JPH044772A

JPH044772A - 超音波モータ

Info

Publication number: JPH044772A
Application number: JP2104589A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Takizawa; 宏行滝沢
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1990-04-20
Filing date: 1990-04-20
Publication date: 1992-01-09

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】［産業上の利用分野コ本発明は、超音波モータ、詳しくは超音波振動により移
動体に駆動力を発生させる超音波モータの改良に関する
ものである。

［従来の技術］本出願人は先に、圧電素子を利用した超音波モタについ
て出願（特願平１−１９５７６７号）した。

この超音波モータは、板状もしくは棒状の弾性体と該弾性体に固定された圧電
素子とからなり、該圧電素子に交流電圧を印加すること
により定在波型の屈曲振動を起こす屈曲振動子と、上記弾性体の表面で上記屈曲振動の節線上に設けられて
いて、上記屈曲振動により該節線を中心として揺動され
、交流電圧を印加されることによって上記屈曲振動の振
幅方向に伸縮する縦振動子と、この縦振動子の先端面に圧接される移動体と、を具備し
、上記屈曲振動に同期して上記縦振動子を伸縮させるこ
とにより、上記屈曲振動子および縦振動子に対して移動
体を相対移動させるようにしたものである。

次に、この超音波モータの構成の一例を、第２図を借り
て今少し詳しく説明すると、弾性体７の下面に圧電素子
６が一体に接着された屈曲振動子１の振動の節の位置に
、厚味方向に分極された複数枚の圧電素子板を積層して
なる縦振動子３，４の基端部を接着し、該縦振動子３，
４の上端面部をリニアレール８の摺動面８　ａ　Ｊ、：
直交する方向に圧力調整用バネ１５で圧接させるように
構成し、上記圧電素子６および縦振動子の圧電素子にそ
れぞれ交流電圧を印加することによって屈曲振動子１に
屈曲振動を発生させると共に、この屈曲振動に同期して
縦振動子を伸縮させて、上記屈曲振動子１および縦振動
子３，４に対して移動体を相対移動させるようにしたも
のである。

［発明が解決しようとする課題］ところが、上述のように構成された超音波モータにおい
ては、屈曲振動子の節線上に設けられた縦振動子の形状
によっては、該縦振動子が屈曲振動子の屈曲振動を阻害
し、モータか殆んど動かないといった不具合を有してい
た。

即ち、屈曲振動子の茹上に縦振動子を接着固定した場合
に、縦振動子の剛性により屈曲振動子か屈曲しにくくな
る。この屈曲性については、縦振動子の基端部の幅が広
くなる程、縦振動子の剛性の影響が顕著に表われ、屈曲
振動子の屈曲を妨げるようになり、振動振幅に悪影響を
与えることになる。

また、屈曲振動子１の中立軸線０（第１図参照）が縦振
動子３，４を接着した側にすれることになり屈曲振動子
の内部ロスが発生するし、更に屈曲振動の振動モードに
も影響か出るばかりではなく、振動における節の位置に
もズレか発生し、縦振動子の先端の楕円軌跡にも影響が
表われることになる。

また、上記縦振動子は、０．５ｍｉ＋幅以下の製作が困
難であり、もし製作したとしても縦振動子の先端振幅を
１４ｍ１駆動周波数が５０ＫＨｚであることを考えると
、縦振動子の先端での加速度は、１×１０　ｍ／ｓ２、
つまり重力加速度の一万倍という大きな力となり、更に
屈曲力も、該縦振動子に加わることになるため、縦振動
子の剛性という点を考えると、抗折しおくなると共に、
耐久性が無くなる。また縦振動子への入力電力が大きく
とれないために、振幅がとれなくなり効率も悪くなるこ
とから０．５ｇｎ幅以下の縦振動子は適していない。

従って、本発明の目的は、上述の不具合を解消し、屈曲
振動子の屈曲振動を阻害せず、縦振動子による駆動力を
充分に取り出すことにより効率の良い安定な動作を行わ
せることができる超音波モータを提供するにある。

