(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転中心軸と、
電気信号を印加することで前記回転中心軸の直交面でかつ回転中心軸に対称でその中心に対し９０度異ならせた２つの領域において１／２波長異なる位相で時間的に１／４波長の位相差を持たせ回転軸方向に縦振動を生起させ得る薄板状で両面に電極を有し２つ以上の伸縮領域に分極された圧電素子が所定の角度位相を変えて複数積層され、その圧電素子の上下面を一対の弾性体で挟み込み柱形状とした振動源と、
前記振動源の端面に結合され、その振動源の前記圧電素子の最大外径よりも大きい円板形状で、その円周方向に前記振動源の縦励振により共振し複数の波高をもつ屈曲振動の進行波を励振させる外周部を形成した振動体と、
前記振動体に加圧接触し前記進行波により所定の方向に回転駆動される移動体と
を有する超音波モータ。
【請求項２】
回転中心軸と、
電気信号を印加することで前記回転中心軸の直交面でかつ回転中心軸に対称でその中心に対し９０度異ならせた２つの領域において１／２波長異なる位相で時間的に１／４波長の位相差を持たせ回転軸方向に縦振動を生起させ得る薄板状で両面に電極を有し２つ以上の伸縮領域に分極された圧電素子が所定の角度位相を変えて複数積層され、その圧電素子の上下面を一対の弾性体で挟み込み柱形状とした振動源と、
前記振動源の端面に結合され、その振動源の前記圧電素子の最大外径よりも大きい円板形状で、その円周方向に前記振動源の縦励振により共振し複数の波高をもつ屈曲振動の進行波を励振させる外周部を形成した振動体と、
前記振動体に加圧接触し前記進行波により所定の方向に回転駆動される移動体とを備え、
前記円板形状の振動体の前記振動源との結合部から前記移動体との加圧接触面へ至る途中に、曲げ剛性を小さくした振動体部とを形成してなることを特徴とする超音波モータ。
【請求項３】
回転中心軸と、
電気信号を印加することで前記回転中心軸の直交面でかつ回転中心軸に対称でその中心に対し９０度異ならせた２つの領域において１／２波長異なる位相で時間的に１／４波長の位相差を持たせ回転軸方向に縦振動を生起させ得る薄板状で両面に電極を有し２つ以上の伸縮領域に分極された圧電素子が所定の角度位相を変えて複数積層され、その圧電素子の上下面を一対の弾性体で挟み込み柱形状とした振動源と、
前記振動源の端面に結合され、その振動源の前記圧電素子の最大外径よりも大きい円板形状で、その円周方向に前記振動源の縦励振に共振し複数の波高をもつ屈曲振動の進行波を励振させる外周部を形成した振動体と、
前記振動体に加圧接触し前記進行波により所定の方向に回転駆動される移動体とを備え、
前記振動体の形状を前記振動源との結合部分が円板形状で、この円板形状の周面部を基端として曲げ剛性を小さくした前記縦振動に共振する筒形状部を設け、この筒形状の他端部にフランジ形状部を設け、このフランジ形状部が前記移動体の加圧接触面となしたことを特徴とする超音波モータ。
【請求項４】
前記振動体の前記移動体が加圧接触する部分を櫛歯形状としたことを特徴とする請求項１乃至３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、圧電素子に電気エネルギーを供給することにより振動体を共振させ、この振動体の共振により振動体に押圧された移動体に回転運動を生起し、この移動体の回転運動を抽出することでモータ出力とする超音波モータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の超音波モータとしては特開平６−１７８５６１号公報に示されているように、振動を発生する圧電素子は中心軸を境に左右反転して分極されており、この圧電素子を２枚一組としてＡ相とＢ相に分け９０度位相を違えて配置し積層している。そして、この圧電素子を一対の弾性体で挟む構成で振動体を形成している。
【０００３】
この振動体は、圧電素子のＡ相だけに特定周波数の交流電圧を印加すると、圧電素子は左右反転して分極されているので、それぞれの領域は伸縮する。この伸縮によって振動体には中心軸と分極境界線を含む面を中心に左右に曲げ固有振動が励振される。
【０００４】
またＢ相だけに特定周波数の交流電圧を印加すると、Ｂ相の分極境界面はＡ相に対して９０度位相を違えて配置されているので、前記の曲げ固有振動に対して９０度位相を違えた方向に固有振動が励振される。
