JP2906378B2 - 超音波モータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はステータに発生する超音波振動を駆動源とし
てロータを回転させる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では、ステータに発生した振動
エネルギーが摩擦力によってロータに伝達され、ロータ
が回転するものである。したがって、超音波モータから
安定した出力を得るには、ロータがステータに安定して
接触する必要がある。

ここで、具体的な事例について説明する。

第７図は従来の超音波モータの断面図で、第８図は従
来の超音波モータのロータ及びステータの要部斜視図を
示すものである。

従来の超音波モータにおいては、ステータ51にロータ
52をできるだけ安定して接触させるために、皿バネ53の
弾性変形によってロータ52とステータ51の間の加圧力が
適当な値に保持されている。

前記ロータ52が回転している間、ロータ52はステータ
51から高い周波数を有する振動圧力を受け、法線方向と
接線方向に振動する（第７図参照）。この時、ロータ52
に生じる振動はステータ51の振動が同じ周波数を有して
いる状態では、超音波モータの出力はステータ51に供給
される電力の大きさに応じて増大する。

［発明が解決しようとする課題］ 上記従来の超音波モータでは、皿バネ53の撓み量の変
化に対して圧力の変化が少い領域があるので、その領域
を利用してロータ52とステータ51の間の加圧力の変化を
防いでいる。

ところが、超音波モータでは圧電素子等から発生する
熱によって、ステータ51とロータ52との間に加えられて
いる加圧力を不安定なものにしていた。即ち、超音波モ
ータの温度上昇によって、ステータ51とロータ52との間
に加えられている加圧力は減少していた。

このときの超音波モータのステータ51とロータ52間の
加圧力と、トルク出力−回転数特性は第５図のようにな
り、ステータ51とロータ52間の加圧力の低下によって、
トルク出力が低下していることが判る。なお、前記第５
図はステータ直径が60［mm］の超音波モータのトルク出
力−回転数特性の一例を示すものである。

また、ステータ51とロータ52との間に加えられている
加圧力の変化は、圧電素子の音響インピーダンスの変化
となり、圧電素子の共振周波数の変化を引き起し、共振
状態での制御がし難かった。

そこで、本発明はステータとロータとの間に加えられ
ている加圧力の温度による影響を少なくした超音波モー
タの提供を課題とするものである。

［課題を解決するための手段］ 請求項１にかかる超音波モータは、弾性進行波を発生
させるステータと、前記ステータに対して軸方向に配設
し、前記ステータの振動によって駆動され回転するロー
タと、前記ロータの軸方向に配設され、前記ステータの
温度変化に伴なう周波数変化の特性を補償するように前
記ロータの軸方向への押圧力を変化させる加圧手段とを
具備するものである。

請求項２にかかる超音波モータの前記加圧手段は、線
膨張率が異なり、弾性に富む異なる複数の金属材からな
るものである。

［作用］ 請求項１の超音波モータは、弾性進行波を発生させる
ステータに当接し、そのステータの振動によって駆動さ
れ回転するロータを温度に応じて加圧力を変化させる加
圧手段で加圧し、温度変化によって加圧力が低下しない
ように補償する。

請求項２の超音波モータの加圧手段は、複数の金属層
からなり、異金属の温度膨張係数の違いによって加圧力
を変化させるものである。

請求項３にかかる超音波モータの加圧手段は、形状記
憶合金により温度変化によって生ずる加圧力を補うもの
である。

［実施例］ 以下、本発明の実施例について説明する。

第１図は本発明の一実施例の超音波モータ10の断面図
である。また、第２図の（ａ）は前記実施例の超音波モ
ータ10で使用しているダイメタルバネ８の正面図、また
（ｂ）は同じく断面図である。

図において、略円盤状のベース４の中心部には開口部
4aを穿設している。前記開口部4aには軸受12を圧入して
いる。また、前記ベース４にはリング状のステータ３の
内孔を嵌合している。前記ステータ３は螺子11によって
ベース４に固定されている。前記ステータ３はリング状
の弾性体１の一面にリング状の圧電素子２を導電性の接
着剤によって貼付けたものである。

前記弾性体１は大形リング部1aと小径リング部1bの間
が薄肉部1cを介して連続となった形状を有している。前
記弾性体１は小径リング部1bが螺子11で支持されること
によりベース４に固定されている。大形リング部1aの上
面には全周に渡って定ピッチの突起1eを多数形成させて
いる。前記突起1eは所定のピッチで大形リング部1aに、
その中心を通る直線状に溝を刻設することによって形成
している。前記弾性体１は導電性の金属材料（リン青
銅）で作られているので、電気的には弾性体１をベース
４に接続していることになる。

