JP2532425B2 - 超音波モ−タ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、円環状の圧電素子および振動板からなるス
テータに屈曲進行波を励起し、この屈曲進行波によるス
テータ表面の楕円軌跡の頂点にロータを接することによ
ってロータを回転させる超音波モータに関する。

〔従来の技術〕

最近、電磁型モータに代わる新しいモータとして超音
波モータが脚光を浴びている。この超音波モータは原理
的に新しいというだけでなく、従来の電磁型モータに比
べて次のような利点を有している。

中心軸を必要としない。

小型、薄型、軽量である。

磁気的影響の授受がない。

部品構成が単純で、信頼性が高い。

ギヤなしで低速，高トルクが得られる。

バックラッシュがなく位置決めが容易である。

ステータに対してロータが、回転，チャック，浮遊，
の三態をとり得る。

かくして、これらの利点を生かすべく、種々の応用技
術の研究が進められている。

第６図は代表的な従来型の回転型超音波モータの概略
図である。この超音波モータの原理は、円環状圧電素子
１と一体化した金属製ドーナツ形振動板２に逆圧電効果
による屈曲振動によって進行波を励起し、これによって
発生する表面質点の後方楕円運動軌跡の頂点に接するよ
うにロータ３を押圧配置することにより、同ロータ３を
矢印Ａのように回転させるというものである。上記進行
波の励起法について以下説明する。

第７図は一般的な超音波モータを構成する圧電素子１
の分極状態図を示す図であり、第６図の下方より見た図
に相当する。分極方向が＋−＋−…のように交互に逆向
きになるように、リング状圧電体を分極するか、または
分割した複数の圧電素子を分極方向が互いに逆向きにな
る様に配置する。この様な配置において、分極方向が互
いに逆向きになった隣り合わせの１組を１波長λに対応
させる。そして、180゜異なる位置に各々、3/4λ,1/4λ
長の未分極部1a,1bを配し、これらを結んだ中心線に対
して対称に分極体をｎλ個分づつ配置する。ただし分極
の向きは、円周方向に分極方向が交互に逆向きになる様
に連続的に配置する。

この様な分極配置のうち、3/4λ,1/4λ未分極部1a,1b
を間に挟んだ左半分の振動板に接していない面を一つの
電極でおおい、これを第８図のように一方の片側共通電
極4aとし、右半分の振動板に接触していない面を別の電
極でおおい、これを同じく第８図のように他の片側共通
電極4bとする。そして、振動板２側の電極4cは振動板２
と導通させ、すべての圧電素子のアース側電極として共
通化している。

以上の様な構成体への電気信号入力端子は、第８図に
示す様に３端子a,b,cを有する構造となる。この様な分
極配置，電極配置を有した構成体を駆動する場合には、
端子ａ−ｃ間，端子ｂ−ｃ間の一方に、第７図に示すよ
うに90゜位相器５を介在させることにより、互いにπ/2
の位相差を有し、かつ波長λ，円環の内・外径，厚み，
圧電セラミクスと振動板の平均的弾性定数，密度，等で
決定される固有振動数ωを有する電気信号を入力する。

今、第９図に示すように振動板２と圧電素子上の電極
4aまたは4bとの間にAC電源６から周波数ωの交流電圧を
印加すると、振動板２には屈曲定在波が励起される。上
記交流電圧を、第７図における圧電素子１の左側の部分
に対して印加すると、振動板２の中立軸には、 y₁＝Asin2π／λ psinωｔ …（１） なる変位を有する定在波が励起される。また、第７図に
おける圧電素子１の右側の部分に対して、位相が上記交
流電圧とはπ/2ずれた周波数ωの交流電圧を印加する
と、振動板２の中立軸には、 y₂＝Asin2π／λ（ｐ−λ/4） sin（ωｔ−π/2） …（２） なる変位を有する定在波が励起される。

