JPH0197177A

JPH0197177A - 超音波モータ

Info

Publication number: JPH0197177A
Application number: JP62250529A
Authority: JP
Inventors: Osamu Myoga; 修冥加; Takeshi Inoue; 武志井上
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1987-10-02
Filing date: 1987-10-02
Publication date: 1989-04-14
Anticipated expiration: 2010-01-18
Also published as: JPH074071B2

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）本発明は超音波振動エネルギーを利用したモータ、特に
紙送り用超音波モータに関する。

（従来の技術）従来、紙送り用超音波モータは弾性体に進行波を励振し
、摩擦力を介して弾性体表面上に載せられた移動体を動
かすよう構成される。この場合、進行波を得るために反
射波の防止やエネルギー帰還に特別な配慮をする必要が
あった。これに対して、弾性体の固有の共振状態を積極
的に利用する定在波を用いた紙送り用超音波モータが提
案されており、この定在波を利用した紙送り用超音波モ
ータは、進行波を利用した紙送り用超音波モータと比べ
てエネルギー変換効率の高さ及び振動エネルギーの大き
さが本質的に大きいという長所がある。定在波利用超音
波モータとして、弾性板の長さ縦振動と幅屈曲（たわみ
）振動を利用した多重モード振動子を利用した紙送り用
超音波モータが提案されている。この超音波モータは第
２図に示すように長方形板の長手方向縦振動と幅方向の
屈曲振動を利用したもので、長手方向の縦振動の共振周
波数と幅方向の屈曲振動の共振周波数は互いに接近する
よう設定される。第２図（ａ）は多重モード振動子の平
面図、同図（ｂ）は正面図、同図（ｃ）は側面図を示す
。同図に於て、２１は繊維強化プラスチックあるいは金
属板、繊維強化金属などで作られた弾性平板、２２はＰ
ＺＴ系圧電セラミック板、２３は圧電セラミック板表裏
面に形成された電極である。圧電セラミック板は厚み方
向に分極され、圧電セラミック板２２と弾性平板２１は
半田あるいはエポキシ系接着剤で強固に接着される。

次に、縦屈曲多重モード振動子を利用したこの紙送り超
音波モータの動作原理について説明する。圧電セラミッ
ク板２２は電気端子２４．２５から交流電圧が印加され
ると、電気機械結合係数に３１を介して機械的な振動が
励振される。圧電セラミック板２２が長手方向に伸びた
時、ポアソン比で定まるように同じ圧電セラミック板２
２は幅方向に縮む。

一方、圧電セラミック板２２が長手方向に縮んだ時は、
逆に、幅方向は伸びることになる。従って、圧電セラミ
ック板２２は弾性平板２１に強固に接着されているわけ
であるから、圧電セラミック板２２と、弾性板２１から
構成される多重モード振動子の長手方向の縦振動モード
の共振周波数ｆＬ１，１と幅方向に関係する屈曲振動モ
ードの共振周波数ｆＢ１．ｗを一致さ、せるか、もしく
は十分接近させた時、第２図（ａ）の矢印で示す如く縦
振動を励振すると、同時に、第２図（ｅ）の点線で示す
如く、圧電セラミック板２２は幅寸法が変化するために
、屈曲振動が励振される。共振周波数ｆＬ１．ｌとｆＢ
ｌ、ｗが一致または極めて接近しているために、縦振動
共振周波数ｆＬ１，１を励振すると幅屈曲振動も強制的
に励振されるのである。また、同時に圧電セラミック板
の伸び振動に関して、弾性平板は圧電的に活性でないた
めに、長さ屈曲振動も励振される。この場合、長さ屈曲
振動は固有共振モードではない。長さ縦振動に関する変
位ξＬｌ、１、幅屈曲振動に関する変位をξＢｌ、ｗ、
長さ屈曲振動に関する変位をξＢ、Ｌとする。ここでＬ
ｌ、Ｂ１は、それぞれ縦及び屈曲の１次固有共振モード
を意味する。この縦屈曲多重モード振動子の振動モード
を第３図（ａ）〜（ｄ）に示す。第３図で３１は弾性平
板を示す。第２図及び第３図に於て、Ｌ、　Ｗ及びＴは
それぞれ振動子の長さ、幅及び厚さ寸法を示す。

