JPH04331480A - 中空型超音波モータ - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧電体の弾性振動を用
いて駆動力を発生する中空型超音波モータに関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】近年、圧電セラミック等の圧電体を用い
た振動体に弾性振動を励振し、これを駆動力とした中空
型超音波モータが注目されている。以下に従来の中空型
超音波モータについて説明する。図６は径方向１次、周
方向３次以上のｋ波振動モードで励振される振動体６に
ベアリング８を介して移動体３を図示しない機構によっ
て押し付けた構成の中空型超音波モータを示すものであ
る。固定部１およびベアリング８の内輪および振動体６
はこれも図示しない機構によって外部の固定部に固定さ
れており、回転するのは移動体３とベアリング８の外輪
である。図６において、円環形の弾性体４に円環形圧電
体５を貼り合せて振動体６を構成している。振動体６上
には、図示していないが、円環状に等間隔に４ｋ個の突
起体が設けられている。また移動体３は耐磨耗性材料の
摩擦材等からなる。圧電体５に電圧（電界）を印加する
と振動体６の周方向に曲げ振動の進行波が励振され、移
動体３を摩擦力により駆動しベアリング８の回転機構を
通して外部に出力を伝達する。なお同図中の矢印は移動
体３の回転方向を示す。

【０００３】図７は図６の中空型超音波モータに使用し
た圧電体５の電極構造の一例を示しており、同図では円
周方向に９波の弾性波が励振されるように構成している
。ＡおよびＢはそれぞれ２分の１波長相当の小領域から
成る電極群で、Ｃは４分の３波長相当、Ｄは４分の１波
長相当の電極である。電極ＣおよびＤは電極群ＡとＢと
を位置的に４分の１波長（＝９０度）の位相差を作るた
めに設けている。電極ＡとＢ内の隣り合う小電極部は互
いに反対に厚み方向に分極されている。圧電体５の弾性
体４との接着面は、図７に示された面と反対の面である
。駆動時には、電極群ＡおよびＢは同図の斜線部のよう
にそれぞれの小領域を短絡して用いられる。

【０００４】以上のように構成された中空型超音波モー
タについて、以下その動作について説明する。まず、圧
電体５の電極ＡおよびＢに次の式（１），式（２）で表
される電圧Ｖ１およびＶ２をそれぞれ印加する。

【０００５】 Ｖ１＝Ｖ０×ｓｉｎ（ωｔ）　　　　　　　　　　（１
）Ｖ２＝Ｖ０×ｃｏｓ（ωｔ）　　　　　　　　　　（
２）これにより、振動体３には次の式（３）で表せる円
周方向に進行する曲げ振動の進行波が励振される。

【０００６】 ξ＝ξ０×ｃｏｓ（ωｔ−ｋｘ）　　　　　　　　　　
（３）ここで、ξは曲げ振動の振幅値、ξ０は曲げ振動
の瞬時値、ｋは励振波数（２π／λ）、ｘは位置である
。

【０００７】図８は振動体６の表面のＡ点が進行波の励
振により得られる、縦軸２ｗ、横軸２ｕの楕円軌跡９の
運動を示し、振動体６上に加圧して設置された移動体３
が、楕円軌跡９の頂点近傍で接触することにより、摩擦
力により波の進行方向とは逆方向に次の式（４）で速度
ｖで運動する。

【０００８】ｖ＝ω×ｕ　　　　　　　　　　　　（４
）

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の構成では、移動体をベアリングと一体化しているため
、ベアリングの慣性モーメントのために高速応答が制限
されたり、モータの軽量化や低コスト化、さらに超音波
モータの特徴である形状の自由度がベアリングで制限さ
れるため形状の利点が生かせない等の問題点を有してい
た。

【００１０】本発明は上記問題点を解決した中空型超音
波モータを提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の中空型超音波モータは、回転機構部にベアリ
ングを用いず波数以下のローラ等で回転機構部を構成し
、その時移動体を振動体に押し付けて回転させる回転機
構部の加圧点の個数ｍと振動体の励振波数ｋとの比（ｋ
／ｍ）または突起体数ｓとの比（ｓ／ｍ）がどちらかの
整数倍とならない構成としている。

【００１２】

【作用】この構成によって、慣性モーメントの減少によ
る高速応答性が増加する。さらに移動体を振動体に加圧
する回転機構部の加圧点の個数ｍと振動体の励振波数ｋ
または突起体の数ｓとの比が整数倍でないため、それが
整数倍である時において問題となる。加圧により生じる
移動体の変形により振動体との接触点が加圧点の個数ｍ
に制限されたり、加圧点が進行波の谷に大幅に減少でき
るため、移動体と振動体の接触性が改善され、モータ特
性の安定性や他の共振系の励振による騒音を大きく改善
できる。

