JP2558830B2 - 超音波モータ - Google Patents

超音波モータ

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JP2558830B2
JP2558830B2 JP63220936A JP22093688A JP2558830B2 JP 2558830 B2 JP2558830 B2 JP 2558830B2 JP 63220936 A JP63220936 A JP 63220936A JP 22093688 A JP22093688 A JP 22093688A JP 2558830 B2 JP2558830 B2 JP 2558830B2
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修 川崎
孝弘 西倉
克 武田
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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
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8図は、円環形超音波モータの切り欠き斜視図であ
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
交流電界を印加して、振動体3に、径方向1次・周方向
3次以上の撓み振動の進行波を励振する。進行波の波頭
の横方向成分により、移動体6は駆動され回転運動をす
る。
第9図は、円板形超音波モータの切り欠き斜視図であ
り、円板形の弾性体7の円板面の一方円板形圧電体8を
貼合せて振動体9を構成している。10は摩擦材、11は弾
性体であり、互いに貼合せられて移動体12を構成してい
る。移動体12は摩擦材10を介して振動体9と接触してい
る。圧電体8に交流電界を印加して、振動体9に、径方
向2次・周方向3次以上の撓み振動の進行波を励振す
る。進行波の波頭の横方向成分により、移動体6は駆動
され回転軸13を中心にして回転運動をする。
第10図は、振動体に励振された撓み振動の進行波によ
り、移動体が駆動される原理を示す説明図である。振動
体14の表面の任意のA点は、撓み振動の振動波の励振に
よって、長軸2w、短軸2uの楕円運動をする。振動体14上
に加圧して設置された移動体15は、楕円軌跡の頂点近傍
で接触することにより、摩擦力により波の進行方向とは
逆方向に運動する。従って、移動体15の速度は、上記の
進行波の波頭の横方向成分によって決まり、出力トルク
は振動体と移動体の間の摩擦力によって決まる。
発明が解決しようとする課題 以上、説明した従来の超音波モータは、振動体の重量
が小さく、従って振動エネルギーが小さいので、出力が
小さいという課題があった。また、円環型超音波モータ
の振動体は、進行波のため振動の節部がなく、振動体の
位置固定が困難であるという課題があった。
課題を解決するための手段 上記課題を解決するために、本発明の超音波モータ
は、 (1)弾性体と圧電体とから成る第1の振動体と、弾性
体と圧電体とから成る第2の振動体とを、第1の振動体
の振動の節部と第2の振動体の振動の腹部を介して結合
して複合型振動体を構成し、第1の振動体の振動の節部
に出力取出し用の突起を設け、第1の振動体に撓み振動
の定在波を励振すると同時に、第2の振動体に撓み振動
または縦振動の定在波を励振して、2つの定在波を合成
して突起に楕円運動を起こし、突起と接触して設置され
た移動体を移動させる (2)第1の振動体として、円環形圧電体と円環形弾性
体とから成る円環形振動体を用い、第1の振動体に励振
する振動モードとして、径方向1次で周方向3次以上の
撓み振動モードを用いるか、もしくは第1の振動体とし
て、円板形圧電体と円板形弾性体とから成る円板形振動
体を用い、第1の振動体に励振する振動モードとして、
径方向2次で周方向3次以上の撓み振動モードを用いる (3)第2の振動体として、円環形圧電体と円環形弾性
体とから成る円環形振動体を用い、第2の振動体に励振
する振動モードとして、径方向1次で周方向3次以上の
撓み振動モードを用いるか、もしくは第2の振動体とし
て、円板形圧電体と円板形弾性体とから成る円板形振動
体を用い、第2の振動体に励振する振動モードとして、
径方向2次で周方向3次以上の撓み振動モードを用いる
か、もしくは第2の振動体として、円環または円板形圧
電体と円筒または円柱形弾性体とから成る円筒または円
柱形振動体を用い、第2の振動体に励振する振動モード
として縦振動モードを用いることを特徴とするものであ
る。
