JPH074071B2 - 超音波モータ - Google Patents
超音波モータInfo
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- JPH074071B2 JPH074071B2 JP62250529A JP25052987A JPH074071B2 JP H074071 B2 JPH074071 B2 JP H074071B2 JP 62250529 A JP62250529 A JP 62250529A JP 25052987 A JP25052987 A JP 25052987A JP H074071 B2 JPH074071 B2 JP H074071B2
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- piezoelectric ceramic
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Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は超音波振動エネルギーを利用したモータ、特に
紙送り用超音波モータに関する。
紙送り用超音波モータに関する。
（従来の技術） 従来、紙送り用超音波モータは弾性体に進行波を励振
し、摩擦力を介して弾性体表面上に載せられた移動体を
動かすよう構成される。この場合、進行波を得るために
反射波の防止やエネルギー帰還に特別な配慮をする必要
があった。これに対して、弾性体の固有の共振状態を積
極的に利用する定在波を用いた紙送り用超音波モータが
提案されており、この定在波を利用した紙送り用超音波
モータは、進行波を利用した紙送り用超音波モータと比
べてエネルギー変換効率の高さ及び振動エネルギーの大
きさが本質的に大きいという長所がある。定在波利用超
音波モータとして、弾性板の長さ縦振動と幅屈曲（たわ
み）振動を利用した多重モード振動子を利用した紙送り
用超音波モードが提案されている。この超音波モータは
第２図に示すように長方形板の長手方向縦振動と幅方向
の屈曲振動を利用したもので、長手方向の縦振動の共振
周波数と幅方向の屈曲振動の共振周波数は互いに接近す
るよう設定される。第２図（ａ）は多重モード振動子の
平面図、同図（ｂ）は正面図、同図（ｃ）は側面図を示
す。同図に於て、21は繊維強化プラスチックあるいは金
属板、繊維強化金属などで作られた弾性平板、22はPZT
系圧電セラミック板、23は圧電セラミック板表裏面に形
成された電極である。圧電セラミック板は厚み方向に分
極され、圧電セラミック板22と弾性平板21は半田あるい
はエポキシ系接着剤で強固に接着される。
し、摩擦力を介して弾性体表面上に載せられた移動体を
動かすよう構成される。この場合、進行波を得るために
反射波の防止やエネルギー帰還に特別な配慮をする必要
があった。これに対して、弾性体の固有の共振状態を積
極的に利用する定在波を用いた紙送り用超音波モータが
提案されており、この定在波を利用した紙送り用超音波
モータは、進行波を利用した紙送り用超音波モータと比
べてエネルギー変換効率の高さ及び振動エネルギーの大
きさが本質的に大きいという長所がある。定在波利用超
音波モータとして、弾性板の長さ縦振動と幅屈曲（たわ
み）振動を利用した多重モード振動子を利用した紙送り
用超音波モードが提案されている。この超音波モータは
第２図に示すように長方形板の長手方向縦振動と幅方向
の屈曲振動を利用したもので、長手方向の縦振動の共振
周波数と幅方向の屈曲振動の共振周波数は互いに接近す
るよう設定される。第２図（ａ）は多重モード振動子の
平面図、同図（ｂ）は正面図、同図（ｃ）は側面図を示
す。同図に於て、21は繊維強化プラスチックあるいは金
属板、繊維強化金属などで作られた弾性平板、22はPZT
系圧電セラミック板、23は圧電セラミック板表裏面に形
成された電極である。圧電セラミック板は厚み方向に分
極され、圧電セラミック板22と弾性平板21は半田あるい
はエポキシ系接着剤で強固に接着される。
次に、縦屈曲多重モード振動子を利用したこの紙送り超
音波モータの動作原理について説明する。圧電セラミッ
ク板22は電気端子24、25から交流電圧が印加されると、
電気機械結合係数k31を介して機械的な振動が励振され
る。圧電セラミック板22が長手方向に伸びた時、ポアソ
ン比で定まるように同じ圧電セラミック板22は幅方向に
