JPH02142371A - 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〕 本発明は圧電素子を駆動源にする超音波モータに関する
ものである。

〔従来の技術〕

従来、積層形の圧電素子を用いた超音波モータの一例と
しては、第１７図に示される。

第１７図は従来の超音波モータの一例を示す斜視図であ
り、円輪状にした圧電体１０９の上部に振動板１１０が
固着され、これらがケース１１５に取着されている。ま
た、振動板１１０の円板表面に対向せしめて、回転円板
１１１の円輪板面を密接させ、この面を強く押すように
回転円板１１１の側面より皿ばね１１２により押接し、
これを固定する抑え金１１６など一体的に軸１１３に回
転可能なよう軸着し、さらに圧電体１０９に電線１１４
を接続して超音波モータを一体構築している。

かようなごとく構成された超音波モータは、電線１１４
より直流電源がパルス的に供給されると、圧電体１０９
は円輪状に複数的に分割され、交互に極性動作が隣り合
わせになっているので、何個の円輪状の素子部位では厚
み方向に伸縮する。この表面に振動板１１０が固着され
ているので一体的に変位し、この伸縮する振動数と振動
板１１００円輪部の固有振動数が等しくなっているので
、伸縮の撮動は増幅されて振動板１１０の表面が横振動
、すなわち回転円板１１１の回転方向の振動により波打
ち的に厚み方向に変位を伴って、電源の印加に相応して
円輪の板面上に順次波が進行して回転移動する。

この表面には回転円板１１１が押接されているので、こ
の押接部の摩擦作用すなわち振動板１１０の横振動作用
に対する回転円板１１１の反作用により波の進行方向と
は逆の方向へ回転円板１１１は回転する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、上述した構成においては、振動板１１０の表面
波の速度は、円輪の接線に対し幅方向（図中Ｗで示す）
で一定速に移動する。しかるに、軸１！３に対する変位
角度θと、その回転半径Ｒと、波の移動距離Ｓの間には
、 ８＝Ｒ４ の関係が必要であるが、振動板１１０の幅Ｗが線でない
限り回転半径孔は＃ＡＷの分、上下限で差異があり、波
の移動一定とすれば、変位角度０は常に異った値となり
、振動板１１０が剛体である限り、変位角度ａが異った
運動は許されず＠Ｗ上でスリップを伴って回転円板１１
１は運動することになる。

このことにより、回転トルクが有効に得られなかったり
、圧電体１０９側の力を増しても、それを受ける回転円
板１１１側の幅Ｗｏを増すと、前述のようにスリップが
多くなり、発熱などを伴い、幅Ｗ。

を小さくせざるを得なくなる。もちろん摩擦面積が小さ
くとも押接力を大きくすれば摩擦力は増加するが、面圧
が高くなると板面材の摩擦量が増加するので実用には供
されず、結果的に小さな容量しか得られず、しかも効率
が悪くなる。また半径を大きくすれば、トルクは大きく
なるが、現在の技術では大きくすると、精度、安定性な
どの問題で余り大きく出来ない。すなわち結果的に小容
量のものしか製作されず、大きな問題となっている・現
在市販されている一般的な進行波型のものとしては、容
量４Ｗ、トルクＴ＝４ｋｇ−ａｍと極めて小さなものが
殆んどである。

本発明は上述した点に鑑みて創案されたもので、その目
的とするところは、高効率で大容量の超音波モータを提
案することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

つまり、その目的を達成するための手段は、先に出願し
た特願昭６３−９７７９６号および特願昭６３−２０４
９８９号として イ、　請求項第（１）項において、 圧電素子を駆動源にする超音波モータにおいて、圧電素
子の一端を固定金で固着し、その延長中間部位をゴムな
どの弾性体を固着して保持し、他端に耐摩性摩擦材、例
えばセラミックスなどのチップを備えて一体化したもの
を複数的に配設してブロック化し、このブロック化した
ものを、回転ドラムの円周上に圧電素子が放射状に配設
されるようにすると共に、圧電素子の先端が横撓み変位
をしたとき、チップが回転ドラムを一方向に回転駆動す
るような所要の隙間Ｃと接触角Ｉをもって配設し、更に
回転ドラムの中心に対し、正方向あるいは逆方向に回転
駆動するよう、圧電素子の配設接触角θを対称向きにし
た左右二種の圧電素子ブロックを各各交互に対称的に複
数配設し、これらのブロックをケースに固定すると共に
、回転ドラムを軸に固定して回動できるようベアリング
で支持し、これらを一体構築することにある。

口、請求項第（２）項において 前記ブロック化したものを、回転ドラムの内周部位に配
設するものである。

ハ、請求項第（３）項一ζおいて 前記ブロック化して回転ドラムに形成したものを、１個
の回転ドラムの軸長手方向の部位に複数列備え、一方の
列の圧電素子の接触角θ′に対し他方の列の圧電素子の
接触角θ′を対称的に配するものである。

