JPS63178773A - 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、金属等の振動板に圧電素子を接着したステー
タにて屈曲進行波を励起し、この屈曲進行波によるステ
ータ表面の楕円軌跡の頂点に可動子を圧接することによ
って可動子を駆動するようにした超音波モータに関する
。

〔従来の技術〕

最近、電磁型モータに代わる新しいモータとして超音波
モータが脚光を浴びている。この超音波モータは原理的
に新しいというだけでなく、従来の電磁型モータに比べ
て次のような利点を有している。

■中心軸を必要としない。

■薄型、軽量である。

■磁気的影響の授受がない。

■部品構成が単純で、信頼性が高い。

■ギヤなしで低速、高トルクが得られる。

■バックラッシュがなく位置決めか容易である。

■ステータに対してロータが、回転、チャック。

浮遊、の三態をとり得る。

かくして、これらの利点を生かすべく、カメ、うやその
他の機器に関して種々の応用技術の研究が進められてい
る。

第４図は［応用物理、第５４巻、第６号（１９８５）　
、Ｐ、５８９〜５９０」に開示されていてる従来の代表
的な回転型超音波モータの概略図である。図中１は取付
はベース、２はフェルト、３は圧電素子、４は弾性金属
材からなる振動板、５はスライダー、６は回転体、７は
回転シャフト、である。なお圧電素子３と振動板４とで
ステータを構成しており、回転体６と回転シャフト７と
でロータを構成している。この超音波モータの原理は、
円環状圧電素子３と一体化した金属製ドーナツ形振動板
４に逆圧電効果によって屈曲進行波を励起し、これによ
って発生する表面質点の後方楕円運動軌跡の頂点に接す
るようにロータを抑圧配置することにより、同ロータを
回転させるというものである。

第５図は圧電素子３の分極状態を示す図である。

各分極部は、分極方向が＋−＋−・・・のように交互に
逆向きになるように、リング状圧電体を分極するか、ま
たは分割した複数の圧電素子を分極方向が互いに逆向き
になる様に配置することによって得られる。この様な分
極配置において、分極方向が互いに逆向きになった隣り
合わせの１組を１波長λに対応させる。そして、］８０
°異なる位置に各々、３／４λ、１／４λ長の未分極部
（斜線部）を配し、これらを結んだ中心線に対して対称
に分極部を０２個分づつ配置する。ただし分極の向きは
、円周方向に分極方向が交互に逆向きになる様に連続的
に配置する。

この様な分極配置のうち、３／４λ、１／４λ長の未分
極部を間に挟んだ左半分の振動板に接していない面を一
つの電極でおおい、これを一方の片側共通電極とし、右
半分の振動板に接触していない面を別の電極でおおい、
これを他方の片側共通電極とする。そして、振動板側の
電極を振動板４と導通させ、すべての圧電素子のアース
側電極として共通化している。

以上の様な構成体における電気信号入力端子は、三端子
Ｖｌ、Ｖ２．Ｅとなる。この様な分極配置。

電極配置を有した＊Ｍ構成体駆動する場合には、端子Ｖ
１−Ｅ、端子Ｖ２−Ｅとの間に、互いにπ／２の位相差
を有し、２２円環の内・外径、厚み、圧電セラミクスと
振動板の平均的弾性定数。

密度１等で決定される固有振動数ωを有する電気信号を
入力すればよい。

第６図はステータの一部を切欠して示す側面図である。

今、振動板４と二つの圧電素子３の電極との間に前記交
流電圧を印加すると、振動板４には屈曲振動波が励起さ
れるが、第６図に示すように中心間距離がａである隣合
った分極部の一方には次式で示される屈曲振動波が発生
する。

ｙｌ　＝Ａｓ　ｉ　ｎ　（ωｔ−２πｐ／λ）＋Ａｓ　
ｉｎ　（ωｔ＋２πｐ／λ）・　（１）また、他方の分
極部には（１）式とは位相差角がψだけずれた次式で示
される屈曲振動波が発生する。

ｙ２＝Ｂｓｉｎ （ωｔ−２π／λ（ｐ＋ａ）十ψ） ＋Ｂｓ１ｎ （ωｔ＋２π／λ（ｐ十ａ）十ψ）・・・（２）ここで 一２π　ａ／λ＋ψ−ψ１　。

＋２πａ／λ十ψ−ψ２ とおくと、（２）式は −５＝ ｙ２＝Ｂｓｉｎ （ωｔ−２πｐ／λ十ψ１） ＋Ｂｓ１ｎ （ωｔ＋２πｐ／λ十ψ２）・・・（３）となる。上記
二つの分極部で励起される屈曲振動波は、（１）式と（
３）式との和すなわち’／＝Ｙｘ、＋’／２ なる合成屈曲振動波であると考えられる。この合成屈曲
振動波のうち進行波だけが存在するための条件は、 ψ□−ｍπ　　（ｍ＝ｏ、±２．±４・・・）。

