JPS63124785A - 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、例えば密閉された容器内に回転動力を伝達す
る詔音波モータに関する。

従来の技術 超音波モータは、楕円などの複合振動する駆動面に対向
させてロータ等の回転体を押圧し、超音波振動を移動力
に変換するものであり、近年急速に実用化が進められて
いる。

このような超音波モータの駆動源である超音波振動体の
共振姿態としては、定在波振動型と進行波振動型とに大
きく分類される。この内、定在波振動型としては、特開
昭６１−５２１６６号公報に示されるような片持梁状ね
じり変換子を備えたものや、本出願人提案の特願昭６１
−８１９２２号に示されるように振動姿態を電気的に制
御できるようにしたものがある。

今、−例として、特開昭６１−８１９２２号方式の振動
子を用いて超音波モータを構成した場合を第５図を参照
して説明する。まず、振動子１は円環状に形成された縦
振動用電歪素子２，３とねじり振動用電歪素子４，５と
を具備する。ここに、縦振動用電歪素子２，３は厚さ方
向に分極を施したものであり、厚さ方向に電界を印加す
ることにより軸方向に伸縮振動が発生するものである。

−方、ねじり振動用電歪素子４．５は周方向に分極を施
したものであり、厚さ方向に電界を印加することにより
周方向にすベリ振動が発生するものである。

ここに、このようなねじり振動用電歪素子４゜５は、従
来公知の構成のものでよいが、ここでは本出願人により
提案されている特願昭６１−２０２４４０号によるもの
を第６図乃至第８図に示す。

まず、第６図は電歪材料をその厚さ方向に直角に矢印で
示すように分極した後、扇状にカットし。

厚さ方向の両面に電極６を設けてなるブロック状電歪素
子７を示す。次いで、第７図にはこのようなブロック状
電歪素子７を装着する枠体８を示す。

この枠体８は正八角形の外周縁部９を有し、この外周縁
部９の各屈曲部から中心方向に一定長さの隔壁１０を一
体的に形成してなる。このような枠体８の各隔壁１０内
に８個のブロック状電歪素子７を装着する。この際、第
８図に示すようにこれらのブロック状電歪素子７の分極
方向が同一の周方向に向けて揃うように配列させて組立
る。このようにして、ねじり振動用電歪素子４，５が形
成される。

そして、電歪素子２，３，４．５については、厚さ方向
に電界を印加するために、各々隣接する素子間には電極
板１１，１２．１３が挿入されている。又、電歪素子２
と金属部材１４との間には共通電極板１５が挿入されて
いる。ここに、金属部材１４の外周部には小径部１６が
形成され、外端部軸中心に浅い座ぐり１７と雌ねじ１８
が形成されている。又、内端部には雌ねじ（図示せず）
が形成されている。そして、他端側の金属部材１９にも
中心孔と座ぐりが形成され、締着ボルト（図示せず）に
より金属部材１９．１４間の部材が全て一体的に締着さ
れ、振動子１が構成されている。ここに、２０が出力端
部となる。

このような振動子１の雌ねじ１８に螺合するボルト２１
によりロータ２２を出力端部２０上に取付ける。この際
、ボルト２１軸上にはばね２３とスラストベアリング２
４が介在され、ロータ２２を加圧圧着させる。ここに、
前述した金属部材１４の小径部１６は、軸方向とねじり
方向との共振周波数を一致させるために形成したもので
あり、より好ましくはこのようにロータ２２を圧着し適
切な軸方向振動を与えた時に各々の周波数が一致するよ
うに予め構成される。

