JPH02311184A - 超音波モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、電磁力を用いることなく１機械的に動力を発
生するアクチュエータに関し、特にカメラ等の小型のポ
ータプル機器に搭載するのに好適な小型、且つ軽量な超
音波モータに関するものである。

［従来の技術］ 広義のモータである回転動力発生機には動力発生原理に
よって種々のものかあるか、電磁力を利用して機械的回
転力を発生させる、所謂電気モータが最も小型で実用性
が高いため一般的には該モータが狭義のモータとして知
られている。かかる電気モータは近年の技術進歩によっ
て非常に小型化できるようになったため、カメラを始め
として種々の小型のポータプル機器にも該電気モータが
搭載され、該モータが種々の機器の性能の向上に寄与し
ている。しかしながら、カメラ等に搭載されている電気
モータは、高速回転はできるが、低速回転で大トルクを
発生することはできないので、この種の機器に搭載する
際には、減速機構が必要であり、従ってこの減速機構の
ために該七−夕と該減速機構とを含めた動力発生機構の
体積がかなり大きくなってしまうという欠点があった。

それ故、減速機構を必要とせず低速での大トルクを発生
でき、しかも小型且つ軽量のモータの開発か望まれてい
た。

このような事情を背景として、近年電気−機械エネルギ
ー変換素子を動力発生源として利用しようとする試みか
行われた結果、電気−機械エネルギー変換素子によって
生ずる超音波振動を回転運動に変換させる形式の超音波
モータか最近開発された。

この公知の超音波モータは円環形のステータと円環形の
ロータとを有しており、該ステータの端面に環状に接着
されている電気−機械エネルギー変換素子によって該ス
テータに進行性の振動波を発生させ、これにより該ステ
ータの端面に接しているロータを回転させるように構成
されている。この公知の超音波モータは、低速て大トル
クを発生することかできるので、減速機構が不要となり
、従ってカメラ等のオートフォーカス用モータとして好
適ではあるか、この公知の超音波モータではステータに
生しる振動が、該ステータの加圧支持により大きく減衰
してしまうという問題点があった。

そこで、本件出願人は特開昭６３−１４０６７５号公報
で定在波型の振動子を用い、該振動子の先端を回転連動
させ、この振動子の先端で中空状のロータを回転させ、
これによりステータの支持による振動減衰を小さくした
超音波モータを提案した。

［発明か解決しようとしている問題点］しかしながら上
記従来例では、ロータ回転軸とステータ中心軸が同一線
上にないため、カメラのレンズ駆動などスペース的に中
空型のモータを必要とする場合には有効なモータとなる
か、モータ全体（ステータロータ含む）として小型化し
ようとする時、中空型のモータか有効であり、ロータ回
転軸とステータ中心軸が同一線上にある場合か最もコン
パクトなモータになる可能性がある。また、市場ては、
小型な中実型のモータの需要もかなり多く、効率の良い
中実型の超音波モータの開発も早急に必要てあろう。

また、該従来例では、回転トルクを得ようとする場合、
ステータをロータへ加圧する必要があり、該加圧の方向
の振動の共振周波数か急激に増加し、該加圧方向振動に
直交する振動の共振周波数とのずれか生し、同一周波数
にて両方向振動を励振しようとしても該ずれのために、
思う様に振動振幅か得られない、また、該加圧により、
ステータの振動を抑える形になり、振動減衰が生じ、特
に該加圧方向と一致している方向の振動において最も影
響が大きい。

また、該従来例において、ステータ上で、ロータと接す
る点はただ一点であり、その点での摩耗か非常に大きく
、摩擦力を動力伝達手段とする超音波モータとしては耐
久性に乏しく。

大きな問題となっていた。

［問題点を解決するための手段］ 本発明はロータをたわみ振動するステータの端面に加圧
接触させ上述の問題を解決したものである。

［実°施例］ 第１図は本発明を適用したアクチュエータとしての超音
波モータの一実施例の中央断面図であり、同図に於て、
ｌは２方向たわみ振動をしてロータ４を回転させるステ
ータ、２は２ａ〜２ｄからなり、ステータｌの中央四面
に１枚ずつ加圧接触され、不図示の交番電圧発生器より
交番電圧を入力され、逆圧電効果により軸方向に伸縮を
してステータｌをたわみ振動させる電気−機械エネルギ
ー変換素子、３は該交番電圧発生器からの信号を電気−
機械エネルギー変換素子２へ給電するための電極である
。４はステータｌの端面に加圧接触されており、ステー
タｌの振動によって軸方向中心の回転力を発生させるロ
ータ、５はロータ４をステータｌの端面に加圧接触させ
るための加圧バネ、６はその加圧バネ受けで、バネを受
ける面の反対側の面は、ボールレース７の内周部材の側
面に接している。７はボールレースであり、内径にはロ
ータ４の軸４ａが嵌合し、出力軸の固定をしている。８
，９はモータのカバー兼ステータｌの支持及びロータ４
の加圧位置決めをしている本体であり、内側に出た突起
部は、ステータｌの振動の節Ｓ、、Ｓ２を含むモ面上に
もうけられた溝にうまく嵌合し、ステータｌを節の外周
面で固定している。また、ボールレース７の外周面はカ
バー８にあけられた穴と嵌合し、ロータ４の位置決め及
びロータ４のステータｌの端面への加圧接触のための加
圧バネ５の圧縮押えも兼ねている。

ここで、動作原理について説明する。

交番電圧発生回路及びステータｌへの給電方法、ステー
タの動作等については特開昭６３−１４０６７５号公報
に開示されているのてここでは筒単に説明する。

不図示の交番電圧発生回路から所定の周波数の電気信号
を電極３を介して２３〜２ｄからなる電気−機械変換素
子２に加えると、ステータｌは共振状態になり、Ｓｌ、
Ｓｌを振動の節としたたわみ振動をする。該電気−機械
変換素子２ａ、２ｃと２ｂ、２ｄの夫々のグループに加
える交番電圧の位相を９０°ずらして与えると、ステー
タｌはＳＬ、Ｓｓを節とする直交する２方向の位相の９
０”ずれた長子方向たわみ振動をし、ステータｌの端面
は軸方向（Ａ−Ａ）に直交する平面内で円運動をする。

そしてステータｌの端面ＩＡは円形になっており、該端
面ＩＡに加圧バネ５により加圧接触されたロータ４は、
ステータｌの端面の円振動と摩擦力により軸方向（Ａ−
Ａ）を中心軸として回転する。従ってポールレース７を
介してロータ４の出力軸４ａより回転力が取り出される
。第２図に第１図示ステータｌの形状を示す６両端面Ｉ
Ａはロータ４との接触がスムーズになる様に１円形に形
成されている。また中央部は電気−機械変換素子２を貼
りやすい様に断面が四角形とされ、その四側面に１枚ず
つ該電気−機械変換素子２ａ〜２ｄが接着してあり、そ
してその上に電極３を貼りつけて給電できる様に形成し
ている。ステータｌの端面とロータ４との接触の状態を
第３図に示す、　（ｉ）、（ｉｆ）、（ｉｉｉ）・・・
（ｖｉｉｉ）　、・・の夫々は時間の経過を示す、第３
図中、ｘ印はステータｌの振動の節を示し、０印はステ
ータＩの端部の中心点、点Ｐはステータｌとロータ４と
の接触点を示している。０印からの引き出された矢印は
ステータｌの端部ＩＡの移動方向を示しており、Ｐ点か
ら引き出されている矢印はロータ４に伝わる力の方向を
示している。

（１）〜（ｖｉｉｉ　）を時間の流れとして見ると、ス
テータｌの端部ＩＡの動きがよく理解出来ると思うが点
Ｐはステータｌの端面ＩＡの外周で最もロータ４に近い
点であり、ロータ４は点接触で、摩擦力によって回転力
を伝えられ、ロータ４上の矢印の向きに回転をする。

ロータ４を逆向きに回転させたい時には、入力の２つの
位相差の異なる交番電圧の電気的位相差を逆方向に９０
′″ずらしてやると、ステータｌの端１！ｓｌＡは逆向
きの回転をする、２方向たわみ振動をするため、ロータ
４も逆向きに回転をする。

上記実施例では、ステータ、ロータの構造も非常に簡単
で小型化か容易であり、またロータ４の回転軸とステー
タｌの軸方向とか一致していて幅のとらないダイレクト
ドライブの中実型モータとなる。

また、ロータ４とステータｌは点接触であるが、従来例
（特開昭６：ｌ−１４０６７５号公報）と異なり、接触
点はステータ端面の円周上を移動するので、摩耗の度合
を小さくできる。また、従来はステータの振動する方向
と同じ方向にロータを加圧したためにステータの振動減
衰か大きく十分な出力が得られなかったり、ロータの加
圧する方向とそれを直交する方向との振動、共振周波数
等がずれてしまい、駆動が困難になる場合があったが１
本実施例ではステータの振動方向とロータの加圧方向と
が直交しているために、加圧によるステータの振動減衰
は小さく、ステータの２方向振動に対し、同じ作用とな
るので、共振周波数等のずれがなく、制御性がよくなる
。

［他の実施例］ 第４図に、他の実施例を示す。ｌはステータで、−次た
わみ振動の箇となるＳｌ、Ｓ２を含む断面上に突起をつ
くり、その突起を外枠８の内側の溝に嵌合させることで
支持をしている。

２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄは電気−機械エネルギー変換素
子で、不図示の交番電圧発生器より電極を介して９０°
だけ位相のずれた交番電圧を２ａ、２ｃ及び２ｂ、２ｄ
の夫々のグループに加えることによりステータｌを励振
している。４Ｃ，４Ｄはロータであり、ステータｌの両
端面より出力を取り出す構造となっている。

５は加圧用バネ、６は加圧バネ押え、７はベアリングで
ある。第４図は前述の実施例に比べ、出力を両端面から
取り出せる様にした例であり、ロータ４Ｃ，４Ｄはそれ
ぞれ、第４図に示した方向に回転する。これにより小型
な２軸の中実型モータが得られる。

第５図はロータとステータの接触部の形状を前述のもの
と異ならしめた例であり、ｉ５図（ａ）では、ステータ
の端面外周部ＩＢを突起状にして、ロータ４と接する面
を限定した例で、前述の実施例と比較し接触面の平面度
を良くすべき面か小さくなり、またロータとステータの
、停止時の密着を防ぐことができ、起動性が良くなる。

第５図（ｂ）の例は、ステータｌの端面部１ｃをツバ形
状とし、ロータ４との接触をステータ本体外周よりも外
側に出しロータの回転速度は低下するがトルクを増大さ
せた例である。尚この例とは逆に、ステータ端面の接触
部をステータ本体よりも内側にすると１回転数は増加す
るがトルクが低下するモータか得られる。この様に接触
する突起部の位置を変えることによって用途にあった特
性のモータを設計できる自由度がある。また突起部ＩＢ
、Ｉｃはロータ偶に設けてもよい。

第６図（ａ）は第４図の実施例を簡略化して書いたもの
だが、ステータの振動形態は何次の振動でも可能で、例
えば第５図（ｂ）の様な２次のたわみ振動を用いること
もできる。勿論この場合は、電気−機械エネルギー変換
素子２の配置や駆動周波数等の変更か必要となってくる
。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明ではステータの端面にロー
タを加圧接触させたので、以下の効果が得られるもので
ある。

（１）ロータ回転軸とステータ中立軸とが同一直線上に
なるため全体的に幅か小さくコンパクトな中実型アクチ
ュエータが得られる。

（２）ロータを加圧接触させる方向とステータの中立軸
か一致しているため、ロータの加圧によるステータの２
方向振動に同様の力か働き２方向振動の共振周波数のず
れがなくなり駆動性が良くなる。

（３）ロータを加圧する方向とステータの振動方向はほ
ぼ直交しているため、ロータのステータへの加圧による
振動減衰がかなり小さくなる。

（４）ステータとロータの接触点は一点でなくなり、端
面の外周円上の多点となるため、耐摩耗性にすぐれたア
クチュエータか得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例であるａ　ｆｔ波モータの断面
図。 第２図は第１図のステータと電気−機械エネルギー変換
素子の形状を示した側視図、ｆＩＩＪ３図はステータ先
端部とロータとの接触の様子を示した説明図。 第４図は本発明の他の実施例の断面図、第５図（ａ）、
（ｂ）はステータの変形例にかかる断面図。 第６図はステータの振動次数を変えた場合の説明図であ
る。 ｌ：ステータ ２：電気−機械エネルギー変換素子 ３：電極 ４：ロータ ５：加圧バネ である。 躬１図 第４図 勇５図 （Ｑ）　　　　　　　　　　　　〔Ｂ）（Ｖ） −４［

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　端面を有する出力軸と、該出力軸の端面と対面する端
   面を有すると共に、前記出力軸の軸中心と略垂直な面内
   で回転した時にその端面の外周部の各点が順次出力軸の
   端面と係合する振動体と、前記中心軸と振動体とを前記
   軸中心に沿った方向に圧接係合させる圧接手段と、前記
   出力軸の軸中心と略垂直な面内でのたわみ振動を前記振
   動体に生じさせる振動励起手段とを設けたことを特徴と
   する超音波モータ。