JPH077973A - 超音波モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明の目的は、両方向回転でき、且つ、負
荷に応じて特性が自動的に変化する超音波モータを提供
することである。 【構成】 ロータ６が正回転駆動されている時に被動ギ
ヤ１２に負荷がかかると該負荷に比例する軸方向反力が
出力ギヤ１３にかかり（ギヤ１２及び１３はヘリカルギ
ヤ）、出力ギヤ１３は回転しつつ支持棒部材７ｂに沿っ
て下側へ軸方向移動してばね８を収縮させ、ロータ６と
振動体３との相互圧接力を変化させ、これによりモータ
特性が自動的に変化する。ロータ６が逆方向回転されて
いる時に被動ギヤ１２に負荷がかかると、振動体３に固
定されているボルト５が回転して（固定部材１６のねじ
孔１６ａとボルト１４のねじ軸部１４ｄとのねじ係合関
係により）ボルト１４及び振動体３並びにロータ６と部
材７とが一体となって出力ギヤ１３に対して上方向へ移
動し、ばね８を収縮させ、ロータ６と振動体３との相互
圧接力を変化させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は超音波モータに関し、更
に詳細には、圧電素子を挟み込んだ振動体の先端面の各
部に微小な楕円振動を発生せしめ、該振動体の先端面に
圧接されたロータを回転させる形式の超音波モータに関
する。

【０００２】

【従来の技術】圧電素子を挟み込んだ振動体の先端面の
各点に微小な楕円振動を発生させ、該振動体の該先端面
に圧接されているロータを回転させる形式のいわゆるペ
ンシル型の超音波モータは本出願人により既に実用化さ
れており、カメラ等の光学機器に搭載されている。ま
た、本出願人は該超音波モータを更に発展させた高機能
型モータについても開発を進めており、該高機能型モー
タに関する提案を行ってきた。

【０００３】図１４及び図１５は本出願人により提案さ
れている高機能型の超音波モータの構造を示した図であ
り、これらの超音波モータは本発明の先行技術であるた
め、以下に該モータの構造及び機能等について説明して
おく。

【０００４】図１４に示されている超音波モータは負荷
トルクの変動に応じて出力特性が自動的に変化する特性
変化型超音波モータである。

【０００５】一方、図１５に示された超音波モータは負
荷トルクに関係なく回転数が一定となる回転数一定型超
音波モータである。

【０００６】以下には図１４及び図１５並びに図１６等
を参照して前記モータの構造及び機能について説明す
る。

【０００７】図１４及び図１５において、５は該モータ
の構成要素を支持するための骨格部材となっているボル
ト、３は該ボルト５の大径のねじ軸部５ａにねじ込まれ
た振動子、４は圧電素子群１と電極板群２とを振動子３
の後端面との間で挟み込んで該振動子３及び圧電素子群
１とで振動体を構成している筒状の押さえ部材、６は振
動子３の先端面に圧接される凸状係合６ａを有した筒状
のロータ、７はロータ６に嵌合し且つ接着されてロータ
６とともに回転するばね受け部材兼出力ギヤ支持部材、
９は該部材７に突設された複数のギヤ支持棒７ｂとボル
ト５の第２の軸部５ｃとに軸方向移動可能に嵌装されて
該部材７及びロータ６とともに回転可能な出力ギヤ、８
は該部材７の筒状部７ａ内に収容されて該筒状部７ａの
端板部７ｃとギヤ９との間で伸縮動作するばね、１０は
ボルト５の先端部５ｄに固着されていて該モータを他の
機器や装置に取付けるための取付板（固定部材）、１２
は出力ギヤ９に常に噛合っている被動ギヤ（負荷に連結
されているギヤ）、１１（図１５）は取付板１０とギヤ
９との間に介装されてギヤ９をばね８側へ付勢している
第二のばね、である。ばね８はロータ６を振動子３の端
面に圧接させる圧力を発生するための加圧ばねであり、
図示の構造からわかるように、出力ギヤ９の軸方向位置
の変化に応じてばね８の長さが変化することによりロー
タ６と振動子３との接触圧力が変化するようになってい
る。また、図１５の構造では、ばね８及びばね１１の長
さの変化に応じてロータ６と振動子３との相互接触圧力
が変化するようになっている。

【０００８】なお、被動ギヤ１２と出力ギヤ９は共にヘ
リカルギヤとして構成されており、また、出力ギヤ９が
軸方向移動可能となっているため、被動ギヤ１２から出
力ギヤ９にかかる負荷トルクの大きさに応じて出力ギヤ
９の軸方向位置が変化する。なお、取付板１０に貫設さ
れているねじ孔１０ａは取付板１０を他の機器に取付け
るためのねじ（不図示）をねじ込むためのねじ孔であ
る。

【０００９】図１６に圧電素子群１及び電極群２の構造
と電気的結線の概要を示す。

【００１０】圧電素子１Ａ，１Ｂは直径部分を非導電部
とする境界線１Ａ−ａ，１Ｂ−ｂとして一枚の圧電素子
の中で分極方向を逆転させている。２枚の圧電素子１Ａ
（以下Ａ相用圧電素子と称す）は分極方向の同一部分を
向かい合わせ、電極板２Ａを挟み込んでいる。同様に、
２枚の圧電素子１Ｂ（以下Ｂ相用圧電素子と称す）は分
極方向の同一部分を向かい合わせ、電極板２Ｂを挟み込
んでいる。そして２枚のＡ相用圧電素子とＢ相用圧電素
子は電極板２Ｇを挟んで位置的位相を９０度ずらして配
置している。

