JPH03203573A - テーパつき圧着面を有する超音波モータ - 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］ 本発明は超音波モータに係わり、さらに詳しくは電歪公
転子型超音波モータに関する。

［従来の技術］ 従来のこの種超音波モータは、例えば本発明者の一名が
提案した先願の「重心回転型超音波モータ」　（特願昭
６２−１１３７４号）を始めとして、電歪公転子型モー
タと総称されている。電歪公転子とは超音波モータにお
いて、電気入力を回転トルクに変換するトランスデユー
サ−であり、圧電素子から構成されている。しかしなが
ら、通常の超音波振動子などに用いる圧電振動子とは異
なり、先願の「超音波回転振動子」　（特願昭６２−４
１３７３号）、「四極回転型超音波振動子］（特願昭６
２−１１３７５号）。

「電歪公転子及び単相超音波モータ」　（特願昭６．、
！８８６１０号）などに詳述されているように、回転電
界（単相電圧を含む）によって重心が、固定された中心
の回りを回転する共振子である。この現象は先願の発明
者によって発見され、電歪公転子と名付けられた。

電歪公転子型モータは動作−電圧が低く、消費電流が少
ないのが特徴で、電池を電源としＩＣで直接駆動するこ
ともできるので、適用範囲が広く広範な用途への実用が
期待されている。実用化は先願の「超音波モータを用い
た時計」　（特願昭６２−２３２６１７号）「シー・ス
ルー・クロック」　（特願昭６３−８８１６０号）など
置時計に始まり、腕時計から指示計器、例えばスピード
・メータなど車載計器・車載電子機器、電圧計・温／湿
度計、電池駆動のポケットオーディオ機器、ビデオカメ
ラ、ワープロなどの動力源、ＩＣカードなどデータバン
クのリーダ／ライター等データ端末用、医療機器分野へ
と広がって行くであろう。

ところで、目下実用化が加速されている置時計の場合は
、垂直に安置して用いられるので、超音波モータに必要
なトルクは重力による摩擦力が利用できる。しかしなが
らウォッチ、スピードメタなどは動きまわる腕、振動の
激しいオートバイのボディーなどにセットして利用され
るので、耐振性に優れ、しかも重力の影響によらず一定
の摩擦力による一定のトルクが出・力できる機構でなけ
ればならない。

圧着面が回転対称面をなす場合、圧着面の真円度を損な
うこと無く一様な圧着力が作用できたとすれば、圧着力
は回転軸に対して放射状に一様に作用していることにな
り、圧着面が回転軸に平行である限りロータもしくはス
テータ或いはその両方の圧着面の直径が膨脂もしくは収
縮せざるを得ない。一方圧着面を回転軸に対して軸対称
のテーパ状になるように構成すれば、軸に平行な加圧が
圧着面で軸に対する放射状の上の求心力に変換される。

このことは良く知られており、もちろん先願に於いても
圧着面同志にテーパを施してばねで予圧する、などの基
本的なアイディアは提案されていたが具体的な構成が不
確定であった。

［発明が解決しようとする課題］ この発明は、上記従来製品が持っていた超音波モータの
ステータとロータ間の圧着力をある程度強く一定に保と
うとすると、１）回転数が相当低下する、２）＊Ｌみ音
が発生する、３ンステータおよびロータの圧着面の中心
線を含む中心面が同一平面から外れ、互いに交差する結
果、回転むらが生ずるなどという欠点を解決し、以って
一定回転、一定トルクを出力できる耐振性に優れた超音
波モータを提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ ロータの圧着面同志にテーパを施してばねで予圧する基
本的なアイディアを実施するための条件を見出だす実験
を行った。その結果実施例に詳述されているようにテー
パ４５度のとき最善のデータが得られた。ところが意外
にもそのデータはテーパ０度でロータをステータに垂直
に圧着するよりも、圧着面にテーパを付けた方が回転数
が高くなり、４５度で最大、４５度を越すと再び低下す
ることを明示している。本発明はこの発見に基づいて、
耐振性に優れ、予圧しやすく作りやすい経済的な機構を
提供するものである。

［実施例コ （実施例工） 第１図は本発明に係わる岨・音波モータのテーパ付きス
テータの実施例の説明図である。ステータはＰｂ（ｚｒ
−Ｔｉ）Ｏｖ系圧電セラミックからなる電歪公転子であ
り、（ａ）は単相ディスク型電歪公転子、（ｂ）は四極
ディスク型電歪公転子の側面図、（Ｃ）は同じく四極デ
ィスク型電歪公転子正面図、（ｄ）は四極シリンダ型電
歪公転子の側面断面図、（ｅ）は同じく四極ディスク型
電歪公転子平面図、（ｆ）は四極パイプ型電歪公転子の
側面断面図である。いずれもロータとの圧着面は４５度
のテーパが付けられている。圧着面はディスク型では外
周面であり、シリンダ型、パイプ型では両端面である。

電極の構成パタンは単相型では両型面とも非分割全面電
極、四極型では片面は非分割共通接地電極、他面は四分
割励振電極である。

これらのテーパ付きステータを用いたモータの実施例に
沿って以下に説明する。第２′図は直径４０ｍｍ、内径
１５ｍｍ、厚さ２ｍｍのディスク状四極対電歪公転子１
１の周辺部に４５度のテーパ加工を施しステ−タとした
。これに整合するテーパーを施した内径を有する外径５
０ｍｍ、厚さ２．；、１　ｍｍのリング状のスチール・
ロータ１６□の内径をはめ込み、その上に中心に重り１
７をセットした直径５０ｍｍ厚み１ｍｍの真鍮板１６１
を固定し、重りの周面に反射マーク１８を張り付は光学
式に回転数を測定できるようにした。

公転手工の内径にセットした直径１５ｍｍ長さ４ｍのピ
ン１５でモータをリード線１３．１４．１９が半田付け
されている基盤の穴に圧入した。ピンには直径１８ｍｍ
厚さ０．↑ｍｍのキャップ状のコンタクトばねが付いて
おり、これが公転子の上面全面に施された接地電極膜と
コンタクトし、基盤下面に半田付けされたリード線１９
の付いたばねとコンタクトする。円板の穴に合わせて、
パターン２０＋　２０２２０３２０４がプリントされス
ルーホール接続（１２３）されたリング状絶縁板１２．
が張り付けられ、２０．と２０３．２０□と２０４がそ
れぞれリード線１３、■４３、で短絡されており、ピン
１５が圧入されたときこれらが下面の４分割電極とコン
タクトした。リード線１９を接地し、１３．１４に９０
度位相のことなる所定周波数（約４０ｋＨｚ）の２相矩
形波６Ｖ；の電気信号を人力するとロータが回転し、光
学式に回転数を測定した。

このとき予め用意されたテーパが５度づつ異なる各種の
ステータと取り替えて回転数を測定した。

そのデータを示した第３図から明らかなように回転数は
テーパの角度と共に増大し、４５度では０度の約倍の最
大値を示し、４５度を過ぎると再び減少する。しかも３
０度乃至６０度では回転むらも最小になり、回転数が安
定するので、回転に伴う礼み音の発生もまったく無くな
る。これらの結果から、ステータとロータとの圧着面に
は４５±ｔ５度のテーパを施すのが最善であることが分
かった。

（実施例２） 次に自動車両用スピード・メータなどの指針を駆動する
モータとして利用した実施例を示す。・実施例１に用い
た直径４０ｍｍ、内径１５ｍｍ、厚さ２ｍｍのディスク
状四極対電歪公転子２■の周辺部２２に４５度のテーパ
を施したステータと、これに同一テーパを施した内径を
有する外径５０ｍｍ、厚さ２．１ｍ１ｎのリング状のス
チール・ロータ２３の内径をはめ込み、４５ｍｍ、厚さ
０．０５ｍｍの燐青銅板で作った皿ばね２４の外周をロ
ータ表面の溝ににはめ、中心に固定されているシャフト
２５を公転子２１の内径にゴムのＯリング２７・で圧入
固定された厚さ４ｍｍのボール・ベアリング２６の内輪
に圧入固定し、公転子から２ｍｍだけ突き出しているボ
ール・ベアリングの外径をメータ・パネルの穴に裏から
圧入した。パネル３０の表面に突き出たシャフトの先端
に指示針２９をはめねじで固定しメータすなわち指針計
器を構成した。リード線２８、を接地し、２８□及び２
８３に９０度位相のことなる所定周波数（約４０ｋｌｌ
ｚ）の２相矩形波６ｖの電気信号を入力した。指針は二
定速度で時計回りに回転し、リード線２８□と２８３へ
の入力信号を入れ替えると、指針は反時計回りに前と同
じ速度で回転した。この結果から指針の位置を指示値に
対応するように制御する手段を追加すれば、耐振性に優
れた利用価値の高い指示計器を構成できることが判明し
た。

（実施例３） 実施例１に示したモ・−夕では圧着面に４５度のテーパ
を施した結果、優れた回転特性の得られたことを述べた
が、振動の激しい環境で用いると、ロータの面とステー
タの面とが常に同一平面内に納まっているのははなはだ
困難で、第７図に示した様に両者の中心面６１及び６２
が互いに傾くと、回転が不安定になり糺み音が発生する
。この対策が本実施例であり、第４図に示した。実施例
１に用いたのと同一サイズの電歪公転子３１は周面に山
形のテーパ３１、が施され、２個のリング状ロータ３４
．３５で挟み込むように構成し、外周が−回り大きいロ
ータ３５に−回り小さい３４が内接し、内接面にはねじ
が切っであるので、締め込むことができる。

２個のリングの間にばばね３６が内臓されており、リン
グを捩じ込んだ際のステータとの圧着力を加減じている
。この構造を採用した結果、ロータの面′とステータの
面ステータの両者の中心面が互いに傾く事はなくなり、
耐振性が著しく向上した。

しかも圧着力は２枚のロータを繋ぐばねの力で調節が可
能であり、比較的張い圧着力を一様に作用できるように
なったので、強力な回転トルクが得られた。

さらに強力な回転トルクを要する場合には、第５図に示
す実施例のように、ロータ４１の内面を４５度づつ９０
度の山形にテーパ研磨し、この面を４５度のテーパ付き
ステータ４０１．４０□の２枚で挟み込むように圧着す
る。２枚のステータが作る２倍のトルクが作用するので
、ロータの出力は２倍強力になる。

