JPS6149671A - 超音波モ−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】 ［発明の技術分野］ 本発明は、超音波モータに関し、特に、定在波を利用し
て、高効率、高出力を図った超音波モータに係わる。

［発明の技術的背景］ 従来から、第１図（ａ）、（ｂ）に示すような超音波モ
ータが知られている。この種のモータは。

圧電振動子２０を接着した弾性体２１から成るステータ
Ｓと、この弾性体に接触されたロータ２２とから構成さ
れている。圧電振動子２０は強誘電体、例えばチタン酸
バリウムやチタン酸ジルコン酸鉛から成り、高電圧を印
加して分極し、その分極方向に交番電圧を印加すると電
歪による振動を生じる。この振動子は、該分極方向（小
円内に点および十字、で示す）を交互に変えて、弾性体
２１の周方向に配置された各振動子２０ａ、２０ｂ・・
・・から成る。弾性体２１は、１つの態様において電気
導体である。超音波信号源ｖｏをリードＰＪＡ２３．２
４とアース８間から振動子２０に印加すると、例えば一
方の振動子２０ａはステータの弾性体２１の周方向に伸
長するように、他方の振力子２０ｂは圧縮するように、
それぞれ分極方向が異なって設定されているので、弾性
体２１は第２図に示す如く加振される。この波動は、い
わば縦波と横波との複合波とも称すべき表面弾性波また
は撓み波である。振動子２０　ａ　＝　ｂの周方向の寸
法によって規定される波長λ中の、弾性体の表面におけ
る１つの粒子として把握できる頂点Ｐは、周方向Ｘの短
軸２ｕ、縦方向Ｚの長軸２ｗの楕円軌跡を描く。弾性体
２１がロータ２２と接触する頂点Ｐで、波動は方向２６
にＶ＝２７ｃｆｕの速度で進行波として伝播する。この
結果、ロータ２２は弾性体２１との摩擦力で波動の進行
と逆方向２７に速度Ｖで駆動され、表面波モータが構成
される。なお。

振動子に印加する交番電圧の位相を変更すると、撓み振
動の波動は逆方向になるので、ロータの回転方向を変え
ることができる。この場合、ステータＳの内径をｒ、外
径をａ、ヤング率をＥ、密度をρ、ポアソン比をσとす
れば、ステータの固有共振周波数（ω。＝２πｆｎ）は
。

で表わされる。式中、αｎｏは半径比Ｘ、）＝ｒ／ａの
関数である。

［背景技術の問題点コ 而して、かかるモータは、ステータＳの弾性体２１の表
面゛粒子の回転運動を利用しているため。

弾性波は進行波である必要があり、もしも定在波が発生
すると該表面粒子は縦方向Ｚのみであり前述の楕円軌道
を描かないから、モータ効率は低下する。そこで、定在
波の発生を防止するため、第１図（ｂ）に示す如く、空
隙部２５を設けて振動子２０を２グループに分離独立さ
せたり、グループ化された振動子のリード線２３．２４
へ印加される超音波信号源の位相をπ／２ｒａｄンフト
する等の措置を構する必要がある。

また、楕円軌道で回転するステータの表面粒子の頂点ｐ
、　ｐ’・・・のみが口〜夕と接触しなければならない
から、ステータとロータの摩擦損失を防ぐために、両者
の表面粗度は粒子軌道の長径Ｗに比して無視できるほど
極めて精度の高い機械加工をして平滑面を形成すること
が要求される。このため、表面粗さはモータ効率の低下
に直結する。

（特公昭５７−２１９３号、特開昭５４−１６４２０２
号、特開昭５５−１２５０５２号、特開昭５６−１３８
４６９号、特開昭５７−７８３７８号、特開昭５８−９
３４７８号、特開昭５８−１４８６８２号各公報および
ＮＩＫＫＥＩ　ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ　１９８３．２．
２８第４４〜４９頁「大トルクで定速回転する表面波モ
ータ」）。

［発明の目的コ 本発明は叙上の従前の難点を解消するためになされたも
ので、定在波を積極的に利用することにより、高効率、
高出力を図った超音波モータを提供せんとするものであ
る。

