JPH0522961A - 超音波モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 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
に拡がり振動子を形成した変換効率の高い捩り−拡がり
複合振動子を用いた超音波モータを提供する。さらに中
空状の圧電捩り−拡がり複合振動子を用いることによ
り，ベアリングレスタイプのものとする。 【構成】 圧電セラミック中空円柱の長さ方向の略中央
部に形成された捩り振動部と前記捩り振動部の両端部に
形成された拡がり振動部とを有する一体型縦−拡がり複
合振動子と，前記一体型捩り−拡がり複合振動子の前記
拡がり振動子の端部の少なくとも一方に接合されたリン
グ形状の摩擦部材２７，２７´と，前記摩擦部材２７，
２７´，とに圧接され回転自在に支持されたテーパ付き
円板形状のロータとを備え，この摩擦部材２７，２７´
のリング内径部に前記ロータのテーパ部を内接するよう
に構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【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。

【０００２】

【従来の技術】図５は従来の縦−捩り振動子型超音波モ
ータの構成例を示す斜視図である。図５において，圧電
捩り振動子１０１およびこの両端に圧電縦振動子１０
２，１０２が接合され，これら接合された圧電捩り振動
子及び圧電縦振動子の両端に中空金属円柱１０３及び１
０４が接合されて縦−捩り複合振動子１０５が構成され
ている。この縦−捩り複合振動子１０５の端部の中心か
ら軸１０６が突き出され，軸受１０７により回転自在に
支持されたロータ１０８がコイルバネ１０９及びナット
１１０により前記縦−捩り複合振動子１０５の振動の節
に固定されている。

【０００３】図６は図５に示す超音波モータの圧電捩り
振動子１０１の一構造例を示す図である。図６におい
て，リング状の圧電捩り振動子１０１は４個の扇形の圧
電セラミック板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板１１２は，図７に示すよう
にそれぞれ扇の弦の方向に沿って分極処理が施されてい
る。この扇形の圧電セラミック板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
セラミック板には板厚と平行なすべり歪みが発生する。
図６に示すように，４個の扇形の圧電セラミック板１１
２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となる。

【０００４】図６に示した従来の圧電捩り振動子は次の
ように作製されている。まず，図８に示すように，幅方
向に分極処理された圧電セラミック板１１３から超音波
加工により扇形の圧電セラミック板を打ち抜いて図８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
ック板１１２を作り，これを４個接着して円板状に構成
するか，図９（ａ）に示すように，厚さ方向に分極され
た圧電セラミックのブロック１１４から，図９（ｂ）に
示すように分極方向１１７が対角線の方向となるような
正四角柱１１５を切り出し，図９（ｃ）に示すように，
４本の正四角柱１１５を矢印でしで示す分極方向が閉じ
たループとなるように重ねて接着し，図９（ｄ）に示す
ように外周を円柱状に研磨した後，図９（ｅ）に示すよ
うに円板状に切断することにより圧電捩り振動子１０１
´を形成している。尚，リング状にするには，円板状圧
電捩り振動子１０１´を穿孔すれば良い。

【０００５】図１０は従来の圧電縦振動子１０２の一構
造例である。図１０に示すように，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円板に電圧を
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円
板１１６を複数個積層して，図１１の１０２´のように
形成する場合もある。また，リング状にするには，この
圧電振動子１０２´を穿孔するだけで良い。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】図６に示した従来の圧
電捩り振動子１０１においては，複数個の圧電セラミッ
ク１１２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，図７，図８および図９
（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）及び（ｅ）に示したよ
うに圧電捩り振動子１０１又は１０１´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
合は図６又は図９（ｅ）に示した圧電捩り振動子１０１
又は１０１´と図１０又は図１１に示した圧電縦振動子
１０２又は１０２´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。

