JPH0723036Y2 - 超音波モータ - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この考案は、超音波モータに係り、特に円盤等の回転運
動の駆動源に用いて好適な超音波モータに関する。

［従来の技術］ 電子機器や精密機械においては、取付のためのスペース
が少なくてすみかつ厳密な位置決め精度が可能であるよ
うなアクチュエータが要求される。

そこで、本出願人は、製造工程において加工精度をあげ
る必要がなく、かつ構成部材の共振状態を利用した効率
の良い超音波モータを先に提案した（特願昭63−60714
号）。

これは、例えば第４図に示すように、互いに平行な角柱
状の脚部1,2のそれぞれの一端を角柱状の胴部３で連結
して振動体４を構成し、この振動体４の両角部の取付面
５に脚部1,2および胴部３に振動を付与する振動源（例
えば圧電素子）6,7を取り付けたものであり、上記各脚
部1,2の先端を、円柱状をなすレール８上部に形成され
た走行面8aに当接させた状態下で各振動源6,7から各脚
部1,2及び胴部３に振動を付与することで、各脚部1,2の
先端に胴部３の長手方向に沿った同一周波数で位相の異
なる振動を生じさせ、これにより振動体４をレール８に
沿って一方向に直線運動させるか、あるいは振動体４を
固定してレール８を一方向に直線的に移動ささせるよう
になっている。なお、前記特許出願においては、振動源
６、７が脚部１、２に与える振動のうち、脚部１、２の
軸線に平行な振動成分が縦振動を与え、脚部１、２の軸
線に垂直な成分が撓み振動を与える結果、脚部１、２の
先端部に楕円振動または円振動を生じさせることがで
き、更に振動源６、７が付加させる振動の周波数を調整
することにより振動体４をレール８に沿って正逆どちら
か一方向に移動させることができることが記載されてい
る。また、脚部１、２の先端部における楕円振動が同一
位相であっても良いが、適当な位相ずれを有している方
が更に効率を高めることができ、そのためには、それぞ
れの脚部に振動源を配し、その交番電源の位相を適宜ず
らすことが好ましいことが記載されている。

［考案が解決しようとする課題］ ところで、上述した従来の超音波モータは、主として直
線運動に主眼をおいて案出されたものであるため、例え
ば第３図に示すように円盤Ｄを回転運動させる駆動源と
して用いた場合には、各脚部1,2から与えられる駆動力F
₁の向きと、円盤Ｄの回転方向（図中矢印Ｒ方向）とが
一致せず、このため円盤には各脚部1,2の駆動力の接線
方向分力とほぼ等しい力F₂しか作用しないこととなっ
て、効率の相当の低下が免れ得なかった。

この考案は、このような背景の下になされたもので、円
盤等を回転運動させる駆動源として用いた場合に、効率
低下を招くことがなく、しかも駆動源として小型軽量化
が可能であり、振動を効率良く脚部に伝達できて走行制
御が容易であるとともに、円盤等の走行面に沿って脚部
と胴部を効率良く回転移動することができ、小型軽量化
が可能であり、走行制御が容易な超音波モータを提供す
ることを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 上記課題を解決するためにこの考案の１つは、回転中心
軸を有し、この回転中心軸に直交する少なくとも１つの
走行面を有する被回転体を回転駆動する超音波モータで
あって、前記回転中心軸を中心とする円弧に沿って湾曲
されて走行面上に走行面と離間して配置される円弧状の
胴部と、この胴部の両端部に前記走行面側に突出して形
成されて走行面にそれぞれ接触される一対の脚部と、胴
部の両端部に形成された傾斜取付面の各々に取り付けら
れて脚部に振動を付加し、各脚部の先端部に胴部の湾曲
方向に沿って位相が異なり、かつ、走行面と垂直な面に
沿う回転運動を生じさせて各脚部の先端部により交互に
走行面を胴部の湾曲方向に沿って蹴り付けて被回転体を
回転させる振動素子とを具備してなるものである。

また、上記課題を解決するためにこの考案の他の１つ
は、回転中心軸に直交する走行面に沿って前記回転中心
軸回りに回転移動する超音波モータであって、前記回転
中心軸を中心とする円弧に沿って湾曲されて走行面上に
走行面と離間して配置される円弧状の胴部と、この胴部
の両端部に前記走行面側に突出して形成されて走行面に
それぞれ接触される一対の脚部と、胴部の両端部に形成
された傾斜取付面の各々に取り付けられて脚部に振動を
付加し、各脚部の先端部に胴部の湾曲方向に沿って位相
が異なり、かつ、走行面と垂直な面に沿う回転運動を生
じさせて各脚部の先端部により交互に走行面を胴部の湾
曲方向に沿って蹴り付けて胴部を回転中心軸回りに回転
移動させる振動素子とを具備してなるものである。

