JPH0360385A - 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、コ 本発明は、超音波により発生した振動を、縦振動とそれ
に直交する方向への振動との合成振動に変換し、この合
成振動の発生面にロータ（移動体）を押圧することによ
ってこのロータを駆動する超音波モータの改良に関する
。

［従来の技術］ 一般的な超音波モータの振動子は、第１図に示すように
ベース１、胴２、一対の圧電素子３、結合子４、グラン
ド側の端子板５および５′、プラス側の端子板６の各部
材と、これらを結合する締結部材（図示されず）とで構
成されている。そして、上記結合子４にロータが圧接さ
れる。また、上記振動子は取付は部７に上記端子板５を
介してビス８で固定されるようになっている。

この従来の超音波モータでは、上記振動子を構成する部
材のうちベース１、胴２、結合子４の主要部材を、いず
れもアルミニウム系の金属材料によって形成していた。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、これらの主要部材にアルミニウム系の材
料を用いて超音波モータを小型化しようとする場合には
、振動子の共振周波数が著しく上昇して振幅が小さくな
り過ぎ、駆動力の発生効率を低下させるという問題があ
った。

そのため、実用化に際し、振動子の主要構成部材にアル
ミニウム系材料を使用することを前提として超音波モー
タを設計・製作しようとすれば、振動子の大きさを成る
大きさ以上にしなければならず、このことが、超音波モ
ータの小型化への弊害となっていた。

一方、振動子の機械的効率Ｑｍは出来る限り高いことが
望まれるから、超音波モータを設計・製作する際には、
このような観点から主要部材の材質を決定する必要性も
生じて来る。

従って、成る程度の駆動力発生効率を確保するという条
件のもとに超音波モータを設計・製作しようとすれば、
主要部材に用いる材料の選択もまた大きな要因となる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、振
動子を構成する主要部材のうち、ベースおよび胴の少な
くとも一方に、アルミニウム系の材料とは異なる材料で
、且つ、音速のより小さな材料を用いることにより、ア
ルミニウム系材料で構成したときとほぼ同様の共振周波
数のままで、モータの大きさ特にその全長を小さくする
ことのできる新規な超音波モータを提供することを目的
とする。

［課題を解決するための手段］ この目的を達成するための本発明の構成は、圧電素子と
この圧電素子を上下に挾み込む胴とベースとにより構成
され、圧電素子に交流電圧を印加することによって自身
の上端面に縦振動を発生させる縦振動子と、この縦振動
子の上端面に固定されて該縦振動子に発生する縦振動を
伝達され、その上端面に縦振動と横方向の振動との合成
振動を発生させる結合子と、この結合子の上端面に摩擦
接触され前記合成振動により結合子に対して移動される
移動体とを具備する超音波モータにおいて、上記圧電素
子を上下に挾み込む胴とベースのうち、少なくとも一方
の部材を、音速が４０００ｍ／ｓ以下で、機械的効率Ｑ
ｍが１０００以上の材質で形成するようになしたことに
ある。

［作　用］ この構成に基づく本発明の作用は、前項の構成から成る
振動子において、この振動子を構成する主要部材である
胴、ベースのうち、少なくとも一方の材料を、従来のア
ルミニウム系材料から機械的効率が高く且つ音速の小さ
いリン青銅等の材料に変更することにより、共振周波数
を上げることなく、超音波モータの振動子の全長を短く
するようになしたことにある。

［実　施　例］ 以下、実施例に基づいて本発明に係る超音波モータを詳
細に説明するが、その振動子の構成は、材質を除いて前
記第１図で説明した振動子と基本的に同一の構成である
。

先ず、第１実施例について説明する。

この例は、振動子を構成する主要部材のうち胸２の使用
材料を従来のアルミニウム系材料以外の材料、例えばリ
ン青銅とし、ベース１および結合子４については、従来
通りのアルミニウム系材料を用いている。この実施例の
有効性は次の表１および表２に掲げる測定結果から充分
に実証される。

表　　　１ 材　質　リン青銅 表 材 質 アルミ系 すなわち、上記表１および表２は、直径１５ｍ＋ｓの超
音波モータにおける胴２の材質を、表１ではリン青銅と
し、表２では従来通りのアルミニウム系とした場合の厚
さ毎の共振周波数を測定して、それぞれの変化状況を示
した表であるが、この両表１，２の測定結果からも判る
ように、この例では、胴２の材質をアルミニウム系から
リン青銅に変更することによって、同じ厚さで共振周波
数を６〜８ＫＨｚ程度低めることに成功した。

