JP2729828B2 - 超音波モータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はOA機器等に用いられる圧電振動子の超音波振
動を用いたいわゆる超音波モータに関し、特に構造が簡
単な縦−捩り振動子型超音波モータに関する。

［従来の技術］ 第９図は従来の縦−捩り振動子型超音波モータに用い
られている縦−捩り複合振動子101の構造例の斜視図で
あり、圧電捩り振動子102および圧電縦振動子103が金属
円柱４を介して接合され、さらにこれらの両側に金属円
柱５、および６が接合されている。この場合金属円柱の
代りに金属円筒を用いることができる。

第10図は第９図に示した縦−捩り複合振動子101を用
いて構成した超音波モータの構造例を示す斜視図であ
り、縦−捩り複合振動子101の一方の端部の中心部に少
なくとも振動の節点まで達する穴が形成され、その穴部
に穴径よりも細い軸７が挿入され、前記接点で複合振動
子101に固定されて立てられ、軸受け８により回転自在
に支持されたローター９がコイルバネ10およびナット11
により前記縦−捩り複合振動子101の端面に圧接されて
いる。第11図は第９図に示した圧電捩り振動子の構造例
であり、円板状の圧電捩り振動子102は４個の扇形の圧
電セラミックス板112が接合されて構成されている。各
々の扇形の圧電セラミックス板112は、第12図に示すよ
うにそれぞれ扇の弦の方向に分極処理が施されており、
扇形の圧電セラミックス板112の上下面に電極を施し，
上下電極間に直流電圧を印加すると扇形の圧電セラミッ
クス板には板厚と平行なすべり歪みが発生する。第11図
に示すように、４個の扇形の圧電セラミックス板112が
円板状に接合されている場合、各々の扇形の圧電セラミ
ックス板112に発生したすべり歪みは合成されて、円板
の上下面が捩じれるような捩り歪みとなる。

第11図に示した従来の圧電捩り振動子においては、ま
ず第13図に示すように、軸方向に分極処理された圧電セ
ラミックス板113から超音波加工により扇形の圧電セラ
ミックス板を打ち抜いて第12図に示すような扇の弦の方
向に分極された扇形の圧電セラミックス板112を作り、
これを４個接着して円板状に構成するか、第14図に示す
ように、厚さ方向に分極された圧電セラミックスのブロ
ック114から、分極方向が対角線の方向となるような正
四角柱115を切り出し、４本の正四角柱115を分極方向が
閉じたループとなるように重ねて接着し、外周をパイプ
状に研磨した後、円板状に切断するなどしている。

第15図は従来の圧電縦振動子103の一構造例であり、
両面に電極が施され、厚さ方向に分極された圧電セラミ
ックス円板103に電圧を印加し厚さ方向の振動を得るも
のである。低い印加電圧で大きな振動振幅を得るため
に、薄い圧電セラミックス円板116を複数個積層して第1
6図の113′のように構成する場合もある。

［発明が解決しようとする課題］ 第11図に示した従来の圧電捩り振動子112において
は、複数個の圧電セラミックスが接着されて構成されて
いるため、接着による特性のばらつきが大きい。また、
第12図、第13図および第14図に示したように圧電捩り振
動子102を得るための加工が複雑で、コスト的にも非常
に費用がかかるものであった。さらに捩り振動と縦振動
を同時に得ようとした場合は第11図に示した圧電捩り振
動子112と第15図に示した圧電縦振動子103を接着して構
成するため、やはり接着による特性のばらつきと接着コ
ストがかかるという問題があった。

そこで、本発明の技術的課題は、以上に示した従来の
圧電捩り振動子および縦−捩り複合振動子の欠点を除去
し、加工が簡単で、接着工程のない、ばらつきの少ない
圧電捩り振動子を提供し、さらに同一の圧電素子に縦振
動子を形成した圧電縦−捩り複合振動子を用いた超音波
モータを提供することにある。

また本発明の別の技術的課題は中空状の圧電縦−捩り
複合振動子を用いることにより、中空部を貫通する軸に
より二つのローターを前記圧電縦−捩り複合振動子の両
端部に圧接した２ローター型の超音波モータを提供する
ことにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明によれば、中心軸の回りに捩り振動を行う圧電
捩り振動子部と該捩り振動子部に連続して前記中心軸方
向に伸縮振動を行う圧電縦振動子部とを有する複合振動
子と、 前記複合振動子の両端に夫々の一端が接合された一対
の金属材と、前記一対の金属材の少くとも一方の他端に
圧接されるロータとを有し、 前記複合振動子は外周面を有する圧電セラミックスを
含み、 前記圧電捩り振動子部は、前記外周面の一部に前記中
心軸に対して交差する方向で交互に配された複数の第１
の斜め電極及び複数の第２の斜め電極を有し、 前記圧電縦振動子部は前記外周面の他部に円周方向に
交互に配された複数の第１の周電極及び複数の第２の周
電極とを有することを特徴とする超音波モータが得られ
る。

