JPS6130972A - 超音波モ−タ装置 - 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、超音波振動を利用してロータを回転させる超
音波モータ装置に関する。

発明の技術的背景及びその問題点 従来、超音波振動を駆動源とするモータは、従前の電磁
力を利用して駆動するものに比べて、マグネット、硅素
鋼板等の磁性材やコイル等を不要にでき、小型軽量で低
コスト化できることが知られている。

その具体的手段として、縦方向振動子とロータとを対向
させ、その一方の端面に板状の振動片を回転軸に対して
一定角度傾斜させて一体的に形成し、この振動子の往復
運動に基づく振動片の楕円振動をロータの回転方向の運
動に変換させるものが、特開昭５５−１２５０５２号公
報や特開昭５６−１３８４６９号公報により開示されて
いる。

ところが、この方式の場合、振動片先端における楕円振
動の方向が機構によって決まる一方向のみとなるため、
切換レバー等による切換操作をしなければ回転方向を逆
にすることはできない。又。

楕円振動の楕円率も可変制御できないので、効率のよい
接触状態で駆動することが困難で、接触部分の騒音や摩
耗が大きいという欠点を有する。

他の手段として１弾性体表面に進行波を励起し、その楕
円振動を伴なう進行波エネルギーを動体との加圧接触に
より、回転又は直線運動に変換するものが特開昭５８−
１４８６８２号公報により開示されている。この方式に
よれば、駆動素子に加える電圧位相を制御することによ
り、動体の移動方向（回転方向）を逆転させることが可
能である。

ところが、これは比較的低速に限定され、かつ、電気機
械変換効率が低いという欠点を有する。

発明の目的 本発明は、このような点に鑑みなされたもので、騒音や
摩耗が少なくその速度や回転方向及び負荷状態に応じて
最良の伝達効率で駆動することができる超音波モータ装
置を得ることを目的とする。

発明の概要 本発明は、ねじり振動子とその軸に直角に設けた径方向
又は長さ方向共振体との合成振動として振動体出力端部
に発生する楕円又は円振動と、これに対向して設けたロ
ータとの摩擦により、このロータを回転駆動するもので
あり、振幅又は相対位相を変えて楕円振動の楕円率や方
向性、角度等を変えることにより、ロータの回転方向や
回転速度を負荷状態等に応じて容易に制御することがで
きるように構成したものである。

発明の実施例 本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

まず、第１図は超音波モータの構造を示すもので、ねじ
り振動を発生させるねしり振動子１をベースとして構成
される。このねじり振動子１は、駆動用の電極板２の両
面にねじり振動発生用の駆動素子として電歪素子３を設
け、更に各々の軸上にねじ穴４ａ、５ａを形成した振動
体４と庇付円筒状の振動体５とを設け、これらを中心ボ
ルト６により締着してなる。しかして、本実施例では、
電歪素子３・振動体５間に径方向に共振振動する円板状
共振体７及びその駆動素子としての電歪素子８を介在さ
せ、前記中心ボルト６によりこれらを一体的に締着した
ものである。両型歪素子８間には電極板９が設けられ、
電歪素子３，８間にも電極板１０が設けられている。又
、振動体５と円板状共振体７との間にはケーシング固定
金具１１が介在されている。

又、前記中心ボルト６の端部には小径の段部６ａが形成
され、その周上にベアリング１２が嵌合している。一方
、中心ボルト６と同軸上に設けたロータ１３の一端に形
成した座ぐり部がこのベアリング１２の外周に嵌合し、
かつ、このロータ１３他端のシャフト１３ａをベアリン
グ１４ｔｒ介してケーシング１５に嵌合してなり、ロー
タ１３が回転可能に支持されている。ここで、前記ロー
タ１３には振動体５の出力端部５ｂとなる端面に対向す
る大径の対向部１３ｂが形成されており、両者は低摩耗
高摩擦性ゴムなどによる押圧接触部材１６を介して抑圧
接触している９又、前記ケーシング１５はねじ１７によ
りケーシング固定金具１１に固定され、このケーシング
１５にはカバー１８がねじ１９により固定さハている。

そして、前述した電極板２，９．１０及び振動体コモン
端子（図示せず）に対する給電コード２０がカバー１８
から外部へ導出されている。

ここで、電歪素子８によって径方向に共振振動する円板
状共振体７は、ねじり振動子１のノード部分に位置して
軸に直角とされている。又、電歪素子８により駆動され
る円板状共振体７の共振周波数と、電歪素子３により駆
動される振動体４、電歪素子３，８１円板状共振体７．
ケーシング固定金具１１及び振動体５を一体とした軸方
向長さによって決まるねじり振動共振周波数とが同一と
なるように構成されている。

