JPH0516276B2

JPH0516276B2 -

Info

Publication number: JPH0516276B2
Application number: JP61237675A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Kuwabara; Naofumi Fuje
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1986-10-06
Filing date: 1986-10-06
Publication date: 1993-03-03
Also published as: JPS6392279A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は、固体の表面に形成される弾性波を利
用して回転子を回転させる超音波モータに関する
ものである。

（従来の技術）一般に弾性体中を伝播する振動波には縦波と横
波の二種類が存在することが知られている。これ
らの縦波と横波はそれぞれ独立して弾性体中を伝
播するが、弾性体の表面においては、その境界条
件によつて錯綜しあい、弾性波を形成する。

弾性波が形成された弾性体の表面上に、移動体
たる固体を置くと、固体は弾性波の進行方向に沿
つて移動を開始する。

例えば特開昭58−148682号には、リング状の弾
性体を異なる方向に振動させる二つの振動子を装
着し、それぞれの振動子を異なる位相で振動させ
ることにより、リング状の弾性体の内周面に円周
方向に進行する弾性波を形成して、リング状の弾
性体の内周に挿入した回転軸を駆動する超音波モ
ータが提案されている。

また、特開昭61−49670号公報や特開昭61−
54884号公報には、圧電厚み振動子上に斜め支持
部を付加した両端斜め支持の支持梁を設け、梁を
振動させて回転子を摩擦駆動するものが開示され
ている。

（発明が解決しようとする問題点）特開昭58−148682号公報の技術は、振動子に斜
めのテーパー部分を設け、このテーパー部分にて
回転子を摩擦駆動する。したがつて、振動子のテ
ーパー面上に表面弾性波を形成するには、異なる
方向に振動する複数の振動子を使用しなければな
らない。また、斜めのテーパー面によつて回転子
が結合されているため、回転子の破損防止のため
圧電素子である電歪素子と回転子の間に高い圧力
を加えることができない。

また、特開昭61−49670号公報や特開昭61−
54884号公報に開示された技術においては、厚み
振動子等の圧電素子と回転子との間に斜めの支持
部が存在するため、圧電素子と回転子の間に高い
圧力を加えると斜め支持部の変形や破損が問題と
なる。

超音波モータにおいて、高トルクを得るには圧
電素子と回転子の間に強い圧力を加える必要があ
る。したがつて、従来の超音波モータにおいては
圧電素子と回転子の間に強い圧力を加えることが
できなかつたため高トルクが得られなかつた。

また、従来技術において、駆動トルクは振動子
の径により定まる。回転子の径を増やしても振動
子からの駆動面を増やすことにはならない。した
がつて、トルクを増やすには、振動子の径を大き
くしなければならなかつた。

そこで本発明においては、一方向に振動する圧
電素子で駆動され、トルクを増やすことができ、
かつ、圧電素子と回転子の間に強い圧力を加えう
る超音波モータを構成することを技術的課題とす
る。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段）上記技術的課題を解決するために本発明におい
て講じた手段は、垂直方向に振動する圧電素子
と、この圧電素子の面に対し平行なシヤフトを中
心に回転する円筒状回転子との間に、底面が圧電
素子に結合され、圧電素子と共に振動する結合子
を設け、この結合子に、圧電素子の面に対し垂直
に延び、端部が円筒状回転子の側面に当接する振
動片と、振動片の両面に形成され底面からの距離
が異なる２つの段部を一体的に備えたことであ
る。

（作用）振動子が結合子を振動させると、結合子に一体
に形成された振動片が共振する。ところで、この
振動片の両面には、結合子の底面からの距離が異
なる複数の段部が形成されており、この段部の作
用により、振動片の両面には内部圧力の差が生じ
る。

この時振動片は、この内部圧力の差を打ち消す
ように変形し、結果として振動片は強い撓み振動
を生じる。

そして、振動片の撓み振動により振動片の先端
は楕円を描いて運動し、振動片の先端に接触した
回転子を回転させる。

（実施例）以下図面に基づいて本発明の実施例について説
明する。

第１図は本発明の超音波モータの一実施例を描
いた正面図である。

図において、円柱状に形成された金属性のベー
ス１の一面には、電気信号により一方向に振動す
る振動子として圧電セラミツクス２ａが装着され
ている。圧電セラミツクス２ａと金属性のベース
１とは機械的、かつ電気的に接続されている。

さらに、圧電セラミツクス２ａのベース１に対
向する面には、共通電極３が形成されている。そ
して、共通電極３の圧電セラミツクス２ａに対向
する面には、圧電セラミツクス２ｂが装着されて
いる。圧電セラミツクス２ａと共通電極３、並び
に圧電セラミツクス２ｂと共通電極３とは共に機
械的、かつ電気的に接続されている。圧電セラミ
ツクス２ａ，２ｂは共に円筒形で、ベース１と同
じ半径を有している。

また、圧電セラミツクス２ｂの共通電極３に対
向する面には、円柱形に形成された金属性の結合
子４の底面４ａが装着されている。そして、圧電
セラミツクス２ｂと金属性の結合子４とは機械
的、かつ電気的に接続されている。

図示していないが、ベース１の圧電セラミツク
ス２ａが装着された面には、ベース１の軸心方向
に突出する円柱部が設けられており、この円柱部
の外周面には雄螺子が切られている。そして、こ
の円柱部は円筒形の圧電セラミツクス２ａ，２ｂ
の中心孔に挿入される。また、結合子４の圧電セ
ラミツクス２ｂが装着された面には、その軸心に
沿つて穴が開けられており、この穴には雌螺子が
切られている。ベース１と結合子４はその軸心に
形成された雄螺子と雌螺子を係合することによつ
て連結され、同時に、円筒形の圧電セラミツクス
２ａと圧電セラミツクス２ｂを挾持して固定して
いる。

結合子４の両側面には、共通電極３に可能な限
り近い位置にフランジ５ａとフランジ５ｂが固定
されている。フランジ５ａ，５ｂは共に同一の形
状を有しており、ネジ７ａ，７ｂが挿入される貫
通孔を有している。フランジ５ａ，５ｂは貫通孔
に挿入されたネジ７ａ，７ｂによつて結合子４に
螺着される。フランジ５ａ，５ｂは弾力性を有す
る部材を使用することが好ましく、本実施例では
樹脂製である。

フランジ５ａ，５ｂには、金属製のアーム６
ａ，６ｂが取り付けられる。金属製のアーム６
ａ，６ｂの一端は、フランジ５ａ，５ｂと共に螺
子７ａ，７ｂによつて螺合され、結合子４の両側
面に螺着されている。

さらに、アーム６ａ，６ｂの他端には、ベアリ
ング８ａ，８ｂが固定されている。このベアリン
グ８ａ，８ｂには、出力シヤフト９が回転可能に
支承されている。また、ベアリング８ａ，８ｂの
間には、回転子１０が出力シヤフト９に固定され
ている。

以下、第２図を参照して説明する。第２図は第
１図の右側面図である。

図において、金属製の結合子４の中心部には、
振動片１１がが結合子４と一体に形成されてい
る。また、振動片１１の一端は回転子１０の断面
の曲率よりも大きな曲率を有した曲面１１ａが形
成されており、この曲面１１ａが回転子１０と接
触している。

また、振動片１１の両面には、段部１２と段部
１３が結合子４と一体に形成されている。段部１
２と段部１３とは、結合子４の底面４ａ（結合子
４と圧電セラミツクス２ｂとが接触する面）から
の距離が異なるように形成されている。

ところで、本実施例の超音波モータは、共通電
極３を基準面として、その両側（ベース１側と結
合子４側）の質量がほぼ等しくなるように製作さ
れている。このために、超音波モータの主要な質
量を構成するベース１と結合子４は、ほぼ等しい
質量を有するように製作されている。

以下、第３図を参照して説明する。第３図は本
実施例の超音波モータを駆動するための電気回路
図である。

圧電セラミツクス２ａは金属性のベース１と共
通電極３に印加される電圧に応じて図示上下方向
に伸縮し、振動を発生する。また、圧電セラミツ
クス２ｂも共通電極３と金属性の結合子４に印加
される電圧に応じて図示上下方向に伸縮し、振動
を発生する。

ところで、二つの圧電セラミツクス２ａ，２ｂ
は共通の駆動回路１４によつて駆動される。そし
て、二つの圧電セラミツクス２ａ，２ｂは同時に
伸縮を繰りす。このため、ベース１と結合子４は
互いに逆位相で振動する。

駆動回路１４は振動片１１の共振周波数で発振
する発振回路１５と、発振回路の出力を増幅する
電圧増幅回路１６と、電圧増幅回路１６の出力を
増幅する電力増幅回路１７と、圧電セラミツクス
２ａ，２ｂと電力増幅回路１７のマツチングを得
るためのインピーダンス変換回路１８を備えてい
る。

駆動回路１４を動作させ、圧電セラミツクス２
ａ，２ｂを振動させると、ベース１と結合子４が
共に振動する。この時、本実施例の超音波モータ
は、共通電極３を基準面として、その両側（ベー
ス１側と結合子４側）の質量がほぼ等しくなるよ
うに製作されているので、本実施例の超音波モー
タには共通電極３をを節とした定在波が形成され
る。

