JPH0255584A - 超音波振動子及びそれ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〕 本発明は、超音波振動子と、その超音波振動子を用いて
ロータ等を駆動する超音波モータに関する。

〔従来の技術〕

上記この種の超音波モータとしては、特開昭６１−５２
１６３号公報に開示された技術又は特開昭６３−８７１
８４号公報に開示された技術が知られている。

特開昭６１−５２１６３号公報に開示された技術は、片
持梁の長さに沿った軸を中心とし梁の両側が逆位相で屈
曲振動を行う屈曲モードと捻りモードとが結合した捻り
、屈曲振動をする超音波振動子の端面にロータを圧着し
、ロータを面内で回転させるようにしたものである。

又、特開昭６３−８７１８４号公報に開示された技術は
、共振体の一端面に圧電振動子を揃えてなり、該圧電振
動子の厚み振動により半波長もしくはその整数倍長さで
縦方向に共振する超音波振動子のその他端面に、該超音
波振動子の共振と同調して、片振幅の撓み振動を生ずる
１個又は複数個の撓み振動突片を、ロータの回転軸の周
りに配設し、該ロータを撓み振動突片の自由端に接触さ
せて構成したものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記従来技術においては次のような問題
点があった。即ち、上記従来の超音波モータは、縦振動
を増幅する部分と横振動を発生する部分とがそれぞれ機
能上価々に分けて設けられているため、構造上複雑化す
るという欠点があり、加えて、縦振動発生機構と横振動
発生機構とを分離して構成していることから、その境界
部で段部ができ、そのためにこの段部にて振動エネルギ
ーのロスを生ずるという大きな欠点があった。

特に、共振体と同調する振動突片を用いた超音波モータ
（特開昭６３−８７１８４号）の場合には、上記欠点の
他に次のような問題点があった。即ち、振動突片が個々
独立して共振体に配されているため、片側の振動突片に
負荷が作用した場合、負荷のかかった側の振動突片だけ
がロータを回転させるべく働くが、他方の振動突片は無
負荷に近い状態で振動するため、この振動エネルギーを
効果的に負荷側の振動突片に伝達しにくいという問題点
があった。

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みなされたもので
あって、簡単でかつ効率のよい超音波振動子及びそれを
用いた超音波モータを提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係る超音波振動子は、圧電素子に共振体を固定
するとともに前記共振体に一面以上のなだらかな斜面を
設け、前記共振体先端部に楕円モード振動を励起しうる
ように構成したものである。

又、他の超音波振動子は、圧電素子に共振体を固定する
とともに前記共振体に２面以上のなだらかな斜面を設け
、前記圧電素子に前記共振体の各面方向に共振する周波
数を印加することにより、２方向以上の方向の楕円モー
ド振動を励起しうるように構成しである。

又、本発明に係る超音波モータは、圧電素子に共振体を
固定するとともに前記共振体に一面以上のなだらかな斜
面を設け、前記共振体先端部に楕円モード振動を励起し
うるように構成するとともに、前記楕円モード振動発生
部に回動自在に支持されたロータを適宜押圧力にて押圧
接触させて前記ロータを回転駆動するように構成したも
のである。

又、他の超音波モータは、圧電素子に共振体を固定する
とともに前記共振体に一面以上のなだらかな斜面を設け
、前記共振体先端部に楕円モード振動を励起しうるよう
に構成し、前記楕円モード振動発生部に載置されるワー
クを直進移動しうるように構成しである。

又、他の超音波モーフは、圧電素子に共振体を固定する
とともに、前記共振体の先端部に軸対称となるように互
に１８０°位相差を保持した同形状の一対の共振体突起
を設け、前記各共振体突起に一面以上のなだらかな斜面
を形設するとともに前記両共振体突起の先端部に回動自
在に支持されたロータを適宜押圧力にて押圧接触させて
前記ロータを回転駆動するように構成しである。

〔作　用〕

上記超音波振動子においては、圧電素子を介して共振体
を共振させると、共振体は縦方向に振動するとともに斜
面に当たって横方向の振動が生し、これにより共振体先
端部に楕円モード振動が生じる。

