JPH06113565A - 超音波モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】圧電素子のコストを下げ安価で、安定した特性
が得られる超音波モータを提供することを目的とする。 【構成】超音波振動を伝達拡大する２つの共振器１６，
１２と、これら２つの共振器１６，１２の間に配置さ
れ、交流電圧の印加によって超音波振動を発生する第
１，第２の圧電素子２，３と、上記２つの共振器１６，
１２および第１，第２の圧電素子２，３を圧着固定する
締結部材１７とからなる超音波振動子７と、上記共振器
１６の端部に圧接され、該端部に発生する楕円運動によ
り駆動される回転子２１とを具備し、上記第１，第２の
圧電素子は、軸方向に対して垂直で、かつ互いに９０°
ずれた２つの方向にそれぞれ分極されている２つのすべ
り振動子であることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波モータ、詳しく
は、電気−機械エネルギー変換素子より発生する振動を
利用して回転する超音波モータに関する。

【０００２】

【従来の技術】特開平３−２８９３７５号公報に開示さ
れている技術手段を例にとって従来例を説明する。

【０００３】図１０は、従来の超音波振動子の一例を示
した分解斜視図である。

【０００４】この図に示すように、電気−機械エネルギ
ー変換素子には、中心を通り２分割された分極方向が反
転している圧電素子１０３，１０４が用いられ、これら
圧電素子１０３，１０４は分極境界線が互いに９０°ず
れるように配置されている。また、圧電素子１０９は上
記圧電素子１０３，１０４と同形状であって分極方向も
２分割されている。これらの圧電素子１０３，１０４，
１０９と電極板１０５，１１０，１１１と絶縁板１１２
とを、金属円筒１０２とホーンを有する金属円筒１０１
との間に挾み、中心を締結部材であるボルト１０６で圧
着固定し、超音波振動子が形成されている。また、金属
円筒１０１のホーンの部分には、ロータ１０８が配置さ
れている。

【０００５】上記圧電素子１０３，１０４に位相が９０
°ずれた正弦波の電圧を印加することによって、上記超
音波振動子に屈曲振動が発生し、ロータ１０８が回転さ
れるよになっている。そして、振動の状態は圧電素子１
０９から、発生する電圧値，位相差によって判定され、
モータ出力が最適な状態になるように駆動電圧の周波数
を変更するようになっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した従
来例では、屈曲振動を発生させるために厚み方向に分極
され、分極方向が中心を通り２分割された圧電素子を駆
動用および振動検出用として用いている。このような圧
電素子は分極方向を反転させなければならないため、分
極処理に時間がかかりコスト高になるという問題点があ
った。また、分極方向の境界線において変位が逆転する
ため、境界線に沿って圧電素子に大きな応力がかかり、
亀裂や割れが発生し、超音波振動子の出力を低下させた
り、共振周波数が変化する等の問題が生じていた。

【０００７】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであり、圧電素子のコストを下げ安価で、安定した特
性が得られる超音波モータを提供することを目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段および作用】上記の目的を
達成するために本発明による超音波モータは、超音波振
動を伝達拡大する２つの共振器と、これら２つの共振器
の間に配置され、交流電圧の印加によって超音波振動を
発生する電気−機械エネルギー変換素子と、上記２つの
共振器および電気−機械エネルギー変換素子を圧着固定
する締結部材とからなる超音波振動子と、上記共振器の
端部に圧接され、該端部に発生する楕円運動により駆動
される被駆動部材とを具備し、上記電気−機械エネルギ
ー変換素子は、軸方向に対して垂直でかつ９０°ずれた
２つの方向にそれぞれ分極されている２つのすべり振動
子であることを特徴とする。

【０００９】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。

【００１０】図１は、本発明の第１実施例である超音波
モータの構成を示した分解斜視図であるが、まず、この
第１実施例の超音波モータ全体を説明するに先立ち、該
超音波モータにおける超音波振動子の概念的な構成・作
用を述べる。

