JPH0824428B2 - 超音波モータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、円環状圧電素子および振動板からなるステ
ータに屈曲進行波を励起し、この屈曲進行波によるステ
ータ表面の楕円軌跡の頂点にロータを接することによっ
てロータを回転させる超音波モータに関する。

［従来の技術］ 最近、従来の電磁型モータに代わる新しいモータとし
て超音波モータが脚光を浴びている。この超音波モータ
は原理的に新しいというだけでなく、従来の電磁型モー
タに比べて次のような利点を有している。

中心軸を必要としない。

薄型，軽量である。

磁気的影響の授受がない。

部品構成が単純で、信頼性が高い。

ギヤなしで低速，高トルクが得られる。

バックラッシュがなく位置決めが容易である。

ステータに対してロータが、回転，チャック，浮
遊，の三態をとり得る。

かくして、これらの利点を生かすべく、種々の応用技
術の研究が進められている。

第２図は代表的な従来型の円環型超音波モータを示す
図である。その原理は円環状圧電素子１と一体化した金
属製ドーナツ形振動板２に逆圧電効果によって進行波を
励起し、これによって発生する表面各点の後方楕円運動
軌跡の頂点に接するようにロータ３を押圧配置すること
により、同ロータ３を矢印Ａのように回転させるという
ものである。上記進行波の励起法について以下説明す
る。

第３図は一般的な超音波モータを構成する圧電素子の
分極状態を示す図であり、第２図の下方より見た図に相
当する。分極方向が＋，−，＋，−…のように交互に逆
向きになるように、リング状圧電体を分極するか、また
は分割した複数の圧電素子を分極方向が互いに逆向きに
なるように配置する。このような配置において、分極方
向が互いに逆向きになった隣り合わせの１組を１波長λ
に対応させる。そして180゜異なる位置に各々、3/4λ、
1/4λ長の未分極部1a,1bを配し、これらを結んだ中心線
に対して対称に分極体をｎλ個分づつ配置する。ただし
分極の向きは、円周方向に分極方向が交互に逆向きにな
るように連続的に配置する。

このような分極配置のうち、3/4λ、1/4λ未分極部1
a,1bを間に挟んだ左半分の振動板に接していない面を第
４図のように一つの電極で覆い、これを一方の片側共通
電極4aとし、右半分の振動板に接触していない面を同じ
く第４図のように別の電極で覆い、これを他の片側共通
電極4bとする。そして、振動板２側の電極4cは振動板２
と導通させ、すべての圧電素子のアース側電極として共
通化している。

以上のような構成体への電気信号入力端子は、第４図
に示すように３端子a,b,cを有する構造となる。このよ
うな分極配置，電極配置を有した構成体を駆動する場合
には、端子ａ−ｃ間とｂ−ｃ間に互いにπ/2位相差を有
し、λ，円環の内・外径，厚み，圧電セラミックスと振
動板の平均弾性定数，密度で決定される固有振動数ωを
有する電気信号を入力する。今、端子ａ−ｃ間に印加す
る電圧を、 V₀ sinωｔ とすると、端子ｂ−ｃ間には、 V₀ cosωｔ なる電圧が印加されることになる。

一方、進行波による円環上にある点の変位ｙは一般
に、 ｙ＝A sin（cp−ωｔ） ……（１） で表わされる。ここでＡは最大変位量,cは２π／λ，ω
は先記固有周波数,pは円環上のある点の位置を示してい
る。

（１）式より、 ｙ＝A sin2π／λp cosωｔ ＋A sin（２π／λｐ−π/2）sinωｔ ……（２） となる。従って、 y₁＝A sin2π／λp cosωｔ なる振動と、 y₂＝A sin2π／λ（ｐ−λ/4）sinωｔ なる振動を、点ｐにおいて重ね合わせれば進行波が得ら
れることになる。時間項sinωｔとcosωｔは、点ｐにお
いて位相がπ/2ずれた振動であり、またsin2πp/λとsi
n2π／λ（ｐ−λ/4）は位置的にλ/4ずらすことを意味
している。第３図において、電極配置がλ/4,3λ/4の未
電極部を有しているのは以上の理由によっている。

