JPS63124780A - 多相駆動型超音波モ−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、楕円振動などの複合振動を発生する超音波振
動子によりロータ等の可動体を高い効率にて駆動する多
相駆動型超音波モータに関する。

従来の技術 一般に、超音波モータは楕円などの複合振動を行なう駆
動用共振体の駆動端面に、ロータなどの可動体の接合面
を軸方向に圧着し、摩擦により駆動力を発生させるもの
である。このような超音波モータの駆動用超音波振動子
としては、大別すると進行波形と定在波形とがある。こ
れらの内、定在波形のものには、例えば特公昭５９−３
７６７２号公報に示されている振動片型のものと、特開
昭６１−５２１６６号公報に示されている片持梁状ねじ
り変換子を備えたものとがある。ここに、前者の振動片
型は振動片とロータ接触部との摩耗が激しく騒音の発生
も大きいという欠点を有する。

これに対し、後者のねじり変換子を備えたねじり変換型
によれば振動片型に比べ接合面積が大きく、振動片型の
欠点を解決したものとして注目されている。

しかし、このようなねじり変換型は、その出力端部にお
ける振動姿勢がねじり変換子の形状によって一律に決ま
ってしまうものである。この結果、摩擦振動に最適な姿
勢への制御や回転方向を制御することは不可能であると
いう欠点を持つ。

このようなことから、軸方向振動とねじり方向（又は軸
と直角方向振動）とを、各々個別に駆動して両者の複合
振動を発生させることが考えられ、そのための手段ない
しは方法が本出願人により種々提案されている。例えば
、リニアモータ駆動も可能な特願昭６０−２５２５２６
号、たわみ振動と軸振動とを組合せた特願昭６０−２６
６１７号、ねじり振動と軸振動とを組合せた特願昭６１
−８１９２２号等がある。これらによれば、回転数や負
荷トルクあるいは回転方向などに応じて最適な楕円形状
などの振動姿態を電気的に制御して駆動することが可能
となっている。即ち、これらの特許出願による振動子は
、軸方向とねじり方向（又は軸と直角方向）との振動を
個別に駆動することができるため、各々の振幅と相対位
相とを制御することにより、多様な複合振動を得ること
ができるものである。

発明が解決しようとする問題点 ところが、このような超音波振動子により出力トルクを
大きく取ろうとすると、振動子の出力端面と可動体とを
必然的に大きな圧接力で圧着させなければならない。即
ち、モータとしての出力トルクは、振動子の出力端面と
可動体との軸方向圧着力に応じた接合面同志の摩擦係数
に依存するものであり、それ以上にはなり得ないもので
ある。

しかして、超音波モータは低速度、大トルクの効果を得
ることができる点に最大の特徴を持つ。

そこで、出力トルクを大きくするために加圧力を増大さ
せると、遂には接合面同志が振動の全周期に渡って離れ
なくなる。この結果、ロータなどの可動体の移動速度が
極めて低下し、送り方向の駆動損失が増大して駆動効率
が著しく低下してしまうという問題がある。

このような現象を第１２図及び第１３図を参照して説明
する。まず、第１２図において、１は静止状態の可動体
であり、２は静止状態の超音波振動子の出力端面である
。そして、カーブＡは出力端面２の軸方向における時間
的変位を表し、カーブＢは可動体１と出力端面２との軸
方向圧着力Ｐの時間的変位を示すものである。又、−点
鎖線のカーブＡ′は可動体１が存在しない状態における
出力端面２の変位を示す。一方、第１３図は振動子出力
端面２の楕円の振動姿態と可動体ｌとの接合状態を示す
。図中、出力端面２の楕円振動が矢印の方向に回転して
いる時の送り方向を矢印３で示す。

しかして、第１２図（ａ）及び第１３図（ａ）に示す状
態は、静止状態にて可動体１と出力端面２との接合面が
離れているものであり、超音波振動により出力端面２が
カーブＡのように変位する状態を示す。この結果、Ｅ、
Ｆ間の期間Ｃでは可動体１と出力端面２との接合面が圧
着され、圧着力ＰがカーブＢのように発生している。そ
して、Ｆ点で両者は離れる。ここに、両者が接触してい
る期間Ｃでの可動体１の送り方向の速度変化は少ないの
で、はぼ最大速度で駆動される。しかし、圧着力Ｐが小
さいため摩擦力が小さく、出力トルクが極く僅かしか取
れない駆動状態である。

