JPH0315278A - 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 本発明は弾性振動体の屈曲振動を利用したモータにおけ
る弾性振動体の構造に関するものである。

従来の技術 従来から広く用いられているモータ装置は、その駆動源
として電磁力を応用したものが大部分であり、各種用途
に使われている。しかしこれら装置の大きさ、質量及び
回転力等は用いられる材料によって一定の制限をうける
ものである。何故ならば、これらの因子は用いられる材
料の磁気的特性等によって決められるものであり、これ
らの特性を越えた装置は回転駆動を行うことが不可能と
なるためである。

一方、上記モータ装置の制約を克服し、これに代替する
装置として、本発明者によってｒ超音波振動を利用した
モータ装置Ａ特許第１２６２６４５号「特公昭５９−３
０９１２号（特願昭５５　−　４０６５６号）」、『超
音波振動を利用した一方向駆動装置』特許第１２６４２
６９号「特公昭５９　−　３７６７３号（特願昭５５−
１５２７５３号）」がすでに提案されている。これらの
発明は、超音波振動子により振動する振動体の一端と移
動体の一端面を相互に対向する位置に配置し、両者間に
板状または棒状の振動片を介在させて、振動片を適当な
角度で超音波振動子の往復運動を移動体の一方向運動に
変換する装置に関するものである。

また、別に特許第１３４５４９６号「特公昭５８　−　
３２５１８号（特願昭５０−１０５８４７号）」にも開
示されているように、圧電素子に高周波電圧を印加させ
たときに生ずる振動を用いてロー夕を回転駆動させるも
のが提案されてもいる。

これらの先行する技術は、超音波の持つ強力な振動エネ
ルギーを回転または直進運動に変換することによって小
形にして軽量かつ、従来の電磁モータに比べて巻線が不
要のため、構造が簡単なモータ装置を実現したものであ
るが、共通していることはいずれも定在波を用いた超音
波モータであることを特徴としており、その構造と性能
には大きな制約がある。例えば、耐久性に乏しく、回転
が一方向に限られることなどの欠点がある。

先行する基礎発明 本発明者は上記問題点を克服し、小型軽量であらゆる用
途に適用することが可能であり、正逆転が容易に行え、
耐久性が高く、薄型に構成することが容易である進行性
屈曲振動モータを発明した。上記発明は特願昭５７　−
　２９４００号（昭和５７年２月２５日出願、特開昭５
８−１４８６８２号、特公平１−１７３５３号）及び特
願昭５７　−　２０５２２０号（昭和５７年１１月２２
日出願、特開昭５９−９６８８１号、特公平１−１７３
５４号）として特許出願されている。

この先行する基礎発明に係るモータは、電歪素子により
進行性の屈曲振動が与えられる弾性振動体と、この弾性
振動体の接触面に接触する相対移動体とを備え、前記屈
曲振動の進行波により前記相対移動体をｇ擦駆動するこ
とを特徴とするものである。

次に第１図に基いて前記モータの動作原理を説明する。

進行波Ｆ　（ｔ，ｘ）は次式で表わされる。

Ｆ　（ｔ，ｘ）＝ｓ　ｉｎ　（ωｔ−ｋｘ）＝ｓ　ｉｎ
ωｔ　　−　ｓ　ｉｎ　　（ｋｘ−ｚ／２）−ｓ　　ｉ
ｎ　　（ωｔ−π／２）　　・Ｓ　　ｉｎｋｘω＝角周
波数（・２πｆ，ｆ：周波数）ｋ＝波数（・２π／λ，
λ：波長） ｔ＝時間 Ｘ＝位置 上式より明らかなように２つの定在波，Ｓｉｎωｔ　−
　ｓ　ｉ　ｎ　（ｋ　Ｘ−Ｋ／２）と−ｓｉｎ（ωＬ−
π／２）・ｓ　ｉｎｋｘとを重畳することにより進行波
かえられる。そして２つの定在波は位置的にλ／４　（
＝π／２ｋ）ずれた関係にあり、時間的にはπ／２位相
がずれた関係にある。そこでこのような２つの定在波（
屈曲振動波）を弾性体に生じさせるためには、第１群の
電歪素子と第２群の電歪素子とを弾性振動体３に対し、
λ／４ずれた位置関係に固定すると共に、第１群の電歪
素子と第２群の電歪素子に印加する高周波電圧を時間的
にπ／２位相がずれるようにすればよい。第１群と第２
群との間の高周波電圧の時間的ずれを−π／２位相がず
れるようにすると、前記屈曲振動は逆方向に進行する。