【０００５】
そしてＡ相とＢ相に印加する交流電圧を時間的にも９０度位相を違えて印加すると、振動体の端部が回転するような曲げ振動となる。この時、時間的な位相を＋９０度または−９０度のいずれかを選択することによって左右の回転方向を選択できる。
【０００６】
また、特開平６−１７８５６１号公報に示される超音波モータでは、振動体に周溝を有して前記振動の変位拡大をおなっている。これにより振動体の端面には変位拡大した首振り運動が生じ、この首振り振動は１波の進行波に相当している。そしてこの振動体の端面部分に移動体を加圧接触させることで、移動体に回転運動を生起し、この移動体の回転運動を抽出することで超音波モータを構成している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
以上で説明した超音波モータは振動体の構成がシンプルである為安価であり、また小型である。またボルト締めタイプであるために樹脂材料等の接着剤で圧電素子を接合する必要が無く、接着剤の温度特性変化によるモータ性能の変化や接着剤による振動吸収等の不具合が無い。しかし超音波モータとしては低トルクであり、大トルク化への要望が大きい。
【０００８】
大トルクを発生させるためには、振動体と移動体との加圧接触面の径寸法をなるべく大きく設定するのが望ましく、上記で説明した超音波モータもその最大外径付近に加圧接触面を設けている場合が多い。しかし、首振り振動による棒状の超音波モータであるため、その最大外径は前記圧電素子の外径程度である。
【０００９】
またトルク増大の為の別の手段として、振動体と移動体との接触部の加圧力を増す方式もあるが、接触部の磨耗で耐久性能の悪化要因つながる場合があり、限界があった。
【００１０】
以上のように幾つかの利点は持つものの、大トルク化には限界があった。そこで本発明は、上記タイプの超音波モータの利点を生かしつつ大トルクのモータを提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために請求項１によれば、回転中心軸と、電気信号を印加することで前記回転中心軸の直交面でかつ回転中心軸に対称でその中心に対し９０度異ならせた２つの領域において１／２波長異なる位相で時間的に１／４波長の位相差を持たせ回転軸方向に縦振動を生起させ得る薄板状で両面に電極を有し２つ以上の伸縮領域に分極された圧電素子が所定の角度位相を変えて複数積層され、その圧電素子の上下面を一対の弾性体で挟み込み柱形状とした振動源と、前記振動源の端面に結合され、その振動源の前記圧電素子の最大外径よりも大きい円板形状で、その円周方向に前記振動源の縦励振に共振し複数の波高をもつ屈曲振動の進行波を励振させる外周部を形成した振動体と、前記振動体に加圧接触し前記進行波により所定の方向に回転駆動される移動体とを有する超音波モータである。
【００１２】
また、請求項２及び請求項３によれば、回転中心軸と、電気信号を印加することで前記回転中心軸の直交面でかつ回転中心軸に対称でその中心に対し９０度異ならせた２つの領域において１／２波長異なる位相で時間的に１／４波長の位相差を持たせ回転軸方向に縦振動を生起させ得る薄板状で両面に電極を有し２つ以上の伸縮領域に分極された圧電素子が所定の角度位相を変えて複数積層され、その圧電素子の上下面を一対の弾性体で挟み込み柱形状とした振動源と、前記振動源の端面に結合され、その振動源の前記圧電素子の最大外径よりも大きい円板形状で、その円周方向に前記振動源の縦励振に共振し複数の波高をもつ屈曲振動の進行波を励振させる外周部を形成した振動体と、前記振動体に加圧接触し前記進行波により所定の方向に回転駆動される移動体とを備え、請求項２では前記振動体に前記圧電素子の最大外径よりも大きくその縦振動に共振する円板形状の外周部と、前記振動源との結合部から前記移動体との加圧接触面へ至る途中に曲げ剛性を小さくした振動体部とを形成し、また請求項３では前記振動体の形状を前記振動源との結合部分が円板形状で、この円板形状の周面部を基端として曲げ剛性を小さくした前記縦振動に共振する筒形状部を設け、この筒形状の他端部にフランジ形状部を設け、このフランジ形状部が前記移動体の加圧接触面となしたことを特徴とする超音波モータである。
【００１３】
【実施例】
