
性（リング状）を要求されることのない用途としてはコ
スト上不利な点があった。

そこで、ペンシル型等の棒状で、加圧系の構成が簡単な
タイプの超音波モータとして、第２図及び第３図に示す
ようなモータが提案されている。

Ａはペンシル型の振動子で、ペンシル形状の前振動弾性
体ｌと、円柱状の後振動弾性体２との間にドーナツ状の
圧電素子板３．４を設けると共に、これら圧電素子板３
．４に交流電圧を印加するための電極板（不図示）を例
えば圧電素子板３．４の間に介挿し、ポルト６により前
振動弾性体１と後振動弾性体２との間に圧電素子板３．
４及び電極板を挟持固定する。

圧電素子板３．４は、例えば厚み方向の分極特性が異な
る素子部を軸対称に形成し、その片面側に各素子部に対
応して電極を設けると共に、他面側に共通電極を設けて
いる。これら圧電素子板３．４は、例えば片面側を前振
動弾性体１側に向け、且つ素子部を２分する軸を９０度
の角度づらして配置している。

そして、電極板と前振動弾性体１との間に交流電圧Ｖ１
を印加すると共に、電極板と後振動弾性体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Ｖ１と交流電圧Ｖ２は、
例えば振幅及び周波数が共に同じで、時間的位相が９０
度のづれを有していると、振動子Ａはその軸心を中心と
して純飛びの絹のような円運動（以下純米び振動と称す
）を行なうことになる。また、交流電圧Ｖ＋、Ｖｉの位
相を逆転することにより円運動の正逆回転が可能となる
。

第４図（ａ）　、（ｂ）に駆動時における振動子の径方
向（ｒ方向）の振動モード及び軸方向（Ｚ方向）の振動
モードを示す。

一方、Ｒは振動子Ａの軸心βと同軸に嵌合するロータで
、その嵌合一端部が振動子の摺動部Ｂにバネ５のバネ力
により押圧され、振動子Ａに励起される振動により摩擦
駆動されて回転する。この摩擦駆動状態を第５図（第３
図のＡ−Ａ矢視断面）に示す。

バネ５はポルト６の先端部と、フランジ付きのスラスト
ベアリング７に嵌合するバネボスト８との間に弾装され
ている。

［発明が解決しようとする課題］ ところで、このタイプのモータは、振動子の固有振動数
近傍の交流電界を印加しても起動できないという第１の
問題があった。

これは、振動子の摺動部Ｂがテーパー形状に形成されて
いること、移動体（ロータ）Ｒの摩擦接触部も該摺動部
Ｂに合致した内面形状に形成に形成されていることから
、バネ５による加圧力でロータＲが振動子に密着嵌合し
、両者が吸着してしまうという現象に起因する。

したがってこの状態では、振動子はロータと強（結合し
ており、この結果振動子の固有振動数がロータを含めた
ものに変化し、振動子が単体の場合での固有振動数と比
べて大きく変化することになり、振動子単体での固有振
動数に合わせて設定した駆動周波数の交流電界を印加し
ても振動子の駆動ができなかった。

また、モータの駆動後においてもモータ効率が悪くなる
という第２の問題があった。

この理由を第５図を用いて説明する。

第５図において、振動状態におけるある時間の振動子の
摺動部Ｂの断面を破線で示しており、時間と共に摺動部
Ｂの中心は矢印ｊ方向に運動する。また、ｄは非駆動時
における振動子の中心、ρは径方向の振動振幅を示す。

駆動時において、振動子のロータを送る最大速度はβω
（ωは駆動角振動数）であり、押圧されているロータは
摩擦力により駆動される。

しかし現実的に、振動子は振幅に比べ、十分な真円度を
だすことが難しく、振動子の回転運動に伴って、すべて
の時刻にわたってロータと振動子との接触を保つことが
難しく、例えば振動子の振幅は１μｍ程度であり、振動
子の接触部における真円度は１５μｍ程度である。

