JPS60207467A - 超音波モ−タ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ 本発明は、超音波モータに関し、特に、定在波を利用し
て、高効率、高出力を図った逆転可能な超音波モータに
係わる。

［発明の技術的背景コ 従来から、第１図（ａ）　、（ｂ）に示すような超音波
モータが知られている。この種のモータは、圧電振動子
２０を接着した弾性体２１から成るステータＳと、この
弾性体に接触されたロータ２２とから構成されている。

圧電振動子２０は強誘電体、例えばチタン酸バリウムや
チタン酸ジルコン酸鉛から成り、高電圧を印加して分極
し、その分極方向に交番電圧を印加すると電歪による振
動を生じる。この振動子は、該分極方向（小円内に点お
よび十字で示す）を交互に変えて、弾性体２１の周方向
に配置された各振動子２０ａ、２０ｂ・・・・から成る
。弾性体２１は、１つの態様において電気導体である。

超音波信号源■、をり−１−線２３．２４とアース８間
から振動子２０に印加すると、例えば一方の振動子２０
ａはステータの弾性体２ｌの周方向に伸長するように、
他方の振動子２０ｂは圧縮するように、それぞれ分極方
向が異なって設定されているので、弾性体２１は第２図
に示す如く加振される。この波動は、いわば縦波と横波
とのＷ合波とも称すべき表面弾性波または撓み波である
。振動子２０　ａ　−ｂの周方向の寸法によって規定さ
れる波長式中の、弾性体の表面における１つの粒子とし
て把握できる頂点Ｐは、周方向Ｘの短軸２ｕ、縦方向２
の長軸２ｗの楕円軌跡を描く。弾性体２］がロータ２２
と接触する頂点Ｐで、波動は方向２６にＶ＝２πｆｕの
速度で進行波どして伝播する。この結果、ロータ２２は
弾性体２】どの摩擦力で波動の進行と逆方向２７に速度
■で駆動され、表面波モータが構成される。なお、振動
子に印加する交番電圧の位相を反転（超音波信号源ＶＱ
　ｓ、ｉｎωｔ、　Ｖ（、ｃｏｓωｔ−をそれぞれ−Ｖ
Ｏ８ｊ＋＋ω１．、　Ｖｏｃｏｓωしとする）すれば、
撓み振動の波動は逆方向になるので、ロータの回転方向
を逆転することができる。この場合、ステータＳの内径
をｔ、外径をａ、ヤング率をＥ、密度をρ、ポアソン比
をσとすれば、ステータの固有共振周波数（ω。＝２π
ｆｎ）は、 で表わされる。式中、α□。は半径比Ｘ０＝ｒ／ａの関
数である。

［背景技術の問題点コ 而して、かかるモータは、ステータＳの弾性体２１の表
面粒子の回転運動を利用しているため、弾性波は進行波
である必要があり、もしも定在波が発生すると該表面粒
子は縦方向Ｚのみであり前述の４名円軌道を描かないか
ら、モータ効率は低下する。そこで、定在波の発生を防
止するため、第１図（ｂ）に示す如く、空隙部２５を設
けて振動子２０を２グループに分難独立させたり、グル
ープ化された振動子のリード線２３．２４へ印加される
超音波信号源の位相をπ／２ｒａｄシフトする等の措置
を構する必要がある。

また、楕円軌道で回転するステータの表面粒子の頂点Ｐ
、Ｐ″・・・のみがロータと接触しなければならないか
ら、ステータとロータの摩擦損失を防ぐために、両者の
表面粗度は粒子軌道の長径Ｗに比して無視できるほど極
めて精度の高い機械加工をして平滑面を形成することが
要求される。このため、表面粗さはモータ効率の低下に
直結する。

（特公昭５７−２１０３号、特開昭５’ｌ　−ｌＧ４２
０２号・、特開昭５５−１２５０５２号、特開昭５［ｉ
−］：”、８８４６９号特開昭５７−７８：’、７８号
、１．＋を開昭別！−９：３４７ｇ号、特開昭５８　１
４８６８２号各公報お１びＮＩＫＫＩＥＩ　ＭＥＣｌｌ
ＡＮＩＣＡＬ　１９８３．２．２８第１４〜１９頁「大
Ｉ・ルつて定速回転する表面波モータ」）。

［発明の目的］ 本発明は取上の従前の難点を缶浦ゴするためになされた
もので、定在波を積極的に利用することにより、高効率
、高出力を図ったｉφ転可能な超音波モータを提供せん
どするものである。

