JPS6392278A - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、固体の表面に形成される弾性波を利用して回
転子を回転させる超音波モータに関するものである。

（従来の技術） 一般に弾性体中を伝播する振動波には縦波と横波の二種
類が存在することが知られている。これらの縦波と横波
はそれぞれ独立して弾性体中を伝播するが、弾性体の表
面においては、その境界条件によって錯綜しあい、弾性
波を形成する。

弾性波が形成された弾性体の表面上に、移動体たる固体
を置くと、固体は弾性波の進行方向に沿って移動を開始
する。

例えば特開昭５８−１４８６８２号には、リング状の弾
性体を異なる方向に振動させる二つの振動子を装着し、
それぞれの振動子を異なる位相で振動させることにより
、リング状の弾性体の内周面に円周方向に進行する弾性
波を形成して、リング状の弾性体の内周に挿入した回転
軸を駆動する超音波モータが提案されている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、従来の超音波モータでは弾性波を希望す
る方向に進行させるために、異なる方向に振動する複数
の振動子を使用しなければならず、超音波モータを高価
なものとしていた。

また、複数の振動子を互いに異なる所定の位相で振動さ
せなくてはならず、駆動回路を簡略化することはできな
かった。

そこで本発明は、一方向に振動する振動子で駆動される
超音波モータを構成することを技術的課題とする。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 前述した本発明の課題を達成するために講じた技術的手
段は、電気信号により一方向に振動する振動子と、該振
動素子の出力により回転する回転子と、底面が前記振動
子の出力軸に結合された結合子と、該結合子と一体に形
成され、一端が前記回転子と接触した複数の振動片と、
該複数の振動片のそれぞれ両面に形成され、前記結合子
の前記底面からの距離が異なる複数の段部とを設けたこ
とである。

（作用） 振動子が結合子を振動させると、結合子に一体に形成さ
れた複数の振動片が共振する。ところで、この振動片の
両面には、結合子の底面からの距離が異なる複数の段部
が形成されており、この段部の作用により、複数の振動
片の両面には内部圧力の差が生じる。

この時複数の振動片は、この内部圧力の差を打ち消すよ
うにそれぞれ変形し、結果として複数の振動片はそれぞ
れ強い撓み振動を生じる。

そして、それぞれの振動片の撓み振動により、それぞれ
の振動片の先端は楕円を描いて運動し、振動片の先端に
接触した回転子を回転させる。

（実施例） 以下図面に基づいて本発明の実施例について説明する。

第１図は本発明の超音波モータの一実施例を描いた正面
図である。第２図は本発明の超音波モーフの一実施例を
描いた右側面図、第３図は本発明の超音波モータの一実
施例を描いた左側面図である。また、第４図は第２図ま
たは第３図のＩ−Ｉ断面図である。

以下、第１図を参照して説明する。

はぼ円柱形に形成された金属性のベース１の一端面には
、電気信号により一方向に振動する振動子として圧電セ
ラミックス２ａが装着されている。

圧電セラミックス２ａと金属性のベース１とは機械的、
かつ電気的に接続されている。

さらに、圧電セラミックス２ａのベース１に対向する面
には、共通電極３が形成されている。そして、共通電極
３の圧電セラミックス２ａに対向する面には、圧電セラ
ミックス２ｂが装着されている。圧電セラミックス２ａ
と共通電極３、並びに圧電セラミックス２ｂと共１ｍ電
極３とは共に機械的、かつ電気的に接続されている。圧
電セラミックス２ａ、２ｂは共に円筒形である。

また、圧電セラミックス２ｂの共通電極３に対向する面
には、電極２２が装着されている。さらに、電極２２の
圧電セラミックス２ｂに対向する面には、はぼ円柱形に
形成された金属性の結合子４の底面４ａが装着されてい
る。そして、圧電セラミックス２ｂと金属性の結合子４
とは電極２２を介して機械的、かつ電気的に接続されて
いる。

以下、第４図を参照して説明する。

ベース１の圧電セラミックス２ａが装着された端面には
、ベース１の軸心に沿って穴１９が開けられている。穴
１９の内周面には雌螺子が切られている。また、結合子
４の圧電セラミックス２ａが装着された端面には、結合
子４の軸心に沿って穴２１が開けられている。穴２１は
結合子４を貫通しており、内周面には雌螺子が切られて
いる。

ベース１と結合子４はシャフト９によって結合される。

シャフト９の一端はベース１に開けられた穴１９に挿入
される。シャフト９の一端には雄螺子が切られており、
ベース１の穴１９の内周面に切られた雌螺子と螺合して
固定される。