以上のように電極配置をλ/4ずらすこと、および電気
的入力信号をπ/2ずらすことによって進行波が得られ
る。

次にこのような進行波励起状態においてロータと接す
る側の表面の各点が、進行波の進行方向変位成分x_pと、
表面に垂直な変位成分y_pとにおいて、第５図に示すよう
な楕円軌跡を描くことについて説明する。進行波の振動
は圧電セラミックスと金属板の貼り合わせによる屈曲振
動によって得られる板波であるが、その屈曲が板厚方向
に沿って同等の屈曲をするものであると、表面点ｐの変
異成分y_pは、 y_p＝A sin（２π／λx_p−ωｔ）−ｅ（１−cosθ_ｐ）…
…（３） と表わされる。ただし、ここでθ_ｐは点ｐにおける環状
体の中立軸に垂直な軸とｘ軸とのなす角、ｅは板厚の1/
2である。今、θ_ｐ＝０であり、従って（３）式は、 y_p≒A sin（２π／λx_p−ωｔ） ……（４） となる。また、変異成分x_pは として、 x_p＝e sinθ_ｐ≒ｅθ_ｐ であるが、（４）式より、 θ_ｐ＝dy_p/dx_p＝AC cos（２π／λx_p−ωｔ） x_p＝ACe cos（２π／λtp−ωｔ） ……（５） となる。従って（４），（５）式より、 （λx_p/2Aeπ）^２＋（y_p/A）^２＝１ ……（６） となり、楕円軌跡を描くことがわかる。そして、この楕
円軌跡の頂点は常に同方向に向かっているので、楕円軌
跡の頂点に設置されたロータが移動していくことにな
る。

このようなロータの移動メカニズムを考えると、楕円
軌跡の頂点におけるx_pの変位速度とロータの移動速度と
が等しくなっている状態が最も効率のよい状態といえ
る。逆にこのような状態が実現されないと、ロータとス
テータの振動板の界面で摩擦ロスが大きくなり、各々の
材料表面に傷を付ける原因となる上、摩耗粉を発生させ
ることになる。このような傷や摩耗粉は単に効率を低下
させるだけでなく、回転を不安定にさせ、不快音を発生
させ、最悪の場合には機能停止という致命的な状況を引
起こすことになる。かかる状況を完全に回避することは
困難であるが、これを防ぐ為の手段は従来からいくつか
考えられていた。例えばロータにステータ方向へ押圧す
る力を付与すること、また界面に特殊な構成体を付加す
ること、さらに前記変位量y_pが環状体の径方向によって
差が生じるので、この差を補償するように接合面に径方
向に沿った曲面加工を施すといった手段が提案されてい
た。

第１の手段は適当な押圧力がないとロータの慣性でス
テータ表面の楕円軌跡に追随できなくなる為で、基本的
に不可欠な手段であるといえる。

第２の手段は回転楕円軌跡のバラツキを吸収できるよ
うな異方性を有するフレキシブルな変位ができる層状態
をロータ側の表面に付加する手段である。この手段によ
れば単に回転楕円軌跡のバラツキを吸収するのみなら
ず、ロータとステータの接触面積を増加し、効率向上に
つながる利点を有しているが、異方性フレキシブル部材
そのものを再現性よく製作できないこと、ロータと一体
的に互換性よく構成できないこと等の難点があり、製作
上の改良が必要である。

第３の手段は、かなり効果的なものといえるが、傷の
摩耗粉，不快音等の発生に対する対応策としては不十分
であり、第1,第２の手段との併用が必要である。またス
テータとロータの界面が径方向に向かうテーパを施した
場合、第１の押圧力が円の中心に向かう力を分力として
発生させ、不要振動の発生につながることになる。

第６図に従来例を示す。図中10はステータ（金属製の
振動板等）、11は支持体、12はゴム状弾性体、13は上記
ゴム状弾性体12の表面に一体化された板状部材である。
このような構造にすることによって、面方向とそれに垂
直な方向に異方性を有したフレキシブル部材が実現でき
る。なお、異方性フレキシブル部材は、第６図に示した
ものだけでなく、例えば低弾性部材にピアノ線を用いる
ことによっても得られる。

以上の説明は、回転型の超音波モータに関してのもの
であるが、第７図に示すような超音波リニアモータにお
いても同様のことが言える。即ち、第７図における振動
伝達棒21と、それに跨座する移動子22との接触面につい
ても全く同じことが言え、改善する必要がある。なお、
第７図中の23,24はランジュバン振動子である。

