JPS63224680A - 回転体介在超音波モ−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】 〔産業上の技術分野〕 本発明は、回転体の接触点が移動していくことで磨耗の
少ない回転体介在超音波モータであるが、回転体が介在
することで移動体の移動方向を反転させることもできる
ものでもある。

〔従来技術及び発明が解決しようとする問題点〕従来か
ら超音波モータの構造は、移動体を弾性体と加圧密着さ
せて、両者の接触面間に超音波振動による駆動トルクを
発生させ、これを駆動力とするものに変わりがない。

このような原理構造に基づく超音波モータの駆動方式に
は進行波を発生させて利用する方式と定在波をそのまま
利用する方式とある。

前者には、表面波もしくは進行波型と呼ばれるものがあ
るが、これらは一方方向へ位相のずれた電圧をかけると
、両振動子による弾性体の合成振動を形成し、最大振幅
位置が時間とともに一方方向へ移動する厚み屈曲振動の
進行波を発生しながら、弾性体圧着面の楕円運動を通じ
て一方へ摺動する動きが生じ、よって移動体は駆動力を
得ることになる。ところで駆動力の大きさは通常、楕円
運動の速さと振幅によって決定するため、振動子を高周
波共振子として用いるのが望ましい。

しかし進行波を利用する方式の欠点は、位相の異なる互
いの振動が干渉し合わないぶんだけ、強力な楕円運動を
発生できず効率の低い超音波モータとなるものであった
。

そこで、後者である定在波を駆動力に利用する方式があ
る。定在波は相対する進行方向をもつ同一波長が発生す
るため、強力な楕円運動を発生できる半面、半波長を周
期とする腹部の振動は丁度、縦方向のみとなり、進行波
のような楕円運動を描かないため、駆動力を得にくい一
面がある。しかし、定在波を構成する屈曲振動の一方の
振動波のみを取り出して駆動力に変換することは可能で
ある。なぜなら、弾性体の周方向（長さ方向）にリング
の中心を軸とする捻り振動が同時に発生し、定在波によ
って起きる屈曲振動と捻り振動（周方向の屈曲振動）を
合成すると、周方向腹部と周方向節部以外の屈曲振動の
平均半径より一方へ偏倚させた位置で弾性体と移動体と
を接触させれば効率の高い超音波モータとなる。

しかし定在波利用方式には一つだけ大きな欠点があり、
弾性体より突出した接触子の端部が常に移動体と摩擦接
触してしまい、接触子の磨耗が激しくなっていた。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、このような欠点を解決するものであるだけで
なく、進行波や定在波を用いる従来方式にも併用できる
ものであるが、図面の実施例を参照しながら詳述すると
次の通りである。

弾性体（２）と移動体（１）の間に回転体（３）を介在
せしめると共に、弾性体（２）にくぼみ部（８）を形成
して、くぼみ部（８）に回転体（３）をのせるようにい
れたり、はめ込むようにいれた。

また、弾性体（２）表面を突出させたり、逆に弾性体（
２）表面より溝を掘ることによって、結果的に弾性体（
２）を突出させて接触子（７）とした先端部にくぼみ部
（８）を形成したものに回転体（３）をのせていれても
良いし、はめ込んでいれても良い。

また、弾性体（２）表面を突出させたり、逆に弾性体（
２）表面より溝を掘ることによって、結果的に弾性体（
２）を突出させた複数本を一組とするようにしながら、
突出させた接触子（７）の先端部を相対的に切欠いて、
くぼみ部（８）に相当させて、回転体（３）をくぼみ部
（８）にのせていれても良いし、はめ込んでいれても良
い。

また、発生する屈曲振動のうち一方の進行方向を発生さ
せる区域上で接触子（７）による定在波の利用をおこな
い、他方の進行方向の発生する区域上で本発明である前
述の４項のような利用をおこなうものでも良い。

