JPH06113566A - 超音波モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】変位拡大を容易に行うことができ、かつ小型化
が図れる超音波モータを提供することを目的とする。 【構成】超音波振動子７の節位置に第１，第２の圧電素
子２，３が設けられ、該圧電素子２，３に印加される電
気エネルギーにより端面が中心軸に対して傾斜して回転
運動する該超音波振動子７と、この超音波振動子７の端
面に軸方向に形成され、外周と同心円状の溝６ａが振動
の節位置に配設されるテーパーを有する変位拡大振動片
６とを具備し、回転子２１が、上記変位拡大振動片６の
端面に押圧機構によって配置され、所定方向に移動する
ことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波モータ、詳しく
は、振動発生手段により発生する振動を利用して回転す
る超音波モータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、超音波モータの効率を向上し、駆
動を安定させる技術手段は種々提案されている。たとえ
ば、図１１に示すような、駆動用振動モードの節位置よ
りも外側の端部ａ１，ａ２を太くした振動子１０１を設
定することで上述した利点を満足させた技術手段が特開
平４−９１６６８号公報に開示されている。すなわち、
該振動子１０１は、振動の節位置よりも外側の両端部ａ
１，ａ２を中央部に比して相対的に太径とすることで、
径を一様とする振動子が一般に有する固有振動数を下げ
ることが可能となり、さらに、モーダル質量が大幅にす
ることで大振動振幅を得ることができるようになってい
る。

【０００３】また、振動子の、駆動用振動モードの節位
置よりも外側の両端部を高密度化して上述した例と同様
な効果を得る技術手段も提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記従来例
に示されるような、大径部を屈曲振動の腹位置に設置
し、振動振幅の拡大を図る手段は非常によく用いられる
が、一般に振動子の大型化、高質量化を招くことが懸念
されている。電気−機械エネルギー変換素子である圧電
素子の外周径に対して、負荷質量部となる部分の外周を
大きくすれば該部分の径が大型化し、また、軸方向に負
荷質量部となる部分を長くすると振動子全体が大型化す
る。超音波モータをスペース的に余裕のある部位にて用
いる場合には該振動子の大型化はあまり問題とはならな
いが、限られたスペースにて使用する場合には大きな欠
点となり、実際には用いることができない場合もある。
また、高密度部を屈曲振動の腹位置に用いれば振動子自
体の小型化を図ることが可能となるが、少なくとも２種
類の部材が必要となり、さらに、組立時における工程増
加およびコストの増大を招く虞がある。

【０００５】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであり、変位拡大を容易に行うことができ、かつ小型
化が図れる超音波モータを提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明による超音波モータは、振動子に発生する超
音波振動を用いて被駆動部材を駆動する超音波モータに
おいて、上記振動子の節位置に電気−機械エネルギー変
換素子が設けられ、該電気−機械エネルギー変換素子に
印加される電気エネルギーにより端面が中心軸に対して
傾斜して回転運動する超音波振動子と、この超音波振動
子の端面に軸方向に形成され、外周と同心円状の溝が振
動の節位置に配設されるテーパーを有する変位拡大振動
片とを具備し、上記被駆動部材が、上記変位拡大振動片
の端面に押圧機構によって配置され、所定方向に移動す
ることを特徴とする。

【０００７】

【作用】本発明においては、上記被駆動部材が、上記変
位拡大振動片の端面に押圧機構によって配置され、所定
方向に移動する。

【０００８】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。

【０００９】図１は、本発明の第１実施例である超音波
モータの構成を示した分解斜視図であるが、まず、この
第１実施例の超音波モータ全体を説明するに先立ち、該
超音波モータにおける振動発生部の概念的な構成・作用
を述べる。なお、本実施例では、電気−機械エネルギー
変換素子として電圧印加面に銀蒸着された圧電素子を用
いる。

【００１０】図２は、一般的な振動発生部の概念的な構
成を示した要部拡大斜視図である。

【００１１】この図２（ａ）に示すように該振動発生部
を具備する超音波振動子５は、たとえば金属部材で形成
された２つの共振器１と、該２つの共振器１の間に配設
された２つの第１および第２の圧電素子２，３と、上記
共振器１，圧電素子２，３の中心部に貫通して配設さ
れ、これら各部材を締結する、たとえば、ボルト等にて
形成される締結部材４とで主要部が構成されている。上
記第１，第２の圧電素子２，３は、図２（ｂ）の該圧電
素子の分極状態を示す拡大斜視図に示すように中空円部
を有する円盤形状を呈し、それぞれ中心を通る分極境界
線２ａ，３ａによって図中、矢印Ｍ1 ，Ｍ2 で示される
ように互いに反対方向に分極されている。そして、該第
１の圧電素子２と第２の圧電素子３とは、その分極境界
線２ａ，３ａが互いに９０°ずれるようにして積層方向
に配設されている。なお、上述したように上記圧電素子
２，３の電圧印加面は銀蒸着が施されている。