［究明の概要コ このような目的！！：達成するため、本発明の超音波モ
ータは、回ＩＩｔ’＋中心を持ちその回転方向へ回動可
能なロータと、該ロータと協働するステータと、超音波
信号が印加され−ご前記回転方向への駆動成分を持つ円
運動を有する定在波を発生させ少なくとも弾性体の前記
ロータまたはステータの何れか一方を構成する振動子と
、前記ロータまたはステータの前記円運動が発生さ、ｈ
ている区域上に固定されて該駆動成分を前記ロータまた
はステータの他方へ伝達または作用せしめる接触子ど、
前記接触子の円運動の回転方向を反転させる反転手段と
を備えている。

反転手段の一例として、振動子は、隣り合う２個を同じ
分極方向の振動子とし、その１　ｊＪｌごとに分極方向
を変えて構成されている。

［発明の好ましい実施例］ 以下、本発明の好ましい実施例を図面に沿って詳述する
。

第３〜９図において、本発明による超音波モータは、後
述のように、回転中心○を持ちその回転方向ＲＤ八四回
動可能ロータ３０と、超音波信号が印加されて前記回転
方向ＲＤへの駆動成分を持つ円運動３５を有する定在波
３７．．１８を発生させ少なくども弾性体３２のステー
クＳを構成する振動子３１と、前記ステータの前記円運
動が兄１されている区域Ｚ上に固定さ４して該駆動成分
を前記ロータへ伝達する接触子３３とを備えている。

この実施例において、ステータＳの振動子３１は、第３
図に示すように、分極方向（小円内に点および十字で示
す）を交互に変えて、弾性体３２の周方向に間隙なく配
置された各振動子３］ａ、３１ｂ・・・・から成り、図
示の例では１２枚の扇形振動素子で構成されている。こ
れをリング状の弾性体３２に接着せしめるとステータＳ
が構成さ九る。各振動子３１の一方の電極面にはリード
：ｇＡ３４が、他方の電極面には共通アースＥが夫々接
続される。なお、各振動子の分極方向を同一・とじ、印
加電圧を交互に逆方向に変えるように回路４ｉＷ成して
もよい。また以上の例では振動子３１と弾性体３２を別
体に構成しているが、振動子３１を弾性材料により形成
し、振動子と弾性体を一体構造とすることもできる。

接触子３３は図示の例においてステータＳの振動子３１
上の所定位置に固定されてロータ３０に接触されている
が、別法としてステータＳの弾性体３２上に固定してロ
ータ３０に接Ｍ（させるようにしてもよい。

前述のステータ固有共振周波数をもつ超音波信号源■。

ＳｉｎωＬをリード線３４とアース２間から振動子３１
１こ印加すると、例えば一方の振動子３］ａはステータ
Ｓの弾性体３２の周方向に伸長するように、他方の振動
子３　］、　ｂは圧縮するように、それぞれ分極方向が
異なって設定されているので、振動子３Ｉは径方向の振
動（伸縮）と周方向の振動（伸縮）をするため、弾性体
３２、即ちステークＳ（主傘歯車状に振動する（第５図
、ａ、ｂ）。こＡしを詳述すると、振動子３１ａのよう
な分極方向在もった振動子は径方向へ振υノする定在波
３８を発生し、３１ｃのような反対の分極方向をもった
振動子は９　ｒａｄ異って径方向へ振動する定在波３８
′を発生する。この径方向の振動ど周方向の振動どの関
係は前述のポアソン比によって定められる。従って、第
５図（ｂ）に示うように、いま超音波信じ源Ｖ。ｓｉ＋
１ωＬが正であるとぎステータＳは振動７−３１ａ、３
１ｂの如く加振され、負であるときステータＳは振動子
Ｊ　１　ｃ、３１　ｄの如く加振されるから、１つの振
動子上の接触子３３はイ、１号源の１サイクルに亘って
、振幅Ｒ６で径方向に振動することになる。

一方、周方向の振動について考えてみると、第６図の如
く、−・つの振動子３１は周方向ＸＣ−Ｘ）の中心Ｏ′
では変位せず、両端において周方向しこ仲ｉ１＋・Ｉす
る挙動を呈している。この波動は、第７図に示す如く、
変位の大きさは中心Ｏ″で零、両端で最大の伸縮をする
定在波３７を発生していることになる。

そこで、こ九らの径方向Ｒおよび周方向Ｘの両定在波３
８．３７をそのリサージュ図形により合成すると、振動
子３１、従ってステータＳ上の粒子として把握できる表
面各部は、第８図に示す如く、円運動３５の軌道を描く
。なお、本明細書において「円」どけ、真円のみならず
４壱円をも含める趣旨である。図から明らかなように、
１つの振動子３１のＸ方向と−Ｘ方向では円運動の駆動
（回転）方向は逆になる。そこで、接触子３３をステー
タＳの前記円運動３５が発生されている区域Ｚ（図では
１つの振動子について３個づつ方向が異なる円軌跡６個
を描いている。従って、周方向中心○′と周方向端縁Ｏ
″には円運動は発生しない）へ固定し、これをロータ３
０に接触させる（第４図）ことにより、ロータ３０は回
転方向ＲＤへ駆動される。この場合、祖数個の接触子３
３（図面では３個）を用いる際には、モータ効率上、円
運動３５の回転方向が同一である区域Ｚにそれぞれ固定
するのが好ましい。

