JPH10271855A - ステータ及び中空型超音波モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高度な加工技術を必要としないで安定した振
動を得ることができ高効率でロータに振動を伝えること
ができ、特に中空型超音波モータに有効なステータを提
供する。 【解決手段】 ステータ１１は、振動板１２、弾性リン
グ１３、圧電素子１４及びハブ１５を備えている。振動
板１２はその固定部１２ｂから外周に向かって第１折曲
部位Ｂ１、第２折曲部位Ｂ２、及び、第３折曲部位Ｂ３
を有している。第２折曲部位Ｂ２の下面に対して弾性リ
ング１３が接合されている。弾性リング１３の縦断面形
状は台形に形成されている。そして、弾性リング１３の
外周部の厚さは内周部の厚さより大きい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はステータに係り、詳
しくは超音波モータのステータの構造及びそのステータ
を使用した中空型超音波モータに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、超音波モータに設けられるステ
ータは、ステータの進行波性の撓み振動を安定させ異音
及び回転変動が抑制できるものが望ましい。特開平６−
２２５６６号公報には、図９に示すようにボス５１の外
周面から延びた振動板５２に下面に圧電体５３を取着し
た弾性体５４を形成したステータ５０が提案されてい
る。このステータ５０は、ボス５１と振動板５２を同じ
材質で一体に形成し弾性体５４を強固に固着させて形成
するか、又は、ボス５１、振動板５２及び弾性体５４を
同じ材質で一体に形成する。そして、前記ボス５１と弾
性体５４の間に形成される振動板５２について、振動板
５２の厚さＴと長さＬを所定の条件で設定することによ
って、ステータ５０の進行波性の撓み振動を安定させる
ようにしている。

【０００３】しかしながら、該ステータは、上記したよ
うに、ボス５１及び振動板５２を同じ材質で一体に形成
し弾性体５４を強固に固着させて形成したり、又は、ボ
ス５１、振動板５２及び弾性体５４を同じ材質で一体に
形成している。従って、各部位を形成するためには、溝
切り加工や切削等の機械加工によらなければならなかっ
た。その結果、加工に長時間を要するとともにコスト高
につながっていた。

【０００４】そこで、近年、加工工数及び加工時間が低
減でき、コスト高を抑制し量産性の向上が図れるステー
タが望まれ種々提案されている。特開平８−２１４５６
９号公報には、円形の板材をプレス打ち抜き加工にてケ
ース本体等に固定される支持部（ボス５１に相当）、該
支持部の外周に形成される連結部（振動板５２に相
当）、その連結部の外周に形成される圧電素子が接合さ
れる接触部（弾性体５４に相当）とからなる振動板が提
案されている。このステータを構成する振動板は、溝切
り加工や切削加工等の機械加工に比べてその加工時間は
遥かに短くなり、量産性が向上するとともに、コスト高
を抑制することができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記プ
レス打ち抜き加工で単に加工されれたステータは、中空
型超音波モータのステータには適用することは難しかっ
た。中空型超音波モータは、モータ本体の中心部に大径
の貫通孔が形成され、その貫通孔に嵌挿した大径の筒体
を軸線方向に往復動させるようにしたモータである。こ
の中空型超音波モータに使用されるステータでは、支持
部の部分に大径の貫通孔が形成されることになる。つま
り、この中空型超音波モータに使用されるステータの外
径をＤとすると、同ステータに形成される貫通孔の内径
はＤ／２以上の値となる。

【０００６】これは、ステータにおいて、貫通孔の内周
面から振動部の外周面までの径方向の長さが短くなるこ
とを意味する。この時、振動部の径方向の長さを制限す
ることは大きな振動振幅を得るために小さくすることは
できない。又、支持部は、ある程度径方向の長さ小さく
することができるがステータを固定するため部位である
ため小さくすることには限界がある。そこで、連結部の
径方向の長さが小さくなる。

【０００７】連結部の長さが小さくなると、支持部から
接触部の外周までの長さ及び支持部の内周部までの長さ
は共に短くなるとともに、その両長さの差は接触部の径
方向の幅に大きく依存する。しかも、振動板は板材をプ
レス加工によって加工しているため、連結部及び接触部
の板厚及び材質が同じである。その結果、接触部の外周
部に生ずる進行波の位相速度と、接触部の内周部に生ず
る進行波の位相速度を一致させることができない。

