JPH09275691A

JPH09275691A - 超音波モータ

Info

Publication number: JPH09275691A
Application number: JP8115210A
Authority: JP
Inventors: Kazuma Suzuki; 数馬鈴木
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-04-02
Filing date: 1996-04-02
Publication date: 1997-10-21
Anticipated expiration: 2016-04-02
Also published as: JP3283756B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ロータの回転方向を容易に変えることができ
る超音波モータを得る。【解決手段】基板１の上面に主振動系の第一の圧電素
子２ａ、２ｂを配置し、下面には切替系の第二の圧電素
子３ａ、３ｂと４ａ、４ｂを配置する。ロータを駆動す
る駆動子５ａ、５ｂは圧電素子２ａ、２ｂの境界線上に
結合されている。主振動は図（ｃ）のようになる。第二
の圧電素子のうち３ａ、３ｂを主振動に加担させると、
主振動のみのノードラインＡ１−Ａ２が第二の圧電素子
のノードラインＢ１−Ｂ２の影響を受けてＣ１−Ｃ２、
すなわち駆動子の片側に位置し、ロータは図（ａ）で左
回転する。第二の圧電素子を切替えて４ａ、４ｂとする
とノードラインＣ１−Ｃ２が駆動子の他側にくるのでロ
ータは右回転となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、超音波モータに
関し、さらに詳しくいうと、負荷となるロータを回転駆
動するための駆動子に超音波振動を与える圧電素子を備
えた超音波モータに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図８は本発明者が提案（実開昭６３−１
９１８９３）した従来の超音波モータであり、図におい
て、金属などの弾性体でなる円板状の基板２１に偶数分
割して配着された４つの圧電素子２２と一定の間隔を保
って４つの駆動子２３を配設し、これにロータ２４を圧
接している。以上の構成により、圧電素子２２に超音波
振動を発生させて、ロータ２４を一方向に回転させるも
のである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】以上のような従来の超
音波モータは、励振用の圧電素子と駆動子の相互動作関
係が一定であるため、ロータの回転方向の切替えが困難
であった。この発明は上記の問題を解決しようとするも
ので、ロータの回転方向を左右任意に制御することがで
きる、小形、薄形で量産性の優れた超音波モータを得る
ことを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】第１のこの発明に係る超
音波モータは、主振動系の偶数個の第一の圧電素子と、
第一の圧電素子１個に対して各２個の切替系の第二の圧
電素子とを備え、第二の圧電素子を切替えることにより
主振動系のノードラインをを第一の圧電素子に結合され
た駆動子の両側のいずれかに偏らせてロータの回転方向
を変えるものである。

【０００５】第２のこの発明に係る超音波モータは、主
振動系の偶数個の第一の圧電素子と、この圧電素子１個
について各２個の切替系の第二の圧電素子とにより、円
板、円環および円筒のいずれかを形成し、第二の圧電素
子の切替えにより、上記と同様にしてロータの回転方向
を切替えるものである。

【０００６】第３のこの発明に係る超音波モータは、円
板状、円環状および円筒状いずれかの弾性体の基板に、
上記同様の第一、第二の圧電素子を装着支持し、同様に
してロータの回転方向を変えるものである。

【０００７】

【発明の実施の形態】

（実施例１）図１、図２はこの発明の実施例１を示し、
図１において、金属などの弾性体でなる円板状の基板１
の上面には、同図（ａ）に示すように、１／２分割して
それぞれプラス、マイナスに分極された主振動系の第一
の圧電素子２ａと２ｂが、また、下面には同図（ｂ）に
示すように、切替系の第二の圧電素子３ａと３ｂおよび
４ａと４ｂが、図示された分極極性に４分割されて貼着
されている。すなわち偶数個の第一の圧電素子の各個に
対応して２個ずつの第二の圧電素子が配置されている。
これらの圧電素子は、通常、いずれも一枚板状の圧電磁
器板に電極を分割して設け、所定の極性に分極処理する
ことにより、実質的に複数個の圧電素子を形成してい
る。勿論、切離された圧電素子を個々に貼着して構成し
ても良い。図１（ｂ）における極性と位置は、上面から
の透視図になっており、上下面での同位置内では並列駆
動したときに同方向の屈曲が発生するように合致させて
いる。駆動子５ａ、５ｂは、圧電素子２ａと２ｂの境界
線上の同心円距離に結合されている。また、基板１の中
心点は振動のノードライン上にあるので、組立固定用の
穴を設けて使用しても振動ロスは少ない。

