JPS6389080A - 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り動体を摩擦
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か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Ｗ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
接触している移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、および振切体
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であったからであり、更
に、周対向型では所望の振動を励振するのに円柱型の圧
電素子を従来用いているが、その加工が非常に難しいか
らである。また従来の周対向型の振動波モータでは圧電
素子の電極配萱の関係上リード線の引き出しが複雑であ
り、分棒処理時の歪も比較的大きく、振動検知用の検知
出力を好都合に取出すことも容易でなかった。

（発明の目的） 本発明は、周対向型の進行波型の振動波モータにおいて
上記従来の欠点を除去し、単純な構造でコンパクトなモ
ータを得ることを目的とするものである。

（発明の概要） 本発明の振動モータはリング状弾性体に発生させた周方
向に進む進行性振動波により、該リング状弾性体の内側
または外側に加圧接触せしめられた移動体を摩擦駆動す
る振動波モータにおいて、リング状弾性体と移動体とは
ネジ嵌合関係にあり、リング状弾性体の端面には薄いリ
ング状の圧電素子が接着され、該圧電素子は周方向に配
列された二群の分極処理区間を有し、該分極処理区間は
群内では上記進行性振動波の波長の半分の長さで等ピッ
チに且つ交互に逆極性に、面して群間には該波長の四分
の一のずれがあるように配列され、上記二群間に９０”
の時間的位相差を持つ交番電圧を印加されることを特徴
とする。

（発明の実施例〕 第２図は本発明の一実施例のモータユニット構成の上半
分を示した断面図であり、第１図はその振動体まわりの
構成斜視図である。これらの図において、１はリング板
状の圧電素子、２は金属製の弾性体、３は移動体、４は
固定体、５ａ、　５ｂはフェルト等の吸振体、６は回転
止め輪、７は固定ビス、８は荷重センサ、９は底板、１
０は外筒、１１は押え管、１２は連結部材、１３は加圧
バネ、１４は直動管、１５は出力板、１６は回転止め、
１７は加圧部材、１８．１９は軸受であり、これらは図
示の如く軸線Ｏを中心軸線としてリング状ないし円筒状
をなしている。

圧電素子１はＢｓよりなる弾性体２の端面に接着されて
、振動体を構成している。該振動体はその断面中立軸位
置においてフェルト等の吸振体５ａ、　５ｂに保持され
て固定体４内に収納される。

弾性体２の端面には径方向に溝２ａが等ピッチで５ケ所
設けられており、回転止め輪６のＬ字状と先端６ａが弾
性体２の断面中立軸位置で溝２ａと係合する。回転止め
輪６は固定ビス７で固定体４に固定される。弾性体２の
内径面には台形ネジ２ｂ（ピッチ１．０ｍｍ　）が切っ
てあり、ネジ表面はＮｉメッキ処理で硬化している。移
動体３は外径面に台形ネジ３ａが切られており、台形ネ
ジ２ｂと３８が螺合する。移動体３は八ｆＬ％であり、
ネジ部３ａは表面に硬質アルマイト処理を施しである。

移動体３は連結部材１２にビス止めされ、連結部材１２
は押え管１１から軸受１８．加圧部材１７を介して加圧
バネ１３により軸線０方向に加圧される。固定体４は３
侶の荷重センサ８を介してい底板９及び外筒１０内に収
納され、軸方向には移動可能であるが回転しないように
軸方向溝４ａと外筒１０からのビンで位置決めされる。

外筒１０に対する押え管１１の位置でバネ１３の加圧力
が調整できるように外筒１０と押え管１１はネジ結合し
ており、その加圧力は荷重センサ８でモニタできる。直
動管１４は連結部材１２と軸受１９を介して結合してい
る。押え管１１に取り付けられた回転止め１６の先端と
直動管１４の軸方向溝１４ａが係合していることにより
直動管１４は回転不能であるが軸線０方向に直線運動可
能であり、出力板１５からは直線運動が出力として取り
出せるようになフている。すなわち、後述するように、
弾性体２に生ぜしめられた進行性振動波によってＮ３励
体３が軸線Ｏ方向の周りに回転すると同時にネジ２ａ、
　３ａの螺合によって軸線Ｏ方向に移動するとき、それ
に伴い連結部材１２を介して直動管１４は軸°線０方向
のみに直線運動せしめられ、この直線運動が出力板１５
からモータ出力として取り出されるようになっている。

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。十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。ＴＬ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、人相
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の扇状電極群となりている。

Ａ相およびＢ相駆動用電極１ａ、　ｌｂ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晋を減らす為、
分極処理を行っである。

電ＦｉｌｅはいわゆるＳ相という振動検知用の電極（セ
ンサ相電極）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用波数にフ
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ｊｆ１１　ａ　、　１　ｂ　、　１　ｄ
　、　１　ｃはリード線２０ａ、２０ｂ、２０ｄ、２０
ｃ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２
０ａ〜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＝Ｖｏｓｉｎωｔの交番電圧が印加
され、Ｂ相駆動用電極１ｂにはＶ＝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　＝　Ａ　ｃｏｓ（ｋθ＋ψ１　）　ｃｏｓ（ωｔ＋
ψ２）Ｗ　＝ｓ　ｋ　Ａ　ｃｏｓ（ｋθ＋ψｓ　）　ｅ
ｏｓ（ωｔ◆ψ２）と表わされる。ここにＡは振巾、に
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は位相ずわである。第４図（ｂ）は
リング状弾性体２のｕ、ｗの変位を表わしており、２４
ａが振動体の内径（ネジ部２ｂ）。

