JP2513241B2 - 超音波モ−タ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は超音波振動を利用して回転運動を得る超音波
振動を利用したモータ装置、所謂、超音波モータに関す
るものである。

［従来の技術］ この種の超音波モータには特開昭59−185177号公報に
記載の技術がある。

この技術は、弾性体に圧電体によって進行弾性波を発
生させ、これにより移動体を駆動する超音波モータに関
するものである。

具体的には、第10図から第12図の従来の超音波モータ
の説明図に示すように構成されていた。

第10図の超音波モータの駆動原理図に示すように、弾
性体２に図示しない圧電体によって振動を与えると、表
面弾性波が発生して振動子の表面を伝搬する。この弾性
波は縦波と横波を伴った表面波で、その質点Ｍは橢円軌
道を描く運動となる。更に、質点Ｍについて着目する
と、縦振幅ｕ、横振幅ｗの橢円運動を行っており、表面
波の進行方向をＸ軸方向とすると、橢円運動は１波長毎
に質点Ｍ、Ｍ′、…を有し、その頂点速度ＶはＸ軸成分
のみであって、Ｖ＝２πfu（但し、ｆは振動数）であ
る。そこで、この表面に移動体１の表面を加熱接触させ
ると移動体表面は質点Ｍ、Ｍ′、…のみに接触するか
ら、移動体１は弾性体２との間の摩擦力により矢印Ｎの
方向に駆動されることになる。そして、矢印Ｎ方向の移
動体１の移動速度は振動数ｆに比例する。

また、移動体１の移動は加圧接触による摩擦駆動を行
うため、縦振幅ｕばかりでなく、横振幅ｗにも依存す
る。即ち、移動体１の移動速度は橢円運動の大きさに比
例し、橢円運動が大きいとその速度は速い。したがっ
て、移動体速度は圧電体に加える電圧に比例することに
なる。

第11図の弾性体２に表面波を発生させる原理図に示す
ように、圧電体3a及び圧電体3bは弾性体２の共振周波数
から最も効率良く弾性波を得ることができるような間隔
で、弾性体２に貼り付けたもので、例えば、セラミック
ス等からなるものである。前記圧電体3aは線Ａに圧電体
3bは、線Ｂに夫々接続されている。モータ駆動用の電源
４は、その出力としてＶ＝V0sinωｔなる電圧を供給し
ており、線ＡにはＶ＝V0sinωｔなる出力電圧が直接、
また、線Ｂにはπ/2移相器５によって、電源４の出力電
圧がシフトされ、Ｖ＝V0sin（ωｔ±π/2）なる電圧が
印加されている。なお、前記π/2移相器５によるシフト
の＋または−は移動体の移動方向により決定される。

弾性波は第11図の右方向に進行するが、弾性体２の駆
動面の任意の質点は反時計方向の運動を行う。したがっ
て、駆動面に圧接される移動体は左方向に移動する。

このような原理に基ずいて、超音波モータは第12図に
記載の要部分解斜視図のように構成されている。

図において、圧電体3a及び圧電体3bは弾性体２の外周
面に、弾性体２の材質形状によって決定される最も効率
の良い間隔を持って貼り付けられている。したがって、
この弾性体２を前述のように駆動すると、弾性体２の外
周面及び内周面に弾性進行波を発生するものである。故
に、ここで、移動体１をその外周面が弾性体２の内周面
に圧接するように構成すれば、弾性体２を固定すると移
動体１が、逆に、移動体１を固定すると弾性体２が回転
する。

［発明が解決しようとする問題点］ 上記のように構成された超音波モータは、移動体１を
弾性体２に圧接するように構成し、弾性体２を固定する
と移動体１が、逆に、移動体１を固定すると弾性体２が
回転するものである。このとき、出力トルクを大きくす
るには、移動体１と弾性体２とが、圧接する力を大きく
する必要があった。しかし、圧接する力を大きくする
と、強い出力トルクが得られるが、その分、強い圧接力
に打ち勝つだけの強い撓み振動を弾性体２に発生させな
ければならなくなり、その強い撓み振動により、弾性体
２の内部摩擦が増加し、弾性体２に大きな発熱が生じ、
効率低下とモータの性能を著しく低下させるという問題
があった。

