JPH01238477A - 超音波モータ - 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、ステータである圧電振動子に超音波振動を励
振させ、前記圧電振動子に圧接されたロータを摩擦力を
介して回転させる超音波モータに関するものである。

（従来の技術） 超音波モータは、超音波振動により回転力を得る新しい
原理に基ずくモータで、電流と磁界の相互作用に基ず〈
従来の電磁型モータに比へて、低速、高トルクと言う全
く異なった特徴がある。即ち、単位体積当りのトルクが
非常に大きく、低速で使用する場合、ギアレス化、ブレ
ーキレス化が可能で、更にまた、慣性質量が小さく、ロ
ータの静的な保持力も大きいため応答性に優れていると
言う長所がある。

これまで種々の超音波モータが提案されているが、回転
方向の切り替えを容易に行うことができる進行波型超音
波モータが、特開昭５８−１４８６８２、特開昭５９−
９６８８１、特開昭５９−９８８８２号公報に開示され
ている如く精力的に研究されている。

（発明が解決しようとする課題） 進行波型超音波モータは、円板弾性体に圧電セラミック
板を貼ったステータの円周に起こるたわみ振動を利用す
るもので、ステータに時間と共に移動する進行波を二相
あるいは多相の駆動法により励振し、対面圧接したロー
タを回転させるものである。しかしながら、これらの進
行波型超音波モータは屈曲進行波を用いているため、ロ
ータからみたステータのコンプライアンスが大きい。こ
のため、中程度の駆動力は比較的容易に得られる反面、
高い駆動力（例えば直径２　ｃｍでトルクＩＫｇｌｅ＋
ｒ以上）を得ることは困難であった。また、屈曲進行波
型超音波モータは共振によってのみ駆動力を生じさせる
ものであるため、設計上の自由度が少ないという難点が
ある。

本発明は、上記欠点を一掃することのできる超音波モー
タを実現することを目的とするものである。

（課題を解決するための手段） 本発明に於ける超音波モータたとえば図に示すように、
伸縮振動を行う圧電アクチュエータ１９と円周方向に分
極された環状圧電セラミック板Ｌｌａ１　ｆｉｂｌ　ｌ
ｉｅ、ｌｉｄなどで構成された捩り振動励振用圧電素子
を交互に配置し、これらをブロック体で挾み、縦と捩り
の両方の変位を出力させることのできるステータ部分１
０と、回転運動を行うロータ部分１６で構成されている
。

またロータ部り〕１６は、一定の静的圧力でステータ部
分１０に圧接されている。

（作用） 本発明の超音波モータの構成例を示す第１図に基き、本
発明の詳細な説明する。

本発明の超音波モータに用いる圧電アクチュエータ１９
は、特開昭５７−７９０３５、特開昭５７−７９０３６
号公報に示されている如く、多層の内部電極（電極間距
離が３０μｍ〜２００μｍ）を有し、積層セラミック技
術で製造することができる。このアクチュエータは電気
機械変換効率がきわめて大きな縦効果で動作し、低電圧
で大きな機械的歪を得ることが可能である。また−圧電
セラミック板と電極を交互に組合せた構成も利用できる
。圧電アクチュエータ１９、捩り振動励振用圧電素子１
１　ａｌｌ　１　ｂｌｌ　１　ｃｓ　１１　ｄにつの金
属ブロック１２ａｘ　ｔ２ｂ、ボルト１３ａ１皿バネ１
５、ナツト１４で構成されたステータは捩りの共振モー
ドで駆動されるが、このアクチュエータはステータの共
振周波数に一致した形で非共振で励振される。従って、
ステータ全体は、所望の共振周波数に一致させるため、
構成部材の寸法を予め設計の段階で決定する必要がある
が、圧電アクチュエータそれ自身は非共振で動作させる
ため、寸法上特段の制約はない。ただ、周知の如（、ア
クチュエータの高さが高い方がトータルの縦振動変位は
大きくなる。従って、超音波モータとしての駆動周波数
を決定する場合、ステータ全体の共振周波数のみ決定し
てやれば良いわけであり、設計は従来の進行波型超音波
モータに比べて著しく簡単になり、設計の自由度も増大
する。またステータは捩りモードを利用したメカニカル
チャンネルフィルタの変換子部分の動作において周知の
如く、あたかも雑巾をしぼる運動に似た丸棒の捩り変形
によるモードで動作するのである。従って、このステー
タのロータと当接する面は共振周波数ｆ、において時計
回り方向と反時計回り方向の回転力を交互に生み出すわ
けである。

