JPH05328755A - 超音波モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 各圧電素子の境界線の位置合わせを正確に且
つ簡単に行うことのできる高効率，高トルクの超音波モ
ータを提供する。 【構成】 圧電素子１，１１間に電極板１３を挾んで構
成された第１圧電素子群２１と、圧電素子２，１２間に
電極板１４を挾んで構成された第２圧電素子群２２と
を、電極板３，７，４を介して共振器５，６で積層し、
締結部材１０で押圧固定する際、上記各圧電素子１，
２，１１，１２を正方形状にしてその角部１００を揃え
ることにより、分極方向が反転する境界線を揃える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は超音波モータ、詳しくは
振動発生手段より発生する振動を利用して回転する超音
波モータに関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波モータに用いられる超音波振動子
は従来から種々提案されているが、例えば特開平２−３
６７７６号に開示された圧電楕円運動振動子を図１９に
より説明する。この圧電楕円運動超音波振動子は、第１
円筒状圧電振動子１０１および第２円筒状圧電振動子１
０２と、これらの円筒状圧電振動子１０１，１０２の一
端間に挾まれた第１の金属円筒１０３と、該圧電振動子
１０１，１０２の他端にそれぞれ設けられた第２の金属
円筒１０４，第３の金属円筒１０５とを貫通部材１０６
により固着した圧電楕円運動振動子である。

【０００３】上記第１円筒状圧電振動子１０１は、その
中心軸に沿う方向で２分割する第１の境界面１０７、お
よび厚さ方向で２分割する第２の境界面１０８をそれぞ
れ境として、厚さ方向に互いに逆向きになるように分極
されている。同様に、上記第２円筒状圧電振動子１０２
も、その中心軸に沿う方向で２分割され、且つ上記第１
の境界面１０７と所定角度で傾斜した第３の境界面１０
９および厚さ方向で２分割する第４の境界面１１０を境
にして厚さ方向に互いに逆向きとなるように分極されて
いる。

【０００４】このように構成された上記従来例では、第
２の境界面１０８、第４の境界面１１０にそれぞれ第
１、第２の中間端子板１１１が設けられ、第１、第２、
第３の金属円筒１０３，１０４，１０５を共通アースと
し、中間端子板１１１に互いに異なる位相の交流電流を
印加して圧電楕円運動振動子の両端部に円を含む楕円運
動を励起可能にしている。即ち、上記従来例に示される
楕円運動振動子では、図２０に示すように１次モードの
屈曲振動を発生し、振動子の中心軸を中心に回転する。
そこで上記振動子の端面外周部に図示しない被駆動部材
としての回転子を押圧接触することにより、超音波モー
タが形成されている。

【０００５】この他に、本出願人が先に出願した特願平
４−４３３９９号で提案した超音波振動子を図２１，２
２により説明する。図２１はこの超音波振動子の側断面
図で、図２２は上記図２１中の第１，第２の各圧電素子
群２１Ｆ，２２Ｆをそれぞれ構成する各群２枚のドーナ
ツ形状の圧電素子１Ｆ，１１Ｆ、および２Ｆ，１２Ｆの
斜視図である。

【０００６】上記各圧電素子１Ｆ，１１Ｆおよび２Ｆ，
１２Ｆは、それぞれの中心を通る第１境界線１ａおよび
第２境界線２ａにより２つの領域に分割され、隣り合う
領域の中心軸に沿う分極方向Ｍが反転するように分極さ
れている。そして上記第１，第２の圧電素子群２１Ｆ，
２２Ｆの各２枚の圧電素子は、その分極方向Ｍが互いに
体腔するように積層されている。なお、上記各境界線１
ａ，２ａは互に９０°ずれて配置されている。また、各
圧電素子１Ｆ，１１Ｆおよび２Ｆ，１２Ｆの各素子間に
は電極板３Ｆ，１３Ｆ，７Ｆ，４Ｆ，１４Ｆがそれぞれ
配置されている。

