JP2993229B2

JP2993229B2 - 超音波モータ

Info

Publication number: JP2993229B2
Application number: JP3285921A
Authority: JP
Inventors: 克武田; 正則住原; 孝弘西倉; 修川崎
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1991-10-31
Filing date: 1991-10-31
Publication date: 1999-12-20
Anticipated expiration: 2014-12-20
Also published as: JPH05122956A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧電体により励振した
弾性振動を駆動力とする超音波モータの構成に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】近年、圧電セラミック等の圧電体により
構成した振動体を励振し、これを駆動力とする超音波モ
ータが注目されている。

【０００３】以下に、図面を参照しながら従来の超音波
モータについて説明を行う。

【０００４】図６は、円環型超音波モータの斜視図であ
り、弾性基板１の主面の一方に、圧電体２を貼り合わせ
て振動体３を構成している。また、弾性基板１の他方の
主面には、突起体１ａが設置されている。４は弾性体、
５は耐摩耗性の摩擦材であり、互いに貼り合わせて移動
体６を構成している。移動体６は、摩擦材５を介して、
振動体３に加圧接触している。圧電体２に電界を印加す
ると振動体３の周方向に曲げ振動の進行波が励振され、
移動体６が摩擦力により駆動される。

【０００５】図７は、上記円環型超音波モータの圧電体
２の電極構造の一例を示しており、円周方向に９波の曲
げ振動を励振するように構成している。同図において、
斜線を施したＡ0、Ｂ0は、それぞれ２分の１波長相当の
小領域からなる電極群である。Ｃ0は４分の１波長、Ｄ0
は４分の３波長の長さの電極である。

【０００６】従って、Ａ0の電極群とＢ0の電極群とは互
いに、位置的に４分の１波長（＝９０度）の位相差を持
つ。また電極群Ａ0、Ｂ0内の隣合う小電極部は、互いに
反対に厚み方向に分極されている。圧電体２の弾性基板
１との接着面は、同図に示された面と反対の面であり、
電極はベタ電極である。使用時には、同図に斜線で示し
たようにそれぞれ短絡して用いられ、圧電体２の弾性基
板１側に設置されたベタ電極を共通電極として、電極群
Ａ0とベタ電極間、電極群Ｂ0にとベタ電極間に電圧を印
加すれば、電極群Ａ0、Ｂ0内の隣合う小電極部が、互い
に反対に厚み方向に分極されているので、圧電体２は電
極群Ａ0、Ｂ0内の隣り合う小電極部間で交互に伸縮す
る。更に圧電体２の厚さ方向の一方の面に弾性基板１が
接着されていることから、振動体３は厚さ方向に曲げ振
動を励振する。尚、電極群Ａ0、Ｂ0に電圧を印加するた
めには、一般にリード線等を電極群Ａ0、Ｂ0を構成する
小電極に半田付けや導電性ペースト等で接続する（図示
せず）。また共通電極とリード線等との接続は、弾性基
板１を介した接続や、圧電体２の電極群Ａ0、Ｂ0が設置
された面で、電極群Ａ0、Ｂ0以外の電極である電極Ｃ
0、電極Ｄ0等を介した接続も行われる。弾性基板１を介
した接続は、一般に弾性基板１は金属等の導電性の材質
を用いられることが多く、また弾性基板１と圧電体２と
の接着も、微視的に弾性基板１と圧電体２とが接着層を
介さず直接接触した接着状態であるため、圧電体２の共
通電極と弾性基板１とは電気的に接続された状態である
ことから、弾性基板１に半田付けや導電性ペースト等で
リード線を接続することで圧電体２の共通電極と電気的
に接続させることができる。更に電極Ｃ0、電極Ｄ0等を
介した接続は、圧電体２の共通電極と電気的に接続され
た弾性基板１と、電極Ｃ0、電極Ｄ0等とを導電性ペース
ト等で電気的に接続させる、或いは圧電体２の共通電極
と電極Ｃ0、電極Ｄ0等とを直接導電性ペースト等で電気
的に接続させることで、電極Ｃ0、電極Ｄ0等に半田付け
や導電性ペースト等でリード線を接続することで圧電体
２の共通電極と電気的に接続させることができる。

