JP2689425B2 - 超音波モータ - Google Patents

超音波モータ

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JP2689425B2
JP2689425B2 JP62100398A JP10039887A JP2689425B2 JP 2689425 B2 JP2689425 B2 JP 2689425B2 JP 62100398 A JP62100398 A JP 62100398A JP 10039887 A JP10039887 A JP 10039887A JP 2689425 B2 JP2689425 B2 JP 2689425B2
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克 武田
修 川崎
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は圧電体を用いて駆動力を発生する超音波モー
タに関する。 従来の技術 近年圧電セラミック等の圧電体を用いた振動体に弾性
振動を励振し、これ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6図は従来の円環形超音波モータの斜視図であり、
円環形の弾性体1の円環面の一方に圧電体として円環形
の圧電セラミック2を貼合せて振動体3を構成してい
る。4は耐磨耗性材料の摩擦材、5は弾性体であり、互
いに貼合せられて移動体6を構成している。移動体6は
摩擦材4を介して振動体3と接触している。圧電体2に
電界を印加すると振動体3の周方向に曲げ振動の進行波
が励起され、移動体6を駆動する。尚、同図中の矢印は
移動体6の回転方向を示す。 第7図は第6図の超音波モータに使用した圧電セラミ
ック2の電極構造の一例を示している。同図では円周方
向に9波の弾性液がのるようにしてある。同図におい
て、AおよびBはそれぞれ2分の1波長相当の小領域か
ら成る電極群で、Cは4分の3波長、Dは4分の1波長
の長さの電極である。電極CおよびDは電極群AとBに
位置的に4分の1波長(=90度)の位相差を作ってい
る。電極AとB内の隣り合う小電極部は互いに反対に厚
み方向に分極されている。圧電体2の弾性体1との接着
面は、第7図に示めされた面と反対の面であり、電極は
ベタ電極である。使用時には、電極群AおよびBは第7
図に斜線で示されたように、それぞれ短絡して用いられ
る。 以上のように構成された超音波モータの圧電体2の電
極AおよびBに V1=V0×sin(ωt) ……(1) V2=V0×cos(ωt) ……(2) ただし、 V0:電圧の瞬時値 ω:角周波数 t:時間 で表される電圧V1およびV2をそれぞれ印加すれば、振動
体3には、 ξ=ξ×(cos(ωt)×cos(kx) +sin(ωt)×sin(kx)) =ξ×cos(ωt−kx) ……(3) ただし、 ξ:曲げ振動の振幅値 ξ0:曲げ振動の瞬時値 k:波数(2π/λ) λ:波長 x:位置 で表せる、円周方向に進行する曲げ振動の進行波が励起
される。 第8図は振動体3の表面のA点が進行波の励起によっ
て、長軸2w、短軸2uの楕円運動をし、振動体3上に加圧
して設置された移動体6が、楕円の頂点近傍で接触する
ことにより、摩擦力により波の進行方向とは逆方向にv
=ω×uの速度で運動する様子を示している。 発明が解決しようとする問題点 超音波モータの出力を大きくするためには、振動体の
持っている運動エネルギーを大きくすればよい。運動エ
ネルギーは振動体の質量と速度の2乗に比例するので、
振動体の質量または速度を増やせば出力を増加できる。
超音波モータの外形が決まれば、質量を増やすためには
振動体の穴の大きさを小さくし、速度を大きくするには
振動の振幅を大きくすればよい。しかし、圧電体の許容
歪みにより、振動の振幅には制限がある。また、従来の
超音波モータは径方向1次、周方向3次以上の円環の曲
げ振動を使用しているので、第9図に示すように、内周
近傍では急に振幅値は小さくなり、振動体の穴を小さく
しても運動エネルギーはあまり大きくならない。従っ
て、従来のように径方向1次、周方向3次以上の円環の
曲げ振動を使用した超音波モータは出力を大きくできな
いという問題点がある。 本発明はかかる点に鑑みてなされたもので、同体積で
出力を大きくでき、しかも効率の良い超音波モータを提
供することを目的としている。 問題点を解決するための手段 振動体として円板形の振動体を用い、振動モードとし
て径方向2次、周方向3次以上の曲げ振動を用い、振動
体を構成する圧電体の駆動電極として曲げ振動により圧
電体に誘起される電荷の符号が振動体の径方向で変わる
円を境界として、同心円状に2組の駆動電極を構成す
る。 作 用 上記のような構成にすることにより、振動体の内側を