【０００７】これら各圧電素子１Ｆ，１１Ｆ，２Ｆ，１
２Ｆの両端には振動伝達に優れた共振器５Ｆ，６Ｆが設
置され、これら各構成部材の軸心にボルト等の締結部材
１０Ｆを貫通し、圧着固定して超音波振動子２９Ｆを構
成する。なお、上記共振器５Ｆ，６Ｆの内部には、その
両端面から第１，第２の圧電素子群２１Ｆ，２２Ｆの方
向に向け円錘カップ形状の凹部５Ｆａ，６Ｆａが形成さ
れ、これにより各共振器５Ｆ，６Ｆが締結部材１０Ｆと
接触しないようになっている。このような振動子２９Ｆ
の一方の端面に、摺動部材２４を介して回転子８が円環
状板バネ３３と押圧力可変ナット３５からなる押圧手段
により押圧接触することにより超音波モータが形成され
ている。

【０００８】上記超音波モータの電極板１３Ｆ，１４Ｆ
に、電極板３Ｆ，４Ｆ，７Ｆを共通アースにして、９０
°位相がずれた共振周波数附近の２相の正弦波電圧を印
加すると、超音波振動子２９Ｆに１次モードの屈曲振動
が発生し、中心軸周りに回転する。この回転運動によっ
てベアリング９が内蔵された回転子８が回転される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記図
１９〜２２の従来例に示した超音波振動子においては、
各圧電素子の境界線を正確に合わせることが必要にな
る。例えば上記図１９の第１円筒状圧電振動子１０１の
第１境界線１０７や第２円筒状圧電振動子１０２の第３
境界面１０９、または上記図２２の第１圧電素子群２１
Ｆの第１境界線１ａや第２圧電素子群２２Ｆの第２境界
線２ａが図２３に示すように境界線が１ａと１Ｆａのよ
うにずれた状態になると、第１の圧電素子群と第２の圧
電素子群の間で共振周波数が一致しなくなり、図２４の
破線で示すように、共振周波数附近にスプリアス（使お
うとする主要共振モードの中に発生する別の共振モー
ド）が発生したりする。このようになると、振動子の機
械的品質係数（以下、機械的Ｑｍと呼称する）が低下
し、超音波モータの効率が低下したり、高トルクが得ら
れにくくなる。

【００１０】また、第１圧電素子群と第２圧電素子群の
各境界線の角度差を所定値に正確に合わせないと、駆動
回路の２相の正弦波電圧の位相差を可変して調整する必
要があり、コスト高になってしまう。

【００１１】そこで本発明の目的は、上記問題点を解消
し、各圧電素子の境界線の位置合わせを正確に且つ簡単
に行うことのできる高効率，高トルクの超音波モータを
提供するにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の超音波モータ
は、厚さ方向に重合され、該厚さ方向の分極領域の境界
面が中心軸周りに互いに所定角度にて傾斜する第１，第
２の電気−機械エネルギ変換素子と、これら第１，第２
の電気−機械エネルギ変換素子を厚さ方向の端面にて互
いに挾み込む複数の共振器と、上記第１，第２の電気−
機械エネルギ変換素子と複数の共振器の中心を貫通し、
これらを軸方向に一体に締結する締結部材と、を具備し
ており、上記第１，第２の電気−機械エネルギ変換素子
に、互いに所定角度位相がずれた交番電圧をそれぞれ印
加することにより、１次モードの屈曲振動が中心軸を中
心に回転している超音波振動子の端面に押圧保持された
被駆動部材を具備した超音波モータであって、上記第
１，第２の電気−機械エネルギ変換素子は少なくとも外
周もしくは内周に、少なくとも２箇所に位置合わせ用の
溝、あるいは突起、あるいは角部を具備していることを
特徴とする。

【００１３】

【作 用】この超音波モータでは、第１，第２の電気−
機械エネルギ変換素子の少なくとも外周もしくは内周
の、少なくとも２箇所に設けられた位置合わせ用の溝、
あるいは突起、あるいは角部を合わせることにより、各
圧電素子の境界線を正確に一致させることができると共
に、第１の圧電素子群と第２の圧電素子群の角度差を所
定値に正確に一致させることができる。

