JP2925493B2 - 振動波装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は振動波装置に係り、
丸棒状の振動体に圧電素子などの電気−機械エネルギー
変換素子手段により駆動振動を形成する振動子と、該振
動体の駆動振動の形成される作用部と接触し、回転駆動
される接触体とを有する振動波装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の振動波装置の振動子としては、例
えば特開昭６３−２１４３８１号公報がある。この振動
子を図７乃至図１１に示す。

【０００３】この振動子１２５を構成する円板形状の電
歪素子１１４は、分割部１１０を境として二分割された
電極１１１と１１２が一面に形成され、共通電極１１３
が他面に形成されていて、電極１１１と１１２毎に分極
方向が反転（素子部１１４ａと１１４ｂ）されている。
振動子１２５は、このような電歪素子１１４を２枚用意
し、分割部１１０を一致させると共に、残留分極の方向
を対向させ（素子部１１４ａと１１４ａとを向かい合わ
せ、同様に素子部１１４ｂと１１４ｂとを向かい合わせ
る）、図９に示すＵ字形状の２枚の電極板１１５と１１
６を間にして互いに向かい合った両電歪素子１１４の電
極１１１と１１２を重ね合わせ、中心部に絶縁筒１１７
を配置挿通する。そして、一方の電歪素子１１４の他面
に形成された共通電極１１３の面には、出力端部１１８
を細く形成すると共に、エクスポーネンシャル段部を有
する金属材１１９が接合され、他方の電歪素子１１４の
共通電極１１３の面には共通電極板１２０が接合され、
この共通電極板１２０には金属材１２１を接合させて締
着具としてのボルト１２２によりこれらを一体的に固定
している。

【０００４】また、電極１１１と電極１１２および共通
電極１１３とには、電極板１１５と電極板１１６及び共
通電極板１２０とを介在させて不図示の駆動制御回路が
接続されている。

【０００５】このような構成において、共通電極板１２
０に対して電極板１１５と１１６に位相を制御できる駆
動電源を接続してその駆動周波数をたわみ共振周波数に
調節する。その位相差を零として駆動したときには、励
振電圧は電歪素子１１４の両素子部１１４ａと１１４ｂ
とに同一に印加されるので、一方の素子部が伸びた時に
は他方の素子部が縮み、これを交互に繰り返すことによ
りたわみ共振振動が行われ、その出力端部１１８は、図
７の（ｄ）に示すように、軸に直角方向の運動が行われ
る。

【０００６】ここで、一方の電極板１１５に対し、他方
の電極板１１６に印加する駆動電圧の位相を進ませる
と、図７の（ｃ）に示すようなたわみ方向に長い反時計
方向の楕円運動を行い、その進相度をさらに増して行く
と、図７の（ｂ）（ａ）のごとく、たわみ方向に短く、
軸方向に長い楕円形状に変化する。同様に、その位相を
遅らせると、楕円振動方向は時計方向に反転し、また位
相差の増大に伴って、図７の（ｅ）（ｆ）（ｇ）のごと
くその振動姿態が変化する。

【０００７】さらに、電極板１１５と１１６に印加する
夫々の励振電圧の相対位相を零として、その相対振幅を
変化させると、出力端部１１８の振動姿態は図７の
（ｈ）（ｉ）（ｋ）（ｌ）のように、たわみ方向に対し
て傾斜した直線で振動する。なお、印加電圧が同振幅の
場合には、図７の（ｊ）のように軸と直角方向に共振振
動する。

【０００８】次に、駆動周波数を軸方向共振周波数に設
定し、１８０度位相の異なる駆動電圧を夫々の電極板１
１５と１１６に印加すると、素子部１１４ａと１１４ｂ
は同時に伸びたり縮んだりして通常の縦形振動子と同様
に、図７の（ｐ）に示すように、軸方向に共振振動す
る。

【０００９】ここで、各電極板１１５と１１６に印加す
る駆動電圧の位相差を１８０度を基準として進相あるい
は遅相とすると、その度合いに応じて図７の（ｍ）〜
（ｏ），（ｑ）〜（ｓ）のように回転方向と楕円率が変
化した楕円運動が行われることになる。また、位相差を
１８０度として相対振幅を変化させると、同様にその大
小と極性とによって図７の（ｔ）（ｕ）（ｗ）（ｘ）に
示すようにその傾斜を変えて直線振動がおこなわれる。

【００１０】なお、電歪素子としては、図１０のよう
に、電極１２７と共通電極１２９を有する半円弧状の素
子部１２６ａと、電極１２８と共通電極１２９を有する
半円弧状の１２６ｂとの２分割構造のものを一定の間隔
を有して配置することで、電歪素子１１４に変えて使用
できる。

