JPH072033B2 - 超音波モータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［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
な捩り−拡がり複合振動子型超音波モータに関する。

［従来の技術］ 一般に、超音波モータは、異なる方向の２つの振動を組
み合わせて楕円運動を発生させ、前記楕円運動振動の発
生部分に回転自在に支持されたロータあるいは、移動子
を圧接することにより構成されている。

第７図は従来の縦−捩り振動子型超音波モータの構造例
を示す斜視図であり、圧電捩り振動子101および圧電縦
振動子102が接合され、さらにこれらの両側に金属中空
円柱103及び104が接合されて構成され縦−捩り複合振動
子105の一方の端部の中心から軸106が突き出され、軸受
け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
の端面に圧接されている。

ここで、軸106は前記縦−捩じり複合振動子の振動の節
に固定されている。

第８図は第７図に示した超音波モータの捩り複合振動子
101の構造例を示す斜視図であり、リング状の圧電捩り
振動子101は４個の扇形圧電セラミックス板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ス板
112は、第９図に示すようにそれぞれ扇の弦の方向に分
極処理が施されており、扇形の圧電セラミックス板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ス板には板厚と平行なすべり
歪みが発生する。

第８図に示すように、４個の扇形の圧電セラミックス板
112がリング状に接合されている場合、各々の扇形の圧
電セラミックス板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みとなる。

第８図に示した従来の圧電捩り振動子101を作製する場
合は、まず、第10図に示すように、幅方向に分極処理さ
れた圧電セラミックス板113から超音波加工により扇形
の圧電セラミックス板を打ち抜いて第９図に示すような
扇の弦の方向に分極された扇形の圧電セラミックス板11
2を作り、これを４個接着して円板状に構成するか、第1
1図（ａ）に示すように、矢印で示す厚さ方向に分極さ
れた圧電セラミックスのブロック114から、第11図
（ｂ）に示すように分極方向が対角線の方向となるよう
な正四角柱115を切り出し、第11図（ｃ）に示すよう
に、４本の正四角柱115を分極方向が閉じたループとな
るように重ねて接着し、第11図（ｄ）に示すように外周
及び内周を中空円柱状に研磨した後、第11図（ｅ）に示
すようにリング状に切断することにより作製している。

第12図は従来の圧電縦振動子102の一構造例であり、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
クスリング116に電圧を印加し厚さ方向の振動（縦振動
と呼ぶ）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、第14図の
ように薄い圧電セラミックスリング116を複数個積層し
て、圧電縦振動子102′を構成する場合もある。

［発明が解決しようとする課題］ 第８図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ス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、第９
図、第10図及び第11図（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）
に示したように圧電捩り振動子102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
合は第８図に示した圧電捩り振動子102と第12図又は第1
3図に示した圧電縦振動子102とを接着するため、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。

そこで、本発明の技術的課題は、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圧
電捩り−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。

［課題を解決するための手段］ 本発明によれば、圧電セラミックス中空円柱の長さ方向
の略中央部分の外周面に全周に渡って前記圧電セラミッ
クス中空円柱の軸方向に対してほぼ45°の方向に交差指
電極を施して二端子とし、該交差指電極を用いて前記圧
電セラミックス中空円柱に分極処理を施し、該交差指電
極を用いて前記圧電セラミックス中空円柱に分極処理を
施し、該交差指電極間に交流電圧を印加して前記圧電セ
ラミックス中空円柱に捩り振動を励振可能とし、前記圧
電セラミックス中空円柱の少なくとも一方の端部近傍に
前記圧電セラミックス中空円柱の軸方向と平行な方向に
交差指電極を形成して夫々二端子とし、該交差指電極を
用いて前記圧電セラミックス中空円柱の端部近傍に分極
処理を施し、各々の交差指電極間の交流電圧を印加して
前記圧電セラミックスの端部近傍に拡がり振動を励振可
能とした一体型捩り−拡がり複合振動子と、前記拡がり
振動子部分に、圧接された回転自在なロータとを備えた
ことを特徴とする超音波モータが得られる。