そこで圧電素子１の右半分および左半分に対して、前
記（１）式および（２）式で示した交流電圧を同時に印
加すると、 ｙ＝y₁＋y₂ ＝Asin（２πp/λ−ωｔ） …（３） なる変位をもった進行波が得られる。振動板２の表面に
も中立軸と同位相の表面進行波が励起される。このよう
な板の屈曲進行波においては、第９図に示すように表面
の質点は波の進行方向に対して、後方楕円運動をするこ
とになる。そこで上記振動板２の表面に第６図に示した
ように、ロータ３をある一定圧で押圧配置すると、振動
板２との摩擦力により波の進行方向とは逆方向にロータ
３が回転することになる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記のように振動板２に屈曲進行波を励起させた場
合、ステータの表面には第10図に示すようなモードの振
動（変位）が生じる。第10図の破線７は静止状態の変位
を示し、実線は励起状態の変位を示している。第10図か
ら分るように、上記モードでは、円環の全質点が振動し
ている。このような振動モードであると、ステータの支
持如何によっては駆動効率が著しく低下する。そこで従
来は上記振動を妨げないように、ステータのロータ接触
側とは反対側に防振ゴム等を配置し、この防振ゴム等を
介してステータを保持するようにしていた。しかしなが
ら、ステータを防振ゴム等を介して保持すると、ステー
タの振動が防振ゴム等に対して漏出することになる。そ
の結果、エネルギーロスが大きく、超音波モータの駆動
効率が著しく低下し、実用上種々弊害を生じるという問
題があった。なお特開昭61−49671号公報には、定在波
の節の部分に支持ピンを設け、この支持ピンにてステー
タ支持を行う技術が開示されているが、実用上種々問題
がある。

そこで本発明は、ステータの振動を妨げず、しかも振
動の漏出がなく、ロータを極めて効率よく駆動すること
のできる実用上問題のない超音波モータを提供すること
を目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

上記問題点を解決し目的を達成するために、本発明の
超音波モータは次のように構成されている。すなわち、
内径と外径との平均径を有する全周にわたる領域で二分
割され、かつ周方向に複数に分割されて分極処理を施さ
れた円環状の圧電素子と、この圧電素子に接合された円
環状の振動板と、この振動板に押圧保持された円環状の
ロータと、上記円環の内径と外径との平均径を有する全
周にわたる領域で上記圧電素子もしくは振動板を支持す
る支持部材とを具備し、上記振動板に、上記円環の内径
と外径との平均径を有する全周にわたる領域を節とする
屈曲進行波を励起し、上記ロータを駆動するようになっ
ている。

〔作用〕

上記手段を講じた結果、次のような作用が生じる。す
なわち、円環状ステータの圧電素子もしくは振動板が、
円環の内径と外径との平均径を有する全周にわたる領域
で支持されると共に、上記振動板に、上記円環の内径と
外径との平均径を有する全周にわたる領域を節とする屈
曲進行波が励起される如く構成されているので、発生し
た振動が支持部材により妨げられるおそれがなく、しか
も振動が他へ漏出することもない。したがって駆動効率
が高いものとなる。そして特に、円環状ステータが、円
環の内径と外径との平均径を有する全周にわたる領域
（平均半径ライン上に沿って存在する領域）において支
持されることから、円環状ステータは機械的にもバラン
スよく安定な状態に支持される事になる。

〔実施例〕

第１図〜第３図は本発明の第１実施例を示す図で、第
１図はステータ10の外観を示す斜視図である。第１図に
示すように、このステータ10は外観的には従来のものと
変わりがなく、円環状の振動板11に円環状の圧電素子12
が接着等の手段により、一体に接合されている。

第２図（ａ）（ｂ）は上記ステータ10における圧電素
子12の分極配置およびステータ支持手段を示す図であ
る。同図（ａ）に示すように、圧電素子12は円環状ステ
ータ10における円環上の平均半径ラインＬで二分割され
た各領域に、それぞれ分極配置されている。そして右半
分の８分割電極は蒸着等の手段により一つの端子（不図
示）に接続されており、左半分の８分割電極も同様にな
っている。かくして第７図の場合と同様に、圧電素子12
に対して位相がπ/2ずれた交流電圧を印加することによ
り、モード節が上記ラインＬ上に存在する進行波が励起
されるようになっている。また同図（ｂ）に示すよう
に、ステータ10は圧電素子12側の前記平均半径ラインＬ
上に先端を当接させたＬ字形の支持部材13によって支持
されている。上記支持部材13は、ビス14により基台15上
に固定されている。

本実施例においては、位相がπ/2ずれた交流電圧を圧
電素子12へ印加すると、第３図に示すような振動モード
の進行波が励起される。すなわちこの進行波は、モード
節Ｃが前記平均半径ラインＬ上に存在する進行波であ
る。この進行波のＡ部あるいはＢ部では、表面質点が同
一方向へ後方楕円運動を行なっている。したがってステ
ータ10の表面に押圧されているロータ（不図示）は、ス
テータ表面との摩擦力により回転する。

