JPH0622568A - 超音波モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 振動波の減衰が少なく振動体部と移動体の加
圧力の調整が容易で移動体の安定した回転が可能である
小型、薄型な超音波モータを得る。 【構成】 中心軸１０１は、固定台１０２に固定する。
振動体部１０３は、中心軸１０１の太軸部１０１ｂと細
軸部１０１ｃの間の段付部１０１ａに中心穴１０３ａ近
傍の一方の面を密着して固定する。圧電振動子１０４
は、振動体部１０３の一方の面に固定する。圧電振動子
１０４と振動体部１０３は、振動体部１０３の半径方向
に対しての最大振幅部を有するように駆動する。移動体
１０５は、中心軸１０１を回転案内とし振動体部１０３
の半径方向に対しての最大振幅部近傍に加圧接触する。
加圧手段１０６は、振動体部１０３と移動体１０５とを
加圧する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、比較的小型で低消費電
力で実現可能な超音波モータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、圧電振動子を用いた超音波モータ
としては、定在波方式や進行波方式などが知られてい
た。例えば、日本工業技術センター発行の、「新方式／
新原理モータ開発・実用化の要点」（昭和５９年）など
に、従来の超音波モータの原理が示されている。

【０００３】また、図４に示すように、円環型の振動体
部４０３を有し、圧電振動子４０４に所定の電圧を印加
して、移動体４０５を回転させる構造が知られていた。
さらに、図５に示すように、円板型の振動体部５０３を
有し、圧電振動子５０４に所定の電圧を印加して、移動
体５０５を回転させる構造が知られていた。

【０００４】例えば、特開昭５９−９６８８１号公報及
び特開昭６０−１７４０７８号公報に従来の構造が開示
されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の超音波モータに
おいては、図４に示すような円環型の振動体部４０３を
有する構造においては、圧電振動子４０４によって励振
された屈曲振動波は、振動の節部を持たない。したがっ
て、支持機構４０６は、振動波を減衰させ、電気−機械
変換効率は低下するという課題があった。

【０００６】また、図５に示すような円板型の振動体部
５０３を有する構造においては、振動体部５０３の径方
向に対して２次の振動モードで励振する。振動体５０３
は、固定台５０２で半径方向の２か所で支持する。この
構造においては、節部の位置のばらつきや振動体を支持
する面積のばらつきや振動体を支持する支持力のばらつ
きにより、電気−機械変換効率は低下するという課題が
あった。

【０００７】このような課題は、超音波モータを小型化
すれば、さらに大きな影響があらわれる。そして、移動
体４０５と中心軸４０１が一体である構造や、移動体５
０５と中心軸５０１が一体である構造においては、ベア
リング等の軸受け部材４０７や軸受け部材５０６が必要
となるという課題を有していた。

【０００８】そこで、この発明の目的は、振動体の支持
構造による振動波成分の低下がなく、小型で、薄く、高
効率な超音波モータを得ることにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】超音波モータの振動体の
支持構造による電気−機械変換効率の低下という課題を
解決するために、この発明は、太軸部と細軸部の少なく
とも２個以上の軸部を形成し、太軸部を固定台に固定し
た中心軸と、中心穴を中心軸の細軸部に固定し、しか
も、中心軸の段付部に中心穴近傍の一方の面を密着して
固定した振動体部と、振動体部の一方の面に固定した圧
電振動子と、中心軸を回転案内とし振動体部の半径方向
に対しての最大振幅部近傍に加圧接触する移動体と、振
動体部と移動体とを加圧する加圧手段とを有する構成と
し、超音波モータの小型化、薄型化及び高効率化を実現
した。

【００１０】

【作用】本発明の超音波モータ代表的な構成において
は、図１に示すように、中心軸１０１は、固定台１０２
に固定する。 振動体部１０３は、中心軸１０１の太軸
部１０１ｂと細軸部１０１ｃの間の段付部１０１ａに中
心穴１０３ａ近傍の一方の面を密着して固定する。圧電
振動子１０４は、振動体部１０３の一方の面に固定す
る。

