JP3264160B2 - 超音波モータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は超音波モータを形成
する各部品の構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、超音波モータは電磁モータに比
べ、単位体積当たりのトルクが高い等の利点を活かした
次世代アクチュエータとして注目をあびている。

【０００３】従来の超音波モータの断面図を図１１に示
す。図１１において、７２は超音波振動の動力源である
圧電体で、７３は圧電体７２の振動振幅を増幅する弾性
体である。前記弾性体７３と前記圧電体７２を接着等に
より固着して振動体７４を形成する。前記振動体７４は
その内径側を支持体７５によって支持されている。一
方、出力軸８０にはロータ７６が固定され、出力軸８０
はフレーム８１及びフレーム８１に固定されたブラケッ
ト７９に、それぞれ固定されたメタル軸受７９で回転自
在に支承されている。前記振動体７４と前記ロータ７６
は前記ブラケット７７に収納されたコイルバネ７８によ
って、軸方向に圧接されている。

【０００４】超音波モータの出力を安定して取り出すた
めには、駆動源となる振動体７４と、それに圧接され回
転するロータ７６とが、均一に接触し加圧される必要が
ある。

【０００５】このために従来は図１１のように、振動体
７４を支持する際にロータと接触する面の傾きを、ある
程度変化させられるように、前記支持体７５の前記メタ
ル軸受７９の前記出力軸８０の突出方向側のものと接す
る面を球面状としていた。

【０００６】また、超音波モータの出力を安定して取り
出す他の方法として、バネ構造部を有するロータを用い
た従来例がある。図１２は、このロータ及び振動体の断
面図を示す。図１２において８２は振動体８４上を摺動
し出力軸に直結したロータ、８３は前記ロータ８２の前
記振動体８４との接触部近傍に加工を施されたバネ構造
部である。図１２のように前記ロータ８２の１部分にバ
ネ構造を設けることで、前記ロータ８２が、前記振動体
８４と接触する面の傾きをある程度変化できるようにし
ている。

【０００７】図１３は、圧電体と圧電体の振動振幅を増
幅する弾性体とを固着して形成した振動体の斜視図及び
圧電体の電極取出しの構成図を示す。

【０００８】図１３において８５は超音波振動の動力源
である圧電体で、９０は前記圧電体８５に固着され、こ
の振動振幅を増幅する弾性体である。前記弾性体９０と
前記圧電体８５を接着して振動体９２を形成する。９３
は前記弾性体９０と前記圧電体８５との接着層である。
前記圧電体８５の前記接着層９３側と反対側の表面に
は、前記圧電体８５に駆動電圧を印可する駆動電極８６
及び、前記振動体９２の振動状態の検出信号を出力する
振動センサ電極８７が設けられている。前記駆動電極８
６には取出線８８が、前記振動センサ電極８７には取出
線８９が、前記弾性体９０にはグランド取出線９１がそ
れぞれ接続されている。

【０００９】以上のように、超音波モータを駆動する際
のモータ外部との電気的接続は、従来は図１３における
取出線８８，８９及びグランド取出線９１のように複数
の電線等で別々に行っていた。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１１
に示すような従来の超音波モータの構造では、前記振動
体７４と前記ロータ７６の接触面の傾きを可変させる機
能は、前記支持体７５の前記メタル軸受７９と接する面
を球面状とすることにより、また前記振動体７４と前記
ロータ７６を軸方向に加圧接触させる機能は、前記ブラ
ケット７７に収納された前記コイルバネ７８によってそ
れぞれ果たしており、それぞれ異なる箇所でスペースを
必要とするために、モータ本体の出力軸方向の長さが長
くなるという問題があった。

【００１１】また前記振動体７４の前記支持体７５は、
前記ロータ７６の回転に伴う反作用で、前記振動体７４
が回転しないように、別途回り止めを設ける必要があ
り、更に圧入のみの固定支持であるため、周囲の環境変
化により支持状態が影響を受けやすいという問題があっ
た。

