JP2626162B2 - 超音波モータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、圧電セラミック等の圧電体により励振した
弾性波を駆動力とする超音波モータに関し、時に弾性波
を励振する振動体を構成する圧電体の電極構造に関する
ものである。

従来の技術 近年圧電体を組み合わせて構成した振動体に励振した
弾性振動を駆動力とした超音波モータが注目されてい
る。

以下、図面を参照しながら超音波モータの従来技術に
ついて説明を行う。

第３図は従来の円環形超音波モータの切り欠き斜視図
である。同図において、複数個の突起体７を上面に有す
る金属等の円環形弾性基板１の底面円環形圧電体２を接
着して振動体３を構成している。圧電体２に構成された
２組の駆動電極（後述）に所定の位相差を有する２つの
交流電圧を印加することで振動体３に撓み振動と進行波
を励振する。

振動体３に励振された撓み振動の進行波は突起体の先
端に伝えられ、突起体先端は第６図に示すように楕円軌
跡を描いて運動する。この楕円軌跡は摩擦材４を介して
移動体６を駆動し、移動体６は回転運動を行う。

第４図は従来の圧電体２に形された電極構造の１例であ
る。圧電体２には４つの電極部が構成されている。Ａと
Ｂはそれぞれ周方向に1/2波長相当の長さを持つ小電極
から成る駆動電極である。Ｃは周方向に3/4波長相当の
長さを持つ電極であり、は周方向に1/4波長相当の長さ
を持つ電極である。電極ＣとＤは駆動電極ＡとＢに所定
の位置（1/4波長相当）だけずらせるために構成したも
のであり省略することも出来る。２組の駆動電極ＡとＢ
に、所定の位相差（π/2）を有する２つの交流電圧をそ
ぞれ印加すると振動体３に２つの撓み振動の定在波が励
振されている。

第５図（ａ），（ｂ）はそれぞれ振動体３に励振され
る撓み振動の振動姿態と振動振幅の半径方向の変位分布
を模式的に描いたものである。２つの所在波が重畳され
ることにより、振動体３の周方向に進行する撓み振動の
進行波が励振される。

以上説明したように、超音波モータは振動体に励振さ
れる変形によって移動体を摩擦駆動するモータである
が、この変形は数ミクロン程度の小さなものである。従
って、移動体に励振された振動の進行波の波頭近傍のみ
で振動体に接触することにより、振動体の変形によって
発生する駆動力が完全に移動体に伝えられるものであり
あり、その接触を一定に保つことが特性のばらつきを押
えるうえで重要である。そして振動体と移動体の均一接
触を保つためには、移動体と振動体の接触面を均一にす
ることと共に、振動体に励振される弾性波が定在波成分
の小さい均一な進行波であることが必要である。

発明が解決しようとする課題 従来の超音波モータは、図５に示したように、圧電体
の２つの駆動電極のそれぞれが半径方向に２分割された
面上に局在して構成されていたため、負荷の不均一性の
影響を受けて定在波成分の大きな不安定な進行波しか得
られなかった。また、円周方向に1/2波長相当の小駆動
電極から成る電極構造であるため、振動体の駆動電極か
ら見たアドミッタンスの周波数特性特性は第７図に２示
すように、基本次数の振動モード（主要モード）の近傍
にその前後の次数の共振が現れ、基本次数の振動モード
だけでなく、その前後の振動モードを励振して、上記と
同様に振動体に励振する進行波の定在波成分を大きくし
ていた。

その結果、振動体面と移動体面の接触状況が劣化し
て、振動体の変形によって発生する駆動力は移動体に完
全に伝わらず、モータ効率の低下や特性ばらつき、また
可聴音発生の原因になっていた。

本発明は、この様な課題を解決することを目的とす
る。

課題を解決するための手段。

上記の課題を解決するための技術的手段は、振動体を
構成する圧電体に形成された駆動電極の構造を、振動体
に励振する弾性進行波を構成する定在波の規準関数にほ
ぼ等しく構成することである。

作用 振動体を構成する圧電体の駆動電極の構造を、振動体
に励振する弾性進行派を構成する定在波の規準関数にほ
ぼ等しく構成することにより、負荷の不均一の影響の少
ない、定在波成分の少ない進行波を振動体に励振するこ
とができ、もって振動体と移動体との均一な接触や、振
動体に励振された撓み振動の進行波の波頭近傍のみで振
動体に接触する事が確実に実現できる。その結果、振動
体の変形にて発生する駆動力が効率良く移動体に伝達さ
れてモータ効率が向上し、また移動体と振動体の接触を
良好に保つことが可能となり、特性のばらつき、可聴音
の発生を抑制する事が出来る。