前記圧電素子２は超音波モータ10の進行波発生用の公
知の超音波振動素子である。圧電素子２とベース４の間
には引出電極16を配設している。前記引出電極16は圧電
素子２に電気的に接続されている。引出電極16にはリー
ド線17が接続されており、引出電極16とベース４との間
に交流電圧を印加することによって圧電素子２が伸縮
し、弾性体１に進行波振動が生起される。

前記ベース４は下部に略円筒状の突出部を有する蓋部
材５と固着されている。即ち、前記蓋部材５の略円筒状
の突出部には螺子が切られており、蓋部材５を回転させ
ると、蓋部材５が回転軸９の長手方向に移動し、前記ベ
ース４と螺着する。したがって、蓋部材５を回転させる
ことにより、ステータ３とロータ６の間の加圧力を調整
することができる。前記ベース部材４と蓋部材５は超音
波モータ10の外部を取囲むハウジングを構成する。

また、前記蓋部材５にはベアリング部材15が固定され
ている。また、ベアリング部材15の外側はブッシュ13で
閉じられている。回転軸９はベアリング15と軸受12によ
って支承されている。前記ベアリング15は回転軸９のフ
ランジ部9aに当接しており、回転軸９が蓋部材５に向か
って移動することを防止している。

前記ベアリング15と弾性体１の間にはバイメタルバネ
８が挿入されている。前記ロータ６はバイメタルバネ８
の弾性力によってステータ３に加圧されている。

前記バイメタルバネ８は回転軸９に形成されたフラン
ジ部9aによって拘束されており、蓋部材５に向かう移動
が制限されている。また、前記バイメタルバネ８はフラ
ンジ部9aによってベアリング部材15と同軸に保持されて
いる。前記バイメタルバネ８は第２図に示すように、弾
性に富む異なった２種類の金属材料を一体化してなり、
温度上昇によってロータ６側に彎曲する特性を有してい
る。即ち、ロータ６側に位置する内側金属8aはその線膨
張率が低く、反ロータ６側に位置する外側金属8bはその
線膨張率が高くなっている。

前記ロータ６とバイメタルバネ８の間には、ゴムシー
ト14が介在する。前記ゴムシート14は防振およびロータ
６の回転を回転軸９へ伝達する機能を有する。

前記ロータ６の外周縁部には厚肉部6aが形成されてい
る。前記厚肉部6aの下面は弾性体１の大径リング部1aに
対向して接合している。また、厚肉部6aと弾性体１の間
には摩擦材フィルム７が挿入されている。したがって、
前記ロータ６の厚肉部6aの下面は、大径リング部1aに形
成された突部1eに摩擦材フィルム７を介して当接してい
る。

このように構成された超音波モータは、次のように駆
動することができる。

まず、リード線17とベース４の間に交流電力を印加す
ると、電歪振動子２が振動して弾性体１に進行波が発生
する。この進行波は弾性体１の大径リング部1aを進行
（周回）する。このとき、大径リング部1aに形成された
突部1eによって進行波の振幅が拡大される。ロータ６は
摩擦材フィルム７を介して大径リング部1aの突部1eに当
接しているので、大径リング部1aの進行波がロータ６に
回転モーメントを与え、これによってロータ６及び回転
軸９が回転する。

前記ロータ６が回転している間、ロータ６は弾性体１
から高い周波数を有する振動圧力を受け、法線方向と接
線方向に振動する。このとき、ロータ６に生ずる振動が
弾性体１の振動と同じ周波数を有している状態では、超
音波モータ10の出力は圧電素子２に供給される電力の大
きさに応じて増大する。

ところで、超音波モータ10はステータ３の振動による
内部摩擦や、ステータ３とロータ６との間の摩擦によっ
て発熱する。超音波モータ10の温度が上昇するとステー
タ３の共振周波数は低くなり、逆に、温度が降下すると
ステータ３の共振周波数は高くなる。

一方、ステータ３の共振周波数は加圧力の増加に伴な
い高くなり、加圧力の低下によって低くなる。バイメタ
ルバネ８は蓋部材５に向かう移動が制限されているか
ら、温度上昇によってロータ６側に彎曲する。前記ロー
タ６はバイメタルバネ８の弾性力によってステータ３に
加圧される。このとき、ステータ３の共振周波数は加圧
力の増加に伴なって高くなろうとする。しかし、前述の
ように、ステータ３の共振周波数は温度の上昇に応じて
低くなる特性を有しているから、前記ロータ６とステー
タ３との間の加圧力とは全く逆の特性となる。

