JP2558661B2 - 超音波モ−タ - Google Patents
超音波モ−タInfo
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- JP2558661B2 JP2558661B2 JP61289251A JP28925186A JP2558661B2 JP 2558661 B2 JP2558661 B2 JP 2558661B2 JP 61289251 A JP61289251 A JP 61289251A JP 28925186 A JP28925186 A JP 28925186A JP 2558661 B2 JP2558661 B2 JP 2558661B2
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- Japan
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- electrode group
- ultrasonic motor
- driving 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 近年電圧セラミック等の圧電体を用いた駆動体に弾性
振動を励起し、これを駆動力とした超音波モータが注目
されている。
振動を励起し、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３図は円環型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
に貼合されて移動体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と加圧接触している。圧電セ
ラミック２に電界を印加すると駆動体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。
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
に貼合されて移動体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と加圧接触している。圧電セ
ラミック２に電界を印加すると駆動体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４図は第３図の円環型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てある。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。従って、Ａの電極群とＢの電
極群とは位置的に４分の１波長（＝90度）の位相ずれが
ある。電極群Ａ、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。圧電セラミック２の弾性
体１との接着面は第４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４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。
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てある。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。従って、Ａの電極群とＢの電
極群とは位置的に４分の１波長（＝90度）の位相ずれが
ある。電極群Ａ、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。圧電セラミック２の弾性
体１との接着面は第４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４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。上記圧電セラミック２の電極群
Ａに Ｖ＝V1×sin（ωｔ） ………（１） で表される電圧を印加すると（ただしV1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
曲げ振動する。
動作を以下に説明する。上記圧電セラミック２の電極群
Ａに Ｖ＝V1×sin（ωｔ） ………（１） で表される電圧を印加すると（ただしV1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
曲げ振動する。
第５図は第３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（ａ）は圧電セラミック２に
電圧を印加していない時、同図（ｂ）は圧電セラミック
２に電圧を印加した時の様子を示す。
た時の斜視図であり、同図（ａ）は圧電セラミック２に
電圧を印加していない時、同図（ｂ）は圧電セラミック
２に電圧を印加した時の様子を示す。
第６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。上記圧電セラミック２の電極群ＡにV1
×sin（ωｔ）、他の電極群ＢにV1×cos（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とすれば ξ＝ξ１×cos（ωｔ−kx） ………（２） ただしξ１：波の大きさの瞬時値 k:波数（２π／λ） λ：波長 x:位置 だ表せる。（２）式は ξ＝ξ１×（cos（ωｔ）×cos（kx）＋sin（ωｔ）×s
in（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sin（ωｔ）、および位置的に
π/2だけ位相のずれたcos（kx）とsin（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、圧電セラミック２は互いに位置的にπ/2（＝λ/
4）だけ位相のずれた電極群Ａ、Ｂを持っているので、
駆動体３の共振周波数に近傍の周波数出力を待つ発振器
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、上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。
いたものである。上記圧電セラミック２の電極群ＡにV1
×sin（ωｔ）、他の電極群ＢにV1×cos（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とすれば ξ＝ξ１×cos（ωｔ−kx） ………（２） ただしξ１：波の大きさの瞬時値 k:波数（２π／λ） λ：波長 x:位置 だ表せる。（２）式は ξ＝ξ１×（cos（ωｔ）×cos（kx）＋sin（ωｔ）×s
