JPS60245483A - 超音波振動を利用した表面波モ−タ− - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の技術分野） 本発明は、弾性体と、該弾性体を励振させる圧電体とを
有する超音波振動を利用した表面波モーターに関する。

（発明の背景） このような表面波モーターの原理を第５図〜第１０図に
基づいて説明する。

第５図はリニア型の表面波モーターの原理を説明するた
めの図であり、弾性体（１）を励振させて、その表面に
表面波（波長を入とする）を生しさせた状態を示してい
る。

第５図において、表面波の進行方向を（Ｎ）とし、表面
波の１つの山の頂点（Ａ）の付近の粒子の連動に着目す
ると、その運動は第５図に示すような楕円運動の軌跡を
描いており、運動の方向は弾性体（１）の表面において
表面波の進行方向（Ｎ）と逆の方向になる。

したがって、この弾性体（１）の表面波の生じている部
分に動体（２）を圧接させると、動体（２）は表面波の
進行方向（Ｎ）と逆の方向（Ｍ）に移動する。

これがリニア型表面波モーターの基本的な原理である。

次に、第６図に基づいて回転型表面波モーターの基本的
な原理を説明する。

第６図において、リング状の弾性体（１０）の表面（１
０ａ）にＮ方向に進行する表面波を生じさせ、表面（１
０ａ）にリング状の動体（以下、ローターと呼ぶ）　（
２０）を圧接させると、ローター（２０）はＭ方向に回
動する。

次に、第５図に示すリニア型表面波モーターにおいて、
表面波を発生させる為に弾性体（１）を励振させる方法
を第７図（ａ）〜第７図（’Ｃ）に基づいて説明する。

第７図（ａ）〜第７図（ｃ）において、弾性体（１）に
圧電体（３）が導電性を有する導電接着剤で接着され、
圧電体（３）の中央部（３ａ）は圧電体（３）の両側７
？３　（３ｂ）　、　（３ｃ）とは逆方向に分極されて
いる。この分極方向が矢印で示されている。圧電体（３
）の面（３ｄ）、（３ｅ）にはそれぞれ電極が全面に焼
成されでおり１面（３ｅ）は前記導電接着剤を介してグ
ランドに落されている。

第７図（ａ）に示すように、圧電体（３）の面（３ｄ）
をオープン状態にする（面（３ｄ）に電圧を印加しない
）か、あるいは面（３ｅ）と同電位のグランドに落した
場合には、圧電体（３）に伸縮が起らないため、弾性体
（１）は平面形状のままである。

第７図（ｂ）に示すように、面（３ｄ）に負の電圧を印
加すると、分極方向の違いにより圧電体（３）の中央部
（３ａ）は長手方向に縮み、両側部（３ｂ）　、　（３
ｃ）は長手方向に伸ひる。この時、弾性体（１）は圧電
体（３）の伸縮に逆らって第７図（ａ）の状態の長手方
向の長さを保とうとする為、圧電体（３）と弾性体（１
）とが第７図（ｂ）に示すように屈曲する。

第７図（ｃ）に示すように、面（３ｄ）に正の電圧を印
加すると、第７図（ｂ）に示す形状とは逆に屈曲する。

したがって、圧電体（３）の面（３ｄ）に正弦波電圧を
印加すると、弾性体（１）は屈曲運動をする。

次に第７図（ａ）〜第７図（ｃ）を使って説明した弾性
体（１）の励振方法を回転型表面波モーターのリング状
弾性体に適用した場合を第８図〜第１１図に基づいて説
明する。第８図は表面波モーターの正面図を示し、第９
図は第８図のＩＸ−ＩＸ矢視断面図を示し、第１０図は
第８図の背面図を示す。

リング状の弾性体（１０）に導電接着剤で接着されたリ
ング状の圧電体（３０）の面（３０ａ）は弾性体（１０
）を介してグランドに落されている。

圧電体（３０）の面（３０ｂ）には４つのセグメント電
極（４ａ）〜（４ｄ）が焼成されており、かつ第７図（
ａ）〜第７図（ｃ）の矢印を先端側から見た先端部表示
（Ｔ）と後端側から見た後端部表示（Ｂ）とで示すよう
に、電極（４ｂ）下の圧電体部分と電８ｉ（４ａ）、（
４ｃ）十−の圧電体部分とは逆方向に分極されている。