次に、接触子３３における前記円運動３５によりロータ
３０に対する回転方向ＲＤへの駆動乃至回転成分が得ら
れるメカニズムについて説明する。

いま、説明を簡単にするために振動子３１」−の円運動
３５′を真円運動に想定し、その軌跡を極端に踏張し、
該挙動を図示すると第９図のようになる。図から明らか
なように、ロータ３０の回転中心Ｏから円運動３５′の
軌道へ２本の接線ＩＩＩ　Ｏ１ＩＶＯを引くと、その接
点ＩＩ’、■′間の円弧ｍ’ｒｖ’はロータ３０の回転
方向ＲＤに対して正の回転１〜生している。第９図にお
いて、黒丸を付加した矢印は円運動３５′による各軌道
部分における力、太い矢印は回転トルク、その他の朱印
は水通心力成分を夫々示す。そこで、円軌道３５′の中
心がであるから、両者の回転１〜ルクのベタ１〜ル和に
より、該円運動について、第９図に示す時計回りの回転
方向ＲＤへの駆動成分が得られる。この駆動成分は接触
子３３を介してロータ３０へ伝達されて、ロータを回転
方向ＲＤへ駆動するものである。

図から解かるように、円運動３５′は楕円であるを得る
ことができろ。

以上の実施例において、振動子および接触子は夫々梃数
個用いたものについて説明したが、そ九でれ単一のちの
で構成することができる。接触子を単一・にしたときは
、ロータの適当な支持手段が必要となる。また、ロータ
およびステータ（振動子および弾性体）はリング状のも
のについて例示したが、これらを所定角度のセクター状
にして構成してもよい。従って、本明細書中にて「回転
」とは２πｒａｄの変位のみならず、それ以下の角度で
の回動をも含める意義として解釈される。また、振動子
として圧電型素子を用いたが、これに代えて磁歪型素子
を使用することもできる。

次のような実験を行なった。内径６０＋１１１１１、外
径８０＋１Ｉ１１１、厚さ４ｍｍの銅製のリング状弾性
体に、厚さ］、　ｍａｎ、チタン酸バリウム製の圧電振
動子を隙間なく６個分極方向を互いに変えて接着した。

接触子をステータ振動子上における前述の円運動を発生
している部分Ａ、Δ′、Ａ”の３点に固定し、超音波信
号Ｖ　Ｏｓｉｒ＋　（Ｌ）しくＶ　ｏ　＝　４０　Ｖｐ
ｐ、周波数＝２０　Ｋ　Ｈｚ）を振動子の電極間に印加
した。得られた１−ルク曲線は第１０図の如き垂下特性
を示した。

次に、接触子をＡ、Δ′、Δ″と反対側にある部分１３
、Ｂ′、Ｂ”に移動して同じ実験を行なったところ、ト
ルク曲線は殆んど同しであったが、モータ回ｉ！ｉ＋二
方向は逆になった。同様に、接触子をステータ振動子の
中心ｃ、ｃ’、Ｃ″に移動して同じ実験をしたどころロ
ータは全く回転しなかった。

次に、本発明による超音波モータの逆転手段について説
明する。

第１２１ｆｆｌ（ａ）、（ｂ）、第１３図の実施例にお
いて、第３〜９図に示すモータと同じ要素については同
一符号で示し、従ってその説明も省略する。

この実施例において、前実施例で述べた如き接力虫子３
３の円）Ｔ動３５の回転方向を反転する反転手段が以下
のとおり設けられている。即ち、振動子３１は、昨ζり
合う２Ｉ１７ｉＩ、例えば３１　ａと３　］、　ｂまた
は３１　ｃ、ど３１ｄを同じ分極方向の１組の振！ＦＩ
Ｊ　素子とし、その１組ごとに分極方向を交互に変えて
ステータＳの弾性体３２の周方向に間隙なく配置されで
成り、図示の例では１６枚の扇形振動素子で構成さＪし
ている。

半分の振動Ｔ−（図示の例では８枚）の一方の電極面に
はリード線３４が１枚おきに接続され、もう半分の振動
子の同じく一方の電極面にはリード線３４ａが同様に１
枚おきに接続されて夫々第１、第２のグループに区分さ
れている。なお、これらの振動子の他方の電極面には共
通アースＥが接続される。

