JPH0345173A - 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、共振周波数が調節可能な超音波振動子を備え
た定在波型超音波モータに関するものである。

［従来技術］ 定在波型超音波モータは、略楕円運動が励起される超音
波振動子に対して所定圧力で移動子を当接させ、略楕円
運動する各質点と移動子との摩擦力により移動子を駆動
するものである。この定在波型超音波振動子は、進行波
を用いたものに比べ高効率振動を実現する構成が得やす
いために、定在波型超音波モータは進行波型超音波モー
タに比較して高効率、大出力という長所がある。

従来の定在波型超音波モータに利用される超音波振動子
は、略楕円運動を高効率に励起するために、弾性体と励
振体との接触面では単一方向振動を、また一方、弾性体
と移動子との接触面では楕円振動を行う固有振動モード
を有する機械共振系を用いることで略楕円運動を得てい
る。

このような超音波振動子としては、特願昭６２−１７５
０４３号、特願昭６３−９７１５２号の願書に添付され
た明細書及び図面などに提案されている。その−従来例
を示す第８図において、１０はリニア超音波モータ、１
１は移動子、１２は第１圧電体、１３ａ乃至１３ｂはＩ
！２圧電体、１４ａ及び１４ｂは振動体、１５はボルト
、１７ａ及び１７ｂはレールである。尚、同図では便宜
的にレール１７ａ、１７ｂを振動体の翼部よりはずした
状態を示している。この超音波振動子において、振動体
は第１圧電体及び第２圧電体によりそれぞれ、軸方向の
曲げ振動と水平方向のせん断振動が励振され、両者の合
成で略楕円振動を得ている。このような超音波振動子で
は、前記２方向振動周波数の一致が、超音波モータ動作
の必須条件である。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、超音波振動子において、構造上の理想形
状からの微細な誤差のために、現実には該振動の直交性
が完全ではない。そして、該複数振動の共振周波数が近
づくにつれ振動が結合しやすくなる。その結果、前記各
振動の励振効率が著しく低くなり、また動作が不安定と
なるという問題があった。

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたも
のであり、超音波モータに用いる超音波振動子が励振す
る複数振動の結合を防ぐ事により、励振効率の高い超音
波振動子を得、その結果安定した動作が可能で、また大
出力、高効率動作が可能な超音波モータを得る事をその
目的としている。

［課題を解決するための手段］ この目的を達成するために本発明の超音波モータは、弾
性体と該弾性体に着設され、交流電気信号が印加される
ことにより超音波振動が発生する電気機械変換素子とを
備え、該電気機械変換素子を駆動することで所定の振動
部位に略直交する少なくとも２方向の振動が励振される
超音波振動子に可動子を当接させた超音波モータにおい
て、前記２方向振動の共振周波数差を一方の共振周波数
の０．　１％以上にし、どちらか一方の共振周波数によ
り前記２方向に対して励振を行なうことを要旨とする。

［作用］ 上記構成を有す本発明によれば、超音波振動子における
両励振方向の振動周波数をそれぞれｆｌ、ｆ２としたと
き、（１’＋　−ｆ２１　／ｆ＋　＞（１゜００１もし
くはＩｆ＋　−ｆ２１　　／ｆ２　＞Ｏ，ｏ。

１）とすれば周波数をｆ、或いはｆ２で励振した場合に
、一方の振動が他の方向の振動に対し影響を与えない。

［実施例］ 以下、本発明を具体化した一実施例を図面を参照して説
明する。

第１図乃至第３図は、本実施例の超音波振動子である。

本実施例の超音波振動子１１は、矩形平板形状を有する
弾性体２１の上面に、該弾性体２１に曲げ励振するため
の第１圧電体２２が着設されている。該弾性体２１にお
いて、該第１圧電体２３の着設面と同一面には、制御用
圧電体２２が着設されている。また、前記弾性体２１の
前記着設面と略直交する側面には、該弾性体２１の縦振
動を励振するための第２圧電体２４ａ及び２４ｂが着設
されている。

