JPS6331480A - 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】 （技術分野） 本発明は進行性振動波によって駆動される超音波モータ
、特にその振動体の構造に関するものである。

（従来技術） 超音波モータは、例えば圧電振動子、電歪振動子等の電
気−機械エネルギー変換素子群に周波電圧を印加した時
に振動体に生じる進行性振動波を駆動力として利用する
もので、従来の電磁モータに比べて巻線を必要としない
為、構造が簡単で小型になり、低速回転時にも高トルク
が得られるという利点があり、近年注目されている。

そして、かかる超音波モータとしては特開昭５９−１２
２３８５号公報、特開昭５９−１７８９８８号公報、特
開昭５９−２０１６８５号公報等で種々の構造のものが
提案されている。

これら公報等で開示される超音波モータ本体は確かに小
型であるが、使用される電気−機械エネルギー変換素子
の厚みが比較的厚いためＳ＝に￥ｒ（但し、Ｓは前記素
子〜の印加電圧に対する素子の変位量、即ちモータのト
ルクに関連する量、Ｋは比例定数、ｄは素子の厚み、■
は素子の膜厚方向に印加する印加電圧である）の関係か
らして所定のトルクを得るためには印加電圧としては数
１０Ｖ以上の電圧が必要であった。その為、使用電圧が
数１０Ｖであることに基因する複雑、大型な電気回路部
分を含むモータ装置は差程小型となり得ない問題があっ
た。

そこで従来の超音波モータではモータ装置全体を小型化
する為に回旋な限り電気−機械エネルギー変換素子の厚
みを１例えば０．５　ｍ　ｍ程度の薄いものにしていた
。

この様に素子の厚みを薄くした場合には素子に対する印
加電圧を低くすることができ、結果的にモータ装置全体
を小型化することができて前述の問題は解決できるもの
のこの様な薄い素子を接着剤（例えば熱硬化性接着剤）
で振動体上に接着する際に、接着に際して素子に加わる
圧力で素子が破損するという問題が生じていた。一方こ
の問題を回避すべく慎重に作業を行った場合には作業性
が著しく低下するという問題もあった。

更にこの破損、作業性の悪さという問題に加えて素子の
厚みが薄い従来のモータでは接着剤を用いる方式によっ
て生じる特有な問題、即ち、接着剤層によって素子の振
動エネルギーが吸収され、厚いバルク圧電材を用いた場
合に比して効率が劣るという問題も生じていた。

（目　的） 本発明の目的は低電圧駆動が可能で、かつ薄い電気−機
械エネルギー変換素子を用いたとしても前述の様な欠点
、即ち素子の破損、作業性の低下、効率の低下という欠
点の生じることのない超音波モータを提供せんとするも
ので、その特徴とする処は電気−機械エネルギー変換素
子を印刷又は塗布によって振動体上に直接形成した点に
存するものである。以下図面を参照して本発明の詳細な
説明する。

第１図は、本発明を適用した超音波モータの一実施例の
断面図にしてｌは振動体を形成する弾性体リングで、該
リングエの表面ＩＡは移動体としての回転子３に加圧接
触している。４は負荷（不図示）に回転子３の回転力を
伝達する回転棒、５は弾性体リングｌに後述の方法で直
。

接固着された電気−機械エネルギー変換素子を形成する
圧電素子で、該圧電素子５はフェルト等の吸振材７で支
持されている。９は吸振材７を支持する固定体である。

前述した圧電素子５は第３図に示す様に弾性体リング１
上に印刷された下部電極５Ａ、圧電性材）’ｌ　５　Ｂ
　、該圧電性材料５Ｂ上に印刷された上部電極５Ｃによ
り形成される。

次に第３図を用いて圧電素子５の製造方法について述べ
ると、弾性体リングｌ上にまず下部ＴＬ極５Ａを２００
Ｘ３００メツシユのパターンで印刷し、乾燥の後９００
℃で焼成して形成する０次にＰＺＴ強誘電体セラミック
焼結粉末とＺ　ｎ　ＯＡ　ｎ　２０３が主成分であるガ
ラス粉末とを混合し、ワニスを用いてペースト状にした
誘電体ペーストを前記下部電極５Ａの上にスクリーン印
刷し、乾燥の後１０００℃で焼成して圧電体層を形成す
る。尚該圧電体層５Ｂの厚さは約１０鉢ｍ〜１００ルｍ
とした。