本発明によれば、圧電セラミックス中空円柱の長さ方向
の略中央部分の外周面に全周に渡って前記圧電セラミッ
クス中空円柱の軸方向に対してほぼ45°の方向に交差指
電極を施して二端子とし、該交差指電極を用いて前記圧
電セラミックス中空円柱に分極処理を施し、該交差指電
極を用いて前記圧電セラミックス中空円柱に分極処理を
施し、該交差指電極間に交流電圧を印加して前記圧電セ
ラミックス中空円柱に捩り振動を励振可能とし、前記圧
電セラミックス中空円柱の少なくとも一方の端部近傍に
前記圧電セラミックス中空円柱の円周方向と平行な方向
に交差指電極を形成して夫々二端子とし、該交差指電極
を用いて前記圧電セラミックス中空円柱の端部近傍に分
極処理を施し、各々の交差指電極間の交流電圧を印加し
て前記圧電セラミックスの端部近傍に拡がり振動を励振
可能とした一体型捩り−拡がり複合振動子と、前記拡が
り振動子部分に、圧接された回転自在なロータとを備え
たことを特徴とする超音波モータが得られる。

［作用］ 本発明の超音波モータでは、圧電捩り−拡がり複合振動
子において、まず圧電セラミックス中空円柱の外周面
に、該中空円柱の軸方向に対して45°の方向に形成され
た第１及び第２の斜め電極を施して、第１の二端子と
し、この第１の二端子を用いて前記圧電セラミックス中
空円柱に分極処理を施すと、分極方向は、前記第１及び
第２の斜め電極の指電極方向と直角な方向となる。この
状態で、前記第１及び第２の斜め電極間に電圧を印加す
ると、電圧の極性が分極の電圧の極性と同じ場合は、分
極の方向に縮み歪みが発生する。

分極方向に伸びあるいは縮み歪みが発生した場合は、分
極方向と直角な方向には、夫々これらと反対に縮みある
いは伸び歪みが発生する。

以上の結果として、前記圧電セラミックス中空円柱に捩
り変位が発生する。

また、本発明の超音波モータでは、圧電捩り−拡がり振
動子において、圧電セラミックス中空円柱の外周面に該
中空円柱の軸に沿う方向に第１及び第２の縦電極を施し
て第２の二端子とし、つぎにこの第２の二端子を用いて
前記圧電セラミックス中空円柱に分極処理を施すと分極
方向は前記交差指電極の指電極方向と直角な方向、即
ち、中空円柱の円周方向となる。この状態で、前記交差
指電極に電圧を印加すると、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よりもと逆の場合に
は、分極の方向に縮み歪みが発生する。即ち、縦効果に
より、中空円柱の直径が大きくなったり、小さくなった
りする。

一方、本発明の超音波モータの圧電捩り−拡がり複合振
動子においては、圧電セラミックスの中空円柱の外周面
に、この中空円柱の円周に沿う方向に第１及び第２の周
電極を施して上記第２の二端子と同様の第２の二端子と
し、つぎにこの第２の二端子を用いて前記圧電セラミッ
クス中空円柱に分極処理を施すと分極方向は、前記交差
指電極の電極指方向と直角な方向、即ち、中空円柱の軸
に沿う方向となる。

この状態で、前記第２の二端子に電圧を印加すると、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。
この結果、横効果により、中空円柱の直径が大きくなっ
たり、小さくなったりする。

［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。

第１図は本発明の超音波モータの一構造例を示す斜視図
である。

第１図において、圧電捩り−拡がり複合振動子28の中空
部に軸６を貫通させ、圧電捩り−拡がり振動子28の内側
で前記圧電捩り−拡がり複合振動子28の共振の節の部分
で固定する。軸６の端部に軸受け８により回転自在に支
持されたカップ状ロータ８をスプリング９を介してナッ
ト10により圧電捩り−拡がり複合振動子28の端部外周面
に圧接するように構成する。圧電捩り−複合振動子28
は、捩り振動の共振の節の位置となる中央部をリング状
の支持枠30で固定することが可能で、この支持枠30によ
り安定な支持が可能になる。

