JPH0429576A - 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、簡単な構成によって移動体を正逆方向に移動
させることができるようにした超音波モータに関する。

（従来の技術） 従来知られているように、超音波振動子の往復運動を利
用して移動体を移動させるようにした超音波モータは、
超音波振動モードの利用形態によって、定在波型、進行
波型、定在波および進行波の複合型とに分けることがで
きる。特公昭５９−３７６７２号公報記載のものは定在
波型、特公平１−１７３５３号公報記載のものは進行波
型であり、特開昭５９−１２２３８５号公報には定在波
および進行波について記載されている。

（発明が解決しようとする課題） 超音波モータも、その用途によっては移動体の移動の向
きを正逆方向に任意に切り換えることが要求されること
がある。しかしながら、定在波型超音波モータでは、移
動体の移動の向きを正逆方向に任意に切り換えることは
原理的にはできない。

進行波型超音波モータは移動体の移動の向きを正逆方向
に任意に切り換えることは可能であるが。

そのためには進行波を発生させるための二つの超音波の
位相を切り換える必要があり、駆動回路の構成および動
作が複雑になるという問題があった。

その他従来の超音波モータによれば、複数枚の圧電セラ
ミックス等でなる超音波振動子を用いて定在波あるいは
進行波を発生させているため、寸法および重量が共に大
きくなり、駆動電源回路が複雑になるという問題もあっ
た。定在波と進行波との複合型においては、上記寸法お
よび重量の問題と駆動電源回路の問題はさらに顕著であ
った。

本発明は、かかる従来技術の問題点を解消するためにな
されたもので、超音波振動子の数が少なくて済み、能動
電源回路も単相駆動の簡単なもので済み、しかも、移動
体の移動方向を簡単な切り換え方式で切り換えることが
できるようにした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） 上記の目的を達成するために、本発明は、超音波振動子
により駆動される振動体と、超音波振動子を振動させる
駆動回路と、振動体の端縁部に接触する移動体とを備え
、上記駆動回路は、振動体を異なるモードに共振させる
共振モード切り換え手段を有し、この共振モード切り換
え手段の切り換えにより移動体を正逆方向に移動させる
ことができるようにしたことを特徴とする。

（作　用） 振動体は、ある共振モードでは波打ち状に振動し、別の
共振モードでは伸縮するように共振する。

振動体が波打ち状に共振するときは、振動体の端縁部に
接する移動体は一方向に押し動かされ、振動体が伸縮す
るように振動するときは、上記移動体は反対方向に押し
動かされる。そこで、超音波振動子の駆動回路に設けた
共振モード切り換え手段によって共振モードを切り換え
れば、移動体を正逆方向に移動させることができる。

（実施例） 以下、図面を参照しながら本発明にかかる超音波モータ
の実施例について説明することにするが。

その前に、本発明にかかる超音波モータの原理について
説明しておく。

第１図において、符号１で示す角柱状の部材は振動体で
あり、弾性体で作られる。ここでは、振動体１の長さＬ
を４０　ｍ　ｍ、高さＨを１０ｍｍとした。振動体１の
下面側には、圧電セラミックスでなる超音波振動子２が
貼りあわせられている。

超音波振動子２の上下両面には金属電極膜３，４が設け
られており、上側の電極膜３の形成面が振動体１に貼り
あわせられている。超音波振動子２の長さをａ、振動体
１の両端部の超音波振動子２からのオーバーハング量を
ｂとしたとき、ａとｂの関係が、ａ　：　ｂ＝２　：　
１の関係になるように、従って、Ｌ＝ａ＋２ｂとなるよ
うに設定した。

いま、上記超音波振動子２の金属電極膜３，４間に、所
定の駆動回路を介して交番信号を印加すると共に、この
交番信号の周波数を連続的に変えていくと、特定の周波
数で超音波振動子２のアドミッタンスが急激に増大し、
ピークを示す。これを実測して示したのが第４図であり
、周波数ｆ。