【０００７】この電極群Ａ0、Ｂ0に（数１）で表される
電圧Ｖ1、及び（数２）で表される電圧Ｖ2をそれぞれ印
加すれば、

【０００８】

【数１】

【０００９】

【数２】

【００１０】（ただし、Ｖ0は電圧の瞬時値、ωは角周
波数、ｔは時間を示す。）振動体３には（数３）で表さ
れる、円周方向に進行する曲げ振動の進行波が励振され
る。

【００１１】

【数３】

【００１２】ただし、ξは曲げ振動の振幅値、ξ0は曲
げ振動の振幅の瞬時値、ｋは波数、λは波長、ｘは位置
を示す。

【００１３】図８は、振動体３の表面のＡ点が進行波を
励振することによって、長軸２ｗ、短軸２ｕの楕円運動
をし、振動体３上に加圧して設置された移動体６が、楕
円の頂点Ｐ近傍で接触することにより、摩擦力により波
の進行方向とは逆方向に（数４）で表される速度ｖで運
動する様子を示している。

【００１４】

【数４】

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】圧電体の共通電極とリ
ード線等との接続は、圧電体を接着している弾性基板を
介して行われる、もしくは圧電体の駆動電極と同じ面の
同円周上の一部分を共通電極として行われている。振動
体の弾性基板でリード線との接続を行った場合、例えば
振動体の外周部で接続を行うと、超音波モータの駆動に
用いている振動モードのような外周が自由端となるよう
な振動モードで振動体を励振した時、リード線等や接続
部分の質量が振動モードの振幅の大きな部分にあるため
負荷として振動を妨げ、その上、弾性基板とリード線等
の接続を半田付け等の加熱を伴うような方法で行うと、
弾性基板とリード線との接続部分だけが温度上昇するの
ではなく、振動体全体が加熱の影響を受け、圧電体のキ
ュリー点に温度が近づくことで圧電体の分極状態に影響
を及ぼすという課題を有していた。

【００１６】また、圧電体の駆動電極と同じ面の同円周
上の一部分を共通電極として用いた場合、駆動電極面積
が小さくなり駆動効率が低下するという課題を有してい
た。

【００１７】本発明は上記課題を解決し、振動体に励振
する振動を妨げることが少なく、駆動電極面積を大きく
とれることにより、動作が安定し、しかも駆動効率の良
い超音波モータを提供することを目的とするものであ
る。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本願発明の超音波モータは、圧電体の内周側に電極
を設置し、更にその電極が圧電体上で共通電極として作
用するような構造を有するものである。

【００１９】

【作用】上記構成によれば、振動体に励振する振動を妨
げることが少なく、圧電体の駆動電極面積を大きくとる
ことができる。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の超音波モータの実施例につい
て、図面を参照しながら説明する。

【００２１】（実施例１）図１（ａ）は本発明の一実施例である円環型超音波モー
タにおける圧電体の第１面の平面図であり、図１（ｂ）
は図１（ａ）に示した圧電体の第２面の平面図であり、
円環形振動体に径方向１次・周方向９次の撓み振動を励
振する。図３は径方向１次・周方向９次の撓み振動を励
振した場合の振動体の変位分布図である。

【００２２】図１（ｂ）において、圧電体２の第２面に
は、互いに位置的に上記進行波の４分の１波長相当の位
相差をもつ電極群Ｄ、Ｅが構成されており、この電極群
Ｄ、Ｅはそれぞれ上記進行波の２分の１波長相当の小電
極部と４分の１波長相当の小電極部から成る。

【００２３】図１（ａ）において、圧電体２の第１面に
は、第２面の電極群Ｄ、Ｅのそれぞれに対応する電極
Ａ、Ｂ、及び電極Ｃとで構成されている。即ち、図１
（ｂ）を裏返して図１（ａ）に重ね合わした場合、電極
群Ｄは電極Ａに、電極群ＥはＢに対向している。

【００２４】圧電体２を分極するときは、第１面を金属
などの導電体の上に置くことにより共通電極として、第
２面の電極群Ｄ、Ｅの小電極部を図１（ｂ）に示した符
号のように分極する。分極後の圧電体２は、第２面を弾
性基板１に接着し、第１面の電極Ｃを弾性基板１に電気
的に接続することにより振動体３を構成する。また図示
していないが、圧電体２上に設置された電極Ａ、Ｂ、Ｃ
にリード線等を半田付けや導電性ペースト等で電気的に
接続し、電極Ｃを共通電極として従来と同様に電極Ａと
電極Ｃ間、電極Ｂと電極Ｃ間に電圧を印加して振動体３
に振動を励振させる。