［作 用］ 本発明に用いる圧電縦−捩り複合振動子は、まず圧電
セラミックスの外周面に該圧電セラミックスの長さ方向
に対して好ましくは45゜の方向に第１及び第２の斜め電
極を施して二端子とし、つぎにこの第１及び第２の斜め
電極を用いて前記圧電セラミックスに分極方向は前記第
１及び第２の斜め電極の長さ方向と直角な方向に分極処
理を施している。この状態で前記第１及び第２の斜め電
極に電圧を印加すると、電圧の極性が分極時の電圧の極
性と同じ場合は分極の方向に伸び歪みが発生し、電圧の
極性がこの分極時の電圧の極性と逆の場合は分極の方向
に縮み歪みが発生する。分極方向に伸びあるいは縮み歪
みが発生した場合は分極方向と直角な方向にはそれぞれ
これらと反対に縮みあるいは伸び歪みが発生する。以上
の結果として前記圧電セラミックス円柱に捩り変位が発
生する。

さらに本発明に用いる圧電縦−捩り複合振動子におい
ては、圧電セラミックスの外周面に該円柱の円周方向に
第１及び第２の周電極を施して二端子とし、つぎにこの
第１及び第２の周電極を用いて前記圧電セラミックスに
前記第１及び第２の電極の長さ方向と直角な方向即ち圧
電セラミックスの長さ方向に分極処理を施している。こ
の状態で前記第１及び第２の周電極に電圧を印加する
と、電圧の極性が分極時の電圧の極性と同じ場合は分極
の方向に伸び歪みが発生し、電圧の極性が分極時の電圧
の極性と逆の場合は分極の方向に縮み歪みが発生する。
即ち圧電セラミックスの長さ方向の伸縮変位を発生す
る。

このような圧電縦−捩り複合振動子の両端にこの振動
子の中心軸と直交する方向での断面が同形の金属材を接
合し、更に、少くとも一端にローターを圧接することに
より、この圧電縦−捩り複合振動子両端の金属材の中心
軸面内に沿う面内で捩り振動と伸縮振動との合成された
複合振動をローターの回転振動に変換することができ
る。

［実施例］ 以下本発明の実施例について図面を用いて詳しく説明
する。

実施例１ 第１図は本発明の第１の実施例に係る超音波モータの
構造を示す斜視図である。第４図に示す圧電縦−捩り複
合振動子１の両側に金属円柱５、および６を接合してラ
ンジュバン型縦−捩り振動子とし、このランジュバン型
縦−捩り振動子の一方の端面に第10図の場合と同様な方
法で軸７が、ランジュバン型振動子の振動の節点に固定
され、軸受８により回転自在に支持されたローター９が
スプリング10を介してナット11によりランジュバン型縦
−捩り振動子の一方の端面に圧接されて構成されてい
る。

第２図は本発明の第１の実施例に係る超音波モータに
用いる圧電縦−捩り複合振動子の動作原理の説明図であ
る。第２図（ａ）において、圧電セラミックス板17の一
方の面には互いに交差する複数個の第１及び第２の交差
電極18,19が形成され、それぞれ一つおきに第１及び第
２の共通電極18′,19′に接続され、交差指電極を形成
している。第２図（ｂ）において破線の矢印はこのよう
な交差指電極を用いて分極処理を施したときの分極の向
きを示しており、第２図（ｃ），（ｄ）は第２図（ｂ）
のように分極処理された圧電セラミックス板17に直流電
圧を印加した場合に発生する歪みの状態を示しており、
実線の矢印は電界の向きを示している。第２図（ｃ）に
示すように、電圧の極性が分極時の電圧の極性と同じ場
合は分極の方向に伸び歪みが発生し、一方、第２図
（ｄ）に示すように電圧の極性が分極時の電圧の極性と
逆の場合は分極の方向に縮み歪みが発生する。

第３図は圧電セラミックス円柱20の両端面が図の実線
の矢印のように捩じれている場合に、円柱20の外周面に
発生する歪みの状態を示しており、円柱20の軸方向に対
して45゜の角度の方向で、しかも捩じれの破線で示す矢
印の向きに伸び縮みが発生し、これと一点鎖線の矢印で
示す直角な方向に縮み歪みが発生している。第３図は圧
電セラミックス円柱を用いたが、円筒を用いた場合も同
様に伸縮−捩じり歪みを励起することができる。

