JPS63274377A - 超音波モータのための振動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はモータ、特に圧電素子に生じた振動を利用する
振動波モータに関するものである。

〔従来技術〕

°電気モータは近年の技術進歩によって非常に小型化で
きるようになったため、カメラを初めとして種々の小型
ボータプル機器にも小型のモータが搭載され、該モータ
が該機器の性能の向上に寄与している。

しかしながら、カメラ等に搭載されている小型のモータ
は高速回転はできるが、低速回転で大トルクを発生する
ことはできないので減速機構が必要であり、従って、該
減速機構のために該モータと該減速機構とを含めた動力
発生機構の体積がかなシ大きくなってしまうという欠点
があった。それ故、減速機構を必要とせず、低速で大ト
ルクを発生でき、しかも小型且つ軽量のモータの開発が
望まれていた。

このような事情を背景として、近年、圧電素子が動力発
生源として利用しようとする試みが行われた結果、圧電
素子によって生ずる超音波振動を回転運動に変換させる
形式の超音波モータが最近、開発されている。

この公知の超音波モータは円環形のステータと、円環形
のロータとを有しており、該ステータの端面に環状に接
着されている圧電素子によって該ステータの端面に環状
に弾性表面波を発生させ、これにより該ステータの端面
に接している該ローターを回転させるように構成されて
いる。

この公知の超音波モータは低速で大トルクを発生するこ
とができるので減速機構が不要となシ、従って、カメラ
等の小型機器への搭載用モータとして適しておシ、また
、形状が円環形であるため、カメラのオートフォーカス
用モータとして好適ではあるが、この公知の超音波モー
タではステータに生じる振動が減衰しやすく、振動減衰
を生じさせぬようにステータを支持するのが難かしい、
という問題点があった。特にカメラのように外部から衝
撃が加わる可能性のある機器においては、該ステータの
支持が困難になるという問題点があった。

そこでロータの軸線と平行に延在する振動棒を設け、圧
電素子が固着された該振動棒の端部に生じる円運動によ
ってロータに回転運動を生じさせ、これにより振動減衰
の問題、環状ステータの支持の困難性の問題を解決した
モータが本件出願人よシ特願昭６１−２８６２４２号と
して提案された。

しかしながら、前述の振動波モータの振動棒の形状はほ
ぼ正方形断面を有する棒状のものである為に入力電圧に
対する振動振幅が小さく、効率が悪く、小型化すること
が困難であった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は上記従来モータの欠点を解決した、高効
率で小型化が可能であシ、かつ剛性の低下を低く抑える
ことが可能な棒状の振動波モータを提供せんとするもの
である。

〔発明の概要〕

本発明の特徴とする処は、少なくとも２端面に固着され
た圧電素子に生じた振動により外周面の端部が回転運動
をする振動棒と、該振動棒に生じた回転運動により摩擦
駆動される移動体とを有する振動波モータにおいて前記
振動棒の少なくとも中央部に凹部な設けた点に存する。

本発明は斯様な構成の為に効率は向上し、又剛性の低下
も小さく抑えることができるものである。

以下図面を参照して本発明について説明する。

〔発明の実施例〕

第１図は本発明を適用した振動波モータにおける振動棒
の要部構成図を示すもので、１は電気−機械エネルギー
変換素子としてのＰＺＴ２〜５が貼着される凹部を４つ
の端面に有する振動棒であシ、ステータを構成する端が
不図示の構造部材に支持されている。正方形断面を有す
る振動棒１の４つの端面には第２図に示されるように圧
電素子ＰＺＴ２−５が接着剤で貼着されている。振動棒
１に屈曲性の振動を与えるＰＺＴ２〜５の夫々は対応す
るＰＺＴ同志が同一方向に屈曲するように第２図に明示
されているように矢印方向に分極される。尚各ＰＺＴ２
〜５の終端部２ａ。

２　ｂ　Ｈ３ａ　Ｈ３ｂ　、　４　ａ　＋　４　ｂ＋　
５　ａ　、　５ｂ（但し、５ａ　、５ｂは不図示）と振
動棒１の端部１ａ、ｂとは第１図には明示されていない
が各ＰＺＴと振動棒１の端部１ａ、ｌｂとが導通するこ
とを防ぐ為に離間されている。