［作用］ 上記構成によれば、振動付与手段からの加振により振動
体は胴部の湾曲方向に沿って振動するため、各脚部の先
端から走行面に伝えられる駆動力は胴部の湾曲方向に沿
ったものとなる。従って振動体をレールなどの固定され
た走行面に対して移動自在に設けた場合は、振動体が走
行面上を胴部の湾曲方向に沿って円弧状の軌跡を描きな
がら移動し、また、逆に振動体の移動を拘束しておき、
胴部湾曲方向と回転方向が一致する回転体の表面を走行
面として用いる場合には、回転体が回転させられること
となる。また、本願考案の構成によれば、超音波モータ
を走行面上の任意の位置に非回転体とは別個に設置する
ことが可能なので構成の自由度が高く、小型化、軽量化
が可能な特徴がある。更に、胴部の両端部で脚部の付け
根の部分に振動素子を設けることで、脚部に振動を効率
良く伝えることができ、各脚部の振動に位相ずれを起こ
させる場合に、各振動素子の駆動用交番電源の位相を適
宜ずらすことで容易に対応でき、振動制御が容易にでき
る。

なお、振動素子を胴部両端の傾斜取付面の各々に取り付
けているので、各振動素子により胴部の湾曲方向に沿う
振動と脚部の長手方向に沿う振動を付加することがで
き、各脚部の先端部に胴部の湾曲方向に沿って位相が異
なり、かつ、走行面と垂直な面に沿う回転運動を確実に
生じさせることができる。

［実施例］ 以下、第１図ないし第３図を参照して、本考案の実施例
を説明する。

第１図において符号９は振動体であり、この振動体９
は、回転駆動の対象として設けられた円盤（被回転体）
Ｄの走行面ｄ上に直立された２本の等長の脚部10,11
と、これらの脚部10,11の基端側を連結する胴部12とか
ら構成されている。これらはいずれも断面略正方形状を
なす弾性材料製の角柱からなるもので、胴部12は各脚部
10,11の長手方向と直交する面内で円弧状に湾曲され、
その曲率は上記円盤Ｄの外周縁部の曲率と同一に定めら
れている。一方脚部10,11の湾曲面側を向く２側面は胴
部12の内外周湾曲面と略面一をなすように若干曲面状に
形成されており、また胴部12の湾曲方向外側を向く側面
10a,11aの向きは胴部12両端における中心線の接線と直
交する向きに定められている。なお、これら脚部10,11
及び胴部12の寸法は適宜定められるが、例示のものはア
ルミニウムを材質とし、脚部10,11が断面5mm角、長さ10
mm、胴部12が断面5mm角、中心線上における円弧長さ31m
m、曲率半径100mmとされている。振動体９の材質は、こ
の他、ジュラルミン、鉄、真鍮あるいはステンレス鋼な
どの金属材料、アルミナ、ガラスあるいは炭化珪素など
の無機材料、ポリイミド系樹脂あるいはナイロンなどの
有機材料などが使用できる。

振動体９の両角部は各脚部10,11の側面10a,11aに対する
面取角45度、胴部12の上面からの面取量5mmで以て面取
りされており、それぞれの傾斜取付面13に、角柱状をな
す圧電素子（振動素子）14,15が、胴部12両端における
中心線の接線方向に向かって各脚部10,11の中心線に対
して45度の傾斜角を以て取り付けられている。これら圧
電素子14,15は、積層型圧電アクチュエータあるいは圧
電セラミックスが使用され、図示せぬ電源から印加され
る交番電圧によりそれぞれの長手方向に伸縮するように
なっている。なお、図示の例では圧電素子14,15に5mm□
×9mmLのものを用い、取付面13への固定には接着剤を使
用した。

上記振動体９は、第２図ないし第３図により詳細に示す
ように円盤Ｄの外周縁部に胴部12の曲率中心を円盤Ｄの
中心軸Ｓと一致させた状態で中心軸Ｓに対して対称な位
置に２個配置され、図示せぬ拘束手段によってそれぞれ
の移動が拘束された状態で使用される。なお、円盤Ｄは
中心軸Ｓを中心として回転自在に設けられている。