【０００８】外周部と内周部に生ずる進行波の位相速度
が一致しないということは、安定した接触部での振動が
望めないとともに、振動を効率よくロータに伝達するこ
とができない。従って、中空型超音波モータのためのス
テータを製作するにあたって、振動板をプレス打ち抜き
加工で形成することは技術的に難しくコスト低減を図る
上で問題であった。

【０００９】本発明は、高度な加工技術を必要としない
で安定した振動を得ることができ高効率でロータに振動
を伝えることのできるステータを及びそのステータを使
用した中空型超音波モータを提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、固定部から外周に延出する振動リードと該振動リー
ドに接合された弾性リングとよりなる振動体を備えたス
テータにおいて、前記振動体の外周部の厚みを、内周部
の厚みより大きくするために、弾性リングの外周部の厚
みを内周部の厚みより大きな断面形状にした。

【００１１】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
のステータを備えた中空型超音波モータである。請求項
１に記載の発明によれば、弾性リングの外周部の厚みを
内周部の厚みより大きな断面形状にしたことにより、振
動体はその外周部の厚みが内周部の厚みより大きくな
る。即ち、振動体の外周部と内周部の厚さを変更するこ
とにより、その外周部と内周部において発生する進行波
の位相速度を一致させ、安定した撓み振動を得ることの
できるステータを作りだすことができる。従って、台形
状の弾性リングを接合するだけで、固定部から延出され
る振動リードは特別な加工は必要としない。その結果、
ステータの加工は高度な加工技術を必要とせず容易とな
る。

【００１２】請求項１に記載の発明は、以下の形態
（イ）をとることができる。 （イ）請求項１に記載のステータにおいて、前記振動リ
ードが３箇所の折り曲げ形成にて前記固定部の面に対し
て交差する面が形成された第１折曲部位、第２折曲部
位、及び、第３折曲部位とからなり、第１折曲部位の外
周にある第２及び第３折曲部位が等角度間隔に形成され
たスリットにより櫛歯状に形成されたものであり、前記
弾性リングが第２折曲部位の折曲された傾斜面に合わせ
た傾斜面を有し、外周部の厚みが内周部の厚みより大き
な台形状であって、前記傾斜面が第２折曲部位に接合さ
れている。

【００１３】この形態（イ）によれば、固定部の面に対
して交差する面が形成された第１折曲部位、第２折曲部
位及び第３折曲部位とから構成される振動リードは、例
えばプレス加工等による折り曲げ加工で簡単に成形する
ことができる。従って、折り曲げ加工という簡単な加工
技術でステータの振動リードを加工することができる。

【００１４】請求項２に記載の発明によれば、ステータ
が振動体の外周部と内周部の厚さを変更するだけでその
外周部と内周部において発生する進行波の位相速度を一
致させることのできる進行波を作りだすことができるこ
とから、一般にステータの内径が非常に大きい中空型超
音波モータのステータに使用することができる。従っ
て、該中空型超音波モータに該ステータを使用すれば、
よりコスト低減を図ることができるとともに、効率のよ
いモータを提供することができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明を中空型超音波モー
タに具体化した実施形態を図１〜図６に従って説明す
る。

【００１６】図１はステータを説明するための一部切断
斜視図、第２はステータの全体斜視図、図３は中空型超
音波モータの要部断面図、図４は中空型超音波モータの
一部切断した分解斜視図、図５はステータの縦断面図、
図６は弾性リングの一部切断斜視図である。

【００１７】図３において、ハウジング１は大径の貫通
孔１ａを有した円筒体であって、その下部に延出形成さ
れたフランジ部１ｂが下部ガイド筒２にボルト３にて連
結されている。ハウジング１は、有蓋筒状のカバー４と
嵌合し連結固定されて該カバー４とで形成される内側空
間に中空型超音波モータが構成される。カバー４は、そ
の上面に大径の貫通孔４ａが形成されているとともに、
その貫通孔４ａの外側部の上面に対して上部ガイド筒５
をボルト６にて連結している。下部ガイド筒２及び上部
ガイド筒５は、図示しない一端部において回転不能に且
つ軸線方向に移動不能に支持されている。従って、ハウ
ジング１及びカバー４は共に両ガイド筒２，５とともに
回転不能に且つ軸線方向に移動不能に支持される。

