JP2951172B2 - 超音波モータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波で振動する振動
体にロータを押付け、該ロータを介して回転駆動力を取
出す超音波モータに関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波モータは、圧電素子からなる超音
波振動子の振動により回転力を得る新しい原理に基づく
モータである。

【０００３】この超音波モータは、電流と磁界の相互作
用に基づく従来の電磁型モータに比べて、小型、軽量で
ある上に低速で、且つ単位体積当たりのトルクが大き
く、又ロータの静的な保持力も大きいという特徴があ
る。従って、低速で使用する場合、ギヤレス化、ブレー
キレス化が可能であり、又慣性質量が小さいことから応
答性にも優れるため、種々の制御装置の駆動源として近
年注目されてきている。

【０００４】これまで種々の超音波モータが提案されて
いるが、例えば回転方向の切換えを容易に行うことので
きる進行波型超音波モータが特開昭５８−１４８６８
２、同５９−９６８８１号公報等に開示されている。

【０００５】しかしながら、これら従来の進行波型超音
波モータは、いずれも屈曲進行波を用いるものであった
ため、 a）高い駆動力が得られない、 b）リード線を多
数設置せざるを得ない、 c）要求される負荷や速度の変
化に対応して制御するのが難しい、 d）駆動回路が大型
化しコストが増大する等の実用上の問題が多い。

【０００６】そこで、このような屈曲進行波を用いて駆
動力を得るのではなく、斜板の首振り揺動運動の原理を
採用した超音波モータが例えば特開平４−１３３６７６
において提案されている。

【０００７】後述する実施例もこの原理を用いたもので
あるため、予備的知識の説明を兼ねてこの斜板の首振り
揺動運動の原理を採用した超音波モータの基本構成を図
８〜図１０を用いて簡単に説明する。

【０００８】回転軸１にはロータ２が一体的に設けら
れ、このロータ２と固定ケーシング３との間には斜板に
相当する機能を果す弾性体（振動体）４が配置されてい
る。弾性体４と固定ケーシング３との間には、圧電素子
５が円周方向に複数個、この例では図９に示されるよう
に５Ａ〜５Ｄ、５a 〜５d の８個が設置されている。

【０００９】図８に戻って、軸受６は回転軸１上を軸方
向に移動可能である。回転軸１の端部には調整ナット７
が螺入され、該調整ナット７と軸受６の間にスプリング
８が設けられている。この調整ナット７を回転させるこ
とにより弾性体４のロータ２に対する押圧力Ｆが調節さ
れる。

【００１０】ここで、図９の圧電素子５Ａと５a が伸
び、５Ｃと５c が縮んだ状態を形成する。その結果、図
８に示されるような状態となる。この状態から順次円周
方向に電圧印加をずらせていく。即ち、圧電素子５Ｂ、
５b 伸長、圧電素子５Ｄ、５d収縮、更に圧電素子５
Ｃ、５c 伸長、圧電素子５Ａ、５a 収縮、続いて圧電素
子５Ｄ、５d 伸長、圧電素子５Ｂ、５b 収縮とし、再度
圧電素子５Ａ、５a 伸長、５Ｃ、５c 収縮に戻らせるよ
うにする。このようにして印加電圧が１周すると、弾性
体４は図１０に示されるように、丁度頂点を同じくして
対角の位置にある２個のこまが斜めになって首振り揺動
回転するような動作を１個のこまで実現することにな
る。

【００１１】このような構成にすると、ロ―タ２と弾性
体４との接触箇所はロ―タ２の回転中心を挾んで対称の
所に位置することになるため、互いに発生する曲げモ―
メントをキャンセルできる。そのためロ―タの支持が安
定化する。又、接触点が多数あることからロ―タと斜板
との摩擦力によって伝達し得るトルクも増大できる。

【００１２】なお、以上の説明では２個のこまが結合し
たような形に可撓な弾性体４を変形させるようにしてい
たが、３個以上のこまが結合したような対応とすること
もできる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この斜
板（弾性体＝振動体）４の首振り揺動運動を利用した超
音波モータを含め、従来の超音波モータは、基本的に超
音波で振動する振動体とロータとの間の摩擦力を介して
出力を取り出すものであった。そのため、ロータを振動
体に対して強い力で押付けるとそれだけ摩擦力が大きく
なるため、より大きな出力が取り出せるようになるもの
の、押付力があまり大きくなると振動体の振動が拘束さ
れることになるため押付力をある所定のレベル以上には
大きくすることができず、従って取り出せる駆動トルク
にも限界があった。

【００１４】このため、従来の超音波モータは、主に低
速の「回転」を取出すという用途のみに用いられ、大き
な「駆動トルク」を取出すという用途には用いられない
というのが実情であった。

【００１５】本発明は、このような従来の課題に鑑みて
なされたものであって、従来とほぼ同様なハード構成を
持ちながら、従来より遥かに大きな駆動トルクを引き出
すことのできる超音波モータを提供することをその目的
としている。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は、超音波で振動
する振動体にロータを押付け、該ロータを介して回転駆
動力を取出す超音波モータにおいて、前記振動体に対す
るロータの押付力を零から次第に増大していたったとき
に、共振の振幅が減少から増加に転じる時点までの領域
を第１共振モード領域、共振の振幅が減少から増加に転
じる時点以降の領域を第２共振モード領域と定義した場
合に、第２共振モード領域に属する振幅を発生し得る押
付力によって前記ロータを振動体に押付けることによ
り、上記課題を解決したものである。

【００１７】又、本発明は、超音波で振動する振動体に
ロータを押付け、該ロータを介して回転駆動力を取出す
超音波モータにおいて、前記振動体に対するロータの押
付力を零から次第に増大していったときに、共振周波数
が急激に変化する時点までの領域を第１共振モード領
域、共振周波数が急激に変化する時点以降の領域を第２
共振モード領域と定義した場合に、第２共振モード領域
に属する共振周波数を発生し得る押付力によって前記ロ
ータを振動体に押付けることにより、上記課題を解決し
たものである。

【００１８】なお、本発明においては、前記振動体とロ
ータの接触部が、共振振動の腹に位置するように、振動
体とロータの軸方向長さを設定するようにすると一層効
率的にロータから駆動トルクを引き出すことができる。

【００１９】又、本発明においては、前記振動体とロー
タの接触部に、表面硬質化処理を施すことによって耐摩
耗特性を向上させるようにすると一層良好である。即
ち、本発明においては、従来のように耐摩耗性向上のた
めの手段として、振動体とロータの接触部に樹脂等の軟
質摺動材をライニング材として用いるのではなく、あく
まで表面の硬質化処理を施すとよいものである。なお、
この理由等については後に詳述する。

【００２０】

【作用】図１は、ロータを振動体に押付けるときの該押
付力Ｆを零から次第に増加して行ったときに、振動体の
共振周波数と、その共振周波数の電圧を印加したときに
生じる振動振幅がどのように変化するかを示したもので
ある。なお押付力Ｆ＝０のときの振幅を１としてある。

【００２１】図１から明らかなように、初め、共振振幅
は、押付力Ｆが零から次第に増加してゆくのに伴って減
少していくが、途中から増加に転じる。又その時点で共
振周波数は急激に変化する。このときの押付力がＦ１で
ある。図の例ではＦ１＝２０kgf である。

【００２２】この劇的な変化は、押付力Ｆを零から次第
に大きくしていくと、Ｆ１を境界として１つの共振モー
ドが消滅して別の共振モードが新たに発生することを示
している。この理由は、（詳細に解明された訳ではない
が）次のように考えられる。

【００２３】図２の左側に示されるように、Ｆ＜Ｆ１で
は、ロータが剛体の如く（変形することなく）振舞い、
振動体の振幅程度、持上げられている（離れている）状
態と推察される。そのため、押付力Ｆが大きくなるにつ
れ、振動体の振動が押しつぶされ、振幅が小さくなる。
このときロータはほとんど振動せず、従って押付力Ｆを
大きくすることは振動体の振動を拘束することに相当す
るため、あまり押付力Ｆが大きいと振動体の振動がほぼ
停止してしまい、駆動トルクもほとんど取り出せなくな
る。

