JPH0795780A - モード回転型超音波モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 金属円柱にたわみ振動のモード回転を生じさ
せてロータを駆動するモード回転型超音波モータにおい
て、その出力トルクを大きくするとともに、動作を安定
化させる。 【構成】 ステータ振動子２は、一対の金属円柱４，５
と、その間に挟み込まれる圧電素子６，７とによって構
成されている。それらは、金属円柱４，５の内部に挿通
されるボルトによって強力に締め付けられている。圧電
素子６，７は厚さ方向に分極されており、周方向に８分
割された内部電極１１に時間的・空間的に直交する交流
電圧を印加することによって駆動されるようになってい
る。金属円柱４，５には軸線方向に延びるスリット１０
が形成され、周方向の剛性が小さくされている。圧電素
子６，７を駆動すると、ステータ振動子２がたわみ振動
し、その振動モードが周方向に回転するので、振動子２
の端面に押し付けられているロータ３が摩擦力により回
転駆動される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、カメラの自動焦点装置
におけるアクチュエータなど、駆動トルクを必要とする
機器への組み込み用小型モータとして用いられる超音波
モータに関するもので、特に、円柱状の弾性体のたわみ
振動を利用してロータを回転させるようにしたモード回
転型超音波モータに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】超音波モータは、高周波の固体振動であ
る超音波振動を、一方向への直線あるいは回転運動に変
換し、駆動力として取り出すようにしたものである。あ
らかじめ可動物体を振動体に押し付けておき、その振動
体に、互いに方向の異なる二つの振動成分を有する高周
波振動を起こさせると、可動物体は、振動の頂点付近に
おいて振動体に接触し、摩擦力により推力を受けて一方
向に移動する。超音波モータはこのような原理に基づく
ものであり、従来の電磁型モータに比べると、同一形状
において機械的発生力を１０倍以上大きくすることがで
き、また、比較的低速であるので、減速機構を省略ある
いは簡略化することができる。さらに、剛性が高く、静
粛であり、精度も高い、などという特徴を有している。

【０００３】このような超音波モータには、縦振動を方
向変換して駆動力を取り出すモード変換型モータや、縦
振動とねじり振動とのような二つの振動のモードを組み
合わせて用いる複合振動子型モータ、弾性体中を弾性波
が伝播する際に弾性体表面の粒子が楕円軌跡を描いて運
動することを利用して超音波振動を一方向への運動に変
換する進行波型モータなどがある。モード変換型超音波
モータは出力が高く、高トルクのものが得られるが、一
方向にしか回転させることができず、また、摩擦駆動面
が摩耗しやすいという問題がある。また、複合振動子型
超音波モータも、得られるトルクは大きいが、ステータ
振動子とロータとの接触状態が間欠的な動作となるため
に、ロータが振動してその振動がモータの動作に影響を
与えるなどという問題があり、動作の安定化及びより大
きなトルクの発生を図ることが困難となっている。これ
に対して、進行波型超音波モータは、ステータ振動子と
ロータとが常に接触しており、その接触位置が時間とと
もに移動することによりロータを回転させるものである
ので、モード変換型や複合振動子型モータのように激し
いトルク変動が生じることがなく、原理的には常に一定
のトルクでロータを駆動することができる。

【０００４】従来の進行波型超音波モータは、薄い金属
円環あるいは円板からなるステータの底面に、励振しよ
うとする振動モードの次数に応じて周方向に分割された
圧電素子を貼り付け、位相の異なる二つの交流電源によ
って駆動することにより、各圧電素子を周方向に伸縮さ
せて、ステータをその軸線方向にたわみ振動させるとと
もに、そのたわみ振動を周方向に進行させ、それに摩擦
接触するロータを進行波とは反対方向に回転させる、と
いうものであった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、そのよ
うな進行波型超音波モータでは、そのステータ振動子の
構成上、ロータを強く押し付けることができないので、
大きなトルクを得ることができない。そこで、より強力
な振動子を用い、それによって、径の小さいステータ振
動子でも大きなトルクを取り出すことができるようにし
たモード回転型超音波モータが考えられている。図４に
示されているように、その超音波モータにおいては、ス
テータ振動子０１は、一対の円柱状金属ブロック０２，
０２間に円板状の圧電素子０３を挟み込み、それらをボ
ルトによって強力に締め付けたものとされている。その
圧電素子０３は厚さ方向に分極されており、内部電極０
４は周方向に４分割されている。そして、その電極０４
に、時間的・空間的に直交する二つの交流電圧が加えら
れるようになっている。ロータ０５は、そのステータ振
動子０１の一端面に強く押し付けられている。このよう
なモード回転型超音波モータによれば、金属円柱０２の
周方向の各位置に加わる縦振動によりその金属円柱０２
が軸線Ｉに直交する方向にたわみ振動し、その振動モー
ドの回転によってロータ０５が駆動されるので、薄い円
環あるいは円板状振動子のたわみ振動を利用した進行波
型超音波モータの数倍程度の出力トルクを得ることがで
きる。しかしながら、そのような円柱状ステータ振動子
のたわみ振動のモード回転を用いた超音波モータでも、
出力トルクのより大きい複合振動子型超音波モータに比
べると、そのトルクは１／３程度であり、まだ十分とは
言えない。

