JPH01177877A - 振動波モータ - 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） この発明は振動波モータ、特に超音波振動を駆動源とし
た超音波モータに関するものである。

（従来の技術） 近年、圧電セラミックなどの電気機械結合素子を用いて
超音波振動を励起することにより、回転または走行運動
を得る超音波モータが、小型で高効率と高応答特性を実
現できるモータとして注目されている。この超音波を用
いたモータに関しては、例えば「日経メカニカルＪ　（
１９８３年２月２８日号、１９８５年９月２３日号）等
で解説されている。以下、図面を参照しながら、従来の
超音波モータの一例とその原理について説明する。

第７図に示す超音波モータは進行波回転型または円環型
と呼ばれるもので、・円環状の弾性振動板（ステータ１
）の裏面に前記ステータ１と同様な形状の円環状の圧電
素子５を接着し、一体化している。但し、圧電素子５の
板厚はステータ１の板厚と同じでなくてもよい。前記電
素子５は第８図に示すように、圧電素子の電極をＡ、Ｈ
の２つの電極群に区分し、）Ｊ４（λはステータ１の固
有振動モードの波長）だけ周方向にずらして配置する。

また、各々の電極の周方向の長さはλの１７２の長さに
し、゛各々の隣あう電極においてその分極の方向は第８
図中の＋−の記号で示すように互い違いにする。そして
、電極群Ａ、Ｂの表面をそれぞれ導電性塗料などで覆う
かまたは、導線でつなぐことにより、電極群Ａ、Ｂのな
かの各々の電極をそれぞれ一つの電極にまとめる。

そしてステータ１の上に同じ円環状の動体（ロータ９）
がばね等の手段によって所定の圧力で押し付けられてい
る。そのロータ９の摺動面には耐磨耗性のある材料、例
えば芳香族ポリアミド繊維を充填材とし、ポリウレタン
樹脂をマトリックスとした複合プラスチック材料で形成
されたライニング面１４を設けることにより１．ステー
タ１との磨耗を防止する。次に電極群ＡとＢにそれぞれ
時間的位相を９０度ずらした交流電圧を印加すると、各
電極が交互に周方向に伸縮し、バイメタル効果によりス
テータ１にたわみ振動が発生する。その結果、電極Ａと
電極Ｂに位置、位相とも互いに９０度づつずれた電極２
個の長さに相当する波長を持つ二つの定在波が発生し、
それが合成されて進行波となる。ステータ１上の進行波
は、第９図に示すように、ステータ１の表面上の１つの
点Ｃに着目すると、その点Ｃは楕円状の軌跡を描く。ラ
イニング面１４はステータの進行波の頂点に接触してい
るので、ロータ９は楕円の頂点部分りの軌跡の方向への
摩擦による移動がきくため、ロータ９は進行波の進行方
向とは逆に左に進む。従って、ロータ９はステータ１上
の進行波の進行方向とは逆に回転し、その回転速度は楕
円状の軌跡の速度に関係し、出力トルクはステータ１と
ライニング面１４との摩擦係数によって決まる。

（発明が解決しようとする問題点） 従来の超音波モータの回転数と回転トルクとの゛関係を
表したモータの特性曲線を、第１０図に示す。この特性
は電磁式の直流モータと同様回転数が低いほどトルクが
大きいという特徴を持っている。

また、超音波モータの場合、ステータはステータ固有振
動数とそれに対応した圧電素子の電極によって励起され
る振動モードが設計時において決定されているので、ス
テータそのものが固有の特性を持っており、第１０図に
示すように回転数に対するトルクの特性曲線の傾きは入
力電圧によらない。

もちろん、モータを機器に組み込む際に減速比を調整し
てモータの特性を変えることは可能であるが、一般に、
超音波モータは直接駆動を前提としており、このような
調整は不可能である。したがって、機器の要求性能に応
じて設計しなければならず、工数がかかるという問題が
あった。