次に、第１２図（ｂ）及び第１３図（ｂ）に示す状態は
、静止状態にて可動体１と出力端面２との接合面が接触
している状態である。この場合、超音波振動の半周期（
期間Ｃ）は可動体１と出力端面２との接合面が加圧状態
にある。このため、接合時の圧着力Ｐが増加しているた
め出力トルクは増加する。しかし、接合期間Ｃ内での駆
動方向瞬時速度が変化するために接合面のスリップが生
じ始め、駆動速度がやや低下するものとなる。

更に、第１２図（Ｃ）及び第１３図（Ｃ）に示す状態は
、静止状態にて可動体１と出力端面２とが予圧力Ｐ′で
加圧されている状態を示す。この場合には、僅かな期間
りだけ両者が離れ、大部分の期間Ｃでは両者が接合して
いることとなる。従って、圧着力Ｐも大きいので、出力
トルクも急激に大きくなる。しかし、接合期間Ｃ内での
駆動方向の振動速度の変化が大きく、瞬時速度はゼロ及
びマイナスも存在するので、スリップによる損失が増加
し、回転数も一段と低下してしまうものである。

そして、第１２図（ｄ）及び第１３図（ｄ）に示す状態
は、可動体１と出力端面２とが振動状態における全ての
周期において、接触状態にあるように、予圧力Ｐ′を設
定した場合を示す。この場合には、接合面が常に密着し
ているためスリップによる損失が急激に増加し、回転数
が激減することとなる。

この状態で軸方向振幅を増加してゆくと、両者の接合が
離れる瞬間を生じ、駆動速度が上がって行きスリップに
よる損失は減少する。しかし、軸方向の振幅を上げると
ともに、ロータ等の可動体ｌの異常共鳴によるビビリ現
象が発生し易くなる。

この結果、不安定な接合状態となり、出力トルクは減少
してしまうこととなる。このように振動により発生する
圧着力によって可動体１が逃げてしまい、接合面間に充
分な圧着力が得られないのである。

即ち、従来の接合状態での問題点をまとめてみると、以
下のような点を列挙できる。

■　加圧力を大きくしないと、接合面の摩擦係数に係る
出力トルクを大きく取ることができない。

■　一方、加圧力が大きいと、接合時の速度差や逆方向
駆動によるスリップにより駆動損失が増加するとともに
、駆動速度も低下する。

よって、離れる期間を作るための軸方向振幅は相当量大
きくする必要がある。

■　軸方向振幅を大きくする程、出力トルクには無効な
軸方向駆動損失が増加し、全体の効率が低下する。又、
異常共鳴振動を発生し出力トルクが低下する。

つまり、このように互いに相反する条件があるため、最
適な駆動を行ない難い状況にあるものである。

問題点を解決するための手段 まず、可動体に対し、この可動体の駆動方向に対して各
々同一方向に楕円振動する出力端面を備えて複数の超音
波振動体を設け、それらの出力端面を可動体に圧着させ
る。そして、各超音波振動体に対しては駆動用のドライ
バを各々設ける。しかして、これらのドライバを制御し
て複数の超音波振動体の出力端面の振動位相を可動体の
駆動方向に対して順に３６０°／ｎ　（ｎは２以上の整
数）ずつ、例えば１２０°ずつずらして発生させる位相
制御手段を設ける。

作用 各々の超音波振動体の楕円振動する出力端面ば、３６０
°／ｎずつずれた振動位相となるので、少なくとも軸方
向に伸びた半周期以下の期間において可動体と圧着され
る。従って、少なくとも可動体の駆動と反対方向の楕円
振動期間は確実に可動体から離反して駆動される。これ
により、加圧力を大きくしても離反期間の存在により逆
方向のスリップによる損失と摩耗は減ることとなる。こ
の際、何れかの出力端面が可動体に常に接合しているの
で大きな駆動力が得られる。このようにして相反する条
件が満足される。更に、駆動する相ｎを増やすに従い、
可動体と超音波振動体との接合は楕円振動の頂点付近の
短い期間となって等速度駆動となり、接合面のスリップ
がなくなる。