【０００６】本発明は、このような実情に鑑みてなされ
たものであって、その目的は、より大きなトルクを発生
させることができる、動作の安定したモード回転型超音
波モータを得ることである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明では、上述のようなモード回転型超音波モー
タのステータ振動子を構成する一対の金属円柱に、周方
向の剛性を小さくする加工を施すようにしている。その
ように周方向の剛性を小さくするには、例えば軸線方向
に延びるスリットを設ければよい。上述のものと同様
に、それらの金属円柱間には円板状の圧電素子が挟み込
まれ、それらがボルト等によって強力に締め付けられて
いる。その圧電素子の内部電極は周方向に分割されてお
り、その内部電極に、時間的・空間的に直交する二つの
交流電圧が印加されるようになっている。その内部電極
は周方向に８分割、１２分割、１６分割、…等として、
金属円柱にたわみ振動を起こさせる縦振動を、周方向に
２以上のノードを持つ高次モードとすることが望まし
い。

【０００８】

【作用】このように構成されたモード回転型超音波モー
タにおいては、圧電素子を駆動すると、金属円柱が周方
向の各位置においてそれぞれ縦振動をする。そして、金
属円柱が伸長する位置と収縮する位置との間では周方向
の振動成分が発生する。したがって、金属円柱の端面の
各点が楕円軌跡を描いて運動し、その端面が波打った形
状となる。そして、その振動モードが周方向に回転移動
する。その結果、ロータがモードの回転方向とは反対方
向に回転駆動される。駆動電圧の一方の位相を反転する
と、モードの回転方向が反転するので、ロータの回転方
向も反転する。その場合、金属円柱にはその周方向の剛
性を小さくする加工が施されているので、周方向には比
較的大きくたわむ。したがって、金属円柱の端面におけ
る周方向振動成分が大きくなる。一方、金属円柱の軸線
方向の剛性は高く、しかも、圧電素子を挟み付けるため
に各金属円柱間はボルト等によって強力に締め付けられ
るので、その軸線方向の振動成分は小さく抑えられる。
その結果、周方向振動成分と縦振動成分との比が極めて
大きくなり、モータ動作に有効な周方向振動成分を大き
くするとともに、縦方向の力係数を大きくして制御可能
な摩擦力を増大させることが可能となる。

【０００９】

【実施例】以下、図面を用いて本発明の実施例を説明す
る。図中、図１〜３は本発明によるモード回転型超音波
モータの一実施例を示すもので、図１はその縦断面図で
あり、図２はそのステータ振動子及びロータ部分の斜視
図である。また、図３は、その超音波モータに用いられ
ている圧電素子の内部電極に対する結線状態を示す回路
図である。

【００１０】図１及び図２から明らかなように、この超
音波モータ１は、ステータ振動子２とロータ３とを備え
ている。ステータ振動子２は、上下直列に配置される一
対の金属円柱４，５間に２枚の圧電素子６，７を挟み込
んだもので、それらの金属円柱４，５は中空、すなわち
厚肉円筒状とされている。そして、その金属円柱４，５
の内部にボルト８が挿通されている。上側の金属円柱４
の内面には、ボルト８の頭部８ａが係合する肩部４ａが
形成されている。また、下側の金属円柱５の下端面に
は、そのボルト８に螺合するナット９が係合するように
されている。こうして、金属円柱４，５及び圧電素子
６，７は、中心部のボルト８によって強力に締め付けら
れるようになっている。それらの金属円柱４，５には、
その上部あるいは下部を残して軸線方向に延びる複数の
スリット１０，１０，…が形成されている。そのスリッ
ト１０は圧電素子６，７にまで達している。