この問題を解消するために、1985.9.23発行の“NIKKE
I MECHANICAL"の『効率向上にしのぎ削る超音波モータ
実用化には理論解析が不可欠に』の項に開示されている
ように、固定子側の弾性進行波と回転子側の定在波とを
噛み合わせると、効率向上の可能性が示唆されている。

しかし、上記文献では具現化に問題がある旨を示唆す
るに止まるものである。

そこで、本発明は上記問題点を解消すべくなされたも
ので、固定子と回転子との間に強い圧接力を加えること
なく駆動トルクを大きくした超音波モータの提供を課題
とするものである。

［問題点を解決するための手段］ 本発明にかかる超音波モータは、固定子を構成する固
定側弾性体に接合した圧電体によって弾性進行波を発生
させ、この固定子に圧接される回転子に、前記弾性進行
波の振動周波数に同一または近似した振動周波数の定在
波を発生させる共振回路手段を形成したものである。

［作用］ 本発明においては、固定子を構成する固定側弾性体に
接合した圧電体によって弾性進行波を発生させ、前記弾
性進行波を発生させる固定子に回転子を圧接し、回転子
を弾性進行波によって回動させる。このとき、前記弾性
進行波の振動周波数と同一またはそれに近似した振動周
波数の定在波を共振回路手段によって回転子に発生さ
せ、前記固定子の固定側弾性体に発生した弾性進行波と
回転子の回転側弾性体に発生した定在波とを噛み合せ、
回転子の回転側弾性体の定在波を固定子の固定側弾性体
の弾性進行波によって移動させ、固定子と回転子との間
に強い圧接力を加えることなく駆動力を高くするもので
ある。

［実施例］ 第１図は本発明の一実施例の超音波モータの断面図で
ある。

図において、超音波モータのハウジングは、カバー体
21及びベース体22からなり、両者はろう付け、溶接また
は螺子、かしめ、リベット等の固着手段によって一体化
されている。前記カバー体21及びベース体22の中央部に
は、出力シャフト23がボールベアリング等からなる軸受
24a及び軸受24bによって支承されている。

また、固定子30を構成する固定側弾性体31には、その
外周に沿って横波及び縦波が合成された弾性進行波を生
じさせる環状圧接部31aが形成されている。そして、前
記固定側弾性体31の環状圧接部31aに対応する裏面、即
ち、ベース体22側の面に、固定側弾性体31の共振周波数
から最も効率良く弾性波を得ることができるような位置
及び間隔及び大きさにしたセラミックス等の圧電体32を
貼り付けている。前記圧電体32は第２図の分極状態を示
す分極配置図の表面図（ａ）及び裏面図（ｂ）のよう
に、振動周波数の波長λに対して、λ/2に設定されてい
る。前記圧電体32の一方の電極は固定側弾性体31に導通
するように配設されている。他方の電極は圧電体32の他
の面に形成されている。前記固定側弾性体31は螺子25に
よってベース体22に一体に固着されている。このとき、
固定側弾性体31は軸受24bの離脱防止用として作用す
る。なお、前記固定子30は、横波及び縦波が合成された
弾性進行波を生じさせる環状圧接部31aを有する固定側
弾性体31、圧電体32によって構成される。

回転子40は固定子30の固定側弾性体31の外周の環状圧
接部31aに対向し、そこに圧接する環状摩擦部41aを有す
る回転側弾性体41、防振ゴム42及び板状弾性部材43から
構成されている。環状圧接部31aに対向圧接する回転側
弾性体41は、防振ゴム42及び板状弾性部材43を介して出
力シャフト23に固着された弾性を有する接続部材50に係
合されている。前記回転側弾性体41の環状摩擦部41aに
は、固定子30の固定側弾性体31の外周の環状圧接部31a
に対向圧接する部位に、ライニング処理を施している。
固定子30の固定側弾性体31の環状圧接部31aに圧接され
る環状摩擦部41aは、環状摩擦部41aを有する回転側弾性
体41と出力シャフト23との間に、防振ゴム42及び板状弾
性部材43を介することにより、その振動の伝達を抑制し
ている。

