JPH02261077A - 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］ 本発明はステータに発生する超音波振動を駆動源として
ロータを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］ この種の超音波モータでは、ステータに発生した振動エ
ネルギーが摩擦力によってロータに伝達され、ロータが
回転するものである。したがって、超音波モータから安
定した出力を得るには、ロータがステータに安定して接
触する必要がある。

ここで、具体的な事例について説明する。

第７図は従来の超音波モータの断面図で、第８図は従来
の超音波モータのロータ及びステータの要部斜視図を示
すものである。

従来の超音波モータにおいては、ステータ５１にロータ
５２をできるだけ安定して接触させるために、皿バネ５
３の弾性変形によってロータ５２とステータ５１の間の
加圧力が適当な値に保持されている。

前記ロータ５２が回転している間、ロータ５２はステー
タ５１から高い周波数を有する振動圧力を受け、法線方
向と接線方向に振動する（第７図参照）。この時、ロー
タ５２に生じる振動はステータ５１の振動が同じ周波数
を有している状態では、超音波モータの出力はステータ
５１に供給される電力の大きさに応じて増大する。

［発明が解決しようとする課題］ 上記従来の超音波モータでは、皿バネ５３の撓み最の変
化に対して圧力の変化が少い領域があるので、その領域
を利用してロータ５２とステータ５１の間の加圧力の変
化を防いでいる。

ところが、超音波モータでは圧電素子等から発生する熱
によって、ステータ５１とロータ５２との間に加えられ
ている加圧力を不安定なものにしていた。即ち、超音波
モータの温度上昇によって、ステータ５１とロータ５２
との間に加えられている加圧力は減少していた。

このときの超音波モータのステータ５１とロータ５２間
の加圧力と、トルク出力−回転数特性は第５図のように
なり、ステータ５１とロータ５２間の加圧力の低下によ
って、トルク出力が低下していることが判る。なお、前
記第５図はステータ直径が６０　［ｍｍｌの超音波モー
タのトルク出力−回転数特性の一例を示すものである。

また、ステータ５１とロータ５２との間に加えられてい
る加圧力の変化は、圧電素子の音響インピーダンスの変
化となり、圧電素子の共振周波数の変化を引き起し、共
振状態での制御がし難かった。

そこで、本発明はステータとロータとの間に加えられて
いる加圧力の温度による影響を少なくした超音波モータ
の提供を課題とするものでおる。

［課題を解決するための手段］ 請求項１にかかる超音波モータは、弾性進行波を発生さ
せるステータに当接し、そのステータの振動によって駆
動され回転するロータをステータに対向してロータを加
圧し、その加圧力は温度に応じてステータの温度変化に
伴なう周波数変化の特性と近似または一致させるもので
ある。

請求項２にかかる超音波モータの加圧手段は、複数の金
属層からなるものである。

請求項３にかかる超音波モータの加圧手段は、形状記憶
合金からなるものである。

［作用］ 請求項］の超音波モータは、弾性進行波を発生させるス
テータに当接し、そのステータの撮動によって駆動され
回転するロータを温度に応じて加圧力を変化させる加圧
手段で加圧し、温度変化によって加圧力が低下しないよ
うに補償する。

請求項２の超音波モータの加圧手段は、複数の金属層か
らなり、異金属の温度膨張係数の違いによって加圧力を
変化させるものである。

請求項３にかかる超音波モータの加圧手段は、形状記憶
合金により温度変化によって生ずる加圧力を補うもので
ある。

［実施例］ 以下、本発明の実施例について説明する。

第１図は本発明の一実施例の超音波モータ１０の断面図
である。また、第２図の（ａ）は前記実施例の超音波モ
ータ１０で使用しているバイメタルバネ８の正面図、ま
た（ｂ）は同じく断面図である。

図において、略円盤状のベース４の中心部には開口部４
ａを穿設している。前記開口部４ａには軸受１２を圧入
している。また、前記ベース４にはリング状のステータ
３の内孔を嵌合している。

前記ステータ３は螺子１１によってベース４に固定され
ている。前記ステータ３はリング状の弾性体１の一面に
リング状の圧電素子２を導電性の接着剤によって貼付け
たものである。

前記弾性体１は大形リング部１ａと小径リング部１ｂの
間が薄肉部１Ｇを介して連続となった形状を有している
。前記弾性体１は小径リング部１ｂが螺子１１で支持さ
れることによりベース４に固定されている。大形リング
部１ａの上面には全周に渡って定ピツチの突起１ｅを多
数形成させている。前記突起１ｅは所定のピッチで人形
リング部１ａに、その中心を通る直線状に溝を刻設する
ことによって形成している。前記弾性体１は導電性の金
属材料（リン青銅）で作られているので、電気的には弾
性体１をベース４に接続していることになる。