作 用 弾性体と圧電体とから成る第1の振動体と、弾性体と
圧電体とから成る第2の振動体とを、第1の振動体の振
動の節部と第2の振動体の振動の腹部を介して結合して
複合型振動体を構成し、第1の振動体の振動の節部に出
力取出し用の突起を設け、第1の振動体である円環形圧
電体と円環形弾性体とから成る円環形振動体に径方向1
次で周方向3次以上の撓み振動モードを励振するか、も
しくは第1の振動体である円板形圧電体と円板形弾性体
とから成る円板形振動体に径方向2次で周方向3次以上
の撓み振動モードを励振することにより、振動の節部に
設置した突起に横方向の運動を起こし、第2の振動体で
ある円環形圧電体と円環形弾性体とから成る円環形振動
体に径方向1次で周方向3次以上の撓み振動モードを励
振するか、もしくは第2の振動体である円板形圧電体と
円板形弾性体とから成る円板形振動体に径方向2次で周
方向3次以上の撓み振動モードを励振するか、もしくは
第2の振動体である円環または円板形圧電体と円筒また
は円柱形弾性体とから成る円筒または円柱形振動体に縦
振動モードを励振することにより縦方向の運動を得て、
この縦方向の運動を振動の腹部から第1の振動体に伝達
することにより、突起に縦方向の運動を起こして、第1
の振動体による横方向の運動と第2の振動体による縦方
向の運動を合成することにより、突起に楕円運動を起こ
して、突起と接触して設置された移動体を移動させる。
実施例 以下、図面に従って本発明の実施例について詳細な説
明を行う。
実施例1 第1図は、本発明の1実施例の超音波モータの外観図
である。第1の振動体として、円環形弾性体16と円環形
圧電体17とから成る円環形振動体18を用い、撓み振動モ
ードとして、径方向1次・周方向4次の撓み振動モード
を用いている。第2図に、円環形振動体18の径方向の変
位分布を示す。第3図に示すように、周方向にはsin分
布の波がのる。19は撓み振動の1波長に1つの割合で振
動の節部に設置された出力取り出し用の突起である。圧
電体17に交流電界を印加すれば、第1の振動体18は、第
3図に示す周方向の撓み振動を起こし、1波長おきの節
部に設置された突起19の先端は、横方向の運動をする。
第2の振動体22は、円筒形の弾性体20と円環形の圧電
体21で構成され、円筒形振動体である第2の振動体22の
上下の円環面が上下方向の変位を持ち、支持板23の位置
が振動の節となる縦振動モードで振動する。そして、図
では明確に示していないが、第2の振動体22に励振した
縦振動を有効に第1の振動体18に伝達できるように、第
1の振動体18に励振した撓み振動の節部と、第2の振動
体22に励振した縦振動の腹部とを介することにより、2
つの振動体18と振動体22を結合する。従って、第1の振
動18の突起19の先端の動きと、第2の振動体22の円環面
の動きとを同期させれば、突起19の先端は楕円軌跡を描
く。突起19の先端に、円環形摩擦材24と円環形弾性体25
とから成る円環形移動体26を加圧接触して設置すれば、
移動体26は回転運動をする。超音波モータの固定は、第
2の振動体22の縦振動の節部に設けた支持板23を介して
行う。
実施例2 第4図は、別の実施例の超音波モータの断面図であ
る。第1の振動体として、円板形弾性体27と円板形圧電
体28とから成る円板形振動体29を用い、撓み振動モード
として、径方向2次・周方向3次の撓み振動モードを用
いている。第5図は、第1の振動体29の撓み振動の径方
向の変位分布図である。また、周方向にはsin分布の波
がのる。第6図に示すように、撓み振動の振幅の最大の
半径と節との交点に、1波長に1つ設置された出力取り
出し用の突起33が計3個設けている。圧電体28に交流電
界を印加すれば、突起33の先端は横方向の運動をする。
第2の振動体32は、第1の実施例と同様に、円筒形の
弾性体30と円環形の圧電体31とで構成され、円筒形振動
体である第2の振動体32の上下の円環面が上下方向の変
位を持ち、支持板34の位置が振動の節となる縦振動モー
ドで振動する。そして、第2の振動体32に励振した縦振
動を有効に第1の振動体29に伝達できるように、第1の
振動体29に励振した撓み振動の節部と、第2の振動体22
に励振した縦振動の腹部とを介することにより、2つの
振動体29と振動体32を結合する。従って、第1の振動体
29の突起33の先端の動きと、第2の振動体32の円環面の
動きとを同期させれば、突起33の先端は楕円軌跡を描
く。突起33の先端に、移動体を加圧接触して設置すれ
ば、移動体は回転運動をする。また、超音波モータの固
定は、第2の振動体32の縦振動の節部に設けた支持板34
を介して行う。
実施例3 第1および第2の振動体として、実施例1と同様に円
