JPH01255484A - 超音波モータ用弾性体 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は弾性体に発生する振動を駆動源とした超音波モ
ータや超音波リニアモータに使用される弾性体の改良に
関するものである。

（従来の技術） 従来より、電歪振動子に発生ずる伸び縮みを利用してロ
ータを回転させる超音波モータが提案されている。この
種の超音波モータは特開昭５８−１９２４７４号公報や
特開昭５８−１９２４７５号公報等により公知である。

しかしながら、この種の超音波モータには大きな騒音が
発生したり、電歪振動子とロータの接触面が摩耗する等
の問題点かあ一つだ。

この問題点を解決するために、電歪振動子とロータの間
に弾性体を介在させた超音波モータが提案されている。

この種の超音波モータは、電歪振動子によって弾性体に
進行波を発生させ、弾性体上に発生した進行波によって
ロータを回転させる。

この種の超音波モータは特開昭６１−１９１２７８号公
報等によって公知である。

電歪振動子によって弾性体に進行波を発生させる超音波
モータにおいては、弾性体上に発生する進行波の振幅を
できる限り大きくすることが望ましい。なぜならば、進
行波の振幅が大きくなるとロータから取り出される機械
出力が大きくなり、電気エネルギーに対する機械出力の
変換効率が改善されるからである。

特開昭６１−１９１２７８号公報に提案された超音波モ
ータでは、弾性体６１に多数の突部６３を形成すること
によって進行波の振幅を拡大している。第６図に特開昭
６１−１９１２７８号公報に提案された超音波モータの
弾性体６１を示す。

図示されているように、従来の突部６３は矩形状である
。電歪振動子６２によって弾性体６１に発生した進行波
の振幅は、弾性体６１と一体に振動する矩形の突部６３
によって拡大される。従って、突部の高さｈを大きくす
ればするほど進行波の振幅が拡大され、ロータから取り
出される機械出力が太き（なる。

（発明が解決しようとした課題） しかしながら、従来の超音波モータでは、突部の高さを
大きくしたり、進行波の周波数を高くしたりすると、突
部自身に振動が発生し、突部が弾性体の進行波と一体に
振動しなくなる。突部自身に振動が発生すると弾性体に
発生した進行波が拡大されなくなり、ロータから取り出
される機械出力が減少してしまう。

本発明はこれらの従来技術の問題点を解消するためにな
されたもので、弾性体と一体に振動する突部を形成する
ことを技術的課題とした。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 前述した技術的課題を達成するために講じた技術的手段
は、弾性体に形成される突部の断面形状を突出方向に短
辺を備える台形状としたことである。

（作用） 前述した技術的手段によれば、台形状に形成された突部
の突出方向に短辺が形成されているので、突部の慣性質
量ｍが減少し、さらに突部のバネ定数ｋが大きくなる。

一般に、この種の突部の共振周波数はに７ｍの平方根に
比例することが知られている。前述した技術的手段によ
れば、ｋ　／　ｍの値が大きくなるので、突部の共振周
波数が高くなり、突部は弾性体と一体に振動するように
なる。

（実施例） 第１図は本発明を適用した弾性体の好ましい一実施例を
示す斜視図である。

本実施例の弾性体１はリング状に形成された基部２２に
多数の突部２３を形成し、基部２２にリング状の圧電振
動子２を貼着して形成されている。

多数の突部２３は切削等の方法により基部２２と一体に
形成される。突部２３の間隔は弾性体ｌに発生するたわ
み振動の半波長よりも短く設定される。

突部２３には面取部２３ａが形成されている。

突部２３には円板状のロータ８が当接する。突部２３と
ロータ８の関係は第５図を参照して後述する。

第２図に第１図のＡ−Ａ断面を示す。基部２２に形成さ
れた突部２３の断面形状は台形となっている。以後の説
明では、突部２３の突出端２３ｔの巾を上底Ｗｔ、突部
２３の根本２３ｂの巾を下底ｗｂとした。また、突部２
３の突出長を高さｈとした。本実施例の突部２３は、上
底Ｗｔと下底ｗｂの比が第（１）式で定まるように設定
されている。

Ｗｔ　／Ｗｂ　＜　１・・・（１） 第２図には図示されていないが、圧電振動子２には、そ
の周方向に複数個配設された電極２ａを有している。こ
れらの電ｉ２ａに交流電圧が加えられると圧電振動子２
にたわみ振動が発生する。

圧電振動子２に発生したたわみ振動は基部２２に伝達さ
れ、弾性体１の全体にたわみ振動が発生する。

弾性体１にたわみ振動が発生すると、突部２３は基部２
２のたわみ振動と一体に振動する。この様子を第３ａ図
と第３ｂ図に示す。第３ａ図に示された状態では二つの
突部２３がたわみ振動の谷部に位置している。この状態
では、二つの突部２３の間の距離が突部の高さｈによっ
てより短くなる。また、第３ｂ図に示された状態、即ち
、二つの突部２３がたわみ振動の山部に位置している状
態では、二つの突部２３の間の距離が突部の高さｈによ
って長くなる。このように、基部２２に発生したたわみ
振動は、突部２３の高さｈによって、その振幅がより拡
大される。

