JPS60207466A - 超音波モ−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】 ［発明の技術分野］ 本発明は、超音波モータに関し、特に、定在波を利用し
て、高効率、高出力を図った超音波モータに係わる。

［発明の技術的背景コ 従来から、第１図（ａ）＋　（ｂ）に示すような超音波
モータが知られている。この挿のモータは、圧電振動子
２０を接着した弾性体２１から成るステータＳと、この
弾性体に接触されたロータ２２とから構成されている。

圧１！振動子２０は強誘電体、例えばチタン酸バリウム
やチタン酸ジルコン酸釦から成り、高電圧を印加して分
極し、その分極方向に交番電圧を印加すると電歪による
振動を生じる。この振動子は、該分極方向（小円内に点
および十字で示す）を交互に変えて、弾性体２１の周方
向に配置された各振動子２０ａ、２０ｂ・・・・から成
る。弾性体２１は、１つの態様において電気導体である
。超音波信号源■　をリード線２３．２４とアース８間
から振動子２０に印加すると、例えば一方の振動子２０
ａはステータの弾性体２１の周方向に伸長するように、
他方の振動子２０ｂは圧縮するように、それぞれ分極方
向が異な−）で設定さ九ているので、弾性体２１は第２
図に示す如く加振される。この波動は、いわば縦波と横
波との複合波とも称す八き表面弾性波または撓み波であ
る。振動子２０　ａ　−ｂの周方向の寸法によって規定
される波長λ中の、弾性体の表面における１つの粒子と
して把握できる頂点■）は、周方向Ｘの短軸２ｕ、縦方
向Ｚの長軸２Ｗの楕円軌跡を描く。弾性体２１がロータ
２°２と接触する頂点１）で、波動は方向２６にＶ＝２
πｊ’ｕの速度で進行波として伝播する。この結果、ロ
ータ２２は弾性体２１との摩擦力で波動の進行と逆方向
２７に速度■で駆動され１表面波モータが構成される。

なお、振動子に印加する交番電圧の位相を変更すると。

撓み振動の波動は逆方向になるので、ロータの回転方向
を変えることができる。この場合、ステータＳの内径を
ｒ、外径をａ、ヤング率をＥ、密度をｐ、ポアソン比を
σとすれば、ステータの固有共振周波数（ω。＝２π鮨
）は、 で表わされる。式中、αｎｏは半径比Ｘ（、＝ｒ／ａの
関数である。

［背景技術の問題点］ 而して、かかるモータは、ステータＳの弾性体２１の表
面粒子の回転運動を利用しているため。

弾性波は進行波である必要があり、もしも定在波が発生
すると該表面粒子は縦方向Ｚのみであり前述の楕円軌道
を描かないから、モータ効率は低１：する。そこで、定
在波の発生を防止するため、第１図（ｂ）に示す如く、
空隙部２５を設けて振動Ｆ２０を２クループに分離独立
させたり、クループ化された振動子のリート！！２３．
２４へ印加さＪしる超音波信号源の位相をπ／　２　ｒ
ａｄシフトする等の措置を構する必要がある。

また、楕円軌道で回転するステータの表面粒子の頂点■
】、ｌ）′・・・のみがロータと接触しなければならな
いから、ステータとロータの摩擦損失を防ぐために、両
者の表面粗度は粒子軌道の長径Ｗ　Ｉｃ。

比して無視できるほど極めて精度の高い機械加工をして
平滑面を形成することが要求される。このため、表面粗
さはモータ効率の低下に直結する。

（特公昭５７−２１９３号、特開昭５４−１６４２０２
号、特開昭５５−１２５０５２号、特開昭５６−１３８
４６９号、特開昭５７−７８３７８号、特開昭５８−９
３４７８号、特開昭５８−１／１８６８２号各公報およ
びＮ」ににヒ」旧１こＨＡＮＩＣＡＬ　ＨＪ８３．２．
２８第４４　＝　＝１９頁［大１〜ルつて定速回転する
表面波モータ」ン。

