JPS6389077A - 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） 本発明は、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移動体を摩擦
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Ｓ動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）動かすものである。

リング状の進行波型振動波モータには、振１＋Ｊ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。

周対向型の振動波モータは上述の如き問題を有するもの
の振動体の厚み方向の長さを短かく出来る利点を有する
為に最近この種のモータの研究がさかんに行われている
。

ところで研究され、又既に出願されているこの周対向型
の振動波モータに於ては振動体の厚み方向の全領域に摩
擦駆動の為のネジ部が形成されている為に出力むらがあ
った。

（発明の目的） 木発明は、周対向型の進行波型振動波モータにおいて従
来の欠点を除去すると同時により出力及び効率を高める
ことを目的とする。

（発明の概要） 木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
ジ嵌合関係にあって軸方向に加圧力を受け、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
とを備え、上記リング状振動体に形成されネジは上記加
圧力の向きに応じ該リング状振動体の厚み方向の一部分
にのみ設けられてい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は円筒状の工ｊ！！］
体、４はリング状の固定体、５は内皿状の連結部材、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、２
ｂ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２ｄに伝達される。補助
振動子２ｂは径方向厚みが主振動部２ａの径方向厚みに
比べて薄く、主振動部２ａの中、室軸位置から軸方向に
のびており、本実施例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　ｍ＋ｎ）が切ってあり、ネジ表面はＮｉ
メッキ処理で硬化しである。

移動体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Ａｌ製であり、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は内皿状の連結
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！１．ｌＩＯ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（裏）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］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相及びＢ相駆動用電極群１ａ、　ｉｂ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、分極処理を行っである。

電極１ｃ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８ｉｊＡ埋されているが、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Ａｇ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、　ｌｂ。

ｌｄ、　　ｌｃはリード線２０ａ、　２０ｂ、　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、Ｃａ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Ｖ　＝　Ｖ　、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π／２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２ａ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
記の士−の正負によって切換わり、これでモータの正逆
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４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４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十　ψ、）ｃｏｓ（ωｔ＋ψ２）Ｗ
＝にＡｃｏｓ　（にθ＋ψ＋）ｃｏｓ（ωｔ＋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４図（ｂ）はリング状弾性体２の
主振動部２ａのＵ。

Ｗの変位を表わしそおり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がわずかに変化する。

同図（ｂ）では説明の為ポアソン変形分を極端に大きく
表現してある。２５は移動体３の接触面（ネジ部３ａ）
を表わすものてこのように波数が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移動し回転
する。従ってネジ部２ｄ、　３ｄを介さなければ移動体
３は回転運動のみを行うが、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。

上記の実施例において、加圧力Ｗが第１図に図示の如く
上方から下方に加えられており、この加圧力Ｗの方向に
従い、第１図および第２図に示すように、前記移動体３
と前記弾性体２の加圧接触部即ち振動体２の主振動部２
ａのネジ部２ｄは主振動部２ａの上部のみに切られてお
り、主振動部２ａの下部の内径側２ｅはネジを切ってい
ない。この理由は振動体の振動モードと関連があり、以
下説明するとおりである。

第５図（ａ）は、伸縮モード時の振動体の主振動部２ａ
の任意の断面の変化を示した模式図である。この断面は
通常の矩形断面３１ａから変形断面３１ｂ、　３１ｃと
いう具合に時間とともに変化する。これは純半径方向の
変位および縦振動による断面のポアソン変形に起因する
。このとき内径、外径の各点の変位は矢印３２ａ〜３２
ｅ１３３ａ〜３３ｅの様に変化する事になる。（但し、
実際はこれら矢印は水平に近い。）変位は中立軸位置に
おいては水平であるが、両端に行く程逆方向に傾いた変
位となる。第５図（ｂ）は振動体２の主振動部２ａと移
動体３のネジの接触状態を説明する図であって、Ｗの方
向にわ動体３が振動体２の主振動部２ａに対して加圧さ
れるものとする。ネジの接触状態と第５図（ａ）の変位
の矢印の対応をみると、変位の矢印とネジ部接触面が垂
直に近い程出力の伝達効率が良好である事から、ネジ部
を有効な方からならべると３５ａ　＞３５ｂ　＞３５ｃ
　＞３５ｄ　＞３５ｅ　　　・・・（１）従って、ネジ
部を主振動部２ａの厚みのうち加圧力のかかっている側
寄りの短い成る部分（端部、）に限定すれば、加圧むら
が生じにくい事になる。

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４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５１の平面図を第７図に示す。第７図（ａ）が
外側（表面）、同図（ｂ）が弾性体２との接着面側（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
の互い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
、っまりＵ方向の曲げを励振する事になる。前述と同様
にＣ相電極３１ｄに対してＡ相、Ｂ相順カ電極３１ａ、
　３１ｂには夫々 Ｖ　、ｓｉｎωｔ　、　Ｖ　０ｓｉｎ　（（ＬＪ　ｔ±
−）の電圧を印加すること、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、上記上−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わる。

