JPH06133569A - 超音波モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 個体間における駆動効率のばらつきを抑え、
好ましくは駆動効率の向上を図る。 【構成】 駆動面１２ａ側に突起部１２ｃおよび溝部１
２ｄが交互に形成された弾性体１２と、弾性体１２の駆
動面１２ａの裏面に設けられ、突起部１２ｃおよび溝部
１２ｄの並び方向に沿って異なる分極方向を有する領域
２０が交互に設けられた圧電体１１とを備え、この圧電
体１１で弾性体１２を励振してその駆動面１２ａに発生
された進行性振動波により弾性体１２に加圧接触された
移動体２を駆動する超音波モータにおいて、圧電体１１
の各領域２０の中央部に弾性体１２の突起部１２ｃ、あ
るいは溝部１２ｄを配置した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、進行性振動波を用いた
超音波モータに関する。

【０００２】

【従来の技術】圧電体により弾性体の駆動面に進行性振
動波（以下、進行波と略す。）を発生させ、この進行波
により駆動面に加圧接触された移動体を駆動する超音波
モータ（特公平１−１７３５３号、特公平１−１７３５
４号公報等参照）においては、圧電体の振動は弾性体に
より増幅されて駆動面に伝達されている。進行波は圧電
体の屈曲振動により生じるレイリー波により発生する。
圧電体は印加電圧にともなって屈曲するのであるが、弾
性体に剛性があるために同じ印加電圧を加えた時でも弾
性体の厚さにより屈曲振動の振幅の大きさが変わってく
る。これにより圧電体から弾性体に与えられるエネルギ
ー効率が変わってくることがわかる。

【０００３】弾性体を厚くすれば屈曲振動の振幅は大き
くなるが、その分弾性体を含めた圧電体を駆動するエネ
ルギーが必要となる。そこで、移動体の駆動効率を向上
させるために弾性体を櫛歯状に形成した超音波モータも
提案されている（特開昭５９ー２０１６８５号公報参
照）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の超音波
モータにおいては、圧電体はある一部を除いて極性が交
互に反転された分極パターンを有しており、弾性体は駆
動面側と反対側の平坦面が圧電体に貼付されている。し
かしながら、従来の超音波モータにあっては、圧電体の
分極パターンと櫛歯状に形成された弾性体の駆動面との
相対的位置関係を考慮せずに弾性体が圧電体に貼付され
ていた。弾性体の駆動面側を櫛歯状に形成した場合、櫛
歯の突起部と溝部により弾性体には剛性の大きな部分と
小さな部分とが交互に繰り返される。このような弾性体
に圧電体から変位を与えた場合、一様な剛性を持つ弾性
体と比べて弾性体に生じる屈曲振動波の波形が変化す
る。したがって、圧電体の分極パターンに対して弾性体
の突起部および溝部の相対的位置を変えてみると、各位
置により屈曲振動波形が変わり、屈曲の歪エネルギーも
変わってくる。屈曲による歪エネルギーに差が生じるこ
とは、圧電体に与えた電気エネルギーの変換効率的に差
が生じることである。この差は、屈曲振動によるレイリ
ー波のエネルギー及び進行波のエネルギーの差にも影響
されるために、最終的には移動子から取り出せる駆動の
効率の差となってくる。したがって、従来の超音波モー
タでは圧電体の分極パターンと弾性体の突起部および溝
部との相対的位置関係の変化により個体間における駆動
効率のばらつきが生じ、駆動効率の適正化が困難であっ
た。

