JPS60207468A

JPS60207468A - 超音波モ−タ

Info

Publication number: JPS60207468A
Application number: JP59064125A
Authority: JP
Inventors: Takeo Yokoyama; 横山　武雄
Original assignee: Showa Electric Wire and Cable Co
Current assignee: SWCC Corp
Priority date: 1984-03-30
Filing date: 1984-03-30
Publication date: 1985-10-19

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］ノｊｉ：　５（３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２
０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工による振動
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１弾性体２１の周方向に
配置された各振動子２０ａ、２ＯＬ＋・・・・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Ｖｏをリード線２３゜２４とアースＥ間か
ら振動子２０に印加すると、例えば一方の振動子２０ａ
はステークの弾性体２１の周方向に伸長するように、他
力の振動子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、いわば縦波とセー１
波との複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λ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Ｚの長軸２Ｗの楕円軌跡を描く。弾性体２１がロータ
２２と接触する頂点Ｐで、波動は方向２６にＶ＝２πｆ
ｕの速度で進行波として伝播する。この結果、ロータ２
２は弾性体２１との摩擦力で波動の進行と逆方向２７に
速度Ｖ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変更すると、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変え
ることができる。この場合、ステータＳの内径をｒ、外
径をａ、ヤング率をＥ、１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。＝２πｆｎ）は
、で表わされる。式中、αｎｏは半径比Ｘａ＝ｒ／ａの関
数である。

［背景技術の問題点］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のみであり前述の楕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（１））に示す如く、空隙部２５を設
けて振動子２０を２グループに分能独立させたり、グル
ープ化された振動子のリード線２３．２４へ印加される
超音波モータの位相を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＜１　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５７−２１９３号、特開昭５４−１６’１２０
２叶、特開昭５５−１２５０５２号、特開昭５０−１３
８４６！］号、特開昭５７−７８３７１１１号、特開昭
５８−９３４７８号、特開昭５８−１４８６８２号各公
報お１びＮ　Ｉ　Ｋ　Ｋ　ＩＥ　Ｉ旺ＣｔｌＡＮＩＣＡ
Ｌ　１９ｇ３．２．２８第４４〜４９頁「大１−ルクで
定速回転する表面波モータ」）９［発明の目的］本発明は取上の従前の難点を解消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、
高出力を図った逆転可能な超音波モータを提供せんとす
るものである。

［発明の概要コこのような目的を達成するため、本発明の超音波モータ
は、回転中心を持ちその回転方向へ回動可能なロータと
、該ロータと協働するステータと。

少なくとも弾性体の前記ロータまたばステータの何れか
一方を構成する奇数個の振動子と、前記奇数個±１個の
振動子数に対応する定在波を発生させる周波数の超音波
信号を前記振動子に印加して前記回転方向への駆動成分
を持つ円運動を惹起せしめる超音波信号源と、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とを
備えている。

［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Ｏを持ちその回転方向ＲＤへ回動
可能なロータ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
３７．３８を発生させ少なくとも弾性体３２のステータ
Ｓを構成する振動子３１と、前記ステータの前記円運動
が発生されている区域Ｚ上に固定されて該駆動成分を前
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、ロータと協働するステータ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３１ａ、３１ｂ・・
・・から成り１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４Ｍ成さ才しる。各振動子３１の一
方の電極面にはリード線３４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
を同一とし、印加電圧を交互に逆方向に変えるように回
路構成してもよい。また以上の例では振動子３１ど弾性
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に接触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Ｖ。

Ｓｉｎωｔをリード線３４とアースＥ間から振動子３１
に印加すると、例えば一方の振動子３１ａ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
３１ｂ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３１は径方向の振動（伸縮
）と周方向の振動（伸縮）をするため１弾性体３２、即
ちステータＳは傘歯車状に振動する（第５図、ａ、ｂ）
。こ九を詳述すると、振動子３１ａのような分極方向を
もった振動子は径方向へ振動する定在波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πｒａ
ｄ異って径方向へ振動する定在波３８′を発生する。こ
の径方向の振動と周方向の振動と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）に示す
ように、いま超音波信号源Ｖｏｓｉｎωしが正であると
きステータＳは振動子３１ａ、３１ｂの如（加振され、
負であるときステータＳは振動子３１ｃ、３１ｄの如く
加振されるから、１つの振動子上の接触子３３は（８号
源の１サイクルに亘って、振幅Ｒ８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、一つの振動子３１は周方向Ｘ（−Ｘ）の中心０′で
は変位せず、両端において周方向に伸縮する挙動を呈し
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、これらの径方向Ｒおよび周方向Ｘの両定在波３
８．３７をそのリサージ二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１本明細書においてｒ円」とは、真円のみならず
楕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２（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０′と周方向端縁Ｏｒ
　＋には円運動は発生しない）へ固定し、これをロータ
３０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、複数個の接触子
３３（図面では３個）を用いる際には、モータ効率」二
、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によリロータ
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上の円運動３
５′を真円運動に想定し、その軌跡を極端に誇張し、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
丸をイ」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１〜ルク、その他の矢印は永
遠心力ロータ３０の周上にあるかぎり、ｌＩ］’ｌＶ’
＞ＩＶ’川′であるから、両者の回転トルクのベタ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を介してロニタ３０へ伝達さ、１シて、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′は楕円であるメー＼
　＼−ノ方がＩＩＴ’ｌＶ’＞ＩＶ’ＩＩＩ’となるから、大き
な駆動成分を得ることができる。

