JPH08331875A

JPH08331875A - モータ

Info

Publication number: JPH08331875A
Application number: JP8176548A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Tamai; 淳玉井; Maki Saito; 真樹斉藤; Shunichi Nakahara; 俊一中原
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1996-07-05
Filing date: 1996-07-05
Publication date: 1996-12-13

Abstract

(57)【要約】【課題】振動子に充分なトルクを与えて効率よく回転
力を取り出せ、また小型化できるモータを提供する。【解決手段】略棒状の振動子１と、該振動子１と同軸
に回転中心を有する移動部材８と、を有し、該振動子１
の摩擦摺動部が軸心と直交する平面において円運動し、
該摩擦摺動部と該移動部材との摩擦接触により該移動部
材を回転させるモータにおいて、前記移動部材８は中空
状に形成され、前記振動子１の摩擦摺動部と前記移動部
材とを圧接させる為のバネ３６を、該移動部材の中空内
に位置させた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電磁力によらず機
械的動力を発生するモータに係り、詳しくは振動子に励
起される円運動を利用し、振動子と同軸的に嵌合する被
駆動体を摩擦駆動により回転させるモータに関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の振動子としては、例えば
特開昭62-141980 号、特開昭63-214381 号がある。

【０００３】このような振動子は、図１２に示すよう
に、根本部の外径が先端部に向け漸減するホーン形状を
有した金属丸棒からなる振動体100 と、振動体100 の大
径部と同径の外径を有する円環形状の金属からなる押え
体101 との間に、円環形状に形成した２つの電歪素子板
102,103 を配置して、ボルト104 により押え体101 を振
動体100 に固定し、電歪素子板102,103 を圧接保持した
ものである。電歪素子板102,103 は片面側に互いに分極
方向が異なる２つの電極が対称に分割形成されると共
に、他面側に共通電極が形成され、夫々９０°の位置的
位相を有して分割電極側を前側にして配置されている。
また、電歪素子板102,103 の間には、後側の電歪素子板
103 の各分割電極及び前側の電歪素子板102 の共通電極
と接触する電極板106 が配置され、前側の電歪素子板10
2 の分割電極は振動体100 と、後側の電歪素子103 の共
通電極は共通電極板105 と夫々接触している。

【０００４】そして、前側の電歪素子板102 と後側の電
歪素子板103 に振幅及び周波数が共に等しい交流電圧を
時間的に位相差を有して印加することにより、振動子に
電歪素子板102 の振動と電歪素子板103 の振動の合成し
た振動を発生させ、振動子の先端を円運動させるように
している。

【０００５】図１３はこのような振動子を駆動源とした
モータで、振動子の先端を円板108の表面側に圧接し、
振動子の先端の円運動により円板108 を摩擦駆動して、
円板108 の中心に固定した回転軸109 から回転力を出力
する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
振動子を利用したモータは、振動子の先端部の動きを利
用しているが、本発明者の実験では、被駆動体である円
板に充分な駆動トルクを与えることができない難点があ
る。

【０００７】その理由としては次の２点が考えられた。
すなわち、第１点は先端の自由端は円運動を生じる縄飛
び振動の腹になっているのと同時に軸方向の振動の腹に
なっているため、前述の特開昭62-141980 号、特開昭63
-214381 号の主張している先端が軸心に対して垂直な面
内での円運動は実際にはしておらず、振動の１周期に１
回だけ移動体に接触する円滑でない摩擦駆動形態を呈し
ている事である。第２点は振動子の先端部と円板との接
触時での圧接力を適正に設定することが難しいことであ
る。

【０００８】本出願に係る発明の目的は、効率よく回転
力を取り出せ、また小型化できるモータを提供すること
にある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本出願に係る発明の目的
を実現する構成は、略棒状の振動子と、該振動子と同軸
に回転中心を有する移動部材と、を有し、該振動子の摩
擦摺動部が軸心と直交する平面において円運動し、該摩
擦摺動部と該移動部材との摩擦接触により該移動部材を
回転させるモータにおいて、前記移動部材は中空状に形
成され、前記振動子の摩擦摺動部と前記移動部材とを圧
接させる為のバネを、該移動部材の中空内に位置させた
ことを特徴とするモータにある。