【００２４】従来の超音波モータは、この範囲の押付
力、即ちＦ＜Ｆ１の押付力を利用していた。ところが、
押付力Ｆを更に強くし、Ｆ１＜Ｆの領域に入ると、もは
やロータは剛体の如く（変形することなく）全体の形状
を維持していることができず、振動体の振動によりロー
タが励振され、図２の右側に示されるように、ロータも
共振系の一部を構成するようになる。この場合、押付力
Ｆを大きくすると振動体とロータの結合度が増すことに
なり、振幅もそれだけ大きくなる。それと共に、モータ
の最大出力も大きくなることが実験的にわかっている。

【００２５】しかしながら、押付力Ｆがある値Ｆ２（図
１の例では３００kgf ）を超えると、逆に最大出力は減
少し始める。これは、振動体とロータの結合度が高くな
り過ぎ、ロータ、振動体各側の接触点が全く同じ動きを
するようになるため、振動体から回転運動が取出せなく
なるためと考えられる。

【００２６】以上から、Ｆ１＜Ｆ＜Ｆ２の範囲では、従
来例と比べ非常に大きな押付力Ｆに対しても振動体の振
動が維持できることとなり、その結果モータとして非常
に大きな出力を取出すことができる。このＦ＜Ｆ１とＦ
１＜Ｆの各領域は、共振周波数がかなりずれており、２
つの状態が同時に発生することはなく、前述したように
全く別の共振モードである。

【００２７】請求項１に記載した発明は、上述した内容
を、共振の振幅が押付力Ｆ１を境に減少から増加に転じ
る点に着目した。即ち、共振の振幅が減少から増加に転
じる時点のまでの領域を第１共振モード領域、共振の振
幅が減少から増加に転じる時点以降の領域を第２共振モ
ード領域と定義した場合に、第２共振モード領域に属す
る振幅を発生し得る押付力Ｆ（＞Ｆ１）によってロータ
を振動体に押付けることとしたものである。

【００２８】又、請求項２に記載した発明は、上述した
内容を、共振周波数が押付力Ｆ１を境に急激に変化する
ことに着目した。即ち、共振周波数が急激に変化する時
点までの領域を第１共振モード領域、共振周波数が急激
に変化する時点以降の領域を第２共振モード領域と定義
した場合に、この第２共振モード領域に属する共振周波
数を発生し得る押付け力Ｆ（＞Ｆ１）によってロータを
振動体に押付けることとしたものである。

【００２９】Ｆ１、Ｆ２の具体的な数値、又Ｆ１〜Ｆ２
間における取出し得る駆動トルク、更にはＦ１時点で振
幅あるいは共振周波数がどの程度急激に変化するか等に
ついては、振動体とロータの間のコンプライアンス等に
より大きく変わる。

【００３０】ただ、１つの有力な指標として、振動体と
ロータの接触部が、共振振動の「腹」に位置するよう
に、振動体とロータの軸方向長さを設定すると同一の超
音波振動子、同一の印加電圧、更に同一の押付力であっ
ても、駆動トルクを非常に効率的に取出すことができる
ことがわかった（請求項３）。

【００３１】又、振動体とロータの接触部には、耐摩耗
性向上のための手段として従来のように樹脂等の軟質摺
動材をライニング材として用いるのではなく、むしろ表
面をより硬化するべく表面硬化処理を施したほうがよい
こともわかった（請求項４）。

【００３２】

【実施例】以下、図面に基づいて本発明の実施例を詳細
に説明する。

【００３３】図３において、ロータ１０１は、回転軸１
０２に固定されている。回転軸１０２はケーシング１０
３に軸受Ｂを介して軸方向移動可能且つ回転可能に設け
られている。従来と異なりロータ１０１自体も共振系の
一部として振動するため軸受Ｂとロータ１０１との間に
は、該ロータ１０１の振動を吸収するためのゴム等の振
動遮断部材１２０が介在されている。

