JPH0241672A - 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〕 本発明は超音波を利用した超音波モータの駆動埋 原捨の構造体に係り、圧電素子を中間にしてその両端に
重りを一体化した重り付圧電素子（俗称ランジ−パン型
振動子）を駆動源とし、これをたわみ板に一体締結し、
たわみ板の一端を固定し、他の先端を回転ドラムの円周
上あるいは内周面近傍に配置し、正、逆両方向の回転が
得られるように複数的に配設し、重りは圧電素子が可動
することによりたわみ板を共振させ、その先端の運動が
回転ドラムの円周上を間欠的に押圧して回転駆動を得る
ようにした高速、高容量、高効率の超音波モータに関す
るものである。

〔従来の技術〕

従来、超音波モータには種糧の構造のものがあり、その
−例として第６図に示される。

第６図は従来の超音波モータの一例を示す斜視Ｐ３ 図であり、円輪状にした圧電体６の上部に振動板７が固
着され、これらがケース９に取着されている。また、振
動板７の円板表面に対向せしめて、回転円板８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８の側
面より皿はね１３により押接し、これを固定する抑え金
１２など一体的に軸１０に回転可能なよう軸着し、さら
に圧電体６に電線１１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１１よ
り直流電源がパルス的に供給されると、圧電体６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、個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７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７の円輪
部の固有振動数が等しくなっているので、伸縮の振動は
増幅されて振動板７の表面が横振動、すなわち回転円板
８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８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７の横振動作用に対する
回転円板８の反作用により波の進行方向とは逆の方向へ
回転円板８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７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１０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＝Ｒθ の関係が必要であるが、振動板７の幅Ｗが線でない限り
回転半径Ｒは幅Ｗ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θは常に異った値となり、振動
板７が剛体である限り、変位角度θが異った運動は許さ
れず幅Ｗ上でスリップを伴って回転円板８は連動するこ
とになる。

このことにより、同転トルクが有効に得られなかったり
、圧電体６側の力を増しても、それを受ける回転円板８
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ＷＯ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−ｃｍ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、高効率で高速、大容量の超音波モー
タを製作可能な構造体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、重り付圧電
素子（俗称ランジ−パン型振動子）を駆動源とし、その
可動方向の先端にたわみ板を一体締結し、たわみ板の一
端を固定し、他の先端を回転ドラムの円周上に配し、こ
のたわみ板の配設を重り付圧電素子が可動することによ
りたわみ板が共振し、その先端の運動が回転ドラムの円
周上面を間欠的に押圧して回転ドラムを一方向へ回転さ
せるように所要の接触角θ、隙間δをもたせ、これを正
、通雨方向の回転駆動が得られるように複数的に配設し
て一体構築したものである。

一般に圧電素子は高周波可動（数＋に±）が可能で駆動
力も大きい（数百ｋｇｆ　）が、その可動ストロークは
数μｍと超極小である。このままでは実用に供せないの
で、圧電素子の可動方向の両端に重りを付け、振動体と
してのエネルギーポテンシャルを向上させて市販されて
いる。本発明はこれを用いて更に可動ストロークと力の
拡大が得られるように重り付圧電素子とたわみ板を一体
締結し、これを可動共振させ、その先端で回転ドラムの
円周上を間欠的に押圧して極めて大容量で高効率的に回
転駆動を得られるようにしたものである。なＰ７ お、重りをつけた圧電素子をたわみ板に取着して一体化
したものを、回転ドラムの内周面側に備える場合もある
。

〔作　用〕

その作用は、次に述べる実施例において併せて説明する
。

〔実　施　例〕

第１図は本発明の超音波モータの一実施例を示す全体構
成概念図、第２図は第１図の側面図、第３図は第１図の
ア部拡大図である。

一般に、圧電素子は一個では極めてその可動ストローク
は小さいため、（数矧０このままではエネルギーポテン
シャルが僅少なので圧電素子の可動方向の両端に重りを
一体化して可動力をこの重りに伝え、重りと素子を一体
的に運動させ、そのポテンシャルエネルギーを向上した
ものであり、俗称ランジ−パン型振動子として市販され
ている。

