JP2002199753A - 超音波モータ、及びそのステータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高効率化及び高出力化を図ることができる超音
波モータを提供する。 【解決手段】超音波モータは、駆動面２ｃの全範囲（３
６０°）に、９個の波（９波）の進行波振動を励起させ
る第１の圧電素子９を有するステータ２と、駆動面２ｃ
に加圧接触され、進行波振動により回転するロータ３と
を備える。ステータ２は、第１の圧電素子３に積層配設
された第２の圧電素子１０を備える。第２の圧電素子１
０は、第１の圧電素子９にて励起される進行波振動の９
個の波（９波）の３倍の２７個の波（２７波）の進行波
振動を励起する。よって、駆動面２ｃに励起される合成
された進行波振動の波形は矩形波に近い波形となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波モータに関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の超音波モータとしては、駆動面に
進行波振動を励起させる圧電素子が設けられたステータ
と、駆動面に加圧接触されるロータとを備えたものがあ
る。このステータには、円環状のステータの駆動面の全
範囲（３６０°）に、例えば９個の波（９波）の進行波
振動を励起させるべく、（４０°の範囲に＋と−が各２
０°配置されるように）分割されて分極された圧電素子
が設けられている。この超音波モータでは、ステータの
駆動面に励起された進行波振動によりロータが回転す
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
な超音波モータでは、ステータの駆動面の振動によりロ
ータが正（回転方向）と負（非回転方向）の摩擦力を受
け、正と負の総和において正の方が大きくなることから
ロータが回転駆動する。しかしながら、上記のようなス
テータでは、進行波振動の波形が略正弦波となり、ロー
タに作用する負の摩擦力が大きくなってしまう。よっ
て、超音波モータの効率及び出力が小さくなるという問
題がある。

【０００４】本発明は、上記問題点を解決するためにな
されたものであって、その目的は、高効率化及び高出力
化を図ることができる超音波モータ、及びそのステータ
を提供することにある。

【０００５】

【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、請求項１に記載の発明では、駆動面にｎ波の進行
波振動を励起させる第１の圧電素子を有するステータ
と、前記駆動面に加圧接触され、前記進行波振動により
回転するロータとを備えた超音波モータにおいて、前記
第１の圧電素子に積層配設され、前記ｎ波の奇数倍の波
の進行波振動を励起する第２の圧電素子を備えた。

【０００６】請求項２に記載の発明では、駆動面にｎ波
の進行波振動を励起させる第１の圧電素子を有するステ
ータと、前記駆動面に加圧接触され、前記進行波振動に
より回転するロータとを備えた超音波モータにおいて、
前記第１の圧電素子に積層配設され、該第１の圧電素子
の各分極領域を奇数倍で分割して分極した分極領域を有
する第２の圧電素子を備えた。

【０００７】請求項３に記載の発明では、駆動面にｎ波
の進行波振動を励起させる第１の圧電素子を有するステ
ータと、前記駆動面に加圧接触され、前記進行波振動に
より回転するロータとを備えた超音波モータにおいて、
前記第１の圧電素子にて励起されるｎ波の進行波振動の
周波数の奇数倍の周波数の進行波振動を、前記ｎ波の進
行波振動に合成させた。

【０００８】請求項４に記載の発明では、請求項１乃至
３のいずれか１項に記載の超音波モータにおいて、前記
奇数倍は、３倍である。請求項５に記載の発明では、駆
動面にｎ波の進行波振動を励起させる第１の圧電素子を
有する超音波モータのステータにおいて、前記第１の圧
電素子に積層配設され、前記ｎ波の奇数倍の進行波振動
を励起する第２の圧電素子を備えた。

【０００９】請求項６に記載の発明では、駆動面にｎ波
の進行波振動を励起させる第１の圧電素子を有する超音
波モータのステータにおいて、前記第１の圧電素子に積
層配設され、該第１の圧電素子の各分極領域を奇数倍で
分割して分極した分極領域を有する第２の圧電素子を備
えた。

