JPH0226280A - 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〕 本発明は超音波を利用した超音波モータの駆動原理に係
り、圧電素子を積層状にした積層形の圧電素子を駆動源
として１個の回転ドラムの円周上に正逆方向の回転が得
られるように積層形圧電素子と共振体とを一体化した駆
動源を対称的に複数配設し、高速、高容量で効率のよい
回転駆動が得られるようにした超音波モータに関するも
のである。

〔従来の技術〕

従来、積層形の圧電素子を用いた超音波モータの一例と
しては、第６図に示される。

第６図は従来の超音波モータの一例を示す斜視図であり
、円輪状にした圧電体６の上部に振動板７が固着され、
これらがケース９に取着されている。また、振動板７の
円板表面に対向せしめて、回転円板８の円輪板面を密接
させ、この面を強く押すように回転円板８の側面より皿
ばね１３により押接し、これを固定する抑え金１２など
一体的に軸ｌＯに回転可能なよう軸着し、さらに圧電体
６に電線１１を接続して超音波モータを一体構築してい
る。

かようなごとく構成された超音波モータは、電線１１よ
り直流電源がパルス的に供給されると、圧電体６は円輪
状に複数的に分割され、交互に極性動作が隣り合わせに
なっているので、何個の円輪状の素子部位では厚み方向
に伸縮する。この表面に振動板７が固着されているので
一体的に変位し、この伸縮する振動数と振動板７の円輪
部の固有振動数が等しくなっているので、伸縮の振動は
増幅されて振動板７の表面が横振動、すτわち回転円板
８の回転方向の振動により波打ち的に厚み方向に変位を
伴って、電源の印加に相応して円輪の板面上に順次波が
進行して回転移動する。

この表面には回転円板８が押接されているので、この押
接部の摩擦作用すなわち振動板７の横振動作用に対する
回転円板８の反作用により波の進行方向とは逆の方向へ
回転円板８は回転する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、上述した構成においては、振動板７の表面波の
速度は、円輪の接線に対し幅方向（図中Ｗで示す）で一
定速に移動する。しかるに、軸１０に対する変位角度θ
と、その回転半径孔と、波の移動距離Ｓの間には、 Ｓ＝Ｒ＃ の関係が必要であるが、振動板７の幅Ｗが線でない限り
回転半径Ｒは幅Ｗの分、上下限で差異があり、波の移動
一定とすれば、変位角度０は常に異った値となり、振動
板７が剛体である限り、変位角度Ｃが異った運動は許さ
れず幅Ｗ上でスリ。

プを伴って回転円板８は運動することになる。

このことにより、回転トルクが有効に得られなかったり
、圧電体６側の力を増しても、それを受ける回転円板８
側の幅Ｗｏを増すと、前述のようにスリップが多くなり
、発熱などを伴い、幅Ｗｏを小さくせざるを得なくなる
。　もちろん摩擦面積が小さくとも押接力を大きくすれ
ば摩擦力は増加するが、面圧が高くなると板面材の摩擦
量が増加するので実用には供されず、結果的に小さな容
量しか得られず、しかも効率が悪くなる。また半径を大
きくすれば、トルクは大きくなるが、現在の技術では大
きくすると、精度、安定性などの問題で余り大きく出来
ない。すなわち結果的に小容量のものしか製作されず、
大きな問題となっている。

現在市販されている一般的な進行波型のものとしては、
容量４Ｗ、トルクＴ＝４ｋｇ−ｃｍと極めて小さなもの
が殆んどである。

本発明は上述した点に鑑みて創案されたもので、その目
的とするところは、高効率で高速、大容量の超音波モー
タを提案することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

つまり、その目的を達成するための手段は、積層形の圧
電素子とその可動方向と略真横方向に共振する複数の凸
起部を一体締結することにより、積層形圧電素子のスト
ロークを増幅させ、これを駆動源として回転ドラムの円
周上に所要の角度−と隙間δを持たせて回転ドラムが一
方向に回転するように配設し、これらの駆動源を回転ド
ラムが正逆任意に回転するように対称的に複数配し一体
構築したものである。

