JPH0522966A - 超音波モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 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変換効率の高い捩り−拡がり
複合振動子を用いた超音波モータを提供する。さらに，
中空状の圧電捩り−拡がり複合振動子を用いることによ
り，ベアリングレスタイプとした。 【構成】 圧電セラミック中空円柱の長さ方向の略中央
部に形成され，この圧電セラミック中空円柱に捩り振動
を与える捩り振動部２０ａと前記捩り振動部２０ａの両
端部に形成されこの圧電セラミック中空円柱の端部近傍
に拡がり振動を与える拡がり振動部２０ｂ，２０ｃとを
有する一体型捩り−拡がり複合振動子２０と，一体型捩
り−拡がり複合振動子２０の端部に形成された摩擦部材
層２７，２７´と，摩擦部材層２７，２７´に圧接され
回転自在に支持されたロータとを備え，前記捩り振動部
２０ａの振動モードとして高次モードを利用した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【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。

【０００２】

【従来の技術】図３は従来の縦−捩り振動子型超音波モ
ータの構成例を示す斜視図である。図３において，圧電
捩り振動子１０１および圧電縦振動子１０２が接合され
これらの両端に中空金属円柱１０３及び１０４が接合さ
れて構成された縦−捩り複合振動子１０５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
ット１１０により前記縦−捩り複合振動子１０５の振動
の節に固定されている。

【０００３】図４は図３に示した圧電捩り振動子１０１
の一構成例を示す図である。図４において，リング状の
圧電捩り振動子１０１は４個の扇形の圧電セラミック板
１１２が接合されて構成されている。各々の扇形の圧電
セラミック板１１２は，図５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とな
る。

【０００４】図４に示した従来の圧電捩り振動子は次の
ように作成されている。まず，図６に示すように，幅方
向に分極処理された圧電セラミック板１１３から超音波
加工により扇形の圧電セラミック板を打ち抜いて図５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
ック板１１２を作り，これを４個接着して円板状に構成
するか，図７（ａ）に示すように，厚さ方向に分極され
た圧電セラミックのブロック１１４から，図７（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，図７（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，図７（ｄ）に示すように外周を円柱状に
研磨した後，図７（ｅ）に示すように円板状に切断する
ことにより，圧電捩り振動子１０１´を形成している。
尚，圧電捩り振動子１０１´の中央の孔部は，穿孔によ
り容易に得られる。

【０００５】図８は従来の圧電縦振動子１０２の一構成
例である。図８に示すように，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円板１０２に電圧を
印加し厚さ方向の振動を得るものである。尚，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
ク円板１１６を複数個積層して，図９の１０２´のよう
に形成する場合もある。リング状とするには，穿孔する
ことで容易に得られる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】図４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，図５，図６および図７に示し
たように圧電捩り振動子１０１又は１０１´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
た場合は図４又は図７（ｅ）に示した圧電捩り振動子１
０１又は１０１´と図８又は図９に示した圧電縦振動子
１０２又は１０２´とを接着して構成するため，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。

【０００７】そこで，本発明の一つの技術的課題は，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
動子を形成した変換効率の高い捩り−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。また，本
発明の他の技術的課題は，中空状の圧電捩り−拡がり複
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捩り−拡がり複合振動子の
両端部に圧接したベアリングレスタイプの超音波モータ
を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明によれば，圧電セ
ラミック中空円柱の長さ方向の略中央部に形成され，該
圧電セラミック中空円柱に捩り振動を与える捩り振動部
と前記捩り振動部の両端部に形成され，前記圧電セラミ
ック中空円柱の端部近傍に拡がり振動を与える拡がり振
動部とを有する一体型捩り−拡がり複合振動子と，前記
一体型捩り−拡がり複合振動子の少なくとも一端部に形
成された摩擦部材層と，前記摩擦部材層に圧接され回転
自在に支持されたロータとを備えた捩り−拡がり型超音
波モータにおいて，前記捩り振動部の振動モードとして
高次モードを利用したことを特徴とする超音波モータが
得られる。