【００２５】図３に示すように、上記振動モード励振時
の振動体の内周部の変位は、外周部に比べて小さく、駆
動電極の振動に寄与する割合が小さい。一般に圧電体に
よって振動を励振させる場合、振動振幅の大きいところ
に駆動電極をできるだけ大きく設けることで、圧電体に
印加された電気エネルギーから変換された機械エネルギ
ーを効率良く振動として利用することができ、振幅の小
さいところでは駆動電極を設けても振動として利用でき
る割合は小さくなる。本実施例の図３に示すような、振
動体３の径方向内周側の変位が小さく、外周に向かうに
つれて振幅が大きくなるという径方向１次の振動を振動
体に励振するためには、振動体３の外周側に圧電体２の
駆動電極を設ければよい。従って、この振動に寄与する
割合の少ない振動体３の内周部に電極を設置し、弾性基
板１と電気的に接続された共通電極とし、また図７に示
すような従来の圧電体の駆動電極構成のように、上記進
行波の２分の１波長相当の小電極だけから成る２つの駆
動電極群Ａ0、Ｂ0に対して、位置的に９０度の位相差を
設けるために設置された電極Ｃ0、Ｄ0のような振動の励
振に寄与しない電極を設置する代わりに、図１（ｂ）に
示すような電極群Ｄ、Ｅのように上記進行波の２分の１
波長相当の小電極部だけでなく、２つの電極群の位置的
に９０度の位相差を設ける部分にも、上記進行波の２分
の１波長相当の小電極部と４分の１波長相当の小電極部
を設置することで、駆動電極が振動に寄与する割合が大
きい部分を、共通電極として用いる必要がなくなる。

【００２６】以上のように本実施例によれば、振動体に
励振する振動モードの振幅の小さい圧電体の内周部に共
通電極を設置することより、振動体に励振する振動モー
ドの振幅の大きい外周側の弾性基板上にリード線等を接
続することがないので、振動体に励振する振動を妨げる
ことが少なく、動作が安定し、しかも駆動効率の良い超
音波モータを実現することができる。その上、振動に寄
与する割合が大きい部分で共通電極をとる場合に比べ
て、駆動面に対して電極総面積を大きくとることができ
るので、駆動力を大きくできる。

【００２７】（実施例２）次に、本発明の第２の実施例について図面を参照しなが
ら説明する。

【００２８】図２（ａ）は、本発明の第２の実施例であ
る円環型超音波モータにおける圧電体の第１面の平面図
であり、図２（ｃ）は図２（ａ）に示した圧電体の第２
面の平面図、図２（ｂ）は圧電体の断面図であり、図１
と同様に円環型振動体に径方向１次・周方向９次の撓み
振動を励振する。

【００２９】図２（ａ）の電極ａ、ｂと図２（ｃ）の電
極群ｄ、ｅは、それぞれ図１（ａ）の電極Ａ、Ｂと図１
（ｂ）の電極群Ｄ、Ｅと同様な構成であり、対応関係も
同様である。また、圧電体２の分極方法、及び圧電体２
と弾性基板１との接着方法も同様であり、各電極とリー
ド線等との接続も同様である。

【００３０】しかし図１のものと異なるのは、電極ｃは
圧電体２の第１面と第２面の両方に設置され、図２
（ｂ）に示すように、圧電体２の内周部側面で接続した
構造であるという点である。従って本実施例によれば、
第１の実施例と同様な効果に加えて、圧電体２の第２面
を弾性基板１に接着するだけで、電極ｃが弾性基板１と
電気的に接続されるため、圧電体２と弾性基板１との接
着後に、電極ｃと弾性基板１との電気的に接続する工程
が不要となり、超音波モータの信頼性を向上することが
できる。

【００３１】以上のように、圧電体の駆動電極を、本実
施例のような構造とすることにより、第１の実施例によ
る効果に加えて、信頼性の高い超音波モータを実現する
ことができる。

【００３２】以上、円環型超音波モータについて説明を
行ったが、円板の撓み振動を利用した円板型超音波モー
タの場合でも同様の効果が得られる。

【００３３】（実施例３）以下本発明の第３の実施例である円板型の超音波モータ
について、図面を参照しながら説明する。

【００３４】図４（ａ）は、円板型超音波モータの圧電
体の第１面の平面図であり、図４（ｃ）は図４（ａ）に
示した圧電体の第２面の平面図であり、円板形振動体に
径方向２次・周方向４次の撓み振動を励振する。同図
（ｂ）は、圧電体２の断面図である。図５は、径方向２
次・周方向４次の撓み振動を励振した場合の振動体の変
位分布図である。

