JPH03183381A - 振動波モータ - 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、振動波モータ、特に進行波の形成される長円
形状に形成されたトラック型の弾性体に関するものであ
る。

［従来の技術］ 一般に、進行波を利用した振動波モータとしては、進行
波の形成されるステンレス等の金属材料からなる弾性体
の形状が、その使用目的等により種々選択されるが、例
えば環状に形成されたものが知られている。

この種の環状弾性体を使用した振動波モータは、環状の
弾性体の裏面側に、圧電素子を接着剤により接着した振
動体を用いていて、該圧電素子は、互いに極性の異なる
複数の圧電素子群を２群有し、各群における圧電素子は
互いにん／２の位置的位相差を有すると共に、両群間で
はん／４のノ装置的位相差を有し、双方の圧電素子群に
時間的位相差が９０度の交流電界を印加することにより
、各圧電素子群により励起される定在波の合成にて波長
光の進行性振動波が弾性体に形成される。

このようにして弾性体に形成される進行波を利用して、
該弾性体と、該弾性体に圧力接触する部材とを摩擦駆動
し、双方を相対移動させることができるようになってい
る。

第１４図は、直線部と円弧部とからなる長円形状に形成
したトラック型の弾性体を用いたり−アモータの外観斜
視図を示す。１は裏面側にＥ型素子２が接合されたトラ
ック型の弾性体で、例えばフェルトからなる振動絶縁部
材７を介１て底板ｌＯに設けられている。底板１０の幅
方向Ｗ側には、ガイドバー１３が固定されている。４番
＝直線移動部材であるキャリッジで、その両端音にこれ
らのガイドバー１３を夫々貫通する軸受ｌが固定され、
矢印Ａで示すガイドバー１３の長□方向に沿って往復直
線移動できるようになっズいる。キャリッジ４の裏面に
は、弾性体ｌの方の直線部に対向して、スライダ１１が
設けらｔていて、このスライダ１１を板バネ３によって
註一方の直線部上に押圧している。そして、圧電素子２
に、不図示の電源回路から上記したように９０度の時間
的位相を有する交流電界を２群Ｃ駆動用圧電素子群に印
加することにより弾性（４１に進行性振動波を形成し、
この弾性体ｉに払バネ３により圧接されるスライダ１１
が摩擦力を受け、進行波の進む方向と反対方向に推力が
ち見られ、キャリッジ４を＠線移動させるようになって
いる。なお、２群の駆動用圧電素子群に印加する交流電
圧の位相差を切り替えることにより、進行波の進む方向
を切り替えることができ、キャリッジ４を反対方向に移
動でき、矢印Ａで示す方向に往復移動させることができ
ことになる。

このようなりニアモータにおいて、トラック型の弾性体
１を使用しているのは、スライダ１１との接触面積を大
きくでき、キャリッジ４の直進移動距離を長くすること
ができる等の理由による。

このような振動波モータにおいて、弾性体１に進行波を
形成するには、位置的に尤／４の位相差を有する２群の
駆動用圧電素子群にて励起される同じ次数の各定在波の
共振周波数が略等しいことが要求される。

第１５図及び第１６図は、夫々弾性体ｌに励起され各定
在波の振動状態を示す図で、弾性体の平面に垂直な方向
の変形状態を等高線で表示しており、太線が変位量（０
）の線、すなわち振動の節となる線（節線）である。そ
して、変位量は最大を「１」として正規化している。な
お、線の番号はその線の標高と対応し、線番号９番が正
方向変位最大Ｃ山）で、線番号１番が負方向変位最大（
谷〉である。

また、第１７図及び第１８図は他の定在波モードを同様
にして示した図で、第１７図及び第１８図に夫々対応し
てその変位状態の斜視図を第１９図及び第２０図に示し
ており、第１９図及び第２０図において破線は非振動状
態での弾性体の形状を示している。

第１９図及び第２０図に示す振動体にあっては、弾性体
の直線部に形成される振幅が、弾性体の内側と外側に分
かれて形成されるので、弾性体に接着される圧電素子の
各電極パターンも弾性体のねじれを考慮し、第２１図に
示すように、各定在波の節位置に電極の境界を設けるよ
うにし、効率よく振動を励起するようにしていス 第２１図において、電極２ａ、２ａｚは第１７図の定在
波モードを励起する一方の駆動用電極群、２ｂ、、　　
２ｂ、は第１８図の定在波モードを励起する他方の駆動
用電極群、２Ｇはアース用電極、２Ｓａ、２Ｓｂは該双
方の駆動用電極群によって励起される定在波モードの振
動状態を検出するセンサ用電極で、各電極は図示の如く
分極処理され、その分極方向は圧電素子の厚み方向に行
なわれている。

