JPH02228267A - 超音波振動子及び超音波モータ - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、略楕円振動が励振される超音波振動子及び該
超音波振動子を利用した超音波モータに関するものであ
る。

Ｃ従来技術】 従来、上記のような超音波振動子は主に定在波型超音波
モータに利用されている。

定在波型超音波モータの動作原理は、略楕円運動が励起
される超音波振動子に対して所定圧力で移動子を当接さ
せ、略楕円運動する各質点と移動子との摩擦力により移
動子を駆動するものである。

定在波型超音波振動子は、高効率振動を実現する構成が
得やすいために、定在波型モータは進行波型モータに比
較して高効率大出力という長所がある。

従来の定在波型モータに利用される超音波振動子は、略
楕円運動を高効率に励起するために、弾性体と励振体と
の接触面では単一方向振動を、また一方、弾性体と移動
子との接触面では楕円振動を行う固有振動モードを有す
る機械共振系を用いることで略楕円運動を得ている。

このような超音波振動子は、特願昭６３−９７１５１号
及び特願昭６３−９７１５２号等の願書に添付した明細
書及び図面により提案されている。

［発明が解決しようとする課題］ 前記超音波振動子を固定する固定部には歪が集中するた
めに、完全固定やインピーダンス整合が困難であり、ま
た該固定部において境界条件が不安定となるなどの問題
があり、安定な動作を行うのが難しかった。

また、前記固定部により前記弾性体の振動プロファイル
が変わってしまうため、必ずしも所望の振動が得られる
とは言えず、高効率動作が困難であった。

そのため従来の超音波振動子を用いた超音波モータでは
、高効率で運動エネルギーを得ることができなかった。

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたも
のであり、動作が安定でかつ高効率化が可能な超音波振
動子を提供する事を目的とする。

また該超音波振動子を好適に使用する事により、動作が
安定しかつ高効率化が可能な超音波モータを提供する事
を目的としている。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために本発明の超音波振動子は、第
１平面と、該第１平面に対し略直交する第２平面とを有
した弾性体と、該弾性体の第１平面に少なくとも曲げ振
動を励振する第１励振体と、第２平面に縦振動を励振す
る第２励振手段と、それぞれの励振手段により励振され
た各振動における定在波の節の重なった部分を固定する
固定手段とを有している。

また本発明の超音波モータは、上記超音波振動子に可動
子を当接させたことを特徴とする。

［作用］ 上記の構成を有する本発明の超音波振動子においては、
前記第１励振体は、前記弾性体に少なくとも曲げ振動を
与える。同時に前記第２励振体は該弾性体に少なくとも
縦振動を励振する。上記二つの振動の定在波は、振動の
節が少なくとも１ケ所で一致するように振動モードを選
んである。

上記弾性体における各振動の節の重なりでは振動変位が
ないため、固定に伴なう歪も発生せず、振動を阻害する
事もない。

また、上記超音波モータは、該超音波振動子の振動の作
用により可動子を移動する。

［実施例コ 以下、本発明を具体化した一実施例を図面を参照して説
明する。

第１図乃至第３図は、本実施例の超音波振動子を示した
ものである。本実施例の超音波振動子１１は、矩形平板
形状を有する弾性体２１の上面に、該弾性体２１に曲げ
振動を励振するための第１圧電体２２が着設されている
。該弾性体２１において、前記着設面と略直交する側面
には、該弾性体２１に縦振動を励振するための第２圧電
体２３ａ及び２３ｂが着設されている。

前記弾性体２１の長手方向中心は、該弾性体２１を固定
するための固定ボルト２４ａ及び２４ｂにより固定され
ている。該固定ボルト２４ａ及び２４ｂの他の一端は、
基台２５ａ及び２５ｂに固定されている。

前記第１圧電体２２の上面には、電極２６が着設されて
いる。また前記第２圧電体２３ａ及び２３ｂの上面には
電ｍ２７ａ及び２７ｂが着設されている。また前記弾性
体２１自身は、アース電極を兼ねており、該弾性体は前
記固定ボルト２４ａ及び２４ｂを介して基台２５ａ及び
２５ｂに接地されている。

更に該弾性体２１は、第３図に示すように、その厚さ方
向に所定の周波数ｆにおいて両端自由端２次モードで曲
げ振動し、且つ同一の周波数ｆにより長さ方向に両端自
由端１次モードで縦振動するように形状寸法を調節され
ている。

