JP2646668B2 - 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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- JP2646668B2 JP2646668B2 JP63147260A JP14726088A JP2646668B2 JP 2646668 B2 JP2646668 B2 JP 2646668B2 JP 63147260 A JP63147260 A JP 63147260A JP 14726088 A JP14726088 A JP 14726088A JP 2646668 B2 JP2646668 B2 JP 2646668B2
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- elastic plate
- vibrator
- ultrasonic motor
- vibration
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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。
まず縦−屈曲多重モード振動子の一例を第５図に示
す。これは長さ方向の一次の縦振動と幅方向の一次の屈
曲振動を縮退状態で励振する振動子である。第５図
（ａ）は正面図、第５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52の上下両面に金
属電極膜53を設け、それを弾性板51の底面に張り合わせ
ている。このとき弾性板51と圧電セラミック板52は、長
さ方向の１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
５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５（ｂ）における54は長さ方
向の１次の縦振動の変位分布、第５図（ｄ）における55
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の一次の屈
曲振動を縮退状態で励振する振動子である。第５図
（ａ）は正面図、第５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52の上下両面に金
属電極膜53を設け、それを弾性板51の底面に張り合わせ
ている。このとき弾性板51と圧電セラミック板52は、長
さ方向の１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
５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５（ｂ）における54は長さ方
向の１次の縦振動の変位分布、第５図（ｄ）における55
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
モードの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フ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。
モードの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フ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手段） 本発明は、片方の端部を固定した弾性板と、他方の自
由な端部において横滑り可能な状態で弾性板の主面に接
触する位置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。
由な端部において横滑り可能な状態で弾性板の主面に接
触する位置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の主面に圧電体12が設けられており、端部15
は固定されている。また自由端の下部には他の部材に固
定された圧電体13があり、この圧電体13が弾性板11のｘ
軸方向の動きを拘束しないように圧電体13に摺動性シー
ト14を置きこの摺動性シート14が弾性板11に接触する構
造になっている。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16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図（ｂ）19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。また弾
性板11の自由端の下部にある圧電体13に交流電界を印加
すると、圧電体の上部は第１図（ａ）17に示すようにｚ
軸方向に振動する。この振動17はシート14を通して弾性
板11に伝わる。その結果、弾性板11の自由端において振
動16と振動17を合成した楕円運動18を得ることができ
る。
は固定されている。また自由端の下部には他の部材に固
定された圧電体13があり、この圧電体13が弾性板11のｘ
軸方向の動きを拘束しないように圧電体13に摺動性シー
ト14を置きこの摺動性シート14が弾性板11に接触する構
造になっている。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16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図（ｂ）19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。また弾
性板11の自由端の下部にある圧電体13に交流電界を印加
すると、圧電体の上部は第１図（ａ）17に示すようにｚ
軸方向に振動する。この振動17はシート14を通して弾性
板11に伝わる。その結果、弾性板11の自由端において振
動16と振動17を合成した楕円運動18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、寸法の自由度がはるかに大きくなる。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、寸法の自由度がはるかに大きくなる。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、25はテフロン製シート、弾性板21はボル
ト28によってステンレス鋼製治具26および27に固定され
ている。振動子の寸法は、弾性板21が長さ80mm、幅15m
m、厚さ3mmで、この内長さ30mmの部分が治具26,27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。本振動子において弾性板21の長手方向縦振動１次モ
ードの共振周波数は25kHz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、25はテフロン製シート、弾性板21はボル
ト28によってステンレス鋼製治具26および27に固定され
ている。振動子の寸法は、弾性板21が長さ80mm、幅15m
m、厚さ3mmで、この内長さ30mmの部分が治具26,27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。本振動子において弾性板21の長手方向縦振動１次モ
ードの共振周波数は25kHzとなる。
焼付け電極23から圧電セラミック板22に25kHz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29を10kgfで圧接したとこ
ろ、ローラ29は矢印201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。
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29を10kgfで圧接したとこ
ろ、ローラ29は矢印201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の上下面が対称になるため、20〜30kHzの範囲内の
屈曲振動のスプリアスを約20dB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の上下面が対称になるため、20〜30kHzの範囲内の
屈曲振動のスプリアスを約20dB低減することができた。
第４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29上部にゴム製ローラ41を配置
し、二つのローラ29・41の間に紙43を挿入したものであ
る。ゴム製ローラ41は紙43・ステンレス鋼製ローラ29に
対して3kgfの力で、またステンレス鋼製ローラ29は弾性
板11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29上部にゴム製ローラ41を配置
し、二つのローラ29・41の間に紙43を挿入したものであ
る。ゴム製ローラ41は紙43・ステンレス鋼製ローラ29に
対して3kgfの力で、またステンレス鋼製ローラ29は弾性
板11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図は実施例
構成図、第５図（ａ），（ｃ）は従来型振動子の基本構
成図、第５図（ｂ），（ｄ）は変位分布図である。 図において、11,21,51は弾性板、12,13は圧電体、14,25
は摺動性シート、15は固定面、16,17,18は振動方向、1
9,54,55は変位分布、22,31,52は圧電セラミック板、24
は圧電アクチュエータ、23,32,53は銀の焼付け電極、2
6,27は支持治具、28はボルト、29,41はローラ、201,42
はローラの回転方向、43は薄い紙、44は紙の進行方向。
（ｂ）は変位分布図、第２図、第３図、第４図は実施例
構成図、第５図（ａ），（ｃ）は従来型振動子の基本構
成図、第５図（ｂ），（ｄ）は変位分布図である。 図において、11,21,51は弾性板、12,13は圧電体、14,25
は摺動性シート、15は固定面、16,17,18は振動方向、1
9,54,55は変位分布、22,31,52は圧電セラミック板、24
は圧電アクチュエータ、23,32,53は銀の焼付け電極、2
6,27は支持治具、28はボルト、29,41はローラ、201,42
はローラの回転方向、43は薄い紙、44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、横
滑り可能な状態で弾性板の主面他方の端部領域に接触す
るように配置した圧電体による前記弾性板の厚さ方向に
変位する非共振状態の振動を組み合わせ、弾性板に接し
て配置され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】片方の端部を固定した弾性板と、弾性板の
主面上に配置され弾性板の長手方向に伸縮する圧電体
と、横滑り可能な状態で弾性板の自由端部近傍の主面に
接触する位置に配置された弾性板の厚さ方向に変位する
圧電アクチュエータから構成される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 |
|---|---|---|---|
| JP63147260A JP2646668B2 (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 |
|---|---|---|---|
| JP63147260A JP2646668B2 (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 |
|---|---|
| JPH01315280A JPH01315280A (ja) | 1989-12-20 |
| JP2646668B2 true JP2646668B2 (ja) | 1997-08-27 |
Family
ID=15426208
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63147260A Expired - Lifetime JP2646668B2 (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) | JP2646668B2 (ja) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6362557B1 (en) * | 2000-08-28 | 2002-03-26 | International Business Machines Corporation | Ultrasonic method and actuator for inducing motion of an object |
| JP5296469B2 (ja) * | 2008-03-04 | 2013-09-25 | 太平洋セメント株式会社 | 超音波モータ |
| JP5275734B2 (ja) * | 2008-03-06 | 2013-08-28 | 太平洋セメント株式会社 | 超音波モータ |
| JP5179913B2 (ja) * | 2008-03-25 | 2013-04-10 | 太平洋セメント株式会社 | 超音波モータ装置 |
| JP5346684B2 (ja) * | 2009-05-20 | 2013-11-20 | Ｎｅｃトーキン株式会社 | 圧電発電ユニット |
-
1988
- 1988-06-14 JP JP63147260A patent/JP2646668B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01315280A (ja) | 1989-12-20 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
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|
| EXPY | Cancellation because of completion of term | ||
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