JPH0530150B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はモータ、特に圧電素子に生じた振動を
利用する振動波モータに関するものである。

〔従来技術〕

電気モータは近年の技術進歩によつて非常に小
型化できるようになつたため、カメラを初めとし
て種々の小型ポータブル機器にも小型のモータが
搭載され、該モータが該機器の性能の向上に寄与
している。

しかしながら、カメラ等に搭載されている小型
のモータは高速回転はできるが、低速回転で大ト
ルクを発生することはできないので減速機構が必
要であり、従つて、該減速機構のために該モータ
と該減速機構とを含めた動力発生機構の体積がか
なり大きくなつてしまうという欠点があつた。そ
れ故、減速機構を必要とせず、低速で大トルクを
発生でき、しかも小型且つ軽量のモータの開発が
望まれていた。

このような事情を背景として、近年、圧電素子
が動力発生源として利用しようとする試みが行わ
れた結果、圧電素子によつて生ずる超音波振動を
回転運動に変換させる形式の超音波モータが最
近、開発されている。

この公知の超音波モータは円環形のステータ
と、円環形のロータとを有しており、該ステータ
の端面に環状に接着されている圧電素子によつて
該ステータの端面に環状に弾性表面波を発生さ
せ、これにより該ステータの端面に接している該
ローターを回転させるように構成されている。

この公知の超音波モータは低速で大トルクを発
生することができるので減速機構が不要となり、
従つて、カメラ等の小型機器への搭載用モータと
して適しており、また、形状が円環形であるた
め、カメラのオートフオーカス用モータとして好
適ではあるが、この公知の超音波モータではステ
ータに生じる振動が減衰しやすく、振動減衰を生
じさせぬようにステータを支持するのが難かし
い、という問題点があつた。特にカメラのように
外部から衝撃が加わる可能性のある機器において
は、該ステータの支持が困難になるという問題点
があつた。

そこでロータの軸線と平行に延在する振動棒を
設け、圧電素子が固着された該振動棒の端部に生
じる円運動によつてロータに回転運動を生じさ
せ、これにより振動減衰の問題、環状ステータの
支持の困難性の問題を解決したモータが本件出願
人より特願昭61−286242号として提案された。

しかしながら、前述の振動波モータの振動棒の
形状はほぼ正方形断面を有する棒状のものである
為に入力電圧に対する振動振幅が小さく、効率が
悪く、小型化することが困難であつた。

〔発明の目的〕

本発明の目的は上記従来モータの欠点を解決し
た、高効率で小型化が可能であり、かつ剛性の低
下を低く抑えることが可能な棒状の振動波モータ
を提供せんとするものである。

〔発明の概要〕

本発明の特徴とする処は、端面に固着された圧
電素子に生じた振動により外周面の端部が回転運
動をする振動棒と、該振動棒に生じた回転運動に
より摩擦駆動される移動体とを有する振動波モー
タにおいて前記振動棒の少なくとも中央部に凹部
を設けた点に存する。本発明は斯様な構成の為に
効率は向上し、又剛性の低下も小さく抑えること
ができるものである。

以下図面を参照して本発明について説明する。

〔発明の実施例〕

第１図は本発明を適用した振動波モータにおけ
る振動棒の要部構成図を示すもので、１は電気−
機械エネルギー変換素子としてのPZT２〜５が
貼着される凹部を４つの端面に有する振動棒であ
り、ステータを構成する四角柱の振動棒１は真ち
ゆうで構成され、振動棒１の振動の節の位置にお
いて一端が不図示の構造部材に支持されている。
正方形断面を有する振動棒１の４つの端面には第
２図に示されるように圧電素子PZT２−５が接
着剤で貼着されている。振動棒１に屈曲性の振動
を与えるPZT２〜５の夫々は対応するPZT同志
が同一方向に屈曲するように第２図に明示されて
いるように矢印方向に分極される。尚各PZT２
〜５の終端部２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂ，４ａ，４
ｂ，５ａ，５ｂ（但し、５ａ，５ｂは不図示）と
振動棒１の端部１ａ，ｂとは第１図には明示され
ていないが各PZTと振動棒１の端部１ａ，１ｂ
とが導通することを防ぐ為に離間されている。９
は交流電源で、該電源９から出力される、例えば
正弦波の交流信号は90°移送器７を介してPZT２，
３の電極に接続され、一方、PZT４，５の電極
は交流電源９の出力端に直接接続される。従つて
これら位相差のある交流信号がPZT２〜５に印
加されると、振動棒１はPZT２，３により同時
にｙ方向へ屈曲し、又PZT４，５により移相器
７による位相差分だけ異なつた時点で同時にｘ方
向へ屈曲する。これらの屈曲は印加される交流信
号に応じて繰り返えされる為に振動棒１の先端１
ｂは移相器７の位相量に応じて円運動、楕円運動
をする。尚これら回転運動の原理については本件
出願人が先に提案した特願昭61−286242号に詳述
されているのでここでは省略する。

