JPH05146174A

JPH05146174A - 超音波モータ

Info

Publication number: JPH05146174A
Application number: JP3304665A
Authority: JP
Inventors: Hajime Kanazawa; 元金沢; Tetsuya Nishio; 哲也西尾
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1991-11-20
Filing date: 1991-11-20
Publication date: 1993-06-11
Anticipated expiration: 2016-05-14
Also published as: JP3164857B2

Abstract

(57)【要約】【目的】ペンシル型超音波モータのギヤ出力の反力に
よるロータへの影響を取り除き、面圧ムラをなくし、安
定した回転を得て効率の良いモータを提供する。【構成】第２の軸部５ｄにベアリング９を介して一端
部が軸支される出力歯車８の下端部を、バネケース６と
一体に回転するロータ７に回り止め係合部Ａを介して係
合し、ロータ７と出力歯車８とを直接連結し、ロータ７
の回転により出力歯車８を回転駆動する。回り止め係合
部Ａは軸心に対して対称な位置に一対設けられ、出力ト
ルクの反力によるロータ７への側圧力を相殺する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波振動を用いたペ
ンシル型形状の超音波モータに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ペンシル型の超音波モータとして、本出
願人は図２に示す構成のモータを提案しており、例えば
このモータは鉛筆程度の直径のもので、人間の小指程度
の長さの超小型化も可能なものとして提案されている。

【０００３】この超音波モータは、加振体１と押え体４
との間に電極板２及び圧電素子３を介装し、締結用のボ
ルト５にてこれらを一体的に挟持固定することにより振
動子を構成している。またボルト５の有効ネジ部の端部
からはピン部５ａが延出され、その先端部に形成された
二方取部からなる先端回り止め部５ｂに固定部材１０が
回転不能に嵌合すると共に接着固定され、この固定部材
１０により振動子の支持固定が行われるようになってい
る。

【０００４】固定部材１０には、先端回り止め部５ｂの
周囲に軸部１０ａが形成され、加圧バネ１１を内装した
バネケース６の上部がこの軸部１０ａに嵌合し、軸部１
０ａの下端部が加圧バネ１１に当接して加圧バネ１１の
弾装状態が保持される。

【０００５】また、バネケース６は下端部がピン部５ａ
に嵌合すると共に、外周部にはベアリング９が装着さ
れ、このベアリング９に、外周部に歯車部が形成されて
いる出力歯車８が取り付けられ、さらに出力歯車８にロ
ータ７が嵌合している。

【０００６】駆動用の圧電素子３に所定の交流電界を印
加すると、加振体１の駆動面に形成される円運動により
ロータ７が摩擦駆動されて回転し、出力歯車８がロータ
７と共に回転する。出力歯車８の歯車部には、（不図
示）の伝達ギヤが噛合し、ロータ７の回転を外部に出力
することになる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、超音波モー
タの出力を大きくし、効率よく駆動するにはロータ７を
加振体１の駆動面に対して正しい方向に、正しい圧力で
面圧ムラなく加圧することが最も重要である。しかし、
上記した従来例の構成では、出力歯車８がギヤ出力の反
力を受け、この影響によりロータ７と加振体１との接触
に面圧ムラを生じるという問題があった。

【０００８】図３はこの面圧ムラの発生を説明する模式
図で、図３の（ａ）において、Ｒは出力歯車８のギヤピ
ッチの半径、Ｍは出力トルク、Ｆはトルクの反力で、出
力歯車８の中心に、Ｆ＝Ｍ／Ｒの側圧がかかる。ｒは
ロータ７の接触面の半径、Ｌは出力歯車８の中心とロー
タ７との接触面との距離を示している。一方、出力歯車
８の反力による面圧分布Ｐは、図３の（ｂ）のように示
すことができる。

【０００９】ここで、Ｐ＝（Ｆ・Ｌ・ｓｉｎθ）／（πｒ² ）・・・・・・・式（１）Ｐ_max ＝（Ｆ・Ｌ）／（πｒ² ）・・・・・・・・・・式（２）となる。

【００１０】従来例では、出力歯車８とロータ７とが摩
擦結合されているので一体と考えられ、また出力歯車８
と加振体１の駆動面との距離Ｌが長いこと、またバネケ
ース６がピン部５ａに軸支されている部分６ａを支点と
してロータ７が傾くことができる構造となっている。し
たがって、上記の式（１）、（２）より出力歯車８の出
力の反力による面圧Ｐが大きく、よって面圧ムラも大き
くなるため、モータの出力及び効率の低下を招くことに
なる。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の目的を実現する
超音波モータの構成の一例は、挟持する駆動用の電気−
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
り駆動面の表面粒子に円又は楕円運動を形成する振動子
と、該振動子の駆動面に加圧手段を介して押圧されて摩
擦駆動される移動部材と、該移動部材の回転力を回転力
伝達手段を介して伝達され出力を取り出す回転出力部材
とを有し、該回転力伝達手段はモータの回転軸心を中心
にｎ（ｎ≧２）回回転対称の位置に設けたことを特徴と
する。

