JPS61196773A - ころを用いた圧電モ−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】 〔産業上の利用分野および発明の目的〕本発明は圧電モ
ータの摺動機構の改良に係り、耐摩耗性に優れた圧電モ
ータを提供する９とを目的とする。

〔従来の技術〕

従来の圧電モータは、超音波振動をしている固定子の端
面に移動子の摺動面を直接圧着することにより、移動子
に移動トルクを与えるのが普通である。このとき、移動
子は超音波のミクロン程度の振幅に伴って一周期ごとに
一方向に移動する。

つまり固定子との接触個所が超音波振動の半周期ごとに
一方向に運動し、それらの接触個所は次の半周・期には
移動子から離れ、逆方向に運動して元に戻るのであり、
このとき移動子の動きは休止す乞。言いかえれば移動子
は超音波振動に同期した間歇運動を繰り返しているので
蔦る。

従って接触個所は同時に動き、同時に離れねばならない
が、固定子端面の振動の周期は同じでも振幅が一様でな
いため、成る接触個所は早く、太゛きく動こうとし、別
の個所は遅く、小さ゛くしか動けないので互にブレーキ
がかかり摩耗の原因となるだけでなく、時には太きなき
しみ音さえ発生する。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明は上述した従来技術の欠点を解消するもので、
移動子を固定子に直接圧着して、固定子の端面に発生し
ている超音波振動により、移動子が所望の方向に移動可
能な圧電モータにおいて、移動トルクの発生および伝達
の手段として、固定子端面と移動子の対向面ｔＩＪ＋に
ころを用いたことを％敵とする圧′亀モータによって目
的を達成したものである。

なお、本発明者は先願において、ねじり屈曲モードの波
数ｎが２以上の定在波が発生している円筒状固定子の周
面にロータすなわちころを介在させて移動子を移動させ
る構造の圧電モータを提案した。この場合円筒状固定子
の円周を２ｎ等分した個所に定在波振動の腹ができてお
り、それぞれ最大振幅で、しかも隣り合う腹同志が互い
に逆位相で振動しているため、発生する移動トルりも互
いに逆向きで相殺しあうので、ころを介せず移動子を周
面に直接ＥＥ看しても移動できない。したがってこの先
願は本発明には含まれないことｔｄｉうまでもない。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に従って説明する。

実施例１ 不発明に擦るころを用いた圧゛区モータの一実施例を第
１図に示す。第１図の実施例は、ｖ、３図に示した従来
の圧電モータの固定子端面とロータ６の間にころとして
ボールベアリング８および８′を置き、超音波振動体１
の端面に圧着され発生した回転トルクをロータ６に伝達
する機構である。このころを介在させる構造を採用する
ことＫよって、ロータ６とステータとの摺動面の摩耗が
著しく改善できたのである。

第１図の実施例の説明に先立って、本発明の理解を容易
にするため第３図に示した従来例について述べる。従来
の圧電モータには様々な型式・構造のものがあるが、ロ
ータ２６をステータに圧着し、圧着面に発生させた超音
波振動によってロータ加に移動トルクを与える機構であ
るから、共通した特徴は移動子を固定子に圧着する構造
からなっていることである。すなわち移動トルクは超音
波振動に伴う摺動であるため、負荷に大きな移動トルク
を伝達するには移動子と固定子の間の摩擦が不可欠であ
り、摩擦を大きくするには大きな圧着力を必要とする。

したがって圧電モータには摺動面が摩耗する宿命にある
と言う誤った考え方は容易に理解される。

一般に物体を動かすとき、辷らせるよりはころを介在さ
せる方が摩擦が少なく、摩耗しないことも良く知られて
いる。当然、圧電モータにもころを使った方が良いと言
えそうだ。しかし、ころを使うと摩擦が大幅に減るので
大きなトルクが伝達できないという欠点も伴うのである
。そこで最も合理的な手段を選ぶには圧電モータにおけ
る摺動面の摩耗の機構を考察する必要がある。本発明の
ポイントはこの点にあるのであって、先づ上述した圧電
モータの摺動機構に関する誤った考え方を正し、この発
明の基本が単にころを使えば良いという単純な思い付き
ではないことを述べよう。

従来の圧電モータの代表例として、第３図に示した片持
梁状超音波モータの動作について説明する。この圧電モ
ータは、圧電セラミックからなるドーナツ状の厚み振動
子ハおよび冴を円板状の金属座金ｎ、２５を介してポル
）３０で片轡梁の支持円板２１の紙のボルト孔に向って
締め付けることにより一体構成したものである。