【００３４】ロータ１０１の端面１０１a には共振子
（振動体）１０４が部分的に接して設けられている。こ
の実施例では共振子１０４は第１共振子１０４a と第２
共振子１０４b とに分割されており、該第１共振子１０
４a と第２共振子１０４b との間に２層の超音波振動子
１０５が挾着されている。

【００３５】第１共振子１０４a は、超音波振動子１０
５の振動を受けて「斜板の首振り揺動を複数結合した運
動と等価な運動」を発生するべく弾性材料（剛性の低い
材料）によって構成されている。又、この第１共振子１
０４a には円錘状の凹部１１２が設けられており、剛性
がより小さくなるように工夫してある。

【００３６】これに対し、第２共振子１０４b は、第１
共振子１０４a と同一、又はこれより剛性の高い材料で
構成されている。この第２共振子１０４b は、最低限の
加工しか行われておらず、フランジ１０７が形成されて
いることと相まって第１共振子１０４a に比べ高剛性と
なるように設計されている。

【００３７】このような設計を行うと、低剛性の第１共
振子１０４a の部分の固有振動数と高剛性の第２共振子
１０４b の部分の固有振動数の値が異なってくるため、
加振する周波数によっては低剛性の第１共振子１０４a
の部分のみが激しく振動するモードを励振させることが
できる（無論高剛性の第２共振子１０４b の部分のみが
振動するモードや共振子１０４全体が振動するモードも
存在する）。

【００３８】このように、第１、第２共振子１０４a 、
１０４b に剛性の差を持たせたことにより、第２共振子
１０４b の部分をほとんど振動しないようにすることが
できる。この結果、この第２共振子１０４b に設けたフ
ランジ１０７を介してケーシング１０３に固定すること
により該ケーシング１０３に振動がほとんど伝達されな
い超音波モータを得ることができる。

【００３９】なお、超音波振動子１０５には、図４に示
すように、８個の扇形の圧電素子１０５a 〜１０５h が
円周上に分割して設けられ、同図に示されるように配線
されている。又、各圧電素子１０５a 〜１０５h の中央
にボルト１０６が貫通する孔１１５が形成されている。

【００４０】なお、超音波振動子１０５は、扇形に分離
した圧電素子を円周方向に複数（図示の例で８個）並べ
てもよく、又、１枚の圧電素子の分極方向を扇形に区分
するようにしてもよい。

【００４１】ところで、前述したように第１共振子１０
４a には円錘状の凹部１１２が形成されており、該第１
共振子１０４a の解放端面１１３がロータ１０１の端面
１０１a と接するようになっている。解放端面１１３の
断面形状はこの実施例では円弧形状となっているがテー
パ形状等であってもよい。

【００４２】ロータ１０１の端面１０１a は、共振子１
０４が変形しながら接触するものであるため、該共振子
１０４の振動変位を有効に取出すために僅かに傾斜する
円錘面とされている。

【００４３】共振子１０４、具体的には第１共振子１０
４a の解放端面１１３とロータ１０１の表面には摩耗防
止のための表面硬化処理が施される。例えば、第１共振
子１０４a の素材がアルミ系素材であったときには、硬
質アルマイト処理、Ｎi −Ｐめっき処理等が適当であ
る。又、ロータ１０１のほうは、例えばこの素材がスチ
ール系であったときには、熱処理、硬質クロムメッキ処
理等が適当である。

【００４４】この表面処理に関しては、従来は耐摩耗性
向上のために、樹脂（例えばポリイミド、ＰＰＳ等）を
ライニング材として用いることがあったが、樹脂等の軟
質物が介在すると、押付力Ｆを大きくしていってもＦ１
で発生するはずの状態変化が明瞭に発生しない。これ
は、共振子１０４の振動がロータ１０１に良好に伝達さ
れないためか、あるいは当該軟質物の介在によって共振
子１０４とロータ１０１との結合が阻害されるためであ
ると考えられる。

