JPS61191278A - 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】 産業上の利用分野 この発明は超音波振動を駆動源とした、超音波モータ或
いは超音波リニヤモータに関するものである。

従来の技術 超音波を利用したモータに関してはすでに、特開昭５８
−１９２４７４号公報、或いは同６８−１９２４７５号
公報で各種の構造の超音波モータが提唱されている。そ
れらは圧電体に電圧を印加した時に圧電体に生ずるのび
、縮みを利用したもので、のび、縮みを発生する圧電体
の先端部に接触片を設け、その接触片が半円形にたわみ
、のびた時に□その接触片が外部の壁を回転運動を生じ
させる様に押し、逆に縮んだ時には外部の運動体より離
れ、圧電体の伸び縮みを回転運動に変換する事を特徴と
したものである。

さらに指田氏によシ、日経メカニカル５８年２月２８日
号或いは応用物理６７年８月号等で実用化に近い構造が
提唱されている。その一つは圧電体で発生させる伸び縮
みの機械振動を、回転体の側面に取りつけ、伸びる時に
は押し、返りには離れる構造を取るもので、基本的には
先の特許と考え方は同一である。

しかし、上記の超音波モータは多くの欠点を有していて
今だに実用化の報告は々い。特に圧電振動子の伸び、縮
みを利用するものは、電気エネルギーから機械エネルギ
ーへの変換効率は優れているが、外部に対する騒音、あ
るいは接触部の摩耗の問題がある。

上記欠点を解消できる表面波モータと呼ばれるものは、
円環上にたわみ振動による進行波を発生させるステータ
の表面にロータを接触させ、進行波のエネルギーの一部
をロータに伝えて、回転運動を取り出す構造を取るもの
で、特徴として薄型形状で、その応用範囲は広いと考え
られる。

発明が解決しようとする問題点 円環或いは円板の構造を取るたわみ振動を利用するタイ
プの超音波モータは、電気エネルギーに対する機械出力
の変換効率が数パーセント以下であり、大半のエネルギ
ーが発熱に費やされるため温度上昇が問題となり、その
変換効率の改善が望まれている。

機械出力を効率良く取り出すためには、たわみ振動の振
巾を出来る限り大きく取る事が望まれる。

さらに振動体の厚みを増大させることも機械出力の増加
につながる。

しかし振巾の増大のためには、入力電力の増加を必要と
し、同様に振動体の厚みの増加も同様に入力電力の増加
を必要とする。入力電力の増加は、圧電体内の電気的９
機械的々損失の増大をもたらし、内部での発熱等の問題
が生じ入力電力の上限が決まる。一定の入力電力に対し
て、損失の増大をもたらすことなく、たわみ振動の振動
振巾の増大を行なわなければ効率の改善が行なわれない
。

問題点を解決するだめの手段 振動体テあるステータのロータに当接する部分に、円周
方向に配列された多数の凸部を設け、そ５べ−７ の凸部を介して、ステータのたわみ振動による駆動力を
ロータに作用させる。凸部の高さｈとステータ周方向に
おける巾Ｗとの比ｈ／Ｗは０．５〜１０の間にとる。ま
た、凸部の間隔は、ステータの振動の半波長に対して少
くとも１個存在するように設定する。

なおここで、ステータとは、駆動力の発生源である振動
体を、ロータとはステータによるたわみ振動を駆動力と
して取出すためにステータに当接させられる部材を一般
的に表わすものとする。従って、ステータが移動し、ロ
ータが固定されている場合も含む。

作　　用 本発明はモータ駆動部の構造を単一のたわみ振動から複
合振動を行なう事が可能な構造に変えたものである。単
一の円環の一部をたわませて、進行波を発生させ（回転
方向を決定する）、さらにたわみ振動によって表面を横
方向に歪ませて、その歪みを回転運動の成分として利用
するモータの原理から、なるべく大きな表面の歪成分を
取り出６ベーノ すためには、たわみ振動を発生させる円環の厚みが厚い
方が大きなたわみが得られる。しかし円環の振動体の弾
性限界が有限となるため、機械振動による損失が増大し
一つは発熱の問題、一つは破壊の問題が生じ厚みの増大
は一定限度しか許されない。