第２図（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は本発明の実施
例に係る超音波モータに用いる圧電捩り−拡がり複合振
動子の動作原理の説明図である。

第２図（ａ）は圧電セラミックス一面に形成され交差指
電極を示す斜視図である。

第２図（ａ）において、圧電セラミックス板17の一方の
面に、互いに平行に複数個の第１及び第２の指電極18,1
9が形成され、夫々同じ側の端部同士が、１つおきに共
通電極18′,19′に接続され、交差指電極が形成されて
いる。

第２図（ｂ），（ｃ），（ｄ）は第２図（ａ）の圧電セ
ラミックス板一面に形成された交差指電極を模式的に示
す断面図である。第２図（ａ）において、破線の矢印１
は、第２図（ａ）の指電極18,19を二端子5,6として用い
て分極処理を施したときの分極の向きを示しており、第
２図（ｃ），（ｄ）は第２図（ｂ）のように分極処理さ
れた圧電セラミックス板17に端子５及び６から直流電圧
を印加した場合に発生する歪みの状態を示しており、実
線の矢印２は、電界の向きを示している。

第２図（ｃ）から分かるように、電圧の極性が分極時の
電圧の極性と逆の場合、即ち、実線の矢印２と破線の矢
印１とが逆方向の場合は、分極の方向に縮み歪みが発生
する。

第３図は中空円柱20の両端面が図の矢印のように捩れて
いる場合に、中空円柱20の外周面に発生する歪みの状態
を示しており、中空円柱20の軸方向に対して45°の角度
方向で、しかも捩じれ矢印の向きに伸び歪みを発生し、
これと直角な方向に縮み歪みが発生している。、従っ
て、圧電セラミックス中空円柱の外周面の中央部に、第
２図（ａ）で示したような交差指電極を指電極18,19の
方向が圧電セラミックス中空円柱の軸方向に対して45°
の角度となるように形成し、この交差指電極を二端子と
して用いて分極処理を行い、同じ交差指電極に直流電圧
を印加すると、電圧の極性が分極時の電圧極性と逆の場
合は逆方向に捩じれる。

また、圧電セラミックス中空円柱20の前記中央に隣接す
る外周面に、第２図に示したような交差指電極を電極指
の方向が圧電セラミックス中空円柱の軸に沿う方向に形
成し、この交差指電極を二端子として用いて分極処理を
行い、同じ交差指電極に直流電圧を印加すると、電圧の
極性が分極時の電圧の極性と同じ場合に中空円柱の直径
が大きくなり、電圧の極性が分極時の電圧の極性と逆の
場合は、逆に直径が大きくなる。

一方、圧電セラミックス中空円柱の外周面に、第２図に
示したような交差指電極を指電極の方向が圧電セラミッ
クス中空円柱の円周方向と平行に形成し、この交差指電
極を用いて分極処理を行い、同じ交差指電極に直流電圧
を印加すると、電圧の極性が分極時の電圧の極性と同じ
場合に、中空円柱の長さがのび、電圧の極性が分極時の
電圧の極性と逆の場合には、中空円柱20の長さが縮む。

この結果、横効果により、中空円柱20の直径は小さくな
ったり大きくなったりする。

第４図は、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−拡がり複合振動子の一構造例を示す斜視
図である。

第４図において、圧電セラミックス中空円柱21の略中央
部の外周面に軸方向に対して45°の角度となるように、
互いに平行に複数の第１及び第２の斜め電極22及び23が
形成され、それぞれ第１及び第２の共通電極22′及び2
3′に接続されている。さらに、圧電セラミックス中空
円柱21の一方の端部近傍に、軸方向と平行に互いに交差
する複数の第１及び第２の縦電極24,25が形成され、夫
々同じ番号の電極が、第３及び第４の共通電極24′,2
5′により、電気的に接続されている。

