JPH078912A - 超音波振動子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 被駆動手段から応力が加わっても、減速手段
を用いることなく高トルクを得ることができる超音波振
動子を提供する。 【構成】 超音波振動を伝達する第１，第２共振器７
ａ，７ｂと、これら共振器７ａ，７ｂの間に配置され、
交流電圧を印加されることにより超音波振動を励起させ
る複数の圧電素子３と、上記共振器７ａ，７ｂ及び圧電
素子３を互いに圧着固定する締結部材９とからなる超音
波振動子１２において、上記複数の圧電素子３を、上記
共振器７ａ，７ｂの中心で分割され、一方向に捩れる第
１圧電素子群１と、他方向に捩れる第２圧電素子群２と
に分割し、これらに位相の異なる交流電圧を印加するこ
とにより上記共振器７ａ，７ｂに捩り振動を励起し、端
面に楕円振動を発生させる超音波振動子１２。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波振動子、詳しく
は、電気−機械エネルギー変換素子より発生する振動を
利用して回転する超音波振動子に関する。

【０００２】

【従来の技術】電気−機械エネルギー変換素子より発生
する振動を利用して回転する超音波振動子は、従来より
種々のものが提案されていて、例えば特開平３−２８９
３７５号公報にその一例が開示されている。

【０００３】該公報に記載の超音波モータは、電気−機
械エネルギー変換素子としてドーナツ形状に形成された
圧電素子を用いていて、この圧電素子は、中心を通る直
径で２分割された領域を有し、これらの領域は分極方向
が互いに反転しているものである。このような圧電素子
を２枚用いて、上記分極境界線が互いに９０゜ずれるよ
うに配置している。該超音波モータは、さらに上記圧電
素子と同形状で同様に２分割された分極領域を有する他
の圧電素子を有している。

【０００４】上記２枚の圧電素子の間に電極板を挟み込
み、さらに上記他の圧電素子とこれらの圧電素子との間
に２枚の電極板を絶縁板を介して挟み込み、これらを金
属円筒とホーンを有する他の金属円筒との間に挟み込ん
で、中心を締結部材であるボルトを貫通させてねじ込む
ことで圧着固定して超音波振動子を形成している。

【０００５】この超音波振動子の上記他の金属円筒のホ
ーンの部分には、ロータ８が設置されて、超音波モータ
を構成している。

【０００６】このような超音波モータの動作は、上記２
枚の圧電素子に互いに９０゜位相がずれた正弦波の電圧
を印加することによって、超音波振動子に屈曲振動が発
生して、この超音波振動子に圧接されているロータを回
転させる。このときの振動の状態は、上記他の圧電素子
から発生する電圧値や位相差をモニタすることによって
判定し、この結果に基づいてモータ出力が最適な状態に
なるように駆動電圧の周波数を変更することで制御を行
っている。

【０００７】上述のような超音波振動子が屈曲振動を行
う際の端面に発生する力の代表的な例を、図１２を参照
して説明する。実線により示される超音波振動子１０１
は、屈曲振動を行う際には点線により示されるような形
状に変形している。なお、この点線で示した形状は、分
かり易くするために変形状態を誇張して表示している。

【０００８】このとき、超音波振動子１０１の端面に
は、拡大部分に示すように、端面に垂直なＸ方向の力
と、端面に平行なＹ方向の力とが発生して、これらの合
力により楕円振動Ｄとなっている。

【０００９】このような超音波振動子１０１に被駆動手
段たる回転子を押圧すると、端面に垂直な方向の押圧力
Ｆが作用して、該端面に発生している楕円振動ＤのＸ方
向振動成分が符号Ｘ’に示すように極端に小さくなる一
方、Ｙ方向振動成分は押圧力Ｆにそれほど影響されずに
符号Ｙ’に示すようになり、これらの合力によりつぶれ
た楕円振動Ｄ’になる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上述のような楕円振動
になると、回転子を強く押圧しにくくなって大きなトル
クが得られなくなる。このような現象は、屈曲振動の端
面方向から出力を取り出す場合に顕著に発生する。ま
た、超音波振動子と回転子は、論理上一点でしかトルク
伝達を行わないために、超音波振動子の屈曲振動エネル
ギーを充分に伝達することができない。よって、超音波
モータでありながら、減速手段を用いて高トルク化を行
わなければならなくなる場合が発生している。