かかる工程の後に圧電体層５Ｂ上に下部電極５Ａを形成
した時と同様にして上部電極５Ｃをメツシュパターンで
印刷し、乾燥の後に９００℃で焼成して形成する。

上述の様にして圧電素子５を弾性体リングｌに印刷によ
って直接固着した後に第２図に示す様に分極処理を行な
う、この電極は弾性体リング１の表面に生ずる進行性振
動波（尚この振動波が生ずる理論については前述の公報
等で既に知られた事であるのでここでは省略する）の波
長を入とすると、その麦のピッチで第２図示の様に５Ｂ
ａ、５Ｂｂ、５Ｂｃ、５Ｂｄ、５Ｂｅ。

５Ｂ　ｆ　、５Ｂｇ　、５Ｂｈと形成される。モータ駆
動時には５Ｂａ　、５Ｂｃ　、５Ｂｃ　、５Ｂｄの電極
群には周波電圧源１１から所定の周波数の駆動電圧が印
加され、また５Ｂｅ　、５Ｂｆ　。

５Ｂｇ、５Ｂｈの電極群には周波電圧源１１から出力さ
れる周波電圧の周波数から９０°位相のずれた周波数の
高周波電圧を出力する電圧源１３からの駆動電圧が印加
される。前述の分極は形成された電極（７）５Ｂａ、５
Ｂｃ、５Ｂｆ　。

５Ｂｈと５Ｂｂ、５Ｂｄ、５Ｂｅ、５８ｇの各電極群に
夫々逆向きの電圧を印加し、互いに隣り合う領誠の分極
方向が逆向きとなる様に処理する。尚この実施例の分極
処理条件は大気中で２００℃ノ温度下で３０ｖ〜１００
■の直流電圧（この電圧は圧電体層５Ｂの膜厚に応じて
変化させた）を３０分印加したものである。前述ノミ極
群５Ｂａ　〜５Ｂｄと５Ｂｅ　〜５Ｂｈの各々は進行性
振動波を発生させる為に第２図示の様に含ずらして配置
されている。

前述した様に第１図乃至第３図示実施例における超音波
モータの動作理論は前記の公開公報等で既知の事である
ので詳述しないが、電圧源１１．１３に前述の如き周波
数の周波電圧を印加することにより圧電素子５が振動し
、弾性体リングｌの表面上に進行性振動波が発生し、弾
性体リングｌに加圧接触した回転子が摩擦駆動され、回
転子３が回転するものである。

本実施例における圧電体層５Ｂの膜厚と電圧源１１．１
３からの駆動電圧との関係は第４図に示す通りである。

第４図から判る様に駆動電圧３Ｖ−１０Ｖという低電圧
でいずれのモータも正常、かつ良好に動作した。また各
モータの駆動トルクは夫々１．０〜１．２　Ｋ　ｇφｃ
ｍの範囲であって、回転数は約５０Ｏｒｐｍである。前
述したモータの駆動電圧はＩＣ化された駆動回路の駆動
電圧に合致した、例えば５■程度が望ましい。

以上の事等からして圧電材料５Ｂの膜厚は１００体ｍ以
下、好ましくは１０〜５０牌ｍ程度である。

尚１本実施例では圧電体層５ＢとしてＰＺＴ粉末を主体
とした誘電性ペーストを用いたが。

かかる材料に限定されるものではなく徒来より厚膜又は
８Ｎ層コンデンサを作製する上で種々考案されている他
の強誘電性ペースト、たとえばＢａＴｉＯ３，Ｐｂ　（
Ｍｇ１／３　Ｎｂ２７３）０３、Ｐ　ｂ　（Ｚ　ｎｌ／
３　Ｎ　ｂ２７３　）　０３等の焼結粉末を用いても良
いことは勿論であり、誘電膜厚や焼成温度、等形成に関
係する諸条件を適宜工夫することにより実施例と同様の
効果が得られることは言うまでもない。

また１本実施例では、第１図に示すごとく、弾性体、回
転子としてリング状のものを用いて回転させるモータを
開示したが、弾性体、移動体の形状はこれに限定される
ものではなく、たとえば、第５図に示すように楕円形状
とし、弾性体１の周上に前記実施例の場合と同様な方法
で形成した圧電素子（不図示）により進行性振動波を発
生させ、この周上、ないしは周上の一区間Ｒを移動回走
な移動子３を設ける様にしてもよい。

