JP2929225B2 - 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，カードリーダー・ライター等に用いられる
小型モータに関し，特にローター直径が小さい割に，ト
ルクの大きい小型モータの構造に関するものである。

（従来の技術） 超音波モータは従来の電磁モータと比較して，低回転
で高いトルクが得られること，停止保持力を有するこ
と，電磁ノイズが小さいことなどの特徴を有しており，
カメラのオートフォーカス用や自動車用パワーモータ等
に使用されている。

第７図は従来のカードリーダー・ライターの一構造例
を示す斜視図である。第７図において，電磁式モータ51
のシャフトと回転自在に支持されたローラー52がゴムベ
ルト53によって接続されて，構成されている。

（発明が解決しようとする課題） 第７図からわかるように，従来のカードリーダー・ラ
イターに用いられる電磁式モータ51には高速回転の小型
モータを使用し，比較的大きいトルクを得る方法とし
て，ギヤを利用するため，搬送機能が複雑であると共
に，駆動が間接的であるため高速応答は望めない。ま
た，ベルトを使うため構造がさらに複雑になる。また一
般に電磁モータはコイルを使用しているため電磁ノイズ
の影響が大きいという欠点がある。

そこで，本発明の技術的課題は，以上の欠点を除去
し，ローターの直径を小さくした小型でトルクの大きい
カードリーダー・ライターに用いられる超音波モータを
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，圧電セラミックス中空円柱の外周面
に交差指電極を施して形成した圧電縦振動子及び圧電捩
り振動子の振動の節部を支持具で支持して同軸上に配置
し，前記圧電縦振動子の端面と前記捩り振動子の端面と
の間にリング状あるいは円板状のロータを挾むように圧
接し，前記ロータに固定された中空円柱のローラを前記
圧電縦振動子及び圧電捩り振動子を含むように配置し，
前記中空円柱状ローラを前記支持具に固定された軸受け
により回転自在に支持するように構成したことを特徴と
する縦−捩り振動子圧接型超音波モータが得られる。

（作 用） 本発明においては，伸縮振動を行う圧電縦振動子と捩
り振動を行う圧電捩り振動子の端面を対向させ，これら
の端面間に，リング状あるいは円板状のロータを挾んだ
ので，ロータの回転に伴ってこのロータに固定され，前
記圧電縦振動子と捩り振動子の周囲に配された中空円柱
状のローラが回転する。

（実施例） 以下，本発明の超音波モータについて図面を用いて詳
しく説明する。

第１図は本発明の縦−捩り振動子圧接型超音波モータ
の一構造例を示す断面図である。第１図において，縦振
動子８の一方の端面の支持具10に固定し，この支持具10
を軸受け11で支持して，同様に圧電捩り振動子６の一方
の端面を支持具12に固定し，この支持具12を軸受け13で
支持して，それぞれの振動子6,8の他方の端面10,12同士
を対向させ，これらの振動子6,8の端面の間で，軸受け1
1及び13によって回転自在に支持されたロータ14を両側
から挾むようにし，前記ロータ14と一体に回転するロー
ラ15を前記圧電セラミックス中空円柱縦−捩り振動子を
含むように形成している。また，ロータ14には，軸受け
11,13の少なくとも一方をバネ16で軸方向に付勢するこ
とで振動子6,8の端面が押し付けられている。第１図に
おいて，捩り振動子６の変位と同期して縦振動子８の長
さが伸びると，ローラ15は二つの振動子6,8に挾まれて
捩り変位の方向にロータ14と一体に回転する。

第２図は第１図の超音波モータに用いられる捩り振動
子６の一構造例を示す斜視図である。第２図において，
プレス成形によって製造された圧電セラミックス中空円
柱７の外周面に円柱の長さ方向に対して45゜の方向の交
差指電極6a,6bが印刷により形成されそれぞれ同じ側の
端部を共通電極6c,6dに接続され二端子を形成する。こ
れらの電極6a,6b,6c,6dは導電性材料を含むペーストを
印刷して形成されている。

