JPH04282A - 振動波モータおよびその製造方法 - 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〕 本発明は超音波振動を利用した振動波モータとその製造
方法に関するものである。

〔従来の技術〕

振動波モータは小型で軽量、低速回転で大きなトルクを
発生することから、従来の電磁モータでは不可欠であっ
た減速機構が不要となり、モータを用いる機構設計の自
由度を向上でき、また装置の小型化に有益であるという
特徴を有している。

しかし、ステータとロータとの摩擦摩耗と、振動子と共
振子とを接合したステータの強度不足が原因となり、電
磁モータに比較すると耐久性と動作の安定性が劣ってい
る。

従来の進行波を利用した振動波モータは、第３図（ａ）
の分解斜視図に示すように、金属からなる金属共振子４
の裏面に、この金属共振子４と同様な形状の振動子３を
接合部分５において接合して一体化したステータ１を有
し、一方、ロータ２には軸９に通されたロータ基板７が
ライニング６を介して菊状ばね等の加圧器８により所定
の圧力で押圧する構成をもつ。

共振子に用いられる金属としては、黄銅、燐青銅あるい
はステンレスなどの弾性を有し音響特性に優れた金属が
用いられている。また、ロータとの摩耗を防止するため
に、金属でつくられた共振子のうちロータに直接接触す
る部分に対してクロムを付着させて対摩耗性を向上させ
ているものもある。

前記の振動子３は一般的に圧電素子が用いられているが
、この振動子３は、第２図の正面図に示すように、圧電
素子の電極を二つの電極群１０．１１に区分し、二つの
電極群はλ／４（λはステータ１の固有振動モードの波
長）だけ周方向にずらして配置する。また、各々の電極
群は絶縁部１３により電極部１２に分割する。同じ電極
群にある電極部間の周方向における長さは、ステータに
励振される振動がもつ波長＾の１／２に相当するように
角度を決める。また各々の隣りあう電極部において、そ
の分極の方向は第２図中の＋、の記号で示すように互い
違い逆方向にする。そして、電極群１０．１１の表面を
それぞれ導電性塗料などで覆うか、または、導線でつな
ぐことにより、電極群１０．１１の中の各々の電極部を
それぞれ一つの信号線にまとめる。振動子と共振子とが
接合する電極部分は均一な面にする。

また、従来の振動波モータの製造工程は、第３図（ｂ）
に示すように、ステータの製造においては、圧電性を有
するセラミックスと導電性を有する電極用材料とからな
る振動子素材から、振動子部品加工工程１４により導電
性電極（例えば銀や金を成分に含む）をもつ圧電素子が
つくられる。

圧電素子は圧電素子分極工程１５において、高温下で高
圧の電圧を印加し分極が行われる。金属素材からは、切
削加工を含む金属共振子部品加工工程１６を経て共振子
がつくられる。前記の振動子と金属共振子とは、接着工
程１７においてエポキシ系かアクリル系の接着剤を用い
て接着しステータを構成する。接着剤はｌ液で硬化する
タイプと、主剤と硬化剤との２液を混合して硬化させる
タイプとがある。いずれのタイプにおいても、常温以上
の環境下において接着させることにより硬化を促進させ
ることができる。

しかしながらこれらの接着剤による接合は、接着力に１
与する結合が有機化合物で構成されているために、温度
変化に対して接着強度が変化しやすい。また振動子や金
属共振子の強度に比べて両者を接合する接着剤の強度は
小さい１．一方、ロータの製造工程においては、各素材
からロータ部品群加工工程１８によって部品が製造され
、ロータ組立工程１９においてロータがつくられる。そ
して、筺体組み込み工程２０において、ステータとロー
タとを筺体に組み込み＃ｉ効濾波モータ製造される。

