JP3192022B2 - 超音波モータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波モータ、より詳
しくは、電気−機械エネルギー変換素子を駆動源とする
超音波モータに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、電磁型モータに比べて、微小な外
形寸法を有しながら強力な駆動力を得られる超音波モー
タが注目を集めている。このような超音波モータの一例
として、本出願人は、先に特願平４−３２１０９６号に
おいて、電気−機械エネルギー変換素子を駆動源とす
る、並進運動を発生できる超音波リニアモータを提案し
ている。その構成と原理を、図６を参照して説明する。
図６は、該超音波リニア振動子の構成を説明するための
概念図にして、上記特願平４−３２１０９６号に記載さ
れたものとほぼ同様の図である。

【０００３】図６に示すように、振動子２は、直方体形
状の弾性体６３の一端面に、保持用弾性体６４の間に挟
み込んだ複数の積層型圧電素子４を固定するとともに、
該弾性体６３の他端面の振動の腹となる部分に摺動部材
５を固定して構成されている。

【０００４】このような構成の振動子２において、上記
積層型圧電素子４に正弦波電圧を印加すると、弾性体６
３には、図７に示すような２種の振動、つまり、図７
（Ａ）に示すような該弾性体６３の長手方向に沿った単
純な伸縮振動と、図７（Ｂ）に示すような該長手方向に
伝播する２次の定在波となる横波の弾性波（屈曲振動）
と、が同時に励起される。なお、上記弾性体６３の長さ
と輻は、伸縮運動の１次共振周波数と横波の２次の定在
波の周波数が一致するように設定してある。

【０００５】上記２次の定在波の振動の腹の位置では、
上記２種の振動の変位が合成されて、弾性体６３上の質
点が楕円形の軌跡に沿って振動する。そこで、この振動
の腹位置に上記摺動部材５を配設して、これに被駆動体
９（図８参照）を押圧すると、該被駆動体９が上記楕円
振動の作用を受けて並進運動する。

【０００６】次に、上述のような振動子２の他の例を用
いて構成した超音波リニアモータの全体の構成を、図８
を参照して説明する。この図８に示すものは、上記図７
に示したものとは異なり、摺動部材５が弾性体６３の下
端面の両端部に固定されている。上記弾性体６３は、２
次の定在波の節となる位置で係止部材６５により支持さ
れるとともに、該係止部材６５を枠体６７で支持された
押圧力調整ネジ６８により押圧力調整可能なコイルばね
手段６６により付勢して、振動子２を被駆動体９へ押圧
している。そして、該枠体６７の下端部にはリニアガイ
ド６９が設けられていて、ガイドレール９ａと係合して
上記押圧力を受けながら左右方向に直線移動可能なよう
に保持されている。

【０００７】しかしながら、図示のように、コイルばね
手段６６を支持する枠体６７は、小型化された振動子２
に比較して巨大なものであり、しかも該枠体６７を被駆
動体９に対して摺動自在にするために、リニアガイド６
９まで必要になってしまい、超音波モータ全体の寸法の
下限を制約する要因となってきている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来の
超音波モータでは、超音波振動子を支持および付勢する
手段が小型化されておらず、該超音波モータ全体の寸法
の下限を制約しているという問題点を有していた。

【０００９】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであり、超音波振動子を支持および付勢する手段によ
って、超音波モータ全体の寸法の小型化を阻害すること
のない、かつ製造原価の低い超音波モータを提供するこ
とを目的としている。

【００１０】

【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、本発明による超音波モータは、電気−機械エネル
ギー変換素子が固着され、長手方向に伸縮する共振周波
数と該伸縮の方向を伝播方向とする横波の弾性波が定在
すべき周波数とが一致するように長手方向と幅の寸法が
設定され、かつ上記電気−機械エネルギー変換素子の振
動変位により上記伸縮振動と上記横波定在波とを同時に
発生する振動子と、上記振動子表面の、上記横波定在波
の腹に対応する位置より突出するように設けられてお
り、上記両振動により回転軌跡を描いて駆動される摺動
突起と、上記振動子に該摺動突起を介して圧接され、該
摺動突起の回転によって上記振動子の長手方向に移動さ
れる被駆動部材と、上記振動子の、上記横波定在波の節
に対応する部分に固定された支持軸と、該支持軸に係合
する凹部を有し、該支持軸を介して上記振動子を上記被
駆動部材に付勢する付勢部材と、を具備することを特徴
とする。

