JPH0336969A

JPH0336969A - 超音波モータ

Info

Publication number: JPH0336969A
Application number: JP1167277A
Authority: JP
Inventors: Takao Saeki; 佐伯　孝夫; Shoji Okada; 岡田　尚司; Mutsuo Aoyama; 睦朗青山; Yasuo Kuwabara; 保雄桑原
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1989-06-29
Filing date: 1989-06-29
Publication date: 1991-02-18
Also published as: US5053669A

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）本発明はステータ上に発生ずる進行波によってロータを
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）従来より、ステータに圧電振動子を接着し、該圧電振動
子に所定の交流電力を供給することによってステータに
進行波を発生させ、該進行波によりロータを回転させる
超音波モータが知られている。このような超音波モータ
は、例えば特開昭５８−１４８６８２号公報等に開示さ
れている。

第７図と第８図を参照して従来の超音波モータを説明す
る。ケーシング７１の内部には、ロータ７２とステータ
７３が配設されている。

ロータ７２はケーシング７１により回転自在に支承され
た回転軸７４に結合され、回転軸７４と一体回転するよ
うになっている。ステータ７３には圧電振動子７５．７
６が接合され、該圧電振動子７５．７６によってステー
タ７３上に進行波が発生する。

一方、ケーシング７１とロータ７２の間には、調圧機構
７６が配設されている。調圧機構７６は、ロータ７２に
固定されたロータ側カム７６ａと回転軸７４に固定され
た回転軸側カム７６ｂから成る。これらのカム７６ａ、
７６ｂは共にＶ型底を有しており、両方のＶ型底の間に
鋼球７６ｃがはさまれている。

鋼球７６ｃは無負荷の時にはカム底部に位置しているが
、負荷が加わりトルクが増加するに従って■型底から乗
り上げ、回転軸７４と同軸な方向に加圧力を発生させる
。従って、回転軸７４に負荷が加わり負荷トルクが増加
するに従って加圧力が増大し、ロータ７２のトルクが回
転ｍ７４側に伝達される。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、従来の超音波モータでは、負荷が大きく
なるに従って調圧機構７６が大きな加圧力を発生するの
で、ロータ７２がステータ７３を押さえ付けることによ
りステータ７３に発生ずる振動が弱められ、負荷が大き
くなるとロータ２の回転速度が急に低下する問題点があ
った。

本発明は、このような従来装置の問題点を解消するため
になされたもので、負荷トルクが大きくなってもロータ
の回転速度が低下しにくい超音波モータを構成すること
を技術的課題とする。

〔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、ロータをステータに向かって所定の加圧力で押し付
ける加圧手段と、ロータに加えられる負荷トルクが大き
くなるに従って加圧手段の加圧力を増加させる調整手段
とを有する超音波モータに、ステータに発生した進行波
の強さを検出するセンサを配設し、センサが検出した進
行波のが弱くなるに従って、振動子に供給される交流電
力の周波数をステータの共振周波数に向かって変化させ
たことである。

（作用）ステータ上に発生する進行波は、振動子に供給される交
流電力の周波数がステータの共振周波数に近づくにつれ
て強くなる。前述した技術的手段によれば、ステータ上
の進行波の強さが弱くなると、振動子に供給される交流
電力の周波数がステータの共振周波数に向かって変化す
るよう制御される。従って、負荷トルクの増大に従って
ロータがステータを押さえ付けてもステータ上の進行波
は弱くなりにくい。それゆえに、負荷トルクが大きくな
ってもロータの回転速度が低下しにくくなり、所期の技
術的課題が遠戚される。

（実施例）以下、添付図面を参照して本発明を適用した実施例装置
について説明する。

最初に第１図を参照して、本発明を適用した超音波モー
タの構造について説明する。基材ｌにはケース１５が固
定されている。基材ｌおよびケース１５の中心部には、
ボールベアリング１６．１７が嵌め込まれている。ボー
ルベアリング１６．１７により回転軸１３が回転自在に
支承されている。

基材ｌにはリング状のステータ２の固定部２ａが嵌合し
ている。ステータ２は固定部２ａが振動不可能となるよ
うに皿ねし３によって基材１にしっかりと固定されてい
る。ステータ２の一面にはリング状の圧電振動子４が接
着されている。圧電振動子４には電気入出力信号を伝え
るための電力供給用のリード線５ａ、５ｂ、およびステ
ータ２の振動状態を制御回路３０に伝達するためのリー
ド線５ｃが半田付けされている。

