JP3122882B2 - 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
中空円柱104を介して接合され、さらにこれらの両側に
金属中空円柱105及び106が接合されている。

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108により回転自在に支持されたロ
ーター109がコイルバネ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構造を有す
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、リング状の圧電捩り振動子102は４個の扇形圧電セ
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がリング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、リングの上下面が捩じれるような捩り歪みとな
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、矢印で示す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）に示すように外周及び内周
を中空円柱状に研磨した後、第12図（ｅ）に示すように
リング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リン
グ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、第14図
のように薄い圧電セラミックスリング116′を複数個積
層して、圧電縦振動子103′を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図および第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
とを接着するため、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。

［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中心軸
方向の中央部の周面に前記中心軸に交差する方向で交互
に配置された複数の第１の斜め電極及び第２の斜め電極
を印刷し当該第１及び第２の斜め電極を用いて分極する
ことによって形成され捩り振動を励起する圧電捩り振動
子部と、前記圧電セラミックス中空円柱の前記圧電捩り
振動子部の両側の周面の夫々に円周方向に伸びると共に
前記中心軸方向に交互に配置された複数の第１及び第２
の周電極と複数の第３及び第４の周電極とを夫々印刷し
当該第１及び第２の周電極と第３及び第４の周電極とを
夫々用いて分極することによって形成され前記中心軸方
向に伸縮振動を励起する一対の縦振動子部とを一体にも
ち、前記圧電セラミックス中空円柱の両端に前記捩り振
動と前記伸縮振動の合成された縦−捩り複合振動を行う
圧電縦−捩り複合振動子と、ローターとを備えた超音波
モータにおいて、前記圧電縦−捩り複合振動子は、前記
伸縮振動及び前記捩り振動の共振周波数を調整するため
に前記両端に接合される一対の付加部材と、該一対の付
加部材の少なくとも一方に接合される耐磨耗部材とを備
え、前記ローターは、前記耐磨耗部材に圧接され、前記
縦−捩り複合振動を該ローターの軸周りの回転運動に変
換することを特徴とする超音波モータが得られる。

［作用］ 本発明の超音波モータは、縦−捩り複合振動子部を有
する圧電セラミックス中空円柱からなる圧電縦−捩り複
合振動子と、この圧電縦−捩り複合振動子の両端に接合
された一対の付加部材と、この一対の付加部材の少なく
とも一方に接合した耐磨耗部材と、この耐磨耗部材に圧
接され、前記縦−捩り複合振動を回転運動に変換するロ
ーターとを有する。

圧電縦−捩り複合振動子部は、圧電セラミックス中空
円柱の中心軸方向の中央部に形成された圧電捩り振動子
部とこの圧電捩り振動子部の両側に形成された一対の圧
電縦振動子部とをもち、この圧電セラミックス中空円柱
の両端に縦−捩り複合振動を励起する。

また、付加部材は、この圧電縦−捩り複合振動子の伸
縮振動の共振周波数調整のために設けられ、る。

さらに、この付加部材に耐磨耗部材が接合されてい
る。

一方、ローターはこの耐磨耗部材に圧接され、圧電縦
−捩り複合振動子の端部の捩り複合振動を回転運動に変
換する。

この圧電捩り振動子部はこの圧電セラミックス中空円
柱の外周面に該中心軸に交差し、互いに平行に形成され
た複数の斜め電極をもち、この複数の斜め電極を用いて
分極されている。

このような斜め電極に、第１の周波数をもつ第１の交
流駆動電圧を印加するとこの圧電セラミックス中空円柱
の両端には捩り振動が励起される。

また、これら一対の縦振動子部は、この圧電セラミッ
クス中空円柱の外周面に該中心軸に直交して平行に形成
された複数の周電極を夫々もち、この複数の周電極を用
いて分極し、これら複数の周電極に第２の交流駆動電圧
を印加すると、この圧電セラミックス中空円柱の両端に
は、伸縮振動が励起される。

従って、第２の交流駆動電圧の周波数を捩り振動の周
波数に等しく調節し、夫々、対応する電極間に第１の交
流駆動電圧及び第２の交流駆動電圧を印加すると、圧電
セラミックス中空円柱の両端に捩り振動と伸縮振動が複
合された縦−捩り振動が励起される。

