JPH05137355A

JPH05137355A - 振動波モータ

Info

Publication number: JPH05137355A
Application number: JP3295761A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Shirasaki; 隆之白崎
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1991-11-12
Filing date: 1991-11-12
Publication date: 1993-06-01
Also published as: US6175181B1; US5406160A

Abstract

(57)【要約】【目的】駆動効率の向上、精度の安定性の向上及び精
度の均一性を図り、高精度の振動波モータを得ることを
目的とする。【構成】振動体２の駆動面にλ／２当たり４個の突起
を形成し、この振動体には励起される振動数の波長λに
対し、交互にに逆の伸縮極性となるようにλ／２のピッ
チで分極された駆動用のＡ電極群（Ａ１〜Ａ８）及び、
Ａ電極群とはλ／４の奇数倍の位置的位相ずれを有する
Ｂ電極群（Ｂ１〜Ｂ８）と、これらＡ及びＢ電極群間
に、λ／４ピッチの振動検出用電極ＳＡ、ＳＢと、接地
用の３つの電極Ｇを振動体２に設ける。一方、振動検出
用電極ＳＡ、ＳＢは駆動用Ａ、Ｂ電極群による夫々の定
在波の実質的に腹の位置を中心として配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電気−機械エネルギー変
換素子に電圧を印加することにより振動体に進行性振動
波を生じさせ、この振動体に接触する部材との間で摩擦
駆動により相対移動を起こさせる振動波モータ、特に高
精度型の振動波モータに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の振動波モータは図４の（ａ）の電
極構成図、及び図４の（ｂ）のステータの展開側面図に
示す通り、弾性材料からなる振動体１０２に薄い円環形
状の電気−機械エネルギー変換素子１０１（以下圧電素
子とする）のベタ電極面を固着してステータとしてお
り、振動体１０２の移動体との接触面には移動体の移動
速度を高め、駆動効率を向上させるための突起がλ／２
あたり複数個の割合で全周にわたって等間隔で設置され
ている。

【０００３】圧電素子１０１の他面の電極構成は、励起
されるべき振動数の波長（λ）に対し交互に逆の伸縮極
性となるようλ／２ピッチで分極された駆動用のＡ電極
群（Ａ₁ 〜Ａ₈ ）及びＢ電極群（Ｂ₁ 〜Ｂ₈ ）とこれら
Ａ及びＢ電極群間に設けられたλ／４ピッチの振動検出
用の電極Ｓ及び給電のための二つの接地電極Ｇが配置さ
れている。

【０００４】今Ａ或はＢ電極群のいずれかに交流電圧を
印加すると、振動体１０２には電極群の中央点及びそこ
からλ／２おきの点が腹の位置、腹の位置の中央点が節
の位置であるような曲げ振動の波長λの定在波が振動体
１０２の全周にわたって発生する。他方の電極群のみに
交流電圧を印加すれば、同様に定在波が生ずるが、その
腹及び節の位置は前記定在波に対しλ／４ずれたものに
なる。

【０００５】両電極群に周波数が同じで、かつ時間的位
相差がπ／２の交流電圧を同時に印加すると両群によっ
て発生された２つの定在波が合成されて振動体１０２に
は周方向に進行する曲げ振動の波長λの進行波が発生
し、突起の先端即ち振動体１０２の移動体との接触面が
そこに圧接されている移動体（図４においては図示され
ていない）を駆動する。

【０００６】この従来型の振動波モータにおいて、Ａ，
Ｂ駆動用電極群の他に、一つの振動検出用電極Ｓを設置
し、その検出出力に応じて駆動用電極群に印加する交流
電圧の周波数を自動的に共振周波数として、振動波モー
タを効率良く駆動させることが出来る駆動回路が特開昭
６１−１５７２７６号として公開されている。

【０００７】尚図４の（ｂ）の圧電素子１０１の電極構
成に対し、振動体１０２のλ／２あたり複数個（図では
５個）設けられた突起の位置関係は特に定められていな
かった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】前記の従来型のステー
タを組込んだ振動波モータは定格値が回転数１００ｒｐ
ｍ、トルクが４ｋｇｃｍと定格出力が４Ｗ以上の大出力
型の性能を有するが、この振動波モータを低出力例えば
回転数が３３．３３ｒｐｍ、トルクが１ｋｇｃｍで駆動
すると、要求される回転ムラ精度、即ち回転のワウフラ
ッター値が得られないという問題があり、大幅な回転精
度の向上が必要であることが判明した。

