JPH03273874A - 円環型超音波モータ - 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】 産業上の利用分野 本発明は圧電体の弾性振動を用いて駆動力を発生する超
音波モータの構成に関するものである。

従来の技術 近年、圧電セラミック等の圧電体を用いた振動体に弾性
振動を励振し、これを駆動力とした超音波モータが注目
されている。

以下、図面を参照しながら超音波モータの従来技術につ
いて詳細に説明する。

第６図は径方向１次、周方向３次以上の振動モードで励
振される円環型超音波モータの切り欠き斜視図であり、
円環形の第１弾性体ｌに円環膨圧電体２を貼り合せて振
動体３を構成している。振動体３上には円環状に等間隔
に突起体９が設けられている。８は耐磨耗性材料の摩擦
材、１０は第２弾性体であり、互いに貼り合せられて移
動体５を構成している。移動体５は摩擦材８を介して振
動体３と加圧接触している。圧電体２に電界を印加する
と振動体３の周方向に曲げ振動の進行波が励振され、移
動体５を駆動する。尚、同図中の矢印Ａは移動体５０回
転方向を示す。

第７図は第６図の円環型超音波モータに使用した圧電体
２の電極構造の一例を示している。同図では円周方向に
９波の弾性波が励振されるようにしである。ＡおよびＢ
はそれぞれ２分の１波長相当の小領域から成る電極群で
、Ｃは４分の３波長相当、Ｄは４分の１波長相当の電極
である。電極ＣおよびＤは電極群ＡとＢに位置的に４分
の１波長（＝９０度）の位相差を作るために設けている
。

電極ＡとＢ内の隣り合う小電極部は互いに反対に厚み方
向に分極されている。圧電体２の第１弾性体１との接着
面は、第７図に示された面と反対の面であり、電極はペ
タ電極である。駆動時には、電極群ＡおよびＢは同図に
斜線で示したように、それぞれ短絡して用いられる。

以上のように構成された円環型超音波モータの圧電体２
の電極ＡおよびＢに Ｖ＋＝ＶｓＸｓｉｎ（ωｔ）　　　　　　　　−−−（
１）Ｖ２　＝Ｖｅ　Ｘ　ｃｏｓ（ωｔ）　　　　　　　
　−−−（２）ただし、ＶＩＩ：電圧の瞬時値 ω：角周波数 ｔ：時間 で表される電圧Ｖ、および■２をそれぞれ印加すれば、
振動体３には ξ＝ξｅ　Ｘ　（ｃｏｓ（ωｔ）　Ｘ　ｃｏｓ（ｋｘ）
＋５ｉｎ（ωｔ）ｘ　５ｉｎ（ｋｘ））：ξ５Ｘｃｏｓ
（ωｔ−ｋｘ）　　　　　　−−−（３）ただし　ξ：
曲げ振動の振幅値 ξ［ｌ：曲げ振動の瞬時値 に：波数（２π／λ） λ：波長 Ｘ：位置 で表せる、円周方向に進行する曲げ振動の進行波が励振
される。

第８図は振動体３の表面のＡ点が進行波の励起によって
、長軸２Ｗ、短軸２ｕの楕円運動をし、振動体３上に加
圧して設置された移動体５が、楕円の頂点近傍で接触す
ることにより、摩擦力により波の進行方向とは逆方向に
Ｖ：ω×ｕの速度で運動する様子を示している。

このような構成の場合、モータの高速化を図るために、
横方向変位Ｕの拡大を目的とした突起体９を、等間隔で
しかも円周状に振動体３の幅全体にわたって移動体５と
の接触面に設けている。

発明が解決しようとする課題 しかしながら、振動体３に突起体９を配設することは加
工上の問題がある。例えば、フライスで加工する場合に
突起体９と振動体３の付は根の機械的強度が弱く加工に
おいて注意が必要となり、結果的に加工時間が長くなる
という課題があり、また成形で作る場合には、突起の先
端の移動体５との接触面精度がでにくいため、接触面の
研磨が必要であった。さらに、振動体３の厚みと突起体
９の高さに対する精度は、振動における共振特性、つま
り弾性進行波の励振において各定在波成分の振幅比率や
共振周波数のずれを生じるというように直接特性に影響
し、厚みとともに突起体９の高さに対する加工精度への
要求が非常に厳しいという課題がある。

