JPH0837785A

JPH0837785A - 超音波モータ及び超音波モータ付き電子機器

Info

Publication number: JPH0837785A
Application number: JP6171324A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Iino; 朗弘飯野; Masao Kasuga; 政雄春日; Makoto Suzuki; 鈴木　　誠; Kenji Suzuki; 賢二鈴木; Minako Suzuki; 美奈子鈴木
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1994-07-22
Filing date: 1994-07-22
Publication date: 1996-02-06

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】小型、薄型で高回転数の超音波モータを得
る。【構成】振動体４と移動体６とから構成され、振動体
４の突起４ａを振動体の中心の近く、かつ周方向の変位
が大きくとれる位置に設けることにより、単位周期あた
りの移動体６の回転角度が大きくとれ、小型薄型で高回
転が得られるようになる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は圧電素子の伸縮運動を
利用して駆動力を発生させる超音波モータに関するもの
であり、腕時計及びカード型携帯機器等の電子機器での
利用が可能である。

【０００２】

【従来の技術】近年超音波モータはその低速・高トルク
という特徴から、主に動力源での応用を目的とし、以下
に説明する突起の位置も含め、振動体設計の最適化が図
られてきた。

【０００３】従来の超音波モータの振動体に設けられて
いる突起の位置を図面に基づいて説明する。図１０にお
いて、円板型の振動体には径方向に対して節部を有する
二次の振動モードが励振されている。このとき振幅が最
大となる振動の腹に突起を設け、その突起に接触する移
動体の運動により出力を取り出すことが知られていた。

【０００４】例えば、特開昭６２ー１９６０８０号公報
にこのような従来最適とされてきた突起の位置の例が開
示されている。この振動体に進行波を励振させ、振動体
の上に移動体を加圧接触させると移動体は振動体の突起
部の楕円運動を摩擦を介して受け回転するわけである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】以上、説明したように
振動の腹に突起を設けることにより、大きな振幅が得ら
れ安定した駆動ができるとともに、中心からある程度離
れた位置から出力を取り出すために大きなトルクも期待
できた。しかし、突起の周方向の変位を同じとしたとき
には、突起が中心から外側になるにつれ単位周期あたり
に移動体を回転させる角度が減少する。また、周方向の
変位の最大値は径方向に対する振動の腹の内側に存在す
るため従来の突起の位置では極めて大きな回転数を得る
ことは困難であった。また、突起の長さを高くして高回
転数を得ようとすると超音波モータの厚みが厚くなって
しまった。

【０００６】そこで本発明の目的は、従来のこのような
課題を解決するために、振動体の突起の位置を最適化し
小型、薄型で高回転の超音波モータを提供することにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は超音波モータにおいて、振動体の移動体と
接触する突起の位置を振動体に励振される振動の径方向
の腹の位置より内側、強いては振動体の径方向の位置を
ｒ、位置ｒでの振動体の振幅をξ（ｒ）としたときにξ
（ｒ）／ｒ²の値がとり得る値の最大値の７０％以上の
値をとるようなｒの位置に突起を設けることとした。

【０００８】

【作用】上記のように突起を設けた振動体を用いた超音
波モータにおいては、圧電素子に振動体の曲げモードの
共振周波数付近の高周波電圧を印加することにより振動
波が励振される。振動体の突起に所定の圧力で接触する
移動体は、振動波による力を摩擦力を介して受け回転す
る。このとき突起は振動体の中心に近く、かつ周方向の
変位が大きくとれる位置に設けられているので単位周期
あたりの移動体の回転角度が大きくとれ、超音波モータ
の回転数が極めて大きくなる。

【０００９】

【実施例】

（１）第１の実施例以下に、本発明の第１の実施例を図面に基づいて説明す
る。図１は、本発明の超音波モータの第１の実施例の振
動体の中心から径方向に対して半分だけを見た変位分
布、速度係数、突起位置を示す図である。図２は図１で
説明した振動体の位置に突起を設けた超音波モータの断
面図である。図３は図２の振動体に付けられた圧電素子
のパターンを示したものである。

