JP3190073B2 - 振動波モータおよび振動波モータを備えた装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、振動体に接合された電
気−機械エネルギー変換素子に電気エネルギーを供給す
ることにより、振動体を振動させ振動体の駆動面に回転
運動を生じさせ、振動体と接触した接触体と振動体とを
相対回転させる振動波モータ、特にカメラ等の光学機
器、プリンタ等の事務機器に好適な振動波モータおよび
振動波モータを備えた装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、振動波モータとしての超音波モー
タとしては、円環状の弾性体に曲げ振動を起こし、摩擦
力によりレンズ駆動用移動体を駆動させるタイプのもの
が、カメラ用ＡＦ機構などで、実用化されている。しか
し、この従来のタイプのものは、リング形状であるた
め、加圧機構を含めたユニットとしては、比較的コスト
高であり、中空を要求されないモータ用としてはコスト
上不利である。そこで中実型で、加圧系などの構成が容
易な、図２乃至図３に示すようなタイプのモータが、近
年提案された。

【０００３】ここで、該提案にかかるモータについて図
２乃至図４をもちいて簡単に説明する。

【０００４】図２は棒状の超音波モータの振動体斜視
図、図３はモータ構成図を示す縦断面図である。

【０００５】電気−機械エネルギー変換素子（以下ＰＺ
Ｔと称す）ａ１，ａ２により、振動体は図４に示すよう
な１次曲げの振動を発生する。

【０００６】Ｃは上部が細い円柱形状を有するボルト
で、真ちゅう、ステンレス等の減衰の比較的小さい金属
等でできた振動体としての構成部材ｂ１およびｂ２間に
ＰＺＴａ１，ａ２を挟持固定する。

【０００７】また円柱部ｍの形状は振動体を構成する固
定部材ｇと結合する上部付近にて振動体の振動時の変位
が小さくなるような寸法にて決定する。

【０００８】そして、移動体ｄはベアリングｅを通して
バネケースｆ、コイルバネｈを介して振動体を構成する
固定部材に結合されているため、振動体の上面に加圧接
触している。

【０００９】ところで、ＰＺＴａ１，ａ２にて発生する
１次曲げモードはθ方向に９０°の位置的位相差を持っ
た方向に２種かつ時間的に９０°ずれて励振されるた
め、移動体との接触部Ａ点（図４に図示）は楕円運動を
行う。尚、その運動方向は振動体の形状により決まりＺ
軸に対して角度α傾いた面内を楕円運動する。このと
き、加圧接触している移動体は摩擦駆動される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図２に示す
ような超音波モータの振幅はきわめて微小（μｍオーダ
ー）のため、現実の加工精度を考慮すると以下の問題が
発生する。尚以下に示すそり量は駆動面に垂直方向につ
いて、そして振動方向は駆動面の垂線となす角により定
義する。

【００１１】振動体としての構造部材ｂ１は旋盤等で加
工されるが、図５に示すように、高精度に加工しても平
面度０．２〜０．８μｍ程度のそり（ｘ）を生じてい
る。また、その変形形状はｓｉｎ２θで示される殆んど
２つ折れの形状を呈している。ところでレンズのＡＦ用
アクチュエータなどに利用されている円環型超音波モー
タでも同様にそりが見られるが、振動体に発生させる波
数は一般に多く、この棒状の超音波モータ程切実になら
ない。この理由を以下に述べる。

【００１２】図６は円環型超音波モータについて示した
もので（横軸は円環を展開したθ座標）、（ａ）におい
て、ｉは１μmの振動体のそり形状を表し、静的な状態
（振動していない状態）における接触部の形状を示す。
（ｂ）ではｊは５波の０．５μmの振動変位、さらに
（ｃ）は両者が重畳したものに、移動体ｄが接触してい
る様子を示す。

【００１３】図１２，１３にも同様の図を示すが、図６
ではそりのピーク位置（図中Ｂ）と振動波動の位相差
０、図１２が１８０°、図１３が９０°のときを示し、
いずれの状態でも移動体は波動の全ての山（波頭：図中
太線）に接触はできないが、いくつかに少なくとも１つ
の波頭に接触し、常に振動体から駆動力を得ることがで
きることがわかる。

【００１４】一方、複数の異なる方向の屈曲振動を所定
の時間的位相差を有して励起する方式の超音波モータ
は、１波駆動に相当し、図７の状態となったとき、矢印
Ｃの示す波頭と移動体ｄとが接触せず、移動体ｄは駆動
力を殆んど得ることができない。したがって、きわめて
効率の悪いモータとなってしまう。

【００１５】すなわち、図７の（ａ）はそり変形ｉを示
し、（ｂ）は振動変位ｊを示し、この合成（ｉ＋ｊ）を
（ｃ）に示すように、矢印Ｃにおいて移動体ｄは波頭と
接触しない。

