JPS6389081A - 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８！Ｉ］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ため、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わせ
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り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。

従来、リング状の進行波型振動波モータは、その振動体
に固有の種々の振動モードを振動体に励振し、共振させ
ることで、大振幅を取り出す構造になっている。しかし
、実際に用いられる振動体の振動モータは、用いられる
圧電素子の形状のために１種類に限定され、モータ設計
の自由度が非常に狭かった。

（発明の目的） 本発明は、上述従来例の進行波型の振動波モータの欠点
を除去し、単純な構造で設計の自由度が高くコンパクト
なモータとすることを目的とする。

〔発明の概要〕

本発明の振動波モータは、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、更に、各分
極処理区間は互いに分極処理の方向が逆である内側およ
び外側のペアよりなり、上記二群の分極処理区間の間に
９０°の時間的位相差を持つ交番電圧を、ペアをなす内
側分極処理区間と外側分極処理区間とでは電圧の極性が
互いに逆であるように印加する手段と、該印加される交
番電圧の極性を選択的に反転させる手段とを備えたこと
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、１０
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、１
７は加圧部材、１８．１９は軸受であり、これらは図示
の如く軸線０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Ｂ、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ｃｆｉ６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１．０＋ａ
ｍ　）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３ａが螺合する。移動体３はＡ２
製であり、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Ｏ方向に加圧される。固
定体４は３個の荷重センサ８を介して底板９及び外筒１
０内に収納され、軸方向には移動可能であるが回転しな
いよう軸方向溝４ａと外筒１０からのピンで位置決めさ
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ｌＯ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○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っている。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
移動体３が軸線Ｏ方向の周りに回転すると同時にネジ２
ａ、３ａの螺合によって軸線０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フている。

第３図は本実施例に用いる圧電素子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、裏にはともにＮｉスパッ
タにより図中斜線で示した電極が形成されており、これ
ら電極は扇形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＋、
−の直流電圧を印加して分極処理しであることを示して
おり、（＋）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の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。各扇形電極はす
べて内外２列の且つ分極処理の方向が互いに異なるペア
から形成されており、表面と裏面の電極ペアは夫々対応
位置関係にある。表、裏いずれにおいても、周方向につ
いて各電極は区画４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄを形
成している。電Ｊｌｉｘ　４１　ａ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４１ａは長さ　（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
るため、Ａ相駆動用電極４１ａはλ分の扇状電極群とな
フている。同様に電極４１ｂ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４１ａと同様に　（に−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４１ａ、４１ｂは
空間的な位相で９０”即ちλ／４ずねており、その間に
電極４１ｅが存在している。電極４１とは直接モータ駆
動に関係しないが、電圧素子全体での分極処理時の歪の
影響で減らすため、分極処理を行りである。

電極４１ｃ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、振動のモニタとして利用される。

電極４１ｄは電極４１ｅと同様に分極処理時の歪の減少
のため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４１ｄはＡｇ等の導電性のペースト４２
で側面から電気的に結合してＣ相のコモン電極となる。

本発明実施例では伸縮モードの振動および面内曲げモー
ドの才辰勤のいずれでも選択できるようになっている。

伸縮モードは質点の変位がリング状振動体２の周方向に
生ずる縦振動と半径方向に生ずる横振動が合成されたも
ので、あたかも棒状の振動体の縦振動をリング状に結合
したようなモードであり、面内曲げモードは質点の変位
が曲げによりリングの半径方向に生ずるような曲げ振動
である。

これら両モードを選択するための電気的接続について以
下に説明する。

コモン電極４１ｄは導電性ペースト４２で振動体と導通
しており、リード線４０ｄでグランドとなる。交流電源
４３は発振回路４８でその駆動周波数を調整される。Ａ
相４１ａの内径側扇状電極はリード線４０ａと接続され
て交流電圧が印加され、Ｂ相４１ｂの内径側扇状電極は
リード線４０ｂと接続され±９０゛移相器４４を通して
交流電圧が印加される。Ｓ相４１ｃの内径側のλ／４扇
状電極はリード線４０ｃと接続され、そのセンサ端子４
７は振動モニタ用に利用されたり、発振回路４８の周波
数調整端子４９へ導かれフィードバックループを構成す
る。