一般に、積層形の圧電素子は高周波（数十ＫＨｚ　）で
可動が可能で駆動力も大きい（数百ｋｇｆ）が、その可
動ストロークは数十細と極めて小さい。この小さなスト
ロークで回転ドラムの円周上を押圧しても各部品の製作
誤差・所要の隙間などより決まる最少ストロークに満た
ないため、そのままでは使用不可能である。そこで、本
発明では可動先端に複数の横たわみする凸起部をもった
共振体を一体締結することによりその可動ストロークは
長さ効果により増幅され、しかも積層形圧電素子の駆動
周波数と共振するようになしているので、更に増振幅さ
れ、大きなストロークと高周波数、高押圧力が凸起部の
先端より回転ドラムの円周上を押圧して回転伝達される
。このため極めて高速、大容量、高効率に回転駆動がな
される。

なお、積層形の圧電素子と共振体とを一体締結したもの
を回転ドラムの円周上に設けたが、回転ドラムの内周部
位に凸起部の先端を配し、前述した構成９機能と同様、
回転ドラムが左、右面回転が得られるように角度θ、隙
間δをもたせて配することもある。

〔作　用〕

その作用は、次に述べる実施例において併せて詳述する
。

以下・本発明のものの一実施例を、図面に基づいて説明
すると共に、併せて作用も詳述する。

〔実　施　例〕

第１図は本発明の超音波モータの一実施例を示す全体構
成概念図、第２図は第１図の側面概念図、第３図は第１
図のア部拡大図、第４図、第５図は本発明の他の実施例
を示し、第４図はその全体構成概念図、第５図はその側
面図である。

一般に、積層形の圧電素子４は一個の圧電素子４では可
動ストローク（数μｍ）が小さいためこれらを数十個積
層してボルト、接着剤などで直列的に一体化し、その可
動ストロークを数＋μｍに増幅して市販されている。こ
の動作は所要の直流電圧を付与すると厚み方向に縮み、
電圧を切ると元の長さに復帰する。本発明はこの積層圧
電素子を使用して超音波モータの回転力を得ようとする
ものである。

第１図〜第３図において、積層形の圧電素子４を駆動源
にする超音波モータにおいて、圧電素子４の可動先端に
共振体３を一体締結し、この圧電素子４の他端を固定し
、共振体３は圧電素子４の可動方向に対し略真横方向に
複数の板状の凸起部３ａを形成し、この凸起部３ａの横
たわみの固有振動数が圧電素子４の可動振動数と共振す
るようにすると共に、凸起部３ａの先端を軸２と一体化
した回転ドラム１の外周部位に配し、共振体の横たわみ
振動により回転ドラム１が押圧されて一方向に回転する
ように所要の角度−と隙間δを持たせて配設し、更に角
度ｐは右回転と左回転が一軸上で得られるように軸２を
中心として対称位置に同方向の回転が得られるよう対向
配設し、軸２はベアリングなどで支持し、その回転面上
の間に反転方向の回転が得られるよう複数的に対向配設
して一体構築したものである。

このように構成された超音波モータにおいて、例えば右
回転駆動を得る場合、ｆｓ１図に示す電源左はＯＦＦに
し、電源石川の回路に電圧を印加すると図に示す右回転
部位の積層形の圧電素子４が縮み、これと一体化されて
いる共振体３が動き、複数の凸起部３ａの先端は横たわ
みをする。このことにより、回転ドラム１の円周上に接
触しながらその接触摩擦力により凸起部２ａのたわみ力
が回転ドラム１のトルク方向齋こ伝達される。

ここで、積層形の圧電素子４の可動ストロークは数＋μ
ｍであるが、共振体３の横たわみ振動数と共振するよう
な電圧をパルス状ＥＯＮ、ＯＦＦすることにより共振体
３の凸起先端部位では共振効果により数百μｍに増幅さ
れてそのストロークは大きくなり、回転ドラム１の外周
部を駆動する。

積層圧電素子４は実用的には直径２５ｍｍぐらいのもの
で、電圧的６００ｖを印加すると約１２０ｋｇｆが得ら
れ、その最大パルスは約３万出の高周波が印加可能で、
これらの積層形の圧電素子４と共振体３を複数的に回転
ドラム１の外周上に配設することにより、高速で大容量
な回転力が得られる。また、共振体３は高強度で、その
先端は耐摩耗性が必要なので例えば本発明の゛に綬では
Ｗ　、　Ｏ、Ｏｏ（タングステン、カーバイト、コバル
ト）などの超硬高質合金を使用し、応接する回転ドラム
１の外周面にはＴｉＮ　（チタンナイトライド）などの
硬質で耐摩擦特性のよい表面処理を施し、実用的な結果
を得ている。

