JPS6323573A - 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４図は従来の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、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はスライ
ダ４を介して駆動体３と接触している。圧電体２に電界
を印加〜　　２　− 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
、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５図は第４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波長の弾性波がのるようにしである。同図において
、Ａ、Ｂはそれぞれ２分の１波長相当の小領域から成る
電極で、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。

従って、Ａの電極とＢの電極とは位置的に４分の１波長
（−９０度）の位相ずれがある。電極Ａ１Ｂ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。

圧電セラミック２の弾性体１との接着面は第５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、Ｂは第５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について、その
動作を以下に説明する。前記圧電体２の電極Ａに Ｖ−Ｖｌ　ｘｓｉｎ（ωｔ）　　　　　　　　　　　　
−−−（１）で表される電圧を印加すると（ただしＶｌ
は電圧の瞬時値、ωは角周波数、ｔは時間）、駆動体３
は円周方向に曲げ振動をする。

第６図は第４図の超音波モータの駆動体を直線近似した
時の斜視図であり、同図（（２）は圧電体２に電圧を印
加していない時、同図（ｂ）は圧電体２に電圧を印加し
た時の様子を示す。

第７図は移動体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ＡにＶｌｘｓｉｎ（
ωｔ）、他の電極ＢにＶｌ　ｘｃｏｓ（ωｔ）の互いに
時間的に位相がπ／２だけずれた電圧を印加すれば、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とずれば ξ−ξ＊　ｘｃｏｓ（ωｔ−ｋｘ）　　　　　　’　−
−一（２）ただし　ξ１　：波の大きさの瞬時値 ｋ　：波数（２π／λ〉 λ：波長 璽位置 で表せる。（２）式は ξ−ξ１　×（ｃｏｓ（ωｔ）ｘｃｏｓ（ｋｘ）＋５ｉ
ｎ（ωｔ）ｘｓｉｎ（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（ωｔ）と５ｉｎ（ωｔ）、および
位置的にπ／２だけ位相のずれた、ｃｏｓ（ｋｘ＞と５
ｉｎ（ｋｘ）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）だけ位相のずれた電極群ＡＸＢを
持っているので、駆動体３の共振周波数に等しい周波数
出力を持つ発振器の出力から、それぞれに時間的に位相
のπ／２だけずれた交流電圧を作り、前記電極群に印加
すれば駆動体３に曲げ振動の進行波を作れる。

第７図は駆動体のＡ点が進行波の励起によって、駆動体
の表面の質点が長軸２ｗ１短軸２ｕの楕円運動をしてい
る様子を示し、駆動体３上に置かれた移動体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
υ−ωｘ１１の速度で運動する様子を示している。即ち
移動体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、移動体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Ｖで駆動される。両者の
間にすべりがある時は、速度が上記のりよりも小さくな
る。また、楕円軌跡の横方向成分Ｕは曲げ振動の振幅ξ
に比例するので、振幅最大点から機械出力を取り出して
いる。

第８図は円板形部動体を用い、径方向２次、周方向３次
の曲げ振動の進行波を励振した円板形超音波モータの斜
視図である。同図において、７は弾性体であり圧電体８
とともに駆動体９を構成し、１０はスライダであり弾性
体１１とともに移動体１２を構成している。１３は駆動
体の表面の振幅最大点である振動の腹の位置に設置され
た突起であり、この突起を介して移動体が接触加圧して
設置されている。

発明が解決しようとする問題点 以上、説明した様に円板形超音波モータにおいては、移
動体の速度を大きくするために、従来は駆動体の振動の
腹から、径方向の幅の狭い突起を＝　６　− 介して出力を取り出している。しかし、負荷の変動や、
温度の変化によって駆動体の共振周波数が変化し、その
ため駆動体の振幅の最大点である振動の腹の位置も変化
して、突起が振動の腹の位置からずれて、その結果、移
動体の回転速度が不安定になるという欠点があった。

本発明はかかる点に鑑みてなされたもので、負荷や温度
の変化に対して安定な動作ができる超音波モータを提供
することを目的としている。

問題点を解決するだめの手段 共振周波数の変化による、相対的な駆動周波数の変化に
対する、駆動体の振動の腹の位置の変化によっても、該
駆動体と移動体の接触面内に振動の腹があるように、駆
動体と移動体の接触状態を設定する。