［発明の概要コ このような目的を達成するため、本発明の超音波モータ
は、回転中心を持ちその回転方向へ回動可能なロータと
、超音波信号が印加されて前記回転方向への駆動成分を
持つ円運動を有する定在波を発生させ少なくとも弾性体
のステータを構成する振動子と、前記ステータの前記円
運動が発生されている区域上に固定されて該駆動成分を
前記ロータヘ伝達する接触子とを備え、前記ステータの
定在波の節の部分に突設された支持ビンを、支持枠に穿
設された開孔に遊嵌せしめている。

［発明の好ましい実施例コ 以下、本発明の好ましい実施例を図面に沿って詳述する
。

第３〜９図において、本発明による超音波モータは、後
述のように、回転中心Ｏを持ちその回転方向ＲＤへ回動
可能なロータ３ｏと、超音波信号が印加されて前記回転
方向ＲＤへの駆動成分を持つ円運動３５を有する定在波
３７．３８を発生させ少なくとも弾性体３２のステータ
Ｓを構成する振動子３１と、前記ステータの前記円運動
が発生されている区域Ｚ上に固定されて該駆動成分を前
記ロータヘ伝達する接触子３３とを備えている。

この実施例において、ステータＳの振動子３１は、第３
図に示すように１分極方向（小円内に点および十字で示
す）を交互に変えて、弾性体３２の周方向に間隙なく配
置された各振動子３１ａ。

３１ｂ・・・・から成り、図示の例では１２枚の扇形振
動素子で構成されている。これをリング状の弾性体３２
に接着せしめるとステータＳが構成される。各振動子３
１の一方の電極面にはリード線３４が、他方の電極面に
は共通アースＥが夫々接続される。なお、各振動子の分
極方向を同一とし、印加電圧を交互に逆方向に変えるよ
うに回路構成してもよい。また以上の例では振動子３１
と弾性体３２を別体に構成しているが、振動子３１を弾
性材料により形成し、振動子と弾性体を一体構造とする
こともできる。

接触子３３は図示の例においてステータＳの振動子３１
上の所定位置に固定されてロータ３０に接触されている
が、別法としてステータＳの弾性体３２上に固定してロ
ータ３０に接触させるようにしてもよい。

前述のステータ固有共振周波数をもつ超音波信号源ＶＯ
５１ｎ　（１１ｔをリードＪｉ＄３４と７−スＥｉｆｌ
から振動子３１に印加すると、例えば一方の振動子３１
ａはステータＳの弾性体３２の周方向に伸長するように
、他方の振動子３１ｂは圧縮するように、それぞれ分極
方向が異なって設定されているので、振動子３１は径方
向の振動（伸縮）と周方向の振動（伸縮）をするため、
弾性体３２．即ちステータＳは傘歯車状に振動する（第
５図、ａ、ｂ）。こ九を詳述すると、振動子３１ａのよ
うな分極方向をもった振動子は径方向へ振動する定在波
３８を発生し、３１ｃのような反対の分極方向をもった
振動子はπｒａｄ異って径方向へ振動する定在波３８′
を発生する。この径方向の振動と周方向の振動との関係
は前述のポアソン比によって定められる。従って、第５
図（ｂ）に示すように、いま超音波信号源’ＪＯ５ユｎ
ωｔが正であるときステータＳは振動子３１ａ、３１ｂ
の如く加振され、負であるときステータＳは振動子３１
ｃ、３１ｄの如く加振されるから、１つの振動子上の接
触子３３は信号源の１サイクルに亘って、振幅Ｒ０で径
方向に振動することになる。

一方１周方向の振動について考えてみると、第６図の如
く、一つの振動子３１は周方向Ｘ（−Ｘ）の中心Ｑ′で
は変位せず、両端において周方向に伸縮する挙動を呈し
ている。この波動は、第７図に示す如く、変位の大きさ
は中心○′で零１両端で最大の伸縮をする定在波３７を
発生していることになる。