上記動作において、ステータ10は進行波のモード節Ｃ
が存在する平均半径ラインＬの部分を支持されているの
で、ステータ10の振動を支持部材13が妨げることがない
のは勿論、支持部材13を介してステータ10の振動エネル
ギーが外部へ漏出するおそれもない。したがって効率の
よいロータ駆動が行なえる。

第４図（ａ）（ｂ）は本発明の第２実施例を示す図で
ある。本実施例が前記第１実施例と異なる点は、同図
（ａ）のようにステータ20の平均半径ラインＬ上に帯状
のゾーンＲを設け、このゾーンＲを避けた状態で圧電素
子22を分極配置し、前記ゾーンＲから振動板21と一体的
に設けられた支持部材23を突出させ、その突出端をビス
24にて基台25上に固定した点である。

本実施例によれば振動板21と支持部材23とが一体的に
設けられているので、同一板材を折曲加工することによ
り、簡単に得ることができる。したがって構造が簡単で
製作が容易な利点がある。

第５図は本発明の第３実施例を示す図である。本実施
例が前記第１実施例および第２実施例と異なる点は、ス
テータ30として図示の如く斜めにカットされた状態に分
極配置された圧電素子を備えた点である。上記のように
分極配置された圧電素子を備えたものであっても、前記
実施例と同様の作用効果を奏し得ることが実験的に確認
された。

なお本発明は前記実施例に限定されるものではない。
例えば第２図（ａ），第４図（ａ）に示す圧電素子12,2
2の内側の分極方向は、図示状態とは逆であってもよ
い。ただしこの場合には、右内側電極４個と左外側電極
４個とを同一交流電源で駆動し、右外側電極４個と左内
側電極４個とを、上記電源とは90゜位相のずれた交流電
源で駆動する必要がある。また全図に亙って分極方向を
図示状態とは全く逆にしても何等支障はない。さらに振
動板の形状は実施例で示した形状のものに限定されるも
のではなく、どのような形状のものであってもよい。ま
た本発明は半径方向に振幅をもつような超音波モータに
対しても適用可能である。このほか本発明の要旨を逸脱
しない範囲で種々変形実施可能であるのは勿論である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、円環状ステータの圧電素子もしくは
振動板が、円環の内径と外径との平均径を有する全周に
わたる領域で支持され、かつ上記振動板に、上記円環の
内径と外径との平均径を有する全周にわたる領域を節と
する屈曲進行波が励起される如く構成されているので、
発生した振動が支持部材により妨げられるおそれがな
く、しかも振動が他へ漏出することもなく、駆動効率が
高いものとなる上、円環状ステータが機械的にもバラン
スよく安定に支持される超音波モータを提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は本発明の第１実施例を示す図で、第１
図はステータ外観を示す斜視図、第２図（ａ）（ｂ）は
ステータにおける圧電素子の分極配置およびステータ支
持手段を示す図、第３図はステータの平均半径ライン上
にモード節が存在する進行波の表面変位状態を示す図で
ある。第４図（ａ）（ｂ）は本発明の第２実施例を示す
図、第５図は本発明の第３実施例を示す図である。第６
図〜第10図は従来技術を示す図で、第６図は超音波モー
タの概略図、第７図および第８図は圧電素子の構成を示
す図、第９図は回転の原理を示す図、第10図は進行波の
表面変位状態を示す図である。 10,20,30……ステータ、11,21……振動板、12,22……圧
電素子、13,23……支持部材、14,24……ビス、15,25…
…基台、Ｌ……円環の平均半径ライン、Ｒ……ゾーン。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内径と外径との平均径を有する全周にわた
   る領域で二分割、かつ周方向に複数分割して分極処理が
   施された円環状の圧電素子と、 この圧電素子が接合された円環状の振動板と、 この振動板に押圧保持された円環状のロータと、 上記円環の内径と外径との平均径を有する全周にわたる
   領域で、上記圧電素子もしくは振動板を支持する支持部
   材と、 を具備しており、上記振動板に、上記円環の内径と外径
   との平均径を有する全周にわたる領域を節とする屈曲進
   行波を励起し、上記ロータを駆動することを特徴とする
   超音波モータ。