このような振動子１とロータ２２とを含むモータ構成の
下、真中の電極板１２を共通電極板１５に接続すること
により、駆動電源の共通端子に接続する。そして、電極
板１１には軸方向駆動電源を接続し、電極板１３には軸
方向駆動電源との相対位相を制御できるねじり方向駆動
電源を接続する。そして、各々の振幅及び相対位相を制
御することにより、振動子１の出力端部２０の周上点が
第９図（ａ）〜（ｇ）に示すような振動姿態を取るよう
にさせる。即ち、電極板１１に接続された軸方向駆動電
源により最大の回転トルクが得られる軸方向振幅に設定
した後（第９図（ｄ）の状態）、電極板１３に対するね
じり方向駆動電源の振幅制御により、第９図（ｅ）（ｆ
’）（ｇ）あるいはこれと逆に同図（ｃ）（ｂ）（ａ）
の如く、振動姿態を制御してロータ２２の回転速度及び
回転方向を制御するのである。

このような振動子１は、出力端部２ｏの全周をロータ２
２との接合に使用できるので、大きなトルクが得られる
ものとなる。

発明が解決しようとする問題点 ところで、超音波モータの大きな特徴は、低速度・大ト
ルクを得ることができる点にある。このような強力な大
トルクを得るためには、振動子の出力端部とロータとの
接合面には必然的に大きな圧着力を作用させる必要があ
る。

このような状況下では、接合面に用いられている材料は
、強い加圧の下での摩擦による駆動と、摺動の高速の繰
返しとにより、こじられるという非常に苛酷な状態の下
に置かれることとなる。従って、このような接合面の材
料については特開昭６０−２００７７８号公報等によっ
ても検討されている。しかし、摩擦係数の大きな金属、
例えば銅などにより形成したロータを、アルミナのよう
な硬度の大きなせセラミックス材料を接合面に備えてな
る振動子により接合駆動させると、強力なトルクは得ら
れるものの、銅の接合面は微細な極く薄い膜状片に削り
取られて銅の表面が著しく摩耗してしまう。又、アルミ
ニウム、黄銅、チタン、鉄、ステンレス及びこれらの合
金など非鉄系、鉄系を問わず、他の金属材料においても
同様に、その接合面が削り取られることにより発生する
粒子が、更に次の削り取りを促進し、面の荒れを拡大す
る。そして、遂には接合面同志がかじって回転停止に追
い込まれてしまうものである。このような摩耗の状態は
、接合する材料によって異なり、種々の摩耗跡を残して
接合面を荒れさせるのである。又、各々の面が金属同志
の場合には、更に著しく、僅かな時間で駆動不能となっ
てしまう。

問題点を解決するための手段 ロータと、複合振動する駆動面をロータに圧着させた超
音波振動子とを備えた超音波モータにおいて、駆動面と
ロータとの間に高張力で可撓性を有し摩擦係数の大きい
弾性薄膜を設ける。

作用 圧着状態の駆動面とロータとの間に設けた弾性薄膜は、
高張力で可撓性があり、かつ、摩擦係数が大きいので、
駆動面ないしはロータ表面の僅かな突起による局部的な
応力があっても分散して受ける。よって、振動の伝達に
際して互いに相手を傷つけない状態となる。この際、弾
性薄膜は薄膜構成により薄いので、駆動面側からロータ
側への動力の伝達も確実に行なわれる。これにより、円
滑な回転の下で大きな駆動トルクが得られる状態で駆動
される。従って、接合面の軸に僅かな不整合があっても
、これを修正してビビリや共鳴などの障害も除去される
。又、このような弾性薄膜は駆動面とロータとの間の接
合面の問題だけでなく、弾性薄膜を大きめに形成するだ
けで、駆動側とロータ側とを雰囲気的に隔離することも
可能である。

これにより、例えば密閉された容器内に回転動力を伝達
することも簡単である。

実施例 本発明の第一の実施例を第１図に基づいて説明する。本
実施例は、超音波振動子３ｏの複合振動する駆動面３１
とロータ３２との間に弾性薄膜３３を介在させて圧着さ
せたものである。前記超音波振動子３０は例えば第５図
に示した振動子と同様のものであり、その駆動面３１は
軸方向振動とねじり方向振動とにより楕円などの複合振
動をするものである。

