JPH03270679A

JPH03270679A - 超音波振動子および超音波モータ

Info

Publication number: JPH03270679A
Application number: JP2066065A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Imabayashi; 浩之今林; Takenao Fujimura; 毅直藤村; Yukihiko Sawada; 之彦沢田
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1990-03-16
Filing date: 1990-03-16
Publication date: 1991-12-02

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］この発明は、超音波振動子および超音波モータ、詳しく
は電気−機械変換素子である圧電素子により超音波楕円
振動を発生させる超音波振動子と、この超音波振動子を
用いて構成される超音波モータに関するものである。

［従来の技術］最近においては、従来の電磁型モータに比べて、構成が
簡単で低速・高トルクが得られて磁気的影響を受けず、
薄型、軽量、コンパクトに纏めることができて極めて信
頼性が高い等の顕著な効果を有する超音波モータが数多
く提供されている。そして、またその特徴を発揮させる
ために、その構造および駆動方式も様々なものが提案さ
れている。

次に、従来の超音波モータの一例を、第１４図によって
簡単に説明すると、この超音波モータは特開平１−１７
７８８０号公報および特願昭６３−９２７０４号に、そ
の原理および構成が詳述されているように、コの字状に
構成した超音波振動子を用いたリニア型の超音波モータ
であって、金属弾性薄板をコの字状に折り曲げて形成し
た弾性体１０１を、その両端部の取付片部１０１ｃ。

１０１ｃをビス１０３によって不動基台１０４上に取り
付けることにより固定し、該弾性体１０１の上辺部１０
１ａの内面と一側辺部１０１ｂの外面とに、電気−機械
変換素子である一対の圧電素子１０２ａ、１０２ｂを互
いに直角方向に分極させてそれぞれ貼設し、この各圧電
素子１０２ａ。

１０２ｂに対して高周波電源１０５から出力される交流
駆動制御電圧を印加するようになっている。

この交流駆動制御電圧は、一方において電力増幅器１０
６により増幅して上記上辺部の圧電素子１０２ａに印加
し、他方においてスイッチ１０７および電力増幅器１０
８を介して上記側辺部の圧電素子１０２ｂに供給される
。スイッチ１０７がａ側にある場合は電力増幅器１０８
により増幅されたのち、圧電素子１０２ｂに印加される
。

このようにして同じ駆動周波数の制御電圧が印加される
と、矢印で示す如く、この超音波振動子には横方向のた
わみ固有振動と縦方向のたわみ固有振動とを発生し、こ
れらが同期して駆動されることにより、上辺部１０１ａ
に屈曲振動波を形成する。従って１、この振動面上に移
動体１１０を押圧配置することによって、この移動体１
１０をロータとして一方向に直線運動をさせることがで
きる。

また、スイッチ１０７をｂ側に切換えると、１８０＠移
相器１０９により交流電圧が１８００移相されるので前
記とは逆位相の振動が起き、これによって移動体１１０
は上記一方向とは反対方向の移動方向となる。このよう
に移動方向は、圧電素子１０２ｂに印加する電圧の位相
差を１８０゜移相させることにより制御することができ
る。更にまた、振動振幅を増加させるために圧電素子１
０２ａ、１０２ｂを積層に形成する場合もある。

［発明が解決しようとする課題］ところが、上述のように超音波振動子をコの字状の振動
子で構成した従来のものにおいては、横方向のたわみ固
有振動と縦方向のたわみ固有振動を一致させるのは、大
変難しく、また小型の超音波モータを得るために、この
超音波振動子を超小型化していくと、振動振幅が小さく
なり、そのために圧電素子を積層するなどの対策を講じ
なければならない等の不具合があった。

本発明の目的は、上記従来の不具合を解消し、コの字状
振動子を小型化しても安定した超音波楕円振動を発生さ
せることができる超音波振動子と、この振動子を用いた
小型の超音波モータを提供するにある。

