JPH0322880A - 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】 隻旦公亘め ［産業上の利用分野Ｊ 本発明は超音波振動子が発生する超音；皮振動により、
超音波捩動子に接触する可動子を相対移動させる超音波
モータに関する。

［従来の技術］ 従来の超音波モータにおいて｝上　超音波振動子と可動
子との接触状態を良好１二して超音波振動に基づく力を
可動子に効率よく伝達するために、例えば可動子の厚み
を増したり、可動子の面方向にノブを設けたりして可動
子の機械的強度を高める二七により可動子の変形を防止
する構成が種々試みられている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上述の構成において、単純に可動子の厚
みを増したり、１ノブを設けたりしたのでは却ってモー
タ動作が不安定になり，出力効率が低下する場合がある
という問題があった　これは可動子の機械的強度を高め
ても超音波振動によって可動子自体が振動を開始するこ
とにより、超音波振動子が可動子に十分、接触できなく
なり、超音波振動に基づく力が可動子に有効に伝達され
ない不安定な状態が発生したり、可動子自体の振動によ
りエネルギが外部に漏洩したりすることがあるからであ
る． 本発明の超音波モータは上記課題を解決し、可動子の振
動を防止し、モータの出力効率の向上を図ることを目的
とする。

４翌立逍羞 かかる目的を達成する２つの本発明の構成について以下
説明する． ［課題を解決するための手段］ 第１の誼求項の超音波モータ（よ　超音波振動子が発生
する超音波振動により該超音波振動子に接触する可動子
を相対移動させる超音波モータｌ二おいて、前記司動子
｛上　剛↑先　密度　形状　寸法等の物理的諸元のうち
少なくとも一以上の諸元を調整して、その最低次の共振
周波数を、前記超音波振動子の超音波振動の周波数より
も高くしてなることを要旨とする。

第２の請求項の超音波モータ（社　超音波振動子が発生
する超音波振動により該超音波振動子に接触する可動子
を相対移動させる超音波モータにおいて、前記可動子に
取り付けら札　機械的振動および電気的振動のエネルギ
変換を行なう電気機械変換素子と、前記電気機械変換素
子に接続さ札該電気機械変換素子と共に閉回路を構成す
るインダクタンス素子とを備え、前記電気機械変換素子
のリアクタンス成分および前記インダクタンス素子が構
成する並列回路の反共振周波数を前記超音波振動子の超
音波振動の周波数に略一致させたことを特徴とする． ［作用］ 第１の請求項の超音波モータにおいて（上　超音波振動
子に超音波振動が所定周波数で発生し、可動子に超音波
振動が作用しても、可動子の最低次の共振周波数を超音
波振動の周波数よりも高くしているから、その超音波振
動によって可動子が振動を始めることはない． 第２の論求項の超音波モータ（友　可動子に超音波振動
が作用しても、可動子に取り付けられた電気機械変換素
子が超音波振動に伴って変形し，超音波振動と同一周波
数の電気的出力を発生しようとすると、次のように振舞
う．電気機械変換素子のリアクタンス成分およびインピ
ーダンス素子が構成する並列回路（よ　その反共振周波
数が超音波振動子の振動周波数に略一致されているから
、電気機械変換素子の出力端には電流が流れない。電気
機械変換素子の変形量はその出力端の電流の大きさに比
例するが、こうして出力端に電流が流れない結稟　電気
機械変換素子の変形が禁止され、超音波振動子が発生す
る超音波振動によって可動子が振動を始めることはない
． 従って、第１の請求項の超音波モータおよび第２の請求
項の超音波モータにおいて、超音波振動子は可動子に良
好に接触して接触面の摩擦により超音波振動に基づく力
を効率よく伝達し、可動子を移動する。

［実施例］ 以上説明した本発明の構成・作用を一層明らかにするた
めに　以下本発明の超音波モータの好適な実施例につい
て説明する。

（第１実施例） まず、第１の諸求項の超音波モータの実施例を説明する
。第１図は本実施例の超音波モータの断面諷　第２図は
その可動子の断面図である。

この超音波モータ［ｉ　　第１図に示すように、定在波
型の回転モータであって、ハウジング１内１：設置した
超音波振動子３と、ハウジング１に回動自在に支持した
可動子５と、可動子５に発生した回転力を取り出す出力
軸７とを備えるものである。

