JPH0678568A

JPH0678568A - 超音波モータ

Info

Publication number: JPH0678568A
Application number: JP4223029A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Imabayashi; 浩之今林; Katsuhiro Wakabayashi; 勝裕若林
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1992-08-21
Filing date: 1992-08-21
Publication date: 1994-03-18

Abstract

(57)【要約】【目的】被駆動部材からの振動漏れを反射により抑制
して、この反射された振動を上記被駆動部材の駆動に利
用することで、安定して高出力の得られる超音波モータ
を提供する。【構成】上部共振器４と下部共振器５とで圧電素子
８，９を挟み込んで形成した超音波振動子２と、その上
端面に圧接された回転子６とを有する超音波モータ１に
おいて、この回転子６は、アルミニウム合金を用いて比
較的厚みのあるリング状に形成された回転子本体６ａ
と、その径方向の内側に配置された、アルミニウム合金
よりも音響インピーダンスが低い高分子材料によって形
成された、略円筒体の振動絶縁部材２８と、さらにその
内方に配置されたベアリング２７と有していて、上記超
音波振動子２から回転子本体６ａに伝播した超音波振動
が、振動絶縁部材２８との音響インピーダンスの差によ
り、ベアリング２７等を介して締結部材７やさらにはそ
の外部に漏洩することがないように構成した。

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、振動発生手段より発生する振動を利用して、回転動
力を得る超音波モータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、振動発生手段より発生する振動を
利用して回転動力を得る超音波モータは種々提案されて
いて、例えば特開平４−９１６７２号公報にもその一例
が開示されている。該公報に示されている超音波モータ
は、ランジュバン型超音波振動子を有していて、この振
動子の第１，第２の圧電素子に、位相が９０度ずれた正
弦波電圧をそれぞれ印加して、中心軸周りに回転する屈
曲振動を発生させている。そして、この屈曲振動によっ
て、超音波振動子の端面に配置された被駆動部材である
移動体を回転させるようになっている。

【０００３】上記移動体には、超音波振動子からの振動
を効率よく受けるために溝が形成され、超音波振動子と
該移動体との接触状態を均一にして、不要なエネルギー
損失を抑制し、超音波モータの効率を向上させるように
構成している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の超音波モータでは、移動体を駆動するための超音波
振動が該移動体を通過してしまい、支軸や出力取出手段
や移動体押圧手段等に伝播するなどして、振動エネルギ
ーが外部に漏れるという問題点が発生している。

【０００５】そして、このような振動エネルギーの外部
漏れ損失によって、移動体から得られる出力が低下した
り、他の構成部材が不用に振動したり、設置されたねじ
が緩んだりする不具合が生じている。

【０００６】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであり、被駆動部材からの振動漏れを抑制して、安定
した出力の得られる超音波モータを提供することを目的
としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】一般に図８に示すよう
に、媒質１から媒質２へ超音波振動が垂直入射する場
合、上記媒質の各々の音響インピーダンスをＺ₁，Ｚ₂
とすれば、媒質１と媒質２の境界面における音圧反射率
Ｒは、Ｒ＝（Ｚ₂−Ｚ₁）／（Ｚ₁＋Ｚ₂）と表され、媒質１と媒質２の音響インピーダンスの差が
大きいほど、超音波振動の反射が大きくなり、透過する
量が低下することが知られている。

【０００８】本発明はこのような原理に基づいてなされ
たものであって、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、位置的に９０度ずれて配置され
た第１，第２の電気−機械エネルギー変換素子に９０度
位相がずれた正弦波電圧をそれぞれ印加することにより
屈曲振動を中心軸を中心に回転させる超音波振動子と、
この振動子のいずれか一方の端面に配置された被駆動部
材と、この被駆動部材の少なくとも内部または外部の一
部に設けられ該被駆動部材と音響インピーダンスが異な
る振動絶縁部材とを具備したことを特徴とする。

【０００９】

【作用】被駆動部材とは音響インピーダンスが異なる振
動絶縁部材を設けることで、振動絶縁部材と被駆動部材
の接触境界面において超音波振動が反射されて、ほぼ被
駆動部材にだけ超音波振動が介在するようになり、該被
駆動部材からは超音波振動は漏洩しない。

【００１０】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。図１は本発明の第１実施例を示す超音波モータの
側面図であって、左半部を断面で表している。また、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、電圧印加面に銀蒸着された圧電素子を用いている。

