JPH0349576A - 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］ 本発明は可動子に加圧された固定子を弾性進行波で駆動
するように構成した超音波モータにかかり、詳しくは、
前記超音波モータの構造に関するものである。

［従来の技術コ 従来のこの種の超音波モータとして、特開昭６３−７３
８８７号公報｛こ掲載された技術が知られている。

第６図は従来の超音波モータを示す縦断面図、第７図（
ａ）は第６図の超音波モータの駆動時における固定子の
くし歯の周方向及び半径方向の動きを示す平面図、第７
図（ｂ）は同じく＜シ歯の法線方向の動きを示す断面図
である。

第６図において、ケース４１及び前記ケース４１の開口
部のカバー４２によって、超音波モータの外郭を形戊し
ている。カバー４２には固定子４３が固着されていて、
前記固定子４３の外周部には肉厚の駆動部５１が形成さ
れ、その駆動部５１の上面には多数のくし歯４つが突設
されるとともに、駆動部５１の下面には圧電体４４が固
着されている。前記固定子４３の前記くし歯４９には、
ライナー４６を介して加圧された可動子４５が配設され
ている。前記可動子４５と一体に回転する回転軸の大径
鍔部４８の下側には、可動子４５を固定子４３に向けて
加圧する皿ばね５０が配設されている。

上記のように構成された従来の超音波モータにおいて、
圧電体４４に高周波電力が印加される′と、前記圧電体
４４の変形に伴って固定子４３の駆動部５１に弾性進行
波が発生する。この弾性進行波により駆動部５１のくし
歯４９は、第７図（ａ）に示すように、周方向Ａ及び半
径方向Ｂに変位されるとともに、第７図（ｂ）に示すよ
うに法線方向Ｃにも変位される。なお、第７図（ａ）の
鎖線は停止時におけろくし歯４つの原位置を示す。そし
て、くし歯４９の各方向の変位が合成されることにより
、くし歯４つの表面上の質点に楕円運動が生起し、その
楕円運動に伴い固定子４３と可動子４５との接触面に摩
擦力が発生する。

したがって、前記摩擦力で可動子４５に回転モーメント
が作用し、可動子４５と一体に回転軸４７が回転される
。

［発明が解決しようとする課題］ ところで、この種の超音波モータにおいて、可動子４５
に作用する回転モーメントの大きさは、一般に、くし歯
４９の周方向Ａの変位量に依存する。即ち、圧電体４４
が発生した振動エネルギーをくし歯４９の周方向Ａの動
きに変換する効率がよい程、モータの効率が向上するこ
とになる。

しかしながら、従来の超音波モータにおいては、第６図
に示すように、駆動部５１が固定子４３によってカバー
４２に固定されているので、駆動部５１に弾性進行波が
発生した場合、駆動部５１のある一点が描く軌跡はＤ点
を中心とした球面上を通ることになる。このために、駆
動部５１には周方向変位や法線方向変位だけでなく、半
径方向変位が発生してしまう（第７図（ａ）及び第７図
（ｂ）参照）。

可動子４５を回転させるために必要な弾性進行波は、二
つの方向の振動が合戊されることにより惹起されるので
、それ以外の方向の振動は可動子４５の回転に全く寄与
しないことになる。即ち、第６図に示した形状の超音波
モータの場合には、駆動部５１の周方向変位や法線方向
変位は可動子４５の回転に寄与するが、半径方向変位は
可動子４５の回転に寄与せず、駆動部５１と可動子４５
との間に摩擦熱を発生させてしまう。このために、半径
方向変位が大きくなると、圧電体４４の振動エネルギー
が無駄に消費され、モータの効率が低下してしまう。

そこで、本発明の課題は、固定子に二つの方向の振動の
みを発生させ、モータの効率を向上させることにある。

［課題を解決するための手段］ 上記課題を達成するために、本発明の超音波モータは、
超音波振動を発生する一対の圧電体を固定子の両面に固
定し、該圧電体の径方向及び周方向の変形により固定子
の側面に弾性進行波を発生させ、この弾性進行波により
固定子の側面に向かって加圧された可動子を回転させる
ようにしたものである。

［作用］ 本発明の超音波モータにおいて、超音波振動を発生する
圧電体を有する可動部は、その圧電体の径方向及び周方
向の変形に伴ってその固定子の周囲に弾性進行波を発生
する。前記固定子の駆動部には可動子が、前記固定子と
可動子との接触圧を設定する弾性付製手段によって加圧
されており、その駆動部に発生した弾性進行波による接
触圧で所定の駆動力を得て回転する。