またステータに凹部を複数個設け、凹部の深さを変える
ことにより、ステータの振幅が変化し、回転数を制御す
ることができる。しかし、同時に凹部の深さはステータ
の固有振動数も変化させる。このためステータの内径、
外径を修正しなければステータの固有振動数を望ましい
加振周波数の範囲に設定できない場合が生ずる。このこ
とはステータを設計する際の制限となり円環状超音波モ
ータの問題点であった。なお、ここでいう望ましい加振
周波数とは、ひとの可聴域を越す２０ｋＨｚから電源の
性能により制限される周波数、例えば２００ｋＨｚまで
の範囲を有する超音波領域の周波数である。

本発明の目的は同一のステータでトルクと回転数の特性
を任意に選択でき、かつステータの外形が限定された場
合においても駆動周波数が超音波領域から逸脱すること
な〈従来より広範なトルクと回転数を設定できる振動波
モータを提供することにある。

（問題点を解決するための手段） 両端面を軸方向と垂直な面にもつ弾性体で構成された円
環状共振子の一端面に振動波形を有する入力電気信号を
機械振動に変換する振動子を接着した構造の円環状ステ
ータと、円環状ロータとを加圧接触する構成をもつ振動
波モータにおいて、前記円環状共振子の他端面に凹部を
複数個設け、前記凹部は円環状共振子の内縁の開き角に
対して外縁の開き角が同じかあるいは小さいことを特徴
とし、前記凹部の開口部を有する片端面とステータ側面
との交線より前記ステータ中立面とステータ側面との交
線に至る範囲をステータ側面に、円環の内側または外側
側面を摺動面にもつ前記円環状ロータの摺動面が加圧接
触する構成を特徴とする振動波モータ。

（作用） 両端面を軸方向と垂直な面にもつ弾性体で構成された円
環状共振子の一端面に第１図（ｂ）のステータ上面斜視
図に示すように円環の内縁の開き角２に対する外縁の開
き角３が同じかあるいは小い凹部４を複数個設けたステ
ータ１に、ステータ１の軸方向に振幅を有する屈曲振動
を円環状の弾性体下面より励振すると、前記ステータ１
は弾性体の中立面を境にして屈曲振動が伝達する方向に
対して垂直の方向、すなわち径方向に振幅を有する振動
が励振される。これは前記の特徴を持つ凹部４を複数個
設けたステータにおいてはステータの内側と外側では曲
げ剛性が異なり、屈曲振動が伝達すると前記ステータの
内側と外側とでは弾性体の伸縮量が異なるのでステータ
に生じる曲げ歪が径方向に振幅を有する振動となるため
である。この径方向の振動と、軸方向と平行に振幅を有
する進行波によって周方向の振動が得られ、この２つの
振動を組み合わせることにより円環の側面と中立面との
交線部分を除いた内側あるいは外側の質点は楕円軌道を
描く振動となる。従って、ステータの内側あるいは外側
にロータを加圧接触することにより回転方向の駆動力を
得る。回転方向は円環の内側と外側とでは逆向き、中立
面の上側と下側とでは逆向きとなる。なお、上記の径方
向の振動を励振する振動は進行波でなく定在波でもよい
が、軸方向と平行に振幅を有する進行波を用いることで
径方向の振動と周方向の振動を同時に得ることができる
。

上記の径方向に振幅を有する振動は弾性体の中立面を境
にして振動の位相が逆転するために中立面においては振
幅はゼロとなり中立面より離れるに従って大きくなり弾
性体上面あるいは下面で最大となる。従ってロータの加
圧接触する位置を変化させることによりトルクと回転数
の両者の関係を規定することができる。すなわちロータ
の加圧接触位置が中立面に近い場合は回転数に対するト
ルク近似直線の傾きは急になり回転数よりもトルクを優
先にした特性が得られ、またロータの加圧接触位置から
離れている場合は回転数対トルク近似直線の傾きは緩や
かになりトルクよりも回転数を優先した特性が得られる
。従って、同一のステータで特性の異なる振動波モータ
が得られる。