【００１０】まず速度係数について説明する。中心から
径方向の位置をｒ、軸方向の変位をξ（ｒ）と表わした
ときに、位置ｒでの周方向変位はξ（ｒ）／ｒに比例す
る。また位置ｒで移動体が一回転に要する移動量は２π
ｒであるから位置ｒから出力を取り出したときの移動体
の回転数はξ（ｒ）／ｒ²に比例する。即ちこれが速度
係数である。

【００１１】図１には軸方向変位分布、速度係数及び本
実施例の突起４ａの位置を示してある。図１において、
移動体の回転数は振動体に発生した振動の腹よりも内
側、特に中心付近から出力を取り出した方が大きな回転
数が得られることが推測される。しかし実際的には中心
付近は振幅が極めて小さく、表面粗さ等の影響で安定し
た回転は望めない。そこで図１に示した位置に突起４ａ
を設けてある。

【００１２】図２は本発明の超音波モータの実施例の構
成を示す断面図である。中心軸２は、支持板３に固定さ
れている。振動体４には、図３に示した電極パターンを
有する圧電素子１が接着されている。図３は、本発明の
超音波モータの圧電素子１の電極パターンを示す図であ
る。図３（ａ）は共通電極を示す。図３（ｂ）に示す電
極は、円周方向に４分の１波長ごとに分割される。ここ
で、円周方向に振動波を３波励振させるときは、図３に
示すように、電極は１２分割する。そして、各電極に対
応する位置にある圧電素子の分極方向は、周方向に順
に、＋、＋、−、−、＋、＋、−、−、＋、＋、−、−
である。そして、周方向に一つおきの電極は導通がとら
れ、第１の電極群１ａと第２の電極群１ｂとに分けてあ
る。

【００１３】移動体６の中心には、軸受け５が設けら
れ、回転可能なように中心軸２に案内されている。ばね
部材７によって移動体６は、振動体４に圧接されてい
る。圧電素子１の二つの電極群（１ａ、及び１ｂ）に時
間的に位相の異なる高周波電圧を印加すると、振動体４
には位置的、時間的に位相のずれた二つの定在波が発生
し、二つの定在波の合成として進行波が発生する。この
とき移動体６は振動体４の楕円運動を摩擦を介して受け
高速で回転する。

【００１４】（２）第２の実施例図４は、圧電素子１の電極パターンの別の実施例と突起
４ａの位置を示したものである。圧電素子１の電極パタ
ーンは、４分の１波長ごとに周方向に分割されている。
各電極の分極方向は＋、＋、−、−、＋、＋、−、−、
＋、＋、−、−と分極処理されている。

【００１５】突起４ａは電極の一つおきに、しかも電極
間の境界を含まない位置に設けられている。圧電素子１
の全ての電極に同一の電界を加えることにより振動体４
には図５に示したように周方向に対して位置的に４分の
１波長ずれた二つの定在波が発生し、その合成として一
つの定在波が起こる。このとき、突起４ａは振動の腹と
節の間にあるため突起４ａの先端は軸方向と周方向の変
位をするため、移動体６を一方向へ送ることができる。

【００１６】（３）第３の実施例図５は圧電素子１の電極パターンの別の実施例と突起４
ａの位置を示したものである。圧電素子１の電極パター
ンは径方向に対して同心円上に二分割され、それぞれの
領域内で２分の１波長ごとに周方向に分割されていると
ともに径方向に対して電極パターンを分割した同心円を
挟んだ電極は位置的に４分の１波長ずれている。周方向
に対して隣り合う各電極の分極方向は＋、−、＋、−、
＋、−と分極処理されている。

