JPH04114792U

JPH04114792U - 超音波モータ

Info

Publication number: JPH04114792U
Application number: JP2484491U
Authority: JP
Inventors: 泰明河合; 鉅和浅井
Original assignee: 株式会社豊田中央研究所
Priority date: 1991-03-19
Filing date: 1991-03-19
Publication date: 1992-10-09

Abstract

(57)【要約】【目的】移動体に効率よく振動による回転駆動力を伝達
することができる超音波モータを提供する。【構成】円板状の弾性体１１と該弾性体１１の表面に付
着させてなる圧電素子１２とよりなる振動体１と、振動
体１の駆動力伝達部位１３に加圧接触させてなる移動体
２とよりなり、該駆動力伝達部位１３には、その外周面
１５より振動波の波長の１／８以下の長さの範囲内に突
起１４が設けられており、該突起１４を介して振動伝達
部位１３と移動体２とが加圧接触されてなる。振動振幅
の最も大きい位置に突起１４が存在し、しかも突起１４
の他の部分に振動が伝達しないため、振動体より移動体
２に効率よく振動による回転駆動力を伝達することがで
きる。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、効率よく移動体に振動による回転駆動力を伝達することができる超音波モータに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】

電気エネルギーを機械エネルギーの超音波に変換し、回転力を取り出すものとして超音波モータがある。超音波モータは、静粛、低速回転で高トルクが得られ、ダイレクトドライブが可能であることより自動車用機能部品、各種ロボット、磁気・光記憶装置等の広範囲の分野で応用が検討されつつある。

【０００３】この超音波モータには、進行波型超音波モータ、定在波型超音波モータ、および複合振動子型超音波モータ等が提案されている。その中でも、安定したモータ性能を長時間得ることができることより進行波型超音波モータについて技術的検討がよくなされている。

【０００４】進行波型超音波モータとしては、例えば、図６に示すように金属等からなる円板状構造で円周方向に放射状スリットを設けた弾性体１１の直下にセラミックス等からなるリング状圧電素子１２を接着した振動体（ステータ）１に、円板状構造の弾性部材２１にエンジニアプラスチック等からなる摩擦材２２を接着した移動体２を加圧接触させた構造のものである。上記圧電素子１２にステータ１の共振振動数（共振点）に合わせた高周波電圧を印加することによりステータ１を共振振動させ移動体２を回転させている（応用物理５４（１９８５）Ｎｏ．６、ｐ５８９〜５９０）。

【０００５】上記圧電素子１２は、図７に示すような電極構造を有している。すなわち、弾性体１１の接着面側には１／２波長で区画された部位と、３／４波長で区画された部位（図中のＣ）および１／４波長で区画された部位（図中のＤ）があり、その反対面側には図中の斜線で示すように１／２波長で区画された部位を２箇所に分け（図中のＡ、Ｂ）、１／４、３／４波長で区画された部位の間に設けられている。また、１／２波長で区画された部位には交互に異なる方向性の圧電横効果を与える分極処理が施されている。

【０００６】このリング状圧電素子１２の部位Ａ、Ｂに９０°位相をずらした高周波電圧をステータ１の電気共振状態で入力すると、弾性体１１の表面には一方向へ向かう振動波が励振される。そのため弾性体１１の表面の任意の一点の動きは図８に示すように軌跡を描く。その振動振幅が位置的に９０°ずれ、かつ時間的に位相が９０°ずれるため圧電素子１２で発生した屈曲振動は弾性体１１の仮想の中立軸から表面の動きを描くと楕円軌跡となる（図８中では左回りの楕円軌跡）。移動体２には振動波の進行方向（図８中では右方向）と逆方向（図８中では左方向）に摩擦力が働くため、移動体２にトルクが与えられ、モータとして作用する。なお、図８中の上から下へ示した矢印は、加圧力を示している。

