JPH0217877A - 振動子及び該振動子を用いた超音波モータ - 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１ 本発明は、略楕円運動が励起される振動子及び該振動子
を利用した超音波モータに関する。

［従来技術１ 超音波モータの動作原理は、略楕円運動が励起される振
動子に対して所定圧力で移動子を当接させ、略楕円運動
する各質点と移動子との摩擦力により移動子を駆動する
ものである。定在波型の振動子は、高効率振動を実現す
る構成が得やすいために、定在波型超音波モータは進行
波型超音波モータに比較して高効率、大出力という長所
がある。

従来の定在波型超音波モータに利用される振動子は、略
楕円運動を高効率に励起するために、電気機械変換素子
との接触面では単一方向振動を、また一方、移動子との
接触面では楕円振動を行う固有振動モードを有する機械
共振系を用いることで略楕円運動を得ている。このため
、超音波振動子の形状や大きさに一定の制限が加わり、
所望の形状や大きさの振動子を得ることができなかった
。

また、単一の固有振動モードを用いているために、励起
される略楕円運動の長径／短径比は振動子の形状などに
よって画一的に定まってしまうという問題点があった。

従って、上記振動子を利用する定在波型超音波モータに
あっても、極（限られた範囲でしか高効率動作が実現で
きず負荷変動に対しての適応力に乏しく、また正逆回転
が不能である等の問題点があり、その応用分野は限定さ
れている。

そこで、大振幅の略楕円運動が高効率に発生可能で、し
かもその略楕円運動の運動軌跡が容易に制御できる優れ
た振動子が特願昭６２　１７５０４３号の願書に添付の
明細書及び図面により開示されている。この振動子は、
板状共振体に周方向の剪断振動と軸方向の曲げ振動が励
振され、両者の合成で略楕円運動を得ている。

周方向の剪断振動の励振方法は、例えば特開昭６１−１
２０６７８号公報により開示されているような方法を適
用すれば、その励振は容易である。

［発明が解決しようとする課題１ しかしながら、板状共振体に周方向の剪断振動を励振す
ると、内周辺に歪みが集中するために、その固定やイン
ピーダンスの整合がＵ！ＪＩＪａであり、また、境界条
件が不安定となるなど、安定した動作を行なうのが難し
かった。

また、前述の方法では、板状共振体内周部を超音波領域
において厳密に固定端とみなすことができず、設計が難
しかった。

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたも
のであり、周方向の剪断振動を安定して励振でき、また
設計の容易な振動子及び超音波モータを提供することを
その目的としている。

［課題を解決するための手段１ 上記目的を達成するために本発明の振動子は、中央部に
孔部を有す共振体と、該共振体の周部及び孔部を該孔部
を中心とした円の周方向せん断振動の腹となるように前
記共振体を励振する第１励振手段と、該第１ｒｌｈ振手
段によＱ励振される剪断振動の方向と異なる方向に対し
縦振動あるいは曲げ振動を励振する第２励振手段とを設
けたことを特徴とする。

更に本発明の超音波モータは、前記振動子の共振体に移
動子を当接させたことを特徴とする。

［作用１ 上記構成を有す本発明の振動子における共振体は、第１
９振手段及び第２励振手段により励振される。このとき
、共振体は’１１ｍ振動に関しては、共振体の周部及び
孔部を自由端として共振する。

糸振体上には、前記二方向の振動が合成され、略楕円振
動が発生する。

また本発明の超音波モータは、この略楕円振動する面に
移動子を当接させることにより、摩擦力で移動子が回転
する。

［実施例１ 以下、本発明を具体化した実施例としての振動子１０及
び該振動子１０を用いた超音波モータ４０を図面を参照
して説明する。

第１図において固定板１１の上面には、円環状の厚さモ
ードの圧電体（以下第１圧電体と称す）１２が設けられ
ている。この第１圧電体１２の上面及び下面には電極が
取付けられており、これらの電極に交流電圧を印加する
ことにより、その厚さ方向に対して縦振動を発生する。

この第１圧電体１２の上側には、結合子１３が取付けら
れている。

この結合子１３は第１圧電体１２と同一の円環形状をし
ており、その上面における径方向を二分する位置に突起
部１３ａが設けられている。この突起部１３ａの内側及
び外側には、円環型状で、その周方向に対し剪断振動す
る二個の圧電体（以下それぞれ第２圧電体及び第３圧電
体と称す）１４．１５が嵌合されている。第２圧電体１
４及び第３圧電体１５は、次のように形成される。