【００１１】図１１はこのような振動子をモータとして
用いたもので、支軸１３０が中心に形成された円板状の
ロータ１３１の面１３２に振動子１２５の出力端部１１
８を圧接し、出力端部１１８の振動を例えば図７の
（ｓ）の状態とすると、ロータ１３１は矢印の方向に回
転する。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
振動子を利用したモータは、２枚の電歪素子の分割電極
が同位相に積層されているので、異なる位相の電圧供給
により振動子の先端部を変位させるものであり、種々な
形態の先端部の動きは実現できる。

【００１３】しかしながら、先端部をたわみ方向に短
く、軸方向に長い楕円運動をさせて駆動するので、被駆
動体である円板に充分な駆動トルクを与えることができ
ない難点がある。

【００１４】本出願に係る発明の目的は、高トルクを得
ることができる振動波装置を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本出願に係る発明の目的
を実現する第１の構成は、作用部と取り付け部が軸方向
に離間して形成されると共に、軸孔が形成された丸棒状
の振動体と、前記振動体の軸方向端面となる前記取り付
け部に取り付けるものであって、前記振動体の前記作用
部が合成振動として軸回りに回転運動するように、複数
の位相の異なる軸方向の振動変位を発生する電気−機械
エネルギー変換素子手段と、前記振動体の前記作用部と
接触し、該作用部の前記合成振動により該振動体と同軸
を回転中心として回転駆動される接触体と、を有し、前
記振動体の前記作用部と前記取り付け部の間に、少なく
とも該作用部より外径の小さい小径部を設けたことを特
徴とする振動波装置にある。

【００１６】本出願に係る発明の目的を実現する第２の
構成は、上記の第１の構成において、前記小径部は前記
作用部および前記取り付け部の両者より外径を小さくし
たことを特徴とする振動波装置にある。

【００１７】

【発明の実施の形態】

（本発明の前提となる技術）図２は本発明の前提となる
モータの分解斜視図である。

【００１８】１は先端部の小径軸部１ａと後端部の大径
軸部１ｂとの間に径が先端部に漸減するホーン形状のホ
ーン部１ｃを形成した金属丸棒からなる振動体、２は振
動体１の大径軸部１ｂと同径の外径に形成された金属丸
棒からなる押え体、３及び４は大径軸部１ｂと同径の外
径に形成された電気−機械エネルギー変換素子としての
円環形状の圧電素子板、５は圧電素子板３，４の共通の
電極板で、振動体１と押え体２との間に、電極板５を挾
むようにして圧電素子板３，４を配し、ボルト６により
押え板２を振動体１に固定することにより、圧電素子板
３，４を振動体１と押え体２との間に固定して、振動子
Ａを構成している。ボルト６は、その頭部が円環状の絶
縁体７を介して押え体２に接し、且つ軸部が圧電素子板
３，４及び電極板５と非接触状態に保持されている。

【００１９】圧電素子板３，４は、片面側に分極方向が
互いに異なり、且つ厚み方向に分極された２つの電極領
域（＋電極ａ、−電極ｂ）が中心軸線位置に形成された
絶縁部ｄの両側に対称に形成されると共に、他面側に＋
電極ａ、−電極ｂの共通電極ｃが形成されていて、振動
子Ａの軸線に対して互いに位置的位相が９０°の角度を
ずらして配置され、圧電素子板３の共通電極ｃと圧電素
子板４の分割電極側が電極板５の表裏両面に接するよう
に配置されている。なお、圧電素子板３の分割電極（＋
電極ａ、−電極ｂ）は導電体である振動体１の後端面に
接し、また圧電素子板４は導電体である押え体２の前端
面に接している。

【００２０】そして、電極板５と振動体１との間に交流
電圧Ｖ₁ を、また電極板５と押え体２との間に交流電圧
Ｖ₂ を印加することにより、圧電素子板３の厚み方向に
おける伸縮変位による振動と、圧電素子板４の厚み方向
における伸縮変位による振動との合成により振動子Ａを
振動させる。

【００２１】交流電圧Ｖ₁ と交流電圧Ｖ₂ とは、図３に
示すように、振幅及び周波数が共に同じで、時間的、空
間的位相が９０°のずれを有している。

【００２２】したがって、振動子Ａは、軸心を中心と
し、円運動を行うことになる。なお、この円運動が生じ
る原理については、公知であるので説明は省略する。

【００２３】ここで振動子Ａの両端を自由端とした場
合、振動の腹の位置は振動子Ａの両端に形成されること
になり、振動子Ａの形状から振動体１の先端における円
運動の径は押え体２の後端よりもはるかに大きいが、前
述したように、振動体１の先端の円運動におけるトルク
は小さい。

【００２４】本実施の形態は、振動子Ａにおける振動体
１のホーン部１ｃの先端部（以下摺動部と称す）Ｂに振
動の腹の位置がくるように振動子Ａに対する共振周波数
を設定し、その周波数で圧電素子板３，４を駆動してい
る。