してＰＺＴ２．３の電極に接続され、一方、ＰＺＴ４．
５の電極は交流電源９の出力端にた時点で同時にＸ方向
へ屈曲する。これらの位相量に応じて円運動、楕円運動
をする。尚これら回転運動の原理については本件出願人
が先に提案した特願昭６１−２８６２４２号に詳述され
ているのでここでは省略する・ここで振動棒１（第１図
）の撓み振動における一方向の振動について考える。振
動棒１の先端部１ｂの振幅をａ、振動棒１の先端部１ｂ
の断面方向の速度をＶ、振動棒１の一次共振角速度をω
とすると、ｖ＝ａ６）ｓｉｎωｔと定義され、この式か
ら速度Ｖの最大値ｖ　ｍｈｘは、ＶｍａＸ＝＝ａωとな
る。第４図は最大速度ＶＩＩｌａＸについて正方形断面
形状の従来の振動棒と本発明による中央部に凹部を有す
る振動棒１とを（即ち断面積比１の振動棒。第４図参照
）比較した結果を表わす図であるが、第４図の曲線Ｃ１
から明らかなように本発明の振動棒の方が前述の従来の
振動棒よりも高い最大速度を得た。次に振動棒の剛性に
ついてし、Ｅはヤング率、Ｓｏは基準断面積、Ｈは断面
積比゛、Ｏ＜Ｈ≦１）と定義される。従って断面積比が
小さくなると急激に振動棒の剛性は低下し、移動体（不
図示）に対する加圧力が加わると振動棒はその曲げ限度
を越え、折れることになる。その為振動棒１の凹部の深
さは浅い方が良い訳である。この剛性について第３図の
ように両端ＩＡａ　、ｌＡｂを細くした振動棒ＩＡと本
発明による振動棒１（第１図）とを比較したところ、第
４図示の曲線Ｃ２に示されるように同一断面積比（例え
ば断面積比０．４）において第３図示振動棒ＩＡはＶｌ
、本発明のものはｖ２を示した。即ち本発明によれば剛
性を損うことなく高い質点速度が得られたものである。

換言すればわずかなエネルギーで高い質点速度、即ち高
効率が得られ、かつ剛性の低下も小さく抑えることがで
きたものである。尚第４図は横軸が断面積比を示し、縦
軸が振動棒の質点最大速度を示す。そして曲線Ｃ１は本
発明による振動棒の断面積比対質点最大速度の関係を示
し１曲線Ｃ２は本発明の振動棒と第３図示による振動棒
の特性の差を示す為の曲線で、第３図示振動棒の断面積
比対質点最大速度の関係を示す。

因みに断面積比１の振動棒は前述の先願に示されるよう
な正方形の均一な断面を有する振動棒である。

また振動波モーターを構成する振動棒１は第１図示のよ
うに四角柱である必要はなく第４図示のように三角柱、
或いは円柱（不図示）第１図示の場合と同様な動作、効
果が得られるし、更にはＰＺＴ２〜５は第１図示のよう
に振動棒１の中央を挾んで等距離の位置に貼着される必
要は必ずしもなく、第６図示のようにいずれか一方の側
に寄せて貼着しても良い。

第７図は第１図示ステータを組込んだ振動波モーターの
要部縦断面図である。尚第１図示と同一機能を有する機
素には同一符号を付して、その詳細な説明を省略する。

第７図において、１１は段付き円環体として構成された
ロータであり、該ロータ１１はそれ自身の軸線Ｚｏを中
心として回転しうるように不図示の構造部材に支持され
ている。ロータ１１の小直径部分１１Ａの内周面には摩
擦係数が大きく且つ柔軟な被覆材１３が接着剤等によっ
て固定されている。

ａ−夕１１に回転運動を生じさせるための振動棒１がロ
ータ１１の軸線と平行に配置され、該振動棒１の先端部
１ｂがロータ１１の小直径部分１．１Ａに挿入されると
ともに該先端部１ｂの上面が該小直径部分１１Ａの被覆
材１３に近接するように位置決めされている。

中央に凹部を有する振動棒１は本実施例では方形の横断
面形状を有した角棒として構成され、該振動棒１の外周
面は一対の水平面と一対の鉛直面とによって構成されて
いる。そして、該振動棒１の先端部１ｂに円軌道もしく
は楕円軌道の振動変位を生じさせるための振動励起手段
としての圧電素子２〜５が第２図示のように該振動棒１
の鉛直面と水平面とにそれぞれ接着されている。該圧電
素子２〜５の接着位置は該振動棒１の長手方向の中央位
置であり、該振動棒１に生ずる振動の腹となる位置に接
着されている。