【００１１】この超音波モータ１は、超音波振動子２
と、同超音波振動子２の上側面に圧接された、被駆動部
材である回転子６とで、その主要部が構成されており、
該超音波振動子２は、源振動を発生する発振子３と、同
発振子３の上端面側に配設した上部共振器４と、下端面
側に配設した下部共振器５とを締結部材７に貫通させ接
合して構成されている。

【００１２】上記発振子３は、厚み方向に重合して配置
されたドーナツ形状の第１圧電素子８と第２圧電素子９
とを有している。この圧電素子８，９は、図２に示すよ
うに、それぞれ半円形の分極領域８ａ，８ｂと９ａ，９
ｂとに分割されており、圧電素子８の有する分極領域の
境界線８ｃと、圧電素子９の有する分極領域の境界線９
ｃとは互いに９０度ずれるように配置されている。一
方、上記分極領域８ａと８ｂの分極方向は、互いに反転
するように分極されていて、例えば領域８ａは上向き
（矢印Ｍ１）、領域８ｂは下向き（矢印Ｍ２）に分極さ
れている。圧電素子９も同様に、領域９ａは下向き（矢
印Ｍ２）、領域９ｂは上向き（矢印Ｍ１）に分極されて
いる。

【００１３】また図１に示すように、第１圧電素子８と
上部共振器４，第２圧電素子９と下部共振器５の間に
は、それぞれフレキシブル基板により構成された電極板
１１，１３が挟み込まれていて、これらの電極板１１，
１３には、互いに位相が９０度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それぞれ印加さ
れるようになっている。一方、第１圧電素子８と第２圧
電素子９との間にもフレキシブル基板により構成された
電極板１２が挟み込まれ、この電極板１２には接地端子
が接続されて接地されるようになっている。

【００１４】上記上部共振器４は、外径が上記発振子３
と同径の有底の短円筒体で形成され、下方の同発振子３
側の基底部に中心軸孔１５が設けられている。この中心
軸孔１５の内周面には、支軸である締結部材５と締結す
るための雌ねじが螺刻されている。また、上部共振器４
の上端面から下方の発振子３の方向に向けて、この上部
共振器４の内部が締結部材１５と接触しないように、カ
ップ状の凹部１６が形成されている。さらに、上部共振
器４の外周面には、剛性を低下させるための複数の周溝
１８がほぼ等間隔位置に形成されていて、特に回転子６
との端面に最も近い周溝１８ａは深く刻設されて薄肉の
フランジ部１９を形成し、接触端面部２０がばね特性を
有するように構成されている。

【００１５】一方、発振子３の下端面側に配置される下
部共振器５は、外周面に下向きのテーパ５ａが形成さ
れ、その下端部が圧着ナット２２と線接触するようにな
っている。なお、この下部共振器５に設けられている中
心軸孔５ｂは、上記締結部材７の径より少し大きい径に
形成されていて、該下部共振器５が締結部材７とは直接
接触しないようにされている。

【００１６】そして、上部共振器４は振動伝達に優れた
材質（アルミニウム合金，ステンレス，リン青銅，ジュ
ラルミン，チタン合金等）で形成されていて、この第１
実施例ではＳＵＳ４４０Ｃを熱処理して、硬度をＨｖ８
００以上にしている。また、下部共振器５も上記上部共
振器４と同様に振動伝達に優れた材質で形成され、本実
施例ではＳ４５Ｃを用いている。

【００１７】なお、これら上部共振器４と下部共振器５
は、回転子６と接触する部分と圧着ナット２２と接触す
る部分以外には絶縁処理（絶縁被覆）が施されている。

【００１８】上述したような発振子３と上部，下部共振
器４，５とで構成される超音波振動子２は、以下に述べ
る手順で組み立てられる。まず、各構成部材の接着面に
エポキシ系接着剤を塗布後、第１圧電素子８と第２圧電
素子９と電極板１１，１２，１３と下部共振器５とを、
ボルトで構成された締結部材５に挿通しておく。そし
て、上部共振器４を上方から、圧着ナット２２を下方か
ら締結部材７にねじ込み、この両者間に上記圧電素子
８，９と電極板１１，１２，１３と下部共振器５とを挟
み込んで圧着し、接着剤を硬化させて超音波振動子２を
構成する。