実施例 本発明の一実施例を第１図ないし第１１図に基づいて説
明する。まず、第１図及び第２図を参照して本発明の原
理について説明する。一般に、軸方向振動と、ねじり方
向振動（又は軸と直角方向振動）との合成複合振動する
超音波振動体の出力端面を可動体に圧着させて駆動する
ものにおいては、超音波振動体の振動を停止させると接
合面間の摩擦力により、軽い力では可動体を動かすこと
はできない。ここに、超音波振動体に軸方向振動を与え
ると可動体を容易に手で動かすことができる。しかし、
楕円振動を与えた場合には駆動方向に力強く駆動され、
手で反対方向に動かすことは容易ではない。ということ
は、楕円振動時においても、離れている期間の自由度は
軸方向振動時のそれと同じはずであるので、接合時の瞬
時駆動力は更に強く、離反している期間の自由度を補っ
て見掛は上の駆動力が現れていることとなる。従って、
この時の見掛は上の駆動力はかなり減少しているため、
再接合面の離れている期間がないと、更に強い駆動力が
得られるのである。

そこで、例えば第１図に示すように可動体４に対し、こ
の可動体４の進行方向に楕円振動する出力端面５ａ〜８
ａを備えた複数の超音波振動体５〜８を圧接させて設け
る。そして、これらの出力端面５ａ〜８ａの振動位相を
順に１８０°　（＝３６０’／２）ずつずらして駆動、
即ち２相駆動させる。より詳細には、第１図は１８０°
ずつ順次振動位相をずらして駆動した時の各出力端面５
ａ〜８ａの振動波形について、瞬時位置を点で、振動方
向を矢印で各々示したものである。そして、第１図（ａ
）（ｂ）（ｃ）は順に時間的に１／４周期ずつ経過した
時の様子を示すものである。なお、各楕円振動姿態は、
可動体４と接合している時もつぶれないものとして図示
しである。つまり、超音波振動体５に対し超音波振動体
７は同相、超音波振動体６，８は逆相となる状態で駆動
されて２相駆動となるものである。そして、第１図（ａ
）の状態では超音波振動体５，７の出力端面５ａ、７ａ
が可動体４に接合し超音波振動体６，８側は離反してい
る。しかし、１／４周期後の同図（ｂ）の状態では出力
端面５ａ〜８ａ全部が可動体４に接合する。そして、１
／４周期後の同図（Ｃ）の状態では超音波振動体５，７
側が離反し超音波振動体６゜８の出力端面８ａ、８ａが
可動体４に接合する。

このような接合・離反を交互に繰返すものである。

このような接合面の時間的推移は、第２図に示すカーブ
９のようになる。即ち、２相交流の両波整流された出力
波形と同様となるものである。

このような駆動方式によれば、加圧力を大きくしても、
少なくとも半周期間は可動体４から確実に離反する期間
が存在して逆方向のスリップによる損失と摩耗を減らす
ことができる。更に、可動体４に対し出力端面５ａ〜８
ａ中の何れかが常に接合しているので大きな駆動力が得
られることとなる。

第１図及び第２図は振動位相を順に１８０°ずつずらし
て２相駆動した場合であるが、１２０゜（＝３６０°／
３）ずつずらして３相駆動させても同様である。第３図
及び第４図はこのような３相駆動の場合の原理を示すも
のである。即ち、第３図では可動体４に対し、二の可動
体４の進行方向に楕円振動する出力端面１０〜１５ａを
備えた複数の超音波振動体１０〜１５を圧接させて設け
る。そして、これらの出力端面１０ａ〜１５ａの振動位
相を順に１２０°ずつずらして駆動、即ち３相駆動させ
る。より具体的には、第３図は１２０″ずつ順次振動位
相をずらして駆動した時の各出力端面１０ａ〜１５ａの
振動波形について、第１図の場合と同様に瞬時位置を点
で、振動方向を矢印で各々示したものである。そして、
第３図（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は順に時間的に１／６
周期ずつ経過した時の様子を示すものである。なお、こ
の場合も各楕円振動姿態は、可動体４と接合している時
もつぶれないものとして図示しである。つまり、超音波
振動体１０．１３同志が同相、超音波振動体１１．１４
同志は１２０°進みの同相、振動体１２，１５同志は更
に１２０’進みの同相となる状態で駆動されて３相駆動
となるものである。