「発明の目的」 本発明は斜上の従前の難点を解消するためになされたも
ので、定在波を積極的に利用することにより、高効率、
高出力を図った超音波モータを提供せんとするものであ
る。

［発明のイ既要］ このような目的を達成するため、本発明の超音波モータ
は１回転中心を持ぢその回転方向へ回動口Ｉ能なロータ
と、該ロータと協働するステータと、超音波４８号が印
加されて前記回転方向への駆動成分を持つ円Ｍ！Ｉｉｌ
＋を有する定在波を発生させ少なくとも弾性体の前記ロ
ータを構成する振動子と、前記ロータの前記円運動が発
生さ九ている区域上に固定されて該駆動成分を前記ステ
ータ１＼作用せしめる接触子とを備えている。

［発明の好ましい実施例］ 以下１本発明の好ましい実施例を図面に冶って詳述する
。

第３〜９図において、本発明による超音波モータは、後
述のように、回転中心Ｏを持ちその回転方向１（Ｄへ回
動可能なロータ３０と、ロータ３０と協働するステータ
Ｓと、超音波信号が印加さｈて前記回転方向１（Ｌ）へ
の駆動成分を持つ円運動３５を有する定在波３７．３８
を発生させ少なくとも弾性体３２の前記ロータ３０を構
成する振動ｆ３１と、前記ロータの前記円運動が発生さ
れている区域Ｚ上に固定さＪして該駆動成分を前記ステ
ータへ伝達もしくは作用せしめる接触子３３とに備えて
いる。

この実施例において、ロータ３０の振動子３１は、第３
図に示すように、分極方向（小円内に点および十字で示
す）を交互に変えて１弾性体３２の周方向に間隙なく配
置された各振動子３１ａ、３１ｂ・・・・から成り、図
示の例では１２枚の扇形振動素子で構成されている。こ
れをリンク状の弾性体３２に接着せしめるとロータ３ｏ
が構成さ汎る。各振動子３１の一方の電極面にはリート
線３４か、他方の電極面には共通アースＥか夫々接続さ
れる。この場合、超音波（８号源はブラシおよびスリッ
プリンク（図示せず）を介して前記リート線およびアー
スに給電される。ムお、各振動子の分極方向を同一とし
、印加電圧を交互に逆方向に変えるように回路構成して
もよいわまた以上の例では振動子３１と弾性体３２を別
体に構成しているが、振動子３１を弾性材料により形成
し、振動子と弾性体を一体構造とすることもできる。

接触イ３３は図示の例においてロータ３０の振動子３１
上の所定位置に固定されてステータＳに接触さＪしてい
るが、別法としてロータ３０の弾性体３２上に固定して
ステータＳに接触させるようにしてもよい。

前述のロータ固有共振周波数をもつ超音波信号源Ｖ　Ｓ
］ｎωＬを前記ブラシおよびスリップリングを介してリ
ード線３４とアース６間から振動子３１に印加すると１
例えば一方の振動イ３１ａはロータ３０の弾性体３２の
周方向に伸長するようし；、他方の振動子３１ｂは圧縮
するように、それぞれ分極方向が異なって設定さ才して
いるので、振動子３１は径）向の振動（伸縮）と周方向
の振動（伸縮）をするため、弾性体３２、即ち〇−タ３
０は傘歯車状に振動する（第５図、ａ、ｂ）、これを詳
述すると、振動ｆ３１ａのような分極方向をもった振動
子は径方向へ振動する定在波３８を発生し、３１ｃのよ
うな反対の分極方向をもった振動子はπｒａｄ異って径
方向へ振動する定在波３８′を発生する。この径ノブ向
の振動と周方向の振動との関係は前述のポアソン比によ
って定められる。従って、第５図（ｂ）に示すように、
いま超音波信号源Ｖｓ１ｎωしが正であるときロータ３
０は振動子３１ａ。