【００１９】上述のように締結部材７は、超音波振動子
２を圧着固定するようになっているとともに、押圧手段
を有する回転子６をも支持するようになっている。この
第１実施例では該押圧手段は、ばね台座２３上にコイル
ばね２４を載置し、その上からナット２５をねじ込ん
で、同ナット２５のねじ込み量によって圧着量を可変で
きるように構成している。

【００２０】上記回転子６は、比較的厚みのあるリング
形状に形成された、内周面下部に内向きの凸部６ｂを有
する回転子本体６ａと、この内方に配置された振動絶縁
部材２８と、回転子取付用のベアリング２７とで構成さ
れていて、このベアリング２７により上記締結部材７に
回動自在に支持されるようになっている。そして、上記
振動絶縁部材２８を介して設けられている回転子本体６
ａとベアリング２７とは、直接には接触しないようにな
っている。

【００２１】上記振動絶縁部材２８は、上記回転子６と
同じ軸方向の長さを持つ略短円筒体に形成されていて、
その周面下部には上記回転子６の凸部６ｂに対応した凹
部２８ｃが、また内周面の軸方向中央部にはベアリング
取付用の段状凹部２８ｂが、さらに上端部の内方には上
記ばね台座２３と接触しないように内方下部に向けてテ
ーパ面２８ａがそれぞれ形成されている。

【００２２】この実施例の回転子本体６ａは、アルミニ
ウム合金で形成されていて、その表面にはシュウ酸アル
マイト被膜が形成されて耐摩耗性を向上させている。

【００２３】また、上記振動絶縁部材２８は、上記回転
子本体６ａを形成するアルミニウム合金よりも音響イン
ピーダンスが低い、高分子材料により形成されている。
このような高分子材料としては、例えば、ナイロン樹
脂，ポリカーボネート樹脂，ウレタン樹脂，ポリイミド
樹脂，アラミド樹脂，ＰＰＳ樹脂，アクリル樹脂，塩化
ビニール樹脂，ポリアセタール樹脂，エポキシ樹脂等が
ある。

【００２４】このように構成された第１実施例の作用を
説明する。上記電極１１，１３に互いに位相が９０度ず
れた正弦波電圧を印加すると、超音波振動子２の下端部
が固定端となっているために、図３に示すように、この
下端部を節とし、超音波振動子２の上端面が腹となる３
次モードの屈曲振動が発生する。この屈曲運動は、第１
圧電素子８と第２圧電素子９とがその電極境界線を互い
に９０度ずらして配置されていることにより、振動子の
中心軸を中心として回転する円を含む楕円振動となる。
この上部共振器４によって増幅された楕円振動によって
超音波振動子２に押圧された回転子６が回転する。

【００２５】なお、電極１１と１３とに加えられる正弦
波電圧の位相差をさらに１８０度ずらして、これら正弦
波電圧間の位相差を２７０度にすると、超音波振動子２
に生じる楕円振動の回転方向が逆転して、回転子６を逆
方向に回転させることができる。

【００２６】回転子６の内部に設けられた、高分子材料
により形成されている振動絶縁部材２８は、上述のよう
にベアリング２７と回転子本体６ａとの間に設置されて
いて、超音波振動子からの振動が回転子本体６ａにのみ
伝達され、ベアリング２７や支軸である締結部材７に伝
達しない役目をしている。

【００２７】振動波が音響インピーダンスの不連続の境
界面に到達すると、その境界面で必ず反射が生じ、透過
波面のエネルギーの一部があたかも、その不連続境界面
を新たな出発点とするように再配分される。このとき、
透過する振動波を極力少なくし、反射する振動波を大き
くするために、回転子本体６ａとは音響インピーダンス
の差が大きく異なる振動絶縁部材２８を用いている。

【００２８】この実施例の場合、アルミニウム合金の音
響インピーダンスは約２０Ｎｓｍ^-3であるのに対し、高
分子材料の音響インピーダンスは約１．５〜４Ｎｓｍ^-3
とかなり低く、約６〜９割の超音波振動が反射される。

【００２９】このような第１実施例によれば、音響イン
ピーダンスの異なる振動絶縁部材を回転子に設置するこ
とによって、超音波振動子からの超音波振動が外部に伝
達されることなく、ほぼ回転子の駆動のためにのみ使用
されるため、モータ出力を安定化，高出力化することが
できる。また、外部に振動が漏れないために、その他の
構成部材が不用な振動で緩んだり、びびり音（共鳴等に
より不用な振動が発生するときに出る音）を発生したり
することはない。

