JPS6149672A

JPS6149672A - 超音波モ−タ

Info

Publication number: JPS6149672A
Application number: JP59172121A
Authority: JP
Inventors: Takeo Yokoyama; 横山　武男; Hiroshi Nakamura; 宏中村; Yuji Kato; 雄二加藤
Original assignee: Showa Electric Wire and Cable Co
Current assignee: SWCC Corp
Priority date: 1984-08-17
Filing date: 1984-08-17
Publication date: 1986-03-11

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。

［発明の技術的背景コ従来から、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１弾性体２
１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■。をリード線２３゜２４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、他方の振動子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１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２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＝
２πｆｕ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。＝２πｆ
ｏ）は。

で表わされる。式中、α。。は半径比Ｘｏ＝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５、グループ化された振動子のリート腺２３．２
４へ印加される超音波信号源の位相をπ／２ｒａｄシフ
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’・・・のみがロータ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１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ｒ大トルクで定速回転する表面波モ
ータ」）。

［発明の目的］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。

［発明の既要］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穿設された開孔に、支持ピン以下、
本発明の好ましい実施例を図面に沿ってを遊嵌せしめて
いる。

［発明の好ましい実施例］第３〜９図において、本発明による超音波モー詳述する
。

りは、後述のように１回転中心○を持ちその回転方向Ｒ
Ｄへ回動可能なロータ３０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を植成する振動子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、分極方向（小円内に点および十字で示
す）を交互に変えて１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３ｏ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３ｏ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Ｖ。

ＳｉｎωＬをリード線３４とアースＥ間がら振動子３１
に印加すると１例えば一方の振動子３１ａはステータＳ
の弾性体３２の周方向に伸長するように、他方の撮動子
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
）と周方向の振りＳは傘歯車状に振動する（第５図、ａ
、ｂ）。これを詳述すると、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■。ｓｉｎωＬ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３１ｃ、３１ｄ
の如く加振さ九るから、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Ｒｅ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、一つの撮動子３１は周方向Ｘ（−Ｘ）の中心Ｏ′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０′で零、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をそのリサージ二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８図に示す如く１円運動３５の軌道を描く
。なお１本明細書において「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（
回転ン方向は逆になる。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Ｑ′と周方向端縁Ｑ　
ｌ　ｌには円運動は発生しない）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１枢動される。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３５０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　　　　
　　　７円運！Ｆ１１３５′を真円運動に想定し、その
軌跡を極端に踏張し、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の回転中心
Ｏから円運動３５′の軌道へ２本の接線＋ｎｏ、ＩＶＯ
を引くと、その接点ｔｒｉ’−ｔｖ’間の円弧ＩＩ　’
　ＩＶ　’ルクを発生し９円弧ＩＶ’ｌｌｌ’は逆の回
転トルクを発はロータ３０の回転方向ＲＤに対して正の
回転ト＼、２／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、その他の矢印は水速心力成分を夫々示す、そ
こで、円軌道３５′の中心がロータ３０の同上にあるか
ぎり、ｌＩＩ’ｌＶ’＞ＩＶ’Ｉ［１’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２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３
０へ伝達されて、ロータを回転方向ＲＤへＮ！Ｉ！ＩＪ
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
ＩＩ　’　ＩＶ　’　＞　ＩＶ　’　ＩＩＩ　’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８０＋
ｎｍ、厚さ４ｍｍの銅製のリング状弾性体に、厚さ１１
、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生している部分Ａ、　Ａ’
、Ａ　”の３点に固定し、超音波信号Ｖ。Ｓｉｎωｔ　
（Ｖ、）　＝＝　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　”と反対側にある部分Ｂ
、Ｂ’、Ｂ″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？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’、ｃ”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。

而して、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
まうという汀：点がある。そこで１本発明によるモータ
支持描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
の節の部分に開孔４２を穿設する。一方。

支持枠４０にビスなどにより固着された支持ピン４３は
開孔４２に遊嵌される。第１５図に示す如く、ステータ
の開孔は定在波の節の部分に設けられたから、その間孔
部は動かないが、前述のようにステータは傘は車状に振
動するので、支持ピンは開孔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、開孔によって波動の進行が防げられるので、開
孔の径、深さなどは適宜好ましい値に選定される。内径
６０ｍｍ、外径８０ｍｍ、厚さ６ｍｍのステータに、発
生する定在波の節の部分において、３ｍ＋＋＋径の開花
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、この開花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］以上の実施例からも明らかなように、本発明によれば、
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穿設
された開孔と支持ピンを遊嵌する支持補遺としたので、
定在波の発生と力１できるーを防げずに高効率、高出力の回転トルクを得るこ

【図面の簡単な説明】

第１図（’ａ）、（ｂ）はそれぞれ従来の超音第モータ
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５図（ａ）のＩ−Ｉ’、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１０図に示すトルク曲線を得るために
用いられたモータの平面図、第１２図は本発明による超
音波モータの支持もが造を示す図、第１３図は第１２図
のＡ−Ａ’線断面図、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１７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

【特許請求の範囲】

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
波の節の部分に穿設された開孔に、支持ピンを遊嵌せし
めたことを特徴とする超音波モータ。