JPH0491676A - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、電磁力によらず機械的動力を発生するモータ
に係り、詳しくは軸方向における伸縮振動の合成により
振動子に励起される円運動を利用し、振動子と同軸的に
嵌合する被駆動体を摩擦駆動により回転させる超音波モ
ータに関するものである。

［従来の技術］ 従来のこの種のモータとしては第２図（ａ）、（ｂ）に
示すような構成のものが提案されている。なお、第２図
（ｂ）は圧電素子を４枚にして、低電圧化を計った構成
で、絶縁板７は不用である。

１は先端部の小径軸部１ａと後端部の大径軸部１ｂとの
間に径が先端部に向は漸減するホーン形状のホーン部１
ｃを形成した金属丸棒からなる振動体、２は振動体１の
大径軸部１ｂと同径の外径に形成された軸心にボルト通
し孔を有する金属丸棒からなる押え体、３及び４は大径
軸部１ｂと同径の外径に形成された円環形状の圧電素子
板、５は圧電素子板３，４の電極板で、振動体１と押え
体２との間に、電極板５を挟むようにして圧電素子板３
．４を配し、ボルト６により押え体２を振動体１に固定
することにより、圧電素子板３．４を振動体１と押え体
２との間に固定して、振動子Ａを構成している。ボルト
６はその頭部が円環状の絶縁体７を介して押え体２に接
し、且つ軸部が圧電素子板３．４及び電極板５と電気的
に非接触状態に保持されている。

圧電素子板３．４は、片面側に分極方向が互いに異なり
、且つ厚み方向に分極された２つの電＆（＋電極ａ、−
電極ｂ）が中心軸線位置に形成された絶縁部すの両側に
対称に形成されると共に、他面側に中篭極ａ、−電８ｉ
ｂの共通電極Ｃが形成されていて、振動子Ａの軸線に対
して互いに位置的位相が９０°の角度ずれて配置されて
いる。なお、圧電素子板３の分極電極（＋電極ａ、−電
極ｂ）は導電体である振動体１の後端面に接し、また圧
電素子板４は導電体である押え体２の前端面に接してい
る。

そして、電極板５と振動子１との間に交流電圧■１を、
また電極板５と押え体２との間に交流電圧■２を印加す
ることにより、圧電素子板３の厚み方向における伸縮変
位による振動と、圧電素子板４の厚み方向における伸縮
変位による振動との合成により振動子Ａを振動させる。

交流電圧■１と交流電圧Ｖ２とは、第３図に示すように
、振幅及び周波数が共に同じで、時間的位相が９０”の
ずれを有している。

したがって、振動子Ａは、軸心を中心とし、縄飛びの縄
のような円運動（以下純水び振動と称す）を行なうこと
になる。なお、この円運動が生じる原理については、公
知であるので説明は省略する。

ロータ８は第８図に示すように、振動子Ａの軸心ｌと同
軸に嵌合し、ロータ８の内径部の後端部（以下摩擦接触
部と称す）８ｂを摺動部Ｂに対応する位置まで延出し、
摩擦接触部８ｂをホーン部ＩＣの摺動部Ｂに当接させて
いる。該ホーン部は軸方向の加圧力を受ける事で、摺動
部Ｂにおいて適切な摩擦力を得るため設けられている。

そして、この摺動部Ｂは振動体１において、縄飛び振動
の腹になっている。

ロータ８の内径部８ａの内径は、低摩擦係数の部材８ｄ
を介して、振動体１において縄飛び振動の節の位置に接
する構造になっており、摺動部Ｂ以外で生じる振動に対
して接触して音を発生するのを防ぐため、ロータ８には
逃げ８ｃが設けられている。

ロータ８の摩擦接触部８ｂは、摺動部Ｂの外周形状と合
致する内径が漸増する形状に拡開し、振動体１の縄飛び
運動時に摺動部Ｂと面接触する。

ロータ８は、例えば不図示のスラストベアリングを介し
て不図示のバネ等により図中矢印方向に押されて、前述
の適切な漸増形状を有する摺動部により摩擦接触部８ｂ
と摺動部Ｂとの接触部に所定の摩擦力を発生させ、また
該スラストベアリングにより軸方向の回転が許容されて
いる。

以上の構造よりロータの摩擦接触部８ｂに振動体１の振
動が回転力となりて、伝わりロータを回転させる。

［発明が解決しようとしている課！］ ところで、このような構造の超音波モータでは、摩擦摺
動面の幅が重大な要素になっている。ここで幅とは第９
図におけるＣのことである。

