JPH08163880A - 超音波振動子および超音波モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 一種類の圧電素子を用いて単純な構成の超音
波振動子を得る。また、この超音波振動子を用いて小型
で高効率な超音波モータを得る。 【構成】 弾性体１１の側面の正面および背面には圧電
素子板１２が接着されている。圧電素子板１２には４５
度の角度で帯状の銀電極１３が形成されている。弾性体
１１の上端部に接合された駆動子１４にはロータが押圧
固定されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波振動子およびこ
れ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て以下のような利点
を有している。 （１）ギア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、またノイズの影響をう
けない。

【０００３】上記のような利点を有する超音波モータの
発明としては、先に本出願人が提案した特開昭６２−２
０３５７０号公報記載の発明がある。上記発明は、図１
２に示すように、コの字状部材２には厚みすべり圧電振
動子１が挟み込まれている。コの字状部材２の結合端外
側面の両肩部には一対の厚み縦圧電振動子３ａ，３ｂが
取り付けられている。そして、この厚み縦圧電振動子３
ａ，３ｂに対して一側面が接触可能なようにシャフトを
有する回転子４が押圧をかけられた状態で配置されてい
る。

【０００４】上記構成の超音波モータは、まず厚みすべ
り圧電振動子１にコの字状部材２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電圧を印加して捻
れ振動を励起する。同時に、厚み縦振動子３ａ，３ｂに
も同一の周波数の電圧を印加して縦方向の振動を励起す
る。これらの捻れ振動と縦振動とを同期させて励起する
と、回転子４を回転させることができる。また、両振動
を逆位相で行わせると、回転子４を反対方向に回転させ
ることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかるに、前記特開昭
６２−２０３５７０号公報記載の発明においては、以下
のような問題点があった。すなわち、すべり圧電振動子
と縦圧電振動子との二種類の圧電振動子を必要とする。
また、構成が複雑となる。

【０００６】請求項１の目的は、一種類の圧電素子のみ
で構成することにより、構成の単純な超音波振動子を提
供することにある。請求項２の目的は、請求項１の超音
波振動子を用いた高効率な超音波モータを提供すること
にある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、角柱
状弾性体と、該角柱状弾性体の長手方向と平行な４側面
のうちの少なくとも２面以上に接合された長方形状の圧
電素子板と、前記角柱状弾性体の長手方向と直角な端面
に接合された円環状駆動子とからなり、前記圧電素子板
は帯状に一定間隔で複数形成されるとともに、該帯が長
方形を形成する縁の線分に対して一定の鋭角をなす電極
を有し、該電極は交互に正と負の電位を印加して分極さ
れ且つ交互に直列に結線されており、前記複数の圧電素
子板にそれぞれ位相差を持たせた交番電圧を印加するこ
とにより、縦共振振動と捻れ共振振動を同時に励起し、
前記円環状駆動子の位置で超音波楕円振動を励起するこ
とを特徴とする超音波振動子である。

【０００８】請求項２の発明は、角柱状弾性体と、該角
柱状弾性体の長手方向と平向な４側面のうちの少なくと
も２面以上に接合された長方形状の圧電素子板と、前記
角柱状弾性体の長手方向と直角な端面に接合された円環
状駆動子と、該円環状駆動子に押圧設置されたロータと
からなり、前記圧電素子板は帯状に一定間隔で複数形成
されるとともに、該帯が長方形を形成する縁の線分に対
して一定の鋭角をなす電極を有し、該電極は交互に正と
負の電位を印加して分極され且つ交互に直列に結線され
ており、前記複数の圧電素子板にそれぞれ位相差を持た
せた交番電圧を印加することにより、縦共振振動と捻れ
共振振動を同時に励起し、前記円環状駆動子の位置で超
音波楕円振動を励起させて前記ロータを回転させること
を特徴とする超音波モータである。

【０００９】

【作用】請求項１の作用は、一対の圧電素子板に同位相
の電圧を印加すると縦共振振動が励起出来る。また、一
対の圧電素子板に逆位相の圧電を印加すると捻れ共振振
動が励起出来る。さらに、一対の圧電素子板に位相がπ
／２異なる電圧を印加すると縦共振振動と捻れ共振振動
とが同時に励起され、かつ円環状駆動子の位置において
超音波楕円振動を形成することが出来る。

