JPH01264576A - 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〕 本発明は超音波モータに関し、特に安定な回転動作をさ
せ得るようにしたものである。

〔発明の概要〕

本発明は、超音波モータにおいて、ロータ及びステータ
間の摩擦係数をヒステリシス現象を生じさせない程度に
小さい値に選定することにより、超音波モータの動作を
一段と安定化し得る。

〔従来の技術〕

従来超音波モータとして、第８図の構成のものが用いら
れている。第８図において、Ｉは全体として超音波モー
タを示し、ステータ２及びロータ３を有する。

ステータ２の環状ステータ固定部２Ａは外部のベース（
図示せず）に固定され、可撓性を有するステータ支持部
２Ｂを介して環状弾性体２Ｃがステータ固定部２Ａに対
して同軸的に支持されている。

弾性体２Ｃは弾性を有する金属でなり、内面に付着され
た圧電素子でなる圧電体２Ｄによって振動し得るように
なされている。

弾性体２Ｃの表面には櫛歯状の凹凸面が形成され、この
凹凸面がロータ３の環状ロータ母材３Ａに例えば合成樹
脂でなるスライダ３Ｂを介して圧接し、ロータ母材３Ａ
の回転力をロータ支持部３Ｃを介して環状回転出力部３
Ｄに伝達する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところが従来の超音波モータ１においては、ロータ３か
らの駆動出力を増大させるためには、ステータ２に対す
るロータ３の摩擦係数μをできるだけ太き（する必要が
あると考えられており、摩擦係数μを大きくした場合に
ロータ３及びステータ２間の接触部に生ずる摩耗が大き
くなる点を考慮して当該摩耗をできるだけ小さくするよ
うな工夫がされている。例えば特開昭６２−２３３７９
号、特開昭６２−１００１７８号の場合には、摩擦係数
μをμ〉０゜４程度に選定することにより、駆動効率を
向上させるような構成が示されている。

ところが実験によれば、ロータ３及びステータ２間の摩
擦係数μを大きくすると、超音波モータ１の駆動電源の
周波数ｆに対する超音波モータ１の駆動出力の関係を表
す共振特性曲線にヒステリシス現象が生ずる状態になる
ため、超音波モータ１を安定に駆動し得ない問題がある
ことが分かった。

すなわち摩擦係数μをμ〉０．４程度に選定した超音波
モータｌを、第９図に示すように、電源の周波数ｆを超
音波モータ１が起動し得ない下限周波数ｆ　ＭＩＮに設
定した状態から周波数ｆを徐々に上昇させて行く場合を
考える。

周波数ｆがｆ−ｆＭＩＮのとき、振幅ｌｘｌは共振特性
曲線Ｋｌ上の下限動作点ＰＭＩＮを表す値ＩＸＭＩＮ　
　ｌになっている。

この下限動作点Ｐ　ＭＩＮＯ状雇から周波数ｆを上昇さ
せて行くとき、第１の遷移点ＰＡに対応する周波数ｆＡ
に至るまでの間振幅ｌｘｌがｌ　ＸＭＩＮ１程度を維持
するために停止状態を表す第１の特性曲線部分ＫＩＡ上
を移動して行く状態になり、結局超音波モータ１は起動
できないことになる。

やがて、周波数ｆが第１の遷移点Ｐ、の周波数ｆＡを超
えると、超音波モータ１は起動して第２の特性曲線部分
ＫＩＢ上の点ＰＣにジャンプし、当該第２の特性曲線部
分ＫＩＢ上を変化する。

ここで超音波モータ１は周波数ｆが第１の遷移点ＰＡの
周波数ｆＡより高くなって行けば、これに応じて振幅ｌ
ｘｌが次第に小さくなって行き、やがて上限周波数ｆ　
ＭＡＸの上限動作点Ｐ　ＭＡＸにおいて停止状態になる
。

ところが、電源の周波数ｆを一旦上限周波数ｆＭ’ＡＸ
にした後その周波数を□少しずつ下げて行くと、振幅ｌ
ｘｌが徐々に大きくなって行き、第１の遷移点ＰＡの周
波数ｆＡより低くなれば振幅１ｘ１がますます大きくな
って行く。