【００１２】また図１２のように、前記ロータ８２にバ
ネ構造を一体に加工する方法は、この加工が難しい上
に、バネ定数の個体間バラツキが大きいために個々の調
整が必要であり、コストアップの１つの要因となってい
た。また、前記ロータ８２の材質が所定の弾性を持つも
のに限定されるという問題もあった。

【００１３】更に図１３においては、前記振動体９２を
形成する前記圧電体８５上に形成された電極８６，８７
及び前記弾性体９０からのグランドの取出しは、別々に
複数の取出線８８，８９及びグランド取出線９１で行っ
ていたため工数が増え、コストアップの要因となるばか
りか、前記電極取出し８８，８９と前記圧電体８５上の
前記電極群８６，８７の接続、及び前記グランド取出線
９１と前記弾性体９０と接続に半田付けを用いると、前
記圧電体８５と前記弾性体９０との前記接着層９３が半
田ゴテの熱で劣化し、前記振動体９２そのものの特性劣
化につながるという問題があった。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明はこのような問題
を解決するためロータを２分割し、その間を均一な接触
加圧機能を持たせる構造、及び振動体のより強固な支持
構造、円環状のフレキシブルプリント基板を用いて、振
動体の圧電体上の電極及びグランド線の取り出しを一括
して行う構造を提供する。ロータを２分割し、その２つ
の部分の接続を皿バネ，コイルバネ，軟弾性樹脂等の弾
性部材で連結することで、これらの弾性でロータを振動
体に加圧接触させると共に、ロータが振動体と接触する
面の傾きを状況に応じて可変できるようにし、均一な接
触加圧機能を持たせる。

【００１５】更に振動体の支持を行う支持体を、振動体
の内径側に圧入後支持体の端部をかしめることで振動体
の支持をより強固に行う。

【００１６】また振動体の圧電体上の電極及びグランド
線の取り出しを、１つの円環状のフレキシブルプリント
基板にて一括して行う。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態につい
て、図１から図１０を用いて説明する。

【００１８】（実施の形態１）図１に本発明の第１の実
施の形態による超音波モータの断面図を示す。図１にお
いて２は超音波振動の動力源である圧電体で、１は圧電
体２の振動振幅を増幅する弾性体である。前記弾性体１
と前記圧電体２を接着等により固着して振動体３を形成
する。前記振動体３はその内径側を支持体７によって支
持されている。一方、出力軸９には２分割されたロータ
の１つである第二のロータ５が固定され、出力軸９はメ
タル軸受６で回転自在に支承されている。８は２分割さ
れたロータの他の１つの第一のロータである。第一のロ
ータ８は前記振動体３と弾性部材４で軸方向に移動可能
に弾性加圧支持されて接触し、前記第二のロータ５と接
続される。

【００１９】前記弾性部材４は前記第一のロータ８を前
記振動体３に前記出力軸９の方向に加圧を行うと同時
に、前記第一のロータ８が前記振動体３と接触する面の
傾きを、前記振動体３が前記第一のロータ８と接触する
面の傾きの変化に追従するように変化させられる機能を
果たす。これにより安定した接触を実現できると同時
に、従来２箇所で行っていた加圧機能と、均一接触機能
を１箇所で行えるため省スペース化も可能である。

【００２０】（実施の形態２）図２に本発明の第２の実
施の形態による超音波モータの断面図を示す。図２にお
いて１１は超音波振動の動力源である圧電体で、１０は
圧電体１１の振動振幅を増幅する弾性体である。前記弾
性体１０と前記圧電体１１を接着等により固着して振動
体１２を形成する。前記振動体１２はその内径側を支持
体１７によって支持されている。一方、出力軸１８には
２分割されたロータの１つである第二のロータ１４が固
定され、出力軸１８はメタル軸受１５で回転自在に支承
されている。１３は２分割されたロータの他の１つであ
る第一のロータで、前記第二のロータ１４に対して複数
枚（本実施の形態では１０枚）の皿バネ１６で回転方向
には固定され、軸方向には移動可能に弾性加圧支持され
て、前記振動体１２と接触し第二のロータ１４と接続さ
れている。この時の前記皿バネ１６は１０枚以外でも同
様な効果が得られる。