【００１８】ハウジング１及びカバー４の貫通孔１ａ，
４ａには、それぞれボールべアリング８，９のアウタレ
ースが固定されている。その上下一対のベアリング８，
９のインナレースは、円筒状のシャフト１０と連結固定
されている。従って、シャフト１０は、このベアリング
８，９によってハウジング１及びカバー４に対して回転
可能に支持されている。

【００１９】ハウジング１のフランジ部１ｂから上方に
延びたブッシュ１ｃの上端面にはステータ１１が連結固
定されている。ステータ１１は、振動板１２、弾性リン
グ１３、圧電素子１４及びハブ１５を備えている。

【００２０】振動板１２は円形状の金属板よりなり、そ
の中央に前記円筒状のシャフト１０の外径より長い内径
の貫通孔１２ａが形成されている。そして、振動板１２
は前記ハウジング１のブッシュ１ｃの上面に当接する部
分を固定部１２ｂとしている。その固定部１２ｂの外周
は、プレス加工により３箇所で折り曲げ形成されてい
る。そして、図５に示すように、折り曲げ形成された３
つの折曲部位を固定部１２ｂから外周に向かって、第１
折曲部位Ｂ１、第２折曲部位Ｂ２、及び、第３折曲部位
Ｂ３としている。第１折曲部位Ｂ１は、固定部１２ｂ側
の基端部から斜め上方に傾斜するように折曲形成されて
いる。第２折曲部位Ｂ２は、第１折曲部位Ｂ１の外周か
ら同第１折曲部位Ｂ１より緩い傾斜となるように折曲形
成されている。又、第３折曲部位Ｂ３は第２折曲部位Ｂ
２の外周から上方に向かって折曲形成されている。そし
て、本実施形態では、この第１〜第３折曲部位Ｂ１〜Ｂ
３を振動リードＢとしている。

【００２１】又、振動板１２の第２及び第３折曲部位Ｂ
２，Ｂ３からなる外周部には等角度間隔の切り込みによ
ってスリット１２ｃが形成されていて、その第２及び第
３折曲部位Ｂ２，Ｂ３を櫛歯状にしている。従って、第
１〜第３折曲部Ｂ１〜Ｂ３からなる振動リードＢは、第
２及び第３折曲部Ｂ２，Ｂ３に対応する部位が櫛歯状に
なる。

【００２２】前記櫛歯状になった各第２折曲部位Ｂ２の
外周部下面に対して弾性リング１３がロウ付けにて接合
されている。弾性リング１３の縦断面形状は台形に形成
されている。弾性リング１３の内周面と外周面は互いに
平行な面であって、弾性リング１３の上面、即ち第２折
曲部位Ｂ２と接合する面は、第２折曲部位Ｂ２の傾斜角
度と一致するように傾斜させている。従って、弾性リン
グ１３を第２折曲部位Ｂ２に接合させた時、弾性リング
１３の下面は固定部１２ｂの面と平行な水平面となる。

【００２３】弾性リング１３の下面には環状のＰＺＴ
（チタン酸ジルコン酸鉛）又はＰＬＺＴ（チタン酸ジル
コン酸ランタン鉛）等よりなる圧電素子１４が接着剤に
て接着させている。そして、本実施形態では、前記台形
状の弾性リング１３と圧電素子１４をリング状振動子Ａ
としている。さらに、本実施形態では、この弾性リング
１３と振動リードＢを構成する第２及び第３折曲部Ｂ
２，Ｂ３を振動体としている。尚、環状に形成された圧
電子１４は公知の方法で分極処理が施され、その分極さ
れた各箇所には公知の電極（図示しない）が設けられて
いる。