【０００７】振動体の駆動力伝達部位には、振動振幅の増大を図るため円周方向に放射状の突起が設けられている。該突起は移動体と接触しており、これを介して振動体から移動体に振動による回転駆動力が伝達される。この突起は、図１０に示すように、屈曲振動の中立面（以下，中立面とする）Ｐ₁から駆動力伝達部位の端１３２までの距離を大きく取れるために有効とされている。すなわち、図９における突起のない弾性体の場合、中立面Ｐ₁から振動伝達部位の端１３２までの距離がＬ₀であるとすると図１０における突起１４のある弾性体の場合、中立面Ｐ₁がやや上方となるが、中立面Ｐ₁から振動伝達部位の端１３２までの距離Ｌ₁はＬ ₀ よりも大きくなり、振動振幅が拡大される。

【０００８】しかしながら、従来の超音波モータでは、振動体と移動体との間に介在する突起の半径方向の長さは、発生する振動波の波長の１／４程度のものである。このように、突起の半径方向における長さが大きいため、突起の外周面側における振幅の大きな振動波は内周面側にある不用な付加質量に吸収されてしまう。従って、振動による回転駆動力を移動体に伝達しにくく、しかも振動振幅が抑えられてしまう。

【０００９】

【考案が解決しようとする課題】

本考案者は、上記従来技術の問題点を解決するために、超音波モータの突起の半径方向の長さについて着目し、駆動力伝達部位の外周面が最も振動振幅が大きく、半径方向の内部に向かうにつれて振幅が減少することを見出し、本考案をなしたものである。

【００１０】本考案は、振動体から移動体へ振動振幅の大きな振動による回転駆動力を効率よく伝達することができる超音波モータを提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】

本考案は、円板状の弾性体と該弾性体に付着してなる圧電素子とよりなる振動体と、該振動体の駆動力伝達部位に接触してなる移動体とよりなる超音波モータにおいて、該振動体の駆動力伝達部位は、振動体の外周面より半径方向に、発生する振動波の波長の１／８以下の長さの範囲内に設けられた突起を介して上記移動体と接触してなることを特徴とする超音波モータである。

【００１２】

【作用】

超音波モータの駆動力伝達部位においては、その外周面が最も振動振幅が大きく、半径方向の内部に向かうにつれて振幅が減少する傾向にある。本考案の超音波モータでは、振動体の外周面に設けられている突起の長さが発生する振動波の波長の１／８以下の長さであるため、該突起は、振動振幅の最も大きい位置に存在し、かつ振動振幅の小さい位置には存在しないことになる。よって、突起より移動体に振幅の大きい振動による回転駆動力を伝達する。更に、振動体の内周面に不用な付加重量がないため、振幅の大きい振動を効率よく発生させることができる。また、振動体の外周面と内周面とに移動体への移動力に差が生じることが少ないため、移動体の移動が効率よい。

【００１３】

【考案の効果】

本考案の超音波モータによれば、振動体から移動体へ振動振幅の大きな振動による回転駆動力を効率よく伝達することができる。

【００１４】

【実施例】

（考案の具体例）以下、本考案をより具体的にした具体例を説明する。

【００１５】本考案の超音波モータは、図１および図２に示すように、円板状の弾性体１１と該弾性体１１の表面に付着させてなる圧電素子１２とよりなる振動体１と、振動体１の駆動力伝達部位１３に加圧接触させてなる移動体２とよりなり、該駆動力伝達部位１３には、その外周面１５より振動波の波長の１／８以下の長さの範囲にわたって突起１４が設けられており、該突起１４を介して駆動力伝達部位１３と移動体２とが加圧接触させてなる。

【００１６】超音波モータにおいて、発生する振動波の振幅の大きさは、図１１に示すように、振動体１の駆動力伝達部位１３の外周面１５を振幅が最大の頂点として半径方向に向かって減少する曲線である（図１１中のλは振動波の波長を示し、以下の図でも同様）。本考案では、振幅の大きな部分のみ突起が存在し、内周側に付加重量がないため、移動体へ効率よく振動による回転駆動力を伝達する。

