JP2632811B2 - 振動駆動モータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の利用分野］ 本発明は振動エネルギーから回転又は直線駆動のエネ
ルギーを得る装置、いわゆる振動駆動モータに関するも
ので、特に棒状振動体の２方向の曲げ振動を利用した振
動駆動モータに関するものである。

［発明の背景］ 従来の通常のモータは、大多数、電磁力を利用したも
のであり、これらは鉄芯や銅の巻線や永久磁石等により
構成されるため部品点数が多く、モータ寸法も大きくな
り、さらに重量も増すものである。

これらの欠点を除いたモータを得るため、近年超音波
振動を利用した新タイプのモータの研究が盛んである。
例えば特開昭58−148682号公報に見られる如く振動体表
面に縦波と横波とにより合成された進行性の振動波を生
ぜしめ、これに押圧された移動体を回転または直線駆動
する装置がある。この装置は部品点数が少なく、構成も
簡単であるので比較的良好なモータを得ることができ
る。しかしながら、この装置は進行性の振動波を用いる
ので、振動波を途切れることなく進行させるために振動
体に循環部分を構成せざるを得ず、未だモータの小型化
・軽量化には不十分である。さらに、この装置による
と、原理的に縦波振巾と横波振巾との間に常に一定の比
例関係が保たれているため、本来移動体の駆動力となる
縦波振巾と移動体の支持力となる横波振巾を自由にコン
トロールすることができにくく、モータ負荷の変化に対
応する速度や駆動力を制御しにくい。

また特開昭60−62880号公報等にみられる方式の振動
波モータがある。これは、基本的に縦振動の定在波を励
起して駆動力を得るものである。ところで一般に縦振動
（縦波）の波長は、振動数を一定値にした場合、振動体
材料に固有の値を持つものである。振動波モータの振動
数は、騒音を除くため、及び振動振巾等の制約により、
普通、20kHz〜50kHz程度とされるものである。したがっ
て、上記方式の振動波モータでは、振動体の材料に鋼板
の金属材料を仮定すると半波長は60〜150mm程度とな
り、振動体自身は少なくともこのオーダの長さを持つこ
とが必要である。さらに駆動用の構造部品を加えると全
体としてかなりの寸法となり、小型の振動波モータを構
成することは困難となる。その上、この方式の振動波モ
ータを正逆転させるためには別に正逆転装置が必要であ
り、構造的にも複雑になる。

［発明の目的］ 本発明の目的は、上述従来技術の問題点に鑑み、２方
向の曲げ振動波を利用することにより、構造が簡単で小
型・軽量化が可能で、かつ速度制御や駆動力のコントロ
ールが容易な振動駆動モータを提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するため、本出願に係る本発明の振動
駆動モータは、棒状振動体（１）と、該棒状振動体
（１）にこれと直交する二方向に取り付けられた曲げ振
動発生用の第１の電気−機械エネルギー変換素子（4,
4′）および曲げ振動発生用の第２の電気−機械エネル
ギー変換素子（5,5′）と、該第１の電気−機械エネル
ギー変換素子（4,4′）に第１の周波電圧を供給する第
１の供給手段（6,6′）および該第２の電気−機械エネ
ルギー変換素子（5,5′）に該第１の周波電圧とは位相
をずらした第２の周波電圧を供給する第２の供給手段
（7,7′）と、該棒状振動体（１）と接触するように配
置され、回転可能に支持された回転体（８）と、該棒状
振動体（１）を該回転体（８）と接するように第１もし
くは第２の電気−機械エネルギー変換素子の一方の変換
素子の曲げ振動の方法に略一致させた方向（Ａ方向）に
押圧する押圧手段と、を有し、該棒状振動体（１）の表
面質点に該棒状振動体（１）と垂直な平面内での円また
は楕円運動を生じさせることにより、該回転体（８）を
回転させることを特徴とする。

上記目的を達成するため、本出願に係る本発明の振動
駆動モータは、特許請求の範囲第１項において、上記回
転体（８）の回転運動を直線運動に変換する運動変換機
構（８′,10,11）を設けたことを特徴とする。

［発明の実施例］ 以下、図面に従って本発明の実施例を説明する。

第１図は本発明実施例による振動駆動モータの概要構
成を示す斜視図であり、第２図はその断面図である。図
に於て弾性材料製の棒状振動体１がその両端を支持部材
３によって支持枠２に支持されている。支持部材３はピ
アノ線材等で作られ、棒状振動体１の振動を減衰させる
ことなく自由に支持できるものである。棒状振動体１、
支持枠２は本例では金属製である。棒状振動体１の断面
形状は点対称の図形であるようになし、且つ棒状振動体
１は、図示Ｘ方向における曲げ振動およびＹ方向におけ
る曲げ振動の固有振動数が相等しいように作られてい
る。このためには、棒状振動体１は直交二方向（Ｘ方
向、Ｙ方向）における断面二次モーメントのみが互に相
等しいように作製される。本実施例では棒状振動体１は
正方形断面を持ち、稜部が面取りしてあって、Ｘ方向お
よびＹ方向のみの断面二次モーメントが等しくなされて
いる。

棒状振動体１の上面および片側の側面にはそれぞれ圧
電素子4,4′および5,5′が接合されている。これらの圧
電素子4,4′,5,5′の表裏面（棒状振動体１との接合面
を裏面、その反対側を表面とする）には電極が形成され
ている。そのうちの一方の電極は交流電圧印加手段6,
6′,7,7′の一端に接続され、他方の電極は棒状振動体
１、支持部材３、支持枠２を通る導電路を介して接地さ
れており、また交流電圧印加手段6,6′,7,7′の他端も
接地されていて、これにより圧電素子4,4′,5,5′への
交流電圧印加の回路が形成される。これら圧電素子は交
流電圧を印加されるとその位相に応じＸ−Ｙ平面と直角
の方向に伸縮し、伸びた時にはその圧電素子側が凸にな
るような、また縮んだ時にはその圧電素子側が凹になる
ような棒状振動体１の曲げ振動を惹き起す。

圧電素子４と５および４′と５′の中心は棒状振動体
１の長手方向に関して同一位置に設けられており、夫
々、棒状振動体１の固有曲げ振動の腹の位置に設けられ
ている。

棒状振動体１の下部にはローラ８があり、これは支持枠
２に対して軸受９により回転自在に保持されていてロー
ラの端軸８′は出力軸として使用される。さらに棒状振
動体１の上面には不図示の押圧機構があり、矢印Ａの方
向に押圧力を棒状振動体１に与えることができ、これに
よって棒状振動体１の下面がローラ８と圧接されるもの
である。

次に本実施例の作用について説明する。棒状振動体１
の上面に取り付けられた圧電素子４に、電圧印加手段６
により、棒状振動体１のＹ方向の曲げ振動の固有振動数
に一致する周波数f_Yの交流電圧を印加すると、これによ
り、棒状振動体１においてＹ方向の曲げ振動が励起す
る。電圧印加手段６′にも周波数f_Yの交流電圧を印加す
る。但し、圧電素子４への印加電圧V_Yと圧電素子４′へ
の印加電圧V_Y′とでは、第３図に示す如く、位相を180
゜異ならせておく。これにより棒状振動体１にはＹ方向
に変位する定常曲げ振動が実現される。この時の棒状振
動体１の振動挙動を第４図に示す。本図の例は両端自由
の３次の曲げ振動モードを示すもので中央部が振動の節
の１つになっている。

同様にして、電圧印加手段７により、棒状振動体１の
側面に設けられた圧電素子５に棒状振動体１のＸ方向の
曲げ振動の固有振動数に一致する周波数f_Xの交流電圧V_X
を印加し、電圧印加手段７′により圧電素子５′にも第
３図に示す如く位相を180゜ずらして周波数f_Xの交流電
圧V_X′を印加する。これにより棒状振動体１にはＸ方向
に、Ｙ方向の場合と同様な定状曲げ振動が実現する。前
述したように、棒状振動体はＸ方向およびＹ方向の夫々
の曲げ振動の固有振動数は相等しいように作られてお
り、従って印加交流電圧の周波数f_Xとf_Yは相等しい。

ここで、圧電素子４および４′に交流電圧V_Y・V_Y′を
印加すると同時に圧電素子５および５′に交流電圧V_X・
V_X′を印加し、且つその位相差を第３図に示す如く、90
゜に設定すると、棒状振動体１には回転振動が生ずる。
この時、棒状振動体１の表面の質点の挙動は第５図に示
される様に小さな回転運動をすることになる。第５図に
示す如くこの表面質点の回転運動の回転半径は振動の腹
の部分で最大となり、節の部分で零となる。印加する交
流電圧V_Y・V_Y′とV_X・V_X′を同じ大きさにすれば棒状振
動体１の表面質点の回転運動は円運動となり、異なる大
きさにすると楕円運動となる。

そこで、この棒状振動体１の下面にローラ８を押圧す
ると、主として棒状振動体１の振動の腹部に押し付けら
れて、ローラは棒状振動体１の表面質点の円または楕円
運動により摩擦回転駆動力を与えられるものである。

ここで矢印Ａの押圧力を受ける振動はＹ方向の振動で
あり、回転力を得る振動はＸ方向の振動であるため、適
正な押圧力や回転力、回転速度を得る上でＸ、Ｙ方向の
振動振巾の大きさをコントロールする必要がある。本発
明実施例に於ては印加電圧V_X・V_X′およびV_Y・V_Y′の大
きさをそれぞれ独立に変えることができ、振動振巾のコ
ントロールが極めて容易である。

さらに本発明実施例に於ては曲げ振動を用いるため、
前述の従来例の縦振動を用いる方法と異なり、棒状振動
体１の材料定数のみで決まるものではなく棒状振動体１
の断面形状にも依存する。従って小型の振動駆動モータ
を作る場合は、大まかに言って棒状振動体１を相似的に
縮めたものと考えれば良い。原理的に言えば、本発明に
よれば数mm程度の超小型の振動駆動モータをも得ること
も可能である。尚、回転方向の変換は印加交流電圧V_X・
V_X′とV_Y・V_Y′の相対的な位相差を90゜又は−90゜のい
ずれかに切替えることにより極めて簡単に行ない得るも
のである。

上記実施例では棒状振動体１の両端は自由支持とした
が、これに代って、両端を剛支持又はジョイント支持し
た実施例も可能である。

以上の実施例は回転駆動力を出力する実施例であった
が、次に、第６図に直線駆動力を出力する実施例を示
す。図に於て、ローラ８の中央部を切り欠き、ここにロ
ーラ８に固着されたネジ部８′を設け、このネジ部８′
には移動子10を螺合してある。移動子10の下部には案内
バー11が滑らかに嵌合しており、案内バー11の両端は支
持枠２に固定されている。その他の構成は第１図、第２
図の実施例の場合と全く同様である。前述の実施例と同
様にしてローラ８が回転されるとネジ部８′も回転し、
これにより、移動子10が左右に直線運動をし、これが出
力となるものである。

本発明の他の実施例を第７図に示す。本実施例では棒
状振動体１は支持枠２によって支持せずに自由となし、
その振動の節位置を支持部材12で支持し（第８図参
照）、この支持部材にローラ８に向けての加圧力を加え
るようにした。この支持部材12は振動棒１の回り止めに
もなっている。本実施例は振動のロスが少ないので有利
である。

〔発明の効果〕

（１）小型・軽量な振動駆動モーターが得られる。原理
的には数mm程度の超小型のものを得ることもできる。

（２）駆動速度、駆動力のコントロールが容易なモータ
を得ることができる。

（３）モータの正・逆転が容易に行なえる。

（４）回転駆動または直線駆動いずれのモータも容易に
得られる。

（５）押圧手段により押圧する方向を、棒状振動体と回
転体とが接する方向であり且つ二方向の曲げ振動の一方
の曲げ振動の方向と略一致させたことによって、駆動効
率を上げると共に、他方の曲げ振動の振巾の大きさを変
えることにより回転体の回転速度の可変を効率良く行う
ことができる。仮に斜め方向で両者が押圧されたとする
と押圧力が両方の曲げ振動に対して影響してしまい、特
に回転速度の可変を効率良く行うことは難しくなる。

【図面の簡単な説明】 第１図、第２図は夫々本発明の一実施例の斜視図および
断面図、第３図は同実施例の印加交流電圧を示す図、第
４図、第５図は本発明の駆動原理を説明する図、第６図
は直線駆動出力を得る本発明の実施例を示す断面図、第
７図は本発明の他の実施例の斜視図、第８図はその支持
位置を示す図である。 １……棒状振動体 4,4′,5,5′……圧電素子 6,6′,7,7′……電圧印加手段 ８……ローラ、８′……ローラネジ部 10……移動子

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】棒状振動体（１）と、該棒状振動体（１）
   にこれと直交する二方向に取り付けられた曲げ振動発生
   用の第１の電気−機械エネルギー変換素子（4,4′）お
   よび曲げ振動発生用の第２の電気−機械エネルギー変換
   素子（5,5′）と、該第１の電気−機械エネルギー変換
   素子（4,4′）に第１の周波電圧を供給する第１の供給
   手段（6,6′）および該第２の電気−機械エネルギー変
   換素子（5,5′）に該第１の周波電圧とは位相をずらし
   た第２の周波電圧を供給する第２の供給手段（7,7′）
   と、該棒状振動体（１）と接触するように配置され、回
   転可能に支持された回転体（８）と、該棒状振動体
   （１）を該回転体（８）と接するように第１もしくは第
   ２の電気−機械エネルギー変換素子の一方の変換素子の
   曲げ振動の方法に略一致させた方向（Ａ方向）に押圧す
   る押圧手段と、を有し、該棒状振動体（１）の表面質点
   に該棒状振動体（１）と垂直な平面内での円または楕円
   運動を生じさせることにより、該回転体（８）を回転さ
   せることを特徴とする振動駆動モータ。
2. 【請求項２】上記回転体（８）の回転運動を直線運動に
   変換する運動変換機構（８′,10,11）を設けた特許請求
   の範囲第１項記載の振動駆動モータ。