【００１２】

【作用】上記した構成の超音波モータは、回転出力部材
に対して出力トルクの反力による移動部材、例えばロー
タへの側圧力は、回転力伝達手段をモータの回転軸心を
中心にｎ（ｎ≧２）回回転対称の位置に設けたことによ
り相殺し、ロータと振動子の駆動面との面圧ムラをなく
すことができる。

【００１３】

【実施例】図１は本発明による超音波モータの第１の実
施例を示す断面図である。

【００１４】本実施例による超音波モータは、加振体１
と押え体４との間に圧電素子３Ａ、３Ｂ、電極板２Ａ、
２Ｂ、２Ｇを配置し、ボルト５によりこれらを挟持固定
した振動子の構成は従来例の振動子と同様であるが、本
実施例ではボルト５のピン部５ａの両端部に第１の軸部
５ｃと第２の軸部５ｄを形成し、第２の軸部５ｄから先
端回り止め部５ｂを延出している。なお、加振体１に周
方向に沿って凹溝からなるくびれ部１ｂを形成している
のは、駆動時に摩擦摺動部１ａの変位を拡大するためで
ある。

【００１５】また固定部材１０は、先端回り止め部５ｂ
に回転不能に取り付けられると共に、接着剤により固定
されており、第２の軸部５ｄにベアリング９が取り付け
られている。

【００１６】ここで、圧電素子の形状とその組付け状態
を図４に示す分解斜視図に基づいて簡単に説明する。

【００１７】圧電素子３Ａ、３Ｂは直径部分を非導電部
とする境界線３Ａ−ａ、３Ｂ−ｂとして一枚の圧電素子
の中で分極方向を逆転させている。２枚の圧電素子３Ａ
（以下Ａ相用圧電素子と称す）は分極方向の同一部分を
向かい合わせ、電極板２Ａを挟み込んでいる。同様に、
２枚の圧電素子３Ｂ（以下Ｂ相用圧電素子と称す）も分
極方向の同一部分を向かい合わせ、電極板２Ｂを挟み込
んでいる。そして、２枚のＡ相用圧電素子とＢ相用圧電
素子は電極板２Ｇを挟んで位置的位相を９０°ずらして
配置している。

【００１８】このように、構成した振動子の電極板２
Ａ、２Ｂに図５に示すような波形及び位相ずれを有する
電圧Ｖ_A 、Ｖ_B を夫々印加すると、Ａ相用圧電素子によ
る振動と、Ｂ相用圧電素子による振動との合成により、
首振のような振動である進行性の屈曲モードが与えられ
る。

【００１９】加振体１の駆動面をなす摩擦摺動部である
端面１ａは、その１点は円又は楕円運動をしており、そ
の円又は楕円運動の方向は図の矢印Ｙ方向に、すなわち
摺動部と略４５°方向に振動し、この振動は軸心方向か
ら見ると円運動をなし、ロータ７の摺動部７ａとの接触
でロータ７を回転駆動する。

【００２０】ロータ７の摺動部７ａの形状は、加振体１
から加振力を受けたときの変形方向が図の矢印Ｙのよう
に加振体１の振動方向と一致し、摩擦損失が少なくなる
ように形成されている。

【００２１】ロータ７は加圧バネ１１を内装する樹脂性
のバネケース６に嵌合すると共に、接着剤により接着固
定されており、バネケース６は下端部に形成された内縁
エッジ形状の軸受け部６ａが第１の軸部５ｃに嵌合して
おり、このバネケース６を介してロータ７は第１の軸部
５ｃに回転可能に軸支される。その際、軸受け部６ａは
第１の軸部５ｃに線接触状態で軸支されているので、ロ
ータ７はボルト５の軸心に対して自由に傾くことができ
るようになっている。

【００２２】出力歯車８は、円筒形状のシリンダー部８
ｂの上部に歯車部８ａが一体的に形成され、歯車部８ａ
に対応する内筒部がベアリング９に嵌合し、第２の軸部
５ｄに軸支されている。また、加圧バネ１１は、出力歯
車８に押圧されて加圧力をロータ７に付与し、ロータ７
の摺動部７ａが加振体１の駆動面１ａに加圧保持され
る。