【００１７】これを更に詳細に説明する。図１２の（ａ）ないし（ｄ）に示すように、弾性体の振動姿態は、外周方向では常に振動振幅の変化があり、振動の節の位置は固定されていない。一方、半径方向においては、最外周面で最も振動振幅が大きく、内側に向かうほど小さくなる分布を示す。弾性体の波長の関係は、図１２に示す通りで、半径方向に着目した場合、その振動振幅の大きな部位は最外周面より１／８波長（λ）の位置に集中している。なお、図１２は振動体の振動姿態と振動分布を示すものであり、（ａ）は振動体の振動姿態、（ｂ）は振動体の周方向における振動振幅の状況、（ｃ）は振動体の半径方向における振動振幅の分布状況、（ｄ）は（ｃ）の一部拡大図である。

【００１８】また、突起は振動体の最外周面より波長の１／８の範囲内であればどのような位置に設けてもよい。

【００１９】弾性体は、真円形でもあるいは楕円形でもよく、その形状がループを形成する円形のものであればよい。また、その中心にシャフト等が通る穴を有する円環状でも穴のないものでもよい。

【００２０】また、弾性体は、該断面が中心線に対して対称形状とするのがよい。例えば、真円形の弾性体においては、該断面が軸方向中心線および直径方向中心線に対して対称形状とするのがよい。該形状であれば、圧電素子の屈曲振動を容易に、しかもバランスよく行うことができる。さらに、図１５に示すように一体構造のものでもよくあるいは図２に示すように内部と上下部とに分割して、その間に圧電素子を挟持した構造としてもよい。

【００２１】弾性体としては、振動損失が小さく、疲れ破断しないアルミニウム、ステンレス等の金属、あるいはセラミックス等からなるものを用いるのがよい。

【００２２】弾性体に付着させる圧電素子の枚数は、１枚でも２枚以上の複数でもよい。例えば、２枚以上の圧電素子を付着させる場合、弾性体を挟持するように弾性体に付着させるのがよい。

【００２３】本考案の超音波モータの振動体構造として、屈曲振動が半径方向１次のモードを有し、周方向にはｎ次（ｎは波の数）のものとするのがよい。圧電素子を１枚用いる場合、振動体に突起を設けることにより圧電素子と振動体の中立面との距離が増大するため圧電素子の許容限界ひずみ率が大きくなる圧電素子の寿命が短くなることがある。それに対して、圧電素子を２枚以上により弾性体を挟持する構造の場合、振動体の中立面は、常に振動体の直径方向中心線上で変化しない。そのため、圧電素子と振動体の中立面の距離は大きくなることがなく、上記の問題がない。しかも、振動体に突起を設けることにより振動振幅を増大させることができる。よって、２枚以上の圧電素子により弾性体を挟持する構造の方がよい。

【００２４】圧電素子は、１／２波長区画に等分割した環状のものとする。上記のような２枚以上の圧電素子により弾性体を挟持する場合、図３に示すように交互に異なる方向性の圧電横効果を与える分極処理を行った環状のものとし、相互に位置的に１／４波長ずらして配置することにより、圧電素子の振動を互いに作用させ振動体に振動波を発生させることができる。

【００２５】圧電素子は、真円形でもあるいは楕円形でもよく、その形状がループを形成する円形のものであればよい。また、その中心にシャフト等が通る穴を有する円環状でも穴のないものでもよい。また、弾性体のどのような部位に付着させてもよく、例えば、真円形の振動体では、図１５に示すように、駆動力伝達部位１３に対して内周面でも外周面のどちらに付着させてもよい。また、図２に示すように、弾性体１１を内部１１１と上下部１１２とに分け、内部の弾性体１１１を圧電素子（１２）２枚で挟持し、さらにこれらを上下部の弾性体（弾性板、１１２）２枚で挟持した構造としてもよい。なお、２枚以上の複数個の圧電素子が弾性体を挟持する位置は同様な位置とする。また、複数個の圧電素子を弾性体に付着させる場合、圧電素子を積層してもよい。

