JP2605355B2 - 超音波モータの駆動方法および超音波モータ用振動子 - Google Patents
超音波モータの駆動方法および超音波モータ用振動子Info
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- JP2605355B2 JP2605355B2 JP63147259A JP14725988A JP2605355B2 JP 2605355 B2 JP2605355 B2 JP 2605355B2 JP 63147259 A JP63147259 A JP 63147259A JP 14725988 A JP14725988 A JP 14725988A JP 2605355 B2 JP2605355 B2 JP 2605355B2
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- elastic plate
- vibration
- ultrasonic motor
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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、超音波振動エネルギーを利用したモータに
関するものである。
関するものである。
（従来の技術） 超音波モータとして、従来弾性板の片面に圧電セラミ
ック板を接着し、長さ方向縦振動と幅方向屈曲振動の二
つの共振周波数を一致もしくは接近させ、その近傍の周
波数の電界を圧電体に印加することにより前記二つの振
動を縮退状態で励振する振動子（以後縦−屈曲多重モー
ド振動子と呼ぶ）を利用する定在波超音波モータが提案
されている。以下図面を参照しながら説明する。
ック板を接着し、長さ方向縦振動と幅方向屈曲振動の二
つの共振周波数を一致もしくは接近させ、その近傍の周
波数の電界を圧電体に印加することにより前記二つの振
動を縮退状態で励振する振動子（以後縦−屈曲多重モー
ド振動子と呼ぶ）を利用する定在波超音波モータが提案
されている。以下図面を参照しながら説明する。
まずた縦−屈曲多重モード振動子の一例を第６図に示
す。これは長さ方向の一次の縦振動と幅方向に一次の屈
曲振動を縮退状態で励振する振動子である。第６図
（ａ）は正面図、第６図（ｃ）は側面図である。厚さ方
向に一様に分極した圧電セラミック板62の上下両面に金
属電極膜63を設け、それを弾性板61の底面に張り合わせ
ている。このとき弾性板61と圧電セラミック板62は、長
さ方向の一次の縦振動モードと幅方向の１次の屈曲振動
モードの共振周波数が一致するような寸法となってい
る。このような振動子の金属電極間に２つの振動モード
の共振周波数と等しい交流電圧を印加する事により、第
６図（ｂ），（ｄ）で表される振幅変位分布を持つ定在
波が励振される。ここで第６図（ｂ）における64は長さ
方向の１次の縦振動の変位分布、第６図（ｄ）における
65は幅方向の一次の屈曲振動の変位分布を示す。このよ
うに縦−屈曲多重モード振動子は２種類の異なる振動モ
ードを縮退させて使用していた。
す。これは長さ方向の一次の縦振動と幅方向に一次の屈
曲振動を縮退状態で励振する振動子である。第６図
（ａ）は正面図、第６図（ｃ）は側面図である。厚さ方
向に一様に分極した圧電セラミック板62の上下両面に金
属電極膜63を設け、それを弾性板61の底面に張り合わせ
ている。このとき弾性板61と圧電セラミック板62は、長
さ方向の一次の縦振動モードと幅方向の１次の屈曲振動
モードの共振周波数が一致するような寸法となってい
る。このような振動子の金属電極間に２つの振動モード
の共振周波数と等しい交流電圧を印加する事により、第
６図（ｂ），（ｄ）で表される振幅変位分布を持つ定在
波が励振される。ここで第６図（ｂ）における64は長さ
方向の１次の縦振動の変位分布、第６図（ｄ）における
65は幅方向の一次の屈曲振動の変位分布を示す。このよ
うに縦−屈曲多重モード振動子は２種類の異なる振動モ
ードを縮退させて使用していた。
（発明が解決しようとする問題点） 上記振動子を利用した定在波型超音波モータは、従来
の進行波を利用した超音波モータと比較して、速度・駆
動力が共に大きく、駆動方法、弾性板の形状に工夫を凝
らすことにより、更に高速度・高駆動力化が可能であ
る。
の進行波を利用した超音波モータと比較して、速度・駆
動力が共に大きく、駆動方法、弾性板の形状に工夫を凝
らすことにより、更に高速度・高駆動力化が可能であ
る。
また、長さ方向縦振動と幅方向屈曲振動という複数の
モード共振周波数を一致させる必要があるために、振動
子を設計する際に自由度が小さく、実際に使用する共振
モードである長さ方向縦振動モード付近に複数の高次の
