JPS62236368A - 超音波モ−タ - Google Patents

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、円環状圧電素子および振動板からなるステー
タに屈曲進行波を励起し、この屈曲進行波によるステー
タ表面の楕円軌跡の頂点にロータを接することによって
ロータを回転させる超音波モータに関する。

〔従来の技術〕

最近、従来の電磁型モータに代わる新しいモータとして
超音波モータが脚光を浴びている。この超音波モータは
原理的に新しいというだけでなく、従来の電磁型モータ
に比べて次のような利点を有している。

■中心軸を必要としない。

■薄型、軽量である。

■磁気的影響の授受がない。

■部品構成が単純で、信頼性が高い。

■ギヤなしで低速、高トルクが得られる。

■バックラッシュがなく位置決めが容易である。

■ステータに対してロータが、回転、チャック。

浮遊、の三態をとり得る。

かくして、これらの利点を生かすべく、種々の応用技術
の研究が進められている。

第５図は代表的な従来型の回転型超音波モータの概念図
である。その原理は円環状圧電素子１と一体化した金属
製ドーナツ形振動板２に逆圧電効果によって進行波を励
起し、これによって発生する表面各点の後方楕円運動軌
跡の頂点に接するようにロータ３を押圧配置することに
より、同ロータ３を矢印Ａのように回転させるというも
のである。上記進行波の励起法について以下説明する。

第６図は一般的な超音波モータを構成する圧電、索子１
の分極状態図を示す図であり、第５図の下・′ｊ′カよ
＊　ｉ　７’：　ｏ　＋、：や□ヵｔ６．９６カ。ヵ１
■ｅ■ｅ１．。

のように交互に逆向きになるように、リング状圧電体を
分極するか、または分割した複数の圧電素子を分極方向
が互いに逆向きになる様に配置する。

この様な配置において、分極方向が互いに逆向きになっ
た隣り合わせの１組を１波長λに対応させる。そして、
１８０°異なる位置に各々、３／４λ、１／４λ長の未
分極部１ａ、ｌｂを配し、これらを結んだ中心線に対し
て対称に分極体をｎλ個分づつ配置する。ただし分極の
向きは、円周方向に分極方向が交互に逆向きになる様に
連続的に配置する。

この様な分極配置のうち、３／４λ、１／４λ未分極部
１ａ、ｌｂを間に挟んだ左半分の振動板に接していない
面を一つの電極でおおい、これを第７図のように一方の
片側共通電極４ａとし、右半分の振動板に接触していな
い面を別の電極でおおい、これを同じく第７図のように
他の片側共通電極４ｂとする。そして、振動板２側の電
極４ｃは振動板２と導通させ、すべての圧電素子のアー
ス側電極として共通化している。

以上の様な構成体への電気信号入力端子は、第７図に示
す様に３端子ａ、ｂ、ｃを有する構造となる。この様な
分極配置、電極配置を有した構成体を駆動する場合には
、端子ａ−ｃ間とｂ−ｃ間に互いにπ／２の位相差を有
し、λ１円環の内・外径、厚み、圧電セラミクスと振動
板の平均的弾性定数、密度１等で決定される固有振動数
ωを有する電気信号を入力する。今、端子ａ−ｃ間に印
加する電圧を Ｖ０８ｔｎωｔ とすると、端子ｂ−ｃ間には Ｖｌ）ｃｏｓωｔ なる電圧が印加されることになる。

一方、進行波による円環状のある点の変位ｙは一般に ｙ−Ａｓ　ｉ　ｎ　（ｃｐ−ωｔ）　　　　　−（１）
で表わされる。ここでＡは最大変位ｆｆｉ、ｃは２π／
λ、ωは固有周波数、ｐは円環状のある点の位置を示し
ている。（１）式より ｙ−Ａｓｉｎ　　２πｐ／λ　ｃｏｓωｔ＋Ａｓ　ｉ　
ｎ　（２πｐ／λ−π／２）ｓｉｎωｔ　　　　　　　
　　　　・・・（２）となる。従って、 ｙｌ−Ａｓ　ｉ　ｎ　　２πｐ／λ　ｃｏｓωｔなる振
動と ｙ２−Ａｓ　ｉｎ　　２ｙｒ／λ （ｐ−λ／４）ｓｉｎωｔ なる振動を、点ｐにおいて重ね合わせれば進行波が得ら
れることになる。時間項 ｓｉｎωｔおよびｃｏｓωｔ は、点ｐにおいて位相がπ／２ずれた振動であり、また ｓｉｎ　２πｐ／λと ｓｉｎ　　２π／λ（ｐ−λ／４） とは位置的にλ／４ずらすことを意味している。

