JPH01315279A - 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

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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。

（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。

まずた縦−屈曲多重モード振動子の一例を第６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６図（ａ）
は正面図、第６図（ｅ）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６２の上下両面に金属電
極膜６３を設け、それを弾性板６１の底面に張り合わせ
ている。このとき弾性板６１と圧電セラミック板６２は
、長さ方向の一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６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６図（ｂ）における６４は
長さ方向の１次の縦振動の変位分布、第６図（ｄ）にお
ける６５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。

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プ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の手段） 本発明は、主面上に圧電体を設置した弾性板の片方の端
部を固定し、他方の端部の主面上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の
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の主面上の長平方向の中央部および片側の端
部にそれぞれ圧電体１２．１３が設けられており、他方
の端部１４は固定されている。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１５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（ｂ
）の変位分布１８がら分がるように、弾性体の自由端付
近が最も振動振幅となる。

また自由端に設置した圧電体１３に交流電界を印加する
と、圧電体の上部は第１図（ａ）１６に示すようにＺ軸
方向に振動する。その結果振動１５と振動１６を合成し
た楕円運動１７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。

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は銀の焼付は電極、２４は圧
電アクチュエータで、弾性板２１はボルト２７によって
ステンレス鋼製治具２５および２６に固定されている。

振動子の寸法は、弾性板２１が長さ８０ｍｍ、輻１５ｍ
ｍ、厚さ３ｍｍで、この内長さ３０ｍｍの部分が治具２
５，２６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
長手方向縦振動１次モードの共振周波数は２４ｋＨｚと
なる。

焼付は電極圧電セラミック板２２に２４ｋＨｚ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、圧電アクチエエータ
２４上部にステンレス鋼製ローラ２８を１ｋｇｆで圧接
したところ、ローラ２８は矢印２９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の上下面の対称性が高くなり２０〜３０ｋＨｚ
の範囲内の屈曲振動のスプリアスを約１５ｄＢ低減する
ことができた。

第４図は、第２図の振動子の弾性板２１を圧電アクチュ
エータ２４の下方の位置で支えたものである。

支持部はステンレス鋼製突起４１、テフロン製シート４
２からなる。ここでステンレス鋼製弾性板２１とテフロ
ン製シートとは摺動性が高いため弾性板２１を上・方か
ら強く押し付けても長手方向の運動に与える影響は小さ
い。従って第４図の振動子は第２図の振動子に比べてロ
ーラ２８をアクチュエータ２４に強く押し当てることが
可能となる。第４図においてローラを１０ｋｇｆの力で
圧接したとき、第２図に比べて最高速度は変化しないが
・、起動トルクが約１．５倍に増加した。

第５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２８上部にゴム製ローラ５１を配置
し、二つのローラ２８・５３の間に紙５３を挿入したも
のである。ゴム製ローラ５１は紙５３・ステンレス鋼製
ローラ２８に対して３ｋｇｆの力で、またステンレス鋼
製ローラ２８はアクチュエータ２４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。

【図面の簡単な説明】

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、第５図は
実施例構成図、第６図（ａ）、（ｃ）は従来型振動子の
基本構成図、第６図（ｂ）、（ｄ）は変位分布図である
。 図において、１１，２１，６１は弾性板、１２．１３は
圧電体、１４は固定面、１５，１６．１７は振動方向、
１８，６４．６５は変位分布、２２，３１．６２は圧電
セラミック板、２４は圧電アクチュエータ、２３，３２
．６３は銀の焼付は電極、２５．２６は支持治具、２７
はボルト、２８．５１はローラ、２９．５２はローラの
回転方向、４１は支持台突起部、４２は摺動性シート、
５３は薄い紙、５４は紙の進行方向。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （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、弾性板
   の主面上の他方の端部領域に設置したアクチュエータに
   よる弾性板の厚さ方向に変位する非共振状態の振動を使
   用し、アクチュエータに接し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。 （２．）主面上に圧電体を設置した弾性板の片方の端部
   を固定し、他方の端部近傍に弾性板の厚さ方向に変位す
   る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。