JPH0365076A - 超音波モータおよび超音波モータの製造方法 - 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および超音波モータの製造方法に
関し、特に超音波振動を励振させる圧電振動子を有する
ステータにヘッドマスを介して圧接されたロータを回転
させ、駆動力を発生させる超音波モータおよび超音波モ
ータの製造方法に関する。

〔従来の技術〕

かかる超音波モータおよびその製造方法は、超音波振動
により回転力を得る新しい原理に基づくモータであり、
従来の電流と磁界の相互作用に基づく電磁型モータに比
べ、低速且つ高トルクと言う全く異なった特徴がある。

すなわち、電磁モータに比べ単位体積当たりのトルクが
非常に大きく、低速で使用する際、ギヤーレス化および
ブレーキレス化が可能であり、しかも貝柱が小さくロー
タの静的な保持力が大きいため応答性に優れる長所があ
る。

これまで種々の超音波モータが提案されており、例えば
日本音響学会講演論文集（昭和６３年１０月発行）のｐ
ｐ８２１〜８２２で報告されている論文「縦−捩り複合
振動を利用した超音波モータ」においては、小径で高ト
ルクを得られるモータの構造が紹介されている。

第３図はかかる従来の一例を示す超音波モータの右半分
を断面にした正面図である。

第３図に示すように、従来の超音波モータはステータ６
０と、ヘッドマス６３およびステータ７０とを有してい
る。このステータ６０は積層圧電アクチュエータで作ら
れた縦振動子（以下、縦振動子と称す）６１と、ランジ
ュバン型捩り振動励振用圧電素子（以下、捩り振動子と
称す）６２と、ヘッドマス６３と、金属ブロック６４と
、ナツト６５．中心軸６７ａと、絶縁体６６ａ。

６６ｂ（以下、縦振動子６１の一部と考える）とで構成
され、捩りの共振モードで駆動される。尚、この縦振動
子６１はステータ６０の共振周波数に一致した形で非共
振で励振される。また、ステータ６０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。しかも、
ステータ６０はヘッドマス６３により運動量がさらに増
幅される。従って、このステータ６０とロータ７０との
当接するヘッドマス６３の端面ば共振周波数において時
計廻り方向と反時計廻り方向の回転力を生み出せること
になる。

ここで、ロータ７０を反時計廻りに回転させる場合につ
いて述べる。まず、ナツト締めされたステータ６０が反
時計廻りの回転力をロータ７０に与えるべく、ロータ７
０に当接するヘッドマス６３の端面が反時計方向に変形
したとき、縦振動子６１が捩り振動に同期して軸方向に
伸び変形をするように別の電源から電圧を印加し、ロー
タ７０とへラドマス６３を瞬間的に強く圧接させる。

このときの摩擦力でロータ７０は反時計方向に大きな回
転力を得ることができる。次に、ロータ７０に当接する
ヘッドマス６３の面が時計廻りに回転したときは、縦振
動子６１を軸方向に収縮させて、時間的にロータ７０と
ヘッドマス６３の圧接力を零にしてやり、時計Ｍ’）の
捩り振動変位をロータ７０へ伝達させないようにクラッ
チの働きをさせている。従って、ステータ６０の捩り振
動とステータ部分に配設されている縦振動子６１の伸縮
振動の一連の動作により、ロータ７０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７０を時計廻りに回転させる場合は、ステ
ータ６０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縦振動子６１に上述のロータ７０を
反時計廻りに回転させる場合とは１８０度位相を異なら
しめるように位相だけを変えてやれば良い。この場合も
同様に、ロータ７０は時計廻りに滑らかに回転をするこ
とができる。

また、ヘッドマス６３はＡｕ合金で形成されているが、
このへ１合金は周知の如く軽軟質金属であり、物理的に
質量が軽く且つ曲げ易く、しかも捩り易い性質を有して
いる。従って、このＡＡ金合金縦、捩り振動を伝え易く
、使い方によっては振動を増幅する材料であるが、機械
的強度が弱いという性質を有している。