いま、第１４図に示すように、リード線３４．３４　ａ
、アース２間に超音波信号：原■、）ｓｉｎωしを共に
印加すると、同じ分極方向の圧電素子３１ａ、３１ｂは
同じ挙動をするので１合わせてあたかも１枚の振動子の
如く動作する。従って、素子３１ａ、３１ｂは、前実施
例の通り、接触子３３に対して回転方向ＲＤにおける反
時別方向駆動成分を持つ円運動３５を有することになり
、ロータ３０は反時計方向ｌ・回転される。

次に、第１５図に示すように、リード線３４とアース２
間に信号源■、）ｓｊｎωし、リード線３４Ｊ１とアー
ス２間に位相が反転した信号源−Ｖａｓｉ＋＋ωしを夫
々に印加すると、分極方向が同じ振動子３１ａ、３　］
、　ｂは逆の挙動をし、分極方向がｊφになっている振
動子３１ｂ、３１（、は同じ挙動を呈するので、振動子
３　］、　ｂ、３１ｃは合わせてあたかも１枚の振動子
の如く動作する。従って、素子３１ｂ、３１ｃは、接触
子３３に対して回転方向ＲＤにおける時一方向駆動成分
、を持つ円運動３５を有することとなり、ロータ３０は
時計方向へ回転される。このように、ロータは逆転可能
である。

なお、以」二の例では、振動子をステータとし、ロータ
を駆動するモータについて説明したが、振動子をロータ
どじ、ステータとの反作用によりロータを回動せしめて
もよい。この場合、振動子への超音波信号源は例えばブ
ラシとスリップリングを介して給電する必要がある。

「発明の効果コ 以」二の実施例からも明らかなように、本発明によれば
、弾性体に、所定の分極方向をもたせた振動子により定
在波を発生させてロータの回転方向への駆動成分をもつ
円運動を惹起させるようにしたので、従来技術の欠点で
ある摩擦損失を防止するための高い機械加工精度が不要
となると共に、高効率の超音波モータを構成することが
でき、また、定在波を積極的に利用しているために、全
面に振動子を配■することができるから、高いｌ−ルク
出力を得ることができ、しかも正逆転が容易に行なうこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）はそれぞれ従来の超音波モータの
側面図、平面図、 第２図は第１図に示すモータの動作説明図、第３図（ａ
）、（ｂ）はそれぞれ本発明による超音波モータにおけ
るステータの側面図、平面図。 第４図は第３図に示すステータにロータが伺加されて得
られる本発明の超音波モータの側面図、第５図（ａ）は
該モータの動作説明図、第５図（ｂ）は第５図（ａ）の
Ｔ−Ｉ’、ｎ−ｎ’線断面図、第６〜９図は該モータの
動作説明図、 第１０図は本発明の実験に用いられた該モータによって
得られたトルク曲線、 第１１図は第１０図に示す１〜ルク曲線を得るために用
いられたモータの平面図、 第１２図（ａ）、（ｂ）はそれぞれ逆転手段を設４−１
だ本発明によるモータステータの側面図、平面図、第１
３図は第１２図（ａ）、（ｂ）に示すステータにロータ
が付されて得られるモータの側面図、第１４〜１５図は
該モータの動作説明図を示す。 Ｓ　・・・・・・・・ステータ ２・・・・・・・・円運動発生区域 ３０　・・・・・・・・　ロータ ３］　・・・・・・・・振動子 ：３２　・・・・・・・・弾性体 ３３　・・・・・・・接触子 ３５　・・−・・・・・円運動 ３７．３８　・・・・・・・・定在波 第１図 （Ｑ）　（ｂ） 第２図 第３図 第４図 マｎ 第８図 第１０図 第１Ｉ図 第１２図 第１３図 第１４図 第１５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、回転中心を持ちその回転方向へ回動可能なロータと
   、該ロータと協動するステータと、超音波イ目号が印加
   されて前記回転方向への駆動成分を持つ円運動を有する
   定在波を発生させ少なくとも弾性体の前記ロータまたは
   ステータの（ｉ１１４シか一方を構成する１辰動子と、
   前記何れか一方のロータまたはステータの前記円運動が
   発生されている区Ｊ或上に固定さＪして該ｖｉ駆動成分
   前記ロータまたはステータの他方へ作用せしめる接触子
   と、前記接触子の円運動の回転方向を反転させる反転手
   段とを備えているこ、とを特徴とする超音波モータ。 ２、前記振動子は、隣り合う２飼を同じ分極方向の振動
   子どし、その１組ごとに分極方向を交互に変えＣ成る１
   ・、ｖ許請求の範囲第１項記載の超音波モータ。