これにより、各々の超音波振動体の対が１／３周期の接
合と２／３周期の離反とを交互に繰返すのである。この
ような接合面の時間的推移は、第４図に示すカーブ１６
のようになる。即ち、３相交流を整流した出力波形と同
様となるものである。

そして、第３図による場合には、少なくとも２／３周期
間は確実に離反する期間が存在する。

このような原理説明からも判るように、隣合う出力端面
の振動位相のずれが１８０’、１２０’、９０’　　（
＝３６０’　／４）、７２’　　（＝３６０”１５）、
〜と少なくなるにつれて、即ち駆動する相ｎが多くなる
につれて、各々の出力端面のロータとの接合期間が短く
なるとともに、接合期間中での速度の違いが少なくなり
、円滑な駆動となる。

しかし、駆動電源の相が多くなり複雑化するので、実際
的にはｎ＝３とし、１２００ずれの３相駆動が最も好ま
しい。

しかして、第５図ないし第１１図に隣合う超音波振動体
の振動位相を互いに１２０°ずつずらして駆動させる超
音波モータとしての実際的な実施例を示す。

まず、第７図に示すような電歪素子１７が設けられてい
る。このような電歪素子１７は１２枚の扇状ブロック素
子１８よりなるものである。各扇状ブロック素子１８は
厚み方向に分極された電歪素子の一方の面には絶縁部１
９により２分割されて対となる電極２０が形成され、他
面には共通電極２１が形成されているものである。この
ような扇状ブロック素子１８は層方向に環状に配列され
るものである。又、各扇状ブロック素子１８の中心部に
は孔２２が形成されている。このような扇状ブロック素
子１８が１２枚円周上に組合わされて１枚の電歪素子１
７が構成されるものである。

なお、扇状ブロック素子１８としては、第８図に示すよ
うな分離させることにより２分割された対となる電極２
０を持つものとさせてもよい。

一方、このような電歪素子１７の形状に対応してリング
状とされた電極板２３が設けられている。

第９図はこのような電極板２３の一部を示すものである
。この電極板２３は前記電歪素子１７の各電極２０に相
当する形状を有し、各々端子２４を有する電極部２５が
形成されている。そして、対となる各々の電極部２５の
中心には１２個の孔２６が形成されている。つまり、こ
のような端子２４及び孔２６を形成したガラスエポキシ
薄板の両面に銅箔を貼ったプリント基板よりなるもので
ある。

このような電極板２３は２枚の電歪素子１７間に介在さ
れる。即ち、２枚の電歪素子１７をその対となった電極
２０側を、間に電極板２３を挾んで向い合せ、その両面
より金属材２７と１２個の超音波振動体２８〜３９とを
接合し、１２本のボルト４０により一体的に締着するも
のである。ここに、前記金属材２７は有底円筒状に形成
されたもので、中心孔４１と径小座ぐり部４２及び径大
座ぐり部４３を持ち、周方向に均等に１２個の軸方向の
貫通孔４４を持つものである。又、前記１２個の超音波
振動体２８〜３９は前記扇状ブロック素子１８に合せて
周方向に均等に分割され、その一方の中心部に前記ボル
ト４０用の雌ねじ４５が形成されたものである。ここに
、このような各超音波振動体２８〜３９の形状は、軸方
向振動とたわみ方向振動との各々の振動子振幅の拡大と
、ロータに圧着して駆動された時の各々の周波数が一致
するように構成されている。このようにして、第６図に
示すような超音波振動子４６が構成されている。

次に、このような超音波振動子４６中の各対となる各々
の端子２４を円周方向に２つ置きに並列に接続し、各々
よりリード線４７．４８の対、４９．５０の対、５１．
５２の対を引出し、各対毎に第１１図に示すドライバと
しての駆動ユニット５３．５４．５５に接続する。５６
は共通電極２１から引出されたアース用リード線である
。即ち、超音波振動体２８〜３９で考えると、例えば第
１０図に斜線を施して示す４個の超音波振動体２８゜３
１．３４．３７が対とされ、他のものについても同様に
超音波振動体２９，３２，３５．３８が対とされ、超音
波振動体３０，３３，３６．３９が対とされている。