ここで、ロータ１６を反時計回りに回転させる場合につ
いて述べる。ボルト締めされたステータが反時計回りの
回転力をロータに与えるべく、ステータのロータに当接
する面が反時計方向に変形したとき、積層圧電アクチュ
ータ１９が捩り振動に同期して軸方向に伸び変形するよ
うに別の電源から電圧を印加させ、ロータ１６とステー
タを瞬間的に強く圧接させる。このとき、摩擦力を介し
てロータは反時計方向に大きな回転力を得ることができ
る。更に、ステータのロータに当該する面が時計回りに
回転したときは、積層圧電アクチュエータ１９を軸方向
に収縮させて、時間的にロータ１６と捩り振動子の圧接
力を極小にしてやり、時計回りの捩り振動変位をロータ
に伝達させないよう、クラッチの働きをさせてやれば良
い。従ってこの場合、ステータ全体の捻り振動とステー
タ部分に配設されている圧電アクチュエータ１９の伸縮
振動の一連の動作により、ロータ１６は滑らかに反時計
方向に回転することができる。

一方、ロータ１６を時計回りに回転させる場合には、ス
テータはそのまま捩り共振周波数で励振させてやり、ク
ラッチ動作を行う圧電アクチュエ−タ１９に上述のロー
タを反時計回りに回転させる場合とは１８０度位相を異
ならしめるよう、位相だけを変えてやれば良い。この場
合も同様にロータは、時計回りに滑らかに回転をするこ
とができる。圧電アクチュエータ及び捩り振動励振用圧
電素子は、共に圧電セラミックでできている。圧電セラ
ミックは周知の如く、圧縮力に対しては極めて丈夫であ
るが張力に対して極めて脆い。本発明に従った超音波モ
ータのように、圧電アクチュエータ及び圧電素子がボル
ト、ナツトにより大きな圧縮バイアス応力に常時さらさ
れているボルト締めランジュバン型構造は、振動時に於
ける機械的強度がバイアス応力がない場合と比べて少な
くとも一桁以上機械的強度が増大するため、大振幅動作
が可能である。また長時間動作させた場合においても、
圧電セラミックの割れが生じることは殆どない。従って
、小型で高トルクの超音波モータが実現できる。

（実施例） 次に本発明の実施例として図面を参照しながら説明する
。

第１図は本発明の一実施例としての超音波モータの断面
図である。第１図において、１０部分はボルト締めされ
た縦と捩りの両方向の変位を出力させることのできるス
テータ部分を示し、１１ａｉ　　１１ｂｓ　　１１Ｃ％
　　１１ｄはジルコンチタン酸鉛系圧電セラミックから
成るリング状圧電素子で、すべて円周方向に分極されて
いる。これらの圧電素子はＣｕ等でできた電極板を介し
てエポキシ系等有機接着剤あるいはハンダ等で強固に接
着される。ｌｌａとｌｉｅの対は１１ｂ１１１ｄの対と
は互いに逆向きに分極が施されている。例えば、１ｌａ
１１１ｃの対が時計回りに分極されていれば、１１ｂ１
１１ｄの対は反時計回りに分極される。また、圧電素子
１１ａ１１１ｂ、１１ｃ、Ｌｉｄは上下面に電極がスパ
ッタ、メツキあるいは蒸着等の方法で施され、並列に電
気端子が取り出される。従って、特公昭３９−５８６４
号公報の捩り振動子の原理から、より多層の圧電素子か
らなる捩り振動変換部分では相隣接する圧電素子の分極
方向は互いに逆向きとなる。１９はリング型形状の積層
圧電アクチュエータで、絶縁体１８．１８ｂによって捩
り振動励振用圧電素子と電気的に絶縁されている。

１２ａ、１２ｂ部分は金属ブロックで、ボルト１３ａ１
ナツト１４により、静的な圧力が圧電素子１１　ａｔ　
　１１　ｂｌｌ　１　Ｃ１１１ｄｓ積層圧電アクチュエ
ータ１９、絶縁体１８ａ１１８ｂ部分に印加される。ま
た、１５は皿バネであり、捩り振動子１０を構成する各
部材の熱膨張係数の違いにより、温度変化による圧電素
子に印加される圧力の変化を極少にするために配設され
たものである。

１６はロータであり、その内側部分には摩擦係数の小さ
い転がり摩擦で動くベアリング式摺動素子１７が配設さ
れている。２５は耐摩耗性に優れた摺動材であり、ステ
ータ側に接着されている。

