JP2003169486A - 超音波モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 振動を発生する圧電素子を一対の弾性体で挟
む構成の振動源により振動体の端面に首振り運動を生じ
させ、この首振り振動面に移動体を加圧接触させて回転
運動を生起させる棒状の超音波モータは、小型で安価で
はあるが超音波モータとしては低トルクであり、大トル
ク化への要望が大きい。 【解決手段】 本発明は、圧電素子を一対の弾性体で挟
む構成の振動源により、振動源の端面に結合された前記
圧電体よりも大きい外径の円板状の振動体を特定周波数
の振動で共振させて進行波を生起させ、この進行波によ
り移動体に回転運動を生起させることで、小型で安価で
あることの利点を生かしつつ大トルクの超音波モータに
するものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電素子に電気エ
ネルギーを供給することにより振動体を共振させ、この
振動体の共振により振動体に押圧された移動体に回転運
動を生起し、この移動体の回転運動を抽出することでモ
ータ出力とする超音波モータに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の超音波モータとしては特開平６−
１７８５６１号公報に示されているように、振動を発生
する圧電素子は中心軸を境に左右反転して分極されてお
り、この圧電素子を２枚一組としてＡ相とＢ相に分け９
０度位相を違えて配置し積層している。そして、この圧
電素子を一対の弾性体で挟む構成で振動体を形成してい
る。

【０００３】この振動体は、圧電素子のＡ相だけに特定
周波数の交流電圧を印加すると、圧電素子は左右反転し
て分極されているので、それぞれの領域は伸縮する。こ
の伸縮によって振動体には中心軸と分極境界線を含む面
を中心に左右に曲げ固有振動が励振される。

【０００４】またＢ相だけに特定周波数の交流電圧を印
加すると、Ｂ相の分極境界面はＡ相に対して９０度位相
を違えて配置されているので、前記の曲げ固有振動に対
して９０度位相を違えた方向に固有振動が励振される。

【０００５】そしてＡ相とＢ相に印加する交流電圧を時
間的にも９０度位相を違えて印加すると、振動体の端部
が回転するような曲げ振動となる。この時、時間的な位
相を＋９０度または−９０度のいずれかを選択すること
によって左右の回転方向を選択できる。

【０００６】また、特開平６−１７８５６１号公報に示
される超音波モータでは、振動体に周溝を有して前記振
動の変位拡大をおなっている。これにより振動体の端面
には変位拡大した首振り運動が生じ、この首振り振動は
１波の進行波に相当している。そしてこの振動体の端面
部分に移動体を加圧接触させることで、移動体に回転運
動を生起し、この移動体の回転運動を抽出することで超
音波モータを構成している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】以上で説明した超音波
モータは振動体の構成がシンプルである為安価であり、
また小型である。またボルト締めタイプであるために樹
脂材料等の接着剤で圧電素子を接合する必要が無く、接
着剤の温度特性変化によるモータ性能の変化や接着剤に
よる振動吸収等の不具合が無い。しかし超音波モータと
しては低トルクであり、大トルク化への要望が大きい。

【０００８】大トルクを発生させるためには、振動体と
移動体との加圧接触面の径寸法をなるべく大きく設定す
るのが望ましく、上記で説明した超音波モータもその最
大外径付近に加圧接触面を設けている場合が多い。しか
し、首振り振動による棒状の超音波モータであるため、
その最大外径は前記圧電素子の外径程度である。

【０００９】またトルク増大の為の別の手段として、振
動体と移動体との接触部の加圧力を増す方式もあるが、
接触部の磨耗で耐久性能の悪化要因つながる場合があ
り、限界があった。

【００１０】以上のように幾つかの利点は持つものの、
大トルク化には限界があった。そこで本発明は、上記タ
イプの超音波モータの利点を生かしつつ大トルクのモー
タを提供することを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに請求項１よれば、薄板状で両面に電極を有し２つ以
上の伸縮領域に分極された圧電素子が所定の角度位相を
変えて複数積層され、その圧電素子の上下面を一対の弾
性体で挟み込み柱形状とした振動源と、前記振動源の端
面に結合され前記振動源により励振される振動体と、前
記振動体に加圧接触し所定の方向に駆動される移動体と
を有する超音波モータにおいて、前記振動体を前記圧電
素子の最大外径よりも大きい円板形状とし、前記圧電素
子に電気信号を印加することによって前記振動源に特定
周波数の振動を生起させ、この振動により前記円板を共
振させてその円周方向に進行波を励振させ、この進行波
により前記移動体を回転駆動させる超音波モータであ
る。

