JPS58148682A - 超音波振動を利用したモータ装置の駆動方法とモータ装置 - 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】 本発明は超音波振動子の表ＷＪにおいて励振さ第１る進
行波を、相互に加圧接触する位置に配置−した動体の一
方向運動に変換することを％像とするモーター装置に関
するものである。

従来から広く用いられている各種モーター装置は、そσ
）駆動源として電磁力を応用したものか大部分であり、
各洩用途に使われている。しかしこわら装置の大きさや
重量及び回転力（トルク）轡は用いられる材料によって
一定の制限を受けるものである。何故ならば上記因子は
用いられる材料の磁気的特性等によって決められるもの
であり、これらの特性を超えた装置は回転駆動を行うこ
とか不可能となるためである。

一方上記各種モーター装置に代替する装置と鯵昭５５−
１５２７Ｓ３号）か提案されており、その技術内容とし
て超音波振動子により振動子により振動する振動体の一
端と動体の一端面を相互に対向する位置に配置し、絢者
関に板状又は棒状の振動片を介在させて、該振動片を適
当な角度で傾けて超音波振動子の往復運動を動体の一方
向運動に変換する如き装置か開示さねている。上記発明
によって超音波の持つ強力な振動エネルギーを回転又は
直進運動に変換−（ることｒ（よって／］・形にして軽
量なモーター装置ｖ実現したものであるか、本願は上記
装置とは更に観点を変えて、弾性体内に電歪集子又は磁
歪素子１紐込構成した超音波振動子の表面に励振さねる
進行波を利用したモーター装置の提供を目的とするもの
である。

以下図面Ｖ＃照して本発明に保るモーター装置の動作原
理と実施例に関し詳細な説明を行う。

第１図は動作原理を説明するための一部拡大斜視図であ
る、１は金Ｓ等弾性体であり、その表面１′上に横糺動
と縦振動か合成さゎたＩｋ衿波か形成された状態を拡大
して示している。上記進行波とは第１に一般にレイリー
波と呼ばわる表ｔｈ波であり、弾性体の表面に涜って伝
わる波か存在イることか理論的にＰｓ明されている。固
体中における弾性波は縦波と横波とかあり、夫々極立に
存在するが、表面という境界条件のため互いに錯綜し合
って合成される。レイリー波を発生させるＫは基板媒質
上に縦又は横振動Ｖ′″ｆる珈動子！のせて基板の表′
ｒｋＪをたたけはよく。

どんなたたきかたをしても振動源より相当離れたところ
で表′ｒｋＪ波成分を観測することかできる、第２ＫＱ
状（８２状）弾性体の屈曲振動による進行波であり、弾
性体の表面には縦波と横波とか９０°位相のすれ定惰円
振動か形成され、棒状（！Ｓ状）弾性体に泊って伝搬す
る。前記第１図の場合、振動源は示しておらず、レイリ
ー波の伝搬状、７＋−のみを示している。眸ち、今質点
ＡＫ看目ｆると、横振巾ａ（上下方向）と縦振巾ｂ（左
右方向）との合成された惰円Ｑ上を矢印Ｍの方向に運動
しており、その進行波は音速Ｎ弁σ〕スピードで移動し
ている。この状態下でフリーな動体２の表ｌ１１０を弾
性体ｌの表面上に加圧接触させると、該動体２は弾性体
１の進行波の頂点Ａ及びＡ′の部分でσ）み接触してお
り、且つ該頂点Ａ、　Ａは振動速度）−２ＴＣｉ−ｂ　
（ただしＸは振動数）で矢印Ｍの方向に運動しているの
であるかＣ）、フト−な動体２は弾性体ｌとの摩擦力に
よって矢印への方向に駆動されることになる。

本発明は上記進行波による動体の駆動を基本としたモー
ター装＠に係り、その実施例を以下に１５２９４する。

第２図は装置の一部断面図を示しており、図中】】はケ
ーシング本体であって、その内部Ｋ　ｆｉｒ状屈曲振動
子１３の節部分を支持部材１２で支え、且つ該振動子】
３の略中央部外周面にテーバ−１３’を設け、このテー
バ−１了の面上に動体としての回転子１４の内周面一端
伽か加圧接触するように配＆てる。回転子】４は回転軸
１５に対してその軸方向に移動可能に支持され、回転力
がｖＩ４ＥＪ−機構１６ｇ介して回転軸１５［伝えられ
る、尚駒圧機檎］６の一例畦細は第５図によって後述す
る−１７は軸受を示している。

