JPH0937576A - 超音波モータおよびその駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、回転方向を双方向に切り換えるこ
とができる超音波モータを提供する。 【解決手段】 ホーン１、カラー２に圧電素子３ａ、３
ｂを固定して超音波振動子を構成し、前記圧電素子３
ａ、３ｂに交流電圧を印加することにより前記超音波振
動子に縦共振振動を発生させてロータ８を駆動する超音
波モータであって、前記超音波振動子に、前記縦共振振
動を複数発生させロータ８に対する双方向の回転力を生
成する段差２ａを設け、ロータ８を双方向に回転駆動す
るものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波振動エネル
ギーを回転エネルギーに変換する超音波モータ及びその
駆動方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】弾性体に圧電素子を固定して超音波振動
子を構成し、圧電素子に交流電圧を印加して前記超音波
振動子に超音波振動を発生させてロータを回転させるよ
うにした超音波モータとして、本願出願人が先に出願し
た特開平２−５５５８４号公報に係る明細書に記載した
超音波モータがある。

【０００３】この超音波モータを図９、図１０を参照し
て説明する。図９、図１０に示す超音波モータにおける
超音波振動子１０１は、圧電素子１０２を、なだらかな
斜面を１面に有する突起を２つ持つホーン１０３と、カ
ラー１０４とで挟み、ボルト１０５で締め付け固定して
構成される。

【０００４】前記ホーン１０３の軸芯孔部を貫通したボ
ルト１０５には、ロータ１０６が軸受１０７を介して支
持されており、このロータ１０６は、ボルト１０５に螺
着したナット１０８と、ナット１０８と軸受１０７との
間に弾装したバネ１０９を介してホーン１０３の突起１
１０の接触面１１１に押圧接触せしめられている。

【０００５】前記圧電素子１０２の電気端子１１２に所
定の周波数の交流電圧を印加すると、圧電素子１０２に
生じる歪みにより励起される超音波振動がホーン１０３
の先端に伝播し縦振動として接触面１１１を図９におい
て上下方向変位させる。同時にホーン１０３の突起形状
により超音波振動がホーン１０３先端の接触面１１１に
伝播する過程で振動の一部が方向を変えて図９に示す矢
印１１３の方向の振動となる。これら２方向の振動が合
成されて、ロータ１０６を回転させる振動となる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た超音波モータは、超音波振動子１０１の形状により決
まる一方向にしかロータ１０６を回転させることしかで
きなかった。このため、ロータ１０６の回転方向を切り
換えて使用しようとする場合には、ギアやクラッチ等を
用いた回転方向切り換機構を用いて機械的に回転伝達の
方向切り換えを行う必要があり、機構的に複雑になると
いう問題があった。

【０００７】本発明は、上記問題点を改善するためにな
されたものであり、従来例のように超音波振動子の形状
により回転方向が一方向に決定される構成であっても、
その回転方向を双方向に切り換えることができる超音波
モータ及びその駆動方法を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
弾性体に電気−機械エネルギー変換素子を固定して超音
波振動子を構成し、前記電気−機械エネルギー変換素子
に交流電圧を印加することにより前記超音波振動子に縦
共振振動を発生させて被駆動体を駆動する超音波モータ
であって、前記超音波振動子に、前記縦共振振動を複数
発生させ被駆動体に対する双方向の回転力を生成する段
差を設けたことを特徴とするものだある。

【０００９】請求項２記載の発明は、請求項１記載の超
音波モータにおける前記該電気−機械エネルギー変換素
子は、超音波振動子に発生する前記複数の縦共振振動の
略共通の節位置に配置したことを特徴とするものであ
る。

【００１０】請求項３記載の発明に係る超音波モータの
駆動方法は、弾性体に電気−機械エネルギー変換素子を
固定して超音波振動子を構成し、この超音波振動子に接
合した被駆動体を駆動する超音波モータに対して、前記
電気−機械エネルギー変換素子に周波数を変化させつつ
交流電圧を印加し、前記超音波振動子に設けた段差に基
づき超音波振動子に生じる複数の縦共振振動に応じた被
駆動体の回転方向を前記交流電圧の周波数変化により切
り替えることを特徴とするものである。