また、発生する屈曲振動のうち一方の進行方向を発生さ
せる区域上で移動体（１）と弾性体（２）を重ねて進行
波の利用をおこない、他方の進行方向の発生する区域上
で本発明である前前述までの４項のような利用をおこな
うものでも良い。

また、回転体（３）の回転軸芯方向が弾性体（２）表面
に対して垂直付近となるようにしながら、移動体（１）
の回転体（３）からの駆動力受面も垂直方向付近となる
ようにしたものでも良い。

〔作用〕

まず、本発明の回転体（３）を定在波利用型の接触子（
７）の代わりに用いる場合には、弾性体（２）からの振
動によって、回転体（３）が微妙に回転しながら移動体
（１）との接触点の位置を変えていく。

また、本発明の回転体（３）を、弾性体（２）からの駆
動力を移動体（１）へ伝えるための媒体と考えたとき、
弾性体（２）表面より発生する駆動力によって回転体（
３）が回転させられて、回転体（３）を回転させる駆動
力によって移動体（１）が移動させられる。このため回
転体（３）の回転方向を変え得る位置に新しく回転体（
３）を介在させる都度、移動体（１）の移動方向が正反
対に変わる。

したがって、従来の進行波利用または定在波利用による
方法と本発明の移動体（１）の移動方向を反転させる回
転体（３）を併わせることによって、屈曲振動を構成す
るそれぞれ相対方向の振動波（５）（５′）を同一方向
への駆動トルクに変換させることができる。

また、定在波による弾性体（２）表面の屈曲振動波（５
）（５′）は第３図のように周方向（長さ方向）への捻
り振動（６）をも発生させて、これらを合成すると弾性
体（２）の表面各部は図面の矢印で示した円運動または
楕円運動を描くが、ここで本発明の弾性体（２）に形成
するくぼみ部（８）を前述の円運動（または楕円運動）
合成地域の中心に形成することにより、該くぼみ部（８
）にいれる回転体（３）は回転軸芯方向が垂直付近とな
って回転する。そして回転体（３）から駆動力を受ける
移動体（１）の面も、従来の超音波モータのような弾性
体（２）表面に対して移動体（１）の接触面を水平に重
ねて駆動力を得るものから、　移動体（１）の駆動受面
も垂直方向付近で駆動させることもできる。

〔実施例〕

第１図は表面波型もしくは進行波型と呼ばれる超音波モ
ータの屈曲振動発生原理である。それぞれ分極した振動
子（４）に交番電圧を流すと、電歪による振動が交互に
分極方向を変えて周方向へ屈曲振動を生じさせるが、こ
の振動は弾性体（２）の周方向（長さ方向）の寸法によ
って規定される弾性体（２）表面の接触点は楕円軌道を
描く厚み屈曲振動の進行波を発生させる。

第２図及び第３図は定在波利用型超音波モータの屈曲振
動発生の原理である。振動子（４）へ流れる電極を２組
に区分して、それぞれ逆位相の屈曲振動である定在波を
発生させると、定在波を構成する振動波（５）（５′）
は同波長、同振幅であるため干渉し合って強力な駆動ト
ルクを秘めた屈曲振動となる（第２図）。

そこで定在波の運動成分を分析すると、振動子（４）は
径方向の振動と周方向の振動をおこなう。前述の振動波
（５）（５′）はこの意味で径方向に振動しているとい
える。ゆえに、振動子（４）間のつなぎ目が節部（２）
となって、振動波（５）（５′）が発生する。一方、周
方向（長さ方向）の振動については、屈曲振動の平均半
径（３）上の腹部（１）で変位せずに、節部（２）の位
置において周方向に最大伸縮する捻り振動波（６）を発
生している。そこで、これら径方向および周方向（長さ
方向）の定在波を第３図のように合成すると弾性体（２
）表面粒子は、円運動または楕円運動の軌道を描くが、
節部（２）と腹部（１）には円運動は発生しない。とく
に腹部（１）は屈曲振動の振幅が最大であるが、振動子
（４）面に垂直な方向の往復運動をするだけであり、こ
の振動面に移動体（１）を圧着しても駆動トルクは得ら
れない。

