JPH04165969A - 円板型超音波モータ - 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円
板型超音波モータに関するものである。

従来の技術 近蝦　圧電セラミック等の圧電体を貼合わぜた振動体に
弾性振動を励振し　これを駆動源とした超音波モータカ
＼　例えばＮＭＲ（核磁気共鳴装置）等の強磁場中の駆
動用モータとして注目されている。

以下、図面を参照しながら円板型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２次、周方向３次以上の振動モードで励
振される円板型超音波モータの切り欠き斜視図であり、
円板形の弾性体８に円板形圧電体９を貼り合せて振動体
６を構成している。振動体６上には円環状に等間隔に突
起体１０が設けられている。１１は耐磨耗性材料の摩擦
材　１２は弾性体であり、互いに貼り合せられて移動体
３を構成している。移動体３は摩擦材１１を介して振動
体６と加圧接触している。圧電体９に電界を印加すると
振動体６の周方向に曲げ振動の進行波が励振され　移動
体３を駆動する。九　同図中の矢印は移動体３の回転方
向を示す。

第７図は第６図の円板型超音波モータに使用した圧電体
９の電極構造の一例を示している。同図では円周方向に
４波の弾性波が励振されるようにしである。電極は図中
に示したように＋十−−の順序で分極されており、各電
極は４分の１波長（９０度）に相当している。この電極
を十−十−の順序で接続することによって、位置的およ
び位相的に９０度ずれた電極ＡとＢが構成される。

以上のように構成された円板型超音波モータの圧電体９
の電極ＡおよびＢに Ｖ＋　＝Ｖｅ　ｘ　５ｉｎ（ωｔ）　　　　　　　　　
　　−−−（１）Ｖａ−Ｖθｘ　ｃｏｓ（ωｔ）　　　
　　　　　　　　−−−（２）ただし　■１１＝電圧の
瞬時値 ω：　角周波数 ｔ：　時間 で表される電圧Ｖ１および■２をそれぞれ印加ずれ（渋
振動体６には ξ−ξｅ　ｘ　（ｃｏｓ（ωｔ）ｘ　ｃｏｓ（ｋｘ）＋
　５ｉｎ（ωｔ）ｘ　５ｉｎ（ｋｘ））−ξθｘ　ｃｏ
ｓ（ωｔ−ｋｘ）　　　’　　　　−−−（３）ただし
　ξ　：曲げ振動の振幅値 ξ９＝曲げ振動の瞬時値 ｋ　：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６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３力丈　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。

第９図（よ　突起体１０のない円板において２次振動モ
ードを励振した時の、半径方向の振動変位分布を示す。

同図より、円板の半径方向に振動変位の最大点と部内部
１３　（振動しないところ）が存在する。そして、径方
向２次の振動モードの場合　部内部でビスなどで支持固
定ができると言う大きな特徴を持っていｔう このような構成の場合　モータの回転速度の向上を図る
ために横方向変位Ｕの拡大用として、機械加工の困難な
突起体を、振動振幅の最大点近傍で振動体６の移動体３
との接触面に設けている。

さらに　駆動源が摩擦力であるた臥　移動体に設けられ
た摩擦材とそれに接触する突起体１０の平面精度（うね
り等）力＼　モータ特性や可聴域の騒音等に対して重要
な要素となっている。

発明が解決しようとする課題 従来の円板型超音波モータ（友　振動体上に設けた突起
体と移動体を構成する摩擦材との平面精度が重要で、突
起体の振動体との付は根の機械強度や高さのばらつき（
よ　共振周波数ずれ・出力トルク・効率や駆動電極Ａ、
　　Ｂの面積の違いや圧電体と突起体を有する振動体と
の貼合わせの位置ずれなどにより生じる不要振動の周波
数と駆動周波数とのビート成分などによる可聴域の騒音
の発生などモータ特性に直接影響を及ぼしている。その
ため平面精度の向上などから機械加工時器　加工精度さ
らにコストの観点からも問題がある。

また　振動体の静止状態における平面精度を向上させ、
振動体自身が各定在波間の振幅が同じで不要振動の無い
理想的な振動をすると仮定しても、径方向には第８図の
ような振動変位量分布を持ち、現実に振動体と移動体と
の完全な接触状態を得ることは不可能である。

