JPH0795777A - 振動波駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 力係数が高く、またマイクロ化を可能とする
超音波モータ等の振動波駆動装置を提供することを目的
とする。 【構成】 ディスク形状に形成された主振動弾性体１
と、該主振動弾性体１と同軸的に配置された副振動弾性
体３との間に圧電素子２を挟持した振動子を有し、位置
的位相差を有して配置された２相の該圧電素子へ位相差
を有する交流電圧を印加することにより該圧電素子を厚
み方向に変位させ、該主振動弾性体１と該副振動弾性体
３との対向面の表面粒子に位相が反転した楕円運動を形
成し、該主振動弾性体１と該副振動弾性体３の双方又は
いずれか一方を振動エネルギの出力部とし、例えばロー
タを加圧接触させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波モータ等の振動
波駆動装置に係り、特に節直径１又は２以上の振動をデ
ィスク状の振動弾性体に形成する方式の振動波駆動装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の振動波駆動装置、例えば超音波モ
ータにおいては、平板又はリング形状の振動弾性体の片
面側に電気−機械エネルギー変換素子である圧電素子を
接着剤により接合し、該圧電素子に駆動電圧を印加する
ことにより、該圧電素子の厚み方向と直交する方向の伸
縮を該振動弾性体に与え、そしてこの伸縮のモードを例
えばλ（波長）／４の位相ずれを有してＡ、Ｂの２相形
成し、両定在波の合成により進行波を該振動弾性体に形
成するタイプ（特開昭５９−２０１６８４号、特開昭５
９−２０１６８５号等）と、棒状の振動弾性体間に円板
形状の圧電素子を例えばＡ、Ｂの２相分配置し、該圧電
素子に駆動電圧を印加することにより、該圧電素子の厚
み方向の伸縮で該棒状の振動弾性体に曲げ振動を与え、
位置的に９０度の位相ずれを有する両曲げ振動の合成に
より、該振動弾性体の駆動面に進行波を形成するタイプ
（特開平４−２９５７４号、特開平４−２９５７５号、
特開平４−９１６６８号等）のものがあり、両タイプは
共に、進行波の形成される駆動面の表面粒子に楕円運動
が形成される。

【０００３】すなわち、上記した振動弾性体が平板ある
いはリング形状のタイプでは、圧電素子の厚み方向と直
交する方向（以下面内方向と称す）の伸縮で該振動弾性
体に形成される歪みを利用していて、該振動弾性体には
波数が複数の振動（節直径が２以上）を形成している。

【０００４】また、上記した振動弾性体を棒状とするタ
イプでは、圧電素子の厚み方向（以下面外方向と称す）
の変位により振動子の長さ方向に直交して生じる曲げ振
動を利用して進行波を形成している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た平板又はリング形状の振動弾性体を有するタイプでは
以下のような問題があった。

【０００６】：例えばリング状であると振動子の直径
が制限され、マイクロ化が難しい。

【０００７】：圧電素子の面内方向の振動を用いてい
るため力係数が小さくなる。

【０００８】：圧電素子を接着して接合しているた
め、コストが高くなる。

【０００９】また、棒状の振動弾性体を有するタイプで
は、直径に対して軸方向の長さが格段に長い棒状の振動
子の軸方向における曲げ振動を利用しているため、振動
子の長さが長くなるという問題があった。

【００１０】本発明は、このような従来の問題を解決
し、力係数が高く、またマイクロ化を可能とする超音波
モータ等の振動波駆動装置を提供することを目的とす
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の目的を実現する
振動波駆動装置は、特許請求の範囲の各請求項に記載し
た通りであり、例えば、ディスク形状に形成された第１
の振動弾性体と、該第１の振動弾性体と同軸的に配置さ
れた第２の振動弾性体との間に電気−機械エネルギー変
換素子を挟持した振動子を有し、位置的位相差を有して
配置された２相の該電気−機械エネルギー変換素子へ位
相差を有する交流電圧を印加することにより該電気−機
械エネルギー変換素子を厚み方向に変位させ、該第１の
振動弾性体と該第２の振動弾性体との対向面の表面粒子
に位相が反転した楕円運動を形成し、該第１の振動弾性
体と該第２の振動弾性体の双方又はいずれか一方を振動
エネルギの出力部とすることを特徴とする振動波駆動装
置にある。