次に、以上のように構成された超音波モータの作用を説
明する。なお、以下の説明では水平方向にＸ軸、垂直方
向にＹ軸を取るものとする。

いま、第１の圧電素子14（第１図において左側）に振動
体９の共振周波数と同一周波数の電圧、 Va＝Ｅ・sinωｔ を印加し、また、第２の圧電素子15（第１図において右
側）にこれと位相が90度異なる電圧、 Vb＝Ｅ・sin（ωｔ−1/2π） を印加して圧電素子14,15を振動体９の共振周波数でそ
の長手方向に振動させる。

これにより振動体９はその共振状態における振動モード
に従って水平方向には胴部12の湾曲方向に沿って振動
し、垂直方向には各脚部10,11の長手方向に沿って振動
する。

そこで、脚部10の下端に生じる振動を、 X₁＝A₁・sin（ωｔ＋α₁₁） Y₁＝B₁・sin（ωｔ＋α₁₂） また、脚部11の下端に生じる振動を、 X₂＝A₂・sin（ωｔ＋α₂₁） Y₂＝B₂・sin（ωｔ＋α₂₂） とすれば、脚部10の水平方向の位相差α₁₁と垂直方向位
相差α₁₂、及び脚部11の水平方向の位相差α₂₁と垂直方
向の位相差α₂₂がそれぞれ90度ずれた状態、すなわち、 α₁₂−α₁₁＝α₂₂−α₂₁＝π/2、３π/2 の時、各脚部10,11下端の描く軌跡は、 脚部10下端：（X₁／A₁）^２＋（Y₁／B₁）^２＝１ 脚部11下端：（X₂／A₂）^２＋（Y₂／B₂）^２＝１ となり、同一方向への楕円若しくは円（A₁＝B₁，A₂＝B₂
の時）となる。そして、さらに各脚部10,11下端の水平
方向の位相差α₁₂とα₂₂がそれぞれ180度異なる状態、
すなわち、 α₁₁−α₂₁＝α₁₂＝α₂₂＝π であれば、各脚部10,11の下端は、第１図に示すように
胴部12両端における中心線の接線に沿った一の方向へ位
相が180度異なった状態で回転運動することとなる。

このように各脚部10,11の下端が胴部12の湾曲方向に沿
って位相が異なる回転運動すると、各脚部10,11のうち
いずれか一方が下降状態の時他方は上昇状態となり、胴
部12湾曲方向への運動方向はそれぞれ逆向きとなる。そ
して、上昇状態にある脚部は下降状態にある脚部よりも
走行面ｄに対する圧接力が強いことから、円盤Ｄには脚
部10,11のうちで下降状態にあるいずれか一方が走行面
ｄを胴部12の湾曲方向へ向かって蹴る力が優先的に作用
することとなり、この結果円盤Ｄは第２図に示すように
同一方向へ連続的に回転駆動されることとなる。なお、
本願考案の超音波モータにおいては、先に特許出願して
いる特願昭63−60714号に記載の超音波モータと同じよ
うに、圧電素子14、15が脚部10、11に与える振動のう
ち、脚部10、11の軸線に平行な振動成分が縦振動を与
え、脚部10、11の軸線に垂直な成分が撓み振動を与える
結果、脚部10、11の先端部に前述の如く楕円振動または
円振動を生じさせることができ、更に圧電素子14、15が
付加させる振動の周波数を調整することにより、脚部1
0、11が円盤Ｄを蹴り付ける力を正逆両方向に調節でき
るので、円盤Ｄを正逆両方向のどちらか一方に回転させ
ることができる。

また、胴部12の両端部、即ち、脚部10、11の付け根の部
分に圧電素子14、15を取り付けているので、圧電素子1
4、15により脚部10、11に振動を直に付加することが容
易にでき、振動伝達上の効率が良いとともに、各脚部の
振動に位相ずれを起こさせる場合に、圧電素子14、15の
駆動用交番電源の位相を適宜ずらすことで容易に対応で
き、振動制御は容易にできる。更に、脚部10、11を用い
て被回転体の回転駆動を長時間行って脚部10、11が損耗
しても、脚部10、11を円盤Ｄに押し付けて駆動する方式
を取っているので、脚部10、11を確実に円盤Ｄの走行面
ｄに接触させることができ、回転駆動力が低下すること
はない。