さらに　接触状態の良否がモータ特性のばらつきや騒音
の発生源等のモータとして実用上大きな問題を有してい
る。

そこて　本発明は上記従来の問題を解決する円仮型超音
波モータの提供を目的としている。

課題を解決するための手段 上記問題を解決する手段（よ　振動体に突起体部または
凹部を形成し　その形成面と接触する側の移動体を構成
する弾性体に凹部を設け、凹部を少なくとも覆うように
摩擦材を貼合わせた移動体および振動体構成とするもの
である。

作用 本発明の円板型超音波モータ（主　振動体の突起体部ま
たは凹部と接触する面の移動体を構成する弾性体に凹部
を設け、その凹部を少なくとも覆うように摩擦材を貼合
わせた移動体構成とすることにより、凹部上の摩擦材に
振動体の突起体部の加圧力が加えられた時に　摩擦材の
両端固定条件時の変形により突起体の面に沿うと言う面
補正効果のた数　振動体と移動体との接触が容易に確保
できるものである。

また　上記面補正構造のために弾性進行波を発生する各
定在波振幅のアンバランスから生じる不要振動成分の吸
収作用により、可聴域の騒音の発生を防止でき、ばらつ
きの少ない安定したモータ特性を得ることができるもの
である。　　　゛実施例 以下、本発明を実施例の図面と共に詳細に説明する。

（第１実施例） 第１図は本発明の円板型超音波モータの第１の実施例に
おける移動体の断面図である。

同図において、弾性体１は摩擦材２と共に円板状の移動
体３を構成し　弾性体１に（友　振動体の突起体部に接
する側に円環状の凹部４を設け、さらに　凹部４面を少
なくとも覆うように摩擦材２が弾性体に貼合わされて移
動体３を構成している。

上記構成の移動体３（ミ　突起体を有する振動体とが第
６図の場合と同様にして摩擦材２を介して加圧すること
により円板型超音波モータが構成されている。

移動体を本実施例の構成とすることにより、第９図のＡ
、　　Ｂ電極で面積ずれや突起体を有する振動体との貼
付は位置ずれにより発生する各定在波間の振幅ばらつき
による不要振動や原理的に生じる径方向の振動変位の傾
き力受　凹部４を設けることにより、凹部４上の摩擦材
２が振動変位分布に沿うように変形することによる面補
正効果で吸収できる。

その結果、平面精度への許容範囲か拡大でき、機械加工
への制約や不要振動による不要振動周波数と駆動周波数
とのビート成分による可聴、域の騒音を無くすることが
できる。

（第２実施例） 第２図は本発明の第２の実施例における移動体の断面図
であり、第３図ＬＬ、　　本実施例における振動体の平
面図とその断面図である。また　第４図に上記移動体と
振動体を組合せた状態を断面図で示す。

第２図において、移動体３（よ　凹部４を持つ弾性体１
と貼合わされる凸部５を有する摩擦材２で構成されてい
る。

まｆ：、、第３図では振動体６に凹部７が摩擦抵抗の増
大のために設けられている。

ｑ− 上記凸部５の位置（よ　第３図に示した振動体６の凹部
７に相対し　第７図の振動モードにおいて振動の最大変
位量の位置に設けられるもので、振動体６と移動体３と
の接触位置の確定に対して大きな効果がある。

凹部７の形状（主　第５図（ａＬ　　（ｂＬ　　（ｃ）
等のように各種考えられるがこの形状に限定されるもの
ではない。また　凹部４の形状も各種考えられる力交　
面補正効果や不要振動の吸収効果があれば第５図に示す
形状やテーパ形状等でもよく、上記実施例の形状に限定
されるものではない。

本構成の円板型超音波モータ（主　基本的には平板状の
円板である。そのたへ　振動体６の変位量よりも少し深
い程度の凹部７であればよく、第１実施例や従来例のよ
うな突起体の加工時に生じる歪等の機械加工上の課題（
精度、コスト等）か容易に解決される。

また　進行波を励振する各定在波の振幅のばらつきによ
る不要振動を移動体３の弾性体１に形成された凹部４に
より吸収できるために　不要振動周波数と駆動周波数と
のビート成分による騒音や平面精度不良による振動体６
と移動体３との面接触状態の低下を防ぎミ　モータの出
力トルクの向上や安定した特性を得ることができる。