ところで、突部２３の高さｈを高くしてゆくと、突部２
３の共振周波数が低下しする。この時、突部２３の高さ
ｈがある限界値を越えると、ロータ８から取り出される
機械出力が減少し始める。この原因は突部２３と基部２
２の間に共振関係が生じたり、突部２３内に二次振動が
発生するためであると考えられる。従って、ロータ８の
回転速度を高くするためには、突部２３の共振周波数を
できるだけ高く設定することが好ましい。

本実施例の突部２３は断面形状が台形状であるので、突
部２３の慣性ｔｔが減少し、さらに突部２３のバネ定数
が大きくなる。それゆえに、本実施例によれば、突部２
３の高さｈを一定とした場合には、突部２３の共振周波
数が高くなる。

第４図を参照して本実施例の効果を説明する。

第４図は本実施例の弾性体１の特性を従来の弾性体６１
と比較したグラフである。測定のために使用した弾性体
１，６１と電歪振動子２の材料を第１表に示す。

第４図の特性は、弾性体１，６１をりん青銅で制作し、
電歪振動子２として圧電素子を使用して測定されたもの
である。図中、本実施例の突部２３の形状はＷｔ　／Ｗ
ｂ　＝０．５に選んであり、その特性は破線で示されて
いる。また、従来の弾性体の突部６３の形状は、ｗｔ　
／ｗｂ　＝ｉ　　＜即ち、矩形）に選んであり、その特
性は実線で示されている。

破線４１と実ｖＡ４２は弾性体１，６１の共振周波数を
示す。高さｈと下底ｗｂの比ｈ７ｗｂが一定の場合には
、本実施例の弾性体１の共振周波数が従来の弾性体６１
に比べて高くなる。この原因は突部２３の共振周波数が
高くなったためであると考えられる。本実施例では、従
来の弾性体６１に比べて弾性体１の共振周波数が高くな
るので、電歪振動子２に、従来に比べて高い周波数の交
流電圧を印加することができる。この特性は口・−タ８
の回転速度を高めるために有利である。

破線４３と実線４４は突部２３．６３の突出端で測定さ
れた振幅を示す。また、破線４５と実線４６は電歪振動
子２と弾性体１，６１の境界面で測定された円周方向の
振幅を示す。高さｈと下底ｗｂの比ｈ／Ｗｂがｈ／Ｗｂ
＝８を越えた付近から、本実施例の突部２３の振幅が従
来の突部６３に比べて大きくなる。

第４図において、ｈ／Ｗｂ＝Ｏの場合には突部２３が形
成されていない弾性体の特性を示す。本実施例の弾性体
１では、突部２３が形成されていない弾性体に比べ８倍
程度の特性の改善を行うことができる。特に、ｈ／Ｗｂ
＝Ｏ０５〜２５の間にある時は、突部２３が形成されて
いない弾性体に比べ、電歪振動子２の振幅が大幅に拡大
される。

また、本実施例の弾性体ｌでは、従来の矩形突部６３を
有する弾性体６１に比べ約３倍の特性改善を行うことが
できる。

第５図に本発明の弾性体１を使用した超音波モータの縦
断面図を示す。アルミニューム製略円板状のベース４の
中心部のボスには、軸受１２を介して回転軸９が支持さ
れている。ベース４にはアルミニューム製のリング状ス
ペーサ１１が固定されている。

スペーサ１１には、リング状のステータ３の内孔周縁が
載っている。ベース４のボスの外周には雄ねじが切られ
ており、この雄ねじにアルミニューム製のホルダ１０の
雌ねじが螺合し、このホルダ１０の締め付けにより、ス
テータ３がスペーサ１１とホルダ１０と一体になってい
る。従って、ベース４とステニタ３は一体になっている
。

ステータ３はリング状のりん青銅で形成された弾性体１
とリング状の圧電素子２で構成されている。弾性体１は
大径の厚肉平板状のリング（以下、大径リング部１ａと
称す）と小径の薄肉平板状のリング（以下、小径リング
部１ｂと称す）の間が薄肉部ＩＣを介して連続となった
形状であり、小径リング部１ｂがスペーサ１１およびホ
ルダｌＯで支持されている。

大径リング部１ａの上面には全周に渡って定ピツチの台
形突部２３が多数形成されている。弾性体１の下面には
大径リング部１ａから小径リング部１ｂに連続して、薄
金属１１ｉ１７が蒸着により形成されており、この薄金
属層１７がスペーサ１１に圧接しているので、電気的に
は、薄金属層１７がベース４に接続されていることにな
る。

