JPH0662587A

JPH0662587A - 超音波モータ

Info

Publication number: JPH0662587A
Application number: JP4228028A
Authority: JP
Inventors: Ryoichi Suganuma; 亮一菅沼
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1992-08-04
Filing date: 1992-08-04
Publication date: 1994-03-04
Also published as: DE69307212T2; EP0582230B1; US5637948A; EP0582230A1; US5596240A; DE69307212D1

Abstract

(57)【要約】【目的】駆動効率を向上することができステータの発
熱を防止する構造及び支持構造を提供する。【構成】圧電体４と圧電体４の励振によって進行性振
動波を発生する弾性体３とからなるステータＳと、ステ
ータＳに加圧接触され前記進行性振動波によって駆動さ
れるロータＲとからなり、ステータＳを構成する弾性体
３である第１の層Ｉと圧電体４である第２の層IIとの間
に、第１及び第２の層よりもバネ定数の小さい同一又は
異なる材質からなる１以上の第３の層III 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、超音波モータに関し、
特に、ステータの構造及びその支持構造の改良に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の超音波モータは、低速駆
動で大出力が得られることから、各産業分野において期
待されているアクチュエータであり、その構造、動作原
理は、種々の雑誌などの文献又は特許公報等により広く
紹介されている。

【０００３】まず、従来の超音波モータの構造と動作を
簡単に説明する。図１５は、従来の円環型超音波モータ
の一例を示す断面図である。ロータＲは、移動子１と摺
動材２とからなり、移動子１の下面に摺動材２が接着さ
れている。ステータＳは、弾性体３と圧電体４とからな
り、弾性体３の下面に圧電体４が接着されている。この
弾性体３は、中立軸付近に設けられたフランジ部３ａに
よって、外周が支持部材１００、１０１に取り付けられ
ており、ロータＲは、図示しない加圧機構により、ステ
ータＳに加圧され接触している。

【０００４】図１６は、図１５に示す超音波モータのス
テータの断面の一部を拡大した図である。圧電体４の上
には、印刷した後に焼成又は蒸着することにより銀等に
よる電極５が形成されている。この圧電体４は、接着剤
層６’によって弾性体３に接着されている。

【０００５】図１７は、図１５の圧電体の形成された電
極の配置を示した図である。電極４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４
Ｍは、圧電体４を分極するとともに、超音波モータを駆
動するための電力を供給するためのものである。図中の
＋，−は、各電極４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｍの分極の方向
を表わしている。電極４Ａ，４Ｂは、各々が周方向にλ
／２の長さを持つ個々の電極が集合した電極群であり、
相互にλ／４の空間的位相差を有している。電極４Ｍ
は、λ／４の長さを有する電極であり、通常は、後述す
る弾性体３に発生した進行性振動波の状態を検出するた
めに用いられる。電極４Ｃは、通常、共通電極と言われ
る電極であり、アース等として用いられる。圧電体４
は、前述したように弾性体３に接着されており、圧電体
４に形成された電極４Ａ，４Ｂの各電極群に、相互にπ
／２の位相差を有する交流信号を印加することによっ
て、弾性体３に進行性振動波を発生させ、加圧接触した
ロータＲを駆動する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前述した従来の超音波
モータは、低速駆動時に大出力を得ることが可能であり
種々の用途に応用が可能であるが、駆動効率が低いとい
う欠点があった。具体的には、ＤＣモータが一般的に８
０％前後の駆動効率を有しているのに対して、超音波モ
ータでは、現在３０〜４０％程度の最大駆動効率しか得
られていない。

【０００７】駆動効率が悪いということは、例えば、電
池を電源とする各種機器等においては、駆動可能時間が
著しく制限されることとなる。また、超音波モータに入
力した電力の内で、駆動出力として取り出せない電力は
熱として消費されるために、ステータの温度上昇を招
き、超音波モータの発熱に対して許容できない状態での
使用が制限され、その結果として、用途が限定されてし
まう。さらに、ステータの温度上昇により超音波モータ
の特性が変化してしまう、という問題点があった。