次に今回出願したものとして下記の４つがあり、二、請
求項第（４）項において 圧電素子を駆動源にする超音波モータにおいて、すべり
変位（ひしやがり変位）をするすべり形の前記圧電素子
の可動端に中間材を配し、この先に伸縮変位をする積層
圧電素子を配し、さらにこの先に駆動材を配し、この駆
動材の他端は回転ドラムの外径と等価な円径状を形成せ
しめ、前記すべり圧電素子の固定端を受け体に一体接合
し、この受け体は重なり部およびその両側面より板ばね
体を張り出してこれらを一体形成せしめ、この板ばね体
を前記回転ドラムの外径と接線位置に配し且つ前記駆動
材が回転ドラムの外径部を所要の力で押圧するようにば
ね力を付与して他端を定置固定し、さらに前記受け体が
回転ドラムの中心方向のみに移動可能となし、他の方向
には支持固定するスト、バーを設け、これらを一体的に
ブロック化したものを回転ドラムに対向状に複数的に配
設し、また回転ドラムはベアリングなどで回転支持して
一体構成するものである。また、すべり圧電素子と積層
圧電素子を一体化した可動先端に駆動材を配したものに
おいて、駆動材の他端を平面形状になし、この面に対向
させて前記の回転ドラムに替り平面状の可動棒に所要の
ばね力を付与して配設し、この可動棒を圧電素子の可動
方向である水平方向のみ自在に可動可能となし、他の方
向には保持固定するように支持し、これらを一体構成し
、この可動棒が圧電素子の動作に相応して直線運動の駆
動をなすようなりニアモータとしてもよい。

ホ、請求項第（５）項において 圧電素子を駆動源にする超音波モータにおいて、円輪形
状で電圧印加により径方向に一様に伸縮する円輪形の前
記圧電素子を用い、この円輪の外径部位に弾性を有する
一カ所割りを入れた駆動割りリングを一様に密接させて
嵌着し、この駆動割りリングの他端を自由に移動可能に
し、この部位のリング外径部を所要の長さ分だけ凸起さ
せ、その他のリング外径部はこの凸起径より所要分小さ
くすると共にこの外周に備えた回転ドラムの内径に少な
くとも前記円輪形の圧電素子の外径方向の伸びより小さ
い所要の隙間を持たせて配設し、この回転ドラムを軸と
一体化し、これらを回転可能にベアリングなどで支持し
、さらにケースなどにより全体を構築し、前記圧電素子
が径方向に伸びることにより前記駆動リングの凸起部が
この径の広がり分だけ周方向へ略移動しながら圧電素子
の径方向の伸びにより径方向に広がって回転ドラムの内
面に圧接し、この圧接摩擦力により周方向への移動力を
伝達して回転駆動を一方向に得るよう一体構成するもの
である。

へ、請求項第（６）項において 駆動割りリングの固定位置に対し割りおよび凸起部の位
置を左側にして一体構築した左組と、右側にした右組の
二種の回転駆動構成したものを、一個の回転ドラムに複
数状に具備することにより左右任意の回転方向が得られ
るように一体構成するＯ ト、請求項第（７）項において 円輪形の圧電素子の内径に駆動割りリングの外径部を一
様に密接させ、駆動割りリングの他端の所要長さに内径
部位の内径方向に凸起部を設け、この凸起部に回転ドラ
ムの外径部を所要の隙間をもたせて嵌設し、これらを一
体構成する。

〔作　用〕

その作用は、次に述べる実施例において併せて詳述する
。

以下、本発明の超音波モータの一実施例を、各請求項お
よび図面に基づいて詳述する。

〔実施　例〕

（イ）請求項第（１３項において 第１図は本発明のものの一実施例を示す全体構成断面図
、第２図は第１図のアーア矢視断面図、第３図は第１図
の圧電対近傍主要部構成図である。

まず始めに、圧電対としてのバイモルフ形圧電素子は市
販されている素子で、例えば素子の極性端に十電荷を与
えると、伸びる圧電素子と、逆に縮む素子の二種類を、
リン青銅などのばね作用を有する薄板を中央にして、こ
の画素子と薄板材を一体化して固着せしめたもので、こ
の素子の極性端に十電荷を与えると、片方の素子は伸び
、他方の素子は縮む。結局、電荷を与えると横撓みを生
じ、電荷を切ると、中央の板ばね作用により、元の真直
ぐに弾性力を持って復元するように可動する素子である
。もちろん十極性に逆の一電荷を印加すれば、圧電対は
逆の方向に撓みを生じる。

このようなバイモルフ形の圧°醒素子すなわち圧電対２
を駆動源にする超音波モータにおいて、第３図に示すよ
うに圧電対２の一端を固定金５で固着し、その延長中間
部位をゴムなどの弾性体４を固着して保持するようこの
弾性体４を固定金５に固着し、他端に耐摩性摩擦材、例
えばセラミックスなどのチップ３を備えて一体化したも
のをｇｔ図に示すように複数的に配設してブロック化し
、ブロック化したものを、回転ドラム１の円周上に圧電
対２が放射状に配設されるようにすると共に、圧電対２
の先端が横撓み変位をしたとき、チップ３が回転ドラム
１を一方向に回転運動できるような第３図に示す隙間ｅ
と接触状態となるような位置とし、更に回転ドラム１の
中心に対し、正方向あるいは逆方向に回転運動ができる
よう、圧電対２のブロックを対称的に配設し、ブロック
はボルトで締結されて一体形成されているケース６．６
′に固定すると共に、第２図に示すように回転ドラム１
を軸８に固定して回動できるようベアリング７で支持し
、これらをケース６．６′に一体構築されている。