【００２１】通常皿バネは量産時にバネ特性の個体間バ
ラツキが大きいため、第２の実施の形態のように前記皿
バネ１６を２枚以上重ねることにより、そのバネ特性の
バラツキを低減できるとともに、前記第一のロータ１３
の前記振動体１２と接触する面の傾きを変化させるスト
ロークが長くとれるため、より均一な接触が実現でき
る。

【００２２】また第２の実施の形態のような構造とする
ことにより、前記第一のロータ１３の材質は、加工性や
トルクに関係する摩擦係数等を考慮しながら自由に選択
でき、更に加圧手段と接触面の傾き調整手段が１箇所で
行えるため省スペース化でき、小型で様々な機能の超音
波モータの実現が可能である。

【００２３】（実施の形態３）図３に本発明の第３の実
施の形態による超音波モータの断面図を示す。図３にお
いて２４は超音波振動の動力源である圧電体で、２３は
前記圧電体２４の振動振幅を増幅する弾性体である。前
記弾性体２３と前記圧電体２４を接着等により固着して
振動体２５を形成する。前記振動体２５はその内径側を
支持体２１によって支持されている。一方、出力軸２２
には２分割されたロータの１つである第二のロータ２６
が固定され、前記出力軸２２はメタル軸受２０で回転自
在に支承されている。２７は２分割されたロータの他の
１つの第一のロータで、前記第二のロータ２６に対しコ
イルバネ１９で、回転方向には固定され軸方向には移動
可能に弾性加圧支持されて、前記振動体２７と接触し第
二のロータ２６と接続されている。

【００２４】コイルバネは一般に量産したとき、バネ定
数の個体間のバラツキが小さいため、１つのコイルバネ
で前記第一のロータ２７、前記第二のロータ２６の連結
ができるため、実施の形態２に記載する１０枚の皿バネ
を用いた例より部品点数を削減することができる。

【００２５】この構造を用いることで、実施の形態１に
記載するように均一で安定した接触を実現できる。

【００２６】（実施の形態４）図４に本発明の第４の実
施の形態による超音波モータの断面図を示す。図４にお
いて２９は超音波振動の動力源である圧電体で、２８は
前記圧電体２９の振動振幅を増幅する弾性体である。前
記弾性体２８と前記圧電体２９を接着等により固着して
振動体３０を形成する。前記振動体３０はその内径側を
支持体３４によって支持されている。一方、出力軸３６
には２分割されたロータの１つである第二のロータ３２
が固定され、前記出力軸３６はメタル軸受３３で回転自
在に支承されている。３５は２分割されたロータの他の
１つの第一のロータで、前記第二のロータ３２に対し軟
弾性樹脂３１で回転方向には固定され、軸方向には移動
可能に弾性加圧支持されて前記振動体３０と接触し、前
記第二のロータ３２と接続されている。

【００２７】また前記第一のロータ３５及び前記第二の
ロータ３２が、互いに連結される側の面を荒らし、軟弾
性樹脂３１として柔軟性の接着剤を用いて接着接続する
ことで、更に工法を簡略化することもできる。

【００２８】この構造を用いることで、実施の形態１に
記載するように均一で安定した接触を実現できる。

【００２９】（実施の形態５）図５は本発明の第５の実
施の形態によるロータを構成する２分割されたロータの
１つである第一のロータと皿バネ及び皿バネ間の接続部
の斜視図である。図５において３７は第一のロータ３９
を連結する皿バネ、３８は前記皿バネ３７上に設けられ
た互いに嵌合する突起及び窪み、４０は前記第一のロー
タ３９上に設けられ、前記皿バネ３７上の突起及び窪み
３８のと嵌合する突起及び窪みである。

【００３０】同様に図６は本発明の第５の実施の形態に
よるロータを構成する２分割されたロータの１つである
第一のロータとコイルバネの連結部の斜視図であり、図
６において４１は第一のロータ４３を連結するコイルバ
ネ、４２は前記コイルバネ４１の端部に設けられた突
起、４４は前記第一のロータ４３上の突起４２と嵌合す
る窪みである。

【００３１】図７は本発明の第５の実施の形態によるロ
ータを構成する２分割されたロータの１つである第一の
ロータと軟弾性樹脂の接続部の斜視図である。図７にお
いて４５は第一のロータ４７を連結する軟弾性樹脂、４
６は前記軟弾性樹脂４５上に設けられた突起及び窪み、
４８は前記第一のロータ４７上の前記突起及び窪み４６
と嵌合する突起及び窪みである。

【００３２】なお、図５から図７では、第一のロータと
それぞれの弾性部材との連結部を示したが、ロータを構
成する２分割されたロータの他の１つである第二のロー
タとそれぞれの弾性部材との連結部にも同様に嵌合する
突起及び窪みが設けられている。

【００３３】前記の実施の形態１，実施の形態２，実施
の形態３及び実施の形態４に記載するロータを構成する
２つの部分を、それぞれ弾性部材で連結する際、前記振
動体から与えられた駆動力を効率的に出力軸に伝達でき
るよう、それぞれの弾性部材とロータを構成する部分と
の間に、互いに嵌合する突起及び窪みを設けて、回転方
向に係止するためより効率的な出力の取り出しが可能と
なる。

【００３４】なお突起及び窪みの数は、図５，図６及び
図７に示す以外でも同様の効果が得られることはいうま
でもない。

【００３５】（実施の形態６）図８に本発明の第６の実
施の形態による振動体の構造及びこの支持方法の斜視図
を示す。図８において４９は超音波モータの動力源とな
る振動体、５１は前記振動体４９の内周側面に設けられ
た複数の凹凸の溝、５０は前記振動体３７の内周部に圧
入されて支持を行う支持体であり、前記振動体４９の内
周部に前記支持体５０を圧入後、前記支持体５０の端部
をかしめ部５２でかしめて前記振動体４９の固定を行
う。

【００３６】この構造で前記振動体４９の支持を行うこ
とでより強固に固定でき、前記振動体４９上に加圧接触
され摺動するロータの回転に伴う反作用で、前記振動体
４９がロータの回転方向と逆に回転することが防止でき
る。更に、周囲の温度変化に伴う前記振動体４９の熱膨
張係数と、前記支持体５０の熱膨張係数の差による支持
状態の変化の影響を受けにくく、様々な環境下に於いて
も安定した回転数特性を実現できる。

【００３７】（実施の形態７）図９に本発明の第７の実
施の形態による圧電体の電極構造及びこの電極群とグラ
ンドからの電気的取出を行うフレキシブルプリント基板
の接続構造図を示す。図９において５４は超音波振動の
駆動源となる圧電体で、５３は前記圧電体５４の振動振
幅を増幅する弾性体、前記圧電体５４と前記弾性体５３
を接着し振動体６１を構成する。５５は前記圧電体５４
上に設けられ駆動電圧を印可する箇所の駆動電極、５６
は前記圧電体５４上に設けられ、前記振動体６１の振動
状況を検出する振動検出電極、５７は前記電極群５５，
５６及び前記弾性体５３から電気的な取出しを行うフレ
キシブルプリント基板、５８は前記フレキシブルプリン
ト基板５７上にあり前記駆動電極５５から電気的取出し
を行うランド部、５９は前記フレキシブルプリント基板
５７上にあって、前記振動検出電極５６からの電気的取
出しを行うランド部、６０は前記フレキシブルプリント
基板上にあり、前記振動体の内周部に突出し前記弾性体
５３側に折り曲げられ、前記弾性体５３からグランドの
取出しを行うランド部である。

【００３８】前記各ランド部５８，５９，６０と、前記
圧電体５４上の電極群５５，５６及びグランドとなる前
記弾性体５３との接続は、半田付けもしくは導電性接着
剤等によって行われる。

