(57)【要約】【課題】薄型で高いモータ効率を有する超音波モータの提案。【解決手段】圧電素子からなる圧電振動子と、圧電振動子に励振される縦振動モードと屈曲振動モードとに直交し、圧電振動子を挟む対称な位置に設けられた突出部材と、突出部材との摩擦力により移動する移動体からなり、加圧力が移動体に対し一定方向にかかるため、突出部材と移動体との接触が安定し、モータの効率が良い共に性能の変動並びにモータ個々の特性のばらつきも小さい。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子からなる圧電振動子と、前記圧電振動子に励振される縦振動モードと屈曲振動モードとに直交し前記圧電振動子を挟む対称な位置に設けられた突出部材と、前記突出部材との摩擦力により移動する移動体からなる超音波モータ。
【請求項２】
請求項１記載の超音波モータにおいて、前記移動体は、前記突出部の側面と接触する二つの接触部材及び前記二つの接触部材に挟まれた非接触部材からなり、前記圧電振動子の一部は前記二つの接触部材の間に位置することを特徴とする超音波モータ。
【請求項３】
前記非接触部材に動力伝達部を設けることを特徴とする請求項２記載の超音波モータ。
【請求項４】
請求項１乃至３記載の超音波モータを用いたことを特徴とする超音波モータ付電子機器。
【請求項５】
基板と、
前記基板の一方の面上に支持され一端が圧電振動子に接続され、他端が加圧部材に接続された支持部材と、
前記圧電振動子の前記基板に向かい合う面上に配置された１対の突起と前記基板の反対側の面上にそれぞれ配置された他の１対の突起と、
前記基板の前記支持部材を有する面に配置された軸の周りに回転可能に支持され、前記軸に対して対称に外周面に前記１対の突起と前記他の１対の突起が接する移動体とからなる超音波モータ。
【請求項６】
前記１対の突起と前記他の１対の突起がそれぞれ、前記圧電振動子の曲げ振動モードの振動の山と谷の位置に有する請求項５記載の超音波モータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波モータ及び超音波モータ付電子機器に関し、特にモータ効率の高い薄型超音波モータの構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波モータは、カレンダー付腕時計の日送り機構の駆動等に用いられている。図２（ａ）は、従来の円板型超音波モータの構造を示す概略図である。従来の円板型超音波モータは、下面には圧電素子１３を接着し、上面には突起１１を設けた振動体１２と、突起１１と接触するローター１４と、ローター１４に備えられた軸受１５と、ローター１４の上部でローター１４と一体化された歯車１８及びピボット１６と、ピボット１６に対し加圧を供与する加圧部材５、そして加圧部材５を固定する固定部１７からなる（例えば非特許文献１参照。）。
【０００３】
図２（ｂ）は、従来の円板型超音波モータの振動体１２の上面を示す概略図である。従来の円板型超音波モータの振動体１２には、例えば６本の突起を一定間隔で設け、円板の厚み方向の曲げ振動により突起が傾き、加圧部材５から加圧力をうけて摩擦力によりローター１４を回転させる。歯車１８は、ローター１４と一体化しており、ローター１４の回転トルクを他の機構に伝達する。
【０００４】
【非特許文献１】
小坂光二  非共振型超音波モータ駆動ステージの開発とそれを応用した超精密ＸＹステージの開発  精密工学会  超精密位置決め専門委員会定例会講演前刷集ＮＯ．２００２−１
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の円板型の超音波モータは、超音波モータの振動体上面に移動体を回転させるための突起を設け、さらには移動体の上から加圧部材を設ける構造であるため、超音波モータ全体の厚み方向の寸法が増大し、薄型化するには限界があった。また、例えば腕時計の日送りに超音波モータを用いる場合のように高いトルクを必要とする場合には、減速用の歯車を移動体に設ける必要があり、歯車及び移動体の剛性を高める方法として、歯車や移動体を厚み方向に厚くせざるを得ない場合もあった。
