JP2537874B2 - 超音波モ−タ - Google Patents
超音波モ−タInfo
- Publication number
- JP2537874B2 JP2537874B2 JP62142633A JP14263387A JP2537874B2 JP 2537874 B2 JP2537874 B2 JP 2537874B2 JP 62142633 A JP62142633 A JP 62142633A JP 14263387 A JP14263387 A JP 14263387A JP 2537874 B2 JP2537874 B2 JP 2537874B2
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- Japan
- Prior art keywords
- ultrasonic motor
- shaped
- electrode
- piezoelectric body
- traveling wave
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- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
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。
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。
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。
ついて説明を行う。
第７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剤、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の移動方向を示す。
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剤、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の移動方向を示す。
第８図は第７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てある。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およびＢは第８
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。
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てある。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およびＢは第８
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 V1＝VO×sin（ωｔ） −−−（１） V2＝VO×cos（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×（cos（ωｔ）×cos（kx） ＋sin（ωｔ）×sin（kx）） ＝ξＯ×cos（ωｔ−kx） −−−（３） ただし ξ：曲げ振動の振幅値 ξO: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。
極ＡおよびＢに V1＝VO×sin（ωｔ） −−−（１） V2＝VO×cos（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×（cos（ωｔ）×cos（kx） ＋sin（ωｔ）×sin（kx）） ＝ξＯ×cos（ωｔ−kx） −−−（３） ただし ξ：曲げ振動の振幅値 ξO: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９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。
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。
第10図は、以上説明した径方向１次・周方向９次の超
音波モータの振動体の振動状態と、径方向の変位分布を
示している。
音波モータの振動体の振動状態と、径方向の変位分布を
示している。
発明が解決しようとする問題点 超音波モータの効率を向上するためには、振動体に励
振される振動を、定在波成分をできるかぎり少なくした
進行波にすればよい。また、超音波モータの出力を大き
くするためには、圧電体の駆動電極を大きくとればよ
い。しかし、従来の超音波モータは、進行波を構成する
定在波を励振するための駆動電極がそれぞれ半円内に集
中しているため、負荷が周方向に均一でなくなると、そ
の影響により片方の駆動電極群のインピーダンスが変化
して、進行波に定在波がのりやすく、駆動電極群の位置
的な位相差を付けるために、２つの電極ＣとＤが必要に
なり、その分出力が低下するという問題点がある。
振される振動を、定在波成分をできるかぎり少なくした
進行波にすればよい。また、超音波モータの出力を大き
くするためには、圧電体の駆動電極を大きくとればよ
い。しかし、従来の超音波モータは、進行波を構成する
定在波を励振するための駆動電極がそれぞれ半円内に集
中しているため、負荷が周方向に均一でなくなると、そ
の影響により片方の駆動電極群のインピーダンスが変化
して、進行波に定在波がのりやすく、駆動電極群の位置
的な位相差を付けるために、２つの電極ＣとＤが必要に
なり、その分出力が低下するという問題点がある。
すなわち、従来の超音波モータは、常に効率がよく、
しかも出力を大きいということを同時に実現することが
難しい。
しかも出力を大きいということを同時に実現することが
難しい。
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。
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 圧電体に曲げ振動の周方向の１波長あたり4n個（ｎは
１以上の整数）の駆動電極を円周状に構成し、上記駆動
電極にそれぞれ位相が２π/4nだけ異なる駆動電圧を順
次印加するよう構成する。
１以上の整数）の駆動電極を円周状に構成し、上記駆動
電極にそれぞれ位相が２π/4nだけ異なる駆動電圧を順
次印加するよう構成する。
作 用 圧電体の駆動電極をほぼ全周に構成することにより、