ここで振動棒１（第１図）の撓み振動における
一方向の振動について考える。振動棒１の先端部
１ｂの振幅をａ、振動棒１の先端部１ｂの断面方
向の速度をｖ、振動棒１の一次共振角速度をωと
すると、ｖ＝aωsinωtと定義され、この式から速
度ｖの最大値vmaxは、vmax＝aωとなる。第４
図は最大速度vmaxについて正方形断面形状の従
来の振動棒と本発明による中央部に凹部を有する
振動棒１とを（即ち断面積比１の振動棒。第４図
参照）比較した結果を表わす図であるが、第４図
の曲線C₁から明らかなように本発明の振動棒の
方が前述の従来の振動棒よりも高い最大速度を得
た。次に振動棒の剛性について考える。

振動棒１の剛性EIは、EI＝ES₀ ²／12×H²（但し、 Ｅはヤング率、S₀は基準断面積、Ｈは断面積比、
０＜Ｈ≦１）と定義される。従つて断面積比が小
さくなると急激に振動棒の剛性は低下し、移動体
（不図示）に対する加圧力が加わると振動棒はそ
の曲げ限度を越え、折れることになる。その為振
動棒１の凹部の深さは浅い方が良い訳である。こ
の剛性について第３図のように両端１Aa，１Ab
を細くした振動棒１Ａと本発明による振動棒１
（第１図）とを比較したところ、第４図示の曲線
C₂に示されるように同一断面積比（例えば断面
積比0.4）において第３図示振動棒１Ａはv₁、本
発明のものはv₂を示した。即ち本発明によれば剛
性を損うことなく高い質点速度が得られたもので
ある。換言すればわずかなエネルギーで高い質点
速度、即ち高効率が得られ、かつ剛性の低下も小
さく抑えることができたものである。尚第４図は
横軸が断面積比を示し、縦軸が振動棒の質点最大
速度を示す。そして曲線C₁は本発明による振動
棒の断面積比対質点最大速度の関係を示し、曲線
C₂は本発明の振動棒と第３図示による振動棒の
特性の差を示す為の曲線で、第３図示振動棒の断
面積比対質点最大速度の関係を示す。因みに断面
積比１の振動棒は前述の先願に示されるような正
方形の均一な断面を有する振動棒である。

また振動波モーターを構成する振動棒１は第１
図示のように四角柱である必要はなく第５図示の
ように三角柱、或いは円柱（不図示）でも第１図
示の場合と同様な動作、効果が得られるし、更に
はPZT２〜５は第１図示のように振動棒１の中
央を挾んで等距離の位置に貼着される心要は必ず
しもなく、第６図示のようにいずれか一方の側に
寄せて貼着しても良い。

第７図は第１図示ステータを組込んだ振動波モ
ーターの要部縦断面図である。尚第１図示と同一
機能を有する機素には同一符号を付して、その詳
細な説明を省略する。

第７図において、１１は段付き円環体として構
成されたロータであり、該ロータ１１はそれ自身
の軸線Z₀を中心として回転しうるように不図示の
構造部材に支持されている。ロータ１１の小直径
部分１１Ａの内周面には摩擦係数が大きく且つ柔
軟な被覆材１３が接着剤等によつて固定されてい
る。

ロータ１１に回転運動を生じさせるための振動
棒１がロータ１１の軸線と平行に配置され、該振
動棒１の先端部１ｂがロータ１１の小直径部分１
１Ａに挿入されるとともに該先端１ｂの上面が該
小直径部分１１Ａの被覆材１３に近接するように
位置決めされている。

中央に凹部を有する振動棒１は本実施例では方
形の横断面形状を有した角棒として構成され、該
振動棒１の外周面は一対の水平面と一対の鉛直面
とによつて構成されている。そして、該振動棒１
の先端部１ｂに円軌道もしくは楕円軌道の振動変
位を生じさせるための振動励起手段としての圧電
素子２〜５が第２図示のように該振動棒１の鉛直
面と水平面とにそれぞれ接着されている。該圧電
素子２〜５の接着位置は該振動棒１の長手方向の
中央位置であり、該振動棒１に生ずる駆動の腹と
なる位置に接着されている。

