JPS62203570A

JPS62203570A - 超音波モ−タ

Info

Publication number: JPS62203570A
Application number: JP61038801A
Authority: JP
Inventors: Hideo Adachi; 日出夫安達; Tomoki Funakubo; 朋樹舟窪
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1985-11-21
Filing date: 1986-02-24
Publication date: 1987-09-08
Anticipated expiration: 2009-08-24
Also published as: JPH0667221B2

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〕本発明は厚みすべり圧電振動子および厚み九て圧電振動
子を用い九超音波モータに関する。

〔従来の技術〕

超音波モータは電磁タイプのモータに比べて効率がよい
上、小型・薄型化できる利点がある。

さらにモータ内部に空胴がなく、ゴミ等を巻込むおそれ
がないので信頼性が高い利点がある。

ま友騒音が少ないという利点もある。し九がって近年そ
の研究が盛んに進められている。しかしながら以下説明
するように、いくつかの解決丁べき問題があり、現状で
は実用化されるには至っていない。

第１１図（＆）、（ｂ）は従来の超音波モータのうち、
回転型と称されるものを示す図である。図に示すように
、ベース１上にフェルト２を介して一対のバイモルフ構
造の圧を素子、７が円墳状に配置されている。この圧１
ｋＬ素子３に、励振される振動がｕ　＝　Ａｃｏｓ　（ｗｔ−ｎθ）なる進行波を実現する工うに信号電圧を印加することに
より、上記圧°ｔｌＬ素子３上に弾性リング４、スライ
ダ５を介して載置されたシャフト６ａを有するロータ６
を回転させるものとなっている。なお７は軸受である。

上式中、Ａは振動振幅、ｗは釡動数、ｔは時間、ｎは振
動の次数、θは位置金示している。

第１２図は従来の超音波モータのうち、ランジェバン振
動子を用いたものを示す図である。

８がランソエバン蛋動子であり、９が振動片であり、１
０がロータである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

第１１図（ａ）、（ｂ）に示した超音波モータは、いず
れの方向にも回転可能であり、構造的に４型化をはかり
易い特徴を有しているが、変換効率が高々２５％程度で
あシ、低効率な欠点がある。

第１２図に示しｆｃ超音彼モータは、変換効率は６０％
以上で高効率な利点があるが、一方への回転しかできな
いという欠点がある。

超音波モータの効率は、基本的には電気信号を機械的振
動に変換する圧電素子の変換効率の大きさく即ち電気機
械結合定数の２乗に２）と、発生し次振動を効率よく共
振させる共振度合（即ち振動系の機械的Ｑの大きさ）と
を相乗した値によって決まる。電気機械結合定数の２来
に２は、用いる圧電素子の材質および振動姿態により決
定される。その材質としては一般にに２の大きなＰＺＴ
　（ゾルコンチタン酸鉛）が用いられる。そして特にＰ
ＺＴの中でもに２の比較的大きなソフト系の材料が用い
られることが多い。一方、振動姿態に関しては例えば第
１１図（１）ｔ（ｂ）に示し之屈曲振動を用い友ものは
、厚みよこ効果を利用し次ものであり、その電気機械結
合定数に３１は、次の表に示すように他の振動姿態たと
えば厚みすべり振動の結合定数に１５や厚みたて振動の
結合定数に、３に比べて小さい。すなわちに２で対比す
ると、１１５程度の大きさである。

し友がって本来、振動源としては厚みすベリ振動あるい
は厚みたて振動を利用する方が、高効率化をはかれる筈
である。しかし第１１図（１）。

（ｂ）のように円環上に進行波を励起するには屈曲振動
を用いるのが構造上最も簡単であるため、厚みすべり振
動や厚みたて振動は利用されていないのが実情である。

変換効率に影響を及ぼすもう一つの要因である機械的Ｑ
を向上さる一般的な手段としては、振動源である圧Ｎ、
素子と、高い機械的Ｑを有する材料たとえばアルミニウ
ム、チタン、ステンレス等（１−’一体化し、全体で共
振させる手段が採用される。上記Ｑの高い材料の体積を
、圧電素子の占める体積に比べてかな９大きくとｎば、
芙質的にＱの大きな部材内での共振と同等の状態を呈す
ることになる。このような考え方を利用し友のが、ラン
ジェパン振動子である。ランジェバン振動子は振動姿態
として厚みたて振動を用いているので、他の蚕動子に比
べて大きなエネルギー変換効率を有している。したがっ
てワイヤボンダー、超音波溶接、超音波洗浄器などに広
く利用されている。

前記第１２図に示し几モータは、２ンジエパン振動子を
用いｔものであるため、変換効率の点では問題がないが
、このランジェパン振動子の長さ方向への変位を回転ま
几はＩＪ　ニア変位に変換する几めには、第１２図に示
したように口−タ１０を角度αだけ傾ける必要がある。