ベース１に固定されたシャフト９には、絶縁のためにス
リーブ２０が挿入され、さらにスリーブ２０の外周には
圧電セラミックス２ａ、２ｂが挿入される。

さらにシャフト９には結合子４が挿入される。

シャフト９の結合子４を固定する位置には、雄螺子が切
られている。結合子４は、結合子４の穴２１の内周面に
切られた雌螺子と、シャフト９の外周面に切られた雄螺
子を係合することによって、ベースｌと結合される。そ
してこの時、ベース１と結合子４の間で圧電セラミック
ス２ａ、２ｂが挾持され、固定される。

以下、第３図を参照して説明する。

金属製の結合子４には、二つの振動片５．６が結合子４
と一体に形成されている。また、振動片５．６の一端は
回転子７と接触している。

また、振動片５の両面には、段部１０と段部１１が結合
子４と一体に形成されている。段部１０と段部１１とは
、結合子４の底面４ａ（結合子４と圧電セラミックス２
ｂとが接触する面）からの距離が異なるように形成され
ている。同様に、振動片６の両面には、段部１２と段部
１３が結合子４と一体に形成されている。段部１２と段
部１３とは、結合子４の底面４ａからの距離が異なるよ
うに形成されている。

そして、段部１０と段部１３とは結合子４の底面４ａか
らの距離が等しくなるように、また、段部１１と段部１
２とは結合子４の底面４ａからの距離が等しくなるよう
に形成されている。

振動片５，６の一端には回転子７が接触している。回転
子７は両端が開口した円筒状の部材である。回転子７は
金属製の部材で、一端にはシャフト９の直径よりもわず
かに大きい直径を有する開口部が、他端にはスラスト玉
軸受８が挿入される開口部が、それぞれ形成されている
。

回転子７の開口部に挿入されるスラスト玉軸受８の両端
面には、弾性部材２３ａ、２３ｂが接着されている。本
実施例では、弾性部材２３ａ、２３ｂとして合成ゴムを
使用している。回転子７はスラスト玉軸受８と回転子７
の軸芯が一敗するように弾性部材２３ｂに接着されてい
る。そして、スラスト玉軸受８をシャフト９の外周面に
嵌合させることにより、回転子７はシャフト９の外周に
回転可能に支承される。

さらに、シャフト９の一端には、回転子７を固定するた
めの雄螺子が切られており、この雄螺子にはナツト２５
が螺合している。回転子７はスラスト玉軸受８を、弾性
部材２３ａとワッシャ２４とを介してナツト２５で締め
付は固定される。すなわち、回転子７はナツト２５と振
動片５．６との間で挟持され、回転可能に固定される。

本実施例においては、圧電セラミックス２ａ、２ｂが発
生する振動によってナツト２５が緩むことを防止するた
め、ナツト２５をナツト２６にて締め付けている。

以下、第５図を参照して説明する。第５図は本実施例の
超音波モータを駆動するための電気回路図である。

駆動回路１４は振動片１１の共振周波数で発振する発振
回路１５と、発振回路の出力を増幅する電圧増幅回路１
６と、電圧増幅回路１６の出力を増幅する電力増幅回路
１７と、圧電セラミックス２ａ、２ｂと電力増幅回路１
７のマツチングを得るためのインピーダンス変換回路１
８とを備えている。

圧電セラミックス２ａは金属性のベース１と共通電極３
に印加される電圧に応じてシャフト９の軸心方向に伸縮
し、振動を発生する。また同様に、圧電セラミックス２
ｂも共通電極３と電極２２に印加される電圧に応じてシ
ャフト９の軸心方向に伸縮し、振動を発生する。

本実施例の超音波モータは、共通電極３を基準面として
、その両側（ベース１側と結合子４側）の質量がほぼ等
しくなるように製作されている。

さらに、二つの圧電セラミックス２ａ、　　２ｂは共通
の駆動回路１４によって駆動されるので、二つの圧電セ
ラミックス２ａ、　　２ｂは同時に伸縮を繰り返すこと
となる。このため、ベース１と結合子４は互いに逆位相
で振動し、共通電極３を節とした定在波を発生する。

以下、第６図を参照して説明する。第６図は、第３図示
の結合子４をＨの方向から見た側面図である。

結合子４は、その底面４ａに装着された圧電セラミック
ス２ａ、　　２ｂにより、矢印Ａの方向に振動させられ
、結合子４の表面には、矢印Ａの方向に振動する定在波
が形成される。そしてこの時、振動片５の両面には、段
部１０，１１が振動したことによる内部圧力の変化が加
えられる。