【０００８】本発明の第１の目的は、前述の課題を解決
し、駆動効率を向上することができステータの発熱を防
止する超音波モータを提供することである。本発明の第
２の目的は、駆動効率を向上させる支持構造を有する超
音波モータを提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明による超音波モータは、圧電体４とその圧電
体の励振によって進行性振動波を発生する弾性体３とか
らなるステータＳと、前記ステータＳに加圧接触され前
記進行性振動波によって駆動されるロータＲとからなる
超音波モータにおいて、前記ステータを構成する前記弾
性体である第１の層Ｉと前記圧電体である第２の層IIと
の間に、前記第１及び第２の層よりもバネ定数の小さい
同一又は異なる材質からなる１以上の第３の層III を設
けた構成としてある。

【００１０】この場合に、前記第３の層は、前記第１の
層から前記第２の層への進行性振動波の戻りを阻止する
緩衝層であることを特徴とすることができる。また、前
記第３の層は、振動エネルギーを伝達するがそれ自身は
振動しないエネルギー貯蔵層であることを特徴とするこ
とができる。さらに、前記第３の層は、３μｍ以上の厚
みをもつ接着材層を含むことを特徴とすることができ
る。さらにまた、前記第３の層は、厚みを確保するため
のスペーサを含むことを特徴とすることができる。一
方、前記第３の層は、外部まで延長されて、前記ステー
タを支持することを特徴とすることができる。

【００１１】

【作用】本発明によれば、ステータを構成する第１の層
である弾性体と第２の層である圧電体の間に第３の層を
設けたので、超音波モータの駆動効率を改善し、ステー
タの発熱を減少させることができる。また、振動しない
第３の層を外部まで延長して、支持するようにしたの
で、駆動効率のよい支持構造を実現できる。

【００１２】

【実施例】以下、図面などを参照しながら、実施例をあ
げて、さらに詳しく説明する。図１は、本発明による超
音波モータの第１の実施例を示す部分拡大断面図であ
る。なお、以下に示す各実施例では、前述した従来例と
同様な機能を果たす部分には、同一の符号を付して、重
複する説明を省略する。第１の実施例では、図１に拡大
して示すように、圧電体４上には、銀などの物質により
電極５が形成されており、弾性体３と圧電体４とが、第
３の層III によって接続されている。第３の層III は、
内部損失が少なく弾性体３及び圧電体４よりも柔らかい
物質を用いることが好ましく、例えば、エポキシ系，ウ
レタン系，アクリル系等の接着剤６により形成すること
ができる。また、第３の層III は、接着剤層６によら
ず、適切な樹脂材料等の物質を充填することにより形成
してもよい。この場合に、第３の層III を構成する接着
剤等は、電気的に不導体であることが多いので、電極５
へ駆動信号を印加するために、電極５を導電塗料等で接
続し、圧電体４の側面又は圧電体４の弾性体３と反対側
の面の使用されない電極若しくは使用されていない面に
引き出して駆動信号を接続すればよい。

【００１３】ここで、従来の超音波モータにおけるステ
ータの構造と比較する。図１６に示した接着剤層６’
は、図１７に示す電極５の切れ目以外の電極部分では、
一般的に０．１〜３μｍ程度の厚さを持っている。この
実施例では、図１に示すように、第１の層Ｉである弾性
体３と第２の層IIである圧電体４との間に、第３の層II
I を形成することにより、超音波モータの駆動効率を向
上させるようにしたものである。なお、弾性体３，圧電
体４及び圧電体４上の電極５については、図１６の場合
と同様である。接着剤層６は、図１６と比較して厚くし
てあり、この実施例では、厚さは３μｍ以上にしてあ
る。図１，図１６においては、図１７で示した電極面が
弾性体３の面に接着される場合を表わしているが、その
電極面の裏面をリング状の共通電極とし、この面を接着
面として用いてもよい。この場合には、図１，図１６に
示すような電極５の切れ目は表れないことになり、より
均一な接着剤層が得られる。

【００１４】次に、本発明による超音波モータの基本原
理について説明する。本実施例のように、圧電体４と弾
性体３の間に、前述したような第３の層IIIを設けるこ
とにより、ステータＳの振動損失を減ずることが可能と
なる。この理由を説明すると、圧電体４に駆動信号を印
加することにより、圧電体４は、図２に示すような屈曲
振動を行なう。図２における矢印の方向が振動方向であ
る。この振動が弾性体３に伝わり、前述した電極４Ａ，
４Ｂにπ／２だけ位相差の異なる駆動信号が入力されて
いるために、弾性体３に進行性振動波が生成される。