また、突起体９の設置によりモータの高速化は得られる
が、突起の数に対応したコギングが特性に現れ、制御特
性に悪影響を及ぼす。そこで突起体９の数を増やせは制
御特性は向上するが、機械強度や加工性に問題が発生し
、その面からも限界がある。

また、移動体５との接触面において、突起体９のない平
板状の振動体の場合、振動体の振幅は１０μｍ以下であ
り、移動体５との加圧接触を均一に、しかも安定に精度
よく行うことはできないため、移動体５と振動体３の接
触位置がバラバラで安定したモータ特性が得られないと
いう課題がある。さらに、接触の不安定による可聴音の
発生という課題もあった。

そこで、本発明は上記従来の課題を解決する円環型超音
波モータを提供することを目的としている。

課題を解決するための手段 本発明は、円環形の第１弾性体及び円環形の圧電体が貼
り合わされた振動体と、円環形の摩擦材及び円環形の第
２弾性体が貼り合わされた移動体とが加圧接触され、前
記圧電体に電界を印加することにより前記振動体の周方
向に振動の進行波を励振して、前記移動体を駆動する円
環型超音波モータにおいて、前記振動体の前記移動体と
の接触面に、前記振動体の外周縁及び／又は内周縁に到
達しない凹部を形成したものである。

作用 本発明の円環型超音波モータは、円環形の第１弾性体及
び円環形の圧電体が貼り合わされた振動体と、円環形の
摩擦材及び円環形の第２弾性体が貼り合わされた移動体
とが加圧接触され、前記圧電体に電界を印加することに
より前記振動体の周方向に振動の進行波を励振して、前
記移動体を駆動するものであり、しかも前記振動体の前
記移動体との接触面に、前記振動体の外周縁及び／又は
内周縁に到達しない凹部を形成したことにより、出力特
性が優れたものとなる。

実施例 以下、図面に従って本発明に係る円環型超音波モータの
一実施例について詳細な説明を行う。

第１図（ａ）、　　（ｂ）は本発明の円環型超音波モー
タの振動体の平面図とその端面図である。同図において
、第１弾性体１は圧電体２と共に円環状の振動体３を構
成し、円環状の振動体３平面の幅において外径には到達
しない内側に凹部４が設けられている。凹部４は、第１
図のように円周方向に対して等間隔に設ける方が好まし
いが、この限りではない。

上記のように円環状の振動体３に外径には到達しない凹
部４を設けた振動体３に、第６図のように摩擦材８を介
して、移動体５が加圧接触されている。

凹部４の形状は、第２図（ａ）に示すように一部球状に
くりぬかれたもの、第２図（ｂ）に示すように直方体状
にくりぬかれたもの、又は、第２図（Ｃ）に示すのよう
にＶ字状に鋸のようにくりぬかれたもの等各種考えられ
るがこの限りではない。

第３図に、円環状の板の振動体における半径方向の振動
変位分布を示すように、１次の振動モードを使う関係上
、外側に行くほど変位量が大きくなっている。しかし、
内側に凹部４を設けることにより板厚の３乗に比例して
機械的剛性が変化するため変位量を半径方向に対して平
坦化できるので、軸精度による偏芯に対しても安定な接
触が可能となる。一方、振動体３の振幅の小さい内側で
移動体を駆動するため負荷の変動に対して安定である。

次に、本発明に係る円環型超音波モータの一実施例の作
用について述べる。

上述のような簡単な、基本的には平板である円環状の振
動体３で構成することにより、従来のように加工上の課
題（精度、コスト等）が解決される。また、凹部４の寸
法形状には精度を必要としないため、低コスト化が可能
な粉末冶金のような一体成形も可能となる。

なお四部４の深さは、移動体５が加圧によって、振動体
３側に変形する型具上であれば、基本的にそれ以上の凹
部４の深さは特に必要でない。

更に、凹部４の数は自由に設定できるため、数を増やす
ことによってコギングなとの少ない安定した特性のモー
タを得ることができる。

また、凹部４の引っかかりなどによる摩擦抵抗の増加が
あるので、特性の安定性や高トルク側での従来のような
滑りによる出力の急激な変動のない優れた円環型超音波
モータを得ることができる。