【００２４】前記固定部１２ｂの上面には、同固定部１
２ｂと平面形状が同じであって厚味のある環状のハブ１
５がロウ付けにて接合されている。このように構成され
たステータ１１はその振動板１２の固定部１２ｂがハウ
ジング１のブッシュ１ｃ上面に載置される。そして、ボ
ルト１６にてハブ１５（固定部１２ｂ）とブッシュ１ｃ
とが締め付け固定されている。従って、ステータ１１は
ハウジング１に対して固定されている。

【００２５】そして、本実施形態では、ステータ１１の
共振周波数を３６キロＨｚ、ステータの外周部での進行
波の波長を２２．８ミリメートル（以下、単にミリとい
う）、内周部の進行波の波長を１８．６ミリとしてい
る。つまり、リング状振動子Ａの外周部の進行波の位相
速度と内周部の進行波の位相速度は径が相違するため、
一致しない。そこで、一致させるためには、外周部での
進行波の波長を２２．８ミリとすると、内周部の進行波
の波長を１８．６ミリにすれば、両進行波の位相速度が
一致させることができる。そして、外周部での進行波の
波長を２２．８ミリの外周部の進行波に対して１８．６
ミリの内周部の進行波の波長を作り出すには、図５に示
すようにステータの各部位の寸法、即ち振動板１２（振
動リードＢ）の厚さｄ１、振動板１２の貫通孔１２ａ
（ハブ１５）の内径ｄ２、第１折曲部Ｂ１の上方から見
たときの径方向の長さｄ３、弾性リング１３の外径ｄ
４、弾性リング１３の内径ｄ５、弾性リング１３の径方
向の長さｄ６、弾性リング１３の外周部の厚さｄ７、弾
性リング１３の内周部の厚さｄ８は、以下のようにな寸
法（単位はミリ）となる。即ち、ｄ１＝０．８ミリ、ｄ
２＝４５．０ミリ、ｄ３＝４．３ミリ、ｄ４＝８０ミ
リ、ｄ５＝６５ミリ、ｄ６＝７．５ミリ、ｄ７＝２．０
ミリ、ｄ８＝１．３ミリ、つまり、リング状振動子Ａの
断面形状を台形状にすることによって、同振動子Ａの外
周部と内周部に生ずる振動波の位相速度を一致させるこ
とができる。その結果、弾性リング１３と振動リードＢ
を構成する第２及び第３折曲部Ｂ２，Ｂ３とからなる振
動体は、効率がよく安定した撓み振動を行う。

【００２６】ステータ１１の上方にはロータ２０が配置
される。ロータ２０は、前記シャフト１０に対して軸線
方向に移動可能で且つ回転不能に支持された支持部２０
ａとその支持部２０ａの外周面から延出形成された連結
部２０ｂとその連結部２０ｂの外周に形成された環状の
ロータ接触部２０ｃとから構成されている。従って、ロ
ータ２０を回転させると、シャフト１０はロータ２０と
ともに回転する。

【００２７】環状のロータ接触部２０ｃは、縦断面の形
状が上下方向の辺が長い長方形であって、その下面全体
に耐磨耗製のあるポリイミド系樹脂よりなるライニング
材２１が形成されている。そして、本実施形態では、そ
のライニング材２１の環状の下面を接触面とし、該接触
面を前記第３折曲部位Ｂ３の上面と当接するように配置
されている。

【００２８】ロータ２０の上側には環状のスプリング板
２２が配置されている。スプリング板２２は、前記シャ
フト１０に嵌挿され下側に配置されたロータ２０と当接
する。スプリング板２０の上側には環状の加圧板２３が
配置されている。加圧板２３は前記シャフト１０に対し
て軸線方向に移動可能で且つ回転不能に支持されてい
る。加圧板２３の上側には、シャフト１０に対して軸線
方向に移動可能で且つ回転不能に支持されカラー２４
（図３参照、図４は図示せず）を介して環状の検出板２
５が配置されている。

【００２９】検出板２５は、シャフト１０に対して軸線
方向に移動可能で且つ回転不能に支持されている。従っ
て、検出板２５はシャフト１０と、即ちロータ２０と一
体回転する。尚、検出板２５の上面には予め定めた数の
マグネット板２６が等角度間隔に接着されている。