【００１５】このとき、弾性体３に生成された進行性振
動波から見た場合に、圧電体４は振動を妨げる要因とな
っている。つまり、進行性振動波は、常に弾性体３上を
移動している波であり、振幅の山の位置は時間とともに
弾性体３上を移動して行く。これに対して、圧電体４の
振動は、常に同一位置で振動している定在波であるの
で、これらの２つの波は、相互の振幅の位相関係が特定
の位相関係に固定されない。このため、進行性振動波か
ら見た場合に、圧電体４は、振動源であるとともに、進
行性振動波の振動を妨げる要因として働く。また、圧電
体４から見た場合には、双方の振動の位相関係によっ
て、弾性体３に対して十分に振動を伝達できない場合が
ある。

【００１６】この問題を解決するために、本発明では、
圧電体４と弾性体３の間に、第３の層III として、例え
ば、接着剤層６を形成することにより、その接着剤層６
が圧電体４の振動と進行性振動波との間の抵抗を減少さ
せ、かつ、圧電体４の振動エネルギーを弾性体３に効率
よく伝える役目を行なう構造となり、駆動効率の向上を
行なうものである。このことは、従来のように、圧電体
４と弾性体３を接着剤層６’で固定接着するという考え
方とは全く異なるものである。この相違を図３を用いて
簡単に説明する。つまり、弾性体３である第１の層Ｉ
と、振動源となる圧電体４である第２の層IIとの間に、
第３の層III が接続されたモデルを考えればよい。この
場合に、圧電体４の振動は、第３の層III を介して、弾
性体３に伝えられる。この第３の層III を介して与えら
れる振動エネルギーによって、弾性体３は、振動を励起
されることになる。このような第１〜第３の層Ｉ〜III
が接続されたモデルに振動を加えた場合に、各々の層Ｉ
〜III がどのような振動運動を行なうかを考えることと
する。各々の層Ｉ〜III の振動状況は、各々の固有振動
数、コンプライアンスにより振動状況が変化する。した
がって、中間に位置する第３の層III のコンプライアン
スを適切に設定することにより、３つの層Ｉ〜III のう
ちで両側の２つの層Ｉ，IIが大きく振動して、中間の層
III がほとんど振動しない状態を設定することが可能で
ある。そして、振動源のエネルギーが小さくても弾性体
３に相当する第１の層Ｉの振動は大きな振動とすること
ができる。このとき、中間の第３の層III は、それ自身
ほとんど振動せずに振動エネルギーの伝達のみを行な
い、エネルギーの貯蔵層のような役割を果たすことにな
る。

【００１７】このような状態を超音波モータのステータ
Ｓに適用すると、前述した問題を解決することが可能に
なる。すなわち、圧電体４及び弾性体３から見た振動を
阻害する要因を小さくすることが可能となる。さらに、
第３の層III である中間の層のコンプライアンスを変え
ることにより、両側の第１及び第２の層Ｉ，IIの振動状
態を大きく変えることができ、弾性体３の振動を圧電体
４の振動状態と全く異なる振動とすることも可能であ
る。このことから明らかなように、第１の層Ｉ（圧電体
４）、第２の層II（弾性体３）、第３の層III のコンプ
ライアンスを適切に設定することにより、圧電体４から
の振動エネルギーを十分に弾性体３に与えつつ、第３の
層III によるバネが弾性体３に生成された進行性振動波
からみて振動を阻害する要因となる圧電体４の影響を減
少させる働きをすることが可能となる。また、同様に圧
電体４からみて抵抗となる弾性体３の影響を減少させる
ことも可能となる。第３の層III が圧電体４より発せら
れるエネルギーを蓄積して弾性体３に伝え、また、弾性
体３に生成された進行性振動波から圧電体４に伝えられ
るエネルギーに対しても同様な働きをすることにより、
振動を阻害する要因を減少させる効果を奏するものであ
る。この働きにより、ステータＳにおける発熱も減少さ
せることが可能となる。以上説明した理由により、圧電
体４と弾性体３の間に第３の層III を設けることによ
り、ステータＳにおける振動損失を減ずることが可能と
なるので、超音波モータの駆動効率を向上することが可
能となる。

【００１８】図４は、第１の実施例による超音波モータ
のトルク−回転数と駆動効率を従来例と比較して示す図
である。このとき、弾性体４としてインバー材、圧電体
３としてＰＺＴを用いた点は実施例と従来例の双方に共
通であり、第１の実施例では、第３の層III としてエポ
キシ系接着剤を約６μｍの厚みに塗布して接着剤層６を
形成した点が異なる。従来例の場合は、破線Ａが回転
数、破線Ｂが駆動効率である。第１の実施例の場合は、
実線Ａが回転数、実線Ｂが駆動効率である。このよう
に、本発明によると駆動効率を大きく向上することがで
きる。また、第３の層III のコンプライアンスを変える
ことにより、同一ステータ、同一圧電体を用いて異なる
出力特性を持つ超音波モータを作製することが可能とな
る。

【００１９】図５は、本発明による超音波モータの第３
の層の厚みと消費電流の関係を示す線図である。図５の
実験例では、第３の層III としてエポキシ系接着剤を用
い、駆動速度６０ｒｐｍ，負荷３５０ｇｆｃｍ，電源電
圧３０ｖｒｍｓ，縦弾性係数約２４０ｋｇｆ／ｍｍの条
件で実験を行った。図５から明らかなように、第３の層
III は、約５〜９．５μｍで消費電流が低くなることが
分かった。

【００２０】図６は、本発明による超音波モータの第３
の層の縦弾性係数と消費電流の関係を示す線図である。
図６の実験例では、第３の層III としてエポキシ系２液
混合型の接着剤を用いた場合であり、主剤と硬化剤の混
合比、異なる銘柄のエポキシ系接着剤を用いて縦弾性係
数を変化させた場合の消費電力の変化をとったデータで
ある。この場合にも、駆動速度６０ｒｐｍ，負荷３５０
ｇｆｃｍ，電源電圧３０ｖｒｍｓとし、第３の層III の
厚みは、６μｍの条件としたた。図６から明らかなよう
に、縦弾性係数が２００ｋｇｆ／ｍｍ付近で消費電流が
低くなることが分かった。

【００２１】図７〜図１２は、本発明による超音波モー
タの第２〜第７の実施例を示す部分拡大断面図である。
なお、以下に説明する各実施例では、弾性体３，圧電体
４，電極５などは、第１の実施例と同様である。これら
第２〜第７の実施例は、第３の層III の厚みを、簡易な
方法で均一にすることを可能にしている。図７の実施例
は、第３の層III として樹脂材料層８を用いたものであ
り、その樹脂材料層８を接着剤層６で接着してある。な
お、樹脂材料層８は、１種類の樹脂材料のみでなく他の
物質でもよく、また、接着剤層６の厚みを大きくして樹
脂材料層８と併せて第３の層III としてもよい。

【００２２】図８の実施例は、電極５の面粗さを粗く仕
上げ、第３の層III を形成するようにしたものである。
この場合には、銀ペースト等を印刷し、焼成して電極を
作製するときに、銀ペースト等の粒度を必要に応じて粗
くして使用したり、銀ペーストを印刷・焼成するときの
条件などによって、ボイドと呼ばれるガスが発生する際
にできるクレータ状の突起部を利用することができる。

【００２３】図９の実施例は、電極５の上に２回印刷し
て、その電極の一部を凸形状部５ａとし、第３の層III
を形成するようにしたものである。図１０の実施例は、
第３の層III を設けるために、矩形断面のスペーサ９を
用いた例である。この方法は、第２の実施例についても
同様に行なうことが可能である。その場合には、スペー
サの位置を隣あう電極５の間に設定すると、さらによい
結果が得られる。図１１の実施例は、接着剤層６に金属
又は樹脂などの微粉末１０を混入し、その微粉末の粒径
によって第３の層III を形成するようにしたものであ
る。図１２の実施例では、円形断面を持つ樹脂繊維や金
属の微細線などの線状部材１１を用いたものである。