第６図において、電極配置がλ／４，３λ／４の未分極
部を有しているのは以上の理由によっている。

以上の様に電極配置をλ／４ずらすこと、および電気的
入力信号をπ／２ずらすことによ゛って進行波が得られ
る。

次にこの様な進行波励起状態においてロータと接する側
の表面の各点が、進行波の進行方向変位成分ｘｐと、表
面に垂直な変位成分ｙｐとにおいて、第８図に示す様な
楕円軌跡を描くことについて説明する。進行波の振動は
圧電セラミクスと金属板の貼り合わせによる屈曲振動に
よって得られる板波であるが、その屈曲が板厚方向に沿
って同等の屈曲をするものであると、表面点ｐの変位成
分ｙｐは ｙｐ−Ａｓ　ｉｎ　（２πｘｐ／λ−ωｔ）ｅ（１−ｃ
ｏｓθｐ）　　　　　　−（３）と表わされる。ただし
、ここでθｐは点ｐにおける環状体の中立軸に垂直な軸
とＸ軸とのなす角、ｅは板厚の１／２である。今、θｐ
−０であり、従って（３）式は ｙｐζＡｓＬｎ （２πｘｐ／λ−ωｔ）　　　　・・・（４）１．１　
　とな６・ま“・変位成分ｘ　ｐ　Ｉｔ　ｅ　ｐｙ’　
０とし７ｘｐ−ｅｓｉｎ　　θ　ｐ　’ｉ　ｅ　　θ　
ｐであるが、（４）式より θｐ−ｄ　３／　Ｉ）　／　ｄ　ｘ　ｐ−ＡＣｃｏｓ　
　（２πｘｐ／λ−ω　ｔ）であるから ｘｐ−ＡＣｅ　　　ｃｏｓ　　（２πｘｐ／λ−ωｔ）
・・・（５） となる。したがって（４）、（５）式より（λＸ　ｐ／
　２　Ａ　ｅ　ｙｒ　）〜十（ｙｐ／Ａ）２−１　　　
　　　　　　　　　　　・・・（６）となり、楕円軌跡
を描くことがわかる。そして、この楕円軌跡の頂点は常
に同方向に向っているので、楕円軌跡の頂点に設置され
たロータが移動していくことになる。

このような原理に基く超音波モータの応用として、カメ
ラの鏡筒移動が検討されている。第９図はその一例であ
って、圧電素子１１および金属製の振動板１２からなる
ステータと、このステータに押圧接触した部材１３から
なるロータとで構成された超音波モータ１０を固定鏡筒
枠１４にマウントし、上記ロータの回転によりレンズ１
５と一体化されている直進移動子１６を駆動するように
したものである。なお上記直進移動子１６に設けである
Ｖ溝１７と固定鏡筒枠１４の内壁に突設されている突起
１８とが係合しており、この係合部をガイドとして、移
動子１６は直進することになる。すなわち、いわゆるヘ
リコイド構造となっている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記第９図に示すものにおいては、オート・マニュアル
の切換えに関して問題がある。すなわち超音波モータを
カメラに搭載する目的は、オートフォーカスを行なうた
めであるが、オートフォーカスのみを常時用いるのでは
なしに、必要に応じてマニュアル操作でもフォーカシン
グを行なえるものの方が、利用価値が高いといえる。し
かし、超音波モータは、効率向上のためロータの押圧保
持を行なっているので、マニュアル操作時に超音波モー
タの駆動電源をオフにしただけでは、上記ロータの押圧
保持力が抵抗となって相当大きな操作力を必要とする。

