JPH0223074A - 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 本発明は圧電体を用いて駆動力を発生する超音波モータ
の支持固定に関するものである。

従来の技術 近年、圧電セラミック等の圧電体を用いた振動体に弾性
撮動を励振し、これを駆動力とした超音波モータが注目
されている。

以下、図面を参照しながら超音波モータの従来技術につ
いて説明を行う。

第５図は従来の円環形超音波モータの斜視図であり、円
環形の弾性体１の円環面の一方に圧電体として円環形の
圧電セラミック２を貼合せて振動体３を構成している。

４は耐磨耗性材料の摩擦材、５は弾性体であり、互いに
貼合せられて移動体６を構成している。移動体６は摩擦
材４を介して振動体３と接触している。圧電体２に電界
を印加すると振動体３の周方向に曲げ振動の進行波が励
起され、移動体６を駆動する。尚、同図中の矢印は移動
体６の回転方向を示す。

第６図は第５図の超音波モータに使用した圧電セラミッ
ク２の電極構造の一例を示している。同図では円周方向
に９波の弾性波がのるようにしである。同図において、
ＡおよびＢはそれぞれ２分の１波長相当の小領域から成
る電極群で、Ｃは４分の３波長、Ｄは４分の１波長の長
さの電極である。電極ＣおよびＤは電極群ＡとＢに位置
的に４分の１波長（＝９０度）の位相差を作っている。

電極ＡとＢ内の隣り合う小電極部は互いに反対に厚み方
向に分極されている。圧電体２の弾性体１との接着面は
、第６図に示めされた面と反対の面であり、電極はベタ
電極である。使用時には、電極群ＡおよびＢは第６図に
斜線で示されたように、それぞれ短絡して用いられる。

以上のように構成された超音波モータの圧電体２の電極
ＡおよびＢに Ｖ＋＝Ｖｏｘｓｉｎ（ωｔ）　　　　　　　　−−−（
１）Ｖｇ−Ｖｏｘｃｏｓ（ωｔ）　　　　　　　　−−
−（２）ただし、ｖｏ：電圧の瞬時値 ω：角周波数 ｔ：時間 で表される電圧Ｖ＋およびｖ２をそれぞれ印加すれば、
振動体３には ξ−ξｏ×（ｃｏｓ（ωｔ　）ｘｃｏｓ（ｋｘ　）＋５
ｉｎ（ωｔ）ｘｓｉｎ（ｋｘ）） −ξｏｘｃｏｓ（ωｔ−ｋｘ）　　　　　　−−−（３
）ただし　　ξ　：曲げ撮動の娠幅値 ξ０：曲げ振動の瞬時値 ｋ　：波数（２π／λ） λ　：波長 Ｘ　：位置 で表せる、円周方向に進行する曲げ振動の進行波が励起
される。

第７図は振動体３の表面のＡ点が進行波の励起によって
、長軸２ｗ、短軸２ｕの楕円運動をし、振動体３上に加
圧して設置された移動体６が、楕円の頂点近傍で接触す
ることにより、摩擦力により波の進行方向とは逆方向に
Ｖ−ω×ｕの速度で運動する様子を示している。

超音波モータの出力を太き（するためには、振動体の持
っている運動エネルギーを太き（すればよい。運動エネ
ルギーは振動体の質量と速度の２乗に比例するので、振
動体の質量または速度を増やせば出力を増加できる。超
音波モータの外形が決まれば、質量を増やすためには振
動体の穴の大きさを小さくし、速度を太き（するには撮
動の振幅を大きくすればよい。しかし、圧電体の許容歪
みにより、振動の振幅は制限される。また、従来の超音
波モータは径方向１次、周方向３次以上の円環の曲げ撮
動を使用しているので、第８図に示すように、内周近傍
では急に振幅値は小さくなり、振動体の穴を小さくして
も運動エネルギーはあまり太き（ならない。従って、従
来のように径方向１次、周方向３次以上の円環の曲げ撮
動を使用した超音波モータは出力を大きくできないとい
う問題点がある。

また、円環形超音波モータの振動体は、第８図に示すよ
うに全体が振動しているので、振動体の位置固定が困難
である。また、固定によって機械的な損失は避けられな
い。

発明が解決しようとする課題 従来のように、径方向１次、周方向３次以上の円環の曲
げ撮動を使用した超音波モータは、出力を太き（できず
、固定により機械的な損失を伴うため効率が低下すると
いう問題点がある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたもので、同体積で出
力を太き（でき、しかも固定による機械的な損失を低減
し効率の良い超音波モータを提供することを目的として
いる。

課題を解決するための手段 圧電体を交流電圧で駆動して、前記圧電体と弾性体とか
ら構成される円板形振動体に径方向２次、周方向３次以
上の曲げ振動の進行波を励振することにより、前記振動
体上に接触して設置された移動体を移動させる超音波モ
ータにおいて、前記振動体の箱内部近傍の溝および中心
近傍の二点で前記振動体を固定する凸部を有する基台を
設ける。

作　　用 振動体として円板形の振動体を用い、撮動モードとして
径方向２次、周方向３次以上の曲げ振動を用いることに
より、振動体の内側をも有効に振動体の運動エネルギー
に寄与するようにし、出力の増大を図り、振動体が撮動
しない箱内部近傍の中性面および撮動の小さい中心近傍
の二点で振動体を固定することにより、支持固定による
損失を小さ（し安定で効率の良い超音波モータを実現で
きる。