【００１１】前記構造の超音波モータにおいて、電極板
２Ａ及び２Ｂに対し、図１７に示すような波形と位相ず
れを有する交流電圧Ｖ_A 及びＶ_B をそれぞれ印加する
と、Ａ相用圧電素子１Ａによる振動とＢ相用圧電素子１
Ｂによる振動との合成により振動子３は首振り運動のよ
うな振動をし、その結果、ロータ６はボルト５の軸部５
ｂを中心とする回転運動をする。

【００１２】ロータ６が回転されると出力ギヤ９もロー
タ６と一体になって回転され、従って被動ギヤ１２も回
転される。

【００１３】出力ギヤ９と被動ギヤ１２は共にヘリカル
ギヤであるため、被動ギヤ１２にかかる負荷トルクが変
化すると該ギヤ１２から出力ギヤ９に対して生ずる軸方
向反力も変化し、その結果、出力ギヤ９は軸方向に移動
し、これによりばね８の長さ及びばね１１（図１５）の
長さが変化し、その結果、ロータ６と振動子３との接触
圧力が変化する。

【００１４】図１４に示す超音波モータは負荷トルクが
小さい時には振動子３とロータ６との接触圧力が小さく
なり、負荷トルクが大きい時には該接触圧力も大きくな
るように動作し、従って低回転から高回転まで高トルク
を発生する効率のよい特性変化型超音波モータとなる。

【００１５】一方、図１５に示す超音波モータでは、負
荷トルクが変化すると、出力ギヤ９の軸方向位置が変化
するが、該ギヤ９の軸方向位置は２個のばね８及び１１
の復元力の釣合により決まるので図１４のモータとは異
なる特性を示す。すなわち、図１５のモータでは、負荷
トルクが小さい時にはロータ６と振動子３との相互接触
圧力は大きくなり、負荷トルクが大きい時には該相互接
触圧力は低くなる。従って、図１５に示すモータは回転
数一定型の特性を有している。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】前述の如き本出願人に
よる先行技術の超音波モータにおいては、前述の特性を
生じ得るのはロータ６が一方向に回転する時のみであ
り、該モータは正逆両方向にロータを回転させる用途に
は使用することができなかった。従って、該モータを正
逆両方向の回転が必要な用途に使用する場合は逆転用歯
車機構を要することになり、該該モータを搭載する機器
の高価格化と大重量化を招くことになる。

【００１７】従って、該超音波モータは実用性において
欠点があった。

【００１８】本発明の目的は、前記先行技術の超音波モ
ータの欠点を排除し、両方向回転ができる、特性変化型
及び回転数一定型の超音波モータを提供することであ
る。

【００１９】

【課題を解決するための手段】前述の先行技術の超音波
モータにおいてばね８の長さの変化により該モータの特
性が変化するようになっている。そして、該モータにお
いては、該部材７の端板部７ｃと取付板１０（固定部
材）との距離は常に一定で変化せず、ばね８及びばね１
１の長さは出力ギヤ９の軸方向位置によってのみ決定さ
れるようになっている。そして、ばね８及び１１の軸方
向長さを変化させる出力ギヤ９の動きは該部材７の端板
部７ｃ側への動きのみである。

【００２０】前述の構造において、ばね８の軸方向長さ
を左右するのは出力ギヤ９と該部材７の端板部７ｃの相
対的位置関係であるから、出力ギヤ９が移動せずに取付
板１０と該部材７の端板部７ｃの少なくとも一方が出力
ギヤ９に対して移動した場合も該ばね８の軸方向長さが
変化することになるが、前述の先行技術のモータでは該
部材７の端板部７ｃ（すなわちばね受）と取付板１０
（固定部材）は常に静止しており、両者の距離は常に一
定であった。

【００２１】本発明では、出力ギヤが逆回転された時に
は、該部材７の端板部７ｃ（すなわちばね受部材）が出
力ギヤに対して移動できるようにし、これにより先行技
術の超音波モータの問題点を解決した。

【００２２】具体的には、該形式の超音波モータの中心
骨格部材となるボルトの先端に該取付板の中ねじ孔に螺
合するねじ軸部を設け、該ボルトを出力ギヤに対して相
対的に軸方向移動可能にしたことを特徴とする。

【００２３】

【作用】本発明による改良された超音波モータは、出力
ギヤが逆回転された時には、ばね受部材が出力ギヤに対
して軸方向移動し、該ギヤに作用する負荷の変化に比例
して出力ギヤ付勢ばねの復元力を変化させるので、該ギ
ヤが正逆いずれの方向に回転されても該モータの特性を
変化させることができる。

【００２４】

【実施例】以下に本発明の実施例について図を参照しつ
つ説明する。

【００２５】〈実施例１〉図１乃至図３に本発明の第一
実施例の超音波モータの構造を示す。本実施例のモータ
は負荷により特性が変化する特性変化型超音波モータで
あり、図１は無負荷時の状態、図２は有負荷時に該モー
タが時計方向回転している状態、図３は有負荷時に該モ
ータが反時計方向に回転されている状態、をそれぞれ示
している。

【００２６】なお、同図において、前述の先行技術のモ
ータの構成要素と同じ構造の構成要素については図１４
及び図１５と同じ符号で表示してあるが、該モータの構
成要素と異なる構造の構成要素については図１４及び図
１５とは異なる符号で表示されている。

