JPS63144773A - 超音波モータ - 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表面波モータに関する
。

（従来技術） 近年、形状・材料に対する制約が大きく、構造的にもコ
スト的にも限界にある電磁式モータに代わるアクチュエ
ータの開発が進められ、その１つとして超音波振動を利
用した所謂表面波モータが提案されている。

この表面波モータとしては、例えば圧電素子等の駆動素
子を用いて弾性体表面に表面波振動を発生させ、この弾
性体表面に圧接されたロータを回転駆動させる構造のも
のが公表されている。

即ち、このような表面波モータの基本構造としては、例
えば第４ａ図（平面図）及び第４ｂ図（第４ａ図のＸ−
Ｘ断面図）に示すように、円環状の弾性体１の表面に同
じ円環状の圧電素子３を接着して一体化したステータと
しての駆動素子４と、この駆動素子４の弾性体１側に圧
接された円環状のロータ２から成る。尚、Ｏは回転中心
軸である。

その動作原理は次のように説明される。

まず圧電素子３に交流電圧を印加すると、弾性体１上に
表面波振動が発生する。この表面波撮動は第５図に示す
ように弾性体１の表面上の１つの点Ａに着目すると、点
Ａは表面波振動を受けてだ円状の軌跡を描くようになる
。その結果、弾性体１に圧接されたロータ２は、弾性体
１との摩擦力で表面波の進行方向（矢印Ｎ方向）と逆方
向（矢印Ｍ方向）に駆動されることになる。

第６図はこのような基本構造に基づいて実現された従来
の表面波モータの一例を示した断面図である（特開昭６
１−１８３７０号）。

第６図において、７は固定台であり、円環状の圧電素子
３と同じ円環状の弾性体１を貼合せて作ったステータと
しての駆動素子４を固定すると共に、ロータ２を回転自
在に装着した軸９を固定している。ロータ２は軸９の師
部９ａとの間に設けたバネ８により一定荷重で弾性体１
に圧接されている。

そして、圧電素子１に交流電圧を印加すれば、前述した
駆動原理によりロータ２は軸９を中心に回転するように
なる。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、第６図に示した従来の表面波モータの構
造にあっては、ロータ２が回転すると、ロータ２とこれ
に接触する加圧部材としてのバネ８との間、あるいは軸
９との間の摩擦によるエネルギの損失は不可避であり、
表面波モータの効率低下の一因になるという問題があっ
た。

（問題点を解決するだめの手段） 本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたも
ので、ロータ部材回転時の摩擦接触によるエネルギ損失
を最小限に抑えて高効率を得ることのできる構造を備え
た超音波振動を利用した表面波モータを提供することを
目的とする。

この目的を達成するため本発明にあっては、円板状又は
円環状弾性体の一方の側面に同じ形状の圧電素子を貼合
せて構成される一対の駆動素子を弾性体側を向かい合せ
てハウジング内に回転方向に位置規制して組み込み、こ
の一対の駆動素子の間にハウジングに対し接触すること
なく円板状又は円環状のロータ部材を配置し、このロー
タ部材はハウジングに対し回転自在に支持された回転軸
に回転方向に位置規制されて装着され、更にロータ部材
の両面に前記一対の駆動素子を圧接させる加圧部材を設
けるようにしたものである。

（作用） このような本発明の構成によれば、ロータ部材は両側か
ら一対の駆動素子により圧接された状態のみをもってハ
ウジング内に組み込まれることとなり、各駆動素子に一
方が進む方向に、また他方が遅れる方向に９０’位相の
異なる交流電圧を印加することで、ロータ部材は両面に
同一方向となる一対の駆動素子で発生した超音波振動を
受けて表面波の進行方向と逆方向に駆動されて回転軸を
回転するようになり、このときロータ部材は加圧部材、
ハウジング及び回転軸のいずれについても摩擦接触を起
こさないことからエネルギ損失が少なく、高い効率を得
ることができる。

（実施例） 第１図は本発明の一実施例を示した表面波モータの断面
図である。

まず構成を説明すると、１２はハウジングであり、ハウ
ジング１２内には円環状の弾性体１及び同じ円環状の圧
電素子３を貼り合せて成るステー夕としての駆動素子４
と、同じく円環状の弾性体１１と円環状の圧電素子３１
を貼り合せて成るステータとしての駆動素子４１が組込
まれる。この駆動素子４，４１は弾性体１，１１側を向
かい合せた状態でハウジング１２内に回転方向に位置規
制されて組込まれており、軸方向についてはハウジング
１２内において移動することができる。