伸縮モードを励振するときには、夫々インバータ４５ａ
、４５ｂ、４５ｃ側に切換スイッチ４６ａ、４８ｂ。

４６ｃを切換えれば、内・外扇状電極４１ａ、４１ｂ。

４１ｃが見掛は上、夫々−つの扇状電極となり、振動体
の内側と外側の伸縮の方向が同じになるので、伸縮モー
ドの振動によるリング状振動体２の周方向に進む進行波
が発生する。

また、面内曲げモードを励振するときには、夫々インバ
ータ４５ａ、４５ｂ、４５ｃと反対側に（図に示す方向
と逆方向に）切換スイッチ４６ａ、４６ｂ。

４６ｃを切換えれば、リング状振動体２の内側と外側の
伸縮の方向が互いに逆になるので、面内曲げモードの振
動による進行波が振動体２の周方向に進むようになる。

その波の進行方向、ひいてはモータの駆動方向は移相器
４４で与える位相差の正負で定まる。

この場合、伸縮モードと面内曲げモードでは振動体２の
共振周波数が変ることから、発振回路４８で駆動周波数
を切換える必要がある。例えばリングの伸縮モード、面
内曲げモードの共振周波数をそれぞれｆｒ、、ｆｒ２と
すると、で表される。但し、Ｅはヤング率、ρは密度、
Ｒは半径、Ａは振動体の断面積、■は断面２次モーメン
ト、Ｋは振動の波数である。

第４図は伸縮モードを用いた場合の実試作機の人出力特
性の実測データである（ただしに＝３の場合）。横軸は
軸方向の荷重、縦軸はカーブ３２ａが軸方向の移動体３
の移動速と、カーブ３２ａ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ｆ「は約９′１４ｋ
ｔｌｚであった。

第５図は面内曲げモードの場合の実試作機の人出力特性
の実測データである（但し、Ｋ＝４）。横軸は軸方向の
荷重、縦軸はカーブ３２ａが軸方向の移動体３の移動速
度、カーブ３３ｂがその時の人力電力（消費電力）であ
る。また、このときのモータ駆動周波数ｆｒは約２８．
７ｋＨｚであった。

以上のように、本発明実施例の構成によれば、簡単に二
つの振動モードが選択的に励振でき、振励モードによっ
てモータの特性を切換えることができるので、モータの
設計の自由度がそれだけ向上する。

また伸縮モード用の圧電素子は面外曲げ振動も励振でき
ることから、圧電素子１は、伸縮モード、面内曲げモー
ドでなく面外曲げモードを利用した振動波モータ（例え
ば特開昭６０−２１０１７３号）にも適用できる。従っ
て、３ｆ！！類の振動モードがモータ駆動周波数を変え
ることによって励振可能で、モータ特性も３種類とする
ことができ、モータの設計の自由度も３倍に向上する。

以上は、振動体の内径側にネジ部を設けた実施例である
が、リング状振動体の外径側にネジを設け、リング状穆
動体の内径側にネジを設けて両者を係合しても良く、ま
た振動体の内・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穆
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
必要に応じ適宜設計により定めてよい。更に、ネジのな
いモータにおいても、本発明によると３種の振動、モー
ドが得られることは明らかであり、ネジの有無をとわす
、モータの設計の自由度はアップする。

〔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
はモータにおいて１枚の圧電素子で３種類の振動モード
が励振可能であるので、モータの特性も３タイプ選択可
能であり、モータ設計の自由度も大幅に向上する。しか
も簡単な平板状の圧電素子を用いることにより小型で低
コストとなし得る。

【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ットに用い
る圧電素子平面図とその電気接続図、第４図および第５
図は本発明実施例の人出力特性の実測グラフである。 １・・・圧電素子　　　　２・・・弾性体３・・・移動
体　　　　　４・・・固定体６・・・回転止め輪　　　
８・・・荷重センサ９・・・底板　　　　　　ｌＯ・・
・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３図 （、（１）　　　　　　　　　　（ｂ）入６

Claims (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、更に、各分極処理区間は互いに分極処
   理の方向が逆である内側および外側のペアよりなり、上
   記二群の分極処理区間の間に９０°の時間的位相差を持
   つ交番電圧を、ペアをなす内側分極処理区間と外側分極
   処理区間とでは電圧の極性が互いに逆であるように印加
   する手段と、該印加される交番電圧の極性を選択的に反
   転させる手段とを備えたことを特徴とする振動波モータ
   。