【００１２】

【実施例】図１は本発明の第１実施例を示す側断面図で
ある。

【００１３】１は駆動面を有する円板形状に形成された
主振動振動体、３は副振動弾性体で、主振動弾性体１と
副振動弾性体３とは中心部に形成されたネジ部１３によ
り同心的にネジ結合されると共に、円板形状に形成され
た駆動用の圧電素子と振動検出用の圧電素子からなる複
数の圧電素子２が不図示の電極板を介装して主振動弾性
体と副振動弾性体３間に挟持固定され、これら振動体
１、３、圧電素子２、該電極板により振動子を構成して
いる。そして、該ネジ部１３と同軸的に延びる支持棒９
が固定部材１０に固定されることにより振動子の固定が
行われる。

【００１４】主振動弾性体１は、駆動部１ａを外周部と
し、該駆動部１ａよりも内周側に該駆動部の振動変位拡
大用の周溝１ｂを形成しており、また副振動弾性体３は
主振動弾性体１よりも小径に形成され、外周部に振動バ
ランサーとしてのフランジ部３ａが形成されている。な
お、副振動弾性体３には、フランジ部３ａの振動変位拡
大用の周溝３ｂが形成されているが、これは必ずしも必
要とはしない。

【００１５】４はロータで、外周部に主振動弾性体１の
駆動部１ａと当接するつばバネ形状の摺動部５を有し、
同軸的に配置される出力部材７の爪部１１と係合し、該
出力部材７に対して軸方向移動可能かつ周方向移動不能
に連結され、出力部材７との間に弾装された皿バネ６に
より摺動部５が駆動部１ａに加圧接触している。出力部
材７は支持棒９に装着されるボールベアリング８のアウ
ターレースに固定されていて、外周部に設けた歯車部１
２により、ロータ４の回転を外部に取り出すことができ
るようになっている。

【００１６】上記した構成の振動子において、主振動弾
性体１と副振動弾性体３との間に挟持される圧電素子２
としては、図４の（ａ）に示すように、直径部分を境に
して分極方向が異なる形式のものを使用して、図２の
（ａ）、詳しくは図１１の（ａ）に示す節直径１の振動
を形成する方式と、図４の（ｂ）に示すように、分極方
向を互い違いに４等分した形式のものを使用して、図２
の（ｂ）、詳しくは図１１の（ｂ）に示す節直径２、又
はそれ以上節直径の振動を形成する方式とに適用するこ
とができる。

【００１７】図４の（ａ）に示す圧電素子は、上から第
１番目と第２番目の圧電素子ＰＺＴを駆動用のＡ相、第
３番目と第４番目の圧電素子ＰＺＴを駆動用のＢ相、一
番下の圧電素子ＰＺＴをセンサー用とし、Ａ相ＰＺＴと
Ｂ相ＰＺＴとを９０度の位相をずらして積層すると共
に、センサーＰＺＴをＡ相ＰＺＴと同位相に積層してお
り、例えば２枚重ねのＡ相ＰＺＴに図３の（ａ）のよう
な極性で電圧を印加すると、片半部分が厚み方向に伸
び、他半部分が縮み、逆に図３の（ｂ）のような反対の
極性で電圧を印加すると、逆に片半部分が縮み、他半部
分が伸びる。

【００１８】そして、このＡ相ＰＺＴとＢ相ＰＺＴとに
交流電圧を印加すると、主振動弾性体１と副振動弾性体
３とは、図２の（ａ）に示すようなモード形状の振動が
Ｚ軸を中心として９０度の位相ずれを有して相似的に形
成され、Ａ、Ｂ両相に印加する交流電圧に９０度の時間
的位相差を与えることにより、主振動体１の駆動面１ａ
と副振動体３のフランジ部３ａには楕円運動が生じる。

【００１９】この楕円運動は、Ａ相による駆動モード
と、Ｂ相による駆動モードの振幅が等しければ、ｒ−θ
面への投影が（Ｚ軸上から見ると）円となるような楕円
である。

【００２０】ここで、図４の（ａ）に示す圧電素子の分
極方向およびＡ、Ｂ相の位相差に着目すると、公知の棒
状超音波モータの振動子と同じである。しかし、この公
知の棒状超音波モータは、振動子の長さが直径に比べて
充分に長いため、その振動モード形状は、長さ方向両端
を振動の腹位置とする振動であるのに対し、本実施例の
ように、径方向の長さが軸方向の長さに比べて充分に長
いディスク状の振動子では、径方向両端を振動の腹の位
置とする振動となる。

【００２１】本実施例において、直径部分に節が１つ形
成される節直径１での振動においては、副振動弾性体３
のフランジ部３ａがないと、図１１の（ａ）に示すモー
ド形状の振動を主振動弾性体１に形成することができな
い。

【００２２】すなわち、図１１の（ａ）に示すように、
主振動弾性体１のみによって、主振動弾性体１を節位置
に対して非対称（節位置を通る径方向線を中心として振
動弾性体の径方向両端の変位方向が逆であること）に振
動させるということは振動の原理上できないため、本実
施例では、副振動体３を主振動体１と一体的に連結して
１つの振動系とし、副振動体３に１８０度の位相がずれ
た振動を形成することで振動の対称性（振動体の径方向
両端は共に節又は腹の位置になり、かつ、主、副振動弾
性体の変位方向が逆）を得るようにし、主振動弾性体１
に図１１の（ａ）に示すモード形状の振動を形成してい
る。

【００２３】これに対し、図１１の（ｂ）に示すよう
に、節直径２の振動においては、主振動弾性体１は節位
置に対して対称（節位置を通る径方向線を中心として振
動弾性体の径方向両側の変位方向が同じ向きであるこ
と）であるため、特に副振動弾性体３によって位相が反
転した振動を形成するためのフランジ部３ａを必要とし
なくても、主振動弾性体１は２波の進行波による振動が
形成される。

【００２４】なお、図４の（ｂ）に示す圧電素子２の場
合において、例えばＡ相ＰＺＴの上側の電極板（不図
示）に正極、下側の電極板（不図示）に負極の電圧を印
加すると、厚み方向の伸びと縮みが対称に形成され、同
様にＢ相ＰＺＴにはＺ軸回りに４５度の位相ずれを有し
てＡ相ＰＺＴと同様に厚み方向の伸びと縮みが対称に形
成される。したがって、Ａ相ＰＺＴとＢ相ＰＺＴに９０
度の時間的位相差を有する交流電圧を印加すると、振動
子は、図２の（ｂ）および図１１の（ｂ）に示すよう
に、径方向両端における主振動弾性体１と副振動弾性体
３に形成される楕円運動は矢印で示すように共に同じ位
相で符号が逆、つまり面対称な楕円運動となる。

【００２５】但し、図１１の（ｂ）に示すように、９０
度の位相がずれた位置では楕円運動が１８０度の位相ず
れ（反対の位相）を有して形成される。なお、図２の
（ａ）に示す節直径１の振動では、波数が１であるか
ら、径方向の両端における主振動弾性体１と副振動弾性
体３に形成される楕円運動は矢印で示すように互いに逆
方向となる。

【００２６】以上のように、振動子を構成する主振動弾
性体１の駆動部１ａには、図２の（ａ）又は図２の
（ｂ）に示す節直径１又は２での進行波が圧電素子２の
面外方向変位によって形成され、この駆動部１ａに加圧
接触するロータ４が摩擦駆動により回転し、その回転力
を出力部材７に伝達し、歯車部１２を介して出力が取り
出される。

【００２７】このように本実施例では、振動子を構成す
る振動弾性体をディスク形状とすることができるため、
曲げモードを用いる棒状超音波モータに比べて振動子の
軸方向長さを格段に短くすることができ、超音波モータ
のマイクロ化に大きく寄与することができる。

【００２８】図５は本発明の第２の実施例を示す。

【００２９】上記した第１の実施例においては、主振動
弾性体１の外周側に駆動部１ａを形成し、副振動弾性体
３のフランジ部３ａは駆動を取り出すために手段として
利用していないが、本実施例では、ディスク形状の主振
動弾性体１の駆動部１ａとディスク形状の副振動弾性体
３のフランジ部３ａを共に内周側に形成し、主振動弾性
体１の駆動部１ａと副振動弾性体３のフランジ部３ａを
共に駆動を取り出すための手段として利用するようにし
たもので、本実施例において主振動弾性体１および副振
動弾性体３は共にディスク形状といっても内周側が空洞
のドーナツ形状とし、該空洞部分に、出力軸１４を有す
る第１ロータ４ａと第２ロータ４ｂとを配置している。