このとき、振動体の移動体との接触部は、テーパー形状
をしているため、第６図に示すような接触状態となる。

なお、第６図は振動子が真円度誤差のために楕円形の断
面となっているのを強調して図示している。

一方、第５図において駆動原理を考えると、ロータＲは
その弾性の強さに応じてχ１からχ２まで接触する。こ
のとき、接触部の中心であるχ。における振動子のロー
タＲを送る速度は回転方向についてβωの大きさをもつ
が、接触部の端の点であるχ１、χ２では回転方向成分
、つまり接線方向速度Ｖ、は、点χ。とχ１（χ２）と
のなす角を０１とすると、 ｖ、＝ｊ２ωＣｏｓθ１≦４２（Ｌ） となる。

したがって、χ、からχ２までの各点で摩擦駆動される
ロータの周速度は、βωからＶｌの間の速度となる。

他方、第６図のように振動子のテーパー形状をなす摺動
部Ｂ真円度が出ていない場合、第６図（ａ）に示す位置
に振動子摺動部Ｂが存在しているとき、ロータＲはｖ２
から４ωの間の速度で摩擦駆動されるが、第６図（ｂ）
に示す位置に存在しているときは、振動子によるロータ
の摩擦駆動速度は接触部の中で送り速度の最も速いｖ　
３　　（Ｖ　３　＜　２−ω）以下で、第６図（ａ）の
状態と比べると極めて遅い。すなわち、第６図（ａ）に
示す状態と、第６図（ｂ）に示す状態とでは駆動速度が
異なることになる。

したがって、ロータが回転方向に駆動される速度は、時
間により、位置により変動する。

しかしこの変動は、例えばωが３０ｋＨｚとするのよう
な°速い変動には応答できず、滑りにより速度差を吸収
して回転する。

したがって、摺動によるエネルギー損失が増えることに
なる。

本発明は、このような従来の問題を解決するためになさ
れたもので、振動子と移動体との結合をゆるめ、起動し
やすくすると共に、振動子の加工精度が悪くても、移動
体と振動子との均一な接触を保ち、不要なエネルギー損
失を小さくしてモータ効率を向上させることができる超
音波モータを提供することを目的とするものである。

［課題を解決するための手段及び作用］起動不能を解消
するには、振動子は屈曲変形しようとしているので、振
動子が振動しやすいように移動体の摩擦接触部を径方向
に変形しやすい構造とすればよく、このために、移動体
の接触部に軟らかいバネ性を持たせれば良い。

また、移動体の接触部のある点が振動子の変位によって
押されたとき、該点と対向する移動体接触部の点は変位
しないことが望ましい。

ところで、移動体の接触部におけるバネ構造として、周
方向全周がつながった構造であると、周方向の剛性は強
いため（周長は不変）、上記した対向側も振動子の変位
方向に移動してしまうため、両者の結合はとれない。

そこで、周方向に独立に変形できるバネ構造の移動体と
した。

モータ効率の向上を図るためには、第６図（ａ）　、　
（ｂ）のどちらの状態でも、移動体の接触部は振動子と
点χ。にて接触することが必要である。

そのためには、移動体の振動子との接触部にバネ性を持
たせて振動子の真円からのずれに対して第７図に示すよ
うに移動体の方をならうようにすればよ（、移動体接触
部の振動子接触部テーパー角に応じて径方向及び軸方向
の曲げの剛性を軟らかくすれば、テーパー面にならって
点χ。にて接触が可能である。しかし、この場合、振動
子に振幅を励起したとき、第８図に示すように、移動体
は点χ。近傍ばかりでなく、点χ、から点χ２まで、つ
まり角度θ２（θ２〉θ１）の範囲で振動子と接触して
しまう（勿論、角度θ１よりさらに小さい角度で接触す
ることがモータ効率上望ましい）。

このとき、点χ１、点χ２においては送り速度ｖ４は極
めて小さい（Ｖ４　（Ｖ３　）。

したがって、移動体は振動子の℃ωからｖ４までの広い
範囲の送り速度を同時に受けるため、移動体と振動子と
の相対滑り速度は非常に太き（なり、摩擦損失は太き（
なってしまう。