ψ２＝ｎπ　　（ｎ−±１．±３．±５・・・）である
。

ψ１−−２πａ／λ＋ψ−ｍπ。

ψ２−＋２πａ／λ＋ψ−ｎπ であるから、 ａ−λ（ｎ−ｍ）／４（ｎ≠ｍ）・・・（４）。

ψ−π（ｎ十ｍ）／２　　　　　　　・・・（５）とな
る。（４）式および（５）式の条件が成立すると、合成
屈曲振動波は ｙ＝Ａｓ　　ｉ　　ｎ　　（ωｔ−２πｐ／λ）十Ａｓ
　ｉｎ　（ωｔ＋２πｐ／λ） ＋Ｂｓ１ｎ （ω　ｔ−２π　ｐ／λ　＋ｍπ） 十Ｂｓ１ｎ （ωｔ　＋２πｐ／λ十ｎπ） ＝　　（Ａ＋１３）　　ｓ　　ｉ　　ｎ　　（ωｔ−２
πｐ／λ）十（Ａ−Ｂ）　ｓ　ｉ　ｎ　（ｃｔ＋ｔ＋２
πｐ／λ）・・・　（６） となる。したがって進行波だけが存在するためには Ａ−Ｂ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　・・・　（７）であることがもう一つの条件と
なる。

ところで従来の超音波モータでは、第４図に示すように
ステータの圧電素子３側がフェルト２などの防振部材上
に接面するように載置されている。

防振部材は、ステータの振動エネルギーを支持体側すな
わち取付はベース１側へ漏らさないことを目的として配
設されるものである。したがってその祠質は、音響イン
ピーダンスが圧電素子とは大きな差があること、ステー
タの振動をダンピングしないこと、等を考慮して選択さ
れる。具体的には第４図に示したような厚めのフェルト
２や、シリコーンゴム、コルクなどの比重が小さくかつ
音速の遅い材質が好適である。フェルト、シリコーンゴ
ム、コルク等は、音響インピーダンスがいずれも １、　５　Ｘ　１０６／（ｇ７７Ｙ’Ｓ　ｅ　ｃ−１以
下であり、圧電素子の音響インピーダンス３、　３　Ｘ
　１０６／（ＳＨｆ２ｓ　ｅ　ｃ−’とは大きな差があ
る。かくして例えばシリコーンゴムを使用した場合、支
持体側へ漏れるステータの振動振幅は、１０％以下とな
る筈であり、フェルトやコルクを使用した場合には、さ
らに小さい漏れ量となる筈である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

■　進行波だけが存在するため各条件のうち、（４）、
（５）式については圧電素子３の電極形状と電圧印加手
段を整えることによりほぼ実現できる。しかしく７）式
の条件を完全に満たすのはかなり困難である。すなわち
、圧電素子３に第５図に示すような分極処理を施しても
、分極状態には不均一さが生じる。この理由は、圧電素
子３の全面積が大きいため、セラミクス焼成むら等によ
り分極前の材質が不均一であること、分極が交互分極で
あり分極処理を二度行なうことから、（＋）方向と（−
）方向の分極状態に差が出ること、等である。

一方、第６図に示すように、圧電素子３は振動板４に対
して接着剤８により接着されるが、」１記接着を全領域
に亙って均一に行なうことは容易ではない。しかも圧電
素子３および振動板４には元々寸法上のバラツキがある
。このようなことから、（７）式の条件を完全に満たす
ことは極めて困難である。

したがって屈曲振動波にはバラツキがあり、ロータに対
して大きな振動波が生じている箇所は接触するか、振幅
の小さい振動波が生じている箇所は接触しないことにな
る。その結果、各振動波の周波数成分に差が生じ、内部
摩擦が増大し、超音波モータの効率を低下させていた。

以」二述べた従来の欠点■に関しては、本発明者らが先
に提案し出願済みの手段、すなわち「ステータの可動子
には接触しない面における振動波振幅が最小でない箇所
に、例えばシリコーン樹脂等の弾性部材からなるダンピ
ング部片を取付ける」なる手段を講じることにより改善
される。つまり上記手段を講じることにより、ダンピン
グ部片を取付けた箇所の振動波の振幅が、ダンピング部
片の振動吸収作用により吸収抑制され、全振動波の振幅
のバラツキが極めて小さくなり、各振動波の頂点が可動
子に対して均一に接触するようになる。

