JPH0880079A - 超音波モータ及び超音波モータを有する装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 耐摩耗有機材料からなる摺動材を振動子の駆
動面にのみ吹きつけるためのローコストな方法で塗布で
きる構造の超音波モータの提供にある。 【構成】 圧電素子１１により駆動される振動子と、該
振動子を構成する弾性体９に加圧接触し所定方向に駆動
される移動子とを有し、該弾性体の移動子との接触面に
耐摩耗性の被覆層を形成して摩擦面をなす超音波モータ
において、該振動子は該電気−機械エネルギー変換素子
を該弾性部材に挟持固定させるための締結部を有してい
て、該摩擦面と垂直な方向に該摩擦面を投影した領域内
に、該締結部を配置させ、該摩擦面に対して垂直な方向
から摺動材を吹きつけても、該摺動材が振動子を構成す
る弾性体９の締結部に付着することがないようにする。

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、特に棒状
の超音波モータを構成する振動子の弾性体に摺動材を好
適に塗布できる構造に係り、またこのような構成の超音
波モータを駆動源とする装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】圧電素子等の電気−機械エネルギー変換
素子を固定した弾性体の表面に進行性振動を生ぜしめ、
その振動エネルギーを一方向の連続した機械運動に変換
させて取り出すように構成した超音波モータは本出願人
により実用化されて以来、現在ではカメラ等の光学機器
に搭載されて一般にも広くしられるようになっている。
従来公知の回転型超音波モータには、円環型及び円板型
のものと、棒状タイプのものとがあり、円環型のものと
棒状型のものは本出願人の製造する光学機器に搭載され
ている。

【０００３】以下には、本発明の先行技術としても棒状
型の超音波モータの従来例について説明する。

【０００４】図３に示された棒状超音波モータにおい
て、振動エネルギー発生源となる振動子１は、金属等か
らなる弾性体９及び１０の間に挟圧保持された圧電素子
群１１とで構成されている。弾性体９は該モータの骨格
部材となるボルト状の頭部、５ｂに押圧される素子群１
１とで構成されている。弾性体９は該モータの骨格部材
となるボルト状の支持棒５の大径のねじ部５ａに螺着さ
れ、弾性体１０は該支持棒５の大径の頭部５ｂに押され
ることにより弾性体９との間に圧電素子群１１を挟圧保
持している。２は弾性体９の先端面に対向して配置され
たロータ（すなわち移動子）であり、ロータ２の先端面
には軸方向にたわみ得る薄肉のばね部２ａが形成され、
該ばね部２ａが弾性体９の先端面に圧接されている。ロ
ータ２には出力ギア４が嵌着固定されており、該ギア４
は球軸受３の外輪に嵌着されている。球軸受３の内輪は
モータ取付け用フランジ６に嵌着固定され、該フランジ
６は該支持棒５の先端部近傍の部分５ｃに嵌着固定され
ている。ロータ２の内周部にはばね受け７が嵌着固定さ
れており、該ばね受け７の振動子側先端と出力ギア４の
端部との間にはロータ２のばね部２ａを振動子１の弾性
体９の先端面に圧接させるための加圧ばね８が配置され
ている。

【０００５】図４に該振動子１に設けられている圧電素
子群１１の配置と分極パターンと圧電素子の構成を示
す。圧電素子群１１は、Ａ相駆動信号が印加されるＡ相
圧電素子１１ａ及び１１ｂと、Ｂ相駆動信号が印加され
るＢ相圧電素子１１ｃ及び１１ｄと、共振検出用のＳ相
圧電素子１１ｅとから構成されている。各圧電素子１１
ａ〜１１ｅは中心線を境に左右反転して分極されてお
り、各圧電素子１１ａ〜１１ｅの間には不図示の電極板
が挿入されている。前記超音波モータの駆動原理は以下
の通りである。

【０００６】Ａ相だけに交流電界を印加すると、圧電素
子の伸縮によって、振動子１には紙面に水平な方向の１
次曲げ固有振動が励起される。またＢ相だけに交流電界
を印加すると、紙面に垂直な方向へ振動する。

