JPH08154385A - 超音波振動子及び該超音波振動子を用いた超音波モー タ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、二種類の圧電素子を必要とせず構
成の簡略化が図れるとともに低電圧駆動可能な超音波振
動子を提供する。 【構成】 本発明の超音波振動子１０は、角柱状の弾性
体１１と、この弾性体１１の長手方向と平行な面の内の
少なくとも二つ以上の面に、それぞれの変位方向が弾性
体１１の長手方向に対し鋭角をなすように設けられた複
数の積層型圧電素子を上記弾性体１１の長手方向の端面
に設けられた駆動子１５と、を具備しており、上記複数
の積層型圧電素子に、互いに相位差を有する交番電圧印
加することにより、上記弾性体１１に長手方向に沿った
縦共振振動を発生させる構成とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電気機械変換素子を駆
動源とした超音波振動子及び該超音波振動子を用いた超
音波モータに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、電磁型モータに代わる新しいモー
タとして超音波モータが注目されている。この超音波モ
ータは、従来の電磁型モータに比べ以下のような利点を
有している。 （１）ギヤなしで低回転高トルクが得られる。 （２）保持力が大きい。 （３）高分解能である。 （４）静粛性にとんでいる。 （５）磁気的ノイズを発生せず、また、ノイズの影響も
うけない。

【０００３】従来の超音波モータとして、本出願人が提
案した特開昭62-203570 号公報記載の超音波モータがあ
る。以下特開昭62-203570 号公報に基づき従来の超音波
モータについて説明する。

【０００４】同公報に開示した従来の超音波モータは、
図１１に示すようにコの字状部材５２の開口部に厚みす
べり圧電素子５１を挟み込むとともに、コの字状部材５
２の結合端外側面の両肩部に一対の厚み縦圧電素子５３
を取り付けてある。そして、この厚み縦圧電素子５３に
対し一側面が接触可能なように軸５４ａを有する回転子
５４を押圧状態で配置している。

【０００５】次にこの超音波モータの動作について説明
する。厚みすべり圧電素子５１にコの字状部材５２の振
り子運振動（捻れ振動）の固有振動数と同一の周波数の
交番電圧を印加し捻れ振動を励起する。同時に厚み縦振
動子５３にも上述した場合と同一の周波数の交番電圧を
印加し縦方向の振動を同時に励起する。これらの捻れ振
動と縦振動を励起すると、回転子５４を一定の方向に回
転させることができる。また、捻れ振動と縦振動を逆位
相で励起すると、回転子５４を反対方向に回転させるこ
とができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の超音波モータは以下のような問題点が存在する。 （１） すべり圧電素子と厚み縦圧電素子二種類の圧電
素子を必要とする。 （２） すべり圧電素子と厚み縦圧電素子共に一枚から
二枚の板状の圧電素子を利用しているため、駆動電圧が
数百Ｖｐ−ｐと高くなってしまう。

【０００７】そこで本発明の請求項１の目的は、二種類
の圧電素子を必要とせず構成の簡略化が図れるとともに
低電圧駆動可能な超音波振動子を提供することを目的と
する。請求項２の目的は、請求項１記載の超音波振動子
を用いて構成の簡略化が図れるとともに低電圧駆動可能
な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】上記目的を達成するため
に、請求項１記載の超音波振動子は、角柱状の弾性体
と、この弾性体の長手方向と平行な面の内の少なくとも
二つ以上の面に、それぞれの変位方向が該弾性体の長手
方向に対し鋭角をなすように設けられた複数の積層型圧
電子と、上記弾性体の長手方向の端面に設けられた駆動
子とを具備しており、上記複数の積層型圧電素子に、互
いに位相差を有する交番電圧印加することにより、上記
弾性体に長手方向に沿った縦共振振動を捻れ共振振動と
同時に励起し、上記駆動子が設けられた端面に超音波楕
円振動を発生させるものである。