セグメント電極（４ａ）〜（４Ｃ）に正弦波電圧を印加
すると弾性体（１０）が屈曲運動を起こし、第８図に示
すように励振源（ｊｏｂ）から表面波が伝播する。

しかしなから、この表面波は励振源（ＩＯｂ）から同ｌ
Ｉｊすに弾性体（１０）の両刀向に伝播してゆく為、互
いに干渉し合い、定常波になってしまう。このため、弾
性体（１０）にローター（２０）を圧接しても、ロータ
ー（２０）は回動されない。

したがって、ローター（２０）を回動させる為には、リ
ング状の弾性体（１０）を一方向に伝播する表面波（進
行波）を発生させる工夫が必要である。

次に、本件出願人が提案した表面波モーターを説明する
。

表面波モーターとしては、例えば第１１図〜第１４図に
示すような回転型の表面波モーターがある。第１１図は
表面波モーターの斜視図を示し、第１２図は第１１図の
圧電体の正面図を示す。

すなわち、リング状の圧電体（３０）とリンク状の弾性
体（ｌＯ）とは不図示の導電接着剤で接着され、ロータ
ー（２０）は不図示の機構によって弾性体（１０）に圧
接されている。

圧′舵体（３０）の面（３０ｂ）には電気的にそれぞれ
独立したセグメント電極（４０ａ）〜（４０ｎ）か焼成
され、セグメント電極（４０ａ）は導電接着剤（４２）
によって弾性体（１０）に電気的に接続されている。し
たがって、導電接着剤によって弾性体（１０）と接着し
た圧電体（３０）に焼成された電極（４１）全体が、弾
性体（１０）　、導電接着剤（４２）およびセグメント
電極（４０ａ）を介してグランドに落されている。

セグメント電極（４０ｂ）〜（４０ｇ）および（４０ｉ
）〜（４０ｎ）の下の各圧電体部分は、前記先端部表示
（Ｔ）と後端部表示（Ｂ）とで示すように、交互に逆方
向に分極されている。

このように圧電体（３０）を分極した後に、セグメント
電極（４０ｂ）〜（４０ｇ）が導電接着剤（４３）によ
って電気的に接続されるとともに、セグメント電極（４
０ｉ）〜（４０ｎ）が導電接着剤（４４）によって′電
気的に接続されている。

また電極（４０ａ）は表面波の波長　（λ）の３／４の
長さに、電極（４０ｈ）は波長（入）の１／４の長之に
、電極（４０ｂ）　〜（４０ｇ）および（４０ｉ）　〜
（４０ｎ）は各々波長　（入）のｌ／２の長さにそれぞ
れ相当している。

そして、セグメント電極（４０ｂ）〜（４ａｇ）に正弦
波電圧（ｖｌ）を印加するとともに、セグメント電極（
４０ｉ）〜（４０１）に電圧（ｖｌ）に対してπ／２の
位相差を有する正弦波電圧（ｖ２）を印加すると、各電
極（４０ｂ）　〜（４０ｇ）および（４０１）〜（４０
ｎ）の下の圧電体部分か伸縮して、リング状の弾性体（
１０）に一方向に伝播する表面波（進行波）が生じる様
な屈曲振動が起こり、ローター（２０）が回動する。

このローター（２０）の回動方向は、電圧（Ｖｌ）に対
する電圧（ｖ２）の位相をπ／２進めるか、π／２遅ら
せるかによって決まる。

しかしながら、このような表面波モーターでは、−・枚
のリング状圧電体（３０）が複数の電極（４ｏｂ）〜（
４０ｇ）および（４０ｉ）−（４０ｎ）のドで交力に正
極と負極とに逆方向に分極されているために、隣り合う
各電極（４ｏｂ）−（４０ｇ）および（４０ｉ）　−（
４Ｑｎ）下の圧電体部分が各電極の境界近傍で互いに影
響し合う（正極に分極された圧電体部分は負極に分極さ
れた隣接する圧電体部分に影響を′ｆえ、逆Ｉこ、負極
に分極された圧電体部分は正極に分極された圧電体部分
に影響を与える）ので、圧電体（３０）の分極状態が第
１３図の曲線（１３０）で示すように各電極の中央部と
端部とで異なってしまい、このために、第１４図に示す
ように圧電体（３０）の変形（仲１ｍ）が効率よく行な
われず、弾性体（１０）に大きな屈曲遅動を起すことか
できす、表面波モーターとしての駆動効率が悪いという
問題点があった。

