JPH0640746B2 - ころを用いた圧電モ−タ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野および発明の目的〕 本発明は圧電モータの摺動機構の改良に係り、耐摩耗性
に優れた圧電モータを提供することを目的とする。

〔従来の技術〕

従来の圧電モータは、超音波振動をしている固定子の端
面に移動子の摺動面を直接圧着することにより、移動子
に移動トルクを与えるのが普通である。このとき、移動
子は超音波のミクロン程度の振幅に伴って一周期ごとに
一方向に移動する。つまり固定子との接触個所が超音波
振動の半周期ごとに一方向に運動し、それらの接触個所
は次の半周期には移動子から離れ、逆方向に運動して元
に戻るのであり、このとき移動子の動きは休止する。言
いかえれば移動子は超音波振動に同期した間歇運動を繰
り返しているのである。

従って接触個所は同時に動き、同時に離れねばならない
が、固定子端面の振動の周期は同じでも振幅が一様でな
いため、或る接触個所は早く、大きく動こうとし、別の
個所は遅く、小さくしか動けないので互にブレーキがか
かり摩耗の原因となるだけでなく、時には大きなきしみ
音さえ発生する。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明は上述した従来技術の欠点を解消するもので、
移動子を固定子に直接圧着して、固定子の端面に発生し
ている超音波振動により、移動子が所望の方向に移動可
能な圧電モータにおいて、移動トルクの発生および伝達
の手段として、固定子端面と移動子の対向面間にころを
用いたことを特徴とする圧電モータによって目的を達成
したものである。

なお、本発明者は先願において、ねじり屈曲モードの波
数ｎが２以上の定在波が発生している円筒状固定子の周
面にロータすなわちころを介在させて移動子を移動させ
る構造の圧電モータを提案した。この場合円筒状固定子
の円周を２ｎ等分した個所に定在波振動の腹ができてお
り、それぞれ最大振幅で、しかも隣り合う腹同志が互い
に逆位相で振動しているため、発生する移動トルクも互
いに逆向きで相殺しあうので、ころを介せず移動子を周
面に直接圧着しても移動できない。したがってこの先願
は本発明には含まれないことは言うまでもない。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に従って説明する。

実施例１ 本発明に係るころを用いた圧電モータの一実施例を第１
図に示す。第１図の実施例は、第３図に示した従来の圧
電モータの固定子端面とロータ６の間にころとしてボー
ルベアリング８および８′を置き、超音波振動体１の端
面に圧着され発生した回転トルクをロータ６に伝達する
機構である。このころを介在させる構造を採用すること
によって、ロータ６とステータとの摺動面の摩耗が著し
く改善できたのである。

第１図の実施例の説明に先立って、本発明の理解を容易
にするため第３図に示した従来例について述べる。従来
の圧電モータには様々な型式・構造のものがあるが、ロ
ータ26をステータに圧着し、圧着面に発生させた超音波
振動によってロータ26に移動トルクを与える機構である
から、共通した特徴は移動子を固定子に圧着する構造か
らなっていることである。すなわち移動トルクは超音波
振動に伴う摺動であるため、負荷に大きな移動トルクを
伝達するには移動子と固定子の間の摩擦が不可欠であ
り、摩擦を大きくするには大きな圧着力を必要とする。
したがって圧電モータには摺動面が摩耗する宿命にある
と言う誤った考え方は容易に理解される。

一般に物体を動かすとき、辷らせるよりはころを介在さ
せる方が摩擦が少なく、摩耗しないことも良く知られて
いる。当然、圧電モータにもころを使った方が良いと言
えそうだ。しかし、ころを使うと摩擦が大幅に減るので
大きなトルクが伝達できないという欠点も伴うのであ
る。そこで最も合理的な手段を選ぶには圧電モータにお
ける摺動面の摩耗の機構を考察する必要がある。本発明
のポイントはこの点にあるのであって、先づ上述した圧
電モータの摺動機構に関する誤った考え方を正し、この
発明の基本が単にころを使えば良いという単純な思い付
きではないことを述べよう。

従来の圧電モータの代表例として、第３図に示した片持
梁状超音波モータの動作について説明する。この圧電モ
ータは、圧電セラミツクからなるドーナツ状の厚み振動
子23および24を円板状の金属座金22，25を介してボルト
30で片持梁の支持円板21の底のボルト孔に向って締め付
けることにより一体構成したものである。

圧電振動子23および24は共に電極が付いており、分極処
理されているので、同極性面同志対向させ、リード線2
3′，24′のついた端子板と重ねて締め付けられてい
る。リード線23′および24′の間に正弦波電圧を印加す
ると、圧電振動子によって機械的振動に変えられ、超音
波振動が発生する。この振動はボルト30の長さに沿った
たて振動であるが、ボルト30を介して片持梁21の支持板
に屈曲振動が励振される。支持板に屈曲振動が生ずるの
は支持板のボルト孔のある底面に溝が刻まれているから
である。すなわち、支持円板の底面は円周に沿った２個
所だけ三ケ月形に残す幅広の平行な浅い溝が掘られてお
り、ボルト30で締め付けられると、三ケ月部が支持個所
となり、ボルト30に作用するたて振動のため２つの支持
部に対して円板が屈曲運動を行う。

円板の上部には矩形板状の梁が円板を固定端として片持
梁状に直立しているが、梁の幅方向は溝に平行ではな
く、可成りの角度をなしているため、円板が屈曲振動を
すると梁にはねじり振動が生じ、梁の先端の両幅は第４
図に示したように互いに逆位相で振動し、正弦波の周波
数をこの振動の固有振動数と一致させると共振状態とな
り、激しく振動する。

この振動はたて振動に寄生した振動であるから、梁の先
端の両幅部は、振動の軌跡が端面に垂直な面内の楕円運
動になる。しかもこの楕円運動の向きは梁と溝との傾斜
角の正負に依存しており、基本状態における運動の向き
は傾斜角が正の場合は右まわり、負の場合は左まわりに
なる。

したがって、この端面にロータ26を圧着すれば、楕円振
動の成分が上向きのときはロータ26を支えながら横向き
に移動し、楕円振動成分が下向きになるとロータ26は車
軸のボールベアリングで支えられているため、一緒に下
へさがることはできず片持梁21の端面から離れ置き去り
になる。この間に片持梁21の端面先端は下へさがりつ
つ、横成分は前とは逆に動いて、再び上向きに上がって
来てロータ26に接するまで戻り、ロータ26に接すると再
び前進する。

この運動で注目すべきことは、ロータとステータの接触
面は互に静止したままである。大きな負荷を移動させる
には、強い圧着力に抗する強い振動が必要であることは
当然だが、どこにも擦れる場所はない。ロータとステー
タの面は相対的には接触時には静止しており、移動トル
クを支える力は静止摩擦力である。それ故摺動面（この
摺動という言葉さえ妥当ではないが）が摩耗する筈がな
いのである。このことが圧電モータの原理的に重要なポ
イントである。

一方、実際に寿命テストを行ってみると、無負荷運転の
ときですら摺動面は実際激しく摩耗し、時にはきしみ音
すら発する。静止している物体同志の間では絶対に起り
得ないことである。この理由は固定子端面の振動を考察
することから解明された。上述した静止摩擦説は梁の振
動が一様なねじり振動の場合であり、梁の端面の振幅は
中心を軸とした径の長さに比例した大きさ、つまり中心
から一定の角度に振れるものであろう、ことに先端にロ
ータが付いていない自由振動の場合は当然このようにな
るものと想定された。

しかし、実測した振幅は第４図に示したように複雑であ
り、決して一様ではなかった。振幅の測点を根元として
振幅の向きと大きさとを矢印で示したものである。注目
すべきことは中心から同じ距離だけ離れた同一円周上で
すら振幅が違うことであり、一般に端面上の矢印の先の
方ほど振幅が大きくなる傾向があるようである。その理
由は不明であるが、もしもこれが解明され、一様な振幅
の超音波楕円振動が実現できたならば摺動面に摩耗はな
くなるであろう。

一定の速さで回転するロータから見たとき、固定子との
接触面が同時に一定の角速度を与えるトルクで駆動され
ているならば摩耗は無い。摩耗が生じるのは接触部の角
速度が場所によって異なるためであり、ひどい場合はき
しみ音さえ生じる。

角速度の分布は同一周上で見ると一様ではないが、同一
径上では径の長さに比例してほぼ一様であり、径によっ
て角速度が異る現象を見出した。このことから摩耗をさ
けるにはロータをステータに面接触させるのは好ましく
なく、さらに従来の片持梁型の圧電モータのように周に
沿った帯状（同心円の帯状）に線接触をさせると最悪の
事態を招くことが判明した。一方摩耗の点に関するかぎ
り、径に沿った線接触が最適であろうと考えられる。そ
こで本発明のころを用いる構造が生まれた。