【００１１】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであり、被駆動手段から応力が加わっても高トルクを
得ることができる超音波振動子を提供することを目的と
している。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明による超音波振動子は、超音波振動を伝達
する二つの共振器と、これら共振器の間に配置され、交
流電圧を印加されることにより超音波振動を励起させる
電気−機械エネルギー変換素子と、上記共振器及び電気
−機械エネルギー変換素子を互いに圧着固定する締結部
材とからなる超音波振動子において、上記電気−機械エ
ネルギー変換素子を、上記共振器の中心で分割され、一
方向に捩れる第一の部位と、他方向に捩れる第二の部位
とに分割し、これらに位相の異なる交流電圧を印加する
ことにより上記共振器に捩り振動を励起し、端面に楕円
振動を発生させるものである。

【００１３】

【作用】位相の異なる交流電圧を印加することにより、
上記電気−機械エネルギー変換素子の第一の部位が一方
向に捩れ、上記電気−機械エネルギー変換素子の第二の
部位が他方向に捩れ、これにより、上記共振器に捩り振
動が励起され、端面に楕円振動を発生させる。

【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。図１ないし図６は本発明の第１実施例を示したも
のである。この第１実施例の超音波振動子１２は、電気
−機械エネルギー変換素子の第一の部位たる第１圧電素
子群１と同第２の部位たる第２圧電素子群２を、厚み方
向に第１共振器７ａおよび第２共振器７ｂで挟み込ん
で、これらの中心に締結部材９を螺合することにより主
要部を構成されている。

【００１５】上記第１圧電素子群１は、ドーナツ形状に
形成された２枚の圧電素子３により、やはりドーナツ形
状に形成された端子部を突設する電極板４を挟み込んで
なっている。この圧電素子３は、中心を通る直径により
２つの領域に分割されていて、これらの領域は、厚みす
べり方向に矢印Ｍで示す分極がなされるとともに、これ
らの領域の分極方向は互いに反対方向となっている。さ
らに、この圧電素子３は、表面にニッケル電極が印刷さ
れている。このような２つの圧電素子３は、同一方向に
捩れるように互いに鏡面対称に配置され、すなわち、上
記電極板４を挟み込んで、領域境界線を一致させるとと
もに、その対向する面の分極方向が反対方向になるよう
に配置されている（図３（Ａ），図４（Ａ）参照）。

【００１６】また、第２圧電素子群２は、上述のような
２枚の圧電素子３によりドーナツ形状に形成された端子
部を突設する電極板５を挟み込んでなり、２つの圧電素
子３が互いに鏡面対称に配置されているのも同様であ
る。

【００１７】このような第１圧電素子群１と第２圧電素
子群２を、上記電極板４，５と同形状の３枚の電極板６
により挟み込むようになっている。この電極板６は、符
号Ｇに示すように接地されるものである。その際には、
該第１圧電素子群１と第２圧電素子群２は、それぞれの
領域境界線が周方向に互いに９０度ずれるように配設さ
れる。

【００１８】上記第１共振器７ａおよび第２共振器７ｂ
は、振動伝達に優れた材質（例えばアルミニウム合金，
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、両共振器７ａ，７ｂ
をステンレスにより形成していて、表面に摩耗部材８と
してアモルファスのカーボンコーティング処理を施し
て、硬度Ｈｖ２０００以上にしている。

【００１９】この第１共振器７ａは、その中心軸部に貫
通孔を設けて締結部材９を螺合するための雌ねじ１０を
刻設していて、また周面には、締結時に使用する面取り
１１が２箇所設けられている。

【００２０】上述のような各構成部材を、第１共振器７
ａ，電極板６，第１圧電素子群１，電極板６，第２圧電
素子群２，電極板６，第２共振器７ｂの順に積層し、そ
の中心部に締結部材９を貫通するように螺合して圧着固
定し、図２に示すように、超音波振動子１２を構成す
る。

【００２１】上記締結部材９は、同図２に示すように、
超音波振動子１２を圧着構成するとともに、この超音波
振動子１２の端面に、押圧機構により押圧された被駆動
手段たる回転子１３を支持している。この実施例では、
該押圧機構は、対向させた２枚の皿バネ１４を該締結部
材９に貫通させてナット１５を螺合することによって構
成され、螺合時の回動量を調整することで押圧量を可変
できるものを用いている。

【００２２】上記回転子１３は、内周面にベアリング１
３ａが設けられたやや肉厚のドーナツ系状の部材であ
り、本実施例ではアルミニウム合金材により形成すると
ともに、摺動部材として、その表面にシュウ酸アルマイ
ト処理を施している。

