JPH0491668A

JPH0491668A - 振動波装置および駆動装置

Info

Publication number: JPH0491668A
Application number: JP2206233A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Tsukimoto; 貴之月本; Takashi Maeno; 隆司前野
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1990-08-03
Filing date: 1990-08-03
Publication date: 1992-03-25
Anticipated expiration: 2015-01-17
Also published as: JP2998978B2

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】［産業上の利用分野］本発明は、圧電素子等の電気−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、電気−機械エ
ネルギー変換素子をその厚み方向両側から挟持固定する
棒状振動体を屈曲振動させ、その質点に円又は楕円運動
させることで、振動体に押圧した移動体を摩擦駆動する
超音波モータに関するものである。

［従来の技術］従来の超音波モータとしては、円環形状の金属性振動弾
性体に進行性の曲げ振動を起こし、摩擦力により移動体
を駆動させるタイプの物かカメラのオートフォーカス（
ＡＦ）機構等に採用されている。

しかし、このタイプの超音波モータは、振動弾性体をリ
ング形状としているため、摩擦力を得るための加圧機構
を含めたユニットとしてはコスト高の傾向にあり、中空
性（リング状）を要求されることのない用途としてはコ
スト上不利な点があった。

そこで、ペンシル型等の棒状で、加圧系の構成が簡単な
タイプの超音波モータとして、第１１図及び！１２図に
示すようなモータが提案されている。

Ａはペンシル型の振動子で、ペンシルの形状の前振動弾
性体１と、円柱状の後振動弾性体２との間にドーナツ状
の圧電素子板３．４を設けると共に、これら圧電素子板
３，４に交流電圧を印加するための電極板（不図示）を
例えば圧ｔｉ子板３．４の間に介挿し、ボルト６により
前振動弾性体１と後振動弾性体２との間に圧電素子板３
，４及び電極板を挟持固定する。

圧電素子板３，４は、例えば厚み方向の分極特性が異な
る素子部を軸対称に形成し、その片面側に各素子部に対
応して電極を設けると共に、他面側に共通電極を設けて
いる。これら圧電素子板３．４は、例えば片面側を前振
動弾性体１側に向け、且つ素子部を２分する軸を９０度
の角度ずらして配置している。

そして、電極板と前振動弾性体１との間に交流電圧Ｖ１
を印加すると共に、電極板と後振動弾性体２との間に交
流電圧■２を印加することにより、圧電素子板３の厚み
方向おける伸縮変位による振動と、圧電素子板４の厚み
方向における伸縮変位による振動との合成により、振動
子Ａを振動させる。交流電圧■１と交流電圧■２は、例
えば振幅及び周波数が共に同じで、時間的位相が９０度
のずれを有していると、振動子Ａはその軸心を中心とし
て縄飛びの縄のような円運動（以下縄張び振動と称す）
行なうことになる。また、交流電圧Ｖ、、Ｖ２の位相を
逆転することにより円運動の正逆回転か可能となる。

一方、Ｒは振動子Ａの軸心ρと同軸に嵌合するロータで
、その嵌合一端部が振動子の摺動部Ｂにバネ５のバネ力
により押圧され、振動子Ａに励起される振動により摩擦
駆動されて回転する。バネ５はホルト６の先端部と、フ
ランジ付きのスラストベアリング７に嵌合するバネボス
ト８との間に弾装されている。

［発明が解決しようとしている！！’題］しかし、近年
、製品の軽ｆｉＩ短小化の流れの中で、モータに対する
小型化の要求は増している。このような状況の中、蓄積
エネルギーの体積密度が大きい超音波モータへの期待は
、大きく、特に上記の超音波モータは原理上小型化に有
利てあり、短小化の要求が多い。

しかし、振動子の長さを短くすると曲げ振動の固有振動
数は上がるため、モータを駆動するには、電気素子のエ
ネルギー損失が増えるなど回路に対する負担も増え、電
気系を含めた効率低下を招く。

また振動子への投入をエネルギーを一定とすると、振動
子の発生する振動振幅か小さくなるため、移動体との接
触部が、より高精度に加工されていないと、均一な接触
が得られず、モタ出力が不安定となり、効率は劣化する
。

さらに、振動子の長さを短くして振動数を下げるために
は細くすればよいか、振動子に蓄積される振動エネルギ
ーか小さくなり、外乱に対し振動状態が変化しやすくな
り、振動子の制御がむずかしくなる。本発明の目的は、
上記した従来の問題を解決し、振動子の蓄積エネルギー
を最大限大キ〈シ、振動周波数を下げることができる超
音波データを提供することにある。

［課題を解決するための手段］振動子を短かくして固有振動数を下げるためには、振動
子を細くすれはよいが、モーダル質量が減り、振幅を増
やさねば蓄積エネルギーは減ってしまう。

