JP2005137100A - 超音波モータ及び超音波モータ付電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 モータの出力特性が安定すると共に、モータ個々の出力特性もばらつきが小さくなる超音波モーターを提供すること。
【解決手段】 圧電素子からなる振動体１と、振動体１の振動により駆動される移動体３と、振動体１と移動体３の間に加圧力を与える加圧部材４とからなる超音波モータにおいて、振動体１の振動の節近傍から突出する突出部５と、突出部５に設けられ加圧力方向に延出する支持部材６と、支持部材６を加圧力方向にのみ移動可能に案内する案内部材７を設ける構成とした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超音波モータ及び超音波モータ付電子機器に関し、特に超音波モータの支持加圧構造に関する。

近年、様々な電子機器において、精密な位置決めが必要とされている。そしてその駆動源として超音波モータが注目されている。
超音波モータの要素部品は、振動体と、加圧部材と、振動体と接触する移動体からなる。振動体に電圧が印加されることにより振動体は励振される。そして、加圧部材により振動体と移動体に加圧を与えることで、振動体と接触する移動体は摩擦力をうけ駆動力を発生する原理である。

従来の技術による超音波モータは、例えば図８に示すような矩形状をなす振動体を用いたものがある。この従来の技術による振動体の例を図８に示す。図８においては、圧電素子からなる矩形状の振動体１００の周囲を弾性部材１０１で挟み込むようにして支持する構造を採っている。（特許文献１参照）
特開平０９−０３７５７５号公報 （図１１）

しかしながら、図８に示す支持加圧構造は、振動体１００を弾性部材１０１で挟み込んでいるのみであるため、駆動時や経時的に支持部材が変形し、可動部の位置がずれてしまうと共に、振動体と移動体の接触点が変動し、出力特性を変動させてしまうことがある。また、同様の理由により、振動体の支持力等の支持条件が変動したり、モータ個々でも支持条件を同一にすることは難しく、モータ特性のばらつきをまねく恐れがあった。

そこで本発明の目的は、振動体を安定に支持すると共に、振動体と移動体との接触を安定させる加圧支持構造を得ることにある。

上記問題点を解決するために、本発明の超音波モータは以下のような構成を採用している。すなわち、圧電素子からなる振動体と、振動体の振動により駆動される移動体と、振動体と移動体の間に加圧力を与える加圧部材とからなる超音波モータにおいて、振動体の振動の節近傍から突出する突出部と、突出部に設けられ加圧力方向に延出する支持部材と、支持部材を加圧力方向にのみ移動可能な様に案内する案内部材を有することを特徴としている。これによれば、支持部材と案内部材の間に若干のガタが生じたとしても支持部材は加圧力方向にのみ移動可能で、振動体は回転せず加圧力方向にのみ可動する。そのため振動体と移動体との接触位置が一定となり、超音波モータの出力が安定すると共に個体差も生じ難い。

また、突出部は振動体の振動の節近傍から突出しているため、振動体の振動の節近傍に振動体の振動ロスも低減できる。
また本発明では、突出部が振動体の幅方向側面かつ長手方向中央に設けられていることを特徴としている。これによれば、突出部を振動体の幅方向の側面でかつ長手方向中央に設けることにより支持構造の薄型化が可能となる。

また本発明では、突出部が振動体の厚み方向側面かつ長手方向及び幅方向中央に設けられていることを特徴としている。これによれば、突出部を振動体の厚み方向側面かつ長手方向及び幅方向中央に設けることにより、振動体の側面付近にスペースを設けることが可能となるそれにより設計の自由度を上げることが可能となる。

本発明では、支持部材と案内部材は突出部の延長部を避けた位置で接することを特徴としている。これによれば、振動体を直接支持した部分と案内部材とが接触することはなく振動体の振動ロスの低減が可能となると共に支持条件も安定となる。

また本発明では、加圧部材は突出部もしくは支持部材を加圧することを特徴としている。これによれば、振動体に加圧部材が接しないため、振動体の振動ロスを低減させることが可能となる。

本発明によれば、上記に記載のいずれかの超音波モータを用いた超音波モータ付電子機器はが提案される。これによれば、超音波モータ付電子機器のエネルギーロスも少なくまた、安定した駆動が可能となる。

本発明の超音波モータは、振動体の振動の節近傍から突出する突出部と、突出部に設けられ加圧力方向に延出する支持部材と、支持部材を前記加圧力方向にのみ移動可能な様に案内する案内部材が設けられている。それにより、加圧力方向には振動体は安定に可動するが、加圧力と垂直をなす方向に変位しないため、振動体と移動体との接触が一定となる。それにより、モータの出力特性は安定となると共に、モータ個々の出力特性もばらつきが小さくなる。

また、突出部を振動体の幅方向の側面でかつ長手方向中央に設けることにより支持構造の薄型化が可能となる。

また、突出部を振動体の厚み方向側面かつ長手方向及び幅方向中央に設けることにより、振動体の側面付近にスペースを設けることが可能となるそれにより設計の自由度を上げることが可能となる。

