JPH09117168A - 超音波モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、厚み方向に分極した一種の圧電素
子のみで構成でき、さらに駆動電圧を低電圧化すること
が可能な超音波モータを提供する。 【解決手段】 振動子１０と、この振動子１０高さ方向
の一部を占めるように挟持される状態で、かつ、振動子
１０の高さ方向に対して所定の傾斜を持たせて配置され
るとともに、厚み方向に分極され各々分割電極を備えた
１枚若しくは複数枚の板状圧電素子４乃至７と、前記振
動子１０に押圧接触させたロータ１１とを有する構成と
したものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波振動を駆動
力源として被駆動体を移動させる超音波モータに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】超音波振動を駆動力源として被駆動体を
移動させる超音波モータの一例として、精密制御用ニュ
ーアクチュエータ便覧「縦−ねじり複合振動子型超音波
モータ」９５６頁乃至９６６頁に掲載の超音波モータが
知られている。

【０００３】この超音波モータの構造は、図１５に示す
ように、ボルト締めランジュバン構造の振動子を使用し
ており、縦振動を励起する圧電素子（圧電セラミックブ
ロックＬ）５１と捻れ振動を励起する圧電素子（圧電セ
ラミックブロックＴ）５２をヘッドマス６１とリアマス
６２の間に挟持したものとなっている。圧電素子５１、
５２は、縦振動用には厚み方向に分極し、捻れ振動用に
は円周方向に分極したものを用いている。この超音波モ
ータの駆動は、適度な位相差をもった２相の電圧をそれ
ぞれの圧電素子５１、５２に印加することにより行う。
その電圧の大きさは数＋Ｖｒｍｓである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記超
音波モータは縦振動と捻れ振動を発生するのに別々の圧
電素子５１、５２を必要とする。さらに、捻れ振動を発
生させるために円周方向に分極した圧電素子５１、５２
を必要とし、これは厚み方向に分極した圧電素子と比べ
て製造方法が複雑で高価になり易い。また円周方向に分
極した圧電素子５１、５２を使用すると、必要な振動振
幅を得るのに高電圧を要し、超音波モータを電池等の低
電圧源で駆動する用途には不利であるという欠点があっ
た。

【０００５】本発明は、上記課題を改善するためになさ
れたものであり、厚み方向に分極した一種の圧電素子の
みで構成でき、さらに駆動電圧を低電圧化することが可
能な超音波モータを提供するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明に係
る超音波モータは、振動子と、この振動子の高さ方向の
一部を占めるように挟持される状態で、かつ、振動子の
高さ方向に対して所定の傾斜を持たせて配置されるとと
もに、厚み方向に分極され各々分割電極を備えた１枚若
しくは複数枚の板状圧電素子と、前記振動子に押圧接触
させた被駆動体とを有することを特徴とするものであ
る。

【０００７】請求項２記載の発明に係る超音波モータ
は、振動子と、この振動子の高さ方向の一部を占めるよ
うに挟持される状態で、かつ、振動子の高さ方向に対し
略直交する角度で配置されるとともに、厚み方向に分極
され各々電極位置が少しずつ異なる分割電極を備えた複
数枚の板状圧電素子と、前記振動子に押圧接触させた被
駆動体とを有することを特徴とするものである。

【０００８】請求項３記載の発明に係る超音波モータ
は、請求項１又は２に記載の超音波モータにおいて、前
記板状圧電素子に設ける一対の電極相に対する印加電圧
の位相差を９０度、−９０度とした際に生じる前記振動
子の９０度位相のずれた屈曲共振振動を利用して前記被
駆動体を回転駆動することを特徴とするものである。

【０００９】請求項１に記載した超音波モータによれ
ば、１枚若しくは複数枚の前記板状圧電素子を振動子の
高さ方向の一部を占めるように傾斜を持たせて配置する
ことにより、厚み方向に分極した板状圧電素子一種類だ
けで縦振動と捻れ振動の両方又は振動方向の異なる２方
向の屈曲振動を励起し被駆動体を駆動でき、円周方向に
分極した圧電素子を用いる場合に比べ、製造方法が簡略
になり製造コストを低減できる。