【００１０】請求項７に記載の発明では、駆動面にｎ波
の進行波振動を励起させる第１の圧電素子を有する超音
波モータのステータにおいて、前記第１の圧電素子にて
励起されるｎ波の進行波振動の周波数の奇数倍の周波数
の進行波振動を、前記ｎ波の進行波振動に合成させた。

【００１１】請求項８に記載の発明では、請求項５乃至
７のいずれか１項に記載の超音波モータのステータにお
いて、前記奇数倍は、３倍である。（作用）請求項１に
記載の発明によれば、第１の圧電素子には、第１の圧電
素子にて励起されるｎ波の進行波振動の奇数倍の波の進
行波振動を励起する第２の圧電素子が積層配置される。
よって、第１の圧電素子にて励起されるｎ波の進行波振
動を矩形波に近い波形とすることができる。その結果、
ロータに作用する負の摩擦力が小さくなり、高効率化及
び高出力化を図ることができる。

【００１２】請求項２に記載の発明によれば、第１の圧
電素子には、第１の圧電素子の各分極領域を奇数倍で分
割して分極した分極領域を有する第２の圧電素子が積層
配置される。よって、第１の圧電素子にて励起されるｎ
波の進行波振動を第２の圧電素子にて励起される進行波
振動により矩形波に近い波形とすることができる。その
結果、ロータに作用する負の摩擦力が小さくなり、高効
率化及び高出力化を図ることができる。

【００１３】請求項３に記載の発明によれば、第１の圧
電素子にて励起されるｎ波の進行波振動の周波数の奇数
倍の周波数の進行波振動が、前記ｎ波の進行波振動に合
成される。よって、第１の圧電素子にて励起されるｎ波
の進行波振動を矩形波に近い波形とすることができる。
その結果、ロータに作用する負の摩擦力が小さくなり、
高効率化及び高出力化を図ることができる。

【００１４】請求項４に記載の発明によれば、第１の圧
電素子にて励起されるｎ波の進行波振動が矩形波に近い
波形となる。その結果、ロータに作用する負の摩擦力が
小さくなり、高効率化及び高出力化を図ることができ
る。

【００１５】請求項５に記載の発明によれば、第１の圧
電素子には、第１の圧電素子にて励起されるｎ波の進行
波振動の奇数倍の波の進行波振動を励起する第２の圧電
素子が積層配置される。よって、第１の圧電素子にて励
起されるｎ波の進行波振動を矩形波に近い波形とするこ
とができる。その結果、駆動面に加圧接触されるロータ
に作用する負の摩擦力が小さくなり、超音波モータの高
効率化及び高出力化を図ることができる。

【００１６】請求項６に記載の発明によれば、第１の圧
電素子には、第１の圧電素子の各分極領域を奇数倍で分
割して分極した分極領域を有する第２の圧電素子が積層
配置される。よって、第１の圧電素子にて励起されるｎ
波の進行波振動を第２の圧電素子にて励起される進行波
振動により矩形波に近い波形とすることができる。その
結果、駆動面に加圧接触されるロータに作用する負の摩
擦力が小さくなり、超音波モータの高効率化及び高出力
化を図ることができる。

【００１７】請求項７に記載の発明によれば、第１の圧
電素子にて励起されるｎ波の進行波振動の周波数の奇数
倍の周波数の進行波振動が、前記ｎ波の進行波振動に合
成される。よって、第１の圧電素子にて励起されるｎ波
の進行波振動を矩形波に近い波形とすることができる。
その結果、駆動面に加圧接触されるロータに作用する負
の摩擦力が小さくなり、超音波モータの高効率化及び高
出力化を図ることができる。

【００１８】請求項８に記載の発明によれば、第１の圧
電素子にて励起されるｎ波の進行波振動が矩形波に近い
波形となる。その結果、駆動面に加圧接触されるロータ
に作用する負の摩擦力が小さくなり、超音波モータの高
効率化及び高出力化を図ることができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明を進行波型の超音波
モータに具体化した一実施の形態を図１及び図２に従っ
て説明する。

