JP2537393B2

JP2537393B2 - 複合振動子型超音波アクチュエ―タ

Info

Publication number: JP2537393B2
Application number: JP1021785A
Authority: JP
Inventors: 貞行上羽; 孝良土井; 清篠田
Original assignee: Oiresu Kogyo KK; TOWA DENKI KK
Current assignee: Oiresu Kogyo KK; TOWA DENKI KK
Priority date: 1989-01-31
Filing date: 1989-01-31
Publication date: 1996-09-25
Anticipated expiration: 2011-09-25
Also published as: JPH02202377A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は動力源用振動子と動力伝達用振動子とを別に
設け、動力源用の振動と動力伝達用の振動を個別に制御
するようにした複合振動子型超音波アクチュエータに関
する。

（従来の技術）近年、高周波機械振動から摩擦力を介して駆動力を得
る超音波モータが発表され、小型、軽量、低速度で効率
よく作動し、大きなトルクが得られる等の点で注目を集
めている。

そして、これらモータ等の超音波アクチュエータはこ
れまでに振動片型、進行波型等多く方式が提案されてい
る。

このような超音波アクチュエータでは、超音波振動は
往復運動であるので、該振動によって被駆動体を一定方
向に駆動するには、往復運動のうちの一方向の運動だけ
を抽出して被駆動体に伝達する必要がある。

従って、超音波アクチュエータには駆動力となる動力
源用の振動と、摩擦力の加減や断続により駆動力の伝達
を制御するための振動とが必要となる。

通常、これらの互いに直交した二つの振動を合成した
軌跡は楕円になることが多い。例えば、進行波型モータ
では、弾性体に進行波を励振するとその表面の粒子が楕
円運動することを利用している。

ところが、上記楕円運動の軌跡は励振した振動モード
により決定されるため、被駆動体を駆動するための振動
成分と摩擦力を制御するための振動成分を個別に制御す
ることができない。

そのため、低速運転をするために動力源用の振動の成
分を小さくすると、摩擦力を制御する成分も小さくなっ
て動作が不安定になるという問題があった。

（発明が解決しようとする課題）このような問題点を解決するため、被駆動体を駆動す
るための振動成分と摩擦力を制御するための振動成分を
独立に発生させ、理想的な動作を行なえるようにした複
合型振動子が開発された。

第１図はこの複合型振動子を用いた超音波モータの一
例である。

図において１は駆動体で、駆動体１はボルト締めラン
ジュバン型ねじり振動子２の一端に積層型圧電アクチュ
エータ３を接着して構成されている。

この実施例では、ねじり振動子２が動力源用振動子に
相当し、圧電アクチュエータ３が動力伝達用振動子に相
当しており、ねじり振動子２は共振で励振させ、圧電ア
クチュエータ３は非共振で用いるものである。

４は被駆動体で、被駆動体４は環状を呈し軸５上で軸
受６により回転可能に支持され、且つばね７により一定
の加圧力が付与され、駆動体１に押し付けられている。

８はばね７の加圧力を調整するための調整部材で、調
整部材８を回転することで被駆動体４の駆動体１への押
し付け力が調整される。

第２図を参照してこの超音波モータの動作について説
明する。

ねじり振動子２のねじり振動と、圧電アクチュエータ
３の縦振動を互いに振動変位が90゜となるように振動さ
せる。

第２図（１）は被駆動体４の回転方向と同一方向のね
じり振動子２の振動速度が最大V₀となった状態を示し、
この状態で圧電アクチュエータ３の振動変位も最大とな
り、被駆動体４と駆動体１が接触し、大きな摩擦力が働
いて被駆動体４に所望の方向の回転力が与えられる。

第２図（２）〜（４）の状態では圧電アクチュエータ
３の振動変位が小さくなるため、駆動体１は駆動体４か
ら離れ、被駆動体４はそれ自体の慣性力により一定速度
で回転し続ける。この状態で、ねじり振動子２は被駆動
体４の回転方向と逆方向へ回転し、第２図（４）の状態
で、振動速度が零となり、再度、被駆動体４の回転方向
と同一方向へ回転を開始する。この（１）〜（４）の状
態を繰り返すことにより、駆動体（１）から被駆動体４
へ回転力が付与される。

