JPH01234067A - 超音波モータ - 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） 本発明は、ステータである圧電振動子に超音波振動を励
振させ、前記圧電振動子に圧接されたロータを摩擦力を
介して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） 超音波モータは、超音波振動により回転力を得る新しい
原理に基くモータで、電流と磁界の相互作用に基す〈従
来の電磁型モータに比べて、低速、高トルクと言う全く
異なった特徴かある。即ち、単位体積当りのトルクが非
常に大きく、低速で使用する場合、ギアレス化、ブレー
キレス化か可能で、更にまた、慣性質量か小さ（、ロー
タの静的な保持力も大きいため応答性に優れていると言
う長所がある。

これまで種々の超音波モータか提案されているが、回転
方向の切り替えを容易に行うことかできる。進行波型超
音波モータが、特開昭５８−１４８６８２、特開昭５９
−９６８８１、特開昭５９−９６８８２号公報に開示さ
れている如く精力的に研究されている。

（発明が解決しようとする課題） 進行波型超音波モータは、円板弾性体に圧電セラミック
板を貼ったステータの円周に起こるたわみ振動を利用す
るもので、ステータに時間と共に移動する進行波を二相
あるいは多相の駆動法により励振し、対面圧接したロー
タを回転させるものである。しかしながら、これらの進
行波型超音波モータは屈曲進行波を用いているため、ロ
ータからみたステータのコンプライアンスが大きい。こ
のため、中程度の駆動力は比較的容易に得られる反面、
高い駆動力（例えば直径２　ｃｍでトルクＩＫｇｆ−ｃ
ｍ以上）を得ることは困難であった。また、屈曲進行波
型超音波モータは共振によってのみ駆動力を生しさせる
ものであるため、設計上の自由度か少ないという難点が
ある。

本発明は、ボルト締めランジュバン型捩り振動子をステ
ータとして用いる構造であって、上記欠点を一掃するこ
とのできる超音波モータを実現することを目的とするも
のである。

（課題を解決するための手段） 本発明に於ける超音波モータの主要部は第１図に示すよ
うに、ステータであるボルト締めランジュバン型捩り振
動子１０、圧電アクチュエータ１９とロータ１６を備え
ている。ロータ１６は該アクチュエータ１９と該捩り振
動子１ｏの間に所定の圧力で圧接されており、該アクチ
ュエータ１９は非共振で、該捩り振動子１ｏは共振モー
ドでそれぞれ独立に駆動される。

（作用） 本発明の超音波モータの構成例を示す第１図に基き、本
発明の詳細な説明する。

本発明の超音波モータに用いる圧電アクチュエータ１９
は、特開昭５７−７９０３５、特開昭５７−７９０３６
号公報に示されている如く、多層の内部電極（電極間距
離が３０μｍ〜２００μｍ）を有し、積層セラミック技
術で製造することかできる。このアクチュエータは電気
機械変換効率がきわめて大きな縦効果で動作し、低電圧
で大きな電歪効果を得ることが可能である。また従来の
圧電セラミック板と電極を交互に組合せて構成したもの
も利用できる。捩り振動子１ｏは共振モードで駆動され
るか、このアクチュエータは捩り振動子１０の共振周波
数に一致した形で非共振で励振される。従って、捩り振
動子１ｏは、所望の共振周波数に一致させるため、寸法
を予め設計の段階で決定する必要があるが、アクチュエ
ータは非共振で動作させるため、寸法上特段の制約はな
い。たた、周知の如く、アクチュエータの高さか高い方
がトータルの縦振動変位は大きくなる。

従って、超音波モータとしての駆動周波数を決定する場
合、捩り振動子１０の共振周波数のみ決定してやれば良
いわけであり、設計は従来の進行波型超音波モータに比
べて著しく簡単になり、設計の自由度も増大する。また
捩り振動子１ｏは捩りモードを利用したメカニカルチャ
ンネルフィルタの変換子部分の動作において周知の如く
、あたかも雑巾をしぼる運動に似た丸棒の捻り変形によ
るモードで動作するのである。従って、この捩り振動子
１０は共振周波数ｆ、−において時計回り方向と反時計
回り方向の回転力を交互に生み出すわけである。ここで
、ロータ１６を反時計回りに回転させる場合について述
べる。ボルト締めランジュバン型捩り振動子が反時計回
りの回転力をロータに与えるべく、捩り振動子のロータ
に当該する而が反時計方向に変形したとき、積層圧電ア
クチュエータ１９が捩り振動子１０の運動に同期して軸
方向に伸び変形をするように別の電源から電圧を印加さ
せ、ロータ１６と捩り振動子１０を瞬間的に強（圧接さ
せる。このとき、摩擦力を介してロータは反時計方向に
大きな回転力を得ることができる。更に、捩り振動子の
ロータに当該する而か時計回りに回転したときは、積層
圧電アクチュエータ１９を軸方向に収縮させて、時間的
にロータ１６と捩り振動子の圧接力を極小にしてやり、
時計回りの捩り振動子の運動をロータに伝達させないよ
う、クラッチの働きをさせてやれば良い。従ってこの場
合、捩り振動子１０と圧電アクチュエータ１９の一連の
動作により、ロータ１６は滑らかに反時計方向に回転す
ることかできる。