作　　用 駆動周波数の変化によって駆動体の振動の腹の位置が変
化しても、常に駆動体と移動体の接触面内に該振動の腹
があるので、負荷や温度の変化に対しても移動体の速度
が安定になる。

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１実施例の超音波モータの断面図であ
る。同図において、７は円板形弾性体であり裏面に圧電
体８が貼り合わせられて、駆動体９を構成している。駆
動体９振動の腹の位置Ｐには、機械出力取り出し用の突
起１３が設置されている。突起１３に接触するように、
弾性体１１とスライダ１０から成る移動体１２が、加圧
して設置されている。圧電体８を時間的に９０度位相の
異なる２つの交流電界で駆動すれば、駆動体９に径方向
２次、周方向３次以上の曲げ振動の進行□波が励振され
、移動体１２が回転する。１４は回転中心を決めるため
の回転軸であり、機能上は必ずしも必要ない。

第２図は本発明の別の実施例の超音波モータの断面図で
ある。同図において、７は円板形弾性体であり裏面に圧
電体８が貼り合わせられて、駆動体９を構成している。

駆動体９の振動の腹の位置Ｐに対応して、耐磨耗性のス
ライダ１０が設置されている。スライダ１０と弾性体１
１とで構成された移動体１２は、駆動体９上に加圧して
設置されている。圧電体８を交流電界で駆動すれば駆動
体９に径方向２次、周方向３次以上の曲げ振動の進行波
が励振され、移動体１２が回転する。

第３図は円板形部動体の径方向の変位分布の駆動周波数
による変化を示している。同図において、横軸は外径に
よって規準化された半径であ７、　　　　準化された曲
げ振動の振幅を示している。同図り、縦軸は振動の腹の
位置の最大変位によって規は、駆動周波数は一定で、負
荷や温度が変化して共振周波数が変化したときの変位分
布の変化である。図より、駆動周波数と駆動体の共振周
波数の関係が変化すれば、初期の振動の腹の位置ＱはＷ
だけ変化する。従って、少なくても振動の腹の位置の変
化分Ｗよりも突起１３の径方向の輻ｒ１もしくはスライ
ダ１５の幅Ｓを大きくとって、しかも振動の腹の位置Ｑ
と突起の中心、もしくはスライダの中心Ｐの位置を合わ
しておけば、負荷や温度が変化しても常に駆動体９と移
動体１２の接触面の内に振動の腹があることになり、負
荷や温度の変動の影響の少ない、安定した動作の、しか
も機械出力の大きい超音波モータが実現できる。

発明の効果 本発明によれば、簡単な構造で、機械出力の大きな、そ
して負荷変動や温度変化に対して安定な動作をする超音
波モータを提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の超音波モータの断面図、第
２図は本発明の別の実施例の超音波モータの断面図、第
３図は駆動体の共振周波数による変位分布の変化を示し
た図、第４図は従来の超音波モータの斜視図、第５図は
第４図に用いられている圧電体の形状と電極構造を示す
平面図、第６図は超音波モータの駆動体部の振動状態を
示すモデル図、第７図は超音波モータの原理の説明図、
第８図は従来の円板形超音波モータの斜視図である。 ７・・・・・・弾性体、８・・・・・・圧電体、９・・
・・・・駆動体１０・・・・・・スライダ、１１・・・
・・・弾性体、１２・・・・・・移動体、１３・・・・
・・突起、１４・・・・・・回転軸。 代理人の氏名　弁理士　中尾敏男　ほか１名第１図 第３図 半径 第４図 第６図 第７図 第８図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）　弾性体と圧電体とから成る駆動体に弾性進行波
   を励振することにより、上記駆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、円板形
   の弾性体に圧電体を貼り付けて駆動体を構成し、該駆動
   体に径方向２次、周方向３次以上の曲げ振動モードの進
   行波を励振し、移動体を該駆動体に加圧接触して設置し
   、少なくても該移動体と該駆動体の接触面内に、該駆動
   体の曲げ振動の腹があることを特徴とする超音波モータ
   。
2. （２）　駆動体に円周状に突起を設け、該突起を介して
   移動体を加圧接触して設置し、少なくとも該突起の径方
   向の幅の内に、曲げ振動の腹があることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の超音波モータ。
3. （３）　移動体に円周状に耐磨耗性のスライダを設け、
   該スライダを介して駆動体に加圧接触して設置し、少な
   くとも該スライダの径方向の幅の内に上記曲げ振動の腹
   があることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の超
   音波モータ。