JP2982166B2 - 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〕 本発明では超音波モータに係り、とくに圧電体によっ
て弾性体に進行波を発生させ、この進行波を用いて可動
子を移動させるようにした超音波モータに関する。

〔発明の概要〕

超音波モータの弾性体に取付けられている圧電セラミ
ックを励振するための電極部の配置の改善に関するもの
であって、例えば２相励振タイプにおいては、各相間の
電極は1/4波長位置的に位相がずれるようにするため
に、円周方向に90゜ずれた配置となる。これによって円
周方向の１波長分の長さが無効部分となるが、この部分
に補助電極を設けるとともに、補助電極を隣接する相の
電極と位置的にピッチが等しくなるように配置し、無効
部分を従来の半分にして出力を上げるようにしたもので
ある。

〔従来の技術〕

超音波モータは半径方向に多数のスリットを設けた弾
性体の下面に圧電素子を貼付けるとともに、この圧電体
に多相に電極を配置するようにし、各相の電極の配置を
位置的に1/4波長ずれるようにしたものであって、これ
によって圧電体を励振して弾性体に進行波を発生させる
ようにしたものである。弾性体上においてこの弾性体の
表面に接触する可動子あるいは回転子は上記進行波によ
って一定の方向に送られることになる。従って上記可動
子あるいは回転子によって直線運動や回転運動を取出す
ことが可能になり、磁石やコイルを必要としない超音波
モータが得られることになる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来のこのような超音波モータにおいて、圧電体の一
方の面はその全体が共通電極によって覆われることにな
る。これに対して２相励振タイプの場合には、圧電体の
他面に第７図に示すように電極が配置される。すなわち
Ａ相の電極とＢ相の電極とがそれぞれ配置される。そし
てＡ相の電極とＢ相の電極の位置を1/4波長位相がずれ
るようにするために、第７図において上側の部分には90
゜のスペースが、また下側の部分には30゜のスペースが
生ずる。この内下側のスペースにはフィードバック用電
極３が形成されるようにしている。従って上側の90゜の
部分が無駄なスペース４になる。一般に超音波モータが
小径になるほど、電極の分割数が減る傾向になり、無駄
な１波長分が全体に占める割合が増加し、モータの効率
が低下する。

このような問題点に鑑みて、特開昭63−110969号公報
には、上記の無駄なスペースに補助電極を設け、この補
助電極によって超音波モータの出力を向上させることが
提案されている。すなわち第８図に示すように、圧電体
６の表面にＡ相の電極７とＢ相の電極８とを形成すると
ともに、これらの間の無駄な部分に補助電極９を設ける
ようにしている。

ところがこの超音波モータにおいては、空いた１波長
分のスペースをＡ相とＢ相に均等に割付けるように最小
単位の補助電極９を形成しているために、補助電極９と
隣接するＡ相の電極７あるいはＢ相の電極８との間のピ
ッチが、電極７、８のピッチと異なっており、それより
も小さな値になっている。従ってこのような補助電極９
によれば、異なった波長の励振が行なわれることにな
り、圧電体６が理想的なたわみ振動を起し難くなる。す
なわち電極７、８による振動に対してノイズとなるよう
な振動を補助電極９によって生ずることになる。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであ
って、圧電体に生ずるたわみ振動を正しく増大させるよ
うに励振するようにした補助電極を有する超音波モータ
を提供することを目的とするものである。

〔問題点を解決するための手段〕 本発明は、圧電体を弾性体に取付けるとともに、互い
に1/4波長位置的に位相がずれるように多相の電極を前
記圧電体に設け、前記圧電体を励振することによって前
記弾性体に進行波を生じさせ、前記弾性体と接触する可
動子を移動させるようにした超音波モータにおいて、 互いに1/4波長位置的に位相ずれを生ずるように設け
られている各相の電極間の3/4波長のスペースに互いに
反対方向に電圧を印加する一対の駆動用の補助電極を設
けるとともに、該補助電極を隣接する相の電極と位置的
にピッチが等しくなるように配置し、 さらに互いに1/4波長位置的に位相ずれを生ずるよう
に設けられている各相の電極間の1/4波長のスペースに
フィードバック用電極を配置したものである。