ネらに、上記表面波モーターでは、−・枚の圧電体を用
いているため、従来の製造技術で比較的容易に、かつ安
価に製造゛できる一枚の圧電体の大きさ、例えば一枚の
リング状圧電体の大きさには限界があり、第１５図に示
すようにある大きさの直径（ｎ。）以上の大きなリング
状圧電体（３０）を製造することは、製造技＃ｊ上の理
由およびコストヒの理由から困難であるという問題点が
あった。

（発明の目的） 本発明は、このような問題点に着目して成されたもので
、圧電体の分極状態を均一にして、圧電体の変形（伸縮
）を効率よく行ない、表面波モーターの駆動効率を高め
ること、そして、大型の表ｔＩ′ｉ′１波モーター用と
して大型の圧電体を作製する場合の製造技術的困難や高
コストを回避し得る表面波モーターを提供することを目
的としている。

（発明の概要） かかる目的を達成するため、本発明においては、弾性体
と、該弾性体を励振させる圧電体とを有する超音波振動
を利用した表面波モーターにおいて、＋ｉｉＪ記圧電体
圧電体波の少なくとも伝播方向に独立して配列された複
数の圧電体切片で形成したことを特徴とする超音波振動
を利用した表面波モーターとし、前記圧電体切片の分極
状態を均一・にして駆動効率を向−ヒさせるとともに、
前記圧電体切片を組み合わせて大型の表面波モーターを
容易に製造できるようにしたものである。

（芙施例） 以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

なお、従来例と同様の部位には同一符号を伺する。

第１図〜第４図は本発明を回転型の表面波モーターに適
用した本発明の一実施例を示している。

第１図に示すように、　＋ｉｉ’を転型の表面波モータ
ー（５０）は、リング状の弾性体（１０）と、該弾性体
（１０）の面（ＩＩＬＩ−に独立して配列され、導電接
着剤により接着された複数の圧電体切片（５ａ）〜（５
ｎ）とから構成され、該圧電体切片（５ａ）〜（５ｎ）
の表裏面には、電極（６ａ）〜（６ｎ）及び（４１ａ）
〜（４１ｎ）がそれぞれ焼成されている。ローター（２
０）が不図ボの機構によって弾性体（１０）に圧接され
ている。

該弾性体（１０）は、導電接着剤（４２）によって電極
（６ａ）と電気的に接続されているので、導電接着剤に
よって弾性体（１０）と接着した圧電体切片（５ａ）〜
（５ｎ）の各面に焼成された電極（４１ａ）〜（４Ｉｎ
）全体かりｉ！性部体１０）および導電接着剤（４２）
を介してグランドに落されている。

前記圧゛電体切片（５ａ）〜（５ｎ）の各々は扇状に形
成されており、該扇状の圧電体切片（５ａ）〜（５ｎ）
が弾性体（１０）の面（１１）上に円周方向（＠部体（
１０）を伝播する表面波°の伝播方向）に配列され、全
体として一つのリング状の圧電体切片群（５１）が形成
されている。

また圧電体切片（５ｂ）−（５ｇ）および（５ｉ）−（
５ｎ）は、第１１図および第１２図に示した従来例と同
様に、＋ａさ方向に夕方゛に逆方向に分極されている。

このように圧電体切片（５ｂ）〜（５ｇ）および（５１
）〜（５ｎ）を分極した後に、電極（６ｂ）〜（６ｇ）
がそれぞれ導電接着剤（４３）によって電気的に接続さ
れるとともに、電極（６１）〜（６ｎ）がそれぞれ導電
接着剤（４４）によって電気的に接続されている。

