JPH0284080A - 振動子及び超音波モ−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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、略楕円運動が励振される振動子及び該振動子
を利用した超音波モータに関するものである。

［従来技術］ 定在波型超音波モータは、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
円運動する固定子の各質点と移動子との摩擦力により可
動子を駆動するものである。

従来、この略楕円運動の進行方向成分の定在波を励振す
る方法として、片持梁状振動子や平板状振動子などの形
状を有する弾性体を利用するものがあり、その振動モー
ドも曲げ振動やせん断振動など種々の振動が利用されて
いる。これらは、特開昭６１−１２９０７７号公報、昭
６２−２６２６７６号公報及び特願昭６３−９７１５２
願書に添付の明細書及び図面電気情報通信学会、講演論
文集（Ａ２２４．２２５）、１９８８に見られる。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、前記特開昭６１−１２９０７７号公報の
片持梁状振動子では、振動の平衡点が共振体の端部にあ
るので、平衡点を完全固定端とするのが困難であり、効
率良い励振が困難であるという問題点があった。また、
有限長平板にせん断振動を励振しても、その固定端にお
いて境界条件が不安定となるため、一部では曲げ歪みが
生じ、平板に−様なせん断振動を発生するのが困難であ
り、大振幅の振動を高効率に得るのが困難であるという
問題点があった。更に前記特開昭６２−２６２６７６号
公報では、１種類の定在波を用いるものであるため、１
個のモータでは可動方向を制御することができない。

また、前記論文集の文献“平板状圧電振動子を用いた紙
送りデバイス（１）、　　（Ｕ）”に見られる超音波モ
ータでは、面垂直屈曲振動モードを利用しているために
、圧電素子にねじり歪みが加わり、振動が阻害され励振
効率が悪くなるという問題点があった。

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、略楕円振動の制御が容易で、大振幅で高効率
な振動が発生可能な振動子を提供することを目的として
いる。

更に、該振動子を好適に利用することにより、高効率、
大出力の特性を備え、しかも略楕円運動軌跡が容易に制
御できる超音波モータを提供することを目的としている
。

［課題を解決するための手段］ この目的を達成するために本発明の振動子は、板状弾性
体と、少なくとも、前記弾性体に平面内伸縮振動を励振
する第１励振体と、該第１励振体により励振される伸縮
振動の方向と異なる方向に対し曲げ振動を励振する第２
励振体とを設けたことを特徴とする。

更に本発明の超音波モータは、前記振動子の弾性体に可
動子を当接させたことを特徴とする。

［作用〕 上記構成を有する本発明の振動子における弾性体は、第
１励振体及び第２励振体により励振される。このとき弾
性体には伸縮振動及び曲げ振動の２方向の振動が合成さ
れ、略楕円振動が発生する。

また本発明の超音波モータはこの略楕円振動する面に可
動子を当接させることにより摩擦力で移動子が回転する
。

［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図は本実施例の振動子である。本実施例の
振動子２１は、第１圧電体２２が台２３に固定されてい
る。該第１圧電体２２の両面には、図示されていない電
極が配置されている。

また該第１圧電体２２は図中の上下方向に分極され、厚
み方向振動する。該第１圧電体２２上面には、板状弾性
体２４が対称構造となるようボルト２５により固定され
ている。

前記弾性体２４の下面には、第２圧電体２６ａ乃至２６
ｈが着設されている。該第２圧電体２６の両面には図示
されていない電極が配置されている。該第２圧電体２６
は第２図中矢印へ方向に伸縮振動する。

また、前記弾性体２４の両端部には、出力部２４ａ及び
２４ｂが設けられている。

第２圧電体２６ａ乃至２６ｈは、次のように形成される
。第２図の（ａ）に示すように、図中矢印の方向に分極
した圧電体板２６を、分極方向をそろえて前記弾性体２
４の固定部付近において円状に８個並べる。このように
して製造された圧電体２．６の両面には電極が取付けら
れており、それらの電極に交流電圧を印加することによ
り、その長さ方向に伸縮振動を発生する。更にこの弾性
体２４は、その厚さ方向の曲げ振動のモードに対し、所
定の周波数ｆで共振する。また同一の周波数ｆにより、
長さ方向の伸縮振動にも共振する。このとき、一般に弾
性体中に発生する伸縮振動の固有周波数は板状弾性体２
４の長さに依存する。また同板状弾性体２４の厚さ方向
の曲げ振動の固有周波数は、前記長さおよび厚さに依存
する。従って前述のよう両共振周波数が一致する板状弾
性体２４を設計することは容易である。　以上のように
構成された振動子の作用を以下に説明する。

まず、前記振動子２．１が伸縮振動を励振する場合につ
いて第３図を参照して説明する。同図において、振動子
２１を励振していない時の板状弾性体２５の形状を点線
で示した。ここで、同振動モードによる振動周波数を以
下ｆ、で表わす。そして前記圧電体２６に周波数ｆ、の
交流電圧を印加して振動させると、前記板状弾性体２４
は例えば最低次モードでは第３図（ａ）の実線に示すよ
うに端部を同方向で振動する。また（ｂ）実線に示すよ
うに端部を逆方向で振動させてもよい。

