JPH06233564A - 超音波モータ及び超音波搬送装置 - Google Patents

超音波モータ及び超音波搬送装置

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JPH06233564A
JPH06233564A JP5018604A JP1860493A JPH06233564A JP H06233564 A JPH06233564 A JP H06233564A JP 5018604 A JP5018604 A JP 5018604A JP 1860493 A JP1860493 A JP 1860493A JP H06233564 A JPH06233564 A JP H06233564A
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electro
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Takahiro Oda
高広 小田
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Oki Electric Industry Co Ltd
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
  • Delivering By Means Of Belts And Rollers (AREA)
  • Feeding Of Articles By Means Other Than Belts Or Rollers (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】発生するトルクを大きくすることができ、回転
を安定させることができる超音波モータ及び超音波搬送
装置を提供する。 【構成】両端の固定部１３ａ，１３ｂ間に締付部１３
ｃ，１３ｄを備えた段付円柱形状弾性体１３の設定され
た箇所に電気−機械エネルギ変換素子１４が固定され
る。該電気−機械エネルギ変換素子１４に、位相差を形
成した交流電圧が印加され、複数の振動モードが形成さ
れる。前記電気−機械エネルギ変換素子１４を挟持して
一対の円筒形状弾性体１１，１２が段付円柱形状弾性体
１３に固定される。したがって、前記円筒形弾性体１
１，１２の自由端１１ｂ，１２ｂに回転振動又は楕円
（だえん）振動が発生する。そして、自由端１１ｂ，１
２ｂに圧接させられた駆動ローラは回転振動又は楕円振
動によって回転する。円筒形状弾性体１１，１２に加え
られる力は、電気−機械エネルギ変換素子１４によって
受けられる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、電気−機械エネルギ変
換素子を使用した超音波モータ及び超音波搬送装置に関
するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、自動現金取扱機、電話、自動切符
発行機等で使用されるカード、又はプリンタ、ファクシ
ミリ、複写機等で使用される紙、フィルム等（以下、
「シート状搬送物」という。）を搬送するために、超音
波モータが使用されていて、金属角柱から成る角柱振動
子を共振周波数で屈曲振動させ、該角柱振動子の両端に
配設されたカップ状回転ローラを回転させてシート状搬
送物を搬送するようになっている（特開平１−２７４６
７４号公報、特開平１−２７４６７５号公報参照）。
【０００３】図２は従来の超音波モータに使用される圧
電振動子の斜視図である。図において、１００は圧電振
動子であり、該圧電振動子１００はほぼ正方形の断面を
有する金属角柱１０１を有しており、該金属角柱１０１
の隣接する二つの面に圧電セラミックス薄板１０２ａ，
１０２ｂが接着される。該圧電セラミックス薄板１０２
ａ，１０２ｂは、厚さ方向に分極されるとともに裏表両
面に図示しない電極が形成される。そして、該電極を介
して圧電セラミックス薄板１０２ａ，１０２ｂに対しあ
らかじめ設定した方法によって交流電圧を加えると、電
界が発生して前記圧電セラミックス薄板１０２ａ，１０
２ｂが伸縮振動する。この場合、前記金属角柱１０１は
ほぼ正方形の断面を有するため、互いに直角な方向にほ
ぼ同じ共振周波数で屈曲振動する。
【０００４】そして、前記圧電セラミックス薄板１０２
ａ，１０２ｂに対し、それぞれの周波数が金属角柱１０
１の共振周波数に等しく、位相が９０〔°〕異なる交流
電圧を印加すると、金属角柱１０１の両端は回転振動又
は楕円（だえん）振動する。前記金属角柱１０１の両端
には円板１０３ａ，１０３ｂが装着され、更に金属角柱
１０１に発生する屈曲振動の節に支持ピン１０４ａ，１
０４ｂが設けられ、該支持ピン１０４ａ，１０４ｂによ
って金属角柱１０１は安定して支持される。
【０００５】図３は従来の超音波モータの斜視図であ
る。図において、１００は圧電振動子、１０１は金属角
柱、１０３ｂは円板、１０４ａ，１０４ｂは支持ピンで
ある。前記金属角柱１０１の両端に装着された円板１０
３ａ（図２），１０３ｂの外周に、円板１０３ａ，１０
３ｂの外径よりわずかに大きい内径を有するカップ状回
転ローラ２０１ａ，２０１ｂが配設される。したがっ
て、前記金属角柱１０１の両端が回転振動又は楕円振動
すると、円板１０３ａ，１０３ｂはカップ状回転ローラ
２０１ａ，２０１ｂと接触し、該カップ状回転ローラ２
０１ａ，２０１ｂを摩擦力で回転させる。なお、該カッ
プ状回転ローラ２０１ａ，２０１ｂは、軸受２０２ａ，
２０２ｂによって回転自在に支持される。
【０００６】図４は従来の超音波搬送装置の斜視図であ
る。図において、１００は圧電振動子、１０１は金属角
柱、１０４ａ，１０４ｂは支持ピン、２０１ａ，２０１
ｂはカップ状回転ローラ、２０２ａ，２０２ｂは軸受で
ある。前記カップ状回転ローラ２０１ａ，２０１ｂに対
して圧接するように補助ローラ３０１ａ，３０１ｂが配
設され、該補助ローラ３０１ａ，３０１ｂを軸受３０２
ａ，３０２ｂが回転自在に支持する。また、前記補助ロ
ーラ３０１ａ，３０１ｂは互いに軸３０３によって連結
される。
【０００７】そして、前記金属角柱１０１の両端が回転
振動又は楕円振動すると、前記カップ状回転ローラ２０
１ａ，２０１ｂが回転し、補助ローラ３０１ａ，３０１
ｂが従動して回転する。したがって、該カップ状回転ロ
ーラ２０１ａ，２０１ｂと補助ローラ３０３ａ，３０３
ｂ間に図示しないシート状搬送物を挿入すると、該シー
ト状搬送物を容易に搬送することができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来の超音波モータ及び超音波搬送装置においては、シー
ト状搬送物を搬送する間に、前記カップ状回転ローラ２
０１ａ，２０１ｂが円板１０３ａ，１０３ｂを押圧する
ことによって金属角柱１０１に加えられる力の方向と、
圧電セラミックス薄板１０２ａ，１０２ｂが伸縮するこ
とによって金属角柱１０１に加えられる力の方向が一致
しないため、金属角柱１０１に加えられる力を圧電セラ
ミックス薄板１０２ａ，１０２ｂの伸縮振動によって受
けることができない。したがって、カップ状回転ローラ
２０１ａ，２０１ｂが円板１０３ａ，１０３ｂを押圧す
る力が大きくなると、金属角柱１０１の曲げ剛性、及び
金属角柱１０１と圧電セラミックス薄板１０２ａ，１０
２ｂの間の接着強度に影響が与えられ、回転振動又は楕
円振動の共振周波数及び振幅が変動し、発生するトルク
を大きくすることができなくなってしまう。
【０００９】さらに、前記金属角柱１０１とカップ状回
転ローラ２０１ａ，２０１ｂが別々に支持されるため、
超音波モータ及び超音波搬送装置を各種装置へ実装する
時の位置合せが困難となり、カップ状回転ローラ２０１
ａ，２０１ｂの回転にむらが生じてしまう。本発明は、
