JPH0480633B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、圧電体を用いて駆動力を発生する超
音波モータに関する。

従来の技術 近年、圧電体セラミツクス等の電気−機械変換
子を用いて種々の超音波振動を励振することによ
り、回転あるいは走行運動を得る超音波モータが
高いエネルギー密度等を有することから注目され
ている。

以下に図面を参照しながらこれらの超音波振動
を利用した従来の超音波モータについて説明す
る。

日経メカニカル（58.2.28）などに掲載された
従来の超音波モータでは、厚い金属リングなどの
表面に圧電素子リングを貼合わせて一体化してこ
れをステータとしている。この超音波モータは、
弾性表面波とも呼ばれるレーリー波を利用してい
る。この波は物質の表面付近を伝幡する波であ
り、波は縦波・横波の両成分をもつている。

以上のように構成された従来の超音波モータ
に、２相、３相モータと同じ原理で位相のずれた
交流信号を加えると、周方向に伸縮し、前記ステ
ータに表面波が発生する。第１２図は、従来の圧
電モータのステータとその表面に当接する動体と
の接触状況を拡大して描いたもので、表面波に伴
う粒子の楕円運動として周知のように（たとえば
御子柴宣夫著「音波物性」昭和48年三省堂社発行
を参照）、弾性体の表面上の１つの点Ａに着目す
ると、点Ａは長軸２ｗ、短軸２ｕの楕円状の軌跡
を描いている。弾性体が動体と接触する頂点で、
点Ａはｘ軸の負の方向にＶ＝2πuの速度を持つ。
この結果、動体は弾性体との摩擦力で波の進行と
逆方向に速度Ｖで駆動される。このように弾性体
の表面に推力としての楕円軌跡を描かせることに
より、従来の超音波モータは接触する動体（ロー
タ）に回転を案内している。またこの表面波利用
の超音波モータは２相・３相モータと同じ原理で
位相のずれた電源により、容易に回転方向を切り
換えることができる。

これらの駆動原理は、公告特許昭58−32518に
も明らかにされており、摩擦接触部に生じる縦振
動と横振動を同一周波数であるが位相をずらして
励振すると、横方向に向く力が発生するので接触
する物体が動くこととして、縦波と横波の合成さ
れた進行波の概念が開示されている。

発明が解決しようとする問題点 上記のような構成においては、以下のような問
題点を有していた。

(1) 駆動原理となる振動姿態を得るに要する応力
は、ステータ表面において最大値を示す。３mm
の厚さのステータでは垂直応力は約2000Kg／mm²
程度ともなり、これに抗して必要となる電力は
バイモルフの通常理論値の約100〜1000倍とな
る。

(2) また振動の中性面がステータを構成する金属
等の弾性体内にあるために、電気−機械変換子
としての圧電体は、効率のよい節駆動とならず
に、非能率的な腹部駆動となつており、駆動源
となる圧電体に限つても、この駆動原理では全
エネルギーの5/8以上が無効エネルギーとなつ
ている。

(3) 加えて約0.25μｍ以下という微小振幅から推
力を取り出すために、動体はステータにおける
発生スピード、およびその方向がそれぞれに異
なる振幅の山や谷にも一様に接触しており、動
体速度は積分値に近い低スピードになつてい
る。このため実用的な回転数及びトルク等を得
るためには、従来のモータの10〜100倍程度と
いう大電力を必要とした。

(4) また従来の表面波形の超音波モータはドライ
ブ電極が２組に別れており、Ａ電極の励起した
波がＢ電極側に伝幡されるか、反対にＢ電極の
励起した波がＡ電極側に縦波成分と横波成分を
持つ波として伝幡されて、弾性体の表面に楕円
軌跡を発生させる。このような駆動原理に起因
して、有効なドライブ面積は、常に50％を越え
ることがないため微弱な振動しか励振できず、
かつステータがエンドレス構成にならざるを得
ず、一次振幅を励起した上で二次振幅を用いる
という二次効果利用のきわめて応用範囲が狭い
構成となつている。すなわち空間波あるいはバ
ルク波等による円板や矩形板のもつ直接・強力
な推力の使用が不可能である。