【００１２】そして、該第１，第２の圧電素子２，３
に、位相が互いに９０°ずれた交番電圧を印加すること
で図３に示すような屈曲振動の回転運動を発生させるこ
とができる。

【００１３】このような超音波振動子５は従来より多数
提案されているが、このままでは振動振幅も小さく超音
波モータとしての実用性に乏しい。そこで、本実施例で
は上述の超音波振動子５に対して後述する振動片を設置
することで振動子自体の振動拡大を図り、これにより超
音波モータとして実用度を向上させている。

【００１４】すなわち、本第１実施例による超音波振動
子７は、図４（ａ）に示すように上記超音波振動子５に
おいて、図中、上方に配設された共振器１の上面側縁部
に、中心軸側の一側面が上方に向けて細くなるように傾
斜した変位拡大振動片６を垂設して構成されている。な
お、上記変位拡大振動片６の他側面は上記共振器１の外
周面と同一面となるように形成されていている。また、
該変位拡大振動片６は、図４（ａ）においては上記共振
器１上面の一側方に１つだけ配設されているが、実際に
は該変位拡大振動片６と同等形状を有する振動片が該共
振器１上面の側縁部に複数個ほど配設されている。

【００１５】また、上記変位拡大振動片６先端部におけ
る、上記超音波振動子７の屈曲振動の節位置には、該複
数個の変位拡大振動片６によって形成される仮想外周面
と同軸に、周方向に所定の深さを有する溝６ａが形成さ
れている。さらに、上記第１，第２の圧電素子２，３の
上下方向の位置も超音波振動子７の屈曲振動の節位置に
なるように配置されている。

【００１６】さて、上記超音波振動子７に所定の交番電
圧を印加して上記変位拡大振動片６の先端部に該超音波
振動子７からの振動エネルギーを集中させると、上述し
たように屈曲振動の節位置に上記溝６ａと圧電素子２，
３とを配置させたことで、振動の力係数（Ｎ／Ｖ）が増
加し、図４（ｂ）の振動モードに示すように、上記印加
電圧に対して最も効率のよい振動力が得られることにな
る。さらに、変位拡大振動片６に形成された上記溝６ａ
によって振動の節位置での剛性が低下し、これにより超
音波振動子７自体の振動の変位量がより大きくなるとい
う効果も奏する。

【００１７】次に、上記変位拡大振動片６を有する超音
波振動子７を適用した本第１実施例の超音波モータにつ
いて説明する。

【００１８】図１は、本発明の第１実施例の超音波モー
タの構成を示す分解斜視図、図５（ａ）は、該超音波モ
ータの断面図、図５（ｂ）は、該超音波モータの振動モ
ードを示した線図である。

【００１９】この図１および図５に示すように、この超
音波モータは、３枚の電極板１３，１４，１５間にそれ
ぞれ配設された第１の圧電素子２，第２の圧電素子３
と、該第１，第２の圧電素子２，３をその端面で挟むよ
うに配設された第１の共振器１６および第２の共振器１
２と、これら構成部材を軸方向に一体に締結する締結部
材１７とを具備する超音波振動子７と、該超音波振動子
７の一端面（上端面）に圧接され、同超音波振動子７の
超音波振動によって所定方向に回転する被駆動部材であ
る回転子２１とで主要部が構成されている。

【００２０】上記第１，第２の圧電素子２，３は、上述
したように図２（ｂ）の該圧電素子の分極状態を示す拡
大斜視図に示すように中空円部を有する円盤形状を呈
し、それぞれ中心を通る分極境界線２ａ，３ａによって
図中、矢印Ｍ1 ，Ｍ2 で示されるように互いに反対方向
に分極されている。そして、該第１の圧電素子１と第２
の圧電素子２とは、その分極境界線２ａ，３ａが互いに
９０°ずれるようにして積層方向に配設されている。

【００２１】上記電極板１３，１４，１５は、上記第
１，第２の圧電素子２，３とほぼ同型の径を有する電圧
印加用の銅製電極板であり、それぞれリード線半田付け
用の端子Ａ，Ｇ，Ｂが突設されていて、それぞれ図示し
ない電源に接続されている。

