JPH05328756A - 超音波モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 振動振幅を両端面において最大にし、端面に
設置された回転子を高トルクで、しかも安定して回転さ
せる。 【構成】 圧電素子１，２を電極板３，４，７を介して
共振器５，６で挾み込み、締結部材１０に設けられたフ
ランジ２６と固定ナット２８により圧着固定して振動子
２９を形成する。この際上記共振器５，６の内部には、
カップ形状の凹部５ａ，６ａが形成されているので、上
記振動子２９は締結部材１０の略中心部で固定される。
これにより振動の最大振幅位置を両端面外周部に発生で
き、回転子８を効率よく回転できる。

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１５に
より説明する。

【０００３】この超音波振動子は、第１円筒状圧電振動
子１０１および第２円筒状圧電振動子１０２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。

【０００４】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となるように分極
されている。同様に、上記第２円筒状圧電振動子１０２
は、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。

【０００５】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圧を
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。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。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記従来例
に示される楕円運動振動子では、図１６に示すように１
次モードの屈曲振動を発生し中心軸を中心に回転する。
このような楕円運動振動子は、円筒状圧電振動子が振動
の節位置に配置され、中心をボルト等の貫通部材で圧着
固定されて、共振周波数付近における機械的な振動の鋭
さを表す機械的品質係数（以下、機械的Ｑｍと略記す
る）を大きくすることができる。しかし、貫通部材のボ
ルトの剛性によって屈曲振動が抑制され、しかも、共振
器や圧電素子を接触面積の大きいボルトとナットで締め
付け固定するため、端面外周部での振動振幅が圧着力に
よって抑え込まれることになってしまう。

【０００７】そこで本発明の目的は、上記問題点を解消
し、振動振幅を両端面において最大にし、端面に設置さ
れた回転子を高トルクで、しかも安定して回転できる超
音波モータを提供するにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段および作用】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９０°位相がずれた正弦波電圧をそ
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ながら発生させる超音波振動子の端
面に被駆動部材を具備した超音波モータであって、中心
軸に対して垂直に具備され、共振器の締結部材貫通穴の
入口と接触するフランジまたは突起を有する締結部材
と、該フランジまたは突起と同形状の共振器の締結部材
貫通穴の入口との接触部を有する固定ナットと、上記締
結部材と固定ナットが振動子の中心部附近のみを圧着固
定した超音波振動子と、を具備していることを特徴とす
る。

【０００９】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。

【００１０】図１は、本発明の第１実施例を示す超音波
モータの側断面図である。

【００１１】この第１実施例の超音波モータに用いられ
る超音波振動子２９は、例えば厚さ２ｍｍのドーナツ形
状の第１圧電素子１および第２圧電素子２を具備してい
て、これら各圧電素子１，２はともに、図２に示すよう
に、分極方向Ｍが互いに反転するように分極され、２つ
の領域に分割されている。そして、この第１圧電素子１
の分極領域の第１境界線１ａと、第２圧電素子２の分極
領域の第２境界線２ａとが互いにに９０°ずれるように
して配置されている。

【００１２】また、第１圧電素子と共振器５、第２圧電
素子２と共振器６の間には、それぞれ、例えば厚さ０．
１ｍｍの銅製電極板３，４が配置されている。この銅製
電極板３，４は、それぞれリード線半田付け用の突出部
３ａ，４ａを有しており、この突出部３ａ，４ａにはそ
れぞれ端子Ａ，Ｂが接続されるようになっている。そし
て、上記電極板３と電極板４には、上記端子Ａ，Ｂより
互いに位相が９０°ずれた共振周波数附近の正弦波電圧
がそれぞれ印加されるようになっている。

【００１３】上記第１圧電素子１と第２圧電素子２との
間には、電極板７が配置されている。この電極板７にも
突出部７ａが設けられており、この突出部７ａに、接地
端子Ｇが接続されるようになっていて、これにより上記
電極板７は接地される。