ここに、弾性薄膜３３は例えば高張力と摩擦係数の大き
な耐熱性に優れたポリイミド樹脂よるもので、その厚さ
は２００μｍ以下、本実施例では５０μｍとされている
。又、ロータ３２は焼入れ鋼からなるもので、ラップ研
磨した後、鏡面研磨してその平面度を例えば０．５μｍ
、面粗さを０．２μｍに仕上げてなるものである。そし
て、超音波振動子３０はジュラルミンによるものである
が、同様にラップ研磨してその駆動面３１の平面度を０
゜５１ｍに仕上げてなるものである。つまり、鏡面仕上
げのロータ３２表面に比べると粗いものである。

このように駆動面３１とロータ３２との接合面間に弾性
薄膜３３を介在させて駆動させる時の動作原理について
説明する。まず、硬く靭性のある金属やセラミックス同
志やそれらの組合せ或いは一方をそれより低靭性の金属
面として強く摺動させると、その表面の細かな凹凸によ
って全面が均一には接合しない。そして、その僅かな突
起によって相手側表面に傷を与えて細かい粒子を発生さ
せる。この結果、前述したようにこれらの粒子が更にそ
の表面を傷つけて表面の荒れが次第に拡大することとな
るものである。

これに対し、高張力で可撓性があり摩擦係数の大きな樹
脂、紙、ゴム等の弾性膜は、相手表面の僅かな突起によ
る局部的な応力を分散して受けることとなる。このため
、摺動接合面に弾性膜を介在させれば表面は傷を受は難
く、かつ、発生した微粒子は互いに相手を傷つけないこ
ととなる。しかも、このような弾性膜は表面が平滑状態
での摩擦係数が金属などの高靭性材料の摩擦係数に比べ
て高いので、−層有利である。このようなことから、本
実施例では高張力で可撓性のある弾性薄膜３３を金属や
セラミックス等の摺動接合面間、即ち駆動面３１とロー
タ３２との間に介在させるものである。

しかるに、このような弾性膜であっても、その膜厚を超
音波振動子３０の軸方向振動振幅に比べて著しく厚くし
た場合を考えると次のような不都合を生ずる。例えば振
動振幅が通常用いられる範囲内の５μｍｐ−ｐとした時
に、接合面に介在させる弾性膜の膜厚を０．５ｍｍ（＝
５００犀ｍ）とすると、振動は膜厚によって吸収されて
反対側のロータ３２の接合面に伝達されない。即ち１弾
性膜が厚さ方向に変形して振動を吸収してしまい、振動
応力としてロータ３２側まで伝達させることができない
。このことは、ねじり方向振動についても同様であり、
弾性膜がすベリ応力を吸収してしまう。

これは、膜厚が５００μｍの弾性膜が５　、ｍｐ−ｐ（
＝２、　５μｍ）の片幅振動の圧力を受けた時、僅かに
０．５％の変形でしかないので容易に吸収されてしまう
のである。

そこで、弾性膜の膜厚を例えば５０μｍと薄くすると、
その変形は５％となり、材質によっては容易に吸収でき
る範囲を越えてしまうので、膜裏面側にも振動応力が伝
達されることになる。従って、弾性膜は高張力で耐摩耗
性があり摩擦係数の大きな材料であって、その膜厚が薄
い程よいことが理解される。

このようなことから、本実施例では駆動面３１とロータ
３２との間に介在させる弾性薄膜３３について上述のよ
うにその材質、膜厚等を定めるものである。これにより
、例えば第１図において、超音波振動子３０を軸方向２
．　５ａｍｐ−ｐ　、ねじり方向５　、ｍＰ−１）の楕
円振動にて駆動させると、ロータ３２は強力に回転し、
連続負荷駆動にても弾性薄膜３３の損傷は僅かなものと
なったものである。

