JPH02237478A - 超音波モータ - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明はＯＡ機器等に用いられる圧電振動子の超音波振
動を用いたいわゆる超音波モータに関し、特に構造が簡
単な縦一捩り振動子型超音波モータに関する。

〔従来の技術〕

第９図は従来の縦一捩り振動子型超音波モータに用いら
れている縦一捩り複合振動子１０１の構造例の斜視図で
ある。圧電捩り振動子１０２および圧電縦振動子１０３
が金属円柱４を介して接合され、さらにこれらの両側に
金属円柱５、および６が接合されている。この場合金属
円柱の代りに金属円筒を用いることができる。第１０図
は第９図に示した縦一捩り複合振動子１０１を用いて構
成した超音波モータの構造例の斜視図であり、縦一捩り
複合振動子１０１の一方の端部の中心部に少なくとも振
動の節点まで達する穴が形成され、その穴部に穴径より
も細い軸７が挿入され、前記接点で複合振動子１０１に
固定されている。さらに軸受け８により回転自在に支持
されたローター９がコイルバネ１０およびナット１１に
より前記縦一捩り複合振動子１０１の端面に圧接されて
いる。第１１図は第９図に示した圧電捩り振動子の構造
例であり、円板状の圧電捩り振動子１０２は４個の扇形
の圧電セラミックス板１１２が接合されて構成されてい
る。各々の扇形の圧電セラミックス板１１２は第１２図
に示すようにそれぞれ扇の弦の方向に分極処理が施され
ており、扇形の圧電セラミックス板の上下面に電極を施
し、上下電極間に直流電圧を印加すると扇形の圧電セラ
ミックス板には板厚と平行なすべり歪みが発生する。

４個の扇形の圧電セラミックス板１１２が円板状に接合
されている場合、各々の扇形の圧電セラミックス板に発
生したすべり歪みは合成されて、円板の上下面が捩じれ
るような捩り歪みとなる。

第１１図に示した従来の圧電捩り振動子においては、ま
ず第１３図に示すように、幅方向に分極処理された圧電
セラミックス板１１３から超音波加工により扇形の圧電
セラミックス板を打ち抜いて第１２図に示すような扇の
弦の方向に分極された扇形の圧電セラミックス板１１２
を作り、これを４個接着して円板状に構成するか、第１
４図に示すように、厚さ方向に分極された圧電セラミッ
クスのブロック１１４から、分極方向が対角線の方向と
なるような正四角柱１１５を切り出し、４本の正四角柱
１１５を分極方向が閉じたループとなるように重ねて接
着し、外周をバイブ状に研磨した後、円板状に切断する
などしている。

第１５図は従来の圧電縦振動子の構造例であり、両面に
電極が施され、厚さ方向に分極された圧電セラミックス
円板１０３に電圧を印加し厚さ方向の振動を得るもので
ある。低い印加電圧で大きな振動振幅を得るために、薄
い圧電セラミックス円板１１６を複数個積層して第１６
図の１０３′のように構成する場合もある。

［発明が解決しようとする課題］ 第１１図に示した従来の圧電捩り振動子１０２において
は、複数個の圧電セラミックスが接着されて構成されて
いるため、接着による特性のばらつきが大きい。また、
第１２図、第１３図および第１４図に示したように圧電
捩り振動子１０２を得るための加工が複雑で、コスト的
にも非常に費用がかかるものであった。

本発明の技術的課題は、以上に示した従来の圧電捩り振
動子を用いた超音波モータの欠点を除去し、加工が簡単
で、接着工程のない、ばらつきの少ない圧電捩り振動子
を用いた超音波モータを提供することにある。

また本発明の別の技術的課題は中空状の圧電縦−捩り複
合振動子を用いることにより、中空部を貫通する軸によ
り二つのローターを前記圧電縦一捩り複合振動子の両端
部に圧接した２ローター型の超音波モータを提供するこ
とにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明によれば、中心軸と直交する第１の断面形状を有
するとともに前記中心軸の回りに捩り振動を行う圧電捩
り振動子と、該捩り振動子の一端に一端が対向するよう
に配され、前記第１の断面形状と実質的に等しい第２の
断面形状を有するとともに前記中心軸方向に伸縮振動を
行う圧電縦振動子と、前記圧電捩り振動子の他端に一端
が接合され、前記第１の断面形状と実質的に等しい第３
の断面形状を有する第１の金属材と、前記圧電縦振動子
の他端に一端が接合され前記第１の断面形状と実質的に
等しい第４の断面形状を有する第２の金属材とを有する
ランシュバン型縦一捩り複合振動子と、前記第１及び第
２の金属材の少《とも一方の他端に圧接されるロータと
を有し、前記圧電捩り振動子は、外周面を有する圧電セ
ラミックスと、前記外周面に該圧電セラミックスの前記
中心軸に対して交差する方向で交互に配された複数の第
１の斜め電極及び複数の第２の斜め電極を有することを
特徴とする超音波モータが得られる。

