JPH08186991A

JPH08186991A - 超音波モータ

Info

Publication number: JPH08186991A
Application number: JP6341182A
Authority: JP
Inventors: Isao Sugaya; 功菅谷
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1994-12-28
Filing date: 1994-12-28
Publication date: 1996-07-16

Abstract

(57)【要約】【目的】加工が容易であって、軽量で高トルクの駆動
力を得ることを可能とする。【構成】円柱を軸方向に略２分割した形状の弾性部材
であって、その外周の一部を駆動面とする弾性体１と、
弾性体１の分割面に挟持され、その弾性体１に屈曲振動
を与える圧電素子２と、弾性体１の分割面に挟持され、
その弾性体に捩じり振動を与える圧電素子３と、弾性体
１を支持する支持体４と、弾性体１の駆動面に接触する
１以上のロータ６とを含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ねじり振動を利用した
超音波モータに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１２は、ねじり振動を利用した超音波
モータの従来例を示す斜視図である。従来、この種の超
音波モータでは、ステータ１０１は、２つの円柱型の振
動子１０２，１０３間に、ねじり振動用の圧電素子１０
４が挟まれ、振動子１０３の上側に、縦振動用の圧電素
子１０５が配置されている。ねじり振動用の圧電素子１
０４は、周方向に分極され、縦振動用の圧電素子１０５
は、厚み方向に分極されている。さらに、ロータ１０６
は、縦振動用の圧電素子１０５の上側に配置されてい
る。

【０００３】ステータ１０１を構成する振動子１０２，
１０３及び圧電素子１０４、１０５は、シャフト１０７
に固定（シャフト１０７のねじ部に螺合）されており、
ロータ１０６は、ボールベアリング１０８を介して、シ
ャフト１０７に回転可能に設けられている。シャフト１
０７の先端は、ばね１０９を介して、ナット１１０が螺
合しており、ロータ１０６をステータ１０１に加圧接触
させている。

【０００４】ねじり振動用の圧電素子１０４と縦振動用
の圧電素子１０５は、発振器１１１から発振される同一
周波数の電圧を、位相器１１２により位相制御して駆動
される。ねじり振動用の圧電素子１０４は、ロータ１０
６が回転するための回転変位を与えている。縦振動用の
圧電素子１０５は、ステータ１０１とロータ１０６との
間に働く摩擦力を、その縦振動用の圧電素子１０５の振
幅に応じて与えている。発振器１１は、圧電素子１０４
によるねじり振動の周期に同期させて、前述した振幅に
応じた摩擦力が周期的に変動するように制御する。そし
て、発振器１１は、圧電素子１０４のねじり振動を一方
向への運動に変換する役割を果たす。なお、ねじり振動
用の圧電素子１０４と縦振動用の圧電素子１０５とに印
加される電圧の周波数は、ほぼ等しく設定されており、
かつ、この周波数は、振動子１０２、１０３とねじり振
動用の圧電素子１０４とを含めたねじり振動系の共振周
波数に設定されていた。

【０００５】図１３は、従来例にかかる超音波モータの
ステータを展開して示した斜視図である。ねじり振動用
の圧電素子１０４は、周方向に分極する必要があるの
で、圧電材料を、図１３に示すように、６〜８個程度の
扇形の小片に一旦分割し、各小片を分極した後に、再度
環状に組み合わせていた。なお、１０４ａは電極であ
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前述した従来
の超音波モータでは、厚みすべり振動を発生する圧電素
子１０４は、回転すべりを生じるように複数個に細分化
して、環状に配置・接着固定しなくてはならなく、加工
が非常に困難であった。

【０００７】また、前述したように、縦振動用の圧電素
子１０５に印加される電圧の周波数は、ねじり振動系の
共振周波数であり、縦振動用の圧電素子１０５により励
振される縦振動系の共振周波数とは異なっていた。この
ために、縦振動用の圧電素子１０５の振幅が、縦振動系
の共振周波数で駆動するときの振幅に比べて小さくなっ
ていた。縦振動用の圧電素子１０５の振幅が小さいため
に、ばね１０９による加圧力が制限されてしまい、高ト
ルクの駆動力を得るためには、ステータ１０１の直径を
大きくしなければならず、重量が増す、という問題があ
った。

【０００８】本発明の目的は、加工が容易であって、軽
量で高トルクの駆動力が得られ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、請求項１の超音波モータは、円柱を軸方向に略２分
割した形状の弾性部材であって、その外周の一部を駆動
面とする弾性体と、前記弾性体の分割面に挟持され、そ
の弾性体に屈曲振動を与える第１の電気機械変換素子
と、前記弾性体の分割面に挟持され、その弾性体に捩じ
り振動を与える第２の電気機械変換素子と、前記弾性体
を支持する支持体と、前記弾性体の駆動面に接触する１
以上の相対移動部材とを含むようにしてある。

【００１０】請求項２の発明は、請求項１に記載の超音
波モータにおいて、前記弾性体の直径をｄ、長さをＬ、
比重をρ、縦弾性率をＥ、横弾性率をＧとしたときに、
前記弾性体の直径ｄと長さＬとの比ｄ／Ｌは、ほぼ次式ｄ／Ｌ≒（１６Ｇ／Ｅ）^1/2・λ₂／λ₁ ただし、λ₁：屈曲振動数係数 λ₂：ねじり振動数係数の関係を有していることを特徴としている。

【００１１】請求項３の発明は、請求項１又は請求項２
に記載の超音波モータにおいて、前記弾性体と前記相対
移動部材とを加圧接触させる加圧部材を設けたことを特
徴としている。請求項４の発明は、請求項１又は請求項
３に記載の超音波モータにおいて、前記第１の電気機械
変換素子は、前記屈曲振動により前記弾性体と前記相対
移動部材との接触状態を変化させることを特徴としてい
る。

【００１２】

【作用】本発明によれば、円柱形状の弾性体の断面に、
たわみ変形を起こす第１の電気機械変換素子と、厚みす
べり変形を起こす第２の電気機械素子を挟み込んで装着
する。それらの電気機械変換素子は、弾性体の寸法等に
よって定められる特定の周波数電圧を印加することによ
って、弾性体に屈曲振動とねじり振動が同時に発生させ
る。そして、弾性体の両端に発生する互いに方向の異な
るねじり変位を、弾性体の屈曲振動により相対移動部材
との接触周期を制御しながら、その相対移動部材に伝達
することにより、相対移動部材の駆動する。また、前述
のような構成にしたので、第１の電気機械変化素子によ
り励振する屈曲振動系と第２の電気機械変換素子により
励振するねじり振動系との共振周波数を一致させること
ができるので、トルクの大きい超音波モータを実現する
ことができる。

【００１３】

【実施例】

（第１の実施例）以下、図面等を参照して、実施例をあ
げ、本発明を詳細に説明する。図１は、本発明による超
音波モータの第１の実施例を示す断面図である。弾性体
１は、金属又はプラスチック等の円柱状をした弾性変形
可能な部材であり、円柱を軸方向に分割した分割面に、
複数枚の圧電素子２、３を挟持している。圧電素子２、
３は、後述するように、弾性体１に１次のたわみ固有振
動と１次のねじり固有振動を発生させる素子である。弾
性体１は、回転軸４にベアリング等の軸受け５を介し
て、回転自在に取り付られている。

【００１４】ロータ（相対移動部材）６は、円盤状の部
材である。また、ロータ６には、回転方向を拘束するジ
ョイント８が設けられ、スプリング７によって、弾性体
１の方向に付勢されている。

【００１５】図２は、第１の実施例に係る超音波モータ
の圧電素子の配置を示した図、図３及び図４は、第１の
実施例に係る超音波モータの弾性体の屈曲振動を示す模
式図である。圧電素子２は、電気エネルギーを機械エネ
ルギーに変換し、弾性体１に屈曲振動を与えるための素
子（第１の電気機械変換素子）であり、圧電歪定数ｄ₃₁
の高いものが好ましくを用いられる。圧電素子３は、電
気エネルギーを機械エネルギーに変換し、弾性体１にね
じり振動を与えるための素子（第２の電気機械変換素
子）であり、圧電歪定数ｄ₁₅の高いものが好ましくを用
いられる。

【００１６】弾性体１は、図２に示すように、円柱形状
を長手方向に２つに分割した半円柱１ａ，１ｂから構成
されている。圧電素子２、３は、図２（ｂ）に示すよう
に、弾性体１の半円柱１ａ，１ｂの分割面に、複数枚挟
み込んで接着されている。この実施例では、圧電素子
２、３は、それぞれ２枚づつ重ねたものを、弾性体１の
中心軸に対して点対称になるように、２列配置してあ
る。弾性体１と屈曲用の圧電素子２とねじり用の圧電素
子３とから構成される振動体は、屈曲用の圧電素子２に
より励振する屈曲用振動系であり、かつ、ねじり用の圧
電素子３により励振するねじり用振動系である。ここ
で、弾性体１の直径をｄ、長さをＬ、比重をρ、縦弾性
率をＥ、横弾性率をＧとすると、屈曲用振動系の屈曲共
振周波数ｆ_Bは、ｆ_B＝（λ₁ｄ／２πＬ²）・（Ｅ／１６ρ）^1/2 となる。ここで、λ₁は、屈曲振動数係数であり、振動
次数と弾性体１の支持方法等により決定する値である。
また、ねじり用振動系のねじり共振周波数ｆ_Tは、ｆ_T＝（λ₂／２πＬ）・（Ｇ／ρ）^1/2 となる。ここで、λ₂は、ねじり振動数係数であり、振
動次数と弾性体１の支持方法等により決定する値であ
る。本実施例では、屈曲共振周波数ｆ_Bとねじり共振周
波数ｆ_Tとが一致するように、弾性体１の直径ｄと長さ
Ｌとの比ｄ／Ｌを以下のような関係にして、弾性体１の
寸法を決定している。ｄ／Ｌ＝（１６Ｇ／Ｅ）^1/2・λ₂／λ₁ 本実施例では、上述のように弾性体１の寸法を決定して
いるので、トルクの大きい超音波モータを実現してい
る。

【００１７】図３において、屈曲用の圧電素子２は、上
側が縮み（矢印Ａ）下側が伸びる（矢印Ｂ）ように変形
すると、弾性体１は、下に凸となるように撓むことにな
る。このときに、ねじり用の圧電素子３は、外側が右
（矢印Ｃ）内側が左（矢印Ｄ）になるように厚み滑り変
形をするので、弾性体１は、右側から見て時計方向（矢
印Ｅ）にねじられ、左側から見て反時計方向（矢印Ｆ）
にねじられる。

【００１８】図４において、屈曲用の圧電素子２は、上
側が伸び（矢印Ｂ）下側が縮む（矢印Ａ）ように変形す
ると、弾性体１は、上に凸となるように撓むことにな
る。このときに、ねじり用の圧電素子３は、内側が右
（矢印Ｄ）外側が左（矢印Ｃ）になるように厚み滑り変
形をするので、弾性体１は、右側から見て反時計方向
（矢印Ｆ）にねじられ、左側から見て時計方向（矢印
Ｅ）にねじられる。

【００１９】図５は、第１の実施例に係る超音波モータ
の駆動回路を示すブロック図である。発振器２１は、周
波数電圧を発振するためのものであり、その出力は分岐
して、一方は、ねじり振動と屈曲振動との位相を制御す
る移相器２８を介して、増幅器２２によって増幅された
後に（ｓｉｎωｔ）、たわみ用の圧電素子２に接続され
ている。また、発振器２１の分岐した他方の出力は、更
に分岐して、一方は、増幅器２３に接続されており、他
方は、１８０°位相器２４に接続されている。１８０°
位相器２４は、発振器２１からの周波数信号（ｓｉｎω
ｔ）を１８０°移相するためのものであり、その出力
は、増幅器２５に接続されている。

【００２０】増幅器２３の出力（ｓｉｎωｔ）は、切換
スイッチ２６を介して、１対の圧電素子２に接続されて
おり、増幅器２５の出力（−ｓｉｎωｔ）は、切換スイ
ッチ２７を介して、１対の圧電素子２に接続されてい
る。この切換スイッチ２６、２７は、増幅器２３、２５
の出力を選択的に圧電素子２に接続して、ロータ６の正
逆回転を切り換えるためのスイッチである。

【００２１】図６、図７は、第１の実施例に係る超音波
モータの動作を説明するための図である。ロータ６は、
弾性体１の外周（駆動面）の両端に接している。このロ
ータ６は、弾性体１に対して、スプリング７によって加
圧接触されている。図６に示すように、弾性体１が右側
から見て時計方向（左側から見て反時計方向）のねじり
振動を行う半周期の間には、弾性体１は、屈曲振動よっ
てロータ６の方向に変形し、弾性体１のねじり運動は、
摩擦力を介して、ロータ６に伝達される。従って、ロー
タ６は、反時計方向（矢印Ｇ）に回転する。

【００２２】また、図７に示すように、弾性体１が右側
から見て反時計方向（左側から見て時計方向）のねじり
振動を行う半周期の間には、弾性体１は、屈曲振動によ
ってロータ６から離れる方向に変形するために、弾性体
１のねじり運動は、ロータ６に伝達されない。

【００２３】なお、ロータ６を逆回転させるには、図５
に示した切換スイッチ２６、２７を切り換えて、圧電素
子２に加える周波数を、相対的に半周期遅らせ（進ま
せ）ればよい。また、図６と図７とに図示されている弾
性体１は、不図示の回転止め部材により、弾性体１が回
転しないように構成されている。

【００２４】（第２の実施例）図８は、本発明による超
音波モータの第２の実施例を示した図、図９、図１０
は、第２の実施例に係る超音波モータの動作を説明する
ための図である。なお、以下に説明する実施例では、前
述した第１の実施例と同様な機能を果たす部分には、同
一の符号を付して、重複する説明を適宜省略する。

【００２５】第２の実施例は、１つの弾性体１を用いて
２つのロータ６、９を回転させるようにしたものであ
る。図８に示すように、２つの円盤状のロータ６、９
は、弾性体１の外周の両端を挟み込むように配置されて
いる。２つのロータ６、９は、弾性体１に対して、スプ
リング７、７によって加圧接触させられている。

【００２６】図９に示すように、弾性体１が右側から見
て時計方向（左側から見て反時計方向）のねじり振動を
行う半周期の間には、弾性体１は、屈曲振動よって上側
のロータ６の方向に変形し、弾性体１のねじり運動は、
摩擦力を介して、ロータ６のみに伝達される。従って、
ロータ６は、反時計方向（矢印Ｇ）に回転する。

【００２７】また、図１０に示すように、弾性体１が右
側から見て反時計方向（左側から見て時計方向）のねじ
り振動を行う半周期の間には、弾性体１は、屈曲振動に
よって上側のロータ６から離れる方向に変形し、下側の
ロータ９のみに接触するために、弾性体１のねじり運動
は、ロータ９のみに伝達される。従って、ロータ９は、
反時計方向（矢印Ｇ）に回転する。

【００２８】このような構造により、弾性体１のねじり
振動が反転する１周期中においても、ロータ６、９は、
反時計方向にのみ回転し続けることができる。なお、ロ
ータ６、９を逆回転させるには、圧電素子２に加える周
波数を、相対的に半周期遅らせ（進ませ）ればよい。な
お、本実施例の弾性体１も、不図示の回転止め部材によ
り弾性体１が回転しないように構成されている。

【００２９】（第３の実施例）次に、図１１を用いて、
本発明の第３の実施例について説明を続ける。弾性体３
１は、第１の実施例と同様に弾性変形可能な部材であ
り、図１１（ｂ）に示してあるように、円柱を軸方向に
分割した分割面に複数の圧電素子３２、３３を挟持して
いる。摺動材３４は、弾性体３１の下部に接着させてい
る。移動体３５は、摺動材３４とローラ３６との間に配
設されており、圧電素子３２、３３の振動に応じて、図
面のＺ方向に移動可能である。押圧バネ３７は、不図示
のバネ圧力調節機構により、弾性体３１を加圧する加圧
力が調節される。加圧力伝達部材３８は、押圧バネ３７
の加圧力を弾性体３１に伝達する。なお、第３の実施例
の制御は、前述の第１の実施例と同じであるので、その
説明を省略する。前述の第１及び第２の実施例の超音波
モータでは、出力が回転力であったが、第３の実施例で
は、前述したように構成しているきで、リニアの出力を
取り出すことができる。このために、第３の実施例の超
音波モータは、例えば、プリンターの用紙送りなどのリ
ニアの出力を必要とする駆動源として使用することがで
きる。

【００３０】（その他の実施例）以上説明した実施例に
限定されることなく種々の変形が可能であって、それら
も本発明に含まれる。例えば、電気機械変換素子は、圧
電素子の代わりに、電歪素子を用いてもよい。

【００３１】

【発明の効果】以上詳しく説明したように、円柱を軸方
向に略２分割した形状の弾性体の分割面に、ねじり振動
を与える第２の電気機械変換素子を配置したので、加工
が極めて容易に行えるようになった。

【００３２】また、弾性体の両端で発生するねじり運動
を、第１の電気機械変換素子によって弾性体に屈曲振動
を発生させながら、相対移動部材に接触させることによ
り、弾性体の両端のねじり運動を相対移動部材に効率よ
く伝達できる。

【００３３】さらに、相対移動部材は、弾性体を挟み込
むように設置した場合には、弾性体のねじり運動方向が
反転する半周期分に対しても、駆動力を取り出すことが
でき、エネルギー効率の高い超音波モータが得られる。

【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
した断面図である。

【図２】第１の実施例に係る超音波モータの圧電素子の
配置を示した図である。

【図３】第１の実施例に係る超音波モータの弾性体の屈
曲振動を示す模式図である。

【図４】第１の実施例に係る超音波モータの弾性体の屈
曲振動を示す模式図である。

【図５】第１の実施例に係る超音波モータの駆動回路を
示すブロック図である。

【図６】第１の実施例に係る超音波モータの動作を説明
するための図である。

【図７】第１の実施例に係る超音波モータの動作を説明
するための図である。

【図８】本発明による超音波モータの第２の実施例を示
した図である。

【図９】第２の実施例に係る超音波モータの動作を説明
するための図である。

【図１０】第２の実施例に係る超音波モータの動作を説
明するための図である。

【図１１】本発明による超音波モータの第３の実施例を
示した図である。

【図１２】ねじり振動を利用した超音波モータの従来例
を示す斜視図である。

【図１３】従来例にかかる超音波モータのステータを展
開して示した斜視図である。

【符号の説明】

１弾性体２圧電素子（屈曲振動用）３圧電素子（ねじり振動用）４回転軸５軸受け６ロータ７スプリング８ジョイント９ロータ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】円柱を軸方向に略２分割した形状の弾性
部材であって、その外周の一部を駆動面とする弾性体
と、前記弾性体の分割面に挟持され、その弾性体に屈曲振動
を与える第１の電気機械変換素子と、前記弾性体の分割面に挟持され、その弾性体に捩じり振
動を与える第２の電気機械変換素子と、前記弾性体を支持する支持体と、前記弾性体の駆動面に接触する１以上の相対移動部材
と、を含む超音波モータ。
【請求項２】請求項１に記載の超音波モータにおい
て、前記弾性体の直径をｄ、長さをＬ、比重をρ、縦弾性率
をＥ、横弾性率をＧとしたときに、前記弾性体の直径ｄ
と長さＬとの比ｄ／Ｌは、ほぼ次式ｄ／Ｌ≒（１６Ｇ／Ｅ）^1/2・λ₂／λ₁ ただし、λ₁：屈曲振動数係数 λ₂：ねじり振動数係数の関係を有していることを特徴とする超音波モータ。
【請求項３】請求項１又は請求項２に記載の超音波モ
ータにおいて、前記弾性体と前記相対移動部材とを加圧接触させる加圧
部材を設けたことを特徴とする超音波モータ。
【請求項４】請求項１又は請求項２に記載の超音波モ
ータにおいて、前記第１の電気機械変換素子は、前記屈曲振動により前
記弾性体と前記相対移動部材との接触状態を変化させる
ことを特徴とする超音波モータ。