JPH06233561A - 超音波モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】安定した回転特性を有する、安価で小型な超音
波モータを提供することを目的とする。 【構成】圧電素子４，５と、該圧電素子４，５を挟み込
む２つの共振器９，１８と、上記圧電素子４，５および
共振器９，１８を、重合方向に圧着固定する締結部材３
とからなり、上記圧電素子４，５に交流電圧を印加する
ことにより、締結部材３周りに回転する屈曲振動を発生
する超音波振動子１１と、上記共振器９に圧接してお
り、該共振器９の端面に生じる楕円振動により該共振器
９に対して駆動される回転子１３と、この回転子１３に
固着し、着磁した磁石３４と、この磁石３４との相互作
用により電気信号を発生するボビン３５とを具備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波モータ、詳しく
は、電気−機械エネルギー変換素子より発生する振動を
利用して回転する超音波モータする超音波モータに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、モータ出力を常に最適な状態にな
るように制御された超音波モータは種々のものが知られ
ており、たとえば、特開平3-289375号公報には、超音波
振動子の振動状態を、圧電素子において発生する電圧
値，位相差等によって判定し、超音波モータ出力が最適
な状態になるように駆動電圧の周波数を変更する技術手
段が開示されている。

【０００３】図６は、上記従来の超音波モータの１例を
示した斜視図であり、また、図７は、該超音波モータの
最適駆動周波数特性を示した線図である。

【０００４】図６に示すように、この超音波モータは電
気機械エネルギー変換素子として、中心を通り２分割さ
れた分極方向が反転している圧電素子１０３，１０４を
用いている。これら圧電素子１０３，１０４は、その分
極境界線ｄが互いに９０゜ずれる方向に配置されてい
る。また、圧電素子１０９は上記圧電素子１０３，１０
４と同形状で分極方向も２分割されている。これらの圧
電素子１０３，１０４，１０９と電極板１０５，１１
０，１１１および絶縁板１１２とを金属円筒１０２とホ
ーンとを有する金属円筒１０１との間に挟み、中心を締
結部材であるボルト１０６で圧着固定し、超音波振動子
を形成している。さらに、上記金属円筒１０１のホーン
の部分にはロータ１０８が設置されている。

【０００５】上記圧電素子１０３，１０４に対して互い
に位相が９０°ずれた正弦波電圧を印加すると、超音波
振動子に屈曲振動が発生してロータ１０８が回転する。
この超音波振動子の振動状態は圧電素子１０９において
発生する電圧値、位相差によって判定され、モータ出力
が最適な状態になるように駆動電圧の周波数を変更する
（図７参照）。

【０００６】さらに、図８に示すように、該超音波モー
タは、上記ロータ１０８と同軸的に接合されたギヤー１
２８で回転出力をギヤー１２９に伝達するようになって
いる。そして、光学式エンコーダスリット板１３１が上
記ギヤー１２９と同軸に配置され、フォトカプラ１３２
で上記ロータ１０８の回転位置，回転速度を検出するよ
うになっている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、上記
従来例ではロータの回転位置、回転速度を検出するため
に、光学式エンコーダスリット板を用いている。このよ
うな従来技術では、回転検出器はロータと同軸に構成す
ることが困難であり、超音波モータの小型化を阻害して
いる。またロータと同軸の負荷を駆動する場合には使用
できない虞もあった。

【０００８】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであり、安定した回転特性を有する、安価で小型な超
音波モータを提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明による超音波モータは、電気−エネルギー変
換素子と、該電気−機械エネルギー変換素子を挟み込む
２つの共振器と、上記電気−機械エネルギー変換素子お
よび共振器を重合方向に圧着固定する締結部材とからな
り、上記電気−機械エネルギー変換素子に交流電圧を印
加することにより、該締結部材周りに回転する屈曲振動
を発生する振動子と、上記共振器に圧接しており、該共
振器の端面に生じる楕円振動により該共振器に対して駆
動される移動子と、この移動子と連動して移動する、着
磁された磁性体と、この磁性体との相互作用により電気
信号を発生する磁気−電気変換素子とを具備するもので
ある。

