JPH08228491A - 超音波モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高出力で高効率、かつ構造が簡素な超音波モ
ータを得る。 【構成】 超音波モータ１は、概略、リング状ステータ
２、積層板状振動子３及びロータ４，５にて構成されて
いる。積層板状振動子３は矩形状をしており、その中央
部がステータ２に固定されている。この振動子３は、板
厚方向に分極された圧電性セラミックス板１１，１２を
内部電極を介してそれぞれの分極方向が逆方向になるよ
うに積層したものである。振動子３の表裏面には外部電
極が設けられている。圧電性セラミックス板１１，１２
の長さと板厚は、振動子３の長さ振動と屈曲振動の共振
周波数が略等しくなるように設定されている。

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、特に各
種機械（例えば自動車等）の駆動用回転モータ又はリニ
アモータ等として利用される超音波モータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の超音波モータとしては、図７に示
すように、リング状ステータ７１の下面に複数の圧電性
セラミックス板７２を分極方向が交互に逆方向になるよ
うに配設すると共に、このリング状ステータ７１の上面
にロータ７３を加圧接触させたものである。図８に示す
ように、圧電性セラミックス板７２の電極７４に、位相
差が９０度の二つの交流電圧が印加されると、圧電性セ
ラミックス板７２は横振動モードにて振動し、この振動
によってリング状ステータ７１の上面に屈曲性進行波が
励起される。そして、図９に示すように、リング状ステ
ータ７１に加圧接触したロータ７３が一方向に回転駆動
される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の超音波モータに
おいては、圧電性セラミックス板７２の横振動モードを
利用するため効率が悪く、出力が大きい超音波モータを
製作することが困難であった。そこで、本発明の目的
は、高出力で高効率、かつ、構造が簡素な超音波モータ
を提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】以上の目的を達成するた
め、本発明に係る超音波モータは、（ａ）板厚方向に分
極された圧電性セラミックス板を、隣接する圧電性セラ
ミックス板相互の分極方向が逆方向になるように積層し
た複数個の積層板状振動子と、（ｂ）前記積層板状振動
子を配設したステータと、（ｃ）前記積層板状振動子と
の間に働く摩擦力を介して前記積層板状振動子の振動に
よって駆動される可動体と、を備えたことを特徴とす
る。

【０００５】さらに、本発明に係る超音波モータは、積
層板状振動子が表裏面にそれぞれ外部電極を有し、内部
に内部電極を有していることを特徴とする。また、本発
明に係る超音波モータは積層板状振動子の長さ振動の共
振周波数と屈曲振動の共振周波数が略等しくなるように
したことを特徴とする。さらに、本発明に係る超音波モ
ータは積層板状振動子の中央部をステータに取付けて複
数個の前記積層板状振動子を前記ステータに環状に配設
すると共に、前記積層板状振動子の両端部のそれぞれに
可動体を加圧接触させたことを特徴とする。

【０００６】

【作用】以上の構成において、積層板状振動子は、板厚
方向に分極された圧電性セラミックス板を、隣接する圧
電性セラミックス板相互の分極方向が逆方向になるよう
に積層したものであるため、積層板状振動子に交流電圧
を印加すると、この振動子は長さ振動モード及び屈曲振
動モードにて振動する。

【０００７】また、長さ振動の共振周波数と屈曲振動の
共振周波数が略等しい積層板状振動子に、位相差が９０
度の二つの交流電圧を印加すると、積層板状振動子の先
端部は楕円軌道を描き、可動体を駆動させる。さらに、
積層板状振動子をステータに環状に又は一列に配設する
と共に、前記積層板状振動子の両端部のそれぞれに可動
体を加圧接触させたため、従来の超音波モータと比較し
て２倍の出力を発生する回転型又はリニア型超音波モー
タとなる。

【０００８】

【実施例】以下、本発明に係る超音波モータの実施例に
ついて添付図面を参照して説明する。 ［第１実施例、図１〜図４］第１実施例は回転型超音波
モータについて説明する。図１に示すように、超音波モ
ータ１は、概略、リング状ステータ２、積層板状振動子
３及びロータ４，５にて構成されている。リング状ステ
ータ２はその外周縁部に振動子を取り付けるための切欠
けが設けられている。

【０００９】積層板状振動子３は矩形状をしており、そ
の中央部がリング状ステータ２の切欠けに挿入され、固
定されている。振動子３は、図２に示すように、板厚方
向に分極された圧電性セラミックス板１１，１２を内部
電極１７を介してそれぞれの分極方向が逆方向になるよ
うに積層したものである。すなわち、圧電性セラミック
ス板１１の分極方向は右向き矢印の方向であり、圧電性
セラミックス板１２の分極方向は左向き矢印の方向であ
る。さらに、振動子３の表裏面には外部電極１５，１６
が設けられている。圧電性セラミックス板１１，１２の
長さと板厚は、積層板状振動子３の長さ振動の共振周波
数と屈曲振動の共振周波数が略等しくなるように設定さ
れている。具体的には振動子３の長さＬが厚さｔの約２
倍である場合に、両者の共振周波数が略等しくなる。