ステータ２は固定部２ａと振動部２ｃの間が菌内の支持
部２ｂによって一体にされた形状を有している。振動部
２ｃの表面には多数の突起２ｄが全周にわたって定ピツ
チで形成されている。ステータ２は導電性に優れた金属
材料（りん青銅など）で作られており、基材ｌに電気的
に接続されている。

圧電振動子４はステータ２上に進行波を発生させるため
の素子で、ステータ２上に進行波を効率良く発生させる
ための分極が施されている。超音波モータ用の圧電振動
子４は既に多くの文献に紹介されており、公知なので、
詳細な説明は省略することにする。圧電振動子４に半田
付けされたリード線５ａ、５ｂと基材ｌの間に９０’位
相差を有する交流電力を供給すると、圧電振動子４が伸
縮してステータ２上に進行波振動が生起される。

ロータ６は皿バネ７の加圧力によりステータ２に常時圧
接されている。皿バネ７の加圧力が回転体６の全円周面
に均一に加わるように、ロータ６と皿バネ７の間にはス
タビライザ８が配設されている。皿バネ７とスタビライ
ザ８の間にはゴムシート９が、スタビライザ８とロータ
６の間にはゴムシート１０が、それぞれ挟まれている。

ロータ６は外周部６ａと内径部６Ｃの間が薄肉部６ｂを
介して一体にされた形状を有している。

ロータ６の外周部６ａの下面にはリング状のＦ！１．櫟
林フィルム１１が接着されている。摩擦材フィルム１１
は外周部６ａの下面とステータ２の振動部２ｃの間に挟
まれている。

本実施例のスタビライザ８は鉄材で作られており、アル
ミ材で作られたロータ６よりも大きな質量を有している
。ここで、スタビライザ８の質量をロータ６の質量より
も大きくすれば、ロータ６の振動が皿バネ７に伝わりに
くくなる。

また、スタビライザ８は剛性の高い材料で作ることが望
ましい。なぜならば、スタビライザ８の剛性が低いと、
ロータ６の振動を吸収してしまうからである。

スタビライザ８の外周部にはリング状の突起８ａが形成
されている。この突起８ａはロータ６とステータ２の当
接面よりも内側に位置し、ロータ６を押さえ付けている
。この突起８ａは一定の寸法精度で形成されているので
、皿バネ７の加圧力は突起８ａの円周に沿って一様に分
布する。

皿バネ７はホルダ１２の鍔部１２ａにより保持されてい
る。ホルダ１２の中心部には回転軸１３が挿入されてい
る。ホルダ１２は回転軸１３の回りを自在に回転し得る
。

第２図にホルダ１２と回転軸１３を溝いた分解斜視図を
示す。ホルダ１２の中心部には四つの略■字底を有する
カム面１２ｂが形成されている。

一方、回転軸１３には鍔部１３ａが形成されており、鍔
部１３ａにはカム面１２ｂに相当する形状を有するカム
面１３ｂが形成されている。カム面１２ｂとカム面１３
ｂの間には、四つの鋼球１４ａ、１４ｂ、１４ｅ、１４
ｄが挟持されている。

ロータ６の駆動力はスタビライザ８、皿バネ７を通って
ホルダ１２に伝えられ、さらにカム面１２ｂとカム面１
３ｂの間に挾まれた鋼球１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４
ｄを通って回転軸１３に伝えられる。

カム面１２ｂ、１３ｂおよび鋼球１４ａ、１４ｂ　　１
４ｃ、１４ｄは加圧力調整機構を構成しており、回転軸
１３に作用する負荷トルクの大きさをホルダ１２の軸方
向の変位に変換する。

回転軸１３に作用する負荷が小さい時には、ホルダ１２
と回転軸１３との相対的な変位が小さくなるので、鋼球
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄがカム面ｉｚｂ、ｉｓ
ｂの略Ｖ字底付近に移動する。この時、ホルダ１２がス
テータ２から遠ざかる方向（第１図で上方向）に移動す
るので、ロータ６は弱い加圧力でステータ２に押し付け
られる。

逆に、回転軸１３に作用する負荷が大きい時には、ホル
ダ１２と回転軸１３との相対的な変位が大きくなるので
、鋼球１４ａ、１４ｂ、１４ｃ。

１４ｄがカム面１２ｂ、１３ｂの頂上に向かって移動す
る。この時、ホルダ１２がステータ２に向かって（第１
図で下方向に）移動するので、ロータ６は強い加圧力で
ステータ２に押し付けられる。

