JPS60226781A - 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、高出力を図り振動子を簡便に構成した超音
波モータに係わる。

［発明の技術的背景］ 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などの歪材料から成り、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２
１の周方向に配置守れた各振動子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ＶＯをリード線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２０ａ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
ぞれ分極方向が異なって設定されているので、弾性体２
１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２
ｕ、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
＝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反転（超音
波信号源ＶｏｓｉｎωＬ、ｖＯｃｏｓωしをそれぞれ−
Ｖ。ｓｉｎωし、−Ｖ　ｏｃｏｓω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、α。

。は半径比Ｘ。＝　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／　２　ｒａｄ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。

また、このモータでは隣り合う振動子の分極方向が反転
しているため、これをリング状にユニット化する場合に
その分極工程が２回になってしまうという難点がある。

（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５８−１４８６８２号各公報および
ＮＩＫＫＥＩＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ　１９８３．２．２
８第４４〜４９頁［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、
高出力を図り振動子の構成を簡便にした超音波モータを
提供せんとするものである。

［発明の概要］ 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
へ伝達または作用せしめる接触子とを備え、前記振動子
は、同一方向に分極した一体の歪材斜片の一方の面に複
数個のセグメント電極を、他方の面に共通電極を設け、
これらのセグメント電極を２組に区分して、それぞれに
逆位相の超音波信号を印加して成る。

また、このモータを逆転させるために、前記２組のセグ
メント電極のそれぞれを、主電極と副電極とから構成し
、副電極に加えられる超音波信号を逆位相とするスイッ
チ手段を備えている。

［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、超音波モータは、後述のように、
回転中心０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が構
成される。各振動子３１の一方の電極面にはリード線３
４が、他方の電極面には共通アースＥが夫々接続される
。

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３ｏ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Ｖｏ
ＳｉｎωＬ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、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ＶｏＳｉｎωＬが正であると
きステータＳは振動子３　］、　ａ、３１ｂの如く加振
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
信号源の１サイクルに亘って、振幅ＲＯ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○′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１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Ｏ′と周方向端縁０１
１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、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２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
に対して正の回転ト生している。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、その他の矢印は水速心力
成分を夫々示す。そこで１円軌道３５″の中心が／−＼
　＼−／ ロータ３０の周上にあるかぎり、ｍ’ｒｖ’＞ｔｖ’ｍ
’であるから、両者の回転ト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Ｒ
Ｄ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Ｒ
Ｄへ駆動するものである。

図から解かるように、円運動３５′は楕円である方がｍ
’ｒｖ’＞ｒｖ’ｍ’となるから、大きな駆動成分を得
ることができる。

以上の例において、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６０ｍｍ、外径８０ｍ
ｍ、厚さ４ｍｍの銅製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　ｊ　ｌの３点に固定し、超音波信号Ｖ。ｓｉｎωし
くｖｏ　＝　４０　ｖｐｐ、周波数＝２０ＫＨｚ）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’、ＡｒＩと反対側にある部分
Ｂ、Ｂ’、Ｂ　ｌ　＋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’、ＣＩ　＋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。

以上の例において、振動子３１は、隣り合う１組がその
分極方向を反転して構成されている。従って、振動子を
１枚のリングで構成する場合に、その分極工程が２回に
なってしまうという難点がある。

そこで１本発明による超音波モータによれば、振動子３
１は、回転軸線方向において同一方向に分極した一体の
歪材斜片（図示の場合リング状）の一方の面に複数個の
セグメント電極４０を、他方の面に共通電極（図示せず
）を設けて成る（第１２図）。

リング状の振動子を構成する場合には１回転軸線方向に
分極方向を方向付けて歪材料を焼付プレスすることによ
り製造できる。図示の例において、セグメント電極４０
は１２個の扇形から形成されている。各セグメント電極
４０の間には絶縁用のスリット４１（第１３図）が設け
られる。このような電極あるいはスリットの形成は慣用
の蒸着などの技術を用いて行なうことができる。

これらのセグメント電極は２組４０ａ、４０ｂに区分さ
れ、一方の組４０ａにはリード線３４、他方の組４０ｂ
にはリード線３４ａが夫々接続され、共通電極にはアー
ス用リード線Ｅが接続されている。超音波信号源Ｖ＋）
ｓｉｎωＬはトランスＴの一次側に印加され、その二次
側の両端子ｔ、、　、　ｊ２はリード線３４．３４ａに
夫々接続され、中間夕ツブし０はアース用リード線Ｅに
接続されている。