したがって、バイメタルバネ８の加圧力がステータ３
の温度変化による周波数変化の特性を補償するように変
化し、超音波モータ10の入力及び出力特性をほぼ一定に
することができ、超音波モータ10から安定した出力を得
ることができる。

故に、第４図の本発明の実施例と従来例の超音波モー
タの加圧手段の温度−出力特性を示す特性図のように、
従来の超音波モータでは温度上昇に伴なってその出力が
低下していたものを、本発明の実施例では、その出力の
低下を従来のものに対して10パーセント以下に抑えるこ
とができる。

ところで、上記実施例のバイメタルバネ８は、その形
状を皿バネの形状にしたものであるが、本発明を実施す
る場合には、皿バネ形状に限定されるものではなく、コ
イルスプリング形状または板バネ形状とすることができ
る。或いは形状記憶合金とすることもできる。即ち、本
発明を実施する場合にはステータ３に対向してロータ６
を加圧し、その加圧力は温度に応じてステータ３の温度
変化に伴なう周波数変化の特性と近似または一致させる
加圧手段であればよく、上記以外には、例えば、電磁制
御等で行なってもよい。

特に、上記加圧手段はバイメタルバネまたはトリメタ
ルバネ等の複数の異金属層から構成すると、異金属の層
数及びその温度膨張係数の選択によって、広い温度範囲
で加圧力を変化させることができる。また、形状記憶合
金を選択した場合には、温度変化によって生ずる加圧力
を正確に補うことができる。更に、電磁制御するもので
は、その精度を超音波モータの全体の構成を判断して制
御させることができる。

以下、第６図を参照して前述した超音波モータ10を駆
動するのに適した駆動回路について説明する。

電圧制御発振回路40が発生した交流信号は二つに分岐
され、一方の信号は90度移相回路41を介してドライバ回
路42aに入力され、他方の信号は直接ドライバ回路42bに
入力される。ドライバ回路42aは90度移相回路41の出力
信号を増幅する。ドライバ回路42aの出力信号は、トラ
ンス43aを介して圧電素子２の駆動用電極44aに印加され
る。また、ドライバ回路42bの出力信号は、トランス43b
を介して圧電素子２の駆動用電極44bに印加される。圧
電素子２上の異なる位置に固定された二つの駆動用電極
44a,44bに互いに電気的に位相が90度ずれた電気信号を
印加することなり、ステータ３上に進行波が発生する。

圧電素子２上には振動速度検出用電極44cが固定され
ている。振動速度検出用電極44cには平滑回路45が接続
されている。振動速度検出用電極44cに発生した電圧を
平滑回路45によって平滑化すると、ステータ３上に発生
した進行波の振幅にほぼ比例した電圧を得ることができ
る。

平滑回路45の出力電圧は差動増幅回路46に印加され
る。差動増幅回路46にはロータ６の回転速度調整用の可
変抵抗器47が接続されている。差動増幅回路46からは、
平滑回路45の出力と可変抵抗器47の出力との電圧差に相
当する信号が出力される。

差動増幅回路46の出力信号は、電圧制御発振回路40に
入力される。この結果、電圧制御発振回路40の発振周波
数は、平滑回路45の出力電圧が可変抵抗器47の出力電圧
と等しくなるように変化するようになる。

第３図を参照し、電圧制御発振回路40の発振周波数の
変化について説明する。第３図は圧電振動子２の周波数
−出力インピーダンス特性を描いたグラフである。図に
おいて、f0はステータ３の共振周波数である。

説明の都合上、電圧制御発振回路40が初期周波数fxで
発振しているものとする。何んらかの原因で進行波の振
幅が小さくなると、平滑回路45の出力電圧が低下する。
すると、差動増幅回路46の出力電圧が低下し、電圧制御
発振回路40の発振周波数が共振周波数f0に向かって低下
する。周知のように、電圧制御発振回路40の発振周波数
が共振周波数f0に近づくと進行波の振幅は大きくなる。
それゆえに、小さくなった進行波の振幅は発振回路40の
発振周波数が共振周波数f0に向かうにつれて大きくな
り、最終的には可変抵抗器47によって設定された振幅に
復帰する。

逆に、電圧制御発振回路40が初期周波数fxで発振して
いる時、何んらかの原因で進行波の振幅が大きくなる
と、平滑回路45の出力電圧が増大する。すると、差動増
幅回路46の出力電圧が増大し、電圧制御発振回路40の発
振周波数が増大して、共振周波数f0から遠ざかる。周知
のように、電圧制御発振回路40の発振周波数が共振周波
数f0から遠ざかるにつれて進行波の振幅は小さくなる。
それゆえに、大きくなった進行波の振幅は発振回路40の
発振周波数が、共振周波数f0から遠ざかるにつれて小さ
くなり、最終的には可変抵抗器47によって設定された振
幅に復帰する。

