JPH01315280A - 超音波モータの駆動方法および超音波モータ用振動子 - 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、超音波振動エネルギーを利用したモータに関
するものである。

（従来の技術） 超音波モータとして、従来弾性板の片面に圧電セラミッ
ク板を接着し、長さ方向縦振動と幅方向屈曲振動の二つ
の共振周波数を一致もしくは接近させ、その近傍の周波
数の電界を圧電体に印加することにより前記二つの振動
を縮退状態で励振する振動子（以後縦−屈曲多重モード
振動子と呼ぶ）を利用する定在波超音波モータが提案さ
れている。以下図面を参照しながら説明する。

まず縦−屈曲多重モード振動子の一例を第５図に示す。

これは長さ方向の一次の縦振動と幅方向の一次の屈曲振
動を縮退状態で励振する振動子である。第５図（ａ）は
正面図、第５図（Ｃ）は側面図である。

厚さ方向に一様に分極した圧電セラミック板５２の上下
両面に金属電極膜５３を設け、それを弾性板５１の底面
に張り合わせている。このとき弾性板５１と圧電セラミ
ック板５２は、長さ方向の１次の縦振動モードと幅方向
の１次の屈曲振動モードの共振周波数が一致するような
寸法となっている。このような振動子の金属電極間に２
つの振動モードの共振周波数と等しい交流電圧を印加す
る事により、第５図（ｂ）、（ｄ）で表される振幅変位
分布を持つ定在波が励振される。ここで第５（ｂ）にお
ける５４は長さ方向の１次の縦振動の変位分布、第５図
（ｄ）における５５は幅方向の一次の屈曲振動の変位分
布を示す。このように縦−屈曲多重モード振動子は２種
類の異なる振動モードを縮退させて使用していた。

（発明が解決しようとする問題点） 上記振動子を利用した定在波型超音波モータは、従来の
進行波を利用した超音波モータと比較して、速度・駆動
力が共に大きく、駆動方法、弾性板の形状に工夫を凝ら
すことにより、更に高速度・高駆動力化が可能である。

また、長さ方向縦振動と幅方向屈曲振動という複数のモ
ードの共振周波数を一致させる必要があるために、振動
子を設計する際に自由度が小さく、実際に使用する共振
モードである長さ方向縦振動モード付近に複数の高次の
長さ方向屈曲振動によるスフリアス振動が発生し、これ
らのスプリアス振動を抑える事は極めて難しかった。そ
のため自励式で駆動することが困難であるという欠点が
あった。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、片方の端部を固定した弾性板と、他方の自由
な端部において横滑り可能な状態で弾性板の主面に接触
する位置に弾性板の厚さ方向に変位する圧電アクチュエ
ータを設置したことを特徴とする超音波モータ用振動子
とこの振動子を用いた超音波モータの駆動方法である。

（作用） 第１図（ａ）は本発明における振動子の基本構成例の側
面図である。以下、図面を参照しながら説明する。

弾性板１１の主面に圧電体１２が設けられており、端部
１５は固定されている。また自由端の下部には他の部材
に固定された圧電体１３があり、この圧電体１３が弾性
板１１のＸ軸方向の動きを拘束しないように圧電体１３
に摺動性シート１４を置きこの摺動性シート１４が弾性
板１１に接触する構造になっている。このような振動子
において、弾性体１１の長手方向縦振動１次モードの共
振周波数と等しい交流電界を圧電体１２に印加すると、
弾性板１１にはＸ軸方向の振幅が大きい振動１６が発生
する。Ｘ軸方向の変位の分布を第１図（ｂ）に示す。第
１図（ｂ）１９から分かるように、弾性体の自由端付近
が最も振動振幅となる。また弾性板１１の自由端の下部
にある圧電体１３に交流電界を印加すると、圧電体の上
部は第１図（ａ）１７に示すように２軸方向に振動する
。この振動１７はシート１４を通して弾性板１１に伝わ
る。その結果、弾性板１１の自由端において振動１６と
振動１７を合成した楕円運動１８を得ることができる。

従来の縦−屈曲多重モード振動子では２種類の振動モー
ドの共振周波数を一致させる必要があり、これらの共振
周波数は振動子の形状に大きく依存する。従って二つの
異なる振動モードの共振周波数を一致させるためには、
振動子に対して厳密な寸法が要求されるのみならず、振
動子を構成する材料の材料定数に関しても厳しい要求が
ある。

