JPH04101675A - 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、超音波モータに関する。

【従来の技術】

超音波モータは、圧電素子からなる超音波振動子の振動
により回転力を得る新しい原理に基づくモータである。 この超音波モータは、電流と磁界の相互作用に基づ〈従
来の電磁型モータに比べて、小型、軽量である上に低速
で、且つ単位体積当たりのトルクが大きく、スロータの
静的な保持力も大きいという特徴がある。従って、低速
で、且つ使用する場合、ギヤレス化、ブレーキレス化が
可能であり、又慣性質量が小さいことから応答性にも優
れるため、種々の制御装置の駆動源として近年性−目さ
れてきている。 これまで種々の超音波モータが提案されているが、例え
ば回転方向の切換えを容易に行うことのできる進行波型
超音波モータが特開昭５８−１４８６８２、同５９−９
６８８１号公報等に開示されている。 進行波型超音波モータは、第６図（Ａ）、（Ｂ＞に示さ
れるように、円板弾性体Ａに圧電セラミック板Ｂを貼っ
たステータＣの円周における撓み振動を利用するもので
、ステータＣに時間と共に移動する進行波を２相あるい
は多相の駆動法によって励振し、対面圧接したロータＤ
を回転させるものである。

【発明が解決しようとする課題］ しかしながら、これら従来の進行波型超音波モータは、
いずれも屈曲進行波を用いるものであったため、ロータ
から見たステータのコンプライアンスが大きく、そのた
め中程度の駆動力は比較的容易に得られる反面、高い駆
動力を得ることが難しいという問題があった。 又、進行性の振動波を用いていたため、該振動波をとぎ
れることなく進行させるために多数の圧電素子を循環し
て設置せざるを得す、これに伴ってリード線を多数８置
せざるを得ないという問題もあった。 更には、従来の進行性の振動波を用いた超音波モータで
は、原理的に縦波振幅と横波振幅との間に常に一定の比
例関係が保たれている必要があるため、本来、ロータの
駆動力となるべき縦波振幅とロータの支持力となるべき
横波振幅とを自由に制御することが困難であり、要求さ
れる負荷や速度の変化に対応して制御するのが難しいと
いう問題もあった。 この型式の超音波モータで大トルクを得ようとした場合
、一般的には圧電素子に対する印加電圧を大きくするこ
とになるか、そのためには高圧電源や高耐圧圧電素子か
必要となり、駆動回路が大型化するばかりでなく装置の
コストか大幅に増大してしまうことになるため実用上問
題が多い。 又、この型式の超音波モータは屈曲進行波を用いている
なめ、ステータに振動の節部かなく、ステータの位置固
定が困難である。そのためステータの振動か外部の他機
械に伝播し、悪影響を与えるという問題もある。 本発明は、このような従来の問題に鑑みてなされたもの
であって、より簡単な構成でより大トルクを得ることが
でき、又、外部への超音波振動の伝播を極力防止するこ
とのできる超音波モータを従供することを目的とする。 【課題を解決するための手段】 本発明は、超音波モータにおいて、ロータと、該ロータ
と接触する弾性材料からなる略円筒形状の共振子と、該
共振子を軸方向に振動させる１枚以上の超音波振動子と
、該超音波振動子を振動させる駆動回路と、を備え、前
記共振子とロータとの！＃触面に斜板の首振り揺動を複
数結合した運動と等価な運動を発生させると共に、前記
共振子を第１、第２の２つの共振子に分割して、前記超
音波振動子を該第１、第２共振子で挾持し、第１共振子
の方を低剛性として、前記斜板の首振り運動と等価な振
動モードの発生のために用い、第２共振子の方を高則性
として、ケーシングへの固定のなめに用いたことにより
上記目的を達成したものである。 又、本発明は、超音波モータにおいて、前記第２共振子
にフランジを形成し、該フランジをケーシングへの固定
のために用いたことにより上記目的を達成したものであ
る。