【０００７】Ａ相によって励起される水平方向の振動
と、Ｂ相による垂直方向の振動を、時間的にも９０度位
相を違えて加えると、振動子には長手軸に対して右また
は左回りの円運動が発生する。弾性体９は変位拡大のた
めの周溝９ａを有するため、弾性体９の先端には図３に
示したような首振り運動が生ずる。

【０００８】摩擦面（振動子上面）からみると、この振
動は１波の進行波に相当する。この振動子に、ばね部２
ａを有するロータ２を加圧接触させるとロータ２は波頭
付近の１か所のみで弾性体９と接触し、進行波の逆方向
に回転する。出力はロータ２と球軸受３の外輪に嵌着さ
れたギア４により取り出される。

【０００９】また、棒状超音波モータでは、支持棒５の
先端に取り付けられたフランジ６も一体の系として振動
子の固有モードをフランジ６の振動振幅が非常に小さく
なるように設計しているので、円環型の振動子をフェル
ト等の吸振材で支持したものと較べて支持損失は非常に
小さい。ロータ２のばね部２ａは、円環型超音波モータ
同様に固有振動数が振動子の加振周波数よりも十分高
く、振動に追従するよう設計されている。またロータ本
環は慣性質量が十分大きく、振動子の加振力によって振
動が励起されないように設計されている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】超音波モータの短所の
一つに耐久寿命の短いことが挙げられる。その原因は、
超音波モータが摩擦力により駆動力を得ていることにあ
る。

【００１１】すなわち、高トルクを得るためには、大き
な摩擦力を得ることが必要であるが、このとき滑りが生
ずれば、摩擦面で大きなエネルギーを消費するため摩耗
が進む。公知の超音波モータでは、ロータと振動子の相
互摩擦面に耐摩耗性の摺動材が用いられており、この摺
動材の摩耗が超音波モータの寿命を決している。

【００１２】この摺動材に関しては最近多数の研究がな
されているが、有機材料を用いたものに高寿命のものが
多い。

【００１３】例を挙げると、エポキシ系樹脂・ポリイミ
ド・ポリアミド・ポリアミドイミド・シリコーン系樹脂
・これらの混合物等は摩擦定数が大きくかつ低摩耗であ
る。またこれらにＰＴＦＥ・チタン酸カリ・炭酸繊維等
を添加すると摩擦定数はやや低下するがより低摩耗とな
る。

【００１４】そこで摩擦面にこれらの有機材料を付与す
ることになるが、振動子材料は振動歪に対して低損失と
なるよう金属等が用いられることになるため、別体で構
成する必要があるが、有機材料のシートを貼るのでは手
間がかかりコスト高になるため、塗布による方法を採用
したい。しかも、吹き付け塗装が一番簡単でローコスト
である。ここで、問題となるのが、摩擦面以外に付着す
る有機材料である。

【００１５】前記したように、弾性体９は螺旋状の締結
部を有するが、ここに付着すると、ねじ寸法の変化やね
じ強度の低下等振動子の組立に支障ができる。ここに締
結部とはネジ部のほか、圧入嵌合のハメアイ部、カシメ
結合の締結部等をさす。前述の事情もこれらの締結構造
でも同じである。ところで、締結部でなくとも振動子側
面は曲げ振動に伴い大きな歪を生じているため、ここに
有機材料が付着すると、その内部減衰によりエネルギー
損失の増加を招きモータ効率の悪化につながる。そこ
で、マスク等をした後吹き付け塗装し、さらにその後マ
スクを除去するのでは手間がかかる。

【００１６】本発明の第１の目的は、耐摩耗有機材料か
らなる摺動材を振動子を構成する弾性体の駆動面にのみ
吹きつけ法等のローコストな方法で塗布できる構造の超
音波モータを提供することにある。