又、このような動作に際して弾性薄膜３３は超音波振動
子３０とともに静止しており、この超音波振動子３０と
一体となってロータ３２の接合面を摩擦駆動するもので
ある。つまり、ロータ３２と弾性薄膜３３との間で相対
運動がなされる。これは、駆動面３１をラップしたまま
の粗さとし、この駆動面３１に弾性薄膜３３を接合させ
たため、この弾性薄膜３３に食い込み一体となって振動
するからである。

なお、第１図において超音波振動子３０とロータ３２と
の仕上げ状態（粗さ）を逆としてもよい。

即ち、ロータ３２の表面はラップしたままとして粗くし
、超音波振動子３ｏの駆動面３１の表面は鏡面研磨した
ものとし、両者間に弾性薄膜３３を介在させるというも
のである。この場合には弾性薄膜３３はロータ３２側と
一体となって回転し、駆動面３１と弾性薄膜３３が相対
運動することとなる。つまり、超音波振動子３０の駆動
面３１によって弾性薄膜３３を駆動するものとなる。

つづいて、本発明の第二の実施例を第２図により説明す
る。本実施例は、超音波振動子３０の駆動面３１とロー
タ３２の表面との双方をラップ研磨して平面度の高い状
態に仕上げ、各々の面上に弾性薄膜３３ａ、３３ｂを接
合させて設けるようにしたものである。つまり、２枚の
弾性薄膜３３ａ、３３ｂを駆動面３トロ一タ３２間に介
在させたものである。そして、駆動は２枚の弾性薄膜３
３ａ、３３ｂ間の摩擦、つまり両者間の相対運動を利用
するものである。本実施例は２枚の弾性薄膜の摩擦係数
が、弾性薄膜と金属材との間の摩擦係数よりも大きい場
合に有効である。

更に、本発明の第三の実施例を第３図及び第４図により
説明する。本実施例は、基本的には第一の実施例と同様
とするものであるが、駆動面３１とロータ３２との接合
面の面積より広い面積を有する弾性薄膜３３を介在させ
たものである。そして、このような弾性薄膜３３がラッ
プしたままの駆動面３１と一体となって、ロータ３２を
圧着駆動するものである（つまり、弾性薄膜３３とロー
タ３２とが相対運動をする）。

このような大きめの弾性薄膜３３を用いれば、第４図に
示すように密閉された容器３４内に回転動力を伝達させ
ることができる。即ち、密閉された容器３４の口３５部
分に軸受３６を介してロータ３２を回動自在に保持させ
る。そして、弾性薄膜３３はリング状の押え部材３７及
びねじ３８により容器３４に固定される。つまり、接合
面間を圧着させるために第５図のようにロータを貫通す
るボルトを用いるものではなく、互いに軸を中心として
圧着する機構によって構成されている。

このような構成において、容器３４外に配置させた超音
波振動子３０を駆動させることにより、その駆動面３１
から弾性薄膜３３を介してロータ３２に回転動力を伝達
するものであり、弾性薄膜３３が容器３４内外を密閉す
ることとなる。従って、容器３４内は外気と隔離された
雰囲気、例えば不活性ガス雰囲気中での駆動や、高温或
いは低温下での駆動などのように、外気と完全に遮断さ
れた状況中での回転駆動を容易に行なわせることができ
る。

なお、これらの実施例では弾性薄膜３３（３３ａ、３３
ｂの場合も含む）としてポリイミド樹脂による樹脂薄膜
の場合で説明したが、この他、エポキシ、ポリカーボネ
イト、フェノールなどの樹脂材料、更にはコート紙や和
紙などの紙材料、又はウレタン、シリコンなどのゴム材
料により弾性薄膜３３を形成した場合も同様の効果が得
られたものである。