【００１２】また請求項２によれば、一対の弾性体間に
挟まれ特定周波数の振動を発生する圧電素子からなる円
柱形状の振動源と、前記振動源の端面に結合され前記振
動源により励振される振動体と、前記振動体に加圧接触
し所定の方向に駆動される移動体とを有する超音波モー
タにおいて、前記振動体を前記圧電素子の外径よりも大
きい円板形状とし、前記圧電素子に電気信号を印加する
ことによって前記振動源にその軸の直交面で軸中心に複
数に分割されたそれぞれの領域において時間的に所定の
位相差を持たせた軸方向の縦振動を生起させ、この縦振
動により前記円板形状の振動体の円周方向に屈曲振動の
進行波を励振させ、前記円板の進行波により前記移動体
を回転駆動させる超音波モータである。

【００１３】

【実施例】〔第１の実施例〕図１に本発明の第１実施例
を示す。図２はその分解斜視図である。また、図３は第
一の実施例で用いる圧電素子の電極配置を示す斜視図で
ある。

【００１４】図１において、振動源４は薄板で円板状の
圧電素子１、２、３と下部弾性体５、上部弾性体６と圧
電素子の各電極と外部制御回路との接続のためのプリン
ト基板７とで構成されている。

【００１５】圧電素子は図３に示すように、２つの領域
で厚さ方向に分極され、それぞれの領域の上面に電極１
ａ、１ｂを配置し通電可能なように電気配線されてい
る。また圧電素子の逆の面には共通電極８（不図示）が
概略前面に配置され同様に通電可能なように電気配線さ
れている。

【００１６】これらの圧電素子は２枚１組の圧電素子１
をＡ相として、このＡ相に対して９０度位相を変えて配
置される２枚１組の圧電素子２がＢ相となり、振動検出
の為の１枚の圧電素子３がＳ相となっている。そしてそ
れぞれの圧電素子は積層されるとともに各電極がプリン
ト基板に電気配線される。

【００１７】本実施例ではＡ相およびＢ相の圧電素子を
各２枚で構成しているが、圧電素子の厚みを薄くしてさ
らに多くの枚数を積層することで低電圧化をすることが
できる。また、Ａ相およびＢ相の圧電素子を各１枚構成
としても可能であることは言うまでもない。また、本実
施例のようにＡ相とＢ相を別々の圧電素子とするのでは
なく、１枚の圧電素子を軸中心に対し４分割するように
電極を配置してその対向する領域の一方をＡ相とし、他
方をＢ相としてもかまわない。

【００１８】以上のように構成された圧電素子は、図１
及び図２に示すようにプリント基板７とともに下部弾性
体５と上部弾性体６とで挟み込まれ、ボルト１０の第１
ネジ部１０ａによって締め付けられて結合される。この
時結合手段として樹脂材料等からなる接着剤を使用する
ことは、圧電素子から発生する振動の減衰の原因となっ
たり、発熱する温度での振動の減衰量が異なったりする
ので好ましくない。またプリント基板のベース材料も振
動エネルギーを減衰させないような材料を選択するのが
望ましい。

【００１９】本実施例では円板形状をした振動体９は上
部弾性体６と一体化された構成となっており、振動源か
らの振動を振動体に効率よく伝えるようにしている。も
ちろん振動体９と上部弾性体６を別部品にして結合手段
をもって結合した構成にしてもかまわない。また下部弾
性体５と上部弾性体６と振動体９は安価で加工精度の優
れた材料の例えば真鍮等で作られている。

【００２０】次に移動体１１は、その中央穴をボルト１
０の連結軸部１０ｂに通すように組み付けられ、加圧バ
ネ１３は移動体１１の収納部１１ａに組み込む。さらに
連動ギヤ１２は、その凸部１２ｂを移動体１１に設けら
れた凹部１１ｂに嵌合させ、そして加圧バネ１３をその
収納部１２ａに収納するように組み込む。

【００２１】最後にナット１４をボルト１０の第２ネジ
部１０ｃにねじ込み固定することで、移動体１１と加圧
バネ１３と連動ギヤ１２の組み付けは完了される。

【００２２】次に動作の説明をする。

【００２３】図３において圧電素子の下面側に設けられ
た共通電極８（不図示）をグランド（ＧＮＤ）電位にし
て、上面側に設けられた電極１ａ、１ｂにそれぞれプラ
ス電位とマイナス電位を印加する。そしてこの電位を特
定周波数の交流電圧とすることでＡ相の圧電素子による
振動を生起させる。