も有効に振動体の運動エネルギーに寄与するようにして
出力の増大を図り、また、圧電体に誘起される電荷の符
号が振動体の径方向で変わる円を境界として同心円状に
2組の駆動電極を構成することにより、同一電極群内で
の電荷の符号が同じになり、同一電極群内で電荷を打ち
消しあうことがなく、振動体の振動は効率良く励振され
るので、効率の良い超音波モータを提供することができ
る。 実施例 以下、図面に従って本発明の一実施例について詳細な
説明を行う。 第1図は本発明の超音波モータの構成の概要を示す切
り欠き斜視図である。円板形の弾性体7の主面の一方
に、圧電体として円板形の圧電セラミック8を貼合せて
振動体9を構成している。また、弾性体7の他の主面に
は、機械出力取り出し用の突起体10が構成されている。
11は耐磨耗性材料の摩擦材、12は弾性体であり、互いに
貼合せられて移動体13を構成している。移動体13は、摩
擦材11を介して、振動体9に設置された突起体10と加圧
接触している。圧電体8に電界を印加すると移動体9の
周方向に曲げ振動の進行波が励起され、移動体13を摩擦
力により駆動する。移動体13は回転軸14を中心にして回
転運動を始める。 第2図は径方向2次、周方向3次の曲げ振動を励振し
た時の振動体9の振動変位状態と径方向の変位分布図で
ある。径方向1次の振動モードを使用した時と異なり、
内周部でも変位は急に小さくなることはない。従って、
超音波モータが同一体積を占有した時、径方向1次の振
動モードを使用した時よりも、振動体9の運動エネルギ
ーを大きくすることができ、大きな出力を取り出せる超
音波モータを実現できる。 第3図は、径方向2次、周方向4次の曲げ振動の進行
波を用いた時の円板形超音波モータに用いる円板形圧電
セラミックの1例を示す平面図である。同図において、
(a)は径方向の変位分布であり、径方向2次の振動モ
ードを使用しているので、圧電セラミックの中心部以外
に振動の節部が存在し、この節部で囲まれる円である節
円の内周側と外周側とで、振動の変位の向きが厚さ方向
に逆向きになることを示している。(b)は圧電セラミ
ックに励振される振動により誘起される電荷の径方向の
分布であり、圧電セラミックに励振される振動が節円を
もつのと同様に、同図(b)中のr0を半径とする円の内
周側と外周側とで、誘起される電荷の極性が変化してい
ることを示している。(c)は振動により誘起される電
荷の極性が変わる円の内側に電極を構成した場合の圧電
セラミックの電極構造図である。 電極群E1、電極群F1は、径方向2次の曲げ振動により
誘起される電荷が、径方向で正負の極性が変わる半径r0
の円内に同心円状に設置され、それぞれ周方向が2分の
1波長相当の長さを持ち、互いに隣り合う電極部の分極
方向が厚み方向に逆である小電極部から成る電極群であ
る。そして、電極群E1、F1は、周方向に位相が4分の1
波長(90度)だけずらせて構成されている。従って、電
極群E1、F1をそれぞれ短絡し、裏面のベタ電極との間に
時間的に90度位相の異なる電圧を印加すれば、振動によ
り誘起される径方向の電荷の極性が同じであるので、振
動体9に径方向2次、周方向4次の曲げ振動の進行波が
励振される。 第4図は、径方向2次、周方向4次の曲げ振動の進行
波を用いた時の円板形超音波モータに用いる円板形圧電
セラミックのもう1例を示す平面図である。同図におい
て、(a)は径方向の変位分布であり、第3図(a)と
同様に節円の内周側と外周側とで、振動の変位の向きが
厚さ方向に逆向きになることを示している。(b)は圧
電セラミックに励振される振動により誘起される電荷の
径方向の分布であり、第3図(b)と同様にr0を半径と
する円の内周側と外周側とで、誘起される電荷の極性が
変化していることを示している。(c)は振動により誘
起される電荷の極性が変わる円を境界として電極を構成
した場合の圧電セラミックの電極構造図である。 電極群E2は、径方向2次の曲げ振動により誘起される
電荷が、径方向で正負の極性が変わる半径r0の円の外側
に、電極群F2は電荷の極性が変わる円の内側に同心円状
に構成され、それぞれ周方向が2分の1波長相当の長さ
を持ち、互いに隣り合う電極部の分極方向が厚み方向に
逆である小電極部から成る電極群である。そして電極群
E2、F2は、周方向に位相が4分の1波長相当分(90度)
だけずらせて構成されている。従って電極群E2、F2をそ
れぞれ短絡し、裏面のベタ電極との間に時間的に90度位
相の異なる電圧を印加すれば、振動により誘起される径
方向の電荷の極性が変わる円の内側と外側にあるので、
誘起される電荷が打ち消しあうことなく、振動体9に径
方向2次、周方向4次の曲げ振動の進行波が励振され
る。 第5図は、径方向2次、周方向4次の曲げ振動の進行
波を用いた時の円板形超音波モータに用いる円板形圧電
セラミックの別のもう1例を示す平面図である。同図に
