JPH04121077A - 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、超音波振動エネルギを駆動源とする超音波モ
ータに関するものである。

［従来の技術］ 従来、上述のような超音波モータは、定在波型超音波モ
ータと呼ばれている。定在波型超音波モータの動作原理
は、弾性体に対し略直交する少なくとも二方向の定在波
を励振するための第１圧電体及び第２圧電体を設けた超
音波振動子を用い、その２方向の振動により略楕円運動
する弾性体に対して所定圧力で移動子を当接させ、略楕
円運動運動する各質点と移動子との摩擦力により該移動
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易いために、それを用いた定
在波型超音波モータは高効率、大出力を実現できる。上
述の２方向振動には、主に共振振動が利用される。

弾性体に対する圧電体の設置方法は、振動を効果的に励
振するために、その振動プロファイルに於て歪か最大と
なる位置を選んで接着されると言う方法かある。

し発明か解決しようとする課題］ しかしなから、上述の超音波モータでは、弾性体の形状
寸法や励振源の着設位置などを、使用している振動プロ
ファイルに対して完全に対称にすることは非常に困難で
ある。その結果、２方向振動の結合が発生し、不要振動
が発生し、励振効率が低下したり、超音波モータの制御
性が悪くなると言う問題があった。

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、振動モードの結合を発生しに＜＜シ、その結
果高効率動作の可能な超音波モータを得ることをその目
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超音波モータに於い
ては、第１弾性体と、第１弾性体に対し略直交する少な
くとも二方向の定在波を励振するための第１圧電体及び
第２圧電体と、前記第１弾性体に圧着した第２弾性体と
を具備し、前記第１弾性体の振動エネルギにより前記第
２弾性体が駆動され相対運動を行なう超音波モータに於
て、前記圧電体の少なくとも一方には、励振力調節手段
を備えている。

また、励振力調節手段きして圧電体の励振面積選択手段
を備えている。

或は、励振力調節手段として圧電体の電気入力端子にイ
ンピーダンス素子を設けられている。

［作用コ 上記の構成を有する本発明の超音波モータに於いては、
第１弾性体に着設された第１圧電体及び第２圧電体が、
振動プロファイルに対して対称な位置からすれていても
、その圧電体の励振力が振動プロファイルに対して対称
となるように調節できるので、不要振動を発生させるこ
とがない。

［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。

本実施例の超音波モータとしては、第１図及び第２図に
示すような機械共振器を含んだ超音波振動子を用いた定
在波型超音波モータを例にとり説明する。以下に、その
超音波振動子の構成を述べる。

矩形角柱形状を有する弾性体２１の上面に、第１圧電体
２２が着設され、かつその着設面と略直交する側面に第
２圧電体２３ａ及び２３ｂか着設されて超音波振動子１
１が構成されている。

弾性体２１の長手方向中心には、それを固定するための
固定ボルト２４ａ及び２４ｂが着設されている。固定ボ
ルト２４ａ及び２４ｂの他の一端は、基台２５ａ及び２
５ｂに固定されている。

また、第１圧電体２２の上面には、給電用の電極２６が
着設されている。そして、第２圧電体２３ａ及び２３ｂ
の上面にも、給電用の電極２７ａ及び２７ｂが着設され
ている。弾性体２１自身はアース電極を兼ねており、弾
性体２１は固定ボルト２４ａ及び２４ｂを介して基台２
５ａ及び２５ｂに接地されている。

上述の超音波振動子１１の駆動回路について以下に説明
する。交流電源２８の出力がフェーズシフタ２９に人力
されている。ここに、交流電源２８は、所定の範囲の周
波数の交流電圧が出力可能なものである。そのフェーズ
シフタ２９の出力が、アンプ３０ａ及び３０ｂに入力さ
れた後、電極２６、電極２７ａ及び２７ｂに接続されて
いる。アンプ３０ａ及び３０ｂは、その増幅率が可変と
なっており、所定の範囲の電圧振幅を出力可能とするた
めのものである。

次に、上述の超音波振動子１１の作用につき以下の説明
する。

弾性体２１は、所定の周波数ｆに於いて、その厚さ方向
に両端自由端２次モードで曲げ振動し、且つ大略同一の
周波数ｆに於いて長さ方向に両端自由端１次モードで縦
振動するようにその形状寸法を調節されている。

一般に、弾性体中を伝ばんする縦振動の共振周波数は、
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を設計することは容易
であるので、その詳細は省く。

交流電源２８により、第１圧電体２２に前記所定周波数
ｆの交流電圧を印加して振動させると、弾性体２１は曲
げ振動２次モードで共振し、定在波か励振される。次に
第２圧電体２３ａ及び２３ｂに大略前記周波数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次モードで振動し、定在波が励振される。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。

この時、フェーズシフタ２９或はアンプ３０ａ及び３０
ｂを用いて、第１圧電体２２と第２圧電体２３ａ及び２
３ｂに印加する電圧の振幅あるいは位相を調節すると、
弾性体２１に所望の形状の略楕円運動を発生することが
できる。

尚、上述の実施例では縦振動１次モードと曲げ振動２次
モードを励振し、その合成により略楕円運動を得る超音
波振動子について説明したが、その振動はそれに限定さ
れるものではなく、縦振動、曲げ振動、せん断振動、ね
じり振動なと種々の振動の組合せか可能であり、またそ
れらの高次モードを利用することも可能である。

上述の超音波振動子１１を好適に利用した定在波型超音
波モータの動作原理について、第２図及び第３図を参照
しつつ以下に説明する。第５図は、超音波振動子１１の
圧電体に印加する入力電圧波形を示した図である。同図
に於て、第１図と同じ符号の記された各部材は、前記詳
述した各構成部材と同一であることを示している。