この点を解消する手段として、マニュアル操作時には、
定在波を励起するという手段がある。定在波を励起する
と、第８図に示した回転楕円運動の代りにｙｐのみが存
在する上下振動状態となり、ロータとステータとの間の
摩擦が小さい状態となる。したがってマニュアル操作と
して好ましい状態となる。なお定在波を励起するには、
超音波モータに９０°位相を与える代りに同相の電圧を
印加すればよい。

しかしながら、このような定在波励起による手段には、
消費電力が増大するという難点がある。

すなわちマニュアル操作時において定在波を励起させる
ことは、常に電気エネルギーを消費することになる。し
かるにカメラのように小型で軽量であることが望まれる
機器にとっては、電源としての乾電池もできる限り小容
量のものが用いられる。

かくして乾電池の消耗を考えると、マニュアル操作時に
は従来のマニュアルのフォーカシングと同様に電気エネ
ルギーを消費しないものが望ましい。

そこで本発明は、マニュアル操作する場合の操作力が小
さくて済み、操作性が良好である上、マニュアル操作時
には電力消費が全くなく、オート・マニュアル切換え操
作が必要な機器にって極めて好適な超音波モータを提供
することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は上記問題点を解決し目的を達成するために、次
のような手段を講じた。すなわち、円環状圧電素子およ
び振動板からなるステータに屈曲進行波を励起し、この
屈曲進行波によるステータ表面の楕円軌跡の頂点にロー
タを接することによってロータを回転させる超音波モー
タにおいて、■　前記ステータに押圧力を及ぼす如く第
１のロータを配設する。

■　この第１のロータに隣接するように配設され、かつ
被駆動体に対して駆動力を与えるように第２のロータを
設ける。

■　前記第１のロータと第２のロータとの間に介在し、
上記第１のロータと第２のロータとを適時連結・切離し
可能な連結機構を設ける。

／ｆ　　　、、お、詰機ｔｉ　、＝　Ｌ−Ｃｉよ、第１
．）。−月よえ、よ第２のロータ］に基端部を固定され
オート動作時に先端部が屈曲変位する如く設けられた圧
電変位素子と、この圧電変位素子が屈曲変位したときこ
の圧電変位素子の先端と係合するように第２のロータ［
または第１のロータ］に設けられた係合部とで構成され
たものが好ましい。

〔作用〕

このような手段を講じたことにより、次のような作用を
生じる。連結機構により第１．第２のロータが連結され
た状態では、被駆動体側が駆動源側と一体化された状態
となり、従来のものと同様のオート動作が可能となる。

また連結機構による第１．第２のロータの連結状態が解
かれた状態では、被駆動体側が駆動源側から切離された
状態となり、被駆動体をマニュアル操作する場合の操作
力が小さくなり、操作し易いものとなる。しかも上記マ
ニュアル操作時には電力を全く供給する必要がなくなる
。

〔実施例〕

第１図、第２図は本発明の第１実施例を示す図で、第１
図はロータ部２０の構成を示す断面図、第２図は第１図
の主要部Ｂを示す拡大断面図である。第１図、第２図に
示すように、第１のロータ２１の外周には第２のロータ
２２が同軸的に配設されている。上記第１のロータ２１
はステータ（不図示）に押圧力を与え得るように設けら
れている。また第２のロータ２２は、例えばカメラのレ
ンズと一体化されている直進移動子等の被駆動体（不図
示）に対し、駆動力を与え得るように設けられている。

上記第１のロータ２１と第２のロータ２２との間には連
結機構２３．２４が介在しており、両ロータを連結した
り切り離したりできるようになっている。この連結機構
２３．２４は同一構成を有し、ロータ円周上の１８０°
異なる位置に対向配設されているが、後述するように回
転方向に対しては互いに逆向きの係合が行なわれるよう
に設けられている。

