JP2636334B2 - 積層超音波モータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 A.発明の目的 （１） 産業上の利用分野 本発明は、複数のモータユニットを共通の出力軸に接
続し、少なくとも１個のモータユニットの作動によって
前記出力軸を回転駆動できるようにした超音波モータに
関する。

（２） 従来の技術 航空機、ロケット、人工衛星等に搭載される機器には
高度の信頼性が要求されるため、トラブルが発生した際
に致命的な事故に至らないようにフェイルセーフ機構が
備えられている。

例えば、各種の機器の駆動源として用いられる電気モ
ータにおいては、共通の出力軸を同時に複数のモータで
駆動したり、１個のモータで出力軸を駆動し、他のモー
タをバックアップ用として待機させることによってフェ
イルセーフを実現している。

（３） 発明が解決しようとする課題 しかしながら、フェイルセーフを実現するために複数
のモータを装着すると、モータを取り付けるための大き
な空間を必要とするだけでなく、その重量も必然的に増
大するという問題点が生じてくる。このために、小型軽
量であることが極めて重要な要件である航空宇宙機器に
とって、コンパクトでしかもフェイルセーフ機構を備え
たモータの出現が望まれていた。

本発明は、前述の事情に鑑みてなされたもので、１個
のケーシング内に複数のモータユニットを収容すること
によって、小型軽量かつフェイルセーフ機構を備えた積
層超音波モータを提供することを技術的課題とする。

B.発明の構成 （１） 課題を解決するための手段 前記課題を解決するために、本発明は、円筒状のケー
シングの内部に積層して収納した複数のモータユニット
が共通の出力軸を駆動する積層超音波モータであって； 前記各モータユニットが、多数の圧電素子を外周に設
置したステータと、内歯ギアを備え前記ステータに押圧
手段を介して圧接されるロータと、前記ケーシングの中
心に回転自在に支持された太陽ギアと、この太陽ギアと
前記内歯ギアに噛合する遊星ギアとから構成され、隣接
するモータユニットの遊星ギアどうしを相対自転が自在
で且つ公転を共通として支持する連結軸と隣接するモー
タユニットの太陽ギアどうしを一体に支持する中間軸と
を交互に用いて該モータユニットを順次連結するととも
に、最終段のモータユニットの遊星ギア或いは太陽ギア
を前記出力軸に連結したことを特徴とする。

（２） 作用 前述の構成を備えた本発明によれば、圧電素子に対す
る通電によってステータが超音波振動を起こし、押圧手
段によって上記ステータに圧接されたロータが回転駆動
される。するとこのロータに形成さるた内歯ギアに噛合
する遊星ギアが自転しながら太陽ギアの周りを公転し、
この遊星ギアの公転運動は連結軸を介して次段のモータ
ユニットの遊星ギアに伝達される。このようにして次段
のモータユニットの遊星ギアが公転運動すると該遊星ギ
アに噛合する太陽ギアが回転し、その回転は中間軸を介
して次々段のモータユニットの太陽ギアに伝達され、該
太陽ギアに噛合する遊星ギアを公転運動させる。このよ
うにして、１個のモータユニットの駆動力は次段以降の
モータユニットを介して最終的に出力軸に伝達され、そ
の際に中間段のモータユニットが駆動されると、その駆
動力は前記駆動力に重ね合わされた状態で出力軸に伝達
される。従って、複数のモータユニットのうちの少なく
とも１個が作動すれば出力軸は回転駆動され、作動する
モータユニットの数が増加するに伴って出力軸の回転速
度も増加することになる。

（３） 実施例 以下、図面に基づいて本発明の実施例を説明する。

第１図〜第５図は本発明による積層超音波モータの一
実施例を示すもので、第１図はその縦断面図、第２図は
第１図のII部拡大図、第３図は第１図のIII−III線によ
る断面図、第４図は第１図のIV−IV線による断面図、第
５図は第１図のＶ−Ｖ線による断面図である。尚、以下
の説明において、添字L,M,Uはそれぞれ下段，中間，上
段のモータユニットに対応している。