更に、上述した縦振動子６１及び捩り振動子６２は共に
圧電セラミック構成されているが、この圧電セラミック
は圧縮力に対して極めて丈夫であるものの、張力に対し
ては極めて脆いという性質を有している。従って、縦振
動子６１及び捩り振動子６２にはナツト６５により大き
な圧縮バイアス応力を常時加えておく必要がある。また
、ステータ６０の回転をローラ７０に伝えるには、ヘッ
ドマス６３とロータ７０が強く押し付けられていること
が不可欠であるので、ヘッドマス６３とロータ７０とを
ポル）６７ｂを使い強固なコイルスプリング７２および
ナツト７３で台座７４とベアリング７１を介して押圧保
持している。更に、ステータ６０が捩り振動を行うため
には、ヘッドマス６３．縦振動子６１および捩り振動子
６２が強固に結合されていなければならない。

要するに、従来の超音波モータは縦振動子６１と捩り振
動子６２をヘッドマス６３にボルト締めで結合している
。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述した従来の超音波モータは、ポル）６７ｂを使って
ヘッドマス６３とロータ７０とを強固なコイルスプリン
グ７２で保持している。しかし、かかる保持機構はヘッ
ドマス６３に設けたメネジの精度不良によりポル）６７
ｂが傾き、ロータ７０への荷重が不均一となってスムー
ズなモータ回転を実現できないという問題がある。また
、ねじロックが構造上不可能で緩みの原因になるという
問題がある。

また、ポル）６７ａを使って縦、捩りの共振体をボルト
締めにより結合することは、ヘッドマス６３に設けたメ
ネジの精度不良により機械的精度を出しにくくポル）６
７ａが傾き、縦振動子６１および捩り振動子６２への荷
重が不均一となって最良の振動モードを実現できないと
いう問題がある。更には上述したねじロックが構造上不
可能で緩みの原因となったり、あるいは縦振動子６１の
伸縮によりポル）６７ａに軸方向の準り返し引っ張り荷
重が掛かり、構造的に弱いＡＡ合金材で構成するヘッド
マス６３のねじ部に応力集中が起き、疲労破壊の原因と
なるという問題がある。

従って、振動共振体の超音波モータとしては、ねじ締結
箇所が多いと機構的自由度が大きくなることは勿論、強
度的に弱いＡＡ合金材で構成するヘッドマス６３のメネ
ジに破損をきたすという問題がある。

本発明の目的は、これらの機械的精度を向上させ、ロー
タへのばねの負荷力を均一化せしめ、更にはねじロック
を容易にし且つねじ緩みを無くすとともに、長期間にわ
たり特性の変化等がなく安定で信頼性の高い超音波モー
タおよび超音波モータの製造方法を提供することにある
。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の超音波モータは、縦、捩り複合圧電振動子のス
テータと、縦、捩りの振動モードを伝達するヘッドマス
と、縦、捩りの振動を受け正逆回転するロータと、前記
ステータおよびロータを前記ヘッドマスを挟んで締め付
ける中心軸とで構成する超音波モータにおいて、中間付
近の外周に突起を設けた鍔を高張力鋼の同一部材力１１
ら一体形成した中心軸と、前記中心軸の鍔の周囲に溶着
した軽軟質材からなるヘッドマスとを設けて構成される
。

また、本発明の超音波モータの製造方法は、外周部に突
起を設けた中心軸の鍔の周囲に高張力鋼材および軽軟質
材の合成材をメッキ処理により中間層を形成し、次に内
容積がヘッドマスより若干大きめの容器内に前記中心軸
を高温にして前記中心軸の鍔が挿入できるようにし、し
かる後前記軽軟質材を溶解して前記容器に流し込み、つ
いで冷却することにより前記中心軸の鍔の周囲に硬化し
て固着させ、一体構造を形成するように構成される。

〔実施例〕

次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。

第１図は本発明の一実施例を示す超音波モータの右半分
を断面にした正面図であり、第２図は第１図に示す一体
型中心軸の正面図である。

第１図および第２図に示すように、本実施例において、
ステータ１０はナツ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す。例え
ば、ジルコンチタン酸鉛系圧電セラミックのような圧電
材料から成るリング状圧電素子１２（捩り振動子）は、
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１２ａを間に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積層接着される。