【００１４】上記共振器５，６は上記第１圧電素子１お
よび第２圧電素子２と同等な外径を有する外周面を有
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。本実施例では、比較的圧電素子に熱膨張率の近
いＳＵＳ４４０Ｃを熱処理し、硬度をＨＶ７５０以上に
したものを使用している。

【００１５】上記共振器５，６の中心軸には、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）から上記第１圧
電素子１，第２圧電素子２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
円環形状になっている。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。

【００１６】上記第１圧電素子１および第２圧電素子２
と、各電極板３，４，７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フランジ２６を有するボルト等か
らなる締結部材１０を貫通させ、他端から同形状の接触
部２８ａ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。その後上記圧着剤が硬化すると、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。

【００１７】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、一端を固定台３０に固定され
る。他端にはベアリング９を内蔵した被駆動部材として
の回転子８が、押圧手段により圧着固定される。この押
圧手段は、図３に示す円環状板バネ３３を円錘形状座板
３４上に配置し、押圧力可変ナット３５によって圧着量
を可変するようになっている。

【００１８】上記回転子８は、シュウ酸アルマイト処理
が５０μｍ施されたアルミ合金で形成され、ベアリング
９部分で薄肉形状８ａになってバネ性を有する。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。

【００１９】このように構成された本第１実施例の作用
について説明する。

【００２０】上記電極板３，４に互いに位相が９０°ず
れた正弦波電圧を印加すると、図４に示すような１次の
屈曲振動が発生し、中心軸を中心に回転する楕円振動が
発生する。これにより、当該超音波振動子の端面外周
部、すなわち、共振器５の端面に回転子８を圧着する
と、該回転子８が回動する超音波モータが構成される。
また、上記２つの正弦波電圧の位相差を１８０°ずらす
と、当該超音波振動子に生じる楕円振動の方向が逆転
し、上記回転子８を逆方向に回転させる。

【００２１】ところで本第１実施例では、上述したよう
に共振器５，６の内部に両端面方向からカップ状の凹部
５ａ，６ａを設け、該端面附近において上記締結部材１
０との接触を避けるように構成している。従って、該共
振器５，６の屈曲方向の剛性を下げると共に、該締結部
材１０の剛性による影響を最小限に抑え、振動の節の位
置を当該超音波振動子の中心、即ち第１および第２圧電
素子１，２が配置されている位置に近づけ、該超音波振
動子の両端面において振動振幅が最大となるようにする
ことができる。

【００２２】なお上記圧電素子１，２は、共振器５，６
によって挾まれた上で締結部材１０により圧着固定され
ているので、共振点でのインピーダンスが低下し、機械
的Ｑｍが大きくとれる。また締結部材１０は、この超音
波振動子２９の中心部のみで圧着固定されるから、該振
動子２９の端面外周部附近では上記圧着による振動の減
衰が少なく、端面外周部での振動振幅を増加する。そし
て、回転子８に設けられたバネ性を有する薄肉部８ａに
おいて、振動子からの振動が締結部材１０に伝達されて
外部に逃げないように振動絶縁を行う。

【００２３】上記第１実施例によれば、超音波振動子の
中心部のみで締結部材１０による圧着固定を行うので、
振動の最大振幅位置を振動子の両端面外周部に発生させ
ることができ、この端面位置に設置された回転子を効率
よく回転させることができる。また、締結部材１０で圧
着固定しているので、機械的Ｑｍが高く、振動の発生力
が大きい高トルクの超音波モータを実現できる。

【００２４】図５，６は、上記第１実施例の変形例を示
す超音波モータの側断面図である。締結部材１０で超音
波振動子２９を圧着するのに、上記第１実施例ではフラ
ンジ２６と固定ナット２８とにより面接触で行っていた
のに対し、この変形例では共振器５，６の接触箇所を線
接触にした点が異なる。

【００２５】即ち図５では、締結部材１０に円錘形状の
突起３７を形成し、共振器５の締結部材貫通穴の入口角
部５ｃにだけ接触させる。他端の固定ナット２８Ａ側も
同様に円錘形状のテーパ部２８ｂを形成し、共振器６の
締結部材貫通穴の入口角部６ｃにだけ接触させる。また
図６では接触箇所を線接触にするため、締結部材１０に
半球形状の突起４０を、固定ナット２８Ｂに半球形状の
突起２８ｃを、それぞれ形成している。

