JPH01311878A - 超音波モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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
の支持固定に関するものである。

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
撮動を励振し、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の周方向に曲げ撮動の進行波が励
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波の弾性波がのるようにしである。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
向に分極されでいる。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 Ｖ＋−Ｖｏ×５ｉｎ（ωｔ）−−−（１）Ｖ２−Ｖｏｘ
ｅｏｓ（ωｔ）　　　　　　　　−−−（２）ただし、
ｖｏ：電圧の瞬時値 ω・角周波数 ｔ：時間 で表される電圧Ｖ；およびｖ２をそれぞれ印加ずれば、
振動体３には ξ−ξｏｘ（ｅｏｓ（ωｔ　）ｘｃｏｓ（ｋｘ　）＋５
ｉｎ（ωｔ）ｘｓｉｎ（ｋｘ）） −ξ　ｏｘｅｏｓ（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
圧しで設置された移動体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−ωＸ１１の速度で運動する様子を示している。

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」−ネルギーを太き（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、振動の振幅は制限される。また、従来の超
音波モータは径方向１次、周方向３次以」二の円環の曲
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（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。

また、円環形超音波モータの振動体は、第９図に示すよ
うに全体が振動し、ているので、振動体の位置固定が困
難であり、支持固定による機械的な出力損失は避けられ
ない。

発明が解決しようとする課題 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、出力を太き（できず
、支持固定により機械的な出力損失を伴い効率が低下す
る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、しかも支持固定による機械的な出力損
失を低減し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。

課題を解決するだめの手段 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るととも
に、振動体の節円部近傍の中性面で、振動体の位置固定
を行う凸部を有する基台を設ける。

作　　用 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ることに
より、撮動体の内倒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、出力の増大を図るとともに、振動
体が振動しない節円部近傍の中性面で振動体を支持固定
することにより、固定による機械的出力損失を小さくし
安定で効率の良い超音波モータを実現できる。

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。

実施例１ 本実施例１では、安定で効率の良い超音波モータを実現
する振動体の支持固定を目的とする。

第１図は本発明の超音波モータの実施例１の断面図であ
り、第２図は径方向２次、周方向４次の曲げ振動を励振
した時の振動体９の撮動変位状態と変位分布を示す図で
ある。同図において、無減少板厚（以下、中性面と呼ぶ
。）における部内部２１を示している。第１図に示す様
に、撮動体９の部内部２１近傍に中性面１４まで溝１５
を設は溝１５にはまる凸部１６を持つ基台１７で、振動
体９が支持固定されている。さらに、基台１７の下部に
おいてはベアリング１８を介して移動体１３が取り付け
られ、板バネ１９と加圧調整具２０によって移動体１３
が振動体９に加圧接触されている。

第３図は超音波モータの構成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を貼合せて撮動体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振動体９の周方
向に曲げ撮動の進行波が励起され、移動体１３を摩擦力
により駆動し、移動体１３は軸を中心にして回転運動を
始める。

第４図は円板形圧電セラミック８の電極構造を示す平面
図である。同図において、Ｅ、Ｆは、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Ｅ、Ｆ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Ｅ、Ｆ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、撮動体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。

また、第２図に示した様に径方向２次、周方向４次の曲
げ振動モードを励振することにより、従来の径方向１次
の振動モードを使用した円環形超音波モータと異なり、
内周部においても撮動変位が急激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
運動エネルギーを太き（することができ、大きな機械的
出力を取り出せる超音波モータを実現できる。また、部
内部２１近傍の中性面１４では原理的に全（撮動しない
ので、基台１７の凸部１６を介して振動体９を支持固定
することにより、固定による機械的損失がな（、しかも
、溝１５によって径方向の応力集中が緩和されるので、
振動の励振が容易で、安定で効率良（移動体１３を駆動
できる。

本発明によれば、モータ特性の安定した効率の良い、し
かも出力の大きな超音波モータを提供できる。

実施例２ 本実施例２では、安定で効率の良い超音波モータを実現
する振動体の支持固定を目的とする。

第５図は本発明の超音波モータの実施例２の振動体と基
台の断面図である。同図において、撮動体９の部内部２
１近傍に中性面１４まで径方向断面形状が三角形あるい
は台形の溝１５を設は溝１５にはまる断面形状が三角形
あるいは台形の凸部１６を持つ基台１７で、振動体９を
支持固定する様に構成されている。

本発明によれば、凸部と振動体との接触面積を極力小さ
（できるので、部内部を線で支持固定ができ、しかも、
三角形あるいは台形とすることにより凸部の強度も確保
できる。従って、より節円部近傍だけで支持できるので
、さらなる効率の向上がはかれるものである。

実施例３ 本実施例３では、振動体と基台との支持固定によって、
発生する可聴音の発生の防止を目的とする。

通常、振動体は機械的Ｑが高（、安価なＦｅ系やステン
レス系材料が用いられている。しかし、基台を振動体と
同じ材料とすると、支持固定の僅かなズレにより、基台
と振動体との振動のズレによる共擾を生じ可聴音が発生
しやすい。そこで、振動体を支持固定する基台材料の機
械的Ｑを振動体の機械的Ｑよりも十分小さくし、がっ、
剛性の大きな材料、例えば、ＡＢＳ樹脂、フッソ樹脂や
ポリスチレン樹脂などのプラスデック等で構成ずれば不
要な可聴音等の発生しない超音波モータを実現できる。

本発明によれば、振動体を支持固定する基台材料の機械
的Ｑを振動体材料の機械的Ｑよりも十分小さくすること
により、可聴音等を発生ぜず安定に回転する超音波モー
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ることにより機械的出力が大
きく、そして振動体の振動しない節円部近傍の中性面を
凸部を持つ基台で支持固定を行うことにより振動変位を
阻害せず、しかも、振動体に設けた溝により径方向の応
力集中が緩和されるので、安定で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図は本発明の一実施例における円板形超音波モータ
の断面図、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図は円板形超音波モータの動作説
明のための切り欠き斜視図、第４図は第１図の超音波モ
ータで使用する圧電セラミックの平面図、第５図は本発
明の円板形超音波モータの実施例２の断面図、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
図である。 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・・・・・・中性面、１５・・・・・・
溝、１６・・・・・・凸部、１７・・・・・・基台、１
８・・・・・・ヘアリング、１９・・・・・・板バネ、
２０・・・・・・加圧調整具、２１・・・・・・節内部
。 代理人の氏名　弁理士　中尾敏男　はか１名第１図 １８べ了り〉グ 第２図 第３図 ＼ ノ０ジ２）お＝４４（ 第４図 第５図 第６図 第７図 第　８　図 第９図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）　圧電体を交流電圧で駆動して、該圧電体と弾性
   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、該
   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、該振動体の節円部近傍に溝を設け、
   中性面近傍で該振動体を固定する凸部を有する基台を備
   えたことを特徴とする超音波モータ。
2. （２）　凸部を有する基台および振動体の節円部近傍に
   設けた溝の断面形状が三角形または台形であることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項に記載の超音波モータ。
3. （３）　凸部を有する基台の機械的Ｑが振動体の機械的
   Ｑよりも小さい材料からなる事を特徴とする特許請求の
   範囲第１項に記載の超音波モータ。