JPH0315279A - 超音波モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 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
単な縦一捩り振動子型超音波モータに関する。

［従来の技術］ 第９図は従来の縦一捩り振動子型超音波モータに用いら
れている縦一捩り複合振動子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図に示した縦一捩り複合振動子１０１を
用いて構戊した超音波モータの構造例を示す斜視図であ
り、縦一捩り複合振動子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或され、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により前記縦一捩り複合振動子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
或されている。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３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５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６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１４から、分極方向が対角線の方向となるよ
うな正四角柱１５を切り出し、４本の正四角柱１５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３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
１６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６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０９に得ようとした場合は第３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１
０３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一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一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一捩り複
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一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一捩り複合振動子は、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一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。

このような圧電縦一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、この圧電縦一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図に示す圧電縦一捩り複合
振動子１の両側に金属円柱５、および６を接合してラン
ジュバン型縦一捩り振動子とし、このランジュバン型縦
一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１ｌによりランジュバン
型縦一捩り振動子の゛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
いる圧電縦一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固柱を用いたが、■筒を用いた場
合も同様に伸縮一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＠の魚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
いられる圧電縦一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
１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が形威され、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１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１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、円筒状ランジュバン型圧電縦一捩
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一捩り振動子の
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図に示した圧電縦一捩り複合振動
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。圧電縦一捩り複合振動子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Ｄのほぼｌ／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ｇのほ
ぼｌ／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ｇのほぼｌ／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振りの共振と同期
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
ン型縦一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
いられているバイブ状ランジュバン型圧電縦一捩り複合
振動子の他の構造例を示す斜視図であり、第４図に示し
た圧電捩り振動子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バイプ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ｇ
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、ランジュバン型縦一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。

［発明の効果コ 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
いるブレス戊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丈現でき、
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、この圧電縦一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、黄４図は本発明の圧電縦一捩り複合振
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睨図、
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図は従来の縦一捩りラ
ンジュバン型振動子の構造を示す斜視図、第１０図は従
来の縦一捩り型超音波モータの構造を示す斜視図、第１
１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：圧電縦一捩り複合振動子、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、２２’　，２３’
　，２４’　，２５’　　：共通電極、２４，２５：縦
振動子用交差指電極、２６：軸、２７．２７’　　：支
持枠、２８：パイプ状ボルト、２つ：圧電捩り振動子部
、３０：圧電縦振動部、１０１：圧電縦一捩り複合振動
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。 第１図 第４図 第８図 第９図 １０Ｉ 第１２図 第１３図 手続補正書（自発） 平成１年６月６日

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 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。