JPS6389076A - 振動波モ−タ - 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】 （発明の利用分野） 大発明は、リング状振動体に発生させた進行性振動波に
より該リング状振動体に加圧接触している８勅体を摩擦
回転駆動するタイプの進行波型振動波モータに関する。

（発明の背景） 振動波モータは、圧電素子、電歪素子または磁歪素子等
の電気−機械エネルギー変換素子（以下、圧電素子で代
表する）に周波電圧を印加した時に振動体に生じる振動
運動を移動体の駆動に利用するもので、従来の電磁モー
タに比べて巻線を必要としない為、構造が簡単で小型と
なり、低速回転時にも高トルクが得られるという利点が
あり、近年注目されている。その中で、リング状の進行
波型振動波モータと称されるものは、リング状の振動体
に位置的に位相が９０°ずれた定在波を時間的に９０°
ずらして発生させ、これらの定在波の重ね合せにより該
振動体の周方向に進む進行波を発生させ、これに加圧接
触している′８８体を該進行波によって（実際は波の進
行方向と逆の方向に）勅かすものである。

リング状の進行波型振励波モータには、振幻体と移動体
がモータの回転軸（リング状振動体の中心軸線）に対し
て垂直な面で接触するいわゆる面対向型、および、振動
体と移動体がモータの回転軸まわりの内・外径の円筒面
で接触するいわゆる周対向型があるが、従来、前者が主
流であった。その理由は、後者の場合、円筒面の接触で
ある為、均一に振動体と移動体を加圧させる事が難しく
、構造が複雑で高加工精度が必要となり、更に、所望の
振動を励振するのに円柱型の圧電素子が必要であり、加
工が非常に難しいからである。

また周対向型においては振動体の保持手段として振動へ
の悪影舌防止のためフェルト等の吸振体を用いているの
で、その位置決めが不確実であるという問題があった。

（発明の目的） 本発明は、周対向型の進行波型振動波モータにおいて上
述従来例の欠点を除去すると同時に振動体の固定な主振
動に影習を与えずに確実に行うことを目的とするもので
ある。

（発明の概要） 本発明の振動波モータは内側または外側にネジを有する
リング状弾性体と、該リング状弾性体に周方向に進む進
行性振動波を発生させる手段と、該リング状弾性体にネ
ジ嵌合関係にあり、上記リング状弾性体に生じた進行性
振動波により駆動される移動体と、上記リング状振動体
を支持する軸方向に延びる補助振動子とを備え、上記補
助振動子はリング状振動体の中立軸の位置で該振動体に
固定されており、上記進行性振動波の周波数で共振する
ことを特徴とする。

（発明の実施例） 第１図は本発明の実施例のモータユニットの構成の右半
部を断面とした立面図で、１はリング板状の圧電素子、
２は金属製のリング状弾性体、３は円筒状の８動体、４
はリング状の固定体、５は置皿状の連結部材、７はリー
ド線、８．９．１０は固定ビス、１１．１２は導電性ペ
ースト及び接着剤、６はリード線押えである。

第２図は弾性体２の斜視図である。弾性体２は３つの部
分２ａ、２ｂ、２ｃからなり、２ａが主振動部、２ｂが
補助振動子、２Ｃが固定部である。主振動部２ａはその
端面で圧電素子１と接着されており、いわゆる振動体の
本体ともいうべきもので、ここに進行波が発生し、内径
側に設けられた台形ネジ部２ｂに伝達される。

補助振動子２ｂは径方向厚みが主振動部２ａの径方向Ｊ
みに比べて薄く、主振動部２ａの中立軸位置から軸方向
にのびており、木実流側においては等ピッチの３本（波
数と同じ数）であり、固定部２ｃと連結している。

圧電素子１はＢｓよりなる弾性体２の主振動部２ａの端
面に接着されて、振動体を構成している。弾性体２はそ
の固定部２Ｃで固定体４にビス１０を用いて固定される
。弾性体２の主振動部２ａの内径面には台形ネジ２ｄ（
ピッチ０．５　ｍｍ）が切ってあり、ネジ表面はＮｉメ
ッキ処理で硬化しである。

８￥ｉｊＪ体３は外径面に台形ネジ３ｄが設けられてお
り、弾性体２の前記台形ネジ２ｄと係合する。移動体３
はＡｌｍＡであり、そのネジ部３ｄは表面に硬質アルマ
イト処理を施しである。移動体３は置皿状の連結部材５
にビス９で固定されており、連結部材５からモータの出
力を取り出せる。動作原理は簡単にいうと、圧電素子１
により進行性振動波を弾性体２の主振動部２ａの台形ネ
ジ部２ｄ上に発生させ、ネジ部の接触により移動体３を
回転させると同時に回転軸Ｏの方向に移動させるもので
ある。