やがて、周波数ｆが第２の遷移点Ｐ、の周波数ｆ８に近
づいて来ると、振幅ｌｘｌは急激に低下して周波数ｆが
周波数ｆｌｌより低くなったとき振幅１ｘｌの値は第１
の特性曲線部分ＫＩＡ上の点ＰＤにジャンプして最小振
幅ｌＸＭＩ’Ｎｌになり、結局超音波モータ１は停止す
る。

このようにロータ３及び゛ステータ２間の摩擦係数μが
大きい超音波モータ１においては、駆動型。

源の周波数ｆを下限周波数ｆ　ＭＩＮから上限周波数ｆ
　ＷＡＸに上昇させる際には、第１０図に示すように点
Ｐｘ＋ｓ　　Ｐゎ−ＰＡ　　ＰＣＰＭＡＸの特性曲線部
を通るように振幅ＩＸＩが変化するのに対して、周波数
ｆを上限周波数ｆ　ＭＡＸから下限周波数ｆ　ＭＩＮに
下降させる際には、　点Ｐ、□−Ｐ、’−７Ｐｓ　　Ｐ
Ｄ　ＰＭＩＮのように、上昇する場合とは異なる特性曲
線部分を通って振幅ｌｘｌが変化するようなヒステリシ
ス現象を呈する。

ところで実際上超音波モータ１をできるだけ高い効率で
駆動しよ）とする場合には、゛振幅ｌｘｌが最大値に近
い駆動点Ｐ　ＤＲＹになるような駆動周波数ｆｎ＊ｖ　
　（第１０図）に電源周波数ｆを設定することが必要と
なる。

しかし何らかの原因で電源周波数ｆが変動することによ
り、駆動周波数ｆ　ＤＲＶが低下したような場合や、温
度変化、負荷変動などによって共振特性曲線Ｋｌ自体が
変動したような場合に、駆動点Ｐ　ＤＩＩＶが第２の遷
移点Ｐ、以下になるような変動が超音波モータ１の駆動
条件に生ずると、超音波モータ１が直ちに停止すると共
に、当該変動条件が解消しても超音波モータ１が駆動動
作状態に復帰できなくなるおそれがある。

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、このよう
な不安定な挙動をするおそれをなくし得る超音波モータ
を提案しようとするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

かかる問題点を解決するため本発明においては、第１の
接触面に進行波振動が形成されるステータ２と、この第
１の接触面に所定の加圧力Ｎｏによって接触する第２の
接触面をもつロータ３とを有する超音波モータ１におい
て、第１及び第２の接触面間の摩擦係数μを、共振特性
曲線Ｋｌｌにヒステリシス現象を生しさせない程度に小
さい値に選定するようにする。

〔作用〕

ロータ３及びステータ２間の摩擦係数μを小さくして行
くと、超音波モータ１の共振特性曲線にヒステリシス現
象が生じな（なる。

そこで当該ヒステリシス現象を生じさせない程度に摩擦
係数μを小さい値に選定すれば、超音波モータ１の駆動
動作は、電源の周波数ｆに対して安定になる。

〔実施例〕

以下図面について、本発明の一実施例を詳述する。

〔１〕駆動原理 第１０図との対応部分に同一符号を付して示す第１図に
おいて、本発明による超音波モータ１　（第８図）にお
いては、共振特性曲線Ｋｌｌにヒステリシス現象を生じ
させないような摩擦係数μを選定する。かかる条件を満
足する摩擦係数μとして、μくμ。（−０，２５）に選
定する。

かかる条件下における超音波モータ１ば、駆動電源の周
波数ｆを下限周波数ｆ　ＭＩＮから上限周波数ｆ　ＭＡ
Ｘまで変化させたとき、共振特性曲線に１１にヒステリ
シス現象を生しるような挙動をしなくなる。

例えば摩擦係数μをμ＝μ、（−０，１８）に選定した
状態において周波数ｆを下限周波数ｆ　ＭＩＮから上限
周波数ｆ　ＭＡＸまで上昇させた場合の超音波モータ１
の挙動は第１図と共に、次のようになる。

すなわち、超音波モータ１は、下限周波数ｆ。ＩＮに対
応する下限動作点ＰＭＩＮから、起動開始する周波数ｆ
＝ｆ、の起動動作点Ｐ１までの停止状態に相当する低出
力曲線部分ＫＩＩＡを過ぎた後、周波数ｆ２において振
幅ｌｘｌがピーク点Ｐ２になるまで立上り曲線部ＫＩ　
ＩＢを通って急速に立ち上がる。

