JPH06121551A

JPH06121551A - 超音波モータ

Info

Publication number: JPH06121551A
Application number: JP4268875A
Authority: JP
Inventors: Tomoki Funakubo; 朋樹舟窪; Takenao Fujimura; 毅直藤村; Hiroyuki Imabayashi; 浩之今林; Katsuhiro Wakabayashi; 勝裕若林; Yuugo Imai; 裕五今井
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1992-10-07
Filing date: 1992-10-07
Publication date: 1994-04-28

Abstract

(57)【要約】【目的】接触圧そのものを一定になるように制御し、
モータ特性を安定化させ、振動子の機械的Ｑの向上をは
かり、ひいてはモータ効率を向上させる超音波モータを
提供する。【構成】下方より第２の共振器６，電極板４，第２の
圧電素子２，電極板７，第１の圧電素子１，電極板３，
第１の共振器５をこの順に積層し、これらと回転子８と
の間に、超音波振動子と回転子８との間に生じる接触圧
力を検出するための圧電素子１３とこれを両側より挟む
電極板１２，１４とを備えて、温度の上昇等により共振
周波数が変化した場合にも、上記接触圧検出用の電極板
１２から出力した信号を超音波モータの駆動信号と比較
して該駆動信号を調整し、常に共振周波数に自動追尾す
ることができるように構成したことを特徴とする超音波
モータ。

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、より詳
しくは、電気−機械エネルギー変換素子を駆動源として
弾性体の端面に超音波楕円振動を発生させる超音波振動
子と、該超音波振動子の端面に一定の力で押圧され回転
する回転子とを具備する超音波モータに関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波モータは、従来の電磁モータに比
べ、以下のような特徴を有する。すなわち、（１）小型化した際効率が高い。（２）設計の自由度が大きい。（３）低回転高トルクの特性を持つため変速用のギヤー
を必要としない。（４）騒音が小さい。（５）非通電時での保持力が大きい。などである。

【０００３】よって、現在までに種々の構造の超音波モ
ータが開発、提案されてきている。このような超音波モ
ータの一例を、特開平３−２８９３７５号公報に開示さ
れている超音波モータをもとに説明する。該公報に記載
の超音波振動子は、駆動用圧電素子，振動検出用圧電素
子，電極，絶縁部材，振動体，押え体が、締結部材であ
るボルトにより連結されてその主要部が構成されてい
る。このような超音波振動子に回転子が一定の押圧力で
圧接されて超音波モータを構成している。

【０００４】上述の超音波モータにおいて、駆動用圧電
素子に位相が９０度ずれた交番電圧を印加すると、超音
波振動子は超音波楕円振動を行う。そしてその振動の向
きによって、押圧された回転子は時計廻りまたは半時計
廻りに回転する。一方、上記振動検出用圧電素子は、超
音波振動子の振動に比例した信号を発生する。超音波振
動子は温度上昇などによりその共振周波数が変化するた
め、上記振動検出用圧電素子の信号を駆動電圧と比較し
てその位相差が常に９０度（または−９０度）になるよ
うに周波数を変化させ、共振周波数を追尾して超音波振
動子の振動を常に一定に制御している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例では、振動検出用圧電素子により超音波振動子の振
動を制御しているので、接触圧そのもののばらつきや変
動は押さえられず、ひいてはモータ特性のばらつきが大
きくなってしまうという問題点があった。また、信号検
出用圧電素子を超音波振動子の信号歪みの比較的大きい
部分に配置しなければならなず、そのため振動子の機械
的Ｑの低下が避けられず、つまりはモータ効率の低下を
招いていた。

【０００６】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであり、接触圧そのものを一定になるように制御して
モータ特性を安定化させ、超音波振動子の機械的Ｑを向
上でき、ひいてはモータ効率を向上させる超音波モータ
を提供することを目的としている。

【０００７】

【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、第１の電気−機械
エネルギー変換素子を駆動源とし弾性体に屈曲振動を発
生させその直行するモードを時間的な位相を９０度ずら
して同時に発生させることにより該モードを回転させ弾
性体の端面に超音波楕円振動を発生させる超音波振動子
と、この超音波振動子の端面に所定の力で押圧され回転
する回転子とを具備しており、上記超音波振動子と回転
子の接触する部分の近傍に、該超音波振動子と回転子と
の間に生じる接触圧力を検出する、第２の電気−機械エ
ネルギー変換素子を接合したことを特徴とする。

