JP2625691B2 - 超音波モータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、超音波振動を利用した超音波モータに関す
る。

（従来技術） 近年、形状・材料に対する制約が大きく、構造的にも
コスト的にも限界にある電磁式モータに代わるアクチュ
エータの開発が進められ、その１つとして超音波振動を
利用した所謂表面波モータが提案されている。

この表面波モータとしては、例えば圧電素子等の駆動
素子を用いて弾性体表面に表面波振動を発生させ、この
弾性体表面に圧接されたロータを回転駆動させる構造の
ものが公表されている。

即ち、このような表面波モータの基本構造としては、
例えば第4a図（平面図）及び第4b図（第4a図のＸ−Ｘ断
面図）に示すように、円環状の弾性体１の表面に同じ円
環状の圧電素子３を接着して一体化したステータとして
の駆動素子４と、この駆動素子４の弾性体１側に圧接さ
れた円環状のロータ２から成る。尚、Ｏは回転中心軸で
ある。

その動作原理は次のように説明される。

まず圧電素子３に交流電圧を印加すると、弾性体１上
に表面波振動が発生する。この表面波振動は第５図に示
すように弾性体１の表面上の１つの点Ａに着目すると、
点Ａは表面波振動を受けてだ円状の軌跡を描くようにな
る。その結果、弾性体１に圧接されたロータ２は、弾性
体１との摩擦力で表面波の進行方向（矢印Ｎ方向）と逆
方向（矢印Ｍ方向）に駆動されることになる。

第６図はこのような基本構造に基づいて実現された従
来の表面波モータの一例を示した断面図である（特開昭
61−18370号）。

第６図において、７は固定台であり、円環状の圧電素
子３と同じ円環状の弾性体１を貼合せて作ったステータ
としての駆動素子４を固定すると共に、ロータ２を回転
自在に装着した軸９を固定している。ロータ２は軸９の
鍔部9aとの間に設けたバネ８により一定荷重で弾性体１
に圧接されている。

そして、圧電素子１に交流電圧を印加すれば、前述し
た駆動原理によりロータ２は軸９を中心に回転するよう
になる。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、第６図に示した従来の表面波モータの
構造にあっては、ロータ２が回転すると、ロータ２とこ
れに接触する加圧部材としてのバネ８との間、あるいは
軸９との間の摩擦によるエネルギの損失は不可避であ
り、表面波モータの効率低下の一因になるという問題が
あった。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされた
もので、ロータ部材回転時の摩擦接触によるエネルギ損
失を最小限に抑えて高効率を得ることのできる構造を備
えた超音波振動を利用した超音波モータを提供すること
を目的とする。

この目的を達成するため本発明にあっては、ハウジン
グと、該ハウジング内に回転方向に位置規制されて組み
込まれた円板状または円環状の弾性体に一方の面に電気
機械変換素子を接合させて構成される一対の振動子と、
該一対の振動子の弾性体側を向かい合わせた間に、前記
ハウジングに対し接触することなく配置され、一対の運
動部材と一対の運動部材間に挟まれる緩衝部材とにより
構成される相対運動部材と、前記相対運動部材の両面に
前記一対の振動子を圧接させる加圧部材とを備えるもの
である。

（作用） このような本発明の構成によれば、相対運動部材は、
両側から一対の振動子によって圧接された状態のみをも
ってハウジング内に組み込まれることになる。各振動子
に対し、一方は進む方向に90゜位相の異なる交流電圧を
印加し、他方は遅れる方向に90゜位相の異なる交流電圧
を印加することで、相対運動部材は両面に同一方向とな
る、一対の振動子で発生した超音波振動を受けて振動の
進行方向と逆方向に駆動され、回転軸を回転する。この
とき、相対運動部材は、加圧部材、ハウジングおよび回
転軸のいずれについても摩擦接触を起こさないことから
エネルギ損失が少なく、高い効率を得ることができる。

また、一対の運動部材の間に緩衝部材を挿入し、それ
ぞれの運動部材に励起される振動が悪影響を受けないよ
うにしたため、駆動効率を確実に向上させることができ
る。

（実施例） 第１図は本発明の一実施例を示した超音波モータの断
面図である。

まず構成を説明すると、12はハウジングであり、ハウ
ジング12内には円環状の弾性体１及び同じ円環状の電気
機械変換素子としての圧電素子３を貼り合せて成る振動
子としての駆動素子４と、同じく円環状の弾性体11と円
環状の圧電素子31を貼り合せて成る振動子としての駆動
素子41が組込まれる。この駆動素子4,41は弾性体1,11側
を向かい合せた状態でハウジング12内に回転方向に位置
規制されて組込まれており、軸方向についてはハウジン
グ12内において移動することができる。