このように構成された超音波モータにおいて、一般に圧
電対２の電荷付与に対する撓み量は極めて少なく、例え
ば現状のものは数μｍであり、これを数１０枚重ねで撓
みをシリーズ的にしても数ｌＯμｍであり、このストロ
ークで第３図に示すような回転ドラム１の円周表面を斜
めに押しても、そのストロークが極少のため実用的な回
転運動は得にくいのが実状である。これに比べ本発明に
使用したバイモルフ形圧電素子、すなわち圧電対２の先
端は、数百μｍの変位ストロークが得られ、長さを長く
すれば数千μｍが得られる。これにより第３図に示すよ
うに、電荷ＯＦＦの状態では回転ドラム１の表面と極少
の隙間８をもたせ、チップ３はＡの位置となり、電荷Ｏ
Ｎによりこれらの先端が一点鎖線で示す位置Ｂになるよ
うにして、このときチップ３の角先端を撓みが少し進行
したときに回転ドラム１の円周表面と接触するように配
される。これにより、回転ドラム１とチップ３との接触
摩擦力によりチップ３の移動に伴って、第３図に示す矢
印方向に回転ドラム１を駆動する力が付与される。もち
ろん圧電対２が戻るときに接触している分、逆に回転さ
せる力が作用するが、これは正回転に比べて極少時間な
ので、そのエネルギー景は少なく、回転ドラムには慣性
のエネルギーが蓄積されているので回転ドラムは一方向
に回転する。

逆方向に回転させる場合は、この傾き位置関係を対称的
にすれば当然逆方向の回転が得られる。

また、積層型圧電素子の撓みは小さいので、一般的に効
率を上げるため、また大きな撓み量を得るため、素子の
固有振動数と電荷付与の撓みサイクルを同じにして共振
させる必要がある。この圧電対２の固有振動数は物質に
より決められ、一般にこの種のバイモルフ形では３００
〜７００Ｈｚの固有振動数で、一般の構造物に対し高サ
イクルである。

この高サイクルを得るためには、長さ一定に対し厚みを
増せばよいが、厚みを増すと撓み一定とすると素子の曲
げ応力が高くなり疲労破壊を生じてしまう。すなわち圧
電対２の厚みを薄くして（曲げ応力小にするため）剛性
を上げるために本発明では弾性体４を固着せしめて高振
動域を得ると同時に、圧電対２の保持に併用している。

これにより圧電対２は安定して横振動の撓みを所要のサ
イクルで共振可能となる。

次に、このような構造における回転動作を説明する。各
々の圧電対２には例えば左回転方向のものは総て並列に
配線され、右回転方向のものと同様に並列に配線されて
いる。圧電対２は例えば素子の厚みの一端に十を、他端
に−の電荷を与えると、第３図に示す一点鎖線のように
左側に撓み、この極性を逆にすれば、反対の右側に撓む
ようにしておく。今、回転ドラム１を左回転させる場合
は、第１図中矢印で示す左部位の圧電対２の電源を圧電
対２の共振周波数に合わせて＋、−交互にパルス状に印
加し、このとき右矢印部位の電源はＯＦＦの状態にして
おく。これにより回転ドラム１は左回転する。一方、右
回転させる場合はこれを逆にすればよい。また、回転を
停止して強制的にブレーキをかける場合は、左右両方の
電源を同時に圧１対２が回転ドラム１に接設する方向に
涜むような極性をもたせて、パルス状ではなく一定電圧
を付与すれば極めて大きなブレーキトルクが得られる。

回転ドラム１は、一般の電動モータのように鉄心、銅線
など一切不要で、材質もアルミニウムでよいので極めて
小さな慣性モーメントですむ。回転ドラム１の加減速性
は優れ回転速度零でもトルクが得られ、併わせで容量を
大きくするには回転ドラムの径と長さを長くすればかな
り実用的に大きなものまで可能なので、省力化機器、ロ
ボット駆動用に極めて有効な駆動源となる。

しかし、回転ドラム１の径が一層大きくなると、圧電対
２が円周上に設けられている関係上超音波モータ全体が
大きくなり、またこれに伴って重量も増すことになる。

そこで、この点を改良したものが次に示す請求項第（２
）項記載のものである。

（Ｃ１請求項第（２）項において、 第４図は本発明のものの一実施例を示す全体構成断面図
、第５図はその側面図、第６図は第４図の圧電対近傍主
要部構成図であり、図中、第１図〜第３図と同符号のも
のは同じ構成９機能を有する部分であるため、その説明
を割合する。

第４図〜第６図において、圧電素子すなわち圧電対２の
一端を固定金５で固着し、その延長中間部位をゴムなど
の弾性体４を固着して保持し、他端に耐摩性摩擦材、例
えばセラミックスなどのチップ３を備えて一体化したも
のを複数的に配設してブロック化し、このブロック化し
たものを、回転ドラム１１の内周部位に圧電対２が放射
状に配設されるようにすると共に、圧電対２の先端が横
撓み変位をしたとき、チップ３が回転ドラム１１を一方
向に回転駆動するような所要の隙間Ｃ′と接触角θ′を
もって配設し、更に回転ドラム１１の中心に対し、正方
向あるいは逆方向に回転駆動するよう、圧電素子の配設
接触角θ′を対称向きにした左右二種の圧電素子ブロッ
クを各各交互に対称的に複数配設し、これらのブロック
をケース９に固定すると共に、回転ドラム１１を軸８に
固定して回動できるようベアリング（図示せず）で支持
し、これらを一体構築して超音波モータを形成している
。

このように構成された超音波モータにおいて、電荷ＯＦ
Ｆの状態では回転ドラム１１の内周面と極少の隙間Ｃ′
をもたせ、チップ３はＡの位置となり、電荷ＯＮにより
これらの先端が一点鎖線で示す位置Ｂになるようにして
、このときチップ３の先端を撓みが少し進行したときに
、回転ドラム１１の内周面と接触するように配される。

その作用は第１図で説明したときと同様にして行われ、
超音波モータの右回転あるいは左回転を行う。

かくして、回転ドラム１１の径が小さい場合は、内径と
＃１８との間が少ないので、前述した第１図のものを使
用するが、内径と軸８との間が大きくなるとその間に隙
間ができ、ここに圧電対２を収納することが可能となっ
て省スペース化が図られ、これによって超音波モータ全
体が小さくなり、また軽量となる。

さらに容量アップを図った超音波モータは、次に示す請
求項第（３）項記載のものである。

（ハ）請求項第（３）項において、 第７図は本発明のものの一実施例を示す側面概念図、第
８図は第７図のＯ方向矢視断面図、第９図は第７図の■
方向矢視断面図であり、図中、第１図〜第３図と同符号
のものは同じ構成１機能を有す。

第７図〜第９図において、第４図で示したような複数の
圧電対をブロック化して回転ドラムの内周面に形成した
ものを、１個の回転ドラム１１’の軸長手方向の部位に
複数列備え、一方の列の圧電素子の接触角θ′に対し他
方の列の圧電素子の接触角θ′を対称的に配すよう構成
する。

すなわち、第７図に示すごとく、回転ドラム１ｒは円盤
１１′ａの中心に軸８が嵌着され、円盤１１’ａの外周
に円筒１１′ｂの長手方向内周を２分割するととく固着
されて一体形成されている。そして、その２分割された
内周部分のそれぞれに、第８図、第９図に示すごとく、
第４図に示した複数の圧電対２のブロック化したものを
複数個対称的に配設し、円筒１１′ｂの内周と圧電対２
との接触角θ′が円盤１１′ａのそれぞれの側において
対称的に逆方向となるよう配設されている。

なお、本実施例では円盤１１′ａの両側にそれぞれ一列
に圧電対ブロックが配設されているが、複数列対称的に
配設されることもある。また、圧電対ブロックが回転ド
ラム１１′の内部に収納されているが、円周上に設けて
もよい。

このように構成されたものは、第４図に示した超音波モ
ータに対し２倍の容量アップとなる。なお、容量アップ
を図るために圧電素子の枚数を増加することも考えられ
るが、円面スペースに限界がある。また圧電素子の幅を
増加してもよいが、不均一性、製作誤差などがあってス
トロークに問題が生じる。このため、圧電素子の幅を二
倍にすれば本発明の容量アップと同じ値になるが、前述
した原因の幅の不均一性から均一な運動が行われず、押
圧が一直線状にならないのでパワーも出ない。また、第
６図に示した隙間ｅ′はストロークに限界があり、回転
ドラム１１’の軸８への取り付は誤差もあって圧電素子
幅も余り広く出来ない。一般には厚さ０．６ｔ、幅５０
　ｍｍ２のものが使用されている。

次に、別な手段として高効率、大容量を図った今回出願
したものに関し、以下に説明する。

に）請求項第（４）項において、 第１０図は本発明の超音波モータの一実施例を示す要部
構成概念図、第１１図は第１０図のア〜ア矢視断面概念
図、第１２図は第１０図のイ部拡大図で駆動原理の説明
図である。

第１０図〜第１２図において、一般に通電することによ
りすべり方向へ扇状にひしやがった変位（第１２図中Δ
θ）をあるすべり形の圧電素子１２の可動先端に変位伝
達する中間材１８を配し、この先に伸縮変位（第１２図
中々）をする圧電素子を積層した積層形の圧電素子１３
を配し、その先に摩擦係数が大きく耐摩性に富む駆動材
１４を配し、この駆動材１４の他端は回転ドラム１５の
外径と等価な円径状になし、圧電素子１２の固定端を受
け体１６１こ一体接合し、受け体１６は重り部１６−ｂ
およびその両側面より板ばね部１６−ａを張り出し、こ
れらを一体状に形成し、この板ばね１６−ａを回転ドラ
ム１５の外径と接線位置（第１０．第１２図中Ｃ線）に
配し、且つ駆動材１４が回転ドラム１５の外径部を所要
の力で押圧するようにばね力を付与して他端を定置固定
し、さらに受け体１６が回転中心方向のみに移動可能と
なし、他方向には支持固定するストッパー１７を設け、
これらを一体的にブロック化し、これを回転ドラム１５
に対向状に複数的に配し、回転ドラム１５をベアリング
などで回転支持し一体構築したものである。

このように構築された超音波モータにおいて、例えば左
回転駆動（第１２図申告圧電素子１２　、１３が実線状
に変形）を得る場合、すべり圧電素子１２及び積層圧電
素子１３の回路に同時に直流のパルス状の電圧２を印加
すると、すべり圧電素子１２は（第１０図、第１２図に
おいて）左回転方向へひしやがり（図中Δθ）、その先
端に一体接合されている中間材１８．積層圧電素子１３
および駆動材１４は左へこの分変位（図中ΔＸ）する。

同時に積層圧電素子１３は伸び方向に変位し、この分駆
動材１４に伝達し、駆動材１４は回転ドラム１５の外径
面を押圧する。これにより摩擦力が発生し、この分前記
の左回転方向への変位が回転ドラム１５に伝達されて回
転駆動力となる。電源はパルス状なので次の瞬間ゼロ電
圧になると、各圧電素子１２　、１３は自刃の弾性で元
の位置に復帰する。通常、このサイクルは加〜ωＫＨｚ
と高周波なので、回転ドラム１５は連続的に左方向へ回
転駆動される。ここで回転ドラム１５が大きくなったこ
となど外径部で偏心、真円度２円筒度など種々の工作上
の誤差が大きく生じる。これに対応するために受け体１
６を板ばね部１６−ａとストッパー１７で支持する。

すなわち、圧電素子１２　、１３の変位ストロークが数
＋μｍと極めて小さいので、駆動材１４は回転ドラム１
５の外径に常時接しいることが必要である。

しかるにこれを剛なる支持とすれば、偏心により強く圧
接して停止するが、離れた場合には駆動伝達がなされな
いなどの不備を生じる。そこで前記の駆動ブロック全体
を回転ドラム１５の外径部に対し偏心方向の回転ドラム
の運動速度には追随し、各圧電素子１２　、１３の高振
動域には追随しないように、板ばね１６−ａの押圧力を
所要値とすることにより、駆動材１４は偏心があっても
一定の接触状態を保持し問題を解°消する。

すなわち、駆動体１４が各圧°１素子１２　、１３の振
動レベルの速度域で回転ドラム１５より離れて元の位置
に戻るときは、駆動ブロック全体を押圧している板ばね
１６−ａ力による加速度は前述したように偏心方向の運
動速度域以下にしか追随しない極めて小さい数十上に対
し、圧電素子１２　、１３の変位速度域は数万Ｈｚなの
で、板ばね１６−ａの押圧力はこの微小変位の時間域に
は無視され、駆動材１４の戻り変位が回転ドラム１５に
伝達されることはない。

しかし、偏心により回転ドラム１５より駆動材１４を介
して駆動ブロック全体が低周波で運動するのでこれを固
定保持するために、まず回転駆動方向には駆動のための
微少量の変位が間欠的に付方されるので、この方向には
剛なる支持が必要である。

そこで板ばね部１６−ａを回転ドラム１５の外径の接線
位置（図中Ｃ）に配して回転方向の反力を剛性をもって
受力し、さらにストッパー１７を「ハ」の字に配設する
ことにより外径方向の変位上限と全体の転倒運動を規制
するようにするものである。

また受け体１６の重り部の慣性量は各圧電素子１２゜１
３の変位時の反作用の力を吸収するもので、これにより
受け体１６を板ばね１６−ａで弾性支持しても径方向と
回転方向の各圧電素子１２　、１３の変位が回転ドラム
１５へ確実に伝達されることになる。さらに駆動材１４
が摩耗したときでも板ばね部１６−ａの可動ストローク
を大きくしておけば、駆動ブロック全体が径方向へ追随
し、摩耗による隙間を発生しないので長寿命になる。

次に右回転する場合は、伸縮変位する積層圧電素子１３
への１圧印加は前述と全く同じで、同時にすべり電圧素
子１２に印加する電圧の＋、−の極性を逆にすることに
より、第１２図の点線に示すような扇状の変位ΔＯは右
側になるので、前記同様回転ドラム１５は右回転の駆動
を得る。なお、本発明の試験では回転ドラム１５の外径
を軟窒化処理、駆動材１４をレジン、カーボン繊維とエ
ポキシなどの複合材を使用することにより良好な結果を
得ている。また、素子は約２５ｍｍ角のものを各二個使
用し、出力容量数百Ｗと従来の容量４Ｗにくらべ５倍も
の高出力を得ている。

（ホ）請求項第（５）項〜第（７）項において、第１３
図、第１４図は本発明の超音波モータの一実施例を示す
要部正面概念図、第１５図は第１３図、第１４図中のア
〜ア矢視断面概念図、第１６図は第１４図と同様本発明
の他の実施例を示す正面概念図であるＯ 本発明においては、円輪形状で電圧を印加することによ
り径方向に一様に伸縮し、電圧を切ると元の径に復帰す
るすなわち、径方向に呼吸振動をするこの円輪形の圧電
素子を用いて超音波モータの回転力を得ようとするもの
である。

第１３図〜第１５図において、円輪形の圧電素子２０゜
２１の外径部位に弾性を有する一カ所割りを入れた駆動
割りリング２２　、２３を一様に密接させて嵌着し、こ
の駆動割りリング２２　、２３の一端および圧電素子２
０　、２１の一カ所を固定金具２４により一体締結し、
これらを定着固定し、駆動割りリング２２．２３の他端
を移動可能になし、この部位のリング外径部を所要の長
さ分だけ凸起させる。（図中２２−ａ。

２３−ａ　）その他のリング外径部はこの凸起径より所
要分小さくし、この凸起外径部を回転ドラム２５の内径
に少なくとも前記圧電素子２０　、２１の外径方向の伸
び（図中ｅ）より小さい所要の隙間（図中Δｇ）をもた
せて配設し、この回転ドラム２５を軸と一体化し、これ
らを回転可能にベアリング２６などで支持し、更にケー
スなどにより全体を一体化して超音波モータを構築する
。

このように構成された超音波モータの回転駆動作用を概
説する。

例えば、第１３図は左回転駆動を得る場合で、「道源左
用」にパルス状の電圧を印加する。このとき第１４図の
「電源有用」はＯＦＦにしておく。

電圧を印加された圧電素子２０は、外径方向に一様に伸
びる（図中ε）と、この外径に密接嵌着された駆動割り
リング２２は、割りの右側の一端は固定され、他の左側
端は自由に移動可能なので、この他端（図中２２−ａ　
）は略圧成素子２０の直径のひろがり（図中ひろがりｆ
−の２倍）を線分に展開した量（図中δ）だけ左回転方
向に移動する。同時に、円輪形の圧電素子加の外径方向
のひろがり量（ε）は駆動割りリング２２に伝達され、
径方向へ一様にひろがるが、前述したように駆動割りリ
ング２２の外径は他端の凸起部を除いて小さな径になっ
ているので、このひろがり＜＝）があっても回転ドラム
２５の内径に接することはなく駆動割りリング２２の凸
起部（２２−ａ　）のみが回転ドラム２５との隙間（図
中Δｇ）より径のひろがり量（６）の方が大きくしてな
るので、回転ドラム２５の内径に圧接される。もちろん
実用的には凸起部は耐摩性と摩擦係数を大きくする。例
えば、タングステンカーバイド−コバルト（ＷＯ−００
）などを表面に溶射しておくことにより効率よく前記径
のひろがりの線分方向の移動量（δ）だけ摩擦力により
伝達され、回転ドラム２５は左方向へ回転駆動（δＲ１
）される。また、この凸起部（２２−ａ　）は円周状に
そった面接触なので、従来例の線接触にくらべ安定した
駆動と耐摩性に富む。電源はパルス状なので次の瞬時に
はＯＦＦになる。すると、円輪形の圧電素子２０は元の
径に自己の弾性力により復帰する。

同時に、これに密接している駆動割りリング２２も同様
に自己の弾性力により復帰する。当然のことながら駆動
割りリング２２の凸起部（２２−ａ　）は右回転方向に
移動するが、同時に元の径に自己弾性により径方向に縮
んでいるので、回転ドラム２５の内径とは離れ、回転ド
ラム２５への回転駆動には関与しない。このパルス状の
周波数は、実用域で２０〜６０ＫＨｚと極めて高いので
、−瞬、駆動力が切れても回転ドラム２５などの慣性鷺
とあいまって清めらかな回転駆動が連続的に得られる。

本発明の実験では回転ドラム２５の内径には耐摩性と摩
擦力の確保のため、タングステンカーバイドの表面溶射
、駆動割りリング２２の凸起部には軟窒化処理、同内径
には潤滑性、耐摩性、低摩擦係数などの目的で例えばチ
クロンコート処理などを行い良好な結果を得ている。

次に右回転する場合は、第１４図に示すとおり、「電源
有用」にパルス状の電圧を印加し、「鑞源左用」はＯＦ
Ｆにしておけば前記同様右回転駆動が得られる。また回
転ドラム２５にブレーキトルクを発生させる場合は、左
、右同時に、パルス状ではない連続的な電圧を印加する
ことにより駆動割りリング２２　、２３の凸起部（２２
−ａ　、　２３−ａ）は回転ドラム２５の内径に連続的
に圧接し、ブレーキング作用がなされる。もちろん電圧
をＯＦＦにすれば、回転ドラム２５は自由に回転が可能
となり、ブレーキトルク債は電圧の強弱により任意に調
整できるので、精密な位置決め、ロボットの駆動などに
は印加する周波数と電圧形態のｖＩ４整などにより最適
な駆動源として極めて利便性が高い。

次に、請求項第（η項に示したように、駆動割りリング
２７と回転ドラム２８を円輪形の圧電素子２９の内側に
設けた他の主側を第１６図に示し、これを説明する。

第１３図において説明した回転ドラム２５は、外径寸法
が比較的大きい場合に適用すれば、そのふところに圧電
素子２０などの構築部品が内包されコンパクトになるが
、回転ドラム２８の径が小さい場合は軸などが邪魔にな
って内包されないので、逆に外側へ配設したもので、ト
ルク量１回転数などの大小と、経済性、コンパクト化な
ど種々の目的により所要の方式をとれるようにしたもの
である。

〔発明の効果〕

以上説明したごとく本発明によれば、請求項第（１）項
に示した超音波モータは、従来のように駆動摩擦面の幅
Ｗによる半径差に起因するすべり摩擦運動がなく、回転
ドラム１の円周表面に線状に加力されるので、駆動効率
が高く長寿命が得られる。

また、回転ドラム１の径および長さを増し、これに対応
させて圧電対２の数を増せば大容量の裏作は容易に無理
なく可能となる。すなわち、従来のものはせいぜい容量
４Ｗ程度が実用的な限界であったものが、本発明では極
めて大容ｆ（例えば３、７　ＫＷ）まで実用的に可能で
ある。また従来例では回転円板１１１に摩擦力を得るた
めに皿ばね１１２によりスラスト力を付与しているので
、この力はベアリング、軸１１３に加えられ、寿命９強
度など相応して不利になっていたが、本発明では圧電対
２のブロックを対称的に配し、回転ドラム１の内力とし
て相互にキャンセルするようにしたのでベアリング７、
軸８へのこの種の付加はないので極めて経済的で長寿命
が得られる。

請求項第（２）項においては、従来大容量化を行う場合
圧電対２が回転ドラム１の外周部分に配設されている関
係上、超音波モータ全体が大きくなってしまい、余り経
済的でなかったが、この圧電対２を回転ドラム１１の内
部に収納したことによって省スペース化を図ることがで
き、且つそれに伴って軽量、経済性に富む超音波モータ
を製作出来る。

また、請求項第（３）項においては、圧電素子の配設接
触角θ′を対称向きにした左右２種の圧電素子ブロック
を回転ドラム１１′の内周部位に、例えば右回転用の一
方向の圧電素子ブロックを回転面の−平面上に複数的に
配設し、その回転面と隣り合わせに左回転用の逆方向の
圧電素子ブロックを配設する。すなわち回転ドラム軸の
長手方向に対し、左、右両回転用の圧電素子ブロックを
複列的に配設し、これらを他の部品と一体構築したこと
によって、パワーが２倍以上とることが可能となった。

また請求項第（４）項においては、従来のように駆動摩
擦面の幅Ｗによる半径差に起因するすべり摩擦運動がな
く、回転ドラム１５の円周表面に面状に加力されるので
駆動効率が高く、さらに駆動材１４が摩耗しても駆動ブ
ロック全体が回転ドラムに追随するので摩滅による駆動
作用の不備を解消し、長寿命が得られる。また回転ドラ
ム１５の径および幅を増し、これに対応させてすべり及
び積層の各圧電素子１２　、１３の数から、駆動力を増
せば無理なく大容量が得られ、更にバイモルフ形圧框素
子にくらべても高周波数なのでより高速で駆動力も大き
いので高容量のものが得られる。

従来のものはせいぜい容ｉ１４Ｗ、　１１００ｒｐ程度
が実用限界であったが、本発明では極めて大容量（例え
ば３．７ＫＷ）で高速回転（例えば３００ｒｐｍ）まで
実用的に可能である。また従来例では回転円板１１１に
摩擦力を得るために皿ばね１１２によりスラスト力を付
与しているので、この力はベアリング、軸１１３などに
付加されて寿命、潤滑１強度など相応して不利になって
いたが、本発明では駆動ブロックを対称的に配し、回転
ドラム１５の内力として相互に打消すようにしたので、
この種の力は軸に付加されず極めて経済的で長寿命が得
られ、しかも大容量化時に生ず工作上の偏心、真円度と
各圧電素子の僅少な変位ストロークの問題も解決してい
る。

さらに請求項第（５）〜第（′７）項においては、従来
の駆動摩擦面の幅Ｗ内の半径差に起因するすべり摩擦作
用がなく、回転ドラム２５の円周表面に面状に加力され
るので駆動効率が高く、また動的な駆動摩擦面は従来で
は駆動波形の最高凸起部位のみにより回転円板１１１に
圧接し、摩擦伝達しているのでほとんど線接触であった
が、本発明では円輪逆面にそった面接触なので耐摩性に
富み長寿命が得られる。

さらに回転ドラム２５の径および幅を増せば無理なく大
容量が得られる。従来のものはせいぜい容量４Ｗ、回転
数１１００ｒｐ程度が実用限界であったが、本発明では
極めて大容量（従来の数百倍）まで実用可能である。

また従来例では回転円板１１１に摩擦力を得るために常
時器ばね１１２によりスラスト力を付与しているので、
回転軸には常にブレーキの摩擦トルクが作用し、回転軸
を自由回転させることは不可能なのでその機能的不備が
問題となっていたが、本発明では電圧を印加しない限り
回転軸は自由に回転可能なので極めて堆扱い勝手がよい
。