前記従来の超音波モータ及び超音波搬送装置の問題点を
解決して、発生するトルクを大きくすることができ、回
転を安定させることができる超音波モータ及び超音波搬
送装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】そのために、本発明の超
音波モータにおいては、両端に固定部を、該固定部間に
締付部を備えた段付円柱形状弾性体が設けられ、前記固
定部が超音波搬送装置などの本体に支持される。前記段
付円柱形状弾性体の設定された箇所に電気−機械エネル
ギ変換素子が固定され、複数の平面内に振動モードを形
成する。また、該電気−機械エネルギ変換素子を挟持し
て一対の円筒形状弾性体が設けられ、前記段付円柱形状
弾性体に固定される。
【００１１】そして、設定された位相差を形成して複数
の交流電圧を前記電気−機械エネルギ変換素子に印加す
る手段が設けられる。各円筒形状弾性体の自由端に駆動
ローラが圧接させられ、該自由端に発生する振動によっ
て前記駆動ローラが回転する。前記電気−機械エネルギ
変換素子を一つの素子本体で形成した場合、素子本体は
少なくとも三つに分割され、厚さ方向に分極された分極
部分から成る。
【００１２】この場合、少なくとも一つの分極部分が、
電気的な入出力を切り換える切換手段に接続され、該切
換手段は、電気−機械エネルギ変換素子の駆動と振動状
態の検出を選択的に行う。また、前記電気−機械エネル
ギ変換素子を、複数の素子本体を積層して形成した場
合、素子本体は少なくとも二つに分割され、厚さ方向に
分極された分極部分から成る。
【００１３】この場合、少なくとも一つの素子本体が、
電気的な入出力を切り換える切換手段に接続され、該切
換手段は、電気−機械エネルギ変換素子の駆動と振動状
態の検出を選択的に行う。そして、各駆動ローラの回転
を同期させるために同期手段を備えることができる。ま
た、前記駆動ローラの回転を受けて回転するローラを設
け、駆動ローラとローラの間で伝達することが可能な力
の大きさを、前記自由端と駆動ローラの間で伝達するこ
とが可能な力の大きさより小さく設定することができ
る。
【００１４】さらに、本発明の超音波搬送装置において
は、前記駆動ローラに対向して補助ローラを配設し、前
記駆動ローラ及び補助ローラは、シート状搬送物を挟持
して搬送することができる位置に配設される。
【００１５】
【作用】本発明によれば、前記のように超音波モータ
は、両端に固定部を、該固定部間に締付部を備えた段付
円柱形状弾性体を有し、前記固定部が超音波搬送装置な
どの本体に支持される。前記段付円柱形状弾性体の設定
された箇所に電気−機械エネルギ変換素子が固定され
る。そして、該電気−機械エネルギ変換素子に、設定さ
れた位相差を形成して複数の交流電圧が印加されると、
複数の平面内に振動モードが形成される。
【００１６】また、前記電気−機械エネルギ変換素子を
挟持して一対の円筒形状弾性体が設けられ、前記段付円
柱形状弾性体に固定される。したがって、前記円筒形状
弾性体の自由端に回転振動又は楕円振動が発生する。各
円筒形状弾性体の自由端に駆動ローラが圧接させられて
いるので、前記自由端に発生する回転振動又は楕円振動
によって駆動ローラが回転する。
【００１７】前記電気−機械エネルギ変換素子を一つの
素子本体で形成した場合、素子本体は少なくとも三つに
分割され、厚さ方向に分極された分極部分から成る。そ
して、各分極部分にそれぞれ設定された位相差を形成し
て複数の交流電圧が印加される。この場合、少なくとも
一つの分極部分が、電気的な入出力を切り換える切換手
段に接続され、該切換手段は、電気−機械エネルギ変換
素子の駆動と振動状態の検出を選択的に行う。この振動
状態に対応して前記交流電圧を制御し、駆動ローラの回
転を安定させることができる。
【００１８】また、前記電気−機械エネルギ変換素子
を、複数の素子本体を積層して形成した場合、素子本体
は少なくとも二つに分割され、厚さ方向に分極された分
極部分から成る。そして、各素子本体の分極部分にそれ
ぞれ設定された位相差を形成して複数の交流電圧が印加
される。この場合、少なくとも一つの素子本体が、電気
的な入出力を切り換える切換手段に接続され、該切換手
段は、電気−機械エネルギ変換素子の駆動と振動状態の
検出を選択的に行う。この振動状態に対応して前記交流
電圧を制御し、駆動ローラの回転を安定させることがで
きる。
【００１９】各駆動ローラの回転を同期させるために同
期手段を備えることができ、各駆動ローラの回転数に差
が発生するのを防止することができる。また、前記駆動
ローラの回転を受けて回転するローラを設け、駆動ロー
ラとローラの間で伝達することが可能な力の大きさを、
前記自由端と駆動ローラの間で伝達することが可能な力
の大きさより小さく設定することができる。
【００２０】さらに、本発明の超音波搬送装置において
は、前記駆動ローラに対向して補助ローラを配設し、前
記駆動ローラ及び補助ローラは、シート状搬送物を挟持
して搬送することができる位置に配設される。前記回転
振動又は楕円振動によって駆動ローラが回転すると、シ
ート状搬送物は１枚ずつ分離させられ搬送される。
【００２１】
【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
ながら詳細に説明する。図１は本発明の第１の実施例を
示す超音波モータに使用される円筒型振動子の斜視図、
図５は本発明の第１の実施例を示す超音波モータに使用
される円筒型振動子の側面図、図６は本発明の第１の実
施例における円筒型振動子の振動モードを示す図であ
る。図６の（ａ）は円筒型振動子の第１の振動モードを
示す図、（ｂ）は円筒型振動子の第２の振動モードを示
す図、（ｃ）は円筒型振動子の第３の振動モードを示す
図、（ｄ）は円筒型振動子の第４の振動モードを示す図
である。
【００２２】図１及び５において、１０は円筒型振動子
であり、該円筒型振動子１０は一対の円筒形状弾性体１
１，１２によって電気−機械エネルギ変換素子１４を挟
持するとともに、円筒形状弾性体１１，１２のそれぞれ
を内部に配設された段付円柱形状弾性体１３に締め付け
接着することによって形成される。前記電気−機械エネ
ルギ変換素子１４は、中央に穴が形成され、複数に分割
されるとともに厚さ方向に分極されている。
【００２３】また、前記段付円柱形状弾性体１３は固定
部１３ａ，１３ｂ及び締付部１３ｃ，１３ｄを有し、該
締付部１３ｃ，１３ｄと各円筒形状弾性体１１，１２の
内周面にねじが形成されており、締付け及び接着の作業
を容易にしている。そして、電気−機械エネルギ変換素
子１４に図示しないリード端子を介して交流電圧を印加
することによって円筒型振動子１０は振動する。
【００２４】なお、前記段付円柱形状弾性体１３と各円
筒形状弾性体１１，１２の間を締め付け接着する際に、
各円筒形状弾性体１１，１２と電気−機械エネルギ変換
素子１４の間及び段付円柱形状弾性体１３と電気−機械
エネルギ変換素子１４の間はいずれも電気的に絶縁され
る。そして、前記段付円柱形状弾性体１３の締付部１３
ｃ，１３ｄを図示しない超音波搬送装置の本体に固定
し、電気−機械エネルギ変換素子１４に交流電圧を印加
すると、円筒型振動子１０は図６の（ａ）〜（ｄ）に示
す四つの振動モードで振動する。すなわち、前記電気−
機械エネルギ変換素子１４自体をｘ−ｚ平面内で撓（た
わ）み振動させると、円筒型振動子１０は図６の（ａ）
及び（ｂ）に示すように撓み振動し、前記電気−機械エ
ネルギ変換素子１４自体をｙ軸方向において縦振動させ
ると、円筒型振動子１０は図６の（ｃ）及び（ｄ）に示
すように撓み振動する。
【００２５】そして、図の（ａ）の第１の振動モードに
おいては、円筒形状弾性体１１，１２がｘ−ｙ平面内で
二次撓み振動し、円筒形状弾性体１１と円筒形状弾性体
１２の連結部を構成する電気−機械エネルギ変換素子１
