JPH0340766A - 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−捩り振動子型超音波モータに関する。

［従来の技術］ 第７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８図は第７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１
０７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１１
１により前記縦−捩り複合振動子１０１の端面に圧接さ
れる構造を有する。

第９図は第７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１０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９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９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１１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・ソクス板を打ち抜いて第１０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１２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１２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１２１％（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１２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１２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１３図は従来の圧電縦振動子１
０３の一橋造例であり、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９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図および第１２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９図に示した圧
電捩り振動子１０２と第１３図又は第１４図に示した圧
電縦振動子１０３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、さらに同一の圧電素子に縦振動
子を形成した圧電績−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１ｃよれば、圧電セラミックス中空円柱の中心軸
方向の中央部に形成され、捩り振動を励起する圧電捩り
振動子部と該圧電捩り振動子部の両側に形成され、軸方
向に伸縮振動を励起する一対の縦振動子部とをもち、該
圧電セラ・ミックス中空円柱の両端に前記捩り振動と前
記伸縮振動の合成された縦−捩り複合振動を行う圧電績
−捩り複合振動子とローターとを備えた超音波モータに
おいて、前記圧電績−捩り複合振動子は、前記伸縮振動
の共振周波数を調整するために前記両端に接合される一
対の付加部材と、該一対の付加部材の少なくとも一方に
接合される耐磨耗部材とを備え、前記ローターは、前記
耐磨耗部材に圧接され、前記縦−捩り複合振動を該ロー
ターの軸周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　用コ 本発明の超音波モータは、縦−捩り複合振動子部を有す
る圧電セラミックス中空円柱からなる圧電域−捩り複合
振動子と、この圧電域−捩り複合振動子の両端に接合さ
れた一対の付加部材と、この一対の付加部材の少なくと
も一方に接合した耐磨耗部材と、この耐磨耗部材に圧接
され、前記縦−捩り複合振動を回転運動に変換するロー
ターとを有する。

圧電域−捩り複合振動子部は、圧電セラミックス中空円
柱の中心軸方向の中央部に形成された圧電捩り振動子部
とこの圧電捩り振動子部の両側に形成された一対の圧電
縦振動子部とをもち、この圧電セラミックス中空円柱の
両端に縦−捩り複合振動を励起する。

また、付加部材は、この圧電域−捩り複合振動子の伸縮
振動の共振周波数調整のために設けられ、る。

さらに、この付加部材に耐磨耗部材が接合されている。

一方、ローターはこの耐磨耗部材に圧接され、圧電域−
捩り複合振動子の端部の捩り複合振動を回転運動に変換
する。

この圧電捩り振動子部はこの圧電セラミ・ソクス中空円
柱の外周面に該中心軸に交差し、互いに平行に形成され
た複数の斜め電極をもち、この複数の斜め電極を用いて
分極されている。

このような斜め電極に、第１の周波数をもつ第１の交流
駆動電圧を印加するとこの圧電セラミックス中空円柱の
両端には捩り振動が励起される。

また、これら一対の縦振動子部は、この圧電セラミック
ス中空円柱の外周面に該中心軸に直交して平行に形成さ
れた複数の周電極を夫々もち、この複数の周電極を用い
て分極し、これら複数の周電極に第２の交流駆動電圧を
印加すると、この圧電セラミックス中空円柱の両端には
、伸縮振動が励起される。

従って、第２の交流駆動電圧の周波数を捩り振動の周波
数に等しく調節し、夫々、対応する電極間に第１の交流
駆動電圧及び第２の交流駆動電圧を印加すると、圧電セ
ラミックス中空円柱の両端に捩り振動と伸縮振動が複合
された縦−捩り振動が励起される。

この縦−捩り振動は、付加部材に接合された摩擦部材に
圧接されたローグーによりこのローターの軸回りの回転
運動に変換される。

［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。後述する圧電域−捩り複合振動子２８
を長さ方向の中心部で支持枠３０により支持し、その一
方の端部に接合されている付加部材２つの外側端面に摩
擦部材３１を接合し、さらに支持枠３０を固定するため
の外枠３２に固定された軸受け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により圧電域−捩り
複合振動子２８の端面の摩擦部材３１に圧接して構成さ
れている。

