JPH0534909B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、回転トルク発生源として超音波ねじ
り楕円振動子を用いた圧電超音波モータの改良に
関する。

〔発明の背景〕

最近、超音波モータの研究開発に力が注がれて
おり、既にいくつかの提案がなされているが、駆
動周波数が20kHzよりもかなり低く、単位体積当
りもしくは単位重量当りのエネルギーが少ない、
いわゆる圧電アクチユエータは別として、20kHz
より高い超音波振動を源動力とする出力エネルギ
ー密度の高い圧電超音波モータは実現が期待され
ている割に機能的に優れたものが少なく、一般に
出力効率が低い欠点がある。

その原因は回転トルクを発生させるに必要な超
音波楕円振動の発生機構が不備なためと考えられ
る。すなわち、従来の超音波振動子には磁歪型と
圧電型とがあるが、いずれもたて振動子が主であ
り、したがつて超音波楕円振動を発生させるには
たて振動を楕円振動にモード変換せねばならず、
このモード変換のために強力な楕円振動を効率良
く発生させることができなかつたのである。

この点では、本発明者が特願昭59−172429号お
よびその関連発明で提案してきた「片持梁状捻り
超音波振動子を用いた圧電モータ」は抜群に優れ
た性能を有していると言える。この圧電モータは
圧電厚み振動子により励振されて自由端がねじり
楕円振動をする片持梁状振動子の自由端面に回転
子を圧着することにより発生する回転トルクを利
用したものであり、低速で大トルクを発生する特
長があるが、唯一の欠点は振動子の構成条件によ
り回転子の回転の向きが右まわり、左まわりのい
ずれかになり、回転の向きを電気的に任意に変え
られないことであつた。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、出力効率が高く、大きさまた
は重さの割に大きな出力トルクが得られ、しかも
回転子の回転の向きを電気的に任意に変えること
ができる圧電超音波モータを提供することにあ
る。

〔発明の概要〕

本発明は、シアーモードの圧電振動子要素をリ
ング状に積層して構成した圧電ねじり振動子と圧
電厚み振動子とを円柱もしくは円筒状の超音波振
動体で挾み一体化構成とし、その圧電ねじり振動
子と圧電厚み振動子とにそれぞれ独立の電圧印加
端子を設けてなる超音波ねじり楕円振動子を備
え、ねじり楕円振動をする前記超音波ねじり楕円
振動子の端面に回転子を圧着させた構成とするこ
とにより上記目的を達成したものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に従つて説明す
る。

実施例 １ 本実施例の圧電超音波モータを第１図に示し、
この実施例に用いた超音波ねじり楕円振動子とそ
の構成部品である圧電ねじり振動子および圧電厚
み振動子を第２図に示す。

第１図において、全体が円筒状をしている超音
波ねじり楕円振動子１はモータケース２８に収納
され、下側の超音波振動子１８にねじ込まれた取
付ねじ２９によりモータケース２８に固定されて
いる。

円板状の回転子３０は、その出力シヤフト３１
が２個のベアリング３２，３３を介してモータケ
ース２８の円筒部３４に支持され、ベアリング３
２と３３の間に出力シヤフト３１を囲んで装着さ
れたコイルばね３５により、回転子摺動面が超音
波ねじり楕円振動子１の上側の超音波振動体１７
の端面に圧着されている。

圧電ねじり振動子２の端子板１０，１１に接続
されたリード線２４，２５と圧電厚み振動子７の
端子板１２，１３に接続されたリード線２６，２
７とを同一電源に接続し、42.0kHz、50ボルト程
度の交流電圧を印加すると、超音波振動体１７の
端面にねじり楕円振動が発生し、回転子３０が安
定な低速回転をした。印加電圧をオン・オフする
と、回転子３０は即動、即停止しイナーシアレス
の回転が得られた。回転数は60rpm付近であり、
出力トルクは数Kgｆ−cmと強力であつた。リード
線２４と２５、２６と２７は共に同一電源に接続
したが、圧電厚み振動子７のリード線２６と２７
の電源に接続する極性を切り替えることにより回
転子３０の回転の向きが逆転した。

このように本発明の圧電超音波モータは、圧電
ねじり振動子２と圧電厚み振動子７とに印加する
電圧の極性の相互関係を変えるだけで回転子３０
の回転の向きを任意に変えることができる。その
理由は、圧電ねじり振動子２によるねじり振動と
圧電厚み振動子７によるたて振動との位相の変化
によつて超音波ねじり楕円振動子１の端面に発生
する超音波ねじり楕円振動の回転の向きが変化す
るからである。