特に、第４図に示すように密閉容器内への動力伝達の場
合には、内外の圧力差等による弾性薄膜３３の損傷を防
止するため、この弾性薄膜３３としてはアモルファス等
の高強度金属材料の両面に上述した樹脂等の材料をラミ
ネートしたものでもよい。或いは、ガラスファイバーや
カーボンファイバーなどの高強度ファイバーで補強した
ものでもよい。又、弾性薄膜３３と駆動面３１又はロー
タ３２とは接着又はコーティングなどにより一体化した
ものであってもよい。

更には、本実施例では第５図に示したようなものを前提
として軸方向振動用電歪素子とねじり方向振動用電歪素
子とを備えた超音波振動子３ｏの例で説明したが、本発
明はこのような振動子に限らず、要は駆動面３１に複合
振動を発生し得る全ての超音波振動子を用いてロータ３
２を駆動するものに適用できる。

発明の効果 本発明は、上述したように圧着状態の超音波振動子の駆
動面とロータとの間に、高張力で可撓性を有し摩擦係数
の大きい弾性薄膜を設けたので、圧着駆動する駆動面と
ロータとの接合面に荒れを生ずることなく動力を伝達さ
せることができ、よって、円滑なる回転の下で大きな駆
動トルクを得ることができ、その耐久性も向上させるこ
とができ、更にはこのような弾性薄膜は振動子による駆
動側とロータ側との隔離にも活用でき、よって、密閉容
器内への回転動力の伝達等も簡単になし得るものである
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第一の実施例を示す側面図、第２図は
本発明の第二の実施例を示す側面図、第３図は本発明の
第三の実施例を示す側面図、第４図はその応用例を示す
縦断側面図、第５図は本出願人の既提案による超音波モ
ータの分解斜視図、第６図はブロック状電歪素子の斜視
図、第７図は枠体の斜視図、第８図は電歪素子の平面図
、第９図は振動姿態の変化を示すグラフである。 ３０・・・超音波振動子、３１・・・駆動面、３２・・
・ロータ、３３・・・弾性薄膜 出　願　人　　　多賀電気株式会社 ３７図 一軍９ （ａ）　　（ｂ）　　（Ｃ）　　（ｄ）○　ＯＯ１ Ｊ）６図 Ｊ　う図 図 （ｅ）　　（ｆ）　　（ｇ）

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. １．ロータと、複合振動する駆動面を前記ロータに圧着
   させた超音波振動子とを備えた超音波モータにおいて、
   前記駆動面とロータとの間に高張力で可撓性を有し摩擦
   係数の大きい弾性薄膜を設けたことを特徴とする超音波
   モータ。
2. ２．弾性薄膜の膜厚を５０μｍ以下としたことを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の超音波モータ。
3. ３．弾性薄膜の材質を樹脂、紙又はゴムとしたことを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の超音波モータ。
4. ４．弾性薄膜を駆動面とロータとの接合面面積より大き
   い面積とし、駆動側とロータ側とを弾性薄膜により隔離
   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。
5. ５．駆動面とロータ表面との粗さを異ならせ、弾性薄膜
   を粗さの大きい方の駆動面又はロータと一体運動させ、
   粗さの小さい方のロータ又は駆動面とは相対運動させた
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項又は第４項記載
   の超音波モータ。
6. ６．弾性薄膜が相対運動する駆動面又はロータ表面を鏡
   面としたことを特徴とする特許請求の範囲第５項記載の
   超音波モータ。
7. ７．弾性薄膜を２枚とし、弾性薄膜同志を相対運動させ
   たことを特徴とする特許請求の範囲第１項又は第４項記
   載の超音波モータ。
8. ８．弾性薄膜が一体運動する駆動面又はロータ表面とを
   接着又は薄膜コーテイングにより一体化したことを特徴
   とする特許請求の範囲第１項、第４項又は第７項記載の
   超音波モータ。
9. ９．弾性薄膜を高強度金属薄膜又は高強度フアイバを含
   む複合材により形成したことを特徴とする特許請求の範
   囲第１項、第４項又は第７項記載の超音波モータ。