【００１０】

【作用】本発明においては、上記電気−機械エネルギー
変換素子に交流電圧を印加して振動子に締結部材周りに
回転する屈曲振動を発生させる。そして、上記屈曲振動
の発生によって共振器の端面に楕円振動が生じ、移動子
が駆動される。このとき、磁気−電気変換素子では、該
移動子と連動して移動する着磁した磁性体との相互作用
により電気信号を発生する。

【００１１】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。

【００１２】図１は、本発明の第１実施例である超音波
モータの各構成部を示した分解斜視図であり、また、図
２は、該超音波モータを中心軸より一側方側のみを断面
で示した側断面図である。

【００１３】この第１実施例では電気−機械エネルギー
変換素子として、中心部に円形中空部を有する環状を呈
し、電圧印加面に銀蒸着を施した２つの圧電素子、すな
わち第１の圧電素子４と第２の圧電素子５とを具備して
いる。この第１および第２の圧電素子４，５は共にすべ
り振動子であって、図中、矢印で示すように中心軸に対
して垂直な方向に分極されている。また、該第１の圧電
素子４および第２の圧電素子５は、その分極方向が互い
に９０゜ずれるように後述する締結部材３に同軸上に重
合して配置されている。

【００１４】さらに、上記第１の圧電素子４は上方に
は、該圧電素子４と同等な形状を呈する電極板６が、ま
た、該第１の圧電素子４と第２の圧電素子５との間には
上記電極板６と同等な形状を有する電極板８が、さら
に、第２の圧電素子５の下方には同様な形状を有する電
極板７が、それぞれ図示のごとく、第１および第２の圧
電素子４，５を挟装して上記締結部材３に同軸上に重合
して配置されている。なお、上記電極板６と電極板７と
には互いに位相が９０°ずれた共振周波数付近の正弦波
電圧が図示しない駆動回路から印加され、一方、電極板
８はアースに接続されている。

【００１５】上記電極板６の一端面側（図中、上方側）
には 振動伝達に優れた材質、たとえば、アルミ合金，
ステンレス，リン青銅，ジュラルミン，チタン合金等で
構成された第１の共振器が上記締結部材３に同軸上に配
置されている。該第１の共振器は、後述する中空部１２
内に配設されたナット２２によって下方に向けて押圧さ
れ上記電極板６の一端面に当接するようになっている。
本第１実施例では該第１の共振器の材質として、ＳＵＳ
４４０Ｃを熱処理して硬度をＨｖ８００以上にしたもの
を使用している。なお、該第１の共振器の底面、すなわ
ち、上記電極板６との接触面には図示しない絶縁部材が
薄膜状に形成されている。

【００１６】上記第１の共振器上部は、該第１の共振器
上部端面、すなわち、超音波振動子１１の上部端面より
下方に向けて逆円錐形状の中空部１２が形成されてい
て、該超音波振動子１１が振動した際に該第１の共振器
の上部端面が締結部材３と接触しないようになってい
る。また、該第１の共振器下部中心部には締結部材３が
貫通する貫通孔１０が穿設されている。

【００１７】さらに、上記第１の共振器は、上記中空部
１２によって形成される外周側部において、中心軸に平
行に該外周側部を８等分する８本の溝１４が形成され、
これにより、８個の変位拡大振動片１５が形成されてい
る。また、該外周側面の屈曲振動の節となる部分と上記
変位拡大振動片１５の根元となる付近とには、それぞれ
所定深さを有する溝１６，溝１７が外周と同芯円形状に
刻設されている。

【００１８】上記第１の共振器上部端面、すなわち、超
音波振動子１１の端面側には回転子１３が、ベアリング
４２を介して締結部材３に回動自在に支持されている。
この回転子１３は後述する押圧機構によって、その底面
が上記第１の共振器上部端面に当接されている。本実施
例では、上記押圧機構として皿ばね２３をナット２４に
よって圧着量を可変できる押圧機構を採用している。な
お、上記回転子１３は、たとえばアルミ合金材で構成さ
れ、さらに底面側の摺動部にはシュウ酸アルマイト等に
よる処理が施されている。また、該回転子１３の超音波
振動子１１との接触部近傍には、薄肉バネフランジ部２
５が２箇所形成され、該回転子１３の接触部の固有振動
数を超音波振動子１１の駆動周波数よりも高くしてい
る。