更に本発明ではステータの寸法に規定がある場合にも、
凹部４の形状を変化させることで回転数とトルクを変化
させることができる。

すなわち、前記凹部４の内縁での開き角２と外縁での開
き角３の差は大きいほど円周まわり軸方向の曲げ剛性の
内外周での差も大きい。したがって開・き角の差の大小
に応じて径方向の振動振幅の大きさも変化し、そのため
にモータの回転数が変化する。従来は凹部４の深さを変
えてモータの回転数を変化させていたが、凹部４の深さ
を変えることは開き角の差を変化させることに比べてス
テータの固有振動数を大きく変化させる。ステータの固
有振動数に許される領域は２０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚ程
度の超音波の周波数領域に限られており固有振動数を大
きく変化させることは好ましいことではない。その点本
発明では、前記凹部４の内縁での開き角２と外縁での開
き角３の差を変化させているのでステータの共振周波数
に及ぼす影響が少なく、効果が大きい。

（実施例） 第１図（ａ）は本発明の実施例を示す斜視図であり、図
中において１は弾性材例えば燐青銅で構成された厚さ５
ｍｍの円環状のステータであり、ステータ１の下面に接
着された第８図の説明図に示す電極構造を持った圧電素
子５に電気信号、例えば４４ｋＨｚの周波数をもつ電気
信号を入力しステータの軸方向に振幅を有する屈曲進行
波を励振する。なお、ステータ１には第１図（ｂ）の斜
視図に示すように溝深さ２．２ｍｍ、ステータ円環の内
縁の開き角２が４．５度、外縁の開き角３を１．５度と
した凹部４を複数個間隔に設ける。この場合ステータ１
と圧電素子５の形状寸法はその固有振動が目的とする入
力電気信号の周波数（今の場合４４ｋＨｚ）と一致させ
るように予め定められている。また圧電素子５について
は前記の第８図に示す圧電素子の電極群Ａと電極群Ｂに
互いに位相が９０度異なった振動波形を有する電気信号
を入力することにより進行波を発生させる。そして進行
波にともなう前記ステータ軸方向の振動により第２図（
ａ）の平面図、（ｂ）の断面図に示すようにステータ１
の円環の内側面と外側面にステータ周方向の振動振幅６
を得ることができる。同時に第２図（ｃ）の平面図に示
すような径方向に振幅をもった振動７が生ずる。円環状
ステータ１の形状は前記径振幅７が得られやすくするた
めにステータ軸方向の厚みと円環の径方向の幅との比は
０．５から３が望ましい。そして進行波による第２図（
ｂ）の周方向の振動振幅６と第２図（ｄ）の径方向の振
動振幅７が組み合わさることにより第２図（ｅ）のステ
ータ上面図に示すようにステータ１の中立面との光線部
分を除いた側面に楕円軌道をもつ振動８が生ずる。ステ
ータ１の外側側面に生じた前記振動８に、第１図（ａ）
の断面図に示すようにロータ９をステータ１の側面に対
して加圧接触する構造をとることにより振動８の楕円軌
道のうち頂点付近の周方向の運動がロータ９の回転運動
に変換される。ロータ９においてステータ１と接触する
部分については耐磨耗性に浸れた部材、たとえば芳香族
ポリアミド系の合成樹脂を用いる。なお回転駆動力はロ
ータ９に設けられた軸１０により得られる。

また、第１図（ａ）においてロータ９のステータ１の側
面における加圧接触位置を変更することが可能な構成を
採用すれば第１０図に示す振動波モータの垂下特性にお
いて、トルクに対する回転数の近似直線の傾きが同一の
ステータであっても変更することが可能であり、回転数
あるいはトルク優先のモータが同一のステータにより実
現できる。

第３図は第１図（ａ）におけるステータとロータの位置
関係を変えた他の実施例を示す断面図である。

この実施例によればロータ９と接触する部分についてス
テータ１の内側と外側の楕円軌道の向きは逆であるので
、ステータの内側にロータを加圧接触する構成をもつ第
３図のモータは第１図（ａ）の構成をとったモータに対
して回転方向が逆となる。