本発明はこの重り付圧電素子を駆動源として超音波モー
タの回転力を得ようとするものである。

すなわち、第１図〜第３図において、圧電素子を駆動源
にする超音波モータにおいて、２枚の圧電素子４ａを中
間にして、その可動方向の両端に重り４ｂを付し、これ
らを一体止している市販の重り付圧電素子（ランジ−パ
ン型振動子）４を用い、この重り付圧電素子（以降単に
素子という）４の可動先端をたわみ板３の略中間位にボ
ルト５などで取着し、このたわみ板３の一端は固定し、
他の先端は回転可能なようにベアリングなどで支持され
ている軸２に嵌着された回転ドラム１の円周外面に配置
し、素子Ａが可動することによりたわみ板３が共振する
と共に、その先端が回転ドラム１の外周面を間欠的に押
圧して一方向に回転ドラム１が駆動するように所要の隙
間δと接触角θをもって配設し、さらに接触角θは回転
ドラムが正あるいは逆方向いずれに対しても回転駆動す
るように接触角θの配役を対称的になし、これを交互に
且つ軸２を中心とする対称的に複数箇所に設け、これら
を一体構築している。

次に、その作用について説明する。

今１右回転駆動を得る場合、第１図に示す「電源左用」
はＯＦＦにし、「電源有用」の回路に所要のパルス状の
電圧を印加すると第１図、第３図に示す右回転矢印部位
の素子Ａの圧電素子４ａが伸び、これを一体止されてい
る重り４ｂにも力が伝達され・伸び方向に運動する。付
加電源はパルス状なので次の一瞬には電源は切れるので
、伸びた圧電素子４ａは元の長さに戻るように圧電素子
４ａの弾性特性に相応して運動する。すなわち、電源の
パルス数に相応して振動運動する。この京り４ｂは素子
４とたわみ板３は一体化されており、前述したように所
要の振動数に対したわみ板３の横たわみ振動と素子４の
質量を含めた力学系で共振されるようになっているので
その振動は増幅され、更にたわみ板３は後端を固定し、
中間位に素子Ａを配しているので、長さ比の効用により
たわみ板３の先端は素子Ａの小さなストロークにも拘わ
らす大きく振れる。更に慣性効果によりそのエネルギー
ポテンシャルは極めて大きなものとなる。本発明の実験
では共振点２万出（一般に圧電素子単体では２〜４万Ｉ
（ｚ　）にしたとき静的な素子Ａの可動量に対し数百倍
のストロークとなり、直径３０ｍｍのもので約４００Ｖ
の印加電圧で１００１００Ｏの静的な可動力が得られた
。このたわみ板３の先端の運動は、第３図に示すように
、回転ドラム１の外周面を振動数に相応して間欠的に一
方向に押圧して回転駆動するように、所要の接触角θを
もって配設されているので、回転ドラム１は矢印「右」
方向に回転する。これにより高速で高容量な回転力が得
られる。また、このような振動的加圧の駆動メカニズム
ではその圧接面の耐摩耗性が問題となるが、本実験では
例えば回転ドラム１側にはチタンナイトライド（ＴｉＮ
）の硬質膜をＯＶＤ法（化学的真空蒸着法）により作り
、たわみ板３はタングステンカーバイトーコバル）　（
Ｗ　Ｏ−Ｃｏ　）などの超硬高質合金を使用して実用的
な結果をイ４１ている。

次に左回転駆動を得る場合は、「右用篭源」をａ乙 ＯＦＦにして前ヂ同様「左用篭諒」に所要のパルス状の
電圧を印加すればよい。

また、回転ドラム１にブレーキトルクを発生させるため
には「左」、「右」両方の′（隙にパルスＰ　　ｎ 状ではない連続的な電圧を印加することによりたわみ板
３の先端は回転ドラム１の外周面を押接してその摩擦力
によりブレーキング作用がなされる。