など、以上に述べた数多くの問題点を有してい
た。

本発明は、各圧電振動子が励振するそれぞれの
撓み振動の定在波が規定の位置だけずれるよう
に、２枚の圧電振動子を弾性体上に多層に配置し
て固定子を構成することにより、固定子全域での
駆動を可能にして大出力化を実現し、また弾性体
上に、円環状に形成した突起部からなる振動伝達
部材を形成し、可動子をこの振動伝達部材に押圧
して駆動力を伝達することにより、高効率化を実
現した超音波モータを提供することを目的とす
る。

問題点を解決するための手段 上記目的を解決するために、本願発明の超音波
モータは、 固定子と、可動子を有する超音波モータであつ
て、 固定子は、円板状の弾性体の片面に円環状の突
起部を形成し、他面に第１、および第２の板状の
圧電振動子を固着し、かつ、励振されて表面に進
行波を発生する可動子を突起部に圧接して駆動す
るものであり、 第１、および第２の圧電振動子は、それぞれ板
状の圧電材料からなり、その表面をほぼ等分に分
割する形の小電極群を有し、各電極に交流電圧が
印加されて隣接する各小電極領域は互いに逆方向
に分極され、かつ、第１、および第２の圧電振動
子の一方の小電極の中央部近傍が、他方の圧電振
動子の小電極の境界に位置するように積重したも
のである。

作 用 可動子への振動伝達部である円環状の突起部を
固定子表面に設けることにより、縦方向歪および
横方向歪が動作時に拡大作用して、接触する二物
体の該表面アラサを越える機械振幅を得ることに
より、回転エネルギーあるいは推進エネルギーを
最も効率よく取り出すことができる。

実施例 本発明の実施例の詳細について図面を用いて説
明する。固定子は例えば第１図に示すような構造
を有する。円板形状の第１圧電振動子１の表面に
は例えば45゜毎の領域に分割された８個の電極１
ａが設けられている。この電極１ａは金、銀、銀
パラジウム、ロジウムあるいはニツケルなどの導
電材料を用いて、第１圧電振動子１の表面に印
刷、蒸着あるいはメツキなどの方法により形成さ
れている。裏面に具備される電極（図示せず）は
前記表面電極と同様に分割さても、されていなく
とも良い。以上のように構成された第１圧電振動
子１の相隣合う電極毎に、板厚方向に分極方向が
互いに異なるようにして分極を行なう。この結果
第１図において示すように互い違いにプラス極性
あるいはマイナス極性を有する領域からなる８
極、４組の強制励振振動子が構成される。電極１
ａは、分極後は分割されている必要はなく、一括
して電圧を印加できるように接続される。円板形
状の第２圧電振動子２も第１圧電振動子１と同様
の構造であり、互い違いにプラス極性あるいはマ
イナス極性を有する８極、４組の強制励振振動子
が構成されている。

前記第１圧電振動子１あるいは第２圧電振動子
２により励振される撓み振動の最小振幅位置は、
各々相隣合う電極どうしの境界位置近傍となり、
最大振幅位置は各々の電極の中央近傍位置とな
る。そして、両圧電振動子１，２は、第１圧電振
動子１の最大振幅位置となる電極中央近傍に、第
２圧電振動子２の最小振幅位置となる相隣合う電
極どうしの境界が位置するよう重ね合わされてい
る。

以上のように構成された第１圧電振動子１及び
第２圧電振動子２は、圧電振動子と同等ないし
100倍程度の厚みを有する固定子基体３に重ね合
わせて取付けられ固定子が構成される。この固定
子基体３は、アルミニウム、黄銅、鉄、ステンレ
ス、焼入鋼、あるいはナイロン等の合成樹脂材
料、セラミツク材料、ガラス材料、あるいはそれ
らを複合化した複合材料等からなる音響材料ある
いは摩擦材料等を用いて形成されている。この構
成により固定子の全域で駆動することが可能にな
り、また２つの圧電振動子１と２によつて励振す
る撓み振動の位置関係を正確に決定できるので、
固定子に効率良く撓み振動の進行波を励振するこ
とができる。また前記固定子基体３の表面には、
例えば直径の約1/2程度となる位置近傍に振動伝
達部材である突起４、中心に軸５が形成されてい
る。

