(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円環状のステータと、
前記ステータ内に挿通されて非接触にて回転可能で断面が円形形状のロータと、
前記ステータの外周部にホーンと振動子を有して結合されてなる超音波振動部と、高周波電源とを有する第１及び第２の超音波励振手段とを備え、
前記第１及び第２の超音波励振手段は、前記ステータの周方向において離間配置されて時間的位相差をもって駆動することによって、前記ステータが該ステータの周方向に進行するたわみ振動モードを発生して前記ロータを非接触で回転させる構成としたこと
を特徴とするロータ浮揚式超音波モータ。
【請求項２】
前記第１及び第２の超音波励振手段の位相差は時間的位相差であり、９０°に設定されていることを特徴とする請求項１記載のロータ浮揚式超音波モータ。
【請求項３】
前記第１及び第２の超音波励振手段の離間角度は３／４波長であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のロータ浮揚式超音波モータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波を利用してロータを回転せしめる超音波モータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のモータとして、図８に示すものが知られている。
【０００３】
図示のように、この超音波モータは、夫々円形にして対向配置され且つ互いに接触したステータ１０１及びロータ１０２と、該ロータ１０２とは反対側にて該ステータ１０１に結合された圧電素子１０３とを有している。該圧電素子１０３には高周波電源１０５及び１０６が接続され、該両電源より印加される高周波の電圧にて駆動されて超音波振動を発する。
【０００４】
上記構成において、圧電素子１０３に通電することにより所要の超音波振動を発生させると、ステータ１０１が固有の振動数を以て励振され、ロータ１０２との接合側に符合Ｕにて示す波状の振動モードが生ずる。
【０００５】
ここで、両高周波電源１０５、１０６より各々印加される電圧は所要の位相差を有し、それ故に振動の波は例えば矢印Ｐ方向に向う進行波となる。このとき、該波の頂点は符合Ｔで示すような楕円運動を行い、ステータ１０１に接触しているロータ１０２は摩擦によって矢印Ｑ方向に作動する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
かかる超音波モータにおいては、超音波振動するステータ１０１と回転するロータ１０２とが直接接触し、その間の摩擦力を利用しているため、接触面の摩耗による寿命の問題を避けることができないという欠点がある。
【０００７】
また、ステータ１０１の振動速度でロータ１０２を駆動するので、ロータ回転速度はステータ１０１の最高振動速度以下に制限されるが、ステータ１０１の材料強度で決定されるこの最高振動速度は線速度で高々数ｍ／ｓに過ぎない。この値は電磁型モータと比較するとかなり低速で、応用範囲が限られている。
【０００８】
更に、接触部分については、高い加工精度及び表面処理が要求され、また、特別な耐摩耗材料を必要とし、これらに伴う製造工程の増大等によってコストの削減が図り難い。
【０００９】
本発明は、上記従来技術の欠点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、長寿命化を達成すると共に高速作動を可能とし、しかも製造コストの低減が図り易い等、実用上有用な種々の効果を併せ奏し得る超音波モータを提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的達成のために、本発明による超音波モータは、円環状のステータと、前記ステータ内に挿通されて非接触にて回転可能で断面が円形形状のロータと、前記ステータの外周部にホーンと振動子を有して結合されてなる超音波振動部と、高周波電源とを有する第１及び第２の超音波励振手段とを備え、前記第１及び第２の超音波励振手段は、前記ステータの周方向において離間配置されて時間的位相差をもって駆動することによって、前記ステータが該ステータの周方向に進行するたわみ振動モードを発生して前記ロータを非接触で回転させる構成としたことを特徴とする。また、前記第１及び第２の超音波励振手段の位相差は時間的位相差であり、９０°に設定されていることを特徴とする。前記第１及び第２の超音波励振手段の離間角度は３／４波長であることを特徴とする。
【００１１】
この構成によれば、上記第１及び第２の超音波励振手段の作動に基づいてステータに周方向の進行波が発生し、ロータは該ステータ内における音波の放射圧によって浮揚し、進行波に乗るようにして回転せしめられる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
超音波モータは、圧電現象を利用することから、モータ自体からの磁場の発生を嫌う測定機器等への適用が可能であり、又その逆に強磁場に曝される環境下でも悪影響を受けることなく使用することができ、しかも部品点数が少なく簡素な構造であるから超小型化が図り易い等、電磁型モータでは困難な条件に適するものである。
【００１３】
本発明は、このような超音波モータ本来の優位性に加え、更に、長寿命、高速回転、低コストであることなど、当該超音波モータが組み込まれるべき装置等を設計する上で従来要求することが不可能であった諸条件を満たすことが出来るものとして実施される。
【００１４】
【実施例】
次に、本発明の実施例としてのロータ浮揚式超音波モータを添付図面を参照しながら説明する。
【００１５】
図１に示すように、本発明に係るロータ浮揚式超音波モータは、円環状に形成されたステータ１と、同じく円環状に且つ該ステータ１の内径よりも小径に形成されて該ステータ１内に挿通されたロータ２とを有している。
【００１６】
ステータ１及びロータ２は、夫々その素材として金属、例えばジュラルミン（質量１１．３ｇ）が選定される。
【００１７】
また、本実施例においては、ステータ１の外径Ｄ１−１  及び内径Ｄ１−２  が各々、５９ｍｍ及び５０．２ｍｍに設定されている。よって、厚みｔは４．４ｍｍである。
【００１８】
また、ロータ２の外径は５０ｍｍに設定されている。すなわち、ステータ１及び該ロータ２の隙間２ｅ（直径の差）は０．２ｍｍ（＝５０．２ｍｍ−５０ｍｍである。
【００１９】
そして、ステータ１及びロータ２の環中心方向（図１における紙面に対して直角な方向）の寸法は共に１４ｍｍとなされている。
【００２０】
上記ステータ１の外周部には、互いに同様又はほぼ同様に構成された一対の超音波振動発生部５及び６が結合されている。両超音波振動発生部５、６は、ステータ１の周方向において離間して配置されている。
【００２１】
両超音波振動発生部５及び６は、ステータ１を励振するためのもので、各々ランジュバン（Ｌａｎｇｅｖｉｎ）タイプの振動子５ａ、６ａと、該各振動子とステータ１との間に介装されたコーン（ｃｏｒｎ）型のホーン５ｂ、６ｂとを有している。
【００２２】
上記両振動子５ａ及び６ａには高周波電源９及び１０が夫々接続されており、該各電源より印加される高周波の電圧によって駆動されて超音波振動を発する。矢印Ｕで示すように、各振動子５ａ、６ａが発する振動は縦振動である。各ホーン５ｂ及び６ｂは、この振動子５ａ、６ａからの振動を機械的に増幅する作用をなす。
【００２３】
上記超音波振動発生部５とこれに接続された高周波電源９、又、他方の超音波振動発生部６及び高周波電源１０は夫々、ステータ１を励振する超音波励振手段を構成する。一方の超音波振動発生部５及び高周波電源９を第１の超音波励振手段と総称し、他方の超音波振動発生部６及び高周波電源１０を第２の超音波励振手段と総称する。
【００２４】
上記構成において、上記第１及び第２の超音波励振手段、すなわち各超音波振動発生部５及び６は、ステータ１の環中心を中心とする角度４５°で離間せしめられている。
【００２５】
一方、上記両高周波電源９及び１０の発振周波数は、例えば４４．５ｋＨｚに設定され、且つ、互いに９０°の時間的位相差を持つように設定されている。このように、両高周波電源９、１０から送出される駆動周波数に時間的位相差９０°を持たせたことと、上記のように両超音波振動発生部５、６の離間角度を４５°に設定したこととが相まって、ステータ１には符号Ｇ６  で示すような、６次にして周方向に進行するたわみ振動モードが発生する。
【００２６】
この状態で、ロータ２はステータ１内における音波の放射圧によって浮揚し、進行波に乗るようにして回転せしめられる。
【００２７】
すなわち、ロータ２がステータ１とは完全に非接触にて回転する。故に、ステータ１及びロータ２相互の摩耗は皆無であり、摩耗の点に関しては半永久的な寿命が保証される。
【００２８】
また、ロータ２の回転速度については、上述した両高周波電源９、１０よりの駆動周波数の時間的位相差が１つのパラメータとなり、又、両超音波振動発生部５及び６の離間角度が２つ目のパラメータとなり、これらのパラメータを適宜変えれば自在に増減させることができる。
【００２９】
前述した時間的位相差９０°及び離間角度４５°はこれらパラメータの具体例であり、６次の進行たわみ振動モードにして所望の回転速度を得るための数値であるが、後述の実験結果からも明らかなように、これらの数値に基づき得られる回転速度は現時点でも実用に質し得る程度である。そしてこれら９０°、４５°の数値は、いわゆる切りがよい数字であるから、当該ロータ浮揚式超音波モータを実用に供すべく設計及び製作する場合に好ましい。因に、この４５°とは、上記６次のたわみ振動の１波長の３／４に相当する。
【００３０】
上述のように、当該ロータ浮揚式超音波モータは、ロータ２の回転速度がステータ１の振動速度で制限されることがなく、それ故に、圧電現象を利用したモータでありながら従来の高速電磁型モータと同等、あるいはそれ以上の高速回転を行うことが可能となっている。しかも、従来の超音波モータと同様に低速回転にも勿論適用し得るので、低速、中速及び高速と、あらゆる要望に応えることができ、汎用性に優れている。
【００３１】
更に、従来の超音波モータでは、接触部分に高度な加工精度や表面処理技術が要求されたり、特別な耐摩耗材料を必要としたが、本発明による超音波モータではこれらは不要で、製造コストの低減が図り易い。
【００３２】
なお、本実施例では、上記両パラメータ、すなわち、両高周波電源９、１０よりの駆動周波数の時間的位相差と、両超音波振動発生部５及び６の離間角度とを、夫々９０°、４５°に設定し、以て６次の進行たわみ振動モードを得ているが、パラメータの設定を変えることにより、図２乃至図４に符号Ｇ２  乃至Ｇ４  で夫々示す２次乃至４次のたわみ振動モードやそれ以上の高次振動モードとすることもできる。これら種々の次数の振動モードのものに関しても、同じくパラメータを適宜設定することによって進行波の進行速度、すなわちロータの回転速度を自在に設定することができる。但し、１次の振動モード、すなわち、ステータ１が単に拡径、縮径を繰り返すような振動モードは、モータとしての作用はなさない。
【００３３】
又、本実施例では、ロータ２を中空の環状としているが、中実等のものとしてもよく、その場合、該ロータの軽量化等に鑑みて材質の吟味を要する。加えて、ステータ１及びロータ２の径、厚み、並びに両者の隙間等についても、本実施例の数値に限らず、種々可変であることは勿論である。
【００３４】
ここで、図１に示した構成のロータ浮揚式超音波モータを使用して行った実験の結果について説明する。但し、下記の文章は、平成７年９月２９日に日本音響学会秋季研究発表会において発表された内容からの抜粋である。
【００３５】
〈モータの構造〉
２本のホーン付きＬａｎｇｅｖｉｎ振動子（４７ｋＨｚ）を円環状ステータにねじ止めし、ステータにたわみ振動の周方向進行波を励振させ、差し込んだロータを回転させる。ステータ円環はジュラルミン製で外径５９ｍｍ、内径５０．２ｍｍ、奥行き１４ｍｍであり、この寸法は振動子の駆動周波数で、ステータ円環に径方向に変位を持つ６次たわみ振動が励振されるように決定されている。
【００３６】
また、時間的、空間的に位相差を９０度を持つ定在波をそれぞれ励振し、その２つの定在波の重ね合わせにより、進行波を励振するため、振動子間隔は角度４５度（３／４波長）となっている。ロータは直径５０ｍｍ、質量１１．３ｇのジュラルミン円環である。なお、ステータの内径とロータの外径間のギャップは０．２ｍｍである。
【００３７】
〈振動特性〉
２つの振動子Ａ、Ｂ（図１における５ａ、６ａ）の一方のみを励振した場合のステータ外面の面外振動の周方向分布をレーザドップラ振動計で測定した結果を図５に示す。Ａ、Ｂにより１／４波長だけ空間的に位置がずれた定在波が励振されていることが分かる。
【００３８】
次に、Ａ、Ｂを９０度の時間的位相差で同時に励振した場合の振動分布を図６に示す。定在波成分が残留しているものの、定在波比１．３〜１．８程度の進行波が得られていることが確認できる。
【００３９】
〈モータの特性〉
ステータの振動速度とロータ回転数の関係を測定した結果を図７に示す。時計回りで２．０μｍ、反時計回りで２．８μｍ以上の振動振幅でロータが浮上し、回転を始め急速に回転数が増大する様子が確認できる。最高で１２０ｒｐｍ程度が得られた。回転方向により特性が異なるのは、２つの振動子の共振周波数の差等により方向によって、得られる進行波の大きさが異なるためと思われる。
【００４０】
〈まとめ〉
ロータを浮上させる新しい超音波モータを提案、試作し、実際に浮上、回転することを確認した。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による超音波モータにおいては、一対の超音波励振手段の作動に基づいてステータに周方向の進行波が発生し、ロータはステータ内における音波の放射圧によって浮上し、この進行波に乗るようにして回転する。
すなわち、ロータがステータとは完全に非接触にて回転するものである。よって、摩耗は皆無であり、この点に関しては半永久的な寿命が保証される。
また、ロータの回転速度がステータの振動速度で制限されることがないので、圧電現象を利用したモータでありながら従来の高速電磁型モータと同等、あるいはそれ以上の高速回転を行うことが可能である。
更に、従来の超音波モータでは、接触部分に高度な加工精度や表面処理技術が要求されたり、特別な耐摩耗材料を必要としたが、本発明に係る超音波モータではこれらは不要で、製造コストの低減が図り易い。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の実施例としてのロータ浮揚式超音波モータの、一部断面を含む正面図である。
【図２】図２は、ステータが２次の振動を行う状態を示す図である。
【図３】図３は、ステータが３次の振動を行う状態を示す図である。
【図４】図４は、ステータが４次の振動を行う状態を示す図である。
【図５】図５は、図１に示した超音波モータについて行った実験に関し、２つの振動子の一方のみを励振した場合のステータ外面の面外振動の周方向分布を測定した結果を示すグラフである。
【図６】図６は、２つの振動子を９０°の時間的位相差で同時に励振した場合の振動分布を示すグラフである。
【図７】図７は、ステータの振動速度とロータ回転数の関係を測定した結果を示すグラフである。
【図８】図８は、従来の超音波モータの概略斜視図である。
【符号の説明】
１          ステータ
２          ロータ
５、６      超音波振動発生部
９、１０    高周波電源
【図１】
0003575569.tif 000002
【図２】
0003575569.tif 000003
【図３】
0003575569.tif 000004
【図４】
0003575569.tif 000005
【図５】
0003575569.tif 000006
【図６】
0003575569.tif 000007
【図７】
0003575569.tif 000008
【図８】
0003575569.tif 000009