JPH0449873A - 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、超音波モータに関し、特に、圧電素子に超
音波領域の電気信号を印加して、−軸アクチュエータと
して動作させる超音波モータに関するものである。

［従来の技術］ 第１１図、第１２図は本発明者が提案した従来の超音波
モータであり、金属などの弾性体でなる円板状の基体（
２１）の中心部に駆動子の役目をさせる貫通孔（２１ａ
）が設けられている。捷だ、基体（２１）の両側面には
、円板屈曲モードと径方向モードの振動を発生させるだ
めの圧電素子（２３）、（２４）がそれぞれ固着されて
いる。貫通孔（２１ａ）にはスライダ（２２）が係合し
ている。

以上の構成によシ、超音波領域の電気信号を圧電素子（
２３）ないしは（２４）にそれぞれ加えると、基体（２
１）は円板屈曲モードと径方向モードの両方の振動を同
時に発生する。したがって、貫通孔（２１ａ）には両成
分の合成された振動が発生することになる。

貫通孔（２１ａ）には、スライダ（２２）が圧接されて
おり、基体（２１）が圧電素子（２３）ないしは（２４
）で励振されると、スライダ（２２）は中心軸方向に左
右に移動される。

かようにして、被駆動体であるスライダ（２２）に互い
に逆向きの直線移動を任意に与えることができる。

［発明が解決しようとする課題］ 以上のような従来の超音波モータは、高出力型とするた
めには直径が大きくなり、そのため、スペースファクタ
が悪く、かつ、スライダの支持が困難であるなどの問題
点があった。

この発明は上記の問題点を解決しようとするもので、大
出力化、省スペースで、スライダの耐久性アンプを達成
できる超音波モータを得ることを目的とする。

［課題を解決するだめの手段］ この発明に係る超音波モータは、角筒状基体の外表面の
中心対称位置に各複数個の２群の圧電素子を備え、かつ
、角筒内壁面の中心等距離位置に駆動子を対向設置して
、圧電素子の各群別に超音波領域の電気信号を加えるこ
とにより、基体に長さ方向伸縮モードと筒口開閉屈曲モ
ードの複合共振を生じさせる。

５作　用］ この発明においては、駆動子に圧接されている被移動体
が基体の長さ方向伸縮モードの振動に対応して長手方向
に振られ、屈曲モードの振動に起因しては圧接、離放を
繰り返す。これにより、被移動体は長手方向に直線移動
される。

［実施例］ 第１図〜第３図はこの発明の一実施例を示し、図におい
て、四角筒状の基体（１）の外表四面に、はぼ中心対称
位置に、同極に分極された８枚の圧電素子糖（２ａ）、
（２ｂ）、（３ａ）、（３ｂ）、（４ａ）、（４ｂ）お
よび（５ａ）、（５ｂ）が固着されている。

基体（１）の内壁面には各対向１対の駆動子（６ａ）、
（６ｂ）と（７ａ）、（７ｂ）が中心から互いに等距離
位置に互いに９０°ずれて設置されている。・（８ａ）
、（８ｂ）は取付孔である。

なお、駆動子（６ａ）、（６ｂ）と（７ａ）、（７ｂ）
に圧接される被移動体であるスライダおよび各圧電素子
に設けた電極や接続用のリードは煩雑を避けるために図
示を省略した。

次に動作について説明する。

基体（１）には、第１群の圧電素子（２ａ）、（２ｂ）
、（３ａ）、（３ｂ）と第２群の圧電素子（４ａ）、（
４ｂ）、（５ａ）、（５ｂ）による励振で、長さ方向伸
縮モードと、四角部交互開閉屈曲モードの両方の振動を
同時に発生させる。

この実施例では、第１群の圧電素子（２ａ）、（２ｂ）
、（３ａ）、（３ｂ）あるいは第２群の圧電素子（４ａ
）、（４ｂ）、（５ａ）、（５ｂ）のそれぞれに超音波
信号を印加したとき、基体（１）は、第４図に実線と破
線で示す交互開閉モードと、長さ方向に伸縮する第１次
モードを同時に発生して、複合共振を起こす寸法関係に
形成されている。

第４図の実線と破線は各半サイクル毎の振動に伴う開閉
軌様を示し、基体（１）が四角部のため、各対向面の動
きが中心対称になる。

いま、第１群の圧電素子（２ａ）、（２ｂ）、（３ａ）
、（３ｂ）側に電気信号が印加されたときの基体（１）
の動作を見ると、分極は圧電素子全部が同極のため、長
さ方向伸縮モードは基本波で第５図実線に示すように、
長手方向に伸びるのと同時に電圧を印加した圧電素子面
も上下方向に外側に開くので、左右方向の面、即ち第２
群の圧電素子（４ａ）、（４ｂ）、（５ａ）、（５ｂ）
のある面は反対に縮んで内側に閉じる。そのため、右半
分側に設置しである駆動子（７ａ）、（７ｂ）は、被移
動体であるスライダにさらに当接して右方への力を与え
る。

次の半サイクルにおいては、逆の挙動になるので、第４
図、第５図の破線で示すようになシ　今度は第１群の圧
電素子（２ａ）、（２ｂ）、（３ａ）、（３ｂ）のある
面が閉じて縮まるので、その内壁面１で設置しである駆
動子（６ａ）、（６ｂ）がスライダに圧接することにな
り、駆動子（６ａ）、（６ｂ）の設置位置である左側の
破線矢印の方向のように右方への力を与える。かくして
、スライダは１サイクルの正負共に右方へ移動されるこ
とになる。

次に、スライダの左方への移動は、給電を第２群の圧電
素子（４ａ）、（４ｂ）、（５ａ）、（５ｂ）の側に切
換えることで行われる。即ち、圧電素子の分極方向はす
べて同一であるため、第５図の長さ方向モードはそのま
まで、開閉屈曲モードだけが反転する。

そのためスライダの左方への移動が達成されるのである
。

以上のように、駆動子（６ａ）、（６ｂ）、（７ａ）、
（７ｂ）に圧接されているスライダの移動方向は、圧電
素子の２つのグループへの給電切換えによるため、発振
駆動回路はきわめて簡単なもので足りる。

船釣には、共振点でのインピーダンス変化を検知して発
振させる自励回路や、２つの圧電素子グループの片方か
らの発生電圧を利用してフィートノくツクした自励回路
が採用される。

な２、圧電素子は全部同極のため、左右で分離しないで
一枚板を貼付してもよい。

以上の実施例の具体的な数値例を挙げると、基体（四角
筒）の寸法：長さ１２０鵡、筒口２０　Ｘ　２０鰭 肉厚：　２．５ｍｍ５　アルミ材 圧電素子の厚み二０４膿、ＰＺＴＨＱ材駆　動　子　の
　厚み：０．１ｍ＋＋、ジルコニア磁器ス　ラ　イ　ダ
　材質：ポリエーテルエーテルケトン材 共　振　周　波　数：　１９．０５ｋＨｚ駆　　動　　
電　　圧＝５■実効値 としたとき、 スライダのスピード：　５００ｙｍ＋＋／秒（無負荷時
）が得られた。

さらに低電圧で駆動したいときは、圧電素子を２枚積み
重ねて並列にしてもよい。また、基本の内壁にも圧電素
子を設置することができる。さらに、駆動子の設置場所
は基体の外表面でもよいし、あるいは左右のどちらか片
側だけ使用してもよい。

また、圧電素子への結線を左右でクロスさせることがで
きる。即ち、圧電素子（２ａ）、（２ｂ）、（５ａ）（
５ｂ）を第１群とし、圧電素子（３ａ）、（３ｂ）、（
４ａ）（４ｂ）を第２群として、左右が丁度９０°捩れ
た結線にすると、基体（１）の挙動は第６図のようにな
り、分極は同一のため、長さモードは先に述べたと同様
に発生し、開閉モードの左右が逆転する。この場合の駆
動子の設置面は左右共に基体の同一内壁面になる。

また、スライダの駆動子への圧接手段は、ゴムシートを
挾み込んで行うことができる。

さらに、基体自体を圧電磁器で構成してもよい。

このとき、屈曲モードを発生させるために弾性板か、さ
らに別の圧電磁器板を貼付するようにすれば製作方法の
幅を一段と広げることができる。圧電磁器のみの場合は
、円筒形でもよい。

なお、以上の実施例では、四角筒の場合を挙げだが、外
表四角で内側断面が円形でも動作は同じである。

長さモードは基本波に限らず、高調波の共振との組合せ
にすることができる。

基体（１）の筒形は、四角に限らず六角形、六角形など
偶数角形なら同様であシ、多角形の場合は隣り合う辺が
互いに逆相になるように結線してやればよいので、大口
径の大形でも長さ高次モードとの組合せにより、種種の
設計が可能である。

基体（１）が多角筒の実施例として、外側形状が六角で
中側か丸形の場合を第７図〜第９図に示す。

長さモードに第２高調波を使用しているため、左右で分
極（■○で示す）を異にし、各グループの結線は圧電素
子３個づつを拾って左右では１つずらしている。

即ち、第１群には圧電素子（９ａ）、（９ｂ）、（９Ｃ
）と（１０ａ）、（１，Ｏｂ）、（ＩＯＣ）を充当し、
第２群は圧電素子（１１，ａ）、（］、１ｂ）、（Ｉｌ
ｃ）と（１２ａ）、（１２ｂ）、（１２Ｃ）を充てるこ
とにより、基体（１）の中心孔に七ソトシたスライダを
左右方向に任意に移動させることができる。

第７図の結線を変えて、第１群に圧電素子（９ａ）、（
９ｂ）、（９Ｃ）と（］、２ａ）、（１２ｂ）、（１２
Ｃ）、第２群に圧電素子（Ｉｌａ）、（ｎｂ）、（ＩＩ
Ｃ）と（１，ｏａ）、（ｘｏｂ）、（ＩＯＣ）としても
よい。この場合には駆動子の設置は左右でちがう面にな
る。

また、大きな推力を発生させる構成として、第１０図の
ように、２つの多角筒（ｌａ）　（１，ｂ）　　でなる
基体（１）の節部にり／グ状の圧電素子（１３ａ）、（
１３ｂ）および長さモード用端子（１４）を挾持し、ボ
ルト（１５）で締めたランジュバン形構造にすることが
考えられる。（１，６ａ）、（］、６ｂ）は駆動子であ
る。

かような構成により、長さモード側の位相を調節できる
ので、さらに大きな推力を発生させることができる。

ここで、この発明の超音波モータは、ポールネジに似て
、スライダと外側モータの移動は相対的なものであるか
ら、どちらを固定側に選んでもよにとは勿論である。

［発明の効果コ 以上の説明から明らかなように、この発明は、角筒状の
基体の外表面に駆動用の複数個の圧電素子を固着して基
体を励振させ、長さ方向の振動モードと、筒口の開閉屈
曲モードとを同時に発生させることにより、角筒内に設
けた駆動子でスライダを直線移動するようにしたので、
スライダの方向切換えは、圧電素子への給電を切換える
だけでよく、電気回路を簡略化することができ、高出力
化、省スペース化を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の側面図、第２図および第
３図は第１図のそれぞれ■−■線および１１１−１１Ｉ
線に沿う平面での断面図、第４図、第５図および第６図
はそれぞれ当該実施例の動作説明のための模式図、第７
図は他の実施例の側面図、第８図および第９図は第７図
のもののそれぞれ左正面図と右正面図、第１０図はさら
に他の実施例の側断面図、第１１図は従来の超音波モー
タの正面図、第１２図は同じく側断面図である。 （１）−・・基体、（２ａ）、（２ｂ）−（５ａ）、（
５ｂ）　−・・圧電素子、（６ａ）、（６ｂ）、（７ａ
）、（７ｂ）　−・・駆動子。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 角筒状の弾性体でなる基体と、この基体の表面に固着さ
   れ超音波領域の電気信号が印加される各複数個でなる２
   群の圧電素子と、前記基体の内壁面の中心等距離位置に
   対向して設けられた複数個の駆動子とを備え、前記基体
   に長さ方向伸縮モードと筒口開閉屈曲モードの複合共振
   を生じさせる超音波モータ。