第４図において、第１及び第２の共通電極22′及び23′
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したのち、複合振動子の捩りモ
ードの共振周波数に等しい周波数の交流電圧を印加すれ
ば、圧電セラミックス中空円柱21は両端部が捩じれるよ
うに共振する。

同様にして、第３及び第４の共通電極24′,25′を第２
の二端子とし、この第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圧電セラミックス中空円柱21の
端部は、縦効果により、捩りの共振周波数で拡がり振動
する。

中空円柱21の捩り振動の共振周波数は、中空円柱の長さ
によって定まり、拡がり振動に対する共振周波数は中空
円柱の平均直径によって定まるため、平均直径を適当に
選定することにより、前記捩り振動の共振周波数と拡が
り振動の共振周波数とを同じにすることができる。

第５図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−拡がり複合振動子の他の構造例を示す斜視
図である。

第５図において、圧電セラミックス中空円柱の略中央部
の外周面に軸方向に対して45°の角度となるように、互
い平行に複数の第１及び第２の斜め電極32及び33が、第
４図の圧電捩り−拡がり複合振動子と同様に形成されて
いる。それぞれ共通電極32′及び33′に接続されてい
る。さらに、圧電セラミックス中空円柱21′の一方の端
部近傍に、円周に沿うに互いに平行に複数の第１及び第
２の周電極34,35が形成され、夫々同じ番号の電極が第
３及び第４の共通電極34′及び35′によって、電気的に
接続されている。

第５図において、第１及び第２の共通電極を第１の二端
子として、この第１の二端子間に直流高電圧を印加して
分極処理を施した後、複合振動子の捩りモードの共振周
波数に等しい周波数の交流電圧をこの第２の二端子に印
加すれば圧電セラミックス中空円柱21′は両端部が捩じ
れるように共振する。

同様にして、第３及び第４の共通電極34′,35′を第２
の二端子し、この第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圧電セラミックス中空円柱21′端
部は横効果により、捩りの共振周波数で拡がり振動す
る。中空円柱の捩り振動の共振周波数は、中空円柱の長
さによって定まり、拡がり運動に対する共振周波数は中
空円柱の平均直径によって定まるため、平均直径を適当
に選定することにより、前記捩り振動の共振周波数と拡
がり振動の共振周波数とを同じにすることができる。

第６図（ａ）第４図及び第５図の圧電捩り−振動子の深
度位置を示す正面図で、第６図（ｂ），（ｃ）は第６図
（ａ）の圧電捩り−拡がり複合振動子28の振動状態の説
明図である。第６図（ｂ）において、捩り振動に対して
は、圧電縦捩り複合振動子28の中央部が振動の節とな
り、一方両端が最大の捩り変位を持つ。

第６図（ｃ）に示すように、拡がり振動に対しても、中
央部が振動の節となり、両端で最大の拡がり変位量とな
る。

第６図（ｂ），（ｃ）からわかるように、拡がり振動に
対する印加電圧の周波数を捩りの共振周波数と同じ周波
数とすると、圧電捩り−拡がり複合振動子28の端部は、
捩りの共振周波数と同期して直径方向の振動をする。し
たがって、圧電捩り−拡がり複合振動子28の端部の直径
が拡がるとき一方向にねじれ、縮むとき逆方向に捩じれ
る。この結果、圧電縦−捩り複合振動子28の端部近傍の
外周面に楕円運動振動が発生する。捩り振動あるいは、
拡がり振動のいずれか一方の印加電圧の位相を互いに18
0°異なるようにすると楕円運動振動の向きが逆転す
る。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、超音波モータを
構成するための振動モードとして捩り振動と拡がり振動
を利用し、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ス中
空円柱を用いて、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形状として得られるため、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
きの少ない圧電縦−捩り複合振動子が得られる。