また、圧電体切片（５ａ）５よひ電極（８ａＬ　（４１
ａ）の長さは前記表面波の波長（入）の３／４に、圧電
体＋ＪＪ片（５ｈ）および電極（Ｅｌｈ）　、（４ｔｈ
）の長さは表面波の波長（入）の１／４に、圧電体切片
（５ｂ）〜（５ｇ）　。

（５ｉ）　〜（５ｎ）および電極（６ｂ）　〜（Ｂｇ）
、（４１ｂ）　〜（４１ｇ）　。

（８１）〜（Ｅｌｎ）　、　（４１ｉ）〜（４１ｎ）の
長さは表面波の波長（λ）の１／２にそれぞれ相当して
いる。

ヒ記橘成を有する回転型の表面波モーター（５０）では
、各圧電体切片（５ｂ）−（５ｇ）および（５ｉ）〜（
５ｎ）が僅かな隙間（５２）、（５２）・・・を残して
互いに独立して、リング状の弾性体（１０）の面（１１
）上に円周方向に配列されているので、各圧電体切片（
５ｂ）〜（５ｇ）および（５１）〜（５ｎ）の両端部近
傍において、逆向きに分極された隣接する圧電体切片が
お互いに影響し合うことがないため、各圧電体切片（５
ｂ）〜（５ｇ）および（５１）〜（５ｎ）の分極状態は
第２図のグラフ（２００）で示すように均一になってい
る。

したがって、電極（５ｂ）〜（５ｇ）に正弦波電圧（ｖ
ｌ）を印加するとともに、電極（５１）〜（５ｎ）に電
圧（ｖｌ）に対してπ／２の位相差を有する正弦波電圧
（ｖ２）を印加すると、各圧電体切片（５ｂ）〜（５ｇ
）および（５１）〜（５ｎ）か効率よく伸縮して、第３
図に丞すように、一方向に伝播する表面波（進行波）が
生じる様な大きな屈曲振動をリング状の弾性体（１０）
に起こすことができる。

すなわち、上記構成を有する回転型の表面波モーター（
５０）では、第１１図から第１４図に示す従来例と此較
すると、同一電圧でより効率よく圧電体切片（５ｂ）〜
（５ｇ）および（５ｉ）〜（５ｎ）を伸縮させることか
でき、より大きな屈曲振動をリング状の弾性体００）ｉ
こ起こすことができ、ローター（２０）が効４ｔ７よく
回動される。

また、上記構成を塙する回転型の表面波モーター　（５
０）では、圧電体切片（５ａ）〜（５ｎ）を弾性体（１
０）の面（１１）にリング状に配列して、一つのリング
状の圧電体切片群（５１）を形成しているので、所定の
大きさの扇状圧電体切つを作成して、配列することによ
り、リング状の圧電体切片群（５１）の直径を所定の大
きさにすることかできる。

前記所定の大きさの扇状圧電体切片を作成するには、第
４図に示すように、例えば円板状の圧電体（７）を加工
して、−・点鎖線で示すような所定の大きさの扇状圧電
体切片（７０）を作成すればよい。

そして、扇状圧電体切片（７０）の外側の曲率半径はリ
ング状の弾性体（１０）の外側の曲率半径と等しく、か
つ内側の曲率半径が弾性体（１０）の内側の曲率半径と
等しくなるように設定すればよい。そして、扇状圧電体
切片（７０）の周方向の長さく１）は表面波の波長（入
）の１／２とすればよい。

また、圧電体切片（７０）を周方向の長さが入／２以下
の複数個の扇状圧電体切片でａ成して、より大きな直径
を有するリング状の圧電体切片群（５１）を作ることも
できる。

また、分極により生ずる圧電体切片（５ｂ）〜（５ｇ）
および（５■）〜（５ｎ）のひずみ（伸縮）は各圧電体
切片の厚さ方向と周方向とにそれぞれ生しるが、圧電体
切片の材料としてセラミックを用い、かつ周方向のひず
みが大きい材料にすることにより、効率的に表面波を発
生できる。