［作　用〕 本発明の超音波モータに用いる圧電縦一捩り複合振動子
は、まず圧電セラミックス円柱の外周而に該圧電セラミ
ックスの長さ方向に対して好ましくは４５＠の方向に第
１及び第２の交差指電極を施し，て二端子とし、つぎに
この二端子を用いて前記圧電セラミックス円柱バイブに
分極処理を施すと分極方向は前記第１及び第２の交差指
電極の長さ力向と直角な方向となる。

この状態で前記二端子に電圧を印加すると、電圧の極性
が分極時の電圧の極性と同じ場合は分極の方向に伸び歪
みが発生し、電圧の極性がこの分極時の電圧の極性と逆
の場合は分極の方向に縮み歪みが発生する。分極方向に
伸びあるいは縮み歪みが発生した場合は分極方向と直角
な方向にはそれぞれこれらと反対に縮みあるいは伸び歪
みが発生する。

以上の結果として前記圧電セラミックス円柱に捩り変位
が発生する。この圧電セラミックス円柱は、中空部を有
する圧電セラミックス円筒でも同様に、捩り変位が発生
する。

このような圧電捩り振動子と従来の縦方向に伸縮する圧
電縦振動子を一端同士をそろえて、また、他端にそれぞ
れ金属材の一端を接合して、この金属材の他端が捩り振
動と縦振動とが合成された縦一捩り複合振動即ち、一端
が軸に沿う面内で楕円振動を行ウランジュバン型縦一捩
り複合振動子を形成する。この複合振動子の少くとも一
端にローターを圧接すると、この圧接された金属材の他
端の縦一捩り複合振動は、ローグーの回転運動に変換さ
れる。

［実施例］ 以下本発明について図面を用いて詳しく説明する。

実施例１ 第１図は本発明の第１の実施例に係る超音波モータの構
造を示す斜視図であり、第４図に示した圧電捩り振動子
１と第１５図に示した圧電縦振動子を用い、さらにこれ
らの両側に金属円柱５、および６を接合してランジュバ
ン型縦一捩り振動子とし、このランジュバン型縦一捩り
振動子の一方の端面に第１０図の場合と同様な方法で軸
７が、ランジュバン型振動子の振動の節点に固定され、
軸受８により回転自在に支持されたローター９がスプリ
ング１０を介してナット１１によりランジュバン型縦一
捩り振動子の一方の端面に圧接されて構成されている。

第２図は本発明の第１の実施例に係る超音波モータに用
いる圧電捩り振動了の動作原理の説明図である。第２図
（ａ）において、圧電セラミックス板１７の一方の面に
は互いに交差する複数個の電極１８．１９が形成され、
それぞれ一つおきに共通電極１８’，１９’　に接続さ
れ第１及び第２の交差指電極を形成している。第２図（
ｂ）において破線の矢印はこのような第１及び第２の交
差指電極を用いて分極処理を施したときの分極の向きを
示しており、第２図（ｅ），（ｄ）は第２図（ｂ）のよ
うに分極処理された圧電セラミックス板１７に直流電圧
を印加した場合に発生する歪みの状態を示しており、実
線の矢印は電界の向きを示している。

第２図（ｅ）　，　（ｄ）から分かるように、電圧の極
性が分極時の電圧の極性と同じ場合は分極の方向に伸び
歪みが発生し、電圧の極性が分極時の電圧の極性と逆の
場合は分極の方向に縮み歪みが発生する。

第３図は円柱２０の両端面が図の矢印のように捩じれて
いる場合に、円柱２０の外周面に発生する歪みの状態を
示しており、円柱２０の軸方向に対して４５°の角度の
方向で、しかも捩じれの破線の矢印の向きに伸び縮みが
発生し、これと直角な一点鎖線で示される矢印の方向に
縮み歪みが発生している。