ロータ６がステータ２に強い加圧力で押しつけられると
、摩擦材フィルム１１と突起２ｄの間に作用する摩擦力
が大きくなる。この結果、ロータ６とステータ２の間の
滑り損失が低減され、ロータ６はより大きな回転トルク
を発生ずるようになる。

ところで、ロータ６がステーク２に強い加圧力で押し付
けられると、ステータ２の振動が拘束されるので、ステ
ータ２上に発生する進行波の振幅（即ち進行波のエネル
ギー）が小さくなってしまう。そこで、本実施例装置の
超音波モータでは特別な制御回路３０を使用して、ステ
ータ２上に発生する進行波の振幅をできるだけ一定に保
持している。

第３図に本実施例装置の制御回路を示す。制御回路３０
は、電源回路３１．入力回路３２、マイクロコンピュー
タ３３、Ｄ／Ａ変換回路３４、電圧制御発振回路３５、
移相回路３６、ドライバ回路３７．３８、昇圧トランス
３９．４Ｇ、平滑回路４１を備えている。

電源回路３１はバッテリＢＴＴに接続されており、制御
回路３０内に一定電圧の電力を供給する。

入力回路３２はマイクロコンピュータ３３とスイッチＳ
ＷＯ間に接続されており、スイッチＳ室がＯＮ側に設定
されているか、ＯＦＦ側に設定されているかをマイクロ
コンピュータ３３に入力する。

ステータ２に接着された圧電振動子４には、ステータ２
上に進行波を発生させるための一対の駆動電極４ａ、４
ｂが接合されている。移相回路３６によって位相が９０
６ずらされた一対の電気信号が駆動電極４ａ、４ｈに印
加されると、ステータ２上に進行波が発生する。ステー
タ２上に発生する進行波の振幅は電圧制御発振回路３５
の発振周波数によって変化する。即ち、電圧制御発振回
路３５の発振周波数がステータ２の共振周波数に近づく
に従って進行波の振幅は増大し、逆に電圧制御発振回路
３５の発振周波数がステータ２の共振周波数から遠ざか
るに従って進行波の振幅は減少する。

ステータ２上に発生した進行波はセンサ電極４Ｃに振幅
の大きさにほぼ比例した電圧を発生させる。発生した電
圧は平滑回路４１によって平滑化され、マイクロコンピ
ュータ３３に人力される。

マイクロコンピュータ３３は平滑回路４１から入力され
るステータ２の平均的な振幅の大きさに応してＤ／Ａ変
換回路３４を制御し、ステータ２上の振幅がほぼ一定に
なるように電圧制御発振回路３５の発振周波数を調節す
る。

マイクロコンピュータ３３で実行されるプログラムの一
例を第４図に示す。電源回路３１にバッテリＢＴＴが接
続されるとマイクロコンピュータ３３は第４図に示した
プログラムをステップＳ１から実行し始める。

ステップＳ１では以後の処理を実行するために必要な初
期化が行われる。

この後、ステップＳ２ではスイッチＳ室がオンになった
か否かが判定される。スイッチＳ室がオンになるまでス
テップＳ２の処理が繰り返される。

ステップＳ３では、標準的な駆動周波数！、に相当する
コードが制御フラグｆに記憶される。その後、ステップ
Ｓ４において制御フラグｆに記憶されたコードがＤ／Ａ
変換回路３４に出力されると、電圧制御発振回路３５か
ら標準的な駆動周波数ｆ・が出力され、ロータ６が回転
し始める。その後、ステップＳ５では、この瞬間にセン
サ電極４ｃに発生している電極電圧Ｖの大きさが読み込
まれ、ステップＳ６で標準的な電極電圧Ｖｏと比較され
る。標準的な電極電圧Ｖｏと読み込まれた電極電圧Ｖと
が等しい場合には、ステップＳ７の処理が省略される。

等しくない場合には、ステップＳ７の処理が実行され、
電極電圧Ｖが標準的な電８ｉ電圧Ｖ。と一致するように
制御フラグｆのコードが増減される。

ステップＳ８では、スイッチＳ室がＯＮ側になったまま
か否かが判定される。スイッチＳ室がＯＮ側であれば、
再びステップＳ４の処理から実行を始める。スイッチＳ
室がＯＦＦ側であればステップＳ９の処理が実行され、
電圧制御発振回路３５の発振が停止し、ロータ６が停止
する。