【００２６】振動体の駆動力伝達部位は、振動体の外周部に設け、該駆動力伝達部位には上記突起を設ける。

【００２７】また、突起は、弾性体の駆動力伝達部位において外周部全体にわたって設けてもよく、あるいは等間隔にスリットを入れて部分的に設けてもよい。

【００２８】図１０のように上記等間隔にスリットを入れた場合、突起（１４）１つ当たりの円周方向の長さ（ｗ）および軸方向の高さ（ｈ）の関係は、ｈ／ｗが０．５〜１０の範囲が望ましい。振動振幅を稼ぐためには突起の軸方向の高さｈを大きくするのがよい。しかし、円環の弾性体の弾性限界が有限となるため、機械振動による損失が増大し、発熱の問題、破壊の問題等が生じ、一定限度の範囲しか許されない。また、低速、高トルクのモータとするためには高さｈを小さくして長さｗを大きくするようにする。高さｈを犠牲にして幅ｗを増し、ロータの摩擦面を増加させることができる。

【００２９】突起の材質としては、弾性材料とするのがよい。弾性材料とする場合、振動体の弾性体と同様なものでもよいが、弾性体を内部と上下部とに分割する場合、上下部の弾性体の耐摩擦摩耗特性を考慮して弾性体と異種の材料でもよい。

【００３０】また、振動体の加工方法としてプレス等の加工方法を使用すれば量産性に優れる。

【００３１】振動体の駆動力伝達部位における突起以外の部分の形状としては、図１３（ａ）、（ｂ）のように平坦でもよく、あるいは図１４（ａ）、（ｂ）のように傾斜を有するものでもよい。

【００３２】また、振動体の屈曲振動を軸方向中心軸に対して垂直な面で一様に発生させるため、振動体の支持部位および固定部位は、振動体に不要な振動伝達を防ぐために圧電素子配置部位より隔離した部位に設けるのがよい。さらに、大負荷に対して大振幅を実現するため、振動体の支持部位および固定部位を圧電素子より発生する屈曲振動のロスの少ない中立軸に設けるのがよい。

【００３３】また、移動体は、駆動力伝達部位と加圧接触する摩擦面を有するものである。移動体を振動体の上面に加圧接触させる場合、上記振動体の支持部位および固定部位と直径方向中心軸に対して反対面の振動体環状面に加圧接触させる方が構造的なバランス性より望ましい。さらに、円環状あるいは円板状移動体の場合、移動体の摩擦面の半径方向における長さは、振動体の駆動力伝達部位の突起の半径方向における長さと同様な長さとするのがよい。これは、移動体も振動体を含めた共振系として扱うと、移動体の摩擦面の長さが振動体の突起の長さと同様であると、振動体の振動に追従する振動構造となり、効率よく振動による回転駆動力を移動体が受けることになるためである。

【００３４】なお、駆動力伝達部位は、振動体の上面および下面の両方にあるため移動体を駆動力伝達部位の上面および下面の両方同時に加圧接触させてもよい。また、振動体の支持部位および固定部位と同面の振動体環状面に加圧接触させてもよい。なお、上記の駆動力伝達部位の両方面同時に加圧接触させる方が、圧電素子からの駆動力伝達距離が均等になり、２倍の摩擦接触面が得られるので効率よく駆動力を伝達することができてよい。

【００３５】さらに、図１５に示すように、弾性体１１に圧電素子１２が付着した振動体１の構造を２組設けて、それらを移動体２の上下面両面より同時に加圧接触させることにより２倍の駆動源になるため図１のものに比べて移動体に２倍のトルクを得ることができる。

【００３６】本考案の進行波型超音波モータは、自動車の電装品、産業用から家庭用までの各種ロボット、磁気・光記憶装置等広範囲の分野で使用することができる。

【００３７】以下、本考案の実施例を説明する。

【００３８】（実施例１）本実施例での進行波型音波モータ全体の断面図を図１に、その振動体の駆動力伝達部位の部分断面斜視図を図２に、その圧電素子付着部分の平面図を図３に、その外周面の平面図を図４に、その断面図を図５に示す。