おいて、(a)は径方向の変位分布であり、第3図
(a)、及び第4図(a)と同様に、節円の内周側と外
周側とで、振動の変位の向きが厚さ方向に逆向きになる
ことを示している。(b)は圧電セラミックに励振され
る振動により誘起される電荷の径方向の分布であり、第
3図(b)、及び第4図(b)と同様に、r0を半径とす
る円の内周側と外周側とで、誘起される電荷の極性が変
化していることを示している。(c)は振動により誘起
される電荷の極性が変わる円を境界として電極を構成し
た場合の圧電セラミックの電極構造図である。 電極群E3は、径方向2次の曲げ振動により誘起される
電荷が、径方向で正負の極性が変わる半径r0の円の外側
に、電極群E4、及び電極群F3は電荷の極性が変わる円の
内側に同心円状に構成され、それぞれ周方向が2分の1
波長相当の長さを持ち、互いに隣り合う電極部の分極方
向が厚み方向に逆である小電極部から成る電極群であ
る。そして、電極群E3、E4は、振動により誘起される径
方向の電荷の符号が逆であることを考慮して、径方向に
隣り合う電極群E3を構成する小電極部の分極方向と、電
極群E4を構成する小電極部の分極方向とが厚さ方向に逆
になるようにすることで、電極群E3、E4は周方向に逆位
相に構成され、電極群F3とE3、E4は、周方向に位相が4
分の1波長相当分(90度)だけずらせて構成されてい
る。従って電極群E3とE4を短絡して1つの駆動電極と
し、電極群F3を短絡して、裏面のベタ電極との間に時間
的に90度位相の異なる電圧を印加すれば、振動により誘
起される径方向の電荷の極性が変わる円の内側と外側に
あるので、第4図の場合と同様に、誘起される電荷が打
ち消しあうことなく、振動体9に径方向2次、周方向4
次の曲げ振動の進行波が励振される。 上記のように、駆動電極を構成すれば、同一電極群内
で径方向の電荷の符号が同じになり、同一電極群内で径
方向の電荷を打ち消しあうことがなく、振動体の振動は
効率良く励振される。 本発明によれば、効率の良い、しかも出力の大きな超
音波モータを提供できる。 発明の効果 本発明によれば、振動モードとして径方向2次、周方
向3次以上の曲げ振動を用い、また、曲げ振動により圧
電体の径方向に誘起される電荷の符号が変わる円を境界
として、同心円状に2組の駆動電極を構成することによ
り、出力の大きな、効率の良い超音波モータを提供でき
る。
【図面の簡単な説明】 第1図は本発明の円板形超音波モータの切り欠き斜視
図、第2図は振動モードとして径方向2次、周方向3次
の曲げ振動を用いた時の振動体の振動状態と径方向の変
位分布図、第3図は円板形の超音波モータで使用する1
例の圧電セラミックの平面図、第4図は円板形の超音波
モータで使用する別の圧電セラミックの平面図、第5図
は円板形の超音波モータで使用するもう1つ別の圧電セ
ラミックの平面図、第6図は円環形超音波モータの切り
欠き斜視図、第7図は第6図の超音波モータに用いた圧
電体の形状と電極構造を示す平面図、第8図は超音波モ
ータの動作原理の説明図、第9図は振動モードとして径
方向1次、周方向8次の曲げ振動を用いた時の振動体の
振動状態と径方向の変位分布図ある。 7……弾性体、8……圧電体、9……振動体、10……突
起体、11……摩擦材、12……弾性体、13……移動体、14
……回転軸。

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 1.圧電体を交流電圧で駆動して、前記圧電体と弾性体
    とから構成される円板形振動体に径方向2次、周方向3
    次以上の曲げ振動の進行波を励振することにより、前記
    振動体上に接触して設置された移動体を移動させる超音
    波モータにおいて、前記曲げ振動により前記圧電体に誘
    起される電荷の符号が前記振動体の径方向で変わる円を
    境界として、同心円状に2組の駆動電極を構成すること
    を特徴とする超音波モータ。 2.圧電体に誘起される電荷の符号が振動体の径方向で
    変わる円内に同心円状に2組の駆動電極を構成すること
    を特徴とする特許請求の範囲第1項記載の超音波モー
    タ。 3.圧電体に誘起される電荷の符号が振動体の径方向で
    変わる円内に1組、前記円外に1組、同心円状に計2組
    の駆動電極を構成することを特徴とする特許請求の範囲
    第1項記載の超音波モータ。 4.圧電体に誘起される電荷の符号が振動体の径方向で
    変わる円内に2組、前記円外に1組の同心円状の駆動電
    極を設け、前記円内の任意の1組と前記円外の1組を新
    たな1組の駆動電極とし、前記円内の他の1組と計2組
    の駆動電極とすることを特徴とする特許請求の範囲第1
    項記載の超音波モータ。
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