【００１０】複数の振動子３は、各振動子３の積層方向
とリング状ステータ２の円周方向が平行で、かつ、各振
動子３の楕円振動（後述）の位相が揃うようにリング状
ステータ２に環状に配設されている。この振動子３の内
部電極１７はリード端子２０を介して接地され、外部電
極１５，１６にはそれぞれリード端子１８，１９を介し
て長さ振動と屈曲振動の共振周波数と等しい周波数で、
かつ、位相差が９０度の交流電圧ｖ₁，ｖ₂が印加され
る。

【００１１】ロータ４，５は図示しない加圧手段により
適度に加圧された状態で積層板状振動子３のそれぞれの
端部に接触している。ロータ４，５の形状は環状であ
る。さらに、ロータ４，５の上下面に耐摩耗性材料から
なる環状の摩耗材を貼り合わせ、あるいはコーティング
等してロータ４，５の耐摩耗性を向上させることが望ま
しい。

【００１２】以上の構造からなる超音波モータ１の積層
板状振動子３に、長さ振動と屈曲振動の共振周波数と等
しい周波数で、かつ、位相差が９０度の二つの交流電圧
ｖ₁，ｖ₂が印加されると、図３に示すように、積層板状
振動子３の両端部はそれぞれ同方向に楕円運動する。こ
こに、横軸は積層板状振動子３の屈曲振動の振幅を表示
し、縦軸は長さ振動の振幅を表示している。この楕円振
動は、振動子３の長さ振動と屈曲振動の共振周波数を略
等しく設定することにより、この共振周波数で長さ振動
と屈曲振動が結合して起こるのである。振動子３の両端
部がそれぞれ楕円状に振動することにより適度の加圧力
にて振動子３に接触しているロータ４，５は、図４に示
すように、同一方向に回転することになる。振動子３に
交流電圧が印加されなくなると、振動子３とロータ４，
５との間に働く加圧力と摩擦係数の関係でロータ４，５
の回転は停止する。振動子３に印加する交流電圧の位相
を逆にすると、ロータ４，５の回転方向は逆になる。

【００１３】こうして得られた超音波モータ１は、ロー
タ４，５が、環状に配設された積層板状振動子３に面接
触するので、両者は摩耗しにくく、超音波モータ１の寿
命が長くなる。また、振動子３の数を増やせば容易に大
型の超音波モータを製造することができ、大出力の超音
波モータを実現することができる。さらに、従来の横振
動モードを利用した超音波モータと比較して、超音波モ
ータ１は長さ振動モード及び屈曲振動モードを利用して
いるため、高効率が得られる。

【００１４】また、圧電性セラミックス板１１，１２は
同一基板内の分極方向が同じであるため、基板内の一部
を逆分極処理する等の煩雑な作業を伴なわず、分極処理
作業が容易である。しかも、積層板状振動子３は略全体
が圧電性セラミックス板１１，１２からできており、金
属部材等を別に振動子３に接着する必要もないため、電
気機械変換効率が高い超音波モータが得られる。また、
二つのロータ４，５を同時に回転駆動させることができ
るので、従来の超音波モータと比較して２倍のトルクを
得ることができる。

【００１５】［第２実施例、図５］第２実施例はリニア
型超音波モータについて説明する。図５に示すように、
超音波モータ２１は、概略、ステータ２２、積層板状振
動子２３及びスライダ２４，２５にて構成されている。
ステータ２２は長尺状平板であり、その手前側縁部には
振動子を取付けるための切欠けが設けられている。

【００１６】積層板状振動子２３は矩形状をしており、
その中央部がステータ２２の切欠けに挿入され、固定さ
れている。複数の振動子２３は一列に配設されている。
これらの振動子２３は前記第１実施例の積層板状振動子
３と同様の構造をしており、詳細な説明は省略する。ス
ライダ２４，２５は図示しない手段により適度に加圧さ
れた状態で積層板状振動子２３の端部に接触している。

【００１７】以上の構造からなる超音波モータ２１の積
層板状振動子２３に、長さ振動と屈曲振動の共振周波数
と等しい周波数で、かつ、位相差が９０度の二つの交流
電圧を印加して振動子２３の両端部をそれぞれ同方向に
楕円振動させる。これにより、適度の圧力にて振動子２
３に接触しているスライダ２４，２５が左又は右方向に
平行駆動させることができる。振動子２３に印加する交
流電圧の位相を逆にするとスライダ２４，２５の駆動方
向は逆になる。

【００１８】こうして得られた超音波モータ２１は前記
第１実施例の超音波モータ１と同様の作用効果を奏す
る。 ［他の実施例］なお、本発明に係る超音波モータは前記
実施例に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種
々に変形することができる。

