JPS62110486A - 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 本発明は、超音波振動を利用した超音波モータに関する
ものである。

従来の技術 近年、超音波振動を利用し、従来の電磁力を駆動力源と
したモータとは全く方式の異なる新原理で動く超音波モ
ータが、急速に発展して来た。超音波モータの特徴の一
つとして、同一の体積当り（同一の重量当りとしてもほ
ぼ等しい）の機械出力が従来の電磁力を利用したモータ
に比較して大きいことと、構造が単純なことが特徴であ
り、このことが部品の小型化の時代の流れにマツチして
いるため、その実用化が期待されている。

しかしながら、超音波モータはその電気機械出力の変換
効率が小さいためと、信頼性の保障が十分に得られてい
ないため、いまだに実用化には至っていない。

上記効率の改善のための努力として、一つは振動体をリ
ング状にして、同一の振動振幅に対し出来る限り横送り
変位（機械出力取り出し可能）を大きくする方法、ある
いは振動体を円板として、円板振動の半径方向および９
円周方向の変位の重なりを利用する方法等が提案されて
いる。

さらに本発明者等はたわみ振動上にくし状凸部を並べ、
そのくし状凸部の共振を利用する方法を考え（特願昭６
０−３２０８７号）、同一の振動振幅に対し横送り成分
を１０倍程度増加させ、効率の改善を行なった。

また超音波モータの共振周波数は周囲温度の変化、負荷
条件、製作時のバラツキ等によっである範囲内で変化す
る。従来の超音波モータの共振周波数はその近傍に目的
としない他の共振周波数を有しているので、目的とする
共振周波数成分のみを取り出すために、フィルタ等を外
部に取付け。

必ず目的の周波数成分で共振を行なうようにしなければ
なかった。

超音波モータ自体が共振器であることを利用するために
は、単一の周波数（ある周波数範囲内で少なくとも単一
とみなせる）で共振することが不可欠の条件となってお
り、なるべく単一の周波数成分で共振することが求めら
れていた。

発明が解決しようとする問題点 超音波モータの効率を上昇させるためには、いかに効率
よく振動させるかが、モータ構成への鍵となる。従来の
超音波モータ構成において、Ａ。

Ｂそれぞれ二相の超音波モードを発生させるために、一
枚の圧電体表面の半分に人相、更に他の半分にＢ相を発
生させるようにし、Ａ、Ｂ相両者の結合で進行波を作り
出す方法と、さらに圧電体を二枚設け、一枚目をＡ相、
二枚目をＢ相として、その結合で進行波を発生させる等
の方法がある。

上記方法のいずれの駆動方式も欠点を有していた。一枚
の上の左半分にＡ相を、右半分にＢ相を発生させる方式
であっては、超音波振動振幅は当然Ａ相側電極部でＡ相
成分が大きく、逆にＢ相成分はＢ相側電極部で大きい、
このことは左右の電極部で振動振幅が大きく、その中間
部では振動振幅が小さい。

超音波モータをいかに効率よく駆動するかは、振動体を
いかに一様に振動させるかが鍵となる。

上記従来方法では円の左右部のみが主となる駆動部とな
り、その中間部は効率の小さい駆動部となって損失の大
きい部分となっている。さらに左右両側が大きいことは
不用振動を発生し、このことは不用な振動音の発生源と
もなり易い。

その点、二枚構成とする方式は、それぞれ一枚目がＡ相
、二枚目がＢ相となるため、対称性がよく、上記欠点は
大巾に改善される。しかし、振動体の振動部の位置が上
面または下面と異なるため、上面のＡ相に最適な周波数
は下面のＢ相では最適周波数とならず、逆に下面の８相
での最適周波数は上面のＡ相では最適周波数とはならな
い欠点があり、最適周波数とならない側では損失が大き
いため、効率は幾らかは上昇するが、大巾な効率の上昇
は得られない。

問題点を解決するための手段 上記問題点を解決するために、本発明は、圧電体と金属
あるいは非金属とを接合して振動体を構成し、これを駆
動源とする超音波モータであって。

振動体を円環形あるいは円板形の形状として、その周辺
部表面に同心回状に二組の超音波振動モードを発生させ
る電極部を設け、その二組の電極部の振動モードの結合
で進行波を発生させ、これをＴｌｊＡ動源とするように
構成したものであり、これにより、振動体の周方向に沿
う振動振幅の同一性を容易にし、さらに、共振周波数の
単純化を１指したものである。

作用 上記構成により、内側と外側の電極間の共振周波数の差
は全くなくなり、さらしこ内部インピーダンスも等しく
なって同一強度の振動振幅が得られ、しかも電極構成は
単純な共振特性が得られることで、他の余分な振動を発
生させない電極構造にできるため、従来では目的とする
周波数で駆動するために回路が複雑となっていたのが１
本発明では非常に簡単な回路構成での駆動が可能となる
。

実施例 以下本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。第１
図は本発明の一実施例における超音波モータの構成例を
示す。第１図において、１１は超音波振動が発生する円
環状または円板状のステータ（モータの駆動部）で、金
属あるいは非金属からなり、その周辺部表面にくし状凸
部１２を有しており１発生振動の１波長に対して所定数
のくし状凸部が割り当てられ、全円周を数波長となるよ
うに構成されている。１３はステータ１１に超音波振動
を発生させるための円環状または円板状の圧電体で、そ
の周辺部に電極部１４が形成されており、使用時にはこ
の圧電体１３は裏がえしにされてステータ１１に接合さ
れ、この圧電体１３とステータ１１とで振動体が構成さ
れる。１５は回転を取り出すためのロータで、ステータ
１１のくし状凸部１２との接触面に耐摩耗材１６が設け
られているゆ１７はモータ支持台で。