４に節１５が、各円筒形状弾性体１１，１２の切欠部１
１ａ，１２ａの位置に節１６ａ，１６ｂが形成される。
なお、実線１７ａ及び破線１７ｂは前記円筒形状弾性体
１１，１２の撓み振動を示す線である。
【００２６】一方、前記段付円柱形状弾性体１３は、節
１５において円筒形状弾性体１１，１２と接触している
ため、二点鎖線１７ｃで示すようにほとんど振動しな
い。したがって、段付円柱形状弾性体１３の両端の固定
部１３ａ，１３ｂを円筒型振動子１０の支持点とするこ
とができ、支持損失を低減することができる。また、図
の（ｂ）の第２の振動モードにおいては、円筒形状弾性
体１１，１２がｙ−ｚ平面内で二次撓み振動し、円筒形
状弾性体１１と円筒形状弾性体１２の連結部を構成する
電気−機械エネルギ変換素子１４に節１５が、各円筒形
状弾性体１１，１２の切欠部１１ａ，１２ａの位置に節
１６ａ，１６ｂが形成される。なお、実線１７ａ及び破
線１７ｂは前記円筒形状弾性体１１，１２の撓み振動を
示す線である。
【００２７】一方、この場合も第１の振動モードと同様
に前記段付円柱形状弾性体１３は、節１５において円筒
形状弾性体１１，１２と接触しているため、二点鎖線１
７ｃで示すようにほとんど振動しない。したがって、段
付円柱形状弾性体１３の両端の固定部１３ａ，１３ｂを
円筒型振動子１０の支持点とすることができ、支持損失
を低減することができる。
【００２８】そして、第１、第２の振動モードにおける
二次撓み振動の共振周波数を一致させるか十分近接さ
せ、各節１５，１６ａ，１６ｂの位置を一致させるか十
分近接させ、位相を９０〔°〕異ならせることによっ
て、円筒形状弾性体１１，１２の自由端１１ｂ，１２ｂ
を回転振動又は楕円振動させることができる。また、自
由端１１ｂ，１２ｂを回転振動又は楕円振動させやすく
するために、円筒形状弾性体１１，１２の節１６ａ，１
６ｂの位置と一致させるか十分近接した位置に切欠部１
１ａ，１２ａが形成される。
【００２９】そして、図の（ｃ）の第３の振動モードに
おいては、円筒形状弾性体１１，１２がｘ−ｙ平面内で
一次撓み振動し、円筒形状弾性体１１，１２の切欠部１
１ａ，１２ａの位置に節１６ｃ，１６ｄが形成される。
なお、実線１７ｄ及び破線１７ｅは前記円筒形状弾性体
１１，１２の撓み振動を示す線である。一方、前記段付
円柱形状弾性体１３は、腹１８において円筒形状弾性体
１１，１２と接触しているため、二点鎖線１７ｆ及び実
線１７ｇで示すように振動する。この場合、段付円柱形
状弾性体１３の段付寸法や材質を選択して二点鎖線１７
ｆ及び実線１７ｇで示す振動の両端の振幅を小さくした
り、また、前記実線１７ｄ及び破線１７ｅで示す振動の
影響で段付円柱形状弾性体１３が励振されないように段
付円柱形状弾性体１３と各円筒形状弾性体１１，１２の
間の接触部に加工を施したりして、段付円柱形状弾性体
１３の両端の固定部１３ａ，１３ｂを円筒型振動子１０
の支持点とすることができ、支持損失を低減することが
できる。
【００３０】また、図の（ｄ）の第４の振動モードにお
いては、円筒形状弾性体１１，１２がｙ−ｚ平面内で一
次撓み振動し、円筒形状弾性体１１，１２の切欠部１１
ａ，１２ａの位置に節１６ｃ，１６ｄが形成される。な
お、実線１７ｄ及び破線１７ｅは前記円筒形状弾性体１
１，１２の撓み振動を示す線である。一方、この場合も
第３の振動モードと同様に前記段付円柱形状弾性体１３
は、腹１８において円筒形状弾性体１１，１２と接触し
ているため、二点鎖線１７ｆ及び実線１７ｇで示すよう
に振動する。この場合、段付円柱形状弾性体１３の段付
寸法や材質を選択して二点鎖線１７ｆ及び実線１７ｇで
示す振動の両端の振幅を小さくしたり、また、前記実線
１７ｄ及び破線１７ｅで示す振動の影響で段付円柱形状
弾性体１３が励振されないように段付円柱形状弾性体１
３と各円筒形状弾性体１１，１２の間の接触部に加工を
施したりして、段付円柱形状弾性体１３の両端の固定部
１３ａ，１３ｂを円筒型振動子１０の支持点とすること
ができ、支持損失を低減することができる。
【００３１】そして、第３、第４の振動モードにおける
一次撓み振動の共振周波数を一致させるか十分近接さ
せ、各節１６ｃ，１６ｄの位置を一致させるか十分近接
させ、位相を９０〔°〕異ならせることによって、円筒
形状弾性体１１，１２の自由端１１ｂ，１２ｂを回転振
動又は楕円振動させることができる。また、自由端１１
ｂ，１２ｂを回転振動又は楕円振動させやすくするため
に、円筒形状弾性体１１，１２の節１６ｃ，１６ｄの位
置と一致させるか十分近接した位置に切欠部１１ａ，１
２ａが形成される。
【００３２】なお、第１、第２の振動モードにおいて
は、前記電気−機械エネルギ変換素子１４の分極方向と
振動方向を直交させたときの横効果を利用しているのに
対し、第３、第４の振動モードにおいては、前記電気−
機械エネルギ変換素子１４の分極方向と振動方向を同じ
にしたときの縦効果を利用している。したがって、第
３、第４の振動モードの方が電気−機械結合係数を高く
することができ、エネルギの利用効率を向上させること
ができる。
【００３３】ところで、前記円筒型振動子１０はｙ軸を
回転軸とする回転体とみなすことができるため、前記第
１〜第４の振動モードにおいて、円筒型振動子１０を、
ｘ−ｙ平面内及びｙ−ｚ平面内に限定されずｙ軸を含む
任意の平面内で振動させることができる。すなわち、電
気−機械エネルギ変換素子１４をｍ個の分極部分に分割
して厚さ方向に分極し、節１５又は腹１８を含むｘ−ｚ
平面内におけるｍ個の方向にｍ個の均等な振動モードを
形成し、隣接する振動モードの位相差を２π／ｍとする
と、同様に円筒形状弾性体１１，１２の自由端１１ｂ，
１２ｂを回転振動又は楕円振動させることができる。
【００３４】この場合、ｍの値が ｍ＝２ｎ＋１ （ｎ：整数） であり奇数である場合には、電気−機械エネルギ変換素
子１４の各分極部分がｙ軸に対して非対称の位置になる
ため、それぞれの極性を一致させる必要がある。したが
って、各分極部分への入力端子がｍ個、グランド端子が
１個必要となる。
【００３５】一方、ｍの値が ｍ＝２（ｎ＋１） であり偶数である場合には、電気−機械エネルギ変換素
子１４の各分極部分がｙ軸を中心に対称の位置になる。
そこで、対称位置にある二つの分極部分の分極方向を反
転させ、同極性の電圧を印加した時に一方が伸び他方が
縮むようにし、かつ、両者を電気的に接続することで、
各分極部分への入力端子をｍ／２個とし、グランド端子
を１個とすることができる。
【００３６】また、前記円筒型振動子１０においては、
節１５又は腹１８の位置と一致させるか十分近接した位
置に電気−機械エネルギ変換素子１４を配設し、段付円
柱形状弾性体１３の締付部１３ｃ，１３ｄのねじを使用
して、円筒形状弾性体１１，１２を電気−機械エネルギ
変換素子１４に圧接するとともに、前記段付円柱形状弾
性体１３、電気−機械エネルギ変換素子１４及び円筒形
状弾性体１１，１２を接着し一体構造としている。
【００３７】そして、円筒形状弾性体１１，１２の自由
端１１ｂ，１２ｂに発生する回転振動又は楕円振動の振
幅を大きくするために、段付円柱形状弾性体１３の締付
部１３ｃ，１３ｄと固定部１３ａ，１３ｂの断面積が変
化させられる。前記円筒型振動子１０を組み立てる際
に、段付円柱形状弾性体１３が導電性金属材料で形成さ
れていると、電気−機械エネルギ変換素子１４が段付円
柱形状弾性体１３と接触し、電気−機械エネルギ変換素
子１４への入力端子とグランド端子が電気的に短絡状態
となり、電気エネルギを機械エネルギに変換することが
できなくなる。そこで、段付円柱形状弾性体１３と電気
−機械エネルギ変換素子１４の接触部分に絶縁膜を付着
させることによって、電気的な接触が行われないように
することができる。なお、段付円柱形状弾性体１３を非