一方、振動体６に設けた凹部７の数（よ　第１実施例や
従来例の突起体構造に比べて、非常に浅くできるため自
由に設定できる。なぜなら、突起体の高さの２乗に反比
例し　厚みに比例すると言う関係で突起体の共振特性が
決定されるた敦　突起体の機械強度を得るために振動体
６の駆動周波数から２倍以上に突起体の共振を設定する
事が安定な特性を得るには必要である。そのたへ　凹部
７の数の増加によりコギングが少なく低速回転性などの
安定したモータ特性を得ることができる。

砥　突起体の径方向幅は移動体３に設けられた凹部４の
径方向幅より小さい必要は特になく、形状に対する制約
も無いが、好ましくは突起体幅より大きい方が不要振動
の吸収効果や面に沿う効果を大きくすることができる。

さらに　第２実施例の凸部５を有する摩擦材２（よ　他
の実施例に適用してもなんら問題は生じない。

まな　凹部４（よ　上記各実施例では空洞としている力
受　例えばゴム系の材料やフェルト等のスポンジ状の材
料など摩擦材料に比べて、音速や弾性率の小さいものや
内部損失の大きな材料を充填してもよい。その場合には
　不要振動に対するより大きな吸収効果か得られる。こ
の様（ζ　凹部４は上記第１、第２の実施例の様に空洞
に限定されるものではない。

発明の効果 本発明で（よ　移動体を構成する弾性体に凹部を設け、
少なくとも凹部を覆うように摩擦材を形成することによ
り、振動体の面精度が悪くても摩擦材の変形による面補
正効果で振動体と移動体との接触状態を大幅に改善する
ことができる。

また　進行波を発生する各定在波の振幅ばらつきによる
不要振動を吸収することにより、従来不要振動周波数と
駆動周波数とのビート成分による可聴域の騒音を抑制す
ることができる。

さらに　振動体部に凹部を形成することにより、機械加
工上のコストや機械精度に対する制約条件を突起体を形
成する時よりも大幅に削減できる。

また　凹部の数を増加することによりコギング等の低減
したモータ特性や安定性の優れた円板型超音波モータが
実現できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の円板型超音波モータの第１の実施例に
おける移動体の断面医　第２図は本発明の第２の実施例
における移動体の断面＠　第３図は第２の実施例に用い
た振動体の平面図とその断面は　第４図は第２の実施例
における振動体と移動体の組合せ断面は　第５図ＩＪ本
発明における凹部の他の形状例を示す断面医　第６図は
従来円板型超音波モータの切り欠き斜視医　第７図は第
６図の円板型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
説明医　第９図は円板型超音波モータの径方向の振動変
位分布図である。 ２、１１・・・摩擦抹　３・・・移動体　４、６・・・
凹皿５・・・ハム　７・・・振動体　９・・・圧電体　
１０・・・突起体。 第１図 第２図 第３図 （Ｌ） 第４図 第５図 （の 第　６　図 第７図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）　圧電体を交流電圧で駆動して、前記圧電体と突
   起体を有する弾性体とから構成される振動体に径方向２
   次、周方向３次以上の弾性波を励振し、摩擦材と弾性体
   とから構成される移動体を、前記振動体の突起体に加圧
   接触することにより駆動する円板型超音波モータにおい
   て、前記移動体の弾性体には、前記摩擦材側に凹部を設
   けることを特徴とする円板型超音波モータ。
2. （２）　圧電体を交流電圧で駆動して、前記圧電体と弾
   性体とから構成される振動体に径方向２次、周方向３次
   以上の弾性波を励振し、摩擦材と弾性体とから構成され
   る移動体を前記振動体に加圧接触することにより駆動す
   る円板型超音波モータにおいて、前記振動体の弾性体に
   凹部を設けると共に、前記移動体の弾性体には、前記摩
   擦材貼付け側に凹部を設け、かつ前記摩擦材には、前記
   振動体の凹部に相対する凸部を設けることを特徴とする
   円板型超音波モータ。
3. （３）　移動体に設けられた凹部が、摩擦材に比べて内
   部損失の大きい材料で充填されたことを特徴とする請求
   項１または２記載の円板型超音波モータ。