【００２３】次に、上述のように構成された超音波振動
子の作用を説明する。上記電極板４と電極板５には、互
いに９０゜位相がずれた共振周波数付近の正弦波電圧
が、図示しない駆動回路からそれぞれ印加され、電極板
６はアースに接続される。

【００２４】このようにして、第１圧電素子群１に正弦
波電圧（角振動数をωとすると、例えばｓｉｎωｔの正
弦波電圧）が印加されると、図３（Ｂ）に示すように、
中心軸周りに時計方向に捩れる捩り振動ＡＲが発生す
る。

【００２５】また、第２圧電素子群２に９０度位相がず
れた正弦波電圧（上記ｓｉｎωｔに対応して、例えばｃ
ｏｓωｔ）が印加されると、図４（Ｂ）に示すように、
中心軸周りに反時計方向に捩れる捩り振動ＢＲが発生す
る。

【００２６】これら２つの捩り振動は、超音波振動子１
２の端面となる部分が振動の腹位置となり、つまり該端
面位置で振幅が最大となる。

【００２７】このとき、共振器７ａ（および共振器７
ｂ）は、図５（Ａ），図５（Ｃ）の点線に示すように、
両端面部で外周方向（径方向）に広がるとともに、圧電
素子３の厚み方向（軸方向）に収縮する。これら径方向
および軸方向の変形を合わせて斜視図として表現したの
が、図５（Ｂ）である。

【００２８】２つの捩り振動を互いに位相を９０゜ずれ
て励振すると、両振動の軌跡の合成により、図６に示す
ような楕円振動が、該超音波振動子１２の端面全周にわ
たって発生する。このとき、超音波振動子１２の端面
は、捩り振動の腹に位置し、最も大きな振動振幅を得る
ことができる。また、径方向の変形量に比べて軸方向の
変形量は小さくなるため、楕円振動は図に示すように横
長となる。

【００２９】この楕円振動をする超音波振動子１２の端
面に、回転子１３を押圧することにより、該回転子１３
が回転する。

【００３０】この超音波振動子１２では、軸方向の変形
量は小さいが、捩り振動の端面から出力を取り出す場合
に、上記従来例のように回転子の押圧力によってＸ方向
振動成分が極端に小さくなることはないため、回転子１
３を駆動するには影響がない。こうして、回転子１３を
超音波振動子１２に強く押圧することにより、該回転子
１３は、端面との接触面全面から楕円振動を得ることが
できて、捩り振動エネルギーを充分に回転力として用い
ることができるため、高トルクを得ることができる。

【００３１】さらに、このような捩り振動においては、
振動の節位置に応力が集中するために、圧電素子を屈曲
振動の節位置に配置することで、電気エネルギーを最も
効率よく機械エネルギーたる振動エネルギーに変換する
ことが可能である。

【００３２】このような第１実施例によれば、捩り振動
を利用することにより、回転子を強く押圧することがで
き、しかも超音波振動子の端面全周から回転力が得られ
るために、高トルクの出力を有する円筒形状の超音波振
動子とすることができる。よって、減速手段を必要とせ
ず、ダイレクトドライブの超音波モータを構成すること
ができる。

【００３３】図７は本発明の第２実施例を示したもので
ある。この第２実施例において、上述の第１実施例と同
様である部分については説明を省略し、主として異なる
点についてのみ説明する。この第２実施例は上記第１実
施例とほぼ同様であるが、異なる点は、上記第１実施例
で用いていた共振器に、中心軸周りに凹部たるホーンを
削成して、超音波振動子の端面となる方向に行くに従い
共振器の断面積が小さくなるようにした点である。

【００３４】この第２実施例の超音波振動子１２は、第
１圧電素子群１と第２圧電素子群２を、厚み方向に第１
共振器２１ａおよび第２共振器２１ｂで挟み込んで、こ
れらの中心に締結部材２９を螺合することにより主要部
を構成されている。

【００３５】上記締結部材２９は、超音波振動子１２を
圧着構成するとともに、この超音波振動子１２の端面
に、押圧機構により押圧されたベアリング２３ａにより
回動自在の回転子２３を支持している。この実施例で
は、該押圧機構は、対向させた２枚の皿バネ２４を該締
結部材２９に貫通させてナット２５を螺合することによ
って構成され、螺合時の回動量を調整することで押圧量
を可変できるものを用いている。

