JPH0622565A

JPH0622565A - 超音波モータ

Info

Publication number: JPH0622565A
Application number: JP4174153A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Imabayashi; 浩之今林; Tomoki Funakubo; 朋樹舟窪; Takenao Fujimura; 毅直藤村
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1992-07-01
Filing date: 1992-07-01
Publication date: 1994-01-28

Abstract

(57)【要約】【目的】振動子と回転子との接触が確実に行われ、該
接触部が摩耗に対して高い耐久性を有する超音波モータ
を提供する。【構成】圧電素子群８，９と電極板１１，１２，１３
とで構成された発振子３の上下に上部共振器４，５を配
設して超音波振動子２を構成し、この振動子２の上部に
設置した上部共振器４の上端面で回転子６と接触するよ
うに構成した超音波モータ１において、上部共振器４の
本体円筒部４ａの上端部から外径方向へ延出されてお
り、且つ薄肉に形成されている、ばね特性を有するばね
フランジ部を設けるとともに、該フランジ部２１の外径
方向の先端部には、上方へ向かって矩形の断面形状を有
する接触部２２を設けた。

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、電気−機械エネルギー変換素子に交流電圧を印加す
ることにより発生する振動を利用して、回転動力を発生
させる超音波モータに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、従来の電磁力を利用して機械的回
転力を発生させる、いわゆる電磁型モータに代わって、
超音波モータが利用されるようになってきている。この
超音波モータは、電磁型モータが高速で低トルクな回転
であるために減速機構によって多くのエネルギーを損失
している、などの欠点を除去したもので、圧電素子等の
電気−機械エネルギー変換素子を用いている。

【０００３】この超音波モータは、例えば特開平２−３
１１１８４号公報に、その一例が開示されているよう
に、長方形の板状圧電素子を円柱状の弾性体の周側面に
接合して超音波振動子（ステータ）を構成し、この超音
波振動子の端面に、押圧手段によって圧接される被駆動
部材である回転子（ロータ）を配設している。このよう
な構成の超音波モータの上記圧電素子に、９０度位相が
ずれた２つの交番電圧をそれぞれ印加すると、２カ所の
節を有する屈曲振動が発生し、この屈曲振動は上記弾性
体の軸を中心とした回転運動になる。そして、振動子の
端面の点が回転子と点接触して摩擦力により、回転子を
回転させる。なお、この先行技術による超音波モータ
は、上記２カ所の振動の節位置をモータケースに支持固
定されるようになっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述したよ
うな、屈曲振動の回転を利用して被駆動部材を回転させ
る従来の超音波モータでは、図８の接触状態図に示すよ
うに、振動子４１の上端面と被駆動部材４２とが一箇所
の点４３で接触するようになっている。このため、この
接触点の状態によって、モータの特性（トルク，回転数
等）が左右されやすいという問題点がある。しかも、こ
の一箇所の接触点は振動子の端面外周部（エッジ部）に
あたり、エッジ部の加工精度、特に平面度がモータ性能
に大きく影響してくることになるが、一般にエッジ部の
加工精度を高くすることは技術的に困難である。また、
この接触点の１点には、押圧手段による垂直方向の圧着
力と、負荷から作用する水平方向の摩擦力とが働くた
め、該接触点での単位面積当たりの力が増加し、上記エ
ッジ部が摩耗しやすいという欠点があった。

【０００５】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであり、振動子と被駆動部材とが確実に接触すること
で安定したモータ性能が得られ、しかもこの接触部が摩
耗に対して強い耐久性を有する超音波モータを提供する
ことを目的としている。

【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、弾性体上で位置的
に９０度ずれて配置された第１，第２の電気−機械エネ
ルギー変換素子に互いに９０度位相がずれた交流電圧を
それぞれ印加することにより該弾性体に発生する屈曲振
動をこの弾性体の中心軸回りの回転運動にする超音波振
動子と、この超音波振動子の何れか一方の端面に圧接さ
れた被駆動部材とを具備する超音波モータにおいて、上
記超音波振動子の、上記被駆動部材との接触部近傍に、
ばね特性を有するばね特性部を設けている。

【０００７】

【作用】超音波振動子と被駆動部材とが接触する際に
は、接触部からばね特性部に働く応力により、このばね
特性部が変形して該接触を面接触にする。

【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。図１は本発明の第１実施例を示す超音波モータの
側面図であって、右半部を断面で表している。

【０００９】この第１実施例では、電気−機械エネルギ
ー変換素子として圧電素子を用いている。

【００１０】この超音波モータ１は、超音波振動子２
と、同超音波振動子２の上側面に圧接された、被駆動部
材である回転子６とで、その主要部が構成されており、
該超音波振動子２は、源振動を発生する発振子３を、同
発振子３の上端面側に配設した上部共振器４と、下端面
側に配設した下部共振器５とで挟み込み接合して構成さ
れている。

【００１１】上記発振子３は、厚み方向に配置された２
枚のドーナツ形状の圧電素子８ａ，８ｂ及び９ａ，９ｂ
でそれぞれ構成されている、第１圧電素子群８と第２圧
電素子群９とを有している。上記圧電素子はそれぞれ半
円形の分極領域に分割されており、圧電素子８ａの有す
る境界領域の境界線と、圧電素子８ｂの有する境界領域
の境界線とは一致するように配置され、また、９ａの境
界線と９ｂの境界線も同様に一致させているとともに、
前記８ａ及び８ｂの境界線とこの９ａ及び９ｂの該境界
線とが９０度ずれて垂直になるように配置されている。
それぞれの圧電素子が有する２つの半円形の分極領域の
分極方向は、互いに反転されるように分極されていて、
また、各圧電素子群８，９を構成する２枚の圧電素子間
８ａと８ｂ、９ａと９ｂの相対する面の分極方向は、そ
れぞれ互いに反転するように配置されている。

【００１２】また、第１圧電素子群８と第２圧電素子群
９との間、第１素子群８の上端面と上部共振器４の下端
面との間、および第２素子群９の下端面と下部共振器５
の上端面との間には、リード線半田付け用の突出部Ｇを
有する銅製電極板１１がそれぞれ挟み込まれていて、図
示しないリード線を介して接地されるようになってい
る。また、各圧電素子群８，９の２枚の圧電素子８ａと
８ｂ，９ａと９ｂの間にもリード線半田付け用の突出部
Ａ，Ｂを有する銅製電極板１２，１３が配置されてい
て、これらには図示しないリード線を介して、９０度位
相がずれた共振周波数付近の正弦波電圧が、図示しない
駆動回路から印加されるようになっている。

【００１３】上記上部共振器４は、外径が上記発振子３
と同径である短円筒体に形成され、下方の上記発振子３
側に中心軸孔が設けられている。この中心軸孔の内周面
には、支軸である締結部材１５と締結するための雌ねじ
部１６が螺刻されている。また、上部共振器４の上端面
から下方の圧電素子の方向に向けて、この上部共振器４
の内部が締結部材１５と接触しないように、カップ状の
凹部１７が形成されている。さらに、上部共振器４の外
周面には、剛性を低下させるために複数の周溝１８がほ
ぼ等間隔位置に形成されている。

【００１４】そして、該上部共振器４の、上記回転子６
との接触部２２の近傍には、ばね特性部であるフランジ
部２１が設けられている。このフランジ部２１は、上記
上部共振器４の本体円筒部４ａの上端部から外径方向へ
水平に延出され、薄肉に形成されている。該フランジ部
２１の外径方向の先端部には、上方へ向かって略矩形の
断面形状を有する接触部２２が設けられており、この接
触部２２の上端に形成された接触面は、高い精度で平面
となるように加工されている。

【００１５】また、該上部共振器４は、振動伝達に優れ
た材質（アルミニウム合金，ステンレス，リン青銅，ジ
ュラルミン，チタン合金等）で形成されている。該第１
実施例では、アルミニウム合金を用いて上部共振器４を
形成するとともに、その表面にシュウ酸アルマイト被膜
を形成し、さらに、蒸気封孔処理によって該アルマイト
皮膜が有する微小孔を、その底部まで水和物で充填して
いる。