この縦−捩り振動は、付加部材に接合された摩擦部材
に圧接されたローターによりこのローターの軸回りの回
転運動に変換される。

［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。

第１図は本発明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。後述する圧電縦−捩り複合振動子28
を長さ方向の中心部で支持枠30により支持し、その一方
の端部に接合されている付加部材29の外側端面に摩擦部
材31を接合し、さらに支持枠30を固定するための外枠32
に固定された軸受け８により回転自在に支持されたロー
ター９をスプリング10により圧電縦−捩り複合振動子28
の端面の摩擦部材31に圧接して構成されている。

この付加部材29は、２枚の円板の端面を細棒で連結し
た形状を有し、圧電縦−捩り複合振動子28の他端に接合
されている付加部材29も同様な形状を有する。

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
の面には互いに平行に複数個の第１及び第２の指電極1
8,19が交互に形成され、それぞれ一つおきに第１及び第
２の接続電極18′,19′に接続され、一対の第１及び第
２の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中空円柱20の両端面が図の
矢印のように捩じれている場合に、圧電セラミックス中
空円柱20の外周面に発生する歪みの状態を示しており、
圧電セラミックス中空円柱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。

従って、第３図に示す圧電セラミックス中空円柱20の
外周面に、第２図（ａ）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
セラミックス中空円柱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、交差指の長さ方向に対して直角方向に圧電セラ
ミックスの円柱に分極処理を行い、同じ交差指電極間に
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、圧電セラミックス中空円柱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、圧電セラミックス中空円柱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中空円柱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
ミックス中空円柱20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。

一般に、円柱或いは中空状円柱圧電振動子において、
捩り振動モードの共振周波数と、縦振動モードの共振周
波数は等しくなく、両者ともに振動子の中央部分が振動
の節になるようないわゆる基本振動の場合、縦振動の共
振周波数は、捩り振動の共振周波数の約1.5倍となる。
効率の良い超音波モータを得るためには、縦振動の共振
周波数と、捩り振動の共振周波数をできるだけ近くする
のが良い。

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−捩り複合振動子部の一例を示す斜視図であ
る。この図において、圧電縦−捩り複合振動子部21（即
ち、圧電縦−捩り複合振動子28）は、圧電セラミックス
中空円柱20′の中央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、互いに平行に複数の第１及び第
２の斜め電極22および23が、この電極の長さ方向に直交
する方向に交互に形成され、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、捩り振動子部21a
を形成している。

さらに、この45゜の交差指電極の両側の部分の外周面
に円周方向に複数の第１及び第２の周電極24,25,及び第
３及び第４の周電極26,27が互いに平行に、圧電セラミ
ックス中空円柱20′の長さ方向に交互に形成され、夫々
同じ番号の電極が、第１及び第２の縦電極24′,25′、
及び第３及び第４の縦電極26′,27′により、夫々電気
的に接続され、一対の圧電縦振動子部21b,21cを形成し
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、圧
電縦−捩り複合振動子部21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中空円柱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，及び第
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中空円柱2
0′は捩りの共振周波数でこの圧電セラミックス中空円
柱20′の長さ方向に伸縮振動（縦振動）する。

第５図は本発明の実施例に係る超音波モータに用いら
れる圧電縦−捩り複合振動子28の一構造例を示す斜視図
である。この図において、圧電縦−捩り複合振動子28
は、第４図に示した圧電縦−捩り複合振動子21の両側に
２枚の円板の中心部を細棒結合した形状の付加部材29,2
9′が接合されている。

第５図において、捩り共振モードの共振周波数は付加
部材29,29′の夫々の２枚の円板29a,29b及び29a′,29
b′を結合する細棒29c,29c′の効果により、図に示した
L1の部分即ち付加部材29,29′の夫々の２枚の円板の
内、内側の円板を含む振動子の長さによって定まり、縦
振動モードの共振周波数は、付加部材29,29′の夫々の
２枚の円板の内の外側の円板が付加質量として、共振周
波数を下げるように働くため、円板の寸法を適当に選定
することにより、捩り振動の共振周波数と縦振動の共振
周波数を合わせることができる。この場合、圧電縦−捩
り複合振動子28の振動状態は第６図（ａ）及び（ｂ）に
示すようになる。すなわち、捩り振動に対しては、圧電
縦−捩り複合振動子28の中央部分が振動の節となり、付
加部材29,29′の夫々の円板の内、内側の円板の部分が
振動の節となり、付加部材29,29′の夫々２枚の円板の
内、外側の円板の部分が、振動の腹になる。

