JPH04331483A - 振動波装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、棒状弾性体に設けられ
た電気−機械エネルギー変換素子に電気エネルギーを供
給することにより、棒状振動子としての弾性体を振動さ
せ振動子の質点に円又は楕円運動を生じさせ、振動子に
押圧した移動体を摩擦駆動させる超音波モータ、特にカ
メラ等の光学機器、プリンタ等の事務機器に好適な超音
波モータに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来超音波モータとしては、円環状の弾
性体に曲げ振動を起こし、摩擦力によりレンズ駆動用移
動体を駆動させるタイプのものが、カメラ用ＡＦ機構な
どで、実用化されている。しかし、この従来のタイプの
ものは、リング形状であるため、加圧機構を含めたユニ
ットとしては、比較的コスト高であり、中空を要求され
ないモータ用としてはコスト上不利である。そこで中実
型で、加圧系などの構成が容易な、図２乃至図３に示す
ようなタイプのモータが、近年提案された。

【０００３】ここで該提案にかかるモータについて図２
乃至図４を用いて簡単に説明する。図２は棒状の超音波
モータの振動子斜視図、図３は、モータ構成図を示す縦
断面図である。

【０００４】電気−機械エネルギー変換素子（以下ＰＺ
Ｔと称す）ａ１，ａ２により振動子は図４に示すような
１次曲げの振動を発生する。ＰＺＴａ１とＰＺＴａ２と
は位置的に９０°の位相差を有し、ＰＺＴａ１及びａ２
は夫々２枚の圧電素子板（直径部分を境にして異なる極
性に分極処理されている）により構成されている。Ｃは
上部が細い円柱形状を有するボルトで、真鍮、ステンレ
ス等減衰の比較的小さい金属等でできた振動子構成部材
である前金属ブロックｂ１および後金属ブロックｂ２間
にＰＺＴａ１，ａ２を挟持固定する。

【０００５】また円柱部Ｃ−１の形状は振動子固定部材
ｇと結合する上部付近にて振動子振動時変位の小さくな
るような寸法にて決定する。移動体ｄはベアリングｅを
介してバネケースｆ内のコイルバネｋのバネ力が付与さ
れ振動子の上面に加圧接触している。

【０００６】ところでＰＺＴａ１，ａ２にて発生する１
次曲げモードはθ方向（軸心と直径する平面における角
度）に９０°位置的位相差を持った方向に２種、かつ時
間的に９０°ずれて励振されるため、移動体との接触部
Ａ点（図４図示）は楕円運動を行う。その運動方向は振
動子の形状により決まり、Ｚ軸に対し角度α傾いた面内
を楕円運動する。このとき加圧接触している移動体は摩
擦駆動される。

【０００７】このような超音波モータに於て、励起する
屈曲振動の数に応じた交流電圧が必要となる。

【０００８】また、この交流電圧は駆動回路の簡便性か
ら同一電圧振幅であることが望ましく、従来の円環型超
音波モータでも同様にしている。しかし、棒状超音波モ
ータにおいてはＡ相、Ｂ相圧電素子ａ１，ａ２による２
組の屈曲振動を同一電圧で駆動すると、各振動の振幅が
異なり、振動子表面上の点がきれいな回転運動をせず周
上で形の異なる楕円運動となってしまうことがわかった
。 この様子を図５に示す。２組の屈曲振動は図３における
ＰＺＴａ１，ａ２で励振される。このとき各振動振幅が
異なっていると、図５に示したように、周上で均一な円
運動はしない。ここで、各楕円は変位軌跡であり、ＰＺ
Ｔａ１により励振される振幅が、ＰＺＴａ２により励振
される振幅より小さいとき、図のようになる。このとき
、点Ｂでの周方向速度は点Ｃでの値より大きく、移動体
は振動子の振動が一周期する間に異なる送り速度で駆動
される。

【０００９】一方移動体はそれ自身のもつ慣性質量によ
りある一定の速度で回転するから、この速度差に追従せ
ずスリップし、これが摺動損となり、モータ効率を低下
させる。

【００１０】一般に超音波モータの片相（例えばＡ相）
の等価回路は、例えば移動体との接触部の振動速度を基
準とすると、図６のように示される。ここで、ｃｄは使
用しているＰＺＴの制度容量、Ａは力係数、Ｃｍは等価
減衰定数（負荷出力も含む）、ｋは等価バネ定数、ｎは
等価質量である。

