JPH067750B2 - 超音波モ−タ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は圧電体を用いて駆動力を発生する超音波モータ
に関する。

従来の技術 近年、圧電セラミック等の圧電体を用いた駆動体に弾性
振動を励起し、これを駆動力とした超音波モータが注目
されている。

以下、図面を参照しながら超音波モータの原理について
説明を行う。

第３図は超音波モータの１例であり、円環形の弾性体１
の円環面の一方に円環形圧電セラミック２を貼合わせ
て、圧電駆動体３を構成している。４は耐磨耗性材料の
スライダ、５は弾性体であり、互いに貼合せられて動体
６を構成している、動体６はスライダ４を介して駆動体
３と接触している。圧電セラミック２に電界を印加する
と、駆動体３の周方向に曲げ振動の進行波が励起され
て、動体６を駆動する。尚、同図中の矢印は動体６の回
転方向を示す。

第４図は第３図の超音波モータに使用した圧電セラミッ
ク２の電極構造の１例を示している。同図では円周方向
に曲げ振動が９波のるようにしてある。同図において、
Ａ，Ｂはそれぞれ２分の１波長相当の小領域から成る電
極群で、Ｃ，Ｄはそれぞれ４分の３波長、４分の１波長
の長さの電極である。従って、Ａの電極源とＢの電極源
とは周方向に４分の１波長（＝９０度）の位相ずれがあ
る。電極群Ａ，Ｂ内の隣合う小電極部は互いに反対方向
に厚み方向に分極されている。圧電セラミック２の弾性
体１との節直面は第４図に示された面と反対の面であ
り、電極はベタ電極である。使用時には電極群Ａ，Ｂは
第４図に斜線で示されたように、それぞれ短絡して用い
られ、ベタ電極が共通電極として用いられる。

以上のように構成された超音波モータについて、その動
作を以下に説明する。前記圧電体２の電極群Ａに電圧 を印加すると、駆動体３は円周方向に曲げ振動をする。
第５図は第３図の超音波モータの駆動体を直線で近似し
た時の斜視図であり、同図ａは圧電体２に電圧を印加し
ていない時、同図ｂは圧電体２に電圧を印加した時の様
子を示す。

第６図は動体６と駆動体３の接触状況を拡大して描いた
ものである。前記圧電体２の電極群ＡにVo・sin(wt),電
極群ＢにVo・cos(wt)の互いに位相がπ／２だけずれた電
圧を印加すれば、駆動体３の円周方向に曲げ振動の進行
波を作ることができる。一般に進行波は振幅をξとすれ
ば、 で表せる。(2)式は ξ＝ξ_ｏ・(cos(wt)・cos(kx) ＋sin(wt)・sin(kx)) ……(3) と書き直せ、(3)式は進行波が時間的にπ／２だけ位相
のずれた波cos(wt)とsin(wt)、および位置的にπ／２だ
け位相のずれたcos(kx)とsin(kx)との、それぞれの積の
和で得られることを示している。前述の説明より、圧電
体２は互いに位置的にπ／２（＝λ／４）だけ位相のず
れた電極群Ａ，Ｂを持っているので、前記電極群のそれ
ぞれにπ／２だけ位相のずれた電圧を印加すれば、駆動
体３に曲げ振動の進行波を作れる。

第６図は駆動作３の表円Ａ点が進行波の励起により、長
軸２ｗ，短軸２ｕの楕円運動をしている様子を示し、駆
動体３上に置かれた動体６が楕円の頂点で接触すること
により、波の進行方向とは逆方向にｖ＝w・uの速度で運
動する様子を示している。即ち、動体６は任意の静圧で
駆動体３に押し付けられて、駆動体３の表面に接触し、
動体６と駆動体３との摩擦力で波の進行方向の逆方向に
速度ｖで駆動される。両者の間に滑りがある時には、速
度は上記のｖよりも小さくなる。

発明が解決しようとする問題点 第７図は円環形の駆動体の変位分布を示す図である。同
図より、変位は外径に向うにつけて大きくなる。超音波
モータの速度ｖは で表せる。従って、第７図に示したような円環形の周方
向に３次以上、径方向に１次の曲げ振動モードを使う次
には、動体が外周部に接触するように設置すれば、速度
が最も大きい。しかし、外周部は自由端であるので、こ
こに動体を負荷として配置すれば振動に大きな影響を及
ぼす。また、円環形駆動体は同一占有空間内での体積が
小さいので、駆動体に蓄積されるエネルギーを大きくで
きない。従って、負荷によるモータ特性の変動が大き
い、機械出力が大きくとれないなどの欠点がある。

問題点を解決するための手段 駆動体として中心部に穴のあいている円板か、または穴
のあいていない円板を用い、該駆動体を構成している圧
電体の電極構造を、節円内に互いに周方向にπ／２だけ
位相のずれた同心円状の電極構造として、該駆動体に円
周方向に３次以上、径方向に２次の曲げ振動の進行波を
励起する。

作 用 駆動体の振動の腹より機械的出力の取出せる振動モード
の採用と、駆動体の占有空間に対する質量を大きくでき
る円板形の採用と、該振動モードとの併用とにより駆動
体内の蓄積エネルギが増加できることと、該振動モード
を効率良く駆動できる電極構造をもった圧電体により、
負荷の影響の小さく機械出力の大きく、しかも効率の良
い駆動が可能になる。

