JP2000295877A

JP2000295877A - 超音波モータ

Info

Publication number: JP2000295877A
Application number: JP11130409A
Authority: JP
Inventors: Ryotaro Matsumura; 亮太郎松村; Mie Hiruma; 三恵蛭間; Takao Kusuda; 隆男楠田; Kiyoshi Miyashita; 淑宮下
Original assignee: SERATEKKU KK
Current assignee: SERATEKKU KK
Priority date: 1999-04-02
Filing date: 1999-04-02
Publication date: 2000-10-20

Abstract

(57)【要約】【課題】超音波モータにおいて、高トルクで、且つ左右
回転の切り替えを円滑に行なうことを課題とする。【解決手段】円環状の振動体３の一方の面または両面
に、振動体３を屈曲振動させるために適切な電極を形成
した電気機械変換素子４を接合し、一方の面に接合した
場合は他方の面の、両面に接合した場合は電極面の適切
な位置に駆動子５ａ〜５ｈを設け、振動体３の内側に支
持体６をはめ合わせることにより振動体３を支持し、電
気機械変換素子４に形成した各電極に所定の周波電圧を
印加し、振動体３を屈曲振動させ、駆動子５ａ〜５ｈに
加圧接触させた移動体７を移動させることにより、駆動
力を得る超音波モータである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は圧電素子または電歪素子
のような電気機械変換素子を用いて、その電気機械変換
作用により、駆動力を発生させる超音波モータに関し、
特に屈曲振動を利用した定在波型超音波モータに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、金属などの弾性体からなる円板状
または円環状の振動体の一方の面に、振動体を屈曲振動
を励振させるために分割された複数の電極を有した圧電
素子を接合し、電極に周波電圧を印加することにより振
動体に屈曲振動を励振させ、振動体の他方の面に設けら
れた突起を介して、屈曲振動を回転運動に変換し、突起
に加圧接触させた移動体を摩擦駆動させ、駆動力を得る
ようにした定在波型の超音波モータは公知である。この
種の超音波モータは、例えば、特開平２−２８７２８１
号公報に開示されているように、円板状の振動体の一方
の面に、圧電素子または電歪素子を接合し、振動体が均
等な定在波を発生するように圧電素子を適切に分割、ま
たは電極パターンを形成するとともに、振動体の他方の
面に定在波の腹と節の中間位置に１つおきに突起を設
け、圧電素子または電歪素子に周波電圧を印加すること
によって、振動体にたわみ定在波を発生させ、突起に加
圧接触させた移動体を摩擦駆動させるようにしたもので
ある。また周波電圧を印加する圧電素子または電歪素子
を切り換えることにより定在波の腹と節の位置関係が位
相的に９０°ずれるため、移動体の回転方向を切り換え
ることが可能であるとしている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、超音波モー
タを基台に取付ける手段というのは、重要な課題の１つ
となっている。それは振動体全体が振動しているため、
振動を阻害しないように支持または固定しなければなら
ないからである。そのため、振動体の振動を効率よく安
定に取り出すために、超音波モータにおいては振動に対
してあまり影響を及ぼさない振動体の振動の節の部分を
支持または固定することが一般的である。例えば、円板
状の超音波モータの場合は振動体の中心、外周側面また
は内周側面の振動の節の部分を支持または固定する。し
かしながら、上記の手段で支持または固定しても振動体
の振動にまったく影響を及ぼさないということはなく、
少なからず振動を阻害してしまう。その結果、モータの
性能低下、また左右回転におけるそれぞれの回転方向で
の性能の差異が生じる原因になるという問題を有してい
る。