〔作用〕

従って隣接する相の電極と位置的にピッチが等しくな
るように配置されている補助電極によって、各相の振動
を大きくすることが可能になり、これによって超音波モ
ータの出力を向上させることが可能になる。

〔実施例〕

第２図は本発明の一実施例に係る超音波モータの全体
の構造を示すものであって、この超音波モータは弾性体
15を備えている。弾性体15は半径方向に延びるスリット
を円周方向に沿って多数形成したリングから構成されて
いる。そして弾性体15の下面にはリング状の圧電セラミ
ック16が接合されている。圧電セラミック16はその一方
の面が共通のベタ電極から構成されている。これに対し
て圧電体16の他面には第１図に示すような電極が配され
ている。また弾性体15上には回転リング17が載置されて
いるようになっており、弾性体15の表面に生ずる進行波
によってこのリング17が回転方向に送られるようになっ
ている。

つぎに圧電セラミック16の電極の構造を第１図によっ
て説明する。この電極の配置は２相構造の電極の配置で
あって、Ａ相の電極21とＢ相の電極22とが一対ずつ設け
られている。各電極の大きさは円周方向に60゜の角度を
占めるようになっている。すなわち1/2波長に相当する
長さを有している。そしてＡ相の電極21とＢ相の電極22
の間の部分であって下側の部分にはフィードバック用電
極23が設けられている。この電極23は30゜、すなわち1/
4波長の長さを占めている。また第１図において上側の
Ａ相の電極21とＢ相の電極22との間の部分には、一対の
補助電極24が設けられるようになっている。これらの補
助電極24は、30゜の角度を占め、1/4波長の長さとなっ
ている。そして一対の補助電極24の両側にそれぞれ無駄
なスペース25を設けている。

このような構成に係る超音波モータによれば、とくに
無駄なスペース25の部分が、第７図のような電極の配置
に比べ、大巾に低減されることになる。すなわち従来は
3/4波長分の無駄なスペースがあったのが、本実施例の
超音波モータによれば、1/4波長分の無駄なスペースに
減少することになる。すなわち無駄なスペースに補助電
極24を効果的に配するようにした超音波モータが得られ
ることになる。

さらに上記無駄な部分に設けられた補助電極24は、隣
接する相の電極と位置的にピッチが等しくなるように配
置されている。すなわち第１図において右側の補助電極
24と隣接するＡ相の電極21との間のピッチは60゜（1/2
波長）であってこれはＡ相の電極21のピッチと等しくな
っている。同様に第１図において左側の補助電極24と隣
接するＢ相の電極22の中心との間のピッチは60゜（1/2
波長）であってＢ相の電極22のピッチに等しくなってい
る。

このように補助電極24を隣接する相の電極21、22の電
極と位置的にピッチが等しくなるように配置しているた
めに、Ａ相の電極21とそれに隣接する補助電極24に電圧
が加わると、第４図Ａに示すように圧電体16が歪むこと
になる。そしてこのときに電極21、24の中心間のピッチ
が等しくなるために、電極21によるたわみ振動を補助電
極24によるたわみ振動が助長することになる。すなわち
支配的な電極21による圧電体16のたわみ振動を補助電極
24によるたわみ振動が増幅することになる。これは第５
図の原理図から明らかであって、電極21によるＡ相の振
動と補助電極24によるＡ′相の振動が同一波長であって
同相になっているために、両者の振動が互いに打消され
ることなく、合成されて振動レベルが増大されることに
なる。

ちなみに第８図に示すような配置の補助電極９を設け
るようにすると、理想的なたわみ振動が発生しない。す
なわち空いたスペースをＡ相とＢ相とに均等に割振るよ
うに、最小単位の電極として補助電極９を設けるように
しているためにＡ相の電極７間のピッチと補助電極９と
隣接するＡ相の電極７間のピッチとが互いに異なってお
り、後者のほうが小さな値になっている。そして圧電体
６の歪は各電極の中心に対して対称になるように変形す
ることにより起る。従って第４図Ｂに示すように、波長
の異なる振動を補助電極９によって起すことになる。す
なわち同時に異なる波長によって弾性体を励振すること
になるために、理想的なたわみ振動が起き難くなり、電
極７によって生ずる振動に対して補助電極９によって生
ずる振動がノイズ成分となる。従って補助電極９を設け
ても必ずしも出力の増大に効果的に寄与することがな
い。

