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    公开号:WO1987005166A1
    申请号:PCT/JP1987/000102
    申请日:1987-02-17
    公开日:1987-08-27
    发明作者:Osamu Kawasaki；Ritsuo Inaba；Akira Tokushima；Katsu Takeda
    申请人:Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.；
    IPC主号:H02N2-00
    专利说明:
    [0001] 明 細 害
    [0002] 発明の名称
    [0003] 超音波モータ
    [0004] 技術分野
    [0005] 本発明ほ圧電体により励振された弾性進行波を駆動力とする 超音波モータに閬する。
    [0006] 背景技術
    [0007] 超音波モータほ、 圧電体と弾性体とから成る振動体、 及びそ の振動体に加圧接触して設置された回転体から構成される。 例 えば米国特許第 4， 5 6 2， 3 7 4号には、 円環状の圧電体と 弾性体とからなる振動体を用いた例が記載されている。 上記圧 電体には、 周方向において位置的に 9 0度位相の異なる 2つの 電極群が付設されている。 この電極群に 9 0度位相の異なる 2 つの交流電圧を印加することにより、 上記振動体には弾性進行 波が励振され、 上記回転体ほ摩擦力によって回転する。
    [0008] 進行波ほ
    [0009] ξ = ξ QCOS、 ω t-kx)
    [0010] = ξ Q (cos ( ω t) cos (kx) +s in ( ω t)sin(kx)) (1)
    [0011] ξ ； 進行波の振幅，
    [0012] i 0； 振幅の瞬時値，
    [0013] ω ； 角周波数， t ； 時間，
    [0014] k ； 波数， X ； 位置
    [0015] で表される。
    [0016] ところで、 上記のような円環状の振動体を用いた場合は、 径 方向の幅が狭いこと、 又、 2つの電極群が周方向において領域 * を分割して seされていることから、 一方の電極群に対応する圧 電体の面積ほ小さい。 従って、 一方の位相の振動を励振するた めの駆動力ほ十分ではなく、 高い駆動効率は得難い。
    [0017] これに対して、 超音波モータの振動体の他の例として、 特開
    [0018] 5 昭 6 0— 1 8 3 9 8 2号公報に開示されたような、 弾性体と圧 電体 2枚を 3層に同軸に貼り合わせて構成したものがある。 こ の 2枚の圧電休ほ円板状であり、 各々が独立して電圧印加され、 それによ り励起される振動の位相が 9 0度異なるよう に重ねあ わされている。 従って、 励振の駆動力を与える圧電体の面積は0 大であり、 効率ほ高い。
    [0019] しかしながら、 この場合 2枚の圧霄体の電気端子から見たィ ンピーダンスほ異なるから、 同一振幅の 9 0度位相の異なる電 圧で駆動したときに、 （1)式から明らかなよう に、 振動体内に 進行波だけでなく定在波が励振される。 この定在波の発生は超5 音波モー夕の駆動効率の低下を招来する。
    [0020] また、 振動体の更に他の例として、 上記の特開昭 6 0— 1 8 3 9 8 2号公報にほ、 弾性体と庄電体 1枚から構成され、 その 一枚の圧電体上には、 2つの領域からなる同心円状の電極が形 成されたものが闉示されている。 それらの電極に印加される電0 圧により位相の異なる振動が励起される。 この振動体も、 9 0 度位相の異なる 2つの電極群のインピーダンスを合わせておら ず、 また振動により誘起される竃荷の符号を考慮していないた めに、 同一振幅の 9 0度位相の異なる電圧で駆動したのでは、 振動休内に進行波だけでなく定在波が励振される。