そこで、接触部のバネ性は固いまま、振動子と移動体と
が常に点χ。にて接触する構造とすれば良いことになる
。

そのため、移動体の振動子との接触部を、周方向に独立
なバネ構造とした。

［実施例］ 以下本発明を図面に示す実施例に基づいて詳細に説明す
る。

第１図は本発明による超音波モータの実施例１を示し、
振動子Ａが従来例と同様の形状であるためにその図示は
省略し、移動体（ロータ）のみを示している。

本実施例の移動体Ｒは、周方向に複数本（本実施例では
８本）の溝ｆを振動子との摺動側に軸方向に沿って形成
している。

すなわち、溝ｆにより分割された溝１間の各セグメント
ｇは、隣接する他のセグメントｇの動きに影響されにく
く、第９図に示すように、駆動時に振動子のテーパー面
をなす摺動部から矢印で示す力Ｆがあるセグメントｇに
作用した場合、このセグメントｇが主に変形し、他のセ
グメントの変形は小さい。

したがって、セグメントｇのバネ定数なｋとすると、第
９図に示すように、 ｋ＝ δ により振動子の加工による真円からのずれを吸収するこ
とができる。

そして、振動子の振動に対しては、第１Ｏ図（ａ）　、
　（ｂ）に示すように、狭い領域で移動体及び振動子の
各接触部が接触するため、摩擦による損失は小さくなり
、またモータ出力も増大するため、モータ効率が向上す
ることになる。

このように、本実施例は移動体に溝ｆを入れるという簡
単な構造で、起動ができると共に、モータの効率を向上
させることが可能となる。

つまり、移動体に溝を設けない状態では、第１５図に示
すように、移動体の内径周長は殆ど変化することがない
ため、振動子と移動体との接触する荷重点で移動体が＋
δまたわんだ場合、−６またわむ箇所が発生し、接触領
域が拡大することになるのに対し、第１０図に示す本実
施例の場合ではδ２に対応する量は略Ｏである。

第１１図は本発明の実施例２を示し、上記した実施例１
と同様に移動体のみを図示している。

本実施例は、移動体Ｒにおける振動子との摺動部を、例
えばゴム、プラスチック等の軟弾性材料からならリング
形状のバネ部材ｋに、耐摩耗性を備えた硬い金属性の接
触片部ｉを間隔を隔てて複数固定したものであって、バ
ネ部材ｋを移動体本体に固定し、接触片部ｉを振動子の
テーパー状の摺動部に接触させるようにしている。

すなわち、バネ部材ｋによる弾性により振動子の真円度
誤差を吸収し、接触片部ｉにより振動子の波動への沈み
込み量を調整（小さく）シている。

第１２図は本発明の実施例３を示し、上記した実施例１
と同様に移動体のみを図示している。

本実施例は、溝ｆを移動体に複数設ける点において上記
した実施例１と同様であるが、溝ｆにより分割されたセ
グメントｇを全体的に傾斜したバネ構造とすると共に、
セグメントｇの内周面に凸部ｇ１を形成している。

なお、凸部ｇ、を形成することによって、半径方向に短
い領域で振動子と接触するため、テーパー面に形成され
ている移動体の内面の内周と外周での周速差に伴う不要
な滑りを抑えることができるようにしている。

また、セグメントｇはバネ構造に形成されているため、
第１Ｏ図に示す周方向の接触幅ΔＳを調整することがで
きる。この幅は前述のように摺動部での摩擦損失を減ら
すため（モータ効率向上のため）に狭い方がよいが、接
触面の加工上生じるうねりにならうように、ある程度バ
ネ性を持たせ、その硬さにより、接触幅△Ｓを調整する
。

第１３図及び第１４図は本発明による超音波モータの実
施例４を示す。

本実施例は、第１３図に示す、くびれ部の上部一端部ａ
ｌに、内側に傾斜した摺動部Ｂを設けた振動子Ａを用い
たもので、移動体Ｒは、第１４図に示すように、円環形
状の移動体本体Ｒ１の下面に断面弧状の接触片部Ｒ２を
同一円周上に間隔を有して設けたものである。