前記圧電素子２は超音波モータ１０の進行波発生用の公
知の超音波振動素子である。圧電素子２とベース４の間
には引出電極１６を配設している。

前記引出電極１６は圧電素子２に電気的に接続されてい
る。引出電極１６にはリード線１７が接続されてあり、
引出電極１６とベース４との間に交流電圧を印加するこ
とによって圧電素子２が伸縮し、弾性体１に進行波振動
が生起される。

前記ベース４は下部に略円筒状の突出部を有する蓋部材
５と固着されている。即ち、前記蓋部材５の略円筒状の
突出部には螺子が切られており、蓋部材５を回転させる
と、蓋部材５が回転軸９の長手方向に移動し、前記ベー
ス４と螺着する。したがって、蓋部材５を回転させるこ
とにより、ステータ３とロータ６の間の加圧力を調整す
ることができる。前記ベース部材４と蓋部材５は超音波
モータ１０の外部を取囲むハウジングを構成する。

また、前記蓋部材５にはベアリング部材１５が固定され
ている。また、ベアリング部材１５の外側はブツシュ１
３で閉じられている。回転軸９はベアリング１５と軸受
１２によって支承されている。前記ベアリング１５は回
転軸９のフランジ部９ａに当接しており、回転軸９が蓋
部材５に向かって移動することを防止している。

前記ベアリング１５と弾性体１の間にはバイメタルバネ
８が挿入されている。前記ロータ６はバイメタルバネ８
の弾性力によってステータ３に加圧されている。

前記バイメタルバネ８は回転軸９に形成されたフランジ
部９ａによって拘束されており、蓋部材５に向かう移動
が制限されている。また、前記バイメタルバネ８はフラ
ンジ部９ａによってベアリング部材１５と同軸に保持さ
れている。前記バイメタルバネ８は第２図に示すように
、弾性に富む異なった２種類の金属材料を一体化してな
り、温度上昇によってロータ６側に彎曲する特性を有し
ている。即ち、ロータ６側に位置する内側金属８ａはそ
の線膨張率が低く、反ロータ６側に位置する外側金属８
ｂはその線膨張率が高くなっている。

前記ロータ６とバイメタルバネ８の間には、ゴムシート
１４が介在する。前記ゴムシート１４は防振およびロー
タ６の回転を回転軸９へ伝達する機能を有する。

前記ロータ６の外周縁部には厚肉部６ａが形成されてい
る。前記厚肉部６ａの下面は弾性体１の大径リング部１
ａに対向して接合している。また、厚肉部６ａと弾性体
１の間には摩擦材フィルム７が挿入されている。したが
って、前記ロータ６の厚肉部６ａの下面は、大径リング
部１ａに形成された突部１ｅに摩擦材フィルム７を介し
て当接している。

このように構成された超音波モータは、次のように駆動
することができる。

まず、リード線１７とベース４の間に交流電力を印加す
ると、電歪撮動子２が振動して弾性体１に進行波が発生
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。このとき、大径リング部１ａに形成され
た突部１ｅによって進行波の振幅が拡大される。ロータ
６は摩擦材フィルム７を介して大径リング部１ａの突部
１ｅに当接しているので、大径リング部１ａの進行波が
ロータ６に回転モーメン１へを与え、これによってロー
タ６及び回転軸９が回転する。

前記ロータ６が回転している間、ロータ６は弾性体１か
ら高い周波数を有する振動圧力を受け、法線方向と接線
方向に振動する。このとき、ロータ６に生ずる振動が弾
性体１の振動と同じ周波数を有している状態では、超音
波モータ１０の出力は圧電素子２に供給される電力の大
きさに応じて増大する。

ところで、超音波モータ１０はステータ３の振動による
内部摩擦や、ステータ３とロータ６との間の摩擦によっ
て発熱する。超音波モータ１０の温度が上昇するとステ
ータ３の共振周波数は低くなり、逆に、温度が降下する
とステータ３の共振周波数は高くなる。

一方、ステータ３の共振周波数は加圧力の増加に伴ない
高くなり、加圧力の低下によって低くなる。バイメタル
バネ８は蓋部材５に向かう移動が制限されているから、
温度上昇によってロータ６側に彎曲する。前記ロータ６
はバイメタルバネ８の弾性力によってステータ３に加圧
される。このとき、ステータ３の共振周波数は加圧力の
増加に伴なって高くなろうとする。しかし、前述のよう
に、ステータ３の共振周波数は温度の上昇に応じて低く
なる特性を有しているから、前記ロータ６とステータ３
との間の加圧力とは全く逆の特性となる。

