JPH0332374A - 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】 匙艷匁亘狗 ［産業上の利用分野］ 本発明は超音波振動子が発生ずる超音波振動を駆動エネ
ルギとする超音波モータに関する。

［従来の技術］ 従来の超音波モータにおいては、超音波振動子の駆動エ
ネルギを効率よく可動子の運動エネルギ二変換するため
に、種々の工夫がなされている。

例えば超音波振動子を固定する固定部材を超音波振動の
節に合致する位置に設け、固定部材の振動を防止し、駆
動エネルギがハウジングを介して外部に漏れることを防
止したものがある。

［発明が解決しようどする課題１ しかしながら、上述の構成では、負荷を接続した場合、
あるいは負荷が変動した場合に固定部材に振動が発生し
、駆動エネルギが外部に漏れることがあるという問題が
あっｌ−、負荷を接続しｌ二場合に固定部材に振動が発
生ずるのは、モータに負荷を接続しない初期状態におい
て固定部材の位置を振動の節の位置に合致しても、超音
波振動子可動子を押圧し、さらに負荷を接続すれば、可
動子の押圧力や負荷の変動に従って構成部利に変形等が
発生し、この変形等の不確定要因によって振動の節の位
置が固定部（Ａの位置からずれてしまうからである。こ
う１．て固定部利に振動が発生ずれば、モータ動作が不
安定になったり、固定部材の振動のため［二駆動エネル
ギが消費されたりして出力効率が低下するという問題を
招いたり、振動がハウジング色介し−（モータ外部に伝
わり、外部の機器に影響を与えるおそれがあるという問
題を発生する。

本発明の超吾波モータは」記課題を解決し、超音波振動
子を固定する固定部材の振動に防止することを目的どす
る。

艷映ｐ−構滅 かかる目的を達成する本発明の構成について以下説明す
る。

［課題を解決中るための手段１ 本発明の超音波モータは、超音波振動子が発生する超音
波振動を駆動エネルギとする超音波モタにおいて、前記
超音波振動子を固定する固定部利に取り付けられ、　機
械的振動および電気的振動のユーネルギ変換を行なう電
気機械変換素子と、該電気機械変換素子［ニー接続して
閉口路を構成するインピーダンス素子とＦ設け、該電気
機械変換素子のリアクタンス成分および該インピーダン
ス素子が構成する並列回路の反共振周波数を萌記超音波
振動子の超音波振動の周波数（−路一致さゼたことを特
徴どする。

［作用］ 上記構成を有する超音波モータにおいては、超音波振動
子の発生１ｊる超音波振動ｈ＜超音波振動子を固定する
固！ｊＦ部材［二作用して、固定部材が振動を開始しよ
うとすると、固掌部祠に取り付１づた電気機械変換素子
およびこれに接続されたインピダンス素子からなる閉回
路は次のように振舞う。

固定部材の振動の開始に伴って電気機械変換素子（ま変
形１−１固定部材の振動とし］−周波数、即ち、超音波
振動ど同一周波数の策気的出力を発生しようとする。こ
のとき、電気機械変換素子のリアクタンス成分およびイ
ンピーダンス素子が構成する並列回路の反共振周波数が
固定部利の振動の周波数に略一致していることから、電
気機械変換素子の出力端［口ま電流が流れない。電気機
械変換素子の変形量はその出力端の電流の大きさに北側
するが、こうＬ７て出力端に電流が流れない結果、電気
機械変換素子の変形が禁１トさ札　国富部材の機械的振
動は抑制される。

［実施例１ 以上説明した本発明の構成・作用を一層明らかニするた
めに、以下本発明の超音波モータの好適な実施例１ごつ
いて説明する。第１図は本発明一実施例と１−２での超
音波子−夕の断面図、第２図はその閉回路の電気的等価
回路を示り一回路図である。

この超音波モータは定在波型の回転モータであって、固
定部利１の両面に円盤状の弾性体３，５を夕・１称状１
′：設置−１でいる。円盤状の弾性体３，５のうち一ツ
ノの円盤状弾性体３には、ハウジング７［１回動自在（
二保持された可動−ｆ９　ｈ’押組され−Ｃいる。

この可動子９には出力軸１１が一体に設置づられている
。ハウジング７と可動−了９との間には圧縮ばね１３が
介装ざｋ　　−６１動子９と円盤状弾性体３との間の抑
圧が図られている。

各円盤状弾性体３，５は、円盤形状を有し、豆い１ｍ対
称形状であって、さらに構造が同一のものである。これ
ら円盤軟弾↑〕［体３，５はボルト１５こより固定部材
１色挟んで連結され−（いる。