【００１４】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。

【００１５】図１は、本発明の第１実施例を示す超音波
モータの分解斜視図である。本第１実施例の超音波モー
タは、正方形状の超音波振動子２９と、ベアリング９が
内蔵された被駆動部材としての回転子８と、この回転子
８を上記振動子２９の端面外周部に押圧する押圧手段３
０とからその主要部が構成されている。

【００１６】上記超音波振動子２９は、第１圧電素子群
２１と、第２圧電素子群２２と、電極板３，４，７と、
共振器５，６と、これら各部材を締結する締結部材とか
ら構成されている。上記第１，第２圧電素子群２１，２
２は、それぞれ２枚の正方形状の圧電素子１，１１およ
び１２，２を電極板１３，１４をそれぞれ介して積層し
て構成されている。各圧電素子１，１１および１２，２
は、図２に示すように、中心軸を通る第１境界線１ａ，
第２境界線２ａで２つの領域に分割され、中心軸に平行
な分極方向Ｍが反転するように分極されると共に、各群
間で分極方向が対向するように積層されている。なお、
上記第１境界線１ａと第２境界線２ａとは９０°ずれて
配置されている。

【００１７】上記第１，第２圧電素子群２１，２２と共
振器５，６の間には、リード線半田付け用の突出部を有
する銅製電極板３，４がそれぞれ配置され、また第１，
第２圧電素子間にも電極板７が配置されている。これら
各電極板３，４，７は、それぞれ共通接続されてアース
電位になっている。

【００１８】上記共振器５，６は、各圧電素子１，２，
１１，１２と同じ正方形状の外周面を有し、振動伝達に
優れた材質、例えばアルミ合金，ステンレス，リン青
銅，ジュラルミン，チタン合金等で形成されている。本
第１実施例ではアルミ合金のＡ５０５６材にシュウ酸ア
ルマイト処理を３０μｍ施したものを採用している。

【００１９】上記共振器５，６の中心には、図３に示す
ように、ボルト等の締結部材１０が貫通する締結部材貫
通穴５ｂ，６ｂが設けられている。更に、同共振器５，
６の内部には、当該超音波振動子の両端面（該共振器
５，６の端面）から上記各圧電素子１，２，１１，１２
の方向に向けてカップ形状の凹部５ａ，６ａが形成され
ていて、該端面附近では薄肉形状になっている。これに
より、該共振器５，６の端面は上記締結部材１０と接触
しないようになっている。

【００２０】上記各圧電素子１，２，１１，１２と、各
電極板３，４，７，１３，１４と、共振器５，６とを図
１に示すように積層し、各構成部材間にエポキシ系接着
剤等の接着剤を塗布する。そして、上記共振器５，６を
中心部でのみ固定するための締結部材貫通穴５ｂ，６ｂ
の入口と接触するフランジ２６を有する締結部材１０を
貫通させ、他方側から上記フランジ２６と同形状の接触
部を有する固定ナット２８で締め付けて上記各構成部材
を圧着する。その後接着剤が硬化すると、この第１実施
例に用いられる超音波振動子２９が得られる。

【００２１】上記締結部材１０は、超音波振動子２９の
中心軸方向に延長され、一方が図示しない固定台に固定
される。他方にはベアリング９を内蔵した被駆動部材と
しての回転子８が、押圧手段３０により圧着固定され
る。この押圧手段３０は、円環状板バネ３３を２枚対向
させ、押圧力可変ナット３５によって圧着量を可変す
る。

【００２２】上記回転子８は、ＳＫＤ１１材を熱処理し
てその硬度をＨｖ７００以上にしたものを使用してい
る。なお、この回転子８と上記共振器５との接触面は、
それぞれ表面粗さがＲmax ０．１μｍ以下になってい
る。

【００２３】このように構成された本第１実施例におい
ては、上記電極板３，４，７を共通アースにし、電極板
１３，１４に互いに位相が９０°ずれた、共振周波数よ
りも僅かに高い周波数の正弦波電圧を図示しない駆動回
路から印加すると、振動子２９の端面に中心軸を中心に
して回転する１次の屈曲振動が発生し、回転子８を回転
させる。

【００２４】この場合、各群の圧電素子を正方形形状に
したので、４つの角部１００を合わせることによって、
分極方向が反転する境界線を容易にしかも正確に一致さ
せることができる。このため、各群の圧電素子間での共
振周波数のずれや共振周波数附近のスプリアスがなくな
る。また、第１圧電素子群と第２圧電素子群を正確に９
０°ずらすことができる。

【００２５】上記第１実施例によれば、上述したように
圧電素子，電極板，共振器を正方形状にしてその位置合
わせ用の角部１００を揃えたので、各境界線を正確に一
致させることができる。これにより各圧電素子の共振周
波数が一致し、スプリアスが発生しないため、共振周波
数での振動が非常に大きくなり、機械的Ｑｍの大きい超
音波モータが得られる。このため、エネルギー変換が良
くなり、高効率・高トルクの超音波モータができる。ま
た、各群が正確に９０°ずれているため、モータ間での
バラツキがなく、印加する２相の正弦波電圧の位相差も
９０°に固定するだけでよくなり、駆動回路の位相差の
調整が省略できる。

【００２６】なお、この様に圧電素子に角部を有する形
状により、位置合せができるため、正方形でなくても多
角形でも同様の効果が得られることは言うまでもない。

【００２７】図４は、本発明の第２実施例を示す超音波
モータの要部斜視図である。この第２実施例が上記第１
実施例と大きく異なる点は、分極方向が反転する境界線
を揃えるのに、圧電素子や電極板の外周面に、図５，６
に示すように、９０°おきに半円溝４５を設けたこと
で、この他に外形も丸形になっている。これらの点を除
けば上記第１実施例と異なるところがないので、同じ構
成部材には同じ符号の後にＡを付して示し、構成の説明
を省略する。なお、半円溝の代りに角溝でもよい。

【００２８】このように構成された本第２実施例におい
ては、上記第１実施例と同様に、各群の圧電素子や電極
板に形成された溝４５を合わせることによって、分極方
向が反転する境界線を容易にしかも正確に一致させるこ
とができ、従って、第１圧電素子群と第２圧電素子群を
正確に９０°ずらすことができる。更に、超音波振動子
が正方形形状ではなく、円柱形状なので断面のどの方向
の剛性も不均一とならず、きれいな屈曲振動が得られ
る。

【００２９】上記第２実施例によれば、圧電素子に形成
された溝４５によって共振周波数が一致し、スプリアス
をなくすことができる。又、円柱形状の超音波振動子と
なるため、きれいな屈曲振動が得られ回転ムラの低減が
できる。

【００３０】図７は、上記第２実施例の変形例における
要部斜視図である。この変形例が上記第２実施例と大き
く異なる点は、超音波振動子の外形を四角形にした上
で、図８，９に示すように、圧電素子および電極板の４
箇所に面取り４８を施して８箇所の角部４９を設けたこ
とである。この点を除けば上記第２実施例と異なるとこ
ろがないので同じ構成部材には同じ符号の後にＢを付し
て構成の説明を省略する。この変形例においては、超音
波振動子を組立てる際に、８箇所の角部４９を合わせる
ことにより境界線の位置合わせが可能になる。

【００３１】図１０は上記第２実施例の別の変形例にお
ける要部斜視図である。この別の変形例が上記第２実施
例と異なる点は、圧電素子１Ｃの外周の４箇所に９０°
間隔で図１１に示す突起５２を設けたことで、この点を
除けば上記第２実施例と異なるところがないので、同じ
構成部材には同じ符号の後にＣを付して構成の説明を省
略する。なお電極板３Ｃ（４Ｃ，７Ｃ，１３Ｃ，１４
Ｃ）は上記圧電素子と同形状にせず、図１２に示す半田
付け用の突起２７を利用するだけでよい。この突起２７
を、積層するときに合わせることで境界線の位置合わせ
ができる。