【００１０】請求項２に記載した超音波モータによれ
ば、電極の位置を少しづつ変え前記複数枚の板状圧電素
子を積層することにより、厚み方向に分極した複数枚の
板状圧電素子一種類だけで縦振動と捻れ振動の両方又は
振動方向の異なる２方向の屈曲振動を励起し、被駆動体
を駆動することができ、円周方向に分極した圧電素子を
用いる場合に比べ、製造方法が簡略になり製造コストを
低減できるるとともに、複数枚の板状圧電素子を振動子
の高さ方向に対し略直交する角度で配置する構成である
ため、この超音波モータ自体の組み立てが請求項１に記
載した超音波モータよりもさらに簡略化する。

【００１１】請求項３記載の発明に係る超音波モータに
よれば、請求項１又は２に記載の超音波モータにおい
て、前記板状圧電素子に設ける一対の電極相に対する印
加電圧の位相差を９０、−９０度とした際に生じる前記
振動子の９０度、−９０度位相のずれた屈曲共振振動を
利用して前記被駆動体を回転駆動するものであるから、
縦振動、捻れ振動の共振周波数を特に一致させる必要が
無くなり、振動子の設計の自由度を大きくできる。

【００１２】

【発明の実施の形態】

［実施の形態１］図１乃至図７を参照して本発明の実施
の形態１を説明する。

【００１３】図１、図２に示す超音波モータの振動子１
０は、以下の構成から成る。即ち、中心部に穴をもつ円
柱形状で真鍮製の弾性体を、側面から傾斜を持たせ切断
して二分割し、弾性体１、２を作成する。このうち一方
の弾性体１には途中に溝３を設けている。

【００１４】弾性体１、２間には、圧電素子４、５、
６、７を挟み込んでいる。弾性体２の中心の孔２ａには
ネジが切ってあり、図２に示すようにビス８を弾性体１
側から挿通し圧電素子４、５、６、７を貫通させ、さら
に、弾性体２のネジを経て上方に突出させ、圧電素子
４、５、６、７を弾性体１、２間に固定するようになっ
ている。このとき、圧電体４乃至７の固定には接着剤を
併用するとより強固に固定できる。また、弾性体２の上
面には、耐摩耗材９が接着され固定される。

【００１５】次に、図３に示す様に、振動子１０におけ
る耐摩耗材９の上部に、ロータ１１を軸受１２を介して
取り付けてビス８の周りに回転可能に配置され、さら
に、バネ１３とナット１４とでロータ１１を耐摩耗材９
側に押圧するようになっている。

【００１６】前記圧電素子４乃至７は、図４の（ａ），
（ｂ）に示す様に、楕円形状を呈し、それぞれの表面に
は、正電極１５を中央部であるａ部を除いて二分割配置
に設けている。裏面には負電極１６が両脇の一部である
ｂ部、ｃ部を除いて設けている。分極は厚み方向になさ
れる。そして、これらの圧電素子４乃至７は、図５に矢
印で示す様に分極方向を交互に反対方向として積層され
るようになっている。

【００１７】そして、図４に示す裏面側の負電極１６の
ａ部分の側面には、図５の（ａ）に示す様に積層された
各層が互いに導電ペーストで接合され、ＧＮＤ端子とし
て使用される。また、圧電素子４乃至７の表面の正電極
１５側は、ａ部分に電極部分が存在しないので、正電極
１５と負電極１６とが導電ペーストで短絡することはな
い。

【００１８】図４に示す圧電素子４乃至７の表面の正電
極１５のｂ部分及びｃ部分の側面には、図５の（ｂ）、
（ｃ）に示すように積層された各層が互いに導電ペース
トで接合され、各々Ａ相端子、Ｂ相端子として使用され
るようになっている。この場合に、圧電素子４乃至７の
裏面の負電極１６のｂ部分、ｃ部分には電極部分が存在
しないので、正電極１５と負電極１６とが導電ペースト
で短絡することはない。

【００１９】次に、上述した実施の形態１の動作を説明
する。前記Ａ相とＢ相とに同相の交流電圧を印加する場
合を考える。圧電素子４乃至７は、分極方向にＡ相とＢ
相が同相で変位し振動する。この圧電素子４乃至７の変
位を駆動源として、振動子１０は、図６の左欄及び中欄
に示すような縦共振振動又は屈曲共振振動をする。これ
らの振動の周波数は振動子１０の持つ固有振動数により
決まる。二つの振動の共振周波数は互いに異なるため
に、駆動周波数を選択することにより縦共振振動又は屈
曲共振振動の一方のみを励振することができる。

【００２０】次に、Ａ相とＢ相に逆相の交流電圧を印加
すると、圧電素子１０はＡ相とＢ相が互いに逆位相で振
動し、一方が厚み方向に延びるときには他方は厚み方向
に縮む。そして振動子１０の持つ固有振動数により、図
６の右欄又は中欄に示すような捻れ共振振動又は屈曲共
振振動をする。これら二つの共振周波数は互いに異なる
ために、駆動周波数を選択することにより捻れ共振振動
又は屈曲共振振動の一方のみを励振することができる。

【００２１】振動子１０の形状を工夫して、上記縦共振
振動と捻れ共振振動の周波数を一致させる。このために
振動子１０に溝３を設けている。図７に示すように溝３
の振動子端の位置により縦共振と捻れ共振の周波数が一
致する溝位置Ｌが存在し、ここに溝３を形成するもので
ある。

【００２２】このようにして、縦共振周波数と捻れ共振
周波数を一致させ、この周波数の電圧を上記した同相
（位相差０度）と逆相（位相差１８０度）の中間の位相
差９０度とすると、二つの共振振動を同時に発生するこ
とができる。

【００２３】この状態で、ロータ１１を図３に示すよう
に振動子１０の端面に当て付けることにより、このロー
タ１１を回転駆動できる。ロータ１１の回転方向は、Ａ
相とＢ相の印加電圧の位相差を＋９０度とするか−９０
度とするかで決定する。

【００２４】本実施の形態１では、厚み方向に分極した
圧電素子４乃至７だけで縦振動と捻れ振動が励起できる
という効果がある。また、板状の圧電素子４乃至７の厚
さを薄くして多数枚積層することにより、低電圧でも必
要とする大きさの振幅が得られる。尚、実施の形態１中
では、板状の圧電素子４乃至７を重ねて積層している
が、予め一体焼成した同一構造の積層圧電素子を用いて
もよい。

【００２５】［実施の形態２］次に、図８乃至図１２を
参照して本発明の実施の形態２を説明する。

【００２６】図８に示すように、実施の形態２の振動子
３３は以下の構成からなる。即ち、側面が凸型で断面が
円型の弾性体２１は途中に溝２３を持ち、中央の突出し
た凸部にはネジ２１ａが切ってある。また、筒型弾性体
２２の内面空洞部には、弾性体２１の凸部のネジ２１ａ
と係合するためのネジ２２ａが切ってある。

【００２７】弾性体２１と筒型弾性体２２との間には、
圧電素子２４乃至２９か挟み込まれている。弾性体２１
と筒型弾性体２２とをネジ２１ａ、ネジ２２ａのネジ結
合で締め込み、圧電素子２４乃至２９を固定する。この
とき、圧電素子２４乃至２９の固定には接着剤を併用す
ると強固に固定できる。また、筒型弾性体２２には、耐
摩耗材３０が接着されるようになっている。

【００２８】また、前記弾性体２１の中央部には、孔３
１を穿設しており、この孔３１には弾性体２１の高さ方
向のほぼ中央部に図示してないがネジを設けている。こ
こに外周にネジを設けた軸３２を螺合する。弾性体２１
と軸３２は、その中央部のネジ部分以外では接触しない
ように、孔３１の直径は軸３２の直径よりやや大きくし
ている。

【００２９】図１０に示すように、前記振動子３３にお
ける耐摩耗材３０には，ロータ３４が軸受３５を介し軸
３２の周りに回転可能に保持されるようになっている。
さらに、バネ３６とナット３７とでロータ３４が耐摩耗
材３０に押圧されるようになっている。

【００３０】前記圧電素子２４乃至２９は、図１１の
（ａ）乃至（ｆ）に示すように、表面には正電極３８が
二分割されて存在し、裏面には正電極３８と対向した位
置に負電極３９が存在する。各電極３８、３９は圧電素
子２４乃至２９で各々少しづつ位置が異なるように形成
している。正電極３８はリング形状の外側面に端部を出
し、内側面には端部を出さないように形成している。逆
に負電極３９はリング形状の外側面には端部を出さず内
側面に端部を出すように形成している。分極はすべて厚
み方向になされている。

