JP2832613B2 - 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７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104を介して接合され、さらにこれらの両側に金属
円柱105及び106が接合されている。この場合、金属円柱
105の代りに金属円筒を用いることができる。

第８図は第７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に軸107
が立てられ、軸受け８により回転自在に支持されたロー
ター109がこの軸107に貫通され、コイルバネ110及びナ
ット111により前記縦−捩り複合振動子101の端面に圧接
される。

第９図は第７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10図に示すように
それぞれ扇の弦の方向112a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９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。交
流電圧を印加した場合には、このような、捩じり歪みを
生ずる振動（捩り振動と呼ぶ）が励起される。

第９図に示した従来の圧電捩り振動子を作製する場合
は、まず、第11図に示すように、幅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10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12
図（ａ）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、第12図（ｂ）に示すよう
に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、第12図（ｃ）に示すように、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、第12図（ｄ）に示すように外周をパイプ状に研磨し
た後、第12図（ｅ）に示すように円板状に切断すること
により形成している。

第13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116に電圧を印加し厚さ方向の振動（縦振動
と呼ぶ）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14図の1
03′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９図に示した従来の圧電捩り振動子102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10図、第11図及び第12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９図に示した圧電捩り振動
子102と第13図又は第14図に示した圧電縦振動子103を接
着するため、やはり接着す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の一端及び他端に夫々連
続して前記中心軸方向に伸縮振動を行う第１及び第２の
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に接合された一対の金属材と、前
記一対の金属材の他端に夫々圧接される一対のロータと
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、前記外周面の中央部に
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
記第１の圧電縦振動子部は前記外周面の一端部に円周方
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
の周電極とを有し、前記第２の圧電縦振動子部は前記外
周面の他端部に円周方向に交互に配された複数の第３の
周電極及び複数の第４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、圧電セラ
ミックスの外周面の中央部に形成された圧電捩り振動子
部と、圧電セラミックスの外周面の一端部及び他端部に
夫々形成された第１及び第２の圧電縦振動子部とを有す
る。

圧電捩り振動子部は、この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に捩り変位が
発生する。

また、第１の圧電縦振動子部は、この圧電セラミック
スの円周方向に第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。

更に、第２の圧電縦振動子部は、第１の圧電縦振動部
と同様に圧電セラミックスの円周方向に第３及び第４の
周電極を施して二端子とし、つぎにこの第３及び第４の
周電極を用いて前記圧電セラミックスに前記第３及び第
４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３及び第４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。

従って、このような圧電縦−捩り複合振動子の両端
に、圧電セラミックス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、端部にローターを圧接
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参照しながら詳し
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図に示す中空の圧電縦−
捩り複合振動子21の両側に金属円筒５、及び６を接合
し、この圧電縦−捩り複合振動子21に支持枠３を設けて
ランジュバン型縦−捩り振動子31とし、このランジュバ
ン型縦−捩り振動子31の中空部に軸７を貫通させ、この
軸７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をスプリング10,10′を介してナット11,1
1′によりランジュバン型縦−捩り振動子31の端面に夫
々圧接することにより構成されている。

このランジュバン型縦−捩り振動子31は、捩り振動の
共振の節の付置となるリング状の支持枠３で支持するこ
とにより、安定な支持が可能になる。

第２図（ａ），（ｂ），（ｃ）及び（ｄ）は本発明の
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の直流電圧を印加
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パイプ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、圧電セラミック
スパイプ20の外周面に発生する歪みの状態を示してお
り、圧電セラミックスパイプ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。

従って、第３図に示す圧電セラミックスパイプ20の外
周面に、第２図で示したような第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
クスパイプ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は、圧電
セラミックスパイプ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、圧電セラミックスパイプ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例を示す斜視図であ
る。この図において、圧電縦−捩り複合振動子21は、圧
電セラミックスパイプ20′の外周面の中央部に長さ方向
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′及び23′に接続されて
圧電捩り振動部21aが構成されている。さらに、圧電捩
り振動子部21aの一端側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第１
の圧電捩り振動子部21bが構成されている。一方、圧電
捩り振動子部21aが他端側の外周面に円周方向と平行に
互いに交差する複数の第３及び第４の周電極26および27
が形成され、それぞれ図中で同じ番号の電極が第５及び
第６の共通電極26′及び27′により電気的に接続されて
第２の圧電捩り振動子部21cが構成されている。

第４図において、第１及び第２の共通電極22′及び2
3′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
印加すれば圧電セラミックスパイプ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及び25間，及び３
及び第４の周電極26及び27間の夫々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圧電セラミックスパイプ20′は
捩りの共振周波数でこの圧電セラミックスパイプの長さ
方向に伸縮振動（縦振動）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。