このような構成において、動作原理及び制御を第２図な
いし第７図を参照して説明する。第１図の円板状共振体
７等を含めたねじり振動子ｌの原理構造は、等測的に第
２図及び第３図のように示すことができる。そこで、今
、電極板９を駆動電源に接続し、その周波数を円板状共
振体７の径方向共振周波数とすると、この円板状共振体
７は共振振動する。この時の変位分布、応力分布をみる
と、第４図に示すように、円板状共振体７の周上で最大
振幅、軸上にて最大応力となる。従って、ポアソン現象
により、軸方向にも振動を発生し、振動体４，５の両端
表面に軸方向での最大振幅を生ずる。つまり、ここで注
目すべき点は、この軸方向の振動が、軸方向の縦形共振
振動によって生ずるものでなく、円板状共振体７の径方
向共振振動によって発生する点である。

次に、電極板２を同一の駆動電源に並列に接続し、径方
向共振周波数とねじり振動共振周波数とを同一として、
電歪素子３によりねじり振動子１を駆動すると、振動体
４，５の端面周上の点、例えば出力端部５ｂにおけるＡ
点には前述した軸方向の振動にねじり振動が合成される
ので、第２図に矢印２１で示すような方向に共振振動す
ることになる。

即ち、第５図に示すように、軸方向振動の振幅及び位相
をカーブ２２、ねじり方向の振動の振幅及び位相をカー
ブ２３で示すとすると、合成された振動姿態はカーブ２
４で示され、斜め振動となるものである（この場合、カ
ーブ２２．２３の振幅及び位相は同一である）。又、軸
方向振動の相対位相を点線カーブ２５の如く１８０°反
転させれば、合成された振動姿態は点線カーブ２６のよ
うに軸対称に反転される。更に、両者の相対振幅を変え
れば１合成振動の傾斜角度も変えることができる。そし
て、相対振幅及び相対位相を変えることにより１円、楕
円、傾斜楕円等の如く、合成振動の振動姿態と回転方向
、大きさを自由に制御することができる。

第６図は、このような相対振幅、相対位相の一方又は双
方を変えた場合におけるＡ点の合成振動の振動姿態（軌
跡）の代表例を示すものである。

（ａ）は横振動でありカーブ２２の振幅を０にしたもの
である。（ｂ）は縦振動でありカーブ２３の振幅をＯに
したものである。（Ｃ）及び（ｄ）は斜め振動であり、
第５図に示したものである。（８）は円振動であり、カ
ーブ２２．２３の相対位相を９０゜ずらして振幅を同一
としたものである。（ｆ）は横楕円振動、（ｇ）は縦楕
円振動、（ｈ）及び（ｉ）は斜め楕円振動であり、これ
らはカーブ２２．２３の振幅及び相対位相を適宜変えた
ものである。

第７図は、上述した各種制御を行なうための駆動用電源
装置の制御系ブロック図を示すものである。簡略化して
示す振動子２７は、第２図に示した構造のもので、円板
状共振体７の径方向に端子（電極板）９が駆動され、そ
の振動速度信号２８に電圧制御発振器２９の出力位相を
常に一定の位相差をもって合わせるように動作する位相
固定ループ３０に入力され、前記電圧制御発振器２９は
径方向振動の共振周波数を追尾して発振する。この電圧
制御発振器２９の発振出力は振幅制御回路３１に入力さ
れて所要の振幅に制御され、更に、増幅器３２を介して
、径方向共振振動し、例えばＡ点を軸方向に一定の振幅
で駆動させる。一方。

電圧制御発振器２９の発振出力は、その一部が切換スイ
ッチ３３を経て位相制御回路３４に入力されており、こ
の位相制御回路３４により±１８０゜内の位相の制御が
行なわれた後、振幅制御回路３５に入力される。ここで
、所要の振幅に制御された後、増幅器３６を介して、ね
じり振動が端子（電極板）２より駆動される。又、切換
スイッチ３３を切換えて位相反転器３７を選択させるこ
とにより、ねじり方向の信号はその位相が反転されるこ
とになる。

従って、同一のねじり方向及び径方向の共振周波数によ
り駆動される振動子２７は、振動体４゜５の出力端部に
おいては合成され、振幅制御回路３１．３５．位相制御
回路３４及び位相反転器３７等の制御により５第６図に
例示した如き各種姿態の合成振動を作り出すことができ
、その傾斜角や楕円率１円や楕円の回転方向や大きさも
任意に制御できるものである。

