JPH0340764A

JPH0340764A - 超音波モータ

Info

Publication number: JPH0340764A
Application number: JP1173132A
Authority: JP
Inventors: Mitsuo Tamura; 光男田村; Tetsuo Yoshida; 哲男吉田
Original assignee: Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 1989-07-06
Filing date: 1989-07-06
Publication date: 1991-02-21
Anticipated expiration: 2012-12-17
Also published as: JP2691617B2

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−捩り振動子型超音波モータに関する。

［従来の技術］第８図は従来の縦−捩り振動子型超音波モータに用いら
れている縦−捩り複合振動子１０１の構造例の斜視図で
あり、圧電捩り振動子１０２および圧電縦振動子１０３
が金属中空円柱１０４を介して接合され、さらにこれら
の両側に金属中空円柱１０５及び１０６が接合されてい
る。

第９図は’Ｊ８図に示した縦−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を示す斜視図であ
り、縦−捩り複合振動子１０１の一方の端部の中心に軸
１０７が立てられ、軸受け１０８により回転自在に支持
されたローター１０９がコイルバネ１１０及びナツト１
１１により前記縦−捩り複合振動子１０１の端面に圧接
されている。

第１０図は第８図に示した圧電捩り振動子の構造例であ
り、リング状の圧電捩り振動子１０２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１１図に示
すようにそれぞれ扇の弦の方向１１２ａ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１０図に示すように、４個の扇形の圧電セラミックス
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１０図に示した従来の圧電捩り振動子を作製する場合
は、まず、第１２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１１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１３図（ａ）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、第１３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１３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１３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１３図（ｅ
）に示すようにリング状に切断することにより形成して
いる。

第１４図は従来の圧電縦振動子１０３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１５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１０３′を構成する場合もある
。

［発明が解決しようとする課題］第１０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１０図、第１１図、第１２図および第１３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。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１
０図に示した圧電捩り振動子１０２と第１４図又は第１
５図に示した圧電縦振動子１０３、または１０３′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圧
電捩り振動子および縦−捩り複合振動子の欠点を除去し
、加工が簡単で、接着工程のない、ばらつきの少ない圧
電捩り振動子を提供し、これを用いた超音波モータを提
供することにある。

さらに、本発明の別の技術的課題は、捩り振動子の共振
周波数と縦振動子の共振周波数を合わせることが容易な
圧電縦−捩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外周面に
中心軸に交差し互いに平行に複数の斜め電極を形成し、
該複数の斜め電極により分極し、交流電圧を印加して、
両端に捩り振動を励起する圧電捩り振動子と、圧電縦振
動子の端面に金属材を接合して形成され、中心軸方向に
伸縮振動を励起する棒状のランジュバン型縦振動子とを
もち、前記圧電捩り振動子内に前記ランジュバン型縦振
動子を挿入した圧電縦−捩り複合振動子と、前記圧電縦
−捩り複合振動子の一端側に圧接されるローターとを備
え、前記ローターは、前記伸縮振動及び前記捩り振動を
該ローターの中心軸回りの回転運動に変換することを特
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は、圧電域−捩り複合振動子と、
ロータとを備えている。

圧電域−捩り複合振動子は、圧電捩り振動子と棒状のラ
ンジュバン型縦振動子とをもち、この圧電捩り振動子内
にランジュバン型縦振動子が挿入されている。

圧電捩り振動子は、圧電セラミックス中空円柱の外周面
に中心軸に交差し互いに平行に複数の斜め電極を形成し
、該複数の斜め電極により分極し、交流電圧を印加して
、両端に捩り振動を励起する。

棒状のランジュバン型縦振動子は、圧電捩り振動子と、
圧電縦振動子の端面に金属材を接合することにより構成
され、中心軸方向に伸縮振動を励起する。

ローターは、この圧電域−捩り複合振動子一端側に圧接
され、これらの縦振動及び捩り振動をこのローターの中
心軸回りの回転運動に変換する。

［実施例］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図は本発明の実施例に係る超音波モータの構造を示
す斜視図である。後述するように、圧電捩り振動子２１
内に、これと略等しい長さの圧電縦振動子２７を挿入す
ることにより形成された圧電域−捩り複合振動子２１．
２７の一方の端部に、軸受け８により回転自在に支持さ
れたローター９をスプリング１０を介して圧接して構成
する。