縮む。一方、圧電セラミック板22が長手方向に縮んだ時
は、逆に、幅方向は伸びることになる。従って、圧電セ
ラミック板22は弾性平板21に強固に接着されているわけ
であるから、圧電セラミック板22と弾性板21から構成さ
れる多重モード振動子の長手方向の縦振動モードの共振
周波数fL1,lと幅方向に関係する屈曲振動モードの共振
周波数fB1,wを一致させるか、もしくは十分接近させた
時、第２図（ａ）の矢印で示す如く縦振動を励振する
と、同時に、第２図（ｃ）の点線で示す如く、圧電セラ
ミック板22は幅寸法が変化するために、屈曲振動が励振
される。共振周波数fL1,lとfB1,wが一致または極めて接
近しているために、縦振動共振周波数fL1,lを励振する
と幅屈曲振動も強制的に励振されるのである。また、同
時に圧電セラミック板の伸び振動に関して、弾性平板は
圧電的に活性でないために、長さ屈曲振動も励振され
る。この場合、長さ屈曲振動は固有共振モードではな
い。長さ縦振動に関する変位ξL1,l、幅屈曲振動に関す
る変位をξB1,w、長さ屈曲振動に関する変位をξB,Lと
する。ここでL1、B1は、それぞれ縦及び屈曲の１次固有
共振モードを意味する。この縦屈曲多重モード振動子の
振動モードを第３図（ａ）〜（ｄ）に示す。第３図で31
は弾性平板を示す。第２図及び第３図に於て、Ｌ、Ｗ及
びＴはそれぞれ振動子の長さ、幅及び厚さ寸法を示す。
この多重モード振動子を紙送り用超音波モータとして利
用する場合、例えば、第４図（ａ），（ｂ），（ｃ）に
あるように多重モード振動子41の表面にローラ46を圧接
することにより、簡単に紙送り超音波モータとして利用
可能である。ここで42は圧電セラミック板、43は電極、
44、45は端子である。即ち、多重モード振動子表面とロ
ーラで圧接した圧接面に於て、第４図に示す如く屈曲振
動の変位uBと縦振動変位uLが直交し、且つ同期している
ので、ローラ46と振動子41の間に紙47を入れるや否や、
矢印で示した方向に紙を移動させることが出来る。
音波モータの動作原理について説明する。圧電セラミッ
ク板22は電気端子24、25から交流電圧が印加されると、
電気機械結合係数k31を介して機械的な振動が励振され
る。圧電セラミック板22が長手方向に伸びた時、ポアソ
ン比で定まるように同じ圧電セラミック板22は幅方向に
縮む。一方、圧電セラミック板22が長手方向に縮んだ時
は、逆に、幅方向は伸びることになる。従って、圧電セ
ラミック板22は弾性平板21に強固に接着されているわけ
であるから、圧電セラミック板22と弾性板21から構成さ
れる多重モード振動子の長手方向の縦振動モードの共振
周波数fL1,lと幅方向に関係する屈曲振動モードの共振
周波数fB1,wを一致させるか、もしくは十分接近させた
時、第２図（ａ）の矢印で示す如く縦振動を励振する
と、同時に、第２図（ｃ）の点線で示す如く、圧電セラ
ミック板22は幅寸法が変化するために、屈曲振動が励振
される。共振周波数fL1,lとfB1,wが一致または極めて接
近しているために、縦振動共振周波数fL1,lを励振する
と幅屈曲振動も強制的に励振されるのである。また、同
時に圧電セラミック板の伸び振動に関して、弾性平板は
圧電的に活性でないために、長さ屈曲振動も励振され
る。この場合、長さ屈曲振動は固有共振モードではな
い。長さ縦振動に関する変位ξL1,l、幅屈曲振動に関す
る変位をξB1,w、長さ屈曲振動に関する変位をξB,Lと
する。ここでL1、B1は、それぞれ縦及び屈曲の１次固有
共振モードを意味する。この縦屈曲多重モード振動子の
振動モードを第３図（ａ）〜（ｄ）に示す。第３図で31
は弾性平板を示す。第２図及び第３図に於て、Ｌ、Ｗ及
びＴはそれぞれ振動子の長さ、幅及び厚さ寸法を示す。
この多重モード振動子を紙送り用超音波モータとして利
用する場合、例えば、第４図（ａ），（ｂ），（ｃ）に
あるように多重モード振動子41の表面にローラ46を圧接
することにより、簡単に紙送り超音波モータとして利用
可能である。ここで42は圧電セラミック板、43は電極、
44、45は端子である。即ち、多重モード振動子表面とロ
ーラで圧接した圧接面に於て、第４図に示す如く屈曲振
動の変位uBと縦振動変位uLが直交し、且つ同期している
ので、ローラ46と振動子41の間に紙47を入れるや否や、
矢印で示した方向に紙を移動させることが出来る。
（発明が解決しようとする問題点） 均一な厚みを有する平板の多重モード振動子を用いた紙
送り用超音波モータは、実用上、ある程度の大きさの幅
寸法Ｗが必要である。屈曲振動の共振周波数は板厚にほ
ぼ比例するため、板厚を厚くするとＷを大きくすること
が出来るが、この場合、弾性平板の体積がPZT板の体積
より相当大きくなってしまい、取り出し得る縦振動及び
屈曲振動の変位が小さくなるといった欠点があった。ま
た、一様な厚さの平板多重モード振動子は、幅屈曲振動
モードに関する歪がPZT系圧電セラミック板の接着され
る幅方向中央部分に集中し、このため、ハイパワーで駆
動した場合、第２図の弾性板21と圧電セラミック板22の
接着部分が剥離する問題があった。更に、この多重モー
ド振動子から振動子をローラ等を用いて取り出し得る部
位、即ち幅寸法中央部分で幅屈曲振動モードに関する変
位が一様でないために、紙送り用超音波モータとして使
用する場合、紙送り速度、紙送り推進力が安定しなかっ
た。本発明は、このような従来の縦屈曲多重モード振動
子を改良することにより、薄型で安定に動作する、且つ
ハイパワー動作可能な超音波モータを提供することにあ
る。
送り用超音波モータは、実用上、ある程度の大きさの幅
寸法Ｗが必要である。屈曲振動の共振周波数は板厚にほ
ぼ比例するため、板厚を厚くするとＷを大きくすること
が出来るが、この場合、弾性平板の体積がPZT板の体積
より相当大きくなってしまい、取り出し得る縦振動及び
屈曲振動の変位が小さくなるといった欠点があった。ま
た、一様な厚さの平板多重モード振動子は、幅屈曲振動
モードに関する歪がPZT系圧電セラミック板の接着され
る幅方向中央部分に集中し、このため、ハイパワーで駆
動した場合、第２図の弾性板21と圧電セラミック板22の
接着部分が剥離する問題があった。更に、この多重モー
ド振動子から振動子をローラ等を用いて取り出し得る部
位、即ち幅寸法中央部分で幅屈曲振動モードに関する変
位が一様でないために、紙送り用超音波モータとして使
用する場合、紙送り速度、紙送り推進力が安定しなかっ
た。本発明は、このような従来の縦屈曲多重モード振動
子を改良することにより、薄型で安定に動作する、且つ
ハイパワー動作可能な超音波モータを提供することにあ
る。
（問題点を解決するための手段） 本発明は１次の長さ縦振動と１次の幅屈曲振動で動作す
る縦屈曲多重モード振動子を用いる超音波モータにおい
て、該振動子の幅方向の端部に比べて中央部分が厚くな
った弾性体を用い、該弾性体の幅中央部分に於て圧電セ
ラミック板を接着した多重モード振動子を用いるもので
ある。
る縦屈曲多重モード振動子を用いる超音波モータにおい
て、該振動子の幅方向の端部に比べて中央部分が厚くな
った弾性体を用い、該弾性体の幅中央部分に於て圧電セ
ラミック板を接着した多重モード振動子を用いるもので
ある。
（作用） 本発明に従った幅端部に比べて幅中央部分が少なくとも
２倍以上厚くなった縦屈曲多重モード振動子は、圧電セ
ラミック板が接着される幅中央部分における幅屈曲振動
モードに関する応力の集中が少なく、長さＬに対して実
用上十分な幅Ｗを実現することが出来る。また、振動エ
ネルギーを取り出すためのローラあるいは滑り摩擦係数
の小さい弾性片が本多重モード振動子に圧接する部分に
於て幅屈曲振動子の変位は殆ど一様となる。更に、圧電
セラミック板が接着される部分には幅屈曲振動に関する
応力の集中が少なく、ハイパワー駆動が可能となる。従
って、本発明による超音波モータは、薄型で、安定に紙
等のフィルム状の移動体を移動させることが可能とな
り、更に、ハイパワー動作が可能である。
２倍以上厚くなった縦屈曲多重モード振動子は、圧電セ
ラミック板が接着される幅中央部分における幅屈曲振動
モードに関する応力の集中が少なく、長さＬに対して実
用上十分な幅Ｗを実現することが出来る。また、振動エ
ネルギーを取り出すためのローラあるいは滑り摩擦係数
の小さい弾性片が本多重モード振動子に圧接する部分に
於て幅屈曲振動子の変位は殆ど一様となる。更に、圧電
セラミック板が接着される部分には幅屈曲振動に関する
応力の集中が少なく、ハイパワー駆動が可能となる。従
って、本発明による超音波モータは、薄型で、安定に紙
等のフィルム状の移動体を移動させることが可能とな
り、更に、ハイパワー動作が可能である。
（実施例） 以下、本発明の実施例について、図を参照しながら説明
する。
する。
第１図は本発明に基づく紙送り用超音波モータに使用す
る断面が台形の多重モード振動子11を示す。同図（ａ）
は平面図、同図（ｂ）は正面図、同図（ｃ）は側面図を