【００２０】図１は、超音波モータの要部断面図であ
る。図１に示すように、超音波モータは、ハウジング
１、ステータ２、ロータ３、及び加圧機構４を備えてい
る。ハウジング１は、基台５とカバー６とから構成され
ている。

【００２１】基台５は、略円盤形状に形成され、その中
央に設けられた中央孔５ａの内周面には軸受７が配設さ
れている。カバー６は、略有底筒形状に形成され、その
底部（図１中、上部）中央から延設された略筒形状の収
容部６ａの内周面には軸受８が配設されている。そし
て、カバー６は、基台５を覆うように基台５に固定され
ている。

【００２２】ハウジング１内において基台５の上面に
は、ステータ２が固定されている。詳しくは、ステータ
２は、略円盤形状に形成され、その中央には貫通孔２ａ
が形成されている。そして、ステータ２は、その下端面
の径方向内側が基台５に形成された支持部５ｂ上に固定
されている。

【００２３】ステータ２の径方向外側端部には、振動部
２ｂが形成され、該振動部２ｂの下面には第１及び第２
の圧電素子９，１０が積層配設されている。第１の圧電
素子９は、図２に示すように、ステータ２の振動部２ｂ
の上面である駆動面２ｃの全範囲（３６０°）に、９個
の波（９波）の進行波振動を励起させるべく、分割され
て分極された分極領域９ａ，９ｂを備えている。詳しく
は、第１の圧電素子９には、周方向に隣り合う極性が逆
となるように、等間隔（２０°間隔）で８個（図２中、
４個のみ図示する）に分極された第１の分極領域群９
ａ，９ｂと、等間隔で８個に分極された図示しない第２
の分極領域群とを備えている。そして、第１及び第２の
分極領域群は、それぞれの群に９０°位相のずれた高周
波電圧が印加されたときに進行波振動を発生するように
所定の間隔を有して配置されている。尚、第１の圧電素
子９において、第１の分極領域群と、第２の分極領域群
との間には、第１及び第２の分極領域群にて励起される
振動に基づいた検出電圧を生成するための図示しないフ
ィードバック用分極領域等が設けられている。そして、
第１の圧電素子９は、振動部２ｂの下面に固着されてい
る。この第１の圧電素子９の下面には、各領域（群）に
対応して焼付けられた図示しない電極板を介して図示し
ない薄肉のフレキシブル基板が固着されている。

【００２４】第２の圧電素子１０は、図２に示すよう
に、前記９個の波（９波）の奇数倍（本実施の形態では
３倍であって、２７個の波（２７波））の進行波振動を
励起させるべく、分割されて分極された分極領域１０
ａ，１０ｂを備えている。詳しくは、第２の圧電素子１
０には、第１の圧電素子９の各分極領域（フィードバッ
ク用分極領域を除く）９ａ，９ｂを３つに分割し、周方
向に隣り合う極性が逆となるように分極された分極領域
１０ａ，１０ｂを備えている。そして、第２の圧電素子
１０は、第１の圧電素子９（フレキシブル基板）の下面
に固着されている。この第２の圧電素子１０の下面に
は、第１の圧電素子９の下面と同様に各領域（群）に対
応して焼付けられた図示しない電極板を介して図示しな
い薄肉のフレキシブル基板が固着されている。