しかしたわみ振動体を有限の範囲にとめておき、凸部を
配列する構造は、上記の歪の増大をまねかずに、横方向
（例えば回転方向）の運動の増大をもたらす事が可能と
なる。凸部の先端の動きは、凸部全体が連続的に接続さ
れている時と同様の動きを示す。しかし凸部の下部は振
動体であるため、凸部自身もその振動体の影響を受けて
振動を発生するだめに、独立外形状は許されない。

実施例 第１図は本発明による超音波モータの一実施例を示す。

第１図において、１は超音波モータ駆動部でありかつ、
振動体部となるステータ、２は振動体部を振動させるだ
めの圧電体を示し、動作時にはステータ１と圧電体２は
接着して使用する。

さらに３はロータを示し、ステータ１のたわみ振動成分
の回転成分のみを取り出す機能を有する。

４はステータ１及びロータ３の回転軸４ａを固定するだ
めの基台を示す。５．６は圧電体２に対して周方向に複
数個設けられた電極を示し、それぞれ交番電界を印加し
、たわみ振動を発生させる。

ステータ１のロータ３に当接する上部には、多数の凸部
１ａが設けられている。第２図にステータ部の拡大図を
示す。第２図において凸部１ａの巾すなわちステータ１
の周方向における長さはＷで示し、高さをｈで示しであ
る。第２図において凸部１ａはステータ１のたわみ振動
を駆動源として新たな振動を行なう事が可能となる。こ
の事は、たわみ振動は基板の厚みｄで決定されるが、凸
部１ａを設けることにより、凸部１ａの振動分だけ横方
向の振動成分が増大することを意味する。

上記実施例による超音波モータ出力の増加を第３図に示
す。第３図において横軸は凸部の高さｈと巾Ｗの比を示
し、たて軸は、回転数、効率を示す。第３図において左
端は従来例の凸部を設けてない場合の回転数および、効
率を示す。本発明によれば、従来の超音波モータに比し
５〜１０倍の特性の改善を行うことが出来ることがわか
る。特に、ｈ／Ｗが０．５〜１０の間にある時はモータ
の効率が大巾に改善される。

いま下部基板のたわみ振動の動作周波数をｆとすると凸
部の共振周波数はｆの近傍にＪ４に従い共振関係が生じ
複雑な挙動を示すため使用し難い。

さらに凸部の高さｈが増加した時は凸部内で２次の振動
を発生するために超音波モータは回転不能となる。一般
に超音波モータに求められる要求が、高回転数の場合に
はなるべく基板の共振周波数近く迄高さｈを増大させれ
ばよく、文通に低速・高トルクの時はｈをより小さくす
ればよい。ｈ／Ｗの値を選択することにより入力電力の
増加をもたらすことなく、有効な機械振巾の増加（凸部
先端のロータ接触部）が可能となり、このことは機械出
力の増加、モータ効率の改善につながった。

発明の効果 本発明によれば、ステタのたわみ振動により横　　。

９ｔ（−。

方向駆動力が効率的に発生し、電気−機械変換効率の向
上が極めて大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における超音波モータの構造
を示す分解斜視図、第２図は第１図におけるステータ部
要部の拡大断面図、第３図は本発明におけるステータ部
凸部の形状とモータ特性の関係を示すグラフである。 １・・・・・・ステータ、１ａ・・・・・・凸部、２・
・・・・・圧電体、３・・・・・・ロータ、４・・・・
・・基台、４ａ・・団・回転軸、５゜６・・・・・・電
極。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第１
図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）圧電体或いは圧電体と他の媒質との複合した媒質
   を振動体として、この振動体のたわみ振動にもとづく駆
   動力を、その振動体に接して設けた駆動体との間の摩擦
   力を介して取り出すよう構成された超音波モータにおい
   て、前記振動体に駆動方向に配列された複数の凸部を設
   けてその凸部を介して前記駆動体に当接するよう構成し
   、前記凸部の配列の間隔を前記振動体の半波長に対して
   少くとも一つ以上存在するように設定するとともに、前
   記凸部の高さｈおよび駆動方向の巾Ｗの比ｈ／Ｗを０．
   ５〜１０の間に設定した事を特徴とする超音波モータ。
2. （２）振動体を円板もしくは円環状に構成して、回転駆
   動力を得るようにし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. （３）振動体を直線状に設けてリニヤモータを構成した
   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。