【００２２】また、上記第１，第２の圧電素子２，３お
よび上記電極板１３，１４，１５および第２の共振器１
２で振動発生部１１が構成される。

【００２３】上記第１の共振器１６は底部１６ｂを有す
る中空の円筒形状であって、振動伝達に優れた材質、た
とえば、アルミニウム合金，ステンレス，リン青銅，ジ
ュラルミン，チタン合金で構成され、本実施例ではＳＵ
Ｓ４４０Ｃを熱処理し、硬度をＨｖ８００以上にしたも
の用いている。また、本実施例では該第１の共振器１６
にアルミニウム合金にシュウ酸アルマイト被膜を施して
いて、さらに蒸気封孔処理によって該アルマイトの微小
孔を底部まで水和物で充填している。

【００２４】上記第１の共振器１６の底部１６ｂの中心
部には上記締結部材１７に螺刻されたねじ部１７ａと螺
合するねじ部１８が設けられ、該締結部材１７と螺合し
ている。また、この底部１６ｂの上方の該第１の共振器
１６の内部は上端面において開口部を形成しているカッ
プ形状の中空部２０となっていて、該第１の共振器１６
の上端面における振動が該締結部材１７によって規制さ
れないようになっている。さらに、該第１の共振器１６
の上部１６ａ外周側面には中心軸と平行に複数の垂直溝
２２が形成されていて、該共振器上部１６ａを垂直方向
に８当分して８つの変位拡大振動片６（図４参照）を形
成している。また、該共振器上部１６ａと上記共振器底
部１６ｂとの間の外周側面には中心方向へ向かって周溝
２５が形成されている。さらに、上記各変位拡大振動片
６の、超音波振動子７の屈曲振動の節となる位置には中
心方向へ向かって溝６ａがそれぞれ形成されている。

【００２５】上記第１，第２の圧電素子２，３の下部に
は、該圧電素子２，３とほぼ同大同型の接触面を有する
第２の共振器１２が配設されていて、該第２の共振器１
２と上記第１の共振器１６とで上記電極板１３，１４，
１５および第１，第２の圧電素子２，３を挟むようにな
っている。この第２の共振器１２は、上記第１の共振器
１６と同等な材質で構成されている。

【００２６】上記第２の共振器１２下部は下方に向かっ
てテーパー２８が形成された略円錐形状を呈し、該略円
錐の先端部は中心軸周りに突出部２９が形成されていて
図示しない外部固定部との接触面積を少なくしている。

【００２７】なお、上記電極板１３と上記第１の共振器
１６との間、および上記電極板１５と上記第２の共振器
１２との間には、たとえばアルミナで形成された、中空
円部を有する円盤形状の絶縁部材が配設されている。

【００２８】上記超音波振動子７は、上記第１，第２の
圧電素子２，３，電極板１３，１４，１５，第１および
第２の共振器１６，１２とを図１に示す如く積層し、中
心に上記締結部材１７を貫通させ、各構成部材間にエポ
キシ系接着剤を塗布した後、該締結部材１７に配設され
た圧着ナット３０と上記第２共振器１２とによって各構
成部材を圧着し、該接着剤を硬化させて構成される。

【００２９】一方、上記締結部材１７には、上記第２の
共振器１２のさらに下方にもボルトが形成されている。
そして、該締結部材１７は該第２の共振器１２より上方
において上記超音波振動子７を圧着するとともに、上記
回転子２１を支持し、該第２の共振器１２より下方にお
いては該超音波振動子７の下端面を図示しない固定部材
に圧着支持して超音波モータを固定するようになってい
る。

【００３０】上記第１の共振器１６の上端面、すなわ
ち、超音波振動子７の上端面には該超音波振動子７の超
音波振動によって所定方向に回転する回転子２１が複数
のベアリング２６を介して該締結部材１７に軸支されて
配設されている。また、該回転子２１の、上記超音波振
動子７との接触面の反対側には上記締結部材１７のねじ
部１７ｂに軸支された皿ばね３１およびナット３２とに
よる可変押圧機構が配設されていて該回転子２１の圧着
力を可変できるようになっている。上記回転子２１は、
たとえばアルミ合金で構成され、その表面はシュウ酸ア
ルマイト処理が施されている。さらに、上記回転子２１
の、超音波振動子７との接触部近傍には薄肉ばねフラン
ジ部３３が２箇所において形成され、該回転子２１の接
触部の固有振動数を超音波振動子７の駆動周波数よりも
高くしている。