本発明の超音波モータにおいては、圧電体が固定子の両
面に固定されているので、固定子を法線方向に変位させ
る応力が相殺される。この結果、固定子は法線方向には
振動せず、径方向及び周方向にのみ振動することになる
。このように、本発明の超音波モータにおいては、固定
子に二つの方向の振動のみが発生するのでモータの効率
が向上し、初期の課題が達戊できる。

［実施例コ 以下、本発明を具体化した実施例を図面に基づいて説明
する。

第１図は本発明の一実施例による超音波モータを示す縦
断面図で、第２図の切断線Ａ−Ａにより切断したもので
ある。第２図は第１図の切断線ＢＢにより切断した横断
面図である。また、第３図は本発明の一実施例による超
音波モータで使用する固定子の駆動時の様子を描いた部
分拡大斜視図で、第４図は本発明の一実施例による超音
波モータで使用する分極配置の説明図である。

第１図に示すように、この実施例の超音波モータのハウ
ジング１はベース２と、前記ベース２の上方を覆うカバ
ー３から構成されている。ベース２の中央部には軸受メ
タル４が圧入され、その軸受メタル４には回転軸５が回
動自在に挿入されている。

前記回転軸５は固定基板６の中央部を回動自在に挿通し
、前記固定基板６はベース２に固着されている。前記固
定基板６とベース２との固着は、両者を一体化できる固
着手段であれば使用できる。

前記固定基板６の両面の環状凹部には圧電体７が接合さ
れており、前記圧電体７の内周及び外周は固定基板６の
両面の環状凹部の小径部及び大径部の周壁面に密接して
いる。前記圧電体７はセラミックス材料等でリング状に
戊形されたもので、第４図の説明図で示すように分極配
置されている。

そして、この圧電体７は図示しない導電性の接着材を介
して固定基板６に固着されており、圧電体７の開放面は
フレキシブルプリント基板及びその端部の通常のプリン
ト基板等を介してコネクタに接続されている。

また、前記固定基板６の外周には、所定のピッチで半径
方向に切込みを入れたくし歯６ｂを有する駆動部６ａを
形成しており、前記圧電体７を接合した部位よりもその
厚みを厚くしている。即ち、固定基板６の外周の駆動部
６ａは篩状であり、その周囲はくし歯６ｂに形成されて
いる。

したがって、前記圧電体７に高周波電圧が印加されると
、圧電体７の伸縮変形に伴い固定基板６に超音波振動、
即ち、弾性進行波が発生し、固定基板６の外周の駆動部
６ａのくし歯６ｂは、その半径方向に径を変化させると
共に、円周方向に回転力が生ずる。

本実施例では、前記ハウジング１に取付けられた固定基
板６及びその外周の駆動部６ａ及びくし歯６ｂは、固定
子を構成する。

前記固定基板６の外周の駆動部６ａの外側には、その外
周囲に回転自在な小球１２を複数装着した回転環体１１
が配設され、前記小球１２はベース２のテーバー状の内
壁面２ａに当接している。この実施例の回転環体１１は
３分割されていて、支持体１３の上方から下方に向けて
外力が加わっている。また、前記固定基板６の外周の駆
動部６ａの外側と３分割された回転環体１１との間には
、ライナー１４が３分割された回転環体１１側に接合さ
れた状態で介在されている。したがって、３分割された
回転環体１１は、小球１２がベース２のテーパー状の内
壁面２ａに当接しているから、支持体１３の外力によっ
て、その径を狭めるように移動し、固定基板６の外周の
駆動部６ａをライナー１４を介して押圧状態となる。

なお、本実施例の回転環体１１は、３分割されているが
、本発明を実施する場合には、回転環体１１の内径が変
化できる構造を有しておればよいことから、巻回構造を
取ることもできるし、或いは、スリットを入れた構造と
することもできる。

本実施例では、前記３分割された回転環体１１及び支持
体１３及び回転軸５は、可動子を構成する。

前記支持体１３の外周の下端面は、１２０度間隔で凸部
を設けてあり、該凸部が回転環体１１同士の隙間に収ま
るように設計されている。このため、回転環体１１の回
転は支持体１３に伝達される。

前記支持体１３は略円板状で、その外周を厚くして、図
示下方に突出させたものであり、その中央部に回転軸５
がその軸方向に相対移動可能で、かつ、相対回動不可能
なセレーション等の接続手段によって接続されており、
支持体１３の回転は回転軸５の回転となる。そして、前
記支持体１３及び回転軸５との同心円上に、しかも、回
転軸５に挿通された結合仮２１が配設されている。前記
結合板２１と支持板１３とは結合板２１側の凸部が支持
体１３側の凹部に嵌合し、カバー３の中央部に圧入され
たベアリング２３との間に介在された皿バネ２２の付勢
力によって、前記結合板２１と支持板１３との間に弾性
力を付与している。また、前記結合板２１と皿バネ２２
とは、冊バネ２２の接触圧を受け、その接触抵抗によっ
て一体化されている。

