JPS63268471A

JPS63268471A - 超音波モ−タ

Info

Publication number: JPS63268471A
Application number: JP62100398A
Authority: JP
Inventors: Katsu Takeda; 克武田; Osamu Kawasaki; 修川崎
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1987-04-23
Filing date: 1987-04-23
Publication date: 1988-11-07
Anticipated expiration: 2012-12-10
Also published as: JP2689425B2

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振動体に弾性振
動を励振し、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従来技術につ
いて説明を行う。

第６図は従来の円環形超音波モータの斜視図であり、円
環形の弾性体１の円環面の一方に圧電体として円環形の
圧電セラミック２を貼合せて振動体３を構成している。

４は耐磨耗性材料の摩擦材、５は弾性体であり、互いに
貼合せられて移動体６を構成している。移動体６は摩擦
材４を介して撮動体３と接触している。圧電体２に電界
を印加すると振動体３の周方向に曲げ振動の進行波が励
起され、移動体６を駆動する。尚、同図中の矢印は移動
体６の回転方向を示す。

第７図は第６図の超音波モータに使用した圧電セラミッ
ク２の電極構造の一例を示している。同図では円周方向
に９波の弾性波がのるようにしである。同図において、
Ａおよび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は４分の３波長、Ｄは４分の１波長の長
さの電極である。電極ＣおよびＤは電極ＲＡとＢに位置
的に４分の１波長（＝９０度）の位相差を作っている。

電極ＡとＢ内の隣り合う小電極部は互いに反対に厚み方
向に分極されている。圧電体２の弾性体１との接着面は
、第７図に示めされた面と反対の面であり、電極はベタ
電極である。使用時には、電極群ＡおよびＢは第７図に
斜線で示されたように、それぞれ短絡して用いられる。

以上のように構成された超音波モータの圧電体２の電極
ＡおよびＢにＶ　ｘ−Ｖｏｘｓｉｎ（ωｔ）　　　　　　　　−−−
（１）Ｖ２−Ｖｏｘｃｏｓ（ωｔ）　　　　　　　　−
−−（２）ただし、ｖｏ：電圧の瞬時値 ω：角周波数ｔ：時間で表される電圧Ｖ□およびｖ２をそれぞれ印加すれば、
撮動体３には ξ−ξｏ　×（ｃｏｓ（ωｔ　）ｘｃｏｓ（ｋｘ　）＋
５ｉｎ（ωｔ）ｘｓｉｎ（ｋｘ）） −ｖｏ　ｘｃｏｓ（ＣＩＪ　ｔ−ｋｘ　）　　　　　　
−−−（２）ただし　ξ：曲げ振動の振幅値 ξ０：曲げ振動の瞬時値ｋ　：波数（２π／λ） λ：波長Ｘ　：位置で表せる、円周方向に進行する曲げ振動の進行波が励起
される。

第８図は振動体３の表面のＡ点が進行波の励起によって
、長軸２Ｗ、短軸２ｕの楕円運動をし、振動体３上に加
圧して設置された移動体６が、楕円の頂点近傍で接触す
ることにより、摩擦力により波の進行方向とは逆方向に
Ｖ−ωｘｕの速度で運動する様子を示している。

発明が解決しようとする問題点超音波モータの出力を太き（するためには、振動体の持
っている運動エネルギーを大きくすればよい。運動エネ
ルギーは振動体の質量と速度の２乗に比例するので、撮
動体の質量または速度を増やせば出力を増加できる。超
音波モータの外形が決まれば、質量を増やすためには振
動体の穴の大きさを小さくし、速度を太き（するには振
動の振幅を太き（すればよい。しかし、圧電体の許容歪
みにより、振動の振幅には制限がある。また、従来の超
音波モータは径方向１次、周方向３次以上の円環の曲げ
振動を使用しているので、第９図に示すように、内周近
傍では急に振幅値は小さくなり、振動体の穴を小さくし
ても運動エネルギーはあまり太き（ならない。従って、
従来のように径方向１次、周方向３次以上の円環の曲げ
振動を使用した超音波モータは出力を太き（できないと
いう問題点がある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたもので、同体積で出
力を大きくでき、しがも効率の良い超音波モータを提供
することを目的としている。

問題点を解決するための手段振動体として円板形の撮動体を用い、振動モードとして
径方向２次、周方向３次以上の曲げ振動を用い、振動体
を構成する圧電体の駆動電極として曲げ振動により圧電
体に誘起される電荷の符号が変わる円を境界として、同
心円状に２組の駆動電極を構成する。

作　　用上記のような構成にすることにより、撮動体の内側をも
有効に撮動体の運動エネルギーに寄与するようにして出
力の増大を図り、また、圧電体に誘起される電荷の符号
が変わる円を境界として同心円状に２組の駆動電極を構
成することにより、効率の良い超音波モータを提供する
ことができる。

実施例以下、図面に従って本発明の一実施例について詳細な説
明を行う。

第１図は本発明の超音波モータの構成の概要を示す切り
欠き斜視図である。円板形の弾性体７の主面の一方に、
圧電体として円板形の圧電セラミック８を貼合せて振動
体９を構成している。また、弾性体７の他の主面には、
機械出力取り出し用の突起体１０が構成されている。１
１は耐磨耗性材料の摩擦材、１２は弾性体であり、互い
に砧合せられて移動体１３を構成している。移動体１３
は、摩擦材１１を介して、振動体９に設置された突起体
１０と加圧接触している。圧電体８に電界を印加すると
振動体９の周方向に曲げ振動の進行波が励起され、移動
体１３を摩擦力により駆動する。移動体１３は回転軸１
４を中心にして回転運動を始める。

第２図は径方向２次、周方向３次の曲げ撮動を励振した
時の振動体９の振動変位状態と変位分布図である。径方
向１次の振動モードを使用した時と異なり、内周部でも
変位は急に小さくなることはない。従って、超音波モー
タが同一体積を占有した時、径方向１次の振動モードを
使用した時よりも、振動体９の運動エネルギーを太き（
することができ、大きな出力を取り出せる超音波モータ
を実現できる。

第３図は、径方向２次、周方向４次の曲げ撮動の進行波
を用いた時の円板形超音波モータに用いる円板形圧電セ
ラミックの１例を示す平面図である。同図において、（
ａ）は径方向の変位分布であり、（ｂ）は振動により誘
起される電荷であり、（ｃ）は圧電体の電極構造図であ
る。図中のｒＯは振動により誘起される電荷の符号が変
わる円の半径であり、Ｅｌ、Ｆｌは上記円内に同心円状
に構成され、それぞれ周方向が２分の１波長相当の長さ
を持ち、互いに隣り合う電極部の分極方向が厚み方向に
逆である小電極部から成る電極群である。そして、電極
群Ｅ１、Ｆｌは、周方向に位相が４分の１波長（９０度
）だけずらせて構成されている。従って、電極群Ｅ１、
Ｆｌをそれぞれ短絡し、裏面のベタ電極との間に時間的
に９０度位相の異なる電圧を印加すれば、振動体９に径
方向２次、周方向４次の曲げ振動の進行波が励振される
。

第４図は、径方向２次、周方向４次の曲げ振動の進行波
を用いた時の円板形超音波モータに用いる円板形圧電セ
ラミックのもう１例を示す平面図である。同図において
、（ａ）は径方向の変位分布であり、（ｂ）は振動によ
り誘起される電荷であり、（ｃ）は圧電体の電極構造図
である。図中のｒＯは振動により誘起される電荷の符号
が変わる円の半径であり、Ｆ２は上記円外に、Ｆ２は上
記円内に同心円状に構成され、それぞれ周方向が２分の
１波長相当の長さを持ち、互いに隣り合う電極部の分極
方向が厚み方向に逆である小電極部から成る電極群であ
る。そして電極群Ｅ２、Ｆ２は、周方向に位相が４分の
１波長相当分（９０度）だけずらせて構成されている。

従って電極群Ｅ２、Ｆ２をそれぞれ短絡し、裏面のベタ
電極との間に時間的に９０度位相の異なる電圧を印加す
れば、振動体９に径方向２次、周方向４次の曲げ撮動の
進行波が励振される。