第６図は、面内曲げモード時の振動体２の主振動部２ａ
の任意の断面の変化を示した模式図である。この断面は
通常の矩形断面４１ａから変形断面４１ｂ、　４１ｃと
いう具合に時間とともに変化する。面内曲げ振動である
事から、断面内において内径側が伸び（又は縮み）、外
径側が縮み（又は伸び）、結局Ｒ，Ｒ’で示す半径で曲
かった扇状の断面となる。従って内径、外径の各点の変
位は矢印４２ａ〜４２ｅ、　４３ａ〜４３ｅの様に変化
する事になる。（但し、実際はこれら矢印は水平に近い
。）変位は中立軸位置においては水平であるが、両端に
行く程逆方向に傾いた変位となる。第５図（ｂ）との対
応をみると、変位の矢印とネジ部接触面が垂直に近い程
出力の伝達効率が良好である事から、ネジ部を有効な方
からならべると、 ３５ｅ　＞３５ｄ　＞３５ｃ　＞３５ｂ　＞３５ａ　　
　・・・（２）つまり、伸縮モードの場合とは逆の関係
になり、主振動部２ａの厚みのうち加圧力のかかりてい
る側とは反対側寄りの短い成る部分（端部）のみにネジ
部を設ければ加圧むらが生じにくいことになる。

以上の実施例においては、リング状の振動体の内側に雌
ネジを切り、これに外側に雄ネジを切った移動体が螺合
している様に構成したが、逆にリング状の振動体の外側
に雄ネジを切り、これに内側に雌ネジを切ったリング状
のり動体を螺合させた実施例も可能であり、そのような
実施例においては、前記の式（１）又は（２）で示すよ
うなネジ部の有効性の序列関係は、伸縮モードの場合に
は前述実施例の伸縮モードの場合と逆になり、また面内
曲げモードの場合には前述実施例の面内曲げモードの場
合と同じになることが、検討の結果、わかる。

以上をまとめて、振動体２の主振動部２ａの断面形状の
種々の実施例を示した概略図が第８図である。Ｗは伸縮
モードのときの８動体の加圧方向、Ｗｏは面内曲げモー
ドのときの移動体の加圧方向を示している。２ａは振動
体の主振動部である。第８図　（ａ）、　（ｃ）、　（
ｄ）は伸縮モード、第８図　（ｂ）、　（ｃ）、　（ｅ
）は面内曲げモードの場合であり、移動体（不図示）が
雄ネジのときは同図　（ａ）、　（ｂ）　、移動体が雌
ネジのときは同図（Ｃ）、リング状振動体の内側にネジ
嵌合する移動体があり、外側にもネジ嵌合する移動体が
ある場合は　（ｄ）、　（ｅ）である。

ネジの形状は台形ネジに限らず三角ネジでもよく、ネジ
山の数・ピッチ・条数長さなどは所望に応じ適宜設計に
より定めればよい。

以上の実施例ではネジを振動体の軸方向端部に設けたが
、出力むらを無くすという目的に対しては、端部に限ら
ず、振動体の軸方向の巾の一部にのみネジを設けるよう
にしてもよい。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明によれば進行波型の振動波
モータの振動体と移動体を有効な一部のネジで係合する
事によって移動体と振動体の加圧を安定化でき、出力・
効率を高める事が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の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）は上記実施例における伸縮モード用の圧電
素子の平面図、 第４図　（ａ）、　（ｂ）は伸縮モードの動作説明図、
第５図　（ａ）、　（ｂ）は伸縮モードの振動体断面の
動作説明図、 第６図は面内曲げモードの振動体断面の動作説明図、 第７図　（ａ）、　（ｂ）は面内曲げモード用の圧電素
子の平面図、 第８図は本発明の異なる実施例に用い得る振動体の各種
断面形状を示す図である。 １．５１・・・圧電素子　　２・・・弾性体３・・・８
動体　　　　　　４・・・固定体２ａ・・・主振動部　
　　　　２ｂ・・・補助振動子、２ｃ・・・固定部 第４図 （ｂ） 第７図 （（１，） ＜ｂ） 第８図 Ｗ ル ＷＷ′

Claims (2)

【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つ
   て軸方向に加圧力を受け、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を備え、上記リ
   ング状振動体に形成されネジは上記加圧力の向きに応じ
   該リング状振動体の厚み方向の一部分にのみ設けられて
   いることを特徴とする振動波モータ。
2. 　２．上記一部はリング状振動体の軸方向端部である特
   許請求の範囲第１項の振動波モータ。