【０００５】本発明の目的は、個体間における駆動効率
のばらつきを抑え、好ましくは駆動効率の向上を図るこ
との可能な超音波モータを提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】一実施例を示す図１〜図
５に対応付けて説明すると、本発明は、駆動面１２ａ側
に小剛性な凹部１２ｄと大剛性な凸部１２ｃとが交互に
形成された弾性体１２と、前記弾性体１２の前記駆動面
１２ａの裏面に設けられ、前記凸部１２ｃおよび凹部１
２ｄの並び方向に沿って異なる分極方向を有する領域２
０が交互に設けられた圧電体１１とを備え、前記圧電体
１１で前記弾性体１２を励振してその駆動面１２ａに発
生された進行性振動波により前記弾性体１２に加圧接触
された移動体２を駆動する超音波モータに適用される。
そして、請求項１の発明は、前記圧電体１１の前記各領
域２０の中央部に前記弾性体１２の凹部１２ｄを配置す
ることにより、上述の目的を達成している。また、請求
項２の発明は、前記圧電体１１の前記各領域２０の中央
部に前記弾性体１２の凸部１２ｃを配置することによ
り、上述の目的を達成している。さらに、請求項３の発
明は、前記移動体２の駆動方向に沿った幅の広い第１の
凹部１２ｄ1と幅の狭い第２の凹部１２ｄ2とを設け、前
記一対の凸部１２ｃの間に位置する前記第２の凹部１２
ｄ1を前記圧電体１１の前記各領域２０の中央部に配置
することにより、上述の目的を達成している。

【０００７】

【作用】弾性体１２は大剛性な凸部１２ｃと小剛性な凹
部１２ｄとを有するため、圧電体１１の分極領域２０と
これら凸部１２ｃ、凹部１２ｄとの相対的位置関係によ
り弾性体１２の屈曲振動の波形が変化し、それにともな
って圧電体１１から与えられる弾性体１２の歪エネルギ
ーに差が生じる。そこで圧電体１１の各領域２０の位置
と弾性体１２の凸部１２ｃおよび凹部１２ｄの位置との
間にある一定の関係を持たせることにより、各超音波モ
ータでの屈曲振動波形を一様にすることで圧電体１１か
らの与えられるエネルギー効率を一様にして、進行波の
エネルギーを各超音波モータで一様にする。また、請求
項２の発明においては、弾性体１２の凸部１２ｃを圧電
体１１の各領域２０の中央部に配置したので、圧電体か
ら与えられるエネルギー効率を向上することができ、進
行波が持つエネルギーを向上することができる。

【０００８】なお、本発明の構成を説明する上記課題を
解決するための手段と作用の項では、本発明を分かり易
くするために実施例の図を用いたが、これにより本発明
が実施例に限定されるものではない。

【０００９】

【実施例】ー実施例共通の説明ー まず、本発明が適用される超音波モータの概要を図４お
よび図５を参照して説明する。固定子１は、図４に示す
ように、平板リング状の圧電体１１と、この圧電体１１
の一面に接合されている弾性体１２と、弾性体１２に形
成された薄板状の支持部１２ｂを固定する固定環１４お
よび押さえ環１５とを備えている。

【００１０】圧電体１１は、図５に示すように、圧電体
１１の振動を検出する部分２１ｄとグランド部２１ｃと
を除いて、周方向に沿ってλ／２（λは進行波の波長）
ピッチの複数の領域２０に分割され、これら各領域２０
内の圧電体１１は、極性が交互に反転するようにその厚
さ方向に沿った特定方向に分極されている。領域２０は
Ａ相２１ａとＢ相２１ｂとの２群に分けられており、Ａ
相２１ａとＢ相２１ｂとはλ／４（λは進行波の波長）
だけずらして配置されている。これら領域２０によりλ
／２ピッチの分極パターンが形成される。Ａ相２１ａお
よびＢ相２１ｂに属する各領域２０の圧電体１１には、
相２１ａ、２１ｂ間でπ／２（９０゜）だけ時間的位相
差がずれた駆動信号がそれぞれ印加される。

【００１１】弾性体１２は、圧電体１１の接合面と反対
側の駆動面側１２ａに、比較的剛性の大きい突起部１２
ｃと比較的剛性の小さい溝部１２ｄとが交互に形成さ
れ、全体として櫛歯状に形成されている。弾性体１２の
突起部１２ｃおよび溝部１２ｄと各領域２０との相対的
位置関係（つまり分極パターンとの関係）は後述する。