示す。同図に於て、11はステンレスで作製された弾性体
であり、端部より中央部が２倍厚い。12はPZT圧電セラ
ミック板、13は銀焼付け電極であり、同図に於て、Ｌ、
Ｗ及びＴはそれぞれ多重モード振動子の長さ、幅及び厚
さ寸法である。また、T1は弾性体の厚さ、T2は圧電セラ
ミック板の厚さを示す。振動子の寸法はＷ＝21mm、T1＝
1.5mm、T2＝0.5mm、Ｌ＝105mmである。本振動子に於
て、fL1,l＝fB1,w＝25kHzとした。同様に、T1＝1.5mm、
T2＝0.5mmとして、25kHzで長さ縦振動と幅屈曲振動で動
作する矩形断面を有する多重モード振動子を作製した。
fL1,l＝fB1,w＝25kHzを得たときの寸法は、Ｌ＝107mm、
Ｗ＝18.5mmであった。第５図（ａ）に示す如く、本発明
に基づく縦屈曲多重モード振動子を矢印の方向からレー
ザ光を照射すること（レーザホログラフィー法）により
幅屈曲振動モードの変位分布を観測した。51は弾性平
板、52は圧電セラミック板、53は電板である。その結
果、第５図（ｂ）の実線で示される如く、PZT系圧電セ
ラミック板が接着される部位の振動変位は殆ど一様であ
った。これに対して、均一な厚さを有するステンレス弾
性体を用いた多重モード振動子の変位は、点線で示され
た分布が観測された。従って、本発明に基づく幅端部に
比べて幅中央部分を２倍以上厚くした振動子は、均一平
板の弾性板を用いた振動子に比べて、圧電セラミック板
が接着される部分に関して、平均に振動分布か得られて
いる。次に、作製した振動子を用い、幅方向の中央部分
で、長さ方向に関して、端から3cmの部分に於て、ロー
ラを圧接し、紙送り実験を行った。このとき、70
（Ｖ）、25kHz交流電圧を印加したとき、安定に紙送り
が出来、紙送り速度45cm/secが得られた。また耐久性も
十分であった。尚、本発明に基づく超音波紙送りモータ
用縦屈曲振動子は、断面形状が台形でなくてもかまわ
ず、弾性板の幅端部より幅中央部分が２倍以上厚くなっ
ていれば効果的であり、例えば、第６図に示すようなコ
ンベック状の断面形状を持つ振動子も有効であることは
言うまでもない。
る断面が台形の多重モード振動子11を示す。同図（ａ）
は平面図、同図（ｂ）は正面図、同図（ｃ）は側面図を
示す。同図に於て、11はステンレスで作製された弾性体
であり、端部より中央部が２倍厚い。12はPZT圧電セラ
ミック板、13は銀焼付け電極であり、同図に於て、Ｌ、
Ｗ及びＴはそれぞれ多重モード振動子の長さ、幅及び厚
さ寸法である。また、T1は弾性体の厚さ、T2は圧電セラ
ミック板の厚さを示す。振動子の寸法はＷ＝21mm、T1＝
1.5mm、T2＝0.5mm、Ｌ＝105mmである。本振動子に於
て、fL1,l＝fB1,w＝25kHzとした。同様に、T1＝1.5mm、
T2＝0.5mmとして、25kHzで長さ縦振動と幅屈曲振動で動
作する矩形断面を有する多重モード振動子を作製した。
fL1,l＝fB1,w＝25kHzを得たときの寸法は、Ｌ＝107mm、
Ｗ＝18.5mmであった。第５図（ａ）に示す如く、本発明
に基づく縦屈曲多重モード振動子を矢印の方向からレー
ザ光を照射すること（レーザホログラフィー法）により
幅屈曲振動モードの変位分布を観測した。51は弾性平
板、52は圧電セラミック板、53は電板である。その結
果、第５図（ｂ）の実線で示される如く、PZT系圧電セ
ラミック板が接着される部位の振動変位は殆ど一様であ
った。これに対して、均一な厚さを有するステンレス弾
性体を用いた多重モード振動子の変位は、点線で示され
た分布が観測された。従って、本発明に基づく幅端部に
比べて幅中央部分を２倍以上厚くした振動子は、均一平
板の弾性板を用いた振動子に比べて、圧電セラミック板
が接着される部分に関して、平均に振動分布か得られて
いる。次に、作製した振動子を用い、幅方向の中央部分
で、長さ方向に関して、端から3cmの部分に於て、ロー
ラを圧接し、紙送り実験を行った。このとき、70
（Ｖ）、25kHz交流電圧を印加したとき、安定に紙送り
が出来、紙送り速度45cm/secが得られた。また耐久性も
十分であった。尚、本発明に基づく超音波紙送りモータ
用縦屈曲振動子は、断面形状が台形でなくてもかまわ
ず、弾性板の幅端部より幅中央部分が２倍以上厚くなっ
ていれば効果的であり、例えば、第６図に示すようなコ
ンベック状の断面形状を持つ振動子も有効であることは
言うまでもない。
（発明の効果） 本発明によれば、弾性平板に縦屈曲の定在波を駆動する