出力軸７に設けたフランジ部７ａおよび可動子５の間に
は圧縮ばね９を介装し、可動子５を超音波振動子３に押
圧すると共１：，可動子５と出力軸７との間を機械的に
連結している。

超音波振動子３は円盤形状を有し、中央には出力軸７が
貫通する貫通孔１１を備えている．また、その下面には
環状凸部３ａ，３ｂを設け、外側の環状凸部３ａに取り
付けた圧電素子１３による軸方向の曲げ振動と、内側の
環状凸部３ｂに取り付けた圧電素子１５による周方向の
せん断振動との重なりによって質点の楕円運動を励起す
る構成を備えている．なお、この超音波振動子３１社　
　所定周波数の超音波振動に基づいて質点の楕円運動を
励起するよう１二弾性係数や形状が調整されている。

実施例で（よ　各圧電素子１３．１５に接続した交流高
電圧発生回路により、超音波振動子３に周波数２５．０
［ＫＨｚｌの超音波振動を励起する。

可動子５は超音波振動子３と同様に円盤形状を有し、中
央に出力軸７が貫通する貫通孔１７を備えている．その
超音波振動子３側の面の全周外縁には超音波振動子３と
接触するための凸状の接触部５ａが形成されている．実
施例“ぐはアルミニウム材を所定寸法に形成することに
より、最低次の共振周波数を超音波振動の周波数よりも
高くしている。その寸法｛よ　次のようにして定められ
る。

一般に外径２ａ，　　内径２　ｂ，　　厚み２ｔの円環
形状の部材の共振周波数ｆは次式で与えられる。

上式（１）１二おいてＥは縦弾性係靴　ρは密庇λは振
動の節の数等の振動モードで決められる定数である。実
施例の可動子５の底面１二は接触部５ａがあるが、円環
部分よりも十分に小さいから可動子３の共振周波数は上
式により表されると考えることができる。

上式（１）を変形すると、可動子５の最低次の共振周波
数を超音波振動の周波数よりも高くするための可動子５
の外乱　内９盃　厚みの条件を表す式が得られる。例え
ば超音波振動子３の超音波振動の周波数をＦ，可動子５
の最低次の振動モードの時のλをλ，に設定するとその
条件を表す式は次のようになる， 従って、上式（２）を満たすように可動子５の外径　内
色　厚みを規定する値ａ，　　ｂ，　　ｔを決めれ｛ヱ
　可動子５の最低次の共振周波数を超音波振動の周波数
よりも高くすることができる。

実施例では上式（２）に従って可動子５の寸法を算出し
、第２図に示すように外径２ａを３４［ｍｍ］，　　貫
通孔の径２ｂを６　．　８　［ｍｍ］．接触部５ａを除
いた厚み２ｔを１　０　［ｎｙｎ］　とするように可動
子５を構成した　算出には縦弾性係数Ｅを７００　０　
［ｋｇ　ｆ／　ｎｍ”］　，　　密度ｐｔ６　，　８　
５Ｘ　Ｉ　Ｑ−１ｓ　ｌ”ｋｇ　ｆ　／　ｒｒｒｎ　’
コ、定数λを３．０９［無次元］としムこの寸法の可動
子５の最低次の共振周波数は式（１）から２７．３［Ｋ
Ｈｚ］　と計算される．これ（友　超音波振動子の超音
波振動の周波数２５．０［ＫＨｚ］よりも高い周波数で
ある。

このようにして構成した超音波モータにおいて｛社　各
圧電素子１３．１５により超音波振動子３に周波数２５
．０［ＫＨｚ］の超音波振動を励起し、可動子５側の面
の各質点に楕円運動が発生すると、質点のそれぞれは可
動子５の接触部５ａに微小時間接触し、接触面の摩擦に
より可動子５を微小距亀　移動する動作を繰り返する。

こうして可動子５が連続回転し、これに結合された出力
軸７も回転する。

このとき、上述したように可動子５に超音波振動が作用
しても、可動子５の最低次の共振周波数が２７　．３　
［ＫＨｚｌであり、超音波振動の周波数２５，Ｏ［ＫＨ
ｚ］よりも高いから、超音波振動によって可動子５が振
動を開始することはない。