【００３９】弾性体１１は、金属等の弾性的性質を有する部材よりなり、円形を有し、その断面形状が軸方向中心線および直径方向中心線で振り分けた場合に対称形状のものである。この弾性体１１は、内部１１１と上下部（弾性板）１１２とに分割されている。内部の弾性体１１１の上下外周面より上下面にはＰＺＴ（ジルコン酸・チタン酸鉛）よりなる環状の２枚の圧電素子１２が位置的に１／４波長ずらして配置されている。さらに、上記２枚の圧電素子１２の上下外周環状には放射状の突起１４を等分割に設けた弾性板１１２が付着している。これにより振動体（ステータ）１が構成されている。圧電素子１２は、図３に示すように１／２波長（λ）区画に等分割され交互に異なる方向性の圧電効果を与えて分極された領域が形成されている。この弾性体１１と２枚の環状圧電素子１２とをステータ１として、圧電素子１２に同期させた９０°の位相をずらした高周波電圧を振動体１を含めた電気共振状態でマッチングさせて入力すると図８に示した振動波の発生原理と同様の現象がステータ１の上下外周環状面に起こる。なお、図３において、発振器より２相の正弦波を発生させて、その２相のうちの一方の相には位相を９０°違えるフェイズシフタを使い、２相をｓｉｎ波とｃｏｓ波にし、高出力電圧増幅器を付加して電気信号を増幅し入力している。

【００４０】さらに、ステータ１は、２枚の環状圧電素子１２の付着部位より隔離した内側の下面環状部位に支持部位１６および固定部位１７を設けているので圧電素子１２から発生した屈曲振動が直接支持部位１６および固定部位１７には伝播されず振動モードがくずれない構造となっている。

【００４１】駆動力伝達部位１３には、放射状の突起１４が等分割に設けられている。

【００４２】上記駆動力伝達部位１３上には円形の移動体２が取りつけられる。この移動体２としては、金属等の弾性的性質を有したロータ２１と、摩擦係数が大きく振動エネルギーを効率よくトルクに変換できる、例えばエンジニアプラスチック等の材料よりなる摩擦材２２よりなる。ロータ２１と摩擦材２２とは接着構造で取りつけられている。移動体２の摩擦材２２は駆動力伝達部位１３の突起１４と接触することにより移動体２とステータ１とが加圧接触されている。

【００４３】突起１４は、駆動力伝達部位１３において発生する振動波の波長の１／８以下の長さを有して駆動力伝達部位１３の外周面に設けられている。この突起１４を介して移動体２とステータ１とが加圧接触してなる。

【００４４】移動体２とステータ１との加圧接触機構としては、移動体２の上部よりすべり止め兼防振用としてゴム等の緩衝材４１を介してサラバネ４２の圧縮力により行っている。すなわち、サラバネ４２をシャフト４３で固定して、シャフト４３の上端にスラストベアリング４４を設けて、カバー５を支持固定本体である台座３にネジ止めしている。なお、本構造の場合、シャフト４３がスラストベアリング４４と両端支持を行っているので回転ブレが生じないものとなっている。また、ステータ１は直径が６０mmで周方向に８波を発生させるものとした。ステータ１の支持部位１６と固定部位１７とは屈曲振動の中立軸Ｐ₂に配設してなる。

【００４５】この実施例の超音波モータの駆動力伝達部位１３における突起１４の長さ（図５中のａ）を表１に示すように種々変化させて、ステータから移動体へ伝達される振動波の半径方向における振幅を測定した。なお、図５および表１中のａは突起１４の半径方向の長さとする。また、図４に示すように突起１４の高さｈと幅ｗとの関係はｈ／ｗ＝１とした。その結果を図１６に示す。図１６より明らかなように、突起の長さが短くなるほど、不用な付加重量がなくなるために伝達される外周部の振動の振幅が増大することが分かる。また、ロータを回転駆動する接触面の面積は大きい方が望ましいことより、実用的には突起の長さは波長の１／８以下の範囲が最もよいことが分かる。

【表１】

【００４６】また、電気入力の入れやすさ（振動振幅の起こしやすさ）について、表１に示した試料を用いてアドミッタンスアナライザーで、そのアドミッタンスを測定した。その結果を図１７に示す。図１７より突起の半径方向における長さが小さくなるにつれて共振時のアドミッタンスが大きくなり、電気入力としては大きく取れることが分かる。従って、突起の半径方向における長さが小さいほど電気入力が大きく取れ、その結果機械的振動振幅が大きくなり、超音波モータのトルクを増大できることが分かる。