ピーク点Ｐ２を通った後超音波モータ１は高出力曲線部
ＫＩ　ＩＣを通って、振幅ｌｘｌがピーク値近傍の値を
もちながらゆっくりと低下して行く動作状態を経過して
、振幅ｌｘｌが停止状態に近い低い値になる低出力曲線
部ＫＩＩＤ上の上限動作点Ｐ　ＭＡＸに至る。

これに対して、周波数ｆを上限周波数ｆ　ＷＡＸから下
限周波数ｆ　ＨＩＭまで降下させて行くと、超音波モー
タ１は低出力曲線部ＫＩ　ＩＤ上の上限動作点Ｐ　ＭＡ
Ｘから、高出力曲線部ＫＩ　ＩＣ２立上り曲線部ＫＬ　
ＩＢを順次通って低出力曲線部ＫＩ　ＩＡ上の下限動作
点ＰＭＩＮに移って行く。

このように、超音波モータ１の共振特性曲線に１１にヒ
ステリシス現象が生じないことにより、超音波モータ１
が駆動状態にあるとき、瞬時的に停止状態に落ち込むよ
うな不安定な動作を生じさせないようにし得る。

因に超音波モータ１を駆動周波数ｆ　ＤＲＶで駆動する
ことにより、駆動点Ｐ　Ｄｌ１％ｌにおいて駆動してい
るとき、駆動周波数ｆ　ＤＲＶが変動し、又は温度変化
又は負荷変動によって共振特性曲線が崩れることによっ
て駆動点Ｐ　ＤＲＶが変動してピーク点Ｐ２を超えて立
上り曲線部ＫＩＩＢないし低出力曲線部ＫＩＩＡに落ち
込んだとしても、共振特性曲線Ｋ１．１がヒステリシス
ループをもたないことにより、超音波モータ１は動作状
態が元に戻れば駆動点Ｐ　ＤＲＶを高出力曲線部ＫＩＩ
Ｃに戻すことができる。

実験によれば、第１図について上述したように、ロータ
３及びステータ２間の摩擦係数μが０．２５以下になる
ような条件の超音波モータ１においてはヒステリシス現
象が発生しなかったのに対して、摩擦係数μがそれ以上
の超音波モータにおいてはヒステリシス現象が生ずると
共に、そのヒステリシス動作の深さが摩擦係数μが大き
くなればなる程大きくなることを確認し得た。

すなわち第１図の共振特性曲線Ｋｌｌは、ロータ３及び
ステータ２間の摩擦係数μが、μ−μｍ＝　０．１８の
場合であるのに対して、摩擦係数μを、μ＝μ、　＝０
．３４に選定した場合には、第３図の共振特性曲線に１
２で示すように、共振特性曲線に１２上に第１及び第２
の遷移点ＰＡＩ及びＦＢＩが生じることにより、ヒステ
リシス現象が生じるようになったことが分かった。

同様にして摩擦係数μを、ルーμ、　＝０．４５に選定
した場合には、第４図の共振特性曲線に１３で示すよう
に、同様に第１及び第２の遷移点ｐＡｚ及びＰ、Ｉ□が
発生することにより、超音波モータ１の動作にヒステリ
シス現象が生じたことが分かった。

ところが、摩擦係数が小さい第３図の場合の共振特性曲
線に１２における第１及び第２の遷移点ＰＡＬ及びＰＲ
＋の周波数ｆＡＩ及び１８４間の周波数偏差Δｆ、に対
して、第４図の共振特性曲線Ｋ１３における第１及び第
２の遷移点ｐａ２及びＰＩｌ□の周波数ｆＡ２及びｆＢ
□間の周波数偏差Δｆ２は大きくなっており、この分第
４図の場合の超音波モータ１の方がヒステリシス動作の
深さが深くなったことを表している。

因に一般的に言って振動系における共振特性曲線は、例
えば第１図のピーク点Ｐ２を中心として対称性が良い曲
線を描く傾向があるのに対して、第１図の場合には、ピ
ーク点Ｐ２より低い周波数における立上り曲線部ＫＩ　
ＩＢがピーク点Ｐ２に近づく方向に引き付けられたと同
様の曲線をもっている。