そして、支持部材と案内部材は突出部の延長部を避けた位置で接触させることにより、支持構造が要因となるモータ出力特性の変動を回避できる。
そして以上の超音波モータを用いた超音波モータ付電子機器は、振動体と移動体との接触が一定となり安定したモータ駆動が可能となるため、個々でばらつきがなく、安定した性能が得られる。

（実施の形態１）
以下、本発明を適用した実施の形態１について、図１〜４を用いて説明する。

図１は、実施の形態１に係る超音波モータを示す図である。図１（ａ）は超音波モータの全体構成を示す。図１（ｂ）は図１（ａ）においてＡ―Ａ’断面を示す。

実施の形態１に係る超音波モータは、振動体１と、振動体1の振動の節近傍から突出する突出部５と、加圧力方向に延出する支持部材６と、支持部材６を加圧方向と同じ方向に案内する案内溝７ａを有する案内部材７と、振動体１と接触し、摩擦力により移動する移動体３と、振動体１と移動体３に圧力を与える加圧部材４と、移動体３の移動を案内する移動体案内部材８と、移動体案内部材８を固定する固定部材９からなる。図１に示すように振動体１には、移動体３と接触する位置に接触点を一定とするための突起２を設けても良い。

振動体１は、電圧の印加により図３に示す縦振動と屈曲振動の二つの振動が励振され、突起２の位置では楕円運動を描く。突起２と接触する移動体３は、加圧部材４からの加圧力をうけ、摩擦力により直線方向に移動する。

振動体１としては、チタン酸ジルコン酸鉛等の圧電素子単体を用いる。

突起２は、矩形状に加工した耐摩耗性に優れたエンジニアリングプラスチックを接着剤で取り付けても良い。

突出部５及び支持部材６の材質は、ステンレス等の金属でも良いし、電気的に絶縁が必要な場合は、剛性の高いエンジニアリングプラスチックやセラミックス等でも良く、突出部５と支持部材６を一体で作製しても良いし、別々に作製し接着することにより一体化しても良い。

支持部材は加圧力方向にのみ移動可能で、且つ加圧力方向に延出しているため、加圧力方向には振動体は安定に可動するが、例えば回転動作等、他の方向には可動しない、そのため振動体と移動体との接触位置が一定となり、モータの出力は安定になると共に、モータ個々の出力にばらつきが生じ難くなる。

図２は、実施の形態１に係る図１とは別の超音波モータを示す図である。
図２（ａ）は、超音波モータの全体構成を示す。図２（ｂ）は図２（ａ）においてＡ―Ａ’断面を示し、複数の圧電素子１０で弾性材１５を挟んで振動体１を構成し、振動体側面に突出部５を接着した場合を示す。また、図２（ｃ）は、同様に図２のＡ―Ａ’断面部分を示し、複数の圧電素子１０で金属等弾性材１５を挟んで振動体１を構成し、弾性材１５と突出部５は一体で構成されている様子を示す。

図２（ｂ）に示す構造とした場合は図１に示す例と同様に、振動体と移動体とにはたらく加圧力と垂直をなす方向に対しては振動体の位置が変動せず、振動体に回転力が加わることがないため振動体と移動体との接触が安定する。そのためモータの出力は安定になると共に、モータ個々の出力にばらつきが生じ難くなる。

図２（ｃ）に示す構造とした場合、図２（ｂ）に示す構造での効果に加え、弾性材１５と突出部５を一体とすることにより、振動体１と突出部５との接着部分での振動ロスを低減することも可能である。移動体３は直線運動のみならず、移動体形状を円板とすることで回転型の超音波モータを構成することも可能である。

図３は、実施の形態１に係る振動体１に電圧を印加することにより励振される振動モードの例を示す図である。例えば、振動体１に電圧を印加することにより屈曲振動モードと縦振動モードを励振し、移動体と接する一端で楕円運動を描かせ、摩擦力により移動体を移動させる。突出部５を屈曲振動モードと縦振動モードの振動の節位置に設けることにより振動ロスが低減される。

図４は、実施の形態１に係る超音波モータの支持部材に切り欠き部を設けた場合の構成を示す図である。

支持部材６が、突出部５が設けられた位置の延長線上で、案内溝（図示略す）と接しないように切り欠き部１６を設ける。それにより、突起部５、強いては振動体には案内溝との接触圧が直線に加わらないため振動体の振動ロスの低減並びに、この振動ロスの安定化が可能となる。
（実施の形態２）
以下、実施の形態２は振動体と移動体とに圧力を与える加圧構造について詳細に述べる。

図５（ａ）は加圧部材からの加圧を振動体の一点に与えた場合を、図５（ｂ）は加圧部材からの加圧を支持部材に設けられた支持部材に与えた場合を、図５（ｃ）は加圧部材からの加圧を突出部に与えた場合を示す図である。