導電性金属材料で形成しても同様の効果を得ることがで
きる。
【００３８】ところで、前記段付円柱形状弾性体１３の
特に後述する駆動ローラが取り付けられた部分と前記円
筒形状弾性体１１，１２の自由端１１ｂ，１２ｂは位相
差を形成して回転振動又は楕円振動する。この時の位相
差は、駆動ローラが前記自由端１１ｂ，１２ｂから回転
振動又は楕円振動を受けたときに発生する摩擦力に影響
を与え、駆動ローラの回転効率を変動させる。理論上、
位相が１８０〔°〕異なる時に、駆動ローラの回転効率
が最も高くなる。そこで、位相が１８０〔°〕異なるよ
うに、段付円柱形状弾性体１３の段形状、寸法及び材
質、円筒形状弾性体１１，１２の寸法、そして、切欠部
１１ａ，１２ａの寸法が設定される。
【００３９】図７は本発明の第１の実施例における電気
−機械エネルギ変換素子の概略図である。図において、
１４は電気−機械エネルギ変換素子であり、素子本体１
４ａ及び電極膜２１ａ〜２１ｄから成り、素子本体１４
ａは三つの分極部分に分割され、それぞれが厚さ方向に
分極されている。そして、素子本体１４ａの一方の面の
各分極部分に対応した位置に、電極膜２１ａ〜２１ｃが
それぞれの間にギャップ２１ｅを形成して付着させら
れ、他方の面には前記電極膜２１ａ〜２１ｃと同質の電
極膜２１ｄが一様に付着させられる。なお、素子本体１
４ａの両面の各分極部分に対応して電極膜を付着させる
こともできる。さらに、素子本体１４ａの表面に、各分
極部分に対応して導電性の塗料を塗布することによって
電極膜２１ａ〜２１ｄを形成することもできる。
【００４０】この場合、各分極部分の極性は一致させら
れ、電極膜２１ａ〜２１ｃの表面極性を正とすると、電
極膜２１ｄの表面極性は負となる。この時、電極膜２１
ｄをグランド端子として、電極膜２１ａ〜２１ｃに直流
電圧を印加すると、素子本体１４ａはｙ軸の方向に伸び
るかｙ軸の正方向に撓む。なお、この場合の伸び又は撓
みは直流電圧の大きさに比例する。
【００４１】図８は本発明の第１の実施例における電気
−機械エネルギ変換素子の作動原理図である。図におい
て、１４は電気−機械エネルギ変換素子、１４ａは素子
本体、２１ａ〜２１ｄは電極膜、２１ｅはギャップ、２
３ａ〜２３ｄは電極板、２４ａ〜２４ｃは電源である。
【００４２】前記電気−機械エネルギ変換素子１４の電
極膜２１ａ〜２１ｄに対応する電極板２３ａ〜２３ｄを
図に示すように位置決めして、電極膜２１ａ〜２１ｄと
電極板２３ａ〜２３ｄを接触させる。この場合、電気−
機械エネルギ変換素子１４から円筒形状弾性体１１，１
２（図１）に振動を伝達させるときの効率を考えて、電
極板２３ａ〜２３ｄと電極膜２１ａ〜２１ｄの材質を同
じにする。なお、電極板２３ａ〜２３ｄと円筒形状弾性
体１１，１２の材質を異ならせても同様の効果を得るこ
とができる。また、電極板２３ａ〜２３ｄは、素子本体
１４ａよりもできるだけ薄くし、電極膜２１ａ〜２１ｄ
の大きさ以上とする。
【００４３】そして、前記電極板２３ａ〜２３ｃが互い
に接触しないように、各電極板２３ａ〜２３ｃ間に少な
くとも各電極膜２１ａ〜２１ｃ間のギャップ２１ｅより
大きな間隔が形成される。なお、各電極板２３ａ〜２３
ｃ間に絶縁材料を配設して一体的な構造としてもよい。
この場合、三つの電極板２３ａ〜２３ｃを使用するとき
よりも、電極膜２１ａ〜２１ｄと電極板２３ａ〜２３ｄ
の間の位置合せが容易になる。また、各電極板２３ａ〜
２３ｄには外方に突出する電極片が形成され、図に示す
ように配線される。
【００４４】前記電気−機械エネルギ変換素子１４の三
つの分極部分の極性は同じである。したがって、電源２
４ａ〜２４ｃから互いに隣接する電極板２３ａ〜２３ｃ
に印加される交流電圧の位相差は１２０〔°〕とする。
そして、各交流電圧の周波数の値を前記第１〜第４の振
動モードの共振周波数に一致させるか十分近接させるこ
とによって、電気−機械エネルギ変換素子１４の振幅を
増幅させ、円筒形状弾性体１１，１２の自由端１１ｂ，
１２ｂに回転振動又は楕円振動を発生させることができ
る。また、前記自由端１１ｂ，１２ｂに発生する回転振
動又は楕円振動の振幅は、電源２４ａ〜２４ｃから印加
される交流電圧の大きさ、位相差、周波数等によって制
御することができる。
【００４５】ここで、前記電気−機械エネルギ変換素子
１４を、電気エネルギを機械エネルギに変換することが
できるとともに、機械エネルギを電気エネルギに変換す
ることもできるもので形成した場合、該電気−機械エネ
ルギ変換素子１４の分極部分の一つに交流電圧を印加し
て回転振動又は楕円振動を発生させ、その間他の分極部
分は回転振動又は楕円振動による応力を受けて交流電圧
を出力する。
【００４６】そこで、前記電気−機械エネルギ変換素子
１４の各分極部分を電気的に切り換え、駆動用として使
用したり、振動状態の検出用として使用することができ
るようにしている。前記円筒形状弾性体１１，１２の自
由端１１ｂ，１２ｂに発生する回転振動又は楕円振動を
時間的な変動や外的な負荷による変動に対して補正し、
安定させることができる。なお、前記分極部分の図示し
ない端子を図示しない切換スイッチを介して図示しない
制御回路及び他の電源に接続し、切換スイッチを切り換
えることによって電気−機械エネルギ変換素子１４を駆
動用として使用したり、円筒型振動子１０の振動状態の
検出用として使用することができる。
【００４７】また、円筒型振動子１０を組み立てる際
に、段付円柱形状弾性体１３が導電性金属材料で形成さ
れていると、電極板２３ａ〜２３ｄが段付円柱形状弾性
体１３と接触し、電気−機械エネルギ変換素子１４への
入力端子とグランド端子が電気的に短絡状態となり、電
気エネルギを機械エネルギに変換することができなくな
る。そこで、段付円柱形状弾性体１３と電極板２３ａ〜
２３ｄの接触部分に絶縁膜を付着させること又は両者の
形状及び寸法を変えることによって、電気的な接触が行
われないようにすることができる。なお、段付円柱形状
弾性体１３を非導電性金属材料で形成しても同様の効果
を得ることができる。
【００４８】図９は本発明の第１の実施例を示す超音波
モータの断面図である。図において、１０は円筒型振動
子、１１，１２は円筒形状弾性体、１１ａ，１２ａは切
欠部、１１ｂ，１２ｂは自由端、１３は段付円柱形状弾
性体、１３ａ，１３ｂは固定部、１４は電気−機械エネ
ルギ変換素子、３１ａ，３１ｂは駆動ローラ、３２ａ，
３２ｂは軸受、３３ａ，３３ｂはスプリング、３４ａ，
３４ｂは締付ナットである。
【００４９】前記段付円柱形状弾性体１３の一方の固定
部１３ａに、軸受３２ａを介して駆動ローラ３１ａが回
転自在に支持される。そして、該駆動ローラ３１ａは、
軸受３２ａとの間に配設されたスプリング３３ａによっ
て円筒形状弾性体１１の自由端１１ｂに圧接される。一
方、段付円柱形状弾性体１３の他方の固定部１３ｂに、
軸受３２ｂを介して駆動ローラ３１ｂが回転自在に支持
される。そして、該駆動ローラ３１ｂは、軸受３２ｂと
の間に配設されたスプリング３３ｂによって円筒形状弾
性体１２の自由端１２ｂに圧接される。
【００５０】すなわち、前記円筒型振動子１０において
は、回転自在に支持された駆動ローラ３１ａ，３１ｂを
円筒形状弾性体１１，１２の自由端１１ｂ，１２ｂに圧
接させ、該駆動ローラ３１ａ，３１ｂからトルクを得る
ようになっている。したがって、締付ナット３４ａ，３
４ｂによって圧接力を調整することにより円筒型の超音
波モータのトルクを調節することができる。
【００５１】前記駆動ローラ３１ａ，３１ｂは自由端１
１ｂ，１２ｂの回転振動又は楕円振動を受け、発生する
摩擦力によってトルクを得て、摩擦力が発生する方向に
回転する。なお、前記第１、第２の振動モードにおいて
は、円筒形状弾性体１１，１２の自由端１１ｂ，１２ｂ
は節１５を中心として対称に回転振動又は楕円振動する
ため、両振動モードを合成したときの回転振動又は楕円