【実施例】

以下、図面に基づいて本発明の実施例を詳細に説明する
。 第１図において、ロータ１は、回転軸２に固定されてお
り、該回転軸２はケーシング３に軸受Ｂを介して軸方向
移動可能且つ回転自在に設けられている。ロータ１の端
面１１には弾性材料からなる共振子４か部分的に接して
設けられている。 この実施例では共振子４は第１共振子４１と第２共振子
４２とに分割されており、該第１共振子４１と第２共振
子４２との間に２層の超音波振動子（振動板）５が挟着
されている６なお、超音波振動子５は１層以上であれば
よい。 第１共振子４１は、超音波振動子５の振動を受けて「斜
板の首振り揺動を複数結合した運動と等価な運動」を発
生するべく弾性材料＜Ｗｌ性の低い材料）によって構成
されている。又、この第１共振子４１には円錐状の凹部
１２が設けられており、削性かより小さくなるように工
夫しである。これに対し、第２共振子４２は、第１共振
子４１と同、又はこれより剛性の高い材料で構成されて
いる。この第２共振子４２は、最低限の加工しか行われ
ておらず、フランジ７か形成されていることと相まって
第１共振子４１に比べ高剛性となるように設計されてい
る。 このような設計を行うと、低回・比の第１共拡予４１の
部分の固有振動数と高剛性の第２共振子４２の部分の固
有振動数の値が箕なってくるため、加振する周波数によ
っては低劉性の第１共振子４１の部分のみが激しく振動
するモードを励振させることができる（熱論高剛性の第
２共振子４２の部分のみが振動するモードや共振子４全
体が振動するモードら存在する）。 このように、第１、第２共振子４１．４２に削性の差を
持たせたことにより、第２共振子４□の部分をほとんど
振動しないようにすることができ、従って、この第２共
振子４２に設けたフランジ７を介してケーシング３に固
定することにより該ケーシング３に振動がほとんど伝達
されない超音波モータを得ることができる。 ところで、前述したように第１共振子４１には円錐状の
凹部１２が形成されており、該第１共振子４１の解放端
面１３がロータ１の端面１１と接するようになっている
。解放端面１３の断面形状はこの実施例では円弧形状と
なっているがテーバ形状等であってもよい。 ロータ１の端面１１は、共振子４か変形しながら接触す
るものであるため、該共振子４の振動変位を有効に取出
すために僅かに傾斜する円錐面とされており、共振子４
の解放端面１３には摩耗防止のための表面硬化処理、例
えば熱処理、アルマイト処理、硬質クロムめっき処理等
がなされている。なお、ロータ１の傾斜は必ずしも必要
な構成ではなく、平面であってもよい。 回転軸２にはねに２．が切られており、該ねじ２１には
ナツト９が螺合されている。又、スプリング１０によっ
て離反方向に付勢される２個のスペーサ１１か軸受Ｂと
すｙト９とに接して設けられ、該ナツト９を回転させる
ことによりスプリング１０の付勢力を変更し、ロータ１
の端面１１と共振子４の解放端面１３との圧着力を可変
としている。 超音波振動子５には、第２図に示すように、８個の扇形
の圧電素子５１〜５８が円周上に分割して設けられ、同
図に示されるように配線されている。又、各圧電素子５
１〜５８の中央にボルト６が貫通する孔１５が形成され
ている。 なお、超音波振動子５は、扇形に分離した圧電素子を円
周方向に複数（図示の例で８個）並べてもよく、又、１
枚の圧電素子の分極方向を扇形に区分するようにしても
よい。 次に、この実施例の作用を説明する。 第１図に示される装置を第３図に示されるようにモデル
化し、ＦＥＭ固有振動解析（有限要素法を用いたコンピ
ュータ解析）を行った結果を第４図に示す。第４１２１
（Ａ）は解放端面側から見た正面図、同図（Ｂ）は側面
図である。第４図から明らかなように、第１共振子４１
の円錐状の凹部１２か形成されている部分（の解放端面
１３＋−１３２）があたかも、２個の斜板が上下に結合
したかのように振動変位する反面、第２共振子４２の部
分がほとんど振動しないことが判る。 このことから次のようなことか言える。 第１に、一般に、超音波モータは、振動子の振動によっ
てロータを駆動するものであるため、振動子をケーシン
グ等に保持したとき、該振動子の振動か外部に伝搬し、
他のｉ械に悪影響を与えることが多かった。しかしなが
ら、上述の実施例によれば、振動しない第２共振子４２
の部分でケーシング３と結合することにより外部に振動
が伝搬するのを防止することができる。即ち、共振子４
の共振周波数は、第１共振子４１の形状（凹部１２の形
状）等に応じた靭性値から決定され、第２共振子４２の
形状にはほとんど依存しない、従つて、この実施例の如
く第２共振子４２の部分にフランジ７を設け、ケーシン
グ３に固定することにより、非常に静粛な超音波モータ
を得ることができるものである。 第２に、第１共振子４１の側の振動モードから回転力を
効率的に取出すことができる。即ち、この実施例では超
音波振動子５の構成が第２図のようになっているため、
あたがも斜板の首振り揺動運動の原理に基づくコマが２
個結合して回転しているかのような現象を発生させるこ
とができ、これからロータ１に回転力を取出すことがで
きる。 この実施例によれば、このように振動源の構造として超
音波振動板５を第１、第２共振子４７．４２によって挾
持し、ボルト６で強く締め付けられた構造を採用してい
るため、構造が簡単で低コスト、高効率、長寿命で、且
つ単位体積当たり、あるいは単位重量当たりの出力を極
めて大きく確保することができる。即ち、このような構
造で軸方向の振動によって駆動力を得ているため、従来
の進行波型の超音波モータに比べて非常に高い駆動力を
得ることができる。 又、第１共振子４１及び第２共振子４２の靭性を変える
ことにより、第２共振子４２の方をほとんど振動しない
ようにすることができ、従ってこの第２共振子４２の側
にフランジ７を形成し、このフランジ７を介してケーシ
ング３に固定しているため、振動子によって発生する振
動をケーシング３にまで伝搬させないようにすることか
でき、非常に静粛な超音波モータを得ることができる。 第５図に凹部１２の３次の振動モードのＦＥＭ解析図を
示す。これから２次以上の高次モードを使っても同様に
駆動できることが判る。