【００３０】第１ロータ４ａと第２ロータ４ｂの外周部
にはつばバネ形状の摺動部５が夫々形成され、第１ロー
タ４ａの摺動部５が主振動弾性体１の内周側に形成され
ている駆動部１ａに当接し、また第２ロータ４ｂの摺動
部５が副振動弾性体３の内周側に形成されているフラン
ジ部３ａに当接する。この第１ロータ４ａと第２ロータ
４ｂとは同軸的に軸嵌合されていて、第１ロータ４ａと
第２ロータ４ｂとの間に弾装されたコイルバネ６により
互いに離れる方向に付勢されて各摺動部が駆動部１ａと
フランジ部３ａに加圧接触する。なお、第１ロータ４ａ
と第２ロータ４ｂとは爪部１１により軸方向移動可能か
つ軸回り回転不能に連結されており、２つのロータ４
ａ、４ｂの回転力を出力軸１４から取り出すことができ
るようにしている。

【００３１】なお、本実施例の振動子は、積層される圧
電素子２、該圧電素子２間に配置される電極板（不図
示）、該電極板又は圧電素子と主、副振動弾性体１、３
との接合は接着剤を用いている。

【００３２】本実施例における振動モードは、上記した
第１の実施例と同様に、図１１の（ａ）に示す節直径１
の振動と、図１１の（ｂ）に示す節直径２の振動をもち
いることができ、図６の（ａ）は節直径１の振動モード
が振動子に形成されている場合を示し、また図６の
（ｂ）は節直径２の振動モードが振動子に形成されてい
る場合を示す。

【００３３】図７は第３の実施例を示す。

【００３４】本実施例は、図１に示す第１の実施例の変
形例で、主振動弾性体１の外周端から外方向につばバネ
形状の駆動部１ｃを形成すると共に、副振動弾性体３の
外周端から外方向に同様にしてつばバネ形状のフランジ
部３ｃを形成し、第１ロータ４ａのつばバネ形状の摺動
部５が該駆動部１ｃに当接し、第２ロータ４ｂのつばバ
ネ形状の摺動部５が該フランジ部３ｃに当接するように
している。

【００３５】第１ロータ４ａと第２ロータ４ｂとは軸方
向移動可能且つ軸回り回転不能に嵌合形式で連結され
（不図示）、その間に配置された皿バネ６により互いに
離れる方向に付勢され、各摺動部５が駆動部１ｃおよび
フランジ部３ｃに加圧接触する。

【００３６】また、第２ロータ４ｂは、歯車部１２を有
する出力部材７に連結され、両ロータ４ａ、４ｂからの
回転がボールベアリング８に支承される出力部材７に伝
達される。なお本実施例においても、第１、第２の実施
例と同様に節直径１、２の振動モードにより振動子を駆
動することができる。

【００３７】図８は第４の実施例を示す。

【００３８】従来の例えばリング形状の超音波モータに
あっては、振動弾性体の片面に圧電素子を接合し、該圧
電素子の面内方向の振動により振動弾性体に周方向に沿
った進行波を形成し、該進行波の波数は例えば７といっ
た複数の値の進行波としていたが、本実施例では節直径
１とする波数１の進行波を面外方向の振動により得るこ
とができるようにしたものである。

【００３９】本実施例は、外周部に突起部３ｄを有する
ディスク状の副振動弾性体３を、外周部に振動部１ｄを
有するディスク状の主振動弾性体１にネジ固定し、主振
動弾性体１と副振動弾性体３との間に図４の（ａ）に示
す圧電素子２を挟持固定したものを振動子とし、副振動
弾性体３の突起部３ｄにはスリットが放射方向に沿って
多数形成されている。そして、この突起部３ｄにロータ
４の外周部に形成されたつばバネ形状の摺動部５が（不
図示）の加圧手段を介して加圧接触する。

【００４０】本実施例において、節直径１の振動モード
で振動子が振動することができる点については上記した
第１の実施例において述べた通りであるが、圧電素子２
を主振動弾性体１と副振動弾性体３とにより挟持してい
る点、及び圧電素子２の面外振動により振動子を振動さ
せている点が従来のリング状の超音波モータの振動子と
異なる。

【００４１】すなわち、複数の圧電素子を積層配置して
挟持することにより、圧電素子の枚数を増やせるため、
力係数を大きくでき、従来のリング状の超音波モータに
比べて大出力化、低電力化が可能となる。