圧電縦振動子２７は圧電捩り振動子内の捩り振動の共振
の節の位置となる支持枠３０て支持固定することが可能
であり、安定な支持をすることができる。

第２図（ａ）　、（ｂ）　、（ｃ）及び（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振動子の
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第１及び第２の指電極
１８．１９が形成され、それぞれ一つおきに第１及び第
２の接続電極１８’、１９’に接続され、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（Ｃ）に示すように、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、一
方、第２図（ｄ）に示すように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図は圧電セラミックス中空円柱２０の両端面が図の
矢印のように捩じれている場合に、圧電セラミックス中
空円柱２０の外周面に発生する歪みの状態を示しており
、圧電セラミックス中空円柱２０の軸方向に対して４５
″の角度の方向で、しかも破線で示す矢印の向きに伸び
縮みが発生し、これと−点鎖線の矢印で示す直角な方向
に縮み歪みが発生している。

従って、第３図に示す圧電セラミックス中空円柱２０の
外周面に、第２図で示したような第１及び第２の交差指
電極を、第３図に示すように交差指の方向が圧電セラミ
ックス中空円柱２０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
は、圧電セラミック中空円柱２０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。

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
る圧電捩り振動子の一例を示す斜視図である。この図に
おいて、圧電捩り振動子２１は、圧電セラミックス中空
円柱２０−の中央部分の外周面にこの圧電セラミックス
中空円柱２０′長さ方向に対して４５°の角度となるよ
うに延在し、互いに交差する複数の第１及び第２の斜め
電極２２および２３がこの電極の長さ方向に対して交差
する方向に交互に形成され、夫々この圧電セラミックス
中空円柱２０″の周面両端に、円周方向に沿って第１及
び第２の共通電極２２′および２３′に接続されて、捩
り振動子２１を形成している。

第４図において、第１及び第２の共通電極２２′および
２３′間に直流高電圧を印加して、圧電セラミックス中
空円柱２０′の第１及び第２の斜め電極の長さ方向に直
交する方向に分極処理を施した後、圧電複合振動子部２
１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２０′は両端部が捩じれるよ
うに共振する。

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
るランジュバン型縦振動子２７の一橋造例を示す斜視図
である。この図において、ランジュバン型縦振動子２７
は、円柱状の圧電縦振動子１０Ｂの両端に、この圧電縦
振動子１０３と同径の金属円柱２５．２５の夫々の一端
を接合し、更に、金属円柱２５．２５の夫々の他端に、
この金属円柱よりも径の大きい共振周波数調整用の金属
円柱２５”、２５−を夫々接合して構成されている。

尚、金属円柱２５と共振周波数調整用の金属円柱２５′
とは一体形成したものでも良い。

このランジュバン型縦振動子は、超音波洗浄機や超音波
加工機に広く用いられている。特に、捩り振動子と同じ
長さで捩り振動子２１の共振周波数とするためにランジ
ュバン型振動子の両端部近傍の直径を中央部分の直径よ
り太く構成している。

本実施例の超音波モータは、この振動子の両端部の直径
を中央部より太くすると、付加質量の効果により同じ長
さの均一直径のランジュバン型振動子に比べて共振周波
数が低くなることを利用している。

第６図は本発明の超音波モータに用いられる圧電縦−捩
り振動子の一例を示す斜視図である。

この図において、圧電捩り振動子２１の中空部分に、前
記ランジュバン型縦振動子２７を配置し、前記圧電振動
子の長さ方向中央部の振動の節と、翁記縦振動子の長さ
方向中央部の振動の節を薄板状のリング２８を用いて接
合している。この場合、圧電縦−捩り振動子の振動状態
は、振幅で表現すると第７図（ａ）に示すようになる。