長さ方向屈曲振動によるスプリアス振動が発生し、これ
らのスプリアス振動を抑える事は極めて難しかった。そ
のため自励式で駆動することが困難であるという欠点が
あった。
モード共振周波数を一致させる必要があるために、振動
子を設計する際に自由度が小さく、実際に使用する共振
モードである長さ方向縦振動モード付近に複数の高次の
長さ方向屈曲振動によるスプリアス振動が発生し、これ
らのスプリアス振動を抑える事は極めて難しかった。そ
のため自励式で駆動することが困難であるという欠点が
あった。
（問題点を解決するための手段） 本発明は、主面上に圧電体を設置した弾性板の片方の
端部を固定し、他方の端部の主面上に弾性板の厚さ方向
に変位する圧電アクチュエータを設置したことを特徴と
する超音波モータ用振動子とこの振動子を用いた超音波
モータの駆動方法である。
端部を固定し、他方の端部の主面上に弾性板の厚さ方向
に変位する圧電アクチュエータを設置したことを特徴と
する超音波モータ用振動子とこの振動子を用いた超音波
モータの駆動方法である。
（作用） 第１図（ａ）は本発明における振動子の基本構成例の
側面図である。以下、図面を参照しながら説明する。
側面図である。以下、図面を参照しながら説明する。
弾性板11の主面上の長手方向の中央部および片側の端
部にそれぞれ圧電体12,13が設けられており、他方の端
部14は固定されている。このような振動子において、弾
性体11の長手方向縦振動１次モードの共振周波数と等し
い交流電界を圧電体12に印加すると、弾性板11にはｘ軸
方向の振幅が大きい振動15が発生する。ｘ軸方向の変位
の分布を第１図（ｂ）に示す。第１（ｂ）の変位分布18
から分かるように、弾性体の自由端付近が最も振動振幅
となる。また自由端に設置した圧電体13に交流電界を印
加すると、圧電体の上部は第１図（ａ）16に示すように
ｚ軸方向に振動する。その結果振動15と振動16を合成し
た楕円運動17を得ることができる。
部にそれぞれ圧電体12,13が設けられており、他方の端
部14は固定されている。このような振動子において、弾
性体11の長手方向縦振動１次モードの共振周波数と等し
い交流電界を圧電体12に印加すると、弾性板11にはｘ軸
方向の振幅が大きい振動15が発生する。ｘ軸方向の変位
の分布を第１図（ｂ）に示す。第１（ｂ）の変位分布18
から分かるように、弾性体の自由端付近が最も振動振幅
となる。また自由端に設置した圧電体13に交流電界を印
加すると、圧電体の上部は第１図（ａ）16に示すように
ｚ軸方向に振動する。その結果振動15と振動16を合成し
た楕円運動17を得ることができる。
従来の縦−屈曲多重モード振動子では２種類の振動モ
ードの共振周波数を一致させる必要があり、これらの共
振周波数は振動子の形状に大きく依存する。従って二つ
の異なる振動モードの共振周波数を一致させるために
は、振動子に対して厳密な寸法が要求されるのみなら
ず、振動子を構成する材料の材料定数に関しても厳しい
要求がある。従って、実際に上記縦−屈曲多重モード振
動子を製造する場合は、二つの振動モードの周波数調整
が必要不可欠であった。これに対して本発明の方法によ
れば、共振状態の振動モードは一種類だけであるため
に、寸法の自由度が大きくなる。またスプリアス振動が
本質的に少ないために、使用共振モードにおいて自励発
振が容易になる。
ードの共振周波数を一致させる必要があり、これらの共
振周波数は振動子の形状に大きく依存する。従って二つ
の異なる振動モードの共振周波数を一致させるために
は、振動子に対して厳密な寸法が要求されるのみなら
ず、振動子を構成する材料の材料定数に関しても厳しい
要求がある。従って、実際に上記縦−屈曲多重モード振
動子を製造する場合は、二つの振動モードの周波数調整
が必要不可欠であった。これに対して本発明の方法によ
れば、共振状態の振動モードは一種類だけであるため
に、寸法の自由度が大きくなる。またスプリアス振動が
本質的に少ないために、使用共振モードにおいて自励発
振が容易になる。
（実施例） 以下、本発明の実施例について図を参照しながら説明
する。
する。
第２図は本発明の超音波モータの実施例の一つを示す
図である。第２図中、21はステンレス鋼製弾性板、22は
圧電セラミック板、23は銀の焼付け電極、24は圧電アク
チュエータで、弾性板21はボルト27によってステンレス
鋼製治具25および26に固定されている。振動子の寸法
は、弾性板21が長さ80mm、幅15mm、厚さ3mmで、この内
長さ30mmの部分が治具25,26に固定されている。また圧
電セラミック板22は長さ25mm、幅15mm、厚さ1mmで圧電
アクチュエータ23は10mm立方である。本振動子において
長手方向縦振動１次モードの共振周波数は24kHzとな
る。
図である。第２図中、21はステンレス鋼製弾性板、22は
圧電セラミック板、23は銀の焼付け電極、24は圧電アク
チュエータで、弾性板21はボルト27によってステンレス
鋼製治具25および26に固定されている。振動子の寸法
は、弾性板21が長さ80mm、幅15mm、厚さ3mmで、この内
長さ30mmの部分が治具25,26に固定されている。また圧
電セラミック板22は長さ25mm、幅15mm、厚さ1mmで圧電
アクチュエータ23は10mm立方である。本振動子において
長手方向縦振動１次モードの共振周波数は24kHzとな
る。
焼付け電極圧電セラミック板22に24kHzの交流電界を
印加し、圧電アクチュエータ24には位相が90゜進んだ交
流電界を印加し、さらに、圧電アクチュエータ24上部に
ステンレス鋼製ローラ28を1kgfで圧接したところ、ロー
ラ28は矢印29の方向に回転した。縦−屈曲多重モード振
動子を用いた超音波モータに比べて、圧電セラミックの
体積が等しい場合、約1.5倍の最高速度および約２倍の
起動駆動力が得られた。
印加し、圧電アクチュエータ24には位相が90゜進んだ交
流電界を印加し、さらに、圧電アクチュエータ24上部に
ステンレス鋼製ローラ28を1kgfで圧接したところ、ロー
ラ28は矢印29の方向に回転した。縦−屈曲多重モード振
動子を用いた超音波モータに比べて、圧電セラミックの
体積が等しい場合、約1.5倍の最高速度および約２倍の
起動駆動力が得られた。
第３図は第２図の振動子の弾性板21の上面にも圧電セ
ラミック板31を設置したものである。これにより、弾性
板21の上下面の対称性が高くなり20〜30kHzの範囲内の
屈曲振動のスプリアスを約15dB低減することができた。
ラミック板31を設置したものである。これにより、弾性
板21の上下面の対称性が高くなり20〜30kHzの範囲内の
屈曲振動のスプリアスを約15dB低減することができた。
第４図は、第２図の振動子の弾性板21を圧電アクチュ
エータ24の下方の位置で支えたものである。支持部はス
テンレス鋼性突起41、テフロン製シート42からなる。こ
こでステンレス鋼製弾性板21とテフロン製シートとは摺
動性が高いため弾性板21を上方から強く押し付けても長
手方向の運動に与える影響は小さい。従って第４図の振
動子は第２図の振動子に比べてローラ28をアクチュエー
タ24に強く押し当てることが可能となる。第４図におい
てローラを10kgfの力で圧接したとき、第２図に比べて
最高速度は変化しないが、起動トルクが約1.5倍に増加
した。
エータ24の下方の位置で支えたものである。支持部はス
テンレス鋼性突起41、テフロン製シート42からなる。こ
こでステンレス鋼製弾性板21とテフロン製シートとは摺
動性が高いため弾性板21を上方から強く押し付けても長
手方向の運動に与える影響は小さい。従って第４図の振
動子は第２図の振動子に比べてローラ28をアクチュエー
タ24に強く押し当てることが可能となる。第４図におい
てローラを10kgfの力で圧接したとき、第２図に比べて
最高速度は変化しないが、起動トルクが約1.5倍に増加
した。
第５図はシートフィーダとしての実施例の一つを示す
図で、第２図のローラ28上部にゴム製ローラ51を配置
し、二つのローラ28・53の間に紙53を挿入したものであ
る。ゴム製ローラ51は紙53・ステンレス鋼製ローラ28に
対して3kgfの力で、またステンレス鋼製ローラ28はアク
チュエータ24に対して10kgfの力で圧接した。この結
果、縦−屈曲多重モードを利用したシートフィーダと比
較して、約1.3倍の最高速度・約2.8倍の起動駆動力が得
られた。
図で、第２図のローラ28上部にゴム製ローラ51を配置
し、二つのローラ28・53の間に紙53を挿入したものであ
る。ゴム製ローラ51は紙53・ステンレス鋼製ローラ28に
対して3kgfの力で、またステンレス鋼製ローラ28はアク
チュエータ24に対して10kgfの力で圧接した。この結
果、縦−屈曲多重モードを利用したシートフィーダと比
較して、約1.3倍の最高速度・約2.8倍の起動駆動力が得
られた。
（発明の効果） 以上述べたように、本発明によれば超音波エネルギー
を利用した薄型高駆動力のモータが実現でき、例えばOA
機器等の超薄型化が図れるといった長所を有し、工業的
価値が多大である。
を利用した薄型高駆動力のモータが実現でき、例えばOA
機器等の超薄型化が図れるといった長所を有し、工業的
価値が多大である。
第１図（ａ）は本発明の振動子の基本構成図、第１図
（ｂ）は変位分布図、第２図、第３図、第４図、第５図
は実施例構成図、第６図（ａ），（ｃ）は従来型振動子
の基本構成図、第６図（ｂ），（ｄ）は変位分布図であ
る。 図において、11,21,61は弾性板、12,13は圧電体、14は
固定面、15,16,17は振動方向、18,64,65は変位分布、2
2,31,62は圧電セラミック板、24は圧電アクチュエー
タ、23,32,63は銀の焼付け電極、25,26は支持治具、27
はボルト、28,51はローラ、29,52はローラの回転方向、
41は支持台突起部、42は摺動性シート、53は薄い紙、54
は紙の進行方向。
（ｂ）は変位分布図、第２図、第３図、第４図、第５図
は実施例構成図、第６図（ａ），（ｃ）は従来型振動子
の基本構成図、第６図（ｂ），（ｄ）は変位分布図であ
る。 図において、11,21,61は弾性板、12,13は圧電体、14は
固定面、15,16,17は振動方向、18,64,65は変位分布、2
2,31,62は圧電セラミック板、24は圧電アクチュエー
タ、23,32,63は銀の焼付け電極、25,26は支持治具、27
はボルト、28,51はローラ、29,52はローラの回転方向、
41は支持台突起部、42は摺動性シート、53は薄い紙、54
は紙の進行方向。
フロントページの続き (72)発明者 高橋 貞行 東京都港区芝５丁目33番１号 日本電気 株式会社内 (72)発明者 内川 忠保 東京都港区芝５丁目33番１号 日本電気 株式会社内
Claims (2)
- 【請求項１】片方の端部を固定し他方の端部を自由にし
た弾性板の長手方向縦振動一次モードの共振振動と、弾
性板の主面上の他方の端部領域に設置したアクチュエー
タによる弾性板の厚さ方向に変位する非共振状態の振動
を使用し、アクチュエータに接したローラを回転させる
ことを特徴とする超音波モータの駆動方法。 - 【請求項２】主面上に圧電体を設置した弾性板の片方の
端部を固定し、他方の端部近傍に弾性板の厚さ方向に変
位するアクチュエータを設置したことを特徴とする超音
波モータ用振動子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63147259A JP2605355B2 (ja) | 1988-06-14 | 1988-06-14 | 超音波モータの駆動方法および超音波モータ用振動子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63147259A JP2605355B2 (ja) | 1988-06-14 | 1988-06-14 | 超音波モータの駆動方法および超音波モータ用振動子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01315279A JPH01315279A (ja) | 1989-12-20 |
| JP2605355B2 true JP2605355B2 (ja) | 1997-04-30 |
Family
ID=15426186
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63147259A Expired - Lifetime JP2605355B2 (ja) | 1988-06-14 | 1988-06-14 | 超音波モータの駆動方法および超音波モータ用振動子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2605355B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3118251B2 (ja) * | 1990-11-21 | 2000-12-18 | ニスカ株式会社 | 超音波駆動装置及びその方法 |
| US20020074897A1 (en) * | 2000-12-15 | 2002-06-20 | Qing Ma | Micro-electromechanical structure resonator frequency adjustment using radient energy trimming and laser/focused ion beam assisted deposition |
| EP2312740B1 (en) * | 2008-07-14 | 2014-06-04 | Murata Manufacturing Co. Ltd. | Piezoelectric power generation device |
-
1988
- 1988-06-14 JP JP63147259A patent/JP2605355B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01315279A (ja) | 1989-12-20 |
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