［課題を解決するための手段］先ず、本発明による超音波振動子は、第１図にその概念
図を示すように、一定幅の厚味の薄い金属弾性板を口の
字状の枠体に加工して弾性体１を形成し、この弾性体１
の底辺部１ｄを不動基台の固定部材４上に固定し、その
上辺部１ａの内面に第１の圧電素子２ａを貼設すると共
に、左右の両側辺部１ｂ、ｌｃの各内面に第２の圧電素
子２ｂおよび第３の圧電素子２Ｃを、各分極電極■○の
向きが反対になるようにして貼設し、コの字状の超音波
振動子１０を形成する。

そして、この振動子１０の第１圧電素子２ａに高周波電
源５からスイッチ７および電力増幅器８、またはスイッ
チ７．１８０’移相器９および電力増幅器８を介して交
流駆動制御電圧を印加すると共に、第２．第３圧電素子
２ｂ、２Ｃに上記制御電圧と同一駆動周波数であって、
位相を９０°ずらした正弦波制御電圧を高周波電源５か
ら電力増幅器６を介して印加し、非共振状態で圧電素子
２ａ〜２Ｃの伸縮運動による屈曲振動を合成した超音波
楕円振動を発生させるように構成しである。

また、本発明による超音波モータは、第３，４図にその
概念図を示すように、上記固定部材４を比較的厚味のあ
る４角形状の固定部材１４で形成し、その中央部に移動
体の挿通孔１４ａを貫通して設け、この挿通孔１４ａの
周りの外側縁部上の対称位置に、上記第１図のように構
成した超音波振動子１０を複数個固定して配置し、その
超音波振動子１０Ａ、ＩＯＢの上辺部１ａの上面上に摺
動部材１１を貼設する。そして、頭部に駆動円板１２を
有する出力回転軸からなる移動体１３を上記挿通孔１４
ａに挿通し、固定部材１４にベアリング軸受け１５によ
って回転自在に支持し、移動体１３の挿通端部に伸張性
のコイルばね１６を嵌装したのち、ナツト１７を螺合す
る。このナツト１７の螺合度合を調整し、ばね１６の弾
力により振動子１０Ａ、ＩＯＢの上面の摺動部材１１へ
の駆動円板１２の押圧当接力を一定にする。そして、各
振動子１０Ａ、ＩＯＢの圧電素子２ａ〜２Ｃへ印加する
駆動電圧の正弦波電圧の位相差を、各振動子１０Ａ、Ｉ
ＯＢに発生する楕円振動１８ａ。

１８ｂの回転の向きが移動体１３の回転方向１つと一致
するように制御するように構成される。

［作　用コ先ず、上記第１図のように構成された超音波振動子１０
の作用について説明する。各圧電素子２ａ〜２Ｃに上述
のように正弦波電圧を印加すると、各圧電素子２ａ〜２
Ｃは、その長さ方向に伸縮運動をする。この伸縮運動に
より第２図に示す如く、コの字状の超音波振動子１０は
その上辺部１ａおよび両側辺部１ｂ、ｌｃに屈曲振動が
発生し、更に第１圧電素子２ａと第２．第３圧電素子２
ｂ、２（は９０°位相がずれて振動しているため、振動
子１０の上面にはこれらが合成された楕円振動１８が発
生する。

この楕円振動１８は、上辺部１ａの屈曲振動と両側辺部
１ｂ、ｌｃの屈曲振動の共振周波数を合わせることによ
り、入力端子に対して効率のよい楕円振動を発生させる
ことができ、また、この振動子１０の振動発生部は一種
のユニモルフ（バイモルフ）の構成になっているため、
長さ１広を変更することで共振周波数を容易に合わせる
ことができ、更に非共振状態の駆動で比較的大きな振動
振幅を発生することができて、駆動に用いる電圧は低電
圧、低周波数でよい。

また、上記第３，４図の超音波モータは、コの字状の超
音波振動子１０Ａ、１０Ｂに発生する楕円振動１８ａ、
１８ｂによって駆動円板１２が回転せられることにより
移動体１３が回転する。この回転方向は印加する正弦波
電圧の位相差を１８０°移相させることにより、発生す
る楕円振動１８ａ、１８ｂの向きを変え、駆動円板１２
を介して移動体１３を逆回転させる。また、振動子１０
Ａ、ＩＯＢはユニモルフ（バイモルフ）構成の振動子で
あるため、非共振状態でも比較的大きな振幅か得られ、
小型で出力の高い超音波モータを得ることができる。