    [0021] C 発明の開示 ♦ 本発明ほ、 振動体を構成する圧電体に設けられる、 2組の位 置的に位相の異なる電極群の最適化を図ることにより、 効率の 良い超音波モータを提供することを目的としする。
    [0022] 本発明によれば、 圧竃体と弾性休とから成る振動休に弾性進
    [0023] 5 行波を励振し、 前記振動体に加圧接触して設置された回転体を、 摩擦力によって駆動する超音波モータにおいて、 前記振動体が 略円板状をなし、 前記圧鼋体に付与された電極ほ、 上記振動の 進行方向である周方向に互いに位置的に位相の異なる 2組の同 心円状に配置され、 その径方向において 2次以上、 周方向にお0 いて 3次以上の曲げ振動モー ドで前記振動体を励振する構成を 有すると ともに、 各電極からみた少なく とも機械インピーダン スが等し く なるように設定され、 それらの 2組の電極により励 起される前記曲げ振動の定在波の重畳により周方向に曲げ振動 を進行させる。
    [0024] 5 図面の簡単な説明
    [0025] 第 1図は本発明の一実施例における円板型超音波モータの一 部切り欠き斜視図、 第 2図ほ第 1 図の実施例の動作を説明する ための斜視図、 第 3図（a)、 （b )及び（c )ほ各々、 第 1図の実施 例の振動体の断面図、 同振動分布図、 及び同電極構造を示す平0 面図、 第 4図（a )、 （b)及び（c)は各々、 他の実施例における円 板型超音波モータの振動体の断面図、 同振動分布図、 及び同電 極構造を示す平面図、 第 5図（a)、 （b )及び（c )は各々、 更に他 の実施例における円板型超音波モータの振動休の断面図、 同振 動分布図、 及び同電極構造を示す平面図、 第 6図は本発明の実r 施例における振動体の要部の動作を示す断面図、 第 7図は本発 明の実施例における振動体の要部の駆動状態を示す断面図、 第
    [0026] 8図は本発明のより具体的な実施例における超音波モータの断 面図である。
    [0027] 発明を実施するための最良の形態
    [0028] 以下、 図面に従って本発明の実施例について詳細な説明を行 Ό。
    [0029] 第 1図は円板型超音波モータの切り欠き斜視図である。 同図 において、 1 ほ圧電セラミ ック等の圧電体であり、 2 ほ鉄、 ァ ルミニゥム等の弾性体である。 3ほ機械出力取り出し用の突起 体であり、 弾性休 2の表面に設けられている。 圧電体 1 と弾性 休 2ほ同心円状に貼り合わせられて振動体 4を構成する。 5は 耐磨耗性の摩擦材であり、 6は弾性体であり、 共に貼り合わせ られて回転体 7を構成する。 振動体 4上に設置された突起体 3 と回転体 7は摩擦材 5を介して加圧接触される。 圧電体 1 に駆 動電圧が印加されると振動体 4に弾性進行波が励振され、 突起 体 3で機械的に增幅されて、 摩擦材 5 を介して回転体 7 を摩擦 力で駆動する。 回転体 7は回転軸 8 を中心にして回転する。
    [0030] 第 2図ほ上記円板型超音波モータの振動姿態と径方向の振幅 分布図である。 同図において示されている振動モー ドほ、 径方 向 2次、 周方向 4次の円板の曲げ振動モー ドを使用している。 振動体 4 を支えるために周方向に 3つ以上の振動の腹があれば よいので、 径方向 2次、 周方向 3次以上の曲げ振動モー ドであ れば同様に使用できる。 同図中の r ()ほ、 曲げ振動の腹の位置 で振幅が最大になる位置である。 超音波モータの回転体の回転 速度ほ振動休の振動の振幅値に比例するので、 この振動の腹の 位置に回転体が接するようにすれば、 最高回転速度が得られる。 従って、 突起体 3 ほ通常この位置に設置される。