■　一方、前述したように、従来の防振部材であるフェ
ルト２やシリコーンゴム、コルク等は、音響インピーダ
ンスがいずれも圧電素子３の音響インピーダンスとは大
きな差があり、支持体側へ漏れるステータの振動振幅は
１０％以下となる筈である。しかし上記振動振幅の漏れ
量は、ステータが支持体側に押圧されない状態での値で
ある。ところが実際の駆動時においては、防振部材に対
してステータの押圧力が必ず加わることになる。このた
め、防振部材の見掛けの音響インピーダンスが大きくな
り、実際の振動振幅の漏れ量は１０％以上となる。この
場合においてもフェルトおよびコルクの方がシリコーン
ゴムよりも音響インピーダンスは小さいが、フェルトや
コルクは粘着性がないために、押圧力を加えた状態でス
テータに進行波を励起すると、ステータ自体が動いてし
まう。

これを防止するために、従来は振動板の一部に突起を設
け、この突起を支持体側に設けたストッパーで押えたり
、シリコーン樹脂等の接着剤で接着固定することにより
、ステータが移動しないようにしている。しかし、この
ような手段を講じると、ステータの振動に悪影響を及ぼ
し、振動エネルギーロスを増大させる。

シリコーンゴムの場合は粘着性を有しているため、最適
押圧力下では上記のようなステータ固定手段を講じなく
ても、ステータの移動は起らない。

しかし前述したように、音響インピーダンスが比較的大
きい上、その粘着力のためにステータ振動をダンピング
してしまい、効率を低下させるという問題があった。

そこで本発明は、防振部祠による振動エネルギーロスの
増大を抑制でき、極めて効率よく作動する超音波モータ
を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は上記問題点を解決し目的を達成するために、次
のような手段を講じた。すなわち、表面進行波が励起さ
れたステータに可動子を圧接することによって、可動子
を駆動するように構成された超音波モータにおいて、第
１図に示すように圧電素子１１を振動板１２に接着して
なるステータＳの可動子（ロータ）Ｒには接触しない面
を、進行波の進行方向に一定間隔て配設されかつ進行波
の進行方向とは直角な方向に長軸を有する一定幅ｄの弾
性支持体１３ａ、１３ｂ、１３ｃ　〜で支持するように
した。

〔作用〕

このような手段を講じたことにより、次のような作用を
呈する。ステータＳが堅い材質の部材によって第１図と
同様に複数箇所を支持されると、その支持点を節とした
周波数の振動勢力が発生し、励起している進行波に悪影
響を与えることになる。

しかるに、第１図のように支持体として適宜な弾性を有
する弾性支持体１３　ａ、　　１３　ｂ、　　１３　ｃ
〜を使用して支持を行なうと、支持点には第１図中矢印
Ｙで示すような振動が生じ、進行波の振動を加勢するバ
ネとして働く。また弾性支持体１３ａ。

１３ｂ、１３ｃ〜が一定間隔で配置されているため、振
動の頂部および底部が上記支持点を通過する毎に振動波
形が整形される。このため、スプリアス振動が抑圧され
ることになり、効率が向上する。なお弾性支持体１３ａ
、１３ｂ、１３ｃ〜として、適度の弾性を有しかつ表面
粘着性のある部材を用いると効率はさらに向上する。弾
性支持体１３ａ、１３ｂ、１３ｃ〜が表面粘着性を有し
ていない部材である場合には、その部材の圧電索子１１
と接する面に粘着性を有する膜をコーティングしたり、
シリコーン樹脂などのフレキシブルな接着剤で圧電素子
１１との間の接着を行なうとよい。

〔実施例〕

第２図は本発明の一実施例の外観を示す斜視図であり、
第３図は主要部を分解して示す斜視図である。第２図お
よび第３図において、コ−０はステンレスｆｒＡｌ　ア
ルミニウム、黄銅等の金属、あるいはアクリル、ポリカ
ーボネイトなどの樹脂にて形成された円板形の基板であ
る。この基板１０の周辺には一対の取付は用具１０ａ、
１０ｂが対向配設されており、中心部にはシャフト１０
ｃが垂直に植設されている。上記基板１０上には、円環
状の支持板１３上に複数の弾性支持体１３ａ。