方、振幅はモータ回転数に概ね比例するため、モータの
回転数スペックが決まっている場合、任意に設定するこ
とはできない。

したがって外乱に対して安定な振動を保つためにはモー
ダル質量の減少は最低域に保ちたい。

ところて、棒のたわみ関数を考えると、第１図に示すよ
うに、自由端（Ｍの端部）付近では、腹部付近にくらべ
、直線に近いため、この部分では歪は小さい。又変位の
大きい部分であるから太くしてもモーダルスティフネス
にの増加量より、モーダル質量Ｍの増加量の方か太き子
の端部を太くすると振動数は下げることかできる。

なお、特開昭６３−２７４３７７号に振動子の駆動原理
の異なる振動棒について、中央部に凹部を設けたものか
示されているが、太くなっている部分の長さがおよそ節
位置より中央寄りにくると（この位置は太くなっている
部分の径寸法により異なる）、振動数は逆に上がフてし
まう。

［実　施　例］第１図は本発明による超音波モータの実施例を示す。

第１図（ａ）は本実施例による振動子の概略側面図を示
し、第１図（ｂ）は振動子Ａに励記される駆動用振動モ
ードの径方向（ｒ方向）振幅分布を示している。

振動子Ａは、駆動用振動モードの節位置よりも外端側の
端部ａ　ｌ　＋　８２を太くしている。

すなわち、本実施例の振動子Ａ、は振動の節位置よりも
外側の両端部ａ　ｌ　＋　”　２を大径部とすることに
より、例えば第２図に示すように直径を一様とする振動
子Ａ°と比較して、固有振動数を下げることができ、逆
にモーダル質量を大幅に増加させることかできる。

したがって、モーダル質量の低下を招くことなく駆動周
波数を低くすることかでき、モータ駆動用の回路系も含
めたモータ効率を向上し、また駆動も安定する。

第３図は実施例２を示す。

第３図（ａ）に振動子Ａは、第１図（ｂ）に示す駆動用
振動モードで駆動されるものであって、第１図（ａ）に
示す振動子の大径両端部ａｌ＋８２に加えて振動腹部に
大径部ａ３を形成している。

本実施例は、第１図に示す実施例１に加えて大径部ａ３
を追加し、この大径部ａ３の厚みをある厚み以下とする
ことにより、固有振動数をさらに低くすることができる
ようにしたものである。

第３図（ｂ）に示す大径部ａ３のＡ−Ａ線に沿った断面
の歪分布を第３図（ｃ）に示す。第３図（Ｃ）において
、大径部ａ３の厚みがある厚み以下では歪は殆んど根元
付近にしか起こらない。このとき、大径部ａ３は振動子
の剛性よりも質量として犬ぎく効き、固有振動数は下が
る。

第４図は実施例３を示す。

本実施例は、実施例２に示す振動子Ａの大径部ａ３をロ
ータＲとの摩擦駆動部としたもので、大径部ａ３にテー
バ形状の摺動面Ｂを形成している。ロータＲは、ベアリ
ング７に設けたバネボスト８と振動子Ａとの間に設けた
バネ５のハネ力により、摺動面Ｂに押圧されている。

本実施例は、振動子Ａの長さ方向中央部付近にロータＲ
との摺動面Ｂを設けているので、モータを小型化（短く
）するのに有利である。

第５図は実施例４を示す。

本実施例は、実施例２に示す振動子Ａの一方のｉ部ａ、
にロータＲとの摺動面Ｂを設けたものて、傾斜面を内側
に向けたテーパ形状の摺動面Ｂには矢印ｅで示す駆動力
が発生する。

第４図及び第５図において、バネ５の振動子Ａへの取付
部は、振動への影響を小さくするため、屈曲定在波の節
近傍に設けている。

なお、第１図に示すタイプの振動子にロータＲと接触す
る摺動面Ｂを設けた実施例を第６図、第７図に示す。

第６図に示す振動子は、一方の端部ａ、に第４図（ａ）
に示す実施例と同様の摺動面Ｂを設け、第７図に示す振
動子は、第５図（ａ）に示す実施例と同様に摺動面Ｂを
設けている。

第６図に示す実施例は、従来例と同様の電圧印加方向に
より、圧電素子板３，４に電圧を印加しているが、第７
図に示す実施例は、積層した４枚の圧電素子板ｄ＋、ｄ
２．ｄｓ、ｄ４．を並列に接続し、実質面積を増やすこ
とにより、低電圧、例えば第６図に示す実施例の半分の
電圧で同じ振幅を得ることができるようにしている。