［発明が解決しようとする課題］ ところで、上記したようなりニアモータにおいて、スラ
イダ１１を滑らかに移動させるには、弾性体ｌの直線部
に進行波をきれいに（振幅ムラの少ない）形成すること
が必要であり、そのためには弾性体１の直線部における
振動時のねじれ成分が少ないか、或はねじれ成分が多少
あってもねじれの方向が常に同じ方向（例えば常に外側
の振幅が大きい等）であることが必要である。

１、＃）１．、）−ラ・リフ型の弾性法け２つの宇在波
の共振周波数が一致しにくく、また直線部と円弧部とか
ら形成されているため、第１５図乃至第２０図に示すよ
うに直線部でも、山と谷が弾性体の内側と外側に分かれ
て形成されることから、弾性体の直線部にねじれが生じ
、またねじれ成分が大きくなってしまうため、進行波の
ムラが大きくなるという問題があった。

また、第１５図と第１６図とのモードを重ね合わせて進
行波を励振したとき、右側直線部の外側の変位に注目す
ると、振幅が場所によって異なるため、進行波ムラとな
ってしまい、モータの送り速度の低下等を招き、効率の
低下や鳴きの発生原因にもなっていた。

さらに、第２１図に示すように、電極パターンは、定在
波モードに合わせてその境界を設けた複雑なパターンで
あるため、その境界部には大きな分極歪が残り、分極作
業時やモータ駆動中に圧電素子の破壊が生じる虞れがあ
り、これを回避する電極パターンとすると、電極パター
ンが定在波モードになられなくなって、モータの効率が
低下する。

本発明の目的は、上記した問題を解決し、長円形状のト
ラック型の弾性体の円弧部の半径（Ｒ）直線部の長さ（
Ｌ）との比（Ｒ／　Ｌ）を特定の値以上とすることによ
り、２つの定在波の共振周波数を略一致させることがで
きると共に、直線部のねじれの成分が少ないか、或はね
じれの方向をそろえることができようにし、直線部にお
ける駆動特性を向上させることができると共に、圧電素
子の電極パターンを単純化できる振動波モータを提供す
るものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明の目的を達成するための要旨とするところは、平
均半径がＲの円弧部と長さＬの直線部とからなる長円環
形状の弾性体に電気−機械エネルギー変換素子により進
行性振動波を形成し、該弾性体と、該弾性体に圧接する
部材とを相対移動させる振動波モータにおいて、該弾性
体の円弧部の平均半径Ｒに対する直線部の長さＬの比（
Ｒ／Ｌ）を１７４以上としたことを特徴とする振動波モ
ータにある。

［作　用］ 上記の如く構成した振動波モータは、弾性体の直線部の
内側又は外側のいずれか一方に振幅を形成することがで
きる。

［実施例］ 以下本発明を図面に示す実施例に基づいて詳細に説明す
る。

第１図は本発明による振動波モータの一実施例を示し、
第１図（ａ）は振動体の外観斜視図、第１図（ｂ）はそ
の圧電素子の電極パターンを示し、６次モードの進行波
を形成するようにしたもので、第２図及び第３図にその
両定在波の振動モードを示す。第４図は本発明による振
動波モータを有効に実施することができるリニアモータ
の斜視図を示す。

第４図において、２０は弾性体２１と圧電素子２２とか
らなる振動体で、弾性体２１は摺動面側に突起１ａが形
成され、その上面に接合された圧電素子２への交流電界
の印加により進行性振動波が弾性体２１に形成される。

２８は弾性体２１と摩擦接触するレール状固定子で、底
板３０に固定されていて、振動絶縁材２５（例えばフェ
ルト）を介して加圧バネ２３によって弾性体２１と接触
している。２６はくし歯状の移動止めで、その＜シ歯部
２６ａがレール状固定子２８接触しない部分の弾性体２
１のスリット（不図示）に差し込まれており、該くし歯
部２６ａにより該スリットの底部に配置されたフェルト
２７を介して弾性体２１を支持している。

弾性体２１は移動止め２６、加圧バネ２３等を介して載
置台２４に支持されており、載置台２４は予定移動方向
であるＢＹ方向以外の変位を拘束する拘束部材２９によ
って支持されている。

