JPH0297280A - 超音波モータの回転駆動方法 - 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】 １産業上の利用分野」 本発明は工不ルキー効率を大幅に向トさせることかでき
る超音波モータの回転駆動方法に関する。

ｌ−従来の技術１ 一般に広（用いられているモータは、その駆動源として
電磁力を利用して作動するようになされている。ところ
が、このモータにおいては、大きさ２重量、トルク等に
制限かあり、厳しい位置法め精度要求に応え難く、また
各種機″ＡＫの駆動に適用する場合、特に低速回転機？
＋”４に適用する場合には、減速機を必要とする等の問
題点を有している。

また、一般にこの種のモータにおいては低速回転はと電
気−機械変換効率か低くなるか、これは、主として電気
−機械変換のロスか巻き線におけるロスによるという事
情かあった。

そこで、電磁力を応用したモータに代わってこれらの問
題点を解決した高性能のアクチュエータの出現か望まれ
、電磁力を使用しないアクチュエータとして超音波モー
タか脚光を浴ひて来た。

この超音波モータは−・例として第４図に示すように構
成されている。即ち、振動体となるステータ１とこのス
テータ１に加圧接触させられて回転するロータ２とから
なっている。

ステータ１は、弾性素材からなる金属円板からなるステ
ータ基板３と、このステータ基板３の刃側の而に重ねて
接着固定された環状の圧電セラミ、り板４と、ステータ
先（板３の他方側の面にこのステータ基板３と同心状に
設けられた環状の突起５とからなっている。突起５は櫛
歯５ａを有し、後記する−に下方向の撓み振動が最大に
なる位置に設けられている。圧電セラミ、り板４は予め
分極されており、圧電セラミック板４には」−極と一極
との８つの電極４ａか設けられている。それらの分極は
隣接する領域においては互いに方向か逆とされている。

第５図（ａ）に示すように、電極と一極とで一組とされ
た２組の電極４ａにそれぞれ別々に電界Ｅ、、Ｅ２をか
けると、圧電セラミック板４か撓み振動を起こして４つ
の山をもつ２つの定在波Ｗ。

か生しる。前記？！７４としては、圧電セラミック板４
に小さな力で大きな振動を起こさせることのできる共振
周波数が選ばれ、また人の耳に聞こえない超音波領域の
高周波電界が用いられる。２つの定在波Ｗ１は位置的に
９０°の位相差になっている。

前記２組の電極４ａに時間的に９０°の位相差のある前
記高周波電界をかければ、２つの定在波Ｗ　、か重なり
合って時間と共に一定方向に移動する４つの山をもった
第５図（ｂ）に示す進行波Ｗ、か圧電セラミック板４に
励振される。これと同時に圧電セラミック板４に接ｉＥ
ｆ固定されたステータ基板３にも圧電セラミ、り板４と
同様の超音波振動の時間と共に圧電セラミック板４と同
り向に移動する進行波Ｗ、が生しる。この超音波振動を
している振動体く圧電セラミック板４．ステータ姑板３
）の各点は第６図に示すように１１１円連動をしており
、その振動の波頭のＩ′１″１点は進行波と逆り向のわ
ずかに横に動く性質をちっている。

ロータ２は、金属またはプラスチックよりなる円板状の
移動体６と、シート状プラスチックからなり、移動体６
の前記ステータ基板３側曲に接行されステータ１の突起
５に接触する環状の１！？擦材７と、移動体６の中心に
設けられた軸８とからなっている。

ロータ２の摩擦材７はｎｉｊ記圧７ｕセラミック板４に
生した進行波の波頭（縦方向変位の最大点）のみに接触
してステータ基板３との摩擦力により前記進行’ｔＩＪ
ｉ　Ｗ　２の進行方向と反対方向に回転移動する。なお
、ステータ面内には全く振動しない同心固状の位置（節
円）がある。この位置てステータ１を固定する。

「発明が解決しようとする課題」 ところが、従来のこのような超音波モータにおいては、
第７図に示すように、ステータ１の径方向に、最大振幅
が突起５の近傍において現れる波頭か２つの定在波Ｗ１
か発生し、ロータ２を回転さぜるための振動エネルギー
か比較的小となり、ロータ２に作用するトルクの作用点
かステータ１の中心側となり、従ってロータ２に与える
トルクが比較的小さく、エネルギー効率が悪いという問
題があった。

本発明は、従来の超音波モータかもつ以上のような問題
点を解決し、エネルギー効率か向上し、低速高トルクか
得られ、応答性のよい超音波モータの回転駆動方法を提
供することを目的とする。

１課題を解決するための手段］ 本発明は、前記目的を達成させるために次のようにして
いる。即ぢ、分極した環状の圧電体を伸性素材からなる
円板状のステータ基板に貼りイ１１け、前記圧電体に交
番電圧を印加して、前記ステータに、該ステータの厚さ
方向に振動しかつ周方向に移動する振動を発生させ、こ
の振動を前記ステータの一面に回動自在に設けた円板状
のロータに伝達して該ロータを回転させるようにした超
音波モータの回転駆動方法において、前記ステータの径
方向の振動モー１−を−次の固有共振振動モードとする
ようにしている。