【００３１】これらの圧電素子２４乃至２９は、図１２
に矢印で示すように分極方向を交互に反対方向にして積
層されるようになっている。

【００３２】圧電素子２４乃至２９の積層された各層は
互いに導電ペーストで接合され、正電極３８は図１２に
示すように各々Ａ相端子、Ｂ相端子として使用されるよ
うになっている。また、圧電素子２４乃至２９の裏面の
負電極３９はリング形状の内側側面で同様に導電ペース
トで互いに接合されるとともに、弾性体２１に接合さ
れ、ＧＮＤ端子として使用されるようになっている。

【００３３】実施の形態２によれば、実施の形態１と同
じ原理により、図６に示す場合と同様な縦共振振動又は
屈曲共振振動をする。これらふたつの共振周波数は互い
に異なるために、駆動周波数を選択することによりいず
れか一方のみを励振することができる。

【００３４】またＡ相とＢ相に逆相の交流電圧を印加す
ると、図６に示す場合と同様な捻れ共振振動又は屈曲共
振振動をする。これらふたつの共振周波数は互いに異な
るために、駆動周波数を選択することによりいずれか一
方のみを励振することができる。

【００３５】また、実施の形態１の場合と同様、振動子
３３に対し、溝２３を適当な位置に入れることにより縦
共振と捻れ共振の周波数を一致させることができる。

【００３６】このようにして、縦共振周波数と捻れ共振
周波数を一致させ、印加電圧を上記した同相（位相差０
度）と逆相（位相差１８０度）の中間の位相差９０度と
することで、既述した二つの共振振動を同時に発生でき
る。

【００３７】この状態で、ロータ３４を図１０に示すよ
うに振動子３３の端面に押圧することによりこのロータ
３４を回転駆動できる。ロータ３４の回転方向は、Ａ相
とＢ相の印加電圧の位相差を＋９０度とするか−９０度
とするかで定まる。

【００３８】本実施の形態２では、厚み方向に分極した
圧電素子２４乃至２９だけで縦振動と捻れ振動を励起で
きるという効果がある。また、板状の圧電素子２４乃至
２９の厚さを薄くして多数枚積層することにより、低電
圧でも必要とする大きさの振幅が得られる。本実施の形
態２中では板状の圧電素子２４乃至２９を積層している
が、予め一体焼成した同一構造の積層型圧電素子を用い
てもよいことは実施の形態１の場合と同様である。本実
施の形態２では、実施の形態１と比較すると、弾性体２
１に傾斜を持たせて切る必要がないので旋盤等だけで加
工でき、製作が容易であるという効果がある。

【００３９】［実施の形態３］図１３、図１４を参照し
て本発明の実施の形態３を説明する。本実施の形態３の
超音波モータの構造は、実施の形態１及び実施の形態２
に示したいずれのものでもよく、ここでは特に示さな
い。ただし、実施の形態１又は実施の形態２の場合の溝
３又は溝２３は特になくてもよい。

【００４０】本実施の形態３の超音波モータは、実施の
形態１又は実施の形態２に比較して動作原理のみ異なる
ものである。

【００４１】即ち、図１３、図１４に示す振動子４１の
Ａ相とＢ相に、同相又は逆相の電圧を印加すると屈曲共
振振動が発生することは実施の形態１及び実施の形態２
に述べた。このとき同相で電圧を印加した場合を図１３
におけるα・γ方向とすると、逆相の場合は９０度方向
が異なり図１３におけるβ・δ方向になる。

【００４２】振動子４１が円柱の様に振動方向に対して
対称の場合には、この二方向の屈曲共振周波数は特に工
夫を要することなく一致する。Ａ相とＢ相には、この屈
曲共振周波数とおおよそ一致する周波数の電圧を印加す
る。そして、印加電圧を上記した同相（位相差０度）と
逆相（位相差１８０度）の中間の位相差９０度とする
と、二つの屈曲共振振動が位相が９０度ずれた状態で発
生する。

【００４３】このとき図１４に示すように、振動子４１
にロータ４２を押圧すると、振動子４１とロータ４２の
接触位置が次々と変化し、振動子４１とロータ４２の間
の摩擦力によりロータ４２が回転する。

【００４４】Ａ相とＢ相の電圧の位相差を＋９０度とす
るか−９０度とするかによって図１４Ｉ示すように振動
子４１とロータ４２の接触する位置の順番が変わり、そ
の結果ロータ４２の回転方向も切り替わる。