弾性体２１に進行性振動波が形成されると、レール状固
定子２８と弾性体２１との摩擦力により、弾性体２１が
レール状固定子２８の上を移動し、それに伴って載置台
２４及びその他の部材（２３，２５，２６，２７）も拘
束部材２９に沿ってＢＹ方向に移動する。その際発生す
る摩擦駆動力は弾性体２１の一部に作用し、それが支持
部とづれているため、弾性体２１にモーメントが働き、
ＢＸ、ＢＹ方向にずれようとする。

移動止め２６くし歯部２６ａは、弾性体２１のスリット
部に差し込まれており、弾性体２１のＢヶ方向の変位を
拘束すると共に、弾性体２１の自重をフェルト２７を介
して支えている。拘束部２６ｂ、２６ｃは弾性体２１の
ＢＸ方向の変位を拘束しており、拘束部材２６ｄは加圧
部側の弾性体２１のＢ、方向の変位を拘束している。こ
れら部材２６ａ〜２６ｄにより、弾性体２１はガタつく
ことなく載置台２４と共にスムーズに直線運動が可能に
なる。

本実施例における振動体２０は、長円形状に形成された
トラック型の弾性体２１の裏面側に、従来例と同様な圧
電素子２２を接合したもので、弾性体２１の円弧部２１
ｒの平均半径Ｒを１０．５ｍｍとし、また弾性体２１の
直線部２１℃の長さしを１０、４ｍｍとし、その比（Ｒ
／　Ｌ）を＝１／ｌとしている。

この場合における弾性体２１に形成される２つの定在波
の振動モード図を第２図及び第３図に示す。

弾性体２０に形成される両定在波は、弾性体２１の円弧
部２１ｒ及び直線部２１ｃ夫々において、全て外側に振
幅が大きく、またその振動もきれいに揃っており、双方
の定在波を重ね合わせることにより理想的な進行波が弾
性体２１に形成されることになる。これは、両定在波の
節（太線で示す変位Ｏの線）が弾性体の幅方向において
内外方向に跨がっていることにより生じる。

勿論、双方の定在波の共振周波数も略等しくなっている
ことは、第２図における振動モードと、第３図における
振動モードとが、位置的に略λ、／４のずれがあり、か
つ等高線の間隔が略等しいことから理解することができ
る。

したがって、弾性体１に接着される圧電素子２の電極パ
ターンは、第１図（ｂ）に示すように、単純化できるこ
とになる。

第５図は、弾性体２１の円弧部２１ｒの平均半径Ｒを５
ｍｍに固定し、直線部２１の長さＬをパラメータとして
、Ｏｍｍ（この場合の弾性体は半径５ｍｍの真円形状で
ある）から長くしたときの２つの定在波（６次モード）
の共振周波数差Δｆ６の変化を示す図である。

弾性体２１の直線部２１℃の長さＬを長くすると、共振
周波数差△ｆ６のカーブが、△ｆ６＝０となる点がいく
つか存在する（Ｌ、〜Ｌ４）。これらの点は、長さＬが
短いところに集中し、長さＬが長くなると、Δｆ６＝　
Ｏとなる点が存在しなくなってしまう。

一方、これらのΔｆ６二〇となる点、Ｌｚ。

Ｌ３．Ｌ、における振動モードは、第７図（ａ）〜（Ｃ
）に夫々示すように、長さＬが長くなる程、すなわち、
Ｒ／Ｌの値が小さくなる程ねじれが大きくなり、或はね
じれの方向が一定でなくなる傾向にある。

第７図（ａ）は、本実施例の場合の振動モードで、Ｌ＝
Ｌ２の点であって、Ｒ／　Ｌ　＝　１　／１．４である
。この場合は、弾性体に形成される振幅は全て外側に向
いており、したがって、ねじれの向ぎは全て同じとなる
が、ねじれはさほど大きくない。

第７図（ｂ）は、Ｌ　＝　Ｌ　３（１４ｍｍ）の点であ
って、Ｒ／Ｌ＝１／２．８、第７図（ｃ）は、Ｌ＝Ｌ４
であって、Ｒ／　Ｌ　＝　１　／４．４である。第７図
（Ｃ）の場合は定在波の山と谷とが内側と内側に分かれ
て形成されていることが明瞭であり、同図（ｂ）では同
図（ｃ）はど明瞭ではないが、内側と外側に分かれる傾
向にある。

第６図は、Ｒ＝５ｍｍ、Ｌを変化させたときの７次モー
ドの共振周波数差Δｆ７の状態を示す図で、△ｆ、＝Ｏ
となる点は、Ｌが小さい範囲で多く存在する傾向にある
が、Ｌ　：　５ｇｍｍの場合にも存在する。しかし、Ｌ
　＝　５８ｍｍの場合の振動モードは、第１０図、第１
１図に示すように、ねじれ成分が大きく、またねじれの
方向も常に一方向でなく、直線部で内側と外側の振幅が
交互に大きくなるようなモードになってしまう。したが
って、このモードは振動波モータの振動体としては不適
であり、実際振動体として使えるのは、１＝＝２０ｍｍ
以下で、△ｆ＝ｏとなる点での形状だけである。

