JPH0474953B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、片面に圧電素子を固定した振動体
が励振されて表面に振動波を発生し、振動体の他
面に接触する回転子が駆動される、超音波モータ
に関する。

〔発明の概要〕

この発明は、固定子と回転子を有する超音波モ
ータにおいて、振動体が弾性材料からなり、振動
体が励振されて表面に振動波を発生し、複数の圧
電素子が互いに積層されて振動体の片面に固定さ
れ、他面には回転子が所定の圧力により接触され
て駆動される、構成とした。

そして、出力トルクが高く、効率の良い超音波
モータを得ることを目的としている。

〔従来の技術〕 従来、所定の分極をした圧電素子を振動体に接
着固定して、圧電素子に所定の電圧を印加して振
動体に振動波を発生させていた。そして、振動体
に接触するロータを回転させる超音波モータの構
造が知られていた。

第２図は、従来の超音波モータの動作原理図で
ある。

振動体１０は、弾性材料により形成する。圧電
素子９ａ，９ｂは、振動体１０に対して、接着に
より固定する。圧電素子９ａ，９ｂは、極の方向
を同一にして、所定の分極処理がされている。

圧電素子９ａ，９ｂの有効長をraとして、圧電
素子９ａ，９ｂの間隔をrbとする。

raとrbの関係は、 ra＝2rb (1) ここで、 ra＝λ／２ rb＝λ／４ λ／2π 発振回路８ａから、圧電素子９ａにAsinωtの
信号を印加する。

発振回路８ｂから、圧電素子９ｂにAcosωtの
信号を印加する。

振動の方向は、第２図の右方向を＋ｘ、左方向
を−ｘ、とする。

第一に、＋ｘ方向に働く力は、 Ｆ＋ｘ＝Asin（ωt＋α） ＋Acos（ωt＋α＋3λ／４） ＝Asin（ωt＋α） ＋Ａ〔cos（ωt＋α）＊cos（3π／２） −sin（ωt＋α）＊sin（3π／２）〕 ＝Aisn（ωt＋α） ＋Asin（ωt＋α） よつて、 Ｆ＋ｘ＝2Asin（ωt＋α） (2) 次に、−ｘ方向に働く力は、 Ｆ−ｘ＝Asin（ωt＋α） Acos（ωt＋α） ＋Acos（ωt＋α−3λ／４） ＝Asin（ωt＋α） ＋Ａ〔cos（ωt＋α）＊cos（3π／２） ＋sin（ωt＋α）＊sin（3π／２）〕 ＝Asin（ωt＋α） −Asin（ωt＋α） よつて、 Ｆ−ｘ＝０ (3) つまり、与えられたエネルギは、すべて、＋ｘ
方向のみに働く振動波、即ち進行波となる。

なお、発振回路８ｂに印加する信号をAcosωt
とすれば、与えられたエネルギは、すべて−ｘ方
向のみに働く振動波、即ち進行波となる。

ここで、上記の計算においては、進行波の減衰
は無視してある。

振動体１０の矢印Ｂ方向の側に回転子８を配置
すると、回転子２は進行波の方向と逆方向へ回転
する。

例えば特開昭52−29192号公報などに従来のこ
のような開示がされている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、従来の超音波モータでは、下記の課題
があつた。

圧電素子が一層であるので、超音波モータの
出力トルクを高すすることが困難である。

低い電圧で超音波モータを駆動することが困
難である。

そこで、この発明の目的は、従来のこのような
課題を解決するため、小型で高トルクで効率の良
い超音波モータを得ることとしている。

〔課題を解決するための手段〕

この発明は、超音波モータにおいて、出力トル
クを高くして、しかも、低い電圧で駆動できるよ
うにするために、固定子は振動体と複数の圧電素
子を有し、振動体が弾性材料からなり励振されて
表面に振動波を発生する構成とした。

さらに、複数の圧電素子が互いに積層されて振
動体の片面に固定され、他面には回転子が所定の
圧力により接触される。複数の圧電素子に所定の
電圧を印加することにより、回転子は振動体に発
生する振動波により駆動される構成とした。

そして、本発明の超音波モータは、小型で出力
トルクが高く、しかも、モータの動作の効率の良
い。

〔作用〕

本発明の超音波モータは、回転子と固定子を備
えている。

固定子は振動体と複数の圧電素子を有する。

振動体は、弾性材料からなる。

複数の圧電素子は、互いに積層されて発動体の
片面に固定されている。

振動体の他面には、回転子が所定の圧力により
接触され、駆動できるように組み込まれている。

複数の圧電素子に発振回路から所定の電圧を印
加すると、振動体が励振されて表面に振動波を発
生する。

振動体に発生した振動波により、振動体に接触
している回転子は駆動する。

本発明の超音波モータは、出力トルクが高く、
かつ、モータの効率が良い。

〔実施例〕

以下に、この発明の実施例を図面に基づいて説
明する。

第１図は、超音波モータの構造を示す原理図で
ある。

第１図において、軸受５を、基台６の上に配置
する。振動体受台４を、軸受５の上に配置する。
振動体３は、弾性材料により形成する。圧電素子
７は、振動体３に対して、矢印Ａ方向から接着な
どにより固定する。振動体３、圧電素子７、及
び、振動体受台４により、超音波モータの固定子
２１を構成する。圧電素子７は、所定の電圧を印
加すると、それぞれの部分が伸縮するように分極
処理がされている。

回転子軸１は、回転子２に固定する。回転子軸
１の一端は、軸受５に組み込む。回転子２は、所
定の接触圧力で振動体３に接触する。回転子２
は、回転することができるように組み込む。

第３図は、本発明に係る超音波モータの圧電素
子の構造原理図である。

振動体１４の一方の面に２組の圧電素子１２
ａ，１２ｂと１２ｃ，１２ｄをそれぞれ積層して
固定する。振動体１４、圧電素子１２ａ，１２
ｂ，１２ｃ，１２ｄにより、超音波モータの固定
子２１を構成する。本実施例では、１組の圧電素
子は、２枚の圧電素子により構成する。２枚の圧
電素子は、所定の電圧を印加したときに、それぞ
れが同じ方向に伸縮するように分極されている。
圧電素子１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄには、
電極１３ａ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆを
取り付ける。

発振回路１１ａ，１１ｂより、圧電素子１２
ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの電極１３ａ，１３
ｂ，１３ｃ，１３ｅ，１３ｆに所定の信号を印加
する。

圧電素子内の電解強度Ｅは、印加電圧をＶ、圧
電素子の圧さをｄとすると、 Ｅ＝Ｖ／ｄ (4) ここに、第２図に示す従来の圧電素子９ａ，９
ｂの圧さをｄ、第３図に示す本発明の実施例の圧
電素子１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの厚さを
ｄ／２とする。

第３図において、電極１３ａ，１３ｂ，１３
ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆの厚さは、圧電素子
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの厚さに比べて
充分薄い。

第３図に示す本発明の実施例の２組の厚電素子
１２ａ，１２ｂの合計の厚さ、１２ｃ，１２ｄの
合計の厚さと、第２図に示す従来の厚電素子９
ａ，９ｂのそれぞれの厚さはすべて同等である。

圧電素子１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの厚
さは、圧電素子９ａ，９ｂの半分であるので、圧
電素子１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄにかかる
電解強度は、圧電素子９ａ，９ｂにかかる電解強
度の２倍となる。

圧電素子１２ａと１２ｂの合計体積と、圧電素
子１２ｃと１２ｄの合計体積と、圧電素子９ａの
体積と、圧電素子９ｂの体積とはすべて同等であ
る。

従つて、第２図に示す従来の構造に比べて第３
図に示す本発明の実施例の構造は２倍の出力トル
クが出る。

すなわち、同体積、同印加電圧の超音波モータ
であつても、本発明の実施例に示すように、複数
の圧電素子を積層して固定することにより、出力
トルクの向上がはかれる。また、圧電素子の厚さ
を半分にすれば、入力インピーダンスもほぼ半分
となり、印加電圧を低くしても従来と同等の出力
トルクが得られる。

〔発明の効果〕

この発明は、固定子と回転子を有する超音波モ
ータにおいて、固定子は振動体と複数の圧電素子
を有し、振動体が弾性材料からなり、励振されて
表面に振動波を発生し、複数の圧電素子が互いに
積層されて振動体の片面に固定され、他面には回
転子が所定の圧力により接触されて駆動される、
構成としたので、以下に記載する効果を有する。

出力トルクの高い超音波モータが得られる。

低い電圧で駆動する超音波モータが得られ
る。

小型の超音波モータが得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、超音波モータの構造を示す原理図、
第２図は、従来の超音波モータの動作原理図、第
３図は、本発明に係る超音波モータの圧電素子の
構造原理図である。 １……回転子軸、２……回転子、３，１０……
振動体、４……振動体受台、５……軸受、６……
基台、７……圧電素子、８ａ，８ｂ，１１ａ，１
１ｂ……発振回路、９ａ，９ｂ，１２ａ，１２
ｂ，１２ｃ，１２ｄ……圧電素子、１３ａ，１３
ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆ……電極、
１４……振動体、２１……固定子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 回転子２と固定子２１を備えた超音波モータ
   であつて、 固定子２１は振動体１４と複数の圧電素子１２
   ａ，１２ｂを有し、振動体１４が弾性材料からな
   り、励振されて表面に振動波を発生し、複数の圧
   電素子１２ａ，１２ｂが互いに積層されて振動体
   １４の片面に固定され、他面には回転子２が所定
   の圧力により接触されて駆動される、 超音波モータ。