【００１７】本発明の第２の目的は、上記した第１の目
的を実現する超音波モータを駆動源とする装置を提供す
ることにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段および作用】本発明の第１
の目的を実現する構成は、請求項１に記載のように、電
気−機械エネルギー変換素子により駆動される振動子
と、該振動子を構成する弾性体に加圧接触し所定方向に
駆動される移動子とを有し、該弾性体の移動子との接触
面に耐摩耗性の被覆層を形成して摩擦面をなす超音波モ
ータにおいて、該振動子は該電気−機械エネルギー変換
素子を該弾性部材に挟持固定させるための締結部を有し
ていて、該摩擦面と垂直な方向に該摩擦面を投影した領
域内に、該締結部を配置させたことを特徴とする。

【００１９】この構成では、振動子を構成する弾性部材
の摩擦面に対して垂直な方向から耐摩耗性の例えば有機
材料からなる摺動材を吹きつけると、該摺動材は振動子
を構成する弾性体の締結部に付着することはない。

【００２０】この構成により、振動子の組立等に際し
て、締結部のネジ穴等に摺動材が付着することによる締
結不良等の悪影響を防止することができる。

【００２１】本発明の第１の目的を実現する他の構成
は、請求項２に記載のように、電気−機械エネルギー変
換素子により駆動される振動子と、該振動子を構成する
弾性体に加圧接触し所定方向に駆動される移動子とを有
し、該弾性体の移動子との接触面に耐摩耗性の被覆層を
形成して摩擦面をなす超音波モータにおいて、該振動子
は該摩擦面と垂直な方向に該摩擦面を投影した領域内
に、振動子を構成する部材が配置されていることを特徴
とする。

【００２２】この構成では、振動子を構成する弾性部材
の摩擦面に対して垂直な方向から耐摩耗性の例えば有機
材料からなる摺動材を吹きつけると、該摺動材は振動子
を構成する弾性体の周壁面等に付着することはない。

【００２３】つまり、振動子を構成する弾性部材の側壁
面は駆動時において曲げ変形により歪みが大きくなる
が、摩擦面をなす弾性部材の上面は比較的歪みが小さ
い。したがって、摩擦面を構成する弾性部材の上面にお
ける面積を広くし、上方から該上面を投影した領域内に
振動子を構成する部材が納まる形状とすることで、上方
から摺動材を吹きつけ塗装しても、弾性部材の上面以外
に摺動材が付着することはない。

【００２４】本発明の第２の目的を実現する構成は、請
求項３に記載のように、請求項１または２に記載した超
音波モータを駆動源とする超音波モータを有する装置に
ある。

【００２５】この構成では、耐久性に優れた超音波モー
タを駆動源とすることができる。

【００２６】

【実施例】

（第１の実施例）図１は本発明の第１の実施例を示す。
モータ駆動原理および基本構成は図４のものと同一であ
るが、異なる点は振動子側にも弾性体９に接触ばね９ｂ
を設けていること。ギア４と支持棒５が直接摺動し、玉
軸受けを廃していること。さらに振動子摩擦面を含む弾
性体９の上面には有機材料である摺動材１２が塗布され
ていることが異なっている。

【００２７】本実施例における弾性体９の拡大図を図２
に示す。有機材料は摩擦面上方から吹き付け塗装される
が、該摩擦面を上方から投影した領域に弾性体９がすべ
て含まれるため、振動により大きな歪を発生する９ｃ，
９ｄ等の振動子側面に有機材料は付着せず、塗布によっ
て振動子内部損失はほとんど増加しない。

【００２８】また、ねじ部９ｅにも付着しないため、締
結不良等を防止できる。

【００２９】なお、吹き付けではなく刷毛塗り等の塗布
方法を取る場合、重力による塗布材料の垂れ等が発生し
ても本実施例によれば他部に付着しないため有効であ
る。

【００３０】（第２の実施例）図５は本発明の第２の実
施例を示す。本実施例の棒状超音波モータの振動子を構
成する弾性体９は、従来の弾性体と較べて摩擦面内径９
ｇが小さくなっているため、該内径９ｇより大径のねじ
嵌合部９ｅへの摺動材１２の付着がないため初期のねじ
寸法変化がなく組立可能である。なおこれまで有機材料
のみを問題としてきたが無機材料（たとえばタングステ
ンカーバイド・ニッケル・硬質アルマイト等）を吹き付
け塗装（溶射等も含む）する場合にも本実施例は同様の
効果・目的を達成する。