従来のように、圧電体を一体成形したものは上記のよう
なことはしにくい。

さらに、」皿体構成を有する表面波モーター（５０）に
おいて、各圧電体切片（５ｂ）〜（５ｇ）および（５Ｉ
）〜（５ｎ）を線対称の形状と成し、厚さ方向に分極さ
れた圧゛重体より圧電体切片（５ｂ）〜（５ｇ）および
（５１）〜（５ｎ）を作成し、さらに１個おきに圧電体
切片を裏返すことにより、交互に逆方向に分極された圧
電体切片が配列されたことにより、圧′重体切片（５ｂ
）〜（５ｇ）および（５１）〜（５ｎ）の分極作業を簡
略化できる。

さらにまた、上記実施例では回転型の表面波モーター（
５０）を示したが、本発明をリニア型の表面ν皮モータ
ーに適用してもよい。

（発明の効果） 本発明４こ係る超音波振動を利用した表面波モーターで
は、表面波の少なくとも伝播方向に独立して配列した複
数の圧電体切片により圧電体を形成することにより、圧
電体の分極状態を均一にしたので、圧電体の変形（伸縮
）を効率よく行ない、表面波モーターの駆動効率を高め
ることができるとともに、圧電体切片の形状を変え、こ
の圧電体切ノ１を配列することにより、大型の表面波モ
ータ゛　−を低コス！・で、容易に作成することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図は本発明の一実施例を示しており、第１
図は表面波モーターの斜視＋ｑ、第２図は圧電体の分極
状態等を示す説明図、第３図は弾性体の屈曲状態を示す
説明図、第４図は各／ｆ圧電体切片作成方法を示す説明
図、第５図〜第１Ｏ図は表面波モーターの原理を示して
おり、第５図はリニア型の表面波モーターの原理説明図
、第６図は回転型の表面波モーターの原理説明１図、第
７図（ａ）〜第７図（Ｃ）はリニア型の表面波モーター
における弾性体の励振方法を示す説明図、第８図〜第］
、０図は、第７図（ａ）〜第７図（ｃ）で示した励振方
法を回転型の表面波モーターにそのまま適用した状態を
示す説明図、第１１図〜第１５図は表面波モーターを示
しており、第１１図は表面波モーターの斜視図、第１２
図は表面波モーターの電極構造等を示す説明図、第１３
図は圧電体の分極状態等を示す説明図、第１４図は弾性
体の屈曲状態を示す説明図、第１５図は圧電体の平面図
である。 （５ａ）〜（５ｎ）・・・圧電体切片 （１０）・・・リング状の弾性体 （５０）・・・１１ｊ１転型の表面波モーター　（表面
波モーター）第５図 ２ 第６図 第７図 （ｂ） 手続補正書（鮫） 昭和５９’ｌ＝　７月２４Ｙ１ ギｆ、ＸＩＦ　庁長官　志　賀　学　殿２　発明の名称
　超音波振動を利用した表面波モーター３　補止をする
者 事件との関係　特許出願人 住　所　東京都千代田区丸の内３丁目２番３号名　称　
（４１１）　日本光学工業株式会社４、代　理　人　〒
２２０ 住　所　神奈川県横浜市西区高島２丁目８番５号５、押
止の対象 明細書の発明の詳細な説明の欄 ６補正の内容 （補ｊＥの内容） 明細書第５頁第１６行１；ｌ　ｒ次に、本件出願人が提
案した・・・・・・・説明する。」を「次に、（」経マ
グロウヒル汁発行の日経メカニカル１９１１３．２．２
ｔａ　号偶に量水されている。」に訂正する。 明細書第１５頁第４行口「切片が配列されたことにより
、」を「切片が配列され、その結果、」に訂正する。 明細書第１５頁第６行］１「る。」の後に、「また、ト
述した実施例では圧電体切片の配列方向を表面波の伝播
方向としたが、その配列方向は表面波の伝播方向に加え
て任意の方向、例えば円環の径方向に分割、配列しても
良い。そして、圧電体切片の形状を扇型でボしたが、任
意の所望する形状としても良いことは言うまでもない。 」を加入する。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 弾性体と、該弾性体を励振させる圧電体とを堝する超音
   波振動を利用した表面波モーターにおいて、前記圧電体
   を、表面波の少なくとも伝播方向に独立して配列された
   複数の圧電体切片で形成したことを特徴とする超音波振
   動を利用した表面波モーター。