駆動電極面積を増大して出力を増大を図り、進行波を構
成する定在波を励振する駆動電極を全周に均一に分散し
て構成することにより、負荷の影響がそれぞれの電極群
に同様に及ぼされるようになり、常に理想的な進行波が
励振され、効率の向上を図ることができる。
駆動電極面積を増大して出力を増大を図り、進行波を構
成する定在波を励振する駆動電極を全周に均一に分散し
て構成することにより、負荷の影響がそれぞれの電極群
に同様に及ぼされるようになり、常に理想的な進行波が
励振され、効率の向上を図ることができる。
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。
説明を行う。
第１図は周方向４次・径方向２次の曲げ振動モードを
使用した円板型超音波モータの圧電体７の電極構成を示
す平面図である。同図では、曲げ振動の周方向の１波長
あたり４個（ｎ＝１）の駆動電極を円周状に構成してい
る。裏面はベタ電極であり、各電極部分の分極方向は同
じである。各電極は４個毎に短絡されて、４つの駆動端
子Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを構成する。
使用した円板型超音波モータの圧電体７の電極構成を示
す平面図である。同図では、曲げ振動の周方向の１波長
あたり４個（ｎ＝１）の駆動電極を円周状に構成してい
る。裏面はベタ電極であり、各電極部分の分極方向は同
じである。各電極は４個毎に短絡されて、４つの駆動端
子Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを構成する。
第２図は動作説明図であり、（ａ）は基準の曲げ振動
の進行波と、π/2だけ進んだ時の進行波と、各電極との
位置関係を示している。同図中の番号は第１図の電極番
号と対応している。（ｂ）は上記のような進行波を作る
ために、４つの駆動端子に印加する駆動電圧波形であ
る。上記駆動電圧はそれぞれ位相がπ/2（＝２π/4）だ
けずれた波形である。同図（ａ）より、隣り合う奇数番
号を付けた電極部と偶数番号を付けた電極部では、互い
にπ/2だけ位相のずれた振動を励振し、奇数番号あるい
は偶数番号の隣り合う電極部では互いにπだけ位相のず
れた振動を励振すれば、進行波が得られる。（ｂ）はこ
のような関係を満たす、第１図の４つの駆動端子Ａ、
Ｂ、Ｃ、Ｄに印加する位相がπ/2ずつずれた駆動電圧の
タイミング図を示している。
の進行波と、π/2だけ進んだ時の進行波と、各電極との
位置関係を示している。同図中の番号は第１図の電極番
号と対応している。（ｂ）は上記のような進行波を作る
ために、４つの駆動端子に印加する駆動電圧波形であ
る。上記駆動電圧はそれぞれ位相がπ/2（＝２π/4）だ
けずれた波形である。同図（ａ）より、隣り合う奇数番
号を付けた電極部と偶数番号を付けた電極部では、互い
にπ/2だけ位相のずれた振動を励振し、奇数番号あるい
は偶数番号の隣り合う電極部では互いにπだけ位相のず
れた振動を励振すれば、進行波が得られる。（ｂ）はこ
のような関係を満たす、第１図の４つの駆動端子Ａ、
Ｂ、Ｃ、Ｄに印加する位相がπ/2ずつずれた駆動電圧の
タイミング図を示している。
第３図は第１図の圧電体７を使用した円板型超音波モ
ータの構成を示す切り欠き斜視図である。圧電体として
円板形の圧電セラミック７を、円板形の弾性体８の主面
の一方に貼合せて振動体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の駆動電極
に第２図（ｂ）で示した電圧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は回転軸14を中心にして回転
運動を始める。
ータの構成を示す切り欠き斜視図である。圧電体として
円板形の圧電セラミック７を、円板形の弾性体８の主面
の一方に貼合せて振動体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の駆動電極
に第２図（ｂ）で示した電圧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は回転軸14を中心にして回転
運動を始める。
第４図は、円板の径方向２次・周方向４次の曲げ振動
の進行波を用いた時の径方向の変位分布（ａ）であり、
振動により誘起される電荷分布（ｂ）である。図中のrO
は振動により誘起される電荷の符号が変わる円の半径で
あり、第１図に示した電極は上記半径rOの円内に円周状
に構成され、それぞれ周方向が４分の１波長相当の長さ
を持つ。
の進行波を用いた時の径方向の変位分布（ａ）であり、
振動により誘起される電荷分布（ｂ）である。図中のrO
は振動により誘起される電荷の符号が変わる円の半径で
あり、第１図に示した電極は上記半径rOの円内に円周状
に構成され、それぞれ周方向が４分の１波長相当の長さ
を持つ。
第５図は、径方向１次・周方向４次の曲げ振動の進行
波を用いた時の円環形超音波モータに用いる円環形圧電
体16の電極構造を示す平面図である。同図において、各
電極部の分極の方向は同じであり、曲げ振動の周方向の
１波長あたり８個（ｎ＝２）の駆動電極を円周状に構成
し、８つおきに互いに短絡して８つの駆動端子Ａ、Ｂ、
Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈを構成している。
波を用いた時の円環形超音波モータに用いる円環形圧電
体16の電極構造を示す平面図である。同図において、各
電極部の分極の方向は同じであり、曲げ振動の周方向の
１波長あたり８個（ｎ＝２）の駆動電極を円周状に構成
し、８つおきに互いに短絡して８つの駆動端子Ａ、Ｂ、
Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈを構成している。
第６図は第５図の８つの駆動端子Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、
Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈに印加する駆動電圧波形であり、お互い
に２π/8だけ位相のずれた８つの駆動電圧から成る。
Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈに印加する駆動電圧波形であり、お互い
に２π/8だけ位相のずれた８つの駆動電圧から成る。
上記のように、圧電体に曲げ振動の周方向の１波長あ
たり4n個の駆動電極を円周状に構成し、駆動電極に順次
