JP2822333B2 - 超音波モータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、超音波モータに関し、特に、圧電素子に
超音波領域の電気信号を印加して一軸アクチュエータと
して動作させる超音波モータに関するものである。

［従来の技術］ 第８図〜第10図は、例えば特開昭63−283473号公報に
示された従来の超音波モータであり、金属、セラミック
スなどの弾性体でなる直方体状の基体（51）の上面に駆
動子（53）が一体に突設されている。また、基体（51）
の側面および下面には、基体（51）をＸ方向に屈曲させ
るための圧電素子（52b）、（52c）と、Ｙ方向に屈曲さ
せるための圧電素子（52a）がそれぞれ固着されてい
る。（54a）、（54b）は取付穴、（55）は接続リード線
である。

以上の構成により、超音波領域の電気信号を圧電素子
（52a）と（52b）ないしは（52a）と（52c）にそれぞれ
加えると、基体（51）はＸ方向成分とＹ方向成分の両方
向に同時に屈曲する。したがって、基体（51）には、両
者の合成であるEFないしはHG方向の振動が発生する。駆
動子（53）にはスライダ圧接されており、基体（51）が
EF方向の合成振動を行うようにした場合は、スライダは
第８図で右方に移動される。また、HG方向の場合は、ス
ライダは左方に移動される。

かようにして、被駆動体であるスライダに、互いに逆
向きの直線移動を任意に与えることができる。

［発明が解決しようとする課題］ 以上のような従来の超音波モータは、Ｘ方向、Ｙ方向
の２つの成分の圧電素子を、基体の別々の面に設ける必
要があるため、スペースファクタが悪く、そのため出力
が制限され、かつ、Ｘ、Ｙ方向の各共振周波数を揃える
必要から、薄形化が困難であるなどの問題があった。

この発明は上記の課題を解決しようとするもので、大
出力化、薄形化を達成できる超音波モータを得ることを
目的とするものである。

［課題を解決するための手段］ この発明に係る超音波モータは、固定部を挟んだ位置
に、棒状の被移動体が貫通係合する複数個の貫通孔が形
成された平板状の弾性体基体と、この基体の両面に超音
波領域の電気信号が印加される複数個の圧電素子が固着
されており、基体に面方向の伸縮モードと厚み方向屈曲
モードの複合共振を生じさせる。

［作 用］ この発明においては、被移動体が、基体の面方向の伸
縮モードの振動に対応して貫通孔の内壁への圧接、開放
を繰り返し、屈曲モードの振動に起因しては貫通方向に
振られ、これにより被移動体は直線移動される。

［実施例］ 第１図〜第４図はこの発明の一実施例を示し、第１
図、第２図において、矩形板状の弾性体でなる基体
（１）には、固定部位（Ａ）、（Ｂ）を挟んで等距離に
円形状の貫通孔（1a）、（1b）が形成されている。基体
（１）の両面には、互いに同極に分極された角板状の圧
電素子（２）、（３）が固着されている。基体（１）の
貫通孔（1a）、（1b）には被移動体である丸棒状のスラ
イダ（4a）、（4b）が貫通係合している。スライダ（4
a）、（4b）は、常に中心方向あるいは外側方向のどち
らかに貫通孔の内壁に平行に押圧された状態で組立てら
れている。

なお、圧電素子に設けた電極や接続リードは、煩雑を
避けるため図示を省略した。

次に動作について説明する。基体（１）は、圧電素子
（２）ないしは（３）により、幅方向にバイモルフ挙動
と長辺方向に伸縮挙動とを同時に発生する。この実施例
では、圧電素子（２）ないし（３）に超音波電気信号を
印加したとき、基体（１）は、第３図に示すように長辺
方向に伸縮するモードと、第４図に示す幅方向に屈曲す
るそれぞれ第一次の振動モードの複合共振を起こす寸法
関係に形成されている。基体（１）のかかる動作によ
り、スライダ（4a）、（4b）は、長辺方向の振動により
貫通孔（1a）、（1b）の内壁に圧接と開放が繰り返さ
れ、幅屈曲振動に起因して貫通軸方向に振られることに
なる。

いま、圧電素子（２）に電気信号が印加されて基体
（１）の長辺方向挙動が第３図の実線のようになったと
すると、スライダ（4a）、（4b）は貫通孔（1a）、（1
b）のそれぞれ中心部寄りの内壁に圧接される。そし
て、このとき、屈曲モードも同時に発生して第４図実線
のような挙動をするため、スライダ（4a）、（4b）は第
２図で上方に蹴り出される。次の半サイクルにおいては
第３図、第４図のそれぞれ点線のような挙動になるた
め、スライダはその場に放置される。さらに次の半サイ
クルでは、先頭と同様にしてスライダへの圧接と上方移
動が印加信号の周期で繰返されるので、スライダ（4
a）、（4b）は基体（１）の貫通孔（1a）、（1b）内壁
との摩擦により、第２図で上方へ急速に移動することに
なる。