従って圧電セラミックス円柱の外周面に、第２図に示し
たような第１及び第２の交差指電極を交差指の方向が圧
電セラミックス円柱の長さ方向に対して４５°の角度と
なるように形成し、この第１及び第２の交差指電極を用
いて分極処理を行い、同じ交差指電極に直流電圧を印加
すると、電圧の極性が分極時の電圧の極性と同じ場合に
圧電セラミックス円柱は一方向に捩じれ、電圧の極性が
分極時の電圧の極性と逆の場合は逆方向に捩じれる。

また、圧電セラミックスが円筒の場合も、同様な捩り振
動を発生する。

第４図は本発明の第１の実施例に係る超音波モータに用
いられる圧電捩り振動子の一実施例の構造を示す斜視図
であり、リング状圧電セラミックス２０′の略半分の部
分の外周面に長さ方向に対して４５″の角度となるよう
に、互いに交差する複数の第１及び第２の斜め電極２２
及び２３が形成され、それぞれ第１及び第２の共通電極
２２′および２３′に接続されている。第４図において
、共通電極２２′および２３′間に直流高電圧を印加し
て分極処理を施した後、この捩り振動子の共振周波数に
等しい周波数の交流電圧を印加すればリング状圧電セラ
ミックス２０′は両端部が捩じれるように共振する。

実施例２ 第５図は本発明の第２の実施例に係る超音波モータの構
造例の斜視図であり、バイブ状ランジュバン型圧電縦一
捩り複合振動子２の中空部に、軸２６を貫通させ、軸２
６の両端部に軸受８，８′により回転自在に支持された
ロークー９．９′がスプリング１０．１０’を介してナ
ット１１，１１′によりランジュバン型縦一捩り振動子
の端而に圧接されて構成されている。

第６図は本発明の第２の実施例に係る超音波モータに用
いられるバイブ状ランジュバン型圧電縦−捩り複合振動
子２の構造を示す斜視図である。

第４図に示した圧電捩り振動子１と第１５図に示した従
来の圧電縦振動子１０３をエボキシ樹脂等の接着材で接
着し、この両側に金属バイブ５′および６′を同様の接
着材で接合して構成されている。圧電捩り振動子１の位
置は図に示したように、捩り振動子の部分の中心がラン
ジュバン型振動子２の全長ｇのほぼｌ／４の位置に配置
する。この場合、ランジュバン型振動子２の振動状態は
第７図に示すようになる。すなわち、捩り振動に対して
は、捩り振動子の部分の中心がランジュバン型振動子の
全長ｇのほぼ１／４の位置に配置されているため、ラン
ジュバン型振動子の全長ｇのほぼ１／４の位置が振動の
節となるような振動モードで共振する。第７図から分か
るように、ランジュバン型振動子２の両端部はこの振動
子の中心軸回りに同じ向きに捩じれる。また、縦振動に
対しては、印加電圧の周波数を捩りの共振周波数と同じ
周波数とすると、ランジュバン型振動子２の両端部は捩
りの共振と同期してこの振動子の中心軸方向の伸縮振動
をする。したがって、捩り振動の振幅が大きくなるタイ
ミングに伸び振動が最大となるよ・５に二つの印加電圧
の位相を調節すると、ランジュバン型縦一捩り振動子の
両面は、中心軸に沿う而内で楕円振動する。この場合に
一方の印加電圧の位相を１８０”変化させると楕円振動
の向きが逆転する。

第８図は本発明の第２の実施例に係る超音波モータに用
いられるバイブ状ランジュバン型圧電縦一捩り複合振動
子の他の構造例を示す斜視図であり、第４図に示した圧
電捩り振動子１と第１５図に示した圧電縦振動子１０３
の中空部に端部外周にねじの切られたパイプ状のボルト
２８を貫通させ、この両側に内周に前記ボルトと螺合す
るネジの切られた金属パイブ５゛，および６−を締め付
けて構成されている。第８図においても捩り振動子の位
置をランジュバン型振動子３の全長ｇのほぼｌ／４の位
置に配置すると第７図のランジュバン振動子の場合と同
様な原理で振動する。

第５図で示した超音波モータは前述したようにランジュ
バン型縦一捩り複合振動子の端面は同じ向きに捩じれる
ため、二つのローター９，９′は同一方向に回転する。

またランジュバン型縦一捩り複合振動子は捩り振動の共
振の節の位置となる両端部から１／４の位置をリング状
の支持枠２７．２７’で支持固定することが可能で安定
な支持が可能となる。