そこで、これらの径方向Ｒおよび周方向Ｘの両定在波３
８，３７をそのリサージュ図形により合成すると、振動
子３１．従ってステータＳ上の粒子として把握できる表
面各部は、第８Ｖ；Ａに示す如（１円運動３５の軌道を
描く。なお、本明ａ１８において１円」とは、真円のみ
ならず楕円をも含める趣旨である。図から明らかなよう
に、１つの振動子３１のＸ方向と−Ｘ方向では円運動の
駆動（回転）方向は逆になる。そこで、接触子３３をス
テータＳの前記円運動３５が発生されている区域Ｚ（図
では１つの振動子について３個づつ方向が異なる円軌跡
６個を描いている。従って、周方向中心０′と周方向端
縁０″には円Ｍ動は発生しない）へ固定し、これをロー
タ３０に接触させる（第４図〕ことにより、ロータ３０
は回転方向ＲＤへ駆動される；この場合、複数個の接触
子３３（図面では３個）を用いる際には、モータ効率上
、円運動３５の回転方向が同一である区域Ｚにそれぞれ
固定するのが好ましい。

次に、接触子３３における前記円運動３５によリロータ
３０に対する回転方向ＲＤへの駆動乃至回転成分が得ら
れるメカニズムについて説明する。

いま、説明を簡単にするために振動子３１上の円運動３
５′を真円運動に想定し、その軌跡を極端に誇張し、該
挙動を図示すると第９図のようになる。図から明らかな
ように、ロータ３０の回転はロータ３０の回転方向ＲＤ
に対して正の回転トゝ＼−ノ′ ルクを発生し、円弧ＪＶ’ｌ［ｌ’は逆の回転トルクを
発生している。第９図において、黒丸を付加した矢印は
円運動３５′による各軌道部分における力、太い矢印は
回転トルク、その他の矢印は求遠心力成分を夫々示す。

そこで１円軌道３５′の中心がｆ′Ｘ　　　夏 ロータ３０の周上にあるかぎり、川’　ＩＶ　’　＞　
ＩＶ　’　ＩＩ　’であるから、両者の回転トルクのベ
クトル和により、該円運動について、第９図に示す時計
回りの回転方向ＲＤへの駆動成分が得られる。この駆動
成分は接触子３３を介してロータ３０へ伝達されて、ロ
ータを回転方向ＲＤへ１ＢＩｊ　１ｌｉｌＪするもので
ある。

図から解かるように、円運動３５′は楕円である方が−
）′〉ｉ裔ｉとなるから、大きな駆動成分を得ることが
できる。

以上の実施例において、撮動子および接触子は夫々複数
個用いたものについて説明したが、それぞれ単一のもの
で構成することができる。接触子を単一にしたときは、
ロータの適当な支持手段が必要となる。また、ロータお
よびステータ（振動子および弾性体）はリング状のもの
について例示したが、これらを所定角度のセクター状に
して構成してもよい、従って、本明細書中にて「回転」
とは２πｒａｄの変位のみならず、それ以下の角度での
回動をも含める意義として解釈される。また、振動子と
して圧電型素子を用いたが、これに代えて磁歪型素子を
使用することもできる。

次のような実験を行なった。内径６０ｍｍ、外径８０ｍ
ｍ、厚さ４ｍｍの銅製のリング状弾性体に、厚さ１ｍｍ
、チタン酸バリウム製の圧電振動子を隙間なく６個分極
方向を互いに変えて接着した。接触子をステータ振動子
上における前述の円運動を発起音波信号Ｖｏ　ｓｉｎ　
（１１しくＶｏ＝　４０　Ｖｐｐ、周波数；２０ＫＨｚ
）を振動子の電極間に印加した。得られたトルク曲線は
第１０図の如き垂下特性を示した。

次に、接触子をＡ、Ａ’、Ａ　ｌ　ｌと反対側にある部
分Ｂ、Ｂ’、Ｂ　Ｊ　Ｉに移動して同じ実験を行なった
ところ、トルク曲線は殆んど同じであったが、モータ回
転方向は逆になった。同様に、接触子をステータ振動子
の中心ｃ、　ｃ’、ＣＩ　１に移動して同じ実験をした
ところロータは全く回転しなかった。