また、回転側弾性体41には環状の鉄心61にトロイダル
状に巻回したコイル62からなる環状鉄心ソレノイド60を
取付けており、また、回転側弾性体41の環状摩擦部41a
の反対側の面には、前記固定子30が発生する弾性進行波
の振動周波数に同一または近似した振動周波数の定在波
が発生するように均等に分極したセラミックス等の圧電
体63を環状に貼り付けている。この圧電体63は前記環状
鉄心ソレノイド60と共に、固定子30が発生する弾性進行
波の振動周波数に同一または近似した振動周波数の共振
回路手段を構成している。

前記環状鉄心ソレノイド60と回転子40の圧電体63が構
成する共振回路手段について、更に説明する。

固定子30が発生する弾性進行波の振動周波数と同一ま
たは近似した振動周波数の定在波を発生する圧電体63
は、第３図の圧電体63の分極状態を示す分極配置図のよ
うに均等に分極したものである。また、前記環状鉄心ソ
レノイド60は環状鉄心61にトロイダル状のコイル62を巻
回したもので、この環状鉄心ソレノイド60のインダクタ
ンスＬ、圧電体63のキャパシタンスCxは、それのみを分
極処理を行わず、第４図の回転子40側の圧電体63と環状
鉄心ソレノイド60との電気的接続図、及び第５図の回転
子40側の圧電体63と環状鉄心ソレノイド60との電気回路
の説明図（ａ）及び等価回路図（ｂ）に示すように、環
状鉄心ソレノイド60のインダクタンスＬと、圧電体63の
キャパシタンスCxによって並列共振回路を構成してい
る。この共振周波数Ｆは、 となる。したがって、共振周波数Ｆを弾性進行波の周波
数に設定しておけば、圧電体63に入力された振動によっ
て生ずる特定の振動のみを低インピーダンス駆動するこ
とになり、その共振周波数Ｆの振動が定在波となって、
回転子40の回転側弾性体41に共振周波数Ｆの振動を乗せ
ることになる。

したがって、第６図の本実施例の超音波モータの固定
子30と回転子40との噛み合い状態を示す説明図のよう
に、環状圧接部31aから環状摩擦部41aに超音波振動が伝
達され、同時に、環状摩擦部41aに加わった超音波振動
は、環状摩擦部41aの反対側に貼り付けた圧電体63に伝
達され、圧電体63に起電力が発生し、圧電体63の起電力
は環状摩擦部41aに加わった機械的な超音波振動数をそ
の基本周波数とする振動周波数となる。そして、前記圧
電体63の起電力は環状鉄心ソレノイド60に入力され、そ
の共振回路の共振周波数Ｆが弾性進行波の振動周波数に
同一または近似した振動周波数に設定されており、回転
側弾性体41の環状摩擦部41aに加わった機械的な超音波
振動数が環状摩擦部41aに定在し、固定子30の弾性進行
波と回転子40の定在波とが噛み合うことになる。

上記のように構成される本実施例の超音波モータは、
次のように組立てることができる。

まず、固定側弾性体31のベース体22側の面に圧電体32
を重ねて接合する。そして、固定子30に固定側弾性体31
を螺子25でベース体22に固着する。

また、回転側弾性体41の環状摩擦部41aの反対側の面
に、均等に分極した圧電体63を環状に貼り付け、そし
て、その回転側弾性体41の内側に環状の鉄心61にトロイ
ダル状に巻回したコイル62からなる環状鉄心ソレノイド
60を取付け、両者を電気的に接続して共振回路手段であ
る並列共振回路を構成する。