【００１９】上記回転子１３の底面には、中心部に円形
の中空部を有した環状を呈し、さらに等分に４極に着磁
された磁性体である磁石３４が該回転子１３と同軸にな
るように接着されている。また、該磁石３４の下方に
は、中心部に略円形の中空部を有した環状基板３５ａ上
に、４等分されて４つの扇柱形状を呈するコイル用コア
３５ｂを垂設した磁気−電気変換素子であるボビン３５
が同軸上に配置されている。この上記環状基板３５ａの
中空部内周面にはねじ部が螺刻形成されていて、締結部
材３における上部ねじ部と螺合し固定支持されるように
なっている。さらに、上記４つのコイル用コア３５ｂに
は同一導線３６が巡に巻装されコイルを形成している。
また、該導線３６の端部は図示しない超音波モータ駆動
制御部に接続されていて、該コイルにおいて発生する誘
導電位を導くようになっている。なお、上記ボビン３５
のコイルは、着磁された磁性体である上記磁石３４の着
磁ピッチと同一ピッチの誘導起電力を発生するようにな
っている。

【００２０】上記第１および第２の圧電素子４，５の下
方であって、上記電極板７下端面側には上記第１の共振
器と同材質で構成される第２の共振器が配設されてい
る。この第２の共振器の中心部には上記締結部材３と結
合するねじ部１９が螺刻形成されていて、該締結部材３
における下部ねじ部と螺合するようになっている。ま
た、上記第２の共振器外周面は図中、下方に向けてテー
パー２０が形成されていて、さらに、該第２の共振器下
部突端には中心軸周りに突出部２１が形成され、外部の
固定部材との接触面積を少なくしている。

【００２１】ところで、本実施例では上述した各構成部
のうち、まず、上記第１の圧電素子４、第２の圧電素子
５、電極板６，７，８、第１の共振器を、図１および図
２に示す如く上下部にそれぞれねじ部を有する締結部材
３に貫通させる。そして、該各構成部を締結部材３の下
部ねじ部において上記第２の共振器と圧着ナット２２間
に挟み、該各構成部材間にエポキシ系接着剤を塗布後、
圧着し、接着剤を硬化させ超音波振動子１１を構成す
る。なお、上記締結部材３は絶縁部材、たとえばセラミ
ック材で構成されていて、第１の共振器と第２の共振器
とは絶縁状態を保つようになっている。

【００２２】一方、下部ねじ部で超音波振動子１１を圧
着構成した上記締結部材３の上部ねじ部に上記回転子１
３を上述したようにベアリング４２を介して回動自在に
支持し、さらに上記押圧機構によって上記第１の共振器
に当接させる。また、該回転子１３の底面側に接着固定
された上記磁石３４の下方近傍に上記ボビン３５を配
し、締結部材３に螺合して固定する次に、本第１実施例
の作用について説明する。

【００２３】上記第１および第２の圧電素子４，５に互
いに位相が９０°ずれた共振周波数付近の正弦波駆動電
圧を印加する。これにより超音波振動子１１に中心軸の
周りに回転する屈曲振動が発生する。よって、該超音波
振動子１１の上端面、すなわち第１の共振器の上端面に
は中心軸周りに回転する楕円運動が発生し、押圧設置さ
れた回転子１３が回転する。ここで、上記第１および第
２の圧電素子４，５に印加する駆動電圧の位相を１８０
゜ずらすと、超音波振動子１１に逆回転の楕円運動が発
生し、回転子は逆回転することになる。

【００２４】上記回転子１３と連動して回転する磁石３
４により、該磁石３４の近傍に配置されたボビン３５の
コイルに鎖交する磁束が変化し、該コイルには回転子１
３の回転速度に比例した誘導電圧が発生する。発生する
誘導電圧は交番電圧となり、その周波数はまた回転速度
に比例することになる。そして、この生じた誘導電圧を
図示しない超音波モータの駆動制御部で受け、所定の処
理が行われるようになっている。

