JP2871768B2 - 超音波モータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、超音波モータ、更に詳しくは屈曲振動子
と縦振動子とを組み合わせ、屈曲振動子の屈曲振動の節
に縦振動子を取り付けた超音波モータの構造に関するも
のである。

［従来の技術］ 最近、注目を集めている超音波モータは、周知のよう
に、低速駆動が容易で高トルク出力が得られるという特
徴を有しており、既に一部では商品化せられている。し
かし、この商品化されている超音波モータは、回転形の
タイプのモータであって、設計の自由度が高くて簡単に
回転形のモータにもできる小型のリニア型のタイプのモ
ータは未だ商品化されていない。その理由としては、高
効率で高出力の小型のリニアタイプの超音波モータを製
作することが困難なためで、例えば特開昭59−96881号
公報によって提案されている進行波型のリニア型超音波
モータでは、進行波を効率よく発生させるために閉ルー
プ形状の屈曲振動子を用いる必要があり、振動子が非常
に大型になって、この振動子の支持機構も複雑化し、モ
ータの効率自体も数％と必ずしも効率の高い小型のリニ
アタイプの超音波モータにはならない。また特開昭63−
277477号公報に開示されているような板の屈曲共振と板
の長手方向の縦共振振動を合成する型のリニアタイプの
超音波モータの場合には、板の屈曲共振と縦共振の共振
周波数を一致させないと高効率なモータを実現すること
ができず、大きさや形を制約されてしまう。従って、小
型化、高効率化が容易ではなかった。更にまた、このモ
ータでは摩擦力を発生させるための振動が圧電体の横効
果（電圧印加方向に対し、振動方向が直交している）を
用いているため、圧着力を大きくすることができず、大
きな駆動力を発生させることができないという欠点も有
している。

そこで、本出願人は上記従来のこの種超音波モータの
欠点を除去するために、圧電体を貼着した板状屈曲振動
子に共振屈曲定在波を発生させ、その屈曲振動節の位置
に、屈曲振動の中立軸に対して垂直方向に振動する積層
圧電体からなる縦振動子を設け、屈曲振動と縦振動子が
発生する縦振動の位相を90°ずらすことによって、縦振
動子先端部に楕円振動を発生させ、これにより縦振動子
先端部に圧着した移動体を所定の方向に動かすように構
成した小型のリニアタイプの超音波モータを、先に提案
した（特願平１−195767号：後に国内優先権主張出願さ
れた特願平２−79800号〈特願平３−128683号公
報〉）。

この超音波モータによれば、モータ効率が高く、更に
薄型に構成することができるので、非常に利用価値の高
いものとなる。即ち、この小型のリニアタイプの超音波
モータは、小型であるため、これを円形に並設したり、
また屈曲振動子自体を円環形状とか円板形状にすれば、
容易に回転形の小型超音波モータを実現できるし、更に
また摩擦力を発生するための圧着力が加えられる方向に
は積層圧電体の縦振動子を用いているので、小型でも大
きな駆動力を発生させることができるという数々のメリ
ットが得られる。

［発明が解決しようとする課題］ ところで、共振定在波を用いた超音波モータにおいて
は、一般に、屈曲振動子の固定支持枠への取付構造が、
モータ効率の向上および出力安定化のために重要な要件
となるが、この点に関しては振動子が定在波の共振振動
をしているので、できるだけ振動を損なわずに固定する
ためには定在波振動の節を支持するように構成してやれ
ば良いことになる。

ところが、本出願人が先に提案した超音波モータにあ
っては、駆動力は屈曲振動の節回りに発生する微小振り
子振動を利用しているため、節を完全に固定してしまう
と屈曲共振による節回りの微小振り子振動も止まってし
まうので全く動かなくなってしまう。そして、またこの
超音波モータにおいては屈曲振動の節の部分を、節回り
の微小振動を許容する軸受で支持するようにしているの
で、屈曲振動子の被支持部と支持部の間で相対的な微小
摩擦振動をすることになり、この微小摩擦振動は摩擦損
失によりモータ効率を低下させるだけでなく、不均一な
摩擦状態から不均一なスリップ振動を発生させ、ひいて
は不快な可聴音の発生要因ともなっている。

