JPH057951B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は超音波振動を利用した超音波モーター
（表面波モーター）の改良に関する。

発明の背景 従来より最も一般的に用いられている。電磁力
を利用したモーターは、形状や材料に対する制約
が大きく、また、構造的にも巻き線や、小型で高
出力を得るために希土類の永久磁石を用いる等、
コスト的にも限界を有していた。

この様な状況に対し、従来よりの電磁式モータ
ーに代わるべくアクチユエーターの開発が行なわ
れ、その１つとして、超音波振動を利用したモー
ターが提案され、この超音波振動を利用したモー
ター（以後、超音波モーターと呼ぶ）の試作例と
して、圧電素子等を用いて弾性体表面に進行波を
発生させて、この表面に圧接されたローターを駆
動させる表面波型の超音波モーター（以後、表面
波モーターと呼ぶ）が考案され、その駆動原理
は、例えば、公知の1983年２月28日号の『日経メ
カニカル』に発表されている。

このような表面波モーターの基本構成は、第１
ａ図〜第１ｄ図に示すように、円環状の弾性体１
とそれを励振する圧電素子３とから成るステータ
１０と、ロータ２とから構成され、その駆動原理
は次のように説明されている。

第１ｃ図に示すように、圧電素子３は周方向に
複数の領域に分割され、この分割された領域は隣
接する領域どうし分極方向の異なるように分極さ
れている。そして、圧電素子３の分極された複数
の領域は、圧電素子の表面を導電塗料で被覆する
ことで電極４ａ，４ｂにより２つにまとめられ
る。また圧電素子３の電極４ｃは、電極４ａ，４
ｂとは電気的に絶縁された接地電極である。各電
極４ａ，４ｂ，４ｃは端子Ａ，Ｂ，Ｅが電気的に
接続され、この端子から周波電圧が圧電素子３に
供給される。

第１ｄ図に示すように、弾性体１の表面に表面
波を発生させる為に圧電素子３に端子Ａ，Ｂ及び
端子Ｅを介して周波電圧を供給する。即ち、電極
４ａは端子Ａを介して周波電圧Vosinωtを供給
し、また電極４ｂには端子Ｂを介して位相が90°
遅れた周波電圧Vocosωtを供給する。そうする
と、圧電素子３の分極した領域が交互に周方向に
伸縮し、弾性体１に表面波を発生させる。

このように、圧電素子３に通電すると、弾性体
１上に表面波が発生する。そして、第２図に示す
ように弾性体１の表面の１つの点Ａに着目すると
点Ａは長軸２ａ、短軸２ｂの楕円状の軌跡を描
く。その結果、弾性体１に圧接されるローター２
は弾性体１との摩擦力で進行波の進行方向（矢印
Ｎ）と逆方向（矢印Ｍ）に駆動される。

しかしながら、このような円環状の表面波モー
ターは、弾性体１の特定の径位置（一般に外径付
近）に進行波のパワーが集中し易いという欠点を
有していた。そのため、効率の低下はもとより、
弾性体１又はローター２の特定の径の部分に集中
的に摩耗が生じ耐久性が悪いという欠点があつ
た。

従つて、本発明の目的は、弾性体１の特定の径
位置への進行波のパワーの集中を防止し、それに
より高い効率と高い耐久性を有する超音波振動を
利用した超音波モーターを提供することにある。

本発明は、特定の径位置への進行波のパワーの
集中が、弾性体の内径と外径との円周の長さの相
違による事から、パワーの集中を防止するには進
行波の角速度の径による差を極力小さくしてやれ
ばよいところに着想したことを技術的要点として
いる。

まず長方形の一様な断面を有する真直はりの振
動を考える。ヤング率をＥ、断面２次モーメント
をＩ、密度をρ、断面積をＡ、振動数をωとする
と、波の伝播速度ｖは一般に で与えられる。

これを本発明の対象となる円環状弾性体に近似
的に適用させると、半径ｒの位置に生じる進行波
の角速度θ〓rは で表される。

従つて、角速度θ〓rがｒに関係なく一定になるた
めには（式２）より Ｅ／ρ＝C₁r⁴（C₁は定数） ……（式３） であればよい。

また密度ρが一定の時は Ｅ＝C₁r⁴ ＝C₂r⁴（C₂は定数） ……（式４） となり、またヤング率Ｅが一定の時は ρ＝Ｅ／C₁r⁴ ＝C₃１／r⁴（C₃は定数） ……（式５） として表わされる。