従って、超音波振動子３は可動子５｛二良好に接触して
接触面の摩擦により超音５ｆｔ振動に基づく力を効率よ
く伝達し、司動子５を回転できる。

以上説明したように第１実施例の超音波モータによれｉ
′Ｌ　　可動子５の共振による振動を防止できるから、
超音波振動子と可動子との接触状態が良好になり、超音
波振動子３の超音波振動に基づく力を可動子５に効率よ
く伝達することができ、モータの出力効率の向上を図る
ことができるという優れた効果を奏する。

また、実施例の超音波モータの可動子５は計算式に基づ
いてその最低次の共振周波数を超音波振動の周波数より
も高くなるように構成することができるから、設計が容
易になるという利点がある。

（第２実施例） 次に、第２の請求項の超音波モータの実施例を説明する
。第３図は本実施例の超音波モータの断面は　第４図は
その可動子の斜視諷　第５図は可動子に設けた閉回路の
電気的等価回路を示す回路図である。

この超音波モータ（よ　第３図に示すように　第１実施
例と同様の定在波型の回転モータであって、ハウジング
２１内に設置した超音波振動子２３と、ハウジング２１
に回動自在に支持した可動子２′３とを備えるものであ
る。出力軸２７は可動子２５に一体に設けられている。

ハウジング２１と可動子２５との間には圧縮ばね２９を
介装し、可動子２５を超音波振動子２３１二押圧してい
る．超音波振動子２３は、第１実施例と同様に円盤形状
を有するものである。その下面には外側の環状凸部２３
ａに取り付けた圧電素子３１による軸方向の曲げ振動と
、内側の環状凸部２３ｂに取り付けた圧電素子３３によ
る周方向のせん断振動との重なりによって質点の楕円運
動を励起する構成を備える。上記の各圧電素子３１．３
３には交流高電圧発生回路が接続されている。なお、こ
の超音波振動子２３は所定周波数の超音波振動を発生す
るために　弾性係数や形状が調整されている。

可動子２５（上　第４図に示すように円盤形状を有し、
中央に出力軸２７を一体に設けたものである。底面の外
縁には超音波振動子２３と接触する接触部２５ａを備え
ている。この可動子２５は２個の素子からなる閉回路３
４を取り付けることにより可動子２５の実効的な剛性を
大きくしている。

実施例の閉回路３４（Ｌ　可動子２５の上面２５ｂに取
り付けた円環状の圧電素子３５と、圧電素子３５および
可動子２５に接続された可変コイル３７とから構成した
ものである。圧電素子３５の静電容量と可変コイル３７
が構成する並列回路の反共振周波数は超音波振動子２３
が発生する超音波振動の周波数に一致されている。

圧電素子３５はジルコン・チタン酸鉛（ＰＺＴ）等から
なり、その両面に電極を備えたものである。

表面（開放面）側の電極は可変コイル３７に直接接続し
ているが、裏面（取付面）側の電極は可動子２５に電気
的に接続することにより、導電性の可動子２５を介して
可変コイル３７との導通を図っている。なお、可動子２
５が非導電性材料である場合は、裏面側の電極について
も可変コイル３７に直接接続する構成としてもよい。

可変コイル３７１上　コアの出入等の調整によりそのイ
ンダクタンスを変更する可変機構を備えたコイルである
。

第５図はこの閉回路の電気的等価回路を示す回路図であ
る。圧電素子３５（↓　機械コンブライアンス３９、力
係数４１および静電容量４３により表わされる。静電容
量４３および可変コイル３７が構成する並列回路４５の
反共振周波数ｆａは次式により与えられる。

二こで、　Ｌは可変コイル３７のインダクタンス、Ｃは
圧電素子３５の静電容量４３である。

このよう１二して構成した超音波モータにおいて｛よ　
超音波振動子２３に所定周波数の超音波振動を励起し、
その可動子２５側の面の各質点に楕円．運動が発生する
と、質点のそれぞれが可動子２５の接触部２５ａに微小
時間接触し、接触面の摩擦により可動子２５を微小距飄
　移動する動作を繰り返す。こうして可動子２５を連続
回転し、これに一体に形成した出力軸２７を回転する。