【００２７】図１において、１４は本実施例の超音波モ
ータの構成要素を支持する骨格部材となるボルトであ
り、振動子３のねじ孔にねじ込まれる第一ねじ軸部１４
ａと、部材７の筒状部７ａの端板部７ｃの孔に挿通され
る平滑な軸部１４ｂと、出力ギヤ１３の中心孔に接触す
ることなく該中心孔に挿通されるとともに取付板１６
（固定部材）の中心のねじ孔１６ａに螺合する第二のね
じ軸部１４ｄと、該軸部１４ｂと該ねじ軸部１４ｄとの
境に突設されたフランジ１４ｃと、を有している。取付
板１６はねじ孔１６ｂにねじ込まれる不図示の取付けボ
ルトにより他の固定部材もしくは機器（二点鎖線で図
示）に固定され、取付板１６の中心ねじ孔１６ａを貫通
して該固定部材側へ突出したボルト１４のねじ軸部１４
ｄにはナット１７がはめられており、ナット１７はボル
ト１４が取付板１６に対して軸方向に動く位置を規制す
るためのストッパーとなっている。

【００２８】１は圧電素子群、２は電極板群、３は振動
子、４は圧電素子群１と電極板群２を振動子３の後端面
との間で挟み込んで該振動子３及び圧電素子群１、電極
板群２とともに振動体を構成している筒状の押さえ部
材、６は振動子３の先端面に圧接される筒状のロータ、
７はロータ６に嵌着されてロータ６とともに回転するば
ね受け部材兼出力ギヤ支持部材、１３は該部材７に突設
された複数のギヤ支持棒７ｂに軸方向移動可能に嵌装さ
れてロータ６とともに回転可能な出力ギヤ、８は該部材
７の筒状部７ａ内に収容されて該筒状部７ａの端板部７
ｃと該ギヤ１３との間で伸縮動作するばね、１５は該ギ
ヤ１３の端面から突出するように該ギヤ１３に固定され
た球軸受、１２は該ギヤ１３に常に噛み合う被動ギヤ、
である。

【００２９】圧電素子群１と電極板群２の構成及び電気
的結線は図１６に示されている。

【００３０】なお、出力ギヤ１３と被動ギヤ１２は共に
ヘリカルギヤ（斜歯歯車）であることも前述した先行技
術のモータと同じである。

【００３１】本実施例の超音波モータでは、該モータの
骨格部材であるボルト１４が振動体及びロータ６等とと
もに軸線方向に移動できる点が先行技術のモータとは異
なっている。

【００３２】次に、本実施例の超音波モータの各部の動
作の概略について簡単に説明する。

【００３３】（１）図１は該モータの無負荷時の状態で
あり、この状態ではロータ６は回転しておらず、従って
出力ギヤ１３が被動ギヤ１２から何らの反力も受けてい
ない。

【００３４】（２）該モータ（すなわちロータ６）が時
計方向回転（以下にはＣＷと略記する）し、且つ被動ギ
ヤ１２に負荷がかかっている場合 出力ギヤ１３が被動ギヤ１２から図１において下向きの
軸方向反力を受け、該ギヤ１３はその反力に比例した量
だけ下向きに移動して図２の状態に変化する。従って図
１の状態よりもばね８が圧縮され、その結果、ロータ６
と振動子３との相互接触圧が増大し、該モータの特性が
変化する。

【００３５】本実施例のモータの特性を図４に示す。本
実施例のモータは、ばね８の発生圧力と該モータの発生
トルクとの間に図４のＴ−Ｎ特性線図で示される特性を
有しており、ばね８の発生圧力（振動子３に対するロー
タ６の加圧力）が増大するにつれて特性が直線ａから直
線ｂを経て直線ｃへと変化する。すなわち、高回転−低
トルク型から低回転−高トルク型へと特性が変化する。

【００３６】（３）該モータ（すなわちロータ６）が反
時計方向回転（以下にはＣＣＷと略記する）し、且つ被
動ギヤ１２に負荷がかかっている場合 出力ギヤ１３は被動ギヤ１２から図１において上向きの
軸方向反力を受けるが、取付板１６により上方向への移
動を阻止されているため移動できない。この時ロータ６
はＣＣＷ回転しているので出力ギヤ１３は被動ギヤ１２
からＣＷ方向の回転反力を受けており、このため部材７
及びロータ６もＣＷ方向の回転反力を受ける。従って、
ロータ６から振動子３に対する反作用として振動子３が
ＣＷ方向の回転トルクを受けるため、ボルト１４がＣＷ
方向に回転され、その結果、該ボルト１４のねじ軸部１
４ｄが回転するので取付板１６に対してボルト１４が上
方向に前進していき、図１の状態から図３の状態に変化
する。このため、出力ギヤ１３は振動子３に対して相対
的に接近したことになり、従ってばね８は図１の状態よ
りも圧縮され、ロータ６と振動子３との相互圧接力が増
大する。すなわち、ＣＣＷ回転時にもＣＷ回転時と同様
に、負荷がかかった時には該モータの特性が図４に示す
ように変化する。

【００３７】図５は該超音波モータにおいて入力一定の
もとでばね８によってロータ６を振動子３に圧接させる
加圧力と該モータのＴ−Ｎ特性との関係を示した図であ
る。

【００３８】図５の直線ａで示す特性は該モータが無負
荷時の状態（図１）に対応し、図５の直線ｂ及びｃは有
負荷状態の図２及び図３に対応している。

【００３９】次に、図１乃至図７を参照して本実施例の
超音波モータにおいて、図１乃至図３の各状態における
ロータ６に対する加圧力及び該モータの特性変化を、該
モータを力学的に簡単化したモデルを用いて説明する。