［実　施　例コ以下、図示の各実施例により本発明を説明する。

第５図〜第７図は、本発明の第１実施例を示したもので
あって、超音波振動子１０Ａ、ＩＯＢの構成は上記第１
，３図の概念図で説明したものと全く同様に構成されて
おり、これを用いた超音波モータの構成が若干相違して
いる。

即ち、上記固定部材１４Ａは四角柱体形状のブロック体
の対向する両側面部を切り欠いて振動子載置部１４Ａｂ
、１４Ａｃを形成してなり、この両板動子載置部１４Ａ
ｂ、１４Ａｃ上にそれぞれ超音波振動子１０Ａ、ＩＯＢ
を固定し、固定部材１４Ａと２個の超音波振動子１０Ａ
、１０Ｂとで固定子２０を形成している。そして、上記
固定部材１４Ａの中心部を貫通して穿設されｔコ挿通孔
１４Ａａ内に、移動体１３を挿通し、回礼１４Ａ　ａ内
に配設したベアリング軸受１５によって回転自在に支持
すると共に、同軸受１５の下方の移動体１３上にばね受
部材２１．コイルばね１６を嵌装し、移動体１３の下端
部にナツト１７が螺合される。このナツト１７の螺合度
合を調整することにより、コイルばね１６の弾性力で上
記駆動円板１２の摺動部材１１上への押圧当接力が調節
される。

また、本実施例においては上記弾性体１は、黄銅、アル
ミニウム、リン青銅等の厚さが、例えば０．１１の弾性
薄板を口の字状の枠体に加工して形成されており、その
上辺部１ａの内面には厚さか、例えば０．３　ｍａ＋の
圧電素子２ａを、左右両側辺部ｌｂ、ｌｃの内面には極
性を互いに反転した０、３旧の厚さの圧電素子２ｂ、２
ｃがそれぞれエポキシ系の接着剤で圧縮固定されている
。また、上辺部１ａの上面側に設けられる摺動部材１１
は、カーボン膜を接着固定して形成されている。そして
、圧電素子２８〜２ｃを内面に固定していない底辺部１
ｄが上記振動子載置部１４Ａｂ、１４Ａｃ上に固定され
ることによりコの字状に振動子１０Ａ。

１０Ｂが形成される。この場合、コの字状振動子はその
上辺部１ａと両側辺部１ｂ、ｌｃの長さ方向の寸法を共
振周波数が一致するように構成される。また、上記第１
圧電素子２ａと第２．第３圧電素子２ｂ、２（にはリー
ド線２２ａ、２２ｂにより、９０°位相がすらされた正
弦波電圧が印加されるようになっている。

このように構成された第１実施例の超音波モータにおい
ては、各コの字状振動子１０Ａ　　ＩＯＢはそれぞれユ
ニモルフを３枚有した構成になっており、上辺部１ａは
両端支持、側辺部１ｂ、ｌｃは片持支持になっている。

この振動子の圧電素子２ａと圧電素子２ｂ、２ｃに９０
’位相がずらされた正弦波電圧が印加されると、コの字
状振動子の３辺に屈曲振動が発生し、上面に合成された
楕円振動が生じる。この２個のコの字状振動子１０Ａ、
ＩＯＢの楕円振動の回転方向は、供給印加電圧の位相差
を制御することにより、移動体１３の回転軸に対して対
称になるようにしである。

従って、この両板動子１０Ａ、ＩＯＢの楕円振動が摺動
部材１１を介して駆動円板１２に伝達され、同円板１２
が回転駆動されることにより移動体１３が回転する。こ
の回転出力は上記駆動円板１２から取り出してもよいし
、移動体１３の回転軸の下端部から取り出してもよい。

また、供給印加電圧の位相差を１８０’移相することに
よって、楕円振動の回転方向が逆転するので、これによ
り逆方向の回転出力を得ることができる。

この第１実施例の超音波モータによれば、その振動子が
ユニモルフによって構成されているので、低電圧で比較
的低周波数で駆動することができ、従来の超音波モータ
で問題となっていた発熱も少なくすることができる。し
かも、供給印加電圧の位相差を１８０°移相することで
簡単に可逆回転ができる。また、コの字状振動子の上辺
部の長さと側辺部の長さの寸法を変化させて、容易に２
つの屈曲振動の共振周波数を合わせることができ、非共
振状態においても、十分な振動振幅を発生することがで
きる。例えば、口ＳｍｒＡｓ幅１間のコの字状振動子の
上面では、２．５　ＫＨｚで約８μｍの振動振幅が発生
することが確認された。