環形振動体を用い、撓み振動モードとして径方向1次・
周方向4次の撓み振動モードを用いている。円環形弾性
体35と円環形圧電体36とから成る円環形振動体37を用
い、円環形弾性体39と円環形圧電体40とから成る円環形
振動体41を用いている。撓み振動モードとして、径方向
1次・周方向4次の撓み振動モードを用いている。
第1の振動体の振動の節部に、出力取り出し用の突起
38を設け、第2の振動体の振動の腹近傍に、結合用の突
起42を設けている。2つの振動体の結合は、突起42によ
り第1の振動体の振動の節部を介して行われる。突起38
は横方向の運動を行い、突起42は上下方向の運動を行う
ので、2つの運動を同期させれば、突起38の先端に楕円
軌跡を起こすことができる。従って、突起38の先端に、
加圧接触して移動体を設置すれば、移動体は回転運動を
する。また、超音波モータの位置固定は、第2の振動体
の節部を介して行われる。
発明の効果 以上、説明したように本発明の超音波モータは、位置
固定を振動の節部で行うことにより損失の小さい固定を
実現し、振動体の振動エネルギーを大きくできるので、
出力の大きな超音波モータを提供できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の第1実施例の超音波モータの斜視図、
第2図は同実施例の第1の振動体の径方向の変位分布
図、第3図は同振動体の周方向の変位分布図、第4図は
本発明の第2実施例の超音波モータの断面図、第5図は
同実施例の第1の振動体の径方向の変位分布図、第6図
は同振動体の平面図、第7図は本発明の第3実施例の超
音波モータの斜視図、第8図は従来の円環型超音波モー
タの切り欠き斜視図、第9図は従来の円板型超音波モー
タの切り欠き斜視図、第10図は超音波モータの動作原理
の説明図である。 16……弾性体、17……圧電体、 18……第1の振動体、19……突起 20……弾性体、21……圧電体 22……第2の振動体、23……支持板 24……摩擦材、25……弾性体 26……移動体、27……弾性体 28……圧電体、29……第1の振動体 30……弾性体、31……圧電体 32……第2の振動体、33……突起 34……支持板、35……弾性体 36……圧電体、37……第1の振動体 38……突起、39……弾性体 40……圧電体、41……第2の振動体 42……突起、43…支持具。

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】弾性体と圧電体とから成る第1の振動体
    と、弾性体と圧電体とから成る第2の振動体とを、前記
    第1の振動体の振動の節部と前記第2の振動体の振動の
    腹部を介して結合して複合型振動体を構成し、 前記第1の振動体の振動の節部に出力取出し用の突起を
    設け、 前記第1の振動体に撓み振動の定在波を励振すると同時
    に、前記第2の振動体に撓み振動または縦振動の定在波
    を励振して、前記2つの定在波を合成して前記突起に楕
    円運動を起こし、 前記突起と接触して設置された移動体を移動させること
    を特徴とする超音波モータ。
  2. 【請求項2】第1の振動体として、円環形圧電体と円環
    形弾性体とから成る円環形振動体を用い、前記第1の振
    動体に励振する振動モードとして、径方向1次で周方向
    3次以上の撓み振動モードを用いるか、 もしくは前記第1の振動体として、円板形圧電体と円板
    形弾性体とから成る円板形振動体を用い、前記第1の振
    動体に励振する振動モードとして、径方向2次で周方向
    3次以上の撓み振動モードを用いることを特徴とする請
    求項1に記載の超音波モータ。
  3. 【請求項3】第2の振動体として、円環形圧電体と円環
    形弾性体とから成る円環形振動体を用い、前記第2の振
    動体に励振する振動モードとして、径方向1次で周方向
    3次以上の撓み振動モードを用いるか、 もしくは前記第2の振動体として、円板形圧電体と円板
    形弾性体とから成る円板形振動体を用い、前記第2の振
    動体に励振する振動モードとして、径方向2次で周方向
    3次以上の撓み振動モードを用いるか、 もしくは前記第2の振動体として、円環または円板形圧
    電体と円筒または円柱形弾性体とから成る円筒または円
    柱形振動体を用い、前記第2の振動体に励振する振動モ
    ードとして、縦振動モードを用いることを特徴とする請
    求項1に記載の超音波モータ。
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