「作用１ 圧電体に超音波領域の高周波の交番電圧を付Ｎしたとき
に圧電体自体は］−下に振動し、かつその振動か圧電体
の周方向に移動する波動か発生し、この波動は圧電体が
貼り付けられたステータ基板に伝達する。

この場合、前記波動の最大振幅がステータの径方向のど
の点に現れ、前記波動の節がステータの径方向のどの点
に位置するかは、即ぢステータの径方向のとのような振
動モー］・てステータか振動するかは、ステータ自体の
材質、形状、圧電体にｌｊえられる交番電圧などによっ
てそれぞれ異なり、義的には定まらず、具体的にはステ
ータを設計する際に周ｔ、１１の振動解析を行ってステ
ータの適宜の材質選＋１＜や、１［ユ状設定、圧電体へ
の交番電圧の与えかの設定等を行うことにより定まるも
のである。

ここで、ステータの径方向の振動モードラ−次の固（］
′共振１１艮勤モー）・とすることにより、ロータを回
転させるための振動工不ルキーか犬となり、ロータに伯
＋１−１するトルクの作用点がステータの最外周部とな
り、これによりロータに与えるｌ・ルクか大幅に大とな
り、低速高トルクか得られ、応答性か良く、工不ルキー
効率か著しく向］−する。

「実施例］ 以下、本発明の超音波モータの回転駆動方法について図
面を診照して説明する。ます、本発明の方法の一実施例
に用いられる超音波モータのステータとロータの基本構
成について説明し、次いて本発明の方法について説明す
る。

第１図は超音波モータの該略縦断面図であり、この超音
波モータは、振動体となるステータ１１と、このステー
タ１１に加圧接触させられ゛Ｃ回転するロータ１２とか
らなっている。

ステータ１１は、弾性素材からなる金属円板状のステー
タ基板１３と、隣接する領域においては互いに方向か逆
となるように電極と一極との８つの電極（図示せず）に
分極されステータ基板１３の一方（＋１１１の面に屯ね
て接Ｐｉ固定された環状の圧電セラミック板１４とから
なっている。

ステータ基板１３の外周は、このステータフ、（板１３
の他方側の面側においてステータ基板１３の板厚方向に
厚（延ばされており、ステータＪ、（板１３の外周には
一体的に環状突起１５が形成されている。

ロータ１２は、金属またはプラスチックよりなる円板状
の移動体１６と、ンート状プラスチックからなり、移動
体１６のステータ基板１３側面に接着されステータ基板
１３の環状突起１５に圧接された環状の摩擦材１７と、
移動体１６の中心に設けられた軸１８とからなっている
。

次に、本発明の方ｄ：について説明する。

圧電セラミック板１／の電極と一極とで一組とされた２
組の電極に一括してそれぞれ第３図に示すように別々に
超音波領域の高周波電界（交番電圧）をかける。即ぢ、
ステータ１１自体の材質、形状圧電体に与えられる交番
電圧なとによってそれぞれ異なり、−・義的には定まら
ず、具体的にはステータ１１を投口する際に周知の振動
解析を行ってステータ１１の適宜の材質選択や、形状設
定を行うことにより定められ、ステータ１１の径方向の
振動モードを一次の固有共振振動モードとする共振励振
周波数の電界を発振器１９により発振させ、この出力信
号を分岐し、一方を直接増幅器２０に、他方を位相器２
１を介して増幅２べ２２に人力する。

位相′ＡＨ２］ては正方向回転あるいは逆方向回転に使
用する位相をずらした信号か整形される。本実施例では
この位相器２１により荊記圧電セラミック板１４の２組
の電極に時間的に位相差のある高周波電界をかけること
のできる位相をずらした信号を整形する。

そして、発振器１９の出力信号を直接増幅器２０に人力
して増幅した信号をり−Ｉ・線２３，２／１により圧電
セラミック板１４の１組の電極に印加すると同時に、圧
電セラミック板１４のもう１組の電極にも増幅器２２の
出力をリード線２５，２６を介して印加する。

すると、圧電セラミック板１４か」−下にＩＳ’Ｇみ振
動を起こし、かつこのときその振動か圧電セラミック板
１４の周方向に移動する波動か発生し、この波動は圧電
セラミック板１４か貼伺けられたステータ基板１３に伝
達し、これによりステータ１１の径方向の振動モー１〜
を一次の固有共振振動モードとし、ロータ１２の摩擦材
１７は、ステータ基板１３に伝達した波動の波頭（縦方
向変位の最大点）のみに接触し、ロータ１２はこのＩ！
？８擦材１子材１７てステータ基板１３の周方向に移動
する波動の進行方向と逆方〔ｊｌにロータ１２を回転駆
動する。