【０００４】また、振動体の屈曲振動を利用する超音波
モータは、一般的に、金属などの弾性体からなる振動体
の一方の面に、振動体を屈曲振動を励振させるために分
割された複数の電極を有した圧電素子を接合し、電極に
周波電圧を印加することにより、振動体に屈曲振動を励
振させ、振動体のもう一方の面に設けられた突起を介
し、前記突起に加圧接触させた移動体を摩擦駆動させる
という構成となっている。しかしながら、従来のような
上記超音波モータは振動源となる圧電素子を振動体の一
方の面にしか接合できず、また駆動力を発生させる突起
も一方の面にしか設けることができないため、最大トル
クは数ｋｇｆ・ｃｍが限界となっている。その結果、よ
り大きなトルクを必要とする場合には変速機構を設ける
ことが必要となり、機構が複雑にならざるを得ないとい
う問題を有している。

【０００５】本発明の目的は上述の問題点を解決するこ
とができる超音波モータを提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明による超音波モータの特徴は、内周面に凹凸を
有する円環状の振動体と、該振動体の一方の面に接合さ
れた円環状の圧電素子または電歪素子からなる電気機械
変換素子と、前記振動体を屈曲振動させるために前記電
気機械変換素子に設けられた複数の電極と、前記振動体
の他方の面上にあって前記屈曲振動の腹と節の間に設け
られた複数個の駆動子と、前記振動体の内周面の凹凸に
はめ合わされた外周面に凹凸を有する支持体と、前記駆
動子に加圧接触させた移動体からなるようにした点であ
る。

【０００７】また、内周面に凹凸を有する円環状の振動
体と、該振動体の両面に接合された円環状の圧電素子ま
たは電歪素子からなる電気機械変換素子と、前記振動体
を屈曲振動させるために前記電気機械変換素子に設けら
れた複数の電極と、前記電極面上にあって前記屈曲振動
の腹と節の間に設けられた複数個の駆動子と、前記振動
体の内周面の凹凸にはめ合わされた外周面に凹凸を有す
る支持体と、前記駆動子に加圧接触させた移動体からな
るようにした点である。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下に図面を参照して本発明の実
施例について詳細に説明する。第１図は本発明による超
音波モータの第１実施例の図であり、（イ）は平面図、
（ロ）は断面図、（ハ）は底面図である。本実施例にお
いて、超音波モータ１はアルミ合金、ステンレス、黄
銅、鉄などの導電性の弾性体からなる内周面に凹凸を有
する円環状の振動体３と、振動体３の一方の面に接着な
どの公知の手段で圧電素子または電歪素子からなる円環
状の電気機械変換素子４を接合させたユニモルフ構造と
なっている。振動体３と電気機械変換素子４を接合する
ことにより、単体では径方向に伸縮振動をする電気機械
変換素子４を振動体３と電気機械変換素子４を一体とし
たの屈曲振動に変換している。

【０００９】振動体３を屈曲振動させるためには電気機
械変換素子４の円周方向に複数の電極を設ける必要があ
り、左右両方向の回転を可能にするためには４の倍数
（４、８、１２・・・）の電極を設ければよい。本実施
例では、第１図（ハ）のように、電気機械変換素子４の
円周方向に１６分割の電極ａ１、ａ２、ａ３、ａ４、ｂ
１、ｂ２、ｂ３、ｂ４、ｃ１、ｃ２、ｃ３、ｃ４、ｄ
１、ｄ２、ｄ３、ｄ４を形成し、第２図のようにリード
線Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄで結線している。

【００１０】また、上記電気機械変換素子４の円周方向
に１６分割された電極はａ１、ａ２、ａ３、ａ４、ｃ
１、ｃ２、ｃ３、ｃ４を主振動用電極とし、ｂ１、ｂ
２、ｂ３、ｂ４、ｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４を切替用電極
としており、主振動用電極は切替用電極より面積を大き
くしている。

【００１１】また本実施例では、第１図のように、振動
体３に電気機械変換素子４を接合した面の他方の面上
で、前記電気機械変換素子４に形成された切替用電極ｂ
１、ｂ２、ｂ３、ｂ４、ｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４の裏側
に位置する領域に駆動子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５
ｅ、５ｆ、５ｇ、５ｈを設けている。この結果、各駆動
子は振動体３の屈曲振動の腹と節との間に位置すること
となる。なお駆動子は前記振動体３と一体、または別部
材を接合したものでもよい。