【００１０】請求項２の作用は、請求項１の作用により
超音波楕円振動が励起された円環状駆動子にロータを押
圧すると、超音波楕円振動の振動の向きにしたがってロ
ータは時計廻りもしくは反時計廻りに回転駆動される。

【００１１】

【実施例１】図１〜図８は本実施例を示し、図１は超音
波振動子の正面図、図２は同背面図、図３は同平面図、
図４ａ，ｂは圧電素子板の正面図，側面図、図５は弾性
体の断面図、図６は超音波モータの正面図、図７は同平
面図、図８は同断面図である。

【００１２】まず、超音波振動子１０の構成を説明す
る。ステンレス材からなる角柱形状の弾性体１１の図３
のα方向から見た面（正面）とβ方向から見た面（背
面）との対向する面のそれぞれに圧電素子板１２が接着
されている。図４ａ，ｂに示すように、圧電セラミック
ス材からなる圧電素子板１２は０．３ｍｍ厚の矩形状を
しており、４５度の角度を幅３ｍｍの帯状の銀電極１３
が１ｍｍの空隙をもって形成されている。そして、銀電
極１３は予め＋，−の電位が印加され、図中に矢印で示
すように分極されている。

【００１３】以上説明したような圧電素子板１２を、エ
ポキシ系接着剤を用いて弾性体１１正面および背面に接
着する。ただし、背面に接着される圧電素子板１２は図
２に示すように帯状の銀電極１３の傾きが逆である。正
面に接着された圧電素子板１２は図１に示すように＋ど
うし，−どうしが配線されて電気端子Ａ，ＧＮＤがとら
れる。背面に接着された圧電素子板１２は図２に示すよ
うに＋どうし，−どうしが配線されて電気端子Ｂ，ＧＮ
Ｄがとられる。超音波振動子１０の上端部には円環状の
砥石材からなる駆動子１４が接合されている。図５に示
すように、弾性体１１の中央部には貫通穴１５が設けら
れ、貫通穴１５の中央部には一部タップが切られてい
る。

【００１４】次に、超音波振動子１０の作用について説
明する。上記超音波振動子１０の寸法は、形状が１次の
共振縦振動（図１に矢印Ｅで示すような振動）および１
次の共振捻れ振動（図３に矢印Ｆで示すような縦振動の
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。また、この周波数近傍には屈曲共振振動の固
有振動がないようにする。

【００１５】まず、Ａ端子に周波数Ｆｒで振幅１０Ｖｐ
−ｐの交番電圧を印加し、Ｂ端子に同一周波数，同振幅
で同位相の交番電圧を印加すると１次の共振縦振動が励
起出来た。つぎに、Ａ端子に周波数Ｆｒで振幅１０Ｖｐ
−ｐの交番電圧を印加し、Ｂ端子に同一周波数，同振幅
で逆位相の交番電圧を印加すると１次の共振捻れ振動が
励起出来た。つぎに、Ａ端子に周波数Ｆｒで振幅１０Ｖ
ｐ−ｐの交番電圧を印加し、Ｂ端子に同一周波数，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とが合成されて、駆動子１４の位
置において楕円振動が励起出来た。

【００１６】次に、超音波モータ２０の構成を説明す
る。超音波振動子１０の貫通穴１５にはタップの切られ
た軸２１が挿入され、図８に示すように、超音波振動子
１０の中心部の位置で接着固定されている。超音波振動
子１０の上端部には円環状のロータ２２がバネ２３によ
り押圧固定されている。駆動子１４に対する押圧力はナ
ット２４により調節される。円環状のロータ２２は円環
状のジルコニアセラミックスからなる摺動材２５が接着
されており、またその内側にベアリング２６が圧入され
ている。超音波モータ２０を固定する場合にはその下部
に突き出た軸２１を図示しない基台にねじ込み固定す
る。

【００１７】超音波モータ２０の作用は、先に示したよ
うに超音波振動子１０のＡ端子とＢ端子とに周波数Ｆｒ
（５０ｋＨｚ〜５６ｋＨｚの間の周波数），振幅１０Ｖ
ｐ−ｐ，位相差＋９０度または−９０度の交番電圧を印
加する。すると、ロータ２２は時計回りまたは反時計回
りに回転する。

