JPS63277483A - 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
向に分極されている。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　ｔ−Ｖｏｘｓｉｎ（ωｔ）　　　　　　　　−−−
（１）Ｖ　２−Ｖ　ＯＸＣ０５（ωｔ）　　　　　　　
　−一−（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、
振動体３には ξ−ξｏ　ｘ（ｃｏｓ（ωｔ）ｘｃｏｓ（ｋｘ）＋５ｉ
ｎ（ωｔ）ｘｓｉｎ（ｋｘ）） −ξｏｘｃｏｓ（ωｔ−ｋｘ）　　　　　　−（２）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−ω×ｕ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問題点 超音波モータの出力を大きくするためには、振動体の持
っている運動エネルギーを大きくすればよい。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撮
動の振幅を太き（すればよい。しかし、圧電体の許容歪
みにより、撮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次以上の円環の曲げ
撮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くなり、振動体の穴を小さくし
ても運動エネルギーはあまり太き（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。

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。

問題点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次の曲げ撮動を用いる。

作　　用 上記の構成によれば、歪みを小さくして変位を大きくす
ることができ、その結果、撮動体の機械的損失を小さく
し、また、振動体の内側をも有効に振動体の運動エネル
ギーに寄与させることが可能となる。それにより、出力
が大きく、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セラミック８を貼合せて振動体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撮動体
９の周方向に曲げ振動の進行波が励起され、・移動体１
３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、第１図の超音波モータに用いた円板形圧電セ
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（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、時間的に９０度位相の異なる電圧で駆
動すれば、振動体９に径方向２次、周方向３次の曲げ撮
動の進行波が励振される。

第３図は径方向２次、周方向３次の曲げ振動を励振した
時の撮動体９の振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、大きな出力を取り出せる超音波モータ
を実現できる。

第４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９の径方向の変位分布、径方向と周方向の歪
みＳｌと３２　、および内周から積分した時の振動によ
り電極に誘起された電荷量である。そして、第５図は径
方向２次、周方向５次の曲げ振動を励振した時の振動体
９の径方向の変位分布、径方向と周方向の歪みＳｌと３
２、および内周から積分した時の振動により電極に誘起
された電荷量である。両図は、変位が同じになるように
規格化されている。両図より、周方向の次数が上がれば
、振動体９の内周部近傍の変位が小さくなる。また、同
一変位を得るのに大きな歪みが必要になる。

振動体に設置された突起体１０および移動体１３の摩擦
材１１のそれぞれの接触面には加工精度で決まる凹凸が
あり、突起体１０の表面の楕円運動により、移動体１３
を２つの面の間の摩擦力で駆動するためには、曲げ振動
の振幅を上記の凹凸よりも充分に大きくしなければなら
ない。従って、変位の下限が決まり、その時の歪みが決
まる。撮動体の機械的損失は歪みの大きさによって決ま
り、歪みが太き（なると損失が急激に太き（なる。従っ
て、周方向の次数が小さいほうが損失が小さく、効率の
良い超音波モータが実現できる。しかし１周方向の次数
が２以下になると、弾性波の数が２以下になるので、安
定に移動体１３を支えられない。故に、周方向の次数は
３が最適である。

本発明によれば、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 本発明では、振動モードとして径方向２次、周方向３次
の曲げ振動を用いることにより、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３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４図は振動モードとして径方向
２次、周方向３次を使用した時の、振動体の径方向の変
位分布、歪み分布および誘起電荷量の分布図、第５図は
振動モードとして径方向２次、周方向５次を使用した時
の、振動体の径方向の変位分布、歪み分布および誘起電
荷量の分布図、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・・・・・・回転軸。 代理人の氏名　弁理士　中尾敏男　ほか１名第１ｆ２１ 第３図 第４図 径方百２次尼方拘３次 第５図 ’！７ｆ１２　次、　Ｍ万ｍｓｚ 第６図 第　８Ｉ２１ ＝◇ ｊ〕ヤ行行方 筒９Ｉ２１

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次の曲
   げ振動を用いることを特徴とする超音波モータ。