JPS6343579A - 駆動方向変更型超音波モータ - 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】 ■産業上の技術分野■ 本発明は、屈曲振動を高効率で利用できる駆動方向変更
型超音波モータに係る。

■従来技術■ 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である。

このような原理構造に基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、表面波型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、弾性体圧着面のダ円運動を通
じて一方へ摺動する働きが生じ、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、ダ
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最善とされていた。

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、強力なダ円運動を
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、強力なダ円運動を発生できる反面、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
のようなダ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。つま
り、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、本発明者が考えるに、前述の進行波利用方式で
あれ定在波利用方式であれ、超音波モータとして作動さ
せるには弾性体表面に振幅、波長が等しくて逆方向に進
む２つの振動波が重ね合わされて屈曲振動を発生するの
だから、これらの相対する屈曲振動を双方同一方向に変
換できればモータ効率は更に高くなるはずである。

■問題点を解決するための手段■ 本発明は、定在波を高効率に利用できるもので図面を見
ながら詳述すると、 屈曲振動を発生して、移動体（１）を回転せしめる超音
波モータにおいて、一方の振動波（５または５´）の進
行方向を発生させる区域上に、前記振動波（５または５
´）の進行方向を変更させる回転体（３）を設けて、移
動体（１）と弾性体（２）の間に該回転体（３）を介在
せしめたことを特徴とする駆動方向変更型超音波モータ
。

［作　用］ 第４図のように、屈曲振動を構成するそれぞれ相対方向
の振動波（５）（５´）を同一方向への移動体（１）の
駆動トルクに変換させるには、（β）図のような回転体
（３）が不可欠となる。さらに（β）図とともに（α）
図のような弾性体（２）と移動体（１）を直接接触させ
る従来方式とを併用すれば、モータ効率は高くなる。

［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）の周方向に伸縮作用が働くことに
よる。振動子（４）の周方向の寸法によって規定される
弾性体（２）表面の接触点はダ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（ｂ）となって、振
動波（５）（５´）が発生する。一方、周方向の振動に
ついては、屈曲振動の平均半径（ｃ）上の腹部（ａ）で
変位せずに、節部（ｂ）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の両振動波（定在波であるとも言
える）を第３図のように合成すると弾性体（２）表面粒
子は、円運動またはダ円運動の軌道を描くが、節部（ｂ
）と腹部（ａ）には円運動は発生しない。とくに腹部（
ａ）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ダ円運動によっ
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）と移動体（１）を直接接触させる
従来方式を（α）、弾性体（２）と移動体（１）の間に
回転体（３）を介在させた本方式を（β）■■■とする
と、（α）の進行方向に対して相対する矢印の位置に全
て本方式の取り付けが可能であるが、本図では更に改良
を加えて捻り振動波（６）により振動子（４）や弾性体
（２）に生じる揺れを最大限に利用して駆動力を高めよ
うとしている。例えば従来方式（α）の地点を決めたと
して、捻り振動波（６）による影響を本方式（β´）と
（β）の地点でそれぞれ考えてみると、揺れが高まると
（β´）地点では移動体（１）と接触しても反対振幅方
向である（Ｂ）地点では移動体（１）から接触地点が離
れてしまうことになる。その理由は（β）と（β´）地
点では捻り振動波（６）による揺れの位相が正反対とな
ることによる。したがって、前述の従来方式（α）によ
る地点と同じ周期で同時に駆動させようとする（β´）
地点よりも、（α）が離れたときに（β）が同一方向へ
駆動させ、（β）が離れたときに（α）が代わって移動
体（１）を駆動しつづけるというように交互に協働しあ
うのが望ましい。