第３図は圧電素子１の平面図で、同図（ａ）が外側の面
（表）、同図（ｂ）が弾性体２の主振動部２ａとの接着
面（ｉ）である。表・裏面はともにＮｉスパッタにより
図中の斜線で示す電極が形成されており、扇状のパター
ンをしている。裏面（ｂ）の（＋）、　　（−）は表面
（ａ）に対してそれぞれ予め＋、−の直流電圧を加えて
分極処理している事を示している。（＋）の分極処理を
施した区域と（−）の分極処理を施した区域とでは同一
極性の電圧を印加したとき、その周方向における伸縮が
互いに逆になる。電極１ａはいわゆるＡ相と称する１つ
の定在波を発生させる駆動用電極で、波長λに対して長
さλ／２の扇状電極が（＋）　　（−）交互に複数枚で
構成される。リング状弾性体２の主振動部２ａの周長は
定在波の波長λの整数（Ｋ）倍であるように作られてい
る。波数（リング状弾性体２の主振動部２ａの全周に乗
る定在波の波数）をＫとするとＡ相駆動用電極１ａは長
さくＫ−１）λ／２の扇状電極群をなす。第３図では波
数３の例である為、Ａ相駆動用電極１ａはλ分の扇状電
極群となっている。同様に電極１ｂはいわゆるＢ相と称
する他の定在波を発生させる駆動用電極であり、Ａ相駆
動用電極１ａと同様に（Ｋ−１）λ／２の扇状電極群と
なっている。Ａ相およびＢ相駆動用電極群１ａ。

１ｂは空間的な位相で９０”即ちλ／４ずれており、そ
の間に電極１ｅが存在している。電極１ｅは直接モータ
駆動に関係しないが圧電素子全体での分極処理時の歪の
影響を減らす為、分極処工里を行っである。

電極ＩＣはいわゆるＳ相という振動検知用の電極で、振
動による逆圧電効果による変位電圧をとり出しＡ−Ｂ相
電極の印加電圧や駆動周波数にフィードバック制御をか
けたり、振動のモニター用として利用される。

電極１ｄは電極１ｅと同様に分極処理時の歪の減少の為
に分極処理されているが、ここではいわゆるＣ相という
コモン電極として利用している。圧電素子１の裏面（ｂ
）は弾性体２の端面に高圧で接着しており、マクロ的に
みて弾性体２と裏面電極の全ては電気的に接触していて
電気的に一体の導体となっている。弾性体２と表面（ａ
）の電極１ｄはへｇ等の導電性のペースト１１で側面か
ら電気的に結合してＣ相のコモン電極となる。表面（ａ
）では、電極１ａ。

１　ｂ、、１　ｄ、　　１　ｃはリード線２０ａ、２０
ｂ。

２０ｄ、２０ｃと導電性の接着剤２２で結合され、それ
ぞれＡ相、Ｂ相、Ｃ相、Ｓ相の電極として役割をはたす
。リード線２０ａ〜２０ｄは外部駆動回路（不図示）と
結合している。

外部電源（不図示）によって、Ｃ相電極に対してＡ相駆
動用電極１ａにはＶ＝Ｖ。ｓｉｎωｔの交番電圧が印加
され、Ｂ相駆動用電極１ｂには■＝■。ｓｉｎ　（ωｔ
±−）の交番電圧が印加されると、空間的にλ／４だけ
相互にずれ且つ時間的に−だけ相互にずれたＡ相定在波
およびＢ相定在波の合成の結果、弾性体２の主振動部２
ａにはその周方向に進む波長λの進行波が生じ、その進
行の向きは両定在波の時間的位相差である上記の±−の
正負によって切換わり、それでモータの正逆転が行われ
る。