このブレーキングトルクは電圧の強弱により任意に調整
されるので、精密な位置決め、ロボットの駆動などに回
転駆動と併用することにより最適な駆動源として極めて
利便性が良い。

次に第４図、第５図に示すものは本発明の他の実施例で
、第４図はその全体構成図、第５図はその側面図であり
、図中、第１図と同符号のものは同じ構成９機能を有す
。

第３図、第４図において、前述の実施例においては回転
ドラム１の外径の寸法が比較的小さい場合に適用され、
直径が大きくなると回転ドラム１′の外周に対し軸２′
までのふところは大きくとれるので、このスペースを有
効にオ０用しコンパクト化する目的で前述の素子Ａとた
わみ板３を一体化したものを回転ドラム１′の内周部に
第１図で説明したものと同様所要の接触角θと隙間δを
もって配設し、全体を一体構築したものである。なお、
作用に関しては第１図で説明したものと類しているため
その説明を割愛する。

〔発明の効果〕

以上説明したごとく本発明によれば、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９幅を増し、これに対応させて重り４ｂは素子４とた
わみ板３の数。

パワーアップを図れば無理なく大容量が得られる。

更にバイモルフ圧電素子に比べても高周波可動（バイモ
ルフは数百Ｈｚであるが圧電素子型は致方Ｈ７）で、重
り効果と共振効用によりエネルギーボある。また従来例
では回転円板８に摩擦力を得るために皿はね１３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や
１１＋　１０などに付加され、寿命、潤滑９強度などに
相応して不第１」になっていたが、本発明では回転軸を
中心として対称的に素子４とたわみ板３を配し、回転ド
ラム１の内力として相殺するので、この種の力は軸２に
付加されず有利である。すなわち、本発明の超音波モー
タの回転駆動力はエネルギーポテンシャルが大きいので
高容量で高効率的に得られ、電気モータに比べ極小の慣
性モーメント、コンパクト化が得られるので省力機器、
ロボットなど佼めて多用に実用に供される有用なもので
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の超音波モータの構造体の一実施例を示
す要部正面概念図、第２図は第１図の側面概念図、第３
図は第１図中のア部拡大図、第４図、第５図は本発明の
他の実施例で、第４図はその要部正面、第５図は側面の
概念図を示し、第６図は従来の超音波モータの一例の要
部構造図である０ １．１′・・・・・・回転ドラム、２，２′・・・・・
・軸、３・・・・・・たわみ板、Ａ・・・・・・重り付
圧電素子、４ａ・・・・・・圧祇索子、４ｂ・・・・・
・重り、５・・・・−・ボルト、６・・・・・・圧電体
、７・・・・・・振動板、８・・・・・・回転円板、９
・・・・・・ケース、１０・・・・・・軸、１１・・・
・・・電線、１２・・・・・・抑え金具、１３・−・・
・・皿ばね。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　圧電素子を駆動源にする超音波モータにおいて、前記
   圧電素子を中間にして、その可動方向の両端に重りを付
   し、これらを一体化している重り付圧電素子（ランジュ
   バン型振動子）を用い、該重り付圧電素子の可動先端を
   たわみ板の略中間位にボルトなどで取着し、該たわみ板
   の一端は固定し，他の先端は回転可能なように軸に嵌着
   された回転ドラムの円周外面あるいは内周近傍に配置し
   、前記重り付圧電素子が可動することによりたわみ板が
   共振すると共に，その先端が回転ドラムの外周面あるい
   は内周面を間欠的に押圧して一方向に回転ドラムが駆動
   するように所要の隙間δと接触角θをもって配接し、さ
   らに接触角θは回転ドラムが正あるいは逆方向いずれに
   対しても回転駆動するように接触角θの配設を対称的に
   なし、これを交互に且つ前記軸を中心とする対称的に複
   数箇所に設け、これらを一体構築したことを特徴とする
   超音波モータ。