この振動伝達部材である突起４の種々の態様に
ついて詳細を第２図、第３図及び第４図に示し
た。第１図と同じ部分については同じ番号を付し
て説明を略す。

第２図は、音響材料等から成る固定子基体３の
断面図を示したものである。直径の約1/2程度と
なる位置近傍に、その肉厚が例えば0.5mm程度で
高さと幅が共に３mm程度の前記固定子基体３と一
体構造の、振動伝達部材である突起４ａが形成さ
れている。

このような構成によると、前記振動伝達部材で
ある突起４ａの形成にもかかわらず、強性な励振
のレベルを表わす機械共振特性のダイナミツクレ
ンジの大きさが変化することなく、かつ径方向に
おける縦方向歪の最大位置が突起４ａにより外側
に移ることもなく、見掛上は機械的な負荷が皆無
となるという効果を得ることができた。このこと
により回転エネルギーを最も効率よく取り出すこ
とができた。

第３図は他の実施例であり、音響材料等から成
る固定子基体３の平面図を示したものである。直
径の1/2程度となる位置近傍に、その高さが３mm
程度で、幅が２mm程度の前記固定子基体３と一体
構造の、例えば15゜毎に分割された振動伝達部材
である突起４ｂが形成されている。

このような構成によると、前記振動伝達部材で
ある突起４ｂの形成にもかかわらず、強性な励振
のレベルを表わす機械共振特性のダイナミツクレ
ンジの大きさが変化することなく、かつ径方向の
縦方向歪の最大位置が突起４ｂにより外側に移る
こともなく見掛上は機械的な負荷が皆無となると
いう効果を得ることができた。このことにより回
転エネルギーを最も効率よく取り出すことができ
た。

第４図は更に他の実施例であり、音響材料等か
ら成る固定子基体３の斜視図を示したものであ
る。前記固定子基体３の直径の1/2程度となる位
置近傍に、その高さと幅が共に３mm程度の表面を
耐摩耗性材料によりコートされた、アルミニウム
などの軽金属材料、合成樹脂材料あるいはゴム材
料等から成る振動伝達部材である突起４ｃが固着
されている。

このような構成によると、前記振動伝達部材で
ある突起４ｃの形成にもかかわらず、強性な励振
のレベルを表わす機械共振特性のダイナミツクレ
ンジの大きさが変化することなく、かつ径方向の
縦方向歪の最大位置が突起４ｃにより外側に移る
こともなく見掛上は機械的な負荷が皆無となると
いう効果を得ることができた。このことにより回
転エネルギーを最も効率よく取り出すことができ
た。

なお、第５図に示すように構成された突起４の
可動子１４との接触面に、前記可動子１４の移動
方向と直交する方向となる径方向に、深さ数μｍ
〜数10mm程度の複数個以上から成る、例えば1゜あ
るいは数10度おきにエツチングあるいは機械加工
されたナイフエツチの溝（図示していない）を設
けると良い。それにより、突起４及び可動子１４
等の回転摩耗による析出粉をこの溝によりクリー
ニングする効果が得られる。析出粉は前記溝の内
を案内されて外部に運ばれる。この結果前記突起
４及び可動子１４の両接触面は、摩擦係数は初期
の摩擦係数及び接触面積を維持することができ、
発生するトルクは常に一定となつた。

以上のように構成したものを第５図において示
す固定子６として用いる。第５図に示すように、
固定子６により定まる強制励振駆動周波数にて発
振器７により発振された出力信号を分岐し、一方
を直接増幅器８に、他方を移相器９を介して増幅
器１０に入力する。前記移相器９では後述するよ
うな正方向回転あるいは逆方向回転に使用する±
10゜ないし±170゜の範囲で位相シフトした信号が
整形される。前記発振器７の出力信号を直接増幅
器８に入力して増幅した信号をリード線１１及び
１２により第１圧電振動子１に印加する。それに
より固定子６には、第１圧電振動子１の分極方向
が互いに異なるプラス極性あるいはマイナス極性
を有す領域の一対を１波長として８極、４組の強
制励振振動子に対応する４波長の強制励振波が発
生される。第２圧電振動子２も増幅器１０の出力
をリード線１２，１３を介して印加することによ
り同様に駆動される。

