JPH03293979A - 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］ この発明は超音波上−タ、更に詳しくは屈曲振動子と縦
振動子とを組み合わせ、屈曲振動子の屈曲振動の節に縦
振動子を取り付けた超音波モータの構造に関するもので
ある。

［従来の技術］ 最近、注目を集めている超音波モータは、周知のように
、低速駆動が容易で高トルク出力が得られるという特徴
を有しており、既に一部では商品化されている。しかし
、この商品化されている超音波モータは、回転形のタイ
プのモータであって、設計の自由度が高くて簡単に回転
形のモータにもできる小型のリニアタイプのモータは未
だ商品化されていない。その理由としては、高効率で高
出力の小型のリニアタイプの超音波モータを製作するこ
とが困難なためで、例えば特開昭５９−９６８８１号公
報によって提案されている進行波型の゛リニア型超音波
モータでは、進行波を効率よく発生させるために閉ルー
プ形状の屈曲振動子を用いる必要があり、振動子が非常
に大型になって、この振動子の支持機構も複雑化し、モ
ータの効率自体も数％と必ずしも効率の高い小型のリニ
アタイプの超音波モータにはならない。また特開昭６３
−２７７４７７号公報に開示されているような板の屈曲
共振と板の長手方向の縦共振振動を合成する型のリニア
タイプの超音波モータの場合には、板の屈曲共振と縦共
振の共振周波数を一致させないと高効率なモータを実現
することができず、大きさや形を制約されてしまう。従
って、小型化。

高効率化が容易ではなかった。更に、このモータでは摩
擦力を発生させるための振動が圧電体の横効果（電圧印
加方向に対し、振動方向が直交している）を用いている
ため、圧着力を大きくすることができず、大きな駆動力
を発生させることができないという欠点も有している。

そこで、本出願人は上記従来のこの種超音波モータの欠
点を除去するために、圧電体を貼着した板状屈曲振動子
に共振屈曲定在波を発生させ、その屈曲振動の節の位置
に、屈曲振動の中立軸に対して垂直方向に振動する積層
圧電体からなる縦振動子を設け、上記屈曲振動子が発生
する屈曲振動と縦振動子が発生する縦振動の位相を９０
″ずらすことによって、縦振動子先端部に楕円振動を発
生させ、これにより縦振動子先端部に圧着した移動体を
所定の方向に動かすように構成した小型のリニアタイプ
の超音波モータを、先に提案した（特願平１−１９５７
６７号）。

この超音波モータによれば、モータ効率が高く、更に薄
型に構成することができるので、非常に利用価値の高い
ものとなる。即ち、この小型のリニアタイプの超音波モ
ータは、小型であるため、これを円形に並設したり、ま
た屈曲振動子自体を円環形状とか円板形状にすれば、容
易に回転形の小型超音波モータを実現できるし、更にま
た摩擦力を発生するための圧着力が加えられる方向には
積層圧電体の縦振動子を用いているので、小型でも大き
な駆動力を発生させることができるという数々のメリッ
トが得られる。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、本出願人が先に提案した屈曲定在波振動
の節線まわりの微小往復振動と屈曲振動の中立面に垂直
な方向の縦振動との合成振動を利用した上記特願平１−
１９５７６７号記載の超音波モータにおいては、第７図
に示すように、弾性体５Ｃと圧電体６とからなる屈曲振
動子の１次の屈曲振動を利用しているから、その節１２
ａ１゜１２ａ２の上に取り付けられた２個の縦振動子４
Ｃは振動の位相が互いに逆で、移動体には各々、の縦振
動子が交互に作用するようになっていた。

このように縦振動子が交互に移動体に作用すると、次の
ような問題を生じる。即ち、１つの縦振動子が移動体に
作用するとき、屈曲振動子をその支持枠に支持している
支持部が上記縦振動子に働く作用力の方向にないと、支
持部を回転中心としたモーメントが屈曲振動子に不安定
な揺動を生じさせ、超音波モータの動作が不安定になっ
たり、効率を低下させることになってしまう。

また、縦振動子が移動体に作用する作用力は、縦振動子
と移動体との接触部に働く最大駆動力に比例する。例え
ば、ある圧接力で縦振動子を移動体に圧接したとすると
、上記接触部には接触部の摩擦係数に比例した摩擦力が
発生するが、当然のことながら、超音波モータは該摩擦
力以上の駆動力を移動体に伝えることはできない。また
このとき、縦振動子の移動体への圧接力に抗して、縦振
動子が超音波モータの駆動に必要な最低限の振幅をもつ
振動を発生していないと超音波モータを駆動できない。

