JPH01177876A - 振動波モータ - Google Patents

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】 （産業上の利用分野） この発明は振動波モータ、特に超音波振動を駆動源とし
た超音波モータに関するものである。

（従来の技術） 近年、圧電セラミックなどの電気機械結合素子を用いて
超音波振動を励起することにより、回転または走行運動
を得る超音波モータが、小型で高効率と高″応答特性を
実現できるモータとして注目されている。この超音波を
用いたモータに関しては、例えば「日経メカニカルＪ　
（１９８３年２月２８日号、１９８５年９月２３日号）
等で解説されている。以下、図を参照しながら、従来の
超音波モータの一例とその原理について説明する。

第５図に従来の超音波モータの進行波回転型または円環
型と呼ばれるものを示す。これは、円環状の弾性振動板
（ステータ１）の裏面に前記ステータ１と同様な形状の
円環状の圧電素子３を接着し、一体化している。但し、
圧電素子の板厚はステータ１の板厚と同じでなくてもよ
い。この圧電素子３は第６図に示すように、圧電素子の
電極をＡ、Ｈの２つの電極群に区分し、）Ｊ４（λはス
テータ１の固有振動モードの波長）だけ周方向にずらし
て配置する。また、各々の電極の周方向の長さはλの１
／２の長さにし、各々の隣会う電極においてその分極の
方向は第６図中の十−の記号で示すように互い違いにす
る。そして、電極群Ａ、Ｈの表面をそれぞれ導電性塗料
などで覆うかまたは、導線でつなぐことにより、電極群
Ａ、Ｂのなかの各々の電極をそれぞれ一つの電極にまと
める。そしてステータｌの上に同じ円環状の動体（ロー
タ２）がばね等の手段によって所定の圧力で押し付けら
れている。そのロータ２の摺動面には耐磨耗性のある材
料、例えば芳香族ポリアミド繊維を充填材とし、ポリウ
レタン樹脂をマトリックスとした複合プラスチック材料
で形成されたライニング面７を設けることにより、ステ
ータ１との磨耗を防止する。次に電極群ＡとＢにそれぞ
れ時間的位相を９０度ずらした交流電圧を印加すると、
各電極が交互に周方向に伸縮し、バイメタル効果により
ステータ１にたわみ振動が発生する。その結果、電極Ａ
と電極Ｂに位置、位相とも互いに９０度ずつずれた電極
２個の長さに相当する波長を持つ二つの定在波が発生し
、それが合成されて進行波となる。ステータ１上の進行
波は、第７図に示すように、ステータ１の表面上の１つ
の点Ｃに着目すると、その点Ｃは楕円状の軌跡を描く。

ライニング面７はステータの進行波の頂点に接触してい
るので、ロータ２は楕円の頂点部分りの軌跡の方向へ、
摩擦により移動する。すなわち、ロータ２は進行波の進
行方向とは逆に左に進む。従って、ロータ２はステータ
１上の進行波の進行方向とは逆に回転し、その回転速度
は楕円状の軌跡の速度に関係し、出力トルクはステータ
１とライニング面７どの摩擦係数によって決まる。

（発明が解決しようとする問題点） 超音波モータの回転数と回転トルクとの関係を表したモ
ータの特性曲線は、第８図に示すように回転数が低いほ
どトルクが大きいという特徴を持っている。これは従来
の電磁式の直流モータと似た特性を示しており、必要ト
ルクに対する回転数の大きさを設定するには、入力電圧
の大きさを変化させることにより実現できる。

一方、通常のモータを機器に組み込む際に減速比を調整
してモータの特性を変えることは可能である。しかし、
前記超音波モータのように直接駆動を前提としたモータ
は、このような調整は不可能で、機器の要求性能に応じ
て設計しなければならないという問題があった。特に超
音波モータの場合、ステータはステータの固有振動数と
それに対応した圧電素子の電極によって励起される振動
モードが設計時において決定されているので、ステータ
そのものが固有の特性を持っており、第８図に示す回転
数に対する。トルクの特性曲線の傾きは入力電圧によら
ない。従って、所定の入力電圧のみによって、トルクと
回転数の両者を任意に決定することは不可能である。こ
れは、従来の電磁モータに対する超音波モータの欠点で
あり、問題点でもあった。

本発明の目的は、トルクと回転数の両者を任意に決定で
きる振動波モータを提供することにある。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、振動波形を有する入力電気信号を機械振動に
変換する振動子を、弾性体からなる円環状共振子の一端
面に接着してなる円環状ステータと、前記ステータの他
端面と前記ステータ中立面の間のステータ外側または内
側側面に、円環の内側または外側側面を摺動面にもつ円
環状ロータの摺動面を加圧接触したことを特徴とする振
動波モータを提供する。

（作用） 円環状の弾性体下面に貼り付けた振動子により主モード
の振幅が軸と平行な方向の屈曲振動を発生させると、厚
みを持った円環は弾性体の軸方向に垂直な中立面を境に
して主モードの振動が伝達する方向に対して垂直の方向
、すなわち径方向に振幅を有する振動が発生する。これ
は円環の内側と外側に発生する応力に差が生じ曲げモー
メントが発生するためであり、径方向に振幅をもった振
動が生ずる。なお、−様断面を有する真直梁においては
このようなことは起こらない。