【００２３】一方、出力歯車８のシリンダー部８ｂの下
端とロータ７の下端とは回り止め係合部Ａで回転不能に
係合し、ロータ７の回転力が出力歯車８に直接伝達する
ことができるようにしている。この回り止め係合部Ａ
は、モータの回転軸を中心として対称の位置に一対形成
されており、その詳細を図１０に示す。

【００２４】図１０は図１のｍ平面における断面図で、
８ｃはシリンダー部８ｂの下端に形成された係合突起
で、ロータ７の周部に形成された凹部７ｃにこの係合突
起８ｃが回転方向にガタなく係合すると共にラジアル方
向およびスラスト方向にガタを有して係合し、ロータ
７、出力歯車８がラジアル方向に自由に動けるようにし
ている。

【００２５】ここで、ロータの回転力を出力歯車８に伝
達する回り止め係合部Ａは、回転軸を中心に互いに対称
な位置に設けられているため、出力歯車８の出力の反力
は、一対の回り止め係合部Ａに等しく加わり、夫々ロー
タ７への側圧力となるが、その大きさは等しく且つ向き
が逆であるために相殺される。

【００２６】したがって、出力歯車８の出力の反力によ
って生じるロータ７への側圧力はなくなるので、面圧ム
ラが生ぜず安定した回転が得られ、モータのエネルギ変
換効率も大きくなる。

【００２７】また、回転する部材の重心は回転軸と一致
しているため、回転による重心ブレは発生せず、不要な
振動は生じない。

【００２８】一方、出力歯車８のギヤ出力の反力は、回
り止め係合部Ａに加わり、この力は該回り止め係合部Ａ
を含むピン部５ａに垂直な面内の側圧と等価であり、こ
の力はバネケース６の軸受け部６ａと第１の軸部５ｃに
加わるが、回り止め係合部Ａを含む中心軸に垂直な平面
内には、バネケース６の軸受け部６ａ、第１の軸部５ｃ
が存在するため、ギヤ出力の反力によりロータ７を傾け
る力は発生しない。

【００２９】したがって、この点においてもギヤ出力の
反力から面圧ムラが発生することがなく、安定した回転
が得られ、モータのエネルギ変換効率を大きくすること
ができる。

【００３０】また、加工精度が悪く、ロータの振動子と
の接触面と、ロータの回転軸が垂直とならない場合で
も、ロータの傾くことのできる構造であるため、面圧ム
ラをが生じにくい。

【００３１】図１２は上記した第１の実施例の変形を示
す実施例で、出力歯車８を廃止し、ロータ７の回り止め
係合部であった部分に歯車部を形成してロータ７に回転
出力部材を兼用させ、直接ロータ７の回転力をこの歯車
部に噛合する伝達ギヤ１４に伝達するようにしても同様
の効果が得られる。

【００３２】図７は本発明の第２の実施例を示す断面図
である。

【００３３】本実施例は、上記した第１の実施例と振動
子の構造は略同様で、先端回り止め部５ｂに固定されて
いる固定部材１０の軸部１０ａにベアリング９を取り付
け、このベアリング９に出力歯車８を取り付けている。
本実施例の出力歯車８は、シリンダー部８ｂが短く、そ
の外周面に形成されたフランジ部８ｄがロータ７の内筒
部７ｄに接するがスラスト方向（軸方向）には移動可能
に嵌合するように内装されている。

【００３４】一方、バネケース６はゴムスペーサー１２
を介してロータ７に嵌合し、内装している加圧バネ１１
のバネ力をこのゴムスペーサー１２を介してロータ７に
付与し、ロータ７を加振体１に加圧しており、バネケー
ス６はロータ７と一体に回転する。なお、加圧バネ１１
は出力歯車８により反力を受けるようにしているのは上
記の実施例と同様である。

【００３５】出力歯車８のシリンダー部８ｂに軸対称に
一対形成されている回り止め用の係合突起８ｃは、バネ
ケース６に軸対称に形成された有底の係合凹部６ｂに夫
々係合しており、バネケース６と一体に回転するロータ
７の回転を出力歯車８に伝達する。なお、この回り止め
の係合はスラスト方向には自由に動くことができるよう
になっている。またロータ７は、出力歯車８のフランジ
部８ｄとロータ７の内筒部７ｄとの接点を支点として傾
くことができるようになっている。

【００３６】バネケース６とゴムスペーサー１２、およ
びゴムスペーサー１２とローター７間の摩擦力により、
バネケース６とロータ７は一体に回転するが、出力歯車
８にこの摩擦力より大きな反力が加わった場合には、ゴ
ムスペーサー１２で滑り、ロータ７へ過負荷が加わるの
を防止する。