【００３１】なお本実施例では、摩擦面内径が小さくな
っている場合のみを示しているが、これに加えて、従来
の弾性体に較べ摩擦面外径を大きくし、弾性体側面に摺
動材が付着しないようにすることで振動子の内部損失の
増大を防ぐこともできる。

【００３２】（第３の実施例）図６は本発明の第３の実
施例を示す。本実施例の棒状超音波モータの振動子を構
成する弾性体９において、９ｆは周状突起で、これに有
機材料の摺動材１２を塗布すると蒲鉾状に盛り上がる。
この結果ロータ２に設けられた接触ばねのエッジ２ｂ，
２ｃが摺動材料１２と接触しないため、有機材料の摺動
材１２を傷つけず、摩耗を低減することが出来る。

【００３３】（第４の実施例）図７は本発明の第４の実
施例を示す。本実施例の棒状超音波モータは、振動子を
なす電気−機械エネルギー変換素子群１１が、ねじり及
び縦の振動を励振する。そして、両振動間の時間位相差
を適当に与えることにより、弾性体９の上面に楕円運動
が生じ、これにロータ２を押圧すれば、摩擦力により、
ロータが回転する超音波モータは公知の技術である。こ
のような駆動原理によるものであっても、本発明は適用
しうる。

【００３４】すなわち、弾性体９の側面はねじり・縦の
振動により、大きな歪を生じており、ここに有機材料か
らなる摺動材１２が付着するのは好ましくないが、上面
（摩擦面）には曲げ等の変形を生じておらず比較的歪が
小さいので、この上面に摺動材１２を吹き付けにより塗
布する。また、内面には挟持用のねじが切られている
が、ここに付着するのも組立上困る。そこで、弾性体９
の外径をテーパ状として、内径側には突出部９ｈを設け
ることで、これらへの付着を防止している。

【００３５】（第５の実施例）図８は本発明の第５の実
施例を示す。

【００３６】本実施例の棒状超音波モータは、大径部を
有する支持棒５の該大径部と挟持体部１３との間に圧電
素子群１１を配置し、該挟持体部１３の一端面に設けた
弾性体９に支持棒５をネジ結合させ、これにより該圧電
素子群１１を弾性体９、挟持体部１３及び支持棒５によ
り挟持固定した振動子を構成している。弾性体９はキャ
ップ形状に形成され、その周壁部９ｉが挟持体部１３の
外周を覆っている。

【００３７】この振動子は、支持棒５の他端部が固定部
材に固定され、一端側の弾性体９の周壁部９ｉを駆動面
として移動体２と加圧接触し、図８の（ａ）に示すよう
に円または楕円運動をする該駆動面により移動体２を間
欠駆動する。

【００３８】ここで、弾性体９の周壁部９ｉには摺動材
１２が吹き付けにより塗布されるが、弾性体９が支持棒
５とネジ結合する部分は周壁部９ｉの内側であるため、
塗布時に摺動材が該ネジ結合部分に付着することはな
い。

【００３９】（第６の実施例）図９は本発明の超音波モ
ータを内蔵した光学機器を示す図である。

【００４０】同図において、６０は図６に示した超音波
モータであり、該モータ６０の構成要素は図１と同じ符
号で表示されている。５０は該光学機器の鏡筒５１に保
持されているレンズ、５５は該光学機器に固定されてい
てヘリコイド５６により該鏡筒５１を回転及び軸線方向
移動可能に支持している固定筒、５２は該モータ６０の
フランジ２０に締結されるモータ取付け板、５３は該モ
ータ６０の出力ギア１９に噛み合って該ギア１９により
回転駆動される機器側被動ギア、５４は該ギア５３と同
軸に設けられた滑りクラッチである。該モータ６０が駆
動されると、該ギア１９が回転され、機器側の被動ギア
５３が回転駆動され、該ギア５３を介して不図示のギア
機構を介して鏡筒５１が回転されることによりレンズ５
０を保持している鏡筒５１が光軸を中心として回転しつ
つ軸方向移動される。