振動棒１の外周面には該振動棒１に生ずる振動
の節となる位置に細い孔が貫設され、この細い孔
に嵌合して該振動棒１に固定された細い支持棒１
５及び１７が振動棒１の鉛直面と水平面からそれ
ぞれ突出している。該支持棒１５及び１７は鋼線
であり、該支持棒１５の両端は支持リング１９に
固定され、該支持棒１７の両端は支持リング２１
に固定されている。支持リング１９及び２１は同
一の内径寸法と同一の外径寸法を有したリングで
あり該支持リング１９及び２１は円筒状の支持台
２３の両端部のインロー部に嵌入されるとともに
固定リング２５で支持台２３に固定されている。

支持台２３はばね２７によつて不図示の静止部
材上に弾性的に支持されるとともに該ばね２７に
よつて鉛直上向きに附勢されている。従つて、振
動棒１もばね２７の力によりロータ１１の被覆材
１３に向つて附勢されている。

支持台２３の下面には４個の接続端子２７〜３
３が設けられており、該接続端子２７〜３３は第
１図に示すような制御回路７，９に接続されるよ
うになつている。また、接続端子２７は圧電素子
としてのPZT４にリード線を介して接続され、
接続端子２９は圧電素子としてのPZT３にリー
ド線を介して接続され、更に接続端子３３は
PZT２に接続され、接続端子３１はPZT５（不
図示）に接続されている。なお、振動棒１の本体
に接続される接地用端子で省略されている。

かかる構成において電源９から駆動の為に交流
信号がPZT２〜５に印加されると、振動棒１の
先端部１ｂは回転運動をするので、移動体として
のロータ１１は軸線Z₀を中心として回転運動をす
る。

第８図は振動棒１の中央側面を切削して、
PZT２〜５（PZT４は不図示）を棒１に貼着す
ると共に、更に振動の節の位置を更に深く切削し
て節部分の支持を容易とし、節部分を支点とする
曲げ振動が大きくなるようにして、先端部１ｂの
回転速度を上げるようにしたものである。

尚第８図示実施例におけるその他の構成は第７
図示実施例と同様であるので省略されている。

以上の実施例では圧電素子としては２対の圧電
素子を用いたが、１対の圧電素子だけを用いても
同様な効果を得られることは言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上説明した様に、本発明ではステータを構成
する振動棒の両端部間に凹部を設けたので、本発
明によれば、ステータの一方の端部に接触した移
動体の速度を増大させ、高効率を得ることができ
るものである。

尚１，１Ｂが棒状弾性体、２，４が第１、第２
の電気−機械エネルギー変換素子の夫々を構成し
ている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を適用した振動波モータにおけ
るステータ並びに駆動回路部分の要部構成図、第
２図は第１図示ステータのＡ−Ａ断面図、第３図
は本発明と比較対照されるステータの要部構成
図、第４図は第１図示実施例の振動波モータの特
性図、第５図、第６図は本発明の他の実施例にお
ける振動波モータのステータの要部構成図、第７
図、第８図は、本発明を適用した振動波モータの
要部構成図である。 図において、１……ステータを構成する振動
棒、２〜５……圧電素子、１１……ロータであ
る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 棒状弾性体１；１Ｂと、第１の電気−機械エ
   ネルギー変換素子２と、第２の電気−機械エネル
   ギー変換素子４とを有する、超音波モータのため
   の振動装置であつて、 前記弾性体１；１Ｂは、２つの端部１ａ，１
   ｂ；１Ba，１Bbを有するものであつて、該両端
   部１ａ，１ｂ；１Ba，１Bbに挟まれた部分には
   凹部が形成されており、また前記第１並びに第２
   の電気−機械エネルギー変換素子２；４は前記弾
   性体１；１Ｂに固着されるものであり、 更に該第１電気−機械エネルギー変換素子２
   は、与えられる交流信号に応答して、前記弾性体
   １；１Ｂに第１の方向の曲げ振動を発生させるも
   のであり、第２電気−機械エネルギー変換素子４
   は、与えられる交流信号に応答して、前記弾性体
   １；１Ｂに前記第１の方向とは異なる第２の方向
   の曲げ振動を発生させるものであり、この２つの
   曲げ振動により前記弾性体１；１Ｂの一方の端部
   １ｂは、回転運動をするものであり、この一方の
   端部に接触した部材１１と前記弾性体１；１Ｂと
   は、この回転運動により相対運動するものである
   ことを特徴とする、超音波モータのための振動装
   置。