【０００９】請求項２記載の超音波モータは、角柱状の
弾性体と、この弾性体の長手方向と平行な面の内の少な
くとも二つ以上の面に、それぞれの変位方向が該弾性体
の長手方向に対し鋭角をなすように設けられた複数の積
層型圧電素子と、上記弾性体の長手方向の端面に設けら
れた駆動子と、この駆動子に対して押圧されたロータと
を具備しており、上記複数の積層型圧電素子に、互いに
位相差を有する交番電圧印加することにより、上記弾性
体に長手方向に沿った縦共振振動を捻れ共振振動とを同
時に励起し、上記駆動子が設けられた端面に超音波楕円
振動を発生させ、上記ロータを駆動するものである。

【００１０】

【作用】このような手段を講じたことにより、以下のよ
うな作用を生じる。

【００１１】（請求項１の作用）上述した請求項１記載
の超音波振動子における角柱状の弾性体の長手方向と平
行な面の少なくとも二つ以上の面に、それぞれの変位方
向が前記弾性体の長手方向に対し鋭角をなすように設け
られた複数の積層型圧電素子に対して、互いに位相差を
有する交番電圧を印加することにより、前記弾性体に長
手方向に沿った縦共振振動と捻れ共振振動とが同時に励
起され、縦共振振動により、前記駆動子が設けられた端
面に超音波楕円振動が発生する。このような超音波振動
子によれば、異なる種類の圧電素子を用いる必要が無
く、構成の簡略化が図れるとともに低電圧で駆動するこ
とが可能となる。

【００１２】（請求項２の作用）請求項２記載の超音波
モータは、請求項１記載の超音波振動子における駆動子
によりロータを押圧状態で保持し、前記駆動子が設けら
れた端面に生じる超音波楕円振動に基づいてロータを回
転駆動するものであるから、異なる種類の圧電素子を用
いる必要が無く、構成の簡略化が図れるとともに低電圧
駆動でロータを回転させることが可能となる。

【００１３】

【実施例】

［第一実施例］ （超音波振動子の構成）図１に第一実施例の超音波振動
子１０の平面図を示し、図２に超音波振動子１０の正面
図を示し、図３に第一実施例の超音波振動子１０の背面
図を示す。図２は図１に示す矢印α方向から見た図であ
り、図３は図１に示す矢印β方向から見た図である。

【００１４】この超音波振動子１０は、ステンレス材に
より形成した角柱形状の弾性体１１と、この弾性体１１
の正面及び背面に各々配置した同一構造からなる２個の
積層型圧電素子１４ａ、１４ｂと、前記弾性体１１の一
方の端面に配置した円環状の駆動子１５とを有してい
る。

【００１５】前記弾性体１１の正面の上部側には、図２
に示すように、この弾性体１１と一体の右下がりの傾斜
面を有し三角形状を呈する突出部１２ａが形成され、前
記弾性体１１の背面には、図３に示すように、この弾性
体１１と一体の左下がりの傾斜面を有し三角形状を呈す
る突出部１２ｂが形成されている。

【００１６】また、前記弾性体１１の正面の下部側に
は、前記突出部１２ａと対向する配置で右下がりの傾斜
面を有し三角形状を呈する挟持用弾性体１３ａがビス１
６により弾性体に固定されるようになっており、これに
より前記弾性体１１の正面において前記突出部１２ａ
と、前記挟持用弾性体１３とにより一方の積層型圧電素
子１４ａを圧縮状態で保持するようになっている。

【００１７】同様に前記弾性体１１の背面の下部側に
は、前記突出部１２ｂと対向する配置で左下がりの傾斜
面を有し三角形状を呈する挟持用弾性体１３ｂがビス１
６により弾性体に固定されるようになっており、これに
より前記弾性体１１の背面において前記突出部１２ｂ
と、前記挟持用弾性体１３ｂとにより他方の積層型圧電
素子１４ｂを圧縮状態で保持するようになっている。

【００１８】前記弾性体１１の中央部には貫通孔１７が
穿設され、この貫通孔１７の略中間部は図４に示すよう
にタップ１８を刻設している。前記積層型圧電素子１４
ａ、１４ｂの寸法は、２mm×３mm×９mmに設定してい
る。