【００１８】本実施例によれば、一種類の圧電素子板を
用いるだけで縦捻りの超音波振動子が構成できる。ま
た、単純な構造であるのでコストダウンが図りやすい。
この超音波振動子を用いることで、小型で高効率な超音
波モータが構成できる。

【００１９】

【実施例２】図９〜図１１は本実施例を示し、図９は超
音波振動子の平面図、図１０は同正面図または右側面
図、図１１は同背面図または左側面図である。

【００２０】本実施例の超音波振動子３０は４側面の全
てに圧電素子１２が設けられている。ここで、図１０は
図９のαまたはγの方向から見た図、図１１は図９のβ
またはδの方向から見た図である。電気的な配線に関し
ては、Ａ端子同士を接続してＡ相とし、Ｂ端子同士を接
続してＢ相とする。

【００２１】超音波３０の作用は前記実施例１と同様な
ので説明を省略する。また、本実施例の超音波振動子３
０を用いた超音波モータの構成および作用は前記実施例
１と同様なので説明を省略する。

【００２２】本実施例によれば、前記実施例１に比べて
圧電素子板を倍の数にしたので、超音波振動子の振動振
幅の増大が図れるとともに、モータ出力を大きくするこ
とができる。

【００２３】

【発明の効果】請求項１の効果は、一種類の圧電素子板
を用いるだけで縦捻りの超音波振動子が構成できる。ま
た、単純な構造であるのでコストダウンが図りやすい。
請求項２の効果は、請求項１の超音波振動子を用いるこ
とで、小型で高効率な超音波モータが構成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１を示す正面図である。

【図２】実施例１を示す背面図である。

【図３】実施例１を示す平面図である。

【図４】ａおよびｂは実施例１を示す正面図および側面
図である。

【図５】実施例１を示す断面図である。

【図６】実施例１を示す正面図である。

【図７】実施例１を示す平面図である。

【図８】実施例１を示す断面図である。

【図９】実施例２を示す平面図である。

【図１０】実施例２を示す正面図または右側面図であ
る。

【図１１】実施例２を示す背面図または左側面図であ
る。

【図１２】従来例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 １２ 圧電素子 １３ 銀電極 １４ 駆動子 ２０ 超音波モータ ２１ 軸 ２２ ロータ ２３ バネ ２４ ナット ２５ 摺動材 ２６ ベアリング

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 角柱状弾性体と、該角柱状弾性体の長手
   方向と平行な４側面のうちの少なくとも２面以上に接合
   された長方形状の圧電素子板と、前記角柱状弾性体の長
   手方向と直角な端面に接合された円環状駆動子とからな
   り、前記圧電素子板は帯状に一定間隔で複数形成される
   とともに、該帯が長方形を形成する縁の線分に対して一
   定の鋭角をなす電極を有し、該電極は交互に正と負の電
   位を印加して分極され且つ交互に直列に結線されてお
   り、前記複数の圧電素子板にそれぞれ位相差を持たせた
   交番電圧を印加することにより、縦共振振動と捻れ共振
   振動を同時に励起し、前記円環状駆動子の位置で超音波
   楕円振動を励起することを特徴とする超音波振動子。
2. 【請求項２】 角柱状弾性体と、該角柱状弾性体の長手
   方向と平向な４側面のうちの少なくとも２面以上に接合
   された長方形状の圧電素子板と、前記角柱状弾性体の長
   手方向と直角な端面に接合された円環状駆動子と、該円
   環状駆動子に押圧設置されたロータとからなり、前記圧
   電素子板は帯状に一定間隔で複数形成されるとともに、
   該帯が長方形を形成する縁の線分に対して一定の鋭角を
   なす電極を有し、該電極は交互に正と負の電位を印加し
   て分極され且つ交互に直列に結線されており、前記複数
   の圧電素子板にそれぞれ位相差を持たせた交番電圧を印
   加することにより、縦共振振動と捻れ共振振動を同時に
   励起し、前記円環状駆動子の位置で超音波楕円振動を励
   起させて前記ロータを回転させることを特徴とする超音
   波モータ。