実施例 以下、図面に従って本発明の実施例について詳細な説
明を行う。

本実施例は円環型超音波モータについて述べるが、他
の超音波モータについても同様に実施することが出来る
ことは言うまでもない。

円環型超音波モータは円環形弾性板の撓み振動を使用
し、撓み振動の振幅ξは、 ξ＝Ｋ（ｒ）・sin（ｎθ） で表わせる。

ここで、Ｚ（ｒ）、sin（ｎθ）は規準関数、Ｋは定
数、ｎは振動の次数、ｒ、θはそれぞれ半径方向、円周
方向の円柱座標を表わす。

第１図は本発明の超音波モータの一実施例において、
その振動体を構成する圧電セラミック等の圧電体の面上
に形成された駆動電極を示すものである。同図（ａ）、
（ｂ）は、それぞれ圧電体11の第１面および第２面の駆
動電極構造を示すものである。第１面には２組の駆動電
極が内外周に分割される構造で形成されている。外周側
に形成された第１駆動電極８、内周側に形成された第２
駆動電極９ともに、振動体に例振する９次の撓み振動の
進行波の円周方向の規準関数である三角関数（sin（９
θ））でその境界部を構成し、その両端は電気的に隣の
電極部分と接続されている。ここで三角関数の正負は分
極方向と対応しているので、上記三角関数は絶対値をと
って、 |sin（９θ）｜ としている。従って、２組の駆動電極８と９は共に1/2
波長周期となっており、お互いに位置的に1/4波長だけ
ずれた２組の駆動電極と８と９を構成している。圧電体
11の第２面には、第１面の２組の駆動電極に８と９に対
応して、周方向に1/2波長相当の長さを持つ小駆動電極
から成る第３作銅電極10が形成されている。

第１図に示された駆動電極が形成された圧電体11は、
第２面に示されたような符号で分極される。その分極工
程は第１面を金属等の導電体の上に設置して第１駆動電
極８と第２駆動電極９を共通にし、第２面の小電極にそ
れぞれ同図に示されたように、唱利上う小電極に交互に
符号を変えた高圧の直流電圧を一定時間だけ印加して行
う。

分極を終えた圧電体11は、第２面を金属等の円環形弾
性体１の底面に第２面を結合されるかたちで接着され
る。円環形弾性体１が導電体の場合は、圧電体11の第２
面の小駆動電極は短絡されて共通になる。円環形弾性体
１が絶縁体の場合は、圧電体11の第２面の小駆動電極を
短絡して共通にするために、円環形弾性体１の底面また
は圧電体11の第２面にに導電被膜を形成するか、円環形
弾性体１の底面と圧電体11の第２の間に金属箔などを挟
んで接着する必要がある。

圧電体11の第３駆動電極10を共通電極として、第１駆
動電極８と第２駆動電極９に、位相がπ/2異なる振動体
の共振周波数近傍の交流電圧を印加すれば、振動体に撓
み振動の進行波を例振することができる。

第２図は第１図の電極構造の圧電体11を使用した振動
体の第１駆動電極８または第２駆動電極９から見たアド
ミッタンスの周波数特性である。同図から明らかなよう
に、本実施例の振動体では２組の駆動電極が、それぞれ
振動体に励振する弾性進行波を構成する２つの定在波の
円周方向の規準関数である三角関数になっているので、
着目している次の撓み振動モード（主要モード）のみを
励振することが出来る。また、駆動電極が周方向に不均
一に分散して形成されているので、負荷の不均一の影響
を第１駆動電極８または第２駆動電極９が同様に受けて
常に定在波成分の少ない進行波が得られる。

本実施例では、振動体に励振する弾性進行波を構成す
る２つの定在波の円周方向の規準関数のみを考慮に入れ
たが、半径方向の規準関数も同時に考慮して、駆動電極
を設計すればより大きな効果が得られる。しかし、規準
関数を近似して駆動電極を形成しても、従来の電極構造
に対して高効率、安定性などの効果を得ることが出来
る。

また、本実施例では２組の駆動電極を圧電体の１周に
わたってそれぞれ形成しているが、動作安定性との兼ね
合いであるが、部分的に形成しても同様の効果が得られ
る。

発明の効果 振動体を構成する圧電体の駆動電極が、振動体に励振
する弾性進行波を構成する定在波の規準関数とほぼ等し
くなっているので、基本次数の撓み振動のみを励振する
ことができ、また駆動電極が円周方向に均一に分散して
形成されているので、負荷の不均一の影響を第１駆動電
極または第２駆動電極ぎ同様に受けるので、常に定在波
成分の少ない進行波が得られる。従って、振動体と移動
体の均一な接触が実現されて、振動体の変形にて発生す
る駆動力を効率良く移動体に伝達でき、その結果モータ
効率が向上し、特性のばらつきを押えることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の超音波モータの一実施例における圧電
体の平面図、第２図は第１図の圧電体を用いた振動体の
アドミッタンスの周波数特性図、第３図は従来の超音波
のモータ切り欠き斜視図、第４図は従来の超音波モータ
の圧電体の平面図、第５図は振動体の径方向の撓み振動
の変位図、第６図は超音波モータの動作原理の説明図、
第７図は従来の超音波モータの振動体のアドミッタンス
の周波数特性図である。 ８……第１駆動電極、 ９……第２駆動電極、 10……第３駆動電極、 11……圧電体。

フロントページの続き (72)発明者 武田 克 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭62−196084（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−164077（ＪＰ，Ａ) 実開 昭60−44496（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】弾性基板と圧電体を組み合わせて構成した
   振動体と、前記弾性基板に加圧接触される移動体とを具
   備し、前記圧電体に設置された駆動電極に所定の位相差
   を持った駆動電圧を印加して前記振動体に弾性進行波を
   励振して前記移動体を移動させる円環型超音波モータに
   おいて、 圧電体の第１面に設置される駆動電極の構造を、振動体
   に励振する撓みの振動の弾性進行波を構成する撓み振動
   の定在波の基準関数である三角関数にほぼ等しくすると
   ともに、両端で電極パターンで接続し、 前記圧電体の第２面に設置される駆動電極の構造を、前
   記圧電体の第１面の駆動電極に対応し、前記撓み振動の
   半波長相当の周方向の長さを持つ小電極から成り、 前期圧電体の第２面を弾性基板に接着することにより振
   動体を構成することを特徴とする超音波モータ。