JPS62247769A - 超音波モ−タ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、表面進行波が励起されたステータにロータを
圧接することにより、ステータに対しロータが回転する
ように構成された超音波モータにに関し、特にステータ
とロータとの圧接手段の改良に関する。

〔従来の技術〕

最近、電磁型モータに代わる新しいモータとして超音波
モータが脚光を浴びている。この超音波モータは原理的
に新しいというだけでなく、従来の電磁型モータに比べ
て次のような利点を有している。

■中心軸を必要としない。

■薄型、軽量である。

■磁気的影響の授受がない。

■部品構成が単純で、信頼性が高い。

■ギヤなしで低速、高トルクが得られる。

■バックラッシュがなく位置決めが容易である。

■ステータに対してロータが、回転、チャック。

浮遊、の三態をとり得る。

かくして、これらの利点を生かすべく、種々の応用技術
の研究が進められている。

第８図は代表的な従来型の回転型超音波モータの概略図
である。この超音波モータの原理は、円環状圧電素子１
と一体化した金属製ドーナツ形振動板２に逆圧電効果に
よって進行波を励起し、これによって発生する表面質点
の後方楕円運動軌跡の頂点に接するようにロータ３を抑
圧配置することにより、同ロータ３を矢印Ａのように回
転させるというものである。上記進行波の励起法につい
て以下説明する。

第９図は一般的な超音波モータを構成する圧電素子１の
分極状態図を示す図であり、第８図の下方より見た図に
相当する。分極方向が■○■○・・・のように交互に逆
向きになるように、リング状圧電体を分極するか、また
は分割した複数の圧電素子を分極方向が互いに逆向きに
なる様に配置する。

この様な配置において、分極方向が互いに逆向きになっ
た隣り合わせの１組を１波長λに対応させる。そして、
１８０＠異なる位置に各々、３／４λ、１／４λ長の未
分極部１ａ、ｌｂを配し、これらを結んだ中心線に対し
て対称に分極体を０１個分づつ配置する。たたし分極の
向きは、円周方向に分極方向が交互に逆向きになる様に
連続的に配置する。

この様な分極配置のうち、３／４λ、１／４λ未分極部
１ａ、ｌｂを間に挟んだ左半分の振動板に接していない
面を一つの電極でおおい、これを一方の片側共通電極と
し、右半分の振動板に接触していない面を別の電極でお
おい、これを他方の片側共通電極とする。そして、振動
板側の電極は振動板２と導通させ、すべての圧電素子の
アース側電極として共通化している。

この様な分極配置、電極配置を有した構成体を駆動する
場合には、二つの片側共通電極とアース側電極との間に
互いにπ／２の位相差を有し、λ。

円環の内・外径、厚み、圧電セラミクスと振動板の平均
的弾性定数、密度９等で決定される固有振動数ωを有す
る電気信号を入力する。

今、第１０図に示すようにアース側電極を兼ねた振動板
２と圧電素子」二の一方の片側共通電極４との間にＡＣ
電源５から周波数ωの交流電圧を印加すると、振動板２
には屈曲定在波が励起される。

上記交流電圧を、第９図における圧電素子１の左側の部
分に対して印加すると、振動板２の中立軸には、 ｙｌ　　−Ａｓ　　ｉ　　ｎ　　２ｙｒ／λｐｓ　　ｉ
ｎωｔ　　　　　　　　　　　　　・・・　（１）なる
変位を有する定在波が励起される。また、第９図におけ
る圧電素子１の右側の部分に対して、位相が上記交流電
圧とはπ／２ずれた周波数ωの交流電圧を印加すると、
振動板２の中立軸には、ｙ２−Ａｓ　ｉｎ２π／λ（ｐ
−λ／４）ｓｉｎ（ωを一π／２）　　　　・・・（２
）なる変位を有する定在波が励起される。