ここで上記のようにして弾性体２の主振動部２ａに生ぜ
しめられる振動モードを第６図（ａ）、（ｂ）で説明す
る。本実施例においては伸縮モードを用いている。この
モードは質点の変位がリング状弾性体２の主振動部２ａ
の周方向に生ずるような縦振動と半径方向に生ずるよう
な横振動が合成されたもので、あたかも棒状の振動体に
生じる縦振動モードをリング状に結合したようなモード
である。第６図（ａ）に示すリング断面の変位座標にお
いて半径方向変位Ｕおよび周方向変位Ｗは ｕ＝Ａｃｏｓ（にθ＋ψ、）ｃｏｓ（ωｔ＋ψ２）ｗ＝
にＡｃｏｓ（ＫＯ＋ψ、）ｃｏｓ（ｃｔ＋ｔ＋ψ２）と
表わされる。ここにＡは振巾、Ｋは波数、θはリング断
面角度位置、ωは印加交番電圧の周波数、ψ１　・ψ２
は位相ずれである。第６図（ｂ）はリング状弾性体２の
主振動部２ａのＵ、Ｗの変位を表わしており２４ａが振
動体の主振動部２ａの内径、２４ｂが中心線、２４ｃが
外径のそれである。半径方向の変位Ｕと周方向変位Ｗが
あり、伸縮によるポアソン変形によりリング断面の形状
かわずかに変化する。同図（ｂ）では説明の為ポアソン
変形分を極端に大きく表現しである。２５は移動体３の
接触面（ネジ部３ａ）を表わすものでこのように波数が
Ｋの場合に個の点の接触部をもち、これが進行波に伴っ
て周方向に８勤し回転する。従ってネジ部２ｄ、３ｄを
介さなければ８勅体３は回転運動のみ行うが、ネジ部を
設けた為、ネジの送り方向にスクリュー運動しながら移
動する。

第４図は、試作機において補助振動子２ｂの長さしを変
化させたときのＡ相、Ｂ相のインピーダンス特性の実測
データである。同図（ａ）がＬ＝０．５ｍｍの場合、同
図（ｂ）がＬ＝１．３ｍｍの場合、同図（Ｃ）がＬ＝２
．０ｍｍの場合である。同図（ｂ）におけるＬ＝１．３
ｍｍは補助振動子２ｂの曲げ振動の固有振動数が主振動
部２ａの固有振動数と一致する長さであり、固定部２ｃ
との結合部で曲げ振動の節に、また、主振動部２ａとの
結合部で曲げ振動の腹となるような寸法である。このと
き、Ａ相（実線）とＢ相（点線）の共振点（谷位置）と
反共振点（山位置）は一致しており、即ち、Ａ相・Ｂ相
が同じ駆動周波数で励振され同程度の振動（振巾が一致
する）となり、理想的な状態となる。同図（ａ）、（Ｃ
）の場合は補助振動子２ｂの曲げ振動が駆動周波数で共
振しない為、補助振動子２ｂが主振動部２ａの振動に対
する不連続点として負荷となり、振動を阻害して、Ａ相
・Ｂ相の共振点と反共振点は一致しなくなり、モータ特
性に悪影Ｊを与える。

第５図は上記実施例による試作機の入出力特性実測デー
タである。弾性体は第２図と同じものでＬ＝１．３ｍ＋
ｕ（第４図（ｂ）に相当）の場合である。横軸は軸方向
の荷重、縦軸は１３ａが軸方向の９動体３の移動速度、
１３ｂがその時の人力電力（消費電力）である。

以上は振動波長λと一致する位置関係に補助振動子２ｂ
を設け、主振動体２ａ上の波数と補助振動子２ｂの本数
を一致させた場合であるが、その他の場合の実施例につ
いて以下第７図（ａ）、（ｂ）で説明する。これらの図
に示した以外の部分の構成は前記実施例と同じである。

第７図（ａ）の実施例では主振動部２ａ、台形ネジ部２
ｄ、固定部２ｃは前記実施例と同様であるが、補助振動
子２ｂが薄肉の円筒形状をしており、主振動部２ａの中
立軸上に連結されている。

第７図（ｂ）の実施例においても主振動部２ａ、台形ネ
ジ部２ｂ、固定部２ｃは先の実施例と同様であるが、補
助振動子２ｂが主振動部２ａの振動波長λと一致しない
位置関係にあり、波数３に対して等ピッチ５木の補助振
動子２ｂが主振動部２ａの中立軸上に連結している。

第８図は、第７図（ａ）及び同（ｂ）の実施例の試作機
におけるＡ相、Ｂ相のインピーダンス特性の実測データ
である。第８図（ａ）は第７図（ｂ）の実施例、第８図
（ｂ）は第７図（ｂ）の実施例の場合である。Ａ相は実
線、Ｂ相は点線で示してあり、（ａ）（ｂ）ともにＬ＝
１．３ｍｍの補助振動子２ｂが駆動周波数で共振する長
さとなっている。第４図（ｂ）と比べて第８図（ａ）で
はＡ−Ｂ相の共振点及び反共振点は一致しているか、Ｑ
値が低い。第８図（ｂ）はＡ−Ｂ相の共振点及び反共振
点は一致せず、Ｑ値も低い。これは補助振動子の質量が
大きい為、補助振動子に因る不連続点としての負荷が大
きい為と考えられる。従って前述の第１の実施例と比べ
るとモータの特性上良くないが、第７図（ａ）の実施例
の場合は弾性体の加工が簡単であり、第７図（ｂ）の実
施例の場合は、振動波長λと補助振動子２ｂの間隙を自
由にできる為、設計の自由度アップと加工精度を低くで
きるというメリットがある。

