JPS62196085A - 超音波モ−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駆動体に弾性
振動を励起し、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原理について
説明を行う。

第３図は超音波モータの１例であり、円環形の弾性体１
の円環面の一方に円環形圧電セラミック２を貼合せて、
圧電駆動体３を構成している。４は耐磨耗性材料のスラ
イダ、６は弾性体であり、互いに貼合せられて動体６を
構成している。動体６はスライダ４を介して駆動体３と
接触している。

圧電セラミック２に電界を印加すると、駆動体３の周方
向に曲げ振動の進行波が励起されて、動体６を駆動する
。尚、同図中の矢印は動体６の回転方向を示す。

第４図は第３図の超音波モータに使用した圧電セラミッ
ク２の電極構造の１例を示している。同図では円周方向
に曲げ振動が９波のるようにしである。同図において、
人、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，Ｄはそれぞれ４分の３波長、４分の１波長
の長さの電極である。従って、ムの電極群とＢの電極群
とは周方向に４分の１波長（＝９０度）の位相ずれがあ
る。電極群人、Ｂ内の隣合う小電極部は互いに反対方向
に厚み方向に分極されている。圧電セラミック２の弾性
体１との接着面は第４図に示された面と反対の面であり
、電極はベタ電極である。使用時には電極郡部、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、ベタ電極が共通電極として用いられる。

以上のように構成された超音波モータについて、その動
作を以下に説明するっ前記圧電体２の電極郡部に電圧 Ｖ　＝　Ｖ（１−５ｉｎ（ｗｔ　）　　　　　　−−−
−（１）を印加すると、駆動体３は円周方向に曲げ振動
をする。第５図は第３図の超音波モータの駆動体を直線
で近似した時の斜視図であり、同図へは圧電体２に電圧
を印加していない時、同図すは圧電体２に電圧を印加し
た時の様子を示す。

第６図は動体６と駆動体３の接触状況を拡大して描いた
ものである。前記圧電体２の電極郡部にｖｏ＠　Ｓｉｎ
　（Ｗ　ｔ　）　、電極群ＢにＶｏ−ｃｏｓ（ｗｔ）の
互いに位相がπ／２だけずれだ電圧を印加すれば、駆動
体３の円周方向に曲げ振動の進行波を作ることができる
。一般に進行波は振幅をξとすればξ＝ξ（１−ｃｏｓ
（ｗｔ−ｋｘ）　　　　−＝−（２）で表せる。（２）
式は ξ＝ξ０＠　（ｃｏｓ（ｗｔ）−ｃｏｓ（ｋｘ　）＋ｓ
ｉｎ（ｗｔ）−８ｉｎ（ｋｘ））−（３）と書き直せ、
（３）式は進行波が時間的にπ／２だけ位相のずれた波
ｃｏｓ　（ｗｔ　）とｓｉｎ（ｗｔ）、および位置的に
π／２だけ位相のずれたｏｏｓ（ｋｘ）とｓｉｎ　（ｋ
ｘ　）との、それぞれの積の和で得られることを示して
いる。前述の説明より、圧電体２は互いに位置的にπ／
２（＝λ／４）だけ位相のずれだ電極郡部。

Ｂを持っているので、前記電極群のそれぞれにπ／２だ
け位相のずれた電圧を印加すれば、駆動体３に曲げ振動
の進行波を作れる。

第６図は駆動体３の表面入点が進行波の励起により、長
軸２Ｗ、短軸２ｕの楕円運動をしている様子を示し、駆
動体３上に置かれた動体６が楕円の頂点で接触すること
により、波の進行方向とは逆方向にマ＝ｗ　＊　ｕの速
度で運動する様子を示している。即ち、動体６は任意の
静圧で駆動体３に押し付けられて、駆動体３の表面に接
触し、動体６と駆動体３との摩擦力で波の進行方向と逆
方向に速度マで駆動される。両者の間に滑りがある時に
は、速度は上記のマよりも小さくなる。

発明が解決しようとする問題点 第７図は従来の超音波モータの円環形態動体の径方向変
位分布図である。超音波モータの速度マは ７　＝　Ｗ＊　ｕｃｘ：　Ｗｅξｏ　＠ｈ　　　　　　
、、印、、、、　　←）で表せる。従って、第７図に示
した周方向３次以上、径方向１次の曲げ振動モードを使
う時には、動体が外周部近傍に接触するように設置すれ
ば速度マは大きくなる。しかし、円環形態動体は同一占
有空間内での体積が小さくその質量も小さいので、その
中に蓄えられるエネルギ量が小さく、機械出力を大きく
とれない。質量を増加するため円環の幅を広くしても、
上記の振動モードでは内周部での振幅は、幅が広くなる
につれ小さくなり、結果として蓄積エネルギをそれ程増
加できない。

問題点を解決するだめの手段 本発明では、駆動体として中心部に穴を有するか、ある
いは穴を有しない円板を用い、該駆動体に周方向３次以
上、径方向に２次の曲げ振動を励振して、少なくても該
駆動体の外周部近傍に動体を接触して配置する。

作用 駆動体として円板を用いて、周方向３次以上・径方向２
次の高次の曲げ振動を励起することにより、同一占有空
間内に蓄積されるエネルギを増加して、機械的出力を大
きくする。加えて、外周部では、周方径の次数、駆動周
波数を変えても、振幅の極大点が必ずくるので、安定に
振幅の極太点から出力を取出せる。