この付加部材２つは、２枚の円板の端面を細棒で連結し
た形状を有し、圧電域−捩り複合振動子２８の他端に接
合されている付加部材２つも同様な形状を有する。

第２図（ａ）　、（ｂ）　、　（ｅ）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域−捩り複
合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
の面には互いに平行に複数個の第１及び第２の指電極１
８．１９が交互に形成され、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、一対の第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（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の外周面に発生ず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、しかも捩じれの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（ａ）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、交差指の長さ方向に対して直角方向に圧電
セラミックスの円柱に分極処理を行い、同じ交差指電極
間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。

さらに、圧電セラミックス中空円柱２０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中空円柱２０の円周方向と平
行に形成し、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・ンクス中空円柱２０は長さ方向に伸び、電圧の極
性が分極時の電圧の極性と逆の場合は逆に長さ方向に縮
む。

一般に、円柱或いは中空状円柱圧電振動子において、捩
り振動モードの共振周波数と、縦振動モードの共振周波
数は等しくなく、両者ともに振動子の中央部分が振動の
節になるようないわゆる址本振動の場合、縦振動の共振
周波数は、捩り振動の共振周波数の約１．５倍となる。

効率の良い超音波モータを得るためには、縦振動の共振
周波数と、捩り振動の共振周波数をできるだけ近くする
のが良い。

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
る圧電績−捩り複合振動子部の一例を示す斜視図である
。この図において、圧電績−捩り複合振動子部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
長さ方向に対して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および２３が、
この電極の長さ方向に直交する方向に交互に形成され、
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、捩り振動子部２１ａを形成している。

さらに、この４５″の交差指電極の両側の部分の外周面
に円周方向に複数の第１及び第２の周電極２４，２５．
及び第３及び第４の周電極２６゜２７が互いに平行に、
圧電セラミックス中空円柱２０′の長さ方向に交互に形
成され、夫々同じ番号の電極が、第１及び第２の縦電極
２４′２５″、及び第３及び第４の縦電極２６′２７′
により、夫々電気的に接続され、一対の圧電縦振動子部
２１ｂ、２１ｃ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′及び２
３′間に直流高電圧を印加して分極処理を施した後、圧
電績−捩り複合振動子部２１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２
０−は両端部が捩じれるように共振する。

同様にして第１及び第２の周電極２４及び２５間、及び
第３及び第４の周電極２６及び２７間の夫々に直流高電
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２０′は捩りの共振周波数でこの圧電セラミックス
中空円柱２０′の長さ方向に伸縮振動（縦振動）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
る圧電績−捩り複合振動子２８の一構造例を示す斜視図
である。この図において、圧電績−捩り複合振動子２８
は、第４図に示した圧電績−捩り複合振動子２１の両側
に２枚の円板の中心部を細棒結合した形状の付加部材２
９．２９″が接合されている。

第５図において、捩り共振モードの共振周波数は付加部
材２９．２９−の夫々の２枚の円板２９ａ、２９ｂ及び
２９ａ”、２９ｂ−を結合する細棒２９ｃ、２９ｃ”の
効果により、図に示したＬｌの部分即ち付加部材２９．
２９−の夫々の２枚の円板の内、内側の円板を含む振動
子の長さによって定まり、縦振動モードの共振周波数は
、付加部材２９．２９−の夫々の２枚の円板の内の外側
の円板が付加質量として、共振周波数を下げるように働
くため、円板の寸法を適当に選定することにより、捩り
振動の共振周波数と縦振動の共振周波数を合わせること
ができる。この場合、圧電縦−捩り複合振動子２８の振
動状態は第６図（ａ）及び（ｂ）に示すようになる。す
なわち、捩り振動に対しては、圧電縦−捩り複合振動子
２８の中央部分が振動の節となり、付加部材２９゜２９
′の夫々の円板の内、内側の円板の部分が振動の節とな
り、付加部材２９．２９”の夫々２枚の円板の内、外側
の円板の部分が、振動の腹になる。

