JPS62247770A - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、円環状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。

■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５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６図は一般的な超音波モータを構成する圧電素子１の
分極状態図を承り図であり、第５図の下方より見た図に
相当する。分極方向がΦθ■ｅ・・・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、
１８００異なる位置に各々、３７／４λ、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０２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、ｌｂ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７図のように一方の
片側共通電極４ａとし、右半分の撮勤仮に接触していな
い面を別の電極でおおい、これを同じく第７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７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間とｂ−ｃ間に互いにπ／２の位相差を有
し、２２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８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。

いま、第８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’１ｌｌＩ５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６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、 Ｖｔ　　＝Ａｓ　　ｔ　　ｎ２π／λ ｐｓｉｎωｔ　　　　　　　　　　　　・・・（１）な
る変位を有する定在波が励起される。また、第６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、Ｖ２　＝ＡＳ　ｉ　ｎ２７ｒ
／λ（ｐ−λ／４）ｓ　ｉ　ｎ　（ωｔ−、ｙｒ／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、 Ｖ＝Ｖｘ　＋Ｖ２ −Ａｓ　ｉ　ｎ　（２７ｒｌ）／λ−ωｔ）＝１３）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８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５図に示すよう
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、
その表面波の振幅は、その半径方向外側に向う程大きく
なる。

第９図〜第１１図はそのもようを示す図であり、第９図
は断面図、第１０図は第９図のＢ部分の斜視図、第１１
図は第９図のＢ部分の拡大断面図である。なお第１１図
のＭは励起時の状態を示し、Ｎは非励起時の状態を示し
ている。第９図〜第１１図に示すように、表面波の振幅
すなわち質点の変位は、振動板２の半径方向外側に向う
程大きくなる。このような状態の振動板２の上にロータ
３を押圧配置すると、振動板２とロータ３とは、その半
径方向外側エッチ部でしか接触しないことになる。この
ため、超音波モータとしての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。

そこで本発明は、ステータの振動板に励起される表面進
行波の頂点に対し、ロータの全域が安定に接し、極めて
効率よく作動する上、回転数、トルクの点でもすぐれた
超８波モータを提供することを目的とする。

Ｃ問題点を解決するための手段〕 本発明は上記問題点を解決し目的を達成するために、次
のような手段を講じた。すなわち、表面進行波が励起さ
れたステータにロータを圧接することによって、ステー
タに対しロータが回転するように構成された超音波モー
タにおいて、上記ステータとロータとが接触する面の少
なくとも一方の面を傾斜面とする。例えばロータの振動
板に接触する面の形状を、表面進行波の頂点の半径方向
の形状に合致するようなテーパ面とする。

〔作用〕

このような手段を講じたことにより、振動板の表面に励
起した表面進行波の頂点に対し、ロータが全域に亙って
接触するようになる。

〔実施例〕

第１図は本発明の第１実施例を示す図である。

圧電素子１．振動板２．ロータ３は、内径４５φ。

外径６０φの径を有している。振動板２の厚みは２．５
ｓに設定されている。ロータ３の振動板対向面には、円
環の外側に向けて肉厚寸法が漸次薄くなるように傾斜し
たテーパ面３ａが設けられている。このテーパ面３ａは
、振動板２に励起された表面進行波における頂点の半径
方向の形状に合致するようなテーパ面である。以下表面
進行波について説明する。

圧電素子１が伸縮運動すると、振動板２にはその駆動周
波数に応じたモードの波が励起される。

このような各モードの固有振動数とその変位ベクトルは
有限要素法を用いて解析することが可能である。

第２図は、円環状をなす振動板２の周方向に、９個の波
ができるようなモードについて解析して得られた表面変
位状態を示す図である。この波の頂上での波高値を、そ
の波の進行方向に対して垂直な断面Ｃについて詳しく調
べると、第３図のようになっている。ただし第３図の縦
のスケールは、拡大されて書かれている。この第３図の
曲線は、一般には複雑な形であるが振幅が小さい範囲で
は、１次関数または２次関数でほぼ近似できる。したが
って第１図に示すように、ロータ３の振動板側の面を、
上記曲線に合わせた形に加工しておけば、表面進行波を
励起した状態での波の頂上のすべての点においてロータ
３が接触するものとなる。

上記の如く構成された本実施例の超音波モータについて
実験を行なったところ、次のような結果が得られた。す
なわち圧電素子１に、その必要とするモードに対応した
固有振動数を有する交流電圧を印加し、かつその電圧の
大きさを適当に調節して、波の頂上がその全域に亙っで
ロータ３と接触するようにした。その結果、従来のよう
にロータ３が振動板２の円環外側部だけと接触するとい
った事態を回避でき、ロータ３を高効率で回転させるこ
とができた。また回転数およびトルクについても改善効
果が認められた。

なお前記テーパ面３ａの形状は、その超音波モ一夕が必
要とする出力（回転数、トルク）に応じて適宜設定する
ようにすればよい。

第４図は本発明の第２実施例を示す断面図である。この
実施例は、撮動板２のロータ３と接触する側の面に、図
のようなテーパ面２ａを設けた例である。すなわち振動
板２に表面進行波が励起された状態において、その波の
頂上が半径方向に亙っで水平となるようなテーパ面２ａ
が設けられている。この場合、ロータ３の形状は従来の
ままで良い。本実施例においても、前記第１実施例と同
様の作用効果を奏する。

なお本発明は前記実施例に限定されるものではない。例
えば前記実施例ではロータ３または振動板２の一方にの
みテーパ面を形成するようにした例を示したが、必要な
らばロータ３と撮動板２の双方にテーパ面を設けるよう
にしてもよい。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、ステータの振動板に屈曲進行波を励起
させた状態で、ロータがその波の頂上の全域に亙って接
触するものとなり、回転数、トルク、効率が大幅に向上
した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
図は構成を示す断面図、第２図は駆動周波数に応じた色
々なモードの波の表面変位状態を示す図、第３図は第２
図の波の進行方向に対しての垂直断面図である。第４図
は本発明の第２実施例の構成を示す断面図である。第５
図〜第１１図は従来技術を示す図で、第５図は超音波モ
ータの概略図、第６図および第７図は圧電素子の構成を
示す図、第８図は回転の原理を示す図、第９図はモータ
の構成を示す断面図、第１０図および第１１図は第９図
の８部分の屈曲波励起時の状態を示す図である。 １・・・圧電素子、２・・・振動板、３・・・ロータ、
２ａ。 ３ａ・・・テーパ面。 出願人代理人　弁理士　坪井　淳 第３図 第４図 第５図 第６図 第７図 第８図 第９図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　表面進行波が励起されたステータにロータを圧接する
   ことによつて、ステータに対しロータが回転するように
   構成された超音波モータにおいて、上記ステータとロー
   タとが接触する面の少なくとも一方の面を傾斜面とした
   ことを特徴とする超音波モータ。