本発明の目的は、上述の本出願人の提案した超音波モ
ータにおける不具合を除去するために、屈曲振動子の効
率損失を最少限にするように同振動子を支持すると共
に、この支持による不要なスリップ振動の発生を防止す
るようにし、小型で高効率で、かつ、安定した高出力が
得られ、しかも不快な可聴音も発生しない超音波モータ
を提供するにある。

［課題を解決するための手段および作用］ 本発明による超音波モータは、屈曲定在波振動が励起
される棒状または板状の屈曲振動子と、この屈曲振動子
上の上記定在波振動の節の位置に設けられ、屈曲定在波
振動の中立面に垂直な方向に振動する少なくとも１つの
縦振動子とからなる振動子と、 上記縦振動子の先端に圧接され、所定の方向にのみ相
対運動が可能に構成されたレールと、 を具備しており、上記屈曲振動子の屈曲振動と縦振動
子の縦振動との合成振動により上記レールと振動子とを
相対移動させる超音波モータにおいて、 上記振動子を他の部材に支持させる支持部材は、上記
屈曲振動の節周りの回転を阻害しないように、上記屈曲
振動子の屈曲振動の節の位置に設けられていることを特
徴とし、 また、上記支持部材は弾性体からなることを特徴と
し、更に、上記支持部材は低摩擦部材からなることを特
徴とする。

［実施例］ 以下、図示の実施例によって本発明を説明する。第１
図（Ａ）（Ｂ）は、本発明の第１実施例を示す超音波モ
ータの断面図である。本モータにおける振動子12は、縦
振動子４と屈曲振動子11とで構成されており、屈曲振動
子11は、平面形状が長方形をなす比較的厚みのある板状
の弾性体５の上面に、板厚方向に分極された薄板状圧電
体６を接着して形成されている。上記圧電体６は、その
分極方向に高周波電圧を印加すると屈曲振動子11は屈曲
振動を生じ、更に特定の周波数の信号を印加すれば、共
振の屈曲定在波振動をする。本実施例の場合は１次の屈
曲共振振動が最も効率よく励振されるような構成の屈曲
振動子となっている。

一方、上記縦振動子４は上記屈曲振動子11より幅広
（第１図（Ａ）参照）の積層圧電体で形成されていて、
上記屈曲振動子11の１次の屈曲振動の２つの節の位置
で、かつ圧電体６を貼着した側とは反対側の面に固着さ
れており、高周波電圧が印加されると屈曲振動子11の板
厚方向に振動する。また、この縦振動子４の先端面に
は、耐摩耗性の摩擦材で形成されたスライダ4aが固着さ
れている。

そして、このスライダ4aは、図示されない不動部材に
固定されたレール部材２の上面に固着された耐摩耗性摩
擦材で形成されたスライド板３に圧接し摩擦接触するよ
うになっている。

他方、上記レール部材２の、上記スライド板３の固着
されていない側の面には、断面半円状の直線状のガイド
溝2aが振動子12の駆動される方向に２ヶ所平行に穿設さ
れている。また、上記レール部材２の一部および前記屈
曲振動子11はモータ支持枠１内に配設されており、この
モータ支持枠１は上記レール部材２の一部と前記屈曲振
動子11を囲むように断面Ｕの字型のチャンネル状部材で
形成されている。この支持枠１には上記ガイド溝2aに相
対向する位置にガイド溝2aと同様な断面半円状をなす直
線状の平行な有端のボール収納溝1aが穿設されていて、
このボール収納溝1aと上記ガイド溝2aとの両溝内には複
数個のベアリングボール13が配設されている。これによ
って支持枠１はボール13をボール収納溝1a内に保持した
状態でレール部材２のガイド溝2aの方向にのみ可動し得
るように構成される。

そして、前記屈曲振動子11は上記支持枠１に対して次
のようにして取り付けられている。即ち、屈曲振動子11
の屈曲振動の節の位置には、屈曲振動子11の幅方向に突
出する円柱軸状の支持部5aが弾性体５に一体に左右対称
位置に４ヶ所設けられている。この突出支持部5aの外周
にはフランジ付の支持部材14が固着または嵌合されてい
て、同突出支持部5aが上記支持枠１にビス10によって固
定された保持体７の係合切欠部7bに嵌着されることによ
り屈曲振動子11は支持枠１に取り付けられている。