前記弾性体２１の長手方向中心には、該弾性体２１を固
定するための固定ボルト２５ａ及び２５ｂが固定されて
いる。該固定ボルト２５ａ及び２５ｂの他の一端は、基
台２６ａ及び２６ｂに固定されている。また、前記制御
用圧電体２２の上面には、制御用電極２７が着設され、
可変インピーダンス素子であるコイル２８に接続されて
いる。

前記第１圧電体２２の上面には、正電極２９が着設され
ている。また、前記第２圧電体２４ｇ及び２４ｂの上面
には、正電極３０ａ及び３０ｂが着設されている。

該圧電体２２及び２４の他の一面は、基台２６に接地さ
れている。

更に該弾性体２１は、第３図に示すように、その厚さ方
向に所定の周波数ｆにおいて両端自由端２次モードで曲
げ振動するようその形状寸法により調節されている。ま
た路間−の周波数ｆにより長さ方向に両端自由端１次モ
ードで縦振動するよう形状寸法により調節されている。

一般に、弾性体中を伝播する縦振動の共振周波数は、該
弾性体の長さに依存する。また弾性体の厚さ方向の曲げ
振動の共振周波数は、前記長さ及び厚さに依存する。従
って、前述のような弾性体２１を設計する事は容易であ
るのでその詳細は省略する。

以上のように構成された超音波振動子１１の作用を以下
に説明する。

まず、第１圧電体２２に周波数ｆの交流電圧を印加して
振動させると、前記弾性体２１は曲げ振動２次モードで
共振し第３図（ｂ）のような振幅分布を有する。

次に第２圧電体２４ａ及び２４ｂに周波数ｆの交流電圧
を印加して振動させると、前記弾性体２１は縦振動１次
モードで共振し、第３図（ｃ）のような振幅分布を有す
る。

このとき、制御用圧電体２３に接続したコイル２８のイ
ンダクタンス値を変えていき、該制御用圧電体２３の電
気容量と並列反共振するよう調節していくと、該制御用
圧電体２３の曲げ振動方向の弾性が大きく変化し、その
結果、前記弾性体２１の曲げ振動における共振周波数が
制御可能となる。

このとき、前記縦振動の共振周波数ｆに対して、該曲げ
振動の共振周波数をΔｆずらすように調節すると、該２
方向振動の結合が起きなくなり、その結果該２方向振動
の励振効率を低下させないことができる。そして、前記
第１圧電体２２と第２圧電体２４ａ及び２４ｂに印加す
る電圧の振幅及び位相をｌＲ節すると、前記弾性体２１
には任意の形状の略楕円振動を発生する事ができる。

ここでさらに、前記共振周波数の調節幅△ｆにつき、第
４図及び第５図を参照しつつくわしく説明する。

次のような実験を行なった。長さ６０ｍｍ、幅２０關、
厚さ１６ｍｍの黄銅°材より成る矩形平板状弾性体に、
長さ２３ｍｍｍ、幅１３關、厚さ１ｍｍの励振用圧電体
を各振動用に２枚づつ接着し、長さ２５關、幅６ｕ、厚
さ２闘の制御用圧電素子を接着し、。

それにインダクタンスが可変なコイルを接続した。

そして、前記第１圧電体及び第２圧電体に交流電気信号
を印加し、前記コイルのインダクタンスを１ｍＨから９
０ｍＨまで変化させたところ、第４図の如き周波数特性
を示した。同時に、縦振動の振幅を測定したところ第５
図の如き特設を示した。

超音波モータの駆動方向振幅は１　［、ｍｌ程度必要で
あり、励振電圧は電池駆動の場合を考えて１０［Ｖ］以
下であることが望ましいので、結局振動振幅は０．　１
　［膚／Ｖ］以上必要である。すると、第５図でＬ−１
６〜１８［ｍＨ］以外とする必要が生じる。その結果第
４図より、２方向振動周波数差は３０Ｈ２以上にしなけ
ればならず、これは共振周波数の約０．１［％］である
。

次に、前述した超音波振動子１１を用いたリニア超音波
モータの構成について、第６図に基づき説明する。

同図において、第１図ないし第３図と同じ符号の付され
た各部材は、前記詳述した各構成部材と同一である事を
意味している。

リニア超音波モータ４１は、ヨーク４２に前記超音波振
動子１１が固定されており、該超音波振動子１１の弾性
体２１の一端に駆動部４３が形成されている。

該駆動部４３には、可動子４４がゴムローラ４５により
圧着されており、該可動子４４は、前記ヨーク４２に固
定されたリニアベアリング４６ａ及び４６ｂにより支持
されている。

上述のように構成されたリニア超音波モータ４１の可動
子４４は、縦振動により駆動力を得、曲げ振動により浮
揚力を得るよう構成されているうそして、超音波振動子
１１を励振すると、前記可動子４４は、前記弾性体２１
の略楕円振動による駆動力を受け、図中矢印Ａの方向へ
動く。この駆動力は、前記弾性体２１と前記可動子４４
との摩擦力によって発生するものである。

なお、上記実施例では縦振動１次モードと曲げ振動２次
モードを例にとって説明したが、２方向振動の共振周波
数が前記条件を満たし同時に少なくとも１々所以上で該
２方向振動の節を一致する事ができるならば、縦振動、
曲げ振動、せん断振動、ねじり振動等種々の組み合わせ
を用いてもよく、さらに高次モードを利用する事も可能
である。

また、上記実施例では可変インダクタンス素子としてコ
イルを用いたが、これに限定されるものではなく、第７
図（ａ）乃至（ｃ）に示すように種々の素子を用いる事
が可能である。

さらに、上記実施例は振動子の駆動素子とし圧電体を使
用したが、これに限定されるものではなく電気エネルギ
ーを機械エネルギーに変換できるその他の素子、例えば
電歪素子、磁歪素子等を用いてもよい。また、実施例で
は超音波振動子の形状を羊板状とする例について説明し
たが、２方向振動の合成により略楕円運動が発生するも
のならばその形状は平板形状に限定されるものではなく
、円筒状、円環状、棒状、方形状等を用いてもよい。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が
可能である。

［発明の効果］− 以上詳述したことから明らかなように、本発明によれば
、超音波モータに用いる振動子が励振する複数振動の結
合を防ぐ事により、安定した動作が可能で、また２方向
振動の励振効率の高い超音波振動子を得ることができ、
その結果、大出力、高効率動作が可能な超音波モータを
得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図から第７図までは本発明を具体化した実施例を示
すもので、第１図は本実施例の超音波モータに用いる超
音波振動子の上面図、第２図は超音波振動子の側面図、
第３図は超音波振動子の振動プロファイルの説明図、第
４図は共振周波数の負荷インダクタンスによる変化を示
す図、第５図は縦振動振幅の負荷インダクタンスによる
変化を示す図、第６図は本実施例のリニア超音波モータ
の側面図、第７図は本実施例に用いるインダクタンス素
子の種々の例を示す図である。また第８図は従来の超音
波モータに用いられた超音波振動子の図である。 図中、１１は超音波振動子、２１は弾性体、２２は制御
用圧電体（調節手段）、２３は第１圧電体（電気機械変
換素子）、２４は第２圧電体（電気機械変換素子）、４
１はリニア超音波モータである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、弾性体と、 該弾性体に着設され、交流電気信号を印加することによ
   り超音波振動が励振される電気機械変換素子とを備え、 該電気機械変換素子を駆動することで所定の振動部位に
   略直交する少なくとも２方向の振動が励振される超音波
   振動子に可動子を当接させた超音波モータにおいて、 前記２方向振動の共振周波数差を、一方の共振周波数の
   ０．１％以上にし、 どちらか一方の共振周波数により前記２方向に対して励
   振すことを特徴とする超音波モータ。 ２、請求項１記載の超音波モータであって、前記弾性体
   の少なくとも一方向の振動の共振周波数を調節する調節
   手段を備えることを特徴とする超音波モータ。 ３、請求項２記載の超音波モータにおいて、前記調節手
   段を該超音波モータの可動子に浮揚力を与える振動に設
   けた事を特徴とする超音波モータ。 ４、請求項２記載の超音波モータにおいて、前記調節手
   段として、 前記弾性体に別途着設された電気機械変換素子と、 該電気機械変換素子に接続され、少なくともインダクタ
   ンス分を含む可変インピーダンス素子とを具備する事を
   特徴とする超音波モータ。