なお、本実施例の皿バネ２２及び結合板２１は支持板１
３との間に弾性力を付与する弾性付製手段を構成する。

次に、上記のように構成された本実施例の超音波モータ
の動作を説明する。

超音波モータの停止時には、第１図に示すように、冊ば
ね２２の加圧力で結合板２１を介，して支持体１３を押
圧し、その外周の突部可動子を構成する回転環体１１同
士の隙間が噛合った状態で、回転環体１１を下方に押圧
する。このとき、前記回転環体１１は下方に外力を受け
、ベース２の内壁面に沿って下降し、そのテーパー構造
によって固定子を構戊する固定基板６をライナー１４を
介して挾持すべく押圧している。

この状態で、圧電体７に高周波電力が印加されると、そ
の圧電体７の伸縮変形に伴い、固定子を構成する固定基
板６の駆動部６ａに弾性進行波が発生する。そして、こ
の弾性進行波は駆動部６ａの外周に沿って周回し、その
過程で、弾性進行波の振幅かくし歯６ｂによって拡大さ
れる。これにより、第３図に示すように、駆動部６ａが
その半径方向に変化し、くし歯６ｂがライナー１４を介
して可動子を構成する回転環体１１に押圧され、前記回
転環体１１は固定基板６の駆動部６ａの弾性進行波によ
って回動させられる。

このように、圧電体７に高周波電力が印加されると、前
記圧電体７の変形に伴って固定基板６の駆動部６ａに弾
性進行波が発生する。この弾性進行波により駆動部６ａ
のくし歯６ｂは、従来例で説明した第７図（ａ）に示す
ように、周方向Ａ及び半径方向Ｂに変位されるが、前記
固定基板６の両側に接合された圧電体７によって第７図
（ｂ）に示す法線方向Ｃには変位され難くなる。そして
、くし歯６ｂの各方向の変位が合戊されることにより、
くし歯６ｂの表面上の質点に楕円運動が生起し、その楕
円運動に伴い固定子と可動子との接触面に摩擦力が発生
する。

したがって、前記摩擦力で可動子に回転モーメントが作
用し、可動子と一体に回転軸が回転する。

また、駆動部６ａに弾性進行波が発生するとくし歯６ｂ
は周方向Ａ及び半径方向Ｂ（第３図参照）にそれぞれ変
位され、特に、本実施例の超音波モータによれば、駆動
部６ａの周囲をくし歯６ｂとすることにより駆動部６ａ
の外周側の質量を減少させている。このため、モータ起
動時における駆動部６ａの慣性による、首振り運動が抑
制されるとともに、それに応じ、駆動部６ａの半径方向
Ｂにおける変位のみとなる。したがって、圧電体７の振
動エネルギーが、従来のように首振り、摩擦熱及びこじ
れとして無駄に消費されることなく、くし歯６ｂを周方
向に変位させるエネルギーとして効率よく使用される。

この結果、くし歯６ｂの表面上の質点に周方向に大きく
変位する楕円運動が生起し、その際の摩擦駆動カで可動
子を構成ずる回転環体１１に大きな回転モーメントが作
用する。それ故、可動子を構戊する回転環体１１、支持
体１３及び回転軸５を効率よく回転させることができる
。

このように、上記実施例の超音波モータでは、超音波振
動を発生する圧電体７及び圧電体７の変形に伴ってその
周囲に弾性進行波を発生する駆動部６ａを有する固定子
と、前記固定子の駆動部６ａに加圧され、その駆動部６
ａに発生した弾性進行波による接触圧で駆動される固定
子の周囲に配設した３分割された回転環体１１及び支持
体ｌ３及び回転軸５からなる可動子と、前記固定子と可
動子との加圧力を設定する皿バネ２２及び結合板２１か
らなる弾性付製手段によって構成されており、固定子の
固定基板６に接合した圧電体７の変形に伴って、その周
囲の駆動部６ａに発生する弾性進行波で駆動部６ａの周
面と回転環体１１の内周面との摩擦力により、可動子の
回転力を得るものである。

このとき、超音波振動を発生する圧電体７は半径方向に
変化し、従来の圧電体４４のように、その平面に対して
垂直方向、即ち、折曲げる方向に振動が加わらないから
、圧電体７の破損を防止することができる。また、ライ
ナー１４は固定子を構戊すろくし歯６ｂと可動子を構成
する回転環体１１間に配設されているが、従来のライナ
ー４６のように、傾きを持ったくし歯４９の端部で当接
するようなことがなく、《し歯６ｂの周面全体で均一に
摩擦力が分布されるものであるから、本実施例のライナ
ー１４の寿命を長くすることができる。更に、＜１６ｂ
の周面全体で均一に摩擦力が分布されるものであるから
、高負荷時の出力の低下を抑えることができる。