【０００９】ここで，本発明において，前記捩り振動部
とは，前記圧電セラミック中空円柱の外周面に全周面に
渡って前記圧電セラミック中空円柱の長さ方向に対して
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
ク中空円柱に分極処理を施し，該第１の二端子に交流電
圧を印加して前記圧電セラミック中空円柱に捩り振動を
励起可能としたものである。

【００１０】また，本発明において，前記拡がり振動部
とは，前記圧電セラミック中空円柱円周方向に平行な方
向にそれぞれ第１，第２及び第３，第４の周電極を施し
て第２及び第３の二端子とし，該第２及び第３の二端子
を用いて前記圧電セラミック中空円柱に分極処理が施さ
れており，該第２及び第３の二端子に交流電圧を印加し
て前記圧電セラミック中空円柱の端部近傍に拡がり振動
を励起可能としたものである。

【００１１】

【作用】本発明の捩り−拡がり型超音波モータにおい
て，一体型捩り−拡がり複合振動子の少なくとも一端部
に形成された耐摩耗部材の層に回転自在に支持された円
板のロータを圧接して構成している。捩じり振動部によ
る捩り振動モードとして，高次モードを利用し，これに
拡がり振動部による拡がり振動モードの共振周波数に略
一致させることによって，捩り振動と，拡がり振動を同
一の共振周波数で効率良く励振させる。

【００１２】

【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。図１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。図１において，圧電捩り
−拡がり複合振動子２０は，両端に耐摩耗性の部材層２
７，２７´が形成されている。更に，圧電捩り−拡がり
複合振動子２０内部に軸２８を通し，耐摩耗性の部材層
２７，２７´に接するように回転自在に支持されたロー
タ２９，２９´をコイルバネ３０及び３０´を介してネ
ジ３１及び３１´によって締め付けている。

【００１３】図２は図１の超音波モータに用いられる圧
電捩り−拡がり複合振動子の一実施例を示す斜視図であ
る。図２において，圧電捩り−拡がり複合振動子２０は
圧電セラミック中空円柱２０´の略中央部に形成された
圧電捩り振動部２０ａと，この圧電捩り振動部２０ａの
長さ方向両側に形成された第１及び第２の圧電拡がり振
動部２０ｂ，２０ｃとを有する。

【００１４】圧電捩り振動部２０ａは，圧電セラミック
中空円柱２０´の外周部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２１及び２２が形成され，夫々共通電極２１
´，２２´に接続され，斜め交差指電極を構成してい
る。

【００１５】さらに，圧電捩り振動部２０ａの両側に第
１及び第２の圧電拡がり振動部２０ｂ，２０ｃが形成さ
れている。第１の圧電拡がり振動部２０ｂは圧電セラミ
ック中空円柱２０´の外周部分に円周方向と平行に互い
に交差する複数の第１及び第２周電極２３，２４が形成
され，それぞれ同じ符号の電極が電気的に接続され，周
交差指電極を構成している。また，第２の圧電拡がり振
動部２０ｃは第１の圧電拡がり振動部２０ｂと同様な第
３及び第４の周電極２５，２６が形成され，それぞれ同
じ符号の電極が電気的に接続され周交差指電極を構成し
ている。

【００１６】図２において，共通電極２１´及び２２´
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すと分極方向は前記第１及び第
２の斜め電極２１，２２の長さ方向と直角な方向とな
る。この状態で，第１の二端子間に捩じり振動子の共振
周波数に等しい交流電圧を印加すれば，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，分極の方向と直角な方向
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
生し，圧電セラミック中空円柱２０´は両端部が捩じれ
るように共振する。

【００１７】同様にして，第１及び第２の周電極２３，
２４を第２の二端子とし，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，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。即ち，圧電セラミック
中空円柱２０´は，捩じりの共振周波数で拡がり振動を
行う。

【００１８】一方，第１の圧電拡がり振動部２０ｂと同
様に第２の圧電拡がり振動部２０の第３及び第４の周電
極２５，２６を第３の二端子とし，第３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，第１の圧電拡
がり振動部２０ｂと同様に，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。即ち，同様に圧電セラミッ
ク中空円柱２０´は，捩じりの共振周波数で拡がり振動
を行う。従って，第１，第２及び第３の二端子間に上記
交流電圧を印加すれば，圧電セラミック中空円柱２０´
は，両端部に捩じり振動を発生するとともに前記中空円
柱の径方向の拡がり振動を発生する。