【００１９】前記駆動子１５は、合成樹脂にアルミナセ
ラミックの砥粒を分散させた砥石からなり円環状に形成
されている。

【００２０】上述した該超音波振動子１０を作成する際
には、図４に示すように、積層型圧電素子１４ａを、弾
性体１１と一体に形成された傾斜面を有する突出部１２
ａと、やはり同様な傾斜面を有する挟持用弾性体１３ａ
により積層型圧電素子１４に圧縮力を加え挟持する状態
で弾性体１１の正面側に配置し、ビス１６により挟持用
弾性体１３ａを弾性体１１にねじ止めする。積層型圧電
素子１４ｂの場合も同様である。

【００２１】また、積層型圧電素子１４ａ、１４ｂは、
弾性体１１及びその突出部１２ａ、１２ｂ及び挟持用弾
性体１３ａ，１３ｂと接する全ての面に於いてエポキシ
系の接着剤を用いて接着され、固定される。

【００２２】前記超音波振動子１０は、その寸法、形状
が１次の共振縦振動（図２の上下方向の振動）及び１次
の共振捻れ振動（縦振動の振動方向を捻れの軸とする振
動）がほぼ同一周波数Ｆｒ（５０kHz 〜５６kHz ）で励
起出来る様なものとなっている。

【００２３】そして、上述した周波数近傍では屈曲共振
振動の固有振動はないような形状に設計されている。

【００２４】（超音波振動子の動作）次に超音波振動子
１０の動作について説明する。まず、積層型圧電素子１
４ａのＡ端子、ＧＮＤ端子間に周波数Ｆｒで振幅１０Ｖ
ｐ−ｐの交番電圧を印加し、積層型圧電素子１４ｂのＢ
端子、ＧＮＤ端子間に同一周波数、同振幅で同位相の交
番電圧を印加すると一次の共振縦振動が励起出来る。次
に、積層型圧電素子１４ａのＡ端子、ＧＮＤ端子間に周
波数Ｆｒで振幅１０Ｖｐ−ｐの交番電圧を印加し、積層
型圧電素子１４ｂのＢ端子、ＧＮＤ端子間に同一周波
数、同振幅で逆位相の交番電圧を印加すると一次の共振
捻れ振動が励起出来る。

【００２５】次に、積層型圧電素子１４ａのＡ端子、Ｇ
ＮＤ端子間に周波数Ｆｒで振幅１０Ｖｐ−ｐの交番電圧
を印加し、積層型圧電素子１４ｂのＢ端子、ＧＮＤ端子
間に同一周波数、同振幅で位相が９０度異なった交番電
圧を印加すると、共振縦振動と、共振捻れ振動が合成さ
れて、駆動子１５の位置において楕円振動が（超音波楕
円振動）励起出来る。

【００２６】（超音波モータの構成と動作）次に、図５
乃至図７を参照して前記超音波振動子１０を用いた超音
波モータ２０について説明する。図５は超音波モータ２
０の平面図であり、図６は超音波モータ２０の正面図で
あり、図７は超音波モータ２０の一部の断面図である。

【００２７】前記超音波振動子１０の貫通孔１７に、外
周にねじが設けられ、かつ、接着剤が塗布された軸２１
が挿入され、貫通孔１７に設けたタップ１８に軸２１の
ねじを螺合することによりこの軸２１を超音波振動子１
０の中心部の位置で接着固定するようになっている。ま
た、前記超音波振動子１０における駆動子１５により、
ジルコニアセラミックスからなる円環状の摺動材２５及
びこの摺動材２５に接着した円環状の回転体２２からな
るロータ２８を押圧状態で保持するようになっている。

【００２８】即ち、前記ロータ２８の上方から軸２１を
囲むようにコイルバネ２３を挿入し前記軸２１にナット
２４を螺合することでコイルバネ２３の付勢力によりロ
ータ２８を駆動子１５に押圧するようになっている。そ
して、前記ナット２４を回転調整することで前記ロータ
２８の駆動子１５に対する押圧力を調節し、これによ
り、ロータ２８の回転トルクを調整可能としている。
尚、前記回転体２２の内部にはベアリング２６が圧入さ
れており、このベアリング２６を介して前記軸２１に結
合されるようになっている。また、この超音波モータ２
０を定位置に固定する場合には弾性体１１の下部に突き
出た軸２１を図示しない基台にねじ込めばよい。

【００２９】この超音波モータ２０における積層型圧電
素子１４ａのＡ端子、ＧＮＤ端子間に周波数Ｆｒで振幅
１０Ｖｐ−ｐの交番電圧を印加し、積層型圧電素子１４
ｂのＢ端子、ＧＮＤ端子間に同一周波数、同振幅で位相
が９０度異なった（＋９０度又は−９０度）交番電圧を
印加すると、共振縦振動と、共振捻れ振動が合成され
て、駆動子１５の位置において楕円振動が励起出来る。
この楕円振動は前記ロータ２８に伝達されこのロータ２
８を時計回りまたは反時計回りに回転駆動できる。

【００３０】［効果］本実施例の超音波振動子１０によ
れば、同一構造の積層型圧電素子１４ａ，１４ｂを２個
用いた構造であるため、従来例のように２種類の圧電素
子を用いる必要が無く、この超音波振動子１０の駆動電
圧を下げることができる。また、積層型圧電素子１４
ａ，１４ｂを圧縮力を付加した状態で組み立ててあるた
めこれらの内部での破壊が無くなり、寿命が大幅に延び
る。また、単純な構造であるので低コスト化が図りやす
い利点がある。

【００３１】また、この超音波振動子１０を利用して超
音波モータ２０を構成したので、低電圧駆動が可能で、
かつ、高効率の超音波モータ２０を提供することができ
る。

【００３２】［第二実施例］ （超音波振動子の構成）図８に第二実施例の超音波振動
子３０を示す。本超音波振動子３０は第一実施例の超音
波振動子１０と基本的には同様な構成であるが、第一実
施例の超音波振動子１０に比べ弾性体１１の４個の端面
に各々既述した場合と同様な配置で４個の積層型圧電素
子１４ａ乃至１４ｄを配置した点が特徴である。

【００３３】図８は本実施例の超音波振動子３０を上方
から見たものである。図９は図８に示す矢印α、γの方
向から見た状態であり、図１０は図８に示す矢印β、δ
の方向から見た状態である。尚、図９においては、図８
に示す矢印γ方向から見た場合の下記に記す符号を付し
て示し、図１０においては、図９に示す矢印δ方向から
見た場合の下記に記す符号を付して示す。

【００３４】超音波振動子３０の積層型圧電素子１４
ａ、１４ｂは図２、図３に示す場合と同様にして弾性体
１１に取り付けられ、また、積層型圧電素子１４ｃ、１
４ｄは図９、図１０に示すように各々弾性体１１と一体
に形成された傾斜面を有する突出部１２ｃ、１２ｄと、
やはり同様な傾斜面を有する挟持用弾性体１３ｃ、１３
ｄに各々積層型圧電素子１４ｃ、１４ｄに圧縮力を加え
挟持する状態で弾性体１１に取り付けている。

【００３５】電気的な配線に関しては各積層型圧電素子
１４ａ乃至１４ｄのＡ端子同士を接続しＡ相とし、ま
た、Ｂ端子同士を接続しＢ相としいてる。この超音波振
動子３０も第一実施例の超音波振動子１０と同様にして
組み立てることができる。また、この超音波振動子３０
によれば、第一実施例の超音波振動子１０に対して積層
型圧電素子１４ｃ、１４ｄが付加され個数が２個増大し
ているので、縦共振振動、捻れ共振振動の出力が大きく
なり、駆動子１５の楕円振動の出力を増大できる。

【００３６】また、この超音波振動子３０に第一実施例
の場合と同様にしてロータ２８、コイルバネ２３、ナッ
ト２４を配置して超音波モータを構成することにより、
低電圧駆動が可能で、かつ、高出力、高効率の超音波モ
ータを提供することができる。