振動棒１の外周面には該振動棒１に生ずる振動の節とな
る位置に細い孔が貫設され、この細い孔に嵌合して該振
動棒１に固定された細い支持棒１５及び１７が振動棒１
の鉛直面と水平面からそれぞれ突出している・該支持棒
１５及び１７は鋼線であわ、該支持棒１５の両端は支持
リング１９に固定され、該支持棒１７の両端は支持り／
グ２１に固定されている。支持リング１９及び２１は同
一の内径寸法と同一の外径寸法を有したリングであり該
支持リング１９及び２１は円筒状の支持台２３の両端部
のインロ一部に嵌入されるとともに固定リング２５で支
持台２３に固定されている。

支持台２３はばね２７によって不図示の静止部材上に弾
性的に支持されるとともに該ばね２７によって鉛直上向
きに附勢されている。

従って、振動棒１もばね２７の力によりロータ１１の被
覆材１３に向って附勢されている。

支持台２３の下面には４個の接続端子２７〜３３が設け
られており、該接続端子２７〜３３は第１図に示すよう
な制御回路７，９に接続されるようになっている。また
、接続端子２７は圧電素子としてのｐｚ’ｒ４にリード
線を介して接続され、接続端子２９は圧電素子としての
ＰＺＴ３にリード線を介して接続され、更に接続端子３
３はＰＺＴ２に接続され、接続端子３１はＰＺＴ５（不
図示）に接続されている。なお、振動棒１の本体に接続
される接地用端子で省略されている。

かかる構成において電源９から駆動の為に交流信号がＰ
ＺＴ２〜５に印加されると、振動棒１の先端部１ｂは回
転運動をするので、移動体としてのロータ１１は軸線Ｚ
Ｏを中心として回転運動をする。

第８図は振動棒１の中央側面を切削して、ＰＺＴ２〜５
　（ＰＺＴ４は不図示）を棒１に貼着すると共に、更に
振動の節の位置を更に深く切削して節部分の支持を容易
とし１節部分を支点とする曲げ振動が大きくなるように
して、先端部１ｂの回転速度を上げるようにしたもので
ある。

尚第８図示実施例におけるその他の構成は第７図示実施
例と同様であるので省略されている。

以上の実施例では圧電素子としては２対の圧電素子を用
いたが、１対の圧電素子だけを用いても同様な効果を得
られることは言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上説明した様に、本発明ではステータを構成する振動
棒の中央部に凹部を設けたので本発明によればステータ
の先端部に設けられた移動体駆動部の振動速度を増大さ
せ、高効率を得ることができると共に、凹部を形成した
ことによるステータの剛性の低下を小さく抑えることが
できるものである。また本発明によれば接着した圧電素
子の剛性も加わってステータ全体の剛性が強くなる効果
も生じる。

また、圧電素子の接着位置はある程度精度を要求される
ため、接着治具が必要とされるが振動棒の凹部の幅をフ
ライス等で高精度に加工し、圧電素子の大きさとあわせ
ることにより、接着の際の位置決めが容易に行える利点
もある。又前述した先願の実施例の場合、２枚の圧電素
子が振動棒に接着されているのに対して、本発明の実施
例では４枚の圧電素子が振動棒の４側面に接着されてい
る為、本発明実施例によれば振動棒の中立軸が圧電素子
の接着により移動するような事がなく、正確な振動状態
が得られ、かつ中立軸がほぼ固定されるので、ステータ
支持部材による振動への悪影響がなくなる効果も生じる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を適用した振動波モータにおけるステー
タ並びに駆動回路部分の要部構成図、 第２図は第１図示ステータのＡ　−Ａ断面図、第３図は
本発明と比較対照されるステータの要部構成図、 第４図は第１図示実施例の振動波モータの特性図、 第５図、第６図は本発明の他の実施例における振動波モ
ータのステータの要部構成図、 第７図、第８図は、本発明を適用した振動波モータの要
部構成図である。 図において １・・・ステータを構成する振動棒 ２〜５・・・圧電素子 １１　・・・ロータ である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）少なくとも２端面に固着された電気−機械エネル
   ギー変換素子に生じた振動により 外周面の端部が回転運動をする振動棒と、 該振動棒に生じた回転運動により摩擦駆動 される移動体とを有する振動波モータにお いて、前記振動棒の少なくとも中央部に凹 部を設けたことを特徴とする振動波モータ。
2. （２）前記振動棒は四角柱であつて、前記変換素子は該
   四角柱の外周面の４端面に固着さ れたことを特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の
   振動波モータ。
3. （３）前記変換素子は前記四角柱の凹部上に固着された
   ことを特徴とする特許請求の範囲 第（２）項記載の振動波モータ。