即ち、捩り振動及び縦振動ともに、圧電縦−捩り振動子
２１゜２７の中央部が振動の節となるように振動する。

第７図（ａ）から分かるように、圧電縦−捩り振動子２
１．２７の両端部は、逆向きに捩じれる。

また、縦振動に対しては、゛第７図（ｂ）に示すように
、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、圧電縦−捩り振動子２１゜２７の両端部は、捩
りの共振と同期して、長さ方向の伸縮振動（縦振動）を
する。従って、圧電縦−捩り振動子２１．２７の端部に
回転自在に支持されたロータを一定の弾性をもって圧接
すると縦振動子が浮力を、捩り振動子がトルクを夫々半
周期でロータに与え、ロータを回転させる。この場合に
捩り振動の印加電圧か縦振動印加電圧の位相を１８０”
変化させると回転の向きが逆転する。

［発明の効果コ以上示したように、本発明によれば、超音波モータ用圧
電捩り振動子において、通常−船釣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
り振動子が得られるため、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捩り振
動子が得られる。

また、本発明によれば、圧電縦振動子として従来一般に
広く用いられているランジュバン型縦振動子を用い、更
に、両端部近傍の直径を中央部分の直径より太く構成す
ることにより、捩り振動子の長さと同じ長さで、しかも
、共振周波数も略等しくしすることが可能で、効率の高
い超音波モータが実現できる。

【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圧電捩り振動
子の構造を示す斜視図、第５図は本発明の超音波モータ
に用いられるパイプ状ランジュバン型縦振動子の構造例
を示す斜視図、第６図は本発明の実施例に係る圧電縦−
捩り振動子の構造を示す一部切欠斜視図、第７図（ａ）
は第６図の圧電縦−捩り複合振動子の捩り変位の相対的
な大きさを示す図、第７図（ｂ）は第６図の圧電縦−捩
り複合振動子の伸び変位の相対的な大きさを示す図、第
８図は従来の縦−捩すランジュバン型振動子の構造を示
す斜視図、第９図は従来の縦−捩り型超音波モータの構
造を示す斜視図、第１０図は従来の捩り振動子の一構造
例を示す斜視図、第１１図および第１２図は従来の捩り
振動子の製造工程の一例の説明図、第１３図（ａ）。（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）は従来の捩り振動子の
製造工程の他の例の説明図、第１４図は従来の縦振動子
の一構造例を示す斜視図、第１５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、８・・・軸受け、９・・・ローター　１０・・・
スプリング、１７・・・圧電セラミックス板、１８．１
９・・・指電極、１８−．１９−・・・接続電極、２０
゜２０＝・・・圧電セラミックス中空円柱、２１・・・
圧電縦振動子、２７・・・圧電捩り複合振動子、２２゜
２３・・・斜め電極、２２−．２３−・・・共通電極、
２７・・・ランジュバン型縦振動子、２５・・・金属円
柱、２５′・・・共振周波数調整用の金属円柱、２８・
・・薄板状のリング、３０・・・支持枠、１０１・・・
圧電縦−捩り複合振動子、１０２・・・圧電捩り振動子
、１０３．１０３−・・・圧電縦振動子、１０４゜１０
５．１０６・・・金属中空円柱、１０７・・・軸、１０
８・・・軸受、１０９・・・ローター　１１０・・・ス
プリング、１１１・・・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、１１６１
１６゛・・・圧電セラミックスリング。始９図皺鉄第１０図第１１図第１２図（ｅ）第１３図嶋ト１０２

Claims

【特許請求の範囲】１、圧電セラミックス中空円柱の外周面に中心軸に交差
し互いに平行に複数の斜め電極を形成し、該複数の斜め
電極により分極し、交流電圧を印加して、両端に捩り振
動を励起する圧電捩り振動子と、圧電縦振動子の端面に
金属材を接合して形成され、中心軸方向に伸縮振動を励
起する棒状のランジュバン型縦振動子とをもち、前記圧
電捩り振動子内に前記ランジュバン型縦振動子を挿入し
た圧電縦−捩り複合振動子と、前記圧電縦−捩り複合振動子の一端側に圧接されるロー
ターとを備え、前記ローターは、前記伸縮振動及び前記捩り振動を該ロ
ーターの中心軸回りの回転運動に変換することを特徴と
する超音波モータ。