【００３７】本実施例の超音波モータは、バネケース６
と出力歯車８とを軸対称位置に設けた一対の回り止め用
の係合突起８ｃと係合凹部６ｂとの係合により一体的な
回転を行うようにしていることから、ロータ７の回転力
はこれら一対の回り止め係合部に等しく加わるが、これ
らによる側圧力は相殺されてゼロとなる。したがって、
出力歯車８のギヤ出力の反力からは面圧ムラは生ぜず、
安定した回転が得られてモータのエネルギ変換効率が大
きくなる。

【００３８】また、回転する部材の重心は回転軸と一致
しているので、回転による重心ブレが発生せず、不要な
振動が生じない。

【００３９】一方、出力歯車のギヤ出力の反力は、ロー
タ７の回転力を伝達するバネケース６の係合凹部６ｂに
加わり、それによる側圧は、ロータ７を軸支している出
力歯車８のフランジ部８ｄとロータ７の内筒部７ｄの当
接部に加わるが、ロータ７のの回転力を伝達する部分で
ある回り止め係合凹部６ｂを含む中心軸に垂直な平面近
傍で、出力歯車８のフランジ部８ｄがロータ７の内筒部
７ｄに接するため、ロータ７を傾ける力はきわめて小さ
い。したがって、これによっても、ギヤ出力の反力から
生じる面圧ムラはきわめて小さく、安定した回転が得ら
れ、モータのエネルギ変換効率が大きい。

【００４０】ところで、上記した第１の実施例ではロー
タ７と出力歯車８とを軸対称位置に設けた一対の回り止
め係合手段により回転不能に係合し、また第２の実施例
では出力歯車８とバネケース６とを同様の方法で回転不
能に係合しているが、これに限定されるものではなく、
例えば図８に示すような方式であってもよい。

【００４１】図８は、ロータ７と出力歯車８とを直接連
結する場合を示し、軸対称位置に配置した一対の連結歯
車１３の上下のギヤ１３ａ，１３ｂに夫々出力歯車８の
連結ギヤ８ｄ、ロータ７の連結ギヤ７ｄを噛合し、ロー
タ７の回転をこれら一対の連結歯車１３を介して伝達す
ることができるようにしている。

【００４２】この場合、上記の各実施例と同様に出力歯
車８のギヤ出力の反力が相殺されることになる。

【００４３】また以上述べた実施例においては、移動体
であるロータもしくはロータと一体になった部材のロー
タの回転力を伝達する部分は、回り止めの形としている
が、これに限るものではない。例えば、図１の第１の実
施例では、ロータ７と出力歯車８とにロータの回転力を
伝達する部分（７ｃ，８ｃ）を軸対称に一対（２か所）
設けているが、２か所に限るものではなく、出力の反力
が均等にかかるように回転対称性有していれば２以上の
任意の数であってもよい。例えば、図１０に示すよう
に、ロータの伝達する部分を３か所とし、スラスト方向
から見て１２０°間隔で設けても良い。同様に、回り止
め係合部の数をｎとすると、３６０°／ｎの間隔で、ｎ
箇所に設けた場合でも回転対称性を有していれば良い。

【００４４】例えば図１１に示す例では、９０°間隔で
はない４か所に回り止め係合部（７ｃ，８ｃ）を設けて
いるが、２回回転対称性を有しており、このことからｎ
回回転対称性（ｎ≧２）を有していれば良い。

【００４５】ここで、ｎ回回転対称性とは、中心軸回り
に、（１／ｎ）×３６０°、（２／ｎ）×３６０°、
（３／ｎ）×３６０°、・・・、（ｎ／ｎ）×３６０°
回転させて元の図形と重なり合う図形の対称性である。

【００４６】なお、図１０、１１に示すような方法は、
第２の実施例の出力歯車８とバネケース６との回り止め
係合にも適用することができる。

【００４７】図６は、本発明の超音波モータを駆動源と
したカメラのフィルム給送機構を示す概略図で、２００
はカメラ本体、２０１は超音波モータの駆動装置、２０
２は伝達装置、２０３はフィルム巻上スプール、１１０
は超音波モータを示す。

【００４８】超音波モータは既知の方法で駆動装置２０
１により制御され、出力は伝達装置２０２によりフィル
ム巻上スプール２０３に伝えられ、その回転により不図
示のフィルムを巻きあげる。この場合、本発明の超音波
モータは、大出力、高効率であるため、高性能なフィル
ム巻上が可能となる。そして、超音波モータの特徴であ
る低回転・高トルク・低騒音を生かし、従来の電磁モー
タを用いた物に比べ、特段の静粛性を実現できる。