【００１７】突起４ａは径方向に対して電極パターンを
分割した円の内部の各電極に一つづつ、しかも電極間の
境界を含まない位置に設けられている。圧電素子１の全
ての電極に同一の電界を加えることにより振動体４には
図５に示したように周方向に対して位置的に４分の１波
長ずれた二つの定在波が発生し、その合成として一つの
定在波が起こる。このとき、突起４ａは振動の腹と節の
間にあるため突起４ａの先端は軸方向と周方向の変位を
するため、移動体６を一方向へ送ることができる。

【００１８】（４）第４の実施例図６は、本発明の超音波モータを用いた振動発生装置の
第４の実施例のブロック図を示したものである。先の実
施例に示した移動体６に偏心重錘８を付け、移動体６を
回転させることにより偏心重錘８の遠心力を利用して振
動を発生させることができる超音波モータを用いた振動
発生装置が実現できる。

【００１９】（５）第５の実施例図７は、本発明の超音波モータ付き電子時計の第５の実
施例のブロック図を示したものである。第４の実施例の
超音波モータを用いて、予め設定された時刻に超音波モ
ータを動作させ、偏心重錘８による振動により、使用者
に設定された時刻になったことを知らせることにより、
超音波モータによる振動アラーム付き電子時計が実現で
きる。

【００２０】具体的には時刻設定回路１５により予めア
ラーム振動を発生する時刻が設定され、記憶回路１４に
記憶される。この時刻が比較回路１２によりタイマ１３
の時刻と比較され、両者が等しくなったときに駆動回路
１１から超音波モータに駆動信号を出力させ、偏心重錘
８の付いた移動体６を回転させ振動を発生させる。

【００２１】（６）第６の実施例図８は、本発明の超音波モータ付き電子機器の第６の実
施例のブロック図を示したものである。第４の実施例に
示した超音波モータを用いて、外部から情報を受けたと
きに超音波モータを動作させ、偏心重錘８による振動を
発生させ、使用者に新たな情報が得られたことを知らせ
ることにより、超音波モータによる振動アラーム付き電
子機器が実現できる。

【００２２】具体的にはアンテナ１８を通じて受信回路
１７が新たな情報を得たことを認知する。このとき制御
回路１６により駆動回路１１から超音波モータに駆動信
号を出力させ、偏心重錘８の付いた移動体６を回転させ
振動を発生させる。（７）第７の実施例図９は、本発明の超音波モータ付き電子機器の第７の実
施例のブロック図を示したものである。先の実施例に示
した超音波モータを用いて、超音波モータの移動体６と
一体に動作する伝達機構１９と、伝達機構１９の動作に
基づいて動作する出力機構２０とを設ける構成とするこ
とにより超音波モータ付き電子機器が実現できる。

【００２３】伝達機構１９としては、好ましくは、歯車
や摩擦車等の伝達車などを用いる。出力機構２０として
は、このましくは、カメラにおいてシャッタ駆動機構、
レンズ駆動機構等を、電子時計あるいは計測器において
は指針等を、ロボットにおいてはアーム等を、工作機械
においては刃具送り機構や加工部材送り機構等を用い
る。

【００２４】本発明の超音波モータ付き電子機器として
は、好ましくは、電子時計、計測器、カメラ、プリン
タ、印刷機、工作機械、ロボット、移動装置などが実現
できる。さらに、移動体に出力軸を取り付け、出力軸か
らのトルクを伝達するための動力伝達機構を有する構成
とすれば、超音波モータ駆動装置が実現できる。

【００２５】

【発明の効果】本発明は、以上示したように、薄型で極
めて回転数の高い超音波モータを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の超音波モータの第１の実施例の振動体
の変位分布、速度係数、および突起の位置を示す図であ
る。