本実施例の場合も、上記した各実施例と同様の効果が得
られる。

第１６図は上記した超音波モータを用いて光学レンズの
鏡筒を駆動する装置の一実施例を示す概略図である。

９は移動体Ｒの外周に同軸的に設けられた歯車で、回転
出力を歯車群１０に伝達し、この歯車群１０に噛合する
歯車を有する鏡筒１１を回転させる。

［発明の効果コ 以上説明してきたように、本発明によれば、振動子と移
動体との結合をゆるめ、モータの起動を容易とすると共
に、振動子の加工精度が悪くても均一な振動を保ち、不
要なエネルギー損失を小さくしてモータ効率を向上させ
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による超音波モータの実施例１を示す移
動体の斜視図、第２図及び第３図はけ従来の超音波モー
タの外観斜視図及び縦断面図、第４図（ａ）　　（ｂ）
はその径方向（ｒ方向）及び軸方向（２方向）振動モー
ドを示す図、第第５図は従来の超音波モータの不具合を
説明するための断面図、第６図（ａ）　、　（ｂ）は従
来の超音波モータの不具合状態を説明する図、第７図及
び第８図は本発明の詳細な説明する図、第９図は実施例
１の作用を説明する図、第１０図（ａ）　、　（ｂ）は
実施例１の駆動状態における振動子と移動体との関係を
示す図、第１５図は実施例１と比較する従来の移動体の
変形状態を示す図、第１１図は本発明による超音波モー
タの実施例２を示し、同図（ａ）は移動体の縦断面図、
同図（ｂ）はその底面図である。第１２図は本発明によ
る超音波モータの実施例３を示し、同図（ａ）は移動体
の縦断面図、同図（ｂ）はその底面図である。第１３図
及び第１４図は実施例４を示し、第１３図は振動子の縦
断面図、第１４図（ａ）は移動体の縦断面図、同図（ｂ
）は底面図である。第１６図は本発明による超音波モー
タを駆動源とする装置の概略図である。 Ａ：振動子 １：前振動弾性体 ３：圧電素子板 ５：バネ ７：ベアリング ｆ：溝 ｉ：接触片部 Ｂ：摺動面 ２：後振動弾性体 ４：圧電素子板 ６：ボルト ８：バネボスト ｇ：セグメント に：バネ部材。 第 図 第 図 第 図 第 図 第 図 第 図 ×１ （Ｑ） （ｂ） Ｘ八 第 図 第１０図 （Ｇ） （ｂ） 第１１図 （ｂ） 第１２図 （α） （ｂ） 第１３図 第１４図 （Ｑ） 第１５ 図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. １．棒状弾性体に電気−機械エネルギー変換素子を配置
   してなる振動子における該電気−機械エネルギー変換素
   子に交流電界を印加することにより、該振動子に同形の
   屈曲モードの振動を異なる複数の平面内に適当な位相差
   を持たせて励起させ、以て該振動子の表面粒子に円又は
   楕円運動を行なわしめ、該振動子の摺動面に押圧した移
   動体を摩擦駆動する超音波モータにおいて、 該移動体は該振動子の摺動面を取り囲む摺動部が、周方
   向において独立したバネ構造に形成された複数の接触部
   から構成されていることを特徴とする超音波モータ。
2. ２．請求項１において、移動体の摺動部は、円筒形状に
   形成され、周上複数箇所に軸方向に沿って溝を設けて複
   数の接触部を形成したことを特徴とする超音波モータ。
3. ３．請求項１において、移動体の摺動部は、ゴム又は樹
   脂材の有する弾性を用いてバネ性をもたせたことを特徴
   とする超音波モータ。
4. ４．請求項１、２又は３に記載の超音波モータを含む装
   置において、振動子に押圧されて摩擦駆動される部材か
   ら駆動力を得る出力部材を有することを特徴とする装置
   。