【００１１】請求項１記載の超音波モータによれば、超
音波振動子に、交流電圧の印加に伴って縦共振振動を複
数発生させ、被駆動体に対する双方向の回転力を生成す
る段差を設けたので、被駆動体を双方向に回転駆動する
ことができる。

【００１２】請求項２記載の超音波モータによれば、請
求項１記載の超音波モータにおける前記該電気−機械エ
ネルギー変換素子を、超音波振動子に発生する前記複数
の縦共振振動の略共通の節位置に配置したので、複数の
縦共振振動を効率よく発生させることができる。

【００１３】請求項３記載記載の超音波モータの駆動方
法によれば、前記電気−機械エネルギー変換素子に周波
数を変化させつつ交流電圧を印加することで、前記超音
波振動子に設けた段差に基づき超音波振動子に生じる複
数の縦共振振動に応じた被駆動体の回転方向を前記交流
電圧の周波数変化により切り替えることができる。

【００１４】

【実施例】

［発明の第１の実施の形態］本発明の発明の第１の実施
の形態を図１乃至図６を参照して説明する。

【００１５】（構成）図１、図２に示す発明の第１の実
施の形態の超音波モータは、上部になだらかな斜面を外
面に有する突起１ａを２つ形成した弾性体としてのホー
ン１と、底部の中央部にくぼみ状の段差２ａを有する弾
性体としてのカラー２とにより、電気−機械エネルギー
変換素子としての圧電素子３ａ、３ｂを挟み、ボルト７
でカラー２のくぼみ状部分２ａの底面からホーン１の突
起の根元部までの間（寸法Ｌ4、Ｌ5 、Ｌ3 で示した部
分）を締結して、超音波振動子を構成している。

【００１６】前記ホーン１の軸芯孔部を貫通したボルト
７には、被駆動体としてのロータ８が軸受９を介して支
持されており、このロータ８は、ボルト７に螺着したナ
ット１１ａ、ナット１１ｂ及びナット１１ｂと軸受９と
の間に弾装したバネ１０を介してホーン１の２つの突起
に押圧接触せしめられている。

【００１７】前記圧電素子３ａ、３ｂは、図３に示すよ
うに、矢印で示した方向に分極されており、それぞれの
面には、電極４、５、６が挟まれ、電極４と６が結線さ
れて電気端子Ａを、電極５が電気端子Ｂをそれぞれ構成
している。この電気端子Ａ、Ｂ間には、図示しない駆動
電源により、周波数を任意に設定できる１００Ｖｐ−ｐ
程度の交流電圧を印加するようになっている。

【００１８】尚、図１において、ホーン１の全長Ｌ1 と
カラー２の全長Ｌ2 は概略等しいか、又は、カラー２の
全長Ｌ2 がホーン１の全長Ｌ1 よりも１０％程度短い寸
法としている。また、ホーン１の突起１ａを除く部分の
長さＬ3 とカラー２のくぼみ状部分２ａを除く部分の長
さＬ4 は概略等しく構成している。

【００１９】（作用）本発明の実施の形態の超音波モー
タは、基本的には従来技術で説明したものと動作原理は
同じである。この超音波モータに印加する駆動電圧の振
幅は一定で、図４に示すようにホーン１の突起１ａを除
く部分の長さＬa 、ホーン１の長さＬb を一定としてカ
ラー２のＬc の長さを振って（変化させて）、駆動電圧
の周波数のみ超音波モータの回転出力が最大になるよう
に設定して実験したときの結果を図５、図６に示す。
尚、図５、図６において、×印を付した特性は反時計方
向（ＣＣＷ）特性を示し、丸印を付した特性は時計方向
（ＣＷ）の特性を示している。

【００２０】図５に示すように、Ｌc がＬa の長さに近
いときには、超音波モータは反時計方向に回転し、Ｌc
とＬa が略等しいときに回転出力が最大となった。

【００２１】また、Ｌc がＬb に近いときには時計方向
に回転し、Ｌc がＬa より若干短いときに回転出力が最
大になった。また、Ｌc がＬa 、Ｌb と比較してどちら
かも離れているときには、時計方向、反時計方向のいず
れにも回転しなかった。