【００３６】このような超音波モータは、上記回転子２
３の反対側に延出された締結部材２９により、外部の固
定部材２８に固定されている。

【００３７】上記共振器２１ａ，２１ｂは、図７に示す
ように、その内側中心に、超音波振動子１２の端面とな
る方向から有底の穴でなるホーン２２ａ，２２ｂをそれ
ぞれ形成している。

【００３８】本実施例の作用は、上述の第１実施例とほ
ぼ同様であるが、ホーン２２ａ，２２ｂによってＸ方向
（軸方向）振動成分が強く励振されて、上記第１実施例
では横長であった楕円振動が、この第２実施例では縦長
の楕円振動になるという特徴を有する。よって、さらに
回転子２３の押圧力を大きくすることができる。

【００３９】このような第２実施例によれば、上述の第
１実施例とほぼ同様の効果を有するとともに、回転子の
押圧力をさらに大きくできるために、非常に高いトルク
を得ることができる。

【００４０】図８は本発明の第３実施例を示したもので
ある。この第３実施例において、上述の第１，第２実施
例と同様である部分については説明を省略し、主として
異なる点についてのみ説明する。この第３実施例は上記
第２実施例とほぼ同様であるが、異なる点は、共振器の
周面にテーパ状のホーンを形成して、超音波振動子の端
面となる方向に行くに従い共振器の断面積が小さくなる
ようにした点である。

【００４１】この第３実施例の超音波振動子１２は、第
１圧電素子群１と第２圧電素子群２を、厚み方向に第１
共振器３１ａおよび第２共振器３１ｂで挟み込んで、こ
れらの中心に締結部材２９を螺合することにより主要部
を構成されている。

【００４２】上記締結部材２９は、超音波振動子１２を
圧着構成するとともに、この超音波振動子１２の端面
に、押圧機構により押圧されたベアリング３３ａにより
回動自在の回転子３３を支持している。この実施例で
は、該押圧機構は、対向させた２枚の皿バネ３４を該締
結部材２９に貫通させてナット３５を螺合することによ
って構成され、螺合時の回動量を調整することで押圧量
を可変できるものを用いている。

【００４３】このような超音波モータは、上記回転子３
３の反対側に延出された締結部材２９により、外部の固
定部材２８に固定されている。

【００４４】上記共振器３１ａ，３１ｂは、図８に示す
ように、その周面に、超音波振動子１２の両端面に向か
うテーパ状のホーン３２ａ，３２ｂを形成している。

【００４５】この共振器３１ａ，３１ｂのテーパ状ホー
ン３２ａ，３２ｂに対応して、上記回転子３３は、第２
実施例の回転子２３よりも外径が小さく形成されてい
る。

【００４６】このような第３実施例によれば、上述の第
２実施例とほぼ同様の作用と効果を有している。

【００４７】図９，図１０は本発明の第４実施例を示し
たものである。この第４実施例において、上述の第１な
いし第３実施例と同様である部分については説明を省略
し、主として異なる点についてのみ説明する。この第４
実施例の超音波振動子１２は、第１圧電素子群１と第２
圧電素子群（図示を省略する。）を、厚み方向に第１共
振器４１および第２共振器（図示を省略する。）で挟み
込んで、これらの中心に締結部材４９を螺合することに
より主要部を構成されている。

【００４８】上記締結部材４９は、図９に示すように、
超音波振動子１２を圧着構成するとともに、この超音波
振動子１２の端面に、押圧機構により押圧されたベアリ
ング４３ａにより回動自在の回転子４３を支持してい
る。この実施例では、該押圧機構は、対向させた２枚の
皿バネ４４を該締結部材４９に貫通させてナット４５を
螺合することによって構成され、螺合時の回動量を調整
することで押圧量を可変できるものを用いている。

【００４９】上記回転子４３は、超音波振動子１２の第
１共振器４１の端面エッジ部４１ａに接触するように、
回転子４３に、所定の傾斜角度の内面テーパー部４３ｂ
が形成されていて、これに対応して該超音波振動子１２
の外径よりも大径に形成されている。

【００５０】次に、本実施例の作用を説明する。図１０
に示すように、超音波振動子１２の側面にも、端面と同
様な楕円振動が発生している。前述したように、捩り振
動を用いた超音波振動子１２の場合、軸方向の振動成分
に対して、径方向の振動成分のほうが大きくなる。よっ
て、径方向の振動成分を回転力として用いた場合には、
より大きな押圧力で回転子４３を設置することができ
る。