振動の振動方向は同じになり、駆動ローラ３１ａ，３１
ｂは同方向に回転する。さらに、駆動ローラ３１ａ，３
１ｂと自由端１１ｂ，１２ｂのそれぞれの接触条件が同
じであれば、各回転特性も同じになる。
【００５２】なお、本実施例においては、段付円柱形状
弾性体１３の固定部１３ａ，１３ｂを駆動ローラ３１
ａ，３１ｂの回転軸としているが、駆動ローラ３１ａ，
３１ｂの回転軸を円筒型振動子１０の外部に設けること
もできる。また、前記駆動ローラ３１ａ，３１ｂによっ
て前記自由端１１ｂ，１２ｂから安定した回転を得るこ
とができるように、高摩擦係数を有し、かつ、耐摩耗性
の高い材料の膜が自由端１１ｂ，１２ｂ又は駆動ローラ
３１ａ，３１ｂの表面に付着又は接着される。なお、高
摩擦係数を有し、かつ、耐摩耗性の高い材料で円筒形状
弾性体１１，１２又は駆動ローラ３１ａ，３１ｂ自体を
形成することもできる。
【００５３】そして、自由端１１ｂ，１２ｂの回転振動
又は楕円振動を駆動ローラ３１ａ，３１ｂに伝達させる
ために、摩擦力を利用するもののほかに、自由端１１
ｂ，１２ｂ及び駆動ローラ３１ａ，３１ｂの表面に幾何
学的な面加工を施し、それぞれを噛合（しごう）させる
こともできる。次に、本発明の第２の実施例について説
明する。
【００５４】図１０は本発明の第２の実施例を示す超音
波搬送装置の斜視図である。図において、１０は円筒型
振動子、１１，１２は円筒形状弾性体、１３は段付円柱
形状弾性体、１３ａ，１３ｂは固定部、１４は電気−機
械エネルギ変換素子、３１ａ，３１ｂは駆動ローラ、３
２ａ，３２ｂ，４３ａ，４３ｂは軸受、３４ａ，３４ｂ
は締付ナット、４０は回転軸、４１ａ，４１ｂは円筒形
のローラ、４２ａ，４２ｂは補助ローラ、４４はシート
状搬送物である。
【００５５】前記補助ローラ４２ａ，４２ｂは、ローラ
４１ａ，４１ｂを軸受４３ａ，４３ｂの外周に接着して
形成され、該軸受４３ａ，４３ｂの内周に配設された回
転軸４０によって回転自在に支持される。そして、駆動
ローラ３１ａ，３１ｂと補助ローラ４２ａ，４２ｂの間
にカード、紙、フィルム等のシート状搬送物４４を挟む
ことによって容易にｘ軸の方向に該シート状搬送物４４
を搬送することができる。この時、円筒型振動子１０に
は、補助ローラ４２ａ，４２ｂからの圧接力又はシート
状搬送物４４の厚さの変化によって発生するｚ軸の方向
の反力が駆動ローラ３１ａ，３１ｂを介して加えられる
が、これらの力を電気−機械エネルギ変換素子１４の撓
み振動又は縦振動によって受けることができるため、駆
動ローラ３１ａ，３１ｂが発生するトルクを大きくする
ことができる。なお、前記補助ローラ４２ａ，４２ｂを
ｚ軸の方向に自由度を持つように支持することによっ
て、シート状搬送物４４の厚さの変化に対応させること
ができる。
【００５６】また、前記駆動ローラ３１ａ，３１ｂが矢
印方向に回転する場合には、シート状搬送物４４は矢印
方向に搬送される。また、駆動ローラ３１ａ，３１ｂの
外周面には、高摩擦係数を有し、かつ、耐摩耗性の高い
材料の図示しないローラを配設することができる。そし
て、補助ローラ４２ａ，４２ｂの外周面に、高摩擦係数
を有し、かつ、耐摩耗性の高い材料が付着又は接着され
る。なお、高摩擦係数を有し、かつ、耐摩耗性の高い材
料で補助ローラ４２ａ，４２ｂ自体を形成することもで
きる。
【００５７】なお、駆動ローラ３１ａ，３１ｂと補助ロ
ーラ４２ａ，４２ｂの間、又は駆動ローラ３１ａ，３１
ｂの外周面に設けられたローラと補助ローラ４２ａ，４
２ｂの間にある程度のギャップを設けることによって、
円筒型の超音波モータを長時間駆動しない場合に補助ロ
ーラ４２ａ，４２ｂ、ローラ及び駆動ローラ３１ａ，３
１ｂが塑性的に変形するのを防止することができる。
【００５８】さらに、超音波モータと駆動源が異なるア
クチュエータにより前記ギャップを制御することによっ
て、薄いシート状搬送物４４が搬送できなくなるのを防
止することができる。また、補助ローラ４２ａ，４２ｂ
を駆動ローラ３１ａ，３１ｂに圧接する機構に、駆動源
が異なるアクチュエータを使用した場合にも、同様の効
果を得ることができるとともに、シート状搬送物４４の
厚さの変化による搬送力の変動を補正することができ、
安定した搬送が可能になる。
【００５９】なお、前記補助ローラ４２ａ，４２ｂに代
えて、もう一つの円筒型の超音波モータを配設すること
ができる。前記実施例においては、円筒型の超音波モー
タを固定し、駆動ローラ３１ａ，３１ｂを使用してシー
ト状搬送物４４を搬送するようにしているが、駆動ロー
ラ３１ａ，３１ｂの回転力によって超音波モータ自体を
自走させることもできる。この場合、例えば、プリンタ
の印字ヘッドの移動、ｘ−ｙプロッタの印字ペンの移
動、磁気記録装置の内部での記録媒体の搬送、磁気記録
ヘッドの移動、工作機械内でのテーブルの移動等に使用
することができる。
【００６０】前記駆動ローラ３１ａの回転と駆動ローラ
３１ｂの回転は、機械的な手段又は電気的な手段によっ
て同期させることができる。すなわち、駆動ローラ３１
ａ，３１ｂと円筒形状弾性体１１，１２の自由端１１
ｂ，１２ｂの間で接触条件が変動することにより、駆動
ローラ３１ａと駆動ローラ３１ｂの回転数に差が生じる
のを防止することができる。
【００６１】機械的な手段によって駆動ローラ３１ａの
回転と駆動ローラ３１ｂの回転を同期させる場合、円筒
型の超音波モータより径が大きい円筒形のローラを設
け、該ローラの内周面に駆動ローラ３１ａ，３１ｂの各
外周面を接触させ、駆動ローラ３１ａと駆動ローラ３１
ｂの回転を前記ローラによって同期させる。この場合、
前記ローラの回転軸は駆動ローラ３１ａ，３１ｂの回転
軸と同じであり、該ローラが円筒型の超音波モータの出
力ローラとなる。
【００６２】また、この場合、段付円柱形状弾性体１３
の内部又は外周面に電気回路を形成するか印刷し、前記
ローラの回転の影響を受けることなく、電気−機械エネ
ルギ変換素子１４に電気エネルギを安定して供給するこ
とができるようになっている。前記ローラと駆動ローラ
３１ａ，３１ｂを接触させるために両者を接着すること
ができ、また、両者の表面に幾何学的な面加工を施し、
それぞれを噛合させることもできる。
【００６３】また、円筒型の超音波モータの外部に回転
自在に支持されたローラを前記駆動ローラ３１ａ，３１
ｂと接触させることもできる。ところで、前記機械的な
手段によって駆動ローラ３１ａの回転と駆動ローラ３１
ｂの回転を同期させると、回転数の差によって発生する
負荷が、駆動ローラ３１ａ，３１ｂと自由端１１ｂ，１
２ｂの接触部分に作用し、超音波モータの駆動性能に影
響を与えてしまう。そこで、駆動ローラ３１ａ，３１ｂ
が自由端１１ｂ，１２ｂから摩擦力を受けている場合
に、同期のための機械エネルギの伝達経路に、駆動ロー
ラ３１ａ，３１ｂと自由端１１ｂ，１２ｂの間の摩擦力
よりも小さい摩擦力で滑る図示しない摩擦伝達機構を配
設することによって、超音波モータの駆動性能に与えら
れる影響を抑制し、駆動ローラ３１ａ，３１ｂを安定し
て回転させることができる。
【００６４】なお、駆動ローラ３１ａ，３１ｂと自由端
１１ｂ，１２ｂが幾何学的な面加工によって噛合してい
る場合でも、噛合が解除されて滑り出す時の摩擦力の値
を任意に設定することができるように機械エネルギの伝
達経路に摩擦伝達機構を配設することができる。一方、
電気的な手段によって駆動ローラ３１ａの回転と駆動ロ
ーラ３１ｂの回転を同期させる場合、電磁力が使用され
る。この場合、電磁力は電気的に任意に調整することが
できるので、前記摩擦伝達機構と同様の効果を得ること
ができる。
【００６５】さらに、以上のような同期方法は、それぞ
れを単独に採用するのではなく組み合わせて採用するこ
とができる。次に、本発明の第３の実施例について説明
する。図１１は本発明の第３の実施例における電気−機