上記の径方向の振動と、軸方向と平行に振幅を有する振
動によって得られる周方向の振動の２つの振動を組み合
わせることにより円環の側面と中立面との交線部分を除
いた内側あるいは外側の質点は楕円軌道を描く振動をす
る。上記の径方向の振動は進行波であってもよく、例え
ば上記の軸方向と平行に振幅を有する進行波を利用する
。この円環の内側あるいは外側にロータを加圧接触する
ことにより、前記楕円軌道の頂点部分における周方向成
分と一致した回転方向の駆動力を得る。

また、上記の径方向に振幅を有する進行波による振動は
弾性体中立面においては振幅はゼロであり、中立面を境
にして振動の位相が逆転し、中立面より離れるに従って
振幅が大きくなり弾性体上面あるいは下面で最大となる
。従ってロータの加圧接触する位置を変化させることに
よりトルクと回転数の両者の関係を規定することが出来
る。すなわちロータの加圧接触位置を中立面に近づけた
場合にはトルクに対する回転数近似直線の傾きは急にな
り回転数よりもトルクを優先にした特性を実現でき、ロ
ータの加圧接触位置を中立面より離した場合には回転数
対トルク近似直線の傾きは緩やかになりトルクよりも回
転数を優先した特性を同一のステータで実現できる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面を参照しながら説明する。

第１図′は本発明の実施例を示す斜視図であり、図中に
おいて１は弾性を有する部材で構成された円環状のステ
ータであり、ステータ１の下面には圧電素子３が接着さ
れ、クツション４を介してステータ基板６上に設置され
ている。またステータ１の上面にはロータ２が軸５によ
り加圧接触されている。駆動に際しては、圧電素子３に
電気振動信号、例えば２０ｋＨｚ以上の超音波振動を入
力してステータｌにステータの軸と平行方向に振幅を有
する屈曲進行波を励振する。なお、ステータ１と圧電素
子３の形状寸法はその固有振動が目的とする入力電気信
号の周波数と一致するように設計されている。また圧電
素子３については第６図に一実施例を示すように例えば
電極群Ａと電極群Ｂには互い位相が９０度異なった交流
電気信号を入力することで進行波を発生させる。そして
進行波にともなう前記ステータ軸と平行方向の振動によ
りステータ１の円環の内側面と外側面に発生する応力に
差が生じ、曲げモーメントが発生し、第２図（Ｃ）のス
テータの平面図に示すような径方向に振幅をもった振動
１２が生ずる。

円環状ステータ１の形状は前記径方向の振動振幅１２が
得易いようステータの厚さと円環の幅との比は０．５か
ら３の間に設計する。そして進行波によって第２図（ａ
）のス・テータ側面から見た図に示すようなステータ１
の周方向の振動振幅１１と前記径方向の振動振幅１２が
組み合わさることにより第２図（ｄ）のステータ平面図
に示すようにステータ１の中立面との交線部分を除いた
側面に楕円軌道をもつ振動１３が生ずる。ステータ１の
外側側面に生じた前記振動１３に、弾性を有する部材に
より構成されたロータ２の断面を第３図に示すようにコ
の字形としてステータの側面に対して加圧接触する構造
をとることにより振動１３の楕円軌道のうち頂点付近の
周方向の運動がロータ２の回転運動に変換される。ロー
タ２においてステータ１と接触する部分については耐磨
耗性に優れた部材、たとえば芳香族ポリアミド系の合成
（封脂を用い表面粗さ０．８Ｓ程度の加工を行う。なお
回転駆動力はロータ２に設けられた軸５により得られる
。駆動に先立ってロータ２のステータ１の側面における
加圧接触位置は矢印ＡＢで示す変更が可能である。この
構成により第５図に示す振動波モータの垂下特性におい
て、トルクに対する回転数の近似直線の傾きがステータ
１の設計制作後に変更することが可能であり、回転数あ
るいはトルク優先のモータが同一のステータ１により実
現できる。

第４図は第１図、第３図におけるステータとロータの位
置関係を変えた他の実施例を示す断面図である。ロータ
２とステータ１とが均一に加圧接触するようにロータ２
には弾性を増すための穴を設けている。

前述のようにロータ２と接触する部分についてステータ
１の内側と外側の楕円軌道の向きは逆であるので第８図
の構成のモータは第７図の構成をとったモータに対して
回転方向が逆となる。

（発明の効果） 本発明の振動波モータによれば、振動波モータの垂下特
性において、トルクに対する回転数の近似直線の傾きが
同一のステータで変えることが可能なため回転あるいは
トルク優先のモータが同一のステータにより実現できる
という効果があり、さらにロータの加圧接触位置をステ
ータの内側あるいは外側にできることによりロータの寸
法の制約が減少しモータの薄型化、小型化を推進できる
という効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す斜視図、第２図は本発明
の作用を示す図、第３図及び第４図は本発明の一実施例
を示す断面図、第５図は従来例を示す断面図、第６図は
ステータに接着する圧電素子の分極を示す図、第７図は
進行波による振動のようすを示した図、第８図は従来の
モータの垂下特性を示した図である。 図において、１・・・ステータ、２・・・ロータ、３・
・・圧電素子、４・・・クツション、５・・・軸受け、
６・・・ステータ基板、７・・・ライニング、Ａ、Ｂ・
・・電極群、１１・・・周方向振幅、１２・０．径方向
振幅、１３．・・楕円軌道を描く振動を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　振動波形を有する入力電気信号を機械振動に変換する
   振動子を弾性体からなる円環状共振子の一端面に接着し
   てなる円環状ステータと、前記ステータのステータ中立
   面を除くステータ外側または内側側面に、円環の内側ま
   たは外側側面を摺動面にもつ円環状ロータの摺動面を加
   圧接触したことを特徴とする振動波モータ。