１課題を解決するための手段および作用］本発明による
超音波モータは、第１図にその概念を示すように、定在
波型の屈曲振動を発生する屈曲振動子１と、該屈曲振動
子１の節ｌａ上に設けられた厚味方向に伸縮する積層圧
電素子からなる縦振動子３，４と、該縦振動子の端面に
圧接される移動体とを具備した超音波モータにおいて、
弾性体７に圧電素子６を接着してなる屈曲振動子１に取
り付ける上記縦振動子３，４の屈曲振動の波長方向の取
付基端部の幅Ｂを、屈曲振動子１の波長λの１／３以下
にしたことを特徴とするものである。

このような寸法の縦振動子３．４を使用することによっ
て屈曲振動子の屈曲振動を妨げることが無くなり、縦振
動子の先端部での楕円振動か効率良く発生する。

［実　施　例コ以下、本発明を図示の実施例によって説明する。

第２〜４図は、本発明の一実施例を示したものであって
、本実施例は本出願人が先に提案した特願事１−１９５
７６．７号に開示したリニア型を基本構造とした超音波
モータに本発明を適用したものである。

屈曲振動子１は、ステンレス、黄銅、リン青銅。

アルミニウム等からなる弾性体７の下面に、第６図に示
す比率に配置された圧電素子６が一体に接着されて構成
されている。このように圧電素子６を配置すると両端自
由の３次の屈曲振動が最も効率よく励起でき、その場合
、第６図に示すような位置に振動の節１ａができる。こ
の屈曲振動子１の節１ａの位置、つまり弾性体７の左右
長手方向の両側面から（０，０９４４＋ｏ、２６１４）
　／　１の比率の位置に、第２〜４図に示すように厚み
方向に分極された複数の圧電素子板を積層してなる第１
．第２の縦振動子３，４が接着されており、その縦振動
子３，４の端面はリニアレール８の摺動面８ａに直交す
る方向に圧接されている。

そして、この屈曲振動子１の上記各々の節１ａの位置に
は弾性体の両幅方向の側面に４個の支持ビン１０ａ、１
０ｂ、１０ｃ、１０ｄが取り付けられている。第７図（
Ａ）　、　（Ｂ）は駆動体２（第２図参照）の側面図、
正面図であって、この駆動体２は弾性体７．圧電素子６
．第１．第２の縦振動子３．４．４個の支持ビン１０ａ
、１０ｂ、１０ｃ。

１０ｄより構成されている。なお図中の矢印は分極方向
を示している。

駆動体２を形成している弾性体７の側面から出ている４
個の支持ビン１０ａ、１０ｂ、１０ｃ。

１０ｄは、屈曲振動によって生ずる節の微少回転往復運
動を妨げないように短円柱体で形成されており、第２〜
４図に示すように支持台取付板１１に固定された支持台
１２で支持されている。そして、この支持台１２の上面
は、上記支持ビン１０ａ〜１０ｄをそれぞれ受けるため
のＶ時期の溝になっている。

支持台取付板１１には、支持台取付板１１の中心部に支
持用ボルト１８の先端部が通るような穴が設けられてい
る。また、上下のバネ押え１４゜１６でガイドされた圧
力調整用バネ１５とバネ圧調整ナツト１７がボルト１８
に通され、このボルト１８の上方先端部が支持台取付板
１１の中心部の穴に嵌合されている。そして、このバネ
圧調整ナツト１７は、ボルト１８のネジ部に噛合してい
るので、このバネ圧調整ナツト１７を回すことによって
、図の上方に圧力調整用バネ１５を移動調整することか
できる。そして、支持台取付板１１が上方へ移動し、移
動体に取り付けられた縦振動子３，４の各々の端部を、
リニアレール８の摺動面８ａに圧接するようになってい
る。

下板１９の中央には、ネジが切られており、上記ボルト
１８の下方が下板１９に螺着されている。

そして、ボルト１８の下部は円板状になっており、この
円板の下面か下板１９の上面に接するため、ボルト１８
はガタがなく固定されている。そして、リニアレール８
の摺動面８ｂには、軸２３にベアリング２６によって取
り付けられ回転自在の車輪２２か載置されている。