【００３２】上記各変形例によれば、面取り部４８もし
くは突起５２を例えば９０°間隔で外周部に設けること
により境界線を揃えることができる。

【００３３】図１３は、本発明の第３実施例を示す超音
波モータの要部の分解斜視図である。この第３実施例が
上記各実施例と異なる点は、分極方向が反転する境界線
を揃えるのに、圧電素子締結部材貫通穴の形状によった
ことである。この点を除けば上記各実施例と異なるとこ
ろがないので、同じ構成部材には同じ符号の後にＤを付
して示し、上記についてのみ以下に説明する。

【００３４】即ち、共振器，圧電素子，電極板の締結部
材貫通穴の形状を、図１３に示すように、例えば正方形
状に形成する。一方、締結部材１０Ｄの上記対応箇所
も、上記圧電素子等の貫通穴と同形状の正方形のガイド
部５９のように形成する。そして、図１４に示すように
各圧電素子等を上記締結部材１０Ｄに組付ければ、第
１，第２の各境界線１ａ，２ａを正確に合わせることが
できる。この場合、上記締結部材１０Ｄの表面には絶縁
塗料が塗布されているので、圧電素子や電極板等の蒸着
電極が、締結部材１０Ｄのガイド部５９で導通してショ
ートしないようになっている。

【００３５】なお、上記第３実施例では締結部材貫通穴
を正方形状としたが、本実施例はこれに限定されること
なく、例えば円の一部を面取った図１５に示すような貫
通穴６０で角部６０ａ，６０ｂを２箇所設けた形状に
し、これに締結部材１０Ｄのガイド部５９の形状を合わ
せるものでもよい。

【００３６】上記第３実施例によれば、締結部材１０Ｄ
のガイド部５９に沿わせて各構成部材を積層するだけ
で、各圧電素子の境界線を非常に簡単に合わせることが
でき組立てが容易になる。従ってコスト低下を期待でき
る。

【００３７】図１６は、本発明の第４実施例を示す超音
波モータの要部の分解斜視図である。この第４実施例が
上記各実施例と異なる点は、分極方向が反転する境界線
を揃えるのに、電極板の一部に設けた凸部を圧電素子の
一部に設けた溝部に嵌合するようにしたことである。こ
の点を除けば上記各実施例と異なるところがないので、
同じ構成部材には同じ符号の後にＥを付して示し、上記
についてのみ以下に説明する。

【００３８】即ち、圧電素子１Ｅ（２Ｅ，１１Ｅ，１２
Ｅ）には、４箇所の半円溝４５が外周面に亘って９０°
間隔で設けられている。一方電極板３Ｅ（１３Ｅ，７
Ｅ，１４Ｅ，４Ｅ）には、図１７に示すように、上記圧
電素子の半円溝４５に対応する４箇所の凸部６３が９０
°間隔でその外周部に設けられ、しかも隣り合う凸部６
３の凸方向が反転するように形成されている。そこで、
各圧電素子の分極方向Ｍを上記第１実施例のように揃
え、上記各半円溝４５と上記各凸部６３を合わせて、図
１８に示すように積層し、超音波振動子２９Ｅを構成す
る。

【００３９】このように構成された本第４実施例におい
ては、電極板の凸部６３に圧電素子の溝４５を合わせる
だけで、圧電素子の分極領域の境界線１ａ，２ａを合わ
せることができ、上記第３実施例と同様に組立が非常に
簡単になる。尚、共振器５Ｅ，６Ｅと圧電素子１Ｅ，２
Ｅの間に挾まれる電極板３Ｅ，４Ｅの共振器側の凸部６
３は、図１８の組立状態の様に締結部材と固定ナットの
圧着力によって、平坦にならされるため共振器と圧電素
子の結合を阻害しない。

【００４０】上記第４実施例によれば、組立が非常に簡
単になり、コストを低下させることができる。また、凸
部を有する電極板はプレス加工等で簡単に製作できるた
め、更に低コスト化が図れる。