［発明が解決しようとする問題点］ 従来の超音波モータでは、固定子と可動子との間に損
傷や摩耗粉が生じ易く、摩耗粉等による不快音が発生す
るという問題があった。したがって安定かつ円滑な作動
が期待できなかった。また超音波モータの構造上その再
現性が悪く、大量に製作する上で困難が多く、実用的で
ないという問題があった。

そこで本発明は、固定子と可動子との間に損傷や摩耗
粉が生じがたく、摩耗粉等による不快音の発生もなく、
安定かつ円滑に作動する上、量産性に富み、低コストで
製作可能な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］ 本発明は上記問題点を解決し目的を達成するために、
次のような手段を講じた。即ち、固定子と可動子の少な
くとも一方の、少なくとも他方との接触面に、ホウ化チ
タン膜上に非晶質窒化チタン膜を積層した複合硬質セラ
ミックス膜を形成する。

［作用］ このような手段を講じたことにより、固定子あるいは
可動子における少なくとも摺接面に、表面硬化処理が施
されるので、傷や摩耗粉が発生し難いものとなる。しか
もその膜は既存の膜形成手法により簡単に形成できるの
で、量産性に富み、低コストで製作可能である。

以下本発明の概要を説明する。表面硬化処理は、金属
が有している展性，延性を表面において改良し、傷等が
入りにくくする効果がある。例えば、時計のメタルバッ
クコート，眼鏡フレーム，金型ノズル,VTRの回転ドラム
等、各種の摺動部材には表面処理が施されており、量産
性に富んだ表面改質技術として広く利用されている。本
発明は、このような硬度が高く、耐摩耗性が大きく、量
産性のあるセラミックコートを固定子または可動子ある
いは両者の表面に施した構造としたものである。

［実施例］ 第１図は本発明の一実施例を示す図である。なお第２
図と同一部分には同符号を付し、詳細な説明は省略す
る。本実施例は、黄銅板，ステンレス，チタン等の振動
ロスの小さな環状金属板31の表面を鏡面研磨または研削
した後、その表面にTiB₂膜33を10〜20μｍの厚みにアン
ダーコートした後、非晶質TiN膜34を形成し、ロータ３
とした例である。本実施例においては、その表面硬度が
2200kg/mm²となり、TiN単体の場合の1800kg/mm²よりも
更に硬度が向上する。このような表面コートをしたロー
タまたはステータを使用した超音波モータは、回転によ
る損傷がなく、安定な回転を行ない得、不快音の発生の
ないものとなった。

なお本発明は前記実施例に限定されるものではなく、
本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形可能であるの
は勿論である。

［発明の効果］ 本発明によれば、固定子と可動子の少なくとも一方
の、少なくとも他方との接触面に、ホウ化チタン膜上に
非晶質窒化チタン膜を積層した複合硬質セラミックス膜
を形成するようにしたので、固定子と可動子との間に損
傷や摩耗粉が生じ難く、摩耗粉等による不快音の発生も
なく、安定かつ円滑に作動する上、既存の膜形成手法に
より簡単に形成できるので、量産性に富み、低コストで
製作可能な超音波モータを提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成を示す斜視図、 第２図乃至第７図は従来技術を示す図であって、 第２図は回転型超音波モータの概念図、 第３図及び第４図は圧電素子の構成を示す図、 第５図は回転原理を示す図、 第６図及び第７図はそれぞれ従来例の構成を示す図であ
る。 １……圧電素子 ２……振動板 ３……ロータ 31……環状金属板 33……TiB₂膜 34……非晶質TiN膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き 審判の合議体 審判長 奥村 寿一 審判官 飯尾 良司 審判官 奥村 元宏 (56)参考文献 特開 昭60−109776（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−197263（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】固定子に生じる楕円振動により、該固定子
   に接触させた可動子を移動させる超音波モータにおい
   て、 上記固定子と可動子の少なくとも一方の、少なくとも他
   方との接触面に、ホウ化チタン膜上に非晶質窒化チタン
   膜を積層した複合硬質セラミックス膜を形成したことを
   特徴とする超音波モータ。