JPS60207469A

JPS60207469A - 超音波モ−タ

Info

Publication number: JPS60207469A
Application number: JP59064126A
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］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。

［９！明の技術的背景］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とから構成さ九ている。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、高電圧を印加してり）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、２０１〕・・・・から成
る。弾性体２Ｉは、１つの態様に才昌Ａて電気導体であ
る。超音波信号源■　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２
０ａはステータの弾性体２１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、ｈ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、ｗ
：方向Ｚの長軸２Ｗの楕円軌跡を描く。弾性体２１がロ
ータ２２と接触する一頂点Ｐで、波動は方向２６にＶ＝
２πｆｕの速度で進行波として伝播する。この結果、ロ
ータ２２は弾性体２１と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Ｖｏｓｉｎωし、■ｏＣＯ５ωＬをそれぞれ−Ｖ
。

ｓｉｎωｔ、−Ｖ　ｇ　ｃｏｓωｔ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ｒ
、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。＝２πｆｎ
）は、で表わされる。式中、αｎｏは半径比Ｘｏ、”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２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（ｂ）に示す如く、空隙部２５を設け
て振動子２０を２グループに分離独立させたり、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ｇＸ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１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５４−１６４２０２
号、特開昭５５−１２５０５２号、特開昭５６−１３８
４６９号、特開昭５７−７８３７８号、特開昭５８−９
３４７８号、特開昭５８−１４１３６８２号各公報およ
１ＮＩＩ（ＫＥＩ　ＭＥＣＩＩＡＮＩＣＡＬ　１９８３
．２．２８第４４〜４９頁ｒ大トルクで定速回転する表
面波モータ」）。

［発明の目的］本発明は斜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（■要］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ｌ＼回動可能なロータ
と、該ロータと協働するステークと、超音波信号が印加
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
ステータの何れが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
方へ伝達もしくは作用せしめる接触子とを備え、前記振
動子は、第１のグループと、前記第１のグループに対し
てπ／　２　（ｒａｄ）偏倚された第２のグループとに
分けて成るものである。

［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Ｒ，Ｄ八回
へ可能なロータ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３】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
前記ロータへ伝達あるいは作用せしめる接触子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−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、３１．　ｂ
・・・・から成り、図示の例では１２枚の扇形振！！！
ＩＪ素子で構成されている。これをリング状の弾性体３
２に接着子しぬるとステータＳが構成される。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・どし、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に接触さ田るようにしてもよい。

前述のステーク固有共振周波数をもつ超音波信号源Ｖ（
ＩＳｉｎωしをリード線３４とアースＥ間から振動子３
１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、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）。これを詳述すると、
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πｒａｄ異って径方向ｌ＼捩
振動る定ン」画成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Ｊしる。従って、第５図（ｂ）に示すように、いま
超１３波信号源ＶｏｓｉｎωＬが正であるときステータ
Ｓば振動子３１ａ、３］ｂのｐｌｌ＜加振さ７１シ、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］−の接触子３３は（＋４
号源の１サイクルに互って、振幅１＜、て径方向に振動
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Ｏ″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０′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、本明釦書において「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ｏ″
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［
ａ方向ＲＤへ駆動される。この場合、複数個の接触子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によリロータ
３０に対する回転方向Ｒ１つｌ＼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ｌ＼２本の接線ｌｌｌ０１■○を引くと、その接点■
′、■′間の円弧ＩＩＩ　’　ＩＶ　’はロータ３０の
回転方向ＲＤに対して正の回転１−ルクを発生し、円弧
ＩＶ’ｍ’は逆の回転１ヘルクを発生している。第９図
において、黒丸を旬月した矢印は円運動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
矢印は永遠心力であるから、両者の回転１−ルクのベク
トル和により、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６を得ることが
できる。