械エネルギ変換素子の概略図である。
【００６６】図において、４５は電気−機械エネルギ変
換素子であり、素子本体４５ａ及び電極膜５１ａ〜５１
ｄから成り、素子本体４５ａは四つの分極部分に分割さ
れ、それぞれが厚さ方向に分極されている。そして、素
子本体４５ａの一方の面の各分極部分に対応した位置
に、電極膜５１ａ〜５１ｄがそれぞれの間にギャップ５
１ｆを形成して付着させられ、他方の面には前記電極膜
５１ａ〜５１ｄと同質の電極膜５１ｅが一様に付着させ
られる。なお、素子本体４５ａの両面の各分極部分に対
応して電極膜を付着させることもできる。さらに、素子
本体４５ａの表面に、各分極部分に対応して導電性の塗
料を塗布することによって電極膜５１ａ〜５１ｅを形成
することもできる。
【００６７】前記構成の電気−機械エネルギ変換素子４
５において、各分極部分の極性を一致させた場合、電極
膜５１ａ〜５１ｄの表面極性を正とすると電極膜５１ｅ
の表面極性は負となる。この時、電極膜５１ｅをグラン
ド端子として、電極膜５１ａ〜５１ｄに直流電圧を印加
すると、素子本体４５ａはｙ軸の方向に伸びるかｙ軸の
正方向に撓む。なお、この場合の伸び又は撓みは直流電
圧の大きさに比例する。この場合、各分極部分への入力
端子は４個、グランド端子は１個必要となる。
【００６８】また、前記分極部分のうちｙ軸を中心とし
て対称位置にある分極部分の分極方向を反転させた場
合、電極膜５１ａ，５１ｂの表面極性を正とすると電極
膜５１ｃ，５１ｄの表面極性は負となる。したがって、
対称位置の分極部分のそれぞれを電気的に接続すると、
入力端子を２個、グランド端子を１個とすることができ
る。この場合、対を形成する分極部分は、一方がｙ軸の
方向に伸びるかｙ軸の正方向に撓み、他方はｙ軸の方向
に縮むかｙ軸の負方向に撓む。いずれの場合も、隣接す
る分極部分に印加される交流電圧の位相差は９０〔°〕
である。
【００６９】図１２は本発明の第３の実施例における電
気−機械エネルギ変換素子の作動原理図である。この場
合、電気−機械エネルギ変換素子の四つの分極部分のう
ちｙ軸を中心として対称位置にある分極部分の分極方向
を反転させた場合の駆動方法について説明する。図にお
いて、４５は電気−機械エネルギ変換素子、４５ａは素
子本体、５１ａ〜５１ｅは電極膜、５１ｆはギャップ、
５２ａ〜５２ｅは電極板、５３ａ，５３ｂは電源であ
る。
【００７０】前記電気−機械エネルギ変換素子４５の電
極膜５１ａ〜５１ｅに対応する電極板５２ａ〜５２ｅを
図に示すように位置決めして、電極膜５１ａ〜５１ｅと
電極板５２ａ〜５２ｅを接触させる。この場合、電気−
機械エネルギ変換素子１４から円筒形状弾性体１１，１
２（図１）に振動を伝達させるときの効率を考えて、電
極板５２ａ〜５２ｅと電極膜５１ａ〜５１ｅの材質を同
じにする。なお、電極板５２ａ〜５２ｅと円筒形状弾性
体１１，１２の材質を異ならせても同様の効果を得るこ
とができる。また、電極板５２ａ〜５２ｅは、素子本体
４５ａよりもできるだけ薄くする。
【００７１】そして、前記電極板５２ａ〜５２ｄが互い
に接触しないように、各電極板５２ａ〜５２ｄ間に少な
くとも各電極膜５１ａ〜５１ｅ間のギャップ５１ｆより
大きな間隔が形成される。なお、各電極板５２ａ〜５２
ｄ間に絶縁材料を配設して、一体的な構造としてもよ
い。この場合、四つの電極板５２ａ〜５２ｄを使用する
ときよりも、電極膜５１ａ〜５１ｅと電極板５２ａ〜５
２ｅの間の位置合せが容易になる。また、各電極板５２
ａ〜５２ｅには外方に突出する電極片が形成され、図に
示すように配線される。
【００７２】前記電気−機械エネルギ変換素子４５の分
割された四つの分極部分は、電極膜５１ａ，５１ｂの表
面極性を正とすると、電極膜５１ｃ，５１ｄの表面極性
は負となる。そこで、電極膜５１ａ，５１ｃと接触する
電極板５２ａ，５２ｃを、電極膜５１ｂ，５１ｄと接触
する電極板５２ｂ，５２ｄをそれぞれ電気的に接続し、
電源５３ａ，５３ｂから位相差が９０〔°〕の交流電圧
を印加する。そして、各交流電圧の周波数の値を前記第
１〜第４の振動モードの共振周波数に一致させるか十分
近接させることによって、電気−機械エネルギ変換素子
４５の振幅を増幅させ、円筒形状弾性体１１，１２の自
由端１１ｂ，１２ｂに回転振動又は楕円振動を発生させ
ることができる。また、前記自由端１１ｂ，１２ｂに発
生する回転振動又は楕円振動の振幅は、電源５３ａ，５
３ｂから印加される交流電圧の大きさ、位相差、周波数
等によって制御することができる。
【００７３】ここで、前記電気−機械エネルギ変換素子
４５を、電気エネルギを機械エネルギに変換することが
できるとともに、機械エネルギを電気エネルギに変換す
ることもできるもので形成した場合、該電気−機械エネ
ルギ変換素子４５の分極部分の一つに交流電圧を印加し
て回転振動又は楕円振動を発生させ、その間他の分極部
分は回転振動又は楕円振動による応力を受けて交流電圧
を出力する。
【００７４】そこで、前記電気−機械エネルギ変換素子
４５の各分極部分を電気的に切り換え、駆動用として使
用したり、振動状態の検出用として使用することができ
るようにしている。前記円筒形状弾性体１１，１２の自
由端１１ｂ，１２ｂに発生する回転振動又は楕円振動を
時間的な変動や外的な負荷による変動に対して補正し、
安定させることができる。なお、前記分極部分の図示し
ない端子を図示しない切換スイッチを介して図示しない
制御回路及び他の電源に接続し、切換スイッチを切り換
えることによって電気−機械エネルギ変換素子４５を駆
動用として使用したり、円筒型振動子１０の振動状態の
検出用として使用することができる。
【００７５】ところで、第１〜第３の実施例において
は、１個の電気−機械エネルギ変換素子１４，４５を円
筒形状弾性体１１，１２間に配設し、円筒形状弾性体１
１，１２の自由端１１ｂ，１２ｂを回転振動又は楕円振
動させるようにしている。したがって、電気−機械エネ
ルギ変換素子１４，４５の分極部分は三つ以上必要であ
る。
【００７６】また、電気−機械エネルギ変換素子１４，
４５が発生する振動の大きさは分極部分の面積の大きさ
に関係するが、電気−機械エネルギ変換素子１４，４５
の分割数を多くすると、一つの分極部分の面積が小さく
なるため電気−機械エネルギ変換素子１４，４５が発生
する振動が小さくなる。そこで、同じ仕様で分割され分
極された電気−機械エネルギ変換素子を各分極部分が位
置合せさせられた状態で２枚以上積層すると、振動を大
きくすることができる。なお、この積層型電気−機械エ
ネルギ変換素子は、積層した電気−機械エネルギ変換素
子の各分極部分の位置合せを行うことによって、１個の
電気−機械エネルギ変換素子１４，４５と同様に駆動さ
れる。
【００７７】次に、電気−機械エネルギ変換素子を二つ
の分極部分に分割した本発明の第４の実施例について説
明する。図１３は本発明の第４の実施例における積層型
電気−機械エネルギ変換素子の概略図、図１４は本発明
の第４の実施例における積層型電気−機械エネルギ変換
素子の作動原理図である。図１３の（ａ）は積層型電気
−機械エネルギ変換素子の斜視図、（ｂ）は電気−機械
エネルギ変換素子の斜視図である。
【００７８】この場合、電気−機械エネルギ変換素子５
９は二つの分極部分に分割されている。したがって、１
個の電気−機械エネルギ変換素子５９によって回転振動
又は楕円振動のような二次元の振動を安定して発生させ
ることが困難である。そこで、積層型電気−機械エネル
ギ変換素子５４は、５枚の電気−機械エネルギ変換素子
５９と６枚の電極板６０ａ〜６０ｆを交互に積層して構
成される。
【００７９】前記電気−機械エネルギ変換素子５９と電
極板６０ａ〜６０ｆは互いに接着され、一体的な構造を
有している。なお、前記電気−機械エネルギ変換素子５
９と電極板６０ａ〜６０ｆを一対の円筒形状弾性体１