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、ポアソン変形骨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移動し回転する
。従って、ネジ部２ｂ、３ａ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Ｂ動する。

第６図は伸縮モード用いた場合の実試作機の入出力特性
の実測データである（但しに＝３の場合）。横軸は軸方
向の荷重、縦軸はカーブ３２ａが軸方向の１多動体３の
移動速度、カーブ３２ｂがその時の入力電力（消費電力
）である。

但し、このときのモータ駆動周波数ｆｒは約９３．４Ｋ
　Ｈｚであった。

以上の様に、第３図に示す圧電素子パターンを用いると
、リード線が４木で足り、個々のＡ−Ｂ相のλ／２扇状
電極からリード線を引き出す必要もない。しかもセンサ
ー相電極から振動体２の伸縮モードの振動に伴った安定
な出力が得られ、圧電素子の分極時の歪も少ない。

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３１の平面図を第５図に示す。第５図（ａ）が
外側（表面）、同図（ｂ）が弾性体との接着面側（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、３
１ｄ。

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
と太き（異なる点は、各扇状電極か全て内外２列の且つ
分極処理方向の互に異なるペアから形成されている点で
あり、このペ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相電極３１ｄに対してＡ相。

Ｂ相、駆動電極３１ａ、３１ｂには夫々Ｖｏ　５ｉｎｃ
ｃ＋　ｔ。

Ｖｏ　ｓｉｎ　（ωｔ±−）の電圧を印加すること、と
れによりＡ相、Ｂ相定在波の合成としてリング状弾性体
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わる。

第７図はこの面内曲げモードの場合の実試作機の入出力
特性実測データである（但し、Ｋ＝４）。横軸は軸方向
にか−かっている荷重、縦軸はカーブ３３ａが軸方向の
移動体３の移動速度、カーブ３３ｂがその時の入力電力
（消費電力）である。また、このときのモータ駆動周波
数ｆ「は約２８．７Ｋ）Ｉｚであった。

このように、第５図に示す圧電素子パターンを用いると
、リード線が４本で足り、個々のＡ−Ｂ相のλ／２扇状
電極からリード線を引き出す必要もない。しかもセンサ
相電極として分極方向が互いに異なる内・外２列のλ／
４扇状電極を用いる為センサー相出力も振動体２の面内
曲げモードの振動に伴った安定な出力が高感度で得られ
、圧電素子の分極時の歪も少ない。

以上は、リング状振動体の内径側にネジ部を設けた例で
あるが、リング状振動体の外径側にネジを設はリング状
ｆＨｊ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・外径側に台形ネジを設け
て、これらを該振動体の内側に在る移動体および外側に
在るリング状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、またネジ山の数・ピッチ・条
数・長さなどは所望に応じ適宜設計により定めてよい。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明によれば、リング状の進行
波型振動波モータの振動体と移動体をネジで係合する事
で、移動体と振動体の加圧を安定化でき、しかも簡単な
平板状の圧電素子を用いる事で小型で低コストとなし得
る。しかも、リード線の引き田しも簡単で圧；素子の分
極時の歪も少なく、安定であり、センサー相出力も高感
度なものとする事が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例における振動体まわりの構成斜
視図、第２図は本発明の実施例に係るモータユニットの
構成断面図、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）は上記モータ
ユニットにおける面内曲げモード用の圧電素子の平面図
、第６図、第７図は本発明の実施例の入出力特性のグラ
フである。 １．３１・・・圧電素子　　２・・・弾性体３・・・８
ｉＩＩＩ体　　　　　　４・・・固定体６・・・回転止
め輪　　　　８・・・荷重センサ９・・・底板　　　　
　　１０・・・外筒１１・・・押え管　　　　　１２・
・・連結部材１３・・・加圧バネ　　　　１４・・・直
動管１５・・・出力板　　　　　１８．１９・・・軸受
第４図 （ｂ） 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　リング状弾性体に発生させた周方向に進む進行性振
   動波により、該リング状弾性体の内側または外側に加圧
   接触せしめられた移動体を摩擦駆動する振動波モータに
   おいて、リング状弾性体と移動体とはネジ嵌合関係にあ り、リング状弾性体の端面には薄いリング状の圧電素子
   が接着され、該圧電素子は周方向に配列された二群の分
   極処理区間を有し、該分極処理区間は群内では上記進行
   性振動波の波長の半分の長さで等ピッチに且つ交互に逆
   極性に、面して群間には該波長の四分の一のずれがある
   ように配列され、上記二群間に ９０°の時間的位相差を持つ交番電圧を印加されること
   を特徴とする振動波モータ。 ２　前記各群の分極処理区間は内外二列のペアよりなり
   、各ペアにおける内側と外側の分極処理方向が互に逆で
   ある特許請求の範囲第１項の振動波モータ。