【００１１】本実施例では、電気−機械エネルギー変換
素子として、端面においてすべり方向に分極されたすべ
り振動子を用いている。図７は、本実施例で採用される
滑り振動子を示した斜視図および該振動子の側面図であ
り、すべり振動子の分極方向を矢印により示している。

【００１２】上記すべり振動子に両端面に電圧を印加す
ると、電界方向が分極方向と直角のため図８に示すよう
に変形し、端面にすべりが発生する。

【００１３】図９は、上記すべり振動子を用いた本実施
例における超音波振動子の概略図を示している。図に示
すように、２つのすべり振動子７２が分極方向が互いに
９０°ずれるように配置され、両端から、たとえば、金
属材料で構成される共振器７１によって挾まれ、さら
に、中心に配置された、たとえばボルト等で構成された
締結部材７３で圧着固定されている。

【００１４】上記２つのすべり振動子７２に互いに位相
が９０°ずれた正弦波の電圧を印加すると、屈曲振動が
中心軸周りに回転する超音波振動子が得られる。

【００１５】１枚のすべり振動子には、変位の方向が反
転する部分が無いので、従来の問題点である境界線での
亀裂、割れの発生が無く特性が安定している。また、従
来の圧電素子の境界線の部分は分極処理ができないた
め、圧電素子に未使用の部分が発生するが、境界線を有
さない本実施例におけるすべり振動子は全面分極でき、
無駄な部分が全くなく高効率である。また、分極方向が
一方向ですむため製作の時間が短縮でき非常に安価であ
る。

【００１６】なお、応力ゼロの状態で単位の電界を与え
たときに生ずる歪率である圧電定数(m/V) をみると、一
般に、エネルギーの変換能力を表わす電気−機械結合係
数が同等であっても、すべり方向の圧電定数ｄ15は縦方
向の圧電定数ｄ33よりも大きく、比較的大きな振動振幅
が超音波振動子から得られやすい。よって、モータの出
力が向上し、高トルクが得られる。

【００１７】次に、上述した超音波振動子を適用した本
第１実施例の超音波モータについて説明する。

【００１８】図１は、本発明の第１実施例の超音波モー
タの構成を示す分解斜視図、図２は、該超音波モータの
断面図である。なお、本実施例では、電気−機械エネル
ギー変換素子として電圧印加面に銀蒸着が施された圧電
素子を用いる。

【００１９】この図１および図２に示すように、この超
音波モータは、３枚の電極板１３，１４，１５間にそれ
ぞれ配設された第１の圧電素子２，第２の圧電素子３
と、該第１，第２の圧電素子２，３をその端面で挟むよ
うに配設された第１の共振器１６および第２の共振器１
２と、これら構成部材を軸方向に一体に締結する締結部
材１７とを具備する超音波振動子７と、該超音波振動子
７の一端面（上端面）に圧接され、同超音波振動子７の
超音波振動によって所定方向に回転する被駆動部材であ
る回転子２１とで主要部が構成されている。

【００２０】上記第１，第２の圧電素子２，３は、中空
円部を有する円盤形状を呈したすべり振動子であり、超
音波振動子７の軸方向に対して垂直になるように、図
中、矢印の方向に分極されている。そして、該第１の圧
電素子１と第２の圧電素子２とは、その分極方向が互い
に９０°ずれるようにして積層方向に配設されている。

【００２１】上記電極板１３，１４，１５は、上記第
１，第２の圧電素子２，３とほぼ同型の径を有する電圧
印加用の銅製電極板であり、それぞれリード線半田付け
用の端子Ａ，Ｇ，Ｂが突設されていて、それぞれ図示し
ない電源に接続されている。

【００２２】また、上記第１，第２の圧電素子２，３お
よび上記電極板１３，１４，１５および第２の共振器１
２で振動発生部１１が構成される。

【００２３】上記第１の共振器１６は底部１６ｂを有す
る中空の円筒形状であって、振動伝達に優れた材質、た
とえば、アルミニウム合金，ステンレス，リン青銅，ジ
ュラルミン，チタン合金で構成され、本実施例ではＳＵ
Ｓ４４０Ｃを熱処理し、硬度をＨｖ８００以上にしたも
の用いている。また、本実施例では該第１の共振器１６
にアルミニウム合金にシュウ酸アルマイト被膜を施して
いて、さらに蒸気封孔処理によって該アルマイトの微小
孔を底部まで水和物で充填している。