以上の実施例において、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Ｊ戊してもよい。従って、水明ａＩ書中にて１
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Ｇ　Ｏｍｍ、外径３Ｑ
＋ｎｍ、厚さ４ｍｍの銅製のリング状弾性体に、厚さ１
ｍｍ、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６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、　ｓｉｎωｔ　（Ｖａ　＝　４０　Ｖｐ
ｐ、周波数＝　２０　Ｋ　Ｈ・Ｚ）を振動子の電極間に
印加した。得られた１〜ヘルツ線は第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”に移動して同じ実験を行な
ったところ、１ヘルツ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、１妾削：了をステ
ータ振動子の中心Ｃ１Ｃ’、Ｃ″に［多動して同じ実験
をしたところロータは全・（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（、）、（ｂ）、第１３図に示す実施例におい
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、振動子３１は、ステータＳの一部
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、ステータＳの弾性体３２の周方向に間隙なく配
設された第】のグループ３１Ｘと、ステータの他部に、
同様に分極方向（点線で示す小円内に点および十字で表
わす）を交互に変えて、ステータＳの弾性体３２の周方
向に間隙なく配設され第１のグループに対してπ／２ｒ
ａｄ偏倚された第２のグループ３］、Ｙどに分けられて
構成されている。図示の例では、各グループは１２枚の
扇形振動素子から成る。このように、同一構造、従って
同じ挙動を呈する振動子グループがステータの両側に７
ｔ　／　２　ｒａｄ位相を偏倚して配置されていること
になる。

なお、接力虫子３３は、各グループ３１Ｘ、３１■にお
ける振動子の周方向端縁○″から周方向に周方向の長さ
の１７４だけ離間した位置に設けるのが好ましい。各グ
ループにおけるそれぞれの振動子の一方の電極面にはリ
ード線３４．３４ａが、他の電極面には共通アースＥが
夫々に接続される。

いま、ステータ固有共振周波数をもつ超音波（６号源■
。ｓｉｎω七をリードＭ、３４とアースＥ間から第１の
グループ３１Ｘの振動子へ印加すると、第１４図に示す
ように、反時Ｒ１方向への円運動３５が発生し、このた
め接触子３３を介してロータ３０は反時計方向へ駆動さ
れることになる。

反対に、超音波信号源をリード線３４．ｉとアースＥ間
から第２のグループ３１Ｙの振動子へ印加すると、第１
５図に示すように、ｎ；７　：！’Ｉ方向の円運動３５
が発生し、このため接触子３３を介してロータは時計方
向へ駆動さ九る。従って、第１４１月、第１５図に示す
如く、接触子３３における円運動３５は反対であり、ロ
ータは逆転可能であることを表わしている。

なお、以上の例では、第１、第２の振動子グループは回
転軸線方向に２段に区分して構成した場合について説明
したが、両グループを回転軸線と同心円状に区分して配
置してもよい。また、以上の実施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、
振動子をロータとし、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、振動子への超音波に
１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、
弾性体の互いにπ／２ｒａｄ偏倚した２グループの振動
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Ｉ！Ｘ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、全面に振動子を配置することができるから
。

高い１−ルン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、！シ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１１．説明し１゜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、嘔面図、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（ａ）は該モータの動作説
明図、第５図（ｂ）゛は第５図（ａ）の）−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扛た該モータによって
得られた１ヘルク曲線、第１１図は第１０図に示すトルク曲線をｆコるために用
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けた本
発明によるモータステータの側面図、平面図、第１３図
は第１２図（ａ）、（）ン）に示すステークにロータが
付加されて得られるモータの側面図、第１４１′２１〜
１５図は該モータの動作説明図を示す。Ｓ　・・・・・・・・　ステーク２・・・・・・・円運動発生区域３０　・・・・・・・・　ロータ３１　・・・・・・・・振動子３　］、　Ｘ・・・・・・・・第１のグループ３１’ｌ
’・・・・・・・第２のグループ３２　・・・・・・・
弾性口・３３・・・・・・・接触子３５　・・・・・・・・円運動３７．３８・・・・・・・定在波代理人　弁理士　守　谷　−雄第１図第２５！Ｉ第３図第４図（ｎ第８図１第ｔｏ図第１１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
ロータど協働するステータと、超音波１言号が印加され
て前記回転方向ｌ＼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
テータの他方へ作用せしめる接触子とを備え、前記振動
子は、第１のグループと、前記第１のグループに対して
π／２ｒａｄ偏倚された第２のグループとに区分されて
成ることを特徴とする超音波モータ。