JPS63277480A - 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摂
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５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ｌ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６図は第５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６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６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　１−Ｖ　ｏ　ｘｓｉｎ（ωｔ）−−−（１）Ｖ　２
−Ｖ　Ｏｘｃｏｓ（ωｔ）　　　　　　　　−−−（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）、）−ｖｏ　ｘｃｏｓ（ω
ｔ−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７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
シーωＸＵ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太き（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振
動の振幅を大きくすればよい。しかし、圧電体の許容歪
みにより、振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
振動を使用しているので、第８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大きくならない。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。

また、円環形超音波モータの振動体は、第８図に示すよ
うに全体が振動しているので、振動体の位置固定が困難
である。また、固定によって機械的な損失は避けられな
い。

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 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次以上のの曲げ振動を用いること
により、同体積で出力を大きくでき、しかも振動体の中
心部に軸を設置し、軸を介して振動体の位置固定を行う
。

作用 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次以上の曲げ振動を用いることに
より、振動体の内側をも有効に振動体の運動エネルギー
に寄与するようにし、出力の増大を図るこ−とができる
。また、振動体の振動の振幅が極めて小さい中心部に軸
を設置し、軸を介して振動体の位置固定を行うことによ
り、固定による損失を小さくし効率の良い超音波モータ
を実現できる。

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１実施例の断面図であ
る。同図において、振動体９の中心部には軸１４が設置
され、軸１４の下部において基台１５に位置固定されて
いる。軸１４の上部においてはベアリング１６を介して
移動体１３が取り付けられ、板バネ１７と加圧調整具１
８によって移動体１３が振動体９に加圧接触されている
。

第２図は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振動体９の周方
向に曲げ振動の進行波が励起され、移動体１３を摩擦力
により駆動する。移動体１３は軸１４を中心にして回転
運動を始める。

第３図は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波長相当分（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、裏面のベタ電
極との間に時間的に９０度位相の異なる電圧を印加すれ
ば、振動体９に径方向２次１周方向４次の曲げ振動の進
行波が励振される。

第４図は径方向２次、周方向４次の曲げ振動を励振した
時の振動体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。また、軸１４を取り出す中心部では振動
の振幅が極めて小さく、この軸１４を介して撮動体９を
基台１５に取り付けているため、振動体の位置固定によ
り機械的損失がほとんどな（効率良く移動体１３を駆動
できる。

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 本発明によれば、振動モードとして径方向２次、周方向
３次以上の曲げ振動を用いることにより出力の大きな、
そして振動体の振動の振幅の小さい中心部に軸を設置し
、この軸を介して振動体の位置固定を行うことにより効
率の良い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１実施例の断面
図、第２図は円板形超音波モータの動作説明のための切
り欠き斜視図、第３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４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撮動体
の振動状態と径方向の変位分布図、第５図は円環形超音
波モータの切り欠き斜視図、第６図は第５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
７図は超音波モータの動作原理の説明図、第８図は撮動
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・・・・・・軸、１５・・・・・・基
台、１６・・・・・・ベアリング、１７・・・・・・板
バネ、１８・・・・・・加圧調整具。 代理人の氏名　弁理士　中尾敏男　ほか１名Ｍ１図 第２図 第３図 第４図 第　５　図 第６図 第７図 二り 】での噛１オゴ方イｉ 第８図

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
   ら構成される円板形振動体に径方向２次、周方向３次以
   上の曲げ振動の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、該振動体の中心部に軸を設置し、該軸を介
   して該振動体を固定したことを特徴とする超音波モータ
   。