JPH0340765A - 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−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１
０７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及びナツト１１
１により前記縦−捩り複合振動子１０１の端面に圧接さ
れて構成されている。

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、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の一橋造例であり
、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ｆｊＳｌＪ図に示した
圧電縦振動子１０３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。

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２０−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、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該圧電捩り
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、該圧電セラミックス中空円柱の両端に縦−捩り複
合振動を励起する圧電縦−捩り複合振動子と、該圧電縦
−捩り複合振動子の少なくとも一端に接合された耐磨耗
部材と、前記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備え、前記圧電
捩り振動子部は、該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、該複数の斜め
電極を用いて該中央部を分極し、第１の交流駆動電圧を
印加して該圧電セラミックス中空円柱の両端に捩り振動
を励起するとともに、前記縦振動子部の夫々は、該外周
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、該複数の周電極を用いて該圧電捩り振動子
部の両側を分極し、第２の交流駆動電圧を印加して該圧
電セラミックス中空円柱の両端に伸縮振動を励起するこ
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−捩り複合振動子の少なくとも一
端に接合された耐磨耗部材とこの耐磨耗部材に圧接され
るローターとを備えている。

圧電縦−捩り複合振動子部は、圧電セラミ・ソクス中空
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、耐磨耗部材は、圧電縦−捩り複合振動子の少なく
とも一端に接合され、この圧電縦−捩り複合振動子の断
面積より広い断面積を有する。

一方、ロータはこの耐磨耗部材に圧接され、圧電縦−捩
り複合振動子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、この外周面にこの中心軸に交
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この圧電セラミックス中空
円柱の中央部を分極が施されている。

このような、斜め電極に、圧電縦−捩り複合振動子の共
振周波数と等しい周波数をもつ第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。

この圧電縦振動子部の夫々は、圧電セラミックス中空円
柱の外周面に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１．この複数の周電極を用いてこの圧
電捩り振動子部の両側を夫々分極が施されている。

また、周電極に前記捩り振動の周波数と等しい周波数を
もつ第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、捩り振動の共振周波数で伸
縮振動が励起される。

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に
なるが、実用的な振幅が得られる。

従って、第１の交流駆動電圧と第２の交流駆動電圧を夫
々、対応する電極に印加すると、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、ローターによりこのローターの軸
の回り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
の中空部に軸７を貫通させ、この圧電縦−捩り複合振動
子２８の内側で共振の節の部分で固定しである。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−を介してナツト
１１．１１”により圧電縦−捩り振動子２８の端面に夫
々圧接することにより構成されている。

圧電縦−捩り振動子２８は、捩り振動の共振の節の付置
となる中央部をリング状の支持枠３０で支持することが
可能で、この場合には、安定な支持ができる。

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の指電極
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、一対の交
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
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１の向きに伸び縮みが発生し、これと−点鎖線の矢印
２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！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、圧電セラミック中空円柱２０は一方向に捩じれ、電
圧め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
行に形威し、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
。

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
行な複数の第１及び第２の斜め電極２２および２３が交
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、一対の交差指電極を形成す
る事により圧電捩り振動子部２１ａを形成している。

さらに、この４５″の一対の交差指電極の両側の部分の
外周面に円周方向と平行に複数の第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が交互
に形成され、夫々同じ番号の電極が第１及び第２の共通
電極２４”、２５−及び第３及び第４の共通電極２６”
、２７−が電気的に接続され、一対の縦振動子部２１ｂ
。

２１ｃを夫々形成している。

第４図において、第１及び第２の共通電極２２′および
２３′を２端子として第１及第２の斜め電極間に直流高
電圧を印加してこの斜め電極の長さ方向と直角な方向に
圧電セラミックス中空円柱２０゛にを分極処理を施した
後、この複合振動子部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
圧を印加して圧電セラミックス中空円柱２０′の長さ方
向に分極処理を施した後、上記捩りの共振周波数に等し
い周波数をもつ交流電圧を印加すれば圧電セラミックス
中空円柱２０′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。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
る圧電縦−捩り複合振動子２８の一橋造例を示す斜視図
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−捩り複合振動子部２１を長
さ方向はぼ中央部に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２８の両側に、この圧電
縦−捩り複合振動子２８の断面積よりも断面積の大きな
耐磨耗性の部材２９．２９”を接合して構成されている
。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）に示すようになる。

即ち、捩り振動に対しては、圧電縦−捩り複合振動子２
８の中央部が振動の節になる。

第６図（五）から分かるように、圧電縦−捩り複合振動
子２８の両端部は、互いに逆向きに捩じれる。

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−捩り複合振動
子２８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、圧電縦−捩り複合振動子２１
の両側に形成された圧電縦振動子部それぞれに印加する
電圧の極性を逆向きにすると、伸縮歪みの方向は、第６
図（ｂ）に示すようになる。したがって、圧電縦−捩り
複合振動子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同じになり、圧電縦−
捩り複合振動子２８の端部に同じ向きの楕円振動が発生
する。この場合に圧電捩り振動子部の印加電圧または圧
電縦振動子部へ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。

［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−膜内に適用さ
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、圧電縦−捩り複合振動子の形状
が中空円柱となっているため、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。

さらに、本発明によれば、ローターとの接触面に断面積
が中空円柱からなる圧電縦−捩り複合振動子の断面積よ
り大きいリング状の耐磨耗性の部材を接合しているため
、ローターとの接触面積が大きくなり、モータの発生ト
ルクが増大する。

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
るバイブ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、８，８′・・・軸受、９，９゛・・
・ローター　１０．１０−・・・スプリング、１１゜１
１゛・・・ナツト、１７・・・圧電セラミックス薄板、
１８．１９・・・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・・・圧電縦−捩り
複合振動子部、２１ａ・・・圧電捩り振動子部、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、２４．２５，２６．２７・・・周電極（縦振動子
用交差指電極）　、２４−．２５−．２６−２７′・・
・共通電極、２８・・・圧電縦−捩り複合振動子、２９
．２９−・・・耐磨耗材、３０・・・支持枠、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・・・ナツト、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、１１
６．１１６”・・・圧電セラミックスリング。 第３図 第４図 第５図 第９図 第１０球 第１１図 第１３図 第１４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、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該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、該圧電
   セラミックス中空円柱の両端に縦−捩り複合振動を励起
   する圧電縦−捩り複合振動子と、 該圧電縦−捩り複合振動子の少なくとも一端に接合され
   た耐磨耗部材と、 前記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備え、前記圧電捩り振動
   子部は、該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、該複数の斜め電極を用
   いて該中央部を分極し、第１の交流駆動電圧を印加して
   該圧電セラミックス中空円柱の両端に捩り振動を励起す
   るとともに、前記縦振動子部の夫々は、該外周面に該中
   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、該複数の周電極を用いて該圧電捩り振動子部の両側
   を分極し、第２の交流駆動電圧を印加して該圧電セラミ
   ックス中空円柱の両端に伸縮振動を励起することを特徴
   とする超音波モータ。