【００４０】（ｉ）無負荷状態（トルクＴ＝Ｔ_O ＝０）
［図１及び図６（ａ）］ 図６（ａ）より出力ギヤ１３におけるつりあいの式は ０＝ｋ（Ｘ−ｘ₀ ）−Ｎ−ｆａ₀ （１） 但しＴ：出力ギヤ１３に発生するトルク Ｎ：取付板１６から受ける垂直抗力 ｆａ₀ ：被動ギヤ１２から受けるスラスト方向の反力 Ｘ：加圧バネ８の自由長さ ｘ₀ ：このときの加圧バネ８の長さ ｋ：加圧バネ８のバネ定数 このとき、出力ギヤ１３は発生しているトルクＴは０な
ので、スラスト方向の反力ｆａ₀ も同様に０となる。

【００４１】このときロータ６にかかる加圧バネ８によ
る加圧力ｆｒは ｆｒ＝ｋ（Ｘ−ｘ₀ ）＝ｃ₀ （２） ここでｃ₀ は定数 図１ではモータの負荷トルクＴ＝０で、このときの出力
ギヤ１３のスラスト方向のギヤ出力の反力ｆａも０であ
る。このときモータはある回転数で回転しており、この
状態を初期状態とする。この状態では加圧バネ８は一番
延びた状態、すなわちｆｒ＝ｋ（Ｘ−ｘ₀ ）でロータ６
にかかる加圧力が一番小さいからＴ−Ｎ特性は図５の直
線ａであり、無負荷の回転数がＮ₁ と高く、起動トルク
がＴ_A と小さい、いわゆる高回転−低トルク型のモータ
特性になる。

【００４２】（ii）負荷がかかっており（トルクＴ＝Ｔ
₁ ＞０）、ロータ６がＣＷ方向に回転駆動されている状
態［図２及び図６（ｂ）］ 負荷トルクＴとスラスト方向の反力ｆａは比例関係にあ
るからこのときに出力ギヤ１３が被動ギヤ１２から受け
るスラスト方向の反力をｆａ₁ とすると次のように表さ
れる。

【００４３】 ｆａ₁ −ｆａ₀ ＝ｆａ₁ ＝ｃＴ₁ （３） 但しｃは比例定数 また加圧バネ８の長さがｘ₁ になり、加圧バネ８の長さ
が無負荷状態からΔｘ₁ だけ変化（減少）したとする
と、図６（ｂ）よりこのときの出力ギヤ１３におけるつ
りあいの式は ０＝ｋ（Ｘ−ｘ₁ ）−ｆａ＝ｋ（Ｘ−ｘ₁ ＋Δｘ₁ ）−ｆａ₁ （４） このときロータ６にかかる加圧力ｆｒ_CWは（３）式と
（４）式を用いて、 ｆｒ_CW＝ｋ（Ｘ−ｘ₁ ）＝ｆａ₁ ＝ｃＴ₁ （５） 以上よりロータ６にかかる加圧力ｆｒはトルクＴに依存
した関数で表される。

【００４４】ＣＷ回転の場合のｆｒは図７（ａ）より次
のようになる。

【００４５】 ｆｒ＝ｃ₁ Ｔ＋ｃ₀ （６） ここでｃ₁ ，ｃ₀ は定数でｃ₁ ＝ｋΔｘ₁ ／Ｔ₁ ｃ₀ ＝ｋ（Ｘ−ｘ₀ ） 図２のＣＷ回転の状態では負荷トルクが増大してＴ₁ に
なったときであるが、このとき前述のモデルより加圧バ
ネ８のロータ６にかかる加圧力ｆｒ_CWはｋ（Ｘ−ｘ₀ ＋
Δｘ₁ ）とｋΔｘ₁ だけ増大する。Ｔ−Ｎ特性は図５の
直線ｂ、すなわち、直線ａより無負荷の回転数がＮ₂ と
小さくなり、起動トルクはＴ_B と大きくなるので、初期
状態と比べて低回転−高トルク型のモータ特性になる。

【００４６】（iii)負荷がかかっており（トルクＴ＝Ｔ
₁ ＞０）、ロータ６がＣＣＷ方向に回転駆動されている
状態［図３及び図６（ｃ）］ 回転方向ＣＷと同じように負荷トルクがＴ₁ のとき、出
力ギヤ１３が被動ギヤ１２から受けるスラスト方向の反
力ｆａ₁ はｆａ₁ ＝ｃＴ₁ となる。

【００４７】また加圧バネ８の長さがｘ₂ になり長さが
無負荷状態からΔｘ₂ だけ変化する。さらにロータ６に
トルクＴ₁ が発生すると、その反力としてボルト１４に
反対回りで大きさが等しいトルクＴ_W が起こり、このト
ルクによりボルト１４とネジ嵌合している取付板１６の
ネジ孔１６ａに軸力ｐが発生する。

【００４８】この軸力ｐはボルト１４のネジ軸部１４ｄ
には上向きに働きその結果として、ボルト１４が上向き
に移動する。ボルト１４から取付板１６を見るとネジ軸
部１４ｄには下向きに力が働いてるように見える。

【００４９】取付板１６は出力ギヤ１３を接触加圧する
のでこの軸力ｐは出力ギヤにも伝達する。このとき出力
ギヤ１３におけるつりあいの式は図６（ｃ）より ０＝ｋ（Ｘ−ｘ₂ ）＋ｆａ₁ −Ｎ−ｐ ＝ｋ（Ｘ−ｘ₀ ＋Δｘ₂ ）＋ｃＴ₁ −ｄＴ₁ −２Ｔ_W ／ｄｔａｎ（β＋ρ） （７） ここで ｄ：ネジ有効径 β：リード角 ρ：ネジ面の換算摩擦角 Ｔ_W ：ボルト１４に発生するトルク Ｎ：取付板１６から受ける抗力でトルクＴに比例した値
であるからＮ＝ｄＴとする（Ｔ＝０のとき、Ｎ＝０よ
り）ｄは比例定数 ここでＴ₁ ＝Ｔ_W よりｐはＴの関数で表される。ｐは無
負荷状態のときは起こらないから、 ｐ＝ｐ（Ｔ）＝ａＴ （８） ここでａは比例定数ａ＝２／ｄｔａｎ（β＋ρ） このときロータ６にかかる力ｆｒ_CCW は（７）式と
（８）式を用いて、 ｆｒ_CCW ＝ｋ（Ｘ−ｘ₂ ）＝ｐ＝（ａ−ｃ＋ｄ）Ｔ₁ （９） 以上よりロータ６にかかる加圧力ｆｒはトルクＴに依存
した関数で表される。