一般に、弾性体中を伝播する縦振動の共振周波数は、該
弾性体の長さに依存する。また弾性体の厚さ方向の曲げ
振動の共振周波数は、前記長さ及び厚さに依存する。従
って、前述のような弾性体２１を設計する事は容易であ
るので、その詳細は省く。

以上のように構成された超音波振動子１１の作用を以下
に説明する。

まず、第１圧電体２２に周波数ｆの交流電圧を印加して
振動させると、前記弾性体２１は縦振動１次モードで共
振し、第３図（ｂ）のような振幅分布を有する定在波が
励起される。

次に第２圧電体２３ａ及び２３ｂに周波数ｆの交流電圧
を印加して振動させると、前記弾性体２１は曲げ振動２
次モードで振動し、第３図（ｃ）のような振幅分布を有
する定在波が励起される。

つまり前記固定ボルト２４ａ及び２４ｂで固定される位
置は各定在波の節となっている。

このとき、前記第１圧電体２２と第２圧電体２３ａ及び
２３ｂに印加する電圧の振幅及び位相を調節すると、前
記弾性体２１には任意の形状の略楕円振動を発生する事
が可能となる。

次に、前述した超音波振動子１１を好適に利用するリニ
ア超音波モータの構成について、第４図に基づき説明す
る。同図において、第１図乃至第３図と同じ符号の付さ
れた各部材は、前記詳述した各構成部材と同一である。

リニア超音波モータ３１は、ヨーク３２に前記超音波振
動子１１が固定されており、該超音波振動１１の弾性体
２１の一端に駆動部３３が形成されている。

該駆動部３３には、可動子３４がゴムローラ３５により
圧着されており、該可動子３４は前記ヨーク３２に固定
されたリニアベアリング３６ａ及び３６ｂにより支持さ
れている。

上述のように構成されたリニア超音波モータ３１におい
て、超音波振動子１１を励振すると、前記可動子３４は
前記弾性体２１の略楕円振動による駆動力を受け、図中
矢印Ａの方向へ動く。この駆動力は、前記弾性体２１と
前記可動子３４との摩擦力によって発生するものである
。

尚、上記実施例では縦振動１次モードと曲げ振動２次モ
ードを例にとって説明したが、縦振動と曲げ振動の共振
周波数が大略一致し、同時に少なくとも１ケ所以上で該
２方向振動の節を一致させられるならば、さらに高次モ
ードを利用する事も可能である。

更に、上記実施例は振動子の駆動素子として圧電体を使
用したが、これに限定されるものではなく電気エネルギ
ーを機械エネルギーに変換できるその他の素子、例えば
電歪素子、磁歪素子等を用いてもよい。また、実施例で
は超音波振動子の形状を平板状とする例について説明し
たが、長さ方向に振動、軸方向に曲げ振動が励起され、
略楕円運動が発生するものならばその形状は平板形状に
限定されるものではない。その他、本発明の趣旨を逸脱
しない範囲で種々の変形が可能である。

［発明の効果］ 以上詳述したことから明らかなように、本発明によれば
、２方向振動の節の位置を一致し、弾性体が励振方向に
まったく振動しない部位で前記超音波振動子を固定する
ので、動作が安定し、かつ高効率変化が可能な超音波振
動子を提供する事ができる。

また、本発明の超音波モータは上記超音波振動子を好適
に使用する事により、動作が安定でかつ高効率となる。

【図面の簡単な説明】

第１図から第４図までは本発明を具体化した実施例を示
すもので、第１図は本発明を適用する超音波振動子の上
面を示す図、第２図は上記超音波振動子の側面を示す図
、第３図は上記超音波振動子の振動モードの説明図、第
４図は上記超音波振動子を用いたリニア超音波モータの
実施例の断面図である 図中、２１は弾性体、２２は第１励振体に対応する第１
励振体、２３ａ及び２３ｂは第２励振体に対応する第２
圧電体、２４ａ及び２４ｂは固定手段に対応する固定ボ
ルト、３４は可動子である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．　第１平面と、該第１平面に対し略直交する第２平
   面とを有した弾性体と、 該弾性体の第１平面に少なくとも曲げ振動を励振する第
   １励振手段と、 前記弾性体の第２平面に少なくとも縦振動を励振する第
   ２励振手段と、 前記第１励振手段による励振により発生する定在波の節
   部であって、且つ第２励振手段による励振により発生す
   る定在波の節部となる位置において前記弾性体を固定す
   る固定手段とを有したことを特徴とする超音波振動子。
2. ２．　請求項１記載の超音波振動子に可動子を当接させ
   たことを特徴とする超音波モータ。