JPH0993966A

JPH0993966A - 超音波モータ

Info

Publication number: JPH0993966A
Application number: JP7252619A
Authority: JP
Inventors: Yoshihisa Taniguchi; 芳久谷口
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1995-09-29
Filing date: 1995-09-29
Publication date: 1997-04-04

Abstract

(57)【要約】【目的】共振周波数が設計外の変動をおこしたり、振動
波形に歪を生じたりすることなく、強力な回転力を、高
い駆動効率で発生させることのできる超音波モータを提
供する。【構成】外周の所定の位置に溝１２を設けた柱状弾性体
２１と、柱状弾性体２１の少なくとも対向する２つの側
面に傾斜して設けた複数の積層型圧電素子と、柱状弾性
体２１の端面に接合した摺動用駆動子１５と、摺動用駆
動子１５に押圧保持した被駆動体５３とを備え、前記複
数の積層型圧電素子にそれぞれ位相の異なる交番電圧を
印加することにより、共振縦振動と共振捩れ振動とを同
時に励起し、摺動用駆動子１５の表面に超音波楕円振動
を発生させ、被駆動体５３を回転させるように構成した
超音波モータにおいて、摺動用駆動子１５または被駆動
体５３の付近に、縦振動を遮断する手段２２を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電気機械変換素子を駆
動源とした超音波モータに係わり、詳しくは縦捩り超音
波モータの改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、縦捩り超音波モータに関しては、
日本工業技術振興協会固体アクチュエータ研究部会編、
「精密制御用ニューアクチュエータ便覧」（１９９４年
１２月２１日発行）の８９７頁以下に開示されている。
この縦捩り超音波モータには、縦振動励起用の円環状の
圧電セラミクスとねじり振動用の圧電セラミクスとの２
種類の圧電振動子を必要とするので、構成が複雑化する
等の問題点があり、この対策として本出願人より、特願
平７−１１７３０１号に所載の「超音波振動子および超
音波モータ」が提案されている。この出願の一実施例に
ついて、図９〜図１６を用いて説明する。

【０００３】図９は超音波振動子の正面図、図１０は超
音波振動子の裏面図、図１１は超音波振動子の右側面
図、図１２は超音波振動子の左側面図、図１３は超音波
振動子の上面図、図１４は超音波振動子の分解図、図１
５は超音波モータの正面図、図１６は超音波モータの分
解図である。

【０００４】図９〜図１３において、１０は超音波振動
子を示す。基本弾性体１１は、角柱形状をなし、その下
端に、溝１２が全周に亘り凹設されている。基本弾性体
１１の正面と裏面とに、積層型圧電素子１３が一定の傾
斜角度をもって挟持され、保持用弾性体１４により圧縮
力が作用した状態で固定保持されている。これは、電気
機械変換素子は一般にセラミックスなどの胞性材料から
なり、引張応力により容易に破断する。そこで、振動中
のいかなる瞬間にも該電気機械変換素子に引張応力がか
からないように、予め意図的に圧縮の残留応力を与える
ものである。積層型圧電素子１３は、正面（図９）と裏
面（図１０）とでは、正対して見て逆方向に取付けられ
ている。従って、図１１および図１２に示すように、積
層型圧電素子１３の側面が、表裏面ともに上下方向で同
位置に投影されている。また、それぞれの積層型圧電素
子１３から出されている電気端子は、それぞれＡ端子、
ＧＮＤ端子およびＢ端子、ＧＮＤ端子である。

【０００５】基本弾性体１１の先端部には、円環状の摺
動用駆動子１５が接合されている。基本弾性体１１の中
心軸上には貫通孔１６が穿設され、その中心軸上のほぼ
中央（正確には縦振動の節位置）にはメネジ２０が螺刻
されている（図１４参照）。

【０００６】超音波振動子１０の作製方法について、図
９〜図１４により説明する。積層型圧電素子１３は、基
本弾性体１１の凹部１８に挿入される。保持用弾性体１
３は基本弾性体１１上の保持用弾性体１３をガイドする
ための突起部１７に沿って挿入され、積層型圧電素子１
４に突き当てられた後、圧縮力を作用させた状態でビス
１９により固定され、さらに当接面すべてに接着剤を塗
布して固着される。