【００３０】次に、上記第１実施例の変形例における超
音波モータの、要部を拡大して図４に示す。この変形例
の回転子本体３１は、上記第１実施例の回転子本体６ａ
とほぼ同様に構成されているが、それよりもやや薄肉に
形成されている。そして、高分子材料でやや薄肉の略円
筒体に形成された振動絶縁部材３２が、上記回転子本体
３１の径方向の内側に配設されていて、その内周面の下
端部には薄肉の内向フランジ部３２ａを突設させてお
り、このフランジ部３２ａの内方上部に形成された段状
凹部３２ｂによりベアリング２７に取り付けられるよう
になっている。なお、該振動絶縁部材３２は、その内周
の径がばね台座２３のフランジ部の径よりも大きくなる
ように構成されているため、第１実施例で形成されてい
たテーパ面は設けられていない。

【００３１】このように構成された第１実施例の変形例
の作用は、上記第１実施例とほぼ同様である。

【００３２】この変形例によれば、上記第１実施例と同
様の効果を有するほか、上記フランジ部３２ａによるば
ね特性を有するため、さらに振動の減衰効果を有してい
る。このような振動減衰効果を上記振動絶縁効果と併用
することにより、外部に伝達される振動をより抑制する
ことができる。

【００３３】図５は、本発明の第２実施例を示したもの
である。この第２実施例は前述の第１実施例とほぼ同様
の構成であるので、同一の機能を有する部材には同じ符
号を付してその説明を省略し、異なる部分である振動絶
縁部材の周辺部分のみを説明する。

【００３４】回転子本体４１の振動子２と接触している
端面とは逆側の端面（上端面）のやや外方寄りに凹部４
１ａが設けられ、この凹部４１ａに薄板リング形状のゴ
ムの振動絶縁部材４２が設置されている。そして、この
振動絶縁部材４２の上には肉厚の短円筒体のベアリング
保持部材４３が設置されていて、このベアリング保持部
材４３の下端面のやや外方寄りには凹部４３ａが設けら
れ、上記振動絶縁部材４２を回転子本体４１の上記凹部
４１ａとで挟み込むようになっている。そして、この振
動絶縁部材４２により、回転子本体４１とベアリング保
持部材４３とが直接接触しないように間隙４４が形成さ
れている。

【００３５】そして、ベアリング保持部材４３の内方に
設けられたベアリング設置用凹部４３ｂに、押圧手段に
よって下方に押圧されているベアリング２７が設置さ
れ、これにより、回転子本体４１を超音波振動子２に所
定の圧力で押圧している。なお、ベアリング保持部材４
３の上端面のベアリング２７の近傍には、下部内方に向
けてテーパ面４３ｃが形成されている。

【００３６】また、ベアリング保持部材４３の外周部に
はギヤー４５が形成されていて、このギヤー４５によっ
て外部に回転出力を伝達する構成となっている。

【００３７】このように構成された第２実施例は、前述
の第１実施例とほぼ同様の作用を有するとともに、外部
へ回転力を伝達する手段を、回転子本体にではなく、振
動絶縁部材を介して設置される他の構成部材（ベアリン
グ保持部材等）に設けることによって、図示しない出力
伝達機構部に振動が伝播するのを防止している。

【００３８】この第２実施例では、振動絶縁部材を形成
する材料としてゴムを用いているが、回転子本体を形成
しているアルミ合金とこのようなゴムとは音響インピー
ダンスが大きく異なっているため、樹脂等の高分子材料
を用いた前述の第１実施例と同様の作用を得ることがで
きる。

【００３９】なお、この第２実施例の振動絶縁部材を構
成するゴムとしては、ネオプレンゴム，シリコンゴム，
ウレタンゴム，スポンジゴム等がある。これらのゴムの
音響インピーダンスは約１．５〜３Ｎｓｍ^-3である。

【００４０】このような第２実施例によれば、振動絶縁
部材４２を回転子本体４１とベアリング保持部材４３と
の間に設置することによっても振動の漏出を防止でき、
モータの出力を向上することができる。さらに、図示し
ない出力伝達機構部は、回転子本体４１からではなく、
振動絶縁部材４２を介したベアリング保持部材４３から
出力を取り出すようにしているため、該出力伝達機構部
から超音波振動が漏出することはない。