そこで振動子（４）に発生する円または楕円運動によっ
て駆動トルクを取り出す場合の駆動方向を第５図の矢印
で示す。弾性体（２）が移動体（１）を直接接触子（７
）で駆動させる従来方式によれば、２方向の進行方向を
もつ矢印のうち片方の矢印位置にしか接触子（７）を備
えられない不都合がある。

第４図の（あ）（い）は従来の駆動方式を示す断面図。

（あ）（い）の図は「キツツキ型」と呼ばれるものであ
り、本発明の回転体（３）介在方式と併わせて使用でき
るが、他に第１図のような平担な弾性体（２）の接触面
であっても問題なく併用できる。また（あ）図のように
接触面の小さい弾性体（２）は主に定在波利用型の超音
波モータに利用されるし、（い）図は進行波利用型の超
音波モータとして利用される。

第４図の（う）〜（か）はそれぞれ本発明の第１実施例
から第４実施例を示す断面図。（う）図は回転体を介在
させながら特許請求の範囲第２項のように平担な弾性体
（２）表面に回転体（３）より大きめのくぼみ部（８）
を形成して、図のような振動波を弾性体（２）に発生さ
せると回転体（３）が回転して移動体（１）を駆動する
。このとき移動体（１）は振動波の進行方向と同一方向
へ移動するため、（あ）（い）図のような従来の駆動方
法と併用することもできる。また（え）図は、平担な弾
性体（２）表面に形成するくぼみ部（８）を回転体（３
）の大きさ程度にすることで回転体（３）がくぼみ部（
８）にはめ込まれるようにしながら回転のために多少の
自由をもたせる。これによって、回転体（３）は弾性体
（２）からの振動をそのまま移動体（１）に伝えるが、
同時に振動によって回転体（３）が移動体（１）と接触
する接触点が少しずつ移動していく。このため（え）図
の回転体（３）は接触子（７）であるともいえる。しか
し（え）図のくぼみ部（８）は（う）図同様に特許請求
の範囲第２項のものである。また（お）図は第１実施例
である（う）図の回転体（３）をのせるくぼみ部（８）
を（あ）（い）図のように突出させた接触子（７）上に
形成したものであり、これにより接触子（７）先端の振
動は拡大され駆動力に変換される効率は高まる。また（
か）図も第１実施例である（う）図のものの回転体（３
）の回転する効率を高めるためのものであるが、（お）
図は弾性体（２）の接触子（７）を特許請求の範囲第３
項の特徴にしたのに対して、（か）図は特許請求の範囲
第４項の特徴をもたせている。（お）図のように回転体
（３）をのせる接触子（７）の突出させた数は、何本で
支えても良いし、突出させた接触子（７）の形状もどの
ようなものでも良い。（か）図のようにすることで更に
回転体（３）の回転する効率を高められる、また（お）
（か）図の実施例の弾性体（２）接触子（７）先端部に
形成するくぼみ部（７）を深くしながら回転体（３）が
はめ込まれる大きさにすることで（え）図で第２実施例
の回転体（３）が移動体（１）へ振動を伝える効率が増
加するような回転体（３）が接触子（８）のものもでき
る。

第４図の（き）（く）は本発明の第５実施例と第６実施
例を示す断面斜視図。本図は第５図の振動子（４）片を
つなぐことによりそれぞれの端面に発生する力方向のう
ち、同一方向が発生する区域同士を（き）（く）図のよ
うに突出させた接触子（４）を設けて対向させ、それぞ
れの区域上より協働して回転体（３）を駆動させるもの
で、２箇所で発生した振動が回転体（３）に伝わるため
効率が高い定在波方式となる。また本発明の回転体（３
）は（き）図のように必ずしも球でなくとも良い。また
（く）図は回転体（３）が平均半径（３）上で移動体（
１）と接触するため、弾性体（２）の周方向（長さ方向
）に発生する捻り振動（６）の定在波でも回転体（３）
と移動体（１）は常に離れることなく安定して駆動させ
られる。ところで本実施例である（う）〜（く）の弾性
体（２）に貼りつける振動子（４）は第１図のように下
方に貼っても良いし、定在波を利用する場合は弾性体（
２）の上方に貼っても良い。さらに（き）（く）図のく
ぼみ部（８）を深く形成して回転体（３）をすっぽりと
はめ込み（え）図のような接触子（７）として用いるも
のでも当然問題は無い。