【００２５】すなわち、振動子Ａは、３節又はそれ以上
のモードで振動し、少なくとも振動子Ａの両端と摺動部
Ｂとを腹として振動し、振動体１は図４（ａ），（ｂ）
に示すように、ホーン部１ｃ及び小径部１ａが軸心Ｌを
中心とし、小径部１ａの先端中心点Ｐが、図４に示すよ
うに、真円ｃの円周上を移動する首振り運動を行なうこ
とになる。

【００２６】そして、摺動部Ｂにおける首振り運動を利
用し、後記するロータ８を軸心Ｌを中心として回転させ
るようにしており、この摺動部Ｂで得られるトルクは小
径部１ａの先端で得られるトルクよりもはるかに大きい
ものであった。

【００２７】ロータ８は、振動子Ａの軸心Ｌと同軸に小
径部１ａに嵌合し、ロータ８の内径部８ａの後端部（以
下摩擦接触部と称す）８ｂを摺動部Ｂに対応する位置ま
で延出し、摩擦接触部８ｂの後端部をホーン部１ｃに当
接させている。ロータ８の内径部８ａの内径は、図５に
示すように、振動子Ａの小径部１ａの外径よりも極僅か
大径に形成されて小径部１ａの首振り運動を許容できる
ようにしており、内径部８ａの長さ方向中央部８ｃはさ
らに径の大きい内径部に形成されて小径部１ａと接触す
るのを防いでいる。

【００２８】ロータ８の摩擦接触部８ｂは、摺動部Ｂの
外周形状と合致するラッパ形状に拡開し、振動体１の首
振り運動時に摺動部Ｂと線接触する。

【００２９】ロータ８は、例えば不図示のスラストベア
リングを介して不図示のバネ等により、図５中の矢印方
向に押され、摩擦接触部８ｂと摺動部Ｂとの接触部に所
定の摩擦力を発生させ、また該スラストベアリングによ
り軸回り方向の回転が許容されている。

【００３０】すなわち、振動子Ａが摺動部Ｂを腹の位置
とする、例えば３節のモードで振動すると、前述したよ
うに振動体１は図４に示すように、軸心Ｌを中心とした
首振り運動を行ない、図６に示すように、摺動部Ｂがロ
ータ８の摩擦接触部８ｂと摩擦接触しながら時計方向又
は反時計方向に軸心Ｌに対し所定の半径ｒの軌跡を描き
ながら円運動し、ロータ８を回転させることとなる。

【００３１】なお、図６は摺動部Ｂがロータ８の摩擦接
触部８ｂの内周面をこじりながら円運動することを説明
するために、摺動部Ｂの外径をロータ８の摩擦接触部８
ｂの内径よりもかなり小さくしているが、摺動部Ｂにお
ける首振り運動の半径は実際に極僅かであるので、摺動
部Ｂとロータ８の摩擦接触部８ｂの内周面とは微小の間
隙となっている。

【００３２】ところで、振動子Ａは振動体１のみが振動
するのではなく、全体が振動することから、このモータ
Ｍを機器等に取り付けする際、振動子Ａの機器等に対す
る支持方法が問題となる。

【００３３】この場合、振動の節の位置で振動子Ａを支
持することが振幅が少ないことから一見最適に思える
が、振動子Ａは振動の節位置を起点とする首振り運動を
行なっているので、この振動の節位置における軸心Ｌに
対する垂直平面は、軸心Ｌ方向に沿って揺動することに
なる。

【００３４】このため、振動子Ａにおいて、振動の節位
置となる個所、例えば振動体１または押え体２の外周面
にモータ取り付け用のフランジを延出したとすると、こ
のフランジは軸方向に揺動し、機器等との取付部が最悪
の場合には振動により破壊したりする虞れがあり、振動
の節位置では振動子Ａの支持を行なうのに不適である。

【００３５】そこで、振動子Ａの振動状態につき種々検
討したところ、振動子Ａの支持位置として一見不適と思
われる振動の腹の位置が適していることを見出した。

【００３６】すなわち、振動の腹の位置は振幅が大きい
が、径方向のみしか変位しないので、上述のような揺動
運動による弊害が生じない。また、支持位置となる振動
の腹位置は、モータＭの構造から当然摺動部Ｂよりも軸
方向後方側に設けられることになり、３節モードにより
振動子Ａを振動させる場合には振動子Ａの後端が支持位
置となり、また４節モードでは振動子Ａの後端位置又は
振動子Ａの後端と摺動部Ｂとの間とが振動子Ａの支持位
置となる。