【００１２】移動子２は、図４に示すように移動子母材
１７と、弾性体の駆動面１２ａに生じる駆動力を効率的
に伝達する摺動材１６とから構成される。圧電体１１は
駆動信号により励振され、弾性体１２は圧電体１１の励
振によって屈曲振動し、これにより駆動面１２ａに進行
波が発生する。したがって、駆動面１２ａに加圧接触さ
れた移動子２は進行波により回転駆動される。

【００１３】ー第１実施例ー 図１は、本発明による超音波モータの第１実施例を示す
図であって、弾性体１２の突起部１２ｃおよび溝部１２
ｄと各領域２０との位置関係を示す概略図である。な
お、本実施例では圧電体１１の分極パターンと弾性体１
２の突起部１２ｃおよび溝部１２ｄとの位置関係を分か
り易くするために、図４のＰ点で切断して円環状である
圧電体１１と弾性体１２を直線状にして図示してある。
本実施例では、１つの領域２０に対して２つの突起部１
２ｃおよび溝部１２ｄがそれぞれ対応し、かつ、領域２
０の長さ方向（図中左右方向）の中央には弾性体１２の
溝部１２ｄが必ず位置している。

【００１４】次に、図６および図７を参照して、本発明
者による数値解析結果について説明する。本発明者は図
６に示すように、変位を与える圧電体６１の分極パター
ンに対して弾性体６２の突起部６２ｃおよび溝部６２ｄ
の位置を３通りに変えてみたモデルを考え、各モデルで
屈曲振動波形がどの様に変化するか計算した。屈曲は等
分布荷重が掛かったものとして、下記の式（１）を解く
ことにより求めた。まず、圧電体６１の両端に支持６３
を持たせ、圧電体６１に対する櫛歯の位置は、 (１) 圧電体６１の中央に弾性体６２の溝部６２ｄを位
置させた場合、 (２) 圧電体６１の中央に弾性体６２の突起部６２ｃを
位置させた場合 (３) 圧電体６１の中央に弾性体６２の突起部６２ｃと
溝部６２ｄとの境界を位置させた場合 にした。

【数１】 ここに ω：たわみ量 Ｅ：縦弾性係数 Ｐ：単位長さ当たりの
荷重 Ｉ：断面２次モーメント Ｌ：全長（支持から支持ま
で） ＭA,ＭB：支持部６３で生じる荷重以外の曲げモーメン
ト Ｃn1,Ｃn2：ｎ域での定数 この計算のモデルでは、溝部６２ｄの幅と突起部６２ｃ
の幅とを等しくし、溝部６２ｄの断面２次モーメントと
突起部６２ｃの断面２次モーメントとの比を１：４とし
た。図７にその結果を示す。各々の場合により屈曲振動
の振幅や波形が異なり、これらは圧電体６１と弾性体６
２の突起部６２ｃおよび溝部６２ｄとの相対的位置関係
により定まることが理解できる。

【００１５】さらに各々の圧電体から弾性体に与えられ
るエネルギーを計算してみた。その方法は、曲げモーメ
ントによる歪エネルギーを求めることで行った。その結
果、(１)：(２)：(３)≒１：1.04：1.02となっているこ
とがわかった。つまり、(１)圧電体６１の中央に弾性体
６２の溝部６２ｄを位置させた場合、(２)圧電体６１の
中央に弾性体６２の突起部６２ｃを位置させた場合、
(３)圧電体６１の中央に弾性体６２の突起部６２ｃと溝
部６２ｄとの境界を位置させた場合とで歪エネルギー差
を比較した時、(２)が最も大きく、電気エネルギーが効
率的に変換されていることが理解できる。

【００１６】したがって、本実施例では領域２０の中央
に弾性体１２の溝部１２ｄを必ず位置させ、圧電体１１
の分極パターンと弾性体１２の溝部１２ｄとの相対的位
置関係を常に一定にしたので、弾性体１２の駆動面１２
ａにおける屈曲振動波形を各個体間で一様にすることが
でき、超音波モータの駆動効率を常に適正なものにする
ことが可能となる。

【００１７】ー第２実施例ー 図２は、本発明による超音波モータの第２実施例を示す
図であって、弾性体１２の突起部１２ｃおよび溝部１２
ｄと各領域２０との位置関係を示す概略図である。な
お、本実施例においても圧電体１１の分極パターンと弾
性体１２の突起部１２ｃおよび溝部１２ｄとの位置関係
を分かり易くするために、図４のＰ点で切断して円環状
である圧電体１１と弾性体１２を直線状にして図示して
ある。本実施例では、１つの領域２０に対して２つの突
起部１２ｃおよび溝部１２ｄがそれぞれ対応し、かつ、
領域２０の長さ方向（図中左右方向）の中央には弾性体
１２の突起部１２ｃが必ず位置している。

【００１８】したがって、本実施例においても領域２０
の中央に弾性体１２の突起部１２ｃを必ず位置させ、圧
電体１１の分極パターンと弾性体１２の突起部１２ｃと
の相対的位置関係を常に一定にしたので、弾性体１２の
駆動面１２ａにおける屈曲振動波形を各個体間で一様に
することができ、超音波モータの駆動効率を常に適正な
ものにすることが可能となる。特に、本実施例は図６、
図７の(２)に対応する実施例であり、(２)の場合は上述
のごとく他の場合に比較して弾性体に与えられるエネル
ギーが最大であるため、従来と比較して駆動効率が向上
した超音波モータを常に提供することができる。これ
は、圧電体２０に与えられる電気エネルギーから屈曲の
歪エネルギーへの変換効率が向上されることである。

【００１９】なお、図６の場合、圧電体の１つの領域の
長さに対して溝部６２ｄと突起部６２ｃの数をそれぞれ
２個ずつとしたが、例として圧電体の１つの領域の長さ
に対して溝部６２ｄと突起部６２ｃの数をそれぞれ４個
ずつとしても同様な結果となる。（１）圧電体６１の中
央部に弾性体６２の溝部６２ｄを位置させた場合と、
（２）圧電体６１の中央部に弾性体６２の突起部６２ｃ
を位置させた場合と、（３）圧電体６１の中央部に弾性
体６２の突起部６２ｃと溝部６２ｄとの境界を位置させ
た場合との曲げモーメントによる歪エネルギーを計算し
ても、（２）＞（３）＞（１）となり、前記した結果と
同様に（２）において電気エネルギーが効率的に変換さ
れていることがわかる。また、溝部６２ｄの幅と突起部
６２ｃの幅との比を変えても同様な結果となる。図６の
場合、溝部６２ｄの幅と突起部６２ｃの幅とを等しくし
たが、例として溝部６２ｄの幅と突起部６２ｃの幅との
比を１：２として、（１）圧電体６１の中央部に弾性体
６２の溝部６２ｄを位置させた場合と、（２）圧電体６
１の中央部に弾性体６２の突起部６２ｃを位置させた場
合と、（３）圧電体６１の中央部に弾性体６２の突起部
６２ｃと溝部６２ｄとの境界を位置させた場合との曲げ
モーメントによる歪エネルギーを計算しても、（２）＞
（３）＞（１）となり、前記した結果と同様に（２）に
おいて電気エネルギーが効率的に変換されていることが
わかる。さらに、溝部６２ｄの断面２次モーメントと突
起部６２ｃの断面２次モーメントとの比を変えてみても
同様な結果となる。図６の場合、溝部６２ｄの断面２次
モーメントと突起部６２ｃの断面２次モーメントとの比
を１：４としたが、例として、溝部６２ｄの断面２次モ
ーメントと突起部６２ｃの断面２次モーメントとの比を
１：８として、（１）圧電体６１の中央部に弾性体６２
の溝部６２ｄを位置させた場合と、（２）圧電体６１の
中央部に弾性体６２の突起部６２ｃを位置させた場合
と、（３）圧電体６１の中央部に弾性体６２の突起部６
２ｃと溝部６２ｄとの境界を位置させた場合との曲げモ
ーメントによる歪エネルギーを計算しても、（２）＞
（３）＞（１）となり、前記した結果と同様に（２）に
おいて電気エネルギーが効率的に変換されていることが
わかる。