上記保持体７は、屈曲振動子11を上方から囲むように
断面逆Ｕ字型に形成されたチャンネル状部材からなり、
その左右両側縁部の、上記突出支持部5aに対向する部位
に、上記係合切欠部7bが穿設されている。そして、左右
両側縁部の中程は上方に向けて折り曲げられて幅方向の
外方左右に向けて水平に張り出した取付片7aとなってお
り、上記突出支持部5aに係合切欠部7bを嵌着した保持体
７の両取付片7aを上記支持枠１の上面に載置し、皿ばね
８およびスペーサ９を介してビス10を取付片7aを貫通さ
せて支持枠１の上面にねじ込むことにより保持枠７は支
持枠１に固定される。また、この取付状態において取付
片7aと支持枠上面との間には僅かな隙間が生じるように
設計されている。従って、皿ばね８の弾力およびビス10
の捻じ込み量をスペーサ９により調節すれば、ばね８に
よって発生する圧着力は振動子12に直接加わり、これに
よってスライダ4aのスライド板３の接触面に対する圧着
力を最適に調整することができる。

また、上記支持部材14は本実施例の場合、ゴム，ウレ
タン，フェルト等の軟質弾性部材で作られている。

このように構成された上記第１実施例の超音波モータ
によれば、突出支持部5aの外周部に発生する微小回転振
動を支持部材14の弾性変形によって吸収してしまうの
で、支持による屈曲振動子11のエネルギ損失を小さくす
ることができる。更に支持部材14の弾性変形は一定で安
定しているため、屈曲振動子11の出力も安定する。しか
も縦振動子４と屈曲振動子11の合成振動にアンバランス
な振動が発生したような場合でも、支持部材14が防振作
用を持つので、不要な振動が振動子12の外部に漏れ出る
ことがない。従って、不快な可聴音を防止することがで
きモータの出力も安定している。

また、支持部材14は上述の材質のほか、防振性があ
り、剛性が低い材質であれば他の合成樹脂材であっても
かまわないし、炭素繊維とかガラス繊維とかの無機材と
樹脂材との複合材料でも良いし、更にフェルト，織布，
発泡材等の何れでもよい。

また、この支持部材14は部品として製造し、これを突
出支持部5aに接着したり圧入してもよいし、素材を突出
支持部5aにコーティングしてもよく、またモールド成型
を用いてもよい。本実施例の場合、支持部材14はフラン
ジ付の円筒体で形成し、そのフランジ部で保持体７と弾
性体５とを直接接触させないように構成したので、屈曲
振動子11からの振動を防止した状態で振動子12の保持体
７に対する横方向の位置も決めることができる。また、
支持部材14を絶縁材料で作れば、保持体７を金属で作っ
たとしても、圧電体６の表面に露出していて高周波の高
圧電気信号が印加される電極との電気絶縁を簡単にする
ことができる。

また、上記保持体７は金属の薄板をプレス加工して容
易に作ることができるので、これによってモータもより
安価に小型に製作することができる。

更に、上記支持部材14は上記第１実施例では自己変形
して屈曲振動子11の節回りの微小回転往復振動を吸収す
るようにしたが、これは支持部材14と係合切欠部7bある
いは支持部5aとの間の摩擦を小さくし、可動に構成する
ことによっても実現することができる。

次に、これを本発明の第２実施例として説明すると、
この場合には、支持部材14と接触する係合切欠部7bと支
持部5aの表面あらさを細かく滑らかにすると共に、支持
部材14もその表面あらさが細かく滑らかな低摩擦の材質
で形成する。また、可動の接触部は支持部材14と支持部
5aあるいは支持部材14と係合切欠部7bの何れか一方に設
ければよいし、両方共接触部とすることもできる。

屈曲振動子11の振動の節の運動を見ると、節回りの微
小回転運動と共に、節間隔が伸縮する運動を伴う。上記
第１実施例では、この伸縮運動も支持部材14の弾性変形
で吸収できるが、この第２実施例では支持部材14の外周
面と係合切欠部7bの内周面との間で該伸縮運動の方向に
隙間を設け、これによって節間隔の伸縮運動を吸収する
ようにする。この隙間を設けるのは、支持部材14の内周
面と支持部5aの外周面との間でも勿論よい。