実施例 以下、図面に従って本発明の一実施例について説明する
。

第１図は本発明の一実施例の超音波モータの断面図であ
る。同図において、７は円板形駆動体に周方向３次・径
方向２次の曲げ振動モードの進行波を励起するだめの圧
電セラミックなどの圧電体であり、弾性体８に貼付けら
れて駆動体９を構成する。駆動体９の振動の節円の位置
には突起１゜が設置され、突起１ｏを介して駆動体９は
土台１３に位置固定される。１１と１２は駆動体９の外
周近傍と振動の腹に設けられた突起で、機械的出力を上
記の２ケ所から取出すために設けられる。１４は耐磨耗
性のスライダで、突起１１に接触させて配置し、弾性体
１６と貼合せられて動体１６を構成する。１７も耐磨耗
性のスライダで、突起１２に接触して配され、弾性体１
８と貼合せられて動体１９を構成する。動体１６と１９
はそれぞれベアリング２０．２１を介して、土台１３に
設置された回転軸２２に取付けられる。圧電体７に電圧
が印加されると、駆動体９に高次の曲げ振動の進行波が
励振されて、動体１６と１９は回転軸２２を中心にして
回転する。

第２図は上記実施例に用いる圧電体の電極構造を示す平
面図である。同図において、裏面は共通電極として用い
るベタ電極であり、弾性体８への接着面である。電極Ａ
′、Ｂ′は周方向に腸波長相当の長さを有し、互いに厚
み方向に逆方向に分極されている小電極部から成り、ま
た電極ム′、Ｂ′はそれぞれ周方向に位相が、猛波長領
域Ｄ′によりπ／２だけずらせである。Ｃ′は％領域で
あり、領域Ｄ′の設定により生じる。電極ム′、Ｂ′に
それぞれｓｉｎ波。

ｃｏＳ波の電圧を印加すれば（３）式により、周方向３
次・径方向２次の曲げ振動の周方向に移動する進行波が
励振される。上記実施例では周方向３次を使ったが、動
作原理上３次以上であればよい。

なお、曲げ振動モードは、電極構成との関係において外
部駆動周波数を適当に設定することにより選択可能であ
る。

第８図は円板形駆動体の振動モードを示す斜視図と径方
向の変位分布図であり、図より径方向２次の振動モード
は一つの節円を有するーこの節円の位置に位置固定のだ
めの突起１０が駆動体９に付けられている。また、実施
例では速度を大きくするだめに、振動の腹と外周近傍に
突起１２゜１１が付加されている。突起１１．１２によ
って、この位置における振幅成分によって決まる速度（
（４）式による）を機械的出力として取出せる。ここで
、突起１１．１２の位置の振幅の位相が逆なので、動体
１６と１９は互いに反対の方向に回転する。振幅値の等
しい所から機械出力を取出せば、双方の速度は等しくな
り、半径の逆数と振幅値との積が等しいように突起１２
の位置を選べば、双方の回転数を合わせることができる
。

第９図は駆動体９の平面図で、駆動体上に設けられた突
起１１と１２を図示している。突起１１と１２は周方向
の曲げ剛性を大きくしないように、同図のようにス’Ｊ
　ノ）が入れられている。突起１１と１２はその位置で
の機械出力を取出すとともに、進行方向の速度を（４）
式の距離りを増大させることにより大きくする役目もあ
る。

尚、本実施例では駆動体として中心部に穴を有する円板
を用いているが、穴のない円板を用いても同様の効果が
得られる。また第８図より円板の中心付近では振動して
いないので、駆動体の中心部より回転軸を出すことも可
能である。また、外周部のみから機械出力を取出すこと
も同様に類推できる。

発明の詳細 な説明したように、本発明では駆動体の形状を円板にし
、該駆動体に周方向３次以上・径方向２次の曲げ振動モ
ードの進行波を励振することにより、該駆動体内に蓄積
されるエネルギを大きくして機械出力を大きくできる、
また振動の節円内・外で振動の位相が異なるので、外周
付近から機械的出力を取出すことにより、上の効果を実
現しながら一つの駆動体で多様な回転が得られるという
まったく新規なモータを実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の超音波モータの断面図、第
２図は第１図の実施例に用いる圧電体の平面図、第３図
は従来の超音波モータの切欠き斜視図、第４図は第３図
の超音波モータに用いる圧電体の平面図、第５図は超音
波モータの駆動体部の振動状態を示す直線モデル図、第
６図は超音波モータの原理説明図、第７図は従来の円環
形駆動体の振動状態の併要劣塘径方向変位分布図、第８
図は円板形態動体の振動状態の需鳴徊璧径方向変位分布
図、第９図は円板形態動体の平面図である。 ７・・・・・・圧電体、８・・・・・・弾性体、９・・
・・・・駆動体、１０．１１．１２・・・・・・突起、
１３・・・・・・土台、１４゜１７・・・・・・スライ
ダ、１５．１８・・・・・・弾性体、１６゜１９・・・
・・・動体、２ｏ、２１・・・・・・ベアリング、２２
・・・・・・回転軸。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第１
図 第２図 Ｄ゛ 第３図 第４図 （ｃＬ） 第　６　図 第７図 （１：方ｔジ１イエ乙工ｌ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 弾性体と圧電体とから成る駆動体に弾性進行波を励起す
   ることにより、上記駆動体上に接触して設置された動体
   を移動させる超音波モータにおいて、駆動体として円板
   を用い、該駆動体に周方向３次以上・径方向２次の曲げ
   振動モードを進行波として励起し、少なくても該駆動体
   の外周部近辺に動体を接触して配置し、該移動体を移動
   させることを特徴とする超音波モータ。