【００３９】図９においては前記フレキシブルプリント
基板５７のグランド取出しのランド部６０が４箇所であ
るが、これ以外の位置，数でも同様の効果が得られる。

【００４０】このフレキシブルプリント基板５７によっ
て、圧電体上の電極群及びグランド箇所から、一括して
外部に電気的な導通をとることが可能となり、工数を減
らせることで低コスト化が実現できる。また前記各ラン
ド部５８，５９，６０と、前記圧電体５４上の各電極５
５，５６、グランドである前記弾性体５３との接続に導
電性接着剤を用いた場合、半田付け等の加熱する工法を
行わないため、前記振動体６１を構成する前記圧電体５
４と前記弾性体５３の接着層の特性劣化を避けることが
でき、このことで超音波モータの組立工程上に於ける特
性の劣化を防ぐことができる。

【００４１】（実施の形態８）図１０に本発明の第８の
実施の形態による圧電体の電極取出し、及びグランド取
出しの構造の断面図を示す。図１０において６２は超音
波振動の駆動源となる圧電体、６３は前記圧電体６２の
振動振幅を増幅する弾性体、前記圧電体６２と前記弾性
体６３を接着により固着し振動体７０を構成する。６５
は前記圧電体上の駆動電極、６６は前記振動体７０の振
動状況を検出する振動検出電極、６４は前記圧電体６２
上の電極群６５，６６から電気的な取出しを行うため
に、前記圧電体６２の内周近傍に配されたフレキシブル
プリント基板、６８は前記フレキシブルプリント基板６
４上にあって、前記駆動電極６５からの取出しを行うラ
ンド部、６７は前記フレキシブルプリント基板上６４に
あって、前記振動検出電極６６からの取出しを行うラン
ド部、６９は前記フレキシブルプリント基板６４上にあ
って、前記弾性体６３からグランド取出しを行うランド
部、７１は前記振動体７０の内周部に圧入され支持を行
う支持体である。

【００４２】超音波モータの駆動源である円板状振動体
の振動振幅は、内周側ほど振動振幅が小さいため、図１
０における前記フレキシブルプリント基板６４は前記振
動体７０の内周部近傍に配され、各ランド部６７，６８
は前記圧電体６２上の電極群６５，６６の半田付けもし
くは導電性の接着剤によって接続され、前記グランド取
出しランド部６９は前記弾性体６３側に折り曲げられ
る。前記振動体７０の内周に前記支持体７１を圧入し前
記振動体７０の支持を行うと同時に、前記グランド取出
しランド部６９を前記弾性体６３の内周部側面に接触固
定させ、電気的な導通をとる。この間の導通をより確実
に行うために、前記グランド取出しランド部６９と接触
する前記弾性体６３の内周部側面の部分に、導電性接着
剤を塗布した後に支持体７１を圧入したり、前記支持体
７１を前記振動体７０に圧入後に前記支持体の圧入側先
端をかしめる本発明の請求項６に記載する構造を用いた
り、これらの方法を組み合わせることも可能である。

【００４３】また前記各ランド部６７，６８と、前記圧
電体５３上の各電極６５，６６間の接続に導電性接着剤
を用い、前記グランド取出しランド部６９と前記弾性体
６３間の接続に本実施の形態の構造を用いると、半田付
け等の加熱する工法を行わないため、前記振動体７０を
構成する前記圧電体６２と前記弾性体６３の接着層の特
性劣化を避けることができ、このことで超音波モータの
組立工程上における前記振動体７０の特性の劣化を防ぐ
ことができる。

【００４４】このような構造によって前記振動体７０の
振動を阻害すること無く、前記圧電体６２の電極群６
５，６６から電気的な導通を外部に一括して取出すこと
が可能であり、また工法を簡略化した上で前記振動体７
０の特性劣化も防ぐことができる。

【００４５】

【発明の効果】以上のように本発明は超音波モータの更
なる省スペース化、様々な環境下での安定特性の維持、
及び低コスト化を実現するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態による超音波モータ
の断面図