１，１２（図１）及び段付円柱形状弾性体１３による締
付力によって固定することもできる。接着による場合
は、回転振動又は楕円振動を接着層が吸収するだけでな
く組立時間が長くなるが、締付けによる場合は、回転振
動又は楕円振動が吸収されることはなく、しかも、組立
時間を短くすることができる。
【００８０】各電極板６０ａ〜６０ｆは円筒形状弾性体
１１，１２と同様の弾性材料から成り、外周の対称位置
に２本の電極片を有する。そして、各電極板６０ａ〜６
０ｆの２本の電極片を使用し、各電気−機械エネルギ変
換素子５９を図１３の（ａ）のように容易に位置決めし
て積層することができる。また、電極板６０ａ〜６０ｆ
の電極片は図１４に示すようにリード線の役割を果た
す。
【００８１】前記電気−機械エネルギ変換素子５９は、
素子本体５９ａ、半円形電極膜６１ａ，６１ｂ及び円形
電極膜６２から成る。そして、前記半円形電極膜６１
ａ，６１ｂ及び円形電極膜６２は、素子本体５９ａの表
面に導電性の金属膜を付着させることによって形成され
る。なお、前記半円形電極膜６１ａ，６１ｂ及び円形電
極膜６２として、素子本体５９ａの表面に導電性の塗料
を塗布することによって形成することもできる。
【００８２】前記素子本体５９ａは、半円形電極膜６１
ａと半円形電極膜６１ｂによって分割され厚さ方向にお
いて分極されており、半円形電極膜６１ａの表面極性を
正とすると、半円形電極膜６１ｂの表面極性は負とな
る。なお、円形電極膜６２は、前記半円形電極膜６１
ａ，６１ｂの共通電極となり、図１４に示すように積層
型電気−機械エネルギ変換素子５４のグランド端子とし
て使用される。
【００８３】そして、円形電極膜６２をグランド端子と
して、半円形電極膜６１ａ，６１ｂに直流電圧を印加す
ると、半円形電極膜６１ａ側の素子本体５９ａはｙ軸の
方向に伸びるかｙ軸の正方向に撓み、一方の半円形電極
膜６１ｂ側の素子本体５９ａはｙ軸の方向に縮むかｙ軸
の負方向に撓む。これに対して、電気−機械エネルギ変
換素子５９に交流電圧を印加すると、半円形電極膜６１
ａ側の素子本体５９ａと半円形電極膜６１ｂ側の素子本
体５９ａは、それぞれ位相を１８０〔°〕異ならせて振
動する。
【００８４】なお、半円形電極膜６１ａ，６１ｂのギャ
ップ６３は図１０の（ａ）のように電気−機械エネルギ
変換素子５９を積層するときの分割方向の目印となり、
積層型電気−機械エネルギ変換素子５４を効率良く組み
立てることが可能となる。前記積層型電気−機械エネル
ギ変換素子５４は、電気−機械エネルギ変換素子５９を
積層するときの分割方向及び役割から三つの積層部Ｓ1
〜Ｓ3 に分けられる。積層部Ｓ1 においては、ギャップ
６３がｚ軸の方向に位置するように二つの電気−機械エ
ネルギ変換素子５９の各半円形電極膜６１ａ，６１ｂを
電極板６０ｂに接触させている。一方、積層部Ｓ2 にお
いては、ギャップ６３が積層部Ｓ1のギャップ６３に対
してｙ軸回りに位相を９０〔°〕異ならせた方向に位置
するように、二つの電気−機械エネルギ変換素子５９の
各半円形電極膜６１ａ，６１ｂを電極板６０ｄに接触さ
せている。そして、積層部Ｓ3 においては、ギャップ６
３が積層部Ｓ1 のギャップ６３と同じ方向に位置するよ
うに一つの電気−機械エネルギ変換素子５９の半円形電
極膜６１ａ，６１ｂを電極板６０ｆに接触させている。
そして、各電極板６０ａ，６０ｃ，６０ｅは接地され
る。
【００８５】該積層型電気−機械エネルギ変換素子５４
を振動させる場合、各電極板６０ａ〜６０ｆを図１４に
示すように配線する。すなわち、電極板６０ａ，６０
ｃ，６０ｅを接地し、電極板６０ｂを介して電源６４か
ら積層部Ｓ1 に交流電圧を印加し、電極板６０ｄを介し
て電源６５から積層部Ｓ2 に交流電圧を印加する。その
結果、積層部Ｓ1 においては電源６４からの交流電圧に
よってｘ−ｙ平面内でｙ軸を振動の中心軸として撓み振
動し、積層部Ｓ2 においては電源６５からの交流電圧に
よってｘ−ｚ平面内でｙ軸を振動の中心軸として撓み振
動する。この時、積層部Ｓ1 ，Ｓ2 で発生する二つの撓
み振動の位相を９０〔°〕異ならせて合成すると、積層
型電気−機械エネルギ変換素子５４の中心軸は回転振動
又は楕円振動する。そのため、電源６４，６５から同一
の周波数の交流電圧を互いに位相を９０〔°〕異ならせ
て印加する。そして、積層型電気−機械エネルギ変換素
子５４の中心軸の回転振動又は楕円振動の振幅は、電源
６４，６５から印加される交流電圧の大きさ、位相差、
周波数等によって制御することができる。
【００８６】前記電気−機械エネルギ変換素子５９を、
電気エネルギを機械エネルギに変換することができると
ともに、機械エネルギを電気エネルギに変換することが
できるもので形成した場合、前記電極板６０ｆに接続さ
れた端子６６からは、回転振動又は楕円振動が積層部Ｓ
3 へ与える応力の大きさに比例した交流電圧が出力され
るため、端子６６を図示しない制御回路に接続して前記
電圧を検出し、積層部Ｓ3 を積層型電気−機械エネルギ
変換素子５４の振動状態を検出する素子として使用する
ことができる。
【００８７】この場合、検出された電圧に基づいて積層
型電気−機械エネルギ変換素子５４を制御することがで
き、円筒型振動子１０を安定して振動させることが可能
となる。なお、積層部Ｓ3 のギャップ６３の方向が積層
部Ｓ1 のギャップ６３の方向と同じであるため、積層部
Ｓ1 と同様にｘ−ｙ平面内で振動させることができる。
また、前記端子６６を図示しない切換スイッチを介して
図示しない制御回路及び他の電源に接続し、切換スイッ
チを切り換えることによって積層部Ｓ3 を駆動用として
使用したり、円筒型振動子１０の振動状態の検出用とし
て使用することができる。
【００８８】このように、前記積層型電気−機械エネル
ギ変換素子５４を図１に示すような円筒型振動子１０に
配設すると、積層部Ｓ1 の駆動によって図６の（ａ）の
第１の振動モード又は（ｃ）の第３モードの振動が形成
され、積層部Ｓ2 の駆動によって（ｂ）の第２の振動モ
ード又は（ｄ）の第４の振動モードが形成される。この
時、積層部Ｓ1 ，Ｓ2 に印加される交流電圧の周波数を
第１、第２の各振動モードの共振周波数又は第３、第４
の各振動モードの共振周波数と一致させるか十分近接さ
せ、位相を９０〔°〕異ならせることによって、積層型
電気−機械エネルギ変換素子５４の振幅を増幅させ、円
筒形状弾性体１１，１２の自由端１１ｂ，１２ｂに回転
振動又は楕円振動を発生させることができる。
【００８９】なお、前記積層型電気−機械エネルギ変換
素子５４を円筒型振動子１０に配設する際に、電極板６
０ａと円筒形状弾性体１１の間及び電極板６０ｆと円筒
形状弾性体１２の間は絶縁される。また、自由端１１
ｂ，１２ｂに発生する回転振動又は楕円振動の振幅は、
電源６４，６５から印加される交流電圧の大きさ、位相
差、周波数等によって制御することができる。
【００９０】なお、本発明は前記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形すること
が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するもの
ではない。
【００９１】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、超音波モータは、両端に固定部を、該固定部間に
締付部を備えた段付円柱形状弾性体を有し、前記固定部
が超音波搬送装置などの本体に支持される。前記段付円
柱形状弾性体の設定された箇所に電気−機械エネルギ変
換素子が固定される。そして、該電気−機械エネルギ変
換素子に、設定された位相差を形成して複数の交流電圧
が印加され、複数の平面内に振動モードが形成される。
【００９２】前記電気−機械エネルギ変換素子を挟持し