【０００８】

【作用】超音波振動子は、第１の電気−機械エネルギー
変換素子を駆動源とし弾性体に屈曲振動を発生させ、そ
の直行するモードを時間的な位相を９０度ずらして同時
に発生させることにより該モードを回転させ、弾性体の
端面に超音波楕円振動を発生させるこの超音波振動子の
端面に所定の力で押圧される回転子を回転し、上記超音
波振動子と回転子の接触する部分の近傍に接合された第
２の電気−機械エネルギー変換素子により、該超音波振
動子と回転子との間に生じる接触圧力を検出する。

【０００９】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。図１は、本発明の第１実施例を示したものであ
る。この第１実施例の超音波振動子は、第１の電気−機
械エネルギー変換素子である、厚さ２ｍｍのドーナツ形
状の第１圧電素子１および第２圧電素子２を有してい
て、この各圧電素子１，２はともに、図２に示すよう
に、分極方向Ｍが互いに反転するように分極された２つ
の領域に分割されている。そして、この第１圧電素子の
分極領域の第１境界線１ａと、第２圧電素子２ａの分極
領域の第２境界線とが互いに９０度程ずれるように配置
されている。

【００１０】また、第１圧電素子１と弾性体である第１
共振器５、第２圧電素子２と第２共振器６の間にはそれ
ぞれ、例えば厚さ０．１ｍｍの銅製電極板３，４が配置
されている。この銅製電極板３，４は、それぞれリード
線半田付け用の突出部３ａ，４ａを有しており、これら
の突出部３ａ，４ａにはそれぞれ、後述する端子Ａ，Ｂ
（図３参照）が接続されるようになっている。そして、
上記電極板３，４にはそれぞれ、上記端子Ａ，Ｂより互
いに位相が９０度ずれた共振周波数付近の正弦波電圧が
印加されるようになっている。

【００１１】上記第１圧電素子１と第２圧電素子２との
間には、電極板７が配置されている。この電極板７には
２カ所の突出部７ａ，７ｂが設けられており、ともに、
外部支持部７ｃ（図３参照）により揺動自在に一点で支
持されるようになっている。さらに、上記突出部７ａに
は、接地端子Ｇ（図３参照）が接続されるようになって
いて、これにより上記電極板７は接地されるようになっ
ている。

【００１２】上記第１，第２共振器５，６は、上記第１
圧電素子１および第２圧電素子２と同等な外径を有する
外周面を有し、振動伝達に優れた材質（アルミニウム合
金，ステンレス，燐青銅，ジュラルミン，チタン合金
等）で形成され、この第１実施例ではアルミニウム合金
にシュウ酸アルマイト処理を施したものを採用してい
る。また、該共振器５，６の中心軸孔の内周面には、締
結部材１０（図３参照）と締結するねじ部１１ａ，１１
ｂがそれぞれ設けられている。さらに、同共振器５，６
の内部には、当該超音波振動子の両端面（該共振器の端
面）から上記第１圧電素子１，第２圧電素子２の方向に
向けてカップ状の凹部５ａ，６ａが形成されていて、該
端面付近では薄肉円環形状になっている。これにより、
該共振器５，６の端面では上記締結部材１０と接触しな
いようになっている。

【００１３】第２の電気−機械エネルギー変換素子であ
る第３圧電素子１３（図６（Ａ）参照）は、接触圧検出
用の圧電素子である。この実施例では中央部を界に２つ
の領域に分極され、その分極の向きが互いに逆向きにな
っている。この第３圧電素子１３の上下面には、端子接
続用の突出部１２ａ，１４ａをそれぞれ突設する銅製の
電極板１２，１４が配置されおり、上記突出部１２ａに
は接地端子Ｇ（図３参照）が、突出部１４ａには端子Ｆ
（図３参照）がそれぞれ接続されるようになっている。
また、上記電極板１４の上部には摺動部材１５が配設さ
れていて、この摺動部材１５は、アルミニウム合金によ
り形成された０．５ｍｍの厚みを有する円環部材に、シ
ュウ酸アルマイト処理を施したものである。

【００１４】上記第１，第２，第３圧電素子１，２，１
３と各電極板３，４，７，１２，１４と、第１，第２共
振器５，６と摺動部材１５とを図示のごとく積層し、各
構成部材間にエポキシ系接着剤を塗布後、締結部材１０
を貫通し、圧着させて超音波振動子を構成する。

【００１５】なお、図１中の超音波振動子に押圧される
回転子８およびベアリング９の詳細は後述する。

【００１６】図３は、この第１実施例の超音波振動子が
適用される超音波モータの側断面図である。

【００１７】上記締結部材１０は、この第１実施例の超
音波振動子の中心軸方向に延長され、ベアリング９を内
蔵した回転子８が当該超音波振動子の端面に押圧手段に
よって圧着固定される。この第１実施例では該押圧手段
は、２枚の円錐状座板２３と、これら２枚の円錐状座板
２３の間に挟まれたコイルばね２４とを、締結部材１０
に螺合されたナット２５を回動することによって、圧着
量を可変して調整できるように構成している。

【００１８】またこの第１実施例では、上記回転子８は
ＳＫ材で形成されていて硬度Ｈｖ６５０の熱処理が施さ
れており、接触面は表面粗さＲｍａｘ０．１μｍ以下に
設定されている。

【００１９】次に、このような第１実施例の超音波モー
タの動作について説明する。上記電極板３，４に互いに
位相が９０度ずれた正弦波電圧を印加すると、１次の屈
曲振動が発生し、中心軸を中心に回転する楕円振動が発
生する。これにより、当該超音波振動子の端面、すなわ
ち、摺動部材１５に回転子８を圧接すると、該回転子８
が回動する超音波モータが構成される。また、上記２つ
の正弦波電圧の位相差を１８０度変化させると当該超音
波振動子に生じる楕円振動の方向が逆転し、上記回転子
８を逆方向に回転させる。

【００２０】さて、本実施例における超音波モータを作
動させると、第３圧電素子１３から図４に示すような信
号が得られた。この正弦波状の信号は、回転子８と超音
波振動子との接触圧を直接検出したものである。このよ
うな接触圧信号は、超音波振動子の温度が上昇して行く
に従い、共振状態から外れるため振幅が小さくなるとと
もに、入力電圧との位相差も変化する。よって、図５に
示すような、制御手段であるフィードバック回路を用い
て超音波振動子の周波数制御を行った。発振器１６から
出力された周波数Ｆｒ近傍の交番電圧は、増幅されて端
子Ａに接続されるＡ相に印加される。同時に、移相器１
７を介した後増幅されて端子Ｂに接続されるＢ相に印加
される。そしてＦ端子の信号は、増幅された後モニタ電
圧として比較器１８により発振器１６の信号と比較さ
れ、両者の位相差が一定になるように発振周波数を調整
するか、またはモニタ電圧を常に最大となるように発振
周波数を調整することで、振動子の温度の上昇にも関わ
らず該振動子の振動状態を一定に保つことができ、モー
タ特性も安定化する。

【００２１】このような第１実施例によれば、振動子と
回転子の接触圧を簡単な構造で検出できる。そして、こ
の検出した信号を用いて、超音波モータの周波数自動追
尾が可能となる。またこの実施例によれば、振動子と回
転子の接触圧を検出して、両者間の接触圧を調整するこ
とができる。

【００２２】なお、接触圧検出用の圧電素子は、この実
施例においては超音波振動子側に設けているが、回転子
側に設けても同様の効果を得ることができる。また、こ
の実施例で用いた接触圧検出用圧電素子１３は、図６
（Ａ）に示すように分極の向きが逆になるように２等分
割されていたが、図６（Ｂ），（Ｃ）に示すように、分
極の向きが周方向に順次逆向きになるように４等分割，
６等分割などされた圧電素子を用いても、同様の効果を
得ることができる。

【００２３】次に、図７は本発明の第２実施例を示した
ものである。この第２実施例は、上記第１実施例とほぼ
同様の構成であり、圧電素子が異なる方向に分極されて
いる点が相違する部分である。よって、同一の機能を果
たす部材には同じ符号を付して説明を省略する。

【００２４】駆動用の圧電素子２０，２１は、図８
（Ａ），（Ｂ）に示すように、その面内に一様に分極さ
れていて、圧電素子２０の分極方向と圧電素子２１の分
極方向とは互いに直交している。また接触圧検出用の圧
電素子２２は、図９に示すように面に対して垂直方向
（つまり、軸方向と平行な方向）に分極されており、そ
の分極の方向は同じであるが、その大きさは位置により
異なっている。つまり、分極の最大値の位置と、最小値
の位置とは周方向の対向した位置にあり、その他の位置
での分極の大きさは、上記最大分極値と最小分極値との
間を連続して変化していく。

【００２５】このような第２実施例の作用は、上述の第
１実施例とほぼ同様である。

【００２６】この第２実施例の超音波モータを動作させ
ると、第３圧電素子２２からやはり図４に示すような信
号が得られた。この正弦波状の信号は、回転子８と超音
波振動子との接触圧を直接検出したものである。超音波
モータを作動させると、超音波振動子の温度が次第に上
昇し、この温度の上昇に従って共振状態から外れるよう
になるため、接触圧信号の振幅が小さくなるとともに、
入力電圧との位相差も変化する。

【００２７】よって、上記図５に示すようなフィードバ
ック回路を用いて超音波振動子の周波数制御を行い、振
動子の温度の上昇にも関わらず振動子の振動状態を一定
に保って、モータ特性を安定化させる点は上記第１実施
例と同様である。

【００２８】このような第２実施例によれば、上述の第
１実施例とほぼ同様の効果を有するとともに、振動子と
回転子の接触圧をさらに簡単な構成により検出すること
ができる。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、接
触圧そのものを一定になるように制御し、モータ特性を
安定化させ、振動子の機械的Ｑの向上をはかり、ひいて
はモータ効率を向上させる超音波モータを提供すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す超音波振動子と回転
子の分解斜視図。

【図２】上記第１実施例の圧電素子の断面図。

【図３】上記第１実施例の超音波モータの側断面図。

【図４】上記第１実施例の接触圧検出用圧電素子から出
力される信号を示した線図。

【図５】上記第１実施例のフィードバック回路を示すブ
ロック図。

【図６】上記第１実施例の接触圧検出用圧電素子の、
（Ａ）平面図，（Ｂ）他の例を示す平面図，（Ｃ）さら
に別の例を示す平面図。

【図７】本発明の第２実施例を示す超音波振動子と回転
子の分解斜視図。

【図８】上記第２実施例の（Ａ）第１の圧電素子の分極
方向を示す斜視図，（Ｂ）第２の圧電素子の分極方向を
示す斜視図。

【図９】上記第２実施例の接触圧検出用圧電素子の分極
方向を示す斜視図。

【符号の説明】

１，２０…第１の圧電素子（第１の電気−機械エネルギ
ー変換素子）２，２１…第２の圧電素子（第１の電気−機械エネルギ
ー変換素子）５…第１の共振器（弾性体）８…回転子１３，２２…接触圧検出用圧電素子（第２の電気−機械
エネルギー変換素子）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者若林勝裕東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号オリンパス光学工業株式会社内 (72)発明者今井裕五東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号オリンパス光学工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の電気−機械エネルギー変換素子を
駆動源とし弾性体に屈曲振動を発生させ、その直行する
モードを時間的な位相を９０度ずらして同時に発生させ
ることにより該モードを回転させ、弾性体の端面に超音
波楕円振動を発生させる超音波振動子と、この超音波振動子の端面に所定の力で押圧され回転する
回転子と、を具備しており、上記超音波振動子と回転子の接触する
部分の近傍に、該超音波振動子と回転子との間に生じる
接触圧力を検出する、第２の電気−機械エネルギー変換
素子を接合したことを特徴とする超音波モータ。
【請求項２】上記第２の電気−機械エネルギー変換素
子に生じる信号の振幅値もしくは入力電圧に基づいて、
上記超音波振動子と回転子との接触圧力を一定に制御す
る制御手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の
超音波モータ。