【００３１】このように構成される超音波モータは、上
記電極板１３，１５の端子Ａ，Ｂに共振周波数附近の正
弦波電圧を時間的に９０°ずらして印加し、上記電極板
１４の端子Ｇをアースすることで、超音波振動子７に一
次モードの屈曲振動が該振動子７の中心軸周りに回転す
る運動が発生し、回転子２１が所定方向に回転する。

【００３２】このような第１実施例の超音波モータの駆
動原理はすでに公知であるので、ここでの説明は省略す
る。

【００３３】本第１実施例では、振動発生部１１（図５
参照）は上述したように、電極板１３，１４，１５と、
第１，第２の圧電素子２，３および第２の共振器１２を
含めた位置にあたり、その一方の端面に８個の変位拡大
振動片６が形成されている。そして、該変位拡大振動片
６の中心軸側には、上述したように円錐カップ形状の中
空部２０が設けられているため、上記変位拡大振動片６
の中心軸側の側面はテーパー形状となり上記振動発生部
１１からの微小な振動を該変位拡大振動片６先端に向か
って集中させて大きな振動発生力が回転子２１に伝達さ
れる。

【００３４】また、本第１実施例の超音波モータは、図
５（ｂ）の振動モードに示すように振動する。この屈曲
振動の２箇所の節となる位置にはそれぞれ、溝６ａ，圧
電素子２，３が配置され、上述したように剛性の低減と
力係数の増加作用によって振動発生部１１から得られる
振動を最も大きく拡大させる。このように、第１の共振
器１６に溝６ａや円錐カップ形状の中空部２０を設ける
と、回転子２１と接触する超音波振動子７の端面におい
て振動振幅が最大となり、回転子２１側の屈曲振動の節
位置が圧電素子２，３側に近づく。

【００３５】このような本第１実施例によると、振動発
生部からの微小な振動を変位拡大振動片の先端において
大きな振動振幅に拡大し、しかも超音波振動を該変位拡
大振動片の先端に集中させ、高トルクを得ることができ
る。そして、振動振幅の拡大によって安定した回転動作
を行うことができ、極めて回転ムラの少ない超音波モー
タを実現することが可能となる。なお、実験の結果、直
径φ６ｍｍ，全長８ｍｍの大きさを有する本実施例にお
ける超音波振動子において、変位拡大振動片の先端付近
の振動振幅は約３μｍとなり、振動発生部の振幅を約２
０倍に拡大する。

【００３６】図６は、上記第１実施例の１変形例である
超音波モータの中心軸より半分を示した断面図である。

【００３７】この変形例では、節位置の剛性低減のため
に形成された変位拡大振動片における溝を該変位拡大振
動片６６の内周面に溝６６ａとして形成したものであ
り、その他の構成・作用は上記第１実施例と同様であ
る。この変形例によっても上記第１実施例と同様な効果
を得ることができる。

【００３８】図７は、上記第１実施例の他の変形例であ
る超音波モータの中心軸より半分を示した断面図であ
る。

【００３９】この変形例では、上記第１実施例における
変位拡大振動片６における溝６ａを複数の細い溝７６ａ
に置き換えた変位拡大振動片７６を具備するものであ
り、その他の構成・作用は上記第１実施例と同様であ
る。

【００４０】この変形例によると、節位置の剛性低減の
ために形成された変位拡大振動片における溝をより細か
く、複数設けたことで、上記第１実施例に対して若干剛
性が上がるため、低速高トルク型の超音波モータを提供
することができる。

【００４１】図８は、本発明の第２実施例である超音波
モータの中心軸より半分を示した断面図である。

【００４２】この第２実施例は上記第１実施例における
変位拡大振動片を変更したものであり、その他の構成・
作用は同様であるのでここでの説明は省略する。

【００４３】この第２実施例における変位拡大振動片８
６は、基本的には上記第１実施例における変位拡大振動
片６と同様な形状を呈するが、該変位拡大振動片６にお
ける溝６ａと同様な形状を成し、同様な位置に配設され
た溝８６ａの下方外周面にさらに、複数の（本実施例で
は２つの）溝８６ｂを形成している。この複数の溝８６
ｂは、超音波モータの屈曲振動の腹位置（図５（ｂ）参
照）に配置され、上記溝８６ａよりも幅が狭くなってい
る。

【００４４】一般に、ランジュバン型の超音波振動子は
発熱が生じ易く、特に屈曲振動の腹位置では内部応力が
集中して発熱量が最大となる。そして、この発熱によっ
て変位が急速に低下する現象が確認されている。したが
って、最も発熱量の多い屈曲振動の腹位置に複数の溝を
設けた本実施例によると、応力が分散され、発熱を抑制
することができ、安定した振動振幅を得ることが可能と
なる。