又、上記各超音波モータにおいては、上記超音波振動子
の作用によりロータ又はワークが効率よく回動もしくは
直進駆動される。

〔実施例］ 以下、図面を参照しつつ本発明の実施例について詳細に
説明する。

（第１実施例） 第１図は、本発明に係る超音波振動子１の第１実施例を
示すもので、第１図ａは超音波振動子の正面図、第１図
すはその斜視図を示すものである。

図に示すように超音波振動子ｌは、図示を省略している
高周波発生装置と接続された圧電素子２と、圧電素子２
の振動面と平行な接触面（被作動体との接触面）３を有
するボーン（共振体）４と、ボーン４と圧電素子２をカ
ラー５を介して締付は固定するためのボルト６等より構
成しである。７で示すのは端子板である。

ホーン４には、接触面３から外周面にかけて斜めに加工
形成した斜面９が形設しζあり、この斜面９は超音波振
動子１の軸線８に対して所定角度傾斜させて形設しであ
る。

上記構成の超音波振動子１において、高周波発生装置を
介して圧電素子２に適当な高周波を印加させて縦方向（
図において上下方向）に振動すると、この振動はボーン
４により増幅され、ホーン４の接触面３は共振により」
二下方向１０に大きく振動（縦方向の振動）する。又、
同時に振動波がホーン４の斜面９に当たるので、ホーン
４先端部が左右方向１１に振動を始める。そして、この
縦方向１０の振動と横方向（左右方向）１１の振動とに
より楕円モード振動が発生ずる。

従って、接触面３にロータ等の回転体（図示省略）を押
し付ければ、ロータ等を回転させることができるし、又
、接触面３に平面板（図示省略）を押し付ければ平面板
を平行運動させることができる。

以上のように本実施例によれば、極めて簡単な構成で楕
円モード振動を直接発生ずる超音波振動子１を安価に製
作することができる。又、従来は、縦振動発生部と横振
動発生部とを分離構成していたために、再振動発生部の
結合部分の段差部で振動ロスが不可避的に生じていたが
、本実施例においては楕円モード振動発生機構部が一体
となっているので、上記従来のような振動ロスがなくな
り極めて効率のよい超音波振動子１を得ることができる
ものである。

（第２実施例） 第２図に本発明の第２実施例を示す。本実施例は、第１
実施例の超音波振動子１を用いた超音波モータ２０の構
成例を示すものである。

超音波モータ２０は、超音波振動子１と、超音波振動子
１の接触面３に所定の押圧力で押付けられるロータ部２
１とより構成しである。

超音波振動子１は、第１実施例と同一のものを用いてい
るので、その説明を省略する。

ロータ部２１は、環状のロータ２２と、ロータ２２を軸
受２３を介して支持する支軸２４とより構成してあり、
ロータ２２は、所定の押圧力でホーン４の接触面３に押
付けられるように設定しである。

次に、上記構成に基づく作用について説明する。

図示を省略している高周波発生装置を介して圧電素子２
に適当な高周波を印加させて縦方向に振動すると、前述
したごとく接触面３部には楕円モード振動が発生ずる。

従って、接触面３に押イ」ｉＪられているロータ２２は
楕円回転方向２５に回転し、超音波モータ２０が回転駆
動される。

以上のように本実施例によれば、極めて簡単な構成で超
音波モータ２０を得ることができ、超音波モータ２０を
安価にて製作することができる。

又、第１実施例にて説明したように、超音波振動子Ｉに
おける楕円モード振動発生機構部が−・体構成となって
いるので振動ロスを０にすることができ、従って、本実
施例においては極めて効率のよい超音波モータ２０を提
供できるものである。

（第３実施例） 第３図に本発明の第３実施例を示す。本実施例の特徴は
、前記第２実施例がワーク２２を回転させる超音波モー
タ２０の構成例を示したのに対し、被移動体であるワー
ク３０を直進移動させるように構成した超音波モーフ（
直進運動用駆動装置）３１の構成例を示した点である。

即ち、本実施例は、第１実施例にて説明した超音波振動
子１を２個（２個に限定されない）並設し、再起音波振
動子１の接触面３に同期した楕円モード振動を発生させ
るように構成したものである。各超音波振動子１の構成
及び作用は、第１実施例のものと同一であるので、その
説明を省略する。