とｆユとｆ２とでアドミッタンスが急激に増大し、ピー
クを示している。アドミッタンスが急激に増大している
ということは大電流が流れているということであり、そ
れぞれが共振モードとなる。共振モードのうちｆｏは定
在波モードである。第２図は上記共振モードのうちｆ、
の共振モードでの振動体１の振動の様子を示すもので、
振動体１の両端部の超音波振動子２がらのオーバーハン
グ部分が上下方向に、かつ、互いに反対向きに撓んで波
打ち状に振動する。第３図は上記共振モードのうちｆ２
での共振モードでの振動体１の振動の様子を示すもので
、振動体１が長平方向に伸縮するように振動する。何れ
の振動モードでも、振幅は印加する電圧によって変化す
るが、振動体１の先端部は数μｍ程度の振幅で振動する
。

本発明は、上に述べたような振動体１の共振モードの違
いを利用し、共振モードを切り換えることにより移動体
の移動方向を正方向および逆方向に任意に切り換えるこ
とを可能にしたものであり、第５図以下にその実施例を
示す。

第５図において、弾性体で作られた角柱状の振動体１の
上下両面にはそれぞれ圧電セラミックスでなる超音波振
動子２が貼りあわせられている。

各超音波振動子２の上下両面には金属電極膜３゜４が設
けられており、上側の超音波振動子２の電極膜４の形成
面が振動体１の上面に貼りあわせられ、下側の超音波振
動子２の電極膜３の形成面が振動体１の下面に貼りあわ
せられている。第１図の例と同様に、超音波振動子２の
長さをａ、振動体１の両端部の超音波振動子２からのオ
ーバーハング量をｂとしたとき、ａとｂの関係が、ａ：
ｂ＝２：１の関係になるように設定されている。

上記振動体１の一つの端縁部をＸとしたとき、第６図に
示すように、上記端縁部Ｘに接触可能な移動体５が設け
られている。移動体５は図示の例では回転体であり、第
８図に示す回転軸Ｏを中心に回転可能に設けられている
。また、移動体５の回転面と振動体１の振動面は同一ま
たは平行となるように配置されている。さらに、第８図
に示すように、上記端縁部Ｘと移動体５の回転軸０を結
ぶ線と、振動体１の上面または下面とのなす角度θがほ
ぼ４５°となるように配置されている。もっとも、上記
角度θは必ずしもほぼ４５°となる必要はなく、０６以
上９０°未満、従って、上記端縁部Ｘと移動体５の回転
軸Ｏを結ぶ線が、振動体１の上面または下面に対して傾
いていればよい。

しかしながら、移動体１を正逆方向に効率よく移動させ
るためには、図示の例のように角度θをほぼ４５°に設
定するのが望ましい。

前記二つの超音波振動子２は、駆動回路から交番信号が
印加されることによって振動させられる。

第６図には駆動回路の例が示されている。第６図におい
て、任意波形発振器６はスイッチＳＷ、をオンすること
によって発振動作を開始するものであり、また、切り換
えスイッチＳＷ２を切り換えることによって発振周波数
が切り換えられるようになっている。任意波形の形状は
、通常、正弦波、三角波、矩形波等いずれでもよい。切
り換えスイッチＳＷ２は共振モード切り換え手段となっ
ていて、切り換えスイッチＳＷ２によって切り換えられ
る発振周波数は、第４図について説明した共振モードｆ
工での周波数と共振モードｆ２での超音波領域の周波数
である。発振器６から出力された交番信号は増幅器７で
増幅され、二つの超音波振動子２の各電極３，４間に印
加される。二つの超音波振動子２の各電極３，４は並列
に接続されている。

いま、切り換えスイッチＳＷ２を共振モードｆ工側に切
り換えると、第２図について説明したように、また、第
６図にも示すように、振動体１が波打ち状に振動し、こ
れによって振動体１の端縁部Ｘが第６図に矢印Ａで示す
斜め方向のストローク範囲で振動する。この振動体１の
端縁部Ｘの振動動作のうち斜め上方への移動時に上記端
縁部Ｘが移動体５の周面に対して食い込む向きとなって
移動体５を時計方向に押し回す。一方、振動体１の端縁
部Ｘの振動動作のうち斜め下方への移動時は上記端縁部
Ｘが移動体５の周面に対して逃げる向きとなるため、結
局、共振モードｆ１では移動体５は第６図において時計
方向に回転駆動されることになる。