【００４５】また、本実施例のように変位拡大振動片に
複数の溝を設けると、該変位拡大振動片の剛性がさらに
低下するため、振動振幅はさらに大きく拡大される。し
たがって、上記第１実施例に比べると高回転型の超音波
モータとなる。すなわち、変位拡大振動片に形成する溝
の深さ、幅、本数を適宜選定することで、外形状が同寸
法でありながら、種々のトルク−回転数特性を有する超
音波モータを得ることが可能となり、超音波モータのシ
リーズ化が容易に達成できる。

【００４６】図９は、上記第２実施例の超音波モータに
おける変位拡大振動片の変形例を示した要部拡大図であ
る。

【００４７】この変形例は、上記変位拡大振動片８６に
おける溝８６ｂの底部を半円形状に形成しており（符号
８６ｃ）、該底部の角部に発生する応力集中をさらに低
下することが可能となっている。

【００４８】図１０は、本発明の第３実施例である超音
波モータの中心軸より半分を示した断面図である。

【００４９】この第３実施例は、上記第１実施例と同様
な役目を果たす変位拡大振動片９６上部の、回転子２１
との接触部近傍に、ばね性を有するフランジ部９６ａを
形成している他は、上記第１実施例と同様な構成を有す
る。

【００５０】本第３実施例のように超音波振動子側にば
ね性を有するフランジ部を設けることで、該超音波振動
子の機械的Ｑｍを大きくすることができる。このため、
変位拡大振動片９６の先端においてさらに大きな振動振
幅を得ることができる。また、回転子２１底部におけ
る、該超音波振動子との接触面の不均一な“うねり”に
対して、該回転子２１側に形成された２段のばねフラン
ジ部３３と変位拡大振動片９６側のばねフランジ部９６
ａとによって、該回転子２１と超音波振動子との接触面
が常に一定の条件（接触圧力、真実接触面積等）で接触
することができる。

【００５１】したがって、機械的Ｑｍの高い超音波振動
子が構成でき、振動発生部の微小振動を効率よく拡大す
ることができる。また、回転子と超音波振動子との接触
条件を一定とし、回転をスムースにすることができる。

【００５２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、変
位拡大を容易に行うことができ、かつ小型化が図れる超
音波モータを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例である超音波モータの構成
を示した分解斜視図である。

【図２】一般的な振動発生部の概念的な構成を示した要
部拡大斜視図である。

【図３】上記図２における振動発生部の屈曲振動回転運
動の一例を示した斜視図である。

【図４】上記第１実施例における超音波振動子を示した
要部拡大斜視図である。

【図５】（ａ）は、上記第１実施例の超音波モータの断
面図、図５（ｂ）は、該超音波モータの振動モードを示
した線図である。

【図６】上記第１実施例の１変形例である超音波モータ
の中心軸より半分を示した断面図である。

【図７】上記第１実施例の他の変形例である超音波モー
タの中心軸より半分を示した断面図である。

【図８】本発明の第２実施例である超音波モータの中心
軸より半分を示した断面図である。

【図９】上記第２実施例の超音波モータにおける変位拡
大振動片の変形例を示した要部拡大図である。

【図１０】本発明の第３実施例である超音波モータの中
心軸より半分を示した断面図である。

【図１１】従来の、駆動用振動モードの節位置よりも外
側の端部を太くした振動子を示した側面図である。

【符号の説明】

２…第１の圧電素子 ３…第２の圧電素子 ６…変位拡大振動片 ６ａ…変位拡大振動片６の溝 ７…超音波振動子 １１…振動発生部 １２…第２の共振器 １３，１４，１５…電極板 １６…第１の共振器 １７…締結部材 ２１…回転子

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】振動子に発生する超音波振動を用いて被駆
   動部材を駆動する超音波モータにおいて、 上記振動子の節位置に電気−機械エネルギー変換素子が
   設けられ、該電気−機械エネルギー変換素子に印加され
   る電気エネルギーにより端面が中心軸に対して傾斜して
   回転運動する超音波振動子と、 この超音波振動子の端面に軸方向に形成され、外周と同
   心円状の溝が振動の節位置に配設されるテーパーを有す
   る変位拡大振動片と、 を具備しており、上記被駆動部材が、上記変位拡大振動
   片の端面に押圧機構によって配置され、所定方向に移動
   することを特徴とする超音波モータ。