JPS60226782A

JPS60226782A - 超音波モ−タ

Info

Publication number: JPS60226782A
Application number: JP59080850A
Authority: JP
Inventors: Takeo Yokoyama; 横山　武男
Original assignee: Showa Electric Wire and Cable Co
Current assignee: SWCC Corp
Priority date: 1984-04-20
Filing date: 1984-04-20
Publication date: 1985-11-12

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Ｖ。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１弾性体２Ｊ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＝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１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Ｖ。

ｓｉｎωし、ＶＯｃｏｓωｔをそれぞれ−■。

ｓｉｎωｔ、−Ｖ　ＯＣ０５ωＬ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（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５７−２１９３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
ＮＩＫＫＥＩ　ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ　１９Ｂ３．２．
２８第４４〜４９頁「大トルクで定速回転する表面波モ
ータ」）。

［発明の目的コ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、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そ
のロータまたはステータの、前記回転中心からの平均半
径より径方向に偏倚されて固定され、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、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。

［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１本発明による超音波モータは、後
述のように１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３１ａ、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
が構成される。各振動子３Ｉ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。こ
の場合、上記の小円内に示す点および十字は印加電圧の
極性を表わすものとして把握される。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■。

Ｓｉｎωしをリード線３４とアース８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
Ｖ（、ｓｉｎωＬが正であるときステータＳは振動子３
１ａ、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Ｏ′で
は変位せず１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Ｏ′と周方向端縁○″
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の回転中心０から円運動３５′の軌
道へ２本の接線■０、□　ｌ＼ ■０を引くと、その接点ｍ′、■′間の円弧１［［’ｒ
Ｖ’はロータ３０゛の回転方向ＲＤに対して正の回転ト
ルクを発生し１円弧ＩＶ’ｍ’は逆の回転トルクを発生
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、円軌道３５′の中心が／−＼　＼−／ロータ３０の周上にあるかぎ、す、ｍ’ｒｖ’＞■’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６図から解かるように、円運動
３５″は楕円である、メー＼　＼−ノ方がｍ’■’＞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ＩＭ１．ｉＦ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８０Ｉ
ＩＩＷｌ、厚さ４ｓ＋ｍの銅製のリング状弾性体に、厚
さ１■、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ＶｏＳｉｎω
ｔ（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１
０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
、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。

ところで、第９図に示すように、振動子３１上の円運動
３５′における円弧ＩＶ’Ｉ［［’は逆の回転トルクを
発生し、この部分においても接触子３３はロータ３０と
接触しているから効率が低下する。

このため、第１２図に示す如く、接触子３３は振動子３
１により構成された弾性ステータＳの１回転中心Ｏから
の平均半径ｒｏよりも径方向内方に偏倚されて該ステー
タ上に固定される。この実施例において、ロータは３点
で接触子により支持せんとするもので、各点について２
個の接触子３３を設け、一方の接触子と他方の接触子は
逆の傘歯車振動（径方向の振動）を惹起する地点（第６
〜８図）に配設されるのが好ましい。図示の例では、３
点のそれぞれについて接触子３３は隣り合う振動子上に
設けられている。

いま、振動子３１が１つの加振状態にあるとき、振動子
３１ａ上の接触子３３はロータ３３から離反しているが
、振動子３１ｂ上の接触子３３はロータ３３に接触して
いる（第１３図）。反対に、振動子３１が逆に加振され
たときは、振動子３１ａ上の接触子３３はロータ３ｏに
接触しているが、振動子３１ｂ上の接触子３３はロータ
３０から離反している（第１４図）。即ち、振動子３１
上の円運動３５′における円弧ＩＶ’ｍ’　（第９図）
では。

接触子はロータに接触しないから、逆トルクを発生する
ことはない。実験によれば、この実施例によるモータは
第３図に示すものに比べて３０％効率が増大した。

なお、接触子を前述の平均半径より径方向外方に偏倚し
て配設すれば、円弧ｍ’ｔｖ’において接触子はロータ
に接触しないから、モータを逆転することができる。

なお１以上の例では、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ょリ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］以上の実施例からも明らかなように、本発明によれば１
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、その逆トルクを伝達しないようにした
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
テータにロータが付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Ｉ−Ｉ’、■−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１Ｏ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図は本発明によるモータステータおよび接触子の
平面図、第１３〜１４図はそれぞれ該モータの、第１２図Ａ−Ａ
’、Ｂ−Ｂ’における動作説明図を示す。Ｓ　・・・・・・・・ステータ２・・・・・・・・円運動発生区域３０　・・・・・・・・　ロータ３１　・・・・・・・・振動子３２・・・・・・・・弾性体３３　・・・・・・・・接触子３５　・・・・・・・・円運動３７．３８　・・・・・・・・定在波ｒ、）　・・・・・・・・平均半径代理人　弁理士　守　谷　−雄第１図第２１！Ｉ第３図第４図スＯ第５図第６図　第７図第８図第１１図第１２図１を第１３図　第１４図

Claims

【特許請求の範囲】

■８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、そのロータまたはステータの、前記回転中
心からの平均半径より径方向に偏倚されて固定され該駆
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
る接触子とを備えていることを特徴とする超音波モータ
。