【００５０】ＣＣＷ回転の場合のｆｒは図７（ｂ）より
次のようになる。

【００５１】 ｆｒ＝ｃ₂ Ｔ＋ｃ₀ （１０） ここでｃ₂ ，ｃ₀ は定数でｃ₂ ＝ｋΔｘ₂ ／Ｔ₁ ｃ₀ ＝ｋ（Ｘ−ｘ₀ ） また、このとき出力ギヤ１３に発生するスラスト方向に
おいて上向き、トルク反力ｆ_upはｃＴ₁ であり、一方、
取付板１６にかかる下向きの力ｆ_dounは前述したように
ｐであるからモータがＣＣＷ回転するための条件は次の
ようになる。

【００５２】 ｆ_doun＞ｆ_up ｃＴ₁ ＞２Ｔ₁ ／ｄｔａｎ（β＋ρ） ∴ ｃ＞２／ｄｔａｎ（β＋ρ） （１１） したがって、比例常数ｃが上の式の条件を満たす範囲で
あればＣＣＷ回転は成立する。

【００５３】図３のＣＣＷ回転の状態では、図６（ｃ）
より加圧バネ８のロータ６にかかる加圧力ｆｒ_CCW はｋ
（Ｘ−ｘ₀ ＋Δｘ₂ ）とｋΔｘ₂ だけ増大する。Ｔ−Ｎ
特性は図５の直線ｃ，すなわち、直線ａより無負荷の回
転数がＮ₃ と小さくなり、起動トルクはＴ_C と大きくな
るので、初期状態（直線ａ）と比べて低回転−高トルク
型になる。

【００５４】したがって負荷トルクＴの増加に従い、Ｃ
ＣＷ回転、ＣＷ両回転でＴ−Ｎ線図はａ→ｂ又はａ→ｃ
へと自動的に移動する。負荷トルクＴが小さいときは高
回転低トルク型、Ｔが大きいときは低回転高トルク型へ
と変化して、低回転から高回転まで高トルクのＴ−Ｎ特
性となるので一定の入力で効率の良い超音波モータが実
現できる。

【００５５】〈実施例２〉図８に本発明の第二実施例の
両回転型の回転数一定型超音波モータの構造を示す。本
実施例のモータは、第一実施例のモータに第二のばね１
９を付加し、また被動ギヤ２０にはその一端側（図８で
は下側）に歯溝を遮るストッパ部２０ａが設けられてい
る点で第一実施例と異なっている。また、出力ギヤ１３
と被動ギヤ２０の歯の傾斜方向は第一実施例のギヤの歯
の傾斜方向とは逆になっている。

【００５６】また、本実施例の超音波モータでは、該モ
ータの骨格部材となるボルト１８に第二のばね１９のば
ね受けとなる第二のフランジ１８ｆが設けられている。
なお１８ａは振動子３に螺合する大径の第一のねじ軸
部、１８ｂはばね受け部材兼出力ギヤ支持部材７の筒状
部７ａが嵌装される第一の軸部、１８ｃは出力ギヤ１３
のストッパとなる第一のフランジ、１８ｄは出力ギヤ１
３の中心孔に無接触で挿入されるとともに第二のばね１
９が嵌装される第二の軸部、１８ｅは取付板１６の中心
のねじ孔１６ａに螺合する第二のねじ軸部であり、該ね
じ軸部１８ｅの先端部にはボルト１８の軸方向移動を規
制するためのストッパーとしてナット１７が固定されて
いる。

【００５７】次に、図８乃至図１３を参照しつつ本実施
例の超音波モータの機能及び動作並びに出力ギヤ１３の
軸方向位置の変化について説明する。

【００５８】なお、図８は該モータの無負荷時の状態で
あり、図９は該モータのロータ６が有負荷時において時
計方向（ＣＷ）回転されている時の状態を示し、図１０
は該モータのロータ６が有負荷時において反時計方向
（ＣＣＷ）回転されている時の状態を示している。

【００５９】（ｉ）無負荷状態（トルクＴ＝Ｔ₀ ＝０）
［図８及び図１１（ａ）］ 図１１（ａ）より出力ギヤ１３におけるつりあいの式は ０＝ｋ_A （Ｘ_A −ｘ₀ ）−ｋ_B （Ｘ_B −ｘ₀ ’）＋ｆａ₀ （１２） となる。

【００６０】但しＴ ：出力ギヤ１３に発生するトルク ｋ_A ：加圧バネ８のバネ定数 ｋ_B ：出力ギヤ加圧バネ１のバネ定数 Ｘ_A ：加圧バネ８の自由長さ Ｘ_B ：出力ギヤ加圧バネ１９の自由長さ ｘ₀ ：加圧バネ８の長さ ｘ₀ ’：出力ギヤ加圧バネ１９の長さ ｆａ₀ ：被動ギヤ２０から出力ギヤ１３に加えられる軸
方向反力 となる。

