JPS6389078A - 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９動体のフ勅に利用するもので、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６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、振動体とり動体
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。

また周対向型で振動体と移動体がネジ嵌合している振動
波モータが提案されているが、効率を上げるのに最適な
ネジ山角度や振動体の軸方内申が良く分っていなかった
。

（発明の目的） 本発明は、周対向型進行波型振動波モータにおいて従来
の上記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８勅体とを備え、上記リング状
振動体に励振される振動モードが面内曲げ振動モードで
あり、該リング状振動体の軸方向の巾りを としたことを特徴とする。

（但し、Ｒはリング状振動体の中心半径、ｂはその半径
方向中、νはポアソン比、Ｋはリング状振動体の全周に
乗る波数、θは前記ネジのネジ山角である。） （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は導電性ベ
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の中立軸位置から軸方
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、５ｍｍ）が切ってあり、ネジ表面はＮｉメッ
キ処理で硬化しである。

ｆｌｉｔＪ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ＡＩ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。８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！［ｈＯの方向に移動させるもの
である。

ところで、本実施例においてはリング状振動体く前述の
主振動部２ａに相当する）の面内曲げモードを利用する
。面内曲げモードとは、撮動による振肪体の質点の変位
がリング状振動体の半径方向に生ずるような曲げ振動で
あり、本実施例は、この曲げ振動がリング状振動体の周
方向に進行するような進行波を利用するものである。

第３図はこの面内曲げ振動の進行波を発生させるために
本実施例において用いる圧電素子１の平面図で、同図（
ａ）は外側の面（表）、同図（ｂ）は弾性体２との接合
面（裏）を示している。表・裏面はともにＮｉスパッタ
により図中斜線で示す電極が形成されており、これら電
極は扇形のパターンをしている。裏面（ｂ）に示した（
＋）、　　（−）は表面（ａ）に対して夫々予め＋、−
の直流電圧を加えて分極処理しである事を示しており、
（＋）の分極処理を施した区域とく−）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逆になる。裏面（ｂ）においては
、各扇形電極が全て内外２列の、且つ分極処理方向の互
に異るベアから形成されており、これにより、内側が伸
びると外側が縮むという具合になり、従って面内曲げを
発生するようになっている。表面（ａ）における各扇形
電極は裏面の夫々対応するベアの電極を覆うに足る大き
さになっている。表・裏面のいずれにおいても、周方向
について、各電極は区画１ａ。

Ｉｂ、Ｉｃ、ｆｄ、Ｉｅを形成している。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、Ｉｂは空間的な位相で９
０”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Ｎ　ＩＮ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、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！ｂ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７Ｃ／２だけ相互にずれた面内
曲げ振動の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
の面内曲げ振動の進行波が生じ、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π ±−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。

さて第４図は面内曲げモードにおける振動体（前記主振
動部２ａに相当するもの）の断面の模式図である。振動
体の断面をＰＪｊｌＬな矩形断面２０で考えると、面内
曲げモード発生の時、例えば内径側に曲った場合の断面
が２１である。

すなわち、曲げである為、断面の内径側が引張り力、外
径側に圧縮力が作用し、第４図（ａ）に示すように曲率
１　／　ｒの扇状の断面２１に変形する。断面の中心の
径方向の変位Ｕはｕ　＝　Ａ　ｃｏｓ（Ｋφ＋ψ、　）
ｃｏｓ（ωｔ＋ψ２）■ここに、Ａは振巾、Ｋは波数、
φはリング断面角度位置、ωは固有振動数、ψ１．ψ２
は位相ずれである。

簡単の為に、ψ、＝ψ２　＝Ｏ，ｔ＝ｏとすると ｕ＝ＡｃｏｓＫ　　φ　　　　　　□　　■曲げモーメ
ントＭは （ＥＩは曲げ剛性、Ｒは振動体半径である）また曲率１
　／　ｒは ここにνはポアソン比である。

第４図（ａ）の関係から、振動体の内径端点ｐの変位ｐ
ｑの角度ψは０式から 第４図（ｂ）に示すように、実際は振動体の内径側にネ
ジ部があるから、θをリング面と穆肪体の加圧方向側の
ネジ山の面とのなす角度とすると、８動体との接点ｐの
変位方向（角度）が０式で表わされるψとなるので、次
の関係が望まれる。

□　■ ０式は、ｐの変位２２が、加圧力Ｗ２３のネジ面に垂直
な成分の方向２３ｂと一致するまで（０式の等号が成立
する時）θを傾ければ十分であるという事である。

０式から ■式は振動体の径方向中の限界を与えるものであり、■
式の条件を満足する振動体の形状・寸法・材質であれば
良好な出力が得られる事になる。

以上において、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・長さなどは設計
により適宜窓めればよい。また、リング状振動体の外径
側にネジを設はリング状移動体の内径側にネジを設けて
両者を係合してもよく、またリング状振動体の内・外径
側にネジを設けて、これらを該振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。

また、本発明実施例は振動体を補助振動子で支持したも
のであるが、フェルト等の吸振体を用いて支持するタイ
プのものにも同様に適用で参る。

（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
モータの振動体の形状・寸法・材質を特定の条件のもの
とする事によって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り、更に、モータ構成部品数も
少なく低コストでしかもコンパクトになし得る。

【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圧電素子の平面図、 第４図（ａ）、（ｂ）は振動体断面の模式図である。 １は圧電素子、２は弾性体、３は８動体、４は固定体、
２ａは主振動部、２ｂは補ルｊ振動子、２Ｃは固定部 ・１ 木　　多　　小　　平　　　、ｉ −一；」 第１図 第２図 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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
   れる移動体とを備え、上記リング状振動体に励振される
   振動モードが面内曲げ振動モードであり、該リング状振
   動体の軸方向の巾ｈを ｈ≦（４Ｒ＾２）／｛νｂ（Ｋ−１）｝ｔａｎ（π／２
   −θ） としたことを特徴とする振動波モータ。 （但し、Ｒはリング状振動体の中心半径、ｂはその半径
   方向巾、νはポアソン比、Ｋはリング状振動体の全周に
   乗る波数、θは前記ネジのネジ山角である。）