従って、大きな駆動力を発生させるためには、縦振動子
の作用力を大きくする必要が、あるが、上記第７図に示
した超音波モータでは、２個の縦振動子のうちの１個し
か移動体に作用しないから、１つの縦振動子のみで発生
する力となる。

縦振動子の発生力を大きくするためには、屈曲振動子に
３以上の振動の節を設け、取り付ける縦振動子の数を多
くすれば良いのだが、節の数を増すと屈曲振動子が大形
化し、また３以上の縦振動子を設けると縦振動子の移動
体との接触面を非常に高精度に成形しないと、縦振動子
の移動体への作用力のバラツキが生じ、場合によっては
移動体に接触しない縦振動子が発生することになってし
まう。

そこで本発明の目的は、上述の問題点を解消し、小形で
、大きな駆動力が得られ、しかも動作が安定して高効率
な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および作用］本発明の超音
波モータは、板状もしくは棒状の弾性体と、該弾性体に
固定され交流電圧を印加されることにより該弾性体に定
在波型の屈曲振動を発生させる圧電素子と、からなる屈
曲振動子と、上記弾性体の表面で上記屈曲振動の節線上
に、直接または間接的に設けられており、該節線を中心
として揺動され、かつ交流電圧を印加されることにより
上記弾性体の厚み方向に伸縮する縦振動子と、この縦振
動子の先端面に圧接された移動体と、を具備し、上記屈
曲振動に同期して上記縦振動子を伸縮させる超音波モー
タにおいて、上記屈曲振動子の節を奇数個隔てて、上記
縦振動子を複数個配置したことを特徴とするものである
。

［実　施　例］ 以下、図示の実施例によって本発明を具体的に説明する
。第１，２図は、本発明の第１実施例を示す超音波モー
タの断面図である。本モータにおける振動子１２は、縦
振動子４と屈曲振動子１１とで構成されており、屈曲振
動子１１は、平面形状が長方形をなす比較的厚みのある
板状の弾性体５の上面に、板厚方向に分極された薄板状
圧電体６を接着して形成されている。上記圧電体６は、
その分極方向に高周波電圧を印加すると、屈曲振動子１
１は屈曲振動を生じ、更に特定の周波数の信号を印加す
れば、共振の屈曲定在波振動をする。

本実施例の場合は２次の屈曲共振振動が最も効率よく励
振されるような構成の屈曲振動子となっている。即ち、
弾性体５の長手方向中央に対して対称に、分極方向が各
々逆になるように、圧電体６を弾性体５に固着する。

一方、上記縦振動子４は、第１図に示すように上記屈曲
振動子１１より幅広の積層圧電体で形成されていて、第
２図に示すように上記屈曲振動子１１の２次の屈曲振動
の位相が同じ２つの節１２ａ　　　１２ａ３の位置で、
かつ圧電体６を貼１　。

着した側とは反対側の面に固着されており、高周波電圧
が印加されると屈曲振動子１１の板厚方向に各々同位相
で振動する。また、この縦振動子４の先端面には、耐摩
耗性の摩擦材で形成されたスライダ４ａが固着されてい
る。

そして、このスライダ４ａは、図示されない不動部材に
固定されたレール部材２の上面に固着された耐摩耗性摩
擦材で形成されたスライド板３に圧接し摩擦接触するよ
うになっている。

他方、上記レール部材２の、上記スライド板３の固着さ
れていない側の面には、断面半円状の直線状のガイド溝
２ａが振動子１２の駆動される方向に２ケ所平行に穿設
されている。また、上記レール部材２の一部および前記
屈曲振動子１１はモータ支持枠１内に配設されており、
このモータ支持枠１は上記レール部材２の一部と前記屈
曲振動子１１を囲むように断面形状がＵ字型のチャンネ
ル状部材で形成されている。この支持枠１には上記ガイ
ド溝２ａに相対向する位置にガイド溝２ａと同様な断面
半円状をなす直線状の平行な有端のボール収納溝１８が
穿設されていて、このボール収納溝１８と上記ガイド溝
２ａとの側湾内には複数個のベアリングボール１３が配
設されている。

これによって支持枠１はボール１３をボール収納溝１ａ
内に保持した状態で、レール部材２のガイド溝２８の方
向にのみ可動し得るように構成される。

そして、前記屈曲振動子１１は上記支持枠１に対して次
のようにして取り付けられている。即ち、屈曲振動子１
１の屈曲振動の節１２ａ１，１２ａ３の位置には、屈曲
振動子１１の幅方向に突出する円柱軸状の支持部５ａが
弾性体５に一体に左右対称位置に４ケ所設けられている
。この突出支持部５ａの外周にはフランジ付の摺動性の
良い材質からなる支持部材１４が固着または嵌合されて
いて、上記支持枠１にビス１０によって固定された保持
体７の係合切欠部７ｂに同突出支持部５ａが嵌着される
ことにより屈曲振動子１１は支持枠１に取り付けられて
いる。