【００４１】このように振動絶縁部材の設置位置は、回
転子本体の軸心方向に限られるものではなく、回転子本
体とその他の構成部材との間に設置することによって
も、前述の第１実施例と同様の効果を得ることができ
る。

【００４２】次に、上記第２実施例の変形例を図６に示
す。この変形例は上記第２実施例とほとんど同様の構成
であり、振動絶縁部材４８の形状を、断面が円形をなす
リング形状とした点が異なっている。

【００４３】このように構成された変形例の作用は、上
記第２実施例とほぼ同様である。

【００４４】そして、このような変形例は上記第２実施
例とほぼ同様の効果を有するほか、回転子本体４１と振
動絶縁部材４８、あるいはベアリング保持部材４３と振
動絶縁部材４８との接触面積が小さくなるため、回転子
本体４１から伝播される超音波振動の総量を小さくする
ことができ、さらに、振動絶縁の効果が促進される。

【００４５】なお、接触面積を小さくすることは、高分
子材料を振動絶縁部材に用いた場合にも有効であること
はいうまでもない。

【００４６】図７は、本発明の第３実施例を示したもの
である。アルミニウム合金により形成されたやや肉厚の
短円筒体の回転子本体５１の上端面に、チタン合金で形
成された、上記回転子本体５１と同径の肉厚の略円筒体
のベアリング保持部材５２を、エポキシ系接着剤で接着
固定している。このベアリング保持部材５２の内周面に
形成されたベアリング取付用の段状凹部５２ａに、ベア
リング２７が取り付けられている。また、該ベアリング
保持部材５２の上端面のベアリング２７の近傍には、下
方内部に向かってテーパ面５２ｂが設けられている。な
お、このベアリング保持部材５２は振動絶縁部材を兼ね
ている。

【００４７】このように構成された第３実施例の作用を
説明する。チタン合金の音響インピーダンスは約３０Ｎ
ｓｍ^-3であり、アルミニウム合金の約２０Ｎｓｍ^-3より
も音響インピーダンスが高い。このようなチタン合金を
用いると、金属であるために、剛性が高くリジットな回
転子本体を形成することができる。

【００４８】このように音響インピーダンスがアルミ合
金に対して高い場合にも、その境界面で超音波振動の反
射が起こり、前述の第２実施例とほぼ同様の効果を得る
ことができる。その他、黄銅，ニッケル合金等もアルミ
ニウム合金に比べて音響インピーダンスが高いため、こ
れらを用いても同様の効果が得られる。

【００４９】このような第３実施例によれば、高分子材
料やゴム等よりも剛性が高い金属を用いることで、ベア
リング保持部材と振動絶縁部材とを別部材とすることな
く同一部材とすることができるので、部品点数が削減で
きる。また、機械加工によっても高い加工精度を得やす
く、加工の不均一性などにより発生する軸振れを抑える
ことができ、安定回転が得られる。

【００５０】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、超
音波振動子からの振動が被駆動部材のみで使用されて、
その他の構成部材に漏出することがない、安定した回
転，安定した出力が得られる超音波モータを提供するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す超音波モータの左半
分を断面で示した側面図。

【図２】上記第１実施例の圧電素子の斜視図。

【図３】上記第１実施例の超音波モータの振動モードを
示す線図。

【図４】上記第１実施例の変形例を示す超音波モータの
要部拡大断面図。

【図５】本発明の第２実施例の超音波モータの要部拡大
断面図。

【図６】上記第２実施例の変形例を示す超音波モータの
要部拡大断面図。

【図７】本発明の第３実施例の超音波モータの要部拡大
断面図。

【図８】本発明に用いられている原理を説明する線図。

【符号の説明】

１…超音波モータ２…超音波振動子６…回転子（被駆動部材） 8,9…圧電素子（電気−機械エネルギー変換素子） 28,32,42,48 …振動絶縁部材５２…ベアリング保持部材（振動絶縁部材を兼ねる）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】位置的に９０度ずれて配置された第１，
第２の電気−機械エネルギー変換素子に、９０度位相が
ずれた正弦波電圧をそれぞれ印加することにより、屈曲
振動を中心軸を中心に回転させる超音波振動子と、この振動子のいずれか一方の端面に配置された被駆動部
材と、この被駆動部材の少なくとも内部または外部の一部に設
けられ、該被駆動部材と音響インピーダンスが異なる振
動絶縁部材と、を具備したことを特徴とする超音波モータ。