【００１６】一方、前記下部共振器５は、前記発振子３
と同径の短円柱体で形成され、その材質は、上記上部共
振器４よりも振動伝達の悪い材質（真鍮，鋼等）で形成
されていて、該第１実施例では真鍮を用いている。そし
て、この下部共振器５の上端面から中心軸に沿って上方
向に延び出した、支軸の役目をするボルト等の締結部材
１５が一体に設けられている。また、下部共振器５の外
周側面には、超音波モータ１を固定部材２３に取り付け
るための雄ねじ２４が螺刻されており、この固定部材２
３に螺刻されている雌ねじ２３ａと螺合されるようにな
っている。

【００１７】上述したような発振子３と上部共振器４，
５とで構成される超音波振動子２は、以下に述べる手順
で組み立てる。各構成部材間にエポキシ系接着剤を塗布
後、第１圧電素子群８と第２圧電素子群９と電極板１
１，１２，１３とを、下部共振器５の締結部材１５に貫
通させた状態で下部共振器５上に載置し、上部共振器４
を締結部材１５に螺合させることにより両者の間に挟ん
で圧着し、接着剤を硬化させて超音波振動子２を構成す
る。

【００１８】上述のように、下部共振器５に一体に設け
られた締結部材１５は、超音波振動子２を圧着固定する
ようになっているとともに、押圧手段を有する回転子６
をも支持するようになっている。この回転子６は、比較
的厚みのあるリング状の回転子本体６ａと、この回転子
本体６ａの上部中央に穿設された円形凹部に配設され
た、振動の伝達を防止するゴムリング２６と、このゴム
リング２６の径方向の内側に配置された回転子取付用の
ベアリング２７で構成されており、このベアリング２７
を締結部材１５に嵌着するようになっている。すなわ
ち、回転子本体６ａはゴムリング２６とベアリング２７
とを介して、締結部材１５に回動自在に支持されてい
る。

【００１９】そして、上記回転子６は、振動子２の上端
面に押圧手段によって圧着されるようになっている。こ
の第１実施例では該押圧手段は、回転子６上に、締結部
材１５に挿通した皿ばね２８ａ，２８ｂの２枚を対向し
て配設し、その上方にナット２９を螺合することにより
回転子６を押圧するようになっており、ナット２９のね
じ込み量により圧着量を可変できるように構成されてい
る。なお、回転子本体６ａはＳＫ材で形成されており、
硬度Ｈｖ６５０の熱処理が施されている。

【００２０】次に、このように構成された第１実施例の
超音波モータの作用について説明する。図２に本実施例
の超音波振動子の振動状態を示す。

【００２１】正弦波電圧を電極１２，１３に印加する
と、超音波振動子２の下端部が固定端となっているため
に、この下端部を節とし、超音波振動子２の上端面が腹
となる１次モードの屈曲振動が発生する。この屈曲運動
は、第１圧電素子群８と第２圧電素子群９とがその電極
境界線を互いに９０度ずらして配置されていることによ
り、これら２つの圧電素子群８，９による互いに垂直な
方向の直線振動の合成となり、前記電極１２，１３に印
加される正弦波電圧の位相を９０度ずらすことにより、
この直線振動は位相が９０度ずれた略正弦波振動とな
る。こうして、これらの直線振動を合成することによ
り、屈曲振動は図２に示すように、振動子の中心軸を中
心として回転する円を含む楕円振動となる。この楕円振
動によって、超音波振動子２に押圧された回転子６が回
転する。なお、電極１２と１３とに加えられる正弦波電
圧の位相差をさらに１８０度ずらして、これら正弦波電
圧間の位相差を２７０度にすると、図２の点線で示した
矢印のように楕円振動の回転方向が逆転して、回転子を
逆方向に回転させることができる。

【００２２】この第１実施例によると、超音波振動子２
は、その接触部２２の近傍に設けられた薄肉のばね特性
を有するばね特性部であるフランジ部２１によって、回
転子６と安定して接触できるようになる。図３は回転子
６と振動子接触部２２の接触状態を模式的に示した図で
ある。まず、振動子接触部２２が回転子６と接触した状
態が図３（Ｂ）に示されていて、回転子６に接触部２２
が押圧されることにより該薄肉フランジ部２１が下方に
撓み、回転子６と接触部２２の端面を点接触ではなく面
接触させている。この面接触によって、接触面積が増加
し、単位面積あたりに加わる力を減少させることができ
る。