第６図は本実施例に係る超音波モータと第７図に示す
従来の超音波モータについて、そのアドミッタンス特性
を測定した結果を比較して示したものである。第６図Ａ
に示す本実施例の超音波モータは、27.4KHzのところで
大きな振幅の共振が発生している。これに対して従来の
ものは第６図Ｂに示すように、28.3KHzのところで共振
が見られるが、その共振は本実施例のそれに比べて小さ
な値になっている。

以上のような本実施例に係る超音波モータは、無駄な
スペース25を利用して補助電極24を設けるようにしたも
のであるから、無駄なスペース25が従来よりも減少す
る。電極の分割数と無効部分の比率および見込まれる出
力の増加率はつぎの表の通りになる。

分割数 無効部比較 見込まれる出力増加率 ２ 50.0％ 50.0％ ３ 33.3％ 25.0％ ７ 14.3％ 8.3％ ９ 11.1％ 6.3％ このように補助電極24を設けることによって入力パワ
ーが増加するために、モータの出力が向上する。出力が
向上すると従来よりも振動レベルが高くなり、入力電圧
を下げることが可能になる。また回転リング17の加圧力
を高くすることが可能になので、回転力あるいはトルク
が増加し、モータの効率の向上につながるようになる。

〔発明の効果〕

以上のように本発明は、互いに1/4波長位置に位相ず
れを生ずるように設けられている各相の電極間の3/4波
長のスペースに互いに反対方向に電圧を印加する一対の
駆動用の補助電極を設けるとともに、該補助電極を隣接
する相の電極と位置的にピッチが等しくなるように配置
し、さらに互いに1/4波長位置的に位相ずれを生ずるよ
うに設けられている各相の電極間の1/4波長のスペース
にフィードバック用電極を配置したものである。

従って無駄になっていた3/4波長のスペースを有効に
利用して補助電極を設け、この補助電極によって圧電体
を撓み振動させるとともに、支配的な電極による撓み振
動を補助させることによって、弾性体の振動レベルを上
げることが可能になり、超音波モータの効率の改善につ
ながる。

また1/4波長のスペースにフィードバック用電極を配
置することによって、このフィードバック用電極を利用
して確実な検出動作を行なうことが可能になり、駆動時
における振動の状態を正確に検出することが可能にな
る。またこのように3/4波長のスペースに駆動用の補助
電極を配するとともに、1/4波長のスペースにフィード
バック用電極を配するようにしているために、圧電体の
表面のスペース的な無駄をほとんどなくして有効に利用
することが可能な超音波モータが得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る超音波モータの電圧の
配置を示す平面図、第２図は全体の構造を示す分解斜視
図、第３図は無駄なスペースの変化を示す要部平面図、
第４図は圧電体の変形の挙動を示す展開正面図、第５図
は振幅の増大の原理を示す波形図、第６図はアドミッタ
ンス特性の測定結果を示すグラフ、第７図および第８図
は従来の電極の配置を示す平面図である。 また図面中の主要な部分の名称はつぎの通りである。 15……弾性体 16……圧電セラミック 17……回転リング 21……Ａ相の電極 22……Ｂ相の電極 23……フィードバック用電極 24……補助電極 25……無駄なスペース

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧電体を弾性体に取付けるとともに、互い
   に1/4波長位置的に位相がずれるように多相の電極を前
   記圧電体に設け、前記圧電体を励振することによって前
   記弾性体に進行波を生じさせ、前記弾性体と接触する可
   動子を移動させるようにした超音波モータにおいて、 互いに1/4波長位置的に位相ずれを生ずるように設けら
   れている各相の電極間の3/4波長のスペースに互いに反
   対方向に電圧を印加する一対の駆動用の補助電極を設け
   るとともに、該補助電極を隣接する相の電極と位置的に
   ピッチが等しくなるように配置し、 さらに互いに1/4波長位置的に位相ずれを生ずるように
   設けられている各相の電極間の1/4波長のスペースにフ
   ィードバック用電極を配置したことを特徴とする超音波
   モータ。