実施例 以下、図面に従って本発明の安定で効率の良い支持固定
方法を目的とした一実施例について詳細な説明を行う。

第１図は本発明の超音波モータの１実施例の断面図であ
り、第２図は径方向２次、周方向４次の曲げ振動を励振
した時の振動体９の振動変位状態と変位分布図である。

同図において、中性面における部内部２１を示している
。第１図に示す様に、振動体９の庫内部２１近傍の中性
面１４までの溝１５および中心部近傍の中性面または中
心部近傍の二点で支持する凸部１６を有する基台１７で
、振動体９が支持固定されている。基台１７の下部にお
いてはベアリング１８を介して移動体１３が取り付けら
れ、板バネ１９と加圧調整具２０によって移動体１３が
振動体９に加圧接触されている。

第２図は超音波モータの構成を示す切り欠き斜視図であ
る。円板形の弾性体７の主面の一方に、圧電体として円
板形の圧電セラミック８を貼合せて振動体９を構成して
いる。また、弾性体７の他の主面には、機械出力取り出
し用の突起体１０が構成されている。１１は耐磨耗性材
料の摩擦材、１２は弾性体であり、互いに貼合せられて
移動体１３を構成している。移動体“１３は、摩擦材１
１を介して、振動体９に設置された突起体１０と加圧接
触している。圧電体８に電界を印加すると振動体９の周
方向に曲げ振動の進行波が励起され、移動体１３を摩擦
力により駆動する。移動体１３は軸１４を中心にして回
転運動を始める。

第３図は円板形圧電セラミック８の電極構造を示す平面
図である。同図において、Ｅ、Ｆは、それぞれ周方向が
２分の１波長相当の長さを持ち。

互いに隣り合う電極部の分極方向が厚み方向に逆である
小電極部から成る電極群である。そして、電極群Ｅ、Ｆ
は、周方向に位相が４分の１波長相当分（９０度）だけ
ずらせて構成されている。

従って、電極群Ｅ、Ｆをそれぞれ短絡し、裏面のベタ電
極との間に時間的に９０度位相の興なる電圧を印加すれ
ば、振動体９に径方向２次、周方向４次の曲げ撮動の進
行波が励振される。

また、第２図に示した様に径方向２次、周方向４次の曲
げ振動を励振することにより、径方向１次の振動モード
を使用した円環形超音波モータと興なり、内周部におい
ても振動変位が急に小さくなることはない。従って、超
音波モータが同一体積を占有した時、径方向１次の振動
モードを使用した時よりも、振動体９の運動エネルギー
を大きくすることができ、大きな機械的出力を取り出せ
る超音波モータを実現できる。また、原理的には全く撮
動しない庫内部２１近傍の中性面１４と、振動変位の極
めて小さい中心部近傍の二点で、基台１７の凸部１６を
介して振動体９を支持固定することにより、固定による
振動体の機械的損失がな（、さらに、基台１７の凸部１
６が部内部２１だけの場合に生じる、突起体１０を介し
た移動体１３と基台１７の凸部１６との加圧接触による
振動体９の撓み（そり）が、庫内部２１近傍と中心部近
傍の二点支持により無くなり、加圧力やトルクの変動に
より影響を受けず、負荷変動に対して安定で効率良く移
動体１３を駆動できる。また゛、庫内部２１近傍等に設
けた溝１５により径方向の応力集中が緩和されるので、
振動の励振が容易である。

本発明によれば、負荷変動に対して安定で効率の良い、
しかも機械的出力の大きな超音波モータを提供できる。

発明の効果 本発明によれば、振動モードとして径方向２次、周方向
３次以上の曲げ振動を用いることにより機械的出力が大
であり、さらに振動体の振動しない節円部近傍の中性面
および振幅の小さい中心部近傍の二点を凸部を持つ基台
で振動体を支持固定することにより撮動を阻害せず、か
つ、二点支持により加圧力や負荷変動による振動体のそ
りを生じさせず、しかも、振動体に設けた溝により径方
向の応力集中が緩和され、負荷変動に対して安定で効率
の良い超音波モータを提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の円板形超音波モータの−実施例の断面
図、第２図は振動モードとして径方向２次、周方向３次
の曲げ振動を用いた時の振動体の振動状態と径方向の変
位分布図、第３図は円板形超音波モータの動作説明のた
めの切り欠き斜視図、第４図は第１図の超音波モータで
使用する圧電セラミックの平面図、第５図は円環形超音
波モータの切り欠き斜視図、第６図は第５図の超音波モ
ータに用いた圧電体の形状と電極構造を示す平面図、第
７図は超音波モータの動作原理の説明図、第８図は振動
モードとして径方向１次、周方向８次の曲げ振動を用い
た時の振動体の振動状態と径方向の変位分布図である。 ７・・・・・・弾性体、８・・・・・・圧電体、９・・
・・・・振動体１０・・・・・・突起体、１１・・・・
・・摩擦材、１２・・・・・・弾性体、１３・・・・・
・移動体、１４・・・・・・中性面、１５・・・・・・
溝、１６・・・・・・凸部、１７・・・・・・基台１８
・・・・・・ベアリング、１９・・・・・・板ばね、２
０・・・・・・加圧調整具、２１・・・・・・部内部。 代理人の氏名　弁理士　粟野重孝　ほか１名図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　圧電体を交流電圧で駆動して、前記圧電体と弾性体と
   から構成される円板形振動体に径方向２次、周方向３次
   以上の曲げ振動の進行波を励振することにより、前記振
   動体上に接触して設置された移動体を移動させる超音波
   モータにおいて、前記振動体の節円部近傍の溝および中
   心近傍の二点で前記振動体を固定する凸部を有する基台
   を設けたことを特徴とする超音波モータ。