進行波による振動波モータの駆動原理は、第２図および
第３図（ａ）において、駆動信号電源から得られる時間
的位相をπ／２ｒａｄずらした振動波形をもつ２相の信
号を電極群１０と１１にそれぞれ印加すると、各電極が
交互に周方向に伸縮し、バイメタル効果によりステータ
１にたわみ振動が発生する。その結果、電極群１０と１
１に位置、位相とも互いにπ／２ｒａｄずつずれた電極
部２個の長さに相当する波長を持つ二つの定在波が発生
し、それらがステータ１上で合成されて進行波となる。

このようにして振動波形を有する信号を入力してステー
タ１に進行性のたわみ振動が発生する。

ステータ１上の進行波は、第４図（ａ）〜（ｄ）の説明
図に示すように、ステータ１の表面上の一つの点Ａに着
目すると、この点Ａは楕円状の軌跡Ｂを描く。ロータ２
は図（ａ）のようにステータ１の進行波の頂点に接触し
ており、続いて図（ｂ）、（ｃ）。

（ｄ）のようにロータ２は楕円の頂点の軌跡の方向へ摩
擦によって移動できるため、ロータ２は進行波の進行方
向とは逆の方向の左に進む。従って、ロータ２はステー
タ１上の進行波の進行方向とは逆の方向に回転する。な
お第４図において、動作原理をわかりやすく説明するた
めに、ロータ２とステータ１は第３図（ａ）のロータ２
とステータ１を簡略化した。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の技術のところで説明した振動波モータの構成にお
いては、回転運動するロータと接触する共振子は金属か
らなる。ロータを長時間にわたり回転させると、共振子
の金属とロータの摺動部分との摩擦および衝突が原因と
なってロータと接触している金属表面が削られる。そし
て共振子表面に不均一が生じるとともに、金属が摩耗粉
として摺動材と共振子との間に存在することになる。

ロータの摺動部分と接触する共振子表面が不均一である
と、ロータの回転むらやコギングトルクの発生につなが
る。また、摩耗粉が多量に発生した場合にも、摩耗粉が
ロータの摺動部分に吸着し摺動面が不均一となり、回転
むらやコギングトルクを発生する。吸着しない摩耗粉は
摺動面と共振子との間に挟まり、ころの役目をするため
に共振子の振動が伝達せずに動作安定性の低下をまねく
、摩耗と衝突の現象が激しい場合には、ロータが回転し
なくなることもある。すなわち金属からなる共振子は摩
耗現象が激しく、耐久性を低下させ問題である。

また、振動波モータは振動子と金属共振子とが有機化合
物を含む接着剤により接合されている。

このために振動波モータの駆動電圧を上昇させるに従っ
て、ステータにより大きな振動が励振されるようになる
。しかしステータの温度も上昇して振動子と金属共振子
との接合部分にも大きな力がかかる。有機化合物による
接着部分の温度が上昇すると接着強度が低下し、さらに
接着力以上の力が加わった場合や、繰り返し応力により
疲労が生じた場合には、接着部分が遊離することがおこ
る。このように振動子と金属共振子との接合に有機化合
物を含む接着剤を用いることは、振動波モータの耐久性
と動作安定性を劣化させ、さらに高トルク化に対する障
害となるために問題である。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、超音波領域に周波数をもつ振動波形を有する
電気信号を入力して機械振動に変換する振動子と前記振
動子と結合した円環状共振子とを有するステータと、前
記ステータに加圧されて接触する円環状のロータとを備
える振動波モータにおいて、前記共振子はＡｌＩ２Ｏ３
を成分にもつアルミナセラミックスからなることを特徴
とする振動波モータとすることにより、動作安定性と耐
久性を向上させることが可能である。

また、前記のｉ効波モータにおいて、ガラスを成分にも
つ導電性の電極材料を表面に付着させた振動子と、前記
共振子と前記振動子の電極付着面とをガラス接着法によ
る結合で一体化させたステータとを備えることにより、
動作の安定性と耐久性の向上および高トルク化が可能で
ある。