【００１３】

【実施例】

（実施例１）図１は、本発明の中空型超音波モータの切
り欠き斜視図である。図１において、１は固定部、２は
回転機構部、３は移動体、４は弾性体、５は圧電体、６
は弾性体４と圧電体５で構成された振動体である。回転
機構部２は完全に接触する３点で移動体３を加圧し、加
圧された移動体３はｋ波で励振する圧電体５と貼合わさ
れた弾性体４で構成された振動体６と摩擦接触し、その
摩擦力により回転運動する構成である。

【００１４】以上のように構成された中空型超音波モー
タについて、図２（ａ），（ｂ）と図３（ａ），（ｂ）
を用いてその動作を比較しながら説明する。図２（ａ）
は、一例として移動体３の加圧点ｍ＝３に対して、ｋ＝
９波の振動体６を用い、振動体６の振動変位とローラ加
圧点による移動体３の変形との関係である。この場合、
同図のようにちょうど３箇所だけで振動体６と移動体３
とが接触することになる。また、同図（ｂ）は移動体３
の加圧位置に対して、相対的に振動体６の励振波が１／
２波長進んだ時の関係を示すものである。したがって、
図２（ａ），（ｂ）から、加圧点数ｍと波数ｋとの関係
がどちらかの整数倍の時、移動体３が同図（ｂ）に示す
ように上下の変動量だけ移動するため接触状態が悪くな
ることを示している。一方、図３（ａ），（ｂ）に一例
として示したように加圧点ｍ＝３と振動体６の波数が、
例えばｋ＝８のように非整数倍の関係の時、移動体３の
上下の変動量がほとんどなく、滑らかな回転が得られる
。また、移動体３の上下動のために、他の構成部分の共
振系を励振することにより発生していた騒音が励振され
にくくなる。さらに移動体３と振動体６との接触が時間
的に常に一定となり、振動エネルギーを有効に伝達でき
るため低入力でしかも高効率化が達成できるものである
。以上のように本発明によれば、移動体３の加圧点数ｍ
に対して、振動体６を励振する波数ｋとの比を非整数倍
の関係にすることにより、移動体３と振動体６との接触
しない時間がほとんどなく、また上下の変動がなくなる
ため騒音の発生が皆無で、モータ特性の安定した中空型
超音波モータを得ることができる。

【００１５】（実施例２）以下本発明の第２の実施例に
ついて、図面を参照しながら説明する。本実施例は、図
１に示した第１の実施例の構成に対して、振動体６に横
方向の振幅ｕを拡大するために突起体７を設けた中空型
超音波モータであり、他の構成は同じである。以上のよ
うに構成された中空型超音波モータについて、図４（ａ
），（ｂ）と図５（ａ），（ｂ）を用いてその動作を比
較しながら説明する。図４（ａ）は、例として移動体３
の加圧点数ｍ＝３に対して、振動体６に４ｋ個の突起体
７を有し、第１の実施例と同様に、円環形状を平面状に
展開した時の４ｋ個の突起体７を持つ振動体６の振動変
位とローラ加圧点による移動体３の変形による移動体３
と振動体６上の突起体７との接触の様子を示している。 この場合、同図のようにちょうど３箇所だけで振動体６
上の突起体７と移動体３とが接触している。また、同図
（ｂ）のように、移動体３の加圧位置に対して、相対的
に振動体６の励振波が１／２波長進んだ時の振動体６の
突起体７と移動体３との関係を示すものである。したが
って、図４（ａ），（ｂ）から、加圧点の個数ｍと突起
体数４ｋとの関係がいずれかの整数倍の時、同図（ｂ）
に示すように移動体３が上下の変動量だけ移動し、接触
状態が悪くなる。一方、本発明の図５（ａ），（ｂ）の
ように加圧点の個数ｍ＝３と振動体６上の突起体７数ｓ
が、図５のように例えば３つの波に対して８個の突起体
７を設けるような非整数倍の関係の時、たとえ波数ｋと
加圧点ｍの関係が整数倍であっても、移動体３の上下の
変動量がほとんどなく均一な接触により滑らかな回転が
得られる。また、移動体３の上下動のために、他の構成
部分の共振系を励振することにより発生していた騒音が
励振されにくくなる。さらに移動体３と振動体６との接
触が時間的に常に一定するため、振動エネルギーを有効
に伝達できるため低入力でかつ突起体による横方向の振
幅ｕが拡大され高速回転化により、さらなる高効率化が
達成できる。以上のように本発明の第２の実施例によれ
ば、移動体の加圧点数ｍに対して、振動体上に設けられ
た突起体数ｓとの比をどちらかの非整数倍の関係にする
ことにより、共振周波数や振動振幅の設計に大きく影響
する波数ｋを変える必要がなく、また、振動体上の突起
体により回転数の拡大と移動体の上下の変動に起因する
騒音の発生がなく、高効率で均一接触によるモータ特性
の安定した中空型超音波モータを得ることができる。