このような場合振動子型超音波モータは従来の進行波
型モータ等に比べ、出力、効率、動作安定性等の点で優
れる。

しかしながら、本発明者らが更に研究を重ねたとこ
ろ、複合振動子型超音波モータでは、駆動体１の回転力
を効率よく被駆動体４へ伝えるため、摩擦接触時の負荷
荷重を大きくすることが必要であるが、荷重を上げると
第２図（２）〜（４）の状態でばね７の押し付け力によ
り僅かながら被駆動体４と駆動体１とが接触し、被駆動
体４と駆動体１との間に滑りが生じるため、摩擦接触部
に経時変化（摩擦トルク、耐摩耗性）が起こり、動作が
不安定となるとともに、耐久性の面で問題が生じた。

また、前記（２）〜（４）の状態で被駆動体４と駆動
体１との接触を避けるため、負荷荷重を小さくすると、
（１）の状態で、駆動体１から被駆動体４への回転力の
伝達効率が悪化し両者間に滑りが生じるため、前記と同
様に摩擦接触部に経時変化が起こり、動作が不安定とな
り、耐久性の面で問題が生じた。

本発明は上記問題点を解決し、耐久性に優れ、高出
力、高効率で、しかも低速運転でも動作の安定した超音
波アクチュエータを提供するにある。

（課題を解決するための手段）前記目的を達成するため、本発明に係る複合振動子型
超音波アクチュエータは、動力源用振動子２と動力伝達
用振動子３とからなる駆動体１と、駆動体１と接触し動
力源用振動子２の振動が伝達される被駆動体４と、駆動
体１と被駆動体４とを圧接する方向に付勢するばね手段
７とを備え、駆動体１と被駆動体４の接触部の一方の接
触面は含油金属で形成され、他方の接触面は金属若しく
は無機材料で形成され、前記金属若しくは無機材料で形
成された他方の接触面には溝が形成されていることを特
徴とする。

また、本発明は含油金属として銅系の金属を主体とし
たものを用いたことを特徴とする。

（作用）本発明によれば、第２図（２）〜（４）の状態でばね
手段７の押し付け力により僅かながら被駆動体４と駆動
体１とが接触し、被駆動体４と駆動体１との間に滑りが
生じても、摩擦接触部における経時変化（摩際トルク、
耐摩耗性）を防止でき、動作を安定させ、耐久性を向上
できる。従って、耐久性に優れ、高出力、高効率で、し
かも低速運転でも動作の安定した超音波アクチュエータ
が得られる。

また、金属若しくは無機材料で形成された他方の接触
面に溝が形成されているので、超音波アクチュエータの
性能をより一層向上できる。

（実施例）以下、本発明の実施例を添付図面に従って説明する。

図において１は駆動体、２はボルト締めランジュバン
型ねじり振動子、３は積層型圧電アクチュエータ、４は
被駆動体で、実施例では、セラミック材に複数の金属板
を埋め込んで圧電アクチュエータ３を形成し、ステンレ
ス鋼で被駆動体４を形成している。

そして、被駆動体４の圧電アクチュエータ３への接触
面4Aを含油金属で形成し、圧電アクチュエータ３の被駆
動体４への接触面3Aを金属若しくは無機材料で形成して
いる。

この場合、含油金属としては、例えば、鉄系、銅系、
アルミニウム系等の金属粉末を焼結し多孔質化してその
中に油を含浸したものや、鉄系、銅系金属の鋳造時に多
孔質化してその中に油を含浸したもの、更に、鉄系、銅
系、アルミニウム系などの金属中に固体潤滑剤を、該金
属表面に固体潤滑剤が露出するように埋め込み、該固体
潤滑剤中に油を含浸させたもの等を用い、特に銅系の金
属を使用すると良好な性能を発揮する。

また、圧電アクチュエータ３の被駆動体４への接触面
3Aは、ステンレス鋼、炭素鋼等の金属材料や、アルミ
ナ、ジルコニア等の無機材料、ならびにそれら材料に含
油したもの、表面処理を施したものなどが用いられる。

次に、作用について第２図を参照して説明する。

図中、（１）の状態では、被駆動体４と駆動体１との
接着力が大きいので、接触面3A,4A外や含油金属の孔の
中に油が逃げ込み、接触面3A,4Aには油が介在せず、金
属同士もしくは無機材料と金属材料との接触となり、該
接触面3A,4Aに大きな摩擦力が働き、駆動体１の回転力
を被駆動体４へと効率よく伝達する。