【００３０】検出板２５の上側であって前記シャフト１
０には、そのシャフト１０の外周面において周方向に形
成したキー溝１０ａにＣリング２７が嵌着されている。
Ｃリング２７は、前記検出板２５を係止することによっ
て加圧板２３を介して前記ロータ２０を下方に加圧する
ように作用する。その結果、ロータ２０の該ロータ接触
部２０ｃの接触面、即ち本実施形態ではライニング材２
１の接触面は第３折曲部位Ｂ３の上面に圧接するように
なっている。尚、この圧接力は前記カラー２４の厚さを
変更することにより調整することができる。

【００３１】そして、公知の方法にて圧電素子１４に共
振する高周波電圧を印加することにより、圧電素子１４
は進行波性の撓み振動を生じる。この振動は弾性リング
１３を介して第２折曲部位Ｂ２に伝わる。該第２折曲部
位Ｂ２に伝わった振動は第３折曲部位Ｂ３に伝わり、そ
の第３折曲部位Ｂ３の上面に一方向の進行波が発生す
る。この進行波によりロータ２０は回転する。従って、
ロータ２０の回転によりシャフト１０は回転することに
なる。

【００３２】前記シャフト１０の内周面には、ネジ１０
ｂが形成されている。このネジ１０ｂに対して作動筒３
０の先端部外周面に形成したネジ３０ａが螺合してい
る。作動筒３０は、前記下部ガイド筒２に回転不能且つ
軸線方向に移動可能に内装されている。従って、シャフ
ト１０が正逆方向に回転すると、該シャフト１０に螺合
した作動筒３０は上下方向に往復移動することになる。

【００３３】又、前記カバー４内において、前記検出板
２５に接着したマグネット板２６と相対向する位置には
磁気検出装置３１が配設されている。磁気検出装置３１
は、シャフト１０と一体回転する検出板２５の回転にと
もなって通過するマグネット板２６を検出する。

【００３４】次に、上記のように構成した超音波モータ
のステータの特徴を以下に記載する。 （１）本実施形態では、弾性リング１３を外周部が内周
部より厚くなるように台形状にした。即ち、弾性リング
１３と振動リードＢを構成する第２及び第３折曲部Ｂ
２，Ｂ３とからなる振動体において、その外周部と内周
部に生ずるそれぞれの振動波の位相速度を一致させるた
めに、外周部に生ずる進行波の波長と内周部に生ずる波
長をそれぞれ２２．８ミリと１８．６ミリにすべく、弾
性リング１３を台形にした。従って、弾性体の外周部と
内周部に生ずるそれぞれの振動波の位相速度を一致させ
ることができることから、振動体は安定した振動を行う
ことができ、効率よくロータに振動を伝えることができ
る。特に、本実施形態のようにステータ１１の内径が該
ステータの外径の１／２以上となる中空型超音波モータ
においては、高効率でしかも小型化が図れることから特
に有効である。

【００３５】（２）本実施形態では、振動板１２はプレ
ス加工で第１〜第３折曲部位Ｂ１〜Ｂ３を形成し、該第
２折曲部位Ｂ２に断面台形の弾性リング１３を接合する
だけの簡単な加工で、安定した振動を行い効率よくロー
タ２０に振動を伝えることができるステータ１１を製作
することができる。従って、安価なステータを量産する
ことができる。

【００３６】尚、実施の形態は上記実施形態に限定され
るものではなく、以下のように実施してもよい。 ○上記実施形態では、振動リードＢは折り曲げて成形さ
れた第１〜第３折曲部位Ｂ１〜Ｂ３にて構成したが、図
７に示すように振動リードＢの半径方向の形状を弧状に
湾曲させた形状にしてもよい。この場合、上記実施形態
の第２折曲部位Ｂ２に相当する部分に接合される弾性リ
ング１３の接合面は該第２折曲部位に相当する曲面と合
致する曲面にする。この場合にも、弾性リング１３は外
周部が内周部より厚くなる台形状になることから、弾性
リング１３と振動リードＢとで構成される振動体におい
て、その弾性リング１３の振動リードＢに対する３点Ｐ
１，Ｐ２，Ｐ３で決まる接合位置を設定することで、弾
性リング１３の外周部と内周部に生ずるそれぞれの振動
波の位相速度を一致させることができる。