本実施例の直進駆動型超音波モータ３１によれば、各超
音波振動子１に高周波を引加することにより各接触面３
に同期した楕円モード振動を発生させることができる。

従って、各接触面３上に移動自在に支持されているワー
ク３０は、直進駆動型超音波モータ３１を駆動すること
により、ワーク３０を矢印３２方向に直進移動させるこ
とができる。

以上のように本実施例によれば、極めて簡単な構成で直
進運動機構を得ることができる。

（第４実施例） 第４図ａ、ｂに本発明の第４実施例を示す。本実施例は
、印加する周波数を単に変えるだけで２方向に被移動体
を移動しうるようにした超音波振動子１の構成例を示す
ものである。即ち、本実施例においては、第４図ａの平
面図である第４図すに示すようにホーン４における接触
面３の図心が超音波振動子１の中心軸線８からずれた位
置となるように設定しである。又、ホーン４の先端部に
は４つの斜面４０，４１，４２．４３が形設してあり、
各斜面４０〜４３は次のように設定して形設しである。

即ち、ホーン１を斜面４０の正面側（矢印４４方向）か
ら見た場合には、ホーン４の先端部形状が非対称台形形
状となるように斜面４２．４３を形設してあり、又、矢
印４４方向と９０°ずれた矢印４５方向からホーン４を
見た場合には、ホーン４の先端部形状が前記矢印４４方
向から見た場合の台形形状とは異なる非対称台形形状と
なるように形設しである。その他の構成は、第１実施例
の場合と同様であるので、同様の部材には同一符号を付
してその説明を省略する。

次に、上記構成に基づく作用について説明する。

図示を省略している高周波発生装置を介して、圧電素子
２を矢印４６方向、即ち矢印４４と同方向に共振する周
波数で振動させると、第１実施例にて説明した作用と同
様の作用により矢印４４と中心軸線８を含む面で楕円モ
ード振動が始まる。

この楕円モード振動は、前述のように縦方向４７の振動
と各斜面４０．４１に生ずる矢印４６方向の横振動とに
より発生するものである。従って、この場合、接触面３
に被移動体（図示省略）を押し当てると、被移動体を矢
印４４方向又は矢印４４に対して逆方向に移動させるこ
とができる。

又、同様に、圧電素子２に矢印４８方向、即ち、矢印４
５と同方向に共振する周波数を印加すれば、上記と同様
にして矢印４５と中心軸線８を含む面で楕円モード振動
を発生させることができる。

従って、この場合、接触面３に被移動体を押し当てると
、被移動体を矢印４５方向又は矢印４５方向に対して逆
方向に移動させることができる。

以上のように本実施例によれば、印加する周波数を単に
変えるだけで、１個の超音波振動子１にて被移動体（物
体）を２方向に移動させることができ、極めて便利かつ
効率的である。

（第５実施例） 第５図に本発明の第５実施例を示す。本実施例は、ホー
ン４の構成に特徴のある超音波モータ５０の構成例を示
すものである。即ち、本実施例のホーン４は、中心軸線
８を中心として軸対称に一対の突起５１を形設し、各突
起５１を軸線８を中心として互に１８０°ずれた位置に
配置構成しである。各突起５１はそれぞれ同一水平面の
接触面３を有しており、かつ、この接触面３からホーン
４の円筒側面にかけて形設した斜面５２をそれぞれ有し
ている。５３で示すのは垂直面部である。

又、各突起５１には、他の突起５１との作図上干渉する
位置まで設けられた斜面５４がそれぞれ形設してあり、
振動時に２つの突起５１の振動が互に独立した振動とな
らないように設定構成しである。ポル＋−６は、比較的
大径のねし部６ａと、小径の軸部６ｂと、軸部６ｂの先
端部に螺刻した小径ねじ部６ｃとより構成してあり、圧
電素子２とポーン４の本体部はカラー５を介してボルト
６の大径ねし部６ａで固定されるようになっている。

ボルト６の小径軸部６ｂは、ホーン４の軸心孔部５５に
貫挿してあり、小径軸部６ｂと軸心孔部５５との間には
ホーン４振動時に互に接触しないよ・うに空間が設けで
ある。

ホーン４の軸心孔部５５を貫通した小径軸部６ｂには、
ロータ５６が軸受５７を介して支持されており、このロ
ータ５６は、小径ねし部６ｃに螺着したナツト５８と、
ナツト５８と軸受５７との間に弾装したばね５９を介し
てポーン４の各突起５１の接触面３に押圧接触ゼしめら
れている。その他の構成は、第１実施例と同様であるの
でその説明を省略する。

次に、−ト記構成に基づく作用について説明する。

図示を省略している高周波発生装置を介して圧電素７−
２に適当な高周波を印加すると、振動がポーン４により
増幅され、接触面３で大きな縦方向６０の振動となる。

又、同時に斜面５２に縦振動波が当り、ポーン４の突起
５１が横力向６１に振動する。この振動は、一対の突起
５１部で１８０゛位相がずれるので、２つの接触面３で
１８０“位相のずれた２つの楕円モード振動が発生し、
この楕円モード振動によりロータ５６が回転駆動される
ものである。

特に、本実施例においては、各突起５１の斜面５４を作
図上干渉するように設定しているので、２つの突起５１
の振動が独立せず、従って接触面３にロータ５６が片当
りした場合であっても、無負荷側の振動のエネルギーが
負荷側突起５１に伝達し易い。その結果、ロータ５６の
片当り、即ちロータ５６のラジアル方向の外力に強い超
音波モータ５０が得られる。又、ボルト小径軸部６ｂと
ポーン４の軸心孔部５５との間に空間を形成しであるの
で、ホーン４部での振動エネルギーのロスがなく、効率
のよい超音波ロータ、５０が得られる。

〔発明の効果］ 以上のよう本発明によれば、極めて簡単な構成でかつ効
率のよい超音波振動子及びそれを用いた超音波モータを
製作することができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ、ｂは、本発明の第１実施例を示す正面図、斜
視図、 第２図、第３図、第４図ａ、ｂ及び第５図ａｂは、本発
明の第２、第３、第４及び第５実施例を示す説明図であ
る。 ２・・・圧電素子　　　　　３・・・接触面４・・・ホ
ーン　　　　　　９・・・斜面２２．５６・・・ロータ
　　３０・・・ワーク特許出願人　　オリンパス光学工
業株式会社代理人　弁理士　　奈　　　良　　　　　　
　武９・・・斜　面 め

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）圧電素子に共振体を固定するとともに前記共振体
   に一面以上のなだらかな斜面を設け、前記共振体先端部
   に楕円モード振動を励起しうるように構成したことを特
   徴とする超音波振動子。
2. （２）圧電素子に共振体を固定するとともに前記共振体
   に２面以上のなだらかな斜面を設け、前記圧電素子に前
   記共振体の各面方向に共振する周波数を印加することに
   より、２方向以上の方向の楕円モード振動を励起しうる
   ように構成したことを特徴とする超音波振動子。
3. （３）圧電素子に共振体を固定するとともに前記共振体
   に一面以上のなだらかな斜面を設け、前記共振体先端部
   に楕円モード振動を励起しうるように構成するとともに
   、前記楕円モード振動発生部に回動自在に支持されたロ
   ータを適宜押圧力にて押圧接触させて前記ロータを回転
   駆動するように構成したことを特徴とする超音波モータ
   。
4. （４）圧電素子に共振体を固定するとともに前記共振体
   に一面以上のなだらかな斜面を設け、前記共振体先端部
   に楕円モード振動を励起しうるように構成し、前記楕円
   モード振動発生部に載置されるワークを直進移動しうる
   ように構成したこと特徴とする超音波モータ。
5. （５）圧電素子に共振体を固定するとともに、前記共振
   体の先端部に軸対称となるように互に １８０゜位相差を保持した同形状の一対の共振体突起を
   設け、前記各共振体突起に一面以上のなだらかな斜面を
   形設するとともに前記両共振体突起の先端部に回動自在
   に支持されたロータを適宜押圧力にて押圧接触させて前
   記ロータを回転駆動するように構成したことを特徴とす
   る超音波モータ。