したがって、バイメタルバネ８の加圧力がステータ３の
温度変化による周波数変化の特性を補償するように変化
し、超音波モータ１０の入力及び出力特性をほぼ一定に
することができ、超音波モ］１ 一タ１０から安定した出力を得ることができる。

故に、第４図の本発明の実施例と従来例の超音波モータ
の加圧手段の温度−出力特性を示す特性図のように、従
来の超音波モータでは温度上昇に伴なってその出力が低
下していたものを、本発明の実施例では、その出力の低
下を従来のものに対して１０パーセン１〜以下に抑える
ことができる。

ところで、上記実施例のバイメタルバネ８は、その形状
を皿バネの形状にしたものでめるが、本発明を実施する
場合には、皿バネ形状に限定されるものではなく、コイ
ルスプリング形状または板バネ形状とすることができる
。或いは形状記憶合金とすることもできる。即ち、本発
明を実施する場合にはステータ３に対向してロータ６を
加圧し、その加圧力は温度に応じてステータ３の温度変
化に伴なう周波数変化の特性と近似または一致させる加
圧手段であればよく、上記以外には、例えば、電磁制御
等で行なってもよい。

特に、上記加圧手段はバイメタルバネまたはトリメタル
バネ等の複数の異金属層から構成すると、異金属の層数
及びその温度膨張係数の選択によって、広い温度範囲で
加圧力を変化させることができる。また、形状記憶合金
を選択した場合には、温度変化によって生ずる加圧力を
正確に補うことができる。更に、電磁制御するものでは
、その精度を超音波モータの全体の構成を判断して制御
させることができる。

以下、第６図を参照して前述した超音波モータ１０を駆
動するのに適した駆動回路について説明する。

電圧制御発振回路４０が発生した交流信号は二つに分岐
され、一方の信号は９０度移相回路４１を介してドライ
バ回路４２ａに入力され、他方の信号は直接ドライバ回
路４２ｂに入力される。ドライバ回路４２ａは９０度移
相回路４１の出力信号を増幅する。ドライバ回路４２ａ
の出力信号は、トランス４３ａを介して圧電素子２の駆
動用電極４４、８に印加される。また、ドライバ回路４
２ｂの出力信号は、トランス４３ｂを介して圧電素子２
の駆動用電極４４ｂに印加される。圧電素子２上の異な
る位置に固定された二つの駆動用電極４４ａ、４４ｂに
互いに電気的に位相が９０度ずれた電気信号を印加する
ことにより、ステータ３上に進行波が発生する。

圧電素子２上には振動速度検出用電極４４Ｇが固定され
ている。振動速度検出用電極４．４０には平滑回路４５
が接続されている。振動速度検出用電極４４ｃに発生し
た電圧を平滑回路４５によって平滑化すると、ステータ
３上に発生した進行波の振幅にほぼ比例した電圧を得る
ことができる。

平滑回路４５の出力電圧は差動増幅回路４６に印加され
る。差動増幅回路４６にはロータ６の回転速度調整用の
可変抵抗器４７が接続されている。

差動増幅回路４６からは、平滑回路４５の出力と可変抵
抗器４７の出力との電圧差に相当する信号が出力される
。

差動増幅回路４６の出力信号は、電圧制御発振回路４０
に入力される。この結果、電圧制御発振回路４０の発振
周波数は、平滑回路４５の出力電圧が可変抵抗器４７の
出力電圧と等しくなるように変化するようになる。

第３図を参照し、電圧制御発振回路４０の発振周波数の
変化について説明する。第３図は圧電振動子２の周波数
−出力インピーダンス特性を描いたグラフでおる。図に
おいて、ｆＯはステータ３の共振周波数である。

説明の都合上、電圧制御発振回路４０が初期周波数ｆｘ
で発振しているものとする。何んらかの原因で進行波の
振幅が小さくなると、平滑回路４５の出力電圧が低下す
る。すると、差動増幅回路４６の出力電圧が低下し、電
圧制御発振回路４０の発振周波数が共振周波数ｆＯに向
かって低下する。周知のように、電圧制御発振回路４０
の発振周波数が共振周波数ｆＯに近づくと進行波の振幅
は大きくなる。それゆえに、小さくなった進行波の振幅
は発掘回路４０の発振周波数が共振周波数ｆＯに向かう
につれて大きくなり、最終的には可変抵抗器４７によっ
て設定された振幅に復帰する。