【００２０】ー第３実施例ー 上述の第１〜第２実施例では、全ての溝部１２ｄの円周
方向（図１、図２において左右方向）の幅が一定である
が、複数種類の幅を有する溝部がある一定の規則で並ん
でいる場合でも、それぞれの溝部や突起部の位置と圧電
体との相対的位置関係が同じであれば同様な効果を得る
ことができる。

【００２１】図３は、本発明による超音波モータの第２
実施例を示す図であって、弾性体１２の突起部１２ｃお
よび溝部１２ｄと各領域２０との位置関係を示す概略図
である。なお、本実施例においても圧電体１１の分極パ
ターンと弾性体１２の突起部１２ｃおよび溝部１２ｄと
の位置関係を分かり易くするために、図４のＰ点で切断
して円環状である圧電体１１と弾性体１２を直線状にし
て図示してある。本実施例では、２種類の幅を有する溝
部１２ｄ1、１２ｄ2が形成され（溝部１２ｄ1の幅をＷ
1、溝部１２ｄ2の幅をＷ2とするとＷ1＞Ｗ2）、溝部１
２ｄ1と溝部１２ｄ2とが交互に並べられてその間に突起
部１２ｃが配置された構成になっている。したがって、
巨視的には隣り合う２つの突起部１２ｃで形成される凸
部１２ｅと広い溝部１２ｄ1とが交互に列設されてい
る。図３に示すように、１つの領域２０に対しては４つ
の突起部１２ｃおよび２つの溝部１２ｄ1、１２ｄ2がそ
れぞれ対応し、かつ、領域２０の中央には凸部１２ｅ
（詳しくは２つの突起部１２ｃに挾まれた溝部１２ｄ
2）が必ず位置している。したがって、本実施例におい
ても領域２０の中央に弾性体１２の大剛性部１２ｅを必
ず位置させ、圧電体１１の分極パターンと弾性体１２の
大剛性部１２ｅとの相対的位置関係を常に一定にしたの
で、弾性体１２の駆動面１２ａにおける屈曲振動波形を
各個体間で一様にすることができ、超音波モータの駆動
効率を常に適正なものにすることが可能となる。加え
て、凸部１２ｅは巨視的には第１、第２実施例の突起部
１２ｃに等しいと考えることができるため、上述の第２
実施例と同様に、従来と比較して駆動効率が向上した超
音波モータを常に提供することができる。

【００２２】圧電体の１つの領域の中央に大剛性部を位
置させた場合に、電気エネルギーが効率的に変換される
ことを実証するために、（１）小剛性部である溝部１２
ｄ2が圧電体の１つの領域２０の中央に位置する場合
と、（２）大剛性部１２ｅである２つの突起部１２ｃに
挟まれた溝部１２ｄ1が圧電体の１つの領域２０の中央
に位置する場合（図３に対応する）との歪エネルギーを
計算してみた。計算は溝部１２ｄ1、１２ｄ2の断面２次
モーメントと突起部１２ｃの断面２次モーメントとの比
を１：４とし、溝部１２ｄ1の幅：１２ｄ2の幅：突起部
１２ｃの幅を３：１：１としてみた。その結果、（２）
＞（１）となり、圧電体の１つの領域の中央に大剛性部
を位置させた場合には、電気エネルギーが効率的に変換
されることがわかる。

【００２３】以上説明した実施例と請求の範囲との対応
において、突起部１２ｃは大剛性な凸部を、溝部１２ｄ
は小剛性な凹部をそれぞれ構成している。なお、本発明
の超音波モータは、その細部が上述の各実施例に限定さ
れず、種々の変形が可能である。一例として、第１、第
２実施例では進行波の半波長（λ／２）に対してそれぞ
れ２つの突起部と２つの溝部を形成した弾性体を用いた
が、突起部及び溝部の個数に限定はなく、個数の多少に
よらず同様な効果が生じる。また、弾性体の形状は上述
の各実施例のような櫛歯状に限定されず、剛性の大きい
凸部と剛性の小さい凹部とが交互に形成されているもの
であればよい。また、図６の(３)のように弾性体の突起
部と溝部との境界を圧電体の要素の真ん中にした場合で
も、各超音波モータで同一になるように貼れば、屈曲振
動波形を一様にすることができ同様の効果が表れる。

