JPS62196078A - 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例であ夛、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、６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波のるようにしである。同図において、
ム、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、ムの電極群とＢの電極群
とは周方向に４分の１波長（＝９０度）の位相ずれがあ
る。電極群ム、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との接着面は第４図に示された面と反対の面であり
、電極はペタ電極である。使用時には電極群ム、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の電極郡部に電圧 Ｖ＝Ｖｇ−ｓｉｎ（ｗｔｌ　　　　　　　　＝−＝−（
１）を印加すると、駆動体３は円周方向に曲げ振動をす
る。第６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シ、同図ａは圧電体２に電圧を印
加していない時、同図すは圧電体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の電極郡部にＶｏ−ｓｉｎ（
ｗｔ）　、電極群Ｂ　Ｋ　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ξ＝ξｏ−ａｏｓ（ｖｔ
−ｋｘ）　　　　　　　・−−−−−（２）で表せる。

（２式は ξ＝ξ。−（Ｃｏ１　（Ｗｔ）　−００ｓ　（ｋＸ）＋
ｓｉｎ　（ｗｔ）　−ｓｉｎ　（ｋｘ）　）−（３１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（ｌｃｘ）と５
ｉｎ（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ム。

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図は駆動体３の表面ム点が進行波の励起により、長
袖２Ｗ、短軸Ｕ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マ＝　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と逆方向
に速度マで駆動される。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れて大きくなる。超音波
モータの速度マは Ｖ　＝　Ｗ−ｕ　ｏｃ　Ｗ・ξｏ−ｈ　　　　　　　　
　　＋＋＋＋＋＋　　（４１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時には、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、駆動体内に蓄
積でき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。

問題点を解決するだめの手段 駆動体として円板を用い、該円板に円周方向に３次以上
、径方向に２次の曲げ振動モードを進行波として励起し
、該進行波を励起する圧電体の電極構造として、該曲げ
振動モードの節円内と節円外に、互いにπ／２だけ位相
の異なる同心円状の電極を有する構造をとる。

作用 駆動体の機械出力を曲げ振動の腹から取り出し、また、
同一占有空間内の質量の大きい円板を径方向２次の高次
曲げ振動モードで用いることにより、駆動体内の蓄積エ
ネルギーを増加して、機械的出力を大きくする。また変
位の比較的小さな所を圧電体により駆動することにより
、圧電体中の機械的損失を小さくして、効率の良い駆動
を可能にする。

実施例 以下、図によ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超音波モータの駆動体の構
造と変位分布と電極構造を示す図である。同図において
、７は中心部に穴のあいた円板膨圧電体、８は穴あき円
板形の弾性体であり、互いに貼付けられて円板形駆動体
９を構成する。

圧電体７に電界を印加すれば、駆動体９はξｒで示され
るようなｒ方向に変位分布をもった曲げ振動をする。圧
電体子の電極構造を下に示す。駆動体９の曲げ振動の節
円の内側と外側にそれぞれ同心円状に電極付けをしてい
る。それぞれの電極五′。

Ｂ′はλ／２に相当する周方向の長さを持つ小電極群よ
り成り、相隣接する小電極群は厚さ方向に互いに反対方
向に分極されている。また圧電体７の裏面はベタ電極で
あり、共通電極として使用される。電極五′、Ｂ′はそ
れぞれ小電極部に一方にｇｉｎ波、他方にｃｏｓ波の電
界を印加すれば、（３式よシ径方向に第１図に示したよ
うな変位分布を持ち、円周方向に進行する弾性波が作ら
れる。

このように駆動のだめの圧電体子の電極ム′、Ｂ′が節
円の近くに置れているので、圧電体７の電極五′、Ｂ′
部での歪が小さく、圧電体子の機械的損失は歪に依存す
るので、損失の小さい効率の良い駆動ができる。圧電体
７の内外周を節円に近づければ損失は小さくなるが、駆
動源である圧電体７の面積が小さくなシ、大きな機械的
出力を取り出せなくなる。従って、必要な機械的出力を
取出すのに最適の圧電体７の大きさと電極構造をとらな
ければならない。

駆動体に円板を用いて、径方向２次の曲げ振動モードを
励起すれば同一占有空間に対しても質量を大きくし、振
幅も全域にわたって大きくできるので、駆動体内の蓄積
エネルギーが大きくでき、従って機械的出力を大きくと
れる。尚、第１図では振動モードとして円周方向に４次
、径方向に２次の曲げ振動を用いている。

なお、曲げ振動モードは、電極構成との関係で外部駆動
周波数を適当に設定することにより選択可能である。

第２図は第１図で説明した駆動体９を使った超音波モー
タの断面図である。同図において、１２は動体で耐磨耗
性のスライダ１ｏと弾性体１１とから成る。スライダ１
０は駆動体９の振動の腹の部分から機械的出力を取り出
せるように、振動の腹の箇所に対応して弾性体１１に貼
付けられている。駆動体９は、振動が阻害されないよう
に、フフエルトやスポンジなどの物質で作られた支持体
１３を介して、土台１４に固定されている。土台１４に
は、回転中心を出すために、回転軸１６が取付けられて
、ベアリング１６を介して、動体１６の位置出しをして
いる。圧電体７の電極五′、Ｂ′に、駆動体９の共振周
波数近傍で、互いにπ／２だけ位相の異なる交流電圧が
印加されると、動体１２が回転する。

尚、本実施例では駆動体として穴あき円板を使用したが
、本発明で使用するモードでは円板の中心部では、はと
んど振動しないので、駆動体として穴のない円板を用い
て、この円板の中心から回転軸を取出すこともできる。

また、圧電体７の曲げ振動による誘起電荷の量を等しい
ように、電極人′、Ｂ′の面積を選べば、同電圧を印加
した時の振幅への寄与率が同じになり（（３）式のξ０
が同じになり）、理想的な進行波が作れる。そのため、
電極面積を上記のように選ばない時よりも効率の良い駆
動ができる。

発明の詳細 な説明したように、本発明では駆動体として同−６何空
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、負荷の影
響を少なくし、加えて節円付近に電極を形成する圧電体
の採用により効率の良い駆動を可能にする。

動体の断面図と変位分布図　　　　　　　　　　、第２
図は第１図の駆動体を使用した超音波モータの構造断面
図、第３図は従来の超音波モータの切振動状態を示すモ
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、を・・・・・・変位分布曲線、ム′、
Ｂ′・・・・・・電極、１ｏ・・・・・・スライダ、１
１・・・・・・弾性体、１２・・・・・・動体、１３・
・・・・・支持体、１４・・・・・・土台、１６・・・
・・・回転軸、１６・・・・・・ベアリング。

第・１図 δ 第５図 αり 第　６　図 第７図 ４（ヒレｙ旬イエ【１１

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （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、前記駆動体
   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、該進行波を励振するための圧電体として、曲げ振動
   の節円外と節円内に同心円状に配され互いに円周方向に
   π／２だけ位相の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. （２）圧電体の２つの電極に上記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、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。