【００４５】従って、本発明にあっては、耐摩耗性向上
のために樹脂等の軟質材をライニング材として用いるの
は不適である。

【００４６】ところで、この実施例では、本発明に係る
第２共振モード領域、（図１参照）における共振を有効
に生じさせるために、図６に示すように第１共振子１０
４aとロータ１０１の接触部が、ちょうどこの共振振動
の「腹」に位置するうよに、共振子（振動体）１０４と
ロータ１０１とのそれぞれの軸方向長さ（実効長）Ｌ
１、Ｌ２が設定されている。

【００４７】例えば、図７は、軸方向長さＬ１が実効長
で５０mmの共振子１０４に対して、ロータ１０１の軸方
向長さ（実効長）Ｌ２を変えたときに回転軸１０２から
取出し得る出力が変化する様子を示している。

【００４８】図から明らかなように、回転軸１０２から
取出される出力は、ロータ１０１の軸方向長さ（実効
長）Ｌ２に強く依存している。

【００４９】この理由は、（詳細には解明されていない
が）共振子１０４とロータ１０１の接触部位の振動振幅
がロータ１０１の軸方向長さＬ２によって変わるためで
あると推察される。

【００５０】一方、回転軸１０２にはねじ１０２a が切
られており、該ねじ１０２a にはナット１０９が螺合さ
れている。又、スプリング１１０によって離反方向に付
勢される２個のスペーサ１１１が軸受Ｂとナット１０９
とに接して設けられ、該ナット１０９を回転させること
によりスプリング１１０の付勢力を変更し、ロータ１０
１の端面１０１a と第１共振子１０４a の解放端面１１
３との圧着力（振動体に対するロータの押付力Ｆ）を可
変としている。

【００５１】この構成により本発明実施のために必須の
機能、即ちロータ１０１を共振子（振動体）１０４に対
してＦ１以上の押付力Ｆで押付ける機能が実現される。

【００５２】次に、この実施例の作用を説明する。

【００５３】この実施例では超音波振動子１０５の構成
が図４のようになっているため、該超音波振動子１０５
によって第１共振子１０４a に発生される振動態様には
斜板の伸縮が表われる方向が互いに４５°ずれた２つの
振動態様が存在することになる。この場合、両者の共振
周波数は同一である。

【００５４】この２つの振動態様のうち一方のみを励振
していても回転力は発生しないが、２つの態様を位相差
を設けて同時に励振することにより、図５に示されるよ
うにあたかも斜板の首振り揺動運動の原理に基づくこま
が２個結合して回転しているかのような現象を発生させ
ることができる。

【００５５】そのため第１共振子１０４a は常に２点以
上においてロ―タ１０１と接触することになり、第１共
振子１０４a やロ―タ１０１にモ―メントが作用するこ
とがなくなる。その結果、静粛で安定性のある駆動を実
現できるようになる。

【００５６】更に、この実施例によれば、このように振
動源の構造として超音波振動子１０５を第１、第２共振
子１０４a 、１０４b によって挾持し、ボルト１０６で
強く締め付けられた構造を採用しているため、構造が簡
単で低コスト、高効率、長寿命で、且つ単位体積当た
り、あるいは単位重量当たりの出力をハード構成上に於
いても極めて大きく確保することができる。即ち、この
ようなハード構造で軸方向の振動によって駆動力を得て
いるため、従来の進行波型の超音波モータに比べて非常
に高い駆動力を得ることができる。

【００５７】又、第１共振子１０４a 及び第２共振子１
０４b の剛性を変えることにより、第２共振子１０４b
の方をほとんど振動しないようにすることができ、従っ
てこの第２共振子１０４b の側にフランジ７を形成し、
このフランジ１０７を介してケーシング１０３に固定し
ているため、振動体によって発生する振動をケーシング
１０３にまで伝搬させないようにすることができ、非常
に静粛な超音波モータを得ることができる。