〔第１の実施例〕図１に本発明の第１実施例を示す。図２はその分解斜視図である。また、図３は第一の実施例で用いる圧電素子の電極配置を示す斜視図である。
【００１４】
図１において、振動源４は薄板で円板状の圧電素子１、２、３と下部弾性体５、上部弾性体６と圧電素子の各電極と外部制御回路との接続のためのプリント基板７とで構成されている。
【００１５】
圧電素子は図３に示すように、２つの領域で厚さ方向に分極され、それぞれの領域の上面に電極１ａ、１ｂを配置し通電可能なように電気配線されている。また圧電素子の逆の面には共通電極８（不図示）が概略前面に配置され同様に通電可能なように電気配線されている。
【００１６】
これらの圧電素子は２枚１組の圧電素子１をＡ相として、このＡ相に対して９０度位相を変えて配置される２枚１組の圧電素子２がＢ相となり、振動検出の為の１枚の圧電素子３がＳ相となっている。そしてそれぞれの圧電素子は積層されるとともに各電極がプリント基板に電気配線される。
【００１７】
本実施例ではＡ相およびＢ相の圧電素子を各２枚で構成しているが、圧電素子の厚みを薄くしてさらに多くの枚数を積層することで低電圧化をすることができる。また、Ａ相およびＢ相の圧電素子を各１枚構成としても可能であることは言うまでもない。また、本実施例のようにＡ相とＢ相を別々の圧電素子とするのではなく、１枚の圧電素子を軸中心に対し４分割するように電極を配置してその対向する領域の一方をＡ相とし、他方をＢ相としてもかまわない。
【００１８】
以上のように構成された圧電素子は、図１及び図２に示すようにプリント基板７とともに下部弾性体５と上部弾性体６とで挟み込まれ、ボルト１０の第１ネジ部１０ａによって締め付けられて結合される。この時結合手段として樹脂材料等からなる接着剤を使用することは、圧電素子から発生する振動の減衰の原因となったり、発熱する温度での振動の減衰量が異なったりするので好ましくない。またプリント基板のベース材料も振動エネルギーを減衰させないような材料を選択するのが望ましい。
【００１９】
本実施例では円板形状をした振動体９は上部弾性体６と一体化された構成となっており、振動源からの振動を振動体に効率よく伝えるようにしている。もちろん振動体９と上部弾性体６を別部品にして結合手段をもって結合した構成にしてもかまわない。また下部弾性体５と上部弾性体６と振動体９は安価で加工精度の優れた材料の例えば真鍮等で作られている。
【００２０】
次に移動体１１は、その中央穴をボルト１０の連結軸部１０ｂに通すように組み付けられ、加圧バネ１３は移動体１１の収納部１１ａに組み込む。さらに連動ギヤ１２は、その凸部１２ｂを移動体１１に設けられた凹部１１ｂに嵌合させ、そして加圧バネ１３をその収納部１２ａに収納するように組み込む。
【００２１】
最後にナット１４をボルト１０の第２ネジ部１０ｃにねじ込み固定することで、移動体１１と加圧バネ１３と連動ギヤ１２の組み付けは完了される。
【００２２】
次に動作の説明をする。
【００２３】
図３において圧電素子の下面側に設けられた共通電極８（不図示）をグランド（ＧＮＤ）電位にして、上面側に設けられた電極１ａ、１ｂにそれぞれプラス電位とマイナス電位を印加する。そしてこの電位を特定周波数の交流電圧とすることでＡ相の圧電素子による振動を生起させる。
【００２４】
また、この２枚１組のＡ相の圧電素子１に対して９０度の位相を変えて配置される２枚１組の圧電素子２のＢ相には、Ａ相に対して時間的に１／４波長の位相を異ならせた特定周波数の交流電圧を印加させて、Ａ相の圧電素子による振動に対し位置と時間とでそれぞれ位相をもたせたＢ相の圧電素子による振動を生起させる。
【００２５】
図４は振動源４と振動体９の形状をモデル化した立体斜視図である。斜線部が圧電素子１，２であり、その下部に下部弾性体５、その上部に上部弾性体６と振動体９が構成されている。このモデルにおいては、中央の穴形状やＳ相の圧電素子等は省略している。このモデルによって振動のようすを説明する。
【００２６】
前記のようにＡ相の圧電素子による振動を生起させ、その振動により励振される振動体９が共振状態となるようにその特定周波数を選択する。この共振により振動体９は図５の（ａ）と（ｂ）の状態を繰り返すように左右の振動をする。また、Ｂ相の圧電素子による振動を生起させ、その振動により励振される振動体９が共振状態となるようにその特定周波数を選択すると、この共振により振動体９は図５の（ｃ）と（ｄ）の状態を繰り返すように前後の振動をする。