また、共振子がアルミナセラミックス素材からなり、共
振子と振動子とがガラス接着により結合されるステータ
を構成要素にもつ前記の振動波モータは、圧電性を有す
る素材を成形して電極膜を付着させて振動子を製造する
振動子部品加工工程と、アルミナセラミックス素材より
共振子を成形するアルミナセラミックス共振子部品加工
工程と、振動子の表面に付着しているガラス成分をもつ
電極面とアルミナセラミックスからなる共振子とを高温
下でガラス接着により接合する振動子と共振子とのガラ
ス接着工程と、前記共振子に接合された振動子を分極す
る振動子の分極工程と、複数のロータ部品を成形するロ
ータ部品群加工工程と、前記部品からロータを組み立て
るロータ組立工程と、前記ステータと前記ロータとを筺
体に組み込むステータとロータとの筺体組み込み工程と
により製造する。

〔作用〕

ロータの摺動面はステータに励振された進行波の頂点に
接触しており、ロータは楕円軌跡の頂点の運動方向へ摩
擦により回転遅効を行う。ロータの摺動部分とステータ
の共振子との接触は、その現象を細かく分けると滑り摩
擦、静摩擦、および衝突からなる。滑り摩擦では共振子
と摺動材とが接触しながら運動するために摩耗現象が起
こる。

静摩擦では共振子と摺動材とは相対速度がゼロのため摩
耗現象は起こらない。衝突は共振子と摺動材とで超音波
振動により繰り返し起こり、衝突面の機械強度が低下し
破壊が発生する。モータを使用する時間が増大するに従
って、説明してきた摩耗と破壊といった経時変化が共振
子に起こる。

そこで共振子に対して必要とされる性質としては、耐摩
耗性が優れていることと機械的強度が優れていることで
あり、このような特徴をもつ素材としてＡｆ２０３を成
分とするアルミナセラミックスを用いる。アルミナセラ
ミックスのブラスト摩耗量は、噴出角度３０°＋　５−
５　ｋｇ／　ｃｒｓ２．２分の試験条件において摩耗粉
量はｌ　ｇ　ｌ″Ｊ、下であり、共振子に用いられてい
る金属のそれは、耐摩耗金属においても５ｇ以上である
。またビッカース硬度は、１０００ｇ負荷の条件でアル
ミナセラミックスが１１００ｋｇ／■■２以上であるの
に対して、金属のなかでも比較的硬いとされる炭素鋼で
も１０００ｋｇ／■１２以下である。このように耐摩耗
性、機械強度が大きなアルミナセラミックスを共振子に
用いることにより、摺動面と接触する共振子の経時変化
を防ぐことができる。

また、振動子には一般に圧電素子が用いられているが、
圧電素子には銀や金の金属を主成分とした電極膜が蒸着
あるいは印刷されている。この電極膜の成分には、銀あ
るいは金などの金属のほかに硼珪酸鉛系などのガラスが
混入している。本発明においては共振子をアルミナセラ
ミックスで製造し、このアルミナセラミックスと振動子
である圧電素子の電極面とをガラス接着により接合を行
うものである。このガラス接着法は酸化物ゾルグー法と
も呼ばれる。

その結合は圧電素子の電極膜に含まれているガラス成分
を溶解させ、アルミナセラミックスの表面に浸透させた
後に凝固させるもので、電極膜のガラス成分がアルミナ
セラミックスの微小な凹凸にひっかかることを主要な要
因として結合するものである。しかしながら電極膜のガ
ラス成分を溶解させるために３００℃から４００℃以上
の温度をかけるため、圧電素子の分極はこの接合が終っ
てから行う必要がある０分極は振動子と共振子の接合の
後に、絶縁油中で約１００℃以上の温度にして高電圧を
電極間に印加して行う。以上説明したガラス接着を振動
子と共振子との接合に用いることで、有機化合物の結合
を介在させずにステータを一体化できる。