第８図は実施例５を示す。

第１図に示す実施例は、振動子Ａの両端部ａ□ｒ　８２
を共にその振動の節よりも外側位置に設けたが、本実施
例は一方の端部ａ、のみを振動の節位置よりも外側に設
けて固有振動数を下げる効果を持たせ、他方の端部　＋
、を振動の節位置を越えて設けている。この場合、他方
の端部ａ’２では、固有振動数を下げる効果は得られな
いが、面積の大きな圧電素子板を配置することができる
ように長くしている。

第９図は実施例６を示す。

本実施例の振動子Ａは、片端のみに大径の端部ａ、を設
けたもので、細径部の周囲にロータＲを配置したり、細
径部に加圧系を設けることかで鮒、小型化のメリットが
ある。

第１０図は実施例りを示す。

本実施例は、前振動弾性体１及び後振動弾性体２の端部
す、、ｂ２を夫々内側の部材ｂ３ｂ４よりも密度の大き
い材料で形成したもので、振動子Ａの両端部を実施例１
のように大径とすることと同様の効果が得られ、前述し
た各実施例に比較して外形寸法を小さくすることかでき
る。

第１３図は、本発明によるモータを使用して光学レンズ
の鏡筒を駆動する場合の構成例である。

９は移動体Ｒと同軸的に接合された歯車で、回転出力を
歯車１０に伝達し、歯車１０と噛みあう歯車をもった鏡
筒１１を回転させる。

第７図は、本発明によるモータを使用して光学レンズの
鏡筒を駆動する場合の構成例である。

［発明の効果］以上説明したように、本発明によれば、弾性体及び電気
−機械エネルギー変換素子からなる振動子の蓄積エネル
ギーを最大限大きくし、固有振動数を小さくすることが
でき、モータの効率を向上させることができると共に、
駆動の安定化を図ることができるといった効果が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による超音波モータの実施例１を示し、
同図（ａ）は概略側面図、同図（ｂ）は径方向の振幅分
布を示す図である。第２図は従来の超音波モータの振動
子を示す概略図、第３図は実施例２を示し、同図（ａ）
は概略側面図、同図（ｂ）はその横断面図、同図（ｃ）
は同図ｆｂ）のＡ−Ａ線に沿った断面の歪分布を示す図
である。第４図は実施例３を示し、同図（ａ）は概略側
面図、同図（ｂ）　はロータを取付けた状態を示す断面
図である。第５図は実施例４を示し、同図（ａ）は概略
側面図、同図（ｂ）はロータを取付けた状態を示す断面
図である。第６図及び第７図は実施例１の振動子に駆動
用の摺動面を設けた実施例を夫々示す。第８図は実施例
５を示望ノ実施例６、を示す振動子の概略図である。第１１図及び
第１２図は従来の振動子の斜視図及び縦断面図である。第１３図は、本発明の超音波モータを駆動源とする装置
の図である。１・・・前振動弾性体　　２・・・後振動弾性体３．４
・・・圧電素子板　５・・・バネ７・・・ヘアリング　
　　８・・・ハネポストＡ・・・振動子　　　　　Ｂ・
・・摺動面ａ　ｌ　＋　ａ２・・・端部　　　ａ３・・
・大径部９・・・ギア　　　　　　１０・・・出力伝達
部材１１・・・装置第図第図（Ｇ）（ｂ）（ａ）に「方向娠暢分布第１０図第１１図第１２図

Claims

【特許請求の範囲】１　棒状弾性体に配置した電気−機械エネルギー変換素
子に交流電界を印加することによつて、該弾性体に同形の屈曲モードの振動を異なる複
数の平面内に時間的に適当な位相差を持たせて励起させ
、以て該弾性体の表面粒子に円又は楕円運動を行なわし
め、該弾性体に押圧した移動体を摩擦駆動する超音波モ
ータにおいて、駆動振動モードの節よりも外側位置における該弾性体の
両端部あるいはいずれか一方の端部に大径部あるいは高
密度部を設けたことを特徴とする超音波モータ。２　棒状弾性体に配置した電気−機械エネルギー変換素
子に交流電界を印加することによって、該弾性体に同形の屈曲モードの振動を異なる複
数の平面内に時間的に適当な位相差を持たせて励起させ
、以て該弾性体の表面粒子に円又は楕円運動を行なわし
め、該弾性体に押圧した移動体を摩擦駆動する超音波モ
ータにおいて、駆動振動モードの節よりも外側位置における該弾性体の
両端部あるいはいずれか一方の端部と、駆動振動モード
の腹位置に大径部を設けたことを特徴とする超音波モー
タ。３　請求項１又は２の超音波モータを含む装置において
、超音波モータの弾性体に押圧された摩擦駆動される部
材から駆動力を得る出力部材を有することを特徴とする
装置。