【発明の効果】

以上説明した通り、本発明によれば、簡易な構成で従来
より大きなトルクを容易に得ることができ、しかも静粛
な超音波モータを得ることができるようになるという濠
れた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の駆動方法による超音波モータの実施
例を示す縦断面図、 第２図は、上記実施例の超音波振動子の構成を示す平面
図、 第３図は、第１図の装置をモデル化した縦断面図、 第４図は、このモデル化した装置のＦＥＭ解析図、 第５図は、３次の振動モードのＦＥＭ解析図を示す線区
、 第６図は、従来の進行波型超音波モータの原理を説明す
るための斜視図である。 １・・・ロータ、　　　　　　２・・・回転軸、３・・
・ケーシング、　　　Ｂ・・・軸受、４・・・共振子、
　　　　　４１・・・第１共振子、４２・・・第２共振
子、　　５・・・超音波振動子、５１〜５６・・・圧電
素子、 １２・・・凹部、　　　　　１３・・・解放端面。 第１図 復代理人　　牧　野　則　博 松　　山　　圭　　佑 高矢　論 第 図 第 図 （Ａ） （Ｂ） 第 図 第 （Ａ） （Ｂ） 図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ロータと、該ロータと接触する弾性材料からなる
   略円筒形状の共振子と、該共振子を軸方向に振動させる
   １枚以上の超音波振動子と、該超音波振動子を振動させ
   る駆動回路と、を備え、前記共振子とロータとの接触面
   に斜板の首振り揺動を複数結合した運動と等価な運動を
   発生させると共に、 前記共振子を第１、第２の２つの共振子に分割して、前
   記超音波振動子を該第１、第２共振子で挾持し、 第１共振子の方を低剛性として、前記斜板の首振り運動
   と等価な振動モードの発生のために用い、第２共振子の
   方を高剛性として、ケーシングへの固定のために用いた
   ことを特徴とする超音波モータ。
2. （２）請求項１に記載の超音波モータにおいて、前記第
   ２共振子にフランジを形成し、該フランジをケーシング
   への固定のために用いたことを特徴とする超音波モータ
   。