【００３７】○上記実施形態では、弾性リング１３の上
面を振動リードＢの第２折曲部位Ｂ２と接合するように
した。第２折曲部位Ｂ２側の面を、図８に示すように、
前記第及び第３折曲部位Ｂ２，Ｂ３を櫛歯状にするため
に形成された各スリット１２ｃに嵌合し、且つ、第２折
曲部位Ｂ２の上面と面一となる複数の突条１３ａを等角
度間隔に形成する。この突条１３ａの形成は例えばプレ
ス加工によって形成される。そして、このように形成さ
れた弾性リング１３と振動板１２とにおいて互いに当接
する面との間をロウ付けにより接合する。この場合にお
いても、上記実施形態と同様な効果を有する。

【００３８】○上記実施形態では、中空型超音波モータ
のステータ１２に具体化したが、ロータに連結した回転
軸が出力軸となるような中空型ではない超音波モータの
ステータ、即ち、内径が外径の１／２以下のステータに
具体化してもよい。

【００３９】○上記実施形態では、量産性の向上、コス
ト低減を図るために振動板１２をプレス加工にて成形し
たが、量産性、コスト低減を考慮しないとするならば、
振動板１２を焼結体で成形したり、切削加工にて成形し
てもよい。

【００４０】次に、上記実施の形態から把握できる請求
項に記載した発明以外の技術的思想について、以下にそ
の効果とともに記載する。 ○振動リードとで振動体を構成し圧電素子の振動を該振
動リードに伝達する弾性リングにおいて、前記弾性リン
グの外周部の厚みを内周部の厚みより大きな断面形状に
したことを特徴とする弾性リング。弾性リングの外周部
の厚みを内周部の厚みより大きなる断面形状にすること
で、振動体の外周部と内周部に生ずるそれぞれの振動波
の位相速度を一致させることができる。

【００４１】

【発明の効果】請求項１に記載の発明によれば、弾性体
の外周部と内周部において発生する進行波の位相速度を
一致させ安定した振動を得ることのできる進行波を作り
だすことができ、しかも、高度な加工技術を必要とせず
容易に加工することができる効果を有する。

【００４２】上記形態（イ）に記載の発明によれば、請
求項１に記載の発明の効果に加えて、より簡単な加工技
術でステータの振動リードを加工することができる効果
を有する。

【００４３】請求項２に記載の発明によれば、中空型超
音波モータのコスト低減を図ることができ、しかも、高
効率化を図ることができる効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】ステータを説明するための一部切断斜視図

【図２】ステータの全体斜視図

【図３】中空型超音波モータの要部断面図

【図４】中空型超音波モータの一部切断した分解斜視図

【図５】ステータの断面図

【図６】弾性リングを説明するための一部切断斜視図

【図７】ステータの別例を説明するための要部端面図、

【図８】弾性リングの別例を説明するための一部切断斜
視図

【図９】従来のステータを説明するための一部切断斜視
図

【符号の説明】

１１…ステータ、１２…振動板、１２ａ…貫通孔、１２
ｂ…固定部、１２ｃ…スリット、１３…弾性リング、１
４…圧電素子、１５…ハブ、１６…ボルト、２０…ロー
タ、２１…ライニング材、Ａ…リング状振動子、Ｂ…振
動リード、Ｂ１…第１折曲部位、Ｂ２…第２折曲部位、
Ｂ３…第３折曲部位。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 浅井 鉅和 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 福井 孝 静岡県湖西市梅田390番地 アスモ 株式 会社内 (72)発明者 半田 昇 静岡県湖西市梅田390番地 アスモ 株式 会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固定部から外周に延出する振動リードと
   該振動リードに接合された弾性リングとよりなる振動体
   を備えたステータにおいて、 前記振動体の外周部の厚みを、内周部の厚みより大きく
   するために、弾性リングの外周部の厚みを内周部の厚み
   より大きな断面形状にしたことを特徴とするステータ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のステータを備えた中空
   型超音波モータ。