【００１１】

【作用】電気−機械エネルギー変換素子が固着され、長
手方向に伸縮する共振周波数と該伸縮の方向を伝播方向
とする横波の弾性波が定在すべき周波数とが一致するよ
うに長手方向と幅の寸法が設定された振動子が、上記電
気−機械エネルギー変換素子の振動変位により伸縮振動
と定在波とを同時に発生され、上記振動子表面の定在波
の腹に対応する位置より突出するように設けられている
摺動突起が、上記両振動により回転軌跡を描いて駆動さ
れ、上記振動子に摺動突起を介して圧接されている被駆
動部材が、該摺動突起の回転によって上記振動子の長手
方向に移動され、支持部材が、上記振動子の定在波の節
に対応する部分を支持する。

【００１２】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。図１は、本発明の第１実施例を示したものであ
る。図に示すように、振動子２は、略直方体形状の弾性
体３と、この弾性体３の上端部に長手方向に沿って２カ
所設けられた矩形の切欠３ａに、それぞれ積層型圧電素
子４を挟み込んで固定している。また、上記弾性体３の
振動の腹となる下端面位置には、２つの摺動部材５がそ
れぞれ固着されている。

【００１３】このような振動子２は、２次の定在波の節
となる位置であって、上記２つの積層型圧電素子４の間
となる弾性体３の両側面から支持軸６をそれぞれ突設し
ている。そして、該振動子２は、着力点たる支持軸６を
介して該支持軸６を係合する凹部を有する係止部材７に
よって支持されるとともに、上記摺動部材５を介して被
駆動体９へ向かって付勢されている。上記係止部材７
は、片持ち梁の板ばね１１の一端部にねじ１２で締結さ
れていて、該板ばね１１の他端部は台座１３を介してね
じ１２で基礎１４に固定されている。

【００１４】次に、この第１実施例の作用を説明する。
上記板ばね１１は、非使用時は図中上方に凸となるよう
湾曲しているものであり、使用時にはこれが略平板にな
るまで予圧を付加して、その際の弾発力によって振動子
２を被駆動体９に対して付勢して密接させる。

【００１５】該振動子２は、上記２次の定在波の節の位
置である支持軸６の位置で、係止部材７を介して板ばね
１１によって支持されているので、該板ばね１１が撓む
方向を除いて他のいかなる方向にも変位することはな
く、堅固に支持される。

【００１６】このような第１実施例によれば、小型で簡
単な構成によって超音波振動子を支持および付勢する手
段を構成しているため、これにより超音波モータ全体が
小型化できるという効果を有している。さらに、板ばね
１１を片持ち梁としたので、基礎への取付部分が僅か２
箇所になり、さらに簡潔で小型の構成であるとともに、
組立も簡易化され、コスト的にも安価なものとなる。

【００１７】図２は、本発明の第２実施例を示したもの
である。この第２実施例は、上述の第１実施例とほぼ同
様であるので、主として異なる部分についてのみ説明す
る。図に示すように、この第２実施例の板ばね２１は両
端支持梁であり、その長さは上記弾性体３の長手方向の
長さよりも若干長めである。この両端支持梁の板ばね２
１の中央部には、係止部材７がねじ１２で締結されてい
て、これにより振動子２を押圧支持している。また、該
板ばね２１の両端部は、それぞれ台座１３を介してねじ
１２で基礎１４に締結して固定されている。

【００１８】この第２実施例の作用を説明する。上記板
ばね２１は、非使用時は図中下方に凸となるよう湾曲し
ているものであり、使用時にはこれが略平板になるまで
予圧を付加して、その際の弾発力によって振動子２を被
駆動体９に対して付勢して密接させる。

【００１９】該振動子２は、板ばね２１が撓む方向を除
いて他のいかなる方向にも変位することなく堅固に支持
されるのは、上記第１実施例と同様である。

【００２０】このような第２実施例によれば、上記第１
実施例とほぼ同様の効果を有するとともに、両端支持梁
の板ばねを用いたので、より強い押圧力を得ることがで
き、従って超音波モータの駆動力も増大するという効果
がある。さらに、２つの板ばね２１は、基礎１４に対し
てそれぞれ２点の支持部、計４点の支持部で支持されて
いることから、振動子２を、ガタ無くより堅固に支持で
き、超音波モータの位置出し精度を向上することができ
るという効果も有している。

【００２１】図３は、本発明の第３実施例を示したもの
である。この第３実施例は、上述の第１，第２実施例と
ほぼ同様であるので、主として異なる部分についてのみ
説明する。図に示すようにこの第３実施例では、板ばね
３１は上記第２実施例と同様に両端支持梁の板ばねであ
り、２対、合計４枚設けられていて、スペーサ３２とス
ペーサを兼ねた台座１３とを挟んで、２枚で１対の平行
板ばねを構成している。

【００２２】この板ばね３１の中央部には、係止部材７
が上記スペーサ３２とともにねじ１２で共締めで固定さ
れていて、これにより振動子２を押圧支持している。ま
た、該板ばね３１の両端部は、台座１３とともにねじ１
２で基礎１４に共締めで固定されている。

【００２３】この第３実施例の作用を説明する。上記板
ばね３１は、非使用時は図中下方に凸となるよう湾曲し
ているものであり、使用時にはこれが略平板になるまで
予圧を付加して、その際の弾発力によって振動子２を被
駆動体９に対して付勢して密接させる。

【００２４】該振動子２は、板ばね３１が撓む方向を除
いて他のいかなる方向にも変位することなく堅固に支持
されるのは、上記第１，第２実施例と同様である。

【００２５】また、撓ませた板ばね３１の弾発力によっ
て振動子２が被駆動体９に付勢され、常に被駆動体９に
密接している点も同様である。

【００２６】このような第３実施例によれば、上記第
１，第２実施例とほぼ同様の効果を有するとともに、両
端支持梁の板ばね３１を平行板ばねとして２枚用いたの
で、押圧力がさらに増大して、より強力な駆動力が得ら
れるという効果がある。また、２枚の板ばねの平行リン
クとしての作用により、係止部材７が厳密に平行に上下
運動をするため、振動子２は、被駆動体９の移動方向に
ほとんど変位せず、超音波モータとしての位置出し精度
をさらに向上することができるという効果も有してい
る。

【００２７】図４は、本発明の第４実施例を示したもの
である。この第４実施例は、上述の第１ないし第３実施
例とほぼ同様であるので、主として異なる部分について
のみ説明する。図に示すように、この第４実施例の板ば
ね４１は、回中下方に凸に弓形に反った両端支持梁の板
ばねである。この板ばね４１の中央部には、上方に向か
ったくぼみ４１ａが設けられていて、該くぼみ４１ａで
支持軸６を介して振動子２を支持することにより、上記
各実施例で用いていた係止部材７を省略している。

【００２８】また、該板ばね４１は弓なりに反っている
ので、その両端は上記くぼみ４１ａよりも高い位置にあ
る。そのため、該板ばね４１の両端は、上記各実施例で
用いていた台座１３を省略して、直接基礎１４に対して
ねじ１２で締結して固定されている。

【００２９】さらに、該板ばね４１の両端部でねじ１２
を通すための孔は、図４（Ａ）に示すように、一方を丸
孔４１ｂ、他方をやや細長のＵ字状の切欠４１ｃとして
いる。このような構成により、板ばね４１の撓み量の変
化に伴う孔位置の変位を吸収している。

【００３０】次に、この第４実施例の作用を説明する。
上記板ばね４１は、非使用時は図中下方に大きく凸とな
るよう湾曲したものを用いていて、使用時には予圧を付
加して、図に示す程度まで湾曲を戻して弾性エネルギー
を蓄えた状態で使用する。

【００３１】このときの撓みによる弾発力によって、振
動子２が被駆動体９に付勢されて常に被駆動体９に密接
している点も、上記第１ないし第３実施例と同様であ
る。

【００３２】また、板ばね４１は、上述のように、使用
時においても弓なりに反つていて変形の余裕を残してい
るために、振動子２が例え上下に変位しても、その押圧
力は比較的一定している。

【００３３】このような第４実施例によれば、上記第１
ないし第３実施例とほぼ同様の効果を有するとともに、
使用時に弓なりに反った板ばねを使用しているため、該
板ばねの中央部の支持部材と両端部の台座とを省略する
ことができ、さらに簡単で安価な構成にすることができ
るという特徴がある。また、上述のように、該板ばね４
１の形状は、使用時において変形の余裕を残しているた
めに、振動子が例え上下に変位しても比較的一定の押圧
力が得られる。従って、被駆動体の面精度が高くなかっ
たり、極端な場合には、僅かな曲率を付与したものであ
っても、支障をきたすことなく良好に駆動力を得られ
る。