一方、ロータ１６を時計回りに回転させる場合には、捩
り振動子１０はそのまま共振周波数で励振させてやり、
クラッチ動作を行う圧電アクチュエータ１９に上述のロ
ータを反時計回りに回転させる場合とは１８０度位相を
異ならしめるよう、位相だけを変えてやれば良い。この
場合も同様にロータは、時計回りに滑らかに回転をする
ことができる。

（実施例） 次に本発明の実施例として図面を参照しながら説明する
。

第１図は本発明の一実施例としての超音波モータの断面
図である。第１図において、１ｏはボルト締めランジュ
バン型捩り振動子を示し、１１ａ１１１ｂｉ　　１１Ｃ
Ｎ　　１１ｄはジルコンチタン酸鉛系圧電セラミックか
ら成るリング状圧電素子で、すべて円周方向に分極され
ている。これらの圧電素子はＣｕ等でてきた電極板を介
してエポキ７系等有機接着剤あるいはハンダ等で強固に
接着される。ｌｌａと１１ｃの対は１１ｂ、１１ｃの対
とは互いに逆向きに分極が施されている。例えば、ｌ１
ａＸ　ｌｌｃの対が時計回りに分極されていれば、１１
ｂ、１１ｄの対は反時計回りに分極サレル。マタ、圧電
素子１１ａ１１１ｂ１１１ｃ、ｌｉｄは−に下面に電極
がスバ、夕、メツ千あるいは蒸着等の方法で施され、並
列に電気端子が取り出される。従って、特公昭３９−５
８８４号公報の捩り振動子の原理がら、より多層の圧電
素子からなる捩り振動変換部分では相隣接する圧電素子
の分極方向は互いに逆向きとなる。ボルト締めランジュ
バン型捩り振動子については、日本音響学会誌２８巻７
号１１７〜１２６貝（］９７２）なとに報告されている
。

１２ａ１１２ｂ部分は金属プロ、りて、ボルト１３ａ１
ナンド１４により、静的な圧力が圧゛１を素子１１ａｓ
　　１１ｂｖ　　Ｉ　Ｌｃ、ｌ１ｄｆｆｉ＜分に印加さ
れる。また、１５は皿バネであり、捩り振動子１０を構
成する各部材の熱膨張係数の違いにより、温度変化によ
る圧電素子に印加される圧力の変化を極少にするために
配設されたものである。

１６はロータであり、その内（ｉｆｆ　ｍ分には摩擦係
数の小さい転がり摩擦で動くベアリング式摺動素子１７
か配設されている。

１９　ハ’Ｊ　７　り型形状の積層圧電アクチュエータ
、２０は台座である。超音波モータを動作り能にするた
めには、非動作時には、圧電アクチュエータ１９とロー
タ１６及び捩り振動子１０は静的な強い圧力で互いに圧
接されている必要がある。

ポルト１３ｂ１つるまきハネ２２及びナツト２１は、静
的圧力印加手段をなし、ベアリング式摺動素子１８はロ
ータ１６か回転したときに、圧電アク千ユエータ素子１
９が一体となって回転しないように設けられたものであ
る。上記構成から明らかな如く、本発明に従った超音波
モータの他の特徴としては、従来の進行波型超音波モー
タと異なり、捩り振動子１０部分に振動節点か存在し、
支持固定が容易であると言う長所かある。例えば、振動
節点か圧電素子１１ａと金属ブロック１２ａの間に存在
するように設計を行えば、振動子より大きい直径のリン
グ状の支持板（図示せず）をｌｌａと１２ｄ間に挿入し
、その支持板を固定してやることにより、支持部分から
振動エネルギーの散逸を極少に保ちながら、超音波モー
タが他のンステムに実装可能となる。

史に、本構成の超音波モータは、接着剤か仲介となって
相異なる部材を接着する部分か圧電素子１１　ａ、　　
１　ｌ　ｂ、　　１１　ｃｌｌ　１　ｄ部分に限られ、
またこの接＠部分は、強い静的な圧縮バイアス応力か常
時加わっているため、機械的強度が極めて大きい。他の
部分は何ら接着剤を使用することかないわけであるから
、構造上機械的強度が大きいという長所を何する。