第５図は定在波利用型超音波モータの駆動方向発生域を
示した状態図である。振動子（４）片の端面付近で相反
した力方向の振動が図の如く発生する。一方の矢印を発
生する地域を従来通りの（あ）図の接触方法や本発明の
（え）図の接触方法で駆動させて、もう片方の矢印の発
生する地域を本発明の（う）（お）（か）図のような接
触や同一方向同士で一つの回転体（３）を駆動させる（
き）（く）図のような接触方式で駆動させることで駆動
トルクの大きい超音波モータにすることもできる。

第６図は従来の（あ）図の方式と本発明の第１実施例で
ある（う）図の方式を併用したステータ（Ｓ）の断面斜
視図。（あ）図の接触子（７）と（う）図の回転体（３
）を備える位置は第５図で示した進行方向発生地域を利
用すると、振動によりステータ（Ｓ）表面に発生する進
行方向が相対する地域に従来の定在波の接触方式と本実
施例の接触方式を併用することにより移動体（１）の移
動方向が同一方向となるようにする。また併用するに当
たって、それぞれの方式で移動体（１）を移動させる効
率を揃えることが理想的である。

第７図は従来の（い）図の方式と本発明の第１実施例で
ある（う）図の方式を併用したステータ（Ｓ）の断面斜
視図。（い）図の接触子（７）と（う）図の回転体（３
）を備えるものであり、進行波利用の超音波モータとな
る。各振動子（４）に発生させる位相を１／４位相ずつ
ずらして合成することによって屈曲振動は進行波となる
が、進行波もやはり２つの定在波が合成されて成る。し
たがって時間とともに進行していく厚み屈曲振動には第
８図のような径方向に対して２つの定在波が節を対称に
反対方向の楕円運動をもつ進行波として発生すると考え
て、第８図の２つの定在波の変位が最高となる位置で、
（い）図の接触子（７）と（う）図の回転体（３）を併
用するよう備えた。

ところで第６図、第７図で用いる本発明は他の実施例の
ものでも良いし、また（あ）（い）図のような従来の駆
動方式に本実施例（え）図を用いても良い。また第６図
は特許請求の範囲第５項のものであるし、第７図は特許
請求の範囲第６項のものである。

第９図は定在波を利用する場合の振動子（４）の状態図
。径方向に発生する屈曲振動の振動波（５）（５′）は
第３図のように振動子（４）面に対して垂直な方向の往
復振動を腹部（１）におこなわせるため、平均半径（３
）より端面でしかも腹部（１）より少しずれた本図の斜
線部の位置に従来の接触子（４）や本実施例を用いても
良く、特に、斜線部では円または楕円運動で腹部（１）
に向かって周方向より働く力と、腹部（１）を中心に働
く上下運動とが一体となるため、（う）（お）（か）（
き）（く）図の本実施例を用いた場合には強力な回転運
動を発生できると考える。