ここで、駆動ユニット５３，５４．５５の構成につき、
駆動ユニット５３を例にとり説明する。

この駆動ユニット５３は軸方向成分とねじり方向成分（
この場合は、たわみ方向成分と同じ）を各々分担するア
ンプ５７．５８と、各成分間の位相を合せるための移相
器５９とが設けられ、信号発生器６０に接続されている
。又、各成分間の出力レベルはユニット５３，５４．５
５間で連動して制御できるように構成されている。この
ような駆動ユニット５３の動作原理については１本出願
人が既に提案した特願昭６１−９１８８０号の中で詳細
に述べられているものであるが、ここでも簡単に説明す
る。

まず、軸方向駆動アンプ５７の出力を零としておく。こ
の状態でたわみ方向駆動アンプ５８の出力を印加すると
、出カドランス６１の出力電圧はアースに対し互いに逆
相となって端子６２．６３に印加される。そこで、信号
発生器６０の周波数をたわみ共振点に合せると、この駆
動ユニット５３が接続されている周方向に２つ置きの超
音波振動体、例えば第１０図中に斜線を施して示す４つ
の超音波振動体２８，３１，３４．３７はたわみ振動し
、これによって各々の出力端面２８ａ、３１　ａ、　　
３４　ａ、　　３７　ａは強力にたわみ共振振動する。

次に、たわみ駆動アンプ５８の出力を零とする。

この状態で軸方向駆動アンプ５７の出力を印加すると、
端子６２．６３には出カドランス６１，６４の２次コイ
イルを通じて同じ電圧が印加される。

そこで、信号発生器６０の周波数を軸方向共振点に合せ
ると、例えば前述した２つ置きの超音波振動体２８，３
１，３４．３７はその出力端面２８ａ、３１ａ、３４ａ
、３７ａに最大振幅を持って軸方向に共振振動する。

更に、両出力を持って移相器５９を９０°として駆動さ
せると、超音波振動体の出力端面ばそれらの出力による
振動が複合されて楕円振動を行なうものである。又、そ
の相対位相を反転させると、楕円振動の回転方向が反転
して振動する。

駆動ユニット５４．５５も同一構成からなるものである
が、各ユニット間の位相を１２ｏ°ずつずらすため、駆
動ユニット５４は位相制御手段としての１２０°移相器
６５を介して信号発生器６０に接続され、駆動ユニット
５５も位相制御手段としての２４０°移相器６６を介し
て信号発生器６０に接続されている。

このような３組の駆動ユニット５３，５４．５５を用い
、各ユニット間の相対位相を１２０°ずつずらして駆動
すれば、超音波振動子４６の各超音波振動体２８〜３９
の出力端面は同じ方向であって１２０°ずつ位相のずれ
た楕円振動を行なう。

そこで、このような超音波振動子４６の出力端面２８ａ
〜３９ａに可動体としてのロータを圧着させれば、各超
音波振動体２８〜３９の出力端面２８ａ〜３９ａの相対
的な振動姿態は第３図及び第４図で説明した場合に準じ
、１／３周期ずつ４個ずつの超音波振動体が一組となっ
てその出力端面が順次接合してロータ回転方向の駆動力
を発生する。

しかして、このような超音波振動子４６を用いた超音波
モータ６７は例えば第５図のように構成される。まず、
モータケーシング６８が設けられている。このようなモ
ータケーシング６８内に超音波振動子４６が装着される
ものであるが、その金属材２７の径小塵ぐり部４２に設
けられたベアリング６９を経て可動体としてのロータ７
０のシャフト７１が回動自在に通されている。又、この
シャフト７１の端部には雄ねじ７２が形成され、ナツト
７３が螺合されるものであるが、このシャフト７１周り
にスラストベアリング７４とコイルばね７５とが設けら
れていることにより超音波振動子４６の各超音波振動体
２８〜３９の出力端面２８ａ〜３９ａがロータ７０加圧
接合するように構成されている。又、超音波振動子４６
自体はモータケーシング６８の一部と金属材２７の外周
部との間でのねじ締めにより固定されている。そして、
シャフト７１の出力側はベアリング７６によりモータケ
ーシング６８に対して回動自在に保持されている。