第３ａ図は第１ｂ図の円環状弾性体１を改良し
たものであつて、上述した（式３）に基づいて作
成された円環状弾性体４の断面図を示す。円環状
弾性体４は内径がD₀、外径がD₁で厚さが一様な
円環状の部材である。この円環状性体は、第３ｂ
図に示される様にD₀／２≦ｒ≦D₁／２の範囲にわたつ て半径ｒが増加するにしたがつて、ヤング率Ｅと
密度ρの比Ｅ／ρが（式３）に基づいて増加する様 に作成されている為、進行波の角速度θ〓rが一定に
近づき、それだけ進行波のパワーの特定の径への
集中が防止されることになる。

また密度ρが一定の時は第３ｂ図に示される様
に半径ｒが増加するにしたがつてヤング率Ｅを
（式４）に基づいて増加する様にすればよい。ま
たラング率Ｅが一定の時は半径ｒが増加するに従
つて密度ρを（式５）に基づいて減少させてやれ
ばよい。

尚、弾性体４の密度ρとヤング率Ｅは、（式３）
〜（式５）のいずれかの関係が正確に成立するよ
うに設けられることが好ましい。しかしながら本
発明においては必ずしもこのような関係が正確に
成立していなくとも充分な効果を得ることができ
る。すなわち半径ｒの増加にともない比Ｅ／ρが
単に増加する傾向にある程度のものでもよいし、
密度ρが一定の時は半径ｒの増加にともないヤン
グ率Ｅが単に増加する傾向にある程度のものでも
よい。またヤング率Ｅが一定の時は半径ｒの増加
にともない密度ρが単に増加する傾向にある程度
のものでもよい。本発明はＥ／ρ、Ｅ、ρがその
ような傾向になつている程度のものであつても充
分効果を得ることができる。

また、円環状弾性体４のヤング率Ｅや密度ρを
半径ｒに従つて変える手法としては以下のものが
ある。例えば弾性体４が金属で構成されているも
のならば、半径ｒに応じて部分焼き入れを行な
い、半径ｒに従つてヤング率Ｅの変わる弾性体４
を得ることができる。また弾性体４がプラスチツ
クで構成されるものならば弾性体４を成型する際
に半径ｒに従つて弾性体４の材料成分を変え半径
ｒに従つてヤング率Ｅ及び／または密度ρの変わ
る弾性体４を得ることができる。

こうして弾性体４が第１ｂ図に示した弾性体１
のかわりに配置され、円環状の弾性体４とそれを
励振する圧電素子３とから成るステータ１０と、
ロータ２とから超音波モーターが構成される。

以上の様に、本発明によれば、内径から外径に
向けて円環状弾性体のヤング率を増加もしくは密
度を減少させてゆくことにより、進行波の伝播す
る角速度を径によらずに一定にすることができ、
その結果、高い効率と高い耐久性を有する超音波
波振動を利用した超音波モーターが得られる。

【図面の簡単な説明】

第１ａ図は従来の表面波モーターの主要部を示
す平面図であり、第１ｂ図は第１ａ図のもののＸ
−Ｘ断面図である。第１ｃ図は圧電体の平面図で
あり、第１ｄ図は表面波モーターの駆動回路図で
ある。第２図は表面波モーターの原理を説明する
模式図である。第３ａ図は、本発明の表面波モー
ターの弾性体の断面図であり、第３ｂ図は第３ａ
図の弾性体の密度・ヤング率及びヤング率と密度
の比の径における分布状態を表わす図である。 〔主要部分の符号の説明〕、１……円環状弾性
体、２……ローター、３……圧電素子、４……円
環状弾性体。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ステータ１０とロータ２とを有する超音波モ
   ーターであつて、ステータ１０は、円環状弾性体
   ４とそれを励振する圧電素子３とから成り、円環
   状弾性体４がその回転中心軸ｏから半径方向に遠
   ざかるにつれてヤング率を増加もしくは密度を減
   少するよう形成され、ロータ２は、円環状弾性体
   ４に圧接されたものである超音波モーター。