従って圧電セラミックス20の外周面に、第２図に示し
たような第１及び第２の交差指電極を第３図に示すよう
に交差指の方向が圧電セラミックス20の長さ方向に対し
て45゜の角度となるように形成し、この第１及び第２の
交差指電極を用いて分極処理を行い、同じ交差指電極に
直流電圧を印加すると、電圧の極性が分極時の電圧の極
性と同じ場合に圧電セラミックス20は一方向に捩じれ、
電圧の極性が分極時の電圧の極性と逆の場合は逆方向に
捩じれる。

さらに圧電セラミックス20の外周面に、第２図に示し
たような第１及び第２の交差指電極を交差指の方向が圧
電セラミックス20の円周方向と平行に形成し、この第１
及び第２の交差指電極を用いて分極処理を行い、同じ交
差指電極に直流電圧を印加すると、電圧の極性が分極時
の電圧の極性と同じ場合に圧電セラミックスは長さ方向
に伸び、電圧の極性が分極時の電圧の極性と逆の場合は
逆に長さ方向に縮む。

第４図は本発明の第１の実施例に係る超音波モータに
用いられる圧電縦−捩り複合振動子の一実施例を示す斜
視図である。この図において、リング状圧電セラミック
ス20′の略半分の部分の外周面に長さ方向に対して45゜
の角度となるように、互いに交差する複数の第１及び第
２の斜め電極22および23が形成され、それぞれ第１及び
第２の共通電極22′および23′に接続されて圧電捩り振
動部が構成されている。さらに残りの略半分の部分の外
周面に円周方向と平行に互いに交差する複数の第１及び
第２の周電極24及び25が形成され、それぞれ図中で同じ
番号の電極が第３及び第４の共通電極24′及び25′によ
り電気的に接続されている。第４図において、第１及び
第２の共通電極22′および23′間に直流高電圧を印加し
て分極処理を施した後、この複合振動子の共振周波数に
等しい周波数の交流電圧を印加すればリング状圧電セラ
ミックス20′は両端部が捩じれるように共振する。同様
にして第１及び第２の周電極24および25間に直流高電圧
を印加して分極処理を施した後、上記捩りの共振周波数
に等しい交流電圧を印加すればリング状圧電セラミック
ス20′は捩りの共振周波数でこのリング状圧電セラミッ
クスの長さ方向に振動（以下縦振動と呼ぶ）する。縦振
動に対しては共振周波数と異なった周波数となるため、
縦方向の振動振幅は共振時の振幅よりかなり小さくなる
が実用的には充分な振幅が得られる。

実施例２ 第５図は本発明の第２の実施例に係る超音波モータの
構造例の斜視図であり、パイプ状ランジュバン型圧電縦
−捩り複合振動子の中空部に軸26を貫通させ、軸26の両
端部に軸受8,8′により回転自在に支持されたローター
9,9′がスプリング10,10′を介してナット11,11′によ
りランジュバン型縦−捩り振動子の端面に圧接されて構
成されている。

第６図は本発明の第２の実施例に係る超音波モータに
用いられるパイプ状ランジュバン型圧電縦−捩り複合振
動子の一構造例を示す斜視図である。この図において、
第４図に示した圧電縦−捩り複合振動子１の両側に金属
パイプ５′、および６′を接合して構成されている。圧
電縦−捩り複合振動子１の位置は図に示したように、捩
り振動子の部分の中心がランジュバン型振動子２の全長
ｌのほぼ1/4の位置に配置する。この場合、ランジュバ
ン型振動子の振動状態は第７図に示すようになる。すな
わち、捩り振動に対しては、捩り振動子の部分の中心が
ランジュバン型振動子の全長ｌのほぼ1/4の位置に配置
されているため、ランジュバン型振動子の全長ｌのほぼ
1/4の位置が振動の節となるような振動モードで共振す
る。

第７図から分かるように、ランジュバン型振動子の両
端部は同じ向きに捩じれる。また、縦振動に対しては、
印加電圧の周波数を捩りの共振周波数と同じ周波数とす
ると、ランジュバン型振動子の両端部は捩りの共振と同
期して長さ方向の伸縮振動をする。したがって、捩り振
動の振幅が大きくなるタイミングに伸び振動が最大とな
るように二つの印加電圧の位相を調節すると、ランジュ
バン型縦−捩り振動子の両端部に楕円振動が発生する。
この場合に一方の印加電圧の位相を180゜変化させると
楕円振動の向きが逆転する。