【００１２】電気機械変換素子４は厚み方向に、且つ同
一方向に分極されており、リード線Ａ、Ｂに所定の周波
電圧を同一位相で、またリード線Ｃ、Ｄには前記周波電
圧を逆位相で同時に印加する。すなわち、電極ａ１とｂ
１、ａ２とｂ２、ａ３とｂ３、ａ４とｂ４のように組合
わせた電極に前記所定の周波電圧を同一位相で、また電
極ｃ１とｄ１、ｃ２とｄ２、ｃ３とｄ３、ｃ４とｄ４の
ように組合わせた電極に前記周波電圧を逆位相で同時に
印加することにより、振動体３は第４図（イ）、（ロ）
のようにを振動の節とする屈曲振動を交互に行なう。
その結果、振動体３の一方の面に設けられた各駆動子が
微小に偏位し、第４図（イ）の場合には駆動子５ａ、５
ｃ、５ｅ、５ｇで、第４図（ロ）の場合には駆動子５
ｂ、５ｄ、５ｆ、５ｈで、各駆動子に加圧接触させた図
示していない移動体を紙面右方向に移動させる。

【００１３】上述と同様にしてリード線Ａ、Ｄに所定の
周波電圧を同一位相で、またリード線Ｂ、Ｃには前記周
波電圧を逆位相で同時に印加する。すなわち、電極ａ１
とｄ４、ａ２とｄ１、ａ３とｄ２、ａ４とｄ３のように
組合わせた電極に前記所定の周波電圧を同一位相で、ま
た電極ｂ１とｃ１、ｂ２とｃ２、ｂ３とｃ３、ｂ４とｃ
４のように組合わせた電極に前記周波電圧を逆位相で同
時に印加することにより、振動体３は第５図（イ）、
（ロ）のようにを振動の節とする屈曲振動を交互に行
なう。その結果、振動体３の一方の面に設けられた各駆
動子が微小に偏位し、第５図（イ）の場合には駆動子５
ｂ、５ｄ、５ｆ、５ｈで、第５図（ロ）の場合には駆動
子５ａ、５ｃ、５ｅ、５ｇで、各駆動子に加圧接触させ
た図示していない移動体を紙面左方向に移動させる。

【００１４】また本実施例では、第１図のように、円環
状の振動体３の内周面の凹凸に金属またはプラスチック
からなり、外周面に凹凸を有する円板状または円環状の
支持体６をはめ合わせ、支持体６で振動体３を支持し、
支持体６を図示していない基台８に固定する構成となっ
ている。なお本実施例では、振動体３と支持体６のはめ
合わせ部は、凹凸を１つ設けただけの単純な円形となっ
ているが、接触面積を大きくするためには、円形より歯
車形、スプライン形、セレーション形のほうが好まし
い。

【００１５】第６図は本発明による超音波モータの第２
実施例の図であり、（イ）は平面図、（ロ）は断面図で
ある。本実施例において超音波モータの振動体２はアル
ミ合金、ステンレス、黄銅、鉄などの導電性の弾性体か
らなる内周面に凹凸を有する円環状の振動体３と、振動
体３の両面に接着などの公知の手段で円環状の電気機械
変換素子４を接合させたバイモルフ構造となっている。

【００１６】振動体３の両面に接合された２枚の電気機
械変換素子４には、第１実施例と同様に、円周方向に１
６分割の電極ａ１、ａ２、ａ３、ａ４、ｂ１、ｂ２、ｂ
３、ｂ４、ｃ１、ｃ２、ｃ３、ｃ４、ｄ１、ｄ２、ｄ
３、ｄ４を形成しており、電極の位置関係は表裏対称と
なっている。

【００１７】振動体３の両面に接合された２枚の電気機
械変換素子４に形成された電極ｂ１、ｂ２、ｂ３、ｂ
４、ｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４の面上には、第６図（イ）
のように、駆動子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５
ｆ、５ｇ、５ｈを接着などの公知の手段で接合してい
る。なお、駆動子を振動体の両面に設け、振動体の両面
から駆動力を発生させる手段として、電気機械変換素子
の両面に２枚の振動体を接合する手段が考えられるが、
製造コストの面あるいは絶縁性の面からしてあまり好ま
しくない。