しかも、−枚一枚は互いに逆向きに分極されている。す
なわち、１，３．５段目が時計廻りに分極されていれば
、２，４．６段目が反時計廻りに分極される。また、上
下面に電極がスパッタ、メッ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ている。従って、
周知の捩り振動子の原理に基づき、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。更に、１１はリング型
形状の積層圧電アクチュエータ（縦振動子）であり、絶
縁体１６ａ、１６ｂによって捩り振動素子１２と電気的
に絶縁されている。

また、ヘッドマス１３はＡＡ合金鋳物等の軽軟質材から
なり、中心軸１７ａ、１７ｂの鍔１８の周囲に溶着て一
体化して構成される。その一方の端面ば縦振動子１１の
端面に絶縁体１６ａを介して固着され、他方の端面は摺
動材２２を介してロータ２０が圧接されている。すなわ
ち、中心軸１７ａ、１７ｂおよび鍔１８は一体で高張力
鋼で構成し、さらに鍔１８の外周には、突起を設けてヘ
ッドマス１３が備わっている。従ってヘッドマス１３は
縦振動子１１と捩り振動子１２から出力され振幅を増幅
し、その増幅された振幅をロータ２０の接触面に摺動材
２２を介して出力する。また、金属ブロック１４は中心
軸１７ａとナツト１５により静的な圧力が縦振動子１１
と捩り振動子１２および絶縁体１６ａ、１６ｂの各部分
に均一に印加するために設けられている。

一方、ロータ２０は円筒状をなしており、その筒内にベ
アリング２１を設けるとともに、中心軸１７ｂに対して
軸方向に自由度を有して回転自在に支持されている。し
かも、ロータ２０の端面をステータ１０に圧接する力は
ばね２３により台座２５およびベアリング２１を介して
伝達されている。上述した摺動材２２は耐摩耗性に優れ
ており、ヘッドマス１３の端面に接着されている。

超音波モータを動作可能にするためには、非動作時にス
テータ１０とロータ２０が静的な強い圧力で互いに圧接
されている必要がある。

すなわち、中心軸１７ｂ、ばね２３．ナツト２４及び台
座２５は静的圧力印加手段を形成し、特に台座２５はベ
アリング２１の内輪の端面に圧接され、ロータ２０がベ
アリング２１の外輪に圧接される構成になっている。従
って、ロータ２０が回転したとき、前記静的圧力印加手
段としての部材が回転することはない。

上述した超音波モータの＃Ｉ或から明かな如く、ステー
タ１０は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。ところで、ナツト１５の緩
みや変形等は特性に著しく変化があられれるため、ナツ
ト１５と中心軸１７ａとは完全に締結される必要がある
。そこで、中心軸１７ａに絶縁体１６ａ、縦振動子１１
、絶縁体１６ｂ、支持板３０、捩り振動子１．２、金属
ブロック１４の順で挿入してヘッドマス１３の端面にエ
ポキシ系等有機接着剤あるいはハンダ等で強固に接着を
行い、ナツト１５で加圧圧接しヘッドマス１３の楕円運
動を最適な状態に調整するとともに中心軸１７ａおよび
ナツト１５の結合ねじ部ｎ１点をスポット溶接により結
合ねじ部周囲を数箇所溶解固着する。この場合、スポッ
ト溶接には、レーザスポット溶接の他に電気スポット溶
接が可能である。

更に、ロータ２０はへラドマス１３′の端面の楕円運動
を受けるので、その摩擦力により回転する。

従って、ロータ２０はヘッドマス１３の端面への押し付
は力が顕著に特性に影響することが分かる。

それ故、押し付は力をナツト２４により最適に調整しナ
ツト２４を軸１７ｂと完全に固着する必要がある。そこ
で、ステータ１ｏのナツト１５の締結と同様に中心軸１
７ｂとナツト２４の結合ねじ部ｎ２点をスポット溶接に
て結合ねじ部周囲を数箇所溶解固着するとより効果的で
ある。