第６図（ａ）から分かるように、圧電縦−捩り複合振
動子28の両端部及び付加部材29,29′は逆向きに捩じれ
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、圧電縦−捩複合振動
子28の両端部及び付加部材29,29′は捩りの共振と同期
して長さ方向の伸縮振動し、伸縮歪みの方向は、第６図
（ｂ）のようになる。

従って、圧電縦−捩り複合振動子の28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
が逆向きになり、圧電縦−捩り振動子28の両端部に逆向
きの楕円振動が発生する。

このように一体型縦−捩り複合振動子の両端部に、２
枚の円板の中心部を細棒で結合した形状の付加部材を接
合することにより、縦−振動モードと捩り振動モードの
共振周波数を合わせることが可能で効率の高い超音波モ
ータが得られる。

［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中空円柱を用いて、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、縦振動モードと捩り振動モー
ドの共振周波数を合わせることが可能で効率の高い超音
波モータが得られる。

以上、本発明によれば、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中
空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図の圧電縦−捩り複合振動子の
捩り変位の相対的な大きさを示す図、第６図（ｂ）は第
５図の圧電縦−捩り複合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、７……軸、８……軸受、９……ローター、10……
スプリング、17……圧電セラミックス薄板、18,19……
交差指電極、18′,19′……接続電極、20……圧電セラ
ミックス中空円柱、20′……圧電セラミックス中空円
柱、21……縦−捩り複合振動子部、21a……捩り振動子
部、21b,21c……縦振動子部、22,23……斜め電極（捩り
振動子用交差指電極）、22′,23′……共通電極、24,2
5,26,27……周電極（縦振動子用交差指電極）、24′,2
5′,26′,27′……縦電極、28……圧電縦−捩り複合振
動子、29,29′……付加部材、30……支持枠、31……耐
磨耗材、32……外枠、101……圧電縦−捩り複合振動
子、102……圧電捩り振動子、103,103′……圧電縦−振
動子、104,105,106,……金属中空円柱、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′……圧電セラミックスリング。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−236577（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−1486（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−247871（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−15677（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−13282（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−146477（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−31480（ＪＰ，Ａ) 特許2729829（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02N 2/00 - 2/18 H01L 41/00 - 41/09

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中心軸方向の
   中央部の周面に前記中心軸に交差する方向で交互に配置
   された複数の第１の斜め電極及び第２の斜め電極を印刷
   し当該第１及び第２の斜め電極を用いて分極することに
   よって形成され捩り振動を励起する圧電捩り振動子部
   と、前記圧電セラミックス中空円柱の前記圧電捩り振動
   子部の両側の周面の夫々に円周方向に伸びると共に前記
   中心軸方向に交互に配置された複数の第１及び第２の周
   電極と複数の第３及び第４の周電極とを夫々印刷し当該
   第１及び第２の周電極と第３及び第４の周電極とを夫々
   用いて分極することによって形成され前記中心軸方向に
   伸縮振動を励起する一対の縦振動子部とを一体にもち、
   前記圧電セラミックス中空円柱の両端に前記捩り振動と
   前記伸縮振動の合成された縦−捩り複合振動を行う圧電
   縦−捩り複合振動子と、ローターとを備えた超音波モー
   タにおいて、 前記圧電縦−捩り複合振動子は、前記伸縮振動及び前記
   捩り振動の共振周波数を調整するために前記両端に接合
   される一対の付加部材と、該一対の付加部材の少なくと
   も一方に接合される耐磨耗部材とを備え、前記ローター
   は、前記耐磨耗部材に圧接され、前記縦−捩り複合振動
   を該ローターの軸周りの回転運動に変換することを特徴
   とする超音波モータ。