従って、実際に上記縦−屈曲多重モード振動子を製造す
る場合は、二つの振動モードの周波数調整が必要不可欠
であった。これに対して本発明の方法によれば、共振状
態の振動モードは一種類だけであるために、寸法の自由
度がはるかに大きくなる。またスプリアス振動が本質的
に少ないために、使用共振モードにおいて自励発振が容
易になる。

（実施例） 以下、本発明の実施例について図を参照しながら説明す
る。

第２図は本発明の超音波モータの実施例の一つを示す図
である。第２図中、２１はステンレス鋼製弾性板、２２
は圧電セラミック板、２３は銀の焼付は電極、２４は圧
電アクチュエータで、２５はテフロン製シート、弾性板
２１はボルト２８によってステンレス鋼製治具２６およ
び２７に固定されている。振動子の寸法は、弾性板２１
が長さ８０ｍｍ、幅１５ｍｍ、厚さ３ｍｍで、この内長
さ３０ｍｍの部分が治具２６，２７に固定されている。

また圧電セラミック板２２は長さ２５ｍｍ、幅１５ｍｍ
、厚さ１ｍｍで圧電アクチュエータ２３は１０ｍｍ立方
である。本振動子において弾性板２１の長手方向縦振動
１次モードの共振周波数は２５ｋＨｚとなる。

焼付は電極２３から圧電セラミック板２２に２５ｋＨｚ
の交流電界を印加し、圧電アクチュエータ２４には位相
が９０°進んだ交流電界を印加し、さらに、圧電アクチ
ュエータ２４上部にステンレス鋼製ローラ２９を１０ｋ
ｇｆで圧接したところ、ローラ２９は矢印２０１の方向
に回転した。縦−屈曲多重モード振動子を用いた超音波
モータに比べて、圧電セラミックの体積が等しい場合、
約１．５倍の最高速度および約２倍の起動駆動力が得ら
れた。

第３図は第２図の振動子の弾性板２１の上面にも圧電セ
ラミック板３１を設置したものである。これにより、弾
性板２１の上下面が対称になるため、２０〜３０ｋＨｚ
の範囲内の屈曲振動のスプリアスを約２０ｄＢ低減する
ことができた。

第４図はシートフィーダとしての実施例の一つを示す図
で、第２図のローラ２９上部にゴム製ローラ４１を配置
し、二つのローラ２９・４１の間に紙４３を挿入したも
のである。ゴム製ローラ４１は紙４３・ステンレス鋼製
ローラ２９に対して３ｋｇｆの力で、またステンレス鋼
製ローラ２９は弾性板１１に対して１０ｋｇｆの力で圧
接した。この結果、縦−屈曲多重モードを利用したシー
トフィーダと比較して、約１．３倍の最高速度・約２．
８倍の起動駆動力が得られた。

（発明の効果） 以上述べたように、本発明によれば超音波エネルギーを
利用した薄型高駆動力のモータが実現でき、例えばＯＡ
機器等の超薄型化が図れるといった長所を有し、工業的
価値が多大である。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の振動子の基本構成図、第１図（
ｂ）は変位分布図、第２図、第３図、第４図は実施例構
成図、第５図（ａ）、（Ｃ）は従来型振動子の基本構成
図、第５図（ｂ）、（ｄ）は変位分布図である。 図において、１１，２１．５１は弾性板、１２．１３は
圧電体、１４．２５は摺動性シート、１５は固定面、１
６．１７．１８は振動方向、１９，５４．５５は変位分
布、２２．３１．５２は圧電セラミック板、２４は圧電
アクチュエータ、２３，３２．５３は銀の焼付は電極、
２６．２７は支持治具、２８はボルト、２９．４１はロ
ーラ、２０１，４２はローラの回転方向、４３は薄い紙
、４４は紙の進行方向。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１．）片方の端部を固定し他方の端部を自由にした弾
   性板の長手方向縦振動一次モードの共振振動と、横滑り
   可能な状態で弾性板の主面他方の端部領域に接触するよ
   うに配置した圧電体による前記弾性板の厚さ方向に変位
   する非共振状態の振動を組み合わせ、弾性板に接して配
   置されたローラを回転させることを特徴とする超音波モ
   ータの駆動方法。 （２．）片方の端部を固定した弾性板と、他方の端部に
   おいて横滑り可能な状態で弾性板の主面の他の端部近傍
   に接触する位置に、弾性板の厚さ方向に変位する圧電ア
   クチュエータを設置したことを特徴とする超音波モータ
   用振動子。