第１図は上記のように振動する弾性振動体３の接触面３
ａの運動を拡大して示している。接触面３ａ上の質点Ｂ
に着目すると、この質点Ｂは横振幅ａ（上下方向）と縦
振幅ｂ（左右方向）との合成された楕円Ｑ上を矢印Ｍの
方向に運動している。この回転楕円運動は前記接触面３
ａ上のどの点であっても同様であり、矢印Ｕ方向に伝播
されていく。この弾性振動体３の接触面３ａにフリーな
移動体４を加圧接触させると、この移動体４は前記弾性
振動体３の接触部分Ａ，Ａ’から摩擦駆動を受けて矢印
Ｎの方向に駆動される。前記接触部分Ａ，Ａ’　は弾性
振動体３の屈曲進行波の頂点に位置する部分であるが、
これら頂点は振動速度Ｖ＝２πｒｂ（ｒ：振動数）で矢
印Ｍの方向に運動しているので、移動体４も同様の速度
Ｖで矢印Ｎの方向に駆動される。

前起電歪素子としては、圧電体や磁歪体を用いることが
できる。

発明が解決しようとする課題 本発明は上記の進行性屈曲振動モータにおいて高速駆動
が可能となる弾性振動体を提供することを目的とする． 高速駆動を実現するための原理 移動体の駆動速度Ｖは上述のように次式で得られる。

Ｖ＝２πｆ．ｂ　　　・−・−・一・−−−−・−・・
・−（１）横振幅ａと縦振幅ｂとは次のような関係にあ
る。

ス ｈＩ　：中立面から接触面までの距離，波長λは次式に
より定まる。

λ＝ｆｌ丁丁Ｔ７Ｔ・　４ｆＴ７７・ｆｆ−・−（３）
Ｅ：ヤング率 ρ：密度 Ｒ：断面二次半径 （１）式より移動体の駆動速度■を増大させるためには
ｂを大きくすればよい（ｆを一定とする．）。そして（
２）式より、ｂを増大させるためには、ａ又はｈ，を大
きくするか、λを小さくすればよい。ところでａを大き
くすることは、弾性振動体の屈曲率が大きくなることを
意味し、電歪素子や弾性体の破壊につながるので限界が
ある。式（３）より、λを小さくするためには、Ｅ／ρ
を小さくするかＲを小さくすればよい。

以上のことから前記駆動速度Ｖを増大させるためには、
次のようにすればよいことが結論づけられる。

■　断面二次半径Ｒを小さくすること。

■　中立面から接触面までの距離ｈ，を大にすること。

■（ヤング率）／（密度）すなわちＥ／ρを小さくする
こと。

但し上記■〜■項は夫々が独立で存在するものではなく
、１つの要件を変えれば他の要件も変化する。しかし、
他の要件の変化を最小限に抑えることによって、当該要
件を充足するようにすることは可能である。

課題を解決するための手段 本発明は上記課題を解決するため、上記■の原理に基す
いて、次のように構威したことを特徴とする。

すなわち、電歪素子により進行性の屈曲振動が与えられ
る弾性振動体と、この弾性振動体の接触面に接触する相
対移動体とを備え、前記屈曲振動の進行波により前記相
対移動体を摩擦駆動する進行性屈曲振動モータにおいて
、前記弾性振動体を、その接触面側に、屈曲振動の進行
方向に対し非連続な多数の突片部を設けたことを特徴と
する。