圧電振動子おおよび冴は共に電極が付いており、分極処
理されているので、同極性面同志対向させ、リード線２
３’　、　２４’のついた端子板と重ねて締め付けられ
ている。リード線ｎ′および冴′の間に正弦波電圧を印
加すると、圧電振動子によって機械的振動に変えられ、
超音波振動が発生する。この振動はボルト（９）の長さ
に沿ったたて振動であるが、ボルト（ト）を介して片持
梁２１の支持板に屈曲振動が励振される。支持板に屈曲
振動が生ずるのは支持板のボルト孔のある底面に溝が刻
まれているからである。すなわち、支持円板の底面は円
周に沿った２個所だけ三ケ月形に残す幅広の平行な浅い
溝が掘られており、ポル）３０で締め付けられると、三
ケ月部が支持個所となり、ポル）３０に作用するたて振
動のため２つの支持部に対して円板が屈曲運動を行う。

円板の上部には矩形板状の梁が円板を固定端として片持
梁状に直立しているが、梁の幅方向は溝に平行ではなく
、可成りの角度をなしているため、円板が屈曲振動をす
ると梁にはねじり振動が生じ、梁の先端の両幅は第４図
に示したように互いに逆位相で振動し、正弦波の周波数
をこの振動の固有振動数と一致させると共振状態となり
、激しく振動する。

この振動はたて振動に寄生した振動であるから、梁の先
端の両幅部は、振動の軌跡が端面に垂直な面内の楕円運
動になる。しかもこの楕円運動の向きは采と溝との傾斜
角の正負に依存しており、基本状態における運動の向き
は傾斜角が正の場合は右まわり、負の場合は左まわりに
なる。

したがって、この端面にロータ２６を土層すれば、楕円
振動の成分が上向きのときはロータがを支えながら横向
きに移動し、楕円振動成分が下向きになるとロータあは
車軸のポールベアリングで支えられているため、−緒に
下へさがることはできす片持梁２１の端面から離れ置き
去りになる。この間に片持梁２１の端面先端は下へさが
りつつ、構成分は前とは逆に動いて、再び上向きに上が
って来てロータ２６に接するまで戻り、ロータ％に接す
ると再び前進する。

この運動で注目すべきことは、ロータとステータの接触
面は互に静止したままである。大きな負荷を移動させる
には、強い圧着力に抗する強い振動が必要であることは
当然だが、どこにも擦れる場所はない。ロータとステー
タの面は相対的には接触時には静止しており、移動トル
クを支える力は静止摩擦力である。それ故招動面（この
摺動という言葉さえ妥当ではないが）が摩耗する筈がな
いのである。このことが圧電モータの原理的に■要なポ
イントである。

一方、笑除に寿命テストを行ってみると、無負荷運転の
ときですら摺動面は央除倣しく摩耗し、時にはきしみ音
すら発する。静止している物体同志の間では絶対に起り
得ないことである。この理由は固定子端面の振動を考察
することから解明された。上述した靜止岸擦説は梁の振
動が一様なねじり振動の場合であり、梁の端面の掘１隅
は中心を軸とした径の長さに比例した大きさ、つまり中
心から一定の角度に振れるものであろう、ことに先端に
ロータが付いていない自由振動の場合は当然このように
なるものと想定された。

しかし、実測した振幅は第４図に示したように複雑であ
り、決して一様ではなかった。振幅の測点を根元として
振幅の向きと大きさとを矢印で示したものである。注目
すべきことは中心から同じ距離だけ離れた同一円周上で
すら振幅が違うことであり、一般に端面上の矢印の先の
方はど振幅示大きくなる傾向があるようである。その理
由は不明であるが、もしもこれが解明され、一様な振幅
の超音波楕円振動が実現できたならは抱動面に摩耗はな
くなるであろう。

一定の速さで回転するロータから見たとき、固定子との
接触面が同時に一定の角速度を与えるトルクで駆動され
ているならば摩耗は無い。摩耗が生じるのは接触部の角
速度が場所によって異なるためであり、ひどい場合はき
しみ音さえ生じる。

角速度の分布は同一周上で見ると一様ではないが、同一
径上では径の長さに比例してほぼ一様であり、径によっ
て角速度が異る現象を見出した。

このことから摩耗をさけるにはロータをステータに面接
触させるのは好ましくなく、さらに従来の片持采型の圧
電モータのように周に沿った帯状（同心円の帯状）に線
接触をさせると最悪の事態を招くことが判明した。一方
摩耗の点に関するかぎり、径に沿った線接触が最適であ
ろうと考えられる。そこで本発明のころを用いる構造が
生まれた。

先ず最初にもっとも簡単な実施例として第１図を説明す
る。第３図に示した従来の圧′亀モータの片持梁１とロ
ータ６の間に直径１ｏ■、厚さ３■。

内径４閣のボールベアリング８．８Ｉを配した。これら
のベアリング８．８′は片持梁先端面と一本の径に沿っ
て接するようシャフト９で支えられており、さらにシャ
フト９はこの径を離れてまわらないようにシャフト７に
固定されている。シャフト７は４簡のキャップボルトで
、ロータ６のシャフト６′の内部中空部に逼っており、
ロータ６１にそれの円板の底中心部に圧入されたベアリ
ング８．８′で支えている。このキャップボルト７０頭
はロータ６のシャフト部６′の中にあって、頭とベアリ
ングの間にコイルスプリングが挿入されている。