１３ｂ、１３ｃ〜を一定間隔で放射状に配設した支持部
材が載置されている。上記弾性支持体１３ａ、１３ｂ、
１３ｃ　〜は、後述するステータＳに励起される進行波
の進行方向とは直角な方向に長軸を有する一定幅ｄの部
材からなっている。

上記弾性支持体１３ａ、１３ｂ、１３ｃ　〜は、支持板
１３と一体成型してもよいし、別体に設けたものを接着
してもよい。なお弾性支持体１３ａ。

１３ｂ、１３Ｃ〜の幅ｄはλ／４以下であることが望ま
しい。上記弾性支持体１３ａ、１３ｂ。

１３ｃ〜の上にはステータＳが載置される。上記ステー
タＳは、黄銅、ステンレス鋼、リン青銅。

等の弾性金属祠からなる振動板１２に対し、第５図に示
したものと同様に左右に二分割された状態でそれぞれ交
互に分極配置され、かつ−側面に銀。

アルミニウム、ニッケルなどの電極を蒸着された圧電素
子１１を、エポキシ樹脂等の接着剤で接着したものであ
る。なお振動板１２には、板波進行波が効率よく励起さ
れるように、周方向に等しい間隔で多数の切込み溝が施
されている。上記ステータＳ上には、ロータＲが載置さ
れている。ロータＲは、例えばナイロン繊維等の不織布
からなる静止摩擦係数の大きな摺動部材１４を、例えば
アルミニウム、アクリル樹脂等からなる円環状ベース１
５の一側面に対して張付け、上記円環状ベース１５の他
側面に同じくアルミニウム、アクリル樹脂等からなる円
板１６を接着等の手段により接合したものである。円環
状ベース１５および円板−１５＝ １６の周辺部の対応した三箇所には、被駆動体と連結す
るためのネジ穴等からなる連結穴１５ａ。

１５ｂ、１５ｃおよび１６ａ、１６ｂ、１６ｃがそれぞ
れ設けられている。上記円板１６の中心部にはボールベ
アリング機構１７が取付けてあり、このボールベアリン
グ機構１７の中心部は前記シャフト１０ｃに嵌合されて
いる。ボールベアリング機構１７のシャフト１０ｃに嵌
合している部分は、シャフト１０ｃの軸方向にはスライ
ド可能となっている。シャフト１０ｃにはコイルスプリ
ング１８およびスプリング固定素子１９からなる押圧力
付与機構が装着されており、ボールベアリング機構１７
のシャフト１０ｃに嵌合している部分を、ステータＳ側
へ押圧している。

なお弾性支持体１３　ａ、　　１３　ｂ、　　１３　ｃ
　〜の材質１寸法、配置数、向き１等は、圧電素子１１
の分極配置数、振動板１２の材質および寸法、印加電圧
、押圧力等に関連付けて定めることが必要である。

このように構成された本実施例によれば、次の−１６＝ ような作用効果を奏する。すなわち本実施例においては
、適宜な弾性を有する弾性支持体１３ａ。

１３ｂ、１３ｃ〜を一定間隔で放射状に配置し、これら
の弾性支持体１３ａ、１３ｂ〜によりステータＳを支持
するようにしたので、従来のようにフェルトやシリコー
ン樹脂やネオプレンなどの材料を単にリング状に形成し
た防振部材とは異なり、弾性支持体１３ａ、１３ｂ〜が
進行波の振動を加勢するバネとして働くことになる。し
かも振動の頂部および底部が、一定間隔で配置されてい
る弾性支持体１３ａ、１３ｂ、１３ｃ〜による支持点を
通過する毎に振動波形が整形される。このため、スプリ
アス振動が抑圧され、効率が向上することになる。

「実験例」 圧電素子１１：分極方向が交互で、波数に対応する数の
分極部を有するＰＺＴセラミクス振動板１２：内径４５
關、外径５５ｍｍ、厚み４．２ｍｍ、の円環状ステンレ
ス鋼（ＳＵＳ３０４）押圧カニ２ｋｇ重 印加電圧：１３０Ｖｒ２．位相差９０’弾性支持体１３
ａ、１３ｂ〜：長さ５ｒｎｍ、幅１ｍｍ、高さ０．５ｍ
ｍのシリコーンゴム部片６〜８個を、硬質シリコーンゴ
ム上にシリコーン接着材で等間隔に固着配置 上記条件を備えた構成の超音波モータを製作し、モータ
効率を測定したところ、効率は３０％を安定に示した。