【００１６】図１１は従来の効率の悪い振動波モータの
振動体を示している。この振動体は、振動方向（α）が
60°で、接触面のそりは0.8μmであった。また、振幅の
上限値をとる駆動周波数は64.8kHzと高く、比較的小さ
い振幅から発熱するため、大振幅は難しく、1.5μm以上
の振幅を発生させると、振動体の内部損が急増し、効率
が著しく低減し、あるいは小電力での駆動ができない。
ここで振動体の接触部における振動変位（振動振幅によ
る移動量）は図１１の矢印で示されるベクトルの長さａ
で表され、その軸方向の変位成分の大きさは、そのベク
トルが軸となす角、つまり振動体の駆動面の静止時にお
ける垂線となす角をαとするとａ・ｃｏｓαである。

【００１７】しかし、振幅（振動振幅による移動量ａ）
が1.5μm以下（ａ≦１．５μm）の振動では、振動方向
α＝60°で、且つ接触面のそりが0.8μm（ｘ＝0.8μm）
であるため ｘ＜ａ・ｃｏｓα の条件を満せず、移動体が振動体の駆動波の山の頂点
（波頭）に接触しない瞬間が存在してしまう。このた
め、摩擦駆動力が移動体に伝わらず、効率よく出力する
ことができない。

【００１８】ところで、波動とそりの位相関係が図７に
示す状態のとき、速い送り速度を持つ波頭と移動体が接
触できるための条件、つまり全時間領域にわたって波頭
と移動体とが接触できるための条件は、そりの量と波動
振幅の大きさの関係で決まる。

【００１９】ところで、棒状に形成されているモータに
おいて、接触・非接触を決定するのは、駆動面に垂直な
方向の成分である。これは、図４において、矢印で示す
ロータとの接触部の質点変位をａとすると、上記した垂
直方向の成分はａ・ｃｏｓαとなり、この成分が面のそ
り量ｘより大きければよいことになる。

【００２０】

【課題を解決するための手段】したがって、振動体と接
触し、振動体と相対的に回転する接触体との接触径、駆
動周波数、モータスペックの回転数から決定される変位
ａ、及び、使用する加工機、振動体の部材ｂ１の大き
さ、形状等で決まるそり量ｘについて、０＜ｘ＜ａ・ｃ
ｏｓαとなるように振動角αを決定すれば効率のよいモ
ータが実現できる。

【００２１】なお、本発明の原理について振動体にそり
を生じ、接触体駆動面は理想的にそりを生じていない場
合を例にして上記の説明を行なっているが、図７に示し
た波動と振動体のそりとの位相状態にて、振動体のそり
と接触体駆動面のそりが逆位相のとき、図１６に示した
ように、より接触不可能であり、本発明に示す条件はき
びしくなる。

【００２２】この場合、接触体駆動面のそりをｗとする
と、０＜ｘ＋ｗ＜ａｃｏｓαとなる。

【００２３】また、きわめてまれに、旋盤加工時のチャ
ッキングの影響等により３つ折れ（ｓｉｎ３θなる形
状）のそりを生じていることがあり、振動体のそりと振
動変位の位相関係が図１７のようになったとき波頭部Ｃ
は接触体駆動面ｄとは接触できず前述同様モータ効率は
悪化する。このとき接触体駆動面が波頭と接触する条件
は、上記の関係と同様である。

【００２４】また、表面粗さのようなきわめて細いピッ
チの凸凹については、その包絡線により定義する。

【００２５】

【実施例】図１は本発明による振動波モータとしての超
音波モータの一実施例を示す。

【００２６】本実施例による振動波モータとしての超音
波モータは、図２，３に示す超音波モータと基本的には
同様の構造であり、ロータＲの接触面のそり量（ｘ）
は、0.2μm〜0.8μm程度の範囲でバラツキを有してい
る。一方、振動体は電源条件、モータでの発熱等から、
ロータＲとの接触部にて得られる変位（振幅運動による
移動量）を1.5μm〜2.5μmｏ−ｐ程度が限界であった。
なおｏ、ｐは片振幅を示す。

【００２７】また、この振動体の振動方向（α）は、39
°である。ここで、振動方向（α）は、振動体の振動方
向が駆動面の静止時における垂線となす角でる。 また、
振動体の接触部の振動での振幅運動による移動量ａは、
振動子の形状及び振動体にかける電圧若しくは電圧の周
波数等で変化する値で、測定若しくは計算によって求め
ることが可能な値である。

【００２８】すなわち、ａ＝１．５μｍ〜２．５μｍ、
α＝３９°とし、ａｃｏｓαの値（Ｚ方向成分）は１．
２μｍ〜１．９μｍとなる。このことから、そり量
（ｘ）は、ａｃｏｓαより小なる条件を満足することに
なる。

【００２９】この超音波モータを実際に駆動すると、大
出力を効率よく取り出すことができた。

【００３０】以上より、１波駆動の超音波モータにおい
て、現実的に（理想平面ではこのようなことはないか
ら）、出力を大きく取り出すためには、振動方向αを小
さくすればする程よいといえる。