第５図は、径方向２次、周方向４次の曲げ振動の進行波
を用いた時の円板形超音波モータに用いる円板形圧電セ
ラミックの別のもう１例を示す平面図である。同図にお
いて、＜ａ）は径方向の変位分布であり、（ｂ）は振動
により誘起される電荷であり、（Ｃ）は圧電体の電極構
造図である。

図中のｒｏは振動により誘起される電荷の符号が変わる
円の半径であり、Ｆ３は上記円外に、Ｆ４とＦ３は上記
円内にそれぞれ同心円状に構成され、去れそれ周方向が
２分の１波長相当の長さを持ち、互いに隣り合う電極部
の分極方向が厚み方向に逆である小電極部から成る電極
群である。そして、電極群Ｅ３、Ｆ４は、誘起される電
荷の符号が逆である事を考慮して、周方向に逆位相に構
成され、電極群Ｆ３とＦ３、Ｆ４は、周方向に位相が４
分の１波長相当分（９０度）だけずらせて構成されてい
る。従って電極１７ｉＥ３とＦ４を短絡して１つの駆動
電極とし、電極群Ｆ３を短絡して、裏面のベタ電極との
間に時間的に９０度位相の異なる電圧を印加すれば、振
動体９坪径方向２次、周方向４次の曲げ振動の進行波が
励振される。

上記のように、駆動電極を構成すれば、同一電極群内で
の電荷の符号が同じになり、同一電極群内で電荷を打ち
消しあうことがなく、振動体の振動は効率良く励振され
る。

本発明によれば、効率の良い、しかも出力の大きな超音
波モータを提供できる。

発明の効果本発明によれば、撮動モードとして径方向２次、周方向
３次以上の曲げ振動を用い、また、曲げ振動により圧電
体に誘起される電荷の符号が変わる円を境界として、同
心円状に２組の駆動電極を構成することにより、出力の
大きな、効率の良い超音波モータを提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の円板形超音波モータの切り欠き斜視図
、第２図は振動モードとして径方向２次・周方向３次の
曲げ撮動を用いた時の振動体の撮動状態と径方向の変位
分布図、第３図は円板形の超音波モータで使用する１例
の圧電セラミックの平面図、第４図は円板形の超音波モ
ータで使用する別の圧電セラミックの平面図、第５図は
円板形の超音波モータで使用するもう１つ別の圧電セラ
ミックの平面図、第６図は円環形超音波モータの切り欠
き斜視図、第７図は第６図の超音波モータに用いた圧電
体の形状と電極構造を示す平面図、第８図は超音波モー
タの動作原理の説明図、第９図は撮動モードとして径方
向１次、周方向８次の曲げ振動を用いた時の振動体の振
動状態と径方向の変位分布図ある。７・・・・・・弾性体、８・・・・・・圧電体、９・旧
・・振動体、１０・・・・・・突起体、１１・旧・・摩
擦材、１２・・・・・・弾性体、１３・・・・・・移動
体、１４・旧・・回転軸。代理人の氏名　弁理士　中尾敏男　はが１名第１図か２図第３図第　４　図第５図第６図第８図に◇ 傭の違１？１勺第９図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）　圧電体を交流電圧で駆動して、該圧電体と弾性
体とから構成される円板形振動体に径方向２次、周方向
３次以上の曲げ振動の進行波を励振することにより、該
振動体上に接触して設置された移動体を移動させる超音
波モータにおいて、該曲げ振動により該圧電体に誘起さ
れる電荷の符号が変わる円を境界として、同心円状に２
組の駆動電極を構成することを特徴とする超音波モータ
。
（２）　圧電体に誘起される電荷の符号が変わる円内に
同心円状に２組の駆動電極を構成することを特徴とする
特許請求の範囲第１項記載の超音波モータ。
（３）　圧電体に誘起される電荷の符号が変わる円内に
１組、該円外に１組、同心円状に計２組の駆動電極を構
成する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。
（４）　圧電体に誘起される電荷の符号が変わる円内に
２組、該円周外に１組の同心円状の駆動電極を設け、該
円周内の任意の１組と該円周外の１組を新たな１組の駆
動電極とし、該円周内の他の１組と計２組の駆動電極と
する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。