【図２】本発明の超音波モータの第１の実施例の断面図
である。

【図３】本発明の圧電素子の第１の実施例の分極パター
ンを示す図である。

【図４】本発明の圧電素子の第２の実施例の分極パター
ンと突起の位置を示す図である。

【図５】本発明の圧電素子の第３の実施例の分極パター
ンと突起の位置を示す図である。

【図６】本発明の超音波モータを用いた振動発生装置の
第４の実施例のブロック図である。

【図７】本発明の超音波モータ付き電子時計の第５の実
施例のブロック図である。

【図８】本発明の超音波モータ付き電子機器の第６の実
施例のブロック図である。

【図９】本発明の超音波モータ付き電子機器の第７の実
施例の構成を示すブロック図である。

【図１０】従来の超音波モータの突起位置を示す図であ
る。

【符号の説明】

１圧電素子２中心軸３支持板４振動体５軸受け６移動体７ばね部材８偏心重錘

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者鈴木賢二東京都江東区亀戸６丁目31番１号セイコー電子工業株式会社内 (72)発明者鈴木美奈子東京都江東区亀戸６丁目31番１号セイコー電子工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電素子（１）の伸縮運動を利用して、
振動体（４）に振動波を励振させることにより、振動体
（４）に加圧接触された移動体（６）を摩擦駆動させる
超音波モータにおいて、振動体（４）に、径方向に対して２次の曲げモードを励
振すると共に、このとき発生した径方向に対する振動の
腹の内側の位置にあり、しかも、移動体（６）と振動体
（４）の接触部の表面粗さより振動の振幅が大きい位置
に移動体（６）と接触する突起（４ａ）を設けたことを
特徴とする超音波モータ。
【請求項２】請求項１記載の超音波モータにおいて、
振動体（４）の径方向の位置をｒ、位置ｒでの振動体
（４）の振幅をξ（ｒ）としたときにξ（ｒ）／ｒ²値
がとり得る最大値の７０％以上の値をとるようなｒの位
置に移動体（６）と接触する突起（４ａ）を設けたこと
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、振動体に定在波を励振するとともに振動
体（４）の周方向に対する振動の腹と節の間に突起（４
ａ）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３記載の超音波モータにおいて、
振動体に発生する定在波は、二つの定在波の合成から成
ることを特徴とする超音波モータ。
【請求項５】請求項４記載の超音波モータにおいて、
圧電素子（１）のパターンは、周方向に４分の１波長ご
とに分割され、周方向に対して二つおきに分極方向が異
なるとともに、全てのパターンに同方向の電界を加える
ことにより、振動体（４）に二つの定在波を励振するこ
とを特徴とする超音波モータ。
【請求項６】請求項４記載の超音波モータにおいて、
圧電素子（１）のパターンは、同心円を挟んで二つの部
分に分けられ、それぞれ周方向に２分の１波長ごとに分
割されるとともに径方向に隣り合う小パターンは位置的
に４分の１波長ずれ、また周方向に隣り合う小パターン
は互いに逆方向に分極処理されており、この全てのパタ
ーンに同方向の電界を加えることにより、振動体（４）
に二つの定在波を励振することを特徴とする超音波モー
タ。
【請求項７】請求項１ないし請求項６のいずれか１項
に記載の超音波モータを有し、移動体（６）に偏心重錘（８）を設け、移動体（６）の
回転により振動を発生させることを特徴とする振動発生
装置。
【請求項８】請求項７に記載の超音波モータを有し、予め設定された時刻に、前記超音波モータに駆動信号を
入力し、移動体（６）の回転による振動により、情報を
知らせることを特徴とする超音波モータ付き電子時計。
【請求項９】請求項１ないし請求項６のいずれか１項
に記載の超音波モータを有し、外部から情報を受けたときに、前記超音波モータに駆動
信号を入力し、移動体（６）の回転による振動を発生さ
せ、使用者に情報を知らせることを特徴とする超音波モ
ータ付き電子機器。
【請求項１０】請求項１ないし請求項６のいずれか１
項に記載の超音波モータを有し、移動体（６）と一体に
動作する伝達手段（１９）と、伝達手段（１９）の動作
に基づいて動作する出力手段（２０）とを有することを
特徴とする超音波モータ付き電子機器。