上板２１と下板１９は、左右の両側板２０で固定されて
おり、上板２１．下板１９２両側板２゜は剛体で形成さ
れている。そして、第２図、第４図に示すように両側板
２０の中心部の上方に上記車輪２２を通した軸２３か固
定されている。上記支持台取付板１１の両側面には、第
２図の手前側と奥側に各１本の取付板ガイド棒２５が埋
設されていて、この取付板ガイド棒２５は側板２０の壁
面中央の上下方向に穿設された溝２４にガイドされるよ
うになっている。これによって、上記リニアレール摺動
面８ａと縦振動子３，４との接触圧の調整時に上下する
支持台取付板１１か、ガタつかないようになっている。

このように構成された超音波モータを駆動するには、第
５図に示すように、弾性体７に貼設した圧電素子６と縦
振動子３．４に屈曲振動子１の共振周波数付近の正弦波
電圧を互いに９０°移相させて交流電源Ｐより印加すれ
ばよい。電圧を印加すれば、屈曲振動子１が定在波型の
屈曲振動を生ずると共に、縦振動子３．４とこれに同期
して伸縮運動をするので、これにより縦振動子３，４の
上端面に楕円振動を発生させ、縦振動子３，４の端面に
圧接しているレール８（第２〜４図参照）を移動させる
ことができる。

次に、上記構成を有するリニア型超音波モータにおいて
、縦振動子３，４の屈曲振動の波長方向に取付基端部の
幅Ｂについて説明すると、先ず屈曲振動子１の全長が、
例えば２７．９ａ＋ｍで両端自由３次屈曲モードで駆動
するリニア型モータを対象とし、種々の縦振動子の屈曲
振動子への取付基端部の幅Ｂを有する屈曲振動子のイン
ピーダンスカーブを測定する。

なお、測定した各縦振動子は、高さＴを一定としており
、屈曲振動子への取付基端部の幅Ｂは、１ｍｍ、　　３
ｍｇ、　　５ｍ１１．　６ｍｍ、　　７ｍｍ、　　８ｍ
ｍである。そして、モータの特性として上記谷幅Ｂを有
する振動子について測定したインピーダンスカーブから
振動の鋭さを表わすＱｍを求める。

このＱｍとは振動の損失係数の逆数、つまり振動の材料
内部での損失エネルギの割合の逆数で、Ｑｍか大きけれ
ば振動の損失か少ないことを表わす。

第８図は、上記各取付基端部の幅Ｂに対する屈曲共振時
のＱｍ値を示した線図である。この図からも判るように
、幅Ｂが６．７．８ｍｍの場合にはＱｍ値が小さいこと
が判る。このことは縦振動子の基端部の幅Ｂが６ＩｎＩ
ｎ以上では屈曲振動子を屈曲させたときの屈曲振動のロ
スか大きくなり、モータとしての特性が悪くなることを
示している。

即ち、屈曲振動子の振動の波長λとの関係で示すと、縦
振動子の基端部の幅Ｂは１／３以下となる。

また、以上の測定は両端自由の３次屈曲モードの振動子
で行ったが、これは両端自由の２次、１次屈曲モードの
振動子、または片端あるいは両端支持の屈曲振動子でも
よいことは勿論である。

このように安定した高出力のリニア型超音波モータを得
るには、屈曲振動の波長方向の取付基端部の幅Ｂは、屈
曲振動子の波長λの１／３以下にすればよいことになる
。

第９図〜第１１図は、本発明による超音波モータにおけ
る、屈曲振動子１と縦振動子３，４とからなる駆動体２
の変形例をそれぞれ示すものである。

前記実施例における駆動体２においては、縦振動子３，
４は、その全体の幅とその取付基端部の幅Ｂとを同じよ
うに形成した角柱型のものであったが、これは角柱型の
ものである必要はない。即ち、第９図の駆動体２Ａに示
すように、縦振動子３Ａ、４Ａを丁字形になるように圧
電素子を積層して形成し、その縦振動子３Ａ、４Ａの屈
曲振動子ＩＡへの取付基端部の幅Ｂがλ／３以下になる
ように構成する。このように縦振動子３Ａ、　４Ａを構
成しても高効率のモータを供給することができる。