【０００６】
図７（ａ）は従来の薄型超音波モータの上面図を示しており、図７（ｂ）は、その側面図を示している。従来の薄型超音波モータは、圧電振動子１と圧電振動子１の上面に設けられた突起１１と、加圧部材５と、支持部材６と、突起１１の側面に接触する移動体３と、移動体３の回転軸４からなる。例えば圧電振動子１は縦振動と屈曲振動を、同時に励振することにより突起を楕円運動させ、突起１１の側面と接触する移動体３は加圧部材５からの加圧を受け、摩擦力により回転する。しかしながら、支持部材６は加圧力を移動体３に供与するため、移動体６の方向に対しては自由に可動するため、嵌めあいの公差分だけ隙間ができる。そのため、突起１１と移動体３との接触点周りにモーメントが生じ、突起１１と移動体３との接触が不安定となる。それにより、モータ効率が低下することが考えられる。
【０００７】
そこで本発明の目的は、薄型でありながらも高いモータ効率を有する超音波モータの構造を提案することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る超音波モータは、圧電素子からなる圧電振動子と、圧電振動子に励振される縦振動モードと屈曲振動モードとに直交し、圧電振動子を挟む対称な位置に設けられた突出部材と、突出部材との摩擦力により移動する移動体からなることを特徴としている。これによれば、圧電振動子に設けられた突出部材を移動体の側面から接触させる構造であるため超音波モータの薄型化が可能となる。
【０００９】
また、突出部材を、圧電振動子の縦振動モードと屈曲振動モードとに直交する面の一方に設けるのではなく、圧電振動子を挟む対称な位置の二箇所に設ける。それにより、突出部材を圧電振動子の一方の面にのみ設けた場合のように突起１１と移動体３との接触点周りのモーメントも生じないため、接触が安定し、となり、モータの効率が良いと共に性能の変動並びにモータ個々の特性のばらつきも小さい。
【００１０】
本発明に係る超音波モータは、上述の構成にされに移動体が、突出部の側面と接触する二つの接触部材及び二つの接触部材に挟まれた非接触部材からなり、圧電振動子の一部は前記二つの接触部材の間に位置することを特徴としている。
【００１１】
これによれば、圧電振動子の一部を移動体の接触部材の間に位置するため、圧電振動子と移動体とが接触せずに近づけることが可能であるため、機構全体の小型、薄型化が可能となる。
【００１２】
本発明に係る超音波モータは、非接触部材に動力伝達部を設けることを特徴としている。
【００１３】
これによれば、移動体に設けた接触部材と、接触部材に挟まれた非接触部材に動力伝達部を設けることにより、動力伝達部を超音波モータの厚さ方向に積層する必要がなく、また、動力伝達部の径が接触部材の径よりも小さいため、他に減速用の歯車を介さずともトルクの増大が図れ、機構全体の小型、薄型化も可能となる。
【００１４】
本発明に係る超音波モータ付電子機器は、上述の超音波モータを用いたことを特徴としている。
【００１５】
これによれば、本発明の超音波モータ付電子機器は超音波モータを用いているため、超音波モータ付電子機器の小型、薄型化と、駆動機構部分での動力伝達ロスが低減される。
本発明では、基板と、基板の一方の面上に支持され一端が圧電振動子に接続され、他端が加圧部材に接続された支持部材と、圧電振動子の前記基板に向かい合う面上に配置された１対の突起と前記基板の反対側の面上にそれぞれ配置された他の１対の突起と、基板の前記支持部材を有する面に配置された軸の周りに回転可能に支持され、前記軸に対して対称に外周面に前記１対の突起と前記他の１対の突起が接する移動体とからなる超音波モータとした。ここで１対の突起と前記他の１対の突起をそれぞれ、前記圧電振動子の曲げ振動モードの振動の山と谷の位置に有すると良い。
【００１６】
【発明の実施の形態】
《実施の形態１》