第１０図は本発明の（け）〜（し）図を設ける場合の超
音波モータを構成するステータ（Ｓ）の状態図。本図は
定在波を利用する場合のものであるが、定在波は第３図
の地域（ｘ）（ｘ′）の付近でステータ（Ｓ）表面と平
行して円運動または楕円運動を発生させて且つ、地域（
ｘ）（ｘ′）は互いに相対する回転方向となる。したが
って、円または楕円運動を発生する地域（ｘ）（ｘ′）
にくぼみ部（８）を形成して回転体（３）を介在させれ
ば、特許請求の範囲第７項のように回転体（３）の回転
軸芯方向が弾性体（２）表面に対して垂直となり、くぼ
み部（８）に回転体（３）をいれたときには図中の矢印
のような回転方向となる。また介在させる回転体（３）
の位置が平均半径（３）に近くなる程、捻り振動（６）
による上下運動の影響を受けにくく、回転体（３）は安
定して移動体（１）と接触できる。さらに図面のように
地域（ｘ）と（ｘ′）とでは回転体（３）を回転させる
方向が正反対となるため、移動体（１）と接触させる位
置も対称にさせれば、相対回転から同一方向への駆動力
を取り出すことができる。したがって図のように平均半
径（３）よりわずかにずらしてくぼみ部（８）を形成さ
せる工夫が必要となる。

第１１図の（け）〜（し）はそれぞれ本発明の第７実施
例から第１０実施例を示す断面図。本実施例各図は移動
体（１）が回転体（３）より駆動力を受ける面や点が従
来の水平方向から垂直方向となっている。さらに互いに
回転方向の異なる回転体（３）を平均半径（３）より対
称にずらして図のように接触させることで同一方向への
駆動力を得る。また（け）（さ）（し）図のように互い
にずらした回転体（３）より駆動力を受ける部分同士の
みで移動体（１）を支えるものでも良いし、（こ）図の
ように移動体（１）の駆動力を受ける部分とは別にして
回転体（３）の回転軸芯頂点部と接触するようにしたも
のでも良い。しかも回転軸芯部と移動体（１）との接触
部分は弾性体（２）の平均半径（３）上であるため、捻
り振動（６）による上下運動を受けにくく安定して接触
しているため、駆動力を受ける部分にへも影響を及ぼさ
ず安定して駆動させられる。また（さ）（し）図のよう
に本発明の回転体（３）は球でなくとも良く、円柱型で
も円すい型でも、そろばんの玉の形状でも問題は無い。

　ところで第１０図、第１１図の方式のもので、円また
は楕円運動発生地域（ｘ）（ｘ′）のうち、地域（ｘ）
または地域（ｘ′）のみの地域同士で同一回数に統一さ
せたものに、移動体（１）の駆動力受面を同じ片側に統
一しながら垂直にして回転体（３）と接触させるもので
も良いし、加えて、（こ）図のように駆動力受面とは別
に回転軸芯部と接触する支点面をもたせるものでも良い
。また、第１０図、第１１図で述べた方式の各実施例に
第４図の第３実施例や第４実施例のような弾性体（２）
表面より接触子（７）を突出させて、振動を拡大させる
働きをもたせたところにくぼみ部（８）を設けても良い
。

ところで本発明は、進行波利用法式でも定在波利用方式
にでも本発明を単独に、または従来の駆動方式と併用し
て利用できるだけでなく、超音波モータの形状も円環状
だけでなく直線上の超音波モータにも利用できる。