【００５８】このようなハード構成を有する超音波モー
タにおいて、この実施例では、ナット１０９を回転させ
ることによりスプリング１１０の付勢力を変更し、ロー
タ１０１の端面１０１a と共振子１０４の解放端面１１
３との圧着力（振動体に対するロータの押圧力Ｆ）を、
従来に比べ非常に強いレベルに設定する。具体的には、
押圧力Ｆを増大していったときに共振の振幅が減少から
増加に転じる時点以降の領域（図１のＦ＞Ｆ１の第２共
振モード領域）に属する振幅を発生し得る押圧力Ｆに設
定する。

【００５９】換言すると、押付力Ｆを増大していたった
ときに、共振周波数が急激に変化する時点以降の領域に
属する共振周波数を発生し得る押圧力Ｆに設定する。

【００６０】しかしながら、既に作用の項で詳述したよ
うに、押圧力Ｆをあまり大きくすると（図１のＦ２以上
の押圧力）、取出し得るトルクは再び減少するため、具
体的にはこの範囲（Ｆ１＜Ｆ＜Ｆ２）で最も効率のよい
押圧力Ｆを実験等によって求め、設定値として確定す
る。

【００６１】この結果、従来より遥かに大きなトルクを
回転軸１０２から取り出すことができる。

【００６２】

【発明の効果】以上説明したとおり、本発明によれば、
従来と基本的に同一のハード構成を有する超音波モータ
でありながら、従来に比べて非常に大きなトルクを容易
に得ることができるようになるという優れた効果が得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る振動体に対するロータの押圧力の
設定範囲を説明するための、押圧力Ｆに対する共振振
幅、及び共振周波数の変化状態を示す線図

【図２】本発明の駆動力発生原理を従来の駆動力発生原
理と比較して示した断面図

【図３】本発明の実施例に係る超音波モータの構成を示
す縦断面図

【図４】上記実施例の超音波振動子の構成を示す平面図

【図５】上記超音波モータの第１共振子によって合成さ
れる振動モードを説明するための線図

【図６】上記実施例のロータと共振子（振動体）との軸
方向長さと共振振動の腹との関係を示した線図

【図７】共振子に対してロータの軸方向長さを変化させ
たときの最大出力の変化を示した線図

【図８】従来の超音波モータの基本構成の一例を示す縦
断面図

【図９】上記超音波モータの圧電素子の構成を示す平面
図

【図１０】上記超音波モータの駆動原理を説明するため
の線図

【符号の説明】

１０１…ロータ １０２…回転軸 １０２a …ねじ １０３…ケーシング １０４…共振子（振動体） １０５…超音波振動子 １０５a 〜１０５h …圧電素子 １０９…ナット １１０…スプリング １１１…スペンサー Ｂ…軸受

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】超音波で振動する振動体にロータを押付
   け、該ロータを介して回転駆動力を取出す超音波モータ
   において、 前記振動体に対するロータの押付力を零から次第に増大
   していたったときに、共振の振幅が減少から増加に転じ
   る時点までの領域を第１共振モード領域、共振の振幅が
   減少から増加に転じる時点以降の領域を第２共振モード
   領域と定義した場合に、 第２共振モード領域に属する振幅を発生し得る押付力に
   よって前記ロータを振動体に押付けることを特徴とする
   超音波モータ。
2. 【請求項２】超音波で振動する振動体にロータを押付
   け、該ロータを介して回転駆動力を取出す超音波モータ
   において、 前記振動体に対するロータの押付力を零から次第に増大
   していったときに、共振周波数が急激に変化する時点ま
   での領域を第１共振モード領域、共振周波数が急激に変
   化する時点以降の領域を第２共振モード領域と定義した
   場合に、 第２共振モード領域に属する共振周波数を発生し得る押
   付力によって前記ロータを振動体に押付けることを特徴
   とする超音波モータ。ことを特徴とする超音波モータ。
3. 【請求項３】請求項１又は２において、 前記振動体とロータの接触部が、共振振動の腹に位置す
   るように、振動体とロータの軸方向長さを設定したこと
   を特徴とする超音波モータ。
4. 【請求項４】請求項１〜３のいずれかにおいて、 前記振動体とロータの接触部に、表面硬質化処理を施し
   たことを特徴とする超音波モータ。