超音波モータを動作可能にするためには、非動作時には
、ステータ部分１０とロータ１６は静的な強い圧力で互
いに圧接されている必要がある。

ボルト１３ｂ１つるまきバネ２１、ナツト２０及び台座
２４は、静的圧力印加手段をなし、台座２４はベアリン
グ式摺動素子１７の内輪の側面に圧接し、ロータ１６が
１７の外輪に圧接される構成になっており、従って、ロ
ータ１６が回転したとき、前記圧力印加手段としての部
材が回転することはない。上記構成から明らかな如（、
本発明に従った超音波モータの他の特徴としては、従来
の進行波型超音波モータと異なり、ステータ１０部分に
振動節点が存在し、支持固定が容易であると言う長所が
ある。例えば、振動節点が圧電素子１１ａと絶縁体１８
ｂの間に存在するように設計を行えば、振動子より大き
い直径のリング状の支持板（図示せず）をｌｌａと１８
ｂ間に挿入し、その支持板を固定してやることにより、
支持部分から振動エネルギーの散逸を極少に保ちながら
、超音波モータが他のシステムに実装可能となる。

更に、本構成の超音波モータは、接着剤が仲介となって
相異なる部材を接着する部分が耐摩耗材を除いて、ステ
ータ１０の部分だけに限られ、またこの接着部分は、強
い静的な圧縮バイアス応力が常時加わっているため、機
械的強度が極めて大きい。他の部分は何ら接着剤を使用
することがないわけであるから、構造上機械的強度が大
きいという長所を宵する。

本構成の超音波モータに於て、圧電アクチュエータ１９
を駆動電圧の位相が自由に変られる位相器を介して、発
信器と増幅器に接続し、また発信器を共通にし増幅器の
み異ならせてリング状圧電素子１１ａ、ｌｌｂ、ｌｉｅ
、Ｌｉｄから出た電気端子２２．２３に接続する。ロー
タ１６を反時計回りに回転させる場合、ステータ１０の
上面が反時計回りに捩れるとき、これに同期した形で圧
電アクチュエータ１９を伸張させる。このときステータ
１０から厚擦力を介してロータは反時計回りの回転力を
受ける。また、ステータ１０の上面が次なる半周期に於
て、時計回りに回転する場合、圧電アクチュエータを収
縮させることにより、この半周期に於てステータ１０と
ロータ１６との圧接力を殆ど零にすることができる。従
つて、この場合、反時計回り方向の回転力のみ強勢にロ
ータ１６に作用させることができ、反時計回り方向の滑
らかな回転を実現することができる。

また、時計回り方向にロータ１６を回転させる場合には
、上述の説明とは逆に、圧電アクチュエータの位相を更
に１８０度進め、ステータ１０の上面が時計回りに回転
すると共に圧電アクチュエータ１９が伸張するように位
相を変えてやれば良い。

次に、本構成の超音波モータの性能を調べるため、直径
２　ｃｍの超音波モータを試作した。金属ブロック１２
ａ、１２ｂはアルミニウム合金、ロータ１６はステンレ
ス鋼、圧電素子１１ａ、１１ｂ、ｌｌｃ、ｌｉｄはジル
コンチタン酸鉛系圧電セラミック、ボルト１３　ａ　％
　　１３　ｂ　ｓナツト１４．２１はステンレス鋼、絶
縁体１８ａ、１８ｂはアルミナ、圧電アクチュエータ１
９はソフト系材料のジルコンチタン酸鉛系圧電セラミッ
クでできている。またロータとステータの間に耐摩耗性
の材料を配置することが望ましい。ここではロータ１６
とステータ１０の金属ブロック１２ａの互いの圧接面の
摩耗を防ぐために、耐摩耗性に優れた材料２５として芳
香族ポリエステル樹脂をポリテトラフルオロエチレンに
充填した材質を使用した。耐摩耗性材料はロータ１６と
ステータ１０の合金ブロック１２ａの互いに圧接した面
のいずれに接着してもかまわない。本発明の実施例では
ステータの金属ブロック側に接着した。

ステータ部の捩り振動の共振周波数は３５ＫＨｚであり
、印加電圧１００　Ｖｐ−ｐ　１また、圧電アクチュエ
ータは印加電圧４■で位相を９０度異ならせて駆動した
結果、トルク２．８Ｋｇｆ−ａｍを容易に得ることがで
きた。この値は同じ直径２０＋１の進行波型超音波モー
タの約３０倍の値である。