名円盤状弾性体３，５の構造は、１メ下のとおりである
。各円盤状弾性体３．５の固定部材１側の面には環状曲
部３ａ、５ａが備えられており、その先端に各々圧電素
子１７．１９が取すイー・［けられている。これら圧電
素子１７．１９の固定部）１１側には絶縁用のスベーリ
ー２１．２３を介してさらＪ別の圧電素イ２５，２７が
それぞれ取すイ・」けられている。各圧電素子１−．’
、　　１９．　２５．２−、’は円環状ものであり、軸
芯が固′Ａｉｌ’：部利１の貫通孔１ａの軸線ど同軸と
なるよう「配置されている。

上記の圧電素子１７．　１９，２５．２７のうち、円盤
状弾性体３，５の環状凸部３ａ、５ａｌ＝取り付けられ
た斤電素了１７，１９は、円盤状弾性体３．５に周方向
のせん断振動を励起するものである。他方、スベーザ２
１．２３を介し−（固定部利１側［−取すイー・４けら
れＦ「電素子２５．２７は、円盤状弾性体３，５に軸ノ
フ向の曲げ振動を励起するものである。これら圧電素子
１７．　１９．　２５゜２７１こは図示ｌ−ない同一の
交流高電圧発生回路が接続されている。

１メ上説明した円盤状弾性体３，５のうちの一方の側の
円盤状弾性体３に押圧された可動子９は、その円盤状弾
性体３側の面の全周外縁に接触部９ａを備える。

固定部材］は、円盤形状を有し、中央に貫通孔１ａを有
するものである。その外周部はハウジング７のほぼ中央
に支持さ札　固定部利］をハウジング７内の中間（１′
Ｌ置に配置している。この固定部材１の周縁には円環状
の圧電素子２９が取り付けられている。圧電素子２９に
ば可変コイル３１が接続されており、閉回路が構成され
る。圧電素子２９の静電容量および可変］イル３１が構
成する並列回路の反共振周波数は超音波振動子が発生ず
る超音波振動の周波数に一致されている。

圧電素子２９ばジルコン−ブタン酸鉛（Ｐ７Ｔ）等から
なり、その両面に電極を備えたものである。

表面（開放面）側の電極は可変コイル３１に直接接続し
ているが、裏面（取付面）側の電極は国字部材１に電気
的に接続リーることにより、導電性の固定部材１を介し
て可変］イル３１との導通を図っている。なお、固定部
利］が非導電性材料である場合は、裏面側の電極につい
ても可変コイル３１に直接接続する構成どしてもよい。

可変コイル３１ば、コアの出入等の調整によりそのイン
ダクタンス色変更する可変機構Ｅ備えた一コイルである
。

第２図はこの閉回路の電気的等価回路を示す回路図であ
る。圧電素子２９は、機械コンプライアンス３３、力係
数３５および静電容量３７により表わされる。静電容量
３７および可変コイル３１が構成する閉口路３９の反共
振周波数ｆａは次式により与えられる。

ここで、　１−は可変コイル３１のインダクタンス、Ｃ
は圧電素子２９の静電容量３７である。

こうして構成した実施例の超音波モータにおいては、圧
電素子１７．　１９，２５．　２７により各円盤状弾性
体３．５に所定周波数の超音波振動を励起し、円盤状弾
性体３，５の外縁全周の各質点に楕円運動を発生ずる。

円盤状弾性体３の質点のそれぞれは可動子９の接触部９
ａに微小時間接触し、接触面の摩擦により可動子９を微
小距離、移動する動作を繰り返す。こうして可動子９を
連続回転し、出力軸１１を回転するが、各圧電素子１７
、　１９，２５．　２７には同一の交流高電圧発生回路
が接続されており、各円盤状弾性体３．５は固定部材１
を挾み刻称に振動するから、無負荷の状態では固定部材
１の位置は超音波振動の節の位置に合致する。

このとき、可動子９の押圧力や出力軸１１に接続した負
荷の変動に従い構成部利の変形等が発生し、変形等の不
確定要因によって振動の節の位置が移動すると、固定部
利１が振動を開始しようとするが、実施例の構成ではこ
の振動の始めにおいて固定部材１の振動が抑制さ札　振
動は発生しない。これは、固定部利１の振動を受１ノ圧
電素子２９が固定部材１の振動と同一周波数の電圧出力
を発生しようとすると、圧電素子２９のもつ静電容量３
７および可変コイル３１が構成する並列回路３９が次の
ように振舞うからである。

即ち、並列回路３９の反共振周波数は超音波振動の周波
数に一致しているから、静電容量３７に流れる電流は力
係数３５の電圧出力の変化に刻して位相が９０度進んだ
大きな電流となり、一方、可変コイル３１に流れる電流
は力係数３５の電圧出力の変化に刻して位相が９０度遅
れた大きな電流となる。これら２つの素子間ではエネル
ギの授受が行なわれるのみであるため、力係数３５にお
いては電流が流れない。この状態では、力係数３５は固
定部林１の振動に伴って電圧出力を発生し５ても電流が
流れないから、振動振幅を電流出力に変換できない。従
って、圧電素子２９は変形が禁止さ札　圧電素子２９を
取りｆ＝ｉ（’ｔた固定部利１の振動が抑制される。

以上説明したように本実施例の超音波モータによれば、
固定部材１［二取り付けた圧電素子２つの静電容量およ
び圧電素子２９に接続した可変コイル３１が構成する並
列回路の反共振周波数を超音波振動の周波数に一致させ
た。二とにより、たとえ可動子９の押圧力や負荷の変動
に従って構成部材の変形等が発生し、この変形等の不確
定要因によって振動の節の位置が移動して固定部材１が
振動しようとしても、その振動は抑制さ札　固定部材１
の振動を防止することができるという優れた効果を奏す
る。

従って、従来のように固定部材１の振動［二より超音波
モータの動作が不安定になったり、駆動エネルギが消費
されることはなく、超音波モータの出力効率の向上４図
ることができると共に、さらに振動がモータ外部に伝わ
り、外部の機器に影響を与−えるおぞれもＭ５肖するこ
とができる。しかも振動を抑制する際、圧電素子２９お
よび可変コイル３１からなる閉回路は電力を消費しない
から、固定部材１の振動の防止によって得られる出力効
率の向上を妨げない。

１ また、実施例の超音波モータは、固定部材］の位置を振
動の節の位置に合致し２、振動を抑えた固定部材１に、
さらに圧電素子２９および可変］イル３１からなる閉回
路を設［づ、圧電素子２９　（１１）　７’ｌｌ電容量
および可変コイル３１ｈく構成する並列回路の反共振周
波数を超音波振動の周波数に一致さＵ−たちのであるか
ら、固定部材１の振動を一層確実こ抑制できるという効
果在奏する。

さらに、圧電素子２９および可変コイル３１を用いたか
ら、設置空間が小さく−（もよく、二の種の超音波を−
９の小型化を図ることができるという効果を奏する。

以上本発明の一実施例について説明１．たが、本発明は
こうした実施例に細管限定されるものではなく、本発明
の要旨を逸脱しない範囲に−おいて、種々なる態様で実
地し得ることは勿論である。例えば本発明は進行波形モ
ータに適用してもよい。

また、　リニア形モータに適用してもよい。電気機械変
換素子どｌ−では、電歪素子や磁歪素子など機械的振動
を電気的振動に］−ネルギ変換できるもの２ であればよい。インピーダンス素子としては、可変静電
容量を］イル１：並列に接続した構成でもよい。固定部
材はハウジングを兼ねたものでもよい。

発明の劾呆 以上詳述したように、本発明の超音波モータによれば、
固定部材に電気機械変換素子を取り付け、この電気機械
変換素子に可変コイルを接続して閉回路を構成し、電気
機械変換素子のリアクタンス成分およびインピーダンス
素子ｈ＼らなる並列回路の反共振周波数を超音波振動の
周波数に一致させたことにより、たとえ可動子の押圧力
や負荷の変動に従って構成部材の変形等が発生し、変形
等の不確定要因によって振動の節の位置が移動して固定
部材に振動が発生しようとしても、その振動を抑制し、
振動の発生を防止することができるという優れた効果を
奏する。

従って、従来のように固定部材の振動により超音波モー
タの動作が不安定になったり、駆動エネルギが固定部材
の振動に消費されることはなく、超音波モータの出力効
率の向上を図ることができると共に、さらに振動が干−
夕外部に伝わり、外部の機器１こ影響を与えるおそれを
解消するこ−とができる。　しかも、固定部材の振動を
抑制する際、電気機械変換素子およびインピーダンス素
子からなる閉回路は電力を消費しないから、固定部材の
振動の防ＪＪ−によって得られる出力効率の向上をり）
ずない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明一実施例としての超音波モータの断面図
、第２図は閉回路の電気的等価回路を示す回路図である
。 固定部材　　　３，５・・円盤状弾性体可動子 １９．２５．　２／−振動励起用圧電素子振動抑制用圧
電素子 可変コイル ］　・・ １７゜ ２９　・ ３１　・

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　超音波振動子が発生する超音波振動を駆動エネルギ
   とする超音波モータにおいて、 前記超音波振動子を固定する固定部材に取り付けられ、
   機械的振動および電気的振動のエネルギ変換を行なう電
   気機械変換素子と、 該電気機械変換素子に接続して閉回路を構成するインピ
   ーダンス素子とを設け、 該電気機械変換素子のリアクタンス成分および該インピ
   ーダンス素子が構成する並列回路の反共振周波数を前記
   超音波振動子の超音波振動の周波数に略一致させたこと を特徴とする超音波モータ。