次に、前記ベース体22の軸受24bに出力シャフト23を
挿着する。前記軸受24bに挿着した出力シャフト23に、
回転側弾性体41を防振ゴム42及び板状弾性部材43を重ね
合せ、更に、板状弾性部材43に係合させた接続部材50を
介して出力シャフト23に取付ける。

更に、出力シャフト23にカバー体21の軸受を24aを挿
入し、カバー体21をベース体22とを一体化し、カバー体
21側で接続部材50を押圧し、固定子30の環状圧接部31a
と回転子40の環状摩擦部41aとを加圧接触状態とする。

このように構成した本実施例の超音波モータは、次の
ように動作する。

固定子30の圧電体32の電極間に高周波電圧を印加する
と、両面の固定側弾性体31の裏面に縦波と横波が合成さ
れた弾性進行波が発生し、加圧接触させた回転子40を一
定方向に回転させる。このとき、固定子30の環状圧接部
31aから回転子40の回転側弾性体41の環状摩擦部41aに超
音波振動が伝達される。回転子40の回転側弾性体41の環
状摩擦部41aに加わった超音波振動は、回転側弾性体41
の環状摩擦部41aの反対側に貼り付けた圧電体63に伝達
され、圧電体63に起電力が発生する。圧電体63の起電力
は環状摩擦部41aに加わった機械的な超音波振動数をそ
の基本周波数とする電気信号となる。前記圧電体63は環
状鉄心ソレノイド60に接続されて、並列共振回路を構成
しており、その共振周波数は弾性進行波の振動周波数に
同一または近似した振動周波数に設定されており、その
負荷インピーダンスの周波数特性により、回転側弾性体
41の環状摩擦部41aに加わった超音波振動数が環状摩擦
部41aに定在することになる。

したがって、本実施例の超音波モータは、固定子30の
固定側弾性体31に弾性進行波を発生させ、回転子40は前
記固定子30の圧電体32が発生する振動を受けて、回転子
40の回転側弾性体41の振動周波数に同一または近似した
振動周波数が定在し、固定子30の固定側弾性体31の弾性
進行波と回転子40に定在する振動周波数が、互いに噛み
合い、固定子30の弾性進行波が回転子40の定在波を噛み
合った状態で移動させることになるから、単に、固定子
30の環状圧接部31aに回転子40の環状摩擦部41aを加圧接
触させた場合と異なり、両者の圧接力を増大させること
なく、駆動トルクを大きくすることができる。

このように、上記実施例の超音波モータは、固定側弾
性体31に接合した圧電体32によって弾性進行波を発生さ
せる固定子30と、前記弾性進行波の振動周波数に同一ま
たは近似した振動周波数の共振回路手段と、前記共振回
路手段によって定在波を発生させる回転側弾性体41に接
合した圧電体63を有する回転子40とを具備するものであ
る。

したがって、固定子30の固定側弾性体31に弾性進行波
を発生させ、回転子40は前記固定子30の圧電体32が発生
する振動を受けて、回転子40の振動周波数と同一または
近似した振動周波数が定在し、固定子30の弾性進行波と
回転子40に定在する振動周波数が、互いに噛み合い、固
定子30の弾性進行波が回転子40の定在波を噛み合った状
態で移動させることになるから、固定子30の環状圧接部
31aに回転子40の環状摩擦部41aを加圧接触させた場合と
異なり、両者の圧接力を増大させることなく、駆動トル
クを大きくすることができる。

また、前記弾性進行波の振動周波数に同一または近似
した振動周波数の共振回路手段によって、定在波を発生
させる回転側弾性体41に接合した圧電体63を有する回転
子40は、外部から特定の超音波エネルギーを電気的接続
状態で入力するものでないから、回転子40に供給する電
気的接続手段を必要とせず、機械的及び電気的な損失が
少なくてすむ。

故に、固定子30の圧電体32の伸縮運動を効率良く固定
側弾性体31に伝達することができる。

ところで、上記実施例の超音波モータは、上記実施例
の弾性進行波を生じさせる固定子を構成する固定側弾性
体に貼り付ける圧電体、または定在波を発生させる回転
子を構成する回転側弾性体に貼り受ける圧電体は、前記
固定子の固定側弾性体または回転子の回転側弾性体に凹
部を多け、そこに圧電体を収容し、圧電体の変化の伝達
効率を上げる配設とすることができる。

また、上記実施例は、上記弾性進行波の振動周波数に
同一または近似した振動周波数の共振回路手段は、回転
子を構成する回転側弾性体に貼り付けた圧電体と環状鉄
心ソレノイドで並列共振回路を構成するものであるが、
本発明を実施する場合には、上記実施例に限定されるも
のではなく、回転子を構成する回転側弾性体に貼り付け
た圧電体の一部または全部とコンデンサとで機械的共振
回路を構成することもできる。

例えば、第７図から第９図に示すように構成すること
ができる。第７図は本発明の他の実施例の超音波モータ
の回転子側の圧電体の分極状態を示す分極配置図、第８
図は本発明の他の実施例の超音波モータの回転子側の圧
電体と環状鉄心ソレノイドとの電気的接続を示す回路
図、第９図は本発明の他の実施例の超音波モータの回転
子側の圧電体と環状鉄心ソレノイドとの電気回路の説明
図及び等価回路図である。

この実施例は、回転子40自体の撓みの共振周波数を、
固定子の振動周波数に合せて、回転子40に定在波を発生
させるものであり、このとき、圧電体63は誘導性を持つ
ことになる。

そこで、固定子30が発生する弾性進行波の振動周波数
と同一または近似した振動周波数の定在波を発生する圧
電体63は、第７図の圧電体63の分極状態を示す分極配置
図のように均等に分極したものであるが、その内の１個
の圧電体63aは、分極処理を行わずにおきキャパシタン
スＣのコンデンサとして使用する。そして、第８図及び
第９図（ａ）に示すように、１個の圧電体63aと他の圧
電体63を並列に接続する。このとき、他の圧電体63は第
９図の等価回路図（ｂ）に示すような回路構成となる。
このとき共振周波数Ｆを機械的共振条件に設定しておけ
ば、圧電体63に入力された振動によって生ずる特定の振
動のみを共振し、その共振周波数Ｆの振動が定在波とな
って、回転子40の回転側弾性体41に共振周波数Ｆの振動
を乗せることになる。したがって、本実施例において
も、固定子30の弾性進行波と回転子40の定在波とが噛み
合うことになる。

いずれにせよ、本発明を実施する場合には、固定子30
の固定側弾性体31に弾性進行波を発生させ、回転子40は
前記固定子30の圧電体32が発生する振動を受けて、回転
子40の振動周波数に同一または近似した振動周波数の定
在波を共振回路により形成すればよい。しかし、上記実
施例のように、回転子を構成する回転側弾性体に貼り付
けた圧電体と環状鉄心ソレノイドで並列共振回路を構成
するものでは、環状鉄心ソレノイドのトロイダル状のコ
イル62の内部抵抗を小さくできるから、高いＱ特性を得
ることができる。

なお、上記実施例の定在波は固定子の振動周波数に同
一または近似した振動周波数としている。即ち、弾性進
行波と定在波とが同一の場合は損失のない噛み合わせを
行うことができる。しかし、近似した振動周波数として
共振周波数の整数倍の振動周波数を共振回路手段の選択
周波数とした場合にも、同様の効果を得ることができ
る。また、それらの周波数から若干周波数がずれた場合
でも、周波数のずれの分だけ損失が大きくなるものの、
基本周波数成分がずれても、固定子と回転子の圧接力に
より、その影響を少なくすることができる。また、位相
差が生じている場合も同様である。