作用 本発明の作用を明らかにするため、本発明の弾性振動体
と先行発明に係る連続矩形断面の弾性振動体とを比較す
る。第２図の（ａ）には前者の、（ｂ）には後者の夫々
の横断面図を示している。本発明のものは、接触面３ａ
側に屈曲振動の進行方向に対し非連続な多数の突片部５
を設けているので、同一材質で同一の曲げ剛性を備えた
先行発明のものに比較して、中立面３Ｃから接触面３ａ
までの距離ｈ．を著しく大にすることができる。換言す
れば、Ｅ，ρが同一条件である弾性振動体間において、
その形状を第２図の（ｂ）から（ａ）のように変えるこ
とによって、前記ｈ，の拡大に比較しＲ等の変化を僅か
の変化にとどめることができる。そして、式（１），（
２）により本発明のものは先行発明のものに比較して駆
動速度Ｖを増大させることができるのである。なお第２
図（ａ）の３ｅは弾性振動体の中実部分と前記突片部５
を備えた部分との境界面を示している。

実施例 進行性屈曲振動モータの基礎構造は第１図において、す
でに説明したとおりである。そして電歪素子により弾性
振動体３には進行性の屈曲振動が与えられ、その接触面
３ａに接触する移動体４が、第１図に示すように、接触
面３ａの各質点に生起される回転楕円運動により摩擦駆
動される。弾性振動体３及び移動体４をリング状に形成
すればロータリモー夕となり、弾性振動体３及び移動体
４を直線状に形或すればりニアモー夕となる。又弾性振
動体３を固定子とする外、移動子とすることもでき、そ
の場合には弾性振動体３に接触するもの（前記移動体４
に相当するもの一移動体４とこれに相当するものを特許
請求の範囲では相対移動体と称している。）が固定子と
なる。

前記弾性振動体３は金属で構威されることが一般であり
、棒状又は板状に形戒される。このような構成の弾性振
動体３において、モータの高速駆動に貢献するものを具
体的に挙げ、説明する。

先ず原理のに基づくものについて説明する。

第３図に示す第ｌ実施例は、弾性振動体３の断面形状を
凸形にしたものである。弾性振動体３の上面を接触面３
ａとして用い、下面に電歪素子（圧電体）．ｌを接着し
ている。中立面３ｃは幅広部分にあり、接触面３ａは幅
狭部分となっている。

このように構成することにより、断面積が同一であって
、同一材質の矩形断面弾性振動体と本実施例のものを比
較したとき、本実施例のものの断面二次半径Ｒを小とす
ることができる結果、駆動速度を高速化することができ
る。

第４図に示す第２実施例は、中立面３Ｃの上下両側が第
１実施例と同様の断面凸形となる上下対称断面形状とし
たものである。この場合には弾性振動体３の上下両面が
接触面３ａ＋，３ａ２として用いられる。

第５図に示す第３実施例は、弾性振動体３の断面形状を
二等辺台形にしたものであり、幅狭の上面を接触面３ａ
として用い、幅広の下面３ｂに電歪素子（図示省略）を
接着したものである。この場合も第１実施例と同様の原
理により、高速駆動化できる。

第６図に示す第４実施例は、弾性振動体３の断面形状を
二等辺三角形にしたものであり、接触面３ａが線状ない
しこれに近い細幅面になっている点に特徴がある。この
場合も第１実施例と同様の原理により、高速駆動化でき
る。

次に前記原理■に基づくものについて説明する。

第７図及び第８図に示す第５実施例は、中立面３ｃの上
下両側を対称構造とし、上下両面が接触面３ａ＋．３ａ
ｔとして用いられる弾性振動体であって、矩形断面中実
構造の弾性体に夫々の接触面３ａ＋，３ａｚより中立面
３ｃ側に向け多数の切込み７が形成されたものである。

中央の中実基体部分６は矩形断面に形成され、又長手方
向（屈曲振動の進行方向）に等ピッチで形成された切込
み７により、互いに非連続とされた多数の突片部５も同
じく矩形断面に形成されている。この弾性振動体３に対
し電歪素子を中実基体部分６の側面に固定すると好適で
ある。或いは突片部５の一部を削除して、この削除部分
に電歪素子を固定し、弾性振動体に進行性屈曲振動を付
与するように構威してもよい。

本実施例は上記のように構戒することにより、同一材質
で同一の曲げ剛性を備えた矩形連続断面形状の弾性振動
体に比較して、中立面３Ｃから接触面３ａ＋　、３ａｚ
までの距離ｈ，を大にすることができ、高速駆動化が可
能となる。