この多重モード振動子を紙送り用超音波モータとして利
用する場合、例えば、第４図（ａ）、　（ｂ）、　（ｃ
）にあるように多重モード振動子４１の表面にローラ４
６を圧接することにより、簡単に紙送り超音波モータと
して利用可能である。ここで４２は圧電セラミック板、
４３は電極、４４．４５は端子である。即ち、多重モー
ド振動子表面とローラで圧接した圧接面に於て、第４図
に示す如く屈曲振動の変位ｕＢと縦振動変位ｕＬが直交
し、且つ同期しているので、ローラ４６と振動子４１の
間に紙４７を入れるや否や、矢印で示した方向に紙を移
動させることが出来る。

（発明が解決しようとする問題点）均一な厚みを有する平板の多重モード振動子を用いた紙
送り用超音波モータは、実用上、ある程度の大きさの幅
寸法Ｗが必要である。屈曲振動の共振周波数は板厚にほ
ぼ比例するため、板厚を厚くするとＷを大きくすること
が出来るが、この場合、弾性平板の体積がＰＺＴ板の体
積より相当大きくなってしまい、取り出し得る縦振動及
び屈曲振動の変位が小さくなるといった欠点があった。

また、−様な厚さの平板多重モード振動子は、幅屈曲振
動モードに関する歪がＰＺＴ系圧電セラミック板の接着
される幅方向中央部分に集中し、このため、ハイパワー
で駆動した場合、第２図の弾性板２１と圧電セラミック
板２２の接着部分が剥離する問題があった。更に、この
多重モード振動子がら振動子をローラ等を用いて取り出
し得る部位、即ち幅寸法中央部分で幅屈曲振動モードに
関する変位が一様でないために、紙送り用超音波モータ
として使用する場合、紙送り速度、紙送り推進力が安定
しなかった。本発明は、このような従来の縦屈曲多重モ
ード振動子を改良することにより、薄型で安定に動作す
る、且つハイパワー動作可能な超音波モータを提供する
ことにある。

（問題点を解決するための手段）本発明は１次の長さ縦振動と１次の幅屈曲振動で動作す
る縦屈曲多重モード振動子を用いる超音波モータにおい
て、該振動子の幅方向の端部に比べて中央部分が厚くな
った弾性体を用い、該弾性体の幅中央部分に於て圧電セ
ラミック板を接着した多重モード振動子を用いるもので
ある。

（作用）本発明に従った幅端部に比べて幅中央部分が少なくとも
２倍以上厚くなった縦屈曲多重モード振動子は、圧電セ
ラミック板が接着される幅中央部分における幅屈曲振動
モードに関する応力の集中が少なく、長さＬに対して実
用上十分な幅Ｗを実現することが出来る。また、振動エ
ネルギーを取り出すためのローラあるいは滑り摩擦係数
の小さい弾性片が本多重モード振動子に圧接する部分に
於て幅屈曲振動子の変位は殆ど一様となる。更に、圧電
セラミック板が接着される部分には幅屈曲振動に関する
応力の集中が少なく、ハイパワー駆動が可能となる。従
って、本発明による超音波モータは、薄型で、安定に紙
等のフィルム状の移動体を移動させることが可能となり
、更に、ハイパワー動作が可能である。