    [0031] 第 3図ほ第 1図に示した円板型超音波モータの振動体 4の振 動分布と、 圧電体 1の電極構造を示す。 電極群 A 9 と B 1 0は、 振動体 4の曲げ振動の節円内に同心円状に構成され、 それぞれ 円周方向の長さが弾性進行波の 2分の 1波長に相当する小電極 群から成る。 また、 電極群 A 9 と B 1 0ほ円周方向に位置的に 9 0度の位相差をつけて配置されている。 同図に示した面の反 対面の電極ほベタ電極である。 電極群 A 9および B 1 0を構成 する互いに隣り合う小電極部の分極方向ほ、 厚み方向に反対で ある。 使用時には、 電極群 A 9、 B 1 0はそれぞれ短絡し、 そ れぞれに 9 0度位相の異なる交流電圧を印加すれば、 円周方向 進行する曲げ振動が励振される。 ここで、 上記曲げ振動によ り電極群 A 9および B 1 0 に誘起される電荷が等しいようにそ れぞれの電極面積を、 径方向の幅で設計しておけば （ 機械イン ピーダンスを等し く しておけば ） 、 同一駆動電圧により同一振 幅の弾性波が励振でき、 （1 )式によ り効率良く進行波が励振で きる。
    [0032] 第 4図は、 本発明の他の実施例の超音波モータにおける、 振 動体 1 1 の振動分布と、 圧電体 1 2の電極構造を示す。 電極群
    [0033] 1 3は振動体 4の曲げ振動の節円外に、 電極群 B i l Aは節 円内に設置されている。 お互いの電極は同心円状に構成され、 それぞれ円周方向の長さが弾性進行波の 2分の 1波長に相当す る小電極群から成る。 また、 電極 A , 1 3 と B i 1 4は円周方向 に位置的に 9 0度の位相差をつけて配置されている。 同図に示 した面の反対面の電極はベタ m極である。 電極群 Ai l 3およ ぴ 811 4 を構成する互いに隣り合う小電極部の分極方向は、 厚み方向に反対である。 使用時にほ、 電極群 Aj l S s B 11 4 ほそれぞれ短絡し、 それぞれに 9 0度位相の異なる交流電圧を 印加すれば、 円周方向に進行する曲げ振動が励振される。 ここ で、 上記曲げ振動により電極群 A21 3およぴ 811 4 に誘起さ れる電荷が等しいようにそれぞれの電極面積を設計しておけば ( 機械インピーダンスを等しく しておけば ） 、 同一駆動電圧に よ り同一振幅の弾性波が励振でき、 （1)式によ り効率良く進行 波が励振できる。 ここで、 第 4図の ¾極群 Ai l 3の小電極に 誘起する電荷ほ、 第 3図の電極群 A 9の相対する小電極に誘起 する電荷と逆符号である。 従って、 駆動電圧が同じなら、 回転 体の回転方向ほ逆になる。
    [0034] 第 5図は、 本発明の更に他の実施例の超音波モータにおける、 振動体 1 5の振動分布と、 圧電休 1 6の電極構造を示す。 電極 群 A2.l 7 は振動体 4の曲げ振動の節円外に、 電極群 A。 1 8 と 電極群 B。 1 9 は節円内に設置されている。 3つの電極群は同 心円状に構成され、 それぞれ円周方向の長さが弾性進行波の 2 分の 1波長に相当する小電極群から成る。 また、 電極群 An l 7 と A。 1 8は円周方向に位置的に同位相に、 そして、 電極群 A 1 8 と B21 9 は円周方向に位置的に 9 0度の位相差をつけ て配置されている。 同図に示した面の反対面の電極ほベタ電極 である。 電極群 A。 1 7、 A 1 8および B。 1 9 を構成する互 いに隣り合う小電極部の分極方向ほ、 厚み方向に反対である。 電極群 A21 7 と A31 8の相対する小電極に誘起される電荷の 符号ほ、 分極の向きが同じなら反対であるので、 ここでほ同図 に示すように分極の向きを反対にしている。 従って、 使用時に ほ、 電極群 A21 7 と Ag l 8、 および B 91 9 はそれぞれ短絡 し、 それぞれに 9 0度位相の異なる交流電圧を印加すれば、 円 周方向に進行する曲げ振動が励振される。
    [0035] ここで、 上記曲げ振動により電極群 Aウ 1 7 と A。 1 8に誘起 される電荷の和、 および電極群 B 21 9 に誘起される電荷が等 しいようにそれぞれの電極面種を設計しておけば （ 機械インピー ダンスを等しく しておけば ） 、 同一駆動電圧により同一振幅の 弾性波が励振でき、 （1)式により効率良く進行波が励振できる。 この実施例によれば、 振動体の円板面一杯に電極を構成できる ので、 大きな出力を取り出せる超音波モータを実現できる。 な お、 電極群電極群 Aゥ 1 7 と A31 8 を同位相にして用いたが、 同様にして電極群 A21 7 と B21 9 を同位相にして用いること もできる。
    [0036] 以上の具体例では、 機械インピーダンスのみを 2つの駆動電 極群で等しく したが、 電気インピーダンスをも等しくすれば、 同一振幅で 9 0度位相の異なる駆動電圧でさらに効率的に弾性 進行波が励振できる。 、
    [0037] 第 6図は突起体 3の役目を説明するための、 振動休 4の円周 方向の断面図である。 同図中において、 N Lほ振動休 4の曲げ 振動の中性線であり、 hほ中性線 N L と振動休 4の表面までの 钜難であり、 回転体 7の速度は曲げ振動の進行波の振幅と鉅離 h に比例する。 故に、 回転体 7の速度を大き くするためにほ、 曲げ振動の振幅または钜離 hを大き くすればよい。 しかし、 曲 げ振動の振幅の上限ほ圧電体 1 の破壊限界により決まるので、 さらに回転速度を大き く しょう とすれば、 中性線 N L と振動体 4の表面までの钜難性 hを大き くする。 同図の例でほ、 曲げ振 動の進行方向の曲げ剛性を大き くせずに、 钜難 hを大き くする ために、 突起体 3 を設け、 その結果、 中性線 N Lを大き く変化 させずに钜離 hを h iに拡大している。 そして、 回転体 7の速 度を突起体 3がない時に比べ、 h i Z h倍に增大している。
    [0038] 第 7図ほ突起体の位置規定と数の制約を説明するための、 突 起体と振動体の単純化した断面図と 2組の定在波を示した図で ある。 これまでに説明したように、 位置的に 9 0度位相の異な る 2つの電極群ほ同心円状に設置されているが、 ここでほその 動作が分かりやすいように、 同一線状に書かれている。 つまり、 ^極群 Aと Bほ進行波の 2分の 1波長相当の小霄極群から成り、 駆動時にはそれぞれ図に示すように短絡して、 それぞれ時間的 に 9 0度位相の異なる鼋圧 （ 例えば s i n波と c 0 s波 ） で駆 勖される。 振動体 4の下に書かれている波は、 電極群 Aおよび Bによって励振される曲げ振動の定在波を示している。 弾性体 2の突起体 3の部分は、 等偭的に弾性体の厚さが厚く なり、 曲 げ剛性が大き くなる。 電極群 Aおよび Bによって励振される曲 げ振動の定在波の腹の位置が突起体の部分にく ると、 曲げ振動 ほ励振されにく く なるので、 効率良く駆動するためにほ、 両方 の定在波の腹に突起体 3がないよう にする。 また、 2つの定在 波からみた突起体 3の位置闋係を同じにすれば、 2つの駆動端 子からみた機械インピーダンスほ同じに出来るので、 その制約 より 1波長内にある突起体の数ほ 4の倍数になる。 これほまた、 すべての小電極からみた突起体の位置圉係を一定にできる条件 でもある。 同図ほこの条件を満たした時の 2つの定在波と突起 体の位置閬係を示している。