先ず最初にもっとも簡単な実施例として第１図を説明す
る。第３図に示した従来の圧電モータの片持梁１とロー
タ６の間に直径10mm，厚さ３mm，内径４mmのボールベア
リング８，８′を配した。これらのベアリング８，８′
は片持梁先端面と一本の径に沿って接するようシヤフト
９で支えられており、さらにシヤフト９はこの径を離れ
てまわらないようにシヤフト７に固定されている。シヤ
フト７は４mmのキヤツプボルトで、ロータ６のシヤフト
６′の内部中空部に通っており、ロータ６をそれの円板
の底中心部に圧入されたベアリング８，８′で支えてい
る。このキヤツプボルト７の頭はロータ６のシヤフト部
６′の中にあって、頭とベアリングの間にコイルスプリ
ングが挿入されている。

キヤツプボルト７の先端を片持梁１における端面の中心
の孔（第４図の孔21ａ参照）に嵌め、ロータ６が片持梁
１の端面の所望の径に接するまで締めつけたあと、キヤ
ツプボルト７の先端部に回り止めのピンを通す。このと
き、ベアリング８，８′はロータ６を通してコイルスプ
リングの力で、片持梁１の先端に強く圧着されていなけ
ればならない。

なお、図中の２は円板座金、３，４は圧電厚み振動子、
５はキヤツプボルト用座金、３′，４′はリード線であ
る。

このようにして本発明に係るころを用いた圧電モータの
一実施例が完成したのであり、電源に接続すると音もな
く軽快に、きわめてスムーズに回転し摩耗もなく長時間
寿命テストにも耐えた。この場合の寿命はベアリングそ
のものの寿命になるといって過言ではなかろう。しかも
意外なことに案外大きな強いトルクの出力が得られた。

実施例２ 実施例１では最も単純な例としてベアリングを用いた
が、通常のボールベアリングでは外径の太さが同じであ
るため肉厚が厚くなると不都合を来たす。すなわち、片
持梁の端面における振動の角速度は径に沿ってほぼ一様
であるため線速度は外周に向かうほど大きくなる。肉厚
のベアリングを使うと周速が一定のため内周と外周とで
回転速度にずれを生じ摩耗の原因となる。径に沿って配
置されたころが一定の速度で回転するためには径の内側
に向ってころの直径が細くなるようテーパーが付いてい
なければならない。第２図はテーパー付きの紡錘形ころ
18および18′を用いた実施例を図示したものである。

この図において11は片持梁、12は円板座金、13，14は圧
電厚み振動子、15はキヤツプボルト用座金、16はロー
タ、17はキヤツプボルト、18，18′はころ、13′，14′
はリード線である。

片持梁11の先端にもころ18，18′の径より一まわり太い
テーパーの付いた溝が雨樋のように刻まれており、ロー
タ16の底面も水平でなく、コーン状にテーパーが付いて
いるので、ロータ16ところ18，18′との接触も大きなト
ルクを伝達するに十分である。片持梁11における先端の
雨樋状溝のためころ18，18′は軸を固定しなくとも溝か
らとび出すことなく、常に振動の角速度が一定の接線上
に接触した状態で転がるのであるが、ころ18，18′の細
い先の部分にはくびれがあり、これに対応する溝には溝
の丸みに沿った帯状の凸部があり、ころ18，18′のくび
れがこれに枕状に嵌るので、転がりながら径方向にとび
出すこともない。なお、ころのテーパーは必らずしも直
線と限らず、線速度を合わせるため曲面状にすることも
ある。以上の例はいづれも片持梁状圧電モータのロータ
とステータの間にころを介在させた代表例を示したが、
他の型の回転モータ，リニアモータの場合もころを介在
させることにより摩耗，きしみのないスムーズな回転が
得られることは言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明は、移動子を固定子に直接圧
着して、固定子の端面に発生している超音波振動によ
り、移動子が所望の方向に移動可能な圧電モータにおい
て、移動トルクの発生および伝達の手段として、固定子
端面と移動子の対向面間にころを用いたことを特徴とす
る圧電モータの構成にしたから、移動子が一定速度で滑
らかに移動できるようになり、ころを介在させず移動子
を直接圧着した従来のモータのような移動速度のむらに
よるきしみあるいは摩耗などが生じる原因を除去でき、
滑らかな移動と長寿命のモータを作ることができるとい
う実用上きわめて重要な効果が得られた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例１に係る圧電モータの正面図、
第２図は本発明の実施例２に係る圧電モータの正面図、
第３図は従来の圧電モータの正面図、第４図は片持梁状
圧電モータの固定子端面に発生する超音波ねじり振動を
示す説明図である。 １，11……片持梁、６，16……ロータ、８，８′，18，
18′……ころ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】移動子を固定子に直接圧着して固定子の端
   面に発生している超音波振動により移動子が所望の方向
   に移動可能な圧電モータにおいて、移動トルクの発生お
   よび伝達の手段として、固定子端面と移動子の対向面間
   にころを用いたことを手段とする圧電モータ。