第６図（ａ）から分かるように、圧電縦−捩り複合振動
子２８の両端部及び付加部材２つ。

２９′は逆向きに捩じれる。

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、圧電縦−捩複合振動子
２８の両端部及び付加部材２９゜２９゛は捩りの共振と
同期して長さ方向の伸縮振動し、伸縮歪みの方向は、第
６図（ｂ）のようになる。

従って、圧電縦−捩り複合振動子の２８の端部が振動の
節の位置から両側に伸びるときの捩り振動の変位の向き
が逆向きになり、圧電縦−捩り振動子２８の両端部に逆
向きの楕円振動が発生する。

このように一体型縦一捩り複合振動子の両端部に、２枚
の円板の中心部を細棒で結合した形状の付加部材を接合
することにより、縦−振動モードと捩り振動モードの共
振周波数を合わせることが可能で効率の高い超音波モー
タが得られる。

′［発明の効果］ 以上示したように、本発明によれば、超音波モータ用圧
電縦振動子及び捩り振動子として、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圧電縦−捩り複合振動子
が得られる。

また、本発明によれば、縦振動モードと捩り振動モード
の共振周波数を合わせることが可能で効率の高い超音波
モータが得られる。

以上、本発明によれば、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、実用的な効果が大きい
。

【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圧電縦−捩り
複合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振動子の構
造例を示す斜視図、第６図（ａ）は第５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
６図（ｂ）は第５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７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８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９
図は従来の捩り振動子の構造を示す斜視図、第１０図お
よび第１１図は従来の捩り振動子の製造工程の説明図、
第１２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１３図は従来の
縦振動子の構造を示す斜視図、第１４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、７・・・軸、８・・・軸受、９・・・ローター　
１０・・・スプリング、１７・・・圧電セラミックス薄
板、１８．１９・・・交差指電極、１８−．１９″・・
・接続電極、２０・・・圧電セラミックス中空円柱、２
０′・・パ圧電セラミックス中空円柱、２１・・・縦−
捩り複合振動子部、２１ａ・・・捩り振動子部、２１ｂ
。 ２１ｃ・・・縦振動子部、２２．２３・・・斜め電極（
捩り振動子用交差指電極）、２２−．２３−・・・共通
電極、２４．２５，２６．２７・・・周電極（縦振動子
用交差指電極）、２４”、２５−　２６−２７°・・・
縦電極、２８・・・圧電績−捩り複合振動子、２９．２
９−・・・付加部材、３０・・・支持枠、３１・・・耐
磨耗材、３２・・・外枠、１０１・・・圧電績−捩り複
合振動子、１０２・・・圧電捩り振動子、１０３゜１０
３′・・・圧電網−振動子、１０４，１０５゜１０６・
・・金属中空円柱、１０７・・・軸、１０８・・・軸受
、１０９・・・ローター　１１０・・・スプリング、１
１１・・・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、１１６゜１１６′・・
・圧電セラミックスリング。 第２図 第３図 第４図 第５図 第９図 第１０図 第１１図 第１３図 第１４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、圧電セラミックス中空円柱の中心軸方向の中央部に
   形成され、捩り振動を励起する圧電捩り振動子部と該圧
   電捩り振動子部の両側に形成され、軸方向に伸縮振動を
   励起する一対の縦振動子部とをもち、該圧電セラミック
   ス中空円柱の両端に前記捩り振動と前記伸縮振動の合成
   された縦−捩り複合振動を行う圧電縦−捩り複合振動子
   とローターとを備えた超音波モータにおいて、 前記圧電縦−捩り複合振動子は、前記伸縮振動の共振周
   波数を調整するために前記両端に接合される一対の付加
   部材と、該一対の付加部材の少なくとも一方に接合され
   る耐磨耗部材とを備え、前記ローターは、前記耐磨耗部
   材に圧接され、前記縦−捩り複合振動を該ローターの軸
   周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。