【０００７】そこで，本発明の一つの技術的課題は，以
上に示した従来の超音波モータにおける欠点を除去し，
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拡がり振
動子を形成した変換効率の高い捩り−拡がり複合振動子
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，中空状の圧電捩り−拡がり複
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捩り−拡がり複合振動子の
両端部に圧接したベアリングレスタイプの超音波モータ
を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明によれば，圧電セ
ラミック中空円柱の長さ方向の略中央部に形成された捩
り振動部と前記捩り振動部の両端部に形成された拡がり
振動部とを有する一体型縦−拡がり複合振動子と，前記
一体型捩り−拡がり複合振動子の前記拡がり振動子の端
部の少なくとも一方に接合された摩擦部材と，前記摩擦
部材に圧接され回転自在に支持されたロータとを備えた
超音波モータにおいて，前記摩擦部材の形状をリングと
し，前記ロータの形状をテーパ付き円板とし，前記摩擦
部材のリング内径部に前記ロータのテーパ部を内接する
ように構成したことを特徴とする超音波モータが得られ
る。

【０００９】本発明によれば，圧電セラミック中空円柱
の長さ方向の略中央部に形成された捩り振動部と前記捩
り振動部の両端部に形成された拡がり振動部とを有する
一体型捩り−拡がり複合振動子と，前記一体型捩り−拡
がり複合振動子の前記拡がり振動子の端部の少なくとも
一方に接合された摩擦部材とを備えた超音波モータにお
いて，前記摩擦部材の形状をリングとし，前記ロータの
形状を内径部に開口状のテーパを有するリングとし，前
記ローターの形状を円板あるいはテーパ付き円板とし，
前記摩擦部材のリング内径部のテーパ部に前記ロータを
圧接するように構成したことを特徴とする超音波モータ
が得られる。

【００１０】ここで，本発明において，圧電セラミック
中空円柱の長さ方向の略中央部に形成された捩り振動部
とは，前記圧電セラミック中空円柱の外周面に全周面に
渡って前記圧電セラミック中空円柱の長さ方向に対して
４５°の方向に第１及び第２の斜め電極を施して第１の
二端子とし，該第１の二端子を用いて前記圧電セラミッ
ク中空円柱に分極処理を施し，該第１の二端子に交流電
圧を印加して前記圧電セラミック中空円柱に捩り振動を
励起可能としたものである。一方，前記捩り振動部の両
端部に形成された拡がり振動部とは，前記圧電セラミッ
ク中空円柱円周方向に平行な方向にそれぞれ第１，第２
及び第３，第４の周電極を施して第２及び第３の二端子
とし，該第２及び第３の二端子を用いて前記圧電セラミ
ック中空円柱に分極処理が施されており，該第２及び第
３の二端子に交流電圧を印加して前記圧電セラミック中
空円柱の端部近傍に拡がり振動を励起可能としたもので
ある。

【００１１】

【作用】本発明の一つの超音波モータにおいて，一体型
捩り−拡がり複合振動子の拡がり振動子部分の少なくと
も一方に接合された摩擦部材の形状をリング状とし，前
記リング状摩擦部材の内径部に回転自在に支持されたテ
ーパ付き円板状ロータのこのテーパ部を内接するようし
ている。一方，本発明の他の超音波モータにおいて，一
体型捩り−拡がり複合振動子の拡がり振動子部分の少な
くとも一方に接合されたリング形状の摩擦部材のリング
内径部のテーパ部に，外径部に開口状のテーパを有する
回転自在に支持された円板あるいはテーパ付き円板状の
ロータを圧接している。従って，双方の超音波モータに
おいて，一体型捩り−拡がり複合振動子の端部に生じる
捩り−拡がり振動は，有効に，圧接されたロータの回転
運動に変換される。

【００１２】

【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。図１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捩り−拡がり複合振動子２０の構造
を示す斜視図である。図１に示した圧電捩り−拡がり複
合振動子２０の両端に耐摩耗性部材２７，２７´を接合
してある。この場合，耐摩耗性部材の形状は図２（ａ）
のようにリング状である。しかし，耐摩耗性部材の変形
例として図２（ｂ）に示すように，内径面にテーパ部を
有する形状４０，４０´も使用可能である。さらに，前
記圧電捩り−拡がり複合振動子２０の内部に軸２８を通
し，前記耐摩耗性部材内径に接するようにロータ２９，
及び２９´並びにネジ３１及び３１´によって，バネ３
０，３０´を介して締め付けている。この場合，ロータ
の形状は，図３（ａ）に示すように円板状２９ａ，２９
ａ´あるいはこの変形例である図３（ｂ）示す外径面が
テーパ状２９ｂ，２９ｂ´とする。