逆に、電圧制御発振回路４０が初期周波数ｆｘで発振し
ている時、何んらかの原因で進行波の振幅が大きくなる
と、平滑回路４５の出力電圧が増大する。すると、差動
増幅回路４６の出力電圧が増大し、電圧制御発振回路４
０の発振周波数が増大して、共振周波数ｆＯから遠ざか
る。周知のように、電圧制御発振回路４０の発振周波数
が共振周波数ｆｏから遠ざかるにつれて進行波の振幅は
小さくなる。それゆえに、大きくなった進行波の振幅は
発振回路４０の発振周波数が、共振周波数ｆＯから遠ざ
かるにつれて小さくなり、最終的には可変抵抗器４７に
よって設定された振幅に復帰する。

さて、前）ホした超音波モータ１０では、ステータ３の
温度が高くなるとバイメタルバネ８の加圧力が増大する
。バイメタルバネ８の加圧力が高くなると、ステータ３
の振動が抑制され、進行波の振幅が小さくなる。この時
、平滑回路４５の出力電圧が減少するので、進行波の振
幅が大きくなるよう電圧制御発振回路４０の発振周波数
が変化する。

逆に、ステータ３の温度が低くなると、バイメタルバネ
８の加圧力が低くなり、進行波の振幅が大きくなる。こ
の時、平滑回路４５の出力電圧が増大するので、進行波
の振幅が小さくなるよう電圧制御発振回路４０の発振周
波数が変化する。

このように前述した超音波モータ１０では、ステータ３
の温度変化が平滑回路４５の出力電圧として得られるの
で、第６図に示した駆動回路により、超音波モータ１０
の出力低下ができるだけ小さくなるように電気的な補正
を加えることができる。それゆえに、前述した超音波モ
ータ１０に第６図に示した駆動回路を接続すれば、さら
に超音波モータ１０の出力低下が小さくできる。

以上述べた実施例では、全てステータ３の温度が高くな
ると超音波モータ１０の出力が低下する例のみを説明し
たが、摩擦材フィルム７の材質によっては、ステータ３
の温度が高くなると超音波モータ１０の出力が増大する
場合も有り得る。このような場合にも、本発明はバイメ
タルバネ８の特性を逆にすることによって適用可能であ
る。

［発明の効果］ 以上のように、請求項１の超音波モータは、弾性進行波
を発生させるステータに当接し、前記ステータの振動に
よって駆動され回転するロータと、前記ステータに対向
してロータを加圧し、その加圧力は温度に応じてステー
タの温度変化に伴なう周波数変化の特性と近似または一
致させる加圧手段とを具備するものであるから、加圧手
段は温度上昇に伴なって加圧力を増加し、ステータの共
振周波数はその加圧力の増加に伴なって高くなり、また
、ステータの共振周波数は温度上昇によって低くなろう
とする。このとき、ロータとステータとの間の加圧力は
、温度に応じてステータの温度変化による周波数変化の
特性と略一致させるように加圧力を変化させることによ
って、超音波モータの入力及び出力特性を一致させるこ
とができ、超音波モータから安定した出力を得ることが
できる。

また、請求項２の超音波モータの前記加圧手段は、複数
の異なった金属層からなり、加圧手段を構成する異金属
の層数及びその温度膨張係数の選択によって、広い温度
範囲で加圧力を変化させることができる。

そして、請求項３の超音波モータの前記加圧手段は、形
状記憶合金により温度変化によって生ずる加圧力を正確
に補うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の超音波モータの断面図、第
２図は本発明の一実施例の超音波モータで使用している
バイメタルバネの正面図及び断面図、第３図は超音波モ
ータで使用している圧電素子の周波数−人力インピーダ
ンスの特性を示す特性図、第４図は本発明の実施例と従
来例の超音波モータの加圧手段の温度−出力特性を示す
特性図、第５図は超音波モータのトルク出力−回転数特
性の一例を示す特性図、第６図は本発明の一実施例の超
音波モータの駆動回路図、第７図は従来の超音波モータ
の断面図、第８図は従来の超音波モータのロータ及びス
テータの要部斜視図である。 図において、 ３ニスチータ ロ：ロータ ８：バイメタルバネ である。 なお、図中、同−符号及び同一記号は同一または相当部
分を示すものである。 特許出願人　アイシン精機株式会社 外１名

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）　弾性進行波を発生させるステータと、前記ステ
   ータに当接し、前記ステータの振動によつて駆動され回
   転するロータと、 前記ステータに対向してロータを加圧し、その加圧力は
   温度に応じてステータの温度変化に伴なう周波数変化の
   特性と近似または一致させる加圧手段と を具備することを特徴とする超音波モータ。
2. （２）　前記加圧手段は、複数の異金属層からなること
   を特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
3. （３）　前記加圧手段は、形状記憶合金からなることを
   特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。