振動子１３は中途部において電歪素子１８，１９ｔ’組
込み構成してあり、進行波の励振源となっている。第３
図は上記振動子１３の側面ＷＪｔ示し、第４図は第３図
のＡ−Ａ線断面を示す。第３図において電歪素子１８．
１９は軸方向に矢印のように伸縮動作する構成とし、そ
の間忙電ａ２）Ｖはさみ込んである。電歪素子と電極の
配置は第４図に示す如く、対角にある電極ａ、ｂＶｍ＊
して端子２１　Ｋ導ぎ、同様に電極ｃ、ｄを結線して端
子ｎに導（。夫々の対角位置にある電歪素子は互に逆方
向に伸縮するように動作する。即ち電極ａＫ接する電歪
素子３８．１９は伸長方向へ、電極ｂＫ接する電歪素子
１８．１９は短縮方向へ動作するよ５に分極する。更に
電極ｄｉ（接する電歪素子３８．１９は伸長方向へ、電
極ｃＫＷ！する電歪素子３８．１９は短縮方向へ動作す
るように分極する。

１８５図は調圧機構１６の一例馨示す断面図である、同
図は自動調圧機構の一例を示しており、回転軸１５と回
転子１４との関ＫＶ形底をもった特殊なカムル、２４の
一対と、その中間に介在する複数個の鋼球６．めｔ設け
ることにより、無負荷のときはがム祇部に鋼球かあるか
、負荷が加わり、トルクか増加するに従って鋼球か溝を
のり上げて軸方向の圧力が発生するように機能する。そ
れ・によって回転子］４のトルクか回転軸１５側に伝達
される。

上記の構成により、第４図に示す電極ａ、　　ｂに結線
された端子２１と振動子１３との関に高周波電圧を印加
すると、振動子１３は第６図に示すような屈曲振動をひ
きおこす。即ち一次の振動状態にお′いて、中央部Ｂ点
が振動の腹、Ｈ及びに点が振動の節となる。次に他の一
方の電４ｋｃ＋ｄに結線された端子乙と、振動子１３の
間に前記電極ａ、ｂの電圧に対して９０’位相のすれた
縦波と横波とを人工的に作り出すことになり、その合成
波か回転円振動となる。

第７図により振動子中央ｆＭｉ　１３　Ｂ　、即ち伽動
の腹の部分と、そわに外接する回転子１４の内周面１４
’との警触状１１Ｍ’に１／４周期毎に分鱗して（ＡＩ
（至）（ＣＩ　（ＤＩに示した。即ち回転子１４の内周
面１イは振動子１３１１１の波の頂点と接触しており、
その接触点は順次移動して１周期毎に回転子１４の内周
面１４′舎−周する。頂点の質点速度は、振動の振巾に
比例し、０〜数ｍ／−、ｍ度である。上記の接触点の移
動によって振動子９１ＡＫ発生した振動か回転子側の回
転力として変換される理由！以下に述べる。即ち回転子
１４の内周面１４の局長と、これに内接する振動子１３
の外周面１３Ｂの周長とを比較した場合、図示より明ら
かなように当然前者の筒長の方か長く、よって第７図に
示したように両者の接触点か順次移動して、接触点か一
周した時、前記の両局長差の分だけ回転子１４１１１１
１かずれることになり、それが回転となって取り出され
る。

又電極ａ、ｂ又はｃ、ｄに加える高周波電圧の位相を逆
転することによって回転子の回転方向を切り換えること
かできる、 第８図は本発明の別の実施例な示す【イ）一部断面図、
（−Ａ　−Ａ　＠断面図である。本実施例によればケー
シング本体３１の内部に支持部材３２に支えられたリン
グ状屈曲振動子３３ｖ配置し、その内周面１マチ−パ一
式を設け、回転予調の外周面が接触するように嵌入配置
される、回転子あは回転軸３５に対して軸方向に対して
移動可能に支持され、第５図に示した構成と同様の調圧
機構３６Ｙ設けて回転軸部に回転力【伝える。ａは電歪
素子を示し、あは軸受を示す。第８図（ロ）において（
同図ではケーシング本体３１の断面を省略してあ′る）
リング状屈曲振動子＆３は弾性体で構成され、その外周
に固定配置した電歪素子ｎは夫々矢印方向に伸縮するよ
うに分極されて、電極ａ、　　ｂ、　　ｃ、　　ａ、　
　ｅ、　　ｆ＋　　ｇ、　　ｈｖＢける。

更に電極ａ、　　ｂ、　　ｃ、　　ｄｖ結線して端子３
９に導き、同様に電極ｅ、ｒ、ｇ＋　　ｈｔ’結線して
端子鉛に導く。端子３９と振動子あとの１′＆＃１ｔｌ
Ｃｉａ周波電圧Ｙ印加し、黛に端子４０と振動子おとの
間に９０゜位相をずらした高周波電圧奮印加すると振動
子羽かバイモルフ形の屈曲振動を発生する。この際の屈
曲振動数ｆは ただし　　Ｅ：ヤング率　　　　６）：ポアソン比ａ：
中心円の半径　　ｈ：周一の厚さ ｎ：屈曲振動の次数　ｆ′：材料の密度上記実施例はｎ
＝２の場合であって、第９図により振動子３３に内接す
る回転予調の接触状態を１／４周期毎に分ｔｅｌ　Ｌ、
　”Ｃ（Ａｌ　（Ｂｌ　１ｃ１　（Ｄｉ　Ｋ　示Ｌ　タ
。

上記両者の接触する点か波の頂点であり、その頂点は振
動の一周期につき回転子あの外周面上を半周し、上記接
触点の移動によって振動子お１４１１　Ｋ発生した振動
か回転子あ儒の回転力として伝達されることは第７図に
示した例によって説明した通りである。第１０図は本発
明の更に他の実施例【示しており、超を波振動ｔｖＭ進
運動に変換するりニアモータの一例を示している。同図
において板状部材４１の表面に対して単数又は複数の弾
性体４２（４２）ｔ’加圧接触させ、該弾性体４２表面
の一部に圧電体４３　（４３）を設けて、弾性体４２に
表面波（レイリー波）音発生させる。弾性体４２のコー
ナ一部４２′を曲面形状とすることによって表面波は弾
性体４２の表面に沿って伝搬し、板状部材４１Ｙ矢印Ｗ
方向に移動させるように駆動させる。第１１図は上記実
施例に用いた一方向表面波発生方法を示しており、圧電
体４３の表面ＫＩＩ数個の電極４４゜４４・・・を配置
し、図示の如く３回路に分割接続［て移相器４５に接続
する。骸移相器４５により、夫々の回路に、０°、１２
０°、２４０°の如＜１２０゜位相のずわた高周波電圧
を印加することによって圧電体４３６Ｃ一方向表面波１
発生させることかできる。尚本実施例では主として電歪
素子を主として用いているか、磁歪素子に代替すること
が可能である。

以上本発明に係る超音波振動を利用したモーター装置に
関して、その駆動原理及び実施例の詳細な説明を行った
か、従来の各樵モーター装置と異なり、弾性体内に電歪
素子又は磁＃ｉ票子を組込構成することによって、表面
忙励振される進行波を利用した装置であって超音波の持
つ強力な振動エネルギーによって惰円振動な伴った進行
波を発生させて動体の回転又は直進運動に変換するとい
う一期的手法によって成るものであり、強力な回転力、
駆動力を持つ小形軽量なモーター装置が得られるという
大きな効果を有しており、あらゆる用途に適用すること
か可能であるという大きな効果な発揮する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の動作原理ｖ＃１．明するための一部拡
大斜視図であり、第２図は本発明の実施例を示す一部断
面図、第３図は振動子の側面図、第４図は第３図のＡ−
Ａ線断面図、１３５図は調圧機構の一例を示す断面図、
第６図は振動子の屈曲状Ｉｌｌ示す状態図、第７図は振
動子と回転子の接触状Ｉｎ示す分解図、第８図は本発明
の別の実施例を示す（イ）一部断面図、（ロＩＡ−Ａ、
ｌｉｄ断′ｒ＃図、菖９図は振動子と回転子の接触状ｗ
Ａを示す分解図、第１０図は本発明の更忙他の実施例を
示す斜視図、＃！１１図は上記実施例に用いた一方向表
面波発生方法を示す態様図である。 Ｉ・・・弾性体　　２・・・動体　　ＩＩ、３１・・・
ケーシング本体　　＋２．ａ２・・・支持部材　　１３
．３３・・・振動子　　１ご１式・・・テーパー　　１
４．３４・・・回転子１５．３５・・・回転軸　　１６
．３６・・・調圧機構１７・・・軸受　　１８．１９・
・・電歪素子　　加・・・電他乙、２４・・・カム　　
６・・・鋼球　　３７川電歪素子あ・・・軸受　　４１
・・・板状部材　　４２・・・弾性体４３・・・圧電体
　　４４・・・電極　　４５・・・移相器特許出願人　
指１）年産 ゛・様８゛′ 第７図 ぐさ９図 第１０ト１ ４３ 第１１図 手続補正書 昭和５７年１トす２ン日 特許庁長官殿 １、事件の表示　特願昭５７−２９４００号２、発明の
名称　超音波振動を利用１．たモーター装置３、補正を
する者 事件との関係　％杵出願人 （１）明細書の特許請求の範囲の欄 （２）明細書の発明の詳細な説明の欄 （３）図面（第１図及び第８図（ロ））５、補正の内容 （１）別紙の通り １２）別紙の通ね １、（１別紙の通ね （ （１）４Ｉ許晴求の範囲を成文に補正する。 （２）発明の詳細な説明 ａ）明細書第５頁第１５行の「・・・・・・今質点ＡＶ
Ｃ」を「・・・・・・今質点Ｂに」に補正する。 ｂ）同書同頁第１７行の「・・・・・・矢印Ｍ」を［・
・・・・・矢印ＮＪＫ補正する。 Ｃ）同書同頁第１８行の「・・・・・・音速Ｎ」を「・
・・・・・音速Ｕ」に補正する。 ｄ）同書同頁＠１９行の「・・・・・・移動している。 この状態・・・・・・」を「・・・・・・移動している
。この運動は弾性体表面上１′のどの点であっても同様
であつ′て、この状態・・・・・・」に補正する。 ｅ）同書第１０頁第６行の「・・曲・ように嵌入配置サ
レる。・・・・・・Ｊを「・・・・・・ように配置され
る。 ・・・・・・」に補正する。 ｆ）同書第１１頁第５行の「・・・・・・♂：ボアソ／
比・・・・・・」を「・・・・・・♂：ボアッソン比・
・・・・・」に補正する。 ３）図面第１図及び＠８図（ロ）を別紙の通り補正する
。 特許請求の範曲 （１）　　複数個の電歪素子又は磁歪索子を組合せて、
弾性体内に組込構成ｌまた超音波機動子と、該弾性体の
一１２１！１面と、一定の方向に移動する動体の一端面
を相互に加圧接触する位置に配オすることにより、前記
弾性体の表面において励振される横波と縦波の合成され
た進行波を、前記動体の一方向運動に変換することを％
徴とする超音波奈＠を利用ｊ７たモーター装置。 ＋２１　　ｆＲ音波奈動子は、円柱又は円筒状弾性体内
に磁歪素子又は磁歪素子を２回路以上組込構成１．で成
り、＠１超音波振動子の一端面と相互に加圧接触させる
動体を円筒形回転子とし’（−＠成することにより、超
音波振動子の表面において励振される横波と縦波の合成
された進行波を動体の一方向回転運動に変換することを
特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の蛸音波振動
を利用ｔ、ｆＣモーター装置。 （，４）超音波振動子はリング状弾性体内に電歪累子父
は磁歪索子を２回路以上組込構成して成り、該リング状
弾性体内に＆［した回転子の一端面と前記弾性体の一端
面とが相互に加圧接触する構成とし、弾性体の表面にお
いて励振される横波と縦波の合成された進行波を貝（ｌ
の一方向回転運動に変換することを特徴とする特許請求
の範囲第（１１項記載の超音波振動を利用したモーター
装置。 （４）　　動体は一定方向に移動する板状部材より成り
、該板状部材に加圧接触する単数又は複数の弾性体表面
に２回路以上の磁歪又は電歪素子を固定配Ｉｌｌ、、夫
々の回路に印加する高周波電圧の位相をずらせることに
より、弾性体表面において横波と縦波が合成された進行
波を形成して前記板状部材を一定方向に直進移動せしめ
ることを特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の超
音波振動を利用１−たモーター装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 口）複数個の電歪素子又は磁歪素子を組合せて、弾性体
   内に組込構成した超音波振動子と、該超音波振動子の一
   端面と、一定の方向に移動する動体の一端面を相互に加
   圧接触する位置に配１１てることＫより、前記超音波振
   動子の表面において励振される横波と縦波の合成された
   進行波を１前記動体の一方向運動に変換することを特徴
   とする超音波振動を利用したモーター装置、 （２）超音波振動子は、円柱又は円筒状弾性体内に電歪
   素子又は磁歪素子ｔ２回路以上組込構成して成り、前記
   超音波振動子の一端面と相互に加圧接触させる動体を一
   円筒形回転子として構成することＫより、超音波振動子
   の表面において励振される横波と縦波の合成された進行
   波を動体の一方向回転運動に変換することｖ４Ｉ黴とす
   る特許請求の範囲第（１１項記載の超音波振動を利用し
   たモーター装置。 （３＋　　超音波振動子はリング状弾性体内に電歪素子
   又は磁歪素子ｔ２回路以上組込構成して成り、骸リング
   状弾性体内に嵌入配置した回転軸の一端面と前記振動子
   の一端面とが相互に加圧接触する構成とし、超音波振動
   子の表面において励振される横波と縦波の合成された進
   行波を回転軸の一方向回転運動に変換することｖ４Ｉ做
   とする特許請求の範囲第（１）項記載の超音波振動を利
   用したモーター装置。 （４）動体は一定方向に移動する板状部材より成り、該
   板状部材に加圧接触する単数又は複数の弾性体表面に２
   回路以上の磁歪又は電歪素子を固定配置し、夫々の回路
   に印加する高劉波電圧の位相をずらせることにより、弾
   性体表面において横波と縦波が合成された進行波を形成
   して前記板状部材な一定方向に直進移動せしめることを
   特徴とする特許請求の範囲第（１１項記載の超音波振動
   を利用したモーター装＊。