一対の駆動素子４と41の間には、ハウジング12の内径
より小さな外径を持つことによりハウジングに対し接触
しないようにして一対の相対運動部材としてのロータ部
材2,21が間に緩衝部材10を挟み込んで軸方向に重ねた構
造で設けられており、このロータ部材2,21、及び緩衝部
材10はハウジング12の端面部12a,12bの軸穴にベアリン
グ14をもって回転自在に支持された回転軸13に対しキー
15の嵌込みをもって装着されている。このためロータ2,
21及び緩衝部材10は、キー15によって回転軸13に対し回
転方向に位置規制されているが、軸方向についてはキー
15の範囲内で移動することができる。

更に、右側に組込んだ駆動素子41とハウジング12の端
面部12bとの間には、加圧部材としてのウェーブワッシ
ャ８が組込まれ、ウェーブワッシャ８により振動子とし
ての駆動素子４とロータ部材２及び振動子としての駆動
素子41とロータ部材21とがそれぞれ適当な荷重で圧接さ
れている。

振動子としての駆動素子4,41における圧電素子3,31の
それぞれは同一構造を持ち、例えば第2b図（側面図）に
示すように、円環状圧電体35、円環状電極36及びセグメ
ント電極群37から成り、このセグメント電極群37は例え
第2a図（平面図）に示すように、16個のセグメント電極
37a〜37pから構成される。セグメント電極37aは円周方
向に（3/4）λの長さを有し（但し、λは弾性体の屈曲
振動波長）、このセグメント電極37aから180゜ずれた位
置に設けているセグメント電極37bは円周方向に（λ/
4）の長さを有する。

これらのセグメント電極37aと37bとの間には、一方の
円弧に沿って各々長さが（λ/2）のセグメント電極37c
〜37i（Ａ群とする）及び他方の円弧には各々長さが円
周方向に（λ/2）となるセグメント電極37j〜37p（Ｂ群
とする）を配置している。このＡ群のセグメント電極37
c〜37i、並びにＢ群のセグメント電極37j〜37pは、モー
タ駆動用の交流電圧印加用の電極であり、各セグメント
電極37c〜37i及び37j〜37pは、第2a図に示すように導電
性ペースト38aによって互いに接続され、その結果、Ａ
群のセグメント電極37c〜37iが入力端子Ａに接続される
１個の電極を形成し、Ｂ群のセグメント電極37j〜37pに
ついても入力端子Ｂに接続される１個の電極を形成す
る。

尚、第2a図において、 とはセグメント電極に接している圧電体35の各領域が隣
接する領域どうしで分極方向が逆であることを示してい
る。

一方、セグメント電極37aは圧電体35の外周端面に塗
布された導電性ペースト38bにより円環状電極36と接続
され、接地端子Ｇにより接地電位が印加される。

そして超音波モータの駆動については端子Ａ−Ｇ間と
端子Ｂ−Ｇ間とに互いに90゜位相のずれた交流電圧を加
えると、円環状電極36側に接着された第１図に示す弾性
体１或いは11に波長λの屈曲振動の一方向の進行波（表
面波）が生ずる。

次に、上記の実施例の作用を説明する。

まず第１図に示すモータ構造を有する本発明の超音波
モータを駆動するため、振動子４における圧電素子３に
ついては、第2a図に示す圧電素子のセグメント電極群37
における端子ＡとＢに、第3a図に示すように端子Ａに印
加された交流電圧に対して、端子Ｂに90゜位相の遅れた
交流電圧を印加し、同時に振動子41における圧電素子31
のセグメント電極群37における端子ＡとＢ間に、第3b図
に示すように端子Ａに印加された交流電圧に対して、端
子Ｂに90゜位相の進んだ交流電圧を印加する。

このような圧電素子3,31に対する第3a図及び第3b図の
交流電圧の印加により弾性体１と11に、ロータ部材2,21
側から見て互いに進行方向が逆の表面波振動が誘起さ
れ、弾性体１とロータ部材２及び弾性体11とロータ部材
21の間に生ずるすべり摩擦力によりロータ部材２と21が
それぞれ回転する。