位相が２π/4nだけ異なる駆動電圧を印加することによ
り、同体積で出力を大きくでき、しかも効率の良い超音
波モータを提供できる。
たり4n個の駆動電極を円周状に構成し、駆動電極に順次
位相が２π/4nだけ異なる駆動電圧を印加することによ
り、同体積で出力を大きくでき、しかも効率の良い超音
波モータを提供できる。
発明の効果 本発明では、圧電体の駆動電極をほぼ全周に構成する
ことにより、駆動電極面積を増大して出力の増大を図ら
れ、進行波を構成する定在波を励振する駆動電極を全周
に均一に分散して構成することにより、負荷の影響がそ
れぞれの電極群に同様に及ぼされ、常に理想的な進行波
が励振されて効率の良い超音波モータを提供できる。
ことにより、駆動電極面積を増大して出力の増大を図ら
れ、進行波を構成する定在波を励振する駆動電極を全周
に均一に分散して構成することにより、負荷の影響がそ
れぞれの電極群に同様に及ぼされ、常に理想的な進行波
が励振されて効率の良い超音波モータを提供できる。
第１図は本発明の円板形超音波モータに使用する圧電体
の電極構造を示す平面図、第２図は動作説明のための駆
動原理図、第３図は円板形超音波モータの切り欠き斜視
図、第４図は振動モードとして径方向２次・周方向４次
の曲げ振動を用いた時の振動体の径方向の変位分布図と
誘起電荷分布図、第５図は本発明の別の実施例の円環形
超音波モータに使用する圧電体の電極構造を示す平面
図、第６図は駆動電圧のタイミング図、第７図は円環形
超音波モータの切り欠き斜視図、第８図は第７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９図は超音波モータの動作原理の説明図、第10図
は振動モードとして径方向１次・周方向９次の曲げ振動
を用いた時の振動体の径方向の変位分布を示す図であ
る。 ７……圧電体、８……弾性体、９……振動体、10……突
起体、11……摩擦材、12……弾性体、13……移動体、14
……回転軸、16……圧電体。
の電極構造を示す平面図、第２図は動作説明のための駆
動原理図、第３図は円板形超音波モータの切り欠き斜視
図、第４図は振動モードとして径方向２次・周方向４次
の曲げ振動を用いた時の振動体の径方向の変位分布図と
誘起電荷分布図、第５図は本発明の別の実施例の円環形
超音波モータに使用する圧電体の電極構造を示す平面
図、第６図は駆動電圧のタイミング図、第７図は円環形
超音波モータの切り欠き斜視図、第８図は第７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９図は超音波モータの動作原理の説明図、第10図
は振動モードとして径方向１次・周方向９次の曲げ振動
を用いた時の振動体の径方向の変位分布を示す図であ
る。 ７……圧電体、８……弾性体、９……振動体、10……突
起体、11……摩擦材、12……弾性体、13……移動体、14
……回転軸、16……圧電体。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−245482（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−191277（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−170472（ＪＰ，Ａ)
Claims (1)
- 【請求項１】円板形または円環形圧電体を交流電圧で駆
動して、前記圧電体と円板形または円環形弾性体とから
構成される円板形または円環形振動体に弾性進行波を励
振することにより、前記振動体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、 前記圧電体の全周に前記進行波の１波長あたりに同一方
向に分極された4n個（ｎは１以上の整数）の駆動電極を
構成し、 前記駆動電極にそれぞれ位相が２π/4nだけ異なる4n個
の駆動電圧を順次印加することにより、 前記振動体に曲げ振動の進行波を励振することを特徴と
する超音波モータ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62142633A JP2537874B2 (ja) | 1987-06-08 | 1987-06-08 | 超音波モ−タ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62142633A JP2537874B2 (ja) | 1987-06-08 | 1987-06-08 | 超音波モ−タ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63305774A JPS63305774A (ja) | 1988-12-13 |
| JP2537874B2 true JP2537874B2 (ja) | 1996-09-25 |
Family
ID=15319886
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62142633A Expired - Lifetime JP2537874B2 (ja) | 1987-06-08 | 1987-06-08 | 超音波モ−タ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2537874B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5013982A (en) * | 1989-05-02 | 1991-05-07 | Olympus Optical Co., Ltd. | Circuit for driving ultrasonic motor |
| JPH072029B2 (ja) * | 1989-06-26 | 1995-01-11 | セイコー電子工業株式会社 | 超音波モータ |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0687671B2 (ja) * | 1984-05-18 | 1994-11-02 | 株式会社ニコン | 超音波モータ |
-
1987
- 1987-06-08 JP JP62142633A patent/JP2537874B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63305774A (ja) | 1988-12-13 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |