JPH033678A - 超音波モータ装置 - 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〕 １”本発明は超音波モーフ装置に関し、ｑ）に、単相電
源により駆動制御される超音波モーフ装置に関する。」 〔従来の技術〕 従来、超音波振動を利用した超音波モータ装置としては
、弾性振動体に発生する振動の種類から分類すると、定
在波を用いる定在波型超音波モータ装置と進行波を用い
る進行波型超音波モータ装置との二つのタイプに大別さ
れる。

上記のもののうち定在波型超音波モータ装置としては、
単相電源により単一の屈曲定在波を弾性振動体に励振し
、運動抽出体を介してこの定在波の節に向かう駆動力を
利用する平板状の超音波モータ装置が知られている（例
えば、本願と同一出願人の出願にかかる特願昭６２−１
３７３９５号参照）。

１：た、弾性振動体に縦振動（弾性振動体の長さ方向へ
の広がり振動）と弾性振動体のある一面に垂直な振動成
分をもつ固有振動との、二つの独立した振動モードを、
夫々別の電源（二相電源）で励振することにより、弾性
振動体の表面に楕円運動を生起し、この楕円運動を運動
抽出体に伝達し、駆動力として利用する平板状の超音波
モータ装置が知られている。この二相電源により駆動さ
れるタイプの平板状の超音波モータ装置は、時間的な位
相差をつけて二つの振動モードを励振することによって
、弾性振動体の表面に生起される楕円運動の回転方向を
切り換えることにより、運動抽出体の運動方向を正逆転
切り換えすることができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の技術で述べたもののうち、単相電源により発生さ
れる単一の屈曲定在波を用いた平板状の超音波モータ装
置にあっては、構造は極めて簡潔であるが、同一の周波
数では弾性振動体に接触した運動抽出体の運動方向を逆
転できないという制御上の問題点を有していた。

また、二相電源駆動の平板状の超音波モーフ装置は、２
種類の独立した振動モードを使用するため、夫々の振動
モードに対し°Ｃ励振源が必要となり、単相電源により
駆動される超音波モーフ装置ど比較すると、超音波モー
フ装置本体および電源ともに複雑にならざるを得ないと
いう問題点を有していた。

本発明は、従来の技術の有するこのような問題点に鑑み
てなされたものであり、その目的とするところは、単相
電源の駆動により、運動抽出体の運動方向をコントロー
ルするとともに、超音波モータ装置本体および電源の構
造を簡潔にした超音波モータ装置を提供しようとするも
のである。

即ち、単相電源により駆動される超音波モータ装置の簡
潔さと、二相電源により駆動される超音波モータ装置）
ような正逆転可能な制御性を兼ね備えてなる板状の超音
波モータ装置を、実現することを目的としている。

〔問題点を解決するだめの手段〕

上記［１的を達成するために、本発明における超音波モ
・−り装置は、 板状の弾性振動体とこの弾性振動体の一方の面に一定波
長の縦波及び屈曲波を発生させる一対の振動子と、 当該弾性振動体は＋）ｒＪ記縦波および屈曲波の各々の
共振周波数が一致する長さ厚さをもって形成され、前記
一対の振動子が縦波の節に対応した位置に設けられ、更
に少なくとも一つの運動抽出体とを有してなるものであ
る。

〔作用〕

板状の弾性振動体の縦振動（広がり方向振動）の共振周
波数と、弾性振動体の面に垂直方向の振動成分（屈曲振
動）をもつ固有振動モードの共振周波数とが一致してい
る場合、縦振動を励振すると、弾性振動体の面に垂直方
向の振動成分をもつ固有振動も励振され、これら二つの
振動が結合することが一般に知られている。

即ち、板状の弾性振動体が理想的な平面な場合には、縦
振動と、この縦波振動に対し垂直方向の振動成分をもつ
固有振動モードという、互いに独立な振動モード間にお
いては結合を生じない。しかしながら、現実の弾性振動
体は縦振動に水平な面に関して非対称性を有し”Ｃおり
、この非対称性により、縦振動を励振すれば、縦振動に
対し垂直方向の振動成分をもつ固有振動が励振され、こ
れらは容易に結合するものであることが知られている。

本発明による超音波モータ装置は、上記作用を利用した
ものであり、一対の振動子のうちいずれか一方を励振す
ることにより、弾性振動体の非対称性を制御するととも
に、弾性振動体に縦振動を励振する。この縦振動により
、屈曲振動が励振され、これら二つの振動が結合される
ことにより、弾性振動体の表面に楕円運動が生起される
。この楕円運動が、運動抽出体に伝達され、運動抽出体
が一定方向に駆動される。

一対の振動子のうち、いづれか一方を選択的に励振する
ことにより、弾性振動体に発生ずる縦振動と屈曲振動と
の結合の位相が変化し、運動抽出体の駆動方向のコンｌ
−１，＋−ルが行われる。

即ち、板状の弾性振動体の励振位置を切り換えることに
よっ”ｃＡ＆振動と屈曲振動との結合位相に１８０度の
位相差を生じさせ、弾性振動側表面に生じる楕円運動の
回転方向を正逆転するように切り換えることができる。

〔本発明の原理〕

単なる屈曲振動の場合、第９図に示すように、両端を開
放とすれば振動の節は板状の振動体１０の中心に関し対
称に分布し、各点にはすぐ近くの節に向かう矢印方向の
駆動力が発生ずる。従って駆動力は中心に関し対称に分
布し、励振源の位置には無関係となる。

一方、縦振動と屈曲振動とが結合した振動の場合、振動
体の両端を開放とすると屈曲振動は中心に関し対称と考
えられるから、縦振動が対称な場合と非対称の場合の二
通りが考え−られる。

第　図において、Ｘ方向（広がり方向）の変位をＸ、ｙ
方向（面に直角方向）の変位をＹとすると上記二つの場
合はそれぞれ次式のように表される。

（１）　　Ｘ＝ａ　　ｃｏｓ（ｋｌｘ）　　　ｃＯｓ（
ＩＶｔ）、　　　　Ｙ＝ｂ　　ｃｏｓ（ｋ２ｘ）　　　
５ｉｎｌＶｊ−＋ｄ）（２）　　Ｘ＝ａ　　Ｃ０８（ｋ
ｌＸ）　　ｃｏｓ（ｌすｔ）、　　　Ｙ＝ｂ　　ｃ　０
８（ｋ　２ｘ）　　５ｉｎ（ｌすｔ＋ｄ）（ｋｌ縦波の
波数　ｋ２：屈曲波の波数　１９；角周波数）（１）式
の縦波が対称な場合、板状振動体よＸの点と−Ｘの点と
は同方向回転の楕円振動を行うことがわかる。即ち、上
記の単なる屈曲振動の場合と異なり、Ｘの点と−Ｘの点
とに同方向の駆動力を発生することが可能である。

（２）式の縦振動が非対称な場合、平板上Ｘの点と−×
の点とは逆回りの楕円振動を行い、駆動力は逆向きとな
る。

また（１）式、（２）式とも各点は楕円振動なので、板
状振動体１０の表と裏とは互いに逆向きの駆動力となり
、この点も単なる屈曲振動の場合と異なる所である。

以上の事柄から、単相電源により駆動される正逆転可能
な超音波モータ装置を次の様に構成することができる。

０）　　Ｘと−Ｘの点の５に動力が同方向の場合（却１
０図ＧＦｉ）　） ８ｆ：ｅ波が振動体１０に１波長のっているとし゛（゛
、その励振には例えば第１０図（ａ）のようにＥＥＬ波
の節の位置に励振源Δ、Ｂを配置する。

励振源Δによっで第１０図（ａ）の駆動力が得られたと
する。次に励振源Ｂによる励振の場合を考えると、これ
は励振源への励振の場合を中心線Ｏに関し１８０°回転
させた場合にほかならず、励振源Ｂの励振によって第１
０図（ａ）とは逆向きの駆動力が得られることがわかる
。

即ち振動体１０の長さが縦波の波長の整数倍のとき、振
動体１０の同一面上中心対称の位置に縦波の励振源を設
置すれば、それらを片方ずつ選択的に駆動することによ
り振動体に発生する縦振動と屈曲振動との結合位相をコ
ントロールして、駆動力の正逆転のコントロールができ
ることになる。

■　Ｘと−Ｘの点の駆動力が逆方向のとき（第１０図（
ｂ）） この場合は第１０　［Ｚｌ　（ｂ）に示すような（；ｉ
″Ｉ成で正逆転のコン）　Ｕ３−ルが可能となる。即ち
、δυを波が振動体１０に１．５波長のっ−Ｃいるとし
て、その励振には例えば第１Ｏ図（ｂ）のように中心線
Ｏより左側に発生ずる縦波の節の位置に励振源へを配置
し、励振源Δと対向する面で中心線０より右側に発生ず
る縦波の節の位置に励振源Ｂを配置する。励振源Ａによ
って第１０図ら）の駆動力が得られたとする。次に励振
源Ｂによる励振の場合を考えると、これは励振源Ａの励
振の場合と縦波の位相は同相だが、屈曲波成分の位相が
１８０°異なるため、励振源Ｂの励振によって第１Ｏ図
（ｂ）とは逆向きの駆動力が得られる。

つまり、振動体１０の長さが縦波の波長の（ｎ＋Ｚ）倍
（ｎ：任意の正の整数）のときには、振動体１０の対向
する面に夫々縦波の励振源を設置すれば、それらを片方
ずっ選択的に駆動することにより、振動体に発生ずる縦
振動と屈曲振動との結合位相をコントロールして、駆動
力の正逆転のコントロールができることになる。

ここにおいて、縦振動に結合さ一υ°る面に直角な振動
成分をもった振動モードを屈曲振動とすると、縦波１波
長に屈曲波を結合させるためには板状の振動体の寸法を
次式のようにとれば良い。

即ち、 ｔ；板の厚さ ｌ；板の長さ αは、 ５ｉｎ（α／２）ｃｏｓｈ（α／２）　＋ｃｏｓ（α／
２）ｓｉｎｈ（ｃｒ／２）　＝０の根であり、小さい方
から対称屈曲振動の共振モードの次数に 対応している。

共振周波数ｒＬは、 で与えられる。

本発明は上記■によるところのものであり、第１図に示
すように振動体１０の長手軸中点に関して対称な位置に
発生する縦波の節の位置の同一面に夫々、圧電セラミッ
ク等によりなる励振源たる振動子１１ａ（第１の振動子
）および振動子１２ａ（第２の振動子）を接着すれば良
い。

振動体１０の同一面に設けられた各振動子１１ａおよび
１２ａのいずれか一方を励振することにより、振動体Ｉ
Ｏの非対称性を制御し、これにより、各振動子１１ａお
よび１２ａによって発生する屈曲波は位相が１８０＠異
なるようになる。

つまり、励振子１１ａを励振すると、この部分の非対称
性により、わずかに屈曲振動成分が生じてくる。−たび
屈曲振動成分が生ずれば、振動体１０は非対称なものと
考えられ、縦振動と屈曲振動との結合が生ずる。

また、振動子１２ａを励振した場合を考えると、縦波の
位相は同相だが、屈曲波成分の生ずる状況は振動子１１
ａを励振した場合より位相が１８０°異なっている。従
って、縦振動と屈曲振動との結合は振動子１１ａの励振
時に対し１８０°位相が異なるものとなり、楕円運動の
方向は逆転する。つまり、第１図の場合は縦波１波長と
しているため、振動子１１８．１２Ｈによって同相の縦
波（同一方向の変形に対し同相の縦波）が発生するが、
結合する屈曲波の位相が１８０°異なるものである。

〔実施例〕

以下、図面に基づいて本発明による超音波モータ装置を
詳細に説明する。

第１図および第２図は、本発明による超音波モータ装置
の一実施例を示し、板状の弾性振動体１０の一方の面に
は、振動子１１　ａ　（以下第１の振動子）および振動
子１２ａ（以下第２の振動子）が添設されている。振動
子１１ａには、線路１３ａの一端が接続されており、ま
た振動子１２ａには線路１３ｂの一端が接続されている
。

これら線＆ｌＩｒ１３　ａ　、　１３　ｂの他端はスイ
ッチ１２．４７’：ｊ　１４の端子１４ａ、　１４Ｃに
夫々に接続され°Ｃいる。路線１３Ｃは、その一端が弾
性振動体ＩＯに接続されるとともに、他端が単相電源１
５に接続されている。

単相電源１５は線路１３ｄにより、スイッチ機構１４の
スイッチ１４Ｇに接続されている。

また、振動子１１ａ、　１２ａが設けられている側の弾
性振動体１０の表面に運動抽出体２０が配設されている
。

弾性振動体１０は、振動子ｉｔａおよび１２ａによって
発生する縦波と、この縦波によって生じる屈曲波の共振
周波数が一致する長さ及び厚さを有するように形成され
ている。

第１の振動子（ｌｌａ）および第２の振動子（１２ａ）
は弾性振動体の長手軸中央部を挟んで配設されている。

単相電源１５は、スイッチ１４ｃの切り換えにより、第
１振動子１１ａあるいは第２振動子１２ａに特定の周波
数の交番電流を印加するものであって、これにより、弾
性振動体１０に、所定波長の縦波と屈曲波を発生させる
ものである。

運動抽出体２０は、弾性振動体１０ｊ二で任意の手段に
、Ｊ、り位置決めされ、かつ振動体１０に任意の手段に
より加圧された、任意の方向に回転自在のローラ状体と
されＣいる。

以上の構成におい°Ｃ１その作用を説明すると、第１図
は、１波長の縦波と、２波長の屈曲波とが発生される場
合を示しており、スイッチ１４を切り換えて振動子１１
ａあるいは振動子１２ａを励振することによってこれら
の励振により同相の縦波（同一方向の変形に対し、同相
の縦波）が発生することになるが、振動子１１ａ、　１
２ａのどちらを励振するかによって、結合する屈曲波の
位相が１８０°異なるものとなる。このため、振動子１
１ａ、１２ａを選択的に励振することにより、弾性振動
体１０表面に生起される楕円振動の運動方向が変化し、
運動抽出体２０へ取り出される運動の方向性を第１図及
び第２図上実線矢印及び破線矢印で示すように正逆転す
ることが可能となる。

他の実施例として、一対の振動子に限定されるものでは
なく、複数の振動子列であってもよい。

例えば二対の振動子を示すものが第３図である。

第１図の符号と重複する部分は省略するが、第１振動子
（ｌｌａ、　１ｌｂ）および第２振動子（１２ａ　。

１２ｂ）を振動板中央に対して対称の位置に交互に配設
したものである。

このように振動子１１ａ　　（ｌｌｂ）　あるいは１２
ａ（１２ｂ）のどちらかを選択的に励振することにより
、弾性振動体１０表面に生起される楕円振動の通勤方向
が変化し、運動抽出体２０へ取り出される運動の方向を
正逆転することができる。

従って、運動抽出体２０上にカード状体、紙葉類等の搬
送物を接触させれば、スイッチ１４Ｃの切り換えにより
、搬送物を任意の方向に移送できる。

このような超音波モータ装置の実験結果を以下に示す。

第４図（ａ）は実験に用いた振動板を示す。

寸法は９０Ｘ　９ｘ　１．５　Ｃｍｍ）の５ｕｓ３０４
板１０で想定される縦波の節の位置に、２４Ｘ　８Ｘ　
Ｏ，５［ｍｍ〕のＰＺＴ板１１ａ、１２ａが接着しであ
る。駆動周波数は５９Ｋｌ１２　、このとき縦波は１波
長、屈曲波は６波長のっている。

図−４にこの振動板を用いたりニアモーフの４１’！７
成を示す。振動板を発泡性のゴノ・板２１にのせ、第一
〇ローラを振動板に圧接し、第一のローラ２２ａ。

２２ｂと第二のローラ２３ａ、２３ｂの間にスライダ２
４を挟む構造になっている。スライダは２００　Ｘ　１
０　Ｘ２　［ｍｍ）の５４５ｃ材を用いた。

図−５の縦軸はスライダの速度、横軸は印加電圧を示し
正、逆方向の測定結果を示す。図−６は印加電圧一定（
７５Ｖｒｍｓ）　　としてスライダに重りをのせたとき
の速度を測定したものである。

図−５、図−６より、正−逆のバランスは完全にはとれ
ないが、接着など制作時に入り込むアンバランスの要素
を考慮すれば、正−逆の対称性は原理上は（ＮＩＬ’Ｓ
されたと思われる。

第７図及び第８図は本発明の他の応用例を示すものであ
り、第７図は第１図の振動板１０の裏面に紙葉類３０を
間に介してローラー３１を使用した場合を示し”Ｃいろ
。

さらに第８図は、前記第７図の■１−ラーの代わりに凸
状の連動抽出体３２を使用し、この運動抽出体３２に接
触するように移動板３３を配設したものを示す。

〔発明の効果〕

本発明は以上説明したように構成されているので、以下
に記載されるような効果を奏する。

振動子に加える電流が単相でよく振動子の駆動回路が簡
単な超音波モータ装置を提供することができる。

また一対の振動子のうちいずれか一方に特定周波数の交
番電流を切り替えて印加することにより、運動抽出体の
運動方向を制御することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す概略図、第２図は第１
図に示すものの斜視図、第３図は他の実施例を示す概略
側面図、第４図（ａ）は本発明の実験に用いた振動板、
第４図（ｂ）は本振動板を用いたすニアモーター、第５
図は本実験結果を示す電圧−正逆速度特性図、第６図は
本実験結果を示す荷電−正逆速度特性図、第７図及び第
８図は本発明の応用例を示す概略側面図、第９図は屈曲
波による駆動方向を示す説明図、第１０図は→→４縦振
動と屈曲振動との結合振動による駆動方向を示す説明図
。 １０・・・振動体 １２ａ、１２ｂ　−・・振動子 １５・・・単相電源 ３１・・・ローラー 符号の説明 １１ａ、１１ｂ　・・・振動子 １４・・・スイッチ ２０・・・運動抽出体 ３２・・・６上抽出体

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）板状の弾性振動体と、 特定周波数の交番電流の印加によって当該振動体に一定
   波長の縦波および所定波長の屈曲波を発生させる少なく
   とも一対の振動子と、 当該屈曲波の振動方向に垂直な前記振動体の少なくとも
   一方の面に接触している運動抽出体とを有し、 前記振動体は前記縦波および前記屈曲波の各々の共振周
   波数が一致する長さおよび厚さをもって形成され、 前記一対の振動子は前記振動体の一面に配設され、しか
   も各振動子が前記振動体の長手軸中点に関して対称な位
   置に発生する前記縦波の節に対応した位置に設けられた ことを特徴とする超音波モータ装置。
2. （２）前記一対の振動子のうちのいずれか一方に前記特
   定周波数の交番電流を切り替えて印加するスイッチング
   手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の超音波モ
   ータ装置。