【０００９】又回転方向の違いにより回転精度に差があ
るということが判明した。

【００１０】さらにステータの固体差により回転精度が
変ることも確認された。

【００１１】本発明は前記の課題を解決するもので、ス
テータを構成する圧電素子電極構成及び振動体突起を再
検討しステータの最適条件を見出し、駆動効率の向上、
精度の安定性の向上或は精度の均一性を図り、高精度型
振動波モータを得ようとするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明では、励起される
べき振動数の波長をλとしたとき、先づステータを構成
する振動体の移動体との接触面に、移動体の移動速度を
高め、駆動効率を向上させるためλ／２あたりに、２の
整数倍（即ち２，４，６，８…）の突起を設け、振動体
の接触面全周にわたって前記突起を等間隔に配置する。

【００１３】次にステータを構成する薄い円環形状の圧
電素子の電極を、交互に逆の伸縮極性となるようλ／２
ピッチで分極された二群の駆動用電極群と、両駆動用電
極群の中間にあり、かつそれぞれの駆動用電極群による
それぞれの曲げ振動の定在波の腹の位置のそれぞれ１つ
の振動検出用の電極と、給電のための三つの接地電極で
構成する。

【００１４】そしてステータを構成する振動体と圧電素
子は、振動体の突起部間の中間位置或はその近辺位置に
対し、圧電素子の二つの振動検出用電極の中央位置を合
致させて固着する。

【００１５】本発明では圧電素子と振動体からなるステ
ータを軸心を通して二分すると駆動用のＡ電極群と検出
用電極Ｓ_A 側に対し、駆動用のＢ電極群と検出用電極Ｓ
_B 側が全く同等の形状寸法或は電極構成とすることが可
能となり、従来のステータに対しより対称性を向上する
ことが出来る。

【００１６】その結果、駆動用の両電極群に交流電圧を
印加することによって発する定在波の周波数特性を一致
させることを可能とし、又それぞれの振幅及び両定在波
間の時間的位相差を正確に検出し、両定在波の振幅を等
しくし、かつ時間的位相差をπ／２とすることで、振動
体に発生する進行性振動波の振動状態を理想的なものと
し、回転精度、或は駆動効率の改善が見込まれる。

【００１７】また、振動体の突起構成の変更と圧電素子
電極構成の位置関係を固定したことにより、やはり回転
精度と安定性、駆動効率或は精度の均一性の改善が見込
まれる。

【００１８】

【実施例】図１は本発明の振動波モータを示し、（ａ）
は電極構成図、（ｂ）はステータの展開側面図である。

【００１９】１は厚さｂの薄い円環形状の圧電素子で、
弾性材料からなり、λ／２あたり４個の突起を等間隔に
全周に有する振動体２にベタ電極を固着してステータと
しており、その圧電素子の他面の電極構成は図１の
（ａ）に示す通り、励起されるべき振動数の波長λに対
し、交互に逆の伸縮極性となるようλ／２ピッチで分極
された駆動用のＡ電極群（Ａ₁ 〜Ａ₈ ）及びＢ電極群
（Ｂ₁ 〜Ｂ₈ ）と、これらＡ及びＢ電極群間にあり、そ
れぞれの電極群の振動状態をそれぞれ検出するλ／４ピ
ッチの振動検出用電極Ｓ_A 及びＳ_B と接地用の３つの共
通電極Ｇからなっている。

【００２０】前記の駆動用Ａ電極群（Ａ₁ 〜Ａ₈ ）に対
し、駆動用のＢ電極群（Ｂ₁ 〜Ｂ₈）はλ／４の奇数倍
だけ、本実施例では３λ／４ずれたピッチで配置されて
いる。

【００２１】一方振動検出用の電極Ｓ_A 及びＳ_B は駆動
用Ａ電極群及びＢ電極群によるそれぞれの定在波の実質
的に腹の位置を中心として配置されている。

【００２２】図１の（ｂ）において、弾性材料からなる
振動体２の突起はλ／２あたり２の整数倍（図では４）
で、全周にわたり等間隔で、軸心に対し一定幅（ｔ）の
スリットを入れることで形成されている。尚Ｈは振動体
の全高さ、ｈはスリット深さである。

【００２３】更に図１の（ｂ）に示したように、圧電素
子１の振動検出用の電極Ｓ_A ，Ｓ_Bの中央点を振動体２
の突起のスリット部の中央点に合致して固着し、ステー
タを構成している。結果的に駆動用のＡ電極群の電極Ａ
₁ 〜Ａ₈ 、或はＢ電極群の電極Ｂ₁ 〜Ｂ₈ の中央点が全
て突起のスリット部の中央点に合致している。

【００２４】図２は振動検出用の電極Ｓ_A ，Ｓ_B の検出
電圧の振幅を等しくして、かつ両検出電圧間の時間的位
相差をπ／２とする公知（特開昭６４−１２８８１）の
駆動回路であるが、その説明は省略する。

【００２５】図３は図１に示すステータを用いた振動波
モータの一実施例を示す縦断面図で、振動体２は、例え
ばマルテンサイト系ステンレスからなり、移動体７との
接触面となる突起部の先端には例えばタングステンカー
バイトとコバルトからなる硬化処理膜が形成されてい
る。