本実施例に用いた超音波ねじり楕円振動子１は
第２図ａに示すような構造になつており、２枚の
端子板１０と１１で挟まれたリング状圧電ねじり
振動子２と２枚の端子板１２と１３で挟まれたリ
ング状圧電厚み振動子７とを絶縁板１４を真中に
して重ね、さらに上下の絶縁板１５，１６を介し
て直径35mm、長さ16mmのアルミニウムの円筒から
なる超音波振動体１７，１８でサンドイツチ状に
挟んだ状態で、これらを一体化するため、直径８
mm、長さ15mmのキヤツプボルト１９を超音波振動
子１８のボルト穴と圧電ねじり振動子２、圧電厚
み振動子７、端子板１０，１１，１２，１３、絶
縁板１４，１５，１６の内側に通し、超音波振動
体１７のねじ穴に嵌めて、150Kgｆ−cmのトルク
で締め付け固定したものである。

このようにして一体化した超音波ねじり楕円振
動子の端子板１０，１１，１２，１３の周辺部に
付属しているリード線半田付部２０，２１，２
２，２３にそれぞれリード線２４，２５，２６，
２７を半田付接続することにより、圧電ねじり振
動子２と圧電厚み振動子７とにそれぞれ独立の電
圧印加端子を備えた超音波ねじり楕円振動子１を
作り上げた。

ここで、圧電厚み振動子７は第２図ｄに示すよ
うに外径35mm、内径15mm、厚さ２mmの圧電セラミ
ツクからなり、上下面に銀電極８，９（下面電極
９は図示せず）が施され、この電極によつて分極
処理された普通のランジユバン振動子に用いられ
ている厚み振動子と同じものである。

一方、圧電ねじり振動子２はシアーモードの圧
電振動子要素をリング状に積層したものであり、
本例では外径35mm、内径15mm、厚さ５mmのリング
状圧電厚み振動子の上下両面の銀電極を剥し、リ
ングを放射状に16等分に切断した後、各切断面に
電極を施して作つたシアーモードの圧電振動子要
素２₁〜２₁₆を再びリング状に積層して第２図ｂ
に示す圧電ねじり振動子２を構成した。第２図ｃ
には振動子要素２₁〜２₁₆の１つを取り出して示
した。積層するとき、各振動子要素２₁〜２₁₆の
分極の向き（矢印３で示す）を隣同志逆向きに
し、積層面の電極４，５を互に接触させ、上下両
面が平行平面をなすようリング状に構成した。そ
して、１つおきの積層面のリング上面側端部にあ
たる溝状間隙にそれぞれ導電塗料６を流し込み、
溝上に盛り上げて積層面の電極と上部端子板１０
とを電気的に接続させ、残りの１つおきの積層面
のリング下面側端部にあたる溝状間隙にも同様に
導電性塗料を流し込み溝上に盛り上げて積層面の
電極と下部端子板１１とを電気的に接続させた。

このように構成した圧電ねじり振動子２の上下
の端子板１０と１１の間に電圧を印加すると、16
等分された各振動子要素２₁〜２₁₆には分極の向
きと垂直に電界が作用し、全要素に同じ大きさ、
同じ向きのシアー変形が生じる。その結果、圧電
ねじり振動子全体としては上下の端子板１０，１
１間にねじりのすべり変位が生じ、印加電圧の極
性を変えると、逆向きのすべり変位が生じて逆向
きにねじれる。

したがつて、印加電圧が交流の場合は、交流の
周波数と同じ周波数のねじり振動が生じる。

第２図ａに示した超音波ねじり楕円振動子で
は、この圧電ねじり振動子２に印加した42.0kHz
の交流信号による振動が超音波振動体１７，１８
の固有振動数と一致するので、ねじり振動が増幅
され、強いねじり振動になるのである。

すなわち、本発明の圧電超音波モータに用いた
超音波ねじり楕円振動子は、シアーモードの圧電
振動子要素でねじりモードの共振状態を出現さ
せ、これに圧電厚み振動子によるたて振動を重畳
させて超音波楕円振動を得るものであり、ねじり
振動とたて振動とは互に干渉しないので、超音波
振動子としてのＱが高く、低インピーダンスであ
り、低電圧の入力で回転トルクの発生に必要な大
振幅の超音波ねじり楕円振動を効率良く発生させ
ることができる。

実施例 ２ 実施例１において本発明の圧電超音波モータの
動作原理を説明したが、実施例１に用いた圧電ね
じり振動子の代わりに、さらに特性の優れた圧電
ねじり振動子を用いて構成した圧電超音波モータ
について以下に述べる。

本実施例のモードは外見的には第１図に示され
ているモードと全く同じであり、ここに用いられ
ている超音波ねじり楕円振動子もその圧電ねじり
振動子の構成が第２図ｂに示したものと異なるだ
けで、それ以外の構成は実施例１と同じであるか
ら説明を省略する。

本実施例において実施例１の圧電ねじり振動子
２に代わつて採用した圧電ねじり振動子は、第３
図に示すようにPb（Zr、Ti）O₃系圧電セラミツ
クからなる扇形状のシアーモード振動子要素２
₁′〜２₁₆′をリング状に積層し、接着固定した外径
35mm、内径15mm、厚さ５mmのリングもしくは円筒
体である。各扇形振動子要素２₁′〜２₁₆′の分極の
向き（矢印３′）は扇形の円弧の接線と同方向を
向いており、これら振動子要素を積層して構成し
たリングの上面と下面に電極４′，５′（下面電極
５′は図示されていない）を施し、圧電ねじり振
動子２′を構成した。

電極４′，５′間に電圧を印加すると、各振動子
要素２₁〜２₁₆にシアー変形が発生し、上面電極
と下面電極とが円弧の接線と同方向にすべり変位
するので、圧電ねじり振動子全体としては上下電
極面が互にねじれる。交流電圧を印加するとねじ
り振動が生じることは実施例１と同じであるが、
本実施例の圧電ねじり振動子２′は実施例１の圧
電ねじり振動子２よりも低電圧で動作し、この圧
電ねじり振動子を圧電厚み振動子および超音波振
動体と組み合わせて構成した超音波ねじり楕円振
動子はより大振幅を発生することができ、したが
つて、この超音波ねじり楕円振動子を用いた圧電
超音波モータは実施例１のモータと同じ42.0kHz
で作動するにもかかわらず、出力トルクは約10Kg
ｆ・cmと約２倍強力な出力が得られた。

上記各実施例における部品寸法等の数値は例と
して示したもので、本発明はこれら特定の例に限
定されるものではない。また、超音波振動体１
７，１８の材質はアルミニウム以外の弾性体でも
よく、形状も円筒に限らず円柱状であつてもよ
い。

〔発明の効果〕

本発明の圧電超音波モータは、シアーモードの
圧電振動子要素をリング状に積層して構成した圧
電ねじり振動子と圧電厚み振動子とを円柱もしく
は円筒状の超音波振動体で挟み一体化構成とし、
その圧電ねじり振動子と圧電厚み振動子とにそれ
ぞれ独立の電圧印加端子を設けてなる超音波ねじ
り楕円振動子を備え、ねじり楕円振動をする前記
超音波ねじり楕円振動子の端面に回転子を圧着さ
せた構成にしたから、大きさまたは重さの割に出
力が大きく、低速で大トルクが得られ、さらに入
力に対する出力の効率が高く、いわゆる超音波モ
ータとしての特長をすべて兼ね備えており、しか
も圧電厚み振動子または圧電ねじり振動子のいず
れか一方への印加電圧の極性を切り替えることに
より、回転子の回転の向きを変えることができる
ので、モータの回転方向を必要に応じて電気的に
任意に制御することができるなどの効果があり、
実用上極めて有用な特性を有するモータであると
言える。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による圧電超音波モータの一実
施例を示す断面図、第２図ａ，ｂ，ｃ，ｄは本実
施例に用いた超音波ねじり楕円振動子とその構成
部品である圧電ねじり振動子、圧電振動子要素お
よび圧電厚み振動子の斜視図、第３図ａ，ｂは本
発明の他の実施例に用いた圧電ねじり振動子と圧
電振動子要素の斜視図である。 １……超音波ねじり楕円振動子、２，２′……
圧電ねじり振動子、２₁〜２₁₆、２₁′〜２₁₆′……シ
アーモードの圧電振動子要素、３，３′……分極
の向きを示す矢印、７……圧電厚み振動子、１
０，１１……圧電ねじり振動子の電圧印加端子で
ある端子板、１２，１３……圧電厚み振動子の電
圧印加端子である端子板、１７，１８……超音波
振動体、１９……一体化構成手段である締付用ボ
ルト、３０……回転子、３５……回転子に圧着力
を与えるコイルばね。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ シアーモードの圧電振動子要素をリング状に
   積層して構成した圧電ねじり振動子と圧電厚み振
   動子とを、円柱もしくは円筒状の超音波振動体で
   挾み一体化構成とし、前記シアーモードの圧電振
   動子要素でねじりモードの共振状態を出現し、こ
   れに前記圧電厚み振動子によるたて振動を重畳さ
   せて超音波楕円振動を得るように構成してなる超
   音波ねじり楕円振動子を備え、前記超音波ねじり
   楕円振動子の端面に回転子を圧着してなることを
   特徴とする圧電超音波モータ。