ことで耐久性に優れた、しかも安定して動作可能な薄形
の紙送りに適したモータが実現できる。
ことで耐久性に優れた、しかも安定して動作可能な薄形
の紙送りに適したモータが実現できる。
第１図（ａ），（ｂ），（ｃ）は本発明の超音波モータ
の例を示す図、第２図（ａ），（ｂ），（ｃ）は従来の
超音波モータを示す図、第３図（ａ）〜（ｄ）は縦屈曲
多重モード振動子の振動モードを示す図、第４図はロー
ラを設置した紙送り超音波モータの一例を示す図、第５
図はレーザホログラフィ法による幅屈曲振動モードの相
対変位分布の観測方法とその結果を示す図、第６図は本
発明の他の例を示す図。これらの図で、11、21、31、4
1、51は弾性平板、12、22、42、52は圧電セラミック
板、13、23、43、53は電極、14、15、24、25、44、45は
電圧端子、46はローラを示す。
の例を示す図、第２図（ａ），（ｂ），（ｃ）は従来の
超音波モータを示す図、第３図（ａ）〜（ｄ）は縦屈曲
多重モード振動子の振動モードを示す図、第４図はロー
ラを設置した紙送り超音波モータの一例を示す図、第５
図はレーザホログラフィ法による幅屈曲振動モードの相
対変位分布の観測方法とその結果を示す図、第６図は本
発明の他の例を示す図。これらの図で、11、21、31、4
1、51は弾性平板、12、22、42、52は圧電セラミック
板、13、23、43、53は電極、14、15、24、25、44、45は
電圧端子、46はローラを示す。
Claims (1)
- 【請求項１】１次の長さ縦振動と１次の幅屈曲振動モー
ドで動作する縦屈曲多重モード振動子を駆動源とする超
音波モータに於て、該振動子の弾性体として、幅方向の
端部に比べて、幅の中央部分が厚くなった弾性体を用
い、該弾性体幅方向の中央部分において圧電セラミック
板を接着したことを特徴とする超音波モータ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62250529A JPH074071B2 (ja) | 1987-10-02 | 1987-10-02 | 超音波モータ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62250529A JPH074071B2 (ja) | 1987-10-02 | 1987-10-02 | 超音波モータ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0197177A JPH0197177A (ja) | 1989-04-14 |
| JPH074071B2 true JPH074071B2 (ja) | 1995-01-18 |
Family
ID=17209250
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62250529A Expired - Lifetime JPH074071B2 (ja) | 1987-10-02 | 1987-10-02 | 超音波モータ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH074071B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7721797B2 (en) | 2005-04-25 | 2010-05-25 | Be Intellectual Property, Inc. | Refrigerator-oven combination for an aircraft galley food service system |
| JP5457651B2 (ja) * | 2008-02-18 | 2014-04-02 | 太平洋セメント株式会社 | 超音波モータ |
-
1987
- 1987-10-02 JP JP62250529A patent/JPH074071B2/ja not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 信学技報Ｖｏｌ．８７，Ｎｏ．４６［ＵＳ８７−５、１９８７年５月２５日Ｐ．２９−３６ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0197177A (ja) | 1989-04-14 |
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