【００２６】圧電素子１は、耐熱性のエポキシ樹脂系接
着剤で振動体２の裏面に同心的に、かつ振動体２の突起
位置に対し前述のように電極構成位置を特定し、固着し
てある。３は高熱伝導性の金属材からなる筺体であり、
その中心部に第１のボール軸受１１が設けられると共
に、この第１のボール軸受１１の軸心と同心的に上記振
動体２がネジ４で固定されている。１０は中間にフラン
ジ部１０ｃが形成された出力軸であり、その一端部側１
０ａは上記第１のボール軸受１１の内輪に軸方向摺動が
可能に貫通支持され、また他端部側１０ｂは、後記する
第２のボール軸受１２の内輪及び後記する筺体カバー８
の軸孔に軸方向摺動自在かつ回転自在に貫通している。
１５は上記出力軸１０のフランジ部１０ｃにネジ１６で
固定された円盤状の中間部材であり、その外周端部に
は、環状に形成された移動体７が同心的に外装嵌合して
固定されている。

【００２７】上記移動体７は、アルミ合金等の熱伝導性
の高い金属からなる環状の支持体５と、この支持体５の
表面に、耐熱性のエポキシ系接着剤で同心的に接着され
た摺動体６とから構成され、この摺動体６は本例では例
えば厚み１ｍｍの環状体として後述する配合及び構造を
もった複合樹脂層として形成される。この摺動体６が振
動体２の摺動面に接触する。

【００２８】またこの移動体７は、その底部に設けられ
たゴム製の弾性シート部材１７を介して中間部材１５に
支持された構造に設けられていて、上記出力軸１０のフ
ランジ部１０ｃと上記第２のボール軸受１２との間に弾
装された板状の圧縮バネ部材１４が発生する軸荷重が、
この弾性シート部材１７を介して支持体５の軸方向に与
えられて、振動体２の摺動面と移動体７の摺動体６とが
加圧接触されるようになっている。

【００２９】８は振動波モータの筺体カバーであり、ネ
ジ９により筺体３に固定されている。そしてその中央部
に形成された軸受嵌合孔８ｂには第２のボール軸受１２
が軸方向摺動可能に嵌合され、その外輪１２ａは筺体カ
バー８のフランジ８ａに接して、内輪１２ｂは出力軸１
０に対して軸方向摺動可能でかつ回転可能に設けられて
いる。

【００３０】第１のボール軸受１１の外輪１１ａ及び第
２のボール軸受１２の外輪１２ａは、それぞれ筺体３及
び筺体カバー８の軸受嵌合部３ａ及び８ｂに接着剤で固
着するのが通常である。

【００３１】また、圧縮ばね部材１４の一端と第２のボ
ール軸受１２の内輪１２ｂの間には軸方向寸法を微少量
かえて圧縮ばね部材１３のばね圧を調整することが出来
るスペーサー１３が配置されている。１８は出力軸１０
のフランジ１０ｃと第１のボール軸受１１の内輪１１ｂ
の間に設けられて圧縮ばね部材１４のばね圧より少なく
とも小さいばね圧を発生する第２の圧縮ばね部材であっ
て、第１のボール軸受１１の内輪１１ｂにプリーロード
を与えるものである。

【００３２】なお、第２のボール軸受１２に対しては圧
縮ばね部材の発生するばね圧と圧縮ばね部材１８の発生
するばね圧との差がプリーロードとして与えられてお
り、出力軸１０を、ガタなくスムーズに回転できるよう
にしている。振動体２の接触面に対する移動体７の加圧
力は、前記の圧縮ばね部材１４と１８の発生するばね圧
の差である。

【００３３】１９は圧電素子１の電極面に接着固定され
たフレキシブルプリント板で、筺体カバー８の切欠き部
分をへて筺体３に間座２０を介して固定されている。２
１はフレキシブルプリント板に固着された補強板、２２
は補強板に固着されたコネクターである。

【００３４】以上が高精度型の振動波モータであるが、
図３には振動波モータを高精度に回転制御するための分
解能が８１０００ＰＰＲのレーザーロータリーエンコー
ダ５１がマイクロカップリング５２及び制振機能を有す
る材料からなる縦筒５３を介して振動波モータに固着さ
れている。即ち縦筒５３の嵌合部に嵌合されねじ５４で
固定されたレーザーロータリーエンコーダは、筺体カバ
ー８の嵌合部とねじ５５により振動波モータに同心的に
保持され、振動波モータの回転は出力軸の他端と、レー
ザーロータリーエンコーダ５１の入力軸にそれぞれ嵌合
部とねじ５６で固定されたほど良い剛性を有するカップ
リング５２により、レーザーロータリーエンコーダに伝
達される。