そこで圧電素子１の右半分および左半分に対して、前記
（１）式および（２）式で示した交流電圧を同時に印加
すると、 Ｖ−Ｖ１＋Ｖ２ −Ａｓ　ｉ　ｎ　（２πｐ／λ−ωｔ）・−・（３）な
る変位をもった進行波が得られる。振動板２の表面にも
中立軸と同位相の表面進行波が励起される。このような
板の屈曲進行波においては、第１０図に示すように表面
の質点は波の進行方向に−５一 対して、後方楕円運動をすることになる。そこで」−記
振動板２の表面に第８図に示したように、ロータ３をあ
る一定圧で押圧配置すると、振動板２との摩擦力により
波の進行方向とは逆方向にロータ３が回転することにな
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

このような超音波モータをカメラの鏡筒駆動源等として
用いる場合、次のような問題がある。すなわちカメラの
鏡筒駆動源等として用いる場合には、ＡＵＴＯ動作の他
にＭＡＮＵＡＬ操作にも対応し得るものとなす必要があ
る。しかるに超音波モータは、効率向」−のためにロー
タ３をステータの振動板２に対して抑圧保持しているの
で、ＭＡＮＵＡＬ操作時において単に超音波モータの電
源をオフ操作しただけでは、上記ロータ３の抑圧保持力
が大きな抵抗となって、操作に強い力を必要とする。こ
のような問題に対処する手段として １）ＭＡＮＵＡＬ操作時には進行波モードから定在波モ
ードに切換え、ロータ３と振動板２との回転方向の相対
運動をなくすと同時に接触摩擦力を低減させる手段 ２）ＭＡＮＵＡＬ操作時にはロータとステータとを切り
離す手段 等が考えられる。

しかしながら、１）の手段では、ＭＡＮＵＡＬ動作時に
おいてもステータに屈曲波を励起させるための電力を供
給する必要があるので、消費電力が増大し不経済となる
難点がある。また２）の手段では、消費電力が大幅に増
大するおそれはないが、ステータとロータとを一旦切り
離したのち、再度両者を安定かつ迅速に圧接状態となす
ことが困難であるという問題があった。

そこで本発明は、ステータとロータとを安定かつ迅速に
所定圧力での圧接状態または非圧接状態に切換え得、し
かも消費電力をほとんど必要としない、ＡＵＴＯ−ＭＡ
ＮＵＡＬ切換え手段を備えた超音波モータを提供するこ
とを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は上記問題点を解決し目的を達成するために、次
のような手段を講じた。すなわち、表面進行波が励起さ
れたステータにロータを圧接することにより、ステータ
に対しロータが回転するように構成された超音波モータ
において、保持手段により前記ステータとロータとを接
・離自在に保持する共に、この保持手段により接・離自
在に保持された前記ステータとロータとを、積層型圧電
アクチュエータにより適時圧接φ非圧接状態に制御する
ようにする。

なお積層型圧電アクチュエータとしては、押圧用の弾性
部祠を備えたものを用いてもよい。

〔作用〕

このような手段を講じたことにより、ＡＵＴＯ動作時に
おいて積層型圧電アクチュエータに電圧を印加すると、
アクチュエータが伸びて、ある一定の圧接力でロータと
ステータとが接触し、ＡＵＴＯ動作に対応し得るものと
なる。また、ＭＡＮＵＡＬ操作時において積層型圧電ア
クチュエータへの印加電圧をＯＦＦ　（−〇）にすると
、アクチュエータが縮んでロータとステータとの圧接力
が解除され、ＭＡＮＵＡＬ操作に対応し得るものとなる
。かくしてステータとロータとは、積層型圧電アクチュ
エータにより、圧接状態または非圧接状態に安定かつ迅
速に切換え制御されることになる。

〔実施例〕

第１図（ａ）（ｂ）は本発明の第１実施例の構成を示す
断面図であり、（ａ）はＡＵＴＯ動作時の状態を示し、
（ｂ）はＭＡＮＵＡＬ操作時の状態を示している。

第１図（ａ）（ｂ）に示すように、ステータ。

ロータ保持手段としての円筒状のボデー１０の内部には
、圧電素子１１および振動板１２からなるステータがね
じ等の固定素子１４により固定されている。このステー
ターＬには、このステータに対して接・離自在な状態に
ロータ１３が配置されている。このロータ１３のに面と
ボデー１０の上側壁内面との間には、ベアリング１５を
介して積層型圧電アクチュエータ１６が装着されている
。この積層型圧電アクチュエータ１６の一端面とベアリ
ング１５の−に面との接合部および積層型圧電アクチュ
エータ１６の他端面とボデー１０の上側壁内面との接合
部は、接着等の手段により固着されている。

第２図はベアリング１５と積層型圧電アクチュエータ１
６との配置関係を示す図である。この第２図から明らか
なように、積層型圧電アクチュエータ１６はベアリング
１５のベアリング球１５ａ。

１５ｂ、１５ｃの中間位置に配置されている。

このように構成された本実施例の超音波モータにおいて
は、ＡＵＴＯ動作時において積層型圧電アクチュエータ
１６に電圧を印加すると、第１図（ａ）に示すようにア
クチュエータが伸び、ロータ１３とステータにおける振
動板１２との間に圧接力が加わる。この状態においてス
テータの圧電素子１１にモータ駆動電圧を印加すると、
振動板１２に屈曲進行波が励起され、ロータ１３が回転
する。かくしてＡＵＴＯ動作に対応し得るものとなる。

またＭＡＮＵＡＬ操作時において積層型圧電アクチュエ
ータ１６への印加電圧をＯＦＦにすると、第１図（ｂ）
に示すようにアクチュエータが縮み、ロータ１３とステ
ータにおける振動板１２との間の圧接力が除去される。

その結果、ベアリング１５とロータ１３との間に若干の
間隙Ｇが生じ、ロータ１３と振動板１２との間の摩擦抵
抗が小さい状態となる。この状態においてロータを手動
操作にて回転させれば、ロータ１３は小さい力で容易に
回転する。かくしてＭＡＮＵＡＬ操作に対応し得るもの
となる。

第３図は代表的な積層型圧電アクチュエータの変位一応
力の関係を示す図である。この第３図から明らかなよう
に、積層型圧電アクチュエータは、変位量は比較的小さ
いが、大きな応力を発生し得る。また積層型圧電アクチ
ュエータは、高速応答性にすぐれている。

したかって、本実施例における積層型圧電アクチュエー
タ１６として、第３図に示す特性を有するものを使用し
、ＭＡＮＵＡＬ操作時での間隙Ｇを５　ｐ＋に設定して
おけば、２００Ｖの電圧印加時において最大２．５Ｘ１
０７　（Ｎ／ｍ２）の応力で口〜夕１３をステータの振
動板１２に対して圧接させることができる。また積層型
圧電アクチュエータのレスポンス時間は１ｍ５ｅｃ以下
であるから、高速度で応答し得るものとなる。

このように本実施例においては、ロータ１３と振動板１
２との圧接・非圧接を積層型圧電アクチュエータ１６に
より行なうようにしているので、ＡＵＴＯ−ＭＡＮＵＡ
Ｌの切換えを迅速かつ安定に行なえる。さらに積層型圧
電アクチュエータ１６には、直流電圧を印加して伸び縮
みさせるので、ＯＮ時、ＯＦＦ時において極めて僅かな
消費電力を必要とするだけであり、例えば電池を電源と
して用いる場合、その電池容量が小さくてすみ、経済的
である。

第４図（ａ）（ｂ）は第１図（ａ）（ｂ）ｌ；：対応さ
せて示した本発明の第２実施例の構成を示す断面図であ
る。本実施例が第１実施例と異なる点は、ステータの振
動板１２に凹部１２ａを設け、この凹部１２ａに固定素
子１４の先端を遊挿して、ステータ全体が上下に移動可
能な如く保持すると共に、ステータの圧電素子１１とボ
デー１０の底壁内面との間に積層型圧電アクチュエータ
１６を装着した点である。なおステータはある程度の上
下動のみ可能で、回転運動は阻止されるようになってい
る。

本実施例においては、ＡＵＴＯ動作時において積層型圧
電アクチュエータ１６に電圧を印加すると、第４図（ａ
）に示すようにステータが押し上げられて振動板１２と
口〜夕１３との間に圧接力が加わる。またＭＡＮＵＡＬ
操作時において上記電圧をＯＦＦにすると、第４図（ｂ
）に示すようにステータが引き下げられて振動板１２と
ロータ１３との間の圧接力が除去される。本実施例にお
いても第１実施例と同様の作用効果を奏する。

第５図（ａ）（ｂ）は本発明の第３実施例の構成を示す
断面図である。本実施例が第１実施例と異なる点は、積
層型圧電アクチュエータ１６に押圧用弾性部材としての
コイルスプリング１７を圧縮状態で装着した点である。

　１３一 本実施例においては、ＡＵＴＯ動作時において積層型圧
電アクチュエータ１６に電圧を印加すると、第５図（ａ
）に示すようにアクチュエータが伸び、これに伴って圧
縮状態のコイルスプリング１７が伸長し、その伸長力に
よってベアリング１５が押圧され、ロータ１３と振動板
１２との間に圧接力が加わる。またＭＡＮＵＡＬ操作時
において上記電圧をＯＦＦにすると、第５図（ｂ）に示
すようにアクチュエータが縮み、これに伴って伸長状態
のコイルスプリング１７が圧縮され、ベアリング１５へ
の押圧力が解除され、ロータ１３と振動板１２との間の
圧接力が除去される。なお本実施例においては押圧力が
コイルスプリング１７によって得られるので、積層型圧
電アクチュエータ１６としては制御力のみ発揮すればよ
く、小型なものでよい。上記以外は第１実施例と同様の
作用効果を奏する。

第６図（ａ）（ｂ）は本発明の第４実施例の構成を示す
図である。本実施例が第３実施例と異なる点は、積層型
圧電アクチュエータ１６およびスプリングコイル１７を
ステータの下側に配置した点であり、第２実施例と第１
実施例との差異に近似している。ただし本実施例の場合
、圧電素子１１の下面に抑圧板１８を介在させている。

本実施例においては、ステータ全体を上下に移動させて
ロータ１３と振動板１２とを圧接または非圧接状態とな
す点は第２実施例と同様であり、コイルスプリング１７
による作用は第３実施例と同様である。上記以外は第１
実施例と同様の作用効果を奏する。

第７図（ａ）（ｂ）は本発明の第５実施例の構成を示す
断面図である。本実施例が第１実施例と異なる点は、ロ
ータ１３の軸頂部にフランジ１３ａを設け、このフラン
ジ１３ａとボデー１０の上側壁外面にベアリング１９を
介してロータ引上げ用のコイルスプリング２０を介在さ
せた点である。

本実施例においては、ＭＡＮＵＡＬ操作時において積層
型圧電アクチュエータ１６に対する印加電圧をＯＦＦに
すると、ロータ引上げ用のコイルスプリング２０により
ロータ１３が上方向へ引上げられるので、間隙Ｇがロー
タ１３と振動板１２との間に確実に生じる。この結果、
ロータ１３の自重が相当大きくとも振動板１２との間に
は何ら押圧力か働かないものとなる。したがって、ＭＡ
ＮＵＡＬ操作が一層容易となる上、たとえＭＡＮＵＡＬ
操作を長時間に亙って行なったとしても、ロータ１３と
振動板１２との接触面に摩耗か生じるおそれはなく、特
性の劣化を防止できる。