【００２４】また、この２枚１組のＡ相の圧電素子１に
対して９０度の位相を変えて配置される２枚１組の圧電
素子２のＢ相には、Ａ相に対して時間的に１／４波長の
位相を異ならせた特定周波数の交流電圧を印加させて、
Ａ相の圧電素子による振動に対し位置と時間とでそれぞ
れ位相をもたせたＢ相の圧電素子による振動を生起させ
る。

【００２５】図４は振動源４と振動体９の形状をモデル
化した立体斜視図である。斜線部が圧電素子１，２であ
り、その下部に下部弾性体５、その上部に上部弾性体６
と振動体９が構成されている。このモデルにおいては、
中央の穴形状やＳ相の圧電素子等は省略している。この
モデルによって振動のようすを説明する。

【００２６】前記のようにＡ相の圧電素子による振動を
生起させ、その振動により励振される振動体９が共振状
態となるようにその特定周波数を選択する。この共振に
より振動体９は図５の（ａ）と（ｂ）の状態を繰り返す
ように左右の振動をする。また、Ｂ相の圧電素子による
振動を生起させ、その振動により励振される振動体９が
共振状態となるようにその特定周波数を選択すると、こ
の共振により振動体９は図５の（ｃ）と（ｄ）の状態を
繰り返すように前後の振動をする。

【００２７】Ａ相の圧電素子による振動とＢ相の圧電素
子による振動は時間的にプラス１／４波長異ならせてあ
るので、振動体９の共振によってできた波の波高部９ａ
は（ａ）、（ｄ）、（ｂ）、（ｃ）の順に推移していく
ことになり、波高部９ａの位置が円板状の振動体の外周
部で回転するように移動する。また、この波高部９ａは
Ａ相の圧電素子による振動とＢ相の圧電素子による振動
を時間的にマイナス１／４波長異ならせることによって
（ａ）、（ｃ）、（ｂ）、（ｄ）の順にすることができ
る。つまり、波高位置の正逆回転が可能となる。

【００２８】以上のように振動源４によって励振された
振動体９の波は、１つの波高を持つ進行波に相当する。
この進行波の生じる部位は前記振動体９の外周部が最も
振幅の大きい所となり、前記振動体９の外径は前記圧電
素子１ａ、１ｂの最大外径よりも大きいので、従来品に
比べて低速で大きなトルクを得ることができる。

【００２９】前記に説明した振動の形態は次のような表
現でも説明できる。

【００３０】圧電素子１，２の伸縮により振動を発生さ
せ、圧電素子を挟んだ下部弾性体５と上部弾性体６に、
共振状態ではない軸方向の縦振動をその軸の直交面で軸
に対称な２つの領域で１／２波長異なる位相で生起させ
るとともに、この縦振動を軸中心に９０度異ならせた２
つの領域で時間的に１／４波長の位相差を持たせて生起
させる。この縦振動は前記円板形状の振動体９を共振状
態にする特定周波数であり、前記振動体９は図５で示す
Ａ相で励振された左右方向の定在波とＢ相で励振された
前後方向の定在波が時間的に１／４波長の位相差を持つ
ことによって、その円周方向に屈曲振動の進行波を作り
出していることになる。

【００３１】振動体９が移動体１１と接触する位置は、
この波高部９ａとなる。この波高部９ａの接面は楕円軌
道を描き、移動体１１に回転運動を与える。

【００３２】移動体１１はこの進行波を有効に得て回転
運動をするように、振動体９との加圧接触面１１ｃを振
動体９の外周部付近にしている。この加圧接触する加重
は、加圧バネ１３によって加えられる。この加圧バネ１
３のたわみ量はナット１４のねじ込み量で調整できるの
で、加圧接触する加重の調整や変更も容易となる。

【００３３】移動体１１の回転運動は、移動体１１に設
けられた凹部１１ｂと、連動ギヤ１２に設けられた凸部
１２ｂとが嵌合しているので連動ギヤ１２に回転運動は
伝えられる。連動ギヤ１２はこの超音波モータの運動抽
出部品となり、本実施例では歯車にてモータ出力をして
いる。

