JP2657227B2 - 超音波駆動装置 - Google Patents

超音波駆動装置

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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H02N2/0005Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing non-specific motion; Details common to machines covered by H02N2/02 - H02N2/16
    • H02N2/001Driving devices, e.g. vibrators
    • H02N2/0045Driving devices, e.g. vibrators using longitudinal or radial modes combined with torsion or shear modes
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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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、被駆動体を正逆回転するすることができる
超音波駆動装置に関するものである。
〔従来技術〕
本出願人は、第12図に示すようにセラミック振動子等
の圧電体振動子1を長い金属ブロック2と短い金属ブロ
ック3によって挟持し、これらの金属ブロック2、3を
両端にねじ4a、4bを設けたボルト4で締め付け固定した
超音波駆動装置の固定子5を提案した。
この固定子5の振動子1の入力端子1a、1bに、第13図
に示すように交流電源6を接続して交流電圧を印加する
と、ボルト4のねじ4a、4bがそれぞれ一方向にねじ切ら
れている場合は、金属ブロック2、3の側面にそれぞれ
矢印で示すように一方向に楕円振動が発生し、また端面
では両側面の矢印の反対方向の楕円振動が発生し、さら
に、第14図のようにそれぞれの楕円振動の大きさが矢印
の長さで示すように発生することが分かった。そして、
これらの楕円振動が発生する位置に回転体を接触させる
と、回転体が回転することが分かった。
〔発明が解決しようとする問題点〕
しかしながら、このように構成した超音波駆動装置で
は、回転体を固定子5の楕円振動を発生する部分に接触
させておくだけでは、一方向にしか回転せず、一般の電
気モータのように電流方向を変更して正逆回転させるこ
とはできないという問題があった。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明は、上記問題点を解決するために、ほぼ同じ長
さの2つの円筒金属ブロックと、該円筒金属ブロックの
間に挟持され、かつ一方の面の電極を少なくとも2つに
分割し、他方の面に電極を装着した少なくとも1つの圧
電体振動子と、該圧電体振動子の中心孔に挿通されて前
記2つの金属ブロックのそれぞれに一端がそれぞれねじ
嵌合固定されたボルトと、前記圧電体振動子の一方の面
の前記分割電極の一方と他方の面の電極間に1つの周波
数の交流電圧を印加する交流電源と、前記圧電体振動子
の一方の面の分割電極のそれぞれと少なくとも他方の面
の電極の間に接続した前記交流電源の接続を切り替える
スイッチと、上記金属ブロックの端面に組合わせた回転
体とからなるものである。
又、前記ボルトの一方は前記2つの円筒金属ブロック
の一方の貫通孔に挿通され、前記金属ブロックの端面で
ナットに固定してもよい。さらに、前記2つの円筒金属
ブロックと圧電体振動子の全長が縦振動の共振周波数の
1/2波長に一致して共振し、前記一方の円筒金属ブロッ
クの端部の前記ナットの端面から前記他方の円筒金属ブ
ロックの端面までの全長が捩り共振の1波長と一致した
長さに構成してもよい。又、前記ボルトの両端は前記2
つの円筒金属ブロックのそれぞれの貫通孔に挿通され、
前記2つの円筒金属ブロックの端面でそれぞれにナット
に固定してもよい。
〔作用〕
本発明によれば、ほぼ同じ長さの2つの金属ブロック
の間にセラミック振動子等の圧電体振動子を挟持して、
金属ブロックをボルトでねじ嵌合固定するか、ボルトの
一端をナットで固定するか、さらに、ボルトの両端をナ
ットで固定して一体に構成し、圧電体振動子の一方の面
の電極を少なくとも2つに分割し、分割した電極の一方
と他方の面の電極との間に1つの周波数の電圧を印加す
ると、金属ブロックの端面またはナットに一方向に移動
する進行波が発生し、また、分割した電極の他方と他方
の面の電極との間に1つの周波数の電圧を印加すると、
金属ブロックの端面またはナットに反対方向に移動する
進行波が発生し、この進行波によって上記金属ブロック
の端面またはナットに組み合わせた回転体を正転又は逆
転することができる。
〔実施例〕
第1図は、本発明の原理を説明するための図で、厚み
方向に分極したリング状セラミック振動体等の圧電体振
動子7は上部に2つの分割した分割電極8a、8bが接着さ
れ、また分割電極8a、8bに対向した電極9は分割されて
いない。そして、分割電極8a、8bのいずれかに交流電圧
を印加できるスイッチ10と電極9の間に交流電源11が接
続され、また電極9はアースされている。
このように構成したリング状の圧電体振動子7は、ス