従来のように突起体による振動体に対する部分的な機械
的剛性の変化や厚みの変化による共振特性への影響が非
常に小さくてき、弾性進行波駆動時に、可聴音の発生や
回転むらの原因となる不要な定在波成分の発生が皆無と
なる。

第４図は、凹部６を円環状の振動体３に対して、内径に
は到達しないように振動体３の外側に凹部６を設けた他
の実施例である。そして、移動体５を外側の凹部６に加
圧接触させることにより、第３図に示したように振幅最
大点て駆動できるため、高速化が図れるとともに、半径
比倍だけトルクが拡大でき、モータの高出力化が達成で
きる。

又、第５図は、上記の凹部４や凹部６に対して、円環状
の振動体３の中央部に外周縁や内周縁ここ到達しないよ
うに凹部７を設け、この凹部７に移動体５を加圧接触さ
せる他の実施例である。この構成により、凹部４や凹部
６によって得られる効果が同時に得られるものである。

尚、凹部４．６．７は移動体５の振動体３との接触面に
設ける構成でもよいことは言うまでもない。この時、振
動体３の凹部４．６．７は必ずしも必要ではない。

発明の効果 本発明では、振動体の幅に対して部分的に移動体との接
触面に凹部を設けることにより、振動体の加工が平板状
と簡単となり加工精度が得やすい。

また、凹部による引っかかりなどによって機械出力の伝
達が効率よく行えるために、安定性がよく、信頼性の高
い、さらにコギングや可聴音の発生のない出力特性の優
れた円環型超音波モータが実現できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明に係る円環型超音波モータの一実
施例の振動体の平面図、第１図（ｂ）はそのＡ−Ａ’端
面図、第２図（ａ）、　（ｂ）、　（ｃ）は同実施例の
凹部の形状例を示す断面図、第３図は円環型超音波モー
タの薄板における半径方向の振動変位分布を示す図、第
４図（ａ）は本発明の他の実施例の振動体の平面図、第
４図（ｂ）はそのＡ−Ａ’端面図、第５図（ａ）は本発
明の他の実施例の振動体の平面図、第５図（ｂ）はその
Ａ−Ａ’端面図、第６図は従来の円環型超音波モータの
切り欠き斜視図、第７図は第６図の超音波モータに用い
た圧電体の形状と電極構造を示す平面図、第８図は超音
波モータの動作原理の説明図である。 ２・・・圧電体、３・・・振動体、４．６．７・・・凹
部、５・・・移動体、８・・・摩擦材。 第１図 （ａ） 第２図 周方向 Ａ−Ａ’　ｊｒ＊］（３）図 第 ３ 図 牛 イ蚤。 第５図 （ａ） Ａ−Ａ’　　立声ｂｄｂ隔ｄ 第 図 （ａ） 第 図 第 ７ 図 △ 第 図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）円環形の第１弾性体及び円環形の圧電体が貼り合
   わされた振動体と、円環形の摩擦材及び円環形の第２弾
   性体が貼り合わされた移動体とが加圧接触され、前記圧
   電体に電界を印加することにより前記振動体の周方向に
   振動の進行波を励振して、前記移動体を駆動する円環型
   超音波モータにおいて、 前記振動体の前記移動体との接触面に、前記振動体の外
   周縁及び／又は内周縁に到達しない凹部を形成したこと
   を特徴とする円環型超音波モータ。
2. （２）凹部は、前記振動体の前記移動体との接触面の径
   方向の内径側にあり、外周縁には到達しないことを特徴
   とする請求項１記載の円環型超音波モータ。
3. （３）凹部は、前記振動体の前記移動体との接触面の径
   方向の外径側にあり、内周縁には到達しないことを特徴
   とする請求項１記載の円環型超音波モータ。
4. （４）凹部は、前記振動体の前記移動体との接触面にあ
   り、前記振動体の外周縁及び内周縁に到達しないことを
   特徴とする請求項１記載の円環型超音波モータ。