【０００８】次に動作について説明する。図１で、圧電
素子の分割パターンに対して、振動時の屈曲状況を○印
と△印で表している。すなわち、○印側の半分のエリア
が上方に曲がったとき、残り半分の△印エリアは下方に
曲がることを示し、その模様をＤ１−Ｄ２断面で図１
（ｃ）に示している。いま、第一の圧電素子２ａ、２ｂ
と、第二の圧電素子３ａ、３ｂとを並列にして屈曲共振
させると、圧電素子２ａ、２ｂのみでは図１（ａ）に示
すＡ１−Ａ２線上に振動ノードラインを作ろうとし、圧
電素子３ａ、３ｂのみでは図１（ｂ）に示すＢ１−Ｂ２
のノードラインを作ろうとする。実際の振動は、この両
者が同時に起こるので合成されたノードラインはＣ１−
Ｃ２となり、両者の中間位置よりも上面の圧電素子の勢
力が強い分だけＡ１−Ａ２ライン寄りに発生する。

【０００９】図２は、この間の駆動子５ａの動きを示
し、同図（ａ）はノードラインがＡ１−Ａ２の場合、図
（ｂ）は圧電素子３ａ、３ｂが加担してノードラインが
Ｃ１−Ｃ２になった場合である。すなわち、図（ａ）に
おける駆動子５ａは基板１の振動で単に左右に首振りを
させられるだけであるが、図（ｂ）にいたるとノード位する。このとき、駆動子５ａに当接しているロータ
（図示しない）は右方への力を受け、図１（ａ）でみる
と左回転になる。また、このときもう一方の駆動子５ｂ
は下に下がる方向になるためロータから遠ざかる姿勢に
なる。したがって次の半サイクルでは、今度は逆にな
り、駆動子５ｂが働き駆動子５ａが休むことになり、か
くして交互にロータを左回転させる。

【００１０】次に、逆回転させるには、下側の圧電素子
を図１（ｂ）の第二の圧電素子４ａ、４ｂ側に切替えれ
ばノードラインは駆動子５ａの反対側に発生するので、
図２（ｂ）における駆動子５ａが反対の傾きとなり、ロ
ータの右回転が達成されるのである。駆動子５ｂについ
ても同様である。以上のようにして、ロータの回転方向
の切替えは第二の圧電素子の切替えで行うことができ、
かつ、屈曲動作を加勢して目的を達成することができる
ので効率がよい。

【００１１】（実施例２）図１の構成のものは、基板１
を用いないで圧電素子だけで円板状に構成することもで
きる。とくに、小形で低コスト化の要求には、図１の１
／２分割方式と同じで上下面の圧電素子を直接互いに接
着するのがよい。図３はこのときの等価回路図で、符号
は図１のものに対応している。上下面の圧電素子は電気
的には互いに切離して、切替えスイッチＳＷ１，ＳＷ２
は２連の両切りスイッチになる。圧電素子の製造は、通
常、長い棒状の磁器を分極処理後に輪切りにしてから電
極処理を施すようにする。素材のＱＭはそのまま圧電素
子構造体のＱＭになるので大きい値のものを選択して振
動ロスと発熱を押さえる必要がある。

【００１２】（実施例３）図４は１／４分割時の実施例
である。基板１の上面には主振動系の２対の第一の圧電
素子６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、下面には切替系の４対の
第二の圧電素子７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄと８ａ、８ｂ、
８ｃ、８ｄが配置されている。第一の圧電素子の境界部
位には駆動子９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄが結合されてい
る。図（ｂ）に示す分極極性は、第一の圧電素子との並
列により同図（ｃ）のような屈曲モードが生じるように
配置する。駆動子９ａ、９ｂと９ｂ、９ｃはそれぞれ一
方が働くとき他方は休むことになり、図１のときと同様
に交互になる。分極を同極にして直列に使用することも
できる。駆動子は２個でも良い。

【００１３】（実施例４）さらにパワーアップをするた
めに直径を大きくしてゆくにつれて分割数を増やしてゆ
くこともできる。図５に示した１／６分割では、６個の
駆動子を結合することができる。また、図示しないが、
１／８分割では駆動子を８個としてそれぞれ１個置きの
二組が交互に働いて蹴り出しを行ってロータを任意の方
向に回転させる。この発明の振動モードでは、共振周波
数は円板の仕上がり厚みに比例し、直径の２乗にほぼ反
比例する。中心穴の影響はほとんど受けない。

【００１４】（実施例５）図６は圧電素子を１枚で１／
２分割形を構成したもので、基板１の上面にのみ、主振
動系の広角の第一の圧電素子１０ａ、１０ｂ、切替系は
狭角の第二の圧電素子１１ａ、１１ｂと１２ａ、１２ｂ
が設けられている。いま、第二の圧電素子１１ａ、１１
ｂを第一の圧電素子１０ａ、１０ｂに並列に加担させる
と、ノードラインが偏りロータは右回転となり、圧電素
子１２ａ、１２ｂ側では左回転になる。５ａ、５ｂは駆
動子である。この実施例の場合、圧電素子の素材が１枚
で足りるので低コストで軽負荷用に適している。基板１
の下面には直接加工物などをとりつけられる利点もあ
る。