【００１１】圧電振動子１０４と振動体部１０３は、振
動体部１０３の半径方向に対しての最大振幅部を有する
ように駆動する。移動体１０５は、中心軸１０１を回転
案内とし振動体部１０３の半径方向に対しての最大振幅
部近傍に加圧接触する。加圧手段１０６は、振動体部１
０３と移動体１０５とを加圧する。

【００１２】本発明の構造においては、振動体部の支持
は中心軸の中心部近傍の固定支持であるので、振動波の
減衰は少ない。また、振動体部と移動体の加圧力の調整
は容易で、適正な接触圧で移動体の回転が可能となる。
さらに、移動体は振動体部の半径方向に対しての最大振
幅部近傍に接触するので、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の成分が
移動体に均一に伝達される。また、振動体部の外周が径
方向に対して最大に変位する箇所になるように超音波モ
ータを振動体部の径方向に節部を有しない一次の振動モ
ードで駆動できる。

【００１３】また、本発明の超音波モータは、振動体部
の径方向に１つの節部を有するような二次の振動モード
で駆動させることも可能である。

【００１４】

【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。本発明は、定在波方式や進行波方式などの超音
波モータを対象としている。図２は、進行波型超音波モ
ータにおける進行波発生の原理の一例を示した図であ
る。

【００１５】圧電振動子２０１は、圧電セラミックなど
の圧電結晶体により構成する。圧電振動子２０１は、幅
ｂにて等間隔に分極する。圧電振動子２０１の相隣あう
部分の分極方向は、互いに逆方向になっている。圧電振
動子２０１の電極２０２には、銀またはニッケル等の導
電材料を用い、蒸着やメッキ等により形成する。電極２
０２は、信号線２０３及び信号線２０４により結線す
る。圧電振動子２０１の電極２０２に、信号線２０３及
び信号線２０４を介して、それぞれ高周波電圧を印加す
る。

【００１６】信号線２０３及び信号線２０４を結線した
電極群の間には、幅ｃの空隙部分を設ける。幅ｃの空隙
部分は、分極の有無は問わず、電極の有無も問わない。
幅ｃの空隙部分をはさむ電極の中心間距離はａとする。
以下に、超音波モータの進行波の発生の原理を説明す
る。

【００１７】図２のの電極の部分の中点を基準に考え
る。進行波は後退波からなる屈曲振動波は、下記の式に
より表される。 Ａsin(ωt −kx) ＋Ａsin(ωt ＋kx) （１） ここで、（１）式は、定在波を示す。

【００１８】図２のの電極の部分の屈曲振動波は、下
記の式により表される。 Ｂsin(ωt −k(x ＋a)＋φ）＋Ｂsin(ωt ＋k(x ＋a)＋φ） （２） ここで、k ＝ω／ν＝２π／λ λ：波長 φ：に対する位相差角 （２）式において、 −ka＋φ＝απ ka＋φ＝βπ （３） とすると、（２）式は、 Ｂsin(ωt −kx＋απ）＋Ｂsin(ωt ＋kx＋βπ） （４） したがって、及びより励振される屈曲振動波は、
（１）式と（４）式を加えた形で表される。

【００１９】ここで、進行波の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が偶数で、
βが奇数のときとなる。ここで、（３）式より、 ａ＝ λ（β−α）／４ φ＝ π（α＋β）／２ （５） すなわち（α，β）＝（０，１），（２，３）のときに
は、 ａ＝ λ／４ φ＝ π／２ （α，β）＝（２，１）のときには、 ａ＝ −λ／４ φ＝ ３π／２ （α，β）＝（０，３）のときには、 ａ＝ ３λ／４ φ＝ ３π／２ となる。

【００２０】したがって、それぞれのａ及びφを満足す
るときには、進行波の成分のみが存在する。例えば、 ａ＝３λ／５、ｂ＝λ／２、φ＝３π／２ のときには、（１）式と（２）式の和は、 Ａsin(ωt −kx) ＋Ａsin(ωt ＋kx)＋Ｂsin(ωt −kx) −Ｂsin(ωt ＋kx) （６） ここで、駆動回路から出力される高周波電圧信号の振幅
Ａ及びＢが、 Ａ＝Ｂ ならば、（６）式は、 ２Ａsin(ωt −kx) となり、進行波の成分のみが残る。