上記連結機構は、！２図に示すように屈曲変位を生じる
圧電変・位素子（圧電バイモルフ）２５を、ｉ２のロー
タ２２の内周面に設けた凹部２６内に収容し、その基端
部２５ａを上記四部２６に固定し、通電時において先端
部２５ｂが破線の如く屈曲変位するものとなっている。

なお圧電変位素子２５としては、機械的強度の点から、
金属板に圧電セラミックスを張合わせたものが好ましい
。

一方、第１のロータ２１の外周面には前記圧電変位索子
２５の屈曲変位した先端部２５ｂが入り込んで、係合状
態となり得るように、係合部すなわち切り込み部２７が
設けである。

圧電変位素子２５への通電は、被駆動体を連続的に回転
させ続けるような場合には、摺動電極を介して通電を行
なう必要があるが、例えばカメラのオートフォーカスを
行なうような場合には、ロータ回転角度が通常１回転以
下であるから、リード線で直接接続するようにしても支
障はない。ただしこの場合、往復回転動作であるので、
第１図に示す如く係合の方向を逆にした一対の連結機構
２３．２４を設ける必要がある。

なお圧電変位索子２５は周知の如く、印加電圧をＶ、変
位量をΔＸ、バイモルフ長をノ、厚みをｔ、圧電定数を
ｄ３１とすると、変位量ΔＸはΔｘ＝３１２ｄ３１　Ｖ
／１２ なる式によって表わせる。

このように構成された超音波モータは次のように作動す
る。オート動作させる場合には、圧電変位素子２５に通
電する。そうすると上記素子２５は第２図中破線のよう
に屈曲変位し、先端部２５ｂが切り込み部２７内に陥入
する。かくして、第１、第２のロータ２１．２２相互間
は連結される。

したがってこの状態で超音波モータのステータに通電を
行なうと、第１のロータ２１が回転し、これに伴い第２
のロータ２２も回転する。かくして被駆動体は超音波モ
ータの回転力により駆動される。なお初期状態において
、圧電変位素子２５と切り込み部２７との相対的な位置
がずれている場合には、圧電変位素子２５に通電した状
態において、超音波モータを作動させる。そうすると、
第１のロータ２１が若干回転して圧電変位素子２５−　
の先端部２５ｂが切り込み部２７内に陥入するよｆ゛ うになる。

マニュアル操作を行なう場合には、圧電変位索子２５へ
の通電を断つ。そうすると、上記素子２５は元の状態に
戻る。かくして第１．第２のロータ２１，２２は、連結
を解かれ、駆動源側（ステータおよび第１のロータ２１
）と被駆動体側（被駆動体と第２０−タ２２）とが切り
離される。

したがって、被駆動体を手動にて駆動操作すると、被駆
動体側のみが回転し、駆動源側は全く回転しない。この
ため被駆動体の駆動操作力は小さくて済み、操作し易い
ものとなる。しかもこの場合、超音波モータには同等電
力を供給しなくてもよく、電力消費が零となる。

なお、圧電変位素子２５はＤＣ的に用いられるため、屈
曲変位する瞬間は電流が流れるが、一旦変位するとコン
デンサと同様にほどんど電流を流さなくとも、その変位
状態が保持されるので、電力消費が僅かで済む。勿論マ
ニュアル操作時においては、印加電圧が零であるから、
電力消費は全くない。また圧電変位索子２５は、現在数
千円程度であり、回路構成も簡単であるから安価に製作
可能である上、小型でスペースを取らない利点がある。

第３図は本発明の第２実施例を示す図である。

本実施例が前記第１実施例と異なる点は、第１実施例で
は第２のロータ２２側に圧電変位素子２５を取付け、第
１のロータ２１側に切り込み部２７を設けたのに対して
、本実施例では、第１のロータ３１側に圧電変位素子３
５を取付け、第２のロータ３２側に切り込み部３７を設
けるようにした点である。なお３０はロータ部、３３．
３４は連結機構、３６は素子収容用の凹部である。本実
施例においても、第１実施例と同様の作用効果がある。