イッチ10を分割電極8aに接続すると、第2図に示すよう
に矢印Aの方向に回転する進行波が発生し、スイッチ10
を分割電極8bに接続すると、矢印Bの方向に回転する進
行波が発生する。これは、リング状圧電体振動子7の片
側だけを駆動することにより、片側だけが径方向及び厚
み方向に振動するため、圧電体振動子のリングが歪み、
それによって側面及び端面に矢印AまたはB方向に向う
進行波が発生するものと思われる。
第3図は、この電極が分割された圧電体振動子を使用
した本発明の実施例の超音波駆動装置の側面図で、金属
ブロック1、12の間に圧電体振動子13、14が挟持され、
またこの圧電体振動子13、14の間及び圧電体振動子14と
金属ブロック12の間に電極15、16が挿入されるが、第4
図に示すように電極15は分割され、分割電極15a、15bに
構成されている。そして、ボルト17の一端の雄ねじ17b
を金属ブロック12の雌ねじに嵌合し、ボルト17は圧電体
振動子15、16及び金属ブロック11を貫通し、ボルト17の
他端の雄ねじ17aはナット18にねじ嵌合することにより
ステータ19を構成する。また、分割電極15a、15bにそれ
ぞれ接続されるスイッチ20が設けられ、このスイッチ20
と電極16の間に交流電源21が設けられ、電極16はアース
されている。
本実施例では、スイッチ20を接点aに接続して、分割
電極15aに交流電圧を印加すると、金属ブロック11、12
の端面、ナット18の端面及び側面、金属ブロック11、12
の端部に近い側面11a、12a及び圧電体振動子13、14の側
面に矢印A方向の強い捩り振動が現われ、またスイッチ
20を接点bに接続して分割電極15bに交流電圧を印加す
ると、上記の部分と同じ部分に矢印Aと反対方向の矢印
B方向に捩り振動が現われることが測定された。また、
金属ブロック11、12の側面のほぼ中央部分11b、bに捩
り振動が生じない不感帯部分があることが測定された。
従って、この捩り振動が発生している部分、例えばナッ
ト18の端面に回転体22を圧着すると、回転体22は捩り振
動の矢印方向A、Bと同じ方向に速く回転することが観
測された。
次に、この原理を第5図により説明する。まず、本実
施の第5図(a)のステータ20では、第5図(b)のよ
うに圧電体振動子13、14の縦振動によって、ステータ19
の金属ブロック11、12及び圧電体振動子13、14の全長が
縦振動の共振周波数の1/2波長と一致して共振する。そ
れに伴って、圧電体振動子13、14の捩り振動が金属ブロ
ック11、12の端面及び側面、ナット18の端面及び側面に
現われれる。さらにナット18の端面から金属ブロック12
の端面までの全長が、第5図(c)に示すように捩り共
振の1波長と一致した長さになっているので、ナット18
及び金属ブロック12の端面にさらに強い捩り振動が現わ
れる。従って、上記のように回転体22を捩り振動の発生
している部分に圧接すると、回転体22は非常に良く回転
する。
第6図は、上記の原理による本発明の他の実施例の超
音波駆動装置の側面図で、ステータ19の金属ブロック1
1、12及び圧電体振動子13、14の全長を縦振動の共振周
波数の1波長に合わせ、ボルト17の雄ねじ17a、17bを金
属ブロック11、12の中央部分11b、12bの不感帯部分にね
じ嵌合し、また圧電体振動子13、14の間に分割電極15
a、15bを設けてステータ20を構成する。そして、分割電
極15a、15bのいずれから交両電圧を印加すると、金属ブ
ロック11、12の端面及び側面11a12a、圧電体振動子13、
14の側面に矢印AまたはB方向の捩り振動が発生する。
従って、この捩り振動の発生する部分、例えば金属ブ
ロック12の端面に回転体22を圧接し、分割電極15aまた
は15bに交流電圧を印加すると、回転体22は矢印Aまた
はB方向に非常に良く回転する。
第7図は、本発明のさらに他の実施例の超音波駆動装
置のステータの側面図で、金属ブロック11、12、圧電体
振動子13、14の全長は縦振動の共振周波数の1波長にほ
ぼ一致させ、金属ブロック11、12、圧電体振動子13、14
にボルト17を貫通させ、ボルトの両端のねじをナット18
a、18bにねじ嵌合して固定し、また圧電体振動子13、14
の間に分割電極15a、15bを設けてステータ22を構成す
る。
このように構成した本実施例においても、金属ブロッ
ク11、12の端面及び側面、圧電体振動子13、14の側面、
ナット18a、18bの端面及び側面において同様に回転体を
正逆転することができる。
第8図は、本発明の他の実施例の超音波駆動装置の構
成図で、11、12は金属ブロック、17はボルト、18はナッ
ト、20はスイッチ、21は交流電源、22は回転体であり、
これらの構成は上記第3図の実施例と同じであるので、
説明は省略するが、本実施例では、第9図に示すように
圧電体振動子13、14はそれぞれ13a、13b、14a、14bに分
割され、それに伴って電極15、16が15a、15b、16、16b
のように分割されている。
このように構成された本実施例においても、第3図の
実施例とほぼ同様に圧電体振動子13a、13b、14a、14bに
それぞれ逆転する進行波が発生し、それによって、捩り
振動が金属ブロック11、12の端面及び側面、圧電体振動
子13a、13b、14a、14bの側面に発生することができる。
なお、第10図に示すように、回転体として、複数のボ
ール23を回転円板24で支持し、この回転円板24の側面に