上記保持体７は、屈曲振動子１１を上方から囲むように
断面が逆Ｕ字型に形成されたチャンネル状部材からなり
、その左右両側縁部の、上記突出支持部５ａに対向する
部位に、上記係合切欠部７ｂが穿設されている。そして
、左右両側縁部の中程は上方に向けて折り曲げられて幅
方向の外方左右に向けて水平に張り出した取付部７ａと
なっており、上記突出支持部５ａに係合切欠部７ｂを嵌
着した保持体７の両歌付部７ａを上記支持枠１の上面に
載置し、皿ばね８およびスペーサ９を介してビス１０を
取付部７ａを貫通させて支持枠１の上面にねじ込むこと
により保持体７は支持枠１に固定される。また、この取
付状態において取付部７ａと支持枠上面との間には僅か
な隙間が生じるように設計されている。従って、皿ばね
８の弾力およびビス１０の捻じ込み量をスペーサ９によ
り調節すれば、ばね８によって発生する圧接力は振動子
１２に直接加わり、これによってスライダ４ａのスライ
ド板３の接触面に対する圧接力を最適に調整することが
できる。

次に、以上のように構成されたこの第１実施例を示す超
音波モータの駆動回路を第３図により説明する。図にお
いて、発振器１５は、屈曲振動子１１が２次の屈曲共振
振動を生ずるような周波数の高周波信号を出力する。こ
の高周波信号は、第１の増幅器１７ａに入力され、屈曲
振動子１１に所定の振動振幅が得られる電圧レベルまで
増幅されて、圧電体６の信号印加用の電極に入力される
。

また、上記高周波信号は、移相器１６にも入力され、も
との高周波信号に対して位相を変化させられる。この移
相器１６で、屈曲振動の位相に対し縦振動子の縦振動の
位相が９０＠異なるように位相の変化量を設定すると、
この超音波モータを最も速く駆動することができる。

本発明の超音波モータの場合、屈曲振動子１１は共振し
ているので、入力電気信号に対して屈曲振動の振動位相
はずれる。ところが、縦振動子４は非共振で駆動されて
いるので、入力電気信号に対して縦振動の振動位相は一
致している。従って、上記のように屈曲振動と縦振動の
位相差を９０゜に設定するためには、電気信号の位相差
は３０″〜１２０”に設定すると良い。このように設定
位相に幅があるのは、屈曲振動子の製作誤差や取り付は
条件が異なることによって、屈曲振動と入力電気信号の
位相差が変化するためである。移相器１６から出力され
た信号は、第２の増幅器１７ｂに入力され、縦振動子４
に所定の振動振幅が得られるような電圧レベルまで増幅
されて、縦振動子４の信号印加用の電極に入力される。

一方、縦振動子４および圧電体６のグランド電極は、導
電性材質の弾性体に接地され、駆動回路側のグランドと
も接地されている。

次に、このように構成されたこの第１実施例の駆動につ
いて述べる。第４図には、この第１実施例の振動子１２
を動作させたときの振動姿態を時分割で表示した作用図
で、（Ｔ１）〜（Ｔ８）は信号印加後の時間経過を示し
ている。なおこの第４図では、屈曲振動子１１および縦
振動子４のそれぞれの振動振幅を誇張して表示しである
。縦振動子４は、屈曲振動子１１が最大の振幅を示す経
過時間（Ｔ３）と（Ｔ７）の間においてレール部材２に
作用し、これによってレール部材２に対し相対的に振動
子１２を移動させる。このとき、２個の縦振動子４はと
もにレール部材２に作用しているから、前記第７図で説
明した従来の振動子１２に比し、２倍の力がレール部材
２に作用することになる。従って、本実施例では、従来
の超音波モータに比し、２倍の押圧力で振動子１２をレ
ール部材２に圧接しても駆動することが可能で、駆動力
を従来のモータの２倍に高めることができる。また、振
動子１２を支持枠］へ固定する取付部７ａに対し２個の
縦振動子４から受けるモーメントが相殺されるので、振
動子１２は安定に動作することになる。