また、この第１実施例においては、２個の超音波振動子
１０Ａ、ＩＯＢを、固定部材１４Ａに設けた段部状の振
動子載置部１４Ａｂ、１４Ａｃ上に固定したので、振動
子の内方または外方への倒れ込みが防止され、強度的に
も強いモータとなる。

第８図〜第１０は、本発明の第２実施例を示す超音波モ
ータの構成図である。この第２実施例の超音波モータは
、上記第１実施例のモータか２個の振動子１０Ａ、１０
Ｂで構成されていたものを４個の振動子１０Ａ〜ＩＯＤ
を用いて構成したものである。

即ち、固定部材１４Ｂの各側縁部上にそれぞれ振動子載
置部を設けると共に、−辺の長さが上記側縁部の長さよ
り若干短い枠体からなる、コの字状振動子を４個作成し
、この４個のコの字状振動子１０Ａ〜ＩＯＤをそれぞれ
振動子載置部上に、両隣りの振動子に接触しないように
配置し、圧電素子２３〜２ｃの固定されていない底辺部
１ｄを接着固定する。

そして、移動体１３の回転軸を挿通孔７−４　Ｂ　ａ内
に挿通し、ベアリング軸受１５で回転自在に支持すると
共に、同移動体１３の頭部の駆動円板１２が４個のコの
字状振動子１０Ａ−１０Ｄの上面の摺動部材１１上に一
定の圧力で当接するように、ばね受部材２１．コイルば
ね１６．ナツト１７を嵌装する。

このように構成した第２実施例においても、各振動子１
０Ａ〜１０Ｄの圧電素子２ａと２ｂ。

２Ｃに、９０°位相のずれた正弦波電圧をリード線２２
ａ、２２ｂを通じて印加すれば、上記第１実施例と同様
に動作する。また４個のコの字状振動子１０Ａ〜ＩＯＤ
の楕円振動の回転方向は供給印加電圧の位相差を制御す
ることにより移動体１３の回転軸に対して対称になるよ
うに設定されているので、移動体１３および駆動円板１
２は強力に回転する。

この第２実施例のように構成しても上記第１実施例と同
様の効果を発揮すると共に、振動子の数を４個にしてい
るため、トルクの増大化を達成できる。このコの状振動
子の数は、上記両実雄側の如く、２，４個に限らず、形
状に余裕があれば、いくつでも設置できトルクの増大化
を図ることかできる。

第１１図は、超音波振動子１０の他の実施例を示したも
のである。この実施例の超音波振動子１０Ｅは、弾性体
１の上辺部１ａの内面と外面（上面）に同形状の圧電素
子２ａを、両側辺部ｌｂ、ｌｃの内外両面に同形状の圧
電素子２ｂ。

２Ｃをそれぞれエポキシ系の接着剤で圧縮固定し、３個
のバイモルフを有するコの字状振動子を形成し、上辺部
１ａの上面外側の圧電素子２ａの上面にカーボン膜の摺
動部材１１Ａを設けたものである。その他の構成は、前
記第１図に示したものと同様である。

このように構成すれば、コの字状振動子１０Ｅはバイモ
ルフ構造となっているため、屈曲振動が増大され振幅の
大きな楕円振動が発生する。従って、これを用いて超音
波モータを構成すれば、小型でトルクの大きな超音波モ
ータを実現することができ、振動子の機械的強度も増加
する。

また、第１２図に示すようにコの字状振動子における弾
性体１の直角に折り曲げる角部の内面部に、切欠２３を
設けると、屈曲振動が発生し易くなり、より大きな振動
振幅を得ることができ、移動体１３の回転トルクを高め
ることができる。この振動振幅を増大する切欠手段は本
発明のコの字状振動子に全て適用できることは勿論であ
る。