次に、切り換えスイッチＳＷ２を共振モードｆ２側に切
り換えると、第３図について説明したように、また、第
７図にも示すように、振動体１が伸縮する方向に振動し
、これによって振動体１の端縁部Ｘが第７図に矢印Ｂで
示す左右方向のストローク範囲で振動する。この振動体
１の端縁部Ｘの振動動作のうち右方への移動時に上記端
縁部Ｘが移動体５の周面に対して食い込む向きとなって
移動体５を反時計方向に押し回す。一方、振動体１の端
縁部Ｘの振動動作のうち左方への移動時は上記端縁部Ｘ
が移動体５の周面に対して逃げる向きとなるため、結局
、共振モードｆ２では移動体５は第７図において反時計
方向に回転駆動されることになる。

移動体５の回転速度を変えるには、超音波振動子２に印
加する信号の電圧を変えて、振動体１の振動の振幅を変
えればよい。

このように、上記実施例によれば、共振モード切り換え
手段としての切り換えスイッチｓｗ２を切り換えて振動
体１を異なるモードに共振させるという極めて簡単な手
段によって、移動体５の回転方向を正逆方向に任意に切
り換えることが可能になった。しかも、振動体１を駆動
する超音波振動子２は少なくとも１枚あればよく、従来
のように多数の超音波振動子を用いる必要はないし、超
音波振動子２の駆動回路も単相の駆動回路で足り、構成
および駆動が極めて簡単になると共に、寸法が小さく、
重量が軽くなるという利点もある。

なお１図示の実施例では移動体５が回転体になっていた
が、移動体としては直線方向に移動するものであっても
差し支えない。その場合、振動体１の端縁部Ｘに接触可
能な移動体の面に対して振動体１の面が傾いていればよ
い。

一つの振動体に対しては、第１図ないし第３図の例のよ
うに１個の超音波振動子を設けてもよいし、振動の振幅
あるいは駆動力を大きくしたいときは、第５図ないし第
７図の例のように、一つの振動体に対して２個の超音波
振動子を設けてもよい。

前に述べた超音波振動子２の長さａと振動体１の両端部
の超音波振動子２からのオーバーハング量すとの関係は
適宜設定してよいが、前述のように、ａ：ｂ＝２：１の
関係になるように設定すれば振動の振幅が最大になる。

（発明の効果） 本発明によれば、超音波振動子記動回路に設けた共振モ
ード切り換え手段を切り換えて振動体を異なるモードに
共振させるという極めて簡単な手段であるにもかかわら
ず、移動体の移動方向を正逆方向に任意に切り換えるこ
とが可能になった。

しかも、振動体を駆動する超音波振動子は少なくとも１
枚あればよく、従来のように多数の超音波振動子を用い
る必要はないし、超音波振動子の駆動回路も単相の駆動
回路で足りるから、構成および駆動が極めて簡単になる
と共に、寸法が小さく、重量が軽くなるという利点もあ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の詳細な説明するための基本構成の例を
示す正面図、第２図は同上基本構成の一つの共振モード
を示す正面図、第３図は上記基本構成の別の共振モード
を示す正面図、第４図は上記基本構成の各共振モードを
説明するための超音波振動子に印加する信号の周波数と
アドミッタンスとの関係を示す線図、第５図は本発明に
かかる超音波モータの実施例を示す正面図、第６図は同
上実施例の一つの共振モードを示す正面図、第７図は上
記実施例の別の共振モードを示す正面図、第８図は本発
明における振動体と移動体との配置関係の例を示す正面
図である。 １・・振動体、　２・・・超音波振動子、　５・・・移
動体、　Ｘ・・振動体の端縁部、　ＳＷ２・共振モード
切り換え手段としてのスイッチ。 第 図 第 図 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　超音波振動子により駆動される振動体と、上記振動子
   を振動させる駆動回路と、上記振動体の端縁部に接触す
   る移動体とを備え、 上記駆動回路は、上記振動体を異なるモードに共振させ
   る共振モード切り換え手段を有し、この共振モード切り
   換え手段の切り換えにより上記移動体を正逆方向に移動
   させることができるようにしたことを特徴とする超音波
   モータ。