【００２３】また、ばねフランジ部２１の変形によっ
て、回転子６と接触部２２の端面とが、従来よりも長時
間接触するようになり、回転力を回転子６に伝達しやす
くする。図３（Ａ）は回転子６と振動子接触部２２とが
接触している作用点から、端面中心を通る反対側の状態
を示し、従来のものと同じように、回転子６と接触部２
２が確実に離れている。

【００２４】このように振動子接触部２２が動作するた
めには、以下の条件が必要となる。超音波振動子２の共
振周波数をｆ１，接触部２２のばねフランジ部２１の共
振周波数をｆ２とすると、◎ ｆ１≦ｆ２◎ の関係が必要である。これは、超音波振動子２の共振周
波数以下にばねフランジ部２１の共振周波数があると、
接触部２２に不要な別モードの振動が発生し、接触を逆
に不安定にするからである。この薄肉ばねフランジ部２
１の共振周波数ｆ２は、薄肉部の厚さや寸法等を変更す
ることによって、自由に設定することができ、かつ容易
に調節することができる。

【００２５】なお、回転子６の内部に設置されたゴムリ
ング２６は、振動子２から発生した超音波振動が回転子
６にだけ作用して、締結部材１５に振動が逃げないよう
にするためのものであり、振動絶縁の効果を有する。

【００２６】以上要約すると、第１実施例によれば、振
動子２の接触部２２に薄肉のばねフランジ部２１を設け
ることで、回転子６と振動子接触部２２を安定して面接
触させることができる。このため、接触部２２にかかる
単位面積当たりの力が減少し、耐摩耗性を向上すること
ができ、また接触時間の増加による回転力の伝達向上が
でき、高トルクでかつ安定した回転が得られる。そし
て、接触位置を従来の振動子のエッジ部から振動子の端
面に変更することになり、端面の加工精度を比較的容易
に達成できるようになるため、低コスト化が図れる。

【００２７】図４は上記第１実施例の変形例を示したも
ので、その接触部の部分拡大図である。この変形例にお
いては、ばねフランジ部２１の下部に設けた周溝１８ａ
の断面形状を３角形に形成している。その他の構成は、
前述の第１実施例と同様である。

【００２８】この変形例においても前述の第１実施例と
同様の作用と効果とを有する。

【００２９】図５は、本発明の第２実施例に係る超音波
モータの振動子と回転子との接触部分を示した拡大断面
図である。

【００３０】この第２実施例における超音波モータの構
成は、前述の第１実施例におけるものとほぼ同様である
ので、その相違点のみを以下に説明する。

【００３１】この実施例では、上部共振器４と同様な材
質で形成され、かつ回転子６と接触する接触部２２に、
Ｌ字形状のばね特性部３１を形成してある。より詳細に
は、このＬ字型ばね特性部３１は、最上部の周溝１８を
深く切り込むことによって、接触部２２から中心軸方向
へ水平に設けられた水平フランジ部３１ａと、この水平
フランジ部３１ａの中心軸側に形成された、上部共振器
４の本体円筒部４ａの垂直壁部３１ｂとにより構成され
ている。前述の第１実施例におけるフランジ部は、本実
施例の水平フランジ部３１ａに相当し、本実施例ではさ
らに垂直壁部３１ｂが追加して設けられている。

【００３２】前述の第１実施例では、超音波振動子２の
軸方向（図５の矢印Ｙ方向参照）にのみフランジ部が変
形する構成になっていたが、本第２実施例では、断面が
Ｌ字形状のばね特性部３１を用いることにより、超音波
振動子２の軸方向（矢印Ｙ方向）に水平フランジ部３１
ａが変形するとともに、径方向（矢印Ｘ方向）にも垂直
壁部３１ｂが変形するようになっている。

【００３３】このように第１実施例と同様に、振動子接
触部２２と回転子６とを面接触させることで、単位面積
当たりの力を減少させることができ、回転力を伝達しや
すくなる。また、Ｘ，Ｙ方向の両方向にＬ字型ばね特性
部３１がばね特性を有するため、超音波振動子２の屈曲
振動に対して追従性が良くなり、より接触部２２の端面
を回転子６に密接させやすく、さらに確実な接触状態を
実現できる。

【００３４】このような第２実施例によれば、さらに良
好な接触状態が得られるため、より安定した回転が得ら
れ、高トルクが実現できる。

【００３５】図６は第２実施例の変形例の接触部の部分
拡大図である。

【００３６】この変形例においては、ばね特性部３３
が、振動子２の接触部２２から上部共振器４の軸心方向
下方へ傾斜し、上部共振器４の本体円筒部４ａに接続さ
れるように形成されている。このような形状を有するば
ね特性部を用いても、Ｘ，Ｙ方向の両方向にばね性を有
することができ、第２実施例と同様の効果を得ることが
できる。

【００３７】図７（Ａ）は、本発明の第３実施例に係る
超音波モータの振動子と回転子との接触部分を示す拡大
断面図である。

【００３８】この第３実施例における超音波モータ１の
構成は、前述の第１および第２実施例のものとほぼ同様
である。よって、その相違点のみについて説明する。

【００３９】この第３実施例においては、上部共振器４
の本体円筒部４ａの上端面に、この上端面とほぼ等しい
接触面を持ち、薄肉のリング状に形成された弾性シート
部材３５が接合されている。この弾性シート部材３５
は、剛性が金属よりも低く可撓性を有している高分子材
料で、形成されている。そして、さらにその上部に上部
共振器４と同材質のリング状の接触部材２２ａを接合し
ている。本第３実施例では、この弾性シート部材３５が
ばね特性部を構成しており、また、該高分子材料として
厚さ８０μｍのネオプレンゴムを用いている。

【００４０】図７（Ｂ）は、このように構成された振動
子の接触部材２２ａと回転子６との作用状態を模式的に
表した接触部分の拡大断面図である。

【００４１】高分子材料は、上述のように、剛性が低く
可撓性を有するため、上記接触部材２２ａからはたらく
応力によって弾性変形し、接触部材２２ａを回転子６に
面接触させる。高分子材料のばね特性はこの弾性変形に
よって得られ、前記第１，第２実施例の薄肉フランジ部
と同様の作用を生じさせる。

【００４２】このように、高分子材料による弾性変形を
利用しても、前記第１，第２実施例と同様の効果が得ら
れ、高トルク、安定回転、耐摩耗性向上を達成すること
ができる。

【００４３】なお、高分子材料は第３実施例に示されて
いるネオプレンゴムだけではなく、同条件を満たすよう
なエンジニアリングプラスチック、例えばカーボン短繊
維を含有したＰＰＳ樹脂を用いても良い。また、これら
の弾性シート部材３５と接触部材２２ａとを含めた部分
の共振周波数は、超音波振動子の共振周波数以上にする
ことが望ましい点も、前記第１，第２実施例と同様であ
る。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、振
動子と被駆動部材とが確実に接触することで安定したモ
ータ性能が得られ、しかもこの接触部が摩耗に対して強
い耐久性を有することができる。

【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モータの、右
半分を断面で示した側面図。

【図２】上記第１実施例の超音波振動子の振動状態を示
す線図。

【図３】上記第１実施例の振動子と回転子との接触部分
の要部拡大断面図。

【図４】上記第１実施例の変形例を示す振動子と回転子
との接触部分の要部拡大断面図。

【図５】本発明の第２実施例に係る超音波モータの振動
子と回転子との接触部分の要部拡大断面図。

【図６】上記第２実施例の変形例を示す振動子と回転子
との接触部分の要部拡大断面図。

【図７】本発明の第３実施例に係る超音波モータの振動
子と回転子との接触部分の要部拡大断面図。

【図８】従来の超音波モータの超音波振動子と回転子と
の接触状態を示す側面図。

【符号の説明】

１…超音波モータ２…超音波振動子４…共振器６…回転子２１，３１，３３…ばねフランジ部（ばね特性部）２２…接触部２２ａ…接触部材３５…弾性シート部材（ばね特性部）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】弾性体上で位置的に９０度ずれて配置さ
れた第１，第２の電気−機械エネルギー変換素子に、互
いに９０度位相がずれた交流電圧をそれぞれ印加するこ
とにより、該弾性体に発生する屈曲振動を、この弾性体
の中心軸回りの回転運動にする超音波振動子と、この超音波振動子の何れか一方の端面に圧接された被駆
動部材と、を具備する超音波モータにおいて、上記超音波振動子の、上記被駆動部材との接触部近傍
に、ばね特性を有するばね特性部を設けたことを特徴と
する超音波モータ。