第８図及び第９図は、Ｒ：　１５ｍｍとし、Ｌを変化さ
せた場合の５次モード、６次モードにおける共振周波数
差△ｆ５．△ｆ６の変化を示している。この場合も、Ｌ
が短い方にΔｆ＝０となる点が存在する傾向があり、ま
たモード図は示さないが、Ｌが長いところでは、Δｆ＝
０の点が存在しても、前述したようにねじれ成分が大き
くなる傾向がある。

第１２図及び第１３図は、Ｒ＝　２２ｍｍ、　Ｌ　＝　
１０３．７ｍｍ　（Ｒ／　Ｌ　’＝　１／４．７≧ｌ／
６）の場合の振動モードを示す。この形状でも、Δｆξ
Ｏで、かつ直線部でねじれ成分の少ない振動モードが得
られた。

上記の各実施例は、いずれも弾性体の外側方向に振幅が
大なるようにしているが、第２２図に示すように、摺動
部に使用する直線部において、弾性体の内側方向に振幅
大なるようにすることもできる。

［発明の効果コ 以上説明してきたように、本発明によれば、トラック型
形状の弾性体における円弧部の平均半径Ｒと、直線部の
長さＬとの比を、 Ｒ／Ｌ≧１／４とすることにより、弾性体に形成される
２つの定在波の共振周波数差が少なく、また、ねじれが
少なく或はねじれの方向が揃った振動モードが得られ、
きれいな進行波を効率よく励振できる振動波モータを提
供でき、またモータの効率を低下させることなく弾性体
に取り付けられる圧電素子等の電気−機械エネルギー変
換素子の電極パターン構造を簡素化できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による振動波モータの一実施例を示し、
第図（ａ）は弾性体の斜視図、第１図（ｂ）はその圧電
素子の電極パターンを示す図、第２図及び第３図はぼそ
の振動モードを示す図、第４図（ａ）　、　（ｂ）は本
発明を有効に実施することができるリニアモータの断面
図及び平面図、第５図及び第６図は弾性体の円弧部の平
均半径を５ｍｍとし、直線部の長さを変化させたときの
共振周波数差を示す図、第７図（ａ）（ｂ）　、　（ｃ
）はそのときの振動モードの変化を示す図、第８図及び
第９図は弾性体の円弧部の平均半径を１５ｍｍとし、直
線部の長さを変化させたときの共振周波数差を示す図、
第１Ｏ図及び第１１図はＲ＝　５　ｍｍ、　Ｌ　＝　５
８ｍｍのときの振動モードを示す図、第１２図及び第１
３図はＲ＝２２ｍｍ、　　Ｌ＝］［１３、７ｍｍのとき
の振動モードを示す図、第１４図は従来の振動波モータ
を用いた振動波リニアモータの斜視図、第１５図及び第
１６図は従来の振動波モータの振動モードを示す図、第
１７図及び第１８図は他の振動モードを示す図、第１９
図及び第２０図はその振動状態を示す斜視図、第２１図
はその圧電素子の電極パターンを示す図、第２２図は本
発明の他の実施例の振動モードを示す図である。 ２０： 振動体 ２１： 弾性体 ２２： 圧電素子 ２１ｒ　： 円弧部 ２１℃　： 直線部。 第 １ 図 第 図 第 図 （０） ０ （ｂ） ６ｂ 第 ７ 図 （０） （ｂ） 第 図 （Ｃ） ８．８゜ ９．１゜ ■ Δ（、（ｆ　、Ａ ｆ　ａｍ） 第 ０ 図 第 １ 図 １１゜ ｌ。 第 １４ 図 第 ５ 図 第 ６ 図 第 ７ 図 第 ８ 図 第 １９ 図 第 ０ 図 第 １ 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 平均半径がＲの円弧部と長さＬの直線部とからなる長円
   環形状の弾性体に電気−機械エネルギー変換素子により
   進行性振動波を形成し、該弾性体と、該弾性体に圧接す
   る部材とを相対移動させる振動波モータにおいて、 該弾性体の円弧部の平均半径Ｒに対する直線部の長さＬ
   の比（Ｒ／Ｌ）を１／４以上としたことを特徴とする振
   動波モータ。