第４図はステータ１に設ける凹部４の開き角についての
別の実施例である。ステータ１の寸法、凹部４の深さ、
個数は第１図（ｂ）のものと同じであるが、凹部４の側
面が平行な構成をとり、凹部の内縁の開き角２を２．７
度、外縁の開き角３を２．０度となっている。第１図（
ｂ）に示した先の凹部４の実施例と第４図に示した凹部
４の実施例において同一の強さの振動をステータ１の下
面により加振しそれぞれの第５図に示す凹部の先端外縁
部の径方向の振動１３を比べると、第４図に示した凹部
の径方向の振動に対して第１図（ｂ）に示した凹部の径
方向の振動はその振幅は小さくなり、従って第４図に示
す凹部を有するモータは低回転高トルクの特性をもつ。

なお、目的を逸脱しない範囲内においてどのような変形
を行っても差しつかえなく、例えば第６図の斜視図に示
すようにステータ上面より見た凹部の形状を楕円形の一
部としてもよく、上記実施例が本発明の請求範囲を限定
するものではない。

（発明の効果） 円環状共振子の内縁の開き角に対して外縁の開き角が同
じかまたは小さい凹部を複数個設けたステータに、ステ
ータの軸方向に振幅を有する屈曲進行波を励振して得ら
れるステータ径方向の振動振幅と、前記ステータにステ
ータの軸方向に振幅を有する屈曲屈曲進行波を励振して
得られる周方向の振動振幅との２つの振幅を組み合わせ
ることによりステータ側面と中立との交線を除くステー
タ側面に楕円振動を励振し、ステータ中立面とステータ
側面との交線より前記凹部開放端がある側のステータ側
面にロータを加圧接触することにより回転トルクを発生
させる振動波モータによれば、ロータの加圧接触する位
置を変化させることによりトルクを優先にあるいは回転
数を優先した特性を有する振動波モータを同一のステー
タで実現できるという効果が有り、ステータ凹部の内縁
の開き角と外縁の開き角の差が振動波モータの回転数と
トルクの特性を決定する形状寸法パラメータの一つとな
るという効果がある。

以上説明した構成を採れば同一のステータでトルクと回
転数の特性を任意に選択でき、かつステータの外形が限
定された場合においても駆動周波数が超音波領域から逸
脱することな〈従来より広範なトルクと回転数を設定で
きる振動波モータを実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の基本構成を示す断面図、第１図
（ｂ）は本発明の特徴を示す斜視図、第２図（ａ）〜（
ｄ）は本発明による振動の様子を示した説明図、第３図
は本発明による振動波モータのうちステータの側面の内
側にロータを加圧接触した一実施例を示す断面図、第４
図は本発明による凹部の一実施例を示すステータ上面の
斜視図、第５図は凹部先端外縁部における径方向の振幅
を示す説明図、第６図は本発明による凹部の別の実施例
を示すステータ上面の斜視図、第７図は従来の円環型モ
ータの断面図、第８図はステータに接着する圧電素子の
分極を示す説明図、第９図は進行波による振動のようす
を示した説明図、第１０図はモータの垂下特性を示した
説明図である。 １・・・ステータ、２・・・凹部内縁での開き角、３・
・・凹部外縁での開き角、４・・・凹部、５・・・圧電
素子、６・・・周方向振幅、７・・・径方向振幅、８・
・・楕円軌道を描く振動、９・・・ロータ、１０・・・
、１１・・・クツション、１２・・・ステータ基板、１
３・・・凹部先端外縁部の径方向の振幅１．１４・・・
ライニング、Ａ、Ｂ・・・電極群、Ｃ，Ｄ・・・ステー
タ表面上の一点。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　両端面を軸方向と垂直な面にもつ弾性体で構成された
   円環状共振子の一端面に振動波形を有する入力電気信号
   を機械振動に変換する振動子を接着した構造の円環状ス
   テータと、円環状ロータとを加圧接触する構成をもつ振
   動波モータにおいて、前記円環状共振子の他端面に凹部
   を複数個設け、前記凹部は円環状共振子の内縁の開き角
   に対して外縁の開き角が同じかあるいは小さいことを特
   徴とし、前記凹部の開口部を有する片端面とステータ側
   面との交線より前記ステータ中立面とステータ側面との
   交線に至る範囲をステータ側面に、円環の内側または外
   側側面を摺動面にもつ前記円環状ロータの摺動面が加圧
   接触する構成を特徴とする振動波モータ。