JPS62135279A - 超音波モ−タ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は超音波モータに関するものである。

〔従来の技術〕

従来、軸方向に共振振動する縦形振動子に、軸方向振動
をねじり方向に変換する変換部材を一体に設け、得られ
た出力端部の楕円振動によるロータなどの回転体や移動
体との摩擦接触によって駆動する超音波モータが知られ
ている。

その−例として特公昭５９−３７６７２号公報に記載さ
れた超音波振動を利用した回転駆動装置を用いたものが
ある。この回転駆動装置は、ケーシング本体内に、単数
または複数の超音波振動子の一端面に設けられた振動板
と１回転軸の一端面とを対向配置し１両者間に回転軸の
軸方向に対して傾斜角度を有する振動片の回転軸または
振動板のいずれか一方と一体形成することにより、超音
波振動子の往復運動を回転軸の回転運動に変換すること
を特徴とするものであって、軸方向振動子の出力端部に
振動片を設け、ロータなどの可動部材の接合面の法線を
振動子の軸と僅かに傾斜させて加圧すると、振動片先端
部が楕円振動を生じてロータなど可動部材を摩擦駆動す
るようにしたものである。

また、第１４図に示すような超音波モータもある。

この超音波モータは、縦形振動子６０と、一方の而に幅
の広い溝６１を設け、他方の面に前記溝６１とある角度
をもって梁状突起６２を設けたねじり変換体６３を一体
に締着し、前記梁状突起６２の中央に設けられた雌ねじ
に螺合するボルト６４とコイルばね６５によりロータ６
６を梁状突起６２に抑圧させたもので、縦振動がねじり
変換体６３に加わると、該変換体６３曲げ振動を生じ、
そのたわみ角に応じて梁状突起６２はその両端で逆方向
に傾き１図中矢印の方向の楕円振動を発生するため、そ
れに接するロータ６６は矢印６７のように時計方向に回
転するものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

然しながら、従来の上記のような超音波モータにあって
は、変換部材の構造によって楕円振動姿態は一律に決ま
ってしまい、その回転方向の制御や、移動体との最適な
駆動条件、即ち最大の摩擦係数と最小の摩耗で最大のト
ルクをもって駆動する楕円形状の制御が不可能である。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、上述のような従来技術の問題点を解決するこ
とを目的として鋭意研究の結果、超音波振動子の駆動方
法を従来方法と変えることにより達成出来ることを知得
し、完成したもので、その構成は、板状振動体の両側面
または断面授字状の振動体で十字を形成する各送片の両
側面に電歪素子板を装着した超音波振動子の前記振動板
の出力端面にロータ等の回転体または移動体を圧接し。

前記超音波振動子を、前記振動板の出力端面がその軸方
向またはたわみ方向の直線振動と軸方向及びたわみ方向
に軸をもつ円または楕円振動をなすように、前記各電歪
素子板に相対位相の制御された駆動電圧を印加して、前
記回転体または移動体を駆動するようにしたことを特徴
とするものである。

〔作　用〕

即ち、本発明超音波モータは、振動体に′！Ａ着した電
歪素子板に相対位相の制御された駆動電圧を印加するこ
とにより、振動体の出力端面がその軸方向またはたわみ
方向の直線振動と軸方向及びたわみ方向に軸をもつ円ま
たは楕円振動をなすようにすると共に、振動姿態や回転
方向の制御を可能とした超音波振動子を用いて１回転体
や移動体の速度や方向を制御可能に駆動出来るようにし
たものである。

〔実施例〕

次に本発明の実施例を図に拠り説明するが、まず０本発
明超音波モータに使用する超音波振動子の駆動原理につ
いて説明する。

第１図に示すものは、全屈などの弾性体から成る矩形板
状振動体■の長さ方向中央部両面に、厚さ方向に分極さ
れその両面にａ＜＋の設けられた電歪素子板２及び３を
導電性接着剤などで接着したものであり、電歪７３子板
２の一方の電極４及び電歪素子板３の一方の電極５から
半田付けなどで一接続されたリード端子６及び７が引出
され、それぞれの電歪素子板２及び３の他方の電極は振
動体ｌと′心気的に接続されて共通リード端子８として
取出される。