第４図（ａ）（ｂ）は本発明の第３実施例を示す図であ
る。本実施例が前記第１実施例と異なる点は、第１のロ
ータ４１と第２のロータ４２とをカメラの鏡筒枠４０の
軸心方向に隣接して配置し、その隣接部位に連結機構４
４を設けた点である。

したがってこの場合の連結機構４４としては、軸心と平
行な方向へ屈曲変位する圧電変位索子４５を、第２のロ
ータ４２の内周面に設けた四部４６内に取付け、」二足
圧電変位素子４５と係合する切り込み部４７を、第１の
ロータ４１の内周面に軸心と平行な方向へ深さが変化す
るような形に設けたものとなっている。なお図中４３は
ステータ、４８は第２のロータ固定用の突起、４９は直
進移動子である。本実施例においても前記第１実施例と
同様の作用効果を奏する。

なお本発明は前記実施例に限定されるものではない。例
えば前記実施例では、連結機構のアクチュエータとして
、バイモルフ型の圧電変位素子を用いたが、精密加工品
のように必要な変位量が１０１ａ以下でよいような場合
には、積層型の圧電変位素子を用いてもよい。このほか
本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能であ
るのは勿論である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ステータに押圧力を及ぼす如く設けら
れた第１のロータと、被駆動体に対して駆動力を与える
ように設けられた第２のロータとを隣接するように配設
し、第１のロータと第２のロータとの間に、上記第１の
ロータと第２のロー夕とを適時連結・切離し可能な連結
機構を設けるようにしたので、被駆動体のマニュアル操
作時には連結機構による第１．第２のロータの連結状態
を解けようにすれば、被駆動体が駆動源側から切離され
た状態となり、マニュアル操作する場合の操作力が小さ
くて済み、操作性が良好となる上、マニュアル操作時に
は電力消費が全くなく、オート・マニュアル切換え操作
が必要な機器にとって極めて好適な超音波モータを提供
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の構成を示す断面図、第２
図は第１図の主要部を示す拡大断面図、第３図は本発明
の第２実施例の構成を示す断面図、第４図（ａ）（ｂ）
は本発明の第３実施例を示す縦断面図および主要部の横
断面図である。第５図〜第９図は従来技術を示す図で、
第５図は超音波モータの概念図、第６図および第７図は
圧電素子、）の構成を示す図、第８図は回転の原理を示
す図、第９図は応用例を示す断面図である。 １・・・圧電素子、２・・・振動板、３・・・ロータ、
２０゜３０・・・ロータ部、２１，３１．４１・・・第
１のロータ、２２．３２．４２・・・第２のロータ、２
３゜２４．３３，３４．４４・・・連結機構、２５，３
５゜４５・・・圧電変位素子、２６，３６．４６・・・
凹部、２７．３７．４７・・・きり込み部（係合部）。 出願人代理人　弁理士　坪井　淳 第１図 ￥！２図 ＠３″図 ｒａ）　　　　　　　　　　　　　（ｂ）？Ｒ４図 、１ 第５図 ｆＲＧ図 第７図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）円環状圧電素子および振動板からなるステータに
   屈曲進行波を励起し、この屈曲進行波によるステータ表
   面の楕円軌跡の頂点にロータを接することによってロー
   タを回転させる超音波モータにおいて、前記ステータに
   押圧力を及ぼす如く配設された第１のロータと、この第
   １のロータに隣接するように配設され被駆動体に対して
   駆動力を与えるように設けられた第２のロータと、前記
   第１のロータと第２のロータとの間に介在し上記第１の
   ロータと第２のロータとを適時連結・切離し可能に設け
   られた連結機構とを具備したことを特徴とする超音波モ
   ータ。
2. （２）連結機構は、第１のロータ［または第２のロータ
   ］に基端部を固定されオート動作時に先端部が屈曲変位
   する如く設けられた圧電変位素子と、この圧電変位素子
   が屈曲変位したときこの圧電変位素子の先端と係合する
   ように第２のロータ［または第１のロータ］に設けられ
   た係合部とで構成されたものである特許請求の範囲第１
   項記載の超音波モータ。