振動子およびその結線回路を除く他の構成は前述の例と
同様であるので、その説明も省略する。

この実施例において、振動子３１ａ、ｂには中間タップ
付のトランスＴにより逆位相の超音波信号源Ｖｏｓｉｎ
ωＬが夫々印加されるから、前述の例（第３−９図）と
同様に挙動する超音波モータが得られる。

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１４図の実施例において第１２−１３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、前述の２組のセグメント電極４０
ａ、４０ｂのそれぞれは主電極４２ａ。

４２ｂと副電極４３ａ、４３ｂとから構成される。

また、この副電極も２組４３ａ、４３ｂに区分され、そ
の１組の一部に接触子が配設される。副電極の各組のそ
れぞれに加えられる超音波信号を逆位相とするスイッチ
手段ＳＷが設けられている。

可動子Ｓ１を、トランスＴの両端子ｔ１　、ｔ２にそれ
ぞれ接続された固定接点ａ、ｂへ切換えることにより、
印加信号を逆位相とすることができる。

一方、他の組の副電極４３ｂもスイッチｓｗの可動子Ｓ
２を、トランスＴの両端子１．．１２にそれぞれ接続さ
れた固定接点ｃ、ｄへ切換えることにより、印加信号を
逆位相とすることができる。なお、スイッチＳＷの可動
子Ｓ、、Ｓ２は連動して動作する型式のもので、可動子
Ｓ１が接点ａ、即ち端子ｔ１に接続されているときは、
可動子Ｓ２は接点ｄ、即ち端子上２に接続されている。

いま、トランスＴの端子ｔ１に＋、端子Ｌ２に一信号が
印加され、スイッチＳｗも図示の如く切換えられている
ものとすると、主電極４２ｂ、副電極４３ｂが共に一信
号が与えられてあたかも１つの振動子として働らく。

次に、スイッチＳＷの可動子Ｓ、、Ｓ２を図示の状態か
ら固定接点す、ｃに夫々切換えると、主電極４２ａ、副
電極４３ｂが共に子信号が与えられて逆の挙動を呈する
あたかも１つの振動子として働らく。このことは、第８
図において、接触子３３は、スイッチＳＷの切換に応じ
て左回りの円運動３５または右回りの円運動３５′へ切
換えることができることを示し、即ちモータは逆転可能
となる。

なお、以との例では、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、同一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、振動子は歪材斜片の同一方向に分極したもの
に各電極を形成することにより１回の分極工程ですみ製
造が容易で、量産性に富んでいる。さらに、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、高いト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）はそれぞれ超音波モータにおけるステータの
側面図、平面図。 第４図番主第３図に示すステータにロータが付加されて
得られる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−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〜第１３図はそれぞれ本発明によるモータ振動
子の平面図、部分拡大平面図、第１４図は第１２〜１３
図に示す振動子に逆転手段が付されて得られるモータの
平面図を示す。 Ｓ　・・・・・・・・ステータ Ｚ・・・・・・・・円運動発生区域 ３０　・・・・・・・・　ロータ ３１　・・・・・・・・振動子 ３２・・・・・・・・弾性体 ３３　・・・・・・・・接触子 ３５　・・・・・・・・円運動 ３７．３８・・・・・・・・定在波 ４０・・・・・・・・セグメント電極 ４２ａ、４２ｂ・・・・・・・・主電極４３ａ、４３ｂ
・・・・・・・・副電極ＳＷ・・・・・・・・　スイッ
チ 第１図 第２＠ 第３図 第４図 第８図 第１０図 第１１図 第１２図 第１４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
   、該ロータと協働するステータと、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、同一方向に分極した一体の歪材斜片の一方の面に
   複数個のセグメント電極を、他方の面に共通電極を設け
   、これらのセグメント電極を２組に区分して、それぞれ
   に逆位相の超音波信号を印加して成ることを特徴とする
   超音波モータ。 ２、前記２組のセグメント電極のそれぞれを主電極と副
   電極とから構成し副電極に加えられる超音波信号を逆位
   相とするスイッチ手段を備えたことを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の超音波モータ。 ３、前記副電極の一部に前記接触子が設置フられている
   ことを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の超音波モ
   ータ。