図中（２）〜（４）の状態では、徐々に接触力が小さ
くなり、両面3A,4A間の真実接触面積が小さくなるた
め、接触面3A,4Aに隙間が埋まれ、（１）の状態で大き
な接触力により逃げていた油が前記隙間内に入り込み、
該接触面3A,4A間に油が介在する。また、接触面3A,4Aに
滑りが働くため、摩擦熱が生じ、該熱の発生により、金
属中に浸透している油が体積膨張して摺動面へと現れ、
金属間に油が介在する。この接触面3A,4Aの油の介在に
より、両面3A,4A間の摩擦係数は低下し、よって駆動体
１の回転力を被駆動体４へ伝達することはない。

従って、本実施例による超音波モータは、図中（１）
の状態でのみ駆動体１の回転力を被駆動体４へ伝達する
もので、常に動作が安定し、耐久性が向上するものであ
る。

そして、含油金属の相手面に溝を形成すると、該溝が
油のにげ場となり、（１）の状態でより速やかに油が逃
げるため、回転力の伝達効率が向上する。

第３図は被駆動体４の接触面4Aを含油金属で形成し、
圧電アクチュエータ３の接触面3Aを金属若しくは無機材
料で形成した本実施例による超音波モータと、双方の接
触面3A、4Aを銅合金で形成した超音波モータの耐久性試
験結果を示す。

運転条件としては、共にばね７の荷重を30Kgfとし、
ねじり振動子３に150Vrmsの駆動電圧を、圧電アクチュ
エータ３に7Vrmsの駆動電圧を与えた。

第３図に実線（イ）で示すように、本実施例による超
音波モータが２時間経過しても異常ないのに対し、双方
の接触面3A、4Aを銅合金で形成したものは実線（ロ）で
示すように、30分もたずに焼き付き作動不能となった。

また、本実施例による超音波モータは、双方の接触面
3A、4Aを銅合金で形成したものに比べて回転数の振幅が
少なく、且つ回転数が高い。

このことは、第２図中（２）〜（４）の状態の時、即
ち、接触面3A,4A間に隙間が生まれ、接触面3A,4Aに滑り
が生じたとき、摩擦係数を小さくできるので、被駆動体
４を高速でしかも安定して回転させることができたと考
えられる。

尚、本発明は、駆動体の運動で被駆動体を回転させる
モータの他に、駆動体の運動で被駆動体を直線動させる
直線型アクチュエータ等の各種アクチュエータに適用可
能である。

（発明の効果）以上の説明で明らかなように本発明によれば、耐久性
に優れ、高出力、高効率で、しかも低速運転でも動作の
安定した超音波アクチュエータを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は複合振動子型超音波モータの斜視図、第２図は
その動作説明図、第３図は複合振動子型超音波モータの
耐久試験結果を示す図である。尚図中１は駆動体、２はねじり振動子、３は圧電アクチ
ュエータ、４は被駆動体、５は軸、６は軸受、７はば
ね、８は調整部材である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者篠田清埼玉県川越市南台１―４―２東和電気株式会社内 (56)参考文献特開昭63−257475（ＪＰ，Ａ) 実開平１−71994（ＪＰ，Ｕ) 実公昭64−1644（ＪＰ，Ｙ１)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】動力源用振動子と動力伝達用振動子とから
なる駆動体と、前記駆動体と接触し前記動力源用振動子の振動が伝達さ
れる被駆動体と、前記駆動体と被駆動体とを圧接する方向に付勢するばね
手段とを備え、前記駆動体と被駆動体の接触部の一方の接触面は含油金
属で形成され、他方の接触面は金属若しくは無機材料で形成され、前記金属若しくは無機材料で形成された他方の接触面に
は溝が形成されている、ことを特徴とする複合振動子型超音波アクチュエータ
【請求項２】前記含油金属は銅系の金属が主体である請
求項１記載の複合振動子型超音波アクチュエータ。
【請求項３】前記複合振動子型超音波アクチュエータは
モータである請求項１または２記載の複合振動子型超音
波アクチュエータ。