【００３１】このようにするには、図８に示すように、
１点鎖線で示すたわみ関数のロータ接触部付近の傾きが
大きく、つまり、角度βが大きくなるような形状を与え
ればよい。

【００３２】このためには、図８に示す振動体の形状で
は、ｔ，μを小とすることにより実現できる。また、振
動体同一形状でもロータとの接触径により異なる。例え
ば図１に示すα₂ はαより大きく、外径側で接触させた
方が通常有利である。

【００３３】図９，図１０は軸の傾きβが大きくなる振
動体形状の例である。

【００３４】図９の実施例では、ｔ部の寸法を小さく
し、剛性を下げると共に、上部の質量を大きくし、βを
大きくしたものである。

【００３５】また、図１０に示す実施例では、振動体の
くびれ部における軸方向の長さＨを長くし、βを大きく
したものである。

【００３６】なお、上記の実施例は、加工容易性等の理
由から、ロータと当接する振動体の駆動面が平面状のも
のについて説明したが、駆動面がテーパ状であっても同
様の効果が得られる。

【００３７】図１４は駆動面にテーパ形状を有する振動
体の実施例を示している。

【００３８】本実施例では駆動面は振動体の軸に対し４
５°、振動方向は４８°であるため、α＝３°であり、
駆動面の平面度が０．５μｍであることから、振動振幅
０．６μｍでも良好なモータ効率が得られた。

【００３９】図１５に本発明によるモータを使用して、
ある装置を駆動する場合の構成を示す。

【００４０】１は移動体２と同軸的に接合された歯車
で、回転出力を歯車１に伝達し、歯車３と噛み合う歯車
をもった装置を駆動させる。移動体２および装置の回転
位置、回転速度を検出するために、光学式エンコーダス
リット板５が歯車３と同軸に配置されフォトカプラ４で
位置・速度を検出する。

【００４１】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、振動体における駆動面の加工精度等によって、接触
体と駆動面とが接触されないという状態がなくなり、モ
ータの効率を向上させることができるという効果が得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による超音波モータの一実施例を示す
図。

【図２】従来の超音波モータの斜視図。

【図３】従来の超音波モータの縦断面図。

【図４】本発明の原理を説明する図。

【図５】振動体のそりを示す図。

【図６】振動体のそり、振動変位と、これらの合成とロ
ータとの接触状態を示す図。

【図７】図６の状態からある時間経過後の振動体のそ
り、振動変位と、これらの合成とロータとの接触状態を
示す図。

【図８】他の実施例の振動体の側面図。

【図９】他の実施例の振動体の側面図。

【図１０】他の実施例の振動体の側面図。

【図１１】従来の振動体の側面図。

【図１２】本発明の原理を説明する振動体のそり、振動
変位と、これらの合成とロータとの接触状態を示す図。

【図１３】図１２の状態からある時間経過後の振動体の
そり、振動変位と、これらの合成とロータとの接触状態
を示す図。

【図１４】本発明の他の実施例の振動体の図。

【図１５】本発明による超音波モータを駆動源として使
用した装置の断面図。

【図１６】本発明の原理を説明する図。

【図１７】本発明の原理を説明する図。

【符号の説明】

ａ１，ａ２…圧電素子（ＰＺＴ） ｂ１，ｂ２…振動
体構造体 ｃ…ピン付ボルト ｄ…振動体 ｅ…ベアリング ｆ…バネケース ｇ…振動体固定部材 ｈ…コイルバネ α…振動方向 Ａ…移動体との接
触位置 ｘ…そり量 ａ…振動振幅 Ｂ…そりのピーク β…たわみ角 Ｃ…振動の波頭

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 振動体に挟持された電気−機械エネルギ
   ー変換素子に駆動用の電気信号を印加することにより、
   該振動体の端面である駆動面に複数の異なる方向の屈曲
   振動を所定の時間的位相差を有して励起し、これらの複
   数の屈曲振動の合成により振動の１波駆動によって該振
   動体の駆動面に回転運動を生じさせ、該駆動面に端面に
   て加圧接触する接触体と前記振動体とを相対回転させる
   ものであって、前記駆動面の端面には固有のそりが存在
   し、前記回転運動は前記駆動面の質点について振動方向
   を有すると共に振動振幅を有する振動波モータにおい
   て、 該振動体に励起される屈曲振動の該接触体との接触部に
   おける前記振動方向について該振動体の駆動面の静止時
   における垂線となす角度をα、該振動体の接触部の振動
   での振幅運動による移動量をａ、該接触体との接触面に
   おける該振動体の端面のそり量をｘとすると、０＜ｘ＜
   ａ・ｃｏｓαとなる条件ａで駆動することを特徴とする
   振動波モータ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の振動波モータを駆動源
   として有し、該振動波モータにより駆動される被駆動部
   材を有することを特徴とする振動波モータを備えた装
   置。