以」二の実施例において、振動子および接触子は夫々複
数個用いたものについて説明したが、それぞれ単一のも
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Ｊしに代えて磁歪型素
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＋ｏｍ、外径８０
ＩＩｌＩ１１、厚さ４ｍｍのｔｌｉ！ｉのリング状弾性
体に、厚さ１ｍｍ、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、Ａ’、Ａ”の３点に固定し、超音波信号ＶＯ
ｓｉｎωｔ　（ＶＯ＝　４０　Ｖｐｐ、周波数＝　２０
　Ｋ　Ｈ７，）を振動子の電極間に印加した。得られた
トルク曲線は第１０図の如き垂下特性を示した。次に、
接触子をＡ−Ａ’、Ａ”と反対側にある部分Ｂ、Ｂ’、
Ｂ　Ｉ　ｌに移動して同じ実験を行なったところ、１〜
ルク曲線は殆んど同じであったが。

モータ回転方向は逆になった。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
たと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１２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−符シ）で示し、従ってその説明
も省略する。

この実施例において、少なくとも弾性体のステータＳを
構成する振動子３１は奇数個で構成され。

図示の例では、９個の扇形振動子３１が交互に分極方向
（小円内に点および−１−字で示す）を変えてステータ
Ｓの周方向に間隙配設されている。

而して、第３図に示すように、ＪＭ動子３１を偶数個、
分極方向を交互に変えてステータＳの周方向に間隙なく
配置し、その両電極面に可変周波超音波イ：ｊ号源Ｇ（
第１３図）から超音波ｊＬｉ号を印加すると、同じく両
電極面に接続された電圧旧１７ば第１４図に示す出力応
答を呈する。即ち、ＪＥ動子の偶数個数に対応した特定
の定在波発生周波数が存在する。なお、それぞれの偶数
個数に対応して生起している急峻な応答は、振動子の直
、並列共振に因るものと考えられる。

一力、第１２図に示すように奇数個の振動子３１によっ
て構成されたステータＳに対して、同様の実検をすると
、奇数個±１個の振動子数（１２１示の例では９±１、
従って８個および１０個）に対応する定在波を発生させ
る周波数で応答する（第１５図）。

これを詳述するに、第１２図に示す実施例における９個
の振動子に、約６　、５　ＫＨｚの周波数の超音波（ご
号を印加すると、８個の振動子に対応する定在波が発生
する。この定在波３８の様子を第１２図に示す。なお、
この表現は前実施例において説明した径方向への振動（
伸縮）であり、周方向への振動（伸縮）については説明
を省略する。次に、超音波信号の周波数を上げると、約
］　Ｉ　、　５　Ｋｌｌ；−の周波数の前後で振動子１
０個に対応する定在波を発生する。その定在波３８　ｆ
ｔの様子を同じく第１２図に示す。

いま、接触子３３　ａ−ｄをし１示の位置に固定したと
すると、定在波３８が発生した場合には、■Ｉ実施例で
第５〜９図を参照して説明したように接触子３３ａ、ｂ
部においては回転方向Ｒ，Ｄ　／＼の右回りの駆動成分
を持つ円運動３５′を惹起して時計方向の回転１〜ルク
を発生させ、接触子３３ｃ、ｄ部においては殆ど１〜ル
クを発生しない。

次に、定在波３８ａが発生した場合には、接触子３３ａ
、ｂ部においては回転方向ＲＤへの左回りの駆動成分を
持つ円運動３５を惹起して反時計方向の回転トルクを発
生させ、接触子３３゜、ｄ部においては殆ど１〜ルクを
発生しない。このように、印加される超音波信号の共振
周波数を変えることにより、モータは逆転可能となる。

この場合、接触子はステータの円運動が発生されている
区域Ｚ上で、右回りおよび左回りの円運動を惹起する位
置に固定され、該駆動成分をロータ３０へ作用（伝達）
せしめるものである。

なお、以上の例では、振動子をステータどし、ロータを
駆動するモータについて説明したが、振動子をロータと
し、ステータど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。

［発明の効果コ以上の実施例からも明らかなように、本発明によれば、
弾性体に奇数個の振動子により偶数個の振動子数に対応
する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、全面に振動子を配階することができるから。

高いトルク出力を得ることができ、しかも容易に正逆転
が可能となる。

【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
テータにロータが旬月されて得られる本発明の超音波モ
ータの側面図、第５図（、）は該モータの動作説明図、
第５図（ｂ）は第５図（ａ）のＴ−１’、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九た該モータによって
得られたトルク曲線、第１１図は第１０図に示すトルク曲線を得るために用い
られたモータの平面図、第１２図は逆転手段を設けた本発明によるモータステー
タの平面図、第１３図は振動子を設けたステータの特性
測定回路図、第１４〜１５図は該ステータの振動子数と共振周波数と
の関係グラーフを示す。Ｓ　・・・・・・・・ステータＺ・・・・・・・・円運動発生区域３０　・・・・・・・　口〜夕；３１　・・・・・・・・振動子３２　・・・・・・・・弾性体３３　・・・・・・接剤：子３５　・・・・・・・　円）型動３７．３８　・・・・・・・・定在波代理人　弁理士　守　谷　−雄第１図（Ｑ）　（ｂ）第２図第３図第４図０第８図第１０図第１Ｉ図

Claims

【特許請求の範囲】

回転中心を持ちその回転方向へ回動可能なロータと、該
ロータと協働するステータと、少なくとも弾性体の前記
ロータまたはステータの何わか一方を構成する奇数個の
振動子と、前記奇数周±１個の振動子数に対応する定在
波を発生させる周波数の超音波信りを前記振動子に印加
して前記回転方向への駆動成分を持つ円運動を惹起せし
める超γ？波信す〃（と、前記何れか一方のロータまた
はステークの前記円運動が発生され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）
＼作用せしめる接触子とを備えていることを′１寺徴ど
する和音；皮モータ。