上記第５実施例は上下両面が接触面３ａ＋、３ａｚ　と
なり、これらに接触する上下１対の移動体（図示省略）
を駆動するものであるが、第２図（ａ）に示すように中
立面３Ｃに平行な一方の面のみを接触面３ａとし、他方
の面に電歪素子ｌを固定する構造のものの変形例である
。

このような関係は、第３図に示す第１実施例と第４図に
示す第２実施例との間の関係と同じである。

次に前記原理■に基づくものについて説明する。

第９図に示す第６実施例は、第１実施例と同様に、弾性
振動体３の断面形状を凸形にしたものであるが、その上
方突出部分８と基体部分９との材質を変え、上方突出部
分８をヤング率Ｅの小さい材質、正確には（ヤング率）
／（密度）すなわちＥ／ρの小さい材質を用いて構成し
ている。このように弾性振動体３のＥ／ρを小さくする
ことにより、駆動速度を高くすることができ、しかも接
触面３ａ側の部分の材質のＥ／ρを小さくすることによ
り、より効果的に前記駆動速度を高めることができる。

本発明は上記実施例のうち、第５実施例や第２図（ａ）
に示す例のように、弾性振動体３の接触面側に、屈曲振
動の進行方向に対し非連続な多数の突片部５を設けたこ
とを特徴とするものである。なお前記接触面３ａ、３ａ
＋、３ａ２、境界面３ｅは平面に限定されず、曲面等で
あってもよい。そして前記突片部５は例えば第８図に示
すように、中実構造の弾性体にその接触面３ａｌ、３３
Ｚより中立面３Ｃ側に向け多数の切込み７を入れること
により形成することができるが、この外第９図に示すも
のと同様に別体形成した突片部を基体部に一体化して弾
性振動体を構成することも可能である。又突片部５の形
状も図示するものに限定されることはなく、例えば第５
図に示す断面が二等辺台形の中実弾性体に第８図に示す
ものと同様の切込みを入れて振動弾性体を構或すること
も可能である。更に前記突片部５の材質を中実基体部分
６のそれに比較して（ヤング率）／（密度）すなわちＥ
／ρの小さいものとすることも可能である。

発明の効果 本発明によれば、高速駆動が可能となる進行性屈曲振動
モータを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は進行性屈曲振動モータの原理を示す斜視図、第
２図は本発明の弾性振動体と先行発明の弾性振動体の横
断面形状を比較して示すもので、（ａ）は本発明のもの
の横断面図、（ｂ）は先行基礎発明のものの横断面図、
第３図〜第６図はモータの高速駆動化に貢献する弾性振
動体を示し、第３図はその１例の横断面図、第４図、第
５図、第６図は夫々他の例の横断面図、第７図は本発明
の実施例にかかる弾性振動体の横断面図、第８図はその
斜視図、第９図はモータの高速駆動化に貢献する弾性振
動体の更に異なる例の横断面図である。 １・一・−・−−−−一−−−−−−−−・−・・・−
−−−−一電歪素子３−・−−−一一一−−・一一−−
−−・・−・一−−一一−・・弾性振動体３ａ、３ａ＋
　、３ａｚ　−−−−一接触面３ｃ・−・一−−−−−
一−−−−一−一−−−一・一・−−−−−−−一中立
面５−−−−−−−−・・・−・−−−−−一−・一・
一突片部７−・−・・・・・・一−−−一−−・一−一
一一−一−−−一切込み．君　１　図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　電歪素子により進行性の屈曲振動が与えられる
   弾性振動体と、この弾性振動体の接触面に接触する相対
   移動体とを備え、前記屈曲振動の進行波により前記相対
   移動体を摩擦駆動する進行性屈曲振動モータにおいて、
   接触面側に、屈曲振動の進行方向に対し非連続な多数の
   突片部を設けたことを特徴とする進行性屈曲振動モータ
   における弾性振動体。
2. （２）　中実構造の弾性体にその接触面より中立面側に
   向け多数の切込みを入れて、その残部に突片部を形成し
   た特許請求の範囲第１項記載の進行性屈曲振動モータに
   おける弾性振動体。