【００１６】（実施例３）本発明は、第１の実施例の構
成と第２の実施例の構成とを組み合わせることにより、
さらなる効果の向上が得られるものである。すなわち、
移動体３の加圧点数ｍに対して、振動体６の励振波数ｋ
と振動体６上に設けられた突起体数ｓとの関係がいずれ
かに対しても非整数倍構成とするものである。以上のよ
うに構成した本発明の第３の実施例によれば、第１と第
２の実施例の効果が同時に達成できるとともに、振動体
６の励振波数ｋと突起体数ｓが独立に設定できるため、
中空形状のいかなる大きさに対しても共振周波数，振動
変位量，回転数等が任意に設計できるので、工業上の利
点ははかりしれないものがある。なお、第１〜３の実施
例において、移動体の加圧点の個数を、安定にしかも確
実に接触させるために３点と限定したが、上記本発明の
関係を満足するものであればこの限りではない。また、
回転機構部２はローラ構成としたが、滑り軸受けなどで
もよく、移動体の回転を阻害しない構成であれば何でも
よい。さらに、回転機構部２は固定部１と相対運動する
構成で図中に示したが、固定部を省略しローラだけの構
成でもよいことは言うまでもない。

【００１７】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように本発明は、
ベアリングを省略することにより、慣性モーメントの減
少による高速応答性や軽量化・低コスト化、さらには形
状に対する制限が大幅に緩和され特殊形状のベアリング
等を用いる必要がなくなる等多くの利点が得られる。ま
た、数点加圧の回転機構部構成とした時に生じる騒音や
特性の不安定さを、加圧点の個数ｍに対して振動体の励
振波数ｋや振動体上に設けられた突起体数ｓとの関係を
非整数倍とすることにより、移動体の回転により発生す
る移動体と振動体との相対位置関係の上下動が時間的に
変動しないので、他の共振系を励振することがなく騒音
の発生が皆無である。また時間的に一定した接触が常に
得られるため、出力伝達効率が向上し低入力で高効率の
モータ特性に優れた中空型超音波モータを実現できるも
のである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す切り欠き斜視図

【
図２】（ａ）は従来の移動体と振動体の相対位置関係を
示す断面図 （ｂ）は（ａ）の位置関係を１／２波長ずらしたときの
断面図

【図３】（ａ）は本発明の第１の実施例の移動体と振動
体の相対位置関係を示す断面図 （ｂ）は（ａ）の位置関係を１／２波長ずらしたときの
断面図

【図４】（ａ）は振動体に突起を設けたときの、従来の
移動体と振動体の相対位置関係を示す断面図（ｂ）は（
ａ）の位置関係を１／２波長ずらしたときの断面図

【図５】（ａ）は本発明の第２の実施例の移動体と振動
体の相対位置関係を示す断面図 （ｂ）は（ａ）の位置関係を１／２波長ずらしたときの
断面図

【図６】従来の中空型超音波モータの切り欠き斜視図

【
図７】同超音波モータに用いた圧電体の形状と電極構造
を示す平面図

【図８】超音波モータの動作原理の説明図

【符号の説明】

１　　　　固定部 ２　　　　回転機構部 ３　　　　移動体 ４　　　　弾性体 ５　　　　圧電体 ６　　　　振動体 ７　　　　突起体

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　圧電体と弾性体とから構成される振動
   体と摩擦材からなる移動体を回転機構部を通して加圧接
   触させ、圧電体を交流電圧で駆動することにより前記振
   動体に弾性波を励振する超音波モータにおいて、前記回
   転機構部の加圧点の個数ｍと振動体を励振する励振波数
   ｋとの比（ｋ／ｍ）が整数倍でないことを特徴とする中
   空型超音波モータ。
2. 【請求項２】　　圧電体と複数個の突起体を有する弾性
   体とから構成される振動体と摩擦材からなる移動体とを
   回転機構部を通して加圧接触させ、圧電体を交流電圧で
   駆動することにより前記振動体に弾性波を励振する超音
   波モータにおいて、移動体を振動体に接触させる前記回
   転機構部の加圧点の個数ｍと振動体に設けた突起体の数
   ｓとの比（ｓ／ｍ）が整数倍でないことを特徴とする中
   空型超音波モータ。
3. 【請求項３】　　圧電体と複数個の突起体を有する弾性
   体とから構成される振動体と摩擦材からなる移動体とを
   回転機構部を通して加圧接触させ、圧電体を交流電圧で
   駆動することにより前記振動体に弾性波を励振する超音
   波モータにおいて、移動体を振動体に接触させる前記回
   転機構部の加圧点の個数ｍと振動体に設けた突起体の数
   ｓと振動体を励振する励振波数ｋとの比（ｓ／ｍ，ｋ／
   ｍ）がいずれも整数倍でないことを特徴とする中空型超
   音波モータ。