JPS61121777A - 圧電超音波モ−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２０
ｋＨｚ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ュエ
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、したがって超音波楕円振
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ったのである。

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１回転の向きを電気的に任意に変えられないこ
とであった。

〔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って説明する。

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２ｇ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、その出力シャフト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３２と３３の間に出力シ
ャフト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゜１
３に接続されたリード線２６．２７とを同一電源に接続
し、４２．０　ｋＨｚ、　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６０ｒ
ｐｍ付近であり、出力トルクは数ｋｇｆ−１と強力であ
った。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３
０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
の位相の変化によっ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っており、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３５ｗｗｎ、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
ンドイッチ状に挟んだ状態で、これらを一体化するため
、直径８ｍ、長さＬ５ｎｗｎのキャップボルト１９を超
音波振動体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、工６の内側に通し、超音波振動体１７のね
じ穴に嵌めて、１５０ｋｇｆ−■のトルクで締め付は固
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２０．２１．２２．２３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
ックからなり、上下面に銀電極８．９（下面電極９は図
示せず）が施され、この電極によって分極処理された普
通のランジュ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３
５ｍ、内径１５ｎｍ、厚さ５ＩＩＩ１１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っ
たシアーモードの圧電振動子要素２１〜２４．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２□〜２１
６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２１〜２１１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１Ｏ１１１間にねじりのすベリ変位が生じ、印
加電圧の極性を変えると、逆向きのすベリ変位が生じて
逆向きにねじれる。

したがって、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子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。

本実施例のモータは外見的には第１図に示されているモ
ータと全く同じであり、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
っ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）○、系圧電セラミックからなる
扇形状のシアーモード振動子要素２□′〜２１．′をリ
ング状に積層し、接着固定した外径３５ｏｎ、内径１５
ｍｍ、厚さ５ｎｍのリングもしくは円筒体である。各扇
形振動子要素２Ｌ′〜２□、′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Ｖ
ｉ４’、　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１７
４２□′〜２１ｓ′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、したがって、
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１０ｋｇｆ−ａｍ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１７゜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
状であってもよい。

〔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 ２１〜２□い２□′〜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 １０、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

Claims (1)

【特許請求の範囲】
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ことを特徴とする圧電超
   音波モータ。