第１図に示すように、この積層超音波モータは円筒状
のケーシング１を備えており、その上面を覆うカバープ
レート２の中心には下端に駆動プレート３を備えた出力
軸４がボールベアリング５によって回転自在に支持され
ている。そして、上記ケーシング１の内部には周知の進
行波型の超音波モータを備えた３個のモータユニット6
L,6M,6Uが上下方向に積層された状態で収納されてい
る。

第１図及び第３図から明らかなように、下段のモータ
ユニット6Lは、ケーシング１の内周の４ヵ所に上下方向
に刻設した溝1aに係合することによって回り止めが施さ
れたリング状の支持板7Lを備えており、この支持板7Lの
上面には弾性材料よりなるリング状のステータ8Lがネジ
９によって固着されている。更に、上記ステータ8Lの上
面には内周に内歯ギア10L（第３図参照）を形成したロ
ータ11Lが載置されており、この内歯ギア10Lに噛合する
３個の遊星ギア12Lはケーシング１の底面1bの中心から
立設した固定軸13に固着された太陽ギア14Lに噛合して
いる。

上述のように構成された下段のモータユニット6Lの上
部には、スラストベアリング15を介して第４図に示す中
段のモータユニット6Mが積層されている。この中段のモ
ータユニット6Mは前記下段のモータユニット6Lと略同一
の構成を備えているが、その太陽ギア14Mは、前記出力
軸４と固定軸13の延長線上に位置する如く駆動プレート
３と太陽ギア14L間に相対回転自在に支持された中間軸1
6に固着されている。また、中段のモータユニット6Mの
遊星ギア12Mにキー17によって固着された連結軸18に
は、下段のモータユニット6Lの遊星ギア12Lがニードル
ベアリング19を介して支持されている。

更に、上述の中段のモータユニット6Mの上部にはスラ
ストベアリング15を介して第５図に示す上段のモータユ
ニット6Uが積層されている。この上段のモータユニット
6Uも前記下段及び中段のモータユニット6L,6Mと略同一
の構成を備えているが、その太陽ギア14Uは前記中間軸1
6に固着されるとともに、その遊星ギア12Uは前記駆動プ
レート３にキー17で固着された連結軸20にニードルベア
リング19を介して支持されている。そして、この上段の
モータユニット6Uの上部にスライドベアリング15を介し
て載置されたプレッシャープレート21と前記カバープレ
ート２間には押圧手段としての圧縮バネ22が装着されて
おり、その弾発力によって各モータユニット6L,6M,6Uの
ロータ11L,11M,11Uをステータ8L,8M,8Uに圧接してい
る。

尚、前記各遊星ギア12L,12M,12Uの軸方向の移動を規
制する構成は、図示されていないが、適当なスラストベ
アリング、または軸受等を使用することにより容易に実
現することができる。

次に、モータユニット6L,6M,6Uの駆動原理を、第２図
に示す下段のモータユニット6Lについて説明する。同図
に示すように、支持板7Lに固着されたステータ8Lの下面
の外周には円周方向に分割された多数の圧電素子23が設
けられており、その上下面にはそれぞれ電極24a,24bが
配設されている。周知のように、上記圧電素子23は電極
24a,24bに印加する電圧の極性を反転させると厚さ方向
及び幅方向に伸縮する性質を備えており、弾性材料より
なるステータ8Lの円周方向に配設された多数の圧電素子
23に印加する電圧の位相を順次ずらすことによって、該
ステータ8Lが共振してその表面に進行波が形成される。
すると、このステータ8Lに圧縮バネ22によって圧接され
たロータ11Lは上記進行波によって進行波の進む方向と
逆方向に押圧されて回転駆動されることになる。上述の
超音波モータはその厚さを極めて薄く形成することが可
能であり、低速回転において大きなトルクを有するとと
もに、高い静粛性を備えている。

次に、前述の構成を備えた本発明による積層超音波モ
ータの一実施例の作用について説明する。

第３図に示すように、下段のモータユニット6Lのステ
ータ8Lに装着した圧電素子23に通電してロータ11Lを矢
印L1方向に駆動すると、このロータ11Lに噛合する３個
の遊星ギア12Lは矢印L2方向に自転しながら太陽ギア14L
の周りを矢印L3方向に公転する。すると、第４図におい
て、前記遊星ギア12Lに支持された連結軸18に固着され
た遊星ギア12Mは矢印M3方向に公転する。このとき、中
段のモータユニット6Mのロータ11Mが駆動されていない
とすると、前記矢印３方向の公転に伴って遊星ギア12M
は矢印２方向に自転し、この遊星ギア12Mに噛合する太
陽ギア14Mを矢印M4方向に回転させる。この太陽ギア14M
の回転は中間軸16を介して、第５図に示す上段のモータ
ユニット6Uの太陽ギア14Uを矢印U4方向に回転させる。
このとき、上段のモータユニット6Uのロータ11Uが駆動
されていないとすると、上記太陽ギア14Uに噛合する遊
星ギア12Uは矢印U2方向に自転しながら矢印U3方向に公
転する。そしてこの遊星ギア12Uの公転は連結軸20を介
して駆動プレート３に伝達され、この駆動プレート３に
固着された出力軸４を回転駆動する。上述のように、３
個のモータユニット6L,6M,6Uのうち下段のモータユニッ
ト6Lのみの作動によって出力軸４が回転駆動されること
になる。

次に、中段のモータユニット6Mのみを作動させると、
第４図においてロータ11Mが矢印１方向に駆動される。
このとき、下段のモータユニット6Lの停止によって連結
軸18の位置は固定されているため、遊星ギア12Mは矢印M
2方向に自転し、この遊星ギア12Mに噛合する太陽ギア14
は矢印４方向に回転する。すると前述と同様に、上記太
陽ギア14Mの回転は中間軸16、太陽ギア14U、遊星ギア12
U、連結軸20、及び駆動プレート３を介して出力軸４を
回転駆動する。

次に、上段のモータユニット6Uのみを作動させると、
第５図においてロータ11Uが矢印U1方向に駆動される。
このとき下段及び中段のモータユニット6L,6Mの停止に
よって太陽ギア14Uは固定されているため、遊星ギア12U
は矢印U2の反対方向に自転しながら矢印U3方向に公転
し、この遊星ギア12Uの公転は連結軸20及び駆動プレー
ト３を介して出力軸４を回転駆動する。

上述のように、３個のモータユニット6L,6M,6Uのいず
れか１個が作動すると出力軸４は回転駆動されるが、複
数のモータユニット6L,6M,6Uを同時に作動させても出力
軸４を回転駆動することができる。

例えば、下段のモータユニット6Lの作動中に中段のモ
ータユニット6Mを作動させると、第４図において下段の
モータユニット6Lによる連結軸18の矢印M3方向の公転に
伴う遊星ギヤ12Mの矢印M2方向の自転が、ロータ11Mの矢
印M1方向の駆動によって加速され、結局遊星ギア12M及
び太陽ギア14Mは２倍の速度で回転することになる。更
に、上段のモータユニット6Uを同時に駆動すると、第５
図において太陽ギア14Uの回転による遊星ギア12Uの矢印
U3方向の公転速度がロータ11Uの矢印U1方向の駆動によ
って加速され、その公転速度は下段のモータユニット6L
の遊星ギア12Lの公転速度の３倍の大きさとなる。

以上の説明から理解されるように、出力軸４は３個の
モータユニット6L,6M,6Uのうちの少なくとも１個の作動
によって回転駆動され、その回転速度は作動するモータ
ユニット6L,6M,6Uの個数に比例して増加する。

次に、第６図及び第７図に基づいて本発明の他の実施
例を説明する。同図において、先の実施例と同一の部材
には同一の符号を付してあり、その重複した説明は省略
する。

この実施例の積層超音波モータは、下段のモータユニ
ット6L′の構成のみが前実施例と異なっている。即ち、
このモータユニット6L′は内歯ギア、遊星ギア、及び太
陽ギアを備えておらず、中段のモータユニット6Mの遊星
ギア12Mにニードルベアリング19を介して支持された連
結軸18′の下端は、下段のモータユニット6L′のロータ
11L′に直接螺着されている。

従って、この実施例によれば、先の実施例の如くロー
タ11Lの内歯ギア10Lと太陽ギア14Lに噛合して公転する
遊星ギア12Lを介して連結軸18を公転させる代わりに、
連結軸18′をロータ11L′に固着して直接的に公転させ
ることになり、その構造を簡略化することができる。

以上、本発明による積層超音波モータの実施例を詳述
したが、本発明は、前記実施例に限定されたものではな
く、特許請求の範囲に記載された本発明を逸脱すること
なく、種々の小設計変更を行うことが可能である。

例えば、モータユニットの数は３個に限られるもので
はなく、２個以上であれば任意数のモータユニットを積
層することができる。

また、最終段のモータユニットの遊星ギアから連結軸
及び駆動プレートを介して出力軸に動力伝達する代わり
に、最終段のモータユニットの太陽ギアを直接出力軸に
連結することも可能である。

更に、各モータユニットが備える遊星ギアの数は３個
に限らず任意個数の遊星ギアを装着することができる
が、該遊星ギアによってロータの位置決めを行うために
３個以上の遊星ギアを用いることが望ましい。

C.発明の効果 前述の本発明の積層超音波モータによれば、薄厚の超
音波モータを備えた複数のモータユニットを１個のケー
シング内に積層状態で収納し、前記複数のモータユニッ
トのうちの少なくとも１個が作動すれば出力軸を回転駆
動できるようにしたので、従来のモータ１個程度の体積
及び重量によって信頼性の高いフェイルセーフ機構を実
現することが可能となる。また、モータユニットを積層
したことによって、各ステータにロータを圧接する押圧
手段を共用することができるので、モータ全体を一層コ
ンパクトに形成することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による積層超音波モータの縦
断面図、第２図は第１図のII部拡大図、第３図は第１図
のIII−III線による断面図、第４図は第１図のIV−IV線
による断面図、第５図は第１図のＶ−Ｖ線による断面
図、第６図は同じく他の実施例の縦断面図、第７図は第
６図のVII−VII線による断面図である。 １……ケーシング、４……出力軸、6,6′……モータユ
ニット、８……ステータ、10……内歯ギア、11,11′…
…ロータ、12……遊星ギア、14……太陽ギア、16……中
間軸、18,18′……連結軸、22……圧縮バネ（押圧手
段）、23……圧電素子

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】円筒状のケーシングの内部に積層して収納
   した複数のモータユニットが共通の出力軸を駆動する積
   層超音波モータであって； 前記各モータユニットが、多数の圧電素子を外周に設置
   したステータと、内歯ギアを備え前記ステータに押圧手
   段を介して圧接されるロータと、前記ケーシングの中心
   に回転自在に支持された太陽ギアと、この太陽ギアと前
   記内歯ギアに噛合する遊星ギアとから構成され、隣接す
   るモータユニットの遊星ギアどうしを相対自転が自在で
   且つ公転を共通として支持する連結軸と隣接するモータ
   ユニットの太陽ギアどうしを一体に支持する中間軸とを
   交互に用いて該モータユニットを順次連結するととも
   に、最終段のモータユニットの遊星ギア或いは太陽ギア
   を前記出力軸に連結したことを特徴とする、積層超音波
   モータ。