［発明の効果］ 以上示したように本発明よれば、超音波モータ用圧電縦
振動子および捩り振動子として通常一般的に適用されて
いるプレス成型技術により容易に製造することが可能な
圧電セラミックス円柱を用いて、これらの外周面にこれ
も一般的な技術である電極印刷を施すことにより圧電捩
り振動子および圧電縦振動子が一体形状として得られる
ため、製造が容易で、接着工程や複雑な加工工程による
特性のばらつきの少ない超音波モータが得られる。

更に、圧電セラミックス円柱の代りに圧電セラミックス
円筒を用いても、同様な超音波モータが得られる。

また本発明によれば、バイブ状圧電縦一捩り複合振動子
の中空部に軸を貫通させ、二つのローターを同時に回転
させる方式の超音波モータが実現できロータ間より幅の
広い物も駆動することができる。以上、本発明の超音波
モータはこの圧電縦−捩り複合振動子を用いているので
構造が簡単で、特性のばらつきの少ない超音波モータが
得られ、実用的な効果が大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例に係る超音波モータの構
造を示す斜視図、第２図は交差指電極を用いて分極及び
電圧印加を行った場合の歪みの発生状態の説明図、第３
図は円柱状弾性体を捩ったときの歪みの発生状態の説明
図、第４図は本発明の第１の実施例に係る超音波モータ
の圧電捩り複合振動子を示す斜視図、第５図は本発明の
第２の実施例に係る超音波モータの構造を示す斜視図、
第６図は本発明の第２の実施例に係る超音波モータに用
いられるバイブ状ランジュバン複合振動子の構造を示す
斜視図、第７図は第６図のパイプ状ランジュバン複合振
動子の変位の大きさを示す説明図、第８図は本発明の第
２の実施例に係る超音波モータに用いられるパイプ状ラ
ンジュバン型圧電縦一捩り複合振動子の他の構造例を示
す斜視図、第９図は従来の縦一捩リランジュバン型振動
子の構造を示す斜視図、第１０図は従来の縦一捩り型超
音波モータの構造を示す斜視図、第１１図は従来の捩り
振勤子の構造を示す斜視図、第１２図および第１３図は
従来の捩り振動子の製造工程の説明図・、第１４図は従
来の捩り振動子の製造工程の説明図、第１５図は従来の
縦振動子の構造を示す斜視図、第１６図は従来の縦振動
子の他の構造を示す斜視図である。 図中、１：圧電縦一捩り複合振動子、２：圧電捩り振動
子、３：圧電縦振動子、４，５．５’５”，６．６’　
．６”：金属円柱、７：軸、８：軸受、９：ローター　
１０＝スプリング、１１：ナット、１７：圧電セラミッ
クス薄板、１８，１９：交差指電極、１８’，１９’　
　：共通電極、２０：円柱状弾性体、２０′　：リング
状圧電セラミックス、２２．２３：捩り振動子用交差指
電極、２２’　　２３’：共通電極、２４．２５：縦振
動子用交差指電極、２６：軸、２７．２７’　　：支持
枠、２８：パイプ状ボルト、１０１：圧電縦一捩り複合
振動子、１０２：圧電捩り振動子、１０３：圧電縦振動
子、１１２：扇型圧電セラミックス板、１１３，１１４
：圧電セラミックス板、１１５：圧電セラミックス板角
柱、１１６：圧電セラミツ第２図 第３図 第４図 第８図 第９図 第１１図 第１２図 第１３図 第１０図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 中心軸と直交する第１の断面形状を有するとともに前記
   中心軸の回りに捩り振動を行う圧電捩り振動子と、該捩
   り振動子の一端に一端が対向するように配され、前記第
   １の断面形状と実質的に等しい第２の断面形状を有する
   とともに前記中心軸方向に伸縮振動を行う圧電縦振動子
   と、前記圧電捩り振動子の他端に一端が接合され、前記
   第１の断面形状と実質的に等しい第３の断面形状を有す
   る第１の金属材と、前記圧電縦振動子の他端に一端が接
   合され前記第１の断面形状と実質的に等しい第４の断面
   形状を有する第２の金属材とを有するランシュバン型縦
   −捩り複合振動子と、 前記第１及び第２の金属材の少くとも一方の他端に圧接
   されるロータとを有し、 前記圧電捩り振動子は、外周面を有する圧電セラミック
   スと、前記外周面に該圧電セラミックスの前記中心軸に
   対して交差する方向で交互に配された複数の第１の斜め
   電極及び複数の第２の斜め電極を有することを特徴とす
   る超音波モータ。