以下、第４図、第５図を参照して説明する。第
４図は本実施例の結合子４の平面図、第５図は第
４図に示した結合子４の−断面図である。

結合子４は、その底面に装着された圧電セラミ
ツクス２ａ，２ｂにより、矢印Ａの方向に振動さ
せられ、結合子４の表面には、矢印Ａの方向に振
動する定在波が形成される。そしてこの時、振動
片１１の両面には、段部１２，１３が振動したこ
とによる内部圧力の変化が加えられる。

振動片１１の両面に加えられる内部圧力の変化
は、結合子４の底面４ａからの距離が長い段部１
２の方が大きくなる。したがつて、振動片１１は
段部１２，１３により振動片１１の両面に加えら
れる圧力差によつて矢印Ｂの方向に振動を開始
し、振動片１１の曲面１１ａには、矢印Ｂの方向
に振動する撓み波が形成される。

したがつて、振動片１１の曲面１１ａ上には、
矢印Ａ方向の定在波と、矢印Ｂ方向の撓み波を合
成した定在波が形成される。このため、曲面１１
ａ上の一点Ｃの軌跡は、矢印Ａ方向の振動は矢印
Ｂ方向の振動を合成した軌跡描くこととなる。本
実施例においては、矢印Ｂ方向の振動は矢印Ａ方
向の振動によつて励振されている。それゆえ、矢
印Ｂ方向の振動と矢印Ａ方向の振動とは一定の関
係を有することとなり、曲面１１ａ上の一点Ｃの
軌跡は楕円を描くこととなる。

再び第２図に戻つて説明する。

前述したように、振動片１１の一端に形成され
た曲面１１ａには、回転子１０が接触している。
そして、曲面１１ａ上には、振動片１１上の一点
Ｃを楕円運動させるような定在波が形成されてい
る。したがつて、回転子１０は、曲面１１ａより
駆動力を得て回転を始める。

本実施例の超音波モータでは、共通電極３を基
準面として、その両側の質量が等しくなるように
製作されている。したがつて、本実施例の超音波
モータは、共通電極３を節として振動する。この
ため、超音波モータの振動により圧電セラミツク
ス２ａ，２ｂに加わる応力を減少させ、圧電セラ
ミツクス２ａ，２ｂの経時変化を抑えることがで
きる。

また、本実施例では、電気信号により一方向に
振動する振動子として圧電セラミツクス２ａ，２
ｂを使用した例を示したが、振動子としては特に
圧電セラミツクス２ａ，２ｂである必要はない。
たとえば、磁力変化に応じて振動する磁歪素子な
ども利用できる。

〔発明の効果〕

本発明においては、結合子に設けられた振動片
がが圧電素子から垂直に回転子に向けて設けられ
ているので、圧電素子と回転子の間に強い力をか
けても、振動片が変形、破損しにくい。したがつ
て、圧電素子と回転子との間を強く加圧すること
により、高トルクのモータを得ることができる。
また、振動片自体が楕円運動モードで共振するた
め、強い振動片の振動が生じ、より強い回転力が
得られる。また、円筒状の回転子の径を増やせ
ば、振動片との当接部とシヤフト中心までの距離
を長くでき、トルクを容易に多く稼ぐことができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の超音波モータの一実施例を描
いた正面図である。第２図は第１図の右側面図で
ある。第３図は本実施例の超音波モータを駆動す
るための電気回路図である。第４図は本実施例の
結合子の平面図である。第５図は第４図に示した
結合子の−断面図である。１…ベース、２ａ，２ｂ…圧電セラミツクス
（圧電素子）、３…共通電極、４…結合子、４ａ…
結合子の底面、５ａ，５ｂ…フランジ、６ａ，６
ｂ…アーム、７ａ，７ｂ…螺子、８ａ，８ｂ…ベ
アリング、９…出力シヤフト、１０…回転子、１
１…振動片、１２，１３…段部、１４…駆動回
路、１５…発振回路、１６…電圧増幅回路、１７
…電力増幅回路、１８…インピーダンス変換回
路。

Claims

【特許請求の範囲】１ベース１に固定され、電気信号により垂直方
向に振動する円板上の圧電素子２ａ，２ｂと、該圧電素子の面と平行なシヤフト９を有し、該
シヤフトを中心に回転可能に配設される円筒状の
回転子１０と、前記圧電素子と回転子間に配設され、底面４ａ
が前記圧電素子に結合され、圧電素子と共に振動
する結合子４と、を備えた超音波モータであつて、前記結合子は、前記圧電素子の面に対し垂直に
延び、端部が前記円筒状回転子の側面に当接する
振動片１１と、該振動片の両面に形成され前記底
面からの距離が異なる２つの段部１２，１３とを
一体的に備えたことを特徴とする超音波モータ。