【００３７】一方、振動子Ａにおける振動の振幅は非常
に小さく、これらの支持位置となる腹位置の振幅はロー
タ８の振動を行なう摺動部Ｂにおける振幅よりもさらに
小さいので、径方向変位は殆ど無視することができ、振
動の腹位置を振動子Ａの支持位置とすることで、振動子
Ａを安定に機器等に支持させることが可能となる。

【００３８】なお、振動子Ａの後端を支持位置とする場
合、該後端を機器等の固定部材に対し、固定すると振動
子Ａが両端を節位置とする振動モードになり、摺動部Ｂ
に振動の腹を形成することができなくなるので、径方向
における変位を許容できるように支持することが必要で
ある。

【００３９】（第１の実施の形態）図１は本発明による
振動波装置の第１の実施の形態の断面図である。

【００４０】本実施の形態は、ローラ４０の両端から夫
々支軸４１及び４２を延出し、双方の支軸４１，４２を
ベアリング４３及び４４を介して取付部材４５に回転可
能に取り付けている。

【００４１】ローラ４０を駆動するモータの振動子Ａ’
は、上記した図２ないし図６のモータの振動子Ａと同じ
駆動原理により駆動されるものである。そして、振動子
Ａ’の軸央部に上記一方の支軸４１が貫通する軸孔４６
が設けられ、前記一方の支軸４１に該軸孔４６が貫通し
て同軸的に配置されている。

【００４２】この振動子Ａ’は小径部１’ａの先端部
に、円筒状の筒状振動部４７が一体的に形成され、この
筒状振動体４７の真円形に形成された図示のように小径
部１’ａよりも大径の作用部としての嵌合孔４８が、ロ
ーラ４０の一端部に形成された軸部４９に嵌合してい
る。そして、振動子Ａ’の駆動により筒状振動部４７を
首振り運動させ、軸部４９との摩擦接触によりローラ４
０を回転させる。

【００４３】その際、ローラ４０の両端から夫々延出さ
れている支軸４１，４２はベアリング４３，４４に軸支
されているので、振動子Ａ’の駆動時にローラ４０が径
方向に変位することがなく、ローラ４０の軸部４９と筒
状振動部４７の嵌合孔４８とが常時づれなく摩擦接触し
て効率よくローラ４０の回転が行なわれる。

【００４４】一方、振動子Ａ’の保持は、振動体１’に
おける振動の腹位置が形成される個所に、リング状のフ
ランジ部５０を一体的に形成し、取付部材４５から延出
される複数の固定ブラケット５１に径方向の変位を吸収
可能とするゴム等の弾性部材５２を介して取り付けられ
ている。

【００４５】

【発明の効果】請求項１、２に係る発明によれば、振動
体の作用部と電気−機械エネルギー変換素子手段を取り
付けるための取り付け部の間に小径部を設けたので、該
作用部の駆動のための軸回りの回転運動を大きくでき、
結果として高トルクでの接触体の回転運動を達成するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による振動波装置の第１の実施の形態を
示す側面図。

【図２】本発明の前提となる技術を示すモータの分解斜
視図。

【図３】図２の圧電素子板に印加する交流電源の波形
図。

【図４】（ａ），（ｂ）は図２の振動子の首振り運動を
示す側面図及び正面図。

【図５】図２のモータの組み付け状態を示す図。

【図６】図２のモータの駆動状態を説明する図。

【図７】従来の振動子を示す断面図。

【図８】図７の振動子の電歪素子を示す斜視図。

【図９】図７の振動子の電極板を示す斜視図。

【図１０】図７の振動子の他の電歪素子を示す斜視図。

【図１１】図１１の振動子を用いたモータの斜視図。

【符号の説明】

Ｍ：モータ Ａ：振動子 Ｂ：摺動部 １：振動体 ２：押え体 ３，４：圧電素子板 ５：電極板 ６：ボルト ７：絶縁状 ８：ロータ １０：ローラ １１：取付部材 １２：低摩擦シート ２０：ロータ ２４：バネ。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 作用部と取り付け部が軸方向に離間して
   形成されると共に、軸孔が形成された丸棒状の振動体
   と、 前記振動体の軸方向端面となる前記取り付け部に取り付
   けるものであって、前記振動体の前記作用部が合成振動
   として軸回りに回転運動するように、複数の位相の異な
   る軸方向の振動変位を発生する電気−機械エネルギー変
   換素子手段と、 前記振動体の前記作用部と接触し、該作用部の前記合成
   振動により該振動体と同軸を回転中心として回転駆動さ
   れる接触体と、を有し、 前記振動体の前記作用部と前記取り付け部の間に、少な
   くとも該作用部より外径の小さい小径部を設けたことを
   特徴とする振動波装置。
2. 【請求項２】 前記小径部は前記作用部および前記取り
   付け部の両者より外径を小さくしたことを特徴とする請
   求項１に記載の振動波装置。