（実施例）以下、本発明の実施例について、図を参照しながら説明
する。

第１図は本発明に基づく紙送り用超音波モータに使用す
る断面が台形の多重モード振動子１１を示す。同図（ａ
）は平面図、同図（ｂ）は正面図、同図（ｃ）は側面図
を示す。同図に於て、１１はステンレスで作製された弾
性体であり、端部より中央部が２倍厚い。１２はＰＺＴ
圧電セラミック板、１３は銀焼付は電極であり、同図に
於て、Ｌ、　Ｗ及びＴはそれぞれ多重モード振動子の長
さ、幅及び厚さ寸法である。また、Ｔ１は弾性体の厚さ
、Ｔ２は圧電セラミック板の厚さを示す。振動子の寸法
はＷ＝２１ｍｍ、Ｔ１＝１．５ｍｍ、　Ｔ２＝０．５ｍ
ｍ、　Ｌ＝１０５ｍｍである。本振動子に於て、ｆＬｌ
、１＝ｆＢ１．ｗ＝２５ｋＨｚ之した。同様に、Ｔ１＝
１．５ｍｍ１Ｔ２＝０．５ｍｍとして、２５ｋＨｚで長
さ縦振動と幅屈曲振動で動作する矩形断面を有する多重
モード振動子を作製した。ｆＬｌ、１＝ｆＢ１．ｗ＝２
５ｋＨｚを得たときの寸法は、Ｌ＝１０７ｍｍ、　Ｗ＝
１８．５ｍｍであった。第５図（ａ）に示す如く、本発
明に基づく縦屈曲多重モード振動子を矢印の方向からレ
ーザ光を照射すること（レーザホログラフィ−法）によ
り幅屈曲振動モードの変位分布を観測した。５１は弾性
平板、５２は圧電セラミック板、５３は電板である。そ
の結果、第５図（ｂ）の実線で示される如く、ＰＺＴ系
圧電セラミック板が接着される部位の振動変位は殆ど一
様であった。これに対して、均一な厚さを有するステン
レス弾性体を用いた多重モード振動子の変位は、点線で
示された分布が観測された。従って、本発明に基づく幅
端部に比べて幅中央部分を２倍以上厚くした振動子は、
均一平板の弾性板を用いた振動子に比べて、圧電セラミ
ック板が接着される部分に関して、平均に振動分布か得
られている。次に、作製した振動子を用い、幅方向の中
央部分で、長さ方向に関して、端から３ｃｍの部分に於
て、ローラを圧接し、紙送り実験を行った。このとき、
７０（Ｖ）、２５ｋＨｚ交流電圧を印加したとき、安定
に紙送りが出来、紙送り速度４５ｃｍ／ｓｅｅが得られ
た。また耐久性も十分であった。尚、本発明に基づく超
音波紙送りモータ用縦屈曲振動子は、断面形状が台形で
なくてもかまわず、弾性板の幅端部より幅中央部分が２
倍以上厚くなっていれば効果的であり、例えば、第６図
に示すようなコンベック状の断面形状を持つ振動子も有
効であることは言うまでもない。

（発明の効果）本発明によれば、弾性平板に縦屈曲の定在波を駆動する
ことで耐久性に優れた、しかも安定して動作可能な薄形
の紙送りに適したモータが実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、　（ｂ）、　（ｃ）は本発明の超音波モ
ータの例を示す図、第２図（ａ）、　（ｂ）、　（ｃ）
は従来の超音波モータを示す図、第３図（ａ）〜（ｄ）
は縦屈曲多重モード振動子の振動モードを示す図、第４
図はローラを設置した紙送り超音波モータの一例を示す
図、第５図はレーザホログラフィ法による幅屈曲振動モ
ードの相対変位分布の観測方法とその結果を示す図、第
６図は本発明の他の例を示す図。これらの図で、１１．
２１．３１．４１．５１は弾性平板、１２．２２．４２
．５２は圧電セラミック板、１３．２３．４３．５３は
電極、１４．１５．２４．２５．４４．４５は電圧端子
、４６はローラを示す。

Claims

【特許請求の範囲】

　１次の長さ縦振動と１次の幅屈曲振動モードで動作す
る縦屈曲多重モード振動子を駆動源超音波モータに於て
、該振動子の弾性体として、幅方向の端部に比べて、幅
の中央部分が厚くなった弾性体を用い、該弾性体幅方向
の中央部分において圧電セラミック板を接着したことを
特徴とする超音波モータ。