その結果、一方向への回転ま九は移動しか行なえないこ
とになる。

そこで本発明は、変換効率が高い上、いずれの方向へで
も回転ないし移動が可能であシ、シかも大きなトルクを
得ることが可能な超音波モータを提供することを目的と
する。

〔間４点を解決するための手段〕本発明は上記問題点を解決し目的を達成する友めに、次
の如き手段ｔｇじた。

第１の発明においては、機械的Ｑの大きな材料にて形成
されたコ字状部材やＴ字状部材等からなる振動部材に、
厚みすべり圧電振動子と厚みたて圧電振動子とを取付け
、上記振動部材に上接した回転子を上記両振動子の振動
の組合わせにより回転させるようにした。

第２の発明においては、厚み丁べ９圧電振動子を、機械
的Ｑの大きな材料にて形成され九コ字状部材の空隙部内
に挾持し、コ字状部材の両肩部に厚みたて圧電振動子を
取付け、この上に一側面が接触可能な如く回転子を配置
するようにし次。

第３の発明においては、機械的Ｑの大きな材料にて形成
され九丁字状部材の垂直部における両側辺に溢って一対
の厚みすべり圧電振動子をそれぞれ取付け、この一対の
厚みすべり圧電振動子の電極面を、機械的Ｑの大きな材
料にて形成されたコ字状部材の空隙部内に挾持し、コ字
状部材の結合部外側面上に一側面を接触可能な如く回転
子を配置すると共に、前記Ｔ字状部材の底部に厚みたて
圧電振動子を取付けるようにし比ゆ〔作用〕このような手段を講じ九ことにより、次のような作用を
生じる。

第１の発明においては、振動姿態が厚みすべり振動およ
び厚みたて振動を利用するものとなシ、大きな電気機械
変換定数を確保できる上、振動系全体が機械的Ｑの高い
ものとなるので、変換効率が著しく改善されることにな
る。

第２の発明においては、第１の発明における作用を生じ
るのは勿論、厚みすべり圧電振動子と厚みたて圧電振動
子との励振位相を変えてやるだけで正、逆回＠を任意に
行なわせ得るものとなる。

第３の発明においては、第１．第２の発明における作用
を生じるのは勿論、２ケ所に設けた厚みすべり圧電振動
子により大きな変位量が得られ出力トルクが著しく増大
することになる。

〔実施例〕

ｗＪ１図〜第６図は本発明の第１芙施例を示す図である
。

第１図は全体的構成を示す斜視図であり、第２図はその
側面図であり、第３図は第２図の矢印Ａ−Ａ断面図であ
る。第１図〜第３図において１１はＰＺＴ等の電気機械
結合定数の大きな厚みすべり圧を振動子であり、この振
動子１ノは例えばニリンパー、鉄、チタン、アルミニウ
ム等の機械１ｆｆＱの大きな振動部材すなわちコ字状部
材１２の空隙部に挾み込まれ、かつニーキシ樹脂等の接
着剤で接着固定されている。このコ字状部材１２の結合
端外側面の両肩部には一対のＰＺＴからなる厚みたて圧
電振動子１３１Ｌ。

１３ｂが取付けである。そしてこの厚みたて圧電振動子
１３ｍ、１３ｂに一側面が接触可能なようにシャツ）７
４ｍを有する回転子１４が配置されている。一方、前記
コ字状部材１２の下端部間側面には、例えばネオプレン
ゴム等の弾性部材Ｉｓ、１６が取付けてあシ、超音波モ
ータ全体を安定に保持している。そして端子ＴＩ。

Ｔ２には超音波モータにおける振動系全体の兵長周波数
に等しい周波数を有する交流電気信号が印加されると共
に、端子Ｔ　Ｊ　、ｊ　４およびＴ５　、Ｔ６には上記
交流電気信号の位相に合っ穴電気信号が選択的に印加さ
れるものとなっている。