弾性体１の大径リング部１ａの下面に形成された薄金属
層１７には、接着剤１９によってリング状の圧電素子２
が接着されている。この圧電素子２は、いわゆる超音波
モータの進行波発生用の公知の素子であり、圧電素子２
の下面には引出電極２ａが形成されている。引出電極２
ａには電気リード１８が接続されており、引出電極２ａ
と薄金属層１７の間に交流電圧を印加することにより、
弾性体１に進行波振動を生起する構造となっている。

回転軸９にはロータ８が固定されている。ロータ８は回
転体６と摩擦材７で構成されている。また、回転体６の
外周縁部には厚肉部６ａが形成されている。厚肉部６ａ
の下面は弾性体１の大径リング部１ａに対向している。

回転体６はゴムシート１４を介して板ばね１３で下に押
されているので、厚肉部６ａの下面は大径リング部１ａ
に形成された突部２３に摩擦材７を介して当接する。

回転体６の上面には、薄ゴムシート１４が載置されてい
る。また、薄ゴムシート１４の上には、板ばね１３が載
置されている。板ばね１３は、回転軸９で拘止されたフ
ランジ部材２０によって拘束されており、上方向への移
動が制限されている。

フランジ部材２０の上にはリング状のスペーサ２１を介
してスラストベアリング１５が装着されている。スラス
トベアリング１５は軸受１６で保持されている。軸受１
６は金属ケース５に固着されている。金属ケース５はベ
ース４に固着されている。

電気リード１８と金属ケース５の間に交流電圧を印加す
ると、電歪振動子２が振動して進行波を発生する。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。この時、大径リング部１ａに形成された突部２３
によって進行波の振幅が拡大される。ロータ８の摩擦材
７が大径リング部１ａの突部２３の突出端２３ｔに当接
しているので、大径リング部１ａの進行波が摩擦材７に
回転モーメントを与える。これによりロータ８およびそ
れに係合した回転軸９が回転する。

上記実施例では、弾性体１の下面に薄金属層１７を形成
してこれをスペーサ１１を介してベース４　（機器アー
ス）に電気的に接続して、圧電素子２の機器アースを容
易にしている。

また、上記実施例では、弾性体１がリング状に形成され
ているが、弾性体１は特にリング状である必要はない。

超音波リニアモータに本実施例を適用する場合には、弾
性体１を直線状に形成すると良い。

さらに、超音波モータに高回転速度が要求される場合に
は突部２３の高さｈを増大させれば良い。

この時、上底Ｗｔと下底ｗｂの比をｗｔ　７ｗｂ　＜１
に設定することにより、突部２３の高さ１１を大幅に増
大させることができるので、ロータ８から取り出される
の機械出力を大幅に増大させることができる。

逆に、超音波モータに高トルクが要求される場合には突
部２３の高さｈを減少させれば良い。この時、上底Ｗｔ
と下底Ｗｂの比をＷｔ　／Ｗｂ　＜　１に設定すること
により、弾性体１の共振周波数を高くすることができる
ので、ロータ８の回転速度の低下を抑えることができる
。

〔発明の効果〕

本発明によれば、突部の共振周波数が高くなり、突部は
弾性体と一体に振動するようになる。従って、弾性体の
振紬を効率良く拡大することができる。

また、本発明によれば、弾性体の共振周波数を高くでき
るという効果もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を適用した弾性体の好ましい一実施例を
示す斜視図である。 第２図は第１図のＡ−Ａ断面図である。 第３ａ図と第３ｂ図は弾性体の振動が突部によって拡大
される様子を描いた説明用断面図である。 第４図は本発明を適用した弾性体の特性を従来の弾性体
と比較したグラフである。 １・・・弾性体、２・・・圧電素子（電歪振動子）。 ３・・・ステータ、４・・・ベース。 ５・・・ケース、６・・・回転体。 ７・・・摩擦材、８・・・ロータ。 ９・・・回転軸、１０・・・ホルダ。 １１・・・スペーサ、１２・・・軸受。 １３・・・板ばね、１４・・・ゴムシート１５・・・ス
ラストベアリング、１６・・・軸受。 １７・・・薄金属層、１８・・・電気リード。 １９・・・接着材、２０・・・フランジ部材。 ２１・・・スペーサ、２２・・・基部。 ２３・・・突部。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）　電歪振動子とロータの間に挿入され、多数の突
   部が一体に形成された超音波モータ用弾性体において、
   該突部の断面形状が突出方向に短辺を備える台形状とさ
   れた超音波モータ用弾性体。
2. （２）　前記台形状突部が、超音波モータ用弾性体に発
   生する振動の半波長に対して少なくとも一つ形成されて
   いることを特徴とした請求項（１）記載の超音波モータ
   用弾性体。
3. （３）　前記台形状突部の高さｈと最大巾Ｗｂの比がｈ
   ／Ｗｂ＝０．５〜２５の間に設定された請求項（１）記
   載の超音波モータ用弾性体。