【００４９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、以
下の酔うな効果が得られる。

【００５０】（１）移動部材、例えばロータの回転力
を回転出力部材に伝達するように、例えばロータと回転
出力部材、又はロータと一体となって回転する部材と回
転出力部材とを、例えば係合方式によって連結する回転
力伝達手段を、モータの回転軸心を中心として、対称に
一対、１２０°間隔に３か所といったように、ｎ回回転
対称の位置に設けることにより、出力トルクの反力によ
るロータへの側圧力を相殺させ、面圧ムラをなくし、安
定した回転がえられ、エネルギ変換効率が大きくなると
いう効果が得られる。

【００５１】また、回転部材の重心は回転軸と一致する
ため、重心ブレによる不要な振動のが発生することも防
げる。

【００５２】（２）回転力伝達手段を移動体を軸支す
る部分の回転平面内あるいはその近傍に設けることによ
り、モータ出力反力による移動体と振動子の接触面圧ム
ラを極めて小さくすることができ、安定した回転が得ら
れ、モータのエネルギ変換効率を大きくすることができ
る。

【００５３】また、加工精度が悪く、移動体の振動子の
接触面がロータの回転軸と完全に垂直ではない場合で
も、移動体が傾くことができるようにしておけば、面圧
ムラが生じにくいという効果が得られる。

【００５４】（３）移動体と振動子との接触部と略同
一平面に移動体の軸支手段を設けたので、移動体の傾
き、中心がずれての移動体の回転をなくし、移動体や回
転出力部材支持する軸等の曲がりによる面圧ムラを解消
する効果が得られ、超音波モータの出力及び効率の向上
を図ることができる。

【００５５】（４）回転力伝達手段を移動体と振動子
の接触部と略同一面に設けたので、出力の面圧ムラを解
消することができ、モータ出力及び効率の向上を実現す
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の実施例を示
す断面図。

【図２】従来の超音波モータの断面図。

【図３】ギヤ出力の反力による面圧ムラを説明する図。

【図４】振動子の分解斜視図。

【図５】超音波モータの駆動波形図。

【図６】本発明による超音波モータを駆動源としたカメ
ラのフィルム給送機構を示す概略図。

【図７】本発明による超音波モータの第２の実施例を示
す断面図。

【図８】本発明による超音波モータの第１実施例の変形
例を示す図。

【図９】第１の実施例の回り止め係合部を示す図。

【図１０】回り止め係合部の他の実施例を示す図。

【図１１】回り止め係合部の他の実施例を示す図。

【図１２】本発明による超音波モータの第３の実施例を
示す断面図。

【符号の説明】

１…加振体２…電極板３…圧電素子４…押え体５…ボルト６…バネケース７…ロータ８…出力歯車９…ベアリング１０…固定部材１１…加圧バネ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】挟持する駆動用の電気−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り駆動面の表面
粒子に円又は楕円運動を形成する振動子と、該振動子の
駆動面に加圧手段を介して押圧されて摩擦駆動される移
動部材とを有し、該移動部材はモータの軸心に対して傾
くことができるように軸支されていることを特徴とする
超音波モータ。
【請求項２】請求項１において、移動部材はその回転
出力を取り出す回転出力部材を兼用していることを特徴
とする超音波モータ。
【請求項３】請求項２において、移動部材の回転出力
取り出し位置は、該移動部材の軸支部分の回転平面内あ
るいはその近傍としたことを特徴とする超音波モータ。
【請求項４】請求項２において、移動部材の回転出力
取り出し位置は、振動子の駆動面と略同一平面に設けた
ことを特徴とする超音波モータ。
【請求項５】請求項１において、移動部材の回転力を
回転力伝達手段を介して伝達され出力を取り出す回転出
力部材を有することを特徴とする超音波モータ。
【請求項６】請求項５において、回転力伝達手段はモ
ータの回転軸心を中心にｎ（ｎ≧２）回回転対称の位置
に設けたことを特徴とする超音波モータ。
【請求項７】請求項５、６において、回転力伝達手段
は、移動部材の軸支部分の回転平面内あるいはその近傍
に設けたことを特徴とする超音波モータ。
【請求項８】請求項５、６において、回転力伝達手段
は、振動子の駆動面と略同一平面に設けたことを特徴と
する超音波モータ。
【請求項９】請求項１、２、３、５、６、７又は８に
おいて、移動部材を回転可能に軸支する軸支手段は、振
動子の駆動面と略同一面に設けたことを特徴とする超音
波モータ。
【請求項１０】請求項１、２、３、４、５、６、７、
８又は９に記載の超音波モータを駆動源としたことを特
徴とする機器。