【００４２】また圧電素子の面外振動を利用するため、
面内振動を利用する場合よりも大きい変位を得ることが
でき、モータ効率を向上させることができる。

【００４３】このような利点は節直径１の場合のみに限
らず、節直径が複数の場合にも適用することができる。

【００４４】図９は第５の実施例を示し、第１〜第４の
実施例で示した振動子を節直径４で振動させる場合の圧
電素子２のＡ相ＰＺＴとＢ相ＰＺＴの分極方向を示して
おり、図４の（ｂ）に示す節直径２の場合では、Ａ相Ｐ
ＺＴとＢ相ＰＺＴは４５度の位置的位相差を有している
のに対し、本実施例の節直径４の場合では２２．５度の
位置的位相差を有している。なおこのようなことから、
節直径数は任意の整数であればよい。

【００４５】このように、節直径が２や４といった場合
には、上記した第１の実施例で説明したように主振動弾
性体１に進行波を形成するために副振動弾性体３の振動
のバランスを取るためのフランジ部は必ずしも必要とせ
ず、図１０に示す第６の実施例のように、主振動弾性体
１の外周部の駆動部１ａにロータ４の摺動部５を加圧接
触させ、また外周フランジ部のないナットとして機能す
る副振動弾性体３により圧電素子２を主振動弾性体１と
の間で挟持する構成としても良い。

【００４６】本実施例の場合、圧電素子の厚み方向にお
ける歪み量は、図８に示す主振動弾性体１と副振動弾性
体３とが共に振動する場合に比べて小さくなるが、振動
子の支持が容易になるメリットがある。

【００４７】なお上記した各実施例の超音波モータは例
えばカメラのＡＦモータとして利用することができ、ま
た振動子は直接紙と加圧接触するようにして紙送り装置
の駆動源としたり、あるいは固定された直線状のレール
に対して加圧接触し、リニアモータとして利用すること
ができる。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、振
動子の薄型化により、超音波モータ等のコンパクト化を
図れ、また複数の圧電素子を積層することができるた
め、低電圧で力係数大の駆動を得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す側断面図。

【図２】図１の振動子の振動モードを示し、（ａ）は節
直径１の振動モード、（ｂ）は節直径２の振動モードを
示す図。

【図３】図４の（ａ）の圧電素子の印加電圧の極性と変
位方向を示す図。

【図４】図１の圧電素子の積層状態と分極方向を示す分
解斜視図で、（ａ）は節直径１の場合、（ｂ）は節直径
２の場合を示す。

【図５】第２の実施例を示す側断面図。

【図６】図５の実施例の振動モードを示し、（ａ）は節
直径１の場合、（ｂ）は節直径２の場合を示す。

【図７】第３の実施例を示す側断面図。

【図８】第４の実施例を示す側断面図。

【図９】第５の実施例における圧電素子の分極方向を示
す図。

【図１０】第６の実施例を示す側断面図。

【図１１】本発明における円板形状等の振動弾性体の振
動モードを示し、（ａ）は節直径１の振動モード、
（ｂ）は節直径２の振動モードを示す。

【符号の説明】

１ 主振動弾性体 ２ 圧電素子 ３ 副振動弾性体 ４ ロータ ５ 摺動部 ６ 皿バネ ７ 出力部材 ８ ベアリング ９ 支持部材 １０ 固定部材

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ディスク形状に形成された第１の振動弾
   性体と、該第１の振動弾性体と同軸的に配置された第２
   の振動弾性体との間に電気−機械エネルギー変換素子を
   挟持した振動子を有し、位置的位相差を有して配置され
   た２相の該電気−機械エネルギー変換素子へ位相差を有
   する交流電圧を印加することにより該電気−機械エネル
   ギー変換素子を厚み方向に変位させ、該第１の振動弾性
   体と該第２の振動弾性体との対向面の表面粒子に位相が
   反転した楕円運動を形成し、該第１の振動弾性体と該第
   ２の振動弾性体の双方又はいずれか一方を振動エネルギ
   の出力部とすることを特徴とする振動波駆動装置。
2. 【請求項２】 請求項１において、第１の振動弾性体と
   第２の振動弾性体とは、外周部又は内周部に振動エネル
   ギを機械エネルギーに変換するための振動部を形成した
   ことを特徴とする振動波駆動装置。
3. 【請求項３】 請求項１又は２において、振動子には節
   直径１又は２以上の振動が形成されることを特徴とする
   振動波駆動装置。
4. 【請求項４】 請求項３において、節直径が２以上の場
   合には、振動子は第２の振動弾性体の振動部を不要とす
   ることを特徴とする振動波駆動装置。
5. 【請求項５】 請求項１、２、３又は４に記載の振動波
   駆動装置を駆動源とすることを特徴とする装置。