また、本発明によれば、圧電捩り−拡がり複合振動子を
用いて、超音波モータを構成すれば、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
効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る超音波モータの構造例を
示す斜視図、第２図（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は
交差指電極を用いて分極および電圧印加を行った場合の
歪みの発生状態の説明図、第３図は圧電セラミックス中
空円柱を捩ったときの歪みの発生状態の説明図、第４図
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−拡がり複合振動子の一構造例を示す斜視図、第５
図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−拡がり複合振動子の他の構造例を示す斜視図、
第６図（ａ），（ｂ），（Ｃ）は圧電捩り−拡がり複合
振動子の捩り変位及び拡がり変位の相対的変位量の説明
に供する図、第７図は従来の縦−捩り型超音波モータの
構造例を示す斜視図、第８図は従来の捩り振動子の構造
を示す斜視図、第９図および第10図は第８図の捩り振動
子の製造工程の説明図、第11図（ａ），（ｂ），
（ｃ），（ｄ），（ｅ）は従来の捩り振動子の製造工程
の説明図、第12図は従来の縦振動子の一構造例を示す斜
視図、第13図は従来の縦振動子の他の構造例を示す斜視
図である。 図中、６……軸、７……軸受、８……ローター、９……
スプリング、10……ナット、17……圧電セラミックス薄
板、18,19……指電極、18′,19′……共通電極、20……
圧電セラミックス中空円柱、21,21′……圧電セラミッ
クス中空円柱、22,23,32,33……斜め電極（捩り振動子
用交差指電極）、22′,23′,32′,33′……共通電極、2
4,25……縦電極（縦効果拡がり振動子用交差指電極）、
24′,25′……周電極（横効果拡がり振動子用交差指電
極）、28……圧電捩り−拡がり複合振動子、30……支持
枠、101……圧電捩り振動子、102……圧電縦振動子、10
3,104……金属中空円柱、106……軸、107……軸受、108
……ローター、109……スプリング、110……ナット、11
2……扇型圧電セラミックス板、113,114……圧電セラミ
ックス板、115……圧電セラミックス板角柱、116……圧
電セラミックスリング。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭64−103176（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−15279（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−22875（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−22876（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧電セラミックス中空円柱の長さ方向の略
   中央部分の外周面に全周に渡って前記圧電セラミックス
   中空円柱の軸方向に対してほぼ45°の方向に第１及び第
   ２の斜め電極を形成して第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ス中空円柱に分極処理
   を施し、該第１の二端子間に第１の交流電圧を印加して
   前記圧電セラミックス中空円柱に捩り振動を励振可能と
   すると共に、前記圧電セラミックス中空円柱の少なくと
   も一方の端部近傍に前記圧電セラミックス中空円柱の軸
   に沿う方向に第１及び第２の縦電極を形成して第２の二
   端子とし、該第２の二端子を用いて前記圧電セラミック
   ス中空円柱の端部近傍に分極処理を施し、該第２の二端
   子間に第１の交流電圧と周波数の等しい第２の交流電圧
   を印加して前記圧電セラミックスの端部近傍に拡がり振
   動を励振可能とした一体型捩り−拡がり複合振動子と、 前記拡がり振動子部分に、圧接された回転自在なロータ
   と を備えたことを特徴とする超音波モータ。
2. 【請求項２】圧電セラミックス中空円柱の長さ方向の略
   中央部分の外周面に全周に渡って前記圧電セラミックス
   中空円柱の軸方向に対してほぼ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ス中空円柱に分極処理を
   施し、該第１の二端子間に第１の交流電圧を印加して前
   記圧電セラミックス中空円柱に捩り振動を励振可能とす
   ると共に、前記圧電セラミックス中空円柱の少なくとも
   一方の端部近傍に前記圧電セラミックス中空円柱の円周
   に沿う方向に第１及び第２の周電極を形成して第２の二
   端子とし、該第２の二端子を用いて前記圧電セラミック
   ス中空円柱の端部近傍に分極処理を施し、該第２の二端
   子間に前記第１の交流電圧と周波数の等しい第２の交流
   電圧を印加して前記圧電セラミックスの端部近傍に拡が
   り振動を励振可能とした一体型捩り−拡がり複合振動子
   と、 前記拡がり振動子部分に圧接された回転自在なロータと を備えたことを特徴とする超音波モータ。