圧電体１３の電極部１４との接触面に超音波振動を伝え
ないための振動吸収、フェルト１８が設けられている。

　１９はセンターシャフト、２０は加圧ネジを示す。

第２図はステータ１１に圧電体１３が裏がえしにして接
合された振動体の拡大図を示す、圧電体１３の電極部１
４は同心円状に二組の超音波振動モードを発生させるよ
うに外側と内側にわけられ、外側の電極部を２１．２２
で示し、内側の電極部を２３．２４で示しており、Ｗ１
極２１．２２の組と電極２３．２４の組は周方向に互い
に９０”の位相差を設けて構成されている。また、電極
２１．２２はそれぞれ圧電体１３に垂直な＋、−の異な
った方向の分極を与え、電極２３゜２４も同様である。

モータ構成は電極２１．２２で一波長とする振動を発生
させ、同一周波数で電極２３゜２４にも電圧を印加する
。内側と外側の二つの超音波の結合モードが進行波を振
動体の周方向に回動させるようになり、これが超音波モ
ータの駆動力となってロータ１５が回転する。

この時、同心円状の内外の電極部による二組の超音波振
動の発生強度を等しくするために、外側の電極２１．２
２と内側の電極２３．２４の半径方向の長さを変えて、
外側より内側の方を大きくなるように構成するか、ある
いは、同心円状の外側の電極２１．２２と内側の電極２
３．２４に対するステータ部分の厚さを外側より内側の
方を薄くなるように構成するか、もしくは同心円状の外
側の電極２１．２２と内側の電極２３．２４の二つのモ
ードに対して異なる電圧で同一の超音波振動を発生レベ
ルを得るように、内側の方を外側より高い電圧で駆動す
る。

第３図は本発明の電極構成による共振特性を示し、横軸
に周波数を取り、縦軸に電流を取ってあり、Ａは外側電
極による特性曲線、Ｂは内側電極による特性曲線である
。これから、外側と内側とは同一周波数で共振している
ことがわかる。

比較のために、従来の構成例による共振特性を第４図に
示す。第４図は一枚上の左半分と右半分で発生するそれ
ぞれの相の共振特性を示し、これを第３図のものと比較
すると、第３図による共振特性の方が単純であることが
よく判る。このことは回路の簡単化に結びつき１本発明
の方が有利であることを示している。

第５図は本発明による超音波モータのトルク−回転数特
性並びに出力特性を示す。第５図の出力特性は入力電力
０．８Ｗに対して機械出力は０．２３Ｗであることを示
しており、モータ効率は３０％となる。この効率は従来
の構成例の２倍の値となっている。

本発明の構成例は外径３６φで、全体の振動体の高さは
４ｍｎ程度であり、このような形状の小型モータで効率
３０％が得られたことは、従来の電磁力による小型モー
タにも匹敵する値であり、超音波モータの欠点である効
率の低いことは本発明により克服されたと考えられる。

発明の効果 以上本発明によれば、超音波モータの振動系をステータ
の内側、外側に分割して、一枚の圧電体で超音波振動を
発生させることにあり、共振特性が非常に単純化され、
かつ高いモータ効率が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す超音波モータの分解斜
視図、第２図（ａ）　（ｂ）はステータと圧電体よりな
る振動体の拡大平面図及び側面図、第３図は本発明の超
音波モータの共振特性図、第４図は従来の構成による共
振特性図、第５図は本発明の超音波モータのトルク−回
転数ならびに出力特性図である。 １１・・・ステータ、１２・・・くし状凸部、　１３・
・・圧電体。 １４・・・電極部、１５・・・ロータ、１６・・・耐摩
耗材、　１７・・・モータ支持台、１８・・・振動吸収
フェルト代理人　　　森　　本　　義　　弘 第１図 第２図 ＩＪｊ４−−一肉ｌ［１１電後 （ｂ） 第５図 Ｊ−ＩＬ７（ｆｃｍ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、圧電体と金属あるいは非金属とを接合して振動体を
   構成し、これを駆動源とする超音波モータであって、振
   動体を円環形あるいは円板形の形状として、その周辺部
   表面に同心円状に二組の超音波振動モードを発生させる
   電極部を設け、その二組の電極部の振動モードの結合で
   進行波を発生させ、これを駆動源とするように構成した
   超音波モータ。 ２、同心円状の外側と内側の電極部の半径方向の長さを
   、外側より内側の方を大きくなるように変えることによ
   り、同心円状の二組の電極部による超音波振動の発生強
   度を等しくするように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。 ３、同心円状の外側と内側の電極部に対応する振動体ス
   テータの厚さを外側より内側の方を薄くすることにより
   、同心円状の二組の電極部による超音波振動の発生強度
   を等しくするように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。 ４、同心円状の外側と内側の電極部の二つのモードに対
   して同一の超音波振動の発生レベルを得るように内側の
   方を外側より高い電圧で駆動す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。