て一対の円筒形状弾性体が設けられ、前記段付円柱形状
弾性体に固定される。したがって、前記円筒形弾性体の
自由端に回転振動又は楕円振動が発生する。各円筒形状
弾性体の自由端に駆動ローラが圧接させられていて、前
記自由端に発生する回転振動又は楕円振動によって駆動
ローラが回転する。
【００９３】この場合、該駆動ローラから円筒形状弾性
体に加えられる力は、電気−機械エネルギ変換素子によ
って受けられるため、回転振動や楕円振動の共振周波数
及び振幅が変動することがなく、駆動ローラが発生する
トルクを大きくすることができる。前記電気−機械エネ
ルギ変換素子を一つの素子本体で形成した場合、素子本
体は少なくとも三つに分割され、厚さ方向に分極された
分極部分から成る。
【００９４】この場合、少なくとも一つの分極部分が、
電気的な入出力を切り換える切換手段に接続され、該切
換手段は、電気−機械エネルギ変換素子の駆動と振動状
態の検出を選択的に行う。この振動状態に対応して前記
交流電圧を制御し、駆動ローラの回転を安定させること
ができる。また、前記電気−機械エネルギ変換素子を、
複数の素子本体を積層して形成した場合、素子本体は少
なくとも二つに分割され、厚さ方向に分極された分極部
分から成る。
【００９５】この場合、少なくとも一つの素子本体が、
電気的な入出力を切り換える切換手段に接続され、該切
換手段は、電気−機械エネルギ変換素子の駆動と振動状
態の検出を選択的に行う。この振動状態に対応して前記
交流電圧を制御し、駆動ローラの回転を安定させること
ができる。各駆動ローラの回転を同期させるために同期
手段を備えることができ、各駆動ローラの回転数に差が
発生するのを防止することができる。また、前記駆動ロ
ーラの回転を受けて回転するローラを設け、駆動ローラ
とローラの間で伝達することが可能な力の大きさを、前
記自由端と駆動ローラの間で伝達することが可能な力の
大きさより小さく設定することができる。
【００９６】さらに、本発明の超音波搬送装置において
は、前記駆動ローラに対向して補助ローラを配設し、前
記駆動ローラ及び補助ローラは、シート状搬送物を挟持
して搬送することができる位置に配設される。前記回転
振動又は楕円振動によって駆動ローラが回転すると、シ
ート状搬送物は１枚ずつ分離させられ搬送される。この
場合、該駆動ローラから円筒形状弾性体に加えられる力
は、電気−機械エネルギ変換素子によって受けられるた
め、回転振動や楕円振動の共振周波数及び振幅が変動す
ることがなく、駆動ローラが発生するトルクを大きくす
ることができる。したがって、シート状搬送物を安定し
て搬送することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示す超音波モータに使
用される円筒型振動子の斜視図である。
【図２】従来の超音波モータに使用される圧電振動子の
斜視図である。
【図３】従来の超音波モータの斜視図である。
【図４】従来の超音波搬送装置の斜視図である。
【図５】本発明の第１の実施例を示す超音波モータに使
用される円筒型振動子の側面図である。
【図６】本発明の第１の実施例における円筒型振動子の
振動モードを示す図である。
【図７】本発明の第１の実施例における電気−機械エネ
ルギ変換素子の概略図である。
【図８】本発明の第１の実施例における電気−機械エネ
ルギ変換素子の作動原理図である。
【図９】本発明の第１の実施例を示す超音波モータの断
面図である。
【図１０】本発明の第２の実施例を示す超音波搬送装置
の斜視図である。
【図１１】本発明の第３の実施例における電気−機械エ
ネルギ変換素子の概略図である。
【図１２】本発明の第３の実施例における電気−機械エ
ネルギ変換素子の作動原理図である。
【図１３】本発明の第４の実施例における積層型電気−
機械エネルギ変換素子の概略図である。
【図１４】本発明の第４の実施例における積層型電気−
機械エネルギ変換素子の作動原理図である。
【符号の説明】
１１，１２ 円筒形状弾性体 １１ｂ，１２ｂ 自由端 １３ 段付円柱形状弾性体 １３ａ，１３ｂ 固定部 １３ｃ，１３ｄ 締付部 １４，４５，５９ 電気−機械エネルギ変換素子 １４ａ，４５ａ，５９ａ 素子本体 ３１ａ，３１ｂ 駆動ローラ ４１ａ，４１ｂ ローラ ４２ａ，４２ｂ 補助ローラ ４４ シート状搬送物 ５４ 積層型電気−機械エネルギ変換素子

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 （ａ）両端に固定部を、該固定部間に締
    付部を備え、前記固定部が支持された段付円柱形状弾性
    体と、 （ｂ）該段付円柱形状弾性体の設定された箇所に固定さ
    れ、複数の平面内に振動モードを形成する電気−機械エ
    ネルギ変換素子と、 （ｃ）該電気−機械エネルギ変換素子を挟持して前記段
    付円柱形状弾性体に固定された一対の円筒形状弾性体
    と、 （ｄ）設定された位相差を形成して複数の交流電圧を前
    記電気−機械エネルギ変換素子に印加する手段と、 （ｅ）各円筒形状弾性体の自由端に圧接させられ、該自
    由端に発生する振動によって回転する駆動ローラを有す
    ることを特徴とする超音波モータ。
  2. 【請求項２】 （ａ）前記電気−機械エネルギ変換素子
    は一つの素子本体で形成され、 （ｂ）該素子本体は少なくとも三つに分割され、厚さ方
    向に分極された分極部分から成る請求項１に記載の超音
    波モータ。
  3. 【請求項３】 （ａ）少なくとも一つの分極部分が、電
    気的な入出力を切り換える切換手段に接続されており、 （ｂ）該切換手段は、電気−機械エネルギ変換素子の駆
    動と振動状態の検出を選択的に行う請求項２に記載の超
    音波モータ。
  4. 【請求項４】 （ａ）前記電気−機械エネルギ変換素子
    は複数の素子本体を積層して形成され、 （ｂ）各素子本体は少なくとも二つに分割され、厚さ方
    向に分極された分極部分から成る請求項１に記載の超音
    波モータ。
  5. 【請求項５】 （ａ）少なくとも一つの素子本体が、電
    気的な入出力を切り換える切換手段に接続されており、 （ｂ）該切換手段は、電気−機械エネルギ変換素子の駆
    動と振動状態の検出を選択的に行う請求項４に記載の超
    音波モータ。
  6. 【請求項６】 各駆動ローラの回転を同期させる同期手
    段を備えた請求項１に記載の超音波モータ。
  7. 【請求項７】 （ａ）前記駆動ローラの回転を受けて回
    転するローラと、 （ｂ）前記駆動ローラとローラの間で伝達することが可
    能な力の大きさを、前記自由端と駆動ローラの間で伝達
    することが可能な力の大きさより小さく設定した請求項
    １に記載の超音波モータ。
  8. 【請求項８】 （ａ）両端に固定部を、該固定部間に締
    付部を備え、前記固定部が支持された段付円柱形状弾性
    体と、 （ｂ）該段付円柱形状弾性体の設定された箇所に固定さ
    れ、複数の平面内に振動モードを形成する電気−機械エ
    ネルギ変換素子と、 （ｃ）該電気−機械エネルギ変換素子を挟持して前記段
    付円柱形状弾性体に固定された一対の円筒形状弾性体
    と、 （ｄ）設定された位相差を形成して複数の交流電圧を前
    記電気−機械エネルギ変換素子に印加する手段と、 （ｅ）各円筒形状弾性体の自由端に圧接させられ、該自
    由端に発生する振動によって回転する駆動ローラと、 （ｆ）該駆動ローラに対向して配設された補助ローラを
    有し、 （ｇ）前記駆動ローラ及び補助ローラは、シート状搬送
    物を挟持して搬送することができる位置に配設されたこ
    とを特徴とする超音波搬送装置。
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