(57)【要約】【課題】定材波型超音波モーターにおいて、モーターの摺動面を尖らせて被駆動体との圧接不良を解消することにより、超音波エネルギーの伝達効率を改善してエネルギー利用効率の高い超音波モーターを提供する。また、曲面体への圧接効率を改善して、超音波モーターによる曲面体駆動を可能とする。【解決手段】そこで、本発明では、少なくとも圧電素子と弾性体とからなる固定子と、前記弾性体に加圧接触され、該固定子に生じる振動により相対運動する運動部材と、を備える超音波モーターにおいて、前記固定子の形状のうち前記運動部材に接触する部分が尖った形状を有するようにした超音波モーターを提案している。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも圧電素子と弾性体とからなる固定子と、前記弾性体に加圧接触され、該固定子に生じる振動により相対運動する運動部材と、を備える超音波モーターにおいて、前記固定子の形状のうち前記運動部材に接触する部分が尖った形状を有することを特徴とする超音波モーター。
【請求項２】
固定子と運動部材との接触面が前記運動部材表面の法線に対して直角に設置されてい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】
固定子と運動部材との接触面が正負の同一曲率を有するか、または０であるように設置されてい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４】
固定子と運動部材との接触圧力が単位面積当たり２ｋｇｆ／ｃｍ２以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の超音波モーター。
【請求項５】
固定子と運動部材との接触面が双方ともに平均面粗度（Ｒａ）０．２μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の超音波モーター。
【請求項６】
固定子に圧電素子が２個以上設けてあり、かつ固定子と運動部材との接触面が平面または円筒表面あるいは球面であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の超音波モーター。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、弾性体とこれを励振させる圧電体とを有する固定子と、固定子の振動によって移動される運動部材から成る超音波モーターに関する発明であり、より詳しくは前記固定子が前記運動部材と接触する部分の形状等を最適化するための技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超音波モーターでは、固定子表面の一部に圧接された運動部材が、固定子弾性体の励振によって発生する固定子表面の楕円運動により順次摩擦駆動されて移動する。従来の超音波モーターの模式図を図３に示す。固定子３１は弾性体３２とこれを励振する２個の圧電素子３３とから成り、固定子３１は運動部材３４と一定圧力で圧接されている。固定子３１と運動部材３４の接触部３５は広い平面であった。これは、運動部材３４の表面が平面であることを前提としているからである。摩擦面積を広く設置するには、固定子３１と運動部材３４との接触部３５を広い平面とするのが最も簡便な方法である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した超音波モーターには、固定子と運動部材との接触が部分的になりやすく、いわゆる部分当たりの状態となりやすい、という欠点があった。これは、固定子と運動部材との接触面が広い平面の場合にはわかりにくいが、両者の接触面が曲面である場合には特に顕著に発生する問題である。この状態が発生すると、固定子の圧電体で発生した振動エネルギーが弾性体までは伝搬するものの、運動部材を駆動する実接触面にはその一部しか伝達しなくなる。すなわち、超音波エネルギーの使用効率が著しく低下し、モーターとしてみた場合に運動部材の駆動能力低下を起こすのである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明では、上記の課題を解決するために、固定子の接触面側を尖らせて固定子と運動部材との接触面積を少なくすることにより、上記の部分接触の問題を解決する。また、固定子と運動部材との接触面の形状を、一方の面が正曲率を有するならば他方の面は負の同一曲率を有するように設置することで問題を解決する。
【０００５】
従来技術でも、理論的には固定子と運動部材との広い接触平面全面が完全に接触することが可能である。しかし、現実として、このような状態を実現することは困難を極める。特に、運動部材表面が曲面である場合には、従来技術では固定子の振動エネルギーを運動部材に十分に伝達できない。本発明の技術により、固定子の接触面側を尖らせて接触面積を小さくすることで、固定子から運動部材への振動エネルギー伝達効率が改善できる。
【０００６】
【本発明の最適な実施例】
本発明の最適な実施例を、図１を用いて説明する。固定子１１はステンレス製弾性体１２とこれを励振する２個の圧電素子１３とから成り、固定子１１はステンレス製運動部材１４と一定荷重で圧接されている。固定子１１のうち、運動部材１４との接触面側は尖らせてある。本実施例では、固定子の先端を頂角６０°にした。このとき、固定子１１と運動部材１４と接触部１５は０．０２５ｍｍ×５．０ｍｍの領域であった。固定子１１と運動部材１４の接触部１５は、固定子側も運動部材側もメッシュ２０００番で研磨し、平均表面粗度（Ｒａ）＜０．０５μｍに仕上げた。
【０００７】
この超音波モーターに共振周波数の正弦波（５Ｖ×１Ａ）を印加し、運動部材３４の端面にフォースゲージを当て、推進力を測定した。その結果、圧接荷重３ｋｇｆ時には６００ｇｆ、圧接荷重５ｋｇｆ時には１１００ｇｆであった。
【０００８】
一方、比較のために従来技術である図３の形状の超音波モーターを同様の材質で作成して、上記と同様の実験を行ったところ、圧接荷重５ｋｇｆ時の推進力が６００ｇｆであった。