以下、本発明を適用した実施の形態１について、図１、３〜５を用いて説明する。図１は、実施の形態１に係る超音波モータの全体構造を示す図である。図１（ａ）は、実施の形態１に係る超音波モータの上面図を示している。実施の形態１に係る超音波モータは、圧電振動子１と圧電振動子１の表裏に箇所それぞれ二つずつ設けられた計四つの突出部材２と、加圧部材５と、支持部材６と、突出部材２の側面に接触する移動体３と、移動体３の回転軸４からなる。
【００１７】
図１（ｂ）は、実施の形態１に係る超音波モータの側面図を示す。突出部材２は圧電振動子１を挟み込むように設けられ、移動体３の接触部材７で突出部材２の側面と接している。非接触部材８は、接触部材７よりも小径の寸法で振動子１とは接触しない。圧電振動子１は、電圧の印加により縦振動と曲げ振動の二つの振動が励振され、突出部材２の位置では楕円運動を描く。四つの突出部材２での楕円運動の方向は同一であり、接触部材７で突出部材２と接触する移動体３は、加圧部材５からの加圧力をうけ、摩擦力により回転する。移動体３は、突出部材２の側面より摩擦力を得る構造であるため、超音波モータ全体の厚みを抑えることができる。
【００１８】
また、支持加圧構造６からの加圧力は、圧電振動子１を挟み込むように設けられる四つの突出部材２と、移動体３の接触部材７に対し一定の方向にかかる。そのため、突出部材を圧電振動子の一方の面にのみ設けた場合のように突出部材２と移動体３との接触点周りのモーメントも生じないため、接触が安定し、モータの効率が良いと共に性能の変動並びにモータ個々の特性のばらつきも小さい。
【００１９】
圧電振動子としては、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸バリウム、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等を用いる。突出部材は、円筒形状に加工した耐摩耗性に優れたエンジニアリングプラスチックを接着剤等で圧電振動子を挟むように取り付けても良いし、圧電振動子に穴を開け、その穴に上記部材を通し接着剤で固定する等しても良い。支持部材６の材質は、ステンレス等の金属でも良いし、電気的に絶縁が必要な場合は、剛性の高いエンジニアリングプラスチックでも良い。
【００２０】
図３は、実施の形態１に係る超音波モータの突出部材の位置を示す上面図である。例えば突出部材２は、圧電振動子の屈曲振動モードの腹の位置に設ける。そして例えば、圧電振動子の屈曲振動と縦振動の励振する際に入力位相をずらすことにより、突出部材２では楕円運動をする。突出部材２の側面に移動体３を接触させることにより加圧部材５からの加圧をうけて摩擦力により移動体３は回転する。
【００２１】
図４は、実施の形態１に係る超音波モータを示す図で、移動体３に歯車１８を組み合わせた構成を示している。図４（ａ）は実施の形態１にかかる超音波モータの上面図である。実施の形態１に係る超音波モータは、圧電振動子１と、圧電振動子１に設けた突出部材２と、突出部材２の側面と接し、回転軸４を中心に回転する移動体３と、圧電振動子１に加圧を与える加圧部材５と、圧電振動子１を支持する支持部材６と、移動体３の回転力を伝達する歯車１８からなる。
【００２２】
図４（ｂ）は実施の形態１にかかる超音波モータの側面図である。移動体３は、突出部材２の側面と接する接触部材７と、接触部材７にはさまれ、接触部材７よりも直径が小さい非接触部材８からなる。非接触部材８にはギアが設けてあり、移動体３の回転出力を歯車１８に伝達する構造となっている。それにより、従来例に示す超音波モータのように厚み方向に歯車１８を積層せずとも、動力伝達部を設けることが可能であるため、全体構造の小型、薄型化が可能である。また、非接触部材８は接触部材７に比べ小さい径であるため非接触部材８の位置で減速され、回転トルクを増大させることが可能である。さらには、高トルクの必要な機器に用いた場合、減速用歯車の必要がなくなるため機器の小型化も可能となる。
【００２３】
図５は、実施の形態１に係る超音波モータを示す図である。図５（ａ）は、実施の形態１に係る超音波モータを示す上面図で、移動体３をリニヤ駆動させるための構成を示す。実施の形態１に係る超音波モータは、圧電振動子１と、圧電振動子１に設けた突出部材２と、突出部材２の側面と接し、軸受１５に案内されリニヤ駆動する移動体３と、圧電振動子１に加圧を与える加圧部材５と、圧電振動子１を支持する支持部材６からなる。