」−記のように構成された超音波振動子は、そのリード
端子６及び７を並列に接続して共通リード端子８との間
に交流電圧を印加し、その周波数を振動体１の長さ方向
共振周波数に調節すると、従来よく知られているように
、振動体１の両端面９及び１０が最大変位をもって軸方
向に共振振動する。

第２図は第１図に示した振動子の側面図と振動体ｌの一
端面９の振動姿態を示したもので、前記の軸方向共振振
動状態での振動姿態はｄのように表わされる。

上記の振動子において、そのリード端子６及び７と共通
リード端子８との間に互に位相を制御出来る駆動電源を
接続し、その駆動周波数を軸方向共振周波数に調節して
おいて、リード端子６に印加する駆動電圧に対し、リー
ド端子７の駆動電圧の位相を進めると、Ｃのように時計
方向で軸方向を長軸とする楕円振動を発生し、その位相
差を増加して行くと。ｂのように円振動となり、更に、
位相差を増大させると、ａのように軸方向を短軸とする
振動姿態に変化して行く。

また、逆にリード端子７の位相を遅らせると、その位相
差の増加に伴って、［！、　　ｆｌ　ｇのようにその回
転方向は反時計方向に反転して前記と同様に振動姿態が
変化して行くのである。

一方、第１図に示した振動子において、リード端子６及
び７に印加する交流電圧の位相差を１８０度即ち位相を
反転させて、その周波数をたわみ振動周波数に合せると
、振動板１の端面９及びｌＯは第３図に示すように、た
わみ方向即ち軸と直角方向に直線状に振動する。そこで
、その位相差１８０度を基準として、リード端子６及び
７に印加する交流電圧の位相差をさらに進相或は遅相さ
せると、Ｃ′或はＣ′のように、たわみ方向を長軸とす
る時計方向或は反時計方向の楕円振動をなし、さらにそ
の位相差を増加すると、ｂ＋、ａ＋、或はｆ’＋ｇ’の
ように振動姿態が変化して行くのである。

第４図は本発明超音波モータの原理を示すもので、第１
図に示した超音波振動子と同様の超音波振動子における
電歪素子板１２．１３を装着した振動体１１の出力側に
１段部１１ａを設はステップホーン形状として振動子を
構成し、前記撮動体１１の出力端面１４の振動姿態を図
中矢印のように制御して、対向するレール１５の面に押
圧すると、超音波振動子は太矢印の方向に移動するとい
うもので、所謂リニアモータを（音１戊する。

第５図及び第６図は本発明の具体的な実施例を示すもの
で、第４図に示した超音波振動子の１５層動体１１の軸
方向の振動の節部において、上面端部１６をＬ字型に折
曲げたコ字型の振動体保持具１７をボルトにより両側面
から固定してあり、前記振動体保持具１７の両側面の幅
に合せて内側に折曲げられた前記保持具１７の軸方向摺
動自在の案内となるガイド１８をもちコ字型に成形され
たフレーム１９は、その幅を稍広くした下端部の内側に
４個のローラベアリング２０の軸が固定され、また、上
端部内側と保持具１７の上面との間にコイルばねＩＴを
挿入介在させである。

振動体１１の出力端面１４と前記ベアリング２０の間に
レール１５が挿入されると、出力端面１４はコイルばね
Ｈの圧縮力によりレールＩ５に圧接される。

上記のように構成される本発明超音波モータは、上述の
ように所謂リニアモータとして構成したものであって、
電歪素子板１２．１３に、前記出力端部１４が振動体１
１の軸方向及びたわみ方向に軸をもつ楕円振動をなすよ
うに、相対位相の制御された駆動電圧を印加して、出力
端部４の振動姿態を適切な楕円に制御することにより、
超音波モータはレール］５の上をその方向、速度を自在
に変化させて移動することが出来る。