また、これまで述べてきた例では、平板上の屈曲振動子
の平面上に縦振動子３，４．３Ａ、４Ａを接着固定した
が、これは第１０図の駆動体２Ｂに示すように、金属で
ある弾性体７と圧電素子６よりなる屈曲振動子１の節線
上に、固定部の幅Ｂｏが１７３λ以下になるような丁字
形の土台７ａ。

７ｂを弾性体７に一体成形し、この土台７ａ。

７ｂの上面に幅の広い縦振動子３Ｂ、４Ｂをそれぞれ接
着固定してもよい。

このように構成すれば、弾性体７の丁字形の土台７ａ、
７ｂの部分は、リン青銅、黄銅、ステンレス、アルミニ
ウム等からなる弾性体と同じ金属で形成されるため、圧
電素子より強度かあり、従って、土台７ａ、７ｂの固定
部の幅Ｂｏを積層圧電素子の幅Ｂよりも狭くすることか
できると共に、幅の広い縦振動子を丁字形の土台上に接
着固定することによって屈曲振動子１の振動ロスの低減
と縦振動子の振動発生力の増大か可能となり高効率のモ
ータを供給することかできる。

また、更に上記第１０図のように形成された、幅Ｂ。の
固定部を有する土台７ａ、７ｂの両側に、第１１図に示
すように弾性体７に切込溝７Ｃをそれぞれ穿設すれば、
縦振動子３Ｂ、４Ｂの固定部が切込溝７Ｃの深さしたけ
、屈曲振動子１の中立軸線０に近付くため、より厚味の
薄い小型の超音波モータを供給することかできる。

［発明の効果］以上述べたように本発明によれば、超音波モ−夕におけ
る縦振動子の屈曲振動の波長方向の取付基端部の幅を、
屈曲振動子の１／３波長以下に定めるようにしたので、
屈曲振動子の形状や使用振動モードがモータのアクチュ
エータとしての機能本位に定められたものであっても、
上記幅が満足されていれば、高い効率で、かつ安定した
駆動力で動作する。

従って、屈曲振動子の節線上に設けられた縦振動子の形
状によっては、該縦振動子が屈曲振動子の屈曲振動を阻
害し、モータが動かなくなるといった、二の種従来の欠
点を除去した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図は、本発明の概念を示す線図、第２図は、本発明の一実施例を示す超音波モータの側断
面図、第３図および第４図は、上記第２図の超音波モータの正
面図および斜視図、第５図は、上記超音波モータにおける屈曲振動子の圧電
素子および縦振動子の圧電素子へ交流駆動電圧を印加す
る際の電気回路線図、第６図は、上記第２図の超音波モータおける屈曲振動子
に励起された３次の屈曲振動状態を示す線図、第７図（Ａ）　、　（Ｂ）は、上記第２図の超音波モー
タにおける駆動体の側面図と正面図、第８図は、縦振動子の屈曲振動子への取付基端部の幅Ｂ
に対する屈曲共振時のＱｍ値を示す線図、第９図〜第１
１図は、上記超音波モータにおける駆動体の変形例をそ
れぞれ示す側面図である。１・・・・・・・・・・・・屈曲振動子１ａ・・・・・
・・・節３．４・・・・・・縦振動子６・・・・・・・・・・・圧電素子７・・・・・・・・・・・・弾性体

Claims

【特許請求の範囲】

（１）板状もしくは棒状の弾性体と該弾性体に固定され
た圧電素子とからなり、該圧電素子に交流電圧を印加す
ることにより定在波型の屈曲振動を起こす屈曲振動子と
、上記弾性体の表面で上記屈曲振動の節線上に設けられて
いて、上記屈曲振動により該節線を中心として揺動され
、交流電圧を印加されることによって上記屈曲振動の振
幅方向に伸縮する縦振動子と、この縦振動子の先端面に圧接される移動体と、を具備し
、上記屈曲振動に同期して上記縦振動子を伸縮させるこ
とにより、上記屈曲振動子および縦振動子に対して移動
体を相対移動させる超音波モータにおいて、上記弾性体に固定される上記縦振動子の基端部の幅を、
上記屈曲振動の波長λの３分の１以下にしたことを特徴
とする超音波モータ。
（２）上記縦振動子は、上記弾性体の厚味方向に積層さ
れた圧電素子よりなることを特徴とする請求項１記載の
超音波モータ。