よって本発明の超音波モータは、高容量、高効率でしか
も従来の電気モータに比べ極小の慣性モーメントで同等
の容量が得られ、省力機器、ロボットなど極めて多用に
実用的に供される有用なものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は請求項第（１）項記載の本発明の超音波モータ
ー実施例を示す要部正面断面図、第２図は第１図中のア
ーア矢視断面図、第３図は第１図中の■部拡大図、第４
図は請求項第（２）項記載の本発明のものの一実施例を
示す全体構成断面図、第５図はその側面図、第６図は第
４図の圧電対近傍主要部構成図、第７図は請求項第（３
）項記載の一実施例を示す側面概念図、第８図は第７図
のＯ方向矢視断面図、第９図は第７図の■方向矢視断面
図、第１０図〜第１２図は請求項第（４）項記載の本発
明の一実施例を示し、第１０図はその要部構成概念図、
第１１図は第１０図のア〜ア矢視断面概念図、第１２図
は第１０図のイ部拡大図、第１３図〜第１５図は請求項
第（５）項、第（６）項記載の本発明の実施例を示し、
第１３図。 第１４図はその要部正面概念図、第１５図は第１３図お
よび第１４図中のア〜ア矢視断面概念図、第１６図は請
求項第（５）項、第（６）項記載の他の実施例を示す請
求項第（′７）項記載の正面概念図、第１７図は従来の
ものの一例を示す要部主体構成図である。 １　、１１　、１１’　、　１５　、２５　、２８・・
・・・・回転ドラム、２・・・・・・圧１対、３・・・
・・・チップ、４・・・・・・弾性体、５・・・・・・
固定金、６．６’、９・・・・・・ケース、７．２６・
・・・・・ベアリング、８・・・・・・軸、１２　、１
３　、２０　、２１　、２９・・・・・・圧電素子、１
４・・・・・・駆動材、１６・・・・・・受け体、１７
・・・・・・ストッパー、１８・・・・・・中間材、２
２　、２３　、２７・・・・・・駆動割りリング、２４
・・・・・・固定金具、１０９・・・・・・圧゛成体、
１１０・・・・・・振動板、１１１・・・・・・回転円
板、１１２・−・・・・皿ばね、１１３・・・・・・軸
、１１４・・・・・・電線、１１５・旧・・ケース、１
１６・・・・・・抑え金。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）　圧電素子を駆動源にする超音波モータにおいて
   、バイモルフ形の前記圧電素子の一端を固定金で固着し
   、その延長中間部位をゴムなどの弾性体を固着して保持
   し、他端に耐摩性摩擦材、例えばセラミックスなどのチ
   ップを備えて一体化したものを複数的に配設してブロッ
   ク化し、該ブロック化したものを、回転ドラムの円周上
   に前記圧電素子が放射状に配設されるようにすると共に
   、圧電素子の先端が横撓み変位をしたとき、前記チップ
   が回転ドラムを一方向に回転駆動するような所要の隙間
   εと接触角θをもって配設し、更に回転ドラムの中心に
   対し、正方向あるいは逆方向に回転駆動するよう、圧電
   素子の配設接触角θを対称向きにした左右二種の圧電素
   子ブロックを各各交互に対称的に複数配設し、これらの
   ブロックをケースに固定すると共に、回転ドラムを軸に
   固定して回動できるようベアリングで支持し、これらを
   一体構築したことを特徴とする超音波モータ。
2. （２）　前記ブロック化したものを、回転ドラムの内周
   部位に配設したことを特徴とする請求項第（１）項記載
   の超音波モータ。
3. （３）　前記ブロック化した圧電対部を１個の回転ドラ
   ムに、軸長手方向へ複数列備え、この一方列では前記ブ
   ロック化したものを例えば右回転駆動用に統一し、他方
   列では左回転駆動用に統一し、各列ごとに前記圧電対の
   接触角θ′を対称的に配することを特徴とする請求項第
   （１）項および請求項第（２）項記載の超音波モータ。
4. （４）　圧電素子を駆動源にする超音波モータにおいて
   、ひしゃがった変位をするすべり形の前記圧電素子の可
   動端に中間材を配し、この先に伸縮変位をする積層圧電
   素子を配し、さらにこの先に駆動材を配し、この駆動材
   の他端は回転ドラムの外径と等価な円径状を形成せしめ
   、前記すべり圧電素子の固定端を受け体に一体接合し、
   この受け体は重なり部およびその両側面より板ばね体を
   張り出してこれらを一体形成せしめ、この板ばね体を前
   記回転ドラムの外径と接線位置に配し且つ前記駆動材が
   回転ドラムの外径部を所要の力で押圧するようにばね力
   を付与して他端を定置固定し、さらに前記受け体が回転
   ドラムの中心方向のみに移動可能となし、他の方向には
   支持固定するストッパーを設け、これらを一体的にブロ
   ック化したものを回転ドラムに対向状に複数的に配設し
   、また回転ドラムはベアリングなどで回転支持して一体
   構成したことを特徴とする超音波モータ。
5. （５）　圧電素子を駆動源にする超音波モータにおいて
   、円輪形状で電圧印加により径方向に一様に伸縮する円
   輪形の前記圧電素子を用い、この円輪の外径部位に弾性
   を有する一ヵ所割りを入れた駆動割りリングを一様に密
   接させて嵌着し、この駆動割りリングの他端を自由に移
   動可能にし、この部位のリング外径部を所要の長さ分だ
   け凸起させ、その他のリング外径部はこの凸起径より所
   要分小さくすると共にこの外周に備えた回転ドラムの内
   径に少なくとも前記円輪形の圧電素子の外径方向の伸び
   より小さい所要の隙間を持たせて配設し、この回転ドラ
   ムを軸と一体化し、これらを回転可能にベアリングなど
   で支持し、さらにケースなどにより全体を構築し、前記
   圧電素子が径方向に伸びることにより前記駆動リングの
   凸起部がこの径の広がり分だけ周方向へ略移動しながら
   圧電素子の径方向の伸びにより径方向に広がって回転ド
   ラムの内面に圧接し、この圧接摩擦力により周方向への
   移動力を伝達して回転駆動を一方向に得るよう一体構成
   したことを特徴とする超音波モータ。
6. （６）　駆動割りリングの固定位置に対し割りおよび凸
   起部の位置を左側にして一体構築した左組と、右側にし
   た右組の二種の回転駆動構成したものを、一個の回転ド
   ラムに複数状に具備することにより左右任意の回転方向
   が得られるように一体構成したことを特徴とする請求項
   第（５）項記載の超音波モータ。
7. （７）　円輪形の圧電素子の内径に駆動割りリングの外
   径部を一様に密接させ、駆動割りリングの他端の所要長
   さに内径部位の内径方向に凸起部を設け、この凸起部に
   回転ドラムの外径部を所要の隙間をもたせて嵌設し、こ
   れらを一体構成したことを特徴とする請求項第（５）項
   記載の超音波モータ。