【００２１】また、超音波モータを逆転させるには、後
退波の成分のみを残せばよい。したがって、（５）式の
αを奇数として、βを偶数とすれば良い。具体的には、
図２において、の部分を基準として考えれば、の部
分に加える信号の位相を超音波モータを正転駆動させる
場合に対して、その位相を１８０度ずらせば良い。

【００２２】図３は進行波型超音波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。振動体３０１
は、弾性部材により形成されている。振動体３０１に
は、圧電振動子が接着されているために屈曲振動が発生
する。ここで、振動体３０１に第２図の右方向への進行
波が発生すると、表面部の１点は左方向への楕円軌跡を
描く。ロータ部３０２は、進行波の波の進行方向とは逆
の方向に移動する。

【００２３】以上に記載した超音波モータの動作原理
は、例えば、「日経メカニカル（１９８５年９月２３日
号）」等に記載されている。図１は、本発明の超音波モ
ータの実施例の縦断面図である。中心軸１０１は、固定
台１０２の穴部１０２ａに固定する。中心軸１０１には
段付部１０１ａが形成してある。振動体部１０３の穴部
１０３ａを中心軸１０１の段付部１０１ａに密着固定す
る。 ここで、振動体部１０３の材料としては、ステン
レス、黄銅、ジュラルミン等の弾性材料を用いる。

【００２４】圧電振動子１０４は、少なくとも一枚以上
の中心に孔を形成した圧電セラミックスもしくは周方向
に分割された複数の圧電セラミックスである。圧電振動
子１０４は、周方向に複数の電極部を有し、分極処理さ
れている。圧電振動子１０４は、振動体部１０３の一方
の面に固定する。

【００２５】移動体１０５は、中心部に案内穴を有す
る。移動体１０５は、中心軸１０１を回転中心とする。
調圧機構は、バネ部材１０６、座金１０７及びストッパ
ー１０８等により構成する。調圧機構は、移動体１０５
と振動体部１０３を加圧する。調圧機構は、振動体部１
０３に発生する振動波を効率良く移動体１０５に伝達し
て移動体１０５を回転させるように所定の圧力に設定す
る。

【００２６】調圧機構の加圧力の調整は、板バネや十字
バネ等のバネ部材１０６の形状を変更しても良いし、座
金１０７の使用枚数を変更しても良い。調圧機構として
は、ＣリングやＥリングのストッパーを用いても良い
し、ダブルナットを用いても良い。さらに、調圧機構と
しては、ボールベアリングとコイルバネを用いてもよ
い。

【００２７】また、移動体１０５は、振動体部１０３の
半径方向に対しての最大振幅部近傍にで接触するような
構造となっている。振動体部１０３を薄い平らな弾性部
材により構成しても、振動体部１０３に励振された振動
波の成分は移動体１０５に均一に伝達される。

【００２８】なお、移動体１０５と振動体部１０３との
接触部には、図５の従来の構造に示される周方向に凹凸
となるようなくし歯状の変位拡大機構を設けることで、
モータの性能を向上させることもできる。本実施例の構
造をとることにより、振動体部１０３及び移動体１０５
の薄型化と小型化が実現できる。

【００２９】さらに、振動体部１０３の外周部を径方向
における最大の変位を発生する箇所とするため、超音波
モータを一次の振動モードで共振する駆動振動数で励振
させることもできる。この構成によれば、超音波モータ
を低い周波数で駆動することができ、発振回路及び駆動
回路の低消費電流化が実現できる。

【００３０】図６は、本発明の超音波モータの他の実施
例の縦断面図である。中心軸６０１は、固定台６０２に
固定する。振動体部６０３は、中心軸６０１により支持
される。圧電振動子６０４は、振動体部６０３の固定台
６０２より離れた方の面に固定する。

【００３１】圧電振動子６０４の外径は振動体部６０３
の外径より小さい。この構成によれば、圧電振動子６０
４の静電容量は小さくなり、低消費電流化が実現でき
る。圧電振動子６０４を薄くすると電界強度は強くな
り、低電圧で駆動できる。一方、圧電振動子６０４を薄
くすると静電容量は増加するので、圧電振動子６０４を
径小化すれば、低消費電流化に有効である。

【００３２】本実施例の調圧機構は、複数の永久磁石の
お互いの反発力を利用する。中心軸の外周にはネジ部を
設ける。ガイド部材６０７は、振動体部６０３を支持
し、移動体６０５の回転の案内をする。磁石部６０８と
磁石部６０９は、座金６１０を介して組み込む。ストッ
パー６１１は、磁石部６０９を磁石部６０８の方向に押
す。磁石部６０８と磁石部６０９は、互いの磁力により
反発する。移動体６０５は、磁石部６０８と磁石部６０
９の反発力により、振動体部６０３に所定の圧力で接触
する。

【００３３】図７は、本発明の超音波モータの実施例の
振動体部の径方向の挙動を示す図である。振動体部７０
２の中心部は、中心軸７０１に固定する。圧電振動子７
０３は、振動体部７０２の一方の面に固定する。振動体
部７０２は、外周部が最大の変位となるように、一次の
振動モードで動作する。

【００３４】図７（ａ）は、振動体部７０２と圧電振動
子７０３の外径が同等の構成を示す図である。振動体部
７０３と圧電振動子７０３は図の点線で示す形状に変形
する。この変形はほぼ円弧状である。図７（ｂ）は、振
動体部７０２の外径が圧電振動子７０３の外径より大き
いときの構成を示す図である。振動体部７０２の圧電振
動子７０３が固定してある部分はほぼ円弧状に変形す
る。振動体部７０２の圧電振動子７０３が固定してない
部分は直線状に変形する。振動体部７０２の圧電振動子
７０３が固定してない部分は、変位拡大機構となる。

【００３５】図７の（ａ）と図７の（ｂ）の変位を比較
すると、ＸａはＸｂより大きい。一方、超音波モータの
低消費電流化には、変位拡大機構を有する図７の（ｂ）
の構造が有効である。さらに、本発明の超音波モータの
構成は、振動体の半径方向に対して二次の振動モードで
励振しても同様である。

【００３６】図８は、本発明の超音波モータの実施例に
おけ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。図８については、振動体部１０３は黄銅で、振
動体部の周方向に３個の波を発生させた場合を示す。振
動体部に圧電振動子を固定した振動体の外径を横軸にと
り、機械的共振周波数を縦軸にとって示す。図のパラメ
ータは、振動体の厚みとして、０．２、０．４、０．６
及び０．８ｍｍの場合を図示する。

【００３７】振動体部１０３を中心部で支持し、振動体
部の外径を小さくすると、機械的共振周波数は増加す
る。したがって、機械的共振周波数はいわゆる超音波の
２０ｋＨｚ以上の低い値が低消費電力化には良い。この
ため、振動体部を薄くするとよいが、屈曲振動の状態や
割れの発生を考慮すると、０．１〜０．２ｍｍが良い。
このとき、振動体の外径を１０ｍｍとすると、振動体全
体の厚さは、０．３〜０．６ｍｍ位が良い。

【００３８】すなわち、振動体部１０３の厚さは圧電振
動子１０４の厚さと同等か少し厚いものが良い。振動体
の周方向に発生する屈曲振動波の波の数は、振動体が同
じ形状の構成においては、励振する波の数が増えると機
械的共振周波数は増加するので、波の数が２〜４が移動
体１０４を安定して回転させるために適切である。