in（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sin（ωｔ）、および位置的に
π/2だけ位相のずれたcos（kx）とsin（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、圧電セラミック２は互いに位置的にπ/2（＝λ/
4）だけ位相のずれた電極群Ａ、Ｂを持っているので、
駆動体３の共振周波数に近傍の周波数出力を待つ発振器
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、上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。
また、第６図は進行波の励起によって、駆動体の表面
の質点Ａが長軸2w、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ｖ＝ω×
ｕ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ｖよりも小さくなる。
の質点Ａが長軸2w、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ｖ＝ω×
ｕ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ｖよりも小さくなる。
発明が解決しようとする問題点 しかるに、効率の良い超音波モータを得るためには定
在波成分の小さい弾性進行波を励起する必要がある。従
って、（３）式よりその振幅が等しく位相が互いにπ/2
ずれた２つの弾性波を励起しなければねらない。
在波成分の小さい弾性進行波を励起する必要がある。従
って、（３）式よりその振幅が等しく位相が互いにπ/2
ずれた２つの弾性波を励起しなければねらない。
しかし、従来はそのようなことに着目した超音波モー
タはなかった。そのために、励起すべき上記進行波に加
えて、不要な定在波が励起し、前記定在波によって効率
良く前記進行波を励起できないという欠点があった。
タはなかった。そのために、励起すべき上記進行波に加
えて、不要な定在波が励起し、前記定在波によって効率
良く前記進行波を励起できない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、上記振動
モードによって誘起される２つの電極群の電荷量を等し
くすることで効率の良い駆動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。
モードによって誘起される２つの電極群の電荷量を等し
くすることで効率の良い駆動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。
問題点を解決するための手段 駆動体として円板を使用し、前記駆動体に励起する進
行波を、円周方向に３次以上、径方向に２次の曲げ振動
の合成により形成するるよう構成し、前記進行波を励起
するための圧電体に対して、前記曲げ振動の節円内に存
在する境界円の内側及び外側に、少なくともそれぞれ１
つの電極群を付与し、前記境界円の半径を、上記曲げ振
動によって誘起される電荷量が前記内側の電極群及び前
記外側の電極群において等しくなる円の半径を中心とし
て、±10％の範囲に設定し、前記内側の電極群と前記外
側の電極群によって励起される弾性波の位相が円周方向
にπ/2だけ異なるように設定する。
行波を、円周方向に３次以上、径方向に２次の曲げ振動
の合成により形成するるよう構成し、前記進行波を励起
するための圧電体に対して、前記曲げ振動の節円内に存
在する境界円の内側及び外側に、少なくともそれぞれ１
つの電極群を付与し、前記境界円の半径を、上記曲げ振
動によって誘起される電荷量が前記内側の電極群及び前
記外側の電極群において等しくなる円の半径を中心とし
て、±10％の範囲に設定し、前記内側の電極群と前記外
側の電極群によって励起される弾性波の位相が円周方向
にπ/2だけ異なるように設定する。
作用 上記圧電セラミックの電極構造により、上記曲げ振動
によって誘起される内外電極群の電荷量が等しいか、或
はほぼ等しいため、同電圧で駆動すれば、振幅が等し
く、位相が互いにπ/2だけ異なる２つの弾性波が励起さ
れ、不要な定在波を励起することなく進行波が励起され
る。
によって誘起される内外電極群の電荷量が等しいか、或
はほぼ等しいため、同電圧で駆動すれば、振幅が等し
く、位相が互いにπ/2だけ異なる２つの弾性波が励起さ
れ、不要な定在波を励起することなく進行波が励起され
る。
実施例 以下、図面に従って本発明の一実施例について説明す
る。
る。
第１図は本発明の一実施例である。同図（ａ）は上記
超音波モータの圧電駆動体の断面図、同図（ｂ）は円周
方向４次、径方向２次の曲げ振動モードの半径方向ｒに
対する変位分布図、同図（ｃ）は前記曲げ振動を実現す
る圧電セラミック上の電極構造を示す平面図である。
超音波モータの圧電駆動体の断面図、同図（ｂ）は円周
方向４次、径方向２次の曲げ振動モードの半径方向ｒに
対する変位分布図、同図（ｃ）は前記曲げ振動を実現す
る圧電セラミック上の電極構造を示す平面図である。
同図（ｃ）において、電極群Ａ、Ｂは、円周方向４
次、径方向２次の曲げ振動によって誘起される電荷量が
等しく、同心円状に、かつ互いに円周方向にπ/2だけ位
相をずらして構成されている。また、上記両電極群を構
成する小電極は、駆動時に励起される進行波の1/2波長
に相当する円周方向の長さを持っており、隣り合う小電
極は互いに、厚み方向に対して逆方向に分極されてい
る。尚、表示されている面の裏はベタ電極である。
次、径方向２次の曲げ振動によって誘起される電荷量が
等しく、同心円状に、かつ互いに円周方向にπ/2だけ位
相をずらして構成されている。また、上記両電極群を構
成する小電極は、駆動時に励起される進行波の1/2波長
に相当する円周方向の長さを持っており、隣り合う小電
極は互いに、厚み方向に対して逆方向に分極されてい
る。尚、表示されている面の裏はベタ電極である。
駆動時には、内側の電極群Ａ、外側の電極群Ｂをそれ
ぞれ短絡して、裏面のベタ電極との間に、一方にはsin
波、他方にはcos波の同振幅値の電圧を印加すると、径
方向には同図（ｂ）に示した変位で、円周方向には
（３）式で表される進行波が励起される。
ぞれ短絡して、裏面のベタ電極との間に、一方にはsin
波、他方にはcos波の同振幅値の電圧を印加すると、径
方向には同図（ｂ）に示した変位で、円周方向には
（３）式で表される進行波が励起される。
第２図は、両電極群Ａ、Ｂの境界円と、円周方向３次
以上、径方向２次の曲げ振動によって誘起される上記電