腕25を介して回転軸26が設けられている。そして、ボー
ル23をステータ19の金属ブロック11の端面に支持体27で
圧接する。この支持体27の圧接方法は、例えばボルトの
中心に穴をあけ、その穴に細いボルト28を通し、スプリ
ングワッシャ29を介してナット30で締め付け固定すれば
よい。
このように構成した本実施例の超音波駆動装置におい
ても、分割電極15a、15bのいずれかに交流電圧を印加す
ることにより、回転円板24が正逆回転するので、それに
よって回転軸26が回転し、超音波モータとして使用する
ことができる。
さらに、第11図に示すように、ボール23を支持した回
転円板24の中心に回転軸26を設け、この回転軸をケース
31の軸受32で支持し、ボール23をケース31内に設けた支
持体27に圧接するために、ステータ19をケース31の底部
から挿入し、蓋33に設けたばね34で押圧する。
なお、本実施例では、上記実施例と異なり、ボルトを
使用せず、金属ブロック11と圧電体振動子13が接着さ
れ、また圧電体振動子13と電極15a、15bが接着され、さ
らに圧電体振動子14と金属ブロック12の間が接着されて
一体に構成されている。
このように構成した実施例においても、分割電極15
a、15bのいずれかに交流電圧を印加することにより、回
転円板24が正逆回転するので、それによって回転軸26が
回転し、超音波モータとして使用することができる。
〔発明の効果〕
以上の説明から明らかなように、本発明は、1つの圧
電体振動子の一方の面の電極を少なくとも2つに分割
し、分割した電極の一方に、この振動子の共振周波数の
交流電圧を印加することにより、その電極部分の圧電体
振動子に進行波が発生し、また分割した電極の他方に同
じ共振周波数の交流電圧を印加すると、反対方向の進行
波が発生するので、この進行波を金属ブロックにより増
幅されて金属ブロックの端面、側面またはボルトに固定
したナットに、正逆転する進行波を発生させることがで
き、従って、この進行波が発生する部分に回転体を組合
わせることにより、回転体を正逆転することができ、効
率も良いという利点がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の原理を説明するための構成図、第2図
はリング状圧電体振動子の平面図、第3図は本発明の実
施例の超音波駆動装置の側面図、第4図は第3図の超音
波駆動装置に使用するリング状圧電体振動子の斜視図、
第5図は第4図の超音波駆動装置の原理を説明するステ
ータの側面図及びステータに発生する縦振動と捩り振動
の波形図、第6図は本発明の他の実施例の超音波駆動装
置の側面図、第7図は本発明のさらに他の実施例のステ
ータの側面図、第8図は本発明の他の実施例の超音波駆
動装置の側面図、第9図は第8図の超音波駆動装置で使
用する圧電体振動子の斜視図、第10図は本発明のまた他
の実施例の超音波駆動装置の側面図、第11図は本発明の
他の実施例の超音波駆動装置の側面図、第12図は本出願
人が提案した超音波駆動装置の固定子の断面図、第13図
は第12図の超音波駆動装置の側面図、第14図は第12図の
超音波駆動装置の固定子で発生した楕円振動の大きさを
矢印で示した図である。 11、12……金属ブロック、13、14……圧電体振動子、15
a、15b……分割電極、16……電極、17……ボルト、18…
…ナット、19……ステータ、20……スイッチ、21……交
流電源、22……回転体。

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ほぼ同じ長さの2つの円筒金属ブロック
    と、該円筒金属ブロックの間に挟持され、かつ一方の面
    の電極を少なくとも2つに分割し、他方の面に電極を装
    着した少なくとも1つの圧電体振動子と、該圧電体振動
    子の中心孔に挿通されて前記2つの金属ブロックのそれ
    ぞれに一端がそれぞれねじ嵌合固定されたボルトと、前
    記圧電体振動子の一方の面の前記分割電極の一方と他方
    の面の電極間に1つの周波数の交流電圧を印加する交流
    電源と、前記圧電体振動子の一方の面の分割電極のそれ
    ぞれと少なくとも他方の面の電極の間に接続した前記交
    流電源の接続を切り替えるスイッチと、上記金属ブロッ
    クの端面に組合わせた回転体とからなることを特徴とす
    る超音波駆動装置。
  2. 【請求項2】前記ボルトの一方は前記2つの円筒金属ブ
    ロックの一方の貫通孔に挿通され、前記金属ブロックの
    端面でナットに固定したことを特徴とする特許請求の範
    囲第1項記載の超音波駆動装置。
  3. 【請求項3】前記2つの円筒金属ブロックと圧電体振動
    子の全長が縦振動の共振周波数の1/2波長に一致して共
    振し、前記一方の円筒金属ブロックの端部の前記ナット
    の端面から前記他方の円筒金属ブロックの端面までの全
    長が捩り共振の1波長と一致した長さに構成されたこと
    を特徴とする特許請求の範囲2記載の超音波駆動装置。
  4. 【請求項4】前記ボルトの両端は前記2つの円筒金属ブ
    ロックのそれぞれの貫通孔に挿通され、前記2つの円筒
    金属ブロックの端面でそれぞれにナットに固定したこと
    を特徴とする特許請求の範囲第1項記載の超音波駆動装
    置。
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