【００３４】図５は、本発明の第５実施例を示したもの
である。この第５実施例は、上述の第１ないし第４実施
例とほぼ同様であるので、主として異なる部分について
のみ説明する。図に示すように、この第５実施例の板ば
ね５１は、両端支持梁の板ばねであって、使用時に予圧
を付加した状態で、図示のように片側が略平板、他方が
下方に凸の略弓なりに反った形状になるように成形して
ある。また、板ばね５１の中央部には、上方に向かった
くぼみ５１ａが設けられていて、該くぼみ５１ａで支持
軸６を介して振動子２を支持することにより、上記第１
ないし第３実施例で用いていた係止部材７を省略してい
る。さらに、該板ばね５１の両端部においても、該両端
部を固定する２ヶ所の基礎１４に段差を設けることによ
り、弓なりに反った側のみでなく、平板になっている側
でも上記実施例で用いていた台座１３を省略している。

【００３５】そして該板ばね５１の端部に設けられた基
礎１４への取付用の孔は、略平板になる方が丸孔５１
ｂ、弓なりに反る方がやや細長のＵ字状の切欠５１ｃと
している。これにより、板ばね５１の撓みに伴う孔位置
の変位を、弓なりに反った側のの端部で吸収するように
している。

【００３６】次に、この第５実施例の作用を説明する。
上記板ばね５１は、使用時に予圧を付加した状態で上記
の形状になるように成形されていて、予圧を付加するこ
とによる弾発力によって振動子２を被駆動体９に付勢し
て常に密接させていることは、上記各実施例と同様であ
る。

【００３７】また、板ばね５１は、丸孔５１ｂで固定さ
れる側が平板状になっていて、振動子２が例え上下に変
位しても、被駆動体９の移動方向にはほとんど変位しな
いため、超音波モータとしての位置出し精度を高く保つ
ことができる。

【００３８】このような第５実施例によれば、上記第１
ないし第４実施例とほぼ同様の効果を有するとともに、
超音波モータとしての位置出し精度を高く保ちつつ、支
持部材と台座を省略することができるため、超音波モー
タ全体として簡単で安価な構成にすることができる。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、超
音波振動子を支持および付勢する手段によって、超音波
モータ全体の寸法の小型化を阻害することのない、かつ
製造原価の低い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】

【図１】本発明の第１実施例を示す超音波モータの、
（Ａ）平面図，（Ｂ）側面図。

【図２】本発明の第２実施例を示す超音波モータの、
（Ａ）平面図，（Ｂ）側面図。

【図３】本発明の第３実施例を示す超音波モータの、
（Ａ）平面図，（Ｂ）側面図。

【図４】本発明の第４実施例を示す超音波モータの、
（Ａ）平面図，（Ｂ）側面図。

【図５】本発明の第５実施例を示す超音波モータの、
（Ａ）平面図，（Ｂ）側面図。

【図６】従来の超音波振動子を示す側面図。

【図７】従来の超音波振動子を構成する弾性体に発生す
る、（Ａ）共振縦振動状態，（Ｂ）共振屈曲振動状態を
それぞれ示す線図。

【図８】従来の超音波モータの支持押圧手段を含む構成
を示す側面図。

【符号の説明】

２…振動子 ３…弾性体 ４…積層型圧電素子 ５…摺動部材 ７…係止部材 ９…被駆動体 １１，２１，３１，４１，５１…板ばね １３…台座

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 今井 裕五 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 舟窪 朋樹 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 藤村 毅直 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 平３−261385（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−347587（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−228267（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−178178（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−277477（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02N 2/00

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電気−機械エネルギー変換素子が固着さ
   れ、長手方向に伸縮する共振周波数と該伸縮の方向を伝
   播方向とする横波の弾性波が定在すべき周波数とが一致
   するように長手方向と幅の寸法が設定され、かつ上記電
   気−機械エネルギー変換素子の振動変位により上記伸縮
   振動と上記横波定在波とを同時に発生する振動子と、 上記振動子表面の、上記横波定在波の腹に対応する位置
   より突出するように設けられており、上記両振動により
   回転軌跡を描いて駆動される摺動突起と、 上記振動子に該摺動突起を介して圧接され、該摺動突起
   の回転によって上記振動子の長手方向に移動される被駆
   動部材と、上記振動子の、上記横波定在波の節に対応する部分に固
   定された支持軸と、 該支持軸に係合する凹部を有し、該支持軸を介して上記
   振動子を上記被駆動部材に付勢する付勢部材と、 を具備することを特徴とする超音波モータ。