また、第６図に示すように弾性体１を平板状とし、平板
状弾性体ｌの表面に前記第１実施例の場合と同様な方法
で形成した圧電素子５により進行性振動波を発生させ、
この圧電素子５に対向する位置に移動子３を設けたりニ
アモータとしても良い、更に第７図に示すように弾性体
１を棒状とし、棒状弾性体ｌの表面上に進行性振動波を
発生させ、移動子３を駆動するリニアモータ状のもので
もよい。

いずれの形態乃至これから類推しうる形態の超音波モー
タにおいても、圧電材料又は電歪材料を印刷により直接
弾性体上に形成することにより前記第１実施例同様、低
電圧駆動ｉＴ］能な超音波モータが得られる。

また、前記実施例においては圧電体層をスクリーン印刷
により形成したが、接着剤を用いずに圧電体層を弾性体
上に形成する方法はこれに限ったものではなく、積層コ
ンデンサ用誘電体層を形成する方法として用いられてい
るドクターブレード法、ロールコータ法等の塗布方式に
よるものでも良い、また、セラミックコンデンサで用い
られている押出し成形法のようなものでも良い。

（本発明の効果） 以上の様に本発明に係る超音波モータは、印刷或いは塗
布により圧電素子を弾性体上に直接形成したことにより
以下の効果が得られるものである。

（１）電気−機械エネルギー変換素子を弾性体上に接着
する工程が省かれたので電気−機械エネルギー変換素子
の破損本成はなくなり、また作業性も向上し、モータを
安価に提供できる。

（２）０．１ｍｍ以下の膜厚の中で、特に数１０〜１０
０ｇｍ程度の膜厚は蒸着、スパッタ法といった真空成膜
法で作るには厚すぎて時間がかかりすぎ、生産性が悪い
が本発明の塗布、印刷方法によればかかる問題も生じる
ことがない。

又従来の方法の様にバルクを研磨加工して圧電素子を形
成する方法では厳密な加工精度が要求されるので装置が
多がかりになり、コスト高になるおそれがあるが本発明
ではかかる問題も生じない。

（３）電気−機械変換素子が薄膜することにより極めて
低い電圧によりモータを回転できる為にモータの駆動回
路等の電気回路が小型、軽量化し、モータ装置全体が小
型化し、超音波モータの用途のより一層の拡大が期待で
きる１等大変大きな効果が生じるものである。

（４）また、圧電体層の膜厚がバルクに比べて十分薄い
ことは（３）で述べた効果の他にも、モータ形成の際の
分極処理において、必要な電圧が１００Ｖ程度乃至はそ
れ以下の低電圧で良い為、バルクを分極処理する時のよ
うな、高電圧印加、絶縁油中で分極という条件は必ずし
も必要ではなくなり、作業性が非情に向上するという副
次的な効果をも有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の超音波モータの一実施例の断面図、 第２図は第１図示モータの圧電素子の電極配Ｍ図。 第３図は圧電素子の構成図、 第４図は圧電材料の膜厚と駆動電圧の関係図。 第５図乃至第７図は本発明の他の実施例にかかる超音波
モータの要部構成図である。 図において、 １−−−−−一振動体、 ３−−−−−一移動体、 ５−−−−−一圧電素子、 ５　Ａ−−−−−一下部電極。 ５　Ｂ−−−−−一圧電体層、 ５　Ｃ−−−−−一上部電極 を示す。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）　位相差をもった周波電圧が印加されると共に、
   所定の位相差をもって配置される電気−機械エネルギー
   変換手段を形成する電気−機械エネルギー変換材料が印
   刷又は塗布され、前記手段に基因する振動に応答して進
   行性振動波を発生する振動体と、該振動波に応答して摩
   擦駆動される移動体とを具備することを特徴とする超音
   波モータ。
2. （２）　前記電気−機械エネルギー変換手段は前記振動
   体に印刷される下部電極と、該下部電極にスクリーン印
   刷される圧電材料と、該圧電材料に印刷される上部電極
   とにより構成されることを特徴とする特許請求の範囲第
   （１）項記載の超音波モータ。
3. （３）　前記電気−機械エネルギー変換手段は前記振動
   体に印刷される下部電極と、該下部電極に塗布される圧
   電材料と、該圧電材料に印刷される上部電極とにより構
   成されることを特徴とする特許請求の範囲第（１）項記
   載の超音波モータ。