【図２】本発明の第２の実施の形態による超音波モータ
の断面図

【図３】本発明の第３の実施の形態による超音波モータ
の断面図

【図４】本発明の第４の実施の形態による超音波モータ
の断面図

【図５】本発明の第５の実施の形態による超音波モータ
のロータの斜視図

【図６】本発明の第５の実施の形態によるロータ構成部
品の斜視図

【図７】本発明の第５の実施の形態によるロータ構成部
品の斜視図

【図８】本発明の第６の実施の形態による振動体の構造
及びその支持部の斜視図

【図９】本発明の第７の実施の形態による振動体の図

【図１０】本発明の第８の実施の形態による振動体の電
極取出し部の斜視図

【図１１】従来の超音波モータの断面図

【図１２】従来の超音波モータにおけるバネ構造を持た
せたロータ及び振動体の断面図

【図１３】従来の超音波モータの振動体の斜視図

【符号の説明】

１，１０，２３，２８，５３，６３，７３，９０ 弾性
体 ２，１１，２４，２９，５４，６２，７２，８５ 圧電
体 ３，１２，２５，３０，４９，６１，７０，７４，８
４，９２ 振動体 ８，１３，２７，３５，３９，４３，４７ 第一のロー
タ ５，１４，２６，３２ 第二のロータ ６，１５，２０，３３，７９ メタル軸受 ４ 弾性部材 ７，１７，２１，３４，５０，７１，７５ 支持体 ９，１８，２２，３６，８０ 出力軸 １６，３７ 皿バネ １９，４１，７８ コイルバネ ３１，４５ 軟弾性樹脂 ３８，４０，４６，４８ 突起及び窪み ４２ 突起 ４４ 窪み ５１ 溝 ５２ かしめ部 ５５，６５，８６ 駆動電極 ５６，６６，８７ 振動検出電極 ５７，６４ フレキシブルプリント基板 ５８，５９，６０，６７，６８，６９ ランド部 ７６，８２ ロータ ７７ ブラケット ８１ フレーム ８３ バネ構造部 ８８，８９，９１ 取出線 ９３ 接着層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−300767（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−277078（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−307376（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−310379（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−351269（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−165537（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−115783（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02N 2/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超音波振動をする振動体と、この上を摺
   動するロータとを備え、前記ロータを２つの部分に形成
   し、このロータの２つの部分を弾性部材にて連結した超
   音波モータであって、超音波振動の動力源である圧電体
   と、この振動振幅を増幅する弾性体とを固着して形成し
   た振動体と、この振動体を振動体の内径側で支持する支
   持体とを備えた超音波モータにおいて、前記支持体に軸受メタルを圧入されて、 前記振動体を、支持体に固定するに際して、 前記弾性体
   の中央円筒の内径部に前記支持体の円筒部を圧入した
   後、振動体よりの飛び出した支持体の端部をかしめて前
   記弾性体の１部材を支持体に固定したことを特徴とする
   超音波モータ。
2. 【請求項２】 超音波振動をする振動体と、この上を摺
   動するロータとを備え、前記ロータを２つの部分に形成
   し、このロータの２つの部分を弾性部材にて連結した超
   音波モータであって、超音波振動の動力源となる圧電体
   と、この振動振幅を増幅する弾性体とを固着して形成し
   た振動体と、前記圧電体上に形成された、外部から電圧
   を印加する駆動電極及び前記振動体の振動状態の検出信
   号を出力する振動センサ電極と、前記振動体の弾性体か
   ら取り出すグランド線とを備える超音波モータにおい
   て、前記圧電体には円周上に駆動電極及び振動センサ電極に
   分極されていて、圧電体の電極への電気的接続をフレキ
   シブルプリント基板を介して外部に接続した構成であっ
   て、 前記圧電体上の駆動電極及び振動センサ電極とをそれぞ
   れ導通するランドと、前記振動体の弾性体と導通するラ
   ンドとを有するフレキシブルプリント基板であって、 圧電体の電極と接続するためのランドはフレキシブルプ
   リント基板の円環状部分に形成し、その円形状の円環部
   に突出した部分を数カ所設けて、その突出部にグランド
   用ランドを設けて、その突出部であるグランド取り出し
   ランド部を弾性体の円筒内周部側面に折り曲げ、支持体
   を振動体の内周に圧入して振動体の支持を行う同時に、
   その折り曲げたグランド取り出しランド部を弾性体の内
   周部側面に接触固定させ、 フレキシブルプリント基板を
   介して、外部との電気的接続を行ったことを特徴とする
   超音波モータ。