一対の駆動素子４と４１の間には、ハウジング１２の内
径より小さな外径を持つことによりハウジングに対し接
触しないようにした一対のロータ部材２，２１が間に緩
衝部材１０を挟み込んで軸方向に重ねた構造で設りられ
ており、このロータ部材２．２Ｌ及び緩衝部材１０はハ
ウジング１２の端面部１２ａ、１２ｂの軸穴にベアリン
グ１４をもって回転自在に支持された回転軸１３に対し
キー１５の嵌込みをもって装着されている。このためロ
ータ２，２１及び緩衝部材１０は、キー１５によって回
転軸１３に対し回転方向に位置規制されているが、軸方
向についてはキー１５の範囲内で移動することができる
。

更に、右側に組込んだ駆動素子４１とハウジング１２の
端面部１２ｂとの間には、加圧部材としてのウェーブワ
ッシャ８が組込まれ、ウェーブワッシャ８によりステー
タとしての駆動素子４とロータ部材２及びステータとし
ての駆動素子４１とロータ部材２１とがそれぞれ適当な
荷重で圧接されている。

ステータとしての駆動素子４，４１における圧電素子３
，３１のそれぞれは同一構造を持ち、例えば第２ｂ図（
側面図）に示すように、円環状圧電体３５、円環状電極
３６及びセグメント電極群３７から成り、このセグメン
ト電極群３７は例えば第２ａ図（平面図）に示すように
、１６個のセグメント電極３７ａ〜３７ｐから構成され
る。セグメント電極３７ａは円周方向に（３／４）λの
長さを有しく但し、λは弾性体の屈曲振動波長）、この
セグメント電極３７ａから１８０°ずれた位置に設けて
いるセグメント電極３７ｂは円周方向に（λ／４）の長
さを有する。

これらのセグメント電極３７ａと３７ｂとの間には、一
方の円弧に沿って各々長さが（λ／２）のセグメント電
極３７Ｃ〜３７ｉ（Ａ群とする）及び他方の円弧には各
々長さが円周方向に（λ／２）となるセグメント電極３
７ｊ〜３７ρ（Ｂ群とする）を配置している。このＡ群
のセグメント電極３７ｃ〜３７１、並びにＢ群のセグメ
ント電極３７ｊ〜３７ｐは、モータ駆動用の交流電圧印
加用の電極であり、各セグメント電極３７Ｃ〜３７１及
び３７ｊ〜３７ｐは、第２ａ図に示すように導電性ペー
ス１〜３８８によって互いに接続され、その結果、Ａ群
のセグメント電極３７Ｃ〜３７１が入力端子Ａに接続さ
れる１個の電極を形成し、Ｂ群のセグメント電極３７ｊ
〜３７ｐについても入ｊＥ端子Ｂに接続される１個の電
極を形成する。

尚、第２ａ図において、■と○とはセグメント電極に接
している圧電体３５の各領域が隣接する領域どうしで分
極方向が逆であることを示している。

一方、セグメント電極３７ａは圧電体３５の外周端面に
塗布された導電性ペースト３８ｂにより円環状電極３６
と接続され、接地嫡子Ｇにより接地電位が印加される。

そして表面波モータの駆動については端子Ａ−Ｇ間と端
子Ｂ−Ｇ間とに互いに９０°位相のずれた交流電圧を加
えると、円環状電極３６側に接着された第１図に示す弾
性体１或いは１１に波長λの屈曲振動の一方向の進行波
（表面波）が生ずる。

次に、上記の実施例の作用を説明する。

まず第１図に示すモータ構造を有する本発明の超音波モ
ータを駆動するため、ステータ４における圧電素子３に
ついては、第２ａ図に示す圧電素子のセグメント電極群
３７における端子ＡとＢに、第３ａ図に示すように端子
Ａに印加された交流電圧に対して、端子Ｂに９０°位相
の遅れた交流電圧を印加し、同時にステータ４１におけ
る圧電素子３１のセグメント電極群３７における端子Ａ
と８間に、第３ｂ図に示すように端子Ａに印加された交
流電圧に対して、端子Ｂに９０’位相の進んだ交流電圧
を印加する。