第８図は本発明の第２の実施例に係る超音波モータに
用いられているパイプ状ランジュバン型圧電縦−捩り複
合振動子の他の構造例を示す斜視図であり、第４図に示
した圧電縦−捩り複合振動子１の中空部にパイプ状のボ
ルト28を貫通させ、この両側にネジの切られた金属パイ
プ５′,6′を締め付けて構成されている。第８図におい
ても捩り振動子21の位置をランジュバン型振動子の全長
ｌのほぼ1/4の位置に配置すると第５図及び第６図のラ
ンジュバン型振動子の場合と同様な原理で振動する。

以上、本発明の第２の実施例に係る超音波モータにお
いては、ランジュバン型縦−捩り振動子は捩り振動の共
振の節の位置となる両端部から1/4の位置をリング状の
支持枠27,27′で支持固定することが可能で安定な支持
が可能となる。

［発明の効果］ 以上示したように本発明よれば、超音波モータ用圧電
縦振動子および捩り振動子として通常一般的に適用され
ているプレス成型技術により容易に製造することが可能
な圧電セラミックス円柱を用いて、これらの外周面にこ
れも一般的な技術である電極印刷を施した一体形状の圧
電捩り振動子および圧電縦振動子を用いているので製造
が容易で、接着工程や複雑な加工工程による特性のばら
つきの少ない超音波モータが得られる。

また、本発明において、パイプ形状の圧電縦−捩り複
合振動子を用いると、中空部に軸を貫通させ、二つのロ
ーターを同時に回転させる方式の超音波モータが実現で
き、ローター間の距離よりも幅の広い大きな物体を効率
良く駆動させることができる。

以上、この圧電縦−捩り複合振動子を用いて超音波モ
ータを構成すれば構造が簡単で、特性のばらつきの少な
い超音波モータが得られ、実用的な効果が大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例に係る超音波モータの構
造例を示す斜視図、第２図は交差指電極を用いて分極お
よび電圧印加を行った場合の歪みの発生状態の説明図、
第３図は圧電セラミックス円柱を捩ったときの歪みの発
生状態の説明図、第４図は本発明の圧電縦−捩り複合振
動子の実施例の構造を示す斜視図、第５図は本発明の第
２の実施例に係る超音波モータの構造例を示す斜視図、
第６図は本発明の超音波モータに用いられるパイプ状ラ
ンジュバン振動子の構造例を示す斜視図、第７図は捩り
変位の相対的な大きさを示しており、第８図は本発明の
超音波モータに用いられるパイプ状ランジュバン振動子
の他の構造例を示す斜視図、第９図は従来の縦−捩りラ
ンジュバン型振動子の構造を示す斜視図、第10図は従来
の縦−捩り型超音波モータの構造を示す斜視図、第11図
は従来の捩り振動子の構造を示す斜視図、第12図および
第13図は従来の捩り振動子の製造工程の説明図、第14図
は従来の捩り振動子の製造工程の説明図、第15図は従来
の縦振動子の構造を示す斜視図、第16図は従来の縦振動
子の他の構造を示す斜視図である。 図中、1:圧電縦−捩り複合振動子、４、5,5′,6,6′：
金属円柱、7:軸、8:軸受、9,9′：ローター、10,10′：
スプリング、11,11′：ナット、17:圧電セラミックス薄
板、18,19:交差指電極、18′,19′：共通電極、20:円柱
状弾性体、20′：リング状圧電セラミックス、22,23:捩
り振動子用交差指電極（斜め電極）、22′,23′,24′,2
5′：共通電極、24,25:縦振動子用交差指電極（周電
極）、26:軸、27,27′：支持枠、28:パイプ状ボルト、2
9:圧電捩り振動子部、30:圧電縦振動子部、101:圧電縦
−捩り複合振動子、102:圧電捩り振動子、103:圧電縦振
動子、112:扇型圧電セラミックス板、113,114:圧電セラ
ミックス板、115:圧電セラミックス板角柱、116:圧電セ
ラミックス円板である。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】中心軸の回りに捩り振動を行う圧電捩り振
   動子部と該捩り振動子部に連続して前記中心軸方向に伸
   縮振動を行う圧電縦振動子部とを有する複合振動子と、
   前記複合振動子の両端に夫々の一端が接合された一対の
   金属材と、前記一対の金属材の少くとも一方の他端に圧
   接されるロータとを有し、 前記複合振動子は外周面を有する圧電セラミックスを含
   み、 前記圧電捩り振動子部は、前記外周面の一部に前記中心
   軸に対して交差する方向で交互に配された複数の第１の
   斜め電極及び複数の第２の斜め電極を有し、前記圧電縦
   振動子部は前記外周面の他部に円周方向に交互に配され
   た複数の第１の周電極及び複数の第２の周電極とを有す
   ることを特徴とする超音波モータ。