JP2573592B2 - 超音波モ−タ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、金属等の振動板に圧電素子を接着したステ
ータにて屈曲進行波を励起し、この屈曲進行波によるス
テータ表面の楕円軌跡の頂点に可動子を圧接することに
よって可動子を駆動するようにした超音波モータに関す
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、カメラやその
他の機器に関して種々の応用技術の研究が進められてい
る。

「第１従来例」 第３図は「応用物理、第54巻、第６号（1985）、P.58
9〜590」に開示されている従来の代表的な回転型超音波
モータの概略図である。図中１は取付けベース、２はフ
ェルト、３は圧電素子、４は弾性金属材からなる振動
板、５はスライダー、６は回転体、７は回転シャフト、
である。なお圧電素子３と振動板４とでステータを構成
しており、回転体６と回転シャフト７とでロータを構成
している。この超音波モータの原理は、円環状圧電素子
３と一体化した金属製ドーナツ形振動板４に逆圧電効果
によって屈曲進行波を励起し、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
を押圧配置することにより、同ロータを回転させるとい
うものである。

第４図は圧電素子３の分極状態を示す図である。各分
極部は、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
に配置することによって得られる。この様な分極配置に
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（斜線部）を配
し、これらを結んだ中心線に対して対称に分極部をｎλ
個分づつ配置する。ただし分極の向きは、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長の未分極部
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
の振動位置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
極を振動板４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。

以上の様な構成体における電気信号入力端子は、三端
子V1,V2,Eとなる。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、端子V1−E,端子V2−Ｅ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，等で決定される固有振動数ωを有する電気信号を
入力すればよい。

第５図はステータの一部を切欠して示す側面図であ
る。今、振動板４と二つの圧電素子３の電極との間に前
記交流電圧を印加すると、振動板４には屈曲振動波が励
起されるが、第５図に示すように中心間距離がａである
隣合った分極部の一方には次式で示される屈曲振動波が
発生する。

y₁＝Asin（ωｔ−２πp/λ） ＋Asin（ωｔ＋２πp/λ） ……（１） また、他方の分極部には（１）式とは位相差角がψだけ
ずれた次式で示される屈曲振動波が発生する。

y₂＝Bsin ｛ωｔ−２π／λ（ｐ＋ａ）＋ψ｝ ＋Bsin ｛ωｔ＋２π／λ（ｐ＋ａ）＋ψ｝ ……（２） ここで −２πa/λ＋ψ＝ψ₁， ＋２πa/λ＋ψ＝ψ₂ とおくと、（２）式は y₂＝Bsin ｛ωｔ−２πp/λ＋ψ₁｝ ＋Bsin ｛ωｔ＋２πp/λ＋ψ₂｝ ……（３） となる。上記二つの分極部で励起される屈曲振動波は、
（１）式と（３）式との和すなわち ｙ＝y₁＋y₂ なる合成屈曲振動波であると考えられる。この合成屈曲
振動波のうち進行波だけが存在するための条件は、 ψ₁＝ｍπ （ｍ＝0,±2,±４…）、 ψ₂＝ｎπ （ｎ＝±1,±3,±５…） である。

ψ₁＝−２πa/λ＋ψ＝ｍπ， ψ₂＝＋２πa/λ＋ψ＝ｎπ であるから、 ａ＝λ（ｎ−ｍ）/4 （ｎ≠ｍ） ……（４）， ψ＝π（ｎ＋ｍ）/2 ……（５） となる。（４）式および（５）式の条件が成立すると、
合成屈曲振動波は ｙ＝Asin（ωｔ−２πp/λ） Asin（ωｔ＋２πp/λ） ＋Bsin ｛ωｔ−２πp/λ＋ｍπ｝ ＋Bsin ｛ωｔ＋２πp/λ＋ｎπ｝ ＝（Ａ＋Ｂ）sin（ωｔ−２πp/λ） ＋（Ａ−Ｂ）sin（ωｔ＋２πp/λ） ……（６） となる。したがって進行波だけが存在するためには Ａ＝Ｂ ……（７） であることがもう一つの条件となる。