【００１３】図４は本発明の超音波モータに用いられる
圧電捩り−拡がり複合振動子の一実施例を示す斜視図で
ある。図４において，圧電捩り−拡がり複合振動子２０
は，通常のプレス成型方法により作製された圧電セラミ
ック中空円柱２０´の略中央部に形成された圧電捩り振
動部２０ａとこの両側の圧電セラミック中空円柱２０´
外周面に形成された第１及び第２の圧電拡がり振動部２
０ｂ，２０ｃとを有する。

【００１４】圧電捩り振動部２０ａは圧電セラミック中
空円柱２０´の外周部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２１及び２２が形成され，夫々共通電極２１´，
２２´に接続されている。第１の圧電拡がり振動部２０
ｂは，この４５°の斜め電極２１，２２の一端の外周部
分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２３及び２４が形成され，それぞれ同じ番号
の電極が，長さ方向に沿って形成された縦電極２５´及
び図示しない縦電極によって，電気的に接続され交差指
電極を構成している。

【００１５】また，圧電捩り振動部２０ａに対してこの
第１の圧電拡がり振動部２０ｂの反対側の第１の圧電拡
がり振動部２０ｃは，第１の圧電拡がり振動部２０ｂと
同様に４５°の斜め電極２１，２２の両他端の外周部分
に円周方向と平行に互いに交差する複数の第３及び第４
の周電極２５及び２６が形成され，それぞれ同じ番号の
電極が電気的に接続され，交差指電極を構成している。

【００１６】図４において，共通電極２１´及び２２´
を第１の二端子とし，この第１の二端子間に直流高電圧
を印加して分極処理を施すと分極方向は前記第１及び第
２の斜め電極の長さ方向と直角な方向となる。この状態
で，第１の二端子間に捩り振動子の共振周波数に等しい
交流電圧を印加すれば，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，分極の方向と直角な方向にはそれぞれこ
れらの分極方向とは，反対に縮みあるいは伸び歪みが発
生し，圧電セラミック中空円柱２０´は両端部が捩じれ
るように共振する。

【００１７】同様にして，第１の圧電拡がり振動部２０
ｂの，第１及び第２の周電極の夫々２３及び２４を第２
の二端子とし，第２の二端子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，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，圧電セラミック中空円柱２
０´は，捩りの共振周波数で拡がり振動を行う。

【００１８】また，第１の圧電拡がり振動部２０ｂ同様
にして，第３及び第４の周電極の夫々２５及び２６を第
３の二端子とし，第３の二端子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，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，圧電セラミック中空円柱
２０´は，捩りの共振周波数で拡がり振動を行う。

【００１９】従って，第１，第２，及び第３の二端子間
に上記交流電圧を印加すれば，圧電セラミック中空円柱
２０´は，両端部の捩り振動を発生するとともに前記中
空円柱２０´の径方向の拡がり振動を発生する。前記圧
電セラミック中空円柱２０´が捩れ，径方向に縮むとき
前記圧電セラミック中空円柱２０´は長さ方向に伸び
る。従って，本発明の実施例に係る超音波モータの構造
によれば，振動エネルギーをロータに摩擦伝達する効率
は従来に比べて良くなる。

【００２０】

【発明の効果】以上示したように，本発明によれば，超
音波モータ用圧電捩り振動子及び拡がり振動子として，
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中空円柱を用い
ており，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拡がり
振動子が一体成形して得られるため，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
圧電捩り−拡がり複合振動子を用いることで，特性のば
らつきが少ない超音波モータが得られる。

【００２１】また，本発明によれば，圧電捩り−拡がり
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耐摩耗性部材
に圧接させ，安定に回転させることのできるベアリング
レス超音波モータを提供することができる。

【００２２】以上，本発明によれば，圧電捩り−拡がり
複合振動子を用いているので，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】

