JP3018106B2 - 定在波型超音波モータおよび定在波型超音波モータを有するアナログ式電子時計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、圧電素子または電歪素子の伸縮運動を利用
することによって振動体円周方向に発生させたたわみ定
在波により、移動体を摩擦駆動する定在波型超音波モー
タの構造およびこれを用いたアナログ式電子時計に関す
るものである。

〔発明の概要〕

本発明は、たわみ定在波成分を利用した定在波型超音
波モータに関するもので、中心軸を有する固定台と、た
わみ定在波の節の部分においてのみ中心軸と一体となる
ように固定支持された振動体部と、振動体部の少なくと
も片面に接合された円環型形状の圧電素子または電歪素
子と、振動体部に発生するたわみ定在波の腹と節とのほ
ぼ中間位置の１つおきに設けられた突起と、突起に加圧
接触するのとともに中心軸を回転案内とするように配置
された移動体と、移動体を加圧するための加圧手段とか
らなる構成とすることにより、定在波型超音波モータの
小型径小化に際しても、電気機械変換効率を損なうこと
なく高トルク化が実現でき、係る構造によりモータ性能
の安定化ならびに高効率化が図れるようにしたものであ
る。

さらに、上記定在波型超音波モータにより駆動される
表示手段によりアナログ式電子時計が得られ、小型薄型
化、高トルク化ならびに低消費電力化が実現できる。

〔従来の技術〕

従来は、第２図に示すような構造の進行波型超音波モ
ータが知られていた。従来の進行波型超音波モータにお
いては、固定台201上に設置された中心軸202に振動体部
203の中心部を固定支持し、中心軸202を回転中心のガイ
ドとして振動体部203の外周部のみに加圧接触するよう
な移動体205を設けるとともに、移動体205の調圧機構と
してバネ部材206を中心軸上に座金207およびストッパー
208で固定するような構造であった。この際、圧電素子2
04に２つの位相の異なる高周波電圧を印加することによ
り、振動体部203に進行波が励振され、振動体部203との
摩擦力を介して移動体205が回転運動することになるわ
けである。例えば特開昭63−305770号公報にこのような
従来の構造が開示されている。

また、従来の定在波型超音波モータの構造としては、
振動体に発生する低在波の節と腹との間に移動体と接す
る接触部を設け、移動体を一方向へ回転させる構造が知
られていた。例えば、特開昭63−107472号公報、特開昭
63−107473、および特開昭63−107474号公報に従来の定
在波型モータの構造が開示されている。

さらに、従来のアナログ式電子時計としては、第９図
に示すような構造のものが知られていた。従来のアナロ
グ式電子時計においては、ステータ902が地板901の上面
に配置され、このステータ902の上面に磁心903が接して
ねじ止めされている。磁心903にはコイルワイヤ905が巻
線され、図示しない駆動制御回路に配線されている。ス
テータ902のロータ穴906に、ロータ907が回転可能に組
み込まれ、ロータ907の回転運動は五番車908、四番車90
9、三番車910、分車911、図示しない日の裏車、そして
筒車912に伝達される。ここで、コイルワイヤ905に所定
の電圧を一定周期で印加すれば、ステータ902の磁力で
ロータ907が回転し、筒車912に取り付けた時針915で時
を、分車911に取り付けた分針916で分を、四番車909に
取り付けた秒針917で秒を表示することが可能となる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記のような超音波モータの構造では、進行波型であ
るために正逆転回転が可能となる利点はあるものの、超
音波モータの小型径小化にともない、振動体部203およ
び圧電素子204とからなる振動体の共振周波数が高くな
ることによる駆動回路部分等での損失を避けるために、
一般に振動体の径方向に対して節部を有さない振動モー
タで励振させなければならないが、そのような場合には
振動体中心部付近でひずみが解放されにくいために、電
気機械変換効率が低下するのとともに強い励振力が得ら
れないという課題を有していた。さらに、係る課題を解
決するために振動体部203および圧電素子204とからなる
振動体を概略円環形状となる構造も開示されているが、
進行波型超音波モータの場合には振動の節部を持たない
ために別途複雑な振動体支持手段を設けなくてはなら
ず、複雑な構造を要するといった課題を有していた。

また、従来の定在波型超音波モータにおいては、振動
体全体が一体として形成された剛体であるために、モー
タの駆動周波数が高くなり励振力が低下したり、電気機
械変換効率の向上がむずかしいという課題を有してい
た。さらに、リング型の定在波型超音波モータでは、小
型化に対応した支持構造の実現がむずかしいという課題
もあった。

そこで本発明の目的は、従来のこのような課題を解決
するため、電気機械変換効率の低下や、構造の複雑化な
どを極力おさえ、薄型径小化に際してもモータ性能の向
上が期待できる低在波型超音波モータを得ることとして
いる。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために、本発明においては、中心
軸を有する固定台と、たわみ定在波の節の部分において
のみ中心軸と一体となるように固定支持された振動体部
と、振動体部の少なくとも片面に接合された円環型形状
の圧電素子または電歪素子と、振動体部に発生するたわ
み定在波の腹と節とのほぼ中間位置の１つおきに設けら
れた突起と、突起に加圧接触するのとともに中心軸を回
転案内とするように配置された移動体と、移動体を加圧
するための加圧手段という構成とすることにより、定在
波型超音波モータの小型径小化、性能の安定化ならびに
高効率化が図れるようにした。

〔作用〕

上記のように構成された定在波型超音波モータにおい
ては、超音波モータの小型径小化にともない、振動体部
ならびに圧電素子とからなる振動体が概略円環型形状と
できるために共振周波数の低減化が図れるとともに、円
板型形状における半径方向に対して節部を有さない振動
モータでの励振に比べて高い電気機械変換効率および強
い励振力を得ることが可能となる。また、定在波を利用
していることから定在波の節の部分での支持が可能とな
るとともに、１つの高周波信号で駆動可能なことから、
導通用リード線も１本のみで済むのと同時に昇圧回路お
よび駆動回路についても１つで済む。さらに、定在波の
腹と節とのほぼ中間位置に設けた突起により移動体を摩
擦駆動するために、常に腹の位置で移動体と接する進行
波型の場合に比べて、負荷の変動や摺動面の変化に対し
ての影響を受けにくくなる。

〔実施例〕

以下に、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は、本発明に係る定在波型超音波モータの縦断
面図を示した図である。中心軸102は固定台101とネジ止
め、あるいは打ち込みにより一体となっており、さらに
振動体部103は概略円環型形状をなしていて振動体円周
方向に発生させられるたわみ定在波の節の部分において
のみ中心軸102と一体固定支持されるような形状となっ
ている。この際、振動体部103はアルミ合金、ステンレ
ス、黄銅等の弾性部材からなっている。そして、振動体
部103は中心部分にて中心軸102によって支持されてい
る。また、振動体部103は一体構造でなくてもよい。圧
電素子104を振動体部103に接着する際の位置決めなどを
考慮するならば、振動体部103は二体構造でもよい。な
お、固定台101、中心軸102の機械的共振周波数は振動体
部103、圧電素子104等からなる振動体とは十分に離れて
おり、支持の影響による振動漏れや減衰はほとんど生じ
ない支持構造となっている。そして、固定台101、およ
び中心軸102を導電材料で構成することにより実質的に
接着面と同電位とすることができるために配線が容易と
なる。さらに、固定台101と中心軸102が一体構造となっ
ていてもよい。

圧電素子104は中心に穴のあいた円環型形状をした１
枚以上の圧電素子または、周方向に分割された数片から
なる圧電素子であり、周方向に数パターンの電極部が設
けられて厚み方向に分極処理されたものが、振動体部10
3の少なくともどちらか一方の面に接合されている。

突起105は、圧電素子104の伸縮運動によって振動体部
103に発生する前記たわみ定在波の腹と節とのほぼ中間
位置の１つおきに設けられており、振動体部103に励振
されるたわみ定在波により、突起105の先端部分は楕円
運動を生じることになる。

移動体106は、振動体部103に設けられた突起105の先
端部分に加圧ばね107によって加圧接触するのととも
に、中心軸102を回転案内とするように配置されてい
る。振動体部103にたわみ定在波が励振されることによ
り、移動体106の一方向への回転運動に変換されること
になる。

ところで、本発明の最も特徴とするところは、振動体
部103と圧電素子104とからなる振動体の構造に関すると
ころである。

そこで、第３図に本発明に係る定在波型超音波モータ
の振動体の第１の実施例を示す。第３図において、
（Ａ）は断面図、（Ｂ）は平面図である。振動体部301
は概略円環形状をなしており、図示するように振動体部
301の円周方向に励振されるたわみ定在波成分の節の部
分においてのみ振動体部支持部材303を介して中心軸102
と一体固定支持されるような形状となっている。そし
て、振動体部301はたわみ定在波成分の腹と節とのほぼ
中間位置の１つおきに突起302が配置されるような構造
となっている。その際、振動体部301、突起302ならびに
振動体部支持部材303は一体でも別体構造でも良く、ま
た材質に関しても必ずしも同一である必要性はない。以
上のような構造とすることにより、振動体部301ならび
に圧電素子304とからなる振動体が概略円環型形状とで
きるために共振周波数の低減化が可能となり振動体の小
型径小化が実現できる。さらに、円板型形状の振動体に
比べて振動体中心部付近でひずみが解放されやすくなる
ので高い電気機械変換効率および強い励振力を得ること
が可能となる。また、定在波を利用していることから、
１つの高周波信号で駆動可能なことから、導通用リード
線も１本のみで済むのと同時に昇圧回路および駆動回路
についても１つで済むためにモータ装置全体の小型化が
図れる。さらに、定在波の腹と節とのほぼ中間位置に設
けた突起により移動体を摩擦駆動するために、常に腹の
位置で移動体と接する進行波型の場合に比べて、負荷の
変動や摺動面の変化に対しての影響を受けにくくなるな
どという数多くの特徴を有すことになるのである。な
お、本実施例においては振動体の円周方向に励振される
たわみ定在波の波数が２の場合を示しているのととも
に、突起302が時計方向から見て腹から節に向かう部分
のちょうど中間に配置されている場合すなわち移動体が
時計方向に回転運動を生じる例を示しているが、波数な
らびに突起配置場所についてはこれに限らない。

第４図は本発明に係る定在波型超音波モータの圧電素
子の実施例を示す平面図である。第４図において、
（Ａ）は表面すなわち振動体部301との接着面側であ
り、（Ｂ）は裏面すなわちリード線接合側のそれぞれ一
例を示したものである。なお、本実施例は第３図に示し
た振動体に２つの波を励振させる場合を示したものであ
る。円環型形状の圧電素子401の表面側には円周方向に
等間隔に４分割された扇形の電極パターン402a〜ｄが形
成されており、１つおきに逆方向の圧電効果を示すよう
に分極処理がなされている。すなわち電極パターン402
a、403cが裏面側の電極パターン403に対して（＋）側、
また電極パターン402b、402dが裏面側の電極パターン40
3に対して（−）側となるように分極処理がなされてい
ることになる。これに対して圧電素子401の裏面側に
は、ほぼ全面に電極パターン403を形成するのみで良い
が、圧電素子401と振動体との接合時の位置合わせこそ
が本発明に係る定在波型超音波モータの回転方向ならび
に性能バラツキに大きく寄与することになる。そこで、
本実施例では電極パターン403の一部分にマーキング部4
04を施すことによって接合時における図中に点線部で示
す突起との位置合わせを容易化できるようにしている。