キャップボルト７の先端を片持梁１における端面の中心
の孔（第４図の孔２１　ａ参照）に嵌め、ロータ６が片
持梁１の端面の所望の径に接するまで締めつけたあと、
キャップボルト７の先端部に回り止めのピンを通す。こ
のとき、ベアリング８゜８′ハロータロを通してコイル
スプリングの力で、片持梁１の先端に強く圧着されてい
なければならない。

なお、図中の２は円板座金、３，４は圧電厚み振動子、
５はキャップボルト用座金％　　３’＃　４’はリード
線である。

このようにして本発明に係るころを用いた圧電モータの
一実施例が完成したのであり、電源に接続すると音もな
く軽快に、きわめてスムーズに回転し摩耗もなく長時間
寿命テストにも耐えた。この場合の寿命はベアリングそ
のものの寿命になるといって過１°ではなかろう。しか
も意外なことに案外大きな強いトルクの出力が得られた
。

実施例２ 実施例１では最も単純な例としてベアリングを用いたが
、通常のボールベアリングでは外径の太さが同じである
ため肉厚が厚くなると不都合を来たす。すなわち、片持
梁の端面における振動の角速度は径に沿ってほぼ一様で
あるため線速度は外周に向かうほど大きくなる。肉厚の
ベアリングを使うと周速が一定のため内周と外周とで回
転速度にずれを生じ摩耗の原因となる。径に沿って配置
されたころが一定の速度で回転するためには径の内側に
向ってころの直径が細くなるようテーパーが付いていな
ければならない。縞２図はテーパー付きの紡錘形ころ１
８および１８′を用いた実施例を図示したものである。

この図においてｌｌは片持梁、１２は円＆雁金、１３゜
１４は圧電厚み振動子、１５はキャップボルト用座金、
１６はロータ、１７はキャップボルト、１８．１８’は
ころ、１３’　、　１４’はリード線である。

片持梁１１の先端にもこる１８．１８’の径より−まわ
り太いテーパーの付いた溝が雨樋のように刻まれており
、ロータ１６０ノ底面も水平でなく、コーン状にテーパ
ーが付いているので、ロータ１ｂところ１８゜１８′と
の接触も大きなトルクを伝達するに十分である。片持梁
１１における先端の雨樋状溝のためころ１８．１８′は
軸を固定しなくとも溝からとび出すことなく、常に振動
の角速度が一定の接線上に接触した状態で転がるのであ
るが、ころ１８．１８’の細い先の部分にはくびれがあ
り、これに対応する溝には溝の丸みに沿った帯状の凸部
があり、ころ１８．１８’のくびれがこれに柱状に嵌る
ので、転がりながら径方向にとび出すこともない。なお
、ころのテーパーは必ら、ずしも直線と限らず、線速度
を合わせるため曲面状にすることもある。以上の例はい
づれも片持梁状圧電モータのロータとステータの間にこ
ろを介在させた代表例を示したが、他の型の回転モータ
、リニアモータの場合もころを介在させることにより摩
耗、きしみのないスムーズな回転が得られることは言う
までもない。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明は、移動子を固定子に直接圧
着して、固定子の端面に発生している超音波振動により
、移動子が所望の方向に移動可能な圧電モータにおいて
、移動トルクの発生および伝達の手段として、固定子端
面と移動子の対向面間にころを用いたことを特徴とする
圧電モータの構成にしたから、移動子が一定速度で滑ら
かに移動できるようになり、ころを介在させず移動子を
直接圧着じた従来のモータのような移動速度のむらによ
るきしみあるいは摩耗などが生じる原因を除去でき、滑
らかな移動と長寿命のモータを作ることができるという
実用上きわめてｈａな効果が得られた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例１に係る圧′亀モータの正面図
、第２図は本発明の実施例２に係る圧電モータの正面図
、第３図は従来の圧電モータの正面図、第４図は片持采
状圧電モータの固定子端面に発生する超音波ねじり振動
を示す説明図である。 １．１１・・・・・・片持梁、６，１６・・・・・・ロ
ータ、８．８’。 １８．１８’・・・・・・ころ。 代理人　弁理士　武　顕次部梨那拍 ’７１　　図 才３ｎ ブ　　千　　１霞

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．　移動子を固定子に直接圧着して固定子の端面に発
   生している超音波振動により移動子が所望の方向に移動
   可能な圧電モータにおいて、移動トルクの発生および伝
   達の手段として、固定子端面と移動子の対向面間にころ
   を用いたことを手段とする圧電モータ。