【００２６】上記各変形例によれば、締結部材１０の圧
着箇所を更に軸心に近づけて振動子外周部での振動振幅
を増大することができるので、更に高トルクの超音波モ
ータが得られる。

【００２７】図７は、本発明の第２実施例を示す超音波
モータの要部の斜視図で、また図８は、該超音波モータ
におけるステータとロータの接触状態を説明する要部の
側断面図である。上記第１実施例では、振動子の端面外
周部が共振器５の薄肉円環形状に形成され、これに回転
子８を面接触していたのに対し、この第２実施例では、
上記薄肉円環形状部にテーパをつけて回転子８と線接触
させるようにした点が異なる。こ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
じ符号を付してその説明を省略し、異なる振動子の端面
外周部についてのみ以下に説明する。

【００２８】共振器５Ａの端面の形状は、図７（Ｂ）に
示すように、外周から内周に向ってテーパ部５ｅが形成
され、外周端が鋭角になっている。このような形状を有
する振動子の端面外周部に回転子８を押圧接触させて回
転させると、図８に示すように、振動子２９に対する回
転子８の接触状態は、共振器５Ａの薄肉円環形状の外周
鋭角部５ｆでのみ線接触することになる。

【００２９】上記第２実施例によれば、共振器５Ａの薄
肉円環形状の端面における内周寄りでの接触を防止した
ので、該内周部が回転子８に滑り摩擦することにより発
生する音がなくなり、非常に静寂な超音波モータが得ら
れる。また、滑りによるびびりが抑えられるので、回転
ムラを低減して安定な回転を行うことができる。

【００３０】図９は、上記第２実施例における変形例の
要部断面図で、共振器５Ｂの端面をその外周寄りで凸形
状の段付部５ｇにし、回転子８との接触面積を最小限に
減少させたものである。図１０は、更に別の変形例の要
部断面図で、共振器５Ｃの端面を半球形状の端部５ｄと
し、回転子８と線接触するようにしたものである。この
ように回転子８と振動子２９との接触面積を少なくし、
他の部分で接触しない構造にすることで同様の効果が得
られる。

【００３１】図１１は、本発明の第３実施例を示す超音
波モータの要部の斜視図で、また図１２は、上記図１１
における共振器５Ｄの側断面図である。この第３実施例
が上記各実施例と異なる点は、共振器の外周側面に溝を
設けたことで、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を付してそ
の説明を省略し、異なる箇所についてのみ以下に説明す
る。

【００３２】共振器５Ｄ，６Ｄの外周側面には、図１
１，１２に示すように、振動子端面から圧電素子の方向
へ向け、等間隔に８箇所の溝５ｉがカップ状の凹部の底
５ｈまで形成されている。

【００３３】このように構成された本第３実施例では、
共振器５Ｄ，６Ｄの剛性を低減し、一次モードの屈曲振
動がより発生し易くなり、振動子の中心軸を中心にして
回転する楕円振動が大きくなる。そして屈曲運動の節の
位置をより振動子の中心（圧電素子の位置）に近づけ、
両端面において振動振幅が最大となるようにすることが
できる。このため、共振周波数がさらに低下して共振点
でのインピーダンスも低下し、機械的Ｑｍも増大する。
又、圧電素子を金属弾性体で挾み、締結部材で圧着固定
すると発熱現象が発生しやすくなるが、この様に共振器
の表面積を拡大することで、放熱作用が増加し発熱現象
を抑制できる。

【００３４】上記第３実施例によれば、共振器の剛性を
さらに低下することによって振動振幅が増加し、高回転
数で高トルクの超音波モータを実現できる。

【００３５】図１３は、上記第３実施例における変形例
の要部斜視図で、また図１４は、上記図１３における共
振器の側断面図である。この変形例における共振器５Ｅ
には、その外周側面に軸周りに形成された同心円形状の
溝５ｊが２本形成されている。なおこの溝５ｊは、共振
器内部のカップ状の凹部５ａとは貫通しないようになっ
ている。