【００５１】こうして、端面エッジ部４１ａから出力を
取り出すようにしたことで、回転子４３と超音波振動子
１２が線接触するとともに、端面の駆動力と周面の駆動
力の両方を得ることができ、上記回転子４３の内面テー
パー部４３ｂの傾斜角度を適当に調節することにより、
径方向振動成分と軸方向振動成分を調整することができ
る。

【００５２】このような第４実施例によれば、上記第１
実施例とほぼ同様の効果を有するとともに、径方向の振
動成分を利用するために高トルクが得られるという利点
を有する。

【００５３】図１１は本発明の第５実施例を示したもの
である。この第５実施例において、上述の第１ないし第
４実施例と同様である部分については説明を省略し、主
として異なる点についてのみ説明する。この第５実施例
の超音波振動子１２は、上述の第４実施例の超音波振動
子とほぼ同様であるが、締結部材５９ａが上方に突出し
ていない点が異なっている。

【００５４】この超音波振動子１２に対して、端面近傍
の周面に、図示しない押圧手段によって回転子５３が押
圧されている。

【００５５】この回転子５３は、回転軸５９ｂ周りに上
下２ヶ所設けられたベアリング５３ａ，５３ｂにより回
動自在に構成されていて、上記図示しない押圧手段の押
圧力をナット５５を回転することで調整するようになっ
ている。

【００５６】次に、本実施例の作用を説明する。この実
施例は、超音波振動子１２の側面から出力を取り出すも
のであり、超音波振動子１２の軸方向に回転子５３と超
音波振動子１２が線接触する。また、超音波振動子１２
の中心軸と異なる位置に設けられた回転軸５９ｂから出
力が取り出される。その他の作用は、上記第１，第４実
施例とほぼ同様である。

【００５７】このような第５実施例によれば、径方向の
振動成分を利用するために高トルクが得られるととも
に、超音波振動子と異なる軸から出力する必要がある場
合などに有用である。

【００５８】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、被
駆動手段から応力が加わっても高トルクを得ることがで
きる超音波振動子とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の超音波モータを積層方向
に分解して示す斜視図。

【図２】上記第１実施例の超音波モータを示す側面図。

【図３】上記第１実施例の超音波振動子における、
（Ａ）第１圧電素子群に正弦波電圧を加えた状態を示す
分解斜視図，（Ｂ）このときに超音波振動子に発生する
時計方向の捩り振動を示す線図。

【図４】上記第１実施例の超音波振動子における、
（Ａ）第２圧電素子群に９０度位相がずれた正弦波電圧
を加えた状態を示す分解斜視図，（Ｂ）このときに超音
波振動子に発生する反時計方向の捩り振動を示す線図。

【図５】上記第１実施例の超音波振動子における、
（Ａ）端面に発生する時計方向の捩り振動を示す部分側
面図、（Ｂ）端面に発生する時計方向および半時計方向
を合成した捩り振動を示す部分斜視図、（Ｃ）端面に発
生する反時計方向の捩り振動を示す部分側面図。

【図６】上記第１実施例の超音波振動子の端面に発生す
る楕円振動の概略を示す線図。

【図７】本発明の第２実施例の超音波モータを示す縦断
面図。

【図８】本発明の第３実施例の超音波モータを示す縦断
面図。

【図９】本発明の第４実施例の超音波モータの上半分を
示す縦断面図。

【図１０】上記第４実施例の超音波振動子の端面エッジ
部における楕円振動の概略を示す線図。

【図１１】本発明の第５実施例の超音波モータの上半分
を示す縦断面図。

【図１２】従来の円筒形状の超音波モータの端面に発生
する振動の様子を示す線図。

【符号の説明】

１…第１圧電素子群 ２…第２圧電素子群 ３…圧電素子 ７ａ，２１ａ，３１ａ，４１…第１共振器 ７ｂ，２１ｂ，３１ｂ…第２共振器 ９，２９，４９，５９ａ…締結部材 １２…超音波振動子

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超音波振動を伝達する二つの共振器と、
   これら共振器の間に配置され、交流電圧を印加されるこ
   とにより超音波振動を励起させる電気−機械エネルギー
   変換素子と、上記共振器及び電気−機械エネルギー変換
   素子を互いに圧着固定する締結部材とからなる超音波振
   動子において、 上記電気−機械エネルギー変換素子を、上記共振器の中
   心で分割され、一方向に捩れる第一の部位と、他方向に
   捩れる第二の部位とに分割し、これらに位相の異なる交
   流電圧を印加することにより上記共振器に捩り振動を励
   起し、端面に楕円振動を発生させることを特徴とする超
   音波振動子。