【００４７】（実施例２）本実施例は、図１８ないし図２０に示すように、振動体１の支持部位１６を固定部位１７の下方に下げ、屈曲振動の中立軸Ｐ₂に配設し、圧電素子１２上面に弾性体１１を設け、振動体１の固定部位１７を振動のバランス面から非対称構造としたものである。上記の構造以外は実施例１と同様である。

【００４８】この構造により、図２に示した実施例１と同様に、圧電素子と振動体の中立面の距離を大きくすることなく、振動振幅を効率よく増大させることができる。しかも、突起は振動体の一方のみでよい。

【００４９】（実施例３）本実施例は、図２１に示すように、振動体１の突起１４の半径方向における長さと同じ半径方向寸法の摩擦面（回転駆動力を受ける面）を有する移動体２を設けたものである。上記の構造以外は実施例１と同様である。

【００５０】突起１４の半径方向における長さが実施例１の表１に示す試料Ｎｏ．１〜４の振動体４種類と、該振動体の突起の半径方向長さと同様な半径方向長さの摩擦面を有するロータ４種類とをそれぞれ組み合わせた超音波モータ１６種類について、モータ性能（回転数、トルク特性）を測定した。その結果、試料Ｎｏ．１、Ｎｏ．２の振動体と、該振動体の突起の半径方向長さと同様な半径方向長さの摩擦面を有するロータとの組み合わせたものが最も良好な駆動力を示した。このように、振動体の突起の半径方向長さを外周面より１／８λ以下とし、移動体の摩擦面の半径方向長さを突起の半径方向長さと同様とすることにより移動体に振動による回転駆動力を最も効率よく伝達できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の実施例における超音波モータの断面図

【図２】図１における振動体の振動伝達部位の部分断面
斜視図

【図３】図１における振動体の圧電素子接着部分の平面
図

【図４】図１における振動体の振動伝達部位外周面の平
面図

【図５】図１における振動体の振動伝達部位の断面図

【図６】従来の超音波モータの斜視図

【図７】従来の超音波モータにおける圧電素子の平面図

【図８】超音波モータの振動波の発生原理を示す概念図

【図９】超音波モータの振動体の駆動力伝達部位におけ
る振動波の動きを示す概念図

【図１０】超音波モータの振動体の駆動力伝達部位にお
ける振動波の動きを示す概念図

【図１１】超音波モータの振動体の駆動力伝達部位にお
ける振動波の振幅分布を示す図

【図１２】超音波モータの振動体の駆動力伝達部位にお
ける振動波の振幅分布を示す図（ａ）振動体の振動姿態
（ｂ）振動体の周方向における振動振幅の状況（ｃ）振
動体の半径方向における振動振幅の状況（ｄ）（ｃ）の
一部拡大図

【図１３】超音波モータの振動体の駆動力伝達部位にお
ける突起の形状を示す図（ａ）断面図（ｂ）平面図

【図１４】超音波モータの振動体の駆動力伝達部位にお
ける突起の形状を示す図（ａ）断面図（ｂ）平面図

【図１５】本考案の実施例における超音波モータの断面
図

【図１６】実施例における超音波モータにより発生する
振動波の振動振幅の分布を示す線図

【図１７】実施例における超音波モータの振動体の共振
時のアドミッタンス特性を示す線図

【図１８】本考案の実施例における超音波モータの振動
体の断面図

【図１９】本考案の実施例における超音波モータの振動
体の部分断面斜視図

【図２０】本考案の実施例における超音波モータの振動
体の平面図

【図２１】本考案の実施例における超音波モータの振動
体と移動体との断面図

【符号の説明】

１振動体１１弾性体１２圧電素子１３振動体の駆動力伝達部位１４突起２移動体

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】円板状の弾性体と該弾性体に付着してな
る圧電素子とよりなる振動体と、該振動体の駆動力伝達
部位に接触してなる移動体とよりなる超音波モータにお
いて、該振動体の駆動力伝達部位は、振動体の外周面よ
り半径方向に、発生する振動波の波長の１／８以下の長
さの範囲内に設けられた突起を介して上記移動体と接触
してなることを特徴とする超音波モータ。