次に、本発明の超音波モータの製造方法について説明す
る。

第１図および第２図に示すように、中心軸１７ａ、１７
ｂおよび鍔１８は、前述したとおり、体に高張力鋼で構
威し、さらに鍔１８の外周には、機械加工によりダイヤ
モンド型ナールを構成した突起を設けてヘッドマス１３
が備わり、ヘッドマス１３および軸１７ａ、１７ｂから
外力が加わっても互いに前記突起が位置ずれ防止壁とし
て作用し、位置ずれを生じないようにしている。かかる
ヘッドマス１３はアルミニウム合金鋳物等の軽軟質材で
中心軸１７ａ、１７ｂおよび鍔１８の周囲に溶着で固定
される。この溶着はまず中心軸１７ａ、１７ｂおよび鍔
１８を６００〜７００℃程度の高温で行ない、ヘッドマ
ス１３と高張力鋼材との合金材にメッキ処理を施し、拡
散状態にして表面に中間層を形成する。さらに、中心軸
１７ａ。

１７ｂおよび鍔１８を挿入可能で且つヘッドマス１３よ
りも若干大きめな内容積を有する容器に中心軸１７ａ、
１７ｂおよび鍔１８をセットし、６００〜７００℃程度
の高温にした状態でヘッドマス１３の材料を溶解して流
し込み、前記中間層となじませながら冷却すると、中心
軸１７ａ。

１７ｂおよび鍔１８は強固に固着される。また、上述し
た方法では、部材を高温に上げるため部材の変形が考え
られるので、あらかじめ若干大きく構成するとともにヘ
ッドマス１３が固着された段階で機械加工等の最終仕上
げを施すことにより一層高精度とすることができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の超音波モータとその製造
方法は中心軸にヘッドマスを溶着して一体化したことに
より、ねじ締結が無くなり、ヘッドマスと軸との直角度
および同心円度の精度が向上するとともに圧接力が均等
化したことから、回転変動が極小になり、効率アップお
よび大トルク化を実現できるという効果がある。

また、本発明は中心軸を一本化することにより、機械的
精度の向上はもちろん強度が強く、経年変化および疲労
破壊を防止できるという効果がある。

更に、本発明はねじ締結部を外側に位置させることによ
り、簡易的にねじロックを可能とするので、部材構成上
級みを生じる部分を削除し機械的に剛体で安定化させる
ことができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す超音波モータの右半分
を断面にした正面図、第２図は第１図に示す一体型中心
軸の正面図、第３図は従来の一例を示す超音波モータの
右半分を断面にした正面図である。 １０・・・・・・ステータ、１１・・・・・・縦振動子
、１２・・・・・・捩り振動子、１３・・・・・・ヘッ
ドマス、１４・・・・・・金属ブレツク、１５．２４・
・・・・・ナツト・、１６ａ。 １６ｂ・・・・・・絶縁体、１７ａ、１７ｂ・・・・・
・中心軸、１８・・・・・・鍔、２０・・・・・・ロー
タ、２１・・・・・・ベアリング、２２・・・・・・摺
動材、２３・・・・・・ばね、２５・・・・・・台座、
３０・・・・・・支持板、ｎｌ、ｎ２・・・・・・ねじ
部。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）縦、捩り複合圧電振動子のステータと、縦、捩り
   の振動モードを伝達するヘッドマスと、縦、捩りの振動
   を受け正逆回転するロータと、前記ステータおよびロー
   タを前記ヘッドマスを挟んで締め付ける中心軸とで構成
   する超音波モータにおいて、中間付近の外周に突起を設
   けた鍔を高張力鋼の同一部材から一体形成した中心軸と
   、前記中心軸の鍔の周囲に溶着した軽軟質材からなるヘ
   ッドマスとを設けることを特徴とする超音波モータ。
2. （２）請求項（１）記載の超音波モータの製造方法にお
   いて、外周部に突起を設けた中心軸の鍔の周囲に高張力
   鋼材および軽軟質材の合成材をメッキ処理により中間層
   を形成し、次に内容積がヘッドマスより若干大きめの容
   器内に前記中心軸を高温にして前記中心軸の鍔が挿入で
   きるようにし、しかる後前記軽軟質材を溶解して前記容
   器に流し込み、ついで冷却することにより前記中心軸の
   鍔の周囲に硬化して固着させ、一体構造を形成すること
   を特徴とする超音波モータの製造方法。