第５図は本発明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、パイプ
状ランジュバン型圧電縦−捩り複合振動子31は、第４図
に示した圧電縦−捩り複合振動子21の両側に長さの等し
い金属パイプ５、及び６を接合し、更に中央部分にリン
グ状の支持枠３を設けて構成されている。圧電縦−捩り
複合振動子21の位置は第５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31の全長のほぼ
半分の位置に配置する。この場合、ランジュバン型振動
子31の振動状態は第６図に示すようになる。すなわち、
捩り振動に対しては、ランジュバン型振動子31の中央部
分が振動の節となる。

第６図（ａ）及び第６図（ｂ）は、このランジュバン
型振動子31に共振周波数に等しい交流電圧を印加したと
きの振動状態を示す図で、横軸はランジュバン型振動子
の捩り振動子の中央を中心にして、両端に向かう方向で
の位置を示している。

第６図（ａ）から分かるように、ランジュバン型振動
子31の両端部は、実線で示す右回りの場合も、破線で示
す左回りの場合も、互いに逆向きに捩じれる。

また、第６図（ｂ）から分かるように、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31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。

このとき、前記圧電縦−捩り複合振動子21の両側に形
成された伸縮歪みの発生部夫々に印加する電圧の極性を
逆向きにすると、伸縮歪みの方向は、第９図に示すもの
と同様になる。

したがって、ランジュバン型縦−捩り振動子31の端部
が、振動の節の位置から両側に伸びるときの捩り振動の
変位の向きが同じになり、ランジュバン型縦−捩り振動
子31の端部に同じ向きに楕円振動が発生する。この場合
に、捩り振動の印加電圧または縦振動印加の位相を180
゜変化させると楕円振動の向きが逆転する。

［発明の効果］ 以上示したように、本発明によれば、超音波モータ用
圧電縦振動子及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すことにより圧電
捩り振動子及び圧電縦振動子が一体形状として得られる
ため、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圧電縦−捩り複合振動子が得ら
れる。

また、本発明によれば、圧電縦−捩り複合振動子の形
状をパイプ状に構成した場合には、中空部に軸を貫通さ
せ、２つのローターを同時に回転させる方式の超音波モ
ータができる。

このように、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（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）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パ
イプを捩ったときの歪みの発生状態の説明図、第４図は
本発明の実施例に係る圧電縦−捩り複合振動子の構造を
示す斜視図、第５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６図（ａ）は第５図のパイプ状ランジュバン振動子の
捩り変位の相対的な大きさを示す図、第６図（ｂ）は第
５図のパイプ状ランジュバン振動子の伸び変位の相対的
な大きさを示す図、第７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８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９図は従来の
捩り振動子の構造を示す斜視図、第10図および第11図は
従来の捩り振動子の製造工程の説明図、第12図（ａ），
（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）は従来の捩り振動子の
製造工程の説明図、第13図は従来の縦振動子の構造を示
す斜視図、第14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、３……支持枠、4,5,6,……金属円筒、７……軸、
8,8′……軸受、9,9′……ローター、10,10′……スプ
リング、11,11′……ナット、17……圧電セランミック
ス薄板、18,19:交差指電極、18′,19′……共通電極、2
0……圧電セラミックスパイプ、21……圧電縦−捩り複
合振動子、21a……圧電捩り振動子部、21b,22c……圧電
縦振動部、22,23……斜め電極、23,24,25,26……周電
極、22′,23′,24′,25′,26′,27′……共通電極、29
……圧電捩り振動子部、30……圧電縦振動部、101……
圧電縦−捩り複合振動子、102……圧電捩り振動子、10
3,103′……圧電縦振動子、104,105,106……金属円柱、
107……軸、108……軸受、109……ローター、110……ス
プリング、111……ナット、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、116,116′……圧電セラミックス円
板である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−22876（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−22877（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−40765（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−40766（ＪＰ，Ａ) 特許2691617（ＪＰ，Ｂ２) 特許2729828（ＪＰ，Ｂ２) 特許2729829（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H02N 2/00

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の一端及び他端に夫々連続して
   前記中心軸方向に伸縮振動を行う第１及び第２の圧電縦
   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
   の金属材の他端に夫々圧接される一対のロータとを有
   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、前記外周面の中央部に前記中
   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、前記第１
   の圧電縦振動子部は前記外周面の一端部に円周方向に交
   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
   極とを有し、前記第２の圧電縦振動子部は前記外周面の
   他端部に円周方向に交互に配された複数の第３の周電極
   及び複数の第４の周電極とを有することを特徴とする超
   音波モータ。