つまり、語幅が狭いと前記摩擦摺動面の摩耗が激しく起
こり、モータの寿命が短くなり、逆に広いと振動体と移
動体が吸着を起こし、モータが起動しなくなることもあ
る。ここで、吸着について説明しておくと、例えば、平
面度と表面粗度を良好に仕上げられた２枚の平板を互い
に合わせると密着してしまフて、羊面に垂直な方向に２
枚の平板を分離するために力を必要とする現象である。

これは、平面同士の接合部に外気よりも低圧力部が生じ
るからと考えられている。

ここで、モータの発生トルクをＴ、摩擦摺動面中心直径
をＤ、該摩擦摺動面に垂直に加える圧接力をＮ及び超音
波駆動特有の摩擦係数をμ　とすれば、発生トルクＴは となる。ところが、モータを小径化として同時に摩擦摺
動面中心直径が例えば５分の１になった場合、摩擦摺動
面の摩耗からくる寿命を同等に維持するため面圧を等し
くするのには、圧接力Ｎも５分の１にする必要があるた
め、発生するトルクは と大巾に低下してしまう。そこで、摩擦摺動面の幅Ｃを
増加させることが考えられるが、これをそのまま実施す
ると吸着現象を助長させてしまうので好ましくない。

本発明の目的は摩擦摺動面における摩耗と吸着が発生し
にくい構造のモータを提供することにある。

［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、棒状弾性体に配
置された電気−機械エネルギー変換素子に交流電界を印
加することによって、該棒状弾性体に同形の屈曲モード
の振動を異なる複数の平面内に励起させ、且つ時間的に
適当な位相差を持たせることにより、該弾性体の表面粒
子に円又は楕円運動を行なわしめ、該弾性体に押圧した
移動体を摩擦駆動する超音波モータにおいて、該弾性体
と該移動体とが駆動に供するために接触する摺動面のい
ずれか少なくとも一方に、凹部を形成したことを特徴と
するものである。

〔作　　　用〕

上記した構成の超音波モータは、弾性体あるいは移動体
の摺動面に形成した、例えば放射方向に延びる溝、円形
の凹部や周溝により、摩擦摺動面の摩耗を低減するため
に摺動面の幅を広く設定しても、移動体と弾性体とが吸
着する現象が防止される。

［実　施　例］ 第１図（ａ）は本発明による超音波モータの実施例１を
示す部分断面図である。

本実施例は、振動体１の摺動面をなすテーパ面に、溝１
ｄを放射方向に沿って複数形成している。

これらの溝１ｄは、移動体（ロータ）８が摺動面Ｂに接
触した状態において、移動体８と摺動面Ｂとの接触面間
に空気層を形成するための空気供給源として作用し、移
動体８と振動体１の摺動面とが吸着するのを防止する。

したがって、摩擦摺動面Ｂの全幅Ｃを大きくとっても、
移動体８と振動体１との吸着は生じにくくなる。

なお、溝１ｄの幅を０．５ｍｍとし、これを全周に１６
本形成し、摩擦摺動面Ｂの全幅Ｃを溝１ｄのない場合と
比べて２倍とすると共に、移動体８の振動体１への圧接
力を２倍にしたところ、約２倍の起動トルクが得られた
。

第１図（ｂ）は上記した実施例１の変形例で、振動体１
の摺動面Ｂに、溝１ｄに代えて円形の凹み１ｅを多数点
在させたものであり、上記実施例１と同様の効果が得ら
れる。

もちろん、第１図（ｃ）のように、振動体１とロータ８
の両方に溝１ｄ、８ｅを設けても同様の効果が得られる
。

第４図（ａ）は本発明の実施例２を示している。

本実施例は、振動体１の前部にくびれ部を有し、ロータ
８に対し、摺動面Ｂと、離隔接触部Ｅを有している。

おおよその外径寸法は直径１０ｍｍ、長さ３０ｍｍで、
それぞれ振動体１、押え体２はともに材質はＪＩＳ　Ｃ
３６０１黄銅を用いている。なお、摩擦摺動面ＢにはＫ
Ｎ−５ｉＣメツキがほどこされている。移動体８の材質
はＡ３０５８で、表面には厚さ３０μｍのアルマイト膜
が付着されている。

６は先端部にバネポストの付いた挟持用ボルト部材で、
引張りコイルバネ１１の一端を引掛け、バネの他端はフ
ランジ付ベアリング１０に同軸的に内接するポリカーボ
ネイト製のバネポスト９に掛けられている。その結果、
摩擦摺動面Ｂには移動体８から、バネの引張り力に応じ
た圧接力が加わることになる。