しかして、第１図の超音波モータに戻って考えると、振
動体５の出力端部５ｂに軸方向振動とねじり振動との合
成された各種姿態の振動を作り出すことができる。ここ
では、ロータ１３を回転させるものであり、第６図（ｅ
）〜（＋）に示した如き楕円振動（円振動を含む）を利
用するものである。

今１例えば振動体５の出力端部５ｂに第６図（ｆ）に示
すような横楕円振動（カーブ３８とする）を発生させる
ものとする（回転方向は実線矢印の方向とする）。これ
により、振動区間イ→口にあっては振動体５の出力端部
５ｂが押圧接触部材１６を介してロータ１３の対向部１
３ｂ側に伸長変位しつつ周方向に振動することになる。

よって、ロータ１３はこのような振動を摩擦を介して受
けるので回転する。一方、振動区間口→イにあっては出
力端部５ｂが軸方向に収縮しつつ周方向に振動するので
、ロータ１３に影響を及ぼさない。つまり、撮動区間イ
→口の振動とロータ１３の摩擦とによりこのロータ１３
が一方向に回転駆動されるものである。位相制御により
カーブ３８の回転方向を逆にすれば、ロータ１３も逆方
向に回転する。

従って、前述したようにカーブ２２．２３の相対位相を
反転すると楕円振動の回転方向を逆にできるため、ロー
タ１３の回転方向も逆転させることができる。又、ねじ
り方向の駆動振幅を制御することにより、ロータ１３の
回転速度を変えることもできる。この他、負荷トルクの
状態に応じて楕円率や傾斜を制御することにより、広い
回転速度に対して最良の接触状態をもって出力トルクを
取出すことができる。又、構造的にも、振動体５の出力
端部５ｂの全面が同時にロータ１３の対向部１３ｂに対
して接触しているため、騒音及び摩耗を低減できる。

なお、押圧接触部材１６に対し調圧機構を直列に設けて
もよい。

又、本実施例ではねじり振動子１に円板状共振体７を組
合せたが、第８図に示すように矩形板状共振体３９を用
い、電歪素子８によりこの矩形板状共振体３９を長さ方
向に共振振動させてもよい。

この矩形板状共振体３９の場合にも、長さ方向振動周波
数で駆動すると、変位分布、応力分布が円板状共振体７
の場合と同様に、矩形板状共振体３９の端部で最大振幅
、軸上にて最大応力となる。

従って、ポアソン現象により、軸方向にも振動を発生し
、振動体４．５の両端に軸方向でも最大振幅を生ずる。

そこで、電歪素子３により長さ方向共振周波数と同一の
ねじり振動共振周波数でねじり振動子１を駆動すると、
振動体４，５の出力端部に軸方向の振動とねじり振動と
を合成した振動姿態が得られ、楕円振動を作り出すこと
ができるからである。

発明の効果 本発明は、上述したようにねじり振動子と、そのノード
部分に位置させて軸に直角の径方向又は長さ方向共振体
とを一体的に設けるとともに、双方の共振周波数を同一
に設定し、振動体の出力端部に対向して抑圧接触させた
ロータを設けたので、出力端部に合成振動として発生す
る楕円振動とロータとの摩擦とによりこのロータを回転
させることができ、この楕円振動は振幅又は相対位相を
変えるという電気的制御で傾斜、楕円率、回転方向、大
きさ等を自由に制御することができ、よって、最大の変
換効率のもとで、ロータの正逆回転と広い範囲での回転
速度制御とを自由に行なうことができ、又、構造的にも
騒音や摩耗を低減させることができるものである。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の一実施例を示すもので、第１図は要旨を
示す縦断正面図、第２図は原理構造を示す縦断正面図、
第３図はその斜視図、第４図は変位分布及び応力分布を
示す説明図、第５図は振動の合成を示す説明図、第６図
（、）〜（ｉ）は各種振動姿態を示す説明図、第７図は
ブロック図５第８図は共振体の変形例を示す斜視図であ
る。 １・・ねじり振動子、５・・振動体、５ｂ・・出力端部
、７・・円板状共振体（径方向共振体）、１３・ロータ
、３９・・・矩形板状共振体（長さ方向共振体）出　願
　人　　多賀電気株式会社 ３．３図 ３ｕ国

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．ねじり振動子と、このねじり振動子のノード部分に
   位置させて軸に直角でその共振周波数をねじり振動共振
   周波数と同一に設定した径方向又は長さ方向共振体とを
   一体的に設け、その振動体出力端部に対向して押圧接触
   させたロータを設けたことを特徴とする超音波モータ装
   置。
2. ２．ねじり振動と径方向又は長さ方向振動との各々の振
   幅又は相対位相を可変制御することによりロータの回転
   方向又は回転速度を変えることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の超音波モータ装置。