次のように構成された本実施例の動作を第４図および第
５図を適時参照して説明する。

第４図は主要部を分解して示した斜視図であり、第５図
は厚みすべり圧電振動子１１の動作原理を示す図である
。第５図に示すように、厚みすべり圧電振動子１１は、
二枚の振動子１１ｈ、ｌｌｂを貼合わせた構造を有して
おり、端子ＴＩ、Ｔ２間に振動系全体の共振周波数に相
当する周波数を有する交流電気信号を印加すると、その
両側面にＭ、Ｎなる丁ベリ振動が起こる。この場合、一
枚の振動子だけのときに比べ、同電圧印加で相対的変位
は２倍になる。このような厚みすべり圧２＃ｉ動子１１
を、第４図示の如く、コ字状部材１２に挾み込んだ状態
で振動させると、コ字状部材１２の結合部（頂部）には
、矢印で示すように中心軸を中心とした振り子運動が発
生する。このような振υ子運動を生じたコ字状部材１２
の結合部上に回転子を直接載せても、回転子は振り子運
動を行なうだけで回転はしない。しかるにコ字状部材１
２の上には厚みたて圧Ｋｍ動子１３＊、１３ｂが載置さ
れており、矢印で示す如く厚み方向に振動するものとな
りている。したがって前記振９子運動との同期をとって
やることにより、回転子に回転運動を行なわせ得る。上
記両振動を逆位相で行なわせると、反対方向への回転運
動が生じる。

第６図は上記第１実施例の一部変形例を示す側面図であ
る。この変形例は一対の厚みすべり圧電振動子１１ｈ、
Ｉｌｂによって挾持されている金属板１１ｃをより厚い
ものとし、かつその延長部位にネジ′に１７　ｍ　、　
１７　ｂ　ｆ有する保持部材１７を設けた例である。

このような構成にすれば保持部材１７により超音波モー
タの細心が保持されているので、回転の軸ずれ等の発生
がなく安定性が増すことになる。九だし、保持部材１２
の材質如何によっては振動が上記保持部材１７ｔ−介し
て洩れてしまい効率低下を招くので注意を要する。

ところで、本発明者らは上記第１実施例の超音波モータ
における出力トルクを増大させることに関して種々検討
を加えた。その結果、厚み丁ベシ圧を振動子１１は、コ
字状部材１２に対して必らずしも第１実施例に示したよ
うな位置に取付ける必要がないことを発見し次。すなわ
ち厚みすべり圧電振動子１１による厚みすべり振動が、
コ字状部材１２の結合部における両肩部において回転運
動に変換される適程において、第４図中破巌矢印で示す
ように、コ字状部材１２の両側部位に変位成分ａ、ｂお
よびｅ、ｄが存在していることがわかり７ｔ、　したが
りてコ字状部材１２の上記変位成分ａ、ｂおよびｃ、ｄ
が発生する部位に、一対の厚みすべり圧ｉｆ位素子をそ
れぞれ直接的に配置するようにすれば、変位量が増え、
出力トルクが増大することが予測できる。

第７図〜第１０図は、上記のような事情に基いて構成し
ｔ本発明の第２冥施例を示す図である。なお第１図〜第
６図と同一部分には同一符号を付して、その部分の詳細
な説明は省略する。

第７図は回転子を省略した主要部の構成を示す斜視図で
あり、第８図は回転子金倉め九全体的構成を示す側面図
である。なお第１図〜第６図と同一部分には同一符号を
付してあり、その部分の詳細な説明は省略する。

第７図および第８図において、２１．２２は電極面方向
に分極処理を施した一対の厚みすべり圧電振動子であり
、２３は例えばニリンパー、ステンレス、チタン、アル
ミニウム等の機械的Ｑの大きな材料からなる振動部材と
してのＴ字状部材である。一対の厚み丁ベシ圧電振動子
２１．２２は、Ｔ字状部材２３の画面部両側辺に沿って
それぞれ取付けられている。上記厚みすべり圧電振動子
２１．２２におけるＴ字状部材２３の同一面側に接着さ
れる素子どうしは、分極方向が逆になるように接着され
ており、ま７？−Ｔ字状部材２３を隔てて対向している
素子どうしも分極方向が互いに逆方向となるように接着
されている。そして上記一対の厚み丁ベシ圧電振動子２
１．２２の両側面を、その空隙部内に挾持するように、
機械的Ｑの大きな材料からなるコ字状部材１２が設けら
ｎている。なお、厚みすべり圧電振動子２１．２２の各
素子表面にはＡｇ　ｒ　Ｎｉ等のｔ極（不図示）が設け
てあり、金属製のＴ字状部材２３と金属製のコ字状部材
１２との間が導通するように、互いに接着されている。

Ｔ字状部材２３の水平部の底面には、厚みたて圧電振動
子２４が接着固定されている。

なお、コ字状部材１２の結合部における肩部１２ｇ、１
２ｂには、回転子１４がその一側面を接触するように配
置されている。

このように構成され九本実施例においては、熾子Ｔｌ、
Ｔ２にこの超音波モータが有している共振周波数に相当
する交流電気信号を加えると、コ字状部材１２の肩部１
；ｊ＊、１２ｂは、撮り子運動をする。このｔまでは上
記肩部１２＆。