ここで弾性体１及び11に生ずる表面波振動の進行方向
はロータ側から見て互いに逆となるので、第１図に示す
構造にあっては、ロータ部材２とロータ部材21の回転方
向は同一方向となる。

更に、弾性体１と11とに生じる表面波速度をそれぞれ
等しくするように弾性体１と11、ロータ部材２と21の材
質、形状、重量等をそれぞれ等しくすると共に電気制御
系でも調整してロータ部材２とロータ部材21の回転速度
を同じにすれば、ロータ部材２、ロータ部材21及び緩衝
部材10は一体とみなせ、１つの回転子として考えること
ができ、表面波の速度差によって生じるロータ部材の回
転ロスを最小にできる。

このような両側の駆動素子4,41からの超音波振動を受
けたロータ部材2,21及び緩衝部材10の一体となった回転
時において、ロータ部材2,21及び緩衝部材10の外径はハ
ウジング12の内径より小さいことから、ロータ部材2,21
及び緩衝部材10の外周面はハウジング12に接触すること
なく回転し、キー15の嵌合をもって装着した回転軸13よ
り外部に回転を伝達するようになり、回転時におけるエ
ネルギー損失は回転軸13をハウジング12に対し支持した
ベアリング14による損失のみとなり、ロータ部材２或い
は21と直接接触するのは振動子としての駆動素子4,41だ
けであり、第６図に示した従来装置のようなロータとバ
ネ等の加圧部材或いはロータとハウジングに固定した軸
との間での摩擦によるエネルギーの損失はなく、効率の
高い超音波モータの回転状態を得ることができる。

尚、上記の実施例はロータを一対のロータ部材2,21を
間に緩衝部材10を介して軸方向に重ね合せた構造として
いるが、単一のロータ部材として両側から振動子として
の4,41を圧接させるようにしてもよい。

また、駆動素子4,41及びロータ部材2,21を上記の実施
例にあっては円環状の部材としたが、それぞれ円板状の
部材として軸方向に配置してウェーブワッシャ８等の加
圧部材により圧接した状態でハウジング12内に組込むよ
うにしてもよく、この場合のロータ部材の回転の外部へ
の取出しは、ロータ部材の外周にギアを形成し、このロ
ータ外周ギアに外部からドリブンギアを噛み合せてロー
タの回転を取出すようにすればよい。

（発明の効果） 以上説明してきたように本発明によれば、ロータ部材
は両側から一対の駆動素子により圧接された状態のみを
もってハウジング内に組込まれることとなり、ハウジン
グは勿論のこと、加圧部材とロータとの摩擦接触がない
ことから、ロータ回転時の摩擦接触によるエネルギー損
失がなくなり、従来に比べて効率の高い超音波モータを
得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示した断面図、第2a図は第
１図における圧電素子の詳細を示した平面図、第2b図は
第2a図の側面図、第3a図及び第3b図は一対の駆動素子に
印加する交流電圧の波形図、第4a図は超音波モータの基
本構造を示した平面図、第4b図は第4a図のＸ−Ｘ断面
図、第５図は超音波モータの駆動原理を示した説明図、
第６図は従来構造を示した断面図である。 1,11:弾性部材 2,21:ロータ部材 3,31:圧電素子 4,41:駆動素子（振動子） 8:ウェーブワッシャ（加圧部材） 10:緩衝部材 12:ハウジング 12a,12b:端面部 13:回転軸 14:ベアリング 15:キー 35:圧電体 36:円環状電極 37:セグメント電極群 37a〜37p:セグメント電極 38a,38b:導電性ペースト

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ハウジングと、該ハウジング内に回転方向
   に位置規制されて組み込まれた円板状または円環状の弾
   性体に一方の面に電気機械変換素子を接合させて構成さ
   れる一対の振動子と、該一対の振動子の弾性体側を向か
   い合わせた間に、前記ハウジングに対し接触することな
   く配置され、一対の運動部材と一対の運動部材間に挟ま
   れる緩衝部材とにより構成される相対運動部材と、前記
   相対運動部材の両面に前記一対の振動子を圧接させる加
   圧部材とを備えたことを特徴とする超音波モータ。