第６図は本発明の第１実施例を示すロータの断面斜視図
。定在波利用型の方式であり、回転体（３）を設ける位
置は第５図のように（β）（β´）のどこでもよい。

第７図は本発明の第２実施例を示すロータの断面斜視図
。第１図のような進行波により駆動トルクを発生させる
方式である。位相を１／４位相ずつずらして合成するこ
とによって生じる進行波も当然に屈曲振動であり、やは
り２つの定在波が合成されている。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９図のように径方
向に対して２つの定在波が節を対称に反対方向のダ円運
動をもつ進行波として発生すると考えて、回転体（３）
と従来方法の弾性体（２）の接触面を第９図の２つの定
在波の変位が最高となる位置で移動体（１）と接触する
ようにした。したがって回転体（３）も弾性体（２）か
らころがり落ちないように移動体（１）または弾性体（
２）の接触面に溝をつけるとか、塀をつくることによっ
て、回転体（３）も移動しながら駆動力を移動体（１）
へ伝える。

第８図は本発明の第３実施例を示すロータの断面斜視図
。第７図同様、進行波により駆動トルクを発生させる方
法であるが、異なる点は第７図のように回転体（３）が
移動できてもできなくても、進行波の速さのような高速
で移動するのは不可能であり、それなら、第６図同様に
弾性体（２）の凹みに回転体（３）を入れておき、弾性
体（２）に進行波が伝わっていくことによって、その進
行波上に位置する回転体（３）は駆動トルクを得るもの
である。

第１０図は本発明の第４実施例を示すロータの上面図。

定在波利用型の方式で、径方向に発生する屈曲振動の振
動波（５）（５´）における丁度腹部（ａ）は振動子（
４）面に垂直な方向の往復運動をおこなうため、平均半
径（ｃ）より右下の図のような位置に回転体（３）を設
けた。これによってダ円または円運動で左方向へ働く力
と回転体（３）の一端（図では左端）を上方へ押し上げ
る力とが二者一体となって回転運動を発生させることが
できる。よって図のような位置へ回転体（３）を設ける
と移動体（１）を矢印方向へ駆動できる。

ところで本発明の回転体（３）は球状だけでなく、円桂
状でも円すい状でも問題ない。

また本発明による駆動方法のみを用いたとしても、進行
波利用型でも定在波利用型でも問わずに屈曲振動を長時
間高効率で利用できる。なぜなら本発明による駆動方式
は点により移動体を駆動させるもので、その意味でも従
来の「キツツキ型」に近いものであるが、摩耗度は小さ
い。なぜなら、従来は一点の先が永久に擦れるのに対し
、本発明の回転体は一点の接触点が円周上に移動しなが
ら且つ球の表面積全てにわたって接触していくため、長
時間使用をつづけると、摩耗しにくいぶんだけ、摩耗し
易い従来のものより駆動効率は低下せずに安定して高効
率で利用できる。

■発明の効果■ 本発明のみにより駆動させても高効率のまま長時間使用
できるし、従来のものと併用することもできる。併用し
た場合には接触面積が増えるためたとえ「キツツキ型」
であっても本発明の回転体を設けたぶんだけ摩耗度が小
さくなる。また、併用した場合には従来全く利用されて
いなかった反対方向へ動く力も統一して駆動トルクに変
換できるため、屈曲振動を高効率で利用できる。さらに
本発明の回転体には、ベアリング部品を流用できるため
コストも安くて済む。

【図面の簡単な説明】

第１図は進行波利用方式における原理図。第２図及び第
３図は定在波利用方式における原理図。 第４図の（α）及び（β）はそれぞれ従来の駆動方式及
び本発明による駆動方式の原理図。第５図は定在波利用
方式における発生状態を示す状態図。第６図は本発明に
よる第１実施例を示す断面斜視図。第７図及び第８図は
それぞれ本発明による第２実施例及び第３実施例を示す
断面斜視図。第９図は定在波の状態図。第１０図は本発
明による第４実施例を示す上面図。 Ｌ―ロータ　ａ―腹部 Ｓ―ステータ　ｂ―節部 １―移動体　ｃ―平均半径 ２―弾性体 ３―回転体　α―第４図の（α） ４―振動子　β、β´―第４図の（β）５，５´―振動
波 ６―捻り振動波

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 屈曲振動を発生して、移動体を回転せしめる超音波モー
   タにおいて、一方の振動波の進行方向を発生させる区域
   上に、前記振動波の進行方向を変更させる回転体を設け
   て、移動体と弾性体の間に該回転体を介在せしめたこと
   を特徴とする駆動方向変更型超音波モータ。