【００２４】
図５（ｂ）は、実施の形態１に係る超音波モータを示す側面図である。移動体３は、突出部材２の側面と接する接触部材７と、接触部材７にはさまれ、接触部材７よりも幅が小さい非接触部材８からなる。回転型の場合と同様に、圧電振動子１を挟むように突出部材２を二つ設けており、上下の突出部材２の側面に移動体３を接触させる。それにより、加圧部材５からの加圧方向が移動体に対し一定となる。そのため、突出部材を圧電振動子の一方の面にのみ設けた場合のように突出部材２と移動体３との接触点周りのモーメントも生じないため、接触が安定し、モータ効率の良いと共に性能の変動並びにモータ個々の特性のばらつきも小さいリニヤ型超音波モータを作製することが可能である。
【００２５】
《実施の形態２》
以下、本発明を適用した実施の形態２について、図６を用いて説明する。図６は、実施の形態２に係る超音波モータ付電子機器を示す図であり、カレンダー機能付腕時計の日送りの構成を示している。実施の形態２に係る超音波モータ付電子機器は、圧電振動子１と圧電振動子１に設けられた突出部材２と、加圧部材５と、支持部材６と、突出部材２の側面に接触する移動体３と、移動体３の回転軸４からなる実施の形態１で示した超音波モータと、移動体３からの回転力を受け回転する文字板１０からなる。
【００２６】
圧電振動子１に設けられた突出部材２の側面で移動体３を接触させて駆動させる原理であるため、文字板１０の部分も含め、全体構造の小型、薄型化が可能である。さらには、移動体３は、突出部材２と接触する接触部材とよりも径の小さい非接触部材を設けているため、減速用の歯車を介さずともトルクを増大させることが可能であるため、日送り機構を簡素化できるとともに小型化も可能となる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明を適用した超音波モータは、圧電振動子を挟むように突出部材を設け、その突出部材の側面に対し移動体を接触させて駆動させる構成であるため、超音波モータの小型、薄型が可能である。
【００２８】
また本超音波モータは、薄型でありながらも、突出部材を圧電振動子の一方の面にのみ設けた場合のように突出部材と移動体との接触点周りのモーメントも生じないため、接触が安定し、モータの効率が良いとともに性能の変動並びにモータ個々のばらつきも小さい。
【００２９】
また、移動体は突出部材と接触する接触部材と、接触部材に挟まれ、接触部材よりも径の小さな非接触部材を設けており、非接触部材に動力伝達部９を設けることにより、超音波モータの厚み方向に動力伝達用の歯車を設ける必要もなく、小型、薄型化が可能となるとともに、トルクの増大が図れる。
【００３０】
また、本発明を適用した超音波モータ付電子機器は、小型、薄型化が可能となるとともに、駆動機構部分での動力伝達ロスも低減される。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１に係る超音波モータの全体構造を示す図である。
【図２】従来の円板型超音波モータの構成を示す概略図である。
【図３】実施の形態１に係る超音波モータの突出部材の位置を示す図である。
【図４】実施の形態１に係る超音波モータを示す図である。
【図５】実施の形態１に係る超音波モータを示す図である。
【図６】実施の形態２に係る超音波モータ付電子機器を示す図である。
【図７】従来の薄型超音波モータの構造を示す図である。
【符号の説明】
１  圧電振動子
２  突出部材
３  移動体
４  回転軸
５  加圧部材
６  支持部材
７  接触部材
８  非接触部材
９  動力伝達部
１０  文字板
１１    突起
１２  振動体
１３  圧電素子
１４  ローター
１５  軸受
１６  ピボット
１７  固定部
１８  歯車
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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