【００２２】このとき、最も高回転出力が得られる最適
駆動周波数は、図６に示すように、時計方向と反時計方
向では異なることがわかった。

【００２３】これらの実験結果は、本発明の実施の形態
の超音波モータにおいて、図４に示す（Ｌa ＋Ｌc ＋Ｌ
d ）の長さの縦共振振動（１次モード）のときに反時計
方向に回転し、圧電素子３ａ、３ｂがこの長さの縦共振
振動の節位置となるＬa とＬc がほぼ等しいときに最も
高出力が得られることを意味する。

【００２４】同様に、（Ｌb ＋Ｌc ＋Ｌd ）の長さの縦
共振振動（１次モード）のとき時計方向に回転し、圧電
素子３ａ、３ｂがその縦共振の振動の節位置となるとき
に最も高出力が得られることを意味する。

【００２５】従って、この二つの縦共振振動をＬc の長
さを振らずに発生させることができれば、圧電素子３
ａ、３ｂに印加する交流電圧の周波数を切り換えること
により、超音波モータのロータ８を時計方向／反時計方
向の双方向に回転させることができることになる。

【００２６】本発明の実施の形態では、上述した実験結
果を実現するために、図１、図２に示すように、前記カ
ラー２にくぼみ状の段差２ａを設け、図１に示す（Ｌ3
＋Ｌ4 ＋Ｌ5 ）の長さで第１の１次縦共振振動を発生さ
せてロータ８を反時計方向に回転させ、図１に示す（Ｌ
1 ＋Ｌ2 ＋Ｌ5 ）の長さで第２の１次縦共振振動を発生
させてロータ８を時計方向に回転させるようにしたもの
である。第１、第２の縦共振振動のいずれの場合にも、
圧電素子３ａ、３ｂの配置されている位置がそれぞれの
縦共振の節位置になる。

【００２７】また、上述した実験結果より、前記電気端
子Ａ−電気端子Ｂ間に印加する交流電圧の周波数を変化
させることにより、超音波モータのロータ８を時計方向
にも反時計方向にも回転することが確認された。

【００２８】（効果）本発明の実施の形態により、交流
電圧の駆動周波数を変えることによりロータ８の回転方
向を時計方向にも反時計方向にも切り換えることができ
る超音波モータを実現できる。

【００２９】［発明の第２の実施の形態］本発明の発明
の第２の実施の形態を図７、図８を参照して説明する。

【００３０】（構成）図７、図８に示すように、なだら
かな斜面を１面に有する突起２１ａを２つ持つ弾性体と
してのホーン２１と、中央部に溝状の段差２２ａを有す
る弾性体としてのカラー２２とにより、電気−機械エネ
ルギー変換素子としての圧電素子２３ａ、２３ｂを挟
み、ボルト２７でカラー２２とホーン２１の突起の根元
部までの間（寸法Ｌ22、Ｌ25、Ｌ23で示した部分）を締
結して、超音波振動子を構成する。

【００３１】前記ホーン２１の軸芯孔部を貫通したボル
ト２７には、被駆動体としてのロータ２８が軸受２９を
介して支持されており、このロータ２８はボルト２７に
螺着したナット３１ａ及び３１ｂと、ナット３１ｂと軸
受２９との間に弾装したバネ３０を介してホーン２１の
２つの突起２１ａに押圧接触せしめられている。

【００３２】前記圧電素子２３ａ、２３ｂは、発明の第
１の実施の形態の図３に示したものと同様に構成され、
電気端子Ａ、電気端子Ｂを有している。また、発明の第
１の実施の形態の場合と同様、前記ホーン２１の全長Ｌ
21とカラーの全長Ｌ22は概略等しいか、又はＬ22の方が
１割程度短く、さらに、ホーン２１の突起２１ａを除く
部分の長さＬ23とカラー２２の段差２２ａまでの長さＬ
24は概略等しく構成している。

【００３３】（作用）本発明の実施の形態では、発明の
第１の実施の形態で説明した回転方向が時計方向と反時
計方向のときにそれぞれ対応する二つの縦共振振動を実
現するために、カラー２２に溝状の段差２２ａを設けて
いる。