【００２７】
Ａ相の圧電素子による振動とＢ相の圧電素子による振動は時間的にプラス１／４波長異ならせてあるので、振動体９の共振によってできた波の波高部９ａは（ａ）、（ｄ）、（ｂ）、（ｃ）の順に推移していくことになり、波高部９ａの位置が円板状の振動体の外周部で回転するように移動する。また、この波高部９ａはＡ相の圧電素子による振動とＢ相の圧電素子による振動を時間的にマイナス１／４波長異ならせることによって（ａ）、（ｃ）、（ｂ）、（ｄ）の順にすることができる。つまり、波高位置の正逆回転が可能となる。
【００２８】
以上のように振動源４によって励振された振動体９の波は、１つの波高を持つ進行波に相当する。この進行波の生じる部位は前記振動体９の外周部が最も振幅の大きい所となり、前記振動体９の外径は前記圧電素子１ａ、１ｂの最大外径よりも大きいので、従来品に比べて低速で大きなトルクを得ることができる。
【００２９】
前記に説明した振動の形態は次のような表現でも説明できる。
【００３０】
圧電素子１，２の伸縮により振動を発生させ、圧電素子を挟んだ下部弾性体５と上部弾性体６に、共振状態ではない軸方向の縦振動をその軸の直交面で軸に対称な２つの領域で１／２波長異なる位相で生起させるとともに、この縦振動を軸中心に９０度異ならせた２つの領域で時間的に１／４波長の位相差を持たせて生起させる。この縦振動は前記円板形状の振動体９を共振状態にする特定周波数であり、前記振動体９は図５で示すＡ相で励振された左右方向の定在波とＢ相で励振された前後方向の定在波が時間的に１／４波長の位相差を持つことによって、その円周方向に屈曲振動の進行波を作り出していることになる。
【００３１】
振動体９が移動体１１と接触する位置は、この波高部９ａとなる。この波高部９ａの接面は楕円軌道を描き、移動体１１に回転運動を与える。
【００３２】
移動体１１はこの進行波を有効に得て回転運動をするように、振動体９との加圧接触面１１ｃを振動体９の外周部付近にしている。この加圧接触する加重は、加圧バネ１３によって加えられる。この加圧バネ１３のたわみ量はナット１４のねじ込み量で調整できるので、加圧接触する加重の調整や変更も容易となる。
【００３３】
移動体１１の回転運動は、移動体１１に設けられた凹部１１ｂと、連動ギヤ１２に設けられた凸部１２ｂとが嵌合しているので連動ギヤ１２に回転運動は伝えられる。連動ギヤ１２はこの超音波モータの運動抽出部品となり、本実施例では歯車にてモータ出力をしている。
【００３４】
以上のように本発明の超音波モータは、振動体の構成がシンプルである為安価であり、また樹脂材料等からなる接着剤で圧電素子を接合する必要が無いために、接着剤による振動吸収や温度変化による接着剤の特性変化等によるモータ性能の変化が無く、また振動源が小型であることの特徴を持ちながら従来品に比べて低速で大きなトルクを得ることができる。
【００３５】
〔第２の実施例〕図６に本発明の第２の実施例を示す。
【００３６】
第１の実施例に対して振動体９の形状が異なり、振動体９には振動源４との結合部から移動体１１との加圧接触面１１ｃまでの途中に、曲げ剛性が小さくなるようにした肉薄部９ｂが全周にわたって均等に設けられている。
【００３７】
振動体９は振動源４によって共振状態に励振されるが、この肉薄部の曲げ剛性が小さいことによって振動体９の外周部９ｃは振幅の大きな波に増幅されることになる。この効果は超音波モータのエネルギー効率を上げることにつながる。
【００３８】
〔第３の実施例〕図７に本発明の第３の実施例を示す。
【００３９】
上記と同様に第１の実施例に対して振動体９の形状が異なり、振動体９には振動源４との結合部から移動体１１との加圧接触面１１ｃまでの途中に、筒形状の曲げ剛性が小さくなるようにした肉薄部９ｂを全周にわたって均等に設けてあり、加圧接触面１１ｃはその筒形状からフランジ状に突き出た外周部９ｃに設けられている。
【００４０】
振動体９は振動源４によって共振状態に励振され、この筒形状の肉薄部の曲げ剛性が小さいことによってフランジ状に突き出た外周部９ｃは振幅の大きな波に増幅され、超音波モータのエネルギー効率を上げることにつながっている。
【００４１】
本実施例の場合は肉薄部９ｂが振動源４の外周に沿って筒形状に設けられているので、振動体９の外周部９ｃの外径を小さくできる利点がある。