【００２４】上記第１の共振器１６の底部１６ｂの中心
部には上記締結部材１７に螺刻されたねじ部と螺合する
ねじ部１８が設けられ、該締結部材１７と螺合してい
る。また、この底部１６ｂの上方の該第１の共振器１６
の内部は上端面において開口部を形成しているカップ形
状の中空部２０となっていて、該第１の共振器１６の上
端面における振動が該締結部材１７によって規制されな
いようになっている。さらに、該第１の共振器１６の上
部１６ａ外周側面には中心軸と平行に複数の垂直溝２２
が形成されていて、該共振器上部１６ａを垂直方向に８
当分して８つの変位拡大振動片６を形成している。ま
た、該共振器上部１６ａと上記共振器底部１６ｂとの間
の外周側面には中心方向へ向かって周溝２５が形成され
ている。さらに、上記各変位拡大振動片６の、超音波振
動子７の屈曲振動の節となる位置には中心方向へ向かっ
て溝６ａがそれぞれ形成されている。

【００２５】上記第１，第２の圧電素子２，３の下部に
は、該圧電素子２，３とほぼ同大同型の接触面を有する
第２の共振器１２が配設されていて、該第２の共振器１
２と上記第１の共振器１６とで上記電極板１３，１４，
１５および第１，第２の圧電素子２，３を挟むようにな
っている。この第２の共振器１２は、上記第１の共振器
１６と同等な材質で構成されている。

【００２６】上記第２の共振器１２下部は下方に向かっ
てテーパー２８が形成された略円錐形状を呈し、該略円
錐の先端部は中心軸周りに突出部２９が形成されていて
図示しない外部固定部との接触面積を少なくしている。

【００２７】なお、上記電極板１３と上記第１の共振器
１６との間、および上記電極板１５と上記第２の共振器
１２との間には、たとえばアルミナで形成された、中空
円部を有する円盤形状の絶縁部材が配設されている。

【００２８】上記超音波振動子７は、上記第１，第２の
圧電素子２，３，電極板１３，１４，１５，第１および
第２の共振器１６，１２とを図１に示す如く積層し、中
心に上記締結部材１７を貫通させ、各構成部材間にエポ
キシ系接着剤を塗布した後、該締結部材１７に配設され
た圧着ナット３０と上記第２共振器１２とによって各構
成部材を圧着し、該接着剤を硬化させて構成される。

【００２９】一方、上記締結部材１７には、上記第２の
共振器１２のさらに下方にもボルトが形成されている。
そして、該締結部材１７は該第２の共振器１２より上方
において上記超音波振動子７を圧着するとともに、上記
回転子２１を支持し、該第２の共振器１２より下方にお
いては該超音波振動子７の下端面を図示しない固定部材
に圧着支持して超音波モータを固定するようになってい
る。

【００３０】上記第１の共振器１６の上端面、すなわ
ち、超音波振動子７の上端面には該超音波振動子７の超
音波振動によって所定方向に回転する回転子２１が複数
のベアリング２６を介して該締結部材１７に軸支されて
配設されている。また、該回転子２１の、上記超音波振
動子７との接触面の反対側には上記締結部材１７に軸支
された皿ばね３１およびナット３２とによる可変押圧機
構が配設されていて該回転子２１の圧着力を可変できる
ようになっている。上記回転子２１は、たとえばアルミ
合金で構成され、その表面はシュウ酸アルマイト処理が
施されている。さらに、上記回転子２１の、超音波振動
子７との接触部近傍には薄肉ばねフランジ部３３が２箇
所において形成され、該回転子２１の接触部の固有振動
数を超音波振動子７の駆動周波数よりも高くしている。