【００１８】超音波モータの振動体２の配線パターン、
動作方法および原理、振動体３の振動の状態、支持方法
等については、第１実施例と同様につき、ここでの詳細
な説明は省略する。

【００１９】

【発明の効果】本発明は、上述のように、内周面に凹凸
を有する円環状の振動体の内側に支持体をはめ合わせ、
支持体を固定する構成にすることにより、振動体の振動
を阻害することなく、効率のよい、安定した駆動力を得
ることが可能となる。また、振動体は自由に振動できる
ため、左右回転の切り替えにおいて、振動の腹と節の位
置が明確になり、回転の切り替えを円滑に行なうことが
可能となり、且つ左右回転の性能の差異を縮小すること
が可能となる。

【００２０】また、電気機械変換素子を振動体の両面に
接合したバイモルフ構造とし、駆動子を電気機械変換素
子に形成された所定の電極面上に設けることによって、
従来、振動体の一方の面からのみ発生させていた駆動力
を振動体の両面から発生させることが可能となる。その
結果、従来の超音波モータより、高トルクの超音波モー
タを得ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の超音波モータの第１実施例の（イ）平
面図、（ロ）断面図、（ハ）底面図である。

【図２】本発明の第１実施例の配線パターンを示す図で
ある。

【図３】本発明の第１実施例における振動体の振動の節
を示す平面図である。

【図４】本発明の第１実施例において、移動体を右方向
に移動させる場合の振動体の振動の状態図である。

【図５】本発明の第１実施例において、移動体を左方向
に移動させる場合の振動体の振動の状態図である。

【図６】本発明の超音波モータの第２実施例の（イ）平
面図、（ロ）断面図である。

【図７】本発明における超音波モータの形態の一例を示
す断面図である。

【図８】本発明における超音波モータの形態の一例を示
す断面図である。

【符号の説明】

１ユニモルフ型超音波モータ２バイモルフ型超音波モータ３振動体４電気機械変換素子５ａ〜５ｈ駆動子６支持体７移動体８基台９ケース１０ベアリングａ１〜ａ４主振動用電極ｂ１〜ｂ４切替用電極ｃ１〜ｃ４主振動用電極ｄ１〜ｄ４切替用電極Ａ〜Ｄリード線移動体を右方向に移動させる場合の振動体の振動
の節移動体を左方向に移動させる場合の振動体の振動
の節

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者宮下淑東京都あきる野市引田13番地株式会社セラテック内Ｆターム(参考） 5H680 AA06 AA08 BB01 BB16 BB19 CC02 CC06 DD01 DD15 DD23 DD24 DD35 DD39 DD53 DD66 DD85 DD87 DD92 EE03 EE07 EE10 FF32 FF36 GG24 GG25 GG27

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内周面に凹凸を有する円環状の振動体
と、該振動体の一方の面に接合された円環状の圧電素子
または電歪素子からなる電気機械変換素子と、前記振動
体を屈曲振動させるために前記電気機械変換素子に設け
られた複数の電極と、前記振動体の他方の面上にあって
前記屈曲振動の腹と節の間に設けられた複数個の駆動子
と、前記振動体の内周面の凹凸にはめ合わされた外周面
に凹凸を有する支持体と、前記駆動子に加圧接触させた
移動体からなる超音波モータ。
【請求項２】内周面に凹凸を有する円環状の振動体
と、該振動体の両面に接合された円環状の圧電素子また
は電歪素子からなる電気機械変換素子と、前記振動体を
屈曲振動させるために前記電気機械変換素子に設けられ
た複数の電極と、前記電極面上にあって前記屈曲振動の
腹と節の間に設けられた複数個の駆動子と、前記振動体
の内周面の凹凸にはめ合わされた外周面に凹凸を有する
支持体と、前記駆動子に加圧接触させた移動体からなる
超音波モータ。