次に前記振動子２１の厚さ方向の曲げ振動の励振の作用
について述べる。前記圧電体２２に周波数ｆ１の交流電
圧を印加して振動させ、前述の振動において（ａ）のよ
うに振動させるとき、前記弾性体は曲げ振動２次モード
では第３図（ｃ）の実線に示すように端部を同方向で励
振する。また、（ｂ）に示すように振動させた場合は、
曲げ振動は（ｄ）に実線で示すように端部を逆方向で励
振する。ここで、第３図（ａ）及び（ｃ）の両端が同方
向の振動を同時に励振すると、前記弾性体２４の両端は
同方向の略楕円振動が励振される。また第３図（ｂ）及
び（ｄ）の両端が逆方向の振動を利用しても、弾性体端
部には同方向の略楕円振動が励振される。使用者は第１
圧電体２２の上下面の電極に印加する交流電圧と、第２
圧電体２６の上下面の電極に印加する交流電圧との位相
差及び各電圧の振幅を調整することにより任意の形状の
略楕円振動を得る。

次に以上のような超音波振動が励起される振動子２１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
図に基づいて説明する。同図において、第２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
あることを意味している。リニア超音波モータ３１は、
前記台２３上に前記超音波振動子２１が固定されており
、前記弾性体２４の出力部２４ａ及び２４ｂに可動子３
２が圧着されているという構造をとっている。この超音
波振動子２１を前述のように励振すると、前記可動子３
２は前記弾性体２４の略楕円振動による駆動力を受け、
図中矢印Ｂの方向に動く。この駆動力は、前記弾性体２
４と前記可動子３２との間の摩擦力が変化することによ
って発生するものである。

次に本発明を用いた回転型超音波モータ４１の実施例を
第５図に示す。本実施例の超音波モータは、前記超音波
振動子２１の出力部２４の上面に前記伸縮方向と直角を
なす向きに回転子４２を前記出力部２４と接触して配置
しである。この回転子４２は、その両端を支持棒４３に
より固定され、図示しないベアリングにより回転可能と
なっている。このように構成される回転型超音波モータ
４１によれば、振動子２１に伸縮振動及び曲げ振動を励
振してその周縁部に略楕円運動を生じさせたとき、回転
子４２には略楕円運動に起因する回転力が伝達されて回
転運動が発生する。しかも、前述のように振動子に励起
される略楕円運動は、第１圧電体２２と第２圧電体２４
とに印加する交流電圧の制御によって任意の軌跡をなす
可制御のものである。従って、回転子４２に発生する回
転力は自由に制御できるものであり、その回転方向、回
転数、出力トルクなどのモータ特性は任意に調整できる
。このため、負荷変動の広い範囲で高効率の運転が達成
される。

尚、上記実施例は振動子の駆動素子とし圧電体を使用し
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
、長さ方向に伸縮振動、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。また、前記第２圧電体２６の
形成方法は、第３図（ｂ）に示すように、伸縮振動と直
角方向に複数個並べて配置してもよい。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
、その振動子において伸縮振動及び曲げ振動を安定して
励振することが可能となる結果、略楕円振動の制御が容
易で、大振幅で高効率な振動が発生可能な超音波振動子
を提供することができる。また、弾性体を固定部に対し
て対称構造としているので、振動の平衡点を完全固定端
とすることが可能となる結果、効率良い励振ができる。

更に、固定部付近において励振体を着設しているので、
励振体の振動を阻害することなく励振できる結果、励振
効率を高めることができる。そして、該超音波振動子を
好適に利用することにより、高効率、大出力の特性を備
え、しかも略楕円運動軌跡が容易に制御できる超音波モ
ータを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図から第５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振動子の分解斜視図
、第２図は本発明を適用する励振体の説明図、第３図は
定常時の形状を破線で示した振動子の弾性体の振動形状
の説明図、第４図は本発明を適用するリニア超音波モー
タの実施例の側面図、第５図は回転型超音波モータの実
施例の上面図である。 図中、２１は振動子、２２は圧電体、２４は板状弾性体
、２６は圧電体である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. １．　板状弾性体と、 少なくとも、前記弾性体に平面内伸縮振動を励振する第
   １励振体と、 該第１励振体により励振される伸縮振動の方向と異なる
   方向に対し曲げ振動を励振する第２励振体とを設けたこ
   とを特徴とする振動子。
2. ２．　請求項１記載の振動子において、 前記板状弾性体は少なくとも１ケ所以上の固定部で固定
   され、前記第１励振体あるいは第２励振体の少なくとも
   一方は、 前記固定部付近において該弾性体に着設されていること
   を特徴とする振動子。
3. ３．　請求項１あるいは２記載の振動子において、前記
   弾性体はその固定部に対して対称構造となっていること
   を特徴とする振動子。
4. ４．　請求項１乃至３いずれかに記載の振動子における
   弾性体に可動子を当接したことを特徴とする超音波モー
   タ。