【００４１】上記各実施例や各変形例によれば、各圧電
素子の境界線の位置合せを正確に行ない、駆動回路の煩
雑さを低減し、共振周波数を一致させ、スプリアスが発
生しない高効率、高トルクの超音波モータを提供するこ
とができる。

【００４２】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、第
１，第２の電気−機械エネルギ変換素子としての圧電素
子の少なくとも外周もしくは内周に、少なくとも２箇所
に位置合わせ用の溝、あるいは突起、あるいは角部を設
けたので、各圧電素子の境界線の位置合わせを正確に且
つ簡単に行うことができ、高効率，高トルクの超音波モ
ータが得られるという顕著な効果が発揮される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す超音波モータの分解
斜視図。

【図２】上記図１における圧電素子の斜視図。

【図３】上記図１における共振器の断面図。

【図４】本発明の第２実施例を示す超音波モータの要部
斜視図。

【図５】上記図４における圧電素子の斜視図。

【図６】上記図４における電極板の斜視図。

【図７】上記第２実施例の変形例における要部の斜視
図。

【図８】上記図７における圧電素子の平面図。

【図９】上記図７における電極板の平面図。

【図１０】上記第２実施例の別の変形例における要部の
斜視図。

【図１１】上記図１０における圧電素子の平面図。

【図１２】上記図１０における電極板の平面図。

【図１３】本発明の第３実施例を示す超音波モータの要
部の分解斜視図。

【図１４】上記第３実施例の側断面図。

【図１５】上記第３実施例における圧電素子の別の例を
示す斜視図。

【図１６】本発明の第４実施例を示す超音波モータの要
部の分解斜視図。

【図１７】上記図１６における電極板の斜視図。

【図１８】上記第４実施例における組立状態を説明する
要部の斜視図。

【図１９】従来の超音波モータに用いられる超音波振動
子の斜視図。

【図２０】上記図１９に示す振動子の動作状態を説明す
る斜視図。

【図２１】従来の超音波モータの別の例における側断面
図。

【図２２】上記図２１における圧電素子の斜視図。

【図２３】上記図２１における各圧電素子の境界線がず
れた状態を説明する斜視図。

【図２４】上記図２３の状態におけるインピーダンスカ
ーブを示す線図。

【符号の説明】

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ，１１，１１
Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ，１１Ｅ，１１Ｆ……圧電
素子（第１の電気−機械エネルギ変換素子） ２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，２Ｅ，２Ｆ，１２，１２
Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄ，１２Ｅ，１２Ｆ……圧電
素子（第２の電気−機械エネルギ変換素子） ５，５Ａ，５Ｄ，５Ｅ，５Ｆ，６，６Ａ，６Ｄ，６Ｅ，
６Ｆ……共振器 １０，１０Ｄ，１０Ｆ……締結部材 ２９，２９Ｄ，２９Ｅ，２９Ｆ……超音波振動子 ４５……溝 ４９，１００……角部 ５２，６３……突起

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 厚さ方向に重合され、該厚さ方向の分極
   領域の境界面が中心軸周りに互いに所定角度にて傾斜す
   る第１，第２の電気−機械エネルギ変換素子と、 これら第１，第２の電気−機械エネルギ変換素子を厚さ
   方向の端面にて互いに挾み込む複数の共振器と、 上記第１，第２の電気−機械エネルギ変換素子と複数の
   共振器の中心を貫通し、これらを軸方向に一体に締結す
   る締結部材と、 を具備しており、 上記第１，第２の電気−機械エネルギ変換素子に、互い
   に所定角度位相がずれた交番電圧をそれぞれ印加するこ
   とにより、１次モードの屈曲振動が中心軸を中心に回転
   している超音波振動子の端面に押圧保持された被駆動部
   材を具備した超音波モータであって、 上記第１，第２の電気−機械エネルギ変換素子は少なく
   とも外周もしくは内周に、少なくとも２箇所に位置合わ
   せ用の溝、あるいは突起、あるいは角部を具備している
   ことを特徴とする超音波モータ。