このことは、同じ共振周波数を用いた場合には、リン青
銅を使用したときの胴２の厚さは、アルミニウム系材料
を用いた場合の胴２のほぼ５４％の厚さで事足りるとい
うことを意味する。

なお、共振周波数は理論的には材料の音速に反比例する
から、アルミニウム材の音速（■５０００ｍ／ｓ）に対
するリン青銅材の音速（−１３６０ｍ／ｓ）では、リン
青銅材の胴２の厚さを、アルミニウム材の胴２の厚さの
ほぼ６７％にまで減少させることが可能になる筈である
。

従って、振動子を構成する主要部材のうち、胴２の使用
材料をアルミニウム系材料からリン青銅材料に変更すれ
ば、胴２の厚さが従来のほぼ６０％でよいことになり、
その分だけ、超音波モータの全長を短縮し得ることにな
る。

また、実験結果の検討によれば、前記ベースは、材質を
アルミニウムからリン青銅に変更してもベース材の厚み
を変化させても、共振周波数はそれほど変化しないこと
が確かめられている。

次に、第２実施例について説明する。

この例は、振動子を構成する主要部材のうち、胴２とベ
ース１の材料を、いずれも従来のアルミニウム系材料以
外の材料、例えばリン青銅とし、結合子４のみに従来通
りのアルミニウム系材料を用いた場合であり、この実施
例の有効性は、次の表３および表４に掲げる測定結果か
ら充分に実証される。

表 材 質 リン青銅 表 材 質 アルミ系 すなわ−ち、上記表３および表４は、第１実施例の場合
と同様に、直径１５＋ａｍの超音波モータにおける胴２
およびベース１の材質を、表３ではリン青銅とし、表４
ではアルミニウム系とした場合の厚さ毎の共振周波数を
測定して、それぞれの変化状況を示した表であるが、こ
の両表３．４の測定結果からも判るように、この例では
、胴２およびベース１の材質をアルミニウム系からリン
青銅に変更することにより、同じ厚さで共振周波数を６
〜１０ＫＨｚ程度低めることに成功した。

このことは、同じ共振周波数であれば、リン青銅を使用
したときの胴２およびベース１のそれぞれの厚さは、ア
ルミニウム系材料を用いた・場合の胴２およびベース１
の厚さに対して、それぞれほぼ６０〜７０％の厚さで事
足りるということを意味する。

従って、振動子を構成する主要部材のうち、胴２および
ベース１の使用材料を、それぞれアルミニウム系材料か
らリン青銅材料に変更すれば、共振周波数を殆んど変更
せずに、超音波モータの全長を従来のほぼ２／３に短縮
し得ることになる。

例えば、アルミニウム系材料から成る胴２およびベース
１の厚さをそれぞれ６ｍｍとしたものに比べ、共振周波
数８９．３　ＫＨｚをそのままにした状態で、リン青銅
材料から成る胴２およびベース１の厚さをそれぞれ４＋
＋ｎｓとすることができる。

ところで、超音波モータでは、前述したように、振動子
の機械的効率Ｑｍをできる限り高く保持することが望ま
れる。

そのためには、胴、ベース等もＱｍの高い材質が必要と
なる。

第２図〜第４図は、振動子の胴とベースの厚味をそれぞ
れ変化させて機械的効率Ｑｍを求めた特性図である。

これによれば、振動子のｒＲ２およびベース１にリン青
銅材料を使用した場合、胴２の厚さが５１１１１１％ベ
ース１の厚さが４ｔａｔａのときに機械的効率Ｑｍが最
大になって、入力された電気エネルギが最も有効に機械
的振動に変換されていることが判る。

しかも、このときに、超音波モータとして最も高出力に
なることが確認された。

このことは、超音波モータにおいて、機械的効率Ｑｍを
高くしながら共振周波数の上昇を防ぐには、振動子を構
成する主要部材のうち胴２およびベース１の少なくとも
一方に、音速の低い材質を使用するのが好ましいという
ことである。

第５図は、機械的効率Ｑｍと使用材料に係る音速Ｃとの
関係を表わす音速特性図である。

この図から判るように、従来から超音波モータに使用さ
れているアルミニウム材料は、機械的効率Ｑｍはよいが
音速Ｃが大きいため、共振周波数を低く抑える材料とし
ては不適切な材料であるということである。