この交差指電極6a,6bを用いて分極処理を施すと分極
方向は前記交差指電極6a,6bの長さ方向と直角な方向と
なる。この状態で交差指電極6a,6bに交流電圧を印加す
ると，電圧の極性が分極時の電圧の極性と同じ場合は分
極の方向に伸び歪が発生し，電圧の極性が分極時の極性
と逆の場合は分極の方向に縮み歪が発生する。分極方向
に伸びあるいは縮み歪が発生した場合，分極方向と直角
な方向にはこれらと反対に縮みあるいは伸び歪が発生す
る。以上の結果として前記圧電セラミックス中空円柱７
に捩り変位が発生する。

第３図は第１図の超音波モータに用いられる縦振動子
８の構造例を示す斜視図である。第３図において，圧電
セラミックス中空円柱９の外周面に円周方向に平行に交
差指電極8a,8bが形成され縦電極8cとこの電極と中心軸
に関して対称位置にある図示しない縦電極とによって夫
々二端子とされている。この交差指電極8a,8bを用いて
分極処理を施すと分極方向は前記交差指電極8a,8bの長
さ方向と直角な方向となる。この状態で前記交差指電極
8a,8bに交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は分極の方向に伸び歪が発生し，
電圧の極性が分極時の極性と逆の場合は分極の方向に縮
み歪が発生する。この結果として前記圧電セラミックス
中空円柱９は長さ方向に伸縮振動する。

第４図（ａ），及び（ｂ）は本発明の縦振動子別の構
造例を示す図である。第３図においては，圧電セラミッ
クス中空円柱の外周面に円周方向と平行な方向に交差指
電極を施した場合について説明したが，第４図（ａ）に
示すように圧電セラミックス中空円柱９の外周面に円柱
の長さ方向と平行な方向に交差指電極8a′,8b′を施し
て構成した縦振動子８′としても良く，更に，第４図
（ｂ）に示すように圧電セラミックス中空円柱９′の外
周面38及び内周面38′のほぼ全面に電極を形成して構成
した圧電縦振動子８″としても同様の効果が得られる。

第５図は本発明の縦−捩り振動子圧接型超音波モータ
のもう一つ構造例を示す断面図である。第５図におい
て，第３図で示されるものと同様な構造の圧電縦振動子
17の一方の端面を支持具18に固定し軸受け19に支持され
たものを二組，それぞれ他方の端面を対向させ，前記二
組の圧電縦振動子17,17の間に，第２図で示されるもの
と同様な構造の圧電捩り振動子20を配置し，この圧電捩
り振動子20の節点を，この圧電捩り振動20内部に設けら
れた支持リング21によって固定し，更に圧電捩り振動子
20の両端部と前記二組の圧電縦振動子17,17の他方の端
面の間に前記軸受け19によってロータ22,23を挾むよう
に圧接し，前記ロータ22,23と一体に回転する回転自在
に支持されたローラ24を前記圧電セラミックス中空円柱
縦−捩り振動子を含むように形成するとともに，前記軸
受け19の少なくとも一方をバネ25で軸方向内側に付勢し
て，ロータ22,23に各振動子の端面を押し付けている。

第５図において，捩り振動子20の変位と同期して縦振
動子17の長さが伸びると，ロータ22,23は二つの振動子
に挾まれて捩り変位の方向にローラ24と一体に回転す
る。

第６図は本発明の縦−捩り振動子圧接型超音波モータ
の更にもう一つの構造例を示す斜視図であり，第３図及
び第４図で示されたものと同様の構造を有する縦振動子
25の一方の端面を支持具26に固定し軸受け27で支持し，
同様のに第２図で示されたものと同様の構造を有する圧
電捩り振動子28の一方の端面を支持具29に固定し，それ
ぞれの圧電振動子25,28の他方の端面を対向させ，これ
らの圧電振動子の端面の間に軸受け30によって回転自在
に支持されたロータ31を挾むように圧接し，前記ロータ
31と一体に回転するローラ32を前記圧電セラミックス中
空円柱縦−捩り振動子を含むように形成し，更に前記軸
受け27と30にシャフト33を貫通するように構成し，支持
具29側からバネ34で圧電振動子の端面をロータ31に押し
付け，ナット35で固定している。第６図において，捩り
振動子28の変位と同期して縦振動子25の長さが伸びる
と，ローラ32は二つの振動子に挾まれて捩り変位の方向
にロータ31と一体に回転する。