このような圧電素子３，３１に対する第３ａ図及び第３
ｂ図の交流電圧の印加により弾性体１と１１に、ロータ
部材２，２１側から見て互いに進行方向が逆の表面波振
動が誘起され、弾性体１とロータ部材２及び弾性体１１
とロータ部材２１の間に生ずるすべり摩擦力によりロー
タ部材２と２１がそれぞれ回転する。

ここで弾性体］及び１１に生ずる表面波振動の進行方向
はロータ側から見て互いに逆となるので、第１図に示す
構造にあっては、ロータ部材２とロータ部材２１の回転
方向は同一方向となる。

更に、弾性体１と１１とに生じる表面波速度をそれぞれ
等しくするように弾性体１と１１、ロータ部材２と２１
の材質、形状、重量等をそれぞれ等すると共に電気制御
系でも調整してロータ部材２とロータ部材２１の回転速
度を同じにすれば、ロータ部材２、ロータ部材２１及び
緩衝部材１０は一体とみなせ、１つの回転子として考え
ることができ、表面波の速度差によって生じるロータ部
材の回転ロスを最小にできる。

このような両側の駆動素子４，４１からの超音波振動を
受けたロータ部材２，２１及び緩衝部材１０の一体とな
った回転時において、ロータ部材２．２１及び緩衝部材
１０の外径はハウジング１２の内径より小さいことから
、ロータ部材２，２１及び緩衝部材１０の外周面はハウ
ジング１２に接触することなく回転し、キー１５の嵌合
をもって装着した回転軸１３より外部に回転を伝達する
ようになり、回転時におけるエネルギー損失は回転軸１
３をハウジング１２に対し支持したベアリング１４によ
る損失のみとなり、ロータ部材２或いは２１と直接接触
するのはステータとしての駆動素子４，４１だけであり
、第６図に示した従来装置のようなロータとバネ等の加
圧部材或いはロータとハウジングに固定した軸との間で
の摩擦によるエネルギーの損失はなく、効率の高い表面
波モータの回転状態を得ることができる。

尚、上記の実施例はロータを一対のロータ部材２．２１
を間に緩衝部材１０を介して軸方向に重ね合せた構造と
しているが、単一のロータ部材として両側からステータ
としての４，４１を圧接させるようにしてもよい。

また、駆動素子４，４１及びロータ部材２，２１を上記
の実施例にあっては円環状の部材としたが、それぞれ円
板状の部材として軸方向に配置してウェーブワッシャ８
等の加圧部材により圧接した状態でハウジング１２内に
組込むようにしてもよく、この場合のロータ部材の回転
の外部への取出しは、ロータ部材の外周にギアを形成し
、このロータ外周ギアに外部からドリブンギアを噛み合
せてロータの回転を取出すようにすればよい。

（発明の効果） 以上説明してきたように本発明によれば、ロータ部材は
両側から一対の駆動素子により圧接された状態のみをも
ってハウジング内に組込まれることとなり、ハウジング
は勿論のこと、加圧部材とロータとの摩擦接触がないこ
とから、ロータ回転時の摩擦接触によるエネルギー損失
がなくなり、従来の表面波モータに比べて効率の高い表
面波モータを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示した断面図、第２ａ図は
第１図における圧電素子の詳細を示した平面図、第２ｂ
図は第２ａ図の側面図、第３ａ図及び第３ｂ図は一対の
駆動素子に印加する交流電圧の波形図、第４ａ図は超音
波モータの基本構造を示した平面図、第４ｂ図は第４ａ
図のＸ−Ｘ断面図、第５図は表面波モータの駆動原理を
示した説明図、第６図は従来構造を示した断面図である
。 １．１に弾性部材 ２．２１：ロータ部材 ３．３１　：圧電素子 ４．４１：駆動素子（ステータ） ８：ウェーブワッシャ（加圧部材） １０：緩衝部材 １２：ハウジング １２ａ、１２ｂ：端面部 １３：回転軸 １４：ベアリング １５：キー ３５：圧電体 ３６二円環状電極 ３７：セグメント電極群

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ハウジングと、該ハウジング内に回転方向に位置規制さ
   れて組み込まれた円板状又は円環状弾性体の一方の側面
   に圧電素子を貼合せて構成される一対の駆動素子と、該
   一対の駆動素子の弾性体側を向かえ合せた間に前記ハウ
   ジングに対し接触することなく配置された円板状又は円
   環状のロータ部材と、前記ロータ部材の両面に前記一対
   の駆動素子を圧接させる加圧部材とを備えたことを特徴
   とする超音波振動を利用した表面波モータ。