ところで、上記実施例の固定子は、超音波振動を発生す
る圧電体７、その圧電体７の変形に伴ってその周囲に弾
性進行波を発生する駆動部６ａを有するものであり、圧
電体７を固定基板６の上下の両側に接合し、圧電体７を
接合した固定基板６の変化する長さ方向を、互いに上下
方向の変位を相殺し、半径方向の変化及び駆動部６ａの
外周方向の変化のみとしており、その回転効率を−ヒげ
るものであるが、本発明を実施する場合には、固定基板
６の上面または下面の一方のみに圧電体７を接合しても
よいし、或いは、サンドイッチ状に固定基板６で挾持し
てもよい。このときでも、特に、本実施例のように、圧
電体７を固定基板６でその反径方向を拘束するように構
成すると、圧電体７の変化を効率良く固定基板６、即ち
、固定子に伝達することができる。

更に、くし歯６ｂの効率を良くするために、第５図の本
発明の他の実施例による超音波モータで使川する固定子
の部分拡大斜視図のように、補助切欠部６Ｃを駆動部６
ａの内周側に形成すると、くし歯６ｂが動き易くなり、
結果的に回転効率を上げることができる。

そして、上記実施例の可動子は、駆動部６ａに加圧され
、その駆動部６ａに発生した弾性進行波による接触圧で
駆動される固定子の周囲に配設した３分割された回転環
体１１及び支持体１３及び回転軸５からなるものである
が、回転環体１１、支持体１３、回転軸５を一体化して
形成してもよいし、そのうちの２者を一体化して形戊し
てもよい。

更にまた、上記実施例の弾性付製手段は、皿バネ２２及
び結合板２１から構成されているものであるが、固定子
の駆動部６ａに可動子が弾接できるものであればよく、
また、本実施例においても、弾性力の分布を調節する結
合板２１を廃止することができる。また、回転環体１１
の周囲からその径を狭めるように挾持する手段とするこ
ともできる。

なお、上記実施例の超音波モータは可動子が回転運動を
行なうように構成されているが、可動子が直線運動する
ように構戊したリニア型の超音波モータに本発明を応用
して具体化することも可能である。

［発明の効果］ 以上に詳述したように、本発明の超音波モータは、超音
波振動を発生する圧電体及び圧電体の変形に伴ってその
周囲に弾性進行波を発生する駆動部を有する固定子と、
前記固定子の駆動部に加圧され、その駆動部に発生した
弾性進行波による接触圧で駆動される固定子の周囲に配
設した可動子と、その間の加圧力を設定する弾性付製手
段とを具備するものであるから、固定子に接合した圧電
体の変形に伴って、その周囲の駆動部に発生する弾性進
行波で駆動部の周面と可動子の内周面との摩擦力により
、可動子の回転力を得ることができる。したがって、固
定子の圧電体が発生する振動エネルギーを駆動部の周方
向の変位に効率よく変換して、モータの効率を向上する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による超音波モータを示す縦
断面図、第２図は第１図の切断線Ｂ−Ｂにより切断した
横断面図、第３図は本発明の一実施例による超音波モー
タで使用する固定子の駆動時の様子を描いた部分拡大斜
視図、第４図は本発明の一実施例による超音波モータで
使用する分極配置の説明図、第５図は本発明の池の実施
例による超音波モータで使用する固定子の部分拡大斜視
図、第６図は従来の超音波モータを示す縦断面図、第７
図は第６図の超音波モータにおいて駆動部の動きを示す
説明図である。 図において、 ５：回転輪　　　　　　６：固定基板 ６ａ：駆動部　　　　　　７：圧電体 １１：回転環体　　　　１３：支持体 ２１：結合板　　　　　２２：皿バネ である。 なお、図中、同一符号及び同一記号は同一または相当部
分を示すものである。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）側面に弾性進行波を発生する駆動部を有する固定
   子と、 超音波振動を発生させるために前記固定子の両面に固定
   され、前記固定子を径方向及び周方向に変形させる一対
   の圧電体と、 前記駆動部に向かって加圧され、駆動部に発生した弾性
   進行波による接触圧で駆動される可動子と、 前記固定子と可動子との加圧力を設定する弾性付勢手段
   と を具備することを特徴とする超音波モータ。
2. （２）前記固定子は、圧電体をその両面に接合してなる
   ことを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
3. （３）前記固定子と可動子との加圧力を設定する弾性付
   製手段は、内径を変化させたケースの内面に可動子を固
   定子の軸方向に押圧して得ることを特徴とする請求項１
   に記載の超音波モータ。