JPH0223076A - 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
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３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
圧電体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
ると撮動体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６０回
転方向を示す。

第４図は第３図の超音波モータに使用した圧電体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波長く＝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４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４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　ｘ　−Ｖ　ｏ　ｘｓｉｎ（ωｔ　）　　　　　　　
　−−−（１）Ｖ　２−Ｖ　Ｏｘｃｏｓ（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ｖ１およびｖ２をそれぞれ印加すれば、
撮動体３には ξ−ξｏｘ（ｃｏｓ（ωｔ）ｘｃｏｓ（ｋｘ）＋５ｉｎ
（ωｔ）ｘｓｉｎ（ｋｘ）） −ｖｏ　ｘｃｏｓ（ωｔ−ｋｘ）　　　　　　−−−（
２）ただし　ξ：曲げ撮動の振幅値 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６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、撮動体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−ωｘ（Ｈ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課題 超音波モータを効率良く駆動させるためには、撮動体の
持っている運動エネルギーを大きくすればよい。運動エ
ネルギーは撮動体の質量と速度の２乗に比例するので、
振動体の質量、或は速度を増やせば出力を増加できる。

超音波モータの外径が決まれば、質量を増やすために振
動体の穴の大きさを小さくし、速度を太き（するために
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次以上の円環曲
げ撮動を使用しているので、第５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（
しても運動エネルギーは余り大きくならない。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
撮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、円環型超音波モータの撮動体は、第５図に示すよ
うに全体が撮動しているので、振動体の位置固定が困難
であり、固定によって機械的な損失は避けられない。そ
の上、外部からの負荷変動により、振動体の変位分布が
影響を受は易く、安定した駆動が得られないという問題
点もある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたもので、同体積で出
力が大きくでき、しかも負荷変動時にも、安定した駆動
が得られる駆動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。

課題を解決するための手段 撮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、かつ振
動体に複数の同心円状に複数個の突起体を備える。

作　　用 上記の構成によれば、振動体の内側も有効に振動体の運
動エネルギーに寄与するようにし、不要な定在波を励振
することなく、容易に理想的な進行波が励振でき、−Ｅ
た、負荷変動時の径方向の変位分布の変化に対して、常
に該変位の最大点に突起体が存在するため、周方向の変
位を無駄なく増幅することができ、負荷変動時でも、安
定した動作が得られ、効率の良い超音波モータを実現す
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体８を貼合せて振動体１０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９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１０に設置された突起体９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１０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１０の撮動変位状態と変位分布図である。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（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次の撮動モード
を使用した時よりも、振動体１０の運動エネルギーを太
き（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。

また、突起体９は、同心円状に２列配置されている。こ
れは、負荷の変動によって、第２図に示した振動体１０
の変位最大点が変化するため、変化する負荷に寄らず、
変位最大点上に常に突起体９が存在するように設置され
ている。例えば、低負荷時には外側の突起体が、振動体
９の変位の最大点に存在し、高負荷時には内側の突起体
が、上記変位の最大点に存在する。このように、負荷が
変動しても、振動体１０の変位の最大点に突起体９が常
に存在するため、振動体１０の振動を移動体１３に最小
限の損失で伝えることができるため、負荷変動時におい
ても、安定した駆動かえられる。

本発明によれば、負荷変動時にも安定した駆動が得られ
る駆動効率の良い、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次の曲げ振動を用い、その上、振動体上に複数の同心
円状の突起体を複数個設置することにより、負荷変動時
にも安定した駆動が得られる駆動効率の良い、しかも出
力の大きな超音波モータを提供できる。

【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図は円環形層音波モータの切り欠き斜視図
、第４図は第３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５図は振動モードとして径
方向１次、周方向８次の曲げ撮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６図は超音波モータ
の動作原理の説明図である。 ｌ・・・・・・弾性体、２・・・・・・圧電体、３・・
・・・・振動体、４・・・・・・摩擦材、５・・・・・
・弾性体、６・・・・・・移動体、７・・・・・・弾性
体、８・・・・・・圧電体、９・・・・・・突起体、１
０・・・・・・振動体、１１・・・・・・弾性体、１２
・・・・・・摩擦材、１３・・・・・・移動体、１４・
・・・・・回転軸。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　圧電体を交流電圧で駆動して、該圧電体と弾性体とか
   ら構成される振動体に弾性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、かつ該振動体に、複数の同心円状に
   複数個の突起体を備えていることを特徴とする超音波モ
   ータ。