【００３４】以上のように本発明の超音波モータは、振
動体の構成がシンプルである為安価であり、また樹脂材
料等からなる接着剤で圧電素子を接合する必要が無いた
めに、接着剤による振動吸収や温度変化による接着剤の
特性変化等によるモータ性能の変化が無く、また振動源
が小型であることの特徴を持ちながら従来品に比べて低
速で大きなトルクを得ることができる。

【００３５】〔第２の実施例〕図６に本発明の第２の実
施例を示す。

【００３６】第１の実施例に対して振動体９の形状が異
なり、振動体９には振動源４との結合部から移動体１１
との加圧接触面１１ｃまでの途中に、曲げ剛性が小さく
なるようにした肉薄部９ｂが全周にわたって均等に設け
られている。

【００３７】振動体９は振動源４によって共振状態に励
振されるが、この肉薄部の曲げ剛性が小さいことによっ
て振動体９の外周部９ｃは振幅の大きな波に増幅される
ことになる。この効果は超音波モータのエネルギー効率
を上げることにつながる。

【００３８】〔第３の実施例〕図７に本発明の第３の実
施例を示す。

【００３９】上記と同様に第１の実施例に対して振動体
９の形状が異なり、振動体９には振動源４との結合部か
ら移動体１１との加圧接触面１１ｃまでの途中に、筒形
状の曲げ剛性が小さくなるようにした肉薄部９ｂを全周
にわたって均等に設けてあり、加圧接触面１１ｃはその
筒形状からフランジ状に突き出た外周部９ｃに設けられ
ている。

【００４０】振動体９は振動源４によって共振状態に励
振され、この筒形状の肉薄部の曲げ剛性が小さいことに
よってフランジ状に突き出た外周部９ｃは振幅の大きな
波に増幅され、超音波モータのエネルギー効率を上げる
ことにつながっている。

【００４１】本実施例の場合は肉薄部９ｂが振動源４の
外周に沿って筒形状に設けられているので、振動体９の
外周部９ｃの外径を小さくできる利点がある。

【００４２】また、ここでは筒形状の肉薄部９ｂを振動
源４側に垂下させるように設けてあるが、移動体１１側
に突き出るように設けてもかまわない。

【００４３】また、第１から第３の実施例において、加
圧接触面１１ｃを含む振動体の外周部９ｃを櫛歯形状に
して、さらに振幅の増幅を行うと共に磨耗分等の除去の
効果を得るようにしても良い。

【００４４】〔その他の実施例〕上記で説明した振動体
の進行波は１つの波高を持つ進行波であるが、次のよう
に圧電素子の分極をすることによって複数の波高を持つ
進行波を作ることができる。

【００４５】図８（ａ）に２波の波高部９ａを持つ振動
体モデルの波形を示す。このような波形の進行波を作り
出す為には、図８（ｂ）に示すように圧電素子を４つの
領域で厚さ方向に分極し、それぞれの領域の上面に電極
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄを配置し通電可能なように電気
配線する。また圧電素子の逆の面には共通電極８（不図
示）が概略前面に配置され同様に通電可能なように電気
配線している。ここでは説明の為、中央の穴形状やＳ相
の圧電素子等は省略している。

【００４６】ここで圧電素子１のＡ相には電極１Ａ、１
Ｂにはプラスの電位、１Ｃ，１Ｄにはマイナス電位を印
加し、逆の面の共通電極はＧＮＤ電位にする。Ｂ相の圧
電素子はＡ相に対して４５度位相を変えて配置してい
る。そしてＡ相の圧電素子に対して時間的に１／４波長
位相を異ならせた電位を印加する。

【００４７】そして、Ａ相及びＢ相の圧電素子の電極１
Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄに振動体９が図８（ａ）に示す共
振をおこす特定周波数の上記条件の交流電圧を印加する
ことで、２つの波高を持つ進行波を作ることができる。

【００４８】第１の実施例でも説明したように、圧電素
子の分極の分割数を変えてＡ相、Ｂ相の圧電素子を一体
化したりＡ相、Ｂ相の圧電素子を複数枚積層したりても
よい。

【００４９】３波以上の波高を持つ進行波を作る為に
は、上記と同様な思想のもとで圧電素子の分極を多分割
して、それに応じたＡ相とＢ相の圧電素子の位相を変え
た配置にすれば良い。３波以上の波高を持つ振動体の波
形形状は、その例として図９の立体モデルに示す。

【００５０】振動時発生時に移動体１１との接触部は波
高部９ａとなるので、上記のように振動体９に複数の波
高の進行波を作ることによって、その接触部が多くなり
両者は磨耗しにくくなる利点がある。