以上に述べた制御回路３Ｇとマイクロコンピュータ３３
で実行されるプログラムによって、本実施例装置では、
ステータ２に発生する進行波の振幅がほぼ一定になるよ
う調節される。それゆえに、回転軸１３に作用する負荷
トルクが大きくなり、ロータ６が強い加圧力でステータ
２を押さえ付けるようになっても、ステータ２に発生す
る進行波の振幅はほとんど変化しない。また、ロークロ
が強い加圧力でステータ２を押さえ付けることによって
ロータ６とステータ２の間で発生する滑り損失が低下す
るので、ステータ２からロータ６へ（ｉ達される駆動力
が大きくなり、回転軸１３から耶り出される出ノノトル
クが増大する。この結果、芽５図に示すように、本実施
例装置は負荷トルフカ大きくなってもロータ６の回転速
度が低下しにも特性を示す。

以上に述べた本実施例装置では、回転軸１３カニつのボ
ールベアリング１６．１７で支持された例のみを示した
が、回転軸１３を一つのボールーアリング１６のみで支
持することも可能である。

その−例を第６図に示す。なお、第６図の中で１１図の
各構成要素に相当する構成要素には第１［Ｈと同一番号
を付すことによって説明を省略する。

回転軸１３を一つのボールベアリング１６で長持するた
めに、回転軸１３の一端には細径部１３Ｃ，１３ｄが形
成されており、これら細径部１３ｃ、１３ｄがベアリン
グ１６に挿通されているゆ細径部１３ｄの外周には螺子
が切られており、ナンド１８が嵌合している。回転軸１
３は基材１に嵌め込まれたベアリング１６を段付部１３
ｅとナラｌ−１８で挾み込むことにより支持されている
。

このような構成によれば、ケース１５に機械的な強度が
要求されないので、ケース１５のＦｆｉ、ｒｇを薄くし
て軽量化を図り得る。

〔発明の効果〕

本発明の超音波モータでは、負荷トルクの変動が機械的
に検出され、ロータとステータの間の加圧力が調節され
る。それゆえに、負荷トルクの増大に応じてロータとス
テータの間の滑り損失が低減でき、ロータの回転トルク
を磯波的に増大させることができるので、回転速度の低
下が小さくできる。

また、本発明の超音波モータでは、負荷トルクの変動が
電気的に制御回路に入力され、振動子に供給される交流
電力の周波数が調節される。それゆえに、負荷トルクの
増大に応じてロータの回転トルクを電気的に増大させる
ことができ、回転速度の低下が小さくできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第一実施例装置を溝いた超音波モータ
の断面図である。第２図は第一実施例装置の加圧力調整機構を閘いた斜視
図である。第３図は第一実施例装置の電気的構成を招いたブロック
図である。第４図は第一実施例装置で実行されるプログラムを描い
たフローチャートである。第５図は第一実施例装置の負荷特性を描いたグラフであ
る。第６図は本発明の第二実施例装置を描いた超音波モータ
の断面図である。第７図と第８図は従来の超音波モータを描いた斜視図で
ある。ト・・基材、２・・−ステータ、３・・・皿ねし、４・
・・圧電振動子、４ａ、４ｂ・−・駆動電極、４ｃ・・
・センサ電極（センサ）、５ａ、５ｂ・−リード線、６−・・ロータ、７・・・皿
バネ（加圧手段）、８・・・スタビライ９・・・ゴムシ
ート、１０・・・ゴムシート、ザ、ｌ・・・摩擦材フィルム、２・・・ホルダ（調整手段）、３・・・回転軸（調整手段）、４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ・・・鋼球（調整手段）、５・・・ケース、１６．１７・・・ベアリング、８・・
・ナツト、３０・・・制御回路（制御手段）、ｌ・・・
電源回路、３２・・・入力回路、３・・・マイクロコン
ピュータ、 ←・・Ｄ／Ａ変換回路、３５・・・電圧制御発振回路、
６・・・移相回路、７．３８・・・ドライバ回路（駆動手段）、９．４０・
・−昇圧トランス（駆動手段）、ｌ・・・平滑回路。

Claims

【特許請求の範囲】ステータと、該ステータに貼り付けられ、該ステータ上に進行波を発
生させる振動子と、前記ステータに発生した進行波の強さを検出するセンサ
と、前記ステータに当接したロータと、該ロータを前記ステータに向かつて所定の加圧力で押し
付ける加圧手段と、前記ロータに加えられる負荷トルクが大きくなるに従つ
て前記加圧手段の加圧力を増加させる調整手段と、交流電力を前記振動子に供給する駆動手段と、前記セン
サが検出した進行波が弱くなるに従つて、前記振動子に
供給される交流電力の周波数を前記ステータの共振周波
数に向かつて変化させる制御手段と、を備える超音波モータ。