上記以外は第１実施例と同様の作用効果を奏する。

なお本発明は前記各実施例に限定されるものではない。

例えば第７図（ａ）（ｂ）に示したロータ引」二げ手段
を、第２．第３．第４実施例にそれぞれ適用してもよく
、その場合、第５実施例と同様の効果が期待できる。こ
のほか本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可
能であるのは勿論である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ステータとロータとを接・離自在に保
持する共に、このステータとロータとを、積層型圧電ア
クチュエータにより適時圧接・非圧接状態に制御するよ
うにしたので、ステータとロータとを安定かつ迅速に所
定圧力での圧接状態または非圧接状態に切換え得、しか
も消費電力をほとんど必要としない、ＡＵＴＯ−ＭＡＮ
ＵＡＬ切換え手段を備えた超音波モータを提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）（ｂ）は本発明の第１実施例の構成を示す
断面図で、同図（ａ）はＡＵＴＯ動作時動作態を示す図
、同図（ｂ）はＭＡＮＵＡＬ操作時の状態を示す図であ
る。第２図は同実施例のベアリング１５と積層型圧電ア
クチュエータ１６との配置関係を示す図、第３図は代表
的な積層型圧電アクチュエータの変位一応力の関係を示
す図である。第４図（ａ）（ｂ）は第１図（ａ）（ｂ）
に対応させて示した本発明の第２実施例の構成を示す断
面図、第５図（ａ）（ｂ）は第１図（ａ）（ｂ）に対応
させて示した本発明の第３実施例の構成を示す断面図、
第６図（ａ）（ｂ）は第１図（ａ）（ｂ）に対応させて
示した本発明の第４実施例の構成を示す断面図、第７図
（ａ）（ｂ）は第１図（ａ）（ｂ）に対応させて示した
本発明の第５実施例の構成を示す断面図である。第８図
〜第１０図は従来技術を示す図で、第８図は代表的な従
来型の回転型超音波モータの概略図、第９図は一般的な
超音波モータを構成する圧電素子の分極状態図を示す図
、第１０図は回転原理を示す図である。 １１・・・圧電素子、１２・・・振動板、１３・・・ロ
ータ、１４・・・固定素子、１５・・・ベアリング、１
６・・・積層型圧電アクチュエータ、１７・・・コイル
スプリング、１８・・・押圧板、１９・・・ベアリング
、２０・・・ロータ引上げ用コイルスプリング。 出願人代理人　弁理士　坪井　淳 ｌ−Ｌ′ｕＪ　　　　　　口　　≧ （ＬＬ＋ｒ／）　　７Ｊ’ｙｋ ♀゛ 手続補正書 昭和、　干２６１７日 特許庁長官　　小　川　邦　夫　殿 １、事件の表示 特願昭６１−０８９４１．８号 ２、発明の名称 超音波モータ ３、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 （０３７）オリンパス光学工業株式会社４、代理人 東京都千代田区霞が関３丁目７番２号　ＵＢＥビル７、
補正の内容 （１）図面のうち、第１図（ａ）（ｂ）、第４図（ａ）
（ｂ）、第５図（ａ）（ｂ）、第６図（ａ）（ｂ）、第
７図（ａ）（ｂ）、第９図、を別紙のとおり補正する。 （２）明細書第２ページ第１９行の「回転型超音波モー
タ」を「円環型超音波モータ」と訂正する。 （３）明細書第５ページ第２行の「には、」の次に「振
幅をＡ、中立軸にそった円周方向の位置をｐとして」な
る字句を加入する。 （４）明細書第８ページ第６行の「持する共に」を「持
すると共に」と訂正する。 （ａ） 第１ （ｂ） 図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　表面進行波が励起されたステータにロータを圧
   接することにより、ステータに対しロータが回転するよ
   うに構成された超音波モータにおいて、前記ステータと
   ロータとを接・離自在に保持する保持手段と、この保持
   手段により接・離自在に保持された前記ステータとロー
   タとを圧接・非圧接状態に制御する積層型圧電アクチュ
   エータとを備えたことを特徴とする超音波モータ。
2. （２）　積層型圧電アクチュエータは、押圧用の弾性部
   材を備えたものであることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の超音波モータ。