【００３６】上記変形例によれば、屈曲方向の剛性が特
に低下し、共振状態での周波数，インピーダンスが更に
低下して、機械的Ｑｍを増加させることができる。

【００３７】上記各実施例や変形例によれば、振動子の
中心部附近で接触するフランジ、突起が設けられた締結
部材と、同形状の固定ナットで振動子を挾み圧着固定す
ることで、振動子の端面外周部に一次モードの屈曲振動
を強く励振させることができる。そして、振動子の中心
部分にだけ圧着力がかかるようにし、外周部での圧着力
を弱め、振動子の端面外周部での圧着による振動振幅の
減衰を小さくする。このため、共振器の中心にネジを形
成してボルト等で圧着固定した振動子よりも、端面外周
部に大きな振幅の振動を発生でき、端面に設置された被
駆動部材を高回転数、高トルクで回転できる。

【００３８】更に、振動子の端面に被駆動部材と外周部
寄りでのみ線接触するようにテーパー、円環状の突起、
球形状の構成をとることによって接触面積を減少させ、
端面内周寄りでの被駆動部材との接触をなくし、びびり
振動や発音を軽減できる。また、共振器の外周や端面に
溝を形成し、共振器の剛性を低下させ、屈曲振動を励振
しやすくし、端面外周部に大振幅の振動を発生させるこ
とができ、これによりモータの特性を向上させることが
できる。

【００３９】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、振動
振幅を両端面において最大にし、端面に設置された回転
子を高トルクで、しかも安定して回転できるという顕著
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側断
面図。

【図２】上記図１における圧電素子の斜視図。

【図３】上記図１における円環状板バネの上面図と正面
図。

【図４】上記第１実施例において１次の屈曲振動が発生
したときの振動状態図。

【図５】上記第１実施例の変形例の側断面図。

【図６】上記第１実施例の別の変形例の側断面図。

【図７】本発明の第２実施例を示す超音波モータの要部
斜視図とその一部拡大断面図。

【図８】上記第２実施例におけるステータとロータの接
触状態を説明する要部の側断面図。

【図９】上記第２実施例の変形例における要部の側断面
図。

【図１０】上記第２実施例の別の変形例における要部の
側断面図。

【図１１】本発明の第３実施例を示す超音波モータの要
部斜視図。

【図１２】上記図１１における共振器の側断面図。

【図１３】上記第３実施例の変形例における要部の斜視
図。

【図１４】上記図１３における共振器の側断面図。

【図１５】従来の超音波モータに用いられる振動子の分
解斜視図。

【図１６】上記従来の振動子の動作状態を説明する斜視
図。

【符号の説明】

１…第１圧電素子（第１の電気−機械エネルギ変換素
子） ２…第２圧電素子（第２の電気−機械エネルギ変換素
子） ５，６…共振器 ５ｂ，６ｂ…締結部材貫通穴 ５ｉ，５ｊ…溝 １０…締結部材 ２６…フランジ ２８…固定ナット ２９…超音波振動子 ３７，４０…突起

Claims (2)

【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９０°位相がずれた正弦波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
   しながら発生させる超音波振動子の端面に被駆動部材を
   具備した超音波モータであって、 中心軸に対して垂直に具備され、共振器の締結部材貫通
   穴の入口と接触するフランジまたは突起を有する締結部
   材と、 該フランジまたは突起と同形状の共振器の締結部材貫通
   穴の入口との接触部を有する固定ナットと、 上記締結部材と固定ナットが振動子の中心部附近のみを
   圧着固定した超音波振動子と、 を具備していることを特徴とする超音波モータ。
2. 【請求項２】 上記共振器は、外周側面に設けられ軸周
   りに形成された溝と、中心軸と平行に設けられ振動子端
   面から圧電素子方向へ向かう等間隔の溝とを有すること
   を特徴とする請求項（１）記載の超音波モータ。