【００２４】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、圧電体の各領域の位置と弾性体の凸部および凹部
の位置との間にある一定の関係を持たせたので、各超音
波モータでの屈曲振動波形を一様にして圧電体からの与
えられるエネルギー効率の差をなくし、それにともなっ
て屈曲振動によるレイリー波のエネルギー及び進行波の
エネルギーの差に減少することができ、個体間における
駆動効率のばらつきを抑えることができる。また、請求
項２の発明によれば、弾性体の凸部を圧電体の各領域の
中央部に配置したので、圧電体から与えられる屈曲振動
へのエネルギー変換効率を向上させることができ、屈曲
振動によるレイリー波のエネルギー及び進行波のエネル
ギーを向上させて超音波モータの駆動効率の向上を図る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例である超音波モータを示す
図であって、弾性体と圧電体との位置関係を示す概略図
である。

【図２】本発明の第２実施例である超音波モータを示す
図であって、弾性体と圧電体との位置関係を示す概略図
である。

【図３】本発明の第３実施例である超音波モータを示す
図であって、弾性体と圧電体との位置関係を示す概略図
である。

【図４】本発明の超音波モータの概要を示す一部断面斜
視図である。

【図５】圧電体の分極パターンを示す斜視図である。

【図６】弾性体の形状と圧電体の分極パターンとの位置
関係を示す模式図である。

【図７】弾性体の屈曲の計算結果を示す図である。

【符号の説明】

１ 固定子 ２ 移動子 １１ 圧電体 １２ 弾性体 １２ａ 駆動面 １２ｃ 突起部 １２ｄ 溝部 ２０ 領域

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 駆動面側に小剛性な凹部と大剛性な凸部
   とが交互に形成された弾性体と、前記弾性体の前記駆動
   面の裏面に設けられ、前記凸部および凹部の並び方向に
   沿って異なる分極方向を有する領域が交互に設けられた
   圧電体とを備え、前記圧電体で前記弾性体を励振してそ
   の駆動面に発生された進行性振動波により前記弾性体に
   加圧接触された移動体を駆動する超音波モータにおい
   て、 前記圧電体の前記各領域の中央部には前記弾性体の凹部
   を配置したことを特徴とする超音波モータ。
2. 【請求項２】 駆動面側に小剛性な凹部と大剛性な凸部
   とが交互に形成された弾性体と、前記弾性体の前記駆動
   面の裏面に設けられ、前記凸部および凹部の並び方向に
   沿って異なる分極方向を有する領域が交互に設けられた
   圧電体とを備え、前記圧電体で前記弾性体を励振してそ
   の駆動面に発生された進行性振動波により前記弾性体に
   加圧接触された移動体を駆動する超音波モータにおい
   て、 前記圧電体の前記各領域の中央部には前記弾性体の凸部
   を配置したことを特徴とする超音波モータ。
3. 【請求項３】 駆動面側に小剛性な凹部と大剛性な凸部
   とが交互に形成された弾性体と、前記弾性体の前記駆動
   面の裏面に設けられ、前記凸部および凹部の並び方向に
   沿って異なる分極方向を有する領域が交互に設けられた
   圧電体とを備え、前記圧電体で前記弾性体を励振してそ
   の駆動面に発生された進行性振動波により前記弾性体に
   加圧接触された移動体を駆動する超音波モータにおい
   て、 前記凹部は、前記移動体の駆動方向に沿った幅の広い第
   １の凹部と幅の狭い第２の凹部とを備え、 前記圧電体の前記各領域の中央部には前記一対の凸部の
   間に位置する前記第２の凹部を配置したことを特徴とす
   る超音波モータ。