第５図は、本発明の第２実施例を示す超音波モータの振
動子の側面図である。この第２実施例が上記第１実施例
と大きく異なる点は、上記第１実施例が２次の屈曲振動
を屈曲振動子１１が発生していたのに対し、この第２実
施例では３次の屈曲振動をしている点である。この点を
除けば、つまり振動子以外の構成については上記第１実
施例と同じなのでその説明を省略する。

この第２実施例では、３次の屈曲振動なので、その節は
４個つまり１２　ａ　ｓ　、１２　ａ　２　。

１２　ａ　　　１２　ａ　４が発生するから、同位相の
節３　″ は２組存在することになる。ところが、このように奇数
次の屈曲振動では、図に示すように屈曲振動子１１への
長手方向中央に対して同位相の節、例えば、１２ｇ　　
と１２ａ３は対称な位置にない。

■ そこで、この第２実施例のような奇数次の屈曲振動にお
いても本発明を適用することはできるが、屈曲振動のバ
ランスが同位相の節に対してありま良くなく、高効率で
安定した超音波モータを実現するためには避けたほうが
良い。

第６図は、本発明の第３実施例を示す超音波モータの振
動子の側面図である。この第３実施例が上記各実施例と
大きく異なる点は、屈曲振動が４次の振動である点と、
圧電体６Ｂ、縦振動子４を弾性体５Ｂに精度良く装着す
るための位置決め用の溝５ｂ、５ｃを弾性体５Ｂにそれ
ぞれ設けたことである。この点を除けば、つまり振動子
以外は上記第１実施例と同じなのでその説明を省略する
。

第６図に示す第３実施例では、上記第１実施例と同様偶
数次の屈曲振動を用いているので、屈曲振動子１１Ｂの
中央に対し同位相の節が対称な位置にくる。そして、上
記第１実施例と違って、同位相の節が屈曲振動子１１Ｂ
の端面に最も近い節でなくなるから、節の振動自体が安
定している。

即ち、上記第１実施例のように屈曲振動子の端面に最も
近い側の節だと、端面からの屈曲振動の不規則な反射の
影響を受けてしまい安定な節の運動ができない。また、
この第３実施例では屈曲振動子１１Ｂの上、下の面に対
称に圧電体６Ｂを固着しているので、より強力な屈曲振
動が得られ、上記の効果とともに安定した高効率の屈曲
振動の励起が可能となる。

以上述べたように上記各実施例によれば、超音波モータ
の駆動源である振動子を構成する縦振動子の作用力を従
来のほぼ２倍に高めることができるため、小型でも駆動
力を大きくすることができる。更に縦振動子の振動位相
が同じで縦振動子に発生する作用力はバランスよく移動
体に作用するので、モータの動作は安定したものとなる
。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明の超音波モータによれば、屈曲
振動子の節を奇数間隔てて縦振動子を配置したのち、複
数個の縦振動子のすべてが移動体に作用し、これにより
小型で、大きな駆動力が得られ、しかも動作が安定して
高効率になるという顕著な効果が発揮される。

【図面の簡単な説明】

第１，２図は、本発明の第１実施例を示す超音波モータ
の要部断面図であって、第１図は要部縦断面図、第２図
は第１図中のＡ−Ａ線に沿う側断面図、 第３〜は、上記第１実施例の駆動回路のブロック構成図
、 第４図は、上記第１実施例における振動子の振動姿態を
説明する作用図、 第５図は、本発明の第２実施例を示す超音波モータにお
ける振動子の側面図、 第６図は、本発明の第３実施例を示す超音波モータにお
ける振動子の側面図、 第７図は、従来の超音波モータにおける振動子の振動姿
態を説明する作用図である。 ２・・・・・・・・・レール部材（移動体）４・・・・
・・・・・縦振動子 ５．５Ａ、５Ｂ、５Ｃ・・・・・・弾性体６．６Ａ、６
Ｂ、６Ｃ・・・・・・圧電体（圧電素子）１１・・・・
・・・・・屈曲振動子

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）板状もしくは棒状の弾性体と、該弾性体に固定さ
   れ交流電圧を印加されることにより該弾性体に定在波型
   の屈曲振動を発生させる圧電素子と、からなる屈曲振動
   子と、 上記弾性体の表面で上記屈曲振動の節線上に、直接また
   は間接的に設けられており、該節線を中心として揺動さ
   れ、かつ交流電圧を印加されることにより上記弾性体の
   厚み方向に伸縮する縦振動子と、 この縦振動子の先端面に圧接された移動体と、を具備し
   、上記屈曲振動に同期して上記縦振動子を伸縮させる超
   音波モータにおいて、 上記屈曲振動子の節を奇数個隔てて、上記縦振動子を複
   数個配置したことを特徴とする超音波モータ。