【００１５】（実施例６）この発明は、圧電素子構体の
形状を円環状（ドーナツ状）や円筒状にしても良い。図
７に円筒１／２分割の場合を示す。図において、主振動
系の第一の圧電素子１３ａ、１３ｂに対して、切替系の
第二の圧電素子１４ａ、１４ｂと１５ａ、１５ｂが円筒
状の基板１６の外側面と内側面にそれぞれ配設されてい
る。圧電素子の電極は図示を省略している。駆動子１７
ａ、１７ｂは円筒内側に対向にして設けられている。動
作は全く同様で、円板が放射状のエリアの上下振動だっ
たのに対して、円筒の場合は円筒の長さ方向全体のエリ
アがさらに外側に曲がるか内側に曲がるかの違いにな
る。円筒形曲面基板への圧電素子の装着は、スパッタリ
ング手法か水熱法による。外周面にのみ積層してゆく構
造でも良い。駆動子の設置場所も内外周面を問わず、ま
た長さの制約もないので設計の自由度は大きい。円環状
は、円板の中心穴が大きくなったと考えられ、動作挙動
は円板に準じる。

【００１６】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、この発
明は、駆動子に推力を発生させる第一の圧電素子と、こ
の第一の圧電素子の主振動に加担して振動する切替系の
第二の圧電素子を設け、第二の圧電素子の切替えにより
主振動のノードラインを駆動子の両側のいずれかに変位
させるようにしたので、無駄な振動成分に費やすロスが
無く、ロータの回転方向の切替えができる。さらに、高
効率で量産性の良い低コストな、しかも、薄形で各種の
サイズのものが容易に得られる等の効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例１の（ａ）上面図、（ｂ）下
面図、（ｃ）波形図である。

【図２】この発明の実施例１の動作波形図である。

【図３】この発明の実施例２の回路図である。

【図４】この発明の実施例３の（ａ）上面図、（ｂ）下
面図、（ｃ）波形図である。

【図５】この発明の実施例４の（ａ）上面図、（ｂ）波
形図である。

【図６】この発明の実施例５の上面図である。

【図７】この発明の実施例６の正面図である。

【図８】従来の超音波モータの（ａ）上面図、（ｂ）側
断面図である。

【符号の説明】

１基
板２ａ、２ｂ第
一の圧電素子３ａ、３ｂ，４ａ、４ｂ第
二の圧電素子５ａ、５ｂ駆
動子６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ第
一の圧電素子７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ第
二の圧電素子８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ第
二の圧電素子９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ駆
動子１０ａ、１０ｂ第
一の圧電素子１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ第
二の圧電素子１３ａ、１３ｂ第
一の圧電素子１４ａ、１４ｂ、１５ａ、１５ｂ第
二の圧電素子１６基
板１７ａ、１７ｂ駆
動子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】主振動系を形成する少なくとも１組の第
一の圧電素子と、この第一の圧電素子の各１個に対応し
て２個ずつ配置された切替系の第二の圧電素子と、前記
第一の圧電素子に結合されロータを回転駆動する駆動子
とを備え、前記第一の圧電素子の振動に加担して振動す
る前記第二の圧電素子を選択切替えることにより前記主
振動系のノードラインを前記駆動子の両側のいずれかに
偏らせて前記ロータの回転方向を切替える超音波モー
タ。
【請求項２】円板状、円環状および円筒状のいずれか
を形成する主振動系の偶数個の第一の圧電素子と、この
第一の圧電素子のそれぞれに対応して配設された各２個
ずつの切替系の第二の圧電素子と、前記第一の圧電素子
に結合されロータを回転駆動する駆動子とを備え、前記
第一の圧電素子の振動に加担して振動する前記第二の圧
電素子を選択切替えることにより前記主振動系のノード
ラインを前記駆動子の両側のいずれかに偏らせて前記ロ
ータの回転方向を切替える超音波モータ。
【請求項３】円板状、円環状および円筒状いずれかの
弾性体でなる基板と、この基板に装着支持された主振動
系の偶数個の第一の圧電素子と、この第一の圧電素子の
それぞれに対応して各２個ずつ前記基板に装着支持され
た切替系の第二の圧電素子と、前記第一の圧電素子に結
合されロータを回転駆動する駆動子とを備え、前記第一
の圧電素子の振動に加担して振動する前記第二の圧電素
子を選択切替えることにより前記主振動系のノードライ
ンを前記駆動子の両側のいずれかに偏らせて前記ロータ
の回転方向を切替える超音波モータ。