極群の電荷量が等しい円との、ずれによる超音波モータ
のトルクと回転数の関係を示した図である。同図に示し
たように、両電極群Ａ、Ｂの境界円と、上記曲げ振動に
よって誘起される上記電極群の電荷量が等しい円とのず
れの、円板の外径に対する割合Δの絶対値が大きくなる
につれて、トルク−回転数の特性が低下している。Δの
値が±10％を超えると、上記特性の低下の割合が大きく
なり、効率の良い駆動ができなくなる。
以上、径方向２次の曲げ振動によって誘起される上記電
極群の電荷量が等しい円との、ずれによる超音波モータ
のトルクと回転数の関係を示した図である。同図に示し
たように、両電極群Ａ、Ｂの境界円と、上記曲げ振動に
よって誘起される上記電極群の電荷量が等しい円とのず
れの、円板の外径に対する割合Δの絶対値が大きくなる
につれて、トルク−回転数の特性が低下している。Δの
値が±10％を超えると、上記特性の低下の割合が大きく
なり、効率の良い駆動ができなくなる。
以上のことから、Δの値が±10％以下である電極構造
を持った圧電セラミックにより圧電駆動体を構成し、同
電圧をそれぞれの電極群に印加すれば理想的な進行波が
励起されるので、簡単な駆動方法により効率の良い駆動
をする超音波モータを得ることができる。
を持った圧電セラミックにより圧電駆動体を構成し、同
電圧をそれぞれの電極群に印加すれば理想的な進行波が
励起されるので、簡単な駆動方法により効率の良い駆動
をする超音波モータを得ることができる。
尚、第１表に、円板の内径の外径に対する割合が20％
で、径方向２次、円周方向３次から８次までの曲げ振動
によって誘起される両電極群の電荷量が等しい円の半径
の、前記円板の外径に対する割合を示す。
で、径方向２次、円周方向３次から８次までの曲げ振動
によって誘起される両電極群の電荷量が等しい円の半径
の、前記円板の外径に対する割合を示す。
発明の効果 本発明によれば、同電圧をそれぞれの電極群に印加す
れば理想的な進行波が励起されるので、簡単な駆動方法
により駆動効率の良い超音波モータを実現することがで
きる。
れば理想的な進行波が励起されるので、簡単な駆動方法
により駆動効率の良い超音波モータを実現することがで
きる。
第１図（ａ）は本発明の一実施例における超音波モータ
の圧電駆動体の断面図、同図（ｂ）はその変位分布図、
同図（ｃ）は同実施例の圧電セラミックの電極構造を示
す平面図、第２図は、圧電セラミックに付与する電極群
の配置変えた場合のトルク−回転数の特性を示すグラ
フ、第３図は超音波モータの構成例を示す一部切り欠き
斜視図、第４図は従来の円板型の超音波モータの電極構
造を示す平面図、第５図は超音波モータの圧電駆動体の
斜視図で、同図（ａ）は圧電セラミックに電圧を印加し
ていない場合、同図（ｂ）は印加している場合を示し、
第６図は超音波モータの駆動原理を示す要部の拡大斜視
図である。 １……弾性体、２……圧電セラミック、３……圧電駆動
体、４……スライダ、５……弾性体、６……移動体。
の圧電駆動体の断面図、同図（ｂ）はその変位分布図、
同図（ｃ）は同実施例の圧電セラミックの電極構造を示
す平面図、第２図は、圧電セラミックに付与する電極群
の配置変えた場合のトルク−回転数の特性を示すグラ
フ、第３図は超音波モータの構成例を示す一部切り欠き
斜視図、第４図は従来の円板型の超音波モータの電極構
造を示す平面図、第５図は超音波モータの圧電駆動体の
斜視図で、同図（ａ）は圧電セラミックに電圧を印加し
ていない場合、同図（ｂ）は印加している場合を示し、
第６図は超音波モータの駆動原理を示す要部の拡大斜視
図である。 １……弾性体、２……圧電セラミック、３……圧電駆動
体、４……スライダ、５……弾性体、６……移動体。
Claims (1)
- 【請求項１】弾性体と圧電体とから成る駆動体に交流電
圧を印加することにより弾性進行波を励振し、前記駆動
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、前記駆動体として円板を使用し、前記駆動
体に励起する進行波を、円周方向に３次以上、径方向に
２次の曲げ振動の合成により形成するよう構成し、前記
進行波を励起する圧電体に対して、前記曲げ振動の節円
内に存在する境界円の内側及び外側に、少なくともそれ
ぞれ１つの電極群を付与し、前記節円内の半径を、前記
曲げ振動によって誘起される電荷量が前記内側の電極群
及び前記外側の電極群において等しくなる円の半径を中
心として、±10％の範囲に設定し、前記内側の電極群と
前記外側の電極群によって励振される弾性波の位相が円
周方向にπ/2だけ異なるように設定したことを特徴とす
る超音波モータ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61289251A JP2558661B2 (ja) | 1986-12-04 | 1986-12-04 | 超音波モ−タ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61289251A JP2558661B2 (ja) | 1986-12-04 | 1986-12-04 | 超音波モ−タ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63144772A JPS63144772A (ja) | 1988-06-16 |
| JP2558661B2 true JP2558661B2 (ja) | 1996-11-27 |
Family
ID=17740732
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61289251A Expired - Fee Related JP2558661B2 (ja) | 1986-12-04 | 1986-12-04 | 超音波モ−タ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2558661B2 (ja) |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS60190178A (ja) * | 1984-03-08 | 1985-09-27 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 圧電モ−タ |
-
1986
- 1986-12-04 JP JP61289251A patent/JP2558661B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63144772A (ja) | 1988-06-16 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |