JPH03183377A - 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】 ［産業上の利用分野コ 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
単な捩り一拡がり複合振動子型超音波モータに関する。

［従来の技術］ 一般に、超音波モータは、異なる方向の２つの振動を組
み合わせて楕円運動を発生させ、前記楕円運動振動の発
生部分に回転自在に支持されたロータあるいは、移動子
を圧接することにより構成されている。

第７図は従来の縦−捩り振動子型超音波モータの構造例
を示す斜視図であり、圧電捩り振動子１０１および圧電
縦振動子１０２か接合され、さらにこれらの両側に金属
中空円柱１０３及び１０４が接合されて構成され縦〜捩
り複合振動子１０５の一方の端部の中心から軸１０６が
突き出され、軸受け１０７により回転自在に支持された
ロータ１０８がコイルバネ１０９及びナツト１１０によ
り前記縦−捩り複合振動子１０５の端面に圧接されてい
る。

ここで、軸１０６は前記縦−捩り複合振動子の振動の節
に固定されている。

第８図は第７図に示した超音波モータの捩り複合振動子
１０１の構造例を示す斜視図であり、リング状の圧電捩
り振動子１０１は４個の扇形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９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１１２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。

第８図に７すように、４（Ｆ、の扇形）圧電セラミック
ス板１１２がリング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１１２に発生したすべり歪みは
合成されて、リングの上下面が捩じれるような捩り歪み
となる。

第８図に示した従来の圧電捩り振動子１０１を作製する
場合は、まず、第１０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９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１１図（ａ）に示すように、矢印で示す厚さ方
向に分極された圧電セラミックスのブロック１１４から
、第１１図（ｂ）に示すように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、第１１図（Ｃ
）に示すように、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、第１１図（ｄ）
に示すように外周及び内周を中空円柱状に研磨した後、
第１１図（ｅ）に示すようにリング状に切断することに
より作製している。

第１２図は従来の圧電縦振動子１０２の一構造例であり
、両面に電極が施され、厚さ方向に分極された圧電セラ
ミックスリング１１６に電圧を印加し厚さ方向の振動（
縦振動と呼ぶ）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、第１４図
のように薄い圧電セラミックスリング１１６を複数個積
層して、圧電縦振動子１０２′を構成する場合もある。

［発明が解決しようとする課題］ 第８図に示した従来の圧電捩り振動子１０１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
９図、第１０図及び第１１図（ａ）　、　（ｂ）　、（
ｃ）　、　（ｄ）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。さらに、捩り振動と縦振動を同時
に得ようとした場合は第８図に示した圧電捩り振動子１
０２と第１２図又は第１３図に示した圧電縦振動子１０
２とを接着するため、やはり接着による特性のばらつき
と接着コストがかかるという問題があった。

そこで、本発明の技術的課題は、以上に示した従来の超
音波モータにおける欠点を除去し、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提供し
、さらに同一の圧電素子に拡がり振動子を形成した圧電
捩り一拡がり複合振動子を用いた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、圧電セラミックス中空円柱の長さ方向
の略中央部分の外周面に全周に渡って前記圧電セラミッ
クス中空円柱の軸方向に対してほぼ４５°の方向に交差
指電極を施して二端子とし、該交差指電極を用いて前記
圧電セラミックス中空円柱に分極処理を施し、該交差指
電極を用いて前記圧電セラミックス中空円柱に分極処理
を施し、該交差指電極間に交流電圧を印加して前記圧電
セラミックス中空円柱に捩り振動を励振可能とし、前記
圧電セラミックス中空円柱の少なくとも一方の端部近傍
に前記圧電セラミックス中空円柱の軸方向と平行な方向
に交差指電極を形成して夫々二端子とし、該交差指電極
を用いて前記圧電セラミックス中空円柱の端部近傍に分
極処理を施し、各々の交差指電極間の交流電圧を印加し
て前記圧電セラミックスの端部近傍に拡がり振動を励振
可能とした一体型捩り一拡がり複合振動子と、前記拡が
り振動子部分に、圧接された回転自在なロータとを備え
たことを特徴とする超音波モータが得られる。

本発明によれば、圧電セラミックス中空円柱の長さ方向
の略中央部分の外周面に全周に渡って前記圧電セラミッ
クス中空円柱の軸方向に対してほぼ４５°の方向に交差
指電極を施して二端子とし、該交差指電極を用いて前記
圧電セラミックス中空円柱に分極処理を施し、該交差指
電極を用いて前記圧電セラミックス中空円柱に分極処理
を施し、該交差指電極間に交流電圧を印加して前記圧電
セラミックス中空円柱に捩り振動を励振可能とし、前記
圧電セラミックス中空円柱の少なくとも一方の端部近傍
に前記圧電セラミックス中空円柱の円周方向と平行な方
向に交差指電極を形成して夫々二端子とし、該交差指電
極を用いて前記圧電セラミックス中空円柱の端部近傍に
分極処理を施し、各々の交差指電極間の交流電圧を印加
して前記圧電セラミックスの端部近傍に拡がり振動を励
振可能とした一体型捩り一拡がり複合振動子と、前記拡
がり振動子部分に、圧接された回転自在なロータとを備
えた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では、圧電捩り一拡がり複合振動
子において、まず圧電セラミックス中空円柱の外周面に
、該中空円柱の軸方向に対して４５°の方向に形成され
た第１及び第２の斜め電極を施して、第１の二端子とし
、この第１の二端子を用いて前記圧電セラミックス中空
円柱に分極処理を施すと、分極方向は、前記第１及び第
２の斜め電極の指電極方向と直角な方向となる。この状
態で、前記第１及び第２の斜め電極間に電圧を印加する
と、電圧の極性が分極の電圧の極性と同じ場合は、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、夫々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中空円柱に捩
り変位が発生する。

また、本発明の超音波モータでは、圧電捩り−拡がり振
動子において、圧電セラミックス中空円柱の外周面に該
中空円柱の軸に沿う方向に第１及び第２の縦電極を施し
て第２の二端子とし、つぎにこの第２の二端子を用いて
前記圧電セラミックス中空円柱に分極処理を施すと分極
方向は前記交差指電極の指電極方向と直角な方向、即ち
、中空円柱の円周方向となる。この状態で、前記交差指
電極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
圧の極性が分極時の電圧の極性よりもと逆の場合には、
分極の方向に縮み歪みが発生する。即ち、縦効果により
、中空円柱の直径が大きくなったり、小さくなったりす
る。

一方、本発明の超音波モータの圧電捩り一拡がり複合振
動子においては、圧電セラミックスの中空円柱の外周面
に、この中空円柱の円周に沿う方向に第１及び第２の周
電極を施して上記第２の二端子と同様の第２の二端子と
し、つぎにこの第２の二端子を用いて前記圧電セラミッ
クス中空円柱に分極処理を施すと分極方向は、前記交差
指電極の電極指方向と直角な方向、即ち、中空円柱の軸
に沿う方向となる。

この状態で、前記第２の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。

この結果、横効果により、中空円柱の直径が大きくなっ
たり、小さくなったりする。

［実施例コ 以下本発明の実施例について図面を用いて詳しく説明す
る。

第１図は本発明の超音波モータの一構造例を示す斜視図
である。

第１図において、圧電捩り一拡がり複合振動子２８の中
空部に軸６を貫通させ、圧電捩り一拡がり振動子２８の
内側で前記圧電捩り一拡がり複合振動子２８の共振の節
の部分で固定する。軸６の端部に軸受け８により回転自
在に支持されたカップ状ロータ８をスプリング９を介し
て六ット１０により圧電捩り一拡がり複合振動子２８の
端部外周面に圧接するように構成する。圧電捩り一複合
振動子２８は、捩り振動の共振の節の位置となる中央部
をリング状の支持枠３０で固定することが可能で、この
支持枠３０により安定な支持が可能になる。

第２図（ａ）　、（ｂ）　、　（ｃ）　、（ｄ）は本発
明の実施例に係る超音波モータに用いる圧電捩り一拡が
り複合振動子の動作原理の説明図である。

第２図（ａ）は圧電セラミックス−面に形成された交差
指電極を示す斜視図である。

第２図（ａ）において、圧電セラミックス板１７の一方
の面に、互いに平行に複数個の第１及び第２の指電極１
８．１９が形成され、夫々同じ側の端部同士が、１つお
きに共通電極１８゛１９−に接続され、交差指電極が形
成されている。

第２図（ｂ）　、（ｃ）、（ｄ）は第２図（ａ）の圧電
セラミックス板−面に形成された交差指電極を模式的に
示す断面図である。第２図（ａ）において、破線の矢印
１は、第２図（ａ）の指電極１８．１９を二端子５，６
として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（ｃ）　、　（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に端子５及
び６から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２は、電界の向きを示してい
る。

第２図（Ｃ）から分かるように、電圧の極性が分極時の
電圧の極性と逆の場合、即ち、実線の矢印２と破線の矢
印１とが逆方向の場合は、分極の方向に縮み歪みが発生
する。

第３図は中空円柱２０の両端面が図の矢印のように捩れ
ている場合に、中空円柱２０の外周面に発生する歪みの
状態を示しており、中空円柱２０の軸方向に苅して４５
°の角度方向で、しかも捩じれ矢印の向きに伸び歪みを
発生し、これと直角な方向に縮み歪みが発生している。

従って、圧電セラミックス中空円柱の外周面の中央部に
、第２図（ａ）で示したような交差指電極を指電極１８
゜１つの方向が圧電セラミックス中空円柱の軸方向に対
して４５°の角度となるように形成し、この交差指電極
を二端子として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、圧電セラミックス中空円柱２０の前記中央に隣接
する外周面に、第２図に示したような交差指電極を電極
指の方向が圧電セラミックス中空円柱の軸に沿う方向に
形成し、この交差指電極を二端子として用いて分極処理
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中空円柱の直
径が大きくなり、電圧の極性が分極時の電圧の極性と逆
の場合は、逆に直径が大きくなる。

一方、圧電セラミックス中空円柱の外周面に、第２図に
示したような交差指電極を指電極の方向が圧電セラミッ
クス中空円柱の円周方向と平行に形成し、この交差指電
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、中空円柱の長さがのび、電圧の極性が分極時の
電圧の極性と逆の場合には、中空円柱２０の長さが縮む
。

この結果、横効果により、中空円柱２０の直径は小さく
なったり大きくなったりする。

第４図は、本発明の実施例に係る超音波モータに用いら
れる圧電捩り一拡がり複合振動子の一構造例を示す斜視
図である。

第４図において、圧電セラミックス中空円柱２〕の略中
央部の外周面に軸方向に対して４５゜の角度となるよう
に、互いに平行に複数の第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２
２′及び２３′に接続されている。さらに、圧電セラミ
ックス中空円柱２１の一方の端部近傍に、軸方向と平行
に互いに交差する複数の第１及び第２の縦電極２４゜２
５が形成され、夫々同じ番号の電極が、第３及び第４の
共通電極２４−．２５−により、電気的に接続されてい
る。

第４図において、第１及び第２の共通電極２２′及び２
３′を第１の二端子とし、この第１の二端子間に直流高
電圧を印加して分極処理を施したのち、複合振動子の捩
りモードの共振周波数に等しい周波数の交流電圧を印加
すれば、圧電セラミックス中空円柱２１は両端部が捩じ
れるように共振する。

同様にして、第３及び第４の共通電極２４−２５′を第
２の二端子とし、この第２の二端子間に直流高電圧を印
加して分極処理を施した後、上記捩りの共振周波数に等
しい交流電圧を印加すれば圧電セラミックス中空円柱２
１の端部は、縦効果により、捩りの共振周波数で拡がり
振動する。

中空円柱２１の捩り振動の共振周波数は、中空円柱の長
さによって定まり、拡がり振動に対する共振周波数は中
空円柱の平均直径によって定まるため、平均直径を適当
に選定することにより、前記捩り振動の共振周波数と拡
がり振動の共振周波数とを同じにすることができる。

第５図は本発明の実施例に係る超音波モータに用いられ
る圧電捩り一拡がり複合振動子の他の構造例を示す斜視
図である。

第５図において、圧電セラミックス中空円柱の略中央部
の外周面に軸方向に対して４５°の角度となるように、
互い平行に複数の第１及び第２の斜め電極３２及び３３
が、第４図の圧電捩り一拡がり複合振動子と同様に形成
されている。それぞれ共通型！１ｉｉ３２−及び３３−
に接続されている。

さらに、圧電セラミックス中空円柱２１′の一方の端部
近傍に、円周に沿うに互いに平行に複数の第１及び第２
の周電極３４．３５が形成され、夫々同じ番号の電極が
第３及び第４の共通電極３４′及び３５″によって、電
気的に接続されている。

第５図において、第１及び第２の共通電極を第１の二端
子として、この第１の二端子間に直流高電圧を印加して
分極処理を施した後、複合振動子の捩りモードの共振周
波数に等しい周波数の交流電圧をこの第２の二端子に印
加すれば圧電セラミックス中空円柱２１−は両端部が捩
じれるように共振する。

同様にして、第３及び第４の共通電極３４゛３５゛を第
２の二端子し、この第２の二端子間にに直流高電圧を印
加して分極処理を施した後、上記捩りの共振周波数に等
しい交流電圧を印加すれば圧電セラミックス中空円柱２
１′端部は横効果により、捩りの共振周波数で拡がり振
動する。中空円柱の捩り振動の共振周波数は、中空円柱
の長さによって定まり、拡がり運動に対する共振周波数
は中空円柱の平均直径によって定まるため、平均直径を
適当に選定することにより、前記捩り振動の共振周波数
と拡がり振動の共振周波数とを同じにすることができる
。

第６図（ａ）第４図及び第５図の圧電捩り一振動子の振
動位置を示す正面図で、第６図（ｂ）　、　（ｃ）は第
６図（ａ）の圧電捩り一拡がり複合振動子２８の振動状
態の説明図である。第６図（ｂ）において、捩り振動に
対しては、圧電縦振り複合振動子２８の中央部が振動の
節となり、一方両端が最大の捩り変位を持つ。

第６図（Ｃ）に示すように、拡がり振動に対しても、中
央部が振動の節となり、両端で最大の拡がり変位量とな
る。

第６図（ｂ）　、　（ｃ）かられかるように、拡がり振
動に対する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、圧電捩り一拡がり複合振動子２８の端
部は、捩りの共振周波数と同期して直径方向の振動をす
る。したがって、圧電捩り一拡がり複合振動子２８の端
部の直径が拡がるとき一方向にねじれ、縮むとき逆方向
に捩じれる。この結果、圧電膜−捩り複合振動子２８の
端部近傍の外周面に楕円運動振動が発生する。捩り振動
あるいは、拡がり振動のいずれか一方の印加電圧の位相
を互いに１８０°異なるようにすると楕円運動振動の向
きが逆転する。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、超音波モータを
構成するための振動モードとして捩り振動と拡がり振動
を利用し、通常−膜内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中
空円柱を用いて、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及び圧
電拡がり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
きの少ない圧電膜−捩り複合振動子が得られる。

また、本発明によれば、圧電捩り一拡がり複合振動子を
用いて、超音波モータを構成すれば、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
効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る超音波モータの構造例を
示す斜視図、第２図（ａ）　、（ｂ）　、　（ｃ）　、
　（ｄ）は交差指電極を用いて分極および電圧印加を行
った場合の歪みの発生状態の説明図、第３図は圧電セラ
ミックス中空円柱を捩ったときの歪みの発生状態の説明
図、第４図は本発明の実施例に係る超音波モータに用い
られる圧電捩り一拡がり複合振動子の一構造例を示す斜
視図、第５図は本発明の実施例に係る超音波モータに用
いられる圧電捩り一拡がり複合振動子の他の構造例を示
す斜視図、第６図（ａ）　、（ｂ）　、（ｃ）は圧電捩
り一拡がり複合振動子の捩り変位及び拡がり変位の相対
的変位量の説明に供する図、第７図は従来の縦−捩り型
超音波モータの構造例を示す斜視図、第８図は従来の捩
り振動子の構造を示す斜視図、第９図および第１０図は
第８図の捩り振動子の製造工程の説明図、第１１図（ａ
）　、　（ｂ）　、（ｃ）　、（ｄ）　、（ｅ）は従来
の捩り振動子の製造工程の説明図、第１２図は従来の縦
振動子の一構造例を示す斜視図、第１３図は従来の縦振
動子の他の構造例を示す斜視図である。 図中、６・・・軸、７・・・軸受、８・・・ローター　
９・・・スプリング、１０・・・ナツト、１７・・・圧
電セラミックス薄板、１８．１９・・・指電極、１８−
．１９−・・、共通電極、２０・・・圧電セラミックス
中空円柱、２１．２１″・・・圧電セラミックス中空円
柱、２２゜２３．３２．３３・・・斜め電極（捩り振動
子用交差指電極）　、２２−．２３−．３２−．３３−
・・・共通電極、２４．２５・・・縦電極（縦効果拡が
り振動子用交差指電極）　、２４−．２５”・・・周電
極（横効果拡がり振動子用交差指電極）、２８・・・圧
電捩り一拡がり複合振動子、３０・・・支持枠、１０１
・・・圧電捩り振動子、１０２・・・圧電縦振動子、１
０３゜１０４・・・金属中空円柱、１０６・・・軸、１
０７・・・軸受、１０８・・・ローター　１０９・・・
スプリング、１１０・・・ナツト、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、］１６
・・・圧電セラミックスリング。 第２図 第７図 范８図 始９図 第１０図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．圧電セラミックス中空円柱の長さ方向の略中央部分
   の外周面に全周に渡って前記圧電セラミックス中空円柱
   の軸方向に対してほぼ４５°の方向に第１及び第２の斜
   め電極を形成して第１の二端子とし、該第１の二端子を
   用いて前記圧電セラミックス中空円柱に分極処理を施し
   、該第１の二端子間に第１の交流電圧を印加して前記圧
   電セラミックス中空円柱に捩り振動を励振可能とすると
   共に、前記圧電セラミックス中空円柱の少なくとも一方
   の端部近傍に前記圧電セラミックス中空円柱の軸に沿う
   方向に第１及び第２の縦電極を形成して第２の二端子と
   し、該第２の二端子を用いて前記圧電セラミックス中空
   円柱の端部近傍に分極処理を施し、該第２の二端子間に
   第１の交流電圧と周波数の等しい第２の交流電圧を印加
   して前記圧電セラミックスの端部近傍に拡がり振動を励
   振可能とした一体型捩り−拡がり複合振動子と、前記拡
   がり振動子部分に、圧接された回転自在なロータと を備えたことを特徴とする超音波モータ。
2. ２．圧電セラミックス中空円柱の長さ方向の略中央部分
   の外周面に全周に渡って前記圧電セラミックス中空円柱
   の軸方向に対してほぼ４５°の方向に第１及び第２の斜
   め電極を施して第１の二端子とし、該第１の二端子を用
   いて前記圧電セラミックス中空円柱に分極処理を施し、
   該第１の二端子間に第１の交流電圧を印加して前記圧電
   セラミックス中空円柱に捩り振動を励振可能とすると共
   に、前記圧電セラミックス中空円柱の少なくとも一方の
   端部近傍に前記圧電セラミックス中空円柱の円周に沿う
   方向に第１及び第２の周電極を形成して第２の二端子と
   し、該第２の二端子を用いて前記圧電セラミックス中空
   円柱の端部近傍に分極処理を施し、該第２の二端子間に
   前記第１の交流電圧と周波数の等しい第２の交流電圧を
   印加して前記圧電セラミックスの端部近傍に拡がり振動
   を励振可能とした一体型捩り−拡がり複合振動子と、前
   記拡がり振動子部分に圧接された回転自在なロータと を備えたことを特徴とする超音波モータ。