【００２５】この第１実施例によると、磁気−電気変換
素子を磁性体の着磁ピッチと同一ピッチの誘導起電力発
生部をもつコイルとすることで、超音波モータに内蔵可
能な小型な回転検出器を構成することができ、また、コ
イルは安価に製作可能であるため、超音波モータの回転
速度の安定化と同時に低コスト化を図ることが可能とな
る。

【００２６】次に、本発明の第２実施例について説明す
る。

【００２７】図３は、上記第２実施例の超音波モータの
各構成部を示した分解斜視図である。

【００２８】この第２実施例は、磁気−電気変換素子と
して、磁性体の着磁ピッチと同一ピッチの誘導起電力発
生部を有する導体を採用した実施例であり、上記第１実
施例に対して磁気−電気変換素子のみが異なる構成を成
している。したがって、上記第１実施例と異なる部位の
みを説明し、その他の構成・作用の説明は省略する。

【００２９】この第２実施例は、着磁された磁性体とし
て上記第１実施例と同様な永久磁石３４’を用いてい
る。なお、この磁石３４’は、上記第１実施例と同様に
回転子１３の底面側に固着されている。一方、誘導起電
力発生部となる導体３７は、印刷配線板３８上に形成さ
れている。また、引き出し線３９が導体３７の両端に接
続され、さらに、該引き出し線３９の他端は図示しない
超音波モータの駆動制御部に導かれている。

【００３０】この第２実施例では、回転子１３に固着さ
れ、該回転子１３と同時に回転する磁石３４’により、
導体３７に鎖交する磁束が変化し、該導体３７には該回
転子１３の回転速度に比例した誘導電圧が発生する。そ
して、上記導体３７は上記磁石３４の着磁ピッチと同一
の繰り返しピッチで形成されているため、発生する誘導
電圧は、導体３７全周にわたり加え合わせられ大きな振
幅の電圧として引き出し線３９より上記駆動制御部にへ
取り出される。

【００３１】この第２実施例によると、誘導起電力発生
部を一般の印刷配線板と同様の製造方法で製造すること
ができ、大量生産に適し安価に製造できる。また小ピッ
チ、多極化が容易であるため、発生する誘導電圧の周波
数を高くすることが可能で、脈動のない滑らかな回転速
度の制御が実現できる。

【００３２】次に、本発明の第３実施例について説明す
る。

【００３３】図４は、上記第３実施例の超音波モータの
各構成部を示した分解斜視図である。

【００３４】この第３実施例は、磁気−電気変換素子と
して、ホール素子を採用した実施例であり、上記第１実
施例に対して磁気−電気変換素子のみが異なる構成を成
している。したがって、上記第１実施例と異なる該磁気
−電気変換素子部のみを説明し、その他の構成・作用の
説明は省略する。

【００３５】この第３実施例は、着磁された磁性体とし
て上記第１実施例と同様な永久磁石３４を用いている。
なお、この磁石３４は、上記第１実施例と同様に回転子
１３の底面側に固着されている。一方、回転信号発生部
となるホール素子４０は、印刷配線板３８上に装着され
ている。また、引き出し線３９’が上記ホール素子４０
の所定の端子に接続され、さらに、該引き出し線３９’
の他端は図示しない超音波モータの駆動制御部に導かれ
ている。なお、本第３実施例では上記引き出し線３９’
としてフレキシブル印刷配線板を使用している。

【００３６】この第３実施例では、回転子１３に固着さ
れ、該回転子１３と連動して回転する磁石３４により、
ホール素子４０に鎖交する磁束が変化し、該ホール素子
４０には該回転子１３の回転速度に比例した周波数の電
圧変化が発生する。そして、発生した電圧変化は引き出
し線３９’により図示しない超音波モータの駆動制御部
に導かれるようになっている。なお、該ホール素子４０
に供給されるホール電流も、上記引き出し線３９’を介
してホール素子４０に供給されるようになっている。