第７図は、矩形板状振動体２１の長さ方向中央部に設け
られた電歪素子板２２及び２３の外面（ＩＩ電極板を軸
方向中心でそれぞれ二つの電極に分割し、それぞれの電
極からリード端子を、更に振動体２１から共通リード端
子を導出した超音波振動子の振動体２１の出力端部側に
、その軸に合せて円板２５を圧接し超音波モータを構成
する原理を示すもので、対角位置の電極同士をそれぞれ
並列に接続して互に位相を制御出来る駆ｎ１ＪｆＪ源に
接続し、その駆動周波数を軸方向共振周波数に合せて一
組のリード端子に印加する駆動電圧に対し、他の一組の
リード端子に印加する駆動電圧の位相を進ませると。

振動体２１の出力端部２４両端の振動姿態は矢印に示し
たようになるのであり、超音波振動子の振動体２１の出
力端部２４両端における振動姿態を図中矢印のように制
御すると１円板２５は軸２６を中心として矢印の方向に
回転する。

第８図は、断面が十字状の振動体３１の十字を形成する
各送片の軸方向中央部両側に゛市歪素子板３２を装着し
て成る超音波振動子の、各電歪素子板３２に印加する駆
動電圧の位相を制御して出力側各端部３３を図中矢印の
ように振動させるようにし１円［３４を振動体３１の軸
に合せてその出力端部３３に圧接して超音波モータを構
成する原理を示すもので、各電歪素子板３２を上記のよ
うに駆動すると１円板３４はその軸３５を中心として矢
印の方向に回転する。

この超音波モータは、第７図々示のそれに比較して１円
板３４の振動体３１との接触面積が２倍となり、同一条
件で２倍の駆動トルクを得られる。

第９図乃至第１１図は第７図に示す超音波モータの具体
的な実施例を示すもので、その詳細について説明す九ば
、次の通りである。

振動体２１はその軸方向の中心部両側面にピン４１がね
じ止めされ、出力端部２４の軸上にピン孔４２が設けら
れている。

円板３３にはその軸３４に同心に浅い円形の座ぐり４３
が設けられろと共に該座ぐり４３の中心に前記ピン孔４
２に嵌挿するピン４４が設けられ、その回転軸３４がベ
アリング４５を介してケース４６に定位置回転自在に装
着されており、円板３３の軸上に固定された前記ピン４
４によりその軸を合せ、また、ケース４６の端部に設け
られた溝４７とピン４１の嵌合により回転方向を固定さ
れて振動体２１がケース４６内に挿入され、フランジ４
８の溝４９をピン４１に合せ、さらにコイルばね５０を
介しカバー５１をケース４６にかぶせて固定し、超音波
モータを構成する。

上記のように構成される超音波モータは、円板３３と振
動体２１の接合面はコイルばね５０により同軸的に加圧
され、駆動電圧による振動姿態の制御により、　４＋１
１１３４をその方向や速度を自在に回転させることが出
来る。

第１２図は、ステップホーン状に形成された振動体６１
の長さ方向中央部に設けられた電歪素子板６２及び６３
の外面側電極板を軸方向中心でそれぞれ２個ずつに分割
し、それぞれの電極からリード端子を、さらに振動体６
１から共通リード端子を導出した超音波振動子を用いた
超音波モータの原理を示すもので、−側の表裏のリード
端子と他側の表裏のリード端子をぞれぞれ並列に接続し
、後者のリード端子に対して前者のリード端子に印加す
る駆！！ＩＩ電圧の位相を進ませて駆動することにより
、振動体６１の出力端面６４を図示のように楕円振動さ
せて、前記出力端面６４に圧接させた円板６５をその軸
６６を中心にして矢印方向に回転させるようにしたもの
である。そのため、振動体６１の出力端面６４は前記円
板６５の円弧に合うように形成しである。