また、振動子12の保時体７に対する位置については支
持部材14の外周面と係合切欠部7bの内周面が押圧されて
求心作用が働くので、これによって精密に決まる。

この可動の支持部には、摺動性、耐久性に優れ、防振
作用を持つ樹脂材、例えばPTFE（ポリテトラフルオロエ
チレン）,PPS（ポリプェニレンサルファド）,PAI（ポリ
アミドイミド）,PI（ポリイミド）,PES（ポリエーテル
サルフォン）,PEEK（ポリエーテル・エーテル・ケト
ン）等の樹脂、あるいはそれらをGF（ガラス繊維）,CF
（炭素繊維）等で強化した複合樹脂材を用いるのが好ま
しい。これらの樹脂で支持部材14を成型しても良いし、
コーティングしてもよい。またテフロンや二硫化モリブ
デン等の乾燥潤滑剤をコーティングしてもよいし、更に
はボールベアリングやコロを用いた軸受を用いてもよ
い。

また、上記可動の支持部の別例としては、可動の支持
部に油，グリス等の潤滑剤を用いて低摩擦，高耐久性を
実現してもよい。油を用いると簡単に低摩擦，高耐久性
が得られる。しかし、保守をしないと充分な耐久性が得
られず、また油が支持部から発散すると支持部に急激に
摩耗が発生したりしてモータの性能を著しく低下させる
ので、油を直接、支持部に付ける代りに支持部材14を含
油材にすることが望ましく、かくすれば上記の不具合は
生じない。また、支持部材14を使用しなくても支持部5a
あるいは保持体７の何れかを含油材にすればよい。

このように油やグリスを用いれば、油やグリスの油膜
はダンピング作用を持つので、これによって不要な振動
を防止することができる。

第２図（Ａ）（Ｂ）は、本発明の第３実施例を示す超
音波モータの要部構成図である。この第３実施例の超音
波モータの構成は、屈曲振動子11の支持枠１への取付構
造を除いては上記第１実施例の超音波モータとほゞ同様
に構成されるので、第１実施例との主な相違点について
説明し、同一の構成部材には同じ符号を付すに止める。

先ず、その主な違いは、上記支持部5aが弾性体5Aに穿
設された円形穴からなる支持凹部5Aaで形成されてお
り、上記係合切欠部7bが保持体7Aに一体に形成された折
曲突片からなる係合折曲部7Abで構成されている点であ
る。上記保持体7Aは屈曲振動子11を上方から覆う逆Ｕ字
型のチャンネル状部材で形成されていて、上記係合折曲
部7Abは左右両側縁の下部に内方に向けて折り曲げて形
成されており、それぞれ上記支持凹部5Aa内に嵌入す
る。

そして、支持凹部5Aaと係合折曲部7Abの間には、上記
第1,第２実施例と同様な支持部材14Aが設けられる。ま
た上記保持体7Aを支持枠１の上面に取り付けるための取
付片7Aaは、本実施例においては板バネとして作用する
ように折り曲げられ、振動子12をレール部材２に圧着さ
せる弾性機能を有している。またレール部材２には上記
スライド板３が貼設されていない。これはスライダ4aと
レール部材２の接触界面は、相方の材料を選択すること
によって最適な摩擦力と耐摩耗性が得られゝばよく、例
えばレール部材２にSK鋼材、あるいはステンレス鋼材を
選び、スライダ4aには耐摩耗性で攻撃性のないテフロン
を含むPTFE等の樹脂を用いると最適である。また、レー
ル部材側の材質とスライダ側の材質は逆であってもよい
ことは勿論である。

このように構成された第３実施例によれば、支持部5A
aは弾性体5Aに簡単に形成することができると共に、係
合折曲部7Abも保持体７に一体に容易に形成することが
でき、かつ振動子12をレール部材２に圧着させるための
バネも不要になるので、前記第１実施例よりも振動子12
の支持構造が簡素化され、コストも安くなる。更に本実
施例の場合、支持部材14Aと支持凹部5Aaとの係合長を前
記第１実施例より長くとれ、しかも、それに必要なスペ
ースは少なくて済むので、省スペースで安定した振動子
12の支持ができるという効果がある。