図５（ａ）に示す位置に加圧を与えた場合は、振動体もしくは振動体の少なくとも一点に加圧を与えるため、突出部や支持部材の剛性を低くできるので支持部材の小型化、並びに支持部での振動ロスの低減が可能であるとともに、振動体もしくは振動体への加圧力を大きくすることができ、超音波モータの高トルク、高推進力化が可能となる。

図５（ｂ）に示す位置に加圧を与えた場合は、振動体もしくは振動体に加圧部材が接しないため、振動体もしくは振動体の振動ロスを低減することが可能となる。

図５（ｃ）に示す位置に加圧を与えた場合は、例えばコイルばね状の加圧部材を振動体もしくは振動体と支持部材との間のスペースに設けることが可能であるため超音波モータ全体を小型化することが可能となる。
（実施の形態３）
以下、本発明を適用した実施の形態３について、図６を用いて説明する。

図６（ａ）は、実施の形態３に係る超音波モータに用いる振動体１及び支持部材６と突出部５を示している。突出部５は振動体1の厚み方向側面かつ長手方向及び幅方向中央において設けられている。

図６（ｂ）は、支持部材６が案内される案内溝７ａを有する案内部材７を示し、図６（ｃ）は、全体構成を側面から見た様子を示す。

実施の形態１と同様に支持部材６は加圧方向に延出しているため振動体１は、加圧方向のみに可動するため、振動体１と移動体（図示略す）との接触は一定となる。それによりモータの駆動が安定する。ここで支持部材６の、突出部の延長した位置に切欠き部６ａを設けることにより案内部材７と接触しない様にする。

また、突出部５を厚み方向側面に設けることにより、屈曲振動モードと縦振動モードの完全な節点に突出部５を設けることができる為振動ロスは極めて小さい。また、振動体１の側面に空きスペースを設けることが可能となり、設計の自由度を上げることが可能となる。
（実施の形態４）
以下、本発明を適用した実施の形態４について、図７を用いて説明する。
図７は、実施の形態４に係る超音波モータ付電子機器を示し、具体的にはカレンダー付腕時計のカレンダー機構構造を示す。

実施の形態４に係る超音波モータ付電子機器は、振動体１と振動体１に設けられた突起２と、加圧部材４と、突出部５と、支持部材６と、支持部材６を案内する案内部材７と、突起２に接触し、回転軸４を中心に回転し、歯車となっている歯車部１３を有するローター１１と、日付が記載されている文字板１０からなる。歯車部１３は文字板１０の内周と噛み合い、文字板１０は回転力を得て、カレンダー機構の駆動を行う。

超音波モータ付電子機器に用いる超音波モータは、実施の形態１から３の超音波モータを用いているため、振動体１の支持は安定しており振動体１と移動体３との位置ずれがないためローター１１との接触が一定となるため安定したカレンダー機構の駆動が可能となる。また支持部での振動ロスも極めて小さいから効率が良く、低電圧で駆動もできる為、電池での駆動が十分可能となる。そして、モータ全体での構造が小型なため小型な電子機器（時計）が実現できる。

本発明の実施の形態１に係る超音波モータを示す図である。 本発明の実施の形態１に係る超音波モータを示す図である。 本発明の本発明の実施の形態１に係る支持部材の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る超音波モータの別の構成を示す図である。 本発明の実施の形態２に係り、超音波モータの加圧構造を示す図である。 本発明の実施の形態３に係る超音波モータを示す図である。 本発明の実施の形態４に係る超音波モータ付電子機器を示す図である。 従来の技術による超音波モータの構成を示す図である。

符号の説明

１ 振動体
２ 突起
３ 移動体
４ 加圧部材
５ 突出部
６ 支持部材
７ 案内部材
７ａ 案内溝
８ 移動体案内部材
９ 固定部材
１０ 圧電素子
１１ ローター
１２ 回転軸
１３ 歯車部
１４ 文字板
１５ 弾性材
１６ 切り欠き部

Claims (6)

1. 圧電素子からなる振動体と、前記振動体の振動により駆動される移動体と、前記振動体と移動体の間に加圧力を与える加圧部材と、前記振動体の振動の節近傍から突出する突出部と、前記突出部に設けられ前記加圧力方向に延出する支持部材とからなる超音波モータにおいて、
   前記支持部材を前記加圧力方向にのみ移動可能とする案内部材を備えたことを特徴とする超音波モータ。
2. 前記突出部は前記振動体の幅方向側面かつ長手方向中央に設けられていることを特徴とする請求項１記載の超音波モータ。
3. 前記突出部は前記振動体の厚み方向側面かつ長手方向及び幅方向中央に設けられていることを特徴とする請求項１記載の超音波モータ。
4. 前記支持部材と案内部材は前記突出部の延長部を避けた位置で接することを特徴とする請求項１記載の超音波モータ。
5. 前記加圧部材は前記突出部もしくは支持部材を加圧することを特徴とする請求項１記載の超音波モータ。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の超音波モータを備え、前記超音波モータにより稼動部を駆動することを特徴とする超音波モータ付電子機器。

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