なお、本実施例では円周方向に回転する超音波モータ６
７として説明したが、複数の超音波振動体を直線状に配
列して可動体を直線状に駆動させるリニアモータとして
も構成することができる。

又、このような運動は相対的なものであるので、本来の
可動体は固定とし、超音波振動子側を可動体として構成
することもできる。

発明の効果 本発明は、上述したように可動体に対し複数の超音波振
動体を圧着させて設けるが、これらの振動体の出力端面
は可動体駆動方向と同一方向に楕円振動するものとし、
これらの出力端面の振動位相を位相制御手段によって可
動体の駆動方向に順に３６０’／ｎずつずらして発生さ
せるようにしたので、可動体と出力端面との間の圧着力
を大きくしても、各々の振動体の出力端面は少なくとも
半周期以上は離反した状態が確保されることとなり、逆
方向駆動によるスリップ損失が無くなり、駆動効率が向
上するともに、摩耗も著しく減少して長寿命化を図るこ
とができ、更に、可動体に対しては何れかの振動体の出
力端面が常に接合しており全体としては浮いている自由
期間が無くなり、強力なる駆動トルクを得ることができ
るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第１１図は本発明の一実施例を示すもので
、第１図は２相駆動力式の原理を示す可動体と楕円振動
する出力端面との関係を示す特性図、第２図はその連続
波形図、第３図は３相駆動力式の原理を示す可動体と楕
円振動する出力端面との関係を示す特性図、第４図はそ
の連続波形図、第５図は超音波モータ全体の縦断側面図
、第６図は超音波振動子全体の外観斜視図、第７図は電
歪素子構造を示す斜視図、第８図はその変形例を示す斜
視図、第９図は電極板構造を示す斜視図、第１０図は振
動体配置を示す説明図、第１１図は回略図、第１２図は
従来の超音波モータにおける軸方向振動と軸方向圧着力
との関係を示す特性図、第１３図は可動体と楕円振動を
する出力端面との関係を示す特性図である。 ４・・・可動体、５〜８・・・超音波振動体、５ａ〜８
ａ・・・出力端面、１０〜１５・・・超音波振動体、１
０ａ〜１５ａ・・・出力端面、２８〜３９・・・超音波
振動体、２８ａ〜３９ａ・・・出力端面、５３〜５５・
・・駆動ユニット（ドライバ）、６５・・・１２０°移
相器（位相制御手段）、６６・・・２４０°移相器（位
相制御手段）、７０・・・ロータ（可動体）出　願　人
　　　多賀電気株式会社 ご不」　図 、％３Ｚ図 工□ ３３図 （Ｃ）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　（ｃｔン手続補正書軸発） 昭和６２年　１月　５日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、可動体と、この可動体の駆動方向に対して各々同一
   方向に楕円振動する出力端面を備えて前記可動体に圧着
   させた複数の超音波振動体と、これらの超音波振動体を
   駆動する複数のドライバと、これらのドライバを制御し
   て前記複数の超音波振動体の出力端面の振動位相を前記
   可動体の駆動方向に対して順に３６０°／ｎ（ｎは２以
   上の整数）ずつずらして発生させる位相制御手段とを設
   けたことを特徴とする多相駆動型超音波モータ。 ２、ｎが２、３又は４の何れかであることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の多相駆動型超音波モータ。 ３、可動体をロータとし、軸方向振動とたわみ方向振動
   とによる楕円振動を発生する複数の超音波振動体を前記
   ロータの周方向に沿わせて配置したことを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の多相駆動型超音波モータ。 ４、軸方向振動とたわみ方向振動とによる楕円振動を発
   生する複数の超音波振動体を直線状に配置し、可動体の
   駆動方向を直線状としたことを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の多相駆動型超音波モータ。 ５、可動体を固定し、複数の超音波振動体を相対的に可
   動体としたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の多相駆動型超音波モータ。