次に、左回転する場合は有用電源はＯＦＦにして、前記
同様左回転用電源にパルス状の高周波電圧を印加すれば
左回転が得られる。また、回転ドラム１にブレーキトル
クを発生させるためには左右同時にパルス状ではない連
続的な電圧を印加することにより、共振体３の凸起先端
部位は回転ドラム１の外周面を押接してブレーキング作
用がなされる。このブレーキトルクは電圧の強弱により
任意に調整されるので、精密な位置決め、ロボットの駆
動などには印加する周波数と電圧形態の調整などにより
最適な駆動源として極めて利便性が高い。

次に、共振体３と圧電素子４を一体化したものを、回転
ドラムの内側に設けた他の実施例を第４図、第５図に基
づいて説明する。

第１図において説明した回転ドラム１の外径寸法は比較
的小さい場合に適用されるが、直径が大きくなると、回
転ドラムｒの外周に対するふところは大きくとれるので
、コンパクト化する目的で前記の積層形の圧電素子４と
共振体３を回転ドラム１′の内周部に配設したもので、
これにより回転ドラム１′の外周部に凸起基るものはな
くなり、スペースが小さくなる。

〔発明の効果〕

以上説明したごとく本発明によれば、従来のように駆動
摩擦面の幅Ｗによる半径差に起因するすべり摩擦運動が
なく、回転ドラム１の円周表面に線状に加力されるので
駆動効率が高く長寿命が得られる。また回転ドラム１の
径および幅を増し、これに対応させて積層形の圧電素子
４と共振体３の数、駆動力を増せば無理なく大容量が得
られ、更にバイモルフ形圧電素子にくらべても高周波数
なので高速で、また駆動力が大きいので高容量のものが
得られる。

従来のものはせいぜい容量４Ｗ、１１００ｒｐ程度が実
用限界であったが、本発明では極めて大容量（例えば７
．５ＫＷ）で高速回転（例えば３００ｒｐｍ）まで実用
的に可能である。また従来例では回転円板８に摩擦力を
得るために皿はね１３によりスラスト力を付与している
ので、この力はベアリング。

軸１０などに付加されて寿命、調整９強度など相応して
不利になっていたが、本発明では積層形の圧電素子４と
共振体３の一体化した駆動源を対称的に配し、回転ドラ
ム１の内力として相互に打消すようにしたので、この種
の力は軸２に付加されず極めて経済的で長寿命が得られ
る。

すなわち本発明の超音波モータは、高容量で高効率でし
かも従来の電気モータに比べ極小の慣性モーメントで同
等の容量が得られるので、省力機器、ロボットなど極め
て多用に実用的に供される有用なものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の超音波モータの構造体の一実施例を示
す要部正面概念図、第２図は第１図の側面概念図、第３
図は第１図中のア部拡大図、第４来の超音波モータの一
例の要部構造図である。 １．１′・・・・・・回転ドラム、２・・・・・・軸、
３・・・・・・共振体、４・・・・・・圧電素子、５・
・・・・・ボルト、６・・・・・・圧電体、７・・・・
・・振動板、８・・・・・・回転円板、９・・・・−・
ケース、１０・・・・・・軸、１１・・・・・・電線、
１２・・・・・・抑え金、１３・・・・・・皿ばね。 循１　口

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　積層形の圧電素子を駆動源にする超音波モータにおい
   て、前記圧電素子の可動先端に共振体を一体締結し、該
   圧電素子の他端を固定し、前記共振体は圧電素子の可動
   方向に対し略真横方向に複数の板状の凸起部を形成し、
   該凸起部の横たわみの固有振動数が圧電素子の可動振動
   数と共振するようにすると共に、凸起部の先端を回転ド
   ラムの外周部位または内周部位に配し、共振体の横たわ
   み振動により回転ドラムが押圧されて一方向に回転する
   ように所要の角度θと隙間δを持たせて配設し、更に角
   度θは右回転と左回転が一軸上で得られるように軸を中
   心として対称位置に同方向の回転が得られるよう対向配
   設し、その回転面上の間に反転方向の回転が得られるよ
   う複数的に対向配設して一体構築したことを特徴とする
   超音波モータ。