超音波振動子１１に於いて、縦振動に関し最大振幅を与
える両端部には、駆動子３２か形成されている。駆動子
３２には、可動子３４が図示しない圧着機構により圧着
されている。

超音波振動子１１に交流電気信号を印加して振動させる
と、超音波振動子１１は第２図（ａ）乃至（ｄ）に示さ
れるような振動形態を繰り返すことによって、駆動力を
発生する。即ち、第２図（ａ）では縦振動の伸長時に左
側の駆動部３２が可動子３４に接するように両振動の位
相か調節されている。次に、時間とともに第２図（ａ）
（ｂ）　　　（Ｃ）と形状が変化していく。その結果、
今度は縦振動の収縮時に右側の駆動部３２か可動子３４
に接する。駆動子３２と可動子３４とか接するときにそ
れらの摩擦力に起因する駆動力を受け、所定方向に推力
を発生するものである。２つの駆動子３２の推力発生方
向は、同一動作条件に於いては、常に同一方向を向いて
いる。またその駆動方向は、入力電圧位相により任意に
変更可能である。さらに、駆動速度は入力電圧の振幅或
は位相により調節可能である。

次に、本実施例の超音波モータの励振力調節方法につき
、第４図を参照しつつ以下に説明する。

矩形角柱形状を有する弾性体２１の上面には、弾性体２
１に曲げ振動を励振するための第１圧電体４１ないし４
４が、４つに分割されて着設されている。また、弾性体
２１の下面には、弾性体２１に曲げ振動を励振するため
の第１圧電体４５ないし４８が、４つに分割されて着設
されている。

それぞれの第１圧電体には、電極５１ないし５８か接続
されている。その各々の電極５１ないし５８には、スイ
ッチＳ１ないしｓ８が接続され、交流電源６０に並列接
続されている。

弾性体２１が、同図中矢印Ｚ方向に形状ばらつきかあり
、＋Ｚ力方向−Ｚ力方向比べ厚くなった場合、圧電体４
１及び４５のスイッチｓ１及びＳ５を遮断すると、弾性
体２１の形状ばらつきと励振力のバランスかとれて、所
望の曲げ振動のみが励振できる。或は、弾性体２１がＹ
方向に形状ばらつきを有する場合には、その程度に応じ
て上下面の圧電体の励振枚数を調節すればよい。

以上のような構成をとっているので、弾性体２１に所望
の振動モードのみを励振することが可能となり、例えば
曲げ振動と縦振動が結合することもない。その結果、超
音波振動子１１の励振効率を向上でき、ひいては超音波
モータの高校率励振が可能となる。

次に、励振力調節方法の第２実施例につき、第５図を参
照しつつ説明する。

超音波振動子１１の第２圧電体２３ａ及び２３ｂの電気
入力端子には、可変抵抗７０ａ及び７０ｂが接続されて
いる。　この場合、可変抵抗７０ａ及び７０ｂの抵抗値
を大きくすれば、圧電体の励振力を小さくすることが出
来る。圧電体２３ａ及び２３ｂの着設状態や弾性体２１
の形状寸法にばらつきがあると、圧電体２３ａ及び２３
ｂ縦振動のみでなく、同図中Ｚ方向の曲げ振動も励振し
てしまうため、縦振動の励振振幅が小さくなってしまう
と言う問題がある。そこで、上述のばらつきに応じて可
変抵抗７０ａ及び７０ｂの抵抗値を変化し、圧電体２３
ａ及び２３ｂの励振力のバランスをとってやれば、所望
振動である縦振動のみを効果的に励振することが可能と
なる。

本実施例に於いて超音波振動子の励振源として圧電体を
用い、その形状を平板とする例につき説明したが、それ
に限定されるものではなく、円板形状、円筒形状、棒状
など種々の形状が考えられる。

更に弾性体２１の形状は、角柱形状に限定されるもので
はなく、平板状、円板状、円環状、円筒状なと種々の形
状か考えられる。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が
考えられる。

［発明の効果コ 以上詳述したことから明らかなように、本発明によれば
、高効率動作の可能な超音波モータを実現することがで
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、本実施例に用いる超音波振動子の構成を示す
図であり、第２図は、上記超音波振動子を好適に利用し
た超音波モータの動作原理を示す図であり、第３図は、
超音波振動子の圧電体に印加する電圧振幅を示す説明図
であり、第４図は、本実施例の励振力調節手段の第１の
実施例の構成を示す図であり、第５図は、励振力調節手
段の第２の実施例の構成を示す図である。 図中 ２１は弾性体、２３ａ、２３ｂは第２圧電体、３４は可
動子、４１乃至４８は第１圧電体、７０ａ、７０ｂは可
変抵抗、２３ａ、２３ｂは第２圧電体である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. １．第１弾性体と、 第１弾性体に対し略直交する少なくとも二方向の定在波
   を励振するための第１圧電体及び第２圧電体と、 前記第１弾性体に圧着した第２弾性体とを具備し、 前記第１弾性体の振動エネルギにより前記第２弾性体が
   駆動され相対運動を行なう超音波モータに於て、 前記圧電体の少なくとも一方には、励振力調節手段を備
   えたことを特徴とする超音波モータ。
2. ２．請求項１記載の超音波モータに於て、励振力調節手
   段として圧電体の励振面積選択手段を備えたことを特徴
   とする超音波モータ。
3. ３．請求項１或は２記載の超音波モータに於いて、励振
   力調節手段として圧電体の電気入力端子にインピーダン
   ス素子を設けたことを特徴とした超音波モータ。