JPH0370481A - 超音波振動子及び超音波モータ - 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、超音波振動子及び該超音波振動子を用いた超
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の動作原理は、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。

定在波型超音波振動子は、高効率振動を実現する構成が
得やすいために、定在波型モータは進行波型モータに比
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振動を得ている。

このような超音波振動子では、前記弾性体の形状によっ
て前記略楕円振動の振動軌跡が決定してしまうという問
題があった。そこで、例えば特願平１−４６８６６号の
明細書及び図面に示されるような超音波振動子が提案さ
れている。この超音波振動子では、大略直交する２方向
の振動の合成により略楕円振動を得ているので、容易に
略楕円振動の振動軌跡を変更できる。このような超音波
振動子に可動子を当接すれば、リニア型超音波モータが
形成される。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、」一連のような超音波振動子を可動子と
し、任意の案内部材上を移動させる際には前記２方向の
振動を励振する励振体に所定の電気信号を印加するため
の例えば電源とリード線のような印加手段が必要となり
、該超音波振動子の移動可能範囲が著しく制限されると
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、前記超音波振動子の移動可能範囲を大幅に拡
大することを目的としている。

［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振動子は、弾
性体と、該弾性体の所定位置に略楕円振動を励起する電
気機械変換素子と、該電気機械変換素子に所定の周波数
の電気信号を印加する電源と、所望の前記略楕円振動を
得るために前記電源を制御する制御回路とを有し、前記
電気機械変換素子と、前記電源と、前記制御回路とを前
記弾性体の所定の位置に着設したことを特徴とする。

［作用］ 上記の構成を有する本発明の超音波振動子は、前記弾性
体に着設された電源から供給された電気エネルギーを該
弾性体に着設された前記制御回路を介して該弾性体に着
設された電気機械変換素子に印加することによって該弾
性体の所定位置に略楕円振動が励起される。このような
超音波振動子では外部から電気エネルギーを供給する必
要がない。

［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。

まず第１図乃至第４図を用いて、本実施例の構成を説明
する。第１図は本実施例の超音波振動子の斜視図、第２
図は第１図に示した超音波振動子を用いた超音波モータ
の実施例の正面図及び側面図、第３図は電源及び制御回
路のブロック図である。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２
１に曲げ振動を励振するための第１圧電体２２が着設さ
れている。該弾性体２１において、前記着設面と略直交
する側面には、該弾性体２１に縦振動を励振するための
第２圧電体２３ａ及び２３ｂが着設されている。

更に該弾性体２１は、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し、且つ同一の
周波数ｆにより長さ方向に両端目出端−次モードで縦振
動するように形状寸法を調節されている。

上述のように構成された弾性体２１は、該弾性体２１の
長さ方向の中心近傍に振動の節を有する。

この節近傍の所定の位置に、電源３１及び制御回路４１
が着設され、該電源３１及び該制御回路４１は、第１圧
電体２２及び第２圧電体２３ａ及び２３ｂと電気的に接
続されている。前記電源３１は、電気エネルギー源であ
るペーパーバッテリー１００と該ペーパーバッテリー１
００の出力を昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータ回路３３と
２出力を有する周波数可変発振器３４から戊る。両出力
の振幅の比は、予め所定の値に設定されている。前記ペ
ーパーバッテリー１００としては、例えば特願昭６３−
１０５６９８号の明細書及び図面に示された積層型ペー
パーバッテリーを用いれば良い。

第４図は本発明の実施例に用いるペーパーバッテリーの
一層の構造図であり、ペーパーバッテリー１００はアル
ミニウム等の金属薄膜１２０、コンポジカットソード１
３０、塩素酸リチウム（Ｌｉｃｌｏｔ　＞等の電解質１
４ｏ１リチウム１５ｏの構成に銀を含む導電接着剤１１
０を塗布する。この構成のペーパーバッテリーをら線状
に巻いた後、切断を行う。この時幅１１長さ２π「ｎの
ベーパバッテリーを半径Ｒの円筒状にら線にｎ回舞いた
後、ｋ等分することで幅ｌ、長さ２πＲ／　ｋ　ｓ　ｎ
層の積層型ベーパバッテリーが得られる。ベーパバッテ
リー１００を３回巻いた後に切断すると、構造的に三層
のベーパバッテリーが形成され、層で２Ｖの電圧を発生
するベーパバッテリー１゜Ｏが三層となることで６ｖの
電圧を発生する。また、前記制御回路４１は、前記第１
圧電体２２と、前記第２圧電体２３ａ及び２３ｂに印加
する電気信号間の位相差を変化させるための移相器４２
と、前記弾性体２１の共振状態を検出するために、圧電
体２２．２３ａ、ｂに印加される印加信号の電圧・電流
位相差を測る位相検出器４３と、該位相検出器４３によ
り検出された信号を基に、前記電源３１内の周波数可変
発振器３４のための制御信号を生成する制御信号発生回
路４４と第１の圧電体２２に流入する電流を測定する少
なくともコイルを含む第１電流検知手段４５と、第２の
圧電体２３ａ、２３ｂに流入する電流を測定する少なく
ともコイルを含む第２電流検知手段４６とより戊る。

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
共振する。

次に第２圧電体２３ａおよび２３ｂ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
次モードで振動する。

これら前記２方向の振動の合成により１、前記弾性体２
１の所定の位置に略楕円振動が発生する。

該略楕円振動の振動軌跡は、前記第１圧電体２２と前記
第２圧電体２３ａ及び２３ｂとに印加する電気信号の振
幅と位相差を各々前記周波数可変発振器３４及び前記移
相器４２により変化させることにより任意形状にするこ
とが可能である。また、前記位相検出器４３は、前記２
方向の振動について、前記第１及び第２圧電体２２，２
３ａ、２３ｂに印加する電圧と、第１電流検知手段４５
と第２電流検知手段４６によって検知された各々の圧電
体に流入する電流の位相差を検出することにより前記弾
性体２１の共振状態を検出し前記制御信号発生回路４４
により常に最適な共振状態になるように前記周波数可変
発振器３４にフィードバック信号を送り、該周波数可変
発振器３４から発振される電気信号の周波数を調整して
いる。

次に、上述した超音波振動子１１を好適に利用したリニ
ア超音波モータの構成について、第２図（ａ）、　　（
ｂ）に基づき説明する。

同図において、第１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ことを意味している
。リニア超音波モータ２００は、前記超音波振動子１１
の最大振幅を与える端部には、駆動部２０１が形成され
、支持部材２０２によりレール２０４に圧着された構成
をとっている。

該圧着力を与えるための圧着機構は、前記レール２０４
と前記支持部材２０２との間に配置されローラベアリン
グ２０５により支持された第１のガイド２０６と、コイ
ルバネ２０７及びバネガイド２０８、バネ押え２０９よ
り構成されている。これは該バネガイド２０８に付けら
れたスクリューミゾにそってバネ押え２０９を回転させ
、前記コイルバネ２０７の長さを変化させ、前記圧着力
を調節するものである。

一方、前記支持部材２０２には、該リニア超音波モータ
２００の横ずれを防止するための第２のガイド２１０が
ボルト２１１により固定されている。該レールガイドは
ローラベアリング２１２でレール２０４を保持するとい
う構成をとっている。

更に、該リニア超音波モータ２００は、ヨーイングを防
止するための第１の支持材２１３及びローリングを防止
するための第２の支持材２１４が形成されている。

以上のように構成したリニア超音波モータ２００に前記
電源３１に交流電気信号を印加すると、前記駆動部２０
１に略楕円振動が発生し、前記し一ル２０４との摩擦力
に起因する駆動力を受け、同図中矢印Ｂの方向へ移動す
る。この際、前記電源３１及び前記制御回路４１は、前
記弾性体２１の節の近傍に着設されているので、前記弾
性体２１の振動を阻害することはない。また、外部から
電気エネルギーを供給する必要がないので、電気エネル
ギーを供給するためのリード線が不要となる。

尚、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、縦振動と曲げ振動の共振
周波数が大略一致し、同時に少なくとも１ケ所以上で該
２方向振動の節を一致させられるならば、さらに高次モ
ードを利用する事も可能である。

さらに、上記実施例は振動子の駆動素子として圧電体を
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平板状とする例について説明
したが、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い。

さらに、本実施例では、超音波振動子を可動子としたが
、超音波振動子に可動子を当接し、超音波振動子を固定
子として用いる場合も同様の効果が得られる。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、本発明の超音波
振動子は、前記２方向の振動を励振する励振体に所定の
電気信号を印加するため電源及び制御回路を前記弾性体
の所定の位置に着設したので、該超音波振動子を可動子
とした場合該超音波振動子の移動可能範囲が著しく拡大
される。

【図面の簡単な説明】

第１図から第４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振動子の斜視図、
第２図は第１図に示した超音波振動子を用いた超音波モ
ータの正面及び断面図、第３図は電源及び制御回路のブ
ロック図、第４図は本実施例に用いるペーパーバッテリ
ーの一層ノｆＭ成図である。 図中、１１は超音波振動子、２１は弾性体、２２．２３
ａ、２３ｂは圧電体、３１は電源、４１は制御回路、１
００はペーパーバッテリーである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、弾性体と、 該弾性体の所定位置に略楕円振動を励起する電気機械変
   換素子と、 該電気機械変換素子に所定の周波数の電気信号を印加す
   る電源と、 所望の前記略楕円振動を得るために前記電源を制御する
   制御回路と を有する超音波振動子において、 前記電気機械変換素子と、 前記電源と、 前記制御回路と を前記弾性体の所定の位置に着設したことを特徴とする
   超音波振動子。 ２、請求項１記載の超音波振動子に案内部材を当接し、 該案内部材と該超音波振動子を相対運動させることを特
   徴とする超音波モータ。 ３、請求項１記載の超音波振動子において、前記弾性体
   が平板形状を有し、前記電気機械変換素子が、前記弾性
   体に一方向の振動を励起する第１の電気機械変換素子と
   、前記一方向とは異なる他方向の振動を励起する第２の
   電気機械変換素子とから成り、両振動の合成により前記
   弾性体の所定位置に略楕円振動が励起されることを特徴
   とする超音波振動子。 ４、請求項３記載の超音波振動子において、前記弾性体
   に励起される前記一方向の振動が前記弾性体の屈曲振動
   であり、前記他方向の振動が前記弾性体の伸縮振動であ
   ることを特徴とする超音波振動子。 ５、請求項３乃至４記載の超音波振動子において、 前記両方向の振動の節の位置が大略一致し、該節の位置
   近傍に前記電源及び前記制御回路を着設したことを特徴
   とする超音波振動子。 ６、請求項１乃至５記載の超音波振動子において、前記
   電源は、電気エネルギーを供給するエネルギー源と、高
   圧発振回路より成り、前記エネルギー源としてペーパー
   バッテリーを用いたことを特徴する超音波振動子。