【０００９】
この結果から明らかなように、固定子の接触面側を尖らせて接触面積を小さくすることで、固定子から運動部材への振動エネルギー伝達効率が改善できる。固定子１１の弾性体１２中を伝搬する超音波が接触面１５に集中しやすくなる効果も、エネルギー伝達効率の改善に寄与しているものと思われる。従来技術でも、理論的には固定子と運動部材との広い接触平面全面が完全に接触することが可能であるが、実際にその状態を実現することは困難を極める。このことが特に顕著になる例を、次の実施例で述べる。
【００１０】
【他の実施例】
本発明の他の実施例を、図２を用いて説明する。固定子２１はステンレス製弾性体２２とこれを励振する２個の圧電素子２３とから成り、固定子２１はセラミック製運動部材２４と一定荷重で圧接されている。この実施例での運動部材２４は直径１２０ｍｍ×厚さ１０ｍｍである。運動部材２４表面は研磨によりＲａ＜０．０５μｍに仕上げた。また、固定子２１と運動部材２４との接触面２５が平行になるように、すなわち運動部材２４の表面に垂直に固定子２１が当たるように、固定子２１の形状を設計した。固定子２１のうち、運動部材２４との接触面側は先の実施例同様尖らせてある。この実施例でも、固定子の先端を頂角６０°にした。このとき、固定子２１と運動部材２４と接触部２５は０．０２５ｍｍ×５．０ｍｍの領域であった。固定子２１の運動部材２４との接触面は、メッシュ２０００番で研磨し、平均表面粗度（Ｒａ）＜０．０５μｍに仕上げた。
【００１１】
この超音波モーターに共振周波数の正弦波（５Ｖ×１Ａ）を印加し、運動部材２４が回転中心２６を中心に回転するときの回転力を、運動部材２４の外壁の取り付けたフックにフォースゲージを当てて測定した。その結果、圧接荷重３ｋｇｆ時には４００ｇｆ、圧接荷重５ｋｇｆ時には７００ｇｆであった。
【００１２】
一方、比較のために従来技術である図４の形状の超音波モーターを作成した。ここで言う従来技術とは、固定子の接触端面が広い平面であることを言う。固定子４１は弾性体４２とこれを励振する２個の圧電素子４３とから成り、固定子４１は運動部材４４と一定圧力で圧接されている。固定子４１の運動部材４４との接触部４５は広い平面であるが、運動部材４４表面はφ１２０ｍｍの円筒面であるので、実際の接触部４５はごく細い線状の形状となった。この超音波モーターについて上記と同様の実験を行ったところ、圧接荷重５ｋｇｆ時の推進力は２５０ｇｆであった。
【００１３】
この結果から明らかなように、運動部材の表面形状が曲面であった場合には、従来技術による超音波モーターでは固定子と運動部材との接触が少なく、このため固定子内部を伝わる振動エネルギーを運動部材へと伝える効率が低いのである。固定子内部に分散して伝達される超音波振幅のうち、運動部材と接触している部分からだけ運動部材へとエネルギーが伝わり、その他の部分のエネルギーは無駄となっている。
【００１４】
一方、本発明によれば、固定子の振動エネルギーを集中して運動部材に伝達することができるので、超音波モーターの駆動効率を向上させることができる。これは、特に曲面駆動時に顕著である。
【００１５】
この実施例では、固定子２１と運動部材２４との接触面２５が平行になるように、すなわち運動部材２４の表面に垂直に固定子２１が当たるように、固定子２１の形状を設計した。しかし、本発明の肝要な点は固定子内部を伝搬する超音波エネルギーを接触面に集中させること、および固定子と運動部材との部分接触を排除することにある。したがって、運動部材表面が曲面であった場合に、上記実施例以外にも対応すべき方法がある。
【００１６】
それは、運動部材表面形状と、固定子の接触部表面形状とをあわせる方法である。すなわち、運動部材表面形状が平面なら固定子側も平面にする。運動部材表面が凸面なら固定子側は凹面で曲率を合わせる。もちろん、固定子の接触面側を尖らせておくことは言うまでもない。このようにすると、上記２例の実施例と同様の効果が得られる。固定子の先端面加工が少し難しいが、見た目はきれいである。
【００１７】
なお、固定子と運動部材との圧接力が少なすぎると、固定子から運動部材へのエネルギー伝達が行われず、音エネルギーとなって空気中に漏出してしまう。実験的には２ｋｇ／ｃｍ２以上の圧接力が必要である。また、圧接力が高すぎると、固定子の振動振幅が抑制されたり部品の破損が生じる。これは、材質や大きさに依存するところが多く、一定の上限値の設定は難しい。
【００１８】
また、固定子、運動部材双方の接触面の粗さが問題になる場合もある。固定子の超音波振動振幅はｐ−ｐ値でμｍオーダーであり、接触面粗度が大きい（粗い）と超音波振動は点接触部でのみ伝達される。この状態は面の部分接触と同じ状態である。接触面には、超音波振動振幅に比べて十分に小さい面粗度が要求される。本実施例での実験では、平均面粗度（Ｒａ）で０．２μｍ以下が必要で、望ましくは０．１μｍ以下であった。
【００１９】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明によれば超音波モーターにおけるエネルギー伝達効率を向上し得るばかりでなく、平面、円筒、球など多様な形状の物体を駆動することができるので、超音波モーターの適用分野を拡大することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従う超音波モーターの実施例の模式図である。
【図２】本発明に従う超音波モーターの別の実施例の模式図である。
【図３】従来技術による超音波モーターの模式図である。
【図４】従来技術による超音波モーターの別の形態の模式図である。
【符号の説明】
１１　　固定子
１２　　弾性体
１３　　圧電素子
１４　　運動部材
１５　　接触面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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