３１ｂの如く加振され、負であるときロータ３０は振動
子３］ｃ、３１ｄの如く加振されるから、１つの振動子
上の接触子３３は信号源の１サイクルに亘って、振幅１
（で径方向に振動することになる。

一方、周方向の振動について考えてみると、第６図の如
く、一つの振動子３１は周方向Ｘ＜−Ｘ）の中心Ｏ・で
は変位せず１両端において周方向に一方、周方向の振動
について考えてみると、第６図の如く、一つの振動子３
］は周方向Ｘ（−、Ｘ）の中心Ｏ′では変位せず１両端
において周方向に伸縮する挙即Ｊを呈している。この波
動は、第７図に７１ｊす如く、変位の大きさは中心Ｏ′
で零１両端で最大の伸縮にする定在波３７を発生してい
ることになる。

そこで、こＡしらの径方向Ｒおよび周方向Ｘの両定在波
３８．３７をそのリサージュ図形により合成すると、振
Ａｔｌ＋子３１、従ってロータ３υ上の粒イとして把握
できる表面各部は、第８図にボす如く、円運動３５の軌
道を描く。なお、本明細書においてｒ円」どは、真円の
みならず楕円をも含める趣旨である。図から明らかなよ
うに、１つの振動−ｆ３１のＸ方向と−Ｘ方向では円運
動の駆！ｌ！ＩＩ（回転〕方向は逆になる。そこで、接
触ｆ・３３をロータ３０の前記円運動３５が発生されて
いる区域Ｚ（図では１つの振動子について３個つつ方向
が異なる円軌跡６個を描いている。従って１周方向中心
Ｏ′と周方向端縁Ｏ″には円運動は発生しない）へ固定
し、これをステータＳに接触させる〔第４図〕ことによ
り、ロータ３０は反作用により回転方向ｋＤへ駆動され
る。この場合、複数個の接触子３３（図面では３個）を
用いる際には、モータ効率上。

回連１＃３５の回転方向が同一である区域Ｚにそ１１そ
れ固定するのが好ましい。

次に、接触ｆ−３３における前記円運動３５によりロー
タ３０に対する回転方向ＲＤへの駆動乃至回転成分が得
られるメカニズムについて説明する。

いま、説明を簡単にするために振動子３１上の円運動３
５′を真円運動に想定し、その軌跡を極端に誇張し、該
挙動を図示すると第９図のようになる。図から明らかな
ように、ロータ３０の回転中心０から円運動３５′の軌
道へ２本の接線Ｉｌｌ○。

ＩＶＯを引くと、その接点ｕｉ’、ｔｖ’間の円弧ＩＩ
Ｉ　’　ＩＶ　’はロータ３０の回転方向ＲＤに対して
正の回転トルクを発生し、円弧ＩＶ’ｌｌｌ’は逆の回
転トルクを発生している。第９図において、黒丸？ｉ　
（−１加した矢印は円運動３５′による各軌道部分にお
ける力、太い矢印は回転トルク、その他の矢印は遠心力
成分を人々示す。そこで、円軌道３５′の中心かである
から、両者の回転トルクのべり１−ル和により、該円運
動について、第９°図に示す時計回りの回転り向ＲＤへ
の駆動成分が得ら九る。この駆動成分は接触子３３を介
してステータＳへ伝達、作用させらｈで、ロータはその
反作用により回転方向ＲＤへ駆動せしめられるのである
。区から解かるように、円運動３５′は楕円である方か
■ビＩＶ’ができる。