【０００７】つぎに、超音波振動子１０の動作について
説明する。超音波振動子１０は、その寸法が１次の共振
縦振動（図９矢印Ｚ方向の振動）、および１次の（溝１
２より下方の捩れまで考慮すると２次の）共振捩れ振動
（図１３の矢印ω方向の振動であって、共振縦振動の振
動方向Ｚを捩れの軸とする振動）がほぼ同一周波数Ｆｒ
（４０ｋＨｚ）で励起できるようになっている。また、
この周波数近傍には、共振屈曲振動の固有振動はないよ
うな形状寸法に形成されている。

【０００８】まず、Ａ端子に周波数Ｆｒの交番電圧を印
加し、Ｂ端子に同一周波数、同振幅で同位相の交番電圧
を印加すると共振縦振動が励起される。共振縦振動の節
位置は、基本弾性体１１の中心軸上のほぼ中央に存在す
る。つぎに、Ａ端子に周波数Ｆｒの交番電圧を印加し、
Ｂ端子に同一周波数、同振幅で逆位相の交番電圧を印加
すると共振捩れ振動が励起される。共振捩れ振動では、
基本弾性体１１の中心軸全ての位置が節位置である。さ
らに、Ａ端子に周波数Ｆｒの交番電圧を印加し、Ｂ端子
に同一周波数、同振幅で位相が９０度異なった交番電圧
を印加すると共振縦振動と共振捩れ振動が合成されて、
摺動用駆動子１５の位置に楕円振動が励起される。

【０００９】つぎに、図１５〜図１６を用いて、超音波
振動子１０を用いた超音波モータ５０について説明す
る。図１５および図１６において、超音波振動子１０の
貫通孔１６（図１４参照）には、軸５１が嵌装されてい
る。軸５１は図１６に示すように、中央部および両端部
にオネジ５８が螺刻されており、中央部のオネジ５８
は、超音波振動子１０のメネジ２０（図１４参照）に螺
合した後に接着固定されている。超音波振動子１０の上
端部には、ロータ５３がスラストベアリング５４および
バネ保持体５５を介して、バネ５６により押圧固定され
ている。押圧力はナット５７により調節される。円環状
のロータ５３の下面には、円環状に形成された摺動材５
３ａが貼付されている。超音波モータ５０を固定する場
合には、その下部に突出した軸５１のオネジ５８を、図
示を省略した基台に螺着して固定する。

【００１０】先に示したように、超音波振動子１０のＡ
端子とＢ端子とに、それぞれ周波数Ｆｒとし、互いの位
相差が＋９０度または−９０度の交番電圧を印加する。
すると、ロータ５３が時計回りまたは反時計回りに回転
する。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかるに、上記従来技
術においては、図１５に示すように、超音波モータを組
み立てた状態で、バネ５６によって摺動材５３ａが貼付
されたロータ５３を、摺動用駆動子１５に押圧すると、
この押圧力によって摺動材５３ａおよびロータ５３が基
本弾性体１１に振動の観点で結合され、弾性体１１の一
部として振る舞う。このため、縦振動の共振周波数が設
計外の変動を起こし、捩れ振動の共振周波数と一致しな
くなる。また、振動の観点で結合されるといえども、不
完全に結合されるため、不整な寄生振動成分を誘発す
る。以上の要因により、基本弾性体１１の端面に接合さ
れた摺動用駆動子１５の表面に励起される楕円振動の軌
跡が歪曲し、発生する回転力が減少したり、駆動効率が
劣化するという現象があった。すなわち、基本弾性体１
１の端面に接合された摺動用駆動子１５に、摺動材５３
ａが貼付されたロータ５３を付勢すると、基本弾性体１
１の縦振動の共振周波数が変化したり、共振の波形に歪
を生じて、超音波モータとして得られる回転力が低下し
たり、駆動効率が劣化するという問題点を有していた。

【００１２】本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなさ
れたもので、請求項１、２または３に係る発明の目的
は、共振周波数が設計外の変動をおこしたり、振動波形
に歪を生じたりすることなく、強力な回転力を、高い駆
動効率で発生させることのできる超音波モータを提供す
ることである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１、２または３に係る発明は、外周の所定の
位置に溝を設けた柱状弾性体と、該柱状弾性体の少なく
とも対向する２つの側面に傾斜して設けた複数の積層型
圧電素子と、前記柱状弾性体の端面に接合した摺動用駆
動子と、該摺動用駆動子に押圧保持した被駆動体とを備
え、前記複数の積層型圧電素子にそれぞれ位相の異なる
交番電圧を印加することにより、共振縦振動と共振捩れ
振動とを同時に励起し、前記摺動用駆動子の表面に超音
波楕円振動を発生させ、前記被駆動体を回転させるよう
に構成した超音波モータにおいて、前記摺動用駆動子ま
たは前記被駆動体の付近に、縦振動を遮断する手段を設
けたことを特徴とする。