【００３５】尚振動波モータは３０ｋＨｚ程度の高周波
振動をしており、この微少振動振幅をエンコーダに伝達
させないために、縦筒５３は振動減衰機能を有する金属
複合材、プラスチック材或はゴム系の材料で形成する、
或は例えば筺体カバーと金属縦筒の間に振動減衰機能を
有する制振材を用いる等の工夫が必要である。

【００３６】以上の構成の振動波モータにつき、従来型
のステータと本発明のステータを組込み、下記条件で回
転精度の評価を行った。

【００３７】（目標精度）：カットオフ周波数５００Ｈ
ｚで０．０３％（ＲＭＳ値）。（定格値）：回転数３３．３３ｒｐｍ（ＣＷおよびＣＣ
Ｗ方向）、負荷１ｋｇｃｍ。（エンコーダ）：レーザーロータリーエンコーダ（８１
０００ＰＰＲ）をマイクロカップリングで振動波モータ
の出力軸他端に固定、全パルスを用いて回転制御する。（測定）：回転制御用レーザーロータリーエンコーダよ
り検出した信号を広帯域フラッタメータに入力する。なお、比較評価した９波タイプ振動波モータの主要諸元
は下記の表１の通りである。

【００３８】

【表１】

【００３９】先づ従来型のステータを組込み、図３に示
す振動波モータを組立て、出力軸に負荷が１ｋｇｃｍの
ブレーキを固定、出力軸の他端にカップリングを介して
分解能が８１０００ＰＰＲのレーザーロータリーエンコ
ーダを固定し、回転数３３．３３ｒｐｍでＣＷ（時計回
り）方向に回転駆動した。２４時間のならし運転のあ
と、エンコーダの信号をフラッタメータに入力、カット
オフ周波数５００Ｈｚでフラッタ値を測定したところ、
その値はＲＭＳ値で０．５％程度で目標精度よりはるか
に大きな値であった。

【００４０】次に同じ振動波モータに実施例のステータ
を組込み、移動体も新規の部品として振動波モータを組
立て、従来例の場合と同様にブレーキ及びエンコーダを
固定して、図２に示す駆動回路を用いて、回転数３３．
３３ｒｐｍでＣＷ方向に回転駆動した。２４時間のなら
し運転のあとのカットオフ周波数５００Ｈｚでのフラッ
ター値は、ＲＭＳ値で０．０４％程度、目標精度は得ら
れなかったが、従来例の１／１０以下で大幅に改善して
いることが分った。又、ＣＣＷ（反時計回り）方向のフ
ラッタ値もほとんど差がなく改善されていることが確認
された。駆動効率の向上は５％を越えていた。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、圧
電素子等の電気−機械エネルギー変換素子の２つの２検
出電極及びその電極構成による進行性振動波の振動状態
を理想的なものとする技術と、振動体の突起部をλ／２
あたり、２の整数倍（即ち２：４：６：８…）とする技
術を組合せ、かつ圧電素子電極構成と振動体突起位置を
特定して固着して、形状寸法的により対称性があり、理
論的にも最適のステータを得ることが出来た。

【００４２】その結果、振動波モータの回転精度を大幅
に改善し、回転方向による回転精度のバラツキを小さく
することが出来た。

【００４３】又駆動効率の向上も認められ、振動波モー
タ自体の固体差を小さくすることも出来た。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による振動波モータの一実施例のステー
タにおける圧電素子の電極構成、および展開側面図。

【図２】振動波モータの駆動回路。

【図３】振動波モータの一実施例を示す縦断面図。

【図４】従来の振動波モータのステータにおける圧電素
子の電極構成、および展開側面図。

【符号の説明】

１，１０１…圧電素子２，１０２…振動
体３…筺体５…支持体６…摺動体７…移動体８…筺体カバー１０…出力軸１１…第１のボール軸受１２…第２のボー
ル軸受１４…圧縮ばね部材１５…中間部材１７…弾性シート部材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】弾性材料からなり、移動体との接触面に
突起部を有する振動体に、励起されるべき振動数の波長
（λ）に対し少なくともλ／４の奇数倍のずれがある二
つの駆動用電気−機械エネルギー変換素子群が配列固着
した振動波モータにおいて、前記振動体にλ／２あたりに、この２の整数倍（即ち
２：４：６：８…）の突起部を設置し、一方前記二つの
駆動用電気−機械エネルギー変換素子群の中間にあり、
かつそれぞれの駆動用電気−機械エネルギー変換素子に
よるそれぞれの曲げ振動の定在波の腹の位置にそれぞれ
１つの振動検出用の電気−機械エネルギー変換素子を構
成し、前記振動体の突起部間の中間位置或はその近辺位
置に、前記二つの振動検出用電気−機械エネルギー変換
素子の中央位置を合致させたことを特徴とする振動波モ
ータ。