【００２５】ロータ３は、略円盤形状に形成され、その
径方向外側端部には肉厚の厚い振動受動部３ａが形成さ
れている。この振動受動部３ａの下面（図１中、下面）
には、図示しないライニング材が固着されている。ロー
タ３の中央には２面巾孔３ｂが形成されている。ロータ
３は、２面巾孔３ｂに回転軸１１の中央に形成された２
面巾部１１ａが嵌挿されることで、回転軸１１に対して
回転不能且つ軸線方向に移動可能とされている。回転軸
１１は、ステータ２の貫通孔２ａを貫通し、前記軸受
７，８にて回転可能に支持されるとともに、上部に形成
された段差部１１ｂが軸受８の下面と軸線方向に当接す
ることで上方への移動が規制されている。又、回転軸１
１の２面巾部１１ａの上部にはサークリップ１２が嵌合
固定されている。そして、ロータ３は、サークリップ１
２により上方への移動が規制された皿ばね１３の弾性力
により、振動受動部３ａ（ライニング材）がステータ２
の振動部２ｂの駆動面２ｃに加圧接触されている。即
ち、本実施の形態では、サークリップ１２及び皿ばね１
３が加圧機構４を構成している。

【００２６】上記のように構成された超音波モータ（ス
テータ２）では、第１及び第２の圧電素子９，１０（各
電極板）に高周波電圧が印加されると振動部２ｂの駆動
面２ｃに進行波振動が励起される。このとき励起される
進行波振動は、第１の圧電素子９にて励起される９個の
波（９波）の進行波振動に、３倍の波の数（３倍の周波
数）の進行波振動である第２の圧電素子１０にて励起さ
れる２７個の波（２７波）の進行波振動が合成されたも
のである。そして、第１及び第２の圧電素子９，１０
（各電極板）に印加する高周波電圧の振幅を調整するこ
とで、駆動面２ｃに励起される進行波振動の波形が矩形
波に近い波形とされている。このように駆動面２ｃに進
行波振動が励起されると、該振動によりロータ３が回転
する。このとき、駆動面２ｃに励起される進行波振動の
波形が矩形波に近い波形であることから、ロータ３に作
用する負の摩擦力が小さくなる。よって、超音波モータ
は高効率及び高出力で駆動される。

【００２７】次に、上記実施の形態の特徴的な効果を以
下に記載する。 （１）第１の圧電素子９にて励起される進行波振動に、
第２の圧電素子１０にて励起される進行波振動を合成す
ることで、駆動面２ｃに励起される進行波振動の波形を
矩形波に近い波形とした。よって、ロータ３に作用する
負の摩擦力が小さくなり、超音波モータの高効率化及び
高出力化を図ることができる。

【００２８】（２）第２の圧電素子１０を、第１の圧電
素子９にて励起される進行波振動の波（９波）の３倍で
ある波（２７波）の進行波振動を励起するように分割し
て分極したため、第１の圧電素子９に第２の圧電素子１
０を一枚積層配置するだけで、合成された進行波振動の
波形を矩形波に近い波形とすることができる。

【００２９】上記実施の形態は、以下のように変更して
実施してもよい。 ・上記実施の形態では、ステータ２を略円盤形状に形成
し、その径方向外側端部に振動部２ｂを形成し、その振
動部２ｂの上面（軸線方向一端面）をロータ３が加圧接
触される駆動面２ｃとしたが、ロータが加圧接触される
駆動面を有する他の形状のステータに変更してもよい。
例えば、図３に示すような、ステータ２１に変更しても
よい。このステータ２１は、円環状に形成され、その径
方向内側面（一端面）が図示しないロータが加圧接触さ
れる駆動面２１ａとされている。そして、ステータ２１
の径方向外側面（他端面）には、第１及び第２の圧電素
子２２，２３（図示しない電極板等を含む）が積層配設
されている。この第１及び第２の圧電素子２２，２３
は、上記実施の形態の第１及び第２の圧電素子９，１０
と同様の角度で分極されている。このようにしても、上
記実施の形態の効果と同様の効果を得ることができる。

【００３０】・上記実施の形態では、第１の圧電素子９
は、駆動面２ｃの全範囲（３６０°）に、９個の波（９
波）の進行波振動を励起させるべく、分割されて分極さ
れた分極領域９ａ，９ｂを備えるとしたが、波の数ｎ
（即ち分極する分割の角度）を適宜変更して実施しても
よい。尚、この場合、第２の圧電素子１０が励起する進
行波振動の波の数（即ち分極する分割の角度）を前記数
ｎに応じて適宜変更する必要がある。このようにして
も、上記実施の形態の効果と同様の効果を得ることがで
きる。

【００３１】・上記実施の形態では、第１の圧電素子９
にて励起される９個の波（９波）の進行波振動に、３倍
の波の数（３倍の周波数）の進行波振動を合成させるた
めに第２の圧電素子を設けたが、他の方法（他の素子）
により３倍の波の数（３倍の周波数）の進行波振動を合
成させて、駆動面２ｃに波形が矩形波に近い進行波振動
を励起させてもよい。このようにしても、ロータ３に作
用する負の摩擦力が小さくなり、超音波モータの高効率
化及び高出力化を図ることができる。

【００３２】・上記実施の形態では、ハウジング１に対
してステータ２を移動不能とし、ロータ３の振動受動部
３ａ（ライニング材）をステータ２の振動部２ｂの駆動
面２ｃに加圧接触させたが、振動受動部３ａ（ライニン
グ材）が駆動面２ｃに加圧接触されれば、他の構成に変
更してもよい。例えば、ハウジング１に対してロータ３
を軸線方向に移動不能とし、ステータ２の振動部２ｂの
駆動面２ｃをロータ３の振動受動部３ａ（ライニング
材）に加圧接触させてもよい。このようにしても、上記
実施の形態の効果と同様の効果を得ることができる。

【００３３】・上記実施の形態では、第１の圧電素子９
に第２の圧電素子１０を１枚積層配設し、第１の圧電素
子９にて励起される進行波振動に第２の圧電素子１０に
て励起される進行波振動を合成することで、駆動面２ｃ
に波形が矩形波に近い進行波振動を励起させたが、駆動
面２ｃに励起される進行波振動の波形を矩形波に近いも
のとすることができれば、（分極する分割の角度が異な
る）複数枚の第２の圧電素子を第１の圧電素子９に積層
配置してもよい。このようにしても、上記実施の形態の
効果（１）と同様の効果を得ることができる。

【００３４】上記実施の形態から把握できる技術的思想
について、以下にその効果とともに記載する。 （イ）請求項１又は２に記載の超音波モータにおいて、
前記ステータは、略円盤形状に形成され、軸線方向一端
面に駆動面が形成されたものであって、前記第１及び第
２の圧電素子は、前記ステータの軸線方向他端側に固定
されたことを特徴とする超音波モータ。このようにする
と、略円盤形状に形成されたステータの軸線方向一端面
の駆動面に、矩形波に近い波形の進行波振動が励起され
る。

【００３５】（ロ）請求項１又は２に記載の超音波モー
タにおいて、前記ステータは、円環状に形成され、径方
向一端面に駆動面が形成されたものであって、前記第１
及び第２の圧電素子は、前記ステータの径方向他端側に
固定されたことを特徴とする超音波モータ。このように
すると、円環状に形成されたステータの径方向一端面の
駆動面に、矩形波に近い波形の進行波振動が励起され
る。

【００３６】（ハ）請求項５又は６に記載の超音波モー
タのステータは、略円盤形状に形成され、軸線方向一端
面に駆動面が形成されたものであって、前記第１及び第
２の圧電素子は、軸線方向他端側に固定されたことを特
徴とする超音波モータのステータ。このようにすると、
略円盤形状に形成されたステータの軸線方向一端面の駆
動面に、矩形波に近い波形の進行波振動が励起される。

【００３７】（ニ）請求項５又は６に記載の超音波モー
タのステータは、円環状に形成され、径方向一端面に駆
動面が形成されたものであって、前記第１及び第２の圧
電素子は、径方向他端側に固定されたことを特徴とする
超音波モータのステータ。このようにすると、円環状に
形成されたステータの径方向一端面の駆動面に、矩形波
に近い波形の進行波振動が励起される。

【００３８】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
高効率化及び高出力化を図ることができる超音波モー
タ、及びそのステータを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施の形態における超音波モータの要部断面
図。

【図２】本実施の形態におけるステータを説明するため
の説明図。

【図３】別例のステータを説明するための説明図。

【符号の説明】

２，２１…ステータ、３…ロータ、９，２２…第１の圧
電素子、１０，２３…第２の圧電素子、２ｃ，２１ａ…
駆動面、９ａ，９ｂ…第１の圧電素子の分極領域、１０
ａ，１０ｂ…第２の分極領域。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 駆動面（２ｃ，２１ａ）にｎ波の進行波
   振動を励起させる第１の圧電素子（９，２２）を有する
   ステータ（２，２１）と、 前記駆動面（２ｃ，２１ａ）に加圧接触され、前記進行
   波振動により回転するロータ（３）とを備えた超音波モ
   ータにおいて、 前記第１の圧電素子（９，２２）に積層配設され、前記
   ｎ波の奇数倍の波の進行波振動を励起する第２の圧電素
   子（１０，２３）を備えたことを特徴とする超音波モー
   タ。
2. 【請求項２】 駆動面（２ｃ，２１ａ）にｎ波の進行波
   振動を励起させる第１の圧電素子（９，２２）を有する
   ステータ（２，２１）と、 前記駆動面（２ｃ，２１ａ）に加圧接触され、前記進行
   波振動により回転するロータ（３）とを備えた超音波モ
   ータにおいて、 前記第１の圧電素子（９，２２）に積層配設され、該第
   １の圧電素子（９，２２）の各分極領域（９ａ，９ｂ）
   を奇数倍で分割して分極した分極領域（１０ａ，１０
   ｂ）を有する第２の圧電素子（１０，２３）を備えたこ
   とを特徴とする超音波モータ。
3. 【請求項３】 駆動面（２ｃ，２１ａ）にｎ波の進行波
   振動を励起させる第１の圧電素子（９，２２）を有する
   ステータ（２，２１）と、 前記駆動面（２ｃ，２１ａ）に加圧接触され、前記進行
   波振動により回転するロータ（３）とを備えた超音波モ
   ータにおいて、 前記第１の圧電素子（９，２２）にて励起されるｎ波の
   進行波振動の周波数の奇数倍の周波数の進行波振動を、
   前記ｎ波の進行波振動に合成させたことを特徴とする超
   音波モータ。
4. 【請求項４】 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の
   超音波モータにおいて、 前記奇数倍は、３倍であることを特徴とする超音波モー
   タ。
5. 【請求項５】 駆動面（２ｃ，２１ａ）にｎ波の進行波
   振動を励起させる第１の圧電素子（９，２２）を有する
   超音波モータのステータにおいて、 前記第１の圧電素子（９，２２）に積層配設され、前記
   ｎ波の奇数倍の進行波振動を励起する第２の圧電素子
   （１０，２３）を備えたことを特徴とする超音波モータ
   のステータ。
6. 【請求項６】 駆動面（２ｃ，２１ａ）にｎ波の進行波
   振動を励起させる第１の圧電素子を有する超音波モータ
   のステータにおいて、 前記第１の圧電素子（９，２２）に積層配設され、該第
   １の圧電素子（９，２２）の各分極領域（９ａ，９ｂ）
   を奇数倍で分割して分極した分極領域（１０ａ，１０
   ｂ）を有する第２の圧電素子（１０，２３）を備えたこ
   とを特徴とする超音波モータのステータ。
7. 【請求項７】 駆動面（２ｃ，２１ａ）にｎ波の進行波
   振動を励起させる第１の圧電素子（９，２２）を有する
   超音波モータのステータにおいて、 前記第１の圧電素子（９，２２）にて励起されるｎ波の
   進行波振動の周波数の奇数倍の周波数の進行波振動を、
   前記ｎ波の進行波振動に合成させたことを特徴とする超
   音波モータのステータ。
8. 【請求項８】 請求項５乃至７のいずれか１項に記載の
   超音波モータのステータにおいて、 前記奇数倍は、３倍であることを特徴とする超音波モー
   タのステータ。