【００５１】以上で説明したように、本発明は従来タイ
プの超音波モータの利点を生かしつつ大トルクのモータ
を提供することを可能としている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の超音波モータの断面図

【図２】本発明の第１の実施例の超音波モータの分解斜
視図

【図３】本発明の第１の実施例の電極配置を示す斜視図

【図４】振動源４と振動体９の形状をモデル化した立体
斜視図

【図５】立体モデルによる振動状態の説明図

【図６】本発明の第２の実施例の超音波モータの断面図

【図７】本発明の第３の実施例の超音波モータの断面図

【図８】２波の波高を持つ振動体の説明図。

【図９】立体モデルによる３波以上の波高を持つ振動体
の波形形状。

【符号の説明】

１ Ａ相圧電素子 ２ Ｂ相圧電素子 ４ 振動源 ５ 下部弾性体 ６ 上部弾性体 ９ 振動体 ９ａ 波高部 ９ｂ 薄肉部 ９ｃ 外周部 １０ ボルト １１ 移動体 １１ｃ 加圧接触面 １２ 連動ギヤ １３ 加圧バネ １４ ナット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H680 AA01 AA12 BB03 BB15 DD02 DD12 DD23 DD37 DD44 DD53 DD55 DD65 DD74 EE04 FF04 FF26

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 薄板状で両面に電極を有し２つ以上の伸
   縮領域に分極された圧電素子が所定の角度位相を変えて
   複数積層され、その圧電素子の上下面を一対の弾性体で
   挟み込み柱形状とした振動源と、前記振動源の端面に結
   合され前記振動源により励振される振動体と、前記振動
   体に加圧接触し所定の方向に駆動される移動体とを有す
   る超音波モータにおいて、前記振動体を前記圧電素子の
   最大外径よりも大きい円板形状とし、前記圧電素子に電
   気信号を印加することによって前記振動源に特定周波数
   の振動を生起させ、この振動により前記円板を共振させ
   てその円周方向に進行波を励振させ、この進行波により
   前記移動体を回転駆動させることを特徴とする超音波モ
   ータ。
2. 【請求項２】 一対の弾性体間に挟まれ特定周波数の振
   動を発生する圧電素子からなる円柱形状の振動源と、前
   記振動源の端面に結合され前記振動源により励振される
   振動体と、前記振動体に加圧接触し所定の方向に駆動さ
   れる移動体とを有する超音波モータにおいて、前記振動
   体を前記圧電素子の外径よりも大きい円板形状とし、前
   記圧電素子に電気信号を印加することによって前記振動
   源にその軸の直交面で軸中心に複数に分割されたそれぞ
   れの領域において時間的に所定の位相差を持たせた軸方
   向の縦振動を生起させ、この縦振動により前記円板形状
   の振動体の円周方向に屈曲振動の進行波を励振させ、前
   記円板の進行波により前記移動体を回転駆動させること
   を特徴とする超音波モータ。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の振動源は、前記圧電素
   子に電気信号を印加することによって、前記振動源にそ
   の軸の直交面で軸に対称な２つの領域で１／２波長異な
   る位相の軸方向の縦振動を生起させるとともに、この縦
   振動を軸中心に９０度異ならせた２つの領域で時間的に
   １／４波長の位相差を持たせて生起させる振動源である
   ことを特徴とする超音波モータ。
4. 【請求項４】 請求項１または２に記載の超音波モータ
   において、前記円板形状の振動体に励振させる円周方向
   の進行波は、複数の波高をもつ進行波であることを特徴
   とする超音波モータ。
5. 【請求項５】 請求項１または２に記載の超音波モータ
   において、前記円板形状の振動体の前記振動源との結合
   部から前記移動体との加圧接触面へ至る途中に、曲げ剛
   性を小さくした振動体部を形成したことを特徴とする超
   音波モータ。
6. 【請求項６】 請求項１または２に記載の超音波モータ
   であって、その振動体形状を前記振動源との結合部分が
   円板形状で、この円板形状の周面部を基端として曲げ剛
   性を小さくした筒形状部を設け、この筒形状の他端部に
   フランジ形状部を設けて、このフランジ形状部が前記移
   動体の加圧接触面となることを特徴とする超音波モー
   タ。
7. 【請求項７】前記振動体の前記移動体が加圧接触する部
   分を櫛歯形状としたことを特徴とする請求項１または２
   記載の超音波モータ。