【００６１】このとき、出力ギヤ１３に発生しているト
ルクＴは０なので、スラスト方向の反力ｆａ₀ も同様に
０となる。

【００６２】このときロータ６に加えられる加圧バネ８
による加圧力ｆｒは ｆｒ＝ｋ_A （Ｘ_A −ｘ₀ ）＝ｃα （１３） 但し、ｃαは定数 となる。

【００６３】図８ではモータの負荷トルクＴ＝Ｔ₀ ＝０
で、このときの出力ギヤ１３のスラスト方向のギヤ出力
の反力ｆａも０である。このときモータはある回転数Ｎ
₁ で回転しており、この状態では加圧バネ８は一番縮ん
だ状態、すなわちｆｒ＝ｋ_A（Ｘ_A −ｘ₀ ）でロータ６
にかかる加圧力が一番大きいからＴ−Ｎ特性は図１３の
直線ａであり、従って無負荷の回転数がＮ₁ と低く、起
動トルクがＴ₁ と大きい、いわゆる低回転−高トルク型
のモータ特性になる。

【００６４】（ii）負荷がかかっており（トルクＴ＝Ｔ
_A ＞０）、ロータ６がＣＷ回転している状態［図９及び
図１１（ｂ）］ 負荷トルクＴ_A とギヤ出力の反力ｆａは比例関係にある
から、このときに出力ギヤ１３が被動ギヤ２０から受け
るスラスト方向の反力ｆａ₁ とすると上向きに働きその
大きさは次のように表される。

【００６５】 ｆａ₁ −ｆａ₀ ＝ｆａ₁ ＝ｃβＴ_A （１４） 但し、ｃβは比例定数 また、加圧バネ８の長さがｘ_A になり、加圧バネ８の長
さが無負荷状態からΔｘ_A だけ変化し、出力ギヤ加圧バ
ネ１９の長さがｘ_B になり、出力ギヤ加圧バネ１９の長
さが無負荷状態からΔｘ_B だけ変化したとすると、図１
１（ｂ）より、このときの出力ギヤ１３におけるつりあ
いの式は ０＝ｋ_A （Ｘ_A −ｘ_A ）−ｋ_B （Ｘ_B −ｘ_B ）＋ｆａ₁ ＝ｋ_A （Ｘ_A −ｘ_A ＋Δｘ_A ）−ｋ_B （Ｘ_B −ｘ_B −Δｘ_B ）＋ｃβＴ_A となる。

【００６６】このときロータ６にかかる加圧力ｆｒ_CWは
（１４）式と（１５）式を用いて次式で表わされる。

【００６７】 ｆｒ_CW＝ｋ_A （Ｘ_A −ｘ_A ） ＝ｋ_B （Ｘ_B −ｘ_B ）＋ｆａ₁ ＝ｋ_B （Ｘ_B −ｘ_B −Δｘ_B ）−ｃβＴ_A （１６） すなわちロータ６にかかる加圧力ｆｒはトルクＴに依存
した関数で表される。

【００６８】ＣＷ回転の場合のｆｒは図１２（ａ）より
次のようになる。

【００６９】 ｆｒ＝−ｃ_A Ｔ＋ｃα （１７） 但し、ｃ_A ，ｃαは定数でｃ_A ＝ｋ_B Δｘ_B ／Ｔ_A ｃα＝ｋ_A （Ｘ_A −ｘ₀ ） 図９のＣＷ回転の状態では負荷トルクが増大してＴ_A に
なったときであり、このとき前述のモデルより加圧バネ
８からロータ６に作用する加圧力ｆｒ_CWは無負荷状態と
比べてｋ_A （Ｘ_A −ｘ₀ ＋Δｘ_A ）となりｋΔｘ_A だけ
減少する。

【００７０】この時、出力ギヤ１３は上方向に負荷トル
クに比例した軸方向反力を被動ギヤ２０より受ける。そ
してその反力に比例した量だけ上へと移動するので加圧
バネ８からロータ６にかかる加圧力が減少するためＴ−
Ｎ特性は図１３の直線ｂとなる。すなわち、直線ａの特
性より無負荷回転数がＮ₂ と大きくなり、起動トルクは
Ｔ₂ と小さくなるので無負荷状態と比べて高回転低トル
ク型になる。

【００７１】（iii)負荷がかかっており（トルクＴ＝Ｔ
_A ＞０）、ロータ６がＣＣＷ回転している状態［図１０
及び図１１（ｃ）］ ＣＷ回転時と同じように負荷トルクがＴ_A のとき、出力
ギヤ１３が被動ギヤ２０から受けるスラスト方向の反力
ｆａ₁ ’は下向きに働き、大きさはｆａ₁ ’＝ｃβＴ_A
となる。

【００７２】また、加圧バネ８の長さがｘ_A ’になり、
長さが無負荷状態からΔｘ_A ’だけ変化して出力ギヤ加
圧バネ１９の長さがｘ_B ’になり、出力ギヤ加圧バネ１
９の長さが無負荷状態からΔｘ_B ’だけ変化したとす
る。

【００７３】さらにロータ６にトルクＴ_A が発生する
と、その反力としてボルト１８に反対回りで大きさが等
しいトルクＴ_W が起こり、このトルクによりボルト１８
のネジ軸部１８螺合している取付板１６のネジ孔１６ａ
に軸力ｐが発生する。ボルト１８の１８ｅがＣＣＷに回
転されるとボルト１８は図１０の上から下へ移動この軸
力ｐは下向きに働く。図１１（ｃ）より出力ギヤ加圧バ
ネ１９におけるつりあいの式はｐ＝ｋ_B （Ｘ_B −ｘ
_B ’）であるから出力ギヤ１３におけるつりあいの式は ０＝ｋ_A （Ｘ_A −ｘ_A ’）＋Ｎ−ｋ_B （Ｘ_B −ｘ_B ’）＋ｆａ₁ ’ ＝ｋ_A （Ｘ_A −ｘ_A ’＋Δｘ_A ’）＋ｅＴ_A −２Ｔ_W ／ｄｔａｎ（β＋ρ） −ｃβＴ_A （１８） となる。