〔発明の効果〕

本発明は上述のように、弾性体と移動体の間に回転体を
介在させるものであるが、大きく分けて従来の接触子と
同じ役目をする回転体の働きと、回転体の介在によって
移動体の移動方法を変換するための働きがあるが、前述
の場合には振動によって回転体が微妙に回転しながら移
動体との接触点が移動していくため、接触子の接触面の
変わらない従来方式よりも磨耗の少ない超音波モータと
なるし、後述の場合も回転体の磨耗は少ない。また本発
明は単独で進行波方式にも利用できるし、定在波方式に
も利用できるだけでなく、従来の進行波方式や定在波方
式の駆動方法と本発明の駆動方法とを併用することもで
きる。特に移動方向を変換させる本発明の回転体方式を
併用させた場合には、屈曲振動の異なる進行方向を統一
できて従来と同一のエネルギーでも効率の良い超音波モ
ータとなるだけでなく、駆動トルクも回転力も強力にな
る。しかも正逆回転が容易に行なえる。加えて第１０図
、第１１図のような駆動方法では、定在波特有の円また
は楕円運動を構成する方向成分のうち、円周方向の一部
分の力だけを取り出して駆動力に変える従来の定在波方
式と異なり、円または楕円運動の方向成分を全て利用し
て回転体を回転駆動するため効率が良く高速回転となる
し、駆動トルクも強力になる。また本実施例の内容のう
ちでも、複雑な機械精度を必要とせず加工できるものも
ある。さらに本発明中の球状の回転体にすれば高精度で
硬質製品でも安価に利用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は表面波型もしくは進行波型の屈曲振動発生原理
である。第２図及び第３図は定在波型の屈曲振動発生原
理。第４図の（あ）（い）は従来の駆動方式を示す断面
図。第４図の（う）〜（か）はそれぞれ本発明の第１実
施例から第４実施例を示す断面図。第４図の（き）（く
）は本発明の第５実施例と第６実施例を示す断面斜視図
。 第５図は定在波型の駆動方向発生域を示した状態図。 第６図は従来の（お）図の方式と本発明の第１実施例で
ある（う）図の方式を併用したステータの断面斜視図。 第７図は従来の（い）図の方式と本発明の第１実施例で
ある（う）図の方式を併用したステータの断面斜視図。 第８図は進行波型の屈曲振動の半径方向に対する成分図
。第９図は定在波を利用する場合の振動子の状態図。第
１０図は本発明の（け）〜（し）を設ける場合のステー
タの状態図。第１１図の（け）〜（し）はそれぞれ本発
明の第７実施例から第１０実施例を示す断面図。 Ｌ…ロータ　　　　７…接触子 Ｓ…ステータ　　　８…くぼみ部 １…移動体 ２…弾性体　　　　ａ…腹部 ３…回転体　　　　ｂ…節部 ４…振動子　　　　ｃ…平均半径 ５，５′…振動波　Ｘ，Ｘ′…地域 ６…捻り振動

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）．屈曲振動を発生して移動体を移動せしめる超音波
   モータにおいて、弾性体と移動体の間に回転体を介在せ
   しめたことを特徴とする回転体介在超音波モータ。 ２）．前記弾性体にくぼみ部を形成して、該くぼみ部に
   前記回転体をいれたことを特徴とする回転体介在超音波
   モータ。 以上の如く形成された特徴をもつ。 ３）．前記弾性体表面を突出させて接触子とし、該接触
   子の先端部にくぼみ部を形成した特許請求の範囲第１項
   及び第２項記載の回転体介在超音波モータ。 ４）．前記突出させた弾性体を複数本で一組とするよう
   にしながら該突出させた接触子の先端部を相対的に切欠
   いて、前記くぼみ部に相当させて、前記回転体をいれた
   特許請求の範囲第１項及び第２項、第３項記載の回転体
   介在超音波モータ。 ５）．前記発生する屈曲振動のうち一方の進行方向を発
   生させる区域上で接触子による定在波の利用をおこない
   、他方の進行方向の発生する区域上で本発明の利用をお
   こなう特許請求の範囲第１項、第２項、第３項及び第４
   項記載の回転体介在超音波モータ。 ６）．前記発生する屈曲振動のうち一方の進行方向を発
   生させる区域上で前記移動体と前記弾性体を重ねて進行
   波の利用をおこない、他方の進行方向の発生する区域上
   で本発明の利用をおこなう特許請求の範囲第１項、第２
   項、第３項及び第４項記載の回転体介在超音波モータ。 ７）．前記回転体の回転軸芯方向が前記弾性体表面に対
   して垂直付近となるようにしながら、前記移動体の該回
   転体からの駆動力受面も垂直方向付近となるようにした
   特許請求の範囲第１項、第２項、第３項及び第４項記載
   の回転体介在超音波モータ。