第１３図は第１２図の超音波モータの具体的な名カ成例
を示すもので、中心軸上に２個の溝６７が設けられ耳部
６８が折曲げられたホルダ６９が２個の段付きネジ７０
によりケース７１に軸方向に移動自在に取付けられてお
り、ケース７１の中心軸上に゛はベアリング（図示せず
）が設けられ１円板６５の軸６６の一端が挿入され、軸
６６には前記ベアリングと同様のベアリング７２が挿入
される。

ホルダ６９の耳部６８にはコイルばね７３が取付けられ
、ケース７１に設けられたポスト７４に引張り連繋され
る。また、振動体６１には振動゛の節部にねじ孔７５が
設けられ、該ねじ孔７５を前記耳部６８に設けられたね
じ孔７６に合致させてホルダ６９にねじ止め固定される
。

振動体６１の出力端面６４は円板６５の周上面にコイル
ばね７３の張力により押圧され、その振動姿態の制御に
よって軸６６は正逆転両方向で自在にその回転速度を変
えることが出来る。

以上いくつかの実施例について述べたが、振動体の形状
や厚み及び幅寸法について適宜変更出来ることは勿論で
あり、また、電歪素子板の形状についても２例えば、１
個の電歪素子板において電閾の分割を行なっているもの
を、２個に分離した電歪素子板を用いても、同様の効果
が得られろし。

更に電歪素子板の振動体への取付は位置も軸方向中心部
に限られるものではない。

〔発明の効果〕

本発明は上述の通りであって、超音波振動子に。

振動体の両側面または断面十字状の振動体で十字を形１
反する各辺片の両側面に電歪素子板を装着したものを用
い、この超音波振動子の前記振動体の一端面にロータ等
の回転体または移動体を圧接し、該振動体の出力端面が
その軸方向またはたわみ方向の直線振動と軸方向及びた
わみ方向に軸をもつ円または楕円振動をなすように、前
記各電歪素子板に相対位相の制御された駆動電圧を印加
して前記回転体または移動体を駆動するようにしたから
。

前記回転体等の回転速度や方向は、楕円振動の移動方向
振幅や回転方向を制御することにより８昌に制御出来、
更に接触面の摩擦係数を最大にして摩耗を最小にする振
動姿態に制御して、高信頼性のもとて最大のトルクを発
生することが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明超音波振動子に用いる超音波振動子の一
例の斜視図、第２図及び第３図は前記振動子を駆動する
原理を説明するための側面図、第４図は本発明超音波モ
ータの一例の原理を示す斜視図、第５図は第４図の超音
波モータの具体的な例の断面図、第６図は同じく斜視図
、第７図及び第８図は別例の原理を示す斜視図、第９図
は第７図の超音波モータの具体的な例の断面図、第１０
図及び第１１図は同じく部分図、第１２図は他の別例の
原理を示す斜視図、第１３図はその具体的な例の斜視図
、第１４図は従来の超音波モータの斜視図である。 １　、２１．３１．６１・・・振動体、２　、３　、２
２．２３．３２゜６２、６３・・・電歪素子板、　４　
、２４．３３．６４・・・出力端面、５・・・レール、
２５．３／Ｉ、　６５・・・円板、２６．３５．６６・
・・回転軸

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １　板状振動体の両側面または断面十字状の振動体で十
   字を形成する各辺片の両側面に電歪素子板を装着した超
   音波振動子の前記振動板の出力端面にロータ等の回転体
   または移動体を圧接し、前記超音波振動子を、前記振動
   板の出力端面がその軸方向またはたわみ方向の直線振動
   と軸方向及びたわみ方向に軸をもつ円または楕円振動を
   なすように、前記各電歪素子板に相対位相の制御された
   駆動電圧を印加して、前記回転体または移動体を駆動す
   るようにしたことを特徴とする超音波モータ。