【００４２】
また、ここでは筒形状の肉薄部９ｂを振動源４側に垂下させるように設けてあるが、移動体１１側に突き出るように設けてもかまわない。
【００４３】
また、第１から第３の実施例において、加圧接触面１１ｃを含む振動体の外周部９ｃを櫛歯形状にして、さらに振幅の増幅を行うと共に磨耗分等の除去の効果を得るようにしても良い。
【００４４】
〔その他の実施例〕上記で説明した振動体の進行波は１つの波高を持つ進行波であるが、次のように圧電素子の分極をすることによって複数の波高を持つ進行波を作ることができる。
【００４５】
図８（ａ）に２波の波高部９ａを持つ振動体モデルの波形を示す。このような波形の進行波を作り出す為には、図８（ｂ）に示すように圧電素子を４つの領域で厚さ方向に分極し、それぞれの領域の上面に電極１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄを配置し通電可能なように電気配線する。また圧電素子の逆の面には共通電極８（不図示）が概略前面に配置され同様に通電可能なように電気配線している。ここでは説明の為、中央の穴形状やＳ相の圧電素子等は省略している。
【００４６】
ここで圧電素子１のＡ相には電極１Ａ、１Ｂにはプラスの電位、１Ｃ，１Ｄにはマイナス電位を印加し、逆の面の共通電極はＧＮＤ電位にする。Ｂ相の圧電素子はＡ相に対して４５度位相を変えて配置している。そしてＡ相の圧電素子に対して時間的に１／４波長位相を異ならせた電位を印加する。
【００４７】
そして、Ａ相及びＢ相の圧電素子の電極１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄに振動体９が図８（ａ）に示す共振をおこす特定周波数の上記条件の交流電圧を印加することで、２つの波高を持つ進行波を作ることができる。
【００４８】
第１の実施例でも説明したように、圧電素子の分極の分割数を変えてＡ相、Ｂ相の圧電素子を一体化したりＡ相、Ｂ相の圧電素子を複数枚積層したりてもよい。
【００４９】
３波以上の波高を持つ進行波を作る為には、上記と同様な思想のもとで圧電素子の分極を多分割して、それに応じたＡ相とＢ相の圧電素子の位相を変えた配置にすれば良い。３波以上の波高を持つ振動体の波形形状は、その例として図９の立体モデルに示す。
【００５０】
振動時発生時に移動体１１との接触部は波高部９ａとなるので、上記のように振動体９に複数の波高の進行波を作ることによって、その接触部が多くなり両者は磨耗しにくくなる利点がある。
【００５１】
以上で説明したように、本発明は従来タイプの超音波モータの利点を生かしつつ大トルクのモータを提供することを可能としている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の超音波モータの断面図
【図２】本発明の第１の実施例の超音波モータの分解斜視図
【図３】本発明の第１の実施例の電極配置を示す斜視図
【図４】振動源４と振動体９の形状をモデル化した立体斜視図
【図５】立体モデルによる振動状態の説明図
【図６】本発明の第２の実施例の超音波モータの断面図
【図７】本発明の第３の実施例の超音波モータの断面図
【図８】２波の波高を持つ振動体の説明図。
【図９】立体モデルによる３波以上の波高を持つ振動体の波形形状。
【符号の説明】
１    Ａ相圧電素子
２    Ｂ相圧電素子
４    振動源
５    下部弾性体
６    上部弾性体
９    振動体
９ａ  波高部
９ｂ  薄肉部
９ｃ  外周部
１０    ボルト
１１    移動体
１１ｃ  加圧接触面
１２    連動ギヤ
１３    加圧バネ
１４    ナット
【図１】
0003805240.tif 000002
【図２】
0003805240.tif 000003
【図３】
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【図４】
0003805240.tif 000005
【図５】
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【図６】
0003805240.tif 000007
【図７】
0003805240.tif 000008
【図８】
0003805240.tif 000009
【図９】
0003805240.tif 000010