第５図は、第４図（ａ）における摺動面Ｂの拡大図を示
し、振動体１の摺動面Ｂには、複数（本実施例では２本
）の周溝１ｆを同軸上に形成しており、上記した実施例
１と同様に、周溝１ｆによりロータ８と振動体との吸着
を防止することができるようにしている。

本実施例において、摩擦摺動面Ｂの全幅Ｃを２ｍｍ、周
溝１ｆの開口部の幅を約０．１５ｍｍとし、２ｍｍの幅
の内に周溝１ｆを２本設けている。これらの寸法につい
ては、全幅Ｃが０．３〜３ｍｍ程度の場合十分な効果が
認められ０．３ｍｍ未満であると、摩耗が激しくなり、
上限の方は縄飛び振動の波長にもよるが、一般に３ｍｍ
を超えると振動体の表面粒子の振動方向が、該摩擦摺動
面内でも犬きく異なってくるため、局部的すべりを生し
やすくなり、効率の低いモータとなる傾向にあった。な
お、周溝１ｆの開口部寸法は前記寸法に限らない。但し
、摩擦摺動部−面の幅りは０．１〜１ｍｍの範囲が望ま
しい。

ここで、摩擦摺動面の幅Ｃを増加させてＣ。

とし、周溝１ｆの幅をＥとした場合、 Ｃ’　＝３Ｄ＋２Ｅ、Ｄ＝Ｃとすると、発生するトルク
は、摩擦面積が約３倍となることがら圧接力を３倍にす
ると、小型化に伴ない中心直径が１１５となる前述した
式より、 となり、単純にモータを小型化した場合に比較して、吸
着を発生させないでトルクを向上させることができる。

また、振動体１の前部がくびれた形状としては、第４図
（ａ）に示す振動体以外に第４図（ｂ）。

（ｃ）に示す形状のものがあり、夫々摺動面Ｂに周溝１
ｆが形成されている。

第４図（ｂ）に示す超音波モータは摺動面Ｂを縄飛び振
動の端部に設けており、ロータ加圧用のバネ１１は圧縮
バネを用いている。

ギヤ１２とロータ８との間は摩擦クラッチになっており
、過負荷に対してはその間ですべる様になっている。又
、ロータ回転軸出し部材１７は摩擦係数が小さく、離隔
接触部Ｅでのクリアランスが温度変化によっても余り変
わらない様に熱膨張係数もなるべく金属に近いことが望
ましく、材質はガラス入りのポリアセタール樹脂を用い
ており、これがボルトのネジ先端部に接触してロータの
傾きを防止している。これにより、ロータは軸心に対し
てすりこぎ運動又は偏心運動といった好ましくない運動
をせず、純粋な回転運動をするので、摺動面Ｂではロー
タと振動子の接触が常に均一に保たれる。５ａは内径接
触電極板でボルトと接触する構造になっていて、簡単に
接地することができる。

第４図（ｃ）　に示す超音波モータは、離隔接触部Ｅが
振動子の内径側にあり、ロータ回転軸出し部材１７はロ
ータ８に圧入接着されたロータとの一体構造になってい
る。又、離隔接触部Ｅの位置は、摺動面Ｅを延長してモ
ータの軸心と交わる点を含み軸心との垂直な面上にある
ことが、ロータが軸心から傾くことを最も拘束できる。

小径部６ａは振動子の振動を絶縁するために設けられて
いる。

第６図は実施例３の断面図である。

本実施例は移動体（ロータ）８側にロータの軸と同軸で
かつ垂直な方向に複数の周溝８ｅを深く形成したもので
ある。このように構成することで、ロータ８の振動体１
への加圧方向、すなわちモータの軸方向への応力に対し
ても、あるいは摩擦摺動面Ｂの振動方向に対しても、前
述した実施例に比較して摩擦摺動面が弾性変形しやすい
ため、該摺動面Ｂがより均一に接するようになり、摩耗
はさらに減少する。

摩擦摺動面が弾性変形する様子を第７図に示しであるが
、振動体１及びロータ８のテーパ部加工誤差を吸収して
、実質の接触面積を増大させることができたため、摩耗
が減少したと考えられる。

第１０図は、本発明によるモータを使用して、光学レン
ズの鏡筒を駆動する場合の構成例である。

１２は移動体８と同軸的に接合された歯車で、回転出力
を歯車１３に伝達し、歯車１３と噛み合う歯車をもった
鏡筒１４を回転させる。

移動体８および鏡筒１４の回転位置、回転速度を検出す
るために、光学式エンコータスリット板１５が歯車１３
と同軸に配置され、フォトカブラ１６で位置、速度を検
出する。