【００７４】但しｄ：ネジ有効径 β：リード角 ρ：ネジ面の換算摩擦角 Ｔ_W ：ボルト１８に発生するトルク Ｎ：被動ギヤ２０から受ける垂直抗力（トルクＴに比例
した値であるからＮ＝ｅＴとする。Ｔ＝０のとき、Ｎ＝
０ｅは比例定数） また、Ｔ_A ＝Ｔ_W よりｐはＴの関数で表される。ｐは無
負荷状態のときは起こらないから、 ｐ＝ｐ（Ｔ）＝ｆＴ （１９） となる。

【００７５】なお、ｆは比例定数であり、ｆ＝２／ｄｔ
ａｎ（β＋ρ）で表わされる。

【００７６】このときロータ６にかかる力ｆｒ_CCW は
（１８）式と（１９）式を用いて、 ｆｒ_CCW ＝ｋ_A （Ｘ_A −ｘ_A ’） ＝（ｃβ＋ｆ−ｅ）Ｔ_A （２０） と表わすことができる。

【００７７】以上より、ロータ６にかかる加圧力ｆｒは
トルクＴに依存した関数で表される。

【００７８】ＣＣＷ回転の場合のｆｒは図１２（ｂ）よ
り次のようになる。

【００７９】 ｆｒ＝−ｃ_B Ｔ＋ｃα （２１） 但しｃ_B ，ｃαは定数でｃ_B ＝ｋ_B Δｘ_B ’／Ｔ_Ａ ｃα＝ｋ_Ａ （Ｘ_A −ｘ₀ ） ＣＣＷの場合、出力ギヤ１３は下方向に負荷トルクに比
例した軸方向反力を被動ギヤ２０から受ける。

【００８０】しかし被動ギヤ２０のストッパ部２０ａに
よって下への動きを規制されているので移動できない。

【００８１】一方、出力ギヤ１３及びロータ６並びに出
力ギヤ支持部材７がＣＣＷ回転すると、これらによって
起こる負荷トルクと同じ量で回転方向が逆の（すなわ
ち、ＣＷ回転の）回転反力をボルト１８が受ける。その
結果、取付板１６のネジ孔１６ａに対してボルト１８の
ネジ軸部１８ｅに下向きの軸力が働く。したがって、取
付板１６に対してボルト１８は下に移動する。この力は
出力ギヤ１３にかかる負荷トルクに比例するので、負荷
トルクの増加に応じてこの力も増大し、それに比例した
量だけ出力ギヤ加圧バネ１９を介して出力ギヤ１３を押
し下げる。

【００８２】加圧バネ８からロータ６にかかる加圧力ｆ
ｒ_CCW は無負荷状態と比べてｋ_A （Ｘ_A −ｘ₀ −Δｘ
_A ’）となりｋΔｘ_A ’だけ減少する。Ｔ−Ｎ特性は図
１３のｃとなり、すなわち直線ａより無負荷回転数がＮ
₃ と大きくなり、起動トルクはＴ₃ と小さくなるので、
無負荷状態と比べて高回転低トルク型になる。

【００８３】以上のように、本実施例の超音波モータ
は、負荷トルクＴの増加に従いＣＣＷ、ＣＷ両回転でＴ
−Ｎ線図はａ→ｂまたはａ→ｃへと自動的に移行するの
で、負荷トルクＴ₀ ，Ｔ_A と変化しても回転数はＮ₁ と
ほぼ一定になる。すなわち、本実施例の超音波モータは
回転数一定型の特性を有している。

【００８４】なお、前記実施例では、取付板（固定部
材）にねじ孔が設けられ、該ねじ孔に螺合するねじ軸部
がボルトに設けられているが、ボルトの先端にねじ孔が
設けられ、該ねじ孔に螺合するねじ軸部が取付板に突設
されていてもよいことは明らかである。また、ボルトと
取付板との係合や出力ギヤと被動ギヤとの係合がねじ係
合でなく、カム係合であってもよいことは明らかであ
る。

【００８５】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明の超音波
モータは、出力ギヤが逆回転される時にはロータ加圧ば
ねの一端を支持しているばね受部材を出力ギヤ方向へ移
動させるように構成したので、ロータの逆転時において
も負荷の変化に比例してロータ加圧力を自動的に変化さ
せることができ、従って、両方向回転が可能な特性変化
型及び回転数一定型の超音波モータが実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例の超音波モータの縦断面図
であって該モータの無負荷時の状態を示した図。

【図２】該モータのロータ６が有負荷時において時計方
向回転（正回転）されている状態を示した図。

【図３】該モータのロータ６が有負荷時に反時計方向回
転（逆回転）されている状態を示した図。

【図４】該モータのＴ−Ｎ特性（トルク−回転数特性）
を示した図。

【図５】該モータのＴ−Ｎ特性（トルク−回転数特性）
を示した図。

【図６】該モータの図１〜図３の各状態において出力ギ
ヤ１３に作用する軸方向力の解析をするための力学的模
式図であって、（ａ）は図１の状態に対応する図、
（ｂ）は図２の状態に対応する図、（ｃ）は図３の状態
に対応する図、である。