１２ｂに上接し次回転子１４は回転しない。そこで、上
記振り子運動の周期に同期し几励振入力を端子Ｔ３を介
して厚みたて圧電振動子２４に印加する。そうすると、
回転子１４は一方向に回転する。ま几厚み九て圧電振動
子２４に加える上記励振入力の位相を、周期を変えずに
反転させると、回転子１４は逆方向に回転する。

なおコ字状部材１２の肩部１２＊、１２ｂの上面に若干
の凹凸を付け、回転子１４との１＄擦抵抗を増すように
すれば、回転力が回転子１４に効率よく伝達される。

第９図および第１０図は上記第２実施例の一部を変形し
九個を示す斜視図である。第９図に示すものは、コ字状
部材１２の結合部中央に、切９込み部２５を設は九個で
ある。

このような構成にすれば、矢印ｅ、ｆ、ｇおよびり、ｉ
、ｊで示すように、回転駆動時におけるコ字状Ｓ材１２
の肩部１２ｍ、１２ｂに生じる変位が、同時に効率よく
生じるものとなる。

第１０図に示すものは、第９図と同様に切９込み部２５
を設けると共に、肩部１２ｍ、１２ｂの前後両端部に、
凹溝２６ｍ、２６ｂ、２７＊。

２７ｂを設は九個である。

このような構成にすれば、肩部１２ｍ、１２ｂに「てこ
動作」が生じることになシ、第９図のものより更に回転
変位量が増し出力トルクが増大することになる。

なお本発明は前記各実施例に限定されるものではなく、
本発明の要旨を逸脱しない範囲で種種変形実施可能であ
るのは勿論である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、第１に振動姿態が厚みすべり振動およ
び厚みたて振動を利用し次ものとなるので、大きな電気
機械変換定数を確保できる上、振動系全体が機械的Ｑの
高いものとなシ、変換効率が著しく改嵜されることにな
る。第２に厚みすべり圧電振動子と厚みたて圧電振動子
との励振位相を変えてやるだけで、正回転、逆回転を任
意に行なわせ得るものとなる。第３に２ケ所に設は九厚
みすべり圧電振動子により、変位量が増し出力トルクが
増大することになる。

かくして本発明によｎは、変換効率が高い上、いずれの
方向へでも回転ないし移動が可能であり、しかも大きな
出力トルクを得ることが可能な超音波モータを提供でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第６図は本発明の第１実施例を示す図で、第１
図は全体的構成を示す斜視図、第２図は側面図、第３図
は第２図のＡ−Ａ断面図、第４図は主要部分解斜視図、
第５図は厚みすべり圧電振動子の動作原理を示す図、第
６図は一部変、形し九個を示す側面図である。第７図〜
第１０図は本発明の第２実施例を示す図で、第７図は主
要部の構成を示す斜視図、第８図は全体的構成を示す側
面図、第９図および第１０図はそれぞれ一部を変形させ
た例を示す斜視図である。第１１図（ａ）　（ｂ）およ
び第１２図はそれぞれ従来例を示す図である。１１．２１．２２・・・厚みすべり圧電振動子、１２・
・・コ字状部材、１２＊、１２ｂ・・・肩部、１３ｍ、
１３ｂ、２４・・・厚みたて圧電振動子、１４・・・回
転子、１５．１６・・・弾性部材、１７・・・保持部材
、２３・・・Ｔ字状部材、２５・・・切り込み部、２６
ｈ、２６ｂ、２７ｈ、２７ｂ・・・凹溝。出願人代理人　　弁理士　坪　井　　　陣第　１　因第３図〜第５図第９図第１０図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）　機械的Ｑの大きな材料にて形成された振動部材
に、厚みすべり圧電振動子と厚みたて圧電振動子とを取
付け、上記振動部材に上接した回転子を上記両振動子の
振動の組合わせにより回転させるようにしたことを特徴
とする超音波モータ。
（２）　厚みすべり圧電振動子と、この厚みすべり圧電
振動子を空隙部内に挾持するように機械的Ｑの大きな材
料にて形成されたコ字状部材と、このコ字状部材の結合
部外側面の両肩部に取付けられた一対の厚みたて圧電振
動子と、これらの厚みたて圧電振動子の上に一側面を接
触可能な如く配置された回転子とを具備したことを特徴
とする超音波モータ。
（３）　機械的Ｑの大きな材料にて形成されたＴ字状部
材と、このＴ字状部材の垂直部両側辺に沿ってそれぞれ
取付けられた一対の厚みすべり圧電振動子と、この一対
の厚みすべり圧電振動子の電極面を空隙部内に挾持する
ように機械的Ｑの大きな材料にて形成されたコ字状部材
と、このコ字状部材の結合部外側面上に一側面を接触可
能な如く配置された回転子と、前記Ｔ字状部材の底部に
取付けられた厚みたて圧電振動子とを具備したことを特
徴とする超音波モータ。