第３図（Ａ）（Ｂ）は、本発明の第４実施例を示した
ものである。この第４実施例の超音波モータの構成も屈
曲振動子11の支持枠１への取付構造を除いては前記第１
実施例の超音波モータとほゞ同様に構成されているの
で、第１実施例との相違点についてのみ説明する。

前記第１実施例と異なるところは、弾性体5Bに設けら
れる支持部5Baが弾性体5Bの幅方向に穿設された貫通孔
で形成されていて、該支持部5Ba内を挿通せられた係合
軸部7Bbで係合部が形成されている。上記係合軸部7Bb
は、保持体7Bの左右両側縁部の開放端寄りの部分に両端
部を固定した丸棒状軸部材で構成されており、この係合
軸部7Bbの外周部には前記軟質材料あるいは低摩擦材か
らなる支持部材14Bが設けられている。

また、保持体7Bの取付片7Baは、前記第１実施例と全
く同様に形成されていて、同様に支持枠１に取り付けら
れる。またこの実施例においてもスライド板は用いられ
ていない。

このように構成された第４実施例によれば、支持部材
14Bと支持部5Baとの係合長は、上記第３実施例よりも長
くとれるので、安定した振動子12の支持ができる。ま
た、圧着力が一定の場合を考えると、支持部材14Bと支
持部5Baの接触面積が最も大きく、支持部材14Bが受ける
単位面積当りの接触圧は最も小さくなるので、支持部材
14Bに軟質材料を用いた場合でも、また低摩擦材を使用
した場合でも耐久性は向上する。

なお、上記各実施例中の支持部材14,14A,14Bを剛性材
料で作ったとしても、節回りの回転を妨げないようにし
てあるので、その支持部材表面を良好な摺動面とするた
めに鏡面仕上げにしたり、潤滑処理を施すだけでも、明
細書始めに述べた本出願人の提案した超音波モータの不
具合を解消することができる。

因に、上記各実施例ではレール部材を固定したが、支
持枠1,保持枠７および振動子を固定し、レール部材２を
移動させるようにしてもよいことは勿論である。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明によれば、超音波モータの駆
動源である屈曲振動子の振動を阻害することなく振動子
を支持することができるため、モータ効率を損うことが
なく高効率のモータを製作することができる。

また、簡単な構成の支持構造によって振動子を安定
に、かつ確実に支持でき、しかも支持部に振動吸収性の
材料を配設してあるので、これによってモータを安定に
駆動することができる。従って、不要な振動が発生する
ことなく、不快な可聴音の発生を防止でき、この種モー
タの不具合を除去した超音波モータを提供することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）（Ｂ）は、本発明の第１実施例を示す超音
波モータの要部断面図であって、第１図（Ａ）は要部縦
断面図、第１図（Ｂ）は第１図（Ａ）中のＸ−Ｘ線に沿
う側断面図、 第２図（Ａ）（Ｂ）は、本発明の第３実施例を示す超音
波モータの要部縦断面図と振動子保持枠の側面図、 第３図（Ａ）（Ｂ）は、本発明の第４実施例を示す超音
波モータの要部縦断面図と振動子保持枠の側面図であ
る。 １……支持枠 ２……レール部材 ４……縦振動子 ５……弾性体 ６……圧電体 11……屈曲振動子 12……振動子 14……支持部材

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】屈曲定在波振動が励起される棒状または板
   状の屈曲振動子と、この屈曲振動子上の上記定在波振動
   の節の位置に設けられ、屈曲定在波振動の中立面に垂直
   な方向に振動する少なくとも１つの縦振動子とからなる
   振動子と、 上記縦振動子の先端に圧接され、所定の方向にのみ相対
   運動が可能に構成されたレールと、 を具備しており、上記屈曲振動子の屈曲振動と縦振動子
   の縦振動との合成振動により上記レールと振動子とを相
   対移動させる超音波モータにおいて、 上記振動子を他の部材に支持させる支持部材は、上記屈
   曲振動の節周りの回転を阻害しないように、上記屈曲振
   動子の屈曲振動の節の位置に設けられていることを特徴
   とする超音波モータ。
2. 【請求項２】上記支持部材は、弾性体からなることを特
   徴とする、請求項１記載の超音波モータ。
3. 【請求項３】上記支持部材は、低摩擦部材からなること
   を特徴とする、請求項１記載の超音波モータ。