【００３７】この第３実施例では、ホール効果を利用し
ているため、回転子が停止している状態でも磁束を検出
することが可能であり、回転子の速度のみではなく位置
も検出することが可能となる。また、信号引き出し線を
フレキシブル印刷配線板で構成したため、信号線の本数
が多くても微小なスペースに配線することが可能で、超
音波モータの小型化に適している。

【００３８】次に、本発明の第４実施例について説明す
る。

【００３９】図５は、上記第４実施例の超音波モータの
各構成部を示した分解斜視図である。

【００４０】この第４実施例は、磁気−電気変換素子と
して、磁気抵抗素子を採用した実施例であり、上記第１
実施例に対して磁気−電気変換素子のみが異なる構成を
成している。したがって、上記第１実施例と異なる部位
のみを説明し、その他の構成・作用の説明は省略する。

【００４１】この第４実施例は、着磁された磁性体とし
て上記第１実施例と同様な永久磁石３４’を用いてい
る。なお、この磁石３４’は、上記第１実施例と同様に
回転子１３の底面側に固着されている。また、回転信号
発生部となる磁気抵抗素子４１は、印刷配線板３８上に
装着されている。また、引き出し線３９が上記磁気抵抗
素子４１の所定の端子に接続され、さらに、該引き出し
線３９の他端は図示しない超音波モータの駆動制御部に
導かれている。

【００４２】この第４実施例は、回転子１３に固着さ
れ、該回転子１３と連動して回転する磁石３４’によ
り、磁気抵抗素子４１に鎖交する磁束が変化し、該磁気
抵抗素子４１には該回転子１３の回転速度に比例した周
波数の成分を含む抵抗値の変化が発生する。発生した抵
抗値変化は、引き出し線３９より図示しない駆動制御部
へ取り出され、信号処理回路（図示しない）により、回
転速度に比例した周波数の電圧信号に変換されるように
なっている。

【００４３】この第４実施例によると、磁気抵抗効果を
利用しているため、回転子が停止している状態でも磁束
を検出することが可能であり、回転子の速度のみではな
く位置も検出することが可能となる。また、信号引き出
し線は、磁気抵抗素子１個について２本で済み微小なス
ペースに配線することが可能で、超音波モータの小型化
に適している。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、安
定した回転特性を有する、安価で小型な超音波モータを
提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例である超音波モータの各構
成部を示した分解斜視図である。

【図２】上記第１実施例の該超音波モータを中心軸より
一側方側のみを断面で示した側断面図である。

【図３】本発明の第２実施例である超音波モータの各構
成部を示した分解斜視図である。

【図４】本発明の第３実施例である超音波モータの各構
成部を示した分解斜視図である。

【図５】本発明の第４実施例である超音波モータの各構
成部を示した分解斜視図である。

【図６】従来の超音波モータの１例を示した分解斜視図
である。

【図７】上記図６に示した超音波モータの最適駆動周波
数特性を示した線図である。

【図８】上記図６に示した超音波モータにおけるロータ
の回転位置，回転速度検出機構を示したシステム図であ
る。

【符号の説明】

３…締結部材 ４…第１の圧電素子 ５…第２の圧電素子 ６，７，８…電極板 ９…第１の共振器 １１…超音波振動子 １２…中空部 １３…回転子 １５…変位拡大振動片 １８…第２の共振器 ３４…磁石 ３５…ボビン ３６…導線

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電気−エネルギー変換素子と、該電気−機
   械エネルギー変換素子を挟み込む２つの共振器と、上記
   電気−機械エネルギー変換素子および共振器を重合方向
   に圧着固定する締結部材とからなり、上記電気−機械エ
   ネルギー変換素子に交流電圧を印加することにより上記
   締結部材周りに回転する屈曲振動を発生する振動子と、 上記共振器に圧接しており、該共振器の端面に生じる楕
   円振動により該共振器に対して駆動される移動子と、 この移動子と連動して移動する、着磁された磁性体と、 この磁性体との相互作用により電気信号を発生する磁気
   −電気変換素子と、 を具備したことを特徴とする超音波モータ。