【００４５】本実施の形態３では、実施の形態１、実施
の形態２と比較して縦振動と捻れ振動の共振周波数を一
致させる工夫を特にする必要がなく、二方向の屈曲共振
周波数が一致するので、振動子４１の設計の自由度が比
較的大きい。なお、実施の形態１、実施の形態２の超音
波モータで駆動周波数を切り換えて縦−捻れモードを使
用するか屈曲−屈曲モードを使用するかを選択すること
も可能である。

【００４６】本実施の形態３では、実施の形態１、実施
の形態２の場合と同様、厚み方向に分極した圧電素子で
振動方向が９０度異なる屈曲振動を励起できるという効
果がある。また、板状の圧電素子の厚さを薄くして多数
枚積層することにより、低電圧でも必要とする大きさの
振幅が得られる。

【００４７】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、厚み方向
に分極した一種類の圧電素子のみで構成でき低価格化が
可能となり、さらに、その駆動電圧を低電圧化すること
ができる超音波モータを提供することができる。

【００４８】請求項２記載の発明によれば、請求項１記
載の発明の効果に加え、製作の容易な超音波モータを提
供することができる。

【００４９】請求項３記載の発明によれば、請求項１又
は２記載の発明の効果に加え、振動子の設計の自由度を
大きくできる超音波モータを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１の超音波モータの振動子
を示す分解斜視図である。

【図２】本発明の実施の形態１の超音波モータの振動子
を示す正面図である。

【図３】本発明の実施の形態１の超音波モータを示す正
面図である。

【図４】本発明の実施の形態１における板状圧電素子の
電極配置を示す説明図である。

【図５】本発明の実施の形態１における板状振動子の積
層構造及び電極相を示す説明図である。

【図６】本発明の実施の形態１における縦振動、屈曲振
動及び捻れ振動を示す説明図である。

【図７】本発明の実施の形態１における振動子端から溝
までの長さと、共振周波数との関係を示すグラフであ
る。

【図８】本発明の実施の形態２の超音波モータの振動子
を示す分解斜視図である。

【図９】本発明の実施の形態２の超音波モータの振動子
を示す正面図である。

【図１０】本発明の実施の形態２の超音波モータを示す
正面図である。

【図１１】本発明の実施の形態２の板状圧電素子の電極
配置を示す説明図である。

【図１２】本発明の実施の形態２の板状圧電素子の板状
振動子の積層構造及び電極相を示す説明図である。

【図１３】本発明の実施の形態３の振動子の駆動原理を
示す説明図である。

【図１４】本発明の実施の形態３の振動子の屈曲振動の
位相切り替えによるロータの駆動状態を示す説明図であ
る。

【図１５】従来の超音波モータを示す部分断面図であ
る。

【符号の説明】

１ 弾性体 ２ 弾性体 ３ 溝 ４ 圧電素子 ５ 圧電素子 ６ 圧電素子 ７ 圧電素子 ８ ビス ９ 耐摩耗材 １０ 振動子 １１ ロータ １３ バネ １４ ナット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 舟窪 朋樹 東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号 オリ ンパス光学工業株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 振動子と、 この振動子の高さ方向の一部を占めるように挟持される
   状態で、かつ、振動子の高さ方向に対して所定の傾斜を
   持たせて配置されるとともに、厚み方向に分極され各々
   分割電極を備えた１枚若しくは複数枚の板状圧電素子
   と、 前記振動子に押圧接触させた被駆動体と、 を有することを特徴とする超音波モータ。
2. 【請求項２】 振動子と、 この振動子の高さ方向の一部を占めるように挟持される
   状態で、かつ、振動子の高さ方向に対し略直交する角度
   で配置されるとともに、厚み方向に分極され各々電極位
   置が少しずつ異なる分割電極を備えた複数枚の板状圧電
   素子と、 前記振動子に押圧接触させた被駆動体と、 を有することを特徴とする超音波モータ。
3. 【請求項３】 前記板状圧電素子に設ける一対の電極相
   に対する印加電圧の位相差を９０度、−９０度とした際
   に生じる前記振動子の９０度位相のずれた屈曲共振振動
   を利用して前記被駆動体を回転駆動することを特徴とす
   る請求項１又は２に記載の超音波モータ。