【００４１】

【発明の効果】請求項１に記載の発明によれば、振動子
を構成する弾性部材の摩擦面に対して垂直な方向から耐
摩耗性の例えば有機材料からなる摺動材を吹きつける
と、該摺動材は振動子を構成する弾性体の締結部に付着
することはない。

【００４２】この構成により、振動子の組立等に際し
て、締結部のネジ穴等に摺動材が付着することによる締
結不良等の悪影響を防止することができる。

【００４３】請求項２に記載の発明によれば、振動子を
構成する弾性部材の摩擦面に対して垂直な方向から耐摩
耗性の例えば有機材料からなる摺動材を吹きつけると、
該摺動材は振動子を構成する弾性体の周壁面等に付着す
ることはない。

【００４４】つまり、振動子を構成する弾性部材の側壁
面は駆動時において曲げ変形により歪みが大きくなる
が、摩擦面をなす弾性部材の上面は比較的歪みが小さ
い。したがって、摩擦面を構成する弾性部材の上面にお
ける面積を広くし、上方から該上面を投影した領域内に
振動子を構成する部材が納まる形状とすることで、上方
から摺動材を吹きつけ塗装しても、弾性部材の上面以外
に摺動材が付着することはない。

【００４５】したがって、請求項１，２に記載の発明に
よれば、耐摩耗性の高い振動子を簡単な加工工程で得る
ことができ、高寿命で効率の良い超音波モータを安価に
提供することができる。

【００４６】請求項３に記載の発明によれば、耐久性に
優れた超音波モータを駆動源とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の超音波モータの縦断面
図。

【図２】図１に示した実施例の一部拡大図。

【図３】従来の超音波モータの縦断面図。

【図４】図３の超音波モータに使用されている圧電素子
群の構成と配置とを示した図。

【図５】本発明の第２実施例の超音波モータの一部概略
縦断面図。

【図６】本発明の第３実施例の超音波モータの一部概略
縦断面図。

【図７】本発明の第４の実施例の縦断面図。

【図８】本発明の第５の実施例の縦断面図。

【図９】本発明の超音波モータを搭載している光学機器
の一部の縦断面図。

【符号の説明】

１，２２，２４…振動子 １１，２７…圧
電素子群 ９，１０，１３，１４，２６，２８…弾性体 ２，１６…ロータ ２９…移動子 ５，１５…支持棒 ４，１９…出力
ギア ６，２０…フランジ ８，１８…ロー
タ加圧ばね １２，１７，２３，３５…被覆材 ３６…樹脂シー
ト ５０…レンズ ５１…鏡筒 ５５…固定筒 ５６…ヘリコイ
ド ６０…超音波モータ ５２…モータ取
付け板 ５３…被動ギア

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電気−機械エネルギー変換素子により駆
   動される振動子と、該振動子を構成する弾性体に加圧接
   触し所定方向に駆動される移動子とを有し、該弾性体の
   移動子との接触面に耐摩耗性の被覆層を形成して摩擦面
   をなす超音波モータにおいて、 該振動子は該電気−機械エネルギー変換素子を該弾性部
   材に挟持固定させるための締結部を有していて、該摩擦
   面と垂直な方向に該摩擦面を投影した領域内に、該締結
   部を配置させたことを特徴とする超音波モータ。
2. 【請求項２】 電気−機械エネルギー変換素子により駆
   動される振動子と、該振動子を構成する弾性体に加圧接
   触し所定方向に駆動される移動子とを有し、該弾性体の
   移動子との接触面に耐摩耗性の被覆層を形成して摩擦面
   をなす超音波モータにおいて、 該振動子は該摩擦面と垂直な方向に該摩擦面を投影した
   領域内に、振動子を構成する部材が配置されていること
   を特徴とする超音波モータ。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載した超音波モー
   タを駆動源とする超音波モータを有する装置。