更に、以上の如く圧電素子14が胴部12の湾曲方向に沿う
振動と脚部11の長手方向に沿う振動を付加して脚部11の
先端に楕円振動または円振動を生じさせるとともに、圧
電素子15が胴部12の湾曲方向に沿う振動と脚部10の長手
方向に沿う振動を付加して脚部10の先端に楕円振動また
は円振動を生じさせ得るのは、胴部12の両端の傾斜取付
面13に圧電素子14、15を取り付けているためである。即
ち、この傾斜取付面13を介して脚部10あるいは脚部11に
振動伝達するので、１つの圧電素子14あるいは１つの圧
電素子15の振動を胴部12の湾曲方向に沿う振動と脚部11
の長手方向に沿う振動に分解して効率よく伝達し、走行
力に変換することができる。

以上の説明から明らかなように、本実施例の超音波モー
タにあっては、胴部12が円盤Ｄの外周縁部と同一曲率に
湾曲されているため、各脚部10,11下端に生じる振動の
水平方向成分は胴部12の湾曲方向に沿ったものとなる。
このため第３図に示すように各脚部10,11下端から円盤
Ｄに与えられる駆動力F₃は円盤Ｄの周方向に沿って作用
し、従来の超音波モータの振動体４によって与えられる
接線方向分力に近似の駆動力F₂に比してその効率は非常
に優れたものとなる。

なお、本実施例においては、特に圧電素子14,15を振動
体９の両角部に配置し、これらに位相が90度異なる交番
電圧を印加しているが、本考案の超音波モータはこれに
限るものではない。すなわち、これらは振動体９に上述
のような回転振動を生じさせるものであれば良いのであ
り、電圧の位相差を変化させたりと振動体９の共振状態
における振動モードに応じて種々変更され得るものであ
る。

また、振動体９の使用形態も本実施例のように２個使用
の場合に限らず一個でも駆動可能であり、さらに多数個
を並設することも当然に可能である。

さらに、本考案の超音波モータは、円盤Ｄのような回転
体を駆動対象とするものに限られず、円盤Ｄ、すなわち
走行面側を固定して振動体自身を円弧状に移動させるこ
とも当然に可能である。

なお、前述のように振動体９を用いて円盤Ｄを回転駆動
する場合と、円盤Ｄの走行面ｄに沿って振動体９を移動
させる場合のいずれにおいても本願考案の超音波モータ
は円盤Ｄとは別個に設けることができるので、円盤Ｄの
大きさや設置状況などに影響されることなく駆動部を小
型軽量化することが容易にでき、更に、圧電素子14、15
に付加する振動の周波数を調整することで正逆方向のど
ちらの一方向にも駆動可能である。

［考案の効果］ 以上説明したように、この考案にあっては振動体の胴部
を走行面と平行な面内で円弧状に湾曲させたため、振動
素子からの加振により振動体は胴部の湾曲方向に沿って
振動する。従って、各脚部の先端から走行面に伝えられ
る駆動力は胴部の湾曲方向に沿って作用し、その効率は
従来の直線状の胴部をもつ超音波モータに比して極めて
優れたものとなる。特に、本考案の超音波モータにおい
て、円盤等の被回転体を回転駆動するものにおいては、
振動素子の振動付加によって脚部の先端部に、胴部の湾
曲方向に沿って位相が異なる回転運動を行わせることが
でき、これにより脚部で交互に走行面を蹴り付けて被回
転体を一方向に回転駆動することができる。また、この
考案の超音波モータを設ける位置は、被回転体の走行面
上の任意の位置で良く、設置場所の自由度が高い特徴が
ある。

更に、振動素子を取り付けた場所が、胴部の両端部で脚
部の付け根の部分であり、振動素子の振動は直に脚部に
直に伝達されるので、振動伝達が良好で振動制御も容易
になる。即ち、各脚部の先端部における振動に適当な位
相ずれを生じさせて効率を高める場合に、それぞれの脚
部に振動素子を配しているので、その交番電源の位相を
適宜ずらすことで容易に振動制御することができる。