また、上記超音波モータの各実施例においては、固定部
材１４．１４Ａ、１４Ｂの中央部に挿通孔１４ａ、１４
Ａａ、１４Ｂａを穿設して、これに移動体１３を挿通す
るようにしたが、これは第１３図に示すように、コの字
状振動子１０Ａと１０Ｂを近接して配設し、その上面の
摺動部材１１に駆動円板１２を回転自在に圧接するよう
に配置し、同日板１２の中心部に回転軸からなる移動体
１３を一体に設けるようにしてもよい。

また、上記の説明は回転型のモータについて述べたが、
これは１つの摺動部材１１に直線状の移動体を圧接させ
れば、直線型のモータを構成できることは言う迄もない
。

因に、コの字状振動子を用いる弾性体１の厚さは、ユニ
モルフ（バイモルフ）構造にするために、約０．１１１
１ｍ程度か好ましく、形状も３辺に楕円振動を発生させ
ることから口の字形の枠体でなく、コの字形の枠体に形
成してもよい。

［発明の効果コ以上述べたように本発明によれば、コの字状振動子の振
動部をユニモルフ（バイモルフ）構造にしたため、２つ
の屈曲振動の共振周波数を上面部と側面部の長さ寸法に
よって、容易に合わせることができ、非共振状態での駆
動においても、振動振幅は大きなものが得られる。そし
て、低電圧低周波数で駆動することが可能で、発熱の少
ない高効率の超音波振動子とこれを用いた超音波モータ
を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の超音波振動子の概念図、第２図は、
上記坪１図の振動子の作用図、第３図は、本発明の超音
波モータの概念を示す分解斜視図、第４図は、上記第３図の超音波モータの平面図、第５図
〜第７図は、本発明の超音波モータの第１実施例を示す
平面図、左半部を断面にした正面図、右側面図、第８図〜第１０図は、本発明の超音波モータの第２実施
例を示す平面図、左半部を断面にした正面図、右側面図
、第１１図は、本発明の超音波振動子の別の実施例を示す
正面図、第１２図は、振動子の要部を示す拡大図、第１３図は、
移動体の配置の別例を示す斜視図、第１４図は、従来の
超音波モータの一例を示す概略斜視図である。１・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・弾性体１ａ・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・上辺部ｌｂ、ｌｃ・・・・・・・・・・
・・・・・側辺部２ａ〜２Ｃ・・・・・・・・・・・・
・・・圧電素子１０、　ＩＯＡ〜ＩＯＤ・・・・・・・
・・超音波振動子１３・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・移動体１８、１８ａ、　１８ｂ・・
・・・・超音波楕円振動知２

Claims

【特許請求の範囲】

（１）２つの開放端を固定部材に固着されたコの字状の
弾性体の、上辺部および２つの側辺部にそれぞれ圧電素
子を固着してユニモルフもしくはバイモルフ構造とし、
上記圧電素子にそれぞれ交流駆動電圧を印加し、上記２
つの側辺部を同一位相の電圧の印加にて、上辺部を該位
相に対し９０°のずれを有する位相電圧の印加にてそれ
ぞれ屈曲させ、上記上辺部の表面に超音波楕円振動を発
生させることを特徴とする超音波振動子。
（２）２つの開放端を固定部材に固着されたコの字状の
弾性体の、上辺部および２つの側辺部にそれぞれ圧電素
子を固着してユニモルフもしくはバイモルフ構造とし、
上記圧電素子にそれぞれ交流駆動電圧を印加し、上記２
つの側辺部を同一位相の電圧の印加にて、上辺部を該位
相に対し９０°のずれを有する位相電圧の印加にてそれ
ぞれ屈曲させ、上記上辺部の表面に超音波楕円振動を発
生させる超音波振動子と、上記上辺部の表面に圧接され、上記超音波楕円振動によ
り超音波振動子に対して移動される移動体と、を具備したことを特徴とする超音波モータ。
（３）上記移動体に回転軸を設け、同軸の周りに上記超
音波振動子を複数個、その各超音波振動子にそれぞれ発
生する楕円振動の振動方向が上記軸の周りに同一方向に
なるように配置したことを特徴とする請求項２記載の超
音波モータ。