第６図は第１圧電振動子１及び第２圧電振動子
２に電気信号を印加したときの、たて方向の歪を
最大直径に対して70％程度の位置での周方向位置
に対する変化として測定した結果を示す。測定は
測定箇所にHe−Neガスレーザ光を照射し、入射
光と反射光との干渉法を用いて測定した。第６図
ａにはリード線１１及び１２に信号を印加して第
１圧電振動子１を駆動したときの測定結果を示し
た。50V印加時±0.8μｍ程度の振幅を示した。最
小振幅位置は各々相隣合う電極と電極の境界位置
近傍となり、最大振幅位置は各々の電極の中央近
傍位置となつている。同様にして第２圧電振動子
２を駆動した場合に測定したたて方向歪の結果を
第６図ｂに示した。50V印加時±0.8μｍ程度の振
幅を示した。最小振幅位置は各々相隣合う電極と
電極の境界位置近傍となり、最大振幅位置は各々
の電極の中央近傍位置となつている。

次に第１圧電振動子１及び第２圧電振動子２を
第５図に示した構成により同時に駆動したときの
測定結果を第６図ｃに示した。たて方向の歪の分
布において、ａとｂとの中間位置に振幅が最大を
示す位置が移動している。またたて方向歪の最大
振幅は約1.3倍程度に大きくなつている。ここで、
前述のように第２圧電振動子２は第１圧電振動子
１に対して±10゜ないし±170゜位相シフトして駆
動されるため、合成波Ｃの最大振幅位置は、時間
とともに一定方向に移動する。

固定子６の上には、可動子１４が接触してい
る。可動子１４は、摩擦材料あるいは弾性材料等
からなる弾性体１５とそれに結合された音響材料
１６から構成される。

上述のように固定子６を駆動すると、固定子６
における可動子１４に面する側の振動の頂点が可
動子１４に接触し、しかもその頂点が時間ととも
に移動するため、可動子１４には横方向成分を有
する力が加えられることになる。かくして可動子
１４は、固定子６により定まる駆動周波数により
横方向成分による位置移動を繰り返す結果、ほぼ
１分間に数回転ないし数千回転程度の範囲での回
転運動を得ることができる。発生トルクは固定子
を構成するところの音響材料及び固定子等と面接
触をなす可動子の摩擦係数及び接触面積あるいは
受ける荷重の大きさ等により変化するが、数拾
g・cmから数千g・cmの範囲のトルクを得るこ
とができた。また回転の方向については、基準信
号に対して＋10゜ないし＋170゜の範囲で位相シフ
トした信号を第２圧電振動子に印加して駆動した
ときに得る回転を例えば正方向回転とすると、基
準信号に対して−10゜ないし−170゜の範囲で位相
シフトした信号を同時に印加して駆動したときに
得る回転方向は逆方向の回転となる。また回転数
は印加信号の大きさあるいは位相、あるいは接触
部の受ける荷重等の大きさを選ぶことにより任意
に設定可能である。

本発明の構成によると、固定子全域で固定子を
駆動することができるので、従来方式のヤング率
の大きい金属を歪ませるという重負荷が解消され
ている。従来方式では、楕円状軌跡の短軸２ｕを
増すには、貼合わせる金属の厚みを全面にさらに
上積して厚みを加えることにより可能と考えられ
る。共振特性のダイナミツクレンジの大きさは、
強性な励振のレベルを表わすが、前記金属厚みを
１mm増すごとに共振特性は15dB程度減衰するの
で、実際には推力となる短軸２ｕを増すには、大
電力による駆動を必要とする。この場合きわめて
リニアリテイの悪い構造のため高い発熱をともな
うが、推力の増加は極めて僅かである。