【００１９】積層板状振動子は圧電性セラミックス板の
２層構造以外に、３層構造であってもよいし、それ以上
の多層構造であってもよい。例えば、図６に示すよう
に、圧電性セラミックス板４１，４２，４３からなる３
層構造を採用した場合には、内部電極４７は圧電性セラ
ミックス板４２と４３の間に配設され、外部電極４５，
４６は圧電性セラミックス板４１，４３の表面に配設さ
れることになる。圧電性セラミックス板４１，４３の分
極方向は右向き矢印の方向であり、圧電性セラミックス
板４２の分極方向は左向き矢印の方向である。内部電極
４７はグランドに電気的に接続され、外部電極４５，４
６にはそれぞれ長さ振動と屈曲振動の共振周波数と等し
い周波数で、かつ、位相差が９０度の交流電圧が印加さ
れる。これにより、中央部をステータに固定された積層
板状振動子４０はその両端部が楕円振動をすることにな
る。この構造の積層板状振動子４０は、特に、屈曲振動
を強く起こすことができる。

【００２０】また、積層板状振動子は、一方の端部をス
テータに固定する構造であってもよい。この場合、可動
体は積層板状振動子の他端部に加圧接触されることにな
る。

【００２１】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
よれば、積層板状振動子の長さ振動モード及び屈曲振動
モードを利用するので、高効率の超音波モータが得られ
る。また、可動体が積層板状振動子に面接触するので、
両者は摩耗しにくく、超音波モータの寿命が長くなる。
さらに、振動子の数を増やせば容易に大型の超音波モー
タを製造することができ、大出力の超音波モータを実現
することができる。

【００２２】また、圧電性セラミックス板は同一基板内
の分極方向が同じであるため、基板内の一部を逆分極処
理する等の煩雑な作業を伴なわず、分極処理作業が容易
になる。そして、この圧電性セラミックス板を複数枚積
層して一体化するので、超音波モータの構造が簡素であ
る。しかも、積層板状振動子は略全体が圧電性セラミッ
クス板からできており、高い電気機械変換効率が得られ
る。

【００２３】また、積層板状振動子の中央部をステータ
に取付けて、両端部を楕円振動させることにより、二つ
の可動体を同時に駆動させることができるので、従来の
超音波モータと比較して２倍のトルクを得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る超音波モータの第１実施例を示す
分解斜視図。

【図２】図１に示した超音波モータに使用される積層板
状振動子の拡大斜視図。

【図３】図２に示した積層板状振動子端部の楕円振動を
示すグラフ。

【図４】図１に示した超音波モータの動作を説明するた
めの一部正面図。

【図５】本発明に係る超音波モータの第２実施例を示す
斜視図。

【図６】他の実施例を示す斜視図。

【図７】従来例を示す斜視図。

【図８】図７に示した従来例の電極を示す平面図。

【図９】図７に示した従来例の動作原理を示す説明図。

【符号の説明】

１…超音波モータ ２…リング状ステータ ３…積層板状振動子 ４，５…ロータ １１，１２…圧電性セラミックス板 １５，１６…外部電極 １７…内部電極 ２１…超音波モータ ２２…ステータ ２３…積層板状振動子 ２４，２５…スライダ ４０…積層板状振動子 ４１，４２，４３…圧電性セラミックス板 ４５，４６…外部電極 ４７…内部電極

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 板厚方向に分極された圧電性セラミック
   ス板を、隣接する圧電性セラミックス板相互の分極方向
   が逆方向になるように積層した複数個の積層板状振動子
   と、 前記積層板状振動子を配設したステータと、 前記積層板状振動子との間に働く摩擦力を介して前記積
   層板状振動子の振動によって駆動される可動体と、 を備えたことを特徴とする超音波モータ。
2. 【請求項２】 積層板状振動子が表裏面にそれぞれ外部
   電極を有し、内部に内部電極を有していることを特徴と
   する請求項１記載の超音波モータ。
3. 【請求項３】 積層板状振動子の長さ振動の共振周波数
   と屈曲振動の共振周波数が略等しくなるようにしたこと
   を特徴とする請求項１又は２記載の超音波モータ。
4. 【請求項４】 積層板状振動子の中央部をステータに取
   付けて複数個の前記積層板状振動子を前記ステータに環
   状に配設すると共に、前記積層板状振動子の両端部のそ
   れぞれに可動体を加圧接触させたことを特徴とする請求
   項１又は２又は３記載の超音波モータ。
5. 【請求項５】 積層板状振動子の中央部をステータに取
   付けて複数個の前記積層板状振動子を前記ステータに一
   列に配設すると共に、前記積層板状振動子の両端部にそ
   れぞれ可動体を加圧接触させたことを特徴とする請求項
   １又は２又は３記載の超音波モータ。