【００３４】これにより、（Ｌ23＋Ｌ24＋Ｌ25）の長さ
で第１の１次縦共振振動を発生させてロータ２８を反時
計方向に回転させ、（Ｌ21＋Ｌ22＋Ｌ25）の長さで第２
の１次縦共振振動を発生させてロータ２８を時計方向に
回転させるようにしたものである。

【００３５】これらいずれの場合にも、圧電素子２３
ａ、２３ｂがそれぞれの縦共振振動の節位置に配置され
ていることになる。

【００３６】そして、電気端子Ａ−電気端子Ｂ間に印加
する交流電圧の周波数を変化させると、発明の第１の実
施の形態と同様にロータ２８を時計方向にも反時計方向
にも回転することを確認した。

【００３７】（効果）本発明の実施の形態においても、
交流電圧の駆動周波数の変化によりロータ２８の回転方
向が切り換わる超音波モータが実現できる。

【００３８】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、被駆動体
を双方向に回転駆動することができる超音波モータを提
供することができる。

【００３９】請求項２記載の発明によれば、複数の縦共
振振動を効率よく発生させることができ被駆動体を双方
向に効率良く回転駆動することができる超音波モータを
提供することができる。

【００４０】請求項３記載の発明によれば、交流電圧の
周波数変化により被駆動体の双方向の回転方向を切り替
えることができる超音波モータを提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】発明の第１の実施の形態の超音波モータを示す
正面図である。

【図２】発明の第１の実施の形態の超音波モータを示す
一部切り欠き断面図である。

【図３】発明の第１の実施の形態の超音波モータにおけ
る圧電素子を拡大して示す説明図である。

【図４】発明の第１の実施の形態の超音波モータの駆動
原理を説明するための寸法関係を示す説明図である。

【図５】図４に示す寸法関係を有する超音波モータのカ
ラーの寸法を変化させた場合の時計方向／反時計方向の
回転出力を示す特性図である。

【図６】図４に示す寸法関係を有する超音波モータのカ
ラーの寸法を変化させた場合の最適駆動周波数を示す特
性図である。

【図７】発明の第２の実施の形態の超音波モータを示す
正面図である。

【図８】発明の第２の実施の形態の超音波モータを示す
一部切り欠き断面図である。

【図９】従来の超音波モータを示す正面図である。

【図１０】従来の超音波モータを示す一部切り欠き断面
図である。

【符号の説明】

１ ホーン １ａ 突起 ２ カラー ２ａ 段差 ３ａ 圧電素子 ３ｂ 圧電素子 ７ ボルト ８ ロータ ９ 軸受 １０ バネ １１ａ ナット １１ｂ ナット ２１ ホーン ２１ａ 突起 ２２ カラー ２２ａ 段差 ２３ａ 圧電素子 ２３ｂ 圧電素子 ２７ ボルト ２８ ロータ ２９ 軸受 ３０ バネ ３１ａ ナット ３１ｂ ナット

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 弾性体に電気−機械エネルギー変換素子
   を固定して超音波振動子を構成し、前記電気−機械エネ
   ルギー変換素子に交流電圧を印加することにより前記超
   音波振動子に縦共振振動を発生させて被駆動体を駆動す
   る超音波モータであって、 前記超音波振動子に、前記縦共振振動を複数発生させ被
   駆動体に対する双方向の回転力を生成する段差を設けた
   ことを特徴とする超音波モータ。
2. 【請求項２】 前記該電気−機械エネルギー変換素子
   は、超音波振動子に発生する前記複数の縦共振振動の略
   共通の節位置に配置したことを特徴とする請求項１記載
   の超音波モータ。
3. 【請求項３】 弾性体に電気−機械エネルギー変換素子
   を固定して超音波振動子を構成し、この超音波振動子に
   接合した被駆動体を駆動する超音波モータに対して、前
   記電気−機械エネルギー変換素子に周波数を変化させつ
   つ交流電圧を印加し、前記超音波振動子に設けた段差に
   基づき超音波振動子に生じる複数の縦共振振動に応じた
   被駆動体の回転方向を前記交流電圧の周波数変化により
   切り替えることを特徴とする超音波モータの駆動方法。