この場合、＋１ｉｔ記波動の最大振幅かステータ１１の
径方向のとの点に現れ、前記波動の節かステータ１１の
径方向のとの点に位置するかは、即ちステータ１１の径
方向のどのような振動モードてステータ１１か振動する
かは、ステータ１１自体の材質、形状、圧電体に与えら
れる交番電圧なとによってそれぞれ異なり、一義的には
定まらず、具体的にはステータ１１を設計する際に周知
の振動解析を行ってステータ１１の適宜の材質選択や、
形状設定、圧電セラミック板１４への交番電圧のＪｊえ
方の設定等を行うことにより定まるものである。

ところで、薄い板の長さと垂直な方向に力が作用すると
、撓み変形か生しる。この撓み変形による曲げモーメン
トの大きさは、板の厚さ、長さ、及び断面形状因子に依
存し、理論１−自由状態におかれた板に生した振動の節
は板の中心ではなく、板の両端からそれぞれ等距離ずつ
離れた位置にできる。従って、板の中心を押さえてこの
板の長さと垂直な方向に力を作用させてこの板を振動さ
せると、第２図に示すように仮の両ｉ１ｉ＋５の振幅か
増大する。

このことから、本実施例においては、ステータ１１の中
心部にロータ１２の中心部を舶）１：するようにステー
タ１１にロータ１２を取り付けている３、従って、圧電
セラミック板１４に、前述のようなステータ１１の径方
向の振動モードを一次の固有共振振動モードとするだめ
の超高波領域の高周波電界を与えてステータ１１を振動
させた場合、第２図にＷａにより示したように、ステー
タ１１の径方向の振動モードが−・次の固有共振振動モ
ードとなる。

この実施例によれば、ステータ１１の径方向の振動モー
ドを一次の固有共振振動モードとする超音波領域の高周
波電界を圧電セラミック板１４に与えるようにし、かつ
ステータ１１のステータノ１（板１３の最外周部を厚く
したので、振動部分の部側質量が増大し、ステータ１１
の径方向の振動モードか一次の固有共振振動モードとな
り、このため、よけいな振動か発生ずるのを防止するこ
とかでき、ロータ１２を回転させるための振動エネルギ
ーか犬となり、ロータ１２に作用するトルクの作用点か
ステータ１１の最外周部となり、これによりロータ１２
に与えるトルクが大幅に大となり、低速高トルクか得ら
れ、応答性か良く、工不ルキー効率が著しく向上する。

「発明の効果」 本発明によれば、分極した環状の圧電体を弾性素材から
なる円板状のステータ基板に貼り付け、前記圧電体に交
番電圧を印加して、前記ステータに、該ステータの厚さ
方向に振動しかつ周方向に移動する振動を発生さゼ、こ
の振動を前記ステータの一面に回動自在に設けた円板状
のロータに伝達して該ロータを回転させるようにした超
音波モータの回転駆動方法において、前記ステータの径
方向の振動モードを一次の固有共振振動モードとするよ
うにしたので、ステータの径方向の振動モードか一次の
固有共振振動モードとなり、よけいな振動か発生するの
を防止することかでき、ロータを回転さ姐るための振動
エネルギーが犬となり、０−夕に作用するトルクの作用
点がステータの最外周部となり、従って［ｌ−夕に与え
るｌ・ルクか大幅に犬となり低速高トルクが得られ、応
答性か良く、エネルギー効率が著しく向−１−する。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図は本発明の方法を実施するための超
音波モータの一例を示すもので、第１図は概略縦断面図
、第２図はステータの縦断面図、第３図はステータに超
音波電界を与える電気回路図、第４図ないし第７図は従
来の超音波モータの一例を示すもので、第４図は分解斜
視図、第５図（ａ）、第５図（ｂ）は交流電界が与えら
れた場合に圧電セラミック板に生じる進行波を説明する
ための図、第６図は超音波モータの動作原理を説明する
だめの図、第７図はステータに２次の振動が発生ずる状
態を示す図である。 １１　　・ステータ、１２　・・ロータ、１３・ステー
タ基板、１４　　圧電セラミック板、１５環状突起、１
６・　・移動体、１７　　摩擦祠。 区 口） 派

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　分極した環状の圧電体を弾性素材からなる円板状のス
   テータ基板に貼り付け、前記圧電体に交番電圧を印加し
   て、前記ステータに、該ステータの厚さ方向に振動しか
   つ周方向に移動する振動を発生させ、この振動を前記ス
   テータの一面に回動自在に設けた円板状のロータに伝達
   して該ロータを回転させるようにした超音波モータの回
   転駆動方法において、前記ステータの径方向の振動モー
   ドを一次の固有共振振動モードとすることを特徴とする
   超音波モータの回転駆動方法。