反対に、スライダ（4a）、（4b）を下方へ移動させる
には、信号の印加を圧電素子（３）側に切換えればよ
い。すなわち、圧電素子（２）と（３）は互いに同極に
分極されているので、長さ方向モードの位相はそのまま
で、屈曲モードの位相のみ逆転する。そのためスライダ
（4a）、（4b）の移動方向反転が達成されるのである。

以上のように、スライダ（4a）、（4b）の移動方向が
端に圧電素子（２）と（３）の給電切換えによればよい
ので、駆動回路はきわめて簡略化され、共振インピーダ
ンスを検知して発振する自励回路や、圧電素子の片方は
いつも空いているので、これからの発生電圧をフィード
バック信号とする自励発振回路が採用できるので、回路
設計が非常に容易になる。

スライダ（4a）、（4b）は連結構造に設計し、常に基
体（１）の内側寄りかあるいは外側寄りに予圧をかけた
状態にして使用する。どちら寄りを選択するかで動作は
反転する。また、スライダの形状は角棒状でもよい。

第１図の×印（Ａ）、（Ｂ）は、長さモードと屈曲モ
ードの交点上に当たるので、固定部位として使用するの
に振動阻害が少なく好都合である。

圧電素子（２）、（３）は基体面全部に貼付しなくて
もよく、例えば（Ａ）、（Ｂ）の部に取付孔をあけてそ
こを逃げてもよい。

貫通孔（1a）、（1b）の設定位置は、左右対称とし、
スライダの移動スピードを大きくしたいときは外側に、
また、スピードは小さく駆動力を大きくしたいときは中
心寄りに設ける。

第１図の例は、長さモード、屈曲モード共に第一次振
動モードの組合せを示したが、相互に高次モードの組合
せが、任意に選べるのは当然である。また、屈曲モード
は幅方向のみに限定するものではなく、長手方向の屈曲
モードも選択使用できるのは当然である。

第５図〜第７図は他の実施例を示し、基体（１）の形
状を円形状にしている。第７図（ａ）、（ｂ）はそれぞ
れ貫通孔（1a）（1b）上の振動モードを示し、実線と点
線は半サイクル毎の挙動を示している。

スライダ（4a）、（4b）はまえの実施例と同様のもの
を使用し、（５）は分離線、（６）は組立固定用の取付
け孔である。

基体（１）の両面に固着された圧電素子は、（2a）、
（2b）と（3a）、（3b）の各上側素子の４個が一つのグ
ループになり、反転時には（3a）、（3b）と（2a）、
（2b）の各下側素子の４個がもう一つのグループになっ
て、移動方向の切換えを行う。動作はまえの実施例と同
様であり、長辺方向振動が径方向振動（ラジアルモー
ド）に変っただけである。

第５図の例では、電極の分割を２個づつの４分割にし
たが、分割数は偶数分割であればいくつでもよい。

貫通孔（1a）、（1b）は圧電素子（3a）、（3b）の位
置にも設けて、４個にしてもよく、この場合、圧電素子
（2a）、（2b）の位置の貫通孔とは屈曲位相が逆転する
のでスライダの圧接方向は逆にセットすることになる。

なお、径方向振動を特に強めるには、片面の圧電素子
にはいつも全面に通電してやればよく、したがってこの
圧電素子には分離線が不要になる。

また、この実施例では、小形から大形まで自由に設計
することができ、かつ、スライダの設置数も任意に選べ
るので、各種の要求に対応することができる。

［発明の効果］ 以上の説明から明らかなように、この発明は、中心か
ら等距離に棒状の被移動体が貫通係合する複数個の貫通
孔が形成された板状基体両面に駆動用の圧電素子を固着
して基体を励振し、面方向モードと屈曲モードの複合共
振により被移動体を直線移動するようにしたので、被移
動体の移動方向は圧電素子への給電切換えだけで足り、
薄形化、小形化と作業性の向上を達成することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図はこの発明の一実施例を示し、第１図は
平面図、第２図は側断面図、第３図は、第４図はそれぞ
れ動作を示す線図である。第５図〜第７図は他の実施例
を示し、第５図は平面図、第６図は側面図、第７図は動
作を示す線図である。第８図〜第10図は従来の超音波モ
ータを示し、第８図は斜視図、第９図は正面図、第10図
は動作説明のための線図である。 （１）……基体、（1a）、（1b）……貫通孔、（２）、
（３）……圧電素子、（4a）、（4b）……スライダ（被
移動体）。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】平板弾性体でなり面内の固定部に関して等
   距離に棒状の被移動体が貫通係合する複数個の貫通孔が
   形成されている基体と、この基体の両面にそれぞれ固着
   され超音波領域の電気信号が印加される複数個の圧電素
   子とを備えてなり、前記基体に面方向伸縮モードと厚み
   方向屈曲モードとの複合共振を生じさせて前記被移動体
   を軸方向に移動させる超音波モータ。