また、鉛材材は、共振周波数を低く抑える材料としては
適格であるが、機械的効率Ｑｍが低いため、超音波モー
タには不向きである。

よって、機械的効率Ｑｍが高く且つ音速の小さい材料と
しては、この第５図からリン青銅、ネパール黄銅、アル
ミニウム青銅等の材料が挙げられるから、これらを用い
て超音波モータを構成すれば、モータ効率が良く小型に
できる。なお、例示した材料以外にも音速が小さく、効
率Ｑｍが高い適切な材料にて共振周波数を高くすること
なく、超音波モータの全長を短くすることは可能である
。

また、上記実施例のほかに、例えば前記結合子について
も適切な材料を用いることにより高さを低くすることは
、理論上可能である。更に、本発明は実開昭６４−１２
４９３号公報に開示されているような複合振動子型の超
音波モータのように別のタイプの超音波モータにも適用
できることは言うまでもない。

第６図は、前記第１図で説明した振動子を有するねじり
結合子型超音波モータの構成を示したものである。

振動子は、その中央部分に、分極方向が互いに対向する
ようにしてプラス側電極６を挾み込んだ一対のセラミッ
クスからなる圧電素子３′が位置し、この圧電素子３′
の上下をグランド側端子板５．５′で挾み込み、さらに
、下方のグランド側端子板５の下側にはベース１が配設
され、また、上方のグランド側端子板５′の上側には、
胴２を介して結合子４が適宜の圧着手段（図示せず）に
より一体的に取り付けられている。

そして、結合子４の上端面には、ロータ１３が回転支持
用のベアリング１１、ロータ圧着用の皿バネ１２を介し
てロータ軸１４によって圧着されている。なお、他の構
成部材は、前記第１図のものと同じであるから同じ符号
を付す。

このように構成されたねじり結合子型超音波モータにお
いては、振動子が共振する付近の高周波電圧を端子板６
および５，５′に印加すると、振動子には縦振動が生じ
、それがねじり結合子４に伝ってねじり結合子４の上端
面に楕円振動を発生させ、この楕円振動によりロータ１
３を所定の方向に回転させるように作動する。

［発明の効果コ 以上述べた通り、本発明によれは、振動子を構成する主
要部材のうち、ベースおよび胴、結合子の少なくとも一
つに、アルミニウム系の材料とは異なるリン青銅等の材
料で、且つ、音速のより小さな材料を用いることにより
、アルミニウム系材料で構成したときとほぼ同様の共振
周波数のままで、モータの大きさ特にその全長を小さく
することのできる新規な超音波モータを実現することが
可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を示す超音波モータにおけ
る振動子の斜視図、 第２図〜第４図は、ベースおよび胴の材料にリン青銅材
料を使用し、振動子の胴の厚さと機械的効率Ｑｍとの関
係をそれぞれ示す特性図、第５図は、機械的効率と使用
材料に係る音速Ｃとの関係を表す音速特性図、 第６図は、本発明の振動子を用いたねじり結合子型超音
波モータの一部を断面で示した側面図である。 １・・・・・・・・・・・・・・・ベース２・・・・・
・・・・・・・・・・胴 ３・・・・・・・・・・・・・・・圧電素子４・・・・
・・・・・・・・・・・結合子５．５′・・・・・・グ
ランド側端子板６・・・・・・・・・・・・・・・プラ
ス側端子板７・・・・・・・・・・・・・・・取付は部
８・・・・・・・・・・・・・・・ビス１１・・・・・
・・・・・・・回転支持用ベアリング１２・・・・・・
・・・・・・ロータ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）圧電素子とこの圧電素子を上下に挾み込む胴とベ
   ースとにより構成され、圧電素子に交流電圧を印加する
   ことによって自身の上端面に縦振動を発生させる縦振動
   子と、この縦振動子の上端面に固定されて該縦振動子に
   発生する縦振動を伝達され、その上端面に縦振動と横方
   向の振動との合成振動を発生させる結合子と、この結合
   子の上端面に摩擦接触され前記合成振動により結合子に
   対して移動される移動体とを具備する超音波モータにお
   いて、 上記圧電素子を上下に挾み込む胴とベースのうち、少な
   くとも一方の部材を、音速が４０００ｍ／ｓ以下で、機
   械的効率Ｑｍが１０００以上の材質で形成したことを特
   徴とする超音波モータ。