【００１０】

【発明の実施の形態】

（前提技術１）図２は本発明によるモータの前提となる
技術１の分解斜視図である。

【００１１】１は先端部の小径軸部１ａと後端部の大径
軸部１ｂとの間に径が先端部に向け漸減するホーン形状
のホーン部１ｃを形成した金属丸棒からなる振動体、２
は振動体１の大径軸部１ｂと同径の外径に形成された軸
心にボルト通し孔を有する金属丸棒からなる押え体、３
及び４は大径軸部１ｂと同径の外径に形成された円環形
状の圧電素子板、５は圧電素子板３，４の電極板で、振
動体１と押え体２との間に、電極板５を挟むようにして
圧電素子板３，４を配し、ボルト６により押え体２を振
動体１に固定することにより、圧電素子板３，４を振動
体１と押え体２との間に固定して、振動子Ａを構成して
いる。ボルト６はその頭部が円環状の絶縁体７を介して
押え体２に接し、且つ軸部が圧電素子板３，４及び電極
板５と非接触状態に保持されている。

【００１２】圧電素子板３，４は、片面側に分極方向が
互いに異なり、且つ厚み方向に分極された２つの電極
（＋電極ａ、−電極ｂ）が中心軸線位置に形成された絶
縁部ｄの両側に対称に形成されると共に、他面側に＋電
極ａ、−電極ｂの共通電極ｃが形成されていて、振動子
Ａの軸線に対して互いに位置的位相が９０°角度ずれて
配置されている。なお、圧電素子板３の分極電極（＋電
極ａ、−電極ｂ）は導電体である振動体１の後端面に接
し、また圧電素子板４は導電体である押え体２の前端面
に接している。

【００１３】そして、電極板５と振動子１との間に交流
電圧Ｖ₁ を、また電極板５と押え体２との間に交流電圧
Ｖ₂ を印加することにより、圧電素子板３の厚み方向に
おける伸縮変位による振動と、圧電素子板４の厚み方向
における伸縮変位による振動との合成により振動子Ａを
振動させる。

【００１４】交流電圧Ｖ₁ と交流電圧Ｖ₂ とは、図３に
示すように、振幅及び周波数が共に同じで、時間的、空
間的位相が９０°のずれを有している。

【００１５】したがって、振動子Ａは、軸心を中心と
し、縄飛びの縄のような円運動（以下縄飛び振動と称
す）を行なうことになる。なお、この円運動が生じる原
理については、公知であるので説明は省略する。

【００１６】ここで、振動子Ａの両端を自由端とした場
合、縄飛び振動の腹の位置は振動子Ａの両端に形成され
ることになり、振動子Ａの形状から振動体１の先端にお
ける円運動の径は押え体２の後端よりも大きいが、前述
したように、振動体１の先端の円運動におけるトルクは
小さい。

【００１７】本前提技術１は、振動子Ａにおける振動体
１のホーン部１ｃの摺動部Ｂに縄飛び振動の腹の位置が
くるように振動子Ａを設計し、その共振周波数で圧電素
子板３，４を駆動している。

【００１８】すなわち、振動子Ａは、縄飛び振動モード
で３節又はそれ以上のモードで振動し、少なくとも振動
子Ａの両端と摺動部Ｂとを該振動モードの腹として振動
し、振動体１は図４（ａ）、（ｂ）に示すように、軸１
が軸心Ｌを中心とし、軸１の縄飛び振動の腹部（Ｈ１）
中心点Ｐが、図４（ａ）に示すように、真円ｃの円周上
を移動する縄飛び運動を行なうことになる。そして、摺
動部Ｂにおける縄飛び運動を利用し、後記するロータ８
を軸心Ｌを中心として回転させるようにしており、この
摺動部Ｂで得られるトルクは先端部Ｄで得られるトルク
よりも大きいものであった。