実施例 以下、図面に従って本発明の一実施例について説明す
る。

第１図は本発明の一実施例の駆動体の断面図とその変位
分布と、圧電体の電極構造を示している。同図におい
て、７は圧電セミックなどの圧電体であり、金属などの
弾性体８と貼合せられ駆動体９を構成している。駆動体
９の下に描かれている曲線Ｅは、本実施例における曲げ
振動モード（円周方向４次、径方向２次）の半径方向ｒ
に対する変位分布である。変位分布Ｅよりわかるよう
に、節円の内外では上記の振動モードは逆位相である。

圧電体７は同心円状に構成された電極Ａ′，Ｂ′をも
つ。表示されている面の裏はベタ電極である。電極
Ａ′，Ｂ′は、それぞれ周方向にπ／２だけ位相をずら
せている。その構成要素たる小電極は1/2波長に相当す
る周方向の長さをもっており、また互いに隣合う小電極
は厚さ方向に反対方向に分極されている。駆動時には、
内側の電極Ａ′、外側の電極Ｂ′をそれぞれ短絡して、
裏面のベタ電極との間に、それぞれsin波，cos波の電圧
を印加すれば、(3)式により変位分布Ｅの周方向への進
行波が得られる。なお、曲げ振動のモードは、電極構成
との関係において外部駆動周波数を適当に設定すること
により選択可能である。

変位分布Ｅに示されるように、節円内と外とでは振幅の
位相が異なるので、曲げモードによって誘起される電荷
は逆極性となり、仮に電極Ｂ′が節円にまたがっていれ
ば双方の電荷が相殺し駆動効率が落る。本発明のように
節円内におけば、電極Ａ′，Ｂ′部に誘起される電荷が
同極性になり効率のよい駆動ができる。また電極Ａ′，
Ｂ′に曲げ振動による誘起電荷が等しいように電極面積
を設定すれば、印加電圧が同じ時、(3)式より効率のよ
い進行波励振ができる。

以上に説明した駆動体は、機械的自由端である外周部よ
りも振動の腹の方が振福値ξｏが大きくなるので、この
腹付近から機械的出力をとり出せば、(4)式より動体の
速度が最大になる。また腹から機械出力を取出せば、振
動の境界条件は変わらないので、外周の自由端より取出
すよりも、モータ特性の負荷による影響を小さくするこ
とができる。

本実施例では周方向の波は４つであるが、動作上少なく
ても３つ以上あればよい。

第２図は第１図の駆動体を使用した超音波モータの断面
図である。同図において、駆動体９の振動の腹近傍よ
り、耐磨耗性のよいスライダ１０を介して機械出力を取
り出している。１１は弾性体でスライダ１０と共に動体
１２を構成している。駆動体９は位置固定のために、機
械的に負荷にならないようにフエルトなどの支持体１３
を介して、土台１４に固定されている。１５は動体１２
を回転軸１６に対して位置出しをするためのベアリング
である。圧電体７に駆動電圧を印加すれば、動体１２は
回転軸１６を中心にして回転する。

尚、本実施例では駆動体として穴あき円板を使ったが、
本発明の振幅モードでは、円板の中心はほとんど変位し
ないので、効率を若干犠牲にすれば、穴のない円板を用
いて円板の中心から回転軸を取出すこともできる。

発明の効果 以上説明したように、本発明では駆動体として同一占有
空間内での質量の大きい円板を使用することにより、機
械的出力を大きくし、周方向３次以上、径方向２次の曲
げ振動モードの腹から出力を取出すことにより、負荷の
駆動体への影響を小さくし、節円内に設置された周方向
にπ／２だけ位相の異なる同心円状の電極により、効率
の良い駆動を可能にしている。

【図面の簡単な説明】

第１図(a),(b)は本発明の一実施例の超音波モータの駆
動体の断面図とその変位分布図、第２図は第１図の駆動
体を使用した超音波モータの断面図、第３図は従来の超
音波モータの切欠き斜視図、第４図は第３図の従来例に
用いた圧電体の平面図、第５図(a),(b)は超音波モータ
の駆動体の振動状態を示すモデル図、第６図は超音波モ
ータの原理説明図、第７図は円環形超音波モータの駆動
体の変位分布図である。 ７……圧電体、８……弾性体、９……駆動体、Ａ′,
Ｂ′……電極、Ｅ……変位分布曲線、１０……スライ
ダ、１１……弾性体、１２……動体、１３……支持体、
１４……土台、１５……ベアリング、１６……回転軸。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 武田 克 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭60−183982（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】弾性体と圧電体とから成る駆動体に弾性進
   行波を励起することにより、上記駆動体上に接触して設
   置された動体を移動させる超音波モータにおいて、駆動
   体として円板を使用し、該駆動体に励起する進行波とし
   て、円周方向に３次以上、径方向に２次の曲げ振動を使
   用し、該進行波を励起するための圧電体として、該曲げ
   振動の節円内に同心円状に配され、互いの位相が円周方
   向にπ／２だけ異なる電極を有する圧電体を使用するこ
   とを特徴とする超音波モータ。
2. 【請求項２】圧電体の２つの電極に曲げ振動によって誘
   起される電荷量がほぼ等しいように、前記２つの電極の
   それぞれの面積を設定したことを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の超音波モータ。