【００１１】すなわち、振動子の片相の圧電素子の入力
端子に電圧Ｖｅｉｃｏｓｔ　を印加したとき、両相（２
つの屈曲モード）にて発生する速度Ｖｅｉｗｔ　が等し
くなるためには、これらの定数が相等しくなればよい。

【００１２】ｃｄはＰＺＴの誘電率形状等で決定される
。したがって材質形状を一致させればよい。この条件は
一般に満足されており従来例においても図４に示すよう
にＰＺＴａ１用に０．５ｍｍ厚のものを２枚、ＰＺＴａ
２用に同厚、同形状のＰＺＴを使用しておりこの条件は
満足されておりバラツキも小さい。

【００１３】又Ｃｍ　，ｋ，ｍ等は軸対称形状を有する
振動子に同形の屈曲振動を利用しているため一致してい
る。

【００１４】したがって２相間の速度つまり変位（周波
数が等しいため）を不一致としているのは力係数Ａが異
っているからである。また、力係数Ａは振動速度と電流
の比で与えられるため、これが異なっていると言える。

【００１５】一方、電流はＰＺＴの材質形状、歪で決定
されるが、ｃｄを等しくするため材質、形状等は同一と
してあるため歪が異っていると言える。つまり、図５に
示すθａ１方向θａ２方向に等しい振動変位を得たとき
のＰＺＴａ１群，ａ２群に生じるか否が異っているから
である。

【００１６】ところで、図１２に示す両端面（ｔ１面，
ｔ２面）駆動型の棒状超音波モーターでは、両端面での
振動速度を等しくするため、一般に長さ方向（軸方向）
の中央面を境に対称形状で作成される。

【００１７】しかし、これを一端面でのみ（例えばｔ１
面）駆動するタイプの棒状超音波モーターに於ては駆動
面側の振幅のみ大きくすることが望ましい。

【００１８】この理由は、駆動部以外の振動振幅を小さ
くし、その結果振動子内部に発生する歪を小さくするこ
とで、振動子内部のエネルギー損を小さくすることがで
きるからである。かような事実に着目して本出願人は、
駆動面近傍にくびれを設ける発明を提案した。これを実
施した振動子を図１３に示す。

【００１９】そして、この振動子についてＡ相圧電素子
ａ１を駆動したときのアドミタンス、Ｂ相圧電素子ａ２
を駆動したときのアドミタンスを重ねたものを図８に示
す。これより共振点ＦでのアドミタンスＹがＡ相圧電素
子ａ１駆動時の方がかなり大きくなっている。

【００２０】ところでアドミタンスＹは角周波数をω、
とすると前述の記号を使用して、

【００２１】

【数１】

【００２２】共振時においては括弧中に示す虚数部零と
なるから、Ｙ＝Ａ２　／Ｃｍ　即ちＹは力係数の２乗に
比例することになる。

【００２３】したがって、前述より図１３に示す振動子
においてＡ相圧電素子ａ１　、Ｂ相圧電素子ａ２群に生
ずる駆動用屈曲振動発生時の歪が大きく異っていること
が予測される。そこで、実際に、この振動子に生じてい
る歪をＦＥＭを用いて計算した結果を図１４に示す。

【００２４】この結果Ｂ相圧電素子ａ２群に生じる歪は
、Ａ相圧電素子ａ１群に生じる歪よりかなり小さくなっ
ている。

【００２５】すなわち図１４において、Ａ相圧電素子ａ
１における歪は、Ｂ相圧電素子ａ２の歪より大きいので
、同電圧を両Ａ，Ｂ相に印加しても、Ａ相圧電素子ａ１
にはより大きい電流が流れることになり、結果として屈
曲振動の振幅に差が生じることになる。

【００２６】

【発明が解決しようとする課題】本発明が解決しようと
する課題は、２相の圧電素子を同電圧で駆動する際に、
２つの屈曲振動の振幅が異なることにある。

【００２７】本発明は、このような問題を解決し、２相
の圧電素子に同電圧の駆動信号を供給して、同じ振幅の
屈曲振動を形成することができる超音波モータを提供す
ることを目的とする。

【００２８】

【課題を解決するための手段】本発明の目的を実現する
ための構成は、振動子に設けられた電気−機械エネルギ
ー変換素子に駆動信号を印加することにより、該振動子
の異なる２つの平面内に同形の屈曲振動を時間的位相差
を有して励起し、以て該振動子の表面に回転運動を生じ
させ、該振動形成面に圧接した移動体を摩擦駆動する超
音波モータにおいて、各屈曲振動を励起するための電気
−機械エネルギー変換素子を、各電気−機械エネルギー
変換素子に生じる歪みの総和を略同じとする位置に配置
したことを特徴とする。

【００２９】

【作用】屈曲振動により例えば２相の圧電素子等の電気
−機械エネルギー変換素子に生じる歪みは等しくなるの
で、同電圧の駆動信号を両方の電気−機械エネルギー変
換素子に印加すると、両電気−機械エネルギー変換素子
により励起される屈曲振動が同じ振幅となり、移動体を
効率よく摩擦駆動することができる。

【００３０】

【実施例】

第１実施例 図１は本発明による超音波モータの第１実施例を示し、
振動子と、その振動モードとの関係を示している。

【００３１】本実施例は、振動子の前部に周溝ｂ１−１
を形成し、この周溝ｂ１−１での振動振幅を大きくして
これより前方の部分を大きく変位させるようにした振動
子に適用したものである。したがって、振動子の周溝ｂ
１−１よりも後方に形成される駆動時の振動子の歪（ε
ｚ）は、周溝部に形成される歪よりも小さい。

【００３２】ここで、振動子を構成するＡ相圧電素子ａ
１（２枚の圧電素子板より構成）と、Ｂ相圧電素子ａ２
（２枚の圧電素子板より構成）との屈曲振動の歪の総和
が等しければ、同電圧を印加した場合に等しい振幅の屈
曲振動が得られることから、本実施例では、歪曲線のピ
ークを境にしてその両側にＡ相圧電素子ａ１とＢ相圧電
素子ａ２とを配置している。

【００３３】屈曲振動を得るためのＰＺＴ各群は図１２
〜１４に示したように離れて配置されている必要はない
。むしろ図３，４に示すように各群は、近接している方
が製造上有利である。この理由は、図１２〜１４に示し
た中金属ブロックｂ３　が、不要となることの他に、近
接しているため、各群の境界面における電極を共有化で
きること、各群のＰＺＴの電極位相をあらかじめ所望の
位置関係にして組み立てることができることが挙げられ
、この場合必要であれば金属ブロックｂ１，ｂ２をボル
ト締めにて結合する前に接合して形成しておくことも可
能である。

【００３４】このタイプの振動子について、これまで、
述べてきた条件を調べると、図４に示した振動子の歪分
布は図７に示すようなものであった。このときＢ相圧電
素子ａ２はＡ相圧電素子ａ１に比べ歪の大きい位置に配
されており、Ｂ相圧電素子ａ２駆動時のアドミタンスは
、Ａ相圧電素子ａ１駆動時のアドミタンスと比べ、常に
大きかった。本実施例はこれを是正するためにＡ相、Ｂ
相圧電素子ａ１，ａ２の境界面であるＥを歪分布の極大
点Ｄに移動したもので、後金属ブロックｂ２を短く前金
属ブロックｂ１を長くしている。

【００３５】図９に示す実施例は、図１に示す実施例と
同様に２次の曲げモーメントを利用した振動子の極大値
位置と、Ａ相圧電素子ａ１とＢ相圧電素子ａ２との境界
面の一致を図ったもので、図１に示す実施例に比べて歪
の曲大値位置が振動子の後端側に形成されている。

【００３６】図１０に示す実施例は、上記した図１、図
９に示した各実施例とは逆に、その極小値位置と、Ａ相
圧電素子ａ１とＢ相圧電素子ａ２との境界面を一致させ
ている。本実施例の場合、振動子に一定振幅を得るため
の前後の金属ブロックと圧電素子の境界面、圧電素子間
の境界面に生じる歪も小さく、ここでの機械的損失が減
るためモータ効率は向上する。

【００３７】第２実施例 図１５は本発明の第２実施例を示す。

【００３８】本実施例は、図１３、図１４に示す振動子
と同様に、前金属ブロックｂ１と中金属ブロックｂ３と
の間にＡ相圧電素子ａ１、中金属ブロックｂ３と後金属
ブロックｂ２との間にＢ相圧電素子ａ２を配置したもの
で、振動子に形成される歪の極大位置から前後方向の等
位置にＡ相圧電素子ａ１とＢ相圧電素子ａ２を配置して
いる。この両位置での歪は等しく、したがって、Ａ、Ｂ
相圧電素子ａ１，ａ２により励起される曲げ振動の振幅
は等しくなる。

【００３９】図１６にＡ相圧電素子ａ１とＢ相圧電素子
ａ２の駆動時におけるアドミタンスを示す。この場合、
両者のアドミタンスは略一致し、Ａ相圧電素子ａ１及び
Ｂ相圧電素子ａ２を同一電圧で駆動したときの振動子上
の各点での振動変位軌跡は正円となり、移動体と振動体
間の摺動損は減少し、モータ効率は向上した。

【００４０】第３実施例 図１７は第３実施例を示す。

【００４１】上記の各実施例は、１つの屈曲振動を励起
するための電気−機械エネルギー変換素子を２枚１組１
体として考えてきたが、各々を分けて配置しても同様の
効果が得られる。すなわち、圧電素子板ａ１−１とａ１
−２で１つの屈曲振動、圧電素子板ａ２−１とａ２−２
で１つの屈曲振動を励起するとすれば、これらの４枚の
圧電素子板を図１７に示す構成で、歪分布がほぼ直線的
に変化する部分に配置すれば、圧電素子板ａ１−１での
歪大、ａ１−２での歪小より、１相あたり、つまり両者
の歪の和はもう一相つまり圧電素子板ａ２−１，ａ２−
２での歪の総和と略等しくなる。

【００４２】図１１は本発明の棒状超音波モータを駆動
用に利用した駆動装置を示している。ｉは、出力取り出
しギアで、移動体ｄと、防止用のブチルゴムｏを介して
結合されている。そして連結ギアｊには、エンコーダス
リット板ｋとフォトカプラｍが取り付けられ回転位置を
検出している。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、超
音波モータを駆動するために必要とする時間的位相の異
なる複数の駆動信号の電圧を等しくすることができ、超
音波モータを効率よく、しかも駆動回路も簡素化するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による超音波モータの第１実施例を示す
図。

【図２】超音波モータの外観斜視図

【図３】超音波モータの断面図

【図４】超音波モータの屈曲振動の状態を示す図。

【図５】振動子の振動変位軌跡を示す図。

【図６】振動子の等価回路を示す図。

【図７】従来の振動子の歪み分布と圧電素子との位置関
係を示す図。

【図８】振動特性を示す図。

【図９】第１実施例の変形例を示す図。

【図１０】第１実施例の変形例を示す図。

【図１１】超音波モータを駆動源とした駆動装置の概略
図。

【図１２】従来の振動子の概略図。

【図１３】従来の振動子の概略図。

【図１４】図１３の振動子の歪み分布と圧電素子との位
置関係を示す図。

【図１５】第２実施例を示す振動子の歪み分布と圧電素
子との位置関係を示す図。

【図１６】図１５の振動子の振動特性を示す図。

【図１７】第３実施例を示す振動子の歪み分布と圧電素
子との位置関係を示す図。

【符号の説明】

ａ１，ａ２…圧電素子（ＰＺＴ） ｂ１，ｂ２，ｂ３…金属ブロック　　　　ｃ…ボルトｄ
…移動体　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　ｆ…バネケースｇ…振動子固定部材　　　　　　
　　　　　　　　　　ｈ…コイルバネｉ…出力取り出し
ギア　　　　　　　　　　　　　　ｊ…連結ギアｋ…エ
ンコーダスリット板　　　　　　　　　　ｍ…フォトカ
ップラ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　振動子に設けられた電気−機械エネル
   ギー変換素子に駆動信号を印加することにより、該振動
   子の異なる２つの平面内に同形の屈曲振動を時間的位相
   差を有して励起し、以て該振動子の表面に回転運動を生
   じさせ、該振動形成面に圧接した移動体を摩擦駆動する
   超音波モータにおいて、各屈曲振動を励起するための電
   気−機械エネルギー変換素子を、各電気−機械エネルギ
   ー変換素子に生じる歪みの総和を略同じとする位置に配
   置したことを特徴とする超音波モータ。
2. 【請求項２】　　請求項１において、屈曲振動を励起す
   るための電気−機械エネルギー変換素子は、屈曲振動に
   より生じる振動子歪み分布の極大又は極小位置を境界面
   として配置していることを特徴とする超音波モータ。
3. 【請求項３】　　請求項１又は２に記載の超音波モータ
   を含む装置であって、該超音波モータの摩擦駆動される
   移動部材により駆動される出力部材を有することを特徴
   とする装置。