【００１４】

【作用】請求項１、２または３に係る発明の作用では、
摺動用駆動子または被駆動体の付近に、縦振動を遮断す
る手段を設けたことにより、被駆動体が振動の観点から
柱状弾性体と一体化されることはない。請求項２に係る
発明の作用では、上記作用に加え、縦振動を遮断する手
段は、摺動用駆動子または被駆動体の付近に設けた弾性
機構からなることにより、手段が簡易となる。請求項３
に係る発明の作用では、上記作用に加え、弾性機構は、
摺動用駆動子自体に形成したので、摺動用駆動子自体で
縦振動を遮断する。

【００１５】

【実施例１】図１〜図４は実施例１を示し、図１は超音
波モータの正面図、図２は超音波振動子上部の部分拡大
図、図３は本実施例の変形例１の説明図、図４は本実施
例の変形例２の説明図である。本実施例の基本構成は従
来技術の超音波モータと同様のため、同一の部材には同
一の符号を付し説明を省略する。

【００１６】図１において、基本弾性体２１の上部であ
って、摺動用駆動子１５を接合した端面に近接して、溝
２２を設けている。図２に示すように、図の斜線部分は
摺動用駆動子１５であり、その下方に溝２２が基本弾性
体２１の周りに凹設されている。溝２２と摺動用駆動子
１５との間のフランジ部２１ａは可撓性に富み、弾性機
構を形成している。

【００１７】本実施例によれば、基本弾性体２１に溝２
２を形成することにより、基本弾性体１１の縦振動は遮
断されて、摺動用駆動子１５およびロータ５３に伝播す
ることはない。従って、共振周波数が変化したり、振動
波形に歪を生じたりすることはなく、強力な駆動力が高
い駆動効率で得られる。また、溝一本を追加するという
簡単な改変で、良好な作動をする超音波モータが得られ
る。

【００１８】本実施例の変形例１について説明する。図
３において、基本弾性体１１と摺動用駆動子１５との間
には、弾性部材２３が介装されている。弾性部材２３
は、硬質樹脂などの減衰係数が大きく、弾性係数が比較
的低い材料で形成され、縦振動の伝播を遮断する。基本
弾性体１１と摺動用駆動子１５との間に介装された弾性
部材２３が、弾性機構を構成している。これにより、本
実施例と同様の作用効果が得られる。

【００１９】本実施例の変形例２について説明する。図
４において、基本弾性体１１と摺動用駆動子１５との間
には、一対の皿バネ２４、２４が介装されている。この
皿バネ２４、２４の弾性により、縦振動の伝播を遮断す
る。基本弾性体１１と摺動用駆動子１５との間に介装さ
れた皿バネ２４、２４が、弾性機構を構成している。こ
れにより、本実施例と同様の作用効果が得られる。

【００２０】

【実施例２】図５〜図７は実施例２を示し、図５は超音
波振動子上部の部分拡大図、図６は本実施例の変形例１
の説明図、図７は本実施例の変形例２の説明図である。
本実施例の基本構成も従来技術の超音波モータと同様の
ため、同一の部材には同一の符号を付し説明を省略す
る。

【００２１】図５において、摺動用駆動子３５は、円環
状の幅を極端に狭くし、具体的には０．５ｍｍとした。
これにより、摺動用駆動子３５は、可撓性に富み、基本
弾性体１１に設けられた弾性機構を兼ねる構成となって
いる。

【００２２】本実施例によれば、摺動用駆動子３５は、
円環状の幅を極端に狭くしたことにより、基本弾性体１
１の縦振動は遮断されて、摺動材５３ａおよびロータ５
３に伝播することはない。従って、共振周波数が変化し
たり、振動波形に歪を生じたりすることはなく、強力な
駆動力が高い駆動効率で得られる。また、単に摺動用駆
動子の形状を変更するという一層簡単な改変で、良好な
作動をする超音波モータが得られる。

【００２３】本実施例の変形例１について説明する。図
６において、摺動用駆動子３６は、基本弾性体１１との
接合面積を狭くするため、段部３６ａを設けて形成され
ている。このため、摺動用駆動子３６は、可撓性に富
み、基本弾性体１１に設けられた弾性機構を兼ねる構成
となっている。これにより、本実施例と同様な作用効果
に加え、摺動用駆動子３６が弾性機構を兼ねているにも
拘らず、摺動面積が減少しないという効果もある。