振動片５の両面に加えられる内部圧力の変化は結合子４
の底面４ａからの距離が長い段部１０の方が大きくなる
。したがって、振動片５は段部１０．１１により振動片
５の両面に加えられる圧力差によって矢印Ｂの方向に振
動を開始し、振動片５の先端には、矢印Ｂの方向に振動
する撓み波が形成される。

したがって、振動片５の先端には、矢印Ａ方向の定在波
と、矢印Ｂ方向の撓み波を合成した定在波が形成される
。このため、振動片５の先端の一点Ｃの軌跡は、矢印Ａ
方向の振動と矢印Ｂ方向の振動を合成した軌跡を描くこ
ととなる。本実施例においては、矢印Ｂ方向の振動は矢
印Ａ方向の振動によって励振されている。それゆえ、矢
印Ｂ方向の振動と矢印Ａ方向の振動とは一定の関係を有
することとなり、振動片５の先端の一点Ｃの軌跡は楕円
を描くこととなる。

全く同様に、振動片６の両面にも、段部１２゜１３が振
動したことによる内部圧力の変化が加えられる。

このため振動片５と同様に、振動片６の先端にも矢印Ａ
方向の定在波と、矢印Ｂ方向の撓み波を合成した定在波
が形成され、振動片５の先端の一点が描く軌跡は楕円と
なる。

ただし、第３図に示したように、振動片５の両面の段部
１０，１１と振動片６の両面の段部１２゜１３とはシャ
フト９の軸心に対して対称な配置となっているので、振
動片５に発生する撓み波と、振動片６に発生する撓み波
とは互いに逆位相となる。

再び第１図に戻って説明する。

前述したように、振動片５．６の先端には回転子７が接
触している。そして、振動片５，６の先端には、振動片
５．６の先端の一点Ｃを楕円運動させるような、互いに
逆位相の定在波が形成されている。したがって、回転子
７は振動片５，６の先端より回転子７の円周方向に駆動
力を得て回転を始める。

本実施例の超音波モータでは、共通電極３を基準面とし
て、その両側の質量が等しくなるように製作されている
。したがって、本実施例の超音波モータは、共通電極３
を節として振動する。このため、超音波モータの振動に
より圧電セラミックス２ａ、２ｂに加わる応力を減少さ
せ、圧電セラミックス’ｌａ、　　２ｂの経時変化を抑
えることができる。

また、本実施例では、電気信号により一方向に振動する
振動子として圧電セラミックス２ａ、２ｂを使用した例
を示したが、振動子としては特に圧電セラミックス２ａ
、２ｂである必要はない。

たとえば、磁力変化に応じて振動する磁歪素子なども利
用できる。

〔発明の効果〕

本発明は、電気信号により一方向に振動する振動子と、
該振動素子の出力により回転する回転子と、底面が前記
振動子の出力軸に結合された結合子と、該結合子と一体
に形成され、一端が前記回転子と接触した複数の振動片
と、該複数の振動片のそれぞれ両面に形成され、前記結
合子の前記底面からの距離が異なる複数の段部とを備え
た超音波モータである。

このため、一方向に振動する振動子のみで回転子を回転
させることができ、超音波モータを小型化できる。

また、振動子を駆動する駆動回路を簡略化することによ
って、超音波モータの信頼性を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の超音波モータの一実施例を描いた正面
図である。 第２図は本発明の超音波モータの一実施例を描いた右側
面図である。 第３図は本発明の超音波モータの一実施例を描いた左側
面図である。 第４図は、第２図または第３図のｊ−１断面図である。 第５図は本発明の超音波モータを駆動するための駆動回
路を描いた回路図である。 第６図は、第３図に示した超音波モータの結合子を■の
方向から見た側面図である。 １・・・ベース ２ａ、　　２ｂ・・・圧電セラミックス（振動子）３・
・・共通電極 ４・・・結合子 ４ａ・・・結合子の底面 ５．６・・・振動片 ７・・・回転子 ８・・・スラスト玉軸受 ９・・・シャフト １０．１１，１２．１３・・・段部 １４・・・駆動回路 １５・・・発振回路 １６・・・電圧増幅回路 １７・・・電力増幅回路 １８・・・インピーダンス変換回路 １９．２１・・・穴 ２０・・・スリーブ ２２・・・電極 ２３ａ、２３ｂ・・・弾性部材 ２４・・・ワッシャ ２５．２６・・・ナツト

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 電気信号により一方向に振動する振動子と、該振動素子
   の出力により回転する回転子と、底面が前記振動子の出
   力軸に結合された結合子と、 該結合子と一体に形成され、一端が前記回転子と接触し
   た複数の振動片と、 該複数の振動片のそれぞれ両面に形成され、前記結合子
   の前記底面からの距離が異なる複数の段部と、 を備えた超音波モータ。