第７図に本発明による固定子６に電気信号を印
加した駆動時のたて方向の歪を、仮想像にて示す
固定子６′の断面方向に対する変化として測定し
た結果を示す。測定は周方向の測定と同様に、レ
ーザ光による干渉法を用いて測定した。50V印加
間、振動伝達部材である突起４近傍において1.8μ
ｍ程度の最大振幅を示した。振幅の移相折り返し
点いわゆる振動の節は、直径を100％とすると、
80〜85％の位置となりほぼ直線的に変化しており
終端は2.5μｍ程度の振幅となつた。また前記振動
の節近傍から電気信号印加用リード線１１，１
２，１３をとりだすと振動疲労による断線が皆無
となつた。また、後述の第１１図において示した
ように、実用的な構造としては、固定子６の下部
に、緩衝体１７が設けられる。その場合、前記固
定子６は前記緩衝体１７と基体として第７図に示
すように湾曲するので、みかけ上振幅が拡大され
る結果を得る。また支持位置を振動の節近傍とす
ると、より損失の少ないドライブが実現できる。
この結果突起４において可動子１４の推力となる
横方向成分が増して、前記可動子１４がきわめて
能率よく一定方向に移動する。

第８図に、本発明によつて成る超音波モータの
駆動電圧と回転数の関係を示した。ａに比較のた
め、従来の表面波形超音波モータの特性示した。
ｂは、本発明と同様の構造で突起のない超音波モ
ータの特性、ｃは、本発明による超音波モータの
突起の上下方向の長さが４mmの場合の特性、ｄ
は、本発明による超音波モータの突起の上下方向
の長さが８mmの場合の特性をそれぞれ示してい
る。このように固定子の部材の突起４の上下方向
長さを変化させることにより、所望の走行スピー
ドを得ることができた。これらのことから本発明
によつて成る超音波モータがきわめて能率のよい
ことがわかる。第８図において、最大スピードが
360rpmとなつているが、直径を大きくした試作
機あるいは前記リブ36の直径を小さくしたモデ
ル、あるいは圧電振動子の厚みを薄くした試作機
などでは、1000rpm〜2000rpm程度のスピードが
測定できた。またこのときの消費電力は、従来の
超音波モータに比べて1/10〜1/100程度となつた。
さらに電力効率もDCマイクロモータ等よりも比
較的良い値となつた。

第９図に、突起４と、可動子１４の弾性体１５
の材質を変えた時の動作時間の変化を示す。ａ
は、石綿等をゴム系バインダーにより複合化した
材料により弾性体１５を構成した場合の動作時間
を示している。ｂは、突起４の材料として焼入鋼
等の構造用材料を用いたときの動作時間を示して
いる。ｃは、パルプやシリカ等を合成樹脂系バイ
ンダーにより複合化した材料により弾性体１５を
構成した場合の動作時間を示している。ｄは、突
起４に回転摩耗による析出粉をクリーニングする
ナイフエツチの溝を設けたときの動作時間を示し
たものであり、約1000時間以上の回転実積におい
ても初期特性を保証できている。

従来の超音波モータの回転数は数回転から
30rpm程度と限られている。これはサブミクロン
という微小な振幅を用いる表面波形の駆動原理に
よつており、従来の超音波モータは低速を特長と
して、カメラレンズ等の駆動を目的としたもので
ある。

本発明による強性な振動となる空間波あるいは
バルク波を直接に用いた超音波モータは、第１
図、第２図、第３図及ぴ第４図において示した突
起４が例えば８mm程度の高さのときに、50Vの駆
動電圧では220rpm程度の回転数を得ている。前
記突起４の直径を変化したときの、前記直径と回
転数の関係を第１０図に示した。本発明による超
音波モータは、第１０図から明らかなように１分
間に数回転から千回転程度まで、突起４の直径あ
るいは高さを選定することにより任意に希望とす
る回転数を得ることができる。さらに駆動電圧
200V程度までリニアな特性となつているので電
圧のアツプによつても回転数を2000rpm程度まで
増すことができる。また構成原理あるいは構成部
品に磁石やコイル等という一切のの磁気的手段を
有していないので、例えば400rpmあるいは
700rpm程度の超音波モータでは、フロツピーデ
イスクあるいはビデオテープレコーダ等の磁気記
録・再生機器モータとしては、磁気的影響が皆無
であるという理想的なモータを得ることができ
る。