（実施例４） これまでに述べた実施例では、ディスク状の電歪公転子
を用いて説明したが、４５度のテーパ付きステータの効
果はシリンダ型電歪公転子の場合も、パイプ状の電歪公
転子の場合も同様である。

ここではその上側を紹介する。第６図はパイプ状の電歪
公転子モータの１実施例である。パイプ状ステータ５１
は外径５ｍｍ内径４ｍｍ長さ４０ｍｍの圧電セラミック
の内面全面に接地電極５２が施され、外周面には４分割
電極５３が施されている。

パイプの両端面が４５度の凹面状にテーパ研磨されてお
り、４５度の凸面を有する独楽状のロータ５５．５６の
２個をパイプの両端面を挟み込むように配置し、パイプ
の中心を貫通するシャフト５４でロータを串刺しするよ
うに構成する。シャフトの先端はロータ５６に圧入固定
され、他端はロータ５５、の中心穴に緩く通されており
、その外側から皿ばね５７がねじ５５□でシャフトに沿
ってロータをパイプの端面に圧着している。パイプの内
部電極に繋がる接地用リード線５８と、外周面の対向面
電極同志を短絡したリード線５９と６０とに、９０度位
相の異なる１２Ｖ、３６ｋＨｚの矩形波電圧を印加した
ところ、パイプの皿回し運動の原理でシャフトが勢いよ
く回転した。リード線間の位相関係をスイッチすると、
ロータは即時に逆回転した。この場合パイプの両端面を
４５度の凸面状にし、凹面状に窪んだテーパ面を有する
ロータを用いても同一の効果が得られるが、モータの外
径が−回り太くなる。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明では、ロータとステータ間の
圧着面を４５±１５度の範囲で一定の傾斜角を有するテ
ーパとする構成をとったから、１）モータの回転性能が
著しく向上するだけでなく、２）礼み音の発生がなくな
り、あるいは３）ステータもしくはロータのいづれか一
方を複数とし、■溝または山形のテーパ面を有する他方
の圧着面を挟む配置で圧着力を作用するように構成した
結果、ロータとステータ間の面煽りが無くなり、回転特
性が安定化しさらには耐震性が向上するなど実用上の顕
著な効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に用いた超音波モータのテーパ付きステ
ータの実施例を示す説明図、第２図は本発明によるテー
パ付きステータを用いた超音波モータを用いた超音波モ
ータの指示計器への一応用例を示す説明図、第昏図はス
テータまたはロータの圧着面を凸面または凹面状のテー
パ面に構成した実施例を示す説明図、第８図は本発明に
よるテパ付きパイプ状ステータを用いた超音波モータの
一実施例を示す説明図、第Ｔ図はステータとロータの中
心面の傾きを示す原理説明図である。 １・・・・・・・・・・・・電歪公転子、２・・・・・
・・・・・・・テーパ面３、５．６．７．８．９・・・
・・・電極、４・・・・・・・・・・・・・・・・・・
稜線１１・・・・・・・・・・・・電歪公転子、１２・
・・・・・・・・・・・・・・・・・基盤１３、１４．
１９・・・・・・・・・リード線、１５・・・・・・・
・・・・・・・・ピン１６・・・・・・・・・・・・・
・・・・・ロータ、２０・・・コンタクトパタン２１・
・・・・・・・・・・・電歪公転子、２２・・・・・・
・・・・・・テーパ面２３、３４．３５．４１・・・ロ
ータ、３１．４０．５１電歪公転子４８、４９．５０・
・・・・・リード線、５２．５３・・・・・・・・・・
・・電極５４・・・・・・・・・・・・・・・シャフト
、５５，５６．６４・・・・・・ロータ６１、６２・・
・・・・・・・・・・中心線、６３・・・・・・・・・
電歪公転子た超音波モータのテーパ角度の特性に対する
影響一 の測定図、第１図は本発明によるテーパ付きステ第１図 （ａ） （ｂ） （Ｃ） （ｅ） （ｆ） 第３図 第４図 テーパの角度 θ（０） 第２図 （ａ） 第５図 （ｂ） （ａ） 第６図 （ｂ） 第８図 ４６４− 第７図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　超音波振動をしているディスク型、シリンダー型、も
   しくはパイプ型の電歪公転子からなるステータに圧着さ
   れているロータに、摩擦力を介して作用する回転トルク
   を利用する機構の超音波モータに於いて、圧着面と回転
   軸とのなす角が４５±１５度の範囲の一定の角度になる
   ように構成するか、もしくは圧着面が回転軸に対して４
   ５±１５度の範囲の正負対の傾斜面を有する山形、もし
   くはＶ溝型の形状を成す単体のステータ及び単体のロー
   タで構成するか、またはステータもしくはロータのいづ
   れか一方を複数とし他方を挟む配置で圧着力を作用する
   ように構成したことをを特徴としたテーパつき圧着面を
   有する超音波モータ。