【００１９】図１に戻って，圧電セラミック中空円柱２
０´が捩れ，径方向に縮むとき，前記圧電セラミック中
空円柱２０´は長さ方向に伸びる。このとき，捩り振動
モードとして高次モードを利用し，拡がり振動と同一の
共振周波数で効率良く励振させる。従って，本発明の構
造によると振動エネルギーをロータに摩擦伝達する効率
が良く夫々が励振される。

【００２０】

【発明の効果】以上示したように，本発明によれば，超
音波モータ用圧電拡がり振動子及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
子を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
電捩り−拡がり複合振動子を用いることで，特性のばら
つきのない超音波モータを提供することができる。

【００２１】また，本発明によれば，圧電捩り−拡がり
複合振動子の形状が中空円柱となっているため，中空部
に軸を貫通させ，２つのローターを同時に耐摩耗部材層
に圧接させ安定に回転させることができる超音波モータ
が実現できる。更に，本発明によれば，捩り振動と拡が
り振動の共振周波数が殆ど一致していることにより一つ
の駆動周波数で各々を効率良く励振させるベアリングレ
スタイプの超音波モータを提供することができる。

【００２２】以上，本発明によれば，捩り−拡がり複合
振動子用いて超音波モータを構成しているので，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】

【図１】本発明の実施例に係る超音波モータの構成を示
す組立分解図である。

【図２】図１の超音波モータに用いられる圧電捩り−拡
がり複合振動子の一実施例を示す斜視図である。

【図３】従来の縦−捩り振動子型超音波モータの構成例
を示す斜視図である。

【図４】図３に示した圧電捩り振動子の一構造例を示す
図である。

【図５】図４に示した圧電捩り振動子の製造工程の一例
を示す図である。

【図６】図４に示した圧電捩り振動子の製造工程の一例
を示す図である。

【図７】（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）は図
４に示した圧電捩り振動子の製造工程の他の例を示す図
である。

【図８】従来の圧電縦振動子の一例を示す図である。

【図９】従来の圧電縦振動子の他の例を示す図である。

【符号の説明】

２０ 圧電捩り−拡がり複合振動子 ２０´ 圧電セラミック中空円柱 ２０ａ 圧電捩り振動部 ２０ｂ 第１の圧電拡がり振動部 ２０ｃ 第２の圧電拡がり振動部 ２１ 第１の斜め電極 ２２ 第２の斜め電極 ２１´ 共通電極 ２２´ 共通電極 ２３ 第１の周電極 ２４ 第２の周電極 ２５ 第３の周電極 ２６ 第４の周電極 ２７ 耐摩耗性の部材 ２７´ 耐摩耗性の部材 ２８ 軸 ２９ ロータ ２９´ ロータ ３０ バネ ３０´ バネ ３１ ネジ ３１´ ネジ １０１ 圧電捩り振動子 １０２ 圧電縦振動子 １０３ 中空金属円柱 １０４ 中空金属円柱 １０５ 縦−捩り複合振動子 １０６ 軸 １０７ 軸受 １０８ ロータ １０９ コイルバネ １１０ ナット １１２ 圧電セラミック板 １１４ 圧電セラミックのブロック １１５ 正四角柱状の圧電セラミック

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 圧電セラミック中空円柱の長さ方向の略
   中央部に形成され，該圧電セラミック中空円柱に捩り振
   動を与える捩り振動部と前記捩り振動部の両端部に形成
   され，前記圧電セラミック中空円柱の端部近傍に拡がり
   振動を与える拡がり振動部とを有する一体型捩り−拡が
   り複合振動子と，前記一体型捩り−拡がり複合振動子の
   少なくとも一端部に形成された摩擦部材層と，前記摩擦
   部材層に圧接され回転自在に支持されたロータとを備え
   た捩り−拡がり型超音波モータにおいて， 前記捩り振動部の振動モードとして高次モードを利用し
   たことを特徴とする超音波モータ。