また弾性支持体１３ａ、１３ｂ〜を支持板１３と一体成
型したものについても同様の実験結果が得られた。

なお弾性支持体１３ａ、１３ｂ〜として、ネオプレレン
ゴム、フェルト材を用いた場合についても実験したとこ
ろ、シリコーンゴム使用の場合に比へて効率が５〜１０
％程度低下するがリング状防振部祠を用いた場合に比べ
ると逆に効率が５〜１０％程度向上することが分った。

また金属、セラミクス、アクリル樹脂等の硬質部材を支
持体として用いた場合には、音を発生し、効率も良くな
いことが分った。また弾性支持体の配置数については本
実施例の構造の場合、６〜８個が最良であリ、これ以上
であってもこれ以下であっても効率は低下していく。他
の実験例、例えば分極数に対応した波数を９とした場合
は８〜１ｏが最良であることを併せて考えると、分極数
に対応した波数をＮとした場合、弾性支持体の最適配置
数は、ＮおよびＮ±１個が良いことになる。ただし、配
置数を２Ｎ個または］７２８個にしても、リング状防振
部材を使用した場合に比べて、効率が５〜１０％改良さ
れることが確認されているので、配置数は、１／２Ｎ個
〜２Ｎ個の範囲か好適であるといえる。さらに、支持体
の配置方向も効率に大きな影響を及ぼすことが実験的に
確認された。すなわち、効率は支持体の軸方向が半径方
向から円周方向へ向くにしたがって低下することが確認
されている。そして全ての支持体が完全に円周方向を向
いた場合には、リング状防振部材に比べてほとんど改善
効果が生じない。しかしながら、例えば８個の支持体の
うち、２〜３個の支持体が径方向より若干円周方向を傾
いた方が、効率が向上する場合があり得る。したがって
全ての支持体を半一　　１９　− 径方向に正確に向けさせることか最善策とは言えない。

次に支持体の幅であるが、１　ｍｍ以下でも本発明の原
理から言えば不都合な寸法ではなく、ステータＳの位置
ずれさえなければ、同等の効果を発揮できる。しかしな
がら１　ｍｍ以上になると、幅が増大するにしたがって
効率が漸次低下していく。

そして幅が振動波長の１／４以」二になると、改善効果
は殆んど認められなかった。

なお本発明は前記実施例に限定されるものではない。例
えば前記実施例ではロータＲとして円環状部材１５と円
板１６とを接合したものを例示したが、両者を一体化し
たものであってもよいのは勿論である。また前記実施例
では振動板］２として円周方向に等間隔に切込み溝を設
けたものを示したが、切込み溝のないものを用いてもよ
い。さらに前記実施例では本発明を回転型超音波モータ
のステータに適用した例を示したが、直進型超音波モー
タのステータにも適用可能である。このほか本発明の要
旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能であるのは勿論
である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、圧電素子と振動板とを接着してなるス
テータの可動子には接触しない面を、進行波の進行方向
に一定間隔で配設されがっ進行波の進行方向とは直角な
方向に長軸を有する一定幅の弾性支持体で支持するよう
にしたので、支持点に進行波の振動を加勢するバネとし
て働くような振動が生じる上、弾性支持体が一定間隔で
配置されているため、振動の頂部および底部が上記支持
点を通過する毎に振動波形が整形され、スプリアス振動
が抑圧されることになる。その結果、防振部材による振
動エネルギーロスの増大を抑制でき、極めて効極めて効
率よく作動する超音波モータを提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本原理を示す図、第２図は本発明の
一実施例の外観を示す斜視図、第３図は同実施例の主要
部を分解して示す斜視図である。 第４図〜第６図は従来例を示す図である。 １０・・・円板形の基板、１０ａ、１０ｂ・・・一対の
−２１＝ 取付は用具、１０ｃ・・・シャフト、１］・・・圧電素
子、１２・・・振動板、１３・・・円環状の支゛持板、
１３ａ。 １３ｂ、１３ｃ〜・・・複数の弾性支持体、１−４・・
・摺動部材、１５・・・円環状ベース、１６・・・円板
、１５ａ、１５ｂ、１５ｃおよび１６ａ、１６ｂ。 １６ｃ・・・連結穴、１７・・・ボールベアリング機構
１７．１８・・・コイルスプリング、１９・・・スプリ
ング固定素子、Ｓ・・・ステータ、Ｒ・・・ロータ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 表面進行波が励起されたステータに可動子を圧接するこ
   とによって、可動子を駆動するように構成された超音波
   モータにおいて、上記ステータの可動子には接触しない
   面を、進行波の進行方向に一定間隔で配設されかつ進行
   波の進行方向とは直角な方向に長軸を有する一定幅の弾
   性支持体にて支持するようにしたことを特徴とする超音
   波モータ。