以上の実施例において、振動子および接触子は大々複数
個用いたものについて説明したが、そｔＬぞれ単一のも
ので構成することかできる。接触子を単一にしたとぎは
、ステータの適当な支持手段が必要となる。また、ステ
ータおよびロータ（振動偵および弾性体）はリング状の
ものについて例示したか、こ汎らを所定角度のセクター
状にして構成してもよい。従って、本明細書中にて「回
転」とは２πｒａｄの変位のみならす、そ九以下の角度
での回動をも含める唐、義として解釈される。また、振
動子として圧電型素子を用いたが、これに代えて磁歪型
索ｆ・を使用することもできる。

次のような実験を行なった。内径６０ｎｕ１１．外径８
０　ｎｌＩｎ　、厚さ４　＋ｎｍの銅製のリング状弾性
体に、厚さｌ　＋ｎｍ、チタン酸バリウム製の圧電振動
子３１を隙間なく６個分極方向を互いに変えて接着した
・接触子３３をロータ３０の振動子３１上における前述
の円運動を発生している部分Ａ、Ａ’、Ａ”の３点に固
定し、超音波信号■。ｓｉｎωしくＶ、＝４０Ｖｐρ、
周波数＝２０ＫＨｚ）を振動Ｐの電極間に印加した。得
られたトルク曲線は第１０図の如き垂ド特性をボした。

次に、接触子をＡ、Ａ’、Ａ”と反対側にある部分Ｂ、
Ｂ’、Ｂ”に移動して同じ実験を行なったところ、トル
ク曲線は殆んど同じであったが、モータ回転方向はｊφ
になった。同様に、接触子をロータ振動子の中心ｃ−ｃ
′、Ｃ″に移動して同じ実験をしたところロータ３０は
全く回転しなかった。

〔発明の効果コ 以上の実施例からも明らかなように１本発明によれは、
弾性体のロータに振動子により定在波を発生させてロー
タの回転方向への駆動成分をもつ円運動を惹起させるよ
うにしたので、従来技術の欠点である摩擦損失を防止す
るだめの高い機械加工精度が不要となると共に、高効率
の超音波モータを構成することかできる。また、定在波
を積極的に利用しＣいるために、ロータの全面に振動子
を配置することかできるから、高い１−ルク出力を得る
ことができる。また、従来技術では定在波の発生を防１
１−するため位相の異なる超音波信号を加える必要があ
ったが、本発明ではぞｈか不要であるなとの技術的メリ
ットを奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）はそれぞＪし従来の超音波モータ
の側面図、平面図。 第２図は第１図にツバすモータのコリ１作説明図、第３
図＜ａ）、（ｂ）はそれぞれ本発明による超音波モータ
におけるロータの側面図、平面図、第４図は第３図に示
すロータにステータが付加さ九て得られる本発明の超音
波モータの側面図、第５図（ａ）は該モータの動作説明
図、第５図（ｈＪは第５図（ａ）の１−Ｌ′、１【−Ｉ
ビ線断面図、第６〜９図は該モータの動作説明図、 第１０図は本発明の実験に用いらｔした該モータによっ
て得られた１−ルク曲線、 第１ｊ図は第１Ｏ図に示すトルク曲線を得るために用い
ら肛たモータの平面図を示す。 Ｓ　・・・・・・・・ステータ ２・・・・・・・・円運動発生区域 ３０　・・・・・・・　ロータ ３１　・・・・・・・・振動子 ；３２　・・・・・・・・弾性体 ３３　・・・・・・・・接触子 ３５　・・・・・・・・円運動 ３７．３８　・・・・・・・・定在波 第１図 （（２）　（ｂ）　。 第２図 第３図 ＋５ｕ 第４図 第８図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 回転中心を持ちその回転方向へ回動可能なロータと、該
   ロータと協働するステータと、超音波信号が印加さＪし
   て前記回転方向への駆動成分を持つ円運動を有する定在
   波を発生させ少なくとも弾性体の前記ロータを構成する
   振動子と、０；１記ロータの前記円運動が発生されてい
   る区域上に固定されて該駆動成分を前記ステータへ作用
   せしめる接触子とを備えていることを特徴とする超音波
   モータ。