以上は、伸縮モードを用いた実施例であるが、次に面内
曲げモードを用いる実施例を説明する。このモードは質
点の変位が第６図（ａ）でいうＵ方向すなわちリングの
半径方向に生ずるような曲げ振動である。この面内曲げ
モードを励振する為に前記の圧電素子１に代えて用いる
圧電素子３１の平面図を第９図に示す。第９図（ａ）が
外側（表面）、同図（ｂ）が弾性体２との扱者面側（裏
面）である。Ｎｉスパッタによる電極は図中の斜線部分
である事、図中の（＋）、（−）が予めの分極処理の方
向を表わす事、Ａ相、Ｂ相、Ｃ相、Ｓ相がそれぞれ電極
（群）３１ａ、３１ｂ、３１ｄ、３１ｃに対応しその長
さや位置関係は第３図と同様であるので、重複する詳し
い説明は省略する。ここで第３図と大きく異なる点は、
各扇状電極が全て内外２列の且つ分極処理方向の互に異
なるベアから形成されている点であり、このベアに同電
位を与えた場合、内径側が伸びると外径側が縮み、内径
側が縮むと外径側が伸びるという態様になり、つまりＵ
方向の曲げを励振する事になる。前述と同様にＣ相に電
極３１ｄに対してＡ相、Ｂ相駆動電極３１ａ、３１ｂに
は夫々Ｖ、ｓｉｎωｔ　、　Ｖ、ｓｉｎ　（ωｔ±−）
の電圧を印加すると、これによりＡ相、Ｂ相定在波の合
成としてリング状弾性体２の主振動部２ａの周方向に進
行する波長λの振動波（但し本実施例では曲げ振動の波
）が生じ、上記士−の正負によって、波の進行方向、ひ
いてはモータの駆動方向が切換ねる。

このような面内曲げモードを利用する実施例においても
、第２図、第７図（ａ）、（ｂ）の各側で説明したのと
同様の補助振動子によって振動体の主振動部を位置決め
支持することができる。

また、振動体の外径側に台形ネジを設りリング状８動体
の内径側にネジを設けて両者を係合してもよく、またリ
ング状えｊ動体の内・外径側に台形ネジを設けて、これ
らを該移動体の内側に在る移動体および外側に在る移動
体とネジ結合した実施例も可能である。更にネジ形状は
台形ネジに限らず普通の三角ネジでも、他のネジ山形状
でもよく、補助振動子の形状も本実施にあげた形状に限
らず主振動部に比べて質量的に小さく、主糸動方向に曲
がりやすいものを用いればよい。

（発明の効果） 以上説明したように、進行波型の振動波モータの振動体
と移動体をネジ結合し振動体を補助振動子で保持するこ
とでモータの特性に悪影響を与えずに確実に振動体が固
定でき、モータ構成部品数も少なく、また、移動体と振
動体の加圧も安定なものとなる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係るモータユニット構成断面
図、 第２図は第１図における弾性体の斜視図、第３図（ａ）
、（ｂ）は上記モータユニットにおける伸縮モード用の
圧電素子の平面図、第４図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は本
発明の実施例のインピーダンス特性の実測グラフ、第５
図は本発明の実施例の入出力特性の実測グラ乙 第６図（ａ）、（ｂ）は伸縮モードの動作説明図、 第７図（ａ）、（ｂ）は本発明の他の実施例における弾
性体の斜視図、 第８図は上記他の実施例のインピーダンス特性の実測グ
ラフ、 第９図（ａ）、（ｂ）は面内曲げモード用の圧電素子の
平面図である。 １．３１は圧電素子、２は弾性体、３は移動体、４は固
定体、２ａは主振動部、２ｂは補助振動子、２Ｃは固定
部 ！、：：− 木　　多　　小　　平　、−Ｉ 第７図 （（１）（ｂ） 第４ Ｆｒｔｙ４ｕｅｎｃｙＣＫＨｚ） Ｆｒｅｙｅｎｃｙ（ＫＨｚ） 図 第８図 Ｆｒｔ４ｕｅｎＣｙ（Ｋｌ−１ｚ） 第９図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　１．内側または外側にネジを有するリング状弾性体と
   、該リング状弾性体に周方向に進む進行性振動波を発生
   させる手段と、該リング状弾性体にネジ嵌合関係にあり
   、上記リング状弾性体に生じた進行性振動波により駆動
   される移動体と、上記リング状振動体を支持する軸方向
   に延びる補助振動子とを備え、上記補助振動子はリング
   状振動体の中立軸の位置で該振動体に固定されており、
   上記進行性振動波の周波数で共振することを特徴とする
   振動波モータ。