上記した進行波だけが存在するための各条件のうち、
（４），（５）式については圧電素子３の電極形状と電
圧印加手段を整えることによりほぼ実現できる。しかし
（７）式の条件を完全に満たすのはかなり困難である。
すなわち、圧電素子３に第４図に示すような分極処理を
施しても、分極状態には不均一さが生じる。この理由
は、圧電素子３の全面積が大きいため、セラミクス焼成
むら等により分極前の材質が不均一であること、分極が
交互分極であり分極処理を二度行なうことから、（＋）
方向と（−）方向の分極状態に差が出ること、等であ
る。

一方、第５図に示すように、圧電素子３は振動板４に
対して接着剤８により接着されるが、上記接着を全領域
に亙って均一に行なうことは容易ではない。しかも圧電
素子３および振動板４には元々寸法上のバラツキがあ
る。このようなことから、（７）式の条件を完全に満た
すことは極めて困難である。

したがって屈曲振動波にはバラツキがあり、ロータに
対して大きな振動波が生じている箇所は接触するが、振
幅の小さい振動板が生じている箇所は接触しないことに
なる。その結果、各振動波の周波数成分に差が生じ、内
部摩擦が増大し、超音波モータの効率を低下させてい
た。

以上述べた従来の欠点に関しては、本発明者らが先に
提案し出願済みの手段、すなわち「ステータの可動子に
は接触しない面における振動波振幅が最小でない箇所
に、例えばシリコーン樹脂等の弾性部材からなるダンピ
ング部片を取付ける」なる手段を講じることにより改善
される。つまり上記手段を講じることにより、ダンピン
グ部片を取付けた箇所の振動波の振幅が、ダンピング部
片の振動吸収作用により吸収抑制され、全振動波の振幅
のバラツキが極めて小さくなり、各振動波の頂点が可動
子に対して均一に接触するようになる。

ところで上記した従来の超音波モータでは、第３図に
示すようにステータの圧電素子３側がフェルト２などの
防振部材上に接面するように載置されている。このよう
なステータ支持機構では以下説明するような欠点があ
る。ステータ支持機構の必要条件としては、 ロータ側からの大きな押圧力に十分耐え得ること ステータの振動を取付けベース側に伝達しないこと ステータがロータ回転の反作用で回転しないこと ステータの振動を阻害しないこと 等である。なお支持機構の一部が電気的端子の一部を兼
ねることができれば、一層望ましいといえる。

前記防振部材は、ステータの振動エネルギーを支持体
側すなわち取付けベース１側へ漏らさないことを主目的
として配設されている。したがってその材質は、音響イ
ンピーダンスが圧電素子とは大きな差があること、ステ
ータの振動をダンピングしないこと、等を考慮して選択
される。具体的には第３図に示したような厚めのフェル
ト２や、シリコーンゴム，コルクなどの比重が小さくか
つ音速の遅い材質が選択される。防振部材であるフェル
ト２やシリコーンゴム，コルク等は、音響インピーダン
スがいずれも圧電素子３の音響インピーダンスとは大き
な差があり、支持体側へ漏れるステータの振動振幅は10
％以下となる筈である。しかし上記振動振幅の漏れ量
は、ステータが支持体側に押圧されない状態での値であ
る。ところが実際の駆動時においては、防振部材に対し
てステータの押圧力が必ず加わることになる。このた
め、防振部材の見掛けの音響インピーダンスが大きくな
り、実際の振動振幅の漏れ量は10％以上となる。つまり
前記の条件を完全に満たし得ない欠点がある。

また上記構造のものでは、ロータの回転による反作用
で、ステータ側が回転してしまい易い欠点がある。特に
フェルトやコルクは粘着性がないために、押圧力を加え
た状態でステータに進行波を励起すると、ステータ自体
が動いてしまう。したがって前記の条件を満たし得な
い。その結果、正確な位置決めができず、耐久性および
保守の面で問題があった。これを防止するために、従来
は振動板の一部に突起を設け、この突起を支持体側に設
けたストッパーで押えたり、シリコーン樹脂等の接着剤
で接着固定することにより、ステータが移動しないよう
にしている。しかし、このような手段を講じると、ステ
ータの振動に悪影響を及ぼし、振動エネルギーロスを増
大させる。

「第２従来例」 第６図は特開昭61-262091号公報に開示されている振
動波モータの振動体支持構造を示す斜視図である。この
第６図に示すものは、振動体11を複数本の支持ピン12を
介して固定体13に支持させたものであって、屈曲振動子
としての上記支持ピン12の設置間隔および長さを特定す
ることにより、振動体11の振動と支持ピン12の屈曲振動
との間に相対的な一定関係を持たせ、支持による効率低
下を防止するようにしたものである。