〔実施例〕

第１図（ａ）は本発明による一実施例の分解斜視図を示
している。第１図（ａ）において、４ａはＡ１Ｉ２Ｏ３
を重量比で９５％もつアルミナセラミックス材料でつく
られた円環状の共振子である。

前記アルミナセラミックスの特性は、ブラスト摩耗量０
．５　ｇ　（５，５ｋｇ／ｃｍ２．角度３０゜２分）、
ビッカース硬度１７００ｋｇ／＋１ｓ２（ｌ　０００ｇ
負荷）である。

第１図（ａ）において、ロータ２の摺動面と接触するア
ルミナセラミックス共振子４ａの表面は、振動変位拡大
と摩耗粉除去のために切り込みが入れられている。接触
面の表面粗さは０．４Ｓ程度になるようにラッピング加
工を施している。また平面度についても考慮する必要が
あり、切り込み加工により発生する歪やぼりは取り除く
。

また、第１図（ａ）の５ａは、アルミナセラミックス共
振子４ａと振動子３ａである圧電素子とのガラス接着部
分である。振動子３ａの共振子側にある電極膜は銀を主
成分とし、ガラスフリート成分として硼珪酸鉛系のガラ
スが含まれている。このような電極をもつ振動子と前述
のアルミナセラミックス材料でつくられた共振子とをガ
ラス接着により接合する。接合の工程を第１図（ｂ＞の
１７ａに示す。

第１図（ｂ）において、まずステータの製造方法につい
て説明する。振動子素材から振動子加工工程１４ａによ
り銀膜電極をもつ圧電素子がつくられる。アルミナセラ
ミックス素材からは、焼結と切削加工を含むアルミナセ
ラミックス共振子部品加工工程１６ａを経て共振子がつ
くられる。この共振子と１４ａの工程でつくられた振動
子は、ガラス接着工程１７ａにおいてガラス接着される
。

この工程では振動子と共振子との両者を４００℃程度の
高温にし、圧電素子の電極面とアルミナセラミックスで
つくられた共振その平面とを接触させる。そしてゆっく
りと除冷を行い室温に戻す。

この手法では、結合は圧電素子の電極膜に含まれている
ガラス成分を溶解し、アルミナセラミックスの表面に浸
透させた後に凝固させる過程を経て行われる。

室温に戻した接合部は、電極膜のガラス成分がアルミナ
セラミックスの微小な凹凸に対しひつかかりを生じてい
る。このひっかかりが結合力に大きく間係する。このよ
うにしてステータを一体化させた後、振動子分極工程１
５ａにおいて圧電素子の分極を行う。分極条件は圧電素
子を構成している成分により異なる。−例を挙げると、
絶縁油中で１５０℃の温度に保ち、電極間に１．２ｋＶ
／　ｍ　ｍの高圧電圧を１５分印加し、ゆっくりと除冷
と電圧を下げる方法がとられている。

一方、ロータ製造工程においては、各素材からロータ部
品群加工工程１８によって部品が製造され、ロータ組立
工程１９においてロータがつくられる。そして筺体組み
込み工程２０において、ステータとロータとを筺体に組
み込みｆ！効濾波モータ製造される。

進行波を励振する圧電素子の電極部と分極のパターンを
第２図で説明する。第２図の圧電素子の電極部と分極の
パターンはステータに進行波を励振するために、位相の
異なる二つの定在波が電極群１０と１１とに分割された
複数の電極部を用いて進行波に合成される。そして第１
図（ａ）のように、ステータ１ａを構成しているアルミ
ナセラミックス共振子４ａに対して、ライニング６をｌ
　ｋｇｆから５ｋｇｆの圧縮力を発生する菊状ばね等の
加圧器８により押圧する。ライニング６の素材には耐摩
耗性に富み、しかも摩擦係数の大きなエンジニアリング
プラスチックスを使用している。