これらの場合の回転数及びトルクは駆動周波数が一定
の場合，捩り振動及び縦振動の振動振幅の大きさによっ
て決まる第１図，第５図，第６図に示した本発明の超音
波モータにおいては，捩り振動子6,20,28と縦振動子8,1
7,25は独立しているため，それぞれの共振周波数はそれ
ぞれの振動子の寸法を独立に調整することで共振周波数
を一致させることが出来る。従って，捩り振動子6,20,2
8と縦振動子8,17,25は各々の共振周波数で駆動すること
が可能となり，捩り振動の振動振幅と縦振動の振動振幅
を大きくすることが可能となる。また，捩り振動に対し
て共振周波数が高い縦振動を1/4λで駆動することによ
り振動子より短い寸法で捩り振動の共振周波数に一致す
る共振周波数の縦振動子が出来る。

尚，ローラ15,24,32の回転方向は捩り振動駆動電圧と
縦振動駆動電圧の位相の何れかを180゜変化させること
により可能である。

（発明の効果） 以上説明したように，本発明の超音波モータにおいて
は，駆動力を発生するための圧電振動子の形状が単純
で，通常一般的に適用されているプレス成形技術により
容易に製造することが可能な圧電セラミックス中空円柱
を用いて，こ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超音波モータが得られ
る。更に本発明の超音波モータにおいては，圧電捩り振
動子及び圧電縦振動子の共振周波数をそれぞれ単独に調
整して一致させることが可能であるため，それぞれの振
動振幅を大きくすることが出来る。従って，トルクの大
きな超音波モータが得られる。ま，本発明の超音波モー
タの構造によればローラが圧電振動子を含むような構造
であるため構造がシンプルで小型化・薄型化が可能であ
り，例えば，カードリーダ・ライター等においても搬送
機構が簡単になる。更に，本発明の超音波モータはダイ
レクトドライブであるため高速応答が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の縦−捩り振動子圧接型超音波モータの
一構造例を示す断面図，第２図は第１図の超音波モータ
に用いられる捩り振動子６の構造を示す斜視図，第３図
は第１図の超音波モータに用いられる縦振動子８の構造
例を示す斜視図，第４図（ａ）及び（ｂ）は本発明の超
音波モータに用いられる別のタイプの縦振動子の他の構
造例を示す斜視図，第５図は本発明の縦−捩り振動子圧
接型超音波モータの別の構造例を示す斜視図，第６図は
本発明の縦−捩り振動子圧接型超音波モータの更に別の
構造例を示す斜視図，第７図は従来の電磁式モータを有
するカードリーダー・ライターの構成例を示す斜視図で
ある。 図中,6,20,28は捩り振動子,6a,6b,8a,8bは交差指電極,
7,9は圧電セラミックス中空円柱,8,17,25は縦振動子,1
0,12,18,26,29は支持具,11,13,19,27,30は軸受け,14,2
2,23,31はロータ,15,24,32はローラ,16,34はバネ,21は
支持リング,33はシャフト,35はナット,51は電磁式モー
タ,52はローラ,53はゴムベルトである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−163982（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−174573（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−228275（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−38179（ＪＰ，Ａ) (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】圧電セラミックス中空円柱の外周面に交差
   指電極を施して形成した圧電縦振動子及び圧電捩り振動
   子の各々少くとも１つを振動の節部を支持具で支持して
   同軸上に配置し，前記圧電縦振動子の端面と前記捩り振
   動子の端面との間にリング状あるいは円板状のロータを
   挾むように圧接し，前記ロータに固定された中空円柱状
   のローラ内に前記圧電縦振動子及び圧電捩り振動子を含
   むように配置し，前記中空円柱状ローラを前記支持具に
   固定された軸受けにより回転自在に支持するように構成
   したことを特徴とする超音波モータ。