【００３９】

【発明の効果】この発明は、以上説明したように、固定
台に固定された中心軸の段付部に密着固定されている振
動体部と、振動体部に固定された圧電振動子と、振動体
部の半径方向に対しての最大振幅部近傍に加圧接触する
移動体とを有する構成としたので、以下の効果を有す
る。 （１）超音波モータの小型化が図れる。 （２）超音波モータが薄くできる。 （３）超音波モータの効率が高くできる。 （４）振動体部が中心軸の段付部に密着固定されている
ので、振動体部の取りつけの傾きがほとんどなく、しか
も、強固に固定することができる。従って、超音波モー
タの精密機器分野への適用が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる超音波モータの第一実施例の縦
断面図である。

【図２】超音波モータの進行波の発生の原理図である。

【図３】進行波型超音波モータの回転原理図である。

【図４】従来の超音波モータの縦断面図（１）である。

【図５】従来の超音波モータの縦断面図（２）である。

【図６】本発明にかかる超音波モータの第二実施例の縦
断面図である。

【図７】本発明にかかる超音波モータの振動体部の径方
向の挙動を示す図である。

【図８】本発明にかかる超音波モータの振動体の形状と
機械的共振周波数の関係を示す図である。

【符号の説明】

１０１ 中心軸 １０２ 固定台 １０３ 振動体部 １０４ 圧電振動子 １０５ 移動体 １０６ バネ部材 １０７ 座金 １０８ ストッパー

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電振動子の伸縮運動を利用した振動波
   により移動体を摩擦駆動させる超音波モータにおいて、 超音波モータを固定するための固定台（１０２）と、 外径の異なる太軸部（１０１ｂ）と細軸部（１０１ｃ）
   の少なくとも２個以上の軸部を形成し、太軸部（１０１
   ｂ）を固定台（１０２）に固定した中心軸（１０１）
   と、 中心穴（１０３ａ）を有し、中心穴（１０３ａ）を中心
   軸（１０１）の細軸部（１０１ｃ）に固定し、しかも、
   中心軸（１０１）の太軸部（１０１ｂ）と細軸部（１０
   １ｃ）の間の段付部（１０１ａ）に中心穴（１０３ａ）
   近傍の一方の面を密着して固定した振動体部（１０３）
   と、 振動体部（１０３）の一方の面に固定した圧電振動子
   （１０４）と、 中心軸（１０１）を回転案内とし振動体部（１０３）の
   半径方向に対しての最大振幅部近傍に加圧接触する移動
   体（１０５）と、 振動体部（１０３）と移動体（１０５）とを加圧する加
   圧手段（１０６）と、を有することを特徴とする超音波
   モータ。
2. 【請求項２】 圧電振動子の伸縮運動を利用した振動波
   により移動体を摩擦駆動させる超音波モータにおいて、 超音波モータを固定するための固定台（６０２）と、 外径の異なる太軸部（６０１ｂ）と細軸部（６０１ｃ）
   の少なくとも２個以上の軸部を形成し、太軸部（６０１
   ｂ）を固定台（６０２）に固定した中心軸（６０１）
   と、 中心穴（６０３ａ）を有し、中心穴（６０３ａ）を中心
   軸（６０１）の細軸部（６０１ｃ）に固定し、しかも、
   中心軸（６０１）の太軸部（６０１ｂ）と細軸部（６０
   １ｃ）の間の段付部（６０１ａ）に中心穴（６０３ａ）
   近傍の一方の面を密着して固定した振動体部（６０３）
   と、 振動体部（６０３）の一方の面に固定した圧電振動子
   （６０４）と、 中心穴（６０７ａ）を有し、中心穴（６０７ａ）を中心
   軸（６０１）の細軸部（６０１ｃ）に固定し、一方の端
   面が振動体部（６０３）と接触するガイド部材（６０
   ７）と、 振動体部（６０３）の半径方向に対しての最大振幅部近
   傍に加圧接触する移動体（６０５）と、 振動体部（６０３）と移動体（６０５）とを加圧する加
   圧手段（６０８、６０９）と、を有することを特徴とす
   る超音波モータ。
3. 【請求項３】 ガイド部材（６０７）を回転案内とし振
   動体部（６０３）の半径方向に対しての最大振幅部近傍
   に加圧接触する移動体（６０５）を有する請求項２記載
   の超音波モータ。