第５図ならびに第６図は本発明に係る定在波型超音波
モータの振動体の他の実施例を示すものであり、どちら
も（Ａ）は断面図、（Ｂ）は平面図を示すものである。
第５図に示す実施例においては振動体の円周方向に励振
されるたわみ定在波の波数が３の場合を示している。こ
の場合には、圧電素子504の電極パターン形状が先の第
４図と異なる。そして、たわみ定在波の波数が３となる
ことにより振動体の節数も６となるために、振動体部支
持部材503も通常は本実施例のように６本を要すること
になる。しかしながら、振動体部支持部材503の数が増
えることによって振動体全体の形状は限りなく円板形状
に近づく。そこで、支持部分の強度が保たれる構造とし
て、振動体部支持部材503を１つごとに取り去って３本
とすることも可能である。また、突起502については概
略台形形状をしている場合を示したが、突起502自体の
屈曲固有振動モードが、振動体部501の駆動周波数に比
べて十分に高くないとモータ性能に低下をきたすことに
なるので、このような台形形状とすることによって係る
課題が克服できるのとともに、突起502の先端部分の面
積も小さくすることが可能となるためにモータの回転性
能も向上させることが期待できる。

第６図に示す実施例においては振動体の円周方向に励
振されるたわみ定在波の波数が２の場合を示しており、
振動体部支持部材603以外の形状についてはいずれも先
の実施例とほぼ同じである。ここでは、振動体部支持部
材603の形状を振動の節の部分から中心部分に向かって
穴部を設けることによって、実質的に先の実施例よりさ
らにこの部分におけるひずみを解放させることを目的と
している。振動体部支持部材603をこのような形状とす
ることによって、より強い励振力が得られ、モータ性能
も向上することが期待される。

第７図は本発明に係る定在波型超音波モータを用いた
アナログ式電子時計の縦断面図を示したものである。裏
面に圧電素子703を接着した振動体部702を中心軸704に
固定し、この中心軸704を地板701に止めネジ705にて固
定する。振動体部702の上面には複数の突起706が設けら
れ、この突起706に移動体707が加圧ばね708の圧力を受
けながら、中心軸704の先端部709に案内されて回転可能
に組み込まれている。ここで、圧電素子703に接合され
たリード線710を介して、図示しない駆動制御回路から
一定の高周波電圧を圧電素子703に与えることにより、
駆動体部702は屈曲変形し、突起706の変形により移動体
707を一定の速度で回転させることになる。そして、移
動体707の外周部の移動体歯車711が四番車712を回転さ
せ、さらに、三番車712、分車714、図示しない日の裏
車、そして筒車715を一定の速度にて回転させる。その
際、圧電素子703に与える高周波電圧の周期と上記の各
歯車の歯数を所定の値に定めれば、筒車に取り付けた時
針718により時を、分車に取り付けた分針719により分
を、四番車に取り付けた秒針720により秒を表示するこ
とができる。

なお、時刻情報の表示は、上記のように複数の輪列と
指針により行うほかに、移動体707に直接指針や指標を
つけることによって行え、これは、第６図の文字板721
のある側から見ることも、逆に加圧ばね708のある側か
ら見ることもできる。さらに、圧電素子703に与える高
周波電圧の調整により、秒針720は毎秒ごとのステップ
運針することも、連続運針させることも可能となる。

第８図は本発明に係る定在波型超音波モータを用いた
二針アナログ式電子時計の縦断面図を示したものであ
る。移動体歯車811の回転は、四番車812、三番車813、
二番車814へと伝わり、四番車に取り付けた分針817で分
を、二番車に取り付けた時針816を表示する。この二針
アナログ式電子時計は、第６図の三針アナログ式電子時
計の一部の部品の交換のみで簡単に実現でき、しかも薄
型かつ高トルク化が実現できる。

〔発明の効果〕

本発明は、以上説明したように、中心軸を有する固定
台と、たわみ定在波の節の部分においてのみ中心軸と一
体となるように固定支持された振動体部と、振動体部の
少なくとも片面に接合された円環型形状の圧電素子また
は電歪素子と、振動体部に発生するたわみ定在波の腹と
節とのほぼ中間位置の１つおきに設けられた突起と、突
起に加圧接触するのとともに中心軸を回転案内とするよ
うに配置された移動体と、移動体を加圧するための加圧
手段といった簡単な構成により、以下のような効果を有
する。