而φて、この超音波モータのステータの支持手段として
、第１６〜１７図に示すように、ステータＳと支持枠４
０の間に硬質ゴムなどの摩擦板４１を挿入し、ステータ
Ｓの逆トルク、即ちロータを回転させずにステータが回
転することを防止することも考えられる。しかしながら
、この支持手段では、ステータＳの振動を摩擦板４１で
吸収することになり、モータの回転トルクが減少してし
まうという難点がある。そこで、本発明にょるモータ支
持構造について説明する。

第１２〜１４図において、ステータＳに発生する定在波
の節の部分にビスなどの支持ピン４３を突設する。一方
、支持枠４０に穿設された開孔４２には支持ピン４３が
遊嵌される。第１５図に示す如く、ステータの支持ピン
は定在波の節の部分に設けられたから、その支持ピン部
は動かないが。

前述のようにステータは傘歯車状に振動するので、支持
ピン４３は開孔４２にネジ止めなどにより固定すること
なく遊嵌されている。

なお、定在波は反対方向へ進行する２つの波の合成であ
るから、支持ピンをステータにビスなどにより設けると
きは、ネジ部によって波動の進行が妨げられるのでその
径、深さなどは適宜好ましい値に選定される。内径６０
ｍｍ、外径８０ｍｍ、厚さ６ｍ＋ｎのステータに１発生
する定在波の節の部分において、３ｎｕｏ径のネジ孔を
深さ５ｍｍまで穿設したがトルクの減衰は全く生じなか
った。なお、このネジ孔を貫通孔とした場合にはトルク
は約３０％低下した。

［発明の効果コ 以上の実施例からも明らかなように、本発明によれば１
弾性体のステータに振動子により定在波を発生させてロ
ータの回転方向への駆動成分をもつ円運動を惹起させる
ようにし、ステータに発生する定在波の節の部分に突設
されたピンを支持枠の開孔に遊嵌する支持構造としたの
で、定在波の発生を妨げずに高効率、高出力の回転トル
クを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）はそれぞれ従来の超音波モータの
側面図、平面図、第２図は第１図に示すモータの動作説
明図、第３図（ａ）、（ｂ）はそれぞれ本発明による超
音波モータにおけるステータの側面図、平面図、第４図
は第３図に示すステータにロータが付加されて得られる
本発明の超音波モータの側面図、第５図（ａ）は該モー
タの動作説明図、第５図（ｂ）は第５１ｇ（ａ　）の１
−１″、ｎ−ｎ’線断面図、第６〜９図は該モータの動
作説明図、第１０図は本発明の実験に用いられた該モー
タによって得られたトルク曲線、第１１図は第１Ｏ図に
示すトルり曲線を得るために用いられたモータの平面図
、第１２図は本発明による超音波モータの支持構造を示
す図、第１３図は第１２図のＡ−Ａ’腺断面図、第１４
図は第１３図の部分拡大図、第１５図はステータの動作
説明図、第１６図は考えられる支持構造の説明図、第１
７図は第１６図のＡ−Ａ’断面図である。 Ｓ　・・・・・・・・・・・・ステータＺ・・・・・・
・・・・・・円運動発生区域３０　・・・・・・・・・
・・・　ロータ３１　・・・・・・・・・・・・振動子
３２　・・・・・・・・・・・・弾性体３３　・・・・
・・・・・・・・接触子３５　・・・・・・・・・・・
・円運動３７．３８・・・・・・定在波

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 回転中心を持ちその回転方向へ回動可能なロータと、超
   音波信号が印加されて前記回転方向への駆動成分を持つ
   円運動を有する定在波を発生させ少なくとも弾性体のス
   テータを構成する振動子と、前記ステータの前記円運動
   が発生されている区域上に固定されて該駆動成分を前記
   ロータヘ伝達する接触子とを備え、前記ステータの定在
   波の節の部分に突設された支持ピンを、支持枠に穿設さ
   れた開孔に遊嵌せしめたことを特徴とする超音波モータ
   。