尚、圧電アクチュエータの駆動方法として、該アクチュ
エータの分極を減極しない方向で、パルスで駆動しても
良いことは勿論のことである。これは非共振で動作する
圧電アクチュエータの特長である。実際、積層圧電アク
チュエータに＋４ボルトのパルス波を捩り振動の共振周
波数と同期して駆動した結果、上記と同様のトルクが得
られた。

第２図から第６図に本発明の他の実施例を示す。第２図
は積層圧電アクチュエータを捩り振動励振用圧電セラミ
ックｌｌａ、１１ｂの対と１１ｃ１１１ｄの対の間に配
設した本発明の超音波モータを示す。第３派捩り振動励
振用圧電セラミックの両側に積層圧電アクチュエータを
配設した本発明の超音波モータを示す。第４図は積層圧
電アクチュエータの代わりに圧電セラミック板と電掻と
交互に配置した縦振動励振用圧電アクチュエータ１９ａ
１１９ｂ、１９ｃ、１９ｄを捩り振動励振用圧電セラミ
ックの両側に配設した本発明の超音波モータを示す。但
し、１９ａと１９ｂの対及び１９ｃと１９ｄの対の分極
方向は主面に垂直方向で、それぞれ互いに反対の方向で
ある。印加電圧は電気端子２３．２５に捩り振動励振用
圧電セラミックに印加した電圧と同じ電圧を位相９０度
を与えて入力した。第５図は縦振動励振用圧電セラミッ
クの両端にそれぞれ捩り振動励振用セラミツクの一対を
配設した本発明の超音波モータを示す。第６図は捩り振
動励振用圧電セラミ、りの対１１ａ−１１ｂ、１ｉｅ−
１１ｄ及び１ｉｅ−１１ｆと縦振動励振用圧電セラミッ
クの対１９ａ−１９ｂ及び１９ｃｍ１９ｄを交互に配設
し、皿ばね１５を取り除き、ナツト１４の代わりに金属
ブロック１３ａに雌ネジを加工して組み立てた本発明の
超音波モータを示す。第２図から第６図のいずれの超音
波モータも第１図の超音波モータと同様に高いトルクの
性能が得られた。また、ボルト１３ａ、１３ｂは２本に
分かれてもよい。ロータの直径はステータの直径より小
さいが又は大きくてもよい。摺動素子１７はベアリング
を利用したものに限られない。他の潤滑性材料等をこの
部分に使用してもよい。

（発明の効果） 以上記述した如く、本発明は非回転部分である捩り振動
励振用圧電セラミックと縦振動励振用積層圧電アクチュ
エータあるいは縦振動励振用圧電セラミックからなるス
テータと回転を行うロータから構成された超音波モータ
で、 （１）回転の方向が正逆いずれの方向にも可能で、かつ
、トルクの大きな超音波モータが実現できる。

■縦振動励振用圧電アクチュエータ部分は非共振で動作
させることにより、超音波モータの駆動周波数は、捩り
振動子の共振周波数だけを考慮すれば良いため、設計が
容易であり且つ設計の自由度も大きい。

（３）耐摩耗性の接着以外は、接着箇所がステータ′部
分に限られ、しかもこの部分は大きな静的な圧縮バイア
ス応力を受゛けることから、本発明に従った超音波モー
タは極めて機械的に堅牢であり、製造が容易である、 こと等の優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図シ第６図は本発明に基づく超音波モータの実施例
を示す断面図である。図に於て、１０はステータ、ｆｌ
ａｌ　１１ｂｘ　　１ｉｅｓ　　１ｌｄ１１Ｌｅ、ＩＬ
Ｆは捩り振動励振用圧電セラミ’７り、１２ａ、１２ｂ
は金属ブロック、ｌ　３　ａｌｌ　３　ｂはボルト、１
４．２０はナツト、１５は皿ばね、１６はロータ、１７
、はベアリング摺動素子、１８ａ１１８ｂは絶縁体％　
　１９ａ１１９ｂ１１９Ｃ１１９ｄは縦振動励振用圧電
アクチュエータ、２１はばね、２２．２３．２５は電気
端子、２４は突起材は台座、２５は耐摩耗材である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　それぞれ１以上の圧電アクチュエータと捩り振動励振
   用圧電素子を交互に配置し、これらをその両側からブロ
   ック体で挟んだ構成のステータ部分と、回転運動を行う
   ロータ部分とが一定の静的圧力で圧接されて構成されて
   いることを特徴とする超音波モータ。