さて、前述した超音波モータ10では、ステータ３の温
度が高くなるとバイメタルバネ８の加圧力が増大する。
バイメタルバネ８の加圧力が高くなると、ステータ３の
振動が抑制され、進行波の振幅が小さくなる。この時、
平滑回路45の出力電圧が減少するので、進行波の振幅が
大きくなるよう電圧制御発振回路40の発振周波数が変化
する。

逆に、ステータ３の温度が低くなると、バイメタルバ
ネ８の加圧力が低くなり、進行波の振幅が大きくなる。
この時、平滑回路45の出力電圧が増大するので、進行波
の振幅が小さくなるよう電圧制御発振回路40の発振周波
数が変化する。

このように前述した超音波モータ10では、ステータ３
の温度変化が平滑回路45の出力電圧として得られるの
で、第６図に示した駆動回路により、超音波モータ10の
出力低下ができるだけ小さくなるように電気的な補正を
加えることができる。それゆえに、前述した超音波モー
タ10に第６図に示した駆動回路を接続すれば、さらに超
音波モータ10の出力低下が小さくできる。

以上述べた実施例では、全てステータ３の温度が高く
なると超音波モータ10の出力が低下する例のみを説明し
たが、摩擦材フィルム７の材質によっては、ステータ３
の温度が高くなると超音波モータ10の出力が増大する場
合も有り得る。このような場合にも、本発明はバイメタ
ルバネ８の特性を逆にすることによって適用可能であ
る。

［発明の効果］ 以上のように、請求項１の超音波モータは、弾性進行
波を発生させるステータに当接し、前記ステータの振動
によって駆動され回転するロータと、前記ステータに対
向してロータを加圧し、その加圧力は温度に応じてステ
ータの温度変化に伴なう周波数変化の特性と近似または
一致させる加圧手段とを具備するものであるから、加圧
手段は温度上昇に伴なって加圧力を増加し、ステータの
共振周波数はその加圧力の増加に伴なって高くなり、ま
た、ステータの共振周波数は温度上昇によって低くなろ
うとする。このとき、ロータとステータとの間の加圧力
は、温度に応じてステータの温度変化による周波数変化
の特性と略一致させるように加圧力を変化させることに
よって、超音波モータの入力及び出力特性を一致させる
ことができ、超音波モータから安定した出力を得ること
ができる。

また、請求項２の超音波モータの前記加圧手段は、複
数の異なった金属層からなり、加圧手段を構成する異金
属の層数及びその温度膨張係数の選択によって、広い温
度範囲で加圧力を変化させることができる。

そして、請求項３の超音波モータの前記加圧手段は、
形状記憶合金により温度変化によって生ずる加圧力を正
確に補うことができる。

【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で使用している
バイメタルバネの正面図及び断面図、第３図は超音波モ
ータで使用している圧電素子の周波数−入力インピーダ
ンスの特性を示す特性図、第４図は本発明の実施例と従
来例の超音波モータの加圧手段の温度−出力特性を示す
特性図、第５図は超音波モータのトルク出力−回転数特
性の一例を示す特性図、第６図は本発明の一実施例の超
音波モータの駆動回路図、第７図は従来の超音波モータ
の断面図、第８図は従来の超音波モータのロータ及びス
テータの要部斜視図である。 図において、 3:ステータ 6:ロータ 8:バイメタルバネ 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
分を示すものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 相良 信治 埼玉県上尾市菅谷３丁目105番地 株式 会社フコク内 (72)発明者 村上 忠良 埼玉県上尾市菅谷３丁目105番地 株式 会社フコク内 審査官 栗林 敏彦 (56)参考文献 特開 昭63−1380（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H02N 2/00 - 2/18

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】弾性進行波を発生させるステータと、 前記ステータに対して軸方向に配設され、前記ステータ
   の振動によって駆動され回転するロータと、 前記ロータの軸方向に配設され、前記ステータの温度変
   化に伴なう周波数変化の特性を補償するように前記ロー
   タの軸方向への押圧力を変化させる加圧手段とを具備す
   ることを特徴とする超音波モータ。
2. 【請求項２】前記加圧手段は、線膨張率が異なり、弾性
   に富む異なる複数の金属材からなることを特徴とする請
   求項１に記載の超音波モータ。