【００２４】本実施例の変形例２について説明する。図
７において、摺動用駆動子１５を接合する基本弾性体１
１の端面に、凹陥部３１ａを設け、摺動用駆動子１５を
その辺縁部３１ｂで接着するようにした。このため、摺
動用駆動子１５は、可撓性に富み、基本弾性体１１に設
けられた弾性機構を兼ねる構成となっている。これによ
り、本実施例と同様な作用効果に加え、弾性体３１に凹
陥部３１ａを設けることにより、加工が簡便になるとい
う効果もある。

【００２５】

【実施例３】図８は実施例３を示し、超音波モータの回
転部の部分拡大図である。本実施例の基本構成も従来技
術の超音波モータと同様のため、同一の部材には同一の
符号を付し説明を省略する。

【００２６】図８において、ロータ６３の摺動材６３ａ
を貼付する面に凹陥部６３ｃを設け、外周部に溝６３ｄ
を設けることにより、ロータ６３に段違い部６３ｂを形
成した。段違い部６３ｂは、可撓性に富み、基本弾性体
１１からの縦振動の伝播を遮断する。

【００２７】本実施例によれば、ロータ６３に設けた段
違い部６３ｂにより、基本弾性体１１の縦振動は遮断さ
れて、ロータ６３に伝播することはない。従って、共振
周波数が変化したり、振動波形に歪を生じたりすること
はなく、強力な駆動力が高い駆動効率で得られる。ま
た、単にロータの形状を変更するという一層簡単な改変
で、良好な作動をする超音波モータが得られる。さら
に、段違い部６３ｂの寸法は、加工上精密に制御するこ
とが可能であるから、微妙な寸法の設定によって、過多
のない最適の可撓性を、確実に得ることができる。

【００２８】

【発明の効果】請求項１、２または３に係る発明によれ
ば、被駆動体が振動の観点から柱状弾性体と一体化され
ることはないので、共振周波数が設計外の変動をおこし
たり、振動波形に歪を生じたりすることなく、強力な回
転力を、高い駆動効率で発生させることができる。請求
項２に係る発明によれば、上記効果に加え、手段が簡易
となるので、超音波モータを安価にすることができる。
請求項３に係る発明によれば、上記効果に加え、摺動用
駆動子自体で縦振動を遮断するので、超音波モータの構
造をシンプルにすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の超音波モータの正面図である。

【図２】実施例１の超音波振動子上部の部分拡大図であ
る。

【図３】実施例１の変形例１の説明図である。

【図４】実施例１の変形例２の説明図である。

【図５】実施例２の超音波振動子上部の部分拡大図であ
る。

【図６】実施例２の変形例１の説明図である。

【図７】実施例２の変形例２の説明図である。

【図８】実施例３の超音波モータの回転部の部分拡大図
である。

【図９】従来技術の超音波振動子の正面図である。

【図１０】従来技術の超音波振動子の裏面図である。

【図１１】従来技術の超音波振動子の右側面図である。

【図１２】従来技術の超音波振動子の左側面図である。

【図１３】従来技術の超音波振動子の上面図である。

【図１４】従来技術の超音波振動子の分解図である。

【図１５】従来技術の超音波モータの正面図である。

【図１６】従来技術の超音波モータの分解図である。

【符号の説明】

１０超音波振動子１２溝１５摺動用駆動子２１基本弾性体２２溝５３ロータ５３ａ摺動材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】外周の所定の位置に溝を設けた柱状弾性
体と、該柱状弾性体の少なくとも対向する２つの側面に
傾斜して設けた複数の積層型圧電素子と、前記柱状弾性
体の端面に接合した摺動用駆動子と、該摺動用駆動子に
押圧保持した被駆動体とを備え、前記複数の積層型圧電
素子にそれぞれ位相の異なる交番電圧を印加することに
より、共振縦振動と共振捩れ振動とを同時に励起し、前
記摺動用駆動子の表面に超音波楕円振動を発生させ、前
記被駆動体を回転させるように構成した超音波モータに
おいて、前記摺動用駆動子または前記被駆動体の付近に、縦振動
を遮断する手段を設けたことを特徴とする超音波モー
タ。
【請求項２】前記縦振動を遮断する手段は、前記摺動
用駆動子または前記被駆動体の付近に設けた弾性機構か
らなることを特徴とする請求項１記載の超音波モータ。
【請求項３】前記弾性機構は、前記摺動用駆動子自体
に形成したことを特徴とする請求項２記載の超音波モー
タ。