超音波モータの小型径小化に際しても、振動体部も
しくは圧電素子とからなる振動体が概略円環型形状とで
きるために共振周波数の低減化が図れるのとともに、円
板型形状における半径方向に対して節部を有さない振動
モードでの励振に比べて高い電気機械変換効率および強
い励振力を得ることが可能となるために、モータの高効
率化が図れる。

構造的に見ても非常に簡易であるために、小型径小
化が容易であるのとともに量産性にも優れている。

定在波型超音波モータであるために、１つの高周波
信号のみで回転運動が可能となるために、昇圧回路およ
び駆動回路についても１つで済むので、全体的に制御回
路までも含めた小型化が図れる。

定在波の腹と節とのほほぼ中間位置に設けた突起に
より移動体を摩擦駆動するために、常に腹の位置で移動
体と接する進行波型の場合に比べて、負荷の変動や摺動
面の変化に対しても安定したモータ性能が得られる。

また、本発明の定在波型超音波モータを用いたアナロ
グ式電子時計は、従来のコイルブロック、ステータ、ロ
ータ、輪列等が不要となるため、小型で薄型なアナログ
式電子時計が実現でき、わずかな部品の変更で三針時計
と二針時計の変更や、連続運針とステップ運針の変更が
できるという特有の効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る定在波型超音波モータの縦断面
図、第２図は従来の超音波モータの縦断面図、第３図は
本発明に係る定在波型超音波モータの振動体の第１の実
施例を示す断面図および平面図、第４図は本発明に係る
定在波型超音波モータの圧電素子の実施例を示す平面
図、第５図は本発明に係る定在波型超音波モータの振動
体の第２の実施例を示す断面図および平面図、第６図は
本発明に係る定在波型超音波モータの振動体の第３の実
施例を示す断面図および平面図、第７図は本発明に係る
定在波型超音波モータを用いた三針アナログ式電子時計
の縦断面図、第８図は本発明に係る定在波型超音波モー
タを用いた二針アナログ式電子時計の縦断面図、第９図
は従来のアナログ式電子時計の縦断面図を示したもので
ある。 101、201……固定台 102、202、704、804……中心軸 103、203、301、501、601、702、802……振動体部 104、204、401、504、604、703、803……圧電素子 402、403……電極パターン 105、302、502、602、706、806……突起 303、503、603……振動体支持部材 106、205、707、807……移動体 107、708、808……加圧ばね

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02N 2/00 - 2/18

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧電素子または電歪素子の伸縮運動を利用
   することによって振動体円周方向に発生させたたわみ定
   在波により、移動体を摩擦駆動する定在波型超音波モー
   タにおいて、前記定在波型超音波モータは、中心軸を有
   する固定台と、 前記たわみ定在波の節の部分より中心軸に向かって放射
   状に形成されたはり部によって前記中心軸と一体となる
   ように固定支持された弾性部材からなる円環形状の振動
   体部と、 前記振動体部の少なくとも片面に接合された円環型形状
   の圧電素子または電歪素子と、 前記振動体部に発生する前記たわみ定在波の腹と節との
   ほぼ中間位置の１つおきに設けられた突起と、 前記突起に加圧接触するとともに前記中心軸を回転案内
   とするように配置された移動体と、 前記移動体上に配置され、前記移動体を上記突起に加圧
   接触するための加圧手段とから構成されたことを特徴と
   する定在波型超音波モータ。
2. 【請求項２】請求項１に記載の定在波型超音波モータ
   と、 前記圧電素子に圧電効果を発生させる駆動手段または前
   記電歪素子に電歪効果を発生させる駆動手段と、 前記駆動手段に一定の時刻情報を伝達する駆動制御手段
   と、 前記移動体に設けられた表示手段または前記移動体によ
   り駆動される表示手段を有することを特徴とする定在波
   型超音波モータを用いたアナログ式電子時計。