このようにして立上り曲線部がピーク点の方に引きつけ
られる傾向は摩擦係数μを、μ−μｍ（−〇、２５）よ
り大きくした場合（すなわち第３図、第４図の場合のよ
うに）強まって行き、その結果、摩擦係数μがμ−μ２
（＝０．３４　（第３図））より大きい摩擦係数μ−μ
３（＝０．４５の場合（第４図））の方がヒステリシス
動作が深くなって行く。

〔２〕実験結果 （１）第１実施例 第２図の試材番号３は、摩擦係数μをμ＝μ。（−〇、
２５）に選定した場合を示し、ステータ２の弾性体２Ｃ
としてステンレス（例えば５ＵＳ３０４）、又はインバ
材（例えば４２％Ｎｉ合金）を用いると共に（以下の実
施例についても同様である）、スライダ３Ｂとして芳香
族ポリエステル３０％及びＰＴＦ’Ｅを７０％含有した
高分子材料で構成したものを用いた。

このとき超音波モータ１の共振特性動作にヒステリシス
現象が発生しなかった。

（２）第２実施例 第２図の試材番号４の実施例は第１図について上述した
ように摩擦係数μを、μ−μ、（−０，１８）に選定し
た場合で、スライダ３Ｂをポリアミドイミド８５％、グ
ラファイト１２％及びＰＴＦＥ３％を含有した高分子材
料で構成した。この場合は第１図について上述したよう
に、超音波モータ１の共振特性動作にヒステリシス現象
は発生しなかった。

（３）第３実施例 第２図の試材番号５の場合には、スライダ３Ｂとしてア
ルミ合金の表面を潤滑アルマイト処理したものを適用し
た場合で、この場合の摩擦係数μはμ＝０．０８であっ
た。この場合にも超音波モータ１の共振特性動作にヒス
テリシス現象が発生しなかった。

（４）ヒステリシス現象が発生した実験例第２図の試材
番号２の場合は、第３図について上述したように、摩擦
係数μを、μ−μｇ（＝０．３４）に選定した場合で、
スライダ３Ｂをビスマレイミド・トリアジン及びポリア
ミドを含有した高分子材料で構成した。

この場合には、第３図について上述したように、超音波
モータ１の動作にヒステリシス現象が発生した。

また第２図の試材番号１の場合は、第４図について上述
したように摩擦係数μを、μ−μ３（＝０゜４５）に選
定した場合で、スライダ３Ｂをフェノール樹脂で構成し
た。

この場合には第４図について上述したように、超音波モ
ータ１の動作にかなり深いヒステリシス現象が発生した
。

（５）参考例 第２図の「参考」の欄の場合は、スライダ３Ｂとして試
材番号４の組成の材料を用いると共に、その表面にシリ
コンオイルを塗布した場合で、摩擦係数μはμ−０，０
５であった。

このとき超音波モータ１の動作にはヒステリシス現象の
発生はな（、ロータ３の出力も実用に供し得ない程度に
は低下しなかった。

〔３〕理論的検討 上述のように種々の実験結果から考察すると、従来行わ
れていたように、回転出力の効率を高めるために摩擦係
数μを高くするようにすれば、効率が上昇すると共に超
音波モータの動作に生ずるヒステリシス現象が深くなる
傾向にあり、当該ヒステリシス現象のために超音波モー
タ１の動作が不安定になるおそれがあったのに対して、
摩擦係数μを小さくすることにより超音波モータ１の共
振特性動作にヒステリシス現象を生じさせないようにす
ることができ、この分超音波モータの動作を一段と安定
化し得る。

かくするにつき、摩擦係数μを小さくするようにしたに
もかかわらず、超音波モータ１の回転出力がそれ程小さ
くならないことが確認できた。

この現象について、従来は摩擦係数μと出力との関係を
、第５図に示すように、ステータ２の弾性体２Ｃ及びス
ライダ３Ｂ間の摩擦係数μとして、いわゆる静摩擦係数
を基準としてロータ母材３Ａ側に生ずる駆動力を評定し
ていたと考えられるのに対して、実際上振動状態にある
弾性体２Ｃ及びスライダ３Ｂ間の摩擦状態は、静摩擦係
数では評定しきれない挙動をしていると考えられ、当該
動的な摩擦状態に基づいてたとえ弾性体２Ｃ及びスライ
ダ３Ｂ間の静摩擦係数が小さい場合にも、ロータ母材３
Ａ側に住する駆動力がさほど低下しない結果を生じてい
るものと考えられる。

すなわち一般に摩擦係数μは次式 で表される。ここでＮ。は、弾性体２Ｃ及びスライダ３
Ｂが振動していない状態において面接触しているとき加
えられる圧力であり、Ｆｏはこの状態においてロータ３
を動かすに必要な力である。

このように弾性体２Ｃ及びスライダ３Ｂが静止状態にあ
るときには、摩擦係数μが大きくなればこれに応じて力
Ｆ０が大きくなると考えられ、従来はかかる考え方に基
づいて摩擦係数μを大きくすることにより超音波モータ
１の効率を高める工夫がされていた。

ところが同じように加圧力Ｎ。を加えていても、第６図
の場合のように弾性体２Ｃが振動状態にある場合には、
弾性体２Ｃに符号Ｒの方向に進行波が発生していると共
に、弾性体２Ｃの櫛歯２Ｅの　　　□表面がスライダ３
Ｂの表面に接触する点ＳＡは、進行波の進行と共に第７
図に示すように楕円軌道上を回転運動をしていると考え
られる。

そこで、弾性体２Ｃ及びスライダ３Ｂの接触点ＳＡにお
いては、第５図について上述した静的な摩擦状態とは異
なる動的な摩擦状態が発生しており、そのために次式 ％式％（２） のように、第５図の静的な接触状態においてロータ３を
動かすのに必要な力Ｆ。より大きい力Ｆ１が符号りの方
向に回転しているロータ３を停止させるために必要にな
ると考えられる。

このような理由によって、たとえ摩擦係数μが小さ（な
ってもロータ３から得られる駆動力はそれ程小さくなら
ないと考えられる。

〔４〕他の実施例 （１）　　上述の実施例においては、共振特性曲線とし
て、電源の周波数ｆに対してステータ２の接触面の振幅
ｌｘｌを用いて表すようにしたが、これに代え、無負荷
状態における回転数、圧電体２Ｄに流れる電流、弾性体
２Ｃの進行波を検出することによって得られるピックア
ップ電圧（特開昭５９−２０４４７７号公報）等を用い
て表現するようにしても、上述の場合と同様の効果を得
ることができる。

（２）上述の実施例においては、超音波モータ１として
、ロータ３のロータ母材３Ａ上にスライダ３Ｂを設ける
ことにより、当該スライダ３Ｂの接触面を弾性体２Ｃの
接触面に接触させるようにした場合について述べたが、
スライダ３Ｂを省略してロータ母材３Ａを直接接触させ
るようにしても良い。

〔発明の効果〕

上述のように本発明によれば、ロータ及びステータ間の
摩擦係数を超音波モータの共振特性動作にヒステリシス
現象が生じない程度の小さい値に選定するようにしたこ
とにより、超音波モータを一段と安定に駆動し得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による超音波モータの共振特性曲線を示
す特性曲線図、第２図は実験例を示す図表、第３図及び
第４図は第２図の実験例のうち、試材番号２及び１の場
合の共振特性曲線を示す特性曲線図、第５図及び第６図
は小さい摩擦係数でも実用的な回転出力を得ることがで
きたことの理論的検討に供する断面図、第７図はその櫛
歯２Ｅの運動を示す路線図、第８図は超音波モータの構
成を示す路線的断面図、第９図及び第１０図は従来の問
題点の説明に供する特性曲線図である。 １・・・・・・超音波モータ、２・・・・・・ステータ
、３・・・・・・ロータ、２Ｃ・・・・・・弾性体、２
Ｅ・・・・・・櫛歯、３Ａ・・・・・・ロータ母材、３
Ｂ・・・・・・スライダ。 区　　　　　　　　区 □□□　　　　　　　　　　　子 瀝　　　　　　　瀝 述 区 ミ 鵬

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　第１の接触面に進行波が形成されるステータと、上記
   第１の接触面に所定の加圧力によつて接触する第２の接
   触面をもつロータとを有する超音波モータにおいて、 上記第１及び第２の接触面間の摩擦係数を、共振特性曲
   線にヒステリシス現象を生じさせない程度に小さい値に
   選定した ことを特徴とする超音波モータ。