    [0039] 第 7図の N Lほ突起体 3 を付ける前の中性線、 hは弾性体の 表面までの钜離、 N は突起体 3を付けた後の中性線、 h iは 弾性休の表面までの钜難であり、 中性線の位置が変化する分よ りも弾性体の表面までの钜難の增大分の方が大き く、 回転速度 の増大が実現でき る。 この時、 振動体 2の共振周波数と突起体 3の共振周波数が近いと、 突起体 3が独自に運動するので、 突 起体 3の共握周波数ほ搌動休 2の共振周波数よりも充分に低く しておかねばならない。
    [0040] 第 8図は振動休の位置固定の具体例を示した超音波モータの 断面図である。 振動体 4の振動の節円部に突起 2 0を設け、 そ の突起 2 0を介して振動体 4を固定台 2 1上に取り付けている。
    [0041] 2 2ほ回転体 7 を振動休 4上に加圧して設置するための板パネ で、 ベアリング 2 3により留められている。 振動体 4に曲げ振 動の進行波が励振されると、 回転体 7は摩擦力により駆動され て回転軸 8のまわりを回転する。 振動体 4の位置固定は、 振動 の振幅が小さくなる振動体 4の内周部を介して行う こともでき る。
    [0042] 産業上の利用可能性
    [0043] 本発明によれば、 効率の良い超音波モータを実現でき、 例え ば、 ビデオカメラのレンズ駆動やプリ ンターの駆動源等の、 小 型で高効率を要求される場合に極めて適したモータを提供する ことができる。
    权利要求:
    Claims• 請 求 の 範 囲
    1 . 圧電体と弾性体どから成る振動体に弾性進行波を励振し、 前記振動体に加圧接触して設置された回転体を、 摩擦力によつ て駆動する超音波モータにおいて、 前記振動体が略円板状をな し、 前記圧竃体に付与された電極ほ、 上記振動の進行方向であ る周方向に互いに位置的に位相の異なる 2組の同心円状に配置 され、 その径方向において 2次以上、 周方向において 3次以上 の曲げ振動モー ドで前記振動体を励振する構成を有するととも に、 各電極からみた少なく とも機械インピーダンスが等しくな るように設定され、 それらの 2組の電極により励起される前記 曲げ振動の定在波の重畳により周方向に曲げ握勖を進行させる ことを特徴とする超音波モータ。
    2 . 請求の範囲第 1項において、 上記圧鼋休の駆動鼋極とし て、 上記曲げ振動の節円内に 2組の同心円状に構成された駆動 電極を有することを特徴とする超音波モータ。
    3 . 請求の範囲第 1項において、 上記圧電体の駆動電極とし aて、 上記曲げ振動の節円内と節円外に、 それぞれ 1組の駆動電 極を同心円状に設けたことを特徴とする超音波モータ。
    . 請求の範囲第 1項において、 上記圧電体の駆動鼋極とし て、 上記曲げ振動の節円内に 2組、 節円外に 1組の駆動電極を 同心円状に設け、 外節円外の駆動電極を節円内の驩動霄極の何 れかと組み合わせて用い、 新たな 2組の駆動 ¾極としたことを 特徵とする超音波モータ。
    5 . 請求の範囲第 1項において、 上記曲げ振動の進行波の節 円部、 またほ該振動体の内周部を介して上記振動体を位置固定 • したことを特徴とする超音波モータ。
    6 . 請求の範囲第 1項において、 上記振動体の回転体との接 触面側の上記曲げ振動の振動の腹の部分に、 先端が該回転体と 接触するように突起体を設置したことを特徴とする超音波モー タ。
    7 . 請求の範囲第 6項において、 上記突起体の数が上記進行 波の 1波長あたり に対して 4の整数倍であり、 該進行波を構成 する 2つの定在波の腹の位置に該突起体がないように設置した ことを特徴とする超音波モータ。
    0 8 . 請求の範囲第 6項において、 上記突起体の最も低い共振 周波数が、 上記振動体の上記曲げ振動の共振周波数よ りも高い ことを特徴とする超音波モータ。 5 0 5
    类似技术:
    公开号 | 公开日 | 专利标题
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