(57)【要約】 【課題】  低コスト、高トルクで、かつ信頼性の高い超音波モーターを提供すること。【解決手段】  電源回路を単相式にすることで簡略化し、コスト低下を計るとともに、ステーター１１に一定の角度を有する溝加工を施すことで縦振動を径方向の振動ベクトルに変換しモーターとしての機能をもたせる。また、ステーター１１とローター１２との接触部も凹凸の勘合とし接触面積を大きくし堅牢な機構にすることで信頼性を向上させる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電セラミック素子、ステーター、ローター及び回転シャフトを有する超音波モーターであって、前記ステーターにスパイラル状の溝加工を施すことにより、前記圧電セラミック素子の振動方向を変換することを特徴とする超音波モーター。
【請求項２】
前記スパイラル状の溝加工において、前記ステーターの外周から内側に向けて、かつ水平面に対し１°〜４５°の角度を有することを特徴とする請求項１に記載の超音波モーター。
【請求項３】
前記ステーターと前記ローターとが加圧接触し、前記ステーターの水平面に対し１°〜４５°の接触角度を有することを特徴とする請求項１または２に記載の超音波モーター。
【請求項４】
前記圧電セラミック素子の面に異なった極性を有する電極あるいは全面同極電極をもち、前記電極構造が放射状、スパイラル状、あるいは全面が電極構造をもつことを特徴とする請求項１に記載の超音波モーター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転あるいは直動用のモーターの一種として用いられる超音波モーターに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超音波モーターは、従来の電磁モータとは動作原理が異なり、巻線がなく、構造が簡単で、小型かつ低速であっても高トルクが得られ、また高応答性、磁力線が出ない等、優れた特徴を生かし多くの分野での使用が期待されている。一般的に超音波モーターは、圧電セラミック素子、ステーター、ローター及び回転シャフトから構成されており、圧電セラミック素子は、定在波が生ずるように複雑な電極パターンから成り、位相差をもつように複数個から配列されている。
【０００３】
図７に示すように、ステーターの溝角度は、例えば特許文献１に開示されているように、９０°に加工されることが一般的である。また、図８に示すように、ステーター及びローターの接触角については、例えば特許文献２に開示されているように、水平面で接触することが一般的である。しかしながら、これらの超音波モーターには、ステーターとローターとの摩耗等によるトルクの低下、回転停止など生じることがあり、性能・信頼性に関し大きな問題点があった。
【０００４】
【特許文献１】特開昭６３−２０６１７６号公報
【特許文献２】特開昭６３−０７３８８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、圧電セラミック素子を駆動し回転運動を得るためには、圧電素子及びステーターに進行波を発生させ、ローターを回転させ、シャフトに回転を出力する必要がある。そのためには、圧電セラミックを複雑なパターンに分極させなければならず、また９０°異なる複数の交流電圧を印加しなければならない。従来の超音波モータの駆動回路では、２つの圧電セラミック素子に互いに位相の異なった２つの信号を独立に電力増幅しているので、スイッチング回路やトランス等が２組必要となる。このため回路自身が大型になってしまうという問題があり、構造が簡単であるという超音波モーターの本来の利点を生かすことができず、製品コストへ大きな影響を与えている。
【０００６】
本発明は、これら欠点を除去するために、従来の位相の異なる２回路の電源を排除し、単相の１回路電源のみで供給し、駆動電源部の簡素化を可能にし、進行波を発生させずに回転機能を生じさせる超音波モーターを提供することである。また、超音波モーターとしての堅牢性を高め、信頼性の高い構造を有する超音波モーターを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、前記課題の解決のため、圧電セラミックスの電極構造と、超音波モーターの構成を検討した結果なされたものである。
【０００８】
即ち、本発明の超音波モーターは、図４に示すように、ステーター、ローター及び回転シャフトを組み合わせてなる構造であって、図５に示すように、圧電セラミックス素子は前記ステーターに装着され、ステーターと一体になっている。以下、単にステーターと記述する。
【０００９】
また、前記スパイラル状の溝加工において、前記ステーターの外周から内側に向けて、かつ水平面に対し１°〜４５°の角度を付けることにより、圧電セラミック素子の縦振動が、ステーター上では斜め振動に変化しローターに推力方向の力が発生することで、厚み方向の振動を円周方向の推進に変換することが出来る。即ち、ステーターの振動方向は、図５に示すように、振動方向の力Ｆに対して回転方向の力Ｆθは、下記の式で示される力が発生する。
【００１０】
Ｆθ＝Ｆ×cos（θ）
【００１１】
この力により回転方向への力が働きローターを回転させる。この時、ローターは、図６の主軸シャフト３２に伝達され外部に回転運動が出力される。角度を４５°より大きくすると、回転方向の力Ｆθが小さくなり、ローターを回転させるには、振動方向の力Ｆを大きくする必要があり、実用的ではない。
【００１２】