このとき、可動子２５には超音波振動が作用して振動を
開始しようとするが、この振動の始めにおいて防振装置
３４は可動子２５の振動を抑制する．即ち、可動子２５
の振動を受け圧電素子３５が可動子２５の振動と同一周
波数の電圧出力を発生しようとすると、圧電素子３５の
もつ静電容量４３および可変コイル３７が構成する並列
回路４５が次のように振舞う。並列回路４５の反共振周
波数は超音波振動の周波数に一致されているから、静電
容量４３に流れる電流は力係数４１の電圧出力の変化に
対して位相が９０度進んだ大きな電流となり、一方、可
変コイル３７に流れる電流は力係数４１の電圧出力の変
化１二対して位相が９０度遅れた大きな電流となる。こ
れら２つの素子間ではエネルギの授受が行なわれるのみ
であるため、力係数４１においては電流が流れない。こ
の状態で１上　力係数４１は可動子の振動に伴って電圧
出力を発生しても電流が流れないから、振動振幅を電流
出力に変換できない．この結果、圧電素子３５は変形が
禁止さ札　圧電素子３５を取り付けた可動子２５の振動
が抑制される。

従って、超音波振動子２３は可動子２５に良好に接触し
て接触面の摩擦により超音波振動に基づく力を効率よく
伝達し、可動子２５を回転することができる。

以上説明した超音波モータによれ｛戴　第１実施例の効
果に加え、可動子２５を薄くするなどの小型化を図るこ
とができ、モータ自体の小型化や、応答性等の出力特性
の向上を図ることができるという優れた効果を奏する。

また、実施例の超音波モータの可動子２５ｆｔ．，圧電
素子３５および可変コイル３７からなる閉回路３４によ
り可動子２５の振動を抑制するものであるから、可動子
２５に設計上の制約を加えることがないので、設計が容
易になると共｛ミ　設計の自由度が高いという利点があ
る。

さらに　素子として圧電素子３５や可変コイル３７とい
う構成が極めて簡単で質量の軽いものを用いているから
、モータの動特性に影響を与えることがない。

以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこう
し゛た実施例に何等限定されるものではなく、本発明の
要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施し
得ることは勿論である。例えば本発明は進行波型モータ
に適用してもよい。また、　リニア型モータに適用し．
でもよい。

亀覧二匁（ 以上詳述したよう１：．本発明の超音波モータによれｌ
ｉ　　可動子の最低次の共振周波数を超音波振動子の超
音波振動の周波数よりも高くすることにより、あるいは
可動子１二取り付けた電気機械変換素子のリアクタンス
成分および電気機械変換素子二接続したインダクタンス
素子が構成する並列回路の反共振周波数を超音波振動子
の超音波振動の周波数に略一致することにより、可動子
の振動の発生を防止し、モータ動作を安定させることが
でき、超音波振動子の超音波振動に基づく力を可動子に
効率よく伝達したり、可動子の振動によるエネルギ損失
を抑えて、出力効率の向上を図ることができるという優
れた効果を奏する．

【図面の簡単な説明】

第１図は第１の請求項の超音波モータの一実施例を示す
断面は　第２図はその可動子の断面図．第３図は第２の
請求項の超音波モータの一実施例を示す断面は　第４図
はその可動子の斜視区゜第５図は可動子に設けた閉回路
．の電気的等価回路を示す回路図である。 ３（２３）・・・超音波振動子 ５（２５）・・・可動子 ７（２７）・・・出力軸

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　超音波振動子が発生する超音波振動により該超音波
   振動子に接触する可動子を相対移動させる超音波モータ
   において、 前記可動子は、剛性、密度、形状、寸法等の物理的諸元
   のうち少なくとも一以上の諸元を調整して、その最低次
   の共振周波数を、前記超音波振動子の超音波振動の周波
   数よりも高くしてなる超音波モータ。 ２　超音波振動子が発生する超音波振動により該超音波
   振動子に接触する可動子を相対移動させる超音波モータ
   において、 前記可動子に取り付けられ、機械的振動および電気的振
   動のエネルギ変換を行なう電気機械変換素子と、 前記電気機械変換素子に接続され、該電気機械変換素子
   と共に閉回路を構成するインダクタンス素子とを備え、 前記電気機械変換素子のリアクタンス成分および前記イ
   ンダクタンス素子が構成する並列回路の反共振周波数を
   前記超音波振動子の超音波振動の周波数に略一致させた
   こと を特徴とする超音波モータ。