振動子３ａには電気信号（例えば８２ｋＨｚ、±１００
■の正弦波状の超音波）を入力してステータ１ａの屈曲
進行波を励振する。振動子は、先に第４図を参照して説
明したように、ステータ１ａに屈曲進行波が生じること
によって、楕円軌跡をもつ振動を生ずる。この振動をラ
イニング６に菊状ばねなどの加圧器８によって加圧して
接触させることによって、ロータ２に回転運動が生じる
。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の振動波モータによれば、
共振子にＡ１□０３を成分にもつアルミナセラミックス
材料を使用することにより、ロータの摺動面と接触する
共振子の耐牽耗特性と機械強度が向上するため、従来の
共振子に比較して、摺動向と接触する共振その面におい
て摩耗や衝突による起伏の発生を減少させ、また摩耗粉
の発生も少なくすることができる。従って耐久性と動作
安定性に優れた振動波モータが得られるという効果があ
る。

また、共振子にＡ　Ｊ　２０３を成分にもつアルミナセ
ラミックス材料を使用し、振動子である圧電素子の電極
膜に含まれるガラス成分を利用して、共振子と振動子と
をガラス接着で一体化を行うことにより、従来の接着剤
による接合に比べて接合部分に有機化合物の結合を使用
せずに接合ができ、温度上昇、繰り返し振動に強く、接
着強度も増大するためにより大きな振動振幅に耐えるス
テータを製造することができる。この結果、動作の安定
化、耐久性の向上および高トルク化という効果を生ずる
。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の一実施例を示した分解斜視図、
第１図（ｂ）は本発明の一実施例の製造方法による工程
を示ｌ−たブロック図、第２図は振動子の電極分別と分
極のパターンを示した正面図、第３図（ａ）は従来の振
動波モータを示した分解斜視図、第３図（’ｂ）は従来
の振動波モータの製造方法による工程を示したブロック
図、第４図は振動波モータの駆動原理を示した説明図で
ある。 １．１ａ・・・ステータ、２・・−ロータ、３．３ａ・
・・振動子、４・・・金属共振子、４ａ・−・アルミナ
セラミックス共振子、５・・・接合部分、５ａ・・・ガ
ラス接着部分、６・・・ライニング、７・・・ロータ基
板、８・・−加圧器、９・・・軸、１０．１１・・・電
極群、１２・・・電極部５１３・・・絶縁部、１４〜２
０−・・工程、１４ａ〜１７ａ・・・工程。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. １．超音波領域に周波数をもつ振動波形を有する電気信
   号を入力して機械振動に変換する振動子と前記振動子と
   結合した円環状共振子とを有するステータと、前記ステ
   ータに加圧されて接触する円環状のロータとを備える振
   動波モータにおいて、前記共振子はＡｌ＿２Ｏ＿３を成
   分にもつアルミナセラミックスからなることを特徴とす
   る振動波モータ。
2. ２．ガラスを成分にもつ導電性の電極材料を表面に付着
   させた振動子と、前記振動子の電極付着面と共振子とを
   ガラス接着法による結合で一体化させたステータとを備
   える請求項１記載の振動波モータ。
3. ３．圧電性を有する素材を成形して電極膜を付着させて
   振動子を製遣する振動子部品加工工程と、アルミナセラ
   ミックス素材より共振子を成形するアルミナセラミック
   ス共振子部品加工工程と、振動子の表面に付着している
   ガラス成分をもつ電極膜とアルミナセラミックスからな
   る共振子とを高温下でガラス接着により接合する振動子
   と共振子とのガラス接着工程と、前記共振子に接合され
   た振動子を分極する振動子の分極工程と、複数のロータ
   部品を成形するロータ部品群加工工程と、前記部品から
   ロータを組み立てるロータ組立工程と、前記ステータと
   前記ロータとを筺体に組み込むステータとロータとの筺
   体組み込み工程とを有することを特徴とする振動波モー
   タの製造方法。