【００１９】図５に示す様にロータ８は、振動子Ａの軸
心Ｌと同軸に嵌合し、ロータ８の内径部の後端部（以下
摩擦接触部と称す）８ｂを摺動部Ｂに対応する位置まで
延出し、摩擦接触部８ｂをホーン部１ｃの摺動部Ｂに当
接させている。該ホーン部は軸方向の加圧力を受ける事
で、摺動部Ｂにおいて適切な摩擦力を得るため設けられ
ている。そして、この摺動部Ｂは振動体１において、縄
飛び振動の腹になっている。

【００２０】ロータ８の内径部８ａの内径は、低摩擦係
数の部材８ｄを介して、振動体１において縄飛び振動の
節の位置に接する構造になっており、摺動部Ｂ以外で生
じる振動に対して接触して音を発生するのを防ぐため、
ロータ８には逃げ８ｃが設けられている。この事につい
ては後述する。

【００２１】ロータ８の摩擦接触部８ｂは、摺動部Ｂの
外周形状と合致する内径が漸増する形状に拡開し、振動
体１の縄飛び運動時に摺動部Ｂと面接触する。

【００２２】ロータ８は、例えば不図示のスラストベア
リングを介して不図示のバネ等により図５中矢印方向に
押されて、前述の適切な漸増形状を有する摺動部により
摩擦接触部８ｂと摺動部Ｂとの接触部に所定の摩擦力を
発生させ、また該スラストベアリングにより軸方向の変
位が許容されている。

【００２３】すなわち、振動子Ａが摺動部Ｂを該振動モ
ードの腹の位置とする、例えば３節のモードで振動する
と、前述したように振動体１は図４に示すように、軸心
Ｌを中心とした縄飛び運動を行ない、図６（ａ）に示す
ように、摺動部Ｂがロータ８の摩擦接触部８ｂと摩擦接
触しながら時計方向又は反時計方向に軸心Ｌに対し所定
の半径ｒの軌跡を描きながら円運動し、ロータ８を回転
させることとなる。つまり、公知である遊星ローラと同
じ原理で駆動される。

【００２４】なお、図６（ａ）は摺動部Ｂがロータ８の
摩擦接触部８ｂの内周面をこじりながら円運動すること
を説明するために、摺動部Ｂの外径をロータ８の摩擦接
触部８ｂの内径よりもかなり小さくしているが、摺動部
Ｂにおける縄飛び運動の半径は実際は極僅かであるの
で、摺動部Ｂとロータ８の摩擦接触部８ｂの内周面とは
微小の間隙となっている。そして、この微小の間隙を決
める要素は、振動体１のホーン形状の鋭角度と摺動部Ｂ
における軸方向と直交する方向の振動の振幅量である。

【００２５】そして、遊星ローラの駆動伝達原理と同様
に、摺動部Ｂと摩擦接触部８ｂとの間にすべりがないと
仮定した場合、振動体１が縄飛び運動で一回転すると、
摺動部Ｂの外周とロータ８の摩擦接触部８ｂの周長差分
だけロータ８が回転することになる。その原理により、
振動体１が２０kHz もの高周期で縄飛び運動していて
も、ロータ８の回転数はせいぜい毎分数百回転にすぎな
い。

【００２６】すなわち、振動体１の摺動部の任意の点１
ｄに注目すると、１ｄは前述した微小な間隙によってそ
の半径が決まる円運動を行ない、その過程でロータ８の
内周部に接触し、ロータ８に回転運動を行なわせるため
の摩擦駆動力を与える。

【００２７】図６（ｂ）は図６（ａ）とは逆に、振動体
１は円筒状で、ロータ８が該円筒状振動体の中空内側面
に接触摩擦しながら回転する場合を示している。この場
合は振動体の振動回転方向とロータの回転方向は逆向き
になる。

【００２８】一方、ロータ８には逃げ８ｃが設けられて
いるが、この役割は摩擦接触部８ｂが摺動部１ｃに対し
て均一に接触する様にするためである。つまり、ロータ
８の内周部８ａが余りにも長くなり、その結果振動体１
の小径軸部１ａとのガイド部分が長くなると、小径軸部
１ａと内周部８ａのクリアランスが小さいため、ロータ
８の軸心の振動体１の軸心Ｌに対する許容傾斜角の範囲
内で、摩擦接触部８ｂと摺動部Ｂが均一に接触すること
が困難になり、音を発生する様になる。