第１１図に、本発明の一実施例における超音波
モータのより具体的な構造を示す。第５図と同様
の部分については同一番号を付した。リード線１
１，１２，１３を付与された固定子６は、緩衝体
１７を介してフレーム（図示せず）に振動自由に
装着されている。固定子６の上には軸５に押入さ
れた軸受１８を介して可動子１４が接触してい
る。押圧力調整ネジ１９は軸５の上端部に装着さ
れ、これを締め付けると、菊形板バネ２０が撓
み、任意の押圧力で前記固定子６と前記可動子１
４を接触させることができる。この結果数拾
g・cmから数千g・cmの範囲のトルクを得るこ
とができた。また可動子１４の上には、固定リン
グ２１が固着されており、仮想線で示したガイド
リング２２との間に被回転体を挾み込むことによ
り、被回転体に回転が伝達される。

以上の構成から成る超音波モータは見掛けの収
納面積を感じさせないばかりか駆動信号の位相を
変化させるだけで正転・逆転駆動が任意に可能と
なり、かつ約2000rpm以内の低・中速回転におい
て数千g・cm程度内のトルクが発生できる。ま
た回転数は印加信号の大きさあるいは位相、ある
いは接触部の受ける荷重等の大きさあるいは突起
の長さ直径等を選ぶことにより約数千回転程度迄
任意に選定可能である。したがつて減速機等が全
く不要である。かつ常に接触摩擦対隅をなすので
慣性モーメントが無く、微小なパルス動作性に富
むうえにコンパクト性に優れている。また構造が
至つて簡単であるので低価格である。

発明の効果 以上の説明で明らかなように、本発明の超音波
モータは、各圧電素子が励振するそれぞれの撓み
振動の定在波の位置をずらすように、２枚の圧電
素子を弾性体上に配置して固定子を構成すること
により、固定子全域での駆動を可能にして大出力
化を実現し、また弾性体上に円環状の突起部を形
成し、この突起部に可動子を押圧して駆動力を伝
達することにより固定子の耐負荷性を向上でき高
効率化を実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における超音波モー
タの固定子の分解斜視図、第２図、第３図及び第
４図は各々、同モータ固定子基体の異なる実施例
を示す断面図、平面図及び斜視図、第５図は、同
固定子を用いた超音波モータの概要とその駆動回
路を示す断面図、第６図及び第７図は第５図の超
音波モータ固定子の駆動時における歪分布を示す
図、第８図は本発明による超音波モータの駆動電
圧に対する回転数の特性を示すグラフ、第９図は
同モータの動作時間特性を示すグラフ、第１０図
は本発明による超音波モータの固定子要部の直径
に対する回転数の特性を示すグラフ、第１１図は
本発明の一実施例における超音波モータのより具
体的な構造を示す一部断面で示した正面図、第１
２図は従来例の超音波モータの動作を示す斜視図
である。 １，２……圧電振動子、１ａ……電極、３……
固定子基体、４……突起、６……固定子、１４…
…可動子、７……発振器、８，１０……増幅器、
９……移相器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 固定子６，６′と、可動子１４を有する超音
   波モータであつて、 固定子６，６′は、円板状の弾性体３の片面に
   円環状の突起部４ａを形成し、他面に第１、およ
   び第２の板状の圧電振動子１，２を固着し、か
   つ、励振されて表面に進行波を発生する可動子１
   ４を突起部４ａに圧接して駆動するものであり、 第１、および第２の圧電振動子１，２は、それ
   ぞれ板状の圧電材料からなり、その表面をほぼ等
   分に分割する形の小電極群１ａを有し、各電極に
   交流電圧が印加されて隣接する各小電極領域は互
   いに逆方向に分極され、かつ、第１、および第２
   の圧電振動子１，２の一方の小電極の中央部近傍
   が、他方の圧電振動子の小電極の境界に位置する
   ように積重されたものである 超音波モータ。