Ｐｔ５２図の（ａ）に示すように、前記突起部１３ａの
高さと厚さが等しく、矢印の方向に分極した圧電体板２
１を、図中に示すようにそれぞれの円環形状を８等分し
た形に切断する。それらの切片１４ａ、１５ａを同図の
（ｂ）及び（ｃ）に示すように分極の方向を揃えて８個
並べる。このようにして製造された圧電体１４．１５の
両面には電極が取付けられており、それらの電極に交流
電圧を印加することにより、各圧電体１４．１５はその
周方向に対して剪断振動を発生する。この第２圧電体１
４及びｆ５３圧電体１５は、互に分極の方向が逆方向と
なるように前記結合子１３に嵌合されている。このよう
に嵌合された第２圧電体１４及び第３圧電体１５の各上
面の電極並びに各下面の電極は、導通状態となっている
。また、第２圧電体１４及び第３圧電体１５の上側には
前記結合子１３より大きな円板形状の共振体１６が取付
けられ、その中央部の孔部を介してビス１７で池の部材
と固定されている。この共振体１６とビス１７どの間に
は該共振動体の径方向に関して僅かな間隙１８が設けら
れており、そのため、超音波領域の剪断振動に対しこの
共振体１６の内周部は自由端（開放端）と見做すことが
できる。またこの共振体１６は、第２圧電体１４、第３
圧電体１５及び結合子１３の突起部１３ａと接している
。更にこの共振体１６は、その厚さ方向の縦振動のモー
ドに対し、所定の周波数ｆで共振する。また同一の周波
数ｆにより、周方向の剪断振動にも共振する。

このとき、共振体１６の内周及び外周は自由端と做され
るため、それらの位置が振動の腹となるモードで共振す
る。一般に板状振動体の面上を伝播する横波の合成で示
される剪断振動の固有周波数は近似的には板状振動体の
厚さに依存しない。また同板状振動体の厚さ方向の縦振
動の固有周波数は、前記厚さに依存する。従って円板厚
を適当にすることで前述のような共振体１６を設計する
ことは容易である。

以上のように構成された振動子の作用を以下に説明する
。

まず、共振体１６に周方向の剪断振動を励振する作用に
ついて述べる。前記第２圧電体１３及び第３圧電体１４
の上下面の電極に周波数１の交流電圧を印加する。する
と前記第２圧電体１４及びｔｊＳ３圧電体１５の分極方
向が逆であるので、これらの圧電体１４．１５に接する
共振体１６の外周及び内周は逆方向に駆動される。また
この共振体１６の内周及び外周は前述のように自由端で
あるので、それらの位置は、振動の腹となる。そのため
、この共振体１６の径方向に並ｊζ各質点の最大変位量
は、第３図に示すようになる。ここで最大変位量が零で
ある部分、即ち振動の節部は、前記結合子１３との接触
部分と一致する。

次に共振体１６の厚さ方向の振動の励振の作用について
述べる。第１圧電体１２の上下面の電極に前記周波数ｆ
の交流電圧を印加すると、第１圧電体１２は厚さ方向に
対し振動する。この振動は、結合子１３を介して前記共
振体１６に伝播する。

このとき結合子１３はその突起部１３ａにおいて、前記
共振体１６の剪断振動における節部を加振するため、剪
断振動の励振等に悪影響を与えることはない。

以上のように共振体１６上には、厚さ方向及び周方向の
振動が励振される。これらの振動の位相が異なれば、合
成された振動は略楕円運動となる。

使用者は第１圧電体１２の上下面の電極に印加する交流
電圧と、ｔｊ％２圧電体１４及び第３圧電体１５の上下
面の電極に印加する交流電圧との位相差及び各電圧の振
幅をＩＩ！整することにより任意の形状の略柘円振動を
得る。

次に以上のような超音波振動が励起される振動子１０を
好適に利用する超音波モータの構成についてｔｊＩＪ４
図に基づいて説明する。同図において、ｆ５１図と同じ
符号の付された各部材は前記詳述した各構成部材と同一
であることを意味している。

ただしここでは、ボルト１７は軸中心に貫通孔の設けら
れたものを使用している。

超音波モータ４０の回転子４２は、・円板形状をしてお
り、その周設縁部は下部に突出している。

この突出部は前記共振体１６の周縁部に接している。該
回転子４２の内周部には、ｆ！４１ポールベアリング４
３と第２ボールベアリング４４とによって支持された出
力軸４５が貫通し、その上部には板ばね正め５０が形成
されている。板ばね止め５０と回転子４２との間には緩
衝体４６と板ばね４７が介装され、そのばねの力により
回転子４２が前記振動子１０の共振体１６に圧接されて
いる。