上記の支持構造によれば、前記第１従来例で説明した
防振部材による支持構造に比べると、かなり改善効果が
期待できそうである。しかし支持ピン12の長さがある程
度長いことが必要であり、その点で寸法が大きくなると
いう難点がある。また実験的に確認したところによる
と、それほど大きな改善効果は得られないことが判明し
た。

本来、屈曲振動振動子を自由振動させた場合の節は、
屈曲振動子の両端にはなく、両端から一定距離だけ内側
の位置にあることは良く知られていることである。この
ような屈曲振動子の両端を固定し、そこを強制的に節と
しても、この両端から振動が漏れることは避けられない
筈であり、前記実験結果とも一致している。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述したように従来は、進行波のみを励起させるこ
とが困難で、効率が悪いこと、防振部材によりステー
タを支持する構造では、振動エネルギー損失が大きく、
効率を低下させていること、またステータの回転阻止手
段にも問題があること、支持ピンによりステータを支
持する構造では、モータが大型化する上、振動漏れ改善
効果もそれほど期待できず、依然として効率を高め得な
いこと、等の問題があった。そして、これらの問題点の
うち、については一応の解決がなされているが、お
よびについては未だ未解決のままである。

本発明の目的は、ステータが回転しないように安定に
支持できるのは勿論、極めて小さい寸法の小形なステー
タ支持部材を用いるものでありながら、この支持部材を
介しての振動エネルギーの漏れを十分抑制することで
き、小形で効率のよい超音波モータを提供することにあ
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可動子を圧接することによって、
該可動子を駆動するように構成された超音波モータにお
いて、上記ステータの振動板を固定枠に支持固定するた
めの支持部材に、上記進行波の進行方向とほぼ平行な方
向に沿った複数個の切込み溝を設け、該支持部材の機械
的インピーダンスを低下させるようにした。

〔作用〕

このような手段を講じたことにより、次のような作用
を呈する。すなわち、ある一点についての機械的インピ
ーダンスは、その点に加えた力Fej^ωｔと、この力によ
るその点の振動速度との比によって表わされるが、上記
振動速度はその点の弾性定数と質量との比に関係してい
る。本発明においては、いわゆる「ひだ構造」と等価な
「切込み溝」が設けられているため、見掛け上の弾性定
数が小さくなり、その結果、見掛け上の機械的インピー
ダンスが小さくなる。かくして支持部材における見かけ
の機械的インピーダンスが、ステータにおける振動板の
機械的インピーダンスと大きく異なるものとなる。その
結果、振動板に発生した振動が支持部材を介して固定枠
側へ漏れるのを阻止でき、振動板内にとじ込め得るの
で、効率低下を防止できることになる。また振動板が支
持部材を介して固定枠に支持固定されるので、ステータ
が回転するおそれはなく、しかも支持部材としては従来
のものと全く同じ寸法を有するものを使用できるので、
大型化するおそれもない。

〔実施例〕

第１図は本発明の一実施例におけるステータの外観を
示す斜視図であり、第２図は主要部のみを切欠して示す
断面図である。第１図および第２図において、20はステ
ンレス鋼，リン青銅，チタン合金等の振動ロスの小さな
弾性金属材からなる円環状の振動板である。また30は円
環状の圧電素子セラミクスに第４図と同様の分極処理を
施し、かつ一側面に銀，アルミニウム，ニッケルなどの
電極を蒸着された圧電素子であり、前記振動板20の背面
側にエポキシ樹脂等の接着剤で接着固定されている。

振動板20の表面側には、板波進行波が効率よく励起さ
れるように、周方向に等しい間隔で多数の切込み溝21が
設けられている。また振動板20の周辺部には120°間隔
でロータ支持部材としての取付け耳22（22a,22b,22c）
が突設されている。上記取付け耳22は、第２図に示すよ
うに、一端が振動板20における板波振動の中立線近傍に
結合している。なお上記結合位置は、上記のように板波
振動の中立線近傍であることが好ましいが、ロータとの
接触面近傍あるいは圧電素子30側の一面であっても格別
支障はない。取付け耳22の他端垂直部位には、取付けビ
ス23を挿通するための取付け孔Ａが設けてある。そして
取付け耳22の一端部と他端部との間に存在しているアー
ム部には、前記進行波の進行方向とほぼ平行な方向の複
数個（本実施例では２個）の切込み溝Ｂが上下交互に設
けてある。この切込み溝Ｂは、いわゆる「ひだ構造」と
等価な機能、すなわち見かけの弾性定数を小さくする機
能を有している。なお第２図中、24は固定枠を示してい
る。

上記取付け耳22を有する振動板22の形成手段として
は、金属板を打抜き加工により、概略成型したのち、切
込み溝21や取付け耳22における取付け孔A,切込み溝Ｂな
どの細部を加工する手段を用いるとよい。勿論他の形成
手段、例えば金型鋳造法を用いて一挙に図示状態のもの
を形成する手段を採用してもよい。

このように構成された本実施例によれば、支持部材と
しての取付け耳22のアーム部に、進行波の進行方向とほ
ぼ平行な方向の、いわゆる「ひだ構造」と等価な切込み
溝Ｂが設けられているので、見かけ上の弾性定数が小さ
くなる。その結果、見かけ上の機械的インピーダンスを
小さくすることができ、ステータにおける振動板20の機
械的インピーダンスと大きく異なるものとなる。かくし
て振動板20に発生した振動が支持部材としての取付け耳
22を介して固定枠24側へ漏れるのを阻止でき、振動板内
にとじ込め得る。したがって従来のような効率低下を確
実に防止することができる。また振動板20は支持部材と
しての取付け耳22を介して固定枠24に支持固定されるの
で、ステータが回転するおそれはない。しかも上記取付
け耳22は従来のものと全く同じ寸法を有するものを使用
できるので、前述した支持ピンを用いた場合のように超
音波モータが大型化するおそれもない。

なお本発明は前記実施例に限定されるものではない。
例えば前記実施例では支持部材としての取付け耳22を３
箇所に設け、かつ各取付け耳22に対して切込み溝Ｂを２
個設けた場合を例示したが、取付け耳22の設置箇所数お
よび切込み溝Ｂの数は、支持構造の強度等に支障をきた
さない範囲で任意に定めればよい。また前記実施例では
振動板20と取付け耳22との機械的インピーダンスに差を
生じさせるために、切込み溝22を設けて弾性定数を変化
させる手段を例示したが、例えば取付け耳22のアーム部
を中空状にしたり、ハニカム構造にすることにより、見
かけの質量を変化させ、これによって機械的インピーダ
ンスに差を生じさせる手段を用いてもよい。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、ステータの振動板を固定枠に支持固
定するための支持部材に、上記進行波の進行方向とほぼ
平行な方向に沿った複数個の切込み溝を設け、該支持部
材の機械的インピーダンスを低下させるようにしたの
で、ステータが回転しないように安定に支持できるのは
勿論、極めて小さい寸法の小形なステータ支持部材を用
いるものでありながら、この支持部材を介しての振動エ
ネルギーの漏れを十分抑制することでき、小形で効率の
よい超音波モータを提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例におけるステータの外観を示
す斜視図、第２図は同実施例の主要部を切欠して示す断
面図である。第３図〜第５図は第１従来例を示す図、第
６図は第２従来例を示す図である。 20……円環状の振動板、21……切込み溝、22（22a,22b,
22c）……取付け耳（支持部材）、23……取付けビス、2
4……固定枠、Ａ……ビス挿通孔、Ｂ……切込み溝、30
……円環状の圧電素子。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 滝沢 宏行 東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号 オ リンパス光学工業株式会社内 (72)発明者 岡田 淳二 東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号 オ リンパス光学工業株式会社内 (72)発明者 柳澤 明彦 東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号 オ リンパス光学工業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭61−208018（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−149818（ＪＰ，Ａ) 実開 昭61−95118（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】表面進行波が励起されたステータに可動子
   を圧接することによって、該可動子を駆動するように構
   成された超音波モータにおいて、 上記ステータの振動板を固定枠に支持固定するための支
   持部材に、上記進行波の進行方向とほぼ平行な方向に沿
   った複数個の切込み溝を設け、該支持部材の機械的イン
   ピーダンスを低下させたことを特徴とする超音波モー
   タ。