【００３７】［効果］第一実施例に比べ、４個の積層型
圧電素子１４ａ乃至１４ｄを用いているので、これらの
振動出力が大きくなるとともに、従来例のように２種類
の積層型圧電素子を用いる必要が無く、この超音波振動
子３０の駆動電圧を下げることができる。 また、積層
型圧電素子１４ａ乃至１４ｄを圧縮力を付加した状態で
組み立ててあるためこれらの内部での破壊が無くなり、
寿命が大幅に延びる。また、単純な構造であるので低コ
スト化が図りやすい利点がある。また、この超音波振動
子３０を利用して超音波モータを構成すると、低電圧駆
動が可能で、かつ、高出力、高効率の超音波モータを提
供することができる。

【００３８】

【発明の効果】請求項１記載の発明に関する効果は、異
なる種類の圧電素子を用いる必要が無く、構成の簡略化
が図れるとともに低電圧で駆動することが可能となるこ
とである。請求項２記載の発明に関する効果は、異なる
種類の圧電素子を用いる必要が無く、構成の簡略化が図
れるとともに低電圧駆動でロータを回転させることが可
能となることである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例の超音波振動子を示す平面
図である。

【図２】本発明の第一実施例の超音波振動子を示す正面
図である。

【図３】本発明の第一実施例の超音波振動子を示す正面
図である。

【図４】本発明の第一実施例の超音波振動子の作成状態
を示す分解図である。

【図５】本発明の第一実施例の超音波モータを示す平面
図である。

【図６】本発明の第一実施例の超音波モータを示す正面
図である。

【図７】本発明の第一実施例の超音波モータを示す断面
図である。

【図８】本発明の第二実施例の超音波振動子を示す平面
図である。

【図９】本発明の第二実施例の超音波振動子を示す右側
面図である。

【図１０】本発明の第二実施例の超音波振動子を示す左
側面図である。

【図１１】従来の超音波モータを示す斜視図である。

【符号の説明】

１０ 超音波振動子 １１ 弾性体 １２ａ 突出部 １２ｂ 突出部 １３ａ 挟持用弾性体 １３ｂ 挟持用弾性体 １４ａ 積層型圧電素子 １４ｂ 積層型圧電素子 １５ 駆動子 １６ ビス １７ 貫通孔 １８ タップ ２０ 超音波モータ ２１ 軸 ２２ 回転体 ２３ コイルバネ ２４ ナット ２５ 摺動材 ２６ ベアリング ２８ ロータ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 角柱状の弾性体と、 この弾性体の長手方向と平行な面の内の少なくとも二つ
   以上の面に、それぞれの変位方向が該弾性体の長手方向
   に対し鋭角をなすように設けられた複数の積層型圧電素
   子と、 上記弾性体の長手方向の端面に設けられた駆動子と、を
   具備しており、上記複数の積層型圧電素子に、互いに位
   相差を有する交番電圧を印加することにより、上記弾性
   体に長手方向に沿った縦共振振動と捻れ共振振動とを同
   時に励起し、上記駆動子が設けた端面に超音波楕円振動
   を発生させることを特徴とする超音波振動子。
2. 【請求項２】 角柱状の弾性体と、 この弾性体の長手方向と平行な面の内の少なくとも二つ
   以上の面に、それぞれの変位方向が該弾性体の長手方向
   に対し鋭角をなすように設けられた複数の積層型圧電素
   子と、 上記弾性体の長手方向の端面に設けられた駆動子と、 この駆動子に対して押圧されたロータと、を具備してお
   り、上記複数の積層型圧電素子に、互いに位相差を有す
   る交番電圧を印加することにより、上記弾性体に長手方
   向に沿った縦共振振動と捻れ共振振動とを同時に励起
   し、上記駆動子が設けられた端面に超音波楕円振動を発
   生させ、上記ロータを駆動することを特徴とする超音波
   モータ。