【００２９】そこで、クリアランスを大きくしてこの問
題を解決しようとしても、今度はロータ８の軸心は傾き
ながら回転してしまう。つまり、以上の問題点を解決す
るためには、小径軸部１ａと突部状のロータ内周部８ａ
の適切な位置関係が求められる。実験の結果、ロータ内
周部８ａは、低摩擦部材８ｄを小径軸部１ａとの間に介
して、振動体１の縄飛び振動の節の位置に設定するのが
良いとわかった。該節の位置ではロータに駆動力を与え
ず、該節部にロータ内周部８ａを設けるのは単に支持と
いう役割をしているため音を発生しない。

【００３０】一方、内周部８ａを振動体１において、縄
飛び振動の腹の位置に設定すると、本来必要な摺動部Ｂ
における駆動力とミスマッチな駆動力をロータ８に与え
てしまい、音を発生する場合がある。

【００３１】ところで、振動子Ａは振動体１のみが振動
するのではなく、全体が振動することから、このモータ
Ｍを機器等に取り付けする際、振動子Ａの機器等に対す
る支持方法が問題となる。

【００３２】この場合、該振動モードの節の位置で振動
子Ａを支持することが振幅が少ないことから一見最適に
思えるが、振動子Ａは該振動モードの節位置を起点とす
る縄飛び運動を行なっているので、この振動モードの節
位置における軸心Ｌに対する垂直平面は、軸心Ｌ方向に
沿って揺動することになる。

【００３３】このため、振動子Ａにおいて、該振動モー
ドの節位置となる個所、例えば振動体１又は押え体２の
外周面にモータ取り付け用のフランジを延出したとする
と、固定方法が強固な場合は全く振動しない様になって
しまう。一方、このバネの様なものを間に介して振動減
衰をおさえた支持方法にするとこのフランジは軸方向に
揺動し、機器等との取付部が最悪の場合には振動により
破壊したりする虞れがあり、該振動モードの節位置では
振動子Ａの支持を行なうのに不適である。

【００３４】そこで、振動子Ａの振動状態につき種々検
討したところ、振動子Ａの支持位置として一見不適と思
われる該振動モードの腹の位置が適していることを見出
した。

【００３５】すなわち、該振動モードの腹の位置は振幅
が大きいが、径方向のみしか変位しないので、上述のよ
うな揺動運動による弊害が生じない。また、支持位置と
なる該振動モードの腹位置は、モータＭの構造から当然
摺動部Ｂよりも軸方向後方側に設けられることになり、
３節モードにより振動子Ａを振動させる場合には、支持
位置として最適な所は１箇所しか存在しない。

【００３６】なぜなら、該振動モードにおける腹の位置
は振動体の両端と、その間の２箇所の合計４箇所ある
が、両端は軸方向の振動も最大となっており、固定支持
には最悪であり、両端間にある２箇所の縄飛び振動の腹
のうち１箇所は摺動部として使用されているからであ
る。

【００３７】また、図７（ａ）、（ｂ）に示す様に振動
子Ａにフランジを設けず、先端が球状を呈した３本のボ
ルト６０等で支持筒６１により支持固定する構造におい
ても、縄飛び振動において腹となる位置が、支持位置と
して振動を阻害しない良好な位置である事がわかった。

【００３８】つまり、振動子Ａにおける振動の振幅は非
常に小さく、これらの支持位置となる該振動モードの腹
位置の振幅はロータ８の駆動を行なう摺動部Ｂにおける
振幅よりもさらに小さいので、径方向変位は殆ど無視す
ることができ、該振動方向の腹位置を振動子Ａの支持位
置とすることで、振動子Ａを安定に機器等に支持させる
ことが可能となる。

【００３９】図８（ａ）〜図８（ｄ）、図９（ａ），
（ｂ）は前述した回転の原理が正しい事を確認した実験
結果である。

【００４０】図８（ａ）は振動体１の先端を中空にし
て、その上に金属球３０をのせた時の回転方向を調べた
ものであり、下のロータ８とは逆回転している。これ
は、金属球３０は振動体１の先端の中空部内周面に接触
しているからで、図６（ｂ）の説明の原理と同じであ
る。

【００４１】図８（ｂ）は振動体１の先端に円板状の金
属プレート３１をのせた時の回転方向が下のロータ８と
逆回転している事を示した実験結果である。この原理は
図９（ａ）に示してある。図９（ａ）において、振動体
１の摺動部Ｂが紙面に対して向こう側に動く時、振動体
１の先端で金属プレート３１と接触している点１ｅは、
摺動部Ｂと同じく振動の腹であるから、紙面を振動の中
立面と考えれば逆に紙面に対して手前側に動くことがわ
かる。図８（ｃ）は凸型円錐形状部を有するロータ３２
を図８（ａ）と同じ振動体１の先端部にのせた時の回転
方向を示している。これも、下のロータ８とは逆の方向
に回転するが、原理は図６（ｂ）と同じである。

【００４２】図８（ｄ）は凹型円錐部を有するロータ３
３を振動体１の先端部にのせた時の回転方向を示してい
る。これは、下のロータ８と同じ方向に回転する。この
原理は図９（ｂ）に示してある。つまり、振動体１の摺
動部Ｂが紙面に対して向こう側に動く時、先端部のロー
タ３３との接触部１ｅは紙面に対して手前側に動くこと
がわかる。

【００４３】図１０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）において、
（ａ）−１及び（ｂ）−１及び（ｃ）−１はそれぞれホ
ーン形状部が３０°，４５°，６０°の振動子の側面図
で、（ａ）−２と（ｂ）−２と（ｃ）−２は縄飛びの振
動の変位量と振動子の軸方向の位置との関係を示してい
る。又、（ａ）−３と（ｂ）−３と（ｃ）−３は軸方向
の振動の変位量と振動子の軸方向の位置との関係を示し
ている。振動条件は振動子（ａ）−１、（ｂ）−１、
（ｃ）−１でそれぞれ35.0kH_Z,35.5kH_Z,35.8kH_Zで印加
電圧はすべて100V_P-P であった。変位量の測定はホトニ
ックセンサーを用いた。測定の結果、縄飛び振動は３節
振動モードになっており、軸方向の振動は２節の振動モ
ードになっている。縄飛び振動の腹の位置はほぼ軸方向
の振動の節の位置と一致した。変位量は振動子の細い所
程大きくなり、先端部の小径部の変位量はどの振動子の
場合も、縄飛び振動も軸方向の振動も変位量が最大値を
示した。

【００４４】軸方向の位置の違いにより、振動の形態の
違いは大きく分けて、３種類存在することがわかった。
つまり、第１には開口端の位置で、これは縄飛び振動に
おいても、軸方向の振動においても腹になる位置であ
る。第２には、縄飛び振動の節の位置で、この位置は軸
方向の振動においてはほぼ腹の位置に一致する。第３に
は、縄飛び振動の腹の位置で、この位置は軸方向の振動
においてはほぼ節の位置に一致する。

【００４５】ここで、モータとして必要となる機能、す
なわち移動体から駆動力を有効に伝達する事と固定支持
位置を設けられる事について、前述の３種類の振動形態
の位置に対して最適な位置を調べた結果、移動体との摺
動部は、縄飛び振動の腹の位置が最適であり、一方振動
子を振動の外系に対して固定支持する位置は、縄飛び振
動の腹の位置、すなわち軸方向の振動の節となる位置が
最適である事がわかった。

【００４６】振動子の開口端は縄飛び振動においても、
軸方向の振動においてもほぼ腹の位置となり、固定支持
位置としては最悪である事がわかった。又、前述した通
り、該開口端は振動子の軸心に対して垂直な平面とある
傾きをもって円運動しているため、移動体と振動体の摺
動部は接触したり、離れたりをくり返しており、円滑な
摩擦駆動をしていない。さらに、該開口端を移動体の摺
動部に適用しようとすると、設計上移動体のガイド部は
振動体の一部には設けられず、必然的に該振動子の振動
に対して外系となる部材に頼らざるを得なくなる。