【図７】該モータにおいてばね８がロータ６に及ぼす加
圧力と該モータの発生トルクとの関係を示した図であっ
て、（ａ）は図２の状態に対応する図、（ｂ）は図３の
状態に対応する図。

【図８】本発明の第二実施例の超音波モータの縦断面図
であって、該モータの無負荷時の状態を示した図。

【図９】第二実施例の超音波モータにおいてロータ６が
有負荷時において時計方向回転（正回転）されている時
の状態を示した図。

【図１０】第二実施例の超音波モータにおいて、ロータ
６が有負荷時に反時計方向回転（逆回転）されている時
の状態を示した図。

【図１１】図８〜図１０の各状態において出力ギヤ１３
に作用する軸方向反力を解析するための力学的模式図で
あり、（ａ）は図８に対応する図、（ｂ）は図９の状態
に対応する図、（ｃ）は図１０の状態に対応する図。

【図１２】図８に示したモータにおいて、ばね８がロー
タ６に及ぼす加圧力と該モータの発生トルクとの関係を
示した図であって、（ａ）は図９の状態に対応する図、
（ｂ）は図１０の状態に対応する図。

【図１３】第二実施例のモータのＴ−Ｎ特性線図。

【図１４】本発明に対する先行技術としての従来例の超
音波モータを示した図。

【図１５】本発明に対する先行技術としての従来例の超
音波モータを示した図。

【図１６】従来例の超音波モータ及び本発明の超音波モ
ータに装備されている励振素子としての圧電素子と電極
板と電気的結線の概要を示した図。

【図１７】該圧電素子に印加される交流電圧を示した
図。

【符号の説明】

１…圧電素子 ２…電極板 ３…振動子 ４…押さえ部材 ５，１４，１８…ボルト ６…ロータ ７…ばね受部材兼出力ギヤ支持部材 ８，１１，１９…ばね ９，１３…出力ギ
ヤ １０，１６…取付板（固定部材） １２，２０…被動
ギヤ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電素子等の励振素子が固定されている
   筒状の振動体と、該振動体の先端面に接して回転移動す
   るロータと、該ロータにより回転駆動されるとともに負
   荷に応じて被動部材から軸方向反力を受けて軸方向移動
   する回転出力部材と、該ロータと該回転出力部材との間
   に介装されて該回転出力部材を該ロータから遠去かる方
   向に付勢するとともに該ロータを該振動体の先端面に圧
   接する付勢手段と、該振動体が固着されるとともに該ロ
   ータ及び該回転出力部材に相対回転及び軸線方向移動可
   能に貫挿されて該ロータの軸線方向に延在する軸状支持
   部材と、該軸状支持部材を回転及び軸線方向移動可能に
   支持するとともに他の機器や他の静止部材等に固定され
   るようになった固定部材と、を有して成り、該ロータが
   正方向回転している時には該被動部材から受ける負荷に
   応じて該回転出力部材が軸方向位置を変化させることに
   より該付勢手段による該ロータと該振動体との相互圧接
   力が変化せしめられ、該ロータが逆回転されている時に
   は該被動部材から受ける負荷に応じて該固定部材と該軸
   状支持部材との相対的軸方向位置の変化により該付勢手
   段による該ロータと該振動体との相互圧接力が変化する
   ように構成されていることを特徴とする超音波モータ。
2. 【請求項２】 圧電素子等の励振素子が固定されている
   筒状の振動体と、該振動体の先端面に接して回転移動す
   るロータと、該ロータにより回転駆動されるとともに負
   荷に応じて被動部材から軸方向反力を受けて軸方向移動
   する回転出力部材と、該ロータと該回転出力部材との間
   に介装されて該回転出力部材を該ロータから遠去かる方
   向に付勢するとともに該ロータを該振動体の先端面に圧
   接する付勢手段と、該振動体が固着されるとともに該ロ
   ータ及び該回転出力部材に相対回転及び軸線方向移動可
   能に貫挿されて該ロータの軸線方向に延在する軸状支持
   部材と、該軸状支持部材を回転及び軸線方向移動可能に
   支持するとともに他の機器や他の静止部材等に固定され
   るようになった固定部材と、該回転出力部材と該固定部
   材との間に介装されて該回転出力部材を該固定部材から
   遠去ける方向及び該ロータを該振動体に圧接させる方向
   に付勢している第二の付勢手段と、を有して成り、該ロ
   ータが正方向回転している時には該被動部材から受ける
   負荷に応じて該回転出力部材が軸方向位置を変化させる
   ことにより該付勢手段による該ロータと該振動体との相
   互圧接力が変化せしめられ、該ロータが逆回転されてい
   る時には該被動部材から受ける負荷に応じて該固定部材
   と該軸状支持部材との相対的軸方向位置の変化により該
   付勢手段による該ロータと該振動体との相互圧接力が変
   化するように構成されていることを特徴とする超音波モ
   ータ。
3. 【請求項３】 該回転出力部材がヘリカルギアとして構
   成され、該回転出力部材と該被動部材との係合がヘリカ
   ルギアによる係合関係で構成され、該固定部材と該軸状
   支持部材との係合がねじ係合であることを特徴とする請
   求項１及び２の超音波モータ。
4. 【請求項４】 該回転出力部材と該被動部材との係合及
   び該固定部材と該軸状支持部材との係合の少なくとも一
   方の係合がかむ係合であることを特徴とする請求項１及
   び２の超音波モータ。
5. 【請求項５】 該回転出力部材と該被動部材との係合が
   ウォームとウォームホイールとによる係合であることを
   特徴とする請求項１及び２の超音波モータ。