本構成の超音波モータに於て、圧電アクチュエータ１９
を駆動電圧の位相が自由に変られる位相器を介して、発
信器と増幅器に接続し、また発信器を共通にし増幅器の
み異なるせてリング状圧電素子１１ａ、１ｌｂ１１１ｃ
１　ｌｉｄから出た電気端子２３．２４に接続する。ロ
ータ１６を反時計回りに回転させる場合、捩り振動子１
０の上面が反時計回りに捩れるとき、これに同期した形
で圧電アクチュエータ１９を伸張させる。このとき捩り
振動子１０から摩擦力を介してロータは反時計回りの回
転力を受ける。また、捩り振動子１０の上面が次なるｔ
周期に於て、時計回りに回転する場合、圧電アクチュエ
ータを収縮させることにより、この半周期に於て捩り振
動子１０とロータ１６との圧接力を殆と極小にすること
かできる。

従って、この場合、反時計回り方向の滑らかな回転を実
現することができる。また、時計回り方向にロータ１６
を回転させる場合には、上述の説明とは逆に、圧電アク
チュエータの位相を更に１８０度進め、捩り振動子１０
の上面が時計回りに回転すると共に圧電アクチュエータ
１９が伸張するように位相を変えてやれば良い。

次に、本構成の超音波モータの性能を調べるため、直径
２　ｃ＋ａの超音波モータを試作した。金属ブロック１
２ａ、１２ｂはチタン合金、ロータ１６はステンレス、
圧電素子１１ａ、１ｌｂ１１１ｃ１１１ｄはジルコンチ
タン酸鉛系圧電セラミック、ボルト１３　ａｌｌ　３　
ｂｌ　ナツト１４．２１はＣｒ−Ｍｏ鋼、圧電アクチュ
エータはソフト系材料のジルコンチタン酸鉛系圧電セラ
ミ、りでできている。

捩り振動子の共振周波数は３５ＫＨｚであり、印加電圧
１００　Ｖｐ−ｐ　、また、圧電アクチュエータは印加
電圧４Ｖで位相を６０度異ならせて駆動した結果、トル
ク２　、８　Ｋｇｆ−ｃｍを容易に得ることかできた。

この値は同じ直径２　ｃｍの進行波型超音波モータの約
３０倍の値である。

尚、圧電アクチュエータの駆動方法として、該アクチュ
エータの分極を減極しない方向で、パルスで駆動しても
良いことは勿論のことである。これは非共振で動作する
圧電アクチュエータの特長である。

第２図に、本発明の他の一実施例を示す。これは第１図
のベアリング摺動素子１８の代わりに、突起の付いた台
座２５を用いたものである。ロータ１６の内側に配設さ
れたベアリング摺動素子の最も内側部分は、ロータ１６
か回転しても構造１殆ど回転することはないため、この
部分に台座２５の突起部分を当接させている、。このよ
うな構造により、第１図に示した超音波モータの性能を
劣化させることなく、シンプルな構造を実現することが
できる。またポル）１３ａ１１３ｂは２本に分かれてい
てもよい。ロータの直径は振動子の直径より小さいか太
き（でもよい。摺動子１７．１８はベアリングを使用し
た場合を示したが、ロータがボルトとアクチュエータに
対してスムーズに摺動できれば不要である。ロータ表面
の改質、コーディグにより目的を達せられる場合も考え
られる。

（発明の効果） 以上記述した如（、本発明は非回転部分である捩り振動
子と圧電アクチュエータからなるステータと回転を行う
ロータから構成された超音波モータで、 （１）回転の方向が正逆いずれの方向にも可能で、かつ
、トルクの大きな超音波モータが実現できる。

■圧電アクチュエーフ部分は非共振で動作することによ
り、超音波モータの駆動周波数は、捩り振動子の共振周
波数より大部分決定されるこになるため、設計が容易で
あり且つ設計の自由度も大きい。

（３）接着箇所が捩り振動子の圧電素子部分に限られ、
しかもこの部分は大きな静的な圧縮バイアス応力を受け
るこきから、本発明に従った超音波モータは極めて機械
的に堅牢であり、製造が容易である、 等の優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は本発明に基づく超音波モータの一実施
例を示す断面図である。図に於て、１０はボルト締めラ
ンジュバン型捩り振動子、１１ａｓ　　ｔｔｂＮ　　１
００％　　ｌｉｄは捩りモード励振用圧電素子、１２ａ
、１２ｂは金属ブロック、１３ａｓ１３ｂはボルト、１
４．２１はす、ト、１５は皿ばね、１６はロータ、１７
．１８はベアリング摺動素子、１９は積層圧電アクチュ
エータ、２０は台座、２１はナツト、２２はつるまきバ
ネ、２３．２４は電気端子、２５は突起付き台座である
。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　振動子の振動エネルギーを摩擦力を介してロー
   タの回転エネルギーとする超音波モータにおいて、ステ
   ータであるボルト締めランジュバン型捩り振動子、ロー
   タ、圧電アクチュエータとを備え、ロータは圧電アクチ
   ュエータとボルト締めランジュバン型捩り振動子との間
   にあって、この両部分から圧接されながら配置されてい
   ることを特徴とする超音波モータ。
2. （２）　ロータには摺動部分が形成されている請求項（
   １）に記載の超音波モータ。