前記ステーターと前記ローターとが加圧接触し、前記ステーターの水平面に対し１°〜４５°の接触角度を有するとにより、ステーターとローターが凹凸状の接触構造となり、ステーターに回転方向の推力が得られるとともに、より広い接触面積が得られ、接触面の堅牢性が高まり信頼性が向上する。角度を４５°より大きくすると、ステーターとローターとの接触面積が小さくなり、信頼性が低下する。
【００１３】
さらに、前記圧電セラミック素子の面に異なった極性を有する電極あるいは全面同極電極をもち、前記電極構造が放射状、スパイラル状、あるいは全面が電極構造をもつ単純な構造にすることができ、例えば特許文献１に開示されているような、圧電セラミック素子を複雑なパターンで分極させる必要がなくなる。
【発明の効果】
【００１４】
従来の圧電セラミック電極構造を有する超音波モーターにくらべ、駆動電源回路が簡素化され、コスト面で大きな利点を持つとともに、位相駆動方式によらない超音波モーターの提供が可能となった。
【００１５】
また、同時にステーターの溝加工による振動方向の変換、ステーターとローターの接触角度を変える構造にしたことで、堅牢性が高くなり信頼性の高い構造を有する超音波モーターの提供が可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
次に、本発明による超音波モーターの実施の形態について、具体的な例を挙げて説明する。
【００１７】
図１は、本発明に使用される圧電セラミック素子の例であり、それぞれ図１（ａ）は放射状電極（４分割）を示し、図１（ｂ）はスパイラル状電極を示し、図１（ｃ）は全面電極を示す。本発明では、電極構造の図１（ａ）の４つに分割されたの電極を用い、それぞれの電極は同極の分極処理（１と３、２と４）が施されている。同極の電極１と３は、図６の電気端子１に、また同極の電極２と４は、図６の電気端子２に、それぞれリード線で短絡され、駆動電源３３に接続されている。また、４分割の裏側は全面電極になっており、図６のＧ端子３６を介して駆動電源に接続されている。なお、図６には、電気端子３４及び電気端子３５に電力供給を行う駆動回路の構成図を示した。駆動電源をスイッチング（オン、オフ）することによって、電気端子３４、電気端子３５への電力供給を制御するための周波数を変えている。この電気端子は、交互の電極へと電力を伝達する。また、ステーターの振動振幅が最大となるような構造共振周波数が適正に設定されている。
【００１８】
図２は、本発明の実施の形態に係る超音波モーターのステーターを示す図であり、図３はローターを示す図であり、図４は、ステーターとローターの組立図である。ステーターは、図２（ａ）に示すように、複数のスパイラル状の溝があり、内周部が、すり鉢状の凹形状のものを用いる。また、ローターについても、図３（ａ）に示すようなステーター同様、凸形状で、傾斜角度がついており、ステーターの凹部とローターの凸部とが勘合されるような構造になっている。
【００１９】
本発明の超音波モーターの特性を表１に示す。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
以上より、従来の超音波モーターに比べ、１°から４５°の範囲内では、トルク、効率とも改善され、耐久性も向上した。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
本発明による超音波モーターは、低速・高トルクの性能を生かし回転テーブルの微小制御等に使用可能であり、自動車用パワーウインドーモーター、ワイパーモーターなどに使用可能である。また、リニアモーターとして直動の位置決め等のロボット等に使用の可能性が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態に係る圧電セラミック素子形状および電極パターンを示す模式図。図１（ａ）は放射状電極（４分割）パターンを示す図。図１（ｂ）はスパイラル状電極パターンを示す図。図１（ｃ）は全面電極パターンを示す図。
【図２】本発明の実施の形態に係る超音波モーターのステーターを示す図。図２（ａ）はステーターを示す平面図。図２（ｂ）はステーターを示す正面図。
【図３】本発明の実施の形態に係る超音波モーターのローターを示す図。図３（ａ）はローターを示す平面図。図３（ｂ）はローターを示す正面図。
【図４】本発明の実施の形態に係る超音波モーターのステーターとローターとの組み立て図。
【図５】本発明の実施の形態に係る超音波モーターのステーターの力を現すベクトル図。
【図６】本発明の実施の形態に係る超音波モーターの駆動電源回路ブロック図。
【図７】従来の超音波モーターのステーターを示す図。
【図８】従来の超音波モーターの構造図。
【符号の説明】
【００２４】
１，３    電極（同極）
２，４    電極（同極）
５，６    電極
７    圧電セラミック素子
１１    ステーター
１２    溝
１３    ローター
１４    主軸シャフト
２１    圧電セラミック素子
２２    ステーター
２３    溝
３１    超音波モーターユニット
３２    主軸シャフト
３３    駆動電源
３４，３５    電気端子
３６    Ｇ端子
３７    スイッチング
３８    アンプ
３９    オシレーター
４１    主軸シャフト
４２    ベアリング
４３    ローター
４４    ステーター
４５    圧電セラミック素子
４６    溝
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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