【００３５】図４（ａ）において、圧電体２の第１面に
は、互いに位置的に上記進行波の４分の１波長相当の位
相差をもつ電極群Ｆ、Ｇ、及び電極Ｉが構成されてい
る。電極群Ｆは上記進行波の４分の１波長相当の小電極
部ｆ1、ｆ2、・・・から成る。また、同様に電極群Ｇは上
記進行波の４分の１波長相当の小電極部ｇ1、ｇ2、・・・
から成る。電極群Ｆを構成する小電極部ｆ1、ｆ2、・・・
は圧電体２の内周側で、電極群Ｇを構成する小電極部ｇ
1、ｇ2、・・・は圧電体２の外周側で、電極群ごとにそれ
ぞれ隣合う小電極部に電気的に接続されている。

【００３６】図４（ｃ）において、圧電体２の第２面に
は、上記進行波の２分の１波長相当の小電極部ｈ1、ｈ
2、・・・からなる電極群Ｈ及び電極Ｉが構成されている。
小電極部ｈ1、ｈ2、・・・は、図４（ａ）における電極群
Ｆ、Ｇ構成する小電極部のうち隣合う１組の電極ｆ1と
ｇ1、ｆ2とｇ2、・・・に対応している。

【００３７】図５に示すように、上記振動モード励振時
の振動体の内周部の変位は小さく、駆動電極の振動に寄
与する割合が小さい。従って、この内周部に電極Ｉを圧
電体２の第１面と第２面の両方に設置し、図４（ｃ）に
示すように、圧電体２の内周部側面で接続した構造とし
て、振動に寄与する割合が大きい部分の駆動電極面積を
減らすことなく、圧電体２上に共通電極を設置すること
ができる。また図示していないが、圧電体２上に設置さ
れた電極群Ｆ、Ｇ、及び電極Ｉにリード線等を半田付け
や導電性ペースト等で電気的に接続し、電極Ｉを共通電
極として本発明実施例１、実施例２、及び従来と同様に
電極群Ｆと電極Ｉ間、電極群Ｇと電極Ｉ間に電圧を印加
して振動体３に振動を励振させる。

【００３８】上記電極構造により、上記円環型超音波モ
ータの場合と同様に、振動体に励振する振動を妨げるこ
とが少なく、動作が安定し、駆動効率が良く、しかも信
頼性が高い超音波モータを実現することができる。

【００３９】尚、上記実施例では、径方向１次・周方向
９次、及び径方向２次・周方向４次の撓み振動について
説明したが、その他の振動モードにも本発明が有効であ
ることは勿論である。

【００４０】

【発明の効果】以上のような、圧電体の駆動電極構造を
とることにより、動作が安定し、しかも駆動効率のよい
超音波モータを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の超音波モータの一実施例にお
ける圧電体の第１面の平面図（ｂ）は同圧電体の第２面の平面図

【図２】（ａ）は本発明の第２の実施例における圧電体
の第１面の平面図（ｂ）は同圧電体の断面図（ｃ）は同圧電体の第２面の
平面図

【図３】円環型超音波モータの径方向１次・周方向９次
の振動モード時の変位分布図

【図４】（ａ）は、本発明の第３の実施例の板型超音波
モータの圧電体の第１面の平面図（ｂ）は同圧電体の断面図（ｃ）は同圧電体の第２面の平面図

【図５】円板型超音波モータの径方向２次・周方向４次
の振動モード時の変位分布図

【図６】円環型超音波モータの切り欠き斜視図

【図７】従来の円環型超音波モータの圧電体の電極構造
を示す平面図

【図８】従来の超音波モータの動作原理説明図

【符号の説明】

１弾性基板１ａ突起体２圧電体３振動体４弾性体５摩擦材６移動体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者川崎修大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (56)参考文献特開平２−307375（ＪＰ，Ａ) 実開昭64−2590（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H02N 2/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電体を交流電圧で駆動して、前記圧電
体と弾性体とから構成される振動体に弾性進行波を励振
することにより、前記振動体上に接触して設置された移
動体を移動させるリング型またはディスク型超音波モー
タであって、前記振動体を構成する前記圧電体の中心部
または内周部近傍に駆動の共通電極を設置することを特
徴とする超音波モータ。
【請求項２】圧電体の中心部近傍に設置した共通電極
が、前記圧電体上で共通電極として作用する構造である
ことを特徴とする請求項１記載の超音波モータ。