【００１１】圧電素子６，７は中心部に開口を有する円
板状のもので、各圧電素子６，７は互いに逆向きに厚さ
方向に分極されている。また、それらの圧電素子６，７
間には中央側の内部電極１１が挟み込まれている。図３
に示されているように、その内部電極１１は周方向に８
分割されており、空間的に直交する方向に、時間的に直
交する二つの交流電圧Ｖ₀sinωｔ，Ｖ₀cosωｔが加えら
れるようになっている。また、上側の圧電素子６と金属
円柱４との間にはグランド側の電極１２が配置されてい
る。その電極１２は、ステータ振動子２のたわみ振動の
ノード部に位置するようにされている。そして、その電
極１２が固定部１３に固定され、それによって超音波モ
ータ１が支持されるとともに、アース接続されるように
なっている。

【００１２】ロータ３は、上側の金属円柱４の上端面上
に配置され、ボルト８にねじ止めされるシャフト１４に
より、ボールベアリング１５を介して回転自在に支持さ
れるようになっている。また、そのロータ３の上面には
スラストベアリング１６が係合するようにされている。
そして、そのスラストベアリング１６とシャフト１４の
上端に螺合するナット１７との間に板ばね１８が配置さ
れている。こうして、ロータ３は、板ばね１８により上
側の金属円柱４の上端面に押圧されて摩擦接触するよう
にされている。

【００１３】次に、このように構成された超音波モータ
１の作用について説明する。上述のように、圧電素子
６，７は互いに逆向きとして厚さ方向に分極されてい
る。そして、上側の圧電素子６は、その上面がグランド
側の電極１２を介してアース接続されている。また、下
側の圧電素子７は、その下面が下側の金属円柱５、ナッ
ト９、ボルト８、上側の金属円柱４、及び電極１２を介
してアース接続されている。したがって、それらの圧電
素子６，７間に挟み込まれている内部電極１１に交流電
圧を印加すると、その圧電素子６，７が同時に厚さ方向
に伸縮振動する。その場合、印加する電圧を図３に示さ
れているような時間的・空間的に直交する交流電圧とす
ると、圧電素子６，７は、ある直径の両端で同時に伸長
するとともに、それに直交する位置で収縮し、しかも、
その伸縮位置が周方向に移動する。そして、その振動が
金属円柱４，５に伝えられるので、金属円柱４，５が周
方向の各位置においてそれぞれ縦振動する。したがっ
て、ステータ振動子２がその軸線に直交する方向にたわ
み振動する。そのようにステータ振動子２がたわみ振動
すると、金属円柱４，５には周方向の振動成分が発生す
る。その結果、金属円柱４の上端面の各点が楕円軌跡を
描いて運動することになる。しかも、その振動モードが
周方向に回転するので、金属円柱４の上端面は、周方向
に進行する進行波が発生したような状態となる。

【００１４】このようにして、金属円柱４の上端面が波
打つ。その波は、周方向に二つの山と谷とを有するもの
で、それが時間とともに移動する。そして、その山の頂
点部分において、板ばね１８により押し付けられている
ロータ３に摩擦接触する。その山の部分では、金属円柱
４の各点は波の進行方向とは反対方向に運動している。
したがって、ロータ３が進行波とは反対方向に回転駆動
される。圧電素子６，７の内部電極１１に加える二つの
交流電圧のうちの一方の位相を反転させると、金属円柱
４の上端面に生ずる波の進行方向が逆となる。したがっ
て、ロータ３を逆転させることもできる。

【００１５】このようにステータ振動子２の端面に周方
向の進行波を発生させ、そのステータ振動子２との間の
摩擦力によってロータ３を回転させる場合、モータとし
ての動作に重要なロータ３の回転速度は振動子２の端面
の各点が描く楕円軌跡の周方向成分によって定められ、
出力はその間に作用する摩擦力によって決定される。こ
の超音波モータ１の場合には、上述のようにステータ振
動子２を構成する金属円柱４，５に軸線方向のスリット
１０が設けられているので、その金属円柱４，５は周方
向には比較的たわみやすい。したがって、金属円柱４の
上端面における周方向の振動成分が大きくなり、ロータ
３が大きな速度で回転駆動されることになる。また、金
属円柱４，５は軸線方向には剛性が高く、しかも、ボル
ト８によって強力に締め付けられているので、縦方向の
振動成分は小さく抑えられる。したがって、縦方向の力
係数が大きくなり、制御可能な摩擦力を大きくすること
ができる。