【００４７】なぜなら、該振動子の一部に例えばボルト
等を取り付け移動体をガイドしようとすると、振動子の
振動モードが変化してしまうからである。ここで、ガイ
ド部について補足説明をしておくと、本発明のモータに
おいては振動体の摺動部と、それに最も近い位置にある
振動体の開口端部との間がそのまま移動体のガイド部に
利用できる。つまり、振動体の軸心と同軸の軸心を移動
体に付与し続ける機能を有する事がガイド部としての条
件である。

【００４８】（前提技術２）図１１（ａ）、（ｂ）は前
提技術２の断面図で、（ａ）、（ｂ）に夫々示すモータ
は移動体の振動体への圧接方式を変えたものである。図
１１（ａ）と（ｂ）は基本的には同じ構造で、図中１８
はスラストベアリング、３４はバネガイド部材でバネが
軸心に対して偏心しない様にしている。３５はバネで、
圧縮されたバネが伸びようとする力でスラストベアリン
グを介してロータ８を振動体に圧接させている。３７は
ワッシャである。（ａ）の方式は振動体１の開口端にボ
ルト３６が取りつけられているため、振動でボルト３６
がゆるみやすい。（ｂ）はボルト３６の取り付け部を振
動体の節の位置にもってきているため、振動でボルト３
６がゆるむことがない。

【００４９】（第１の実施の形態）図１は本発明の第１
の実施の形態を示す。

【００５０】本第１の実施の形態は、上記した図１１に
示す前提技術２を改良したもので、バネ４０を移動部材
としての中空状のロータ８の内部に設けて、省スペース
化を計ったもので、バネ４０をフックを有するボルト３
８，３９間に緊張し、伸ばされたバネ４０の縮む力を利
用して、ロータ８を振動体１に圧接する構造になってい
る。なお、ボルト３９はスラストベアリング１８に、ボ
ルト３８は振動体１に取り付けられている。

【００５１】

【発明の効果】請求項１に係る発明によれば、振動子の
摩擦接触部と移動部材とを圧接させるためのバネを設け
て、適度な圧接力で振動子の摩擦接触部と移動部材とを
摩擦摺動させて高トルク化を達成することができ、さら
にバネを移動部材の中空内に位置させたので、省スペー
ス化が達成でき、小型化されたモータを提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるモータの第１の実施の形態を示す
断面図。

【図２】本発明の前提技術１を示すモータの分解斜視
図。

【図３】図２圧電素子板に印加する交流電源の波形図。

【図４】図２のモータの３節の縄跳び運動を示し、
（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図。

【図５】図２のモータの組み付け状態を示す図。

【図６】図２のモータの駆動原理を示し、（ａ）は軸が
縄跳び運動をして中空部材を回転させる原理図、（ｂ）
は中空振動体が縄跳び運動をして軸を回転させる原理
図。

【図７】図２の振動子を先端が球状のボルト３本で支持
する状態を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面断面
図。

【図８】図２のモータの回転原理を確認するするための
図。

【図９】図２のモータの回転原理を確認するするための
図。

【図１０】図２のモータの縄飛び振動の変位と軸方向の
振動の変位について振動子の位置との関係を示す図。

【図１１】本発明の前提技術２の断面図。

【図１２】従来の振動子を利用したモータの斜視図。

【図１３】従来の振動子を利用したモータの斜視図。

【符号の説明】

Ｍ…モータＡ…振動子Ｂ…摺動部１…振動体２…押え体 3,4 …圧電素子板５…電極板６…ボルト７…絶縁体８…ロータ 10…ローラ 11…取付部材 12…低摩擦シート 20…ロータ 24…バネ 30…金属球 31…円板状金属プレート 32…凸型円錐部を有するロータ 33…凹型円錐部を有するロータ 40…バネ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】略棒状の振動子と、該振動子と同軸に回
転中心を有する移動部材と、を有し、該振動子の摩擦摺
動部が軸心と直交する平面において円運動し、該摩擦摺
動部と該移動部材との摩擦接触により該移動部材を回転
させるモータにおいて、前記移動部材は中空状に形成され、前記振動子の摩擦摺
動部と前記移動部材とを圧接させる為のバネを、該移動
部材の中空内に位置させたことを特徴とするモータ。