【００３１】このように構成される超音波モータは、上
記電極板１３，１５の端子Ａ，Ｂに共振周波数附近の正
弦波電圧を時間的に９０°ずらして印加し（ｓｉｎω
ｔ，ｃｏｓωｔ）、上記電極板１４の端子Ｇをアースす
ることで、超音波振動子７に一次モードの屈曲振動が該
振動子７の中心軸周りに回転する運動が発生し、回転子
２１が所定方向に回転する。

【００３２】次ぎに、このような本実施例の作用につい
て説明する。

【００３３】上記第１，第２の圧電素子２，３に位相が
９０°ずれた共振周波数附近の正弦波電圧を印加する
と、超音波振動子７において中心軸の周りに回転する屈
曲振動が発生する。よって、該超音波振動子７の端面に
は中心軸周りに回転する楕円運動が発生し、上記押圧機
構によって押圧設置された回転子２１が回転する。ま
た、上記駆動電圧の位相差を１８０°ずらすと、上記超
音波振動子７に逆回転の楕円運動が発生し、同回転子２
１が逆回転する。

【００３４】そして、本実施例では電気−機械エネルギ
ー変換素子として一方向分極されたすべり方向の振動を
する圧電素子２，３を用いたため、厚み方向に振動する
圧電素子よりも高い圧電定数が得られ、大きな振幅の屈
曲振動を発生することができる。また、圧電素子２，３
の内部に変位の方向が反転する境界線が無いため、応力
による亀裂，割れの発生が皆無となり、全面使用でき、
無駄の少ない圧電素子となる。

【００３５】したがって、本実施例では屈曲振動を励振
する圧電素子をすべり振動子としたことで、大振動振幅
による高トルクが得られる。また、圧電素子に亀裂等が
発生せず、モータ出力を安定に維持することができる。
そして、圧電素子が安価に製作できるため、低コスト化
が図れる。

【００３６】図３は、本発明の第２実施例の超音波モー
タにおける圧電素子の配置を示した要部分解斜視図であ
る。

【００３７】この第２実施例は、上記第１実施例におけ
る第１，第２の圧電素子２，３をそれぞれ２毎ずつ設け
計４枚にした実施例である。その他の構成は上記第１実
施例と同様であるので、同一部分の説明は省略する。ま
た、同図３は圧電素子の配置のみを示したもので電極板
等の他の構成部材は省略している。

【００３８】この第２実施例は、電気−機械エネルギー
変換素子として上記第１実施例と同様にすべり振動子を
用いている。すなわち、第１の圧電素子群４１と第２の
圧電素子群４２は分極方向（図中、矢印で示す）が互い
に９０°ずれるように配置され、各圧電素子群中の２枚
の圧電素子２，３は分極方向が同一方向になるように配
置される。また、図示しない駆動回路により、位相が９
０°ずれた正弦波電圧（ｓｉｎωｔ，ｃｏｓωｔ）が図
示の如く印加される。

【００３９】本実施例によれば、すべり振動子の増加に
よってより大きな振幅の屈曲振動を得ることができる。
そして、各圧電素子群中の圧電素子の端面では、アース
となるため、第１の共振器１６（図１参照）の、電極板
１３（図１参照）との接触面に絶縁処理を施す必要もな
く、締結部材１７をセラミックス等で構成する必要もな
くなる。したがって、大きな振動振幅によって、高トル
ク化が実現でき、また、安価な締結部材を使用すること
ができ、さらに絶縁処理の省略等によって低コスト化が
図れる。

【００４０】図４は、本発明の第３実施例である超音波
モータの構成を示した分解斜視図である。

【００４１】この第３実施例は、基本的には上記第１実
施例と同様な構成を成し、該第１実施例において振動検
出用の圧電素子を追加したものである。

【００４２】電極板１５と第２の共振器１２との間に
は、絶縁部材５１と検出用のすべり振動子５３および電
極板５２，５４がそれぞれ図示の如く配置されている。

【００４３】上記絶縁部材５１は振動伝達を疎外しない
ように、たとえばセラミックスやアルミ合金にアルマイ
ト処理されたもの等が適しており、本実施例ではアルミ
ナセラミックスを用いている。