［発明の効果］ 以上のように、本発明の超音波モータは、固定側弾性
体に接合した圧電体によって弾性進行波を発生させる固
定子と、前記弾性進行波の弾性進行波の振動周波数に同
一または近似した振動周波数の共振回路手段と、前記共
振回路手段によって定在波を発生させる回転側弾性体に
接合した圧電体を有する回転子とを具備するものである
から、固定子に弾性進行波を発生させ、回転子は前記固
定子が発生する振動を受けて、回転子の振動周波数に同
一または近似した振動周波数が定在し、固定子の弾性進
行波と回転子に定在する振動周波数が互いに噛み合い、
固定子の弾性進行波が回転子の定在波を噛み合った状態
で移動させることになるから、両者の圧電体を増大させ
ることなく、駆動トルクを大きくすることができる。

また、固定子に弾性進行波を発生させ、その固定子が
発生する振動を受けて、その固定子の弾性進行波の周波
数に同一または近似した振動周波数を定在させるもので
あるから、固定子の定在波振動に必要な超音波エネルギ
ーの電気的及び機械的な接続手段を必要としないから、
機械的損失を少なくすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の超音波モータの断面図、第
２図は本発明の一実施例の超音波モータの固定子側の圧
電体の分極状態を示す分極配置図、第３図は本発明の一
実施例の超音波モータの回転子側の圧電体の分極状態を
示す分極配置図、第４図は本発明の一実施例の超音波モ
ータの回転子側の圧電体と環状鉄心ソレノイドとの電気
的接続を示す回路図、第５図は本発明の一実施例の超音
波モータの回転子側の圧電体と環状鉄心ソレノイドとの
電気回路の説明図及び等価回路図、第６図は本発明の一
実施例の超音波モータの固定子と回転子との噛み合い状
態を示す説明図、第７図は本発明の他の実施例の超音波
モータの回転子側の圧電体の分極状態を示す分極配置
図、第８図は本発明の他の実施例の超音波モータの回転
子側の圧電体と環状鉄心ソレノイドとの電気的接続を示
す回路図、第９図は本発明の他の実施例の超音波モータ
の回転子側の圧電体と環状鉄心ソレノイドとの電気回路
の説明図及び等価回路図、第10図は超音波モータの駆動
原理図、第11図は弾性体に弾性進行波を発生させる原理
図、第12図は従来の超音波モータの要部分解斜視図であ
る。 図において、 30:固定子、31:固定側弾性体、 32、63:圧電体、41:回転子、 41:回転側弾性体、60:環状鉄心ソレノイド、 である。 なお、図中、同一符号及び同一記号は、同一または相当
部分を示す。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】固定側弾性体に接合した圧電体によって弾
   性進行波を発生させる固定子と、 前記弾性進行波の振動周波数に同一または近似した振動
   周波数の共振回路手段と、 前記共振回路手段によって定在波を発生させる回転側弾
   性体に接合した圧電体を有する回転子と、を具備するこ
   とを特徴とする超音波モータ。
2. 【請求項２】前記共振回路手段及びそれによって定在波
   を発生させる回転側弾性体に接合した圧電体を有する回
   転子は、弾性進行波の振動周波数に同一または近似した
   振動周波数の定在波に相当する分だけ回転子を構成する
   圧電体を分極させてなることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項に記載の超音波モータ。
3. 【請求項３】前記共振回路手段及びそれによって定在波
   を発生させる回転側弾性体に接合した圧電体を有する回
   転子は、弾性進行波の振動周波数に同一または近似した
   振動周波数の定在波に相当する分だけ回転子を構成する
   圧電体を分極させ、圧電体の電極にコイルを接続して並
   列共振回路を形成してなることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項に記載の超音波モータ。
4. 【請求項４】前記共振回路手段及びそれによって定在波
   を発生させる回転側弾性体に接合した圧電体を有する回
   転子は、弾性進行波の振動周波数に同一または近似した
   振動周波数の定在波に相当する分だけ回転子を構成する
   圧電体を分極させるように分割し、その内の１以上をコ
   ンデンサとして並列接続して並列共振回路を形成してな
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の超音
   波モータ。