【図１】本発明の実施例に係る超音波モータの構成を示
す組立分解図である。

【図２】（ａ）は図１の超音波モータの耐摩耗性部材の
一例を示す図である。 （ｂ）は（ａ）の耐摩耗性部材の変形例を示す図であ
る。

【図３】（ａ）は図１の超音波モータのロータの一例を
示す図である。 （ｂ）は（ａ）のロータの変形例を示す図である。

【図４】本発明の超音波モータに用いられる圧電捩り−
拡がり複合振動子の一実施例を示す斜視図である。

【図５】従来の縦−捩り振動子型超音波モータの構成例
を示す斜視図である。

【図６】図５に示した圧電捩り振動子１０１の一構造例
を示す図である。

【図７】図６に示した圧電捩り振動子の製造工程の一例
を示す図である。

【図８】図６に示した圧電捩り振動子の製造工程の他の
一例を示す図である。

【図９】（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）は図
６に示した圧電捩り振動子の製造工程の他の例を示す図
である。

【図１０】従来の圧電縦振動子の一例を示す図である。

【図１１】従来の圧電縦振動子の他の例を示す図であ
る。

【符号の説明】

８ａ 軸受 ８ａ´ 軸受 ８ｂ 軸受 ８ｂ´ 軸受 ２０ 圧電捩り−拡がり複合振動子 ２０´ 圧電セラミック中空円柱 ２０ａ 圧電捩り振動部 ２０ｂ 第１の圧電拡がり振動部 ２０ｃ 第２の圧電拡がり振動部 ２１ 第１の斜め電極 ２２ 第２の斜め電極 ２１´ 共通電極 ２２´ 共通電極 ２３ 第１の周電極 ２４ 第２の周電極 ２５ 第３の周電極 ２６ 第４の周電極 ２３´ 縦電極 ２６´ 縦電極 ２７ 耐摩耗性部材 ２７´ 耐摩耗性部材 ２８ 軸 ２８´ 軸 ２９ａ ロータ ２９ａ´ ロータ ２９ｂ ロータ ２９ｂ´ ロータ ３１ ネジ ３１´ ネジ ３０ バネ ３０´ バネ ４０ 耐摩耗性部材 ４０´ 耐摩耗性部材 １０１ 圧電捩り振動子 １０１´ 圧電捩り振動子 １０２ 圧電縦振動子 １０２´ 圧電縦振動子 １０３ 中空金属円柱 １０４ 中空金属円柱 １０５ 縦−捩り複合振動子 １０６ 軸 １０７ 軸受 １０８ ロータ １０９ コイルバネ １１０ ナット １１２ 圧電セラミック板 １１４ 圧電セラミックのブロック １１５ 正四角柱

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電セラミック中空円柱の長さ方向の略
   中央部に形成された捩り振動部と前記捩り振動部の両端
   部に形成された拡がり振動部とを有する一体型縦−拡が
   り複合振動子と，前記一体型捩り−拡がり複合振動子の
   前記拡がり振動子の端部の少なくとも一方に接合された
   摩擦部材と，前記摩擦部材に圧接され回転自在に支持さ
   れたロータとを備えた超音波モータにおいて， 前記摩擦部材の形状をリングとし，前記ロータの形状を
   テーパ付き円板とし，前記摩擦部材のリング内径部に前
   記ロータのテーパ部を内接するように構成したことを特
   徴とする超音波モータ。
2. 【請求項２】 圧電セラミック中空円柱の長さ方向の略
   中央部に形成された捩り振動部と前記捩り振動部の両端
   部に形成された拡がり振動部とを有する一体型捩り−拡
   がり複合振動子と，前記一体型捩り−拡がり複合振動子
   の前記拡がり振動子の端部の少なくとも一方に接合され
   た摩擦部材とを備えた超音波モータにおいて， 前記摩擦部材の形状をリングとし，前記ロータの形状を
   内径部に開口状のテーパを有するリングとし，前記ロー
   ターの形状を円板あるいはテーパ付き円板とし，前記摩
   擦部材のリング内径部のテーパ部に前記ロータを圧接す
   るように構成したことを特徴とする超音波モータ。