【００４４】検出用の上記すべり振動子５３は、駆動用
のすべり振動子である第１，第２の圧電素子２，３と同
様に分極処理が施されており、該第１の圧電素子２ある
いは第２の圧電素子３のうち、何れかの分極方向に一致
して設置されている。本実施例では第２の圧電素子３の
分極方向と一致して設置している。

【００４５】上記電極板５２は振動検出の信号Ｓを出力
し、電極板５４はＧＮＤに接続されている。

【００４６】図５は、上記電極板５２の出力信号Ｓ、す
なわち振動検出信号の一検出例を示した線図である。

【００４７】本実施例のような構成においても、共振周
波数附近で検出信号Ｓ２の電圧値が最大となり、駆動電
圧Ｓ１との位相差に一定の関係が得られる。なお、すべ
り振動子は圧電定数が大きいため、厚み方向の振動子よ
りも鋭敏に振動を検出することができる。このような振
動検出の信号を駆動回路にフィードバックし、超音波振
動子の共振点を追尾するのに用いることができる。

【００４８】振動検出用の圧電素子５３もすべり振動子
とすることで低コスト化が図れ、鋭敏な振動検出が可能
となる。

【００４９】図６は、上記第３実施例における駆動用の
圧電素子群の変形例を示した要部分解斜視図である。

【００５０】この変形例は、上記第３実施例における駆
動用の圧電素子を、上記第２実施例と同様に４枚にて構
成している。すなわち、駆動用の第１，第２の圧電素子
群４１，４２の一方の端面に、電極板５４と振動検出用
のすべり振動子５３を設置する。この場合も、振動検出
用のすべり振動子５３の分極方向は第１の圧電素子群４
１もしくは第２の圧電素子群４２に一致させる。なお、
図中、符号４３，４４，４５，４６は、それぞれ第１実
施例と同様な電極板であり、図示の如く電圧が印加され
るようになっている。

【００５１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、圧
電素子のコストを下げ、安価で、安定した特性が得られ
る超音波モータを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例である超音波モータの構成
を示した分解斜視図である。

【図２】上記第１実施例の超音波モータの断面図であ
る。

【図３】本発明の第２実施例における駆動用の圧電素子
の配置を示した要部分解斜視図である。

【図４】本発明の第３実施例である超音波モータの構成
を示した分解斜視図である。

【図５】上記第３実施例における検出用の電極板からの
振動検出信号の一検出例を示した線図である。

【図６】上記第３実施例における駆動用の圧電素子の１
変形例を示した要部分解斜視図である。

【図７】上記実施例において用いられるすべり振動子の
分極方向を示した拡大斜視図と側面図である。

【図８】上記図７におけるすべり振動子の、分極方向へ
の変位を示す斜視図と側面図である。

【図９】上記実施例の超音波モータにおいて採用される
超音波振動子を示した要部拡大図である。

【図１０】従来の超音波振動子の一例を示した分解斜視
図。

【符号の説明】

２…第１の圧電素子 ３…第２の圧電素子 ６…変位拡大振動片 ７…超音波振動子 １２…第２の共振器 １３，１４，１５…電極板 １６…第１の共振器 １７…締結部材 ２１…回転子

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】超音波振動を伝達拡大する２つの共振器
   と、これら２つの共振器の間に配置され、交流電圧の印
   加によって超音波振動を発生する電気−機械エネルギー
   変換素子と、上記２つの共振器および電気−機械エネル
   ギー変換素子を圧着固定する締結部材とからなる超音波
   振動子と、 上記共振器の端部に圧接され、該端部に発生する楕円運
   動により駆動される被駆動部材と、 を具備する超音波モータにおいて、 上記電気−機械エネルギー変換素子は、軸方向に対して
   垂直で、かつ互いに９０°ずれた２つの方向にそれぞれ
   分極している２つのすべり振動子であることを特徴とす
   る超音波モータ。
2. 【請求項２】上記超音波振動子に発生する振動は、軸方
   向に対して垂直に配置されるすべり振動子によって検出
   されることを特徴とする、請求項１に記載の超音波モー
   タ。