［発明の効果コ 以上説明したように、本発明によれば、一定のモータト
ルクを発生させるために摩擦摺動面に加える加圧力と、
摩擦摺動面積を殆ど変化させなくても、弾性体と移動体
との吸着現象を抑えることが可能となり、またモータの
小型に伴って生じる摺動面の摩耗も低減することができ
る。

また、摺動面に溝幅Ｅの周溝を例えば２条形成して３条
の摩擦摺動面（幅Ｄ）に分割した場合、モータの小型化
に伴い摺動面の幅をＣからＣｏに広げ、Ｃ’　　＝３Ｄ
＋２Ｅ、Ｄ＝Ｃとすると、発生するトルクは、摩擦面積
が約３倍になることがら圧接力を３倍にし、モータの小
型化に伴い摺動面の中心直径が５分の１となったとする
ならば、 となり、単純にモータを小型化した場合に比較して吸着
を発生させないでトルクを向上させることができる。

また、移動体側に周溝等の凹部を形成した場合には、上
記した効果に加え、移動体の摩擦摺動面が弾性変形し易
くなり、弾性体及び移動体の摺動面の加工誤差を吸収し
、実質の接触面積を増大させることができ、摩耗の大幅
減少を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明による超音波モータの実施例１を
示す部分斜視図、同図（ｂ）　、　（ｃ）は実施例１の
変形例を夫々示す部分斜視図である。第２図（ａ）は本
発明を構成する基本的な振動子の分解斜視図、同図（ｂ
）は圧電素子が４枚構成の超音波モータの分解斜視図、
第３図は圧電素子板に印加する交流電圧の波形図を示し
ている。 第４図（ａ）は実施例２の超音波モータの断面図、同図
（ｂ）　、　（ｃ）は実施例２の変形例を夫々示す部分
斜視図、第５図は実施例２の部分拡大図である。第６図
は実施例３の断面図、第７図は実施例３における摩擦摺
動面が弾性変形している状態を示す図である。第８図は
従来の超音波モータの断面図、第９図は摩擦摺動面の形
状を示す図、第１０図は超音波モータを用いた光学レン
ズの鏡筒を駆動する装置の断面図である。 １・・・振動体　　　　　１ｄ・・・溝１ｅ・・・凹部
　　　　　　１ｆ・・・周溝２・・・押え体　　　　　
３．４・・・圧電素子５・・・電極板　　　　　５ａ・
・・内径接触電極板６・・・ホルト部材　　　６ａ・・
・小径部７・・・絶縁板　　　　　８・・・移動体８ｅ
・・・周溝　　　　　　９・・・バネポストｌＯ・・・
回転可動部材　　１１・・・バネ１２、１３・・・出力
伝達用歯車 １４・・・光学レンズ鏡筒 １５・・・光学式エンコーダスリット板１６・・・フォ
トカブラ １７・・・ロータ回転軸出し部材 １８・・・モータ取付は用フランジ Ｂ・・・摩擦摺動面　　　Ｃ・・・摩擦摺動面の幅Ｄ・
・・摩擦摺動面−面の幅 Ｅ・・・離隔接触部 他４名 第１図（Ｑ） 第１図（ｂ） 第１図（Ｃ） 第４図（Ｃ１） Ｆ４ Ｉｓ４図（ｂ） 第４図（Ｃ） ｑ 第６図 第５図 第７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　棒状弾性体に配置された電気−機械エネルギー変換
   素子に交流電界を印加することによって、該棒状弾性体
   に同形の屈曲モードの振動を異なる複数の平面内に励起
   させ、且つ時間的に適当な位相差を持たせることにより
   、該弾性体の表面粒子に円又は楕円運動を行なわしめ、
   該弾性体に押圧した移動体を摩擦駆動する超音波モータ
   において、 該弾性体と該移動体とが駆動に供するために接触する摺
   動面のいずれか少なくとも一方に、凹部を形成したこと
   を特徴とする超音波モータ。 ２　請求項１において、凹部は軸心を中心として摺動面
   の周方向に沿って形成された周溝で、該周溝を複数形成
   したことを特徴とする超音波モータ。 ３　請求項１又は２に記載の超音波モータを含む装置に
   おいて、弾性体に押圧されて摩擦駆動される部材から駆
   動力を得る出力部材を有することを特徴とする装置。