【００２４】図１３，図１４は、本発明による超音波モ
ータの第８，第９の実施例を示す部分拡大断面図であ
る。これらの実施例は、図７，図１２の実施例を発展さ
せて、ステータの支持方法を改良したものである。つま
り、スペーサ１２や線状部材１３のコンプライアイスを
適切に設定すれば、スペーサ１２，線状部材１３は振動
しないために、そのスペーサ１２，線状部材１３をステ
ータＳの外部まで延長し、支持部材１００，１０１によ
って支持したものである。

【００２５】以上説明した実施例に限定されず、種々の
変形ができる。例えば、第３の層の厚さ、用いる材料の
特性を変えることにより、同一の弾性体、同一の圧電体
によっても異なる特性の超音波モータを簡単に作製する
ことができる。

【００２６】

【発明の効果】以上詳しく説明したように、本発明によ
れば、第１の層と第２の層との間に第３の層を設けたの
で、第３の層を持たない従来の超音波モータに比較し
て、駆動効率を大きく向上することができ、ステータの
発熱を減ずることができる。

【００２７】また、第３の層をステータ外部まで延長
し、ステータを支持することにより、ステータの支持に
よる駆動効率の低下を非常に少なくすることができ、駆
動効率の向上をはかることができる。

【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
す部分拡大断面図である。

【図２】本発明の圧電体の屈曲振動を説明する図であ
る。

【図３】本発明の超音波モータの第１〜第３の層をモデ
ル化した説明図である。

【図４】第１の実施例におけるトルク−回転数と駆動効
率を従来例と比較して示す図である。

【図５】第１の実施例における第３の層の厚みと消費電
流の関係を示す線図である。

【図６】第１の実施例における第３の層の縦弾性係数と
消費電流の関係を示す線図である。

【図７】本発明による超音波モータの第２の実施例を示
す部分拡大断面図である。

【図８】本発明による超音波モータの第３の実施例を示
す部分拡大断面図である。

【図９】本発明による超音波モータの第４の実施例を示
す部分拡大断面図である。

【図１０】本発明による超音波モータの第５の実施例を
示す部分拡大断面図である。

【図１１】本発明による超音波モータの第６の実施例を
示す部分拡大断面図である。

【図１２】本発明による超音波モータの第７の実施例を
示す部分拡大断面図である。

【図１３】本発明による超音波モータの第８の実施例を
示す部分拡大断面図である。

【図１４】本発明による超音波モータの第９の実施例を
示す部分拡大断面図である。

【図１５】従来の円環型超音波モータの一例を示す断面
図である。

【図１６】図１５に示す超音波モータのステータの断面
の一部を拡大した図である。

【図１７】図１５の圧電体の形成された電極の配置を示
した図である。

【符号の説明】

１移動子２摺動材３弾性体（第１の層Ｉ）４圧電体（第２の層II）４Ａ入力電極４Ｂ入力電極４Ｃ共通電極４Ｍモニタ電極５電極 III 第３の層６接着剤層７接着剤層８樹脂材料層９スペーサ１０粉末１１線状部材１２スペーサ１３線状部材１００支持部材１０１支持部材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電体とその圧電体の励振によって進行
性振動波を発生する弾性体とからなるステータと、前記ステータに加圧接触され前記進行性振動波によって
駆動されるロータとからなる超音波モータにおいて、前記ステータを構成する前記弾性体である第１の層と前
記圧電体である第２の層との間に、前記第１及び第２の
層よりもバネ定数の小さい同一又は異なる材質からなる
１以上の第３の層を設けたことを特徴とする超音波モー
タ。
【請求項２】前記第３の層は、前記第１の層から前記
第２の層への進行性振動波の戻りを阻止する緩衝層であ
ることを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
【請求項３】前記第３の層は、振動エネルギーを伝達
するがそれ自身は振動しないエネルギー貯蔵層であるこ
とを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
【請求項４】前記第３の層は、３μｍ以上の厚みをも
つ接着材層を含むことを特徴とする請求項１に記載の超
音波モータ。
【請求項５】前記第３の層は、厚みを確保するための
スペーサを含むことを特徴とする請求項１に記載の超音
波モータ。
【請求項６】前記第３の層は、外部まで延長されて、
前記ステータを支持することを特徴とする請求項１に記
載の超音波モータ。