該振動子１０は、ボルト１７によって固定台としてのヨ
ーク４８の基部４９に固定されている。

このように構成される超音波モータによれば、振動子１
０に剪断振動及び曲げ又はたて振動を励振してその周縁
部に略楕円運動を生じさせたとき、回転子４２には略楕
円運動に起因する回転力が伝達されて出力軸４５を回転
中心とする回転運動が発生する。しかも、前述のように
振動子に励起される略楕円運動は、第２圧電体１４及び
第３圧電体１５と第１圧電体１２とに印加する交流電圧
の制御によって任意の軌跡をなす可制御のものである。

従って、回転子１２に発生する回松力は自由に制御でき
るものであり、その回転方向、回転数、出力トルクなど
のモータ特性は任意に調整できる。

このため、負荷変動の広い範囲で高効率の運軟が達成さ
れる。

なお、上記実施例は振動子の駆動素子とし圧電体を使用
したが、これに限定されるものではなく電気エネルギー
を機械エネルギーに変換゛でさるその他の素子、例えば
電歪素子、磁歪素子等を用いてもよい。また、実施例で
は超音波振動子の形状を円筒形状とする例について説明
したが、周方向に剪断振動、軸方向に曲げ又はたて振動
が励起されるしのならばその形状は円筒形状に限定され
るものではない。

また、本実施例では＠１重圧体による励振周波数と結合
子の共振周波数を異なる値とすることにより、結合子で
振動のエネルギーが消貸されるのを防いでいる。本実施
例では共振体と結合子の径を別の値とすることにより実
現しているが、材質等を換えることにより実現してもよ
い。更に本実施例では縦振動を利用しているため、共振
体が第２圧電体及びｆｊＳ３圧電体に均一に接する。そ
のため剪断振動を安定して励振できる。しかし、第２励
振手段を他の方法で実現すれば、曲げ振動を用いて効率
的に励振することもできる。その他、本発明の埋置を挽
肌しない範囲で種々の変形が可能である。

［発明の効果１ 以上詳述したことから明らかなように、本発明によれば
、その振動子において剪断振動を安定して励振すること
が可能となる結果、安定した動作で駆動可能な超音波モ
ータを得ることができるという効果がある。また端部を
自由端としているため、設計が容易である。

更に摂動子の高次モードを利用すれば、低次モードに比
べ同一占有空間に対する有効質量を大きくでき、共振体
内での蓄積エネルギーが増加する。

その結果、８！械出力を大きくすることができ、負荷の
共振体への影響を小さくすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第４図は、本発明の一実施例の振動子を説明
する図である。第１図は本実施例の振動子のＦＲ戒を説
明する図で（ａ−）はその斜視図、（１））は分解斜視
図、（ｃ）は断面図、第２図は第２励振体及び＠３励振
体の９１造方法を説明する図、第３図は共振体の剪断振
動の様子を示す図で（ａ）で示す共振体の上面を示す図
、（ｂ）は（ａ）における直ｇＡ−Ａ’上の容質、αの
最大変位量を示す図、第４図は前記振動子を用いた超音
波モータの断面図である。 図中、１０は振動子、１２は第１ｖｊｈ振手段に対応す
る＠１圧電素子、１３は結合子、１４．１５は第２励振
手段に対応する＠２圧電体及び第３圧電体、１６は共振
体、４０は超音波モータ、４２は移動子に対応する回転
子である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. １．中央に孔部を有す共振体と、 該共振体の周部及び前記孔部が該孔部を中心とした円周
   方向せん断振動の腹となるように前記共振体を励振する
   第１励振手段と、 該第１励振手段により励振される剪断振動の方向と異な
   る方向に対し縦振動あるいは曲げ振動を励振する第２励
   振手段とを設けたことを特徴とする振動子。
2. ２．請求項１記載の振動子において、前記第１励振手段
   あるいは第２励振手段の少なくとも一方は、結合子を介
   して共振体に振動を励振し、結合子自体はその励振され
   る振動の周波数と共振しないことを特徴とする振動子。
3. ３．請求項１あるいは２記載の振動子における共振体に
   移動子を当接したことを特徴とする超音波モータ。