【００１６】さらに、圧電素子６，７の内部電極１１と
して、周方向に８分割したものが用いられているので、
ステータ振動子２に生ずる振動が、周方向に二つのノー
ドをもつ縦振動モードとなる。すなわち、金属円柱４の
上端面に生ずる波が、上述のように二つの山を有するも
のとなる。したがって、ロータ３が常に２点で金属円柱
４と接触することになり、安定に支持されるようにな
る。また、金属円柱４の上端面の各点が描く楕円軌跡を
ロータ３に直交させることができるので、より効率の高
い駆動を行わせることができる。その内部電極を更に多
数に分割し、より高次の振動モードを用いるようにすれ
ば、口径を大きくして高トルク化を図ることもできる。

【００１７】また、圧電素子６，７のグランド側電極１
２がステータ振動子２のたわみ振動のノード位置に配置
されているので、その電極１２を固定部１３に固定して
も、振動子２の振動は許容される。したがって、圧電素
子６，７のアース接続が容易となるとともに、その電極
１２を利用して超音波モータ１を支持することが可能と
なる。なお、圧電素子６，７の内部電極１１をステータ
振動子２のたわみ振動のノード部に配置し、その電極１
１を固定部１３に固定することにより超音波モータ１が
支持されるようにすることもできる。その場合には、グ
ランド側の電極１２は、柔軟なリード線を介してアース
接続されるようにする。また、圧電素子６，７の電極１
１及び１２のいずれをもステータ振動子２のたわみ振動
のノード部に位置させることができず、そのノード位置
が金属円柱４あるいは５上となってしまうような場合に
は、その金属円柱４，５のノード部分を適宜の手段によ
り固定部１３に固定し、それによって超音波モータ１が
支持されるようにすればよい。その場合、金属円柱４，
５がその支持手段を介してアース接続されるようにすれ
ば、グランド側電極１２を省くこともできる。

【００１８】金属円柱４，５の軸線方向の剛性が保持さ
れるようにしながら、その周方向の剛性を小さくするに
は、上記実施例のようなスリット１０を設ける代わり
に、軸線方向に延びる溝を形成するようにしてもよい。
また、軸線方向に肉厚の異なる部分を設けることにより
その捩り剛性を小さくし、周方向にたわみやすくするこ
とも考えられる。

【００１９】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、モード回転型超音波モータのステータ振動子
を構成する金属円柱に周方向の剛性を小さくする加工を
施すようにしているので、その振動子の縦方向の振動成
分に対して周方向の振動成分が大きくなり、超音波モー
タの駆動効率を向上させるとともに、縦方向の発生力を
大きくすることができる。したがって、制御可能な摩擦
力を大きくすることができ、超音波モータの動作の安定
化及び大トルク化を図ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるモード回転型超音波モータの一実
施例を示す縦断面図である。

【図２】その超音波モータのステータ振動子及びロータ
部分を示す斜視図である。

【図３】その超音波モータに用いられている圧電素子の
内部電極に対する結線状態を示す回路図である。

【図４】本発明が改良しようとするモード回転型超音波
モータの動作を説明するための概略側面図である。

【符号の説明】

１ 超音波モータ ２ ステータ振動子 ３ ロータ ４，５ 金属円柱 ６，７ 圧電素子 ８ ボルト １０ スリット（周方向の剛性を小さくする加工） １１ 内部電極 １２ グランド側電極 １８ 板ばね

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一対の金属円柱間に、厚さ方向に分極さ
   れた円板状の圧電素子を挟み込み、その圧電素子を、周
   方向に分割された内部電極に時間的・空間的に直交する
   二つの交流電圧を加えて駆動することにより、前記金属
   円柱にたわみ振動のモード回転を生じさせ、その金属円
   柱の一端面に摩擦接触するロータを回転させるようにし
   たモード回転型超音波モータにおいて；前記金属円柱
   に、周方向の剛性を小さくする加工が施されていること
   を特徴とする、 モード回転型超音波モータ。
2. 【請求項２】 前記金属円柱にたわみ振動を起こさせる
   縦振動が、周方向に２以上のノードを持つ高次モードと
   されている、 請求項１記載のモード回転型超音波モータ。
3. 【請求項３】 前記圧電素子のグランド側電極が、前記
   金属円柱のたわみ振動のノード位置に配置されており、 そのグランド側電極によって固定支持されていることを
   特徴とする、 請求項１記載のモード回転型超音波モータ。