更にまた、脚部を用いて被回転体の回転駆動を長時間行
って脚部が損耗しても、脚部は被回転体に常に押し付け
られるので、回転駆動力が低下することはない。

次に、円盤等の走行面に沿って回転移動する本考案の超
音波モータにおいては、振動素子の振動付加によって脚
部の先端部に、胴部の湾曲方向に沿って位相が異なる回
転運動を行わせることができ、これにより脚部で交互に
走行面を蹴り付けて超音波モータを所定の方向に回転駆
動することができる。その際に、脚部の回転運動を胴部
を含む円周方向に作用させることができるので、脚部の
振動による力を効率良く回転運動力に変換することがで
きる。また、超音波モータを設ける位置は、走行面上の
任意の位置で良く、設置場所の自由度が高い特徴があ
る。

更に、振動素子を取り付けた場所が、胴部の両端部で脚
部の付け根の部分であり、振動素子の振動は直に脚部に
伝達されるので、振動伝達が良好で振動制御も容易にな
る。即ち、各脚部の先端部における振動に適当な位相ず
れを生じさせて効率を高める場合に、それぞれの脚部に
振動素子を配しているので、その交番電源の位相を適宜
ずらすことで容易に振動制御することができる。

更にまた、脚部を用いて被回転体の回転駆動を長時間行
って脚部が損耗しても、脚部は被回転体に常に押し付け
られるので、回転駆動力が低下することはない。

また、本願考案の超音波モータは、胴部と脚部と脚部の
両端部に設けた振動素子からなり、被回転体の周面の１
つを走行面として振動体を移動させるので、構成が簡単
で被回転体の大きさに制約を受けず、小型化、軽量化が
可能な特徴がある。

更に、以上の如く一方の圧電素子が胴部の湾曲方向に沿
う振動と脚部の長手方向に沿う振動を付加して脚部の先
端に楕円振動または円振動を生じさせるとともに、他の
圧電素子が胴部の湾曲方向に沿う振動と脚部の長手方向
に沿う振動を付加して脚部の先端に楕円振動または円振
動を生じさせ得るのは、胴部の両端の傾斜取付面にそれ
ぞれ圧電素子を取り付けているためである。即ち、この
傾斜取付面を介して脚部あるいは脚部に振動伝達するの
で、一方の圧電素子あるいは他方の圧電素子の振動を胴
部の湾曲方向に沿う振動と脚部の長手方向に沿う振動に
分解して効率よく伝達し、走行力に変換することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の一実施例の構成を示す斜視図、第２図
はその使用状況を示す斜視図、第３図は本考案の一実施
例の超音波モータの駆動力伝達方向と従来の超音波モー
タの駆動力伝達方向を示す平面図、第４図は従来の超音
波モータの一例を示す図である。 ９……振動体、10,11……脚部、12……胴部、13……傾
斜取付面、14,15……圧電素子（振動素子）、ｄ……走
行面。

Claims (2)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】回転中心軸を有し、この回転中心軸に直交
   する少なくとも１つの走行面を有する被回転体を回転駆
   動する超音波モータであって、前記回転中心軸を中心と
   する円弧に沿って湾曲されて走行面上に走行面と離間し
   て配置される円弧状の胴部と、この胴部の両端部に前記
   走行面側に突出して形成されて走行面にそれぞれ接触さ
   れる一対の脚部と、胴部の両端部に形成された傾斜取付
   面の各々に取り付けられて脚部に振動を付加し、各脚部
   の先端部に胴部の湾曲方向に沿って位相が異なり、か
   つ、走行面と垂直な面に沿う回転運動を生じさせて各脚
   部の先端部により交互に走行面を胴部の湾曲方向に沿っ
   て蹴り付けて被回転体を回転させる振動素子とを具備し
   てなることを特徴とする超音波モータ。
2. 【請求項２】回転中心軸に直交する走行面に沿って前記
   回転中心軸回りに回転移動する超音波モータであって、
   前記回転中心軸を中心とする円弧に沿って湾曲されて走
   行面上に走行面と離間して配置される円弧状の胴部と、
   この胴部の両端部に前記走行面側に突出して形成されて
   走行面にそれぞれ接触される一対の脚部と、胴部の両端
   部に形成された傾斜取付面の各々に取り付けられて脚部
   に振動を付加し、各脚部の先端部に胴部の湾曲方向に沿
   って位相が異なり、かつ、走行面と垂直な面に沿う回転
   運動を生じさせて各脚部の先端部により交互に走行面を
   胴部の湾曲方向に沿って蹴り付けて胴部を回転中心軸回
   りに回転移動させる振動素子とを具備してなることを特
   徴とする超音波モータ。